(57)【要約】【課題】圧電素子と衝突部材を備えた発電モジュールの封止において、衝突部材が衝突して圧電素子を破壊する不良の発生を抑制し、歩留まりを向上させる発電モジュール製造装置及び発電モジュール製造方法を提供することを課題とするものである。【解決手段】衝突部材２２が自由動により圧電素子２１に衝突して発電する発電モジュール２の製造で、衝突部材２２と圧電素子２１とを収納した容器２３に封止を施すための装置であって、封止時の衝突部材２２の圧電素子２１への衝突を抑制する抑制手段が備えられている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝突部材が自由動により圧電素子に衝突して発電する発電モジュールの製造で、衝突部材と圧電素子とを収納した容器に封止を施すための装置であって、封止時の衝突部材の圧電素子への衝突を抑制する抑制手段が備えられる発電モジュール製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の発電モジュール製造装置において、衝突部材は磁性材料を素材とし、抑制手段は磁力による吸引で衝突部材の動作を抑制することを特徴とする発電モジュール製造装置。
【請求項３】
請求項２記載の発電モジュール製造装置において、封止時に容器を支持する支持部材と、この支持部材に抑制手段として配置される磁石が備えられ、衝突部材は容器を介して働く磁石との吸引力で圧電素子から離間した位置に保持されることを特徴とする発電モジュール製造装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の発電モジュール製造装置において、容器に施される封止は、超音波接合により実施されることを特徴とする発電モジュール製造装置。
【請求項５】
請求項４記載の発電モジュール製造装置において、容器は、熱可塑性樹脂を素材として少なくとも２つの部材で構成され、これらの部材に超音波接合が施されて容器が形成されることを特徴とする発電モジュール製造装置。
【請求項６】
磁性材料を素材とする衝突部材が圧電素子に衝突して発電する発電モジュールの製造において、少なくとも２つの部材から構成される容器の内部に衝突部材と圧電素子とを配置し、容器を構成する部材を超音波接合する際に衝突部材の圧電素子への衝突を磁力による抑制手段で抑制して接合する発電モジュール製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子と衝突部材を収納した発電モジュールの製造に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子を利用した発電構造として、本発明者は特開２００１−１４５３７５号公報において、分極を逆向きにして接合した層状の圧電素子に衝突部材を衝突させて発電させる「圧電発電装置」について開示している。この圧電発電装置は、圧電素子の構成によりきわめて発電効率が優れているという特長を有している。そのため、衝突部材を人的に作用させて圧電素子に衝突させるだけでなく、衝突部材を自由動させて圧電素子を殴打するよう構成し、風や波等の自然の作用も利用して発電させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような圧電発電装置を様々な環境で使用するためには、その用途に応じて水や汚染物、また外部からの衝撃等から圧電素子や衝突部材を保護する必要があり、これらの部材を容器等に収納することが求められる。また、圧電素子や衝突部材等をあらかじめ容器に収納しておくと、圧電発電装置をユニットとして様々な部位に取り付け、容易に発電装置を構成することができるというメリットも生じる。そのため圧電発電装置の実用化において、発電素子と衝突部材を容器に収納する技術が必要となった。上述したように圧電素子等の保護を考慮すると容器にはある程度の密封性が求められる。従って、容器をあらかじめ２部材以上で構成し、これら容器の部材に圧電素子や衝突部材等を配置した後に組み立てて封止するという工程が、製造工程に必要となった。一般的に封止の工程には、接着剤を用いた封止が多用されるが、接着剤は塗布作業に手間を要するだけでなく、その種類によっては加熱や硬化時間が必要で、量産化においては製造コストが嵩むという課題を有していた。
【０００４】
この課題を解決するために、封止の工程に超音波接合の導入が検討された。超音波接合は、超音波による加振を利用して局所的に溶着を引き起こして接合するため、接着剤のように全体を加熱する必要もなく、また短時間で接合できるので、製造工程での負担を軽減できるという大きなメリットがある。しかしながら、本発明者の提案する圧電発電装置は、上述したように衝突部材が自由動して圧電素子に衝突するよう構成されているため、接合時に超音波による加振が衝突部材に伝わり、衝突部材が急激に振動して圧電素子に衝突し、圧電素子を破壊するという現象が発生しやすい。圧電素子は衝突部材の衝突により発電するよう構成されているため、ある程度の衝撃では破壊されない強度を有しているが、超音波による衝突部材の衝突は、１００Ｗ〜５００Ｗ程度の大きな衝撃を加えるため、衝突部材と圧電素子の間の振動エネルギーが、通常使用の１０００〜１００００倍にもなることがあった。そのため、封止の工程で圧電素子の破壊が引き起こされて歩留まりが低下し、結果的に製造コストが嵩むという新たな課題を生じ、圧電素子を破壊することなく封止できる製造方法と、この封止の工程を簡易に実施できる製造装置の開発が要望された。
【０００５】
このような課題を考慮して、本発明は、圧電素子と衝突部材を備えた発電モジュールの封止において、衝突部材が衝突して圧電素子を破壊する不良の発生を抑制し、歩留まりを向上させる発電モジュール製造装置及び発電モジュール製造方法を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の発電モジュール製造装置では、次のような手段を採用する。
【０００７】
すなわち、請求項１では、衝突部材が自由動により圧電素子に衝突して発電する発電モジュールの製造で、衝突部材と圧電素子とを収納した容器に封止を施すための装置であって、封止時の衝突部材の圧電素子への衝突を抑制する抑制手段が備えられる。
【０００８】
この手段では、衝突部材は自由動により圧電素子に衝突して発電するよう構成されているため封止の工程でも圧電素子に衝突する可能性があるが、衝突部材の動きが抑制されているので、接合時に誤って衝突部材が圧電素子に衝突し、圧電素子を破壊する現象が防止される。なお、ここで言う封止は、容器を一体化するために施す封止だけでなく、容器に他の部材を付着させるために施す封止も含まれる。
【０００９】
また、請求項２では、請求項１記載の発電モジュール製造装置において、衝突部材は磁性材料を素材とし、抑制手段は磁力による吸引で衝突部材の動作を抑制することを特徴とする。
【００１０】
この手段では、衝突部材は、抑制手段との間で作用する磁力の吸引によって、その動作が抑制される。
【００１１】
また、請求項３では、請求項２記載の発電モジュール製造装置において、封止時に容器を支持する支持部材と、この支持部材に抑制手段として配置される磁石が備えられ、衝突部材は容器を介して働く磁石との吸引力で圧電素子から離間した位置に保持されることを特徴とする。
【００１２】
この手段では、抑制手段である磁石が、接合時に容器を支持する支持部材に埋設されているため、容器の内部に衝突部材と圧電素子とを収納した状態で、支持部材に取り付けるだけで、衝突部材が吸引されて圧電素子との接触が抑制される。また、支持部材から容器を外せば、抑制は解除される。
【００１３】
また、請求項４では、請求項１から３のいずれかに記載の発電モジュール製造装置において、容器に施される封止は、超音波接合により実施されることを特徴とする。
【００１４】
この手段では、超音波接合による接合で、容器の形成や、封止、また容器と他の部材との接続等が施される。超音波接合することで、全体を加熱する必要もなく短時間での接合が可能となる。
【００１５】
また、請求項５では、請求項４記載の発電モジュール製造装置において、容器は、熱可塑性樹脂を素材として少なくとも２つの部材で構成され、これらの部材に超音波接合が施されて容器が形成されることを特徴とする。
【００１６】
この手段では、熱可塑性樹脂を素材とする容器を超音波接合することで、容器自体が溶着するため、接合のために他の材料を用いる必要がない。
【００１７】
また、上記課題を解決するために本発明の発電モジュール製造方法では、次のような手段を採用する。
【００１８】
すなわち、請求項６では、磁性材料を素材とする衝突部材が圧電素子に衝突して発電する発電モジュールの製造において、少なくとも２つの部材から構成される容器の内部に衝突部材と圧電素子とを配置し、容器を構成する部材を超音波接合する際に衝突部材の圧電素子への衝突を磁力による抑制手段で抑制して接合する。
【００１９】
この手段では、容器を構成する部材を超音波接合で接合する際に、容器の内部に配置されている衝突部材が磁力でその動きを抑制されている。そのため、超音波が伝達しても動作しないので、圧電素子に衝突して破壊することが防止される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は実施の形態（１）の発電モジュール製造装置の構成図、図２は実施の形態（１）の発電モジュール製造装置の説明図、図３は実施の形態（１）の発電モジュール製造装置の接合時の断面図である。
【００２１】
実施の形態（１）の発電モジュール製造装置１は、衝突部材２２が自由動により圧電素子２１に衝突して発電する発電モジュール２の製造で、衝突部材２２と圧電素子２１とを収納した容器２３に封止を施すための装置であって、封止時の衝突部材２２の圧電素子２１への衝突を抑制する抑制手段が備えられている。
【００２２】
封止には、接合や接着、溶接、圧接等の様々な種類が実施可能であるが、ここでは特に衝突部材２２が圧電素子２１を破壊する可能性が高い超音波接合の場合について説明するため、発電モジュール製造装置１は、超音波接合により接合を行う装置であるとする。その構成は図１に示すように、発電モジュール２の容器２３を接合時に支持する支持部材１２と、接合の対象となる容器２３に超音波を印加するホーン１３を備えている。
【００２３】
支持部材１２には、容器２３を嵌め込むことができるくぼみ状の受け部１２１が設けられ、全体としてテーブル形状を呈している。この支持部材１２は可動式であるため、支持部材用アクチュエータ１２２が接続されている。また、ホーン１３には、接合のための超音波を発生させる超音波信号発生器１３１が接続されるとともに、ホーン１３自体を上下に駆動するホーン用アクチュエータ１３２も接続されている。支持部材１２の受け部１２１の底面１２３には、抑制手段１１として磁石１１１が埋設されている。磁石１１１の位置は、衝突部材２２を圧電素子２１と離間して保持するために、発電モジュール２の構造に応じて決められる。実施の形態（１）では、圧電素子２１が発電モジュール２の端部側に配置されているため、磁石１１１は受け部１２１の中央に配置している。
【００２４】
発電モジュール２の容器２３は、接合前はベース部材２３１とカバー部材２３２に二分割されており、ベース部材２３１にカバー部材２３２を被せると、全体として略々直方体の形状を呈するように構成されている。ベース部材２３１とカバー部材２３２は熱可塑性樹脂を素材とし、樹脂成形により形成されている。具体的には、ＡＢＳ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＥ、ＰＥＴ等の樹脂から任意に選択することができる。ベース部材２３１とカバー部材２３２には、組み合わせた際にそれぞれの縁が対向して接触するよう接合面が設けられている。ベース部材２３１の接合面２３１１上には、接合によって溶融する突起部２３１２が畝状に切れ目無く一周設けられている。ここでは突起部２３１２の断面は三角形状に形成している。これにより、ベース部材２３１の接合面２３１１と、カバー部材２３２の接合面２３２１とを接触するよう組み立てて、ホーン１３により超音波を印加すると、突起部２３１２が溶融して潰れ、接合面２３１１、２３２１の界面が溶着して封止され一体化し、容器２３が形成される。
【００２５】
ベース部材２３１には、対向する２箇所に圧電素子２１、２１が固定され、圧電素子２１、２１間を衝突部材２２が転動するようになっている。また、圧電素子２１、２１の間には、衝突部材２２が転動する際に、転動移動の方向を規制して圧電素子２１の中央付近に衝突するように案内するガイド２４が設けられている。このガイド２４は２枚の対向する仕切り板からなり、ベース部材２３１と一体で樹脂成形されている。そして仕切り板の間の空間を衝突部材２２が転動する。なお、ガイド２４の形状はこれに限定するものではなく、筒状のガイドを圧電素子２１間に配置してもよい。
【００２６】
衝突部材２２はボール状を呈しており、磁性材料を素材としている。衝突部材２２は重量が重い方が発電効率がよく、具体的にはタングステンや鉄等の磁性金属が好適である。また、発電モジュール２には、圧電素子２１で発電した電力を、整流したり充電したりするための回路の基板２５も備えられている。基板２５には、図示していないが圧電素子２１の表裏面の電極から取り出されたリード線が接続されている。この基板２５は、ガイド２４を避けてベース部材２３１に嵌め込む形状に形成されており、基板２５上に圧電素子２１が載置されている。
【００２７】
カバー部材２３２は、圧電素子２１や衝突部材２２等が配置された後に、ベース部材２３１に被せられるが、カバー部材２３２の内側の高さは、衝突部材２２との間に僅かな隙間が形成される程度に近接させている。これにより衝突部材２２の高さ方向（転動方向に直行する方向）に変動が生じないよう規制し、発電効率の低下を防止している。
【００２８】
なお、ベース部材２３１とカバー部材２３２で形成される容器２３の内部には、発電モジュール２の使用目的に応じて、その他に任意の部品、例えば発行素子や、発信回路等を備えてもよい。
【００２９】
このように構成された発電モジュール製造装置１の動作を説明する。あわせて、発電モジュール製造方法についても説明する。まず、ベース部材２３１にガイド２４、２４を避けて基板２５が取り付けられる。続いて圧電素子２１、２１が基板２５上に固定される。そして、ガイド２４の仕切り板の間の空間に衝突部材２２が載置される。そして、ベース部材２３１の接合面２３１１とカバー部材２３２の接合面２３２１が対向するように組み立てられる。このとき突起部２３１２の高さ分の隙間が空いている。また、この時点では、衝突部材２２は自由に転動することができる。
【００３０】
次に、発電モジュール製造装置１の支持部材１２の受け部１２１に、カバー部材２３２側を下にして発電モジュール２が嵌め込まれる。すると、支持部材１２の底面１２３の磁石１１１と、衝突部材２２との間で磁力が作用してカバー部材２３２を介して吸引しあう。これにより衝突部材２２の動作が抑制される。磁石１１１は、受け部１２１の中央に配置されているため、衝突部材２２は圧電素子２１、２１と離間した位置に磁力で保持される。
【００３１】
次に、支持部材用アクチュエータ１２２により発電モジュール２をホーン１３の下に移動させる。続いて、ホーン１３をホーン用アクチュエータ１３２で、ベース部材２３１の裏面２３１３に接触するまで降下させ、加圧する。加圧力は１００ｇ／ｃｍ２〜１ｋｇ／ｃｍ２程度である。次に、超音波信号発生器１３１で発生させた信号をホーン１３によりベース部材２３１に印加する。超音波の条件は、２０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの周波数で、０．１ｓｅｃ〜１ｓｅｃ程度印加される。このとき、衝突部材２２は抑制手段１１の磁石１１１に吸引されているため、ベース部材２３１に印加された超音波が伝搬しても動作することはなく、さらに圧電素子２１とは接触もしていないため、圧電素子２１に急激に衝突したり、圧電素子２１を摩擦したりして破壊する心配が全くない。
【００３２】
そして、ベース部材２３１では突起部２３１２が超音波のエネルギーにより溶融しベース部材２３１の接合面２３１１とカバー部材２３２の接合面２３２１との界面を溶着させる。接合が完了すると、発電モジュール２を支持部材１２から取り外し、これにより抑制手段１１による衝突部材２２への抑制も解除される。
【００３３】
なお、上述の説明では、超音波接合として発電モジュール２の容器２３を封止する際の工程について記載したが、容器２３を封止して形成した後に、他の部材を超音波接合で付加する場合等、衝突部材２２の衝突による圧電素子２１の破壊が懸念されるその他の工程にも適用できる。また、超音波接合による接合だけでなく、接着等のその他の方法による封止時やその他の製造工程でも衝突部材２２の動きを抑制したい場合に、抑制手段１１を利用してもよい。また、抑制手段１１は永久磁石だけでなく電磁石を用いてもよい。さらに、超音波接合する素材として、ここでは容器２３の素材を熱可塑性樹脂としているが、容器２３を別の素材とし、接合面にのみ熱可塑性樹脂や金属ロウ等の溶着素材を設けて接合してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述してきたように、本発明の発電モジュール製造装置及び発電モジュール製造方法は、衝突部材と圧電素子とを収納した容器に封止を施す際に、圧電素子に衝突しないよう衝突部材の動きを抑制することで、封止作業の作業性を向上させることができる。
【００３５】
特に、超音波接合により封止する場合には、超音波が衝突部材に伝搬しても圧電素子に衝突しないので、圧電素子の破壊が防止でき、製造工程における歩留まりの向上、ひいては製造コストの削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態（１）の発電モジュール製造装置の構成図である。
【図２】実施の形態（１）の発電モジュール製造装置の説明図である。
【図３】実施の形態（１）の発電モジュール製造装置の封止時の断面図である。
【符号の説明】
１　発電モジュール製造装置
１１　抑制手段
１１１　磁石
１２　支持部材
１２１　受け部
１２２　支持部材用アクチュエータ
１２３　底面
１３　ホーン
１３１　超音波信号発生器
１３２　ホーン用アクチュエータ
２　発電モジュール
２１　圧電素子
２２　衝突部材
２３　容器
２３１　ベース部材
２３１１　接合面
２３１２　突起部
２３１３　裏面
２３２　カバー部材
２３２１　接合面
２４　ガイド
２５　基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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