発電装置、および電子機器
【課題】従来の発電装置では、圧電体に打撃を加えた一方側でのみ、更に打撃を加えた瞬間しか発電することが出来ない。このため、効率的に連続的な発電ができないという課題があった。
【解決手段】発電装置３００は、第１電極としての第１発電電極１０５を有する第１基板としての固定基板１０１と、第２電極としての第２発電電極２１１を有する第２基板としての可動基板２０１と、移動可能な可動基板２０１の可動方向の両端に設けられた弾性変形する第１支持部としての板ばね２１２および第２支持部としての板ばね２１３と、板ばね２１２，２１３の弾性変形に伴って変形する圧電素子２１２ｂ，２１３ｂと、を備えた。
【解決手段】発電装置３００は、第１電極としての第１発電電極１０５を有する第１基板としての固定基板１０１と、第２電極としての第２発電電極２１１を有する第２基板としての可動基板２０１と、移動可能な可動基板２０１の可動方向の両端に設けられた弾性変形する第１支持部としての板ばね２１２および第２支持部としての板ばね２１３と、板ばね２１２，２１３の弾性変形に伴って変形する圧電素子２１２ｂ，２１３ｂと、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、および当該発電装置を備えた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電体と、圧電体に対して相対的に振動可能に構成され、圧電体に打撃を加える打撃部とを備えた発電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
打撃部が振動することにより、圧電体に打撃が加えられるとともに、圧電体が変形し、圧電効果により発電が行われる。
【０００３】
また、可変容量の電極に電荷を与え、その電荷により対向電極間にクーロン引力を働かせ、このクーロン力に抗して振動部が振動することにより発生した振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う静電誘導型発電装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
上記静電誘導型発電装置は、複数の電荷を保持しているエレクトレット材料電極を備えた第２の基板と、複数の導電性表面電極を備えた第１の基板とが互いに所定の間隔を隔てて配置されており、第２の基板は、固定構造であり、第１の基板は、第２の基板にばねを介して連結されている。
第１の基板が振動することにより、エレクトレット電極と導電性表面電極との重なり面積の増減が生じ、導電性表面電極に電荷の変化が生じ、そ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なうと開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８３０１５号公報
【特許文献２】特表２００５−５２９５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の発電装置では、圧電体に打撃を加えた一方側でのみ、更に打撃を加えた瞬間しか発電することが出来ない。このため、従来の発電装置における構成では、効率的に連続的な発電ができないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適応例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る発電装置は、第１電極を備えた第１基板と前記第１電極に対向するように配置された第２電極を備えた第２基板と、を有し、前記第１電極と前記第２電極のいずれか一方は、電荷を保持する膜を含み、前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において第１の方向に移動可能であって、前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第１の方向に移動可能な基板に対して、前記第１の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第１支持部と、前記第１支持部の弾性変形に伴って変形する第１圧電素子と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、移動可能な基板が第１の方向に移動することにより、前記基板に設けられている支持部の一方が圧縮弾性変形し、その圧縮弾性変形に伴って圧電素子がたわみを生じ電気エネルギーとして取り出すことが可能であると共に、前記支持部の他方が膨張弾性変形し、その膨張弾性変形に伴って圧電素子がたわみを生じ電気エネルギーとして取り出すことが可能である。
また、いずれか一方に電荷を保持する膜を含む、第１電極と第２電極とを備え、前記第１電極を備える第１基板と前記第２電極を備える第２基板の少なくとも一方が、移動することにより、電荷を保持する膜と前記電荷を保持する膜に対向する電極との重なり面積に増減が生じ、前記電荷を保持する膜に対向する電極に電荷の変化が生じ、その電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことが可能である。その結果、従来より大きな発電量を得ることができる。
従って、高い発電効率を有する発電装置を提供することが出来る。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に記載の発電装置において、前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動可能であって、前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第２の方向に移動可能な基板に対して、前記第２の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第２支持部と、前記第２支持部の弾性変形に伴って変形する第２圧電素子と、を備えていることが好ましい。
【００１０】
本適用例によれば、第１の方向とは異なる第２の方向に移動することが可能であり、基板の移動方向が第２の方向においても、圧電素子のたわみが生じ電気エネルギーとして取り出すことが可能である。その結果、従来より大きな発電量を得ることができる。
従って、より高い発電効率を実現できる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の発電装置において、前記第１の方向に移動可能な基板と、前記第１圧電素子との間に前記第１支持部が設けられていることが好ましい。
【００１２】
本適用例によれば、第１圧電素子が第１の方向に移動可能な基板に接触しない為、前記圧電素子が外的な損傷を受けることが少なく、前記圧電素子の電気特性が変化する可能性を低くすることが出来る。
従って、高い信頼性を有する発電装置を提供することが出来る。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に記載の発電装置において、前記第２の方向に移動可能な基板と、前記第２圧電素子との間に前記第２支持部が設けられていることが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、第２圧電素子が第２の方向に移動可能な基板に接触しない為、前記圧電素子が外的な損傷を受けることが少なく、前記圧電素子の電気特性が変化する可能性を低くすることが出来る。
従って、高い信頼性を有する発電装置を提供することが出来る。
【００１５】
［適用例５］上記適用例に記載の発電装置において、前記第１支持部または前記第２支持部が、板状の弾性体であることが好ましい。
【００１６】
本適用例によれば、板状の弾性体を用いることにより、棒状の弾性体を用いた場合に比べて、表面積の大きな圧電素子を備えることが可能である。
従って、より大きな発電量を得ることができ、高い発電効率を実現できる。
【００１７】
［適用例６］本適用例の電子機器は、上記適用例に記載の発電装置を備えたことを特徴とする。
これによれば、高い発電効率が実現された発電装置を備え、例えばどこにでも携帯可能な情報端末機器などの電子機器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、第１実施形態の発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線で切った断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った断面図。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は、圧電素子を用いた発電を行う状態、及び振動機構を示す模式図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、電極を用いた発電を行う状態を示す断面図。
【図４】（ａ）は、第２実施形態の発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図。
【図５】電子機器としてのＲＦタグを示す模式図。
【図６】支持部、弾性体の変形例を示す平面図。
【図７】支持部、弾性体の他の変形例を示す平面図。
【図８】変形例２の発電装置の構成を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２０】
（第１実施形態）
以下、図１〜図３を参照して、第１実施形態の発電装置について説明する。第１実施形態の発電装置は、１軸方向の振動を利用して発電を行う発電装置である。
図１（ａ）は、発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線で切った断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った断面図である。本実施形態の発電装置３００は、後述する櫛歯状の電極と交差（直交）する第１の方向（Ｘ方向）に可動性を備え、Ｘ方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、発電装置３００は、第１基板としての固定基板１０１と、第２基板としての可動基板２０１とが間隔を置いて向かい合って配置されている。
なお、「上」とは、固定基板１０１から可動基板２０１へ向かう方向と定義する。
【００２１】
固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａと、固定基板本体１０１ａの第１面側に設けられた第１電極としての第１発電電極１０５と、を備える。第１発電電極１０５は、後述する第２発電電極２１１と協働して発電を行う発電用の電極である。
【００２２】
可動基板２０１は、可動基板本体２０１ａと、可動基板本体２０１ａの固定基板１０１の上記、第１面と間隔を置いて向き合った第２面側に設けられた集電電極２１０と、第２発電電極２１１と、を備えている。また、可動方向（Ｘ方向）の基板端部には、弾性変形する第１支持部としての板状の弾性体である、板ばね２１２，２１３を備えている。第２発電電極２１１は、第１発電電極１０５と協働して発電を行う発電用の電極である。
【００２３】
板ばね２１２，２１３は、共に円弧形状を備え、可動基板２０１に円弧頂点部、外枠１００に円弧両端部が接合されてなり、可動基板２０１を固定基板１０１とある間隔を保つ機能、可動基板２０１を静止位置に近づける機能を備えている。
【００２４】
板ばね２１２は、第１上電極２１２ａ、第１圧電素子２１２ｂ、第１下電極２１２ｃを備え、板ばね２１３は、第２上電極２１３ａ、第２圧電素子２１３ｂ、第２下電極２１３ｃを備えている。そして、板ばね２１２、２１３それぞれの変形により発電が行われる。
ここでは、第１下電極２１２ｃは、板ばね２１２の円弧の内側に、第１圧電素子２１２ｂは、第１下電極２１２ｃの円弧の内側、第１上電極２１２ａは第１圧電素子２１２ｂの円弧の内側に、それぞれ備えられている。同様に、第２下電極２１３ｃは、板ばね２１３の円弧の内側に、第２圧電素子２１３ｂは、第２下電極２１３ｃの円弧の内側、第２上電極２１３ａは第２圧電素子２１３ｂの円弧の内側にそれぞれ備えられている。
【００２５】
第２発電電極２１１の構成材料としては、フッ素樹脂やフロロカーボン樹脂等の弗素系の高分子材料や、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等の無機材料、シリコン酸化物及びシリコン窒化物等の無機材料を用いることができる。
そして、荷電法としては、コロナ放電によって発生した正あるいは負イオンを上記した非導電性材に注入する方法や、直流高電圧を針状電極にかけて大気中でイオンを発生させて、このイオンを上記した非導電性材に注入する方法を用いることができる。
また、コロナ放電を間欠的に発生させる方法や、直流高電圧をパルス状に印加する方法等、断続的に荷電する方法を用いても良い。
上記した荷電方法を用いて、第２発電電極２１１は、どちらの極性の電荷を荷電されていても良い。
【００２６】
可動基板２０１は、固定基板１０１に対してＸ方向に動けるよう板ばね２１２，２１３を介して外枠１００に固定されている。そして、第１発電電極１０５を含む第１発電部１１５と、可動基板２０１側にある集電電極２１０、第２発電電極２１１を含む第２発電部２１５により発電が行われる。第１発電電極１０５と、集電電極２１０、第２発電電極２１１は共に櫛歯状の電極構造を供えており、可動基板２０１は、櫛歯と交差する方向（Ｘ方向）に振動する。ここでは、櫛歯と垂直方向をＸ方向とした場合について説明を続ける。
板ばね２１２，２１３は、弾性変形による反力により、可動基板２０１を静止位置に引き戻す力を発生させる。
なお、「静止位置」とは、第１発電電極１０５と第２発電電極２１１の櫛歯が平面視で、平面的に重なっている状態を指すものとする。
【００２７】
固定基板本体１０１ａは、構成部材として例えばガラスやプラスティックが用いられている。そして、可動基板２０１が動いた場合に衝突せぬよう、固定基板本体１０１ａの可動基板２０１側の面は平坦な形状を備えている。
【００２８】
可動基板本体２０１ａは、固定基板本体１０１ａと同様に、構成部材として例えばガラスやプラスティックが用いられている。そして、可動基板２０１が動いた場合に固定基板１０１と衝突せぬよう、可動基板本体２０１ａの固定基板１０１側の面は平坦化されている。そして、板ばね２１２，２１３は、可動基板２０１が可動する方向を規定している。
【００２９】
（発電機構１）
以下に、上記した発電装置３００を発電可能な状態に保持するための振動機構、板ばね２１２、２１３の振動変形における発電機構について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、可動基板をずらした場合に板ばねの変形と、その変形による圧電素子の変形による発電機構、振動機構を示す模式図である。
図１（ａ）に示すように、発電装置３００が備える可動基板２０１は、円弧形状で、弾性変形する板ばね２１２、２１３を備え、その円弧内面に上下を電極に挟まれた圧電素子２１２ｂ、２１３ｂを備えている。板ばね２１２、２１３は、可動基板２０１の可動方向において対称的な動作を行うため、以下には、板ばね２１２のみで発電機構、振動機構を示す。
【００３０】
ステップＳ１として、図２（ａ）に示すように、可動基板２０１が静止位置にある場合には、板ばね２１２は均衡が保たれており、圧電素子２１２ｂは時間的（図２（ｆ）の横軸としてｔで示す）に変形しないため、形状変化によって発生する電圧は生じないため図２（ｆ）のＳ１に示すように発電は為されない。
【００３１】
次に、ステップＳ２として、図２（ｂ）に示すように、可動基板２０１を−Ｘ方向に移動させると、板ばね２１２が変形し、圧電素子２１２ｂが変形する。形状変形に伴い、電圧が生じ、抵抗Ｒを介し、図２（ｆ）のＳ２に示すように電流ｉが流れる。そして、−Ｘ方向に移動させた板ばね２１２の反力により静止すると、電圧の発生が終了し、電流ｉが止まる。
【００３２】
次に、ステップＳ３として、図２（ｃ）に示すように、Ｓ２での変形の反力により、静止位置に戻ろうとすると、板ばね２１２がＳ２とは反対の変形をし、圧電素子２１２ｂも反対の変形をする。その変形に伴い図２（ｂ）の場合と反対向きの電圧が発生し、即ち、図２（ｆ）のＳ３に示すように電流（−ｉ）が流れる。そして、静止位置に達した後、可動基板２０１の慣性力により、静止位置を通過して今度は＋Ｘ方向に進んでいく。
【００３３】
次に、ステップＳ４として、図２（ｄ）に示すように、可動基板２０１を＋Ｘ方向に移動すると、板ばね２１２の反力が生じ始めるが、板ばね２１２はＳ３と同方向への更に変形し、圧電素子２１２ｂも更に変形する。その変形に伴い、電圧が生じ、抵抗Ｒを介し、図２（ｆ）のＳ４に示すように電流（−ｉ）が流れる。そして、板ばね２１２の反力により静止すると、電圧の発生が終了し、電流ｉが止まる。
【００３４】
次に、ステップＳ５として、図２（ｅ）に示すように、Ｓ４での変形の反力により、静止位置に戻ろうと−Ｘ方向に移動すると、板ばね２１２がＳ４とは反対の変形をし、圧電素子２１２ｂも反対の変形をする。その変形に伴い図２（ｄ）の場合とは反対向きの電圧が発生し、即ち、図２（ｆ）のＳ５に示すように電流ｉが流れる。そして、静止位置に達した後、可動基板２０１の慣性力により、静止位置を通過して今度は−Ｘ方向に進んでいく。この動作を繰り返すことで、圧電素子２１２ｂを用いて可動基板２０１の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する、すなわち発電が行われる。
【００３５】
本実施形態における発電装置３００は、上述した発電機構１に加え、発電機構２の効果を備えている為、更に効率の高い発電装置３００を提供することができる。
【００３６】
（発電機構２）
以下、第１発電電極１０５を含む第１発電部１１５と、集電電極２１０、第２発電電極２１１と、を含む第２発電部２１５に振動を与えることで発電を行う機構について説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、発電を行う領域内の状態を示す断面図である。
【００３７】
ステップＳ１として、図３（ａ）に示すように、第２発電部２１５が振動していない場合には、電気力線（矢印で示す）は時間的（図３（ｅ）の横軸としてｔで示す）に変動しないため、電気力線の状態の変化によって発生する電力は生じないため図３（ｅ）のＳ１に示すように発電は為されない。
【００３８】
次に、ステップＳ２として、図３（ｂ）に示すように、可動基板２０１を−Ｘ方向に移動させると、可動基板２０１と固定基板１０１とがずれ、第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動する。即ち、図３（ｅ）のＳ２に示すように電流ｉが流れる。そして、−Ｘ方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。
【００３９】
次に、ステップＳ３として、図３（ｃ）に示すように、静止位置に戻すと、今度は第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が増えることとなる。容量増加に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動し、図３（ｂ）の場合と反対向きの電流、即ち、図３（ｅ）のＳ３に示すように電流（−ｉ）が流れる。そして、静止位置に戻し静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。
【００４０】
次に、ステップＳ４として、図３（ｄ）に示すように、可動基板２０１を＋Ｘ方向に移動させると、可動基板２０１と固定基板１０１とがずれ、第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動する。即ち、図３（ｅ）のＳ４に示すように電流ｉが流れる。そして、＋Ｘ方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。
【００４１】
この動作を繰り返すことで、可動基板２０１の振動エネルギーを元に発電を行うこととなる。なお、可動基板２０１の移動量は、容量変化を大きくするが望ましいために、櫛歯状の発電電極幅以上が望ましい。振動の種類などにより、複数個の電極を跨ぐ移動量でも良く、この場合においても容量変化を大きくすることができ、発電量を大きくすることができる。
【００４２】
（第２実施形態）
以下、図４を参照して、第２実施形態について説明を行う。第１実施形態との主な差異は、固定基板１０１と可動基板２０１は、ベアリング３５０を介して重ね合わされていること、可動基板２０１の基板端部に備えている板ばね２１２，２１３が外枠１００、又は可動基板２０１のどちらか一方に接合さていないことであり、ここでは外枠１００に接合されてない場合とする。
図４（ａ）は、第２実施形態の発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線で切った断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った断面図である。第１実施形態で説明した構成要素と同じものについては、同じ符号を与えている。そして、機能が概ね同様な場合については重複を避けるため、説明を省略する。第２実施形態の発電装置は、櫛歯電極と交差する第１の方向（Ｘ方向）に可動性を備え、Ｘ方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【００４３】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、発電装置４００は、固定基板１０１と、可動基板２０１を備える。
【００４４】
固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａ、Ｘ方向に延在するガイド１０３、第１発電電極１０５と、を備える。
【００４５】
可動基板２０１は、可動基板本体２０１ａ、Ｘ方向に延在するガイド２０３、集電電極２１０、第２発電電極２１１と、を備えると共に、可動基板２０１のＸ方向における基板端部には、板ばね２１２，２１３を備えている。
第２発電電極２１１は、第１発電電極１０５と協働して発電を行う発電用の電極である。
【００４６】
板ばね２１２，２１３は、共に一対の板ばねをラグビーボール形状に撓ませて両端部を接合させたものである。また、可動基板２０１とラグビーボール形状の一方の円弧頂点部で接合さており、可動基板２０１を静止位置に近づける機能を備えている。
【００４７】
板ばね２１２は、左円弧部分に第１上電極２１２ａ、第１圧電素子２１２ｂ、第１下電極２１２ｃを備え、右円弧部分に第２上電極２１２ｄ、第２圧電素子２１２ｅ、第２下電極２１２ｆを備える。同じく板ばね２１３は、左円弧部分に第３上電極２１３ａ、第３圧電素子２１３ｂ、第３下電極２１３ｃを備え、右円弧部分に第４上電極２１３ｄ、第４圧電素子２１３ｅ、第４下電極２１３ｆを備えている。
【００４８】
ここでは、第１下電極２１２ｃは板ばね２１２の左円弧の内側に、第１圧電素子２１２ｂは、第１下電極２１２ｃの円弧の内側に、第１上電極２１２ａは第１圧電素子２１２ｂの円弧の内側に、それぞれ備えられている。また、第２下電極２１２ｆは板ばね２１２の右円弧の内側に、第２圧電素子２１２ｅは、第２下電極２１２ｆの円弧の内側、第２上電極２１２ｄは第２圧電素子２１３ｅの円弧の内側にそれぞれ備えられている。
第３下電極２１３ｃは板ばね２１３の左円弧の内側に、第３圧電素子２１３ｂは、第３下電極２１３ｃの円弧の内側に、第３上電極２１３ａは第３圧電素子２１３ｂの円弧の内側に、それぞれ備えられている。また、第４下電極２１３ｆは板ばね２１３の右円弧の内側に、第２圧電素子２１３ｅは、第２下電極２１３ｆの円弧の内側に、第２上電極２１３ｄは第２圧電素子２１３ｅの円弧の内側にそれぞれ備えられている。
【００４９】
ガイド１０３は、ベアリング３５０が回転する方向を規定している。本実施形態では、第１の方向（Ｘ方向）に自由度を持つ発電装置４００を扱っている。そのため、この方向以外への移動を防止するためのガイド１０３を備えている。ガイド１０３は、固定基板本体１０１ａ上に樹脂を塗布（例えばディスペンサーを用いる）する方法や、感光性樹脂層を形成した後、フォトリソグラフ工程を用いて形成しても良い。また、ガイド１０３を積む構成に代えて、ベアリング３５０が一方向に回転するよう固定基板本体１０１ａや可動基板本体２０１ａに溝（図示せず）を形成しても良い。
【００５０】
ガイド２０３は、ガイド１０３と共にベアリング３５０が回転する方向を規定している。
【００５１】
以上述べたように、本実施形態に係る発電装置４００によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
【００５２】
板ばね２１２，２１３の可動範囲よりも大きな移動距離を得ることが出来ることにより、振動数が少なく、振幅が大きい振動に対しても、発電電極により安定的な発電を行うことが出来る。
【００５３】
大きな変形を得ることにより、板ばねの変形、圧電素子の変形、個数をより多くすることが出来る為、圧電素子２１２ｂ，２１２ｃ，２１３ｂ，２１３ｃによる発電においても、大きな発電量を得ることが出来る。
【００５４】
（電子機器）
以下、図面を参照して、上記実施形態にかかる発電装置３００（または発電装置４００）を搭載した電子機器について説明を行う。図５は、電子機器としてのＲＦタグを示す模式図である。ＲＦタグ５００は、発電装置３００（または発電装置４００）、ダイオードブリッジ５１０、電気二重層キャパシター５２０、ＲＦ出力部５３０と、を備える。
【００５５】
発電装置３００（４００）で発電された２種類の交流電力は、ダイオードブリッジ５１０を通すことで整流され電気二重層キャパシター５２０（他の構造を持つキャパシターや二次電池等を用いても良い）に蓄えられ、直流として蓄積、出力される。静電誘導型発電を用いた発電装置３００（４００）は、構造により発電電圧が異なるが、尖頭値で概ね１０〜３０Ｖ程度の出力電圧で発電する。ダイオードブリッジ５１０に通常のシリコンダイオードを用いた場合、１．２Ｖ程度の順方向電圧の降下が発生するが、出力電圧が高いことから電力のロスを抑えて整流することが可能である。そして電気二重層キャパシター５２０に蓄えられた電力を元に、ＲＦ出力部５３０から電波の形で信号が出力される。
【００５６】
この電子機器は、上述した実施形態の発電装置の効果に加え、以下の効果を奏する。
【００５７】
発電電極のみの発電装置を用いた場合と比べ、異なる発電電源を持つことにより、信頼性の高い電子機器としてのＲＦタグ５００を実現できる。そのため、例えば交換が困難な場所にＲＦタグ５００を埋め込む用途にも対応することが可能となる。また、１つの発電機構に不具合が生じた場合でも、その状態を信号として発信することができ、交換や修理内容を事前に知ることが可能となる。
【００５８】
上記実施形態の発電装置３００（４００）を適用可能な電子機器は、ＲＦタグ５００に限定されない。例えば、腕時計、ペースメーカー、携帯型のゲーム機やタイヤ空気圧センサーなどの発電部として適用可能である。
【００５９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
【００６０】
（変形例１）
上記したように、可動基板２０１に反力を与える、圧電素子２１２ｂ，２１３ｂによる発電機構１を有する板ばね２１２，２１３の形状は、図１、図４に示すような配置形態に限定されない。図６及び図７は、板ばね２１２，２１３の配置形態の変形例を示す模式平面図である。
例えば、図６に示すようにU字形状の板ばねを配置する形態であり、可動基板２０１と外枠１００とにU字形状の両直線端部で接合されてなり、前記U字形状の曲線部内側に上下電極を備えた圧電素子が配置されていてもよい。これによれば、第１実施形態に比べて圧電素子の変形量を大きくして発電を行うことが可能である。
また、図７に示すように、第２実施形態と同様なラグビーボール形状（図４参照）を備え、可動基板２０１の可動方向に複数個を積層した配置であって、可動基板２０１と外枠１００とに、ラグビーボール形状の円弧頂点部とが接合されてなり、前記ラグビーボール形状の円弧部内側の両面に上下電極を備えた圧電素子が配置されていてもよい。これによれば、第２実施形態よりも多くの圧電素子が配置されているので、発電効率をさらに高めることができる。
【００６１】
（変形例２）
上記したように、可動基板２０１は、固定基板１０１に対して、１軸方向に移動することに限定されない。図８は、変形例２の発電装置の構成を示す平面図である。図８に示すように、変形例２の発電装置５００は、固定基板１０１と、可動基板２０１を備える。
固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａ、平面視でリング状のガイド１０３、第１発電電極１０５、を備える。
可動基板２０１は、可動基板本体２０１ａ、ガイド１０３の内側に位置するガイド２０３、集電電極２１０、第２発電電極２１１、を備えている。
可動基板２０１のガイド２０３は、固定基板１０１に設けられたガイド１０３と協働して、可動基板２０１を一平面内において第１の方向（Ｘ方向）と第１の方向と異なる第２の方向（Ｙ方向）とに自在に移動させることができる構成となっている。例えば、可動基板２０１における第１の方向（Ｘ方向）と第２の方向（Ｙ方向）のそれぞれの両端側に第２実施形態と同様なラグビーボール形状の板ばね２１２，２１３，２１４，２１５とこれに装着された圧電素子２１２ｂ，２１２ｅ，２１３ｂ，２１３ｅ，２１４ｂ，２１４ｅ，２１５ｂ，２１５ｅとを配置する構成を採用できる。なお、圧電素子を挟んで配置される上下電極は図示省略した。
また、第１発電電極１０５と、これに対向配置される第２発電電極２１１は、いずれか一方に電荷を保持する膜を含み、可動基板２０１の移動に伴って、第１の方向と第２の方向とにおいて重なり合う面積が可変するように、平面視でジグザクに（蛇行して）配置されている。
すなわち、発電装置５００は、平面方向（２軸）に稼動する可動基板２０１を有し、２軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変化して発電する発電装置である。その為、可動基板２０１が１軸方向に稼動する場合に比べて、発電効率を上げることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００…外枠、１０１…固定基板、１０１ａ…固定基板本体、１０３…ガイド、１０５…第１発電電極、１１５…第１発電部、２０１…可動基板、２０１ａ…可動基板本体、２０３…ガイド、２０１…可動基板、２１０…集電電極、２１１…第２発電電極、２１５…第２発電部、２１２，２１３…支持部としての板ばね、２１２ａ，２１２ｄ，２１３ａ，２１３ｄ…上電極、２１２ｃ，２１２ｆ，２１３ｃ，２１３ｆ…下電極、２１２ｂ，２１３ｄ，２１３ｂ，２１３ｄ…圧電素子、３００，４００…発電装置、５００…電子機器としてのＲＦタグ、５１０…ダイオードブリッジ、５２０…電気二重層キャパシター、５３０…ＲＦ出力部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、および当該発電装置を備えた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電体と、圧電体に対して相対的に振動可能に構成され、圧電体に打撃を加える打撃部とを備えた発電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
打撃部が振動することにより、圧電体に打撃が加えられるとともに、圧電体が変形し、圧電効果により発電が行われる。
【０００３】
また、可変容量の電極に電荷を与え、その電荷により対向電極間にクーロン引力を働かせ、このクーロン力に抗して振動部が振動することにより発生した振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う静電誘導型発電装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
上記静電誘導型発電装置は、複数の電荷を保持しているエレクトレット材料電極を備えた第２の基板と、複数の導電性表面電極を備えた第１の基板とが互いに所定の間隔を隔てて配置されており、第２の基板は、固定構造であり、第１の基板は、第２の基板にばねを介して連結されている。
第１の基板が振動することにより、エレクトレット電極と導電性表面電極との重なり面積の増減が生じ、導電性表面電極に電荷の変化が生じ、そ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なうと開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８３０１５号公報
【特許文献２】特表２００５−５２９５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の発電装置では、圧電体に打撃を加えた一方側でのみ、更に打撃を加えた瞬間しか発電することが出来ない。このため、従来の発電装置における構成では、効率的に連続的な発電ができないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適応例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る発電装置は、第１電極を備えた第１基板と前記第１電極に対向するように配置された第２電極を備えた第２基板と、を有し、前記第１電極と前記第２電極のいずれか一方は、電荷を保持する膜を含み、前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において第１の方向に移動可能であって、前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第１の方向に移動可能な基板に対して、前記第１の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第１支持部と、前記第１支持部の弾性変形に伴って変形する第１圧電素子と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、移動可能な基板が第１の方向に移動することにより、前記基板に設けられている支持部の一方が圧縮弾性変形し、その圧縮弾性変形に伴って圧電素子がたわみを生じ電気エネルギーとして取り出すことが可能であると共に、前記支持部の他方が膨張弾性変形し、その膨張弾性変形に伴って圧電素子がたわみを生じ電気エネルギーとして取り出すことが可能である。
また、いずれか一方に電荷を保持する膜を含む、第１電極と第２電極とを備え、前記第１電極を備える第１基板と前記第２電極を備える第２基板の少なくとも一方が、移動することにより、電荷を保持する膜と前記電荷を保持する膜に対向する電極との重なり面積に増減が生じ、前記電荷を保持する膜に対向する電極に電荷の変化が生じ、その電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことが可能である。その結果、従来より大きな発電量を得ることができる。
従って、高い発電効率を有する発電装置を提供することが出来る。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に記載の発電装置において、前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動可能であって、前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第２の方向に移動可能な基板に対して、前記第２の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第２支持部と、前記第２支持部の弾性変形に伴って変形する第２圧電素子と、を備えていることが好ましい。
【００１０】
本適用例によれば、第１の方向とは異なる第２の方向に移動することが可能であり、基板の移動方向が第２の方向においても、圧電素子のたわみが生じ電気エネルギーとして取り出すことが可能である。その結果、従来より大きな発電量を得ることができる。
従って、より高い発電効率を実現できる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の発電装置において、前記第１の方向に移動可能な基板と、前記第１圧電素子との間に前記第１支持部が設けられていることが好ましい。
【００１２】
本適用例によれば、第１圧電素子が第１の方向に移動可能な基板に接触しない為、前記圧電素子が外的な損傷を受けることが少なく、前記圧電素子の電気特性が変化する可能性を低くすることが出来る。
従って、高い信頼性を有する発電装置を提供することが出来る。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に記載の発電装置において、前記第２の方向に移動可能な基板と、前記第２圧電素子との間に前記第２支持部が設けられていることが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、第２圧電素子が第２の方向に移動可能な基板に接触しない為、前記圧電素子が外的な損傷を受けることが少なく、前記圧電素子の電気特性が変化する可能性を低くすることが出来る。
従って、高い信頼性を有する発電装置を提供することが出来る。
【００１５】
［適用例５］上記適用例に記載の発電装置において、前記第１支持部または前記第２支持部が、板状の弾性体であることが好ましい。
【００１６】
本適用例によれば、板状の弾性体を用いることにより、棒状の弾性体を用いた場合に比べて、表面積の大きな圧電素子を備えることが可能である。
従って、より大きな発電量を得ることができ、高い発電効率を実現できる。
【００１７】
［適用例６］本適用例の電子機器は、上記適用例に記載の発電装置を備えたことを特徴とする。
これによれば、高い発電効率が実現された発電装置を備え、例えばどこにでも携帯可能な情報端末機器などの電子機器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、第１実施形態の発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線で切った断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った断面図。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は、圧電素子を用いた発電を行う状態、及び振動機構を示す模式図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、電極を用いた発電を行う状態を示す断面図。
【図４】（ａ）は、第２実施形態の発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図。
【図５】電子機器としてのＲＦタグを示す模式図。
【図６】支持部、弾性体の変形例を示す平面図。
【図７】支持部、弾性体の他の変形例を示す平面図。
【図８】変形例２の発電装置の構成を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２０】
（第１実施形態）
以下、図１〜図３を参照して、第１実施形態の発電装置について説明する。第１実施形態の発電装置は、１軸方向の振動を利用して発電を行う発電装置である。
図１（ａ）は、発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線で切った断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った断面図である。本実施形態の発電装置３００は、後述する櫛歯状の電極と交差（直交）する第１の方向（Ｘ方向）に可動性を備え、Ｘ方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、発電装置３００は、第１基板としての固定基板１０１と、第２基板としての可動基板２０１とが間隔を置いて向かい合って配置されている。
なお、「上」とは、固定基板１０１から可動基板２０１へ向かう方向と定義する。
【００２１】
固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａと、固定基板本体１０１ａの第１面側に設けられた第１電極としての第１発電電極１０５と、を備える。第１発電電極１０５は、後述する第２発電電極２１１と協働して発電を行う発電用の電極である。
【００２２】
可動基板２０１は、可動基板本体２０１ａと、可動基板本体２０１ａの固定基板１０１の上記、第１面と間隔を置いて向き合った第２面側に設けられた集電電極２１０と、第２発電電極２１１と、を備えている。また、可動方向（Ｘ方向）の基板端部には、弾性変形する第１支持部としての板状の弾性体である、板ばね２１２，２１３を備えている。第２発電電極２１１は、第１発電電極１０５と協働して発電を行う発電用の電極である。
【００２３】
板ばね２１２，２１３は、共に円弧形状を備え、可動基板２０１に円弧頂点部、外枠１００に円弧両端部が接合されてなり、可動基板２０１を固定基板１０１とある間隔を保つ機能、可動基板２０１を静止位置に近づける機能を備えている。
【００２４】
板ばね２１２は、第１上電極２１２ａ、第１圧電素子２１２ｂ、第１下電極２１２ｃを備え、板ばね２１３は、第２上電極２１３ａ、第２圧電素子２１３ｂ、第２下電極２１３ｃを備えている。そして、板ばね２１２、２１３それぞれの変形により発電が行われる。
ここでは、第１下電極２１２ｃは、板ばね２１２の円弧の内側に、第１圧電素子２１２ｂは、第１下電極２１２ｃの円弧の内側、第１上電極２１２ａは第１圧電素子２１２ｂの円弧の内側に、それぞれ備えられている。同様に、第２下電極２１３ｃは、板ばね２１３の円弧の内側に、第２圧電素子２１３ｂは、第２下電極２１３ｃの円弧の内側、第２上電極２１３ａは第２圧電素子２１３ｂの円弧の内側にそれぞれ備えられている。
【００２５】
第２発電電極２１１の構成材料としては、フッ素樹脂やフロロカーボン樹脂等の弗素系の高分子材料や、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等の無機材料、シリコン酸化物及びシリコン窒化物等の無機材料を用いることができる。
そして、荷電法としては、コロナ放電によって発生した正あるいは負イオンを上記した非導電性材に注入する方法や、直流高電圧を針状電極にかけて大気中でイオンを発生させて、このイオンを上記した非導電性材に注入する方法を用いることができる。
また、コロナ放電を間欠的に発生させる方法や、直流高電圧をパルス状に印加する方法等、断続的に荷電する方法を用いても良い。
上記した荷電方法を用いて、第２発電電極２１１は、どちらの極性の電荷を荷電されていても良い。
【００２６】
可動基板２０１は、固定基板１０１に対してＸ方向に動けるよう板ばね２１２，２１３を介して外枠１００に固定されている。そして、第１発電電極１０５を含む第１発電部１１５と、可動基板２０１側にある集電電極２１０、第２発電電極２１１を含む第２発電部２１５により発電が行われる。第１発電電極１０５と、集電電極２１０、第２発電電極２１１は共に櫛歯状の電極構造を供えており、可動基板２０１は、櫛歯と交差する方向（Ｘ方向）に振動する。ここでは、櫛歯と垂直方向をＸ方向とした場合について説明を続ける。
板ばね２１２，２１３は、弾性変形による反力により、可動基板２０１を静止位置に引き戻す力を発生させる。
なお、「静止位置」とは、第１発電電極１０５と第２発電電極２１１の櫛歯が平面視で、平面的に重なっている状態を指すものとする。
【００２７】
固定基板本体１０１ａは、構成部材として例えばガラスやプラスティックが用いられている。そして、可動基板２０１が動いた場合に衝突せぬよう、固定基板本体１０１ａの可動基板２０１側の面は平坦な形状を備えている。
【００２８】
可動基板本体２０１ａは、固定基板本体１０１ａと同様に、構成部材として例えばガラスやプラスティックが用いられている。そして、可動基板２０１が動いた場合に固定基板１０１と衝突せぬよう、可動基板本体２０１ａの固定基板１０１側の面は平坦化されている。そして、板ばね２１２，２１３は、可動基板２０１が可動する方向を規定している。
【００２９】
（発電機構１）
以下に、上記した発電装置３００を発電可能な状態に保持するための振動機構、板ばね２１２、２１３の振動変形における発電機構について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、可動基板をずらした場合に板ばねの変形と、その変形による圧電素子の変形による発電機構、振動機構を示す模式図である。
図１（ａ）に示すように、発電装置３００が備える可動基板２０１は、円弧形状で、弾性変形する板ばね２１２、２１３を備え、その円弧内面に上下を電極に挟まれた圧電素子２１２ｂ、２１３ｂを備えている。板ばね２１２、２１３は、可動基板２０１の可動方向において対称的な動作を行うため、以下には、板ばね２１２のみで発電機構、振動機構を示す。
【００３０】
ステップＳ１として、図２（ａ）に示すように、可動基板２０１が静止位置にある場合には、板ばね２１２は均衡が保たれており、圧電素子２１２ｂは時間的（図２（ｆ）の横軸としてｔで示す）に変形しないため、形状変化によって発生する電圧は生じないため図２（ｆ）のＳ１に示すように発電は為されない。
【００３１】
次に、ステップＳ２として、図２（ｂ）に示すように、可動基板２０１を−Ｘ方向に移動させると、板ばね２１２が変形し、圧電素子２１２ｂが変形する。形状変形に伴い、電圧が生じ、抵抗Ｒを介し、図２（ｆ）のＳ２に示すように電流ｉが流れる。そして、−Ｘ方向に移動させた板ばね２１２の反力により静止すると、電圧の発生が終了し、電流ｉが止まる。
【００３２】
次に、ステップＳ３として、図２（ｃ）に示すように、Ｓ２での変形の反力により、静止位置に戻ろうとすると、板ばね２１２がＳ２とは反対の変形をし、圧電素子２１２ｂも反対の変形をする。その変形に伴い図２（ｂ）の場合と反対向きの電圧が発生し、即ち、図２（ｆ）のＳ３に示すように電流（−ｉ）が流れる。そして、静止位置に達した後、可動基板２０１の慣性力により、静止位置を通過して今度は＋Ｘ方向に進んでいく。
【００３３】
次に、ステップＳ４として、図２（ｄ）に示すように、可動基板２０１を＋Ｘ方向に移動すると、板ばね２１２の反力が生じ始めるが、板ばね２１２はＳ３と同方向への更に変形し、圧電素子２１２ｂも更に変形する。その変形に伴い、電圧が生じ、抵抗Ｒを介し、図２（ｆ）のＳ４に示すように電流（−ｉ）が流れる。そして、板ばね２１２の反力により静止すると、電圧の発生が終了し、電流ｉが止まる。
【００３４】
次に、ステップＳ５として、図２（ｅ）に示すように、Ｓ４での変形の反力により、静止位置に戻ろうと−Ｘ方向に移動すると、板ばね２１２がＳ４とは反対の変形をし、圧電素子２１２ｂも反対の変形をする。その変形に伴い図２（ｄ）の場合とは反対向きの電圧が発生し、即ち、図２（ｆ）のＳ５に示すように電流ｉが流れる。そして、静止位置に達した後、可動基板２０１の慣性力により、静止位置を通過して今度は−Ｘ方向に進んでいく。この動作を繰り返すことで、圧電素子２１２ｂを用いて可動基板２０１の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する、すなわち発電が行われる。
【００３５】
本実施形態における発電装置３００は、上述した発電機構１に加え、発電機構２の効果を備えている為、更に効率の高い発電装置３００を提供することができる。
【００３６】
（発電機構２）
以下、第１発電電極１０５を含む第１発電部１１５と、集電電極２１０、第２発電電極２１１と、を含む第２発電部２１５に振動を与えることで発電を行う機構について説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、発電を行う領域内の状態を示す断面図である。
【００３７】
ステップＳ１として、図３（ａ）に示すように、第２発電部２１５が振動していない場合には、電気力線（矢印で示す）は時間的（図３（ｅ）の横軸としてｔで示す）に変動しないため、電気力線の状態の変化によって発生する電力は生じないため図３（ｅ）のＳ１に示すように発電は為されない。
【００３８】
次に、ステップＳ２として、図３（ｂ）に示すように、可動基板２０１を−Ｘ方向に移動させると、可動基板２０１と固定基板１０１とがずれ、第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動する。即ち、図３（ｅ）のＳ２に示すように電流ｉが流れる。そして、−Ｘ方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。
【００３９】
次に、ステップＳ３として、図３（ｃ）に示すように、静止位置に戻すと、今度は第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が増えることとなる。容量増加に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動し、図３（ｂ）の場合と反対向きの電流、即ち、図３（ｅ）のＳ３に示すように電流（−ｉ）が流れる。そして、静止位置に戻し静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。
【００４０】
次に、ステップＳ４として、図３（ｄ）に示すように、可動基板２０１を＋Ｘ方向に移動させると、可動基板２０１と固定基板１０１とがずれ、第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動する。即ち、図３（ｅ）のＳ４に示すように電流ｉが流れる。そして、＋Ｘ方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。
【００４１】
この動作を繰り返すことで、可動基板２０１の振動エネルギーを元に発電を行うこととなる。なお、可動基板２０１の移動量は、容量変化を大きくするが望ましいために、櫛歯状の発電電極幅以上が望ましい。振動の種類などにより、複数個の電極を跨ぐ移動量でも良く、この場合においても容量変化を大きくすることができ、発電量を大きくすることができる。
【００４２】
（第２実施形態）
以下、図４を参照して、第２実施形態について説明を行う。第１実施形態との主な差異は、固定基板１０１と可動基板２０１は、ベアリング３５０を介して重ね合わされていること、可動基板２０１の基板端部に備えている板ばね２１２，２１３が外枠１００、又は可動基板２０１のどちらか一方に接合さていないことであり、ここでは外枠１００に接合されてない場合とする。
図４（ａ）は、第２実施形態の発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線で切った断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った断面図である。第１実施形態で説明した構成要素と同じものについては、同じ符号を与えている。そして、機能が概ね同様な場合については重複を避けるため、説明を省略する。第２実施形態の発電装置は、櫛歯電極と交差する第１の方向（Ｘ方向）に可動性を備え、Ｘ方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【００４３】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、発電装置４００は、固定基板１０１と、可動基板２０１を備える。
【００４４】
固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａ、Ｘ方向に延在するガイド１０３、第１発電電極１０５と、を備える。
【００４５】
可動基板２０１は、可動基板本体２０１ａ、Ｘ方向に延在するガイド２０３、集電電極２１０、第２発電電極２１１と、を備えると共に、可動基板２０１のＸ方向における基板端部には、板ばね２１２，２１３を備えている。
第２発電電極２１１は、第１発電電極１０５と協働して発電を行う発電用の電極である。
【００４６】
板ばね２１２，２１３は、共に一対の板ばねをラグビーボール形状に撓ませて両端部を接合させたものである。また、可動基板２０１とラグビーボール形状の一方の円弧頂点部で接合さており、可動基板２０１を静止位置に近づける機能を備えている。
【００４７】
板ばね２１２は、左円弧部分に第１上電極２１２ａ、第１圧電素子２１２ｂ、第１下電極２１２ｃを備え、右円弧部分に第２上電極２１２ｄ、第２圧電素子２１２ｅ、第２下電極２１２ｆを備える。同じく板ばね２１３は、左円弧部分に第３上電極２１３ａ、第３圧電素子２１３ｂ、第３下電極２１３ｃを備え、右円弧部分に第４上電極２１３ｄ、第４圧電素子２１３ｅ、第４下電極２１３ｆを備えている。
【００４８】
ここでは、第１下電極２１２ｃは板ばね２１２の左円弧の内側に、第１圧電素子２１２ｂは、第１下電極２１２ｃの円弧の内側に、第１上電極２１２ａは第１圧電素子２１２ｂの円弧の内側に、それぞれ備えられている。また、第２下電極２１２ｆは板ばね２１２の右円弧の内側に、第２圧電素子２１２ｅは、第２下電極２１２ｆの円弧の内側、第２上電極２１２ｄは第２圧電素子２１３ｅの円弧の内側にそれぞれ備えられている。
第３下電極２１３ｃは板ばね２１３の左円弧の内側に、第３圧電素子２１３ｂは、第３下電極２１３ｃの円弧の内側に、第３上電極２１３ａは第３圧電素子２１３ｂの円弧の内側に、それぞれ備えられている。また、第４下電極２１３ｆは板ばね２１３の右円弧の内側に、第２圧電素子２１３ｅは、第２下電極２１３ｆの円弧の内側に、第２上電極２１３ｄは第２圧電素子２１３ｅの円弧の内側にそれぞれ備えられている。
【００４９】
ガイド１０３は、ベアリング３５０が回転する方向を規定している。本実施形態では、第１の方向（Ｘ方向）に自由度を持つ発電装置４００を扱っている。そのため、この方向以外への移動を防止するためのガイド１０３を備えている。ガイド１０３は、固定基板本体１０１ａ上に樹脂を塗布（例えばディスペンサーを用いる）する方法や、感光性樹脂層を形成した後、フォトリソグラフ工程を用いて形成しても良い。また、ガイド１０３を積む構成に代えて、ベアリング３５０が一方向に回転するよう固定基板本体１０１ａや可動基板本体２０１ａに溝（図示せず）を形成しても良い。
【００５０】
ガイド２０３は、ガイド１０３と共にベアリング３５０が回転する方向を規定している。
【００５１】
以上述べたように、本実施形態に係る発電装置４００によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
【００５２】
板ばね２１２，２１３の可動範囲よりも大きな移動距離を得ることが出来ることにより、振動数が少なく、振幅が大きい振動に対しても、発電電極により安定的な発電を行うことが出来る。
【００５３】
大きな変形を得ることにより、板ばねの変形、圧電素子の変形、個数をより多くすることが出来る為、圧電素子２１２ｂ，２１２ｃ，２１３ｂ，２１３ｃによる発電においても、大きな発電量を得ることが出来る。
【００５４】
（電子機器）
以下、図面を参照して、上記実施形態にかかる発電装置３００（または発電装置４００）を搭載した電子機器について説明を行う。図５は、電子機器としてのＲＦタグを示す模式図である。ＲＦタグ５００は、発電装置３００（または発電装置４００）、ダイオードブリッジ５１０、電気二重層キャパシター５２０、ＲＦ出力部５３０と、を備える。
【００５５】
発電装置３００（４００）で発電された２種類の交流電力は、ダイオードブリッジ５１０を通すことで整流され電気二重層キャパシター５２０（他の構造を持つキャパシターや二次電池等を用いても良い）に蓄えられ、直流として蓄積、出力される。静電誘導型発電を用いた発電装置３００（４００）は、構造により発電電圧が異なるが、尖頭値で概ね１０〜３０Ｖ程度の出力電圧で発電する。ダイオードブリッジ５１０に通常のシリコンダイオードを用いた場合、１．２Ｖ程度の順方向電圧の降下が発生するが、出力電圧が高いことから電力のロスを抑えて整流することが可能である。そして電気二重層キャパシター５２０に蓄えられた電力を元に、ＲＦ出力部５３０から電波の形で信号が出力される。
【００５６】
この電子機器は、上述した実施形態の発電装置の効果に加え、以下の効果を奏する。
【００５７】
発電電極のみの発電装置を用いた場合と比べ、異なる発電電源を持つことにより、信頼性の高い電子機器としてのＲＦタグ５００を実現できる。そのため、例えば交換が困難な場所にＲＦタグ５００を埋め込む用途にも対応することが可能となる。また、１つの発電機構に不具合が生じた場合でも、その状態を信号として発信することができ、交換や修理内容を事前に知ることが可能となる。
【００５８】
上記実施形態の発電装置３００（４００）を適用可能な電子機器は、ＲＦタグ５００に限定されない。例えば、腕時計、ペースメーカー、携帯型のゲーム機やタイヤ空気圧センサーなどの発電部として適用可能である。
【００５９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
【００６０】
（変形例１）
上記したように、可動基板２０１に反力を与える、圧電素子２１２ｂ，２１３ｂによる発電機構１を有する板ばね２１２，２１３の形状は、図１、図４に示すような配置形態に限定されない。図６及び図７は、板ばね２１２，２１３の配置形態の変形例を示す模式平面図である。
例えば、図６に示すようにU字形状の板ばねを配置する形態であり、可動基板２０１と外枠１００とにU字形状の両直線端部で接合されてなり、前記U字形状の曲線部内側に上下電極を備えた圧電素子が配置されていてもよい。これによれば、第１実施形態に比べて圧電素子の変形量を大きくして発電を行うことが可能である。
また、図７に示すように、第２実施形態と同様なラグビーボール形状（図４参照）を備え、可動基板２０１の可動方向に複数個を積層した配置であって、可動基板２０１と外枠１００とに、ラグビーボール形状の円弧頂点部とが接合されてなり、前記ラグビーボール形状の円弧部内側の両面に上下電極を備えた圧電素子が配置されていてもよい。これによれば、第２実施形態よりも多くの圧電素子が配置されているので、発電効率をさらに高めることができる。
【００６１】
（変形例２）
上記したように、可動基板２０１は、固定基板１０１に対して、１軸方向に移動することに限定されない。図８は、変形例２の発電装置の構成を示す平面図である。図８に示すように、変形例２の発電装置５００は、固定基板１０１と、可動基板２０１を備える。
固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａ、平面視でリング状のガイド１０３、第１発電電極１０５、を備える。
可動基板２０１は、可動基板本体２０１ａ、ガイド１０３の内側に位置するガイド２０３、集電電極２１０、第２発電電極２１１、を備えている。
可動基板２０１のガイド２０３は、固定基板１０１に設けられたガイド１０３と協働して、可動基板２０１を一平面内において第１の方向（Ｘ方向）と第１の方向と異なる第２の方向（Ｙ方向）とに自在に移動させることができる構成となっている。例えば、可動基板２０１における第１の方向（Ｘ方向）と第２の方向（Ｙ方向）のそれぞれの両端側に第２実施形態と同様なラグビーボール形状の板ばね２１２，２１３，２１４，２１５とこれに装着された圧電素子２１２ｂ，２１２ｅ，２１３ｂ，２１３ｅ，２１４ｂ，２１４ｅ，２１５ｂ，２１５ｅとを配置する構成を採用できる。なお、圧電素子を挟んで配置される上下電極は図示省略した。
また、第１発電電極１０５と、これに対向配置される第２発電電極２１１は、いずれか一方に電荷を保持する膜を含み、可動基板２０１の移動に伴って、第１の方向と第２の方向とにおいて重なり合う面積が可変するように、平面視でジグザクに（蛇行して）配置されている。
すなわち、発電装置５００は、平面方向（２軸）に稼動する可動基板２０１を有し、２軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変化して発電する発電装置である。その為、可動基板２０１が１軸方向に稼動する場合に比べて、発電効率を上げることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００…外枠、１０１…固定基板、１０１ａ…固定基板本体、１０３…ガイド、１０５…第１発電電極、１１５…第１発電部、２０１…可動基板、２０１ａ…可動基板本体、２０３…ガイド、２０１…可動基板、２１０…集電電極、２１１…第２発電電極、２１５…第２発電部、２１２，２１３…支持部としての板ばね、２１２ａ，２１２ｄ，２１３ａ，２１３ｄ…上電極、２１２ｃ，２１２ｆ，２１３ｃ，２１３ｆ…下電極、２１２ｂ，２１３ｄ，２１３ｂ，２１３ｄ…圧電素子、３００，４００…発電装置、５００…電子機器としてのＲＦタグ、５１０…ダイオードブリッジ、５２０…電気二重層キャパシター、５３０…ＲＦ出力部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極を備えた第１基板と
前記第１電極に対向するように配置された第２電極を備えた第２基板と、を有し、
前記第１電極と前記第２電極のいずれか一方は、電荷を保持する膜を含み、
前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において第１の方向に移動可能であって、
前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第１の方向に移動可能な基板に対して、前記第１の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第１支持部と、
前記第１支持部の弾性変形に伴って変形する第１圧電素子と、を備えていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動可能であって、
前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第２の方向に移動可能な基板に対して、前記第２の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第２支持部と、
前記第２支持部の弾性変形に伴って変形する第２圧電素子と、を備えてい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の方向に移動可能な基板と、前記第１圧電素子との間に前記第１支持部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記第２の方向に移動可能な基板と、前記第２圧電素子との間に前記第２支持部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項５】
前記第１支持部または前記第２支持部が、板状の弾性体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の発電装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
第１電極を備えた第１基板と
前記第１電極に対向するように配置された第２電極を備えた第２基板と、を有し、
前記第１電極と前記第２電極のいずれか一方は、電荷を保持する膜を含み、
前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において第１の方向に移動可能であって、
前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第１の方向に移動可能な基板に対して、前記第１の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第１支持部と、
前記第１支持部の弾性変形に伴って変形する第１圧電素子と、を備えていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方は、一平面上において前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動可能であって、
前記第１基板と前記第２基板のうち、前記第２の方向に移動可能な基板に対して、前記第２の方向において、当該基板をはさんで両端に設けられた弾性変形する第２支持部と、
前記第２支持部の弾性変形に伴って変形する第２圧電素子と、を備えてい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の方向に移動可能な基板と、前記第１圧電素子との間に前記第１支持部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記第２の方向に移動可能な基板と、前記第２圧電素子との間に前記第２支持部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項５】
前記第１支持部または前記第２支持部が、板状の弾性体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の発電装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９１８１２（Ｐ２０１２−１９１８１２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５１７３（Ｐ２０１１−５５１７３）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
[ Back to top ]