(57)【要約】      （修正有）【課題】自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するために、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスの提供。【解決手段】発電デバイス１０００は、保持部材１１０と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板１２２の前記梁に配置された複数の圧電体１２１をそれぞれ有し、保持部材１１０にそれぞれ固定された複数の圧電素子１２０ａ，１２０ｂと、複数の圧電素子１２０ａ，１２０ｂを連結する連結部材１３０と、前記圧電素子１２０ａ，１２０ｂに接続された複数のプリント配線を有する複数のプリント基板１４０ａ，１４０ｂと、を備えている。梁の上面及び下面に、それぞれ、複数の圧電体１２１を有している。【選択図】図１
2020065438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持部材と、
ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、
前記圧電素子に接続された複数のプリント配線を有する複数のプリント基板と、
を備えたことを特徴とする発電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電デバイスの実装構造及び発電方法に関する。特に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電デバイスの実装構造に関する。また、発電デバイスを用いた車載応用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
日常生活環境下には、広周波数帯域の振動が存在する。この振動のエネルギーを有効に活用する方法として、振動発電デバイスがあげられる。振動発電デバイスは、振動エネルギーを電力エネルギーに変換するデバイスで、これまで活用できなかった環境振動エネルギーを有効利用することができるエネルギーハーベスト（環境発電）技術である。
【０００３】
振動発電デバイスの発電素子としては、圧電素子が一般的である。圧電素子を用いて、振動により振動面に発生する圧力を電力に変換する発電方法である(特許文献１及び２)。
【０００４】
一般的な振動発電デバイスは、圧電素子が１つの固定端と、振動が作用する可動端とを有する片持ち梁の集合の構造を有する。しかしながら片持ち梁の構造は、特定の共振周波数でのみ振動するため、特定の条件が整う場所以外での利用に制約がある。
【０００５】
環境中の振動をエネルギー源とする場合、特定の周波数に極端なピークが来るということはなく、ある程度広帯域での振動が観測される。そこで、広帯域での振動エネルギーを電気エネルギーに変換できる振動発電デバイスの実現が期待されている。
【０００６】
振動が作用する圧電素子が２つの固定端と、その間に位置する振動の作用点を有する両持ち梁の構造を有する場合、共振周波数は広帯域化することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７―２０２２９３号公報
【特許文献２】特開２００８―１９２９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するために、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスの実装構造及び発電方法を提供することを目的とする。また、その発電デバイスを用いた車載応用システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態によると、保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、前記圧電素子に接続された複数のプリント配線を有する複数のプリント基板と、を備えたことを特徴とする発電デバイスが提供される。
【００１０】
また、前記梁の上面及び下面に、それぞれ、前記複数の圧電体を有するようにしてもよい。
【００１１】
また、前記複数の圧電素子がｍ個（ｍは２以上の自然数）であり、ｍ個の前記圧電素子が（ｍ−１）個の前記連結部材によって連結されていてもよい。
【００１２】
また、前記圧電素子は、２ｎ本のスリットを有するようにしてもよい。
【００１３】
また、前記保持部材の内側、上部及び下部、又はどちらか一方にストッパーを備えてもよい。
【００１４】
また、前記連結部材は、円柱形及び角柱形、又はどちらか一方であってもよい。
【００１５】
また、前記保持部材の内壁面に固定潤滑層を備えてもよい。
【００１６】
また、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が前記プリント基板の第１の電極に接続され、残りの圧電体が前記プリント基板の第２の電極に接続されてもよい。
【００１７】
また、前記梁の上面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が前記プリント基板の第１の電極に接続され、残りの圧電体が前記プリント基板の第２の電極に接続されており、且つ、前記梁の下面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が前記プリント基板の第３の電極に接続され、残りの圧電体が前記プリント基板の第４の電極に接続されていてもよい。
【００１８】
保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、を備えた発電デバイスによる発電方法であって、前記梁を振動させることにより発電する。
【００１９】
保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイスと、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体と、を備えた車載応用システムが提供される。
【００２０】
フレームと、前記フレームに連結され、保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイス、並びに、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体を備えた車載応用システムと、を有する自動車が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するため広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。 
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る圧電素子の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るプリント基板の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る圧電素子とプリント基板の配線を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係る発電デバイスの一例を示す断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面図である。
【図７Ｃ】本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面図である。
【図７Ｄ】本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面の拡大図（ｅ、ｆ、およびｇ）である。
【図８】本発明の実施形態２に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施形態２に係る圧電素子の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態２に係るプリント基板の一例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態２に係る圧電素子とプリント基板の配線を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施形態２に係る発電デバイスの一例を示す断面図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。
【図１４Ｃ】本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。
【図１４Ｄ】本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面の拡大図（ｅ、ｆ、およびｇ）である。
【図１５】本発明の実施形態２に係る金属弾性板と圧電体、それぞれの厚さに対する発電量の理論値を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施形態２に係る非線形ばね効果による発電周波数帯域の拡大を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施形態３に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。
【図１８】本発明の実施形態３に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。
【図１９】本発明の実施形態３に係る圧電素子の一例を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態３に係るプリント基板の一例を示す図である。
【図２１】本発明の実施形態３に係る圧電素子とプリント基板の配線を示す断面図である。
【図２２】本発明の実施形態３に係る発電デバイスの一例を示す断面図である。
【図２３Ａ】本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。
【図２３Ｂ】本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。
【図２３Ｃ】本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。
【図２３Ｄ】本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面の拡大図（ｅ、ｆ、およびｇ）である。
【図２４】本発明の実施形態に係る連結部材の一例と、その変形例１を示す図である。
【図２５】本発明の実施形態１の変形例２に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。
【図２６】本発明の実施形態１の変形例２に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。
【図２７】本発明の実施形態１の変形例３に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。
【図２８】本発明の実施形態１の変形例３に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。
【図２９】本発明の実施形態５に係る発電デバイスを備えた自動車の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明に発電デバイスについて説明する。但し、本発明の発電デバイスは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２４】
〈実施形態〉
（実施形態１）
［発電デバイスの概要］
図１から図６を用いて、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の構造の概要を説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る発電デバイス１０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ、１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。
【００２６】
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図１、図２、図６、図７においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス１０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。
【００２７】
図１に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１、図２、図６、図７では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。
【００２８】
図２は本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の一例を示す平面図である。図３は本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０の一例を示す図である。図１乃至図３に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。
【００２９】
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１乃至図３においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス１０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十
字構造を示す。
【００３０】
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１から図７においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２の片面に計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する発電デバイス１０００を一例として図示した。
【００３１】
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。
【００３２】
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。
【００３３】
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１から図７では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。
【００３４】
図４は本発明の実施形態１に係るプリント基板１４０の一例を示す図である。プリント基板１４０は、絶縁性基板１４３、複数のプリント配線１４１と、複数のダミー配線１４２とを含む。本実施形態において、絶縁性基板１４３にはガラスエポキシ樹脂を用いたが、これに限るものではない。
【００３５】
複数のプリント配線１４１は薄い銅箔の配線パターンで、表面を保護のための絶縁フィルムなどで被覆されてもよい。複数のダミー配線１４２を厚みの調整用に配置してもよい。
【００３６】
複数のプリント配線１４１は、それらの一端に外部への出力電極１４１ａを有し、それらの他端に圧電素子１２０からの入力電極１４１ｂを有する。プリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置され、圧電素子１２０上の圧電体１２１が生じる電気エネルギーを回収するように接続される。すなわち、１対の電極の入力電極１４１ｂは、圧電体１２１の電位差が生じる両端にそれぞれ接続される。圧電体１２１で生じた電位差は、電気エネルギーとしてそれぞれの出力電極１４１ａから回収することができる。
【００３７】
図５を用いてより詳しい配線構造について説明する。図５は本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０とプリント基板１４０の配線を示す断面図である。１対のプリント配線１４１であるＰおよびＧは、入力電極１４１ｂが、それぞれ圧電体１２１および金属弾性板１２２に接続される。
【００３８】
プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の間、内側（ＢＴＭ側）に位置する圧電体１２１は、金属配線１２５および半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【００３９】
一方、プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）に位置する圧電体１２１には、金属配線１２５およびボンディングワイヤー１４５を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【００４０】
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＧ１またはＧ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【００４１】
本発明の実施形態１に係るプリント基板１４０は４対の電極を持つ。このため、各圧電体１２１が生ずる極性の異なる電気エネルギーを、それぞれ別個の電気回路を用いて効率良く取り出すことができる。
【００４２】
図６は本発明の実施形態に係る発電デバイス１０００の一例を示す断面図である。図６において、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される内側に配置される。このため図４および図６のプリント基板１４０には、連結部材１３０を通す穴が存在する。しかし、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される外側に配置されてもよい。この場合、圧電素子１２０ａ、１２０ｂの振動を妨げないかぎり、プリント基板１４０には連結部材１３０を通す穴がなくてもよい。
【００４３】
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。
【００４４】
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。
【００４５】
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の振動と発電原理について、図７Ａ〜７Ｄを用いて詳細に説明する。図７Ａ〜７Ｄは、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図７Ａ〜７Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
【００４６】
本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０ａは、プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有し、圧電素子１２０ｂは、プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２の内側（ＢＴＭ側）計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する。ただし圧電素子１２０ａ、１２０ｂの圧電体１２１の配置される向きはいずれの組み合わせでも良く、これに限るものではない。
【００４７】
図７Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図７Ａ〜７Ｃにおいて下方向である場合、図７（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
【００４８】
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。
【００４９】
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも
場所により圧縮と伸張とが発生する。図７Ｄに、本発明の実施形態１に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電素子１２０ａ及び１２０ｂの圧電体１２１ａは圧縮し、圧電体１２１ｂは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａは伸張し、圧電体１２１ｂは圧縮する。すなわち、図７Ａ〜７Ｃにおいて、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。
【００５０】
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで電極を分けた構造を有するようにしてもよい。
【００５１】
具体的には、本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する。固定端側に位置する圧電体１２１ａ、１２１ｄ、１２１ｅ、および１２１ｈはＴＯＰ  Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｆ、および１２１ｇはＴＯＰ  Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。
【００５２】
図２に示すように、それぞれの電極に接続される圧電体１２１は、電極ごとに金属配線１２５で直列に接続することができる。金属配線１２５から、ＴＯＰ  Ｐ１およびＰ２配線の入力電極１４１ｂへは、ボンディングワイヤー１４５で接続される。
【００５３】
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、ＴＯＰ  Ｇ１またはＧ２配線の入力電極１４１ｂに接続される。
【００５４】
これにより、各々の圧電素子に外力がかかるとき、位相のずれた圧電現象による発生電荷を打ち消し合わずに、効率良く集電できる。
【００５５】
発電デバイス１０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。
【００５６】
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しては、圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。
【００５７】
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。
【００５８】
（実施形態２）
［発電デバイスの概要］
図８から図１３を用いて、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の構造の概要を説明する。
【００５９】
図８は、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００を示す斜視図である。図８に示すように、本実施形態に係る発電デバイス２０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ、１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。
【００６０】
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図８、図９、図１３、図１４においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス２０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。
【００６１】
図８に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図８、図９、図１３、図１４では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。
【００６２】
図９は本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の一例を示す平面図である。図１０は本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０の一例を示す図である。図８乃至図１０に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の両面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。
【００６３】
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図８乃至図１０においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス２０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。
【００６４】
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図８から図１４においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２に両面に計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＴＯＰ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＢＴＭ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）を有する発電デバイス２０００を一例として図示した。
【００６５】
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。
【００６６】
なお、以下の数式（１）は、出力電圧Ｖ[V]、発生電荷量Ｑ[C]、圧電体の静電容量Ｃ[F]
、圧電体のヤング率Ｅｐ[Pa]、基板のヤング率Ｅｓ[Pa]、圧電体の厚みｈｐ[ｍ]、基板の厚みｈｓ[ｍ]との関係を表す理論式である。
【００６７】
数式（１）に、本実施形態で用いる基板のヤング率（ＳＵＳ３０４  Ｅｓ＝１９７ＧＰａ）、圧電体のヤング率（ＡＩＮ  Ｅｐ＝３００  ＧＰａ）、圧電体の静電容量（圧電体の
誘電率（ε＝9.0））×電極面積÷圧電体の厚み）を代入すると、図１５に示すとおり、
本実施形態における出力電圧Ｖと圧電体の厚みｈｐと基板の厚みｈｓとの関係が導き出される。図１５においては、縦軸を発生電圧Ｖ（又は発生電荷量Q）とし、横軸を圧電体の
厚みｈｐとし、基板の厚みｈｓを変化させたときのグラフを示す。
【数１】
2020065438.tif 000003
・・・（１）
【００６８】
図１５に示すように、金属弾性板１２２の厚さが５０μｍで、圧電体１２１の厚さが半分の値２５μｍ程度であるときに、発電効率が最大となる。このため本実施形態の金属弾性板１２２の厚さは５０μｍ、圧電体１２１の厚さは２５μｍとしてもよい。一方、発電効率の最大化ではなく、設計上の目標とする共振周波数や製造コストを考慮して金属弾性板１２２の厚さや、圧電体１２１の厚さを適宜、本実施形態の範囲外にしてもよい。
【００６９】
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ)といった
圧電体や強誘電体であってもよい。
【００７０】
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図８から図１４では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。
【００７１】
図１１は本発明の実施形態２に係るプリント基板１４０の一例を示す図である。プリント基板１４０は、絶縁性基板１４３、複数のプリント配線１４１と、複数のダミー配線１４２とを含む。本実施形態において、絶縁性基板１４３にはガラスエポキシ樹脂を用いたが、これに限るものではない。
【００７２】
複数のプリント配線１４１は薄い銅箔の配線パターンで、表面を保護のための絶縁フィルムなどで被覆されてもよい。複数のダミー配線１４２を厚みの調整用に配置してもよい。
【００７３】
複数のプリント配線１４１は、それらの一端に外部への出力電極１４１ａを有し、それらの他端に圧電素子１２０からの入力電極１４１ｂを有する。プリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置され、圧電素子１２０上の圧電体１２１が生じる電気エネルギーを回収するように接続される。すなわち、１対の電極の入力電極１４１ｂは、圧電体１２１の電位差が生じる両端にそれぞれ接続される。圧電体１２１で生じた電位差は、電気エネルギーとしてそれぞれの出力電極１４１ａから回収することができる。
【００７４】
図１２を用いてより詳しい配線構造について説明する。図１２は本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０とプリント基板１４０の配線を示す断面図である。１対のプリント配線１４１であるＰおよびＧは、入力電極１４１ｂが、それぞれ圧電体１２１および金属弾性板１２２に接続される。
【００７５】
プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の間、内側（ＢＴＭ側）に位置する圧電体１２１は、金属配線１２５および半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【００７６】
一方、プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）に位置する圧電体１
２１には、金属配線１２５およびボンディングワイヤー１４５を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【００７７】
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＧ１またはＧ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【００７８】
本発明の実施形態２に係るプリント基板１４０は４対の電極を持つ。このため、各圧電体１２１が生ずる極性の異なる電気エネルギーを、それぞれ別個の電気回路を用いて効率良く取り出すことができる。
【００７９】
図１３は本発明の実施形態に係る発電デバイス２０００の一例を示す断面図である。図１３において、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される内側に配置される。このため図１１および図１３のプリント基板１４０には、連結部材１３０を通す穴が存在する。しかし、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される外側に配置されてもよい。この場合、圧電素子１２０ａ、１２０ｂの振動を妨げないかぎり、プリント基板１４０には連結部材１３０を通す穴がなくてもよい。
【００８０】
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。
【００８１】
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。
【００８２】
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態２に係る発電デバイスの振動と発電原理について、図１４Ａ〜１４Ｄを用いて詳細に説明する。図１４Ａ〜１４Ｄは、本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図１４Ａ〜１４Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
【００８３】
本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の両面に位置する計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＴＯＰ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＢＴＭ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有し、圧電素子１２０ｂは、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の両面に位置する計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＢＴＭ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＴＯＰ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有する。
【００８４】
図１４Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。
金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図１４Ａ〜１４Ｃにおいて下方向である場合、図１４（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
【００８５】
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。
【００８６】
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一箇所で
も上面、下面により圧縮と伸張とが発生する。図１４Ｄに、本発明の実施形態２に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電素子１２０ａ及び１２０ｂの圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは圧縮し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは伸張し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは圧縮する。すなわち、図１４Ａ〜１４Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａａおよび１２１ａｄと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ｂａおよび１２１ｂｄとで、逆相の電荷を発生する。さらに、図１４Ａ〜１４Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、逆相の電荷を発生する。このため両面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。
【００８７】
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａａおよび１２１ａｄと、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうちｂａおよび１２１ｂｄと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。
【００８８】
具体的には、本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２の両面に位置する計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＴＯＰ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＢＴＭ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有する。ＴＯＰ側の固定端側に位置する圧電体１２１ａａ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、および１２１ａｈはＴＯＰ
Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、ＴＯＰ側の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｆ、および１２１ａｇはＴＯＰ  Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。ＢＴＭ側の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ｂａ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、および１２１ｂｈは、ＢＴＭ  Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、ＢＴＭ側の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｆ、および１２１ｂｇはＢＴＭ  Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。
【００８９】
図９に示すように、それぞれの電極に接続される圧電体１２１は、電極ごとに金属配線１２５で直列に接続することができる。金属配線１２５から、ＴＯＰ  Ｐ１およびＰ２配線の入力電極１４１ｂへは、ボンディングワイヤー１４５で接続される。
【００９０】
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、ＴＯＰ  Ｇ１またはＧ２配線の入力電極１４１ｂに接続される。
【００９１】
これにより、各々の圧電素子に外力がかかるとき、位相のずれた圧電現象による発生電荷を打ち消し合わずに、効率良く集電できる。
【００９２】
本実施形態の発電デバイス２０００において、梁をｎ本に増やし、それぞれの構造を変化させることにより共振周波数はより広帯域化することができる。図１６は、本実施形態に係る発電デバイス２０００における、非線形ばね効果による発電周波数帯域の拡大を示すグラフである。加速度９．８ｍ/ｓ２の調和振動を印加した場合では線形振動が、加速度
２０ｍ/ｓ２の調和振動を印加した場合では非線形振動が示された。
【００９３】
発電デバイス２０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。
【００９４】
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しては、圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。
【００９５】
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。
【００９６】
（実施形態３）
［発電デバイスの概要］
図１７から図２２を用いて、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の構造の概要を説明する。
【００９７】
図１７は、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００を示す斜視図である。図１７に示すように、本実施形態に係る発電デバイス３０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ、１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。
【００９８】
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図１７、図１８、図２２、図２３においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス３０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。
【００９９】
図１７に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１７、図１８、図２２、図２３では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。
【０１００】
図１８は本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の一例を示す平面図である。図１９は本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０の一例を示す図である。図１７乃至図１９に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。
【０１０１】
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１７乃至図１９においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス３０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。
【０１０２】
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１７から図２３においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２の片面に計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する発電デバイス３０００を一例として図示した。
【０１０３】
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。
【０１０４】
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。
【０１０５】
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１７から図２３では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。
【０１０６】
図２０は本発明の実施形態３に係るプリント基板１４０の一例を示す図である。プリント基板１４０は、絶縁性基板１４３、複数のプリント配線１４１と、複数のダミー配線１４２とを含む。本実施形態において、絶縁性基板１４３にはガラスエポキシ樹脂を用いたが、これに限るものではない。
【０１０７】
複数のプリント配線１４１は薄い銅箔の配線パターンで、表面を保護のための絶縁フィルムなどで被覆されてもよい。複数のダミー配線１４２を厚みの調整用に配置してもよい。
【０１０８】
複数のプリント配線１４１は、それらの一端に外部への出力電極１４１ａを有し、それらの他端に圧電素子１２０からの入力電極１４１ｂを有する。プリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置され、圧電素子１２０上の圧電体１２１が生じる電気エネルギーを回収するように接続される。すなわち、１対の電極の入力電極１４１ｂは、圧電体１２１の電位差が生じる両端にそれぞれ接続される。圧電体１２１で生じた電位差は、電気エネルギーとしてそれぞれの出力電極１４１ａから回収することができる。
【０１０９】
図２１を用いてより詳しい配線構造について説明する。図２１は本発明の実施形態３に係
る圧電素子１２０とプリント基板１４０の配線を示す断面図である。１対のプリント配線１４１であるＰおよびＧは、入力電極１４１ｂが、それぞれ圧電体１２１および金属弾性板１２２に接続される。
【０１１０】
プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の間、内側（ＢＴＭ側）に位置する圧電体１２１は、金属配線１２５および半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【０１１１】
一方、プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）に位置する圧電体１２１には、金属配線１２５およびボンディングワイヤー１４５を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【０１１２】
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＧ１またはＧ２の入力電極１４１ｂに接続される。
【０１１３】
本発明の実施形態３に係るプリント基板１４０は４対の電極を持つ。このため、各圧電体１２１が生ずる極性の異なる電気エネルギーを、それぞれ別個の電気回路を用いて効率良く取り出すことができる。
【０１１４】
図２０は本発明の実施形態に係る発電デバイス３０００の一例を示す断面図である。図２０において、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される内側に配置される。このため図１８および図２０のプリント基板１４０には、連結部材１３０を通す穴が存在する。しかし、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される外側に配置されてもよい。この場合、圧電素子１２０ａ、１２０ｂの振動を妨げないかぎり、プリント基板１４０には連結部材１３０を通す穴がなくてもよい。
【０１１５】
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。
【０１１６】
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。
【０１１７】
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の振動と発電原理について、図２３Ａ〜２３Ｄを用いて詳細に説明する。図２３Ａ〜２３Ｄは、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図２３Ａ〜２３Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
【０１１８】
本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２と、プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）とを有し、圧電素子１２０ｂは、プリント基板１４０に対して
金属弾性板１２２の内側（ＢＴＭ側）計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する。ただし圧電素子１２０ａ、１２０ｂの圧電体１２１の配置される向きはいずれの組み合わせでも良く、これに限るものではない。
【０１１９】
図２３Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図２３Ａ〜２３Ｃにおいて下方向である場合、図２３（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
【０１２０】
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。
【０１２１】
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも
場所により圧縮と伸張とが発生する。図２３Ｄに、本発明の実施形態３に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電素子１２０ａ及び１２０ｂの圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は圧縮し、圧電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は伸張し、圧電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は圧縮する。すなわち、図２３Ａ〜２３Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。
【０１２２】
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。
【０１２３】
具体的には、本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する。固定端側に位置する圧電体１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２はＴＯＰ  Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１および１２１ｇ２はＴＯＰ  Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。
【０１２４】
図１８に示すように、それぞれの電極に接続される圧電体１２１は、電極ごとに金属配線１２５で直列に接続することができる。金属配線１２５から、ＴＯＰ  Ｐ１およびＰ２配線の入力電極１４１ｂへは、ボンディングワイヤー１４５で接続される。
【０１２５】
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、ＴＯＰ  Ｇ１またはＧ２配線の入力電極１４１ｂに接続される。
【０１２６】
これにより、各々の圧電素子に外力がかかるとき、位相のずれた圧電現象による発生電荷を打ち消し合わずに、効率良く集電できる。
【０１２７】
発電デバイス３０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。
【０１２８】
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しては、圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。
【０１２９】
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。
【０１３０】
〈実施形態１乃至３の変形例１〉
図２４を用いて、本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る連結部材１３０について説明する。連結部材１３０の形状、サイズ、および作用以外は、本発明の実施形態１乃至３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
【０１３１】
図２４は、本発明の実施形態に係る連結部材の一例と、その変形例を示す図である。図２４（ａ）では多段円柱型の連結部材１３０を示した。図２４（ｂ）では多段角柱型の連結部材１３０を示した。
【０１３２】
本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る発電デバイスは、複数の圧電素子１２０と、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、ｍが３以上であるとき、複数の連結部材１３０は別々の形状をとってもよい。
【０１３３】
連結部材１３０は、形状およびサイズによって、錘として機能しうる事を意味する。振動エネルギーを、複数の圧電素子１２０へ伝える外力に変換する１つの方法となる。このため連結部材１３０の形状およびサイズは、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。錘の位置も、連結部材１３０軸延長線上であり、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。連結部材１３０の連結部１３１の位置も、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。
【０１３４】
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。
【０１３５】
これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムやインフラ健全性診断システムといったＩｏＴ向けセンサネットワークモジュールの電源用発電機を提供すること
ができる。
【０１３６】
〈実施形態１の変形例２〉
図２５および図２６を用いて、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０について説明する。１２０の形状、および作用以外は、本発明の実施形態１から３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
【０１３７】
図２５は、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０を備えた発電デバイス４０００を示す斜視図である。図２５に示すように、本実施形態に係る発電デバイスは、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。
【０１３８】
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図２５においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス４０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。
【０１３９】
図２５に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここでは、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。
【０１４０】
図２６は、本発明の実施形態の変形例２に係る発電デバイス４０００の一例を示す平面図である。図２５および図２６に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。
【０１４１】
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図２５および図２６においては、２個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を一例として図示した（ｎ＝１）。この結果、圧電素子１２０は１本の両持ち梁を有するＩ字構造を示す。
【０１４２】
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。
【０１４３】
〈実施形態１の変形例３〉
図２７および図２８を用いて、本発明の実施形態の変形例に係るプリント基板１４０について説明する。プリント基板１４０の形状、および作用以外は、本発明の実施形態１から３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
【０１４４】
図２７は、本発明の実施形態の変形例に係るプリント基板１４０を備えた発電デバイス５０００を示す斜視図である。図２７に示すように、本実施形態に係る発電デバイスは、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。
【０１４５】
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図２７においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス５０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。
【０１４６】
図２７に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここでは、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。
【０１４７】
図２８は、本発明の実施形態の変形例３に係る発電デバイス５０００の一例を示す平面図である。図２７および図２８に示すように、本発明の実施形態の変形例３に係るプリント基板１４０は、圧電素子１２０の一辺がプリント基板１４０の一辺に対して４５度傾いた状態で配置するが、これに限らない。圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。
【０１４８】
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。
【０１４９】
（実施形態４）
本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムについて説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスの繰り返しの説明は省略する。
【０１５０】
本実施形態の発電デバイスは、車載応用システムに接続される。すなわち、発電デバイスは、車載応用システムに電源を供給することができる。
【０１５１】
発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる。
【０１５２】
したがって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったＩｏＴ向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる。
【０１５３】
（実施形態５）
図２９を用いて、本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムを装備した自動車６０００について説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスと、その発電デバイスを備えた車載応用システムについての繰り返しの説明は省略する。
【０１５４】
図２９は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を備えた車載応用システムを装備した自動車６０００の一例を示す図である。
【０１５５】
自動車６０００は、フレームと、フレームに連結された車載応用システムと、車載応用システムに設置された発電デバイスとを有する自動車である。 
【０１５６】
発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる（図示せず）。
【０１５７】
これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったＩｏＴ向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる。
【０１５８】
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。たとえば、発電デバイスを各種の慣性センサや圧電ミラーといった一般のMEMS素子に置き換えても、プリント基板を利用した本実装構造は適用できる。
【符号の説明】
【０１５９】
１０００、２０００、３０００、４０００、５０００：発電デバイス
１１０：保持部材
１１１：ストッパー
１１２：固定潤滑層
１２０：圧電素子
１２１：圧電体
１２２：金属弾性板
１２３：スリット
１２４：両持ち梁
１２５：金属配線
１３０：連結部材
１３１：連結部
１４０：プリント基板
１４１：プリント配線
１４１ａ：出力電極
１４１ｂ：入力電極
１４２：ダミー配線
１４３：絶縁性基板
１４４： 半田バンプまたは銀ペースト
１４５：ボンディングワイヤー
６０００：自動車
【図１】
2020065438.tif 000004
【図２】
2020065438.tif 000005
【図３】
2020065438.tif 000006
【図４】
2020065438.tif 000007
【図５】
2020065438.tif 000008
【図６】
2020065438.tif 000009
【図７Ａ】
2020065438.tif 000010
【図７Ｂ】
2020065438.tif 000011
【図７Ｃ】
2020065438.tif 000012
【図７Ｄ】
2020065438.tif 000013
【図８】
2020065438.tif 000014
【図９】
2020065438.tif 000015
【図１０】
2020065438.tif 000016
【図１１】
2020065438.tif 000017
【図１２】
2020065438.tif 000018
【図１３】
2020065438.tif 000019
【図１４Ａ】
2020065438.tif 000020
【図１４Ｂ】
2020065438.tif 000021
【図１４Ｃ】
2020065438.tif 000022
【図１４Ｄ】
2020065438.tif 000023
【図１５】
2020065438.tif 000024
【図１６】
2020065438.tif 000025
【図１７】
2020065438.tif 000026
【図１８】
2020065438.tif 000027
【図１９】
2020065438.tif 000028
【図２０】
2020065438.tif 000029
【図２１】
2020065438.tif 000030
【図２２】
2020065438.tif 000031
【図２３Ａ】
2020065438.tif 000032
【図２３Ｂ】
2020065438.tif 000033
【図２３Ｃ】
2020065438.tif 000034
【図２３Ｄ】
2020065438.tif 000035
【図２４】
2020065438.tif 000036
【図２５】
2020065438.tif 000037
【図２６】
2020065438.tif 000038
【図２７】
2020065438.tif 000039
【図２８】
2020065438.tif 000040
【図２９】
2020065438.tif 000041