JP6742084B2 - Static induction generator - Google Patents
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Description
本発明は、静電誘導を利用した発電装置、発電器、携帯型電気機器、特に、腕時計やその他の携帯型時計等に関する。本発明の発電器のエネルギ源としては、人体の運動、機械等の振動、その他環境に広く存在する運動エネルギを利用することができる。全体として、回転部材の円板の単位面積当たりの慣性モーメントを減らして発電効率を上げた発電器に関する。 The present invention relates to a power generator, a power generator, a portable electric device using electrostatic induction, in particular, a wristwatch and other portable watches. As the energy source of the power generator of the present invention, movement of the human body, vibration of machinery, etc., and other kinetic energy widely existing in the environment can be used. The present invention relates generally to a generator in which the moment of inertia per unit area of a disk of a rotating member is reduced to improve power generation efficiency.
エレクトレット材料による静電誘導を利用した実用的発電装置が、近年開発されてきている。静電誘導とは、帯電した物体を導体に接近させると、帯電した物体とは逆の極性の電荷が引き寄せられる現象のことである。静電誘導現象を利用した発電装置とは、「電荷を保持する膜」（以下、帯電膜という）と対向電極を配置した構造において、この現象を利用して、両者を相対移動させて誘導された電荷を取り出す発電のことである。 Practical power generators utilizing electrostatic induction by electret materials have been developed in recent years. The electrostatic induction is a phenomenon in which when a charged object is brought close to a conductor, a charge having a polarity opposite to that of the charged object is attracted. A power generator that uses the electrostatic induction phenomenon is a structure in which a "film that holds an electric charge" (hereinafter referred to as a charging film) and a counter electrode are arranged. It is the power generation that takes out the electric charge.
図１は、静電誘導現象を利用した発電の原理を模式的に説明する説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram schematically illustrating the principle of power generation using the electrostatic induction phenomenon.
エレクトレット材料による場合を例にとると、エレクトレットは、誘電体に電荷を打ち込んだものであり、半永久的に静電場を発生させる帯電膜の一種である。このエレクトレットによる発電では、図１にみられるように、エレクトレットにより形成される静電場によって対向電極に誘導電荷が生じ、エレクトレットと対向電極の重なりの面積を変化（振動等）させれば、外部電気回路において交流電流を発生させることができる。このエレクトレットによる発電は、構造が比較的簡単で、電磁誘導によるものより、低周波領域において高い出力が得られ有利であって、近年いわゆる「環境発電（Energy Harvesting）」として注目されている。 Taking the case of using an electret material as an example, the electret is a kind of a charging film that charges a dielectric with electric charges and semi-permanently generates an electrostatic field. In the power generation by the electret, as shown in FIG. 1, when an electrostatic charge formed by the electret causes an induced charge in the counter electrode, and the area of overlap between the electret and the counter electrode is changed (vibration etc.), external electric power is generated. An alternating current can be generated in the circuit. The power generation by the electret is relatively simple in structure, and is advantageous in that a high output can be obtained in a low frequency region as compared with the power generation by electromagnetic induction, and has recently attracted attention as so-called "Energy Harvesting".
これまで腕時計においては、回転錘をボールベアリングで支持し、回転錘から発電ロータ（電磁誘導型発電機）までの輪列に、増速歯車機構を介して伝動して発電量を高めたものは、特許文献１に開示されている。なお、「輪列」とは、時計に使用される歯車伝動機構を指しており、入力側の回転軸の歯車が、出力側の回転軸に「カナ」と呼ぶ歯数の少ない歯車にかみ合って連なる歯車列を指すことが多い。
So far, in wristwatches, the one in which the rotary weight is supported by ball bearings and which is transmitted to the train wheel from the rotary weight to the generator rotor (electromagnetic induction type generator) through a speed increasing gear mechanism to increase power generation is
また、特許文献２には、腕振りの 動きによる回転錘の回転を、増速歯車機構を介して伝動させて、エレクトレット膜と電極の相対的な回転を行う静電誘導型発電装置が開示されている。このようなエレクトレット膜による回転型発電装置においては、エレクトレット膜と電極間の面積を大きくすればするほど、拡大した分に見合うだけの発電量が得られるものと考えられていた。しかしながら、人体の運動などの小さい外部エネルギを利用するような発電では、エレクトレット膜を設けた回転円板の面積を拡げると、却って回転円板の慣性モーメントが大幅に増加して回転量が落ち込み、面積増加による発電量の増加効果を相殺してしまう。このため、回転型発電装置においては、エレクトレット膜と電極間の面積を大きくすることは、それに見合うほどの発電量が得られないという問題が生じていた。
Further,
この従来技術を腕時計に適用した場合には、エレクトレット膜を設けた回転円板の面積を拡げようとしても、発電機構の他に運針機構部や表示機器のためのスペースが必要となり、ケース内の全ての空間を発電部だけで埋めてしまうことはできない。このため、単一の回転円板の面積を拡げることによる発電量の増加には、制約が生じていた。 When this conventional technology is applied to a wristwatch, even if it is attempted to expand the area of the rotating disk provided with the electret film, a space for the hand movement mechanism part and the display device is needed in addition to the power generation mechanism, and the inside of the case It is not possible to fill the entire space only with the power generation section. Therefore, there has been a restriction on increasing the amount of power generation by expanding the area of a single rotating disk.
一方、特許文献３は、風などのエネルギ源を利用した電力生成システムに、複数の発電機装置が連結されたものが開示されている。このシステムでは、風力によって羽根車が駆動ギアを駆動し、この駆動ギアに、過剰となるように設けられた複数の発電機装置が、連結している。複数の発電機には、いずれかの発電機が破損した際に、駆動源から破損発電機を切断可能にするために、駆動ギアと発電機の間にクラッチが設けられている。したがって、複数の発電機を設置した目的は、発電量増加を目的にしたものではなく、破損発電機によって、システムの動作の継続が妨害されないようにしたバックアップシステム、すなわち、冗長システムを構成するためのものである。しかも、この従来技術は、エレクトレット膜を使用した静電誘導型発電装置とは、全く関係のない技術である。
On the other hand,
本発明は、静電誘導型発電器において、全体として、回転部材の円板の単位面積当たりの慣性モーメントを減らして発電効率を上げることを課題とする。 An object of the present invention is to improve the power generation efficiency by reducing the moment of inertia per unit area of the disk of the rotating member in the electrostatic induction power generator.
本発明は、ハウジングと、前記ハウジングに固定された第１基板と、前記ハウジングに回転自在に軸支された軸を有する円板状第２基板と、帯電膜と、対向電極と、前記帯電膜及び前記対向電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有し、前記対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、前記帯電膜を前記第１対向面に対向する前記第２基板の第２対向面に設置し、前記第２基板の前記第２対向面には、所定角度毎に、前記帯電膜と、前記帯電膜が設置されていない間隔部とが交互に配置されており、前記第１基板、前記帯電膜、前記第２基板、前記対向電極、及び、前記出力部からなる１組の発電部が、複数組設置された静電誘導型発電器である。 The present invention relates to a housing, a first substrate fixed to the housing, a disc-shaped second substrate having an axis rotatably supported by the housing, a charging film, a counter electrode, and the charging film. And an output unit that outputs electric power generated between the counter electrodes, the counter electrode is installed on a first counter surface of a first substrate, and the charging film is opposed to the first counter surface. Two charging surfaces are provided on the second facing surface of the second substrate, and the charging film and the spacing portion where the charging film is not installed are alternately arranged on the second facing surface of the second substrate at a predetermined angle. This is an electrostatic induction power generator in which a plurality of sets of one power generation unit including the first substrate, the charging film, the second substrate, the counter electrode, and the output unit are installed.
静電誘導型発電器において、全体として、回転部材の円板の単位面積当たりの慣性モーメントを減らして発電効率を上げた。また、複数個の発電部を設けることにより、回転部材の直径を小さくすることができ、発電部の薄型化に利するとともに、発電部のレイアウト自由度が増し、スペースを効率的に活用することができる。 In the electrostatic induction power generator, as a whole, the moment of inertia per unit area of the disk of the rotating member was reduced to improve power generation efficiency. Also, by providing a plurality of power generation units, the diameter of the rotating member can be reduced, which contributes to making the power generation unit thinner and increases the layout flexibility of the power generation unit, thus making efficient use of space. You can
以下、各図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。以下の各実施形態では、一例として腕時計で説明するが、必ずしも腕時計に限定されるものではない。携帯用の静電誘導発電器付き電子電気機器などその他にも適用可能である。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each of the embodiments, the same components are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. In each of the following embodiments, a wristwatch is described as an example, but the present invention is not necessarily limited to a wristwatch. The present invention can be applied to other applications such as portable electronic devices with a static induction generator.
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態の斜視図である。図３は、本発明の第１実施形態の図２のＸ−Ｘ線に関する模式的断面図である。図４は、本発明の第１実施形態の一部を取り除いた平面図である。図５（ａ）は、本発明の第１実施形態の一部分を示す斜視図である。図５（ｂ）は、調整スクリュー９の断面図である。図６〜図７は、本発明の第１実施形態の増速歯車列の概要を示す説明図である。以下、第１実施形態を、各図面を参照して説明する。
(First embodiment)
FIG. 2 is a perspective view of the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line XX of FIG. 2 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a plan view with a part of the first embodiment of the present invention removed. FIG. 5A is a perspective view showing a part of the first embodiment of the present invention. FIG. 5B is a sectional view of the adjusting
第１実施形態は、腕時計などの携帯用電子時計に適用した場合であり、その概要を、図２、３を参照して説明する。図２には、地板３５の上に、各部材が組み付けられた腕時計のムーブメントが示されている。図２は、一部の部材が省略されて、主に本実施形態の特徴部分を表示している。図２のムーブメントの裏側には、図３に示すように、文字板４１と時針４４、分針４３、秒針４２が設けられている。腕時計としての表側、すなわち図３の下方には、風防（図示なし）が取り付けられた外装ケーシング（図示なし）内に、ムーブメントが挿入されて、図３の上方から裏蓋（図示なし）で外装ケーシングに密閉される。以下、上方、下方とは、図３の断面図での上方、下方を指すものとする。図２の斜視図においても同様である。したがって、風防は、図２、３の下方であり、裏蓋は上方に取り付けられる。
The first embodiment is applied to a portable electronic timepiece such as a wrist watch, and its outline will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows a movement of a wristwatch in which each member is assembled on the
図４の配置領域Ｚには、クオーツムーブメントとしての機能を有するための部材が配置されている。水晶振動子、電子回路基板、コイル、ステップモータ、運針機構部Ｐ、２次電池などが配置される。電子回路基板には、発振回路、分周回路、ステップモータの駆動回路、電源回路などが組み込まれている。運針機構部Ｐは、運針用歯車列２２、２３、２４、２５、２６から構成され指針（４２、４３、４４）を駆動する輪列部のことであり、図３の点線囲みにみられるように、回転錘１０のボールベアリング５１直下に、空いたスペースを有効活用して配置されている。１又は複数のステップモータの駆動により、運針用歯車列２２、２３、２４、２５、２６が駆動される、秒針４２、分針４３、時針４４は、それぞれ、秒針車２４、分針車２５、時針車６によって駆動される。分針４３、時針４４の駆動には、日の裏機構（時計用語）と呼ばれる歯車機構がよくつかわれる。秒針４２は無い場合も存在する。
In the arrangement area Z of FIG. 4, members having a function as a quartz movement are arranged. A crystal oscillator, an electronic circuit board, a coil, a step motor, a hand movement mechanism part P, a secondary battery and the like are arranged. An oscillation circuit, a frequency dividing circuit, a step motor drive circuit, a power supply circuit and the like are incorporated in the electronic circuit board. The hand movement mechanism portion P is a wheel train portion which is constituted by the hand
図２のＸ−Ｘ線に関する断面図は、図３に示されている。歯車列などを軸支する第１輪列受３３と第２輪列受３４が、地板３５にスペーサなどを介してネジ止めされている。これらの地板、受け、輪列という用語は、腕時計などの場合によくつかわれる呼称であって、地板３５、第１輪列受３３、第２輪列受３４は、ハウジングの一部を構成する。ハウジングは、以下において地板３５、第１輪列受３３、第２輪列受３４、その他の受け板などを含んで構成されるものとして説明する。
A cross-sectional view taken along line XX of FIG. 2 is shown in FIG. A first
時計用語としての地板とは、ハウジングの一種であって、様々なパーツを組み込む土台、支持板、内装ケーシングなどを意味している。本実施形態では、地板３５は板状部材であるが、これに限定されるものではない。また、受け板とは、回転体の軸を支えたり、部品を固定・保持する役割を果たす場合に良くつかわれる用語である。輪列とは、既に述べたように時計に使用される歯車伝動機構を指している。
The ground plate as a timepiece term is a kind of housing and means a base, a support plate, an inner casing, etc. in which various parts are incorporated. In the present embodiment, the
回転錘１０は、ボールベアリング５１を介して第１輪列受３３に、３本のネジ４８で取り付けられている。回転錘１０の半円形の円板の外周部には錘１０’がスポット溶接で固着されており、回転錘１０が、腕振りの動きなどを利用して回転を引き起こすようになっている。回転錘１０には、ネジ４９で駆動歯車１１が一体化して固定されている。駆動歯車１１内周面には、ボールベアリング５１の外輪５２が圧入されている。一方、ボールベアリング５１の内輪５３は、固定板３２の外周部に隙間嵌めで固定されている。固定板３２が、ネジ３７で第１輪列受３３に固定されるときに、回転錘１０と一体化された駆動歯車１１、ボールベアリング５１が一緒に固定される。回転錘１０が回転すると、ねじ４９で回転錘１０と一体化された駆動歯車１１が、ボールベアリング５１で支持されてハウジング（第１輪列受３３）に対して回転するように構成されている。すなわち、回転錘１０は、ボールベアリング５１で片持ち状に回転支持されている。回転錘１０、駆動歯車１１、ボールベアリング５１、固定板３２は、１つの回転錘ユニットを構成して、３本のネジ４８で第１輪列受３３に、一体的に固定することができるようになっている。
The
次に、回転錘１０の回転が増速されて発電部Ａの回転部材４Ａ（第２基板ともいう）に回転を伝達する歯車列について述べる。本実施形態では、発電部は４箇所存在し、符号Ａ〜Ｄで表す。回転部材もそれぞれ発電部に対応して、符号４Ａ〜４Ｄで表す（回転部材４Ａ〜４Ｄは、総称的に回転部材４と称することもある）。発電部は４箇所に限定されず、複数個存在すればよい。本実施形態では、図６、７に示すように、歯車列は、回転錘１０の回転が増速されて１組の発電部の回転部材４Ａ（第２基板）に回転を伝達する増速歯車列１１〜１６と、回転部材４Ａから複数組設置された発電部の他の回転部材４Ｂ〜Ｄに回転を伝達する連結歯車列１５、１６から構成されている。
Next, a gear train in which the rotation of the
図６ａのように、１列の増速歯車列１１〜１６に対して、Ｌ字状に連結歯車列１５、１６を形成しても良いが、図６ｂ〜ｄのような逆Ｔ字状や逆Ｙ字状の連結歯車構成なら、以下の理由で回転駆動力の伝達効率がさらに良くなる。
図６ａのＬ字状の連結歯車構成において、回転錘１０から発電部Ａ〜Ｄに至るまでに介する歯車は、発電部Ａは、歯車１１と１２、１３と１４、１５と１６のカナ１２、１４、１６を含めたセットが３つ、発電部Ｂが４つ、発電部Ｃが５つ、発電部Ｄが６つ、である。これに対して図６ｂの逆Ｔ字状の連結歯車構成においては、発電部Ａが４つ、発電部Ｂが３つ、発電部Ｃが４つ、発電部Ｄが５つであり、回転錘から発電部まで６つの歯車を介する経路が存在しない。連結歯車によって伝達される回転駆動力は、1つの歯車当たり５〜１５％、多いときには２０％の損失が見込まれるため、回転駆動力の伝達効率、すなわち発電機の発電効率を重視する場合は、Ｌ字状より逆Ｔ字状の連結歯車構成が適している。
As shown in FIG. 6a, the connecting
In the L-shaped connecting gear configuration of FIG. 6a, the gears passing from the
図６ｃは、逆Ｙ字状に連結歯車が構成されている例であり、増速歯車のうち歯車１３が発電部Ｂの歯車１４と発電部Ｃの歯車１４に連結される。発電部Ｂの１列の増速歯車列の歯車１５は、発電部Ａの連結歯車１５、１６に連結している。一方、発電部Ｃの増速歯車列の歯車１５は、発電部Ｄの連結歯車１５、１６に連結している。回転錘１０から発電部に至るまでに介する歯車は、発電部ＡとＤが４つ、発電部ＢとＣが３つ、であり、図６ａ、ｂと比べて、仲介する歯車の最大数が少ないため、回転駆動力の伝達効率を高くすることができる。
FIG. 6c is an example in which the connecting gear is configured in an inverted Y shape, and the
図６ｄは、逆Ｙ字状の連結歯車構成の変形例である。発電部Ａ、Ｄに至る１列の増速歯車列は歯車１１〜１６によって回転部材４Ａ、４Ｄを回転させる。発電部Ｂ、Ｃについては、発電部Ａに至る増速歯車列の歯車１３から、連結歯車列の歯車１４、１５、１６がとり出されて回転部材４Ｂが回転する。発電部Ｃについても発電部Ｄに至る増速歯車列の歯車１３から、連結歯車列によって回転部材４Ｃが回転する。回転錘１０から発電部に至るまでに介する歯車は、発電部Ａ〜Ｄが全て３つであり、図６ｃと比べて、仲介する歯車の最大数が更に少ないため、回転駆動力の伝達効率を高くすることができる。
FIG. 6d is a modification of the inverted Y-shaped connecting gear configuration. The speed-increasing gear train of one line leading to the power generation units A and D rotates the
図７の形態にみられるように、地板の配置スペースを有効に活用する上で、連結歯車列の１つの歯車１５に直接２箇所歯車１６を連結して、２つの発電部Ａ、Ｃを連結することも可能である。また。複数組の発電部の外周が、ハウジング内周、すなわち地板３５の外周に沿ってレイアウトすると、スペースを効率的に活用することができる。そして、運針機構部Ｐが、回転錘１０のボールベアリング５１直下に、空いたスペースを有効活用して配置することができる。
As can be seen in the form of FIG. 7, in order to effectively utilize the arrangement space of the main plate, two
腕振りの動きなどで回転した回転錘１０は、歯車列１１〜１６で増速しながら、回転部材４を回転させる。軸６には、歯車（時計用語でカナともいう）１２と歯車１３が固定されている。軸７には、歯車（カナ）１４と歯車１５が固定されている。軸８には、歯車（カナ）１６と回転部材４が固定されている。軸６〜８は、それぞれ、地板３５と第２輪列受３４の間に上下の軸受５０、５０で支承されている。第１輪列受３３と第２輪列受３４は別部材として構成されている。図３に示すように、第２輪列受３４の高さが、第１輪列受３３より高くなっている。このため、駆動歯車１１が、軸６に固定された歯車１２に直接噛み合わせることができる。
The
第２輪列受３４は、図２、４にみられるように、ネジ４６、４６で地板３５に両端を固定している。受け板３６もネジ４５で地板３５に固定されている。第２輪列受３４は、複数組設置された発電部Ａ〜Ｄの回転部材４Ａ〜Ｄを、１枚板で支承するので、第２輪列受３４の保持位置の少なくとも１か所が各発電部に挟まれた狭小領域に存在しなければならない。本実施形態では、ネジ４７で第２輪列受３４を地板３５に固定している。
As shown in FIGS. 2 and 4, the second
駆動歯車１１は、軸６の歯車１２に噛合い、軸６を回転させる。駆動歯車１１に対する歯車１２の増速比を第１増速比と呼ぶ。軸６の歯車１３は、軸７の歯車１４に噛合い、軸７を回転させる。歯車１３に対する歯車１４の増速比を第２増速比と呼ぶ。軸７の歯車１５は、軸８の歯車１６に噛合い、軸８を回転させる。歯車１５に対する歯車１６の増速比を第３増速比と呼ぶ。本実施形態では、歯車列は３段であるが、これに限定されず、１段、２段、Ｎ段（Ｎは整数）であっても良い（Ｎ段目の増速比を第Ｎ増速比という）。本実施形態においては、回転錘１０の正逆両方向の回転を、変換クラッチ機構を内在させて、それぞれの回転を常に一方向の回転に変換するようにしても良い。回転錘１０の正逆両方向の回転の内で、一方向の回転だけを伝動するようにしても良い。
The
軸８には、増速歯車列の歯車１６とともに、回転部材４が固定されている。回転部材（第２基板）４の下方面（第２対向面）には、帯電膜３が設置され、対向基板１の上方面（第１対向面）には、帯電膜３に対向するように、対向電極２が設置されている（図３参照）。対向基板１の対向電極２が上方になるように、受け板３６に下方側からネジ５９で固定されている。対向基板１の厚みのバラツキを排除できるように、受け板３６には基準面Ｒが形成されている。これによって、対向基板１の上面を基準としているので、対向電極２の位置決めが正確にできるので、帯電膜３と対向電極２との間隔（場合により１００μ以下）を正確に設定することができる。
The rotating
帯電膜３と対向電極２の間隔は発電効率上極めて重要であり、この間隔は適切に設定する必要がある。さらに、回転部材４の回転がスムーズに行われるように、図３、５に示すように、調整スクリュー９で軸８の上下方向の間隔を調整するようにすると良い。本実施形態の場合、複数組設置された発電部Ａ〜Ｄの回転部材４Ａ〜Ｄの上方に軸受５０は、全て第２輪列受に取り付けられている。このため、各発電部の回転部材４に対して、調整スクリュー９で調整するようにすると良い。調整の手順としては、図４に示すように、各発電部と歯車列を組み立てた後、調整の手順としては、次のようにすると良い。（１）回転部材４の外部から外力を与えて回転させる。（２）回転部材４を無負荷減速させながら調整スクリュー９を調整し、上下方向のクリアランスをつめる。（３）無負荷減速時に引っかかり感のない状態に、調整スクリュー９をセットする。このようにして、第２輪列受３４の各発電部に存在する調整スクリュー９で、個々の発電部毎に軸８方向のクリアランスを調整することができる。複数組の発電部の回転部材４（第２基板）の軸と歯車列の軸が、共通の板状部材で軸支されていても容易に調整ができ、複数組の発電部の組立が容易であるとともに、回転部材４のクリアランスの調整も容易である。
The interval between the charging
図３における調整スクリュー９には耐震装置を用いていないが、軸受５０に、図５（ｂ）に示すような耐震装置（一例として、パラショックとしてよく知られた耐震装置）を内蔵しても良い。本実施形態には、必ずしも調整スクリューを装備しないものであっても良い。この場合には、軸８の上端面と軸受５０下端面との間に、極薄の板バネを介在している。この板バネにより、軸８を下方に押し付けて、帯電膜３と対向電極２との間隔を決定しても良い。
A seismic resistant device is not used for the adjusting
図８（ａ）は、上方から見た、本発明の第１実施形態の回転部材の表面の平面図である。（ｂ）は、下方から見た、本発明の第１実施形態の回転部材の裏面の平面図である。図９（ａ）は本発明の第１実施形態の帯電膜を示しており、（ｂ）は対向電極２の第１電極Ｏ、第２電極Ｅ、整流回路の概要を示す説明図である。図１０は、本発明の第１実施形態の帯電膜と対向電極間の発電の概要を示す説明図である。図１１は、本発明の第１実施形態の固定電極基板３８の平面図である。
FIG. 8A is a plan view of the surface of the rotating member according to the first embodiment of the present invention as viewed from above. FIG. 6B is a plan view of the back surface of the rotating member according to the first embodiment of the present invention as viewed from below. FIG. 9A shows a charging film according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 9B is an explanatory diagram showing an outline of the first electrode O, the second electrode E, and the rectifying circuit of the
次に、発電部とそれらを駆動する連結歯車列について述べる。
軸８、回転部材４、帯電膜３、対向電極２、対向基板１は、１組の発電部を構成する。発電部は、本実施形態では４箇所設けられており、それぞれ、同じもので構成されている。発電部Ａ〜Ｄにはそれぞれ出力部２０Ａ〜２０Ｄが設けられている。各発電部の対向基板１は独立して設置されていても良いが、本実施形態では、図１１に示すように、１枚の共通基板である固定電極基板３８上に、各対向電極２Ａ〜２Ｄ、出力部２０Ａ〜２０Ｄが設置されている。固定電極基板３８上には、少なくとも整流回路を含む電子回路の実装領域を配置しても良い。帯電膜３、対向電極２の詳細については後述する。
Next, the power generation unit and the connected gear train that drives them will be described.
The
発電部Ａは直列的に接続された増速歯車列によって、回転駆動され、各発電部Ｂ〜Ｄは、連結歯車列によって並列的に回転駆動される。図６（ａ）にこの状態が模式的に示されている。増速歯車列の軸７の歯車１５には、これと同数の歯を有する歯車１５が噛合っており、発電部Ｂの回転部材４の軸８に設けられた歯車１６を回転駆動する。各発電部Ｂ〜Ｄを回転駆動する歯車１５、１６は本実施形態では全て同じものとしているが、必ずしもこれに限定されるものではない。図６〜７においては、回転部材４Ａ〜４Ｄが等速で回転するように、各発電部Ｂ〜Ｄを回転駆動する歯車１５、１６の歯数をそれぞれ適宜設定することも可能である。歯車１５の直径を適宜変更して、各発電部の設置場所を確保することができる。
The power generation unit A is rotationally driven by a speed increasing gear train connected in series, and the power generation units B to D are rotationally driven in parallel by a connecting gear train. This state is schematically shown in FIG. The
回転部材４は、図８（ａ）に示すように、放射状の一片６１、６１間に、外周縁から内周側に向けてＶ字形切欠き（V-shaped cutout）６２が形成されている。中心部には、凹状溝６４が４箇所設けられた十字状穴６３が設けられている。軸８には十字状スプライン（図示せず）が設けられており、回転部材４の十字状穴６３に嵌め合うようになっている。各発電部Ａ〜Ｄの回転部材４の相互の位置関係が、回転部材４の十字状穴６３と軸８の十字状スプラインによって固定される。なお、放射状の一片６１の中心に対する拡がり角度を図８（ａ）に示すように、θpとする。
As shown in FIG. 8A, the rotating
図８（ｂ）は、図８（ａ）の裏側を示しており、回転部材４の放射状の一片６１の下面（第２対向面）には、帯電膜３が設置されている。したがって、回転部材４の下面には、所定角度（拡がり角度θp）毎に、帯電膜３と、帯電膜が設置されていない間隔部（Ｖ字形切欠き６２）とが交互に配置されている。回転軸８は、上側は、第２輪列受３４の軸受５０、下側は、地板３５に設けた軸受５０（軸受５０は、耐震装置、一例としてパラショックなどであっても良い）で軸支されている。上側の軸受５０は、第２輪列受３４に対して上下に調整可能にすると、各発電部の軸８の上下方向のクリアランスが調整し易くなる。回転部材４は、切欠きのない円板であっても良く、また、切欠きの形状は、必ずしもＶ字形に限定されるものではなく、その他の形状であっても良い。本実施形態では、回転部材４の切欠きが、空気の通り抜け部として機能する。
FIG. 8B shows the back side of FIG. 8A, and the charging
図９（ａ）に示す回転部材４の下面の帯電膜３に対向して、対向基板１には、図９の（ｂ）に示す対向基板１の対向電極２が配置されている。対向基板１には、第１電極Ｏと第２電極Ｅが交互に配置されている。第１電極Ｏと第２電極Ｅは、回転部材４の回転方向に沿って交互に、所定角度（拡がり角度θp）毎に配置されている。図９（ｂ）にみられるように、第１電極Ｏ同士と第２電極Ｅ同士が接続されるとともに、第１電極Ｏと第２電極Ｅはそれぞれ出力部２０（図１１）に接続されている。第１電極Ｏ、第２電極Ｅは、１相の交流を形成して、整流回路７０を介して２次電池に入力される。第１電極Ｏ電極列と第２電極Ｅの電極列の両者合わせて、対向電極２と総称する。発電部Ａ〜Ｄにおいて、回転部材４の帯電膜３の配置と、対向基板１に第１電極Ｏと第２電極Ｅが交互に配置されている点は、皆同じである。帯電膜３、及び、第１電極Ｏと第２電極Ｅは等角度毎に配置しないと発電効率が落ちるため、各帯電膜３、第１電極Ｏ、第２電極Ｅの面積は等しくすると良い。
The
第１電極Ｏと第２電極Ｅにおいて、次のように電流が生成される。
図１０（ａ）の第１電極Ｏには、帯電膜３が重なり合っている（Ｏ期間という）。このとき、帯電膜３（エレクトレット膜）には、負電荷が保持されているので、第１電極Ｏには、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。正電荷が引き寄せられる際に電流が流れる。一方、回転部材４の回転に伴い、図１０（ｂ）のように帯電膜３が、隣の第２電極Ｅに重なる（Ｅ期間という）。第２電極Ｅには、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。正電荷が引き寄せられる際に電流が流れる。これに対して、第１電極Ｏには、切欠き６２が重なるので、引き寄せられた正電荷が消散して逆方向に電流が流れる。回転部材４の回転に伴い、Ｏ期間とＥ期間が交互に繰り返されることになる。
A current is generated in the first electrode O and the second electrode E as follows.
The charging
回転錘１０の回転が、増速歯車列を介して、回転軸８に固定された回転部材４を回転させると、帯電膜（エレクトレット膜）３と、対向電極２の第１電極Ｏ、第２電極Ｅとの重なり面積が増減し、これらに引き寄せられる正電荷が増減して、対向電極２に交流電流を発生させる。出力部２０に出力された交流波形は、整流回路７０により正電圧の波形に変換され、降圧回路を経て２次電池に充電されるとともに、電子回路基板の電子回路に出力する。整流回路７０は、ブリッジ式であり、４個のダイオードを備えている。図９（ｂ）の本実施形態においては、回転軸８からは電流を取り出す必要はなく、固定された対向基板１に対向電極２の出力配線を設けて電流を取り出せばよいので、回路構成が極めて簡易なものにすることができる。
When the rotation of the
上記実施形態においては、対向基板１の対向電極２は、図９（ｂ）の第１電極Ｏと第２電極Ｅが交互に配置されているが、必ずしも本実施形態は、これに限定されるものではない。回転部材４、帯電膜３の配置は、図９（ａ）と同じであるが、対向基板１上の対向電極２の配置が、第１電極Ｏのみが等間隔で電極のない部分と交互に配置されるようにしても良い。この場合、回転部材４の帯電膜３は、導電部材の軸８に電気接点を介して接続されて整流回路７０に出力される。一方、対向基板１の第１電極Ｏも、整流回路７０に出力される。軸８からの電流の取り出し方については、ブラシ電極や軸受部の導電体構成部を利用して回転しながら電気的接続を行えばよい。この場合には、回転部材４の裏面に設置した帯電膜３の代わりに、第１電極Ｏを設置し、対向基板には帯電膜３を設置することも可能である。
In the above embodiment, the
以上説明した発電部について、本実施形態では４箇所設けられており、それぞれ、同じもので構成されている。発電部Ａ〜Ｄにはそれぞれ出力部２０Ａ〜２０Ｄが設けられている。各発電部の対向基板１は独立して設置されていても良いが、本実施形態では、図１１に示すように、１枚の共通基板である固定電極基板３８上に、各対向電極２Ａ〜２Ｄ、出力部２０Ａ〜２０Ｄが設置されている。さらに、複数組の発電部の全ての対向基板（第１基板）と、少なくとも整流回路を含む電子回路とが、共通の回路基板上に配置するようにしても良い。すなわち、複数組の発電部の対向基板は共通の回路基板上にパターニングされ、当基板上には整流／充電用の電子部品の実装領域も存在するようにしても良い。これにより発電部Ａ〜Ｄと、その発電電流を処理する電子部品との配線を短くすることができるため、配線抵抗による電力ロスを低減するとともにノイズの混入を防止できる。また、複数組の発電部における固定電極２Ａ〜２Ｄの高さが同一になるので、対向電極２Ａ〜２Ｄと帯電膜３とのギャップの管理がしやすくなるとともに、各回転部材４の組み込みが容易になる。
In the present embodiment, the above-described power generation unit is provided at four places, and each of them is composed of the same unit. The power generation units A to D are provided with
本発明で帯電膜として用いられるエレクトレット材料には、帯電しやすい材料を用い、例えばマイナスに帯電する材料としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ2）や、フッ素樹脂材料などを用いる。具体的には一例としてマイナスに帯電する材料として旭硝子製のフッ素樹脂材料であるＣＹＴＯＰ（登録商標）などがある。 A material that is easily charged is used as the electret material used as the charging film in the present invention. For example, as a material that is negatively charged, silicon oxide (SiO 2 ) or a fluororesin material is used. Specifically, as an example, as a material that is negatively charged, there is CYTOP (registered trademark), which is a fluororesin material manufactured by Asahi Glass.
さらに、その他にもエレクトレット材料としては、高分子材料としてポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などがあり、無機材料としては前述したシリコン酸化物（ＳｉＯ2）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）なども使用することができる。その他、周知の帯電膜を使用することができる。 In addition, as electret materials, polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyldendifluoride (PVDF) are used as polymer materials. ), polyvinyl fluoride (PVF) and the like, and the above-mentioned silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiN) can be used as the inorganic material. In addition, a known charging film can be used.
図１２は、Ｎ個の回転部材と、１個の等面積回転部材との慣性モーメントを比較した表である。図１３は、回転部材の傾斜の影響を説明する説明図である。 FIG. 12 is a table comparing the inertia moments of N rotating members and one equal-area rotating member. FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the influence of the inclination of the rotating member.
続いて、本実施形態の作用効果について述べる。
複数の発電器全体で、回転部材の円板の単位面積当たりの慣性モーメントを減らして発電効率を上げることができる点について説明する。
複数個の発電部全体の回転運動方程式は、次のようなものである。
発電部全体の回転運動方程式
The point that the moment of inertia per unit area of the disk of the rotating member can be reduced and the power generation efficiency can be increased in the entire plurality of power generators will be described.
The rotational equation of motion of the entire plurality of power generation units is as follows.
Rotational motion equation of the entire power generation section
Ｔgは、回転錘１０によって供給される回転トルクである。式（１）によれば、人体の運動などの外部から与えられる力が一定、すなわち、Ｔgが一定量供給される場合、Ｊは小さいほど角加速度を大きくすることができる。つまり、Ｊは小さいほど、大きい角加速度によって発電部の回転部材の回転量θを増大させることができるので、各発電部での発電量を増やすことができる。また、Ｊは小さいほど、回転運動の変化が起こりやすい（回転起動性が良くなる）。
T g is the rotational torque supplied by the
本実施形態では、複数個の発電部を設けることによって、回転部材の単位面積当たりの慣性モーメントを全体的に減らすようにしたものである。発電部を複数個設けた場合と発電部が単一の場合とで、発電を担う回転部材の帯電膜と対向電極の総面積が等しくなるよう設定し、複数個の発電部における総慣性モーメントを算出すると、図１２の表のようになる。なお、複数個の発電部の回転部材の直径Ｄ0は皆同じ直径、形状とする。これに対して、単一の回転部材は直径Ｄ1に比例して拡大した形状とする。発電部の増速歯車列等の歯車の慣性モーメントは、歯車の大部分が透し穴で構成されていることやこれらの歯車は回転部材に比して低速度であることなどにより無視可能とする。 In this embodiment, by providing a plurality of power generation units, the moment of inertia per unit area of the rotating member is reduced as a whole. Set the total area of the charging film of the rotating member and the counter electrode, which are responsible for power generation, to be the same between the case where multiple power generators are provided and the case where there is a single power generator. When calculated, it becomes as shown in the table of FIG. The diameters D 0 of the rotating members of the plurality of power generation units are all the same. On the other hand, the single rotating member has a shape enlarged in proportion to the diameter D 1 . The moment of inertia of gears, such as the speed-up gear train of the power generation section, can be ignored because most of the gears consist of through holes and these gears have a lower speed than the rotating members. To do.
複数個の発電部の内の１つの発電部において、次の式が成立する（円板の慣性モーメントの式を利用）。
図１２の表の発電部の総慣性モーメントについて、ケース１（Ｎ個の回転部材）とケース２（単一の回転部材）を比較すると、ケース１の方がＮ分の１に小さくすることができる。したがって、発電部における帯電部分の総面積が同じであっても、単一の回転部材からなる構成より、複数個の回転部材による構成の方が、総慣性モーメントを少なくすることができる。図１２の場合に限らず、複数個にすると帯電部分の単位面積当りの慣性モーメントを減らすことができる。
小径の回転部材を有する発電部を複数個設けることで、大径の回転部材からなる単一の発電部構成より、単位発電面積あたりの慣性モーメントを減らすことができるとともに、回転部材が小径になるため、それぞれの発電部を配置する際の自由度が増すことになる。また、腕時計のような限られたスペースの場合には、複数設置することにより、発電部の設置場所の確保も容易になる。
Regarding the total moment of inertia of the power generation section in the table of FIG. 12, comparing Case 1 (N rotating members) with Case 2 (single rotating member),
By providing a plurality of power generation units having a small-diameter rotating member, the moment of inertia per unit power generation area can be reduced and the rotating member has a smaller diameter than a single power-generating unit configuration having a large-diameter rotating member. Therefore, the degree of freedom in arranging each power generation unit increases. Further, in the case of a limited space such as a wristwatch, by installing a plurality of them, it becomes easy to secure the installation place of the power generation unit.
複数個の発電部を設けることにより、回転部材の直径を小さくすることができ、発電部の薄型化に利する点を、図１３を参照して以下に説明する。
工作上の加工公差等に基づき、「回転軸の通り違い量ｌ（エル）」が発生する。これは、加工時の加工精度によって決まる値なので、回転部材のサイズに依存することなく一定値となる。このため、回転部材４の軸８には極微小であるものの回転軸に傾きφが発生してしまう。この傾きφは、帯電膜３と対向電極２との接触を引き起こし製品不良となるので、帯電膜３と対向電極２とのギャップｇは、一定値（制限値）以上にするように管理する必要がある。このギャップｇは以下のように導き出すことができる。ｔは、発電部の厚みである。
図１３を参照すると、ｔａｎφ＝ｌ（エル）／ｔ、ｇ＞（Ｄ0／２）・ｓｉｎφとなる。
したがって、近似的にｓｉｎφをｔａｎφで置き換えて、ｇ＞（Ｄ0・ｌ）／（２ｔ）、ｇ＞（ｌ／２）・（Ｄ0／ｔ）、ｌ／２は定数であるから、Ｄ0を小さくすれば、ギャップｇの制限値Ｄ0／ｔは小さくなり、帯電膜３と対向電極２との接触しにくくなる。同時に、Ｄ0を小さくすれば、それに伴い発電部の厚みｔも小さくすることができる。以上述べたように、複数個の発電部を設けることにより、回転部材の直径を小さくすることができ、発電部の薄型化に利する。
By providing a plurality of power generation units, it is possible to reduce the diameter of the rotating member, which is advantageous in reducing the thickness of the power generation unit, as described below with reference to FIG. 13.
A "amount of misalignment of the rotation axis 1 (el)" is generated based on machining tolerances and the like on the work. This is a value determined by the processing accuracy at the time of processing, and is a constant value regardless of the size of the rotating member. For this reason, although the
Referring to FIG. 13, tan φ=1 (el)/t, g>(D 0 /2)·sin φ.
Therefore, by approximately replacing sin φ by tan φ, g>(D 0 ·l)/(2t), g>(l/2)·(D 0 /t), and l/2 are constants, D When 0 is reduced, the limit value D 0 /t of the gap g is reduced, and it becomes difficult for the charging
（第２実施形態）
図１４は、発電部の総慣性モーメントを説明する説明図である。図１５は、発電部の総慣性モーメントの式を説明する説明図である。図１６は、増速比の組み合わせと総慣性モーメントの関係を示す表である。
(Second embodiment)
FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating the total moment of inertia of the power generation unit. FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating an equation of the total moment of inertia of the power generation unit. FIG. 16 is a table showing the relationship between the combination of speed increasing ratios and the total moment of inertia.
第２実施形態は、第１実施形態における増速歯車列の各段の増速比について特定した実施形態である。第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、図３、図６（ａ）を参照して、回転錘１０に固定された駆動歯車１１は、軸６の歯車１２に噛合い、軸６を回転させる。駆動歯車１１に対する歯車１２の増速比を第１増速比と呼ぶ。軸６の歯車１３は、軸７の歯車１４に噛合い、軸７を回転させる。歯車１３に対する歯車１４の増速比を第２増速比と呼ぶ。軸７の歯車１５は、軸８の歯車１６に噛合い、軸８を回転させる。歯車１５に対する歯車１６の増速比を第３増速比と呼ぶ。
The second embodiment is an embodiment in which the speed increasing ratio of each stage of the speed increasing gear train in the first embodiment is specified. Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, referring to FIGS. 3 and 6A, the
入力側の回転軸の歯車１１、１３、１５が、出力側の回転軸に「カナ」（時計用語）と呼ぶ歯数の少ない歯車１２、１４、１６にかみ合っている。本実施形態では、歯車列は３段であるが、これに限定されず、１段、２段、・・・ｉ段・・・Ｎ段（ｉ、Ｎは整数）であっても良い（ｉ段目の増速比を第ｉ増速比という）。ｉ段とは、図１４を参照して、回転錘１０の軸Ｑ0から数えて、ｉ番目の回転軸Ｑiのカナと、それに噛合うｉ−１番目の歯車軸Ｑi-1の歯車との組み合わせを指す。歯車軸Ｑi-1の歯車の歯数をｍi-1といい、歯車軸Ｑiのカナの歯数をｎiという。ｉ段目の第ｉ増速比ｋiは、ｍi-1/ｎiである。カナを介さず、相互の回転軸間をそれぞれの歯車で直接噛み合わせても良い。
The
回転錘１０から増速歯車列を経由して発電部に至る総慣性モーメントＪ（回転錘１０位置基準）は、図１５の式（５）から、次のように表すことができる。回転錘１０の軸Ｑ0から数えて、順にｉ番目の回転軸Ｑiの慣性モーメントをＪiとする。
Ｊ＝Ｊ0＋（ｋ1）2［Ｊ1＋（ｋ2）2｛Ｊ2＋（ｋ3）2（Ｊ3＋・・・）｝］…式（６）
式（６）からわかるように、第１増速比ｋ1の二乗がすべての項にかかっているので、回転錘１０から増速歯車列の増速比のうちで、最小の増速比を第１増速比ｋ1とすれば、総慣性モーメントＪを小さくすることができる。同様に、ｋ2、ｋ3、ｋ4を順次小さい順に割り当てれば、総慣性モーメントＪを小さくすることができる。一方で、増速歯車列全体の増速比を上げようとすれば、最終増速比を大きくすることで、式（６）の上では、慣性モーメントＪの増加を抑制できる。しかし、最終増速歯車に一般的な回転式電磁発電機構を接続した場合に、回転側と固定側の磁石間に生じる強力な磁気結合が回転部材の回転を阻害し、回転体の負荷トルクが非常に大きくなる。このため回転式電磁発電機構では、最終増速歯車の耐久性と、回転駆動力が多く必要であることとを考慮すると、最終増速比を大きくすることが難しい。
The total moment of inertia J from the
J=J 0 +(k 1 ) 2 [J 1 +(k 2 ) 2 {J 2 +(k 3 ) 2 (J 3 +... )}]...Equation (6)
As can be seen from the equation (6), since the square of the first speed increasing ratio k 1 is applied to all the terms, the minimum speed increasing ratio among the speed increasing ratios of the
一方、エレクトレット発電において回転部材４に生じる負荷トルクは、帯電膜３と対向電極２間に生じるクーロン力がこれにあたり、電磁発電式に比べ格段に小さい。従って、増速歯車列とエレクトレット発電の組み合わせでは、増速歯車列の最終増速比を大きくでき、慣性モーメントＪの増加を抑制できる。そして、第１増速比と最終増速比をおよそ４〜５：１０の比率とすることで、所望の増速歯車列全体の増速比を得ながら、慣性モーメントを最小にできることが判明した。このことについて、以下で詳細に述べる。
On the other hand, the load torque generated on the rotating
一例として、図１６を参照して、増速比３．７１、５．００、９．６６の場合で、総慣性モーメントを、全回転軸の慣性モーメント＝１として見積ると、第１増速比３．７１、第２増速比５．００、第３増速比９．６６とした時が、最小の総慣性モーメントＪになることが確認できる。図１６のケース１〜３とケース４〜６とを対比するとわかるように、総じて第１増速比ｋ1に、最終増速比ｋNより小さい値を割り当てる方が、総慣性モーメントＪを小さくすることができる。
As an example, referring to FIG. 16, when the speed increasing ratios are 3.71, 5.00, and 9.66, and the total inertia moment is estimated as the inertia moments of all the rotating shafts=1, the first speed increasing ratio is calculated. It can be confirmed that the minimum total inertia moment J is obtained when 3.71 is set, the second speed increasing ratio is 5.00, and the third speed increasing ratio is 9.66. As can be seen by comparing
第２実施形態は、回転錘に固定された第１歯車（駆動歯車１１）とそれに直接連結する第２歯車（歯車１２）との第１増速比ｋ1が、増速歯車列のうちの最小の増速比である。また、第１増速比ｋ1は、回転部材４を回転させる増速歯車列の最終増速比ｋNより、小さくしたものである。第１増速比ｋ1、第２増速比ｋ2、第３増速比ｋ3・・・などを、単調に増加するように配列しても良い。このようにすると、総慣性モーメントＪを小さくすることができる。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同じである。
In the second embodiment, the first speed increasing ratio k 1 between the first gear (drive gear 11) fixed to the rotary weight and the second gear (gear 12) directly connected to the first gear is the same as that of the speed increasing gear train. This is the minimum speedup ratio. Further, the first speed increasing ratio k 1 is smaller than the final speed increasing ratio k N of the speed increasing gear train that rotates the rotating
（第３実施形態）
図１７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態の各発電部の位相差を説明する説明図である。図１８は、図１７（ｂ）の詳細説明図である。図１９は、回転部材４の帯電膜３と、対向基板１の対向電極２との相対位置関係を模式的に説明する説明図である。図２０は、静電負荷トルクを説明する説明図である。図２１は、本発明の第３実施形態の各発電部に働く静電負荷トルクを示したグラフである。図２２は、回転部材４の帯電膜３と、対向基板１の対向電極２との相対位置関係を模式的に説明する説明図である。なお、図１９、２２においては、扇形の帯電膜３と第１、２電極Ｏ、Ｅを、わかりやすくするために、四角に変更して表示してある。
(Third Embodiment)
17A and 17B are explanatory diagrams illustrating the phase difference of each power generation unit according to the third embodiment of the present invention. FIG. 18 is a detailed explanatory diagram of FIG. FIG. 19 is an explanatory diagram schematically illustrating the relative positional relationship between the charging
第３実施形態は、第１実施形態の各発電部において、回転部材４の帯電膜３と、対向基板１の対向電極２（図９（ｂ）参照）との相対位置関係を、特定した実施形態である。基準となる発電部（例えば、発電部Ａ）の帯電膜３と対向電極２が、同形状でぴったり重なり合った状態Ｖを、仮に位相０°とする。このときの帯電膜３と対向電極２のそれぞれの位置を、位相０°位置とする。
In the third embodiment, in each power generation unit of the first embodiment, the relative positional relationship between the charging
各発電部Ａ〜Ｄの回転部材４Ａ〜Ｄは、連結歯車１５、１６で連結している。
連結歯車１５、１６が連結した状態のもとで、発電部Ａの回転部材４Ａが位相０°の時に、他の発電部Ｂ〜Ｄにおいて、それぞれ、帯電膜３と対向電極２の位相０°（ぴったり重なり合った状態）の位置からのずれを、位相差と定義する。回転部材４の帯電膜３と、対向基板１の対向電極２との相対位置関係とは、この位相差を指している。
The rotating
Under the condition that the connecting
図１７（ａ）は、各発電部Ａ〜Ｄの位相差０°、すなわち、皆位相θA〜θDが同一である実施形態である。図１７（ｂ）、図１８は、各発電部Ａ〜Ｄの位相差が存在して、位相θA〜θDが、均等間隔δずつ異なっている実施形態である。図１７（ｂ）の例では、回転部材４Ａ〜４Ｄが連結歯車１５で連結しているため、回転部材４Ｃは４Ａと同方向に回転するが、回転部材４Ｂと４Ｄは、４Ａと逆方向に回転する。従って回転部材４Ａ〜４Ｄの位相θA〜θDは、それぞれの回転方向にδずつずれるように配置される。図１７（ｂ）、図１８については、回転部材４の帯電膜３と、対向基板１の対向電極２との相対位置関係が明確でないため、回転部材４Ａ〜４Ｄの回転方向を同じ向きとして、図１９に模式的にこれらの関係を説明した。また、図２２は、図１９に示した帯電膜３と対向電極２の配置に関する変形例である。図１９、図２２では、鎖線で囲んだ部分は帯電膜３の位置を表し、実線で囲んだＯとＥは対向電極２、矢印は帯電膜３の移動方向を示している。
図１９、図２２を参照すると、図１９の場合では、各発電部Ａ〜Ｄで、対向電極２の位相差は全て０°、一方帯電膜３の方は、各発電部で均等間隔δに相当する位相差ずつ異なっている（０、δ、２δ、３δ）。図２２の場合では、各発電部Ａ〜Ｄで、帯電膜３の位相差は全て０°、一方対向電極２の方は、各発電部で均等間隔δに相当する位相差ずつ異なっている。
FIG. 17A is an embodiment in which the
Referring to FIG. 19 and FIG. 22, in the case of FIG. 19, the phase difference of the
既に述べたように、回転部材４の放射状の一片６１の、中心に対する拡がり角度を図１８に示すように、θpとする。回転部材４のＶ字形切欠き６２もθpである。
図１８は、図１７（ｂ）の発電部Ａ〜Ｄにおける回転部材４の位相関係を示しており、左から発電部Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄの順で回転部材４が並んでいる。回転部材４の下面には帯電膜３が配されていて、対向基板１上の帯電膜３に対向する位置に対向電極２が配置されているが、発電部Ａ〜Ｄの対向電極２は全て同じパターンで配置されており、発電部Ａ〜Ｄにおける対向電極２配置の位相差はゼロである。一方、発電部Ａ〜Ｄの回転部材４は相互に位相差を設けていて、十字状穴６３の凹状溝６４の位置（向き、姿勢）を共通としたときに、発電部Ａに対する発電部Ｂ〜Ｄの回転部材４の位相差が、順にδ、２δ、３δとなるように帯電膜３の位置がずれた構造になっている。なお、ここでの例はδ＝θp／４とし、発電部Ａにおける回転部材４の帯電膜３と対向電極２との位相を、任意の値αとしている。
As described above, the spread angle of the
FIG. 18 shows the phase relationship of the
上記のように位相差を定めることで、回転部材４の回転を阻害する帯電膜３と対向電極２との間のクーロン力を低減できる。この詳細については後述する。しかしながら、時計の組立作業において各回転部材４の位相差を調整することは容易ではない。従って、本実施形態では、十字状穴６３の凹状溝６４の位置を揃えて回転部材４を置いたときに、回転部材４の位相差が上述の関係になるように構成している。
具体的には、対向基板１における対向電極２の配置パターンは、発電部Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄで全て同じであり、各発電部における軸８の十字状スプラインの凸部の方向を揃えてセットし、各回転部材４の十字状穴６３を軸８の十字状スプラインに嵌合するよう組み込む。その後、連結歯車列を組み込み、第１輪列受３４でそれぞれの歯車を軸支する。つまり本実施形態であれば、軸８の十字状スプラインに合わせて各回転部材４を組み込んだ時点で、発電部Ａ〜Ｄ間の位相差が正確に確保されることになる。従って組立作業者は、複雑な各回転部材４の位相差調整をすることなく、組立作業を短時間で終えることができる。ここでは、発電部が４個であるので、θpを４で割っているが、Ｎ個の場合ならθpをＮで割ればよい。本実施形態では、４個に限定されるものではなく、Ｎ個の場合も実施形態に含まれる。
By determining the phase difference as described above, the Coulomb force between the charging
Specifically, the arrangement pattern of the
第１実施形態の図９（ｂ）の第１電極Ｏ、第２電極Ｅの配置によれば、図２０に示すように帯電膜３と第１電極Ｏ（又は第２電極Ｅ）との間にはクーロン力が働き、矢印の方向に回転部材４が移動している場合に、その移動方向の静電気負荷トルク成分ＴＳ（回転方向のクーロン力による静電気負荷トルクＴPとその逆方向のクーロン力による静電気負荷トルクＴRの合力）によって、図２１の点線に示すような鋸歯状の静電気負荷トルクＴＳが、回転部材４に作用してしまう。
この静電気負荷トルクＴＳは、図２０の矢印の方向に帯電膜３が移動しようとすると、移動を阻止するように、回転部材４に作用する。従って、回転部材４が停止するときは、回転部材４の静電気負荷トルクＴＳが最大となる位置、すなわち帯電膜３と対向電極２の重なり合う面積が最大となる位置に止まる。そして、回転部材４の回転開始時にあっては、静電気負荷トルクＴＳの最大値よりも大きな回転力が加わらなければ回転部材４は回転できず、外部振動が加わったとしても電力に変換することができない。したがって、静電気負荷トルクＴＳが高いことは、回転部材４の初動回転に必要な駆動トルクの閾値が高くなることを意味し、また、継続的な回転を阻害する作用を及ぼす。
According to the arrangement of the first electrode O and the second electrode E of FIG. 9(b) of the first embodiment, as shown in FIG. 20, between the charging
This electrostatic load torque T S acts on the rotating
図２１に、図１９の場合の各発電部Ａ〜Ｄの位相差での静電気負荷トルクが示されている。各発電部Ａ〜Ｄは連結歯車１５、１６で連結しているので、それぞれの発電部で生じた静電気負荷トルクを加算すると位相差により平滑化され、全体としての静電気負荷トルクは一定値ＧSUM_MAXとなり、各発電部ピーク値の合計ＷSUM_MAXの半分程度に減少させることができる。本実施形態において、各発電部は、均等間隔δに相当する位相差ずつ異なっている必要はなく、不均一な位相差を有していれば各静電気負荷トルクのピーク位置が重なることはないため、合算された静電気負荷トルクの最大値を、図１７（ａ）の場合より、小さくすることができるので、回転部材４の回転を阻害する作用を減少させることができる。なお、図１９の場合の各発電部Ａ〜Ｄの帯電膜３に設けた位相差の代わりに、図２２のように対向電極２に位相差を設けた配置にしても、図１９の場合の静電気負荷トルクと同様な効果を上げることができる。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同じである。
FIG. 21 shows the electrostatic load torque at the phase difference between the power generation units A to D in the case of FIG. Since the power generating units A to D are connected by the connecting
（第４実施形態）
図２３、図２４は、本発明の第４実施形態の対向電極、整流回路の概要を示す説明図である。図２５は、図２４における回転部材の帯電膜と対向電極の配置を示した説明図である。
(Fourth Embodiment)
23 and 24 are explanatory diagrams showing the outline of the counter electrode and the rectifier circuit according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 25 is an explanatory diagram showing the arrangement of the charging film and the counter electrode of the rotating member in FIG.
第３実施形態は、上述の各実施形態において、発電部が３個の場合の実施形態である。発電部が３個で、各発電部における回転部材４が不均一な位相差を有している場合には、図２３のように、各発電部の出力にそれぞれダイオードブリッジを用いた整流／充電回路構成を採用すると良い。一方、発電部が３個で、各発電部における回転部材４が均一な位相差を有している場合は、図２４のように対向電極２Ａと２Ｃの第１電極Ｏおよび対向電極２Ｂの第２電極Ｅを結線Ｎとして相互接続するとともに、対向電極２Ａと２Ｃの第２電極Ｅおよび対向電極２Ｂの第１電極Ｏを整流ダイオードに接続することで、結線Ｎが三相交流の中性線の役割を果たし、ダイオードの総数を低減できる。この理由について以下に述べる。
The third embodiment is an embodiment in which the number of power generation units is three in each of the above-described embodiments. When there are three power generation units and the rotating
図２５は、図２４における回転部材４の帯電膜と対向電極の配置を示した説明図であり、回転部材４Ａ〜４Ｃと対向電極２Ａ〜２Ｃを左から順に示している。回転部材４Ａに対して、回転部材４Ｂはδ、回転部材４Ｃは２δの位相差を有していて、全ての回転部材は同方向に回転するものとしている。ここでは、δ＝θp／３である。回転部材４Ａ〜４Ｃは連結しているため、回転時にも上記の位相差が維持される。
FIG. 25 is an explanatory diagram showing the arrangement of the charging film and the counter electrode of the
回転部材４が回転すると、回転部材４の放射状一片６１の下面に設けた帯電膜３と対向電極２とが、近接したり遠のいたりすることに応じて発電電流（交流）が発生する。 従って、回転部材４の放射状の一片６１と対向電極２の接近する周期が、発電電流の周期であり、1周期は２θpとなる。回転部材Ａ〜Ｃの回転により発電される電流をそれぞれ発電電流Ａ〜Ｃとすると、回転部材４Ａ〜４Ｃに設けた位相差に基づき、発電電流Ａに対して発電電流Ｂはδ、発電電流Ｃは２δの位相差が生じる。
When the rotating
図２４では、対向電極２Ａと２Ｃからの接続線が、第１電極Ｏは結線Ｎに、第２電極Ｅは整流ダイオードに接続されているが、対向電極２Ｂは逆に、第２電極Ｅが結線Ｎに、第１電極Ｏが整流ダイオードに接続されている。従って、発電電流Ｂの波形が正負反転して、整流回路で発電電流Ａ、Ｃと合算されることになる。正負反転した交流は、１/２周期の位相、すなわちθpだけ移相していることに等しいため、発電電流Ｂは発電電流Ａに対して、δ＋θpの位相差を持つことになる。ここで、θpは３δであるので、発電電流Ｂの位相差は４δと言い換えることができる。
In FIG. 24, the connection lines from the
従って、発電電流Ａ、位相差４δの発電電流Ｂ、位相差２δの発電電流Ｃが、整流回路で合算されることになり、発電電流Ａの１周期が２θp、つまり６δであるので、発電電流Ａ〜Ｃがそれぞれ２δの位相差を持つ三相交流を形成していることになる。従って、結線Ｎが三相交流の中性線の役割を果たし、ダイオードの総数を低減できるため、整流用のダイオードを用いた回路構成が簡素化され、固定電極基板３８の面積を小さくすることが可能となる。ここでは発電部が３個の例で説明しているが、発電部が４個以上であっても、各発電部の位相差を調整して各発電部の交流波形を合成した波形が平滑可能であれば、同様の効果を得ることができる。
Therefore, the power generation current A, the power generation current B with the phase difference 4δ, and the power generation current C with the phase difference 2δ are added up in the rectifier circuit, and one cycle of the power generation current A is 2θ p , that is, 6δ. This means that the currents A to C each form a three-phase alternating current having a phase difference of 2δ. Therefore, the connection N acts as a neutral wire of the three-phase AC, and the total number of diodes can be reduced. Therefore, the circuit configuration using the rectifying diodes can be simplified and the area of the fixed
（第５実施形態）
図２６は本発明の第５実施形態の増速歯車列の概要を示す説明図である。
(Fifth Embodiment)
FIG. 26 is an explanatory view showing the outline of the speed increasing gear train according to the fifth embodiment of the present invention.
第５実施形態は、図３における第１実施形態において、増速歯車列の、回転部材４を回転させる直前歯車１５によって、複数の発電部の各歯車１６を直接回転駆動するようにした実施形態である。この実施形態では、各発電部Ａ〜Ｃを連結する連結歯車列を用意せず、共通の増速歯車１５から各発電部を直接駆動するので、慣性モーメントの低減効果が望める。
The fifth embodiment is an embodiment in which, in the first embodiment in FIG. 3, each
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications of the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific configurations described in the embodiments are merely examples, and can be changed as appropriate.
１ 第１基板、対向基板
２ 対向電極
３ 帯電膜
４ 第２基板、回転部材
８ 軸
１０ 回転錘
１１ 駆動歯車
１２〜１６ 歯車
３３ 第１輪列受
３４ 第２輪列受
３５ 地板
Ａ〜Ｄ 発電部
Ｏ 第１電極
Ｅ 第２電極
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、前記帯電膜を前記第１対向面に対向する前記第２基板の第２対向面に設置し、
前記第２基板の前記第２対向面には、所定角度毎に、前記帯電膜と、前記帯電膜が設置されていない間隔部とが交互に配置されており、
前記第１基板、前記帯電膜、前記第２基板、前記対向電極、及び、前記出力部からなる１組の発電部が、複数組同一平面上に設置され、
前記複数組の発電部は、平面視したときに互いに重畳せず、且つ、前記軸が互いに相違し、
前記複数組の発電部のそれぞれに含まれ且つ前記対向電極が設置される前記第１基板は、単一の共通基板である、静電誘導型発電器。 A housing, a first substrate fixed to the housing, and a second substrate of disk shape having a shaft which is rotatably supported in the housing, a charging film, a counter electrode, the charging layer and the counter An output unit that outputs electric power generated between the electrodes,
The counter electrode is installed on a first facing surface of a first substrate, and the charging film is installed on a second facing surface of the second substrate facing the first facing surface,
On the second facing surface of the second substrate, the charging film and a gap portion where the charging film is not installed are alternately arranged at predetermined angles.
A plurality of sets of a power generation unit including the first substrate, the charging film, the second substrate, the counter electrode, and the output unit are installed on the same plane ,
The plurality of sets of power generation units do not overlap each other when seen in a plan view, and the axes are different from each other,
An electrostatic induction power generator in which the first substrate included in each of the plurality of sets of power generation units and on which the counter electrode is installed is a single common substrate.
前記軸受は、前記第２基板の前記軸の長さ方向に移動可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。 The shaft of the second substrate and the shaft of the gear train of the plurality of sets of power generation units are axially supported by bearings provided on a common plate-shaped member,
The said bearing is movable in the longitudinal direction of the said shaft of the said 2nd board|substrate, The electrostatic induction generator of any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned.
前記回転錘に固定された第１歯車とそれに直接連結する第２歯車との第１増速比が、前記増速歯車列のうちの最小の増速比であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。 A rotary weight rotatably supported by the housing, a speed increasing gear train that accelerates the rotation of the rotary weight and transmits the rotation to the second substrate of the pair of power generating units, and the second substrate Further having a connecting gear train for transmitting rotation to another second substrate of the power generation unit provided in plural sets,
The first speed increasing ratio of the first gear fixed to the rotary weight and the second gear directly connected thereto is the minimum speed increasing ratio of the speed increasing gear train. 9. The electrostatic induction power generator according to any one of items 1 to 8.
前記回転錘に固定された第１歯車とそれに直接連結する第２歯車との第１増速比が、前記第２基板を回転させる前記増速歯車列の最終増速比より小さい請求項１から８のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。 A rotary weight rotatably supported by the housing, a speed increasing gear train that accelerates the rotation of the rotary weight and transmits the rotation to the second substrate of the pair of power generating units, and the second substrate Further having a connecting gear train for transmitting rotation to another second substrate of the power generation unit provided in plural sets,
The first speed increasing ratio of the first gear fixed to the rotary weight and the second gear directly connected thereto is smaller than the final speed increasing ratio of the speed increasing gear train that rotates the second substrate. 8. The electrostatic induction power generator according to any one of 8 above.
前記増速歯車列の前記第２基板を回転させる直前歯車によって、前記発電部の複数組の全ての前記第２基板の前記軸が直接回転駆動されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電誘導型発電器。 A rotary weight rotatably supported by the housing, and a speed increasing gear train for increasing the speed of rotation of the rotary weight to transmit the rotation to the second substrate of the set of power generating units of the power generating unit. Then
The shafts of all the second substrates of the plurality of sets of the power generation unit are directly rotationally driven by a gear immediately before rotating the second substrate of the speed increasing gear train. The described electrostatic induction power generator.
前記複数組設置された発電部のそれぞれの前記第２基板は、前記複数組設置された発電部のそれぞれの前記帯電膜の位相関係が所定の位相関係となるように軸支可能な固定機構が形成される請求項１から１１のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。 Further comprising a connecting gear train for transmitting rotation from the second substrate to another second substrate of the power generation unit installed in plural sets,
Each of the second substrates of the plurality of sets of power generation units is provided with a fixing mechanism capable of being pivotally supported so that the phase relationship of each of the charged films of the plurality of sets of power generation units becomes a predetermined phase relationship. The electrostatic induction power generator according to any one of claims 1 to 11, which is formed.
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