JP3539192B2 - 圧電発電機、電子機器及び携帯機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電効果を生じさせる圧電体を用いた圧電発電機及びこの圧電発電機を有する電子機器及び携帯機器等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の圧電発電機１０及び電力系統２０を示すものである。
【０００３】
図１３において、圧電発電機１０は、圧電体２及び電力回収手段８を備えている。圧電体２は、バイモルフ型圧電体であって、第１の圧電層２ａ及び第２の圧電層２ｂにより構成されている。これら第１の圧電層２ａ及び第２の圧電層２ｂは、圧電効果を生じる圧電セラミック等により構成されている。
【０００４】
また、この圧電体２は、図示しないハンマー等の加振手段によって、図１３のＡ及びＢ方向に振動することになる。そして、このように圧電体２が振動すると、圧電効果により電力が発生することになる。
【０００５】
具体的には、圧電体２が加振手段により振動させられ、例えば図１３に示すＡの方向に振れた場合、圧電層２ａは圧縮させられ、これとは逆に圧電層２ｂは、引っ張られることになる。このとき、各圧電層２ａ，２ｂ内の圧電性結晶に外部応力が負荷され、その応力に対応して電界が生じ、その分極方向に応じた電圧が生じることとなる。
【０００６】
一方、例えば図１３に示すように、圧電体２がＢ方向に振れた場合、圧電層２ａは引っ張られ、これとは逆に圧電層２ｂは、圧縮されることになる。このときも各圧電層２ａ，２ｂには、その分極方向に応じた電圧が生じる。
【０００７】
このように生じた電圧を電極等から電力として回収する手段が、電力回収手段８である。
【０００８】
電力回収手段８は、圧電層２ａ，２ｂと接続されており、圧電層２ａ，２ｂに発生した電力を外部に供給するようになっている。すなわち、圧電発電機１０は、出力端を開閉するスイッチ２１を介して電力系統２０に接続されている。
【０００９】
電力系統２０は、例えばダイオード２２を用いた整流回路２３やコンデンサ２４等を用いて整流された電力を蓄える蓄電装置２５を有している。なお、圧電発電機１０を直に電子機器、時計等の携帯機器等の電力を消費する処理装置と接続することも可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、圧電発電機１０は、圧電体２を用いて発電するが、圧電体２の振動によって機械エネルギーを電気エネルギーに変換する、圧電体２の電気機械結合係数は、極めて低く、与えられた機械エネルギーのうち、一回の圧電体２の変位で電気エネルギーに変換される割合は、極めて小さいものとなる。
【００１１】
このような、圧電発電機１０を使用して十分な電力を電子機器等に供給するには、圧電体２の変位回数を増加させるため加振ハンマーを大型化したり、１変位での発電量を増すために圧電体２そのものを大型化する等が必要となる。また、圧電体２の振動減衰の大きな要因である、圧電体２の固定部からの損失を抑えるためには、この固定部の質量は振動部分の質量に比べ、大きいことが必要である。この場合、どうしても圧電発電機１０が大型になってしまうという問題があった。
【００１２】
一方、圧電発電機１０を搭載しようとする電子機器等は、近年ますます小型化する傾向にあるため、十分な電力を供給できる圧電発電機１０は、このような小型化する電子機器等に搭載できないという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上記課題を解消して、小型で且つ発電効率のよい圧電体を用いた圧電発電機及びこの圧電発電機を有する電子機器及び携帯機器を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明では、圧電体と、前記圧電体に変位を与える変位手段と、前記圧電体で発生した電力を供給する手段とを有し、前記変位手段によって前記圧電体のうち一の圧電体に機械的歪が与えられ、前記機械的歪によって生じた反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる圧電発電機において、前記変位手段は、回動体と、前記回動体に偏心して取り付けられた偏心部と、を有するとともに、前記圧電体には、前記偏心部と係合するスライダ部が備えられていることを特徴とする。
本発明では、変位手段によって圧電体のうち一の圧電体に与えられた機械的歪が、この圧電体の機械的歪の反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる構成となっている。したがって、一の圧電体の機械的歪の反力によって他の圧電体に機械的歪が生じさせることができる。このため、他の圧電体を機械的に歪ませるための応力をさらに変位手段から供給する必要がほとんどない。そして、本発明では、前記変位手段が回動体と、この回動体に偏心して取り付けられた偏心部とを有し、この偏心部が圧電体に備えられているスライダ部と係合しているため、この回動体の回動により、前記偏心部は、その位置が円弧状に移動する。この際、応力は、偏心部と係合している前記スライダ部を介し、前記圧電体に伝わることになる。
【００１７】
また、本発明において、前記一の圧電体は、機械的歪が与えられた状態で配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明では、前記一の圧電体に予め機械的歪が与えられている。このため、前記一の圧電体に機械的歪を与えことなく、また、この一の圧電体の機械的歪の反力によって前記他の圧電体に機械的歪を生じさせることとなる。したがって、この一の圧電体及びこの他の圧電体を機械的に歪ませるための応力を変位手段から供給する必要がほとんどない。
【００２１】
また、本発明では、前記一の圧電体及び他の圧電体は、機械的歪が与えられた状態で配置されていると共に、前記一の圧電体と前記他の圧電体が互に直交して配置され、前記一の圧電体及び他の圧電体に機械的歪が与えられない状態での交点が前記回動体の回転中心にほぼ一致することを特徴とする。
このため前記一及び他の圧電体の機械的歪エネルギーが、相互間で移動し外部に出てゆかないので、前記回動体からの機械的歪を生じさせるためのエネルギーを供給する必要がない。
【００２２】
そして、本発明では、圧電体と、前記圧電体に変位を与える変位手段と、前記圧電体で発生した電力を供給する手段とを有し、前記変位手段によって前記圧電体のうち一の圧電体に機械的歪が与えられ、前記機械的歪によって生じた反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる圧電発電機において、前記変位手段は前記圧電体の表面を転動する転動運動体と、前記転動運動体を前記圧電体に押しつける加圧部とを備えることを特徴とする。
前記変位手段が、転動運動体と、この転動運動体を前記圧電体に押しつける加圧部とを備えるため、この加圧部によって押しつけられたこの転動運動体が前記圧電体の一の圧電体に機械的歪を与えることとなる。そして、この一の圧電体の機械的歪の反力がこの転動運動体に作用する。ここで、転動運動体は、前記圧電体の表面を転動しているため、この一の圧電体の機械的歪の反力を他の圧電体に伝え、この他の圧電体に機械的歪を生じさせることになる。このため、この他の圧電体を機械的に歪ませるための応力を加圧部から供給する必要がほとんどない。
【００２３】
また、本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が圧縮歪であることを特徴とする。
【００２４】
本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が圧縮歪であるので、投入可能な機械的歪エネルギーが引っ張り変形時に比べ極めて大きくでき、発電装置を小型化することが可能となる。
【００２５】
また、本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が厚みすべり変形であることを特徴とする。
【００２６】
本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が電気機械結合係数が高い厚みすべり変形であるため、より効率良く歪エネルギーを発電エネルギーに変換することが可能となる。
【００２７】
また、本発明は、請求項１乃至６に記載の圧電発電機を有する電子機器である。
【００２８】
本発明では、前記圧電発電機により発生した電力を処理装置である電子機器に供給することとなる。
【００２９】
そして、本発明では、前記圧電発電機を携帯機器に使用することが好ましい。
【００３０】
本発明では、圧電発電機により発生した電力を処理装置である携帯機器に供給することとなる。
【００３１】
また、本発明は、前記圧電発電機を、時計に使用することが好ましい。
【００３２】
本発明では、前記圧電発電機により発生した電力を処理装置である時計に供給することになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３４】
「第一の実施の形態について」
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電発電機を用いた例えば時計の一部を示す平面図及び断面図である。
【００３５】
図１及び図２において、圧電発電機を用いた時計１０００は、圧電発電機１００とこの圧電発電機に生じた電力を回収する電力系統２００とを有している。
【００３６】
この圧電発電機１００は、外部操作手段であるリュウズ１２０と、このリュウズ１２０に加えられたエネルギーを伝える輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０とを有している。したがって、リュウズ１２０のつまみ１２２を回すことにより、リュウズ１２０の歯車１２１が回動することになる。この歯車１２１の回動は、輪列Ａ１３０へ伝えられることになる。
【００３７】
ここで、輪列Ａ１３０は、輪列Ａ１３０の回動中心である固定ピン１３１を中心に回動するようになっており、この固定ピンは、地板１１０上に固定されている。また、輪列Ａ１３０は、リュウズ１２０の歯車１２１と歯合しているため、リュウズ１２０の歯車１２１の回動によってこの輪列Ａ１３０も回動することになる。
【００３８】
また、輪列Ｂ１４０は、輪列Ａ１３０と歯合する部分を有する径の小さいかな１４２と回動体であるロータ１６０と歯合する部分を有する径の大きな歯車１４３とを有している。そして、この輪列Ｂ１４０は、地板１１０に設けられた軸受け１１１と輪列受け１５０との間に挟まれるようにして支持されており、回動軸１４１を中心に回動するようになっている。したがって、輪列Ａ１３０の回動は、輪列Ｂ１４０へ伝えられることになる。
【００３９】
以上のように、この圧電発電機１００は、リュウズ１２０と、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０とを有しているが、そのほかに、輪列Ｂ１４０の回動が伝えられると共に偏心部である偏心ピン１６１を備えるロータ１６０やこの偏心ピン１６１と係合するスライダ１７１，１８１を備える圧電体であるバイモルフ型圧電体１７０，１８０等を有している。
【００４０】
ここで、ロータ１６０は、図２に示すように、比較的径の小さい回動軸１６２と比較的径の大きい歯合部１６３とを有している。この回動軸１６２は、地板１１０に設けられたロータ軸受１１２によって回動可能に支持されている。ロータ軸受１１２はロータ１６０の倒れによる回転負荷の増加を防ぐため２段構成となっている。また、歯合部１６３は、上述のように、輪列Ｂ１４０の歯車１４３と歯合しているため、円盤部１４０の回動によって、ロータ１６０も回動することになる。
【００４１】
このロータ１６０の歯合部１６３の上には、回動中心から偏心した位置に偏心ピン１６１が設けられている。この偏心ピン１６１は、偏心した位置に設けられているため、ロータ１６０の回動により、歯合部１６３の上を円を描くように移動することになる。また、この偏心ピン１６１とロータ１６０を一体に形成した場合は、この偏心ピン１６１とロータ１６０を安価に形成することができる。
【００４２】
この偏心ピン１６１には、スライダ１７１，１８１が係合されている。スライダ１７１，１８１は、図１に示すように、平面図では、全体がコの字状となっており、このコの字の内側部分に偏心ピン１６１が当接するように配置されている。また、この偏心ピン１６１とスライダ１７１，１８１との摩擦を低下するために、偏心ピン１６１とスライダ１７１，１８１の間はルビーで構成されている。そのため、ロータ１６０の回動により、歯合部１６３の上を円を描くように偏心ピン１６１が移動すると、それと係合されているスライダ１７１，１８１も歯合部１６３の上を揺動することになる。
【００４３】
このスライダ１７１，１８１の一端には、圧電体である例えばバイモルフ型圧電体１７０，１８０がそれぞれ取り付けられている。バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、第１の圧電体１７０ａ，１８０ａと第２の圧電体１７０ｂ，１８０ｂをそれぞれ貼り合わせて形成されている。
【００４４】
これら第１の圧電体１７０ａ，１８０ａと第２の圧電体１７０ｂ，１８０ｂの材質は、単結晶物質で構成される場合は、例えば水晶（ＳｉＯ2 ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）等により形成されている。また、セラミック物質で構成される場合は、例えば亜鉛ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎｌ／３−Ｎｂ２／３）Ｏ３
１−ｘ−Ｐｂ Ｔｉ Ｏ３ ｘ）ｘは組成により異なる。例えばｘ＝０．０９程度である。）、スカンジウムニオブ酸鉛（Ｐｂ｛（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）１−ｘ Ｔｉｘ）｝Ｏ３ ｘは組成により異なる。例えばｘ＝０．４２５程度である。）等により形成されている。さらに、高分子素材で構成される場合はＰＶＤＦ（ＣＨ２ＣＦ２）ｎやシアノビリデンと酢酸ビニルの交互共重合体（Ｐ（ＶＤＣＮ−ＶＡｃ））等により形成されている。
【００４５】
これらの物質は、その中に含まれている圧電性結晶に外部応力が負荷されるとその応力に対応して電界が生じ、その分極方向に応じた電圧が生じるという圧電効果を生じるようになっている。
【００４６】
このような物質のうち、例えばセラミック物質の薄板で形成されている第１の圧電体１７０ａ，１８０ａと第２の圧電体１７０ｂ，１８０ｂを貼り合わせて構成されているのが、バイモルフ型圧電体１７０，１８０である。このようなバイモルフ型圧電体１７０，１８０を、図１における矢印Ｃの方向へ機械的歪を与えると、一方の圧電体、例えば第１の圧電体１７０ａが伸び、他方の圧電体、例えば第２の圧電体１７０ｂが縮む。これによって、第１の圧電体１７０ａ及び第２の圧電体１７０ｂに圧電効果が生じ、電荷が発生することになる。
【００４７】
ところで、バイモルフ型圧電体１７０，１８０のスライダ１７１，１８１が設けられていない他端は、バイモルフ固定板１９０にバイモルフ固定ネジによって固定されている。これにより、バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、自由端であるスライダ１７１，１８１が設けられている端部が偏心ピン１６１によって揺動させられ機械的歪が発生することになる。
【００４８】
なお、バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、図１に示すように、相互に直交する方向、例えば略９０度の角度をもって配置されている。さらに図１のようにバイモルフ型圧電体１７０及び１８０は、偏心ピン１６１との係合を取り外し歪が加わらない自然状態にしたときの交点がロータ１６０の回転中心とほぼ一致するように配置されている。
【００４９】
このため図６に示すように、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０をたわませて偏心ピン１６１と係合させると、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪が０のとき、バイモルフ型圧電体１８０の機械的歪は最大となる。
【００５０】
この状態よりロータ１６０が９０度回転すると、バイモルフ型圧電体１８０の機械的歪は０となり、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪は最大となる。
【００５１】
本実施の形態に係る圧電発電機１００は、以上のように構成されているが、この圧電発電機１００の作用を以下に説明する。
【００５２】
先ず、使用者等が手でリュウズ１２０のつまみ１２２を回動させると、リュウズ１２０の歯車１２１も回動する。この歯車１２１は、輪列Ａ１３０に歯合しているため、この歯車１２１が回動すると、この輪列Ａ１３０も固定ピン１３１を回動中心として、回動することになる。
【００５３】
また、この輪列Ａ１３０は、輪列Ｂ１４０のかな１４２と歯合しているため、この輪列Ａ１３０が回動すると、輪列Ｂ１４０も回動することになる。また、この輪列Ｂ１４０の回動は、ロータ１６０の歯合部１６３を介し、ロータ１６０へ伝えられることになる。
【００５４】
このようにして、リュウズ１２０に入力された運動エネルギーは、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０を経てロータ１６０の回動エネルギーとして伝わることになる。そして、ロータ１６０が回動軸１６２を中心に回動すると、ロータ１６０の歯合部１６３上に設けられている偏心ピン１６１が、歯合部１６３の上を円を描くように移動し、この偏心ピン１６１と係合しているスライダ１７１，１８１が図１における矢印Ｃの方向に揺動することとなる。
【００５５】
このスライダ１７１，１８１の揺動によって、このスライダ１７１，１８１に取り付けられているバイモルフ型圧電体１７０，１８０も、それぞれ、その他端部がバイモルフ固定板１９０，１９０に固定されているため、揺動することとなる。
【００５６】
このとき、バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、図１に示すように、相互に直交する方向、例えば略９０度の角度をもって配置されており、その自然状態の交点がロータ１６０の回転中心とほぼ一致しているので、このバイモルフ型圧電体１８０に生じた機械的歪の反力は、バイモルフ型圧電体１８０のスライダ１８１、偏心ピン１６１を介して、スライダ１７１とバイモルフ型圧電体１７０へと伝えられる。そして、この機械的歪の反力は、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪エネルギーとなる。
【００５７】
また、バイモルフ型圧電体１７０に与えられた機械的歪は、機械的歪の反力を生じさせ、この機械的歪の反力は、スライダ１７１、偏心ピン１６１を介してスライダ１８１とバイモルフ型圧電体１８０に伝えられる。
【００５８】
このように、一度、例えばバイモルフ型圧電体１８０に与えられた機械的歪エネルギーは、このバイモルフ型圧電体１８０と直交する方向、例えば略９０度の角度をもって配置されているバイモルフ型圧電体１７０との相互間で移動することになる。
【００５９】
したがって、偏心ピン１６１にバイモルフ型圧電体１７０及び１８０を係合させて組み立てる際に加えられた機械的歪はバイモルフ型圧電体１７０及び１８０の相互間で移動し、外部に出て行かないので、ロータ１６０の回動エネルギーから機械的歪を生じさせるためのエネルギーを供給する必要がない。
【００６０】
ゆえに、ロータ１６０の回動エネルギーから、バイモルフ型圧電体１７０，１８０にその都度、機械的歪エネルギーを供給する必要がないため、この回動エネルギーのうち摩擦損失等を除いた部分は、すべて発電エネルギーに変換することができる。このため、極めて発電効率が高い圧電発電機１００を提供することができる。また、バイモルフ型圧電体１７０，１８０へ運動エネルギーを供給するのが、大型のハンマー等の加振手段でなく、小型のロータ１６０及び偏心ピン１６１であるため、圧電発電機１００を薄型化及び小型化が可能になる。また、偏心ピン１６１とスライダ１７１，１８１をルビーで構成しているため、摩擦力が低減され発電効率が向上することになる。
【００６１】
なお、他にも偏心ピン１６１とスライダ１７１、１８１の間にベアリングを設け、ころがり接触にする場合、スライダ１７１、１８１をオイルメタルや樹脂で形成する場合、又はスライダ１７１、１８１と偏心ピン１６１の表面にＤＣＬ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）や窒化ーチタン等の硬質膜を付加する等の摩擦力を低減する他の構成によっても発電効率の向上は可能である。
【００６２】
また、以下に、上述のようにバイモルフ型圧電体１７０とバイモルフ型圧電体１８０とが直交するする方向、例えば略９０度の角度をもって配置されている場合に、一度、例えばバイモルフ型圧電体１８０に与えられた機械的歪エネルギーが、バイモルフ型圧電体１７０との相互間で移動する状態を詳細に説明する。
【００６３】
図３は、バイモルフ型圧電体１８０とバイモルフ型圧電体１７０が略９０度の角度をもって配置されており、偏心ピン１６１はバイモルフ型圧電体１８０とバイモルフ型圧電体１７０とに係合するように配置されている。
【００６４】
ここで、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０は、スライダ１７１、１８１の取り付けられていない他の端を、バイモルフ固定板（図示せず）にバイモルフ固定ネジ１９１で固定されている。
【００６５】
また、バイモルフ型圧電体１７０の中立位置は図中のｘ軸、バイモルフ型圧電体１８０の中立位置は、図中のｙ軸、偏心ピン１６１の回転中心は、図中の原点であるものとする。
【００６６】
バイモルフ型圧電体１７０のたわみ角は非常に小さいので、これを無視すると、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪による反力ＦＡはｙ軸方向に働き、その大きさはｙ軸方向の変位をΔｙとするとフックの法則により、
ＦＡ＝ｋＢ×Δｙ１・・・・・（１）
ただし、ｋＡはバイモルフ型圧電体１７０のバネ定数とする。
【００６７】
同様にバイモルフ型圧電体１８０の機械的歪による反力ＦＢはｘ軸方向に働き、その大きさはｘ軸方向の変位をΔｘ１とするフックの法則により、
ＦＢ＝ｋＢ×Δｘ１・・・・・（２）
ただし、ｋＢはバイモルフ型圧電体１８０のバネ定数とする。
【００６８】
図中に示すように偏心ピン１６１の回転中心からの偏心量をｒとし、回転角θをｘ軸から反時計回りに取るものとすると、偏心ピン１６１のｘ軸方向及びｙ軸方向の変位ｘ１、ｙ１はそれぞれ、
ｘ１＝ｒ×ｃｏｓ（θ）・・・・・（３）
ｙ１＝ｒ×ｓｉｎ（θ）・・・・・（４）
となる、偏心ピン１６１とスライダ１７１、１８１のガタを無視すると、Δｘ１とｘ１及びΔｙ１とｙ１は、それぞれ等しくなるので、式（１）及び式（２）は、
ＦＡ＝ｋＡ×ｒ×ｓｉｎ（θ）・・・・・（５）
ＦＢ＝ｋＢ×ｒ×ｃｏｓ（θ）・・・・・（６）
と変形できる。
【００６９】
ここで、図４に示すように、偏心ピン１６１に対するバイモルフ型圧電体１７０の機械的歪による反力ＦＡを、偏心ピンの描く軌跡の半径方向（ｒ）の成分のＦＡｒと、接線方向の成分ＦＡｓに分解すると、
となる。
【００７０】
ただし、ＦＡｒは、中心軸向きの力を正とし、ＦＡｓは偏心ピン１６１の描く軌跡に対して反時計回りに働く力を正とする。
【００７１】
同様に図５に示すように、偏心ピン１６１に対するバイモルフ型圧電体１８０の機械的歪による反力ＦＢを、偏心ピンの描く軌跡の半径方向（ｒ）の成分ＦＢｒと、接線方向の成分ＦＢｓに分解すると、
となる。
【００７２】
ただし、ＦＢｒは、中心軸向きの力を正とし、ＦＢｓは偏心ピン１６１の描く軌跡に対して反時計回りに働く力を正とする。
【００７３】
式（８）及び式（１０）においてｋＡ＝ｋＢとすると、任意のθにおいて、
ＦＡｓ＋ＦＢｓ＝０・・・・・（１１）
が成立する。
【００７４】
このため、偏心ピン１６１には半径方向（ｒ）の力ＦＡｒ及びＦＢｒのみが働き、ロータ１６０を回転させるために必要な力は、偏心ピン１６１とスライダ１７１、１８１との間に働く摩擦力と、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０の発電の反作用による力とをあわせたものとなる。
【００７５】
すなわち、バイモルフ型圧電体１７０と１８０は、偏心ピン１６１を介して、機械的歪エネギーを互いに移し替えているため、偏心ピン１６１を回転させるために、外部より機械的歪エネルギーを供給する必要がない。
【００７６】
そして、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０を単独でみれば、偏心ピン１６１が１回転する間に機械的歪エネルギーが０から最大まで変化するため、上記機械的歪エネルギーとバイモルフ型圧電体１７０または１８０の電気機械結合係数の積に応じた電気エネルギーを電力系統２００に出力することが可能となる。
【００７７】
また、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０の持っている機械的歪エネルギーは、バイモルフ型圧電体１７０および１８０を偏心ピン１６１に係合させるとき供給されたものであるため、１度組立を行ってしまえば機械的歪エネルギーを新たに加える必要はない。
【００７８】
このように、圧電発電機１００によって発電を行うためには、リュウズ１２０より発電機の出力する電気エネルギーと、機械的な摩擦によって損失されるエネルギーを供給すればよいことになり、高い発電効率が実現される。
【００７９】
したがって、従来の圧電発電機１０のように、発電する度に外部より圧電体に大きな機械的歪エネルギーを入力する必要がないので、複雑な加振機構が不要となり、圧電発電機の小型化を安価に実現できることになる。
【００８０】
以上のように本実施の形態に係る圧電発電機１００は作用する。そこで、この圧電発電機１００に生じた電力を回収する上述の電力系統２００について以下、説明する。
【００８１】
この電力系統２００は、バイモルフ型発電体１７０，１８０に発生した電力を圧電体１７０ａ，１８０ａ，１７０ｂ，１８０ｂから回収する手段である電力回収部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄを有している。この電力回収部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄで回収された電力は、複数のダイオードを用いた整流部２２０ａ，２２０ｂによって整流された後、蓄電手段である例えば、コンデンサ２３０に蓄えられることになる。
【００８２】
このように蓄えられた電力を処理装置である、例えば時計ムーブメント２４０に供給することで、時計が動作することとなる。
【００８３】
なお、本実施の形態では、蓄電手段としてコンデンサ２３０を用いているが、リチウムイオン２次電池やＮｉ−ｃｄなど、蓄電能力があるものを用いても良い。また、コンデンサ２３０等の蓄電手段を用いずに直接、処理装置である例えば時計ムーブメント２４０へ電力を供給しても良い。
【００８４】
さらに、整流部の回路構成も本実施の形態で述べた全波整流方式に限定されず、半波整流やインバータ等を用いた整流回路であっても良いことはもちろんである。
【００８５】
以上のように、本実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計によれば、小型で発電効率が高い時計を提供することができる。
【００８６】
「第２の実施の形態について」
図７及び図８は、本発明の第２の実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計を表す図である。本実施の形態において、第１の実施の形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施の形態において説明を省略した他の構成も第１の実施の形態と同様である。以下、本実施の形態を、上述の第１の実施との差異を中心に説明する。
【００８７】
本実施の形態においては、先ず、図７において示されているように、圧電体であるバイモルフ型圧電体３７０，３８０，３７５，３８５が４つ配置されている。このバイモルフ型圧電体３７０，３８０，３７５，３８５のうち、バイモルフ型圧電体３８０及び３７０には、それぞれスライダ４８０、４７０が設けられている。また、このバイモルフ型圧電体３８０及び３７０は、相互に直交方向、例えば９０度の角度が生じるように配置されている。
【００８８】
このスライダ４８０、４７０は、変位手段であるロータ２６０の図８において上部に設けられている偏心部である偏心ピン２６１と、例えばベアリング等を介して係合している。このロータ２６０は、リュウズ１２０、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０によって伝えられた運動エネルギーがロータ歯車２６６を介して回動するようになっている。
【００８９】
そして、バイモルフ型圧電体３８５及び３７５には、図８に示すように、それぞれスライダ４８５、４７５が設けられている。このバイモルフ型圧電体３８５及び３７５も、相互に直交方向、例えば９０度の角度が生じるようにに配置されている。
【００９０】
このスライダ４８５、４７５は、ロータ２６０の図８において下部に設けられている偏心ピン２６２と、例えばベアリング等を介して係合している。
【００９１】
このようにバイモルフ型圧電体３７０，３８０，３７５，３８５が係合している偏心ピン２６１、２６２を有するロータ２６０は、図８に示すようになっている。
【００９２】
すなわち、ロータ２６０は、一方のロータ軸２６１ａが、輪列受５１０の軸受５１１によって支持されていると共に、他方のロータ軸２６２ａが、地板４１０に設けられている軸受４１１によって支持されている。そして、この軸を回動中心として回動するようになっている。具体的には、上述のように、リュウズ１２０、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０によって伝えられた運動エネルギーがロータ２６０のロータ歯車２６６に伝わり、ロータ２６０が回動するようになっている。
【００９３】
このロータ２６０の上端部と下端部に配置されているロータ軸２６１ａ及びロータ軸２６２ａの、それぞれ内側には偏心ピン２６１及び偏心ピン２６２が設けられている。これら偏心ピン２６１、２６２は、それぞれロータ軸２６１ａ、２６２ａによって決められているロータ２６０の回動中心より偏心した位置に設けられているため、ロータ２６０がロータ軸２６１ａ，２６２ａを中心に回動すると、円を描くように移動することとなる。
【００９４】
このように移動する偏心ピン２６１及び２６２は、これらと係合しているスライダ４７０、４８０、４７５、４８５を揺動させることになる。これは、第１の実施の形態と同様に、予めバイモルフ型圧電体３７０および３８０を偏心ピン２６１に係合させるときに、与えられた機械的歪エネルギーが、このバイモルフ型圧電体３８０及びこれと略９０度の角度をもって配置されているバイモルフ型圧電体３７０の間で移動することとなる。
【００９５】
また、同様に、偏心ピン２６２を介してバイモルフ型圧電体３７５に与えられた機械的歪は、このバイモルフ型圧電体３７５及びこれと略９０度の角度をもって配置されているバイモルフ型圧電体３８５の間で移動することとなり、その後、ロータ２６０から機械的歪エネルギーをバイモルフ型圧電体３７５、３８５に供給する必要がほとんどなくなることになる。
【００９６】
このように、機械的歪エネルギーをさらにロータ２６０から供給する必要がほとんどない点は、第１の実施の形態と同様であるが、本実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、略９０度の角度を有して配置されているバイモルフ型圧電体が二組設けられている。したがって、発電量は、第１の実施の形態に比べ格段に増加することになる。
【００９７】
また、バイモルフ型発電体へのエネルギーの供給は、クランク状に偏心ピン２６１、２６２が設けられている一つのロータ２６０で行うため、部品を安価に製造できるだけでなく、偏心ピン１６１、２６２の偏心量の制御が容易となる。
【００９８】
さらに、ロータ２６０を中心に放射線状に４つのバイモルフ型圧電体３８５、３７５、３７０、３８０が配置されているため、バイモルフ型圧電体３８５、３７５、３７０、３８０からの力をほぼつりあわせることができる。このため、第１の実施の形態と異なり、ロータ軸２６１ａ，２６２ａへ加わる力を極めて小さくすることができ、軸損失を減らすことができる。
【００９９】
したがって、本実施の形態では、小型で発電量が大きく、かつ、より発電効率が高い圧電発電機及びこれを用いた時計等を提供することができる。
【０１００】
「第３の実施の形態について」
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る圧電発電機の要部を表した図である。
【０１０１】
図９において圧電体は分極処理された例えば圧電セラミック５７０、５８０とこの圧電セラミック５７０、５８０へ応力を加える転動運動体であるボール５９０と、このボール５９０を圧電セラミック５７０、５８０へ押しつけるための加圧部５６０が示されている。また、この圧電セラミック５７０、５８０の機械的歪によって生じる電力を回収するための電力回収部７００，７００と整流部７１０、７１０、及びコンデンサ７２０等が示されている。
【０１０２】
本実施の形態においては、図示しない外部操作部であるりゅうずや輪列等により外部から与えられた運動エネルギーが加圧部５６０を経てボール５９０へ伝えられることになる。
【０１０３】
このとき、ボール５９０は、圧電セラミック５７０、５８０の表面を転がるように配置されている。また、この圧電セラミック５７０、５８０は、図においてその上面と下面に電極が設けられている。そして、この圧電セラミック５７０、５８０は、応力によって機械的歪が生じると、その分極方向に電圧が生じるようになっている。
【０１０４】
ここで、加圧部５６０により押しつけられたボール５９０は、図示するように、例えば圧電セラミック５８０と５７０を押しつけることになる。このように押しつけられた圧電セラミック５８０及び５７０には、機械的歪が生じ、この機械的歪の反力、すなわち復元力が生じることになる。この状態を示したのが、図９（２）である。
【０１０５】
図（２）において、ボール５９０は、図において左から右へと転動している。このため圧電セラミック５７０及び５８０のボール５９０による変形量は、ボール５９０の中心よりも、転動して行く移動方向側の領域Ｄで増加し、反対側の領域Ｃで減少する。
【０１０６】
このとき、詳細な計算は省略するが、転動中にボール５９０に加わる加圧力（図示せず）が一定であるとすると、領域Ｃの変形の復元によるボール５９０の転動トルクと、領域Ｄの変形の増加に必要なボール５９０の転動トルクは、大きさが等しく、方向が反対である。
【０１０７】
このためボール５９０には、図中の上下方向の力のみが働き、ボール５９０を転動させるために必要なトルクは、ボール５９０と圧電セラミック５７０、５８０、加圧部５６０の間に働く摩擦力と、圧電セラミック５７０と５８０の発電の反作用による力をあわせたものとなる。
【０１０８】
すなわち、第１及び第２の実施の形態と同様に、圧電セラミック５７０と５８０は、ボール５９０を介して機械的歪エネルギーを互いに移し替えあっているため、ボール５９０を回転させるために外部より新たな機械的歪エネルギーを供給する必要がない。
【０１０９】
そして、圧電セラミック５７０及び５８０を単独でみれば、ボール５９０が１往復する間に機械的歪エネルギーが、０から最大まで変化するため、上記機械的歪エネルギーと圧電セラミック５７０または５８０の電気機械結合係数の積に応じた電気エネルギーを電力系統７００に出力することが可能となる。
【０１１０】
この圧電セラミック５７０および５８０の持っている機械的歪エネルギーは、圧電セラミック５７０および５８０上にボール５９０を乗せ、加圧部５６０を配置して組立を行ったときに、供給されたものであるため、１度組立を行ってしまえば機械的歪エネルギーを新たに加える必要はない。
【０１１１】
このような本実施の形態に係る圧電発電機によって発電を行うためには、発電機が出力する電気エネルギーと機械的な摩擦によって損失されるエネルギーとを外部操作部より供給すればよいことになり、高い発電効率が実現されることになる。
【０１１２】
本実施の形態においては、第１にボール５９０による転動を利用するため、摩擦等の損失を極めて小さくできる。また、第２に圧電セラミック５７０及び５８０の電気機械結合係数を、第１及び第２の実施の形態で用いた変形形態と比べ高くすることができる。さらに、第３には、圧電セラミックは、一般に圧縮変形時に投入可能な機械的歪エネルギーが、引っ張り変形時に比べて極めて大きいことから、発電効率と１回の機械的歪の移動で得られる電気エネルギーの量は、第１及び第２の実施の形態に比べ飛躍的に大きくすることが可能である。
【０１１３】
したがって、より小型で発電効率の高い圧電発電機を得ることができる。
【０１１４】
さらに、圧電セラミック５７０及び５８０は、一体の圧電セラミックとして構成し、電極５７２及び５８２を分割した構成としてもよい。これにより、より低コストの圧電発電機を得ることができる。
【０１１５】
図１０は、図９に示した本実施の形態に係る圧電発電機の要部を適用した圧電発電機を示す図である。
【０１１６】
図において、圧電セラミック５８０、５７０等は、図１０（３）に示すように、円周方向に複数配置されている。また、ボール５９０も、図（１）に示すように、複数配置されている。さらに、加圧部５６０は、その中心軸を回動中心として回動可能に配置されている。
【０１１７】
したがって、加圧部５６０の回動によって、複数のボール５９０が圧電セラミック５７０、５８０の上面を転動するため、このそれぞれのボール５９０と圧電セラミック５７０、５８０等との間で、上述の機械的歪エネルギーの伝達が生じることになる。したがって、加圧部５６０等によりボール５９０に与えられたエネルギーは、より効率よく発電エネルギーへ変換することができる。また、ボール５９０が複数配置されているとともに、圧電セラミック５８０、５７０等も円周方向に複数配置されているので、発電量を大きくすることが可能となる。
【０１１８】
また、本実施の形態においては、圧電体として単板のみではなく、積層圧電素子や薄膜圧電素子等を適用することもできる。
【０１１９】
図１１は、図１０の実施の形態の第１の変形例を示す図である。本変形例においては、図１１（１）及び（２）に示すように、中心に軸が設けられており、この軸の回りには複数のボール５９０が配置されている。また、複数のボール５９０の外側には、周方向に圧電セラミック５７０、５８０等が配置されている。
【０１２０】
したがって、別途加圧機構を設ける必要がないので、簡易な構成で圧電発電機の小型化、低コスト、高信頼性を実現することができる。
【０１２１】
本実施の形態では、転動運動体としてボール５９０を適用したが、これに限らずころ状のものであってもよい。この場合、ころ状の転動運動体はボール５９０より、圧電セラミック５７０、５８０に対する接触面積が大きくなり、より小さな応力で大きな機械的歪エネルギーを与え得るので、発電量を大きく、かつ圧電発電機の信頼性をさらに高めることができる。
【０１２２】
図１２は、本実施の形態の第２の変形例を示した図である。本変形例の圧電セラミック６７０は、図（１）にしめす中空の円筒形で形成されており、内周から外周方向に分極されている。このように配置された圧電セラミック６７０の中空部にクランク軸８７０を挿入し回動させると、圧電セラミック６７０の上面６７０ａと下面６７０ｂは、図（３）のように変形する。これにより、圧電セラミク６７０には、厚みすべり変形が生じ、これが機械的歪となることになる。
【０１２３】
このような厚みすべり変形は、通常、同一の圧電素子を使用するうえで、電気機械結合係数が最も高いため、１回の機械的歪の移動で得られる電気エネルギーの量を飛躍的に大きくすることが可能である。したがって、より小型な圧電発電機を得ることができる。
【０１２４】
本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形を行うことができる。
【０１２５】
本発明における時計の概念としては、腕時計、置き時計、掛け時計等を含むものである。また、本発明における電子機器の概念としては、時計に限らず、電子卓上計算機、電子手帳、携帯型コンピューター、ページャー、ポケットベル等を含むものである。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で且つ発電効率のよい圧電体を用いた圧電発電機及びこの圧電発電機を有する電子機器及び携帯機器を提供することができる。
そして、本発明の請求項１によれば、一の圧電体の機械的歪の反力によって他の圧電体に機械的歪が生じさせることができるため、この他の圧電体を機械的に歪ませるための応力をさらに変位手段から供給する必要がほとんどない。したがって、他の圧電体を機械的に歪ませるための応力をさらに変位手段から供給する必要がほとんどないため、変位手段により他の圧電体に与えられた歪エネルギーは、摩擦損失等を除き、その他のほとんどが発電エネルギーとなり、発電効率がよくなる。
また、本発明の請求項４によれば、他の圧電体を機械的に歪ませるための応力を加圧部から供給する必要がほとんどない。また、転動運動体の転動を利用しているため、摩擦損失が小さくなる。このため、加圧部により転動運動体を介して与えられた応力を極めて効率良く発電エネルギーに変換することが可能となり、発電効率が極めて良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電発電機を用いた例えば時計の一部を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る圧電発電機を用いた例えば時計の一部を示す断面図である。
【図３】バイモルフ型圧電体に与えられた機械的歪エネルギーが、他のバイモルフ型圧電体との相互間で移動する状態を説明する図である。
【図４】バイモルフ型圧電体のスライダに加わる力ＦＡを半径方向（ｒ）の成分ＦＡｒと接線方向の成分ＦＡｓに分解した図である。
【図５】他のバイモルフ型圧電体のスライダに加わる力ＦＢを半径方向（ｒ）の成分ＦＢｒと接線方向の成分ＦＢｓに分解した図である。
【図６】図１に示す実施の形態に係る圧電発電機の機構を説明する説明図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計を表す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計を表す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る圧電発電機の要部を表した図である。
【図１０】図９に示した本実施の形態に係る圧電発電機の要部を適用した圧電発電機を示す図である。
【図１１】図１０の実施の形態の第１の変形例を示す図である。
【図１２】図１０の実施の形態の第２の変形例を示した図である。
【図１３】従来の圧電発電機及び電力系統を示すものである。
【符号の説明】
１０００・・・圧電発電機を用いた時計
１００・・・圧電発電機
１１０、４１０・・・地板
１１１・・・軸受
１１２・・・ロータ軸受
１２０・・・リュウズ
１２１・・・歯車
１２２・・・つまみ
１３０・・・輪列Ａ
１３１・・・固定ピン
１４０・・・輪列Ｂ
１４１・・・回動軸
１４３・・・歯車
１４２・・・かな
１５０・・・輪列受
１６０・・・ロータ
１６１・・・偏心ピン
１６２・・・回動軸
１６３・・・歯合部
１７１・・・スライダ
１８１・・・スライダ
１７０・・・バイモルフ型圧電体
１８０・・・バイモルフ型圧電体
１７０ａ・・・第１の圧電体
１８０ａ・・・第１の圧電体
１７０ｂ・・・第２の圧電体
１８０ｂ・・・第２の圧電体
１９０・・・バイモルフ回転板
１９１・・・バイモルフ固定ネジ
２００・・・電力系統
２１０・・・電力回収部
２２０・・・整流部
２３０・・・コンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電効果を生じさせる圧電体を用いた圧電発電機及びこの圧電発電機を有する電子機器及び携帯機器等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の圧電発電機１０及び電力系統２０を示すものである。
【０００３】
図１３において、圧電発電機１０は、圧電体２及び電力回収手段８を備えている。圧電体２は、バイモルフ型圧電体であって、第１の圧電層２ａ及び第２の圧電層２ｂにより構成されている。これら第１の圧電層２ａ及び第２の圧電層２ｂは、圧電効果を生じる圧電セラミック等により構成されている。
【０００４】
また、この圧電体２は、図示しないハンマー等の加振手段によって、図１３のＡ及びＢ方向に振動することになる。そして、このように圧電体２が振動すると、圧電効果により電力が発生することになる。
【０００５】
具体的には、圧電体２が加振手段により振動させられ、例えば図１３に示すＡの方向に振れた場合、圧電層２ａは圧縮させられ、これとは逆に圧電層２ｂは、引っ張られることになる。このとき、各圧電層２ａ，２ｂ内の圧電性結晶に外部応力が負荷され、その応力に対応して電界が生じ、その分極方向に応じた電圧が生じることとなる。
【０００６】
一方、例えば図１３に示すように、圧電体２がＢ方向に振れた場合、圧電層２ａは引っ張られ、これとは逆に圧電層２ｂは、圧縮されることになる。このときも各圧電層２ａ，２ｂには、その分極方向に応じた電圧が生じる。
【０００７】
このように生じた電圧を電極等から電力として回収する手段が、電力回収手段８である。
【０００８】
電力回収手段８は、圧電層２ａ，２ｂと接続されており、圧電層２ａ，２ｂに発生した電力を外部に供給するようになっている。すなわち、圧電発電機１０は、出力端を開閉するスイッチ２１を介して電力系統２０に接続されている。
【０００９】
電力系統２０は、例えばダイオード２２を用いた整流回路２３やコンデンサ２４等を用いて整流された電力を蓄える蓄電装置２５を有している。なお、圧電発電機１０を直に電子機器、時計等の携帯機器等の電力を消費する処理装置と接続することも可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、圧電発電機１０は、圧電体２を用いて発電するが、圧電体２の振動によって機械エネルギーを電気エネルギーに変換する、圧電体２の電気機械結合係数は、極めて低く、与えられた機械エネルギーのうち、一回の圧電体２の変位で電気エネルギーに変換される割合は、極めて小さいものとなる。
【００１１】
このような、圧電発電機１０を使用して十分な電力を電子機器等に供給するには、圧電体２の変位回数を増加させるため加振ハンマーを大型化したり、１変位での発電量を増すために圧電体２そのものを大型化する等が必要となる。また、圧電体２の振動減衰の大きな要因である、圧電体２の固定部からの損失を抑えるためには、この固定部の質量は振動部分の質量に比べ、大きいことが必要である。この場合、どうしても圧電発電機１０が大型になってしまうという問題があった。
【００１２】
一方、圧電発電機１０を搭載しようとする電子機器等は、近年ますます小型化する傾向にあるため、十分な電力を供給できる圧電発電機１０は、このような小型化する電子機器等に搭載できないという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上記課題を解消して、小型で且つ発電効率のよい圧電体を用いた圧電発電機及びこの圧電発電機を有する電子機器及び携帯機器を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明では、圧電体と、前記圧電体に変位を与える変位手段と、前記圧電体で発生した電力を供給する手段とを有し、前記変位手段によって前記圧電体のうち一の圧電体に機械的歪が与えられ、前記機械的歪によって生じた反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる圧電発電機において、前記変位手段は、回動体と、前記回動体に偏心して取り付けられた偏心部と、を有するとともに、前記圧電体には、前記偏心部と係合するスライダ部が備えられていることを特徴とする。
本発明では、変位手段によって圧電体のうち一の圧電体に与えられた機械的歪が、この圧電体の機械的歪の反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる構成となっている。したがって、一の圧電体の機械的歪の反力によって他の圧電体に機械的歪が生じさせることができる。このため、他の圧電体を機械的に歪ませるための応力をさらに変位手段から供給する必要がほとんどない。そして、本発明では、前記変位手段が回動体と、この回動体に偏心して取り付けられた偏心部とを有し、この偏心部が圧電体に備えられているスライダ部と係合しているため、この回動体の回動により、前記偏心部は、その位置が円弧状に移動する。この際、応力は、偏心部と係合している前記スライダ部を介し、前記圧電体に伝わることになる。
【００１７】
また、本発明において、前記一の圧電体は、機械的歪が与えられた状態で配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明では、前記一の圧電体に予め機械的歪が与えられている。このため、前記一の圧電体に機械的歪を与えことなく、また、この一の圧電体の機械的歪の反力によって前記他の圧電体に機械的歪を生じさせることとなる。したがって、この一の圧電体及びこの他の圧電体を機械的に歪ませるための応力を変位手段から供給する必要がほとんどない。
【００２１】
また、本発明では、前記一の圧電体及び他の圧電体は、機械的歪が与えられた状態で配置されていると共に、前記一の圧電体と前記他の圧電体が互に直交して配置され、前記一の圧電体及び他の圧電体に機械的歪が与えられない状態での交点が前記回動体の回転中心にほぼ一致することを特徴とする。
このため前記一及び他の圧電体の機械的歪エネルギーが、相互間で移動し外部に出てゆかないので、前記回動体からの機械的歪を生じさせるためのエネルギーを供給する必要がない。
【００２２】
そして、本発明では、圧電体と、前記圧電体に変位を与える変位手段と、前記圧電体で発生した電力を供給する手段とを有し、前記変位手段によって前記圧電体のうち一の圧電体に機械的歪が与えられ、前記機械的歪によって生じた反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる圧電発電機において、前記変位手段は前記圧電体の表面を転動する転動運動体と、前記転動運動体を前記圧電体に押しつける加圧部とを備えることを特徴とする。
前記変位手段が、転動運動体と、この転動運動体を前記圧電体に押しつける加圧部とを備えるため、この加圧部によって押しつけられたこの転動運動体が前記圧電体の一の圧電体に機械的歪を与えることとなる。そして、この一の圧電体の機械的歪の反力がこの転動運動体に作用する。ここで、転動運動体は、前記圧電体の表面を転動しているため、この一の圧電体の機械的歪の反力を他の圧電体に伝え、この他の圧電体に機械的歪を生じさせることになる。このため、この他の圧電体を機械的に歪ませるための応力を加圧部から供給する必要がほとんどない。
【００２３】
また、本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が圧縮歪であることを特徴とする。
【００２４】
本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が圧縮歪であるので、投入可能な機械的歪エネルギーが引っ張り変形時に比べ極めて大きくでき、発電装置を小型化することが可能となる。
【００２５】
また、本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が厚みすべり変形であることを特徴とする。
【００２６】
本発明では、前記圧電体に与えられる機械的歪が電気機械結合係数が高い厚みすべり変形であるため、より効率良く歪エネルギーを発電エネルギーに変換することが可能となる。
【００２７】
また、本発明は、請求項１乃至６に記載の圧電発電機を有する電子機器である。
【００２８】
本発明では、前記圧電発電機により発生した電力を処理装置である電子機器に供給することとなる。
【００２９】
そして、本発明では、前記圧電発電機を携帯機器に使用することが好ましい。
【００３０】
本発明では、圧電発電機により発生した電力を処理装置である携帯機器に供給することとなる。
【００３１】
また、本発明は、前記圧電発電機を、時計に使用することが好ましい。
【００３２】
本発明では、前記圧電発電機により発生した電力を処理装置である時計に供給することになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３４】
「第一の実施の形態について」
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電発電機を用いた例えば時計の一部を示す平面図及び断面図である。
【００３５】
図１及び図２において、圧電発電機を用いた時計１０００は、圧電発電機１００とこの圧電発電機に生じた電力を回収する電力系統２００とを有している。
【００３６】
この圧電発電機１００は、外部操作手段であるリュウズ１２０と、このリュウズ１２０に加えられたエネルギーを伝える輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０とを有している。したがって、リュウズ１２０のつまみ１２２を回すことにより、リュウズ１２０の歯車１２１が回動することになる。この歯車１２１の回動は、輪列Ａ１３０へ伝えられることになる。
【００３７】
ここで、輪列Ａ１３０は、輪列Ａ１３０の回動中心である固定ピン１３１を中心に回動するようになっており、この固定ピンは、地板１１０上に固定されている。また、輪列Ａ１３０は、リュウズ１２０の歯車１２１と歯合しているため、リュウズ１２０の歯車１２１の回動によってこの輪列Ａ１３０も回動することになる。
【００３８】
また、輪列Ｂ１４０は、輪列Ａ１３０と歯合する部分を有する径の小さいかな１４２と回動体であるロータ１６０と歯合する部分を有する径の大きな歯車１４３とを有している。そして、この輪列Ｂ１４０は、地板１１０に設けられた軸受け１１１と輪列受け１５０との間に挟まれるようにして支持されており、回動軸１４１を中心に回動するようになっている。したがって、輪列Ａ１３０の回動は、輪列Ｂ１４０へ伝えられることになる。
【００３９】
以上のように、この圧電発電機１００は、リュウズ１２０と、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０とを有しているが、そのほかに、輪列Ｂ１４０の回動が伝えられると共に偏心部である偏心ピン１６１を備えるロータ１６０やこの偏心ピン１６１と係合するスライダ１７１，１８１を備える圧電体であるバイモルフ型圧電体１７０，１８０等を有している。
【００４０】
ここで、ロータ１６０は、図２に示すように、比較的径の小さい回動軸１６２と比較的径の大きい歯合部１６３とを有している。この回動軸１６２は、地板１１０に設けられたロータ軸受１１２によって回動可能に支持されている。ロータ軸受１１２はロータ１６０の倒れによる回転負荷の増加を防ぐため２段構成となっている。また、歯合部１６３は、上述のように、輪列Ｂ１４０の歯車１４３と歯合しているため、円盤部１４０の回動によって、ロータ１６０も回動することになる。
【００４１】
このロータ１６０の歯合部１６３の上には、回動中心から偏心した位置に偏心ピン１６１が設けられている。この偏心ピン１６１は、偏心した位置に設けられているため、ロータ１６０の回動により、歯合部１６３の上を円を描くように移動することになる。また、この偏心ピン１６１とロータ１６０を一体に形成した場合は、この偏心ピン１６１とロータ１６０を安価に形成することができる。
【００４２】
この偏心ピン１６１には、スライダ１７１，１８１が係合されている。スライダ１７１，１８１は、図１に示すように、平面図では、全体がコの字状となっており、このコの字の内側部分に偏心ピン１６１が当接するように配置されている。また、この偏心ピン１６１とスライダ１７１，１８１との摩擦を低下するために、偏心ピン１６１とスライダ１７１，１８１の間はルビーで構成されている。そのため、ロータ１６０の回動により、歯合部１６３の上を円を描くように偏心ピン１６１が移動すると、それと係合されているスライダ１７１，１８１も歯合部１６３の上を揺動することになる。
【００４３】
このスライダ１７１，１８１の一端には、圧電体である例えばバイモルフ型圧電体１７０，１８０がそれぞれ取り付けられている。バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、第１の圧電体１７０ａ，１８０ａと第２の圧電体１７０ｂ，１８０ｂをそれぞれ貼り合わせて形成されている。
【００４４】
これら第１の圧電体１７０ａ，１８０ａと第２の圧電体１７０ｂ，１８０ｂの材質は、単結晶物質で構成される場合は、例えば水晶（ＳｉＯ2 ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）等により形成されている。また、セラミック物質で構成される場合は、例えば亜鉛ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎｌ／３−Ｎｂ２／３）Ｏ３
１−ｘ−Ｐｂ Ｔｉ Ｏ３ ｘ）ｘは組成により異なる。例えばｘ＝０．０９程度である。）、スカンジウムニオブ酸鉛（Ｐｂ｛（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）１−ｘ Ｔｉｘ）｝Ｏ３ ｘは組成により異なる。例えばｘ＝０．４２５程度である。）等により形成されている。さらに、高分子素材で構成される場合はＰＶＤＦ（ＣＨ２ＣＦ２）ｎやシアノビリデンと酢酸ビニルの交互共重合体（Ｐ（ＶＤＣＮ−ＶＡｃ））等により形成されている。
【００４５】
これらの物質は、その中に含まれている圧電性結晶に外部応力が負荷されるとその応力に対応して電界が生じ、その分極方向に応じた電圧が生じるという圧電効果を生じるようになっている。
【００４６】
このような物質のうち、例えばセラミック物質の薄板で形成されている第１の圧電体１７０ａ，１８０ａと第２の圧電体１７０ｂ，１８０ｂを貼り合わせて構成されているのが、バイモルフ型圧電体１７０，１８０である。このようなバイモルフ型圧電体１７０，１８０を、図１における矢印Ｃの方向へ機械的歪を与えると、一方の圧電体、例えば第１の圧電体１７０ａが伸び、他方の圧電体、例えば第２の圧電体１７０ｂが縮む。これによって、第１の圧電体１７０ａ及び第２の圧電体１７０ｂに圧電効果が生じ、電荷が発生することになる。
【００４７】
ところで、バイモルフ型圧電体１７０，１８０のスライダ１７１，１８１が設けられていない他端は、バイモルフ固定板１９０にバイモルフ固定ネジによって固定されている。これにより、バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、自由端であるスライダ１７１，１８１が設けられている端部が偏心ピン１６１によって揺動させられ機械的歪が発生することになる。
【００４８】
なお、バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、図１に示すように、相互に直交する方向、例えば略９０度の角度をもって配置されている。さらに図１のようにバイモルフ型圧電体１７０及び１８０は、偏心ピン１６１との係合を取り外し歪が加わらない自然状態にしたときの交点がロータ１６０の回転中心とほぼ一致するように配置されている。
【００４９】
このため図６に示すように、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０をたわませて偏心ピン１６１と係合させると、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪が０のとき、バイモルフ型圧電体１８０の機械的歪は最大となる。
【００５０】
この状態よりロータ１６０が９０度回転すると、バイモルフ型圧電体１８０の機械的歪は０となり、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪は最大となる。
【００５１】
本実施の形態に係る圧電発電機１００は、以上のように構成されているが、この圧電発電機１００の作用を以下に説明する。
【００５２】
先ず、使用者等が手でリュウズ１２０のつまみ１２２を回動させると、リュウズ１２０の歯車１２１も回動する。この歯車１２１は、輪列Ａ１３０に歯合しているため、この歯車１２１が回動すると、この輪列Ａ１３０も固定ピン１３１を回動中心として、回動することになる。
【００５３】
また、この輪列Ａ１３０は、輪列Ｂ１４０のかな１４２と歯合しているため、この輪列Ａ１３０が回動すると、輪列Ｂ１４０も回動することになる。また、この輪列Ｂ１４０の回動は、ロータ１６０の歯合部１６３を介し、ロータ１６０へ伝えられることになる。
【００５４】
このようにして、リュウズ１２０に入力された運動エネルギーは、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０を経てロータ１６０の回動エネルギーとして伝わることになる。そして、ロータ１６０が回動軸１６２を中心に回動すると、ロータ１６０の歯合部１６３上に設けられている偏心ピン１６１が、歯合部１６３の上を円を描くように移動し、この偏心ピン１６１と係合しているスライダ１７１，１８１が図１における矢印Ｃの方向に揺動することとなる。
【００５５】
このスライダ１７１，１８１の揺動によって、このスライダ１７１，１８１に取り付けられているバイモルフ型圧電体１７０，１８０も、それぞれ、その他端部がバイモルフ固定板１９０，１９０に固定されているため、揺動することとなる。
【００５６】
このとき、バイモルフ型圧電体１７０，１８０は、図１に示すように、相互に直交する方向、例えば略９０度の角度をもって配置されており、その自然状態の交点がロータ１６０の回転中心とほぼ一致しているので、このバイモルフ型圧電体１８０に生じた機械的歪の反力は、バイモルフ型圧電体１８０のスライダ１８１、偏心ピン１６１を介して、スライダ１７１とバイモルフ型圧電体１７０へと伝えられる。そして、この機械的歪の反力は、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪エネルギーとなる。
【００５７】
また、バイモルフ型圧電体１７０に与えられた機械的歪は、機械的歪の反力を生じさせ、この機械的歪の反力は、スライダ１７１、偏心ピン１６１を介してスライダ１８１とバイモルフ型圧電体１８０に伝えられる。
【００５８】
このように、一度、例えばバイモルフ型圧電体１８０に与えられた機械的歪エネルギーは、このバイモルフ型圧電体１８０と直交する方向、例えば略９０度の角度をもって配置されているバイモルフ型圧電体１７０との相互間で移動することになる。
【００５９】
したがって、偏心ピン１６１にバイモルフ型圧電体１７０及び１８０を係合させて組み立てる際に加えられた機械的歪はバイモルフ型圧電体１７０及び１８０の相互間で移動し、外部に出て行かないので、ロータ１６０の回動エネルギーから機械的歪を生じさせるためのエネルギーを供給する必要がない。
【００６０】
ゆえに、ロータ１６０の回動エネルギーから、バイモルフ型圧電体１７０，１８０にその都度、機械的歪エネルギーを供給する必要がないため、この回動エネルギーのうち摩擦損失等を除いた部分は、すべて発電エネルギーに変換することができる。このため、極めて発電効率が高い圧電発電機１００を提供することができる。また、バイモルフ型圧電体１７０，１８０へ運動エネルギーを供給するのが、大型のハンマー等の加振手段でなく、小型のロータ１６０及び偏心ピン１６１であるため、圧電発電機１００を薄型化及び小型化が可能になる。また、偏心ピン１６１とスライダ１７１，１８１をルビーで構成しているため、摩擦力が低減され発電効率が向上することになる。
【００６１】
なお、他にも偏心ピン１６１とスライダ１７１、１８１の間にベアリングを設け、ころがり接触にする場合、スライダ１７１、１８１をオイルメタルや樹脂で形成する場合、又はスライダ１７１、１８１と偏心ピン１６１の表面にＤＣＬ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）や窒化ーチタン等の硬質膜を付加する等の摩擦力を低減する他の構成によっても発電効率の向上は可能である。
【００６２】
また、以下に、上述のようにバイモルフ型圧電体１７０とバイモルフ型圧電体１８０とが直交するする方向、例えば略９０度の角度をもって配置されている場合に、一度、例えばバイモルフ型圧電体１８０に与えられた機械的歪エネルギーが、バイモルフ型圧電体１７０との相互間で移動する状態を詳細に説明する。
【００６３】
図３は、バイモルフ型圧電体１８０とバイモルフ型圧電体１７０が略９０度の角度をもって配置されており、偏心ピン１６１はバイモルフ型圧電体１８０とバイモルフ型圧電体１７０とに係合するように配置されている。
【００６４】
ここで、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０は、スライダ１７１、１８１の取り付けられていない他の端を、バイモルフ固定板（図示せず）にバイモルフ固定ネジ１９１で固定されている。
【００６５】
また、バイモルフ型圧電体１７０の中立位置は図中のｘ軸、バイモルフ型圧電体１８０の中立位置は、図中のｙ軸、偏心ピン１６１の回転中心は、図中の原点であるものとする。
【００６６】
バイモルフ型圧電体１７０のたわみ角は非常に小さいので、これを無視すると、バイモルフ型圧電体１７０の機械的歪による反力ＦＡはｙ軸方向に働き、その大きさはｙ軸方向の変位をΔｙとするとフックの法則により、
ＦＡ＝ｋＢ×Δｙ１・・・・・（１）
ただし、ｋＡはバイモルフ型圧電体１７０のバネ定数とする。
【００６７】
同様にバイモルフ型圧電体１８０の機械的歪による反力ＦＢはｘ軸方向に働き、その大きさはｘ軸方向の変位をΔｘ１とするフックの法則により、
ＦＢ＝ｋＢ×Δｘ１・・・・・（２）
ただし、ｋＢはバイモルフ型圧電体１８０のバネ定数とする。
【００６８】
図中に示すように偏心ピン１６１の回転中心からの偏心量をｒとし、回転角θをｘ軸から反時計回りに取るものとすると、偏心ピン１６１のｘ軸方向及びｙ軸方向の変位ｘ１、ｙ１はそれぞれ、
ｘ１＝ｒ×ｃｏｓ（θ）・・・・・（３）
ｙ１＝ｒ×ｓｉｎ（θ）・・・・・（４）
となる、偏心ピン１６１とスライダ１７１、１８１のガタを無視すると、Δｘ１とｘ１及びΔｙ１とｙ１は、それぞれ等しくなるので、式（１）及び式（２）は、
ＦＡ＝ｋＡ×ｒ×ｓｉｎ（θ）・・・・・（５）
ＦＢ＝ｋＢ×ｒ×ｃｏｓ（θ）・・・・・（６）
と変形できる。
【００６９】
ここで、図４に示すように、偏心ピン１６１に対するバイモルフ型圧電体１７０の機械的歪による反力ＦＡを、偏心ピンの描く軌跡の半径方向（ｒ）の成分のＦＡｒと、接線方向の成分ＦＡｓに分解すると、
【００７０】
ただし、ＦＡｒは、中心軸向きの力を正とし、ＦＡｓは偏心ピン１６１の描く軌跡に対して反時計回りに働く力を正とする。
【００７１】
同様に図５に示すように、偏心ピン１６１に対するバイモルフ型圧電体１８０の機械的歪による反力ＦＢを、偏心ピンの描く軌跡の半径方向（ｒ）の成分ＦＢｒと、接線方向の成分ＦＢｓに分解すると、
【００７２】
ただし、ＦＢｒは、中心軸向きの力を正とし、ＦＢｓは偏心ピン１６１の描く軌跡に対して反時計回りに働く力を正とする。
【００７３】
式（８）及び式（１０）においてｋＡ＝ｋＢとすると、任意のθにおいて、
ＦＡｓ＋ＦＢｓ＝０・・・・・（１１）
が成立する。
【００７４】
このため、偏心ピン１６１には半径方向（ｒ）の力ＦＡｒ及びＦＢｒのみが働き、ロータ１６０を回転させるために必要な力は、偏心ピン１６１とスライダ１７１、１８１との間に働く摩擦力と、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０の発電の反作用による力とをあわせたものとなる。
【００７５】
すなわち、バイモルフ型圧電体１７０と１８０は、偏心ピン１６１を介して、機械的歪エネギーを互いに移し替えているため、偏心ピン１６１を回転させるために、外部より機械的歪エネルギーを供給する必要がない。
【００７６】
そして、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０を単独でみれば、偏心ピン１６１が１回転する間に機械的歪エネルギーが０から最大まで変化するため、上記機械的歪エネルギーとバイモルフ型圧電体１７０または１８０の電気機械結合係数の積に応じた電気エネルギーを電力系統２００に出力することが可能となる。
【００７７】
また、バイモルフ型圧電体１７０及び１８０の持っている機械的歪エネルギーは、バイモルフ型圧電体１７０および１８０を偏心ピン１６１に係合させるとき供給されたものであるため、１度組立を行ってしまえば機械的歪エネルギーを新たに加える必要はない。
【００７８】
このように、圧電発電機１００によって発電を行うためには、リュウズ１２０より発電機の出力する電気エネルギーと、機械的な摩擦によって損失されるエネルギーを供給すればよいことになり、高い発電効率が実現される。
【００７９】
したがって、従来の圧電発電機１０のように、発電する度に外部より圧電体に大きな機械的歪エネルギーを入力する必要がないので、複雑な加振機構が不要となり、圧電発電機の小型化を安価に実現できることになる。
【００８０】
以上のように本実施の形態に係る圧電発電機１００は作用する。そこで、この圧電発電機１００に生じた電力を回収する上述の電力系統２００について以下、説明する。
【００８１】
この電力系統２００は、バイモルフ型発電体１７０，１８０に発生した電力を圧電体１７０ａ，１８０ａ，１７０ｂ，１８０ｂから回収する手段である電力回収部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄを有している。この電力回収部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄで回収された電力は、複数のダイオードを用いた整流部２２０ａ，２２０ｂによって整流された後、蓄電手段である例えば、コンデンサ２３０に蓄えられることになる。
【００８２】
このように蓄えられた電力を処理装置である、例えば時計ムーブメント２４０に供給することで、時計が動作することとなる。
【００８３】
なお、本実施の形態では、蓄電手段としてコンデンサ２３０を用いているが、リチウムイオン２次電池やＮｉ−ｃｄなど、蓄電能力があるものを用いても良い。また、コンデンサ２３０等の蓄電手段を用いずに直接、処理装置である例えば時計ムーブメント２４０へ電力を供給しても良い。
【００８４】
さらに、整流部の回路構成も本実施の形態で述べた全波整流方式に限定されず、半波整流やインバータ等を用いた整流回路であっても良いことはもちろんである。
【００８５】
以上のように、本実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計によれば、小型で発電効率が高い時計を提供することができる。
【００８６】
「第２の実施の形態について」
図７及び図８は、本発明の第２の実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計を表す図である。本実施の形態において、第１の実施の形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施の形態において説明を省略した他の構成も第１の実施の形態と同様である。以下、本実施の形態を、上述の第１の実施との差異を中心に説明する。
【００８７】
本実施の形態においては、先ず、図７において示されているように、圧電体であるバイモルフ型圧電体３７０，３８０，３７５，３８５が４つ配置されている。このバイモルフ型圧電体３７０，３８０，３７５，３８５のうち、バイモルフ型圧電体３８０及び３７０には、それぞれスライダ４８０、４７０が設けられている。また、このバイモルフ型圧電体３８０及び３７０は、相互に直交方向、例えば９０度の角度が生じるように配置されている。
【００８８】
このスライダ４８０、４７０は、変位手段であるロータ２６０の図８において上部に設けられている偏心部である偏心ピン２６１と、例えばベアリング等を介して係合している。このロータ２６０は、リュウズ１２０、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０によって伝えられた運動エネルギーがロータ歯車２６６を介して回動するようになっている。
【００８９】
そして、バイモルフ型圧電体３８５及び３７５には、図８に示すように、それぞれスライダ４８５、４７５が設けられている。このバイモルフ型圧電体３８５及び３７５も、相互に直交方向、例えば９０度の角度が生じるようにに配置されている。
【００９０】
このスライダ４８５、４７５は、ロータ２６０の図８において下部に設けられている偏心ピン２６２と、例えばベアリング等を介して係合している。
【００９１】
このようにバイモルフ型圧電体３７０，３８０，３７５，３８５が係合している偏心ピン２６１、２６２を有するロータ２６０は、図８に示すようになっている。
【００９２】
すなわち、ロータ２６０は、一方のロータ軸２６１ａが、輪列受５１０の軸受５１１によって支持されていると共に、他方のロータ軸２６２ａが、地板４１０に設けられている軸受４１１によって支持されている。そして、この軸を回動中心として回動するようになっている。具体的には、上述のように、リュウズ１２０、輪列Ａ１３０及び輪列Ｂ１４０によって伝えられた運動エネルギーがロータ２６０のロータ歯車２６６に伝わり、ロータ２６０が回動するようになっている。
【００９３】
このロータ２６０の上端部と下端部に配置されているロータ軸２６１ａ及びロータ軸２６２ａの、それぞれ内側には偏心ピン２６１及び偏心ピン２６２が設けられている。これら偏心ピン２６１、２６２は、それぞれロータ軸２６１ａ、２６２ａによって決められているロータ２６０の回動中心より偏心した位置に設けられているため、ロータ２６０がロータ軸２６１ａ，２６２ａを中心に回動すると、円を描くように移動することとなる。
【００９４】
このように移動する偏心ピン２６１及び２６２は、これらと係合しているスライダ４７０、４８０、４７５、４８５を揺動させることになる。これは、第１の実施の形態と同様に、予めバイモルフ型圧電体３７０および３８０を偏心ピン２６１に係合させるときに、与えられた機械的歪エネルギーが、このバイモルフ型圧電体３８０及びこれと略９０度の角度をもって配置されているバイモルフ型圧電体３７０の間で移動することとなる。
【００９５】
また、同様に、偏心ピン２６２を介してバイモルフ型圧電体３７５に与えられた機械的歪は、このバイモルフ型圧電体３７５及びこれと略９０度の角度をもって配置されているバイモルフ型圧電体３８５の間で移動することとなり、その後、ロータ２６０から機械的歪エネルギーをバイモルフ型圧電体３７５、３８５に供給する必要がほとんどなくなることになる。
【００９６】
このように、機械的歪エネルギーをさらにロータ２６０から供給する必要がほとんどない点は、第１の実施の形態と同様であるが、本実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、略９０度の角度を有して配置されているバイモルフ型圧電体が二組設けられている。したがって、発電量は、第１の実施の形態に比べ格段に増加することになる。
【００９７】
また、バイモルフ型発電体へのエネルギーの供給は、クランク状に偏心ピン２６１、２６２が設けられている一つのロータ２６０で行うため、部品を安価に製造できるだけでなく、偏心ピン１６１、２６２の偏心量の制御が容易となる。
【００９８】
さらに、ロータ２６０を中心に放射線状に４つのバイモルフ型圧電体３８５、３７５、３７０、３８０が配置されているため、バイモルフ型圧電体３８５、３７５、３７０、３８０からの力をほぼつりあわせることができる。このため、第１の実施の形態と異なり、ロータ軸２６１ａ，２６２ａへ加わる力を極めて小さくすることができ、軸損失を減らすことができる。
【００９９】
したがって、本実施の形態では、小型で発電量が大きく、かつ、より発電効率が高い圧電発電機及びこれを用いた時計等を提供することができる。
【０１００】
「第３の実施の形態について」
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る圧電発電機の要部を表した図である。
【０１０１】
図９において圧電体は分極処理された例えば圧電セラミック５７０、５８０とこの圧電セラミック５７０、５８０へ応力を加える転動運動体であるボール５９０と、このボール５９０を圧電セラミック５７０、５８０へ押しつけるための加圧部５６０が示されている。また、この圧電セラミック５７０、５８０の機械的歪によって生じる電力を回収するための電力回収部７００，７００と整流部７１０、７１０、及びコンデンサ７２０等が示されている。
【０１０２】
本実施の形態においては、図示しない外部操作部であるりゅうずや輪列等により外部から与えられた運動エネルギーが加圧部５６０を経てボール５９０へ伝えられることになる。
【０１０３】
このとき、ボール５９０は、圧電セラミック５７０、５８０の表面を転がるように配置されている。また、この圧電セラミック５７０、５８０は、図においてその上面と下面に電極が設けられている。そして、この圧電セラミック５７０、５８０は、応力によって機械的歪が生じると、その分極方向に電圧が生じるようになっている。
【０１０４】
ここで、加圧部５６０により押しつけられたボール５９０は、図示するように、例えば圧電セラミック５８０と５７０を押しつけることになる。このように押しつけられた圧電セラミック５８０及び５７０には、機械的歪が生じ、この機械的歪の反力、すなわち復元力が生じることになる。この状態を示したのが、図９（２）である。
【０１０５】
図（２）において、ボール５９０は、図において左から右へと転動している。このため圧電セラミック５７０及び５８０のボール５９０による変形量は、ボール５９０の中心よりも、転動して行く移動方向側の領域Ｄで増加し、反対側の領域Ｃで減少する。
【０１０６】
このとき、詳細な計算は省略するが、転動中にボール５９０に加わる加圧力（図示せず）が一定であるとすると、領域Ｃの変形の復元によるボール５９０の転動トルクと、領域Ｄの変形の増加に必要なボール５９０の転動トルクは、大きさが等しく、方向が反対である。
【０１０７】
このためボール５９０には、図中の上下方向の力のみが働き、ボール５９０を転動させるために必要なトルクは、ボール５９０と圧電セラミック５７０、５８０、加圧部５６０の間に働く摩擦力と、圧電セラミック５７０と５８０の発電の反作用による力をあわせたものとなる。
【０１０８】
すなわち、第１及び第２の実施の形態と同様に、圧電セラミック５７０と５８０は、ボール５９０を介して機械的歪エネルギーを互いに移し替えあっているため、ボール５９０を回転させるために外部より新たな機械的歪エネルギーを供給する必要がない。
【０１０９】
そして、圧電セラミック５７０及び５８０を単独でみれば、ボール５９０が１往復する間に機械的歪エネルギーが、０から最大まで変化するため、上記機械的歪エネルギーと圧電セラミック５７０または５８０の電気機械結合係数の積に応じた電気エネルギーを電力系統７００に出力することが可能となる。
【０１１０】
この圧電セラミック５７０および５８０の持っている機械的歪エネルギーは、圧電セラミック５７０および５８０上にボール５９０を乗せ、加圧部５６０を配置して組立を行ったときに、供給されたものであるため、１度組立を行ってしまえば機械的歪エネルギーを新たに加える必要はない。
【０１１１】
このような本実施の形態に係る圧電発電機によって発電を行うためには、発電機が出力する電気エネルギーと機械的な摩擦によって損失されるエネルギーとを外部操作部より供給すればよいことになり、高い発電効率が実現されることになる。
【０１１２】
本実施の形態においては、第１にボール５９０による転動を利用するため、摩擦等の損失を極めて小さくできる。また、第２に圧電セラミック５７０及び５８０の電気機械結合係数を、第１及び第２の実施の形態で用いた変形形態と比べ高くすることができる。さらに、第３には、圧電セラミックは、一般に圧縮変形時に投入可能な機械的歪エネルギーが、引っ張り変形時に比べて極めて大きいことから、発電効率と１回の機械的歪の移動で得られる電気エネルギーの量は、第１及び第２の実施の形態に比べ飛躍的に大きくすることが可能である。
【０１１３】
したがって、より小型で発電効率の高い圧電発電機を得ることができる。
【０１１４】
さらに、圧電セラミック５７０及び５８０は、一体の圧電セラミックとして構成し、電極５７２及び５８２を分割した構成としてもよい。これにより、より低コストの圧電発電機を得ることができる。
【０１１５】
図１０は、図９に示した本実施の形態に係る圧電発電機の要部を適用した圧電発電機を示す図である。
【０１１６】
図において、圧電セラミック５８０、５７０等は、図１０（３）に示すように、円周方向に複数配置されている。また、ボール５９０も、図（１）に示すように、複数配置されている。さらに、加圧部５６０は、その中心軸を回動中心として回動可能に配置されている。
【０１１７】
したがって、加圧部５６０の回動によって、複数のボール５９０が圧電セラミック５７０、５８０の上面を転動するため、このそれぞれのボール５９０と圧電セラミック５７０、５８０等との間で、上述の機械的歪エネルギーの伝達が生じることになる。したがって、加圧部５６０等によりボール５９０に与えられたエネルギーは、より効率よく発電エネルギーへ変換することができる。また、ボール５９０が複数配置されているとともに、圧電セラミック５８０、５７０等も円周方向に複数配置されているので、発電量を大きくすることが可能となる。
【０１１８】
また、本実施の形態においては、圧電体として単板のみではなく、積層圧電素子や薄膜圧電素子等を適用することもできる。
【０１１９】
図１１は、図１０の実施の形態の第１の変形例を示す図である。本変形例においては、図１１（１）及び（２）に示すように、中心に軸が設けられており、この軸の回りには複数のボール５９０が配置されている。また、複数のボール５９０の外側には、周方向に圧電セラミック５７０、５８０等が配置されている。
【０１２０】
したがって、別途加圧機構を設ける必要がないので、簡易な構成で圧電発電機の小型化、低コスト、高信頼性を実現することができる。
【０１２１】
本実施の形態では、転動運動体としてボール５９０を適用したが、これに限らずころ状のものであってもよい。この場合、ころ状の転動運動体はボール５９０より、圧電セラミック５７０、５８０に対する接触面積が大きくなり、より小さな応力で大きな機械的歪エネルギーを与え得るので、発電量を大きく、かつ圧電発電機の信頼性をさらに高めることができる。
【０１２２】
図１２は、本実施の形態の第２の変形例を示した図である。本変形例の圧電セラミック６７０は、図（１）にしめす中空の円筒形で形成されており、内周から外周方向に分極されている。このように配置された圧電セラミック６７０の中空部にクランク軸８７０を挿入し回動させると、圧電セラミック６７０の上面６７０ａと下面６７０ｂは、図（３）のように変形する。これにより、圧電セラミク６７０には、厚みすべり変形が生じ、これが機械的歪となることになる。
【０１２３】
このような厚みすべり変形は、通常、同一の圧電素子を使用するうえで、電気機械結合係数が最も高いため、１回の機械的歪の移動で得られる電気エネルギーの量を飛躍的に大きくすることが可能である。したがって、より小型な圧電発電機を得ることができる。
【０１２４】
本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形を行うことができる。
【０１２５】
本発明における時計の概念としては、腕時計、置き時計、掛け時計等を含むものである。また、本発明における電子機器の概念としては、時計に限らず、電子卓上計算機、電子手帳、携帯型コンピューター、ページャー、ポケットベル等を含むものである。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で且つ発電効率のよい圧電体を用いた圧電発電機及びこの圧電発電機を有する電子機器及び携帯機器を提供することができる。
そして、本発明の請求項１によれば、一の圧電体の機械的歪の反力によって他の圧電体に機械的歪が生じさせることができるため、この他の圧電体を機械的に歪ませるための応力をさらに変位手段から供給する必要がほとんどない。したがって、他の圧電体を機械的に歪ませるための応力をさらに変位手段から供給する必要がほとんどないため、変位手段により他の圧電体に与えられた歪エネルギーは、摩擦損失等を除き、その他のほとんどが発電エネルギーとなり、発電効率がよくなる。
また、本発明の請求項４によれば、他の圧電体を機械的に歪ませるための応力を加圧部から供給する必要がほとんどない。また、転動運動体の転動を利用しているため、摩擦損失が小さくなる。このため、加圧部により転動運動体を介して与えられた応力を極めて効率良く発電エネルギーに変換することが可能となり、発電効率が極めて良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電発電機を用いた例えば時計の一部を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る圧電発電機を用いた例えば時計の一部を示す断面図である。
【図３】バイモルフ型圧電体に与えられた機械的歪エネルギーが、他のバイモルフ型圧電体との相互間で移動する状態を説明する図である。
【図４】バイモルフ型圧電体のスライダに加わる力ＦＡを半径方向（ｒ）の成分ＦＡｒと接線方向の成分ＦＡｓに分解した図である。
【図５】他のバイモルフ型圧電体のスライダに加わる力ＦＢを半径方向（ｒ）の成分ＦＢｒと接線方向の成分ＦＢｓに分解した図である。
【図６】図１に示す実施の形態に係る圧電発電機の機構を説明する説明図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計を表す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る圧電発電機を用いた時計を表す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る圧電発電機の要部を表した図である。
【図１０】図９に示した本実施の形態に係る圧電発電機の要部を適用した圧電発電機を示す図である。
【図１１】図１０の実施の形態の第１の変形例を示す図である。
【図１２】図１０の実施の形態の第２の変形例を示した図である。
【図１３】従来の圧電発電機及び電力系統を示すものである。
【符号の説明】
１０００・・・圧電発電機を用いた時計
１００・・・圧電発電機
１１０、４１０・・・地板
１１１・・・軸受
１１２・・・ロータ軸受
１２０・・・リュウズ
１２１・・・歯車
１２２・・・つまみ
１３０・・・輪列Ａ
１３１・・・固定ピン
１４０・・・輪列Ｂ
１４１・・・回動軸
１４３・・・歯車
１４２・・・かな
１５０・・・輪列受
１６０・・・ロータ
１６１・・・偏心ピン
１６２・・・回動軸
１６３・・・歯合部
１７１・・・スライダ
１８１・・・スライダ
１７０・・・バイモルフ型圧電体
１８０・・・バイモルフ型圧電体
１７０ａ・・・第１の圧電体
１８０ａ・・・第１の圧電体
１７０ｂ・・・第２の圧電体
１８０ｂ・・・第２の圧電体
１９０・・・バイモルフ回転板
１９１・・・バイモルフ固定ネジ
２００・・・電力系統
２１０・・・電力回収部
２２０・・・整流部
２３０・・・コンデンサ
Claims (9)
- 圧電体と、
前記圧電体に変位を与える変位手段と、
前記圧電体で発生した電力を供給する手段とを有し、
前記変位手段によって前記圧電体のうち一の圧電体に機械的歪が与えられ、
前記機械的歪によって生じた反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる
圧電発電機において、
前記変位手段は、回動体と、前記回動体に偏心して取り付けられた偏心部と、を有するとともに、
前記圧電体には、前記偏心部と係合するスライダ部が備えられている
ことを特徴とする圧電発電機。 - 請求項１において、前記一の圧電体は、機械的歪が与えられた状態で配置されていることを特徴とする圧電発電機。
- 請求項１または２において、前記一の圧電体及び他の圧電体は、機械的歪が与えられた状態で配置されていると共に、前記一の圧電体と前記他の圧電体が互に直交して配置され、前記一の圧電体及び他の圧電体に機械的歪が与えられない状態での交点が前記回動体の回転中心にほぼ一致することを特徴とする圧電発電機。
- 圧電体と、
前記圧電体に変位を与える変位手段と、
前記圧電体で発生した電力を供給する手段とを有し、
前記変位手段によって前記圧電体のうち一の圧電体に機械的歪が与えられ、
前記機械的歪によって生じた反力によって他の圧電体に機械的歪を生じさせる
圧電発電機において、
前記変位手段は前記圧電体の表面を転動する転動運動体と、前記転動運動体を前記圧電体に押しつける加圧部とを備えることを特徴とする圧電発電機。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記圧電体に与えられる機械的歪が圧縮歪であることを特徴とする圧電発電機。
- 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記圧電体に与えられる機械的歪が厚みすべり変形であることを特徴とする記載の圧電発電機。
- 請求項１乃至６に記載の圧電発電機を有する電子機器。
- 請求項１乃至６に記載の圧電発電機を有する携帯機器。
- 前記携帯機器が時計であることを特徴とする請求項８に記載の携帯機器。
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