(57)【要約】【課題】回転支持板の歪みをできるだけ小さくすることができる振動型発電機を提供する。【解決手段】回転支持板９の他方の面に接着剤層１５により重錘１１が接着されている。接着剤層１５の面積及び平面形状は、重錘１１が接着された回転支持板９の平均変位量が、出力変動の抑制の観点から定めた許容範囲内になるように定められている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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、前記回転基板が一方の面に固定される金属製の回転支持板並びに該回転支持板の他方の面に接着剤層により接着された金属製の重錘とを備えて、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を備え、
前記仮想回転中心線が通る位置に前記回転体を回転可能に支持するベアリングユニットが配置されている振動型発電機であって、
前記接着剤層の面積及び平面形状は、前記重錘が接着された前記回転支持板の平均変位量が、出力変動の抑制の観点から定めた許容範囲内になるように定められていることを特徴とする振動型発電機。
【請求項２】
前記平均変位量が８μｍ以下である請求項１に記載の振動型発電機。
【請求項３】
前記重錘の平面形状は、前記回転支持板に接着された状態で前記仮想回転中心線を中心とする第１の仮想円弧線に沿う重錘内縁部と、該第１の仮想円弧線よりも径方向外側に位置して前記仮想回転中心線を中心とする第２の仮想円弧線に沿う重錘外縁部と、前記回転支持板の径方向に延びて前記重錘内縁部の一端と前記重錘外縁部の一端との間に位置する第１の重錘連結縁部と、前記回転支持板の径方向に延びて前記重錘内縁部の他端と前記重錘外縁部の他端との間に位置する第２の重錘連結縁部を備えた形状を有しており、
前記接着剤層の前記平面形状は、前記仮想回転中心線を通り前記回転支持板の径方向に延びて前記重錘の前記平面形状を二分する仮想線に対して線対称になる形状を有しており、
前記接着剤層の面積は、前記重錘の平面の面積の５０％以下である請求項２に記載の振動型発電機。
【請求項４】
前記接着剤層の前記平面形状は、扇形であり、該扇形は前記重錘の平面上に中心点を有する形状である請求項３に記載の振動型発電機。
【請求項５】
前記接着剤層の前記平面形状は、扇形であり、該扇形は前記重錘の平面よりも径方向内側の位置に中心点を有する形状である請求項３に記載の振動型発電機。
【請求項６】
前記接着剤層の前記平面形状は、前記回転支持板の周方向に対向する一対の辺が、互いに近付く方向に向かって凸となる湾曲形状を有している請求項３に記載の振動型発電機。
【請求項７】
前記一対の辺は前記重錘の前記平面上で且つ前記重錘内縁部上または前記重錘内縁部に近い位置で一点に収束している請求項６に記載の振動型発電機。
【請求項８】
前記接着剤層の面積が、前記重錘の平面の面積の１７％〜５０％である請求項１に記載の振動型発電機。
【請求項９】
前記回転支持板はステンレスにより形成された回転板と４２アロイにより形成された矯正板とが重合された構造を有しており、
前記矯正板に前記接着剤層を介して接着される前記重錘はタングステンにより形成されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型発電機。
【請求項１０】
前記接着剤層を形成する接着剤は、嫌気性接着剤である請求項８に記載の振動型発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１７−１９２２４７号公報には、複数の第１電極を備えた固定基板が固定されたベースと、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、回転基板が一方の面に固定される金属製の回転支持板並びに該回転支持板の他方の面に接着剤層により接着された金属製の重錘とを備えて、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ロータ（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、ロータ（回転体）とベースとの間に所定の間隔を維持するスペーサ機構とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１９２２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の振動型発電機では、ロータ（回転体）がスペーサ機構の一部を構成しているために、回転支持板の外周部に厚みの厚い環状の補強枠が設けられた構造を有している。しかしながら振動型発電機の厚みを薄くするためには、ロータ（回転板）の厚みを薄くする必要があり、回転支持板に補強枠を設けることができない。このような条件の下で、仮想回転中心線が通る位置に回転体を回転可能に支持するベアリングユニットが配置されているときには、回転支持板と重錘のそれぞれの熱線膨張係数の差から、回転支持板が歪んで固定基板と回転基板との間の間隙が不均一なものとなり、大きな出力変動が生じる問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、回転支持板の歪みをできるだけ小さくすることができる振動型発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、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、回転基板が一方の面に固定される金属製の回転支持板並びに該回転支持板の他方の面に接着剤層により接着された金属製の重錘とを備えて、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を備え、仮想回転中心線が通る位置に回転体を回転可能に支持するベアリングユニットが配置されている振動型発電機を改良の対象とする。
【０００７】
本発明においては、接着剤層の面積及び平面形状を、重錘が接着された回転支持板の平均変位量が、出力変動の抑制の観点から定めた許容範囲内になるように定められている。本発明は、接着剤層の面積と平面形状を工夫することにより、回転支持板と重錘のそれぞれの熱線膨張係数の差から生じる応力で、回転支持板が歪んで固定基板と回転基板との間の間隙が不均一になることを抑制できることを発明者が見いだしたことを根拠にする。ここで「平均変位量」は、例えば、接合後の回転支持板に対してレーザ変位センサ（変位計）を使用し、回転支持板の各部の歪みまたは変位を非接触で測定することによりそれらの測定値を単純平均して求めることができる。また「出力変動の抑制の観点から定めた許容範囲」とは、例えば、出力変動を１０％以内にするためには平均変位量を５μｍ以下にすることが必要であるという理論計算から定めることができる。
【０００８】
ちなみに平均変位量が８μｍ以下になるようにすると、１５％以内の出力変動を達成することができる。
【０００９】
重錘の平面形状は任意であるが、最も典型的な重錘の形は、回転支持板に接着された状態で仮想回転中心線を中心とする第１の仮想円弧線に沿う重錘内縁部と、該第１の仮想円弧線よりも径方向外側に位置して仮想回転中心線を中心とする第２の仮想円弧線に沿う重錘外縁部と、回転支持板の径方向に延びて重錘内縁部の一端と重錘外縁部の一端との間に位置する第１の重錘連結縁部と、回転支持板の径方向に延びて重錘内縁部の他端と重錘外縁部の他端との間に位置する第２の重錘連結縁部を備えた形状を有している。そして接着剤層の平面形状は、任意であるが、仮想回転中心線を通り回転支持板の径方向に延びて重錘の平面形状を二分する仮想線に対して線対称になる形状を有しているのが好ましい。そして接着剤層の面積は、重錘の平面の面積の５０％以下であるのが好ましい。理想的には、面積が０に近いほうが、熱線膨張係数の差の影響は小さくなる。しかしながら接着剤層の重錘を固定するための機能を極端に下げることがない程度の機械的強度が得られる面積にする必要がある。接着剤を選択すれば、面積が５０％以下でも、必要な機械的強度が得られることが確認されている。
【００１０】
例えば、接着剤層の平面形状が、扇形である場合には、該扇形が重錘の平面上に中心点を有する形状の場合、また該扇形が重錘の平面よりも径方向内側の位置に中心点を有する形状の場合のいずれであってもよい。
【００１１】
また接着剤層の平面形状は、回転支持板の周方向に対向する一対の辺が、互いに近付く方向に向かって凸となる湾曲形状を有していてもよい。この平面形状にすると、同じ面積であっても、扇形より、平均変位量が小さくなることが確認されている。なおこの形状の場合、一対の辺は重錘の平面上で且つ重錘内縁部上または重錘内縁部に近い位置で一点に収束しているのが好ましい。
【００１２】
具体的には、接着剤層の面積は、重錘の平面の面積の１７％〜５０％であるのが好ましい。この範囲であれば、接着剤層の平面形状がどのような形でも、平均変位量を小さくすることができる。
【００１３】
回転支持板と重錘のそれぞれの熱線膨張係数の差が小さいということ、重錘に要求される密度、そして価格の観点からは、回転支持板はステンレスにより形成された回転板と４２アロイにより形成された矯正板とが重合された構造を有しているのが好ましい。この場合、矯正板に接着剤層を介して接着される重錘はタングステンにより形成されているのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の振動型発電機の一実施の形態の主要部の斜視図を示している。
【図２】図１の実施の形態のＡ−Ａ線断面図を示している。
【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）は、二分した重錘とこの重錘（半分）に対して付けられた接着剤層（半分）の形状の変形例を示す斜視図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、重錘を回転支持板に全面的に接着したときの、回転支持板の変位量の一例を説明するための半部斜視図及び測定位置に対する変位量のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】（Ａ）乃至（Ｃ）は、図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示した半割にした重錘の裏面に塗布する接着剤層の形状の例における図４（Ｂ）と同様の変位量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照して本発明の振動型発電機の実施の形態の一例について説明する。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の発電部１は、図示しないベースに固定される、複数の第１電極を備えた固定基板３と、固定基板３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５とを備えている。回転体５は複数の第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７、回転基板７が一方の面に固定される金属製の回転板９ａと金属製の矯正板９ｂとからなる回転支持板９並びに該回転支持板９の他方の面（矯正板９ｂ）に接着剤層１５（図３参照）により接着された金属製の重錘１１を備えている。なお矯正板９ｂは、回転板９ａの歪を矯正するものであるが、回転板９ａの厚みをある程度厚くするか、または回転板９ａの強度がある程度高い場合には、必ずしも必要ない。回転板９ａと矯正板９ｂとは、嫌気性接着剤等の接着剤層を介して接合されていてもよいし、金属間接合により接合されていてもよい。
【００１６】
発電部１は、複数の第２電極の一方と一緒に設けられたエレクトレットと呼ばれる電荷保持体とを備えている。また仮想回転中心線が通る位置に回転体５を回転可能に支持するベアリングユニット１３が配置されている。ベアリングユニット１３は、固定基板３に対して回転体５を回転可能にする構造を有している。
【００１７】
固定基板３及び回転基板７はガラスエポキシ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３に対し回転基板７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３の第１電極と回転基板７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。
【００１８】
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７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３に設けられていてもよい。また固定基板３及び回転基板７はガラスエポキシ基板製であり、各電極や電荷保持体をガラスエポキシ基板上に直接構成したが、他の実施の形態では固定基板７及び回転基板３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。
【００１９】
回転体５は、回転基板７と、回転支持板９と、重錘１１とを備えて、固定基板３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ベアリングユニット１３により固定基板３に対して回転する。回転基板７が一方の面に固定される金属製の回転支持板９の回転板９ａは、厚みが７００μｍで熱線膨張係数１７．３×１０-6／℃のステンレス（ＳＵＳ３０４）によって形成されている。また回転支持板９の矯正板９ｂは、厚みが１００μｍで熱線膨張係数５×１０-6／℃の４２アロイによって形成されている。矯正板９ｂに、図１及び図２には図示しない接着剤層（図３の符号１５参照）により接着される重錘１１は、回転体５の仮想回転中心線Ａ―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１１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回転体５は回転する。その結果、振動する固定基板３に対して回転基板７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、本実施の形態では、熱線膨張係数が４．５×１０-6／℃のタングステンで重錘１１を形成している。
【００２０】
重錘１１の平面形状は任意であるが、本実施の形態では最も典型的な重錘の形を採用している。この重錘１１の形は、回転支持板９に接着された状態で仮想回転中心線Ａを中心とする第１の仮想円弧線Ｂに沿う重錘内縁部１１Ａと、該第１の仮想円弧線Ｂよりも径方向外側に位置して仮想回転中心線Ａを中心とする第２の仮想円弧線Ｃに沿う重錘外縁部１１Ｂと、回転支持板９の径方向に延びて重錘内縁部１１Ｂの一端と重錘外縁部１１Ｃの一端との間に位置する第１の重錘連結縁部１１Ｃと、回転支持板の径方向に延びて重錘内縁部１１Ａの他端と重錘外縁部１１Ｂの他端との間に位置する第２の重錘連結縁部１１Ｄを備えた形状を有している。
【００２１】
図３（Ａ）乃至（Ｃ）には、半割にした重錘１１の裏面に塗布する接着剤層１５の形状の例を示してある。接着剤層１５の面積及び平面形状は、重錘１１が接着された回転支持板９の平均変位量が、出力変動の抑制の観点から定めた許容範囲内になるように定められている。接着剤層１５の平面形状は、任意である。図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示した接着剤層１５は、仮想回転中心線Ａを通り回転支持板の径方向に延びて重錘１１の平面形状を二分する仮想線Ｘに対して線対称になる形状を有している。そして接着剤層１５の面積は、重錘１１の平面の面積の５０％以下である。理想的には、面積が０に近いほうが、熱線膨張係数の差の影響は小さくなる。しかしながら接着剤層１５の重錘１１を固定するための機能を極端に下げることがない程度の機械的強度が得られる面積にする必要がある。接着剤を選択すれば、面積が５０％以下でも、必要な機械的強度が得られることが確認されている。本実施の形態では、ヘンケルジャパン株式会社がロックタイト（登録商標）の名称で販売する嫌気性接着剤を用いている。
【００２２】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す接着剤層１５の平面形状は、それぞれ扇形である。図３（Ｂ）の場合には、扇形が重錘１１の平面上に中心点ＣＰを有する形状であり、図３（Ａ）の場合には、扇形が重錘の平面よりも径方向内側の位置に中心点ＣＰを有する形状である。
【００２３】
図３（Ｃ）に示す接着剤層１５の平面形状は、回転支持板９の周方向に対向する一対の辺１５Ａが、互いに近付く方向に向かって凸となる湾曲形状を有している。この平面形状にすると、同じ面積であっても、扇形より、平均変位量が小さくなることが確認されている。なおこの形状の場合、一対の辺１５Ａは重錘１１の平面上で且つ重錘内縁部１１Ａ上または重錘内縁部１１Ａに近い位置で一点ＣＰに収束している。
【００２４】
「シミュレーション結果］
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、重錘１１を回転支持板９に全面的に接着したときの（面積比１００％のときの）、回転支持板９の変位量（非変形状態を０とした場合における各部の変位量を測定した結果）の一例を説明するための半部斜視図及び測定位置に対する変位量のシミュレーション結果を示す図である。図４（Ｂ）に示すグラフの横軸の角度は、図４（Ａ）に示す０℃、＋９０℃及び−９０℃に対応している。変位量の測定は、接合後の回転支持板に対してレーザ変位センサ（変位計）を使用して、回転支持板の各部の歪みまたは変位を非接触で測定することを想定してシミュレーションにより求めた。レーザ変位センサとしては、例えば、株式会社キーエンスのＬＥ−４０１０を使用することができる。また平均変位量は、全周にわたってシミュレーションした結果の単純平均として求めた。
【００２５】
図４（Ｂ）の測定結果を見るとわかるように、回転支持板９に重錘１１が接着された領域（０°〜−９０°）と接着されていない領域（０°〜＋９０°）の変位量を比べると、回転支持板９に重錘１１が接着された領域（０°〜−９０°）では最大１４μｍ以上と大きい。そのため平均変位量は１０．８μｍである。
【００２６】
図５（Ａ）乃至（Ｃ）は、図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示した半割にした重錘１１の裏面に塗布する接着剤層１５の形状の例における図４（Ｂ）と同様の変位量を示している。なお平均変位量は、グラフによって囲まれる面積と比例する。図５（Ａ）乃至（Ｃ）において、グラフ線番号１１１，１１２，１１３は図３（Ａ）の接着剤層の形状の重錘面積に対する接着剤層面積の割合が１７％、３３％、５０％に当たる形状における変位量を示しており、グラフ線番号２１１，２１２，２１３は図３（Ｂ）の接着剤層の形状の重錘面積に対する接着剤層面積の割合が１７％、３３％、５０％に当たる形状における変位量を示しており、グラフ線番号３１１，３１２，３１３は図３（Ｃ）の接着剤層の形状の重錘面積に対する接着剤層面積の割合が１７％、３３％、５０％に当たる形状における変位量を示している。図５（Ａ）乃至（Ｃ）を比較すると、グラフによって囲まれる面積が平均変位量に比例することから、図３（Ｃ）の接着剤層の形状が、図３（Ａ）及び（Ｂ）の扇形の接着剤層の形状と比べて、変位量（平均変位量）が小さくなることが判る。また平均変位量が小さくなることは、出力変動が小さくなることと比例する。したがって上記結果から、接着剤層１５の面積及び平面形状を、重錘１１が接着された回転支持板９の平均変位量が、出力変動の抑制の観点から定めた許容範囲内になるように定めればよいことが判る。なお「出力変動の抑制の観点から定めた許容範囲」とは、例えば、出力変動を１０％以内にするために平均変位量を５μｍ以下にすることが必要であるという理論計算から定めることができる。ちなみに平均変位量が８μｍ以下になるようにすると、１５％以内の出力変動を達成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、接着剤層の面積と平面形状を工夫することにより、回転支持板と重錘のそれぞれの熱線膨張係数の差から生じる応力で、回転支持板が歪んで固定基板と回転基板との間の間隙が著しく不均一になることを抑制できる。
【符号の説明】
【００２８】
１  発電部
３  固定基板
５  回転体
７  回転基板
９  回転支持板
１１  重錘
１３  ベアリングユニット
１５  接着剤層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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