JPH1056784A - 発電装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電体層を備えた振動片を加振して発電を行
う小型・携帯型の装置に適した発電装置において、電気
機械結合係数が大きく、発電能力の高い発電装置を提供
する。 【解決手段】 振動片２１のシム層２６を挟んで圧電体
層２２ａおよび２２ｂが形成され、その先端２１ａに重
り２５が付加され、固定装置４０で固定された固定端２
４から重りの重心２５ａを自由端２３として振動して発
電する発電装置２０において、圧電体層から電荷を収集
する収集電極３２ａ、３２ｂおよび３４ａ、３４ｂを固
定端２４から自由端２３に向かって振動部分２８の長さ
Ｌの２／３に設け、重り２５を長さＬの１／３にする。
これにより、結合係数が大きく、さらに、十分な発電能
力を備えた発電装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体を備えた振
動片を用いて発電を行う発電装置およびこれを備えた電
子機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電材料を振動させて発電を行う小型の
装置が幾つか提案されており、例えば、実公昭５１−１
７３９３には、回転錘の動きでレバーを振動して圧電素
子に静的な変位を与えて振動し発電する技術が開示され
ている。また、特開平７−１０７７５２号にはカンチレ
バーの表面に圧電材料をスパッタ形成したものを用いて
発電する技術が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの発電装置にお
いては、腕時計の回転錘などの運動エネルギーによって
圧電体を備えたレバーに振動が励起され、振動の機械エ
ネルギーがその時の歪み分の電気機械結合係数ｋｖ² に
よって電気エネルギーに変換されるようになっている。
レバーが振動することにより繰り返し歪みが発生し、そ
の機械エネルギーを電気エネルギーに変換できるので発
電効率を高くできるようになっている。しかしながら、
レバーに蓄積された機械エネルギーの全てが電気エネル
ギーに変換できるのではなく、振動によって発生するレ
バー内部の歪みの分布や、その歪みによって発生した電
荷の収集方法によって発電効率は変化する。圧電体素子
を用いた発電装置によって時計装置などの処理装置を実
際に動かすには十分な発電量を得る必要がある。そのた
めには、振動片における電気機械結合係数（以下におい
ては結合係数）ｋｖ² を高くすることが必要である。従
って、振動片に形成された圧電体層を長手方向と直交す
る方向に振動し、弾性波の伝搬方向と電圧方向が直交す
る横効果を用いて発電を行う発電装置においては、横効
果の理論的な電気機械結合係数ｋ₃₁に近づけることが望
ましい。

【０００４】そこで、本発明においては、圧電体層に発
生した電荷を収集する電極の長さに着目して結合係数ｋ
ｖ² が高く、発電能力の高い発電装置を提供することを
目的としている。そして、回転錘などを用いて腕などの
動きを捉えて十分な発電量を確保できる発電装置を実現
することにより、発電装置から供給される電力によって
何処でも処理装置を駆動でき、その機能を発揮させるこ
とができる電子機器を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明において、発明者
らは圧電体層を備え、片持ち支持された振動片を用いた
発電装置において、圧電体層から電荷を収集する収集電
極の長さを変えることによって結合係数ｋｖ² が変動す
ることに着目し、高い結合係数ｋｖ² が得られる収集電
極の条件を見いだした。収集電極は、図１に示すよう
に、圧電体層に沿って長くすると電荷を収集する面積が
増加するので、振動片から得られる発生電荷Ｑｍは増加
する。しかしながら、振動片の先端は、振動によって発
生する歪みが少ないので収集できる電荷量は低く、収集
電極の長さに対し図１に示すように先端に行くに従って
発生電荷Ｑｍの増加量は緩やかになる。一方、振動片の
先端における発生電荷が少ない。このため、収集電極を
先端まで長くすると、収集電極の面積の増加に対して得
られる電荷の増加が少なくなり、発生電圧Ｖｍは低下す
る。従って、振動片から得られる電気エネルギーＵ_E
（＝Ｑｍ・Ｖｍ／２）は収集電極が所定の長さのときに
最大となると考えられる。発明者らはさらに詳細に検討
した結果、収集電極が振動片の固定端から自由端に向か
って全長の２／３の長さのときに最大の結合係数ｋｖ²
が得られることを見いだした。

【０００６】すなわち、本発明の圧電体層を備えた振動
片と、この振動片の固定端の側を片持ち支持する固定手
段と、振動片の固定端から反対側の自由端までの振動部
分が振動している間に前記圧電体層で発生した電力を出
力する出力手段とを有する発電装置においては、振動片
が圧電体層の表面に現れた電荷を収集するために表面の
幅全体を覆う収集電極を備えており、この収集電極が固
定端から自由端の側に延び、振動部分の全長のほぼ２／
３の領域に形成されていることを特徴としている。本発
明の発電装置においては、振動片が振動する際に最も大
きな歪みが発生する固定端から最適な長さである全長の
２／３の近傍まで収集電極を形成することにより、振動
片に供給された機械的エネルギーが電気的エネルギーに
変換される効率の高い、すなわち、発電効率の高い発電
装置を提供することができる。

【０００７】振動片の先端に重りを付加することも可能
であり、このような発電装置においては、固定端から重
りの重心までの距離を振動部分の全長としたときに、先
端から重心までの距離を振動部分の全長のほぼ１／３以
下に止めることが望ましい。重心から１／３以下の領域
は、高い発電効率を得るために収集電極を設けなくても
良い領域なのでこの領域に重りを設けることにより、コ
ンパクトで発電効率の高い発電装置を提供できる。さら
に、重りを付加することにより結合係数を高くでき、発
電効率を向上できる。また、先端から重心までの重りの
長さを振動部分の全長の１／３以下にすることによって
振動片の全長の２／３には収集電極を設けることが可能
となり、さらに、発電に寄与する振動回数も十分に確保
できるので振動片を効率良く加振することができる。

【０００８】また、本例の発電装置においては、振動片
の振動部分に対し部分的に収集電極を設けるようにして
いるので、振動片の圧電体層のうち、収集電極に覆われ
た部分のみが分極されていれば十分である。圧電体層の
うち、収集電極に覆われた部分のみを分極することによ
り、重りや固定手段に電荷が誘起されて損失が発生する
ことも防止できる。さらに、振動片と重りの境界部分に
絶縁層を形成しておくことにより、金属製の重りを設け
た振動片であっても重りを介して圧電体層が短絡される
のを防止でき、損失を低減できる。また、圧電体層は、
固定端の側を自由端の側より厚くすることにより、振動
片が振動する際に発生する応力分布を均等化できるの
で、さらに発電効率を向上できる。

【０００９】さらに、固定手段によって固定された振動
片の固着部分に着目すると、固定端と固着部分の境界部
分から固着側にかけての圧電体層には固定端に近い歪み
が発生する。このため、発電効率を向上するには、この
固定端と固着部分の境界部分にも収集電極を設けておく
ことが望ましい。従って、本発明の発電装置において
は、振動片の収集電極を固定端から固着された側に約１
ｍｍ程度延ばすようにしている。また、複数の圧電体層
が積層されている場合は、振動片の内側の圧電体層の方
がより固着側に広く歪みが発生する。このため、本発明
の発電装置においては、発電効率をさらに向上するため
に、振動片の内部の圧電体層に挟まれた内側の表面にあ
る収集電極を固定端から固着された側に約２ｍｍ程度延
ばすようにしている。

【００１０】これに対し、振動片の固着されたその他の
領域はほとんど歪みが発生しないので発生電荷は得られ
ない。従って、固着された領域を介して収集電極から電
荷を出力手段に供給する供給電極を設ける場合は、供給
電極を圧電体層の表面の一部に形成することにより、供
給電極による容量を小さくし発生電圧の低下を防止する
ことが望ましい。さらに、圧電体層の両面を覆う第１お
よび第２の収集電極と、これらの収集電極と繋がった第
１および第２の供給電極とを設ける場合は、第１および
第２の供給電極を圧電体層を挟んで対峙する位置とは異
なった位置に形成することにより、供給電極の容量によ
る損失をさらに低減できる。また、部分的な供給電極を
設ける場合は、供給電極に並んで圧電体層の表面に電気
的に独立したダミー電極を設け、固定手段によって固定
される振動片の表面の段差をなくして固定端の剛性を高
め、振動片のＱ値を低下させないことが望ましい。さら
に、供給電極と出力手段とを接続する接続電極を設ける
場合は、固定手段によって固着された部分の側面に接続
電極を形成することにより、接続電極の容量を小さくし
て損失を低減することが望ましい。

【００１１】このように、本発明においては、発電効率
が高く、電極による損失の小さな圧電体層を用いた発電
装置を提供できるので、腕装着タイプなどの携帯型のケ
ースに本発明の発電装置と、この発電装置から出力され
た電力によって作動可能な処理装置を搭載することによ
り、何時でも何処でも処理装置の機能を発揮でき、外部
からの電力供給が不要で電池交換もいらない携帯型に好
適な電子機器を提供することが可能になる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら本発明
をさらに詳しく説明する。図２に本発明に係る発電装置
を備えた腕時計装置の概要を示してある。本例の腕時計
装置１０は、装置１０の周囲をカバーするケース１と、
このケース１の内部に収納された振動片２１を備えた発
電装置２０、これを駆動する駆動系１１、発電装置１０
から得られた交流電力を整流する整流回路２、整流され
た電流を蓄積する蓄電回路４、さらに、発電された電流
によって計時処理を行う処理装置６を備えている。処理
装置６は、時計部７を駆動したりアラーム処理を行うな
どの計時処理の他にラジオ、ページャあるいパソコンな
どの機能を備えているものであってももちろん良い。ま
た、本例では、蓄電回路４に大容量のコンデンサ５を用
いているが、２次電池などの電力蓄積能力を備えたもの
であれば良い。整流回路２は、本例のようにダイオード
３を用いた全波整流に限定されず、半波整流回路であっ
ても良く、インバータなどを用いた整流回路であっても
もちろん良い。図２では本例の腕時計装置を概念図を用
いて示してあるが、整流回路２、蓄電回路４および処理
装置６などは、駆動系１１と平面的に重なる様に配置さ
れており、装置全体の小型化が図られている。

【００１３】本例の腕時計装置１０に用いられている発
電装置２０は、片持ち梁（カンチレバー）状にケース１
に固定された振動片２１を備えている。ケース１には、
振動片２１を設置し易いように台盤状に突出した部分１
ａが設けられており、この台盤部分１ａに振動片２１の
一方の側２７を固定装置４０によって固定できるように
なっている。本例の振動片２１の両側に圧電体部２２が
設けられており、振動片２１が振動すると、これらの圧
電体部２２ａおよび２２ｂが繰り返し変位して発電が行
われる。また、振動片２１の先端２１ａは重り２５が取
り付けられており、先端の重り２５に駆動系１１によっ
て打撃が与えられることにより振動片２１が加振される
ようになっている。駆動系１１によって加振されると、
振動片２１に運動エネルギー（機械エネルギー）が駆動
系１１から伝達され、振動片の先端２１ａに付加された
重り２５の重心２５ａが自由端２３となり、台盤１ａに
固定装置４０で固定された固着された固着部分２７の境
界部分が固定端２４となって自由振動が励起される。そ
して、振動による変位が圧電体層２２によって電気エネ
ルギーに変換され、起電力が発生する。この起電力が電
力の出力手段である出力線２ａおよび２ｂによって整流
回路２に供給され、処理部６の作動エネルギーとなり、
あるいは、蓄電部５に充電される。

【００１４】本例の駆動系１１は、ケース１の内部で回
転運動を行う回転錘１３を備えており、ユーザーの腕に
装着された際にこの回転錘１３がユーザーの腕や体の動
きなどと連動して回転し、その力を運動エネルギーに変
換し、さらに、その運動エネルギーを振動片２１に伝達
して振動片２１に振動を与えられるようになっている。
このため、本例の駆動系１１は回転錘１３の運動を振動
片の先端の重り２５に伝達する輪列を備えており、ま
ず、回転錘１３の動きは、回転錘車１４によって中間車
１５に伝達され増速される。この中間車１５および後述
する歯車やカムは、ケース１内で駆動系１１を支持する
地板１２と、回転錘１３が旋回する領域に挟まれた狭い
空間にも輪列を構成できるようにしている。中間車１５
の動きはカム駆動車１７に伝達され、このカム駆動車１
７によってカム１９が左右に駆動され、カム１９の振動
片の重り２５の内部に納めれた突出部１８が動く。従っ
て、ユーザーが腕や体を動かすことによって回転錘１３
に回転力が与えられるとその力によってカム１９が左右
に振動し、カム１９の突出部１８が振動片の重り２５に
対し左右に打撃を与える。この打撃によって、振動片２
１に変位が与えられ、振動片２１が振動を開始し、その
振動によって圧電体部２２に起電力が発生する。なお、
本例の駆動系１１に用いられているカム１９には、駆動
系の負荷を小さくするために慣性モーメントの小さな柄
タイプのカムが採用されている。また、カム１９を小型
化できるようにカム駆動車１７を中間車１５に加えて設
けてある。

【００１５】図３に、本例の発電装置２０の詳細を示し
てあり、また、図４に、発電装置２０の構成を断面を用
いて示してある。本例の発電装置２０は、振動片２１の
固着部分２７が台盤１ａに対し固定装置４０で片持ち支
持され、固着部分２７との境界である振動片２１の固定
端２４と、先端２１ａに付加された重り２５の重心２５
ａの自由端２３との間が振動部分２８となって自由振動
し、その間に発生した電力を固着部分２７に接続された
電力線２ａおよび２ｂによって出力できるようになって
いる。振動片２１は、固定端２４から自由端２３に向か
って一定の幅で延びた板形状であり、燐青銅などの金属
製の支持層（シム材）２６を中心に、その両側に圧電体
層２２ａおよび２２ｂがそれぞれ形成されたサンドイッ
チ構造となっている。これらの圧電体層２２ａおよび２
２ｂは、固定端２４の方が厚く、自由端２３の方が薄い
片テーパー状に形成されており、振動片２１全体では、
固定端２４から自由端２３に向かって薄くなったテーパ
ー状の梁になっている。このように、振動片２１をテー
パー状にすることによって、振動時の応力分布を平均化
することができるので、振動片２１の疲労度を軽減でき
ると共に、圧電体層２２ａおよび２２ｂ全体の発電能力
を高くし、効率良く電荷を発生させると共にそれらを収
集できるようにしている。また、振動片２１の固着部分
２７および重り２５に差し込まれた先端の部分２１ａは
固定し易いように一定の厚みに形成されている。

【００１６】それぞれの圧電体層２２ａおよび２２ｂの
表面３１ａおよび３１ｂには収集電極３２ａおよび３２
ｂが設けられており、これらの電極３２ａおよび３２ｂ
は、後述するように固定端２４から若干、固着部分２７
に入った位置から自由端２３に向かって振動部分２８の
長さＬのほぼ２／３の領域に形成されており、圧電体層
２２ａおよび２２ｂの表面３１ａおよび３１ｂに現れた
電荷を収集できるようになっている。これらの収集電極
３２ａおよび３２ｂは、表面３１ａおよび３１ｂの幅方
向の全体を覆うように形成されており、振動の歪みによ
り圧電体層２２ａおよび２２ｂの表面３１ａおよび３１
ｂに現れた電荷を効率良く収集できるようになってい
る。また、これらの収集電極３２ａおよび３２ｂは、振
動時に最も大きな歪みが発生し、発電能力が高い固定端
２４の近傍も十分にカバーしており、特に、固着部分２
７の内で大きな歪みが発生する振動部分２８との境界領
域２７ｅまで延びて電荷の収集効率を上げられるように
なっている。さらに、これらの収集電極３２ａおよび３
２ｂの固定端２４からの長さｍは２／３Ｌの時に結合係
数ｋｖ² が最も高く、本例のような振動部分２８に対し
部分的に収集電極３２ａおよび３２ｂを設けることによ
り、発電効率の高い圧電体層を用いた発電装置を提供で
きる。

【００１７】一方、それぞれの圧電体層２２ａおよび２
２ｂと、シム層２６との境界には、絶縁層３３と、それ
ぞれの圧電体層２２ａおよび２２ｂに接して電荷を収集
する収集電極３４ａおよび３４ｂが形成されている。こ
れらの収集電極３４ａおよび３４ｂも上記と同様に固定
端２４から振動部分２８の全長Ｌのほぼ２／３の領域を
覆えるように形成されている。本例の圧電体層２２ａお
よび２２ｂにおいては、製造時にこれらの収集電極３２
ａ、３３ｂ、３４ａおよび３４ｂによって挟まれた部分
２９ａおよび２９ｂに分極用の電圧が印加され、これら
の部分２９ａおよび２９ｂだけが分極され発電に寄与す
るようになっている。従って、圧電体層２２ａおよび２
２ｂの他の部分の配向はランダムであり、これらの部分
において機械エネルギーから電気エネルギーに変換され
て喪失される損失を低減できるようになっている。さら
に、重り２５に差し込まれた振動片２１の先端２１ａの
表面を絶縁層３５で覆ってあり、振動片２１の表面に微
小な電荷が現れても金属製の重り２５を介してそれらが
短絡されて機械的な損失が発生しないようにしている。
本例の発電装置２０においては、圧電体層の部分２９ａ
および２９ｂは同じ方向にパラレルに分極されている。
このため、振動片２１が振動すると、それぞれの圧電体
層２２ａおよび２２ｂのシム層２６の側、すなわち、収
集電極３４ａおよび３４ｂと、反対側の電極、すなわ
ち、収集電極３２ａおよび３２ｂを並列に接続すること
により大きな電流を取り出すことができる。

【００１８】次に、図５および図６に基づき、収集電極
３３および３４の長さによって変換効率ｋｖ² が変化す
る様子を説明する。簡単のため厚みが一定で一端が固定
された片持ち梁のモデルで検討する。この梁５１の位置
ｘにおける振動時の曲げモーメントＭ（ｘ）は、曲げ応
力σ_b と断面係数Ｚを用いると以下のようになる。

【００１９】Ｍ（ｘ）＝σ_b ・Ｚ ・・・（１） ここで Ｚ ＝ωｔ² ・・・（２） であり、ωは梁（振動片）５１の幅、ｔは梁５１の厚さ
である。梁の曲げ応力σ_b は、図５（ｂ）に示すような
分布になるので、曲げ応力σ_b は、梁５１の位置ｘにお
ける全応力総和Ｓ（ｘ）を用いて以下のように表され
る。

【００２０】 σ_b ＝Ｓ（ｘ）／（２・ω・ｔ） ・・・（３） 従って、（１）、（２）および（３）式より、全応力総
和Ｓ（ｘ）は以下のようになる。

【００２１】 Ｓ（ｘ）＝３・Ｍ（ｘ）／ｔ ・・・（４） ここで、長さＬの梁５１の自由端５２に力Ｆを加えた時
を考えると、曲げモーメントＭ（ｘ）は、以下の式で現
れる。

【００２２】 Ｍ（ｘ）＝Ｆ・（Ｌ−ｘ） ・・・（５） 従って、全応力総和Ｓ（ｘ）は以下のようになる。

【００２３】 Ｓ（ｘ）＝３・Ｆ・（Ｌ−ｘ）／ｔ ・・・（６） 次に、梁５１のうち、距離ｘとｘ＋ｄｘの体積で全応力
総和Ｓ（ｘ）により発生される電荷（電気量）ｄＱ
（ｘ）は以下にようになる。

【００２４】 ｄＱ（ｘ）＝ｄ₃₁・（ｄｘ／ｔ）・Ｓ（ｘ） ＝ｄ₃₁・３・（Ｌ−ｘ）・Ｆ／ｔ² ・ｄｘ ・・・（７） さらに、この式（７）を図６に示したような本例の重り
付きの振動片２１に適応すると、簡単のために厚さｔが
一定として、振動片２１から得られる電気量Ｑは以下の
ようになる。

【００２５】 Ｑ＝∫₀ ^m ｄ₃₁・３・（ｌ＋ａ−ｘ）・Ｐ／ｔ² ・ｄｘ ＝ｄ₃₁・３・ｍ・（ｌ＋ａ−ｍ／２）・Ｐ／ｔ² ・・・（８） ここで、 Ｌ＝ｌ＋ａ Ｐ＝Ｆ＋Ｗ ・・・（９） であり、ａは重り２５の重心２５ａから振動片２１と重
り２５の接続部分（振動片の先端２１ａ）までの距離を
示し、ｌは振動片２１の先端２１ａから固定端２４まで
の距離を示す。また、Ｗは重りの質量を示す。さらに、
ｍは収集電極３２あるいは３４の固定端２４からの長さ
である。

【００２６】式（８）より、振動片２１から得られる電
気エネルギーＵ_E は以下のようになる。

【００２７】 Ｕ_E ＝Ｑ² ／２／Ｃ ＝ｄ₃₁ ² ・９・ｍ・（ｌ＋ａ−ｍ／２）² ・Ｐ² ／（２・ε₃₃・ω・ｔ³ ） ・・・（１０） ただし、ε₃₃は、圧電体層の厚み方向の誘電率である。

【００２８】一方、振動片の振動部分２８（長さＬ）の
歪みエネルギーＵ_M は、重り２５の部分、すなわち、振
動部分２８の長さのうち、長さａの部分は曲がらないの
で、以下のように表される。

【００２９】 Ｕ_M ＝１／２∫₀ ^l （ｌ＋ａ−ｘ）² ・Ｐ² ／（Ｅ・Ｉ）・ｄｘ ＝６ｌ・（ａ² ＋ａｌ＋ｌ² ／３）・Ｐ² ／（Ｅ・ω・ｔ³ ） ・・・（１１） ここで、Ｅはヤング率を示し、Ｉ（＝ω・ｔ³ ）は断面
２次モーメントである。

【００３０】以上より、本例の振動片２１の曲げモード
における電気機械結合係数ｋｖ² は以下のようになる。

【００３１】 ｋｖ² ＝Ｕ_E ／Ｕ_M ＝３／４・ｍ・（ｌ＋ａ−ｍ／２）² ／（ｌ・（ａ² ＋ａｌ＋ｌ² ／３））・ｋ₃₁ ² ・・・（１２） ここでｋ₃₁ ² （＝Ｅ・ｄ₃₁ ² ／ε₃₃）は横効果による理
論的な電気機械結合係数である。

【００３２】さらに、重りの長さａと、電極の長さｍを
以下のようにおいて、式（１２）を整理すると以下のよ
うに鳴る。 ａ＝α・ｌ ｍ＝β・ｌ ・・・（１３） ｋｖ² ＝９／４・β・（（２α−（β−２））² ／（１２α² ＋１２α＋４）・ｋ₃₁ ² ・・・（１２’） この式（１２’）は、以下の条件で最大値をとる。

【００３３】 β＝２／３・（α＋１） （０＜＝α＜＝０．５） ｋｖ² ／ｋ₃₁ ² （ｍａｘ） ＝２／３・（α＋１）³ ／（３α² ＋３α＋１）・・・（１４） すなわち、ｍ＝２／３・（α＋１）・ｌ ＝２／３Ｌ ・・・（１５） のときに結合係数ｋｖ² は最大となる。図７に、ｋｖ²
／ｋ₃₁ ² （ｍａｘ）がαによって変化する様子を示して
あり、また、図８に、ｋｖ² ／ｋ₃₁ ² が収集電極ｍの長
さによって変化する様子を示してある。図７において、
αが０．５になると、重りの長さａが振動部分の全長Ｌ
の１／３を越えるので、収集電極２２は固定端２４から
重り２５との境界である振動片の先端２１ａまで領域に
形成しておくことが望ましく、図中に示してあるように
振動部分２８の圧電体層の部分の全面に収集電極を設け
ること望ましい。図７あるいは図８に示すように、ｋｖ
² ／ｋ₃₁ ² （ｍａｘ）は振動部分２８に占める重りの長
さ（振動片の先端から重心までの距離）ａが増加するに
つれて増加する。従って、振動部分２８の内、重りの部
分の長さを増やすことが単にｋｖ² ／ｋ₃₁ ² を増加する
という点では望ましい。しかしながら、振動部分の長さ
Ｌの内、重りの長さａを増加すると、圧電体層の長さｌ
が減少するので同じ発電量を得るためには多数たたく必
要が生ずる。従って、結合係数を高し、振動片２１の発
電に寄与する振動回数を十分に確保するためには、図４
に示すように、振動部分２８の全長Ｌのうち、固定端２
４から２／３の長さｍの領域を覆うように収集電極３２
および３４を設け、さらに、自由端２３（重りの重心２
５ａ）から全長Ｌの１／３あるいはそれ以下の長さａを
持った重り２５を付加することが望ましい。これによ
り、結合係数ｋｖ² ／ｋ₃₁ ²（ｍａｘ）を高くでき、さ
らに、圧電体層も十分に長く、より少ない回数で振動片
２１を加振しながら発電能力も高い振動片２１を用いた
発電装置２０を提供することができる。

【００３４】また、固定装置４０によって台盤に固定さ
れた固着部分２７にも振動片２１が振動することによっ
て多少の歪みは発生する。特に、固着部分２７と振動部
分２８の境界領域、すなわち、固定端２４の近傍は固着
部分２７にも大きな歪みが発生しており、この部分に収
集電極３２および３４を延ばすことにより振動片２１の
発電効率を高くすることができる。このため、図９に振
動片２１の固着部分２７の概略構成を展開して示してあ
るように、本例の振動片２１においては、固定端２４か
ら固着部分２７の側に多少、収集電極３２および３４を
延ばしてある。図１０に拡大して示してあるように、発
明者らが収集電極３２および３４の延長長さｎ１および
ｎ２を変えて発電効率に対する寄与を測定したところ、
固着部分２７の表面２７ａに形成された延長部分３２ｃ
においては、長さｎ１が約１ｍｍ程度まで発電効率を高
くする効果が得られ、また、固着部分２７の内側の表面
（シム層２６の両側の面）２７ｂに形成された延長部分
３４ｃにおいては、長さｎ２が約２ｍｍ程度まで発電効
果を高くする効果が得られた。延長部分３２ｃおよび３
４ｃがこれらの長さを越えると発電効果は低下する傾向
が見られ、後述するような容量の増加による損失の方が
大きくなると思われる。

【００３５】さらに、本例の振動片２１においては、固
着部分２７の電極を限られた領域に形成することによっ
て、発電に寄与しない無駄な容量を削減し、発電効率を
向上できるようにしている。図９に示してあるように、
本例の振動片２１は、収集電極３２あるいは３４によっ
て収集された電荷を固着部分２７を通して出力手段であ
る出力線２ａおよび２ｂに供給し、出力線２ａおよび２
ｂに確実に電荷、すなわち、振動片２１で発生した電力
を供給できるようにしている。このため、固着部分２７
の収集電極３２および３４が形成された外側の表面２７
ａおよび内側の表面２７ｂに収集電極３２および３４と
比べ細く面積の狭い供給電極３６および３７を設けてあ
る。さらに、圧電体層２２を挟んで配置される供給電極
３６および３７は、それぞれの供給電極３６および３７
が対峙しない位置、すなわち、供給電極３６および３７
との距離ができるかぎり大きくなるような異なった位置
に配置されており、供給電極３６および３７で形成され
る容量をできるかぎり小さくできるようにしている。

【００３６】固着部分２７は、振動片２１が振動しても
境界部分を除きほとんど歪みが発生せず、電荷が生じな
い領域である。従って、この部分に広い電極を設ける
と、発電装置２１の出力側に大きな容量が付加されたこ
とになり、振動部分２８で発生した電荷によってこの容
量に対し充放電を繰り返すことになるため、出力電圧が
低下すると共に充放電による電気的な損失も発生する。
これに対し、本例の振動片２１は、供給電極３６および
３７が固着部分２７の限られた領域に形成されており、
さらに、供給電極３６および３７が対峙する位置とは異
なった位置に形成されている。このため、本例の振動片
２１においては、供給電極３６および３７で形成される
容量が非常に小さくなっており、供給電極による損失や
出力電圧の低下を防止することができる。

【００３７】さらに、供給電極３６および３７と出力線
２ａおよび２ｂとを接続するためには、出力線２ａおよ
び２ｂを半田付けなどによって接続する面積の大きな接
続電極が必要になる。本例の振動片２１においては、供
給電極３６および３７と繋がった接続電極３８および３
９を、図９および図１１に示すように、固着部分２７の
後ろ側面２７ｃに用意してあり、接続電極３８および３
９の間に容量がほとんど生じないようにしている。これ
により、上記と同様に接続電極３８および３９の間の容
量による出力電圧の低下や、充放電に伴う損失の発生を
防止することができ、さらに発電能力の高い発電装置を
実現できる。これら供給電極３６および３７、および接
続電極３８および３９は、本例に限らず、例えば、固着
部分２７の横方向の側面２７ｄに形成しても良い。

【００３８】また、固着部分２７の表面２７ａの一部に
供給電極３６を設けると、段差が発生する。この固着部
分の表面２７ａは、固定装置４０で固定される際に重要
な面であり、段差などにより固定装置４０と振動片２１
との間に隙間が発生すると振動漏れが生じ、機械エネル
ギーが損失されＱ値が低下する原因になる。そこで、本
例の振動片２１においては、図９に示すように、固着部
分２７の外側の表面２７ａや、内側の表面２７ｂの供給
電極３６および３７が形成されていない領域に電気的に
は独立したダミー電極４５を設けて段差の発生を防止
し、Ｑ値の高い振動片２１が得られるようにしている。

【００３９】このように、以上に説明した本発明に係る
発電装置は圧電体層を設けた振動片を振動させることに
より電気エネルギーを出力できる発電装置であり、圧電
体層から電荷を収集する収集電極を振動部分の２／３の
長さに形成し、さらに、重りを残りの１／３あるいはそ
れ以下の長さ（先端から重心までの距離）に設けること
により、結合係数が高く、実際に得られる電力も大きな
発電装置を提供することができる。また、本例では、重
りを設けた例で説明しているが、例えが、図８でαが０
のケース、すなわち、重りがない振動片の例で示してあ
るように、重りを設けていない振動片においても、振動
部分の全長の２／３に収集電極を設けることにより、結
合係数が高く発電効率の高い発電装置を提供できる。さ
らに、重りの長さが振動部分の全長の１／３を越えた場
合は、重りを除いた振動部分に収集電極を設けることが
望ましいことも上述した通りである。このように、本例
の圧電体を用いた発電装置によって、小型で発電効率が
高く、大きな電力を出力できる発電装置を実現できるの
で、回転錘などから駆動系を介して与えられた機械的エ
ネルギーを効率良く電気エネルギーに変換し、実際に、
腕時計程度の携帯に適した大きさで計時装置などの処理
装置を駆動できる能力を備えた圧電体を用いた発電装置
を提供できる。

【００４０】また、上記では、２つの圧電体層２２ａお
よび２２ｂの２層が積層された振動片２１を用いた発電
装置を例に説明したが、圧電体層が１層の振動片であっ
ても良く、また、３層以上に圧電体層が積層された振動
片を用いることももちろん可能である。さらに、分極方
向も本例のようにパラレルな方向に限定されず、逆方向
に分極した圧電体層を積層した振動片であっても良いこ
とはもちろんである。また、圧電体層を構成する素材は
ＰＺＴ（商標）、チタン酸バリウム系やチタン酸鉛系な
どのセラミック素材、水晶やニオブ酸リチウム等の単結
晶、さらにＰＶＤＦ等の高分子素材などを用いることが
可能である。

【００４１】さらに、本発明は上記で説明した時計装置
などの腕装着型の携帯型機器に限定するものではない。
本発明は小型で発電能力の高い発電装置を提供できるの
で、他の小型で携帯型の電子機器に内蔵される発電装置
として好適であり、例えばページャー、電話機、無線
機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報端末、
ＩＣカード、ラジオ受信機などに本発明の発電装置を適
用することが可能である。そして、これらの電子機器に
本発明の発電装置を採用することにより、人間の動きな
どを捉えて効率良く発電を行い、電池の消費を抑制した
り、あるいは電池その物を不要にすることも可能であ
る。従って、ユーザーは電池切れを心配せずに、これら
の携帯型機器を使用することができ、電池切れによって
メモリーに記憶した内容が失われるなどのトラブルも未
然に防止できる。さらに、電池や充電装置が容易に入手
できない地域や場所、あるいは災害などによって電池の
補充が困難な事態であっても携帯電子機器の機能を発揮
させることが可能となる。

【００４２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の圧電体
層を備えた振動片を用いた発電装置においては、圧電体
層から発生した電荷を収集するための収集電極を振動片
の全面に設けるのではなく、振動部分の全長の２／３と
いう限られた領域に設けてあり、これにより、結合係数
が高く、発電効率の高い発電装置を提供することができ
る。特に、重りを先端に設けた振動片においては、重り
の先端から重心までの長さを全長の１／３あるいはそれ
以下にして、より少ない回数で振動片を加振できるバラ
ンスのとれた結合係数の高い振動片を提供することが可
能であり、いっそう発電効率が高く、優れた発電能力を
備えた発電装置を提供することができる。また、本発明
により、収集電極を固定装置で固着された部分に延ばす
ことなどによってさらに発電効率の高い発電装置を提供
でき、コンパクトで、さらに発電効率が高く、腕などの
動きによって十分な発電量を確保できる発電装置を提供
することができる。そして、本発明の効率の良い発電装
置から得られた電力により電気的な様々な処理を行える
携帯電子機器が実現でき、何処でも機能を発揮させるこ
とができる携帯電子機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動部分に部分的な電極を設けること
により発電効率を向上できることを示す概念図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る圧電体層を備えた振
動片を有する発電装置と、携帯電子機器の概略構成を示
す図である。

【図３】図１に示す発電装置を拡大して示す斜視図であ
る。

【図４】図３に示す発電装置の概略構成を示す断面図で
ある。

【図５】片持ち梁状の振動片から得られる電気エネルギ
ーを求めるための説明図である。

【図６】本例の結合係数の計算に用いられた振動片のモ
デルを示す図である。

【図７】結合係数の最大値が重りの長さによって変わる
様子を示すグラフである。

【図８】結合係数が収集電極の長さによって変わる様子
を示すグラフである。

【図９】本例の振動片の固着部分の構成を示す展開図で
ある。

【図１０】図９に示した固着部分の断面を示す図であ
る。

【図１１】図９に示した固着部分の後ろ側方を示す図で
ある。

【符号の説明】

１・・ケース １ａ・・台盤 ２・・整流回路 ４・・蓄電回路 ６・・処理装置 １０・・携帯型機器 １１・・駆動系 １２・・地板 １３・・回転錘 １５・・中間車 １７・・カム駆動車 １９・・カム ２０・・発電装置 ２１・・振動片 ２１ａ・・振動片の先端 ２２・・圧電体層 ２３・・振動片の自由端 ２４・・振動片の固定端 ２５・・振動片の先端についた重り ２５ａ・・重りの重心 ２６・・シム材 ２７・・固着部分 ２８・・振動部分 ２９・・分極された部分 ３１・・振動片の表面 ３２、３４・・収集電極 ３２ｃ、３４ｃ・・収集電極の固着部分に延長された部
分 ３３、３５・・絶縁層 ３６、３７・・供給電極 ３８、３９・・接続電極 ４０・・固定装置 ４５・・ダミー電極

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体層を備えた振動片と、 この振動片の固定端の側を片持ち支持する固定手段と、 前記振動片の前記固定端から反対側の自由端までの振動
   部分が振動している間に前記圧電体層で発生した電力を
   出力する出力手段とを有し、 前記振動片は前記圧電体層の表面に現れた電荷を収集す
   るために前記表面の幅全体を覆う収集電極を備えてお
   り、この収集電極が前記固定端から自由端の側に延び、
   前記振動部分の全長のほぼ２／３の領域に形成されてい
   ることを特徴とする発電装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記振動片の先端に
   重りが付加されており、前記固定端から前記重りの重心
   までの距離が前記振動部分の全長であり、前記先端から
   前記重心までの距離が前記振動部分の全長のほぼ１／３
   以下であることを特徴とする発電装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記圧電体層のう
   ち、前記収集電極に覆われた部分のみが分極されている
   ことを特徴とする発電装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記圧電体層は、前
   記固定端の側が前記自由端の側より厚いことを特徴とす
   る発電装置。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記振動片の先端に
   重りが付加されており、前記振動片と前記重りの境界部
   分に絶縁層が形成されていることを特徴とする発電装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１において、前記収集電極が前記
   固定端から前記固定手段によって固着された側に約１ｍ
   ｍ程度延びていることを特徴とする発電装置。
7. 【請求項７】 請求項１において、前記振動片は積層さ
   れた複数の前記圧電体層と、これらの圧電体層の表面に
   現れた電荷を収集する複数の前記収集電極とを備えてお
   り、前記振動片の外側の表面に延びた前記収集電極が前
   記固定端から前記固定手段によって固着された側に約１
   ｍｍ程度延びており、前記圧電体層に挟まれた内側の表
   面の前記収集電極が前記固定端から前記固定手段によっ
   て固着された側に約２ｍｍ程度延びていることを特徴と
   する発電装置。
8. 【請求項８】 請求項１において、前記振動片は、前記
   固定手段によって固着された領域を介して前記収集電極
   の電荷を前記出力手段に供給する供給電極を備えてお
   り、前記供給電極は前記圧電体層の表面の一部に形成さ
   れていることを特徴とする発電装置。
9. 【請求項９】 請求項８において、前記振動片は、前記
   圧電体層の両面を覆う第１および第２の収集電極と、こ
   れらの収集電極と繋がった第１および第２の供給電極と
   を備えており、前記第１および第２の供給電極が前記圧
   電体層を挟んで対峙する位置とは異なった位置に形成さ
   れていることを特徴とする発電装置。
10. 【請求項１０】 請求項８において、前記供給電極に並
    んで、前記圧電体層の表面に電気的に独立したダミー電
    極が形成されていることを特徴とする発電装置。
11. 【請求項１１】 請求項８において、前記振動片は、前
    記供給電極と前記出力手段とを接続する接続電極を備え
    ており、前記固定手段によって固着された部分の側面に
    前記接続電極が形成されていることを特徴とする発電装
    置。
12. 【請求項１２】 請求項１に記載の発電装置と、この発
    電装置から出力された前記電力によって作動可能な処理
    装置とを有することを特徴とする電子機器。