JP2011211801A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動時の発電量を向上させることが可能な発電装置を提供する。
【解決手段】この発電装置１００は、可動部３を後方固定部１および前方固定部２に対して振動させるためのスプリング２３と、スプリング２３のバネ定数よりも大きいバネ定数を有するとともに、可動部３が振動する際に可動部３が衝突することによって、可動部３のスプリング２３による振動の大きさよりも小さい振動を発生させるための跳ね返りバネ部１０とを備える。また、可動部３の跳ね返りバネ部１０の衝突による振動を含む振動によって発電可能に構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電装置に関し、特に、固定部および可動部を備えた発電装置に関する。

従来、固定部および可動部を備えた発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、筒状のコイルからなる固定部と、固定部内に配置される磁石からなる可動部と、可動部を固定部に対して振動可能に支持するためのコイルバネとを備えた電磁誘導型の発電装置が開示されている。この特許文献１に記載の発電装置では、コイルバネの一方端は、可動部に接続されるとともに、コイルバネの他方端は、天板に接続されており、可動部は、天板から吊り下げられた状態になっている。また、可動部の天板側とは反対側には、可動部と所定の間隔を隔てて底板が配置されている。そして、可動部の移動に伴ってコイルバネが伸縮することにより、可動部が固定部に対して振動して、固定部と可動部との間の電磁誘導作用により発電が行われるように構成されている。

特開平１０−６６３２３号公報

しかしながら、上記特許文献１の発電装置では、可動部が天板または底板まで移動した際に、可動部が固定部の天板または底板に当接した時点では、可動部が固定部に対して移動しない（動かない）状態になるので、可動部が天板または底板まで移動した場合には、発電が行われにくいという不都合がある。このため、振動時の発電量が減少するという問題点がある。なお、可動部を固定部に対して振動させることにより、固定部と可動部との間の静電誘導作用によって発電可能な静電誘導型の発電装置においても同様の問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、振動時の発電量を向上させることが可能な発電装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における発電装置は、固定部と、固定部と所定の間隔を隔てて対向するように配置されるとともに、固定部に対して振動可能なように構成された可動部と、可動部を固定部に対して振動させるための第１バネ部と、第１バネ部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有するとともに、可動部が振動する際に可動部が衝突することによって、可動部の第１バネ部による振動の大きさよりも小さい振動を発生させるための第２バネ部とを備え、可動部の第２バネ部の衝突による振動を含む振動によって発電可能に構成されている。

この一の局面による発電装置では、上記の構成により、振動時の発電量を向上させることができる。

本発明の一実施形態による発電装置の分解斜視図である。 本発明の一実施形態による発電装置を上面側から見た場合の平面図である。 図２の２００−２００線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による発電装置の可動部が跳ね返りバネ部に衝突した場合の平面図である。 図２の３００−３００線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による発電装置と比較例による発電装置との振動の状態を示すグラフである。 本発明の一実施形態による発電装置と比較例による発電装置との発電量の大きさを示すグラフである。 本発明の一実施形態による発電装置の第１変形例である。 本発明の一実施形態による発電装置の第２変形例である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態による発電装置１００は、固定部と可動部との間の静電誘導作用によって発電可能な静電誘導型の発電装置である。この発電装置１００は、図１に示すように、後方固定部１と、後方固定部１に対向するように設けられる前方固定部２と、後方固定部１と前方固定部２との間に配置され、後方固定部１および前方固定部２に対してＸ方向にスライド移動可能な可動部３とを備えている。なお、発電装置１００は、本発明の「発電装置」の一例である。また、後方固定部１および前方固定部２は、本発明の「固定部」の一例である。また、可動部３は、本発明の「可動部」の一例である。

後方固定部１は、箱状に形成されており、後方固定部１内には、集電電極６が形成されたガラス基板５が配置されている。前方固定部２は、蓋状に形成されており、前方固定部２内には、集電電極１３が形成されたガラス基板１２が配置されている。なお、集電電極６（１３）は、本発明の「第１電極」の一例である。

また、可動部３は、後方固定部１および前方固定部２により形成された筐体内に収容されている。可動部３の後方固定部１と対向する面には、後述する電荷が蓄積されたエレクトレット３７が形成されたシリコン基板３５が設けられている。また、可動部３の前方固定部２と対向する面には、後述する電荷が蓄積されたエレクトレット３８が形成されたシリコン基板３６が設けられている。なお、エレクトレット３７（３８）は、本発明の「第２電極」の一例である。

そして、可動部３が後方固定部１および前方固定部２に対して相対的にＸ方向に移動することによって、エレクトレット３７（３８）の影響を受けて集電電極６（１３）の誘導電荷量が変化し、変化した電荷が外部回路に流れることにより発電が行われる。

後方固定部１は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）からなり開口部４ａを有する固定部保持板４を含んでいる。この固定部保持板４のＹ方向の両端部には、それぞれ、互いに対向するとともに、矢印Ｚ１方向に沿って延びるように２つの側壁部７が設けられている。また、固定部保持板４のＸ方向の端部には、それぞれ、互いに対向するとともに、矢印Ｚ１方向（上方向）に延びるように下方壁部８および上方壁部９が設けられている。また、下方壁部８および上方壁部９には、それぞれ、可動部３の後述するスプリング軸２２を挿入可能な軸受け孔（軸受け部）８ａおよび軸受け孔（軸受け部）９ａが設けられている。なお、発電装置１００は、通常、上方壁部９側（矢印Ｘ２方向側）を上方にするとともに、下方壁部８側（矢印Ｘ１方向側）を下方にして使用するように構成されている。

上方壁部９の下方壁部８側（矢印Ｘ１方向側）の側面には、跳ね返りバネ部１０が取り付けられている。なお、跳ね返りバネ部１０は、本発明の「第２バネ部」の一例である。図２に示すように、跳ね返りバネ部１０は、Ｙ方向に延びるとともに、下方壁部８側（矢印Ｘ１方向側）に反るように形成された板バネからなる。また、板バネからなる跳ね返りバネ部１０は、後述するスプリング２３のバネ定数よりも大きいバネ定数を有する。

また、図１に示すように、前方固定部２は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）からなり開口部１１ａを有する固定部保持板１１を含んでいる。この固定部保持板１１のＹ方向の両端部には、それぞれ、互いに対向するとともに、矢印Ｚ２方向に沿って延びるように２つの側壁部１４が設けられている。

可動部３は、図３に示すように、錘板２０と、可動部保持板３０と、可動部保持板３１とを備えている。錘板２０は、直方体形状を有し、スプリング軸２２の矢印Ｙ１方向側と矢印Ｙ２方向側とにそれぞれ配置されている。可動部保持板３０と可動部保持板３１とは、ＳＵＳ（ステンレス鋼）からなる。可動部保持板３０および可動部保持板３１は、錘板２０の矢印Ｚ２方向側の表面および矢印Ｚ１方向側の表面に錘板２０を挟むようにそれぞれ配置され、錘板２０とともに一体的に移動可能に構成されている。

可動部保持板３０のＹ方向の両端部近傍には、それぞれ、ＳＵＳ（ステンレス鋼）からなり、可動部保持板３０の表面に対して垂直に延びるボール規制部３２が設けられている。同様に、可動部保持板３１のＹ方向の両端部近傍にも、それぞれ、ＳＵＳ（ステンレス鋼）からなり、可動部保持板３１の表面に対して垂直に延びるボール規制部３３が設けられている。

また、図１に示すように、ボール規制部３２（３３）の保持部３２ａ（３３ａ）には、それぞれ、マイクロボール３４（３９）が１つずつ配置されている。つまり、マイクロボール３４（３９）は、ボール規制部３２（３３）毎に３個ずつ配置されているとともに、可動部３全体には、１２個のマイクロボール３４（３９）が配置されている。

図３に示すように、可動部保持板３０（３１）の錘板２０とは反対側の表面上には、シリコン基板３５（３６）が配置されている。シリコン基板３５（３６）の錘板２０とは反対側の表面上には、電荷が蓄積されるとともに、Ｙ方向に延びるように複数の短冊状のエレクトレット３７（３８）がそれぞれ平行に配置されている。

また、可動部保持板３０の矢印Ｚ１方向側の表面上で、かつ、２つの錘板２０の間には、ストッパ２１が設けられている。このストッパ２１は、Ｘ方向に沿って延びるスプリング軸２２が取り付けられるように構成されている。そして、スプリング軸２２の外側には、スプリング軸２２が貫通するようにコイル状のスプリング２３が設けられている。なお、スプリング２３は、本発明の「第１バネ部」の一例である。

このスプリング２３は、図２に示すように、可動部３の矢印Ｘ１方向側に設けられている。このスプリング２３の下方壁部８側（矢印Ｘ１方向側）の端部は、下方壁部８の内側面に接触するように設けられている。また、スプリング２３の上方壁部９側（矢印Ｘ２方向側）の端部は、ストッパ２１の矢印Ｘ１方向側の表面と接触するように設けられている。このスプリング２３の弾性力により、発電装置１００全体がＸ方向に振動（外部振動）する際に、可動部３を上方壁部９側と下方壁部８側との上下方向（Ｘ方向）に振動させることが可能である。また、図１に示すように、可動部３は、スプリング軸２２の両端部を、それぞれ、下方壁部８の軸受け孔８ａおよび上方壁部９の軸受け孔９ａに挿入することにより、後方固定部１に取り付けられている。

次に、図４および図５を参照して、本実施形態による発電装置１００の発電動作について説明する。

まず、可動部３が後方固定部１内および前方固定部２内に静止した状態において、エレクトレット３７（３８）と集電電極６（１３）とが対向した状態で配置される。そして、約２Ｈｚ程度の周波数で、発電装置１００全体を下方（矢印Ｘ１方向）に移動させること（外部振動）により、可動部３のマイクロボール３４（３９）が矢印Ｘ１方向に転がるとともに、可動部３が矢印Ｘ１方向にスライド移動（内部振動）する。ただし、外部振動と内部振動との間には、位相のずれが発生しており、時間的に一致しているわけではない。また、内部振動時には、エレクトレット３７（３８）が、集電電極６（１３）に対して平行移動することにより、静電誘導作用によって集電電極６（１３）に誘導される電荷量が変化する。その結果、変化した電荷が外部回路に流れることにより発電が行われる。その後、可動部３は、スプリング２３を圧縮して下方壁部８側に達することにより、可動部３の矢印Ｘ１方向への振動（移動）が停止するとともに、発電が行われない。

次に、図４および図５に示すように、発電装置１００全体を上方（矢印Ｘ２方向）に振動（移動）させることにより、可動部３のマイクロボール３４（３９）が矢印Ｘ２方向に転がるとともに、可動部３が矢印Ｘ２方向にスライド移動する。このとき、エレクトレット３７（３８）が、集電電極６（１３）に対して平行移動することにより、静電誘導作用によって集電電極６（１３）に誘導される電荷量が変化する。その結果、変化した電荷が外部回路に流れることにより発電が行われる。

可動部３は、上方（矢印Ｘ２方向）の上端に移動した際に、上方壁部９の内側面に設けられた跳ね返りバネ部１０に衝突する。このとき、可動部３は、跳ね返りバネ部１０によって、矢印Ｘ２方向と矢印Ｘ１方向との両方向に小さく振動する。なお、跳ね返りバネ部１０による振動は、スプリング２３による振動よりも小さい振動（微細な振動）である。この微細な振動が発生することにより、エレクトレット３７（３８）が、集電電極６（１３）に対して小さく振動するので、エレクトレット３７（３８）と集電電極６（１３）との間の静電誘導作用によって、集電電極６（１３）に誘導される電荷量が変化する。その結果、変化した電荷が外部回路に流れることにより発電が行われる。つまり、可動部３が跳ね返りバネ部１０に接触することによって、可動部３が停止せずに振動を持続させることができるので、その分、発電装置１００のＸ方向の振動時の発電量を向上させることが可能である。

次に、図６を参照して、本実施形態による跳ね返りバネ部１０が設けられた発電装置１００と、比較例による跳ね返りバネ部１０が設けられていない発電装置１０１との振動の状態について説明する。

図６では、縦軸は、発電装置１００（１０１）および可動部３の振動方向を示している。また、横軸は、時間を示している。まず、可動部３が後方固定部１内および前方固定部２内で静止している状態から、約２Ｈｚ程度の周波数で発電装置１００全体が上方（矢印Ｘ２方向）および下方（矢印Ｘ１方向）に振動（外部振動）する。これにより、期間Ａでは、発電装置１００は、矢印Ｘ１方向に移動するとともに、可動部３は、発電装置１００の移動の大きさよりも小さい大きさで矢印Ｘ１方向に移動（内部振動）する。

可動部３は、発電装置１００が矢印Ｘ１方向に移動するとともに、下方壁部８の内側面（下端）側に達して、エレクトレット３７（３８）が、集電電極６（１３）に対して移動しなくなる。このとき、発電が行われない。その後、期間Ｂにおいて、発電装置１００全体が上方（矢印Ｘ２方向）に移動するとともに、発電装置１００の移動に遅れて可動部３が矢印Ｘ２方向に移動する。

そして、時間Ｃ（発電装置１００が矢印Ｘ２方向に最大に移動した時点）において、可動部３は、上方壁部９の内側面（上端）に設けられた跳ね返りバネ部１０に衝突する。その後、可動部３には、跳ね返りバネ部１０によって、可動部３のスプリング２３による振動の大きさよりも小さい振動（微細振動）が矢印Ｘ２方向と矢印Ｘ１方向との両方向に発生する。そして、この振動は、発電装置１００が矢印Ｘ２方向に最大に移動した時点、再び矢印Ｘ１方向に移動した後（期間Ｄ）まで続く。そして、可動部３が跳ね返りバネ部１０により振動されることによって、発電が行われる。

その一方で、比較例による発電装置１０１のように、上方壁部９の内側面（上端）に跳ね返りバネ部１０が設けられていない場合では、点線で示すように、可動部３が上方壁部９の内側面（上端）に当接した際に、可動部３は、停止した状態となり、発電が行われなくなる。その後、発電装置１００全体を下方（矢印Ｘ１方向）に振動（移動）させることにより、可動部３が矢印Ｘ１方向に移動する。

なお、期間Ｄ以降の発電装置１００の動作は、上記した期間Ｂ、時間Ｃおよび期間Ｄと同様である。

次に、図７を参照して、本実施形態による跳ね返りバネ部１０が設けられた発電装置１００と、比較例による跳ね返りバネ部１０が設けられていない発電装置１０１との発電量測定時の負荷抵抗を変化させた場合の測定結果について説明する。

図７では、縦軸は、本実施形態による発電装置１００および比較例による発電装置１０１の発電量を示している。また、横軸は、発電量測定時の負荷抵抗の大きさを示している。この発電量の測定では、発電量測定時に発電装置に接続される負荷抵抗の大きさを変化させて発電量を測定している。

まず、発電装置１００の発電量は、負荷抵抗が０（Ω）以上約５．０×１０^６（Ω）未満では、負荷抵抗を増加させるのに伴って、急激に大きくなることが確認された。また、発電装置１００の発電量は、負荷抵抗が約５．０×１０^６（Ω）以上約２．０×１０^８（Ω）未満では、負荷抵抗を増加させるのに伴って、徐々に小さくなることが確認された。

また、発電装置１０１の発電量も負荷抵抗が０（Ω）以上約５．０×１０^６（Ω）未満では、負荷抵抗を増加させるのに伴って、急激に大きくなることが確認された。また、発電装置１０１の発電量は、負荷抵抗が約５．０×１０^６（Ω）以上約２．０×１０^８（Ω）未満では、負荷抵抗を増加させるのに伴って、徐々に小さくなることが確認された。

また、負荷抵抗を変化させて発電量を測定した結果、負荷抵抗が約５．０×１０^６（Ω）の場合に発電量が最大となり、発電装置１０１の発電量を１００とした場合に、発電装置１００の発電量が約２００であり、約２倍の発電量が得られることが判明した。なお、発電装置１００の発電量は、負荷抵抗がいずれの大きさの場合にも、跳ね返りバネ部１０による可動部３に付与する小さい振動（微細な振動）によって、発電装置１０１の発電量以上であることが確認された。

本実施形態による発電装置１００では、以下の効果を得ることができる。

（１）スプリング２３のバネ定数よりも大きいバネ定数を有するとともに、可動部３が振動する際に可動部３が衝突することによって、可動部３のスプリング２３による振動の大きさよりも小さい振動を発生させるための跳ね返りバネ部１０を設けた。これにより、可動部３の跳ね返りバネ部１０の衝突による振動によっても、エレクトレット３７（３８）と集電電極６（１３）との間の静電誘導作用により、発電可能に構成した。その結果、跳ね返りバネ部１０が設けられていない場合と異なり、可動部３が跳ね返りバネ部１０に衝突した際にも、可動部３を振動させることができるので、その分、振動時の発電量を向上させることができる。

（２）可動部３が上方に移動する際に、可動部３が跳ね返りバネ部１０に衝突することによって、可動部３のスプリング２３による振動の大きさよりも小さい振動が発生するように構成した。これにより、跳ね返りバネ部１０による振動が、スプリング２３による大きな振動を打ち消すのが抑制されるので、可動部３がスプリング２３により上下方向に移動しながら、可動部３が微小な振動をすることができる。

（３）跳ね返りバネ部１０を、可動部３のスプリング２３とは反対側に配置した。これにより、可動部３がスプリング２３側とは反対側に振動（移動）する際に、可動部３のスプリング２３側とは反対側に配置された跳ね返りバネ部１０に衝突することによって、可動部３を振動させることができる。

（４）本発明の第１電極は、集電電極６（１３）を含み、本発明の第２電極は、エレクトレット３７（３８）を含む。これにより、集電電極６（１３）とエレクトレット３７（３８）との間の静電誘導作用によって発電可能な発電装置１００を容易に構成することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、本発明の発電装置の一例として、静電誘導型の発電装置を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、電磁誘導型の発電装置などでもよい。

また、上記実施形態では、本発明の第２バネ部の一例として、板バネからなる跳ね返りバネ部１０を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第２バネ部をコイルスプリングやねじりバネなどにより構成してもよい。

また、上記実施形態では、跳ね返りバネ部１０を上方壁部９の内側面に設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、跳ね返りバネ部１０を上方壁部９の内側面には設けずに、下方壁部８の内側面に設けてもよい。また、図８に示す第１変形例のように、跳ね返りバネ部１０を上方壁部９の内側面と下方壁部８の内側面との両方に設けてもよい。この場合、可動部３が上方壁部９側（上端）と下方壁部８側（下端）との両方向において跳ね返りバネ部１０に衝突するので、上方壁部９側（上端）と下方壁部８側（下端）との両方向において、発電を行うことが可能である。

また、上記実施形態では、板バネからなる跳ね返りバネ部１０を上方壁部９の内側面に設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図９に示す第２変形例のように、２つのコイルスプリングからなる２つの跳ね返りバネ部１０ａを上方壁部９の内側面に設けてもよい。また、２つの跳ね返りバネ部１０ａを上方壁部９の内側面には設けずに、下方壁部８の内側面に設けてもよい。また、跳ね返りバネ部１０ａを上方壁部９の内側面と下方壁部８の内側面との両方に設けてもよい。なお、跳ね返りバネ部１０ａを１つ設けてもよいし、３つ以上設けてもよい。

また、上記実施形態では、跳ね返りバネ部１０を上方壁部９の内側面に設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、跳ね返りバネ部１０を可動部３の上方壁部９側の側面に設けてもよいし、可動部３の下方壁部８側の側面に設けてもよいし、可動部３の下方壁部８の側面と上方壁部９の側面との両側に設けてもよい。

１ 後方固定部（固定部）
２ 前方固定部（固定部）
３ 可動部
６、１３ 集電電極（第１電極）
１０、１０ａ 跳ね返りバネ部（第２バネ部）
２３ スプリング（第１バネ部）
３７、３８ エレクトレット（第２電極）
１００ 発電装置

Claims (5)

1. 固定部と、
   前記固定部と所定の間隔を隔てて対向するように配置されるとともに、前記固定部に対して振動可能なように構成された可動部と、
   前記可動部を前記固定部に対して振動させるための第１バネ部と、
   前記第１バネ部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有するとともに、前記可動部が振動する際に前記可動部が衝突することによって、前記可動部の前記第１バネ部による振動の大きさよりも小さい振動を発生させるための第２バネ部とを備え、
   前記可動部の前記第２バネ部の衝突による振動を含む振動によって発電可能に構成されている、発電装置。
2. 前記固定部には、第１電極が形成されており、
   前記可動部には、前記固定部の前記第１電極に対向するように第２電極が形成されており、
   前記可動部の前記第２バネ部の衝突による振動を含む振動による前記第１電極と前記第２電極との間の静電誘導作用によって発電可能に構成されている、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記可動部は、上下方向に振動可能に配置されており、
   前記第１バネ部は、前記可動部の少なくとも下方に配置され、
   前記第２バネ部は、前記可動部の少なくとも上方に配置され、
   前記可動部が少なくとも上方に移動する際に、前記可動部が前記第２バネ部に衝突することによって、前記可動部の前記第１バネ部による振動の大きさよりも小さい振動が発生するように構成されている、請求項２に記載の発電装置。
4. 前記第１バネ部は、前記可動部の振動方向の一方側に配置され、
   前記第２バネ部は、前記可動部の振動方向の他方側に配置され、
   前記第２バネ部は、前記可動部の少なくとも前記第１バネ部とは反対側に配置されている、請求項２または３に記載の発電装置。
5. 前記第２バネ部は、前記可動部の振動方向の両側に配置されている、請求項４に記載の発電装置。

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