JPH09233862A

JPH09233862A - 圧電体を用いた発電方法、発電装置および電子機器

Info

Publication number: JPH09233862A
Application number: JP8298975A
Authority: JP
Inventors: Osamu Takahashi; 理高橋; Tsukasa Funasaka; 司舩坂; Taiji Hashimoto; 泰治橋本; Makoto Furuhata; 誠古畑; Hajime Miyazaki; 肇宮崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1997-09-05
Also published as: CN1165407A; US5835996A

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電体を用いた発電装置において、高い効率で
発電可能な条件を見いだし、携帯用機器などに現実に使
用できる発電装置を提供する。【解決手段】圧電体を備えた振動子の自由振動によって
充電を行う際の充電効率ηが発電装置の開放電圧の初期
値Ｖｏｆと電力系統の入力側の規定電圧Ｖｅの電圧比Ｖ
ｋに対し図７に示したように変化することが見いだされ
た。本図から判るように、電圧比Ｖｋが約２から２０程
度の範囲のときに高い発電効率が得られ、特に、電圧比
Ｖｋが４から６程度の範囲の時に最大の発電効率が得ら
れ、この条件を満足する発電装置によって実際に携帯用
機器などに適用可能な小型で高効率の発電装置を提供で
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、圧電体を用いた発
電方法、発電装置およびこの発電装置からの電力によっ
て作動する電子機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電体に変位を与え、このときに圧電効
果によって発生する電力を用いた発電装置の一般的な構
成を図１に示してある。この発電装置１０は、ＰＺＴ
（商標）などの圧電体１を備えた振動子２を用いてお
り、この振動子２に外部から与えられたり、あるいは、
自励した振動あるいは変位によって圧電体１に変位が与
えられ、圧電体１に発生した電力を電力系統２０に供給
できるようになっている。図１に示した振動子２は２層
の圧電体の層１ａおよび１ｂを備えたバイモルフ型の片
持ち梁状の振動子である。このため、図面の上下方向に
振動子２を振動させると、それぞれの圧電体層１ａおよ
び１ｂに対し圧縮および引張りが繰り返される。これに
よって、圧電体層１ａおよび１ｂには、その分極の方向
に応じた電圧が発生する。そこで、電極などの電力を回
収する手段８を圧電体層１ａおよび１ｂに設けて、圧電
体１に発生した電力を外部に供給できるようにしてあ
る。振動子の構成は、図１に示した例に限定されず、中
央に金属製などの支持層を挟んだサンドイッチ構造でも
良く、また、金属製などの支持梁の一部に圧電体を貼り
付けたものであっても良い。

【０００３】さらに、振動子は、図１に示したような片
持ち梁の他に、振り子などを用いて捩じり方向に力が働
く振動子、コイルバネ状の振動子、円形バイモルフなど
のようにその形状が変化するもの、さらに、音叉型に組
み合わされた振動子などであっても良く、圧電体に弾性
波を与えられるものであれば良い。また、圧電体の電気
機械結合係数（以下、結合係数と呼ぶ）Ｋは非常に小さ
いので、与えられた機械エネルギーのうち、一回の変位
で電気エネルギーに変換される割合は非常に小さい。従
って、振動子を用いて繰り返し機械エネルギーを電気エ
ネルギーに変換することによって、発電効率を向上させ
るようにしている。

【０００４】図１に示した発電装置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
おり、本例の電力系統２０は、ダイオード２２を用いた
整流装置２３、およびコンデンサ２４などを用いて整流
された電力を蓄えられる蓄電装置２５を備えている。発
電装置１０を直に計時装置やパソコンなどの電力を消費
する処理装置と接続することも可能である。しかしなが
ら、圧電体を用いた発電装置１０においては、振動子の
変位によって起電圧が変動し、また、携帯型の電子機器
においては継続して発電が行われない場合もあるので、
電力を蓄え、さらに、所定の電圧、例えばコンデンサ電
圧Ｖｃで供給可能な蓄電装置を介してユーザー側に給電
できるようにしてある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電力系統に対し発電装
置から給電する場合、電力系統の入力側の規定電圧Ｖ
ｅ、例えば本例の電力系統２０においては、コンデンサ
２４の電圧Ｖｃと整流装置のダイオードブリッジの順方
向電圧Ｖｄとの和（Ｖｃ＋Ｖｄ）以上の電圧を発電装置
１０が発生しないと充電できない。一方、図示した発電
装置１０は圧電体の振動子２を用いてあるので、起電圧
は振動子２の変位にほぼ比例する。従って、起電圧を上
げるためは振動子に大きな変位を与えることが望まし
い。しかしながら、振動子の変位が大きくなると機械損
失が大きくなり、充電効率は低下してしまう。

【０００６】圧電体を用いた発電装置では、機械エネル
ギーを電気エネルギーに効率良く変換できるように振動
子の構造を改良したり、減衰の少ない振動モードで振動
子を振動させるなどの方法が提案されている。しかしな
がら、圧電体の起電圧など特性の面から、発電装置の変
換効率（発電効率あるいは充電効率）を向上する検討は
なされておらず、この方面から効率良く発電するのに好
適な条件は提唱されていない。

【０００７】そこで、本発明においては、起電圧などの
特性の面から圧電体を用いた発電方法および発電装置を
検討し、発電効率の高い発電方法およびは発電装置を提
供することを目的としている。また、圧電体を用いた発
電装置において、高い効率で発電可能な条件を見いだす
ことによって、携帯用機器などに現実に使用できる小型
で高性能の発電装置を提供し、さらに、発電装置および
処理装置を搭載した携帯用などに適する電子機器を提供
することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため、本願発明者ら
は、圧電体を用いた発電サイクルを検討し、その結果、
圧電体が変位して発電する際の開放電圧が電力系統の規
定電圧の２倍のときに最も効率良く給電できることを見
いだした。すなわち、圧電体に変位を与え、これにより
発生した電力を電力系統に供給する発電方法において
は、電気的な付加が接続されていないときの電圧である
開放電圧が電力系統の規定電圧の約２倍程度となる変位
を圧電体に与える変位印加工程を設けることにより発電
効率を高くできることを見いだした。従って、圧電体
と、この圧電体に変位を与える変位印加手段と、圧電体
で発生した電力を電力系統に供給する手段とを有する発
電装置において、変位印加手段によって開放電圧が規定
電圧の約２倍程度となる変位が印加できるようにするこ
とにより発電効率の高い発電装置を提供することができ
る。

【０００９】また、圧電体から電力が供給される時間的
な要素を考えると、その間に、開放電圧が規定電圧の２
倍となる変位印加工程が高頻度で繰り返されることが発
電効率を高くするために重要である。従って、自重や付
加された重りなどの変位印加手段により変位が自励され
る圧電体、あるいは、打撃や撓みなどを圧電体に与える
変位印加手段により変位が他励される圧電体において
は、変位印加手段が開放電圧が規定電圧の２倍となる変
位を高頻度で繰り返し印加可能であることが発電効率の
高い発電装置を提供するために重要である。

【００１０】また、圧電体に対し初期変位を与え、この
初期変位およびその後の自由振動により繰り返される変
位によって発電が行われる場合は、開放電圧が規定電圧
の少なくとも２倍となる初期変位が印加されることが望
ましい。自由振動により繰り返される変位に基づき圧電
体で発生した電力を供給する発電方法および発電装置に
おいては、初期変位によって圧電体に与えられた機械エ
ネルギーが電気エネルギーに繰り返し変換される。従っ
て、自由振動を起こさない圧電体と比較し、機械エネル
ギーを効率良く電気エネルギーに変換できる。その際、
圧電体に励起される変位は徐々に小さくなり、これに対
応する開放電圧も徐々に減少する。このため、初期変位
による一連の自由振動によってさらに効率良く発電を行
うためには、衝突などによって与えられる初期変位によ
る開放電圧（初期起電圧）を上記の最も効率が高くなる
開放電圧より高く設定することが望ましい。

【００１１】一方、初期起電圧を高くするために初期変
位を大きくしすぎると機械損失も大きくなり、効率は低
下してしまうので、単に初期起電圧を上げるだけでは、
一連の自由振動による発電効率を上げることはできな
い。そこで、本願発明者らは自由振動に伴う発電サイク
ルの検討をさらに行い、図７に示すような初期起電圧と
発電効率（充電効率η）の関係を導いた。これによる
と、初期変位によって発生した電気的な負荷のない状
態、すなわち、電気的な負荷が接続されていない無負荷
状態の圧電体の開放電圧（初期起電圧）の値Ｖｏｆが、
電力系統の規定電圧Ｖｅの約２倍から２０倍程度の範囲
のときに高い充電効率を示すことが判る。特に、初期起
電圧（開放電圧の初期値）Ｖｏｆが規定電圧Ｖｅの４倍
から６倍程度の範囲に充電効率のピークが現れる。従っ
て、初期起電圧Ｖｏｆがこの範囲の電圧となるように初
期変位を与えるにより高効率で発電を行うことができ、
また、このような初期変位を与えられる変位印加手段を
設けることにより発電効率の高い発電装置を提供でき
る。さらに、初期起電圧Ｖｏｆを規定電圧Ｖｅの２倍か
ら１５倍程度の範囲にすることにより、ピークのときの
約７０％以上の発電効率で発電を行える発電装置を提供
できる。従って、ある時間、継続して発電を行える自励
あるいは他励式の圧電体を用いた発電装置においては、
初期起電圧が規定電圧の２倍から２０倍の範囲となる初
期変位を高頻度で繰り返し与えることができる発電方法
および発電装置が望ましく、さらに、初期起電圧が規定
電圧の２倍から１５倍の範囲となる初期変位を高頻度で
与えることができる発電方法および発電装置が望まし
く、初期起電圧が規定電圧の４倍から６倍の範囲となる
初期変位を高頻度で繰り返し与えることができる発電方
法および発電装置がいっそう望ましい。これらの条件下
で発電することにより、携帯用機器に適した小型で高性
能の発電装置を提供することができる。

【００１２】従って、本発明に係る発電装置を、発電装
置から供給された電力を整流する整流手段と、整流され
た電力を蓄える蓄電手段と、さらに、整流された電力に
よって作動可能な処理装置と共に搭載することにより、
何時でも何処でも電池なしで処理装置の機能を発揮する
ことができる携帯などに適した電子機器を提供すること
ができる。

【００１３】

【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１に示した圧電体を用いた
発電装置１０において、スイッチ２１を開いた状態の振
動子２の変位ｕに対する電圧Ｖおよび印加力Ｆの関係を
図２に示してある。スイッチ２１を開いた状態（電気的
な負荷が接続されていない無負荷状態、または、開放時
の状態）で振動子２を上下方向（図１のＡおよびＢの方
向）に変位させると、変位ｕに対する発電装置１０の無
負荷時（開放時）の出力端の電圧Ｖｏは、図２（ａ）に
示したように、変位ｕに比例して変化する。同じく、発
電装置１０の開放時の変位ｕに対する印加力Ｆｏも、図
２（ｂ）に示したように変位ｕに比例して変化する。

【００１４】これに対し、スイッチ２１を閉じた状態
（負荷が接続された状態）で振動子２に変位ｕを与える
印加力Ｆｓは、発電装置の出力端電圧が低下するので、
開放時の印加力Ｆｏより小さくなる。例えば、発電装置
１０の出力側を短絡した場合を考えると、出力端電圧は
０Ｖとなるので、振動子２に機械的な変形を与える力だ
け印加されれば良い。図３に、発電装置１０の出力側が
開放されているとき（開放時）の印加力Ｆｏと変位ｕの
変化を実線で示し、出力側が短絡されているときの印加
力Ｆｓと変位ｕの変化を破線で示してある。図３から判
るように、短絡時の印加力Ｆｓの方が、開放時の印加力
Ｆｏより小さくなり、この差が電気的なエネルギーとし
て振動子２に蓄えられたエネルギーとなる。例えば、変
位ｕ１まで振動子２を変位させると、破線より下の面積
Ｓ０が振動子２に機械的な変位によって蓄えられたエネ
ルギー（以降において、機械的な効果によって蓄えられ
たエネルギーと呼ぶ）に相当する。これに対し、破線と
実線とによって挟まれた面積Ｓ１が振動子２のコンデン
サー成分に電気的に蓄えられたエネルギー（以降におい
て、電気的な効果によって蓄えられたエネルギーと呼
ぶ）に相当する。

【００１５】また、機械的な効果による力Ｆｍは変位ｕ
に比例し、電気的な効果による力Ｆｅは発電装置の出力
端電圧Ｖに比例する。さらに、開放時の出力端電圧Ｖｏ
が変位ｕに比例することを考慮すると、開放時の変位と
それぞれの力ＦｍおよびＦｅとの関係は図４に示したよ
うになる。すなわち、図４においては、機械的な効果に
よって蓄えられたエネルギーが力Ｆｍと変位ｕの間の面
積、すなわち、三角形ＯＱＲの面積Ｓ０に相当する。ま
た、電気的な効果によって蓄えられたエネルギーが力Ｆ
ｅと変位ｕの間の面積、すなわち、三角形ＯＰＲの面積
Ｓ１に相当する。

【００１６】図３あるいは図４に示したいずれにおいて
も、振動子２に供給された全エネルギーは機械的な効果
によるエネルギーと電気的な効果によるエネルギーに分
けて保存される。そして、以下の式（１）に示すよう
に、このときのエネルギーの比が振動子の電気機械結合
係数（以降において、結合係数と呼ぶ）Ｋとなる。

【００１７】Ｋ² ＝Ｓ１／（Ｓ０＋Ｓ１）・・・（１）図５に、図１に示した整流装置２３および蓄電装置２５
を備えた電力系統２０に発電装置１０を接続したときの
振動子２の変位ｕ、および発電装置１０の出力端の電圧
Ｖの変化を示してある。振動子２は初期変位により自由
振動することを考えると振動子２の変位ｕは、図５に一
点鎖線で示してあるようにサイクリックに変動する。す
なわち、振動子２は、時刻ｔ２にＡの側（プラス側）に
振幅ｕ１、時刻ｔ５にＢの側（マイナス側）に振幅−ｕ
２、さらに時刻ｔ８にＡの側（プラス側）に振幅ｕ３の
変位を示す。以降において、変位および電圧の固定値は
絶対値を示し、マイナス側だけ−を付記する。これらの
振幅ｕ１、ｕ２およびｕ３は機械的な効果によるエネル
ギーが電気的なエネルギーに変換され、さらに、機械的
なロスによる損失もあるので、徐々に振幅は小さくな
る。また、開放時の出力端電圧Ｖｏは変位ｕに比例する
ので、変位ｕと同様の変化を示し、時刻ｔ２にピーク値
Ｖｏ１、時刻ｔ５にピーク値−Ｖｏ２および時刻ｔ８に
ピーク値Ｖｏ３とサイクリックに変化しながら徐々に減
少する。

【００１８】これに対し、電源系統２０に接続された発
電装置１０の出力端電圧Ｖｓは、図５に実線で示したよ
うに変化する。すなわち、ダイオードブリッジの順方向
電圧Ｖｄとコンデンサー２４の電圧Ｖｃの和である入力
側の規定電圧Ｖｅを超える電圧に出力端電圧Ｖｓが達す
ると、電源系統２０のコンデンサー２４の充電が開始さ
れ、それ以降は電力系統側の規定電圧Ｖｅに保持され
る。このため、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間は、変位ｕの
増加に伴って電圧Ｖｓが上昇する。時刻ｔ１に出力端電
圧Ｖｓが規定電圧Ｖｅに達すると、発電装置１０から整
流装置２２を通じて蓄電装置２４に電荷が流出するの
で、変位ｕが増加しても電圧Ｖｓは上がらない。このた
め、電圧Ｖｓは規定電圧Ｖｅのまま保持される。時刻ｔ
２に変位ｕが振幅ｕ１に達し、その後減少し始めると、
それに伴って電圧Ｖｓも減少する。このため、電圧Ｖｓ
が規定電圧Ｖｅ以下となり、変位ｕの変化に従って電圧
Ｖｓも変化する。電圧Ｖｓがマイナス側に転じ、時刻ｔ
３に電圧Ｖｓがマイナス側の規定電圧−Ｖｅに達する
と、再び整流装置２２を通じて蓄電装置２４に電荷が流
出する。従って、電圧Ｖｓは規定電圧−Ｖｅに保持され
る。時刻ｔ４に変位ｕがマイナス側に転じ、さらに時刻
ｔ５にピークである振幅ｕ２に達すると、時刻ｔ２のと
きと同様に電圧Ｖｓの絶対値が減少し始める。従って、
電圧Ｖｓの絶対値が規定電圧Ｖｅ以下となるので変位ｕ
の変化に従って電圧Ｖｓが変化する。電圧Ｖｓはこのよ
うな変化をサイクリックに繰り返す。

【００１９】図６に、振動子２の変位ｕに伴って、電気
的な効果による力Ｆｅが変化する様子を示してある。開
放時の電気的な効果による力Ｆｅは、機械的な効果によ
る力Ｆｍと同様に変位ｕに対し直線的に変化し、時刻ｔ
２に変位ｕ１で最大値Ｆｅｍとなる。同様に、時刻ｔ５
に変位−ｕ２でマイナス側の最大値となる。なお、以降
において、簡単のために時刻ｔ５の変位を−ｕ１とし、
電気的な効果による力Ｆｅのマイナス側の最大値を−Ｆ
ｅｍとする。すなわち、振動子２に対し振動中に適当な
力が与えられ定常状態で共振している場合に相当する。
さらに、図６には一点鎖線で開放時の電気的な効果によ
る力Ｆｅの変化も同時に示してあり、図示してあるよう
に開放時の電気的な効果による力は直線Ｌｅとなるので
この力によって仕事は行われない。同様に、機械的な効
果による力も直線になるので外部に対し仕事は行われな
い。

【００２０】一方、スイッチ２１を閉じた状態における
電気的な効果による力を考えると、時刻ｔ０から時刻ｔ
１までは発電装置１０の出力端電圧Ｖｓは、開放時と同
様に変位ｕに比例して増加する。従って、電気的な効果
による力Ｆｅも変位ｕに比例して増加する。そして、時
刻ｔ１に出力端電圧Ｖｓが電力系統の規定電圧Ｖｅに達
すると出力端電圧Ｖｓは規定電圧Ｖｅに保持されるの
で、電気的な効果による力Ｆｅも一定に保たれる。時刻
ｔ２に変位ｕが減少しはじめると、開放電圧Ｖｓも減少
するので、電気的な効果による力Ｆｅも減少する。そし
て、時刻ｔ３に出力端電圧Ｖｓがマイナス側の規定電圧
−Ｖｅに達すると、再び電力系統に電荷が送られるの
で、電位Ｖｓが一定に保たれる。従って、電気的な効果
による力Ｆｅも一定に保たれる。この時刻ｔ２から時刻
ｔ３の間は、電荷が電力系統に供給されない開放時と同
じ状態になるので、変位ｕに対する力Ｆｅの変化は開放
時の直線Ｌｅに平行となる。さらに、時刻ｔ５に変位ｕ
の絶対値が減少し始めると出力端電圧Ｖｓの絶対値が減
少する。従って、発電装置１０から電荷が電力系統に供
給されず、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間と同様に、力Ｆｅ
は時刻ｔ６に出力端電圧Ｖｓが規定電圧Ｖｅに達するま
で直線Ｌｅと平行に変化する。時刻ｔ６に出力端電圧Ｖ
ｓが規定電圧Ｖｅに達すると、電荷が電力系統に供給さ
れるので、出力端電圧Ｖｓは規定電圧Ｖｅに保持され
る。

【００２１】このように、スイッチ２１を閉じると、電
気的な効果による力Ｆｅは時刻ｔ２、時刻ｔ３、時刻ｔ
５および時刻ｔ６のヒステリシス・ループに沿って変化
する。従って、電気的な効果による力Ｆｅによって外部
に対し仕事が行われ、その仕事の大きさはヒステリシス
・ループに囲まれた面積に比例する。このため、ヒステ
リシス・ループに囲まれた面積Ｓｈが同一の変位ｕ１に
対し最大となれば、発電装置１０の振動子２に同一の変
位が与えられたときに最も効率良く外部に対し仕事が行
われたことになる。すなわち、ヒステリシス・ループの
面積Ｓｈが最大の時に最も発電効率が高くなる。

【００２２】ここで、開放時の力の最大値Ｆｅｍに対
し、スイッチを閉じて出力端電圧Ｖｓが規定電圧Ｖｅに
保持されたときの力ＦｅをαＦｅｍ（０＜＝α＜＝１）
とする。直線Ｌｅは以下の式（２）で定義される。

【００２３】Ｆ＝Ｆｅｍ × （ｕ／ｕ１）・・・（２）時刻ｔ２および時刻ｔ３の間は（２）式と平行に力Ｆｅ
が変化し、時刻ｔ２の座標は（ｕ１、αＦｅｍ）とな
る。従って、時刻ｔ２からｔ３の間の力Ｆｅは次の式
（３）で定義される。

【００２４】Ｆｅ＝Ｆｅｍ × （ｕ／ｕ１＋（α−１））・・・（３）時刻ｔ３の座標は、式（３）にＦｅ＝−αＦｅｍを代入
して（ｕ１（１−２α）、−αＦｅｍ）であることが判
る。同様の方法で時刻ｔ５および時刻ｔ６の座標を求
め、時刻ｔ２、時刻ｔ３、時刻ｔ５および時刻ｔ６の各
座標で囲まれるヒステリシス・ループの平行四辺形の面
積Ｓｈを求めると、以下の式（４）で表される。

【００２５】Ｓｈ＝（ｕ１（１−２α）−（−ｕ１））×（αＦｅｍ−（−αＦｅｍ）＝４・Ｆｅｍ・ｕ１（１／４−（α−１／２）² ）・・・（４）この式（４）から判るように、面積Ｓｈは、αが１／２
のときに最大となる。すなわち、出力端電圧Ｖｓが規定
電圧Ｖｅとなるときの力Ｆｅ、すなわち、充電中の力Ｆ
ｅが開放時の力の最大値Ｆｅｍの１／２であるときに発
電効率が最大となる。開放時の電気的な効果による力Ｆ
ｅは、変位ｕに比例し、さらに、電圧Ｖｏに比例する。
従って、規定電圧Ｖｅが開放時の電圧のピーク値Ｖｏｍ
の半分となる条件で発電装置１０の発電効率は最大とな
る。例えば、蓄電装置２５のコンデンサ２４の電圧Ｖｃ
が１．５Ｖで、整流装置２３のダイオードブリッジ２２
の準方向電圧Ｖｄが０．５Ｖの電力系統は、入力側の規
定電圧Ｖｅが２Ｖとなる。従って、振動子２を用いた発
電装置１０の開放時の電圧Ｖｏｍが４Ｖのときが最も効
率良く発電できることが判る。

【００２６】以上の結果より、圧電体を備えた振動子を
用いて発電を行い電力系統に給電する発電方法および発
電装置においては、負荷が接続されていないときの開放
時の出力端電圧（開放電圧）Ｖｏｍが電力系統の入力側
の規定電圧Ｖｅの２倍となる条件を採用することにより
発電装置から電力系統に電力を供給する際の効率（発電
効率、充電効率あるいは給電効率）を最大にできる。開
放電圧Ｖｏｍが変位ｕに比例するので開放電圧Ｖｏｍが
規定電圧Ｖｅの２倍となる変位ｕを振動子に与えること
によって発電効率を最大にできる。また、発電効率の高
い発電装置を提供するためには、開放電圧Ｖｏｍが規定
電圧Ｖｅの２倍にできるだけ近い、約２倍程度となる変
位ｕで振動子を振動させることが望ましい。例えば、振
動子に対し適当な手段により発電や機械的なロスにより
減少する変位を加えながら一定の変位（例えば振幅）で
振動を継続して維持できる発電装置においては、開放電
圧Ｖｏｍが規定電圧Ｖｅの約２倍程度となる変位ｕで振
動子を振動させることにより高い効率で電力を供給する
ことが可能である。

【００２７】振動子をほぼ定常的な変位で振動できる装
置の一例を本明細書に共振型の発電装置を用いて後述し
てある。このような発電装置において、開放電圧Ｖｏｍ
が規定電圧Ｖｅの約２倍程度となる変位ｕで振動を行う
ことが高効率で電力を供給できるが、振動子に対し変位
を印加する機構を動かすエネルギーが必ずしも安定的に
得られるとはかぎらない。特に、携帯型の装置に搭載さ
れる発電装置においては、電気エネルギーに変換される
元のエネルギーの形態はさまざまであり、安定している
ものは少ない。このような発電装置が発電を行うために
得られるエネルギーがそれほど安定していない場合は、
ある程度継続して発電が行われる期間を通して、開放電
圧Ｖｏｍが規定電圧Ｖｅの約２倍程度となる変位ｕが高
頻度で与えられるようにすることが高い効率で発電を行
うために重要である。特に、打撃や撓みなどの外部から
の力によって圧電体に変位を印加する他励式の変位印加
手段や、発電装置１０の動きなどに起因して重りや圧電
体自身の質量により自発的に変位が印加される自励式の
変位印加手段を用いて圧電体に繰り返し変位が与えら
れ、次に示すような自由振動よりも、むしろ共振状態で
一定の変位に基づき発電する発電方法あるいは発電装置
においては、その開放電圧Ｖｏｍが規定電圧Ｖｅの２倍
程度となる変位の頻度を高くすることが発電効率を高く
し、発電量を大きくするうえで重要である。

【００２８】さらに、圧電体を用いて発電を行う場合を
検討すると、圧電体を定常的に振動する機構に比べ、最
初にある程度の変位（初期変位）を与えて自由振動させ
る機構を簡易に構成できる。また、初期変位が与えられ
て自由振動を行う圧電体においては、運動エネルギーを
その後の自由振動による変位で繰り返し電気エネルギー
に変換して出力することにより、変換効率も比較的高く
することができる。このような自由振動を用いて発電を
行う場合は、電気エネルギーに変換されたエネルギー減
少分や機械的なロスによって振幅が減少する。従って、
このような自由振動によって発電を繰り返す圧電体を用
いた発電装置あるいは発電方法においては、上記の最大
効率を与える条件を必ず通過するように、すなわち、初
期変位による開放電圧の初期値（初期起電圧）を規定電
圧Ｖｅの２倍以上にすることが望ましい。自由振動を起
こす発電方法あるいは発電装置として、打撃や撓みなど
の外部からの力によって圧電体に初期変位が印加される
変位印加手段を備えた他励式の圧電体を用いたものや、
発電装置１０の動きなどに起因して重りや圧電体自身の
質量を変位印加手段として自発的に圧電体に初期変位が
印加される自励式の圧電体を用いた発電方法あるいは発
電装置がある。

【００２９】ここで図５に戻って振動子２の変位ｕの時
間変化に伴って上記の説明をさらに行うと、例えば、時
刻ｔ２のピーク時の開放電圧Ｖｏ１が規定電圧Ｖｅの２
倍のときが最も発電効率が良くなる。しかしながら、実
際は、機械的な効果によって蓄えられているエネルギー
が結合係数Ｋによって電気エネルギーに変換され、ま
た、機械的な損失もあるので変位ｕのピーク値は徐々に
減少する。従って、初期変位が与えられた後に自由振動
を行う振動子２の振幅は徐々に減少するので、実際に最
も効率良く発電を行うためには初期変位による開放電圧
（開放電圧の初期値、初期起電圧）Ｖｏｆを高く設定す
る必要がある。一方、初期起電圧Ｖｏｆが高すぎると、
１周期あるいは半周期などの期間当たりの発電効率が悪
化し機械的な損失も多くなるので好ましくない。

【００３０】半周期毎の機械的なエネルギー、電気的な
エネルギーおよびこれらの損失を検討すると以下のよう
になる。まず、機械的な効果によって蓄えられているエ
ネルギーＵｍの半周期の代表値、例えば、時刻ｔ０から
時刻ｔ４の間の代表値Ｕｍ１は結合係数Ｋと発電装置１
０の静電容量Ｃおよび時刻ｔ２のピーク値Ｖｏ１を用い
て以下のように表される。

【００３１】Ｕｍ１＝１／Ｋ² ×１／２・Ｃ・Ｖｏ１² ・・・（５）また、この半周期の間に発電装置の機械的な損失によっ
て失われるエネルギーＷｃは、を損失率をＬｃとすると
以下の式で表される。

【００３２】Ｗｃ１＝Ｕｍ１× Ｌｃ・・・（６）さらに、この半周期の間に発電装置から電力系統に供給
される電荷量Ｑ１は以下のように表される。

【００３３】Ｑ１＝２・Ｃ×（Ｖｏ１−２・Ｖｅ）・・・（７）ただし、規定電圧Ｖｅはコンデンサの充電電圧Ｖｃとダ
イオードの順方向電圧Ｖｄの和である。

【００３４】また、電荷Ｑ１が電力系統、すなわちダイ
オードとコンデンサにする仕事Ｗｑ１は、以下の式で表
される。

【００３５】Ｗｑ１＝Ｑ１× Ｖｅ・・・（８）従って、この半周期の間に機械的な効果によった蓄えら
れたエネルギーＵｍ１の減少は、機械的な損失によるＷ
ｃ１と電力系統に供給される電荷量Ｑ１によって成され
る仕事Ｗｑ１の和となる。このため、次の半周期（時刻
ｔ４から時刻ｔ７）の機械的な効果によって蓄えられた
エネルギーＵｍ２は以下の式で表される。

【００３６】Ｕｍ２＝Ｕｍ１−Ｗｃ１−Ｗｑ１・・・（９）このように各半周期毎に機械的な効果によるエネルギー
と、その損失および電気的な効果によるエネルギーを算
出できる。従って、ｉ番目の周期の開放時の電圧Ｖｏｉ
が規定電圧Ｖｅ以下になるまで同様に各期間毎の各エネ
ルギーを求め、これらを積算することによって発電量お
よび発電効率を求めることができる。

【００３７】図７に、コンデンサの充電電圧Ｖｃが１．
５Ｖ、ダイオードの順方向電圧Ｖｄが０．５Ｖであり、
入力側の規定電圧Ｖｅのトータルが２Ｖの電力系統２０
に対し、圧電体を用いた発電装置１０が充電したときの
充電効率ηを、初期起電圧Ｖｏｆと規定電圧Ｖｅの比Ｖ
ｋ（Ｖｏｆ／Ｖｅ）に対して示してある。圧電体を積層
した振動子のＱ値が１００（損失率Ｌｃが約０．０６）
で結合係数Ｋ² が４％の発電装置１０による充電効率η
の変化を一点鎖線で示し、Ｑ値が４００（損失率Ｌｃが
約０．０１５）で結合係数Ｋ² が８％の発電装置１０に
よる充電効率ηの変化を実線で示してある。また、図８
に機械的な損失率Ｌｃの測定値の例を示してある。

【００３８】図７の充電効率ηの変化の様子から、初期
起電圧および規定電圧の電圧比Ｖｋが４から６のときに
最も高い充電効率ηを得られることが判る。また、本図
より、最も高い充電効率を得られる範囲は、結合係数Ｋ
および機械的な損失率Ｌｃに余り関係なく、電圧比Ｖｋ
に依存していることが判る。さらに、電圧比Ｖｋが２か
ら１５のときにいずれのケースでもピーク値の約７０％
以上の充電効率ηで充電できることが判る。また、電圧
比Ｖｋが１５以上であっても、特に結合係数とＱ値が高
い発電装置においては十分に高い充電効率ηが得られる
ことがわかる。しかしながら、開放時の出力端電圧は振
幅に比例するため、電圧比Ｖｋが２０以上になると振幅
率が２０倍となる。このため、例えば図８に示した振幅
率が０．０１に対し０．２になるので、損失率が約５倍
になる。これと共に、振動子に初期に与える変位が大き
くなるので機械的な負荷が増加し、故障なども発生し易
くなる。従って、電圧比Ｖｋは２０程度以下とすること
が望ましい。

【００３９】定常的な変位を加えて発電を行う場合にも
説明したように、打撃などの外部からの力によって自由
振動の初期変位が印加される他励式の圧電体や、発電装
置１０の動きなどに起因して自発的に自由振動の初期変
位が発生する自励式の圧電体を用いた発電方法あるいは
装置においては、一定のエネルギーによって初期変位が
常に加えられるとは限らない。特に、自然界のエネルギ
ーやユーザーの動きなどをエネルギー源として用いる携
帯型の電子機器などに用いられる発電装置あるいは発電
方法においては、発電に利用できるエネルギーの密度お
よび継続時間は不均一である。このようなエネルギーを
用いて発電を行うためには、発電が行われる期間の中
で、初期起電圧Ｖｏｆが規定電圧Ｖｅの２倍から２０倍
となる初期変位を高頻度で圧電体に印加し、その後の自
由振動で発電を行うことが効率の高い発電装置を提供す
るうえで重要である。また、初期起電圧Ｖｏｆを規定電
圧Ｖｅの２倍から１５倍になる初期変位を高頻度で圧電
体に印加することがさらに発電効率を上げるうえでは望
ましい。さらに、初期起電圧Ｖｏｆが規定電圧Ｖｅの４
倍から６倍となる初期変位の発生確率を高くすることが
発電効率を向上するうえでいっそう望ましい。

【００４０】〔一定の初期変位を印加可能な例〕以下
に、圧電体を用いた発電装置の具体的な例に基づき、さ
らに詳しく本発明を説明する。図９に本発明に係る発電
装置を備えた電子機器の例として腕時計装置の概要を示
してある。また、図１０に、本例の腕時計装置３０の発
電装置の部分の断面を拡大して示してある。本例の腕時
計装置３０は、略円形の腕装着型の薄いケース５１を備
えており、このケース５１に、圧電体を用いた発電装置
１０と、この発電装置１０から電力の供給を受ける電力
系統２０が収納されている。本例の電力系統２０には、
整流機能などを備えた半導体基板５８と、整流された電
力を蓄電するための大容量コンデンサ２４を備えた蓄電
回路２５が設けられており、さらに、整流された電力に
よって稼働する処理装置６が蓄電回路２５に接続されて
いる。本例の処理装置６は、計時表示を行う機構を備え
ており、発電装置１からの電力によって電池なしでも継
続して時刻を表示することができる。さらに、本例にお
いては、蓄電部２５から振動片３１の側に流れる逆リー
ク電流を抑制するようにダイオード９１を用いた逆流防
止部９０が設けられている。

【００４１】本例の腕時計装置３０のケース５１は、図
１０に示すように、ユーザーの手首に接触する側の裏面
ケース５２と、計時装置６の文字板（表示部）７、さら
に、この表示部７を覆う透明なカバー（不図示）を備え
ており、裏面ケース５２と表示部７の間の空間に、圧電
体からなる複数の振動片３１を備えた発電装置１０や、
これらの振動片３１に対しエネルギーを供給する回転錘
５３などの駆動系、蓄電回路を構成する大型のコンデン
サー２４、さらに、電子時計としての機能である秒針４
１、分針４２および時針４３を動作させる４番車４８お
よび２番車４９など様々な装置が配置されている。

【００４２】回転錘５３は、ユーザーの腕の動きなどを
捉えてケース５１のほぼ中心を回転中心５３ａとして旋
回するように設置されており、この回転錘５３に共に回
転する回転部材５６が取り付けられている。回転部材５
６の外周部には、外側に突き出た複数の突起５７が形成
されており、回転部材５６の周囲に沿ってケース５１に
放射状に配置された複数の振動片３１の先端３３が回転
部材５６の突起５７と接触するようになっている。ま
た、これらの放射状に配置された振動片３１を取り囲む
ようにドーナッツ型で薄い半導体基板５８が配置されて
おり、各々の振動片３１の先端３３と反対側の基端（支
持端）３４が半導体基板５８に取り付けられいる。従っ
て、本例の発電装置１０においては、回転錘５３が回転
すると回転部材５６および突起５７が変位印加装置（加
振装置）５５となって振動片３１に初期変位が与えら
れ、その初期変位によって自由振動が励起される。そし
て、この自由振動により振動片３１の圧電体層３２にお
いて発生した電力が電力供給装置である半導体基板５８
を介して電源系統２０に供給されるようになっている。

【００４３】さらに詳しく説明すると、本例の腕時計装
置３０においては、図９および図１０に示すように、外
周方向が重くアンバランスになった回転錘５３がケース
５１に収納された計時装置などの機構を取り囲むように
配置されている。このため、腕時計装置３０に加わる加
速度がユーザーの腕の運動などによって変化すると回転
錘５３が中心５３ａの回りに回転し、ユーザーの動きな
どを回転錘５３の回転エネルギーとして捉えることがで
きる。従って、この回転錘５３が回転運動を行うと、回
転錘５３の裏面ケース５２の側に取り付けられた回転部
材５６が回転錘５３と共に回転し、その外周部に設けら
れた複数の突起５７が各々の振動片３１の先端３３と接
触する。回転部材５６がさらに回転すると、振動片３１
の先端３３に対し所定の変位（初期変位）を加えたのち
に突起５７が振動片３１から開放され、振動片３１が振
動を開始する。従って、各々の振動片３１には先端３３
を自由端として所定の振幅の自由振動が励起される。本
例の振動片３１はＰＺＴなどの圧電体層３２で形成され
ているので、圧電体層３２に振動による変位が発生する
と起電力が生ずる。それぞれの振動片３１によって発生
した電力は半導体基板５８に形成された配線などを通っ
て一箇所の出力電極５８ａおよび５８ｂに集められ、こ
れらの出力電極５８ａおよび５８ｂから電力系統２０に
出力され計時装置６を作動できるようになっている。

【００４４】図１１、図１２および図１３に、本例の発
電装置１０に設けられた複数の振動片の内の１つの振動
片３１およびその近傍を拡大して示してある。図１１は
半導体基板５８に取り付けられた振動片３１を下側から
見た様子を示してあり、図１２は振動片３１を側方か
ら、さらに、図１３は振動片３１の断面を示してある。
本例の振動片３１は、図１２および図１３に示すように
図面の上下方向に分極したＰＺＴからなる薄い圧電体層
３２によって構成されている。振動片３１は、半導体基
板５８に固定された支持端（基端）３４から自由振動を
行う先端３３に向かって徐々に幅が狭くなった板状の振
動片であり、その上下の面に電極３５が積層されてい
る。本例の振動片３１は、回転部材５６の突起５７が動
くと先端３３が図１１の左右の方向Ｘに強制的に所定の
量だけ曲げられ、あるいは撓まされた後に開放される。
従って、振動片３１にはＸ方向の自由振動が励起され、
振動片３１の左右で圧電体層３２の上下の面に逆方向の
起電力が発生する。本例の振動片３１は、振動片３１の
一方の面３１ａの全面に電極３５ａを設けて振動片３１
の左右を直列に接続し、反対側の面３１ｂには左右に分
割するように２つの電極３５ｂおよび３５ｃを設けてあ
る。従って、振動片３１の電極３５ｂおよび３５ｃを半
導体基板５８に設けられた整流部２３に接続することに
よって、振動片３１の左右に発生した起電力を直列に接
続した状態で電力を取り出すことができる。

【００４５】このように、本例の発電装置１０は、回転
部材５６の突起５７によって振動片３１に所定の量の初
期変位を与えることができるようになっている。このた
め、初期変位によって振動片３１の圧電体層３２に発生
する開放電圧（初期起電圧）Ｖｏｆが、大容量コンデン
サ２４の規定の充電電圧および整流回路２３のダイオー
ド２２の順方向電圧の和である電力系統２０の規定電圧
Ｖｅの２〜２０倍程度、さらに望ましくは規定電圧Ｖｅ
の２〜１５倍程度、いっそう望ましくは４〜６倍程度と
なるように回転部材５６の突起５７と振動片３１の先端
３３の配置および形状を設定することが可能である。そ
して、規定電圧Ｖｅに対して上記のような初期起電圧Ｖ
ｏｆを出力可能にすることにより発電装置１０から効率
良く電力系統２０に電力を供給することができる。従っ
て、ユーザーの腕の動きなどから運動エネルギーを得て
効率良く電気エネルギーに変換し、電池なしで何時でも
何処でも計時機能を備えた処理装置６を稼働できる腕時
計装置３０を提供することが可能になる。

【００４６】本例の腕時計装置３０をさらに詳しく説明
すると、本例の半導体基板５８には、それぞれの振動片
３１の支持端３４の近傍に、フォトリソグラフィー技術
や拡散技術といった公知の集積回路基板を製造する技術
によって形成されたＰＮ接合を用いて整流回路２３を形
成してある。整流回路２３の入力端子９３ａおよび９３
ｂは、振動片３１の電極３５ｂおよび３５ｃとそれぞれ
ワイヤーボンディング９４によって接続されており、そ
れぞれの振動片３１で発生した交流を整流回路２３によ
って整流し、直流電流を出力端子９５ａおよび９５ｂか
ら供給できるようになっている。さらに、本例の半導体
基板５８には、各々の整流回路２３によって整流された
直流電力を回収するために２本の電力線５８ｃおよび５
８ｄが形成されており、これらの電力線５８ｃおよび５
８ｄが整流回路２３の出力端子９５ａおよび９５ｂとそ
れぞれ接続されている。従って、これら２本の電力線５
８ｃおよび５８ｄによって、複数の整流回路２３により
整流された個々の振動片３１の電力を出力電極５８ａお
よび５８ｂに集め、蓄電部２５に供給できるようになっ
ている。

【００４７】図１４に、本例の発電装置１０および電力
系統２０の概略の回路構成を示してある。上述したよう
に、本例の発電装置１０においては、回転部材５６の周
囲に放射状に複数の振動片３１．１〜３１．ｎを配置し
てある。このため、回転錘５３の回転に伴って回転部材
５６が回転し、この回転部材５６の突起５７によってそ
れぞれの振動片３１．１〜３１．ｎに順々に所定の大き
さの変位が加えられる。このため、各々の振動片３１．
１〜３１．ｎに所定の大きさの振動が励起される。これ
らの振動によりそれぞれの振動片３１．１〜３１．ｎか
ら交流が出力される。そして、各々の振動片３１．１〜
３１．ｎには、整流回路２３．１〜２３．ｎが対応して
設けられているので、交流が整流され直流電力となって
電力線５８ｃおよび５８ｄに出力される。従って、本例
の発電装置１０においては、回転錘５３の運動エネルギ
ーを発電装置１０に対し連続的に入力することができ、
回転錘５３の運動エネルギーを非常に効率よく発電に利
用することができる。

【００４８】例えば、本例の発電装置１０とは異なり、
単一の振動片３１に対し回転部材５６により所定の変位
を加えて発電を行う装置も可能である。この本例に対し
比較例となる発電装置では、回転錘１３の動きによって
断続的に１つの振動片３１に振動が励起されるだけなの
で、回転錘１３の運動エネルギーの内の微小な部分しか
発電に利用できない。これに対し、本例の発電装置１０
は、複数の振動片３１．１〜３１．ｎに対し次々に変位
が加えられるようになっている。このため、複数の振動
片３１．１〜３１．ｎによって回転錘１３の運動エネル
ギーが効率良く電気エネルギーに変換される。

【００４９】図１５を参照して本例の発電装置２０にお
いて回転錘１３の運動エネルギーが有効に利用されてい
ることをさらに説明しておく。まず、図１５（ａ）に、
上記の比較例の発電装置にあたる、１つの振動片３１が
回転錘の運動に伴って加振され発電が行われたときに得
られる電力エネルギーを示してある。回転錘５３の発生
する全トルクをＡｔ（Ｎ・ｍ）とすると、振動片に変位
を与えるために使用されるトルクＴとしては全トルクＡ
ｔの一部、例えば１／３程度が使用される。振動片を変
位させるために回転錘の発生する全トルクＡｔが必要に
なると回転錘の動きが止まってしまう。また、変位させ
るために使用されるトルクＴが大きすぎると腕の動きな
どによって回転錘が動く機会が少なくなるので、ユーザ
ーの動きなどから運動エネルギーが効率よく得られなく
なる。このため、１つの振動片を変位させるために必要
なトルクＴは全トルクＡｔの１／３程度（Ｔ＝Ａｔ／
３）に設定することが望ましい。

【００５０】振動片を振動させて発電を行うためには、
振動片に変位を印加するための時間および自由振動によ
って発電が行われる時間が必要となる。これらの時間
は、回転錘の回転角度に比例するので、図１５には、回
転角度θ₁ およびθ₂ によって上記の時間を示してあ
る。一回の振動による発電量を多くするためには、発電
が行われる角度（時間）θ₂ をできるだけ長く設定する
ことが望ましい。しかしながら、自由振動を行う角度θ
₂ を大きくすると振動片に回転錘から運動エネルギーが
入力される機会が減ってしまうので、回転錘のエネルギ
ーを効率良く振動片に入力できない。このため、振動片
に変位を印加ために必要な角度θ₁ と、自由振動によっ
て発電が行われる角度θ₂ が等しくなるように設定され
ている発電装置（図１５（ａ））を仮定する。このよう
な発電装置においては１回の打撃によって回転錘から振
動片に入力されるエネルギーｅは以下のようになる。

【００５１】ｅ＝１／２ × Ａｔ／３ × θ₁ ・・・（１０）また、回転錘が１８０度（π）回転する間に振動片にエ
ネルギーを入力できる回数は以下のようになる。

【００５２】ｎ＝ π ／（θ₁ ＋θ₂ ）＝ π／（２θ₁ ）・・・（１１）従って、回転錘がπ回転する間に振動片に入力できるエ
ネルギーＥ₁ は以下のようになる。

【００５３】Ｅ₁ ＝ｅ×ｎ＝ π・Ａｔ／１２・・・（１２）これに対し、回転錘がπ回転する間に得られる運動エネ
ルギーＥ₂ は以下のようになる。

【００５４】Ｅ₂ ＝ ∫Ａｔ・ｓｉｎθｄθ（θ＝０〜π）＝２Ａｔ・・・（１３）従って、回転錘の得た運動エネルギーＥ₂ の内、振動片
に入力できるエネルギーＥ₁ の割合（エネルギー伝達効
率ζ）は以下のようになる。

【００５５】 ζ ＝Ｅ₁ ／Ｅ₂ ＝０．１３・・・（１４）このように、比較例として示した単一の振動片を用いた
モデルでは、回転錘の得た運動エネルギーの内の１３％
程度しか振動片に入力されない。従って、回転錘は残っ
た運動エネルギーによって回転あるいは旋回を続け、同
一の振動片に運動エネルギーを伝達することになる。こ
のため、回転錘の運動エネルギーの全てを振動片に伝達
するために非常に時間がかかり、その間に回転錘の運動
エネルギーの多くは機械的なエネルギー損失となってし
まう。さらに、腕の動きなどのユーザーの連続した動き
が回転錘へのエネルギー入力源であるが、回転錘から振
動片へのエネルギー伝達に時間がかかると回転錘の動き
と相反するような入力がある可能性が高く、これによっ
て回転錘は動きを止め、回転錘の得た運動エネルギーを
発電に利用できなくなる。従って、回転錘の運動エネル
ギーを有効に発電に活かすためには、エネルギー伝達を
短時間で行うことが望ましい。

【００５６】一方、振動片が得た入力エネルギーを電気
エネルギーに有効に変換するには、自由振動を行う期間
をある程度確保することが望ましい。このため、自由振
動を行える角度θ₂ は変位を与えるための角度θ₁ より
大きくなることが多い。従って、単一の振動片を用いた
モデルでは、回転錘から振動片に運動エネルギーを伝達
する時間を短縮する、すなわち、回転錘が振動片に変位
を与える機会を増加すると振動片における変換効率が減
少するので、トータルのエネルギー伝達効率ζはさらに
低くなる傾向になる。

【００５７】これに対し、図１４に示した複数の振動片
に順々に振動を印加する本例の発電装置においては、振
動片が電気エネルギーに変換する期間を短縮せずに、回
転錘が振動片にエネルギーを入力できる回数を飛躍的に
向上でき、振動片に対するエネルギー伝達時間を短くで
きる。例えば、図１５（ｂ）に示すように複数の振動片
に順々に振動を与えられるモデルにおいては、発電装置
に設けた振動片に入力できるエネルギーが上記の２倍に
なる。このため、エネルギー伝達効率ζは２６％程度に
向上する。さらに、個々の振動片においては自由振動に
よって発電を行う時間を長く設定できるので、効率の良
く入力エネルギーを電気エネルギーに変換できる。

【００５８】さらに、図９に示したように、回転錘５３
と連動して動く回転部材５６に複数の突起５７を設け、
これらの突起５７によって複数の振動片を加振すると、
図１５（ｃ）に示すように、発電装置として設けた振動
片に殆ど連続して回転錘の運動エネルギーを入力でき
る。この場合、発電装置に設けた振動片全体が回転錘が
π回転する間に得られるエネルギーＥ₁ ’は、以下のよ
うになる。

【００５９】Ｅ₁ ’ ＝Ａｔ／３ × π ・・・（１５）従って、エネルギー伝達効率ζは、 ζ ＝Ｅ₁ ’／Ｅ₂ ＝０．５２・・・（１６）となり、回転錘の得た運動エネルギーのほぼ半分を振動
片に入力し、発電に寄与させることができる。

【００６０】もちろん、振動片を変位する入力トルクＴ
を大きくすることによりエネルギー伝達効率ζをさらに
向上することも可能である。しかしながら、入力トルク
Ｔを大きくすると回転錘の動く機会が減少することにな
るので、ユーザーの動きなどを効率良く捉えることがで
きない。従って、適当なトルクで回転錘が動くように突
起５７と振動片３１と位置関係を設定しておくことが望
ましい。

【００６１】本例の発電装置１０は、上述したように、
回転部材５６の突起５７によって振動片３１に所定の量
の初期変位を与えることができるようになっており、こ
れにより高い充電効率ηが得られる初期起電圧Ｖｏｆを
振動片３１の圧電体層３２に発生できるようになってい
る。そして、複数の振動片３１を回転部材５６に沿って
設けることによりエネルギー変換効率ζも高くすること
ができる。このため、本例の発電装置においては、回転
錘の得た運動エネルギーを効率良く振動片に入力でき、
さらに、その入力エネルギーによって得られた電気エネ
ルギーで効率良く蓄電部を充電できる。従って、非常に
効率が高く、発電能力の高い発電装置を実現できる。

【００６２】また、本例の発電装置においては、複数の
振動片が順々に加振され、発電が行われる。このため、
図１４に示すように、本例の発電装置１０の振動片３
１．１〜３１．ｎは、それぞれ異なったタイミングで振
動が励起されるので、ある時刻においてそれぞれの振動
片３１．１〜３１．ｎから出力される電圧（起電圧）は
異なる。従って、本例の発電装置１０においては、個々
の振動片３１．１〜３１．ｎに対応して整流回路２３．
１〜２３．ｎを設け、起電圧の異なる振動片の間に電流
が流れて実際に得られる電圧が減少するのを防止してい
る。特に電圧の位相が逆になっている振動片同士を直に
接続すると電力が得られなくなるので、本例の発電装置
１０のように、個々の振動片３１．１〜３１．ｎ毎に整
流回路２３．１〜２３．ｎを設け、逆流を防止すると共
に個々の振動片から所定の起電圧の電力を得られるよう
にすることが望ましい。

【００６３】さらに、本例の発電装置１０においては、
整流回路２３．１〜２３．ｎを介して、複数の振動片３
１．１〜３１．ｎを電力線５８ｃおよび５８ｄによって
並列に接続し、大きな電流が得られるようにしている。
圧電体を用いた発電装置は、比較的高い電圧は得られる
が、個々の圧電体から得られる電流密度は非常に少な
い。従って、本例のように複数の圧電体を用いた振動片
を並列に接続することによって、大きな電流を得ること
ができる。

【００６４】また、本例の発電装置１０においては、蓄
電部２５を構成するコンデンサー２４の一方の側にダイ
オード９１などの逆流防止素子を設けて、蓄電部２５か
らのリーク電流も防止するようにしている。すなわち、
整流回路２３に用いられているＰＮ接合には微小ながら
逆リーク電流が存在する。このため、複数の整流回路２
３を並列に接続すると、その数に応じて逆リーク電流が
大きくなり、蓄電部２５に蓄積された電力の損失の一因
になることが考えられる。そこで、本例の腕時計装置３
０においては、蓄電部２５を構成するコンデンサー２４
の一方の側に逆流防止素子を採用した逆電流防止部９０
を設け、複数の整流回路２３が並列に接続された回路系
を採用した場合に問題となる逆リーク電流の増加を未然
に防止している。

【００６５】また、本例の腕時計装置３０は、回転錘５
３と共に動く回転部材５６によって振動片３１を加振す
る加振装置５５を形成することによって、複雑な伝達機
構やベアリングを省略することができる。また、回転部
材５６の周囲に沿って複数の振動片３１を配置できるの
で、ケース内における振動片の配置スペースの確保も容
易であり、例えば、本例のように回転錘５３に対し時計
の表示部７の反対側の裏面ケース５２に面した非常に薄
い空間に振動片３１と回転部材５６を収納することが可
能である。また、回転部材５６の周囲に放射状に振動片
を配置することによって、先端３３に比べて支持端３４
の側の幅が広い本例のような振動片３１を配置し易くな
る。支持端３４の側の幅が広い振動片を採用することよ
って、振動による変位量の大きな部分に広い発電体層を
設けることができるので、電気機械結合係数が高く、よ
り発電効率の高い発電装置とすることができる。

【００６６】本例の複数の振動片３１を円周部に沿って
配置した発電装置は、上記のような構成に限定されるも
のはなく、半導体基板５８の内周部を櫛歯状に内側に延
ばして支持層とし、その両側に複数の圧電体層を積層し
て振動片３１とすることも可能である。このような半導
体基板５８と振動片３１とを一体化して製造することは
ＣＶＤなどの集積回路を製造する公知の技術によって可
能である。また、突起５７の方向も、本例と異なり、回
転部材５６に対し垂直な方向に延ばすことにより、回転
部材５６の回転面と垂直な方向の変位を振動片に与える
ことも可能である。さらに、回転錘５６に代わり、車の
振動などにより上下に加振装置が動く発電装置も実現可
能であり、この場合は、加振装置の動く経路の両側ある
いは一方に複数の振動片を並べて配置することにより上
記と同様の効果を得ることができる。

【００６７】〔初期変位を繰り返し印加可能な例〕図１
６に、上記と異なる発電装置を備えた電子機器の例を示
してある。本例の電子機器も計時機能７を備えた処理装
置６を電力系統２０に備えており、発電装置１０から供
給された電力によって処理装置６を作動できるようにな
っている。電力系統２０には、さらに、ダイオード２２
を用いて全波整流を行う整流回路２３と、整流された電
力を蓄電する蓄電回路２５を備えており、上記の例と共
通する部分については同じ符号を付して説明を省略す
る。

【００６８】本例の腕時計装置３０に用いられている発
電装置１０は、片持ち梁（カンチレバー）状にケース
（地板）５１に固定された振動片３１を備えている。振
動片３１の両側に圧電体層３２が設けられており、これ
らの圧電体層３２で発生した電力を表面の電極３５およ
び配線５９を介して電力系統２０に供給できるようにな
っている。振動片３１の先端３３には重り３８が取り付
けられており、この重り３５が変位印加装置である駆動
系６０によって動かされることにより振動片３１に変位
が与えられるようになっている。また、振動片３１は片
持ち梁であるので、駆動系６０によって加振されると、
その後、振動片３１の先端が自由端３３となり、地板５
１にネジ３７で固定された側が支持端３４となって自由
振動し、これによって圧電体層３２に発生した電力が電
力系統２０に供給される。

【００６９】本例の駆動系６０は、上述した発電装置と
同様にケース５１の内部で回転運動を行う回転錘５３を
備えており、腕時計として装着された際にこの回転錘５
３がユーザーの腕や体の動きなどと連動して回転し、そ
の力を利用して発電が行えるようになっている。回転錘
５３の動きは、回転錘車６１によって中間車６２に伝達
され増速される。中間車６２の動きはカム駆動車６３に
伝達され、このカム駆動車６３によってカム６４が左右
に駆動され、振動片の重り３８の内部に納めれたカム６
４と連動して動く衝突部６５が動かされる。従って、ユ
ーザーが腕や体を動かすなど、回転錘５３が回転し、そ
の力によってカム６４が紙面に平行に往復動するのでカ
ム６４の衝突部６５が振動片の重り３８に衝突し、重り
３８が適当な間隔で連打される。衝突部６５によるそれ
ぞれの打撃によって、振動片３１に所定の初期変位が与
えられ、カム６４が振動片から離れると振動片３１に自
由振動が励起される。この自由振動によって圧電体層３
２に起電力が発生するので、それを電極３５および配線
５９によって電極系統２０に供給することができる。

【００７０】本例の発電装置においては、回転錘５３の
旋回速度および旋回範囲によって衝突部６５から振動片
３１に印加される変位（初期変位）が変動する。回転錘
の旋回速度が速くなれば衝突部６５の加速度も大きくな
るので振動片３１の初期変位が大きくなり、その結果、
初期変位によって発生する開放電圧の初期値（初期起電
圧）Ｖｏｆも高くなる。また、回転錘５３の旋回範囲
（角度）が大きくなれば、衝突部６５が振動片３１に衝
突する回数も増加するので回転錘５３が１回旋回するこ
とによる発電可能な期間が長くなる。図１７に、回転錘
５３の旋回軸の鉛直方向からの傾き角ψが３０°で回転
錘５３の旋回角θが３０°のケース１と、傾き角ψが３
０°で旋回角θが９０°のケース２の２つの回転錘３５
の落下条件において、衝突部６５が振動片３１に衝突す
る回数と、それぞれの衝突時に発生する初期起電圧Ｖｏ
ｆをシミュレーションした例を示してある。発明者らが
回転錘の動作測定によって求めたところ、回転錘５３の
落下条件は、シミュレーションを行ったケース１および
ケース２が回転錘５３で捉えられる運動エネルギーの大
きさの中心値の＋／−２５％に相当することが判ってい
る。また、シミュレーションを行った発電装置の電力系
統側の規定電圧Ｖｅはコンデンサの充電電圧および全波
整流を行うダイオードの順方向電圧を含めて２．０Ｖに
設定してある。

【００７１】図１７から判るように、ケース１では、初
期起電圧Ｖｏｆが緩やかな放物線に近い変化を示してお
り、回転錘５３が旋回角θを旋回する一連の発電期間内
で、回転錘５３が停止する直前を除き、規定電圧Ｖｅの
２倍に当たる４Ｖ以上の初期起電圧Ｖｏｆが得られてい
る。また、初期起電圧Ｖｏｆの最高は規定電圧Ｖｅの５
倍にあたる１０Ｖ程度以下になっている。ケース２も同
様の変化を示し、回転錘５３が旋回角θを旋回する一連
の発電期間内で、回転錘５３が停止する直前を除き、規
定電圧Ｖｅの２倍に当たる４Ｖ以上の初期起電圧Ｖｏｆ
が得られており、初期起電圧Ｖｏｆの最高は規定電圧Ｖ
ｅの９倍にあたる１８Ｖ程度以下になっている。従っ
て、ケース１およびケース２とも、回転錘５３が旋回角
θを旋回する一連の発電期間内で、規定電圧Ｖｅの２倍
に当たる４Ｖ以上の初期起電圧Ｖｏｆが高頻度で繰り返
し得られている。また、両ケースにおいて、初期起電圧
Ｖｏｆは、回転錘５３が止まる直前の衝突を除き、殆ど
の衝突において規定電圧Ｖｅの２〜２０倍に当たる４〜
４０Ｖの範囲となっている。さらに、殆どの衝突におい
て、初期起電圧Ｖｏｆは、さらに効率の高い規定電圧Ｖ
ｅの２〜１５倍に当たる４〜３０Ｖの範囲になってお
り、いっそう高い充電効率が得られる規定電圧Ｖｅの４
〜６倍に当たる８〜１２Ｖの範囲の初期起電力Ｖｏｆも
繰り返し得られている。回転錘５３の旋回によって衝突
部６５を繰り返し振動片３１に衝突させて振動片３１に
自由振動を励起する本例の発電装置においても、図１７
に示したように、本発明に係る高効率で発電を行える初
期起電力Ｖｏｆをケース１およびケース２の落下条件で
得ることが可能であり、ユーザーの動きなどを捉えて効
率良く発電ができ、処理装置６に対し稼働可能な電力を
供給できる発電装置を提供することができる。

【００７２】なお、本例の発電装置１０においては、金
属製の支持層（シム層）３６の両側に２層の圧電体層３
２を形成したバイモルフタイプの振動片３１を用いてい
るが、３層以上の圧電体層を積層した振動片であっても
よく、また、ユニモルフタイプの振動片を用いることも
もちろん可能である。

【００７３】図１８に、自由振動を行いながら発電を行
える圧電体を用いた上記とは異なる発電装置を示してあ
る。本例の発電装置１０は、車内などの上下方向に加速
度が変化する箇所に設置して、上下振動を利用して発電
を行える装置である。このため、コイル状に延び、さら
に、左右の方向に対する安定性を確保するために上方が
尖った円錐状に成形された圧電体７０を備えている。こ
のコイル状の圧電体７０の上方の先端７１には重り７８
が装着されており、上下方向の加速度の変化によってこ
の重り７８が変位印加装置として働き、圧電体７０に初
期変位が印加されるようになっている。従って、圧電体
７０はこの初期変位によって起電力が生じ、さらに、上
下方向の加速度の変化が停止しても圧電体７０の弾性と
重り７８によって自由振動が繰り返され継続して電力が
得られるようになっている。圧電体７０に生じた電力
は、圧電体７０の下側の基端７２を支える基板７３から
電力が取り出されるようになっており、整流回路２３を
通ってコンデンサーなどを備えた電力系統に供給するこ
とができる。また、この基板７３を用いて本例の発電装
置１０を車内のダッシュボードなどに取り付けることも
可能である。

【００７４】本例の発電装置１０は、圧電体７０が重り
７８に加わる加速度の方向、すなわち、上下に振動する
車内においては鉛直方向に伸縮するようになっており、
圧電体７０に支持された重り７８も上下方向に動く。従
って、最も発生頻度の高い上下の加速度と同じ方向に重
り７８が動くので、上下方向の振動にレスポンス良く重
り７８が追従でき、圧電体７０を用いて安定した発電を
行うことができる。また、圧電体７０は、細長くコイル
状に成形されているので、重り７８の運動によって与え
られる変位が大きく、十分な発電量を確保できる。さら
に、上述した発電装置と同様に、最も発生頻度の高い上
下方向の加速度によって電力系統の規定電圧Ｖｅの２〜
２０倍程度、さらに望ましくは２〜１５倍程度、いっそ
う望ましくは４〜６倍程度の初期起電圧Ｖｏｆが発生す
るように重り７８を設定しておくことにより、発電効率
を高めることが可能である。

【００７５】本例の発電装置１０は、重り７８のバラン
スを上述したような範囲に設定することにより高効率で
発電を行え、十分な電力を提供することができる。この
ため、例えば、車内に設置されるアクセサリーや電子機
器の電源として好適であり、電力を２次電池を介して電
子温度計などに供給すれば、電子温度計をシガライター
などの車内の電源に接続しなくとも利用できる。さら
に、重り７８に電子温度計などの機能を設ければ、電子
温度計を車内に置いておくだけでその機能を利用でき
る。また、大容量のコンデンサーや２次電池と併用する
ことによって、継続的な動作が要求される電子機器であ
っても本発明の圧電体を用いた発電装置を電源として用
いることができる。さらに、ＲＡＭなどのバックアップ
電源としてのみ電池を用いて、その他の機能については
圧電体を用いた発電装置を電源とするシステムなど多種
多様なシステムも構築できる。

【００７６】〔定常的な変位で振動可能な例〕図１９お
よび図２０に、定常的な変位（振幅）で圧電体を振動し
て発電を行える共振タイプの発電装置の例を示してあ
る。本例の発電装置１０からも処理装置や蓄電装置を備
えたを電力系統２０に電力を供給することが可能であ
り、発電装置１０から供給された電力によって処理装置
６を作動できることはもちろんである。電源系統として
は、上述した腕時計装置などの電子機器３０に基づき説
明した構成と同様のものが採用できるので、本例では説
明を省略する。

【００７７】本例の発電装置１０は、２層の圧電体層３
２が積層されたバイモルフタイプで梁状に形成された振
動片３１を備えており、その先端３３に重り３８が取り
つけられている。この振動片３１に対して、先端３３と
反対側の支持端３４の側に設けられた駆動系８０が変位
印加装置となって振動片３１の固有振動数の振動が励起
できるようになっており、一定の振幅で継続して振動す
るようになっている。駆動系８０は、ほぼ中央の旋回中
心８１を中心に旋回可能な駆動プレート８２を備えてお
り、この駆動プレート８２の一方の端に振動片３１の支
持端３４が固定されている。また、支持端３４と旋回中
心８１を挟んで反対側には受動窓８３が設けられてお
り、この受動窓８３の内部で偏心した位置に回転中心８
５を備えた円柱状の駆動カム８４が受動窓８３と接触し
ながら回転するようになっている。従って、駆動カム８
４が回転すると駆動プレート８２が旋回中心８１を中心
に双方向に繰り返し旋回し、振動片３１の支持端３４を
双方向に駆動する。これによって、振動片３１が支持端
３４に追従して往復動し、さらに、先端３３の重り３８
が動くので振動片３１が強制振動する。従って、振動片
３１の固有振動数と同じ周期で駆動プレート８２を動か
し支持端３４を往復動することにより振動片３１は共振
状態となり機械的なロスの少ない定常的な振動が発生す
る。

【００７８】本例の駆動機構８０においては、ゼンマイ
８８に蓄積された動力を輪列８６を介して増速して駆動
カム８４に伝達し、駆動カム８４が固有振動数と同じ回
転速度で回転できるようにしている。本例の発電装置１
０においては、振動片３１が共振状態で振動するので、
駆動プレート８２を駆動するために必要なエネルギー
は、圧電体層３２によって電気エネルギーに変換されて
失われた分、および、機械的なロスにより失われた分だ
けで良く、共振状態においては機械的なロスは非常に少
なくなるので、ゼンマイ８８に蓄積されたエネルギーの
大部分を電気エネルギーに変換することができる。ゼン
マイ８８は、一定のトルクを長時間にわたり継続して出
力できるので振動片３１を長時間にわたり一定の振幅で
振動させるのに適している。ゼンマイ８８に動力を蓄積
するためには、回転錘を用いてゼンマイを巻くことはも
ちろん可能であり、また、ユーザーがゼンマイを手で巻
くこともできる。さらに、温度差や風力などの自然エネ
ルギーをいったんゼンマイ８８に蓄積して発電を行うこ
とも可能である。

【００７９】さらに、上述したように、振動片３１が定
常状態で振動する場合は、その振幅を開放電圧Ｖｏｍが
電力系統２０の規定電圧Ｖｅの２倍程度になるように設
定することにより振動片３１の発電効率を最大にするこ
とができる。従って、本例の発電装置１０を用いること
により、ゼンマイ８８に蓄積されたエネルギーを非常に
効率良く電気エネルギーに変換し、電力系統に供給する
ことができる。

【００８０】圧電体層を備えた振動片３１を定常状態で
振動させる方法はもちろん本例に限定されるものではな
く、共振周波数で上下に振動する物の上に本例の振動片
３１を固定して強制振動させる方法なども採用可能であ
る。このような場合も、振動片３１の共振時の振幅を電
力系統の規定電圧のほぼ２倍の開放電圧が出力されるよ
うに、すなわち、無負荷状態での起電圧が規定電圧の２
倍となるように設定しておくことにより振動エネルギー
を効率良く電気エネルギーに変換して電力系統に供給す
ることができる。もちろん、本例の発電装置１０におい
ても、振動片３１を鉛直方向に設置するか、あるいは水
平方向に設置するなどの状況の変化によって開放電圧が
常に規定電圧のほぼ２倍に保持できるとは限らない。こ
のようなケースでは、開放電圧が規定電圧の２倍となる
条件で最大の発電効率が得られることを考慮し、規定電
圧のほぼ２倍となる開放電圧が得られるような振幅（変
位）ができるかぎり高頻度で得られるようにすることに
より効率良く振動エネルギーを電気エネルギーに変換す
ることができる。

【００８１】以上に説明したように、圧電体に変位を与
えて発電を行う際の開放電圧を、電力を供給する電力系
統の規定電圧の約２倍程度、あるいは、変位が与えられ
た後に発生する自由振動を用いてさらに発電を継続する
場合は２〜２０倍、さらに望ましく２〜１５倍程度、そ
して、いっそう望ましくは４〜６倍程度に設定すること
により、電力系統に効率良く電力を供給することができ
る。このような本発明の発電方法および発電装置を用い
ることにより、電力系統に十分な電力を供給することが
でき、接続された処理装置を稼働させることができる。
さらに、電力系統に整流装置および大容量コンデンサな
どの蓄電装置を付加することにより、発電装置から供給
された電力を一時的に蓄えて処理装置の電源とすること
も可能であり、安定して処理装置の機能を発揮させるこ
とができる。特に、圧電体を備えた振動片などを用いる
ことにより、自然界のエネルギーやユーザーの動作に基
づくエネルギーを電気エネルギーに変換できるので、発
電装置と処理装置、さらに蓄電装置を一体に搭載するこ
とにより、いつでも何処でも使用できる携帯型の電子機
器を提供することができる。処理装置としては、上記の
例で説明した手首に装着可能な腕時計装置はもちろん、
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
信機などの機能を備えた多種多様な装置を採用すること
が可能である。これらの携帯型機器は小型化でき、ポケ
ットに収納したり、バンドなどにより手首やその他の身
体に装着することが可能であり、身体の動きなどにより
継続的に効率良く発電を行い、その電力でそれぞれの機
能を発揮できる。このため、ユーザーは電池切れを心配
せずに、これらの携帯型の電子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状況であっても携帯
用電子機器の機能を発揮させることが可能となる。ま
た、電池の廃棄などに伴う環境問題も解決できる。

【００８２】なお、上記にて圧電体層を備えた幾つかの
タイプの発電装置を例示してあるが、本発明は上記の例
に限定されるものではなく、例えば、円形バイモフルや
膜状の圧電体、さらには、捩じり方向に変位が印加され
る圧電体など様々な形式の圧電体を用いた発電方法およ
び発電装置に適用できることはもちろんである。また、
圧電体を構成する素材もＰＺＴに限定されず、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
などの単結晶圧電体、さらに、ＰＶＤＦなどの高分子素
材であっても良いことはもちろんである。

【００８３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明により、
圧電体を用いて発電を行う場合は、無負荷状態の開放電
圧が電力を供給する電力系統側の規定電圧のほぼ２倍と
なるときに最も発電効率が高くなることが見いだされ
た。従って、この状態を含めた条件で発電を行うことに
より、効率良く電力系統に電気を供給することが可能と
なる。このため、圧電体を備えた振動子がほぼ定常状
態、すなわち、ほぼ共振状態で振動し発電を継続して行
う発電方法および発電装置においては、振動子の変位
（振幅）を開放電圧が規定電圧のほぼ２倍となるように
設定することが望ましい。

【００８４】さらに、振動子が初期変位が与えられた後
に自由振動を繰り返しながら発電を継続して行う発電方
法および発電装置においては、本発明において、発電効
率の変化を初期変位による開放電圧（初期起電圧）と規
定電圧の比に基づき検討したところ、その比が約２から
２０程度の範囲であれば非常に高い発電効率が得られる
ことが判った。また、初期起電圧と規定電圧の比が約２
から１５程度であることが望ましく、さらに、初期起電
圧と規定電圧の比が約４から６程度のときに最大の発電
効率が得られることが見いだされた。従って、これらの
条件下で圧電体を用いて発電を行うことによって、現実
に携帯用電子機器などの発電装置として適用可能な小型
で高効率の発電装置を提供でき、本発明の発電装置を処
理装置などと共に搭載することによりいつでも何処でも
機能を発揮できる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】圧電体を備えた振動子を振動させて発電を行う
発電装置の一般的な概略構成を説明する図である。

【図２】図１に示す発電装置の出力端が開放された状態
における出力電圧Ｖｏと変位ｕとの関係（ａ）と、印加
力Ｆｏと変位ｕとの関係（ｂ）を示す図である。

【図３】図１に示す発電装置の開放時の印加力Ｆｏと、
出力端が短絡された時の印加力Ｆｓとの関係を示す図で
ある。

【図４】図１に示す発電装置の機械的な効果によるエネ
ルギーと、電気的な効果によるエネルギーとの関係を示
すグラフである。

【図５】図１に示す発電装置の変位ｕおよび電圧Ｖの変
化する様子を示す図である。

【図６】図１に示す発電装置の変位ｕに対する電気的な
効果による力Ｆｅの変化する様子を示す図である。

【図７】図１に示す発電装置の充電効率ηが開放電圧の
初期値（初期起電圧）Ｖｏｆと規定電圧Ｖｅとの電圧比
Ｖｋによって変化する様子を示すグラフである。

【図８】図１に示す発電装置の機械的な損失率が振幅率
によって変化する様子を示すグラフである。

【図９】一定の初期変位を印加可能な発電装置を備えた
腕時計装置の構成例を示す図である。

【図１０】図９に示す発電装置の構成を示す断面図であ
る。

【図１１】図９に示す振動片の近傍を拡大して示す図で
ある。

【図１２】図１１に示す振動片の側面を示す図である。

【図１３】図１１に示す振動片の断面を示す図である。

【図１４】図９に示す腕時計装置の電力系統を示す図で
ある。

【図１５】本発明の発電装置において回転錘の運動エネ
ルギーが伝達される様子を模式的に示す図であり、図１
５（ａ）は単一の振動片に運動エネルギーを与えるモデ
ルを示し、図１５（ｂ）は複数の振動片に運動エネルギ
ーを与えるモデルを示し、図１５（ｃ）は複数の振動片
に連続して運動エネルギーを与えるモデルを示す図であ
る。

【図１６】衝突によって初期変位が与えられる発電装置
を備えた腕時計装置の構成例を示す図である。

【図１７】図１６に示す発電装置においては、衝突回数
と、そのときの初期起電圧との関係を示すグラフであ
る。

【図１８】重りの動きによって初期変位が与えられる発
電装置の例を示す図である。

【図１９】振動片が定常的に振動を行って発電する発電
装置の例を示す図である。

【図２０】図１９に示す発電装置の構成を断面を用いて
示す図である。

【符号の説明】

１・・圧電体２・・振動子８・・電極などの圧電体に発生した電力を供給する手段１０・・発電装置２０・・電力系統２１・・スイッチ２２・・ダイオード２３・・整流装置２４・・コンデンサ２５・・蓄電装置３０・・電子機器（腕時計装置）３１・・振動片（振動子）３２・・圧電体層３３・・振動片の先端３４・・振動片の支持端３５・・電極３６・・シム層３８・・重り５１・・ケース５３・・回転錘５５・・変位印加装置５６・・回転部材５７・・突起５８・・半導体基板５９・・配線６０、８０・・駆動系７０・・コイル状の圧電体７１・・圧電体の先端７８・・重り８２・・駆動プレート８４・・駆動用の偏心カム８８・・ゼンマイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古畑誠長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内 (72)発明者宮崎肇長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体に変位を与え、発生した電力を電
力系統に供給する発電方法であって、前記圧電体に対し、電気的な負荷が接続されていないと
きの電圧である開放電圧が前記電力系統の規定電圧の約
２倍程度となる変位を与える変位印加工程を有すること
を特徴とする圧電体を用いた発電方法。
【請求項２】請求項１において、前記圧電体から電力
が供給される間に、前記変位印加工程が高頻度で繰り返
されることを特徴とする圧電体を用いた発電方法。
【請求項３】圧電体が変位することにより発生した電
力を電力系統に供給する発電方法であって、前記圧電体に対し、電気的な負荷が接続されていないと
きの電圧である開放電圧が前記電力系統の規定電圧の少
なくとも２倍程度となる初期変位を与える変位印加工程
と、この初期変位およびその後の自由振動により前記圧
電体で発生した電力を前記電力系統に供給する電力供給
工程とを有することを特徴とする圧電体を用いた発電方
法。
【請求項４】請求項３において、前記初期変位による
前記開放電圧が、前記規定電圧の約２倍から２０倍の範
囲であることを特徴とする圧電体を用いた発電方法。
【請求項５】請求項３において、前記初期変位による
前記開放電圧が、前記規定電圧の約２倍から１５倍の範
囲であることを特徴とする圧電体を用いた発電方法。
【請求項６】請求項３において、前記初期変位による
前記開放電圧が、前記規定電圧の約４倍から６倍の範囲
であることを特徴とする圧電体を用いた発電方法。
【請求項７】請求項３において、前記圧電体から電力
が供給される間に、前記変位印加工程および前記電力供
給工程が高頻度で繰り返されることを特徴とする圧電体
を用いた発電方法。
【請求項８】圧電体と、この圧電体に変位を与える変
位印加手段と、前記圧電体で発生した電力を電力系統に
供給する手段とを有する発電装置において、前記変位印加手段は、前記圧電体に対し、電気的な負荷
が接続されていないときの電圧である開放電圧が前記電
力系統の規定電圧の約２倍程度となる変位を印加可能で
あることを特徴とする圧電体を用いた発電装置。
【請求項９】請求項８において、前記変位印加手段
は、前記開放電圧が前記規定電圧の約２倍程度となる変
位を高頻度で印加可能であることを特徴とする圧電体を
用いた発電装置。
【請求項１０】圧電体と、この圧電体に変位を与える
変位印加手段と、前記圧電体で発生した電力を電力系統
に供給する手段とを有する発電装置において、前記変位印加手段は、前記圧電体に対し、電気的な負荷
が接続されていないときの電圧である開放電圧が前記電
力系統の規定電圧の少なくとも２倍程度となる初期変位
を印加可能であり、前記圧電体は、前記初期変位によって自由振動が励起さ
れることを特徴とする圧電体を用いた発電装置。
【請求項１１】請求項１０において、前記変位印加手
段は、前記開放電圧が前記規定電圧の約２倍から２０倍
の範囲となる前記初期変位を印加可能であることを特徴
とする圧電体を用いた発電装置。
【請求項１２】請求項１０において、前記変位印加手
段は、前記開放電圧が前記規定電圧の約２倍から１５倍
の範囲となる前記初期変位を印加可能であることを特徴
とする圧電体を用いた発電装置。
【請求項１３】請求項１０において、前記変位印加手
段は、前記開放電圧が前記規定電圧の約４倍から６倍の
範囲となる前記初期変位を印加可能であることを特徴と
する圧電体を用いた発電装置。
【請求項１４】請求項１０において、前記変位印加手
段は、開放電圧が前記規定電圧の少なくとも２倍程度と
なる前記初期変位を高頻度で繰り返し印加可能であるこ
とを特徴とする圧電体を用いた発電装置。
【請求項１５】請求項８に記載の圧電体を用いた発電
装置と、この発電装置から供給された前記電力を整流する手段
と、整流された前記電力を蓄える蓄電手段と、整流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。
【請求項１６】請求項１０に記載の圧電体を用いた発
電装置と、この発電装置から供給された前記電力を整流する手段
と、整流された前記電力を蓄える蓄電手段と、整流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。