JP6456360B2

JP6456360B2 - 電子機器

Info

Publication number: JP6456360B2
Application number: JP2016511594A
Authority: JP
Inventors: 健作松本; 伊原　隆史; 隆史伊原; 渡邊　真; 真渡邊; 輝和泉
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: CN106134065A; US20170019035A1; EP3128666A1; WO2015151996A1; CN106134065B; JPWO2015151996A1; EP3128666A4; US10361642B2; EP3128666B1

Description

本発明は、発電機能付き電子機器に関する。

腕時計等の小型の携帯型電子機器において、電池の交換の手間を省くべく、発電機能を搭載することが行われる。そのような電子機器に用いられる発電機構としては種々のものがあるが、エレクトレットを用いた振動発電の原理を用いたものが提案されている。

特許文献１には、携帯型電気機器に用いられる発電装置であって、渦巻きバネにより支持された回動錘と一体に回転する電極をエレクトレット膜に対向配置したものが記載されている。

特開２０１３−５９１４９号公報

上述のエレクトレットを用いた回転型の発電装置は、携帯型の電子機器に搭載され、携帯中における当該電子機器の姿勢の変化により発電をすることが意図される。しかしながら、上掲の特許文献１のように、電極を回転錘、渦巻きバネ、固定部材の順に接続し支持する構造とすると、電子機器の姿勢の変化如何によっては渦巻きバネが巻きあがり又は伸びきってしまい、電極の回転運動が行えなくなることが懸念される。また、電極の回転運動の固有角振動数は渦巻きバネのバネ定数と当該渦巻きバネにより弾性支持される質量により一意に定まることになる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、エレクトレットを用いた回転型の発電装置を搭載した電子機器において、渦巻きバネの巻きあがり及び伸びきりを防止することである。また、本発明のさらなる追加の課題は、エレクトレットを用いた回転型の発電装置を搭載した電子機器において、外部から与えられる種々の周期の振動に対して効率よく発電することである。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）自由回転可能に支持され、重心が回転中心から偏った少なくとも１つの第１の回転部材と、自由回転可能に支持された少なくとも１つの第２の回転部材と、前記第１の回転部材と前記第２の回転部材をその回転運動に関し互いに弾性的に接続する弾性部材と、前記第２の回転部材と対向して設けられる固定部材と、を有し、前記第２の回転部材と前記固定部材のいずれかの表面にエレクトレット膜が設けられた発電機構を備えた電子機器。

（２）（１）において、前記第１の回転部材の慣性モーメントの値と前記第２の回転部材の慣性モーメントの値は互いに異なる電子機器。

（３）（２）において、前記第１の回転部材の慣性モーメントの値は前記第２の回転部材の慣性モーメントの値より大きい電子機器。

（４）（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記弾性部材の弛緩状態において、前記第１の回転部材の回転中心からみた重心方向と、前記第２の回転部材の回転中心からみた重心方向とがなす角θは、０°＜θ＜１８０°である電子機器。

（５）（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記第２の回転部材の表面に前記エレクトレット膜が設けられた電子機器。

（６）（１）〜（５）のいずれかにおいて、前記第２の回転部材は、重心が回転中心から偏っている電子機器。

（７）（１）〜（６）のいずれかにおいて、前記第１の回転部材の表面にエレクトレット膜が設けられ、前記第１の回転部材と対向して設けられる追加の固定部材が設けられる電子機器。

（８）（１）〜（７）のいずれかにおいて、前記第２の回転部材、前記固定部材及び前記弾性部材は複数設けられ、前記複数の第２の回転部材は、前記弾性部材によりその回転運動に関し互いに弾性的に接続される電子機器。

（９）（１）〜（８）のいずれかにおいて、前記弾性部材の径方向外側への広がりを規制する規制部を有する電子機器。

（１０）（１）〜（８）のいずれかにおいて、前記第２の回転部材の中心部には貫通孔が設けられ、前記弾性部材は前記貫通孔の内周面側に収容される電子機器。

上記（１）の側面によれば、エレクトレットを用いた回転型の発電装置を搭載した電子機器において、渦巻きバネの巻きあがり及び伸びきりを防止することができる。

上記（２）の側面によれば、入力される外部からの振動の周波数と、発電に用いる電極の回転振動の周波数を異なるものとすることができる。

上記（３）の側面によれば、入力される外部からの振動の周波数に対し、発電に用いる電極の回転振動の周波数を高いものとすることができ、発電効率が向上する。

上記（４）の側面によれば、外部からの振動に対する感受性を高め、入力される振動の方向によらずに発電することができる。

上記（５）の側面によれば、配線が固定部材に対しなされるため、発電機構の構造が簡素なものとなる。

上記（６）の側面によれば、外部から与えられる種々の振動に対し、より広範囲の周波数にわたり運動エネルギーを回収することができ、発電効率が向上する。

上記（７）の側面によれば、エレクトレット膜の面積を広くとり、なおかつコンパクトな構成とすることができる。

上記（８）の側面によれば、外部から与えられる種々の振動に対し、さらに広範囲の周波数にわたり運動エネルギーを回収することができ、発電効率が向上する。

上記（９）の側面によれば、渦巻きバネの径方向外側への伸びきりを原因とする発電機構の破損を抑制することができる。

上記（１０）の側面によれば、発電機構の回転軸方向の厚みを薄くすることで発電機構の小型化を実現し、かつ渦巻きバネの径方向外側への伸びきりを原因とする発電機構の破損を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る電子機器の平面図である。本発明の第１実施形態に係る電子機器の断面図である。発電機構の作動原理を説明する概略回路図である。発電機構の斜視図である。本発明の第１実施形態に係る発電機構の主要部の構造の模式断面図である。発電機構の第１の変形例に係る斜視図である。軸Ｃが水平方向を向いている場合の、ＷとＥの向きを示す図である。発電機構の第１の変形例に係る発電機構の主要部の構造の模式断面図である。発電機構の第２の変形例に係る主要部の構造の模式断面図である。発電機構の第３の変形例に係る主要部の構造の模式断面図である。発電機構の第３の変形例における、Ｗ、Ｅ１及びＥ２の向きの関係を示す図である。本発明の第２実施形態に係る発電機構の模式断面図である。本発明の第３実施形態に係る発電機構の要部斜視図である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電子機器１の平面図である。この実施形態では、電子機器１を腕時計としたが、他の機器、例えば懐中時計や、電子方位計等の計器や通信機器であってもよい。いずれにせよ、後述するように電子機器１には電子機器１自体の姿勢の変化を利用して発電する発電機構が搭載されることが予定されているから、その姿勢の変化が頻繁になされるような機器、例えば小型携帯式の機器であることが好ましい。

電子機器１は図示のとおり指針式の時計であり、時針、分針、秒針が電子機器１の中央に配置された指針軸２を回転中心として、同軸に設けられている。しかしながら指針の数や配置はこれに限定されるものでなく任意であるし、また液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを利用して情報を表示するいわゆるデジタル式のものであってもよく、これらを組み合わせたものであってもよい。もちろん、電子機器１が時計でない場合には電子機器１はその機能に応じた外観となる。

電子機器１は、ケース４の内部に後述する発電機構、ムーブメント及び蓄電デバイスを収容しており、それらの機構は文字板３の背後に配置され覆い隠されている。図１に例示した文字板３のデザインも又任意であり、文字板３自体を透明なものとしたり省略したりしてケース４内部の機構を視認できるようにする、いわゆるスケルトン仕様としてもよい。その場合、本実施形態では後述するように文字板３のすぐ背後に発電機構が配置されているため、電子機器１の使用者はかかる発電機構を視認することとなる。しかしながら、ケース４の内部に収容される各機構の配置も又任意である。

図２は、本実施形態に係る電子機器１の断面図である。ケース４内には、ムーブメント５が収容されており、ムーブメント５の上側に発電機構６、文字板３がこの順に配置されている。また、ムーブメント５の下側には、蓄電デバイス７が取り付けられている。これらの機構は、ケース４に下側から挿入され、裏蓋８によりケース４内に固定される。また、文字板３の中央からはムーブメント５から延びる指針軸２が発電機構６を貫通して突出しており、各指針が取り付けられる。ケース４の上側には、ガラス等の透明な風防９が取り付けられ、各指針や文字板を保護している。

本実施形態では、発電機構６の平面視における外径はほぼムーブメント５のものと等しく、発電機構６とムーブメント５とが電子機器１の高さ方向に積み重ねられる構造となっているが、この構造は必須のものではない。発電機構６とムーブメント５の上下の配置を逆転させてもよいし、発電機構６をムーブメント５の一部として組み込むようにしてもよい。

以降、各部材について簡単に説明すると、文字板３は、発電機構６の上面に設けられ、その表面に時字を始めとする各種の表示を設けることにより、電子機器１の使用者が指針が指す時刻を読み取ることができるようにするものである。文字板３の材質は特に限定されず、合成樹脂や貝殻や岩石等の天然材料、各種金属を用いてよい。

ムーブメント５は、指針を駆動するための輪列とモータ、時刻を計時する水晶振動子を含む時計回路、電子機器１全体を制御するコントローラ等を地板と呼ばれる枠に一体に組み付けたものである。ムーブメント５は、ムーブメント５に取り付けられた蓄電デバイス７から電力を得て動作する。蓄電デバイス７は、ムーブメント５に電力を供給すると同時に、発電機構６により発電された電力を蓄積するものであり、ここでは、ボタン型のリチウム二次電池である。しかしながら、蓄電デバイス７の形状や種類は特に限定されるものではなく、各種二次電池以外にも、リチウムイオンキャパシタ等の電気二重層コンデンサを使用してもよい。

発電機構６は、エレクトレットを用いた回転型の発電装置であり、電子機器１の姿勢の変化、例えば、使用者の腕に着用された状態における、歩行時の腕の動きによる振動のエネルギーを回転錘１０により回転運動として取り出し、渦巻きバネ１１を介してエレクトレット電極１２を回転振動させ、対向電極１３より電気的エネルギーとして回収するものである。なお、本実施形態では、回転錘１０は発電機ケース１６に固定されたベアリング１７により、エレクトレット電極１２は発電機ケース１６に回転支持された中空軸１８に固定されることにより、それぞれ指針軸２と同軸に自由回転可能に支持されている。なお、この構成は一例であり、回転錘１０とエレクトレット電極１２がそれぞれ自由回転可能に支持されていればその支持方法や回転軸の位置は限定されない。

図３は、発電機構６の作動原理を説明する概略回路図である。図示のように、エレクトレット電極１２と対向電極１３は、所定のわずかな間隔をあけて平行となるように対向して配置されており、両者は、その面内の方向に相対的にある程度の移動ができるように支持されている。本実施形態では、対向電極１３が固定され、エレクトレット電極１２がその面内で回転振動するように支持されている。

エレクトレット電極１２の対向電極１３側の面には、エレクトレット膜１４が所定の帯電状態となるように形成されている。図示の例では、エレクトレット膜１４の対向電極１３側が負電荷を持つように帯電している。そして、エレクトレット膜１４及び対向電極１３は平面形状が実質的に等しい縞形状であり、両者の相対移動により、エレクトレット膜１４と対向電極１３が正対する状態とそうでない状態が入れ替わる。

これにより、対向電極１３がエレクトレット膜１４に正対している状態では、エレクトレット膜１４の表面電荷に誘導されて対向電極１３に反対極性の電荷が蓄積される（図示の例では、正電荷が対向電極１３に蓄積される）。その後、エレクトレット電極１２が移動し、エレクトレット膜１４が対向電極１３に正対しない状態となると、対向電極１３に誘導され蓄積された電荷が掃き出され、整流回路１５により整流されて蓄電デバイス７に蓄積される。ムーブメント５等の負荷は、こうして蓄電デバイス７に蓄積された電力を使用して駆動される。

ここで、エレクトレット膜１４の材料には、帯電しやすい材料を用い、例えば負電荷に帯電する材料としては酸化珪素や、フッ素樹脂等がある。かかる材料の具体的な一例として、旭硝子株式会社製のフッ素樹脂であるＣＹＴＯＰ（登録商標）が挙げられる。さらに、その他にもエレクトレット膜１４の材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルクロライド、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルデンジフルオライド、ポリビニルフルオライド等の高分子材料や、前述の酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等の無機材料も使用することができる。

図４は、発電機構６の斜視図である。発電機ケース１６に設けられた開口からは、回転錘１０と、エレクトレット電極１２及び対向電極１３が部分的に見えている。なお、同図では、発電機ケース１６に遮られて一部見えない部分を破線で示した。

図示のように、回転錘１０は回転の中心となる軸Ｃに対してその重心が偏るように設けられており、発電機構６（すなわち、電子機器１）の姿勢の変化や作用する加速度に応じて軸Ｃ周りに自由に回転するように支持されている。一方、エレクトレット電極１２は、図示のように放射状に多数のスリットが設けられており、周方向に縞形状に形成されている。エレクトレット電極１２の対向電極１３と対向する面（図中下面）にはエレクトレット膜１４が形成される。エレクトレット電極１２もまた、軸Ｃ周りに自由に回転するように支持されている。なお、この実施形態では、エレクトレット電極１２の重心の位置は軸Ｃに一致する。

一方、対向電極１３は発電機ケース１６に固定されている。なお、図示の構造においてエレクトレット電極１２と対向電極１３を入れ替えてもよいが、対向電極１３は図３に示した整流回路１５への配線が必要であることから、固定するようにした方が発電機構６の構造が簡素なものとなる。

そして、回転錘１０とエレクトレット電極１２とは、渦巻きバネ１１により互いに接続される。これにより、渦巻きバネ１１がその自由長にある場合にはエレクトレット電極１２は特に回転運動をすることはないが、回転錘１０が姿勢の変化による重力加速度や外部から作用する加速度により回転すると、渦巻きバネ１１は巻き上げられ又は巻き出されることとなるから、渦巻きバネ１１とエレクトレット電極１２は回転錘１０に対し単振動系を構成し、エレクトレット電極１２は回転振動を始める。このエレクトレット電極１２の回転振動により対向電極１３に誘導される電荷を回収し整流することにより発電機構６は発電を行う。

図５は、本実施形態に係る発電機構６の主要部の構造の模式断面図である。図示するように、回転錘１０は回転の中心となる軸Ｃに対しベアリング１７により自由回転可能に支持され、また、エレクトレット電極１２は軸Ｃに対し中空軸１８により同じく自由回転可能に支持されている。そして、回転錘１０とエレクトレット電極１２とは渦巻きバネ１１により、軸Ｃ周りの回転運動を互いに弾性的に支持されている。エレクトレット電極１２の対向電極１３に向き合う面にはエレクトレット膜１４が形成され、対向電極１３は図示しない発電機ケース１６に固定されている。

かかる構造では、渦巻きバネ１１は回転錘１０とエレクトレット電極１２に取り付けられ、発電機ケース１６等の固定部材に取り付けられないから、全体として自由回転可能であり、巻き上がってしまったり、伸びきったりすることはない。また、回転錘１０の慣性モーメントＩ_ｗとエレクトレット電極１２の慣性モーメントＩ_ｅは、Ｉ_ｗ＞Ｉ_ｅとなるように定められる。通常、腕の振り等の使用者の動作により回転錘１０が検出する回転振動の周波数は、３〜５Ｈｚ程度であるが、エレクトレットを利用した振動発電においては、実験の結果、３０〜４０Ｈｚ以上の回転振動において発電効率が最大となることが見出されている。そして、単振動の周期は慣性モーメントの平方根に反比例するため、Ｉ_ｗ＞Ｉ_ｅとすることにより、エレクトレット電極１２を回転錘１０より高い周期で振動させることができ、より効率的に発電をすることができる。

なお、本発明は、自由回転可能に支持され、重心が回転中心から偏った少なくとも１つの第１の回転部材と、自由回転可能に支持された少なくとも１つの第２の回転部材と、前記第１の回転部材と前記第２の回転部材をその回転運動に関し互いに弾性的に接続する弾性部材と、前記第２の回転部材と対向して設けられる固定部材と、を有し、前記第２の回転部材と前記固定部材のいずれかの表面にエレクトレット膜１４が設けられた発電機構を備えた電子機器として一般化して記述することができるが、本実施形態では、回転錘１０が第１の回転部材に、エレクトレット電極１２が第２の回転部材に、渦巻きバネ１１が弾性部材に、そして対向電極１３が固定部材に相当し、エレクトレット膜１４はエレクトレット電極１２、すなわち、第２の回転部材に設けられることとなる。

図６は、発電機構６の第１の変形例に係る斜視図である。この変形例は、先の図４に示した例に対し、エレクトレット電極１２の外周の一部分に第二回転錘１９が取り付けられている点が異なっている。エレクトレット電極１２は、この第二回転錘１９が取り付けられたため、その重心の位置が回転軸Ｃから偏った位置となる。また、この変形例でも先の例と同様に、回転錘１０の慣性モーメントＩ_ｗとエレクトレット電極１２の慣性モーメントＩ_ｅの値を互いに異なるものとする（本変形例では、Ｉ_ｗ＞Ｉ_ｅ）。このようにすることにより、この発電機構６の系は連成振動系となり、固有角振動数を２つ持つことになるから、外部から与えられる種々の振動に対し、より広範囲の周波数にわたり運動エネルギーを回収することができるようになり、発電効率が向上する。

さらに、平面視において、軸Ｃに対する回転錘１０の重心の向きをＷ、軸Ｃに対するエレクトレット電極１２の重心の向きをＥとし、ＷとＥがなす角度をθとしたときに、０°＜θ＜１８０°とすることが好ましく、より好ましくは、４５°＜θ＜１３５°とする。本変形例では、θ＝９０°である。

この構成には、２つの効果が期待できる。図７は、軸Ｃが水平方向を向いている場合の、ＷとＥの向きを示す図である。図中縦の軸は鉛直方向を、横の軸は水平方向を示す。この状態では、図示のように、ＷとＥとはその合成重心の軸Ｃに対する向きが鉛直下向きとなる向きで安定する。このとき、重力により、回転錘１０には、Ｗが鉛直下向きとなるように図中で時計回りの、エレクトレット電極１２にはＥが鉛直下向きとなるように図中で反時計回りのトルクが発生する。これらのトルクは渦巻きバネ１１をわずかに巻き上げ又は巻き出すように作用するため、自由状態において渦巻きバネ１１は若干巻き上げられ又は巻き出された状態となる（すなわち、図中ＷとＥがなす角はθより小さい）。ここで、発電機構６に外部からの振動が入力された時、渦巻きバネ１１が弛緩状態にあるときはその振動を拾って振動を開始しにくい傾向にあるのに対し、渦巻きバネ１１が緊張状態にある時は、振動に対し鋭敏に反応し速やかに振動を開始する傾向がある。そのため、本変形例の構成は、外部からの振動に対する感受性が高まるという第１の効果が期待できる。

また、回転錘１０とエレクトレット電極１２の慣性モーメント値の差は主としてその質量差に起因しているため、ここでは図示のように、Ｗが概ね鉛直下向きに近い向きに、Ｅが概ね水平方向に近い向きとなって安定する。そのため、回転錘１０の重心は概ね水平方向に移動しやすく、エレクトレット電極１２の重心は概ね鉛直方向に移動しやすいから、発電機構６に水平方向の振動が与えられた場合には当該振動を回転錘１０が、また鉛直方向の振動が与えられた場合には当該振動をエレクトレット電極１２が吸収する。そのため、本変形例の構成は、発電機構６に加えられる振動の向きによらず発電できるという第２の効果が期待できる。

図８は、本変形例に係る発電機構６の主要部の構造の模式断面図である。この例においても、回転錘１０及びエレクトレット電極１２は軸Ｃに対し自由回転可能に支持され、渦巻きバネ１１により、軸Ｃ周りの回転運動を互いに弾性的に支持されている。エレクトレット電極１２の外周部には第二回転錘１９が取り付けられている。なお、第二回転錘１９のエレクトレット電極１２への固定は、これまで示したように、エレクトレット電極１２の上面に固定する態様に限定されない。その他にも、第二回転錘１９をエレクトレット電極１２の外周面に固定したり、エレクトレット電極１２が固定される中空軸１８（図２参照）に別途固定するようにしてもよい。

発電機構６は、さらなる変形が可能である。図９は、発電機構６の第２の変形例に係る主要部の構造の模式断面図である。この変形例では、回転錘を用いる代わりに、エレクトレット電極を２つ用いるようにしている。

すなわち、第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂの２つがそれぞれ軸Ｃに対し自由回転可能に支持されており、それぞれエレクトレット膜１４が互いに向き合う側の面に設けられている。第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂの間には絶縁性の固定基板２０が配置され、その両面にそれぞれ、第１のエレクトレット電極１２ａと向き合うように第１の対向電極１３ａと、第２のエレクトレット電極１２ｂと向き合うように第２の対向電極１３ｂが設けられる。第１のエレクトレット電極１２ａの外周部には第二回転錘１９が、第２のエレクトレット電極１２ｂの外周部には第三回転錘２１がそれぞれ設けられる。そして第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂとは、渦巻きバネ１１により、軸Ｃ周りの回転運動を互いに弾性的に支持されている。

この構造では、第１のエレクトレット電極１２ａの回転振動と、第２のエレクトレット電極１２ｂの回転振動の両方から発電する。そのため、エレクトレット膜１４の面積を広くとり、なおかつコンパクトな構成とすることができる。また、第二回転錘１９が取り付けられることにより、第１のエレクトレット電極１２ａの重心は軸Ｃから偏っており、第三回転錘２１が取り付けられることにより、第２のエレクトレット電極１２ｂの重心もまた軸Ｃから偏ることとなる。先の変形例で説明したと同様に、この変形例においても、第１のエレクトレット電極１２ａの慣性モーメントＩ_ｅ１と第２のエレクトレット電極Ｉ_ｅ２の値は異なることが望ましい。また、平面視における軸Ｃに対する第１のエレクトレット電極１２ａの重心の向きをＥ１、第２のエレクトレット電極１２ａの重心の向きをＥ２として、Ｅ１とＥ２がなす角度をθとしたときに、０°＜θ＜１８０°とすることが好ましく、より好ましくは、４５°＜θ＜１３５°とする。この変形例では、θ＝９０°である。

なお、本変形例を先に述べた本発明の一般化表現に照らし説明すると、第１の回転部材は第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂのいずれか一方であればよく、第２の回転部材はそのいずれか他方となる。渦巻きバネ１１が弾性部材に、そして第１の対向電極１３ａ又は第２の対向電極１３ｂが固定部材に相当することとなる。

図１０は、発電機構６の第３の変形例に係る主要部の構造の模式断面図である。この変形例では、回転錘に加え、エレクトレット電極を２つ用いるようにしている。

すなわち、回転錘１０、第１のエレクトレット電極１２ａ及び第２のエレクトレット電極１２ｂの３つがそれぞれ軸Ｃに対し自由回転可能に支持されている。エレクトレット膜１４は、第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂが互いに向き合う側の面に設けられている。さらに第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂの間には絶縁性の固定基板２０が配置され、その両面にそれぞれ、第１のエレクトレット電極１２ａと向き合うように第１の対向電極１３ａと、第２のエレクトレット電極１２ｂと向き合うように第２の対向電極１３ｂが設けられる。第１のエレクトレット電極１２ａの外周部には第二回転錘１９が、第２のエレクトレット電極１２ｂの外周部には第三回転錘２１がそれぞれ設けられる。そして回転錘１０と第１のエレクトレット電極１２ａとは第１の渦巻きバネ１１ａにより、また、第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂとは、第２の渦巻きバネ１１ｂにより、軸Ｃ周りの回転運動を互いに弾性的に支持されている。

この構造では、回転錘１０、第１のエレクトレット電極１２ａ及び第２のエレクトレット電極１２ｂの３つの部材が自由回転可能であり、それぞれ弾性的に支持されることにより、３自由度の連成振動系を構成している。そのため、本変形例では系の固有角振動数は３つとなり、より幅広い周波数の振動入力に対して発電が可能である。

なお、本変形例においても、回転錘１０の慣性モーメントＩ_Ｗ、第１のエレクトレット電極１２ａの慣性モーメントＩ_ｅ１及び第２のエレクトレット電極Ｉ_ｅ２の値は互いに異なることが望ましい。また、最も慣性モーメントの大きい部材は回転錘１０とすることが望ましく、図１１に示すように、平面視における軸Ｃに対する回転錘１０の重心の向きをＷ、第１のエレクトレット電極１２ａの重心の向きをＥ１、第２のエレクトレット電極１２ｂの重心の向きをＥ２とし、ＷとＥ１がなす角度をθ１、ＷとＥ２がなす角度をθ２としたときに、０°＜θ１＜１８０°、０°＜θ２＜１８０°とすることが好ましく、より好ましくは、４５°＜θ１＜１３５°、４５°＜θ２＜１３５°とする。この変形例では、θ１＝θ２＝９０°である。

なお、本変形を先に述べた本発明の一般化表現に照らし説明すると、回転錘１０が第１の回転部材に相当し、第２の回転部材は第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂの複数（２つ）が存在することになる。第１の渦巻きバネ１１ａ及び第２の渦巻きバネ１１ｂは弾性部材に、第１の対向電極１３ａ及び第２の対向電極１３ｂは固定部材にそれぞれ相当し、これらも又複数（２つ）存在することとなる。そして、複数の第２の回転部材、すなわち、第１のエレクトレット電極１２ａと第２のエレクトレット電極１２ｂは、弾性部材（第２の渦巻きバネ１１ｂ）によりその回転運動に関し互いに弾性的に接続される。

なお、以上の例では回転錘が１つのみ、エレクトレット電極は１つ又は２つの場合を示したが、以下同様に、さらにこれらの数を増加させることも可能である。その場合、自由回転する部材を、順に渦巻きバネにて軸Ｃの周りの回転運動を互いに弾性的に支持し、全体としていわゆる連成振動系を構成するようにするとよい。系の自由度が増すごとに固有角振動数の数が増加するので、より広範な周波数に対する応答が可能となる。

図１２は、本発明の第２実施形態に係る発電機構２６の模式断面図である。なお、以下で説明する第２実施形態の発電機構２６の作動原理は、第１実施形態で説明したものと同様であるため、その詳細な説明については省略する。図１２に示すように、発電機構２６は、エレクトレット電極２２と、対向電極２３と、固定車５０とを有し、それらを発電機ケース１６に収容する。第２実施形態においては、エレクトレット膜２４がエレクトレット電極２２の両面に形成され、それぞれのエレクトレット膜２４に向き合うように対向電極２３が発電機ケース１６に固定して設けられている。固定車５０は、増速機３０と噛み合うギア部５１と、発電機ケース１６に軸支される回転軸５２とを有し、重心が回転中心から偏った回転錘１０の回転力が増速機３０を介して増速して伝達されることにより回転軸５１を中心に回転する。なお、増速機３０はギア比の異なる複数の歯車によって構成される増速輪列であってもよい。また、増速機３０は必須の構成ではないので、増速機３０を有さず、回転錘１０と固定車５０が同軸上で回転する構成であってもよい。

また、エレクトレット電極２２の回転中心部には貫通孔が形成されており、その貫通孔に固定車５０の回転軸５１が挿通されている。そして、エレクトレット電極２２の貫通孔の内周面２２ａと、固定車５０の回転軸５１の外周面をその回転運動に関し互いに弾性的に接続するように、渦巻きバネ１１がエレクトレット電極２２の内周面２２ａ側に収容される。なお、エレクトレット電極２２と渦巻きバネ１１はＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いて一体に成型してもよい。

また、エレクトレット電極２２と対向電極２３が適切な間隔を維持できるように、エレクトレット電極２２には、エレクトレット電極２２の回転に伴い発電機ケース１６に摺動するガイド部２２ｂが設けられている。ガイド部２２ｂは、環状であってもよいし、周方向の一部に設けられるものでもよい。また、ガイド部２２ｂは、エレクトレット電極２２側ではなく、発電機ケース１６側に固定して設けられて、回転するエレクトレット電極２２に摺動する構成であってもよい。

さらに、図１２に示した例では、ガイド部２２ｂは、エレクトレット電極２２の径方向内側に設けられているが、これに限定されず、径方向外側、例えば、外周縁に設けてもよく、径方向内側と外側の両方に設けてもよい。また、ガイド部２２ｂの材質は摩擦が小さく摺動性に優れたものが好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂や、油含有焼結金属等を用いてもよい。あるいは摺動面にこれらの材質の膜を設けてもよい。

以上説明した構成を採用することにより、第２実施形態においては、渦巻きバネ１１の径方向外側への広がりがエレクトレット電極１２の貫通孔の内周面２２ａにより規制される。そのため、第１実施形態で説明した効果に加えて、渦巻きバネ１１の径方向外側への伸びきりを原因とする発電機構２６の破損を抑制する効果が期待できる。また、渦巻きバネ１１がエレクトレット電極１２の内周面２２ａ側に収容される分、発電機構２６の回転軸５１方向の厚みを薄くできるため、発電機構２６の小型という効果も期待できる。

さらに、エレクトレット電極２２が渦巻きバネ１１により支持されることから、その厚み方向の位置が変化しやすくなるが、エレクトレット電極２２との間隙はガイド部２２ｂにより一定に保たれる。

なお、第２実施形態を本発明の一般化表現に照らすと、回転錘１０が第１の回転部材に、エレクトレット電極２２が第２の回転部材に、渦巻きバネ１１が弾性部材に、対向電極２３が固定部材に、そして貫通孔の内周面２２ａが規制部に相当する。

図１３は、本発明の第３実施形態に係る発電機構３６の要部斜視図である。図１３においては、第３実施形態の特徴的部分を示すための便宜上、回転錘、エレクトレット電極及び対向電極は不図示とする。

発電機構３６は、固定車１５０と、エレクトレット電極と一体に回転するエレクトレット電極軸７０を有する。エレクトレット電極軸７０は、不図示の発電機ケースに回転可能に支持される。なお、固定車１５０、エレクトレット電極、対向電極は、エレクトレット電極軸７０の軸線方向において、固定車１５０、エレクトレット電極、対向電極の順に並んで配置される。

固定車１５０は、自由回転可能に支持され重心が回転中心から偏った回転錘から回転力が伝達されることで回転する。また、固定車１５０の回転中心部には貫通孔が形成されており、その貫通孔にエレクトレット電極軸７０が挿通されている。そして、固定車１５０とエレクトレット電極軸７０は、渦巻きバネ１１によってその回転運動に関し互いに弾性的に接続されている。なお、エレクトレット電極軸７０と渦巻きバネ１１はＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いて一体に成型してもよい。

さらに、図１３に示すように、固定車１５０の面上（本実施形態では下面）であって渦巻きバネ１１の径方向外側には、環状の壁６０が形成されている。この壁６０によって渦巻きバネ１１の径方向外側への広がりが規制される。そのため、第１実施形態で説明した効果に加えて、渦巻きバネ１１の径方向外側への伸びきりを原因とする発電機構３６の破損を抑制する効果が期待できる。なお、図１３では壁６０が周方向の全周に亘って環状に形成されているが、この構成に限られるものではなく、渦巻きバネ１１の広がりを規制するものであれば、例えば、周方向の一部にのみ壁が設けられる構成でもよい。また、壁部６０は、第２実施形態で説明したガイド部２２ｂの役割を兼用してもよい。すなわち、壁部６０は、エレクトレット電極と対向電極とが適切な間隔を維持できるよう、エレクトレット電極２２に摺動する構成であってもよい。なお、第３実施形態を本発明の一般化表現に照らすと、回転錘（不図示）が第１の回転部材に、エレクトレット電極（不図示）が第２の回転部材に、対向電極（不図示）が固定部材に、そして壁６０が規制部に相当する。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、この実施形態に示した具体的な構成は一例として示したものであり、本発明の技術的範囲をこれに限定することは意図されていない。当業者は、これら開示された実施形態を適宜変形してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

Claims

自由回転可能に支持され、重心が回転中心から偏った少なくとも１つの第１の回転部材と、
自由回転可能に支持された少なくとも１つの第２の回転部材と、
前記第１の回転部材と前記第２の回転部材をその回転運動に関し互いに弾性的に接続する弾性部材と、
前記第２の回転部材と対向して設けられる固定部材と、を有し、前記第２の回転部材と前記固定部材のいずれかの表面にエレクトレット膜が設けられた発電機構を備えた電子機器。
前記第１の回転部材の慣性モーメントの値と前記第２の回転部材の慣性モーメントの値は互いに異なる請求項１に記載の電子機器。
前記第１の回転部材の慣性モーメントの値は前記第２の回転部材の慣性モーメントの値より大きい請求項２に記載の電子機器。
前記弾性部材の弛緩状態において、前記第１の回転部材の回転中心からみた重心方向と、前記第２の回転部材の回転中心からみた重心方向とがなす角θは、０°＜θ＜１８０°である請求項１〜３のいずれかに記載の電子機器。
前記第２の回転部材の表面に前記エレクトレット膜が設けられた請求項１〜４のいずれかに記載の電子機器。
前記第２の回転部材は、重心が回転中心から偏っている請求項１〜５のいずれかに記載の電子機器。
前記第１の回転部材の表面にエレクトレット膜が設けられ、
前記第１の回転部材と対向して設けられる追加の固定部材が設けられる請求項１〜６のいずれかに記載の電子機器。
前記第２の回転部材、前記固定部材及び前記弾性部材は複数設けられ、
前記複数の第２の回転部材は、前記弾性部材によりその回転運動に関し互いに弾性的に接続される請求項１〜７のいずれかに記載の電子機器。
前記弾性部材の径方向外側への広がりを規制する規制部を有する請求項１〜８のいずれかに記載の電子機器。
前記第２の回転部材の回転中心部には貫通孔が設けられ、
前記弾性部材は前記貫通孔の内周面側に収容される請求項１〜８のいずれかに記載の電子機器。