JPH1056785A

JPH1056785A - 発電装置および携帯電子機器

Info

Publication number: JPH1056785A
Application number: JP8210331A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Funasaka; 司舩坂; Hajime Miyazaki; 肇宮崎; Taiji Hashimoto; 泰治橋本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1998-02-24
Anticipated expiration: 2016-08-08
Also published as: JP3500862B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電体層を備えた振動片を加振して発電を行
う小型・携帯型の装置に適した発電装置において、機械
的な損失が少なく発電能力の高い発電装置を提供する。【解決手段】圧電体層２２を備えた振動片２１を台盤
１ａとの間に挟んで固定する取付部材３１の取付面３１
ａと振動片２１の上面２１ａの隙間、振動片の下面２１
ｂと台盤１ａの設置面１ｂとの隙間に硬質の微粒子を含
んだシール層４０を設け、隙間やそれぞれの面の微小な
凹凸を微粒子で埋めて固定部分の剛性を向上し、固定部
分からの振動漏れが少なく、機械的なロスによる減衰の
少ない振動片を実現する。機械的なロスを少なくできる
ので、振動片２１における発電能力を向上でき、十分な
電力を供給可能な発電装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

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

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの発電装置にお
いては、腕時計の回転錘などの運動エネルギーによって
圧電体を備えたレバーに振動が励起され、振動の機械エ
ネルギーがその時の歪み分の電気機械結合係数ｋｖ² に
よって電気エネルギーに変換される。さらに、回転錘の
運動エネルギーがレバーに対し振動エネルギーとして伝
達され、レバーが振動することにより繰り返し歪みが発
生し、その機械エネルギーを電気エネルギーに変換でき
るので発電効率を比較的高くできる。しかしながら、レ
バーに蓄積された機械エネルギーの全てが電気エネルギ
ーに変換できるのではなく、レバー内部の摩擦や、空気
抵抗など様々な要因によってエネルギー損失が発生す
る。このような圧電体素子を用いた発電装置によって、
時計装置などの処理装置を実際に動かすには十分な発電
量を得る必要があり、そのためには、電気機械結合係数
ｋｖ² を高くすることはもちろん、振動中に発生する機
械的な損失をできるかぎり低減することが重要である。

【０００４】このため、本発明においては、振動片を固
定し支持する部分からの振動漏れを防止することによ
り、振動時の機械的な損失を低減することを目的として
いる。振動漏れを防止することにより振動片における機
械エネルギーの損失を低減し、振動片から出力可能な電
力量を増加し、さらに、回転錘などの運動エネルギーを
効率よく電気エネルギーに変換できる発電装置を提供す
ることを目的としている。そして、発電能力が高く、腕
などの動きによって十分な発電量を確保できる発電装置
を実現することにより、発電装置から供給される電力に
よって何処でも処理装置を駆動でき、その機能を発揮さ
せることができる携帯電子機器を提供することを目的と
している。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、台盤
などの固定手段と振動片の隙間、および固定手段の面粗
さ、あるいは、振動片の固定手段に面した領域の面粗さ
によって生ずる振動漏れを抑制し、振動時の機械的な損
失を低減することによって発電装置の発電能力を高めら
れるようにしている。すなわち、本発明の発電装置は、
圧電体層を備えた振動片と、この振動片の少なくとも一
箇所を振動方向と平行な方向から挟み込んで固定する固
定手段と、振動中の圧電体層で発生した電力を出力する
出力手段とを有しており、固定手段と振動片との間に、
硬質の微粒子を備えたシール層が形成されていることを
特徴としている。このようなシール層を設けることによ
って、固定手段と振動片の隙間、固定手段あるいは振動
片の表面の微細な凹凸を同程度の強度の微粒子によって
埋めることができるので、固定手段によって挟み込んだ
固定部分の剛性を高くすることができる。従って、固定
部分における振動漏れを低減できるので、振動時の振動
片からのエネルギー損失を低くでき、Ｑ値を高くでき
る。従って、振動片の圧電体層によってより多くの機械
エネルギーを電気エネルギーに変換できるので、圧電体
層による発電効率の高い発電装置を実現できる。

【０００６】絶縁性のシール層を採用することにより、
固定手段と振動片を絶縁できるので、固定手段として導
電性の部材、例えば、金属などを用いることも可能にな
る。もちろん、セラミックなどの絶縁性の部材を用いる
ことも可能である。絶縁性のシール層としては、硬質の
微粒子としてセラミック系の素材、例えば、ガラスの微
粒子を採用でき、また、微粒子を展開するバインダとし
てはエポキシなどの有機材を採用することができる。ま
た、硬質の微粒子に銀などの金属を採用することも可能
であり、金属粒子は、展性があるので微小な凹凸に適合
し易く、固定手段や振動片の隙間を埋めやすいというメ
リットがある。また、金属粒子を採用することにより、
導電性のあるシール層を形成することも可能である。さ
らに、金属粒子とセラミック系の粒子を混在させること
も可能である。例えば、銀ペーストを用いてシール層を
形成することにより、振動片のＱ値を大幅に高めること
ができる。

【０００７】また、シール層は、固定手段あるいは振動
片の表面の凹凸を埋めれる程度の厚みは必要であり、そ
の一方で、シール層自体の内部摩擦などによるエネルギ
ー損失を防止するためにはシール層は薄い方が望まし
い。台盤などの金属製の固定手段を採用した場合、その
表面粗さは１０μｍ程度なので、シール層の厚みが約１
０μｍから２０μｍ程度とすることが有効である。

【０００８】さらに、固定手段としては、凹みに振動片
を差し込んで振動片の両面を挟み込んで固定するもの
や、平らな台盤に対し振動片の一方の平面を他方の面か
ら接触面積の小さな部材で押圧して固定するものなど多
くのタイプがある。本発明により、シール層を設けるこ
とにより接触面積を大きくしても剛性を保持できる。従
って、台盤に対し振動片の他方の面を接触面積の大きな
平板部材によって強い力で押圧し、固定部分の剛性を高
めて振動損失を低減することができる。このため、平板
部材の幅を振動片の幅とほぼ同じ、またはそれ以上にす
ることが可能であり、固定部分に印加する力を増大でき
るので、さらに振動漏れを小さくできる。平板部材を広
くすると、均一に振動片に接触させることが難しくな
る。そこで、振動片の他方の面に接触する圧迫部と、こ
の圧迫部の両側を台盤に固定する支持部とを備えた平板
部材においては、圧迫部と支持部との境界近傍の振動片
の反対側に切り欠きを設けておくことにより、圧迫部の
中央部分が振動片から離れるような歪みの発生を未然に
防止でき、より均一な圧力で振動片を固定することがで
きる。従って、振動片に定常的で安定した振動を励起で
き、スプリアス振動などによる損失を低減できる。

【０００９】このような平板部材をネジやリベットなど
の平板部材と振動片を貫通して台盤に到達する部材によ
って固定する場合は、振動片を貫通する部分に絶縁材を
封止し、ネジやリベットにより不用意に圧電体層が短絡
されないようにすることが望ましい。絶縁性のシール層
を採用する場合は、シール層と同一の素材を封入するこ
とによりネジやリベットなどから圧電体層を絶縁でき
る。また、レーザーなどを用いて支持部を台盤に対し溶
接することも可能である。

【００１０】発電装置を収納するケース本体の一部を台
盤として利用することも可能であり、剛性の高い固定手
段を容易に得ることができる。また、台盤と接触する領
域の圧電体層を幅方向に広げて固定部分を形成し、圧電
体層で振動片を固定することも可能である。さらに、平
板状のシム材の両面あるいは片面に圧電体層が設けられ
ている振動片においては、シム材を幅方向に広げ、シム
材で振動片を固定することも可能である。

【００１１】本発明においては、上記の手段により固定
部分の剛性を高めて振動漏れによるエネルギー損失を防
止できるようにしている。従って、本発明により発電能
力の高い発電装置を実現でき、腕装着タイプなどの携帯
型のケースに本発明の発電装置と、この発電装置から出
力された電力によって作動可能な処理装置を搭載するこ
とにより、何時でも何処でも処理装置の機能を発揮で
き、外部からの電力供給が不要で電池交換もいらない携
帯型電子機器を提供することが可能になる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

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

【００１３】本例の腕時計装置１０に用いられている発
電装置２０は、片持ち梁（カンチレバー）状にケース１
に固定された振動片２１を備えている。ケース１には、
振動片２１を設置し易いように台盤状に突出した部分１
ａが設けられており、この台盤部分１ａに振動片２１の
一方の端（固定端）２４を固定装置３０によって固定で
きるようになっている。本例の振動片２１の両側に圧電
体部２２が設けられており、振動片２１が振動すると、
これらの圧電体部２２ａおよび２２ｂが繰り返し変位し
て発電が行われる。また、振動片２１の先端（自由端）
２３には重り２５が取り付けられており、先端の重り２
５に駆動系１１によって打撃が与えられることにより振
動片２１が加振されるようになっている。駆動系１１に
よって加振されると、振動片２１に運動エネルギー（機
械エネルギー）が駆動系１１から伝達され、振動片の先
端が自由端２３となり、台盤１ａに固定装置３０で固定
された側が支持端２４となって自由振動が励起される。
そして、振動による変位が圧電体部２２によって電気エ
ネルギーに変換され、起電力が発生する。この起電力が
電力の出力手段である出力線２ａおよび２ｂによって整
流回路２に供給され、処理部６の作動エネルギーとな
り、あるいは、蓄電部５に充電される。

【００１４】本例の駆動系１１は、ケース１の内部で回
転運動を行う回転錘１３を備えており、ユーザーの腕に
装着された際にこの回転錘１３がユーザーの腕や体の動
きなどと連動して回転し、その力を運動エネルギーに変
換し、さらに、その運動エネルギーを振動片２１に伝達
して振動片２１に振動を与えられるようになっている。
このため、本例の駆動系１１は回転錘１３の運動を振動
片の先端の重り２５に伝達する輪列を備えており、ま
ず、回転錘１３の動きは、回転錘車１４によって中間車
１５に伝達され増速される。この中間車１５および後述
する歯車やカムは、ケース１内で駆動系１１を支持する
地板１２と、回転錘１３を支持する回転錘受１６に挟ま
れて狭い空間にも輪列を構成できるようにしている。中
間車１５の動きはカム駆動車１７に伝達され、このカム
駆動車１７によってカム１９が左右に駆動され、カム１
９の振動片の重り２５の内部に納めれた突出部１８が動
く。従って、ユーザーが腕や体を動かすことによって回
転錘１３に回転力が与えられるとその力によってカム１
９が左右に振動し、カム１９の突出部１８が振動片の重
り２５に対し左右に打撃を与える。この打撃によって、
振動片２１に変位が与えられ、振動片２１が振動を開始
し、その振動によって圧電体部２２に起電力が発生す
る。なお、本例の駆動系１１に用いられているカム１９
には、駆動系の負荷を小さくするために慣性モーメント
の小さな柄タイプのカムが採用されている。また、カム
１９を小型化できるようにカム駆動車１７を中間車１５
に加えて設けてある。

【００１５】図２に、本例の発電装置２０の詳細を示し
てあり、また、図３に、発電装置２０の固定装置３０の
近傍の構成を断面を用いて示してある。本例の発電装置
２０は、振動片２１と、この振動片２１を台盤１ａと挟
み込んで共に固定する固定装置３０とを備えており、振
動片２１で発生した電力を電力線２ａおよび２ｂによっ
て出力できるようになっている。振動片２１は、固定装
置３０によって台盤１ａに固定された固定端２４から重
り２５のついた自由端２３に向かって一定の幅で延びた
板形状である。本例の振動片２１は、中心に燐青銅など
の金属製の支持層（シム材）２６をを備えており、この
シム材２６の両面に圧電体層２２ａおよび２２ｂがそれ
ぞれ形成されたサンドイッチ構造である。これらの圧電
体層２２ａおよび２２ｂの表面には、固定端２４の側の
固定装置３０と接触する領域から自由端２３にわたって
電極２７が設けられている。本例の振動片２１は、先端
についたコ字型の重り２５の内部がカムの突出部１８に
よって打撃されるので、矢印Ａで示す上下方向に振動す
る。そして、本例の振動片２１は、振動方向と直角な方
向に広い板状になっているので、振動方向には比較的柔
らかく、振動と直交する方向には比較的固い構造となっ
ている。このため、カム１９によって印加された上下方
向Ａの打撃によって上下方向Ａに安定した振動が励起さ
れるようになっている。

【００１６】本例の振動片２１は、シム材２６の両側に
自由端２３から固定端２４の側まで延びた圧電体層２２
ａおよび２２ｂが設けられており、さらに、固定装置３
０が圧電体層２２ａおよび２２ｂ自体も含めた振動片２
１の一方の端を剛性の高いケース１の台盤１ａに固定し
ている。従って、振動したときに最も歪みが大きくなる
振動片２１の根元の部分は圧電体部２２ａおよび２２ｂ
によって覆われており、その根元の部分の歪みエネルギ
を圧電体部２２ａおよび２２ｂによって電気エネルギに
変換できるようになっている。このため、同じ自己減衰
率を持った梁状の振動片であっても、１回の変位で取り
出す電気エネルギを大きくでき、変換効率、すなわち、
発電効率の高い発電装置である。この振動片２１の固定
端２４の固定装置３０から自由端２３の側に向かって延
びた根元の部分は、振動漏れが生じ易く、振動時の歪み
エネルギが漏れやすい部分である。そこで、本例の発電
装置においては、エネルギー漏れが発生し易い部分、す
なわち、変位が大きくなる部分に上記のように圧電体部
を設け、その圧電体部内に蓄積された歪みエネルギを圧
電体部２２ａおよび２２ｂによって利用すると共に、さ
らに、圧電体層２２ａおよび２２ｂの固定端２４を強固
に固定して振動漏れによる機械的なエネルギーの損失を
抑止している。さらに同時に、固定端２４を強固に固定
することにより、振動片２１が振動する際の固定端２４
の近傍領域の圧電体層２２ａおよび２２ｂの変位をより
大きくして発電効率を向上できるようにしている。

【００１７】そのため、図２に示すように、振動片２１
の固定端２４を台盤１ａと面で挟み込むタイプの平板状
の取付部材３１を備えた固定装置３０を採用している。
台盤１ａの平らな設置面１ｂと、取付部材３１の平らな
取付面３１ａで振動片２１の固定端２４を挟み込んで固
定することにより、固定端２４の広い領域にほぼ均等の
大きな力を与えて固定できるので、固定端２４の動きを
押さえ、振動漏れを抑止することが可能になる。しかし
ながら、振動片２１の両面２１ａおよび２１ｂ、台盤１
ａの設置面１ｂおよび取付部材３１の取付面３１ａを凹
凸のない完全な平面で形成するのは非常に困難であり、
コストもかかる。さらに、取付部材３１によって振動片
２１を固定する際に印加される力によってこれらの面に
変形が生ずることもある。そこで、本例においては、図
３に示すように、設置面１ｂと振動片の平面２１ｂとの
間、および平板部材３１の取付面３１ａと振動片の平面
２１ａとの隙間にシール層４０を設けて振動漏れを防止
している。

【００１８】さらに、シール層４０は、設置面１ｂ、振
動片の平面２１ｂおよび２１ａ、および平板部材３１の
取付面３１ａの歪みや表面粗さを埋めることにより、振
動片２１の固定端２４の剛性を高められ、定常的な振動
が振動片２１に励起でき、その振動の漏れを防止できる
ことが望ましい。このためには、面と面の微小な隙間
や、表面の微小な凹凸に侵入できると共に、それらの部
分の剛性を高く保ち、シール層が振動によって大きく変
位してしまいエネルギーがロスされるのを防止する必要
がある。そこで、本例においては、図４に示すように、
媒体であるバインダ４１に硬質の微粒子４２が含有され
た素材を用いてシール層４０を形成することにより、微
小な隙間や凹凸を埋めるという機能と、剛性を保つとい
う機能の両立を図っている。バインダ４１には、流動性
があり、ある程度の強度も発揮できるエポキシなどの有
機系の樹脂が適している。また、硬質の微粒子４２とし
ては、セラミック系、あるいは金属系のものを採用でき
る。これらの微粒子は、台盤１ａ、取付部材３１、ある
いは振動片２１とほぼ同程度の硬さのものを選択できる
ので、固定装置３０から振動片２１までを一体で成形し
たものに近い剛性が得られ、振動片２１を固定装置３０
で固定した固定部分の機械的な損失の少ない発電装置２
０を得ることができる。硬質の微粒子４２としてセラミ
ック系、例えば、ガラスなどを採用すれば、シール層４
０で固定装置３１あるいは台盤１ａと振動片２１を絶縁
することができる。また、銀などの金属粒を採用する
と、金属としての展性を期待できるので、粒子径よりも
小さな隙間や凹凸を埋めることが可能であり、より剛性
を高めることができる。さらに、銀などの層にはポアー
が非常に多いため、圧力がかかると銀の展性によりポー
ラスな層が潰れて隙間が埋められること考えられる。ま
た、金属粒の含有量によっては、シール層４０に導電性
を持たせ、固定装置３１あるいは台盤１ａと振動片２１
をシール層４０を介して電気的に接続することも可能で
ある。もちろん、セラミック系の粒子と、金属性の粒子
を混在させることも可能である。

【００１９】シール層４０は、例えば、ガラスペースト
や、金属ペーストとして市販されている素材を用いるこ
とも可能である。一例として、図５に、ＰＺＴ（商標）
からなる振動片（長さ１３ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ０．５
ｍｍ）の固定端を３ｍｍ固定した発電装置において、銀
ペーストを４００〜６００°Ｃで焼成した（１５μｍ程
度の）シール層を設けた発電装置のＱ値（実線）と、設
けなかった発電装置のＱ値（破線）とをインピーダンス
アナライザーで計測した結果を示してある。本図から判
るように、シール層４０を設けることにより、Ｑ値は２
倍程度に改善され、振動漏れによる振動エネルギーの減
衰を抑止できる。従って、振動片２１で電気エネルギー
に変換されるエネルギー量を増加できるので、出力され
る電力量を増加でき、発電装置２０の発電効率を向上で
きる。

【００２０】圧電体層２２あるいは電極２７からなる振
動片２１の表面の表面粗さは２μｍ程度であり、経済的
な機械加工された台盤１ａあるいは取付部材３１の表面
粗さは５〜１０μｍ程度あるいはそれ以下であることが
多い。従って、これらの表面を合わせたときの歪みおよ
び凹凸を埋めるためには、約５〜２０μｍの厚さ（ｔ）
のシール層４０を設けておくことが望ましい。５μｍと
比較し、非常に薄いシール層では、表面の凹凸や歪みを
埋めることが難しくなる。一方、２０μｍと比較し、非
常に厚いシール層４０では、シール層を構成する粒子の
移動やバインダの流動などによって内部摩擦などが発生
し、シール層自体によるエネルギー損失が大きくなって
しまう。

【００２１】図２に戻って、このように、本例の発電装
置２０は、シール層４０を設けることにより、平板状の
取付部材３１を用いて強固に振動片２１を台盤１ａに固
定できるようになっている。さらに、本例の取付部材３
１は図３に示した取付面３１ａが振動片２１の幅一杯を
用いて広い面積で固定できるように広がっており、この
ため、取付部材３１は、振動片２１の上面２１ａを圧迫
する平面的な圧迫部分３２と、この圧迫部分３２の両端
３２ａおよび３２ｂを台盤１ａに固定する支持部分３３
ａおよび３３ｂを備えている。このような、平面的な圧
迫部分３２を両端３２ａおよび３２ｂで引っ張って固定
する取付部材３１は、圧迫部分３２の中央が両端と反対
側に歪み易くなる。従って、圧迫部分３２の中央に振動
片２１の表面２１ａとの間に大きな隙間ができてしま
い、固定端２４の剛性が不足し易くなり、また、シール
層４０の厚みが増加してシール層での損失が発生し易く
なる。そこで、本例においては、圧迫部分３２の取付面
３１ａと反対側の支持部分３３ａおよび３３ｂとの境界
の近傍に振動片２１に沿って延びた切り欠き３５ａおよ
び３５ｂを設けてある。この切り欠き３５ａおよび３５
ｂにより、支持部分３３ａおよび３３ｂによって引っ張
られても圧迫部分３２は歪み難くなるので、振動片２１
との隙間を小さくでき、固定端２４で発生するエネルギ
ー損失を低減できる。また、このような切り欠き３５ａ
および３５ｂを設けることにより取付面３１ａが振動片
の上面２１ａと密着し易くなるので取付面３１ａの面精
度が多少悪くても十分な強度で振動片２１を固定できる
というメリットもある。さらに、図２に示した固定装置
３０では、支持部分３３ａおよび３３ｂを台盤１ａに対
しほぼ垂直になるようにしているが、圧迫部分３２が狭
くなった台形状に支持部分３３ａおよび３３ｂを成形す
ることも可能である。

【００２２】さらに、本例の取付部材３１は、支持部分
３３ａおよび３３ｂが台盤１ａに対しレーザー溶接３９
で固定されている。支持部分３３ａおよび３３ｂはネジ
やリベットなどで台盤１ａに固定することも可能である
が、レーザー溶接などの溶接技術を用いることにより、
ネジなどの部品点数が増加するのを防止でき、さらに、
溶接長さによって取付部材３１を台盤１ａに固定する力
も増加できる。また、ネジ止めなどと比較し、取付部材
３１の位置を台盤１ａに対し合わせやすくなり、また、
いったん固定した後に位置ずれが発生することがない。
このため、台盤１ａの自由端２３の方向の縁１ｃと、取
付部材３１の自由端２３の方向の縁３１ｃの位置を合わ
せることも容易であり、振動片２１が振動したときの振
動方向によるバランスを一定に保ち振動損失の少ない発
電装置２０を提供することができる。また、本例におい
ては、腕時計型の装置では剛性が最も高いケース１の一
部を台盤１ａとして採用しており、台盤１ａで発生する
歪みなどによるエネルギー損失をできるだけ少なくして
いる。もちろん、駆動系１１と同様に地板１２の一部を
台盤として用いることも可能である。

【００２３】また、図２および図３に示した発電装置２
０においては、絶縁性のシール層４０が用いられてお
り、対峙した方向に分極した圧電体層２２ａおよび２２
ｂに発生した電力はシム材２６を介して直列に接続さ
れ、振動片２１の上面２１ａの電極と下面２１ｂの電極
に現れる。従って、台盤１ａに出力用の電極９ａおよび
９ｂを用意し、上面２１ａの電極２７と電極９ａをボン
ディングワイヤ９ｃで接続し、また、電極９ｂを振動片
２１に接触する位置まで延ばして下面２１ｂの電極２７
と接続できるようにしている。従って、電力線２ａおよ
び２ｂを台盤１ａの上に用意された電極９ａおよび９ｂ
に接続することにより、発電装置２０から電力を取り出
すことができる。

【００２４】なお、本例の発電装置２０においては、取
付部材３１あるいは台盤１ａはシール層４０によって絶
縁されているので、金属性の部材を用いて構成すること
が可能である。また、セラミック系の剛性が高く、絶縁
性も高い部材を用いて取付部材３１や台盤１ａを構成す
ることも可能である。

【００２５】〔第２の実施の形態〕図６に本発明の異な
る実施の形態に係る発電装置２０の概要を示してある。
本例の発電装置２０は圧電体層２２ａおよび２２ｂが直
に積層された振動片２１を振動することにより電力を供
給できる発電装置であり、上記にて示した発電装置と同
様に回転錘などの運動エネルギーを伝達することにより
電力を発生し、整流回路などに供給することができる。
なお、以降においては、上記にて説明した部分と共通す
る部分には同じ符号を付して説明を省略する。

【００２６】本例の振動片２１を台盤１ａに固定する固
定装置３０は、平板状の取付部材３１がその中央で振動
片２１を貫通するネジ３８によって台盤１ａに取りつけ
られている。そして、取付部材３１の取付面３１ａと振
動片２１の上面２１ａ、および台盤１ａの設置面１ｂと
振動片２１の下面２１ｂとの隙間にシール層４０が形成
されている。従って、本例においても、振動片２１のほ
ぼ幅いっぱいの取付部材３１を用いて振動片２１を平面
的に挟み込んで固定することができ、シール層４０を用
いて歪みや微小な凹凸による振動漏れを防止できるの
で、振動片２１に定常的で機械的なロスによる減衰の少
ない振動を励起できる。従って、本例の発電装置２０も
発電効率が高く、大きな電力を供給することができる発
電装置である。

【００２７】また、本例においては、振動片２１を貫通
するようにネジ３８が設置されているので、ネジ３８に
よって上下の圧電体層２２ａおよび２２ｂが導通するの
を防止する必要がある。このため、図７に示すように、
ネジ３８の周囲に絶縁層４５を形成し、この絶縁層４５
をシール層４０と同一の素材で満たすことができる。同
一の素材で満たすことにより、ネジ３８と圧電体層２２
ａおよび２２ｂとの隙間や、それぞれの微小な凹凸も強
度の高い微粒子で埋めることができるので、ネジ３８回
りの構成に伴う機械的なエネルギー損失も抑止すること
ができる。

【００２８】〔第３の実施の形態〕図８および図９に本
発明の異なる実施の形態に係る発電装置２０の概要を示
してある。本例の発電装置２０は圧電体層２２ａおよび
２２ｂが直に積層された振動片２１を振動することによ
り電力を供給できる発電装置であり、上記にて示した発
電装置と同様に回転錘などの運動エネルギーを伝達する
ことにより電力を発生し、整流回路などを介して処理装
置に供給し作動させることができる。

【００２９】本例の振動片２１を台盤１ａに固定する固
定装置３０は、圧電体層２２ａおよび２２ｂ自体で構成
されて、振動片２１の台盤１ａに取りつけられる部分、
すなわち、固定端２４が台盤１ａに沿って幅方向が広が
って固定部分３７となっている。そして、固定部分３７
に複数のネジ３８を設置して台盤１ａに強固に固定でき
るようになっている。ネジ３８と圧電体層２２ａおよび
２２ｂとの間に上記と同様の絶縁層を設けることによ
り、ネジ３８近傍の絶縁性を確保でき、同時にネジ３８
近傍におけるエネルギー損失を抑制することができる。
さらに、台盤１ａの設置面１ｂと振動片２１の下面２１
ｂとの隙間にはシール層４０を設けてあるので、面積が
広くなっても密着性を高くできる。従って、固定部分の
剛性を上げられるので、Ｑ値の高い振動片２１を得るこ
とができる。

【００３０】このような振動片２１を用いた発電装置２
０は、振動片２１自体に固定部分３７を設けてあるの
で、取付部材を設置する必要がなく、台盤１ａからの高
さを低くすることが可能であり、発電装置２０をコンパ
クトに纏めることができる。そして、固定部分３７から
の振動漏れを最小限に抑えられるようにしてあるので、
発電効率が高く、大きな電力を得ることができる。ま
た、本例の振動片２１においては、振動による変位が発
生しない固定部分３７に電極２７と接続された幅の狭い
接続用電極２８を設けてあり、振動片２１に発生した電
荷を効率良く出力できるようにしてある。

【００３１】〔第４の実施の形態〕図１０および図１１
に本発明の異なる実施の形態に係る発電装置２０の概要
を示してある。本例の発電装置２０は圧電体層２２ａお
よび２２ｂがシム材２６の両側に形成されたサンドイッ
チ形式の振動片２１であり、上記にて示した発電装置と
同様に回転錘などの運動エネルギーを伝達することによ
り電力を発生し、整流回路などを介して処理装置に供給
し作動させることができる。

【００３２】本例の振動片２１を台盤１ａに固定する固
定装置３０は、シム材２６で構成されて、振動片２１の
台盤１ａに取りつけられる部分、すなわち、固定端２４
のシム材２６が台盤１ａに沿って幅方向が広がって固定
部分３６となっている。そして、固定部分３６の圧電体
層を挟んで両側に複数のネジ３８を設置して台盤１ａに
強固に固定できるようになっている。さらに、台盤１ａ
の設置面１ｂと振動片２１の下面２１ｂとの隙間にはシ
ール層４０を設けて剛性を上げ、高いＱ値が得られるよ
うにしている。

【００３３】本例の振動片２１は、図１１に示すように
分極方向が同一方向を向いたパラレルタイプの圧電体層
２２ａおよび２２ｂによって構成されており、台盤１ａ
に設けられた電極９ｂは、台盤１ａに延びたシム材２６
の固定部分３６に接触するようになっている。また、他
方の電極９ａは、振動片２１の上面２１ａの電極に接続
するようになっており、さらに、下面２１ｂの電極とは
ボンディングワイヤー９ｃによって接続されている。

【００３４】このような振動片２１を用いた発電装置２
０は、上記の第３の実施の形態と同様に振動片２１自体
に固定部分３６を設けてあるので、取付部材を設置する
必要がなく、台盤１ａからの高さを低くすることが可能
であり、発電装置２０をコンパクトに纏めることができ
る。そして、固定部分３６からの振動漏れを最小限に抑
えられるようにしてあるので、発電効率が高く、大きな
電力を得ることができる。

【００３５】このように、以上に説明した本発明に係る
発電装置は、振動片の固定部分の剛性を上げることが可
能なので、固定部分からの振動漏れを防止でき、Ｑ値が
高く減衰率の低い振動系を構成できる。従って、回転錘
などから駆動系を介して与えられた機械的エネルギーを
少ない損失で電気エネルギーに変換することができ、発
電効率の高い発電装置を提供できる。このため、発電装
置から得られる電力も大きくなり、実際に、腕時計程度
の携帯に適した大きさで計時装置などの処理装置を駆動
できる電力を供給可能な圧電体を用いた発電装置を実現
できる。

【００３６】なお、上記では、２つの圧電体層２２ａお
よび２２ｂの２層が積層された振動片２１を用いた発電
装置を例に説明したが、圧電体層が１層の振動片であっ
ても良く、また、３層以上に圧電体層が積層された振動
片を用いることももちろん可能である。さらに、片持ち
タイプの振動片に限定されることはなく、両持ちタイプ
やコイルバネ型などの振動片であっても固定部分の剛性
を向上することにより機械的なエネルギー損失を低減す
ることができる。また、圧電体層を構成する素材はＰＺ
Ｔ（商標）、チタン酸バリウム系やチタン酸鉛系などの
セラミック素材、水晶やニオブ酸リチウム等の単結晶、
さらにＰＶＤＦ等の高分子素材などを用いることが可能
である。また、シール層４０は、振動片に固定装置を装
着した後に、焼成してバインダを消失させることも可能
である。

【００３７】また、本発明は上記で説明した時計装置な
どの腕装着型の携帯型機器に限定するものではない。本
発明は小型で発電能力の高い発電装置を提供できるの
で、他の小型で携帯型の電子機器に内蔵される発電装置
として好適であり、例えばページャー、電話機、無線
機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報端末、
ＩＣカード、ラジオ受信機などに本発明の発電装置を適
用することが可能である。そして、これらの携帯型機器
に本発明の発電装置を採用することにより、人間の動き
などを捉えて効率良く発電を行い、電池の消費を抑制し
たり、あるいは電池その物を不要にすることも可能であ
る。従って、ユーザーは電池切れを心配せずに、これら
の携帯型機器を使用することができ、電池切れによって
メモリーに記憶した内容が失われるなどのトラブルも未
然に防止できる。さらに、電池や充電装置が容易に入手
できない地域や場所、あるいは災害などによって電池の
補充が困難な事態であっても携帯電子機器の機能を発揮
させることが可能となる。

【００３８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、硬質の微粒子を備えたシール層によって固定装置と
振動片との間の隙間や、接触面の微小な凹凸を埋められ
るようにしており、面と面との接触によって振動片を強
固に固定できるようにして固定部分の剛性を上げられる
ようにしている。固定部分の剛性を上げることにより、
振動漏れを防止でき、また、より定常的な振動を発生さ
せることができるので、機械的なロスによる減衰を極力
抑え、発電効率の高い発電装置を提供することができ
る。また、固定部分の面積が広くなっても、シール層を
設けることにより、それらをほぼ均一に接触させて十分
な固定強度を得ることができるので、振動片自体に固定
部分を設け、薄くコンパクトな発電装置を実現すること
も可能になる。従って、薄くコンパクトで、さらに、発
電効率が高く、腕などの動きによって十分な発電量を確
保できる発電装置を提供することができる。そして、本
発明の効率の良い発電装置から得られた電力により電気
的な様々な処理を行える携帯電子機器が実現でき、何処
でも機能を発揮させることができる携帯電子機器を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電体層を備
えた振動片を有する発電装置と、携帯電子機器の概略構
成を示す図である。

【図２】図１に示す発電装置を拡大して示す斜視図であ
る。

【図３】図１に示す発電装置の固定部分を拡大して示す
断面図である。

【図４】図３に示す固定部分のシール層の部分をさらに
拡大して示す断面図である。

【図５】シール層を採用することによりＱ値が変化する
一例を示すグラフである。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係る発電装置を示
す斜視図である。

【図７】図６に示す発電装置の固定部分を拡大して示す
断面図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態に係る発電装置を示
す斜視図である。

【図９】図８に示す発電装置の固定部分を拡大して示す
断面図である。

【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る発電装置を
示す斜視図である。

【図１１】図１０に示す発電装置の固定部分を拡大して
示す断面図である。

【符号の説明】

１・・ケース１ａ・・台盤２・・整流回路４・・蓄電回路６・・処理装置１０・・携帯型機器１１・・駆動系１２・・地板１３・・回転錘１５・・中間車１７・・カム駆動車１９・・カム２０・・発電装置２１・・振動片２１ａ、２１ｂ・・振動片の表面２２・・圧電体層２３・・振動片の自由端２４・・振動片の固定端２５・・振動片の先端についた重り２６・・シム材２７、２８・・電極３０・・固定装置３１・・取付部材３２・・圧迫部分３３・・支持部分３５・・切り欠き３６・・シム材による固定部分３７・・圧電体による固定部分３８・・ネジ３９・・溶接４０・・シール層４１・・粒子４２・・バインダ４５・・絶縁層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体層を備えた振動片と、この振動片の少なくとも一箇所を振動方向と平行な方向
から挟み込んで固定する固定手段と、振動中の前記圧電体層で発生した電力を出力する出力手
段とを有し、前記固定手段と前記振動片との間に、硬質の微粒子を備
えたシール層が形成されていることを特徴とする発電装
置。
【請求項２】請求項１において、前記シール層は絶縁
性であることを特徴とする発電装置。
【請求項３】請求項１において、前記硬質の微粒子は
ガラスであることを特徴とする発電装置。
【請求項４】請求項１において、前記硬質の微粒子は
金属であることを特徴とする発電装置。
【請求項５】請求項１において、前記シール層は前記
微粒子を展開する有機系のバインダを備えていることを
特徴とする発電装置。
【請求項６】請求項１において、前記シール層の厚み
が約５μｍから２０μｍ程度であることを特徴とする発
電装置。
【請求項７】請求項１において、前記固定手段は、前
記振動片の一方の面に接触する台盤と、この台盤に対し
前記振動片の他方の面を固定する平板部材とを有するこ
とを特徴とする発電装置。
【請求項８】請求項７において、前記平板部材の幅が
前記振動片の幅とほぼ同じ、または広いことを特徴とす
る発電装置。
【請求項９】請求項７において、前記平板部材と前記
振動片を貫通して前記台盤に到達する部材によって前記
平板部材が前記台盤に固定されており、前記振動片を貫
通する部分に絶縁材が封止されていることを特徴とする
発電装置。
【請求項１０】請求項７において、前記平板部材は前
記振動片の他方の面に接触する圧迫部と、この圧迫部の
両側を前記台盤に固定する支持部とを備えており、前記
圧迫部と前記支持部との境界近傍の前記振動片の反対側
に切り欠きが形成されていることを特徴とする発電装
置。
【請求項１１】請求項１０において、前記支持部が前
記台盤に対し溶接されていることを特徴とする発電装
置。
【請求項１２】請求項７において、前記発電装置を収
納するケース本体を有し、前記台盤は前記ケース本体の
一部であることを特徴とする発電装置。
【請求項１３】請求項７において、前記平板部材は絶
縁部材であることを特徴とする発電装置。
【請求項１４】請求項１において、前記振動片は、１
層または複数層の前記圧電体層によって構成されてお
り、前記固定手段は、前記圧電体層の一方の面に接触す
る台盤と、この台盤と接触する領域の前記圧電体層が幅
方向に広がった固定部分とを備えており、この固定部分
が前記台盤に対しネジ止めされることを特徴とする発電
装置。
【請求項１５】請求項１において、前記振動片は、少
なくとも一方の面に前記圧電体層の形成された平板状の
シム材を備えており、前記固定手段は、前記振動片の一方の面に接触する台盤
と、前記シム材が幅方向に広がって前記台盤に対しネジ
止め可能になった固定部分とを備えていることを特徴と
する発電装置。
【請求項１６】請求項１に記載の発電装置と、この発
電装置から出力された前記電力によって作動可能な処理
装置とを有することを特徴とする携帯電子機器。