JPWO2015146483A1 - 静電誘導型発電器 - Google Patents

Abstract

ハウジングと、ハウジングに固定された第１基板と、第１基板に対して相対移動可能に平行に配置された第２基板と、帯電膜と、対向電極と、帯電膜及び対抗電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有する基板配置構造において、帯電膜と対向電極のいずれか一方を、第１基板の第１対向面に設置し、他方を第１対向面に対向する第２基板の第２対向面に設置し、第１基板の第１対向面側を、ハウジングに設けられた取付基準面に固定したことを特徴とする。

Description

本発明は、静電誘導を利用した発電装置、発電器、携帯型電気機器、携帯型時計等に関する。本発明の発電器のエネルギー源としては、人体の運動、機械等の振動、その他環境に広く存在する運動エネルギーを利用することができる。

エレクトレット材料による静電誘導を利用した実用的発電装置が、特許文献１〜３に開示されている。静電誘導とは、帯電した物体を導体に接近させると、帯電した物体とは逆の極性の電荷が引き寄せられる現象のことである。静電誘導現象を利用した発電装置とは、「電荷を保持する膜」（以下、帯電膜(electrically charged film)という）と「対向電極」を配置した構造において、この現象を利用して、両者を相対移動させて誘導された電荷を取り出す発電のことである。

エレクトレット材料による場合を例にとると、エレクトレットは、誘電体に電荷を打ち込んだものであり、半永久的に静電場を発生させるものである。このエレクトレットによる発電では、図１にみられるように、エレクトレット(electret)３により形成される静電場によって対向電極(electrode)２に誘導電荷が生じ、エレクトレットと対向電極の重なりの面積を変化（振動等）させれば、外部電気回路２００において交流電流を発生させることができる。このエレクトレットによる発電は、構造が比較的簡単で、電磁誘導によるものより、低周波領域において高い出力が得られ有利であって、近年いわゆる「環境発電（Energy Harvesting）」として注目されている。

特許文献１には、水平振動型のエレクトレット素子により、人体の動きによる低周波振動を、外部エネルギーとして利用した携帯用の振動発電器が開示されている。特許文献２には、機械式自動巻き腕時計に用いられるような回転錘(rotor)の回転を、歯車機構を介して増速伝動させて、エレクトレット膜と電極の相対的な回転を行う静電誘導を利用した発電装置が開示されている。また、特許文献３には、エレクトレット膜と電極の往復周期回動を行う静電誘導を利用した発電装置において、回動体を、弾性体を介して支持して回動体を共振させた発電装置が開示されている。特許文献３の従来技術は、弾性体で共振させて回動振幅を大きくさせ、発電効率を向上させるものである。しかしながら、これらの従来技術では、いずれもエレクトレット膜と電極間ギャップを正確に制御して発電効率を上げようとする技術思想は何ら示されていない。

また、特許文献４には、クロックの機械体において、テン真(balance staff)あるいは脱進車(escape wheel)の軸などの回転軸における軸受部のネジ部のバックラッシュを除去するために、バネ座金(spring washer)を挿入したものが開示されている。しかしながら、従来の機械式時計では、そもそも回転軸の軸方向の位置決めを、正確にする必要性がないばかりでなく、エレクトレット膜と電極間ギャップを正確に制御して発電効率を上げようとする技術思想は何ら示されていない。

特開２０１２−１３８５１４号公報 特開２０１１−７２０７０号公報 特開２０１３−５９１４９号公報 実願昭５０−１０２２５４号（実開昭５２‐０１６３４６号公報）のマイクロフィルム 特表２００５−５２９５７４号公報

図２は、帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量との関係を示したグラフである。図３及び次の式は、帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量Ｐとの関係を示した負荷調整電力方程式を示す。
Ｐは次の式から算出することができる。

図２において、上記式のジャスティン・ボーランド(Justin Boland)らの研究（特許文献５参照）に記載された負荷調整電力方程式(load-matched power equation)に基づいて、帯電膜−対向電極間ギャップｇ（基板間ギャップｇ）に対する発電量が示されている。図２のグラフからわかるようにエレクトレット膜と発電電極の距離ｇは、帯電膜−対向電極間ギャップｇが１００μ以下になればなる程、発電量に大きく寄与してくる。

特許文献２にみられるような従来技術では、従来は発電器を構成するベースとなる板の上に基板を配置して、この基板の上にエレクトレット膜が形成されている。そして、このエレクトレット膜に対向して、回転板の下面に対向電極が配置されているとともに、回転板の軸は、軸受により上下の支持がされた構成となっている。このような従来技術の場合、エレクトレット膜と発電電極の距離ｇは、３つの部品（基板、軸、軸受）の下記の加工精度によって大きく変動する。
（１）基板の厚み
（２）軸のガタツキ（バックラッシュ又は遊びのこと）
（３）軸受けの位置精度、寸法精度
（４）軸の寸法精度

特許文献２にみられるような従来技術では、発電器を構成するベースとなる板の上に、基板の下面が載置され、基板の上面のエレクトレット膜と、回転板の下面に形成された対向電極との間に、間隙が形成されている。このため、上述の加工精度による部品公差分のバラツキ（ガタツキ）が、どうしても、エレクトレット膜−対向電極間の隙間距離にバラツキを発生させてしまう。回転板による発電では、軸に発生するガタツキは、回転円板の姿勢に大きく影響して、エレクトレット膜と電極間距離を大きく変化させてしまう。一方、図２にみられるように、距離ｇがゼロに近づけば近づくほど大きな発電量が得られるエレクトレット発電では、このような部品公差分のバラツキが、即、発電量の大きなバラツキとなってしまう。量産をベースとした際には、ある程度の部品バラツキを持たせておく必要があるため、安定した発電量を得るためにはネックとなっている部分であった。

このような問題を対処するには、部品加工時に非常に高い精度で作り上げる必要があるが、それらの部品を製作するためには部品の歩留まりの点、コストの点で問題があった。
また、ベースとなる板の上に基板の下面が載置され、基板の上面のエレクトレット膜が形成されている従来技術では、基板自体の厚み公差の効き量が、非常に大きくなるので、エレクトレット膜と電極同士を近づけるためには、基板の厚み公差が小さいもので製作する必要があって、ガラスエポキシ基板より、ＭＥＭＳ基板のような寸法精度の高い高価な基板を使用せざるを得なかった。

基板配置構造は、ハウジングと、前記ハウジングに固定された第１基板と、前記第１基板に対して相対移動可能に平行に配置された第２基板と、帯電膜と、対向電極と、前記帯電膜及び対抗電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有し、前記帯電膜と前記対向電極のいずれか一方を、第１基板の第１対向面に設置し、他方を前記第１対向面に対向する第２基板の第２対向面に設置し、前記第１基板の前記第１対向面側を、ハウジングに設けられた取付基準面に固定したことを特徴とする。

上記の基板配置構造は、構成部品の加工精度がばらついてもエレクトレット膜と対向電極の距離のバラツキを低減させ、エレクトレット膜などを用いた静電容量型発電機の発電能力のバラツキを抑えることができる。

静電誘導現象を利用した発電の原理を説明する説明図である。 帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量との関係を示したグラフである。 帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量との関係を示した負荷調整電力方程式を示すための説明図である。 本発明の第１実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施形態の回転軸に回転錘を有する場合の帯電膜−対向電極の構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態の対向電極２と帯電膜３のパターンを示す図である。 本発明の第１実施形態を示す詳細断面図である。 本発明の第１実施形態の下部軸受部を下方から見た斜視図である。 図８のＡ−Ａ線断面図である。 渦巻きばね部の平面図である。 本発明の第２実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の第２実施形態の調整機構を示す部分断面図である。 本発明の第２実施形態の調整機構を下方から見た斜視図である。 図１３の調整機構を示す部分断面図である。 本発明の第３実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の第３実施形態の調整機構を示す断面図である。 本発明の第４実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の第４実施形態を示す断面図である。 本発明の第５実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の第６実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の第８実施形態を示す模式的断面図とＢ−Ｂ線に関する断面図である。 本発明の第９実施形態を示す模式的断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

（第１実施形態）
図４は、第１実施形態を示す模式的断面図である。図５は、本実施形態の回転軸に回転錘を有する場合の帯電膜−対向電極の構成を示す斜視図である。図６は、本実施形態の第１対向電極２と第１帯電膜３のパターンを示す図である。

本実施形態は腕時計や携帯用電子電気機器などに主に適用できるが、これに限定されるものではない。ハウジングは、腕時計の場合によくつかわれる呼称、すなわち、地板(main plate)３３、下部・上部受け(bridge or plate)３４、３５で説明するが、ハウジングは、必ずしも腕時計に限定されるものではなく、携帯用電子電気機器などを含む一般的なハウジングを含むものである。下部・上部受け３４、３５には、下部・上部軸受部５０、６０が、嵌め合い、螺子止めなどで組み込まれている。図４に示す地板では、簡略上円筒形に形成されているが、これに限定されずに特許文献２のハウジングのように様々なパーツを組み込む支持台をここでは地板としている。

図４を参照すると、地板３３の内周側には、第１基板１をボルト３６などで固定するために設けられた取付部３７が、設けられている。本実施形態では、第１基板１の対向電極２が設置された第１対向面４１と面接触する取付基準面Ｓが、取付部３７の下面に形成されている。この取付基準面Ｓは位置決め設定の基準として機能する。この点については後で詳説する。取付部３７は内周全体に環状に設置されていても良く、また内周所定位置に、数か所突起状に設置されていても良い。上下は、図４の図面上での上下を指す。本実施形態では、第１基板１の上面が第１対向面４１であり、対向電極２が設けられている。第２基板４は軸８に固定されており、軸８の上下にはホゾ(tenon)８’（図７参照）が設置されていて、上下のホゾ８’、８’は上部軸受部６０と下部軸受部５０で、回転自在に軸支されている。第２基板４の下面が第２対向面４２であって、帯電膜３が設置されている。第２基板４は、軸８を中心に回転するように、後述の回転駆動手段で回転駆動される。

上記説明においては、対向電極２を第１基板１に設置し、帯電膜３を回転する第２基板４の第２対向面４２に配置した場合で説明したが、これに限定されるものではない。帯電膜と対向電極を、逆にしてそれぞれ基板に取り付けて、帯電膜３を第１基板１の第１対向面４１に設置し、対向電極２を第２基板４の第２対向面４２に配置しても良い。

本発明で帯電膜として用いられるエレクトレット材料には、帯電しやすい材料を用い、例えばマイナスに帯電する材料としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）や、フッ素樹脂材料などを用いる。具体的には一例としてマイナスに帯電する材料として旭硝子製のフッ素樹脂材料であるＣＹＴＯＰ（登録商標、perfluorinated polymer）などがある。

さらに、その他にもエレクトレット材料としては、高分子材料としてポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などがあり、無機材料としては前述したシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）なども使用することができる。その他、周知の帯電膜を使用することができる。

帯電膜３（エレクトレット膜）の内面には、負電荷が保持されているので、対向電極２には、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。第１基板１に設けられた対向電極２、第２基板４に設けられた帯電膜３は、図６に示すようなパターンであって、中心に関して等しい角度の放射部２’、３’が等間隔で形成されている。帯電膜３は、個別の放射部３’からなるパターンに形成されていて、導電部材の軸８に電気接点を介して接続されて出力されている（各放射部３’毎に軸８に接続するか、各放射部３’を連結配線後軸８に接続するようにしても良い）。第２基板４が金属の場合には各放射部３’はそれぞれ基板を通じて軸８と直接接続される。一方、対向電極２も、外周側の電極部から出力が取り出される。両出力端子は、整流回路２０に接続している。軸８からの電流の取り出し方については、ブラシ電極や軸受部の導電体構成部を利用して回転しながら電気的接続を行えばよい。また、ヘアスプリングで共振させる特許文献３（段落００３８等の渦巻きばね参照）の場合には、導電部材でできた軸８から、導電体のヘアスプリング（軸８と地板間に固定）を経て電気的接続を行うことが可能である。

回転駆動手段によって、軸８に固定された第２基板４が回転すると、エレクトレット膜３と対向電極２間との重なり面積が増減し、対向電極２に引き寄せられる正電荷が増減して、エレクトレット膜と対向電極間に交流電流を発生させる。対向電極２と帯電膜３間の電流を、出力部として、整流回路２０を通し直流変換して、外部に取り出し発電させるものである。

整流回路２０は、ブリッジ式であり、４個のダイオードを備え、入力側には、対向電極２と帯電膜３が接続されている。出力側には平滑回路を介して外部出力に接続されている。本実施形態における帯電膜３および対向電極２は放射状にパターニングされていたが、第１、第２基板４に対して相対回動したときに、重なり面積が増減するのであれば、他の形状にパターニングされていても良い。

その他のパターンの一例として、図６の下部に示すパターンとは異なり第１基板１上の対向電極２の放射部２’が、それぞれ独立させ、とびとびに接続配線した放射部２’（２端子）をそれぞれ整流回路２０の入力側に接続させてもよい（特開２０１３−１３５５４４号公報を引用補充する。同公報の図９、１０の実施例参照、この場合には、静止する第１基板１上の対向電極２のみから電流を取り出せばよいので、回転する第２基板４の電気的接続が不要になって便利である。）。

本実施形態では、エレクトレット発電においては、発電電圧は高いが発電電流が少ないため、整流回路２０までの距離が長いと基板などに発生する寄生容量（stray capacitance）によって発電効率が減衰してしまう。このため、少なくとも発電に関係する電子回路８０を発電電極の第１基板１に設けることが望ましい。しかしながら、発電基板面、すなわち、第１対向面に電子回路８０を設けると、基板の径方向が大きくなってしまう。このため、基板に対して対向電極２が設けられていない裏面４０に電子回路８０（少なくとも整流回路を含む）を設置することによって、スペースの有効化を図り、径方向の増大を抑えることができる。裏面４０にこの電子回路８０を設置しても良い点については、以下の実施形態においても同様である。ここで、電子回路８０には、ダイオードブリッジ、コンデンサ、ＩＣなどが含まれるが、少なくともダイオードブリッジ回路は含まれていると良い。最低限ダイオードブリッジ回路だけでも配置することができれば、発電部と整流回路の距離を短くできるため、発電時のロスを減らすことができて、発電効率もアップする。

次に、第１基板１の対向電極２が設置された第１対向面４１と、面接触する取付基準面Ｓについて述べる。

従来技術のように、下部ハウジング３４に第１基板１を載置して、第１基板１の上面の第１対向面４１に設けた対向電極２と、第２基板４の第２対向面４２の帯電膜３との間で発電する場合、帯電膜３や対向電極２自体の厚さはせいぜい数ミクロン程度なので、第１基板自体の厚み公差の効き量が、非常に大きくなってしまっていた。安価なガラスエポキシ基板を使用すると、ガラスエポキシ基板は１００μ程度のバラツキ（厚み公差）が発生してしまう。このバラツキは、帯電膜−対向電極間ギャップｇを１００μ以下に制御する場合には、即、発電量の大きなバラツキとなってしまうので、製品として安定した発電量を得るためには大きなネックとなっている部分であった。

本実施形態では、地板３３の取付部３７の下面（取付基準面Ｓ）に、第１基板１の対向電極２が設置された第１対向面４１を取り付けることによって、基板自体の厚み公差の影響を排除したものである。対向電極２や帯電膜３自体のコーティング膜の厚さはせいぜい数ミクロン程度なので、取付基準面Ｓ（即ち第１対向面４１）と、第２基板４の第２対向面４２が、帯電膜−対向電極間ギャップｇを示すことになる。この取付基準面Ｓは、位置決め設定の基準として機能する。第１基板１を、地板３３の取付部３７の下面に突き当てた部分を第１基板１の基準面としているため、基板上に設けられた対向電極２は基板の厚さが変化しても常に基準面Ｓに位置することができ、基板の厚みバラツキのギャップｇへの影響を排除できる。したがって、図２にみられるように、距離ｇがゼロに近づけば近づくほど大きな発電量が得られるエレクトレット発電で、基板自体の厚み公差の影響を完全に排除することができるので、帯電膜−対向電極間ギャップｇを１００μ以下に制御することが十分可能となる。

図７は、本発明の第１実施形態を示す詳細断面図である。なお、図７において、回転錘１０などのその他の部品は省略されている。図８は、本発明の第１実施形態の下部軸受部を下方から見た斜視図である。図９は、図８のＡ−Ａ線断面図である。図１０は、渦巻きばね部の平面図である。

本実施形態において、第２基板４が、上部軸受部６０と下部軸受部５０で、回転自在に軸支されている点について、以下に説明する。上部軸受部６０と下部軸受部５０は、耐震機構を構成する。上下とも同一の部材で構成されているので、下部軸受部５０について述べる。以下の説明では、機械時計に使用される「パラショック(parashock)」として公知の耐震装置(shock protection systems)に基づき説明するが、軸受部はこれに限定されるものではなく、その他の周知の耐震装置を利用しても良い。

図８に示す下部軸受部５０は、外側の枠体５５に、受石座５６を収納している。受石座５６は、２つの両側についたバネ片５３で、枠体内部に凹部５７から挿入されて支持されている。図９に示すように、枠体５５の内部底面には、図１０に示す平板状の渦巻きばね５４の外周側が、受石座５６底面（ここは図９の図面上で上方側の面）で挟むようにして保持されている。図１０に示すように、渦巻きばね５４には穴石５２が内周部に一体化して連結している。軸８のホゾ８’の端面は、受石座５６内部に嵌めこまれた受石(jewel)５１で軸支されている。この状況は、図９の断面図に詳細が示されている。下部軸受部５０、上部軸受部６０は、それぞれ下部受け３４、上部受け３５に嵌め合いなどで、軸８のガタツキがないように固定されている。

耐震装置としての下部軸受においては、軸８の半径方向の衝撃荷重は、渦巻きばね５４及び枠体５５の内径部５５’で受け、軸方向はバネ片５３で受けるようにして機能する。穴石５２、受石５１はルビーで作られていることが多いが、いずれも耐摩耗性金属材料であっても良い。回転する第２基板４に軸方向の力がかかる場合には、第２基板４を、その力を受ける側の軸受部（例えば下部軸受部５０）の軸方向に精度よく位置決めすると、既に取付基準面Ｓにより第１対向面４１の位置が正確に設定されているので、帯電膜−対向電極間ギャップｇを精度良く設定することができる。通常、帯電膜−対向電極間にはクーロン力（引き合う）が働くので、下部軸受けの位置決めは精度よく行うと良い。

次に、本実施形態の回転駆動について説明する。図４にみられるように、本実施形態では、軸８には、重量バランスの偏りを有する回転錘１０が直接設置されている。歩行等の人体の運動によって、回転錘１０が駆動される。なお、軸８に直接回転錘１０を取り付ける代わりに、第２基板４に錘を取り付けて、第２基板４自体を回転錘１０とすることも可能である。

第２基板４の軸８の回転駆動は、上記軸８に固定された回転錘の回転のみならず、機械式腕時計においてこれまで公知の自動巻きの回転駆動技術を転用することが可能である。たとえば、特許文献２のように、軸８とは別に軸支された回転錘の回転を、歯車機構を介して増速伝動させて軸８に伝動して、エレクトレット膜と電極の相対的な回転行うこともできる。軸８とは別に軸支（この軸を以下ローター軸という）された回転錘の正逆両方向の回転を、常に一方向の回転に変換するようにすれば、発電効率を一層高めることができる。

このような変換クラッチ機構は、ツゥーウェイクラッチ機構として自動巻き腕時計の公知技術として、よく知られているので、これらの公知技術などを適用することが可能である。また、ロータ軸の回転や揺動の正逆一方向のみをワンウェイクラッチで軸８に伝動しても良い。例えば、切換歯車、２個の歯車、リンクやカムと連結機構などで正逆両方向の回転、又は、正逆回転の一方回転のみが第２基板４に常に一方向に回転伝動させると良い。第２基板４の軸８の回転が逆回転する時の運動エネルギーの無駄がなくなり、発電効率を高めることができる。その他、特許文献３にみられるような、共振現象を軸８の回転振動に利用して、振幅を増加させて発電効率を上げることも可能である。以上の第１実施形態の回転駆動については、以下に述べる第２〜６実施形態においても同様のことが言える。

（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態を示す模式的断面図である。図１２は、本発明の第２実施形態の調整機構を示す部分断面図である。図１３は、本発明の第２実施形態の調整機構を下方から見た斜視図である。図１４は、図１３の調整機構を示す部分断面図である。

上記第１実施形態においては、図７に示すように、下部軸受部５０、上部軸受部６０は、それぞれ下部受け３４、上部受け３５に嵌め合いなどで固定されていた。軸８のホゾ８’の先端とそれぞれの軸受部５０、６０とにガタツキが発生した場合に、図１１に模式的に示すように（以下の実施形態においては、回転錘１０を図示省略）、調整機構（受けネジ６４など）によって軸受けの一方を調整できることにすることによって、軸８のガタツキを少なくするようにした実施形態である。なお、受けネジ６４と締め付けネジ６５の具体的構成は、後述の図１６の上部軸受部６０に示されており、詳しくは後述する。

これにより、第１基板１の厚みバラツキの影響を受けにくいばかりでなく、調整機構によって軸受けの一方を調整できるので、従来よりも帯電膜−対向電極間ギャップｇを精度良く設定することができる。さらに、軸８のガタツキを少なくできるので、軸８の姿勢の変化の影響を受けず、安定した発電量を得ることが可能である。上部受け３５に嵌め込まれた支持板６３に対して、受けネジ６４が軸方向に調整可能にねじ込まれている。そして、受けネジ６４は衝撃、振動などによって緩んだりしないように、締め付けネジ６５によって受けネジ６４の弛み止め（ダブルナット）を施すことが望ましいが、締め付けネジ６５は無しであっても実施は可能である。その他の軸受部以外の構成は、第１実施形態と同じである。

調整機構によって軸受けの一方を調整可能とする場合、上述のダブルナット以外にも軸８のガタツキを防止する手段は色々存在する。図１２に示すように、図７に示す下部軸受部５０、上部軸受部６０のいずれか一方のパラショックにおいて、受石座５６内部に挿入された受石５１は、受けネジ６４’によって、軸８のガタツキを調整するようにしても良い。受けネジ６４’の外周は雄ネジが切られており、受石座５６内部には雌ネジが切られている。受けネジ６４’をねじ込んで、軸８のガタツキを調整する。下部軸受部５０、上部軸受部６０の枠体５５は、それぞれ下部受け３４、上部受け３５に嵌め合いなどで固定されている。図１２の例では、調整機構として下部軸受部５０のみに受けネジ６４’を設けた実施形態であるが、これを上部軸受部６０のみに設けても良い。これにより、軸８のガタツキを少なくし、姿勢の変化に影響を受けず安定した発電量を得ることが可能となる。なお、後述するように、第３実施形態では、下部軸受部５０、上部軸受部６０の両方に上述の受けネジ６４’を設けることも可能である。

ネジを使った調整機構には、図１３、１４に示すものも含まれる。この場合は、下部軸受部５０、上部軸受部６０のいずれか一方のパラショックにおいて、受石座５６が、内周側に雌ネジが切られている外側受石座７２と、外周側に雄ネジが切られている内側受石座７１から構成されている。内側受石座７１内部は、図７に示すように、下部軸受部５０、上部軸受部６０と同じ構造になっている。すわわち、枠体５５の内部底面には、図１４に示す渦巻きばね５４の外周側が、外側受石座７２下面で挟むようにして保持されている。渦巻きばね５４には穴石５２が内周部に一体化して連結している。軸８のホゾ８’の端面は、内側受石座７１内部に嵌めこまれた受石５１で軸支されている。内側受石座７１の外周側の雄ネジは、外側受石座７２内周の雌ネジに、軸８の軸方向に微小位置調整可能に、ねじ込まれている。

内側受石座７１の鍔部７１’には、本実施形態では１２角形に形成されている。図１３にみられるように、止めネジ７３を鍔部７１’の１辺に係合させて、内側受石座７１の回り止めを施している。これにより、内側受石座７１は衝撃、振動などによって緩んだりして、せっかく軸８にガタツキがないように調整した状態が変化しないようにしている。なお、下部軸受部５０、上部軸受部６０の枠体５５は、それぞれ下部受け３４、上部受け３５に嵌め合いなどで固定されている。その他の軸受部以外の構成は、第１実施形態と同じである。これにより、軸８のガタツキを少なくし、姿勢の変化に影響を受けず安定した発電量を得ることが可能となる。

（第３実施形態）
図１５は、本発明の第３実施形態を示す模式的断面図である。図１６は、本発明の第３実施形態の調整機構を示す断面図である。

図１５に模式的に示すように、調整機構（受けネジ６４など）によって下部軸受部５０、上部軸受部６０の両方を調整することができるようにした実施形態である。これにより、軸８のガタツキを少なくするとともに、上下に調整機構を設けることによって、静止している第１基板１に対して、回転する第２基板４の軸方向位置を変化させることができる。本実施形態は、帯電膜−対向電極間ギャップｇを、正確な所定位置に確実にあわせることができるものである。本実施形態では、当初設計した帯電膜−対向電極間ギャップｇを、上下に調整機構を設けたので、実際に組み立てられた発電器で実現することができるので、最大の発電力を得ることができる。

下部軸受部５０、上部軸受部６０の調整機構は、第２実施形態で述べた各調整機構をすべて使用することができる。下部軸受部５０、上部軸受部６０の調整機構は、上下とも同じ機構でもよく、また異なっていても良い。図１６を参照して、第３実施形態の一例を説明する。本実施形態は、下部軸受部５０、上部軸受部６０とも、ネジを使った調整機構であり、弛み止めにダブルナットを用いたものである。まず、下部軸受部５０から説明する。

この場合では、下部軸受部５０のパラショックにおいて、枠体５５の外周には、小径ネジ部７４と大径ネジ部７５が形成されている。小径ネジ部７４は、下部受け３４に設けられた雌ネジ部にねじ込まれており、所定の帯電膜−対向電極間ギャップｇになるように、小径ネジ部７４のねじ込み位置を設定する。調整終了後、ダブルナットとしての上ナット５７（図１６上では下のナット）を下部受け３４に接触するまでネジ止めして、弛み止めを行う。受石座５６とその内部の構造は、図７に示す下部軸受部５０のパラショックと同じである。

一方、上部軸受部６０の調整機構は、図１６に示すように、枠体５５の上部に上部枠体７６が一体で連結しており、上部枠体７６の外周が、上部受け３５に嵌め合いで固定されている。支持板６３は、上部枠体７６の内周に嵌め合いで挿入されており、受けネジ６４が軸方向に調整可能にねじ込まれている。受けネジ６４の下部端面は、受石と同じ機能を果たしている。枠体５５の内部には、図８と同様に受石座５６を収納しており、受石５１はなくて、受けネジ６４の下部端面に相当すること以外は、先に説明したパラショックの構造と同じである。

図１６の第３実施形態の一例では、第１基板１や第２基板４の構成、回転駆動の構成は、図１６では一部省略しているが、第１実施形態と同じである。本実施形態では、第２基板４の軸８に、ヘアスプリング７８（ヘアスプリング７８の一端は軸８にヒゲ玉７８’(hairspring collet)で固定、他端はハウジングに固定）が設けられており、特許文献３の従来技術の構成をもっている。皿ばね７７で第２基板４が軸８に固定されている。

第３実施形態では、第１、第２実施形態の効果に加えて、上下に調整機構を設けることによって、静止している第１基板１に対して、回転する第２基板４の軸方向位置を変化させて、帯電膜−対向電極間ギャップｇを、正確な所定位置に確実にあわせることができる。

（第４実施形態）
図１７は、本発明の第４実施形態を示す模式的断面図である。図１８は、本発明の第４実施形態を示す断面図である。

図１７に模式的に示すように、第１実施形態において、下部軸受部５０を下部受け３４に嵌め合いなどで固定するとともに、第１実施形態の上部軸受部６０の代わりに、板バネ６８で軸８のホゾ８’の先端を押圧するようにした軸受部で、軸８の上部を軸支した実施形態である。板バネ６８によって軸受けの一方を一定の負荷で押さえつけることによって、軸８のカタツキをなくすことができる。これにより、軸８の軸方向の位置決め調整が簡単になり、かつ、帯電膜−対向電極間ギャップｇを、下部軸受部５０の位置設定に基づき、所定位置にあわせることができるものである。一般的な耐震装置は、強い衝撃を想定しており、通常の使用下では耐震装置は撓まない状態で使用するのが慣用である（耐震装置を撓ませて使用した場合にはばね力（バネ定数）が強すぎて軸８の回転への負荷がかかりすぎてしまう）。パラショックで例示すれば、バネ片５３は、撓ませて使用するものではない。本実施形態の板ばね６８は、無負荷状態から変位した状態、すなわち、撓んだ状態で軸８のホゾ端面に接触し、帯電膜−対向電極間ギャップｇを詰めるべく使用されるものである。板ばね６８のばね力（バネ定数）は、弱く軸８への回転への負荷がかからない大きさに適宜調整されており、耐震装置のばねとは、通常使用時の撓みの状態において異なるものである。なお、ここでは板ばね６８を使用したが、板ばねに限定されるものではない。

本実施形態の詳細は、図１８に示されている。下部軸受部５０は、第１実施形態で説明した通りである。上部軸受部６０は、枠体５５内部底面に渦巻きばね５４の外周側が、押え座８０下面で挟むようにして保持されている。渦巻きばね５４には穴石５２が内周部に一体化して連結している。軸８のホゾ８’の上部端面は、板バネ６８によって軸受けの一方を一定の負荷で押さえつけている。板ばね６８はネジ６９で上部受３５に固定されている。その他、第１基板１や第２基板４の構成、回転駆動の構成は、第１実施形態と同じである。第２基板４は、カナ(pinion)８３に噛合う歯車（図示せず）によって回転伝動される。

（第５実施形態）
図１９は、本発明の第５実施形態を示す模式的断面図である。

図１９に模式的に示すように、第４実施形態において、下部軸受部５０を、調整機構（受けネジ６４など）によって軸受けの位置を調整できるようにしたものである。この調整機構としては、第２実施形態のネジを使った調整機構は全て適用することができる。第１実施形態で述べた効果に加えて、第２基板４の位置決めも比較的容易にして、簡潔かつ正確に調整することができる。これにより、軸８のガタツキを少なくし、姿勢の変化に影響を受けず、さらに、安定した発電量を得ることが可能となる。

（第６実施形態）
図２０は、本発明の第６実施形態を示す模式的断面図である。

図２０に模式的に示すように、第１実施形態において、軸８をＪＩＳ−ＳＫ材（炭素工具鋼材、ＩＳＯ−Ｃ７０〜１２０Ｕ）などの磁性体にして、さらに、下部軸受部５０の下側に、フェライトやネオジウム磁石８２を設置した実施形態である。軸８の磁性体や磁石８２は適宜周知の材料を採用すればよい。このように磁石８２を付加することによって、磁性体である軸８を下部軸受部に押し当てることができるので、軸８のガタツキを抑制して、第１実施形態で述べた効果に加えて、第２基板４の位置を安定化させるので、安定した発電量を得ることが可能となる。

（第７実施形態）
第７実施形態は、第２基板４を並進運動(translational motion)させた実施形態である。第１実施形態の図４と同様に、地板３３の内周側には、第１基板１をボルト３６などで固定するために設けられた取付部３７が、設けられている。第１基板１の対向電極２が設置された第１対向面４１と面接触する取付基準面Ｓが、取付部３７の下面に形成されている。この取付基準面Ｓは位置決め設定の基準として機能する。第１基板１の上面が第１対向面４１であり、対向電極２が設けられている。第２基板４はスライダクランク機構などでハウジングに対して並進運動するように構成されている。これにより、第１実施形態と同様に、基板自体の厚み公差の影響を完全に排除することができるので、帯電膜−対向電極間ギャップｇを１００μ以下に制御することが十分可能となる。帯電膜、対向電極の各基板への設置はこれと逆であっても良い。

以上の第２〜６実施形態においては、第１実施形態の第１基板１の第１対向面側を、ハウジングに設けられた取付基準面Ｓに固定したものとして、説明したが、必ずしもこの限定は有していなくても、第２〜６実施形態は実施可能である。すなわち、ハウジングと、ハウジングに固定された第１基板１と、第１基板１に対して相対移動可能に平行に配置された第２基板４と、帯電膜３と、対向電極２と、帯電膜及び対抗電極間で発生した電力を出力する出力部とを有し、帯電膜３と対向電極２のいずれか一方を、第１基板１の第１対向面４１に設置し、他方を第１対向面４１に対向する第２基板４の第２対向面４２に設置し、第２基板４に軸８を設けて、軸８をハウジングに設けた上部軸受部６０と下部軸受部５０で、回転自在に軸支した基板配置構造（これを構成Ａという）において、上部軸受部６０と下部軸受部５０のいずれか一方又は両方が、軸８の軸方向位置を調整する調整機構を有することを特徴とする基板配置構造であっても良い。あるいは、構成Ａにおいて、上部軸受部６０と下部軸受部５０のいずれか一方の軸受部へ、軸８を付勢する付勢機構（バネや磁石）を有することを特徴とする基板配置構造であっても良い。これにより、第２〜６実施形態で述べたことと同様な調整機構の効果が得られる。

（第８実施形態）
図２１は、本発明の第８実施形態を示す模式的断面図であり、図面左下には、位置調整ネジ８６と押えボルト８５の螺合状態を示す、Ｂ−Ｂ線に関する断面図が示されている。

第８実施形態は、図１９の第５実施形態の下部軸受部５０の調整機構（受けネジ６４）の代わりに、下部受け１３４自体を、軸８の軸方向に位置調整可能にしたものである。
ハウジングは、本実施形態では、地板３３、下部・上部受け１３４、３５で構成されている。このうち、下部受け１３４は、第１ハウジング部分に相当し、地板３３、上部受け３５は、第２ハウジング部分に相当する。図２１の地板３３は、少なくとも１箇所以上の支柱に置き換えることも可能である。この場合、好ましくは、支柱は２箇所以上あった方が、回転する第２基板４（回転部材）の回転軸が安定し、帯電膜３と対向電極２との間のギャップ設定を安定して行うことができる。このギャップ設定のためには、下部受け１３４の適宜箇所に窓部（透視穴、透明材）を設けて、視認することができるようにしても良い。

第１基板１の上面が第１対向面４１であり、対向電極２が設けられている。帯電膜３が回転する第２基板４の第２対向面４２に配置されている。他の実施形態と同様に、帯電膜と対向電極を、逆にしてそれぞれ基板に取り付けても良い。図１９の第５実施形態と同様に、地板３３の取付部３７の下面（取付基準面Ｓ）に、第１基板１の対向電極２が設置された第１対向面４１を取り付けるので、基板自体の厚み公差の影響は排除される。
上部受け３５において、上部軸受部６０の代わりに、板バネ６８が軸８のホゾ８’の先端を押圧するようにした軸受部で、軸８の上部を軸支する。したがって、軸８は、下部受け１３４の下部軸受部５０に向かって、常に押圧されているので、軸方向における帯電膜３と対向電極２との間の遊びがなくなっている。

本実施形態における、帯電膜３と対向電極２との間のギャップ調整を行う位置調整部について説明する。
地板３３に螺合した位置調整ネジ８６と、位置調整ネジ８６の内部に設けられたネジ穴に螺合する押えボルト８５は、位置調整部を構成する。位置調整ネジ８６が螺合する地板３３のネジ穴の底には、バネ８７が挿入されている。バネ８７は、位置調整ネジ８６の端部を押圧し、位置調整ネジ８６のバックラッシュを除去する。下部受け１３４の外周端は、その外周側に設けられた複数個の穴８９に、押えボルト８５を通して、位置調整ネジ８６に対して固定される。位置調整ネジ８６と押えボルト８５は相互に逆方向のネジ山（逆ネジ）であっても順方向のネジ山であっての良いが、逆ネジの方が押えボルト８５の締め付け時に位置調整ネジ８６が微動しにくいので好ましい。

帯電膜３と対向電極２との間のギャップ調整を行う場合には、まず、ドライバー工具を溝８８に差し込んで地板３３に位置調整ネジ８６をねじ込む。帯電膜３と対向電極２との間のギャップ、すなわち、回転する第２基板４の軸方向位置が適切になるように、位置調整ネジ８６のねじ込み位置を調整し設定する。設定後に、押えボルト８５を位置調整ネジ８６のネジ穴にねじ込み、両者で下部受け１３４の外周端を挟み込んで固定する。

このように、本実施形態においても、第１実施形態で述べた効果に加えて、第２基板４の位置決めも比較的容易にして、簡潔かつ正確に調整することができる。これにより、軸８のガタツキを少なくし、姿勢の変化に影響を受けず、さらに、安定した発電量を得ることが可能となる。

（第９実施形態）
図２２は、本発明の第９実施形態を示す模式的断面図である。図面左下のＢ−Ｂ線に関する断面図は第８実施形態と同じである。

第９実施形態は、これまで述べた第８実施形態において、取付基準面Ｓが取付部３７の上面に設定された場合の実施形態である。第１基板１の下面が第１対向面４１であり、対向電極２が設けられている。一方、帯電膜３は、回転する第２基板４の上面の第２対向面４２に配置されている。第８実施形態においては、下部受け１３４を図面上で上方に持ち上げると、帯電膜３と対向電極２との間のギャップが拡がる方向であってが、第９実施形態では、この逆であり、帯電膜３と対向電極２との間のギャップが狭まる方向となる。その他の構成、効果は第８実施形態と同じである。なお、第９実施形態と同様に、第１〜６実施形態においても、取付基準面Ｓを取付部３７の上面に設定する構成を、適用することができる。この場合、第９実施形態と同様に、第１基板１の下面を第１対向面４１とし、回転する第２基板４の上面を第２対向面４２として配置すればよい。

本発明において、相対移動として、並進運動、回転運動、往復並進振動、回転振動などが含まれる。ここでいう振動とは、規則的な振動のみならず、環境に広く存在するエネルギー源から電力を取り出す場合の不規則的な振動を含むものとして定義される。また、回転運動とは、一方向回転のみならず、回転振動、揺動運動を含めて使用される。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

１ 第１基板
２ 対向電極
３ 帯電膜
４ 第２基板
８ 軸
４１ 第１対向面
４２ 第２対向面
Ｓ 取付基準面

Claims (14)

1. 取付基準面を有するハウジングと、
   第１対向面を有し且つ前記ハウジングに固定された第１基板と、
   第２対向面を有し且つ第１基板に対して相対移動可能に配向に配置された第２基板と、
   帯電膜と、
   前記帯電膜と対向して配置された対向電極と、
   前記帯電膜及び前記対向電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有し、
   前記帯電膜及び前記対向電極のいずれか一方を前記第１対向面に配置し、他方を前記第２対向面に配置し、
   前記第１基板の前記第１対向面を前記取付基準面に固定した、
   ことを特徴とする基板配置構造。
2. 前記第２基板に軸を設けて、前記軸を前記ハウジングに設けた上部軸受部と下部軸受部で、回転自在に軸支したことを特徴とする請求項１に記載の基板配置構造。
3. 前記上部軸受部と下部軸受部のいずれか一方又は両方が、前記軸の軸方向位置を調整する調整機構を有することを特徴とする請求項２に記載の基板配置構造。
4. 前記ハウジングが、前記上部軸受部と下部軸受部のいずれか一方の軸受部へ、前記軸を付勢する付勢機構を有することを特徴とする請求項２に記載の基板配置構造。
5. 前記付勢機構が、バネ又は磁石を用いたことを特徴とする請求項４に記載の基板配置構造。
6. 前記一方の軸受部が、前記軸の軸方向位置を調整する調整機構を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の基板配置構造。
7. 前記調整機構が、ネジによって前記軸の軸方向位置を調整したことを特徴とする請求項３又は６に記載の基板配置構造。
8. 前記調整機構が、調整された軸方向位置にロックするロック機構を有することを特徴とする請求項３、６及び７のいずれか１項に記載の基板配置構造。
9. 前記ロック機構が、ネジによって前記調整された軸方向位置にロックすることを特徴とする請求項８に記載の基板配置構造。
10. 前記第２基板の前記軸は、重量バランスの偏りを有する回転錘が直接設置されているか、又は、回転錘の回転が歯車列を介して前記軸に回転伝動されるように構成されていることを特徴とする請求項２から９のいずれか１項に記載の基板配置構造。
11. 重量バランスの偏りを有する回転錘の正逆両方向の回転、又は、正逆回転の一方回転のみが、前記第２基板に常に一方向に回転伝動されることを特徴とする請求項１０に記載の基板配置構造。
12. 前記第１基板に対して、第２基板が並進運動を行うことを特徴とする請求項１に記載の基板配置構造。
13. 前記第１基板の第１対向面とは反対側に、少なくとも整流回路を含む電子回路が配置されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の基板配置構造。
14. 前記ハウジングが、第１ハウジング部分と、第２ハウジング部分と、第２ハウジング部分に対して第１ハウジング部分を前記軸の軸方向に位置調整可能に調整する位置調整部とを備え、
    前記第１ハウジング部分には、前記上部軸受部と下部軸受部のいずれか一方の軸受部が設けられ、
    前記第２ハウジング部分には、前記上部軸受部と下部軸受部の他方の軸受部と、前記第１基板が固定される前記取付基準面と、前記軸を前記一方の軸受部に付勢する付勢機構が設けられ、
    前記位置調整部が、第２ハウジング部分に螺合した位置調整ネジと、該位置調整ネジの内部に設けられたネジ穴に螺合する押えボルトとを備え、前記第１ハウジング部分が前記押えボルトによって位置調整ネジに対して固定されたことを特徴とする請求項２に記載の基板配置構造。

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