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WO2013077301A1 - 発電装置 - Google Patents

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Publication number
WO2013077301A1
WO2013077301A1 PCT/JP2012/080005 JP2012080005W WO2013077301A1 WO 2013077301 A1 WO2013077301 A1 WO 2013077301A1 JP 2012080005 W JP2012080005 W JP 2012080005W WO 2013077301 A1 WO2013077301 A1 WO 2013077301A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power generation
package
case
wall portion
cantilever
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2012/080005
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
純矢 小川
規裕 山内
浩嗣 後藤
浩一 相澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Publication of WO2013077301A1 publication Critical patent/WO2013077301A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • the present invention relates to a power generation device.
  • Japanese Patent Publication No. 2011-151944 (hereinafter referred to as Document 1) includes an electrostatic induction type or electromagnetic induction type power generation mechanism, and includes a first electrically connected to the power generation mechanism. Rectification means, storage means electrically connected to the first rectification means, an external positive electrode and an external negative electrode electrically connected to the storage means, and exchangeable with a battery used in an electronic device A power generation device formed with an outer shape is described.
  • Document 1 describes a power generation device configured in accordance with the outer shape of a so-called button battery or coin battery.
  • Japanese Patent Publication No. 2011-91319 (hereinafter referred to as Document 2) describes a power generation device including a piezoelectric conversion unit as a power generation mechanism.
  • the power generation device disclosed in Document 2 includes a cantilever forming substrate having a frame portion and a cantilever portion that is disposed inside the frame portion and is swingably supported by the frame portion, and a cantilever portion on one surface side of the cantilever forming substrate. And a piezoelectric transducer that is formed and generates an AC voltage in response to vibration of the cantilever. Further, a weight part for increasing the displacement amount of the cantilever part is integrally provided at the tip part of the cantilever part in the cantilever forming substrate.
  • the frame portion constitutes a support portion
  • the piezoelectric conversion portion constitutes a power generation portion.
  • the power generation device includes a first cover substrate fixed to the frame portion on the one surface side of the cantilever forming substrate, and a second cover substrate fixed to the frame portion on the other surface side of the cantilever forming substrate. It is described that a cover substrate may be provided.
  • the amplitude of the weight portion is greatly reduced as compared with the case where no package is provided, and the output is greatly reduced.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and its purpose is to provide output while reducing the thickness of the package with a button-shaped package (substantially cylindrical shape whose diameter is larger than the height). It is in providing the electric power generating apparatus which can suppress the fall of this.
  • the power generation device of the present invention includes a piezoelectric vibration power generation element, a power storage unit, a charging unit that rectifies an AC voltage generated in the piezoelectric vibration power generation element and charges the power storage unit, the piezoelectric vibration power generation element, A package containing the power storage unit and the charging unit, and the package has an outer shape having a diameter and a height, and is formed in a substantially cylindrical shape having the diameter larger than the height.
  • the power generating element is provided on the cantilever portion, a support portion, a cantilever portion that is swingably supported by the support portion, a weight portion provided at a tip portion of the cantilever portion opposite to the support portion side, and the cantilever portion And a power generation unit that generates an AC voltage in response to vibration of the cantilever unit, and the package includes a communication unit that communicates the inside and outside of the package.
  • the package includes a first case and a second case, and the first case is a conductor functioning as a positive electrode for discharging from the power storage unit, and the second case is The conductor functioning as a negative electrode for discharging from the power storage unit is preferable.
  • the first case includes a first wall portion
  • the second case includes a second wall portion
  • the first wall portion and the second wall portion include the cantilever portion and the weight.
  • Crossing in the thickness direction of the vibration part composed of a part and the power generation part, the package is on at least one of the first wall part of the first case and the second wall part of the second case, It is preferable to provide the said communication part.
  • the package includes a first wall portion and a second wall portion that intersect a thickness direction of a vibration portion including the cantilever portion, the weight portion, and the power generation portion, and the package It is preferable that at least one of the first wall portion and the second wall portion includes the communication portion.
  • the package includes a first wall portion and a second wall portion that intersect a vibration direction of a vibration portion including the cantilever portion, the weight portion, and the power generation portion, and the package It is preferable that at least one of the first wall portion and the second wall portion includes the communication portion.
  • the package includes the communication portion on both the first wall portion and the second wall portion.
  • the package includes a plurality of through holes in which the communication portions are provided densely.
  • the outer shape of the package is preferably formed in a shape and dimensions corresponding to a button type battery.
  • the power generation device of the present invention it is possible to suppress a decrease in output while reducing the thickness of the package with a configuration including a button-shaped package.
  • FIG. 3A is a schematic plan view
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view, illustrating another configuration example of the piezoelectric vibration power generation element in the power generation device of the embodiment.
  • FIG. 5A is a schematic plan view
  • FIG. 5B is a schematic front view
  • FIG. 5C is a schematic side view
  • FIG. 6A is a schematic plan view
  • FIG. 6B is a schematic front view
  • FIG. 6C is a schematic side view. It is characteristic explanatory drawing of the power generator of a reference form.
  • FIG. 9A is a schematic plan view
  • FIG. 9B is a schematic sectional drawing
  • FIG. 10A is a schematic plan view
  • FIG. 10B is a schematic cross-sectional view, showing still another configuration example of the package in the power generation device of the embodiment
  • FIG. 11A is a schematic plan view
  • FIG. 11B is a schematic cross-sectional view illustrating another configuration example of a package in the power generation device of the embodiment.
  • the power generation apparatus 1 includes a piezoelectric vibration power generation element 10, a power storage unit 20, a charging unit 30 that rectifies an AC voltage generated in the piezoelectric vibration power generation element 10 and charges the power storage unit, a piezoelectric vibration power generation element 10, And a package 40 containing the power storage unit 20 and the charging means 30.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 includes a support portion 11, a cantilever portion 12 supported by the support portion 11 so as to be swingable, and a weight provided at the tip of the cantilever portion 12 opposite to the support portion 11 side. Part 13.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 includes a power generation unit 14 that is provided in the cantilever unit 12 and generates an AC voltage according to the vibration of the cantilever unit 12.
  • the outer shape of the package 40 is formed in a button shape (a substantially cylindrical shape having a diameter and a height and a diameter larger than the height).
  • the outer shape of the package 40 is preferably formed in a shape and dimensions corresponding to a button type battery (coin type battery).
  • the package 40 includes a communication portion 43 that communicates the inside and outside of the package 40.
  • the package 40 includes a first wall portion 41a and a second wall portion 42a that intersect the thickness direction of the vibration portion 15 including the cantilever portion 12, the weight portion 13, and the power generation portion 14.
  • the package 40 includes a communication portion 43 on at least one of the first wall portion 41a and the second wall portion 42a.
  • the package 40 includes a first case 41 and a second case 42.
  • the first case 41 is made of a conductive material and is connected to one of the positive terminal and the negative terminal of the power storage unit 20.
  • the second case 42 is made of a conductive material and is connected to the other of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the power storage unit 20. That is, the first case 41 is a conductor that functions as a positive electrode (or a negative electrode) for discharging from the power storage unit 20.
  • the second case 42 is a conductor that functions as a negative electrode (or positive electrode) for discharging from the power storage unit 20.
  • the first case 41 includes a first wall portion 41a
  • the second case 42 includes a second wall portion 42a
  • the first wall portion 41a and the second wall portion 42a include the cantilever portion 12 and the weight portion 13. And intersecting in the thickness direction of the vibration part 15 composed of the power generation part 14.
  • the package 40 includes a communication portion 43 on at least one of the first wall portion 41 a of the first case 41 and the second wall portion 42 a of the second case 42.
  • the package 40 includes a first case 41 that also serves as a positive electrode for discharging from the power storage unit 20 and a second case 42 that also serves as a negative electrode, and a communication portion 43 that allows the inside and outside of the package 40 to communicate with each other.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 can form the support part 11, the cantilever part 12, and the weight part 13 from the substrate 10a.
  • the substrate 10a for example, a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate, a magnesium oxide (MgO) substrate, a metal substrate, a glass substrate, a polymer substrate, or the like can be used.
  • the cantilever part 12 is thinner than the weight part 13.
  • the weight portion 13 is supported by the support portion 11 by the cantilever portion 12.
  • the cantilever portion 12 and the weight portion 13 constitute a movable portion that can swing with respect to the support portion 11.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 has a support portion 11 having a frame shape (here, a rectangular frame shape), and a cantilever portion 12 and a weight portion 13 are disposed inside the support portion 11. It may be arranged.
  • the substrate 10 a is provided with a U-shaped slit 10 d in a plan view surrounding a movable part constituted by the cantilever part 12 and the weight part 13.
  • the movable part is spatially separated from the support part 11 at the cantilever part 12 other than the part connected to the support part 11.
  • the support portion 11 may be in a shape that can swingably support the cantilever portion 12 and does not necessarily have a frame shape.
  • the support part 11 in FIG. 1 and FIG. 2 is not frame-shaped.
  • the power generation unit 14 is formed on the first surface side in the thickness direction of the cantilever unit 12 (the first surface side of the substrate 10a).
  • the power generation unit 14 includes a first electrode (lower electrode) 14a, a piezoelectric body 14b, and a second electrode (upper electrode) 14c in order from the cantilever 12 side.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 is stressed by the vibration of the cantilever unit 12, and the electric charge is biased between the second electrode 14 c and the first electrode 14 a, and the AC is generated in the power generation unit 14. Voltage is generated.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 is a vibration type power generation mechanism in which the power generation unit 14 generates power using the piezoelectric effect of the piezoelectric material.
  • the open-circuit voltage of the piezoelectric vibration power generation element 10 is a sinusoidal AC voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric body 14b caused by environmental vibration.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 generates power using environmental vibration (external vibration) that matches the resonance frequency of the piezoelectric vibration power generation element 10.
  • environmental vibration include various environmental vibrations such as vibrations generated by an operating FA device, vibrations generated by traveling of the vehicle, and vibrations generated by walking of a person.
  • the frequency of the alternating voltage generated by the piezoelectric vibration power generation element 10 is the same as the resonance frequency of the piezoelectric vibration power generation element 10 when the frequency of the environmental vibration matches the resonance frequency of the piezoelectric vibration power generation element 10.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 is electrically connected to the first electrode 16a via the first wiring portion 17a and the first pad 16a, and to the second electrode 14c via the second wiring portion 17c.
  • Second pad 16c The first pad 16a and the second pad 16c are provided on the support portion 11, respectively.
  • the material of the first wiring part 17a, the second wiring part 17c, the first pad 16a and the second pad 16c is Au, but is not limited to this. For example, Mo, Al, Pt, Ir, etc. Good.
  • the materials of the first wiring portion 17a, the second wiring portion 17c, the first pad 16a, and the second pad 16c are not limited to the same material, and different materials may be employed.
  • the first wiring portion 17a, the second wiring portion 17c, the first pad 16a, and the second pad 16c are not limited to a single layer structure, and may be a multilayer structure having two or more layers.
  • the first pad 16a and the second pad 16c constitute a first output terminal and a second output terminal, respectively.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 is provided with an insulating layer (not shown) that prevents a short circuit between the second wiring portion 17c and the first electrode 14a.
  • This insulating layer is formed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be formed of, for example, a silicon nitride film.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 may be provided with an appropriate insulating film (for example, an insulating film that insulates the substrate 10a from the first electrode 14a and the like) according to the material of the substrate 10a.
  • the piezoelectric material of the piezoelectric body 14b PZT is adopted, but is not limited thereto, and for example, PZT-PMN (Pb (Mn, Nb) O 3 ) or other PZT added with impurities may be used.
  • the piezoelectric material is AlN, ZnO, KNN (K 0.5 Na 0.5 NbO 3 ), KN (KNbO 3 ), NN (NaNbO 3 ), or KNN as impurities (eg, Li, Nb, Ta, Sb, Cu, etc.). The thing etc. which added may be sufficient.
  • the material of the first electrode 14a is Pt, but is not limited thereto, and may be Au, Al, Ir or the like, for example. Further, although Au is adopted as the material of the second electrode 14c, it is not limited to this, and for example, Mo, Al, Pt, Ir, or the like may be used.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 may have a structure in which a buffer layer is provided between the substrate 10a and the first electrode 14a.
  • the material of the buffer layer may be appropriately selected according to the piezoelectric material of the piezoelectric body 14b.
  • the piezoelectric material of the piezoelectric body 14b is PZT, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 , It is preferable to employ MgO, LaNiO 3 or the like.
  • the buffer layer may be constituted by a laminated film of a Pt film and a SrRuO 3 film, for example. By providing the buffer layer, the crystallinity of the piezoelectric body 14b can be improved.
  • the configuration of the piezoelectric vibration power generation element 10 is not limited to the above-described example.
  • the width dimension in the direction along the width direction (vertical direction in FIG. 3A) of the cantilever portion 12 in the power generation portion 14 is reduced.
  • a plurality of power generation units 14 are arranged in parallel in the width direction on the first surface side of one cantilever unit 12, and one end and the other end of the series circuit of the plurality of power generation units 14 are connected to the first pad 16a and the second pad 16c. Each may be configured to be electrically connected.
  • the power storage unit 20 can be configured by, for example, a capacitor or a storage battery.
  • the power storage unit 20 may have a configuration in which a plurality of (for example, two) capacitors are connected in series.
  • the positive terminal of the power storage unit 20 and the first case 41 serving as the positive electrode are electrically connected via a first electrical connection unit (not shown).
  • the negative electrode terminal of the power storage unit 20 and the second case 42 that also serves as the negative electrode are electrically connected via a second electrical connection unit (not shown).
  • Each of the first electrical connection portion and the second electrical connection portion includes, for example, a lead wire, conductive paste (for example, silver paste, gold paste, etc.), solder, connector pin (for example, metal extending from the first case 41)
  • the charging means 30 is a full-wave rectifier circuit, and is configured by mounting circuit components on a circuit board 31 made of a printed board.
  • the full-wave rectifier circuit can be constituted by, for example, a diode bridge in which four diodes that are circuit components are bridge-connected.
  • the full-wave rectifier circuit that constitutes the charging means 30 is not limited to a diode bridge, and may be a double-wave voltage doubler rectifier circuit, for example.
  • the double voltage rectifier circuit is a circuit in which a series circuit of two diodes and a series circuit of two capacitors are connected in parallel, and circuit components (two diodes and two capacitors) are mounted on the circuit board 31. Can be implemented and configured.
  • two diodes and two capacitors are bridge-connected.
  • the double voltage rectifier circuit connects the first pad 16a of the piezoelectric vibration power generation element 10 to the connection point of both diodes in a series circuit of two diodes.
  • the second pad 16c may be connected to the connection point of both capacitors in a series circuit of two capacitors.
  • a series circuit of two capacitors may be configured by the power storage unit 20 described above.
  • the circuit component of the charging means 30 it is preferable to use a surface mount type electronic component (a diode or a capacitor). As a result, the power generation device 1 can be made thinner as compared with the case of using a lead-attached device for inserting the lead into the through hole of the circuit board 31 as the circuit component of the charging unit 30. .
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 and the power storage unit 20 are also mounted on the circuit board 31.
  • the power generation device 1 can reduce the number of components compared to the case where the piezoelectric vibration power generation element 10 and the power storage unit 20 are mounted on a printed wiring board different from the circuit board 31.
  • the circuit board 31 has a C-shaped planar shape.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 is not overlapped with the circuit board 31 in the thickness direction of the circuit board 31 and the vibration part 15 does not overlap the circuit board 31 in the thickness direction of the circuit board 31.
  • the circuit board 31 having a circular outer shape and having an opening for securing a space in which the vibrating portion 15 of the piezoelectric vibration power generating element 10 is displaced can be used. Further, the outer shape of the circuit board 31 is not limited to a circular shape, and may be a regular polygonal shape such as a regular hexagonal shape or a regular octagonal shape.
  • the outer shape of the button-shaped package 40 is preferably matched with the shape and dimensions (diameter, height (thickness)) of the button-type battery standardized by IEC 60086, ANSI C18, JIS C 8500, or the like.
  • the button-shaped package 40 has R1632, R2450, R1025, R1216, R1220, R1225, R1616, R2012, R2016, R2025, R2032, R2325, and R2330 defined in IEC 60086 even if a unique symbol is not defined.
  • R2354, R2477, R3032 (the first two digits of the number represent the diameter and the last two digits represent the thickness, for example, 2032 indicates that the diameter is 20 mm and the thickness is 3.2 mm). It is preferable to set.
  • the power generation device 1 can be used as an alternative to the existing button type battery by setting the shape and dimensions of the package 40 as described above. Therefore, it becomes possible to replace the button-type battery built in the electronic device.
  • the electronic device include a watch, a hearing aid, a mobile phone, and a personal computer.
  • the electronic device is not limited thereto, and may be a sensor device or a display device mounted on a vehicle, for example.
  • the first case 41 is formed in a shallow bottomed cylindrical shape.
  • the first case 41 has a disk-shaped bottom wall and a peripheral wall 41b extending in the thickness direction from the periphery of the bottom wall.
  • the bottom wall of the first case 41 constitutes the first wall portion 41a.
  • the first case 41 is made of metal.
  • the second case 42 is formed in a bottomed cylindrical shape that is shallower than the first case 41 and has an outer diameter smaller than the inner diameter of the first case 41.
  • the second case 42 has a disk-shaped bottom wall and a peripheral wall 42b extending in the thickness direction from the periphery of the bottom wall.
  • the bottom wall of the second case 42 constitutes the second wall portion 42a.
  • the second case 42 is made of metal.
  • the inner bottom surfaces of the first case 41 and the second case 42 face each other, and most of the second case 42 is accommodated in the first case 41.
  • the first case 41 and the second case 42 are joined by a joining portion 45 made of a joining material (for example, a resin such as an epoxy resin, glass, or the like) having an electrical insulating property.
  • the joint portion 45 is provided over the entire circumference of the cylindrical peripheral wall 42 b of the second case 42 and the cylindrical peripheral wall 41 b of the first case 41.
  • the package 40 has a space between the outer wall 41b of the first case 41 and the peripheral wall 42b of the second case 42 so that the outer bottom surface of the second case 42 and the front end surface of the peripheral wall 41b of the first case 41 are not flush with each other. Areas that overlap each other are set.
  • the height of the peripheral wall 42b of the second case 42 is set to be approximately half the height of the peripheral wall 41b of the first case 41.
  • the package 40 includes a bottomed cylindrical first case 41, a bottomed cylindrical second case 42 joined to the first case 41 by a joint 45 made of an electrically insulating material, Consists of.
  • the piezoelectric vibration power generation element 10 the power storage unit 20, and the charging means 30 are arranged.
  • a step portion 42c for positioning the circuit board 30 is formed on the tip surface of the peripheral wall 42b (tip surface in the height direction of the peripheral wall 42b), and the circuit board 30 has electrical insulation. It is fixed with a bonding material.
  • the structure for positioning and fixing the circuit board 30 to the second case 42 is not limited to the stepped portion 42c described above.
  • a part of the peripheral wall 42b of the second case 42 is cut and raised inward or protruded. It is also possible to adopt a structure in which the circuit board 30 is sandwiched from both sides in the thickness direction by the projected portions.
  • the power generation device 1 may be configured to have a separate holding base for holding the circuit board 31, and the holding base may be housed in the second case 42 and fixed to the second case 42.
  • the holding base may be formed of metal, and the holding base may also serve as a second electrical connection portion that electrically connects the power storage unit 20 and the second case 42.
  • the power generation device 1 enables a user or the like to visually recognize the polarities of the positive electrode and the negative electrode.
  • the package 40 includes a communication part 43 on at least one of the first wall part 41a and the second wall part 42a intersecting the thickness direction of the vibration part 15 including the cantilever part 12, the weight part 13, and the power generation part 14. Specifically, at least one of the disk-shaped first wall portion (bottom wall) 41a of the first case 41 and the disk-shaped second wall portion (bottom wall) 42a of the second case 42 is connected to the communication portion. 43.
  • the structure which provided the communication part 43 in both the 1st wall part 41a and the 2nd wall part 42a is illustrated.
  • the communication part 43 is provided in the 1st wall part 41a and the 2nd wall part 42a so that it may become symmetrical with respect to the vibration part 15.
  • the package 40 includes a communication portion 43 on at least one of the first wall portion 41a and the second wall portion 42a that intersects the vibration direction of the vibration portion 15.
  • the communication part 43 is a through hole formed in the package 40.
  • the package 40 includes a plurality of through holes 44 in which the communication portions 43 are densely provided.
  • a plurality of through holes 44 are arranged in a two-dimensional array.
  • the opening shape of each through-hole 44 is a rectangular shape (in the example of FIG. 2, it is a square shape, but may be a rectangular shape).
  • the opening shape of each through-hole 44 is a square shape with a side of 0.5 mm, and the distance between adjacent through-holes 44 in the vertical direction or the horizontal direction in FIG. 2 is 0.2 mm.
  • each through hole 44 is not limited to a rectangular shape, and may be a circular shape, for example. Moreover, although the several through-hole 44 is arrange
  • the communication part 43 is provided so that at least a part of the communication part 43 faces the vibration part 15 in the vibration direction of the vibration part 15. That is, at least a part of the through hole 44 constituting the communication portion 43 is formed at a position facing the vibration portion 15 in the vibration direction of the vibration portion 15.
  • the inventors of the present application provide the power generation apparatus 100 of Reference Embodiments 1 and 2 in which the package substrate 140 is bonded to both sides in the thickness direction of the piezoelectric vibration power generation element 10 having the configuration shown in FIG.
  • the characteristics of the power generators 100 of Reference Embodiments 1 and 2 were evaluated as prototypes.
  • the package substrate 140 of the power generation apparatus 100 according to the first embodiment has a displacement of the vibrating portion 15 (see FIG. 3A) on one surface (the upper surface in FIG. 5B) of the rectangular plate-shaped glass substrate 140 a.
  • the thing which formed the recessed part 140b for ensuring the space to perform was prepared.
  • the package substrate 140 of the power generation device 100 according to the reference form 2 has a space in which the vibrating unit 15 is displaced on one surface (the upper surface in FIG. 6B) of the rectangular plate-shaped glass substrate 140 a.
  • a concave portion 140b for securing and a plurality of through holes 144 penetrating the inner bottom surface of the concave portion 140b and the other surface of the package substrate 140 (lower surface in FIG. 6B) were prepared.
  • Each of the package substrates 140 shown in FIGS. 5 and 6 has an opening 147 that can expose the first pad 16a and the second pad 16c.
  • the opening 147 is provided so as to be blocked by the support portion 11 when the package substrate 140 is bonded to the piezoelectric vibration power generation element 10. That is, the opening 147 is a package composed of a rectangular frame-shaped support portion 11 and two package substrates 140 bonded to the support portion 11 so as to sandwich the support portion 11 from both sides in the thickness direction. It does not connect the inside and outside.
  • the space in the package is an airtight space, and thus this airtight space is made an N 2 gas atmosphere.
  • FIG. 7 shows the result of measuring the relationship between the acceleration of external vibration applied to the weight portion 13 of the piezoelectric vibration power generation element 10 and the amplitude of the tip of the weight portion 13.
  • the horizontal axis represents the acceleration of external vibration
  • the vertical axis represents the amplitude of the weight portion 13.
  • the amplitude of the tip of the weight portion 13 of the piezoelectric vibration power generation element 10 without a package is plotted with a black rhombus (A1), and the power generation of the reference embodiment 1 including the package substrate 140 of FIG.
  • the amplitude of the tip of the weight portion 13 of the piezoelectric vibration power generation element 10 in the device 100 is plotted with a black horizontally long rectangle (A2), and the piezoelectric type in the power generation device 100 of Reference Embodiment 2 including the package substrate 140 of FIG.
  • the amplitude of the tip of the weight portion 13 of the vibration power generation element 10 is plotted with a black triangle (A3).
  • the depth dimension of the recess 140b is 0.3 mm
  • the opening shape of the recess 140b is rectangular
  • the horizontal dimension of the recess 140b in FIGS. 5A and 6A is 7.4 mm.
  • the vertical dimension was 6.8 mm.
  • the opening shape of the through hole 144 is a rectangular shape
  • the horizontal dimension of the through hole 144 in FIG. 6A is 1.8 mm
  • the vertical dimension is 1.6 mm.
  • the amplitude of the weight portion 13 of the piezoelectric vibration power generation element 10 without a package is the largest, and the power generation apparatus 100 of Reference Embodiment 1 including the package substrate 140 in FIG. It can be seen that the amplitude of the type vibration power generation element 10 is greatly reduced.
  • the power generation device 100 of Reference Embodiment 2 including the package substrate 140 of FIG. 6 the amplitude is lower than the amplitude of the weight portion 13 of the piezoelectric vibration power generation element 10 without the package, but for the package of FIG. 5. It can be seen that the amplitude tends to be larger than that of the power generation apparatus 100 of Reference Embodiment 1 including the substrate 140.
  • Such a tendency is caused by the power generation apparatus 1 of the present embodiment in which the through-hole 44 (communication portion 43) is provided in the button-shaped package 40 as shown in FIG. 1, and the button-shaped package as shown in FIG.
  • the power generation device 1 of the present embodiment is a package compared to the power generation device 200 of the comparative example. It is possible to suppress a decrease in output while reducing the thickness of the package 40 with the configuration including the output 40.
  • the package 40 is thinned by reducing the gaps between the vibrating portion 15 and the first wall portion 41 a of the first case 41 and the second wall portion 42 a of the second case 42. Even in the case of achieving the reduction, the damping due to the squeeze film effect that suppresses the vibration of the weight portion 13 is reduced as compared with the power generation device 200 of the comparative example, so that the amplitude of the weight portion 13 increases, resulting in power generation.
  • the distortion of the part 14 increases, the power generation amount of the piezoelectric vibration power generation element 10 can be increased, and the output of the power generation apparatus 1 can be increased.
  • the package 40 Since the power generation apparatus 1 according to the present embodiment described above includes the communication portion 43, the package 40 has a configuration including the button 40 (substantially cylindrical shape whose diameter is larger than the height). It is possible to suppress a decrease in output while reducing the thickness.
  • the package 40 since the package 40 includes the communication portion 43 on at least one of the first wall portion 41a and the second wall portion 42a that intersects the thickness direction of the vibration portion 15 (the vibration direction of the vibration portion 15), the squeeze film Damping of the vibration part 15 due to the effect can be effectively reduced, and the output of the power generator 1 can be increased.
  • the package 40 has at least one of the first wall portion 41a and the second wall portion 42a intersecting with the thickness direction of the vibration portion 15 (the first wall portion 41a and the second case of the first case 41).
  • the communication part 43 is provided in at least one of the second wall part 42a of 42).
  • the package 40 is not limited to the structure shown in FIG. 1, and may have the structure shown in FIGS. 9, 10, and 11.
  • the communication portion 43 is formed by providing a plurality of through holes 44 densely only in the first wall portion 41 a.
  • one communication portion 43 is formed only on the first wall portion 41a.
  • one communication portion 43 is formed in each of the first wall portion 41a and the second wall portion 42a.
  • the circuit board 31 has a circular outer shape and an opening is provided in the thickness direction.
  • a C-shaped circuit board 31 may be used.
  • the first wall portion 41a and the second wall portion 42a are different from each other in the power generation device 1 having the structure shown in FIG. Damping due to the squeeze film effect that suppresses the vibration of the weight portion 13 can be further suppressed when the communication portion 43 is formed on both sides, and a decrease in output due to the provision of the package 40 can be suppressed. It becomes possible. Further, in the power generation device 1 having the structure shown in FIG. 10 and the power generation device 1 having the structure shown in FIG. 11, the first wall portion 41a and the second wall portion 42a are formed like the power generation device 1 having the structure shown in FIG. When the communication part 43 is formed on both sides, damping due to the squeeze film effect that suppresses the vibration of the weight part 13 can be further suppressed, and a decrease in output due to the package 40 being provided is suppressed. It becomes possible.
  • each power generation device 1 in FIGS. 1 and 9 is formed by densely connecting the plurality of through holes 44 in the communication portion 43, so that the communication portion 43 is similar to each power generation device 1 in FIGS. 10 and 11.
  • the squeeze film effect is suppressed to the same level as compared with the case where the squeeze film effect is provided, foreign matter can enter the package 40 from the outside of the package 40. It becomes possible to suppress.

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

　発電装置は、圧電型振動発電素子と、蓄電部と、圧電型振動発電素子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と、圧電型振動発電素子、蓄電部および充電手段を収納したパッケージとを備える。パッケージの外形は、高さよりも直径の方が大きな略円柱状に形成されている。圧電型振動発電素子は、支持部と、支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、カンチレバー部における支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部と、カンチレバー部に設けられ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る。パッケージは、このパッケージの内外を連通させる連通部を備える。

Description

発電装置
　本発明は、発電装置に関するものである。
　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。
　日本国特許公開２０１１－１５１９４４号公報（以下、文献１と称する）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。
　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。
　また、日本国特許公開２０１１－９１３１９号公報（以下、文献２と称する）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。
　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。
　また、文献２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。
　ところで、本願発明者らは、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。
　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。
　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（高さよりも直径の方が大きな略円柱状）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。
　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パッケージとを備え、前記パッケージの外形は、直径と高さとを有し且つ前記高さよりも前記直径が大きな略円柱状に形成されており、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、当該パッケージの内外を連通させる連通部を備えることを特徴とする。
　この発電装置において、前記パッケージは、第１ケースと第２ケースとを備えており、前記第１ケースは、前記蓄電部から放電するための正極として機能する導電体であり、前記第２ケースは、前記蓄電部から放電するための負極として機能する導電体であることが好ましい。
　この発電装置において、前記第１ケースは第１壁部を有し、前記第２ケースは第２壁部を有し、前記第１壁部および前記第２壁部は、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しており、前記パッケージは、前記第１ケースの前記第１壁部と前記第２ケースの前記第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。
　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壁部と第２壁部とを有しており、前記パッケージは、前記第１壁部と前記第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。
　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振動方向に交差する第１壁部と第２壁部とを有しており、前記パッケージは、前記第１壁部と前記第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。
　この発電装置において、前記パッケージは、前記第１壁部と前記第２壁部との両方に、前記連通部を備えることが好ましい。
　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。
　この発電装置において、前記パッケージの外形は、ボタン型電池に対応した形状および寸法に形成されていることが好ましい。
　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。
実施形態の発電装置の概略断面図である。 実施形態の発電装置の概略平面図である。 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、図３Ａは概略平面図、図３Ｂは概略断面図である。 参考形態１，２の発電装置の概略構成図である。 参考形態１の発電装置のパッケージ用基板を示し、図５Ａは概略平面図、図５Ｂは概略正面図、図５Ｃは概略側面図である。 参考形態２の発電装置のパッケージ用基板を示し、図６Ａは概略平面図、図６Ｂは概略正面図、図６Ｃは概略側面図である。 参考形態の発電装置の特性説明図である。 比較例の発電装置の概略断面図である。 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、図９Ａは概略平面図、図９Ｂは概略断面図である。 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、図１０Ａは概略平面図、図１０Ｂは概略断面図である。 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、図１１Ａは概略平面図、図１１Ｂは概略断面図である。
　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。
　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を収納したパッケージ４０とを備えている。
　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。
　パッケージ４０の外形は、ボタン形（直径と高さとを有し且つ高さよりも直径が大きな略円柱状）に形成されている。パッケージ４０の外形は、ボタン型電池（コイン型電池）に対応した形状および寸法に形成されていることが好ましい。パッケージ４０は、このパッケージ４０の内外を連通させる連通部４３を備えている。
　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壁部４１ａと第２壁部４２ａとを有している。パッケージ４０は、第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの少なくとも一方に、連通部４３を備えている。
　特に、パッケージ４０は、第１ケース４１と第２ケース４２とを備えている。第１ケース４１は導電性材料から形成され、蓄電部２０の正極端子と負極端子とのうちの一方に接続されている。第２ケース４２は導電性材料から形成され、蓄電部２０の正極端子と負極端子とのうちの他方に接続されている。つまり第１ケース４１は、蓄電部２０から放電するための正極（または負極）として機能する導電体である。第２ケース４２は、蓄電部２０から放電するための負極（または正極）として機能する導電体である。そして、第１ケース４１は第１壁部４１ａを有し、第２ケース４２は第２壁部４２ａを有し、第１壁部４１ａおよび第２壁部４２ａ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の厚み方向に交差している。パッケージ４０は、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。
　すなわち、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。
　次に、発電装置１の各構成要素について詳細に説明する。
　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。カンチレバー部１２は、錘部１３よりも厚みが薄い。錘部１３は、カンチレバー部１２によって支持部１１に支持されている。カンチレバー部１２と錘部１３とで、支持部１１に対して揺動可能な可動部が構成される。
　圧電型振動発電素子１０は、例えば図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が設けられている。これによって、可動部は、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。
　発電部１４は、カンチレバー部１２の厚み方向の第１面側（基板１０ａの第１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。
　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。
　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。
　圧電型振動発電素子１０は、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とを備える。第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃは、それぞれ支持部１１に設けられている。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。
　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（例えば、基板１０ａと第１電極１４ａ等とを絶縁する絶縁膜）を設けてもよい。
　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。
　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。
　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。
　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３Ａ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の第１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にそれぞれ電気的に接続するように構成してもよい。
　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。
　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、コネクタピン（例えば、第１ケース４１から延出する金属製のピンと、蓄電部２０の端子に接続された金属製のピン受けとの組み合わせ）などを採用することができる。
　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。
　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。
　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。
　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（図１の例では第２ケース４２側へ）変位する空間を確保することができる。
　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。
　ボタン形のパッケージ４０の外形は、ＩＥＣ　６００８６やＡＮＳＩ　Ｃ１８，ＪＩＳ　Ｃ　８５００など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、高さ（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、ＩＥＣ　６００８６で規定された、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。或いは、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、ＩＥＣ　６００８６で規定された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）などの指定に従って、寸法を設定することが好ましい。
　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、表示装置などでもよい。
　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。第１ケース４１は、円板状の底壁と、底壁の周縁から厚み方向に延出する周壁４１ｂと、を有する。第１ケース４１の底壁が第１壁部４１ａを構成する。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。
　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。第２ケース４２は、円板状の底壁と、底壁の周縁から厚み方向に延出する周壁４２ｂと、を有する。第２ケース４２の底壁が第２壁部４２ａを構成する。また、第２ケース４２は、金属により形成されている。
　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４５により接合されている。ここで、接合部４５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。また本実施形態のパッケージ４０は、第２ケース４２の周壁４２ｂの高さが、第１ケース４１の周壁４１ｂの高さの略半分に設定されている。
　すなわち本実施形態では、パッケージ４０は、有底円筒状の第１ケース４１と、電気絶縁性材料からなる接合部４５によって第１ケース４１に接合された有底円筒状の第２ケース４２と、からなる。第１ケース４１と第２ケース４２とで囲まれる収納空間内に、圧電型振動発電素子１０と、蓄電部２０と、充電手段３０と、が配置されている。
　なお、第２ケース４２は、周壁４２ｂの先端面（周壁４２ｂの高さ方向の先端面）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。なお、保持台を金属で形成し、保持台が、蓄電部２０と第２ケース４２とを電気的に接続する第２電気接続部の役割を兼ねるようにしてもよい。
　本実施形態のパッケージ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。
　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の厚み方向と交差する第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの少なくとも一方に、連通部４３を備える。具体的には、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。本実施形態のパッケージ４０では、連通部４３は、振動部１５に対して対称となるように第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとに設けられている。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。すなわち、パッケージ４０は、振動部１５の振動方向と交差する第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとのうちの少なくとも一方に、連通部４３を備える。
　また、本実施形態のパッケージ４０では、連通部４３は、パッケージ４０に形成された貫通孔である。特に、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４４からなる。図２に示した例における連通部４３は、複数の貫通孔４４が、２次元アレイ状に配置されている。各貫通孔４４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４４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４４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。
　各貫通孔４４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４４が２次元アレイ状に配置されているが、複数の貫通孔４４の配置は特に限定するものではない。
　また、本実施形態のパッケージ４０では、連通部４３は、連通部４３のうちの少なくとも一部が、振動部１５の振動方向において振動部１５と対向するように設けられている。すなわち、連通部４３を構成する貫通孔４４は、少なくともその一部が、振動部１５の振動方向において振動部１５と対向する位置に形成されている。
　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１，２の発電装置１００を試作して、参考形態１，２の発電装置１００の特性を評価した。
　参考形態１の発電装置１００のパッケージ用基板１４０としては、図５に示すように、矩形板状のガラス基板１４０ａの一面（図５Ｂにおける上側の面）に振動部１５（図３Ａ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、参考形態２の発電装置１００のパッケージ用基板１４０としては、図６に示すように、矩形板状のガラス基板１４０ａの一面（図６Ｂにおける上側の面）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の内底面とパッケージ用基板１４０の他面（図６Ｂにおける下側の面）との部分を貫通する複数の貫通孔１４４を形成したものを用意した。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、パッケージ用基板１４０を圧電型振動発電素子１０に接合する際に、支持部１１によって塞がれるように設けてある。つまりこの開口部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１の発電装置１００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。
　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１の発電装置１００および図６のパッケージ用基板１４０を備えた参考形態２の発電装置１００それぞれについて、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１の発電装置１００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横長の長方形（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２の発電装置１００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、凹部１４０ｂの図５Ａおよび図６Ａにおける左右方向の寸法を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、貫通孔１４４の図６Ａにおける左右方向の寸法を１．８ｍｍ、上下方向の寸法を１．６ｍｍとした。
　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１の発電装置１００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２の発電装置１００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１の発電装置１００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４４（連通部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４４（連通部４３）を設けていない比較例の発電装置２００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２００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２００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の振幅が大きくなり、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。
　以上説明した本実施形態の発電装置１は、パッケージ４０が連通部４３を備えているので、ボタン形（高さよりも直径の方が大きな略円柱状）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。
　特に、パッケージ４０が、振動部１５の厚み方向（振動部１５の振動方向）に交差する第１壁部４１ａと第２壁部４２ａとの少なくとも一方に連通部４３を備えているので、スクイーズフィルム効果による振動部１５のダンピングを効果的に低減することができ、発電装置１の出力を大きくすることができる。
　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壁部４１ａと第２壁部４２ａとの少なくとも一方（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。ここで、パッケージ４０は図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。なお、図９～図１１に示す発電装置１では、回路基板３１として、円形状の外形を有し厚み方向に開口部が貫設されたものを用いているが、図１，２と同様にＣ字状の回路基板３１を用いてもよい。
　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。
　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。

Claims (9)

  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パッケージとを備え、前記パッケージの外形は、直径と高さとを有し且つ前記高さよりも前記直径が大きな略円柱状に形成されており、
    　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、当該パッケージの内外を連通させる連通部を備えることを特徴とする発電装置。
  2. 　前記パッケージは、第１ケースと第２ケースとを備えており、
    　前記第１ケースは、前記蓄電部から放電するための正極として機能する導電体であり、前記第２ケースは、前記蓄電部から放電するための負極として機能する導電体であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  3. 　前記第１ケースは第１壁部を有し、前記第２ケースは第２壁部を有し、前記第１壁部および前記第２壁部は、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しており、
    　前記パッケージは、前記第１ケースの前記第１壁部と前記第２ケースの前記第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２記載の発電装置。
  4. 　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壁部と第２壁部とを有しており、
    　前記パッケージは、前記第１壁部と前記第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。
  5. 　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振動方向に交差する第１壁部と第２壁部とを有しており、
    　前記パッケージは、前記第１壁部と前記第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。
  6. 　前記パッケージは、前記第１壁部と前記第２壁部との両方に、前記連通部を備えることを特徴とする請求項３～５のいずれか１項記載の発電装置。
  7. 　前記連通部は、前記振動部に対して対称となるように前記第１壁部と前記第２壁部とに設けられていることを特徴とする請求項６記載の発電装置。
  8. 　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～請求項７のいずれか１項記載の発電装置。
  9. 　前記パッケージの外形は、ボタン型電池に対応した形状および寸法に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
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