JP6718289B2 - 振動型発電機 - Google Patents

Description

本発明は、振動型発電装置に関するものである。

特開２０１１−９７７１８号公報には、回転軸の周囲に並ぶ複数の第１電極５を備えた第１の部材（固定基板）１４と、第１の部材（固定基板）１４に対して回転し、複数の第１電極５と所定の間隔をあけて対向する複数の第２電極８を備えた扇型の第２の部材（回転基板）１５と、複数の第１電極５及び複数の第２電極８の一方と一緒に設けられた電荷保持体９と、複数の第１電極５の径方向外側に位置し且つ固定基板１４に対して固定され且つ回転基板１５の周方向に並ぶ複数の球体４を有して、複数の球体４の存在により第１の部材（固定基板）１４と第２の部材（回転基板）１５との間に所定の間隔を維持するスペーサ３を備えた従来の振動型発電機が開示されている。またＷＯ−２０１１−５２１０６号公報にも同様の構造を備えた振動型発電機が開示されている。

特開２０１１−９７７１８号公報 図１ ＷＯ−２０１１−５２１０６号公報

従来の振動型発電機では、複数の球体４を備えたスペーサ３を第１の部材（固定基板）１４に固定している。このような構造では、薄型化した場合に、第２の部材（回転基板）の回転が滑らかにならない問題がある。特に、従来の構造では、人の動きのような低周波数（１Ｈｚ〜数Ｈｚ程度）で滑らかに回転することができない問題がある。

本発明の目的は、簡単な構造で薄形化を図って、しかも回転する部品の回転が人の動きのような低周波数でも滑らかに回転することができる振動形発電機を提供することにある。

本発明の振動型発電機は、複数の第１電極を備えた固定基板と、複数の第１電極と所定の間隔をあけて対向する第２電極を備えた回転基板と重錘とを備えて、固定基板と直交する方向に延びる仮想回転中心線を中心にして回転する回転体と、複数の第１電極及び複数の第２電極の一方と一緒に設けられた電荷保持体と、回転基板の回転方向に並ぶ複数の転動体を有し、複数の転動体の存在により所定の間隔を維持するスペーサ機構とを備えている。

そしてスペーサ機構は、所定の間隔を維持し且つ直交方向の両側に複数の転動体をそれぞれ露出させた状態で複数の転動体を回転自在に保持する環状の転動体保持部材を備えている。また回転体は、固定基板と対向する一方の側面に複数の転動体と接触する第１の環状の接触面を有して仮想回転中心線を中心にして回転可能であり、第１の環状の接触面の内側に回転基板を保持し且つ一方の側面とは反対側に位置する他方の側面に重錘を保持するように構成されている。そして回転基板と対向する一方の側面に複数の転動体と接触する第２の環状の接触面を有し、第２の環状の接触面の内側に固定基板が配置されたベース部材をさらに備えている。

なお回転体を回転可能に支持する回転支持構造は、任意である。例えば、回転体に軸を固定し、この軸を軸受で支持するようにしてもよい。

本発明によれば、ベース部材と回転体との間に転動体保持部材が配置され、回転体が回転する際に、転動体保持部材もベース部材に対して回転する。このような回転する転動体保持部材を用いると、薄型化が可能になって、起動トルクを小さくすることができる。その結果、回転する部品が人の動きのような低周波数でも滑らかに回転する効果が得られる。

なおベース部材と組み合わされて回転体及び転動体保持部材が内部で回転する空間を形成するカバー部材をさらに備えていてもよい。この場合、カバー部材と回転体との間に、前記仮想回転中心線を中心にして回転して、回転体の回転を許容する回転許容構造が配置されているのが好ましい。このような構成を採用すると、固定基板と直交する方向への回転体の変動を抑制することができる。

なお回転許容構造は、カバー部材と回転体との間に配置されて、回転の回転を許容する球体を備えているのが好ましい。この場合、カバー部材及び回転体には、それぞれ、球体の一部を回転可能に収納する凹部が形成されているのが好ましい。このような構造を採用すると、回転許容構造を最も小型且つ薄型に構成することができる。その結果、振動型発電機をさらに薄型化することができる。

なお転動体保持部材及び回転体はそれぞれ金属によって形成されていると、外部から加わる振動が大きくなったときでも、可動部材としての転動体保持部材及び回転体が破損することがないので、耐衝撃性を高めることができる。

第１の環状の接触面及び第２の環状の接触面は、それぞれ周方向に切断した横断面形状が半円弧形状を呈する溝部の内面によって構成されているのが好ましい。このような構成を採用すると、転動体保持部材及び回転体が径方向に揺れることを防止できる。

本発明の振動型発電機の一つの実施の形態の構成を示す分解組立図である。 図１に示した実施の形態を表す図６のII−II線断面図である。 図１に示した実施の形態の第１の組立状態を示す斜視図である。 第２の組立状態を示す図３と同様の図である。 第３の組立状態を示す図３と同様の図である。 組立が完了した状態を示す図３と同様の図である。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の振動型発電機の実施の形態について説明する。

図１及び図２に示されているように、本実施の形態の振動型発電機１は、底面の輪郭形状が、角部に丸みを付けたほぼ正方形の平板状であり、図で見て上面（以下「上」「下」の向きは図２における上下をいう。）が開口したほぼ２段構造の凹部１２を有するベース１０を有している。凹部１２は、円形の下段底面１４と環状の上段底面１６とを備える２段構造を有している。そしてベース１０の凹部１２内の上段底面１６よりも上方に位置する空間内には、スペーサ機構２０が収納されている。また凹部１２の下段底面１４上には、正方形の固定基板３０が固定されている。固定基板３０の上方には、その下面が固定基板３０の上面と所定の間隔を空けて対向する八角形の回転基板４０と、回転基板４０の上面がその下面に固定された円盤状のロータ５０が配置されている。ロータ５０の上面部には、上から見た輪郭形状がほぼ半円形を呈する凹部５０Ａ及び５０Ｂを有している。そしてロータ５０の凹部５０Ａには、半円形板状の重錘６０が嵌合されて固定されている。そしてベース１０と同様に、上面の輪郭形状が、角部に丸みを付けたほぼ正方形の形状をなすカバー７０が、ベース１０の凹部１２の開口部を塞ぐように、ベース１０の上端部と接触した状態で固定されている。

ベース１０の凹部１２は図３によく表されているように二段に形成されており、中心近くの下段底面１４の上に固定基板３０が固定され、周縁近くの上段底面１６には環状の溝部の内面によって構成されるベース側接触面１８（第２の環状の接触面）が設けられている。またベース１０の周壁部の四隅近くの上面には、カバー７０を取り付けるためのネジ穴１９がそれぞれ設けられている。

スペーサ機構２０は転動体である６個の鋼球２２と、６個の鋼球２２を保持する６個の貫通孔２３を備えた転動体保持部材としての環状のリテーナ２４を備えている。リテーナ２４に設けた６個の貫通孔２３は、それぞれ６０度の角度間隔を維持し且つ直交方向の両側に鋼球２２を露出させた状態で鋼球２２を回転自在に保持する。各鋼球２２の下端はベース１０のベース側接触面１８と接触し、鋼球２２の上端は後述するロータ５０の底面に形成された環状の溝部の内面によって構成されるロータ側接触面５２と接触している。

固定基板３０は複数の第１電極（図示してない）を備え、回転基板４０は第２電極（図示していない）及び電荷保持体（図示していない）を備えている。固定基板３０及び回転基板４０はガラス基板に電極パターンを形成した構造を有している。第１電極に逆極性の電荷が引き寄せられて電荷保持体に電気が蓄えられ、振動などにより固定基板３０に対し回転基板４０が相対的に回転すると、電荷保持体と第１電極との重なり面積が変化して、電気を発生する。このためには固定基板３０の第１電極と回転基板４０の第２電極との間には所定の間隔が維持されつつ両者が相対的に回転可能でなければならない。

本実施の形態では電荷保持体は第２電極と一緒に回転基板４０に設けられているが、他の実施の形態では第１電極と一緒に固定基板３０に設けられていてもよい。また固定基板３０及び回転基板４０はガラス基板製であり、各電極や電荷保持体をガラス基板上に直接構成したが、他の実施の形態では固定基板及び回転基板は鉄、ステンレス、真鍮、銅等の金属や、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂など、好ましくはエッチング可能な材料で形成されていてもよい。また本実施の形態では、電荷保持体はエレクトレット材料により形成されている。なおシリコン窒化膜に覆われたシリコン酸化膜により形成されているが、チタン酸ジルコン酸鉛膜等により電荷保持体が形成されていてもよいのは勿論である。

ロータ５０は、回転基板４０と重錘６０とを備えて、固定基板３０と直交する方向に延びる仮想回転中心線Ａを中心にして回転する。ロータ５０の周縁近くの固定基板３０と対向する下面には、鋼球２２の上端と接触する環状の溝部から構成されたロータ側接触面５２（第１の環状の接触面）を有している。環状のロータ側接触面５２及び環状のベース側接触面１８は、周方向と直交する方向に切断した時の横断面形状がほぼ半円形であり、その曲率半径の長さは鋼球２２の半径の長さよりも僅かに長い。ロータ側接触面５２とベース側接触面１８との間に、リテーナ２４に回転自在に保持された鋼球２２が挟まれて回転することにより、ロータ５０とベース１０とは仮想回転中心線Ａを中心に回転し、よって回転基板４０と固定基板３０とは所定の間隔を維持しつつ相互に回転可能である。なお本実施の形態では、ベース側接触面１８及びロータ側接触面５２が環状の溝部によって構成されているが、ベース側接触面１８及びロータ側接触面５２の少なくとも一方を平面によって構成してもよいのは勿論である。

重錘６０は、ＳＵＳで形成されており、ロータ５０の上面に形成された、重錘６０の外形と一致する輪郭形状を有する凹部５０Ａ内に保持される。重錘６０は、ロータ５０の仮想回転中心線Ａ回りに重量の偏りを生じさせるためのものであり、振動型発電機に振動が加わると、重錘６０が設けられている部分は重力に引かれて常に下方に位置する方向にロータ５０は回転する。その結果、振動する固定基板３０に対して回転基板４０が相対的に回転することになる。本発明に利用可能な重錘は、仮想回転中心線Ａ回りに重量の偏りが生じさえすれば形状や材料等は問わない。薄型化のためには、タングステンで重錘を形成するのが好ましい。

カバー７０は、四隅近くに設けられた貫通孔７２を通してネジ（図示していない）をネジ穴１９にそれぞれ螺合することによりベース１０に組み合わされて、ロータ５０及びリテーナ２４が内部で回転する空間を形成する。

カバー７０とロータ５０との間には、仮想回転中心線Ａを中心にして回転して、ロータ５０の回転を許容する回転許容構造として、鋼球７２がカバー７０とロータ５０との間に配置されている。鋼球７２は、カバー７０の下面及び対向するロータ５０の上面の仮想回転中心線Ａに直交する箇所にそれぞれ設けられた半球状の凹部７４、５６内に収納されている。凹部７４、５６の径は鋼球７２の径よりもやや大きく、且つ凹部７４、５６の深さは鋼球７２の半径よりもやや小さい。従って、鋼球７２はカバー７０に対するロータ５０の仮想回転中心線Ａ回りの回転を許容しつつ、カバー７０の下面とロータ５０の上面との間に所定の間隔を維持する。また鋼球７２は、ロータ５０の仮想回転中心線Ａに沿う方向への変動を抑制し、スムーズな回転を担保するとともに、回転基板４０と固定基板３０との間の間隔を一定に維持する。このような最も小型且つ薄型の回転許容構造を採用することにより、振動型発電機全体をさらに薄型化することが可能になる。

なおリテーナ２４及びロータ５０はそれぞれ樹脂製であって、安価に製造できる。しかしながら外部から加わる振動が大きくなることが予想される場合には、可動部材としてのリテーナ２４及びロータ５０を摩耗し難く強度の高い金属で形成するのが好ましい。また金属で形成すると、破損することがないので、振動型発電機の耐衝撃性を高めることができる。またベース１０及びカバー７０も樹脂製であり、本実施の形態の振動型発電機において他の部材と接触・転動する部材は全て樹脂製である。よって振動型発電機を安価に製造できる。強度を高める必要性がある場合には、これらの部材を全て金属で形成してもよいのは勿論である。

転動体である鋼球２２及び球体である鋼球７２は、他の実施の形態においては鋼以外の耐摩耗性材料及び／又は超硬材料で形成されていてもよく、例えばＡｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＺｒＯ₂やタングステンカーバイドなどで形成することができる。鋼球２２は本実施の形態では球状だが、円柱状やニードル状でも同様の作用効果が得られる。

以下、本実施の形態の振動型発電機の組立工程について、図３〜６を参照しつつ説明する。

図３に示したベース１０の凹部１２内の上段底面１６の上に、図４に示すようにスペーサ機構２０が載せられる。スペーサ機構のリテーナ２４により保持されている鋼球２２は、リテーナ２４に形成された貫通孔２３に回転可能に嵌合された状態で、上段底面１６の環状のベース側接触面１８に収納され、これにより環状のベース側接触面１８に沿って転動できるようになっている。なお貫通孔２３の直径寸法は、鋼球２２の直径寸法よりも僅かに大きい。そのためリテーナ２４が上段底面１６と接触することもある。しかしながらリテーナ２４は樹脂製であり且つ重量が軽いため、リテーナ４が上部底面１６と接触して回転しても支障は生じない。なお振動型発電機が上下逆になった場合も、同様である。

次に、ベース１０の凹部１２内の下段底面１４の上には、固定基板３０が接着剤により固定され、さらにその上に、予め下面に回転基板４０が接着され、上面の凹陥部５４内に重錘６０が保持されているロータ５０が重ねられて図５の状態になる。ロータ５０の下面側に形成した環状のロータ側接触面５２には、スペーサ機構２０の鋼球２２の一部が転動可能に接触している。その結果、ロータ側接触面５２に沿って鋼球２２が転動することができ、よってベース１０に対しリテーナ２４及びロータ５０が回転することができる。

続いて、凹部５６に鋼球７２を収納してからカバー７０を載せると（図６）、凹部７４と凹部５６に鋼球７２が収納されて回転許容構造が構成される。さらに４つの貫通孔７２を通してカバー７０とベース１０とをネジ止めして、組み立てが完了する。

以上のように、本実施の形態の振動型発電機は、ベース１０とロータ５０との間に、鋼球２２と、鋼球２２とを転動自在に保持するリテーナ２４とからなるスペーサ機構２０を設けて、発電機の薄型化を可能にし、ロータ５０の回転をより滑らかなものとすることができる。

また本実施の形態の振動型発電機は、発電機全体又は一部を貫くような回転中心軸が設けられておらず、ロータ５０の周縁近くのスペーサ機構２０と、ロータ５０の上面の鋼球７４などからなる回転許容構造との、素子部（固定基板３０及び回転基板４０）から離れた位置に回転構造を配置したので、素子部に回転させるための加工を施す必要が無く、且つ負荷や衝撃が及びにくい。

本発明によれば、ベース部材と回転体との間に転動体保持部材が配置されており、回転体がベース部材に対し回転する際に転動体保持部材もベース部材に対して回転する。このような転動体保持部材を用いることにより、振動型発電機の薄型化が可能となり、しかも回転体の回転をより滑らかにすることができる。

１０ ベース
１２ 凹部
１４ 下段底面
１６ 上段底面
１８ ベース側接触面
１９ ネジ穴
２０ スペーサ機構
２２ 鋼球
２４ リテーナ
３０ 固定基板
４０ 回転基板
５０ ロータ
５２ ロータ側接触面
５４ 凹陥部
５６ 凹部
６０ 重錘
７０ カバー
７２ 貫通孔
７４ 鋼球
７６ 凹部

Claims (5)

1. 複数の第１電極を備えた固定基板と、
   前記複数の第１電極と所定の間隔をあけて対向する第２電極を備えた回転基板と重錘とを備えて、前記固定基板と直交する方向に延びる仮想回転中心線を中心にして回転する回転体と、
   前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極の一方と一緒に設けられた電荷保持体と、
   前記回転基板の回転方向に並ぶ複数の転動体を有し、前記複数の転動体の存在により前記所定の間隔を維持するスペーサ機構とを備え、
   前記スペーサ機構は、前記所定の間隔を維持し且つ前記直交方向の両側に前記複数の転動体をそれぞれ露出させた状態で前記複数の転動体を回転自在に保持する環状の転動体保持部材を備えており、
   前記回転体は、前記固定基板と対向する一方の側面に前記複数の転動体と接触する第１の環状の接触面を有して前記仮想回転中心線を中心にして回転可能であり、前記第１の環状の接触面の内側に前記回転基板を保持し且つ前記一方の側面とは反対側に位置する他方の側面に前記重錘を保持するように構成され、
   前記ベース部材と組み合わされて前記回転体及び前記転動体保持部材が内部で回転する空間を形成するカバー部材をさらに備え、
   前記カバー部材と前記回転体との間に、前記仮想回転中心線を中心にして回転して、前記回転体の回転を許容する回転許容構造が配置されており、
   前記回転基板と対向する一方の側面に前記複数の転動体と接触する第２の環状の接触面を有し、該第２の環状の接触面の内側に前記固定基板が配置されたベース部材を備えていることを特徴とする振動型発電機。
2. 前記回転許容構造は、前記カバー部材と前記回転体との間に配置されて、前記回転体の回転を許容する球体を備えている請求項１に記載の振動型発電機。
3. 前記カバー部材及び前記回転体には、それぞれ、前記球体の一部を回転可能に収納する凹部が形成されている請求項１に記載の振動型発電機。
4. 前記転動体保持部材、前記回転体はそれぞれ金属によって形成されている請求項１に記載の振動型発電機。
5. 前記第１の環状の接触面及び前記第２の環状の接触面は、それぞれ周方向に切断した横断面形状が半円弧形状を呈する溝部の内面によって構成されている請求項１に記載の振動型発電機。
   

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