発電装置、電気機器および携帯型時計
【課題】発電効率に優れた発電装置、電気機器および携帯型時計を提供する。
【解決手段】電極として機能する第１電極部材１１と、第１電極部材１１に対向配置され、エレクトレット膜１２を有する第２電極部材１３と、を備え、第１電極部材１１、および第２電極部材１３のうち、少なくとも一方の電極部材は弾性変形可能に構成され、第１電極部材１１と第２電極部材１３とが対向面上に沿って相対移動することで、第１電極部材１１と第２電極部材１３のエレクトレット膜１２との重なり面積が変化することを特徴とする。
【解決手段】電極として機能する第１電極部材１１と、第１電極部材１１に対向配置され、エレクトレット膜１２を有する第２電極部材１３と、を備え、第１電極部材１１、および第２電極部材１３のうち、少なくとも一方の電極部材は弾性変形可能に構成され、第１電極部材１１と第２電極部材１３とが対向面上に沿って相対移動することで、第１電極部材１１と第２電極部材１３のエレクトレット膜１２との重なり面積が変化することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、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。
特許文献１には、複数のエレクトレット電極２を表面に有する不動基板１と、複数の可動電極５を表面に有する可動基板４と、が離れて配置された発電装置が提案されている。可動電極５および可動基板４は、不動基板１上に設けられた固定構造体３ａ，３ｂにバネ駆動体６ａ，６ｂのような弾性部材を介して連結されている。外部から発電装置７０に外部振動が加わったときに、可動基板４は移動し、エレクトレット電極２と可動電極５との重なり面積は初期面積から増加又は減少する。この重なり面積の変化によって、可動電極５に電荷の変化が生じる。発電装置７０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する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２２９９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の発電装置では、限られたスペースの中で可動基板４が水平移動するため、不動基板１に対する可動基板４の移動距離が限定的となる。そのため、エレクトレット電極２と可動電極５との重なり面積の変化量が限定的となり、発電効率の向上に限界がある。
一方で、発電効率を向上させるには、発電装置を励振する外部振動として、環境振動を利用することが望ましい。ただし、環境振動は低周波振動が支配的であるため、可動基板４の共振周波数を小さくする必要がある。共振周波数を小さくするには、可動基板４のバネ定数を小さくする必要がある。
【０００５】
バネ定数を小さくするための手段として、ばね駆動体６ａ，６ｂを薄く、若しくは長くすることが考えられる。
しかしながら、ばね駆動体６ａ，６ｂを薄くすることは、強度の低下に繋がるため難しい。また、ばね駆動体６ａ，６ｂは、可動基板４と固定構造体３ａ，３ｂとの狭い隙間に設けられているので、現状ではばね駆動体６ａ，６ｂを長くするためのスペースを確保することが難しく、スペースを確保するためには、発電装置自体の大型化を伴うことになる。
このように、バネ駆動体６ａ，６ｂのバネ定数を小さくすることが困難であるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することができず、発電効率の向上に限界がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、発電効率に優れた発電装置、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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、電極として機能する第１電極部材と、前記第１電極部材に対向配置され、電荷保持部を有する第２電極部材と、を備え、前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材は弾性変形可能に構成され、前記第１電極部材と前記第２電極部材とが対向面上に沿って相対移動することで、前記第１電極部材と前記第２電極部材の前記電荷保持部との重なり面積が変化することを特徴としている。
【０００８】
この構成によれば、一方の電極部材が弾性変形し、第１電極部材と第２電極部材とが対向面上に沿って相対的に移動すると、電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材の電荷が増減する。そして、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。
そして、第１電極部材、および第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材自体を弾性変形可能に構成することで、従来のように電極が形成された可動基板と、それを移動させるバネ駆動体と、を別体で形成する場合に比べて、バネ部分を薄くする必要なく、また発電装置の大型化を伴うことなく、バネ部分の長さを長くすることができる。
これにより、強度の低下を抑制するとともに、小型化を図った上で、一方の電極部材のバネ定数を小さくすることができる。したがって、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【０００９】
また、前記一方の電極部材には、前記一方の電極部材よりも比重の大きい錘部が設けられていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材の共振周波数を低くし易くなり、一方の電極部材の共振周波数を低周波の環境振動に合わせ易くなる。そのため、発電効率を確実に向上させることができる。
【００１０】
また、前記錘部は、連続的に延びる前記一方の電極部材上に支持されていることが望ましい。
この構成によれば、連続的に延びる一方の電極部材上に錘部が支持されているため、一方の電極部材を途中で分断したり、長さを変更したりすることなく、錘部の重さ（大きさ）を適宜調整することができる。
【００１１】
また、前記一方の電極部材は、複数のバネ部を有し、前記錘部は、前記バネ部における先端部同士の間に連結されていることが望ましい。
この構成によれば、錘部の追加に伴うバネ部の延在方向に直交する方向への大型化を抑制できる。
【００１２】
また、前記第１電極部材と前記第２電極部材との相対移動に伴う前記錘部の移動を案内するガイド機構を備えていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材における対向面の法線方向への弾性変形を防止して、第１電極部材、および第２電極部材間での短絡を防止できる。
【００１３】
また、前記第１電極部材、および前記第２電極部材は、前記対向面に沿う一方向、および前記一方向に交差する方向に沿って延在していることが望ましい。
この構成によれば、対向面に沿う複数方向の変位に応じて電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が変化して、発電を行えるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
【００１４】
また、前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材を囲繞する筒形状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材の全周に亘って発電が行われるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
【００１５】
また、前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材の内側に配置された柱状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材の全周に亘って発電が行われるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
【００１６】
また、基板と、前記基板に回動可能に支持された回動軸と、を備え、前記一方の電極部材は、前記回動軸と前記基板との間に設けられ、前記回動軸を往復周期回動させるように構成されていることが好ましい。
この構成によれば、回動軸が一方の電極部材を介して往復周期回動する際に電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材の電荷が増減する。そして、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ことができる。
【００１７】
また、前記一方の電極部材は、渦巻きバネ状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、渦巻きバネは自由長が長いので、ねじりバネ定数が小さくなり、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【００１８】
また、回動軸は、耐振軸受を介して前記基板に支持されていることが望ましい。
回動軸（錘部）の慣性モーメントを確保するには相当の質量が必要であるため、回動軸には衝撃力が作用する可能性がある。この構成によれば、回動軸が耐振軸受を介して支持されているので、回動軸に作用する衝撃力を吸収して、回動軸の破損を防止することができる。
【００１９】
また、前記回動軸には、錘部が設けられ、前記錘部は、前記基板に対向配置された扇板状の本体部と、前記本体部の周囲円弧部に設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、を備えていることが望ましい。
この構成によれば、本体部は周囲円弧部に重錘を備えているので、慣性モーメントが大きくなり、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【００２０】
また、前記第１電極部材は、絶縁材料からなる基体と、前記基体上における少なくとも前記対向面上に形成された導電材料からなる導電部と、を備えていることが望ましい。
この構成によれば、第１電極部材全体を導電材料で形成する場合に比べて材料コストの低下を図ることができる。
【００２１】
また、前記第１電極部材は、導電材料により一体的に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、上述したように絶縁材料からなる基体上に導電部を形成した場合に比べて製造工数を削減して、製造効率の向上を図ることができる。
【００２２】
また、前記一方の電極部材を間に挟んで前記対向面の法線方向に沿う両側に、前記第１電極部材および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材が対向配置されていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材と各他方の電極部材との間でそれぞれ発電を行うことができるので、発電量の増加を図ることができる。
【００２３】
また、前記第１電極部材、および前記第２電極部材の双方が弾性変形可能に構成され、各電極部材はバネ定数がそれぞれ異なるように設定されていることが望ましい。
この構成によれば、外部振動に応じて第１電極部材と第２電極部材とのそれぞれが弾性変形する際に、電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材の電荷が増減する。そして、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ことができる。
【００２４】
また、本発明に係る電気機器は、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子機器または携帯型時計を提供することができる。
例えば、発電装置を携帯型電子機器または携帯型時計に搭載した場合には、携帯型電気機器または携帯型時計を携帯した人が歩行すると、歩行振動が発電装置に入力される。上述した発電装置では、一方の電極部材の共振周波数が低くなるので、歩行振動により一方の電極部材を共振させることができる。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携帯型電子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】
【００２５】
本発明に係る発電装置によれば、第１電極部材、および第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材自体を弾性変形可能に構成することで、従来のように電極が形成された可動基板と、それを移動させるバネ駆動体と、を別体で形成する場合に比べて、バネ部分を薄くする必要なく、また発電装置の大型化を伴うことなく、バネ部分の長さを長くすることができる。
これにより、強度の低下を抑制するとともに、小型化を図った上で、一方の電極部材のバネ定数を小さくすることができる。したがって、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
また、本発明に係る電子機器または携帯型時計によれば、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子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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】第２電極部材の平面図である。
【図４】実施形態に係る発電装置の回路図である。
【図５】第２電極部材の変形例を示す平面図である。
【図６】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図７】第１電極部材の変形例を示す平面図である。
【図８】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図９】発電装置の変形例を示す断面図である。
【図１０】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図１１】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図１２】発電装置の変形例を示す平面図である。
【図１３】発電装置の変形例を示す平面図である。
【図１４】第２実施形態に係る発電装置（第２電極部材）を示す平面図である。
【図１５】図１４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図１６】図１４のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図１７】発電装置の変形例を示す平面図である。
【図１８】図１７のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【図１９】第３実施形態に係る発電装置の側面断面図である。
【図２０】第２電極部材の側面断面図である。
【図２１】図１９のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。
【図２２】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図２３】発電装置の変形例を示す斜視図である。
【図２４】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図２５】発電装置の変形例を示す第２電極部材の側面図である。
【図２６】発電装置の変形例を示す第１電極部材、および第２電極部材の平面図である。
【図２７】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図２８】第４実施形態に係る発電装置を示す分解斜視図である。
【図２９】発電装置の側面断面図である。
【図３０】耐振軸受の側面断面図である。
【図３１】第２電極部材の平面図である。
【図３２】第２電極部材の変形例を示す平面図である。
【図３３】（ａ）は発電装置の変形例を示す側面断面図であり、（ｂ）は第１電極部材、および第２電極部材の平面図である。
【図３４】クオーツ式腕時計のムーブメントの構造図である。
【図３５】回動錘の中立位置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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」、Ｘ方向、Ｙ方向に直交する方向を「Ｚ方向」とする。
【００２８】
（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。
図１に示すように、第１実施形態に係る発電装置１０は、電極として機能する第１電極部材１１と、第１電極部材１１に対向配置され、エレクトレット膜（電荷保持部）１２を有する第２電極部材１３と、を備えている。
【００２９】
図３は、第２電極部材の平面図である。
まず、図１〜３に示すように、第２電極部材１３は、基体１４と、基体１４上に配設されたエレクトレット膜１２と、を備えている。
基体１４は、真鍮などの導電性を有する金属材料や、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等により形成することができる。本実施形態の基体１４は、導電材料により形成された平板状の部材である。
【００３０】
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。
【００３１】
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、基体１４が導電材料で形成されているため、基体１４上に直接エレクトレット膜１２が形成されている。なお、基体１４を絶縁材料で形成する場合には、基体１４における少なくともエレクトレット膜１２の形成領域に導電材料からなる集電材を連続的に形成し、集電材上にエレクトレット膜１２を形成する。すなわち、本実施形態では基体１４を導電材料で形成しているため、基体１４自体を集電材として機能させている。
【００３２】
エレクトレット膜１２は、基体１４上をＸ方向に沿って蛇行しながら、Ｘ方向に直交するＹ方向に沿って延びる波状に一体形成されている。したがって、エレクトレット膜１２において、Ｘ方向に沿う両端部を除く部分は、Ｙ方向に間隔を空けて配設されている。
【００３３】
図１，２に示すように、基体１４のＹ方向に沿う両端縁には、それぞれＺ方向に沿って平行に延びる一対の支持部１５が立設されている。これら支持部１５は、基体１４を間に挟んでＹ方向で対向している。なお、本実施形態の支持部１５は、基体１４（第２電極部材１３）と第１電極部材１１との絶縁を図るために、絶縁材料で形成されている。
【００３４】
第１電極部材１１は、基体１４に対してＺ方向で間隔を空けて配置されるとともに、支持部１５間に架け渡された状態で弾性変形可能に構成されている。具体的に、第１電極部材１１は、Ｘ方向に沿って蛇行しながら、Ｘ方向に直交するＹ方向に沿って延びる波状のバネ部２１を有している。
第１電極部材１１は、ステンレス、リン青銅、ニッケル合金、コバルト基合金などの金属材料や、シリコン等のセラミック材料、パリレン等の高分子材料等で形成することができる。本実施形態の第１電極部材１１は、導電材料としてコバルト基合金で形成されている。すなわち、本実施形態では、第１電極部材１１自体が、弾性変形可能な電極の機能を有している。
【００３５】
バネ部２１は、Ｘ方向における長さ（振幅）、およびＹ方向における間隔（ピッチ）が上述したエレクトレット膜１２と同等に形成され、Ｚ方向から見てエレクトレット膜１２と重なり合うように形成されている。
そして、バネ部２１のＹ方向両端部は、Ｘ方向の中央部からそれぞれＹ方向の外側（支持部１５側）に向けて延び、それぞれ各支持部１５に連結されている。
【００３６】
また、バネ部２１には、錘部２３が支持されている。錘部２３は、バネ部２１の中央部（ＸＹ方向中央部）からＺ方向に沿って立設された台座部２４と、台座部２４に支持された平板状の錘本体部２５と、を備えている。
錘本体部２５は、バネ部２１より比重の大きい材料で形成することが望ましく、例えば、プラチナや金、タングステン等で形成されている。
【００３７】
図４は、実施形態に係る発電装置の回路図である。
図４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（基体１４）および第１電極部材１１（バネ部２１）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。
【００３８】
エレクトレット膜１２には負電荷が保持されているので、対向配置された第１電極部材１１には、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。そして、外部振動に応じて第１電極部材１１が弾性変形し、第２電極部材１３に対して第１電極部材１１が主に第２電極部材１３との対向面（主にＹ方向）上に沿って相対的に移動すると、Ｚ方向から見た場合におけるエレクトレット膜１２と第１電極部材１１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１電極部材１１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。
【００３９】
このように、本実施形態では、電極として機能する第１電極部材１１（バネ部２１）自体を弾性変形可能なバネ状に形成する構成とした。
この構成によれば、従来のように電極が形成された可動基板と、それを移動させるバネ駆動体と、を別体で形成する場合に比べて、バネ部２１を薄くする必要なく、また発電装置１０の大型化を伴うことなく、バネ部２１の長さを長くすることができる。
これにより、強度の低下を抑制するとともに、小型化を図った上で、バネ定数を小さくすることができる。したがって、第１電極部材１１の共振周波数を低くすることができるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、第１電極部材１１に錘部２３が支持されているため、第１電極部材１１の共振周波数を低くし易くなり、第１電極部材１１の共振周波数を低周波の環境振動に合わせ易くなる。そのため、発電効率を確実に向上させることができる。
また、本実施形態では、連続的に形成された第１電極部材１１の中央部に台座部２４を介して錘本体部２５を配置したため、第１電極部材１１を途中で分断したり、長さを変更したりすることなく、錘本体部２５の重さ（大きさ）を適宜調整することができる。例えば、錘本体部２５の大きさを拡大する場合、ＸＹ方向に拡大することで、基体１４の面方向の幅内で錘本体部２５を収めることができるので、特にＺ方向における発電装置１０の大型化を抑制することができる。
【００４１】
また、第１電極部材１１を導電材料により一体的に形成することで、例えば絶縁材料からなる基体上に導電材料を形成する場合に比べて製造工数を削減して、製造効率の向上を図ることができる。
【００４２】
（変形例）
次に、第１実施形態の変形例について説明する。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。
上述した実施形態では、エレクトレット膜１２をバネ部２１と同形状に形成する場合ついて説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、エレクトレット膜１２を櫛歯状に形成しても構わない。具体的に、図５に示すエレクトレット膜１２は、Ｘ方向に沿って延びるとともに、Ｙ方向に沿って間隔を空けて配列された複数の延出部３５と、各延出部３５のＸ方向一端側でＹ方向に沿って延びるとともに、各延出部３５をまとめて接続する共通部３６と、を備えている。
【００４３】
また、上述した第１実施形態示す第１電極部材１１は、第１電極部材１１上に台座部２４を介して錘本体部２５を配置する構成について説明したが、図６に示すように、第１電極部材１１における延在方向の中途部で連結しても構わない。具体的に、図６に示す第１電極部材１１は、各支持部１５からそれぞれＹ方向の内側に向かって延びる一対のバネ部２１を備え、これらバネ部２１におけるＹ方向の内側端部（先端部）同士の間に錘部２３（錘本体部２５）が連結されている。すなわち、バネ部２１は、錘部２３と支持部１５との間を架け渡している。
この構成によれば、錘部２３の追加に伴うＺ方向への大型化を抑制できるので、上述した第１実施形態のように第１電極部材１１の上に錘部２３を配置する場合に比べて、発電装置１０のＺ方向での小型化を図ることができる。なお、図６に示す構成の場合には、錘部２３として比較的比重の大きい材料を用いることが好ましい。
【００４４】
さらに、上述した実施形態では、第１電極部材１１のバネ部２１を波状に形成した場合について説明したが、これに限らず、バネ部２１は種々の形状を採用することが可能である。例えば、図７に示すバネ部２１のように、Ｚ方向から見てひし形の枠状部材の頂点同士を連結してＹ方向に沿って延設させるような構成でも構わない。
【００４５】
また、上述した実施形態では、バネ部２１自体を導電材料により形成して第１電極部材１１を構成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、図８に示すように、各支持部１５間を架け渡すように形成された絶縁材料からなるバネ部（基体）４１と、バネ部４１を被覆するように形成された導電材料からなる導電部４２と、により、第１電極部材１１を形成しても構わない。
この場合、導電部４２は、バネ部４１におけるエレクトレット膜１２との対向面のみに形成することが好ましい。これにより、第１電極部材１１全体を導電材料で形成する場合に比べて材料コストの低下を図ることができる。なお、バネ部４１の全体を導電部４２で被覆しても構わない。
【００４６】
上述した実施形態では、第２電極部材１３を固定側、第１電極部材１１を可動側にして説明したが、これに限らず、第１電極部材５４を固定側、第２電極部材５１を可動側に形成しても構わない。図９に示すように、まず第２電極部材５１は、支持部１５間を架け渡す導電材料からなるバネ部５２と、バネ部５２における少なくとも第１電極部材５４との対向面に配設されたエレクトレット膜（電荷保持部）５３と、を有している。バネ部５２は、集電材として機能するものであって、支持部１５間で弾性変形可能に構成されている。
一方、第１電極部材５４は、絶縁材料からなる平板状の基体５５と、基体５５上に形成された導電部５６と、を備えている。導電部５６は、上述したエレクトレット膜５３とＺ方向から見て重なるように形成されている。なお、基体５５自体を導電材料により形成した場合には、基体５５上におけるＺ方向から見てエレクトレット膜５３と重なる領域以外の領域に、絶縁膜を形成する。
【００４７】
また、上述した実施形態では、第１電極部材、および第２電極部材のうち、何れか一方のみを弾性変形可能にした場合について説明したが、これに限らず、図１に示す第１電極部材１１、および図９に示す第２電極部材５１を採用し、第１電極部材１１、および第２電極部材５１の双方を弾性変形可能に構成しても構わない。具体的には、図１０に示すように、第１電極部材１１は、一対の支持部１５間を架け渡す弾性変形可能なバネ部２１、を備え、バネ部２１上に錘部２３が支持されている。
一方、第２電極部材５１は、一対の支持部１５間を架け渡すとともに、例えば第１電極部材と同形状に形成された弾性変形可能なバネ部５２と、バネ部５２における少なくとも第１電極部材５４との対向面に配設されたエレクトレット膜５３と、を有している。この場合、外部振動入力時における第１電極部材１１と第２電極部材５１との間で位相差を生じさせるために、双方のバネ定数を異ならせることが好ましい。
【００４８】
また、上述した実施形態では、第１電極部材１１に対してＺ方向に沿う一方側に第２電極部材１３を配置する構成について説明したが、これに限らず、第１電極部材１１を間に挟んでＺ方向に沿う両側に一対の第２電極部材１３を配置しても構わない。
具体的に、図１１に示す第２電極部材１３は、それぞれ図１に示す第２電極部材１３と同様の構成からなり、基体１４と、基体１４上に配置されたエレクトレット膜１２と、を有している。そして、各第２電極部材１３のうち、一方の第２電極部材１３は支持部１５におけるＺ方向に沿う一端側同士を架け渡すように配置され、他方の第２電極部材１３は支持部１５におけるＺ方向に沿う他端側同士を架け渡すように配置されている。
【００４９】
なお、第１電極部材１１は、図８に示す第１電極部材１１とほぼ同様の構成からなり、本変形例ではバネ部４１のＺ方向両面が導電部４２によって被覆されている。
そして、第１電極部材１１の一方の面に形成された導電部４２と、一方の第２電極部材１３と、の間は、第１発電部５８を構成し、第１発電部５８の他方の面に形成された導電部４２と、他方の第２電極部材１３と、の間は、第２発電部５９を構成している。
この構成によれば、第１電極部材１１と各第２電極部材１３との間でそれぞれ発電を行うことができるので、発電量の増加を図ることができる。
【００５０】
また、上述した実施形態では、バネ部２１が一方向（例えばＹ方向）に沿って延在する場合について説明したが、これに限らず、複数の方向に沿って延在するように形成しても構わない。例えば、図１２に示すように、Ｙ方向、およびＹ方向に直交するＸ方向に沿ってバネ部２１を延在させたり、図１３示すように、一方向に対して所定角度毎で交差する複数方向に沿ってバネ部２１を延在させたりしても構わない。この場合、バネ部２１に対してＺ方向で重なり合うように第２電極部材１３のエレクトレット膜１２を形成することで、一方向のみならず、複数方向の変位に応じてエレクトレット膜１２とバネ部２１との重なり面積が変化して、発電を行えるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
なお、上述した実施形態、および各変形例は適宜組み合わせて採用することが可能である。
【００５１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図１４は第２実施形態の発電装置（第２電極部材）の平面図、図１５は図１４のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図１５は図１４のＣ−Ｃ線に相当する断面図である。第２実施形態では、第１電極部材と第２電極部材との相対移動に伴う錘部の移動を案内するガイド機構を備えている点で上述した第１実施形態と相違している。
図１４〜１６に示すように、第２実施形態に係る発電装置１００は、電極として機能する第１電極部材１０１（図１５参照）と、第１電極部材１０１に対向配置され、エレクトレット膜１０２を有する第２電極部材１０３と、を備えている。
【００５２】
まず、第２電極部材１０３は、基体１０５上に櫛歯状のエレクトレット膜１０２が一対形成されたものである。なお、本実施形態の基体１０５は、導電材料により形成されている。
各エレクトレット膜１０２は、基体１０５におけるＸ方向の外側でＹ方向に沿って延びる共通部１１０と、共通部１１０からそれぞれＸ方向の内側に向けて延びる複数の延出部１１１と、を有している。延出部１１１は、Ｙ方向に沿って間隔を空けて配設されている。
また、基体１０５におけるＸ方向の中央部には、Ｙ方向に沿って延びる溝部１１３が形成されている。これにより、各エレクトレット膜１０２がＸ方向で区画されている。なお、基体１０５の外周縁には、基体１０５を取り囲むように支持部１５が立設されている。
【００５３】
第１電極部材１０１は、Ｙ方向で対向する支持部１５からそれぞれＹ方向の内側に向けて延びる弾性変形可能な一対のバネ部１１６を備え、これら一対のバネ部１１６間に錘部１１７が連結されている。錘部１１７は、球状に形成され、その外周面が上述した基体１０５の溝部１１３の開口縁に当接している。なお、本実施形態では、錘部１１７は、絶縁材料で形成されているが、第１電極部材１０１と第２電極部材１０３との間での絶縁が図られていれば、導電材料で形成しても構わない。
【００５４】
また、第１電極部材１０１を間に挟んでＺ方向に沿う基体１０５の反対側には、支持基板１１８が配設されている。支持基板１１８には、上述した基体１０５の溝部１１３とＺ方向で対向する溝部１１９が形成されている。そして、この溝部１１９の開口縁に上述した錘部１１７の外周面が当接している。すなわち、溝部１１３，１１９は、錘部１１７におけるＺ方向の両側をそれぞれ支持して、第１電極部材１０１（バネ部１１６）の弾性変形に伴う錘部１１７のＹ方向の移動を案内するガイド機構１２０を構成している。なお、錘部１１７を内側で収容するように溝部１１３，１１９を形成しても構わない。
【００５５】
このように、本実施形態では、ガイド機構１２０の溝部１１３，１１９により、錘部１１７を支持しているため、錘部１１７のＹ方向の移動を案内する一方で、錘部１１７のＸ方向、およびＺ方向の移動を規制することができる。したがって、第１電極部材１０１のＸ方向、およびＺ方向への撓み変形を防止して、第１電極部材１０１、および第２電極部材１０３間での短絡を防止できる。
【００５６】
（変形例）
次に、第２実施形態の変形例について説明する。図１７は、図１４に相当する平面図であり、図１８は図１７のＤ−Ｄ線に相当する断面図である。なお、図１７では、支持部１５や支持基板１１８等の記載を省略する。
図１７，１８に示すように、一対のバネ部１１６間には、錘部１１７を回転可能に支持する錘支持部材１２１が連結されている。錘支持部材１２１は、Ｚ方向から見てリング状に形成され、その径方向のうちＹ方向で対向する位置にバネ部１１６がそれぞれ連結されている。そして、錘支持部材１２１の内側には、錘部１１７が回転可能に収容されている。
この構成によれば、第１電極部材１０１（バネ部１１６）の弾性変形に伴い、錘部１１７が錘支持部材１２１内で回転しながらＹ方向に沿って移動することになる。そのため、錘部１１７と溝部１１３，１１９との間での摩擦抵抗を低減して、スムーズな移動が可能になるとともに、耐久性を向上させることができる。
【００５７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１９は第３実施形態の発電装置を示す断面図であり、図２０は第２電極部材の断面図である。また、図２１は、図１９のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。本実施形態では、発電装置を筒形状にした点で上述した実施形態と相違している。
図１９〜２１に示すように、第３実施形態に係る発電装置２００は、電極として機能する第１電極部材２１１と、第１電極部材２１１に対向配置され、エレクトレット膜（電荷保持部）２１２を有する第２電極部材２１３と、を備えている。
【００５８】
まず第２電極部材２１３は、導電材料からなる円筒状の筒部２１４と、筒部２１４の内面に配設されたエレクトレット膜２１２と、備えている。なお、筒部２１４を絶縁材料により形成し、その上に集電材を介してエレクトレット膜２１２を形成しても構わない。
エレクトレット膜２１２は、筒部２１４の周方向に沿って形成されたリング部をＺ方向に間隔をあけて複数配置し、これらリング部同士をＺ方向に沿って延びる共通部によりまとめて接続することで構成されている。なお、エレクトレット膜２１２は、筒部２１４の軸方向（Ｚ方向）に沿って螺旋状に形成しても構わない。
【００５９】
また、筒部２１４におけるＺ方向の両端部には、それぞれの開口部を閉塞するように絶縁材料からなる一対の支持部２１５が配設されている。この支持部２１５は、第１電極部材２１１と第２電極部材２１３との間での絶縁が図れていれば、導電材料で形成しても絶縁材料で形成しても構わない。
【００６０】
第１電極部材２１１は、筒部２１４の内側に配置されたバネ部２２１を備えている。バネ部２２１は、導電材料がＺ方向に沿って螺旋状に巻回され、弾性変形可能に構成されている。バネ部２２１は、上述した第２電極部材２１３のエレクトレット膜２１２と径方向で間隔をあけて対向配置されている。なお、第１電極部材２１１は、絶縁材料からなるバネ部（基体）の外周面に導電材料からなる導電部を形成しても構わない。
また、バネ部２２１のＺ方向に沿う一端縁には錘部２２３が配設されている。
【００６１】
この構成によれば、外部振動に応じて第１電極部材２１１のバネ部２２１が弾性変形し、第２電極部材２１３に対して第１電極部材２１１が第２電極部材２１３との対向面（主にＺ方向）上に沿って相対的に移動すると、径方向から見た場合におけるエレクトレット膜２１２と第１電極部材２１１のバネ部２２１との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材２１１の電荷が増減する。そして、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ことができる。
本実施形態によれば、第１電極部材２１１を外側から囲繞するように第２電極部材２１３を配置することで、第１電極部材２１１の全周に亘って発電が行われる。そのため、上述した各実施形態における平板型の発電装置に比べて発電面積の向上を図ることができ、発電効率の更なる向上を図ることができる。また、Ｚ方向を軸方向とする筒状に形成したため、ＸＹ方向へのコンパクト化を図ることができる。なお、筒部２１４は、円筒状に限らず、角筒状等、適宜設計変更が可能である。
【００６２】
（変形例）
次に、第３実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態では、バネ部２２１の端縁に錘部２２３を配設する構成について説明したが、これに限らず、バネ部２２１における延在方向の中途部で連結しても構わない。具体的に、図２２に示す第１電極部材２１１は、各支持部２１５（図１９参照）からそれぞれＺ方向の内側に向かって延びる一対のバネ部２２１を備え、これらバネ部２２１におけるＹ方向の内側端部（先端部）同士の間に錘部２２３が連結されている。
また、図２３に示すように、バネ部２２１にリング状の錘部２２３を通しても構わない。
【００６３】
また、上述した実施形態では、第１電極部材２１１を外側から囲繞するように第２電極部材２１３を配置した場合について説明したが、これに限らず、第１電極部材２１１の内側に第２電極部材を配置しても構わない。
具体的には、図２４〜２６に示す発電装置２００は、第１電極部材２１１と、第１電極部材２１１を外側から囲繞する筒部２３０と、第１電極部材２１１の内側に遊挿された第２電極部材２３１と、を備えている。
【００６４】
第２電極部材２３１は、導電材料からなる円柱状の基体２３２と、基体２３２の外周面に配設されたエレクトレット膜２３３と、を備えている。基体２３２はＺ方向に沿って延在して、その両端部が支持部２１５に支持されている。なお、基体２３２を絶縁材料により形成し、その上に集電材を介してエレクトレット膜２３３を形成しても構わない。
エレクトレット膜２３３は、基体２３２の周方向に沿って形成されたリング部をＺ方向に間隔をあけて複数配設し、これらリング部同士をＺ方向に沿って延びる共通部によりまとめて接続することで構成されている。なお、エレクトレット膜２３３は、基体２３２の軸方向（Ｚ方向）に沿って螺旋状に形成しても構わない。
【００６５】
また、上述した筒部２３０に代えて図１９に示す第２電極部材２１３を採用しても構わない。つまり、第１電極部材２１１を径方向の両側から挟むように第２電極部材２１３，２３１を配置する構成にしても構わない。これにより、第１電極部材２１１と第２電極部材２１３との間、および第１電極部材２１１と第２電極部材２３１との間でそれぞれ発電を行うことができるので、発電量の増加を図ることができる。なお、この場合、第１電極部材２１１は、バネ部２２１自体を絶縁材料で形成し、バネ部２２１の第１電極部材２１１および第２電極部材２３１と向かい合う面にそれぞれ導電材料を形成した構成が好ましい。
【００６６】
さらに、図２７に示すように、第２電極部材自体を錘部として機能させても構わない。具体的に、第２電極部材２５１は、絶縁材料からなる有底筒状に形成された錘部材２５０を備えている。錘部材２５０は、天壁部２５２と、天壁部２５２の外周縁からＺ軸方向に沿って延びる筒部２５３と、を備えている。
天壁部２５２は、支持部２１５との間で第１電極部材２１１のバネ部２２１を支持している。
筒部２５３の内周面には、集電材２５４が形成され、集電材２５４の内面にエレクトレット膜（電荷保持部）２５５が形成されている。
この構成によれば、錘部を別体で設ける必要がないので、部品点数の削減を図ることができる。なお、第１電極部材２１１との間で絶縁が図れていれば、錘部材２５０を導電材料で形成しても構わない。
【００６７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図２８は、第４実施形態に係る発電装置の分解斜視図であり、図２９は断面図である。
図２８，２９に示すように、本実施形態に係る発電装置３００は、第１基板（基板）３０１と、第１基板３０１に対してＺ方向で対向配置された第２基板（基板）３０２と、第１基板３０１、および第２基板３０２の間で回動可能に支持された回動軸３１１に連結され、基板３０１，３０２に対して相対回動する回動錘３０３と、第２基板３０２、および回動軸３１１との間で弾性変形可能に構成された第１電極部材３０４と、第２基板３０２の内面に形成された第２電極部材３０５と、を備えている。
【００６８】
第１基板３０１、および第２基板３０２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等により形成することができる。本実施形態の第１基板３０１、および第２基板３０２は、ガラスエポキシにより円板状に形成されている。
【００６９】
第１基板３０１と第２基板３０２との間にはＺ方向を軸方向とする回動軸３１１が配置されている。回動軸３１１は、導電性を有する金属材料等により形成されている。回動軸３１１は、第１基板３０１および第２基板３０２の内面の中心を通る法線上に配置されている。回動軸３１１のＺ方向の両端部には、Ｚ方向の中央部より小径のホゾ３１２が形成されている。
【００７０】
回動軸３１１のホゾ３１２を回動可能に支持するため、第１基板３０１および第２基板３０２に軸受機構３２０が設けられている。以下、第２基板３０２の軸受機構３２０を例にして説明するが、第１基板３０１の軸受機構３２０も同様に形成されている。
図２９に示すように、軸受機構３２０は、ホゾ３１２の外周を覆うように配置された穴石３２２と、ホゾ３１２のＺ方向端部を覆うように配置された受石３２４とを備えている。穴石３２２および受石３２４は、耐摩耗性に優れた絶縁材料であるルビーやダイヤモンドなどにより形成されている。穴石３２２の中央部には貫通孔が形成されている。穴石３２２および受石３２４は、第２基板３０２の外面中央部に形成された座繰り穴３１６に圧入されている。座繰り穴３１６の底面中央部にも貫通孔が形成されている。そして、第２基板３０２の内側から、第２基板３０２の貫通孔および穴石３２２の貫通孔にホゾ３１２が挿入され、ホゾ３１２が回転可能に支持されている。
【００７１】
図３０は、耐振軸受の断面図である。図２９に示す軸受機構３２０に代えて、図３０に示す耐振軸受４２０を採用することも可能である。
耐振軸受４２０は、ベースとなる軸受体４１５を備えている。後述するように軸受体４１５は回動軸４２１と当接する場合があるため、軸受体４１５を絶縁材料で形成するか、軸受体４１５の表面に絶縁膜を形成することが望ましい。軸受体４１５の座繰り穴４１５ａには穴石４２２および受石４２４が順に挿入されている。穴石４２２および受石４２４は、座繰り穴４１５ａの底部に形成されたテーパ面４１６上に配置されている。また穴石４２２および受石４２４は、ばね４２８により座繰り穴４１５ａの底部側に向けて付勢されている。
【００７２】
回動軸４２１にＺ方向の衝撃力が作用すると、ばね４２８が撓んで回動軸４２１の変位を許容し、衝撃力を吸収する。なお回動軸４２１の過大な変位は、回動軸４２１の肩部４２１ｓと軸受体４１５との当接によって規制される。一方、回動軸４２１に軸直角方向（ＸＹ方向）の衝撃力が作用すると、穴石４２２がテーパ面４１６に沿って移動することで回動軸４２１の変位を許容し、衝撃力を吸収する。なお回動軸４２１の過大な変位は、回動軸４２１の首部４２１ｎと軸受体４１５の貫通孔との当接によって規制される。
【００７３】
後述するように、回動軸４２１に固定される回動錘３０３は、慣性モーメントを確保するため相当の質量を有している。そのため、回動軸４２１には衝撃力が作用する可能性がある。これに対して、上述したように回動軸４２１が耐振軸受４２０を介して支持されていれば、回動軸４２１に作用する衝撃力を吸収して、回動軸４２１の破損を防止することができる。
【００７４】
図２８，２９に示すように、第１基板３０１に対向配置された状態で第１基板３０１に対して相対回動する回動錘３０３が設けられている。
回動錘３０３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等により形成することができる。本実施形態の回動錘３０３は、真鍮により扇板状に形成されている。回動錘３０３は、第１基板３０１に対向配置された扇板状の本体部３４２と、本体部３４２の周囲円弧部に設けられ本体部３４２より厚肉に形成された錘部３４８と、を備えている。本実施形態の本体部３４２および錘部３４８は一体形成されている。本体部３４２の中心部には貫通孔３４１が形成され、その貫通孔３４１に回動軸３１１が圧入されている。
【００７５】
なお、本体部３４２および錘部３４８を別体形成し、締結部材や接着剤等を用いて接続してもよい。本体部３４２および錘部３４８を別体形成する場合には、本体部３４２より比重の大きい材料で錘部３４８を形成することが望ましい。例えば、本体部３４２を真鍮で形成し、錘部３４８をプラチナや金、タングステン等で形成する。これにより、回動錘３０３の大幅な重量増加を抑制しながら、回動錘３０３の慣性モーメントを増加させることができる。
【００７６】
第１電極部材３０４は、弾性変形可能な渦巻きバネ状に形成され、回動錘３０３を第１基板３０１に対して往復周期回動させるように支持している。
第１電極部材３０４は、細長い薄板を渦巻き状に湾曲させたバネ部３３２と、バネ部３３２の中心側の端部に接続された連結部材３３１と、バネ部３３２の外周側の端部に接続された固定部材３３８と、を備えている。バネ部３３２は、コバルト基合金等の導電材料で形成されている。なお、バネ部３３２を弾性変形可能な絶縁材料で形成し、少なくとも第２電極部材３０５との対向面に導電材料からなる導電部を形成しても構わない。
連結部材３３１は、導電材料によりリング状に形成され、その中央孔に回動軸３１１が圧入されている。一方、固定部材３３８は、導電材料によりピン状に形成され、第２基板３０２の内面に形成された固定孔３１８に圧入されている。
【００７７】
このように、回動軸３１１、連結部材３３１、バネ部３３２および固定部材３３８がすべて導電材料で形成され、これらの各部材を介して、第１電極部材３０４が外部に電気的接続されている。なお、本実施形態において、第１電極部材３０４を外部に電気的に接続するためには、少なくともバネ部３３２および固定部材３３８が導電材料であれば構わない。
【００７８】
図３１は、第２電極部材の平面図である。
図２９，３１に示すように、第２電極部材３０５は、第２基板３０２の内面に配置された基体３５０と、基体３５０の内面に形成されたエレクトレット膜（電荷保持部）３５１と、を備えている。
基体３５０は、上述した第１電極部材３０４のバネ部３３２よりも大径の円板状に形成され、その中央部には、回動軸３１１が遊挿される貫通孔３５０ａが形成されている。本実施形態では、基体３５０は導電材料により形成され、第２電極部材３０５の集電材として機能する。また、基体３５０の外周部分うち、上述した固定部材３３８とＸＹ方向で重なる部分には、上述した固定部材３３８よりも大径の貫通孔３５０ｂが形成されている。そして、上述した固定部材３３８は、貫通孔３５０ｂ内に遊挿された後、固定孔３１８に圧入されている。したがって、貫通孔３５０ａと回動軸３１１、および貫通孔３５０ｂと固定部材３３８の間には、それぞれ隙間が設けられており、第１電極部材３０４と第２電極部材３０５との絶縁が図られている。
【００７９】
エレクトレット膜３５１は、バネ部３３２と同じ方向に沿って渦巻状に湾曲され、バネ部３３２とＺ方向から見て重なり合うように形成されている。
【００８０】
この構成によれば、外部振動が入力されると、回動錘３０３、および回動軸３１１が回動してこれに伴い、第１電極部材３０４のバネ部３３２の間隔が径方向で拡大・縮小するように弾性変形する。これにより、第２電極部材３０５のエレクトレット膜３５１との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材３０４の電荷が増減する。そして、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ことができる。
【００８１】
特に、第１電極部材３０４は、回動錘３０３の慣性モーメント（イナーシャモーメント）とともにバネ・マス系を構成するので、回動錘３０３は共振し、第１基板３０１に対して往復周期回動する。第１電極部材３０４のバネ部３３２は自由長が長いのでねじりバネ定数が小さくなり、回動錘３０３は周囲円弧部に錘部３４８を備えているので慣性モーメントが大きくなるので、回動錘３０３の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を利用することが可能になる。本実施形態では、回動錘３０３の共振周波数が、人の歩行に伴う振動の周波数（１〜２Ｈｚ）に一致するように、バネ部３３２のねじりバネ定数および／または回動錘３０３の慣性モーメントが調整されている。これにより、発電装置３００を携帯した人が歩行すると、歩行振動が発電装置３００に入力されて、回動錘３０３が共振回動する。
【００８２】
（変形例）
次に、第４実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態では、エレクトレット膜３５１を渦巻状に形成した場合について説明したが、これに限らず、種々の形状を採用することが可能である。例えば、図３２に示すように、周方向に沿って形成されたエレクトレット膜（電荷保持部）３６１を径方向に間隔をあけて複数配列し、これらエレクトレット膜３６１を周方向の所定角度毎で区画した複数のエレクトレット膜群３６２としても構わない。
この場合には、バネ部３３２の弾性変形に伴って、バネ部３３２と各エレクトレット膜群３６２との間で重なり面積の増減が生じ、それぞれで発電が行われるため、発電量を増加させることができる。
【００８３】
また、上述した実施形態では、第２電極部材３０５を固定側、第１電極部材３０４を可動側にして説明したが、これに限らず、第１電極部材３０４を固定側、第２電極部材３０５を可動側にしても構わない。
さらに、図３３に示すように、第１電極部材３０４、および第２電極部材３０５の双方を弾性変形可能に構成しても構わない。具体的に、第１電極部材３０４は、上述した実施形態と同様にバネ部３３２、連結部材３３１、および固定部材３３８を備え、固定部材３３８は、第１基板３０１（図２９参照）に形成された図示しない固定孔に圧入されている。
【００８４】
一方、第２電極部材３０５は、第１電極部材３０４と同様に、バネ部３７２、連結部材３７３、および固定部材３７４を備え、固定部材３７４が第２基板３０２に形成された図示しない固定孔に圧入されている。第２電極部材３０５のバネ部３７２は、導電材料からなる基体３７６が渦巻状に湾曲され、基体３７６における第１電極部材３０４のバネ部３３２との対向面上にエレクトレット膜３７７が形成されている。また、図３３（ｂ）に示すように、各バネ部３３２，３７２同士は、巻回方向が互いに逆向きになっている。なお、第１電極部材３０４と第２電極部材３０５との間の絶縁を図るため、回動軸３１１、および連結部材３３１，３７３のうち、何れかを絶縁材料にしたり、各構成部材間に絶縁膜を形成したりすることが好ましい。
この構成によれば、各バネ部３３２，３７２の巻回方向が逆向きになっているため、回動軸３１１の回動に伴う各バネ部３３２，３７２における周方向の同位置での拡大・縮小変形が逆になる。そのため、第１電極部材３０４、および第２電極部材３０５との間で重なり面積の増減が生じ、発電が行われるようになっている。
なお、各バネ部３３２，３７２の巻回方向が同じ場合であっても、両者の固定点を周方向や径方向で異ならせたり、バネ部３３２，３７２のピッチを異ならせたりすることで、第１電極部材３０４、および第２電極部材３０５との間で重なり面積の増減を生じさせ、発電させても構わない。
【００８５】
（クオーツ式腕時計）
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。
図３４は、クオーツ式腕時計のムーブメントの内部構造図である。クオーツ式腕時計１は、例えば第４実施形態に係る発電装置３００と、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。
【００８６】
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。
【００８７】
この構成によれば、発電効率に優れた発電装置３００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。
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３００に入力される。実施形態に係る発電装置３００では共振周波数が低くなるので、歩行振動により第１電極部材３０４を共振させることができる。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。なお、実施形態に係る発電装置３００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。
【００８８】
図３５は、回動錘の中立位置の説明図である。なお図３５では、わかりやすくするため回動錘３０３の大きさおよび配置を誇張している。
歩行者８０は前方および後方に腕８１を振りながら歩行するが、一般に前方への振り上げ角度は後方への振り上げ角度より大きくなる。腕時計１を装着した歩行者８０の腕８１が、上述した前後の振り上げ角度範囲の中間点８１ｍにあるとき、回動錘３０３の重心が回動軸の鉛直下方となる回動錘３０３の位置を、回動錘３０３の中立位置に設定する。回動錘３０３の中立位置とは、渦巻きバネからの復元力が作用していない状態における回動錘３０３の位置である。腕時計１を左腕に装着する場合、中立位置にある回動錘３０３の重心は、回動軸３１１から見て２時付近の方向（３時方向から反時計回りに角度θの方向）に配置される。
【００８９】
歩行者８０は、中間点８１ｍから前後に同じ角度だけ腕を振り上げて歩行するので、回動錘３０３は、中立位置から渦巻きバネが巻き上がる方向およびほどける方向に同じ角度だけ回動する。これにより、回動錘３０３の回動振幅が大きくなり、エレクトレット膜と電極との重なり面積の変化量も大きくなる。したがって、発電効率を向上させることができる。
【００９０】
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。
例えば、上述した実施形態、各変形例を適宜組み合わせることが可能である。
また、第１電極部材、第２電極部材のうち少なくとも一方が弾性変形可能であれば、形状等は適宜変更可能である。
また、上述した実施形態に係るクオーツ式腕時計１では、各発電装置のうち、第４実施形態に係る発電装置３００を搭載した場合について説明したが、他の実施形態に係る発電装置についても搭載可能である。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
１…クオーツ式腕時計（電気機器、携帯型時計） １０，１００，２００，３００…発電装置 １１，５４，２１１，３０４…第１電極部材 １２，５３，１０２，２１２，２５５，３５１，３６１…エレクトレット膜 １３，５１，１０３，２１３，２３１，２５１，３０５…第２電極部材 ２３，１１７，２２３，３４８…錘部 ３４…電気機器 ４１…バネ部（基体） ４２，５６…導電部 ５５…基体 １２０・・・ガイド機構 ３０１…第１基板（基板） ３０２…第２基板（基板） ３０３…回動錘（錘部） ３１１…回動軸 ３４２…本体部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、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。
特許文献１には、複数のエレクトレット電極２を表面に有する不動基板１と、複数の可動電極５を表面に有する可動基板４と、が離れて配置された発電装置が提案されている。可動電極５および可動基板４は、不動基板１上に設けられた固定構造体３ａ，３ｂにバネ駆動体６ａ，６ｂのような弾性部材を介して連結されている。外部から発電装置７０に外部振動が加わったときに、可動基板４は移動し、エレクトレット電極２と可動電極５との重なり面積は初期面積から増加又は減少する。この重なり面積の変化によって、可動電極５に電荷の変化が生じる。発電装置７０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する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２２９９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の発電装置では、限られたスペースの中で可動基板４が水平移動するため、不動基板１に対する可動基板４の移動距離が限定的となる。そのため、エレクトレット電極２と可動電極５との重なり面積の変化量が限定的となり、発電効率の向上に限界がある。
一方で、発電効率を向上させるには、発電装置を励振する外部振動として、環境振動を利用することが望ましい。ただし、環境振動は低周波振動が支配的であるため、可動基板４の共振周波数を小さくする必要がある。共振周波数を小さくするには、可動基板４のバネ定数を小さくする必要がある。
【０００５】
バネ定数を小さくするための手段として、ばね駆動体６ａ，６ｂを薄く、若しくは長くすることが考えられる。
しかしながら、ばね駆動体６ａ，６ｂを薄くすることは、強度の低下に繋がるため難しい。また、ばね駆動体６ａ，６ｂは、可動基板４と固定構造体３ａ，３ｂとの狭い隙間に設けられているので、現状ではばね駆動体６ａ，６ｂを長くするためのスペースを確保することが難しく、スペースを確保するためには、発電装置自体の大型化を伴うことになる。
このように、バネ駆動体６ａ，６ｂのバネ定数を小さくすることが困難であるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することができず、発電効率の向上に限界がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、発電効率に優れた発電装置、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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、電極として機能する第１電極部材と、前記第１電極部材に対向配置され、電荷保持部を有する第２電極部材と、を備え、前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材は弾性変形可能に構成され、前記第１電極部材と前記第２電極部材とが対向面上に沿って相対移動することで、前記第１電極部材と前記第２電極部材の前記電荷保持部との重なり面積が変化することを特徴としている。
【０００８】
この構成によれば、一方の電極部材が弾性変形し、第１電極部材と第２電極部材とが対向面上に沿って相対的に移動すると、電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材の電荷が増減する。そして、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。
そして、第１電極部材、および第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材自体を弾性変形可能に構成することで、従来のように電極が形成された可動基板と、それを移動させるバネ駆動体と、を別体で形成する場合に比べて、バネ部分を薄くする必要なく、また発電装置の大型化を伴うことなく、バネ部分の長さを長くすることができる。
これにより、強度の低下を抑制するとともに、小型化を図った上で、一方の電極部材のバネ定数を小さくすることができる。したがって、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【０００９】
また、前記一方の電極部材には、前記一方の電極部材よりも比重の大きい錘部が設けられていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材の共振周波数を低くし易くなり、一方の電極部材の共振周波数を低周波の環境振動に合わせ易くなる。そのため、発電効率を確実に向上させることができる。
【００１０】
また、前記錘部は、連続的に延びる前記一方の電極部材上に支持されていることが望ましい。
この構成によれば、連続的に延びる一方の電極部材上に錘部が支持されているため、一方の電極部材を途中で分断したり、長さを変更したりすることなく、錘部の重さ（大きさ）を適宜調整することができる。
【００１１】
また、前記一方の電極部材は、複数のバネ部を有し、前記錘部は、前記バネ部における先端部同士の間に連結されていることが望ましい。
この構成によれば、錘部の追加に伴うバネ部の延在方向に直交する方向への大型化を抑制できる。
【００１２】
また、前記第１電極部材と前記第２電極部材との相対移動に伴う前記錘部の移動を案内するガイド機構を備えていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材における対向面の法線方向への弾性変形を防止して、第１電極部材、および第２電極部材間での短絡を防止できる。
【００１３】
また、前記第１電極部材、および前記第２電極部材は、前記対向面に沿う一方向、および前記一方向に交差する方向に沿って延在していることが望ましい。
この構成によれば、対向面に沿う複数方向の変位に応じて電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が変化して、発電を行えるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
【００１４】
また、前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材を囲繞する筒形状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材の全周に亘って発電が行われるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
【００１５】
また、前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材の内側に配置された柱状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材の全周に亘って発電が行われるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
【００１６】
また、基板と、前記基板に回動可能に支持された回動軸と、を備え、前記一方の電極部材は、前記回動軸と前記基板との間に設けられ、前記回動軸を往復周期回動させるように構成されていることが好ましい。
この構成によれば、回動軸が一方の電極部材を介して往復周期回動する際に電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材の電荷が増減する。そして、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ことができる。
【００１７】
また、前記一方の電極部材は、渦巻きバネ状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、渦巻きバネは自由長が長いので、ねじりバネ定数が小さくなり、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【００１８】
また、回動軸は、耐振軸受を介して前記基板に支持されていることが望ましい。
回動軸（錘部）の慣性モーメントを確保するには相当の質量が必要であるため、回動軸には衝撃力が作用する可能性がある。この構成によれば、回動軸が耐振軸受を介して支持されているので、回動軸に作用する衝撃力を吸収して、回動軸の破損を防止することができる。
【００１９】
また、前記回動軸には、錘部が設けられ、前記錘部は、前記基板に対向配置された扇板状の本体部と、前記本体部の周囲円弧部に設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、を備えていることが望ましい。
この構成によれば、本体部は周囲円弧部に重錘を備えているので、慣性モーメントが大きくなり、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【００２０】
また、前記第１電極部材は、絶縁材料からなる基体と、前記基体上における少なくとも前記対向面上に形成された導電材料からなる導電部と、を備えていることが望ましい。
この構成によれば、第１電極部材全体を導電材料で形成する場合に比べて材料コストの低下を図ることができる。
【００２１】
また、前記第１電極部材は、導電材料により一体的に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、上述したように絶縁材料からなる基体上に導電部を形成した場合に比べて製造工数を削減して、製造効率の向上を図ることができる。
【００２２】
また、前記一方の電極部材を間に挟んで前記対向面の法線方向に沿う両側に、前記第１電極部材および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材が対向配置されていることが望ましい。
この構成によれば、一方の電極部材と各他方の電極部材との間でそれぞれ発電を行うことができるので、発電量の増加を図ることができる。
【００２３】
また、前記第１電極部材、および前記第２電極部材の双方が弾性変形可能に構成され、各電極部材はバネ定数がそれぞれ異なるように設定されていることが望ましい。
この構成によれば、外部振動に応じて第１電極部材と第２電極部材とのそれぞれが弾性変形する際に、電荷保持部と第１電極部材との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材の電荷が増減する。そして、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ことができる。
【００２４】
また、本発明に係る電気機器は、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子機器または携帯型時計を提供することができる。
例えば、発電装置を携帯型電子機器または携帯型時計に搭載した場合には、携帯型電気機器または携帯型時計を携帯した人が歩行すると、歩行振動が発電装置に入力される。上述した発電装置では、一方の電極部材の共振周波数が低くなるので、歩行振動により一方の電極部材を共振させることができる。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携帯型電子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】
【００２５】
本発明に係る発電装置によれば、第１電極部材、および第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材自体を弾性変形可能に構成することで、従来のように電極が形成された可動基板と、それを移動させるバネ駆動体と、を別体で形成する場合に比べて、バネ部分を薄くする必要なく、また発電装置の大型化を伴うことなく、バネ部分の長さを長くすることができる。
これにより、強度の低下を抑制するとともに、小型化を図った上で、一方の電極部材のバネ定数を小さくすることができる。したがって、一方の電極部材の共振周波数を低くすることができるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
また、本発明に係る電子機器または携帯型時計によれば、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子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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】第２電極部材の平面図である。
【図４】実施形態に係る発電装置の回路図である。
【図５】第２電極部材の変形例を示す平面図である。
【図６】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図７】第１電極部材の変形例を示す平面図である。
【図８】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図９】発電装置の変形例を示す断面図である。
【図１０】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図１１】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図１２】発電装置の変形例を示す平面図である。
【図１３】発電装置の変形例を示す平面図である。
【図１４】第２実施形態に係る発電装置（第２電極部材）を示す平面図である。
【図１５】図１４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図１６】図１４のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図１７】発電装置の変形例を示す平面図である。
【図１８】図１７のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【図１９】第３実施形態に係る発電装置の側面断面図である。
【図２０】第２電極部材の側面断面図である。
【図２１】図１９のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。
【図２２】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図２３】発電装置の変形例を示す斜視図である。
【図２４】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図２５】発電装置の変形例を示す第２電極部材の側面図である。
【図２６】発電装置の変形例を示す第１電極部材、および第２電極部材の平面図である。
【図２７】発電装置の変形例を示す側面断面図である。
【図２８】第４実施形態に係る発電装置を示す分解斜視図である。
【図２９】発電装置の側面断面図である。
【図３０】耐振軸受の側面断面図である。
【図３１】第２電極部材の平面図である。
【図３２】第２電極部材の変形例を示す平面図である。
【図３３】（ａ）は発電装置の変形例を示す側面断面図であり、（ｂ）は第１電極部材、および第２電極部材の平面図である。
【図３４】クオーツ式腕時計のムーブメントの構造図である。
【図３５】回動錘の中立位置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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」、Ｘ方向、Ｙ方向に直交する方向を「Ｚ方向」とする。
【００２８】
（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。
図１に示すように、第１実施形態に係る発電装置１０は、電極として機能する第１電極部材１１と、第１電極部材１１に対向配置され、エレクトレット膜（電荷保持部）１２を有する第２電極部材１３と、を備えている。
【００２９】
図３は、第２電極部材の平面図である。
まず、図１〜３に示すように、第２電極部材１３は、基体１４と、基体１４上に配設されたエレクトレット膜１２と、を備えている。
基体１４は、真鍮などの導電性を有する金属材料や、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等により形成することができる。本実施形態の基体１４は、導電材料により形成された平板状の部材である。
【００３０】
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。
【００３１】
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、基体１４が導電材料で形成されているため、基体１４上に直接エレクトレット膜１２が形成されている。なお、基体１４を絶縁材料で形成する場合には、基体１４における少なくともエレクトレット膜１２の形成領域に導電材料からなる集電材を連続的に形成し、集電材上にエレクトレット膜１２を形成する。すなわち、本実施形態では基体１４を導電材料で形成しているため、基体１４自体を集電材として機能させている。
【００３２】
エレクトレット膜１２は、基体１４上をＸ方向に沿って蛇行しながら、Ｘ方向に直交するＹ方向に沿って延びる波状に一体形成されている。したがって、エレクトレット膜１２において、Ｘ方向に沿う両端部を除く部分は、Ｙ方向に間隔を空けて配設されている。
【００３３】
図１，２に示すように、基体１４のＹ方向に沿う両端縁には、それぞれＺ方向に沿って平行に延びる一対の支持部１５が立設されている。これら支持部１５は、基体１４を間に挟んでＹ方向で対向している。なお、本実施形態の支持部１５は、基体１４（第２電極部材１３）と第１電極部材１１との絶縁を図るために、絶縁材料で形成されている。
【００３４】
第１電極部材１１は、基体１４に対してＺ方向で間隔を空けて配置されるとともに、支持部１５間に架け渡された状態で弾性変形可能に構成されている。具体的に、第１電極部材１１は、Ｘ方向に沿って蛇行しながら、Ｘ方向に直交するＹ方向に沿って延びる波状のバネ部２１を有している。
第１電極部材１１は、ステンレス、リン青銅、ニッケル合金、コバルト基合金などの金属材料や、シリコン等のセラミック材料、パリレン等の高分子材料等で形成することができる。本実施形態の第１電極部材１１は、導電材料としてコバルト基合金で形成されている。すなわち、本実施形態では、第１電極部材１１自体が、弾性変形可能な電極の機能を有している。
【００３５】
バネ部２１は、Ｘ方向における長さ（振幅）、およびＹ方向における間隔（ピッチ）が上述したエレクトレット膜１２と同等に形成され、Ｚ方向から見てエレクトレット膜１２と重なり合うように形成されている。
そして、バネ部２１のＹ方向両端部は、Ｘ方向の中央部からそれぞれＹ方向の外側（支持部１５側）に向けて延び、それぞれ各支持部１５に連結されている。
【００３６】
また、バネ部２１には、錘部２３が支持されている。錘部２３は、バネ部２１の中央部（ＸＹ方向中央部）からＺ方向に沿って立設された台座部２４と、台座部２４に支持された平板状の錘本体部２５と、を備えている。
錘本体部２５は、バネ部２１より比重の大きい材料で形成することが望ましく、例えば、プラチナや金、タングステン等で形成されている。
【００３７】
図４は、実施形態に係る発電装置の回路図である。
図４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（基体１４）および第１電極部材１１（バネ部２１）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。
【００３８】
エレクトレット膜１２には負電荷が保持されているので、対向配置された第１電極部材１１には、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。そして、外部振動に応じて第１電極部材１１が弾性変形し、第２電極部材１３に対して第１電極部材１１が主に第２電極部材１３との対向面（主にＹ方向）上に沿って相対的に移動すると、Ｚ方向から見た場合におけるエレクトレット膜１２と第１電極部材１１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１電極部材１１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。
【００３９】
このように、本実施形態では、電極として機能する第１電極部材１１（バネ部２１）自体を弾性変形可能なバネ状に形成する構成とした。
この構成によれば、従来のように電極が形成された可動基板と、それを移動させるバネ駆動体と、を別体で形成する場合に比べて、バネ部２１を薄くする必要なく、また発電装置１０の大型化を伴うことなく、バネ部２１の長さを長くすることができる。
これにより、強度の低下を抑制するとともに、小型化を図った上で、バネ定数を小さくすることができる。したがって、第１電極部材１１の共振周波数を低くすることができるため、外部振動として環境振動を効率的に利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、第１電極部材１１に錘部２３が支持されているため、第１電極部材１１の共振周波数を低くし易くなり、第１電極部材１１の共振周波数を低周波の環境振動に合わせ易くなる。そのため、発電効率を確実に向上させることができる。
また、本実施形態では、連続的に形成された第１電極部材１１の中央部に台座部２４を介して錘本体部２５を配置したため、第１電極部材１１を途中で分断したり、長さを変更したりすることなく、錘本体部２５の重さ（大きさ）を適宜調整することができる。例えば、錘本体部２５の大きさを拡大する場合、ＸＹ方向に拡大することで、基体１４の面方向の幅内で錘本体部２５を収めることができるので、特にＺ方向における発電装置１０の大型化を抑制することができる。
【００４１】
また、第１電極部材１１を導電材料により一体的に形成することで、例えば絶縁材料からなる基体上に導電材料を形成する場合に比べて製造工数を削減して、製造効率の向上を図ることができる。
【００４２】
（変形例）
次に、第１実施形態の変形例について説明する。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。
上述した実施形態では、エレクトレット膜１２をバネ部２１と同形状に形成する場合ついて説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、エレクトレット膜１２を櫛歯状に形成しても構わない。具体的に、図５に示すエレクトレット膜１２は、Ｘ方向に沿って延びるとともに、Ｙ方向に沿って間隔を空けて配列された複数の延出部３５と、各延出部３５のＸ方向一端側でＹ方向に沿って延びるとともに、各延出部３５をまとめて接続する共通部３６と、を備えている。
【００４３】
また、上述した第１実施形態示す第１電極部材１１は、第１電極部材１１上に台座部２４を介して錘本体部２５を配置する構成について説明したが、図６に示すように、第１電極部材１１における延在方向の中途部で連結しても構わない。具体的に、図６に示す第１電極部材１１は、各支持部１５からそれぞれＹ方向の内側に向かって延びる一対のバネ部２１を備え、これらバネ部２１におけるＹ方向の内側端部（先端部）同士の間に錘部２３（錘本体部２５）が連結されている。すなわち、バネ部２１は、錘部２３と支持部１５との間を架け渡している。
この構成によれば、錘部２３の追加に伴うＺ方向への大型化を抑制できるので、上述した第１実施形態のように第１電極部材１１の上に錘部２３を配置する場合に比べて、発電装置１０のＺ方向での小型化を図ることができる。なお、図６に示す構成の場合には、錘部２３として比較的比重の大きい材料を用いることが好ましい。
【００４４】
さらに、上述した実施形態では、第１電極部材１１のバネ部２１を波状に形成した場合について説明したが、これに限らず、バネ部２１は種々の形状を採用することが可能である。例えば、図７に示すバネ部２１のように、Ｚ方向から見てひし形の枠状部材の頂点同士を連結してＹ方向に沿って延設させるような構成でも構わない。
【００４５】
また、上述した実施形態では、バネ部２１自体を導電材料により形成して第１電極部材１１を構成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、図８に示すように、各支持部１５間を架け渡すように形成された絶縁材料からなるバネ部（基体）４１と、バネ部４１を被覆するように形成された導電材料からなる導電部４２と、により、第１電極部材１１を形成しても構わない。
この場合、導電部４２は、バネ部４１におけるエレクトレット膜１２との対向面のみに形成することが好ましい。これにより、第１電極部材１１全体を導電材料で形成する場合に比べて材料コストの低下を図ることができる。なお、バネ部４１の全体を導電部４２で被覆しても構わない。
【００４６】
上述した実施形態では、第２電極部材１３を固定側、第１電極部材１１を可動側にして説明したが、これに限らず、第１電極部材５４を固定側、第２電極部材５１を可動側に形成しても構わない。図９に示すように、まず第２電極部材５１は、支持部１５間を架け渡す導電材料からなるバネ部５２と、バネ部５２における少なくとも第１電極部材５４との対向面に配設されたエレクトレット膜（電荷保持部）５３と、を有している。バネ部５２は、集電材として機能するものであって、支持部１５間で弾性変形可能に構成されている。
一方、第１電極部材５４は、絶縁材料からなる平板状の基体５５と、基体５５上に形成された導電部５６と、を備えている。導電部５６は、上述したエレクトレット膜５３とＺ方向から見て重なるように形成されている。なお、基体５５自体を導電材料により形成した場合には、基体５５上におけるＺ方向から見てエレクトレット膜５３と重なる領域以外の領域に、絶縁膜を形成する。
【００４７】
また、上述した実施形態では、第１電極部材、および第２電極部材のうち、何れか一方のみを弾性変形可能にした場合について説明したが、これに限らず、図１に示す第１電極部材１１、および図９に示す第２電極部材５１を採用し、第１電極部材１１、および第２電極部材５１の双方を弾性変形可能に構成しても構わない。具体的には、図１０に示すように、第１電極部材１１は、一対の支持部１５間を架け渡す弾性変形可能なバネ部２１、を備え、バネ部２１上に錘部２３が支持されている。
一方、第２電極部材５１は、一対の支持部１５間を架け渡すとともに、例えば第１電極部材と同形状に形成された弾性変形可能なバネ部５２と、バネ部５２における少なくとも第１電極部材５４との対向面に配設されたエレクトレット膜５３と、を有している。この場合、外部振動入力時における第１電極部材１１と第２電極部材５１との間で位相差を生じさせるために、双方のバネ定数を異ならせることが好ましい。
【００４８】
また、上述した実施形態では、第１電極部材１１に対してＺ方向に沿う一方側に第２電極部材１３を配置する構成について説明したが、これに限らず、第１電極部材１１を間に挟んでＺ方向に沿う両側に一対の第２電極部材１３を配置しても構わない。
具体的に、図１１に示す第２電極部材１３は、それぞれ図１に示す第２電極部材１３と同様の構成からなり、基体１４と、基体１４上に配置されたエレクトレット膜１２と、を有している。そして、各第２電極部材１３のうち、一方の第２電極部材１３は支持部１５におけるＺ方向に沿う一端側同士を架け渡すように配置され、他方の第２電極部材１３は支持部１５におけるＺ方向に沿う他端側同士を架け渡すように配置されている。
【００４９】
なお、第１電極部材１１は、図８に示す第１電極部材１１とほぼ同様の構成からなり、本変形例ではバネ部４１のＺ方向両面が導電部４２によって被覆されている。
そして、第１電極部材１１の一方の面に形成された導電部４２と、一方の第２電極部材１３と、の間は、第１発電部５８を構成し、第１発電部５８の他方の面に形成された導電部４２と、他方の第２電極部材１３と、の間は、第２発電部５９を構成している。
この構成によれば、第１電極部材１１と各第２電極部材１３との間でそれぞれ発電を行うことができるので、発電量の増加を図ることができる。
【００５０】
また、上述した実施形態では、バネ部２１が一方向（例えばＹ方向）に沿って延在する場合について説明したが、これに限らず、複数の方向に沿って延在するように形成しても構わない。例えば、図１２に示すように、Ｙ方向、およびＹ方向に直交するＸ方向に沿ってバネ部２１を延在させたり、図１３示すように、一方向に対して所定角度毎で交差する複数方向に沿ってバネ部２１を延在させたりしても構わない。この場合、バネ部２１に対してＺ方向で重なり合うように第２電極部材１３のエレクトレット膜１２を形成することで、一方向のみならず、複数方向の変位に応じてエレクトレット膜１２とバネ部２１との重なり面積が変化して、発電を行えるため、発電効率の更なる向上を図ることができる。
なお、上述した実施形態、および各変形例は適宜組み合わせて採用することが可能である。
【００５１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図１４は第２実施形態の発電装置（第２電極部材）の平面図、図１５は図１４のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図１５は図１４のＣ−Ｃ線に相当する断面図である。第２実施形態では、第１電極部材と第２電極部材との相対移動に伴う錘部の移動を案内するガイド機構を備えている点で上述した第１実施形態と相違している。
図１４〜１６に示すように、第２実施形態に係る発電装置１００は、電極として機能する第１電極部材１０１（図１５参照）と、第１電極部材１０１に対向配置され、エレクトレット膜１０２を有する第２電極部材１０３と、を備えている。
【００５２】
まず、第２電極部材１０３は、基体１０５上に櫛歯状のエレクトレット膜１０２が一対形成されたものである。なお、本実施形態の基体１０５は、導電材料により形成されている。
各エレクトレット膜１０２は、基体１０５におけるＸ方向の外側でＹ方向に沿って延びる共通部１１０と、共通部１１０からそれぞれＸ方向の内側に向けて延びる複数の延出部１１１と、を有している。延出部１１１は、Ｙ方向に沿って間隔を空けて配設されている。
また、基体１０５におけるＸ方向の中央部には、Ｙ方向に沿って延びる溝部１１３が形成されている。これにより、各エレクトレット膜１０２がＸ方向で区画されている。なお、基体１０５の外周縁には、基体１０５を取り囲むように支持部１５が立設されている。
【００５３】
第１電極部材１０１は、Ｙ方向で対向する支持部１５からそれぞれＹ方向の内側に向けて延びる弾性変形可能な一対のバネ部１１６を備え、これら一対のバネ部１１６間に錘部１１７が連結されている。錘部１１７は、球状に形成され、その外周面が上述した基体１０５の溝部１１３の開口縁に当接している。なお、本実施形態では、錘部１１７は、絶縁材料で形成されているが、第１電極部材１０１と第２電極部材１０３との間での絶縁が図られていれば、導電材料で形成しても構わない。
【００５４】
また、第１電極部材１０１を間に挟んでＺ方向に沿う基体１０５の反対側には、支持基板１１８が配設されている。支持基板１１８には、上述した基体１０５の溝部１１３とＺ方向で対向する溝部１１９が形成されている。そして、この溝部１１９の開口縁に上述した錘部１１７の外周面が当接している。すなわち、溝部１１３，１１９は、錘部１１７におけるＺ方向の両側をそれぞれ支持して、第１電極部材１０１（バネ部１１６）の弾性変形に伴う錘部１１７のＹ方向の移動を案内するガイド機構１２０を構成している。なお、錘部１１７を内側で収容するように溝部１１３，１１９を形成しても構わない。
【００５５】
このように、本実施形態では、ガイド機構１２０の溝部１１３，１１９により、錘部１１７を支持しているため、錘部１１７のＹ方向の移動を案内する一方で、錘部１１７のＸ方向、およびＺ方向の移動を規制することができる。したがって、第１電極部材１０１のＸ方向、およびＺ方向への撓み変形を防止して、第１電極部材１０１、および第２電極部材１０３間での短絡を防止できる。
【００５６】
（変形例）
次に、第２実施形態の変形例について説明する。図１７は、図１４に相当する平面図であり、図１８は図１７のＤ−Ｄ線に相当する断面図である。なお、図１７では、支持部１５や支持基板１１８等の記載を省略する。
図１７，１８に示すように、一対のバネ部１１６間には、錘部１１７を回転可能に支持する錘支持部材１２１が連結されている。錘支持部材１２１は、Ｚ方向から見てリング状に形成され、その径方向のうちＹ方向で対向する位置にバネ部１１６がそれぞれ連結されている。そして、錘支持部材１２１の内側には、錘部１１７が回転可能に収容されている。
この構成によれば、第１電極部材１０１（バネ部１１６）の弾性変形に伴い、錘部１１７が錘支持部材１２１内で回転しながらＹ方向に沿って移動することになる。そのため、錘部１１７と溝部１１３，１１９との間での摩擦抵抗を低減して、スムーズな移動が可能になるとともに、耐久性を向上させることができる。
【００５７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１９は第３実施形態の発電装置を示す断面図であり、図２０は第２電極部材の断面図である。また、図２１は、図１９のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。本実施形態では、発電装置を筒形状にした点で上述した実施形態と相違している。
図１９〜２１に示すように、第３実施形態に係る発電装置２００は、電極として機能する第１電極部材２１１と、第１電極部材２１１に対向配置され、エレクトレット膜（電荷保持部）２１２を有する第２電極部材２１３と、を備えている。
【００５８】
まず第２電極部材２１３は、導電材料からなる円筒状の筒部２１４と、筒部２１４の内面に配設されたエレクトレット膜２１２と、備えている。なお、筒部２１４を絶縁材料により形成し、その上に集電材を介してエレクトレット膜２１２を形成しても構わない。
エレクトレット膜２１２は、筒部２１４の周方向に沿って形成されたリング部をＺ方向に間隔をあけて複数配置し、これらリング部同士をＺ方向に沿って延びる共通部によりまとめて接続することで構成されている。なお、エレクトレット膜２１２は、筒部２１４の軸方向（Ｚ方向）に沿って螺旋状に形成しても構わない。
【００５９】
また、筒部２１４におけるＺ方向の両端部には、それぞれの開口部を閉塞するように絶縁材料からなる一対の支持部２１５が配設されている。この支持部２１５は、第１電極部材２１１と第２電極部材２１３との間での絶縁が図れていれば、導電材料で形成しても絶縁材料で形成しても構わない。
【００６０】
第１電極部材２１１は、筒部２１４の内側に配置されたバネ部２２１を備えている。バネ部２２１は、導電材料がＺ方向に沿って螺旋状に巻回され、弾性変形可能に構成されている。バネ部２２１は、上述した第２電極部材２１３のエレクトレット膜２１２と径方向で間隔をあけて対向配置されている。なお、第１電極部材２１１は、絶縁材料からなるバネ部（基体）の外周面に導電材料からなる導電部を形成しても構わない。
また、バネ部２２１のＺ方向に沿う一端縁には錘部２２３が配設されている。
【００６１】
この構成によれば、外部振動に応じて第１電極部材２１１のバネ部２２１が弾性変形し、第２電極部材２１３に対して第１電極部材２１１が第２電極部材２１３との対向面（主にＺ方向）上に沿って相対的に移動すると、径方向から見た場合におけるエレクトレット膜２１２と第１電極部材２１１のバネ部２２１との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材２１１の電荷が増減する。そして、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ことができる。
本実施形態によれば、第１電極部材２１１を外側から囲繞するように第２電極部材２１３を配置することで、第１電極部材２１１の全周に亘って発電が行われる。そのため、上述した各実施形態における平板型の発電装置に比べて発電面積の向上を図ることができ、発電効率の更なる向上を図ることができる。また、Ｚ方向を軸方向とする筒状に形成したため、ＸＹ方向へのコンパクト化を図ることができる。なお、筒部２１４は、円筒状に限らず、角筒状等、適宜設計変更が可能である。
【００６２】
（変形例）
次に、第３実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態では、バネ部２２１の端縁に錘部２２３を配設する構成について説明したが、これに限らず、バネ部２２１における延在方向の中途部で連結しても構わない。具体的に、図２２に示す第１電極部材２１１は、各支持部２１５（図１９参照）からそれぞれＺ方向の内側に向かって延びる一対のバネ部２２１を備え、これらバネ部２２１におけるＹ方向の内側端部（先端部）同士の間に錘部２２３が連結されている。
また、図２３に示すように、バネ部２２１にリング状の錘部２２３を通しても構わない。
【００６３】
また、上述した実施形態では、第１電極部材２１１を外側から囲繞するように第２電極部材２１３を配置した場合について説明したが、これに限らず、第１電極部材２１１の内側に第２電極部材を配置しても構わない。
具体的には、図２４〜２６に示す発電装置２００は、第１電極部材２１１と、第１電極部材２１１を外側から囲繞する筒部２３０と、第１電極部材２１１の内側に遊挿された第２電極部材２３１と、を備えている。
【００６４】
第２電極部材２３１は、導電材料からなる円柱状の基体２３２と、基体２３２の外周面に配設されたエレクトレット膜２３３と、を備えている。基体２３２はＺ方向に沿って延在して、その両端部が支持部２１５に支持されている。なお、基体２３２を絶縁材料により形成し、その上に集電材を介してエレクトレット膜２３３を形成しても構わない。
エレクトレット膜２３３は、基体２３２の周方向に沿って形成されたリング部をＺ方向に間隔をあけて複数配設し、これらリング部同士をＺ方向に沿って延びる共通部によりまとめて接続することで構成されている。なお、エレクトレット膜２３３は、基体２３２の軸方向（Ｚ方向）に沿って螺旋状に形成しても構わない。
【００６５】
また、上述した筒部２３０に代えて図１９に示す第２電極部材２１３を採用しても構わない。つまり、第１電極部材２１１を径方向の両側から挟むように第２電極部材２１３，２３１を配置する構成にしても構わない。これにより、第１電極部材２１１と第２電極部材２１３との間、および第１電極部材２１１と第２電極部材２３１との間でそれぞれ発電を行うことができるので、発電量の増加を図ることができる。なお、この場合、第１電極部材２１１は、バネ部２２１自体を絶縁材料で形成し、バネ部２２１の第１電極部材２１１および第２電極部材２３１と向かい合う面にそれぞれ導電材料を形成した構成が好ましい。
【００６６】
さらに、図２７に示すように、第２電極部材自体を錘部として機能させても構わない。具体的に、第２電極部材２５１は、絶縁材料からなる有底筒状に形成された錘部材２５０を備えている。錘部材２５０は、天壁部２５２と、天壁部２５２の外周縁からＺ軸方向に沿って延びる筒部２５３と、を備えている。
天壁部２５２は、支持部２１５との間で第１電極部材２１１のバネ部２２１を支持している。
筒部２５３の内周面には、集電材２５４が形成され、集電材２５４の内面にエレクトレット膜（電荷保持部）２５５が形成されている。
この構成によれば、錘部を別体で設ける必要がないので、部品点数の削減を図ることができる。なお、第１電極部材２１１との間で絶縁が図れていれば、錘部材２５０を導電材料で形成しても構わない。
【００６７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図２８は、第４実施形態に係る発電装置の分解斜視図であり、図２９は断面図である。
図２８，２９に示すように、本実施形態に係る発電装置３００は、第１基板（基板）３０１と、第１基板３０１に対してＺ方向で対向配置された第２基板（基板）３０２と、第１基板３０１、および第２基板３０２の間で回動可能に支持された回動軸３１１に連結され、基板３０１，３０２に対して相対回動する回動錘３０３と、第２基板３０２、および回動軸３１１との間で弾性変形可能に構成された第１電極部材３０４と、第２基板３０２の内面に形成された第２電極部材３０５と、を備えている。
【００６８】
第１基板３０１、および第２基板３０２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等により形成することができる。本実施形態の第１基板３０１、および第２基板３０２は、ガラスエポキシにより円板状に形成されている。
【００６９】
第１基板３０１と第２基板３０２との間にはＺ方向を軸方向とする回動軸３１１が配置されている。回動軸３１１は、導電性を有する金属材料等により形成されている。回動軸３１１は、第１基板３０１および第２基板３０２の内面の中心を通る法線上に配置されている。回動軸３１１のＺ方向の両端部には、Ｚ方向の中央部より小径のホゾ３１２が形成されている。
【００７０】
回動軸３１１のホゾ３１２を回動可能に支持するため、第１基板３０１および第２基板３０２に軸受機構３２０が設けられている。以下、第２基板３０２の軸受機構３２０を例にして説明するが、第１基板３０１の軸受機構３２０も同様に形成されている。
図２９に示すように、軸受機構３２０は、ホゾ３１２の外周を覆うように配置された穴石３２２と、ホゾ３１２のＺ方向端部を覆うように配置された受石３２４とを備えている。穴石３２２および受石３２４は、耐摩耗性に優れた絶縁材料であるルビーやダイヤモンドなどにより形成されている。穴石３２２の中央部には貫通孔が形成されている。穴石３２２および受石３２４は、第２基板３０２の外面中央部に形成された座繰り穴３１６に圧入されている。座繰り穴３１６の底面中央部にも貫通孔が形成されている。そして、第２基板３０２の内側から、第２基板３０２の貫通孔および穴石３２２の貫通孔にホゾ３１２が挿入され、ホゾ３１２が回転可能に支持されている。
【００７１】
図３０は、耐振軸受の断面図である。図２９に示す軸受機構３２０に代えて、図３０に示す耐振軸受４２０を採用することも可能である。
耐振軸受４２０は、ベースとなる軸受体４１５を備えている。後述するように軸受体４１５は回動軸４２１と当接する場合があるため、軸受体４１５を絶縁材料で形成するか、軸受体４１５の表面に絶縁膜を形成することが望ましい。軸受体４１５の座繰り穴４１５ａには穴石４２２および受石４２４が順に挿入されている。穴石４２２および受石４２４は、座繰り穴４１５ａの底部に形成されたテーパ面４１６上に配置されている。また穴石４２２および受石４２４は、ばね４２８により座繰り穴４１５ａの底部側に向けて付勢されている。
【００７２】
回動軸４２１にＺ方向の衝撃力が作用すると、ばね４２８が撓んで回動軸４２１の変位を許容し、衝撃力を吸収する。なお回動軸４２１の過大な変位は、回動軸４２１の肩部４２１ｓと軸受体４１５との当接によって規制される。一方、回動軸４２１に軸直角方向（ＸＹ方向）の衝撃力が作用すると、穴石４２２がテーパ面４１６に沿って移動することで回動軸４２１の変位を許容し、衝撃力を吸収する。なお回動軸４２１の過大な変位は、回動軸４２１の首部４２１ｎと軸受体４１５の貫通孔との当接によって規制される。
【００７３】
後述するように、回動軸４２１に固定される回動錘３０３は、慣性モーメントを確保するため相当の質量を有している。そのため、回動軸４２１には衝撃力が作用する可能性がある。これに対して、上述したように回動軸４２１が耐振軸受４２０を介して支持されていれば、回動軸４２１に作用する衝撃力を吸収して、回動軸４２１の破損を防止することができる。
【００７４】
図２８，２９に示すように、第１基板３０１に対向配置された状態で第１基板３０１に対して相対回動する回動錘３０３が設けられている。
回動錘３０３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等により形成することができる。本実施形態の回動錘３０３は、真鍮により扇板状に形成されている。回動錘３０３は、第１基板３０１に対向配置された扇板状の本体部３４２と、本体部３４２の周囲円弧部に設けられ本体部３４２より厚肉に形成された錘部３４８と、を備えている。本実施形態の本体部３４２および錘部３４８は一体形成されている。本体部３４２の中心部には貫通孔３４１が形成され、その貫通孔３４１に回動軸３１１が圧入されている。
【００７５】
なお、本体部３４２および錘部３４８を別体形成し、締結部材や接着剤等を用いて接続してもよい。本体部３４２および錘部３４８を別体形成する場合には、本体部３４２より比重の大きい材料で錘部３４８を形成することが望ましい。例えば、本体部３４２を真鍮で形成し、錘部３４８をプラチナや金、タングステン等で形成する。これにより、回動錘３０３の大幅な重量増加を抑制しながら、回動錘３０３の慣性モーメントを増加させることができる。
【００７６】
第１電極部材３０４は、弾性変形可能な渦巻きバネ状に形成され、回動錘３０３を第１基板３０１に対して往復周期回動させるように支持している。
第１電極部材３０４は、細長い薄板を渦巻き状に湾曲させたバネ部３３２と、バネ部３３２の中心側の端部に接続された連結部材３３１と、バネ部３３２の外周側の端部に接続された固定部材３３８と、を備えている。バネ部３３２は、コバルト基合金等の導電材料で形成されている。なお、バネ部３３２を弾性変形可能な絶縁材料で形成し、少なくとも第２電極部材３０５との対向面に導電材料からなる導電部を形成しても構わない。
連結部材３３１は、導電材料によりリング状に形成され、その中央孔に回動軸３１１が圧入されている。一方、固定部材３３８は、導電材料によりピン状に形成され、第２基板３０２の内面に形成された固定孔３１８に圧入されている。
【００７７】
このように、回動軸３１１、連結部材３３１、バネ部３３２および固定部材３３８がすべて導電材料で形成され、これらの各部材を介して、第１電極部材３０４が外部に電気的接続されている。なお、本実施形態において、第１電極部材３０４を外部に電気的に接続するためには、少なくともバネ部３３２および固定部材３３８が導電材料であれば構わない。
【００７８】
図３１は、第２電極部材の平面図である。
図２９，３１に示すように、第２電極部材３０５は、第２基板３０２の内面に配置された基体３５０と、基体３５０の内面に形成されたエレクトレット膜（電荷保持部）３５１と、を備えている。
基体３５０は、上述した第１電極部材３０４のバネ部３３２よりも大径の円板状に形成され、その中央部には、回動軸３１１が遊挿される貫通孔３５０ａが形成されている。本実施形態では、基体３５０は導電材料により形成され、第２電極部材３０５の集電材として機能する。また、基体３５０の外周部分うち、上述した固定部材３３８とＸＹ方向で重なる部分には、上述した固定部材３３８よりも大径の貫通孔３５０ｂが形成されている。そして、上述した固定部材３３８は、貫通孔３５０ｂ内に遊挿された後、固定孔３１８に圧入されている。したがって、貫通孔３５０ａと回動軸３１１、および貫通孔３５０ｂと固定部材３３８の間には、それぞれ隙間が設けられており、第１電極部材３０４と第２電極部材３０５との絶縁が図られている。
【００７９】
エレクトレット膜３５１は、バネ部３３２と同じ方向に沿って渦巻状に湾曲され、バネ部３３２とＺ方向から見て重なり合うように形成されている。
【００８０】
この構成によれば、外部振動が入力されると、回動錘３０３、および回動軸３１１が回動してこれに伴い、第１電極部材３０４のバネ部３３２の間隔が径方向で拡大・縮小するように弾性変形する。これにより、第２電極部材３０５のエレクトレット膜３５１との重なり面積が増減し、これに伴って第１電極部材３０４の電荷が増減する。そして、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ことができる。
【００８１】
特に、第１電極部材３０４は、回動錘３０３の慣性モーメント（イナーシャモーメント）とともにバネ・マス系を構成するので、回動錘３０３は共振し、第１基板３０１に対して往復周期回動する。第１電極部材３０４のバネ部３３２は自由長が長いのでねじりバネ定数が小さくなり、回動錘３０３は周囲円弧部に錘部３４８を備えているので慣性モーメントが大きくなるので、回動錘３０３の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を利用することが可能になる。本実施形態では、回動錘３０３の共振周波数が、人の歩行に伴う振動の周波数（１〜２Ｈｚ）に一致するように、バネ部３３２のねじりバネ定数および／または回動錘３０３の慣性モーメントが調整されている。これにより、発電装置３００を携帯した人が歩行すると、歩行振動が発電装置３００に入力されて、回動錘３０３が共振回動する。
【００８２】
（変形例）
次に、第４実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態では、エレクトレット膜３５１を渦巻状に形成した場合について説明したが、これに限らず、種々の形状を採用することが可能である。例えば、図３２に示すように、周方向に沿って形成されたエレクトレット膜（電荷保持部）３６１を径方向に間隔をあけて複数配列し、これらエレクトレット膜３６１を周方向の所定角度毎で区画した複数のエレクトレット膜群３６２としても構わない。
この場合には、バネ部３３２の弾性変形に伴って、バネ部３３２と各エレクトレット膜群３６２との間で重なり面積の増減が生じ、それぞれで発電が行われるため、発電量を増加させることができる。
【００８３】
また、上述した実施形態では、第２電極部材３０５を固定側、第１電極部材３０４を可動側にして説明したが、これに限らず、第１電極部材３０４を固定側、第２電極部材３０５を可動側にしても構わない。
さらに、図３３に示すように、第１電極部材３０４、および第２電極部材３０５の双方を弾性変形可能に構成しても構わない。具体的に、第１電極部材３０４は、上述した実施形態と同様にバネ部３３２、連結部材３３１、および固定部材３３８を備え、固定部材３３８は、第１基板３０１（図２９参照）に形成された図示しない固定孔に圧入されている。
【００８４】
一方、第２電極部材３０５は、第１電極部材３０４と同様に、バネ部３７２、連結部材３７３、および固定部材３７４を備え、固定部材３７４が第２基板３０２に形成された図示しない固定孔に圧入されている。第２電極部材３０５のバネ部３７２は、導電材料からなる基体３７６が渦巻状に湾曲され、基体３７６における第１電極部材３０４のバネ部３３２との対向面上にエレクトレット膜３７７が形成されている。また、図３３（ｂ）に示すように、各バネ部３３２，３７２同士は、巻回方向が互いに逆向きになっている。なお、第１電極部材３０４と第２電極部材３０５との間の絶縁を図るため、回動軸３１１、および連結部材３３１，３７３のうち、何れかを絶縁材料にしたり、各構成部材間に絶縁膜を形成したりすることが好ましい。
この構成によれば、各バネ部３３２，３７２の巻回方向が逆向きになっているため、回動軸３１１の回動に伴う各バネ部３３２，３７２における周方向の同位置での拡大・縮小変形が逆になる。そのため、第１電極部材３０４、および第２電極部材３０５との間で重なり面積の増減が生じ、発電が行われるようになっている。
なお、各バネ部３３２，３７２の巻回方向が同じ場合であっても、両者の固定点を周方向や径方向で異ならせたり、バネ部３３２，３７２のピッチを異ならせたりすることで、第１電極部材３０４、および第２電極部材３０５との間で重なり面積の増減を生じさせ、発電させても構わない。
【００８５】
（クオーツ式腕時計）
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。
図３４は、クオーツ式腕時計のムーブメントの内部構造図である。クオーツ式腕時計１は、例えば第４実施形態に係る発電装置３００と、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。
【００８６】
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。
【００８７】
この構成によれば、発電効率に優れた発電装置３００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。
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３００に入力される。実施形態に係る発電装置３００では共振周波数が低くなるので、歩行振動により第１電極部材３０４を共振させることができる。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。なお、実施形態に係る発電装置３００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。
【００８８】
図３５は、回動錘の中立位置の説明図である。なお図３５では、わかりやすくするため回動錘３０３の大きさおよび配置を誇張している。
歩行者８０は前方および後方に腕８１を振りながら歩行するが、一般に前方への振り上げ角度は後方への振り上げ角度より大きくなる。腕時計１を装着した歩行者８０の腕８１が、上述した前後の振り上げ角度範囲の中間点８１ｍにあるとき、回動錘３０３の重心が回動軸の鉛直下方となる回動錘３０３の位置を、回動錘３０３の中立位置に設定する。回動錘３０３の中立位置とは、渦巻きバネからの復元力が作用していない状態における回動錘３０３の位置である。腕時計１を左腕に装着する場合、中立位置にある回動錘３０３の重心は、回動軸３１１から見て２時付近の方向（３時方向から反時計回りに角度θの方向）に配置される。
【００８９】
歩行者８０は、中間点８１ｍから前後に同じ角度だけ腕を振り上げて歩行するので、回動錘３０３は、中立位置から渦巻きバネが巻き上がる方向およびほどける方向に同じ角度だけ回動する。これにより、回動錘３０３の回動振幅が大きくなり、エレクトレット膜と電極との重なり面積の変化量も大きくなる。したがって、発電効率を向上させることができる。
【００９０】
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。
例えば、上述した実施形態、各変形例を適宜組み合わせることが可能である。
また、第１電極部材、第２電極部材のうち少なくとも一方が弾性変形可能であれば、形状等は適宜変更可能である。
また、上述した実施形態に係るクオーツ式腕時計１では、各発電装置のうち、第４実施形態に係る発電装置３００を搭載した場合について説明したが、他の実施形態に係る発電装置についても搭載可能である。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
１…クオーツ式腕時計（電気機器、携帯型時計） １０，１００，２００，３００…発電装置 １１，５４，２１１，３０４…第１電極部材 １２，５３，１０２，２１２，２５５，３５１，３６１…エレクトレット膜 １３，５１，１０３，２１３，２３１，２５１，３０５…第２電極部材 ２３，１１７，２２３，３４８…錘部 ３４…電気機器 ４１…バネ部（基体） ４２，５６…導電部 ５５…基体 １２０・・・ガイド機構 ３０１…第１基板（基板） ３０２…第２基板（基板） ３０３…回動錘（錘部） ３１１…回動軸 ３４２…本体部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極として機能する第１電極部材と、
前記第１電極部材に対向配置され、電荷保持部を有する第２電極部材と、を備え、
前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材は弾性変形可能に構成され、
前記第１電極部材と前記第２電極部材とが対向面上に沿って相対移動することで、前記第１電極部材と前記第２電極部材の前記電荷保持部との重なり面積が変化することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記一方の電極部材には、前記一方の電極部材よりも比重の大きい錘部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記錘部は、連続的に延びる前記一方の電極部材上に支持されていることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記一方の電極部材は、複数のバネ部を有し、
前記錘部は、前記バネ部における先端部同士の間に連結されていることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項５】
前記第１電極部材と前記第２電極部材との相対移動に伴う前記錘部の移動を案内するガイド機構を備えていることを特徴とする請求項２から請求項４の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記第１電極部材、および前記第２電極部材は、前記対向面に沿う一方向、および前記一方向に交差する方向に沿って延在していることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項７】
前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、
前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材を囲繞する筒形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、
前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材の内側に配置された柱状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５、および請求項７の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項９】
基板と、
前記基板に回動可能に支持された回動軸と、を備え、
前記一方の電極部材は、前記回動軸と前記基板との間に設けられ、前記回動軸を往復周期回動させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項１０】
前記一方の電極部材は、渦巻きバネ状に形成されていることを特徴とする請求項９記載の発電装置。
【請求項１１】
前記回動軸は、耐振軸受を介して前記基板に支持されていることを特徴とする請求項９または請求項１０記載の発電装置。
【請求項１２】
前記回動軸には、錘部が設けられ、
前記錘部は、前記基板に対向配置された扇板状の本体部と、
前記本体部の周囲円弧部に設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、を備えていることを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記第１電極部材は、絶縁材料からなる基体と、前記基体上における少なくとも前記対向面上に形成された導電材料からなる導電部と、を備えていることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記第１電極部材は、導電材料により一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１５】
前記一方の電極部材を間に挟んで前記対向面の法線方向に沿う両側に、前記第１電極部材および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材が対向配置されていることを特徴とする請求項１から請求項１４の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１６】
前記第１電極部材、および前記第２電極部材の双方が弾性変形可能に構成され、各電極部材はバネ定数がそれぞれ異なるように設定されていることを特徴とする請求項１から請求項１５の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の発電装置を備えたことを特徴とする電気機器。
【請求項１８】
請求項１に記載の発電装置を備えたことを特徴とする携帯型時計。
【請求項１】
電極として機能する第１電極部材と、
前記第１電極部材に対向配置され、電荷保持部を有する第２電極部材と、を備え、
前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、少なくとも一方の電極部材は弾性変形可能に構成され、
前記第１電極部材と前記第２電極部材とが対向面上に沿って相対移動することで、前記第１電極部材と前記第２電極部材の前記電荷保持部との重なり面積が変化することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記一方の電極部材には、前記一方の電極部材よりも比重の大きい錘部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記錘部は、連続的に延びる前記一方の電極部材上に支持されていることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記一方の電極部材は、複数のバネ部を有し、
前記錘部は、前記バネ部における先端部同士の間に連結されていることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項５】
前記第１電極部材と前記第２電極部材との相対移動に伴う前記錘部の移動を案内するガイド機構を備えていることを特徴とする請求項２から請求項４の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記第１電極部材、および前記第２電極部材は、前記対向面に沿う一方向、および前記一方向に交差する方向に沿って延在していることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項７】
前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、
前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材を囲繞する筒形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記一方の電極部材は、螺旋状に形成され、
前記第１電極部材、および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材は、前記一方の電極部材の内側に配置された柱状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５、および請求項７の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項９】
基板と、
前記基板に回動可能に支持された回動軸と、を備え、
前記一方の電極部材は、前記回動軸と前記基板との間に設けられ、前記回動軸を往復周期回動させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項１０】
前記一方の電極部材は、渦巻きバネ状に形成されていることを特徴とする請求項９記載の発電装置。
【請求項１１】
前記回動軸は、耐振軸受を介して前記基板に支持されていることを特徴とする請求項９または請求項１０記載の発電装置。
【請求項１２】
前記回動軸には、錘部が設けられ、
前記錘部は、前記基板に対向配置された扇板状の本体部と、
前記本体部の周囲円弧部に設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、を備えていることを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記第１電極部材は、絶縁材料からなる基体と、前記基体上における少なくとも前記対向面上に形成された導電材料からなる導電部と、を備えていることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記第１電極部材は、導電材料により一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１５】
前記一方の電極部材を間に挟んで前記対向面の法線方向に沿う両側に、前記第１電極部材および前記第２電極部材のうち、他方の電極部材が対向配置されていることを特徴とする請求項１から請求項１４の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１６】
前記第１電極部材、および前記第２電極部材の双方が弾性変形可能に構成され、各電極部材はバネ定数がそれぞれ異なるように設定されていることを特徴とする請求項１から請求項１５の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の発電装置を備えたことを特徴とする電気機器。
【請求項１８】
請求項１に記載の発電装置を備えたことを特徴とする携帯型時計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【公開番号】特開２０１３−５９１４８（Ｐ２０１３−５９１４８Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４７４９（Ｐ２０１１−１９４７４９）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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