JP2016086599A

JP2016086599A - 発電装置

Info

Publication number: JP2016086599A
Application number: JP2014219586A
Authority: JP
Inventors: 健雄白井; Takeo Shirai
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-05-19

Abstract

【課題】信頼性の向上を図ることが可能な発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１００は、振動発電素子１と、駆動回路５と、を備える。振動発電素子１は、支持部と、圧電変換部を有し支持部に揺動自在に支持された振動子と、を備える。駆動回路５は、所定のタイミングで圧電変換部に電圧を印加することによって、振動子を、振動子の固有振動数よりも大きな振動数で振動させるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関し、より詳細には、振動を利用して発電する発電装置に関する。

近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置は、環境発電（エナジーハーベスティング）等の分野で注目されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、ベースと、圧電素子が固着されたリードと、を有する発電装置が記載されている。

特許文献１に記載された発電装置におけるベースは、矩形の窓が形成されたプレートを有する。リードは、一方の端部が、プレートの上面に固定され、他方の端部が、窓を自由に出入りできるように窓に面して位置付けられている。窓の縁部とリードとの間には、気体が通過するわずかな隙間が形成されている。

リードは、板厚方向に屈曲振動可能な可撓性を有している。例えば、リードは、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）等で形成されたフレキシブルプリント基板であり、圧電素子の出力端子を有する。また、リードは、他方の端部が窓の外側（気体が流れ込んでくる側）に位置するように、プレートの上面に対してわずかに傾斜している（上がっている）。

特開２０１２−９７６７３号公報

特許文献１に記載された発電装置では、例えば、発電装置の設置環境中の塵や埃等がリードに付着したり堆積したときに、発電特性が悪化してしまう懸念がある。

本発明の目的は、信頼性の向上を図ることが可能な発電装置を提供することにある。

本発明の発電装置は、振動発電素子と、駆動回路と、を備える。前記振動発電素子は、支持部と、圧電変換部を有し前記支持部に揺動自在に支持された振動子と、を備える。前記駆動回路は、所定のタイミングで前記圧電変換部に電圧を印加することによって、前記振動子を、前記振動子の固有振動数よりも大きな振動数で振動させるように構成されている。

本発明の発電装置は、信頼性の向上を図ることが可能となる。

図１は、実施形態の発電装置の回路ブロック図である。図２Ａは、実施形態の発電装置における振動発電素子を示す概略平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＸ１−Ｘ１概略断面図である。図３は、実施形態の発電装置を示す概略平面図である。図４は、図３のＸ２−Ｘ２概略断面図である。図５は、図３のＹ１−Ｙ１概略断面図である。図６は、実施形態の発電装置における駆動回路の第１例の回路説明図である。図７は、実施形態の発電装置における駆動回路の第２例の回路説明図である。

下記の実施形態において説明する各図は、模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

以下では、本実施形態の発電装置１００について図１、２Ａ、２Ｂ、３〜７に基づいて説明する。

発電装置１００は、振動発電素子１と、駆動回路５と、を備える。振動発電素子１は、図２Ａ及び２Ｂに示すように、支持部２と、圧電変換部３２を有し支持部２に揺動自在に支持された振動子３と、を備える。駆動回路５は、所定のタイミングで圧電変換部３２に電圧を印加することによって、振動子３を、振動子３の固有振動数よりも大きな振動数で振動させるように構成されている。これにより、発電装置１００は、信頼性の向上を図ることが可能となる。より詳細には、発電装置１００は、振動子３を固有振動数よりも大きな振動数で振動させることにより、振動子３に付着している異物を除去することが可能となり、発電特性の経時安定性を向上させることが可能となり、信頼性を向上させることが可能となる。よって、発電装置１００は、長寿命化を図れ、また、メンテナンスコストを削減することが可能となる。

振動発電素子１は、支持部２の平面視形状が枠状であるのが好ましい。また、振動子３は、平面視において自由端３ａが支持部２の内側にあるのが好ましい。また、振動子３は、振動していない状態での側面視において、反っているのが好ましい。これらにより、発電装置１００は、振動発電素子１が、流体励起振動を利用して効率良く発電することが可能となる。流体励起振動は、振動発電素子１を流れ場に配置した状態等において、流れ場を流れる流体が支持部２と振動子３との間の流路４を通過することによって発生する振動子３の振動である。この流体励起振動は、自励振動である。流体としては、例えば、空気、ガス、空気とガスとの混合気体、液体等が挙げられる。流体が気体の場合、流れ場としては、例えば、空調機の給気ダクトの内部や、空調機の排気ダクトの内部等が挙げられるが、これら以外でもよい。

発電装置１００は、例えば、図１に示すように、振動発電素子１で発生した電気エネルギを蓄電する蓄電部７と、蓄電部７の出力を利用して動作するセンサ部９及び無線送信部１０と、駆動回路５、センサ部９及び無線送信部１０を制御する制御回路８と、を備えるのが好ましい。本実施形態の発電装置１００では、センサ部９及び無線送信部１０それぞれが、蓄電部７の出力を利用して動作するデバイスを構成している。本実施形態の発電装置１００では、外部電源を利用することなく駆動回路５及びデバイスを動作させることが可能となるので、設置場所の自由度が高くなる。また、本実施形態の発電装置１００では、制御回路８によって駆動回路５及びデバイスそれぞれを動作させるタイミングを決めることが可能となるので、デバイスの動作信頼性の向上を図ることが可能となる。

発電装置１００は、図３〜５に示すように、振動発電素子１等を収納するハウジング１１０を備えるのが好ましい。これにより、発電装置１００は、ハウジング１１０によって振動発電素子１を保護することができ、取り扱いが容易になる。

発電装置１００の各構成要素については、以下に詳細に説明する。

振動発電素子１は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造されている。

振動発電素子１は、枠状の支持部２と、支持部２に揺動自在に支持された振動子３と、支持部２と振動子３との間に形成された流路４と、を備える。振動子３は、少なくとも一部が可撓性の梁部３１により構成されたカンチレバー部３０と、梁部３１の表面３１ａに設けられた圧電変換部３２と、を備える。振動子３は、振動子３の自由端３ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置するように反っている。「振動子３の自由端３ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置する」とは、振動子３の自由端３ａが、支持部２の厚さ方向において支持部２の表面２１を含む平面よりも外側に位置することを意味する。要するに、振動子３は、自由端３ａが支持部２の内側面により囲まれた空間２９の外に位置するように反っている。

振動発電素子１は、支持部２とカンチレバー部３０とが、基板２０から形成されている。振動発電素子１は、基板２０の厚さ方向の第１面２０ａ側にカンチレバー部３０が形成されている。

基板２０としては、シリコン基板２１１上のシリコン酸化膜２１２上にシリコン層２１３が形成されたＳＯＩ基板を用いている。シリコン酸化膜２１２は、例えば、埋込酸化膜により構成することができる。基板２０の第１面２０ａは、ＳＯＩ基板のシリコン層２１３の表面を構成する（１００）面としてある。ＳＯＩ基板は、例えば、シリコン基板２１１、シリコン酸化膜２１２及びシリコン層２１３の厚さを、それぞれ、４００μｍ、１μｍ及び５０μｍとすることができる。

支持部２は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とシリコン層２１３とから形成されている。

支持部２は、外周形状が矩形（直角四辺形）状であるのが好ましい。これにより、振動発電素子１の製造方法では、複数の振動発電素子１を形成したウェハから個々の振動発電素子１に分離するダイシング工程の作業性を向上させることが可能となる。基板２０がＳＯＩ基板の場合、基板２０の基礎となるウェハは、ＳＯＩウェハである。

支持部２は、枠状の形状として、矩形枠状の形状を採用している。支持部２の内周形状は、矩形状としてある。

振動発電素子１は、平面視において、支持部２の内側に、振動子３が配置されている。振動子３は、平面視で見た形状が細長の矩形状であり、長手方向の一端が支持部２に固定されている。「振動発電素子１は、平面視において」とは、支持部２の厚さ方向から振動発電素子１を見た形状において、を意味する。

振動子３は、長手方向の一端が、支持部２に固定された固定端３ｂであり、長手方向の他端が、自由端３ａである。

振動発電素子１は、基板２０に、振動子３を囲む平面視Ｕ字状のスリット２３が形成されている。これにより、振動子３は、固定端３ｂ以外の部分が、支持部２と分離されている。要するに、振動子３は、支持部２に片持ち支持されている。振動発電素子１は、スリット２３が、流路４を構成している。

梁部３１は、可撓性を有するように、梁部３１の厚さを支持部２の厚さよりも薄くしてある。梁部３１は、ＳＯＩ基板のうちシリコン層２１３から形成されている。梁部３１は、弾性を有している。梁部３１は、振動子３が振動するときに変形して歪を発生する。

振動子３は、自由端３ａ側に、梁部３１よりも厚い錘部３３を備えているのが好ましい。この場合、カンチレバー部３０は、錘部３３よりも固定端３ｂ側の部位が、梁部３１を構成している。錘部３３は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とシリコン層２１３とから形成されている。

振動発電素子１は、カンチレバー部３０が錘部３３を備えることにより、錘部３３を備えていない場合に比べて、振動子３が振動するときの慣性力を大きくすることが可能となる。これにより、振動発電素子１は、振動子３の振幅を大きくすることが可能となる。また、振動発電素子１は、カンチレバー部３０が錘部３３を備えることにより、カンチレバー部３０が振動するとき、梁部３１及び圧電変換部３２に、集中的に歪を発生させることが可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となる。また、振動発電素子１は、カンチレバー部３０が錘部３３を備えることにより、振動子３の共振周波数を小さくすることが可能となる。

圧電変換部３２は、梁部３１に設けられている。振動発電素子１は、基板２０と圧電変換部３２とが、基板２０の第１面２０ａ上に形成された第１絶縁膜９１によって、電気的に絶縁されている。第１絶縁膜９１は、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。振動発電素子１は、基板２０の厚さ方向の第２面２０ｂ上に、シリコン酸化膜からなる第２絶縁膜（図示せず）を備えていてもよい。第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜は、例えば、熱酸化法により形成することができる。第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜の形成方法は、熱酸化法に限らず、例えば、ＣＶＤ法等でもよい。第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜の厚さは、１μｍに設定してある。

圧電変換部３２は、梁部３１上に設けられた第１電極（下部電極）３２１と、第１電極３２１上に設けられた圧電体層３２２と、圧電体層３２２上に設けられた第２電極（上部電極）３２３と、を備える。要するに、圧電変換部３２は、圧電体層３２２と、圧電体層３２２を厚さ方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極３２１及び第２電極３２３と、を備えている。

圧電体層３２２の圧電材料としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）を採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ₃）や、不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ_0.5Ｎａ_0.5ＮｂＯ₃）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ₃）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ₃）、ＫＮＮに不純物を添加した材料等でもよい。不純物としては、例えば、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕ等が挙げられる。なお、振動発電素子１は、圧電体層３２２が、圧電薄膜により構成されている。

第１電極３２１の材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒ等でもよい。また、第２電極３２３の材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。

振動発電素子１は、第１電極３２１の厚さを５００ｎｍ、圧電体層３２２の厚さを３０００ｎｍ、第２電極３２３の厚さを５００ｎｍに設定してある。

振動発電素子１は、第１電極３２１と圧電体層３２２との間にバッファ層（緩衝層）を備えてもよい。バッファ層の材料は、圧電体層３２２の圧電材料に応じて適宜選択すればよい。バッファ層の材料は、圧電体層３２２の圧電材料がＰＺＴの場合、例えば、ＳｒＲｕＯ₃、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ₃等を採用することが好ましい。また、バッファ層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ₃膜との積層膜により構成してもよい。振動発電素子１は、バッファ層を備えることにより、圧電体層３２２の結晶性を向上させることが可能となる。これにより、振動発電素子１は、発電効率を向上させることが可能となる。

振動発電素子１は、振動子３の振動によって圧電変換部３２の圧電体層３２２が応力を受ける。これにより、振動発電素子１は、第２電極３２３と第１電極３２１とに電荷の偏りが発生し、圧電変換部３２において交流電圧が発生する。要するに、振動発電素子１は、圧電変換部３２が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動型の発電素子である。

圧電体層３２２の平面形状は、矩形状に形成されている。圧電変換部３２は、圧電体層３２２の外形サイズが、第１電極３２１の外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極３２３の外形サイズよりもやや大きい、のが好ましい。以下では、振動子３の厚さ方向において第１電極３２１と圧電体層３２２と第２電極３２３とが重なっている領域を、圧電変換領域３３０と称する。

圧電変換部３２は、カンチレバー部３０の梁部３１を面状に覆うように形成されている。梁部３１を面状に覆うとは、梁部３１の表面３１ａの略全面を覆うことを意味する。図２Ａにおける圧電変換部３２は、梁部３１の幅方向において梁部３１の表面３１ａの全面よりもやや狭い領域の全体を覆っている。より詳細には、圧電変換部３２は、カンチレバー部３０の側縁付近で、カンチレバー部３０の側縁から規定距離だけ離れて位置するように配置されている。規定距離は、例えば、振動発電素子１の製造時にスリット２３を形成する際に、圧電変換部３２がエッチングされないように設定するのが好ましい。

圧電変換部３２は、圧電変換領域３３０が交流電圧の発生に寄与する。振動発電素子１は、カンチレバー部３０の長さ方向において、圧電変換領域３３０の、固定端３ｂ側の端３３１を、カンチレバー部３０と支持部２との境界に揃えてある。よって、振動発電素子１は、圧電変換領域３３０の、固定端３ｂ側の端３３１が上記境界よりもカンチレバー部３０側にある場合に比べて、カンチレバー部３０上に存在する圧電変換領域３３０の面積を大きくできる。これにより、振動発電素子１は、発電効率を向上させることが可能となる。カンチレバー部３０の長さ方向は、梁部３１の軸線に沿った方向である。

また、振動発電素子１は、圧電変換領域３３０の、固定端３ｂ側の端３３１が上記境界よりも支持部２側にある場合に比べて、圧電変換領域３３０のうち発電に寄与せず寄生容量となってしまう部分を低減でき、発電効率を向上させることが可能となる。

圧電変換部３２で発生する交流電圧は、圧電体層３２２の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。振動発電素子１の圧電変換部３２は、主として、流路４を流体が流れることによって発生する自励振動を利用して発電することを想定している。振動子３の共振周波数は、カンチレバー部３０及び圧電変換部３２それぞれの構造パラメータと材料とにより決まる。

支持部２の表面２１は、振動子３の固定端３ｂ付近において、カンチレバー部３０の表面３０ａと滑らかに連続している。振動発電素子１は、第２絶縁膜を備えていない場合、支持部２の表面２１とは反対の裏面２２と、基板２０の第２面２０ｂとが同じである。振動発電素子１は、基板２０の第２面２０ｂ上に第２絶縁膜を備えている場合、第２絶縁膜の表面が支持部２の裏面２２となる。

振動発電素子１は、支持部２の表面２１側に、第１パッド電極３５１と、第２パッド電極３５２と、が設けられている。

第１パッド電極３５１は、第１配線３４１を介して第１電極３２１と電気的に接続されている。第２パッド電極３５２は、第２配線３４２を介して第２電極３２３と電気的に接続されている。第１配線３４１、第２配線３４２、第１パッド電極３５１及び第２パッド電極３５２の材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。また、第１配線３４１、第２配線３４２、第１パッド電極３５１及び第２パッド電極３５２の材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。また、第１配線３４１、第２配線３４２、第１パッド電極３５１及び第２パッド電極３５２は、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。

また、発電装置１００は、第２配線３４２と第１電極３２１の周部との間に、第２配線３４２と第１電極３２１との短絡を防止する電気絶縁層（図示せず）を設けてある。電気絶縁層は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

振動発電素子１に製造方法については、その一例について以下に簡単に説明する。

振動発電素子１の製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板２０を準備し、その後、絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜形成工程では、熱酸化法等を利用して、基板２０の第１面２０ａにシリコン酸化膜からなる第１絶縁膜９１を形成する。また、絶縁膜形成工程では、基板２０の第２面２０ｂ側に第２絶縁膜を形成する。絶縁膜形成工程では、第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜を形成する方法として熱酸化法を採用しているが、これに限らず、ＣＶＤ法等を採用してもよい。

絶縁膜形成工程の後には、基板２０の第１面２０ａ側の全面に、第１電極３２１と第１配線３４１との基礎になる第１導電層を形成する第１導電層形成工程を行い、続いて、圧電体層３２２の基礎になる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程を行う。第１導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。圧電材料層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法等を採用してもよい。

圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層を圧電体層３２２の所定の形状にパターニングする第１パターニング工程を行い、続いて、第１導電層を第１電極３２１及び第１配線３４１の所定の形状にパターニングする第２パターニング工程を行う。第１パターニング工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して圧電材料層をパターニングする。また、第２パターニング工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して第１導電層をパターニングする。

第２パターニング工程の後には、基板２０の第１面２０ａ側に電気絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。絶縁層形成工程の後には、第２電極３２３と第２配線３４２との基礎になる第２導電層を基板２０の第１面２０ａ側の全面に形成する第２導電層形成工程を行い、第２導電層を第２電極３２３及び第２配線３４２の所定の形状にパターニングする第３パターニング工程を行う。第２導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。また、第３パターニング工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して第２導電層をパターニングする。

第３パターニング工程の後には、第１パッド電極３５１と第２パッド電極３５２との基礎になる第３導電層を、基板２０の第１面２０ａ側の全面に形成する第３導電層形成工程を行う。第３導電層形成工程の後には、第３導電層を、第１パッド電極３５１及び第２パッド電極３５２の所定の形状にパターニングする第４パターニング工程を行う。第４パターニング工程の後には、基板２０の第１面２０ａ側から、支持部２及びカンチレバー部３０以外の部位を第１所定深さまでエッチングすることで第１溝を形成する第１溝形成工程を行う。第１所定深さは、梁部３１の厚さに対応する深さである。第１溝形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して第１溝を形成する。第１溝形成工程では、シリコン酸化膜２１２をエッチングストッパ層として利用する。第１溝形成工程の後には、基板２０の第２面２０ｂ側から支持部２以外の部位を第２所定深さまでエッチングすることで第２溝を形成する第２溝形成工程を行う。第２溝形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して第２溝を形成する。第２溝形成工程では、シリコン酸化膜２１２をエッチングストッパ層として利用する。第２溝形成工程の後には、シリコン酸化膜２１２のうち支持部２以外に対応する部分をエッチングすることで支持部２と併せてカンチレバー部３０を形成するカンチレバー部形成工程を行うことにより、振動発電素子１を得る。また、上述のカンチレバー部形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、支持部２と併せてカンチレバー部３０を形成する。第１溝形成工程、第２溝形成工程及びカンチレバー部形成工程での各エッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングである。なお、カンチレバー形成工程において、流路４が形成される。振動発電素子１の製造方法では、振動子３を形成したときに、振動子３を、振動子３の内部応力である圧縮応力によって反らせることができる。

振動発電素子１の製造にあたっては、カンチレバー部形成工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の振動発電素子１に分割するようにしている。

振動発電素子１の製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング工程とを順次行う代わりに、リフトオフ法を利用して第１パッド電極３５１及び第２パッド電極３５２を形成してもよい。また、振動発電素子１の製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング工程とを順次行う代わりに、メタルマスク等を利用して蒸着法等により第１パッド電極３５１及び第２パッド電極３５２を形成してもよい。

振動子３は、外部振動や流体等が作用していない初期状態において、図２Ｂのように、自由端３ａが支持部２の表面２１側において空間２９の外に位置するように反っている。ここで、梁部３１は、表面３１ａが凹曲面となり且つ裏面３１ｂが凸曲面となるように、湾曲している。振動子３は、圧電体層３２２の内部応力、第１絶縁膜９１の内部応力等によって反っており、自由端３ａが空間２９の外に位置している。圧電体層３２２の内部応力及び第１絶縁膜９１の内部応力は、圧縮応力である。圧電体層３２２の内部応力は、例えば、圧電薄膜をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧、温度等のプロセス条件を適宜設定することによって調整することができる。

振動発電素子１の動作については、以下の推定メカニズムにより説明する。

振動発電素子１は、流体の流れる方向と支持部２の厚さ方向とが一致し、支持部２の表面２１側が流体の上流側、支持部２の裏面２２側が流体の下流側となるように配置して使用するのが好ましい。

振動発電素子１では、上流側から振動発電素子１に向って流れる流体が流路４を通る際に流速が速くなるので、振動子３と支持部２とで囲まれた空間２９の圧力が下がり、振動子３の自由端３ａが空間２９に近づく向きへ変位する。そして、振動発電素子１では、カンチレバー部３０の表面３０ａと支持部２の表面２１とが面一になったところで、カンチレバー部３０の表面３０ａ側と裏面３０ｂ側との圧力差がなくなる。そして、振動発電素子１は、梁部３１の弾性力によって振動子３の自由端３ａが元の位置に戻る向きへ変位するものと推考される。振動発電素子１は、このような動作が繰り返されることで振動子３が自励振動し、圧電変換部３２で交流電圧が発生する、と推考される。

振動発電素子１は、振動子３が錘部３３を備えることにより、振動子３が錘部３３を備えていない場合に比べて、振動子３の振動時の慣性力を大きくでき、振動子３の振幅を大きくすることが可能となる。また、振動発電素子１は、振動子３が錘部３３を備えることにより、振動子３の振動時に振動子３における梁部３１及び圧電変換部３２に集中的にひずみを発生させることが可能となる。よって、振動発電素子１は、錘部３３を備えることにより、圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。また、振動発電素子１は、振動子３が錘部３３を備えることにより、振動子３の共振周波数を小さくすることが可能となり、振動子３が振動し始める流体の流速の低速化を図ることが可能となる。

発電装置１００は、上述のようにハウジング１１０を備えるのが好ましい。ハウジング１１０は、流体の入口１２１と、流体の出口１２３と、入口１２１と出口１２３との間の流路１２２と、を備える。

発電装置１００は、振動発電素子１が実装された回路基板１１を備えているのが好ましい。回路基板１１としては、例えば、プリント基板を用いることができる。回路基板１１は、振動発電素子１の第１パッド電極３５１が第１ワイヤを介して電気的に接続される第１導体部（図示せず）を備える。また、回路基板１１は、振動発電素子１の第２パッド電極３５２が第２ワイヤを介して電気的に接続される第２導体部を備えている。回路基板１１には、流路１２２に連通する孔１２が、回路基板１１の厚さ方向に貫通して形成されている。回路基板１１は、孔１２を形成したものに限らず、例えば、Ｕ字状の形状に形成したものでもよい。発電装置１００は、回路基板１１に、制御回路８の回路部品や駆動回路５の回路部品も実装されているのが好ましい一態様である。

ハウジング１１０は、入口１２１が形成された第１構造体１１１と、出口１２３が形成された第２構造体１１２と、を、複数本の第１螺子（図示せず）により固定して構成されている。発電装置１００は、第１構造体１１１と第２構造体１１２との間に、振動発電素子１及び回路基板１１が配置されており、振動発電素子１及び回路基板１１がハウジング１１０に保持されている。第１構造体１１１及び第２構造体１１２は、それぞれ樹脂成形品により構成してある。よって、発電装置１００は、ハウジング１１０を金属により形成する場合に比べて、ハウジング１１０の形状の自由度が高くなり、流体の渦の発生を抑制するための、より複雑な形状のハウジング１１０を形成可能となる。また、発電装置１００は、ハウジング１１０を金属により形成する場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。

ハウジング１１０は、直方体状に形成されており、各角部が丸みを有するように形成されているのが好ましい。要するに、ハウジング１１０は、隣り合う面同士が滑らかに連続しているのが好ましい。特に、ハウジング１１０は、入口１２１が形成された前面１３１と、前面１３１に隣り合う側面１３２と、が滑らかに連続しているのが好ましい。これにより、発電装置１００は、ハウジング１１０の入口１２１の周部付近で渦等が発生するのを抑制することが可能となる。よって、発電装置１００は、ハウジング１１０の外部から流体を流路１２２に効率良く導入することが可能となる。これにより、発電装置１００は、流体を、より効率良く振動発電素子１の振動子３へ当てることが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。発電装置１００は、より少ない流体で効率良く発電させることが可能となる。

ハウジング１１０は、入口１２１から流入した流体を流路１２２内に配置されている振動発電素子１に集める流体導入部１２４を備えるのが好ましい。流体導入部１２４は、第１構造体１１１に一体に形成されているのが好ましい。流体導入部１２４の内部空間は、流路１２２の一部を構成する。流体導入部１２４は、入口１２１から離れて振動発電素子１に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる枠状に形成されている。発電装置１００は、流体導入部１２４を備えることにより、流路１２２の開口面積が一様である場合に比べて、流体を振動発電素子１に集中させることが可能となる。また、発電装置１００は、流体導入部１２４を備えることにより、振動発電素子１に当たる流体の流速を速くすることが可能となる。よって、発電装置１００は、発電効率及び発電電圧の向上を図ることが可能となる。

流体導入部１２４は、振動発電素子１のうち振動子３の自由端３ａ側の部分を含む略半分を露出させるように形成されている。これにより、発電装置１００は、振動子３の自由端３ａ側に効率良く流体が当たりやすくなり、発電効率の向上を図ることが可能となる。

発電装置１００は、図１に示すように、振動発電素子１で発生した電気エネルギを蓄電する蓄電部７と、センサ部９と、センサ部９で検知した情報を送信する無線送信部１０と、を更に備えた構成とすることができる。

蓄電部７は、振動発電素子１で発生した電気エネルギを蓄電する。しかしながら、振動発電素子１で発生する電気エネルギは、交流電圧である。

このため、発電装置１００は、例えば、振動発電素子１で発生する交流電圧を整流する整流回路６を備えた構成であるのが好ましい。この場合、回路基板１１には、整流回路６の回路部品も実装されているのが好ましい。

蓄電部７は、例えば、コンデンサにより構成することができる。蓄電部７を構成するコンデンサは、例えば、整流回路６の出力端間に接続することができる。蓄電部７は、コンデンサに限らず、例えば、二次電池により構成してもよい。

整流回路６は、例えば、ダイオードブリッジからなる全波整流回路を採用することができる。発電装置１００は、整流回路６として全波整流回路を備えた構成に限らず、例えば、整流回路６として両波倍電圧整流回路を備えた構成としてもよい。両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードの直列回路と２個のコンデンサの直列回路とが並列接続された構成を採用することができる。要するに、両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードと２個のコンデンサとがブリッジ接続されている構成を採用することができる。この場合、蓄電部７は、両波倍電圧整流回路の２個のコンデンサの直列回路により構成することができる。

整流回路６は、全波整流回路や両波倍電圧整流回路に限らず、例えば、半波整流回路により構成してもよい。

センサ部９で検知する情報（センシング情報）は、例えば、環境情報（例えば、温度、湿度、温湿度、流速、加速度等）であるのが好ましい。センサ部９は、温度センサ、湿度センサ、温湿度センサ、流速センサ及び加速度センサの群から選択される少なくとも１種類を１つ又は複数、備えているのが好ましい。温度センサにより検知する情報である温度は、流体の温度である。湿度センサにより検知する情報である湿度は、流体の湿度である。温湿度センサにより検知する情報である温湿度は、流体の温湿度である。流速は、流体の速度である。加速度は、発電装置１００の加速度である。

無線送信部１０は、センサ部９で検知した情報を含む無線信号を送信する無線回路により構成されているのが好ましい。これにより、発電装置１００は、設置場所の自由度が高くなり、汎用性を高めることが可能となる。無線送信部１０の無線通信規格としては、例えば、EnOcean（登録商標）、Zigbee（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、特定小電力無線、微弱無線、Wi-Fi（登録商標）、UWB等を採用することができる。無線通信規格は、特に限定するものではない。

発電装置１００は、例えば、蓄電部７、センサ部９及び無線送信部１０が、ハウジング１１０に保持されているのが好ましい。発電装置１００は、駆動回路５、センサ部９及び無線送信部１０が、蓄電部７と制御回路８とを電源として動作するように構成されているのが好ましい。これにより、発電装置１００は、設置場所の自由度が高くなる。

制御回路８は、例えば、制御回路８の所定の機能を実現するためのプログラムが搭載されたマイクロコンピュータにより構成することができる。制御回路８は、タイマ機能を有していてもよい。制御回路８は、蓄電部７の出力電圧を安定化するＤＣ−ＤＣコンバータ（レギュレータ）を備え、マイクロコンピュータにレギュレータの出力電圧が入力されるように構成してもよい。制御回路８は、マイクロコンピュータにより構成する場合に限らず、例えば、複数のディスクリート部品を適宜接続して構成してもよい。

制御回路８は、駆動回路５を制御する機能と、センサ部９を制御する機能と、無線送信部１０を制御する機能と、を有するのが好ましい。より詳細には、制御回路８は、蓄電部７の出力電圧と規定値との比較結果に基づいて、駆動回路５、センサ部９及び無線送信部１０それぞれを制御するのが好ましい。なお、制御回路８は、上述のＤＣ−ＤＣコンバータを備えている場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と規定値との比較結果に基づいて、駆動回路５、センサ部９及び無線送信部１０それぞれを制御するのが好ましい。

規定値は、例えば、制御回路８が駆動回路５、センサ部９及び無線送信部１０を安定して制御できる電圧に設定すればよい。制御回路８は、例えば、振動発電素子１の発電により蓄電部７の出力電圧が規定値に到達した後に、センサ部９を制御し、また、駆動回路５を制御して駆動回路５により振動発電素子１を駆動させる。その後、制御回路８は、センサ部９により検知された情報を無線送信部１０から送信させるように無線送信部１０を制御する。制御回路８において、「センサ部９を制御する」とは、制御回路８からセンサ部９へ所定時間だけ電力を供給してセンサ部９の検知した情報を取り込むことを意味する。制御回路８は、センサ部９及び駆動回路５の制御をタイマの出力に基づいて一定間隔で行うようにしてもよい。この場合、発電装置１００は、駆動回路５により振動発電素子１を定期的に駆動することが可能となる。

駆動回路５は、制御回路８からの制御信号に基づいて振動発電素子１を駆動する。「振動発電素子１を駆動する」とは、圧電変換部３２に電圧を印加することで圧電変換部３２の電歪効果により振動子３を振動させることを意味する。より詳細には、「振動発電素子１を駆動する」とは、圧電変換部３２が振動子３を振動させるように圧電変換部３２に電圧を印加することを意味する。よって、駆動回路５が圧電変換部３２に電圧を印加する所定のタイミングは、例えば、蓄電部７の出力電圧が規定値に到達するタイミング、あるいは上述のタイマの出力に基づいて決まる。発電装置１００は、制御回路８が、センサ部９を所定回数（例えば、２回〜５０回）だけ制御するごとに駆動回路５を１回だけ制御するようにしてもよい。

駆動回路５は、圧電変換部３２に印加する電圧が、例えば、矩形波状の電圧であるのが好ましい。

駆動回路５は、例えば、図６に示す第１例のように、制御回路８（図１参照）からの制御信号に基づいて動作するマイクロコンピュータ５０と、マイクロコンピュータ５０から駆動信号Ｓ１が入力される抵抗５２と、を備えた構成とすることができる。図６では、駆動回路５と圧電変換部３２との接続関係を分かりやすくするために簡略的な図としてある。駆動回路５は、第１パッド電極３５１等を介して圧電変換部３２の第１電極３２１と電気的に接続され、第２パッド電極３５２等を介して圧電変換部３２の第２電極３２３と電気的に接続される。駆動回路５は、例えば、駆動信号Ｓ１を矩形波電圧とすることにより、圧電変換部３２に印加する電圧を矩形波状の電圧とすることができる。マイクロコンピュータ５０には、適宜のプログラムが搭載されている。発電装置１００は、駆動回路５のマイクロコンピュータ５０を、制御回路８のマイクロコンピュータで兼用してもよい。

駆動回路５は、例えば、図７に示す第２例のように、制御電源端子Ｖccとグラウンド端子ＧＮＤとの間に、第１スイッチング素子５３と振幅調整用抵抗５４と電荷放電用抵抗５５と第２スイッチング素子５６との直列回路を備えた構成としてもよい。振幅調整用抵抗５４は、圧電変換部３２に印加する電圧の振幅を調整するための抵抗である。要するに、振幅調整用抵抗５４は、振動子３の振幅を調整するための抵抗である。電荷放電用抵抗５５は、圧電変換部３２の電荷を放電させるための抵抗である。

第１スイッチング素子５３は、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタにより構成されている。第１スイッチング素子５３を構成するバイポーラトランジスタは、コレクタが制御電源端子Ｖｃｃに接続され、エミッタが振幅調整用抵抗５４に接続され、ベースが第１抵抗５７を介してマイクロコンピュータ５１に接続されている。

第２スイッチング素子５６は、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタにより構成されている。第２スイッチング素子５６を構成するバイポーラトランジスタは、コレクタが電荷放電用抵抗５５に接続され、エミッタがグラウンド端子ＧＮＤに接続され、ベースが第２抵抗５８を介してマイクロコンピュータ５１に接続されている。

駆動回路５におけるマイクロコンピュータ５１は、第１スイッチング素子５３と第２スイッチング素子５６とが、互いに異なる端子に接続されている。マイクロコンピュータ５１には、適宜のプログラムが搭載されている。第１スイッチング素子５３及び第２スイッチング素子５６は、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタに限らず、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタや、ＭＯＳＦＥＴ等により構成してもよい。

駆動回路５は、制御回路８（図１参照）からの制御信号が入力されるように構成され、制御信号がハイレベルのときに第１スイッチング素子５３をオン、オフするための第１駆動信号Ｓ１１、第２スイッチング素子５６をオン、オフするための第２駆動信号Ｓ１２を出力する。図７では、駆動回路５と圧電変換部３２との接続関係を分かりやすくするために簡略的な図としてある。駆動回路５は、第１パッド電極３５１等を介して圧電変換部３２の第１電極３２１と電気的に接続され、第２パッド電極３５２等を介して圧電変換部３２の第２電極３２３と電気的に接続される。より詳細には、駆動回路５は、電荷放電用抵抗５５と第２スイッチング素子５６との接続点が、第１パッド電極３５１と電気的に接続され、振幅調整用抵抗５４と電荷放電用抵抗５５との接続点が、第２パッド電極３５２と電気的に接続される。駆動回路５は、例えば、第１駆動信号Ｓ１１及び第２駆動信号Ｓ１２を矩形波電圧とすることにより、圧電変換部３２に印加する電圧を矩形波状の電圧とすることができる。第２駆動信号Ｓ１２は、第１駆動信号Ｓ１１よりも周期を短く設定してある。より詳細には、第２駆動信号Ｓ１２の周期は、第１スイッチング素子５３がオンのときに第２スイッチング素子５６のオン、オフを繰り返すことができるように設定してある。発電装置１００は、駆動回路５のマイクロコンピュータ５１を、制御回路８のマイクロコンピュータで兼用してもよい。

駆動回路５は、第１スイッチング素子５３及び第２スイッチング素子５６を保護するために、電荷放電用抵抗５５と並列に接続されたツェナダイオードを備えた構成としてもよい。

なお、駆動回路５の回路構成は、第１例や第２例に限らず、例えば、昇圧回路、発振回路、逆流防止用ダイオード等により構成してもよい。

駆動回路５は、上述のように、所定のタイミングで圧電変換部３２に電圧を印加することによって、振動子３を、振動子３の固有振動数よりも大きな振動数で振動させるように構成されている。発電装置１００は、駆動回路５が、振動子３を超音波領域の振動数で振動させるように構成されているのが好ましい一態様である。これにより、発電装置１００は、振動子３に付着している異物を、より効率良く除去することが可能となる。超音波領域の振動数とは、超音波領域の周波数を意味する。超音波領域の振動数としては、例えば、２０ｋＨｚを採用することができる。

また、発電装置１００は、駆動回路５が、振動子３を振動子３の固有振動数の整数倍で振動させるように構成されているのが好ましい一態様である。これにより、発電装置１００は、振動子３の振動が励起されやすく、振動子３に付着している異物を、より効率良く除去することが可能となる。「振動周波数は、振動子３の固有振動数の整数倍」とは、厳密に整数倍でなくてもよく、略整数倍であればよいという意味であり、整数倍±５％以下であるのが好ましく、整数倍±３％以下であるのがより好ましい。振動子３の固有振動数は、支持部２の表面２１が、流れ場に対して垂直になるように振動発電素子１を配置し、レーザドップラ振動計により、振動子３の振動の振幅を測定し、その測定結果から求めることができる。発電装置１００は、振動子３に異物が付着しても振動子３を振動させることにより除去することが可能となるので、振動子３の固有振動数の設計自由度が高く、流体励起振動の起こる流速の低速化を図ることが可能となる。振動子３の固有振動数は、例えば、１００Ｈｚである。この場合、発電装置１００は、駆動回路５が振動子３を超音波領域の下限の半分程度の周波数（例えば、１０ｋＨｚ）の振動数で振動させるようにしてもよい。

発電装置１００は、駆動回路５の電源として例えば二次電池を備えた構成としてもよい。また、発電装置１００は、駆動回路５の電源として外部電源を利用するように構成してもよい。

１振動発電素子
２支持部
３振動子
３ａ自由端
５駆動回路
７蓄電部
８制御回路
９センサ部（デバイス）
１０無線送信部（デバイス）
３２圧電変換部
１００発電装置

Claims

振動発電素子と、駆動回路と、を備え、
前記振動発電素子は、支持部と、圧電変換部を有し前記支持部に揺動自在に支持された振動子と、を備え、
前記駆動回路は、所定のタイミングで前記圧電変換部に電圧を印加することによって、前記振動子を、前記振動子の固有振動数よりも大きな振動数で振動させるように構成されている、
ことを特徴とする発電装置。
前記駆動回路は、前記振動子を超音波領域の振動数で振動させるように構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記支持部は、平面視形状が枠状であり、
前記振動子は、平面視において自由端が前記支持部の内側にあり、
前記振動子は、振動していない状態での側面視において、反っている、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。
前記振動発電素子で発生した電気エネルギを蓄電する蓄電部と、前記蓄電部の出力を利用して動作するデバイスと、前記駆動回路及び前記デバイスを制御する制御回路と、を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。