(57)【要約】      （修正有）【課題】発電能力の低下を抑制することが可能な振動発電デバイスを提供する。【解決手段】振動発電デバイス５０は、一対の圧電素子積層体１０（１０Ａ、１０Ｂ）と、一対の圧電素子積層体間に配置された重錘体５１と、一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材５２と、を有する。圧電素子積層体は、基板１１および基板上に配置された複数の圧電体１２を有する圧電素子１（１Ａ、１Ｂ）と、圧電素子の重錘体側と反対側の面上に配置された、開口部２１を有するプリント配線板２（２Ａ、２Ｂ）とを有する。圧電素子は、基板と開口部とが平面視上重なる領域である第１領域Ａに圧電体を有し、それぞれの圧電素子積層体は、基板の第１領域で重錘体に固定されている。【選択図】図３
2019110706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の圧電素子積層体と、前記一対の圧電素子積層体間に配置された重錘体と、前記一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材と、を有する振動発電デバイスであって、
前記圧電素子積層体は、基板および前記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、前記圧電素子の前記重錘体側と反対側の面上に配置された、開口部を有するプリント配線板とを有し、前記圧電素子は、前記基板と前記開口部とが平面視上重なる領域である第１領域に前記圧電体を有し、
それぞれの前記圧電素子積層体は、前記基板の前記第１領域で前記重錘体に固定されている振動発電デバイス。
【請求項２】
一対の圧電素子積層体と、前記一対の圧電素子積層体間に配置された重錘体と、前記一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材と、を有する振動発電デバイスであって、
前記圧電素子積層体は、基板および前記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、開口部を有するプリント配線板とを有し、
前記圧電素子の前記基板と前記重錘体とが、溶接により接合されている、振動発電デバイス。
【請求項３】
前記重錘体と前記圧電素子の前記基板とが、同じ金属で形成されている、請求項１または請求項２に記載の振動発電デバイス。
【請求項４】
前記金属がＳＵＳ３０４である、請求項３に記載の振動発電デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の振動発電デバイスの製造方法であって、
前記圧電素子積層体が有する前記圧電素子の前記基板と、前記重錘体とを溶接で接合する接合工程を有する、振動発電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施態様は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱、光や振動等の環境エネルギーから発電を行うエネルギーハーベスト（環境発電）技術を用いた発電デバイスの１つとして、振動発電デバイスの開発が進められている。
【０００３】
振動発電デバイスは、発電素子として圧電素子が一般に用いられ、外力の作用により圧電素子に屈曲振動が生じ、そのときの撓みの変化量により、振動面に発生する圧力を電力に変換して発電する（特許文献１、２参照）。上記圧電素子の構造としては、例えば、１つの固定端と重錘体を支持し振動が作用する可動端とを有する片持ち梁構造や、２つの固定端とその間に位置する振動の作用点とを有する両持ち梁（両端支持梁）構造が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
本発明者らは、新たな振動発電デバイスとして、対峙する一対の圧電素子の振動の作用点間に重錘体を配置した構造、詳しくは、開口部を有するプリント配線板上に、上記開口部と平面視上重なるように圧電素子を実装した圧電素子積層体用い、２つの圧電素子積層体の圧電素子間を重錘体で連結した構造を開発している。ここで、圧電素子は外力による屈曲振動により生じる撓みの変化量が大きいほど、電流を多く発生することができることから、本発明者等は、上記構造の振動発電デバイスにおいて、圧電素子の無駄な振動を制御しつつ、外力を受けて屈曲振動することで発生する振動エネルギー量の増加を図るため、２つの圧電素子積層体間を固定部材で固定している。しかし、このような構造であっても、所望の発電能力が得られない場合があることを見出した。
【０００６】
上記課題に対し、本発明者等が鋭意検討を行ったところ、２つの圧電素子積層体間を固定部材で固定しても、圧電素子積層体の配置順によって圧電素子の初期撓みが大きくなり、外力の作用に対する圧電素子の撓みの変化量が小さくなる結果、振動発電デバイスの発電能力が低下してしまうことを知得した。
【０００７】
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、一対の圧電素子積層体における圧電素子の初期撓みを小さくし、発電能力の低下を抑制することが可能な振動発電デバイスを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に対し、本発明者等が更に鋭意検討を行った結果、一対の圧電素子間に位置するプリント配線板や固定部材等の他の部材が有する寸法公差の影響により、圧電素子の初期撓みが大きくなることを特定した。そこで、本発明者等は、一対の圧電素子積層体の圧電素子間に位置する他の部材数を減らし、一対の圧電素子間の寸法公差を小さくすることで、上記課題を解決するに至った。
【０００９】
すなわち、本開示は、一対の圧電素子積層体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された重錘体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材と、を有する振動発電デバイスであって、上記圧電素子積層体は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、上記圧電素子の上記重錘体側と反対側の面上に配置された、開口部を有するプリント配線板とを有し、上記圧電素子は、上記基板と上記開口部とが平面視上重なる領域である第１領域に上記圧電体を有し、それぞれの上記圧電素子積層体は、上記基板の上記第１領域で上記重錘体に固定されている振動発電デバイスを提供する。
【００１０】
また、本開示は、一対の圧電素子積層体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された重錘体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材と、を有する振動発電デバイスであって、上記圧電素子積層体は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、開口部を有するプリント配線板とを有し、上記圧電素子の上記基板と上記重錘体とが、溶接により接合されている、振動発電デバイスを提供する。
【００１１】
本開示においては、上記重錘体と上記圧電素子の上記基板とが、同じ金属で形成されている、振動発電デバイスを提供する。
【００１２】
本開示においては、上記金属がＳＵＳ３０４である、振動発電デバイスを提供する。
【００１３】
また、本開示は、上述した振動発電デバイスの製造方法であって、上記圧電素子積層体が有する上記圧電素子の上記基板と、上記重錘体とを溶接で接合する接合工程を有する、振動発電デバイスの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本開示によれば、一対の圧電素子の初期撓みのばらつきが小さくなり、個別のデバイスについて、初期撓みを有することによる圧電素子の曲げ剛性の上昇を防ぎ、発電能力の低下を抑制することが可能な振動発電デバイスを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の振動発電デバイスの一例を示す概略斜視図である。
【図２】本開示の振動発電デバイスの一例を示す概略平面図である。
【図３】図１のＺ−Ｚ線断面図である。
【図４】振動発電デバイスの他の構造を示す概略断面図である。
【図５】図３の領域Ｐの拡大平面図である。
【図６】圧電素子における基板上の複数の圧電体の態様を説明する模式図である。
【図７】圧電素子の一例を示す概略平面図である。
【図８】プリント配線板の一例を示す概略平面図である。
【図９】重錘体の一例を示す概略斜視図である。
【図１０】固定部材の配置位置を説明する模式図である。
【図１１】本開示の振動発電デバイスの他の例を示す概略断面図である。
【図１２】参考実施例および参考比較例の振動発電デバイスのシミュレーションモデルの構造を示す概略断面図である。
【図１３】振動発電デバイスのシミュレーションモデルにおける各部材の概略平面図および断面図である。
【図１４】振動発電素子の出力電力のＴad依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書において、ある部材又はある領域等のある構成が、他の部材又は他の領域等の他の構成の「上に（又は下に）」あるとする場合、特段の限定がない限り、これは他の構成の直上（又は直下）にある場合のみでなく、他の構成の上方（又は下方）にある場合を含み、すなわち、他の構成の上方（又は下方）において間に別の構成要素が含まれている場合も含む。
【００１７】
以下、本開示の実施の態様を、図面等を参照しながら説明する。但し、本開示は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の態様の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚み、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。また、説明の便宜上、上方又は下方という語句を用いて説明する場合があるが、上下方向が逆転してもよい。
【００１８】
Ｉ．振動発電デバイス
まず、本開示の振動発電デバイスについて説明する。本開示の圧電素子積層体は、２つに態様に大別される。
【００１９】
Ａ．第１態様
本開示の振動発電デバイスの第１態様（以下、この項において本態様の振動発電デバイスとする場合がある。）は、一対の圧電素子積層体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された重錘体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材と、を有する振動発電デバイスであって、上記圧電素子積層体は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、上記圧電素子の上記重錘体側と反対側の面上に配置された、開口部を有するプリント配線板とを有し、上記圧電素子は、上記基板と上記開口部とが平面視上重なる領域である第１領域に上記圧電体を有し、それぞれの上記圧電素子積層体は、上記基板の上記第１領域で上記重錘体に固定されている。
【００２０】
本態様の振動発電デバイスについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本態様の振動発電デバイスの一例を示す概略斜視図であり、図２は図１の概略平面図である。図３は図１のＺ−Ｚ線断面図である。本態様の振動発電デバイス振動発電デバイス５０は、一対の圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂと、一対の圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂ間に配置された重錘体５１と、一対の圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂ間に配置された固定部材５２と、を有する。圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂはそれぞれ、基板１および基板１上に配置された複数の圧電体１２を有する圧電素子１Ａ、１Ｂと、圧電素子１Ａ、１Ｂの重錘体５１側と反対側の面上に配置された、開口部２１を有するプリント配線板２Ａ、２Ｂとを有する。圧電素子１Ａ、１Ｂは、基板１１とプリント配線板２の開口部２１とが平面視上重なる領域である第１領域Ａに圧電体１２を有する。なお、開口部２１の外周２１ａから外側に位置し、基板１１とプリント配線板２Ａ、２Ｂとが平面視上重なる領域が第２領域Ｂである。それぞれの圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂは、圧電素子１Ａ、１Ｂの基板１１の第１領域Ａで重錘体５１に固定されている。また、図１〜３で示す例では、それぞれの圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂは、プリント配線板２Ａ、２Ｂの圧電素子１Ａ、１Ｂ側の面において、固定部材５２と連結して固定されている。
【００２１】
本発明者らは、開口部を有するプリント配線板上に、上記開口部と平面視上重なるように圧電素子を実装した圧電素子積層体を用い、２つの圧電素子積層体の圧電素子間を重錘体で連結し、さらに２つの圧電素子積層体間を固定部材で固定した構造を有する新たな振動発電デバイスを開発している。圧電素子は、外力による屈曲振動により生じる撓みの変化量が大きいほど、電流を多く発生することができるため、上記構造によれば、固定部材により２つの圧電素子積層体間が固定されることで、圧電素子の無駄な振動を制御しつつ、外力を受けて屈曲振動することで発生する振動エネルギー量の増加を図ることが可能である。しかし、このような構造であっても、所望の発電能力が得られない場合があることを見出した。
【００２２】
上記課題に対し、本発明者等が鋭意検討を行った結果、振動発電デバイスの構造における圧電素子積層体の配置順によって、圧電素子の初期撓みが大きくなり、圧電素子の曲げ剛性が高まることで、等しい大きさの外力の作用に対して初期撓みがない場合に比べて圧電素子の撓みの変化量が小さくなることを知得した。そして、圧電素子の撓みの変化量が小さくなると、圧電素子の圧電層に加わる応力の変化量が減り、つまりは発生電荷量が小さくなるため、結果として、振動発電デバイスの発電能力が低下してしまうことを知得した。本発明者等は、圧電素子の初期撓みが大きくなる要因について更に鋭意検討を行った結果、一対の圧電素子間に位置する、プリント配線板や固定部材等の他の部材が有する寸法公差の影響によることを特定した。
【００２３】
本態様の振動発電デバイスによれば、一対の圧電素子積層体の圧電素子間の他の部材数を減らし、一対の圧電素子間の寸法公差を小さくした構造とすることで、圧電素子の初期撓みを小さくすることができ、初期撓みによる曲げ剛性の上昇を抑制することができる。具体的には、圧電素子の基板が有する梁部の非線形現象であるばねの硬化が抑制されるため、圧電素子の曲げ剛性の上昇を防ぐことができる。そして、実際の圧電素子の曲げ剛性を設計値に近づけることで、外力の作用により所望の重錘体の振動を発生することができる。よって、本態様の振動発電デバイスは、発電能力の低下を抑制することができる。
【００２４】
本態様の振動発電デバイスは、外力が作用すると、その反作用により重錘体の軸方向に加わる力は、外力が作用する方向に対して凸状となるように圧電素子積層体における圧電素子の基板を屈曲させる。圧電素子の基板は、薄い板状であり重錘体が外力によって振動できる程度に曲げ剛性が低いことから、圧電素子は収縮変位し、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という、機械力学的な通常のばね−質量系の振動が起こる。このような変位の繰り返しにより、圧電素子は屈曲振動し、交流の電流を発生することができる。
【００２５】
本態様の振動発電デバイスの構造による効果について、さらに詳しく説明する。一対の圧電素子積層体、重錘体、および固定部材を有する振動発電デバイスの構造としては、例えば図４で示すように、一対の圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂのプリント配線板２Ａ、２Ｂが、それぞれ圧電素子１Ａ、１Ｂの重錘体５１側の面に配置される構造も想定される。図４に例示する構造の場合、一対の圧電素子１Ａ、１Ｂ間には、プリント配線板２Ａ、２Ｂおよび固定部材５２の２種類、計３部材を有することになる。そして固定部材５２の寸法公差をδｌＡ、プリント配線板２Ａ、２Ｂの寸法公差をそれぞれδｌＢ１、δｌＢ２とすると、一対の圧電素子１Ａ、１Ｂ間では下記式（１）で示す寸法公差δが生じることとなる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
ここで、固定部材の寸法およびプリント配線板の寸法とは、重錘体が１次の振動モードで振動する方向である軸方向の長さをいい、図１であればＸ３の方向の長さをいう。具体的には、固定部材の寸法であれば、重錘体の軸方向の、プリント配線板２Ａ、２Ｂの間に挿入される部品の厚みをいう。また、プリント配線板の寸法であれば、固定部材と接触する箇所に位置するレジストおよび配線を含めた絶縁性基板の厚みをいう。
【００２８】
また、各部材の寸法公差は、具体的には加工時に発生する寸法の統計的な誤差のことであり、実測値としては、加工された部品の寸法を測定し、それらから標準偏差を計算することで算出できる。例えばＪＩＳ Ｂ０４０５：１９９１で規定される普通公差で、δｌＡは部品の厚み６ｍｍ超、３０ｍｍ以下の場合に、精級（ｆ）で±０．１ｍｍ、δｌＢ１はδｌＢ２に等しく、標準的な製造仕様で±０．２ｍｍ程度であり、この場合、δは±０．３ｍｍとなる。なお、圧電素子は、例えば半田バンプを介してプリント配線板に固定されるが、上記半田バンプの高さの公差は通常±０．０１ｍｍ程度であり、部材の寸法公差に比べて十分に小さいので無視することができる。
【００２９】
一対の圧電素子間に位置する各部材の寸法公差が大きいほど、一対の圧電素子間の全体の寸法公差が大きくなり、その結果、各圧電素子の初期撓みのばらつきが大きくなる。中でも、プリント配線板は一般に寸法公差の許容範囲が大きいことから、一対の圧電素子間にプリント配線板が位置する構造においては、式（１）から算出される寸法公差はさらに大きくなり、圧電素子の初期撓みのばらつきもさらに大きくなることが想定される。
【００３０】
これに対し、本態様の振動発電デバイスは、図３で示したように、一対の圧電素子積層体１０Ａ、１０Ｂのプリント配線板２Ａ、２Ｂが、それぞれ圧電素子１Ａ、１Ｂの重錘体２側とは反対側の面上に配置された構造を有する。このため、一対の圧電素子１Ａ、１Ｂ間には、固定部材５２の１種類、計１部材を有することとなる。そして固定部材５１の寸法公差をδｌＡとすると、一対の圧電素子１Ａ、１Ｂ間では下記式（２）で示す寸法公差δが生じることとなり、式（１）よりも一対の圧電素子間の寸法公差δを決める因子数を低減することができる。
【００３１】
【数２】
2019110706.tif 000004
【００３２】
例えばＪＩＳ Ｂ０４０５：１９９１で規定される普通公差で、δはδｌＡに等しくなり、部品の厚み６ｍｍ超、３０ｍｍ以下の場合に、精級（ｆ）で±０．１ｍｍとなる。これは上述した式（１）において、プリント配線板の絶縁性基板の厚みを含む場合のδである±０．３ｍｍよりも有意に小さい。
【００３３】
このように、本態様の振動発電デバイスは、一対の圧電素子間に生じる寸法公差は、固定部材の寸法公差を考慮すれば足りるため、一対の圧電素子間の寸法公差を小さくすることができ、寸法公差の影響を受けて生じる圧電素子の初期撓みも小さくすることができる。よって、本態様の振動発電デバイスは、発電能力の低下を抑制することが可能となるのである。
【００３４】
以下、本態様の振動発電デバイスにおける各構成について説明する。
【００３５】
１．圧電素子積層体
本態様の振動発電デバイスにおける圧電素子積層体は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、上記圧電素子の上記重錘体側と反対側の面上に配置された、開口部を有するプリント配線板とを有し、上記圧電素子は、上記基板と上記開口部とが平面視上重なる領域である第１領域に上記圧電体を有する。本態様の振動発電デバイスにおいては、２つの圧電素子積層体が重錘体を介して対となるように配置される。
【００３６】
上記圧電素子積層体において、プリント配線板の開口部側を「内側」、プリント配線板の外周側を「外側」とする。上記開口部の外周とは、開口部の輪郭をなす外縁をいい、開口部の平面視形状とは、平面視において外周で囲まれた形状（外周形状）をいう。また、プリント配線板の外周とは、開口部を除くプリント配線板の輪郭をなす外縁をいう。
【００３７】
本態様における圧電素子積層体は、圧電素子の上記基板とプリント配線板の上記開口部とが平面視上重なる領域である第１領域を有する。第1領域とは、図１〜３において符号Ａで示す領域であり、上記第１領域の大きさは、プリント配線板の開口部の大きさに応じたものとなる。
【００３８】
また、本態様における圧電素子積層体は、上記開口部の外周から外側に相当する位置で、且つ、上記基板と上記プリント配線板とが平面視上重なって積層されている領域である第２領域を有する。第２領域とは、図１〜３において符号Ｂで示す領域である。第２領域の幅（図５におけるＷ２で示す長さ）は、開口部の外周からプリント配線板の外周までの幅（図５におけるＷ１で示す長さ）よりも小さいことが好ましい。第２領域の外側に固定部材を配置することができるからである。なお、図５は図３の領域Ｐの拡大平面図である。第２領域の幅とは、上記第２領域の外周と内周との間の距離、具体的には、開口部の外周と圧電素子の基板の外周との間の直線距離をいう。
【００３９】
（１）圧電素子
本態様における圧電素子積層体の圧電素子は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する。上記圧電素子は、上記第１領域に上記圧電体を有する。
【００４０】
（ａ）圧電体
圧電体は、圧電層および上記圧電層上に配置された集電層を有する。上記圧電素子は、上記集電層においてプリント配線板と電気的な接続を取ることができる。ここで基板上に複数の圧電体を有するとは、図６(ａ)で示すように、基板１１上に単一の圧電層２２が配置され、単一の圧電層２２上に集電層２３が個片状に配置されることで、個片状の集電層２３およびそれと平面視上重なる圧電層２２の領域から成る圧電体１２を基板１１上に複数有していてもよく、図６（ｂ）で示すように、圧電層２２および圧電層２２上の集電層２３を有する個片状の圧電体１２を基板１１上に複数有していてもよい。中でも図６（ａ）で示す構造は、圧電層が例えば窒化アルミニウムで形成される場合に、電極からの配線を絶縁体でもある圧電体上で引き回すことが可能となる点で好ましい。なお、図６（ａ）、（ｂ）は、圧電素子における基板上の複数の圧電体の態様を説明する模式図であり、右側が平面図、左側が断面図である。
【００４１】
圧電層の材料としては、従来公知の圧電体や強誘電体に用いられる材料から選択することができる。このような材料としては、非鉛系強誘電体材料を好ましく用いることができる。上記非鉛系強誘電体としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）；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）等の異元素含有窒化アルミニウム；酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ含有チタン酸ジルコン酸鉛（Ｎｂ−ＰＺＴ）等の異元素含有チタン酸ジルコン酸鉛；ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）等が挙げられる。中でも、鉛を含まないという環境への優しさ、圧電定数の２乗を誘電率で除した値で決まる性能指標の高さ、生産技術が確立されているという点から、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または異元素含有窒化アルミニウムであることが好ましく、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がより好ましい。
【００４２】
上記圧電層に含まれる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または異元素含有窒化アルミニウムの割合は、大きいほど好ましく、例えば４２質量％以上とすることができ、中でも９９質量％以上とすることが好ましく、特に９９．５質量％以上とすることが好ましい。圧電性の低下を招く他の物質を含まないことにより、上記圧電層を高密度な層とすることができるからである。
【００４３】
圧電層の厚みは、特に限定されないが、例えば１μｍ以上とすることができ、中でも２μｍ以上が好ましい。また、上記圧電層の厚みは、例えば２０μｍ以下とすることができ、中でも１０μｍ以下が好ましい。
【００４４】
集電層は、上記圧電層の表面に現れた電荷を収集する。上記集電層の構成材料としては、一般的な圧電素子における電極に用いられる材料を適用することができ、例えば、銅、銀、金、白金、モリブデン、タングステン、ニッケル、チタン、亜鉛、アルミニウム等の金属、銀にシリカを主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、銀−鉛合金、銀−パラジウム合金、銀−白金合金等、金−鉛合金、金−パラジウム合金、金−白金合金等の合金等が挙げられる。集電層を構成する材料は１種類であってもよく、２種類以上であってもよい。上記集電層の厚みは、一般的な圧電素子における電極の厚みと同様とすることができ、例えば０．０５μｍ以上５μｍ以下の範囲内とすることができる。
【００４５】
複数の圧電体は、第１領域において上記基板の少なくとも一方の面上に配置される。上記圧電体は、プリント配線板側の面上に有していてもよく、プリント配線板側と反対側の面上に有していてもよく、両面上に有していてもよい。中でも、上記第１領域において、上記基板の両方の面上に上記複数の圧電体を有することが好ましい。振動による発電を効率的に行うことができるからである。このとき、基板の一方の面上に配置される圧電体と他方の面上に配置される圧電体とが平面視上重なることが好ましい。圧電体層の残留応力による基材の反りの影響を低減できるからである。
【００４６】
圧電素子における圧電体の数は、所望の発電能力を得ることが可能であれば特に限定されない。
【００４７】
（ｂ）基板
基板は、圧電体を支持する薄板状の部材であり、振動板と称することができる。上記基板は、外力の作用により開口部の外周と平面視上重なる位置を起点として振動する。また、上記基板は、後述する重錘体との固定位置となる領域（図２中の領域Ｒ）を有する。
【００４８】
基板は、圧電素子が外力の作用する方向に屈曲可能となるための物性が求められる。このため、上記基板は、高靭性と弾性を備え、曲げ剛性が低いことが好ましい。このような基板としては、例えば、樹脂基板、金属基板が挙げられる。樹脂基板の樹脂としては、シリコン樹脂、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート等が挙げられる。金属基板の金属としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等が挙げられる。中でも上記基板は、金属基板が好ましく、より好ましくはＳＵＳ基板である。ＳＵＳ基板は高い靭性を有し、値段が比較的に安く、工業的に入手しやすいからである。ステンレス鋼としては、例えばＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４等が挙げられる。中でもＳＵＳ３０４が好ましい。その理由については、後述する「２．重錘体」の項で詳細に説明するため、ここでの説明は省略する。
【００４９】
基板の平面視形状は、圧電素子の平面視形状に相当する。上記基板は、外力の作用により屈曲振動可能な平面視形状を有することができる。上記第１領域における上記基板の平面視形状は、特に限定されないが、４つの梁部を有する十字形状であることが好ましい。上記第１領域における上記基板の平面視形状を十字形状とすることで、基板が外力の作用により屈曲振動が生じやすく、より大きな振動エネルギーを得ることができ、高い出力および高い衝撃信頼性を有することができるからである。
【００５０】
図７（ａ）〜（ｃ）は、圧電素子の一例を示す概略平面図であり、第１領域Ａにおける基板１１の平面視形状が、４つの梁部１１aを有する十字形状である。第１領域Ａにおいて、基板１１の梁部１１ａ以外の部分は、貫通孔（図７（ａ）〜（ｃ）における符号１１ｂ）となる。
【００５１】
基板の梁部は、絶縁性基板における開口部の外周と交差するが、中でも、上記開口部の平面視形状が、四隅が面取りされた面取り部を有する正方形であることが好ましい。このとき、上記面取り部は、上記梁部の幅以上の面取り幅を有し、上記４つ梁部がそれぞれ上記面取り部と直交することが好ましい。上記基板が、圧電素子に対して衝撃力が印加される方向と交差する方向に梁部が延在する構造となるため、プリント配線板に固定される梁部の端部に生じる応力集中を分散させることができ、より高い出力性および高い衝撃信頼性を有することができるからである。図７（ｂ）では、基板１１の４つ梁部１１ａがそれぞれ、絶縁性基板における正方形の開口部２１ａの面取り部２１ｂと直交している。
【００５２】
上記４つ梁部がそれぞれ上記面取り部と直交するとは、梁部と面取り部とが交わる平面角度（以下、交差角度とする。）が９０°である場合のほか、上述した効果を奏しうる範囲であれば、上記交差角度が９０°より大きいまたは小さい場合も含むことができ、具体的には、上記交差角度が９０°±３０°の範囲を許容するものとして定義することができる。
【００５３】
第１領域において上記基板の平面視形状が十字形状である場合、梁部は両方の端部が固定された両持ち梁とすることができる。図７（ａ）〜（ｂ）に例示する基板１１の４つの梁部１１ａはそれぞれ、一方の端部がプリント配線板に固定され、他方の端部が梁交差部１１ｃに固定された両持ち梁である。４つの梁部を有する十字形状の場合、４つの梁部の交差位置にあたる梁交差部１１ｃに振動の作用点を有することができ、梁交差部１１ｃにおいて圧電素子と後述する重錘体とが固定される。
【００５４】
第１領域において上記基板の平面視形状が十字形状である場合、上記梁部の一方の端部がプリント配線板に固定されている態様としては、上記梁部の一方の端部がプリント配線板上に直接積層固定されていてもよく、上記基板が外周枠を有し、上記梁部の端部が上記外周枠に連結固定され、上記外周枠と上記プリント配線板とが、上記開口部の外周より外側で積層固定されていてもよい。なお、図７（ａ）、（ｂ）に例示する基板は、４つの梁部がそれぞれ、一方の端部が外周枠に連結固定されており、図７（ｃ）に例示する基板は、４つの梁部がそれぞれ、一方の端部がプリント配線板に固定される。上記基板の梁部の端部や上記基板の外周枠は、例えば後述する接着層を介してプリント配線板に固定することができる。
【００５５】
基板が外周枠を有する場合、上記外周枠の平面視形状としては、プリント配線板の開口部と平面視上重ならず、上記開口部の外周の外側で積層可能となる形状であれば特に限定されず、例えば、四角形、四角形以外の多角形、円形等、プリント配線板の開口部の平面視形状に応じて適宜設計することができる。上記四角形や多角形は、正四角形や正多角形を含む。また、上記四角形や多角形は、角が面取りされていてもよい。
【００５６】
基板の梁部の幅や有効長さは、特に限定されず、載置する圧電体の大きさや個数、基板や開口部の大きさ、外部から印可される振動に対する重錘体の振動傾向に応じて想定して要求される共振周波数や発電レンジ等に応じて適宜設計することができる。なお、梁部の有効長さとは、両端が固定された梁部において振動可能な領域の長さをいう。基板における複数本の梁部は、それぞれの有効長さが等しいことが好ましく、また、それぞれの幅が等しいことが好ましい。
【００５７】
基板の大きさは、特に限定されず、圧電素子の大きさや、圧電素子積層体を用いる振動発電デバイスの大きさに応じて適宜設計することができる。
【００５８】
基板は、上述した物性を発揮可能な厚みを有することが好ましく、例えば１０μｍ以上とすることができ、中でも２０μｍ以上、特に２５μｍ以上が好ましい。また、上記基板の厚みは、１０００μｍ以下とすることができ、中でも５００μｍ以下、特に１００μｍ以下が好ましい。基板の厚みを上記の範囲内で設定することで、圧電体を支持することができ、外力の作用により振動が可能となるからである。
【００５９】
（ｃ）その他
圧電素子の形成方法としては、特に限定されず、例えば、基板に対し、化学気相成長法（ＣＶＤ）、有機金属分解法（ＭＯＤ）、ゾルゲル法といった化学的堆積法や、スパッタリング、分子線エピタキシー、パルスドレーザーデポジション（ＰＬＤ）といった物理的堆積法により直接に成膜し、所望の形状に加工して圧電体を形成することで得られる。また、上記圧電素子は、予め所望の形状に加工した基板を準備し、上記基板の第１領域に位置する領域に接着剤等を用いて圧電体を接合固定して得ることができる。このとき圧電体は、焼結法など公知の方法を用いて形成することができる。
【００６０】
（２）プリント配線板
本態様における圧電素子積層体のプリント配線板は、上記圧電素子の上記重錘体側と反対側の面上に配置され、開口部を有する。
【００６１】
プリント配線板は、開口部を有する絶縁性基板と、上記絶縁性基板の一方の面上の上記開口部の外周の外側に、複数の配線と、上記配線に連結する接続端子と、上記配線を覆う絶縁層とを有し、上記プリント配線板の上記絶縁層を有する面が上記圧電素子側となるようにして配置される。なお、図１〜４において、プリント配線板２Ａ、２Ｂの絶縁性基板以外の部材については、図示を省略している。
【００６２】
（ａ）絶縁性基板
プリント配線板における上記絶縁性基板は、配線、接続端子、および絶縁層を支持する部材である。上記絶縁性基板は、所望の絶縁性を有すれば特に限定されず、例えば、ガラスエポキシ板等の従来公知のプリント配線板に用いられる絶縁性基板を適用することができる。
【００６３】
絶縁性基板は開口部を有する。上記絶縁性基板の開口部が、すなわちプリント配線板の開口部となる。上記開口部の平面視形状（開口部の外周形状）は、振動発電デバイスを組み立てる際に、重錘体の出し入れが可能な形状であれば特に限定されず、例えば四角形、四角形以外の多角形、円形等の任意の形状とすることができる。上記四角形や多角形は、正四角形や正多角形を含む。上記四角形や多角形は、角が面取りされた面取り部を有していてもよい。角は、平面状に面取りされていてもよく、曲面状に面取りされていてもよい。
【００６４】
図８は、プリント配線板２の一例を示す概略平面図であり、開口部２１の平面視形状（外周２１ａの形状）が、四隅が面取りされた面取り部２１ｂを有する正方形である例を示している。なお、図８において、プリント配線板２の絶縁性基板３１以外の部材については、図示を省略している。図８において正方形の開口部は、四隅の角は、平面状に面取りされている。面取り幅は特に限定されず、適宜設定することができ、例えば梁部の幅以上とすることができる。また、上記面取り幅の上限は特に限定されないが、梁部の長さの２倍以下であることが好ましい。なお、面取り幅とは、角の面取りにより形成された面の面内方向の長さをいい、図８中のＴで示す長さをいう。
【００６５】
中でも、上記開口部の平面視形状が、四隅が面取りされた面取り部を有する正方形であり、面取り部が、圧電素子の基板における梁部の幅以上の面取り幅を有することが好ましい。十字形状の梁部を有する圧電素子の基板の４つ梁部が、それぞれ上記開口部の面取り部と直交して配置されることで、圧電素子に対して衝撃力が印加される方向と交差する方向に梁部が延在する構造となるため、プリント配線板に固定される梁部の端部に生じる応力集中を分散させることができ、より高い出力性および高い衝撃信頼性を有することができるからである。
【００６６】
開口部の大きさは、重錘体の出し入れが可能な大きさとなるように適宜設定することができる。
【００６７】
上記絶縁性基板の平面視外周形状は、特に限定されず、例えば四角形、四角形以外の多角形、円形等の任意の形状とすることができる。上記四角形や多角形は、正四角形（正方形）や正多角形を含む。上記四角形や多角形は、角が面取りされていてもよい。中でも上記絶縁性基板の平面視外周形状は、四角形であることが好ましく、例えば正方形や長方形とすることができる。
【００６８】
絶縁性基板の厚みは、配線、接続端子、絶縁層および隔壁を支持することができれば、特に限定されない。
【００６９】
（ｂ）複数の配線および接続端子
プリント配線板における複数の配線は、複数のプリント配線および複数のダミー配線を含む。上記配線は、上記絶縁性基板の開口部の外周の外側に設けられており、例えば上記第２領域より外側（プリント配線板の外周側）に設けられている。
【００７０】
プリント配線およびダミー配線は、所望の導電性を有すれば特に限定されず、従来公知のプリント配線板に用いられる配線の材料で形成することができる。
【００７１】
配線は、一端に外部への出力電極(出力端子)を有し、他端に圧電素子からの入力電極（入力端子）を有する。これらの接続端子は、所望の導電性を有すれば特に限定されず、従来公知のプリント配線板に用いられる接続端子と同様とすることができる。接続端子は、上記絶縁性基板の開口部の外周の外側に設けられており、配線の両端に有する接続端子のうち少なくとも一端に有する接続端子が、第２領域に位置してもよい。
【００７２】
プリント配線板は、従来公知の形成方法により形成することができる。
【００７３】
（ｃ）絶縁層
絶縁層は、上記プリント配線板の上記圧電素子側の面上の、上記開口部の外周の外側に有する部材であり、配線を保護し、プリント配線板と圧電素子との間でショートが発生することを防止する機能を有する。
【００７４】
絶縁層の材料としては、一般的な配線基板における絶縁層と同様の材料を用いることができ、例えば、絶縁性を示す電離線硬化性樹脂が挙げられる。その中でも、レジストに用いられる感光性樹脂が好ましい。絶縁性を示す感光性樹脂としては、一般的なものを用いることができ、ポジ型感光性樹脂であってもよくネガ型感光性樹脂であってもよい。ポジ型感光性樹脂としては、例えばフェノールエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド、シクロオレフィン等を挙げることができる。また、ネガ型感光性樹脂としては、例えば、感光性ポリイミド樹脂、アクリル系樹脂、感光性フェノール樹脂、感光性エポキシ樹脂、ノボラック樹脂、メラミン樹脂等を挙げることができる。また、上記絶縁層は、上記の樹脂の種類に応じて架橋剤等の任意の組成を含んでいてもよい。
【００７５】
絶縁層の厚みは、上述した絶縁層の機能を発揮可能であれば特に限定されず、一般的なプリント基板における絶縁層の標準的な厚みと同様とすることができる、上記絶縁層の厚みとしては、例えば１０μｍ以上とすることができ、中でも２０μｍ以上が好ましい。また、上記絶縁層の厚みとしては、例えば、１００μｍ以下とすることができ、中でも６０μｍ以下とすることができる。
【００７６】
絶縁層は、配線と平面視上重なる位置に形成される。具体的には、上記絶縁層は、上記第２領域よりも外側の絶縁性基板上に形成することができ、上記絶縁層の一部が上記第２領域内の絶縁性基板上に形成されていてもよい。
【００７７】
絶縁層は、フォトリソグラフィー法、印刷法等の、配線基板上に絶縁層を形成する一般的な方法を用いて形成することができる。
【００７８】
（３）接着層
圧電素子積層体は、上記第２領域における圧電素子とプリント配線板との間の空間（以下、第２領域における空間と称する場合がある。）に接着層が配置されていてもよい。プリント配線板と圧電素子とを強固に接合可能となるからである。振動発電デバイスにおける接着層は、一般に「アンダーフィル」と呼ばれ、上記接着層を形成する接着剤は、一般に「アンダーフィル材」と呼ばれる。
【００７９】
接着層は、硬化性樹脂を含む液状の接着剤が硬化した硬化物である。上記硬化性樹脂としては、圧電素子と基板との接合に使用される一般的な接着剤に含まれる硬化性樹脂が挙げられ、例えば、シリコン樹脂、変性シリコン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂等又はこれらの樹脂の組み合わせ、あるいは、これらの樹脂を１種以上含むハイブリッド樹脂等が挙げられる。中でもシリコン樹脂、エポキシ樹脂が好ましい。
【００８０】
接着層は、第２領域における空間を充填するように設けられる。上記第２領域における空間に後述する電気接続部材を有する場合、接着層により上記電気接続部材が補強され、接続信頼性を高めることができる。
【００８１】
接着層の厚みは、第２領域における空間を充填することができ、上記プリント配線板と上記圧電素子とを強固に接合することができる大きさであればよく、通常、上記プリント配線板の絶縁性基板および上記圧電素子の基板間の間隔と同じ大きさとすることができる。
【００８２】
接着層の形成方法は、例えば部品実装基板において部品および基板間に接着層（アンダーフィル）を設ける方法と同様とすることができる。具体的には、上記プリント配線板上の所望の位置に上記圧電素子を配置し、第２領域における空間にニードル等を用いて液状の接着剤（アンダーフィル材）を注入して充填後、硬化させて形成することができる。
【００８３】
（４）電気接続部材
圧電素子積層体は、上記プリント配線板と上記圧電素子とを電気的に接続する電気接続部材を有することができる。
【００８４】
圧電素子積層体においては、プリント配線板上の１対の電極の入力電極が、圧電素子の圧電体の電位差が生じる両端に、上記電気接続部材を介してそれぞれ接続される。これにより、圧電体で生じた電位差は、プリント配線板において電気エネルギーとしてそれぞれの出力電極にて回収することができる。
【００８５】
プリント配線板と圧電素子との接続方法としては、プリント配線板および圧電素子間の導通を取ることが可能な方式であればよく、ワイヤボンディング方式、フリップチップ方式の何れも採用することができる。
【００８６】
電気接続部材は、接続方式により適宜選択することができ、フリップチップ方式であれば、例えばバンプを用いることができ、ワイヤボンディング方式であれば、例えば導電性ワイヤを用いることができる。プリント配線板および圧電素子間に接着層を有する場合は、上記電気接続部材がバンプであること、すなわち、プリント配線板および圧電素子間がフリップチップ方式で接続されることで、プリント配線板および圧電素子間の接続信頼性を向上させることができる。上記第２領域における空間は、接着層により充填されていることから、振動時の上記バンプへの応力の集中が周囲の接着層により抑制されるからである。
【００８７】
バンプの材料としては、導電性を示す材料であれば特に限定されず、例えば、半田、金属ペースト等、一般的なバンプの材料を用いることができる。上記半田の組成や金属ペーストの組成については、特に限定されず、一般にプリント配線板への部品の実装に用いられる、半田の組成や金属ペーストとの組成と同様とすることができる。
【００８８】
電気接続部材の形成方法は、特に限定されず、一般的な部品実装配線板の製造に用いられる方法を用いて形成することができる。たとえば、異方性導電膜(ＡＣＦ)を用いた実装方法を用いることができる。
【００８９】
（５）その他
それぞれの圧電素子積層体は、圧電素子の上記基板の上記第１領域で上記重錘体に固定される。固定位置は、上記基板の第１領域の形状に応じて適宜設定することができる。
【００９０】
また、それぞれの上記圧電素子積層体は上記固定部材により固定される。上記圧電素子積層体は、上記圧電素子の振動を阻害しない位置において上記固定部材により固定されることが好ましく、第２領域で上記固定部材により固定されていてもよく、上記第２領域より外側の領域で上記固定部材により固定されていてもよい。
【００９１】
上記圧電素子積層体は、上記の部材の他に、整流回路、電圧レギュレータ回路、バッテリー等のエナジーマネジメント回路要素およびその回路自身、キャパシタ等の受動素子、加速度センサや超音波トランスデューサ等の物理量センサ、においセンサ等の化学量センサ、信号処理回路、通信回路を有することができる。
【００９２】
２．重錘体
本態様の振動発電デバイスにおける重錘体は、上記一対の圧電素子積層体間に配置された部材である。上記重錘体は、圧電素子積層体の上記基板の上記第１領域で、一対の圧電素子積層体の圧電素子間を連結し、その質量によって外力を複数の圧電素子へ伝達される力に変換する機能を有する。
【００９３】
重錘体の材料は、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４）、快削真鍮（Ｃ３６０４）、銅、タングステン、タンタル等を用いることができる。
【００９４】
また、重錘体の材料は、圧電素子の基板の材料と同一であってもよく、異なってもよいが、中でも上記重錘体と上記圧電素子の上記基板とが、同じ金属で形成されていることが好ましい。重錘体と圧電素子積層体とが接合しやすく、また、熱膨張係数差がほとんどないため、温度によるひずみが発生しにくいからである。このとき、上記金属は、ステンレス鋼であることが好ましく、ＳＵＳ３０４であることがより好ましい。ＳＵＳ３０４は、強度が高く、重錘体および圧電素子積層体間を強固に接合すること可能となるからである。また、重錘体と圧電素子積層体とを、例えばスポット溶接により接合する場合、ＳＵＳ３０４はレーザーの吸収率が高く、レーザースポットにより小径での溶接が可能となるからである。
【００９５】
重錘体は、一対の圧電素子積層体の圧電素子間を連結可能とする形状であればよく、例えば、円柱形状、角柱形状等とすることができる。また、上記重錘体は、胴体部および上記胴体部の軸方向上下に配置される一対の固定部を有する多段形状であってもよい。図９（ａ）で示す重錘体は、円柱形の胴体部５１ａおよび一対の円柱形固定部５１ｂを有する多段円注形状、図９（ｂ）で示す重錘体は、角柱形の胴体部５１ａおよび一対の角柱形固定部５１ｂを有する多段角柱形状である。なお、図９（ａ）、（ｂ）中の符号Ｑは胴体部の軸を示し、胴体部の軸方向とは、圧電素子へ外力を作用させる方向であり、一対の圧電素子積層体の圧電素子間を連結する方向である。
【００９６】
重錘体の形状およびサイズは、安定して外力を圧電素子へ伝える力に変換可能な形状およびサイズであれば特に限定されない。また、重錘体が胴体部および固定部を有する構造である場合、上記重錘体の位置および固定部の位置は、重錘体の軸延長線上であり、安定して外力を圧電素子へ伝える力に変換可能な位置に設計することができ、その位置は特に限定されない。
【００９７】
重錘体と圧電素子積層体との接合方法は、特に限定されず、例えば、溶接により接合することができる。中でも上記圧電素子積層体の上記基板と上記重錘体とが、スポット溶接により接合されていることが好ましい。安価でかつ高強度な接合が可能となるからである。
【００９８】
３．固定部材
本態様の振動発電デバイスにおける固定部材は、上記一対の圧電素子積層体間に配置された部材である。
【００９９】
固定部材の材料は、寸法公差が小さく耐久性を備えることが可能であれば特に限定されない。このような材料としては、例えば、金属、樹脂等が挙げられる。金属としては、例えばアルミニウム（Ａ５０５２）、ステンレス（ＳＵＳ）等が挙げられる。樹脂としては、例えばポリカーボネート(ＰＣ)、ポリフェニレンエーテル(ＰＰＥ)、ナイロン（Ｎｙ）、そしてそれら同士、あるいはポリプロピレン(ＰＰ)やエラストマーなどとのアロイ、アラミド繊維複合樹脂等が挙げられる。
【０１００】
固定部材の形状や寸法等は、本開示の１実施態様の振動発電デバイスの形状や寸法等に応じて適宜設定することができる。上記固定部材の形状としては、圧電素子に初期撓みが生じにくいように固定可能な形状であることが好ましく、例えば、柱状、板状等が挙げられる。
【０１０１】
固定部材は、一対の圧電素子積層体間であって、圧電素子の振動を阻害しない位置に配置される。上記固定部材は、例えば、図１〜３に示すように第２領域Ｂより外側で、プリント配線板２の圧電素子１側の面と接して固定されていてもよく、図１０で示すように第２領域Ｂ内で圧電素子１の基板１１と接して固定されてもよいが、前者の方が好ましい。また、上記固定部材は、プリント配線板の外周に沿って間隔を空けて柱状に配置されてもよく、間隔を空けず板状（壁状）に配置されてもよいが、中でも板状（壁状）に配置されることが好ましい。プリント配線板と固定部材との接触面積を確保することができ、２つの圧電素子積層体間が十分に固定されることで、圧電素子の無駄な振動を制御することができるからである。
【０１０２】
固定部材は、一対の圧電素子積層体間の重錘体の軸方向、すなわち外力の作用方向に沿って配置されることから、側面固定部材（図１１中の符号５２Ａで示す部材）とすることができる。また、本開示の１実施態様の振動発電デバイスは、上記側面固定部材の他に、一対の圧電素子積層体を重錘体の軸方向上下から挟持する上面固定部材および下面固定部材（図１１中の符号５２Ｂおよび符号５２Ｃで示す部材）を有していてもよい。上面固定部材および下面固定部材は、外部から大きな衝撃が加わった際に、圧電素子の基板の梁部の破壊を防ぐために、錘（もしくは圧電素子）と上面固定部材または下面固定部材とをぶつけることで上記梁部の変位を抑制するストッパーとして機能することができる。また、上面固定部材および下面固定部材は、圧電素子へのゴミの付着等を防ぐ封止（パッケージング）として機能することができる。
【０１０３】
本態様の振動発電デバイスが上面固定部材および下面固定部材を有する場合、上記上面固定部材および上記下面固定部材の少なくとも一方の重錘体側の面には、図１１で示すように、さらにストッパー５３を有していてもよい。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ことができるからである。
【０１０４】
固定部材と圧電素子積層体との固定方法、上記側面固定部材と上面固定部材および下面固定部材との固定方法等は、特に限定されず、例えば、ねじ止め等の締付手段を用いた固定方法、接着剤や粘着剤等による接合手段を用いた固定方法等が挙げられる。
【０１０５】
５．その他の部材
本態様の振動発電デバイスにおいては、一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材（側面固定部材）の重錘体側の面に固定潤滑層（図１１中の符号５４で示す部材）が配置されていてもよい。圧電素子の振動方向を重錘体の軸方向に制限することができるからである。固定潤滑層は、耐摩擦性や耐摩耗性を有することが好ましい。固定潤滑層の材質としては、例えばテフロン（登録商標）に代表されるフッ素樹脂、テフロン含有ニッケルめっき（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）等が挙げられる。
【０１０６】
６．用途
本態様の振動発電デバイスは、上述した構造を有することで、圧電素子の初期撓みのばらつきが抑えられ、個別のデバイスについて発電能力の低下が抑制されるため、高い発電能力をもって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できる。このような振動発電デバイスは、例えば、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（Internet of Things）向けセンサネットワークモジュール等への電力供給源として用いることができる。
【０１０７】
Ｂ．第２態様
本開示の振動発電デバイスの第２態様（以下、この項において本態様の振動発電デバイスとする場合がある。）は、一対の圧電素子積層体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された重錘体と、上記一対の圧電素子積層体間に配置された固定部材と、を有する振動発電デバイスであって、上記圧電素子積層体は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、開口部を有するプリント配線板とを有し、上記圧電素子の上記基板と上記重錘体とが、溶接により接合されている。
【０１０８】
振動発電デバイスは、高い発電能力が要求される。このような要求を満たすためには、圧電素子の振動による振動エネルギーの発生量を大きくし、電気エネルギーへの変換効率を向上させる必要がある。このため、圧電素子と重錘体との接合部分は、振動に耐えうる耐久性が必要となる。
【０１０９】
このような課題に対し、本態様の振動発電デバイスによれば、上記圧電素子の上記基板と上記重錘体とが、溶接により接合されていることで、安価でかつ高強度な接合が可能となるからである。
【０１１０】
以下、本態様の振動発電デバイスの各構成について説明する。
【０１１１】
１．圧電素子積層体
本態様の振動発電デバイスにおける圧電素子積層体は、上記圧電素子積層体は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する圧電素子と、開口部を有するプリント配線板とを有する。
【０１１２】
（１）圧電素子
圧電素子は、基板および上記基板上に配置された複数の圧電体を有する。上記圧電素子は、上記基板と上記開口部とが平面視上重なる領域である第１領域に上記圧電体を有することができる。
【０１１３】
本態様における圧電素子積層体の圧電素子については、上述した振動発電デバイスの第１態様における圧電素子積層体の圧電素子と同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。中でも、圧電素子の上記基材が、上記重錘体と同じ金属で形成されていることが好ましく、上記金属がステンレス鋼であることがより好ましく、上記金属がＳＵＳ３０４であることが特に好ましい。その理由については、上述した振動発電デバイスの第１態様において説明したため、ここでの説明は省略する。
【０１１４】
（２）プリント配線板
プリント配線板は、開口部を有する。上記プリント配線板については、上述した振動発電デバイスの第１態様における圧電素子積層体のプリント配線板と同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。
【０１１５】
プリント配線板は、上記圧電素子の上記重錘体側の面に配置されていてもよく、上記圧電素子の上記重錘体側と反対側の面に配置されていてもよい。
【０１１６】
２．重錘体
本態様の振動発電デバイスにおける重錘体は、上記一対の圧電素子積層体間に配置される。
【０１１７】
重錘体については、上述した振動発電デバイスの第１態様における重錘体と同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。中でも、上記重錘体が、上記圧電素子の上記基材と同じ金属で形成されていることが好ましく、上記金属がステンレス鋼であることがより好ましく、上記金属がＳＵＳ３０４であることが特に好ましい。その理由については、上述した振動発電デバイスの第１態様において説明したため、ここでの説明は省略する。
【０１１８】
３．固定部材
本態様の振動発電デバイスにおける固定部材は、上記一対の圧電素子積層体間に配置される。
【０１１９】
固定部材およびその配置位置については、上述した振動発電デバイスの第１態様における固定部材およびその配置位置と同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。
【０１２０】
４．その他
本態様の振動発電デバイスは、それぞれの上記圧電素子積層体が、上記基板の上記第１領域で上記重錘体に固定されている。また、上記圧電素子の上記基板と上記重錘体とが、溶接により接合されている。
【０１２１】
上記重錘体と上記圧電素子の上記基板とは、同じ金属で形成されていることが好ましく、上記金属がステンレス鋼であることがより好ましく、上記金属がＳＵＳ３０４であることが特に好ましい。同じＳＵＳ３０４とすることで、ＳＵＳ３０４の高レーザー吸収率を利用して、レーザースポットにより小径での溶接が可能となるからである。
【０１２２】
上記圧電素子の上記基板と上記重錘体とが溶接により接合されていることは、例えば、上記基板の重錘体との接合部分の周囲に粗面部分を有すること、上記圧電素子の上記基板と重錘体と接合界面において、上記基板および上記重錘体を形成する金属以外の金属を含まないこと、等から確認することができる。上記基板の粗面部分とは、基板と重錘体との接合部分の周囲に形成され、上記基板の他の表面よりも表面粗さが粗い部分をいい、具体的には、表面粗さＲａが、Ｒａ＞０．１μｍを示す部分をいう。表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に準拠して測定される値とする。
【０１２３】
５．用途
本態様の振動発電デバイスは、例えば、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（Internet of Things）向けセンサネットワークモジュール等への電力供給源として用いることができる。
【０１２４】
ＩＩ．振動発電デバイスの製造方法
本開示の振動発電デバイスの製造方法は、上記「Ｉ．振動発電デバイス」の項で説明した振動発電デバイスの製造方法であって、上記圧電素子積層体が有する上記圧電素子の上記基板と、上記重錘体とを溶接で接合する接合工程を有する製造方法である。
【０１２５】
本開示の振動発電デバイスの製造方法によれば、一対の圧電素子積層体と重錘体とを安価でかつ高強度に接合することができる。
【０１２６】
Ａ．接合工程
本開示の振動発電デバイスの製造方法における接合工程は、上記圧電素子積層体が有する上記圧電素子の上記基板と、上記重錘体とを溶接で接合する接合工程である。
【０１２７】
本工程により、一対の圧電素子積層体は、それぞれ圧電素子の上記基板の上記第１領域において上記重錘体に固定することができる。
【０１２８】
上記溶接の方法は、圧電素子の上記基板と重錘体とを強固に接合できる方法であれば特に限定されないが、中でもレーザー光を用いる方法が好ましい。また、上記圧電素子の上記基板と上記重錘体との接合部分において、溶接により形成される溶接部は、１点以上であればよく、通常は、複数の点状もしくは線状または面状に形成される。溶接部の間隔は適宜設定することができる。
【０１２９】
本工程は、上記圧電素子積層体は、圧電素子よりもプリント配線板が重錘体側となるようにして配置して行ってもよく、プリント配線板よりも圧電素子が重錘体側となるようにして配置して行ってもよい。上記圧電素子積層体は、プリント配線板よりも圧電素子が重錘体側となるようにして配置して行うことで、上記「Ｉ．振動発電デバイス」の項で説明した振動発電デバイスの第１態様を製造することができる。
【０１３０】
Ｂ．その他の工程
本開示の振動発電デバイスの製造方法は、上述した接合工程以外に、圧電素子積層体形成工程、固定部材配置工程等の他の工程を有することができる。これらの他の工程については、公知の振動発電デバイスの製造方法と同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。
【実施例】
【０１３１】
［参考実施例および参考比較例］
本開示の振動発電デバイスによる効果を、有限要素解析により評価した。有限要素解析ソフトウェアとしては、ＡＮＳＹＳ１６．０（ＡＮＳＹＳ社）を用いた。物性データベースは、ソフトウェアに標準で付属するものを使用したが、補足的に理科年表（丸善、２０１５）やZ. Cao, J. Zhang and H. Kuwano, Sens. Actuators A 179 (2012), pp. 178-184を参照した。
【０１３２】
図１２（ａ）、（ｂ）に例示する構造の振動発電デバイスのシミュレーションモデルを作成した。図１２（ａ）に例示する構造の振動発電デバイスを参考実施例、図１２（ｂ）に例示する構造の振動発電デバイスを参考比較例とした。図１３（ａ）は、シミュレーションモデルにおける圧電素子積層体の概略平面図、図１３（ｂ）は、シミュレーションモデルにおける圧電素子および重錘体の概略断面図、図１３（ｃ）は、シミュレーションモデルにおける重錘体の概略平面図をそれぞれ示す。また、図１４は、振動発電素子の出力電力のＴad依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図１２〜１４中の符号については、既に説明したものと同じである。また、図１２（ａ）、（ｂ）、図１３（ｂ）において、圧電素子の具体的な構成の図示は省略した。
【０１３３】
図１３（ａ）に例示するように、シミュレーションモデルにおいて、圧電素子積層体１０の圧電素子１は、４本の梁部を有し平面視形状が十字形状であるステンレス鋼の基板１１の両面に、圧電層２２として、基板１１の表面全域を覆う単一の窒化アルミニウム薄膜が形成されたものとした。梁部１１ａの厚みＴbeamは０．０５ｍｍとし、圧電層の厚みＴpiezo.は０．００４ｍｍとした。
【０１３４】
梁部１１ａは、図１３（ａ）、（ｂ）に例示するように、一方の端部を、理想的にプリント配線板２の絶縁性基板の開口部２１の外周２１ａと接合された固定端とし、他方の端部を、重錘体５１との接続部である梁交差部１１ｃに同じく理想的な接合された固定端とした。また、梁部１１ａの２つの固定端間の長さ（梁部１１ａの有効長さ）Ｌbeamを４ｍｍと設定した。
【０１３５】
圧電層２２上に集電層（以下、電極層とする。）を形成して圧電体１２とし、電極層の梁長さ方向の寸法を圧電体長さ（Ｌpiezo.）として、Ｌpiezo.＝１．８ｍｍと設定した。また、梁部１１ａの幅を基板梁幅（Ｗbeam）とし、圧電体１２における電極層の幅を圧電体幅（Ｗpiezo.）として、Ｗbeam＝Ｗpiezo＝７ｍｍ、且つ、ＷbeamおよびＷpiezoは、図１３（ｂ）、（ｃ）に示す重錘体５１の固定部５１ｂの幅（直径）Ｄ1と等しくした。
【０１３６】
図１３（ｂ）で示すように、重錘体５１は、固定部５１ｂの長さｄ1を２ｍｍとし、胴体部５１ａの長さｄ2を７ｍｍとした。それらの値から規定される圧電素子１Ａ、１Ｂ間狙い長さｄは、ｄ1とｄ2との和に等しく９ｍｍとした。また、図１３（ｃ）で示すように、平面方向の寸法で、重錘体５１の固定部５１ｂの幅Ｄ1を７ｍｍとし、胴体部５１ａの外周直径Ｄ2を１３．３ｍｍとした。重錘体５１の材料はタングステンとし、重量を２２．５ｇとした。
【０１３７】
表１、表２に各寸法を示す。
【０１３８】
【表１】
2019110706.tif 000005
【０１３９】
【表２】
2019110706.tif 000006
【０１４０】
本モデルにおいて、圧電素子間狙い長さｄと、一対の圧電素子間に配置される固定部材や絶縁性基板等の部品の寸法誤差によって生じる圧電素子間実現長さｄ*との差をＴadとしたとき、振動発電素子の出力電力のＴad依存性は、図１４のように計算される。このときメッシュにはパラボリック要素を用い、メッシュサイズは、図１ならびに図１２（ａ）、（ｂ）、図１３（ａ）で示す座標表示を基準に、Ｘ１方向＝０．０１ｍｍ、Ｘ２方向＝０．０１ｍｍ、Ｘ３方向＝０．００２ｍｍとした。ソルバーは圧電要素の計算が可能な電気機械連成解析ソルバーを用いた。基準周波数について、誤差がないときの値で規格化された出力電力Ｐは、Ｔadが０ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍのとき、Ｐがそれぞれ１．００、０．７９、０．２９となり、寸法のずれが増えるほど出力電力が低下することが示された。
【０１４１】
参考実施例の構造では、寸法公差は±０．１ｍｍであり、参考比較例の構造では、寸法公差は±０．３ｍｍであった。図１４の結果から、設計値に対して約８０％の発電能力が得られる振動発電デバイスを良品とするときに許容される寸法公差は０．０５ｍｍであり、寸法公差が正規分布に従うとすれば、参考実施例の構造を有する振動発電デバイスの良品率は３８％、参考比較例の構造を有する振動発電デバイスの良品率は１３％となる。以上の結果より、参考実施例の振動発電デバイスの構造では、参考比較例の振動発電デバイスの構造よりも３倍近く良品率が改善することになり、本開示の振動発電デバイスの構造による効果は大きいことが示唆された。
【符号の説明】
【０１４２】
１、１Ａ、１Ｂ  …  圧電素子
２、２Ａ、２Ｂ  …  プリント配線板
１０、１０Ａ、１０Ｂ  …  圧電素子積層体
１１  …  基板
１２  …  圧電体
２１  …  開口部
２１ａ  …  外周
５０  …  振動発電デバイス
５１  …  重錘体
５２、５２Ａ  …  固定部材（側面固定部材）
Ａ  …  第１領域
Ｂ  …  第２領域
【図１】
2019110706.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
2019110706.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
2019110706.tif 000013
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019110706.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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