JP2012005192A - 発電部品と、これを用いた発電装置及び通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】異なる周波数特性の圧電振動子を並べて、発電部品の発電特性における発電量の高い周波数帯域を広げる場合、ある瞬間に、発電に寄与する圧電素子は、複数のうちの１個となってしまう。従って、同じ大きさの圧電部品と比較すると、その最大発電量は、減ってしまうことになる。
【解決手段】機械振動を伝播する機械振動伝播部１０２と、機械振動伝播部１０２に接続された第１振動部１０３と機械振動伝播部１０２に接続された第２振動部１０４とを備え、第１振動部１０３は第１圧電部１０５を有し、第２振動部１０４は第２圧電部１０６を有し、第１振動部１０３と第２振動部１０４とが機械振動伝播部１０２を介して結合することにより対称モード、或いは、斜対称モード、或いは、その両方で振動する発電部品、及び、発電装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部からの振動などによって、電気を発生する圧電部品を使った発電装置に関するものである。

家庭内や地球規模に至るまで、ネットワークでつなげてしまおうという社会の到来により、それらに使われる無数の機器端末や、センサー端末へのエネルギー供給をどうするのかという問題が出てくる。そこで、機器端末自体で、発電システムを持ち、自立的な電源供給を可能にするという自立型の端末が望まれる。そのキーとなる部品の一つが、自然環境中に分散して存在する、希薄分散エネルギーを回収し、活用する発電部品である。圧電材料を使った発電部品もその一つで、応力、或いは、歪みを電気に変える、いわゆる、圧電効果を使って電気を発生させ、それを取り出して使おうと言うものである。応力を発生させる元になるのが、希薄分散エネルギーで、例えば、自然環境中に存在する振動（以下、環境振動という）である。環境振動には、さまざまなものがあり、人体の歩行や走行などは、１〜４Ｈｚの周波数で振動するものであり、家庭内や工場内の機器、或いは、車、電車などの移動体は、数十〜数百Ｈｚの周波数で振動するものが多い。圧電材料を使った発電装置は、このような環境振動を元に、錘などを付けた片持ち梁構造の発電部品を振動させ、発生する電気（電荷）を取り出すものである。そして、環境振動の振動数（周波数）が、発電部品が有する固有振動数の時に、取り出す電力が最大となる。このような部品は、通常、１００〜数百のＱ値を有し、固有振動数で振動する、いわゆる共振の時に取りだせるエネルギーは、共振以外の時に比べ、最大で、Ｑ値の２乗倍に相当することになる。つまり、大電力を取り出そうとすると、環境振動の周波数と、圧電部品の共振周波数をあわせる必要があり、急峻なピークを持つ圧電部品の共振特性に合致した環境振動しか取りだせないことになる。図１７、及び、図１８に、異なる共振周波数を有する圧電素子を複数並べて、発電装置の周波数特性を広帯域化させる従来技術を示す。図１８で、２１１ａ〜２１１ｃは、圧電振動子であり、各々、異なる共振周波数を持つ。各々の振動子で、発生した電荷（電流）を整流回路２１２ａ〜２１２ｃで、整流し、コンデンサ２１３で平滑化し、直流電圧として取り出している。ここで、２１４は、保護用のツェナーダイオードである。図１７は、各々の圧電振動子２１１ａ〜２１１ｃで発生する電荷量と、周波数の関係を示したもので、２２１ａ〜２２１ｃのように異なる共振特性を有すため、装置全体として、広帯域化が図られている。

特開平０７−２４５９７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示の方法では、異なる周波数特性の圧電振動子を用いるため、ある瞬間に、特定の周波数の環境振動しか得られない場合、発電に寄与する圧電素子は、３個のうち１個となってしまう。従って、同じ大きさの圧電部品と比較すると、その最大発電量は、３分の１程度に、減ってしまうことになる。これを補おうとすると、実質的に、圧電部品を大型化したり、数を増やしたりするなどの工夫が必要となり、発電装置が大型化してしまうことになる。

そこで、本発明は、複数の圧電部品が同時に動作できるような構造とすることで、実質的な発電量を下げることなく、特性の広帯域化を図るというものである。広帯域化は、従来とは異なる振動モードを使うこと、或いは、複数の振動モードを使うことにより実現している。以上のことから、高い発電量と装置の小型化の両立を図ることを目的としている。

この目的を達成するために、本発明では、機械振動を伝播する機械振動伝播部と、機械振動伝播部に接続された第１振動部と機械振動伝播部に接続された第２振動部とを備え、第１振動部は第１圧電部を有し、第２振動部は第２圧電部を有し、第１振動部と第２振動部とが機械振動伝播部を介して結合することにより対称モード、或いは、斜対称モード、或いは、その両方で振動する発電部品、または発電装置としている。

上記構成により、同時に複数の振動部が動作することにより、効率的に発電することができ、発電装置を大型化することなく、広帯域な環境振動に対応する発電装置を提供することができる。

第１の実施の形態における発電部品の上面図 図１の１点鎖線ＡＢでの断面図 （ａ）第１の実施の形態におけるシリコン部分のみを取り出した上面図、（ｂ）（ａ）の１点鎖線ＣＤでの断面図 第１の実施の形態におけるＰＺＴ部分のみを示した上面図 第１の実施の形態における整流回路と平滑コンデンサを示す回路図 第１の実施の形態における発電装置の発電量と周波数の関係を示す図 第１の実施の形態における発電部品の比較例の上面図 第１の実施の形態における比較例の構造でのコンダクタンスの周波数特性を示す図 第１の実施の形態におけるコンダクタンスと周波数の関係を示す図 （ａ）第１振動部１０３と第２振動部１０４の振動を模式的に表した斜視図（対称モード）、（ｂ）ｘ−ｚ平面を見た時の断面図（対称モード） （ａ）第１振動部１０３と第２振動部１０４の振動を模式的に表した斜視図（斜対称モード）、（ｂ）ｘ−ｚ平面を見た時の断面図（斜対称モード） 実施の形態２の発電量と周波数の関係を示す図 実施の形態３における間隔を変えた時の発電特性の変化を示す図 実施の形態３における機械振動伝播部の第２構成部材の厚みを変えた場合の発電量と周波数の関係を示す図 実施の形態３における機械振動伝播部の第２構成部材の厚みを変えた場合の対称モードの共振周波数ｆ１と斜対称モードの共振周波数ｆ２の関係を示す図 本発明の発電装置を使った通信モジュールのブロック図 従来例を示す図 従来例を示す図

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における発電部品１０１の上面図である。図中にｘ、ｙ、ｚの方向を定義している。以降、本発明では、この定義に従う。図２は、図１の１点鎖線ＡＢでの断面図である。図１、及び、図２で、第１振動部１０３、及び、第２振動部１０４は、機械振動伝播部１０２に連結・支持されており、各々の振動は、機械振動伝播部１０２を介して互いの振動部へ伝播する。言い換えると、第１振動部１０３と、第２振動部１０４は、機械振動伝播部１０２を介して、機械的に結合している。また、第１振動部１０３と第２振動部１０４は、単独では、概略、同じ共振周波数を有する片持ち梁構造の振動部となっている。なお、機械振動伝播部１０２は、図１及び図２では、１０２の破線で囲んだ領域内の部分がそれに相当する。

第１振動部１０３（図１及び図２において１０３の破線で囲んだ領域内の部分が相当する）は、第１振動板１１１の上方に設けられた第１下面電極１１３と、第１下面電極１１３の上面に当接して設けられた第１圧電部１０５と、第１圧電部１０５の上面に当接して設けられた第１上面電極部１０７と、第１振動板１１１の下方に設けられた錘１１９とから構成されている。第１圧電部１０５の上面に当接して設けられた第１上面電極部１０７は、引き出し電極を通して、第１ａの端子電極１１５と接続されている。また、第１下面電極１１３は、第１ｂの端子電極１１７と電気的に接続されている。

また、第２振動部１０４（図１及び図２において１０４の破線で囲んだ領域内の部分が相当する）は、第２振動板１１２の上方に設けられた第２下面電極１１４と、第２下面電極１１４の上面に当接して設けられた第２圧電部１０６と、第２圧電部１０６の上面に当接して設けられた第２上面電極部１０８と、第２振動板１１２の下方に設けられた錘１１９から構成されている。第２圧電部１０６の上面に当接して設けられた第２上面電極部１０８は、引き出し電極を通して、第２ａの端子電極１１６と接続されており、第２圧電部１０６の下面に当接して設けられた第２下面電極１１４は、第２ｂの端子電極１１８と電気的に接続されている。

なお、錘１１９は、環境振動による慣性力を拡大する役割を持ち、その重さを大きくすることにより、より低い環境振動強度で、大きく振動する構造とすることができる。

なお、特許請求の範囲に記載の第１電極部とは、第１振動部１０３の電極部分の事であり、具体的には第１下面電極と第１上面電極部のことを指す。同様に、特許請求の範囲に記載の第２電極部とは、第２振動部１０４の電極部分の事であり、具体的には第２下面電極と第２上面電極部のことを指す。

また、機械振動伝播部１０２は、その第１構成部材１０９（図１及び図２において１０９の破線で囲んだ領域内の部分が相当する）と、第２構成部材１１０で構成されており、図２で、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０の底面（ｚ−ｘ平面内）で、土台１４９に固定されている。この土台は、製品の場合、例えば、パッケージ等に相当する。なお、土台１４９は、図１には、図示していない。なお、第１構成部材１０９は、第１振動部１０３、及び、第２振動部１０４とに連結されており、第２構成部材１１０は、第１構成部材１０９と直接的または間接的に連結されている。

次に、本実施の形態での構成、材料に関して、更に、詳細に説明する。第１振動板１１１と、第２振動板１１２と、錘１１９と、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９の第１下面電極１１３よりも下の部分とは、シリコンをエッチングで部分的に除去することで、一体的に構成されている。図３（ａ）に、シリコン部分のみを取り出した上面図を、図３（ｂ）に、１点鎖線ＣＤでの断面図を示す。図３（ｂ）において、斜線部分が、第１振動部１０３の構成部位で、波線部が、機械振動伝播部の構成部位となる。ｚ方向を厚み方向とすると、第１振動板１１１の厚みは１００μｍで、錘１１９の厚みは４８０μｍである。第１振動板１１１の上方に配置された第１下面電極１１３は白金からなる電極で、１μｍ以下の非常に薄い層で構成されている。

また、第１圧電部１０５はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、スパッタリング等により形成されている。その厚みは、例えば、数μｍ〜１０μｍ程度となっている。なお、図４に、ＰＺＴ部分のみを示した上面図を示す。破線部分は、図３（ａ）に示したシリコン部分を示している。

図２において、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９の厚みは、第１ｂの端子電極の厚みを無視すると、概略、第１振動板１１１と、第１振動板１１１の錘１１９が接続されていない側の端部に連結されたシリコン部分の厚みと、第１圧電部１０５（ＰＺＴ）の厚みの和に等しく、５８０〜５９０μｍ程度となる。また、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０は、ガラスエポキシで構成されており、その厚みは０．５〜数ｍｍである。機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９と第２構成部材１１０とは、接着剤で接着されており、その材料としては、本実施の形態では、エポキシ系の材料を用いているが、他に、アクリレート系の材料やシリコーン系の材料などを用いても良い。

以上説明した発電部品１０１は、環境振動によって、第１振動部１０３及び第２振動部１０４が振動し、第１圧電部１０５と第２圧電部１０６とで発生する応力に応じて電荷が発生し、発電動作を行うことになる。また、振動は周期的に起こり、プラスとマイナスの応力が交互に発生することになるため、発生電荷の正負も交互に入れ替わることになり、結果、交流として発電されることになる。

一般的な、電子機器は、直流を電源とすることから、圧電部品からの交流電圧（電流）を直流に変換する必要がある場合が多い。その回路を図５に示す。

図５において、交流電圧（電流）を直流に変換する整流回路１５０は、正の電圧のみを出力するダイオードをリング状に並べた全波整流回路１２０と、整流された信号を平滑化して、直流出力とするためのコンデンサ１２１で構成されている。

本実施の形態では、図１における第１ａの端子電極１１５と第２ａの端子電極１１６とは、図５における第１の入力端子１２２へ電気的に接続され、また、図１における第１ｂの端子電極１１７と第２ｂの端子電極１１８とは、図５における第２の入力端子１２３へ電気的に接続されている。これにより、第１振動部１０３と第２振動部１０４で発電した同位相の電荷を合わせて、直流として、取り出すことができる。

図６に、本実施の形態の発電部品を用いた発電装置の発電量と周波数の関係を示す。ここで、発電装置とは、第１圧電部１０５に当接した第１電極部（第１上面電極部１０７と第１下面電極１１３とが該当）と、第２圧電部１０６に当接した第２電極部（第２上面電極部１０８と第２下面電極１１４とが該当）と、図５に示すように、第１電極部及び第２電極部と電気的に接続された整流回路１５０とを有したものである。図６において、横軸は、周波数で、縦軸が発電量である。本実施の形態の発電装置に対する比較例として、図７に示した第１振動部１０３と同じ構造の片持ち梁を単独で支持した構成の発電装置の特性１２４も、図６には併記している。尚、特性１２４は、図７に示す構造の発電部品を使った発電装置から得られる発電量を２倍にして標記したものである。図７における片持ち梁１２６は、第１振動部１０３（或いは、第２振動部１０４）と同じ構造を有しており、土台１２７に固定されている。端子電極１２８と端子電極１２９は、それぞれ、振動板の上面に当接した上面電極と、振動板の下面に当接した下面電極につながっており、同様に、図５で示した整流回路へつながっている。この発電部品が二つあると仮定して、その発電量を合計した値を図６中にプロットしたのが特性１２４に相当する。なお、図６の測定は、ある周波数の環境振動を想定して、発電部品１０１を加振器の上に乗せて、強制的に想定した強度の振動を加えることで、第１振動部１０３と第２振動部１０４を振動させ、発電量を測定している。また、加振する周波数を変化させることで、周波数特性を測定している。

図６で、本実施の形態の発電装置の場合の特性１２５は、特性１２４にくらべ、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がっているのが分かる。同じ振動で、意図的に発電部品のＱのみを落とした場合、その発電量のピーク値も大きく下がることになるが、特性１２５は、発電量のピーク値をほぼ維持したまま、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がっている。このように、本実施の形態の構造を採用することで、大きな最大発電量を保った状態で、広帯域化を図ることが可能となる。

次に、この理由に関して、説明する。図８は、図７で説明した比較例の発電部品の構造におけるコンダクタンスの周波数特性を示す。コンダクタンスは、圧電特性を示すパラメータであり、その特性は、発電特性との相関も高い。つまり、コンダクタンスが高い部分では、発電量も高いという関係にあり、そのピーク周波数と発電量のピーク周波数は、概ね近い値を取る。また、複数の共振がある場合の、周波数の位置関係に関しても、概ね近い値を取ることになる。本実施の形態では、このコンダクタンス特性を、発電性能を推定する一つの指標としている。ここでは、例えば、周波数を掃引しながら、±０．３Ｖの振幅を持つ正弦波電圧を部品に印加して、測定を行っている。加振器などを用いた、振動測定では、発電部品１０１のように、複数の素子のうち一つだけ、例えば、第１振動部１０３のみを振動させて、測定すると言うことは、容易ではないが、このような電気的手法を用いた測定では、容易にそれが可能となる。これは、本来、電圧（或いは、電界）を加えた時に応力が発生するという圧電逆効果を見ていることになる。発電は、応力が加わった時に、電圧（或いは、電束密度）が発生するという圧電効果を使っているが、圧電逆効果と圧電効果が、基本的に、可逆性があるという特徴に着目して、発電性能を推定している。

図９に、本実施の形態のコンダクタンスと周波数の関係を示す。破線１３１は、第１振動部１０３のみのコンダクタンスを測定した場合の特性である。これは、第１ａの端子電極１１５と第１ｂの端子電極１１７との間のコンダクタンスを測定している、つまり、この電極間にのみ正弦波電圧を印加しており、第１振動部１０３のみに環境振動が加わった状態に相当する。一方の素子にのみ環境振動が加わるような状態は、現実ではあまり想定できないが、今回は振動モードの識別のために、このような状態を仮に実現している。

また、図９中の実線１３２は、第１振動部１０３と第２振動部１０４の両方を同時に測定した場合の特性である。これは、第１ａの端子電極１１５と第２ａの端子電極１１６をショートし、第１ｂの端子電極１１７と第２ｂの端子電極１１８をショートし、第１ａの端子電極１１５と第１ｂの端子電極１１７との間を測定している状態である。この状態は、両方の素子に振動が加わった状態に相当する。

特性１３１に着目すると、３つの共振ピークが存在する。低い周波数から順に、各ピークを、ピーク１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃとすると、ピーク１３１ｃが、最も高いピークとなっている。このピーク１３１ｃは、第１振動部１０３が単独で存在した場合の共振周波数と概略一致する。これは、図８に示したコンダクタンスの周波数特性との比較で分かる。これに対して、１３１ａ、１３１ｂは、第１振動部１０３が動くことによって、振動が機械振動伝播部１０２を伝わり、第２振動部１０４へ伝播することにより発生した振動である事がわかった。これは、圧電効果の測定に当たるコンダクタンス測定と、第１振動部１０３に電圧を印加しながら、その振動状態（変位、速度など）を直接測定する振動測定（圧電逆効果の測定に当たる）と、の２つの測定方法を併用することにより判明した。

１３１ａの周波数での振動モードを模式的に示した斜視図を、図１０（ａ）に示す。また、その時の、ｘ−ｚ平面を見た時の断面図（ｙ軸を法線とした場合）を図１０（ｂ）に示す。図では、第１振動部１０３と第２振動部１０４の振動の振幅（変位）が同じように描かれているが、実際は、正弦波電圧が印加されている第１振動部１０３の振動振幅の方が大きい。この振動振幅は、レーザードップラー振動計により、速度を測定し、その結果から、変位量、つまり、振動振幅値を算出することにより実測し、確認している。このモードは、第１振動部１０３が振動することによって、その振動が機械振動伝播部１０２を介して伝播し、第２振動部１０４に伝わり、振動させることで起こっており、前記のように、振動振幅は異なるが、第１振動部１０３と第２振動部１０４は、同じ位相で振動（変位）している。なお、１３１ａの周波数が、１３１ｃの周波数よりも下がっているのは、第１振動部１０３から見ると、機械振動伝播部１０２との結合によって、本来、動かす必要のなかった第２振動部１０４も同時に動かす必要が出たため、周波数が下がることになる。これは、錘が付加されることにより、共振周波数が下がるという影響と類似である。

次に、第１振動部１０３と第２振動部１０４の両方に正弦波電圧を印加し（第１ａの端子電極１１５と第２ａの端子電極１１６をショートし、第１ｂの端子電極１１７と第２ｂの端子電極１１８をショートし、第１ａの端子電極１１５と第１ｂの端子電極１１７との間に正弦波電圧を印加）、それらが励振した状態での第１ａの端子電極１１５と第１ｂの端子電極１１７との間のコンダクタンスを測定した結果について説明する。結果は図９の特性１３２である。ここで、励振する周波数を１３２ａの周波数に設定して、前記したように、レーザードップラー振動計により振動振幅値を測定した。その結果は、第１振動部１０３と第２振動部１０４は、図１０（ａ）、図１０（ｂ）で示したように、同じ位相で変位していることがわかった。なお、ここでは、第１振動部１０３、第２振動部１０４共に、主体的に振動しているため、その振動振幅は、ほぼ同じ振幅となっていた。また、ここで、１３１ａの周波数と、１３２ａの周波数は、近い値となっている。

以上説明したように、ピーク１３２ａの共振は、第１振動部１０３の振動と第２振動部１０４の振動が機械振動伝播部１０２を介して結合した同位相で振動する振動モードである。以降、この振動モードを対称モードと呼ぶことにする。この対称モードを使うことによって、共振周波数における発電量のピーク値を大きく下げることなく、発電特性における発電量の高い周波数帯域を広げるような発電部品及び発電装置が構成できる。これは、図６で説明した結果からも明らかである。以上より、本実施の形態の発電部品は、対応する環境振動の振動数(周波数)の幅も広がり、例えば、環境振動の周波数が変化した場合に、発電量の急激な減少を抑えることができたり、広帯域な環境振動が存在した場合に、より大きな発電量を得ることができる。

また、異なる共振周波数の素子を並べることによって広帯域化する従来構成では、ある瞬間には、単一の素子しか動作しないため、所定の発電量を得ようとすると、発電部品全体のサイズが大きくなってしまう。これに対し、本実施の形態の構成では、発電動作時に二つの振動子（第１振動部１０３と第２振動部１０４）が同時に振動することになり、従来構成と比較して発電量が大きくなるため、結果、部品、装置の小型化が可能となる。

次に、図９中の特性１３２におけるもう一つのピーク１３１ｂについて説明する。このピークの検証には、ピーク１３１ａの対称モードの検証と同じ手法を用いているので、手法の詳細は割愛する。１３１ｂのピークは、第１振動部１０３が、第２振動部１０４と機械振動伝播部１０２を介して、結合しているという点では同じであるが、振動の位相が、逆位相で、振動しているモードである。図１１（ａ）に振動の概略の斜視図を、図１１（ｂ）にｘ−ｚ平面の断面図を示す。図１１（ａ）、（ｂ）では、図１０（ａ）、（ｂ）と同様に、本来は、正弦波電圧が印加されている第１振動部１０３の変位の方が、正弦波電圧が印加されていない第２振動部１０４に比べて大きいが、現象が明確になるよう、同等程度に記載している。ここでも、第１振動部１０３の振動が、機械振動伝播部１０２を介して、第２振動部１０４と結合して、第２振動部１０４の振動を起こしているが、図１０と異なり、第１振動部１０３と第２振動部１０４の振動が逆位相で振動している振動モードとなっている。このモードを、以降、斜対称モードと呼ぶことにする。ピーク１３１ｂは、この斜対称モードの共振が現れている。両方の振動部１０３、１０４を同時に励振した場合である図９の特性１３２におけるピーク１３２ｂが、概略、ピーク１３１ｂの周波数に一致していることから、ピーク１３２ｂについても斜対称モードの振動であると言える。

なお、図９のピーク１３１ｃに一致するピークは、特性１３２には存在していない。これは、機械振動伝播部１０２を介した結合によって、元の単独の振動は小さくなったということである。

なお、斜対称モードは、逆位相であるため、電荷が打ち消しあって、結果として、消えてしまうことになる。図９の１３２ｂや、図６の斜対称モードの発電量が小さいのは、そのためである。なお、完全に、振幅が一致しないため、若干のピークは残っている。

なお、本実施の形態では、対称モードを使った発電装置に関して、説明したが、整流回路１５０との接続を変えることで、斜対称モードを使った発電装置の構成も可能である。例えば、図１の第１ａの端子電極１１５と第２ｂの端子電極１１８をショートして、第１入力端子１２２へ接続し、第２ａの端子電極１１６と第１ｂの端子電極１１７をショートして、第２入力端子１２３へ接続すればよい。対称モードを使うか、斜対称モードを使うかは、対象とする環境振動の周波数を考慮して決めれば良い。

以上説明した圧電部品では、第１振動部１０３と第２振動部１０４とが同時に振動し、発電に寄与しているため、従来例と異なり、広帯域化を図りながら、小型で大きな発電量を得ることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る発電部品および発電装置では、対称モードと斜対称モードを両方使って、更に、発電特性における発電量の高い周波数帯域を広げるというものである。ゆえに、実施の形態２に係る発電部品の構成は、実施の形態１に係る発電部品の構成と同一である。ただし、実施の形態１では、図５に示す整流回路１５０を一つしか用いなかったため、逆位相（接続を逆すると、同位相）の状態での発生電荷は打ち消しあってしまう事になる。そこで、実施の形態２に係る発電装置は、図５に示した整流回路１５０を二つ用意し、第１ａの端子電極１１５と第１ｂの端子電極１１７との間に一方の整流回路を接続し、第２ａの端子電極１１６と第２ｂの端子電極１１８との間に他方の整流回路を接続することにより、この問題を解消する。

図１２に、本実施の形態の発電装置についての発電量と周波数の関係を示す。図１２で、破線で示した特性１２５は、実施の形態１で説明した対称モードの見つかった図６の特性１２５の発電特性である。特性１３３は、本実施の形態において示されている対称モードと、斜対称モードを両方使った場合の発電装置の発電特性であり、斜対称モードを使うことにより、更なる、広帯域化を図る事ができる。ここで、周波数ｆ１付近では、発電部品は対称モードで動作し、ｆ２付近では斜対称モードで動作しているが、常に、第１振動部１０３と第２振動部１０４の両方が振動し、発電に寄与している。

なお、通常、一つの素子で、複数のモードが発生するように設計する場合は、主たる共振周波数よりも、低い周波数のモードの高次振動を使う場合が多い。例えば、厚みすべり振動や、厚み縦振動などの厚み系の振動子の場合、輪郭振動や幅振動などのより低周波の振動モードの高次モードをその主共振近くに持っていき、広帯域化を図ったりすることがある。発電部品の場合、部品に加わる応力が発電量と相関があることから、大きな変位の得られる屈曲振動を主たるモードにする場合が多い。屈曲振動は、種々の振動モードの中でも、最も低い振動モードであり、先に説明した手法を使うことができない。従って、本実施の形態のような、二つの振動部を結合させて、広帯域化するという新たな手法は、特に屈曲振動を用いた場合には、非常に有効な手法となる。

また、実施の形態１に係る発電素子においても、振動の強度が強い屈曲振動では、第１振動部１０３と第２振動部１０４の機械振動伝播部１０２を介した結合が強くできるため有効である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る発電部品および発電装置は、実施の形態１および実施の形態２における発電部品または発電装置の第１振動部１０３と第２振動部１０４の結合の度合いを変えて、圧電部品の発電特性における発電量の高い周波数帯域を変化させられる構成である。結合の度合いである結合度を上げると、より第１振動部１０３の振動が第２振動部１０４へ伝わりやすくなり（逆も言える）、発電部品の発電特性における発電量の高い周波数帯域が広くなることになる。なお、実施の形態３に係る発電部品及び発電装置の基本構造としては、実施の形態１および実施の形態２の発電部品及び発電装置と同様であるため、以下、図１、２等に示した発電部品等を基に説明する。

結合度を変化させるには、まず第１に、第１振動部１０３と第２振動部１０４の配置間隔を変えることが挙げられる。本発明における「第１振動部と第２振動部の配置間隔」とは、第１振動部１０３の端部（例えば、第１振動部１０３の機械振動伝播部１０２と接続された部位）と第２振動部１０４の端部（例えば、第２振動部１０４の機械振動伝播部１０２と接続された部位）の間隔（例えば、機械振動伝播部１０２での第１振動部１０３と第２振動部１０４の間隔）だけでなく、第１振動部１０３の端部以外の部位と第２振動部１０４の端部以外の部位との間隔（例えば、第１振動部１０３と第２振動部１０４とで空間的に最も近接した部位間の距離）をも含んでいる。これは、第１振動部１０３と第２振動部１０４の周囲に充填された気体を媒体としても、相互に結合するためである。

一例として、図１３には、機械振動伝播部１０２での第１振動部１０３と第２振動部１０４の間隔（第１振動部１０３の機械振動伝播部１０２側の端部と第２振動部１０４の機械振動伝播部１０２側の端部との間隔）を１．２ｍｍ（図１３中の特性１３４）から、０．３ｍｍ（図１３中の特性１３５）に変化させた時の発電特性の状態を示している。この部分の間隔が、結合度に最も影響を与えるためである。この間隔を小さくすることで、結合度は高くなり、図１３に示す発電特性の発電量の高くなる周波数帯域は広がることになる。図１３からもわかるように、機械振動伝播部１０２での第１振動部１０３と第２振動部１０４の間隔を狭くすると、対称モード及び斜対称モード共に、共振周波数は低下するが、対称モードの低下の度合いが大きいため、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がることになる。

なお、第１振動部１０３と第２振動部１０４の先端部等のその他の間隔も結合度に影響を与えることがある。例えば、パッケージに発電部品を入れて、窒素などで気密封止した場合、振動部１０３，１０４が変位した時、振動部１０３，１０４の周囲の気体の流体的な影響により、振動部１０３，１０４が相互に結合することがある。これは振動部１０３，１０４の周囲空間が少なかったり、気体の分子量が大きかったりすることで、より結合の度合いが大きくなる。このような場合には、振動の幅が大きく、かつ、厚みが厚い第１振動部１０３の先端の錘と第２振動部１０４の先端の錘との間隔を変えることで、結合度を変化させても良い。この部位は、振動の幅が大きく、かつ、厚みが厚いため、周囲空間への影響度が大きいためである。

上記のように、第１振動部１０３と第２振動部１０４の配置間隔を調整する発電部品の設計方法を採用することにより、実施の形態３に係る発電部品および発電装置は、容易に所望の発電特性を実現でき、製造効率を向上させることができる。具体的な第１振動部１０３と第２振動部１０４の配置間隔の調整方法としては、第１振動部１０３および第２振動部１０４のうち、少なくとも一方の振動部の一部をレーザアブレーションやドライエッチング等により除去する方法や、機械振動伝播部１０２における第１振動部１０３と第２振動部１０４とをつなぐ部位の一部を同様の手法により除去する方法などが考えられる。

第１振動部１０３と第２振動部１０４との間の結合度を変化させる第２の方法としては、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９及び第２構成部材１１０の材料定数である弾性率を変える方法が挙げられる。例えば、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０を大きな弾性率を有するシリコンで構成すると、結合は、非常に小さくなり、特に、斜対称モードは、ほとんど観測されなくなる。一方、第１構成部材１０９を構成するシリコンよりも弾性率の低いガラエポにより第２構成部材１１０を実現すると、図１２の特性１３３のように、斜対称モードで振動しているｆ２の周波数においても高い発電量を得ることができる。ゆえに、第２構成部材１１０は、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９の弾性率よりも小さい材料とすることが好ましい。例えば、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０としては、弾性率の小さい樹脂等を主材料とすることで、第１振動部１０３と第２振動部１０４との間の大きな結合が得られる。

尚、本発明の発電部品を小型化する目的で、発電部品の周囲に配置されているセラミック等の硬いパッケージ等に機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９を直接固着させ、固着の際に使用する接着剤を機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０の代わりにすることもできる。この場合、その接着剤の弾性率を下げる、厚みを厚くするなどして、結合を大きくすることができる。接着剤としては、シリコーン系や、エポキシ系の接着剤が好ましい。また、接着剤の厚みのばらつきは、結合度のばらつきにつながり、結果、発電特性の発電量の高い周波数帯域のばらつきにつながるため、その厚み精度には、注意を払うほうが好ましい。ゆえに、接着剤の塗布も、液状接着剤を用いる場合は、ディスペンサーなどにより、塗布量を制御することがより好ましい。また、シート接着剤などにより、厚みを制御してもよい。これにより接着剤の厚みのばらつきを抑圧することができる。シート接着剤は、半硬化状態で、所定の寸法に切断して、貼り付けてもよいし、大判の状態で、ラミネート等の手法により、土台に貼り付け、発電部品１０１を上から押し当てることで、接着してもよい。この際、大判の状態で、接着を行った後、ダイシングにより、個片の部品に切断すれば、効率良く素子を作製できる。

なお、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９を樹脂などの弾性率の小さい材料とした場合、第１構成部材１０９と第１振動部１０３との連結部（支持部）付近において、弾性的な損失が増えてしまい、発電量のピーク値自体が小さくなってしまう。ゆえに、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９は、弾性率の大きな材料が好ましく、土台１４９に固定される機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０は、それよりも弾性率の小さい材料が好ましい。このような弾性率の選択を行うことにより、第１振動部１０３と第２振動部１０４の結合度をあげつつ、弾性的な損失を低く抑えることができる。

なお、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０は直接、土台１４９に固定されている必要はなく、別の材料を介して、間接的に固定されていても良い。要は、機械振動伝播部の第１構成部材１０９よりも、より固定部に近い位置に配置されれば良い。なお、第１振動部１０３を機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９と接着剤などで固着させて、連結・支持する場合、その接着層の厚みは薄いほうが好ましい。弾性的な損失を低く抑えるためである。また、接着剤の弾性率は第２構成部材１１０よりも大きい方がより好ましく、例えば、アクリレート系やエポキシ系の接着剤が好ましい。

上記のように、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９及び第２構成部材１１０の材料定数である弾性率を調整する発電部品の設計方法を採用することにより、実施の形態３に係る発電部品および発電装置は容易に所望の発電特性を実現でき、製造効率を向上させることができる。

第１振動部１０３と第２振動部１０４との間の結合度を変化させる第３の方法としては、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０の厚みを変えることである。図１４に厚みを変えた場合の発電特性（発電量と周波数の関係）を示す。特性１３６は機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０の厚みが０．３ｍｍの場合の特性で、特性１３７は、厚みが１ｍｍの場合の特性である。斜対称モードの共振周波数は、あまり変わらないが、対称モードの共振周波数が大きく変わっており、結果として、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がっている。

図１５には、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０の厚みを変えた場合の対称モードの共振周波数ｆ１と斜対称モードの共振周波数ｆ２を示す。図１５からわかるように、第２構成部材１１０の厚みが厚くなることで、ｆ１は低下傾向にある。ｆ２も若干低下するが、ｆ１に比べると、非常に小さい変化になる。

上記のように、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０の厚みを調整する発電部品の設計方法を採用することにより、実施の形態３に係る発電部品および発電装置は容易に所望の発電特性を実現でき、製造効率を向上させることができる。

以上説明したような手法により、振動部間の結合度を変えて、発電部品の発電特性における発電量の高い周波数帯域を調整することが可能となる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る本発明の発電装置を使った通信モジュールを、図１６に示す。製造中の商品に取り付けられ、工場内の製品管理に用いられる通信モジュール１４７は、工場内のロボット１４８や、工場内に配置されたデータ管理サーバー（図示なし）、人が操作する管理装置（図示なし）、端末（図示なし）などと情報をやり取りする。これにより、通信モジュール１４７が取り付けられた製品がどういう状態にあるのかをモニタリングしたり、リアルタイムで管理したりすることができる。

通信モジュール１４７は、実施の形態１または実施の形態２（具体的には、対称モードと斜対称モードの両方を使った広帯域の発電装置である）に示した発電装置１３８と、発電装置１３８と電気的に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ１３９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３９と電気的に接続された無線端末１４０とを有している。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３９は、発電装置１３８からの直流出力を、無線端末１４０の電源電圧のレベルに昇圧、或いは、降圧する回路である。無線端末１４０は、送信部１４２と受信部１４３とアンテナ１４６とを備えた通信部１４１と、通信部１４１と電気的に接続された信号処理部１４４と、信号処理部１４４と電気的に接続されたメモリ１４５とを有している。通信部１４１は、ロボット１４８等とのデータの送受信を行う機能ブロックである。信号処理部１４４は、受信部１４３から受け取ったデータの処理を行って、メモリ１４５に格納したり、ロボット１４８へ送信するためのデータをメモリ１４５から取り出して送信部１４２へ出力したりする。

商品は、通常、コンベアー等の決まった設備に配置され、そこから得られる環境振動は、決まったものであるため、この振動数（周波数）に合わせて、発電部品を設計すれば良いことになる。しかしながら、その振動源は、設備の機械振動であることが多く、その周波数の偏差は、±１〜３％程度になることが多い。例えば、図７で説明した比較例のような単一の共振周波数を有する発電部品を使うと、共振周波数が１％ずれただけで、発電量が最大の時と比較して、１０％以下にまで落ちてしまうこともある。本発明の発電部品は、発電量が高い周波数帯域が広帯域となるため、振動源の周波数偏差が１％程度のずれなら、発電量は最大時と比較しても９０％以内のレベルに収まることになる。また、実施の形態２および３で説明したような広帯域化の手法を用いることで、振動源の周波数偏差が±３％程度の範囲なら、発電量の最大値比較で８０％以上のレベルに発電量を維持することが可能となる。

以上のように、本実施の形態で説明した発電装置１３８を備えた通信モジュール１４７では、電池を持つことなく、自分自身で発電し、電源供給するような自立型のモジュールを実現することができる。また、設備の振動など、その周波数が決まっており、かつ、その周波数の偏差が数％程度あるような場合には、特に、本発明の効果は大きい。

なお、本実施の形態では、電池を完全に持たない構成として用いたが、２次電池を備え、そこに、充電しておき、必要な時に、利用するという方法で用いても良い。これにより、使用しない時の電力を備蓄できるため、モジュール使用時の消費電力が大きい場合でも対応できることになる。これは、一般的な通信モジュールは、常時通信していることは少なく、間欠的に通信することが多いためである。また、通信モジュール１４７の消費電力が低くても良い場合には、発電部品をその分、小型にしてもよい（特に第１振動部１０３、第２振動部１０４）。

以上説明した実施の形態１〜４に係る発電部品および発電装置は、第１振動部１０３、及び第２振動部１０４とを同時に振動させることにより、発電特性の広帯域化を図ることができ、小型な発電部品、発電装置を実現できる。その結果、自立型の通信モジュールの小型化を実現することができる。

なお、実施の形態１〜４では、二つの振動部を有した構成に関して説明したが、振動部は二つ以上であってもよい。その場合、斜対称モードの組み合わせが複数でてくることになり、更なる広帯域化を図ることができる。

なお、実施の形態１〜４では、二つの振動部が完全に単独で動いた時の共振周波数を同じにしているが、完全に同じである必要はない。尚、一つの振動部の共振周波数は、もう一つの振動部の共振周波数と***振周波数の間にあるように設計されても良い。これは、***振周波数においては発電量が下がるためである。例えば、一方の振動部の共振周波数と他方の振動部の***振周波数が近くなると、一方の共振周波数付近の発電量は、もう一方の***振の影響により、激減してしまうためである。

なお、実施の形態１〜４において、機械振動伝播部１０２の第１構成部材１０９の底面（ｚ−ｘ面に平行な面）は、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０と当接していたが、第１構成部材１０９の側面（ｙ−ｚ面に平行な面）が機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０と当接していても同様の効果が得られる。この場合、機械振動伝播部１０２の第２構成部材１１０の底面で土台１４９と固定されていても良いし、第２構成部材１１０の側面で固定されていても良い。更に、第２構成部材１１０は、第１構成部材１０９と直接的に連結されていても良いし、他の部材を介して間接的に連結されていてもよい。どちらの場合でも、実施の形態１〜４において説明した本発明の発電部品の効果を有している。

尚、上記においては、第１圧電部１０５の上面及び下面に、それぞれ当接させて、第１上面電極部１０７及び第１下面電極１１３とを配置したが、第１圧電部１０５の上方に第１上面電極部１０７を配置し、第１圧電部１０５の下方に第１下面電極１１３を配置してもよい。同様に、上記においては、第２圧電部１０６の上面及び下面に、それぞれ当接させて、第２上面電極部１０８及び第２下面電極１１４とを配置したが、第２圧電部１０６の上方に第２上面電極部１０８を配置し、第２圧電部１０６の下方に第２下面電極１１４を配置してもよい。このような構成においても、上記同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明の発電部品と、これを用いた発電装置により、小型の自立電源を提供することができ、センサーネットワーク端末などの電子機器の電池を不要としたり、発電した電力を２次電池に充電することで、電池交換を不要にしたりすることができる。従って、メンテナンスフリーの電子機器を実現できる。

１０１ 発電部品
１０２ 機械振動伝播部
１０３ 第１振動部
１０４ 第２振動部
１０５ 第１圧電部
１０６ 第２圧電部
１０７ 第１上面電極部
１０８ 第２上面電極部
１０９ 機械振動伝播部の第１構成部材
１１０ 機械振動伝播部の第２構成部材
１１１ 第１振動板
１１２ 第２振動板
１１３ 第１下面電極
１１４ 第２下面電極
１１５ 第１ａの端子電極
１１６ 第２ａの端子電極
１１７ 第１ｂの端子電極
１１８ 第２ｂの端子電極
１１９ 錘
１２０ 全波整流回路
１２１ コンデンサ
１２６ 片持ち梁
１５０ 整流回路

Claims (9)

1. 機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
   前記機械振動伝播部に接続された第１振動部と
   前記機械振動伝播部に接続された第２振動部とを備え、
   前記第１振動部は第１圧電部を有し、
   前記第２振動部は第２圧電部を有し、
   前記第１振動部と前記第２振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより対称モードで振動する発電部品。
2. 機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
   前記機械振動伝播部に接続された第１振動部と
   前記機械振動伝播部に接続された第２振動部とを備え、
   前記第１振動部は第１圧電部を有し、
   前記第２振動部は第２圧電部を有し、
   前記第１振動部と前記第２振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより斜対称モードで振動する発電部品。
3. 機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
   前記機械振動伝播部に接続された第１振動部と
   前記機械振動伝播部に接続された第２振動部とを備え、
   前記第１振動部は第１圧電部を有し、
   前記第２振動部は第２圧電部を有し、
   前記第１振動部と前記第２振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより対称モード及び斜対称モードで振動する発電部品。
4. 請求項１または請求項２に記載の発電部品と、
   前記第１圧電部に当接した第１電極部と、
   前記第２圧電部に当接した第２電極部と、
   前記第１電極部及び前記第２電極部に電気的に接続された第１整流回路とを有した発電装置。
5. 請求項１または請求項２または請求項３のいずれか１つに記載の発電部品と、
   前記第１圧電部に当接した第１電極部と、
   前記第２圧電部に当接した第２電極部と、
   前記第１電極部に電気的に接続された第１整流回路と、
   前記第２電極部に電気的に接続された第２整流回路とを有した発電装置。
6. 前記第１振動部及び前記第２振動部の振動が屈曲振動である請求項１または請求項２または請求項３のいずれか１つに記載の発電部品。
7. 機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
   前記機械振動伝播部に接続された第１振動部と
   前記機械振動伝播部に接続された第２振動部とを備え、
   前記第１振動部は第１圧電部を有し、
   前記第２振動部は第２圧電部を有し、
   前記第１振動部と前記第２振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより、対称モード及び斜対称モードの少なくとも一方で振動する発電装置において、
   前記第１振動部と前記第２振動部の配置間隔、または、前記機械振動伝播部の弾性率、または、前記機械振動伝播部の厚みを変化させて、前記第１振動部と前記第２振動部の結合度を調整する発電部品。
8. 前記機械振動伝播部は少なくとも２種類の部材である第１構成部材と第２構成部材により構成され、
   前記第１構成部材は、前記第１振動部、及び、前記第２振動部とに連結され、
   前記第２構成部材は、前記第１構成部材と直接的または間接的に連結され、
   前記第２構成部材の弾性率は前記第１構成部材の弾性率より小さい請求項１または請求項２または請求項３のいずれか１つに記載の発電部品。
9. 請求項４または請求項５に記載の発電装置と、
   前記発電装置と電気的に接続された無線端末とを有する通信モジュール。

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