(57)【要約】【課題】振幅の大きな外部振動でも効率よく発電に利用できる発電装置、携帯型電気機器および携帯型時計を提供する。【解決手段】軸１７中心に回転する回転体１１の側面１３に設けられる第１電極１４と、前記側面１３に対向する対向面１５に設けられる第２電極１６とを有し、前記第１電極１４および前記第２電極１６のうち少なくとも一方は電荷保持部１２を備え、前記側面１３は前記軸１７を中心とする第１円周上に形成され、前記対向面１５は、前記軸１７を中心として、前記第１円周と異なる半径の第２円周上に形成されることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸回りに回転する回転体の側面に設けられる第１電極と、
前記側面に対向する対向面に設けられる第２電極とを有し、
前記第１電極および前記第２電極のうち少なくとも一方は電荷保持部を備え、
前記側面は前記軸を中心とする第１円周上に形成され、
前記対向面は、前記軸を中心として、前記第１円周と異なる半径の第２円周上に形成されることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記回転体における前記側面は、円周方向の一方側にある第１部分と、前記第１部分と円周方向に離れた他方側にある第２部分とを有し、
前記回転体は、前記第２部分から前記第１部分に向かう方向に回動する際の最大回動角度にあるときの前記第１部分と、前記第１部分から前記第２部分に向かう方向に回動する際の最大回動角度にあるときの前記第２部分との間の角度範囲が１８０度以上となる範囲で回動するように前記軸に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１電極は、複数の第１電極片を有し、
前記第２電極は、複数の第２電極片を有し、
前記複数の第１電極片および前記複数の第２電極片はそれぞれ等間隔に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記側面の前記軸方向の長さは、前記第１円周の半径より短いことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
前記側面は前記軸を中心とする径方向外側に向いており、前記第１円周の半径は、前記第２円周の半径より小さいことを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記回転体は、前記側面に前記回転体の慣性モーメントを増大させる慣性モーメント増大部を有し、
前記慣性モーメント増大部が前記第１電極であることを特徴とする請求項１または請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記複数の第１電極片は、前記第１円周上の全周に亘って設けられ、
前記複数の第２電極片は、前記第２円周上の全周に亘って設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【請求項８】
前記回転体は前記側面が前記径方向の内側に向くように形成されており、前記第１円周の半径は、前記第２円周の半径より大きいことを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項９】
前記側面は、絶縁性を有する複数の凸部を有し、
前記凸部の前記側面からの厚みが前記隙間より小さく、
前記複数の凸部の間の前記側面に前記第１電極が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記対向面は、絶縁性を有する複数の凸部を有し、
前記凸部の前記対向面からの厚みが前記隙間より小さく、
前記複数の凸部の間の前記対向面に前記第２電極が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の発電装置を備えることを特徴とする携帯型電気機器。
【請求項１２】
請求項１に記載の発電装置と、前記発電装置による発電電圧を周波数変換する振動子とを備えることを特徴とする携帯型時計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、携帯型電気機器および携帯型時計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトレット材料による静電誘導を利用した発電装置が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、複数のエレクトレット電極を表面に有する不動基板と、複数の可動電極を表面に有する可動基板とが、所定の間隔を隔てて配置された発電装置が提案されている。可動基板は不動基板上に設けられた固定構造体に弾性部材を介して連結されている。外部振動を受けて可動基板が平面方向に移動することで、エレクトレット電極と可動電極の重なり面積が変化し、可動電極に電荷の変化が生じる。この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電する。
【０００４】
また特許文献２には、回転板に、その回転中心から放射状に形成された放射状部を備えた第１電極と、電荷保持体であるエレクトレット膜とを配置する一方で、この第１電極の放射状部と対向するように平板状の基板上に、放射状に形成された放射状部を備えた第２電極を配置した発電装置が提案されている。これにより、回転体の機械的な運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができるとされている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の発電装置では、振幅の大きな外部振動を与えられた場合、可動基板は弾性部材の振幅以上は移動できないため、重なり面積の変化が起こらず、発電効率を確保することが困難となる。これに対して、特許文献２の発電装置では、回転板が回転運動できる量に構造的な制限がないため、振幅の大きな外部振動を与えられた場合でも、移動量を制限されずに発電できる。しかし、第１電極と第２電極の相対的な位置関係が設計値からずれた場合、発電効率を確保することが難しい。
【０００６】
このような従来の発電装置における電極間の相対的な位置について、回転軸方向に垂直な平面で電極同士の回転中心がずれた場合を図２２〜図２５を用いて説明する。これら図において、第１電極２０１は回転体の回転軸に垂直な面に設けられており、第２電極２１１は筐体に固定されている。回転体が回転軸を中心として筐体に対して回転すると、第１電極２０１と第２電極２１１との重なり面積が変化し、発電するように構成されている。第１電極２０１は放射状部２０２を有し、第２電極２１１は放射状部２１２を有する。図中、第１電極２０１と第２電極２１１との重なり部分を斜線で示す。
【０００７】
まず、図２２は、第１電極２０１の放射状部２０２と第２電極２１１の放射状部２１２の中心が一致している理想の状態を表している。かかる状態は、第２電極２１１と第１電極２０１とが完全に重なっており、重なり面積が最大となる状態となっている。一方、図２３は、図２２の状態から回転体が放射状部の角度θ２だけ回転運動した状態を表している。放射状部の重なりが零になり、第１電極２０１と第２電極２１１との重なり面積が最小となる。これら図２２、図２３の位置関係を繰り返すことで、重なり面積が大きく変化し、発電量を確保できる。
【０００８】
次に、図２４、図２５を用いて、回転軸に垂直な面内で第１電極２０１の放射状部２０２と第２電極２１１の放射状部２１２の中心がずれた場合を説明する。図２４は、図２２の位置から、第１電極２０１の中心が第２電極２１１の中心に対して矢印の方向（図中、左上方向）にわずかにずれた状態を表している。図２５は、図２４の状態から、回転体が角度θ２だけ回転した状態である。図２４においては、回転軸を中心として左上部分と右下部分の重なり面積が大きく、左下部分と右上部分の重なり面積が小さくなっている。この状態からθ２だけ回転すると、図２５に示されるように、左下部分と右上部分の重なり面積が大きくなり、左上部分と右下部分の重なり面積が小さくなる。このように、図２４、図２５の位置関係を繰り返しても、重なり面積の変化が得られないので、発電量を確保することが困難となる。また、図２４を図２２の状態と比べると、図２４の重なり面積のほうが小さくなる。つまり、第１電極２０１の中心が第２電極２１１の中心に対してずれた状態では、電極間の重なり面積の最大値が小さくなる。同様に、電極間の重なり面積の最小値についても、その値は大きくなる。よって、電極間の重なり面積の変化範囲が小さくなり、発電量を確保することが困難となる。
【０００９】
また、軸方向に第１電極２０１と第２電極２１１の相対的な位置ずれが生じた場合、電極間距離が離れる向きにずれると発電量が減少し、近づく向きにずれると電極が接触して発電しなくなる恐れがある。また、軸方向に垂直な平面に対して電極の傾きが生じた場合も、電極が接触して発電しなくなる恐れがある。これらの位置ずれは、特に振幅の大きな外部振動を受けたときに起こりやすいため、かかる従来の発電装置においても振幅の大きな外部振動を効率よく発電に利用することが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４２２９９７０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７９１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、外部振動を効率よく発電に利用できる発電装置、携帯型電気機器および携帯型時計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、軸中心に回転する回転体の側面に設けられる第１電極と、側面に対向する対向面に設けられる第２電極とを有し、第１電極および第２電極のうち少なくとも一方は電荷保持部を備え、側面は軸を中心とする第１円周上に形成され、対向面は、軸を中心として、第１円周と異なる半径の第２円周上に形成されることを特徴とする。
この構成によれば、回転体が回転運動することにより、第１電極と第２電極の重なり面積が変化して発電する。回転軸を挟んで互いに反対側の円周上においても発電可能となり、第１電極が第２電極に対して回転軸の一方側にずれることで発電量が増減しても、他方側でその増減分を緩和あるいは相殺することができるようになる。よって、発電量を安定して確保することができ、効率のよい発電を可能とすることができる。
【００１３】
また、回転体における側面は、円周方向の一方側にある第１部分と、第１部分と円周方向に離れた他方側にある第２部分とを有し、回転体は、第２部分から第１部分に向かう方向に回動する際の最大回動角度にあるときの第１部分と、第１部分から第２部分に向かう方向に回動する際の最大回動角度にあるときの第２部分との間の角度範囲が１８０度以上となる範囲で回動するように軸に取り付けられることを特徴とする。
この構成によれば、軸方向に垂直な平面方向で第１電極と第２電極の相対的な位置が設計値からずれた場合、ある部分では第１電極と第２電極の距離が離れ、発電量が減少するが、ある部分では第１電極と第２電極の距離が近づくので発電量が増加し、全体的な発電量を確保できる。また、軸方向に平行な方向に第１電極と第２電極の相対的な位置ずれが生じた場合、第１電極と第２電極の重なり面積の最大値は小さくなるが、最小値は変わらないので、重なり面積の変化量は確保され、発電量が大きく減少することはない。したがって、振幅の大きな外部振動を与えられて第１電極と第２電極の相対的な位置ずれが生じても、発電量を確保することができる。
【００１４】
また、第１電極は、複数の第１電極片を有し、第２電極は、複数の第２電極片を有し、複数の第１電極片および複数の第２電極片はそれぞれ等間隔に配置されることが望ましい。
この構成によれば、第１電極と第２電極の重なり面積が変化する周期を短くすることができるので、周波数が大きくなり、発電効率が向上する。また、電極片の間隔が均一なので、電極片上に電荷保持部を形成する際、表面電荷密度を均一に帯電させられるので、製作歩留が良い。一方、例えば特許文献２のような電極は放射状部を備えるため、中心に近いところでは電極間隔が狭くなり、中心から遠いところでは電極間隔が広くなる。このような電極上に電荷保持部を形成すると、電荷を注入する際に電極間隔が狭い中心に近いところへ電荷が集中する。したがって、表面電荷密度の分布が悪くなるばかりか、電荷保持部が破壊されてしまうおそれがある。
【００１５】
また、側面の軸方向の長さは、第１円周の半径より短いことが望ましい。
この構成によれば、軸方向に垂直な平面に対して回転体の傾きが生じた場合、回転体において位置の変化が最も大きくなる点の、軸に垂直な方向の変化量は、軸に平行な方向の変化量よりも小さい。したがって、例えば特許文献２のように軸方向に第１電極と第２電極の間隔が設けられている場合に比べて、第１電極と第２電極が接触する危険が少ないので、安定して発電することができる。
【００１６】
また、側面は軸を中心とする径方向外側に向いており、第１円周の半径は、第２円周の半径より小さいことが望ましい。
この構成によれば、回転体の側面の軸方向の長さを回転体の厚みに等しく形成できるので、第１電極を回転体の側面に上端から下端まで設けることができる。したがって、電極面積が大きくなるので、重なり面積の最大値と重なり面積の変化量とが大きくなり、発電効率が向上する。
【００１７】
また、回転体は、側面に回転体の慣性モーメントを増大させる慣性モーメント増大部を有し、慣性モーメント増大部が第１電極であることが望ましい。
この構成によれば、回転体の慣性モーメントが増大するので、回転体の共振周波数を低くすることができる。これにより、回転体の側面に設けられる第１電極が、発電作用と慣性モーメント増大作用とを同時に達成することができるので、環境振動のような外部振動を利用する発電装置において、発電量を容易に確保できるようになる。
【００１８】
また、複数の第１電極片は、第１円周上の全周に亘って設けられ、複数の第２電極片は、第２円周上の全周に亘って設けられていることが望ましい。
この構成によれば、第１電極と第２電極のそれぞれの総面積を大きく確保できるため、重なり面積の最大値が大きくなり、また、重なり面積の変化量も大きくなるため、発電効率が向上する。
【００１９】
また、回転体は側面が径方向の内側に向くように形成されており、第１円周の半径は、第２円周の半径より大きいことが望ましい。
この構成によれば、第１電極および第２電極が回転体の側面の内側に形成されるため、電荷保持部への遮光性が良くなり電荷保持部の劣化や封入電荷の抜けが抑制されるようになる。
また、側面は、絶縁性を有する複数の凸部を有し、凸部の側面からの厚みが隙間より小さく、複数の凸部の間の側面に第１電極が設けられていることが望ましい。
【００２０】
また、対向面は、絶縁性を有する複数の凸部を有し、凸部の対向面からの厚みが隙間より小さく、複数の凸部の間の対向面に第２電極が設けられていることが望ましい。
この構成によれば、軸方向に垂直な平面方向で回転体の側面と対向面の位置が相対的にずれた場合、凸部が相手側の面にあたって第１電極と第２電極の接触を防止するため、安定して発電することができる。
【００２１】
また、本発明に係る携帯型電気機器は、上記本発明の発電装置を備えたことを特徴としている。また、本発明に係る携帯型時計は、上記本発明の発電装置を備えたことを特徴としている。
この構成によれば、発電効率に優れた発電装置を備えているので、電力供給の信頼性に優れた電気機器または携帯型時計を提供することができる。
【発明の効果】
【００２２】
発明に係る発電装置によれば、外部振動を効率よく発電に利用できる発電装置、携帯型電気機器および携帯型時計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る発電装置の回転体の斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る発電装置の円筒の斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る発電装置の斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る発電装置の回路図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る発電装置の作用効果を説明する平面図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る発電装置の作用効果を説明する平面図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る発電装置の効果を説明する断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る発電装置の効果を説明する断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の変形例を示す回転体の平面図である。
【図１２】図１１の回転体を裏から見た平面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る発電装置の平面図である。
【図１４】図１３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る発電装置の回転体の斜視図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る発電装置の円筒の斜視図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係る発電装置の斜視図である。
【図１８】本発明の第３実施形態に係る発電装置の回転体の斜視図である。
【図１９】本発明の第３実施形態に係る発電装置の回転体の変形例の斜視図である。
【図２０】本発明の第１実施形態から第３実施形態に係る発電装置を搭載したクオーツ式腕時計の構造図である。
【図２１】図２０のクオーツ式腕時計のムーブメントの構造図である。
【図２２】従来の発電装置における動作状態を説明する平面図である。
【図２３】従来の発電装置における動作状態を説明する平面図である。
【図２４】従来の発電装置における動作状態を説明する平面図である。
【図２５】従来の発電装置における動作状態を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。以下の説明では、図１における上下方向を「Ｘ方向」、左右方向を「Ｙ方向」、紙面に直交する方向を「Ｚ方向」とする。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る発電装置の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。また、図３は発電装置を構成する回転体の斜視図、図４は発電装置を構成する円筒の斜視図であり、図５は第１実施形態に係る発電装置の斜視図である。
【００２６】
図１〜５に示すように、発電装置１０は、Ｚ方向に延びる軸１７を中心に回転する回転体１１と、回転体１１の径方向（ＸＹ方向）外側の側面１３に設けられる第１電極１４と、側面１３に対向する対向面１５に設けられる第２電極１６とを有している。また、第１電極１４は、エレクトレット膜（電荷保持部）１２を備えている。
【００２７】
回転体１１は、平板部１８と、平板部１８より厚肉に形成された側部１９とを備えている。平板部１８は半径Ｒ１の円弧を有する大半円板２０と、半径Ｒ３の円弧を有する小半円板２１とを備えている。大半円板２０の半径Ｒ１は、小半円板２１の半径Ｒ３よりも大きい。また、側部１９は大半円板２０の円弧に沿って設けられている。また、大半円板２０の円弧と小半円板２１の円弧は、同一の中心を有している。大半円板２０と小半円板２１の中心には、軸１７が挿入される軸穴がＺ方向に設けられ、回転体１１はベアリング２２を介して軸１７に回転可能に接続されている。また、軸１７は基板２７に固定されている。このような構成により、回転体１１は外部振動を受けると側部１９の慣性によって軸１７を中心に回転するように構成されている。また、側部１９は、Ｚ方向に平行な方向に伸びる側面１３を有し、側面１３のＺ方向の長さＴ１は、図９に示すように大半円板２０の半径Ｒ１よりも小さい。なお、側面１３の半径は半径Ｒ１となる。また、側面１３が形成される円周を第１円周と称する。
【００２８】
また、第１電極１４は、矩形状の複数の第１電極片２４から成り、複数の第１電極片２４は側面１３上に、大半円板２０の円弧全体に亘って側面１３に等間隔の角度で配置されている。
【００２９】
円筒２５はその内周円に沿って側面１３に対する対向面１５を備える。内周円は大半円板２０、小半円板２１と同一の中心を有し、内周円の半径Ｒ２は、大半円板２０の半径Ｒ１よりも大きい。なお、対抗面１５の半径は半径Ｒ２となる。また、かかる内周円を第２円周と称する。また、対向面１５に設けられる第２電極１６は、第１電極１４の複数の第１電極片２４と同形状の複数の第２電極片２６ａと、複数の第２電極片２６ａを繋ぐ共通部２６ｂから成り、複数の第２電極片２６ａは第１電極１４の複数の第１電極片２４と同じ角度間隔で対向面１５の全周に亘って等間隔の角度で配置されている。側面１３と対抗面１５との間には空隙が形成されている。
【００３０】
回転体１１は真鍮などの金属材料や、シリコンなどのセラミック材料、ガラスエポキシなどの樹脂材料で形成することができる。本実施形態の回転体１１は、真鍮により形成されている。なお、シリコンなどのセラミック材料、ガラスエポキシなどの樹脂材料のような絶縁材料で回転体１１を形成する場合は、表面を導電性材料で被覆する。
【００３１】
なお、平板部１８と側部１９を別体形成し、締結材料や接着剤を用いて接続しても良い。平板部１８および側部１９を別体形成する場合には、平板部１８より比重の大きい材料で側部１９を形成することが望ましい。例えば、平板部１８を真鍮で形成し、側部１９をプラチナや金、タングステン等で形成する。これにより、回転体１１の大幅な重量増加を抑制しながら、回転体１１の慣性モーメントを増加させることができる。
【００３２】
ベアリングの外輪２２ａ、ベアリングのボール２２ｂ、ベアリングの内輪２２ｃ、軸１７は導電性材料で形成され、第１電極１４、回転体１１、ベアリング２２、軸１７までが電気的に接続されている。
【００３３】
エレクトレット膜１２は、フッ素樹脂などの高分子材料やシリコン酸化物などの無機材料で形成されている。フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン／ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン／エチレン共重合体）、脂肪族環構造を有する含フッ素重合体等が挙げられる。脂肪族環構造を有する含フッ素重合体としては、特開２００６−１８０４５０号公報に記載の重合体等が挙げられる。なお、脂肪族環構造を有する含フッ素重合体の市販品としては、ＣＹＴＯＰ（登録商標、旭硝子社製）等が挙げられる。さらに、エレクトレット膜１２としては、国際公開第２００８／１１４４８９号公報、国際公開第２０１０／０３２７５９号公報に記載のエレクトレット等が挙げられる。
【００３４】
エレクトレット膜１２は、高電圧を印加しつつ冷却・固化させたり、コロナ放電により電子を打ち込んだりすることで、所定の電荷を半永久的に保持することができる。本実施形態では、コロナ放電により電子を打ち込むことで、エレクトレット膜１２の表面に負電荷を保持させている。また、本実施形態では、回転体１１が導電材料で形成されているため、回転体１１上に直接エレクトレット膜１２が形成されている。また、エレクトレット膜１２は、第１電極１４の複数の第１電極片２４を覆うように形成されている。
【００３５】
円筒２５は金属材料や、樹脂材料で形成することができる。本実施形態では、樹脂材料で形成され、対向面１５に導電性材料で形成された第２電極１６を有している。なお、円筒２５を金属などの導電性材料で形成する場合は、対向面１５を絶縁材料で被覆し、第２電極１６を形成する。なお、エレクトレット膜１２が、対抗面１５に第２電極１６の複数の第２電極片２６ａを覆うように形成されてもよい。
【００３６】
次に、図６により、本実施形態に係る発電装置の回路図および動作原理を説明する。
図６に示すように、発電装置１０の回路３１は、ブリッジ式整流回路３２と、平滑回路３３と、を備えている。ブリッジ式整流回路３２は、４個のダイオードを備え、その入力側にはエレクトレット膜１２の集電材（回転体１１）および第２電極１６が接続されている。ブリッジ式整流回路３２の出力側は、平滑コンデンサを備えた平滑回路３３を介して、様々な電気機器３４に接続される。
【００３７】
エレクトレット膜１２は負電荷が保持されているので、対向配置された第２電極１６には、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。そして、外部振動に応じて回転体１１が軸１７を中心に回転運動し、第２電極１６に対して第１電極１４が相対的に移動すると、エレクトレット膜１２と第２電極１６との重なり面積（以下、単に「重なり面積」という。）が増減し、これに伴って第２電極１６の電荷が増減する。静電誘導型の発電装置１０では、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。すなわち、回路３１を備えた発電装置１０は直流電源として機能する。
【００３８】
なお、図６では、第１電極１４が回路３１に直接接続されているが、実際には、導電性材料で形成された回転体１１、ベアリングの外輪２２ａ、ベアリングのボール２２ｂ、ベアリングの内輪ｃ、軸１７を介して、回路３１に電気的に接続されている。また、図６では第２電極の複数の第２電極片２６ａが回路３１に直接接続されているが、実際には、第２電極１６の共通部２６ｂを介して、回路３１に電気的に接続さている。また、円筒２５と基板２７は絶縁材料で形成されているため、第１電極１４と第２電極１６は電気的に絶縁である。
【００３９】
このように、本実施形態では、回転体１１の側面１３に設けたエレクトレット膜１２と、側面１３の対向面１５に設けた第２電極１６の重なり面積が、回転体１１の回転運動により相対的に変化することで発電する。また、回転体１１が回転運動を行っているときでも電気的な接続を維持できるので、安定して発電することができる。
【００４０】
次に、図７、図８を用いて、回転体１１や円筒２５が振動や外部からの衝撃を受け、回転体１１と円筒２５の軸がずれてしまっても、安定して発電することができる作用効果について説明する。
【００４１】
図７は、回転体１１の回転軸と円筒２５の中心軸とがずれていないときの状態における回転体１１の動作状態を示しており、図８は、回転体１１の回転軸と円筒２５の中心軸とがずれてしまったときの状態における回転体１１の動作状態を示している。実線で示した状態が、回転体１１の一方の最大回動角度の位置であり、点線で示した状態が、回転体１１の他方の最大回動角度の位置である。図７における時計周り方向に回動した実践で示す状態を一方の状態と称し、反時計回り方向に回動した点線で示す状態を他方の状態と称する。ここで、回転体１１における側面１３は、円周方向の一方側にある第１部分３５と、第１部分３５と円周方向に離れた他方側にある第２部分３６とを有している。かかる第１部分３５、第２部分３６は、第１電極１４が形成されている部分の両端部を意味する。一方の状態における第１部分３５と、他方の状態における第２部分３６との角度を回動角度θ１とする。本実施形態における回動角度θ１は、１８０度以上となるように設定されている。
【００４２】
図８は、回転体１１や円筒２５が振動や外部からの衝撃を受けることで、回転体１１が円筒２５に対してＸ軸方向にずれてしまった状態を表している。回転体１１が回転すると、回転体１１の側面１３に設けられている第１電極１４は、対抗面１５に設けられる第２電極１６に近づく状態と離れる状態を経由しながら回転することになる。Ｘ軸の正側を経由するときに第１電極１４と第２電極１６との間隔が小さくなると発電量が増加傾向となり、Ｘ軸の負側を経由するときに第１電極１４と第２電極１６との間隔が大きくなると発電量が減少傾向となる。言い換えると、回転中、上述の一方の状態においては電極間の距離が縮まり発電量が増加し、上述の他方の状態においては電極間の距離が遠ざかり発電量が低下する。つまり、回転体１１の回動動作中、発電量が増加傾向となる角度と、減少傾向となる角度とを両方有するようになるため、全体の発電量としては、図７で示す状態と比べ、その発電量の減少が抑制されることになり、発電量を変わらず確保することができるようになる。さらに換言すれば、回転体１１が一方側に振れたときの第１部分３５の角度位置と、他方側に振れたときの第２部分３６の角度位置とが１８０度以上、つまり、軸１７を中心とした直径の両端を第１電極１４が通過することができるので、回転動作において第１電極１４と第２電極１６とが遠ざかる角度状態だけでなく、近づく角度状態も有する構造となっている。仮に、回動角度θ１が１８０度未満に設定されたとすると、回転体１１の回転動作中に、第１電極１４と第２電極１６とが近づく状態、若しくは、遠ざかる状態の一方のみとなってしまい、発電量を変わらず確保するのが難しくなる。このような事態を回避することで、振動や外部からの衝撃を受けても、安定して発電することができる。つまり、ある部分では第１電極１４と第２電極１６の距離が離れ、発電量が減少するが、ある部分では第１電極１４と第２電極１６の距離が近づくので発電量が増加し、回転動作全体でみれば発電量を確保できるようになる。
【００４３】
また、軸方向に平行な方向に第１電極１４と第２電極１６の相対的な位置ずれが生じた場合、第１電極１４と第２電極１６の重なり面積の最大値は小さくなるが、最小値は変わらないので、重なり面積の変化量は確保され、発電量が大きく減少することはない。
【００４４】
このように、特許文献１のように移動量に制限のある水平運動を発電に利用する場合と比べ、回転体１１が回転運動する量に構造的な制限がないため、振幅の大きな外部振動を与えられた場合でも、移動量を制限されずに発電できるので、効率よく発電することができる。また、特許文献２のように回転体の平板部に電極を設ける場合に比べて、外部から衝撃を与えられて第１電極１４と第２電極１６の相対的な位置ずれが生じても、発電量を確保することができる。
【００４５】
また、側面１３のＺ方向の長さＴ１を大半円板２０の半径Ｒ１よりも小さく構成することで、外部からの衝撃等により回転体がＺ方向に対して傾いても発電量に影響がない。これについて、図９、１０を用いて説明する。図９は回転体１１が回転軸のあるＺ方向に垂直で、これが理想的な外部からの衝撃等を受けていない通常動作の位置である。側面１３に対する対向面１５と、平面２８に対する対向面３０とが有り、それぞれの面間隔Ｌ１とＬ２は等しいものとする。この状態から、図１０に示すように回転体１１がＺ方向に対してある角度傾いたとき、平面２８のＺ方向の変位量は、側面１３のＸＹ方向の変位量よりも大きい。図１０では対向面３０と接触しているので、平面２８と対向面３０のように回転軸方向に間隔をあけて電極を設けると、外部衝撃により電極が短絡し発電しなくなる危険が大きい。本実施形態では、回転軸に対して垂直な方向に間隔をあけて電極を設け、かつ側面１３の軸方向の長さＴ１が、大半円板２０の半径Ｒ１よりも小さいので、図１０に示すように回転体１１の傾きによる電極間距離の変化が小さく、安定して発電することができる。つまり、平面２８と対向面３０との関係のように回転体の平板部に電極を設ける従来の場合に比べ、側面１３に対する対向面１５との関係のような本実施形態の状態のほうが、外部からの衝撃等による回転体の傾きに強く、かかる衝撃等に影響されず安定した発電量を確保することができる。
【００４６】
また、本実施形態のエレクトレット膜１２は、等間隔に配置された矩形状であるため、表面電荷密度の分布良く電荷を保持させることができるので、特許文献２のように放射状のエレクトレット膜に電荷を与える場合よりも、歩留りが向上するとともに発電量が安定する。また、複数の電極片を有するので、重なり面積の増減する周期が早くなり、発電効率が向上する。
【００４７】
また、本実施形態では、回転体１１の最外周である側面１３にエレクトレット膜１２を設けているので、電極を形成する面積を大きくとることが可能となり、発電効率が向上する。
【００４８】
さらに、回転体１１の最外周である側面１３にエレクトレット膜１２、第１電極１４を設けている。より詳しくは、回転体１１の側面１３の半径Ｒ１の第１円周上に、複数の第１電極片２４を形成している。かかる回転体の外周に重量物である第１電極１４もしくはエレクトレット膜１２を有する構成により回転体１１の慣性モーメントが増加し、回転体１１の共振周波数を低くすることができる。外部振動として想定される環境振動は低周波振動が支配的であり、特に人の歩行に伴う振動の周波数は１〜２Ｈｚである。共振周波数を低く設定することができる本実施形態により、これらの環境振動を効率よく発電に利用することができる。つまり、発電の役割を担う第１電極１４またはエレクトレット膜１２が、回転体１１の慣性モーメントを増大させ外部環境の低周波振動と共振しやすくする慣性モーメント増大部の役割も担うことができる。したがって、環境振動を有効利用するために共振周波数を低くするための特別な機構を設ける必要がない。かかる構成は、回転体１１を携帯型時計の回転錘として構成する場合には、特に有効である。時計内部の部品は密集して組み立てられており、共振周波数を低くする機構と、発電機構とを共通の構造で達成する本実施例は、時計の小型化に有利に作用する。また、これらの機構を別々に設けることで、複雑な構造となり、信頼性の低下につながる事態をも回避することができる。すなわち、軸回りに回転する回転体１１の側面１３に設けられる第１電極１４と、側面１３に対向する対向面１５に設けられる第２電極１６とを有し、第１電極１４および第２電極１６のうち少なくとも一方は電荷保持部であるエレクトレット膜１２を備え、第１電極１４またはエレクトレット膜１２のいずれか一方は回転体１１の慣性モーメントを増大する慣性モーメント増大部である。さらに、この慣性モーメント増大部は回転体の最外周に形成されているので、効果的に慣性モーメントを増大させることができる。さらに、回転体１１の大半円板２０の平板部１８における第１電極１４またはエレクトレット膜１２より内周側に貫通孔や薄肉部による肉抜き部を形成することで、側部の第１電極１４またはエレクトレット膜１２による慣性モーメントの相対的な増大分をさらに高めることができる。
【００４９】
本実施形態では、特許文献２のように回転体１１の平板部１８に電極を設けていないので、平板部１８の肉抜き部を形成することができる。かかる肉抜き部を装飾として利用することで、発電装置１０の意匠性を向上することができる。
【００５０】
（変形例）
次に、第１実施形態の変形例について図１１および図１２に基づいて説明する。なお、以下の説明では、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する。
【００５１】
上述した実施形態では、回転体１１の平板部１８を半径Ｒ１の大半円板２０と半径Ｒ３の小半円板２１で構成し、側部１９を大半円板２０の円弧に沿って形成する場合について説明したが、これに限らない。例えば、図１１に示す回転体１１のように、平板部１８を半径Ｒ１の円板２３で構成し、側部１９を円板２３の全周に沿って形成しても構わない。また、図１２は図１１に示す回転体１１を表裏反転させた平面図である。図１２に示すように、側部１９の回転体１１の径方向（ＸＹ方向）内側に、回転体１１の重心が回転中心からずれるよう錘部２９を形成することで、回転体１１は外部振動を受けると錘部２９の慣性によって軸１７を中心に回転するように構成されている。
【００５２】
このように構成することで、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。第１実施形態の第１部分３５と第２部分３６に対応する部分は、円板２３の円周上の任意の点、例えば、１７０度離れた点を、それぞれ第１部分と第２部分とすることができる。回転体１１が一方側に振れたときの第１部分の角度位置と、他方側に振れたときの第２部分の角度位置とが１８０度以上、つまり、軸１７を中心とした直径の両端を第１電極１４が通過することができるので、回転動作において第１電極１４と第２電極１６とが遠ざかる角度状態だけでなく、近づく角度状態も有する構造となる。よって、回転体１１が円筒２５に対して、たとえばＸ軸方向にずれてしまった場合でも、Ｘ軸の正側で第１電極１４と第２電極１６との間隔が小さくなる回転状態では発電量が増加傾向となり、Ｘ軸の負側で間隔が大きくなる回転状態では発電量が減少傾向となる。よって、かかる円板状の回転体１１においても、回動動作中、発電量が増加傾向となる角度と、減少傾向となる角度とを両方有するようになるため、全体の発電量を変わらず確保することができるようになる。
【００５３】
このように、上述した第１実施形態と同様の効果に加え、エレクトレット膜１２の形成面積が大きくなるため、重なり面積の最大値が大きくなると共に、重なり面積の変化量も大きくなるため、発電効率が向上する。
【００５４】
（第２実施形態）
次に、図１３〜図１７に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。
図１３は第２実施形態に係る発電装置の平面図であり、図１４は図１３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。また、図１５は発電装置を構成する回転体の斜視図、図１６は発電装置を構成する円筒の斜視図であり、図１７は第２実施形態に係る発電装置の斜視図である。
【００５５】
図１３〜図１７に示すように、発電装置４０は、軸４７を中心に回転する回転体４１と、回転体４１の径方向（ＸＹ方向）内側の側面４３に設けられる第１電極４４と、側面４３に対向する対向面４５に設けられる第２電極４６とを有している。また、第１電極４４は、エレクトレット膜（電荷保持部）４２を備えている。
【００５６】
回転体４１は、平板部４８と、平板部４８より厚肉に形成された側部４９とを備えている。平板部４８は半径Ｒ１の円弧を有する大半円板５０と、半径Ｒ３の円弧を有する小半円板５１を備えている。回転体４１の側部４９の内側の半径Ｒ１は、小半円板５１の半径Ｒ３よりも大きい。また、側部４９は大半円板５０の円弧に沿って設けられている。また、大半円板５０の円弧と小半円板５１の円弧は、同一の中心を有している。大半円板５０と小半円板５１の中心には、軸４７が挿入される軸穴がＺ方向に設けられ、回転体４１はベアリング５２を介して軸４７に回転可能に接続されている。また、軸４７は基板５７に固定されている。
【００５７】
また、側部４９は、Ｚ方向に平行な方向に伸びる側面４３を有し、側面４３のＺ方向の長さＴ１は、回転体４１の側部４９の内側の半径Ｒ１よりも小さい。
また、第１電極４４は、矩形状の複数の第１電極片５４から成り、複数の第１電極片５４は側面４３上に、大半円板５０の円弧全体に亘って等間隔の角度で配置されている。
【００５８】
円筒５５はその外周円に沿って側面４３に対する対向面４５を備える。外周円は大半円板５０、小半円板５１と同一の中心を有し、外周円の半径Ｒ２は、回転体４１の側部４９の内側の半径Ｒ１よりも小さい。また、対向面４５に設けられる第２電極４６は、第１電極４４の複数の第１電極片５４と同形状の複数の第２電極片５６ａと、複数の第２電極片５６ａを繋ぐ共通部５６ｂから成り、複数の第２電極片５６ａは第１電極４４の複数の第１電極片５４と同じ角度間隔で対向面４５の全周に亘って等間隔の角度で配置されている。
【００５９】
このように構成することで、第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに、本実施形態では、エレクトット膜４２が回転体４１の側部４９の内側に形成されるため、エレクトレット膜４２への遮光性が良く、エレクトレット膜４２が劣化しないので、安定性が向上する。また、エレクトレット膜４２が不可視となるため、発電装置４０の美観性が向上する。
【００６０】
（第３実施形態）
次に、図１８および図１９に基づいて本発明の第３実施形態について説明する。
図１８は第３実施形態に係る発電装置の回転体６１の斜視図である。回転体以外の構成は、第１実施形態と同様である。
【００６１】
回転体６１は軸１７を中心に回転し、回転体６１の径方向（ＸＹ方向）外側の側面６３に設けられる第１電極６４を有している。また、第１電極６４は、エレクトレット膜（電荷保持部）６２を備えている。
【００６２】
回転体６１は、平板部６８と、平板部６８より厚肉に形成された側部６９とを備えている。平板部６８は半径Ｒ１の円弧を有する大半円板７０と、半径Ｒ３の円弧を有する小半円板７１を備えている。大半円板７０の半径Ｒ１は、小半円板７１の半径Ｒ３よりも大きい。また、側部６９は大半円板７０の円弧に沿って設けられている。また、大半円板７０の円弧と小半円板７１の円弧は、同一の中心を有している。大半円板７０と小半円板７１の中心には、軸１７が挿入される軸穴がＺ方向に設けられ、回転体６１はベアリング７２を介して軸１７に回転可能に接続されている。
【００６３】
また、側部６９は、Ｚ方向に平行な方向に伸びる側面６３を有し、側面６３のＺ方向の長さＴ１は、大半円板７０の半径Ｒ１よりも小さい。
また、第１電極６４は、矩形状の複数の第１電極片７４から成り、複数の第１電極片７４は側面６３上に、大半円板７０の円弧全体に亘って等間隔の角度で配置されている。
【００６４】
また、回転体６１は側面６３のZ方向両端に、大半円板７０の円弧全体に亘って凸部７８を有する。凸部７８は絶縁物で形成されるか、絶縁膜で覆われている。第１電極６４は凸部７８と凸部７８の間に形成される。凸部７８の回転体６１の径方向（ＸＹ方向）の厚みは、第１電極６４の厚み以上となるよう形成されている。
【００６５】
このような回転体６１を含む発電装置は、外部からの衝撃等により、回転体６１と円筒２５が接触した場合でも、絶縁性の凸部７８のみが対向面１５にあたり、第１電極６４と第２電極１６との短絡を防止するので、より安定に発電することができる。また、発電装置を組立てる際にも、エレクトレット膜６２が第２電極１６と接触しにくく、エレクトレット膜６２の電荷が抜けにくいため、発電量を維持することができる。
【００６６】
また、凸部７８は、図１８の形状に限らず、例えば図１９のように複数の第１電極片７４の間に形成しても良い。
また、本実施形態では第１電極側に凸部を設けたが、第２電極側に凸部を形成しても同様の効果を得ることができる。
【００６７】
（クオーツ式腕時計）
上述の実施形態に係る発電装置を備えた電気機器の一例として、クオーツ式腕時計について説明する。
【００６８】
図２０は、本発明の発電装置を備えたクオーツ式腕時計の内部構造図である。クオーツ式腕時計１は、例えば第１実施形態に係る発電装置１０と、クオーツ式腕時計のムーブメント１００とを備えている。図２１は、図２０のクオーツ式腕時計のムーブメント１００の内部構造である。ムーブメント１００は、水晶振動子２と、回路基板３と、コイル４と、ステータ５と、ロータ６と、歯車８とを備えている。そのうち回路基板３は、発振回路と、分周回路と、駆動回路とを備えている。
【００６９】
発電装置１０から水晶振動子２に電圧が印加されると、圧電効果により水晶振動子２は所定周波数の電気信号を出力する。この電気信号が回路基板３に入力されると、発振回路は所定周波数で安定して発振する。分周回路は、発振回路の出力信号をカウントして所定時間ごとにパルス信号を出力する。駆動回路は、パルス信号をトリガーとしてコイル４の駆動電流を交互に反転させる。この駆動電流によりコイル４は磁界を発生させ、ステータ５の両端からロータ６に磁界を印加して、永久磁石を備えたロータ６を回転させる。このロータ６の回転により歯車８が回転して、クオーツ式腕時計１が駆動される。
【００７０】
この構成によれば、発電効率に優れた発電装置１０を備えているので、電力供給の信頼性に優れたクオーツ式腕時計１を提供することができる。
【００７１】
すなわち、クオーツ式腕時計１を装着した人が歩行すると、歩行振動が発電装置１０に入力される。実施形態に係る発電装置１０では共振周波数が低くなるので、歩行振動により回転体１１の回転運動が起こる。これにより、歩行振動を利用して効率的に発電することができるので、電力供給の信頼性に優れたクオーツ式腕時計１を提供することができる。また、振幅の小さい歩行振動のみならず、振幅の大きい外部振動でも効率よく発電に利用できるので、人の動きによって生じる様々な振動を有効に発電に利用することができる。また、電極の位置ずれによる発電量への影響が少ないため、発電量の姿勢差がないだけでなく、落としたりぶつけたりという衝撃に対しても、安定して発電することができる。なお、実施形態に係る発電装置１０を従来のボタン電池と併用すれば、ボタン電池を長持ちさせることができる。
【００７２】
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な材料や層構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【００７３】
さらに、上述した実施形態では、電子機器の一例としてクオーツ式腕時計１に発電装置を搭載した場合について説明したが、これに限らず、種々の電子機器に搭載可能である。例えば、車両のタイヤの空気圧センサに搭載して、走行時の振動を用いて発電を行うことでタイヤの空気圧をモニタリングしたり、また車両のサスペンション装置に搭載したりすることも可能である。
さらに、靴底に発電装置を搭載するとともに、この発電装置を光源に電気的に接続し、歩行時の振動を用いて発電を行うことで光源から光を出射させるようにしても構わない。
【００７４】
さらに、上述の実施形態では、回転体１１を半円形、円形としたが、これに限らず、中心角が鋭角の扇型、または鈍角の扇型とすることもできる。
さらに、上述の第１実施形態〜第３実施形態の各々同士を、互いに矛盾のない範囲で適宜組み合わせることができる。例えば、第３実施形態の凸部は第２実施形態に設けることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、クオーツ式腕時計、携帯型音響機器、携帯型ゲーム機、キーレスエントリー機能を有する自動車用キー、リモートコントローラー、歩数計、補聴器などの発電装置、携帯型電気機器、携帯型時計に適用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１  クオーツ式腕時計（携帯型電気機器、携帯型時計）
１０、４０  発電装置
１１、４１、６１  回転体
１４、４４、６４  第１電極
１６、４６  第２電極
１２、４２、６２  エレクトレット膜
７８  凸部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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