JP2012152010A - 発電装置 - Google Patents

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

Description

本発明は、発電装置に関する。

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。

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。

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。

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。

特開２００９−１７１８２１号公報 特開２００８−１１３５１７号公報

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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

（ａ）は、発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図。 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。 （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）は、発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図。 （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）は、発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図。 （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。

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。

（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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

上記した発電装置は以下の効果を奏する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

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