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JP2012152010A - Power generator - Google Patents

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JP2012152010A
JP2012152010A JP2011008602A JP2011008602A JP2012152010A JP 2012152010 A JP2012152010 A JP 2012152010A JP 2011008602 A JP2011008602 A JP 2011008602A JP 2011008602 A JP2011008602 A JP 2011008602A JP 2012152010 A JP2012152010 A JP 2012152010A
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JP
Japan
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substrate
electrode
power generation
electret
conductor
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JP2011008602A
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Japanese (ja)
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Takashi Miyata
崇 宮田
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

【課題】対向電極を撓ませることでエレクトレット発電動作を行う場合、例えば、50Hzで振動した場合、一周期の撓みを1回としてみると、約16億回屈伸を繰り返すこととなる。そのため、長期にわたる信頼性を確保することが難しいという課題があった。また、平面方向用の発電装置を転用するには、大幅な改造が必要となり、実用性に乏しいという課題があった。
【解決手段】互いに反発する磁石やエレクトレットを用いて、固定基板と、エレクトレットを設けた可動基板を重力に抗した状態で浮遊させた。この状態で振動が加わると固定基板の法線方向に可動基板が振動(上下の振動)する。この振動に応じて固定基板と可動基板間の距離が変化する。即ち固定基板と可動基板間の電気容量が変化し、この容量変化に伴い電流が発生する。即ち、重力方向の振動を用いて発電することが可能となる。
【選択図】図1
When electret power generation operation is performed by bending a counter electrode, for example, when it vibrates at 50 Hz, if one cycle of bending is considered as one time, bending and stretching will be repeated about 1.6 billion times. For this reason, there is a problem that it is difficult to ensure long-term reliability. Moreover, in order to divert the power generation device for a plane direction, there has been a problem that it requires a large amount of modification and is not practical.
A stationary substrate and a movable substrate provided with an electret are floated against gravity using magnets and electrets that repel each other. When vibration is applied in this state, the movable substrate vibrates (vertical vibration) in the normal direction of the fixed substrate. The distance between the fixed substrate and the movable substrate changes according to this vibration. That is, the electric capacity between the fixed substrate and the movable substrate changes, and a current is generated along with this change in capacitance. That is, it is possible to generate power using vibration in the direction of gravity.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、発電装置に関する。   The present invention relates to a power generator.

発電装置として、固定基板と可動基板とを対向配置し、可動基板の振動で静電誘導型発電を行うものが知られている。
この場合、例えば固定基板は可動基板と対向する面に、導体と荷電部材(エレクトレット)を重ねて櫛型に加工した固定電極を備えている。
そして、可動基板は、固定基板の固定電極側と対向する面に、固定基板の平面視で固定電極の一部と重なる可動電極を備えている。
可動基板を固定基板の平面方向に振動させると、可動電極に加えられた振動エネルギーは、当該電極間のクーロン引力を変化させる。そして、この変化分を電力として回収することで電気エネルギーに変換される。即ち、発電が為される。
As a power generation device, a device in which a fixed substrate and a movable substrate are arranged to face each other and electrostatic induction type power generation is performed by vibration of the movable substrate is known.
In this case, for example, the fixed substrate includes a fixed electrode that is processed into a comb shape by superposing a conductor and a charging member (electret) on a surface facing the movable substrate.
The movable substrate includes a movable electrode that overlaps a part of the fixed electrode in a plan view of the fixed substrate on a surface facing the fixed electrode side of the fixed substrate.
When the movable substrate is vibrated in the plane direction of the fixed substrate, the vibrational energy applied to the movable electrodes changes the Coulomb attractive force between the electrodes. Then, the change is recovered as electric power to be converted into electric energy. That is, power generation is performed.

上記したように、固定基板と可動基板とを振動させる方向としては、互いに面方向に振動させるものが知られている。   As described above, as directions for vibrating the fixed substrate and the movable substrate, those that vibrate in the plane direction are known.

例えば、特許文献1では、エレクトレット膜と対向電極とを備え、対向電極をメカニカルスイッチとして機能させ、対向電極の振動方向に応じて発生する電荷を一定の極性で出力させることで、整流素子無しでコンデンサーに電荷を蓄積させる構成が開示されている。   For example, in Patent Document 1, an electret film and a counter electrode are provided, the counter electrode functions as a mechanical switch, and a charge generated according to the vibration direction of the counter electrode is output with a constant polarity, so that there is no rectifying element. A configuration for accumulating electric charge in a capacitor is disclosed.

また、特許文献2では、可動部に磁性体のベアリングを用い、磁石を固定基板に埋め込むことで、磁界による引力で静止位置に戻す構成が開示されている。   Patent Document 2 discloses a configuration in which a magnetic bearing is used as a movable part and a magnet is embedded in a fixed substrate so as to return to a stationary position by attractive force due to a magnetic field.

特開2009−171821号公報JP 2009-171821 A 特開2008−113517号公報JP 2008-113517 A

しかしながら、特許文献1で開示された構成では、対向電極を撓ませることで発電動作を行うため、対向電極の機械的寿命が短くなる懸念がある。例えば、50Hzで振動した場合、一周期の撓みを1回としてみると、一年で約16億回屈伸を繰り返すこととなる。使用条件にもよるが、一般的なばねの寿命は屈伸回数で1000万回〜1億回程度であり、長期にわたる信頼性を確保することが難しいという課題があった。
また、接点の電気的寿命についても限界があり、信頼性の高い機械的スイッチでも、1000万回の開閉に耐えるスイッチはまず無く、この面からも長期にわたる信頼性を確保することが難しいという課題があった。
また、特許文献2で開示された構成では、横向き(可動基板を固定基板が重力に抗して支える向き)では発電できるが、縦向き(固定基板を立たせる向き、即ち横向きから90°回転させた向き)では可動基板と固定基板とを保持することが困難となり、発電が困難になるという課題があった。
However, in the configuration disclosed in Patent Document 1, since the power generation operation is performed by bending the counter electrode, the mechanical life of the counter electrode may be shortened. For example, in the case of vibration at 50 Hz, if one period of bending is considered as one time, bending and stretching will be repeated about 1.6 billion times a year. Although depending on the use conditions, the life of a general spring is about 10 million to 100 million times in terms of the number of bending and stretching, and there is a problem that it is difficult to ensure long-term reliability.
In addition, there is a limit to the electrical life of contacts, and even a highly reliable mechanical switch is unlikely to withstand opening and closing 10 million times, and it is difficult to ensure long-term reliability from this aspect as well. was there.
In the configuration disclosed in Patent Document 2, power can be generated in the horizontal direction (the direction in which the movable substrate supports the fixed substrate against gravity). In other words, it is difficult to hold the movable substrate and the fixed substrate, which makes it difficult to generate power.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]本適用例にかかる発電装置は、重力方向の力成分を有する外力を受けて発電を行う発電装置であって、電荷を保持し、発電用のエレクトレット電極を第1面側に備えている第1基板と、第2面が、間隔を介して前記第1面と対向し、かつ前記第1面と前記第2面とが向き合うよう設けられた第2基板と、前記第2基板が前記第2面側に備えている、前記第1面の平面視で、前記エレクトレット電極と少なくとも一部が重なる発電用の導体を有する導体電極と、前記第1基板と前記第2基板の一方の基板を固定し、他方の基板に対しては、前記平面視方向への移動を抑制すると共に、前記第1基板と前記第2基板との法線に双方向への運動自由度を所定の距離範囲で与え、前記所定の距離範囲を超えた場合には、運動を規制する枠と、前記第1面側の一部と前記第2面側の一部とに各々突出し、前記平面視で少なくとも一部が重なるよう設けられ、互いに反発する力を発生させることで前記第1基板と前記第2基板とを離すと共に、前記外力により、前記エレクトレット電極と前記導体電極との衝突が懸念される場合には、前記エレクトレット電極と前記導体電極との衝突を避けるべく、前記エレクトレット電極または前記導体電極よりも先に衝突する緩衝部と、を備え、前記一方の基板を前記他方の基板よりも重力方向側に配置し、前記外力を受けたとき、発電することを特徴とする。   Application Example 1 A power generation device according to this application example is a power generation device that generates power by receiving an external force having a force component in the gravitational direction, holds electric charges, and sets an electret electrode for power generation on the first surface side. A first substrate provided; a second substrate provided opposite to the first surface with a space therebetween; and the second substrate provided so that the first surface and the second surface face each other; A conductive electrode having a power generating conductor at least partially overlapping the electret electrode in a plan view of the first surface, the substrate being provided on the second surface side, and the first substrate and the second substrate; One substrate is fixed, and the other substrate is restrained from moving in the plan view direction, and the degree of freedom of movement in two directions is set to the normal line of the first substrate and the second substrate. A frame that restricts movement when the distance is given and exceeds the predetermined distance range. The first substrate side and the second surface side projecting from each other and at least partly overlapping in the plan view, and generating a repulsive force with the first substrate. In the case where there is a concern about collision between the electret electrode and the conductor electrode due to the external force while separating the second substrate, the electret electrode or the conductor electrode may be used to avoid collision between the electret electrode and the conductor electrode. And a buffer portion that collides before the conductor electrode, wherein the one substrate is disposed closer to the gravitational direction than the other substrate, and generates electric power when receiving the external force.

これによれば、第1基板と第2基板との外側のいずれかの面(第1面または第2面の反対側の面)を重力に抗して支える(斜めでも良い)ことで、外力を受けて発電を行うことができる。第1基板と第2基板とが外力により相対的に振動すると、第1発電電極と第2発電電極間の容量が変化する。そして、第1発電電極が電荷を保持していることから、この容量変化により電流が取り出せる。即ち、発電ができる。なお、以降、「上」とは重力(引力)に抗する方向、「下」とは「上」の反対方向として定義する。   According to this, an external force is supported by supporting any surface (the surface opposite to the first surface or the second surface) of the first substrate and the second substrate against gravity (may be inclined). Can generate electricity. When the first substrate and the second substrate are relatively vibrated by an external force, the capacitance between the first power generation electrode and the second power generation electrode changes. And since the 1st electric power generation electrode hold | maintains an electric charge, an electric current can be taken out by this capacitance change. That is, it can generate electricity. Hereinafter, “up” is defined as a direction against gravity (attraction), and “down” is defined as a direction opposite to “up”.

[適用例2]上記適用例にかかる発電装置であって、 前記第1基板を挟んで前記第2基板と対向する第3基板をさらに備え、前記第2基板と前記第3基板とは互いに前記枠に固定され、前記第1基板は、前記第2基板と前記第3基板との間を動けるよう設けられ、前記第3基板の前記第1面側には、前記平面視で、前記エレクトレット電極と少なくとも一部が重なる発電用の導体を有する第2導体電極を備え、前記第1基板の前記第3基板側の面には、電荷を保持する第2エレクトレット電極を備え、前記第1基板の前記第3基板側と、前記第3基板の前記第1基板側には、各々突出し、前記平面視で少なくとも一部が重なるよう設けられ、互いに反発する力を発生させることで前記第1基板と前記第3基板とを離すと共に、前記外力により前記エレクトレット電極と前記導体電極との衝突が懸念される場合には、前記第2エレクトレット電極と前記第2導体電極との衝突を避けるべく、前記エレクトレット電極または前記導体電極よりも先に衝突する第2緩衝部と、を備えることを特徴とする。   Application Example 2 The power generation apparatus according to the application example described above, further including a third substrate facing the second substrate with the first substrate interposed therebetween, wherein the second substrate and the third substrate are The first substrate is fixed to a frame, and is provided to move between the second substrate and the third substrate. The electret electrode is disposed on the first surface side of the third substrate in the plan view. And a second conductor electrode having a power generating conductor that at least partially overlaps the surface, and a surface of the first substrate on the third substrate side is provided with a second electret electrode that holds electric charges, Projecting on the third substrate side and the first substrate side of the third substrate, respectively, are provided so as to overlap at least partly in the plan view, and by generating a force repelling each other, While separating from the third substrate, the external force If there is a concern about the collision between the electret electrode and the conductor electrode, the first electret electrode or the conductor electrode may collide before the electret electrode or the conductor electrode in order to avoid the collision between the second electret electrode and the second conductor electrode. And 2 buffer parts.

上記した適用例によれば、第2基板側と第3基板側のどちらを上向きにしても発電することが可能となるため、設置する際に向きを確認しなくとも外力による発電が可能となる。   According to the application example described above, since it is possible to generate power regardless of which side of the second substrate side or the third substrate side is upward, it is possible to generate power by external force without confirming the orientation at the time of installation. .

[適用例3]上記適用例にかかる発電装置であって、前記第2基板を挟んで前記第1基板と対向する第4基板をさらに備え、前記第1基板と前記第4基板とは互いに前記枠に固定され、前記第2基板は、前記第1基板と前記第4基板との間を動けるよう設けられ、前記第4基板の前記第1基板側には、前記平面視で、前記導体電極と少なくとも一部が重なり、かつ電荷を保持した発電用の第3エレクトレット電極を備え、前記第2基板の前記第4基板側の面には、前記平面視で、前記エレクトレット電極と少なくとも一部が重なり、かつ前記導体電極と電気的に絶縁された発電用の導体を有する第3導体電極を備え、前記第2基板の前記第4基板側と、前記第4基板の前記第2基板側には、各々突出し、前記平面視で少なくとも一部が重なるよう設けられ、互いに反発する力を発生させることで前記第2基板と前記第4基板とを離すと共に、前記外力により前記第3エレクトレット電極と前記第3導体電極との衝突を避けるべく先に衝突する第2緩衝部と、を備えることを特徴とする。   [Application Example 3] The power generation apparatus according to the application example described above, further including a fourth substrate facing the first substrate with the second substrate interposed therebetween, and the first substrate and the fourth substrate are The second substrate is fixed to a frame, and is provided to move between the first substrate and the fourth substrate. The conductor electrode is disposed on the first substrate side of the fourth substrate in the plan view. And a third electret electrode for power generation that at least partially overlaps and retains electric charge, and the surface of the second substrate on the fourth substrate side has at least a portion of the electret electrode in the plan view. A third conductor electrode having a power generating conductor overlapping and electrically insulated from the conductor electrode; and on the fourth substrate side of the second substrate and on the second substrate side of the fourth substrate , Each projecting and overlapping at least partially in the plan view The second substrate and the fourth substrate are separated from each other by generating repulsive forces, and the external force collides first to avoid a collision between the third electret electrode and the third conductor electrode. And a second buffer part.

上記した適用例によれば、第1基板と第4基板の外側の面(第2基板と反対側の面)は、電気的に絶縁されている。そのため、新たな絶縁機構を設けることなく発電を行わせることができる。   According to the application example described above, the outer surfaces (surfaces opposite to the second substrate) of the first substrate and the fourth substrate are electrically insulated. Therefore, power generation can be performed without providing a new insulation mechanism.

[適用例4]上記適用例にかかる発電装置であって、前記緩衝部または前記第2緩衝部は、互いに反発する向きに設けられた磁石若しくは、同極性に帯電したエレクトレット膜であることを特徴とする。   Application Example 4 In the power generation device according to the application example described above, the buffer unit or the second buffer unit is a magnet provided in a repulsive direction or an electret film charged with the same polarity. And

上記した適用例によれば、エネルギーを消費することなく第1基板または第2基板を支えることができるため、発電効率が高い発電装置を提供できる。   According to the application example described above, since the first substrate or the second substrate can be supported without consuming energy, a power generation device with high power generation efficiency can be provided.

[適用例5]上記適用例にかかる発電装置であって、前記緩衝部および前記第2緩衝部の少なくとも何れか一方は、少なくとも突出している領域の先端が、衝突したときの衝撃を緩和する保護膜に覆われていることを特徴とする。   Application Example 5 In the power generation device according to the application example described above, at least one of the buffer unit and the second buffer unit is a protection that reduces an impact when a tip of a protruding region collides. It is characterized by being covered with a film.

上記した適用例によれば、接触や衝撃に弱い磁石やエレクトレット膜を保護膜により覆うことで、衝撃による反発力の劣化を抑えることができる。   According to the application example described above, it is possible to suppress the deterioration of the repulsive force due to the impact by covering the magnet and the electret film that are vulnerable to contact and impact with the protective film.

[適用例6]上記適用例にかかる発電装置であって、可動性を備える前記他方の基板がハニカム構造で補強された形状、またはドーム形状を備えることを特徴とする。   Application Example 6 In the power generation device according to the application example described above, the other substrate having mobility has a shape reinforced with a honeycomb structure or a dome shape.

上記した適用例によれば、第1基板または第2基板の強度を増すことが可能となり、外力を受けても変形が抑えられ、安定した発電動作を行うことができる。   According to the application example described above, the strength of the first substrate or the second substrate can be increased, and deformation is suppressed even when an external force is applied, and a stable power generation operation can be performed.

[適用例7]上記適用例にかかる発電装置であって、前記枠は、前記他方の基板が前記法線方向に沿って移動する場合に、前記第1面と前記第2面が向き合う位置関係を保たせるための、前記他方の基板を支えるガイドレールをさらに備えることを特徴とする。   Application Example 7 In the power generation device according to the application example, the frame has a positional relationship in which the first surface and the second surface face each other when the other substrate moves along the normal direction. It is further characterized by further comprising a guide rail for supporting the other substrate for maintaining the above.

上記した適用例によれば、可動性を備える基板が捩れる現象を防ぐことができ、捩れにより枠に引っ掛かって振動が停止することなく発電動作を行うことができる。   According to the application example described above, it is possible to prevent the phenomenon that the substrate having mobility is twisted, and the power generation operation can be performed without stopping the vibration due to the twist being caught by the frame.

(a)は、発電装置の平面図、(b)は、(a)のA−A’線断面図。(A) is a top view of an electric power generating apparatus, (b) is the sectional view on the A-A 'line of (a). 可動基板本体の機械的強度を大きくする構造の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the structure which enlarges the mechanical strength of a movable substrate main body. (a)〜(d)は、発電を行う領域内の状態を示す断面図、(e)は、各ステップにおける電荷の動き(即ち電流)を示すグラフ。(A)-(d) is sectional drawing which shows the state in the area | region which produces electric power, (e) is a graph which shows the motion (namely, electric current) of the electric charge in each step. (a)は、発電装置の平面図、(b)は、(a)のA−A’線断面図。(A) is a top view of an electric power generating apparatus, (b) is the sectional view on the A-A 'line of (a). (a)〜(d)は、発電を行う領域内の状態を示す断面図、(e)は、各ステップにおける電荷の動き(即ち電流)を示すグラフ。(A)-(d) is sectional drawing which shows the state in the area | region which produces electric power, (e) is a graph which shows the motion (namely, electric current) of the electric charge in each step. (a)は、発電装置の平面図、(b)は、(a)のA−A’線断面図。(A) is a top view of an electric power generating apparatus, (b) is the sectional view on the A-A 'line of (a). (a)〜(d)は、発電を行う領域内の状態を示す断面図、(e)は、各ステップにおける電荷の動き(即ち電流)を示すグラフ。(A)-(d) is sectional drawing which shows the state in the area | region which produces electric power, (e) is a graph which shows the motion (namely, electric current) of the electric charge in each step.

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
以下、図面を参照して、第1実施形態について説明を行う。第1実施形態では、1軸方向の振動を元に発電する発電装置について説明する。以下、「上」とは、重力(引力)に抗する方向を示し、「下」とは「上」の逆方向を示すものとする。また、上向き方向をZ+方向、下向き方向をZ−方向として説明を続ける。
(First embodiment)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to the drawings. In the first embodiment, a power generation device that generates power based on vibration in one axial direction will be described. Hereinafter, “upper” indicates the direction against gravity (attraction), and “lower” indicates the opposite direction of “upper”. The description will be continued with the upward direction as the Z + direction and the downward direction as the Z− direction.

図1(a)は、発電装置の平面図、(b)は、図1(a)のA−A’線断面図である。ここで、発電装置100は、固定基板120が下向きになるよう設置されている。ここで、発電装置100に、発電装置100の上側(若しくは下側)を示すマークを付けておくことも好適で、確実に発電できる状態を取らせることができる。
なお、ガイドレール102は、平面図では本来隠れているものだが、ここでは透視した形で図示している。
Fig.1 (a) is a top view of a power generator, (b) is the sectional view on the AA 'line of Fig.1 (a). Here, the power generation apparatus 100 is installed such that the fixed substrate 120 faces downward. Here, it is also preferable to put a mark indicating the upper side (or the lower side) of the power generation device 100 on the power generation device 100, so that the power generation device 100 can be in a state where power can be generated reliably.
Note that the guide rail 102 is originally hidden in the plan view, but is illustrated in a transparent form here.

発電装置100は、蓋101、ガイドレール102、外枠103、緩衝部としての磁石104、保護膜105、固定基板本体106、導体電極107、エレクトレット電極108、可動基板本体109、集電電極110と、を備える。
そして、第1基板(他方の基板)としての可動基板130は、可動基板本体109の第1面側に、集電電極110、エレクトレット電極108を備える。
そして、第2基板(一方の基板)としての固定基板120は、固定基板本体106の第2面側に、導体電極107を備える。
枠としての蓋101と、同じく枠としての外枠103とは協働して、固定基板本体106の平面視方向への移動を抑制すると共に、固定基板本体106の法線方向に沿っての運動自由度を所定の距離範囲で与え、所定の距離範囲を超えた場合には、運動を規制する機能を有している。所定の距離範囲としては、例えば100μm程度から10mm程度の値を取ることができる。
ガイドレール102は、可動基板130の捩れを防ぎ、安定して上下運動を行わせるよう、可動基板130を導いている。ここで、ガイドレール102は必須の構成ではなく、省略可能である。
磁石104は、共に反発する向きに設けられ、可動基板130を浮かす力を発生させる機能を有している。ここで、磁石104に代えて、同一種類の電荷を蓄えたエレクトレット膜を反発力源として用いても良い。
保護膜105は、磁石104同士が直接衝突せぬよう、磁石104を保護する機能を備えている。また、保護膜105は、磁石104に代えて、同一種類の電荷を蓄えたエレクトレット膜を反発力源として用いた場合でも有効に機能する。ここで、保護膜105は必須の構成ではなく、省略可能である。
固定基板本体106は、導体電極107を支える機能を備えている。
導体電極107は、エレクトレット電極108と集電電極110と協働して、外力を受けた場合に、そのエネルギーを元に発電を行う機能を備えている。
可動基板本体109は、集電電極110とエレクトレット電極108とを支えている。
クッション112は、可動基板130が上側に大きく揺れた場合に、蓋101と直に接触せぬよう、緩衝する機能を備えている。即ち、所定の距離範囲とは、蓋101と固定基板120の間となる。
The power generation device 100 includes a lid 101, a guide rail 102, an outer frame 103, a magnet 104 as a buffer portion, a protective film 105, a fixed substrate body 106, a conductor electrode 107, an electret electrode 108, a movable substrate body 109, and a collecting electrode 110. .
The movable substrate 130 as the first substrate (the other substrate) includes the current collecting electrode 110 and the electret electrode 108 on the first surface side of the movable substrate main body 109.
The fixed substrate 120 as the second substrate (one substrate) includes a conductor electrode 107 on the second surface side of the fixed substrate body 106.
The lid 101 as the frame and the outer frame 103 as the frame also cooperate to suppress the movement of the fixed substrate body 106 in the plan view direction, and to move the fixed substrate body 106 along the normal direction. When the degree of freedom is given within a predetermined distance range and the predetermined distance range is exceeded, it has a function of restricting movement. As the predetermined distance range, for example, a value of about 100 μm to about 10 mm can be taken.
The guide rail 102 guides the movable substrate 130 so as to prevent the movable substrate 130 from being twisted and to perform the vertical movement stably. Here, the guide rail 102 is not an essential configuration and can be omitted.
The magnets 104 are provided so as to repel each other, and have a function of generating a force that floats the movable substrate 130. Here, instead of the magnet 104, an electret film storing the same type of charge may be used as a repulsive force source.
The protective film 105 has a function of protecting the magnets 104 so that the magnets 104 do not directly collide with each other. Further, the protective film 105 functions effectively even when an electret film that stores the same type of charge is used as a repulsive force source instead of the magnet 104. Here, the protective film 105 is not an essential component and can be omitted.
The fixed substrate body 106 has a function of supporting the conductor electrode 107.
The conductor electrode 107 has a function of generating electric power based on the energy when receiving external force in cooperation with the electret electrode 108 and the collector electrode 110.
The movable substrate body 109 supports the current collecting electrode 110 and the electret electrode 108.
The cushion 112 has a function of buffering so that the movable substrate 130 does not come into direct contact with the lid 101 when the movable substrate 130 is greatly shaken upward. That is, the predetermined distance range is between the lid 101 and the fixed substrate 120.

ここで、可動基板本体109は数百μm程度のガラスが用いられる場合が多く、機械的強度を大きくしたい場合がある。図2は、可動基板本体109の機械的強度を大きくする構造の一例を示す模式図である。可動基板本体109の形状として、図2(a)に示すハニカム構造による補強や、図2(b)に示すドーム形状をとることで、単純な平板構造よりも機械的強度を向上させることができる。
なお、本実施形態では、固定基板120としての第2基板が固定され、可動基板130としての第1基板が可動性を備える場合について説明したが、これは、互いの構成同士を交換しても良い。即ち、固定基板120を第1基板とし、可動基板130を第2基板として読み替えることができる。
Here, the movable substrate body 109 is often made of glass of about several hundreds of micrometers, and there are cases where it is desired to increase the mechanical strength. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a structure for increasing the mechanical strength of the movable substrate body 109. As the shape of the movable substrate body 109, the mechanical strength can be improved as compared with a simple flat plate structure by reinforcing the honeycomb structure shown in FIG. 2A or the dome shape shown in FIG. 2B. .
In the present embodiment, the case where the second substrate as the fixed substrate 120 is fixed and the first substrate as the movable substrate 130 has mobility has been described. good. That is, the fixed substrate 120 can be read as the first substrate, and the movable substrate 130 can be read as the second substrate.

<発電機構>
以下、固定基板本体106と、導体電極107を備える固定基板120と、可動基板本体109、集電電極110、エレクトレット電極108を備える可動基板130とに、外力が加えられたときに発電を行う発電機構について説明する。
図3(a)〜(d)は、発電を行う領域内の状態を示す断面図である。そして図3(e)は、各ステップにおける電荷の動き(即ち電流)を示すグラフである。
<Power generation mechanism>
Hereinafter, power generation is performed when an external force is applied to the fixed substrate main body 106, the fixed substrate 120 including the conductor electrode 107, and the movable substrate main body 109, the collector electrode 110, and the movable substrate 130 including the electret electrode 108. The mechanism will be described.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views showing states in a region where power generation is performed. FIG. 3E is a graph showing the movement of electric charges (that is, current) in each step.

ステップS1として、図3(a)に示すように、可動基板130が振動していない場合には、電気力線(矢印で示す)は時間的(図3(e)の横軸としてtで示す)に変動しないため、電気力線の状態の変化によって発生する電力は生じない。そのため図3(e)のS1に示すように発電は為されない。   In step S1, as shown in FIG. 3A, when the movable substrate 130 is not vibrating, the electric lines of force (indicated by arrows) are temporally (indicated by t as the horizontal axis in FIG. 3E). ), The electric power generated by the change in the state of the electric lines of force does not occur. Therefore, no power generation is performed as indicated by S1 in FIG.

次に、ステップS2として、外力を受けて、図3(b)に示すように、可動基板130が上方向(Z+方向)に移動すると、固定基板120の導体電極107とエレクトレット電極108とが離れる。即ち導体電極107とエレクトレット電極108とで構成されるコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、図示せぬ外部回路を介して電荷が移動する。即ち、図3(e)のS2に示すように電流iが流れる。そして、Z+方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流iが止まる。   Next, in step S2, when the movable substrate 130 moves upward (Z + direction) as shown in FIG. 3B by receiving an external force, the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 of the fixed substrate 120 are separated. . That is, the capacity of the capacitor formed by the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 is reduced. As the capacity decreases, the charge moves through an external circuit (not shown). That is, the current i flows as indicated by S2 in FIG. Then, when moving in the Z + direction and resting, the movement of the charge is finished, and the movement of the charge, that is, the current i stops.

次に、ステップS3として、図3(c)に示すように、可動基板130が静止位置よりも近づくと、今度は導体電極107とエレクトレット電極108とで構成されるコンデンサーの容量が増える。容量増加に伴い、電荷が移動し、図3(b)の場合と反対向きの電流、即ち、図3(e)のS3に示すように電流−iが流れる。   Next, as step S3, as shown in FIG. 3C, when the movable substrate 130 comes closer to the stationary position, the capacitance of the capacitor composed of the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 is increased. As the capacity increases, the charge moves, and a current -i flows in the direction opposite to that in the case of FIG. 3B, that is, as shown by S3 in FIG.

次に、ステップS4として、図3(d)に示すように、可動基板130を静止位置に戻すと、ステップS3の状態よりも導体電極107とエレクトレット電極108とで構成されるコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、図示せぬ外部回路を介して電荷が移動し始める。そして、ステップS2の状態に戻すことで外力による発電が続けられる。   Next, as step S4, as shown in FIG. 3D, when the movable substrate 130 is returned to the stationary position, the capacitance of the capacitor constituted by the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 is reduced as compared with the state of step S3. . As the capacity decreases, charge starts to move through an external circuit (not shown). And power generation by external force is continued by returning to the state of Step S2.

ここで、発電装置100が密閉された構造を持つ場合に、可動基板130が振動すると、空気圧が可動基板130に掛かり、発電効率が落ちる場合がある。そのため、発電装置100の内部を減圧して空気抵抗を下げる方法や、発電装置100の外枠103に貫通孔をあけて、空気圧を逃がすことも好適である。また、外枠103を柱状の部材を組み合わせた構造や、メッシュ形状を与えることも好適である。   Here, when the power generation apparatus 100 has a sealed structure, if the movable substrate 130 vibrates, air pressure is applied to the movable substrate 130, and power generation efficiency may be reduced. Therefore, it is also preferable to reduce the air resistance by reducing the pressure inside the power generation apparatus 100 or to open the through-hole in the outer frame 103 of the power generation apparatus 100 to release the air pressure. It is also preferable to give the outer frame 103 a structure in which columnar members are combined or a mesh shape.

上記した発電装置は以下の効果を奏する。   The power generator described above has the following effects.

従来の形式では扱い難かった重力方向の振動を用いて発電することができるようになった。   It is now possible to generate electricity using vibration in the direction of gravity, which was difficult to handle with conventional formats.

例えば櫛歯状に供えた導体電極やエレクトレット電極を用いることなく、発電することができる。即ち、導体電極107やエレクトレット電極108の全面を発電に寄与させることができ、櫛歯状の隙間等、発電効率を落とすパターンを必要としないため、従来の発電装置と比べ、発電効率を向上させることができる。   For example, electric power can be generated without using a conductor electrode or electret electrode provided in a comb shape. That is, the entire surface of the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 can contribute to power generation, and does not require a pattern for reducing power generation efficiency such as a comb-like gap, so that the power generation efficiency is improved as compared with the conventional power generation apparatus. be able to.

上下方向の向きを示すマークを設けることで、より確実に発電装置100を用いて発電することができる。   By providing the mark indicating the vertical direction, it is possible to generate power more reliably using the power generation apparatus 100.

ガイドレール102を設けることで、可動基板130の捩れを防ぎ、安定して上下運動を行わせるよう、可動基板130を導くことができる。   By providing the guide rail 102, the movable substrate 130 can be guided so that the movable substrate 130 is prevented from being twisted and can be moved up and down stably.

磁石104や同一種類の電荷を蓄えたエレクトレット膜を反発力源として用いることで、機械的寿命が短いバネを用いることなく、可動基板130を浮遊した状態で保持できる。   By using the magnet 104 or the electret film storing the same type of charge as the repulsive force source, the movable substrate 130 can be held in a floating state without using a spring having a short mechanical life.

磁石104や同一種類の電荷を蓄えたエレクトレット膜を可動基板130の固定基板120側に突き出すように設け、固定基板120の平面視で重なる位置に、固定基板120にも可動基板130側に磁石104や同一種類の電荷を蓄えたエレクトレット膜を突き出すように設けることで、可動基板130が大きく振れた場合でも、磁石104やエレクトレット膜が緩衝部となり、固定基板120と可動基板130との衝突を避けることができる。   A magnet 104 or an electret film storing the same type of electric charge is provided so as to protrude toward the fixed substrate 120 side of the movable substrate 130, and the magnet 104 is placed on the fixed substrate 120 and the movable substrate 130 side at a position overlapping the fixed substrate 120 in plan view. In addition, by providing an electret film that stores the same type of electric charge, even if the movable substrate 130 shakes greatly, the magnet 104 and the electret film serve as a buffer portion, and the collision between the fixed substrate 120 and the movable substrate 130 is avoided. be able to.

磁石104同士や、エレクトレット膜同士が直接衝突せぬよう、保護膜105を設けることで磁石104の磁力や、エレクトレット膜中の電荷量の劣化を抑えて可動基板130の振幅を制御することができる。   By providing the protective film 105 so that the magnets 104 and the electret films do not directly collide with each other, the amplitude of the movable substrate 130 can be controlled while suppressing the magnetic force of the magnets 104 and the charge amount in the electret film. .

蓋101にクッション112を設けることで、蓋101側に大きく振れた場合でも、可動基板130と蓋101との衝突を避けることができ、エレクトレット電極108の電荷の減少を防止することができる。   By providing the cushion 112 on the lid 101, even if the lid 101 swings greatly toward the lid 101, collision between the movable substrate 130 and the lid 101 can be avoided, and a decrease in charge of the electret electrode 108 can be prevented.

可動基板本体109は数百μm程度のガラスが用いられる場合が多く、機械的強度を大きくしたい場合がある。その場合、可動基板本体109をハニカム構造による補強や、ドーム形状をとることで補強することで、単純な平板構造よりも高い機械的強度を向上させることができる。   In many cases, the movable substrate body 109 is made of glass having a size of several hundreds of micrometers, and there is a case where it is desired to increase the mechanical strength. In that case, the mechanical strength higher than that of a simple flat plate structure can be improved by reinforcing the movable substrate body 109 with a honeycomb structure or by taking a dome shape.

発電装置100の内部を減圧して空気抵抗を下げる構成や、発電装置100の外枠103に貫通孔をあけて、空気圧を逃がす構成や、外枠103を柱状の部材を組み合わせた構造や、メッシュ形状を与えることで、空気抵抗を小さくし、発電効率が高い状態で発電を行うことができる。   A configuration in which the inside of the power generation device 100 is decompressed to reduce air resistance, a configuration in which a through hole is formed in the outer frame 103 of the power generation device 100 to release air pressure, a structure in which the outer frame 103 is combined with a columnar member, a mesh By giving the shape, it is possible to reduce the air resistance and generate power with high power generation efficiency.

本実施形態では、固定基板120の平面視で円柱形状を備えた例について説明した。円柱形状を備えることで、既存の単3電池やボタン電池と入れ替えて用いることができる。   In this embodiment, the example provided with the columnar shape in the plan view of the fixed substrate 120 has been described. By providing a cylindrical shape, it can be used in place of existing AA batteries or button batteries.

ここでは、固定基板120の平面視で円柱形状を備えた例について説明したが、これは矩形、六角形、直角二等辺三角形等の形状を備えていても良い。この場合、平面を隙間無く埋めることができるため、発電装置100を横に並べた場合、高い稠密度を持って並べることが可能となり、発電効率をさらに上げることができる。   Here, an example in which the fixed substrate 120 has a columnar shape in plan view has been described, but this may have a shape such as a rectangle, a hexagon, a right isosceles triangle, or the like. In this case, since the plane can be filled without a gap, when the power generation devices 100 are arranged side by side, it is possible to arrange the power generation devices 100 with a high density, and the power generation efficiency can be further increased.

(第2実施形態)
以下、図面を参照して、第2実施形態について説明を行う。第1実施形態との主な差異は、発電装置100の上側にも発電を行う構成を付加したことである。
図4(a)は、発電装置の平面図、図4(b)は、図4(a)のA−A’線断面図である。第1実施形態で説明した構成要素と同じものについては、同じ図番を与えている。そして、機能が概ね同様な場合については重複を避けるため、説明を省略する。
発電装置200は、ガイドレール102、外枠103、磁石104、保護膜105、固定基板本体106、導体電極107、エレクトレット電極108、可動基板本体209、第2緩衝部としての磁石204、保護膜205、固定基板本体206、第2導体電極としての導体電極207、第2エレクトレット電極としてのエレクトレット電極208を備える。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to the drawings. The main difference from the first embodiment is that a configuration for generating power is also added to the upper side of the power generation apparatus 100.
4A is a plan view of the power generation device, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. The same component numbers as those described in the first embodiment are given the same figure numbers. In the case where the functions are almost the same, the description is omitted to avoid duplication.
The power generation device 200 includes a guide rail 102, an outer frame 103, a magnet 104, a protective film 105, a fixed substrate body 106, a conductor electrode 107, an electret electrode 108, a movable substrate body 209, a magnet 204 as a second buffer portion, and a protective film 205. A fixed substrate body 206, a conductor electrode 207 as a second conductor electrode, and an electret electrode 208 as a second electret electrode.

そして、第1基板としての可動基板230は、可動基板本体209、エレクトレット電極108、エレクトレット電極208を備える。
そして、第3基板としての固定基板220は、固定基板本体206と、導体電極207を備える。
第1実施形態に記載した集電電極110は、この構造では不要となる。不要となる理由については後述する。
保護膜205は、磁石204同士が直接衝突せぬよう、磁石204を保護する機能を備えている。また、保護膜205は、磁石204に代えて、同一種類の電荷を蓄えたエレクトレット膜を反発力源として用いた場合でも有効に機能する。なお、保護膜205は必須の構成要素ではなく、省略可能である。
固定基板本体206は、導体電極207を支える機能を備えている。
導体電極207は、エレクトレット電極208と協働して、外力を受けた場合に、そのエネルギーを元に発電を行う機能を備えている。
可動基板本体209は、エレクトレット電極108と、エレクトレット電極208と、を支えている。
The movable substrate 230 as the first substrate includes a movable substrate body 209, the electret electrode 108, and the electret electrode 208.
The fixed substrate 220 as the third substrate includes a fixed substrate body 206 and a conductor electrode 207.
The current collecting electrode 110 described in the first embodiment is not necessary in this structure. The reason why it becomes unnecessary will be described later.
The protective film 205 has a function of protecting the magnets 204 so that the magnets 204 do not directly collide with each other. Further, the protective film 205 functions effectively even when an electret film storing the same kind of electric charge is used as a repulsive force source instead of the magnet 204. The protective film 205 is not an essential component and can be omitted.
The fixed substrate body 206 has a function of supporting the conductor electrode 207.
The conductor electrode 207 has a function of generating electric power based on the energy when receiving external force in cooperation with the electret electrode 208.
The movable substrate body 209 supports the electret electrode 108 and the electret electrode 208.

<発電機構>
以下、固定基板本体106と、導体電極107を備える固定基板120と、固定基板本体206と、導体電極207を備える固定基板220と、可動基板本体209、エレクトレット電極108とエレクトレット電極208とを備える可動基板230とに、外力が加えられたときに発電を行う発電機構について説明する。
図5(a)〜(d)は、発電を行う領域内の状態を示す断面図である。そして図5(e)は、各ステップにおける電荷の動き(即ち電流)を示すグラフである。
<Power generation mechanism>
Hereinafter, a fixed substrate main body 106, a fixed substrate 120 including a conductor electrode 107, a fixed substrate main body 206, a fixed substrate 220 including a conductor electrode 207, a movable substrate main body 209, an electret electrode 108, and an electret electrode 208 are movable. A power generation mechanism that generates power when an external force is applied to the substrate 230 will be described.
FIG. 5A to FIG. 5D are cross-sectional views showing states in a region where power generation is performed. FIG. 5E is a graph showing the movement of charges (that is, current) in each step.

ステップS1として、図5(a)に示すように、可動基板230が振動していない場合には、電気力線(矢印で示す)は時間的(図5(e)の横軸としてtで示す)に変動しないため、電気力線の状態の変化によって発生する電力は生じない。そのため図5(e)のS1に示すように発電は為されない。   As step S1, as shown in FIG. 5A, when the movable substrate 230 is not vibrating, the electric lines of force (indicated by arrows) are temporally (indicated by t as the horizontal axis in FIG. 5E). ), The electric power generated by the change in the state of the electric lines of force does not occur. Therefore, no power generation is performed as indicated by S1 in FIG.

次に、ステップS2として、外力を受けて、図5(b)に示すように、可動基板230が上方向(Z+方向)に移動すると、固定基板120の導体電極107とエレクトレット電極108とが離れる。即ち導体電極107とエレクトレット電極108とで構成されるコンデンサーの容量が減る。同時に、固定基板220の導体電極207とエレクトレット電極208とが近づく。即ち導体電極207とエレクトレット電極208とで構成されるコンデンサーの容量が増える。この現象が同時に起こるため、電流iは、図示せぬ外部回路を介して導体電極107から導体電極207へ流れることとなる。そのため、集電電極110は不要となる。そして、Z+方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流iが止まる。   Next, in step S2, when the movable substrate 230 moves upward (Z + direction) as shown in FIG. 5B due to external force, the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 of the fixed substrate 120 are separated. . That is, the capacity of the capacitor formed by the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 is reduced. At the same time, the conductor electrode 207 and the electret electrode 208 of the fixed substrate 220 approach each other. That is, the capacity of the capacitor composed of the conductor electrode 207 and the electret electrode 208 increases. Since this phenomenon occurs at the same time, the current i flows from the conductor electrode 107 to the conductor electrode 207 via an external circuit (not shown). Therefore, the collecting electrode 110 is not necessary. Then, when moving in the Z + direction and resting, the movement of the charge is finished, and the movement of the charge, that is, the current i stops.

次に、ステップS3として、図5(c)に示すように、可動基板230が静止位置よりも下方向(Z−方向)に移動すると、固定基板120の導体電極107とエレクトレット電極108とが近づく。即ち導体電極107とエレクトレット電極108とで構成されるコンデンサーの容量が増える。同時に、固定基板220の導体電極207とエレクトレット電極208とが離れる。即ち導体電極207とエレクトレット電極208とで構成されるコンデンサーの容量が減る。この現象が同時に起こるため、電流iは、図示せぬ外部回路を介して導体電極107から導体電極207へ流れることとなる。そして、Z−方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流iが止まる。   Next, as step S3, as shown in FIG. 5C, when the movable substrate 230 moves downward (Z-direction) from the stationary position, the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 of the fixed substrate 120 approach each other. . That is, the capacity of the capacitor composed of the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 increases. At the same time, the conductor electrode 207 and the electret electrode 208 of the fixed substrate 220 are separated. That is, the capacity of the capacitor composed of the conductor electrode 207 and the electret electrode 208 is reduced. Since this phenomenon occurs at the same time, the current i flows from the conductor electrode 107 to the conductor electrode 207 via an external circuit (not shown). Then, when moving in the Z-direction and resting, the movement of the charge is terminated, and the movement of the charge, that is, the current i stops.

次に、ステップS4として、図5(d)に示すように、可動基板230を静止位置に戻すと、ステップS3の状態よりも導体電極107とエレクトレット電極108とで構成されるコンデンサーの容量が減る。同時に、導体電極207とエレクトレット電極208とで構成されるコンデンサーの容量が増える。そのため電流iは、図示せぬ外部回路を介して導体電極207から導体電極107へ流れることとなる。
そして、続けてステップS2の状態に戻し、この動作を繰り返すことで外力による発電が続けられ、電力を供給することができる。
Next, as step S4, as shown in FIG. 5D, when the movable substrate 230 is returned to the stationary position, the capacitance of the capacitor constituted by the conductor electrode 107 and the electret electrode 108 is reduced as compared with the state of step S3. . At the same time, the capacity of the capacitor composed of the conductor electrode 207 and the electret electrode 208 increases. Therefore, the current i flows from the conductor electrode 207 to the conductor electrode 107 via an external circuit (not shown).
And it returns to the state of step S2 continuously, and the electric power generation by external force is continued by repeating this operation | movement, and electric power can be supplied.

本実施形態における発電装置は、上述した実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。   In addition to the effects of the above-described embodiments, the power generation device according to the present embodiment has the following effects.

上下方向のどちらの向きに設置しても発電が行えるため、例えば上下反転する場合がある用途においても対応することができる。   Since power generation can be performed regardless of the vertical orientation, for example, it can be used in applications that may be flipped upside down.

上下の向きが定まっている場合には、磁石104や磁石204の反発力を調整して、可動基板230を発電装置200の中央付近に浮かせることで、効率の高い発電装置200を提供することができる。   When the vertical direction is fixed, the repulsive force of the magnet 104 or the magnet 204 is adjusted, and the movable substrate 230 is floated near the center of the power generation device 200, thereby providing the highly efficient power generation device 200. it can.

固定基板本体106に取り付けられた導体電極107と、固定基板本体206に取り付けられた導体電極207と、から電流を取り出せるため、配線の引き回しが容易になると共に、振動による電線の劣化を防止することができる。   Since current can be taken out from the conductor electrode 107 attached to the fixed substrate body 106 and the conductor electrode 207 attached to the fixed substrate body 206, the wiring can be easily routed and the deterioration of the electric wire due to vibration can be prevented. Can do.

(第3実施形態)
以下、図面を参照して、第3実施形態について説明を行う。第2実施形態との主な差異は、後述するように、第2基板としての可動基板330の両面に、それぞれ電気的に絶縁された導体電極414と第3導体電極としての導体電極413を備え、第1基板としての固定基板320がエレクトレット電極408を備えていることである。
また、第4基板としての固定基板340が可動基板330側の面に第3エレクトレット電極としてのエレクトレット電極410を備えていることである。
なお、第1実施形態では、第1基板を可動性を備える可動基板130として応用した例について説明したが、本実施形態では、第1基板を固定基板320とし、第2基板を可動基板330として応用した例について説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described with reference to the drawings. The main difference from the second embodiment is that, as will be described later, the electrically conductive conductor electrode 414 and the conductor electrode 413 as the third conductor electrode are provided on both surfaces of the movable substrate 330 as the second substrate, respectively. The fixed substrate 320 as the first substrate includes the electret electrode 408.
Further, the fixed substrate 340 as the fourth substrate is provided with the electret electrode 410 as the third electret electrode on the surface on the movable substrate 330 side.
In the first embodiment, an example in which the first substrate is applied as the movable substrate 130 having mobility has been described. However, in the present embodiment, the first substrate is the fixed substrate 320 and the second substrate is the movable substrate 330. An applied example will be described.

図6(a)は、発電装置の平面図、図6(b)は、図6(a)のA−A’線断面図である。第1実施形態で説明した構成要素と同じものについては、同じ図番を与えている。そして、機能が概ね同様な場合については重複を避けるため、説明を省略する。
発電装置300は、ガイドレール102、外枠103、磁石104、保護膜105、固定基板本体409、エレクトレット電極408、可動基板本体412、導体電極414、第3導体電極としての導体電極413、第2緩衝部としての磁石204、保護膜205、固定基板本体411、エレクトレット電極410を備える。
6A is a plan view of the power generator, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 6A. The same component numbers as those described in the first embodiment are given the same figure numbers. In the case where the functions are almost the same, the description is omitted to avoid duplication.
The power generation apparatus 300 includes a guide rail 102, an outer frame 103, a magnet 104, a protective film 105, a fixed substrate body 409, an electret electrode 408, a movable substrate body 412, a conductor electrode 414, a conductor electrode 413 as a third conductor electrode, a second electrode. A magnet 204 serving as a buffer, a protective film 205, a fixed substrate body 411, and an electret electrode 410 are provided.

可動基板330は、可動基板本体412、固定基板320側に設けられた導体電極414、固定基板340側に設けられた導体電極413、を備える。そして、可動基板本体412は導体電極414と導体電極413を支えると共に、導体電極414と導体電極413とを電気的に分離する。
導体電極414は、エレクトレット電極408と協働して、外力を受けた場合に、そのエネルギーを元に発電を行う機能を備えている。
導体電極413は、エレクトレット電極410と協働して、外力を受けた場合に、そのエネルギーを元に発電を行う機能を備えている。
固定基板320は、固定基板本体409、可動基板330側に設けられたエレクトレット電極408、を備える。そして、固定基板340は、可動基板330側に設けられたエレクトレット電極410を備える。
保護膜205は、磁石204同士が直接衝突せぬよう、磁石204を保護する機能を備えている。また、保護膜205は、磁石204に代えて、同一種類の電荷を蓄えたエレクトレット膜を反発力源として用いた場合でも有効に機能する。なお、保護膜205は必須の構成要素ではなく、省略可能である。
The movable substrate 330 includes a movable substrate main body 412, a conductor electrode 414 provided on the fixed substrate 320 side, and a conductor electrode 413 provided on the fixed substrate 340 side. The movable substrate body 412 supports the conductor electrode 414 and the conductor electrode 413 and electrically separates the conductor electrode 414 and the conductor electrode 413.
The conductor electrode 414 has a function of generating power based on the energy when receiving external force in cooperation with the electret electrode 408.
The conductor electrode 413 has a function of generating electric power based on the energy when receiving external force in cooperation with the electret electrode 410.
The fixed substrate 320 includes a fixed substrate main body 409 and an electret electrode 408 provided on the movable substrate 330 side. The fixed substrate 340 includes an electret electrode 410 provided on the movable substrate 330 side.
The protective film 205 has a function of protecting the magnets 204 so that the magnets 204 do not directly collide with each other. Further, the protective film 205 functions effectively even when an electret film storing the same kind of electric charge is used as a repulsive force source instead of the magnet 204. The protective film 205 is not an essential component and can be omitted.

<発電機構>
以下、エレクトレット電極408を支える固定基板本体409を備える固定基板と、固定基板本体411と、エレクトレット電極410を備える固定基板340と、可動基板本体412、導体電極414、導体電極413とを備える可動基板330とを含む構成に、外力が加えられ可動基板330が動いたときに発電を行う発電機構について説明する。
図7(a)〜(d)は、発電を行う領域内の状態を示す断面図である。そして図7(e)は、各ステップにおける電荷の動き(即ち電流)を示すグラフである。
<Power generation mechanism>
Hereinafter, a fixed substrate including a fixed substrate main body 409 that supports the electret electrode 408, a fixed substrate main body 411, a fixed substrate 340 including the electret electrode 410, a movable substrate main body 412, a conductive electrode 414, and a conductive electrode 413. A power generation mechanism that generates power when an external force is applied and the movable substrate 330 moves will be described.
FIGS. 7A to 7D are cross-sectional views showing states in a region where power generation is performed. FIG. 7E is a graph showing the charge movement (ie, current) in each step.

まず、ステップS1として、図7(a)に示すように、可動基板330が振動していない場合には、電気力線(矢印で示す)は時間的(図7(e)の横軸としてtで示す)に変動しないため、電気力線の状態の変化によって発生する電力は生じない。そのため図7(e)のS1に示すように発電は為されない。   First, as step S1, as shown in FIG. 7A, when the movable substrate 330 is not vibrating, the electric lines of force (indicated by arrows) are temporally (t as the horizontal axis in FIG. 7E). Therefore, no electric power is generated due to a change in the state of the lines of electric force. Therefore, no power generation is performed as indicated by S1 in FIG.

次に、ステップS2として、外力を受けて図7(b)に示すように、可動基板330が上方向(Z+方向)に移動すると、固定基板320のエレクトレット電極408と導体電極414とが離れる。即ち導体電極414とエレクトレット電極408とで構成されるコンデンサーの容量が減る。
同時に、固定基板340のエレクトレット電極410と導体電極413とが近づく。即ち導体電極413とエレクトレット電極410とで構成されるコンデンサーの容量が増える。この現象が同時に起こるため、電流iは、図示せぬ外部回路を介して導体電極414から導体電極413へ流れることとなる。そして、Z+方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流iが止まる。
Next, as step S2, when the movable substrate 330 moves upward (Z + direction) as shown in FIG. 7B by receiving an external force, the electret electrode 408 and the conductor electrode 414 of the fixed substrate 320 are separated. That is, the capacity of the capacitor formed by the conductor electrode 414 and the electret electrode 408 is reduced.
At the same time, the electret electrode 410 and the conductor electrode 413 of the fixed substrate 340 approach each other. That is, the capacity of the capacitor composed of the conductor electrode 413 and the electret electrode 410 increases. Since this phenomenon occurs at the same time, the current i flows from the conductor electrode 414 to the conductor electrode 413 via an external circuit (not shown). Then, when moving in the Z + direction and resting, the movement of the charge is finished, and the movement of the charge, that is, the current i stops.

次に、ステップS3として、図7(c)に示すように、可動基板330が静止位置よりも固定基板320に近づくと、固定基板320のエレクトレット電極408と、可動基板330の導体電極413とが近づく。即ち導体電極414とエレクトレット電極408とで構成されるコンデンサーの容量が増える。
同時に、固定基板340のエレクトレット電極410と導体電極413とが離れる。即ち導体電極413とエレクトレット電極410とで構成されるコンデンサーの容量が減る。この現象が同時に起こるため、電流iは、図示せぬ外部回路を介して導体電極413から導体電極414へ流れることとなるそして、Z−方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流iが止まる。
Next, as step S3, as shown in FIG. 7C, when the movable substrate 330 comes closer to the fixed substrate 320 than the stationary position, the electret electrode 408 of the fixed substrate 320 and the conductor electrode 413 of the movable substrate 330 are connected. Get closer. That is, the capacity of the capacitor composed of the conductor electrode 414 and the electret electrode 408 increases.
At the same time, the electret electrode 410 and the conductor electrode 413 of the fixed substrate 340 are separated. That is, the capacity of the capacitor formed by the conductor electrode 413 and the electret electrode 410 is reduced. Since this phenomenon occurs at the same time, the current i flows from the conductor electrode 413 to the conductor electrode 414 through an external circuit (not shown). , The movement of charge, that is, the current i stops.

次に、ステップS4として、図7(d)に示すように、可動基板330を静止位置に戻すと、ステップS3の状態よりも導体電極413とエレクトレット電極408とで構成されるコンデンサーの容量が減る。同時に、導体電極413とエレクトレット電極410とで構成されるコンデンサーの容量が増える。そのため電流iは、図示せぬ外部回路を介して導体電極414から導体電極413へ流れることとなる。そして、続けてステップS2の状態に戻し、この動作を繰り返すことで外力による発電が続けられ、電力を供給することができる。   Next, as step S4, as shown in FIG. 7D, when the movable substrate 330 is returned to the stationary position, the capacitance of the capacitor composed of the conductor electrode 413 and the electret electrode 408 is reduced as compared with the state of step S3. . At the same time, the capacity of the capacitor composed of the conductor electrode 413 and the electret electrode 410 increases. Therefore, the current i flows from the conductor electrode 414 to the conductor electrode 413 through an external circuit (not shown). And it returns to the state of step S2 continuously, and the electric power generation by external force is continued by repeating this operation | movement, and electric power can be supplied.

本実施形態における発電装置は、上述した実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。   In addition to the effects of the above-described embodiments, the power generation device according to the present embodiment has the following effects.

機械的に動く可動基板には、構造的に丈夫な、導体電極413から導体電極414が設けられているため、繰り返し大きな振幅により固定基板320や固定基板320の磁石104と衝突しても、発電装置300の劣化を抑制することができる。   Since the mechanically movable movable substrate is provided with the conductive electrodes 413 to 414 that are structurally strong, even if the movable substrate repeatedly collides with the fixed substrate 320 or the magnet 104 of the fixed substrate 320 due to large amplitude, power generation is possible. Deterioration of the apparatus 300 can be suppressed.

例えば、ガイドレール102のうち2本を用いて、導体電極414と導体電極413とを違うガイドレール102に割り当てて電気的な導通を取ることで、可動基板330が動いている場合でも、固定された位置で電流を取り出すことができる。また、ガイドレール102と可動基板330とは擦れ合っているため、ガイドレール102の汚染や酸化による表面の異物は、可動基板330の動きにより除去されるため、安定して電流を取り出すことができる。   For example, by using two of the guide rails 102 and assigning the conductor electrode 414 and the conductor electrode 413 to different guide rails 102 for electrical conduction, the movable substrate 330 is fixed even when it is moving. The current can be taken out at a different position. Further, since the guide rail 102 and the movable substrate 330 are rubbed with each other, foreign matters on the surface due to contamination or oxidation of the guide rail 102 are removed by the movement of the movable substrate 330, so that a current can be stably taken out. .

100…発電装置、101…蓋、102…ガイドレール、103…外枠、104…磁石、105…保護膜、106…固定基板本体、107…導体電極、108…エレクトレット電極、109…可動基板本体、110…集電電極、112…クッション、120…固定基板、130…可動基板、200…発電装置、204…磁石、205…保護膜、206…固定基板本体、207…導体電極、208…エレクトレット電極、209…可動基板本体、220…固定基板、230…可動基板、300…発電装置、320…固定基板、330…可動基板、340…固定基板、408…エレクトレット電極、409…固定基板本体、410…エレクトレット電極、411…固定基板本体、412…可動基板本体、413…導体電極、414…導体電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Electric power generation apparatus, 101 ... Cover, 102 ... Guide rail, 103 ... Outer frame, 104 ... Magnet, 105 ... Protective film, 106 ... Fixed substrate main body, 107 ... Conductor electrode, 108 ... Electret electrode, 109 ... Movable substrate main body, DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Collecting electrode, 112 ... Cushion, 120 ... Fixed board | substrate, 130 ... Movable board | substrate, 200 ... Electric power generating apparatus, 204 ... Magnet, 205 ... Protective film, 206 ... Fixed board | substrate body, 207 ... Conductor electrode, 208 ... Electret electrode, 209: movable substrate body, 220: fixed substrate, 230: movable substrate, 300: power generation device, 320 ... fixed substrate, 330 ... movable substrate, 340 ... fixed substrate, 408 ... electret electrode, 409 ... fixed substrate body, 410 ... electret Electrodes, 411... Fixed substrate body, 412... Movable substrate body, 413.

Claims (7)

重力方向の力成分を有する外力を受けて発電を行う発電装置であって、
電荷を保持し、発電用のエレクトレット電極を第1面側に備えている第1基板と、
第2面が、間隔を介して前記第1面と対向し、かつ前記第1面と前記第2面とが向き合うよう設けられた第2基板と、
前記第2基板が前記第2面側に備えている、前記第1面の平面視で、前記エレクトレット電極と少なくとも一部が重なる発電用の導体を有する導体電極と、
前記第1基板と前記第2基板の一方の基板を固定し、他方の基板に対しては、前記平面視方向への移動を抑制すると共に、前記第1基板と前記第2基板との法線に双方向への運動自由度を所定の距離範囲で与え、前記所定の距離範囲を超えた場合には、運動を規制する枠と、
前記第1面側の一部と前記第2面側の一部とに各々突出し、前記平面視で少なくとも一部が重なるよう設けられ、互いに反発する力を発生させることで前記第1基板と前記第2基板とを離すと共に、前記外力により、前記エレクトレット電極と前記導体電極との衝突が懸念される場合には、前記エレクトレット電極と前記導体電極との衝突を避けるべく、前記エレクトレット電極または前記導体電極よりも先に衝突する緩衝部と、を備え、
前記一方の基板を前記他方の基板よりも重力方向側に配置し、前記外力を受けたとき、発電することを特徴とする発電装置。
A power generation device that generates power by receiving an external force having a force component in the direction of gravity,
A first substrate that holds electric charge and includes an electret electrode for power generation on the first surface side;
A second substrate provided so that the second surface is opposed to the first surface with an interval, and the first surface and the second surface face each other;
The second substrate is provided on the second surface side, and in a plan view of the first surface, a conductor electrode having a power generating conductor at least partially overlapping the electret electrode;
One of the first substrate and the second substrate is fixed, and the movement of the other substrate in the planar view direction is suppressed, and the normal line between the first substrate and the second substrate A degree of freedom of movement in both directions in a predetermined distance range, and when exceeding the predetermined distance range, a frame for restricting movement;
Each of the first substrate and the second surface protrudes from the first surface and a portion of the second surface is overlapped at least partially in the plan view. When there is a concern about collision between the electret electrode and the conductor electrode due to the external force, the electret electrode or the conductor is separated from the second substrate to avoid collision between the electret electrode and the conductor electrode. A shock-absorbing portion that collides before the electrode,
The power generation apparatus according to claim 1, wherein the one substrate is disposed closer to the gravitational direction than the other substrate and generates electric power when receiving the external force.
請求項1に記載の発電装置であって、
前記第1基板を挟んで前記第2基板と対向する第3基板をさらに備え、
前記第2基板と前記第3基板とは互いに前記枠に固定され、前記第1基板は、前記第2基板と前記第3基板との間を動けるよう設けられ、
前記第3基板の前記第1面側には、前記平面視で、前記エレクトレット電極と少なくとも一部が重なる発電用の導体を有する第2導体電極を備え、
前記第1基板の前記第3基板側の面には、電荷を保持する第2エレクトレット電極を備え、
前記第1基板の前記第3基板側と、前記第3基板の前記第1基板側には、各々突出し、前記平面視で少なくとも一部が重なるよう設けられ、互いに反発する力を発生させることで前記第1基板と前記第3基板とを離すと共に、前記外力により前記エレクトレット電極と前記導体電極との衝突が懸念される場合には、前記第2エレクトレット電極と前記第2導体電極との衝突を避けるべく、前記エレクトレット電極または前記導体電極よりも先に衝突する第2緩衝部と、
を備えることを特徴とする発電装置。
The power generation device according to claim 1,
A third substrate facing the second substrate across the first substrate;
The second substrate and the third substrate are fixed to the frame, and the first substrate is provided to move between the second substrate and the third substrate,
On the first surface side of the third substrate, a second conductor electrode having a power generating conductor at least partially overlapping with the electret electrode in the plan view,
The surface of the first substrate on the third substrate side includes a second electret electrode that holds electric charge,
Projecting on the third substrate side of the first substrate and the first substrate side of the third substrate, respectively, are provided so as to overlap at least partially in the plan view, thereby generating repulsive forces. When the first substrate and the third substrate are separated from each other and there is a concern about the collision between the electret electrode and the conductor electrode due to the external force, the collision between the second electret electrode and the second conductor electrode is performed. In order to avoid, the second buffer portion that collides before the electret electrode or the conductor electrode,
A power generation device comprising:
請求項1に記載の発電装置であって、
前記第2基板を挟んで前記第1基板と対向する第4基板をさらに備え、
前記第1基板と前記第4基板とは互いに前記枠に固定され、前記第2基板は、前記第1基板と前記第4基板との間を動けるよう設けられ、
前記第4基板の前記第1基板側には、前記平面視で、前記導体電極と少なくとも一部が重なり、かつ電荷を保持した発電用の第3エレクトレット電極を備え、
前記第2基板の前記第4基板側の面には、前記平面視で、前記エレクトレット電極と少なくとも一部が重なり、かつ前記導体電極と電気的に絶縁された発電用の導体を有する第3導体電極を備え、
前記第2基板の前記第4基板側と、前記第4基板の前記第2基板側には、各々突出し、前記平面視で少なくとも一部が重なるよう設けられ、互いに反発する力を発生させることで前記第2基板と前記第4基板とを離すと共に、
前記外力により前記第3エレクトレット電極と前記第3導体電極との衝突を避けるべく先に衝突する第2緩衝部と、
を備えることを特徴とする発電装置。
The power generation device according to claim 1,
A fourth substrate facing the first substrate across the second substrate;
The first substrate and the fourth substrate are fixed to the frame, and the second substrate is provided to move between the first substrate and the fourth substrate,
The first substrate side of the fourth substrate is provided with a third electret electrode for power generation at least partially overlapping with the conductor electrode and holding electric charge in the plan view,
A third conductor having a power generating conductor that is at least partially overlapped with the electret electrode and is electrically insulated from the conductor electrode in a plan view on the surface of the second substrate on the fourth substrate side. With electrodes,
Projecting on the fourth substrate side of the second substrate and the second substrate side of the fourth substrate, respectively, are provided so as to overlap at least partially in the plan view, thereby generating repulsive forces. While separating the second substrate and the fourth substrate,
A second buffering portion that collides first to avoid collision between the third electret electrode and the third conductor electrode by the external force;
A power generation device comprising:
請求項1〜3のいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記緩衝部または前記第2緩衝部は、互いに反発する向きに設けられた磁石若しくは、同極性に帯電したエレクトレット膜であることを特徴とする発電装置。
It is an electric power generating apparatus as described in any one of Claims 1-3,
The power generation apparatus according to claim 1, wherein the buffer section or the second buffer section is a magnet provided in a repulsive direction or an electret film charged with the same polarity.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記緩衝部および前記第2緩衝部の少なくとも何れか一方は、少なくとも突出している領域の先端が、衝突したときの衝撃を緩和する保護膜に覆われていることを特徴とする発電装置。
It is an electric power generating apparatus as described in any one of Claims 1-4,
At least one of the buffer part and the second buffer part is covered with a protective film that alleviates an impact when a collision occurs at least at the tip of the protruding region.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の発電装置であって、
可動性を備える前記他方の基板がハニカム構造で補強された形状、またはドーム形状を備えることを特徴とする発電装置。
It is an electric power generating apparatus as described in any one of Claims 1-5,
The power generating device, wherein the other substrate having mobility has a shape reinforced with a honeycomb structure or a dome shape.
請求項2に記載の発電装置であって、
前記枠は、前記他方の基板が前記法線方向に沿って移動する場合に、前記第1面と前記第2面が向き合う位置関係を保たせるための、前記他方の基板を支えるガイドレールをさらに備えることを特徴とする発電装置。
The power generation device according to claim 2,
The frame further includes a guide rail that supports the other substrate for maintaining a positional relationship in which the first surface and the second surface face each other when the other substrate moves along the normal direction. A power generator characterized by comprising.
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