專利名稱：壓電體發(fā)電裝置和具有該發(fā)電裝置的便攜式供電裝置及便攜式電子儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用機械振動而發(fā)電的發(fā)電裝置，特別是涉及可以裝配到手表等小型的便攜式機器上，通過振動片將擺錘等的動能變換為電能的發(fā)電裝置和具有該發(fā)電裝置的便攜式電子儀器。
作為手表用的小型電源裝置，有特公昭51-17393號公報記載的利用轉動錘的運動使壓電元件發(fā)生形變而發(fā)電的便攜式小型電源裝置。該便攜式小型電源裝置是將壓電元件安裝固定在彈性控制桿上，利用控制桿的振動使壓電元件反復發(fā)生形變，借此將壓電元件發(fā)生的電力作為電源使用。
在使壓電元件振動而得到電力的發(fā)電裝置中，加到彈性控制桿和壓電元件上的能量(以下，定義為輸入能)主要分為彈性控制桿的形變能、壓電元件的形變能和利用壓電元件的發(fā)電而儲蓄在蓄電部的電能這三種。其中，對于發(fā)電裝置最重要的電能是隨壓電元件的電機耦合系數(shù)、壓電元件不充電時的輸出電壓(以下，稱為電動勢)和電容量及蓄電部的電壓(以下，稱為電容電壓)等而變化，但是，只是壓電元件的形變能的百分之幾。但是，由于控制桿反復振動，使壓電元件多次發(fā)生形變，所以，可以不斷地將彈性控制桿和壓電元件的形變能變換為電能。因此，最后可以得到比1次振動變換為電能的量大得多的電能。但是，取出的電能相對于輸入能的總量即變換效率低，在適用上必須提高變換效率。
這樣，使用特公昭51-17393號公報記載的壓電元件的發(fā)電裝置雖然可以發(fā)電，但是，作為攜帶用，形狀太大。因此，在本發(fā)明中，為了使使用壓電元件的發(fā)電裝置適用化，本發(fā)明人研究了以下項目，旨在可以提供變換效率更高的小型的發(fā)電裝置。
第一，在由彈性控制桿和壓電元件構成的懸臂梁上，彈性控制桿和壓電元件的形變能容易從固定部散逸。因此，能量損失(以下，稱為振動泄漏)大，難以提高變換效率。為了減少該振動泄漏，可以提高固定部的剛性，但是，固定部將大型化，對于攜帶有限制。
第二，壓電元件以與壓縮或伸展對應的效率將其本身發(fā)生的壓縮或伸展的形變能變換為電能。這時，只有彈性控制桿的形變能的很少一部分作為壓電元件的形變能供給，所以，變換效率非常低。特別是形變最大的彈性控制桿的根部的形變能不供給壓電元件，所以，變換效率非常低。另外，由于彈性控制桿與壓電元件是通過粘接層接合的，所以，該粘接層便成為緩沖構件，使壓電元件發(fā)生的形變減小，在粘接層發(fā)生能量損失。因此，輸入能便幾乎作為振動泄漏而損失了。
第三，由于壓電元件的電容量很小，所以，使用壓電元件的發(fā)電裝置容易獲得高電壓，但是，發(fā)生的電流非常小，用于攜帶用的電子儀器使用的數(shù)伏電平的電源的充電，效率很低。
第四，在振動片的結構上，利用彈性波的傳播方向與電壓的方向正交的橫向效應進行發(fā)電很方便，但是，如果能使用電機耦合系數(shù)大的傳播方向與電壓的方向相同的縱向效應進行發(fā)電，則可進一步提高變換效率。但是，用現(xiàn)有的振動片的結構，難以利用縱向效應。
這樣，在本發(fā)明中，旨在提供一種能提高使用壓電元件的發(fā)電裝置的變換效率、可作為小型攜帶用的適用化的發(fā)電裝置。并且，本發(fā)明的目的還在于提供振動泄漏很少、可以有效地利用形變能從而電流值大的發(fā)電裝置。另外，提供可以利用縱向效應進行發(fā)電的發(fā)電裝置也是本發(fā)明的目的之一。此外，本發(fā)明的目的還在于提供振動的衰減很小、可以有效地將機械能變換為電能的發(fā)電裝置。并且，本發(fā)明的目的還在于提供極適合于便攜式電子儀器的發(fā)電裝置和具有該發(fā)電裝置的便攜式電子儀器。
在本發(fā)明的使用壓電體的發(fā)電裝置中，通過使壓電體延伸到振動片的根部并將彈性控制桿等的支持層所占的比例限制在指定的范圍內，有效地靈活運用形變能便可發(fā)電。即，本發(fā)明的壓電體發(fā)電裝置的特征在于具有具備將支持層夾在中間呈積層結構的至少2個壓電體部和覆蓋這些壓電體部的至少最上面和最下面的至少一部分的電極、且可以從這些電極輸出交流電的發(fā)電部，該發(fā)電部設置在具有進行自由振動的自由端和支持該自由端的支持端的振動片的至少支持端的一側。另外，該發(fā)電部的支持層的截面積的比例被限制在約60％以下。2個壓電體部也可以直接積層或將電極夾在中間而積層。
在這種壓電體發(fā)電裝置中，通過將壓電體部設置在形變最大、形變能容易散逸的振動片的支持端的一側即振動片的根部，可以將該部分的形變能有效地傳遞給壓電體部變換為電能。另外，當形變能幾乎全部集中到彈性控制桿等的支持層上時，便將其回收到壓電體部，難以變換為電能。因此，根據(jù)后面所述的實驗結果，將支持層的截面積的比例限制在可以獲得高的變換效率的范圍。
用壓電體部夾持薄的支持層的層狀結構的振動片可以使傳遞給支持層的形變能的量很少。另外，由于在支持層上設有承受輸入能量時碰撞面等的撞擊的部分，所以，可以避免對壓電體部的直接沖擊，從而可以實現(xiàn)可靠性高的發(fā)電裝置。通過將擺錘加到振動片的自由端的前端，將撞擊加到該擺錘上使之進行自由振動，便可進一步防止由沖擊等引起的故障。
另外，通過采用包含支持層的層狀結構，還可以將支持層作為壓電體部的電通路利用。因此，使用支持層將壓電體部串聯(lián)和并聯(lián)，可以作為與整流裝置連接用的電極使用。
另外，最好采用使與振動片的振動方向正交的壓電體部的橫向尺寸越靠近支持端一側越比自由端一側寬大致呈三角形或梯形的振動片。這樣，由于可以將振動引起的應力基本上均勻地分散到壓電體部上，所以，可以提高變換效率。
將振動片的支持端一側固定到固定構件上時，通過將壓電體部設置到該固定部分和從該固定部分向自由端方向延伸的部分上，便可很容易地將振動片根部的形變能變換為電能。這時，電極最好設置在延伸部分，盡可能不設置在固定部分。通過將電極設置在使壓電體部延伸部分，可以將振動片的根部作為發(fā)電部靈活使用，從而可以更有效地靈活利用加到該處的形變能。另一方面，由于固定振動片的部分對發(fā)電沒有貢獻，所以，不將電極設在該部分，可以防止電荷分散，從而可以抑制電動勢降低。另外，通過使壓電體部延伸到固定部分，可以緩和加到壓電體部的端部的應力。即，通過使壓電體部延伸到固定的部分，從自由端經(jīng)支持端到固定的部分都存在壓電體部，可以避免應力集中在壓電體部的根部一側的一個地方，所以，可以防止壓電體部損壞等。
發(fā)電裝置必須發(fā)生比充電系統(tǒng)的電壓高的電壓。另外，在使用振動片的發(fā)電裝置中，由于電動勢隨振動的衰減而降低，所以，開始時需要某種程度的電動勢。因此，如上所述，不能使電極的面積大到不必要的大小，同時，最好使發(fā)電裝置使用的壓電體部的第1和第2壓電體部的極化方向相反，并將第1和第2壓電體部串聯(lián)，以獲得高的電動勢。由于通過使極化方向相反，并通過支持層將第1和第2壓電體部串聯(lián)，所以，可以從振動片的兩面得到高的電動勢。因此，即使振動片的初始位移小，也可以獲得足夠的電動勢，所以，可以使由于振動的衰減引起的能量損失很小，從而可以提高變換效率。
另外，作為發(fā)電裝置，提高發(fā)生的電流值也是重要的。特別是使用壓電元件的發(fā)電裝置，獲得電流比獲得電壓難，所以，希望增大電流值。在本發(fā)明的壓電體發(fā)電裝置中，由沿極化方向積層的多個壓電體層構成壓電體部，將電極夾在中間，將這些壓電體層并聯(lián)。這樣，便可增大對發(fā)電有貢獻的部分的電極面積，另外，通過用薄的發(fā)電體層進行積層，可以確保壓電體部的截面。因此，可以大幅度地增加發(fā)電部的容量，所以，可以獲得大的電流值。
當壓電體部沿著與聯(lián)結振動片的自由端和支持端的方向基本上正交的方向極化時，便可利用橫向效應進行發(fā)電，另外，當壓電體部基本上沿著聯(lián)結振動片的自由端和支持端的方向極化時，便利用縱向效應進行發(fā)電。特別是通過利用縱向效應進行發(fā)電，可以利用高的耦合系數(shù)進行發(fā)電，所以，可以大幅度地提高變換效率。
另外，通過將具有發(fā)電部的2個振動片進行音叉式地組合，可以構成振動的持續(xù)性好的結構，所以，可以使振動的衰減很小，提高變換效率。為了抑制振動的衰減，提高變換效率，最好使用向音叉式組合的2個振動片施加相反方向的位移的加振機構。利用這種加振機構，可以使之發(fā)生音叉的振動模式。
作為加振機構，可以采用具有使2個振動片中任意一個的自由端向另一個振動片的方向撞擊的撞擊部和當撞擊加到一個振動片上時與另一個振動片的自由端碰撞的壁部的機構，利用撞擊部和壁部將音叉式組合的2個振動片夾持住便可進行加振。該撞擊部可以隨擺錘進行振子狀振動。
另外，音叉式組合的2個振動片被支持著進行振子狀振動，作為加振機構，只要在一個振動片的自由端一側設置進行碰撞的壁部，通過使音叉式組合的2個振動片進行振動，可以使2個振動片的位移方向相反，所以，可以獲得衰減小的音叉振動模式。另外，即使從振動片一側撞擊與音叉式組合的2個振動片的支持端一側相聯(lián)系的構件的中央，也可以利用加振機構使2個振動片發(fā)生向相反方向的位移。作為加振機構，通過設置具有使音叉式組合的2個振動片的自由端一側的間隔增大的第1部分和容納在2個振動片的自由端之間的第2部分的加振機構，并將第1部分和第2部分交替地插入到2個振動片的自由端一側之間，也可以使2個振動片發(fā)生相反方向的位移。


圖1是本發(fā)明實施例1的使用壓電體的發(fā)電裝置和便攜式儀器的簡要結構的示意圖2是圖1所示的發(fā)電裝置的驅動系統(tǒng)的簡要結構的剖面圖；圖3是圖1所示的使用振動片的發(fā)電裝置的斜視圖；圖4是圖3所示的振動片的結構的剖面圖；圖5是耦合系數(shù)隨具有圖3所示的壓電體部的振動片的支持層的相對厚度而變化的曲線圖；圖6是利用圖3所示的發(fā)電裝置充電時的充電效率隨初始振動電壓而變化的曲線圖；圖7是在使用具有圖3所示的壓電體部的振動片的發(fā)電裝置中能量損失率隨振幅而變化的曲線圖；圖8是本發(fā)明實施例2的使用具有壓電體部的振動片的發(fā)電裝置的簡要結構的斜視圖；圖9是本發(fā)明實施例3的使用具有壓電體部的振動片的發(fā)電裝置的簡要結構的斜視圖；圖10是本發(fā)明實施例4的使用具有壓電體部的振動片的發(fā)電裝置的簡要結構的斜視圖；圖11是本發(fā)明實施例5的音叉式組合振動片的發(fā)電裝置的簡要結構的斜視圖；圖12是具有壓電體的振動體隨結構的不同，其形變能的衰減的曲線圖；圖13是使音叉式的振動構件發(fā)生相反方向的位移的加振機構的一例的示意圖；圖14是使音叉式的振動構件發(fā)生相反方向的位移的加振機構的另一例的示意圖15是使音叉式的振動構件發(fā)生相反方向的位移的加振機構的另一例的示意圖；圖16是使音叉式的振動構件發(fā)生相反方向的位移的加振機構的另一例的示意圖，圖16(a)是其側面，圖16(b)是從下方看到形態(tài)。
下面，參照附圖詳細說明本發(fā)明。
(實施例1)圖1是具有本發(fā)明實施例1的發(fā)電裝置的手表的簡要結構。本例的手表10具有裝在表殼1的內部發(fā)電裝置20、驅動該發(fā)電裝置20的驅動系統(tǒng)11、對從發(fā)電裝置20得到的交流電流進行整流的整流電路2、儲蓄整流過的電流的儲能電路4和利用發(fā)生的電流進行計時處理的處理裝置6。處理裝置6除了驅動表盤部7進行實時處理等計時處理外，還可以具有收音機、尋呼機或個人計算機等功能。另外，在本例中，儲能電路4中使用電容器5，但是，也可以是具有二次電池等的電力儲存能力的元件。整流電路2不限定像本例那樣使用二極管3的全波整流電路，也可以是半波整流電路，當然也可以是使用反相器等的整流電路。在圖1中用示意圖示出了本例的手表，但整流電路2、儲能電路4和處理裝置6等與后面所述的驅動系統(tǒng)11平面重疊地配置，旨在實現(xiàn)整個裝置的小型化。
本例的手表10中使用的發(fā)電裝置20具有以懸臂梁狀固定在底板12上的振動片21。壓電體部22設置在振動片21的兩側，由這兩個壓電體部22a和22b構成發(fā)電部。另外，擺錘25安裝在振動片21的前端23，由驅動系統(tǒng)11使前端的擺錘25運動，以此對振動片21進行加振。利用驅動系統(tǒng)11進行加振時，振動片21的前端成為自由端23，用螺釘27固定在底板12上的一側成為支持端24，進行自由振動，隨著自由振動，在壓電體部22內便產(chǎn)生電動勢。
本例的驅動系統(tǒng)11具有在表殼1的內部進行旋轉運動的轉動錘13，作為手表帶在手腕上時，該轉動錘13隨著人的手腕及身體的運動等進行轉動，利用其轉動力使振動片21進行振動。因此，使用圖2所示結構的齒輪系統(tǒng)，將轉動錘13的運動傳遞給振動片的前端的擺錘25。首先，轉動錘13的運動由轉動錘齒輪14傳遞給中間齒輪15進行加速。該中間齒輪15和后面所述的齒輪及凸輪可以在由支持表殼1內的底板12和轉動錘13的轉動錘軸承16所限定的狹窄空間內構成齒輪系統(tǒng)。中間齒輪15的運動傳遞給凸輪驅動齒輪17，由該凸輪驅動齒輪17左右驅動凸輪19，使凸輪19的裝在振動片的擺錘25內部的突出部18運動。因此，當人的手腕及身體的運動等將轉動力傳遞給轉動錘13時，凸輪19便借助該力左右振動，凸輪19的突出部18左右撞擊振動片的擺錘25。在該撞擊作用下，振動片21便發(fā)生指定的位移，從而儲存形變能。并且，當凸輪19回到中央時，振動片21振動，在壓電體部22內隨著該振動而產(chǎn)生電動勢。本例的驅動系統(tǒng)11使用的凸輪19，為了減小驅動系統(tǒng)的負荷，采用慣性矩小的花紋式凸輪。另外，為了能使凸輪19實現(xiàn)小型化，除了中間齒輪15外，還設置凸輪驅動齒輪17。
圖3從振動片的上方即以將圖2所示的振動片旋轉90°的狀態(tài)示出了本例的發(fā)電裝置20采用的振動片21的簡要情況。本例的振動片21，其前端懸掛擺錘25的自由端23比支持端24細，總體是大致呈梯形的板狀，在寬度較寬的支持端24一側設置利用螺釘27固定在底板12上的固定部28。振動片21是用2層壓電體部22a和22b將中心的金屬性支持層26夾住的層狀結構，從與支持端24一側的底板12接觸的地方到自由端23設置電極31。本例的振動片21由凸輪的突出部18在前端懸掛的コ形的擺錘25的內部進行驅動，所以，沿箭頭A所示的上下方向進行加振。并且，由于本例的振動片21是在與振動方向垂直的方向寬的板狀，所以，是一種在振動方向比較柔軟、在與振動正交的方向比較硬的結構。因此，隨著由凸輪19施加的沿上下方向A的形變而激勵起沿上下方向A穩(wěn)定的振動。
本例的振動片21將壓電體部22a和22b設置在支持層26的兩側，各壓電體部22a和22b從自由端23延伸到支持端24一側，并進而延伸到固定部28。因此，形變最大的振動片21的根部部分由壓電體部22a和22b覆蓋，便可由壓電體部22a和22b將該根部部分的形變能變換為電能。因此，即使是具有相同自衰減率的懸臂梁式的振動片，也可以增大1次位移所獲得的電能，從而可以提高變換效率。從該振動片21的支持端24的固定部28向自由端23一側延伸的根部部分發(fā)生振動泄漏，是形變能容易散逸的部分。在本例的發(fā)電裝置中，將壓電體部設置在該能量散逸大的部分，可以由壓電體部22a和2b利用儲存在該壓電體部內的形變能，進而還可以利用支持層26儲存的形變能，將其變換為電能。因此，可以大幅度地提高變換效率。
另外，本例的發(fā)電裝置的振動片21是支持端24的寬度寬的形狀。因此，位于形變能最大的根部部分的壓電體部22a和22b的截面積大，振動片全體壓電體部可以發(fā)揮基本上均等的發(fā)電能力。即，振動片振動時的形變量從自由端23到支持端24一側逐漸地增加，在本例的振動片中，截面積也從自由端23到支持端24一側逐漸地增加。因此，在振動片中發(fā)生的應力在各截面上基本上相等，壓電體部的各部分具有基本上均等的發(fā)電能力。因此，電荷的分布和電動勢的差別很小，從而可以有效地進行發(fā)電。
另外，由于從振動片21的自由端23一側到支持端24一側的固定部28形成壓電體部22a和22b，所以，應力不是集中在壓電體部的端部，而是可以將應力分散到整個壓電體部上。因此，可以緩和加到壓電體部上的應力的集中，從而可以防止發(fā)生壓電體部剝落等故障。
如圖4所示，在本例中，各壓電體部22a和22b分別是沿振動方向重疊3層壓電體層的層狀結構。這3層壓電體層30a、30b和30c沿箭頭X所示的一致方向發(fā)生極化，3層壓電體層30a、30b和30c采用容易由電極31并聯(lián)的極化配置形式。另外，各壓電體層的極化方向這樣選擇，即上下壓電體部22a和22b的總體如箭頭Y所示，極化方向與夾持支持層26的方向一致，上下壓電體部22a和22b由具有導電性的金屬性支持層26串聯(lián)。
本例中隨著振動片21沿上下方向A的振動，例如支持層26上方的壓電體部22a被壓縮，下方的壓電體部22b被拉伸。因此，本例的振動片21是利用彈性波沿著與產(chǎn)生電壓的極化方向Y垂直的方向傳播的橫向效應的發(fā)電用的振動片。另外，由于壓電體部22a和22b將支持層26夾在中間安裝在振動方向的上下兩側，所以，是使用雙壓電晶片的壓電體的發(fā)電用元件。
由圖4可知，本例的振動片21使支持層26在振動片21中所占的厚度的比例小于60％，最好約為20％。即，取支持層26的厚度Ts與壓電體部22a和22b的總厚度Tp之比為1∶1或小于該比值。即，使支持層26的截面積與壓電體部22a和22b的總截面積之比為1∶1或小于該比值。圖5示出了在采用磷青銅作為支持層26、使用陶瓷系列的壓電材料即PZT(商標)構成壓電體部22a和22b的振動片中振動片的電機耦合系數(shù)(以下，簡稱為耦合系數(shù))隨支持層26的相對厚度而變化的情況。耦合系數(shù)是表示壓電元件的電-機變換效率的量，在本例中，示出變換為電力輸出的能量與以機械形式輸入的能量之比的平方根。
由圖5可知，支持層的相對厚度約為20％時，耦合系數(shù)最大，該值之后便逐漸地減小。并且，當相對厚度達到約60％時，就變成與沒有支持層26的即壓電體部22a和22b直接連接的振動片相同的耦合系數(shù)，當支持層的相對厚度超過60％時，耦合系數(shù)便幾乎單調地減小。根據(jù)這一實驗結果可知，最好將支持層的相對厚度限制在振動片的厚度的約60％以內。另外，還可知道，為了提高耦合系數(shù)獲得變換效率高的振動片，最好使支持層26的相對厚度約為20％。如果使支持層的厚度增大，支持層儲存的形變能便增大，可以認為由壓電體部變換為電能的比例便減少，所以，支持層的厚度最好限制在上述范圍內。另一方面，當沒有支持層時，形變能將全部儲存在壓電體部，所以，變換效率將提高。但是，若考慮到將受到的沖擊力作為形變能而儲存的效率及振動的衰減等原因，可以認為還是設置薄的支持層的振動片的變換效率高。
另外，由于夾在壓電體部22a和22b之間的金屬制等支持層26位于幾乎未發(fā)生形變的中央附近，所以，以機械形式輸入的形變能的大部分將儲存到壓電體部22a和22b內。即，若考慮振動片21發(fā)生位移的情況，則靠近設置壓電體部22a和22b的上下表面的部分位移大，支持層26所在的中央附近的位移小。因此，只要是上述范圍內的相對厚度的支持層，對將形變能變換為振動等的正效應的貢獻比對吸收形變能的負效應的貢獻大。因此，適當厚度的支持層對增大在1次振動中所能發(fā)生的電能有作用，可以提高變換效率。另外，振動片21利用轉動錘那樣的可動構件的沖擊而輸入能量的情況很多，因此，若用壓電元件構成碰撞面等，很容易損傷壓電元件。特別是現(xiàn)在大量使用的壓電元件是陶瓷類的材料，希望直接施加的沖擊越小越好。對于這一點，如果是本例的發(fā)電裝置，則支持層26可使用難以斷裂的金屬等，通過該支持層26便可將機械能輸入振動片21。另外，具有導電性的支持層26還具有可以使設置在其兩側的壓電體部電氣連接的功能。在防止沖擊引起的故障方面，在本例的振動片21中，在其前端設置擺錘25，從驅動系統(tǒng)11向該擺錘施加用來進行自由振動的撞擊，不直接對壓電體部施加撞擊。
另外，在本例的振動片21中，通過將3層壓電體層30a、30b和30c重疊而構成各壓電體部22a和22b。并且，利用電極31將這些壓電體層30a、30b和30c并聯(lián)起來。因此，各壓電體部22a和22b的電極面積是不進行重疊時的3倍，所以，電容量成為9倍，開放狀態(tài)的電動勢成為1/3。另外，通過進行積層，容易確保壓電體部22a和22b的厚度，所以，可以很容易地減小支持層的相對厚度。
另外，由于本例的振動片21使壓電體部22a和22b的總體的極化方向Y一致，所以，這些壓電體部22a和22b通過支持層26串聯(lián)。因此，電動勢變成使極化方向相同的振動片的2倍。
在使用壓電元件的發(fā)電裝置中，不充電時形變加到壓電元件上產(chǎn)生的電能只由電機耦合系數(shù)決定。即，不論什么樣的壓電元件，只要電機耦合系數(shù)相同，對應于相同的輸入能量，產(chǎn)生相同的電能。但是，通過充電而由電容器等儲能電路儲存的電能除了電機耦合系數(shù)外，還是壓電元件的電動勢、電容量和電容器等儲能電路的電壓的函數(shù)。例如，即使使用電容量大、電動勢小于儲能電路的電壓的發(fā)電裝置，也不可能進行充電。另一方面，如果使用電容量無限接近于0、電動勢接近無限大的發(fā)電裝置，由于幾乎不發(fā)生電荷，所以充電量極少，在現(xiàn)實當中不可能進行充電。因此，重要的是在這些條件之間找到最適合充電的電動勢和電容量。
根據(jù)本發(fā)明人的實驗和研究可知，使用壓電體的發(fā)電裝置的電動勢是儲能電路的電壓的約2倍時充電量最大。例如，圖1所示的電容器5的電壓是1.5V，為了對整流電路使用的二極管的損失為0.5V的總計2V的系統(tǒng)進行充電，最好是電動勢為4V的發(fā)電裝置。另外，在使用振動片的發(fā)電裝置中，初始振動引起的電動勢最大，隨著振動的衰減，電動勢減小。因此，最好設定初始電動勢，以使充電量最大。
圖6是對2V系統(tǒng)的充電系統(tǒng)進行充電時的效率和初始振動電壓的關系。由圖可知，對于2V系統(tǒng)的充電系統(tǒng)，最好設定初始振動電壓約為10V的發(fā)電裝置。這樣，即使是具有相同的儲存電能的能力的發(fā)電裝置，為了使發(fā)生電流的能力大，增大電容量是不可避免的，另外，還需要適當?shù)某跏茧妱觿荨?br> 另外，在使用振動片的發(fā)電裝置中，通過增大初始位移可以獲得大的初始電壓。但是，如圖7所示，當振幅增大時，振動能量的損失率也增大，所以，總的充電量將減小。因此，最好盡可能減小振幅，獲得適當?shù)某跏茧妱觿荨?br> 在使用本例的振動片的發(fā)電裝置中，首先，使各壓電體部22a和22b成為積層結構，增大電容量，從而增大輸出電流。另外，通過將壓電體部22a和22b串聯(lián)連接，提高初始電動勢，即使是小的振幅，也可以獲得指定的初始電動勢。這樣，本例的發(fā)電裝置通過采用積層結構，便可使電容量和電動勢的大小最適當，從而可以實現(xiàn)具有變換效率大、充電性能高的發(fā)電裝置。
在本例中，示出了3層的積層結構，但是，考慮到儲能電路的電壓、振動片的大小和位移量等，積層的層數(shù)可以自由地設定，從而可以提供具有充電最佳的結構的壓電體部的發(fā)電裝置。另外，本例的發(fā)電裝置具有不改變振動片的大小而改變壓電體部的電容量就可以獲得最佳充電狀態(tài)的效果。如上所述，積層的數(shù)量根據(jù)輸入結構的大小及方式和充電電路的電壓等各種因素進行選擇。但是，在現(xiàn)實當中，在便攜式的電子儀器中，發(fā)電部的尺寸是有限的，為了調整電容量，難以改變發(fā)電部的尺寸，但是，如果采用本例的發(fā)電裝置，就可以解決這個問題。另外，壓電元件的特征是電壓大、電容量小，難以獲得比較多的電荷，但是，這個問題也可以解決。
另外，如圖3所示，本例的發(fā)電裝置將覆蓋壓電體部22a和22b的電極31與壓電體部22a和22b一樣設置得向振動片21的支持端24一側延伸，一部分延伸到振動片21的固定部28。但是，不將電極31設置到固定部28上。固定部28是振動片21固定在底板12上的部分，不發(fā)生形變，因此，固定部28的壓電體部對發(fā)電沒有貢獻。如果將電極31設置得延伸到對發(fā)電沒有貢獻的壓電體部分，在對發(fā)電有貢獻的壓電體部分發(fā)生的電荷便分布到其上，從而使電動勢降低。因此，在本例中，只用電極31覆蓋對發(fā)電有貢獻的壓電體部分，從而不會使電動勢降低，保持發(fā)生的高電壓。這樣，在本例的發(fā)電裝置中，可以增大電容量，并且可以獲得十分高的電動勢，所以，可以使振動片的位移減小，同時也可以減小振動的振幅。因此，振動片引起的初始應力比較小，所以，可以提高振動片的耐久性，從而可以提供可以長期穩(wěn)定地發(fā)電的發(fā)電裝置。
在本例中，將電極31露出到振動片的上部的部分延長，作為與整流電路連接的連接部31a。另外，使露出到振動片的下部的部分與底板12接觸，成為通過底板12與整流電路連接的連接部31b。這樣，在本例的發(fā)電裝置中，通過難以受到壓電體部的振動的地方即與自由端23相反一側的支持端24一側特別是設置在固定部28的輸出線取出由壓電體部發(fā)生的電能。這是考慮到如果將導線配置在壓電體部振動的部分，便會從導線引起運動泄漏，如本例那樣通過從支持端一側特別是從固定部取出，便可基本上完全防止輸出線引起的振動泄漏。
另外，本例的振動片21是將設置在其兩側的壓電體部22a和22b利用鍍膜法或濺射法等積層到支持層26上而成的。因此，與利用粘接劑等將壓電體部設置到支持層26上的壓電裝置相比，由于粘接劑的厚度及硬度等的影響，粘接劑成為緩沖材料，將使加到壓電體部上的形變減小，從而在粘接層不會發(fā)生能量損失。因此，支持層的形變可以有效地傳遞給壓電體部，從而可以提高變換效率。另外，不存在粘接強度差和位置偏離的現(xiàn)象，可以減小梁的厚度和寬度等變動因素，所以，可以穩(wěn)定地批量生產(chǎn)對稱度好、自衰減率小的振動片。另外，還可以降低成本。
使振動片發(fā)生初始位移的驅動系統(tǒng)，當然不限于使用上述轉動錘。對于發(fā)電裝置的振動片，只要能發(fā)生形變，不特別限制，例如，彈簧、使用彈簧的搖動構件、振子和小錘等都可以。這種驅動系統(tǒng)最好是適合于便攜式儀器的盡可能小型、輕量的系統(tǒng)。
(實施例2)圖8是使用本發(fā)明的另一實施例的振動片的發(fā)電裝置。本例的發(fā)電裝置20的振動片21和實施例1一樣，是雙壓電晶片式的，對于相同的部分標以相同的符號，并省略其說明。本例的振動片21使在支持層26的兩側構成的壓電體部22a和22b的極化方向X分布在振動片21的寬度方向，與振動方向A大致垂直。因此，電壓的發(fā)生方向在上述實施例1中是沿與振動片的上下面33a和33b垂直的方向，與此相反，在本例的振動片21中，變成與左右面34a和34b垂直的方向。因此，在本例的振動片21中，將用于與整流電路連接的電極31a和31b設置在一邊的面34b上，將用于將壓電體部22a和22b串聯(lián)的電極設置在圖8未示出的另一邊的面34a上。另外，在本例的發(fā)電裝置中，由于通過振動而發(fā)生的彈性波的傳播方向也與電壓的方向正交，所以，是利用壓電元件的橫向效應進行發(fā)電的。
本例的振動片21的壓電體部22a和22b和實施例1所示的發(fā)電裝置一樣，分別是由3個層35a、35b和35c構成的。在本例的發(fā)電裝置中，由于極化方向是振動片21的寬度方向，即左右方向，所以，與在實施例1中3個層沿著和振動方向A相同的上下方向積層相反，在本例中3個層35a、35b和35c沿著與振動方向A正交的左右方向積層。并且，這些層35a、35b和35c由電極31并聯(lián)。另外，壓電體部22a和22b的總體極化方向呈相對的方向，和實施例1一樣，壓電體部22a和22b由電極31串聯(lián)。
這樣構成的本例的發(fā)電裝置20和實施例1一樣，壓電體部延伸到振動片21的根部部分，所以，是可以將振動片21的形變能有效地變換為電能的變換效率高的發(fā)電裝置。另外，由于各壓電體部22a和22b采用積層結構，所以，容易實現(xiàn)電容量和電動勢的最佳值，從而可以有效地對儲能電路進行充電。此外，由于電極31實際上只設置在對發(fā)電有貢獻的部分，所以，可以使電動勢達到足夠高，從而可以在小的振幅下確保足夠的電力。另外，還具有耐久性高等與實施例1說明過的發(fā)電裝置相同的效果。
(實施例3)圖9以振動片為中心示出與上述不同的本發(fā)明實施例的發(fā)電裝置。本例的發(fā)電裝置20具有大致呈三角形的振動片21，該振動片21是將2層壓電體部22a和22b粘合而成的結構。另外，各壓電體部22a和22b的極化方向與振動方向A一致。因此，在本例的振動片21的上下面33a和33b上發(fā)生相同極性的電壓，這些壓電體部22a和22b成為由設置在壓電體部22a和22b的界面的電極31a并聯(lián)的狀態(tài)。因此，將向整流電路供給電力的電源線與設置在壓電體部22a和22b的界面上的電極31a連接。另外，將電極31設置在壓電體部22a和22b的上下面33a和33b上，使它們與將振動片21固定到底板12上的螺釘27電氣連接，與上下面33a和33b的電極連接。并且，經(jīng)底板12向整流電路供給電力。
本例的發(fā)電裝置20和上述實施例一樣，可以有效地應用形變能最大的振動片21的根部部分進行發(fā)電，具有很高的變換效率。另外，由于不論振動的壓縮一側還是伸展一側都是由壓電材料單體構成的，所以，和將1層壓電體層與金屬等支持層粘合的單壓電晶片式相比，容易增大1次振動所加到壓電元件上的形變能的總量。因此，本例的發(fā)電裝置1次振動可以將更多的機械能變換為電能，所以，可以說是容易實現(xiàn)效率高的發(fā)電裝置的結構。
另外，也可以不用粘接劑等將2層壓電體部22a和22b粘合，而利用濺射法等在電極31a的兩側形成壓電體層，所以，可以防止粘接層的能量損失。在這一方面也可以提高變換效率。另外，由于不存在粘接強度差及位置偏差，可以減少梁的厚度和寬度的變化因素，所以，可以廉價地批量生產(chǎn)自衰減率小的發(fā)電裝置。
如本例的發(fā)電裝置20所示，可以根據(jù)構成壓電體部的壓電元件的特性獲得足夠高的電動勢，在儲能電路的充電電壓低的情況下，即使在振動片的自由端23不安裝擺錘也可以提供發(fā)生足夠大的電動勢的發(fā)電裝置。另外，在不需要太大的發(fā)生電流的情況下，則不必將壓電體部進行積層，通過將2個壓電體部22a和22b并聯(lián)，便可確保足夠大的電容量。
(實施例4)
圖10示出使用本發(fā)明的另一實施例的振動片的發(fā)電裝置。本例的發(fā)電裝置20的振動片21和實施例1一樣，是雙壓電晶片式的，對于相同的部分標以相同的符號，并省略其說明。本例的振動片21由在支持層26的兩側構成的壓電體部22a和22b在振動片的自由端23和支持端24的方向積層的8個壓電體層36a～36h構成。各壓電體層36a～36h的極化方向X沿著聯(lián)結振動片21的自由端23和支持端24的方向分布，與振動方向A大致垂直。因此，電壓的發(fā)生方向也指向自由端23和支持端24的方向，利用呈梳齒狀沿上下方向交替突出的電極37a和37b將壓電體層36a～36b并聯(lián)。并且，設定壓電體部22a和22b總體的極化方向Y與發(fā)生的電壓相對，通過導電性的支持層26將壓電體部22a和22b串聯(lián)。
本例的振動片21也和上述實施例的振動片一樣，沿上下方向A振動。因此，在壓電體部22a和22b上發(fā)生沿聯(lián)結自由端23和支持端24的方向傳播的彈性波。并且，表示電壓方向的極化方向也是沿聯(lián)結自由端23和支持端24的方向，所以，本例的發(fā)電裝置20可以利用壓電體的縱向效應進行發(fā)電。由于利用縱向效應時的電機耦合系數(shù)是利用橫向效應時的大約3倍，所以，可以使本例的發(fā)電裝置的變換效率非常高。當然，使用單層的壓電體部也可以進行利用縱向效應的發(fā)電，但是，使用單層的壓電體部，電極間的距離非常長，電容量很小，不可能獲得很多電荷。因此，即使變換效率高，也難以實現(xiàn)實際用于進行充電的發(fā)電裝置。相反，在本例的發(fā)電裝置中，由于利用積層式使電動勢和電容量達到最佳值，所以，可以增加1次振動所得到的電能，從而可以以很高的變換效率有效地進行充電。
另外，本例的發(fā)電裝置20將壓電體部設置得一直延伸到振動片21的根部部分，振動片21的根部部分的形變能也可以有效地變換為電能。另外，由于各壓電體部22a和22b采用積層結構，所以，和上述實施例一樣，可以很容易地使電容量和電動勢獲得最佳值。這樣，本例的發(fā)電裝置20由于壓電體沿從自由端到支持端的方向進行積層，所以，除了不能形成從振動片的自由端經(jīng)支持端到固定部連續(xù)的壓電體層外，具有和上述實施例相同的各種效果，特別是這是一種利用縱向效應的變換效率非常高的發(fā)電裝置。
(實施例5)圖11示出具有本發(fā)明的另一實施例的振動構件的發(fā)電裝置。本例的發(fā)電裝置是使用將上述各實施例的振動片21連絡成2個音叉式的振動構件40進行發(fā)電的。
下面，考察使用設置壓電體部的振動片將形變能變換為電能時的效率。振動片21的振動即使不取出電能也會由于振動片內部的自損失以及從固定振動片的固定部發(fā)生的振動泄漏(以后，稱為自衰減)而逐漸地衰減。這時，設1次振動由自衰減引起的形變能的衰減率為a％。另外，由于振動片的振動通過壓電體部將形變能變換為電能，與輸出的電能相當?shù)男巫兡芤舶l(fā)生衰減。設該形變能的衰減率為b％。在振動片的1次振動中通過自衰減和向電能的變換將損失(a+b)％的形變能，得到b％的電能。因此，向電能的變換效率為b/(a+b)，由此可見，如果是無自衰減的振動片，可以100％地將形變能變換為電能。另外，還可以知道，為了提高向電能的變換效率，盡可能抑制自衰減是有效的。
圖12示出不同結構的振動構件的形變能的自衰減的實驗值。圖中，實線表示使在上述實施例中說明過的懸臂梁式的振動片位移后自由振動時的形變能的衰減。在懸臂梁中，與自由振動時的振幅的平方成正比的形變能基本上隨振動次數(shù)單調地減小。另一方面，虛線表示對音叉式的振動構件施加通常的振動時的形變能的衰減。由圖可知，由于只使音叉的一邊的梁向一個方向位移，所以兩邊的振動片沿相對的方向振動的音叉模式的振動，基本上只獲得一半能量，初始的形變能約為懸臂梁的一半。
與此相反，圖中的點畫線表示使圖10所示的音叉式組合的兩邊的振動片21a和21b向相反方向即相對的方向位移時形變能的衰減趨勢。這樣，當使振動片21a和21b向相反方向位移時，其能量將全部變換為音叉模式的振動，從振動初期就以音叉的振動模式進行振動。因此，從初期自衰減就非常小，由此可知，通過將振動片組合成音叉式，便可對于發(fā)電裝置總體大大降低形變能的自衰減。因此，可以進一步提高從形變能向電能的變換效率。
現(xiàn)在，再回到圖11說明本例的振動構件40。本例的振動構件40具有由2條平行延伸的部分40a及40b和聯(lián)結這2條延伸的部分40a及40b的一端的部分40c形成的呈コ形的支持構件41，將該支持構件41的平行延伸的部分40a和40b作為支持層構成2個振動片21a和21b。因此，這2個振動片21a和21b由聯(lián)結部分40c組合成音叉式結構，本例的振動構件40可以按音叉的振動模式激勵振動。另外，在聯(lián)結部分40c的大致中央位置設置使用螺釘將該振動構件40固定到底板等上的固定孔42。
各振動片21a和21b可以是上述說明過的振動片的任何一種，例如，在圖11中在コ形的支持構件41的兩側形成和在實施例1中說明過的振動片相同結構的振動片21a和21b。各振動片21a和21b的詳細結構在上述實施例中已說明過了，所以，下面省略，對于相同的部分標以相同的符號，并省略其說明。但是，在組合成音叉式的振動片21a和21b中，由于不是使每個振動片21a和21b發(fā)生位移，所以，設置在自由端23上的擺錘25的形狀和上述實施例不同，它位于組合成音叉式的振動構件40的外側，是一種容易受來自外側的撞擊的形狀。另外，壓電體部22a和22b都從自由端23一直形成到支持端24一側，振動片根部部分的形變能的大部分都可以有效地進行發(fā)電。此外，位于組合成音叉式的振動片21a和21b的外側的壓電體部22a在上述振動片上延伸到與固定部相當?shù)磨承蔚臉嫾?1的聯(lián)結部分40c處，可以防止應力在壓電體部集中而引起剝離等故障。另一方面，電極31和上述振動片一樣，覆蓋到支持端24的振動部分，防止電荷分布到對發(fā)電無貢獻的壓電體的部分而引起電動勢降低。電極31的位置和形狀不限于圖11所示的情況，也可以根據(jù)壓電體部22a和22b的極化方向而設置在振動片21a和21b的側面34a或34b上。例如，和圖11所示的例子不同，壓電體部22a和22b的極化方向相對于振動方向A像實施例2所示的那樣配置，電極沿コ形的支持構件41設置。并且，該電極也可以是使支持構件41的正反面為同一形狀，或者，例如也可以將反面一側的電極改變?yōu)槿骐姌O。并且，這時可以只將2個正面電極與整流電路連接，這比將正反面同一形狀的4個電極連接的情況容易制造，由于壓電體部22a和22b串聯(lián)，所以，以很小的形變便可輸出大的電壓。
另外，振動片21a和21b的形狀呈三角形或梯形，其自由端23一側窄、支持端24一側即根部部分寬，與上述實施例一樣能以很高的變換效率將形變能變換為電能。另外，雖然圖中未詳細示出，但是，各壓電體部22a和22b可以采用多層的積層結構等，從而可以采用發(fā)揮和上述懸臂梁式的振動片相同效果的結構。此外，組合成音叉式的2個振動片21a和21b既可以串聯(lián)，又可以并聯(lián)。在圖11所示的音叉式的振動構件40中，コ形的支持構件41是導電性的，利用該支持構件41與串聯(lián)的各振動片的壓電體部22a和22b的中間電位連接，總體上可以將由2個振動片21a和21b構成的發(fā)電裝置并聯(lián)。因此，可以提供具有更大的電容量的發(fā)電裝置。
另外，壓電體部22a和22b利用不需要與支持構件41進行粘接的濺射等方法形成。通過利用這種方法形成壓電體部，像音叉式那樣，在對稱度對自衰減率有貢獻的結構中，由于無粘接強度差和位置偏差，并且可以以一體式成形，所以，可以減少振動片的厚度及寬度的變化因素，容易實現(xiàn)自衰減率穩(wěn)定的批量生產(chǎn)，并且，可以降低成本。
如根據(jù)圖12說明的那樣，在使用本例的音叉式振動構件的發(fā)電裝置中，對于2個振動片21a和21b，使之發(fā)生相反方向的位移即相向方向的位移是重要的。當只使一邊的叉子發(fā)生位移時，大約其能量的一半只能以音叉的振動模式發(fā)生振動，這是因為不能發(fā)揮無衰減的音叉式的優(yōu)點。
圖13示出使振動片21a和21b發(fā)生相反方向的位移的加振機構的例子。本例的加振機構50是利用在手表等中使用的表殼內旋轉的轉動錘51和相對于轉動錘51從對面一側支持振動構件40的壁52將音叉式的振動構件40夾住，使各振動片21a和21b發(fā)生相反方向的位移，激勵音叉式的振動模式。轉動錘51是進行旋轉運動的可動構件，起某種擺錘的功能，當該轉動錘51向圖面上的下側轉動時，就以轉動錘51的一側撞擊左側的振動片21b的前端的擺錘25。于是，對面一側的振動片21a的前端的擺錘25便與壁碰撞，2個振動片21a和21b幾乎同時向內側發(fā)生位移，當轉動錘51回到原來的位置、振動片21a和21b的自由端23放開時，就開始進行音叉式的振動模式的自由振動。因此，振動片21a和21b的振動的自衰減非常小，形變能不會浪費，所以，可以有效地將形變能變換為電能。另外，當手表那樣的便攜式電子儀器的位置再次發(fā)生變化、轉動錘51與振動構件40發(fā)生碰撞時，振動構件40便夾在轉動錘51和壁52之間反復發(fā)生相反方向的形變。因此，再次向振動構件40的振動片21a和21b輸入形變能，繼續(xù)發(fā)電。
另外，也可以將コ形的支持構件41能轉動地安裝在底板等上面，而在振動片21a和21b之間設置防止轉動用的制動器。另外，在本例中，對振動片21a和21b的一側進行撞擊，但是，也可以構成使轉動錘51從振動片21a和21b的兩側進行碰撞、使之發(fā)生相反方向的位移的加振機構。這時，上述制動器9a必須配置在兩邊的振動片的附近不會影響轉動錘51的碰撞的位置。
圖14是和上述不同的加振機構的例子。本例的音叉式的振動構件40安裝成振子狀，可以旋轉，另外，還設置當振動構件40沿某一方向轉動時與該振動片21a和21b的一邊的自由端23的前端發(fā)生碰撞的壁55。當一邊的振動片的自由端23與壁55發(fā)生碰撞時，其自由端23便向內側位移，同時，另一邊的振動片的自由端23也由于自己的質量的慣性向內側位移。因此，兩邊的振動片21a和21b的自由端23都向內側即向相反方向位移，從而激勵起音叉式的振動模式。振動構件40碰撞的壁55既可以如本例那樣設置在一邊的振動片一側，也可以設置在兩個振動片的外側，以使兩邊的振動片發(fā)生碰撞后逐漸地激勵起振動。另外，振動構件40既可以像隨重力而下落那樣旋轉，或者也可以像上述手表的轉動錘51那樣隨人的活動而旋轉。
圖15是與上述不同的另一個加振機構的例子。本例的加振機構60是對音叉式的振動構件40的所謂的又一部分進行撞擊而使振動片21a和21b發(fā)生相反方向的位移的機構。因此，在本例的加振機構中，在轉動錘51的外周一側設置突起61，將振動構件40配置得當轉動錘51轉動時該突起61與コ形的支持構件的聯(lián)結部分40c的大致中央部發(fā)生碰撞。這樣，當轉動錘51轉動時，就對兩邊的振動片21a和21b進行撞擊，使這兩個振動片的自由端23向內側位移，所以，激勵起音叉式的振動模式，從而開始進行衰減小的振動。
圖16(a)是通過側面示出與上述不同的加振機構的例子，圖16(b)是從下邊看到的加振機構的形態(tài)。本例的加振機構65具有在組合成音叉式的振動片21a和21b之間旋轉的圓盤66，在該圓盤66上設有高低斷續(xù)地變化的斜坡67。該斜坡67具有使從其高的部分向低的部分的傾斜如圖16(b)的點畫線箭頭所示的那樣逐漸地從低的部分向高的部分變化的平緩的斜面和從高的部分向低的部分急劇變化的陡斜面。因此，當該圓盤66在振動片21a和21b之間轉動時，振動片21a和21b的自由端23沿斜坡67移動，通過從低的部分向高的部分移動，自由端23之間的距離便增大。并且，當變成從圓盤66的高的部分向低的部分急劇地變化的部分時，自由端23就與圓盤66分開，所以，自由端23便同時向內側位移，從而開始進行音叉式的振動模式的振動。在使用本例的具有斜坡的圓盤的加振機構60中，通過將圓盤66或振動構件40固定得可以多少沿上下方向變化，便可使2個振動片21a和21b發(fā)生基本上相等的形變。因此，可以使振動片21a和21b發(fā)生更均等的振動，所以，可以激勵衰減小、變換效率高的振動模式。
另外，圓盤66可以像手表那樣利用轉動錘51的轉動能進行轉動。另外，當然，也可以使組合成音叉式的振動片21a和21b運動取代使具有斜坡的圓盤轉動，利用斜坡發(fā)生上下斷續(xù)的形變。
上面，根據(jù)幾個實施例說明了本發(fā)明，但是，本發(fā)明不限于這些實施例。例如，雖然作為實施例示出了幾個類型的振動片，但是，不論哪種振動片，都可以組合成音叉式。另外，在實施例中，使用能將振動片的根部部分的形變有效地變換為電能的大致呈梯形或三角形的形狀的振動片進行了說明，但是，也可以不是梯形或三角形，利用將壓電體部延伸到根部或將壓電體部積層化等上述各種結構都可以提高變換效率。另外，壓電體層也可以不是利用上述濺射法形成，當然，也可以使用塊狀的壓電體制造振動片。此外，構成壓電體部的材料不限于PZT(商標)，也可以是石英、鈦酸鋇系列及鈦酸鉛系列等陶瓷材料以及PVDF等高分子材料。
另外，本發(fā)明不限于在上述實施例中說明的手表。作為手表以外的便攜式電子儀器，例如尋呼機、電話機、無線接收機、助聽器、計步器、計算器、電子記事薄等信息終端設備、IC(集成電路)卡、無線電接收機等都可以應用本發(fā)明的發(fā)電裝置。并且，通過在這些便攜式機器中采用本發(fā)明的發(fā)電裝置，便可隨著人的活動等不斷地對儲能裝置進行充電，從而可以抑制電池的消耗或不需要電池。因此，使用者可以不必擔心電池用完而放心地使用這些便攜式機器，從而可以防止因電池耗盡引起存儲器存儲的內容丟失等故障。此外，在不容易獲得電池及充電裝置的地區(qū)或場所或者由于災害等難于補充電池的情況下，也可以發(fā)揮便攜式電子儀器的功能。
如上所述，本發(fā)明的壓電體發(fā)電裝置通過將壓電體部延伸到懸臂梁結構的振動片的支持端根部部分，可以在1次振動中取出比較多的電能，從而可以提供變換效率高的發(fā)電裝置。另外，將多個壓電體部設置在支持端一側，以使振動片的形狀成為三角形或梯形，可以有效地利用集中在振動片的根部部分的形變能進行發(fā)電。另外，可以利用縱向效應將機械能變換為電能等上述公開的本發(fā)明的壓電體發(fā)電裝置可以非常有效地將振動片積蓄的機械能變換為電能。因此，按照本發(fā)明，可以提供小型的使用作為攜帶用可以實現(xiàn)的壓電體的發(fā)電裝置。
另外，在本發(fā)明的發(fā)電裝置中，使壓電體部成為積層結構，可以將發(fā)電裝置的重要特性即電容量和電動勢與充電系統(tǒng)一致地設定為最佳值。另外，不改變發(fā)電裝置的尺寸在小型的適合于攜帶用的狀態(tài)下就可以將這些特性設定為最佳值。因此，按照本發(fā)明，實際上可以提供使用能將電能以很高的充電效率積蓄在電容器等中的壓電體的發(fā)電裝置。
另外，在本發(fā)明中，還著眼于振動的自衰減，通過將振動片組合成音叉式，可以減小自衰減，實現(xiàn)向電能變換的變換效率高的發(fā)電裝置。并且，通過使組合成音叉式的振動片發(fā)生相反方向的位移，可以從振動初期就以振動泄漏少的音叉模式振動，從而可以減少初期的振動能的損失，以更高的變換效率進行發(fā)電。
這樣，按照本發(fā)明，可以實現(xiàn)適合于小型的便攜式機器的高效率的壓電體發(fā)電裝置，使用該壓電體發(fā)電裝置，可以實現(xiàn)具有不論何時何地都可以放心地可靠地使用的多種功能的便攜式電子儀器。
權利要求
1.一種壓電體發(fā)電裝置，它有具備進行自由振動的自由端和支持該自由端的支持端的振動片，以及至少在上述振動片的上述支持端的一側形成的具有將支持層夾在中間而積層的至少2個壓電體部和覆蓋這些壓電體部的至少最上面和最下面的至少一部分的電極的可以從這些電極輸出交流電的發(fā)電部，該壓電體發(fā)電裝置的特征在于該發(fā)電部的上述支持層的截面積的比例小于約60％。
2.按權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于上述2個壓電體部直接積層或將上述電極夾在中間而積層。
3.按權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于與上述振動片的振動方向正交的上述壓電體部的橫向的尺寸是上述支持端一側比上述自由端一側寬。
4.按權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于上述振動片的支持端一側具有將上述振動片固定到固定構件上的部分和從該固定的部分向上述自由端的方向延伸的部分，上述壓電體部至少設置在上述固定的部分和延伸的部分。
5.按權利要求4所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于上述電極設置在上述延伸的部分。
6.按權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于上述壓電體部的第1和第2壓電體部的極化方向相反，該第1和第2壓電體部串聯(lián)。
7.按權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于各個上述壓電體部具有沿極化的方向積層的多個壓電體層，這些壓電體層并聯(lián)。
8.按權利要求7所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于上述壓電體部沿與聯(lián)結上述振動片的上述自由端和上述支持端的方向大致正交的方向進行極化。
9.按權利要求7所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于上述壓電體部大致沿與聯(lián)結上述振動片的上述自由端和上述支持端的方向進行極化。
10.按權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置，其特征在于在上述振動片的自由端的前端安裝擺錘，利用該擺錘施加的撞擊激勵上述自由振動。
11.一種壓電體發(fā)電裝置，其特征在于具有具備進行自由振動的自由端和支持該自由端的支持端的2個振動片，并且，具有至少2個壓電體部和覆蓋該壓電體部的至少最上面和最下面的至少一部分的電極的可以從這些電極輸出交流電的發(fā)電部設置在各振動片的至少上述支持端一側，上述2個振動片組合成連絡上述支持端的音叉式。
12.一種便攜式電力供給裝置，其特征在于具有權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置、將從上述發(fā)電部輸出的交流電進行整流的整流裝置和積蓄整流過的電流的儲能裝置。
13.一種便攜式電子儀器，其特征在于具有權利要求1所述的壓電體發(fā)電裝置、將從上述發(fā)電部輸出的交流電進行整流的整流裝置、積蓄整流過的電流的儲能裝置和利用從該儲能裝置供給的電力進行處理的處理裝置。
14.一種便攜式電力供給裝置，其特征在于具有權利要求11所述的壓電體發(fā)電裝置、使上述組合成音叉式的2個振動片分別發(fā)生相反方向的位移的加振機構、將從上述發(fā)電部輸出的交流電進行整流的整流裝置和積蓄整流過的電流的儲能裝置。
15.按權利要求14所述的便攜式電力供給裝置，其特征在于上述加振機構具有將上述2個振動片的任何一片的上述自由端的一側向另一個振動片的方向撞擊的撞擊部和當上述一邊的振動片受到撞擊時與上述另一個振動片的上述自由端的一側碰撞的壁部，通過利用上述撞擊部和上述壁部將上述組合成音叉式的2個振動片夾在中間進行加振。
16.按權利要求15所述的便攜式電力供給裝置，其特征在于上述加振機構具有以振子狀運動的擺錘，上述撞擊部利用該擺錘的運動對上述振動片中的一個振動片進行撞擊。
17.按權利要求14所述的便攜式電力供給裝置，其特征在于上述組合成音叉式的2個振動片被支持得使它們的上述自由端一側以振子狀運動，上述加振機構具有與上述振動片中的一個振動片的自由端一側碰撞的壁部，通過使組合成音叉式的2個振動片進行振動，旦使上述振動片的至少一邊的振動片的上述自由端與上述壁部碰撞而進行加振。
18.按權利要求14所述的便攜式電力供給裝置，其特征在于上述加振機構具有從上述振動片一側撞擊連絡上述組合成音叉式的2個振動片的上述支持端一側的構件的大致中央部的撞擊部，通過由該撞擊部對上述連絡的構件進行撞擊而對上述組合成音叉式的2個振動片進行加振。
19.按權利要求14所述的便攜式電力供給裝置，其特征在于上述加振機構具有加振構件，該加振構件具有使上述組合成音叉式的2個振動片的上述自由端一側的間隔增大的第1部分和介于上述2個振動片的上述自由端之間的第2部分，通過將上述第1部分和上述第2部分交替地插入到上述2個振動片的上述自由端一側之間進行加振。
20.便攜式電子儀器，其特征在于具有權利要求11所述的壓電體發(fā)電裝置、使上述組合成音叉式的2個振動片發(fā)生相反方向的位移的加振機構、對從上述發(fā)電部輸出的交流電進行整流的整流裝置、積蓄整流過的電流的儲能裝置和利用從該儲能裝置供給的電力進行處理的處理裝置。
全文摘要
提供一種有效地將機械能變換為電能的可攜帶的小型壓電體發(fā)電裝置。該發(fā)電裝置有具備進行自由振動的自由端和支持該自由端的支持端的振動片、以及備有至少在振動片的支持端一側形成將支持層夾在中間而積層的至少兩個壓電體部和覆蓋這些壓電體部的上表面或下表面的至少一部分的電極的發(fā)電部。從這些電極輸出交流電。
文檔編號H02N2/18GK1137194SQ9610134
公開日1996年12月4日 申請日期1996年1月31日 優(yōu)先權日1995年2月1日
發(fā)明者高橋修理, 橋本泰治, 永板榮一, 宮崎肇, 舩板司 申請人:精工愛普生株式會社