WO2011052106A1 - 発電装置 - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/06—Influence generators
- H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
Definitions
- the present invention relates to a power generator, and more particularly to an electrostatic induction power generator using an electret material.
- An electrostatic induction power generating device applies a charge to a variable-capacitance electrode, causes a coulomb attractive force to work between the counter electrodes due to the charge, and converts vibration energy generated by the vibration of the vibrator against this coulomb attractive force into electrical energy.
- the power generation is performed by converting into (see, for example, Patent Document 1).
- FIG. 37 (a) is a schematic plan view of a conventional electrostatic induction power generating device disclosed in Patent Document 1, and FIG. 37 (b) is taken along line 2A-2A of the power generating device of FIG. 37 (a).
- FIG. 37 (c) is a schematic cross-sectional view taken along line 2B-2B of the power generation device of FIG. 37 (a).
- this electrostatic induction power generating device is a so-called electret power generating device in which the comb-shaped electret material electrode 102 and the movable electrode 105 are spaced apart from each other by a predetermined distance. Are arranged.
- the movable electrode 105 and the movable substrate 104 are connected to fixed structures 103a and 103b provided on the non-movable substrate 101 through elastic members such as spring drivers 106a and 106b. By combining the two types of spring drivers 106a and 106b, the movable substrate 104 can move in any direction within the XY plane.
- the electrostatic induction power generation device When this spring vibrates in the X-axis direction or the Y-axis direction, the overlapping area of the electret material electrode 102 holding the charge and the movable electrode 105 facing the electret material electrode 102 is increased and decreased. Changes in the amount of charge.
- the electrostatic induction power generation device generates power by taking out the change in the charge amount as electric energy.
- Patent Document 2 and Patent Document 3 can be cited.
- this electrostatic induction power generation device has a problem that external vibrations in directions other than the X-axis direction or the Y-axis direction cannot be used for power generation.
- an object of the present invention is to provide a power generation apparatus that can efficiently use multidirectional external vibrations for power generation.
- a power generation device is provided with a first electrode provided on a plate-like first member, and a first electrode provided so as to face the first electrode at an interval.
- a second electrode provided on the second member having a shape, an electret material provided between the first electrode and the second electrode, and provided on the first electrode or the second electrode;
- a plurality of third members provided between the first member and the second member and in contact with the first member or the second member, wherein the first member is relative to the second member; It rotates relatively and in the in-plane direction.
- the power generator of the present invention has at least a first portion and a second portion, a space defined by the first portion and the second portion, and a first portion provided in the first portion. 1 electrode, the second electrode provided to be opposed to the first electrode at an interval and provided in the second portion, and provided in the first electrode or the second electrode in the space And a third portion that contacts the first portion or the second portion, and the first portion or the second portion may be a rotary weight.
- the power generation device of the present invention includes a first electrode provided on the first member, a second electrode provided on the second member so as to face the first electrode with a gap therebetween. Provided between the electrode, the first electrode and the second electrode, and provided between the first electrode or the electret material provided on the second electrode and the first member or the second member. And a third member that contacts the first member or the second member, and the first member may be a rotary weight.
- the power generation device of the present invention is provided so that the first electrode provided on the plate-like first member and the first electrode are opposed to each other at an interval, and the plate-like second member is provided.
- the first member is a rotary weight (the first member rotates relative to the second member and in the in-plane direction thereof), and the first member The electrode may rotate relative to the second electrode and in its in-plane direction.
- the power generator of the present invention includes a first electrode provided on a plate-like first member, a second electrode provided on a plate-like second member, and A third electrode and a fourth electrode provided on the plate-like third member, wherein the first electrode and the second electrode are provided so as to face each other with a space therebetween; The third electrode and the fourth electrode are provided so as to face each other with a space therebetween, and the second member rotates relative to the first member and in the in-plane direction.
- the power generation device of the present invention is provided so as to face the first electrode provided on the first member with a distance from the first electrode.
- a second electrode provided on the member, the first member is disposed inside the second member, and the second member is movable.
- the power generation device of the present invention includes a first electrode provided on the first member, a second electrode provided on the second member so as to face the first electrode with a gap therebetween. And the second member has a weight at the outer edge.
- the power generation device of the present invention includes a first electrode provided on the first member, a second electrode provided on the second member so as to face the first electrode with a gap therebetween.
- An electrode, and the mass per unit volume of the outer edge of the second member is larger than the mass per unit volume in the vicinity of the center of the second member.
- the power generation device of the present invention includes a first electrode provided on the first member, a second electrode provided on the second member so as to face the first electrode with a gap therebetween.
- An electrode, and the second member is more than the distance from the center of gravity of the overlapping portion of the first member and the portion projected from the top toward the first member to the vicinity of the center of the first member. The distance from the center of gravity of the member to the portion of the second member facing the vicinity of the center of the first member is longer.
- the power generator according to the present invention it is possible to obtain a power generator capable of efficiently using multidirectional external vibrations for power generation, as well as an electric device and a communication device equipped with such a power generator.
- FIG. 1 (a) to 1 (c) show a power generator according to a first embodiment of the present invention
- FIG. 1 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 1 (b) is a schematic plan view
- FIG. 1C is a schematic cross-sectional view taken along the line Ic-Ic in FIGS. 1A and 1B.
- FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the power generator according to the first embodiment of the present invention.
- 3 (a) and 3 (b) show one step of the method for manufacturing the power generation apparatus according to the first embodiment of the present invention
- FIG. 3 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 4 is a schematic sectional view taken along line IIIb-IIIb in FIG.
- FIG. 4 (a) and 4 (b) show one step of the method for manufacturing the power generation device according to the first embodiment of the present invention
- FIG. 4 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 4 (b) shows one step of the method for manufacturing the power generation device according to the first embodiment of the present invention
- FIG. 5 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 5 (b) shows one step of the method for manufacturing the power generation device according to the first embodiment of the present invention
- FIG. 5 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 6 is a schematic sectional view taken along line Vb-Vb in FIG.
- FIG. 6 is a schematic plan view showing the electrode shape of the power generation device according to the first modification of the first embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a schematic perspective view
- FIG. 7 is a schematic plan view showing the electrode shape of the power generator according to the second modification of the first embodiment of the present invention.
- 8 (a) and 8 (b) show a power generator according to the second embodiment of the present invention
- FIG. 8 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 8 (b) is FIG. 8 (a).
- It is a schematic perspective view when the member arrange
- FIG. 9 (a) is a schematic plan view
- FIG. 9 (b) is FIG. 8 (a).
- FIG. 10 is a schematic sectional view taken along line IXb-IXb in FIG.
- FIG. 11 (a) and 11 (b) show one step of the method for manufacturing the power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention
- FIG. 11 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 12 is a schematic sectional view taken along line XIb-XIb in FIG. 12 (a) and 12 (b) show one step of the method for manufacturing the power generation device according to the second embodiment of the present invention
- FIG. 12 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 13 is a schematic sectional view taken along line XIIb-XIIb in FIG.
- FIG. 13 (a) and 13 (b) show one step of the method for manufacturing the power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention
- FIG. 13 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 13 (b) FIG. 14 is a schematic sectional view taken along line XIIIb-XIIIb in FIG. 14 (a) and 14 (b) show one step of the method for manufacturing the power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention
- FIG. 14 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 15 is a schematic sectional view taken along line XIVb-XIVb in FIG.
- FIG. 15: is a schematic sectional drawing which shows the electric power generating apparatus which concerns on the 1st modification of the 2nd Embodiment of this invention.
- FIG. 15 is a schematic sectional drawing which shows the electric power generating apparatus which concerns on the 1st modification of the 2nd Embodiment of this invention.
- FIG. 15 is a schematic sectional drawing which shows the electric power
- FIG. 16 is a schematic plan view which shows the electrode shape of the electric power generating apparatus which concerns on the 2nd modification of the 2nd Embodiment of this invention.
- FIG. 17 is a schematic plan view showing the electrode shape of the power generator according to the third modification of the second embodiment of the present invention.
- 18 (a) and 18 (b) show a power generator according to a third embodiment of the present invention,
- FIG. 18 (a) is a schematic perspective view, and
- FIG. 18 (b) is a schematic plan view.
- FIG. 19A is a schematic cross-sectional view taken along line XIXa-XIXa of FIGS. 18A and 18B of the power generator according to the third embodiment of the present invention, and
- FIG. 20 is a diagram for explaining the operation of the power generation apparatus according to the third embodiment of the present invention.
- 21 (a) and 21 (b) are views for explaining the position of the center of gravity of the second member of the power generator according to the third embodiment of the present invention, and
- FIG. 21 (a) is a schematic perspective view.
- FIG. 21B is a schematic plan view.
- 22 (a) and 22 (b) show one step of the method for manufacturing the power generation apparatus according to the third embodiment of the present invention
- FIG. 22 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 22 is a schematic sectional view taken along line XXIIb-XXIIb in FIG.
- FIG. 23A and FIG. 23B show one process of the method for manufacturing the power generation apparatus according to the third embodiment of the present invention
- FIG. 23A is a schematic perspective view
- FIG. FIG. 24 is a schematic sectional view taken along line XXIIIb-XXIIIb in FIG. 24 (a) and 24 (b) show one step of the method of manufacturing the power generation device according to the third embodiment of the present invention
- FIG. 24 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 25 is a schematic sectional view taken along line XXIVb-XXIVb in FIG.
- FIG. 25 is a schematic cross-sectional view showing a power generator according to a first modification of the third embodiment of the present invention.
- 26 (a) and 26 (b) show a power generator according to a second modification of the third embodiment of the present invention
- FIG. 26 (a) is a schematic perspective view
- FIG. It is a schematic plan view.
- FIG. 27 is a schematic cross-sectional view taken along line XXVII-XXVII in FIGS. 26A and 26B of the power generator according to the second modification of the third embodiment of the present invention.
- FIG. 28 is a schematic plan view showing the electrode shape of the power generator according to the third modification of the third embodiment of the present invention.
- FIG. 29 is a schematic plan view showing the electrode shape of the power generator according to the fourth modification of the third embodiment of the present invention.
- 30 (a) and 30 (b) show a power generator according to a fourth embodiment of the present invention
- FIG. 30 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 30 (b) is a schematic plan view.
- FIG. 31 (a) is a schematic cross-sectional view of the power generator according to the fourth embodiment of the present invention taken along line XXXIa-XXXIa in FIGS. 30 (a) and 30 (b)
- FIG. 31 (b) is the present invention. It is a schematic sectional drawing in case the electric power generating apparatus which concerns on 4th Embodiment is provided with the substantially spherical member.
- FIG. 32 (a) and 32 (b) are diagrams for explaining the position of the center of gravity of the second member of the power generator according to the fourth embodiment of the present invention
- FIG. 32 (a) is a schematic perspective view
- FIG. 32 (b) is a schematic plan view
- 33 (a) and 33 (b) show a power generator according to a first modification of the fourth embodiment of the present invention
- FIG. 33 (a) is a schematic perspective view
- FIG. It is a schematic plan view.
- FIG. 34 is a schematic sectional view taken along line XXXIV-XXXIV in FIGS. 33 (a) and 33 (b) of a power generator according to a first modification of the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 34 is a schematic sectional view taken along line XXXIV-XXXIV in FIGS. 33 (a) and 33 (b) of a power generator according to a first modification of the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 35 is a schematic plan view showing the electrode shape of the power generator according to the second modification of the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 36 is a schematic plan view showing the electrode shape of the power generator according to the third modification of the fourth embodiment of the present invention.
- 37 (a) to 37 (c) show a conventional power generator, FIG. 37 (a) is a schematic plan view, and FIG. 37 (b) is a schematic cross section taken along line 2A-2A in FIG. 37 (a).
- FIG. 37 (c) is a schematic cross-sectional view taken along line 2B-2B of FIG. 37 (a).
- the first member 14 includes, for example, a first substrate 1 made of a stainless alloy containing chromium and nickel, a second substrate 2 that is a printed circuit board, for example, It is made of a stainless alloy containing chromium and nickel, etc., and is configured by combining with a spacer 3 having a groove.
- a substantially fan-shaped first electrode 5 extending from the vicinity of the center toward the outer peripheral direction as shown in FIG. A plurality are formed with an interval of. Note that a plurality of substantially fan-shaped first electrodes 5 are preferably formed from the viewpoint of power generation efficiency, but may be one.
- the spacer 3 which is a part of the first member 14 is held on the outer surface of the first member 14 on the surface facing the second member 15 described later, and is formed on the spacer 3.
- the member 4 is disposed in the groove portion so as to be in contact with the groove portion.
- the member 4 is preferably a substantially spherical member that can rotate.
- the member 4 is preferably made of a wear-resistant material or a cemented carbide material, and is usually made of a material such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , ZrO 2 or tungsten carbide. Since the member 4 is substantially spherical, the friction caused by rotation of the second member 15 is reduced, and the power generation efficiency can be improved. Further, since the member 4 is made of an abrasion resistant material or a super hard material, a structure that is more resistant to friction and has high durability can be obtained.
- the groove formed in the spacer 3 has a length corresponding to a certain range along the outer periphery of the first member 14 when viewed from above, and the member 4 is a substantially spherical member. It is preferable that it is movable while rotating between the ranges. Moreover, it is preferable that there are a plurality of such groove portions according to the number of members 4.
- the shape of the first member 14 viewed from above is a circular shape
- the groove formed in the spacer 3 has an arc shape.
- the structure in which the substantially spherical member 4 is combined with the groove portion of the spacer 3 in this way can also be called a bearing structure.
- the bearing structure only needs to be able to rotate the substantially spherical member 4 and may be, for example, a cylinder, and is not limited to the configuration of the present embodiment.
- the spacer 3 in which the member 4 is disposed in the groove portion may be formed on the second member 15 described later.
- the groove part does not necessarily need to be formed in the spacer 3, and should just be formed in the surface facing the 2nd member 15 mentioned later among the 1st members 14.
- FIG. Further, the spacer 3 only needs to be between the first member 14 and the second member 15, and does not necessarily have to be an outer edge portion.
- the member 4 is not limited to a substantially spherical shape, and may be a protrusion. That is, the structure which has the protrusion which contacts the 1st member 14 or the 2nd member 15 between the 1st member 14 and the 2nd member 15 may be sufficient.
- the second member 15 includes a third substrate 6 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel, and a fourth substrate 7 made of, for example, a silicon substrate. It is configured by combining.
- the shape seen from the upper surface of the second member 15 is substantially fan-shaped as shown in FIG. 1A, and is disposed so as to face the first member 14.
- a fourth substrate 7 made of silicon is attached on the surface of the third substrate 6 that is a part of the second member 15 in the range shown in the region B of FIGS. 1A and 1B and facing the first member 14, for example.
- a fourth substrate 7 made of silicon is attached.
- a plurality of second electrodes 8 are formed on the surface of the fourth substrate 7 facing the first member 14 at intervals similar to the rotation angle of the first electrode 5.
- An electret material 9 is formed on the second electrode 8 side between the first electrode 5 and the second electrode 8.
- the second electrode 8 and the electret material 9 are formed on the first substrate 1 in such a shape that a part of the substantially fan-shaped stripe structure like the first electrode 5 is cut off. It is formed so as to overlap with the electrode.
- Reference numeral 8 in FIG. 1B is a portion where the second electrode 8 and the electret material 9 are formed, and is actually formed on the surface facing the first substrate 1.
- the first member 14 and the second member 15 are connected by a shaft 10 and a bearing 11 in the vicinity of the center of the first member 14. ing.
- the second member 15 has a structure that can rotate relative to the first member 14 in the plane direction of the second member 15 about the shaft 10.
- the second member 15 may be a rotating weight, and is not limited to a fan shape. Moreover, a semicircle may be sufficient. Since the second member 15 is a rotating weight, it is easy to shake even with minute vibrations, and power generation efficiency can be improved.
- the rotary weight refers to the one whose center of gravity is displaced from the rotation axis. The longer the distance from the rotation axis is, the more easily affected by the centrifugal force and the easier it is to absorb vibration energy.
- the shape of the first member 14 viewed from the upper side is substantially circular
- the shape of the second member 15 viewed from the upper side is a shape obtained by removing a part of the first member 14. I am doing.
- the second member 15 functions as a rotary weight that can rotate in the first rotation direction 12 and the second rotation direction 13 about the shaft 10 as a central axis. Since the second member 15 is a weight, it can vibrate efficiently even with a small force.
- the second member 15 when the vibration from the outside is small, the second member 15 is directed to the first rotation direction 12 around the gravity direction (Y-axis direction), and from a certain point to the second rotation direction 13. A pendulum movement like heading. On the other hand, when the vibration from the outside is large, the second member 15 moves so as to continue to rotate in the first rotation direction 12 or the second rotation direction 13.
- the rotational motion corresponding to the external vibration does not occur unlike the second member 15.
- the second electrode 8 when external vibration is applied to the power generation device, the second electrode 8 also rotates in the first rotation direction 12 or the second rotation direction 13 around the shaft 10 in response to the vibration of the second member 15. To do. Then, an increase or decrease occurs in the overlapping area between the first electrode 5 disposed on the fixed first member 14 and the electret material 9 that vibrates in the first rotation direction 12 or the second rotation direction 13. As a result, the charge induced in the second electrode 8 changes. Electricity is generated by taking out the current resulting from the change in the amount of electric charge as electric energy to the outside.
- the power generation device According to the power generation device according to the first embodiment, it is possible to take out the change in the amount of charge generated in the second electrode 8 corresponding to the rotation of the second member 15 as electric energy. Therefore, compared with the prior art, there is an effect that vibrations in all directions in the plane can be efficiently used for power generation.
- the variation of the gap (space) between the first electrode 5 and the electret material 9 facing the first electrode 5 is controlled by the member 4 formed on the spacer 3. be able to.
- the distance between the first electrode 5 and the electret material 9. it is necessary to reduce the distance between the first electrode 5 and the electret material 9.
- the variation of the gap between the first electrode 5 and the electret material 9 is suppressed by the member 4 formed on the spacer 3, and the first electrode 5 and the electret material 9 are prevented from sticking. Is possible.
- the second member 15 can be smoothly rotated by the member 4 formed on the spacer 3. Therefore, there is an effect that a larger amount of power generation can be obtained.
- the friction generated between the second member 15 and the first member 14 is reduced by the bearing structure in which the substantially spherical member 4 is disposed in the groove portion formed in the spacer 3, and the power generation efficiency is reduced. Can be improved.
- the frictional force between the first member 14 and the second member 15 can be reduced even in the state where the Coulomb attractive force is generated between the first electrode 5 and the electret material 9, It can generate electricity more efficiently.
- a protrusion made of a wear-resistant material or a super hard material may be formed as the spacer 3. In addition, this protrusion may be formed on the second member 15.
- the electret material 9 is made of an insulating film such as a silicon oxide film and is covered with an insulating film having a larger tensile stress than the silicon nitride film or the like.
- an insulating film such as a silicon oxide film
- the electret material 9 is arranged on the second member 15, but the electret material 9 may be arranged on the first member 14.
- maintains an electric charge in an insulator
- the thickness is relatively increased, and the distance between the center of the charge and the counter electrode is relatively long, so the power generation efficiency tends to decrease. Therefore, a silicon oxide film having a high withstand voltage is effective and power generation efficiency is increased.
- the distance between the first electrode 5 and the electret material 9 should be short, and is preferably about 50 ⁇ m or less.
- the thickness is about 0.5 ⁇ m
- the distance between the first electrode 5 and the second electrode 8 made of gold, polysilicon, or the like is about 50 ⁇ m or less.
- the second substrate 2 on which the first electrode 5 is formed has a thickness of about 500 ⁇ m
- the diameter of the substantially spherical member 4 is about 200 ⁇ m to 300 ⁇ m
- the first electrode 5 and the electret material 9 having a thickness of about 2 ⁇ m to 3 ⁇ m are preferably about 50 ⁇ m.
- the distance between the first electrode 5 and the electret material 9 can be controlled with high accuracy. For this reason, even if the distance between the first electrode 5 and the electret material 9 is as small as about 50 ⁇ m or less, sticking of both can be prevented.
- these numerical values only exemplify preferable values, and are not limited to these numerical values.
- a first member 14 is formed.
- a first electrode 5 is formed on the second substrate 2 and held on the first substrate 1. Further, the spacer 4 is held on the outer edge portion of the first substrate 1 in a state in which a member 4 made of, for example, a spherical wear-resistant material or a super hard material is incorporated in the groove portion of the spacer 3.
- the second member 15 is formed.
- the second member 15 has a structure for holding the fourth substrate 7 on a part of the third substrate 6.
- a groove is formed in a part of the third substrate 6 and the fourth substrate 7 is fitted.
- the fourth substrate 7 has the shape of the portion represented by the region B in FIG.
- a second electrode 8 is patterned on the fourth substrate 7 as shown in FIG. 1B, and an electret material 9 is formed on the second electrode 8.
- the first member 14 and the second member 15 are connected using the shaft 10 and the bearing 11.
- the shaft 10 and the bearing 11 are used so that the surface of the first member 14 on which the first electrode 5 is formed and the surface of the second member 15 on which the electret material 9 is formed face each other.
- the first member 14 and the second member 15 are connected.
- the third substrate 6 is connected so as to be rotatable relative to the first member 14.
- the power generation device according to the first modification of the first embodiment is viewed from above the first electrode 5, the second electrode 8, and the electret material 9, as compared with the power generation device according to the first embodiment.
- the shape is different, and the other configurations are the same.
- the first electrode 5, the second electrode 8, and the electret material 9 are each formed in a spiral shape.
- the spiral shape is described in the shape of a line for simplification, from the viewpoint of power generation efficiency, the first electrode 5, the second electrode 8, and the electret material 9 are respectively It has a certain width.
- the electrodes are connected in a spiral shape, so there is no need for connection between the respective electrode blocks. There is an effect that it can be easily connected to the external wiring at the outer peripheral portion.
- the power generation device according to the second modification of the first embodiment is viewed from above the first electrode 5, the second electrode 8, and the electret material 9, as compared with the power generation device according to the first embodiment.
- the shape is different, and the other configurations are the same.
- the first electrode 5, the second electrode 8, and the electret material 9 may be arranged in a zigzag shape as a block shape.
- the block-shaped first electrode 5, the block-shaped second electrode 8, and the block-shaped electret material 9 each extend from the vicinity of the center (rotation axis) of the first member 14 toward the outer peripheral direction. A plurality of them will be arranged.
- the 2nd electrode 8 and the electret material 9 are arrange
- the present invention is not limited to the above embodiment. Furthermore, it is also possible to combine each embodiment and modification suitably.
- the electret material 9 demonstrated the structure arrange
- FIGS. 8 and 9 A power generation device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9. Moreover, in the following embodiment of this invention, the material and numerical value which are used only have illustrated the preferable example, and are not limited to this form. In addition, changes can be made as appropriate without departing from the scope of the idea of the present invention.
- the first member 42 includes the first substrate 21, the second substrate 22, and the first member.
- the spacer 23 is constituted.
- the second member 43 includes a third substrate 25, a fourth substrate 26, and a fifth substrate 27.
- the third member 44 includes a sixth substrate 28, a seventh substrate 29, and a second spacer 30. Details of the first member 42, the second member 43, and the third member 44 will be described later.
- the shapes of the first member 42 and the third member 44 viewed from above are substantially circular, respectively.
- the shape of the member 43 viewed from above is a shape obtained by removing a part from the first member 42 or the third member 44, and is substantially fan-shaped.
- FIG. 9A is a diagram in which the third member 44 is omitted.
- the first member 42, the second member 43, and the third member 44 are the centers of the first member 42 and the third member 44.
- the shaft 38 and the bearing 39 are connected in the vicinity.
- the second member 43 has a structure that can rotate relative to the first member 42 and the third member 44 in the plane direction of the second member 43 around the shaft 38. Have.
- the second member 43 is not limited to a fan shape. For example, a semicircle may be sufficient. Further, the second member 43 may be a rotary weight. Since the second member 43 is a rotary weight, it is easy to shake even a minute vibration, and the power generation efficiency is improved.
- the rotary weight refers to the one whose center of gravity is displaced from the rotation axis. The longer the distance from the rotation axis is, the more easily affected by the centrifugal force and the easier it is to absorb vibration energy.
- the first member 42 includes, for example, a first substrate 21 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel, a second substrate 22 that is a printed circuit board, and the like.
- the first spacer 23 is made of a stainless steel alloy containing chromium and nickel and has a groove. The first spacer 23 is held on the surface where the first member 42 and the second member 43 are opposed to each other and on the outer edge portion of the first member 42. Further, the member 24 is disposed in the groove portion of the first spacer 23 so as to contact the groove portion.
- the member 24 is preferably a substantially spherical member that can rotate.
- the member 24 is preferably made of a wear-resistant material or a cemented carbide material, and is usually made of a material such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , ZrO 2, or tungsten carbide. Since the member 24 is substantially spherical, the second member 43 has reduced friction due to rotation and can improve power generation efficiency. In addition, since the member 24 is made of a wear-resistant material or a cemented carbide material, a structure that is more resistant to friction and has higher durability can be obtained.
- the groove formed in the first spacer 23 has a length corresponding to a certain range along the outer edge of the first member 42 when viewed from above, and the member 24 is a substantially spherical member. In some cases, it is preferable to be able to move while rotating between the ranges. Moreover, it is preferable that there are a plurality of such groove portions according to the number of members 24.
- the shape of the first member 42 viewed from above is circular, the groove formed in the first spacer 23 has an arc shape.
- the structure in which the substantially spherical member 24 is combined with the groove portion of the first spacer 23 in this way can also be called a bearing structure.
- the bearing structure only needs to be able to rotate the substantially spherical member 24 and may be, for example, a cylinder, and is not limited to the configuration of the present embodiment. Further, the first spacer 23 in which the member 24 is disposed in the groove portion may be formed on the second member 43.
- groove part does not necessarily need to be formed in the 1st spacer 23, and should just be formed in the surface facing the 2nd member 43 among the 1st members 42.
- first spacer 23 may be provided between the first member 42 and the second member 43 and is not necessarily an outer edge portion.
- the member 24 is not limited to a substantially spherical shape, and may be a protrusion. In other words, a structure having a protrusion that contacts the first member 42 or the second member 43 between the first member 42 and the second member 43 may be used.
- the second member 43 includes a third substrate 25 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel, and a fourth substrate 26 made of, for example, a silicon substrate. And, for example, a fifth substrate 27 made of a silicon substrate or the like.
- the fourth substrate 26 is held on the surface of the third substrate 25 and on the side facing the first member 42.
- the fifth substrate 27 is held on the surface of the third substrate 25 and on the side facing the third member 44.
- the fourth substrate 26 and the fifth substrate 27 are respectively held below the portion shown as the region B in FIGS. 8B and 9A in the substantially fan-shaped third substrate 25. Yes.
- the third member 44 includes, for example, a sixth substrate 28 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel, and a seventh substrate 29, which is a printed circuit board.
- the second spacer 30 is made of a stainless steel alloy containing chromium and nickel and has a groove. The second spacer 30 is held on the surface where the second member 43 and the third member 44 face each other and on the outer edge of the third member 44.
- the member 31 is disposed in the groove portion of the second spacer 30 so as to contact the groove portion.
- the member 31 is preferably a rotatable substantially spherical member.
- the member 31 is preferably made of a wear-resistant material or a cemented carbide material, and is usually made of a material such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , ZrO 2 or tungsten carbide. Since the member 31 has a substantially spherical shape, the second member 43 can reduce friction due to rotation and improve power generation efficiency. Further, since the member 31 is made of a wear-resistant material or a cemented carbide material, a structure that is more resistant to friction and has high durability can be obtained.
- the groove formed in the second spacer 30 has a length corresponding to a certain range along the outer edge of the third member 44 when viewed from above, and the member 31 is a substantially spherical member. In some cases, it is preferable to be able to move while rotating between the ranges. Further, it is preferable that there are a plurality of such groove portions according to the number of members 31.
- the shape of the third member 44 viewed from above is circular, the groove formed in the second spacer 30 has an arc shape.
- the structure in which the substantially spherical member 31 is combined with the groove portion of the second spacer 30 in this way can also be called a bearing structure.
- the bearing structure only needs to be able to rotate the substantially spherical member 31 and may be, for example, a cylinder, and is not limited to the configuration of the present embodiment.
- the second spacer 30 in which the member 31 is disposed in the groove portion may be formed on the second member 43.
- the groove portion is not necessarily formed in the second spacer 30, and may be formed in a surface of the third member 44 that faces the second member 43.
- the second spacer 30 only needs to be between the second member 43 and the third member 44, and does not necessarily have to be an outer edge portion.
- the member 31 is not limited to a substantially spherical shape, and may be a protrusion. That is, a structure having a protrusion that contacts the second member 43 or the third member 44 between the second member 43 and the third member 44 may be employed.
- the surface of the second substrate 22 that is a part of the first member 42 faces the second member 43, as shown in FIGS. 8B and 9A.
- a plurality of substantially fan-shaped first electrodes 32 extending toward the surface are formed at intervals of a certain rotation angle. Note that a plurality of substantially fan-shaped first electrodes 32 are preferably formed from the viewpoint of power generation efficiency, but may be one.
- the second electrode 33 On the surface of the fourth substrate 26, which is a part of the second member 43, facing the first member 42, the second electrode 33 is spaced at the same rotation angle as the first electrode 32. Is formed.
- a first electret material 34 is formed on the second electrode 33 side between the first electrode 32 and the second electrode 33.
- the second electrode 33 and the first electret material 34 formed on the second electrode 33 have a shape that is partly cut out of a substantially fan-shaped stripe structure like the first electrode 32, A second electrode 33 and a first electret material 34 are formed so as to overlap the first electrode 32 formed on the first member 42.
- Reference numerals 13 and 14 in FIG. 9A are portions where the second electrode 33 and the first electret material 34 are formed, and are actually formed on the surface facing the first member 42. .
- the surface of the fifth substrate 27, which is a part of the second member 43, that faces the third member 44 is spaced by the same rotation angle as that of the fourth electrode 37 to be described later.
- An electrode 35 is formed.
- a second electret material 36 is formed on the third electrode 35 side between the third electrode 35 and a fourth electrode 37 disposed on a third member 44 described later.
- the third electrode 35 and the second electret material 36 formed on the third electrode 35 have a shape in which a part of a substantially fan-shaped stripe structure such as a fourth electrode 37 described later is cut off.
- the third electrode 35 and the second electret material 36 are formed so as to overlap with the fourth electrode 37 formed on the third member 44.
- Reference numerals 15 and 16 in FIG. 9A are portions where the third electrode 35 and the second electret material 36 are formed, and are actually formed on the surface facing the third member 44. .
- a fourth electrode 37 is formed on the surface of the seventh substrate 29, which is a part of the third member 44, facing the second member 43 so as to have the same shape as the first electrode 32.
- a plurality of fourth electrodes 37 be formed with an interval corresponding to the rotation angle similar to that of the first electrode 32, but the interval corresponding to the rotation angle similar to that of the third electrode 35 is increased. If it is formed, it does not matter.
- the second member 43 is rotated about the shaft 38 to thereby form the first electrode 32 forming portion, the fourth electrode 37 forming portion, the first electret material 34 forming portion, and the second electret.
- the overlapping portion with the forming portion of the material 36 moves away, and when it deviates by a certain rotation angle, it overlaps again.
- the first member 42 is composed of the first substrate 21, the second substrate 22, and the first spacer 23, but the configuration of the first member 42 is the same. It is not limited. That is, it may be composed of a single substrate, or may be composed of two or more substrates or spacers.
- the 2nd member 43 may be comprised by one board
- the third member 44 may be constituted by one substrate, or may be constituted by two or more substrates or spacers.
- the members 24 and 31 are formed on the first member 42 and the third member 44, respectively, but may be formed on the second member 43.
- the shape of the first member 42 and the third member 44 viewed from the upper side is substantially circular, and the shape of the second member 43 viewed from the upper side is the first member 42 or the first member 42.
- the shape is such that a part of the third member 44 is removed.
- the second member 43 is rotatable in the first rotation direction 40 and the second rotation direction 41 about the shaft 38 as a central axis.
- the second member 43 may be a rotary weight. Since the second member 43 is a weight, it can vibrate efficiently even with a small force.
- the second member 43 when the vibration from the outside is small, the second member 43 is directed to the first rotation direction 40 around the gravitational direction (Y-axis direction) and from a certain point to the second rotation direction 41. A pendulum movement like heading. On the other hand, when the vibration from the outside is large, the second member 43 moves so as to continue to rotate in the first rotation direction 40 or the second rotation direction 41.
- the second electrode 33 when external vibration is applied to the power generation device, the second electrode 33 also rotates in the first rotation direction 40 or the second rotation direction 41 around the shaft 38 in response to the vibration of the second member 43. To do. Then, the first electrode 32 disposed on the fixed first member 42 and the fourth electrode 37 disposed on the third member 44 and the first rotation direction 40 or the second rotation. Since the overlapping area of the first electret material 34 and the second electret material 36 that vibrates in the direction 41 is increased or decreased, the charge induced in the first electrode 32 and the fourth electrode 37 is changed. Become. Electricity is generated by taking out the current resulting from the change in the amount of electric charge as electric energy to the outside.
- the power generation device According to the power generation device according to the second embodiment, it is possible to take out the change in the amount of charge generated in the first electrode 32 and the fourth electrode 37 corresponding to the rotation of the second member 43 as electric energy. . Therefore, compared with the prior art, there is an effect that vibrations in all directions in the plane can be efficiently used for power generation.
- the electrode and the electret material are arranged not only on one side of the second member 43 but also on both sides, the electrode or electret material is provided only on one side of the second member 43. There is an effect that the amount of power generation can be increased compared to when the is formed.
- the 1st electrode 32 and the 1st electret material which opposes it is possible to control the variation of the gap (space) with respect to 34. Similarly, the fluctuation of the gap between the fourth electrode 37 and the second electret material 36 facing the fourth electrode 37 can be controlled. In order to reduce the size and increase the amount of power generation, it is necessary to reduce the distance between the first electrode 32 and the first electret material 34 or the distance between the fourth electrode 37 and the second electret material 36. Become.
- the members 24 and 31 formed on the first spacer 23 and the second spacer 30 suppress the fluctuation of the gap between the electrode and the electret material, and prevent the electrode and the electret material from sticking to each other. It becomes possible.
- the Coulomb force which arises between the 1st electrode 32 and the 1st electret material 34 The Coulomb force generated in Therefore, the first electrode 32 and the first electret material 34 can be prevented from sticking, and the fourth electrode 37 and the second electret material 36 can be prevented from sticking.
- the second member 43 can be smoothly rotated by the members 24 and 31 formed on the first spacer 23 and the second spacer 30. . Therefore, there is an effect that a larger amount of power generation can be obtained.
- a bearing structure in which a substantially spherical member is arranged in a groove formed in the spacer portion, or between the second member 43 and the first member 42 or the second member 43 and the third member. It is possible to reduce the rotational friction generated between the motor 44 and the power generation efficiency.
- the first electret material 34 and the second electret material 36 are made of an insulating film such as a silicon oxide film, for example, and are covered with an insulating film having a larger tensile stress than the electret material such as a silicon nitride film. Is preferred.
- an insulating film having a larger tensile stress than the electret material such as a silicon nitride film.
- the silicon oxide film By covering the silicon oxide film with the silicon nitride film, it is possible to make it difficult for the charge injected into the silicon oxide film portion to escape and to improve the power generation efficiency. In order to make it difficult for the charge to escape, it is preferable that the side surface, the lower surface and the upper surface of the electret material are completely covered with the silicon nitride film.
- first electret material 34 and the second electret material 36 may be formed of, for example, a lead zirconate titanate (PZT) film instead of a silicon oxide film. Since PZT has ferroelectric characteristics, it becomes an electret material when polarized. Since charges exist on the outermost surface of the PZT film, the center of charge is closest to the opposing electrode. As a result, the amount of charge obtained by electrostatic induction increases, and the power generation efficiency can be improved.
- PZT lead zirconate titanate
- the first electret material 34 and the second electret material 36 are arranged on the second member 43, but the first electret material 34 and the third member 44 are arranged on the first electret material 34 and the third member 44.
- the second electret material 36 may be disposed.
- the electret material is a material that retains electric charge in an insulator, it cannot retain electric charge exceeding the dielectric strength voltage of the material. Therefore, it is necessary to control the thickness in accordance with the necessary charge amount. In a material with a low withstand voltage, the thickness is relatively increased, and the distance between the center of the charge and the counter electrode is relatively long, so the power generation efficiency tends to decrease. Therefore, a silicon oxide film having a high withstand voltage is effective and power generation efficiency is increased.
- the distance between the first electrode 32 and the fourth electrode 37 and the first electret material 34 and the second electret material 36 should be short, and should be about 50 ⁇ m or less. Is preferred.
- the thickness is about 0.5 ⁇ m
- the distance between the first electrode 32 and the second electrode 33 made of gold, polysilicon, etc. and the thickness is 0.5 ⁇ m, respectively.
- the distance between the third electrode 35 and the fourth electrode 37, each of which is made of gold, polysilicon, or the like is about 50 ⁇ m or less.
- the second substrate 22 on which the first electrode 32 is formed has a thickness of about 500 ⁇ m
- the seventh substrate 29 on which the fourth electrode 37 is formed has a thickness of about 500 ⁇ m.
- the diameter of the substantially spherical members 24 and 31 is about 200 ⁇ m to 300 ⁇ m
- the distance between the first electrode 32 and the first electret material 34 having a thickness of about 2 ⁇ m to 3 ⁇ m is about 50 ⁇ m
- the distance between the electrode 37 and the second electret material 36 having a thickness of about 2 ⁇ m to 3 ⁇ m is preferably about 50 ⁇ m.
- the distance between the electrode and the electret material can be accurately controlled. Therefore, even when the distance between the electrode and the electret material is as small as about 50 ⁇ m or less, sticking of both can be prevented.
- these numerical values only exemplify preferable values, and are not limited to these numerical values.
- a first member 42 is formed.
- the first electrode 32 is formed on the second substrate 22 and is held on the first substrate 21.
- a groove is formed in a part of the first substrate 21 and the second substrate 22 is fitted.
- a substantially spherical member 24 made of, for example, an abrasion-resistant material or a super hard material is incorporated in the groove portion of the first spacer 23, and is held on the outer edge portion of the first substrate 21.
- a third member 44 is formed.
- a fourth electrode 37 is formed on the seventh substrate 29 and held on the sixth substrate 28.
- a groove is formed in a part of the sixth substrate 28 and the seventh substrate 29 is fitted.
- the substantially spherical member 31 made of, for example, an abrasion-resistant material or a super hard material is incorporated in the groove portion of the second spacer 30 and is held on the outer edge portion of the sixth substrate 28.
- the second member 43 is formed.
- the second member 43 has a structure for holding the fourth substrate 26 on a part of the third substrate 25.
- a fifth substrate 27 is held on the surface of the third substrate 25 opposite to the surface holding the fourth substrate 26.
- the fourth substrate 26 has the same shape as the portion represented as the region B in FIG.
- a second electrode 33 is formed on the fourth substrate 26 as shown in FIG. 9A, and a first electret material 34 is formed on the second electrode 33.
- a third electrode 35 and a second electret material 36 are sequentially formed on the fifth substrate 27.
- the shape of the electrode formed on the fourth substrate 26 and the shape of the electrode formed on the fifth substrate 27 are substantially equal.
- the first member 42, the second member 43, and the third member 44 are connected using the shaft 38 and the bearing 39.
- the surface of the first member 42 on which the electrode is formed and the surface of the third member 44 on which the electrode is formed are opposed to the second member 43, respectively.
- the second member 43 is sandwiched by the first member 42 and the third member 44, and the first member 42, the second member 43, and the third member 44 are coupled by the shaft 38 and the bearing 39. Connect. At this time, the second member 43 is connected so that it can rotate relatively in parallel to the first member 42 and the third member 44.
- the power generation device according to the first modification of the second embodiment is different from the power generation device according to the second embodiment in the arrangement of electrodes and the arrangement of electret materials, and the other configurations are the same.
- substantially fan-shaped first electrodes 32 as shown in FIG. 9A are formed in stripes at intervals of a certain rotation angle.
- substantially fan-shaped fourth electrodes 37 are striped at intervals of a fixed rotation angle. It is formed in a shape.
- the first member 42 and the third member 44 are respectively fixed, and the second member 43 is rotatable relative to the first member 42 and the third member 44 in the planar direction.
- the first member 42 and the third member 44 are fixed by being shifted by a certain rotation angle so that the first electrode 32 and the fourth electrode 37 do not just overlap.
- the first electrode 32, the second electrode 33, the third electrode 35, the first electret material 34, and the second electret material 36 are arranged to overlap, but only the fourth electrode 37 is provided. These are arranged so as to deviate from these.
- the electrode and the electret material are arranged as described above, as shown in FIG. 15, when the first electrode 32 and the second electrode 33 are just overlapping each other and facing each other, the third electrode 35. And the fourth electrode 37 are shifted by a certain rotation angle. Conversely, when the third electrode 35 and the fourth electrode 37 are just overlapped and opposed to each other, the first electrode 32 and the second electrode 33 are in a state of being shifted by a certain rotation angle.
- the force acting between the first electrode 32 and the second electrode 33 when the first electrode 32 and the second electrode 33 are just overlapped, the force acting between the first electrode 32 and the second electrode 33. becomes vertical and stable.
- the third electrode 35 and the fourth electrode 37 are shifted by a certain rotation angle, the second electrode is disposed on the left and right sides of the surface facing the one of the fourth electrodes 37, respectively.
- the electret material 36 exists. For this reason, the force acting between one of the fourth electrodes 37 and the second electret material 36 is not in the vertical direction, but is in an unstable state. Therefore, since it is pulled to the left or right only by giving a weak vibration, the rotational movement is aided, and the power generation efficiency can be improved.
- FIG. 15 shows a state in which the position of the fourth electrode 37 is completely deviated from the positions of the third electrode 35 and the second electret material 36. I do not care.
- the position of the fourth electrode 37 and the positions of the third electrode 35 and the second electret material 36 are shifted from each other.
- the position of the first electrode 32 and the second electrode The positions of 33 and the first electret material 34 may be shifted.
- the power generation device according to the second modification of the second embodiment has different shapes when the electrode and the electret material are viewed from above, and other structures are as follows. It is the same.
- the electrodes and electret materials may be arranged in a zigzag shape as block shapes.
- the block-shaped first electrode 32, the block-shaped second electrode 33, and the block-shaped first electret material 34 are respectively A plurality of members 42 are arranged so as to extend from the vicinity of the center (rotating shaft) of one member 42 toward the outer peripheral direction. Moreover, the 2nd electrode 33 and the 1st electret material 34 are arrange
- the block-shaped third electrode 35, the block-shaped fourth electrode 37, and the block-shaped second electret material 36 are respectively third.
- a plurality of members 44 are arranged so as to extend from the vicinity of the center (rotation axis) of the member 44 toward the outer periphery.
- the 3rd electrode 35 and the 2nd electret material 36 are arrange
- FIG. 16 is a schematic plan view in which the third member 44 is omitted.
- the power generation device according to the third modification example of the second embodiment has different shapes when the electrode and the electret material are viewed from above, and other configurations are as follows. The same.
- the electrode and electret material are each formed in a spiral shape.
- the spiral shape is illustrated as a line, but from the viewpoint of power generation efficiency, the electrode and the electret material each have a certain width.
- the electrodes and electret material are continuous in a spiral shape, so there is no need to connect each electrode block, and it is easy to connect to external wiring at the outermost periphery. There is an effect that can.
- this invention is not limited to 2nd Embodiment and its modification. Furthermore, it is also possible to combine each embodiment and modification suitably.
- the 1st electret material 34 is arrange
- the configuration disposed between the first electrode 32 and the fourth electrode 37 has been described. However, between the first electrode 32 and the second electrode 33 or between the third electrode 35 and the fourth electrode 37. If there is a charge supply mechanism that can supply charges from the outside, it is not always necessary. However, a large amount of charge needs to be supplied between the electrodes. Therefore, from the viewpoint, it is preferable that the electret material is disposed between the respective electrodes.
- FIGS. 18 and 19 A power generation device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 18 and 19. Moreover, in the following embodiment of this invention, the material and numerical value which are used only have illustrated the preferable example, and are not limited to this form. In addition, changes can be made as appropriate without departing from the scope of the idea of the present invention.
- the first member 65 includes a first substrate 51 and a second substrate 52.
- the second member 64 includes a third substrate 53 and a fourth substrate 54. Details of the first member 65 and the second member 64 will be described later.
- the shape of the first member 65 viewed from above is substantially circular
- the shape of the second member 64 viewed from above is substantially circular. It is a substantially sector shape formed of a part of a substantially circular shape having a radius larger than the radius of a certain first member 65.
- the first member 65 and the second member 64 are connected by a shaft 60 and a bearing 61 in the vicinity of the center of the first member 65.
- the second member 64 has a structure rotatable about the shaft 60 in the plane direction relative to the first member 65 in the surface direction of the second member 64.
- the first member 65 When the first member 65 and the second member 64 are connected by the shaft 60, the first member 65 is disposed in a groove part that is partially hollowed out from the second member 64. That is, when the first member 65 and the second member 64 are combined, the first member 65 is located on the inner side of the second member 64 as shown in FIG. Placed in.
- the second member 64 is not limited to a fan shape.
- a semicircle may be sufficient.
- the second member 64 is preferably a rotary weight.
- the rotary weight refers to the one whose center of gravity is displaced from the rotation axis. The longer the distance from the rotation axis is, the more easily affected by the centrifugal force and the easier it is to absorb vibration energy. Since the second member 64 is a rotating weight, it is easy to shake even with minute vibrations, and power generation efficiency is improved. That is, the power generation efficiency increases as the distance that the position of the center of gravity of the second member 64 deviates from the rotation axis increases.
- the second member 64 may be a weight that is circular or fan-shaped when viewed from above, and whose center of gravity is offset from the rotation axis. For example, the structure which added the weight to the outer edge part of the 2nd member 64 may be sufficient.
- the first member 65 is a combination of a first substrate 51 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel, and a second substrate 52 that is, for example, a printed circuit board. It is configured.
- the second member 64 is configured by combining a third substrate 53 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel and a fourth substrate 54 that is, for example, a printed board.
- the fourth substrate 54 is held on the surface of the third substrate 53 and on the side facing the first member 65. Further, the fourth substrate 54 is held in a portion of the third substrate 53 shown as a region B in FIGS. 18A and 18B.
- the surface of the second substrate 52 which is a part of the first member 65, faces the second member 64, as shown in FIGS. 18A and 18B.
- a plurality of substantially fan-shaped first electrodes 55 extending toward the surface are formed at intervals of a certain rotation angle. Note that a plurality of substantially fan-shaped first electrodes 55 are preferably formed from the viewpoint of power generation efficiency, but may be one.
- the second electrode 56 On the surface of the fourth substrate 54, which is a part of the second member 64, facing the first member 65, the second electrode 56 is spaced at the same rotational angle as the first electrode 55. Is formed.
- An electret material 57 is formed on the second electrode 56 side between the first electrode 55 and the second electrode 56.
- the second electrode 56 and the electret material 57 formed on the second electrode 56 have a shape in which a part of a substantially fan-shaped stripe structure such as the first electrode 55 is cut out, and the first member.
- a second electrode 56 and an electret material 57 are formed so as to overlap the first electrode 55 formed on 65.
- Reference numerals 6 and 7 in FIG. 18B are portions where the second electrode 56 and the electret material 57 are formed, and are actually formed on the surface facing the first member 65.
- the first member 65 includes the first substrate 51 and the second substrate 52 has been described.
- the configuration of the first member 65 is not limited thereto. That is, it may be composed of a single substrate, or may be composed of two or more substrates or spacers.
- the second member 64 may be constituted by one substrate, or may be constituted by two or more substrates or spacers.
- a third member that contacts the first member 65 or the second member 64 may be disposed between the first member 65 and the second member 64.
- the protrusion is formed as the third member on the outer edge of the first member 65 and on the surface facing the second member 64.
- the thickness of the protrusion is preferably larger than the thickness obtained by adding the thicknesses of the first electrode 55, the fourth substrate 54, the second electrode 56, and the electret material 57.
- the third member is formed of a substantially spherical shape that can rotate.
- the second member 64 is composed of the third substrate 53 and the fourth substrate, as shown in FIG. 54 and a spacer 58, and a groove is formed in the spacer 58.
- a substantially spherical member 59 is in contact with the groove.
- the member 59 is preferably made of a wear-resistant material or a cemented carbide material, and is usually made of a material such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , ZrO 2 or tungsten carbide. Since the member 59 has a substantially spherical shape, the second member 64 can reduce friction due to rotation and improve power generation efficiency. Further, since the member 59 is made of a wear-resistant material or a super hard material, a structure that is more resistant to friction and has higher durability can be obtained.
- the groove formed in the spacer 58 has a length corresponding to a certain range along the outer edge of the first member 65 when viewed from the lower side, and the member 59 is a substantially spherical member. Is preferably movable while rotating between the ranges. Further, it is preferable that there are a plurality of such groove portions according to the number of members 59.
- the shape of the first member 65 viewed from above is circular
- the groove formed in the spacer 58 has an arc shape.
- the structure in which the substantially spherical member 59 is combined with the groove portion of the spacer 58 in this way can also be called a bearing structure.
- the bearing structure only needs to be able to rotate the substantially spherical member 59, and may be a cylinder, for example, and is not limited to the configuration of the present embodiment. Further, the spacer 58 in which the member 59 is disposed in the groove portion may be formed in the first member 65.
- the groove part does not necessarily need to be formed in the spacer 58, and may be formed on the surface of the first member 65 that faces the second member 64.
- the spacer 58 may be provided between the first member 65 and the second member 64 and may not necessarily be the outer edge portion.
- the electret material 57 is preferably made of an insulating film such as a silicon oxide film, and is preferably covered with an insulating film having a larger tensile stress than the electret material 57 such as a silicon nitride film.
- an insulating film having a larger tensile stress than the electret material 57 such as a silicon nitride film.
- the electret material 57 may be formed of, for example, a lead zirconate titanate (PZT) film instead of a silicon oxide film. Since PZT has ferroelectric characteristics, it becomes an electret material when polarized. Since charges exist on the outermost surface of the PZT film, the center of charge is closest to the opposing electrode. As a result, the amount of charge obtained by electrostatic induction increases, and the power generation efficiency can be improved.
- PZT lead zirconate titanate
- the electret material 57 is disposed on the second member 64, but the electret material 57 may be disposed on the first member 65.
- the electret material is a material that retains electric charge in an insulator, it cannot retain electric charge exceeding the dielectric strength voltage of the material. Therefore, it is necessary to control the thickness in accordance with the necessary charge amount. In a material with a low withstand voltage, the thickness is relatively increased, and the distance between the center of the charge and the counter electrode is relatively long, so the power generation efficiency tends to decrease. Therefore, a silicon oxide film having a high withstand voltage is effective and power generation efficiency is increased.
- the distance between the first electrode 55 and the electret material 57 having a thickness of about 2 ⁇ m to 3 ⁇ m is preferably short, and is preferably about 50 ⁇ m or less.
- the thickness is preferably about 0.5 ⁇ m
- the distance between the first electrode 55 and the second electrode 56 each made of gold, polysilicon, or the like is preferably about 50 ⁇ m or less.
- these numerical values only exemplify preferable values, and are not limited to these numerical values.
- the shape of the first member 65 viewed from the upper side is substantially circular, and the shape of the second member 64 viewed from the upper side is larger than the radius of the first member 65 that is substantially circular. It is a substantially sector shape consisting of a part of a substantially circular shape with a large radius.
- the second member 64 is rotatable in the first rotation direction 62 and the second rotation direction 63 with the shaft 60 as a central axis.
- the second member 64 is preferably a rotary weight. Since the second member 64 is a weight, it can vibrate efficiently even with a small force.
- the second member 64 when the vibration from the outside is small, the second member 64 is directed to the first rotation direction 62 around the gravity direction (Y-axis direction), and from a certain point to the second rotation direction 63. A pendulum movement like heading. On the other hand, when the vibration from the outside is large, the second member 64 moves so as to continue to rotate in the first rotation direction 62 or the second rotation direction 63.
- the rotational motion corresponding to the external vibration does not occur unlike the second member 64.
- the second electrode 56 when external vibration is applied to the power generation device, the second electrode 56 also rotates in the first rotation direction 62 or the second rotation direction 63 around the shaft 60 in response to the vibration of the second member 64. To do. Then, an increase or decrease occurs in the overlapping area between the first electrode 55 disposed on the fixed first member 65 and the electret material 57 that vibrates in the first rotation direction 62 or the second rotation direction 63. Therefore, the charge induced in the first electrode 55 changes. Electricity is generated by taking out the current resulting from the change in the amount of electric charge as electric energy to the outside.
- the power generation device it is possible to take out the change in the amount of charge generated in the first electrode 55 corresponding to the rotation of the second member 64 as electric energy. Therefore, compared with the prior art, there is an effect that vibrations in all directions within the plane can be used for power generation.
- the 2nd member 64 is substantially fan shape, and since the 2nd member 64 exists to the outer side rather than the 1st member 65, The center of gravity of the second member 64 is closer to the outer edge than the shaft 60, and there is an effect that power can be generated efficiently.
- FIG. 21A shows a second example in which the apex of the substantially fan-shaped second member 64 (the portion facing the vicinity of the center of the first member 65) and the center of the substantially circular first member 65 are overlapped.
- the member 64 is projected on the first member 65.
- FIG. 21B shows an overlapping portion 70 between the first member 65 and the portion where the second member 64 is projected from the top toward the first member 65 as shown in FIG. ing.
- the center of gravity of the overlapping portion 70 is located at reference numeral 71.
- the center of gravity of the second member 64 is located at 72.
- the distance from the top of the substantially fan-shaped second member 64 to the center of gravity 72 is longer than the distance from the top of the substantially sector-shaped overlapping portion 70 (near the center of the first member 65) to the center of gravity 71. Therefore, the center of gravity 72 of the second member 64 is closer to the outer edge than the shaft 60. Thus, the closer the center of gravity 72 of the second member 64 is to the outer edge of the second member 64, the more easily affected by the centrifugal force when the second member 64 rotates and absorbs vibration energy. It becomes easy to do. Therefore, power generation efficiency can be improved.
- a first member 65 is formed.
- a first electrode 55 is formed on the second substrate 52 and is held on the first substrate 51.
- the second member 64 is formed.
- a second electrode 56 is formed on the fourth substrate 54, and an electret material 57 is formed on the second electrode 56, and is held on the third substrate 53.
- the third substrate 53 has a structure in which a groove portion is formed by hollowing out an area equal to or larger than the area of the first member 65 from a substantially circular shape having a radius larger than that of the substantially circular first member 65. , A substantially circular shape obtained by cutting out a certain angle of the substantially circular shape.
- the fourth substrate 54 has a shape of a portion represented as a region B in FIG.
- the first member 65 and the second member 64 are connected using the shaft 60 and the bearing 61.
- the surface of the first member 65 described above where the first electrode 55 is formed is opposed to the surface of the second member 64 where the second electrode 56 and the electret material 57 are formed.
- the second member 64 is connected so as to be rotatable in the plane direction relative to the first member 65.
- the power generation device according to the first modification of the third embodiment is different from the power generation device according to the third embodiment in the configuration of the second member 64, and the other configurations are the same.
- the configuration of the second member 64 includes a third substrate 53, a fourth substrate 54, and a weight 66.
- the shape of the second member 64 is the same as that of the power generation device according to the third embodiment, but is made of a material having a mass larger than that of the portion corresponding to the outer edge portion of the third substrate 53 in the third embodiment.
- a weight 56 is added to the outer edge of the third substrate 53.
- the vicinity of the outer edge portion of the third substrate 53 (second member 64) It has a structure with a large mass per unit volume.
- the center of gravity of the second member 64 is inclined in the direction of the outer edge portion, and it is easy to shake even with minute vibrations, which has the effect of improving power generation efficiency.
- the power generation device according to the second modification example of the third embodiment is different from the power generation device according to the first modification example of the third embodiment in the position of the weight 56, and the other configurations are the same. is there.
- the weight 56 is provided at a position that extends in the plane direction of the third substrate 53. Even if it is such a form, it is possible to acquire the effect similar to the electric power generating apparatus which concerns on the 1st modification of 3rd Embodiment.
- the power generator according to the third modification of the third embodiment is different from the power generator according to the third embodiment in the arrangement of the first electrode 55, the second electrode 56, and the electret material 57, Other configurations are the same.
- the shapes of the first electrode 55, the second electrode 56, and the electret material 57 may be arranged in a zigzag shape as a block shape.
- each of the block-shaped first electrode 55, the block-shaped second electrode 56, and the block-shaped electret material 57 is the first member.
- a plurality are arranged so as to extend from the vicinity of the center (rotation axis) of 65 toward the outer peripheral direction.
- the second electrode 56 and the electret material 57 formed thereon are arranged to face each other so as to overlap the first electrode 55.
- the fourth substrate 54, the second electrode 56 and the electret material 57 formed thereon are arranged in the range of the region B shown in FIG. Actually, the fourth substrate 54 is disposed on the surface of the second member 64 that faces the first member 65.
- the power generation device according to the fourth modification of the third embodiment viewed the first electrode 55, the second electrode 56, and the electret material 57 from above.
- the shape is different, and the other configurations are the same.
- the first electrode 55, the second electrode 56, and the electret material 57 are each formed in a spiral shape.
- the spiral shape is shown in a linear shape.
- the first electrode 55, the second electrode 56, and the electret material 57 each have a certain amount. Have a width.
- the electrodes and electret material are continuous in a spiral shape, so there is no need to connect each electrode block, and it is easy to connect to external wiring at the outermost periphery. There is an effect that can.
- the first member 65 includes a first substrate 51 and a second substrate 52.
- the second member 64 includes a third substrate 53, a fourth substrate 54, and a weight 66. Details of the first member 65 and the second member 64 will be described later.
- the shape of the first member 65 viewed from above is substantially circular, and the shape of the second member 64 viewed from above is substantially circular. It is a substantially sector shape obtained by cutting a certain angle from one member 65.
- the first member 65 and the second member 64 are connected by a shaft 60 and a bearing 61 in the vicinity of the center of the first member 65.
- the second member 64 has a structure rotatable about the shaft 60 in the plane direction relative to the first member 65 in the surface direction of the second member 64.
- the second member 64 is not limited to a fan shape.
- a semicircle may be sufficient.
- the first member 65 is a combination of a first substrate 51 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel, and a second substrate 52, for example, a printed circuit board. It is configured.
- the second member 64 is configured by combining a third substrate 53 made of, for example, a stainless alloy containing chromium and nickel, a fourth substrate 54 that is, for example, a printed circuit board, and a weight 66. .
- the weight 56 is made of a material having a mass larger than that of the third substrate 53, and is added to the outer edge portion of the third substrate 53.
- the fourth substrate 54 is held on the surface of the third substrate 53 and on the side facing the first member 65. Furthermore, the fourth substrate 54 is held in a portion shown as a region B in FIGS. 30A and 30B in the substantially fan-shaped third substrate 53.
- the surface of the second substrate 52 which is a part of the first member 65, faces the second member 64.
- a plurality of substantially fan-shaped first electrodes 55 extending toward the surface are formed at intervals of a certain rotation angle. Note that a plurality of substantially fan-shaped first electrodes 55 are preferably formed from the viewpoint of power generation efficiency, but may be one.
- the second electrode 56 On the surface of the fourth substrate 54, which is a part of the second member 64, facing the first member 65, the second electrode 56 is spaced at the same rotational angle as the first electrode 55. Is formed.
- An electret material 57 is formed on the second electrode 56 side between the first electrode 55 and the second electrode 56.
- the second electrode 56 and the electret material 57 formed on the second electrode 56 have a shape in which a part of a substantially fan-shaped stripe structure such as the first electrode 55 is cut out, and the first member.
- a second electrode 56 and an electret material 57 are formed so as to overlap the first electrode 55 formed on 65.
- Reference numeral 6 in FIG. 30B is a portion where the second electrode 56 and the electret material 57 are formed, and is actually formed on the surface facing the first member 65.
- the overlapping portion between the formation portion of the first electrode 55 and the formation portion of the electret material 57 deviates, and overlaps again when shifted by a certain rotation angle. It is like that.
- the first member 65 includes the first substrate 51 and the second substrate 52 has been described.
- the configuration of the first member 65 is not limited to this. That is, it may be composed of a single substrate, or may be composed of two or more substrates or spacers.
- the second member 64 may be constituted by one substrate, or may be constituted by two or more substrates or spacers.
- a third member that contacts the first member 65 or the second member 64 may be disposed between the first member 65 and the second member 64.
- the protrusion is formed as the third member on the outer edge of the first member 65 and on the surface facing the second member 64.
- the thickness of the protrusion is preferably larger than the thickness obtained by adding the thicknesses of the first electrode 55, the fourth substrate 54, the second electrode 56, and the electret material 57.
- the third member is formed of a substantially spherical shape that can rotate.
- the second member 64 includes the third substrate 53 and the fourth substrate, as shown in FIG. 54 and a spacer 58, and a groove is formed in the spacer 58.
- a substantially spherical member 59 is in contact with the groove.
- the member 59 is preferably made of a wear-resistant material or a cemented carbide material, and is usually made of a material such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , ZrO 2 or tungsten carbide. Since the member 59 has a substantially spherical shape, the second member 64 can reduce friction due to rotation and improve power generation efficiency. Further, since the member 59 is made of a wear-resistant material or a super hard material, a structure that is more resistant to friction and has higher durability can be obtained.
- the groove formed in the spacer 58 has a length corresponding to a certain range along the outer edge of the first member 65 when viewed from the lower side, and the member 59 is a substantially spherical member. Is preferably movable between the ranges while rotating. Further, it is preferable that there are a plurality of such groove portions according to the number of members 59.
- the shape of the first member 65 viewed from above is circular
- the groove formed in the spacer 58 has an arc shape.
- the structure in which the substantially spherical member 59 is combined with the groove portion of the spacer 58 in this way can also be called a bearing structure.
- the bearing structure only needs to be able to rotate the substantially spherical member 59, and may be a cylinder, for example, and is not limited to the configuration of the present embodiment. Further, the spacer 58 in which the member 59 is disposed in the groove portion may be formed in the first member 65.
- the groove part does not necessarily need to be formed in the spacer 58, and may be formed on the surface of the first member 65 that faces the second member 64.
- the spacer 58 may be provided between the first member 65 and the second member 64 and may not necessarily be the outer edge portion.
- the electret material 57 is preferably made of an insulating film such as a silicon oxide film, and is preferably covered with an insulating film having a larger tensile stress than the electret material 57 such as a silicon nitride film.
- an insulating film having a larger tensile stress than the electret material 57 such as a silicon nitride film.
- the electret material 57 may be formed of, for example, a lead zirconate titanate (PZT) film instead of a silicon oxide film. Since PZT has ferroelectric characteristics, it becomes an electret material when polarized. Since charges exist on the outermost surface of the PZT film, the center of charge is closest to the opposing electrode. As a result, the amount of charge obtained by electrostatic induction increases, and the power generation efficiency can be improved.
- PZT lead zirconate titanate
- the electret material 57 is disposed on the second member 64, but the electret material 57 may be disposed on the first member 65.
- the electret material is a material that retains electric charge in an insulator, it cannot retain electric charge exceeding the dielectric strength voltage of the material. Therefore, it is necessary to control the thickness in accordance with the required charge amount. In a material with a low withstand voltage, the thickness is relatively increased, and the distance between the center of the charge and the counter electrode is relatively long, so the power generation efficiency tends to decrease. Therefore, a silicon oxide film having a high withstand voltage is effective and power generation efficiency is increased.
- the distance between the first electrode 55 and the electret material 57 having a thickness of about 2 ⁇ m to 3 ⁇ m is preferably short, and is preferably about 50 ⁇ m or less.
- the thickness is preferably about 0.5 ⁇ m
- the distance between the first electrode 55 and the second electrode 56 each made of gold, polysilicon, or the like is preferably about 50 ⁇ m or less.
- these numerical values only exemplify preferable values, and are not limited to these numerical values.
- the movement of the second member 64 when an external vibration is applied to the power generation apparatus according to the fourth embodiment and the mechanism of power generation are the same as those of the power generation apparatus according to the third embodiment, and thus description thereof is omitted. To do.
- the power generation device it is possible to take out the change in the amount of charge generated in the first electrode 55 corresponding to the rotation of the second member 64 as electric energy. Therefore, compared with the prior art, there is an effect that vibrations in all directions within the plane can be used for power generation.
- the 2nd member 64 is substantially fan shape, and since the outer edge part has a weight, the gravity center of the 2nd member 64 is an outer edge part rather than the axis
- FIG. 32A shows a state in which the apex of the substantially fan-shaped second member 64 and the center of the approximately circular first member 65 are overlapped, and the second member 64 is projected onto the first member 65. Is shown.
- FIG. 32B shows an overlapping portion 70 of the first member 65 and the portion where the second member 64 is projected from the top toward the first member 65 as shown in FIG. ing.
- the center of gravity of the overlapping portion 70 is located at reference numeral 71.
- the center of gravity of the second member 64 is located at reference numeral 73.
- the distance from the top of the substantially fan-shaped second member 64 to the center of gravity 73 is longer than the distance from the top of the substantially sector-shaped overlapping portion 70 to the center of gravity 71. Therefore, the center of gravity 73 of the second member 64 is closer to the outer edge than the shaft 60. Thus, the closer the center of gravity 73 of the second member 64 is to the outer edge of the second member 64, the more easily affected by the centrifugal force when the second member 64 rotates and absorbs vibration energy. It becomes easy to do. Therefore, power generation efficiency can be improved.
- the power generator according to the first modification of the fourth embodiment is different from the power generator according to the fourth embodiment in the configuration of the second member 64, and the other configurations are the same.
- the weight 66 is on the surface of the third substrate 53 and opposite to the surface facing the first member 65. Arranged on the side.
- the center of gravity of the second member 64 is inclined in the direction of the outer edge portion, and it is easy to shake even with minute vibrations, which has the effect of improving power generation efficiency.
- the power generation device according to the second modification example of the fourth embodiment is different from the power generation device according to the third modification example of the third embodiment in the position of the outer edge portion of the second member 64, and otherwise.
- the configuration of is the same.
- the outer edge portion of the second member 64 in the power generation device according to the third modification of the third embodiment is positioned outside the outer edge portion of the first member 65 when viewed from above. is doing.
- the outer edge portion of the second member 64 is located at the same position or inside the outer edge portion of the first member 65. .
- the power generation device according to the third modification example of the fourth embodiment is similar to the power generation device according to the fourth modification example of the third embodiment. Also in the third modification of the fourth embodiment, it is possible to obtain the same effect as that of the power generation device according to the fourth modification of the third embodiment.
- the electrode and the electret material are each formed in a spiral shape.
- the spiral shape is shown as a line, but from the viewpoint of power generation efficiency, the electrode and the electret material each have a certain width.
- this invention is not limited to said embodiment and modification. Furthermore, it is also possible to combine each embodiment and modification suitably.
- the configuration in which the electret material 57 is disposed between the first electrode 55 and the second electrode 56 has been described. If there is a charge supply mechanism capable of supplying charges from the outside between the first electrode 55 and the second electrode 56, it is not always necessary. However, a large amount of charge needs to be supplied between the electrodes. Therefore, from the viewpoint, it is preferable that the electret material is disposed between the respective electrodes.
- the power generator according to the present invention can provide a power generator capable of efficiently using multidirectional external vibrations for power generation, as well as an electrical device and a communication device equipped with such a power generator.
- the present invention is useful for electrostatic induction type power generation devices and electric devices equipped with the power generation devices.
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Abstract
発電装置は、板状の第1の部材(14)に設けられた第1の電極(5)と、第1の電極(5)と間隔をおいて対向するように設けられ、板状の第2の部材(15)に設けられた第2の電極(8)と、第2の電極(8)に設けられたエレクトレット材(9)と、第1の部材(14)と第2の部材(15)との間に設けられ、第1の部材(14)又は第2の部材(15)と接触する複数の部材(4)とを有している。第1の部材(14)は、第2の部材(15)に対して相対的に且つその面内方向に回転する。
Description
本発明は、発電装置に関し、特に、エレクトレット材料を用いた静電誘導型の発電装置に関する。
従来、小型の静電誘導型発電装置が知られている。静電誘導型発電装置は、可変容量の電極に電荷を与え、その電荷により対向電極間にクーロン引力を働かせ、このクーロン引力に抗して振動子が振動することにより発生した振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、発電を行う(例えば、特許文献1を参照。)。
図37(a)は特許文献1に開示された従来の静電誘導型発電装置の概略平面図であり、図37(b)は図37(a)の発電装置の2A-2A線に沿った概略断面図であり、図37(c)は図37(a)の発電装置の2B-2B線に沿った概略断面図である。
図37(a)~図37(c)に示すように、この静電誘導型発電装置は、いわゆるエレクトレット発電装置であり、櫛形のエレクトレット材料電極102と可動電極105とが互いに所定の間隔をおいて配置されている。可動電極105及び可動基板104は、不動基板101の上に設けられた固定構造体103a、103bにバネ駆動体106a、106bのような弾性部材を介して連結されている。2種類のバネ駆動体106a、106bを組み合わせることにより、可動基板104はXY平面内の任意の方向に運動できる。このバネがX軸方向又はY軸方向に振動することにより、電荷を保持しているエレクトレット材料電極102と、エレクトレット材料電極102に対向する可動電極105との重なり面積の増減が生じ、可動電極105に電荷量の変化が生じる。静電誘導型発電装置は、この電荷量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。
また、他の発電装置を説明する例としては、例えば、特許文献2及び特許文献3等が挙げられる。
しかしながら、前記従来の静電誘導型発電装置では、可動基板はX軸方向又はY軸方向にのみ振動する。そのため、この静電誘導型発電装置は、X軸方向又はY軸方向以外の方向への外部振動を発電に利用することができないという問題がある。
本発明は、前記の問題に鑑み、その目的は、多方向の外部振動を効率的に発電に利用できる発電装置を得られるようにすることにある。
前記の目的を達成するため、本発明に係る発電装置は、板状の第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、板状の第2の部材に設けられた第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に設けられ、第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材と、第1の部材と第2の部材との間に設けられ、第1の部材又は第2の部材と接触する複数の第3の部材とを備え、第1の部材は、第2の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転する。
また、本発明の発電装置は、少なくとも第1の部分と第2の部分とを有し、第1の部分と第2の部分とにより定義される空間と、第1の部分に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部分に設けられた第2の電極と、空間内において、第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材とを備え、第1の部分又は第2の部分と接触する第3の部分を有しており、第1の部分又は第2の部分は回転錘であってもよい。
また、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に設けられ、第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材と、第1の部材又は第2の部材の間に設けられ、第1の部材又は第2の部材と接触する第3の部材とを備え、第1の部材は回転錘であってもよい。
また、本発明の発電装置は、板状の第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、板状の第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、第1の部材は、回転錘であり(第1の部材は第2の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転し)、第1の電極は、第2の電極に対して相対的に且つその面内方向に回転してもよい。
また、前記の目的を達成するため、本発明の発電装置は、板状の第1の部材に設けられた第1の電極と、板状の第2の部材に設けられた第2の電極及び第3の電極と、板状の第3の部材に設けられた第4の電極とを備え、第1の電極と第2の電極とは、互いに間隔をおいて対向するように設けられ、第3の電極と第4の電極とは、互いに間隔をおいて対向するように設けられており、第2の部材は、第1の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転する。
また、前記の目的を達成するため、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、第1の部材は、第2の部材の内側に配置されており、第2の部材は可動である。
また、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、第2の部材は、外縁部に重りを有する。
また、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、第2の部材の中心近傍における単位体積当たりの質量と比較して、第2の部材の外縁部の単位体積当たりの質量が大きい。
また、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、第2の部材を第1の部材に向かって上から投影した部分と第1の部材との重なり部分における重心から第1の部材の中心近傍までの距離よりも、第2の部材の重心から第2の部材における第1の部材の中心近傍に対向する部分までの距離のほうが長い。
本発明に係る発電装置によると、多方向の外部振動を効率的に発電に利用可能な発電装置並びにこのような発電装置を搭載した電気機器及び通信装置を得ることができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る発電装置について、図1を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
本発明の第1の実施形態に係る発電装置について、図1を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
図1(c)に示すように、第1の部材14は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第1の基板1と、例えばプリント基板である第2の基板2と、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなり、溝部を有するスペーサ3とを組み合わせて構成されている。この第1の部材14における第2の基板2には、図1(a)に示すように中心近傍から外周方向に向かって延びるような略扇形状の第1の電極5が所定の回転角度分の間隔をおいて複数形成されている。なお、略扇形状の第1の電極5は発電効率の点から複数個形成されていることが好ましいが、1つでもよい。
また、第1の部材14の一部であるスペーサ3は、後述する第2の部材15と対向する面上で、且つ、第1の部材14の外縁部に保持されており、スペーサ3に形成された溝部には、部材4が溝部と接触するように配置されている。なお、部材4は、回転可能な略球状の部材であることが好ましい。また、部材4は耐摩耗性材料又は超硬合金材料から形成されていることが好ましく、通常、Al2O3、Si3N4、ZrO2又はタングステンカーバイド等の材料から構成される。部材4が略球状であることにより、第2の部材15は回転による摩擦が低減され、発電効率を向上させることができる。また、部材4が耐摩耗性材料又は超硬材料であることによって、より摩擦に強く耐久性が高い構造とすることができる。
また、スペーサ3に形成される溝部は、上側から見た場合に、第1の部材14の外周に沿ってある範囲分の長さを有し、部材4が略球状の部材である場合には、その範囲の間において回転しながら移動可能であることが好ましい。また、このような溝部は部材4の数に応じて複数あることが好ましい。ここで、第1の部材14を上から見た形状が円形状であれば、スペーサ3に形成される溝部は、円弧状である。また、このようにスペーサ3の溝部に略球状の部材4を組み合わせた構造は、ベアリング構造と呼ぶことも可能である。ベアリング構造は略球状の部材4が回転できればよく、例えば円柱でもよく、本実施形態の構成に限定されない。
また、溝部に部材4が配置されたスペーサ3は、後述する第2の部材15に形成されていてもよい。なお、溝部は必ずしもスペーサ3に形成されている必要はなく、第1の部材14のうち後述する第2の部材15と対向する面に形成されていればよい。また、スペーサ3は第1の部材14と第2の部材15との間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。また、部材4は略球状に限られるわけではなく、突起であってもよい。すなわち、第1の部材14と第2の部材15との間に、第1の部材14又は第2の部材15に接触する突起を有する構造であってもよい。
また、図1(c)に示すように、第2の部材15は例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第3の基板6と、例えば、シリコン基板等からなる第4の基板7とを組み合わせて構成されている。第2の部材15の上面から見た形状は、図1(a)に示すように、略扇形状であり、第1の部材14と対向するように配置されている。第2の部材15の一部である第3の基板6における、図1(a)及び図1(b)の領域Bに示す範囲で且つ第1の部材14と対向する面上には、例えばシリコンからなる第4の基板7が取り付けられている。ここで、第4の基板7における第1の部材14と対向している側の面には、第1の電極5と同様の回転角度分の間隔をおいて第2の電極8が複数形成されている。第1の電極5と第2の電極8との間における第2の電極8側には、エレクトレット材9が形成されている。第2の電極8とエレクトレット材9とは、第1の電極5のような略扇形のストライプ構造のうち、一部を切り取ったような形状であり、第1の基板1の上に形成された電極と重なるように形成されている。図1(b)における符号8が第2の電極8とエレクトレット材9が形成されている部分であり、実際には第1の基板1に対向する面に形成されている。
また、図1(a)及び図1(b)に示すように、第1の部材14と第2の部材15とは、第1の部材14の中心付近において軸10と軸受け11とによって接続されている。ここで、第2の部材15は、軸10を中心として、第2の部材15の面方向に、第1の部材14に対して相対的に平行に回転可能な構造を有している。
なお、第2の部材15が軸10を中心に回転することによって、第1の電極5の形成部とエレクトレット材9の形成部との重なり部分はずれていき、一定の回転角分ずれると再び重なるようになっている。
ここで、第2の部材15は回転錘であればよく、扇形に限定されるものではない。また、半円形でもよい。第2の部材15が回転錘であることによって微小な振動でも振れやすくなり、発電効率を向上させることが可能となる。回転錘とは、回転軸から重心の位置がずれているものを指し、回転軸からずれる距離が遠くなるほど、遠心力による影響を受けやすく、振動のエネルギーを吸収しやすくなる。
ここで、第1の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの第2の部材15の動きを、図2を参照しながら説明する。
図2に示すように、第1の部材14を上側から見た形状は略円形であり、第2の部材15を上側から見た形状は、第1の部材14からその一部を取り除いた形状をしている。第2の部材15は、軸10を中心軸として第1の回転方向12及び第2の回転方向13に回転可能な回転錘として機能する。第2の部材15は錘であるため、小さな力でも効率的に振動することができる。
ここで、外部からの振動が小さい場合には、第2の部材15は、重力方向(Y軸方向)を中心に、第1の回転方向12に向かい、あるところから第2の回転方向13に向かうというような振り子運動をすることとなる。一方、外部からの振動が大きい場合には、第2の部材15は、第1の回転方向12又は第2の回転方向13に回転し続けるような運動をすることとなる。
また、第1の部材14は固定されているため、第2の部材15のように、外部振動に呼応した回転運動は生じない。
次に、第1の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの、発電のメカニズムについて説明する。
まず、外部振動が発電装置に加わると、第2の部材15の振動に呼応して、第2の電極8も軸10を中心軸として第1の回転方向12又は第2の回転方向13に回転する。すると、固定されている第1の部材14に配置されている第1の電極5と第1の回転方向12又は第2の回転方向13に振動するエレクトレット材9との重なり面積に増減が生じるため、第2の電極8に誘起される電荷に変化が生じることとなる。この電荷量の変化による電流を電気エネルギーとして外部に取り出すことにより発電を行う。
第1の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材15の回転に呼応する第2の電極8に生じる電荷量の変化を、電気エネルギーとして取り出すことが可能となる。そのため、従来技術と比較して、平面内のあらゆる方向の振動を効率よく発電に利用することができる効果がある。
また、第1の実施形態に係る発電装置によると、スペーサ3に形成された部材4によって、第1の電極5と、それに対向するエレクトレット材9との間のギャップ(空間)の変動を制御することができる。小型で、且つ、発電量を大きくするためには、第1の電極5とエレクトレット材9との距離を縮めることが必要となる。しかし、一方で、距離を縮め過ぎると、第1の電極5とエレクトレット材9との間において生じるクーロン力の影響により、第1の電極5とエレクトレット材9とが互いに引っ張り合って動きづらくなったり、張り付いてしまう等のおそれがある。ここで、スペーサ3に形成された部材4により、第1の電極5とエレクトレット材9との間のギャップの変動を抑制し、第1の電極5とエレクトレット材9とが張り付くことを防止することが可能となる。
また、第1の実施形態に係る発電装置によると、スペーサ3に形成された部材4によって第2の部材15が滑らかに回転することが可能となる。そのため、より多くの発電量を得ることができる効果がある。本実施形態では、スペーサ3に形成された溝部に、略球状の部材4を配置したベアリング構造により、第2の部材15と第1の部材14との間に発生する摩擦を小さくし、発電効率を向上させることが可能となる。さらに、第1の電極5とエレクトレット材9との間にクーロン引力が生じている状態であっても第1の部材14と第2の部材15との間の摩擦力を低減させることができ、より効率よく発電することができる。なお、第1の電極5とエレクトレット材9との接触を防ぐためには、スペーサ3として、耐磨耗性材料又は超硬材料からなる突起部を形成してもよい。また、この突起部は第2の部材15に形成されていてもよい。
ここで、エレクトレット材9は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜からなり、シリコン窒化膜等よりも引張り応力の大きい絶縁膜により覆われていることが好ましい。シリコン酸化膜をシリコン窒化膜により覆うことによって、シリコン酸化膜部に注入される電荷を抜けにくくすることができ、発電効率を高めることができる。なお、電荷を抜けにくくするためには、エレクトレット材9の側面、下面及び上面が完全にシリコン窒化膜により覆われていることが好ましい。
また、エレクトレット材9は、例えばシリコン酸化膜ではなく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜により形成してもよい。PZTは強誘電特性を有するため、分極すれば、エレクトレット材9となる。PZT膜の最表面に電荷が存在するため、対向する電極に対して電荷の中心が最も近くなる。これによって静電誘導により得られる電荷量が増え、発電効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態では第2の部材15にエレクトレット材9を配置したが、第1の部材14にエレクトレット材9を配置しても構わない。
なお、エレクトレット材9は、絶縁体の中に電荷を保持したものであるが、材料の持つ絶縁耐圧を超えて電荷を保持することはできない。従って必要な電荷量に対応して厚さを制御する必要がある。絶縁耐圧が低い材料では相対的に厚みが増し、電荷の中心と対向電極との距離が相対的に遠くなるため、発電効率が落ちる傾向にある。そのため、絶縁耐圧の高いシリコン酸化膜等が有効であり、発電効率が大きくなる。
また、発電量を増加させるためには、第1の電極5とエレクトレット材9との距離は短いほうがよく、50μm以下程度であることが好ましい。また、そのためには、厚さがそれぞれ0.5μm程度であり、材料がそれぞれ金及びポリシリコン等からなる第1の電極5と第2の電極8との間の距離が50μm以下程度であることが好ましい。ここで、本実施形態では、例えば、第1の電極5が形成される第2の基板2を500μm程度の厚さとし、略球状の部材4の直径を、200μm~300μm程度とし、第1の電極5と厚さが2μm~3μm程度であるエレクトレット材9との距離を50μm程度とすることが好ましい。特に、本実施形態に係る構造によると、第1の電極5とエレクトレット材9との距離を精度よく制御することができる。このため、第1の電極5とエレクトレット材9との距離が50μm以下程度と小さい領域でも両者の張り付きを防止することができる。但し、これらの数値は好ましい値を例示したにすぎず、この数値に限定されるものではない。
次に、本発明の第1の実施形態に係る発電装置の製造方法について図3~図5を用いて説明する。
まず、図3(a)及び図3(b)に示すように、第1の部材14を形成する。第2の基板2に第1の電極5を形成し、第1の基板1上に保持する。また、スペーサ3の溝部に、例えば、球状の耐摩耗性材料又は超硬材料からなる部材4を組み込んだ状態で、第1の基板1の外縁部に保持する。
また、図4(a)及び図4(b)に示すように、第2の部材15を形成する。第2の部材15は、第3の基板6の一部に、第4の基板7を保持する構造を有している。ここで、第3の基板6の一部に溝部を形成し、第4の基板7をはめ込むように形成することが好ましい。なお、第4の基板7は図4(a)の領域Bで表す部分の形状をしている。第4の基板7には第2の電極8が図1(b)に示したようにパターニングされており、第2の電極8の上にはエレクトレット材9が形成されている。
次に、図5(a)及び図5(b)に示すように、軸10と軸受け11とを用いて、第1の部材14と第2の部材15とを接続する。前述した第1の部材14における第1の電極5が形成されている面と、第2の部材15におけるエレクトレット材9が形成されている面とが向かい合うように、軸10と軸受け11とにより第1の部材14と第2の部材15を接続する。このとき、第3の基板6は第1の部材14に対して相対的に回転可能であるように接続されている。
(第1の実施形態の第1変形例)
本発明の第1の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図6を参照しながら説明する。
本発明の第1の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図6を参照しながら説明する。
第1の実施形態の第1変形例に係る発電装置は、第1の実施形態に係る発電装置と比較して、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の上から見たときの形状が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、図4に示すように、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の形状をそれぞれ渦巻き形状とする。なお、図4においては、簡略化のために、渦巻き形状を線状にて記載しているが、発電効率の観点から、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9は、それぞれある程度の幅を持っている。
以上のように第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9を配置することにより、電極が渦巻き状に一続きになっているため、それぞれの電極ブロック間の接続が必要なく、最外周部で容易に外部配線と接続することができるという効果がある。
(第1の実施形態の第2変形例)
本発明の第1の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図7を参照しながら説明する。
本発明の第1の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図7を参照しながら説明する。
第1の実施形態の第2変形例に係る発電装置は、第1の実施形態に係る発電装置と比較して、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の上から見たときの形状が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、図7に示すように、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の形状をそれぞれブロック形状として、千鳥状に配置してもよい。言い換えれば、ブロック形状の第1の電極5、ブロック形状の第2の電極8及びブロック形状のエレクトレット材9がそれぞれ、第1の部材14の中心(回転軸)近傍から外周方向に向かって延びるように複数配置されることとなる。また、第2の電極8及びエレクトレット材9は重なるように配置され、第1の電極5はそれらとは重なるように対向して配置される。
本発明は前記実施形態に限定されるものではない。さらに、それぞれの実施形態及び変形例を適宜組み合わせることも可能である。
また、第1の実施形態及びその変形例においては、エレクトレット材9が第1の電極5と第2の電極8との間に配置される構成について説明したが、第1の電極5と第2の電極8との間に、外部から電荷を供給できるような電荷供給機構があれば、必ずしも必要ではない。しかしながら、第1の電極5と第2の電極8との間には多くの電荷が供給される必要がある。従って、その観点からは、エレクトレット材9が第1の電極5と第2の電極8との間に配置される方が好ましい。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る発電装置について、図8及び図9を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において、用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
本発明の第2の実施形態に係る発電装置について、図8及び図9を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において、用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
図8(a)及び図8(b)並びに図9(a)及び図9(b)に示すように、第1の部材42は、第1の基板21、第2の基板22及び第1のスペーサ23から構成されている。また、第2の部材43は、第3の基板25、第4の基板26及び第5の基板27から構成されている。また、第3の部材44は、第6の基板28、第7の基板29及び第2のスペーサ30から構成されている。第1の部材42、第2の部材43及び第3の部材44の詳細については後述する。
図8(a)及び図8(b)並びに図9(a)に示すように、第1の部材42と第3の部材44を上から見た形状は、それぞれ略円形であり、第2の部材43を上から見た形状は、第1の部材42又は第3の部材44から一部を取り除いたような形状をしており、略扇形である。なお、図9(a)は第3の部材44を省略した図である。
また、図8(a)及び図8(b)に示すように、第1の部材42、第2の部材43及び第3の部材44は、第1の部材42及び第3の部材44の中心付近において軸38と軸受け39とによって接続されている。ここで、第2の部材43は、軸38を中心として、第2の部材43の面方向に、第1の部材42及び第3の部材44に対して相対的に平行に回転可能な構造を有している。
ここで、第2の部材43は、扇形に限定されるものではない。例えば、半円形でもよい。また、第2の部材43が回転錘であってもよい。第2の部材43が回転錘であることによって微小な振動でも振れやすくなり、発電効率が向上する。回転錘とは、回転軸から重心の位置がずれているものを指し、回転軸からずれる距離が遠くなるほど、遠心力による影響を受けやすく、振動のエネルギーを吸収しやすくなる。
次に、第1の部材42、第2の部材43及び第3の部材44の詳細を説明する。
図9(b)に示すように、第1の部材42は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第1の基板21と、例えばプリント基板である第2の基板22と、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなり、溝部を有する第1のスペーサ23とを組み合わせて構成されている。第1のスペーサ23は、第1の部材42と第2の部材43とが対向する面上で、且つ、第1の部材42の外縁部に保持されている。また、第1のスペーサ23の溝部には、部材24がその溝部と接触するように配置されている。なお、部材24は、回転可能な略球状の部材であることが好ましい。また、部材24は、耐摩耗性材料又は超硬合金材料から形成されていることが好ましく、通常、Al2O3、Si3N4、ZrO2又はタングステンカーバイド等の材料から構成される。部材24が略球状であることにより、第2の部材43は回転による摩擦が低減され、発電効率を向上させることができる。また、部材24が耐摩耗性材料又は超硬合金材料であることによって、より摩擦に強く耐久性が高い構造とすることができる。
また、第1のスペーサ23に形成される溝部は、上側から見た場合に、第1の部材42の外縁に沿ってある範囲分の長さを有し、部材24が略球状の部材である場合には、その範囲の間において回転しながら移動可能であることが好ましい。また、このような溝部は部材24の数に応じて複数あることが好ましい。ここで、第1の部材42を上から見た形状が円状であれば、第1のスペーサ23に形成された溝部は、円弧状である。また、このように第1のスペーサ23の溝部に略球状の部材24を組み合わせた構造は、ベアリング構造と呼ぶことも可能である。ベアリング構造は略球状の部材24が回転できればよく、例えば円柱でもよく、本実施形態の構成に限定されない。また、溝部に部材24が配置された第1のスペーサ23は、第2の部材43に形成されていてもよい。
なお、溝部は必ずしも第1のスペーサ23に形成されている必要はなく、第1の部材42のうち第2の部材43と対向する面に形成されていればよい。
また、第1のスペーサ23は第1の部材42と第2の部材43の間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。また、部材24は略球状に限られるわけではなく、突起であってもよい。すなわち、第1の部材42と第2の部材43との間に、第1の部材42又は第2の部材43に接触する突起を有する構造であってもよい。
また、図9(b)に示すように、第2の部材43は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第3の基板25と、例えば、シリコン基板等からなる第4の基板26と、例えば、シリコン基板等からなる第5の基板27とを組み合わせて構成されている。ここで、第4の基板26は、第3の基板25の面上で、且つ、第1の部材42と対向する側に保持されている。また、第5の基板27は、第3の基板25の面上で、且つ、第3の部材44と対向する側に保持されている。また、第4の基板26と第5の基板27とはそれぞれ、略扇形をした第3の基板25における図8(b)及び図9(a)の領域Bとして示す部分の下方に保持されている。
また、図9(b)に示すように、第3の部材44は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第6の基板28と、例えばプリント基板である第7の基板29と、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなり、溝部を有する第2のスペーサ30とを組み合わせて構成されている。第2のスペーサ30は、第2の部材43と第3の部材44とが対向する面上で、且つ、第3の部材44の外縁部に保持されている。また、第2のスペーサ30の溝部には、部材31が溝部と接触するように配置されている。なお、部材31は、回転可能な略球状の部材であることが好ましい。また、部材31は耐摩耗性材料又は超硬合金材料から形成されていることが好ましく、通常、Al2O3、Si3N4、ZrO2又はタングステンカーバイド等の材料から構成される。部材31が略球状であることにより、第2の部材43は回転による摩擦が低減され、発電効率を向上させることができる。また、部材31が耐摩耗性材料又は超硬合金材料であることによって、より摩擦に強く耐久性が高い構造とすることができる。
また、第2のスペーサ30に形成される溝部は、上側から見た場合に、第3の部材44の外縁に沿ってある範囲分の長さを有し、部材31が略球状の部材である場合にはその範囲の間において回転しながら移動可能であることが好ましい。また、このような溝部は部材31の数に応じて複数あることが好ましい。ここで、第3の部材44を上から見た形状が円状であれば、第2のスペーサ30に形成された溝部は、円弧状である。また、このように第2のスペーサ30の溝部に略球状の部材31を組み合わせた構造は、ベアリング構造と呼ぶことも可能である。ベアリング構造は略球状の部材31が回転できればよく、例えば円柱でもよく、本実施形態の構成に限定されない。また、溝部に部材31が配置された第2のスペーサ30は第2の部材43に形成されていてもよい。
なお、溝部は必ずしも第2のスペーサ30に形成されている必要はなく、第3の部材44のうち第2の部材43と対向する面に形成されていればよい。
また、第2のスペーサ30は第2の部材43と第3の部材44の間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。また、部材31は略球状に限られるわけではなく、突起であってもよい。すなわち、第2の部材43と第3の部材44との間に、第2の部材43又は第3の部材44に接触する突起を有する構造であってもよい。
第1の部材42の一部である第2の基板22の、第2の部材43と対向する面には、図8(b)及び図9(a)に示すように、中心近傍から外周方向に向かって延びるような略扇形の第1の電極32が一定の回転角度分の間隔をおいて複数形成されている。なお、略扇形の第1の電極32は発電効率の点から複数個形成されていることが好ましいが、1つでもよい。
第2の部材43の一部である第4の基板26の、第1の部材42に対向する面には、第1の電極32と同様の回転角度分の間隔をおいて第2の電極33が形成されている。第1の電極32と第2の電極33との間における第2の電極33側には、第1のエレクトレット材34が形成されている。第2の電極33とその上に形成されている第1のエレクトレット材34とは、第1の電極32のような略扇形のストライプ構造のうち、一部を切り取ったような形状であり、第1の部材42に形成された第1の電極32とちょうど重なるように第2の電極33と第1のエレクトレット材34とが形成されている。図9(a)における符号13、14が第2の電極33と第1のエレクトレット材34とが形成されている部分であり、実際には第1の部材42に対向する面に形成されている。
第2の部材43の一部である第5の基板27の、第3の部材44に対向する面には、後述する第4の電極37と同様の回転角度分の間隔をおいて第3の電極35が形成されている。また、第3の電極35と後述する第3の部材44に配置された第4の電極37との間における第3の電極35側には、第2のエレクトレット材36が形成されている。第3の電極35とその上に形成されている第2のエレクトレット材36とは、後述する第4の電極37のような略扇形のストライプ構造のうち、一部を切り取ったような形状であり、第3の部材44に形成された第4の電極37とちょうど重なるように第3の電極35と第2のエレクトレット材36とが形成されている。図9(a)における符号15、16が第3の電極35と第2のエレクトレット材36とが形成されている部分であり、実際には第3の部材44と対向する面に形成されている。
第3の部材44の一部である第7の基板29の、第2の部材43に対向する面には、第1の電極32と同様の形状となるように、第4の電極37が形成されている。ここで、第1の電極32と同様の回転角度分の間隔をおいて第4の電極37が複数形成されていた方が好ましいが、第3の電極35と同様の回転角度分の間隔をおいて形成されていれば、構わない。
なお、第2の部材43が軸38を中心に回転することによって、第1の電極32の形成部及び第4の電極37の形成部と第1のエレクトレット材34の形成部及び第2のエレクトレット材36の形成部との重なり部分はずれていき、一定の回転角分ずれると再び重なるようになっている。
なお、本実施形態では第1の部材42が第1の基板21、第2の基板22及び第1のスペーサ23から構成されている例を示したが、第1の部材42の構成はこれに限定されない。すなわち、一つの基板により構成されていてもよく、また、2以上の基板又はスペーサ等から構成されていてもよい。同様に、第2の部材43は一つの基板により構成されていてもよく、また、2以上の基板又はスペーサ等から構成されていてもよい。同様に、第3の部材44も一つの基板により構成されていてもよく、2以上の基板又はスペーサ等から構成されていてもよい。
また、本実施形態では部材24、31はそれぞれ、第1の部材42と第3の部材44に形成されているが、第2の部材43に形成されていてもよい。
次に、第2の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの第2の部材43の動きを、図10を参照しながら説明する。
図10に示すように、第1の部材42及び第3の部材44を上側から見た形状は略円形であり、第2の部材43を上側から見た形状は、第1の部材42又は第3の部材44から一部を取り除いたような形状をしている。第2の部材43は、軸38を中心軸として第1の回転方向40及び第2の回転方向41に回転可能である。第2の部材43は回転錘であってもよい。第2の部材43が錘であることによって、小さな力でも効率的に振動することができる。
ここで、外部からの振動が小さい場合には、第2の部材43は、重力方向(Y軸方向)を中心に、第1の回転方向40に向かい、あるところから第2の回転方向41に向かうというような振り子運動をすることとなる。一方、外部からの振動が大きい場合には、第2の部材43は、第1の回転方向40又は第2の回転方向41に回転し続けるような運動をすることとなる。
また、第1の部材42及び第3の部材44は固定されているため、第2の部材43のように、外部振動に呼応した回転運動は生じない。
次に、第2の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの、発電のメカニズムについて説明する。
まず、外部振動が発電装置に加わると、第2の部材43の振動に呼応して、第2の電極33も軸38を中心軸として第1の回転方向40又は第2の回転方向41に回転する。すると、固定されている第1の部材42に配置されている第1の電極32及び第3の部材44に配置されている第4の電極37と、第1の回転方向40又は第2の回転方向41に振動する第1のエレクトレット材34及び第2のエレクトレット材36との重なり面積に増減が生じるため、第1の電極32及び第4の電極37に誘起される電荷に変化が生じることとなる。この電荷量の変化による電流を電気エネルギーとして外部に取り出すことにより発電を行う。
第2の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材43の回転に呼応する第1の電極32及び第4の電極37に生じる電荷量の変化を、電気エネルギーとして取り出すことが可能となる。そのため、従来技術と比較して、平面内のあらゆる方向の振動を効率よく発電に利用することができる効果がある。
また、第2の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材43の片面だけでなく両面に電極及びエレクトレット材を配置しているので、第2の部材43の片面だけに電極又はエレクトレット材が形成されているときに比べて発電量を増加させることができる効果がある。
また、第2の実施形態に係る発電装置によると、第1のスペーサ23及び第2のスペーサ30に形成された部材24、31によって、第1の電極32と、それに対向する第1のエレクトレット材34との間のギャップ(空間)の変動を制御することができる。同様に、第4の電極37と、それに対向する第2のエレクトレット材36との間のギャップの変動を制御することができる。小型で、且つ発電量を大きくするためには、第1の電極32と第1のエレクトレット材34との距離又は第4の電極37と第2のエレクトレット材36との距離を縮めることが必要となる。しかし、一方で、距離を縮め過ぎると、電極とエレクトレット材との間において生じるクーロン力の影響により、電極とエレクトレット材とが互いに引っ張り合って動きづらくなったり、張り付いてしまう等のおそれがある。ここで、第1のスペーサ23及び第2のスペーサ30に形成された部材24、31により、電極とエレクトレット材との間のギャップの変動を抑制し、電極とエレクトレット材とが張り付くことを防止することが可能となる。
また、第2の実施形態に係る発電装置によると、第1の電極32と第1のエレクトレット材34との間において生じるクーロン力と、第4の電極37と第2のエレクトレット材36との間において生じるクーロン力とがつりあう。従って、第1の電極32と第1のエレクトレット材34とが張り付いてしまうこと、及び第4の電極37と第2のエレクトレット材36とが張り付いてしまうことを防止することができる。
また、第2の実施形態に係る発電装置によると、第1のスペーサ23及び第2のスペーサ30に形成された部材24、31によって、第2の部材43が滑らかに回転することが可能となる。そのため、より多くの発電量を得ることができる効果がある。本実施形態では、スペーサ部に形成された溝部に、略球状の部材を配置したベアリング構造により、第2の部材43と第1の部材42との間又は第2の部材43と第3の部材44との間に発生する回転摩擦を小さくし、発電効率を向上させることが可能となる。なお、電極とエレクトレット材との接触を防ぐためには、スペーサとして、耐磨耗性材料又は超硬材料からなる突起部を形成してもよい。また、この突起部は第2の部材43に形成されていてもよい。
ここで、第1のエレクトレット材34及び第2のエレクトレット材36は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜からなり、シリコン窒化膜等のエレクトレット材よりも引張り応力の大きい絶縁膜により覆われていることが好ましい。シリコン酸化膜をシリコン窒化膜により覆うことによって、シリコン酸化膜部に注入される電荷を抜けにくくすることができ、発電効率を高めることができる。なお、電荷を抜けにくくするためには、エレクトレット材の側面、下面及び上面が完全にシリコン窒化膜により覆われていることが好ましい。
また、第1のエレクトレット材34及び第2のエレクトレット材36は、例えばシリコン酸化膜ではなく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜により形成してもよい。PZTは強誘電特性を有するため、分極すれば、エレクトレット材となる。PZT膜の最表面に電荷が存在するので、対向する電極に対して電荷の中心が最も近くなる。これによって静電誘導により得られる電荷量が増え、発電効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態では第2の部材43に第1のエレクトレット材34及び第2のエレクトレット材36を配置したが、第1の部材42及び第3の部材44に第1のエレクトレット材34及び第2のエレクトレット材36を配置しても構わない。
なお、エレクトレット材は、絶縁体の中に電荷を保持したものであるが、材料の持つ絶縁耐圧を超えて電荷を保持することはできない。従って必要な電荷量に対応して厚さを制御する必要がある。絶縁耐圧の低い材料では相対的に厚みが増し、電荷の中心と、対向電極との距離が相対的に遠くなるため、発電効率が低下する傾向にある。そのため、絶縁耐圧の高いシリコン酸化膜等が有効であり、発電効率が大きくなる。
また、発電量を増加させるためには、第1の電極32及び第4の電極37と第1のエレクトレット材34及び第2のエレクトレット材36との距離は短いほうがよく、50μm以下程度であることが好ましい。また、そのためには、厚さがそれぞれ0.5μm程度であり、材料がそれぞれ金及びポリシリコン等からなる第1の電極32と第2の電極33との距離と、厚さがそれぞれ0.5μm程度であり、材料がそれぞれ金及びポリシリコン等からなる第3の電極35と第4の電極37との距離が50μm以下程度であることが好ましい。ここで、本実施形態では、例えば、第1の電極32が形成される第2の基板22を500μm程度の厚さとし、第4の電極37が形成される第7の基板29を500μm程度の厚さとし、略球状の部材24、31の直径を、200μm~300μm程度とし、第1の電極32と厚さが2μm~3μm程度である第1のエレクトレット材34との距離を50μm程度とし、第4の電極37と厚さが2μm~3μm程度である第2のエレクトレット材36との距離を50μm程度とすることが好ましい。特に本発明による構造によると、電極とエレクトレット材との距離を精度よく制御することができる。そのため、電極とエレクトレット材との距離が50μm以下程度と小さい領域でも両者の張り付きを防止することができる。但し、これらの数値は好ましい値を例示したにすぎず、この数値に限定されるものではない。
次に、本発明の第2の実施形態に係る発電装置の製造方法について図11~図14を参照しながら説明する。
まず、図11(a)及び図11(b)に示すように、第1の部材42を形成する。第2の基板22に第1の電極32を形成し、第1の基板21に保持する。ここで、第1の基板21の一部に溝部を形成し、第2の基板22をはめ込むように形成することが好ましい。また、第1のスペーサ23の溝部に例えば耐摩耗性材料又は超硬材料からなる略球状の部材24を組み込んだ状態で、第1の基板21の外縁部に保持する。
同様に、図12(a)及び図12(b)に示すように、第3の部材44を形成する。第7の基板29に第4の電極37を形成し、第6の基板28に保持する。ここで、第6の基板28の一部に溝部を形成し、第7の基板29をはめ込むように形成することが好ましい。また、第2のスペーサ30の溝部に例えば耐磨耗性材料又は超硬材料からなる略球状の部材31を組み込んだ状態で、第6の基板28の外縁部に保持する。
また、図13(a)及び図13(b)に示すように、第2の部材43を形成する。第2の部材43は、第3の基板25の一部に、第4の基板26を保持する構造を有している。また、第3の基板25の、第4の基板26を保持する面と反対側の面には、第5の基板27が保持されている。
ここで、第4の基板26は、図13(a)の領域Bとして表す部分と同様の形状をしている。第4の基板26には第2の電極33が図9(a)に示したように形成されており、第2の電極33の上には第1のエレクトレット材34が形成されている。同様に、第5の基板27には、第3の電極35及び第2のエレクトレット材36が順次形成されている。また、第4の基板26に形成される電極と第5の基板27に形成される電極の形状はほぼ等しい。
次に、図14(a)及び図14(b)に示すように、軸38と軸受け39とを用いて、第1の部材42と第2の部材43と第3の部材44とを接続する。前述した第1の部材42における電極が形成されている面及び第3の部材44の電極が形成されている面を、それぞれ第2の部材43と対向させる。また、第1の部材42と第3の部材44とにより第2の部材43をはさむようにして、軸38と軸受け39とにより第1の部材42と第2の部材43と第3の部材44とを接続する。このとき、第2の部材43は、第1の部材42及び第3の部材44に対して相対的に平行に回転可能であるように接続されている。
(第2の実施形態の第1変形例)
本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図15を参照しながら説明する。
本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図15を参照しながら説明する。
第2の実施形態の第1変形例に係る発電装置は、第2の実施形態に係る発電装置と比較して、電極の配置及びエレクトレット材の配置が異なり、それ以外の構成は同様である。
第1の部材42の面上には、図9(a)に示したような略扇形状の第1の電極32が一定の回転角度分の間隔をおいてストライプ状に形成されている。また、第3の部材44の、第2の部材43に対向する面上には、第1の電極32と同様に略扇形の第4の電極37が一定の回転角度分の間隔をおいてストライプ状に形成されている。第1の部材42及び第3の部材44はそれぞれ固定されており、第2の部材43は、第1の部材42及び第3の部材44に対して相対的に平面方向に回転可能である。
ここで、図15に示すように、第1の部材42と第3の部材44とにおいて、第1の電極32と第4の電極37とがちょうど重ならないように一定の回転角度分ずらして固定する。さらに説明すると、第1の電極32、第2の電極33、第3の電極35、第1のエレクトレット材34及び第2のエレクトレット材36は重なって配置されるが、第4の電極37だけは、これらとずれるように配置される。
以上のように電極とエレクトレット材とが配置されると、図15に示すように、第1の電極32と第2の電極33とがちょうど重なって対向しているときは、第3の電極35と第4の電極37とが一定の回転角度分ずれている状態となる。逆に、第3の電極35と第4の電極37とがちょうど重なって対向しているときには、第1の電極32と第2の電極33とが一定の回転角度分ずれた状態となる。
第2の実施形態の第1変形例によると、第1の電極32と第2の電極33とがちょうど重なっているときは、第1の電極32と第2の電極33との間に働く力は垂直方向となり、安定する。一方で、第3の電極35と第4の電極37とは一定の回転角度分ずれているため、第4の電極37のうちの一つの電極に対向する面の左右には、それぞれ第2のエレクトレット材36が存在することになる。このため、第4の電極37のうちの一つの電極と第2のエレクトレット材36との間に働く力は垂直方向とはならず、不安定な状態となる。従って、微弱な振動を与えるだけで左右どちらかに引かれるため、回転運動を助けることとなり、発電効率を向上させることが可能となる。
なお、図15においては、第4の電極37の位置と第3の電極35及び第2のエレクトレット材36の位置とが完全にずれる状態を示しているが、一部重なるようにしてずれても構わない。
なお、本変形例では第4の電極37の位置と第3の電極35及び第2のエレクトレット材36の位置とがずれるように配置したが、第1の電極32の位置と、第2の電極33及び第1のエレクトレット材34との位置をずらしても構わない。
(第2の実施形態の第2変形例)
本発明の第2の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図16を参照しながら説明する。
本発明の第2の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図16を参照しながら説明する。
第2の実施形態の第2変形例に係る発電装置は、第2の実施形態に係る発電装置と比較して、電極及びエレクトレット材を上から見たときの形状が異なり、それ以外の構造は同様である。
具体的には、図16に示すように、電極及びエレクトレット材の形状をそれぞれブロック形状として、千鳥状に配置してもよい。
言い換えれば、第1の部材42と第2の部材43との関係において、ブロック形状の第1の電極32、ブロック形状の第2の電極33及びブロック形状の第1のエレクトレット材34がそれぞれ、第1の部材42の中心(回転軸)近傍から外周方向に向かって延びるように複数配置されることとなる。また、第2の電極33及び第1のエレクトレット材34は重なるように配置され、第1の電極32はそれらと重なるように対向して配置される。
また、第2の部材43と第3の部材44との関係において、ブロック形状の第3の電極35、ブロック形状の第4の電極37及びブロック形状の第2のエレクトレット材36がそれぞれ、第3の部材44の中心(回転軸)近傍から外周方向に向かって延びるように複数配置されることとなる。また、第3の電極35及び第2のエレクトレット材36は重なるように配置され、第4の電極37はそれらと重なるように対向して配置される。図16は第3の部材44を省略した概略平面図である。
(第2の実施形態の第3変形例)
本発明の第2の実施形態の第3変形例に係る発電装置について図17を参照しながら説明する。
本発明の第2の実施形態の第3変形例に係る発電装置について図17を参照しながら説明する。
第2の実施形態の第3変形例に係る発電装置は、第2の実施形態に係る発電装置と比較して、電極及びエレクトレット材を上から見たときの形状が異なり、それ以外の構成は、同様である。
具体的には、図17に示すように、電極及びエレクトレット材の形状をそれぞれ渦巻き形状とする。なお、図17においては、簡略化のために、渦巻き形状を線状にて記載しているが、発電効率の観点から、電極及びエレクトレット材は、それぞれある程度の幅を持っている。
以上のように電極及びエレクトレット材を配置することにより、電極が渦巻き状に一続きになっているため、それぞれの電極ブロック間の接続が必要なく、最外周部で容易に外部配線と接続することができる効果がある。
なお、本発明は第2の実施形態及びその変形例に限定されるものではない。さらに、それぞれの実施形態及び変形例を適宜組み合わせることも可能である。
また、第2の実施形態及びその変形例においては、第1のエレクトレット材34が第1の電極32と第2の電極33との間に配置され、第2のエレクトレット材36が第3の電極35と第4の電極37との間に配置される構成について説明したが、第1の電極32と第2の電極33との間、又は、第3の電極35と第4の電極37との間に、外部から電荷を供給できるような電荷供給機構があれば、必ずしも必要ではない。しかしながら、それぞれの電極間には多くの電荷が供給される必要がある。従って、その観点からは、エレクトレット材がそれぞれの電極間に配置される方が好ましい。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る発電装置について、図18及び図19を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において、用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
本発明の第3の実施形態に係る発電装置について、図18及び図19を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において、用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
図18(a)及び図18(b)並びに図19(a)に示すように、第1の部材65は、第1の基板51及び第2の基板52から構成されている。また、第2の部材64は、第3の基板53及び第4の基板54から構成されている。第1の部材65及び第2の部材64の詳細については後述する。
図18(a)及び図18(b)に示すように、第1の部材65を上から見た形状は、略円形であり、第2の部材64を上から見た形状は、略円形である第1の部材65の半径よりも大きな半径を持った略円形形状の一部からなる略扇形である。
また、図18(a)に示すように、第1の部材65及び第2の部材64は、第1の部材65の中心付近において軸60と軸受け61とによって接続されている。ここで、第2の部材64は、軸60を中心として、第2の部材64の面方向に、第1の部材65に対して相対的に平面方向に回転可能な構造を有している。
第1の部材65と第2の部材64とを軸60により接続する際に、第1の部材65は第2の部材64から一部をくり抜いた溝部に配置される。すなわち、第1の部材65と第2の部材64とを組み合わせたときに、その断面を見ると、図19(a)に示すように、第1の部材65は第2の部材64よりも内側に配置される。
ここで、第2の部材64は、扇形に限定されるものではない。例えば、半円形でもよい。発電効率の点から考えると、第2の部材64は回転錘であることが望ましい。回転錘とは、回転軸から重心の位置がずれているものを指し、回転軸からずれる距離が遠くなるほど、遠心力による影響を受けやすく、振動のエネルギーを吸収しやすくなる。第2の部材64が回転錘であることによって微小な振動でも振れやすくなり、発電効率が向上する。すなわち、第2の部材64の重心の位置が回転軸からずれる距離が遠いほど、発電効率が増加する。第2の部材64は上から見たときに円形又は扇形で重心が回転軸からずれている錘であってもよい。例えば、第2の部材64の外縁部に重りを付加した構成であってもよい。
次に、第1の部材65及び第2の部材64の詳細を説明する。
図19(a)に示すように、第1の部材65は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第1の基板51と、例えばプリント基板である第2の基板52とを組み合わせて構成されている。
また、第2の部材64は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第3の基板53と、例えばプリント基板である第4の基板54とを組み合わせて構成されている。ここで、第4の基板54は、第3の基板53の面上で、且つ、第1の部材65と対向する側に保持されている。さらに、第4の基板54は、第3の基板53における図18(a)及び図18(b)の領域Bとして示す部分に保持されている。
第1の部材65の一部である第2の基板52の、第2の部材64に対向する面には、図18(a)及び図18(b)に示すように、中心近傍から外周方向に向かって延びるような略扇形の第1の電極55が一定の回転角度分の間隔をおいて複数形成されている。なお、略扇形の第1の電極55は発電効率の点から複数個形成されていることが好ましいが、1つでもよい。
第2の部材64の一部である第4の基板54の、第1の部材65に対向する面には、第1の電極55と同様の回転角度分の間隔をおいて第2の電極56が形成されている。また、第1の電極55と第2の電極56との間における第2の電極56側には、エレクトレット材57が形成されている。第2の電極56とその上に形成されているエレクトレット材57とは、第1の電極55のような略扇形のストライプ構造のうち、一部を切り取ったような形状であり、第1の部材65に形成された第1の電極55とちょうど重なるように第2の電極56とエレクトレット材57が形成されている。図18(b)における符号6、7が第2の電極56とエレクトレット材57とが形成されている部分であり、実際には第1の部材65に対向する面に形成されている。
なお、第2の部材64が軸60を中心に回転することによって、第1の電極55の形成部とエレクトレット材57の形成部の重なり部分はずれていき、一定の回転角分ずれると再び重なるようになっている。
なお、本実施形態では第1の部材65が第1の基板51及び第2の基板52から構成されている例を示したが、第1の部材65の構成はこれに限定されない。すなわち、一つの基板により構成されていてもよく、また、2以上の基板又はスペーサ等から構成されていてもよい。同様に、第2の部材64は一つの基板により構成されていてもよく、また、2以上の基板又はスペーサ等から構成されていてもよい。
また、第1の部材65と第2の部材64との間に、第1の部材65又は第2の部材64に接触する第3の部材を配置してもよい。例えば、第1の部材65の外縁部で、且つ、第2の部材64に対向する面上に第3の部材として突起を形成する。このとき、この突起の厚さは、第1の電極55、第4の基板54、第2の電極56及びエレクトレット材57の厚みを足した厚さよりも大きい方が好ましい。この第3の部材が配置されていると、電極とエレクトレット材との間に働くクーロン力によって第1の電極55とエレクトレット材57とが張り付いてしまうことを防止することができる。この構成は、特に電極とエレクトレット材との間の距離が50μm以下程度と小さいときにより効果的である。
さらに、この第3の部材は回転可能な略球状から構成されることが望ましい。略球状の部材を第1の部材65と第2の部材64との間に配置する場合、図19(b)に示すように、第2の部材64は第3の基板53と第4の基板54とスペーサ58とから構成されており、スペーサ58には溝部が形成されている。また、この溝部に略球状の部材59が接触している。
なお、部材59は耐摩耗性材料又は超硬合金材料から形成されていることが好ましく、通常、Al2O3、Si3N4、ZrO2又はタングステンカーバイド等の材料から構成される。部材59が略球状であることにより、第2の部材64は回転による摩擦が低減され、発電効率を向上させることができる。また、部材59が耐摩耗性材料又は超硬材料であることによって、より摩擦に強く耐久性が高い構造とすることができる。
また、スペーサ58に形成される溝部は、下側から見た場合に、第1の部材65の外縁に沿ってある範囲分の長さを有し、部材59が略球状の部材である場合にはその範囲の間において回転しながら移動可能であることが好ましい。また、このような溝部は部材59の数に応じて複数あることが好ましい。ここで、第1の部材65を上から見た形状が円状であれば、スペーサ58に形成された溝部は、円弧状である。また、このようにスペーサ58の溝部に略球状の部材59を組み合わせた構造は、ベアリング構造と呼ぶことも可能である。ベアリング構造は略球状の部材59が回転できればよく、例えば円柱でもよく、本実施形態の構成に限定されない。また、溝部に部材59が配置されたスペーサ58は第1の部材65に形成されていてもよい。
なお、溝部は必ずしもスペーサ58に形成されている必要はなく、第1の部材65のうち第2の部材64と対向する面に形成されていればよい。
また、スペーサ58は第1の部材65と第2の部材64との間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。
ここで、エレクトレット材57は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜からなり、シリコン窒化膜等のエレクトレット材57よりも引張り応力の大きい絶縁膜により覆われていることが好ましい。シリコン酸化膜をシリコン窒化膜により覆うことによって、シリコン酸化膜部に注入される電荷を抜けにくくすることができ、発電効率を高めることができる。なお、電荷を抜けにくくするためには、エレクトレット材57の側面、下面及び上面が完全にシリコン窒化膜により覆われていることが好ましい。
また、エレクトレット材57は、例えばシリコン酸化膜ではなく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜により形成してもよい。PZTは強誘電特性を有するため、分極すれば、エレクトレット材となる。PZT膜の最表面に電荷が存在するので、対向する電極に対して電荷の中心がもっとも近くなる。これによって静電誘導により得られる電荷量が増え、発電効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態では第2の部材64にエレクトレット材57を配置したが、第1の部材65にエレクトレット材57を配置しても構わない。
なお、エレクトレット材は、絶縁体の中に電荷を保持したものであるが、材料の持つ絶縁耐圧を超えて電荷を保持することはできない。従って必要な電荷量に対応して厚さを制御する必要がある。絶縁耐圧の低い材料では相対的に厚みが増し、電荷の中心と、対向電極との距離が相対的に遠くなるのため、発電効率が低下する傾向にある。そのため、絶縁耐圧の高いシリコン酸化膜等が有効であり、発電効率が大きくなる。
また、発電量を増加させるためには、第1の電極55と厚さが2μm~3μm程度であるエレクトレット材57との距離は短いほうがよく、50μm以下程度であることが好ましい。また、そのためには、厚さがそれぞれ0.5μm程度であり、材料がそれぞれ金及びポリシリコン等からなる第1の電極55と第2の電極56との距離が50μm以下程度であることが好ましい。但し、これらの数値は好ましい値を例示したにすぎず、この数値に限定されるものではない。
次に、第3の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの第2の部材64の動きを、図20を参照しながら説明する。
図20に示すように、第1の部材65を上側から見た形状は略円形であり、第2の部材64を上側から見た形状は、略円形である第1の部材65の半径よりも大きな半径を持った略円形の一部からなる略扇形である。第2の部材64は、軸60を中心軸として第1の回転方向62及び第2の回転方向63に回転可能である。第2の部材64は回転錘であることが好ましい。第2の部材64が錘であることによって、小さな力でも効率的に振動することができる。
ここで、外部からの振動が小さい場合には、第2の部材64は、重力方向(Y軸方向)を中心に、第1の回転方向62に向かい、あるところから第2の回転方向63に向かうというような振り子運動をすることとなる。一方、外部からの振動が大きい場合には、第2の部材64は、第1の回転方向62又は第2の回転方向63に回転し続けるような運動をすることとなる。
また、第1の部材65は固定されているため、第2の部材64のように、外部振動に呼応した回転運動は生じない。
次に、第3の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの、発電のメカニズムについて説明する。
まず、外部振動が発電装置に加わると、第2の部材64の振動に呼応して、第2の電極56も軸60を中心軸として第1の回転方向62又は第2の回転方向63に回転する。すると、固定されている第1の部材65に配置されている第1の電極55と、第1の回転方向62又は第2の回転方向63に振動するエレクトレット材57との重なり面積に増減が生じるため、第1の電極55に誘起される電荷に変化が生じることとなる。この電荷量の変化による電流を電気エネルギーとして外部に取り出すことにより発電を行う。
第3の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材64の回転に呼応する第1の電極55に生じる電荷量の変化を、電気エネルギーとして取り出すことが可能となる。そのため、従来技術と比較して、平面内のあらゆる方向の振動も発電に利用することができる効果がある。
また、第3の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材64が略扇形であり、且つ、第1の部材65よりも外側にまで第2の部材64が存在していることにより、第2の部材64の重心は軸60よりも外縁部に近い位置となり、効率よく発電させることができるという効果がある。
ここで、第2の部材64の重心について図21を参照しながら詳しく説明する。
図21(a)は、略扇形の第2の部材64の頂点(第1の部材65の中心近傍に対向する部分)と略円形の第1の部材65の中心とを重ね合わせて、第2の部材64を第1の部材65に投影させた状態を示している。また、図21(b)は、図21(a)のように、第2の部材64を第1の部材65に向かって上から投影した部分と第1の部材65との重なり部分70を示している。この重なり部分70の重心は符号71に位置している。一方、第2の部材64の重心は符号72に位置している。ここで、略扇形の第2の部材64の頂点から重心72までの距離は、略扇形の重なり部分70の頂点(第1の部材65の中心近傍)から重心71までの距離よりも長くなる。従って、第2の部材64の重心72は軸60よりも外縁部に近い位置となっている。このように、第2の部材64の重心72が第2の部材64の外縁部に近づけば近づくほど、第2の部材64が回転したときの遠心力による影響を受けやすく、振動のエネルギーを吸収しやすくなる。そのため、発電効率を向上させることができる。
次に、第3の実施形態に係る発電装置の製造方法について図22~図24を参照しながら説明する。
まず、図22(a)及び図22(b)に示すように、第1の部材65を形成する。第2の基板52に第1の電極55を形成し、第1の基板51に保持する。
同様に、図23(a)及び図23(b)に示すように、第2の部材64を形成する。第4の基板54に第2の電極56を形成し、その上にエレクトレット材57を形成し、第3の基板53に保持する。ここで、第3の基板53は、略円形の第1の部材65よりも半径が長い略円形から、第1の部材65の面積と同じ又はより大きい面積分をくり抜いた溝部を有する構造であり、その略円形の一定の角度分を切り出した略扇形をしている。第4の基板54は、図23(a)の領域Bとして表す部分の形状をしている。
次に、図24(a)及び図24(b)に示すように、軸60と軸受け61とを用いて、第1の部材65と第2の部材64とを接続する。このとき、前述した第1の部材65における第1の電極55が形成されている面と、第2の部材64の第2の電極56及びエレクトレット材57が形成されている面とを対向させる。また、第2の部材64は、第1の部材65に対して相対的に平面方向に回転可能であるように接続されている。
(第3の実施形態の第1変形例)
本発明の第3の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図25を参照しながら説明する。
本発明の第3の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図25を参照しながら説明する。
第3の実施形態の第1変形例に係る発電装置は、第3の実施形態に係る発電装置と比較して、第2の部材64の構成が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、図25に示すように、第2の部材64の構成を第3の基板53、第4の基板54及び重り66とからなる構成とする。第2の部材64の形状は、第3の実施形態に係る発電装置と同様であるが、第3の実施形態における第3の基板53の外縁部に相当する部分よりも質量が大きい材料からなる重り56が第3の基板53の外縁部に付加されている。別の言い方をすると、第3の基板53(第2の部材64)の回転軸近傍の単位体積当たりの質量と比較して、第3の基板53(第2の部材64)の外縁部近傍の単位体積当たりの質量が大きい構造を有している。
第3の実施形態の第1変形例によると、第2の部材64の重心が外縁部の方向に傾き、微小な振動でも振れやすくなり、発電効率が向上する効果がある。
(第3の実施形態の第2変形例)
本発明の第3の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図26及び図27を参照しながら説明する。
本発明の第3の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図26及び図27を参照しながら説明する。
第3の実施形態の第2変形例に係る発電装置は、第3の実施形態の第1変形例に係る発電装置と比較して、重り56の位置が異なり、それ以外の構成は、同様である。
具体的には、図26(a)及び図26(b)並びに図27に示すように、重り56は、第3の基板53の平面方向に延びるような位置に設けられている。このような形態であったとしても、第3の実施形態の第1変形例に係る発電装置と同様な効果を得ることが可能である。
(第3の実施形態の第3変形例)
本発明の第3の実施形態の第3変形例に係る発電装置について図28を参照しながら説明する。
本発明の第3の実施形態の第3変形例に係る発電装置について図28を参照しながら説明する。
第3の実施形態の第3変形例に係る発電装置は、第3の実施形態に係る発電装置と比較して、第1の電極55、第2の電極56及びエレクトレット材57の配置が異なり、それ以外の構成は、同様である。
具体的には、図28に示すように、第1の電極55、第2の電極56及びエレクトレット材57の形状を、それぞれブロック形状として、千鳥状に配置してもよい。
言い換えれば、第1の部材65と第2の部材64との関係において、ブロック形状の第1の電極55、ブロック形状の第2の電極56及びブロック形状のエレクトレット材57がそれぞれ、第1の部材65の中心(回転軸)近傍から外周方向に向かって延びるように複数配置されることとなる。また、第2の電極56とその上に形成されたエレクトレット材57とは、第1の電極55と重なるように対向して配置される。
図28に示す領域Bの範囲に第4の基板54とその上に形成された第2の電極56及びエレクトレット材57が配置されている。実際には、第2の部材64のうち、第1の部材65と対向する面上に第4の基板54は配置されている。
(第3の実施形態の第4変形例)
本発明の第3の実施形態の第4変形例に係る発電装置について図29を参照しながら説明する。
本発明の第3の実施形態の第4変形例に係る発電装置について図29を参照しながら説明する。
第3の実施形態の第4変形例に係る発電装置は、第3の実施形態に係る発電装置と比較して、第1の電極55、第2の電極56及びエレクトレット材57を上から見たときの形状が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、図29に示すように、第1の電極55、第2の電極56及びエレクトレット材57の形状をそれぞれ渦巻き形状とする。図29においては、簡略化のために、渦巻き形状を線状にて記載しているが、発電効率の観点から、第1の電極55、第2の電極56及びエレクトレット材57は、それぞれある程度の幅を持っている。
以上のように電極及びエレクトレット材を配置することにより、電極が渦巻き状に一続きになっているため、それぞれの電極ブロック間の接続が必要なく、最外周部で容易に外部配線と接続することができる効果がある。
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態に係る発電装置について、図30及び図31を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において、用いている材料及び数値は好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
以下、本発明の第4の実施形態に係る発電装置について、図30及び図31を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において、用いている材料及び数値は好ましい例を例示しているに過ぎず、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更は可能である。
図30(a)及び図30(b)並びに図31(a)に示すように、第1の部材65は、第1の基板51及び第2の基板52から構成されている。また、第2の部材64は、第3の基板53、第4の基板54及び重り66から構成されている。第1の部材65及び第2の部材64の詳細については後述する。
図30(a)及び図30(b)に示すように、第1の部材65を上から見た形状は略円形であり、第2の部材64を上から見た形状は、略円形の第1の部材65からある角度分を切り取った略扇形である。
また、図30(a)に示すように、第1の部材65及び第2の部材64は、第1の部材65の中心付近において軸60と軸受け61とによって接続されている。ここで、第2の部材64は、軸60を中心として、第2の部材64の面方向に、第1の部材65に対して相対的に平面方向に回転可能な構造を有している。
ここで、第2の部材64は、扇形に限定されるものではない。例えば、半円形でもよい。
次に、第1の部材65及び第2の部材64の詳細について説明する。
図31(a)に示すように、第1の部材65は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第1の基板51と、例えばプリント基板である第2の基板52とを組み合わせて構成されている。
また、第2の部材64は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第3の基板53と、例えばプリント基板である第4の基板54と、重り66とを組み合わせて構成されている。重り56は、第3の基板53よりも質量が大きい材料から形成されており、第3の基板53の外縁部に付加されている。ここで、第4の基板54は、第3の基板53の面上で、且つ、第1の部材65と対向する側に保持されている。さらに、第4の基板54は略扇形をした第3の基板53における図30(a)及び図30(b)の領域Bとして示す部分に保持されている。
第1の部材65の一部である第2の基板52の、第2の部材64に対向する面には、図30(a)及び図30(b)に示すように、中心近傍から外周方向に向かって延びるような略扇形の第1の電極55が一定の回転角度分の間隔をおいて複数形成されている。なお、略扇形の第1の電極55は発電効率の点から複数個形成されていることが好ましいが、1つでもよい。
第2の部材64の一部である第4の基板54の、第1の部材65に対向する面には、第1の電極55と同様の回転角度分の間隔をおいて第2の電極56が形成されている。第1の電極55と第2の電極56との間における第2の電極56側には、エレクトレット材57が形成されている。第2の電極56とその上に形成されているエレクトレット材57とは、第1の電極55のような略扇形のストライプ構造のうち、一部を切り取ったような形状であり、第1の部材65に形成された第1の電極55とちょうど重なるように第2の電極56とエレクトレット材57が形成されている。図30(b)における符号6が第2の電極56とエレクトレット材57とが形成されている部分であり、実際には第1の部材65に対向する面に形成されている。
なお、第2の部材64が軸60を中心に回転することによって、第1の電極55の形成部とエレクトレット材57の形成部との重なり部分はずれていき、一定の回転角分ずれると再び重なるようになっている。
なお、本実施形態では第1の部材65が第1の基板51と第2の基板52から構成されている例を示したが、第1の部材65の構成はこれに限定されない。すなわち、一つの基板により構成されていてもよく、また、2以上の基板又はスペーサ等から構成されていてもよい。同様に、第2の部材64は一つの基板により構成されていてもよく、また、2以上の基板又はスペーサ等から構成されていてもよい。
また、第1の部材65と第2の部材64との間に、第1の部材65又は第2の部材64に接触する第3の部材を配置してもよい。例えば、第1の部材65の外縁部で、且つ、第2の部材64に対向する面上に第3の部材として突起を形成する。このとき、この突起の厚さは、第1の電極55、第4の基板54、第2の電極56及びエレクトレット材57の厚みを足した厚さよりも大きい方が好ましい。この第3の部材が配置されていると、電極とエレクトレット材との間に働くクーロン力によって第1の電極55とエレクトレット材57とが張り付いてしまうことを防止することができる。この構成は、特に、電極とエレクトレット材との間の距離が50μm以下程度と小さいときにより効果的である。
さらに、この第3の部材は回転可能な略球状から構成されることが望ましい。略球状の部材を第1の部材65と第2の部材64との間に配置する場合、図31(b)に示すように、第2の部材64は第3の基板53、第4の基板54及びスペーサ58から構成されており、スペーサ58には溝部が形成されている。また、この溝部に略球状の部材59が接触している。
なお、部材59は耐摩耗性材料又は超硬合金材料から形成されていることが好ましく、通常、Al2O3、Si3N4、ZrO2又はタングステンカーバイド等の材料から構成される。部材59が略球状であることにより、第2の部材64は回転による摩擦が低減され、発電効率を向上させることができる。また、部材59が耐摩耗性材料又は超硬材料であることによって、より摩擦に強く耐久性が高い構造とすることができる。
また、スペーサ58に形成される溝部は、下側から見た場合に、第1の部材65の外縁に沿ってある範囲分の長さを有し、部材59が略球状の部材である場合にはその範囲の間にいて回転しながら移動可能であることが好ましい。また、このような溝部は部材59の数に応じて複数あることが好ましい。ここで、第1の部材65を上から見た形状が円状であれば、スペーサ58に形成された溝部は円弧状である。また、このようにスペーサ58の溝部に略球状の部材59を組み合わせた構造は、ベアリング構造と呼ぶことも可能である。ベアリング構造は略球状の部材59が回転できればよく、例えば円柱でもよく、本実施形態の構成に限定されない。また、溝部に部材59が配置されたスペーサ58は第1の部材65に形成されていてもよい。
なお、溝部は必ずしもスペーサ58に形成されている必要はなく、第1の部材65のうち第2の部材64と対向する面に形成されていればよい。
また、スペーサ58は第1の部材65と第2の部材64との間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。
ここで、エレクトレット材57は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜からなり、シリコン窒化膜等のエレクトレット材57よりも引張り応力の大きい絶縁膜により覆われていることが好ましい。シリコン酸化膜をシリコン窒化膜により覆うことによって、シリコン酸化膜部に注入される電荷を抜けにくくすることができ、発電効率を高めることができる。なお、電荷を抜けにくくするためには、エレクトレット材57の側面、下面及び上面が完全にシリコン窒化膜により覆われていることが好ましい。
また、エレクトレット材57は、例えばシリコン酸化膜ではなく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜により形成してもよい。PZTは強誘電特性を有するため、分極すれば、エレクトレット材となる。PZT膜の最表面に電荷が存在するので、対向する電極に対して電荷の中心がもっとも近くなる。これによって静電誘導により得られる電荷量が増え、発電効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態では第2の部材64にエレクトレット材57を配置したが、第1の部材65にエレクトレット材57を配置しても構わない。
なお、エレクトレット材は、絶縁体の中に電荷を保持したものであるが、材料の持つ絶縁耐圧を超えて電荷を保持することはできない。従って、必要な電荷量に対応して厚さを制御する必要がある。絶縁耐圧の低い材料では相対的に厚みが増し、電荷の中心と、対向電極との距離が相対的に遠くなるので、発電効率が落ちる傾向にある。そのため、絶縁耐圧の高いシリコン酸化膜等が有効であり、発電効率が大きくなる。
また、発電量を増加させるためには、第1の電極55と厚さが2μm~3μm程度であるエレクトレット材57との距離は短いほうがよく、50μm以下程度であることが好ましい。また、そのためには、厚さがそれぞれ0.5μm程度であり、材料がそれぞれ金及びポリシリコン等からなる第1の電極55と第2の電極56との距離が50μm以下程度であることが好ましい。但し、これらの数値は好ましい値を例示したにすぎず、この数値に限定されるものではない。
第4の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの第2の部材64の動きと、発電のメカニズムとは第3の実施形態に係る発電装置と同様であるので、説明を省略する。
第4の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材64の回転に呼応する第1の電極55に生じる電荷量の変化を、電気エネルギーとして取り出すことが可能となる。そのため、従来技術と比較して、平面内のあらゆる方向の振動も発電に利用することができる効果がある。
また、第4の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材64が略扇形であり、且つ、外縁部に重りがあることにより、第2の部材64の重心は軸60よりも外縁部に近い位置となり、効率よく発電させることができる効果がある。
次に、第2の部材64の重心について図32を参照しながら詳しく説明する。
図32(a)は、略扇形の第2の部材64の頂点と略円形の第1の部材65の中心とを重ね合わせて、第2の部材64を第1の部材65に投影させた状態を示している。また、図32(b)は、図32(a)のように、第2の部材64を第1の部材65に向かって上から投影した部分と第1の部材65との重なり部分70を示している。ここで、この重なり部分70の重心は符号71に位置している。一方、第2の部材64の重心は符号73に位置している。
ここで、略扇形の第2の部材64の頂点から重心73までの距離は、略扇形の重なり部分70の頂点から重心71までの距離よりも長くなる。従って、第2の部材64の重心73は軸60よりも外縁部に近い位置となっている。このように、第2の部材64の重心73が第2の部材64の外縁部に近づけば近づくほど、第2の部材64が回転したときの遠心力による影響を受けやすく、振動のエネルギーを吸収しやすくなる。そのため、発電効率を向上させることができる。
(第4の実施形態の第1変形例)
本発明の第4の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図33及び図34を参照しながら説明する。
本発明の第4の実施形態の第1変形例に係る発電装置について図33及び図34を参照しながら説明する。
第4の実施形態の第1変形例に係る発電装置は、第4の実施形態に係る発電装置と比較して、第2の部材64の構成が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、図33(a)及び図33(b)並びに図34に示すように、重り66が第3の基板53の面上で、且つ、第1の部材65と対向する面と反対側に配置されている。
第4の実施形態の第1変形例によると、第2の部材64の重心が外縁部の方向に傾き、微小な振動でも振れやすくなり、発電効率が向上する効果がある。
(第4の実施形態の第2変形例)
本発明の第4の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図35を参照しながら説明する。
本発明の第4の実施形態の第2変形例に係る発電装置について図35を参照しながら説明する。
第4の実施形態の第2変形例に係る発電装置は、第3の実施形態の第3変形例に係る発電装置と比較して、第2の部材64の外縁部の位置が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、第3の実施形態の第3変形例に係る発電装置における第2の部材64の外縁部は、第1の部材65の外縁部よりも、上側から見たときに外側に位置している。一方、第4の実施形態の第2変形例においては、図35に示すように、第2の部材64の外縁部は、第1の部材65の外縁部と同じ位置又は内側に位置している。
第4の実施形態の第2変形例においても、第1の実施形態の第3変形例に係る発電装置と同様の効果を得ることが可能である。
(第3の実施形態の第3変形例)
第4の実施形態の第3変形例に係る発電装置は、第3の実施形態の第4変形例に係る発電装置と比較して同様である。第4の実施形態の第3変形例においても、第3の実施形態の第4変形例に係る発電装置と同様の効果を得ることが可能である。
第4の実施形態の第3変形例に係る発電装置は、第3の実施形態の第4変形例に係る発電装置と比較して同様である。第4の実施形態の第3変形例においても、第3の実施形態の第4変形例に係る発電装置と同様の効果を得ることが可能である。
具体的には、図36に示すように、電極及びエレクトレット材の形状をそれぞれ渦巻き形状とする。なお、図36においては、簡略化のために、渦巻き形状を線状にて記載しているが、発電効率の観点から、電極及びエレクトレット材は、それぞれある程度の幅を持っている。
なお、本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。さらに、それぞれの実施形態及び変形例を適宜組み合わせることも可能である。
また、第3の実施形態、第4の実施形態及びそれらの変形例においては、エレクトレット材57が第1の電極55と第2の電極56との間に配置される構成について説明したが、第1の電極55と第2の電極56との間に外部から電荷を供給できるような電荷供給機構があれば、必ずしも必要ではない。しかし、それぞれの電極間には多くの電荷が供給される必要がある。従って、その観点からは、エレクトレット材がそれぞれの電極間に配置される方が好ましい。
本発明に係る発電装置は、多方向の外部振動を効率的に発電に利用可能な発電装置並びにこのような発電装置を搭載した電気機器及び通信装置が得ることができ、特に、エレクトレット材料を用いた静電誘導型の発電装置及びこの発電装置を搭載する電気機器等に有用である。
1 第1の基板
2 第2の基板
3 スペーサ
4 部材
5 第1の電極
6 第3の基板
7 第4の基板
8 第2の電極
9 エレクトレット材
10 軸
11 軸受け
12 第1の回転方向
13 第2の回転方向
14 第1の部材
15 第2の部材
21 第1の基板
22 第2の基板
23 第1のスペーサ
24 部材
25 第3の基板
26 第4の基板
27 第5の基板
28 第6の基板
29 第7の基板
30 第2のスペーサ
31 部材
32 第1の電極
33 第2の電極
34 第1のエレクトレット材
35 第3の電極
36 第2のエレクトレット材
37 第4の電極
38 軸
39 軸受け
40 第1の回転方向
41 第2の回転方向
42 第1の部材
43 第2の部材
44 第3の部材
51 第1の基板
52 第2の基板
53 第3の基板
54 第4の基板
55 第1の電極
56 第2の電極
57 エレクトレット材
58 スペーサ
59 部材
60 軸
61 軸受け
62 第1の回転方向
63 第2の回転方向
64 第2の部材
65 第1の部材
66 重り
70 重なり部分
71 (重なり部分の)重心
72 (第2の部材の)重心
73 (第2の部材の)重心
2 第2の基板
3 スペーサ
4 部材
5 第1の電極
6 第3の基板
7 第4の基板
8 第2の電極
9 エレクトレット材
10 軸
11 軸受け
12 第1の回転方向
13 第2の回転方向
14 第1の部材
15 第2の部材
21 第1の基板
22 第2の基板
23 第1のスペーサ
24 部材
25 第3の基板
26 第4の基板
27 第5の基板
28 第6の基板
29 第7の基板
30 第2のスペーサ
31 部材
32 第1の電極
33 第2の電極
34 第1のエレクトレット材
35 第3の電極
36 第2のエレクトレット材
37 第4の電極
38 軸
39 軸受け
40 第1の回転方向
41 第2の回転方向
42 第1の部材
43 第2の部材
44 第3の部材
51 第1の基板
52 第2の基板
53 第3の基板
54 第4の基板
55 第1の電極
56 第2の電極
57 エレクトレット材
58 スペーサ
59 部材
60 軸
61 軸受け
62 第1の回転方向
63 第2の回転方向
64 第2の部材
65 第1の部材
66 重り
70 重なり部分
71 (重なり部分の)重心
72 (第2の部材の)重心
73 (第2の部材の)重心
Claims (46)
- 板状の第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、板状の第2の部材に設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、前記第1の電極又は前記第2の電極に設けられたエレクトレット材と、
前記第1の部材と第2の部材との間に設けられ、前記第1の部材又は第2の部材と接触する複数の第3の部材とを備え、
前記第1の部材は、前記第2の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転する発電装置。 - 請求項1において、
前記第3の部材は、前記第1の部材又は前記第2の部材に形成された溝部と接触している発電装置。 - 請求項1又は2のいずれか1項において、
前記第1の部材の中心近傍には軸が形成されており、
前記軸は、前記第1の部材の面内方向に対して垂直方向に伸びており、
前記第1の部材と前記第2の部材とは前記軸により接続している発電装置。 - 請求項1~3のいずれか1項において、
前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって延びるように形成されている発電装置。 - 請求項1~3のいずれか1項において、
前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に渦巻き状に形成されている発電装置。 - 請求項1~3のいずれか1項において、
前記第1の電極は、ブロック状の複数の電極からなり、
前記複数の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって形成されている発電装置。 - 請求項1~3のいずれか1項において、
前記第1の電極は、ブロック状の複数の電極が千鳥配置となるようにして形成されている発電装置。 - 請求項1~7のいずれか1項において、
前記第3の部材は、略球状をしている発電装置。 - 請求項1~7のいずれか1項において、
前記第3の部材は、耐磨耗性材料からなる発電装置。 - 請求項1~7のいずれか1項において、
前記第3の部材は、超硬材料からなる発電装置。 - 請求項1~10のいずれか1項において、
前記第1の電極と前記第2の電極の間の間隔は、50μm以下である発電装置。 - 少なくとも第1の部分と第2の部分とを有し、
前記第1の部分と前記第2の部分とにより定義される空間と、
前記第1の部分に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、前記第2の部分に設けられた第2の電極と、
前記空間内において、前記第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材とを備え、
前記第1の部分又は第2の部分と接触する第3の部分を有しており、
前記第1の部分又は第2の部分は回転錘である発電装置。 - 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、前記第1の電極又は前記第2の電極に設けられたエレクトレット材と、
前記第1の部材又は第2の部材の間に設けられ、前記第1の部材又は第2の部材と接触する第3の部材とを備え、
前記第1の部材は回転錘である発電装置。 - 板状の第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、板状の第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、
前記第1の部材は、前記第2の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転し、
前記第1の電極は、前記第2の電極に対して相対的に且つその面内方向に回転する発電装置。 - 板状の第1の部材に設けられた第1の電極と、
板状の第2の部材に設けられた第2の電極及び第3の電極と、
板状の第3の部材に設けられた第4の電極とを備え、
前記第1の電極と前記第2の電極とは、互いに間隔をおいて対向するように設けられ、
前記第3の電極と前記第4の電極とは、互いに間隔をおいて対向するように設けられており、
前記第2の部材は、前記第1の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転する発電装置。 - 請求項15において、
前記第2の部材は回転錘である発電装置。 - 請求項15又は16のいずれか1項において、
前記第2の部材は、前記第1の部材及び第3の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転する発電装置。 - 請求項15~17のいずれか1項において、
前記第1の電極と前記第2の電極との間で且つ前記第1の電極又は第2の電極に設けられた第1のエレクトレット材と、
前記第3の電極と前記第4の電極との間で且つ前記第3の電極又は第4の電極に設けられた第2のエレクトレット材とをさらに備えている発電装置。 - 請求項15~18のいずれか1項において、
前記第1の部材と前記第2の部材との間又は前記第2の部材と前記第3の部材との間に設けられ、前記第1の部材、第2の部材又は第3の部材のいずれかと接触する複数の第4の部材をさらに備えている発電装置。 - 請求項15~18のいずれか1項において、
前記第1の部材と前記第2の部材との間又は前記第2の部材と前記第3の部材との間に設けられ、前記第1の部材、第2の部材又は第3の部材のいずれかに形成された溝部と接触する複数の第4の部材をさらに備えている発電装置。 - 請求項19又は20において、
前記第4の部材は略球状をしている発電装置。 - 請求項19~21のいずれか1項において、
前記第4の部材は、耐磨耗性材料からなる発電装置。 - 請求項19~21のいずれか1項において、
前記第4の部材は、超硬材料からなる発電装置。 - 請求項15~23のいずれか1項において、
前記第1の部材には軸が形成されており、
前記軸は、前記第1の部材の平面方向に対して垂直方向に伸びており、
前記第1の部材と前記第2の部材と前記第3の部材とは前記軸により接続されている発電装置。 - 請求項15~24のいずれか1項において、
前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって延びるように形成されている発電装置。 - 請求項15~24のいずれか1項において、
前記第1の電極は、ブロック状の複数の電極からなり、
前記複数の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって形成されている発電装置。 - 請求項15~24のいずれか1項において、
前記第1の電極は、ブロック状の複数の電極が千鳥配置となるように形成されている発電装置。 - 請求項15~24のいずれか1項において、
前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に渦巻き状に形成されている発電装置。 - 請求項15~28のいずれか1項において、
前記第1の電極と前記第2の電極との間の間隔は、50μm以下である発電装置。 - 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、
前記第1の部材は、前記第2の部材の内側に配置されており、
前記第2の部材は可動である発電装置。 - 請求項30において、
前記第2の部材は回転錘である発電装置。 - 請求項30又は31のいずれか1項において、
前記第2の部材は、板状であって、前記第1の部材に対して相対的に且つその面内方向に回転する発電装置。 - 請求項30~32のいずれか1項において、
前記第1の電極と前記第2の電極との間で且つ前記第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材をさらに備えている発電装置。 - 請求項30~33のいずれか1項において、
前記第1の部材と前記第2の部材との間に設けられ、前記第1の部材又は第2の部材と接触する複数の第3の部材をさらに備えている発電装置。 - 請求項30~33のいずれか1項において、
前記第1の部材と前記第2の部材の間に設けられ、前記第1の部材又は第2の部材に形成された溝部と接触する複数の第3の部材をさらに備えている発電装置。 - 請求項34又は35において、
前記第3の部材は略球状をしている発電装置。 - 請求項34~36のいずれか1項において、
前記第3の部材は、耐磨耗性材料からなる発電装置。 - 請求項34~36のいずれか1項において、
前記第3の部材は、超硬材料からなる発電装置。 - 請求項30~38のいずれか1項において、
前記第1の部材は板状であって、該第1の部材には軸が形成されており、
前記軸は、前記第1の部材の面内方向に対して垂直方向に伸びており、
前記第1の部材と前記第2の部材とは前記軸により接続されている発電装置。 - 請求項30~39のいずれか1項において、
前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって形成されている発電装置。 - 請求項30~39のいずれか1項において、
前記第1の電極は、ブロック状の複数の電極が前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって形成されている発電装置。 - 請求項30~39のいずれか1項において、
前記第1の電極は、ブロック状の複数の電極が千鳥配置となるように形成されている発電装置。 - 請求項30~39のいずれか1項において、
前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に渦巻き状に形成されている発電装置。 - 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、
前記第2の部材は、外縁部に重りを有する発電装置。 - 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、
前記第2の部材の中心近傍における単位体積当たりの質量と比較して、前記第2の部材の外縁部の単位体積当たりの質量が大きい発電装置。 - 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔をおいて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極とを備え、
前記第2の部材を前記第1の部材に向かって上から投影した部分と前記第1の部材との重なり部分における重心から前記第1の部材の中心近傍までの距離よりも、前記第2の部材の重心から前記第2の部材における前記第1の部材の中心近傍に対向する部分までの距離のほうが長い発電装置。
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