JP5876179B2

JP5876179B2 - 発電装置

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Publication number: JP5876179B2
Application number: JP2015080834A
Authority: JP
Inventors: 渡邊　真; 真渡邊
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2015146727A

Description

本発明は、静電誘導を利用した発電装置に関する。

従来型の発電装置は、対向する一対の電極を備え、一方の電極に回転錘を歯車でつないで外部からの振動で回転錘が回転することで電極を回転させる構造の発電装置がある。（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の図５に示されているように、従来技術の発電装置は、第１の電極と帯電層であるエレクトレット層を有する第２電極と回転錘からなり、回転錘と電極を歯車で構成した増速機構で接続した構成となっている。

従来技術では、外部から振動が与えられると回転錘が回転し、増速機構によって回転錘の回転数を増加させて第１の電極を回転させ、対向する２つの電極間に静電誘導を発生させて発電する構造になっている。

特開２０１１−７２０７０号公報（図５）

特許文献１に記載されている発電装置では外部から与えられる振動により回転錘を回転させ、増速機構により回転数を増速して一方の電極を回転させる構造になっている。外部からの振動がなくなると回転錘の回転が止まってしまい発電も止ってしまう構造になっている。

また回転錘を動かすような大きな振動が発生しないと回転錘を回転させることができず、小さい振動が発生する場合などは回転錘が回転出来ずに発電しない場合がある。

さらに回転錘の重さで共振周波数が決まってしまうため、共振周波数以外の振動が発生した場合には回転錘はほとんど回転せず発電が行われない。

さらに回転錘は複数の歯車からなる増速機構につながっているため、各歯車の摩擦などが発生し、回転錘の重さを重くしなければ増速機構を動かすことができないため、回転錘を小型化することが難しく、発電装置全体のサイズが大きくなってしまう。

以上のことから明らかなように特許文献１に記載の発電装置では、共振周波数以外の振動が発生しないと発電が行えず、また振動が止まってしまうと電極の回転も止まってしまい発電も止ってしまう。

そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、外部からの大きな振動でも小さな振動でも発電し、さらにより低周波の外部振動に対しても発電でき、また振動が止まってもしばらく振動が持続する機構を持ち、発電している時間を従来よりも長くできる発電装置および発電機器を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の発電装置は、第１の電極を備えた第１の揺動部材と、
該第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
該第１の電極又は該第２の電極の一方に設けられた帯電体と、を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との相対的な揺動により発電を行う発電装置であって
前記第１の揺動部材は、中央部に第１の開口を有し、
該第１の開口には、軸と、該軸と前記第１の揺動部材を接続する弾性部材が配置され、
前記第１の揺動部材は、その揺動している方向と逆方向に復元力を有する前記弾性部材を介して支持されているとともに、前記軸の回りで揺動運動することを特徴とする。

上記構成を採用することで、外部からの小さな振動でも発電を継続でき、かつ、部品点数が少なく、小型軽量化が可能な、時計のような小型携帯機器に適した発電装置を実現できる。また、低周波の外部振動に対しても発電でき、また外部振動が止まってもしばらく振動が持続することで、発電している時間を従来よりも長くできる発電装置および発電機器が実現可能となる。

本発明の第１の実施形態で用いる揺動部材の構造を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態の変形例で用いる揺動部材の構造を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態の変形例で用いる揺動部材の構造を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態で用いる発電装置の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施形態で用いる発電装置の電極の位置関係を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態で用いる発電装置の構造を示す断面図である。本発明の第２の実施形態で用いる発電装置の振動の様子を示す概略図である。本発明の第２の実施形態の変形例で用いる発電装置の構造を示す断面図である。本発明の第３の実施形態で用いる発電装置の発電の機構を示す概略図である。本発明の第３の実施形態で用いる発電装置の発電の機構を示す概略図である。本発明の第４の実施形態で用いる発電機器の全体構造を示す断面図ある。

本発明の発電装置について、以下に図面を用いて説明する。

［第１の実施形態］
初めに、第１の実施形態として、本発明の基本実施形態を説明する。
図１は、本発明で用いる発電装置の揺動部材の構造を示す斜視図である。

第１の実施形態は、図１に示すように、１０は第１の揺動部材であり、第１の電極１１と第１の電極１１の外周部に配置された第１の錘１２とからなる。

第１の揺動部材１０は、開口１６に配置された軸１４と弾性部材１３を介して接続されていて、外部からの振動により軸１４の回りで揺動運動するように構成されている。

弾性部材１３は、第１の揺動部材１０を保持する役目も担っている。

第１の実施形態の第１の揺動部材１０の構成部材である第１の電極１１は、揺動運動を行う機械的要素の機能と電極としての電気的要素の機能を併せ持つように構成されている。そのため、鉄やステンレス、銅などの導電性の材料で構成されている。

なお、機械的要素としての揺動体の部分を、例えば非導電性の樹脂材料や回路基板で構成し、該非導電性の揺動体に電極を設ける構成としても良い。

さらに、第１の電極１１の下面に帯電体１５が形成する構成になっている。帯電体１５は後述の交流発電を行うために、周回状に間隔をあけて配置される。帯電体１５間には、軽量化のため開口１６が設けられている。

帯電体１５には、帯電しやすい材料を用い、例えばマイナスに帯電する材料としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）や、フッ素樹脂材料などを用いる。具体的には一例としてマイナスに帯電する材料として旭硝子製のフッ素樹脂材料であるＣＹＴＯＰ（登録商標）などがある。

さらに帯電体１５の材料としては、例えば、高分子材料としてポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などがあり、無機材料としては前述したシリコン酸化物（ＳｉＯ２）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）なども使用することができる。

また帯電体１５に電荷を持たせる方法として、コロナ放電を用いて帯電体１５にマイナスの電荷を保持させる方法がある。コロナ放電の方法としては、帯電体１５に対して数ｍｍ離した距離に固定したコロナ放電用ニードルに、−２０００Ｖから−８０００V程度の
電圧を印加して帯電体１５に対してマイナスの電荷を打ち込むことで帯電させる。

以下の実施形態では、帯電体１５は、マイナスに帯電されているものとして説明を行う。

本実施例では、第１の揺動部材１０の第１の電極１１に帯電体１５を設けた場合について説明するが、帯電体１５は、後述する対向電極である第２の電極４０の表面に形成してもよい。

第１の電極１１の外周部に配置された第１の錘１２は、第１の電極１１と同じ材質で構成してもよいが、銅や鉛などの重い金属材料を用いて構成してもよい。この第１の錘１２により第１の揺動部材１０全体の重量バランスが片寄るため、外部からの振動を受けることで第１の揺動部材１０は、軸１４を軸として揺動運動を起こすことができる。

また、第１の錘１２は第１の電極１１の外周部に配置された構成となっているが、第１の電極１１の外周部付近の表面に取り付けても良い。この場合、第１の錘１２の分だけ平面積を小さく出来る。

また第１の電極１１と軸１４と接続している弾性部材１３は、ピアノ線や炭素鋼などのバネ材を用いて構成されている。また本実施形態のように渦巻きバネを用いた場合は、バネの長さを調整することで、振動の共振周波数を変えることができ、搭載する機器が受ける外部振動に合わせて調整することができる。たとえば渦巻きバネの長さを長くすること
で共振周波数を低くすることができ、短くすることで共振周波数を高くすることもできる。

さらに本実施形態のように弾性部材１３に渦巻きバネを用いた場合は、長いバネを小スペースに収めることができるため、第１の揺動部材１０を小型にすることができ、小型でも低い共振周波数に対応させることができる。

したがって第１の電極１１の外周部に配置する第１の錘１２が小型軽量であっても、弾性部材１３と合わせることで、人の歩行などで発生する数Ｈｚの低い振動数の振動などでも十分に共振させる構造にすることができ、第１の揺動部材１０に揺動運動を起こすことができる。

また外部からの振動が止まった場合にも弾性部材１３の変形による揺動運動が完全に停止するまでしばらく続くため、第１の揺動部材１０の揺動運動は外部の振動が止まった後もしばらく継続させることができ、発電している時間を延長することが可能になる。

つぎに図４と図５を用いて、本発明の発電装置の構造を説明する。図４は本発明の発電装置の構造を示す断面図である。図５は本発明の発電装置の電極の位置関係を示す斜視図である。

まず図４を用いて本発明の発電装置の構造を説明する。図４に示すように、第１の電極１１に対向して、第２の電極４０を配置した構造になっている。第２の電極４０は、固定基板４１の表面に形成されている。

第１の電極１１と第２の電極４０の隙間は、１０ミクロンから２００ミクロンの隙間を設けて配置される。静電誘導発電では、電極間の隙間が狭い方が誘導される電圧が高いので、できるだけ隙間は狭い方がよい。

また固定基板４１は非導電性の樹脂材料等で形成されており、たとえば、ポリイミドやガラスエポキシ板などを用いる。第２の電極４０は、鉄やステンレス、銅などの導電性の材料で構成されていており、図示しないが、固定基板４１上の導電性材料で配線が形成され、後述する電気回路などへ接続出来るようになっている。

次に図５の斜視図を用いて帯電体１５と第２の電極との位置関係について説明する。

まず図５（ａ）に示すように本発明の発電装置の帯電体１５と第２の電極４０との位置関係は、第１の揺動部材１０の回転位置によって、第１の揺動部材に配置された帯電体１５と対向する固定基板４１に配置された第２の電極４０が重なるように配置されるようになっている。

また図５（ｂ）には、図５（ａ）の状態から第１の揺動部材１０が１電極分だけ回転した状態を示す。この状態では、第１の揺動部材１０に設けた開口１６と固定基板４１上の第２の電極４０が重なっている状態になり、帯電体１５は、第２の電極４０の間に位置するようになっている。

このような配置になっていることで、本発明の発電装置は第１の揺動部材１０が揺動運動をするときに、帯電体１５と第２の電極４０が重なる状態と重ならない状態を交互に繰り返すようにすることができる。このようにすることで第２の電極４０の表面に静電誘導現象により電荷を誘導させたり解放したりすることが可能になり、発電装置として機能させることが出来るようになる。

［第１の実施形態の変形例］
弾性部材１３としては、図１に示す渦巻きバネの他、以下のような変形例が可能である。

図２に、図１で示した第１の揺動部材１０の別の構成例を示す。
図２に示すように第１の電極１１と軸１４を接続している弾性部材１３を板バネにしても外部からの振動で第１の揺動部材は揺動運動をすることができる。

図２の構成の板バネは、図１の渦巻きバネよりも簡単に弾性部材１３を構成できる利点がある。

さらに図３に第１の揺動部材の別の構成例を示す。
図３に示す第１の揺動部材１０の第１の電極１１は軸１４と直接接続されており、外部の支持体３０とスプリング形状の弾性部材１３で接続された構造になっている。このような構成でも弾性部材１３の伸縮で第１の揺動部材１０は揺動運動を起こすことができる。

図３の構成の場合、中心軸にバネを配置しないので、中心軸付近の構成を簡略化することが可能である。

［第２の実施形態］
次に、図６に図４で示す発電装置とは別の第２の実施形態を説明する。
図６に示す第２の実施形態では、第２の電極の材質や第１の電極との隙間などは図４に示す実施例と同様であるが、図４の実施例とは異なり第１の揺動部材１０に対向して、第２の揺動部材６０を配置した構造になっている。

図６に示すように第２の揺動部材６０は揺動基板６１上に第２の電極４０を形成した構造になっている。さらに揺動基板６１の外周部に第２の錘６２を配置した構造になっている。このような構造にすることで、両方の電極が揺動することになる。

また第１の揺動部材１０と第２の揺動部材６０にそれぞれ配置される第１の錘１２と第２の錘６２は軸１４に対して反対の位置に配置する。このような構造にすることで外部の振動により第１の揺動部材１０と第２の揺動部材６０は常に逆向きの回転方向に揺動させることが可能になる。

図７に図６の実施形態における揺動部材の振動の様子を概略図で示す。
図７に示すように、本実施形態のように第１の錘１２と第２の錘６２が対角に配置された状態で、矢印で示す外部からの振動方向７０が発生した場合は、第１の錘１２と第２の錘６２は、矢印で示す錘の揺動方向７１の方向に揺動することになる。このとき第１の錘１２と第２の錘６２がそれぞれの揺動部材で反対側に配置されているため第１の揺動部材１０と第２の揺動部材６０には、逆向きの揺動運動が発生することになる。

また外部からの振動方向７０が、図６に示す方向とは異なる向きの振動になっても第１の錘１２と第２の錘６２は対角に位置しているため、常に逆向きの揺動振動を起こすことができる。

このように第１の揺動部材１０と第２の揺動部材６０を逆向きに揺動させることで、図４に示す実施形態のように片方を固定して回転しない場合よりもそれぞれの電極が交差する速度を２倍にすることができ、第１の揺動部材１０の揺動運動を２倍にした効果を得ることができる。揺動運動が上がると、出力波形が増えるため発電量をより増やすことがで
きる。

［第２の実施形態の変形例］
次に、図８に図７とは別の構成により対向する電極を逆向きの回転で揺動させる構成を示す。

図８に示す実施形態では、図４の実施形態とは異なり第１の揺動部材１０と対向する第２の電極４０を備えた可動基板８０は反転歯車８１で接続した構成になっている。

図８に示すように、可動基板８０は軸１４に対してベアリング８２で固定され回転することができるようになっている。したがって可動基板８０は、第１の揺動部材１０が回転すると反転歯車８１が回転し、可動基板８０を第１の揺動部材１０とは逆向きの方向に回転させることができる。

反転歯車８１は、図８の実施例では１つの歯車で構成した場合を示したが、複数の歯車を用いて構成してもよい。いずれにしても第１の揺動部材１０と可動基板８０の回転方向を逆向きにするように構成する。

このような構成にすることでも、対向する電極同士を逆回転させることが可能になり、発電量を増やすことができる。

［第３の実施形態］
次に図９を用いて、第３の実施形態における発電装置と電気回路との接続について説明する。図９は、図５（ａ）においてＡ−Ａ´の点線に沿った断面図である。

図９に示すように、第３の実施形態では第２の電極４０側からのみ出力を取り出す構成になっている。このような構成にすることで第１の揺動部材１０には出力の配線をする必要がなく、第１の揺動部材１０は揺動運動のみを行うだけでよいので、より構造を簡単にすることができる。

本実施例では図４で示す発電装置を用いた場合について説明するが、図６や図８に示す実施形態の発電装置を用いた場合は、第２の電極４０も揺動運動をするため、第２の電極４０を回路に接続するためにブラシ電極などを用いて回転しながら電気的接続を行う方法を用いて電気回路と接続を行う。

いずれにしても第２の電極４０からのみ配線を取り出すだけでよく、第１の揺動部材１０からも配線を取り出す場合に比べて配線をより簡単にすることができる。

図９に示すように、固定基板４１上の第２の電極４０から取り出した配線９０は、ダイオード９１を使った整流回路９２に接続され、さらにコンデンサまたは２次電池等を用いた蓄電部材９３に接続されている。

第２の電極４０から出力される電圧は、第１の揺動部材１０が揺動することにより静電誘導が交互に発生するため、交流の波形が出力される。具体的には、第１の揺動部材１０に形成する帯電体１５と対向する位置になる第２の電極４０と、帯電体１５と対向しない位置にいる第２の電極４０とは逆の極性となるので、それぞれの配線９０を整流回路９２の入力端子に接続する。

発電装置から出力された交流波形は、整流回路９２により直流に変換され蓄電部材９３に充電されることになる。さらに後段に接続されている電子機器回路９４を駆動させるに
十分な電気が充電されれば後段の電子機器回路９４を駆動させることができる。

次に図１０（ａ）（ｂ）を用いて第３の実施形態の発電装置の発電方法について説明する。

まず図１０（ａ）に示す第１の電極１１と第２の電極４０の状態では、第１の電極１１の帯電体１５と対向している第２の電極４０の表面に帯電体１５が帯電している電荷と反対の電荷が誘導される。本実施例の場合は帯電体１５はマイナスに帯電しているので、対向する第２の電極４０の表面にはプラス電荷１００が誘導されることになる。帯電体１５と対向していない第２の電極４０には誘導現象が発生しない状態になる。

次に、図１０（ｂ）に第１の揺動部材１０が回転して電極１つ分移動した位置に来たときの様子を示す。
この場合は、図１０（ａ）でプラス電荷１００が誘導された第２の電極４０は、図１０(ｂ）の位置では、対向する第１の電極１１には帯電体１５が無いため、図１０（ａ）で誘導されたプラス電荷１００は解放され、配線９０を通って後段の整流回路へ流れるとことになる。さらに図１０（ｂ）で新たに第１の電極１１の帯電体１５と対向した第２の電極４０上には新たにプラス電荷１００が誘導される。

このように第１の揺動部材１０が揺動することによって第２の電極４０の表面に交互に電荷の誘導と解放が発生し後段の整流回路へ電気が流れることになる。
このように第１の揺動部材１０を揺動させることで、発電を行うことができる。

［第４の実施形態］
続いて、第４の実施形態についての説明を、図１１を用いて説明する。
図１１に、本発明の発電装置をボタン電池の形状に収納しパッケージ化し、発電機器とした場合の構造を断面図で示す。

図１１には一例として図４に示した発電装置の構造をパッケージ化した場合を示している。

図１１に示すように筒状のパッケージ筐体１１０の内部の底面に整流回路９２と蓄電部材９３を載せた回路基板１１１を配置してあり、その上に図４の発電装置を配置した構造になっている。本実施例では、第２の電極４０側を回路基板１１１のある底面側へ配置する。第２の電極４０は、詳細は図示しないが、整流回路９２へ接続されるように回路基板１１１と出力配線１１２で電気的に接続されている。

さらに軸１４の両端部はそれぞれ蓋１１３と回路基板１１１に固定されている。

次に、パッケージ化した場合の筐体と蓋の電極の接続について説明する。

回路基板１１１の蓄電部材９３のプラス極にあたる電極からパッケージ筐体１１０へ電気的に接続させるプラス配線１１４を接続し、パッケージ筐体１１０をプラス極とするようになっている。

さらに回路基板１１１の蓄電部材９３のマイナス極にあたる電極から蓋１１３とマイナス配線１１５を用いて電気的に接続する。さらに蓋１１３はパッケージ筐体１１０とは絶縁部材１１６を介して固定されており電気的にパッケージ筐体１１０と蓋１１３は絶縁されている。このようにすることで蓋１１３はマイナス極とすることができる。

このような構造にすることで本発明の発電装置のパッケージは、一般的なボタン電池と同じ構造の電極にすることができ、見かけ上はボタン電池と同様だが、自己発電する発電機器とすることができる。

したがって１次電池型のボタン電池を使用する機器に本発明の発電機器を使用できるようになり、ボタン電池を本発明の発電機器に取り替えることで、容易に、振動で発電して駆動する自己発電駆動型の電子機器にすることができる。

従来技術の発電装置の場合、回転錘が必要なので全体のサイズが大型化し、また、非常に小さなベアリング装置を組み入れる必要があるため、本実施形態のような電池型発電装置の実現は不可能であった。

それに対し、本実施形態の場合、中央軸支された揺動体を渦巻きばねで支持するだけの簡単な構成で実現可能なため、小型・軽量で発電効率の良い電池型発電装置を実現できる。

さらに従来技術の発電装置では、回転錘の共振周波数を下げるために錘を大きくする必要があったが、本実施形態では長いバネを渦巻き状に巻いて電極中央部に収めることが出来るため、小型でも共振周波数を低くすることが可能になる。

以上の説明からも明らかなように、本発明の発電装置および発電機器を用いることで、人の歩行などの動作で発生する低い周波数の外部振動に共振し、さらに外部からの振動が止まった後でもしばらく振動が持続して発電を続ける発電装置をつくることができる。

したがって従来よりも発電時間を長くすることができ、より多く発電ができるようになる。

さらに従来例に比べても部品点数を少なくすることができ、従来では難しかった小型のボタン電池型の発電機器を作ることが可能になる。

また本発明の発電装置をボタン電池形状にパッケージ化した発電機器を、１次電池を使用する電子機器に用いることで、容易に振動により発電して駆動する自己発電駆動型の電子機器にすることが可能になる。

１０第１の揺動部材
１１第１の電極
１２第１の錘
１３弾性部材
１４軸
１５帯電体
１６開口
３０支持体
４０第２の電極
４１固定基板
６０第２の揺動部材
６１揺動基板
６２第２の錘
７０外部からの振動方向
７１錘の揺動方向
８０可動基板
８１反転歯車
８２ベアリング
９０配線
９１ダイオード
９２整流回路
９３蓄電部材
９４電子機器回路
１００プラス電荷
１１０パッケージ筐体
１１１回路基板
１１２出力配線
１１３蓋
１１４プラス配線
１１５マイナス配線

Claims

第１の電極を備えた第１の揺動部材と、
該第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
該第１の電極又は該第２の電極の一方に設けられた帯電体と、を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との相対的な揺動により発電を行う発電装置であって、前記第１の揺動部材は、中央部に第１の開口を有し、
該第１の開口には、軸と、該軸と前記第１の揺動部材を接続する弾性部材が配置され、
前記第１の揺動部材は、その揺動している方向と逆方向に復元力を有する前記弾性部材を介して支持されているとともに、前記軸の回りで揺動運動する
ことを特徴とする発電装置。
前記弾性部材と前記第１の揺動部材は、同じ高さ位置に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記第１の電極が、周回状に間隔をあけて配置され、
前記第１の電極間には、第２の開口が設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
前記帯電体は前記第１の揺動部材の前記第１の電極に形成され、
前記第２の電極は、固定基板に形成され、
前記第１の揺動部材は、該固定基板に対して揺動する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の発電装置。
前記弾性部材が渦巻きバネである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の発電装置。