JP2009011149A - エネルギ変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化を図ることが可能なエネルギ変換装置を提供する。
【解決手段】この発電装置（エネルギ変換装置）１００は、平面コイル１４ａおよび１４ｂと、平面コイル１４ａおよび１４ｂと間隔を隔てて対向配置された永久磁石２０とを備える。また、平面コイル１４ａおよび１４ｂおよび永久磁石２０は、相対的に移動可能なように構成されており、電磁誘導作用により運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギ変換装置に関し、特に、運動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置に関する。

従来、運動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、螺旋状に形成されたコイルと、コイルの内部に配置されるとともに、棒状に形成された磁石とを備えたリニア発電機（エネルギ変換装置）が開示されている。この磁石は、螺旋状のコイルを横切る方向に移動可能なように構成されている。そして、リニア発電機は、螺旋状のコイルの内部において、棒状の磁石がコイルを横切るように移動する際の電磁誘導により発電するように構成されている。

特表２００６−５２３０８１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来のリニア発電機（エネルギ変換装置）では、螺旋状に形成されたコイルの内部に、棒状の磁石をコイルを横切るように移動可能に配置する構成であるので、薄型化を図ることが困難であるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、薄型化を図ることが可能なエネルギ変換装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面におけるエネルギ変換装置は、第１平面コイルと、第１平面コイルと間隔を隔てて対向配置された磁石とを備え、第１平面コイルおよび磁石は、互いに相対的に移動可能なように構成されており、電磁誘導作用により運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成されている。

本発明では、上記のように、第１平面コイルおよび磁石を、相対的に移動可能なように構成し、電磁誘導作用により運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成する。これにより、螺旋状のコイルの内部に棒状の磁石を配置する発電装置に比べて、発電装置を薄型化することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による発電装置の構造を示した断面図である。図２および図３は、図１に示した第１実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態による発電装置１００の構造について説明する。なお、第１実施形態では、運動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置の一例である発電装置１００に本発明を適用した場合について説明する。

本発明の第１実施形態による発電装置１００は、図１に示すように、収納部１０ａが設けられた支持体１０と、収納部１０ａに配置された永久磁石２０およびコイルバネ３０とを備えている。なお、永久磁石２０は、本発明の「磁石」の一例であり、コイルバネ３０は、本発明の「付勢手段」の一例である。

支持体１０は、プリント基板１１、１２および１３により構成されている。具体的には、プリント基板１１の上面上に、開口部１２ａを有するプリント基板１２が形成されている。この開口部１２ａは、図２に示すように、平面的に見て、実質的に矩形（長方形）状を有する。また、プリント基板１２の上面上には、図１に示すように、開口部１２ａを覆うようにプリント基板１３が形成されている。このため、支持体１０では、プリント基板１１および１３の間に配置されたプリント基板１２の開口部１２ａにより、収納部１０ａが形成されている。

ここで、第１実施形態では、プリント基板１３の下面に、平面コイル１４ａおよび１４ｂが形成されている。この平面コイル１４ａおよび１４ｂは、図３に示すように、下面側から見て、市松模様状に配置されるとともに、渦巻状に形成されている。なお、平面コイル１４ａおよび１４ｂは、複数（たとえば、５０個ずつ）形成されているが、図１および図３では、簡略化のために一部のみを示している。また、平面コイル１４ａおよび１４ｂは、巻き方向が互いに逆になるように形成されている。具体的には、平面コイル１４ａは、下面側から見て、外側に向かう際に、左巻きとなるように形成されるとともに、平面コイル１４ｂは、下面側から見て、外側に向かう際に、右巻きとなるように形成されている。また、平面コイル１４ａと平面コイル１４ｂとが交互に接続されることにより、複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂが直列に接続されている。具体的には、平面コイル１４ａ（１４ｂ）の内側は、平面コイル１４ａ（１４ｂ）と隣接する一方の平面コイル１４ｂ（１４ａ）の外側に接続されるとともに、平面コイル１４ａ（１４ｂ）の外側は、平面コイル１４ａ（１４ｂ）と隣接する他方の平面コイル１４ｂ（１４ａ）の内側に接続されている。このため、平面コイル１４ａおよび１４ｂは、平面コイル１４ａおよび１４ｂにおいて発生する誘導起電力が打ち消されないように接続されている。なお、平面コイル１４ａおよび１４ｂは、本発明の「第１平面コイル」の一例であり、平面コイル１４ａは、本発明の「左巻きコイル部」および「コイル部」の一例であり、平面コイル１４ｂは、本発明の「右巻きコイル部」および「コイル部」の一例である。

また、第１実施形態では、プリント基板１３には、平面コイル１４ａおよび１４ｂの中央部と対応する領域に、開口部１３ａが形成されている。この開口部１３ａには、ＦｅおよびＣｏなどからなる磁心（コア）１５が埋め込まれている。また、磁心１５は、プリント基板１３の下面から突出するように形成されており、平面コイル１４ａおよび１４ｂの中央部に配置されている。なお、磁心１５は、平面コイル１４ａおよび１４ｂと電気的に分離されている。

また、図１に示すように、プリント基板１３の上面に、平面コイル１４ａおよび１４ｂにおいて発生する誘導起電力を制御するとともに、出力するための回路部１６が設けられている。この回路部１６は、直列に接続された複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂと接続されている。

また、第１実施形態では、永久磁石２０は、図１および図２に示すように、収納部１０ａの内部に矢印Ｘ１方向（矢印Ｘ２方向）に移動可能に配置されている。また、永久磁石２０は、図２に示すように、矢印Ｙ１方向（矢印Ｙ２方向）に対する移動が規制されている。また、永久磁石２０は、図１に示すように、平坦面状（板状）に形成されるとともに、平面コイル１４ａおよび１４ｂと所定の間隔を隔てて対向配置されている。また、永久磁石２０は、磁化方向が矢印Ｚ１方向である部分（磁区）２０ａと、磁化方向が矢印Ｚ２方向である部分２０ｂとを含んでおり、多極磁石として構成されている。このため、プリント基板１３近傍では、図１の破線で示した磁力線で表される磁界が形成されている。また、部分２０ａおよび２０ｂは、図２に示すように、平面的に見て、交互に隣接した状態（市松模様状）で配置されている。なお、部分２０ａおよび２０ｂは、複数（たとえば、５０個ずつ）形成されているが、図１および図２では、簡略化のために一部のみを示している。また、図１に示すように、永久磁石２０が基準位置に配置されている場合に、部分２０ａが平面コイル１４ａと対応する領域に配置されるとともに、部分２０ｂが平面コイル１４ｂと対応する領域に配置されている。なお、部分２０ａおよび部分２０ｂは、それぞれ、本発明の「第１部分」および「第２部分」の一例である。

また、第１実施形態では、コイルバネ３０は、図１および図２に示すように、開口部１２ａの側面１２ｂと永久磁石２０の端部２０ｃとの間に配置されるとともに、開口部１２ａの側面１２ｃと永久磁石２０の端部２０ｄとの間に配置されている。この一対のコイルバネ３０は、支持体１０に対して永久磁石２０が矢印Ｘ１方向（矢印Ｘ２方向）において所定の基準位置に配置されるように付勢する機能を有する。

図４は、本発明の第１実施形態による発電装置の発電動作を説明するための断面図である。次に、図１、図３および図４を参照して、第１実施形態による発電装置１００の発電動作について説明する。

まず、永久磁石２０が支持体１０に対して、図１に示した所定の基準位置に配置されているときには、永久磁石２０により、平面コイル１４ａが位置する領域に略矢印Ｚ１方向の磁界が形成されるとともに、平面コイル１４ｂが位置する領域に略矢印Ｚ２方向の磁界が形成されている。

そして、発電装置１００に力が加えられることにより、図４に示すように、永久磁石２０が支持体１０に対して矢印Ｘ１方向に移動したときには、平面コイル１４ａが位置する領域の磁界が略矢印Ｚ２方向に変化するとともに、平面コイル１４ｂが位置する領域の磁界が略矢印Ｚ１方向に変化する。このとき、電磁誘導により、平面コイル１４ａでは、矢印Ｚ１方向の磁界が形成されるような誘導電流が発生するとともに、平面コイル１４ｂでは、矢印Ｚ２方向の磁界が形成されるような誘導電流が発生する。すなわち、図３に示すように、平面コイル１４ａでは、Ａ方向の誘導電流が発生するとともに、平面コイル１４ｂでは、Ｂ方向の誘導電流が発生する。このため、直列に接続された複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂにより、回路部１６にＣ方向の誘導電流が供給される。

その後、コイルバネ３０の付勢力により、図１に示すように、永久磁石２０が支持体１０に対して矢印Ｘ２方向に移動したときには、平面コイル１４ａが位置する領域の磁界が略矢印Ｚ１方向に変化するとともに、平面コイル１４ｂが位置する領域の磁界が略矢印Ｚ２方向に変化する。このとき、電磁誘導により、平面コイル１４ａでは、矢印Ｚ２方向の磁界が形成されるような誘導電流が発生するとともに、平面コイル１４ｂでは、矢印Ｚ１方向の磁界が形成されるような誘導電流が発生する。すなわち、図３に示すように、平面コイル１４ａでは、Ｂ方向の誘導電流が発生するとともに、平面コイル１４ｂでは、Ａ方向の誘導電流が発生する。このため、直列に接続された複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂにより、回路部１６にＣ方向とは反対方向の誘導電流が供給される。

その後、上記動作が繰り返し行われることにより、発電が継続して行われる。

ここで、電磁誘導により、１つの平面コイル１４ａ（１４ｂ）に発生する誘導起電力Ｖは、以下の式により示すことができる。
Ｖ＝−Ｎ×ｄφ／ｄｔ
なお、Ｎは、平面コイル１４ａ（１４ｂ）の巻き数である。また、φは、平面コイル１４ａ（１４ｂ）を貫く磁束であり、ｔは、時間である。

第１実施形態では、上記のように、平面コイル１４ａおよび１４ｂと、平坦面状の永久磁石２０とを設けるとともに、永久磁石２０を、平面コイル１４ａおよび１４ｂと所定の間隔を隔てて対向配置することによって、螺旋状のコイルの内部に棒状の磁石を配置する発電装置に比べて、発電装置１００を薄型化することができる。

また、第１実施形態では、平面コイル１４ａおよび１４ｂをプリント基板１３の下面に形成することによって、立体的な形状である螺旋状のコイルに比べて、容易に、平面コイル１４ａおよび１４ｂを形成することができる。

また、第１実施形態では、永久磁石２０が所定の基準位置に配置されるように付勢するコイルバネ３０を設けることによって、発電装置１００に力が加えられた際に、容易に、永久磁石２０を支持体１０に対して振動させることができる。

また、第１実施形態では、複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂを直列に接続することによって、高い誘導起電力を得ることができる。

また、第１実施形態では、平面コイル１４ａおよび１４ｂの中央部に磁心１５を設けることによって、平面コイル１４ａ（１４ｂ）を貫く磁束φを大きくすることができるので、発電装置１００の発電量を大きくすることができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態による発電装置の構造を示した断面図である。図６は、図５に示した第２実施形態による発電装置の構造を説明するための平面図である。次に、図５および図６を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、永久磁石２０が矢印Ｙ１方向（矢印Ｙ２方向）にも移動可能な発電装置２００の構造について説明する。

本発明の第２実施形態による発電装置２００は、図５に示すように、収納部２１０ａが設けられた支持体２１０と、永久磁石２０と、コイルバネ３０および２３０（図６参照）とを備えている。なお、コイルバネ２３０は、本発明の「付勢手段」の一例である。

支持体２１０は、プリント基板１１、２１２および１３により構成されている。具体的には、プリント基板１１の上面上に、開口部２１２ａを有するプリント基板２１２が形成されている。この開口部２１２ａは、図６に示すように、平面的に見て実質的に矩形（正方形）状を有する。また、プリント基板２１２の上面上には、図５に示すように、開口部２１２ａを覆うようにプリント基板１３が形成されている。このため、支持体２１０では、プリント基板１１および１３の間に配置されたプリント基板２１２の開口部２１２ａにより、収納部２１０ａが形成されている。

ここで、第２実施形態では、コイルバネ２３０は、図６に示すように、開口部２１２ａの側面２１２ｂと永久磁石２０の端部２０ｅとの間に配置されるとともに、開口部２１２ａの側面２１２ｃと永久磁石２０の端部２０ｆとの間に配置されている。この一対のコイルバネ２３０は、支持体２１０に対して永久磁石２０が矢印Ｙ１方向（矢印Ｙ２方向）において所定の基準位置に配置されるように付勢する機能を有する。

なお、第２実施形態のその他の構造は、上記第１実施形態と同様である。

次に、図５および図６を参照して、第２実施形態による発電装置２００の発電動作について説明する。

まず、発電装置２００に力が加えられることにより、図６に示すように、永久磁石２０が支持体２１０（図５参照）に対して矢印Ｘ１方向（矢印Ｘ２方向）に移動したときには、上記第１実施形態の発電動作と同様である。また、発電装置２００に力が加えられることにより、永久磁石２０が支持体２１０に対して矢印Ｙ１方向（矢印Ｙ２方向）に移動したときにも、矢印Ｘ１方向（矢印Ｘ２方向）に移動した場合と同様に発電が行われる。

第２実施形態では、上記のように、平面コイル１４ａおよび１４ｂを市松模様状に配置するとともに、部分２０ａおよび２０ｂを市松模様状に配置することによって、永久磁石２０が支持体２１０に対して矢印Ｘ１方向（矢印Ｘ２方向）に移動する場合に発電することができることに加えて、永久磁石２０が支持体２１０に対して矢印Ｙ１方向（矢印Ｙ２方向）に移動する場合にも発電することができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態による振動センサの構成を示したブロック図である。次に、図７を参照して、この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、運動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置の一例として、振動センサ５０などのその他のエネルギ変換装置に本発明を適用した場合について説明する。この振動センサ５０は、エネルギ変換部５１と、振動検出回路５２とを備えている。エネルギ変換部５１は、上記第１実施形態の発電装置１００または上記第２実施形態の発電装置２００と同様の構成を有するとともに、回路部１６が振動検出回路５２に接続されるように構成されている。振動検出回路５２は、回路部１６から出力される電圧または電流がしきい値以上になったときに振動したことを検出するように構成されている。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態による発電装置の構成を示す断面図である。図９〜図１２は、それぞれ図８の発電装置におけるＤ層〜Ｇ層のレイアウトを示す平面図である。次に、図８〜図１２を参照して、この第４実施形態では、上記第１実施形態と異なり、磁石部１１１および平面コイル１０５間に、集電電極としての対向電極１０８と、エレクトレット電極１１３とを備えた発電装置の構成について説明する。なお、対向電極１０８は、本発明の「電極」の一例であり、エレクトレット電極１１３は、本発明の「電荷を保持する膜」の一例である。なお、図１２中には隣接する平面コイル１０５間を接続するブリッジ配線層１０６も合わせて記載している。また、図８中のＤ層〜Ｇ層は、図９〜図１２の６０−６０線に沿った断面図に相当する。

第４実施形態の発電装置は、固定部１２０と可動部１３０とが互いに所定の間隔を隔てて配置されている。固定部１２０はプリント基板１０１上に固定され、可動部１３０はプリント基板１０１上に設けられた固定構造体１０２にバネ部材１０９を介して連結されている。ここで、図８に示すように、バネ部材１０９は可動部１３０の両側面に接続されており、このバネ部材１０９により可動部１３０は所定の方向（Ｘ方向）の水平運動を行い、定位置に戻ることができる。

固定部１２０には、複数の対向電極１０８が設けられたＥ層と、複数の平面コイル１０５が設けられたＧ層とが積層して配置されている。具体的には、固定部１２０は、基板１０３と、基板１０３の上面上に形成された絶縁層１０４と、絶縁層１０４内に埋め込まれた複数の平面コイル１０５（Ｇ層）と、絶縁層１０４（平面コイル１０５）の上面上に形成された絶縁層１０７と、絶縁層１０７の上面上にＸ方向に所定の間隔を隔てて形成された複数の対向電極１０８（Ｅ層）とにより構成されている。

可動部１３０には、複数のエレクトレット電極１１３が設けられたＤ層と、複数個の磁石部１１１が設けられたＦ層とが積層して配置されている。具体的には、可動部１３０は、基板１１０と、基板１１０の下面上に配置された複数個の磁石部１１１と、磁石部１１１を覆うように形成された絶縁層１１２と、絶縁層１１２の下面上に配置された複数のエレクトレット電極１１３とにより構成されている。

さらに、第４実施形態では、固定部１２０と可動部１３０とに設けられた各層（Ｄ層〜Ｇ層）はすべて平面的に見てオーバラップするように設けられている。特に、Ｄ層（エレクトレット電極１１３）とＥ層（対向電極１０８）とは、Ｆ層（磁石部１１１）とＧ層（平面コイル１０５）との間に挟み込まれた状態で配置されている。

以下に第４実施形態の発電装置における２種類の発電部について説明する。

１つの発電部を構成するＤ層のエレクトレット電極１１３とＥ層の対向電極１０８とは、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。そして、対向するエレクトレット電極１１３と対向電極１０８との間において静電誘導作用を利用して発電（振動エネルギ（運動エネルギ）を電気エネルギに変換）を行う静電誘導型の発電部が構成されている。

具体的には、この静電誘導型の発電部では、外部から振動が加わり可動部１３０が移動することにより、電荷を保持しているエレクトレット電極１１３とエレクトレット電極１１３に対向する対向電極１０８との間で両者が重なる面積の増減が生じる。これにより、対向電極１０８に電荷の変化が生じるので、この電荷の変化を取り出すことにより発電される。なお、静電誘導型の発電部では、対向する電極間の相対移動の際に生じる静電誘導作用を利用して発電しているので、出力インピーダンスが非常に大きい。このため、小さな形状でも高電圧（たとえば、１００Ｖ程度）を出すことができる。また、エレクトレット電極１１３が有する初期電化注入量を増加させることにより、容易に出力電圧の高電圧化を図ることができる。

もう１つの発電部を構成するＦ層の磁石部１１１とＧ層の平面コイル１０５とは、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。そして、対向する磁石部１１１と平面コイル１０５とにより、電磁誘導作用を利用して発電（振動エネルギ（運動エネルギ）を電気エネルギに変換）を行う電磁誘導型の発電部が構成されている。

具体的には、この電磁誘導型の発電部では、外部から振動が加わり可動部１３０が移動することにより、磁石部１１１における磁極面との電磁誘導作用（ファラデーの電磁誘導の法則）により平面コイル１０５に誘導起電力が発生する。この誘導起電力を取り出すことにより発電が行われる。なお、電磁誘導型の発電部では、磁石部１１１と平面コイル１０５との間に生じる電磁誘導作用を利用して発電しているので、低電圧（たとえば、３Ｖ程度）を出力することに適している。

以下に、固定部１２０と可動部１３０に設けられた各層（Ｄ層〜Ｇ層）について説明する。

Ｄ層には、エレクトレット電極１１３が設けられている。詳細には、エレクトレット電極１１３は、アルミニウム合金などの金属からなる固定電極１１３ａと、固定電極１１３ａの表面上に形成された電荷保持材料（半永久的に電荷を保持する材料）であるエレクトレット膜１１３ｂとによって構成されている。そして、エレクトレット電極１１３は、図９に示すように、所定の方向（Ｘ方向）に直交する方向にライン状（短冊状）に延びるように複数形成されている。エレクトレット膜１１３ｂとしては、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル重合体）、ＰＰ（ポリプロピレン）、およびＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂材料が採用される。または、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの無機材料が採用される。ここで、エレクトレット膜１１３ｂにはコロナ放電などにより電荷注入がなされることによって、エレクトレット膜１１３ｂの表面電位は、マイナス１００Ｖに達するように調整されている。エレクトレット電極１１３を構成する固定電極１１３ａは接地されている。なお、エレクトレット膜１１３ｂの表面電位は、エレクトレット膜の材料やエレクトレット膜への電荷注入条件などにより容易に調整することが可能である。

Ｅ層には、対向電極１０８が設けられている。詳細には、対向電極１０８は、固定電極１１３ａと同じアルミニウム合金などの金属から構成され、エレクトレット電極１１３と対向するように絶縁層１０７の上面上に形成されている。そして、対向電極１０８は、接地されるとともにエレクトレット電極１１３との間において静電誘導を利用して発電（振動エネルギを電気エネルギに変換）を行う静電誘導型の発電部が構成されている。また、対向電極１０８の平面形状は、図１０に示すように、ライン状（短冊状）の部分と短冊状の部分同士を接続する部分とからなる櫛歯形状に形成されている。そして、エレクトレット電極１１３および対向電極１０８は、互いに対向するように配置されている。具体的には、対向電極１０８のサイズ／ピッチは、エレクトレット電極１１３のサイズ／ピッチと同じである。対向電極１０８の個々の短冊状の部分のサイズ（幅）としては、０．０１ｍｍ〜２ｍｍ程度が適しており、特に０．１ｍｍ程度が最適である。このように幅の小さい短冊状の部分に細分化することにより、小さな振動に対しても大きな面積変化を生じさせることができるので、所定の方向（矢印１０９ａで示される方向）の振動に対する発電効率を向上させることができる。

また、Ｅ層には、発電装置としての動作中に対向電極１０８とエレクトレット電極１１３とが接触することを防止するために、対向電極１０８の高さよりも高さの大きいスペーサ１０７ａ（図１０参照）が絶縁層１０７の上面に設けられている。第４実施形態では、図１０に示すように、対向電極１０８の周囲の２箇所に配置している。

Ｆ層には、磁石部１１１が設けられている。詳細には、磁石部１１１は、複数個のネオジウムボロン磁石（単極磁石）により構成され、磁石部１１１の磁極面（Ｎ極１１１ａおよびＳ極１１１ｂ）が平面コイル１０５と対向するように配置されている。そして、磁石部１１１における複数個のネオジウムボロン磁石は、図１１に示すように、磁極面（Ｎ極１１１ａおよびＳ極１１１ｂ）が交互に、かつ、マトリクス状に配置されている。磁石部１１１におけるネオジウムボロン磁石の磁極面を交互に配置することによって、振動に対して磁束変化を大きくすることができるので、電磁誘導作用により発生する発電量を大きくすることが可能である。

Ｇ層には、平面コイル１０５が設けられている。詳細には、平面コイル１０５は、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）などから構成されている。平面コイル１０５は、図１２に示すように、左巻きコイル１０５ａと右巻きコイル１０５ｂとが交互に、かつ、マトリクス状に配置され、それぞれのコイルを直列に接続するためのブリッジ配線層１０６が設けられている。平面コイル１０５の配置ピッチはＦ層の磁石部１１１におけるネオジウムボロン磁石の配置ピッチに揃えられ、平面コイル１０５およびネオジウムボロン磁石を正方形状としたときの一辺のサイズ（長さ）としては、約０．１ｍｍ以上約１ｃｍ以下が適しており、特に１ｍｍ程度が最適である。なお、逆巻きのコイルを交互に接続するのは、隣接する平面コイル１０５の巻き方向が同じ場合に、各平面コイル１０５に生じる誘導起電力（一方は正の起電力、他方は負の起電力）が互いに打ち消しあい、隣接する平面コイル１０５から誘導起電力が発生しなくなることを防ぐためである。

また、図１２では２回の巻き数のコイルを記載しているが、発電量を向上させるにはさらに巻き数を増やすことが有効である。また、可動部１３０の移動により、平面コイル１０５と対向電極１０８との間に寄生容量が発生する場合がある。このため、平面コイル１０５と対向電極１０８との間隔を、絶縁層１０７の膜厚を調整することにより、少なくともエレクトレット電極１１３と対向電極１０８との間の間隔よりも広くすることが好ましく、より好ましくは３倍程度の間隔である。

第４実施形態では、上記のように、電磁誘導型の発電部に加え、さらに静電誘導型の発電部を備えた発電装置としたことによって、外部からの振動が加わり可動部１３０が移動することにより、１つの振動から同時に２種類の電圧（たとえば、高電圧と低電圧）を発生させて供給することができる。このため、従来の発電装置のみを用いて２種類の電圧を供給する場合に比べ、電圧変換装置（昇降圧回路）が不要になり、その分、発電装置の小型化（小面積化）を図ることができる。

また、第４実施形態では、上記のように、電圧変換回路（昇降圧回路）を用いずに２種類の電圧（たとえば高電圧と低電圧）を供給するようにしたことによって、従来のように高電圧から低電圧に変換して２種類の電圧を供給する場合と異なり、電圧変換回路（昇降圧回路）において電圧変換の際に生じる電力損失が削減されるので、発電装置としての発電効率が向上する。

また、第４実施形態では、上記のように、電磁誘導型の発電部を、磁石部１１１と平面コイル１０５とを対向させて構成するようにしたことによって、静電誘導型の発電部を構成する材料（固定部１２０と可動部１３０）を共通利用して電磁誘導型の発電部を混載できるようになり、それぞれを個別に設ける場合に比べ、発電装置を小型化（小面積化）することができる。

また、第４実施形態では、上記のように、静電誘導型の発電部と電磁誘導型の発電部とを積層配置したことによって、それぞれを各部材（固定部１２０と可動部１３０）の異なる位置に設ける場合に比べ、両発電部が重なる領域の分、発電装置をさらに小型化（小面積化）することができる。

また、第４実施形態では、上記のように、上記構成の電磁誘導型の発電部および静電誘導型の発電部を積層配置することにより発電装置を構成することによって、従来の電磁誘導型の発電装置のみの発電装置に比べ、小型で、２種類の電圧（たとえば、高電圧と低電圧）を供給可能な発電装置とすることができる。

（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態による発電装置の構成を示す断面図である。次に、図１３を参照して、この第５実施形態では、上記第４実施形態と異なり、可動部１３０ａの一方の面（下面）と、第１の固定部１２０ａとを対向するように配置して静電誘導型の発電部を構成するとともに、可動部１３０ａの他方の面（上面）と第２の固定部１２０ｂとを対向するように配置して電磁誘導型の発電部を構成している。なお、その他の構成については、第４実施形態と同様である。

第５実施形態の発電装置は、第１の固定部１２０ａと、第２の固定部１２０ｂと、第１の固定部１２０ａと第２の固定部１２０ｂとの間に所定の間隔を有して挟まれる可動部１３０ａとを備えている。具体的には、第１の固定部１２０ａは第１のプリント基板１０１ａ上に固定され、第２の固定部１２０ｂは固定構造体１０２上に設けられた第２のプリント基板１０１ｂに固定されている。可動部１３０ａは、第１の固定部１２０ａと第２の固定部１２０ｂとの間に挟まれている。また、可動部１３０ａと、第１の固定部１２０ａと、第２の固定部１２０ｂとは、それぞれ所定の間隔を有して配置されている。そして、可動部１３０ａは固定構造体１０２にバネ部材１０９を介して連結されている。バネ部材１０９は、図１３に示すように、可動部１３０ａの両側面に接続されており、このバネ部材１０９により可動部１３０ａは所定の方向（Ｘ方向）に水平運動を行い、基準位置に戻ることが可能である。

可動部１３０ａには、その一方の面（下面）に複数のエレクトレット電極１１３が設けられたＤ層が配置され、他方の面（上面）に複数個の磁石部１１１が設けられたＦ層が配置されている。具体的には、可動部１３０ａは、基板１１４と、基板１１４の両面（上面および下面）上に形成された絶縁層（絶縁層１１２ａおよび絶縁層１１２ｂ）と、絶縁層１１２ａの下面上に配置された複数のエレクトレット電極１１３と、絶縁層１１２ｂの上面上に配置された複数個の磁石部１１１とにより構成されている。

第１の固定部１２０ａには、複数の対向電極１０８が設けられたＥ層が配置されている。具体的には、第１の固定部１２０ａは、基板１０３と、基板１０３の上面上に形成された絶縁層１０７と、絶縁層１０７の上面上に配置された複数の対向電極１０８（Ｅ層）とにより構成されている。

第２の固定部１２０ｂには、複数の平面コイル１０５が設けられたＧ層が配置されている。具体的には、第２の固定部１２０ｂは、基板１１０と、基板１１０の下面上に形成された絶縁層１０４と、絶縁層１０４の下面上に配置された複数の平面コイル１０５（Ｇ層）とにより構成されている。

そして、上述のように配置された可動部１３０ａ、第１の固定部１２０ａ、および第２の固定部１２０ｂを有する発電装置では、Ｄ層のエレクトレット電極１１３とＥ層の対向電極１０８とは互いに所定の間隔を隔てて配置されている。そして、対向するエレクトレット電極１１３と対向電極１０８との間において静電誘導作用を利用して発電（振動エネルギを電気エネルギに変換）を行う静電誘導型の発電部が構成されている。さらに、Ｆ層の磁石部１１１とＧ層の平面コイル１０５とは互いに所定の間隔を隔てて配置されている。そして、対向する磁石部１１１と平面コイル１０５との間において電磁誘導作用を利用して発電（振動エネルギを電気エネルギに変換）を行う電磁誘導型の発電部が構成されている。そして、このような電磁誘導型の発電部は、可動部１３０ａを挟んで静電誘導型の発電部とオーバラップする位置に配置されている。

上記した第５実施形態による発電装置（エネルギ変換装置）によれば、上記第４実施形態の効果に加え、以下の効果を得ることができる。

第５実施形態では、上記のように、２つの固定部１２０ａおよび１２０ｂで可動部１３０ａを挟み込み、２つの固定部１２０ａおよび１２０ｂのそれぞれと、可動部１３０ａの上面および下面とを対向させて各発電部を構成したことによって、電磁誘導型の発電部における磁石部１１１と平面コイル１０５との間隔の設計自由度が向上する。このため、静電誘導型の発電部の大きさ（高さ）に影響されることなく、電磁誘導型の発電部における発電特性を制御することができる。特に、この第５実施形態では、上記第４実施形態に比べ、磁石部１１１と平面コイル１０５との間隔を狭くすることができるので、振動に対して磁束変化を大きくすることができる。また、電磁誘導作用により発生する発電量を大きくすることができる。

（第６実施形態）
図１４は、本発明の第６実施形態による発電装置を搭載したセンサ装置の構成を示すブロック図である。次に、図１４を参照して、この第６実施形態では、本発明の発電装置（エネルギ変換装置）が搭載されたセンサ装置（たとえば、センサネットワーク装置）について説明する。

第６実施形態のセンサ装置は、上述の発電装置で構成された発電部１５０（静電誘導型の第１発電部１５０ａ、電磁誘導型の第２発電部１５０ｂ）と、第１発電部１５０ａで発電した電力を蓄える第１蓄電部１５１ａと、この第１蓄電部１５１ａの電力を用いて動作するセンサ部１５２と、第２発電部１５０ｂで発電した電力を蓄える第２蓄電部１５１ｂと、この第２蓄電部１５１ｂの電力を用いて動作する電子回路部（制御回路部１５３ａ、無線発信回路部１５３ｂ）とを備えている。

このセンサ装置では、発電部１５０が外部から加わる振動により自己発電して、静電誘導型の第１発電部１５０ａから高電圧（たとえば、１００Ｖ程度）が供給され、電磁誘導型の第２発電部１５０ｂから低電圧（たとえば３Ｖ程度）が供給される。そして、第１発電部１５０ａで自己発電した電力を用いてセンサ部１５２を動作させるとともに、第２発電部１５０ｂで自己発電した電力を用いて電子回路部を動作させている。

以上説明した本発明の発電装置（エネルギ変換装置）を搭載するセンサ装置によれば、以下の効果を得ることができる。

第６実施形態では、上記のように、従来の静電誘導型の発電装置を用いて２種類の電圧（たとえば、高電圧および低電圧）が供給されて動作するセンサ装置に比べ、電圧変換回路（昇降圧）が不要になり、その分、センサ装置の小型化（小面積化）を図ることができる。

（第７実施形態）
図１５は、本発明の第７実施形態による発電装置を搭載したセンサ装置の構成を示すブロック図である。次に、図１５を参照して、この第７実施形態では、第６実施形態と異なり、第１発電部１６０ａにおいて外部から加わる振動により自己発電して生じる起電圧をセンサシングすることにより、第１発電部１６０ａを外部振動に対するセンサ部として機能させている。なお、その他の構成については、第６実施形態と同様である。

第７実施形態のセンサ装置は、上述の発電装置で構成された発電部１６０（静電誘導型の第１発電部１６０ａおよび電磁誘導型の第２発電部１６０ｂ）と、第２発電部１６０ｂで発電した電力を蓄える蓄電部１６１と、この蓄電部１６１の電力を用いて動作する電子回路部（制御回路部１６２ａ、発信回路部１６２ｂ）とを備えている。

このセンサ装置では、第１発電部１６０ａにおいて自己発電により生じた起電圧をセンシングすることにより振動（運動量）を検出するとともに、第２発電部１６０ｂにおいて自己発電した電力を用いて電子回路部を動作させている。

以上説明した本発明の発電装置（エネルギ変換装置）を搭載するセンサ装置によれば、以下の効果を得ることができる。

第７実施形態では、上記のように、第１発電部１６０ａ自体をセンサ部として機能させることによって、第６実施形態に比べ、外部振動を検出するセンサ部を別途搭載する必要がないため、その分、センサ装置としての小型化（小面積化）を図ることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、直列に接続された複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、図１６に示した第１実施形態の第１変形例のように、複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂを設け、かつ、各列の複数の平面コイル１４ａおよび１４ｂを直列に接続するとともに、直列に接続された各列の平面コイル１４ａおよび１４ｂを回路部１６に並列に接続してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、巻き方向が互いに逆の平面コイル１４ａおよび１４ｂを設け、かつ、平面コイル１４ａの外側と、平面コイル１４ａと隣接する一方の平面コイル１４ｂの内側とを接続するとともに、平面コイル１４ａの内側と、平面コイル１４ａと隣接する他方の平面コイル１４ｂの外側とを接続する例を示したが、本発明はこれに限らず、平面コイル１４ａのみを設け、かつ、平面コイル１４ａの内側と、平面コイル１４ａと隣接する一方の平面コイル１４ａの内側とを接続するとともに、平面コイル１４ａの外側と、平面コイル１４ａと隣接する他方の平面コイル１４ａの外側とを接続するようにしてもよい。また、図１７に示した第１実施形態の第２変形例のように、下面側から見て、外側に向かう際に、左巻きとなる平面コイル１４１ａおよび１４２ａを設け、各列の複数の平面コイル１４１ａおよび１４２ａをそれぞれ直列に接続するとともに、直列に接続された各列の平面コイル１４１ａおよび１４２ａをそれぞれ回路部１６に並列に接続してもよい。なお、平面コイル１４１ａおよび１４２ａは、本発明の「第１平面コイル」の一例である。また、下面側から見て、外側に向かう際に、右巻きとなる平面コイルのみを設けてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、複数の磁心１５を設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、図１８に示した本発明の第１実施形態の第３変形例による発電装置３００のように、プリント基板１３の上面に配置される板状部３１５ａに複数の突出部３１５ｂが形成された１つの磁心３１５を設けてもよい。この突出部３１５ｂは、プリント基板１３の開口部１３ａに埋め込まれている。このように構成すれば、平面コイル１４ａおよび１４ｂの中央部に配置された突出部３１５ｂが適切に磁化されるので、発電装置３００の発電量を大きくすることができる。また、図１９に示した本発明の第１実施形態の第４変形例による発電装置４００のように、プレス加工などにより突出部４１５ａが形成された１つの磁心４１５を設けてもよい。この突出部４１５ａは、プリント基板１３の開口部１３ａに埋め込まれている。このように構成すれば、磁心４１５を容易に形成することができる。

また、上記第１および第２実施形態では、永久磁石２０と永久磁石２０とが隣接するように配置する例を示したが、本発明はこれに限らず、図２０および図２１に示す第５変形例による発電装置４１０のように、永久磁石２０と永久磁石２０との間にスペーサ４０を設けてもよい。これにより、スペーサ４０を設けた分、コイルを通る磁束密度を大きくすることができるので、発電装置の発電量を大きくすることができる。

また、上記第１および第２実施形態では、永久磁石２０をプリント基板１１の表面上に設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、図２２および図２３に示す第６変形例による発電装置４２０のように、永久磁石２０の複数の部分２０ａおよび部分２０ｂを、基板４１上に交互に隣接した状態で配置するとともに、平面コイル１４ａおよび１４ｂに相対的に移動可能に構成してもよい。これにより、複数の磁石を配置させた多極磁石を容易に作製することができる。また、基板４１に対する磁石の配置などの設計自由度を向上させることができる。

また、上記第１および第２実施形態では、上面のプリント基板１３の永久磁石２０側に平面コイル１４ａおよび１４ｂを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、図２４に示す第７変形例による発電装置４３０のように、上面のプリント基板１３の永久磁石２０と反対側（コイルの上部）に磁性材料からなる磁性部材４２を設けてもよい。これにより、コイルを通る磁束密度を大きくすることができるので、発電装置の発電量を向上させることができる。また、上記実施形態１のコイル中心に配置した磁心１５を設ける必要がなくなる。また、本装置外への磁束漏れを抑制することができる。

また、上記第１および第２実施形態では、上面のプリント基板１３の永久磁石２０側に平面コイル１４ａおよび１４ｂを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、図２５に示す第８変形例による発電装置４４０のように、上面のプリント基板１３の永久磁石２０と反対側（コイルの上部）および下面のプリント基板１１の永久磁石２０と反対側（磁石の下部）に磁性材料からなる磁性部材４３を設けてもよい。これにより、上記第７変形例と同様の効果を得ることができるとともに、本装置外への磁束漏れをより抑制することができる。

また、上記第１および第２実施形態では、プリント基板１３に平面コイル１４ａおよび１４ｂを形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、図２６に示した第１実施形態の第９変形例による発電装置５００のように、プリント基板１３に平面コイル１４ａおよび１４ｂを形成するとともに、プリント基板１１に平面コイル５１４ａおよび５１４ｂを形成してもよい。このように構成すれば、発電装置５００の発電量を容易に大きくすることができる。なお、平面コイル５１４ａおよび５１４ｂは、本発明の「第２平面コイル」の一例である。また、プリント基板１１のみに平面コイルを形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、プリント基板１１の上面上に永久磁石２０を配置するとともに、永久磁石２０の上面上に平面コイル１４ａおよび１４ｂが形成されたプリント基板１３を配置する例を示したが、本発明はこれに限らず、プリント基板１１の上面上に永久磁石２０を配置するとともに、永久磁石２０の上面上に平面コイル１４ａおよび１４ｂが形成されたプリント基板１３を配置し、かつ、プリント基板１３の上面上に永久磁石２０を配置するとともに、永久磁石２０の上面上にプリント基板１１を配置するような積層構造にしてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、コイルバネ３０を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、コイルバネの代わりに板バネなどのその他の付勢手段を用いてもよい。なお、第２実施形態のコイルバネ２３０についても同様である。

また、上記第２実施形態では、コイルバネ３０および２３０により永久磁石２０を支持する例を示したが、本発明はこれに限らず、コイルバネ２３０を設けることなく、コイルバネ３０のみで永久磁石２０を支持するようにしてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、平面コイル１４ａおよび１４ｂを支持体１０（２１０）に設けるとともに、永久磁石２０を支持体に対して移動可能に配置する例を示したが、本発明はこれに限らず、磁石を支持体に設けるとともに、平面コイルを支持体に対して移動可能に配置してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、プリント基板１３の下面に平面コイル１４ａおよび１４ｂを形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、プリント基板１３の上面および下面の両方に平面コイル１４ａおよび１４ｂを形成してもよい。このように構成すれば、発電装置の発電量を容易に大きくすることができる。また、プリント基板１３の上面のみに平面コイル１４ａおよび１４ｂを形成してもよい。また、平面コイル１４ａおよび１４ｂの一部または全部をプリント基板１３の内部に埋め込んでもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、多極磁石である永久磁石２０を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、複数の双極磁石を用いて永久磁石２０を構成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、３つのプリント基板を用いて収納部を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、アクリル板などのその他の材料を用いて収納部を形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、永久磁石２０を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、永久磁石の代わりに電磁石を用いてもよい。

また、上記第１実施形態では、部分２０ａおよび２０ｂを市松模様状に配置する例を示したが、本発明はこれに限らず、部分２０ａおよび２０ｂをストライプ状に配置してもよい。この場合、誘導起電力が打ち消されないように平面コイル１４ａおよび１４ｂを接続することが好ましい。

また、上記第４〜第７実施形態では、エレクトレット電極を可動部に設け、対向電極を固定部に設けて静電誘導型の発電部を構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極を固定部に設け、対向電極を可動部に設けてもよい。この場合にも、上記した同様の効果を得ることができる。

また、上記第４〜第７実施形態では、磁石部を可動部に設け、平面コイルを固定部に設けて電磁誘導型の発電部を構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、磁石部を固定部に設け、平面コイルを可動部に設けてもよい。この場合にも、上記した同様の効果を得ることができる。

また、上記第４〜第７実施形態では、静電誘導型の発電部と電磁誘導型の発電部とを積層配置した発電装置の例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、２つの発電部が共通部材（可動部および／または固定部）内で平面的に重ならないように配置してもよい。この場合にも、上記した同様の効果を得ることができる。

また、上記第４実施形態では、発電装置としての動作中にエレクトレット電極と対向電極とが接触することを防止するために、対向電極の周囲にスペーサを設けた例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極を覆う保護絶縁層と対向電極を覆う別の保護絶縁層とをそれぞれ設け、こうした保護絶縁層同士が接触するように可動部を配置してもよい。この場合には、スペーサを用いる場合に比べ、より確実に接触防止を図ることができることに加え、対向する電極間の間隔をさらに狭くすることができるので、静電誘導型の発電部における発電量を向上させることができる。

本発明の第１実施形態による発電装置の構造を示した断面図である。 図１に示した第１実施形態による発電装置の構造を説明するための平面図である。 図１に示した第１実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による発電装置の発電動作を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による発電装置の構造を示した断面図である。 図５に示した第２実施形態による発電装置の構造を説明するための平面図である。 本発明の第３実施形態による振動センサの構成を示したブロック図である。 本発明の第４実施形態による発電装置の構成を示す断面図である。 図８の発電装置におけるＤ層のレイアウトを示す平面図である。 図８の発電装置におけるＥ層のレイアウトを示す平面図である。 図８の発電装置におけるＦ層のレイアウトを示す平面図である。 図８の発電装置におけるＧ層のレイアウトを示す平面図である。 本発明の第５実施形態による発電装置の構成を示す断面図である。 本発明の第６実施形態による発電装置を搭載したセンサ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第７実施形態による発電装置を搭載したセンサ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の第１変形例による発電装置の構造を説明するための図である。 本発明の第１実施形態の第２変形例による発電装置の構造を説明するための図である。 本発明の第１実施形態の第３変形例による発電装置の構造を示した断面図である。 本発明の第１実施形態の第４変形例による発電装置の構造を示した断面図である。 本発明の第１実施形態の第５変形例による発電装置の構造を示した断面図である。 図２０に示した発電装置の構造を示した平面図である。 本発明の第１実施形態の第６変形例による発電装置の構造を示した断面図である。 図２２に示した発電装置の構造を示した平面図である。 本発明の第１実施形態の第７変形例による発電装置の構造を示した断面図である。 本発明の第１実施形態の第８変形例による発電装置の構造を示した断面図である。 本発明の第１実施形態の第９変形例による発電装置の構造を示した断面図である。

符号の説明

１０、２１０ 支持体
１４ａ、１４ｂ、１４１ａ、１４２ａ 平面コイル（第１平面コイル）
２０、１１１ 永久磁石（磁石）
２０ａ 部分（第１部分）
２０ｂ 部分（第２部分）
３０、２３０ コイルバネ（付勢手段）
５０ 振動センサ（エネルギ変換装置）
１００、２００、３００、４００、４１０、４２０、４３０、４４０、５００ 発電装置（エネルギ変換装置）
１０８ 対向電極（電極）
１１３ エレクトレット電極（電荷を保持する膜）
５１４ａ、５１４ｂ 平面コイル（第２平面コイル）

Claims (6)

1. 第１平面コイルと、
   前記第１平面コイルと間隔を隔てて対向配置された磁石とを備え、
   前記第１平面コイルおよび前記磁石は、相対的に移動可能なように構成されており、
   電磁誘導作用により運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成されている、エネルギ変換装置。
2. 前記第１平面コイルが設けられた支持体と、
   前記磁石が基準位置に向かうように付勢する付勢手段とをさらに備える、請求項１に記載のエネルギ変換装置。
3. 前記第１平面コイルは、同一平面状に複数設けられており、
   前記複数の第１平面コイルは、マトリクス状に配置されている、請求項１または２に記載のエネルギ変換装置。
4. 前記磁石は、磁化方向が前記第１平面コイルの表面と交差する第１方向である第１部分と、磁化方向が前記第１方向とは反対の第２方向である第２部分とを含み、
   前記第１部分および前記第２部分は、市松模様状に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエネルギ変換装置。
5. 前記磁石に対して前記第１平面コイル側とは反対側に設けられた第２平面コイルをさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエネルギ変換装置。
6. 前記磁石と間隔を隔てて配置された電荷を保持する膜と、
   前記電荷を保持する膜と間隔を隔てて対向配置された電極とをさらに備え、
   前記電荷を保持する膜および前記電極は、相対的に移動可能なように構成され、
   前記磁石と前記第１平面コイルとの間に生じる電磁誘導作用により運動エネルギを電気エネルギに変換するとともに、前記電荷を保持する膜と前記電極との間に生じる静電誘導作用により運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエネルギ変換装置。

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