利用压电材料进行发电的小型装置已有几项提案，例如，在实开平 6-76894号中，描述了利用重锤的旋转运动驱动锤杆、撞击压电材料 进行发电的技术。
还有，在实开昭63-72593号中，描述了把压电元件装入钟表壳 内、使重锤在上下方向上惯性地运转振动、通过这种振动产生电能的技 术。
通过这些利用压电体的发电方式捕捉手腕的运动等，使压电体产生 应变进行发电，能够获得使钟表装置等运行的功率。这样的便携式小型 发电装置为了在从手腕的运动等获得动能之后高效率地变换成电能，重 要的是首先把手腕的运动等高效率地变换成用于实际发电的旋转重锤 的旋转等的动能，其次把这种动能作为应变高效率地施加到压电体上， 然后，把加到压电体上的应变高效率地变换成电能。
加到压电体上的动能(输入能量)主要可分为：支持压电体的支持 层等的应变能、压电体本身的应变能、以及因压电体发电而在电容器等 储电装置中储存的电能这三部分。在这三个部分中，作为发电装置最重 要的电能随压电体的机电耦合系数、压电元件未充电时的输出电压及静 电电容量、储电装置的电压等而变动，但是，它只不过是压电体应变能 的百分之几。因此，正在研究作为弹性杆利用自由振动那样的压电体进 行发电。这是因为，通过使压电体振动，能够反复地产生应变，通过输 入能量把所产生的应变慢慢变成电能。这样，可以谋求提高所产生电能 相对于与上述第3个主要因素相当的输入能量的效率。还有，正在进行 与上述第1个主要因素有关的研究，即，在用户佩戴在手腕上的手表式 发电装置中，分析用户手腕的运动，以使旋转重锤高效率地旋转。
因此，本发明之目的在于提供相当于上述第2个主要因素的、能够 把作为旋转重锤旋转运动等所获得的动能作为输入能量高效率地传递 到压电体上的装置，而且，本发明的目的还在于，通过实现这样的装置， 提供具有充分供电能力的发电装置，这种装置从用户手腕的运动等实际 地驱动携带用器械。
特别是，如上所述，通过使具有压电体的振动片振动，能够把输入 能量高效率地变换成电能，因此，本发明的目的在于，提供可以把旋转 重锤等的动能尽可能无损耗地传递到振动片上的发电装置。而且，本发 明的目的还在于，通过把位移高效率地施加到压电体上来提高发电效 率，提供发电能力高、通过手腕等的运动能够确保充分的发电量的发电 装置。
发明的公开
本申请的发明人发现：当利用旋转重锤的动能激振振动片时，提供 到振动片上的输入能量损耗大，这起因于撞击振动片的撞击部与被激振 的振动片的二次碰撞。
为了防止这种二次碰撞，在撞击部对振动片提供撞击以后，必须对 撞击部提供与振动片起始位移方向相反的速度。
因此，发电装置包括具有本发明压电体层的至少1个振动片、以及 对该振动片施加撞击而激起振动的激振装置，发电装置可以把在振动中 的压电体层上产生的功率输出，在该发电装置中，把振动片及进行碰撞 的激振装置撞击部的等价质量me设定为小于振动片的等价质量Me。这 样，在对振动片提供撞击以后，就对撞击部提供与振动片的起始位移方 向相反的速度。
因而，可以防止因撞击部与振动片二次碰撞所引起的能量再传递及 损耗，因此，能够把更多的输入能量施加到振动片上，能够提高发电能 力。
作为一例，在以单臂梁状安装振动片的情况下，假定振动片的质量 为MH、从固定的固定端到另一端(自由端)的距离为LH、从固定端 到通过撞击部施加了撞击的激振点的距离为XH、振动模的标准函数为 时，在激振点上的等价质量Me可以下式(A)表示。还有，撞击部 是在激振点上提供撞击的转动式激振杆，假定其惯性矩为Ib、从转动中 心到把撞击提供到激振点上的撞击点间的距离为Xb时，则撞击部的等 价质量可以下式(B)表示：
    Me=MH/(Ξn(xH/1H))2    (A)
    me=Ib/xb2    (B)
为了增大振动片的等价质量，希望在单臂梁状安装的自由端上附加 重锤，这时的等价质量Me可以下式(D)表示。再者，假定振动片单 臂粱部的质量为MH，重锤的重量为Ma。
    Me=Ma+MH/(Ξn(xH/1H))2    (D)
进而，当假定撞击部与振动片的碰撞系数为e时，通过满足下列 (C)式，能够防止撞击部与振动片的二次碰撞。因而，没有二次碰撞 所引起的输入能量损耗；因此，能够进一步提高利用了包括压电体层的 振动片的发电装置的发电能力。
Me＞((2·e+3·π+2)/3·π·e)×me    (C)
在使包括压电体层的振动片振动而发电的情况下，希望高效率地激 起有效地利用于发电上的一次模(モ-ド)振动，减小二次模以上的高 次模振动。因此，撞击部在从单臂梁状安装了的振动片自由端向固定端 那一边返回了若干距离的振动片二次模的节附近提供撞击是有效的。还 有，在振动片为非单臂粱状的情况下，当然也希望在对发电作用较少的 二次以上的模的节附近进行激振。
在单臂梁状安装了的振动片的自由端上附加重锤而增大等价质量 时，通过采用包括向着自由端那一边(即向着振动片的前端)开口的凹 部的重锤，能够把大重锤安装到振动片的前端上。还有，通过设置激振 杆以便与该凹部的内侧碰撞，能够紧凑地设置激振杆。同时，通过激振 杆，在从自由端那一边向固定端那一边返回了若干距离的二次模的节附 近提供撞击，因此，能够高效率地激起1次模振动，提高发电能力。
把这样的发电装置装入手腕佩戴式等器械的壳内，可以作为便携式 的器械实现，借助于把可以利用这种发电装置输出的功率而工作的钟表 装置及通信装置等的处理装置装入便携式器械中，能够提供不从外部供 给功率、也不需要电池交换的便携式器械。
进而，希望设置可以在壳内转动地安装着的旋转重锤、以及使该旋 转重锤的运动加速并传递到撞击部上的齿轮组，并采用在撞击部上与齿 轮组联动而被转动驱动、与振动片碰撞的激振杆。通过使旋转重锤的运 动加速，旋转重锤就能够以比运动周期更快的周期转动驱动激振杆，因 此，通过激振杆把旋转重锤的动能分割开来，就可以施加到振动片上 了。因而，能够把提供到振动片上的输入能量分散开来，因此，能够防 止振动片的损坏，能够把幅度小的振动反复施加到小型振动片上。因 此，能够实现小型且损耗小的发电机，能够确保充分的发电量。
还有，设置通过齿轮组旋转驱动的驱动杆，使激振杆的一端与该驱 动杆的一端接触，而对激振杆转动驱动，借助于采用这样的激振杆，能 够使激振杆小型化。因此，能够减小激振杆的惯性矩，所以，能够使激 振杆的等价质量小，能够防止它与振动片的二次碰撞，使之充分跟踪于 加速了的齿轮组的速度。进而，希望把这样的激振杆安装到壳内，以使 转动中心与重心一致。这样，伴随着手腕等的运动，壳的角度也改变了， 激振杆稳定而没有不需要的运动，因此，能够防止振动片与激振杆的二 次碰撞，能够提供可以有效地充分利用用户手腕的运动等的发电能力高 的发电装置。
设置多个振动片，通过利用激振杆把振动交互地施加到这些振动片 上，能够把因1次撞击而在各个振动片上所引起的振动的持续时间取得 较长。因而，可以防止起因于在振动片的振动中施加下一次激振的损 耗，能够谋求提高效率。
还有，也可以不用激振杆、而利用在振动片周围形成的槽内运动的 至少1个球对振动片提供撞击。
进而，也可以把振动片组合成音叉形，作为矩形板等的单臂梁之外 的形状，通过使支持位置为振动的节部，减小振动损耗，可以构成效率 高的发电装置。
附图的简单说明
图1为示出具有包括与本发明实施例1有关的压电体层的振动片的 发电装置的概略构成图；
图2为示出图1所示发电装置的驱动系统及激振装置的结构的剖面 图；
图3为把图1所示激振装置放大后示出的图；
图4为示出振动片机械能的损耗率随幅度而改变的情况的曲线图；
图5为示出从激振杆向振动片传递的能量传递效率随振动片等价质 量与激振杆等价质量之比而改变的情况的曲线图；
图6为说明激振杆与振动片碰撞的情况的图，图6(a)示出碰撞 前的状态，图6(b)示出碰撞后的状态；
图7为示出算出激振杆及振动片的等价质量时的各条件的图；
图8为示出激振杆与振动片碰撞后的位移的曲线图；
图9为基于几种碰撞系数、示出激振杆与振动片再碰撞的极限等价 质量的曲线图；
图10为示出振动片振动时1次模及2次模的幅度随把撞击提供到 振动片上的碰撞位置而改变的情况的曲线图；
图11为根据开路电压求出图10所示1次模及2次模幅度的情况的 图；
图12为示出与本发明实施例2有关的发电装置的概略结构的图；
图13为示出与本发明实施例3有关的发电装置的概略结构的图；
图14为示出与本发明实施例4有关的发电装置的概略结构的图；
图15为示出与本发明实施例5有关的发电装置的概略结构的图；
图16为示出图15所示发电装置的槽部分的剖面的图；
图17为示出与本发明实施例6有关的发电装置的概略结构的图；
图18为示出图17所示发电装置振动片的形状及振动模的图。
用于实施发明的最佳形态
[实施例1]
下面，参照附图，更详细地说明本发明。图1示出包括与本发明实 施例有关的发电装置的手腕佩戴式便携式器械的主要情况。本例的便携 式器械10包括：发电装置20，它由包括压电体层22a及22b的振动片 21构成；整流电路2，它把振动片21振动而获得的交流电流整流；储 电电路4，它把已整流的电流储存起来；以及处理装置6，它利用所发 电的电流进行计时处理。处理装置6除了驱动计时部7或者进行报警处 理等的计时处理之外，当然还可以包括无线电传呼或个人计算机等功 能。在本例中，在储电电路4中使用电容器5，但是，也可以使用具有 蓄电池等功率储存能力的装置。整流电路2并不限定于像本例那样使用 二极管3的全波整流，也可以是半波整流电路，当然，也可以是使用了 逆变器等的整流电流。图1中，以概念图示出本例的便携式器械，但是， 可以把整流电路2、储电电路4及处理装置6等与下述驱动系统11在 平面上呈重叠状态配置起来，可以谋求装置整体的小型化。
本例的发电装置20包括激振装置30，它把振动提供到具有压电体 层的振动片21上，利用激振系统40驱动该激振装置30。振动片21包 括：单臂梁(悬臂)状地固定到底板12上、金属制的支持层26；以及 在支持层26两侧上形成的压电体层22a及22b。还有，在振动片21进 行自由振动的前端(自由端)23上，安装着重锤25。在该重锤25上， 在中央设置在自由端23那一边上开口的凹部25c。而且，设置激振杆 35的主动端39，以便碰撞到凹部25c的内部上，把撞击提供到振动片 21上。因而，当激振装置30的激振杆35转动时，激振振动片21，使 振动片21以其前端23为自由端、以由螺钉27固定到底板12上的那一 边24为固定端而自由振动。因此，与此相伴随，把位移反复提供到振 动片21的压电体层22a及22b上，产生电动势。
本例的驱动系统40包括在壳1内部进行旋转的旋转重锤13，作为 手表佩戴时，该旋转重锤13响应于用户手腕及身体的运动等而旋转， 以便利用该力把振动提供到振动片21上。在本例的驱动系统40中，设 置图2所示结构的齿轮组41，以便把旋转重锤13的运动加速，提供到 激振装置30上。通过构成齿轮组41的旋转重锤齿轮14，把旋转重锤 13的运动传递到第1中间齿轮15a上，使之加速。该第1中间齿轮15a 与半径相同的第2中间齿轮15b啮合，通过旋转重锤13的运动使第1 及第2中间齿轮15a及15b旋转。而且，把中间齿轮15a及15b各自的 运动传递到激振装置30的驱动杆齿轮31a及31b上，这些中间齿轮15a 及15b的半径相同且沿相反方向旋转，因此，驱动杆齿轮31a及31b以 沿相反方向、相等速度被旋转驱动。通过使用这样的齿轮组41，例如 当旋转重锤13捕捉用户手腕等的运动、以1Hz为限度运动时，能够将 此运动加速到以50Hz为限度，传递到激振装置30上。在本例的激振装 置中，利用32a及32b这两个驱动杆驱动激振杆35，因此以100Hz限 度为单位把撞击施加到振动片21上，这样，就在振动片21上激起2KHz 限度的振动。再者，上述频率是为举例而说明的，本发明当然并不局限 于这些频率。把构成这样的齿轮组41的中间齿轮15a及15b、以及下 述的齿轮及杆组合起来，以便能够将其配置到夹着壳1内的底板12、 支持旋转重锤13的旋转重锤轴承16的狭窄空间内。
当利用驱动系统40对驱动杆齿轮31a及31b旋转驱动时，与这些 驱动杆齿轮31a及31b同样运动的驱动杆32a及32b沿相反方向、以相 等速度旋转，这样，把激振杆35的两个被动端36a及36b分别驱动起 来。利用驱动杆32a及32b，使激振杆35以激振杆的中心37为中心向 左右转动，响应于这一运动，使位于与激振杆35的被动端36相对的那 一边上的主动端39向左右运动。利用该主动端39把撞击施加到振动片 21的前端重锤25的内侧上，在振动片21上激起振动。再者，图2中示 出了一个中间齿轮15a、驱动杆齿轮31a、驱动杆32a及被动端36a的 组合，但是，另一个中间齿轮15b、驱动杆齿轮31b、驱动杆32b以及 被动端36b的组合也是同样的。
在利用具有像旋转重锤13那样大动能的器件对发电装置20的振动 片21直接进行激振时，为了防止损坏振动片，必须使振动片大型化。 与此相反，像本例那样利用齿轮组41使旋转重锤13的运动加速时，能 够把旋转重锤13所具有的动能分割开来施加到振动片21上，可以防止 振动片21的损坏，可以实现其小型化。
进而，如图4所示，如果是同一振子，则因为振动片振动时机械能 的损耗率随幅度的增大而变大，所以，借助于把输入能量分割开来再施 加，能够减小幅度，也可以减小振动片21上机械能的损耗。
图3把构成激振装置30的驱动杆32a及32b以及激振杆35的配置 放大后示出。本例的驱动杆32a及32b基本上为纺锤形的杆，把各个杆 32a及32b以其中心33a及33b为旋转中心、沿相反方向以相等的速度 旋转驱动。进而，设定这些纺锤形的杆32a及32b，使之相位偏移，进 行旋转，使各个杆的两端34交互接触到激振杆被动端36a及36b上， 以便驱动被动杆35。
考虑到中间齿轮15a及15b的配置，把被动端36a及36b设置于离 开适当角度的位置上，使驱动端39对这些被动端36a及36b位于与激 振杆的中心37相对的那一边上。进而，在本例激振装置30中，配置驱 动杆32a的中心33a及其两端34，以使与激振杆被动端36a接触的位 置38a、激振杆35的中心37基本成一直线，进而，配置驱动杆32b的 中心33b及其两端34，以使与被动杆被动端36b接触的位置38b、激 振杆35的中心37基本成一直线，以便能够以最高效率把驱动杆32a及 32b的动能传递到被动杆35上。
本例的激振装置的激振杆35利用上述那样的配置，能够在损耗非 常小的状态下，把能量从驱动系统40传递到激振杆35上，进而，利用 32a及32b这两个驱动杆交互地进行驱动，因此，能够以更短的时间为 单位把输入能量提供到振动片21上，以高效率激起振动。还有，利用 驱动杆32a及32b驱动激振杆35，因此，能够减小激振杆35的惯性矩， 在激振杆35以较高频率运动的情况下，也能够充分跟踪于把该运动加 速后的高频运动。进而，如下所述，通过减小激振杆的惯性矩，能够减 小激振杆的等价质量，因此，具有减小了与振动片二次碰撞所引起能量 损耗的效果。
还有，本例的激振杆35基本以其重心作为转动中心37安装到壳1 内，因此，当壳1的方向改变时，激振杆35并不任意转动。因此，激 振杆35只通过驱动杆32a及32b才被驱动，平时，它适当地保持与驱 动杆的位置关系。还有，防止了由于壳1的方向使激振杆35不经意地 运动而在其与振动片21之间引起二次碰撞，成为能量损耗的原因。
图5示出本例的发生装置20中振动片21所获得的输入能量(振动 片21的振动能量)Ei与激振杆35的动能Eo之比(能量传递效率)ηt(= Ei/Eo)随激振杆35的等价质量me与振动片21的等价质量Me之比(等 价质量比)MR=(me/Me)而变化的情况。正如从本图可知的那样， 等价质量比MR不到1时，能量传递效率ηt随等价质量比MR的增大而 增大。与此相反，等价质量比MR接近于1时，能量传递效率ηt急剧减 小；等价质量比MR超过1时，能量传递效率ηt再次增大，但比等价质 量比MR不到1时的最大值小。等价质量比MR不到1时，振动片21振 动的起始速度随等价质量比MR的增大而增大，因此，能量传递效率ηt 上升。与此相反，等价质量比MR接近于1时，激振杆35的动能Eo基 本传递到振动片21上，因此，激振杆35停止在把撞击提供到振动片21 上的位置上，激振片35产生与振动片21的二次碰撞。因这种二次碰撞， 使振动片21所获得的输入能量相反地向激振杆35那一边提供，使能量 损耗，因此，能量传递效率ηt急剧减小。而且，当等价质量比MR超过 1时，在振动片21那一边，二次碰撞所引起的能量损耗多少有些减小， 还有，因为产生了三次碰撞等，所以，使能量传递效率ηt上升。
这样，当等价质量比MR为1时，能量传递效率ηt非常低。为了提 高能量传递效率ηt，必须使等价质量比MR不到1，以便不引起二次碰 撞；或者，必须求出即使引起二次碰撞、能量传递效率ηt也不太低的条 件。因此，本申请的发明人按照如下所述找到用于在激振杆35与振动 片21之间不产生二次碰撞的条件。图6中，利用各自的等价质量Me 及me以及振动片21的等价弹性常数k表示激振杆35对振动片21进行 碰撞的系统。如下所述，借助于利用等价质量Me、me及振动弹性常数 K进行评价，撞击部与振动片并不局限于激振杆与单臂粱的组合，在把 球等不同的结构用于下面所说明那样的撞击部上时以及在把矩形板等 不同形状的压电体用于振动片上时，同样地，也能够应用本发明。
对图7(a)中所示那样的质量为MH、从已固定的固定端到另一 端(自由端)的距离为IH、从固定端到通过撞击部施加撞击的激振点X 的距离为XH、振动模标准函数为 的振动片，振动片21的等价质量 Me可以表达如下：
      Me=Mh/(Ξn(xH/1H))2    (1) 其中，假定在积分点上的密度为ρ，标准函数 为满足下述关系的函数：
      SSSρ·Ξn2·dV=MH    (2) 希望在本例振动片21上激起1次模的振动，这种模的标准函数如下：
    Ξ1=(cosα1y-coshα1y)
      -(cosα1y+coshα1y)/(sinα1y+sinhα1y) 其中，  ×(sinα1y-sinhα1y)    …(3)
       y=XH/lH
    cosα1×coshα1=-1    (α1为第1个解)
还有，对惯性矩为Ib、从转动中心到把撞击提供到振动片激振点上 的撞击点的距离为Xb的激振杆35，激振杆35的等价质量me可以表达 如下：
         me=Ib/xb2    (4)
还有，如图7(b)所示那样，在把有凹部的重锤25附加到振动 片21前端上时以及振动片不是单臂梁时，标准函数 (y)不同，但 能够与上述同样地求出。进而，激振点离前端非常近，从固定端到自由 端的距离LH与从固定端到通过撞击部施加撞击的激振点X的距离XH基 本相等时，利用用(1)式求出的梁状振动片的等价质量Me及重锤的 质量Ma，能够以下式近似图7(b)那样的振动片的等价质量：
    Me=Ma+MH/(Ξn(xH/1H))2    (1’)
返回图6，在等价质量为me的激振杆35以速度Vb碰撞到等价质 量为me的振动片21上以后，为了不引起与已经开始振动的振动片21 二次碰撞，在碰撞后，激振杆35必须获得与振动片21的位移方向相反 的速度。因而，在激振杆35的等价质量me与振动片21的等价质量me 之间，下列关系必须成立：
    me＜Me    (5)
当进行更详细的分析时，假定激振杆与振动片的碰撞系数为e时， 根据动量守恒原理，导出下列各式： 0×Me+Vb×me=VH’×Me+Vb’×me    (6)
(Vb’-VH’)/Vb=-e    (7) 在这里，VH’及Vb’分别为紧接在碰撞之后、振动片21及激振杆35的 速度。
其次，当研究碰撞后振动片21的运动及激振杆36的运动时，成为 图8所示。首先，振动片21从接受撞击的瞬间开始振动，图8示出以 实线示出的位移。该位移可以用下式表示。再者，为了简单起见，对振 动片21考虑1次模的振动，还有，不考虑振动的衰减，
        uH=A·sinωt    (8) 其中，ω表示角速度，A表示幅度，t表示时间，根据初始条件，满足 下列关系：
        (duH/dt)t=0=ω·A=VH’    (9)
另一方面，激振杆35如点划线52所示，以速度Vb’从撞击地点向 远方运动，其位移可以下式表示：
        ub=Vb’·t    (10)
根据上述，为了使振动片21与激振杆35不引起二次碰撞，位移uH 及ub除了瞬间t等于0以外，只要有解即可。即，下列(11)式除了 t=0以外，只要有解即可：
        A·sinωt=Vb’·t    (11) 为了解出(11)式，用三次方程式近似(8)式。振动片21的位移uH 通过图8的O、Q、S各点，因此，能够用下列三次方程式近似：
        uH3(t)=B·t(t-7π/ω)(t-2·π/ω)(12) 在这里，因为(12)式通过图8的点R(3π/2ω,-A)，所以，根据(9) 式，常数B成为下式：
        B=8·ω2/(3·π3)×VH’    (13) 因而，能够用下列(14)式，近似(11)式： B·t((t-π/ω)(t-2·π/ω)-Vb’/B))=0(14) 因此，求出下列(15)式的判别式D，根据ω、e及me均大于0，求 判别式D＜0的条件，利用式(13)以及式(6)、式(7)的关系， 进行整理，得：
(t-π/ω)(t-2·π/ω)-Vb’/B=0    (15) 这样，在振动片的等价质量Me与激振杆的等价质量me之间，得到 (16)式所示的关系：
Me＞((2·e+3·π+2)/3·π·e)×me    (16) 根据上述，借助于采用具有满足上式(16)的等价质量的振动片及激 振杆，能够提供没有因振动片与激振杆的二次碰撞所引起能量损耗的发 电装置。
借助于上列考察，能够把振动片与激振杆没有二次碰撞的条件置换 成各个等价质量的条件。
图9中，基于上列(16)式，对不同的碰撞系数e，示出满足下 列再碰撞的极限等价质量关系的振动片的等价质量Me及激振杆的等价 质量me：
Me=((2·e+3·π+2)/3·π·e)×me    (17) 如图5所示那样，在不产生二次碰撞的范围内，等价质量比MR接近于 1时，能量传递效率ηt高。因此，希望采用振动片的等价质量Me与激 振杆的等价质量me接近于该再碰撞的极限等价质量的关系的值。
进而，本中请的发明人发现，随着图7所示激振点X的变化，从振 动中21产生的电压也变动。当把振动提供到振动片21上时，有助于发 电的振动为1次模振动，当产生二次模以上的高次振动时，为了激起该 振动模，向在发电方面有效的1次模的输入能量就减小了。为了测量这 种变化，发明人计测了1次模的幅度及2次模的幅度随激振点X而变化 的情况，将此结果示于图10。在测量中，使用压电体(即，把PZT层 层叠到磷青铜制的支持材料上、全长LH为21mm的单压电体晶片型) 的振动片，改变图7所示激振点X与振动片前端(自由端)的距离[碰 撞位置(LH-XH)]，在提供碰撞后，测量振动片上所产生的开路电压V。 该开路电压V获得与振动片振动的幅度基本成正比的值，如图11所示， 得到2次模重叠到振动的1次模上的波形。因而，从获得的波形得到1 次模及2次模的幅度Vα及Vβ，将该结果示于图10。
正如从图10可以知道的那样，与把撞击提供到振动片的自由端上 时相比，把撞击提供到从自由端向固定端返回若干距离的位置上时，能 够使1次模的幅度大，能够使2次模的幅度小。而且，当碰撞位置离前 端约3.5mm时，1次模幅度为最大；基本在同一碰撞位置上，2次模的 幅度为最小。可以把该二次模幅度最小的位置附近认为是存在着二次模 振动的节部分。因而，可以知道，借助于把撞击提供到振动片2次模振 动的节附近，能够抑制2次模的产生，能够使有助于发电的1次模的幅 度增大。因此，不是把撞击提供到振动片的自由端上，而是借助于把撞 击提供到从自由端返回了若干距离的位置上，能够把输入能量提供到振 动片上，以便更有效地充分利用于发电上，能够提供利用了发电能力高 的压电体的发电装置。
如上所述，本申请的发明人发现，在利用包括压电体层的振动片的 发电装置中，为了把能量有效地传递到振动片上，希望把振动片的等价 质量与对振动片进行碰撞的激振杆等的撞击部的等价质量的关系设定 在不产生2次碰撞的范围内。进而发现，为了抑制在振动片上产生2次 模振动、把输入能量更有效地充分利用于发电上，希望把撞击施加到难 于激起2次模振动的、相当于2次模振动的节附近。
在图1所示本例发电装置20中，在振动片21的自由端23那一边 上附加了凹形的重锤25，在小型振动片21上也调整该等价质量，成为 比激振杆35大且容易的结构。还有，在激振杆35上设置凸轮部等，以 便不直接从齿轮组41进行驱动，而是通过驱动杆32进行驱动，因此， 能够使激振杆35小型化，等价质量小。因而，本例的发电装置20可以 防止在振动片21与激振杆35之间的二次碰撞，是能够使2次碰撞所引 起的能量损耗没有的结构，是能量传递效率高的发电装置。还有，因为 采用了凹形重锤25，因为能够在振动片自由端的两侧上扩展重锤，所 以，能够在小空间内配置充分质量的重锤。
进而，在本例发电装置20中，把激振杆35的主动端39设置在凹 形重锤25的凹部25c的内部。因而，主动端39对从包括重锤25的振 动片21整体的自由端23向固定端24那一边返回若干距离的位置进行 激振。因此，把输入能量传递到振动片21上，以使2次模的幅度小、1 次模的幅度更大，可以获得发电能力高的发电装置。
还有，如上所述，本例的发电装置20利用齿轮组41把旋转重锤13 的运动加速，把撞击提供到振动片21上，能够把旋转重锤13的动能分 割开来、施加到振动片21上等，能够把旋转重锤13的动能非常高效率 地对包括压电体层的小型振动片21传递，是小型的发电能力高的发电 装置。
而且，借助于通过本例的发电装置供给的功率，并不局限于可以使 本例的计时装置工作，还可以使传呼电话、电话机、无线电台、助听器、 台式电子计算机、信息终端等处理装置工作。还有，便携式器械的形状 也不局限于车辆装载式及袖珍式等手腕佩戴式的便携式器械。在这些便 携式器械中，借助于采用本发明的发电装置，不用担心电池更换等，随 时随地都能够发挥装载于便携式器械上的处理装置的功能。
[实施例2]
图12示出包括与本发明有关的发电装置20的手腕佩戴式的便携式 器械60。本例的发电装置20也包括具有压电体层的振动片21，利用 在便携式器械60的壳1内转动的旋转重锤13的动能对该振动片21提 供撞击，激起振动，能够提供由此发电的电流。因而，把相同的符号附 加到与上述实施例共同的部分上，省略其说明。还有，在下面说明的其 它实施例中，也是同样的。
本例的发电装置20利用1个驱动杆32使激振杆35转动，以便把 动能供给到振动片21上。因而，驱动系统40的齿轮组41也利用1个 中间齿轮15使旋转重锤13的运动加速，以便向驱动杆32传递。因此， 能够简化驱动系统40的齿轮组41及驱动杆32的结构，所以，能够使 发电装置20及便携式器械60更加小型化。进而，把凹形重锤25设置 在振动片21的自由端23上，把激振杆35的主动端39设置在其凹部25c 的内部上，因此，与实施例1相同，能够防止激振杆35与振动片21的 二次碰撞，成为易于激起1次模振动的结构。还有，利用齿轮组41使 旋转重锤13的运动加速，进行传递，因此，把旋转重锤13的动能分割 开来，供给到振动片上。这样，本例的发电装置及手腕佩戴式器械与实 施例1相同，可以谋求提高能量传递效率，是更小型的、发电能力高的 发电装置及手腕佩戴式的器械。
[实施例3]
图13示出了与本发明的实施例不同的发电装置20的例子。本发电 装置20包括21a及21b这两个振动片，激振杆35的主动端39位于21a 及21b这两个振动片之间。而且，在21a及21b这两个振动片的自由端 23a及23b上设置着的重锤25a及25b利用激振杆35交互地把撞击提供 到从重锤25a及25b的自由端23向固定端24返回若干距离的点上，在 各个振动片21a及21b上激起振动。在本例的发电装置20中，把撞击 交互地提供到21a及21b这两个振动片上，因此，能够把因一次撞击而 在两个振动片上所引起的振动的持续时间取得较长。因而，能够把1次 撞击所引起的输入能量变换成电能的期间设定得较长，所以，在通过激 振杆传递的能量大、振动片21的振动次数多的情况下，能够确保直到 下一次激振之前有充分的富余时间。因此，能够防止在振动中下一次振 动又进行激振的状态，能够避免起因于这样状态的振动能量的损耗。
再者，在本例中，利用激振杆交互地对21a及21b这两个振动片提 供撞击，但是，例如通过在进行转动的激振杆周围配置3个以上的振动 片，或者使用多个激振杆，也可以交互地对3个以上的n个振动片提供 撞击。
[实施例4]
图14示出与本发明实施例不同的发电装置的例子。在本例的发电 装置20中，21a及21b这两个振动片的支持层26a及26b以音叉形形 成，把26a与26b这两个支持层连接起来的底部26c安装到底板12上。 还有，从各个振动片21a及21b、经过分别设置在振动片21a及21b上 的各自的压电体层22a及22b，向未图示的不同的两个整流电路供给电 流。因而，在从外部对音叉进行激振时，能够从左右粱上所引起的同相 振动模及反相振动模这两种模中抽出功率。可以认为，同相模的振动损 耗与肩支梁(肩持ち梁)基本相同；但是，因为在固定部上未加力，所 以，反相模的振动损耗非常小。因此，施加在反相模上的输入能量能够 高效率地变换成功率，所以，能够提供利用了效率高于单臂梁的压电体 的发电装置。
还有，与上述实施例相同，把激振杆35的等价质量设定得小于振 动片21a及21b，进而，把撞击提供到从振动片21a及21b的自由端向 固定端那一边返回若干距离的部分上。因而，借助于使用本例的音叉形 组合起来的振子29进行发电，能够产生充分利用了音叉特性的振动损 耗率小的振动，因此，可以抑制机械能的损耗，能够提供发电效率高的 发电装置。
[实施例5]
图15及图16示出与本发明的实施例不同的发电装置20的概略结 构。在本例的发电装置20中，在对振动片21进行激振的撞击部中，使 用球62。本例发电装置20在装有振动片21的上下壳65a及65b的内 部，形成通过从振动片21的自由端23向固定端24返回若干距离的位 置的圆形槽61，以使球62在该槽61内部自由地运动。因而，在把运 动提供到壳65上使球62运动时，球62在从振动片21的自由端23返 回若干距离的位置碰撞到振动片21上，把振动提供到振动片21上。结 果是，在振动片21的压电体层22a及22b上产生电动势，进行发电。
本例的发电装置20能够使把撞击提供到振动片21上的球62的等 价质量小于振动片21的等价质量，因此，如实施例1中详述了的那样， 能够防止二次碰撞，可以提高从球62对振动片21的能量传递效率。还 有，把撞击提供到振动片21上的球62可在槽61内部自由地运动，因 此，不需要用于安装旋转重锤及齿轮组的轴承等复杂的结构了。因而， 能够以简易的结构廉价地提供发电能力高的发电装置。进而，通过把多 个球62封入槽61中，还可以增加对振动片21的撞击次数，能够以更 高的效率把使壳65运动的能量传递到振动片21上。
[实施例6]
图17及图18示出与本发明的实施例不同的发电装置20的概略结 构。在本例的发电装置20中，在对振动片21进行激振的撞击部中使用 球62。本例的发电装置20在装有两端自由的矩形板型振动片21的壳 65内部，形成圆形槽61，以使球62在该槽61内部自由地运动。因而， 在把运动提供到壳65上使球62运动时，球62就碰撞到振动片21上， 把振动提供到振动片21上。结果是，在振动片21的压电体层22a及22b 上产生电动势，进行发电。
还有，在本实施例中，如图18(a)所示，振动片21的形状为两 端自由的矩形板，因此，在1次模中，形成节81a及81b。通过利用图 18(b)中所示的支持构件71a及71b把该节81a及81b支持起来，能 够防止振动片的固定所引起的振动损耗。
进而，与单臂粱的情况相同，通过把撞击提供到振动片的高次模的 振动的节附近，可以抑制高次模的产生，能够使有助于发电的1次模幅 度增大。图18(c)示出两端自由的矩形板的1次模，图18(d)示 出2次模，图18(c)示出3次模。图中，直线表示矩形板纵向的位 置，曲线表示变形时的形状。图中，数字表示当使矩形板的纵向长度为 1时的振动节的位置。根据这些数字，不是把撞击提供到在全部模中成 为振动腹的两端部，而是希望把撞击提供到2次及3次模的节，即从自 由端开始为全长10％～13％的中心的两侧附近、或者从自由端开始为 全长的36％～50％处。
本例的发电装置20能够使把撞击提供到振动片21上的球62的等 价质量小于振动片21的等价质量，因此，如实施例1中详述了的那样， 能够防止二次碰撞，可以提高从球62对振动片21的能量传递效率。还 有，把撞击提供到振动片21上的球62可在槽61内部自由地运动，因 此，不需要用于安装旋转重锤及齿轮组的轴承等复杂的结构了。因而， 能够以简单的结构廉价地提供发电能力高的发电装置。进而，通过把多 个球62封入槽61中，还可以增加对振动片21的撞击次数，能够以更 高的效率把使壳65运动的能量传递到振动片21上。
因而，借助于使用本例的振子21进行发电，能够产生充分利用了 两端自由的矩形板特性的、振动损耗小的振动，因此，可以抑制机械能 的损耗，能够提供发电效率高的发电装置。
至此，在实施例1～5中，本申请的发明人确立了没有二次碰撞损 耗的有关单臂梁状振动片与激振部(杆、球等)的质量关系；还有，在 实施例6中描述了两端自由的矩形板状的振动片与激振部可以设定为没 有同样的损耗的有关情况。但是，本发明并不局限于这些振动片及激振 结构，在圆板、梯形板、矩形板、圆筒、长方体等任意的振动片与杆、 球、板簧等任何激振部的组合中，如图8所示，通过进行这样的设定， 即激振部在撞击振动片以后接受与振动片方向相反的速度，都能够获得 与不伴有二次碰撞的损耗相同的效果。通过慢慢减小激振部的质量并同 时碰撞相同的振动片来观察激振部，就能够很容易地求出该设定。即， 激振部在撞击振动片以后接受与振动片方向相反的速度的发电装置显 然也处于本发明的范围内。
再者，在上述实施例中，是基于使用在金属制的支持层26的两侧 上形成了22a及22b这两层压电体层的双压电体晶片型的振动片、或者 把压电体层22a及22b层叠起来的振动片进行发电的装置加以说明 的，但是，当然，也可以使用两层以上的多层压电体层叠起来的振动片 以及单一压电晶片型的振动片等。进而，构成压电体部的材料当然也可 以是PZT(商标)、钛酸钡系列及钛酸铅系列等陶瓷材料、石英及铌 酸锂等单晶、以及PVDF等高分子材料。
还有，本发明并不局限于以上述实施例说明了的钟表装置等的手腕 佩戴式的便携式器械。本发明能够提供小型的发电能力高的发电装置， 因此，适合作为装入其它小型便携式电子器械中的发电装置，例如，本 发明的发电装置可应用于传呼机、电话机、无线电台、助听器、计步器、 台式电子计算机、电子笔记本等信息终端及IC卡、无线接收机等。而 且，通过在这些便携式器械中采用本发明的发电装置，捕捉人的运动高 效率地进行发电，可以抑制电池的消耗，甚至可以不需要电池了。因而， 用户能够使用这些便携式器械而不必提心电池更换，还能够对因更换电 池使存储器内存储的内容丢失等麻烦防患于未然。进而，在电池及充电 装置不易到手的地区或场所，或者在因灾害等使电池的补充发生困难的 情况下，还可以发挥便携式电子器械的功能。
产业上的可利用性
如上所说明的那样，本发明的在使包括压电体层的振动片振动进行 发电的发电装置中，使把撞击提供到振动片上激起振动的撞击部的等价 质量小于振动片的等价质量，防止振动片与撞击部二次碰撞的产生。因 此，借助于本发明，能够防止起因于二次碰撞的能量损耗，所以，能够 提供从撞击部向振动片的能量传递效率非常高的发电装置。因而，与本 发明有关的发电装置因为能够把旋转重锤等中产生的动能作为输入能 量高效率地提供到振动片上，所以，对振动片供给大的输入能量，能够 实现发电能力高的发电装置。因此，能够提供适合于为使用了压电体的 小型、可携带的便携式器械提供功率的发电装置。
进而，在本发明中，通过使对振动片进行激振的位置处于2次模的 节附近，可以增大有助于发电的1次模的幅度，以便把输入能量有效地 用于发电。还有，在本发明中，利用齿轮组把装载于手腕佩戴式器械上 的旋转重锤的旋转运动加速，借助于把动能分割开来提供到振动片上， 通过降低振动时的机械损耗提高变换效率，实现使用了压电体的小型 的、发电能力高的发电装置。还有，设置了多个振动片，通过利用激振 杆交互地把振动施加到这些振动片上，使得在各个振动片上能够把因1 次撞击所引起的振动的持续时间取得较长。因而，能够防止起因于在振 动片振动中施加下一次激振的损耗，能够谋求提高效率。而且，把振动 片作为音叉及两端自由的矩形板型，通过在1次模的节上将其支持起 来，能够减小固定损耗，能够提高变换效率，实现使用了发电能力高的 压电体的发电装置。
这样，本发明的发电装置能够把捕捉用户手腕的运动等所获得的动 能高效率地传递到振动片上，因此，可以提供能够把足够的功率供给小 型及便携式器械的发电装置。