発電装置
【課題】パッケージを備えた構成を採用しながらも出力の低下を抑制することが可能な発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１は、圧電型振動発電素子１０と、蓄電部２０と、圧電型振動発電素子１０で発生する交流電圧を整流して蓄電部を充電する充電手段３０と、圧電型振動発電素子１０、蓄電部２０および充電手段３０を収納したボタン形のパッケージ４０とを備える。圧電型振動発電素子１０は、支持部１１と、支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２における支持部１１側とは反対の先端部に設けられた錘部１３と、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部１４とを備える。パッケージ４０は、蓄電部２０から放電するための正極を兼ねる第１ケース４１および負極を兼ねる第２ケース４２と、パッケージ４０の内外を連通させる連通部４３とを備える。
【解決手段】発電装置１は、圧電型振動発電素子１０と、蓄電部２０と、圧電型振動発電素子１０で発生する交流電圧を整流して蓄電部を充電する充電手段３０と、圧電型振動発電素子１０、蓄電部２０および充電手段３０を収納したボタン形のパッケージ４０とを備える。圧電型振動発電素子１０は、支持部１１と、支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２における支持部１１側とは反対の先端部に設けられた錘部１３と、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部１４とを備える。パッケージ４０は、蓄電部２０から放電するための正極を兼ねる第１ケース４１および負極を兼ねる第２ケース４２と、パッケージ４０の内外を連通させる連通部４３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電機構を備えた発電装置は、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目され、各所で研究開発されている（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１には、静電誘導式または電磁誘導式の発電機構を備えるものであって、発電機構に電気的に接続された第一の整流手段と、この第一の整流手段に電気的に接続された蓄積手段と、この蓄積手段に電気的に接続された外部正極および外部負極を備え、電子機器に使用される電池と交換可能な外形を備えて形成された発電装置が記載されている。
【０００４】
特許文献１には、いわゆるボタン電池やコイン電池などの外形に合わせて構成された発電装置が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、発電機構として圧電変換部を備えた発電デバイスが記載されている。
【０００６】
特許文献２に開示された発電デバイスは、フレーム部およびフレーム部の内側に配置されフレーム部に揺動自在に支持されたカンチレバー部を有するカンチレバー形成基板と、カンチレバー形成基板の一表面側においてカンチレバー部に形成され当該カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部とを備えている。また、カンチレバー形成基板におけるカンチレバー部の先端部には、カンチレバー部の変位量を大きくするための錘部が一体に設けられている。なお、この発電デバイスでは、フレーム部が支持部を構成し、圧電変換部が発電部を構成している。
【０００７】
また、特許文献１には、発電デバイスは、カンチレバー形成基板の上記一表面側においてフレーム部に固着された第１のカバー基板と、カンチレバー形成基板の他表面側においてフレーム部に固着された第２のカバー基板とを設けるようにしてもよい旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１５１９４４号公報
【特許文献２】特開２０１１−９１３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、本願発明者らは、特許文献２に記載された発電デバイスのパッケージの薄型化を図るにあたって、パッケージの外形を特許文献１のように、いわゆるボタン電池やコイン電池などの外形に合わせて構成した発電装置を考えた。
【００１０】
しかしながら、本願発明者らの試作した発電装置では、パッケージを設けていない場合に比べて錘部の振幅が大きく低下し、出力が大きく低下してしまった。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ボタン形のパッケージを備えた構成でパッケージの薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能な発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発電装置は、圧電型振動発電素子と、蓄電部と、前記圧電型振動発電素子で発生する交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する充電手段と、前記圧電型振動発電素子、前記蓄電部および前記充電手段を収納したボタン形のパッケージとを備え、前記圧電型振動発電素子は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部における前記支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部とを備え、前記パッケージは、前記蓄電部から放電するための正極を兼ねる第１ケースおよび負極を兼ねる第２ケースと、前記パッケージの内外を連通させる連通部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この発電装置において、前記パッケージは、前記カンチレバー部と前記錘部と前記発電部とからなる振動部の厚み方向に交差する第１ケースの第１壁部と前記第２ケースの第２壁部との少なくとも一方に、前記連通部を備えることが好ましい。
【００１４】
この発電装置において、前記パッケージは、前記連通部が、密集して設けられた複数の貫通孔からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発電装置においては、ボタン形のパッケージを備えた構成でパッケージの薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の発電装置の概略断面図である。
【図２】実施形態の発電装置の概略平面図である。
【図３】実施形態の発電装置における圧電型振動発電素子の他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図４】参考形態の発電装置の概略構成図である。
【図５】参考形態の発電装置のパッケージ用基板の一例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図、（ｃ）は概略側面図である。
【図６】参考形態の発電装置のパッケージ用基板の他例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図、（ｃ）は概略側面図である。
【図７】参考形態の発電装置の特性説明図である。
【図８】比較例の発電装置の概略断面図である。
【図９】実施形態の発電装置におけるパッケージの他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図１０】実施形態の発電装置におけるパッケージの更に他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図１１】実施形態の発電装置におけるパッケージの別の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本実施形態の発電装置について図１〜図３に基づいて説明する。
【００１８】
発電装置１は、圧電型振動発電素子１０と、蓄電部２０と、圧電型振動発電素子１０で発生する交流電圧を整流して蓄電部を充電する充電手段３０と、圧電型振動発電素子１０、蓄電部２０および充電手段３０を収納したボタン形のパッケージ４０とを備えている。
【００１９】
圧電型振動発電素子１０は、支持部１１と、この支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、このカンチレバー部１２における支持部１１側とは反対の先端部に設けられた錘部１３とを備えている。また、圧電型振動発電素子１０は、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部１４を備えている。
【００２０】
パッケージ４０は、蓄電部２０から放電するための正極を兼ねる第１ケース４１および負極を兼ねる第２ケース４２と、パッケージ４０の内外を連通させる連通部４３とを備えている。
【００２１】
次に、発電装置１の各構成要素について詳細に説明する。
【００２２】
圧電型振動発電素子１０は、支持部１１とカンチレバー部１２と錘部１３とを、基板１０ａから形成することができる。この基板１０ａとしては、例えば、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いることができる。
【００２３】
圧電型振動発電素子１０は、図３に示すように、支持部１１を、枠状（ここでは、矩形枠状）の形状として、カンチレバー部１２および錘部１３が、支持部１１の内側に配置されるようにしてもよい。ここにおいて、基板１０ａは、カンチレバー部１２と錘部１３とで構成される可動部を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄが設けられることによって、カンチレバー部１２における支持部１１との連結部位以外の部分が、支持部１１と空間的に分離されている。なお、支持部１１は、カンチレバー部１２を揺動自在に支持できる形状であればよく、必ずしも枠状である必要はない。図１および図２における支持部１１は、枠状とはなっていない。
【００２４】
発電部１４は、カンチレバー部１２の厚み方向の一面側（基板１０ａの一表面側）に形成されている。発電部１４は、カンチレバー部１２側から順に、第１電極（下部電極）１４ａ、圧電体１４ｂおよび第２電極（上部電極）１４ｃを有している。
【００２５】
したがって、圧電型振動発電素子１０は、カンチレバー部１２の振動によって発電部１４の圧電体１４ｂが応力を受け第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、発電部１４において交流電圧が発生する。要するに、圧電型振動発電素子１０は、発電部１４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動式の発電機構である。
【００２６】
圧電型振動発電素子１０の開放電圧は、環境振動に起因した圧電体１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、圧電型振動発電素子１０は、この圧電型振動発電素子１０の共振周波数と一致する環境振動（外部振動）を利用して発電することを想定している。環境振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動など、種々の環境振動がある。圧電型振動発電素子１０で発生する交流電圧の周波数は、環境振動の周波数が圧電型振動発電素子１０の共振周波数と一致する場合、圧電型振動発電素子１０の共振周波数と同じになる。
【００２７】
圧電型振動発電素子１０は、支持部１１に、第１電極１４ａに第１配線部１７ａを介して電気的に接続された第１パッド１６ａと、第２電極１４ｃに第２配線部１７ｃを介して電気的に接続された第２パッド１６ｃとが設けられている。第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。また、第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。また、第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃは、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。なお、圧電型振動発電素子１０は、第１パッド１６ａ、第２パッド１６ｃが、第１出力端子、第２出力端子をそれぞれ構成している。
【００２８】
また、圧電型振動発電素子１０は、第２配線部１７ｃと第１電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層（図示せず）を設けてある。この絶縁層は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。また、圧電型振動発電素子１０は、基板１０ａの材料に応じて、適宜の絶縁膜を設けてもよい。
【００２９】
圧電体１４ｂの圧電材料としては、ＰＺＴを採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。
【００３０】
第１電極１４ａの材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒなどでもよい。また、第２電極１４ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。
【００３１】
圧電型振動発電素子１０は、基板１０ａと第１電極１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3などを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、緩衝層を設けることにより、圧電体１４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。
【００３２】
また、圧電型振動発電素子１０の構成は、上述の例に限らず、例えば、発電部１４におけるカンチレバー部１２の幅方向（図３（ａ）の上下方向）に沿った方向の幅寸法を小さくして、１つのカンチレバー部１２の上記一面側において複数の発電部１４を上記幅方向に並設し、これら複数の発電部１４の直列回路の一端、他端を第１パッド１６ａ、第２パッド１６ｃそれぞれに電気的に接続するように構成してもよい。
【００３３】
蓄電部２０は、例えば、コンデンサや蓄電池などにより構成することができる。また、蓄電部２０は、例えば、複数個（例えば、２個）のコンデンサを直列接続した構成とすることもできる。
【００３４】
蓄電部２０は、この蓄電部２０の正極端子と、正極を兼ねる第１ケース４１とが、第１電気接続部（図示せず）を介して電気的に接続されている。また、蓄電部２０は、この蓄電部２０の負極端子と、負極を兼ねる第２ケース４２とが、第２電気接続部（図示せず）を介して電気的に接続されている。第１電気接続部および第２電気接続部の各々は、例えば、リード線や導電性ペースト（例えば、銀ペースト、金ペーストなど）や半田などを採用することができる。
【００３５】
充電手段３０は、全波整流回路であって、プリント基板からなる回路基板３１に回路部品を実装して構成してある。全波整流回路は、例えば、回路部品である４個のダイオードがブリッジ接続されたダイオードブリッジにより構成することができる。充電手段３０を構成する全波整流回路は、ダイオードブリッジに限らず、例えば、両波倍電圧整流回路により構成してもよい。両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードの直列回路と２個のコンデンサの直列回路とが並列接続された回路であり、回路基板３１に回路部品（２個のダイオードおよび２個のコンデンサ）を実装して構成することができる。要するに、両波倍電圧整流回路は、２個ダイオードと２個のコンデンサとがブリッジ接続されている。そして、両波倍電圧整流回路は、圧電型振動発電素子１０の第１のパッド１６ａを、２個のダイオードの直列回路における両ダイオードの接続点に接続し、また、圧電型振動発電素子１０の第２のパッド１６ｃを、２個のコンデンサの直列回路における両コンデンサの接続点に接続すればよい。また、２個のコンデンサの直列回路は、上述の蓄電部２０により構成すればよい。
【００３６】
充電手段３０の回路部品としては、表面実装型の電子部品（ダイオードや、コンデンサ）を用いることが好ましい。これにより、発電装置１は、充電手段３０の回路部品として、回路基板３１のスルーホールへリードを挿入して実装するリード付きのものを用いる場合に比べて、薄型化を図ることが可能となる。
【００３７】
また、本実施形態では、圧電型振動発電素子１０および蓄電部２０も回路基板３１に実装してある。これにより、発電装置１は、圧電型振動発電素子１０および蓄電部２０を、回路基板３１とは別のプリント配線板に実装して用いる場合に比べて、部品点数の削減を図れる。
【００３８】
回路基板３１は、平面形状をＣ字状としてある。これにより、発電装置１は、圧電型振動発電素子１０を、支持部１１が回路基板３１の厚み方向において回路基板３１に重なり且つ振動部１５が回路基板３１の厚み方向において回路基板３１に重ならないように配置することによって、圧電型振動発電素子１０の振動部１５が第２ケース４２側へ変位する空間を確保することができる。
【００３９】
回路基板３１は、外形を円形状として、圧電型振動発電素子１０における振動部１５の変位する空間を確保するための開口部が、厚み方向に貫設されたものを用いることもできる。また、回路基板３１の外形は、円形状に限らず、例えば、正六角形状、正八角形状などの正多角形状の形状とすることもできる。
【００４０】
ボタン形のパッケージ４０は、ＪＩＳ Ｃ ８５００やＩＥＣ ６００８６で規格化されているボタン型電池の形状および寸法（直径、長さ（厚み））に合わせることが好ましい。ここで、ボタン形のパッケージ４０は、例えば、外形寸法の規格である、Ｒ４１、Ｒ４３、Ｒ４４、Ｒ４８、Ｒ５４、Ｒ５５、Ｒ７０などの固有記号に従って、寸法を設定することが好ましい。また、ボタン形のパッケージ４０は、固有記号が定められていなくても、既存のボタン型電池の寸法として存在するＲ１６３２、Ｒ２４５０、Ｒ１０２５、Ｒ１２１６、Ｒ１２２０、Ｒ１２２５、Ｒ１６１６、Ｒ２０１２、Ｒ２０１６、Ｒ２０２５、Ｒ２０３２、Ｒ２３２５、Ｒ２３３０、Ｒ２３５４、Ｒ２４７７、Ｒ３０３２（数字の上２桁が直径、下２桁が厚みを表し、例えば２０３２は直径が２０ｍｍ、厚みが３．２ｍｍであることを示している）などに従って、寸法を設定することが好ましい。
【００４１】
発電装置１は、パッケージ４０の形状および寸法を上述のように設定することにより、既存のボタン型電池の代替として使用することが可能となる。よって、電子機器に内蔵されたボタン形電池と交換して使用することが可能となる。なお、電子機器としては、例えば、時計、補聴器、携帯電話機、パーソナルコンピュータなどが挙げられるが、これらに限定するものではなく、例えば、車両などに搭載されるセンサ装置、表示装置などでよい。
【００４２】
第１ケース４１は、浅い有底円筒状の形状に形成されている。ここにおいて、第１ケース４１は、金属により形成されている。
【００４３】
第２ケース４２は、第１ケース４１よりも浅く且つ第１ケース４１の内径よりも外径が小さな有底円筒状の形状に形成されている。また、第２ケース４２は、金属により形成されている。
【００４４】
パッケージ４０は、第１ケース４１と第２ケース４２との互いの内底面同士が対向し、第２ケース４２の大部分が第１ケース４１に収納されている。また、パッケージ４０は、第１ケース４１と第２ケース４２とが、電気絶縁性を有する接合材料（例えば、エポキシ樹脂などの樹脂や、ガラスなど）からなる接合部４４により接合されている。ここで、接合部４４は、第２ケース４２の円筒状の周壁４２ｂと第１ケース４１の円筒状の周壁４１ｂとの全周に亘って設けられている。また、パッケージ４０は、第２ケース４２の外底面と第１ケース４１の周壁４１ｂの先端面とが面一とならないように、第１ケース４１の周壁４１ｂと第２ケース４２の周壁４２ｂとの互いに重なる領域を設定してある。
【００４５】
なお、第２ケース４２は、周壁４２ｂの先端面に、回路基板３０を位置決めする段部４２ｃが形成されており、回路基板３０が電気絶縁性を有する接合材料などによって固着されている。第２ケース４２に回路基板３０を位置決めして固定するための構造は上述の段部４２ｃに限らず、例えば、第２ケース４２の周壁４２ｂの一部を内方へ切り起こしたり突出させて形成した突部により、回路基板３０を厚み方向の両側から挟持するような構造を採用することもできる。また、発電装置１は、回路基板３１を保持する保持台を別途に備えた構成とし、この保持台を第２ケース４２内に収納して第２ケース４２に固着するようにしてもよい。
【００４６】
パッケージ４０は、第１ケース４１が正極を兼ね、第２ケース４２が負極を兼ねているので、第１ケース４１の外底面に、「＋」の表示を設け、第２ケース４２の外底面に「−」の表示を設けておくことが好ましい。これにより、発電装置１は、使用者などが正極および負極の極性を視認することが可能となる。
【００４７】
パッケージ４０は、カンチレバー部１２と錘部１３と発電部１４とからなる振動部１５の厚み方向に交差する第１ケース４１の円板状の第１壁部（底壁）４１ａと第２ケース４２の円板状の第２壁部（底壁）４２ａとの少なくとも一方に、連通部４３を備えることが好ましい。ここで、図１の例では、第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの両方に、連通部４３を設けた構成を例示してある。なお、図１中の矢印は、振動部１５の振動方向を示し、図１中の一点鎖線は、第２ケース４２側へ変位した錘部１３およびカンチレバー部１２を示している。
【００４８】
また、パッケージ４０は、連通部４３が、密集して設けられた複数の貫通孔４３からなることが好ましい。図２に示した例における連通部４３は、複数の貫通孔４３が、２次元アレイ状に配置されている。各貫通孔４３の開口形状は、矩形状（図２の例では、正方形状であるが、長方形状でもよい）としてある。図２に示した例では、各貫通孔４３の開口形状を一辺が０．５ｍｍの正方形状とし、図２の上下方向もしくは左右方向において隣り合う貫通孔４３間の距離を０．２ｍｍとしてあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００４９】
各貫通孔４３の開口形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状としてもよい。また、連通部４３は、複数の貫通孔４３が２次元アレイ状に配置されているが、複数の貫通孔４３の配置は特に限定するものではない。
【００５０】
ところで、本願発明者らは、図３に示した構成の圧電型振動発電素子１０の厚み方向の両側に図４に示すようにパッケージ用基板１４０を接合した参考形態の発電装置１”を試作して、参考形態の発電装置１”の特性を評価した。
【００５１】
パッケージ用基板１４０としては、参考形態の発電装置１”のパッケージ用基板１４０の一例として、図５に示すように、矩形板状のガラス基板１４０ａの一面に振動部１５（図３（ａ）参照）の変位する空間を確保するための凹部１４０ｂを形成したものを用意した。また、パッケージ用基板１４０としては、参考形態の発電装置１”のパッケージ用基板１４０の他例として、図６に示すように、矩形板状のガラス基板１４０ａの一面に振動部１５の変位する空間を確保するための凹部１４０ｂを形成し且つ凹部１４０ｂの内底面と他面との部分を貫通する複数の貫通孔１４４を形成したものとを用意した。なお、図５および図６に示した各パッケージ用基板１４０には、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃを露出可能とする開口部１４７を形成してある。ただし、この開口部１４７は、矩形枠状の支持部１１と当該支持部１１を厚み方向の両側から挟むように当該支持部１１に接着される２枚のパッケージ用基板１４０とで構成されるパッケージの内外を連通させるものではない。図５に示したパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”では、パッケージ内の空間が気密空間となるので、この気密空間をＮ２ガス雰囲気とした。
【００５２】
そして、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”および図６のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”それぞれをについて、圧電型振動発電素子１０の錘部１３に与える外部振動の加速度と錘部１３の先端の振幅との関係を測定した結果を図７に示す。図７では、外部振動の加速度を横軸、錘部１３の振幅を縦軸としてある。ここで、図７では、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０の錘部１３の先端の振幅を黒色の菱形（Ａ１）でプロットし、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”における圧電型振動発電素子１０の錘部１３の先端の振幅を黒色の四角（Ａ２）でプロットし、図６のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”における圧電型振動発電素子１０の錘部１３の先端の振幅を黒色の三角（Ａ３）でプロットしてある。なお、単振動で与えている外部振動の振幅をＢ１、単振動で与えている外部振動の変位をｚとすると、ｚ＝Ｂ１・sinωｔ（ただし、ωを共振周波数ｆに合わせている）で表され、加速度はＢ１・ω2で表される。また、各パッケージ用基板１４０において、凹部１４０ｂの深さ寸法は、０．３ｍｍ、凹部１４０ｂの開口形状は、矩形状とし、図５（ａ）および図６（ａ）の左右方向の寸法を７．４ｍｍ、上下方向の寸法を６．８ｍｍとした。また、図６のパッケージ用基板１４０において、貫通孔１４４の開口形状は、矩形状とし、図５（ａ）および図６（ａ）の左右方向の寸法を１．８ｍｍ、上下方向の寸法を１．６ｍｍとした。
【００５３】
図７のＡ１、Ａ２およびＡ３の比較から、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０の錘部１３の振幅が最も大きく、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”では圧電型振動発電素子１０の振幅が大きく低下していることが分かる。これに対して、図６のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”では、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０の錘部１３の振幅よりは低下するものの、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”に比べて振幅が大きくなる傾向があることが分かる。そして、このような傾向は、図１に示すようにボタン形のパッケージ４０に貫通孔４３を設けた本実施形態の発電装置１と、図８に示すようにボタン形のパッケージ４０に貫通孔４３を設けていない比較例の発電装置１’との比較においても、同様であり、本実施形態の発電装置１のほうが比較例の発電装置１’に比べて、パッケージ４０を備えた構成でパッケージ４０の薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能となる。ここで、本実施形態の発電装置１では、振動部１５と第１ケース４１の第１壁部４１ａおよび第２ケース４２の第２壁部４２ａとの各ギャップを小さくすることでパッケージ４０の薄型化を図った場合でも、比較例の発電装置１’に比べて、錘部１３の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングが低減されることにより、錘部１３の振動が抑制され、結果的に発電部１４の歪みが大きくなり、圧電型振動発電素子１０の発電量を大きくすることができ、発電装置１の出力を大きくすることが可能となる。
【００５４】
以上説明した本実施形態の発電装置１は、ボタン形のパッケージ４０を備えた構成でパッケージ４０の薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能となる。
【００５５】
ところで、パッケージ４０は、上述のように、振動部１５の厚み方向に交差する第１ケース４１の第１壁部４１ａと第２ケース４２の第２壁部４２ａとの少なくとも一方に、連通部４３を備えていることが好ましく、例えば、図１の構造に限らず、例えば、図９、図１０および図１１などの構造としてもよい。ここで、図９に示した構造の発電装置１は、第１壁部４１ａのみに複数の貫通孔４４を密集して設けることで連通部４３が形成されている。また、図１０に示した構造の発電装置１は、第１壁部４１ａのみに１つの連通部４３が形成されている。また、図１１に示した構造の発電装置１は、第１壁部４１ａおよび第２壁部４２ａの各々に１つの連通部４３が形成されている。
【００５６】
図１に示した構造の発電装置１と図９に示した構造の発電装置１とでは、図１に示した構造の発電装置１のように第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの両方に連通部４３が形成されているほうが、錘部１３の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングを、より抑制することが可能となり、パッケージ４０を備えたことによる出力の低下を抑制することが可能となる。また、図１０に示した構造の発電装置１と図１１に示した構造の発電装置１とでは、図１１に示した構造の発電装置１のように第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの両方に連通部４３が形成されているほうが、錘部１３の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングを、より抑制することが可能となり、パッケージ４０を備えたことによる出力の低下を抑制することが可能となる。
【００５７】
また、図１および図９の各発電装置１は、連通部４３が複数の貫通孔４４を密集することで形成してあるので、図１０および図１１の各発電装置１のように連通部４３が１つの比較的大きな貫通孔４４を設けることで形成してある場合に比べて、スクイーズフィルム効果によるダンピングを同程度に抑えながらも、パッケージ４０の外からパッケージ４０内へ異物が侵入するのを抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 発電装置
１０ 圧電型振動発電素子
１１ 支持部
１２ カンチレバー部
１３ 錘部
１４ 発電部
１５ 振動部
２０ 蓄電部
３０ 充電手段
４０ パッケージ
４１ 第１ケース（正極）
４１ａ 第１壁部
４２ 第２ケース（負極）
４２ａ 第２壁部
４３ 連通部
４４ 貫通孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電機構を備えた発電装置は、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目され、各所で研究開発されている（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１には、静電誘導式または電磁誘導式の発電機構を備えるものであって、発電機構に電気的に接続された第一の整流手段と、この第一の整流手段に電気的に接続された蓄積手段と、この蓄積手段に電気的に接続された外部正極および外部負極を備え、電子機器に使用される電池と交換可能な外形を備えて形成された発電装置が記載されている。
【０００４】
特許文献１には、いわゆるボタン電池やコイン電池などの外形に合わせて構成された発電装置が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、発電機構として圧電変換部を備えた発電デバイスが記載されている。
【０００６】
特許文献２に開示された発電デバイスは、フレーム部およびフレーム部の内側に配置されフレーム部に揺動自在に支持されたカンチレバー部を有するカンチレバー形成基板と、カンチレバー形成基板の一表面側においてカンチレバー部に形成され当該カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部とを備えている。また、カンチレバー形成基板におけるカンチレバー部の先端部には、カンチレバー部の変位量を大きくするための錘部が一体に設けられている。なお、この発電デバイスでは、フレーム部が支持部を構成し、圧電変換部が発電部を構成している。
【０００７】
また、特許文献１には、発電デバイスは、カンチレバー形成基板の上記一表面側においてフレーム部に固着された第１のカバー基板と、カンチレバー形成基板の他表面側においてフレーム部に固着された第２のカバー基板とを設けるようにしてもよい旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１５１９４４号公報
【特許文献２】特開２０１１−９１３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、本願発明者らは、特許文献２に記載された発電デバイスのパッケージの薄型化を図るにあたって、パッケージの外形を特許文献１のように、いわゆるボタン電池やコイン電池などの外形に合わせて構成した発電装置を考えた。
【００１０】
しかしながら、本願発明者らの試作した発電装置では、パッケージを設けていない場合に比べて錘部の振幅が大きく低下し、出力が大きく低下してしまった。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ボタン形のパッケージを備えた構成でパッケージの薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能な発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発電装置は、圧電型振動発電素子と、蓄電部と、前記圧電型振動発電素子で発生する交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する充電手段と、前記圧電型振動発電素子、前記蓄電部および前記充電手段を収納したボタン形のパッケージとを備え、前記圧電型振動発電素子は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部における前記支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部とを備え、前記パッケージは、前記蓄電部から放電するための正極を兼ねる第１ケースおよび負極を兼ねる第２ケースと、前記パッケージの内外を連通させる連通部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この発電装置において、前記パッケージは、前記カンチレバー部と前記錘部と前記発電部とからなる振動部の厚み方向に交差する第１ケースの第１壁部と前記第２ケースの第２壁部との少なくとも一方に、前記連通部を備えることが好ましい。
【００１４】
この発電装置において、前記パッケージは、前記連通部が、密集して設けられた複数の貫通孔からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発電装置においては、ボタン形のパッケージを備えた構成でパッケージの薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の発電装置の概略断面図である。
【図２】実施形態の発電装置の概略平面図である。
【図３】実施形態の発電装置における圧電型振動発電素子の他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図４】参考形態の発電装置の概略構成図である。
【図５】参考形態の発電装置のパッケージ用基板の一例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図、（ｃ）は概略側面図である。
【図６】参考形態の発電装置のパッケージ用基板の他例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図、（ｃ）は概略側面図である。
【図７】参考形態の発電装置の特性説明図である。
【図８】比較例の発電装置の概略断面図である。
【図９】実施形態の発電装置におけるパッケージの他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図１０】実施形態の発電装置におけるパッケージの更に他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図１１】実施形態の発電装置におけるパッケージの別の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本実施形態の発電装置について図１〜図３に基づいて説明する。
【００１８】
発電装置１は、圧電型振動発電素子１０と、蓄電部２０と、圧電型振動発電素子１０で発生する交流電圧を整流して蓄電部を充電する充電手段３０と、圧電型振動発電素子１０、蓄電部２０および充電手段３０を収納したボタン形のパッケージ４０とを備えている。
【００１９】
圧電型振動発電素子１０は、支持部１１と、この支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、このカンチレバー部１２における支持部１１側とは反対の先端部に設けられた錘部１３とを備えている。また、圧電型振動発電素子１０は、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部１４を備えている。
【００２０】
パッケージ４０は、蓄電部２０から放電するための正極を兼ねる第１ケース４１および負極を兼ねる第２ケース４２と、パッケージ４０の内外を連通させる連通部４３とを備えている。
【００２１】
次に、発電装置１の各構成要素について詳細に説明する。
【００２２】
圧電型振動発電素子１０は、支持部１１とカンチレバー部１２と錘部１３とを、基板１０ａから形成することができる。この基板１０ａとしては、例えば、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いることができる。
【００２３】
圧電型振動発電素子１０は、図３に示すように、支持部１１を、枠状（ここでは、矩形枠状）の形状として、カンチレバー部１２および錘部１３が、支持部１１の内側に配置されるようにしてもよい。ここにおいて、基板１０ａは、カンチレバー部１２と錘部１３とで構成される可動部を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄが設けられることによって、カンチレバー部１２における支持部１１との連結部位以外の部分が、支持部１１と空間的に分離されている。なお、支持部１１は、カンチレバー部１２を揺動自在に支持できる形状であればよく、必ずしも枠状である必要はない。図１および図２における支持部１１は、枠状とはなっていない。
【００２４】
発電部１４は、カンチレバー部１２の厚み方向の一面側（基板１０ａの一表面側）に形成されている。発電部１４は、カンチレバー部１２側から順に、第１電極（下部電極）１４ａ、圧電体１４ｂおよび第２電極（上部電極）１４ｃを有している。
【００２５】
したがって、圧電型振動発電素子１０は、カンチレバー部１２の振動によって発電部１４の圧電体１４ｂが応力を受け第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、発電部１４において交流電圧が発生する。要するに、圧電型振動発電素子１０は、発電部１４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動式の発電機構である。
【００２６】
圧電型振動発電素子１０の開放電圧は、環境振動に起因した圧電体１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、圧電型振動発電素子１０は、この圧電型振動発電素子１０の共振周波数と一致する環境振動（外部振動）を利用して発電することを想定している。環境振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動など、種々の環境振動がある。圧電型振動発電素子１０で発生する交流電圧の周波数は、環境振動の周波数が圧電型振動発電素子１０の共振周波数と一致する場合、圧電型振動発電素子１０の共振周波数と同じになる。
【００２７】
圧電型振動発電素子１０は、支持部１１に、第１電極１４ａに第１配線部１７ａを介して電気的に接続された第１パッド１６ａと、第２電極１４ｃに第２配線部１７ｃを介して電気的に接続された第２パッド１６ｃとが設けられている。第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。また、第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。また、第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃは、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。なお、圧電型振動発電素子１０は、第１パッド１６ａ、第２パッド１６ｃが、第１出力端子、第２出力端子をそれぞれ構成している。
【００２８】
また、圧電型振動発電素子１０は、第２配線部１７ｃと第１電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層（図示せず）を設けてある。この絶縁層は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。また、圧電型振動発電素子１０は、基板１０ａの材料に応じて、適宜の絶縁膜を設けてもよい。
【００２９】
圧電体１４ｂの圧電材料としては、ＰＺＴを採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。
【００３０】
第１電極１４ａの材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒなどでもよい。また、第２電極１４ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。
【００３１】
圧電型振動発電素子１０は、基板１０ａと第１電極１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3などを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、緩衝層を設けることにより、圧電体１４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。
【００３２】
また、圧電型振動発電素子１０の構成は、上述の例に限らず、例えば、発電部１４におけるカンチレバー部１２の幅方向（図３（ａ）の上下方向）に沿った方向の幅寸法を小さくして、１つのカンチレバー部１２の上記一面側において複数の発電部１４を上記幅方向に並設し、これら複数の発電部１４の直列回路の一端、他端を第１パッド１６ａ、第２パッド１６ｃそれぞれに電気的に接続するように構成してもよい。
【００３３】
蓄電部２０は、例えば、コンデンサや蓄電池などにより構成することができる。また、蓄電部２０は、例えば、複数個（例えば、２個）のコンデンサを直列接続した構成とすることもできる。
【００３４】
蓄電部２０は、この蓄電部２０の正極端子と、正極を兼ねる第１ケース４１とが、第１電気接続部（図示せず）を介して電気的に接続されている。また、蓄電部２０は、この蓄電部２０の負極端子と、負極を兼ねる第２ケース４２とが、第２電気接続部（図示せず）を介して電気的に接続されている。第１電気接続部および第２電気接続部の各々は、例えば、リード線や導電性ペースト（例えば、銀ペースト、金ペーストなど）や半田などを採用することができる。
【００３５】
充電手段３０は、全波整流回路であって、プリント基板からなる回路基板３１に回路部品を実装して構成してある。全波整流回路は、例えば、回路部品である４個のダイオードがブリッジ接続されたダイオードブリッジにより構成することができる。充電手段３０を構成する全波整流回路は、ダイオードブリッジに限らず、例えば、両波倍電圧整流回路により構成してもよい。両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードの直列回路と２個のコンデンサの直列回路とが並列接続された回路であり、回路基板３１に回路部品（２個のダイオードおよび２個のコンデンサ）を実装して構成することができる。要するに、両波倍電圧整流回路は、２個ダイオードと２個のコンデンサとがブリッジ接続されている。そして、両波倍電圧整流回路は、圧電型振動発電素子１０の第１のパッド１６ａを、２個のダイオードの直列回路における両ダイオードの接続点に接続し、また、圧電型振動発電素子１０の第２のパッド１６ｃを、２個のコンデンサの直列回路における両コンデンサの接続点に接続すればよい。また、２個のコンデンサの直列回路は、上述の蓄電部２０により構成すればよい。
【００３６】
充電手段３０の回路部品としては、表面実装型の電子部品（ダイオードや、コンデンサ）を用いることが好ましい。これにより、発電装置１は、充電手段３０の回路部品として、回路基板３１のスルーホールへリードを挿入して実装するリード付きのものを用いる場合に比べて、薄型化を図ることが可能となる。
【００３７】
また、本実施形態では、圧電型振動発電素子１０および蓄電部２０も回路基板３１に実装してある。これにより、発電装置１は、圧電型振動発電素子１０および蓄電部２０を、回路基板３１とは別のプリント配線板に実装して用いる場合に比べて、部品点数の削減を図れる。
【００３８】
回路基板３１は、平面形状をＣ字状としてある。これにより、発電装置１は、圧電型振動発電素子１０を、支持部１１が回路基板３１の厚み方向において回路基板３１に重なり且つ振動部１５が回路基板３１の厚み方向において回路基板３１に重ならないように配置することによって、圧電型振動発電素子１０の振動部１５が第２ケース４２側へ変位する空間を確保することができる。
【００３９】
回路基板３１は、外形を円形状として、圧電型振動発電素子１０における振動部１５の変位する空間を確保するための開口部が、厚み方向に貫設されたものを用いることもできる。また、回路基板３１の外形は、円形状に限らず、例えば、正六角形状、正八角形状などの正多角形状の形状とすることもできる。
【００４０】
ボタン形のパッケージ４０は、ＪＩＳ Ｃ ８５００やＩＥＣ ６００８６で規格化されているボタン型電池の形状および寸法（直径、長さ（厚み））に合わせることが好ましい。ここで、ボタン形のパッケージ４０は、例えば、外形寸法の規格である、Ｒ４１、Ｒ４３、Ｒ４４、Ｒ４８、Ｒ５４、Ｒ５５、Ｒ７０などの固有記号に従って、寸法を設定することが好ましい。また、ボタン形のパッケージ４０は、固有記号が定められていなくても、既存のボタン型電池の寸法として存在するＲ１６３２、Ｒ２４５０、Ｒ１０２５、Ｒ１２１６、Ｒ１２２０、Ｒ１２２５、Ｒ１６１６、Ｒ２０１２、Ｒ２０１６、Ｒ２０２５、Ｒ２０３２、Ｒ２３２５、Ｒ２３３０、Ｒ２３５４、Ｒ２４７７、Ｒ３０３２（数字の上２桁が直径、下２桁が厚みを表し、例えば２０３２は直径が２０ｍｍ、厚みが３．２ｍｍであることを示している）などに従って、寸法を設定することが好ましい。
【００４１】
発電装置１は、パッケージ４０の形状および寸法を上述のように設定することにより、既存のボタン型電池の代替として使用することが可能となる。よって、電子機器に内蔵されたボタン形電池と交換して使用することが可能となる。なお、電子機器としては、例えば、時計、補聴器、携帯電話機、パーソナルコンピュータなどが挙げられるが、これらに限定するものではなく、例えば、車両などに搭載されるセンサ装置、表示装置などでよい。
【００４２】
第１ケース４１は、浅い有底円筒状の形状に形成されている。ここにおいて、第１ケース４１は、金属により形成されている。
【００４３】
第２ケース４２は、第１ケース４１よりも浅く且つ第１ケース４１の内径よりも外径が小さな有底円筒状の形状に形成されている。また、第２ケース４２は、金属により形成されている。
【００４４】
パッケージ４０は、第１ケース４１と第２ケース４２との互いの内底面同士が対向し、第２ケース４２の大部分が第１ケース４１に収納されている。また、パッケージ４０は、第１ケース４１と第２ケース４２とが、電気絶縁性を有する接合材料（例えば、エポキシ樹脂などの樹脂や、ガラスなど）からなる接合部４４により接合されている。ここで、接合部４４は、第２ケース４２の円筒状の周壁４２ｂと第１ケース４１の円筒状の周壁４１ｂとの全周に亘って設けられている。また、パッケージ４０は、第２ケース４２の外底面と第１ケース４１の周壁４１ｂの先端面とが面一とならないように、第１ケース４１の周壁４１ｂと第２ケース４２の周壁４２ｂとの互いに重なる領域を設定してある。
【００４５】
なお、第２ケース４２は、周壁４２ｂの先端面に、回路基板３０を位置決めする段部４２ｃが形成されており、回路基板３０が電気絶縁性を有する接合材料などによって固着されている。第２ケース４２に回路基板３０を位置決めして固定するための構造は上述の段部４２ｃに限らず、例えば、第２ケース４２の周壁４２ｂの一部を内方へ切り起こしたり突出させて形成した突部により、回路基板３０を厚み方向の両側から挟持するような構造を採用することもできる。また、発電装置１は、回路基板３１を保持する保持台を別途に備えた構成とし、この保持台を第２ケース４２内に収納して第２ケース４２に固着するようにしてもよい。
【００４６】
パッケージ４０は、第１ケース４１が正極を兼ね、第２ケース４２が負極を兼ねているので、第１ケース４１の外底面に、「＋」の表示を設け、第２ケース４２の外底面に「−」の表示を設けておくことが好ましい。これにより、発電装置１は、使用者などが正極および負極の極性を視認することが可能となる。
【００４７】
パッケージ４０は、カンチレバー部１２と錘部１３と発電部１４とからなる振動部１５の厚み方向に交差する第１ケース４１の円板状の第１壁部（底壁）４１ａと第２ケース４２の円板状の第２壁部（底壁）４２ａとの少なくとも一方に、連通部４３を備えることが好ましい。ここで、図１の例では、第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの両方に、連通部４３を設けた構成を例示してある。なお、図１中の矢印は、振動部１５の振動方向を示し、図１中の一点鎖線は、第２ケース４２側へ変位した錘部１３およびカンチレバー部１２を示している。
【００４８】
また、パッケージ４０は、連通部４３が、密集して設けられた複数の貫通孔４３からなることが好ましい。図２に示した例における連通部４３は、複数の貫通孔４３が、２次元アレイ状に配置されている。各貫通孔４３の開口形状は、矩形状（図２の例では、正方形状であるが、長方形状でもよい）としてある。図２に示した例では、各貫通孔４３の開口形状を一辺が０．５ｍｍの正方形状とし、図２の上下方向もしくは左右方向において隣り合う貫通孔４３間の距離を０．２ｍｍとしてあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００４９】
各貫通孔４３の開口形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状としてもよい。また、連通部４３は、複数の貫通孔４３が２次元アレイ状に配置されているが、複数の貫通孔４３の配置は特に限定するものではない。
【００５０】
ところで、本願発明者らは、図３に示した構成の圧電型振動発電素子１０の厚み方向の両側に図４に示すようにパッケージ用基板１４０を接合した参考形態の発電装置１”を試作して、参考形態の発電装置１”の特性を評価した。
【００５１】
パッケージ用基板１４０としては、参考形態の発電装置１”のパッケージ用基板１４０の一例として、図５に示すように、矩形板状のガラス基板１４０ａの一面に振動部１５（図３（ａ）参照）の変位する空間を確保するための凹部１４０ｂを形成したものを用意した。また、パッケージ用基板１４０としては、参考形態の発電装置１”のパッケージ用基板１４０の他例として、図６に示すように、矩形板状のガラス基板１４０ａの一面に振動部１５の変位する空間を確保するための凹部１４０ｂを形成し且つ凹部１４０ｂの内底面と他面との部分を貫通する複数の貫通孔１４４を形成したものとを用意した。なお、図５および図６に示した各パッケージ用基板１４０には、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃを露出可能とする開口部１４７を形成してある。ただし、この開口部１４７は、矩形枠状の支持部１１と当該支持部１１を厚み方向の両側から挟むように当該支持部１１に接着される２枚のパッケージ用基板１４０とで構成されるパッケージの内外を連通させるものではない。図５に示したパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”では、パッケージ内の空間が気密空間となるので、この気密空間をＮ２ガス雰囲気とした。
【００５２】
そして、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”および図６のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”それぞれをについて、圧電型振動発電素子１０の錘部１３に与える外部振動の加速度と錘部１３の先端の振幅との関係を測定した結果を図７に示す。図７では、外部振動の加速度を横軸、錘部１３の振幅を縦軸としてある。ここで、図７では、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０の錘部１３の先端の振幅を黒色の菱形（Ａ１）でプロットし、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”における圧電型振動発電素子１０の錘部１３の先端の振幅を黒色の四角（Ａ２）でプロットし、図６のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”における圧電型振動発電素子１０の錘部１３の先端の振幅を黒色の三角（Ａ３）でプロットしてある。なお、単振動で与えている外部振動の振幅をＢ１、単振動で与えている外部振動の変位をｚとすると、ｚ＝Ｂ１・sinωｔ（ただし、ωを共振周波数ｆに合わせている）で表され、加速度はＢ１・ω2で表される。また、各パッケージ用基板１４０において、凹部１４０ｂの深さ寸法は、０．３ｍｍ、凹部１４０ｂの開口形状は、矩形状とし、図５（ａ）および図６（ａ）の左右方向の寸法を７．４ｍｍ、上下方向の寸法を６．８ｍｍとした。また、図６のパッケージ用基板１４０において、貫通孔１４４の開口形状は、矩形状とし、図５（ａ）および図６（ａ）の左右方向の寸法を１．８ｍｍ、上下方向の寸法を１．６ｍｍとした。
【００５３】
図７のＡ１、Ａ２およびＡ３の比較から、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０の錘部１３の振幅が最も大きく、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”では圧電型振動発電素子１０の振幅が大きく低下していることが分かる。これに対して、図６のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”では、パッケージなしの圧電型振動発電素子１０の錘部１３の振幅よりは低下するものの、図５のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態の発電装置１”に比べて振幅が大きくなる傾向があることが分かる。そして、このような傾向は、図１に示すようにボタン形のパッケージ４０に貫通孔４３を設けた本実施形態の発電装置１と、図８に示すようにボタン形のパッケージ４０に貫通孔４３を設けていない比較例の発電装置１’との比較においても、同様であり、本実施形態の発電装置１のほうが比較例の発電装置１’に比べて、パッケージ４０を備えた構成でパッケージ４０の薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能となる。ここで、本実施形態の発電装置１では、振動部１５と第１ケース４１の第１壁部４１ａおよび第２ケース４２の第２壁部４２ａとの各ギャップを小さくすることでパッケージ４０の薄型化を図った場合でも、比較例の発電装置１’に比べて、錘部１３の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングが低減されることにより、錘部１３の振動が抑制され、結果的に発電部１４の歪みが大きくなり、圧電型振動発電素子１０の発電量を大きくすることができ、発電装置１の出力を大きくすることが可能となる。
【００５４】
以上説明した本実施形態の発電装置１は、ボタン形のパッケージ４０を備えた構成でパッケージ４０の薄型化を図りながらも出力の低下を抑制することが可能となる。
【００５５】
ところで、パッケージ４０は、上述のように、振動部１５の厚み方向に交差する第１ケース４１の第１壁部４１ａと第２ケース４２の第２壁部４２ａとの少なくとも一方に、連通部４３を備えていることが好ましく、例えば、図１の構造に限らず、例えば、図９、図１０および図１１などの構造としてもよい。ここで、図９に示した構造の発電装置１は、第１壁部４１ａのみに複数の貫通孔４４を密集して設けることで連通部４３が形成されている。また、図１０に示した構造の発電装置１は、第１壁部４１ａのみに１つの連通部４３が形成されている。また、図１１に示した構造の発電装置１は、第１壁部４１ａおよび第２壁部４２ａの各々に１つの連通部４３が形成されている。
【００５６】
図１に示した構造の発電装置１と図９に示した構造の発電装置１とでは、図１に示した構造の発電装置１のように第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの両方に連通部４３が形成されているほうが、錘部１３の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングを、より抑制することが可能となり、パッケージ４０を備えたことによる出力の低下を抑制することが可能となる。また、図１０に示した構造の発電装置１と図１１に示した構造の発電装置１とでは、図１１に示した構造の発電装置１のように第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの両方に連通部４３が形成されているほうが、錘部１３の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングを、より抑制することが可能となり、パッケージ４０を備えたことによる出力の低下を抑制することが可能となる。
【００５７】
また、図１および図９の各発電装置１は、連通部４３が複数の貫通孔４４を密集することで形成してあるので、図１０および図１１の各発電装置１のように連通部４３が１つの比較的大きな貫通孔４４を設けることで形成してある場合に比べて、スクイーズフィルム効果によるダンピングを同程度に抑えながらも、パッケージ４０の外からパッケージ４０内へ異物が侵入するのを抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 発電装置
１０ 圧電型振動発電素子
１１ 支持部
１２ カンチレバー部
１３ 錘部
１４ 発電部
１５ 振動部
２０ 蓄電部
３０ 充電手段
４０ パッケージ
４１ 第１ケース（正極）
４１ａ 第１壁部
４２ 第２ケース（負極）
４２ａ 第２壁部
４３ 連通部
４４ 貫通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電型振動発電素子と、蓄電部と、前記圧電型振動発電素子で発生する交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する充電手段と、前記圧電型振動発電素子、前記蓄電部および前記充電手段を収納したボタン形のパッケージとを備え、前記圧電型振動発電素子は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部における前記支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部とを備え、前記パッケージは、前記蓄電部から放電するための正極を兼ねる第１ケースおよび負極を兼ねる第２ケースと、前記パッケージの内外を連通させる連通部とを備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記パッケージは、前記カンチレバー部と前記錘部と前記発電部とからなる振動部の厚み方向に交差する第１ケースの第１壁部と前記第２ケースの第２壁部との少なくとも一方に、前記連通部を備えることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記パッケージは、前記連通部が、密集して設けられた複数の貫通孔からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発電装置。
【請求項１】
圧電型振動発電素子と、蓄電部と、前記圧電型振動発電素子で発生する交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する充電手段と、前記圧電型振動発電素子、前記蓄電部および前記充電手段を収納したボタン形のパッケージとを備え、前記圧電型振動発電素子は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部における前記支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部とを備え、前記パッケージは、前記蓄電部から放電するための正極を兼ねる第１ケースおよび負極を兼ねる第２ケースと、前記パッケージの内外を連通させる連通部とを備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記パッケージは、前記カンチレバー部と前記錘部と前記発電部とからなる振動部の厚み方向に交差する第１ケースの第１壁部と前記第２ケースの第２壁部との少なくとも一方に、前記連通部を備えることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記パッケージは、前記連通部が、密集して設けられた複数の貫通孔からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１１０９２０（Ｐ２０１３−１１０９２０Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５９６０（Ｐ２０１１−２５５９６０）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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