JP6607847B2 - 発電装置、及び携帯型電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、回転錘の運動によって電極を回転させて発電する発電装置、及び当該発電装置を用いた携帯型電気機器に関する。

半永久的に電荷を保持する性質を持つエレクトレット材料を利用した発電装置がある。この発電装置は、エレクトレット材料により構成されたエレクトレット電極、及びこれと対向する対向電極を備えており、両者の重なり面積が変化することによって生じる静電誘導を利用して発電する。このような発電装置は、比較的小型で、装置自身の運動によって生じる電極の振動を電気エネルギーに変換することができるという利点がある。そのため、例えば腕時計などのように、人が身につけたり持ち運んだりする携帯型電気機器への採用が検討されている。

通常、上記発電装置においては、発電効率を向上させるために、複数のエレクトレット電極が互いに間隔を空けて並べて配置され、これと対向するように対向電極も複数並べて配置されている。このような構成によれば、各エレクトレット電極を各対向電極に対して相対移動させることによって、複数の対向電極から同時に電力を取り出すことができる。特許文献１〜４では、エレクトレット電極、及び対向電極をいずれも環状に並べて配置しており、その一方を回転させることによって、複数の対向電極で同時に充放電を行っている。

特開２０１１−０９７７１８号公報 特開２０１１−０７８２１４号公報 特開２０１３−０５９１４９号公報 特開２０１１−０７２０７０号公報

上記発電装置において、複数の対向電極、及び複数のエレクトレット電極のいずれか（以下、回転電極群という）を回転させる場合、その回転軸に回転錘を連結する。これにより、発電装置自体が運動することで、慣性により回転錘が回転し、この回転と連動して回転電極群が回転する。ここで、発電に適した回転電極群の回転速度と、発電装置の運動によって生じる回転錘の回転速度との間にはずれがあることが通常である。例えば発電装置が腕時計に内蔵される場合、人の歩行時などの腕の動きによって回転錘を回転させることになるが、この場合の回転錘の回転速度は発電装置の望ましい回転速度と比較して数分の１程度になる。このような回転速度のずれを解消するために、特許文献４のように回転錘と回転電極群との間に増速機構を設けることも考えられる。しかしながら、増速機構を設けると、その負荷により逆に回転錘が回転しにくくなるという問題がある。また、回転錘の回転が減速したり、逆回転をした場合、回転電極群の慣性エネルギーを損なうという問題もある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであって、その目的の一つは、効率よく回転電極群を回転させてエレクトレット発電を行うことのできる発電装置、及び当該発電装置を用いた携帯型電気機器を提供することにある。

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）それぞれエレクトレット材料により面状に形成され、第１の面に沿って互いに間隔を空けて環状に並んで配置される複数のエレクトレット電極と、前記第１の面に対向する第２の面に沿って、前記複数のエレクトレット電極と対向するように環状に並んで配置される複数の対向電極と、回転可能に支持される回転錘と、前記回転錘の回転による動力を、前記複数のエレクトレット電極及び前記複数の対向電極のいずれか一方の回転電極群に伝達し、当該回転電極群を回転させることによって他方の電極群に対して相対移動させる動力伝達機構と、を備え、前記動力伝達機構は、前記回転錘の所定の一方向の回転のみを伝達するクラッチ機構を含むことを特徴とする発電装置。

（２）において、前記動力伝達機構は、前記回転錘の回転の速度を増速させて伝達する増速機構をさらに備えることを特徴とする発電装置。

（３）（１）又は（２）において、前記回転電極群は一つの基板に固定され、前記動力伝達機構は前記基板を回転させることによって前記回転電極群を回転させ、前記基板には、その外周よりに基板錘が取り付けられていることを特徴とする発電装置。

（４）（１）から（３）のいずれかにおいて、前記動力伝達機構は、前記回転錘の前記所定の一方向とは逆方向の回転のみを前記回転電極群に伝達する第２クラッチ機構をさらに含むことを特徴とする発電装置。

（５）（１）から（４）のいずれかにおいて、前記回転錘は、その回転中心から重心までの距離が、当該回転錘の回転速度の変動に応じて変化することを特徴とする発電装置。

（６）（１）から（５）のいずれかにおいて、前記エレクトレット電極は前記クラッチ機構のうち前記対向電極に対向する側の面に形成されることを特徴とする発電装置。

（７）（１）から（６）のいずれかの発電装置と、前記発電装置によって発電された電力を消費して動作する負荷と、を備える携帯型電気機器であって、当該携帯型電気機器自身の運動によって、前記回転錘が回転運動することを特徴とする携帯型電気機器。

（８）（７）において、利用者の手動による操作を受け付ける操作部材と、前記操作部材が受け付けた操作によって生じる動力を前記回転電極群に伝達する操作動力伝達機構と、をさらに備えることを特徴とする携帯型電気機器。

（９）（７）又は（８）において、前記発電装置によって発電された電力により駆動し、前記発電による電圧を降圧して出力する降圧回路をさらに備えることを特徴とする携帯型電気機器。

上記（１）の側面によれば、回転錘の一方向の回転のみが回転電極群に伝達されることで、回転電極群を効率的に回転させることができる。

上記（２）の側面によれば、より回転電極群を高速で回転させることができる。

上記（３）の側面によれば、慣性により回転電極群の回転を維持させやすくすることができる。

上記（４）の側面によれば、回転錘の両方向の回転を効率的に回転電極群に伝達することによって、回転電極群を高速で回転させることができる。

上記（５）の側面によれば、発電装置が搭載された携帯型電気機器が運動しなくなった後も、回転錘の回転を維持させやすくすることができる。

上記（６）の側面によれば、発電装置の回転軸方向の厚みを薄くでき、発電装置の小型化を実現できる。

上記（７）の側面によれば、本発明に係る発電装置を利用して、効率的に内部での発電が可能な携帯型電気機器を実現できる。

上記（８）の側面によれば、手動で発電装置による発電を行わせることができる。

本発明の第１の実施形態に係る発電装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る発電装置を備える携帯型電気機器の概略構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る発電装置の動力伝達機構を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る発電装置の動力伝達機構を説明するための説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る発電装置の動力伝達機構を説明するための説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る発電装置の動力伝達機構を説明するための説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る発電装置の動力伝達機構を説明するための説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る発電装置の動力伝達機構を説明するための説明図である。 回転錘の変形例を示す平面図である。 回転錘の変形例を示す平面図である。 回転錘の変形例を示す部分断面斜視図である。 操作動力伝達機構の第１の例を示す説明図である。 操作動力伝達機構の第２の例を示す説明図である。 操作動力伝達機構の第２の例を示す説明図である。 発電波形と降圧回路の駆動状態を示すタイミングチャートである。 本発明の第７の実施形態に係る発電装置の動力伝達機構を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る発電装置１０の概略構成を示す斜視図である。また、図２は、発電装置１０を内蔵する携帯型電気機器１の概略構成を示す構成図である。図１に示すように、発電装置１０は、第１基板１１と、複数のエレクトレット電極１２と、第２基板１３と、複数の対向電極１４と、回転軸１５と、を含んで構成されている。さらに、図１には示されていないが、発電装置１０は回転錘１６と動力伝達機構１７とを含んでいる。また、図２に示すように、携帯型電気機器１は、発電装置１０と、整流回路２と、蓄電部材３と、負荷４と、降圧回路５と、を含んで構成されている。

第１基板１１は、金属などの導電体で形成されており、全体として略円盤型の形状をしている。第１基板１１には、その中心位置から見て放射状に並ぶ複数の貫通孔が設けられている。これら貫通孔のそれぞれは、略台形の形状をしており、その第１基板１１の外周及び中心に向けられる２辺は、第１基板１１の外周に沿って弧状に形成されている。この貫通孔によって、第１基板１１の中心と外周との間には、複数の略台形の導電体が互いに間隔を空けて放射状に並んで形成されることになる。

第１基板１１に形成される略台形の導電体の第２基板１３側の面上には、エレクトレット電極１２が膜状に形成されている。このエレクトレット電極１２も、全体として略台形の形状をしており、その第１基板１１の外周及び中心に向けられる２辺が、第１基板１１の外周に沿って弧状に形成されている。エレクトレット電極１２は、エレクトレット材料を含んで構成され、マイナスの電荷を保持している。なお、ここではエレクトレット電極１２はマイナスに帯電しているものとするが、エレクトレット電極１２はプラスに帯電する材料で構成されてもよい。エレクトレット材料は、帯電しやすい材料であって、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が用いられる。マイナスに帯電する材料の具体的な一例としては、旭硝子製のフッ素樹脂材料であるＣＹＴＯＰ（登録商標）がある。さらにその他のエレクトレット材料としては、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、ここでは各エレクトレット電極１２の第２基板１３側の面を含む仮想的な平面を、第１の面Ｓ１という。複数のエレクトレット電極１２は、この第１の面Ｓ１に沿って互いに間隔を空けて環状に並んで配置されている。

第２基板１３は、第１基板１１と同様に金属などの導電体で形成されており、その形状及び大きさも第１基板１１と対応している。すなわち、第２基板１３は略円盤型の形状をしており、第１基板１１と略同型、及び同数の貫通孔が設けられている。この貫通孔によって、第２基板１３の中心と外周との間にはエレクトレット電極１２と略同型、及び同数の導電体が放射状に並んで形成されることになる。これら複数の導電体は、そのまま対向電極１４として機能する。第１基板１１と第２基板１３とは、互いに平行、かつ対向するように配置されており、そのため第１基板１１上の各エレクトレット電極１２は、第２基板１３の対向電極１４と対向するようになっている。なお、ここでは複数の対向電極１４の第１基板１１側の面を含む仮想的な平面を、第２の面Ｓ２という。第２の面Ｓ２は第１の面Ｓ１と対向しており、複数の対向電極１４はこの第２の面Ｓ２に沿って互いに間隔を空けて環状に並んで配置されている。

回転軸１５は、第１の面Ｓ１及び第２の面Ｓ２に直交し、第１基板１１の中心と第２基板１３の中心を貫通するように配置されている。さらに、第１基板１１は、回転軸１５を中心として回転可能に支持されている。一方、第２基板１３は、携帯型電気機器１の筐体に対して固定されている。

このような構成により、第１基板１１は、携帯型電気機器１自身の運動に伴って図１及び２において矢印で示すように回転する。なお、図には示されていないが、第１基板１１を回転させるために、回転錘１６が動力伝達機構１７を介して回転軸１５に連結されている。回転錘１６及び動力伝達機構１７によって第１基板１１を回転させる構成については、後に詳しく説明する。この第１基板１１の回転によって、各エレクトレット電極１２は対向電極１４に対してその重なり面積が変化するように第１の面Ｓ１上を相対移動する。この回転により各エレクトレット電極１２がいずれかの対向電極１４と正面から対向する状態まで移動すると、静電誘導によって対向電極１４にはエレクトレット電極１２と逆の極性（ここではプラス）の電荷がチャージされる。そこから第１基板１１がさらに回転してエレクトレット電極１２が対向電極１４と対向しない状態、すなわちエレクトレット電極１２が第２基板１３の貫通孔と対向する状態になると、対向電極１４にチャージされた電荷が放電される。このように、第１基板１１の回転によって、各対向電極１４で電荷の充放電が繰り返されることになる。

各対向電極１４の充放電によって、発電装置１０から整流回路２側に電流が流れる。この電流は、整流回路２によって整流される。そして、降圧回路５によって電圧が降圧されて蓄電部材３に入力される。これにより発電装置１０によって発電された電力が蓄電部材３に蓄積される。蓄電部材３に蓄積された電力は、必要に応じて負荷４に供給される。蓄電部材３は、リチウム二次電池などの充放電可能な二次電池であってもよいし、電荷を蓄積するコンデンサであってもよい。負荷４は、携帯型電気機器１の機能を実現するための回路であって、蓄電部材３から供給される電力を消費して動作する。例えば携帯型電気機器１が腕時計の場合、負荷４は計時回路などを含み、現在時刻の計時などの各種の制御を行う。

以下、回転錘１６及び動力伝達機構１７の構成について、図３を用いて説明する。図３は、動力伝達機構１７の構成を説明するための図であって、発電装置１０を側面方向から見た際の各部材の位置関係を模式的に示している。ただし、この図では第２基板１３の図示は省略されている。なお、以下では説明のために、回転錘１６及び動力伝達機構１７によって回転させる対象となる複数のエレクトレット電極１２を、回転電極群と総称する。

回転錘１６は、回転軸２１によって回転可能に支持されており、その重心位置は回転中心である回転軸２１から離れた位置に存在している。回転錘１６は、携帯型電気機器１自身の運動によって回転する。例えば携帯型電気機器１が腕時計の場合、腕時計を装着した使用者が歩行したりして腕を動かすことにより、回転錘１６が回転する。なお、回転錘１６は時計回り、反時計回りのいずれの向きにも回転可能になっているものとする。

回転錘１６の回転によって生じた動力は、動力伝達機構１７によって回転電極群に伝達される。本実施形態において特徴的なことの一つは、この動力伝達機構１７がクラッチ機構２２を備えていることである。なお、これまで説明した回転軸２１、回転軸１５、及び第１基板１１も動力伝達機構１７の一部を構成している。

本実施形態におけるクラッチ機構２２は、いわゆるワンウェイクラッチ機構であって、回転錘１６の回転のうち、所定の一方向の回転のみを回転電極群に伝達する。以下ではクラッチ機構２２が伝達する回転錘１６の回転の方向を正方向という。また、正方向と反対の回転の方向を逆方向という。クラッチ機構２２は、公知の各種の方式によって実現されてよい。図３に示されるように、クラッチ機構２２は回転軸２１、及び回転軸１５のそれぞれとかみ合って連動するように構成されている。これにより、回転錘１６が正方向に回転した場合、その動力は回転軸２１、クラッチ機構２２、回転軸１５、及び第１基板１１に順に伝達され、第１基板１１に固定された回転電極群を所定の一方向に回転させる。なお、図３では、回転電極群の回転方向は回転錘１６の正方向に一致している。一方、回転錘１６が逆方向に回転した場合、その動力はクラッチ機構２２によって遮断されて回転錘１６は空転し、その回転は回転電極群に伝達されない。

ここで、比較例として、ワンウェイクラッチ機構であるクラッチ機構２２を備えない動力伝達機構を用いた携帯型電気機器の動作について説明する。図１３（ａ）は、比較例の発電波形と降圧回路の駆動状態を示すタイミングチャートである。比較例の携帯型電気機器は、携帯型電気機器自身の運動によって回転錘１６が右方向の回転と左方向の回転を交互に繰り返し、右方向の回転および左方向の回転のいずれの回転も回転電極群に伝達される構成である。すなわち、回転錘１６が右方向に回転すると回転電極群は右方向に回転し、回転錘１６が左方向に回転すると回転電極群は左方向に回転する。このように、回転錘１６の回転方向と回転電極群の回転方向が同じとなる構成においては、回転錘１６の回転方向が変わる際、回転電極群の回転が急激に減速することとなる。

回転電極群の回転が急激に減速すると発電装置１０による発電が停止する期間が生じ、その期間において降圧回路５の駆動が停止する。減速、停止した回転電極群が反対方向に回転を開始することによる発電の再開に伴い降圧回路５の駆動も再開するが、一度停止した降圧回路５が再度駆動するための立ち上げ期間が生じてしまう。このように、比較例の構成においては、回転電極群の回転が減速して発電が停止する期間に加えて、降圧回路５の立ち上げ期間が生じる分、充電効率が低下してしまう。

一方、第１実施形態においては、上述したように、クラッチ機構２２が回転錘１６の正方向の回転のみを回転電極群に伝達することにより、回転電極群は常に一方向に回転し続けることになる。具体的に、携帯型電気機器１自身の運動によって回転錘１６は正方向の回転と逆方向の回転とを交互に繰り返すが、このうち逆方向の回転は回転電極群に伝達されない。そのため、回転錘１６が逆方向に回転している間、回転電極群は慣性によって正方向に回転し続け、急激に減速することがない。そのため、第１実施形態においては、図１３（ｂ）のタイミングチャートに示すように、回転錘１６の回転方向が変わっても回転電極群が急激に減速しないため発電波形が急激に低減することはない。そのため、発電装置１０の発電により駆動する降圧回路５は駆動を停止することなく継続する。そして、回転錘１６が再び正方向に回転すると、その動力により回転電極群の回転は加速される。そのため本実施形態に係る発電装置１０によれば、クラッチ機構２２を介在させることにより、回転電極群の回転速度を大きくすることができる。しかも、増速機構のみによって回転速度を増大させる場合と比較して、回転錘１６に負荷をかけないようにすることができ、回転錘１６の回転によって生じる動力を効率的に回転電極群に伝達することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態に係る発電装置及び携帯型電気機器は、動力伝達機構１７の構成が第１実施形態とは相違するが、その他の構成は図１及び図２に示した第１実施形態のものと同様である。そのため、以下では第１実施形態と同一の構成要素については同一の参照符号を用いて参照し、その詳細な説明については省略する。

図４は、本実施形態における動力伝達機構１７の構成を説明するための説明図である。同図に示されるように、本実施形態の動力伝達機構１７は、クラッチ機構２２のほかに、増速機構２３を含んでいる。

増速機構２３は、クラッチ機構２２と回転軸１５の間に配置されており、クラッチ機構２２が伝達する回転を増速して回転軸１５に伝達する。増速機構２３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などであってよい。

本実施形態では、回転錘１６の正方向の回転が増速機構２３によって増速されて回転電極群に伝達される。そのため、第１実施形態と比較して、さらに回転電極群の回転速度を増大させることができる。一方で、クラッチ機構２２を介在させることにより、増速機構２３だけで回転錘１６の回転を増速させる場合と比較して、目標の回転速度を得るために必要な回転錘１６への負荷を少なくすることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態に係る発電装置及び携帯型電気機器は、後述する基板錘２４が第１基板１１に取り付けられているほかは、第２実施形態のものと同様である。そのため、第２実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図５は、本実施形態における動力伝達機構１７の構成を説明するための説明図である。同図に示されるように、本実施形態では、第２実施形態と同様に、動力伝達機構１７がクラッチ機構２２と増速機構２３を含んで構成されている。さらに、回転電極群が固定された第１基板１１に対して、基板錘２４が取り付けられている。この基板錘２４は、第１基板１１の外周に沿って固定されている。これにより第１基板１１の慣性モーメントが大きくなっており、第１基板１１の回転が維持されやすくなっている。特に本実施形態では、回転電極群の回転速度を上昇させるために、回転錘１６が逆方向に回転している間も、回転電極群が回転し続けることが望まれる。基板錘２４があることにより、回転錘１６からの動力が回転電極群に伝達されない間も、回転電極群の回転を維持しやすくなる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態についても、第２実施形態の場合と同様に、動力伝達機構１７を除いて第１実施形態と同様の構成を備えている。

図６は、本実施形態における動力伝達機構１７の構成を説明するための説明図である。同図に示されるように、本実施形態では、第２実施形態と同様に、動力伝達機構１７がクラッチ機構２２と増速機構２３を含んで構成されている。しかしながら、第２実施形態と異なり、増速機構２３はクラッチ機構２２と回転軸１５の間ではなく、回転軸２１とクラッチ機構２２の間に配置されている。これにより増速機構２３は、回転軸２１から伝達される回転錘１６の回転を増速してクラッチ機構２２に伝達する。

本実施形態によれば、第２実施形態と同様に、第１実施形態と比較して回転電極群の回転速度を増大させることができる。また、本実施形態では、第２実施形態と比較して回転電極群の回転を維持しやすくなっている。これは以下の理由による。すなわち、第２実施形態では、クラッチ機構２２によって回転錘１６からの動力伝達が切断されている間、増速機構２３及びクラッチ機構２２の両方が、第１基板１１が慣性で回り続ける際の負荷となっている。これに対して本実施形態では、増速機構２３がクラッチ機構２２に対して回転電極側ではなく回転錘１６側に配置されているので、クラッチ機構２２が動力伝達を切断している間、第１基板１１の回転に対する負荷となるのはクラッチ機構２２までであって、増速機構２３は負荷とならない。そのため、クラッチ機構２２が動力伝達を切断している間、第２実施形態と比較して回転電極群の慣性による回転が維持しやすくなっている。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態についても、第２実施形態の場合と同様に、動力伝達機構１７を除いて第１実施形態と同様の構成を備えている。

図７は、本実施形態における動力伝達機構１７の構成を説明するための説明図である。同図に示されるように、本実施形態における動力伝達機構１７は、回転錘１６の正方向の回転を伝達するためのクラッチ機構２２のほかに、第２クラッチ機構２５、及び歯車２６を備えている。

第２クラッチ機構２５は、クラッチ機構２２と同様のワンウェイクラッチ機構である。ただし、回転軸２１と第２クラッチ機構２５との間には歯車２６が介在しており、これにより第２クラッチ機構２５に対しては回転錘１６の回転による動力がクラッチ機構２２とは逆回転で入力される。そのため、第２クラッチ機構２５は、回転錘１６の逆方向の回転のみを回転電極群に伝達する。本実施形態における動力伝達機構１７は、クラッチ機構２２と第２クラッチ機構２５の組み合わせによって、いわゆるツーウェイクラッチ機構としての機能を実現している。

具体的に、回転錘１６が正方向に回転する場合、第２実施形態と同様にその動力はクラッチ機構２２を経由して回転電極群に伝達され、回転電極群を所定の一方向（ここでは回転錘１６の正方向と一致する方向）に回転させる。一方で、回転錘１６が正方向に回転すると、歯車２６は逆方向に回転するが、第２クラッチ機構２５はその回転を伝達しない。逆に回転錘１６が逆方向に回転する場合、クラッチ機構２２はその回転を伝達しないが、第２クラッチ機構２５には回転錘１６が正方向に回転した場合とは逆の回転が入力され、第２クラッチ機構２５はその回転を回転電極群に伝達する。しかも、第２クラッチ機構２５から回転電極群に伝達される回転の向きは、回転錘１６が正方向に回転した際にクラッチ機構２２から伝達される回転の向きと一致する。これにより、回転錘１６が正方向に回転する場合、及び逆方向に回転する場合のいずれの場合にも、その回転によって生じる動力が同じ向きで回転電極群に伝達される。つまり、本実施形態では、第１実施形態などでは無視されていた回転錘１６の逆方向への回転による動力も、回転電極群を回転させるために用いられることになる。そのため、効率よく大きな回転速度で回転電極群を回転させることができる。

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態についても、動力伝達機構１７を除いて第１実施形態と同様の構成を備えている。

図８は、本実施形態における動力伝達機構１７の構成を説明するための説明図である。本実施形態では、第５実施形態と同様のツーウェイクラッチ機構としての作用が、遊星歯車によって実現される。具体的に、本実施形態の動力伝達機構１７は、クラッチ機構２２、第２クラッチ機構２５のほかに、遊星歯車２７、第１遊星キャリア２８、第２遊星キャリア２９、及び固定歯車３０を含んで構成されている。また、回転錘１６は回転軸２１ではなく第１遊星キャリア２８に取り付けられている。遊星歯車２７は、上歯車２７ａ、及び下歯車２７ｂと、この両者を連結し、第１遊星キャリア２８を貫通する連結軸２７ｃとを含んで構成されており、第１遊星キャリア２８の回転と連動して公転する。また、上歯車２７ａと下歯車２７ｂは互いに連動して自転する。上歯車２７ａは固定歯車３０とかみ合っており、下歯車２７ｂは第２遊星キャリア２９とかみ合っている。

回転錘１６が正方向に回転する場合、これと連動して第１遊星キャリア２８が正方向に回転し、その回転はクラッチ機構２２を介して回転軸１５に伝達される。これにより、回転電極群も正方向に回転することになる。このとき、遊星歯車２７は第１遊星キャリア２８とともに正方向に公転しつつ、上歯車２７ａと固定歯車３０とのかみ合わせによって正方向に自転する。この正方向への自転は下歯車２７ｂから第２遊星キャリア２９に伝達され、第２遊星キャリア２９を逆方向に回転させる。しかしながら、第２クラッチ機構２５はこの第２遊星キャリア２９の逆方向の回転を伝達しない。

一方、回転錘１６が逆方向に回転する場合、これと連動して第１遊星キャリア２８は逆方向に回転するが、クラッチ機構２２はこの逆方向の回転を伝達しない。このとき、遊星歯車２７は逆方向に公転しつつ逆方向に自転する。この逆方向の自転により、第２遊星キャリア２９は正方向に回転する。第２クラッチ機構２５は、この正方向の回転を回転軸１５に伝達する。これにより、回転電極群は正方向に回転する。

このように、本実施形態の伝達機構１７によれば、第５実施形態と同様に、回転錘１６が正方向に回転する場合、及び逆方向に回転する場合のいずれの場合にも、その回転による動力が回転電極群に伝達されて回転電極群を正方向に回転させる。これにより、回転電極群を回転錘１６よりも大きな回転速度で効率よく回転させることができる。

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態に係る発電装置及び携帯型電気機器は、クラッチ機構２２の構成が第１実施形態と相違するが、その他の構成には図１及び図２に示した第１実施形態のものと同様である。

図１４は、第７実施形態における動力伝達機構の構成を説明するための説明図である。図１４に示すように、第７実施形態の動力伝達機構は、第１実施形態で説明した第１基板１１（図３参照）を有しない。そのため、クラッチ機構２２の最下面が他の部材を介さず対向電極１４（図１４においては不図示）に直接対向する。図１４に示すように、クラッチ機構２２のうち対向電極１４に対向する最下面を有する部分をクラッチ下部２２ａ、クラッチ下部２２ａ以外の部分をクラッチ上部２２ｂとする。第７実施形態においては、クラッチ下部２２ａの最下面にエレクトレット電極１２を互いに間隔を空けて環状に並べて配置する。

クラッチ機構２２のクラッチ下部２２ａは、回転錘１６の回転に伴い、回転軸１５を中心に回転する。このクラッチ下部２２ａの回転によって、第１実施形態と同様に、エレクトレット電極１２は対向電極１４に対してその重なり面積が変化するように相対移動し、各対向電極１４で電荷の充放電が行われる。なお、クラッチ下部２２ａの径は、クラッチ上部２２ｂの径よりも大きく、クラッチ下部２２ａの最下面に形成したエレクトレット電極１２が対向電極１４と対向して重なるのに十分な大きさとした。

以上説明したように、第７実施形態においては、クラッチ機構２２が第１実施形態で示した第１基板１１の役割を兼ねた構成を採用することにより、発電装置の回転軸１５方向の厚みを薄くでき、発電装置及び当該発電装置を使用する携帯型電気機器の小型化を実現できる。

［回転錘の変形例］
次に、回転錘１６の変形例について説明する。以上の説明では、いずれの実施形態においても、回転錘１６は単一の剛体によって形成されているものとしている。しかしながら、回転錘１６は複数の部材によって構成され、その回転速度に応じて全体の重心位置が変化するように構成されてもよい。

図９Ａ及び図９Ｂは、この変形例における回転錘１６の構成を示す図であって、いずれも発電装置１０を上方から見た平面図である。また、図１０は、回転錘１６の回転中心を通る断面を示す部分断面斜視図である。これらの図に示されるように、回転錘１６は、第１錘要素３１、第１回転軸３２、第２錘要素３３、第２回転軸３４、及び基台３５を含んで構成されている。

第１錘要素３１は、重心部３１ａ、腕部３１ｂ、及び係合部３１ｃを含んで構成されている。重心部３１ａは第１錘要素３１の重心を含み、その重量の大部分が集中する主要部分である。重心部３１ａは略扇形に形成されている。係合部３１ｃは、略扇形に形成されており、その弧の部分に歯形が設けられている。重心部３１ａと係合部３１ｃとは腕部３１ｂを介して連結されており、腕部３１ｂと係合部３１ｃとの境界近傍に第１回転軸３２が固定されている。第１錘要素３１は、この第１回転軸３２を中心として基台３５に対して回転する。第２錘要素３３も、第１錘要素３１と同様の形状で、重心部３３ａ、腕部３３ｂ、及び係合部３３ｃを含んで構成されており、第２回転軸３４を中心として基台３５に対して回転する。また、第１錘要素３１の係合部３１ｃと第２錘要素３３の係合部３３ｃとは、その歯形が互いにかみ合うように配置されている。これにより第１錘要素３１と第２錘要素３３とは、互いに連動して逆向きに回転する。

第１回転軸３２及び第２回転軸３４は、いずれも基台３５によって回転可能に支持されている。さらに、基台３５は動力伝達機構１７を構成する回転軸２１に固定されており、この回転軸２１を中心として回転する。基台３５の回転は、動力伝達機構１７を介して回転電極群に伝達される。

発電装置１０が水平面に対して垂直な向きになった場合、重心部３１ａ及び重心部３３ａはともに重力によって鉛直方向に変位し、図９Ａに示すように互いに接触する。この状態で回転錘１６が回転し始めると、第１錘要素３１及び第２錘要素３３は一体となって回転軸２１を中心に回転する。すなわち、回転錘１６の回転速度が低い間は、その重心は回転中心（回転軸２１の位置）から離れた位置に偏在し、回転錘１６は単一の剛体によって構成されている場合と同様に機能する。

一方、回転錘１６全体の回転速度が大きくなると、遠心力によって重心部３１ａと重心部３３ａは分離し、第１錘要素３１は第１回転軸３２を中心に時計回りに、第２錘要素３３は第２回転軸３４を中心に反時計回りに、それぞれ回転する。このとき、係合部３１ｃと係合部３３ｃとがかみ合っているので、第１錘要素３１と第２錘要素３３とは連動して対称に回転する。このように、回転錘１６全体の回転速度が大きくなるにつれて、重心部３１ａと重心部３３ａとの間の距離は大きくなり、回転錘１６全体の重心位置は回転中心（回転軸２１の位置）に近づいていく。最終的に回転錘１６の回転速度が所与の速度に到達すると、重心部３１ａと重心部３３ａとは互いに逆向きの位置に移動し、図９Ｂに示す状態になる。このとき、回転錘１６全体の重心は、回転中心に最も近づくことになる。このような状態になると、回転錘１６はフライホイールとして機能し、回転を維持し続けやすくなる。なお、第１錘要素３１及び第２錘要素３３が、図９Ｂに示すように両者が逆向きになった状態からさらに回転しないように、ストッパーを設けることとしてもよい。

このように本変形例の回転錘１６は、互いに連動して逆向きに回転する二つの錘要素を備えることによって、その回転中心から重心までの距離が、回転錘１６自体の回転速度の変動に応じて変化するようになっている。そのため、回転錘１６の回転が低い間は携帯型電気機器１の運動に連動した回転をしやすくし、回転速度が上がった後はその高速回転を維持しやすくするという二つの機能を実現することができる。特に本実施形態ではエレクトレット電極１２と対向電極１４との重なり面積を変化させて発電するが、このような方式で発電を行う場合、回転速度が速すぎても効率的な充放電が行われず、発電効率が低下する。すなわち、一定の範囲内の速度が、効率的に発電するために理想的な速度となる。この理想的な速度での回転を維持しやすいように回転錘１６を構成する各錘要素の質量等を調整することにより、回転錘１６は、効率的に発電可能な回転速度を維持しやすくなる。

［操作動力伝達機構］
以上の構成に加えて、本発明の実施の形態に係る発電装置１０は、携帯型電気機器１自身の運動だけでなく、携帯型電気機器１の使用者による手動の操作によって発電する機能を備えてもよい。このような機能は、操作部材４１と操作動力伝達機構４２とによって実現される。

操作部材４１は、使用者による手動の操作を受け付ける部材であって、ここでは回転可能に支持され、使用者の回転操作を受け付けるものとする。例えば携帯型電気機器１が腕時計の場合、操作部材４１は竜頭であってよい。

操作動力伝達機構４２は、操作部材４１が受け付けた操作によって生じる動力を、回転電極群に伝達する。これにより使用者が操作部材４１を手動で回転させる操作を行うと、その動力が回転電極群を回転させ、発電装置１０による発電を行うことができる。この操作動力伝達機構４２は、各種の構成によって実現されてよいが、以下、操作動力伝達機構４２の二つの実施例について説明する。

図１１は、操作動力伝達機構４２の第１の例を示す説明図であって、携帯型電気機器１内部の各部材を上方から見た位置関係を示している。同図に示されるように、操作部材４１の先端には傘歯車４１ａが設けられており、ワンウェイクラッチ４４と同軸に連結された傘歯車４３にかみ合っている。傘歯車４３が所定の一方向に回転すると、その回転はワンウェイクラッチ４４によってベルト４５を介して基台３５に伝達される。なお、ここでは図９Ａ及び図９Ｂと異なり、基台３５は円板形状であるものとしている。このような構成により、操作部材４１を使用者が所定の一方向に回転させると、その回転は傘歯車４３、ワンウェイクラッチ４４、ベルト４４、及び基台３５を介して回転電極群に伝達される。また、操作部材４１を使用者が逆方向に回転させた場合には、ワンウェイクラッチ４４がその回転を伝達しないため、回転電極群は回転しない。

次に、図１２Ａ及び図１２Ｂを用いて操作動力伝達機構４２の第２の例について説明する。この第２の例における操作動力伝達機構４２は、傘歯車４６、第１移動歯車４７、歯車４８、及び第２移動歯車４９を含んで構成されている。傘歯車４６は第１移動歯車４７及び歯車４８とかみ合うように配置されており、第２移動歯車４９は歯車４８とかみ合うように配置されている。また、第１移動歯車４７及び第２移動歯車４９それぞれの回転軸は、弧状のガイド溝５０ａ及び５０ｂに挿入されている。そして、第１移動歯車４７、及び第２移動歯車４９のそれぞれに対して回転による動力が加えられると、このガイド溝５０ａ及び５０ｂに沿って歯車全体の位置が変化する。図１２Ａは、第１移動歯車４７が時計回り、第２移動歯車４９が反時計回りに回転する動力を受けた状態の各歯車の位置を示しており、第１移動歯車４７が基台３５に設けられた歯形とかみ合っている一方で、第２移動歯車４９は基台３５とかみ合わずに空転する。図１２Ｂは、第１移動歯車４７が反時計回り、第２移動歯車４９が時計回りに回転する動力を受けた状態の各歯車の位置を示しており、図１２Ａとは逆に、第２移動歯車４９が基台３５に設けられた歯形とかみ合っているが、第１移動歯車４７は基台３５とかみ合わなくなっている。

操作部材４１が所定の一方向（ここでは紙面右側から見て反時計回りとする）への回転操作を受け付けると、その回転は操作部材４１先端の傘歯車４１ａから傘歯車４６に伝達される。これを受けて傘歯車４６が反時計回りに回転し、この回転と連動して、第１移動歯車４７及び歯車４８は時計回り、第２移動歯車４９は反時計回りに回転する。これにより各移動歯車は図１２Ａに示す位置に移動し、第１移動歯車４７から基台３５に対して回転電極群を反時計回りに回転させる動力が伝達される。逆に操作部材４１が逆方向（紙面右側から見て時計回り）への回転操作を受け付けると、これにより傘歯車４６は時計回りに回転する。この回転と連動して、第１移動歯車４７及び歯車４８は反時計回り、第２移動歯車４９は時計回りに回転する。これにより各移動歯車は図１２Ｂに示す位置に移動し、第２移動歯車４９から基台３５に対して回転電極群を反時計回りに回転させる動力が伝達される。このように、二つの移動歯車を用いることにより、操作部材４１がどちらの方向の回転操作を受け付けたとしても、回転電極群を回転させることができる。

この操作動力伝達機構４２によれば、例えば携帯型電気機器１が一定期間使用されず、蓄電部材３に蓄積された電力が放電してしまった場合などに、使用者が手動で発電装置１０による発電を行わせて、携帯型電気機器１を動作させることができる。

なお、本発明の実施の形態は、以上説明したものに限られない。例えば以上の説明では、対向電極１４の位置が固定され、エレクトレット電極１２が回転することによって両者の重なり面積が変化することとしたが、これとは逆に、エレクトレット電極１２の位置を固定し、複数の対向電極１４を回転電極群として、回転錘１６の運動に従って回転させてもよい。

また、以上説明した各実施形態の構成、及び変形例の構成は、組み合わせて用いられてもよい。例えば第３実施形態に係る発電装置が備える基板錘２４は、他の実施形態における動力伝達機構１７にも適用可能である。また、図９Ａ、図９Ｂ及び図１０に示した回転錘１６の変形例は、以上説明した第１〜第６７実施形態のいずれの動力伝達機構１７にも適用可能である。同様に、前述した操作動力伝達機構４２は、以上説明した第１〜第６７実施形態のいずれの動力伝達機構１７と組み合わせてもよい。

１ 携帯型電気機器、２ 整流回路、３ 蓄電部材、４ 負荷、１０ 発電装置、１１ 第１基板、１２ エレクトレット電極、１３ 第２基板、１４ 対向電極、１５ 回転軸、１６ 回転錘、１７ 動力伝達機構、２１ 回転軸、２２ クラッチ機構、２２ａ クラッチ下部、２２ｂ クラッチ上部、２３ 増速機構、２４ 基板錘、２５ 第２クラッチ機構、２６ 歯車、２７ 遊星歯車、２８ 第１遊星キャリア、２９ 第２遊星キャリア、３０ 固定歯車、３１ 第１錘要素、３２ 第１回転軸、３３ 第２錘要素、３４ 第２回転軸、３５ 基台、４１ 操作部材、４２ 操作動力伝達機構、４３ 傘歯車、４４ ワンウェイクラッチ、４５ ベルト、４６ 傘歯車、４７ 第１移動歯車、４８ 歯車、４９ 第２移動歯車、５０ａ及び５０ｂ ガイド溝。

Claims (9)

1. それぞれエレクトレット材料により面状に形成され、第１の面に沿って互いに間隔を空けて環状に並んで配置される複数のエレクトレット電極と、
   前記第１の面に対向する第２の面に沿って、前記複数のエレクトレット電極と対向するように環状に並んで配置される複数の対向電極と、
   回転可能に支持される回転錘と、
   前記回転錘の回転による動力を、前記複数のエレクトレット電極及び前記複数の対向電極のいずれか一方の回転電極群に伝達し、当該回転電極群を回転させることによって他方の電極群に対して相対移動させる動力伝達機構と、
   を備え、
   前記動力伝達機構は、前記回転錘の所定の一方向の回転のみを伝達するクラッチ機構を含み、
   前記回転錘は、回転可能に支持される第１錘要素と、回転可能に支持される第２錘要素とを含み、
   前記回転錘の回転速度が大きくなるにつれて、前記第１錘要素と前記第２錘要素とが対称に回転し、前記回転錘は、その回転中心から重心までの距離が大きくなる、
   発電装置。
2. 前記第１錘要素は、第１係合部を含み、
   前記第２錘要素は、前記第１係合部に噛み合う第２係合部を含み、
   前記第１錘要素と前記第２錘要素とは、前記第１係合部と前記第２係合部とが噛み合うことにより互いに連動して対称に回転する、
   請求項１に記載の発電装置。
3. それぞれエレクトレット材料により面状に形成され、第１の面に沿って互いに間隔を空けて環状に並んで配置される複数のエレクトレット電極と、
   前記第１の面に対向する第２の面に沿って、前記複数のエレクトレット電極と対向するように環状に並んで配置される複数の対向電極と、
   回転可能に支持される回転錘と、
   前記回転錘の回転による動力を、前記複数のエレクトレット電極及び前記複数の対向電極のいずれか一方の回転電極群に伝達し、当該回転電極群を回転させることによって他方の電極群に対して相対移動させる動力伝達機構と、
   を備え、
   前記動力伝達機構は、前記回転錘の所定の一方向の回転のみを伝達するクラッチ機構を含み、
   前記クラッチ機構は、前記対向電極に対向する回転板を含み、
   前記エレクトレット電極は、前記回転板に形成される、
   ことを特徴とする発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置において、
   前記動力伝達機構は、前記回転錘の回転の速度を増速させて伝達する増速機構をさらに備える
   ことを特徴とする発電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置において、
   前記回転電極群は一つの基板に固定され、
   前記動力伝達機構は前記基板を回転させることによって前記回転電極群を回転させ、
   前記基板には、その外周よりに基板錘が取り付けられている
   ことを特徴とする発電装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の発電装置において、
   前記動力伝達機構は、
   前記回転錘の前記所定の一方向とは逆方向の回転のみを前記回転電極群に伝達する第２クラッチ機構をさらに含む
   ことを特徴とする発電装置。
7. それぞれエレクトレット材料により面状に形成され、第１の面に沿って互いに間隔を空けて環状に並んで配置される複数のエレクトレット電極と、
   前記第１の面に対向する第２の面に沿って、前記複数のエレクトレット電極と対向するように環状に並んで配置される複数の対向電極と、
   回転可能に支持される回転錘と、
   前記回転錘の回転による動力を、前記複数のエレクトレット電極及び前記複数の対向電極のいずれか一方の回転電極群に伝達し、当該回転電極群を回転させることによって他方の電極群に対して相対移動させる動力伝達機構と、
   を備え、
   前記動力伝達機構は、前記回転錘の所定の一方向の回転のみを伝達するクラッチ機構を含み、
   前記発電装置によって発電された電力を消費して動作する負荷と、
   を備える携帯型電気機器であって、
   当該携帯型電気機器自身の運動によって、前記回転錘が回転運動し、
   利用者の手動による回転操作を受け付ける操作部材と、
   前記操作部材が受け付けた回転操作によって生じる動力を前記回転電極群に伝達する操作動力伝達機構と、
   を備え、
   前記操作動力伝達機構は、前記操作部材が受け付けた第１の方向の回転操作によって生じる動力を前記回転電極群に伝達する第１の歯車と、前記操作部材が受け付けた前記第１の方向の反対方向である第２の方向の回転操作によって生じる動力を前記回転電極群に伝達する第２の歯車と、を含むことを特徴とする携帯型電気機器。
8. 前記第１の歯車は、前記操作部材が受け付けた前記第２の方向の回転操作によって空転し、
   前記第２の歯車は、前記操作部材が受け付けた前記第１の方向の回転操作によって空転する、
   請求項７に記載の携帯型電気機器。
9. 請求項７又は８に記載の携帯型電気機器であって、
   前記発電装置によって発電された電力により駆動し、前記発電による電圧を降圧して出力する降圧回路をさらに備える
   ことを特徴とする携帯型電気機器。

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