JPH11252943A

JPH11252943A - 発電装置及び電子機器

Info

Publication number: JPH11252943A
Application number: JP10052467A
Authority: JP
Inventors: Makoto Furuhata; 誠古畑; Taiji Hashimoto; 泰治橋本; Tsukasa Funasaka; 司舩坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-09-17
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: JP3539184B2

Abstract

(57)【要約】【課題】落下等により圧電体に衝撃が加わっても、圧
電体の破損を防止することができる発電装置及びこの発
電装置を備えた電子機器を提供する。【解決手段】バイモルフ構造の圧電体１１０と、前記
圧電体を支持する支持手段１３０と、前記支持手段に支
持された前記圧電体を振動させる加振手段１２０とを備
え、前記圧電体が、動的荷重が掛ったときの応力分布が
均一になる形状に形成し、振動中の前記圧電体で発生し
た電力を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体を加振して
発電を行う発電装置及びこの発電装置を備えた電子機器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電体を加振して発電を行う発電装置と
しては、従来より以下のような種々の装置が提案されて
いる。例えばハンマを片持ち梁構造のバイモルフ型の圧
電体に衝突させ、圧電体を振動させて発電を行う発電装
置（特開平９−２３３８６２号公報参照）、円板形状の
バイモルフ型の圧電体を固定板に貼り付け、圧電体をた
わみ振動させて発電を行う発電装置（特開昭５６−６４
６７７号公報参照）、円板形状のバイモルフ型の圧電体
自体あるいは圧電体を貼り付けた基板の周囲を固定し、
圧電体をたわみ振動させて発電を行う発電装置（特開昭
６３−７２５９３号公報参照）がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した各発電装置
は、落下等により圧電体に衝撃が加わると、圧電体が破
損するおそれが高いという問題があった。即ち、一般に
落下等により圧電体に衝撃が加わる際は、圧電体には等
分布荷重（動的荷重）が掛かるが、片持ち梁構造の圧電
体の場合は、固定端部に大きな応力が掛るので固定端部
が折れ易く、固定板に貼り付けられた構造の圧電体の場
合は、中央部に大きな応力が掛るので中央部が割れ易
く、周囲が固定された構造の圧電体の場合は、周囲固定
部に大きな応力が掛るので周囲固定部が割れ易くなる。

【０００４】本発明の目的は、上記課題を解消して、落
下等により圧電体に衝撃が加わっても、圧電体の破損を
防止することができる発電装置及びこの発電装置を備え
た電子機器を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、バイ
モルフ構造の圧電体と、前記圧電体を支持する支持手段
と、前記支持手段に支持された前記圧電体を振動させる
加振手段とを備え、振動中の前記圧電体で発生した電力
を出力する発電装置において、前記圧電体が、動的荷重
が掛ったときの応力分布がほぼ均一になる形状に形成さ
れていることを特徴とする発電装置である。

【０００６】この請求項１の発明では、発電装置の落下
等により圧電体に衝撃が加わって動的荷重が掛った場
合、圧電体の各部に掛る応力が平均化されるように構成
している。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１の構成におい
て、前記圧電体が、盤状であって両面の中央部が厚く形
成されている発電装置である。

【０００８】この請求項２の発明では、圧電体の中央部
の体積を増加させて、圧電体の中央部に大きな応力が掛
らないように構成している。

【０００９】請求項３の発明は、請求項１の構成におい
て、前記圧電体が、盤状であって片面の中央部が厚く形
成されている発電装置である。

【００１０】この請求項３の発明では、圧電体の片面の
みの中央部を厚くして体積を増加させ、圧電体の中央部
に大きな応力が掛らないように構成している。

【００１１】請求項４の発明は、請求項２又は３の構成
において、前記圧電体の厚さ方向の断面の輪郭線が、曲
線状に変化している発電装置である。

【００１２】この請求項４の発明では、圧電体の表面を
曲面状に変化させて圧電体の中央部の体積を増加させ、
圧電体の中央部に大きな応力が掛らないように構成して
いる。

【００１３】請求項５の発明は、請求項４の構成におい
て、前記圧電体の厚さをｈ、前記圧電体の半径をａ、前
記圧電体のポアソン比をν、前記圧電体の中心からの距
離をｒとしたとき、前記輪郭線が、次式（１）で表され
る発電装置である。

【００１４】ｈ∝ａ²（１＋ν）（１−ｒ²／ａ²）・・・（１）この請求項５の発明では、圧電体の表面の曲面状の変化
を具体的な数式で表して決定することができるように構
成している。

【００１５】請求項６の発明は、請求項２又は３の構成
において、前記圧電体の厚さ方向の断面の輪郭線が、直
線状に変化している発電装置である。

【００１６】この請求項６の発明では、圧電体の表面を
単純な曲面状及び平面状に変化させて圧電体の中央部の
体積を増加させ、圧電体の中央部に大きな応力が掛らな
いように構成している。

【００１７】請求項７の発明は、請求項２又は３の構成
において、前記圧電体の厚さ方向の断面の輪郭線が、階
段状に変化している発電装置である。

【００１８】この請求項７の発明では、圧電体の表面に
段差を設けて圧電体の中央部の体積を増加させ、圧電体
の中央部に大きな応力が掛らないように構成している。

【００１９】請求項８の発明は、請求項７の構成におい
て、前記圧電体が、盤状の圧電体を積層することにより
形成されている発電装置である。

【００２０】この請求項８の発明では、形状の異なる圧
電体を組み合わせて圧電体の中央部の体積を増加させ、
圧電体の中央部に大きな応力が掛らないように構成して
いる。

【００２１】請求項９の発明は、請求項８の構成におい
て、前記圧電体が、シリーズ型である発電装置である。

【００２２】この請求項９の発明では、圧電体の分極方
向を中央の厚さ部分からそれぞれ逆方向になるように積
層してシリーズ型となるように構成している。

【００２３】請求項１０の発明は、請求項８の構成にお
いて、前記圧電体が、パラレル型である発電装置であ
る。

【００２４】この請求項１０の発明では、圧電体の分極
方向をそれぞれ交互に逆方向になるように積層してパラ
レル型となるように構成している。

【００２５】請求項１１の発明は、請求項１の構成にお
いて、前記圧電体が、盤状であって両面の中央部が厚く
形成されている中間材を挟んだ構造である発電装置であ
る。この請求項１１の発明では、中間材の中央部の体積
を増加させて、圧電体の中央部に大きな応力が掛らない
ように構成している。

【００２６】請求項１２の発明は、請求項１の構成にお
いて、前記圧電体が、盤状であって片面の中央部が厚く
形成されている中間材を挟んだ構造である発電装置であ
る。この請求項１２の発明では、中間材の片面のみの中
央部を厚くして体積を増加させ、圧電体の中央部に大き
な応力が掛らないように構成している。

【００２７】請求項１３の発明は、請求項１〜１２のい
ずれかに記載の構成において、発電装置を備えた電子機
器である。

【００２８】この請求項１３の発明では、電子機器の駆
動源として発電装置を備えた構成としている。

【００２９】

【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。

【００３０】図１は、本発明の発電装置の実施形態を示
す概略構成図である。

【００３１】この発電装置１は、ケース２内に収納され
た発電系１００、駆動系１６０及び蓄電系１８０で大略
構成されている。尚、図では蓄電系１８０はケース２の
外部に配置されているが、通常は駆動系１６０と重なる
ように配置されている。

【００３２】発電系１００は、振動して交流電流を発生
する圧電体１１０、圧電体１１０を加振する加振手段１
２０及び圧電体１１０を支持する支持手段１３０で構成
されている。

【００３３】圧電体１１０は、動的荷重が掛ったときの
応力分布が均一になる形状、即ち中央部の厚さが外周部
の厚さよりも厚い盤状のバイモルフ型に形成されてお
り、図中のＡ−Ａ線断面図に示すように、蓄電系１８０
に接続されている中間電極１１１、中間電極１１１の表
裏面に接着されている２枚の圧電板１１２、１１３、各
圧電板１１２、１１３の表面に成膜されている電極１１
４、１１５を備えている。

【００３４】ここで、圧電体１１０の形状を、動的荷重
が掛ったときの応力分布が均一になる形状、即ち中央部
の厚さが外周部の厚さよりも厚い盤状とした理由につい
て説明する。

【００３５】一般に落下等により圧電体に衝撃が加わる
際は、圧電体には等分布荷重（動的荷重）が掛かる。ま
た、圧電体を振動させる際は、圧電体には集中荷重が掛
かる。そこで、棒状の一例である梁形状の場合と盤状の
一例である円形状の場合で、圧電体の単位体積に入力さ
れたエネルギに対する最大応力を比較すると、梁形状の
場合は等分布荷重のときの最大応力は集中荷重のときの
最大応力の２倍程度大きくなり、円形状の場合は逆に集
中荷重のときの最大応力は等分布荷重のときの最大応力
の１．５倍程度大きくなる。また、最大応力の位置は、
梁形状の場合は固定端となり、円形状の場合は中央部と
なる。従って、円形状の方が梁形状よりも衝撃に強くな
るので、圧電体１１０の形状を盤状とし、また、中央部
の応力が外周部の応力よりも大きくなるので、圧電体１
１０の形状を中央部の厚さが外周部の厚さよりも厚い形
状としている。尚、盤状は、円形状に限定されるもので
はなく、楕円形状や多角形状等で良い。

【００３６】加振手段１２０は、圧電体１１０を振動さ
せるための打撃を圧電体１１０にパルス状に与える打撃
付与手段１２１及び駆動系１６０からの駆動力を打撃付
与手段１２１に伝達するための駆動力伝達手段１２２を
備えている。尚、打撃付与手段１２１の代わりに、例え
ば気体、流体、磁界、光等の媒体を圧電体１１０にパル
ス状に与える媒体付与手段を備え、圧電体１１０を加振
手段１２０と非接触で振動させるように構成しても良
い。また、圧電体１１０を振動させるための打撃や媒体
は、特にパルス状に与えなくても良い。支持手段１３０
は、圧電体１１０の外周端を支持する支持部１３１及び
支持部１３１を固定する固定部１３２を備えている。

【００３７】ここで、上述したように、この発電装置１
は、加振手段１２０が打撃を圧電体１１０にパルス状に
与えて発電させているので、以下で図２及び図３を参照
してパルスについて説明する。

【００３８】図２は、圧電体１１０を振動させたときの
振幅（Ａ）と時間（ｔ）との関係の一例を示す波形図で
ある。

【００３９】この振動波形は、加振手段１２０により打
撃を１パルスだけ圧電体１１０の中央部に与えて圧電体
１１０を振動させたときの波形である。図からも明らか
なように、圧電体１１０の振幅は、時間の経過に伴って
減衰し、略２０波程度で収束する。従って、圧電体１１
０をパルス状に与えられる打撃で効率良く振動させるに
は、上記減衰振動の減衰時間ｔ_Eと周期Ｃを考慮する必
要がある。

【００４０】以上のことから、次のパルスを与えるタイ
ミングを、上記減衰振動が完全に収束した後とし、また
パルスを与える時間を、上記減衰振動の波形が立ち上が
ってから立ち下がる前、即ちピークに達する前までとす
ることにより、圧電体１１０の振動ロスを無くして振動
効率を高めることができる。従って、図３に示すよう
に、パルスとパルスの間隔（インターバル）Ｔは、上記
減衰振動の減衰時間ｔ_E以上とすることが望ましく、ま
たパルスの幅ｂは、上記減衰振動の周期Ｃの１／４以下
とすることが望ましい。

【００４１】また、上記パルスの波形としては、連続的
な正弦波ではなく、間欠的ないわゆる非正弦波であれば
良く、例えば図３（Ａ）に示す方形波、同図（Ｂ）に示
す三角波、同図（Ｃ）に示す丸みを帯びた方形波、同図
（Ｄ）に示す鋸波、同図（Ｅ）に示すトリガ波、同図
（Ｆ）に示す微分波を使用することができる。

【００４２】駆動系１６０は、ケース２の振動等により
ケース２の内部で回転する回転錘１６１及び回転錘１６
１の回転を増速して加振手段１２０に伝達する輪列１６
２で構成されている。

【００４３】回転錘１６１は、半円形状に形成され、円
形としたときの中心を回転中心とした回転軸１６１ａを
備えている。輪列１６２は、回転錘１６１と同軸上で回
転する回転錘車１６２ａ、回転錘車１６２ａとかみ合っ
て回転する第１中間車１６２ｂ、加振手段１２０の駆動
力伝達手段１２２と係合して第１中間車１６２ｂと同軸
上で回転する第２中間車１６２ｃを備えている。

【００４４】ここで、上述したように、圧電体１１０へ
の打撃の付与間隔、即ちパルスとパルスの間隔（インタ
ーバル）Ｔは、振動効率の点から圧電体１１０の減衰振
動の減衰時間ｔ_E以上にする必要がある。ところが、回
転錘１６１がある速度以上の高速で回転したときは、上
記インターバルＴが減衰時間ｔ_E以下になって振動効率
が低下してしまうので、そのときは回転錘１６１の回転
が駆動力伝達手段１２２に伝達されないようにする必要
がある。そこで、回転錘車１６２ａと第１中間車１６２
ｂとの間に引張ばね１６３を係止させ、回転錘１６１が
ある速度以下で回転しているときは、引張ばね１６３の
復元力により回転錘車１６２ａと第１中間車１６２ｂが
かみ合うようにし、回転錘１６１がある速度以上で回転
したときは、回転錘１６１の遠心力により引張ばね１６
３が延びて回転錘車１６２ａが第１中間車１６２ｂから
離れるように構成する。

【００４５】蓄電系１８０は、圧電体１１０で発生する
交流電流を全波整流する整流回路１８１及び整流回路１
８１で整流された電流を蓄電する蓄電回路１８２で構成
されている。

【００４６】整流回路１８１は、ブリッジ状に接続さ
れ、２端が圧電体１１０の中間電極１１１と電極１１
４、１１５にそれぞれ接続されたダイオード１８１ａを
備えている。尚、整流回路１８１は、半波整流するよう
に構成されていても良く、またインバータ等で構成され
ていても良い。蓄電回路１８２は、整流回路１８１の他
の２端に接続されたコンデンサ１８２ａを備えている。
尚、蓄電回路１８２は、電力蓄積能力を備えた２次電池
等で構成されていても良い。

【００４７】このような構成の発電装置１は、電子機
器、例えば腕時計、携帯時計、置き時計、掛け時計等の
計時装置や携帯電話、ページャ、携帯型コンピュータ、
携帯型ディスク装置等の携帯機器に内蔵させて使用する
ことができる。発電装置１の取付場所としては、例えば
計時装置の場合は裏蓋の裏面や文字板の裏面、あるいは
ボタン型電池と同型にしてその収納場所等がある。尚、
回転錘１６１の代わりに、時計のりゅうずや携帯電話の
ジョグダイヤル等の回転機構あるいはぜんまい等を手巻
きにより巻き上げる機構を用いることができる。

【００４８】図４（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の発電装置
の発電系の第１実施例を示す平面図及び一部断面側面図
である。

【００４９】この発電系２００は、振動して交流電流を
発生する圧電体２１０、圧電体２１０を加振する加振手
段２２０及び圧電体２１０を支持する支持手段２３０で
構成されている。尚、この発電系２００と関連する駆動
系及び蓄電系は、図１に示す駆動系１６０及び蓄電系１
８０と同一構成である。

【００５０】圧電体２１０は、中間電極２１１の表裏面
に２枚の圧電板２１２、２１３が接着され、各圧電板２
１２、２１３の表面に電極２１４、２１５が成膜された
円盤形状のバイモルフ型に形成されている。

【００５１】中間電極２１１は、例えばリン青銅の板材
で成り、円盤形状に形成されている。

【００５２】圧電板２１２、２１３は、例えばチタン酸
ジルコン酸鉛（商品名：ＰＺＴ）のバルク材で成り、円
盤形状であって、中間電極２１１との接着面は平坦に形
成され、電極２１４、２１５の形成面は中央部が半球状
の凸部で外周部が平坦に、即ち中央部の厚さが外周部の
厚さより厚くなるように形成されている。

【００５３】電極２１４、２１５は、例えば銀の薄膜で
成り、ペースト塗布あるいはスパッタリング等により形
成されている。

【００５４】加振手段２２０は、打撃を圧電体２１０に
パルス状に与える媒体付与手段としてハンマ２２１が備
えられ、このハンマ２２１に駆動系１６０からの駆動力
を伝達する駆動力伝達手段として回転車２２２が備えら
れている。

【００５５】ハンマ２２１は、アーム状に形成されてお
り、一端が圧電体２１０の中央上部に配置され、他端が
例えばケース２に固定されている支持部２２１ａに図示
矢印ａ方向に回転可能に軸支持されている。さらに、ハ
ンマ２２１の一端部と他端部の間には、回転車２２２の
歯２２２ａと係合する突起部２２１ｂが形成されている
と共に、一端が例えばケース２に固定されている引張ば
ね２２１ｃの他端が係止されている。

【００５６】回転車２２２は、軸が例えばケース２に固
定されており、駆動系１６０の第２中間車１６２ｃとハ
ンマ２２１の突起部２２１ｂと係合して図示矢印ｂ方向
に回転可能な形状に形成されている。

【００５７】支持手段２３０は、圧電体２１０の外周端
を支持する支持部２３１が固定部２３２に固定された円
盤形状に形成されている。

【００５８】このような構成の発電系２００を含む発電
装置１を内蔵した腕時計が使用者の腕に装着されている
場合の動作例を説明する。

【００５９】腕や体の動きに呼応して回転錘１６１が回
転錘車１６２ａと共に回転すると、その回転に連動し
て、第１中間車１６２ｂ、第２中間車１６２ｃ及び回転
板１２３が回転する。このときの回転錘１６１の回転
は、回転錘車１６２ａを介して第１中間車１６２ｂに伝
達されて増幅され、さらに第２中間車１６２ｃを介して
回転車２２２に伝達されて歯２２２ａの１ピッチがパル
スの周期となるように増幅される。

【００６０】そして、回転車２２２の歯２２２ａの１ピ
ッチの回転に伴って、ハンマ２２１の突起部２２１ｂ
は、歯２２２ａと係合しているときは押し上げられ、歯
２２２ａとの係合が外れると引張ばね２２１ｃの復元力
により引き下げられる。これにより、ハンマ２２１は支
持部２２１ａの支持軸を中心に回転するので、ハンマ２
２１の一端が揺動して圧電体２１０の中央上部を打撃す
る。

【００６１】このハンマ２２１の一端の揺動は、上記パ
ルス周期でおこなわれるので、間欠的なハンマ２２１の
一端による打撃により、圧電体２１０は所定の振動を一
定周期で繰り返して交流電流を発生する。そして、整流
回路１８１は、圧電体２１０で発生した交流電流を全波
整流し、蓄電回路１８２は、整流回路１８１で整流され
た電流を蓄電する。これにより、腕時計の針等を駆動さ
せることができる。

【００６２】図５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の発電装置
の発電系の第２実施例を示す平面図及び一部断面側面図
である。尚、この発電系の加振手段は図４と同一構成で
あるので、図示は省略してある。

【００６３】この発電系３００は、振動して交流電流を
発生する圧電体３１０、圧電体３１０を加振する加振手
段及び圧電体３１０を支持する支持手段３３０で構成さ
れている。尚、この発電系３００と関連する駆動系及び
蓄電系は、図１に示す駆動系１６０及び蓄電系１８０と
同一構成である。

【００６４】圧電体３１０は、中間電極３１１の表裏面
に２枚の圧電板３１２、３１３が接着され、各圧電板３
１２、３１３の表面に電極３１４、３１５が成膜された
円盤形状のバイモルフ型に形成されている。

【００６５】中間電極３１１は、例えばリン青銅の板材
で成り、円盤形状に形成されている。

【００６６】圧電板３１２、３１３は、例えばチタン酸
ジルコン酸鉛（商品名：ＰＺＴ）のバルク材で成り、円
盤形状であって、中間電極３１１との接着面は平坦に形
成されており、電極３１４、３１５の形成面は、山形、
即ち中央部の厚さが外周部の厚さより厚く、かつ厚さ方
向の断面の輪郭線が曲線状に変化するように形成されて
いる。

【００６７】この圧電体３１０の厚さ方向の断面の輪郭
線の曲線は、圧電体３１０の変位と圧電体３１０の中心
からの距離との関係式、圧電体３１０の最大応力と圧電
体３１０に掛かる等分布荷重との関係式、圧電体３１０
の単位体積に入力されたエネルギと圧電体３１０の中心
からの距離との関係式から、次式（１）で表される。ｈ∝ａ²（１＋ν）（１−ｒ²／ａ²）・・・（１）ここで、ｈ：圧電体３１０の厚さ、ａ：圧電体３１０の
半径、ν：圧電体３１０のポアソン比、ｒ：圧電体３１
０の中心からの距離である。

【００６８】電極３１４、３１５は、例えば銀の薄膜で
成り、ペースト塗布あるいはスパッタリング等により形
成されている。

【００６９】支持手段３３０は、圧電体３１０の外周端
を支持する支持部３３１が固定部３３２に固定された円
盤形状に形成されている。

【００７０】このような構成の発電系３００を含む発電
装置１を内蔵した腕時計が使用者の腕に装着されている
場合も、上述した動作例と同様に動作する。

【００７１】図６は、本発明の発電装置の発電系の第３
実施例を示す平面図及び一部断面側面図である。尚、こ
の発電系の加振手段は図４と同一構成であるので、図示
は省略してある。

【００７２】この発電系４００は、振動して交流電流を
発生する圧電体４１０、圧電体４１０を加振する加振手
段及び圧電体４１０を支持する支持手段４３０で構成さ
れている。尚、この発電系４００と関連する駆動系及び
蓄電系は、図１に示す駆動系１６０及び蓄電系１８０と
同一構成である。

【００７３】圧電体４１０は、中間電極４１１の表裏面
に２枚の圧電板４１２、４１３が接着され、各圧電板４
１２、４１３の表面に電極４１４、４１５が成膜された
円盤形状のバイモルフ型に形成されている。

【００７４】中間電極４１１は、例えばリン青銅の板材
で成り、円盤形状に形成されている。

【００７５】圧電板４１２、４１３は、例えばチタン酸
ジルコン酸鉛（商品名：ＰＺＴ）のバルク材で成り、円
盤形状であって、中間電極４１１との接着面は平坦に形
成されており、電極４１４、４１５の形成面は、円錐台
形状、即ち中央部の厚さが外周部の厚さより厚く、かつ
厚さ方向の断面の輪郭線が直線状に変化するように形成
されている。

【００７６】電極４１４、４１５は、例えば銀の薄膜で
成り、ペースト塗布あるいはスパッタリング等により形
成されている。

【００７７】支持手段４３０は、圧電体４１０の外周端
を支持する支持部４３１が固定部４３２に固定された円
盤形状に形成されている。

【００７８】このような構成の発電系４００を含む発電
装置１を内蔵した腕時計が使用者の腕に装着されている
場合も、上述した動作例と同様に動作する。

【００７９】図７は、本発明の発電装置の発電系の第４
実施例を示す平面図及び一部断面側面図である。尚、こ
の発電系の加振手段は図４と同一構成であるので、図示
は省略してある。

【００８０】この発電系５００は、振動して交流電流を
発生する圧電体５１０、圧電体５１０を加振する加振手
段及び圧電体５１０を支持する支持手段５３０で構成さ
れている。尚、この発電系５００と関連する駆動系及び
蓄電系は、図１に示す駆動系１６０及び蓄電系１８０と
同一構成である。

【００８１】圧電体５１０は、中間電極５１１の表裏面
に２枚の圧電板５１２、５１３が接着され、各圧電板５
１２、５１３の表面の一部に電極５１４、５１５が成膜
された円盤形状のバイモルフ型に形成されている。

【００８２】中間電極５１１は、例えばリン青銅の板材
で成り、円盤形状に形成されている。

【００８３】圧電板５１２、５１３は、例えばチタン酸
ジルコン酸鉛（商品名：ＰＺＴ）のバルク材で成り、円
盤形状であって、中間電極５１１との接着面は平坦に形
成されており、電極５１４、５１５側の面は、複数の段
付円柱形状、即ち中央部の厚さが外周部の厚さより厚
く、かつ厚さ方向の断面の輪郭線が階段状に変化するよ
うに形成されている。

【００８４】電極５１４、５１５は、例えば銀の薄膜で
成り、ペースト塗布あるいはスパッタリング等により圧
電板５１２、５１３の中央の円柱の表面にのみ形成され
ている。

【００８５】支持手段５３０は、圧電体５１０の外周端
を支持する支持部５３１が固定部５３２に固定された円
盤形状に形成されている。

【００８６】このような構成の発電系５００を含む発電
装置１を内蔵した腕時計が使用者の腕に装着されている
場合も、上述した動作例と同様に動作する。

【００８７】図８は、本発明の発電装置の発電系の第５
実施例を示す平面図及び一部断面側面図である。尚、こ
の発電系の加振手段は図４と同一構成であるので、図示
は省略してある。

【００８８】この発電系６００は、振動して交流電流を
発生する圧電体６１０、圧電体６１０を加振する加振手
段及び圧電体６１０を支持する支持手段６３０で構成さ
れている。尚、この発電系６００と関連する駆動系及び
蓄電系は、図１に示す駆動系１６０及び蓄電系１８０と
同一構成である。

【００８９】圧電体６１０は、中間電極６１１の表裏面
に複数（この例では各４枚）の圧電板６１２ａ、６１２
ｂ、６１２ｃ、６１２ｄと６１３ａ、６１３ｂ、６１３
ｃ、６１３ｄが接着され、各圧電板６１２ａ、６１２
ｂ、６１２ｃ、６１２ｄと６１３ａ、６１３ｂ、６１３
ｃ、６１３ｄの表面にのみ電極６１４ａ、６１４ｂ、６
１４ｃ、６１４ｄ、６１５ａ、６１５ｂ、６１５ｃ、６
１５ｄが成膜された円盤形状の積層バイモルフ型に形成
されている。

【００９０】中間電極６１１は、例えばリン青銅の板材
で成り、円盤形状に形成されている。

【００９１】各圧電板６１２ａ〜６１３ｄは、例えばチ
タン酸ジルコン酸鉛（商品名：ＰＺＴ）のバルク材で成
り、径の異なる円盤形状に形成されており、それらは大
径から順次小径となるように積層された形状、即ち中央
部の厚さが外周部の厚さより厚く、かつ厚さ方向の断面
の輪郭線が階段状に変化するように形成されている。電
極６１４ａ〜６１５ｄは、例えば銀の薄膜で成り、ペー
スト塗布あるいはスパッタリング等により形成されてい
る。

【００９２】ここで、この圧電体６１０と整流回路１８
１との接続方法としては、図９（Ａ）に示すシリーズ接
続と、同図（Ｂ）に示すパラレル接続がある。即ち、各
圧電板６１２ａ〜６１３ｄの分極方向が、同図（Ａ）の
矢印で示すように中間電極６１１からそれぞれ逆方向に
向くように各圧電板６１２ａ〜６１３ｄを配置したとき
は、中央部の電極６１２ｄ、６１３ｄと、中間電極６１
１を整流回路１８１にそれぞれ接続するシリーズ接続と
し、各圧電板６１２ａ〜６１３ｄの分極方向が、同図
（Ｂ）の矢印で示すように中間電極６１１からそれぞれ
交互に逆方向に向くように各圧電板６１２ａ〜６１３ｄ
を配置したときは、同方向の電極６１２ａ、６１３ａ、
６１２ｃ、６１３ｃと、中間電極６１１及び同方向の電
極６１２ｂ、６１３ｂ、６１２ｄ、６１３ｄを整流回路
１８１にそれぞれ接続するパラレル接続とする。

【００９３】支持手段６３０は、圧電体６１０の外周端
を支持する支持部５３１が固定部５３２に固定された円
盤形状に形成されている。

【００９４】このような構成の発電系５００を含む発電
装置１を内蔵した腕時計が使用者の腕に装着されている
場合も、上述した動作例と同様に動作する。

【００９５】図１０は、本発明の発電装置の発電系の第
６実施例を示す平面図及び一部断面側面図である。尚、
この発電系の加振手段は図４と同一構成であるので、図
示は省略してある。

【００９６】この発電系７００は、振動して交流電流を
発生する圧電体７１０、圧電体７１０を加振する加振手
段及び圧電体７１０を支持する支持手段７３０で構成さ
れている。尚、この発電系７００と関連する駆動系及び
蓄電系は、図１に示す駆動系１６０及び蓄電系１８０と
同一構成である。

【００９７】圧電体７１０は、中間電極７１１の表裏面
に２枚の圧電板７１２、７１３が接着され、各圧電板７
１２、７１３の表面に電極７１４、７１５が成膜された
円盤形状のバイモルフ型に形成されている。

【００９８】中間電極７１１は、例えばリン青銅の板材
で成り、円盤形状であって、表裏面は中央部が半球状の
凸部で外周部が平坦に、即ち中央部の厚さが外周部の厚
さより厚くなるように形成されている。

【００９９】圧電板７１２、７１３は、例えばチタン酸
ジルコン酸鉛（商品名：ＰＺＴ）のバルク材で成り、円
盤形状であって、中間電極７１１との接着面は中央部が
中間電極７１１の凸部に嵌め合う半球状の凹部で外周部
が平坦に、即ち中央部の厚さが外周部の厚さより薄くな
るように形成され、電極７１４、７１５の形成面は平坦
に形成されている。

【０１００】電極７１４、７１５は、例えば銀の薄膜で
成り、ペースト塗布あるいはスパッタリング等により形
成されている。

【０１０１】支持手段７３０は、圧電体７１０の外周端
を支持する支持部７３１が固定部７３２に固定された円
盤形状に形成されている。

【０１０２】このような構成の発電系７００を含む発電
装置１を内蔵した腕時計が使用者の腕に装着されている
場合も、上述した動作例と同様に動作する。

【０１０３】図１１は、本発明の発電装置の発電系の第
７実施例を示す平面図及び一部断面側面図である。尚、
この発電系の加振手段は図４と同一構成であるので、図
示は省略してある。

【０１０４】この発電系８００は、振動して交流電流を
発生する圧電体８１０、圧電体８１０を加振する加振手
段及び圧電体８１０を支持する支持手段８３０で構成さ
れている。尚、この発電系８００と関連する駆動系及び
蓄電系は、図１に示す駆動系１６０及び蓄電系１８０と
同一構成である。

【０１０５】圧電体８１０は、中間電極８１１の表裏面
に２枚の圧電板８１２、８１３が接着され、各圧電板８
１２、８１３の表面に電極８１４、８１５が成膜された
円盤形状のバイモルフ型に形成されている。

【０１０６】中間電極８１１は、例えばリン青銅の板材
で成り、円盤形状に形成されている。

【０１０７】圧電板８１２、８１３は、例えばチタン酸
ジルコン酸鉛（商品名：ＰＺＴ）のバルク材で成り、円
盤形状であって、中間電極８１１との接着面は平坦に形
成されている。そして、一方の圧電板８１２の電極８１
４の形成面は、中央部が半球状の凸部で外周部が平坦
に、即ち中央部の厚さが外周部の厚さより厚くなるよう
に形成されている。また、他方の圧電板８１３の電極８
１５の形成面は、平坦に形成されている。

【０１０８】電極８１４、８１５は、例えば銀の薄膜で
成り、ペースト塗布あるいはスパッタリング等により形
成されている。

【０１０９】支持手段８３０は、圧電体８１０の外周端
を支持する支持部８３１が固定部８３２に固定された円
盤形状に形成されている。

【０１１０】このような構成の発電系８００を含む発電
装置１を内蔵した腕時計が使用者の腕に装着されている
場合も、上述した動作例と同様に動作する。

【０１１１】尚、この第７実施例の圧電体８１０のよう
に、片面の中央部のみの厚さが外周部の厚さよりも厚く
形成することは、上述した各実施形態でも同様に適用す
ることができる。

【０１１２】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、圧電体の各部
に掛る応力が平均化されるので、圧電体の部分的な応力
集中による破壊を防止することができる。従って、落下
や例えば急速充電のように短時間に力を加える必要があ
る場合に発生する衝撃に強い圧電発電システムや、それ
を搭載した携帯電子機器を提供できる。さらに、応力が
等分布に近づくため発電効率も上がり、高効率の圧電発
電システムや、それを搭載した携帯電子機器を提供でき
る。

【０１１３】請求項２の発明によれば、特に圧電体の中
央部に掛る応力を厚み方向に分散させて圧電体の各部に
掛る応力を平均化させることができるので、圧電体の中
央部の破壊を防止することができる。従って、落下や衝
撃に強い圧電発電システムや、それを搭載した携帯電子
機器を提供できる。さらに、応力が等分布に近づくため
発電効率も上がり、高効率の圧電発電システムや、それ
を搭載した携帯電子機器を提供できる。

【０１１４】請求項３の発明によれば、圧電体の一方の
片面のみの中央部を厚くしているので、圧電体を他方の
片面で容易に支持することができる。従って、安価で落
下や衝撃に強い圧電発電システムや、それを搭載した携
帯電子機器を提供できる。

【０１１５】請求項４の発明によれば、圧電体の表面を
曲面状に形成しているので、圧電体の各部に掛る応力を
ほぼ等分布に近づけることができ、圧電体の部分的な応
力集中による破壊をより防止することができる。さら
に、加工も例えばバルクの圧電材をＮＣ（自動制御）工
作機械で削り出す等の方法を採れるために比較的容易に
行えるので、安価で落下や衝撃に強い圧電発電システム
や、それを搭載した携帯電子機器を提供できる。

【０１１６】請求項５の発明によれば、圧電体の表面の
曲面状の変化を具体的な数式で表しているので、圧電体
の加工を例えばＮＣ（自動制御）工作機械等を用いるこ
とで精密かつ容易に行うことができる。従って、より落
下や衝撃に強い圧電発電システムや、それを搭載した携
帯電子機器を提供できる。

【０１１７】請求項６の発明によれば、圧電体の表面を
単純な曲面状及び平面状で形成すれば良いので、例えば
バルクの圧電材から削り出したり、焼結するときに型を
比較的にラフに作り込むことでより容易に行うことがで
きる。従って、より安価で落下や衝撃に強い圧電発電シ
ステムや、それを搭載した携帯電子機器を提供できる。

【０１１８】請求項７の発明によれば、圧電体の表面に
段差を設ければ良いので、圧電体の加工をエッチングや
研削のみで容易に行うことができる。従って、安価で落
下や衝撃に強い圧電発電システムや、それを搭載した携
帯電子機器を提供できる。

【０１１９】請求項８の発明によれば、形状の異なる圧
電体を組み合わせれば良いので、圧電体の加工を研削及
び接着のみで容易に行うことができる。従って、より安
価で落下や衝撃に強い圧電発電システムや、それを搭載
した携帯電子機器を提供できる。

【０１２０】請求項９の発明によれば、圧電体の静電容
量が小さくなるので、発電時の電圧を高電圧にすること
ができる。従って、高電圧の必要な携帯電子機器に落下
や衝撃に強い本圧電発電システムを搭載し、提供でき
る。

【０１２１】請求項１０の発明によれば、圧電体の静電
容量が大きくなるので、発電時の電流を大電流にするこ
とができる。従って、大電流の必要な携帯電子機器に落
下や衝撃に強い本圧電発電システムを搭載し、提供でき
る。

【０１２２】請求項１１の発明によれば、中間材が応力
を受けるので、圧電体をより破損し難くすることができ
る。さらに、加工の大部分を圧電材より安価で加工を行
い易い中間材で行うために、より安価で落下や衝撃に強
い圧電発電システムや、それを搭載した携帯電子機器を
提供できる。

【０１２３】請求項１２の発明によれば、中間材の一方
の片面のみの中央部を厚くしているので、中間材の加工
を容易に行うことができる。

【０１２４】請求項１３の発明によれば、電子機器の電
源交換を不要とし、コンパクトにすることができる。さ
らに、落下や衝撃に強い圧電発電システムや、それを搭
載した携帯電子機器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発電装置の実施形態を示す概略構成図
である。

【図２】圧電体を振動させたときの振幅（Ａ）と時間
（ｔ）との関係の一例を示す波形図である。

【図３】パルス波形の一例を示す図である。

【図４】本発明の発電装置の発電系の第１実施例を示す
一部断面平面図である。

【図５】本発明の発電装置の発電系の第２実施例を示す
一部断面平面図である。

【図６】本発明の発電装置の発電系の第３実施例を示す
一部断面平面図である。

【図７】本発明の発電装置の発電系の第４実施例を示す
一部断面平面図である。

【図８】本発明の発電装置の発電系の第５実施例を示す
一部断面平面図である。

【図９】本発明の発電装置の発電系の第６実施例を示す
一部断面平面図である。

【図１０】本発明の発電装置の発電系の第７実施例を示
す一部断面平面図である。

【図１１】本発明の発電装置の発電系の第８実施例を示
す一部断面平面図である。

【符号の説明】

１発電装置２ケース１００発電系１１０圧電体１２０加振手段１３０支持手段１６０駆動系１８０蓄電系１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７
１１、８１１中間電極１１２、１１３、２１２、２１３、３１２、３１３、４
１２、４１３、５１２、５１３、６１２ａ、６１２ｂ、
６１２ｃ、６１２ｄ、６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ、
６１３ｄ、７１２、７１３、８１２、８１３圧電板１１４、１１５、２１４、２１５、３１４、３１５、４
１４、４１５、５１４、５１５、６１４ａ、６１４ｂ、
６１４ｃ、６１４ｄ、６１５ａ、６１５ｂ、６１５ｃ、
６１５ｄ、７１４、７１５、８１４、８１５電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バイモルフ構造の圧電体と、前記圧電体
を支持する支持手段と、前記支持手段に支持された前記
圧電体を振動させる加振手段とを備え、振動中の前記圧
電体で発生した電力を出力する発電装置において、前記圧電体が、動的荷重が掛ったときの応力分布がほぼ
均一になる形状に形成されていることを特徴とする発電
装置。
【請求項２】前記圧電体が、盤状であって両面の中央
部が厚く形成されている請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】前記圧電体が、盤状であって片面の中央
部が厚く形成されている請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】前記圧電体の厚さ方向の断面の輪郭線
が、曲線状に変化している請求項２又は３に記載の発電
装置。
【請求項５】前記圧電体の厚さをｈ、前記圧電体の半
径をａ、前記圧電体のポアソン比をν、前記圧電体の中
心からの距離をｒとしたとき、前記輪郭線が、次式
（１）で表される請求項４に記載の発電装置。ｈ∝ａ²（１＋ν）（１−ｒ²／ａ²）・・・（１）
【請求項６】前記圧電体の厚さ方向の断面の輪郭線
が、直線状に変化している請求項２又は３に記載の発電
装置。
【請求項７】前記圧電体の厚さ方向の断面の輪郭線
が、階段状に変化している請求項２又は３に記載の発電
装置。
【請求項８】前記圧電体が、盤状の圧電体を積層する
ことにより形成されている請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】前記圧電体が、シリーズ型である請求項
８に記載の発電装置。
【請求項１０】前記圧電体が、パラレル型である請求
項８に記載の発電装置。
【請求項１１】前記圧電体が、盤状であって両面の中
央部が厚く形成されている中間材を挟んだ構造である請
求項１に記載の発電装置。
【請求項１２】前記圧電体が、盤状であって片面の中
央部が厚く形成されている中間材を挟んだ構造である請
求項１に記載の発電装置。
【請求項１３】請求項１〜１２のいずれかに記載の発
電装置を備えた電子機器。