JP3613969B2 - 圧電発電装置及びこの圧電発電装置を備えた携帯型機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電体の圧電効果を利用して発電を行う圧電発電装置及びこの圧電発電装置を備えた携帯型機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ページャ又は腕時計等の携帯型の機器は２次電池を有し、この２次電池を発電装置により充電するものがある。従来の発電装置には、圧電体に変位を与えることで圧電体の圧電効果によって発生した電力を利用して発電するものがある（以下、圧電発電装置と呼ぶ）。この圧電発電装置は、例えば特開平０６−０７６８９４号公報のように圧電体、この圧電体に振動あるいは変形を加えるための加振部及びこの加振部により振動させる際に圧電体の一部を固定するための固定手段を有する。
【０００３】
使用者が、この腕時計を使用することで使用者の操作に連動して振動する加振部が圧電体に対して変位を与える。この圧電発電装置においては、梁あるいは円盤型等の圧電体を使用する場合には、加振部により圧電体に対して振動を起こすことで、エネルギーを取得して発電する。加振部が固定手段により振動可能なように一部を固定された圧電体に対して衝突する時には、加振部及び圧電体の質量がほぼ１：１であると、加振部が圧電部に効率よくエネルギーを伝えることができる（衝突効率がよい）。
【０００４】
また、圧電体が円筒型である場合には、加振部は、円筒の側面以外の上面等に加振する。圧電体は、加振部により加えられた振動であって、円筒の側面以外の面の配列方向の振動（以下、縦振動と呼ぶ）を利用して、圧電効果により振動による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して発電を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成の圧電発電装置では、以下のような欠点がある。
【０００６】
▲１▼加振手段による圧電体への加振した時の衝突を利用して発電を行うため、圧電体の衝突効率が高くなければならない。
【０００７】
▲２▼圧電体において、加振手段による機械エネルギーとしての振動を電気エネルギーに変換する効率である電気機械結合係数が高いが、固有周波数が高すぎる。
【０００８】
▲３▼縦振動を利用した圧電体による発電では、縦振動は固定手段に振動が逃げやすく、圧電素子に有効に振動が伝えられない。
【０００９】
等のような欠点がある。
【００１０】
この発明の目的は、上記課題を解消して、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行う圧電発電装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、圧電効果を利用して発電するための圧電体と、前記圧電体に応力を与えるための加振手段と、前記加振手段が前記圧電体に接触する前記圧電体の接触部と、前記圧電体により発生した電荷を取り出す電極を有し、
前記圧電体の前記電極方向の厚みが０．２〜１０μｍで、前記圧電体の平面方向の面積は、前記圧電体の平面方向における前記接触部の断面積の０．８〜４倍である前記圧電体を用い、
前記加振手段により前記圧電体に歪を生じさせて発電する圧電発電装置であって、
基板に固定保持された前記圧電体に、前記加振手段を接触させ、
前記圧電体の変位ではなく、前記圧電体の局部的な歪みによって発生する電気的エネルギーを電荷として取り出すことによって発電することを特徴とする。
【００１２】
この請求項１の構成によれば、振動可能なように固定手段により一部を固定された圧電体に対して、加振手段により振動を加えた際に接触部に生ずる局部的な歪みエネルギーを圧電体の圧電効果により発電に利用する。加振手段からのエネルギーを効率よく圧電体に加えることができる。圧電発電装置は、圧電体の局部的な歪みを利用して発電するので、圧電体は小型のものでよい。従って、圧電体が局部的にしか歪まないので、固定手段によるエネルギー損失は考慮する必要がない。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、前記圧電体は、前記圧電体に設けられた前記電極の出力電圧が予め設定された電圧となるように積層されている。
【００１４】
この請求項２の構成によれば、圧電体に設けられた電極から出力される電圧は、充電手段が使用された際に出力する電圧の２倍であることにより、効率の良い充電を行うことができる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２のいずれかの構成において、前記接触部には、前記加振手段により前記圧電体を加振した際に前記圧電体に均一な力が加えられるようにするための均一化部材が設けられている。
【００１６】
この請求項３の構成によれば、前記接触部には、前記加振手段により前記圧電体を加振した際に前記圧電体に均一な力が加えられるようにするための均一化部材が設けられているので、加振手段によりエネルギーを効率よく圧電体に対して伝えることができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかの構成において、前記接触部は、前記加振手段が振動する方向に対して垂直方向から見た場合に凸型の形状である。
【００１８】
この請求項４の構成によれば、接触部は、加振手段が振動する方向に対して垂直方向から見た場合に凸型の形状である。圧電発電装置は、このような接触部を有するので、加振手段によるエネルギーを効率よく圧電体に伝えることができる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかの構成において、前記圧電体は、平面状であって、その対面に発電した出力を取り出すための複数の電極が設けられており、前記圧電体における前記電極方向の厚みが０．２〜１０μｍであり、前記圧電体の平面方向の面積は、前記圧電体の平面方向における前記接触部の断面積の０．８〜４倍である。
【００２０】
この請求項５の構成によれば、圧電体の構造を適切なものとすることで、加振手段による圧電体への振動を効率よく圧電体に伝えることができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかの構成において、前記圧電体は、前記加振手段が前記圧電体に加振した際の前記接触部における局部的な歪みを利用して発電するための第１圧電体と、前記第１圧電体に接着されており、さらに前記第１圧電体全体に加えられる振動を利用して発電するための第２圧電体とを有する。
【００２２】
この請求項６の構成によれば、第１圧電体は、加振手段により振動を加えられて局部的な歪みを利用して発電し、さらに第１圧電体全体としての振動をも第２圧電体により発電に利用するので、加振手段によりエネルギーを効率よく圧電体に対して伝えることができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれかの構成において、前記圧電体の表面粗さは、１μｍ以下である。
【００２４】
この請求項７の構成によれば、圧電体の表面粗さは１μｍ以下であるので、加振手段により加えられた振動は、圧電体の表面により効率よく圧電体に対して伝えられる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかの構成において、前記圧電体は、亜鉛ニオブ酸鉛チタン酸鉛を材質とする。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項１から７のいずれかの構成において、前記圧電体は、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛を材質とする。
【００２７】
この請求項８又は９の構成によれば、それぞれ加振手段により振動を局部的に与えられる圧電体に用いる材質を好適なものとすることで、局部的な圧電体の歪みを効率良く発電に利用することができる。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１から９のいずれかの構成において、前記圧電体は、ゾルゲル法により薄膜形成される。
【００２９】
請求項１１の発明は、請求項１から９のいずれかの構成において、前記圧電体は、熱プラズマ法により薄膜形成される。
【００３０】
請求項１２の発明は、請求項１から９のいずれかの構成において、前記圧電体は、スパッタ法により薄膜形成される。
【００３１】
この請求項１０から１２の構成によれば、圧電体は、それぞれ従来から利用されている薄膜形成方法により製造することができるので、圧電発電装置の製造が容易である。
【００３２】
請求項１３の発明は、請求項１から１２のいずれかに記載の圧電発電装置を搭載する携帯型電子機器である。
【００３３】
この請求項１３の構成によれば、携帯型機器は、使用者が携帯して振動を与えることで効率よく発電することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
以下の説明で、「節」とは物体が振動した際に最も振動量が少ない部分をいい、「腹」とは物体が振動した際に最も振動量が多い部分をいうものとする。
【００３６】
実施形態１
図１は、この発明の第１の実施形態としての圧電発電装置を搭載する携帯型機器の内部構成例を示す概要構成図である。
【００３７】
携帯型機器２は、例えば懐中電灯、ラジオ、電話装置、卓上電算機又は腕時計等の使用者が携帯可能な機器である。以下の説明では、携帯型機器の一例として腕時計２を採用して説明する。腕時計２は、圧電発電装置１、整流回路１２、充電部１４及び駆動部１６等を有する。
【００３８】
この腕時計２は、後述する圧電発電装置１により発電された異なる位相を有する複数の電流を整流回路１２により整流する。整流回路１２は、例えば全波整流回路であっても良いし、半波整流回路等である。整流回路１２は、整流した電力を２次電池等の充電部１４に充電する。腕時計２は、充電部１４の電力を電源として、内蔵する電子回路及びモータ等の駆動部１６が駆動される。
【００３９】
図２は、図１の圧電発電装置を搭載する携帯型機器の外観の一例を示す平面図である。
【００４０】
腕時計２は、圧電発電装置１が搭載されているので、使用者が意図して発電を行うことができる。腕時計２は、例えばアナログ表示式の針時計である。腕時計２は、側胴であるケース１５、ケース１５に内蔵されており、時刻が刻み込まれている文字板６、文字板６に刻み込まれた所定の時刻を示す位置を指し示すことで時間を表示する針５、ケース１５の一表面に設けられており、透過して針６の位置を視認することのできる上ガラス３、ケース１５に収納されており、針５を運針する駆動系を有するムーブメント８、ムーブメント８の一部であって、腕時計２の２次電池を充電するための圧電発電装置１、及び腕時計２を使用者の腕等に取り付けることができるようにするためのベルト３０等を有する。
【００４１】
図３は、図２の腕時計２のＡ−Ａ’断面図である。図４は、図３の腕時計２をＩ方向から見た場合の平面図である。図５は、図４の腕時計２を示す斜視図である。
【００４２】
腕時計２のムーブメント８の一部としての圧電発電装置１は、りゅうず７、歯車１９、増速歯車２１、カム２３、加振レバー１３（加振手段）、固定部１１（固定手段）、圧電体９等を有する。
【００４３】
りゅうず７は、ケース１５の内部から外部に跨って設けられている軸７ａにおけるケース１５の外側の一端に設けられており、他端には歯車１７が設けられている。りゅうず７は、発電する場合に使用者が摘んで回転させることにより、りゅうず７が一方に形成された軸７ａを回転させることで、ケース１５の内部の歯車１７を回転させる。歯車１７は、ケース１５の内部の歯車１９とかみ合っている。歯車１７及び１９は、それぞれかさば歯車である。
【００４４】
歯車１９は、ケース１５に固定された軸１９ｂと同心状に歯車１９ａを有する。歯車１９は、りゅうず７が軸７ａを介して反対側に設けられている歯車１７とかみ合わされている。使用者がりゅうず７を回転させることにより歯車１７が回転して、歯車１９は軸１９ｂを中心として回転する。歯車１９ａは、歯車１９に固定されており、歯車１９が回転することにより回転する。歯車１９ａには、増速歯車２１がかみ合わされている。
【００４５】
増速歯車２１は、ケース１５に固定された軸２１ｂを中心として、歯車１９に連動した歯車１９ａが回転することにより回転する。増速歯車２１は、歯車２３ａ及び歯車１９ａとかみ合わされている。つまり、増速歯車２１は、歯車１９の回転力を歯車２３ａに伝達するための歯車である、
カム２３は、図４のように外周に凸部２３ｄ及び凹部２３ｃが交互に成形されている円盤状の部材である。カム２３は、ケース１５に回転可能に固定された回転軸２３ｂに固定されており、同じく回転軸２３ｂに固定されている歯車２３ａに連動して回転する。凸部２３ｄは、図７（Ａ）のようにカム２３がＸ２方向に回転することで加振レバー１３のテーパ部１３ｅと接触して、加振レバー１３をＲ１方向に持ち上げる。凹部２３ｃは、カム２３がＸ２方向に回転することで、凸部２３ｄに接触していたテーパ部１３ｅが落ちてはまりこむ。加振レバー１３は、図７（Ｂ）のようにＲ２方向に回動して圧電体９に接触し、圧電体９にかろうじて振れない程度離れた位置まで戻る。
【００４６】
加振レバー１３は、圧電体９に対して振動を与えるための部材である。加振レバー１３は、ケース１５に固定された軸固定部４に設けられた軸４ａが貫通する軸穴１３ａを軸として図５のＲ方向に回動する。加振レバー１３には、圧電体９から離れた位置に配置するように予め設定された力（例えばバネ等により）を加えられている。
【００４７】
加振レバー１３は、図６のように胴部１３ｇ、ハンマー部１３ｆ及び首部１３ｂ等を有する。加振レバー１３は、胴部１３ｇ、ハンマー部１３ｆ及び首部１３ｂが一体となるように一体成形されている。
【００４８】
胴部１３ｇの側面には開口部１３ｃが形成されており、開口部１３ｃの内周面１３ｄにはテーパ部１３ｅが形成されている。テーパ部１３ｅは、ハンマー部１３ｆから穴部１３ａ方向にかけて厚みを増すように形成されており、最も厚みを有する地点で内周面１３ｄに対して略垂直となるように切り込まれた形状となっている。テーパ部１３ｅがこのような構成であるため、使用者がりゅうず７を一定方向にのみ回転させるようにすることができる。テーパ面１３ｅは、図５のようにカム２３の凸部２３ｄと接触する。胴部１３ｇには、加振レバー１３が振動して回動するための軸４ａを貫通させるための穴１３ａが形成されている。
【００４９】
ハンマー部１３ｆは、加振レバー１３の胴部１３ｇに設けられている軸穴１３ａを中心にして回動することで、ハンマー部１３ｆが圧電体９に衝突して圧電体９に変位を与えるためのものである。
【００５０】
加振レバー１３は、図７（Ａ）のようにテーパ部１３ｅのテーパ面が、カム２３がＸ２方向に回動することによりカム２３の凸部２３ｄに接触する。加振レバー１３は、穴１３ａを貫通する図４の軸４ａを軸としてＲ１方向に回動することで、ハンマー部１３ｆがＲ１方向に持ち上げられる。さらに、使用者がさらにりゅうず７を所定の方向に回転させることにより、カム２３がＸ２方向に回動する。加振レバー１３のテーパ部１３ｅは、カム２３の凸部２３ｄに接触していた状態から、図７（Ｂ）のように凹部２３ｃに落ち込むことによりハンマー部１３ｆがＲ２方向に回動して、圧電体９に対して振動を加える。
【００５１】
圧電体９は、加振レバー１３のハンマー部１３ｆが接触して振動等が加えられることにより変位して、圧電体９の圧電効果により電圧を発生する圧電素子である。圧電体９は、例えば円盤（略円筒）形状であり、固定部１１により一部が固定されている。圧電体９には、図７（Ａ）の電極２０ｅ、２０ｆ（２０）が設けられており、例えば圧電体９の変位する方向に１つずつ電極２０が設けられている。電極２０は、例えば金（下地はＣｒ、Ｎｉ又はＴｉ等を材質としている）、銀又はアルミニウム等の金属を材質とする。圧電体９付近についての詳細は、後述する。
【００５２】
固定部１１は、ケース１５の一部分に設けられており、図３のように圧電体９を固定するための基板２２を有する。基板２２は、例えば円盤（略円筒）状である。基板２２は、図３のようにケース１５に密着していない一平面に圧電体９の一平面が密着するように、例えば接着剤等により接着されている。このような形状の固定部１１は、加振レバー１３により加振される方向において、加振レバー１３とは圧電体９を介して逆側でしっかりと圧電体９を固定することができる。このため、加振レバー１３の振動エネルギーを効率よく圧電体９に与えることができる。（このような加振レバー１３の加振方向に圧電体９を振動させるた際に圧電体９の分極方向と圧電体９の振動方向が一致していることを「縦振動」と表現する。）
圧電発電装置１の構成の概略は以上であり、その動作について簡単に説明する。
【００５３】
使用者が、りゅうず７を回転させることで、軸７ａを介して回転する歯車１７が回転する。歯車１７は、前述したように歯車１９、歯車１９ａ、増速歯車２１及び歯車２３ａを介してカム２３を図７（Ａ）のＸ２方向に回転させる。カム２３がＸ２方向に回転することで、カム２３に成形されたテーパ部１３ｅが、カム２３の凸部２３ｄに当接する。カム２３がさらにＸ２方向に回転することで、凸部２３ｄは、テーパ部１３ｅを図７（Ａ）の押し上げることで、加振レバー１３のハンマー部１３ｆをＲ１方向に押し上げる。使用者がさらにりゅうず７を回転させることで、カム２３はＸ２方向に回転し、テーパ部１３ｅは図７（Ｂ）のようにカム２３の凹部２３ｃに落ちる。ハンマー部１３ｆが図７（Ｂ）のＲ２方向に回動して、圧電体９の中心部をたたく。このようにして、圧電体９は振動が加えられる。圧電体９は、圧電効果により振動による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。変換された電気エネルギーは、圧電体９の表面に設けられた電極２０等によりその出力が取り出される。その出力は、図１の整流回路１２にて整流されて、充電部１４に充電される。充電部１４の電力は、駆動部１６等により消費される。このようにして、加振レバー１３が繰り返し圧電体９に対して加振することで、圧電発電装置１は発電を行う。
【００５４】
図８（Ａ）は、図３の圧電体付近を示す平面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の圧電体付近の断面図である。図８（Ｃ）は、加振レバー１３により圧電体９に加振した時の図８（Ｂ）の圧電体付近の様子を示す図である。
【００５５】
圧電発電装置１の圧電体９は、図８（Ａ）のようにケース１５に固定された固定部１１（基板２２、固定手段）上に貼り付けられた基板２２の一部に形成された電極２０ａを覆うように基板２２上に薄膜成形されている。圧電体９の上層には、電極２０ｂが設けられている。
【００５６】
圧電体９に設けられた電極２０ａ及び電極２０ｂは、圧電体９が図８（Ｃ）のように加振レバー１３により変位を与えられることにより発生する出力を出力するための電極である。電極２０ａ及び電極２０ｂは、図８（Ａ）のようにそれぞれ一方の先端が接触部２５付近でやや広くなるように、例えば円形状に形成されており、他方の先端が固定部１１の外周へ互いに反対側へと延びている。
【００５７】
これは、圧電体９の両面において対面する電極２０ａ及び電極２０ｂの面積が大きいと、電極２０ａと電極２０ｂとの間の静電容量が、発電効率に影響を与えることを防止するためである。電極２０ａ及び電極２０ｂは、それぞれ整流回路１２と接続されている。電極２０ａ及び電極２０ｂに発生した出力は、整流回路１２を経由して整流され、充電部１４に充電される。
【００５８】
圧電体９は、前述したようにその対面に発電した出力を取り出すための複数の電極２０が設けられている。圧電体９における電極２０同士の方向の厚みが、好ましくは例えば０．２〜１０μｍであったほうがよく、圧電体９の平面方向の面積は、圧電体９の平面方向における接触部２５の断面積の例えば０．８〜４倍であった方がよい。これは、圧電体９がこのような構造であると、以下に説明する従来の薄膜形成法により形成することができるためである。
【００５９】
圧電体９を薄膜形成する方法には、例えばゾルゲル法、スパッタ法又は熱プラズマ法等がある。
【００６０】
ゾルゲル法は、溶液を用いて薄膜を形成する方法であり、数種類の溶液を合成してアルコキシド溶液を作り、それをスピンコート等で塗布して高温加熱を行うことで薄膜形成を行う方法である。
【００６１】
スパッタ法は、スパッタリングとも呼ばれ、ＡｒあるいはＡｒにＯ２ 、Ｎ２ 等の反応性ガスを加えた気体を所定の気圧に保ち、グロー放電させることにより発生した気体の正イオンでターゲットを衝撃して運動量を与え、ターゲット物質をスパッタ（はねとばす）する方法である。熱プラズマ法は、高周波で誘導加熱を行い、プラズマ化し薄膜を形成する方法である。その他の方法としては、レーザーアブレーション、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、イオンプレーティング又はＭＯ−ＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｏｎ）等種々の製法も採用することができる。圧電体９の材質としては、亜鉛ニオブ酸鉛チタン酸鉛（ＰＺｎＮＯＰＴ）又はスカンジウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＳｃＮＰＴ）等を採用することができる。これらの材質が圧電体として適しているのは、図１０のように電気機械結合係数Ｋ２ がピエゾ素子ＰＺＴと同程度又はそれ以上であるためである。このように、圧電体９は、従来からの薄膜形成法により形成することができるので、圧電発電装置の製造が容易である。
【００６２】
一方、圧電体９における表面粗さ９ｈは、図１３のように例えば１．０μｍ以下であった方が、圧電体９の発電効率が良い。これは、図１４のように表面粗さ９ｈが１．０μｍ以上となると、加振レバー１３により圧電体９に加えられた振動エネルギーの損失が極端に増加するためである。
【００６３】
また、圧電発電装置１における圧電体９は、図８（Ｂ）のように加振レバー１３の加振方向に対して垂直方向から見た場合に、接触部２５付近に凸部が形成されている。これは、レバー１３により加えられた局部的な振動が、圧電体９に均一に効率よく伝えられるようにするためである。
【００６４】
圧電発電装置１は以上のような構成であり、次に圧電発電装置の動作時の様子について説明する。
【００６５】
図８（Ｂ）の圧電体９に加振レバー１３が振動を加える際に当接することにより、圧電体９が、図８（Ｃ）のように変形する。圧電体９が変位することにより、圧電体９の両面に設けられた電極２０ａ及び２０ｂ間には、電力が発生する。この電力は、例えば全波整流回路や半波整流回路等である整流回路１２により整流され、２次電池等である充電部１４（充電手段）に充電する。
【００６６】
図１５及び図１６は、それぞれ加振レバー１３により圧電体に対して加振した際の加振レバー１３及び圧電体９の変位を示している。図１５においては、圧電体９の局部的な歪みを利用しない場合であり、図１６においては圧電体９の局部的な歪みを利用した場合の変位を示している。図１５及び図１６では、それぞれ時間が０である時に加振レバー１３が圧電体９の表面に当接し、変位は加振レバー１３が圧電体９に当接していない場合の圧電体９の表面を変位０とし、圧電体９の表面から圧電体９の厚み方向に変位するにつれてマイナスとなるように表現されている。尚、圧電体９の変位は、局部的な変位を表しているのではなく、圧電体９全体を平均した変位を表している。つまり、加振レバー１３が圧電体９に当接した際には、加振レバー１３と圧電体９の変位は一致しないが、圧電体９全体としての変位を示している。
【００６７】
圧電体９の局部的な歪みを利用しない場合は、図１５のように加振レバー１３が圧電体９に当接した際のエネルギーを圧電体９の変位という形にて出力されている。これに対して、圧電体９の局部的な歪みを利用している場合には、図１６のように加振レバー１３に当接した際のエネルギーは、圧電体９の変位という形では現れず、電気的なエネルギーとして現れる。つまり、この圧電発電装置１において、圧電体９の局部的な歪みを利用して発電を行った場合の方が、発電効率が良いことがわかる。
【００６８】
実施形態２
図９は、この発明の第２の実施の形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００６９】
また、図９の圧電発電装置１は、第１の実施形態と略同様であるが、圧電体９の構成が異なっている。第１の実施形態と異なる点は、圧電体９が、固定部１１上の基板２２に密着するように設けられた電極２０ａの上層の一部分であって、加振レバー１３と圧電体９の接触部２５付近にのみ設けられている点である。圧電体９は、前述した電極２０ａ、及び一部が基板２２に密着するように積層され、圧電体９の表面の対面側（電極２０ａとは反対側）に設けられた電極２０ｂが設けられている。電極２０ａと電極２０ｂとは、図９のように圧電発電装置１において接触しないように所定の間隔を有するように積層されている。
【００７０】
図９の圧電発電装置１に圧電体９をこのような構成にするのは、加振レバー１３による圧電体９に対する局部的な歪みが大きい接触部２５付近の振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するためである。これにより、図９の圧電発電装置１において効率の良い発電を行うことができる。
【００７１】
実施形態３
図１１は、この発明の第３の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００７２】
図１１の圧電発電装置１は、第２の実施形態と略同様であるが、圧電体９の形状が図１１のように複数の圧電体の層としての圧電体９ｃ及び圧電体９ｄのように積層されている点が異なる。このように積層された圧電体９ｃ及び９ｄにより電極２０ｂと２０ａは同電位であり、電極２０ｇは電極２０ａ及び電極２０ｂと対をなす電極である。発電する場合は、少なくとも積層された圧電体数分の整流回路を必用とする。このように圧電体９ｃ及び圧電体９ｄを積層した構成とすることで圧電体の容量が増すため、１回の発電でより多くのエネルギーを変換することが可能となる。
【００７３】
実施形態４
図１２は、この発明の第４の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００７４】
図１２の圧電発電装置１は、第２の実施形態と略同様であるが、圧電体９の形状が図１２のように圧電体９における接触部２５に硬質の膜２４を設けていることである。この膜２４は、加振レバー１３が圧電体９に振動を与えようとして当接した際に圧電体９に等しく変位が与えられるように設けられている。このような構成を取ることにより、加振レバー１３により圧電体９に与えられたエネルギーを効率よく伝えることができる。
【００７５】
実施形態５
図１７は、この発明の第５の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００７６】
図１７の圧電発電装置１は、複数の圧電体を使用して発電を行う点で第３の実施形態と略同様であるが、圧電体を固定するための固定部１１の形状、及び圧電体の配置が異なる。
【００７７】
この圧電発電装置１における固定部１１の一部に形成された突起状の当接部１１ａは、例えば略円盤状の圧電体９が振動した際の節を接着材等によって接着されている。当接部１１ａは、例えば圧電体９の円形状の節付近に沿って一部又は全周に渡り、圧電体９と当接して固定する。
【００７８】
この圧電発電装置１の圧電体は、前述したような局部的な圧電体の変位を使用して発電する圧電体９ｅと、この圧電体９ｅを接触部２５に有し、この圧電体９ｅ全体が振動することによる変位を利用して発電する圧電体９ｄを有する。圧電体９ｅ及び９ｄには、それぞれ複数の電極２０ｃ及び２０ｄ、及び電極２０ａ及び２０ｂが設けられている。電極２０ｃ及び２０ｄは圧電体９ｅを、電極２０ａ及び２０ｂは圧電体９ｄをそれぞれ加振レバー１３により振動を加えられる方向に挟み込むように設けられている。電極２０ｃ及び２０ｄ、及び電極２０ａ及び２０ｂは、それぞれ整流回路１２ａ及び１２ｂに接続されている。整流回路１２は、充電部１４と接続されており、充電部１４に充電を行う。このような圧電発電装置１の構成によれば、局部歪みのみでなく、全体の変形も利用して発電することができるので、より効率的な発電を行うことができる。
【００７９】
この発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
【００８０】
例えば、これまでに説明した圧電発電装置１においては、使用者が、りゅうず７を回転させることにより圧電体に加振する加振レバー１３を振動させて圧電体９に加振していたがこれに限られず、回転錘等によって加振レバー１３を振動させるような構造でも良い。
【００８１】
【発明の効果】
この請求項１の発明によれば、圧電発電装置は、発電を行う構造が簡単であって、小型化することができ、圧電体の縦振動を使用することができる。この圧電発電装置においては、加振手段により加えられた振動が、圧電体から固定手段に逃げることを考慮することを必要としない。従って、圧電発電装置は、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８２】
この請求項２の発明によれば、積層された圧電体の局部的な歪みを利用して発電するので、より大きな出力を得ることができる。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８３】
この請求項３の発明によれば、圧電体を均一に変形させることができる。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８４】
この請求項４の発明によれば、圧電体を効果的に変形させることができる。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みが均等に加わることにより、効率よく発電を行うことができる。
【００８５】
この請求項５の発明によれば、圧電体の形状を好適な構造としている。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８６】
この請求項６の発明によれば、局部歪みを利用して発電を行う第１圧電体のみならず、第２圧電体が、この第１圧電体全体の振動を使用して発電を行うことができる。よって、発電効率を向上させることができる。
【００８７】
この請求項７の発明によれば、圧電体の表面形状を工夫している。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８８】
この請求項８又は９の発明によれば、それぞれ加振手段により振動を局部的に与えられる圧電体に用いる材質を好適なものとすることで局部的な圧電体の歪みを効率良く発電に利用することはできる。
【００８９】
この請求項１０から１２の発明によれば、それぞれ圧電体を特別な製造方法によらなくても従来の薄膜成形法により形成することができるので、効率の良い圧電発電装置を容易に生産することができる。
【００９０】
この請求項１３の発明によれば、圧電発電装置は小型のものであるため、携帯型機器の発電装置として最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態としての圧電発電装置を搭載する携帯型機器の内部構成例を示す概要構成図。
【図２】図１の圧電発電装置を搭載する携帯型機器の外観の一例を示す平面図。
【図３】図２の腕時計のＡ−Ａ’断面図。
【図４】図３の腕時計をＩ方向から見た場合の平面図。
【図５】図５は、図４の腕時計の斜視図。
【図６】図１の加振レバーの拡大平面図。
【図７】図１の加振レバーの動作例を示す図。
【図８】図３の圧電体付近を示す平面図。
【図９】この発明の第２の実施の形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【図１０】図８の圧電体の材質による発電効率の違いを示す図。
【図１１】この発明の第３の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【図１２】この発明の第４の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【図１３】図８の圧電体の表面粗さを示す断面図。
【図１４】図１３の圧電体の表面粗さに対する損失特性を示す図。
【図１５】図８の加振レバーにより圧電体に対して加振した際の加振レバー及び圧電体の変位を示す図。
【図１６】図８の加振レバーにより圧電体に対して加振した際の加振レバー及び圧電体の変位を示す図。
【図１７】この発明の第５の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【符号の説明】
１ 圧電発電装置
２ 腕時計（携帯型機器）
９ 圧電体
９ｄ 圧電体（第２圧電体）
９ｅ 圧電体（第１圧電体）
１１ 固定部（基板、固定手段）
１３ 加振レバー（加振手段）
２４ 膜（均一化部材）
２５ 接触部
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電体の圧電効果を利用して発電を行う圧電発電装置及びこの圧電発電装置を備えた携帯型機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ページャ又は腕時計等の携帯型の機器は２次電池を有し、この２次電池を発電装置により充電するものがある。従来の発電装置には、圧電体に変位を与えることで圧電体の圧電効果によって発生した電力を利用して発電するものがある（以下、圧電発電装置と呼ぶ）。この圧電発電装置は、例えば特開平０６−０７６８９４号公報のように圧電体、この圧電体に振動あるいは変形を加えるための加振部及びこの加振部により振動させる際に圧電体の一部を固定するための固定手段を有する。
【０００３】
使用者が、この腕時計を使用することで使用者の操作に連動して振動する加振部が圧電体に対して変位を与える。この圧電発電装置においては、梁あるいは円盤型等の圧電体を使用する場合には、加振部により圧電体に対して振動を起こすことで、エネルギーを取得して発電する。加振部が固定手段により振動可能なように一部を固定された圧電体に対して衝突する時には、加振部及び圧電体の質量がほぼ１：１であると、加振部が圧電部に効率よくエネルギーを伝えることができる（衝突効率がよい）。
【０００４】
また、圧電体が円筒型である場合には、加振部は、円筒の側面以外の上面等に加振する。圧電体は、加振部により加えられた振動であって、円筒の側面以外の面の配列方向の振動（以下、縦振動と呼ぶ）を利用して、圧電効果により振動による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して発電を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成の圧電発電装置では、以下のような欠点がある。
【０００６】
▲１▼加振手段による圧電体への加振した時の衝突を利用して発電を行うため、圧電体の衝突効率が高くなければならない。
【０００７】
▲２▼圧電体において、加振手段による機械エネルギーとしての振動を電気エネルギーに変換する効率である電気機械結合係数が高いが、固有周波数が高すぎる。
【０００８】
▲３▼縦振動を利用した圧電体による発電では、縦振動は固定手段に振動が逃げやすく、圧電素子に有効に振動が伝えられない。
【０００９】
等のような欠点がある。
【００１０】
この発明の目的は、上記課題を解消して、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行う圧電発電装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、圧電効果を利用して発電するための圧電体と、前記圧電体に応力を与えるための加振手段と、前記加振手段が前記圧電体に接触する前記圧電体の接触部と、前記圧電体により発生した電荷を取り出す電極を有し、
前記圧電体の前記電極方向の厚みが０．２〜１０μｍで、前記圧電体の平面方向の面積は、前記圧電体の平面方向における前記接触部の断面積の０．８〜４倍である前記圧電体を用い、
前記加振手段により前記圧電体に歪を生じさせて発電する圧電発電装置であって、
基板に固定保持された前記圧電体に、前記加振手段を接触させ、
前記圧電体の変位ではなく、前記圧電体の局部的な歪みによって発生する電気的エネルギーを電荷として取り出すことによって発電することを特徴とする。
【００１２】
この請求項１の構成によれば、振動可能なように固定手段により一部を固定された圧電体に対して、加振手段により振動を加えた際に接触部に生ずる局部的な歪みエネルギーを圧電体の圧電効果により発電に利用する。加振手段からのエネルギーを効率よく圧電体に加えることができる。圧電発電装置は、圧電体の局部的な歪みを利用して発電するので、圧電体は小型のものでよい。従って、圧電体が局部的にしか歪まないので、固定手段によるエネルギー損失は考慮する必要がない。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、前記圧電体は、前記圧電体に設けられた前記電極の出力電圧が予め設定された電圧となるように積層されている。
【００１４】
この請求項２の構成によれば、圧電体に設けられた電極から出力される電圧は、充電手段が使用された際に出力する電圧の２倍であることにより、効率の良い充電を行うことができる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２のいずれかの構成において、前記接触部には、前記加振手段により前記圧電体を加振した際に前記圧電体に均一な力が加えられるようにするための均一化部材が設けられている。
【００１６】
この請求項３の構成によれば、前記接触部には、前記加振手段により前記圧電体を加振した際に前記圧電体に均一な力が加えられるようにするための均一化部材が設けられているので、加振手段によりエネルギーを効率よく圧電体に対して伝えることができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかの構成において、前記接触部は、前記加振手段が振動する方向に対して垂直方向から見た場合に凸型の形状である。
【００１８】
この請求項４の構成によれば、接触部は、加振手段が振動する方向に対して垂直方向から見た場合に凸型の形状である。圧電発電装置は、このような接触部を有するので、加振手段によるエネルギーを効率よく圧電体に伝えることができる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかの構成において、前記圧電体は、平面状であって、その対面に発電した出力を取り出すための複数の電極が設けられており、前記圧電体における前記電極方向の厚みが０．２〜１０μｍであり、前記圧電体の平面方向の面積は、前記圧電体の平面方向における前記接触部の断面積の０．８〜４倍である。
【００２０】
この請求項５の構成によれば、圧電体の構造を適切なものとすることで、加振手段による圧電体への振動を効率よく圧電体に伝えることができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかの構成において、前記圧電体は、前記加振手段が前記圧電体に加振した際の前記接触部における局部的な歪みを利用して発電するための第１圧電体と、前記第１圧電体に接着されており、さらに前記第１圧電体全体に加えられる振動を利用して発電するための第２圧電体とを有する。
【００２２】
この請求項６の構成によれば、第１圧電体は、加振手段により振動を加えられて局部的な歪みを利用して発電し、さらに第１圧電体全体としての振動をも第２圧電体により発電に利用するので、加振手段によりエネルギーを効率よく圧電体に対して伝えることができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれかの構成において、前記圧電体の表面粗さは、１μｍ以下である。
【００２４】
この請求項７の構成によれば、圧電体の表面粗さは１μｍ以下であるので、加振手段により加えられた振動は、圧電体の表面により効率よく圧電体に対して伝えられる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかの構成において、前記圧電体は、亜鉛ニオブ酸鉛チタン酸鉛を材質とする。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項１から７のいずれかの構成において、前記圧電体は、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛を材質とする。
【００２７】
この請求項８又は９の構成によれば、それぞれ加振手段により振動を局部的に与えられる圧電体に用いる材質を好適なものとすることで、局部的な圧電体の歪みを効率良く発電に利用することができる。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１から９のいずれかの構成において、前記圧電体は、ゾルゲル法により薄膜形成される。
【００２９】
請求項１１の発明は、請求項１から９のいずれかの構成において、前記圧電体は、熱プラズマ法により薄膜形成される。
【００３０】
請求項１２の発明は、請求項１から９のいずれかの構成において、前記圧電体は、スパッタ法により薄膜形成される。
【００３１】
この請求項１０から１２の構成によれば、圧電体は、それぞれ従来から利用されている薄膜形成方法により製造することができるので、圧電発電装置の製造が容易である。
【００３２】
請求項１３の発明は、請求項１から１２のいずれかに記載の圧電発電装置を搭載する携帯型電子機器である。
【００３３】
この請求項１３の構成によれば、携帯型機器は、使用者が携帯して振動を与えることで効率よく発電することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
以下の説明で、「節」とは物体が振動した際に最も振動量が少ない部分をいい、「腹」とは物体が振動した際に最も振動量が多い部分をいうものとする。
【００３６】
実施形態１
図１は、この発明の第１の実施形態としての圧電発電装置を搭載する携帯型機器の内部構成例を示す概要構成図である。
【００３７】
携帯型機器２は、例えば懐中電灯、ラジオ、電話装置、卓上電算機又は腕時計等の使用者が携帯可能な機器である。以下の説明では、携帯型機器の一例として腕時計２を採用して説明する。腕時計２は、圧電発電装置１、整流回路１２、充電部１４及び駆動部１６等を有する。
【００３８】
この腕時計２は、後述する圧電発電装置１により発電された異なる位相を有する複数の電流を整流回路１２により整流する。整流回路１２は、例えば全波整流回路であっても良いし、半波整流回路等である。整流回路１２は、整流した電力を２次電池等の充電部１４に充電する。腕時計２は、充電部１４の電力を電源として、内蔵する電子回路及びモータ等の駆動部１６が駆動される。
【００３９】
図２は、図１の圧電発電装置を搭載する携帯型機器の外観の一例を示す平面図である。
【００４０】
腕時計２は、圧電発電装置１が搭載されているので、使用者が意図して発電を行うことができる。腕時計２は、例えばアナログ表示式の針時計である。腕時計２は、側胴であるケース１５、ケース１５に内蔵されており、時刻が刻み込まれている文字板６、文字板６に刻み込まれた所定の時刻を示す位置を指し示すことで時間を表示する針５、ケース１５の一表面に設けられており、透過して針６の位置を視認することのできる上ガラス３、ケース１５に収納されており、針５を運針する駆動系を有するムーブメント８、ムーブメント８の一部であって、腕時計２の２次電池を充電するための圧電発電装置１、及び腕時計２を使用者の腕等に取り付けることができるようにするためのベルト３０等を有する。
【００４１】
図３は、図２の腕時計２のＡ−Ａ’断面図である。図４は、図３の腕時計２をＩ方向から見た場合の平面図である。図５は、図４の腕時計２を示す斜視図である。
【００４２】
腕時計２のムーブメント８の一部としての圧電発電装置１は、りゅうず７、歯車１９、増速歯車２１、カム２３、加振レバー１３（加振手段）、固定部１１（固定手段）、圧電体９等を有する。
【００４３】
りゅうず７は、ケース１５の内部から外部に跨って設けられている軸７ａにおけるケース１５の外側の一端に設けられており、他端には歯車１７が設けられている。りゅうず７は、発電する場合に使用者が摘んで回転させることにより、りゅうず７が一方に形成された軸７ａを回転させることで、ケース１５の内部の歯車１７を回転させる。歯車１７は、ケース１５の内部の歯車１９とかみ合っている。歯車１７及び１９は、それぞれかさば歯車である。
【００４４】
歯車１９は、ケース１５に固定された軸１９ｂと同心状に歯車１９ａを有する。歯車１９は、りゅうず７が軸７ａを介して反対側に設けられている歯車１７とかみ合わされている。使用者がりゅうず７を回転させることにより歯車１７が回転して、歯車１９は軸１９ｂを中心として回転する。歯車１９ａは、歯車１９に固定されており、歯車１９が回転することにより回転する。歯車１９ａには、増速歯車２１がかみ合わされている。
【００４５】
増速歯車２１は、ケース１５に固定された軸２１ｂを中心として、歯車１９に連動した歯車１９ａが回転することにより回転する。増速歯車２１は、歯車２３ａ及び歯車１９ａとかみ合わされている。つまり、増速歯車２１は、歯車１９の回転力を歯車２３ａに伝達するための歯車である、
カム２３は、図４のように外周に凸部２３ｄ及び凹部２３ｃが交互に成形されている円盤状の部材である。カム２３は、ケース１５に回転可能に固定された回転軸２３ｂに固定されており、同じく回転軸２３ｂに固定されている歯車２３ａに連動して回転する。凸部２３ｄは、図７（Ａ）のようにカム２３がＸ２方向に回転することで加振レバー１３のテーパ部１３ｅと接触して、加振レバー１３をＲ１方向に持ち上げる。凹部２３ｃは、カム２３がＸ２方向に回転することで、凸部２３ｄに接触していたテーパ部１３ｅが落ちてはまりこむ。加振レバー１３は、図７（Ｂ）のようにＲ２方向に回動して圧電体９に接触し、圧電体９にかろうじて振れない程度離れた位置まで戻る。
【００４６】
加振レバー１３は、圧電体９に対して振動を与えるための部材である。加振レバー１３は、ケース１５に固定された軸固定部４に設けられた軸４ａが貫通する軸穴１３ａを軸として図５のＲ方向に回動する。加振レバー１３には、圧電体９から離れた位置に配置するように予め設定された力（例えばバネ等により）を加えられている。
【００４７】
加振レバー１３は、図６のように胴部１３ｇ、ハンマー部１３ｆ及び首部１３ｂ等を有する。加振レバー１３は、胴部１３ｇ、ハンマー部１３ｆ及び首部１３ｂが一体となるように一体成形されている。
【００４８】
胴部１３ｇの側面には開口部１３ｃが形成されており、開口部１３ｃの内周面１３ｄにはテーパ部１３ｅが形成されている。テーパ部１３ｅは、ハンマー部１３ｆから穴部１３ａ方向にかけて厚みを増すように形成されており、最も厚みを有する地点で内周面１３ｄに対して略垂直となるように切り込まれた形状となっている。テーパ部１３ｅがこのような構成であるため、使用者がりゅうず７を一定方向にのみ回転させるようにすることができる。テーパ面１３ｅは、図５のようにカム２３の凸部２３ｄと接触する。胴部１３ｇには、加振レバー１３が振動して回動するための軸４ａを貫通させるための穴１３ａが形成されている。
【００４９】
ハンマー部１３ｆは、加振レバー１３の胴部１３ｇに設けられている軸穴１３ａを中心にして回動することで、ハンマー部１３ｆが圧電体９に衝突して圧電体９に変位を与えるためのものである。
【００５０】
加振レバー１３は、図７（Ａ）のようにテーパ部１３ｅのテーパ面が、カム２３がＸ２方向に回動することによりカム２３の凸部２３ｄに接触する。加振レバー１３は、穴１３ａを貫通する図４の軸４ａを軸としてＲ１方向に回動することで、ハンマー部１３ｆがＲ１方向に持ち上げられる。さらに、使用者がさらにりゅうず７を所定の方向に回転させることにより、カム２３がＸ２方向に回動する。加振レバー１３のテーパ部１３ｅは、カム２３の凸部２３ｄに接触していた状態から、図７（Ｂ）のように凹部２３ｃに落ち込むことによりハンマー部１３ｆがＲ２方向に回動して、圧電体９に対して振動を加える。
【００５１】
圧電体９は、加振レバー１３のハンマー部１３ｆが接触して振動等が加えられることにより変位して、圧電体９の圧電効果により電圧を発生する圧電素子である。圧電体９は、例えば円盤（略円筒）形状であり、固定部１１により一部が固定されている。圧電体９には、図７（Ａ）の電極２０ｅ、２０ｆ（２０）が設けられており、例えば圧電体９の変位する方向に１つずつ電極２０が設けられている。電極２０は、例えば金（下地はＣｒ、Ｎｉ又はＴｉ等を材質としている）、銀又はアルミニウム等の金属を材質とする。圧電体９付近についての詳細は、後述する。
【００５２】
固定部１１は、ケース１５の一部分に設けられており、図３のように圧電体９を固定するための基板２２を有する。基板２２は、例えば円盤（略円筒）状である。基板２２は、図３のようにケース１５に密着していない一平面に圧電体９の一平面が密着するように、例えば接着剤等により接着されている。このような形状の固定部１１は、加振レバー１３により加振される方向において、加振レバー１３とは圧電体９を介して逆側でしっかりと圧電体９を固定することができる。このため、加振レバー１３の振動エネルギーを効率よく圧電体９に与えることができる。（このような加振レバー１３の加振方向に圧電体９を振動させるた際に圧電体９の分極方向と圧電体９の振動方向が一致していることを「縦振動」と表現する。）
圧電発電装置１の構成の概略は以上であり、その動作について簡単に説明する。
【００５３】
使用者が、りゅうず７を回転させることで、軸７ａを介して回転する歯車１７が回転する。歯車１７は、前述したように歯車１９、歯車１９ａ、増速歯車２１及び歯車２３ａを介してカム２３を図７（Ａ）のＸ２方向に回転させる。カム２３がＸ２方向に回転することで、カム２３に成形されたテーパ部１３ｅが、カム２３の凸部２３ｄに当接する。カム２３がさらにＸ２方向に回転することで、凸部２３ｄは、テーパ部１３ｅを図７（Ａ）の押し上げることで、加振レバー１３のハンマー部１３ｆをＲ１方向に押し上げる。使用者がさらにりゅうず７を回転させることで、カム２３はＸ２方向に回転し、テーパ部１３ｅは図７（Ｂ）のようにカム２３の凹部２３ｃに落ちる。ハンマー部１３ｆが図７（Ｂ）のＲ２方向に回動して、圧電体９の中心部をたたく。このようにして、圧電体９は振動が加えられる。圧電体９は、圧電効果により振動による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。変換された電気エネルギーは、圧電体９の表面に設けられた電極２０等によりその出力が取り出される。その出力は、図１の整流回路１２にて整流されて、充電部１４に充電される。充電部１４の電力は、駆動部１６等により消費される。このようにして、加振レバー１３が繰り返し圧電体９に対して加振することで、圧電発電装置１は発電を行う。
【００５４】
図８（Ａ）は、図３の圧電体付近を示す平面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の圧電体付近の断面図である。図８（Ｃ）は、加振レバー１３により圧電体９に加振した時の図８（Ｂ）の圧電体付近の様子を示す図である。
【００５５】
圧電発電装置１の圧電体９は、図８（Ａ）のようにケース１５に固定された固定部１１（基板２２、固定手段）上に貼り付けられた基板２２の一部に形成された電極２０ａを覆うように基板２２上に薄膜成形されている。圧電体９の上層には、電極２０ｂが設けられている。
【００５６】
圧電体９に設けられた電極２０ａ及び電極２０ｂは、圧電体９が図８（Ｃ）のように加振レバー１３により変位を与えられることにより発生する出力を出力するための電極である。電極２０ａ及び電極２０ｂは、図８（Ａ）のようにそれぞれ一方の先端が接触部２５付近でやや広くなるように、例えば円形状に形成されており、他方の先端が固定部１１の外周へ互いに反対側へと延びている。
【００５７】
これは、圧電体９の両面において対面する電極２０ａ及び電極２０ｂの面積が大きいと、電極２０ａと電極２０ｂとの間の静電容量が、発電効率に影響を与えることを防止するためである。電極２０ａ及び電極２０ｂは、それぞれ整流回路１２と接続されている。電極２０ａ及び電極２０ｂに発生した出力は、整流回路１２を経由して整流され、充電部１４に充電される。
【００５８】
圧電体９は、前述したようにその対面に発電した出力を取り出すための複数の電極２０が設けられている。圧電体９における電極２０同士の方向の厚みが、好ましくは例えば０．２〜１０μｍであったほうがよく、圧電体９の平面方向の面積は、圧電体９の平面方向における接触部２５の断面積の例えば０．８〜４倍であった方がよい。これは、圧電体９がこのような構造であると、以下に説明する従来の薄膜形成法により形成することができるためである。
【００５９】
圧電体９を薄膜形成する方法には、例えばゾルゲル法、スパッタ法又は熱プラズマ法等がある。
【００６０】
ゾルゲル法は、溶液を用いて薄膜を形成する方法であり、数種類の溶液を合成してアルコキシド溶液を作り、それをスピンコート等で塗布して高温加熱を行うことで薄膜形成を行う方法である。
【００６１】
スパッタ法は、スパッタリングとも呼ばれ、ＡｒあるいはＡｒにＯ２ 、Ｎ２ 等の反応性ガスを加えた気体を所定の気圧に保ち、グロー放電させることにより発生した気体の正イオンでターゲットを衝撃して運動量を与え、ターゲット物質をスパッタ（はねとばす）する方法である。熱プラズマ法は、高周波で誘導加熱を行い、プラズマ化し薄膜を形成する方法である。その他の方法としては、レーザーアブレーション、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、イオンプレーティング又はＭＯ−ＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｏｎ）等種々の製法も採用することができる。圧電体９の材質としては、亜鉛ニオブ酸鉛チタン酸鉛（ＰＺｎＮＯＰＴ）又はスカンジウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＳｃＮＰＴ）等を採用することができる。これらの材質が圧電体として適しているのは、図１０のように電気機械結合係数Ｋ２ がピエゾ素子ＰＺＴと同程度又はそれ以上であるためである。このように、圧電体９は、従来からの薄膜形成法により形成することができるので、圧電発電装置の製造が容易である。
【００６２】
一方、圧電体９における表面粗さ９ｈは、図１３のように例えば１．０μｍ以下であった方が、圧電体９の発電効率が良い。これは、図１４のように表面粗さ９ｈが１．０μｍ以上となると、加振レバー１３により圧電体９に加えられた振動エネルギーの損失が極端に増加するためである。
【００６３】
また、圧電発電装置１における圧電体９は、図８（Ｂ）のように加振レバー１３の加振方向に対して垂直方向から見た場合に、接触部２５付近に凸部が形成されている。これは、レバー１３により加えられた局部的な振動が、圧電体９に均一に効率よく伝えられるようにするためである。
【００６４】
圧電発電装置１は以上のような構成であり、次に圧電発電装置の動作時の様子について説明する。
【００６５】
図８（Ｂ）の圧電体９に加振レバー１３が振動を加える際に当接することにより、圧電体９が、図８（Ｃ）のように変形する。圧電体９が変位することにより、圧電体９の両面に設けられた電極２０ａ及び２０ｂ間には、電力が発生する。この電力は、例えば全波整流回路や半波整流回路等である整流回路１２により整流され、２次電池等である充電部１４（充電手段）に充電する。
【００６６】
図１５及び図１６は、それぞれ加振レバー１３により圧電体に対して加振した際の加振レバー１３及び圧電体９の変位を示している。図１５においては、圧電体９の局部的な歪みを利用しない場合であり、図１６においては圧電体９の局部的な歪みを利用した場合の変位を示している。図１５及び図１６では、それぞれ時間が０である時に加振レバー１３が圧電体９の表面に当接し、変位は加振レバー１３が圧電体９に当接していない場合の圧電体９の表面を変位０とし、圧電体９の表面から圧電体９の厚み方向に変位するにつれてマイナスとなるように表現されている。尚、圧電体９の変位は、局部的な変位を表しているのではなく、圧電体９全体を平均した変位を表している。つまり、加振レバー１３が圧電体９に当接した際には、加振レバー１３と圧電体９の変位は一致しないが、圧電体９全体としての変位を示している。
【００６７】
圧電体９の局部的な歪みを利用しない場合は、図１５のように加振レバー１３が圧電体９に当接した際のエネルギーを圧電体９の変位という形にて出力されている。これに対して、圧電体９の局部的な歪みを利用している場合には、図１６のように加振レバー１３に当接した際のエネルギーは、圧電体９の変位という形では現れず、電気的なエネルギーとして現れる。つまり、この圧電発電装置１において、圧電体９の局部的な歪みを利用して発電を行った場合の方が、発電効率が良いことがわかる。
【００６８】
実施形態２
図９は、この発明の第２の実施の形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００６９】
また、図９の圧電発電装置１は、第１の実施形態と略同様であるが、圧電体９の構成が異なっている。第１の実施形態と異なる点は、圧電体９が、固定部１１上の基板２２に密着するように設けられた電極２０ａの上層の一部分であって、加振レバー１３と圧電体９の接触部２５付近にのみ設けられている点である。圧電体９は、前述した電極２０ａ、及び一部が基板２２に密着するように積層され、圧電体９の表面の対面側（電極２０ａとは反対側）に設けられた電極２０ｂが設けられている。電極２０ａと電極２０ｂとは、図９のように圧電発電装置１において接触しないように所定の間隔を有するように積層されている。
【００７０】
図９の圧電発電装置１に圧電体９をこのような構成にするのは、加振レバー１３による圧電体９に対する局部的な歪みが大きい接触部２５付近の振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するためである。これにより、図９の圧電発電装置１において効率の良い発電を行うことができる。
【００７１】
実施形態３
図１１は、この発明の第３の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００７２】
図１１の圧電発電装置１は、第２の実施形態と略同様であるが、圧電体９の形状が図１１のように複数の圧電体の層としての圧電体９ｃ及び圧電体９ｄのように積層されている点が異なる。このように積層された圧電体９ｃ及び９ｄにより電極２０ｂと２０ａは同電位であり、電極２０ｇは電極２０ａ及び電極２０ｂと対をなす電極である。発電する場合は、少なくとも積層された圧電体数分の整流回路を必用とする。このように圧電体９ｃ及び圧電体９ｄを積層した構成とすることで圧電体の容量が増すため、１回の発電でより多くのエネルギーを変換することが可能となる。
【００７３】
実施形態４
図１２は、この発明の第４の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００７４】
図１２の圧電発電装置１は、第２の実施形態と略同様であるが、圧電体９の形状が図１２のように圧電体９における接触部２５に硬質の膜２４を設けていることである。この膜２４は、加振レバー１３が圧電体９に振動を与えようとして当接した際に圧電体９に等しく変位が与えられるように設けられている。このような構成を取ることにより、加振レバー１３により圧電体９に与えられたエネルギーを効率よく伝えることができる。
【００７５】
実施形態５
図１７は、この発明の第５の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図である。
【００７６】
図１７の圧電発電装置１は、複数の圧電体を使用して発電を行う点で第３の実施形態と略同様であるが、圧電体を固定するための固定部１１の形状、及び圧電体の配置が異なる。
【００７７】
この圧電発電装置１における固定部１１の一部に形成された突起状の当接部１１ａは、例えば略円盤状の圧電体９が振動した際の節を接着材等によって接着されている。当接部１１ａは、例えば圧電体９の円形状の節付近に沿って一部又は全周に渡り、圧電体９と当接して固定する。
【００７８】
この圧電発電装置１の圧電体は、前述したような局部的な圧電体の変位を使用して発電する圧電体９ｅと、この圧電体９ｅを接触部２５に有し、この圧電体９ｅ全体が振動することによる変位を利用して発電する圧電体９ｄを有する。圧電体９ｅ及び９ｄには、それぞれ複数の電極２０ｃ及び２０ｄ、及び電極２０ａ及び２０ｂが設けられている。電極２０ｃ及び２０ｄは圧電体９ｅを、電極２０ａ及び２０ｂは圧電体９ｄをそれぞれ加振レバー１３により振動を加えられる方向に挟み込むように設けられている。電極２０ｃ及び２０ｄ、及び電極２０ａ及び２０ｂは、それぞれ整流回路１２ａ及び１２ｂに接続されている。整流回路１２は、充電部１４と接続されており、充電部１４に充電を行う。このような圧電発電装置１の構成によれば、局部歪みのみでなく、全体の変形も利用して発電することができるので、より効率的な発電を行うことができる。
【００７９】
この発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
【００８０】
例えば、これまでに説明した圧電発電装置１においては、使用者が、りゅうず７を回転させることにより圧電体に加振する加振レバー１３を振動させて圧電体９に加振していたがこれに限られず、回転錘等によって加振レバー１３を振動させるような構造でも良い。
【００８１】
【発明の効果】
この請求項１の発明によれば、圧電発電装置は、発電を行う構造が簡単であって、小型化することができ、圧電体の縦振動を使用することができる。この圧電発電装置においては、加振手段により加えられた振動が、圧電体から固定手段に逃げることを考慮することを必要としない。従って、圧電発電装置は、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８２】
この請求項２の発明によれば、積層された圧電体の局部的な歪みを利用して発電するので、より大きな出力を得ることができる。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８３】
この請求項３の発明によれば、圧電体を均一に変形させることができる。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８４】
この請求項４の発明によれば、圧電体を効果的に変形させることができる。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みが均等に加わることにより、効率よく発電を行うことができる。
【００８５】
この請求項５の発明によれば、圧電体の形状を好適な構造としている。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８６】
この請求項６の発明によれば、局部歪みを利用して発電を行う第１圧電体のみならず、第２圧電体が、この第１圧電体全体の振動を使用して発電を行うことができる。よって、発電効率を向上させることができる。
【００８７】
この請求項７の発明によれば、圧電体の表面形状を工夫している。従って、この圧電発電装置によれば、加振手段により圧電体を加振した際に生ずる圧電体の局部的な歪みを利用して効率よく発電を行うことができる。
【００８８】
この請求項８又は９の発明によれば、それぞれ加振手段により振動を局部的に与えられる圧電体に用いる材質を好適なものとすることで局部的な圧電体の歪みを効率良く発電に利用することはできる。
【００８９】
この請求項１０から１２の発明によれば、それぞれ圧電体を特別な製造方法によらなくても従来の薄膜成形法により形成することができるので、効率の良い圧電発電装置を容易に生産することができる。
【００９０】
この請求項１３の発明によれば、圧電発電装置は小型のものであるため、携帯型機器の発電装置として最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態としての圧電発電装置を搭載する携帯型機器の内部構成例を示す概要構成図。
【図２】図１の圧電発電装置を搭載する携帯型機器の外観の一例を示す平面図。
【図３】図２の腕時計のＡ−Ａ’断面図。
【図４】図３の腕時計をＩ方向から見た場合の平面図。
【図５】図５は、図４の腕時計の斜視図。
【図６】図１の加振レバーの拡大平面図。
【図７】図１の加振レバーの動作例を示す図。
【図８】図３の圧電体付近を示す平面図。
【図９】この発明の第２の実施の形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【図１０】図８の圧電体の材質による発電効率の違いを示す図。
【図１１】この発明の第３の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【図１２】この発明の第４の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【図１３】図８の圧電体の表面粗さを示す断面図。
【図１４】図１３の圧電体の表面粗さに対する損失特性を示す図。
【図１５】図８の加振レバーにより圧電体に対して加振した際の加振レバー及び圧電体の変位を示す図。
【図１６】図８の加振レバーにより圧電体に対して加振した際の加振レバー及び圧電体の変位を示す図。
【図１７】この発明の第５の実施形態としての圧電発電装置の一部としての圧電体付近を示す平面図。
【符号の説明】
１ 圧電発電装置
２ 腕時計（携帯型機器）
９ 圧電体
９ｄ 圧電体（第２圧電体）
９ｅ 圧電体（第１圧電体）
１１ 固定部（基板、固定手段）
１３ 加振レバー（加振手段）
２４ 膜（均一化部材）
２５ 接触部
Claims (12)
- 圧電効果を利用して発電するための圧電体と、前記圧電体に応力を与えるための加振手段と、前記加振手段が前記圧電体に接触する前記圧電体の接触部と、前記圧電体により発生した電荷を取り出す電極を有し、
前記圧電体の前記電極方向の厚みが０．２〜１０μｍで、前記圧電体の平面方向の面積は、前記圧電体の平面方向における前記接触部の断面積の０．８〜４倍である前記圧電体を用い、
前記加振手段により前記圧電体に歪を生じさせて発電する圧電発電装置であって、
基板に固定保持された前記圧電体に、前記加振手段を接触させ、
前記圧電体の変位ではなく、前記圧電体の局部的な歪みによって発生する電気的エネルギーを電荷として取り出すことによって発電することを特徴とする圧電発電装置。 - 前記圧電体は、前記圧電体に設けられた前記電極の出力電圧が予め設定された電圧となるように積層されている請求項１に記載の圧電発電装置。
- 前記接触部には、前記圧電体に均一な力が加えられるようにするための均一化部材が設けられている請求項１又は２のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 前記接触部は、前記加振手段が運動する方向に対して垂直方向から見た場合に凸型の形状である請求項１から３のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 前記圧電体は、
前記加振手段が前記圧電体に応力を加えた際の前記接触部における局部的な歪みを利用して発電するための第１圧電体と、
前記第１圧電体に接着されており、さらに前記第１圧電体全体に加えられる応力を利用して発電するための第２圧電体と、を有する請求項１から４に記載の圧電発電装置。 - 前記圧電体の表面粗さは、１μｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 前記圧電体は、亜鉛ニオブ酸鉛チタン酸鉛を材質とする請求項１から６のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 前記圧電体は、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛を材質とする請求項１から６のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 前記圧電体は、ゾルゲル法により薄膜形成される請求項１から８のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 前記圧電体は、熱プラズマ法により薄膜形成される請求項１から８のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 前記圧電体は、スパッタ法により薄膜形成される請求項１から８のいずれかに記載の圧電発電装置。
- 請求項１から１１のいずれかに記載の圧電発電装置を搭載する携帯型機器。
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