WO2016114176A1

WO2016114176A1 - 静電誘導型発電器

Info

Publication number: WO2016114176A1
Application number: PCT/JP2016/050143
Authority: WO
Inventors: 永田　洋一; 塩田　聡; 渡邊　真; 輝和泉; 伊原　隆史
Original assignee: シチズンホールディングス株式会社; シチズン時計株式会社
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2016-07-21
Also published as: CN107112925B; EP3247034A1; US10644615B2; EP3247034A4; US20180026552A1; CN107112925A

Abstract

　ハウジングと、ハウジングに固定された第１基板と、第１基板に対して相対移動可能に平行に配置された第２基板を有する静電誘導型発電器において、対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、対向電極に対向するように帯電膜を一定間隔おきに第２基板の第２対向面に設置し、対向電極は、第１対向面に分離して設けられた複数の第１電極と第２電極から構成され、第１電極と前記第２電極は交互に一定間隔で一列に配置され、第１対向面において、一列の第１電極と第２電極が複数列設置され、複数列ごとの一定間隔の位相はそれぞれ異なるようにした静電誘導型発電器。

Description

静電誘導型発電器

　本発明は、静電誘導を利用した発電装置、発電器、携帯型電気機器、携帯型時計等に関する。本発明の発電器のエネルギ源としては、人体の運動、機械等の振動、その他環境に広く存在する運動エネルギを利用することができる。特に、エレクトレット発電において、対向電極等の位相を多相化した発電器に関する。

　エレクトレット材料による静電誘導を利用した実用的発電装置が、特許文献１～６などに開示されている。静電誘導とは、帯電した物体を導体に接近させると、帯電した物体とは逆の極性の電荷が引き寄せられる現象のことである。静電誘導現象を利用した発電装置とは、「電荷を保持する膜」（以下、帯電膜(electrically charged film)という）と対向電極を配置した構造において、この現象を利用して、両者を相対移動させて誘導された電荷を取り出す発電のことである。

　図１は、静電誘導現象を利用した発電の原理を模式的に説明する説明図である。図１では、対向電極側を移動させているが、帯電膜側を移動させても良い。

　エレクトレット材料による場合を例にとると、エレクトレットは、誘電体に電荷を打ち込んだものであり、半永久的に静電場を発生させる帯電膜の一種である。このエレクトレットによる発電では、図１にみられるように、エレクトレット(electret)３により形成される静電場によって対向電極(electrode)２に誘導電荷が生じ、エレクトレット３と対向電極２の重なりの面積を変化（振動等）させれば、外部電気回路Ｅにおいて交流電流を発生させることができる。このエレクトレットによる発電は、構造が比較的簡単で、電磁誘導によるものより、低周波領域において高い出力が得られる点で有利であって、近年いわゆる「環境発電（Energy Harvesting）」として注目されている。

　図１８（ａ）～（ｃ）は、先行技術としての特許文献１の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。図１９（ａ）～（ｃ）は、特許文献１の対向電極と帯電膜の説明図である。図２０は、図１９の帯電膜３と、対向電極２の第１電極Ａ、第２電極ＮＡとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。

　特許文献１には、帯電膜と対向電極の往復周期回動を行う静電誘導を利用した発電装置が開示されている。この先行技術の一実施形態には、図１の模式図とは異なり、出力として取り出す各々の電極が対向基板のみに形成された実施形態が示されている。図１８（ａ）に示すように、回転部材４の下面に帯電膜３が、形成されている。固定側の対向基板１には、複数の第１の電極Ａ、複数の第２の電極ＮＡが交互に形成されている。１３は回転部材４と軸８の間に設置された渦巻きバネである。１０は回転錘(rotor)である。

　複数の第１の電極Ａはそれぞれ電気的に接続されて、配線９０Ａにより発電電力が取り出される。複数の第２の電極ＮＡもそれぞれ電気的に接続されて、配線９０Ｎにより発電電力が整流回路９２に取り出される。第１電極Ａ、第２電極ＮＡから出力される電圧は、静電誘導が交互に発生するため、半サイクル位相のずれた交流の波形が出力される。対向基板１上の第１の電極Ａに接続した配線９０Ａと、第２の電極ＮＡに接続した配線９０Ｎは、ダイオード９１を使った整流回路９２に接続され、整流された電力はコンデンサまたは２次電池等を用いた蓄電部材９３に接続されている。蓄電部材９３に充電された電力は、後段の電子機器回路を駆動する。特許文献１の各々の電極が対向基板のみに形成された実施形態では、固定側の対向基板から電流を取り出せるので好都合である（回転部材からは電流を取り出す必要がない）。

　回転部材４の下面には、図１９（ａ）に示すような帯電膜３が形成されている。帯電膜３と帯電膜３の間の回転部材４には、穴が形成されている。一方、図１９（ｂ）に示すように、帯電膜３に対向する位置に固定された対向基板１上の対向電極２として、第１電極Ａ、第２電極ＮＡがそれぞれ交互に形成され、第１電極Ａ同士、第２電極ＮＡ同士は、それぞれ接続している。第１電極Ａ、第２電極ＮＡから取り出した配線９０Ａ、９０Ｎ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１電極Ａ、第２電極ＮＡから出力される電圧は、回転部材４の回転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。図１８（ｂ）、（ｃ）は回転部材４の円周側面から見たときの、帯電膜３と対向電極９０Ａ、９０Ｎの配置を示している。対向電極９０Ａと９０Ｎは交互に配置され、対向電極は、対向電極９０Ａ同士あるいは９０Ｎ同士の間隔と同じ間隔で配置されており、回転部材４を回転させると、図１８（ｂ）、（ｃ）のいずれかの位置関係で帯電膜と対向電極が対向する。すなわち、図１８（ｂ）に示すように、第１電極Ａが帯電膜３に対向すると、第１電極Ａにプラスの電荷が引き寄せられて電流が一方向に流れる。同時に、帯電膜３に対向しない位置にいる第２電極ＮＡには、引き寄せられたプラスの電荷が消散して前記一方向と逆方向に電流が流れる。次に、回転部材４が回転して、図１８（ｃ）となり、図１８（ｃ）、（ｂ）が繰り返される。具体的には、回転部材４に形成する帯電膜３と対向する位置になる第１電極Ａと、帯電膜３と対向しない位置にいる第２電極ＮＡとは、逆の極性となるので、それぞれの配線９０Ａ、９０Ｎを整流回路９２の異なる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。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。

　図１９（ｃ）は、図１９（ａ）の帯電膜と図１９（ｂ）の対向電極を対向させた回転部材４に対して、その円周側面から見たときの、帯電膜３と対向電極Ａ、ＮＡの配置とクーロン力の影響について示したものである。クーロン力とは、異なる符号の電荷のあいだには働く引力のことで、帯電する電荷が多ければ引力も大きくなる。図１９（ｂ）の第１電極Ａ、第２電極ＮＡの配置によれば、図１９（ｃ）に示すように帯電膜３と電極Ａ（又は第２電極）との間にはクーロン力が働き、その移動方向成分Ｆによって、図２０（ｂ）に示すような鋸歯状の保持トルクが、回転部材に作用してしまう。なお、図２０（ａ）の第１電極Ａ、第２電極ＮＡは本来扇形であるが、説明をわかりやすくするためにわざと長方形で表示したものである。

　回転部材４が停止するときは、回転部材４の保持トルクが最大となる位置、すなわち帯電膜３と電極ＡあるいはＮＡの重なり合う面積が最大となる位置に止まる。従って、回転部材４の回転開始時にあっては、保持トルクのピーク値よりも大きな回転力が加わらなければ回転部材４は回転できず、外部振動が加わったとしても電力に変換することができない。よって、図２０（ｂ）に示すような鋸歯状の保持トルクが、回転部材に作用してしまうと、保持トルクの極めて高いピーク値が、回転部材４の初動トルクの閾値を高くしてしまい、外部振動としての環境振動からのエネルギ変換効率を、より向上させるのに限界があった。また、環境振動から得られた回転部材４の回転や振動の持続性においても、保持トルクのピーク値が繰り返し発生して、より長時間持続する回転や振動に結びつけることができないでいた。

　特許文献２にも、エレクトレット膜と対向電極の往復周期回動を行う静電誘導を利用した回転型発電装置が開示されており、回転部材の内面にエレクトレット膜が形成され、それに対向する固定側の対向基板に、対向電極が形成されている。回転側のエレクトレット膜と、固定側の対向電極の各々を電極として電流を取り出すものである。特許文献２では、回転側のエレクトレットからも電流を取り出さなければならないので、面倒な手間がかかる。

　特許文献１、２の従来技術では、いずれも、帯電膜と、対向した基板の対向電極は同一形状とし、帯電膜と対向電極の位置関係が相対移動することによって発電する。このような構造の場合、エレクトレット発電において帯電膜と対向電極間でクーロン力Ｑが発生するため、回転部材が動き出す初動トルクはこのクーロン力以上のトルクが必要となる。また、回転部材に伝達するトルクがなくなって慣性力で回転部材が回転する場合であっても、慣性力がクーロン力以下になった段階で回転が停止する。このため、エレクトレット発電の発電効率を向上させるには帯電膜と対向電極間に発生するクーロン力を低減する必要がある。特許文献３は、エレクトレット膜と対向電極が並進運動(translational motion)タイプであるが、やはり同様の問題が発生する。

　上述した特許文献１～３の従来技術に対し、特許文献４、５のエレクトレット膜を用いた静電誘導型発電装置では、往復動する可動基板を、サンドイッチ状に上部固定基板と下部固定基板で挟んでいる。可動基板の上下面にそれぞれエレクトレット膜を形成し、可動基板の上面のエレクトレット膜に対向する対向電極を、上部固定基板に設けるとともに、可動基板の下面のエレクトレット膜に対向する対向電極を、下部固定基板に設けたものである。可動基板の上部と下部間で、対向電極とエレクトレット膜との移動方向のピッチの位相を、相互にずらして、クーロン力を低減し、発電時の初動トルクの低減を行い、発電効率の向上を図っている。しかしながら、特許文献４、５の上下両面タイプには、次のような問題がある。

　上下両面タイプでは、上面帯電膜と下面帯電膜の帯電量が等しい場合に限って、クーロン力を打ち消し合うことができるものである。可動基板は、クーロン力の均衡をとるため、上部固定基板と下部固定基板の正確な中間位置に位置しなくてはならない。このため、可動基板の位置精度管理が困難である。その上、帯電量は主に帯電膜厚に依存し、生産過程においてこの膜厚がバラついてしまうばかりでなく、コロナ放電により帯電させるため帯電電荷の量もバラつくことが多い。したがって、上下両面タイプで上下帯電膜の帯電量を等しくするのは、かなり難しい課題となっていた。

　さらに、可動基板の上下面を利用するため、上部固定基板と可動基板間、可動基板と下部固定基板間の上下に厚さが必要になり、発電機器の厚さが厚くなるという問題を抱えていた。

特開２０１３－１３５５４４号公報特開２０１３－５９１４９号公報特開２０１２－１３８５１４号公報特許第５４６０８７２号公報特許第５２０５１９３号公報特表２００５－５２９５７４号公報

　本発明は、対向電極列間で相対位置をずらして配置し、対向電極と帯電膜間に生じるクーロン力をキャンセルする静電誘導型発電器において、発電能力を維持しつつ、クーロン力を相殺する精度を高めて発電負荷を低減し、薄型の構造ながら効率の良い静電誘導発電を行うものである。

　本静電誘導型発電器は、ハウジングと、前記ハウジングに固定された第１基板と、前記第１基板に対して相対移動可能に平行に配置された第２基板と、帯電膜と、対向電極と、前記帯電膜及び対向電極間で発生した交流を出力する出力部と、を有し、前記対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、前記対向電極に対向するように前記帯電膜を一定間隔おきに前記第２基板の第２対向面に設置し、前記対向電極は、前記第１対向面に分離して設けられた複数の第１電極と第２電極から構成され、前記第１電極と前記第２電極は、前記移動方向に沿って交互に、前記一定間隔で一列に配置され、前記第１電極同士と前記第２電極同士が接続されるとともに、前記第１電極と前記第２電極はそれぞれ前記出力部に接続されており、前記第１対向面において、前記一列の前記第１電極と前記第２電極が、複数列設置され、前記複数列ごとの前記一定間隔の位相はそれぞれ異なるようにし、帯電膜及び対向電極間で発生したクーロン力を低減する。

　上記静電誘導型発電器では、複数の移動方向の対向電極列、あるいは帯電膜列の間で相対位置を、同一平面内で対向電極列、あるいは帯電膜列の列数に応じてずらして配置し、対向電極と帯電膜間に生じるクーロン力をキャンセルすることで、発電能力を維持しつつ、相殺し合うクーロン力を均等に管理して発電負荷を低減でき、薄型の構造ながら効率の良い静電誘導発電を行うことが可能になった。

静電誘導現象を利用した発電の原理を模式的に説明する説明図である。本発明の第１実施形態のＸ－Ｘ線（図３）に関する模式的断面図である。本発明の第１実施形態の内部構造を示す概要である。本発明の第１実施形態を説明するための部分的斜視図である。（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。本発明の第１実施形態の整流回路からの出力を示すグラフである。（ａ）～（ｄ）は、本発明の第１実施形態において、帯電膜３と、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢのそれぞれとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。なお、帯電膜３、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢは全て四角形で模式的に描かれている。これは理解を容易にするために意図的に四角形にしているが、第１実施形態では扇形となる。（ａ）～（ｃ）は、図７の上段列と下段列に働く保持トルクと、回転部材全体に働く保持トルクを示す説明図である。本発明の第１実施形態の対向基板の表裏の電気配線パターンを示す一例である。（ａ）は、対向基板の表側を表示しており、対向基板１の片面のみに第１電極Ａ、Ｂと第２電極ＮＡ、ＮＢが形成されている。（ｂ）は、対向基板の裏側を表示している。（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。本発明の第２実施形態の整流回路を示す説明図である。本発明の第２実施形態の整流回路からの出力を示すグラフである。（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態において、帯電膜３と、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢ、Ｃ、ＮＣのそれぞれとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第２実施形態において、帯電膜３と、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢ、Ｃ、ＮＣのそれぞれとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。（ｅ）、（ｆ）は、本発明の第２実施形態において、帯電膜３と、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢ、Ｃ、ＮＣのそれぞれとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。（ａ）～（ｄ）は、図１０（ｂ）の外周列、中間列、内周列に働く保持トルクと、回転部材全体に働く保持トルクを示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。（ａ）～（ｃ）は、先行技術の特許文献１の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。（ａ）～（ｃ）は、特許文献１の対向電極と帯電膜の説明図である。図１９の帯電膜３と、対向電極２の第１電極Ａ、第２電極ＮＡとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。充電回路による出力電流波形を示した波形図である。本発明の第４実施形態の静電誘導発電器における回転子の構成を示した平面図である。本発明の第４実施形態の静電誘導発電器における固定子の構成を示した平面図である。本発明の第４実施形態の静電誘導発電器の構成を示した断面図である。本発明の第４実施形態の充電回路を示した回路図である。本発明の第４実施形態の充電回路における降圧回路の構成を示した回路図である。（ａ）は状態ａを表し、（ｂ）は状態ｂを表す。本発明の第４実施形態の充電回路による出力電流波形を示した波形図である。固定子の別の構成を示した平面図である。固定子のさらに別の構成を示した平面図である。

　以下、各図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。以下の各実施形態では、一例として腕時計で説明するが、必ずしも腕時計に限定されるものではない。携帯用の静電誘導発電器付き電子電気機器などにも適用可能である。

　（第１実施形態）
　図２は、本発明の第１実施形態のＸ－Ｘ線（図３）に関する模式的断面図である。図３は、本発明の第１実施形態の内部構造を示す概要である。図４は、本発明の第１実施形態を説明するための部分的斜視図である。図５は、本発明の第１実施形態の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。図６は、本発明の第１実施形態の整流回路からの出力を示すグラフである。

　以下、第１実施形態を、各図面を参照して説明する。第１実施形態は、腕時計などの携帯用電子時計に適用した場合である。
　携帯用電子時計は、図２に示すように、風防２４を含む外装ケーシング４１、４２（裏蓋４２）と、文字板２５と、ハウジング３３、３４と、このハウジング内に配置されたクオーツムーブメントと、ハウジング内に配置された静電誘導発電器とを有している。風防２４は、パッキン４３を介して外装ケーシング４１に嵌めこまれている。風防２４は、透明材料で形成されている。

　ハウジングは、以下において腕時計の場合によくつかわれる呼称、すなわち、地板(main plate)３３、受け板(bridge or plate)３４として説明する。地板３３は、ハウジングの一種であって、様々なパーツを組み込む土台、支持板、内装ケーシングなどを意味している。また、受け板とは、回転体の軸を支えたり、部品を固定・保持する役割を果たす場合に良くつかわれる用語である。

　クオーツムーブメントは、ここでは、水晶振動子２８と、回路基板５と、コイル２６及びモータ用のロータ・ステータを備えたステップモータと、運針用歯車と、２次電池２２などを含むものとして定義される。回路基板５には、発振回路、分周回路、ステップモータの駆動回路、整流回路、電源回路などが組み込まれている。歯車駆動部２１には、クオーツムーブメントの一部である、コイル２６、ステップモータ、運針用歯車などが含まれている。図２にみられるように、歯車駆動部２１からは、指針軸が、文字板２５の上方に突き出て時針、分針、秒針（秒針図示せず）などの指針２３が取り付けられている。指針２３は、時針、分針しか表示していないが、時針、分針、秒針を備えていても良い。図３は、クオーツムーブメントと静電誘導発電器などの時計内部構造の概要を示しており、図３のＺ部分は、地板やクオーツムーブメントの一部が適宜レイアウトされた概略領域である。２７はりゅうず(crown)を示している。Ｚ部分には、クオーツムーブメントのうち歯車駆動部２１や回路基板５などが配置されるが、そのレイアウトは適宜設計的に定めればよい。

　次に、図２を参照して静電誘導発電器の全体構成について述べる。回転軸８には回転部材４が固定されており、回転部材４の下面には帯電膜３が配置されている。回転部材４は第２基板ともいう。一方、帯電膜３に対向するように、上部表面に対向電極２が配置された対向基板１が、受け板３４に設置固定されている。対向基板１を第１基板ともいう。回転部材４は、地板３３と受け板３４間で軸支され、文字板２５、地板３３、回転部材４、対向基板１、受け板３４の順序で配置されているが、これに限定されるものではなく、文字板２５、地板３３、対向基板１、回転部材４、受け板３４の順序で配置されていても良い。後述の他の実施形態においても同様である。

　図２において、クオーツムーブメントの回路基板５も、対向基板と同様に受け板３４に設置固定されている。ここでは、対向基板１と帯電膜３とのギャップを精密に管理するため、対向基板１と回路基板５を別体で作製しているが、同様の位置精度が満たされるなら回路基板５と対向基板１を同一の基板に形成することも可能である。回路基板５と対向基板１とが別基板の場合は接続コネクタ、導通バネ、接続端子などで導通を行う。これらは、後述の実施形態においても同様である。

　回転部材４が回転すると、静電誘導発電が引き起こされ、帯電膜３と対向電極２間で発生した電力を、クオーツムーブメント（回路基板５）に出力する。図４には、回転部材４の下面には帯電膜３が配置され、帯電膜３に対向するように、対向電極２が配置された状況が斜視図で模式的に示されている。本実施形態では、回転錘１０の伝動に歯車伝動機構を介しているので、上部から下部に向かって、文字板２５、地板３３、歯車１４、回転部材４、帯電膜３、対向電極２、対向基板１、受け板３４の順序で配置されている。

　対向基板１には、図５（ｂ）に示すように、外周側に第１電極Ａと第２電極ＮＡが交互に配置され、内周側に第１電極Ｂと第２電極ＮＢが交互に配置されている。全ての第１電極Ａ、全ての第２電極ＮＡはそれぞれ連結されて、第１の交流を形成して、整流回路２０に入力される。同様に、全ての第１電極Ｂ、全ての第２電極ＮＢはそれぞれ連結されて、第２の交流を形成して、整流回路２０に入力される。

　回転部材の下面の帯電膜３は、図５（ａ）に示すように、それぞれ、放射状に形成され、放射状の各一片との間にはブランク部（透し穴、貫穴）が形成されている。回転軸８は、上側は地板３３の軸受５０、下側は受け板３４に設けた軸受５０（軸受５０は、耐震装置(shock protection systems)、一例としてパラショック(parashock)などであっても良い）で軸支されている。なお、回転部材４にブランク部を形成しなくても実施可能である。

　帯電膜あるいは対向電極の配置について説明の簡易化のため、以下、位相で表現することにする。その意味合いは下記のとおりである。回転部材の帯電膜とブランク部（透し穴、貫穴）が等面積で円周方向に交互配置され、帯電膜と等面積の電極が円周方向に配置された対向基板とが、同軸で近接配置されたとき、上面視で帯電膜と対向電極の重なる面積が最大となる位置で、最も多くの電荷が対向電極に誘導されるため発電電力は最大である。その後、帯電膜が対向電極から遠ざかると誘導された電荷は減り、帯電膜と対向電極が全く重ならない位置のときに発電電力は最も小さくなる。回転部材の回転によりこの状態が交互に繰り返されるため、発電電力の波形は周期的になり、帯電膜と対向電極が重なる位置から次の重なる位置までは、波形の位相が３６０度回転する。このとき帯電膜は、円周方向に帯電膜の幅の２倍移動している。従って、対向電極あるいは帯電膜の配置の移動量を説明する場合に、帯電膜の幅２枚分の相対的な位置（回転の場合、変位角度）の違いを位相に読み替え、１サイクルと呼ぶことにする。

　第１電極Ａと第２電極ＮＡの電極列と、第１電極Ｂと第２電極ＮＢの電極列とは、交流１サイクルの４分の１サイクルだけ位相が異なるように配置されている。第１電極Ａと第２電極ＮＡの電極列と、第１電極Ｂと第２電極ＮＢの電極列の両者合わせて、対向電極２と総称する。第１電極Ｂと第２電極ＮＢの電極列とは、第１電極Ａと第２電極ＮＡの電極列に対して交流１サイクルの４分の３サイクルだけ位相が異なるように配置されていても良い。図５（ａ）、（ｂ）の実施形態では、第１、２電極は４組設置されているが、これに限定されるものではなく、偶数個設置されていればよい。以下の実施形態においても同様である。

　回転錘１０は腕の動きなどを捉えて回転する。図２、４に示すように、回転軸８の回転部材４の上側において歯車１４が回転軸８に固定されている。また、軸９に固定された回転錘１０から回転軸８への歯車伝動機構（歯車列）として、軸９に固定された歯車１５と、回転軸８に固定された歯車１４とが設けられている。ここでは、歯車列は、歯車１５、１４を指している。この場合、回転錘１０の回転が増速されて回転軸８を回転させると、回転部材に設置された帯電膜（エレクトレット膜）３を、対向基板１（受け板３４の固定）に静止した対向電極２に対して、増速回転させることができる。従って、回転部材４の回転数が高まると、発電量を上昇させることができる。なお、歯車列としては、２枚の歯車に限らず、３枚以上の歯車を組み合わせても良く、また、特殊歯車、カム、リンク、一方向クラッチ等を途中に介在させたものもここでの歯車伝動機構に含まれる。軸９は、ここでは、受け板３４にベアリング１６を介して軸支されている。軸９の軸支については、地板３３と受け板３４で軸支することも可能である。

　軸９に固定された回転錘１０から回転軸８への歯車伝動機構としては、機械式腕時計においてこれまで公知の自動巻きの回転駆動技術を転用することが可能である。たとえば、腕の運動などの振動による、軸９に固定された回転錘１０の正逆両方向の回転を、歯車伝動機構に内在した変換クラッチ機構によって、常に一方向の回転に変換するようにしても良い。

　このような変換クラッチ機構は、ツゥーウェイクラッチ機構として機械式自動巻き腕時計の公知技術として、よく知られているので、これらの公知技術などを適用することが可能である。また、回転錘１０による軸９の回転や揺動の正逆一方向のみを、ワンウェイクラッチで回転軸８に伝動しても良い。この場合、回転錘１０の軸９（回転部材４の回転軸８）の回転が逆回転する時であっても、回転部材４に動きを阻害する力が加わることがなくなるので運動エネルギの無駄がなくなり、発電効率を高めることができる。以上述べた回転部材４と回転錘１０との歯車伝動機構は、以下に述べる実施形態においても適宜適用することができる。本実施形態において、回転錘１０は直接回転軸８に設けることも可能である。さらには、回転部材４に錘を設けて、回転錘の代わりにしても良い。これらの場合には歯車伝動機構１５、１４が不要である。

　続いて、本実施形態の詳細について以下に説明する。本発明で帯電膜として用いられるエレクトレット材料には、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、perfluorinated polymer）などがある。

　さらに、その他にも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。その他、周知の帯電膜を使用することができる。

　図５～７を参照して、帯電膜３と対向電極２による発電を説明する。本実施形態の発電の仕組みは、特許文献１で説明した図１８のタイプと同じである。回転部材４の下面の帯電膜３は、図５（ａ）に示すように、それぞれ、放射状に形成され、放射状の各一片３との間にはブランク部（透し穴、貫穴）が形成されている。回転移動する帯電膜３からは整流器への入力は無い。本実施形態では、外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列と、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの内周電極列の２列を有している。このような複数列の第１電極と第２電極に対向電極を分割することを、ここでは多相化と呼ぶ。

　外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列において、次のように電流が生成される。複数の第１電極Ａを連結した配線をＡ配線といい、複数の第２電極ＮＡを連結した配線をＮＡ配線という。第１電極Ａと第２電極ＮＡは、移動方向（ここでは回転方向）に沿って交互に、一定間隔（ここでは一定角度間隔）で一列に配置されている。

　図５（ｂ）の第１電極Ａには、破線で表示された帯電膜３が重なり合っている。帯電膜３が第１電極Ａと重なり合っている期間をＡ期間という。帯電膜３（エレクトレット膜）には、負電荷が保持されているので、第１電極Ａには、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。正電荷が引き寄せられる際に電流が流れる。

　一方、回転部材４の回転（仮に時計回りとする）に伴い、破線で表示された帯電膜３が、隣の第２電極ＮＡに重なる。帯電膜３が第２電極ＮＡと重なり合っている期間をＮＡ期間という。第２電極ＮＡには、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。正電荷が引き寄せられる際に電流が流れる。これに対して、第１電極Ａには、ブランク部（穴）が重なるので、Ａ期間において引き寄せられた正電荷が消散して逆方向に電流が流れる。回転部材４の回転に伴い、Ａ期間とＮＡ期間が交互に繰り返されることになる。すなわち、Ａ期間には、第２電極ＮＡから第１電極Ａに電流が流れ、ＮＡ期間には、第１電極Ａから第２電極ＮＡに電流が流れる。

　内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの内周電極列において、次のように電流が生成される。複数の第１電極Ｂを連結した配線をＢ配線といい、複数の第２電極ＮＢを連結した配線をＮＢ配線という。第１電極Ａと第２電極ＮＡと同様に、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、回転方向に沿って交互に、一定角度間隔で一列に配置されている。内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡとは、４分の１サイクルだけ位相差を以って配列されている。内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡと同様に、４分の１サイクルだけ位相差の遅れを以って、交流電流が流れる。外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列に発生した交流は、配線Ａ、ＮＡを経て整流回路２０に入力され、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの内周電極列に発生した交流も、配線Ｂ、ＮＢを経て整流回路２０に入力され、整流されて、図６に示す直流電流として取り出される。ここで図６の横軸は、電極に発生した交流の位相角であり、縦軸は発生した交流の振幅である。先に述べたように交流の位相を変位角度に置き換えている。上述された発電装置から出力された２相の交流波形は、整流回路２０により直流に変換され、降圧回路３０を経て２次電池２２に充電されることになる。回転部材４に対向電極２を配置すると、対向電極２から整流回路２０に入力する配線を設けることができないため、対向電極２と回転軸８を導通させ回転軸８から発電電流を取り出すしかなく、送電経路の抵抗が増加して発電効率を低下させてしまう。しかし、本実施形態の構成によれば、固定された対向基板の対向電極２から電流を取り出せばよいので、回路構成が極めて簡易なものにすることができる。

　回転錘１０によって、回転軸８に固定された回転部材４が回転すると、帯電膜（エレクトレット膜）３と、対向電極２の第１電極Ａ、第２電極ＮＡ、第１電極Ｂ、第２電極ＮＢとの重なり面積が増減し、これらに引き寄せられる正電荷が増減して、帯電膜（エレクトレット膜）３と対向電極２間に、図６に示す交流電流を発生させる。これを、出力部として、整流回路２０、降圧回路などを通して、クオーツムーブメントに出力させるものである。整流回路２０は、ブリッジ式であり、１相の交流波形に対して４個のダイオードを備え、本実施形態では２相の交流波形なので、８個のダイオードを備えている。

　図７（ａ）～（ｄ）は、本発明の第１実施形態において、帯電膜３と、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢのそれぞれとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。なお、帯電膜３、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢは全て四角形で模式的に描かれている。これは理解を容易にするために意図的に四角形にしているが、第１実施形態では扇形となる。図８は、図７の上段列と下段列に働く保持トルクと、回転部材全体に働く保持トルクを示す説明図である。図９は、本発明の第１実施形態の対向基板の表裏の電気配線パターンを示す一例である。図９（ａ）は、対向基板１の表側を表示しており、対向基板１の片面のみに第１電極Ａ、Ｂと第２電極ＮＡ、ＮＢが形成されている。図９（ｂ）は、対向基板１の裏側を表示している。

　本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡとは、４分の１サイクルだけ位相差を以って配列されている。対向基板１に、対向電極２の第１電極Ａ、Ｂと第２電極ＮＡ、ＮＢを配列した具体的実施例は、図９に示されている。この実施形態について簡単に説明する。対向電極を多相化すると、各電極を独立分離して配置しなければならず、分離のための面積ロスが発生してしまう。以下の実施例では、この面積ロスをできるだけ少なくするように工夫した実施形態である。

　図９（ａ）に示すように、符号１０１Ａは全ての各第１電極Ａを接続したあとの取出し端子である。符号１０２ＮＡは全ての各第２電極ＮＡを接続したあとの取出し端子である。符号１０３ＮＢは全ての各第２電極ＮＢを接続したあとの取出し端子である。符号１０４Ｂは全ての各第１電極Ｂを接続したあとの取出し端子である。

　図９（ａ）、（ｂ）に示す実施例において、各電極を連結接続するための配置は、次のようなものである。第１電極Ａは、対向基板１の外周側に配置されており、第２電極ＮＡと交互に設けられている。第１電極Ａ同士は、電気配線パターンの最外周縁部１１０によって連結接続されている。一方、第１電極Ｂは、対向基板１の内周側に配置されており、第２電極ＮＢと交互に設けられている。第２電極ＮＢ同士は、電気配線パターンの最内周縁部１１３によって連結接続されている。これに対して、対向基板の表側において、各第２電極ＮＡ同士と各第１電極Ｂ同士をそれぞれ連結接続する２つの同心円の接続パターンを設けることもできるが、２つの接続パターンを設けた分だけ、各電極の面積を狭くさせてしまう。各電極を等面積にして、最大限大きくするために、図９（ｂ）に示すように、対向基板１の表側の第２電極ＮＡ、第１電極Ｂにスルーホールを介して、裏側に形成された円環状の接続パターン１１１、１１２に接続している。

　第１電極Ａは、パターンの最外周縁部１１０から取出し端子１０１Ａと接続している。第２電極ＮＡは、それぞれに設けられたスルーホール１０８を介して、接続パターン１１１と接続しており、スルーホール１０２から取出し端子１０２ＮＡと接続している。第１電極Ｂは、それぞれに設けられたスルーホール１０５を介して、接続パターン１１２と接続しており、第１電極Ｂの１つに設けられたスルーホール１０６から、スルーホール１０４を介して、取出し端子１０４Ｂと接続している。第２電極ＮＢは、パターンの最内周縁部１１３で相互に連結接続し、第２電極ＮＢの１つに設けられたスルーホール１０９から、スルーホール１０３を介して、取出し端子１０３ＮＢと接続している。
　このように、第１電極Ａ、第２電極ＮＡ、第１電極Ｂ、第２電極ＮＢをパターン配置すれば、各電極を等面積にして、各電極の面積を最大限大きくすることができる。

　以下、このような配列において、帯電膜３と、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢのそれぞれとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する。外周側の第１電極Ａ、第２電極ＮＡの各面積と、内周側の第１電極Ｂ、第２電極ＮＢの各面積とは、それぞれ、皆同じ面積にすると良い。

　帯電膜が並進運動するときは、図７そのままに四角形電極にすれば良い。図７（ａ）～（ｄ）において、図５（ｂ）を上方から平面的に見て、移動方向（回転方向）に沿って直線状に１列に引伸ばした模式的な図面である。上段が内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの内周電極列であり、下段が外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列である。

　図７（ａ）は、外周側の第１電極Ａと帯電膜３とがぴったり重なった時である。すなわち、第１電極Ａと帯電膜３のオーバラップ部分の面積が最大となっている。したがって、帯電膜３が図示のプラスの移動方向（回転）に移動しようとすると、移動を阻止するように回転部材４に保持トルクを作用させる。このとき、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、回転部材４に保持トルクが作用しない。

　次に、帯電膜３のプラス方向の移動が行われて、図７（ｂ）は、内周側の第１電極Ｂと帯電膜３とがぴったり重なった時である。すなわち、第１電極Ｂと帯電膜３のオーバラップ部分の面積が最大となっている。したがって、帯電膜３が図示のプラスの移動方向（回転）に移動しようとすると、移動を阻止するように回転部材４に保持トルクを作用させる。一方、外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡは、回転部材４に保持トルクが作用しない。対向電極に対する帯電膜３の位置は、その後、図７（ｃ）、図７（ｄ）と推移し、図７（ａ）～（ｄ）が繰り返される。

　外周側の第１電極Ａと帯電膜３、および外側の第２電極ＮＡと帯電膜３とは、オーバラップする面積がそれぞれ半分となり、発電量もそれぞれ半分になるが、２つの発電電力を合計すると、外周側の電極と帯電膜３との重なる面積が最大のときと等しい電力量が得られるので、総合発電量が低下することが無い。

　図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、図７の下段列の外周電極列の保持トルク、図７の上段列の内周電極列の保持トルク、両者を重ね合わせた全体の保持トルクがグラフで示されている。図８において縦軸は、電極と帯電膜が引き合うクーロン力により、回転部材がその位置に保持される保持力の強さを示しており、横軸は、図７（ａ）～（ｄ）に示した対向電極に対する帯電膜位置を示している。破線の波形が、図２０（ａ）の従来構造における保持トルクのデータであり、実線が本実施形態による保持トルクのデータである。

　先に述べた理由により、外周電極列あるいは内周電極列の保持トルクはその半分が相殺されるため、従来構造に比べてそれぞれ半分の保持トルクで済む。さらに、保持トルクの波形が外周電極列と内周電極列とで半周期ずれているため、これらの保持トルクを総合すると、保持トルクのピークがなくなり平滑化される。

　本実施形態によれば、全体の保持トルクは、ピーク値がなくなって、一定値を保つことができるため、回転部材の低回転時における速度変動を抑えることができ、発電電流の変動を抑制できる。しかも、図２０の従来技術に比べ、各電極と帯電膜とが完全にオーバラップする部分の面積は半分（クーロン力は半分）になり、保持トルクを半分に減らすことができるのである。従って、回転部材４の初動トルクも従来技術に比べて半分に減らすことができる。対向電極の第１電極と第２電極の配置を、図５（ｂ）のようにすることによって、発生する電力を維持しつつ、クーロン力を低減することができる。しかも、クーロン力の影響を受けないエレクトレット発電を行うことができるのである。

　本実施形態は、上記で述べたように固定基板上で外周電極列と内周電極列との配置を、電極幅の半分ずらして（４分の１サイクルの位相差をもって）配列することで、保持トルクの半減と平滑化が図れるとともに、次に示すいずれか１つの利点を有する。

　（１）相殺しあうクーロン力を同一にできる。
　従来技術の上下両面タイプでクーロン力をキャンセルしようとすると、上下の帯電膜列間で位相がずれるように厳密に位置調整しなくてはならない。基板の上下面に帯電膜列を構成する方法は二通りあり、１枚の基板に対して上面に帯電膜列を形成した後、基板を裏返してもう一方の面に帯電膜列を形成するか、２枚の基板の片面に帯電膜列を形成して裏面同士を張り合わせることで製造できる。上記いずれの製造方法であっても、上面側の帯電膜列の配置に対して、下面側の帯電膜列の配置を精密にずらして設置することは困難性を伴うため、作業工数の増大とコスト上昇につながる。さらに上下両面タイプでは、上部と下部の対向電極も相互に所定量だけずらして配置しなくてはならず、このような立体的な発電構造において配置位置の調整は困難性を伴う。一方、本実施形態によれば、基板上の平面的な配置距離で位相関係が決まり、調整を必要としない。これによって、生産性の向上と、クーロン力のキャンセル精度が大幅に向上する。

　（２）上下帯電膜の帯電量バラツキの問題が無い。
　従来技術の上下両面タイプでは、上面帯電膜と下面帯電膜の帯電量が等しい場合にクーロン力を打ち消し合うことができる。しかし、上下両面タイプでは、１枚の基板の上下面に帯電膜を形成する方法、あるいは２枚の基板を張り合わせる方法のいずれの製造方法にしても、２回の帯電膜形成作業と帯電作業が必要となる。帯電膜形成工程では膜材の粘性により膜厚ムラができやすく、帯電膜の膜厚によって帯電する電荷量が増減する上に、帯電工程ではコロナ放電で電荷を注入するため帯電ムラが発生しやすく、１回の上記作業ごとに帯電膜の帯電量がバラ付くことになる。したがって、上下両面タイプで、上下帯電膜の帯電量を等しくするのは、かなり難しい課題であった。これに対して、本実施形態によれば、生産個体ごとに帯電膜厚と帯電電荷量のバラツキがあったとしても、単一基板上でみれば同一にすることができるので、クーロン力のキャンセルは可能である。このようにして、従来技術の上下両面タイプの課題を解消することができる。

　（３）配線が片側基板だけで済む。
　すなわち、従来技術の上下両面タイプでは、ハイジングの上下部に離れて配置された発電電極から同じ整流回路部に発電電流を入力して蓄電することになり、整流回路部は上部又は下部のいずれかに配置することになるため、上下発電電極からの配線のいずれか、あるいは双方の配線長が長くならざるを得ない。したがって、配線抵抗が大きくなり、蓄電電力が低減してしまう。本実施形態であれば、片側の基板に配線が集中するため、その近傍に整流回路部を置き、短い配線で送電できる。

　（４）コスト面で優位である。
　従来技術の上下両面タイプでは、基板の上下面に帯電膜と対向電極が必要なため、帯電膜と対向電極の形成作業が２回必要とする。本実施形態によれば、それぞれ１回で済む。また、回転部材の両面に対して帯電膜を形成する場合には、回転部材を表裏で固定するための治具とその作業が必要である。本実施形態ではこのようなコストを削減することができる。

　（５）薄型に構成できる。
　従来技術の上下両面タイプでは、移動する基板の上下面に帯電膜を設けるとともに、ハウジングの上部と下部にも電極を設ける必要があるため、発電器の厚みがでてしまい腕時計には不向きである。本実施形態によれば、基板上面の電極と回転部材の帯電膜のみでよいため、発電器を薄型に構成できる。

　（第２実施形態）
　図１０は、本発明の第２実施形態の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。図１１は、本発明の第２実施形態の整流回路を示す説明図である。図１２は、本発明の第２実施形態の整流回路からの出力を示すグラフである。

　第２実施形態は、帯電膜３と対向電極２間で引き起こされる静電誘導発電電流が、３相交流となるように、第１、第２電極を配列した実施形態である。第２実施形態も第１実施形態と同じ図２の構造を有している。第１実施例と相違する点は、対向基板１に設けられた第１、２電極の配列が、外周から内周に向けて、同心円状（円環状）に、外周電極列、中間電極列、内周電極列の３列配置されている点である。第２実施形態は、回転部材４を適用した実施形態であるが、第２実施形態の回転部材４の代わりに、並進運動を行う移動部材としても同じような効果が得られる。なお、その他の実施形態においても同様である。

　図１０（ｂ）に示すように、外周電極列において、第１電極Ａと第２電極ＮＡは、回転方向に沿って交互に、一定角度間隔で一列に配置されている。中間電極列において、第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、回転方向に沿って交互に、一定角度間隔で一列に配置されている。内周電極列において、第１電極Ｃと第２電極ＮＣは、回転方向に沿って交互に、一定角度間隔で一列に配置されている。図１０（ａ）、（ｂ）の実施形態では、各列の第１、２電極は、それぞれ円周方向に４個ずつ設置され、帯電膜３は４個設置されているが、これに限定されるものではなく、偶数個設置されていればよい。

　図１０（ａ）、（ｂ）の実施形態の場合の１サイクルは９０°である。第１実施形態とは異なり、仮に回転部材４が反時計方向に回転するとすれば、第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列に対して、内周電極列は、３０°先に進んだ位置で第１電極Ｃと第２電極ＮＣの交互の繰り返しがなされ、中間電極列は、内周電極列より、３０°先に進んだ位置で第１電極Ｂと第２電極ＮＢの交互の繰り返しがなされる。各列の位相差は、上述の例示に限定されるものではなく、各列によって３相交流が発生できるように適宜設定すればよい。全ての第１電極と第２電極は等面積にしているが、これに限定されるものではない。要は、クーロン力による回転部材４の保持トルクが従来技術より低減されるような、各電極の配置、各電極の面積であれば良い。

　回転部材４の下面の帯電膜３は、図１０（ａ）に示すように、それぞれ、放射状に形成され、放射状の各一片３との間にはブランク部（透し穴、貫穴）が形成されている。このブランク部が対向電極と正対しても、対向電極に電荷は生じないため、発電電流は生じない。なお、回転部材４の帯電膜３の回転は時計方向でも良いが、以下の図１３～１５の説明のためには、反時計方向の回転で説明する。本実施形態においても、各列において第１、２電極に交流が発生する仕組みは、第１実施形態と同じである。本実施形態では、図１２に示すような３相交流が発生する。その結果、Ｙ結線の整流回路２０によって、図１２の実線で示したような出力波形の直流電圧が生成される。３相交流の場合は、ＮＡとＮＢとＮＣを導通させて図１１のＮに示す仮想的な接地点を設けることができるため、接地のための出力線が不要になり、配線数を削減できる。従って、第１実施形態と比べて、整流器２０における使用するダイオードを削減させ、回路構成を簡略にすることができる。発生した３相交流に対しては、Ｙ結線の代わりにデルタ結線をしても良い。

　図１３（ａ）、（ｂ）、図１４（ｃ）、（ｄ）、図１５（ｅ）、（ｆ）は、本発明の第２実施形態において、帯電膜３と、電極Ａ、ＮＡ、Ｂ、ＮＢ、Ｃ、ＮＣのそれぞれとのオーバラップ部分の面積に働くクーロン力を説明する説明図である。図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１０（ｂ）の外周列、中間列、内周列に働く保持トルクと、回転部材全体に働く保持トルクを示す説明図である。図１６において縦軸は、電極と帯電膜が引き合うクーロン力により、回転部材がその位置に保持される保持力の強さを示しており、横軸は、図１３～１５に示した対向電極に対する帯電膜位置を示している。破線の波形が、図２０（ａ）の従来構造における保持トルクのデータであり、実線が本実施形態による保持トルクのデータである図１３～１５における上段、中段、下段はそれぞれ図１０（ｂ）の内周列、中間列、外周列に相当する。図１３～１５において、帯電膜３のプラス側の移動は、図１０（ａ）、（ｂ）における回転部材４の帯電膜３の反時計方向の回転を表している。

　図１３（ａ）は、下段の第１電極Ａと帯電膜３とがぴったり重なった時である。すなわち、第１電極Ａと帯電膜３のオーバラップ部分の面積が最大となっている。したがって、帯電膜３が図示のプラスの移動方向（反時計方向の回転）に移動しようとすると、移動を阻止するように回転部材４に保持トルクを作用させる。このとき、中段の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの合計保持トルクと、上段の第２電極ＮＣと第１電極Ｃの合計保持トルクとが若干作用している。対向基板の電極は３列に分割しているので、それぞれ本来働く保持トルクの３分の１で済んでいる。回転部材４の初動トルクも従来技術に比べて減らすことができる。

　次に、帯電膜３のプラス方向の移動が行われて、図１３（ｂ）は、中段の第２電極ＮＢと帯電膜３とがぴったり重なった時である。すなわち、第２電極ＮＢと帯電膜３のオーバラップ部分の面積が最大となっている。したがって、帯電膜３が図示のプラスの移動方向（回転）に移動しようとすると、移動を阻止するように回転部材４に保持トルクを作用させる。このとき、下段の第１電極Ａと第２電極ＮＡの合計保持トルクと、上段の第２電極ＮＣと第１電極Ｃの合計保持トルクとが若干作用している。この場合でも対向基板の電極は３列に分割しているので、それぞれ本来働く保持トルクの３分の１で済んでいる。図１４（ｃ）、（ｄ）、図１５（ｅ）、（ｆ）においても同様の現象が生じて、図１６（ａ）～（ｄ）に示したように、各段に働く保持トルクを重ね合わせると、回転部材全体に働く保持トルクは、本来働く保持トルクの約半分程度で済むことがわかる。

　本実施形態によれば、全体の保持トルクは、ピーク値がなくなって、一定値を保つことができる。しかも、この一定値は、図２０の従来技術に比べ、保持トルクを約半分程度に減らすことができるのである。対向電極の第１電極と第２電極の配置を、図１０（ｂ）のようにすることによって、発生する電力を維持しつつ、クーロン力を低減することができる。しかも、クーロン力の影響を受けないエレクトレット発電を行うことができるのである。その他の作用効果は第１実施形態と同じである。

　（第３実施形態）
　図１７は、本発明の第３実施形態の対向電極と帯電膜の概要を示す図である。

　第３実施形態は、回転部材４の下面の帯電膜３は、図１７（ａ）に示すように、外周側と内周側で位相差を４分の１サイクル分だけ設定し、対向基板１の外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列と、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの外周電極列には、図１７（ｂ）に示すように、位相差を設定しない場合の実施形態である。その他の構成は、第１実施形態と同じである。図１７（ａ）のように、対向基板１の外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列と、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの外周電極列に対応して、外周側の帯電膜３’と内周側の帯電膜３’’とが４分の１分だけ位相がずれている。外周側の帯電膜３’と内周側の帯電膜３’’は、等面積である。これらは連結していてよい。

　ずれた外周側の帯電膜３’と内周側の帯電膜３’’の帯電膜３と隣の帯電膜３との間には、ブランク部が形成されている。他の実施形態と同様に、回転移動する帯電膜３からは整流器への入力は無い。

　内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの内周電極列において、複数の第１電極Ｂを連結した配線をＢ配線といい、複数の第２電極ＮＢを連結した配線をＮＢ配線という。第１電極Ａと第２電極ＮＡと同様に、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、回転方向に沿って交互に、一定角度間隔で一列に配置されている。内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡとは、位相差ゼロで配列されている。しかしながら、外周側の帯電膜３’と内周側の帯電膜３’’が４分の１の位相差をもっているので、回転部材４の回転に伴い、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢは、外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡと同様に、４分の１サイクルだけ位相差の遅れを以って、交流電流が流れる。同様にして、帯電膜の位相ずれを外周列、中間列、内周列に設置して、対向電極側の３列の位相差をゼロにすれば、３相交流を出力することができる。

　外周側の第１電極Ａと第２電極ＮＡの外周電極列に発生した交流は、配線Ａ、ＮＡを経て整流回路２０に入力され、内周側の第１電極Ｂと第２電極ＮＢの内周電極列に発生した交流も、配線Ｂ、ＮＢを経て整流回路２０に入力されて、整流されて、図７に示す直流電流と同様に取り出される。上述された発電装置から出力された２相の交流波形は、整流回路２０により直流に変換され、降圧回路３０を経て２次電池２２に充電されることになる。本実施形態においても、回転軸８からは電流を取り出す必要はなく、固定された対向基板から電流を取り出せばよいので、回路構成が極めて簡易なものにすることができる。

　第３実施形態の作用効果は、第１実施形態と同様である。回転部材４に複雑なブランク部を打抜く必要があるが、必ずしもブランク部を形成する必要はなく、平板の基板に、ずれた外周側の帯電膜３’と内周側の帯電膜３’’を９０°毎に設置しても良い。

　以上述べた実施形態の他に、その他の実施形態にも、本発明の特徴が適用可能である。第１～３に実施形態は、回転部材４に帯電膜を形成した形態で説明したが、回転部材４の代わりに並進往復運動する移動部材に、帯電膜を所定間隔で設置してもよい（特許文献３を引用補充する）。それに対向する固定された対向基板１に、図７（ａ）や図１３（ａ）にみられるような四角形の第１、２電極を同様に設置すれば、これらの実施形態と同様な作用効果が得られる。

　第１～３に実施形態は、図２に示すように、回転軸８の回転部材４の上側において歯車１４が回転軸８に固定されている。また、軸９に固定された回転錘１０から回転軸８への歯車伝動機構（歯車列）として、軸９に固定された歯車１５と、回転軸８に固定された歯車１４とが設けられている。歯車列としては２個以上あっても良い。一方、回転錘１０は直接回転軸８に設けることも可能である。さらには、回転部材４に錘を設けて、回転錘の代わりにしても良い。これらの場合には歯車伝動機構１５、１４が不要である。

　さらに、特許文献１、２のように、回転部材４に錘を設けて、軸８とハウジング３３の間にヒゲゼンマイ（時計用語、渦巻きバネ）を設け（この点は特許文献１、２を引用補充する）、ヒゲゼンマイの一端はヒゲ持ち（時計用語、支持棒）でハウジングに固定され、ヒゲゼンマイの他端が、回転軸８にヒゲ玉（時計用語、環状リング）によって圧入や加締めで固定されるような実施形態に、第１～３実施形態の対向電極と帯電膜の特徴を適用しても良い。この形態は、歯車１４と回転軸８との間にベアリングを設けるとともに、ヒゲゼンマイの一端はヒゲ持ちで歯車１４に固定され、ヒゲゼンマイの他端が、回転軸８にヒゲ玉によって圧入や加締めで固定するようにしても良い。さらには、第１～３実施形態における、回転部材４の下方側に設置した対向電極と帯電膜の特徴を、下方側だけでなく同時に、回転部材４の上方側にも設けても、実施可能である。

　（第４実施形態）
　従来の図１８、１９の静電誘導発電器においては、発電器から得られる電力の利用効率についてはほとんど考慮されていなかった。特に携帯機器の用途では、発電した電力を２次電池のような蓄電手段にいったん充電することが必要であり、発電器から蓄電手段への充電効率（電力取り出し効率）が重要となる。ここで、静電誘導発電器の出力によって、２次電池のような入力インピーダンスが低く、ほぼ一定電圧とみなせる電圧負荷へ充電を行う場合の効率について考える。なお、発電器の出力インピーダンスと整合の取れた抵抗負荷を接続したときにこの抵抗負荷が消費する電力に対して、ある回路負荷に取り出せる電力との比を効率として定義する。特に前者は、この発電器から取り出せる理論上の最大電力に相当する。

　単純化のため、発電電圧波形は振幅一定の正弦波であるとし、この発電出力を順方向電圧が０Ｖの理想ダイオードで全波整流したと仮定する。この整流された出力に定電圧負荷を接続して充電しようとした場合は、図２１に示すような正弦波を下側にオフセットさせ振幅の上部だけとした電流波形となる。これは、発電電圧波形の裾野部分が負荷より低い電圧となってしまうため、実質的に負荷へ電圧印加がなされず、充電電流が取れない時間が生じるためである。

　計算機シミュレーションの解析によると、このような場合は、定電圧負荷の端子電圧が発電電圧の片振幅の０．３９４倍であるときに平均充電電力としては最大であった。その充電電力は、この発電器の出力インピーダンスと整合の取れた抵抗負荷を接続した場合の最大取り出し電力の約９２．３％である。

　すなわち、発電波形の基本波成分について考えた場合、これを理想的な整流回路を介して定電圧負荷を駆動したとしても、負荷に取り出せる電力は理論上の最大値の約９２％である。これは実質的に印加される発電電圧成分のリプル幅が大きいためである。さらに、一般的なダイオードの順方向電圧による損失を考慮すると、効率は、より低下する。

　本発明の第４実施形態の静電誘導発電器では、以下の構成を採用する。

　帯電部を有する回転可能な回転子と、この回転子から所定距離の空隙を介して対向した導電部を有する固定子とで構成した静電誘導発電器であって、前記帯電部は、前記回転子の回転中心から放射線状に配置された所定の中心角のＣ字扇状領域を複数有し、前記導電部は、前記回転子の回転中心軸上の位置から同心円状に配置された環状領域を複数有し、さらに前記環状領域は、それぞれ前記中心角と等しい中心角のＣ字扇状の小電極に複数分割され、１つの前記環状領域の中の隣り合う小電極を、当該環状領域の出力端子と共通端子とに交互に結線し、前記環状領域の数と同数の出力端子を設ける。

　これにより、従来の課題を解決し、定電圧負荷を接続した場合であっても、取り出し電力が最大化できる静電誘導発電器を提供することが可能となる。具体的には、静電誘導発電器の電極面を環状の領域に分割して構成することで、多相交流を発電出力することが可能となる。特に、この環状領域の中の電極の配置によって、一般に動力電源として用いられるような三相交流を発生させることが可能となる。この三相交流を全波整流して定電圧負荷を駆動する場合の理論上の最大効率は、約９７％まで改善することが可能となる。さらに、発電電圧の片振幅が従来の√３倍になるのでダイオードの順方向電圧による損失も小さくなるという効果もある。

　また、このような電気的な効果の他に、電極面を環状の領域に分割することによって、回転子と固定子間に働くクーロン力によって、回転子が固定子のある角度に留まろうとするトルクを下げることができ、外部から回転トルクが印加されたときに、回転子が回転し始め易くなるといった力学的な効果も有する。

　以下、このような静電誘導発電器を実現するための第４実施形態について図面を参照して詳述する。図２２に示したように、回転子１８０はＣ字扇状の複数の帯電部を備えた円形の回転体である。ここで、「Ｃ字扇状」とは、扇形の中心角に近い側から、その扇形より小さい扇形を取り除いた図形をいう。回転子１８０は以下のようにして形成する。

　回転子１８０は、０．５ｍｍ程度の厚さに整えられたガラスやシリコンといった平坦度の高い基材１８１を、エッチング等の加工法により円形に加工し、かつその面内を放射線状に形成する。ここでは回転子１８０の面内を円周方向に８等分に分割し、そのうちの４つの領域に相当する基材１８１が等間隔で残るように加工するものとする。図２２上では、この処理で基材１８１が抜かれた部分をスリット（穴）１８３として示している。このスリット１８３はＣ字扇状であり、回転子１８０の円周方向に等間隔で配置される。

　さらにその加工によって残っている基材１８１の表面上に、フッ素樹脂や二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）といった、電荷を帯電保持する機能を有する帯電薄膜１８２を形成することで、回転子１８０を形成する。この帯電薄膜１８２が帯電部に相当する。帯電薄膜１８２の形状は基材１８１の形状にならって、Ｃ字扇状となるように形成する。

　その後に、基材の表面の帯電薄膜１８２を帯電処理する。帯電処理としては、高電圧を発生できる電極で回転子の上下面を挟み込んだ状態で電圧印加することで帯電する方法や、コロナ放電による帯電する方法が挙げられる。コロナ放電の方法としては、帯電薄膜１８２に対して数ｍｍ離した距離に固定した針状電極に、－２０００Ｖから－８０００Ｖ程度の電圧を印加して帯電薄膜１８２に対して負の電荷を注入することで帯電させる。

　図２３に示したように、固定子１９０はＣ字扇状の複数の小電極による導電部を備えた円形の電極基板である。固定子１９０は以下のようにして形成する。固定子１９０は、ガラスエポキシ基板やポリイミド基板といった絶縁性の基材、あるいはそれより誘電率の低い基材の表面に導電部を設けたプリント基板について、その表面の導電部をエッチング等で分割し、Ｃ字扇状の小電極を複数形成する。具体的には、固定子１９０には、同心円状に分割した３つの環状領域を形成する。さらにそれぞれの環状領域を円周方向に分割することで小電極を形成する。

　最外周の環状領域を、円周方向に８つに分割しＡ相に対応する小電極を形成する。Ａ相に対応する小電極はＡ相電極１９１とＡ相共通電極１９４であり、これらを交互に配置し、環状になるようにする。最内周の環状領域がＣ相に対応し、同様にＣ相電極１９３とＣ相共通電極１９６を交互に配置する。Ａ相とＣ相に挟まれた環状領域がＢ相に対応し、同様にＢ相電極１９２とＢ相共通電極１９５を交互に配置する。なお、これらの小電極は、前述の帯電薄膜１８２と同じ大きさとなるようにする。Ａ～Ｃ相電極１９１～１９３およびＡ～Ｃ相共通電極１９４～１９６が導電部に対応する。

　図２３のＡと付された全ての小電極がＡ相電極１９１に対応する。同様にＢと付された全ての小電極がＢ相電極１９２に対応し、Ｃと付された全ての小電極はＣ相電極１９３に対応する。さらに、ＮＡと付された全ての小電極がＡ相共通電極１９４に対応する。同様にＮＢと付された全ての小電極がＢ相共通電極１９５に対応し、ＮＣと付された全ての小電極がＣ相共通電極１９６に対応する。

　特に、この固定子１９０上の各小電極は、回転子１８０と同様に面内を８分割しており、中心角が４５°のＣ字扇状となっている。さらに、あるＡ相電極１９１に対し、それに最も近いＢ相電極１９２との相対位置は、固定子１９０の中心からみて時計回りに３０°回転した位置になるようにする。同様に、あるＡ相電極１９１に対し、それに最も近いＣ相電極１９３との相対位置は、固定子１９０の中心からみて反時計回りに３０°回転した位置になるようにする。

　この３０°という角度は９０°の１／３であるが、各相の電極配置の位相角としてみたときは１２０°と等しい。これは、各相の環状領域においては、出力端子の電極と共通電極は４５°ピッチで交互に配置されているため、各相の電極の配置周期はその２倍の９０°ピッチであることによる。

　このように小電極を配置することにより、仮に回転子１８０をこの固定子１９０に対向させた状態で時計回りに回転したとき、Ａ相電極１９１に現れる発電波形に対して、位相角で１２０°遅れた発電波形がＢ相電極９２に現れ、さらに位相角で１２０°遅れた発電波形がＣ相電極１９３に現れるようになり、いわゆる三相交流信号が得られるようになる。特に、この１２０°という位相角は、１周期の位相角に相当する３６０°を、この発電器の出力相の数である３で除した位相角である。

　また、各環状領域の径方向の幅を、外周側と内周側とで変え、全ての小電極の面積が等しくなるように分割する。すなわち、Ａ相電極１９１とＢ相電極１９２とＣ相電極１９３とＡ相共通電極１９４とＢ相共通電極１９５とＣ相共通電極１９６との全てが同じ面積となるように、環状領域の同心円の径を設定する。この例ではＣ相に対応する環状領域が内周側であるため、回転中心からＣ相の環状領域の径方向の幅が最も長い。Ｂ相の環状領域の径方向の幅がその次に長く、最外周のＡ相の環状領域の径方向の幅が最も短くなるようにする。

　このような環状領域の形状をとることで、回転子１８０が回転した場合に、Ａ相電極１９１とＢ相電極１９２とＣ相電極１９３のそれぞれに対して、帯電薄膜１８２がこれらの小電極と対向する面積の変化量がそれぞれ等しくなるため、Ａ相電極１９１とＢ相電極１９２とＣ相電極１９３の出力インピーダンスに相当する値はほぼ等しくなり、接続される負荷に対して各相から得られる電流量のバランスがとれるようになる。なお、図示はしないが、分割されたＡ相電極１９１は全てが同電位となるように基板上で結線するものとする。また同様に、分割されたＢ相電極１９２も基板上で全てを結線し、Ｃ相電極１９３も基板上で全てを結線するものとする。これらのＡ相、Ｂ相、Ｃ相電極１９１～１９３は、固定子１９０の基板から導線で外部に引き出し、発電器の出力端子として後述の全波整流回路に接続する。

　他方で、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の共通電極１９４～１９６は、スルーホールで基板裏面に引き出し、全てを結線するものとする。なお、このように共通電極を結線することで、この発電器はいわゆるスター結線（「Ｙ結線」ともいう。以下、同じ。）の三相交流発電器として機能するようになる。すなわちＡ相、Ｂ相、Ｃ相電極１９１～１９３がそれぞれ発電器の各相の出力端子として機能する。またＡ相、Ｂ相、Ｃ相の共通電極１９４～１９６は等電位となり、中性線Ｎとして機能する。

　次に、図２４を用いて、本発明の第４実施形態の静電誘導発電器の構造について説明する。図２４に示すように、静電誘導発電器１１０１は、上述した回転子１８０と固定子１９０とを一定の空隙距離を保ったまま互いに対向させた状態に保持可能な構造としている。この状態で回転子１８０の回転を可能とするため、回転子１８０には軸体１３３を嵌合し、駒状の回転体を形成する。軸体１３３の両先端はホゾ(tenon)になっており、軸受けとしての機能を有する上側受け部１３１と下側受け部１３２とにそれぞれに設けた軸穴１３４と軸穴１３５とでこの軸体１３３のホゾを受けることで、この回転体を保持する構成となっている。なお、軸体１３３には、これと同じ中心軸である動力伝達歯車１３６が嵌合しており、これに噛み合う外部トルク入力源からの回転力を回転子１８０へ伝達可能となっている。

　帯電薄膜１８２の表面と、固定子１９０面上に形成された小電極表面との間の空隙は、５０ミクロンから１００ミクロンの距離を維持できるように上側受け部１３１と下側受け部１３２を固定する。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、できるだけ空隙距離は狭く、かつその変動が小さくなるような構造とする。このための構造としては、機械式時計に用いられるテンプの保持機構など、周知の機械構造が利用できる。同様に軸穴１３４、軸穴１３５には人工ルビーなどの輝石軸受けを用いることができる。

　このような構造とすることで、本実施形態の静電誘導発電器１１０１は回転子１８０が回転運動をする際に、ほぼ一定距離の空隙を維持しつつ、帯電薄膜１８２と固定子１９０面上の小電極が対向する面積を変化させることができる。すなわち、静電誘導現象により小電極の表面上に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。

　このように構成した静電誘導発電器１１０１では、Ａ相電極１９１－Ａ相共通電極１９４間には片振幅が１１．６Ｖの電圧が発生できるように空隙距離を設定する。固定子１９０の電極形状から分かるとおり、Ａ相に対してＢ相とＣ相とは等しい特性となるため、Ｂ相電極１９２－Ｂ相共通電極１９５間もＣ相電極１９３－Ｃ相共通電極１９６間も同じ電圧振幅となる。なお、この電圧はいわゆる相電圧に対応する。

　また、上述のとおり、Ａ相電極１９１とＢ相電極１９２とＣ相電極１９３の出力インピーダンスに相当する値はほぼ等しくなるよう設定している。よって、各相の出力インピーダンスと出力電圧とが等しいことから、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相から出力される電力は等しくなることは明らかである。

　次に図２５を用いて、本実施形態の静電誘導発電器を用いた充電回路について説明する。充電回路１１００は、上述した静電誘導発電器１１０１と、全波整流回路２０と、降圧回路３０と、蓄電手段２２とで構成する。

　静電誘導発電器１１０１のＡ相電極１９１とＢ相電極１９２とＣ相電極１９３とを、全波整流回路２０の入力側に接続する。中性線Ｎは各相の共通電極どうしを接続した端子であるが、この例においては、各相の発電特性を揃えた構成としたため、中性線Ｎは未接続でよい。

　全波整流回路２０は、三相入力を全波整流することが可能な６個のダイオードによる周知の全波整流回路である。なお、この全波整流回路２０に用いるダイオードとしては、逆電圧印加の耐圧が十分にあり、逆電圧によるリーク電流が少なく、端子間容量の小さいＰＩＮダイオードを用いる。全波整流回路２０の出力には降圧回路３０を接続する。降圧回路３０は、出入りする電力はほぼ一定のまま、高電圧入力を低電圧に高効率で変換して出力する回路である。

　一般に、静電誘導発電器１１０１の発電電圧は１０Ｖを超える高い電圧となる。その一方で、携帯電子機器に用いられる蓄電手段２２の蓄電電圧は数Ｖである。このような発電器から電力を取り出すために、蓄電手段２２を単に直結して充電すると効率が悪くなってしまう。本実施形態の充電回路ではこの問題を解決する目的で降圧回路３０を用いている。

　降圧回路３０の出力には２次電池である蓄電手段２２を接続し、降圧回路３０で低電圧・高電流に電力変換された結果として出力される電流を充電可能な構成とする。ここでは蓄電手段２２の端子電圧は１．５Ｖであるとする。次に説明するように、降圧回路３０および蓄電手段２２とは、全波整流回路２０の側からみて、ほとんど一定電圧（負荷電圧ＶL）の電圧源に見える定電圧負荷回路１１０２として働き、かつ高い効率で蓄電手段２２への充電を行うことが可能な回路である。

　図２６を使って降圧回路３０の構成について説明する。降圧回路３０は第１の降圧ブロック１０１１と第２の降圧ブロック１０１２とで構成する。降圧回路３０の降圧倍率ｎは６、すなわち６倍降圧するものである。

　第１の降圧ブロック１０１１と第２の降圧ブロック１０１２とは、構成としては同じものであるが互いに逆位相で動作、すなわち一方が蓄電動作をする間、他方は放電動作を行うように構成した降圧回路である。

　各降圧ブロックは複数のキャパシタを備えており、各キャパシタ間の接続状態は、ＭＯＳトランジスタを組み合わせて構成した、いわゆるアナログスイッチによって切り替える。スイッチは周知の構成なので図示していない。各々の降圧ブロックは、図２６に示すように全波整流回路２０の出力を２倍降圧する第１の降圧段１１１０Ａと、この第１の降圧段１１１０Ａの出力を３倍降圧して蓄電手段２２へ出力する第２の降圧段１１１０Ｂとで構成する。

　第１の降圧段１１１０Ａは、２倍降圧動作するために、キャパシタ１１１１とキャパシタ１１１２の２つのキャパシタを備えている。第１の降圧段１１１０Ａはキャパシタ１１１１１とキャパシタ１１１２の全てを直列または全てを並列とに切り替える動作をする。

　また、第２の降圧段１１１０Ｂは３倍降圧動作するために、キャパシタ１１１３とキャパシタ１１１４とキャパシタ１１１５の３つのキャパシタを備えている。第２の降圧段１１１０Ｂはキャパシタ１１１３とキャパシタ１１１４とキャパシタ１１１５の３つのキャパシタの全てを直列または並列とに切り替える動作をする。

　各キャパシタの接続状態は、周知の発振回路で生成可能な矩形波のクロック信号で切り替えることが可能である。このクロック信号の波形については図示しないが、図２６（ａ）の状態ａと、図２６（ｂ）の状態ｂとなる期間を５０ミリ秒とし、この２つの状態が交互に切り替わるように制御される。

　この切り替わりの瞬間に、各降圧ブロックを構成するスイッチが同時にオンすることで各キャパシタを短絡しないような僅かな期間を設けてもよい。この期間は周知の遅延時間生成手法によって、数ナノ～数１０ナノ秒程度と必要最小限の時間幅に設定できる。

　図２６を使って、降圧回路３０の動作について簡単に説明する。降圧回路３０中のキャパシタが、上で説明したように切り替え動作を開始することにより降圧動作を行う。すなわち、全波整流回路２０の出力から蓄電される状態にあるキャパシタは、電荷を蓄えることで端子電圧が僅かに上昇するが、キャパシタが放電状態となったときに、キャパシタに蓄えられた電荷は蓄電手段２２に瞬時に吸いこまれ、蓄電手段２２の端子電圧に等しくなる。これは蓄電手段２２のインピーダンスが低いためである。

　よって、降圧回路３０が降圧動作する時は、第２の降圧段１１１０Ｂの各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧Ｖ_BTと常にほぼ等しくなり、第１の降圧段１１１０Ａの各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧Ｖ_BTの３倍と常にほぼ等しくなり、結果として降圧回路３０の入力側電圧である負荷電圧Ｖ_Lは蓄電電圧Ｖ_BTのほぼ６倍の電圧となる。

　このように、降圧回路３０の入力側には蓄電電圧Ｖ_BTに降圧倍率ｎを乗じた電圧値が現れることとなる。この降圧回路３０の入力側端子は、発電した電流が流れ込んでもほとんど電圧変化が生じないため、降圧回路３０の接続状態が切り替わるごく僅かな期間を除けば、降圧回路３０は常に電圧値がｎ・Ｖ_BTの電圧源であるかのように振る舞う。この定電圧源のように見える負荷の電圧値が前述した負荷電圧Ｖ_Lに相当し、
　Ｖ_L＝ｎ・Ｖ_BT
　が成り立つようになる。

　特に、２つの降圧ブロックを相補的に動作させることで、一方の降圧ブロックが放電状態にあって、静電誘導発電器１１０１に接続しない間でも、他方の降圧ブロックが静電誘導発電器１１０１に接続し充電状態にできるため、静電誘導発電器１１０１に常に定電圧負荷が接続したような状態にすることができ、静電誘導発電器１１０１が発電しているその時点での電力を常に取り出すことが可能となる。

　さらにこの降圧動作では、降圧回路３０内の全てのキャパシタは、電荷を受け渡す動作を通じてもその端子電圧には僅かな電圧変化しか生じないため、電荷移動にともなう損失が抑えられ、結果的にこの降圧回路３０は、入力電圧よりも端子電圧が低い状態にある蓄電手段２２へほとんど損失なしに電荷を移動することが可能となる。

　従って、このように降圧回路３０を構成することで、静電誘導発電器１１０１が無負荷となるような時間なしに、常に定電圧源とみなせる負荷を接続することができ、かつ低損失で発電出力を蓄電手段２２に送ることが可能となる。

　充電回路１１００の動作について、図２４、図２５、図２７を用いて説明する。静電誘導発電器１１０１の動力伝達歯車１３６に対して、図示しない回転動力源からトルクが伝達されると、回転子１８０は回転を開始する。ここでは単純化のため、静電誘導発電器１１０１の発電が定常状態であり、回転子１８０が一定の角速度ω_rで回転している状態での動作について説明する。

　静電誘導発電器１１０１が無負荷の状態であると仮定すると、Ａ相電極１９１から発生する発電出力を電圧信号として見た場合、基本波成分としては、ＶＡ（ｔ）Ｖ０・ｓｉｎ（ω・ｔ）の発電電圧が得られる。ただしω＝４・ω_rである。発電出力の角周波数が回転子１８０の回転角速度の４倍であるのは回転子１８０上の帯電薄膜１８２が面上に４個あるためである。

　同様に、Ｂ相電極１９２およびＣ相電極１９３からは、
　ＶＢ（ｔ）＝Ｖ０・ｓｉｎ（ω・ｔ－２・π／３）
　ＶＣ（ｔ）＝Ｖ０・ｓｉｎ（ω・ｔ＋２・π／３）
　の発電電圧が得られる。これは上述のとおり、Ａ相電極１９１に対して、Ｂ相電極１９２およびＣ相電極１９３の配置位相を円周方向に変えているためである。以下の説明では、このＡ相の発電電圧の信号位相を基準の位相とする。

　これらの各相からの発電出力は全波整流回路２０によって全波整流され、降圧回路３０に入力される。降圧回路３０は内部のクロックによって前述のとおりに降圧動作を行い、蓄電手段２２へ電流出力を行う。蓄電手段２２は２次電池であるためその端子電圧は急激には変化しない。このため降圧回路３０以降は、蓄電手段２２の端子電圧を６倍した、ほぼ一定の電圧である電圧負荷にみえる。すなわち全波整流回路２０には負荷電圧Ｖ_Lの定電圧源が接続したような動作になる。実際には、全波整流回路２０から降圧回路３０に流れ込んだ電流の６倍の電流が蓄電手段２２に流れ、蓄電手段２２への充電がなされる。

　図２７に、この充電回路１１００に対してある端子電圧の定電圧負荷を接続したときの、負荷電流波形の例を示した。なお、ここでは単純化のため、全波整流回路２０は理想ダイオードであり、順方向電圧は０であると仮定している。

　負荷電流の波形は、定電圧負荷の端子電圧によって変化するが、図２７では、ちょうど発電電圧の位相がｍ・π／１２（ｍは奇数）のときに電流波形のリプルの谷が現れるように定電圧負荷の電圧値を設定したときの電流波形を例示している。この状態ではリプルの谷になる点での時間間隔は一定であるが、このようにすると、電流の各極大値と極小値との差は極めて小さくなる。

　次に、この充電回路１１００による充電効率について説明する。静電誘導発電器１１０１の発電電圧は、帯電薄膜１８２の表面電荷密度と空隙距離で主に決まるため、従来のように固定子１９０を環状領域に分割せずに単相であった場合と同じ発電電圧となる。ただし、各相の出力インピーダンスに相当する値は、単相であった場合の３倍となる。

　この静電誘導発電器１１０１の出力を、全波整流回路２０を介して三相全てを整流し、定電圧負荷を駆動する場合について、計算機シミュレーションで解析した結果、図２７に示すような波形の電流が負荷電流として流れ、特に定電圧負荷の端子電圧（負荷電圧Ｖ_L）が、各相の発電電圧（いわゆる相電圧）の片振幅Ｖ０の約０．７９２倍であるときに、発電１サイクルあたり（時間幅２・π／ω）での平均負荷消費電力が最大であった。その最大充電電力は、この発電器の出力インピーダンスと整合の取れた抵抗負荷を接続した場合の最大取り出し電力の約９７．２％である。

　すなわち、静電誘導発電器の発電出力の基本波成分について、これを理想的な整流回路を介して定電圧負荷を駆動した場合、負荷に取り出せる電力は理論最大の約９７％にまで改善される。従来技術での回転子および固定子のサイズや空隙距離が本実施形態と同じで、単相出力である場合の効率は、約９２％であった。この改善分は、静電誘導発電器１１０１から定電圧負荷回路１１０２に実質的に印加される発電電圧成分が０となる時間がなく、負荷に流れ込む電流のリプル幅が小さくなったことによる効果である。この充電回路では、定電圧負荷回路１１０２での電力消費は蓄電手段２２への充電電力に対応するため、充電効率が改善することに相当することは明らかである。

　上記の場合では、降圧倍率ｎ＝６であり、蓄電手段２２の端子電圧Ｖ_BT＝１．５Ｖであることから、負荷電圧Ｖ_L＝１．５×６＝９．０Ｖである。一方、各相の発電電圧（相電圧）Ｖ０＝１１．６Ｖであった。よってこの比は９．０／１１．６＝０．７７７となり、このときの電力取り出し効率は９７．２％と、このシステムでの最大効率点にほぼ等しい負荷動作点で充電回路１１００を動作させることが可能である。すなわち、定電圧負荷を駆動する電流の各極大値と極小値との差が小さくなるように負荷電圧Ｖ_Lを設定したとき、定電圧負荷への電力取り出し効率が極めて高くなる。

　図２５に示したように、この実施形態における静電誘導発電器１１０１はいわゆるスター結線の発電器の構成となっている。よく知られている交流回路理論によれば、スター結線の三相交流発電器の実質的な発電出力は、各相の発電電圧（相電圧）の√３倍になることが知られている。これは、いわゆる線間電圧に対応する出力電圧である。この静電誘導発電器の実施形態では、各相の発電電圧としては従来（図１８、１９）の単相の発電器と同じであるため、従来の発電器のように単相発電器として用いたときと比べて、実質的な発電電圧はそのまま√３倍となる。

　実際の全波整流回路２０では、整流する際にダイオードの順方向電圧分の電圧降下が生じる。ここで用いるダイオードの１つ当たりの順方向電圧は、約１．０Ｖのほぼ一定の電圧である。この順方向電圧は、発電電圧を減らす側にオフセットさせるものとみなせるが、このように実質的な発電電圧が√３倍に増えることによって、相対的にこのオフセット量が減ることになる。すなわち、静電誘導発電器を本実施形態のように三相出力とすることで、全波整流回路２０におけるダイオードの順方向電圧の影響を下げ、整流回路での損失を大幅に低減できるという効果も得られる。実用上は、このダイオードの順方向電圧の影響を小さくする効果が特に大きい。よって、本実施形態のように三相交流出力の発電器としなくても、実質的な出力電圧が大きくできるような構成とするだけでも、静電誘導発電器からの取り出し効率改善効果が得られる。

　ダイオードの順方向電圧の影響を下げることに注目した例について簡単に説明する。図２８に、先に説明した三相出力の発電器の例の固定子の別の例を示した。この例では、固定子１１９０の小電極を図２８に示したように分割する。すなわち、環状領域を内周側と外周側との２つとし、さらに各環状領域を８つのＣ字扇状の小電極に分割する。この例では外側の環状領域がＡ相に相当し、内側の環状領域がＢ相に相当し、特にＡ相とＢ相の配置位相を位相角で１８０°とする。すなわち、固定子１１９０の中心からみてＡ相電極１１９１とＢ相共通電極１１９５を同一直線状に配置し、Ｂ相電極１１９２とＡ相共通電極１１９４を同一直線状に配置する。また、各小電極は全て同じ面積となるようにする。Ａ相電極１１９１とＢ相電極１１９２とが、この発電器の例で出力端子となる。一方、図示はしないが、全てのＡ相共通電極１１９４とＢ相共通電極１１９５とを基板内で結線し、中性線Ｎとする。

　このように複数の小電極を配置および結線することにより、仮に上述した回転子１８０をこの固定子１９０に対向させた状態で時計回りに回転させたとき、Ａ相電極１１９１に現れる発電波形に対して、位相角で１８０°遅れた発電波形がＢ相電極１１９２に現れるようになる。各相の電圧振幅は等しいので、出力インピーダンスに相当する抵抗値が２倍の発電器を、２個直列にしたのと同等の特性が得られる。さらに、この２個の発電器の発電位相は同期しているので、結果的に従来の発電器とサイズ等は同じままで、電圧振幅が２倍で、出力インピーダンスが４倍の単相の発電器に相当する発電器が得られることになる。

　先に説明した三相出力の発電器の例と同様に、この発電器にも全波整流回路を接続し、発電出力を整流して利用することになる。全波整流回路に用いるダイオードの順方向電圧は、発電電圧を減らす側にオフセットさせるものとみなせるが、このように実質的な発電電圧が２倍に増えることによって、相対的にこのオフセット量が減ることになる。すなわち、静電誘導発電器の固定子をこの例のように構成することで、全波整流回路２０におけるダイオードの順方向電圧の影響を下げ、整流回路での損失をさらに低減できるという効果が得られる。

　ここでは、上記に説明した電気的な効果の他に、本実施形態の静電誘導発電器の電極構成によって得られる力学的な効果について説明する。まず、従来（図１８、１９）の静電誘導発電器での保持トルクについての定性的な説明をし、次に図２３を参照して、本実施形態の静電誘導発電器での保持トルクが従来の１／３になることについて説明する。

　従来の静電誘導発電器は、固定子と回転子を対向させて回転する構成になっているが、出力端子からみると、空隙の空気層や帯電薄膜を誘電体としたキャパシタ（コンデンサ）とみることができる。帯電薄膜には帯電処理による固定電荷が蓄えられているので、この系には静電引力（クーロン力）による静電ポテンシャルが生まれる。固定電荷をｑ、出力キャパシタの静電容量をＣとすると、静電ポテンシャルＵは単純には、Ｕ＝ｑ・ｑ／（２・Ｃ）で表される。

　このような系では、一般的に静電ポテンシャルが極小となるところが力学的にも安定点となる。固定電荷ｑの大きさは帯電処理時に決まるため一定である。一方、静電容量Ｃは固定子の回転位置によって僅かであるが変動する。これは、回転子の位置により寄生的に存在する静電容量値（寄生容量、stray capacitance）が異なるためである。

　固定子の表面上には、小電極を分割するために、導電性のない線が存在している。この分割線の部分には静電誘導による電荷がほとんど誘起されないため、静電容量Ｃへの寄与が小さいといえる。したがって、上からみて回転子がこの分割線を跨がない回転位置にあるときが、最も静電容量Ｃが大きくなる。

　図１９（ｂ）中では、例えば、点線３として示した位置において、帯電膜（回転子）がちょうどＡ相電極（固定子）に対向する回転位置であり、この位置の回転位置に帯電膜があるとき静電ポテンシャルＵは極小となる。この位置が力学的安定点であるため、この位置からどちらかの向きに回転させようとすれば、元の位置に引き戻そうとする向きのトルク、いわゆる保持トルクが生じる。この例においては、対向電極（固定子）２の対称性から、静電ポテンシャルが極小となる安定回転位置の周期は４５°毎であることは明らかである。

　次に図２３を再び参照して、本実施形態の静電誘導発電器での保持トルクについての説明をする。この静電誘導発電器は、上述のとおり、固定子１９０と回転子１８０を対向させて回転する構成であるが、ここで、図２３中にＴとして示した固定子１９０上の領域に、ちょうど回転子１８０の帯電領域が対向して重なるような位置で回転子１８０が停止している状態を考える。

　固定子１９０の最内周になるＣ相の環状領域では、ここと領域Ｔとの重なり状態に注目すると、Ｃ相共通電極９６との重なりを増やす側の安定点が近いことから、時計回りに引き戻しトルクが働くことが分かる。一方、Ｂ相の環状領域については、Ｂ相共通電極１９５との重なりを増やす側の安定点が近いことから、反時計回りに引き戻しトルクが働くことが分かる。

　特に、小電極の配置の対称性から、Ｃ相共通電極１９６が領域Ｔと重なっている面積と、Ｂ相共通電極１９５が領域Ｔと重なっている面積とは等しいため、これら２つの引き戻しトルクの大きさそのものは等しくなり、ちょうど相殺される。

　固定子１９０の最外周のＡ相の環状領域については、ここと領域Ｔとの重なり状態に注目すれば、この位置が安定点であることが分かる。ただし、従来と比べて、重なり面積自体は１／３しかないため、この位置から回転させようとしたときに元の位置に引き戻そうとするトルクも１／３となる。

　よって、それぞれの環状領域毎に注目し、対向する回転子１８０の箇所に働くトルクの和を考えれば明らかであるが、回転子１８０を安定位置に止めるように働く保持トルクは従来の１／３に小さくなることが分かる。ただし、この安定位置の周期は、図１９に示した従来の１／３である１５°毎である。

　以上から、本実施形態の静電誘導発電器によれば、固定子の電極面を対称性よく環状に分割することによって、回転子と固定子間に働くクーロン力による保持トルクを小さくすることができ、結果として、外部から回転トルクが印加されたときに、回転子を回転し始め易いという、力学的な効果が得られることが分かる。

　この力学的な効果だけを得るための典型的な固定子の電極配置の例を、図２９に示した。このような固定子２９０は、内周と外周とに２つの環状領域を有するが、Ａ相に相当する外周の環状領域からみて、Ｂ相に相当する内周の環状領域中の小電極の配置位相を、小電極の中心角のちょうど１／２である２２．５°にしている。

　図２９に、回転子の帯電領域が停止する位置の例として領域Ｖを示した。上記の説明と同様に、固定子２９０の小電極であるＡ相電極２９１、Ｂ相電極２９２、Ａ相共通電極２９４、Ｂ相共通電極２９５に対して、この領域Ｖの重なり状態に注目すれば、この位置が回転子の安定点となることが分かる。ただし、従来と比べて、重なり面積自体は１／２しかないため、この位置から回転させようとしたときに元の位置に引き戻そうとするトルクも１／２となることは明らかである。

　以上、本実施形態の静電誘導発電器について説明したが、発明の範囲は上記に記載した内容に限定されるものではない。例えば、上記の説明ではスター結線の三相発電器のように構成するものとしたが、いわゆるデルタ結線（三角結線）となるよう構成してもよい。

　本実施形態は、次の実施形態を含む。帯電部を有する回転可能な回転子と、該回転子から所定距離の空隙を介して対向した導電部を有する固定子とで構成した静電誘導発電器であって、前記帯電部は、前記回転子の回転中心から放射線状に配置された所定の中心角のＣ字扇状領域を複数有し、前記導電部は、前記回転子の回転中心軸上の位置から同心円状に配置された環状領域を複数有し、さらに前記環状領域は、それぞれ前記中心角と等しい中心角のＣ字扇状の小電極に複数分割され、１つの前記環状領域の中の隣り合う小電極を、当該環状領域の出力端子と共通端子とに交互に結線し、前記環状領域の数と同数の出力端子を設けたことを特徴とする。

　前記小電極の前記回転中心からの配置角度は、前記中心角の２倍の角度を前記環状領域の数で除した角度の整数倍であることを特徴とする。前記環状領域の数を３とすることで出力端子が３つの交流発電出力を得られるようにしたことを特徴とする。前記環状領域の数を２とすることで出力端子が２つの交流発電出力を得られるようにしたことを特徴とする。全ての前記小電極の面積がほぼ等しくなるように、前記環状領域の径方向の幅をそれぞれ設定したことを特徴とする。前記環状領域の共通端子をそれぞれ互いに結線して中性線を設けるとともに、スター結線発電器となるように前記出力端子を結線したことを特徴とする。前記小電極の前記回転中心からの配置角度が、前記中心角の１／２の角度の整数倍であることを特徴とする。

　さらに、本実施形態は、次の構成を有する実施形態を含む。静電誘導発電器の出力に接続した全波整流回路と、前記全波整流回路の出力に接続した、ほぼ一定電圧の電圧源となる定電圧負荷回路とを備え、前記全波整流回路により一方向に整流された電流によって前記定電圧負荷回路を充電することを特徴とする充電回路であっても良い。この充填回路は、前記静電誘導発電器の発電が定常状態であるとき、前記一方向に整流された電流のリプル幅が小さくなるように前記定電圧負荷回路の端子電圧を設定したことを特徴とする。

　なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

　１　　対向基板
　２　　対向電極
　３、３’、３’’　　帯電膜
　４　　回転部材
　８　　軸
　１０　　回転錘
　１４、１５　　歯車
　２０　　整流回路
　２１　　歯車駆動部
　２２　　２次電池
　２４　　風防
　２５　　文字板
　３０　　降圧回路
　３３、３４　　ハウジング
　Ａ、Ｂ、Ｃ　　第１電極
　ＮＡ、ＮＢ、ＮＣ　　第２電極
　２００　　クオーツムーブメント

Claims

　ハウジングと、
　前記ハウジングに固定された第１基板と、
　前記第１基板に対して相対移動可能に平行に配置された第２基板と、
　帯電膜と、
　対向電極と、
　前記帯電膜及び対向電極間で発生した交流を出力する出力部と、
　を有し、
　前記対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、
　前記対向電極に対向するように前記帯電膜を一定間隔おきに前記第２基板の第２対向面に設置し、
　前記対向電極は、
　前記第１対向面に分離して設けられた複数の第１電極と第２電極から構成され、
　前記第１電極と前記第２電極は、
　前記移動方向に沿って交互に、前記一定間隔で一列に配置され、
　前記第１電極同士と前記第２電極同士が接続されるとともに、
　前記第１電極と前記第２電極はそれぞれ前記出力部に接続されており、
　前記第１対向面において、
　前記一列の前記第１電極と前記第２電極が、複数列設置され、
　前記複数列ごとの前記一定間隔の位相はそれぞれ異なるようにした静電誘導型発電器。
　前記第２基板に軸を設けて、
　前記軸を前記ハウジングに設けた上部軸受部と下部軸受部で、
　回転自在に軸支したことを特徴とする請求項１に記載の静電誘導型発電器。
　ハウジングと、
　前記ハウジングに固定された第１基板と、
　前記第１基板に対して相対移動可能に平行に配置された第２基板と、
　帯電膜と、
　対向電極と、
　前記帯電膜及び対向電極間で発生した交流を出力する出力部と、
　を有し、
　前記対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、
　前記対向電極に対向するように前記帯電膜を一定間隔おきに前記第２基板の第２対向面に設置し、
　前記対向電極は、
　前記第１対向面に分離して設けられた複数の第１電極と第２電極から構成され、
　前記第１電極と前記第２電極は、
　前記移動方向に沿って交互に、前記一定間隔で一列に配置され、
　前記第１電極同士と前記第２電極同士が接続されるとともに、
　前記第１電極と前記第２電極はそれぞれ前記出力部に接続されており、
　前記第１対向面において、
　前記一列の前記第１電極と前記第２電極が、複数列設置され、
　前記複数列の前記一定間隔の位相はいずれも同じであり、
　前記第２対向面において、
　前記第１電極と前記第２電極の前記複数列ごとに、
　前記帯電膜が一定間隔おきに設置された帯電膜の１列を対向させ、
　それぞれの帯電膜の１列の前記一定間隔の位相はそれぞれ異なるようにした静電誘導型発電器。
　前記第２基板に軸を設けて、
　前記軸を前記ハウジングに設けた上部軸受部と下部軸受部で、
　回転自在に軸支したことを特徴とする請求項３に記載の静電誘導型発電器。
　前記軸若しくは前記第２基板は、
　重量バランスの偏りを有する回転錘が直接設置されているか、
　又は、回転錘の回転が歯車列を介して前記軸に回転伝動されるように構成されていることを特徴とする請求項２又は４に記載の静電誘導型発電器。
　前記複数列の前記第１電極と前記第２電極のすべての面積が等しいこと
　を特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。
　前記第１対向面において、
　前記一列の前記第１電極と前記第２電極が２又は３列設置され、
　２又は３相交流を出力部に出力すること
　を特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。
　請求項２又は４に記載の静電誘導型発電器に使用される前記第１基板であって、
　前記第１基板の前記第１対向面に、
　最外周に設置した前記一列の前記第１電極と前記第２電極のいずれか一方を、
　前記第１基板の最外周縁のパターンにより連結接続し、
　最内周に設置した前記一列の前記第１電極と前記第２電極のいずれか一方を、
　前記第１基板の最内周縁のパターンにより連結接続し、
　その他の電極は、
　スルーホールを介して、前記第１基板の前記第１対向面の裏側で、連結接続したこと
　を特徴とする基板。
　前記複数列の前記第１電極と
　前記第２電極のすべての面積が等しいこと
　を特徴とする請求項８に記載の基板。
　前記第１基板に対して、
　第２基板が並進運動を行うことを特徴とする請求項１又は３に記載の静電誘導型発電器。
　帯電部を有する回転可能な回転子と、該回転子から所定距離の空隙を介して対向した導電部を有する固定子とで構成した静電誘導型発電器であって、
　前記帯電部は、前記回転子の回転中心から放射線状に配置された所定の中心角のＣ字扇状領域を複数有し、
　前記導電部は、前記回転子の回転中心軸上の位置から同心円状に配置された環状領域を複数有し、
　さらに前記環状領域は、それぞれ前記中心角と等しい中心角のＣ字扇状の小電極に複数分割され、
　１つの前記環状領域の中の隣り合う小電極を、当該環状領域の出力端子と共通端子とに交互に結線し、
　前記環状領域の数と同数の出力端子を設け、
　前記出力端子に接続した全波整流回路と、前記全波整流回路の出力に接続した、ほぼ一定電圧の電圧源となる定電圧負荷回路とを備え、
　前記全波整流回路により一方向に整流された電流によって前記定電圧負荷回路を充電する静電誘導型発電器。