JPH1056784A - Power generation equipment and electronic equipment - Google Patents

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[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電
子機器に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power generating device for generating power using a vibrating reed having a piezoelectric body and an electronic apparatus having the same.

【０００２】[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。2. Description of the Related Art Several small devices for generating electric power by vibrating a piezoelectric material have been proposed.
No. 7393 discloses a technique in which a lever is vibrated by the movement of a rotary weight to apply static displacement to a piezoelectric element and vibrate to generate power. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-107752 describes a technique of generating power using a material in which a piezoelectric material is sputter-formed on the surface of a cantilever.

【０００３】[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ようになっている。
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
電効率を高くできるようになっている。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、振動によって発生するレ
バー内部の歪みの分布や、その歪みによって発生した電
荷の収集方法によって発電効率は変化する。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る。そのた
めには、振動片における電気機械結合係数（以下におい
ては結合係数）ｋｖ² を高くすることが必要である。従
って、振動片に形成された圧電体層を長手方向と直交す
る方向に振動し、弾性波の伝搬方向と電圧方向が直交す
る横効果を用いて発電を行う発電装置においては、横効
果の理論的な電気機械結合係数ｋ₃₁に近づけることが望
ましい。In these power generating devices, vibration is excited in a lever provided with a piezoelectric body by kinetic energy of a rotating weight of a wristwatch, and mechanical energy of the vibration is subjected to electromechanical coupling corresponding to distortion at that time. The energy is converted into electric energy by the coefficient kv ² .
When the lever vibrates, distortion is repeatedly generated, and the mechanical energy can be converted into electric energy, so that the power generation efficiency can be increased. However,
Not all of the mechanical energy stored in the lever can be converted to electrical energy, but the power generation efficiency varies depending on the distribution of distortion inside the lever caused by vibration and the method of collecting charges generated by the distortion. It is necessary to obtain a sufficient power generation amount to actually operate a processing device such as a clock device by a power generation device using a piezoelectric element. For that purpose, it is necessary to increase the electromechanical coupling coefficient (hereinafter, coupling coefficient) kv ² in the resonator element. Therefore, in a power generating device that vibrates the piezoelectric layer formed on the resonator element in a direction perpendicular to the longitudinal direction and generates power using a transverse effect in which the propagation direction of the elastic wave and the voltage direction are perpendicular to each other, the theory of the transverse effect is used. it is desirable to approximate the electromechanical coupling coefficient k _31.

【０００４】そこで、本発明においては、圧電体層に発
生した電荷を収集する電極の長さに着目して結合係数ｋ
ｖ² が高く、発電能力の高い発電装置を提供することを
目的としている。そして、回転錘などを用いて腕などの
動きを捉え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
とができる電子機器を提供することを目的としている。Accordingly, in the present invention, focusing on the length of the electrode for collecting the electric charge generated in the piezoelectric layer, the coupling coefficient k
v ² is high, and its object is to provide a high power generation capacity generator. And by realizing a power generation device that can secure sufficient power generation by capturing the movement of arms and the like using a rotating weight, the processing device can be driven anywhere by the power supplied from the power generation device, and the function is exhibited. It is an object of the present invention to provide an electronic device capable of causing the electronic device to operate.

【０００５】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明において、発明者
らは圧電体層を備え、片持ち支持された振動片を用いた
発電装置において、圧電体層から電荷を収集する収集電
極の長さを変えることによって結合係数ｋｖ² が変動す
ることに着目し、高い結合係数ｋｖ² が得られる収集電
極の条件を見いだした。収集電極は、図１に示すよう
に、圧電体層に沿って長くすると電荷を収集する面積が
増加するので、振動片から得られる発生電荷Ｑｍは増加
する。しかしながら、振動片の先端は、振動によって発
生する歪みが少ないので収集できる電荷量は低く、収集
電極の長さに対し図１に示すように先端に行くに従って
発生電荷Ｑｍの増加量は緩やかになる。一方、振動片の
先端における発生電荷が少ない。このため、収集電極を
先端まで長くすると、収集電極の面積の増加に対して得
られる電荷の増加が少なくなり、発生電圧Ｖｍは低下す
る。従って、振動片から得られる電気エネルギーＵ_E
（＝Ｑｍ・Ｖｍ／２）は収集電極が所定の長さのときに
最大となると考えられる。発明者らはさらに詳細に検討
した結果、収集電極が振動片の固定端から自由端に向か
って全長の２／３の長さのときに最大の結合係数ｋｖ²
が得られることを見いだした。SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, in a power generator using a vibrating reed provided with a piezoelectric layer and cantilevered, a length of a collecting electrode for collecting electric charge from the piezoelectric layer is provided. By paying attention to the fact that the coupling coefficient kv ² fluctuates by changing, the condition of the collecting electrode that can obtain a high coupling coefficient kv ² was found. As shown in FIG. 1, when the collecting electrode is elongated along the piezoelectric layer, the area for collecting the charge increases, so that the generated charge Qm obtained from the resonator element increases. However, at the tip of the resonator element, the amount of charge that can be collected is small because distortion generated by vibration is small, and the amount of generated charge Qm increases gradually toward the tip as shown in FIG. 1 with respect to the length of the collecting electrode. . On the other hand, the generated charge at the tip of the resonator element is small. For this reason, when the collecting electrode is extended to the tip, the increase in the charge obtained with the increase in the area of the collecting electrode decreases, and the generated voltage Vm decreases. Therefore, the electric energy U _E obtained from the resonator element
(= QmVm / 2) is considered to be maximum when the collecting electrode has a predetermined length. As a result of further studies, the inventors have found that the maximum coupling coefficient kv ² when the collecting electrode has a length of ／ of the total length from the fixed end to the free end of the resonator element.
Was obtained.

【０００６】すなわち、本発明の圧電体層を備えた振動
片と、この振動片の固定端の側を片持ち支持する固定手
段と、振動片の固定端から反対側の自由端までの振動部
分が振動している間に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する発電装置においては、振動片
が圧電体層の表面に現れた電荷を収集するために表面の
幅全体を覆う収集電極を備えており、この収集電極が固
定端から自由端の側に延び、振動部分の全長のほぼ２／
３の領域に形成されていることを特徴としている。本発
明の発電装置においては、振動片が振動する際に最も大
きな歪みが発生する固定端から最適な長さである全長の
２／３の近傍まで収集電極を形成することにより、振動
片に供給された機械的エネルギーが電気的エネルギーに
変換される効率の高い、すなわち、発電効率の高い発電
装置を提供することができる。That is, a vibrating reed provided with the piezoelectric layer of the present invention, fixing means for cantilevering the fixed end of the vibrating reed, and a vibrating portion from the fixed end of the vibrating reed to a free end on the opposite side. Output means for outputting the power generated in the piezoelectric layer while vibrating, the vibrating piece collects the electric charge appearing on the surface of the piezoelectric layer, the entire width of the surface is collected. A cover electrode, which extends from the fixed end to the free end and is approximately 2 /
3 is formed in the region. In the power generator of the present invention, the collecting electrode is formed from the fixed end where the largest distortion occurs when the vibrating piece vibrates to the vicinity of ２ of the entire length which is the optimum length, thereby supplying the vibrating piece to the vibrating piece. It is possible to provide a power generation device with high efficiency in which the converted mechanical energy is converted into electrical energy, that is, with high power generation efficiency.

【０００７】振動片の先端に重りを付加することも可能
であり、このような発電装置においては、固定端から重
りの重心までの距離を振動部分の全長としたときに、先
端から重心までの距離を振動部分の全長のほぼ１／３以
下に止めることが望ましい。重心から１／３以下の領域
は、高い発電効率を得るために収集電極を設けなくても
良い領域なのでこの領域に重りを設けることにより、コ
ンパクトで発電効率の高い発電装置を提供できる。さら
に、重りを付加することにより結合係数を高くでき、発
電効率を向上できる。また、先端から重心までの重りの
長さを振動部分の全長の１／３以下にすることによって
振動片の全長の２／３には収集電極を設けることが可能
となり、さらに、発電に寄与する振動回数も十分に確保
できるので振動片を効率良く加振することができる。[0007] It is also possible to add a weight to the tip of the vibrating reed. In such a power generator, when the distance from the fixed end to the center of gravity of the weight is the total length of the vibrating portion, the distance from the tip to the center of gravity is considered. It is desirable to keep the distance to approximately one third or less of the entire length of the vibrating part. Since a region that is 1/3 or less from the center of gravity does not require the collection electrode to obtain high power generation efficiency, providing a weight in this region can provide a compact power generation device with high power generation efficiency. Further, by adding a weight, the coupling coefficient can be increased, and the power generation efficiency can be improved. Further, by setting the length of the weight from the tip to the center of gravity to be 1/3 or less of the entire length of the vibrating portion, a collecting electrode can be provided in 2/3 of the entire length of the vibrating piece, which further contributes to power generation. Since the number of vibrations can be sufficiently secured, the vibrating piece can be efficiently vibrated.

【０００８】また、本例の発電装置においては、振動片
の振動部分に対し部分的に収集電極を設けるようにして
いるので、振動片の圧電体層のうち、収集電極に覆われ
た部分のみが分極されていれば十分である。圧電体層の
うち、収集電極に覆われた部分のみを分極することによ
り、重りや固定手段に電荷が誘起されて損失が発生する
ことも防止できる。さらに、振動片と重りの境界部分に
絶縁層を形成しておくことにより、金属製の重りを設け
た振動片であっても重りを介して圧電体層が短絡される
のを防止でき、損失を低減できる。また、圧電体層は、
固定端の側を自由端の側より厚くすることにより、振動
片が振動する際に発生する応力分布を均等化できるの
で、さらに発電効率を向上できる。In the power generator of this embodiment, since the collecting electrode is provided partially on the vibrating portion of the vibrating reed, only the portion of the piezoelectric layer of the vibrating reed which is covered by the collecting electrode is provided. It is sufficient if is polarized. By polarizing only the portion of the piezoelectric layer that is covered by the collecting electrode, it is possible to prevent a loss from being induced due to charge being induced in the weight or the fixing means. Further, by forming an insulating layer at the boundary between the vibrating reed and the weight, even if the vibrating reed is provided with a metal weight, it is possible to prevent the piezoelectric layer from being short-circuited through the weight, thereby reducing the loss. Can be reduced. Also, the piezoelectric layer is
By making the fixed end side thicker than the free end side, the distribution of stress generated when the vibrating piece vibrates can be equalized, so that the power generation efficiency can be further improved.

【０００９】さらに、固定手段によって固定された振動
片の固着部分に着目すると、固定端と固着部分の境界部
分から固着側にかけての圧電体層には固定端に近い歪み
が発生する。このため、発電効率を向上するには、この
固定端と固着部分の境界部分にも収集電極を設けておく
ことが望ましい。従って、本発明の発電装置において
は、振動片の収集電極を固定端から固着された側に約１
ｍｍ程度延ばすようにしている。また、複数の圧電体層
が積層されている場合は、振動片の内側の圧電体層の方
がより固着側に広く歪みが発生する。このため、本発明
の発電装置においては、発電効率をさらに向上するため
に、振動片の内部の圧電体層に挟まれた内側の表面にあ
る収集電極を固定端から固着された側に約２ｍｍ程度延
ばすようにしている。Further, focusing on the fixed portion of the resonator element fixed by the fixing means, distortion near the fixed end is generated in the piezoelectric layer from the boundary between the fixed end and the fixed portion to the fixed side. Therefore, in order to improve the power generation efficiency, it is desirable to provide a collecting electrode also at the boundary between the fixed end and the fixed portion. Therefore, in the power generating apparatus of the present invention, the collecting electrode of the resonator element is moved about 1
mm. Further, when a plurality of piezoelectric layers are stacked, distortion is generated more widely on the fixed side of the piezoelectric layer inside the resonator element. For this reason, in the power generation device of the present invention, in order to further improve the power generation efficiency, the collecting electrode on the inner surface sandwiched between the piezoelectric layers inside the resonator element is set to about 2 mm on the side fixed from the fixed end. I try to extend it.

【００１０】これに対し、振動片の固着されたその他の
領域はほとんど歪みが発生しないので発生電荷は得られ
ない。従って、固着された領域を介して収集電極から電
荷を出力手段に供給する供給電極を設ける場合は、供給
電極を圧電体層の表面の一部に形成することにより、供
給電極による容量を小さくし発生電圧の低下を防止する
ことが望ましい。さらに、圧電体層の両面を覆う第１お
よび第２の収集電極と、これらの収集電極と繋がった第
１および第２の供給電極とを設ける場合は、第１および
第２の供給電極を圧電体層を挟んで対峙する位置とは異
なった位置に形成することにより、供給電極の容量によ
る損失をさらに低減できる。また、部分的な供給電極を
設ける場合は、供給電極に並んで圧電体層の表面に電気
的に独立したダミー電極を設け、固定手段によって固定
される振動片の表面の段差をなくして固定端の剛性を高
め、振動片のＱ値を低下させないことが望ましい。さら
に、供給電極と出力手段とを接続する接続電極を設ける
場合は、固定手段によって固着された部分の側面に接続
電極を形成することにより、接続電極の容量を小さくし
て損失を低減することが望ましい。On the other hand, in the other area where the resonator element is fixed, almost no distortion is generated, and thus no generated charge is obtained. Therefore, in the case where a supply electrode for supplying electric charges from the collection electrode to the output means through the fixed region is provided, the supply electrode is formed on a part of the surface of the piezoelectric layer to reduce the capacity of the supply electrode. It is desirable to prevent the generated voltage from lowering. Furthermore, when the first and second collecting electrodes covering both surfaces of the piezoelectric layer and the first and second supply electrodes connected to these collecting electrodes are provided, the first and second supply electrodes are made of piezoelectric material. By forming it at a position different from the position facing the body layer, the loss due to the capacitance of the supply electrode can be further reduced. In the case where a partial supply electrode is provided, an electrically independent dummy electrode is provided on the surface of the piezoelectric layer alongside the supply electrode, and a step on the surface of the resonator element fixed by the fixing means is eliminated to fix the end. It is desirable to increase the rigidity of the vibrating piece and not to lower the Q value of the resonator element. Further, when a connection electrode for connecting the supply electrode and the output means is provided, the connection electrode is formed on the side face of the portion fixed by the fixing means, so that the capacity of the connection electrode can be reduced to reduce the loss. desirable.

【００１１】このように、本発明においては、発電効率
が高く、電極による損失の小さな圧電体層を用いた発電
装置を提供できるので、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に好
適な電子機器を提供することが可能になる。As described above, according to the present invention, it is possible to provide a power generation device using a piezoelectric layer having high power generation efficiency and a small loss due to electrodes. Therefore, the power generation device according to the present invention can be applied to a portable case such as an arm-mounted type. And, by installing a processing device that can be operated by the power output from this power generation device, the function of the processing device can be exhibited anytime and anywhere, suitable for a portable type that does not require external power supply and does not require battery replacement Electronic equipment can be provided.

【００１２】[0012]

【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２に本発明に係る発電装置
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２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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in more detail with reference to the drawings. FIG. 2 shows an outline of a wristwatch device provided with a power generating device according to the present invention. The wristwatch device 10 of this example includes a case 1 that covers the periphery of the device 10,
A power generator 20 including a vibrating reed 21 housed inside the case 1, a drive system 11 for driving the power generator 20, a power generator 10
A rectifier circuit 2 for rectifying the AC power obtained from the power supply, a power storage circuit 4 for storing the rectified current, and a processing device 6 for performing a time counting process using the generated current. The processing device 6 may of course have a function of a radio, a pager or a personal computer in addition to the time counting process such as driving the clock unit 7 or performing an alarm process. Further, in this example, the large-capacity capacitor 5 is used for the power storage circuit 4, but any device having a power storage capability such as a secondary battery may be used. The rectifier circuit 2 is not limited to full-wave rectification using the diode 3 as in this example, but may be a half-wave rectifier circuit or a rectifier circuit using an inverter or the like. In FIG. 2, the wristwatch device of this example is shown using a conceptual diagram, but the rectifier circuit 2, the power storage circuit 4, the processing device 6, and the like are arranged so as to overlap the drive system 11 in a plane, and the entire device Has been reduced in size.

【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
一方の側２７を固定装置４０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２１ａは重り２５が取
り付けられており、先端の重り２５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２１ａに付加された
重り２５の重心２５ａが自由端２３となり、台盤１ａに
固定装置４０で固定された固着された固着部分２７の境
界部分が固定端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層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。The power generating device 20 used in the wristwatch device 10 of the present embodiment has a case 1 in a cantilever shape.
The vibrating reed 21 is fixed to the Case 1
A portion 1 protruding like a base plate to facilitate installation of the resonator element 21
a is provided, and one side 27 of the vibrating reed 21 can be fixed to the base portion 1a by a fixing device 40. The piezoelectric members 22 are provided on both sides of the vibrating reed 21 of this example, and when the vibrating reed 21 vibrates, these piezoelectric portions 22a and 22b are repeatedly displaced to generate power. A weight 25 is attached to the distal end 21a of the vibrating reed 21. The vibrating reed 21 is vibrated by being hit by the drive system 11 to the weight 25 at the distal end. When vibrated by the drive system 11,
Kinetic energy (mechanical energy) is transmitted from the driving system 11 to the vibrating piece 21, and the center of gravity 25 a of the weight 25 added to the tip 21 a of the vibrating piece becomes the free end 23, and is fixed to the base 1 a by the fixing device 40. The boundary portion of the fixed portion 27 becomes the fixed end 24, and free vibration is excited. Then, the displacement due to the vibration is converted into electric energy by the piezoelectric layer 22, and an electromotive force is generated. This electromotive force is supplied to the rectifier circuit 2 by the output lines 2a and 2b, which are power output means, and becomes operating energy of the processing unit 6,
Alternatively, power storage unit 5 is charged.

【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が旋回する領域に挟まれた狭い
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１
７によってカム１９が左右に駆動され、カム１９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１９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２
１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。The drive system 11 of this embodiment is provided with a rotary weight 13 that performs a rotary motion inside the case 1. When the rotary weight 13 is mounted on a user's arm, the rotary weight 13 moves the user's arm or body. The kinetic energy is converted to kinetic energy, and the kinetic energy is transmitted to the vibrating reed 21 to vibrate the vibrating reed 21.
For this reason, the drive system 11 of this example includes a wheel train that transmits the motion of the rotary weight 13 to the weight 25 at the tip of the vibrating reed. First, the motion of the rotary weight 13 is controlled by the intermediate wheel 15 by the rotary weight wheel 14. And the speed is increased. The intermediate wheel 15 and gears and cams to be described later can form a wheel train even in a narrow space between the base plate 12 that supports the drive system 11 in the case 1 and the area where the rotary weight 13 turns. . Intermediate wheel 15
Is transmitted to the cam driven wheel 17, and the cam driven wheel 1
7, the cam 19 is driven right and left, and the protrusion 18 accommodated in the vibrating piece weight 25 of the cam 19 moves. Therefore, when the user moves the arm or body, the weight 13
When the rotational force is applied to the cam 19, the cam 19 vibrates left and right by the force, and the protruding portion 18 of the cam 19 strikes the weight 25 of the vibrating piece from side to side. By this impact, the vibrating piece 2
1 is displaced, the vibrating reed 21 starts to vibrate, and the vibration generates an electromotive force in the piezoelectric body portion 22. In addition,
As the cam 19 used in the drive system 11 of this example, a pattern-type cam having a small moment of inertia is adopted in order to reduce the load on the drive system. Further, a cam drive wheel 17 is provided in addition to the intermediate wheel 15 so that the cam 19 can be downsized.

【００１５】図３に、本例の発電装置２０の詳細を示し
てあり、また、図４に、発電装置２０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の
固着部分２７が台盤１ａに対し固定装置４０で片持ち支
持され、固着部分２７との境界である振動片２１の固定
端２４と、先端２１ａに付加された重り２５の重心２５
ａの自由端２３との間が振動部分２８となって自由振動
し、その間に発生した電力を固着部分２７に接続された
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、固定端２４から自由端２３に向か
って一定の幅で延びた板形状であり、燐青銅などの金属
製の支持層（シム材）２６を中心に、その両側に圧電体
層２２ａおよび２２ｂがそれぞれ形成されたサンドイッ
チ構造となっている。これらの圧電体層２２ａおよび２
２ｂは、固定端２４の方が厚く、自由端２３の方が薄い
片テーパー状に形成されており、振動片２１全体では、
固定端２４から自由端２３に向かって薄くなったテーパ
ー状の梁になっている。このように、振動片２１をテー
パー状にすることによって、振動時の応力分布を平均化
することができるので、振動片２１の疲労度を軽減でき
ると共に、圧電体層２２ａおよび２２ｂ全体の発電能力
を高くし、効率良く電荷を発生させると共にそれらを収
集できるようにしている。また、振動片２１の固着部分
２７および重り２５に差し込まれた先端の部分２１ａは
固定し易いように一定の厚みに形成されている。FIG. 3 shows the details of the power generator 20 of the present embodiment, and FIG. 4 shows the configuration of the power generator 20 using a cross section. In the power generation device 20 of the present example, the fixed portion 27 of the vibrating reed 21 is cantilevered by the fixing device 40 with respect to the base 1a, and the fixed end 24 of the vibrating reed 21 which is the boundary with the fixed portion 27 and the tip 21a The center of gravity 25 of the added weight 25
The free end 23a is free to vibrate as a vibrating portion 28, and the power generated during the vibrating portion 28 can be output by the power lines 2a and 2b connected to the fixed portion 27. The vibrating reed 21 has a plate shape extending at a fixed width from the fixed end 24 to the free end 23, and has a support layer (shim material) 26 made of a metal such as phosphor bronze as a center, and piezoelectric layers on both sides thereof. It has a sandwich structure in which 22a and 22b are respectively formed. These piezoelectric layers 22a and 2a
2b, the fixed end 24 is thicker and the free end 23 is thinner in a single taper shape.
It is a tapered beam that becomes thinner from the fixed end 24 to the free end 23. By making the vibrating reed 21 tapered, the stress distribution during vibration can be averaged, so that the degree of fatigue of the vibrating reed 21 can be reduced and the power generation capacity of the entire piezoelectric layers 22a and 22b can be reduced. In order to efficiently generate electric charges and collect them. The fixed portion 27 of the vibrating reed 21 and the tip portion 21a inserted into the weight 25 are formed to have a certain thickness so as to be easily fixed.

【００１６】それぞれの圧電体層２２ａおよび２２ｂの
表面３１ａおよび３１ｂには収集電極３２ａおよび３２
ｂが設けられており、これらの電極３２ａおよび３２ｂ
は、後述するように固定端２４から若干、固着部分２７
に入った位置から自由端２３に向かって振動部分２８の
長さＬのほぼ２／３の領域に形成されており、圧電体層
２２ａおよび２２ｂの表面３１ａおよび３１ｂに現れた
電荷を収集できるようになっている。これらの収集電極
３２ａおよび３２ｂは、表面３１ａおよび３１ｂの幅方
向の全体を覆うように形成されており、振動の歪みによ
り圧電体層２２ａおよび２２ｂの表面３１ａおよび３１
ｂに現れた電荷を効率良く収集できるようになってい
る。また、これらの収集電極３２ａおよび３２ｂは、振
動時に最も大きな歪みが発生し、発電能力が高い固定端
２４の近傍も十分にカバーしており、特に、固着部分２
７の内で大きな歪みが発生する振動部分２８との境界領
域２７ｅまで延びて電荷の収集効率を上げられるように
なっている。さらに、これらの収集電極３２ａおよび３
２ｂの固定端２４からの長さｍは２／３Ｌの時に結合係
数ｋｖ² が最も高く、本例のような振動部分２８に対し
部分的に収集電極３２ａおよび３２ｂを設けることによ
り、発電効率の高い圧電体層を用いた発電装置を提供で
きる。The collecting electrodes 32a and 32b are provided on the surfaces 31a and 31b of the piezoelectric layers 22a and 22b, respectively.
b, and these electrodes 32a and 32b
Is slightly fixed from the fixed end 24 as described later.
It is formed in a region of approximately 2/3 of the length L of the vibrating portion 28 from the position where it enters the free end 23 so that the charges appearing on the surfaces 31a and 31b of the piezoelectric layers 22a and 22b can be collected. It has become. These collecting electrodes 32a and 32b are formed so as to cover the entire surface 31a and 31b in the width direction, and the surfaces 31a and 31b of the piezoelectric layers 22a and 22b are distorted by vibration.
The charge appearing in b can be efficiently collected. In addition, these collecting electrodes 32a and 32b generate the largest distortion when vibrating and sufficiently cover the vicinity of the fixed end 24 having high power generation capability.
7 extend to a boundary region 27e with the vibrating portion 28 where a large distortion occurs, so that the charge collection efficiency can be increased. Further, these collecting electrodes 32a and 3
When the length m from the fixed end 24 of 2b is 2 / 3L, the coupling coefficient kv ² is the highest. By providing the collecting electrodes 32a and 32b partially to the vibrating portion 28 as in this example, the power generation efficiency can be reduced. A power generation device using a high piezoelectric layer can be provided.

【００１７】一方、それぞれの圧電体層２２ａおよび２
２ｂと、シム層２６との境界には、絶縁層３３と、それ
ぞれの圧電体層２２ａおよび２２ｂに接して電荷を収集
する収集電極３４ａおよび３４ｂが形成されている。こ
れらの収集電極３４ａおよび３４ｂも上記と同様に固定
端２４から振動部分２８の全長Ｌのほぼ２／３の領域を
覆えるように形成されている。本例の圧電体層２２ａお
よび２２ｂにおいては、製造時にこれらの収集電極３２
ａ、３３ｂ、３４ａおよび３４ｂによって挟まれた部分
２９ａおよび２９ｂに分極用の電圧が印加され、これら
の部分２９ａおよび２９ｂだけが分極され発電に寄与す
るようになっている。従って、圧電体層２２ａおよび２
２ｂの他の部分の配向はランダムであり、これらの部分
において機械エネルギーから電気エネルギーに変換され
て喪失される損失を低減できるようになっている。さら
に、重り２５に差し込まれた振動片２１の先端２１ａの
表面を絶縁層３５で覆ってあり、振動片２１の表面に微
小な電荷が現れても金属製の重り２５を介してそれらが
短絡されて機械的な損失が発生しないようにしている。
本例の発電装置２０においては、圧電体層の部分２９ａ
および２９ｂは同じ方向にパラレルに分極されている。
このため、振動片２１が振動すると、それぞれの圧電体
層２２ａおよび２２ｂのシム層２６の側、すなわち、収
集電極３４ａおよび３４ｂと、反対側の電極、すなわ
ち、収集電極３２ａおよび３２ｂを並列に接続すること
により大きな電流を取り出すことができる。On the other hand, each of the piezoelectric layers 22a and 22a
An insulating layer 33 and collecting electrodes 34a and 34b for collecting charges in contact with the respective piezoelectric layers 22a and 22b are formed on the boundary between the shim layer 2b and the shim layer 26. These collecting electrodes 34a and 34b are also formed so as to cover a region of approximately 2/3 of the total length L of the vibrating portion 28 from the fixed end 24 as described above. In the piezoelectric layers 22a and 22b of this example, these collecting electrodes 32
A voltage for polarization is applied to portions 29a and 29b sandwiched between a, 33b, 34a and 34b, and only these portions 29a and 29b are polarized and contribute to power generation. Therefore, the piezoelectric layers 22a and 2a
The orientation of the other parts of 2b is random, so that in these parts the loss of conversion from mechanical energy to electrical energy can be reduced. Furthermore, the surface of the tip 21a of the vibrating reed 21 inserted into the weight 25 is covered with an insulating layer 35. Even if minute electric charges appear on the surface of the vibrating reed 21, they are short-circuited via the metal weight 25. To prevent mechanical loss.
In the power generation device 20 of this example, the portion 29a of the piezoelectric layer
And 29b are polarized in parallel in the same direction.
Therefore, when the vibrating reed 21 vibrates, the side of the shim layer 26 of each of the piezoelectric layers 22a and 22b, that is, the collecting electrodes 34a and 34b, and the opposite electrodes, that is, the collecting electrodes 32a and 32b are connected in parallel. By doing so, a large current can be obtained.

【００１８】次に、図５および図６に基づき、収集電極
３３および３４の長さによって変換効率ｋｖ² が変化す
る様子を説明する。簡単のため厚みが一定で一端が固定
された片持ち梁のモデルで検討する。この梁５１の位置
ｘにおける振動時の曲げモーメントＭ（ｘ）は、曲げ応
力σ_b と断面係数Ｚを用いると以下のようになる。Next, how the conversion efficiency kv ² changes with the length of the collecting electrodes 33 and 34 will be described with reference to FIGS. For the sake of simplicity, we will consider using a cantilever model with a fixed thickness and one end fixed. The bending moment M (x) at the time of vibration of the beam 51 at the position x is as follows using the bending stress σ _b and the section modulus Z.

【００１９】Ｍ（ｘ）＝σ_b ・Ｚ ・・・（１） ここで Ｚ ＝ωｔ² ・・・（２） であり、ωは梁（振動片）５１の幅、ｔは梁５１の厚さ
である。梁の曲げ応力σ_b は、図５（ｂ）に示すような
分布になるので、曲げ応力σ_b は、梁５１の位置ｘにお
ける全応力総和Ｓ（ｘ）を用いて以下のように表され
る。M (x) = σ _b · Z (1) where Z = ωt ² (2), where ω is the width of the beam (vibrating piece) 51 and t is the thickness of the beam 51 That's it. Bending stress sigma _b of the beam, since the distribution shown in FIG. 5 (b), the bending stress sigma _b, is expressed as follows using the total stress sum S (x) at position x of the beam 51 You.

【００２０】 σ_b ＝Ｓ（ｘ）／（２・ω・ｔ） ・・・（３） 従って、（１）、（２）および（３）式より、全応力総
和Ｓ（ｘ）は以下のようになる。Σ _b = S (x) / (2 · ω · t) (3) Therefore, from equations (1), (2) and (3), the total stress sum S (x) is Become like

【００２１】 Ｓ（ｘ）＝３・Ｍ（ｘ）／ｔ ・・・（４） ここで、長さＬの梁５１の自由端５２に力Ｆを加えた時
を考えると、曲げモーメントＭ（ｘ）は、以下の式で現
れる。S (x) = 3 · M (x) / t (4) Here, when a force F is applied to the free end 52 of the beam 51 having the length L, the bending moment M ( x) appears in the following equation.

【００２２】 Ｍ（ｘ）＝Ｆ・（Ｌ−ｘ） ・・・（５） 従って、全応力総和Ｓ（ｘ）は以下のようになる。M (x) = F · (L−x) (5) Accordingly, the total stress sum S (x) is as follows.

【００２３】 Ｓ（ｘ）＝３・Ｆ・（Ｌ−ｘ）／ｔ ・・・（６） 次に、梁５１のうち、距離ｘとｘ＋ｄｘの体積で全応力
総和Ｓ（ｘ）により発生される電荷（電気量）ｄＱ
（ｘ）は以下にようになる。S (x) = 3 · F · (L−x) / t (6) Next, in the beam 51, the total stress S (x) is generated at the distance x and x + dx in the volume. Charge (electric quantity) dQ
(X) is as follows.

【００２４】 ｄＱ（ｘ）＝ｄ₃₁・（ｄｘ／ｔ）・Ｓ（ｘ） ＝ｄ₃₁・３・（Ｌ−ｘ）・Ｆ／ｔ² ・ｄｘ ・・・（７） さらに、この式（７）を図６に示したような本例の重り
付きの振動片２１に適応すると、簡単のために厚さｔが
一定として、振動片２１から得られる電気量Ｑは以下の
ようになる。DQ (x) = d ₃₁ · (dx / t) · S (x) = d ₃₁ · 3 · (L−x) · F / t ² · dx (7) If 7) is applied to the weighted vibrating reed 21 of this example as shown in FIG. 6, the electric quantity Q obtained from the vibrating reed 21 is as follows, with the thickness t being constant for simplicity.

【００２５】 Ｑ＝∫₀ ^m ｄ₃₁・３・（ｌ＋ａ−ｘ）・Ｐ／ｔ² ・ｄｘ ＝ｄ₃₁・３・ｍ・（ｌ＋ａ−ｍ／２）・Ｐ／ｔ² ・・・（８） ここで、 Ｌ＝ｌ＋ａ Ｐ＝Ｆ＋Ｗ ・・・（９） であり、ａは重り２５の重心２５ａから振動片２１と重
り２５の接続部分（振動片の先端２１ａ）までの距離を
示し、ｌは振動片２１の先端２１ａから固定端２４まで
の距離を示す。また、Ｗは重りの質量を示す。さらに、
ｍは収集電極３２あるいは３４の固定端２４からの長さ
である。[0025] ^{_{Q = ∫ 0 m d 31 ·}} 3 · (l + a-x) · P / t 2 · dx = d 31 · 3 · m · (l + a-m / 2) · P / t 2 ··· (8 Here, L = l + a P = F + W (9) where a represents the distance from the center of gravity 25a of the weight 25 to the connecting portion between the vibrating piece 21 and the weight 25 (the tip 21a of the vibrating piece), and l Indicates the distance from the tip 21a of the resonator element 21 to the fixed end 24. W indicates the mass of the weight. further,
m is the length from the fixed end 24 of the collecting electrode 32 or 34.

【００２６】式（８）より、振動片２１から得られる電
気エネルギーＵ_E は以下のようになる。From equation (8), the electric energy U _E obtained from the resonator element 21 is as follows.

【００２７】 Ｕ_E ＝Ｑ² ／２／Ｃ ＝ｄ₃₁ ² ・９・ｍ・（ｌ＋ａ−ｍ／２）² ・Ｐ² ／（２・ε₃₃・ω・ｔ³ ） ・・・（１０） ただし、ε₃₃は、圧電体層の厚み方向の誘電率である。U _E = Q ^{2 _{/ 2 / C = d 31 2}} · 9 · m · (l + a-m / 2) 2 · P 2 / (2 · ε 33 · ω · t 3) ··· (10) However, epsilon ₃₃ is a piezoelectric The dielectric constant in the thickness direction of the layer.

【００２８】一方、振動片の振動部分２８（長さＬ）の
歪みエネルギーＵ_M は、重り２５の部分、すなわち、振
動部分２８の長さのうち、長さａの部分は曲がらないの
で、以下のように表される。On the other hand, the strain energy U _M of the vibrating portion 28 (length L) of the vibrating reed is equal to the weight 25, that is, the length a of the length of the vibrating portion 28. It is represented as

【００２９】 Ｕ_M ＝１／２∫₀ ^l （ｌ＋ａ−ｘ）² ・Ｐ² ／（Ｅ・Ｉ）・ｄｘ ＝６ｌ・（ａ² ＋ａｌ＋ｌ² ／３）・Ｐ² ／（Ｅ・ω・ｔ³ ） ・・・（１１） ここで、Ｅはヤング率を示し、Ｉ（＝ω・ｔ³ ）は断面
２次モーメントである。[0029] ^{_{U M = 1 / 2∫ 0 l}} (l + a-x) 2 · P 2 / (E · I) · dx = 6l · (a 2 + al + l 2/3) · P 2 / (E · ω · t ³ ) (11) Here, E indicates the Young's modulus, and I (= ω · t ³ ) is the second moment of area.

【００３０】以上より、本例の振動片２１の曲げモード
における電気機械結合係数ｋｖ² は以下のようになる。As described above, the electromechanical coupling coefficient kv ² in the bending mode of the resonator element 21 of this embodiment is as follows.

【００３１】 ｋｖ² ＝Ｕ_E ／Ｕ_M ＝３／４・ｍ・（ｌ＋ａ−ｍ／２）² ／（ｌ・（ａ² ＋ａｌ＋ｌ² ／３））・ｋ₃₁ ² ・・・（１２） ここでｋ₃₁ ² （＝Ｅ・ｄ₃₁ ² ／ε₃₃）は横効果による理
論的な電気機械結合係数である。The _{^{kv 2 = U E / U M}} = 3/4 · m · (l + a-m / 2) 2 / (l · (a 2 + al + l 2/3)) · k 31 2 ··· (12) where And k ₃₁ ² (= E · d ₃₁ ² / ε ₃₃ ) is a theoretical electromechanical coupling coefficient due to a lateral effect.

【００３２】さらに、重りの長さａと、電極の長さｍを
以下のようにおいて、式（１２）を整理すると以下のよ
うに鳴る。 ａ＝α・ｌ ｍ＝β・ｌ ・・・（１３） ｋｖ² ＝９／４・β・（（２α−（β−２））² ／（１２α² ＋１２α＋４）・ｋ₃₁ ² ・・・（１２’） この式（１２’）は、以下の条件で最大値をとる。Further, when the length a of the weight and the length m of the electrode are as follows, and the equation (12) is rearranged, the following sounds are obtained. a = α · l m = β · l ··· (13) kv 2 = 9/4 · β · ((2α- (β-2)) 2 / (12α 2 + 12α + 4) · k 31 2 ··· ( 12 ′) This expression (12 ′) takes the maximum value under the following conditions.

【００３３】 β＝２／３・（α＋１） （０＜＝α＜＝０．５） ｋｖ² ／ｋ₃₁ ² （ｍａｘ） ＝２／３・（α＋１）³ ／（３α² ＋３α＋１）・・・（１４） すなわち、ｍ＝２／３・（α＋１）・ｌ ＝２／３Ｌ ・・・（１５） のときに結合係数ｋｖ² は最大となる。図７に、ｋｖ²
／ｋ₃₁ ² （ｍａｘ）がαによって変化する様子を示して
あり、また、図８に、ｋｖ² ／ｋ₃₁ ² が収集電極ｍの長
さによって変化する様子を示してある。図７において、
αが０．５になると、重りの長さａが振動部分の全長Ｌ
の１／３を越えるので、収集電極２２は固定端２４から
重り２５との境界である振動片の先端２１ａまで領域に
形成しておくことが望ましく、図中に示してあるように
振動部分２８の圧電体層の部分の全面に収集電極を設け
ること望ましい。図７あるいは図８に示すように、ｋｖ
² ／ｋ₃₁ ² （ｍａｘ）は振動部分２８に占める重りの長
さ（振動片の先端から重心までの距離）ａが増加するに
つれて増加する。従って、振動部分２８の内、重りの部
分の長さを増やすことが単にｋｖ² ／ｋ₃₁ ² を増加する
という点では望ましい。しかしながら、振動部分の長さ
Ｌの内、重りの長さａを増加すると、圧電体層の長さｌ
が減少するので同じ発電量を得るためには多数たたく必
要が生ずる。従って、結合係数を高し、振動片２１の発
電に寄与する振動回数を十分に確保するためには、図４
に示すように、振動部分２８の全長Ｌのうち、固定端２
４から２／３の長さｍの領域を覆うように収集電極３２
および３４を設け、さらに、自由端２３（重りの重心２
５ａ）から全長Ｌの１／３あるいはそれ以下の長さａを
持った重り２５を付加することが望ましい。これによ
り、結合係数ｋｖ² ／ｋ₃₁ ²（ｍａｘ）を高くでき、さ
らに、圧電体層も十分に長く、より少ない回数で振動片
２１を加振しながら発電能力も高い振動片２１を用いた
発電装置２０を提供することができる。[0033] β = 2/3 · (α + 1) (0 <= α <= 0.5) kv 2 / k 31 2 (max) = 2/3 · (α + 1) 3 / (3α 2 + 3α + 1) ··· (14) That is, the coupling coefficient kv ² becomes maximum when m = ２ (α + 1) · l = ２ / 3L (15). FIG. 7 shows kv ²
/ K ₃₁ ² (max) is is shown how the changes with alpha, also in FIG. 8, there is shown a state in which kv ² / k ₃₁ ² is changed by the length of the collecting electrodes m. In FIG.
When α becomes 0.5, the length a of the weight becomes the total length L of the vibrating portion.
Therefore, it is desirable that the collecting electrode 22 be formed in a region from the fixed end 24 to the tip 21a of the vibrating reed, which is the boundary between the fixed end 24 and the weight 25. As shown in FIG. It is desirable to provide a collecting electrode on the entire surface of the piezoelectric layer. As shown in FIG. 7 or FIG.
² / k ₃₁ ² (max) increases as a (distance to the center of gravity from the tip of the resonator element) length of the weight occupying the vibration portion 28 is increased. Therefore, of the oscillating part 28, is desirable in terms of increasing the length of the portion of the weight is merely increased kv ² / k ₃₁ ^2. However, when the length a of the weight is increased in the length L of the vibrating portion, the length l of the piezoelectric layer is increased.
In order to obtain the same amount of power generation, it is necessary to strike a large number. Therefore, in order to increase the coupling coefficient and sufficiently secure the number of vibrations that contribute to power generation of the resonator element 21, FIG.
As shown in the figure, of the total length L of the vibrating portion 28, the fixed end 2
The collecting electrode 32 covers a region having a length m of 4 to 2/3.
And 34, and the free end 23 (the center of gravity 2 of the weight).
From 5a), it is desirable to add a weight 25 having a length a of 1/3 or less of the total length L. Thus, the coupling coefficient kv ² / k ₃₁ can be increased ² (max), further, the piezoelectric layer is also sufficiently long, with generating capacity is high vibrating piece 21 while vibrating the vibrating reed 21 with a smaller number of The power generator 20 can be provided.

【００３４】また、固定装置４０によって台盤に固定さ
れた固着部分２７にも振動片２１が振動することによっ
て多少の歪みは発生する。特に、固着部分２７と振動部
分２８の境界領域、すなわち、固定端２４の近傍は固着
部分２７にも大きな歪みが発生しており、この部分に収
集電極３２および３４を延ばすことにより振動片２１の
発電効率を高くすることができる。このため、図９に振
動片２１の固着部分２７の概略構成を展開して示してあ
るように、本例の振動片２１においては、固定端２４か
ら固着部分２７の側に多少、収集電極３２および３４を
延ばしてある。図１０に拡大して示してあるように、発
明者らが収集電極３２および３４の延長長さｎ１および
ｎ２を変えて発電効率に対する寄与を測定したところ、
固着部分２７の表面２７ａに形成された延長部分３２ｃ
においては、長さｎ１が約１ｍｍ程度まで発電効率を高
くする効果が得られ、また、固着部分２７の内側の表面
（シム層２６の両側の面）２７ｂに形成された延長部分
３４ｃにおいては、長さｎ２が約２ｍｍ程度まで発電効
果を高くする効果が得られた。延長部分３２ｃおよび３
４ｃがこれらの長さを越えると発電効果は低下する傾向
が見られ、後述するような容量の増加による損失の方が
大きくなると思われる。Further, the vibrating reed 21 also vibrates in the fixed portion 27 fixed to the base plate by the fixing device 40, so that some distortion is generated. Particularly, in the boundary region between the fixed portion 27 and the vibrating portion 28, that is, in the vicinity of the fixed end 24, a large strain is also generated in the fixed portion 27, and by extending the collecting electrodes 32 and 34 to this portion, Power generation efficiency can be increased. For this reason, as shown in FIG. 9 in which the schematic configuration of the fixed portion 27 of the vibrating reed 21 is developed and shown, in the vibrating reed 21 of this example, the collecting electrode 32 is slightly moved from the fixed end 24 to the fixed portion 27 side. And 34 have been extended. As shown in an enlarged manner in FIG. 10, when the inventors measured the contribution to the power generation efficiency by changing the extended lengths n1 and n2 of the collecting electrodes 32 and 34,
Extension portion 32c formed on surface 27a of fixed portion 27
In the above, the effect of increasing the power generation efficiency up to a length n1 of about 1 mm is obtained, and in the extension portion 34c formed on the inner surface 27b of the fixed portion 27 (both surfaces of the shim layer 26), The effect of increasing the power generation effect up to a length n2 of about 2 mm was obtained. Extensions 32c and 3
When 4c exceeds these lengths, the power generation effect tends to decrease, and it is considered that the loss due to the increase in capacity as described later is larger.

【００３５】さらに、本例の振動片２１においては、固
着部分２７の電極を限られた領域に形成することによっ
て、発電に寄与しない無駄な容量を削減し、発電効率を
向上できるようにしている。図９に示してあるように、
本例の振動片２１は、収集電極３２あるいは３４によっ
て収集された電荷を固着部分２７を通して出力手段であ
る出力線２ａおよび２ｂに供給し、出力線２ａおよび２
ｂに確実に電荷、すなわち、振動片２１で発生した電力
を供給できるようにしている。このため、固着部分２７
の収集電極３２および３４が形成された外側の表面２７
ａおよび内側の表面２７ｂに収集電極３２および３４と
比べ細く面積の狭い供給電極３６および３７を設けてあ
る。さらに、圧電体層２２を挟んで配置される供給電極
３６および３７は、それぞれの供給電極３６および３７
が対峙しない位置、すなわち、供給電極３６および３７
との距離ができるかぎり大きくなるような異なった位置
に配置されており、供給電極３６および３７で形成され
る容量をできるかぎり小さくできるようにしている。Further, in the vibrating reed 21 of this embodiment, by forming the electrode of the fixed portion 27 in a limited area, useless capacity not contributing to power generation can be reduced and power generation efficiency can be improved. . As shown in FIG.
The vibrating reed 21 of this example supplies the electric charge collected by the collecting electrode 32 or 34 to the output lines 2a and 2b as output means through the fixed portion 27, and outputs the output lines 2a and 2b.
b, the electric charge, that is, the electric power generated by the vibrating reed 21 can be reliably supplied. Therefore, the fixing portion 27
Outer surface 27 on which the collecting electrodes 32 and 34 are formed
The supply electrodes 36 and 37, which are thinner and smaller in area than the collecting electrodes 32 and 34, are provided on the inner surface 27a and the inner surface 27b. Further, the supply electrodes 36 and 37 disposed with the piezoelectric layer 22 interposed therebetween are the supply electrodes 36 and 37 respectively.
Are not opposed to each other, that is, the supply electrodes 36 and 37
Are arranged at different positions so that the distance between the electrodes is as large as possible, so that the capacitance formed by the supply electrodes 36 and 37 can be made as small as possible.

【００３６】固着部分２７は、振動片２１が振動しても
境界部分を除きほとんど歪みが発生せず、電荷が生じな
い領域である。従って、この部分に広い電極を設ける
と、発電装置２１の出力側に大きな容量が付加されたこ
とになり、振動部分２８で発生した電荷によってこの容
量に対し充放電を繰り返すことになるため、出力電圧が
低下すると共に充放電による電気的な損失も発生する。
これに対し、本例の振動片２１は、供給電極３６および
３７が固着部分２７の限られた領域に形成されており、
さらに、供給電極３６および３７が対峙する位置とは異
なった位置に形成されている。このため、本例の振動片
２１においては、供給電極３６および３７で形成される
容量が非常に小さくなっており、供給電極による損失や
出力電圧の低下を防止することができる。The fixed portion 27 is a region in which even if the vibrating reed 21 vibrates, almost no distortion occurs except for the boundary portion and no electric charge is generated. Therefore, if a wide electrode is provided in this portion, a large capacity is added to the output side of the power generation device 21, and the charge generated in the vibrating portion 28 repeatedly charges and discharges this capacity. As the voltage decreases, electrical loss due to charging and discharging also occurs.
On the other hand, in the resonator element 21 of the present example, the supply electrodes 36 and 37 are formed in a limited area of the fixed portion 27,
Further, they are formed at positions different from the positions where the supply electrodes 36 and 37 face each other. For this reason, in the resonator element 21 of this example, the capacitance formed by the supply electrodes 36 and 37 is extremely small, and loss due to the supply electrodes and a decrease in output voltage can be prevented.

【００３７】さらに、供給電極３６および３７と出力線
２ａおよび２ｂとを接続するためには、出力線２ａおよ
び２ｂを半田付けなどによって接続する面積の大きな接
続電極が必要になる。本例の振動片２１においては、供
給電極３６および３７と繋がった接続電極３８および３
９を、図９および図１１に示すように、固着部分２７の
後ろ側面２７ｃに用意してあり、接続電極３８および３
９の間に容量がほとんど生じないようにしている。これ
により、上記と同様に接続電極３８および３９の間の容
量による出力電圧の低下や、充放電に伴う損失の発生を
防止することができ、さらに発電能力の高い発電装置を
実現できる。これら供給電極３６および３７、および接
続電極３８および３９は、本例に限らず、例えば、固着
部分２７の横方向の側面２７ｄに形成しても良い。Further, in order to connect the supply electrodes 36 and 37 and the output lines 2a and 2b, connection electrodes having a large area for connecting the output lines 2a and 2b by soldering or the like are required. In the resonator element 21 of the present example, the connection electrodes 38 and 3 connected to the supply electrodes 36 and 37 are provided.
9 is provided on the rear side surface 27c of the fixing portion 27 as shown in FIGS. 9 and 11, and the connection electrodes 38 and 3 are provided.
9 so that almost no capacitance is generated. As a result, similarly to the above, it is possible to prevent a decrease in the output voltage due to the capacitance between the connection electrodes 38 and 39 and to prevent a loss due to charging / discharging, thereby realizing a power generation device having a higher power generation capability. The supply electrodes 36 and 37 and the connection electrodes 38 and 39 are not limited to this example, and may be formed on, for example, a lateral side surface 27d of the fixed portion 27.

【００３８】また、固着部分２７の表面２７ａの一部に
供給電極３６を設けると、段差が発生する。この固着部
分の表面２７ａは、固定装置４０で固定される際に重要
な面であり、段差などにより固定装置４０と振動片２１
との間に隙間が発生すると振動漏れが生じ、機械エネル
ギーが損失されＱ値が低下する原因になる。そこで、本
例の振動片２１においては、図９に示すように、固着部
分２７の外側の表面２７ａや、内側の表面２７ｂの供給
電極３６および３７が形成されていない領域に電気的に
は独立したダミー電極４５を設けて段差の発生を防止
し、Ｑ値の高い振動片２１が得られるようにしている。When the supply electrode 36 is provided on a part of the surface 27a of the fixed portion 27, a step is generated. The surface 27a of the fixing portion is an important surface when being fixed by the fixing device 40.
When a gap is generated between the two, vibration leakage occurs, which results in loss of mechanical energy and a decrease in the Q value. Therefore, in the vibrating reed 21 of this example, as shown in FIG. 9, the outer surface 27 a of the fixed portion 27 and the region of the inner surface 27 b where the supply electrodes 36 and 37 are not formed are electrically independent. By providing the dummy electrode 45 described above, the occurrence of a step is prevented, so that the resonator element 21 having a high Q value can be obtained.

【００３９】このように、以上に説明した本発明に係る
発電装置は圧電体層を設けた振動片を振動させることに
より電気エネルギーを出力できる発電装置であり、圧電
体層から電荷を収集する収集電極を振動部分の２／３の
長さに形成し、さらに、重りを残りの１／３あるいはそ
れ以下の長さ（先端から重心までの距離）に設けること
により、結合係数が高く、実際に得られる電力も大きな
発電装置を提供することができる。また、本例では、重
りを設けた例で説明しているが、例えが、図８でαが０
のケース、すなわち、重りがない振動片の例で示してあ
るように、重りを設けていない振動片においても、振動
部分の全長の２／３に収集電極を設けることにより、結
合係数が高く発電効率の高い発電装置を提供できる。さ
らに、重りの長さが振動部分の全長の１／３を越えた場
合は、重りを除いた振動部分に収集電極を設けることが
望ましいことも上述した通りである。このように、本例
の圧電体を用いた発電装置によって、小型で発電効率が
高く、大きな電力を出力できる発電装置を実現できるの
で、回転錘などから駆動系を介して与えられた機械的エ
ネルギーを効率良く電気エネルギーに変換し、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
装置を駆動できる能力を備えた圧電体を用いた発電装置
を提供できる。As described above, the power generation device according to the present invention described above is a power generation device capable of outputting electric energy by vibrating the vibrating piece provided with the piezoelectric layer, and is a collection device that collects electric charges from the piezoelectric layer. By forming the electrode to be 2/3 the length of the vibrating portion and providing the weight to the remaining 1/3 or less (distance from the tip to the center of gravity), the coupling coefficient is high, and The obtained electric power can also provide a large power generation device. Also, in this example, an example is described in which a weight is provided, but for example, in FIG.
As shown in the case of the vibrating bar having no weight, as shown in the example of the vibrating bar having no weight, by providing the collecting electrode in 2/3 of the entire length of the vibrating portion, the coupling coefficient is increased and the power generation is increased. A highly efficient power generator can be provided. Further, when the length of the weight exceeds one-third of the total length of the vibrating portion, it is desirable to provide the collecting electrode in the vibrating portion excluding the weight, as described above. As described above, the power generation device using the piezoelectric body of this example can realize a power generation device that is small in size, has high power generation efficiency, and can output a large amount of electric power. Is efficiently converted to electrical energy,
It is possible to provide a power generation device using a piezoelectric body having a size suitable for carrying such as a wristwatch and capable of driving a processing device such as a timing device.

【００４０】また、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、分極方
向も本例のようにパラレルな方向に限定されず、逆方向
に分極した圧電体層を積層した振動片であっても良いこ
とはもちろんである。また、圧電体層を構成する素材は
ＰＺＴ（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。Further, in the above description, the power generation device using the vibrating reed 21 in which the two piezoelectric layers 22a and 22b are laminated is described as an example, but the piezoelectric layer is a single-layer vibrating reed. It is of course also possible to use a vibrating reed in which three or more piezoelectric layers are stacked. Further, the polarization direction is not limited to the parallel direction as in this embodiment, and it goes without saying that the resonator element may be a vibrating reed in which piezoelectric layers polarized in opposite directions are stacked. The material constituting the piezoelectric layer should be PZT (trademark), a ceramic material such as barium titanate or lead titanate, a single crystal such as quartz or lithium niobate, or a polymer material such as PVDF. Is possible.

【００４１】さらに、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、これらの電子機器に
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。Further, the present invention is not limited to wrist-mounted portable devices such as the above-described timepiece device.
Since the present invention can provide a small power generation device with high power generation capability, it is suitable as a power generation device built in other small and portable electronic devices, for example, a pager, a telephone, a wireless device, a hearing aid, a pedometer, Information terminals such as calculators and electronic organizers,
The power generation device of the present invention can be applied to an IC card, a radio receiver, and the like. By adopting the power generation device of the present invention in these electronic devices, it is possible to efficiently generate power by capturing human movements, etc., to suppress battery consumption, or to eliminate the need for the battery itself. It is. Therefore, the user can use these portable devices without worrying about running out of battery, and it is possible to prevent troubles such as loss of contents stored in the memory due to running out of battery. Further, the function of the portable electronic device can be exhibited even in a region or place where a battery or a charging device is not easily available, or in a situation where it is difficult to replenish the battery due to a disaster or the like.

【００４２】[0042]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の圧電体
層を備えた振動片を用いた発電装置においては、圧電体
層から発生した電荷を収集するための収集電極を振動片
の全面に設けるのではなく、振動部分の全長の２／３と
いう限られた領域に設けてあり、これにより、結合係数
が高く、発電効率の高い発電装置を提供することができ
る。特に、重りを先端に設けた振動片においては、重り
の先端から重心までの長さを全長の１／３あるいはそれ
以下にして、より少ない回数で振動片を加振できるバラ
ンスのとれた結合係数の高い振動片を提供することが可
能であり、いっそう発電効率が高く、優れた発電能力を
備えた発電装置を提供することができる。また、本発明
により、収集電極を固定装置で固着された部分に延ばす
ことなどによってさらに発電効率の高い発電装置を提供
でき、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。As described above, in the power generator using the vibrating reed having the piezoelectric layer according to the present invention, the collecting electrode for collecting the electric charge generated from the piezoelectric layer is provided on the entire surface of the vibrating reed. Instead of being provided in a limited area of 2/3 of the total length of the vibrating portion, thereby providing a power generation device having a high coupling coefficient and high power generation efficiency. In particular, in the case of a vibrating reed having a weight at its tip, the length from the tip of the weight to the center of gravity is reduced to 1/3 or less of the total length, and a balanced coupling coefficient that allows the vibrating reed to be vibrated a smaller number of times. It is possible to provide a vibrating reed having a high power generation efficiency, and to provide a power generation device having higher power generation efficiency and excellent power generation capability. Further, according to the present invention, it is possible to provide a power generation device with higher power generation efficiency by extending the collecting electrode to a portion fixed by a fixing device, etc., which is compact, has higher power generation efficiency, and has a sufficient power generation amount by movement of the arm or the like. Can be provided. In addition, a portable electronic device capable of performing various electrical processes using electric power obtained from the efficient power generation device of the present invention can be realized, and a portable electronic device capable of exhibiting functions anywhere can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の振動部分に部分的な電極を設けること
により発電効率を向上できることを示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing that power generation efficiency can be improved by providing a partial electrode in a vibrating part of the present invention.

【図２】本発明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。FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a power generation device having a resonator element provided with a piezoelectric layer according to an embodiment of the present invention, and a portable electronic device.

【図３】図１に示す発電装置を拡大して示す斜視図であ
る。FIG. 3 is an enlarged perspective view showing the power generator shown in FIG. 1;

【図４】図３に示す発電装置の概略構成を示す断面図で
ある。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the power generation device shown in FIG.

【図５】片持ち梁状の振動片から得られる電気エネルギ
ーを求めるための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for obtaining electric energy obtained from a cantilever-shaped vibrating reed.

【図６】本例の結合係数の計算に用いられた振動片のモ
デルを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a model of a resonator element used for calculation of a coupling coefficient of the present example.

【図７】結合係数の最大値が重りの長さによって変わる
様子を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing how the maximum value of the coupling coefficient changes depending on the length of the weight.

【図８】結合係数が収集電極の長さによって変わる様子
を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing how the coupling coefficient changes depending on the length of the collecting electrode.

【図９】本例の振動片の固着部分の構成を示す展開図で
ある。FIG. 9 is a development view showing a configuration of a fixed portion of the resonator element of the present example.

【図１０】図９に示した固着部分の断面を示す図であ
る。FIG. 10 is a view showing a cross section of a fixed portion shown in FIG. 9;

【図１１】図９に示した固着部分の後ろ側方を示す図で
ある。FIG. 11 is a view showing the rear side of the fixed portion shown in FIG. 9;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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・・振動片の先端 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 ２５ａ・・重りの重心 ２６・・シム材 ２７・・固着部分 ２８・・振動部分 ２９・・分極された部分 ３１・・振動片の表面 ３２、３４・・収集電極 ３２ｃ、３４ｃ・・収集電極の固着部分に延長された部
分 ３３、３５・・絶縁層 ３６、３７・・供給電極 ３８、３９・・接続電極 ４０・・固定装置 ４５・・ダミー電極1 Case 1a Base 2 Rectifier circuit 4 Storage circuit 6 Processing device 10 Portable equipment 11 Drive system 12 Ground plate 13 Rotating weight 15 Intermediate wheel 17 ··· Cam drive vehicle 19 ·· Cam 20 ·· Power generation device 21 ·· Vibrating piece 21a ·· Tip of vibrating piece 22 ·· Piezoelectric layer 23 ·· Free end of vibrating piece 24 ·· Fixed end of vibrating piece 25 · -Weight 25a attached to the tip of the vibrating piece 25-The center of gravity of the weight 26-Shim material 27-Fixed part 28-Vibrating part 29-Polarized part 31-Surface of vibrating piece 32, 34-Collecting electrode 32c, 34c: a portion extended to the fixed portion of the collecting electrode 33, 35, the insulating layer 36, 37, the supply electrode 38, 39, the connecting electrode 40, the fixing device 45, the dummy electrode