JP2019110706A - Vibration power generation device - Google Patents

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政仁 森脇
Masahito Moriwaki
政仁 森脇
良一 大東
Ryoichi Daito
良一 大東
浩平 太田
Kohei Ota
浩平 太田
博喜 桑野
Hiroki Kuwano
博喜 桑野
バン ミン レ
Van Minh Le
バン ミン レ
理洋 今野
Michihiro Konno
理洋 今野
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Abstract

To provide a vibration power generation device that can suppress a decline in the power generation capacity.SOLUTION: A vibration power generation device 50 includes a pair of piezoelectric element laminates 10 (10A, 10B), a weight body 51 disposed between the pair of piezoelectric element laminates, and a fixing member 52 disposed between the pair of piezoelectric element laminates. The piezoelectric element laminate includes a piezoelectric element 1 (1A, 1B) having a substrate 11 and a plurality of piezoelectric members 12 disposed on the substrate, and a printed wiring board 2 (2A, 2B) having an opening 21 disposed on the surface opposite to the weight body side of the piezoelectric element. The piezoelectric element has a piezoelectric body in a first area A which is an area where the substrate and the opening overlap in a plan view, and each of the piezoelectric element laminate is fixed to a weight body in the first area of the substrate.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

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。   Embodiments of the present disclosure relate to a vibration power generation device that converts vibrational energy into electrical energy.

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。   As one of power generation devices using energy harvesting (environmental power generation) technology that generates power from environmental energy such as heat, light and vibration, development of vibration power generation devices is in progress.

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。   In a vibration power generation device, a piezoelectric element is generally used as a power generation element, and bending vibration occurs in the piezoelectric element by the action of an external force, and pressure generated on the vibration surface is converted to electric power by the change amount of deflection at that time. (Refer patent document 1, 2). As the structure of the piezoelectric element, for example, a cantilever structure having one fixed end and a movable end supporting a weight body and acting on vibration, two fixed ends and an action point of vibration located therebetween A double-ended beam (both-ends support beam) structure is known.

特開2007―202293号公報JP, 2007-202293, A 特開2008―192944号公報JP, 2008-192944, A

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。   The present inventors, as a new vibration power generation device, have a structure in which a weight body is disposed between the action points of vibration of a pair of opposing piezoelectric elements, and more specifically, the above-mentioned opening on a printed wiring board having an opening. We have developed a structure in which the piezoelectric elements of two piezoelectric element stacks are connected by a weight body using the piezoelectric element stack in which the piezoelectric elements are mounted so as to overlap in plan view. Here, since the piezoelectric element can generate a large amount of current as the amount of change in deflection caused by the bending vibration caused by the external force increases, the inventors of the present invention have found useless vibration of the piezoelectric element in the vibration power generation device having the above structure. The two piezoelectric element laminates are fixed by a fixing member in order to increase the amount of vibrational energy generated by receiving an external force and bending and vibrating while controlling. However, it has been found that even with such a structure, a desired power generation capacity may not be obtained.

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。   The inventors of the present invention conducted intensive studies to solve the above problems, and even if the two piezoelectric element laminates are fixed by the fixing member, the initial deflection of the piezoelectric elements becomes large depending on the arrangement order of the piezoelectric element laminates. It was found that the power generation capacity of the vibration power generation device is reduced as a result of the decrease in the amount of change in deflection of the piezoelectric element due to the action of the external force.

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。   The present disclosure has been made in view of the above problems, and provides a vibration power generation device capable of reducing initial deflection of piezoelectric elements in a pair of piezoelectric element stacks and suppressing a decrease in power generation capacity. As the main purpose.

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。   With respect to the above-mentioned problems, as a result of further intensive investigations by the present inventors et al., Initial deflection of the piezoelectric element is caused by the influence of dimensional tolerances of other members such as a printed wiring board and a fixing member located between a pair of piezoelectric elements. Was identified to be larger. Therefore, the present inventors have solved the above problems by reducing the number of other members positioned between the piezoelectric elements of the pair of piezoelectric element stacks and reducing the dimensional tolerance between the pair of piezoelectric elements. .

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。   That is, the present disclosure is a vibration having a pair of piezoelectric element stacks, a weight body disposed between the pair of piezoelectric element stacks, and a fixing member disposed between the pair of piezoelectric element stacks. A power generation device, wherein the piezoelectric element laminate is disposed on a surface of the piezoelectric element having a substrate and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the substrate, and a surface of the piezoelectric element opposite to the weight body side. And a printed wiring board having an opening, wherein the piezoelectric element has the piezoelectric body in a first area which is an area where the substrate and the opening overlap in plan view, and each of the piezoelectric elements is stacked. The body provides a vibrational power generation device secured to the weight in the first region of the substrate.

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。   Further, the present disclosure is a vibration having a pair of piezoelectric element stacks, a weight body disposed between the pair of piezoelectric element stacks, and a fixing member disposed between the pair of piezoelectric element stacks. A power generation device, wherein the piezoelectric element laminate includes a piezoelectric element having a substrate and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the substrate, and a printed wiring board having an opening, and the substrate of the piezoelectric element And the weight body are joined by welding.

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。   The present disclosure provides a vibration power generation device in which the weight body and the substrate of the piezoelectric element are formed of the same metal.

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。   In the present disclosure, a vibration power generation device is provided in which the metal is SUS304.

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。   Further, the present disclosure is a method of manufacturing a vibration power generation device described above, including a bonding step of welding the substrate of the piezoelectric element of the piezoelectric element laminate and the weight body by welding. Provide a method of manufacturing a device.

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。   According to the present disclosure, variation in initial deflection of the pair of piezoelectric elements is reduced, and it is possible to prevent an increase in bending stiffness of the piezoelectric element due to the initial deflection and to suppress a decrease in power generation capacity for individual devices. It is possible to provide a vibration power generation device.

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。1 is a schematic perspective view showing an example of a vibration power generation device of the present disclosure. 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。It is a schematic plan view showing an example of a vibration power generation device of the present disclosure. 図1のZ−Z線断面図である。It is the ZZ sectional view taken on the line of FIG. 振動発電デバイスの他の構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other structure of a vibration electric power generation device. 図3の領域Pの拡大平面図である。It is an enlarged plan view of the area | region P of FIG. 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。It is a schematic diagram explaining the aspect of the several piezoelectric material on the board | substrate in a piezoelectric element. 圧電素子の一例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of a piezoelectric element. プリント配線板の一例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of a printed wiring board. 重錘体の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of a weight body. 固定部材の配置位置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the arrangement position of a fixing member. 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。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the vibration electric power generation device of this indication. 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。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the simulation model of the vibration electric power generation device of a reference example and a reference comparative example. 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。It is a schematic plan view and a sectional view of each member in a simulation model of a vibration power generation device. 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。It is a graph which shows the simulation result of Tad dependence of the output electric power of a vibration power generation element.

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。   In the present specification, when there is a certain configuration such as a certain member or a certain region “above (or below)” another configuration such as another member or another region, unless otherwise specified, This includes not only directly above (or just below) other configurations, but also above (or below) other configurations, ie, other configurations between (or below) other configurations. Also includes the case where the element is included.

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。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings and the like. However, the present disclosure can be implemented in many different aspects, and is not construed as being limited to the description of the embodiment exemplified below. In addition, the drawings may be schematically represented with respect to the width, thickness, shape, etc. of each portion in comparison with the embodiment in order to clarify the description, but this is merely an example, and the interpretation of the present disclosure is limited. It is not something to do. In the specification and the drawings, the same elements as those described above with reference to the drawings already described may be denoted by the same reference numerals, and the detailed description may be appropriately omitted. Moreover, although it may be demonstrated using the words "upper" or "lower" for convenience of explanation, the vertical direction may be reversed.

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。
I. Vibration Power Generation Device First, the vibration power generation device of the present disclosure will be described. The piezoelectric element laminate of the present disclosure is roughly divided into two modes.

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。
A. First Aspect A first aspect of the vibration power generation device of the present disclosure (hereinafter, this vibration may be referred to as the vibration power generation device in this section) includes a pair of piezoelectric element laminates and the pair of piezoelectric element laminates. A vibration generating device having a weight body disposed on the upper surface and a fixing member disposed between the pair of piezoelectric element stacks, wherein the piezoelectric element stack is disposed on a substrate and the substrate A piezoelectric element having a plurality of piezoelectric bodies; and a printed wiring board having an opening disposed on the surface of the piezoelectric element opposite to the weight body side, the piezoelectric element comprising the substrate and the piezoelectric element. The piezoelectric body is provided in a first area which is an area overlapping the opening in plan view, and each of the piezoelectric element stacks is fixed to the weight body in the first area of the substrate.

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。   The vibration power generation device of this aspect will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the vibration power generation device of the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic plan view of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line Z-Z of FIG. The vibration power generation device vibration power generation device 50 of this embodiment includes a pair of piezoelectric element stacks 10A and 10B, a weight body 51 disposed between the pair of piezoelectric element stacks 10A and 10B, and a pair of piezoelectric element stacks 10A. , 10B, and a fixing member 52. The piezoelectric element laminates 10A and 10B are respectively the substrate 1 and the piezoelectric elements 1A and 1B having the plurality of piezoelectric bodies 12 disposed on the substrate 1, and the surfaces of the piezoelectric elements 1A and 1B opposite to the weight body 51 side. It has printed wiring boards 2A and 2B which have opening 21 arranged on the top. The piezoelectric elements 1A and 1B have a piezoelectric body 12 in a first area A where the substrate 11 and the opening 21 of the printed wiring board 2 overlap in a plan view. A region located on the outer side from the outer periphery 21 a of the opening 21 and overlapping the substrate 11 and the printed wiring boards 2A and 2B in plan view is a second region B. The respective piezoelectric element stacks 10A and 10B are fixed to the weight body 51 in the first region A of the substrate 11 of the piezoelectric elements 1A and 1B. Further, in the example shown in FIGS. 1 to 3, the respective piezoelectric element laminates 10A and 10B are connected and fixed to the fixing member 52 on the surface of the printed wiring boards 2A and 2B on the side of the piezoelectric elements 1A and 1B. .

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。   The present inventors use a piezoelectric element laminate in which a piezoelectric element is mounted on a printed wiring board having an opening so as to overlap the opening in a plan view, and overlaps the piezoelectric elements of two piezoelectric element laminates. We have developed a new vibration power generation device that has a structure in which it is connected by a weight and the two piezoelectric element laminates are fixed by a fixing member. Since the piezoelectric element can generate a large amount of current as the amount of change in deflection caused by the bending vibration caused by the external force increases, according to the above-described structure, the two piezoelectric element laminates are fixed by the fixing member. While controlling unnecessary vibration of the piezoelectric element, it is possible to increase the amount of vibration energy generated by bending vibration due to an external force. However, it has been found that even with such a structure, a desired power generation capacity may not be obtained.

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。   With respect to the above-mentioned problems, as a result of intensive investigations by the present inventors etc., the initial deflection of the piezoelectric element becomes large and the bending rigidity of the piezoelectric element is increased by the arrangement order of the piezoelectric element laminate in the structure of the vibration power generation device. It was found that the amount of change in deflection of the piezoelectric element is smaller than in the case where there is no initial deflection for the action of an external force of equal magnitude. Then, when the amount of change in bending of the piezoelectric element decreases, the amount of change in stress applied to the piezoelectric layer of the piezoelectric element decreases, that is, the amount of generated charge decreases, and as a result, the power generation capacity of the vibration power generation device decreases. I learned that I would do it. The inventors of the present invention conducted further studies on the cause of the increase in initial deflection of the piezoelectric element, and as a result, the influence of dimensional tolerances of other members such as a printed wiring board and a fixing member located between a pair of piezoelectric elements. It was identified that.

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。   According to the vibration power generation device of this aspect, the initial deflection of the piezoelectric element is achieved by reducing the number of other members between the piezoelectric elements of the pair of piezoelectric element laminates and reducing the dimensional tolerance between the pair of piezoelectric elements. Can be reduced, and an increase in bending stiffness due to initial deflection can be suppressed. Specifically, since hardening of the spring which is a non-linear phenomenon of the beam portion of the substrate of the piezoelectric element is suppressed, it is possible to prevent an increase in bending rigidity of the piezoelectric element. Then, by bringing the flexural rigidity of the actual piezoelectric element close to the design value, the desired vibration of the weight body can be generated by the action of the external force. Therefore, the vibration power generation device of this aspect can suppress the fall of power generation capacity.

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。   In the vibration power generation device of this aspect, when an external force acts, the force applied in the axial direction of the weight body by the reaction thereof is convex with respect to the direction in which the external force acts, the substrate of the piezoelectric element in the piezoelectric element laminate Make a bend. Since the substrate of the piezoelectric element is thin and has a low bending rigidity to the extent that the weight body can vibrate by an external force, the piezoelectric element contracts and displaces, and the displacement increases and the repulsive force increases and is displaced due to reversal. Vibrations of the mechanical mechanical spring-mass system occur. By repetition of such displacement, the piezoelectric element can be bent and vibrated to generate an alternating current.

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。 The effect by the structure of the vibration power generation device of this aspect is demonstrated in more detail. As a structure of a vibration power generation device having a pair of piezoelectric element laminates, a weight body, and a fixing member, for example, as shown in FIG. 4, printed wiring boards 2A and 2B of the pair of piezoelectric element laminates 10A and 10B are The structure arrange | positioned in the surface by the side of weight body 51 of piezoelectric element 1A, 1B, respectively is also assumed. In the case of the structure illustrated in FIG. 4, a total of three members, two types of printed wiring boards 2A and 2B and a fixing member 52, are provided between the pair of piezoelectric elements 1A and 1B. Assuming that the dimensional tolerance of the fixing member 52 is δl A, and the dimensional tolerances of the printed wiring boards 2A and 2B are δl B1 and δl B2 , respectively, the dimensional tolerance δ shown by the following formula (1) is between the pair of piezoelectric elements 1A and 1B. It will occur.

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X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。 Here, the dimensions of and the printed wiring board of the fixed member, means the length in the axial direction in which the weight body is oscillated in the primary vibration mode, the direction of X 3 if 1 length Say. Specifically, the dimension of the fixing member refers to the thickness of the component inserted between the printed wiring boards 2A and 2B in the axial direction of the weight body. In addition, in the case of the dimensions of a printed wiring board, it refers to the thickness of the insulating substrate including the resist and the wiring located in the portion in contact with the fixing member.

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、δl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。 Moreover, the dimensional tolerance of each member is specifically a statistical error of the dimension generated at the time of machining, and as an actual measurement value, the dimension of the machined part is measured and the standard deviation is calculated from them. It can be calculated by For example, with a common tolerance specified in JIS B 0 405: 1991, δl A is equal to ± l mm in fine grade (f) when the part thickness is more than 6 mm and 30 mm or less, δl B1 is equal to δl B2 and is standard The manufacturing specification is approximately ± 0.2 mm, and in this case, δ is ± 0.3 mm. The piezoelectric element is fixed to the printed wiring board via, for example, a solder bump, but the tolerance of the height of the solder bump is usually about ± 0.01 mm, which is sufficiently smaller than the dimensional tolerance of members. It can be ignored.

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。   As the dimensional tolerance of each member positioned between the pair of piezoelectric elements is larger, the overall dimensional tolerance between the pair of piezoelectric elements is larger, and as a result, the variation in initial deflection of each piezoelectric element is larger. Among them, since the printed wiring board generally has a large allowable range of dimensional tolerance, in the structure in which the printed wiring board is positioned between the pair of piezoelectric elements, the dimensional tolerance calculated from the equation (1) is further increased. It is assumed that the variation of the initial deflection of is further increased.

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δl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。 On the other hand, in the vibration power generation device of this embodiment, as shown in FIG. 3, the printed wiring boards 2A and 2B of the pair of piezoelectric element laminates 10A and 10B are the weight 2 side of the piezoelectric elements 1A and 1B, respectively. And a structure disposed on the opposite side of For this reason, one type of fixing member 52, a total of one member, is provided between the pair of piezoelectric elements 1A and 1B. Then, assuming that the dimensional tolerance of the fixing member 51 is δl A , the dimensional tolerance δ shown by the following equation (2) occurs between the pair of piezoelectric elements 1A and 1B, and the dimension between the pair of piezoelectric elements is obtained according to equation (1) The number of factors that determine the tolerance δ can be reduced.

例えばJIS B0405:1991で規定される普通公差で、δはδl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。 For example, δ is equal to δl A with a common tolerance defined in JIS B 0 405: 1991, and it becomes ± 0.1 mm in fine grade (f) when the thickness of the part is more than 6 mm and 30 mm or less. This is significantly smaller than ± 0.3 mm which is δ in the case where the thickness of the insulating substrate of the printed wiring board is included in the above-mentioned formula (1).

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。   Thus, in the vibration power generation device of this aspect, the dimensional tolerance occurring between the pair of piezoelectric elements is sufficient in consideration of the dimensional tolerance of the fixing member, so the dimensional tolerance between the pair of piezoelectric elements can be reduced. Initial deflection of the piezoelectric element caused by the influence of dimensional tolerance can also be reduced. Therefore, the vibration power generation device of this aspect can suppress the decrease in the power generation capacity.

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。   Hereinafter, each structure in the vibration power generation device of this aspect is demonstrated.

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。
1. Piezoelectric Element Laminate The piezoelectric element laminate in the vibration power generation device of the present aspect is a piezoelectric element having a substrate and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the substrate, and a surface of the piezoelectric element on the opposite side to the weight body side. The piezoelectric element has the piezoelectric body in a first area, which is an area where the substrate and the opening overlap in a plan view. In the vibration power generation device of this aspect, two piezoelectric element laminates are arranged in pairs via weight bodies.

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。   In the piezoelectric element laminate, the opening side of the printed wiring board is "inside", and the outer peripheral side of the printed wiring board is "outside". The outer periphery of the opening refers to the outer edge that forms the contour of the opening, and the shape in plan view of the opening refers to a shape (an outer peripheral shape) surrounded by the outer periphery in plan view. Moreover, the outer periphery of a printed wiring board means the outer edge which makes the outline of a printed wiring board except an opening part.

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。   The piezoelectric element laminate in this aspect has a first area which is an area where the substrate of the piezoelectric element and the opening of the printed wiring board overlap in plan view. The first area is an area indicated by reference numeral A in FIGS. 1 to 3, and the size of the first area corresponds to the size of the opening of the printed wiring board.

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W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W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。 Further, the piezoelectric element laminate in this aspect is a second area which is an area where the substrate and the printed wiring board are stacked in an overlapping manner in a plan view at a position corresponding to the outer side from the outer periphery of the opening. Have. The second region is a region indicated by reference numeral B in FIGS. Width of the second region (the length indicated by W 2 in FIG. 5) is preferably smaller than the width of the outer periphery of the opening to the outer periphery of the printed circuit board (the length indicated by W 1 in FIG. 5). This is because the fixing member can be disposed outside the second region. 5 is an enlarged plan view of the region P of FIG. The width of the second region refers to the distance between the outer periphery and the inner periphery of the second region, specifically, the linear distance between the outer periphery of the opening and the outer periphery of the substrate of the piezoelectric element.

(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。
(1) Piezoelectric Element The piezoelectric element of the piezoelectric element laminate in this aspect has a substrate and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the substrate. The piezoelectric element has the piezoelectric body in the first region.

(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。
(A) Piezoelectric Body The piezoelectric body has a piezoelectric layer and a current collecting layer disposed on the piezoelectric layer. The piezoelectric element can be electrically connected to the printed wiring board in the current collecting layer. Here, having a plurality of piezoelectric bodies on the substrate means that a single piezoelectric layer 22 is disposed on the substrate 11 as shown in FIG. 6A, and a current collecting layer 23 is formed on the single piezoelectric layer 22. The plurality of piezoelectric bodies 12 may be provided on the substrate 11 by forming individual pieces of the current collecting layer 23 and the piezoelectric layer 22 overlapping with each other in plan view by arranging the pieces in a piece shape. As shown in (b), a plurality of piece-like piezoelectric members 12 having the piezoelectric layer 22 and the current collecting layer 23 on the piezoelectric layer 22 may be provided on the substrate 11. Above all, the structure shown in FIG. 6A is preferable in that when the piezoelectric layer is formed of, for example, aluminum nitride, the wiring from the electrode can be routed on the piezoelectric body which is also an insulator. 6 (a) and 6 (b) are schematic views for explaining the aspect of the plurality of piezoelectric bodies on the substrate in the piezoelectric element, where the right side is a plan view and the left side is a cross-sectional view.

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。   The material of the piezoelectric layer can be selected from materials conventionally used for piezoelectrics and ferroelectrics. As such a material, a lead-free ferroelectric material can be preferably used. Examples of the lead-free ferroelectrics include aluminum nitride (AlN); scandium-containing aluminum nitride (Sc-AlN), magnesium and niobium-containing aluminum nitride (Mg / Nb-AlN), etc .; Lead zirconate titanate containing different elements such as zinc (ZnO), lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate titanate containing niobium (Nb-PZT) and the like; potassium sodium niobate (KNN) etc. may be mentioned. Above all, aluminum nitride (AlN) or aluminum nitride (AlN) or an environmentally friendly product that does not contain lead, a performance index determined by the value of the square of the piezoelectric constant divided by the dielectric constant, and a production technology have been established. The different element-containing aluminum nitride is preferable, and aluminum nitride (AlN) is more preferable.

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。   The proportion of aluminum nitride (AlN) or aluminum containing another element contained in the piezoelectric layer is preferably as large as possible, and may be, for example, 42% by mass or more, and more preferably 99% by mass or more, particularly 99. It is preferable to set it as 5 mass% or more. This is because the piezoelectric layer can be made a high density layer by not including other substances that cause a decrease in piezoelectricity.

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。   The thickness of the piezoelectric layer is not particularly limited, but may be, for example, 1 μm or more, and in particular, 2 μm or more is preferable. The thickness of the piezoelectric layer may be, for example, 20 μm or less, and preferably 10 μm or less.

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。   The current collecting layer collects charges appearing on the surface of the piezoelectric layer. As a constituent material of the above-mentioned current collection layer, the material used for the electrode in a general piezoelectric element can be applied, for example, copper, silver, gold, platinum, molybdenum, tungsten, nickel, titanium, zinc, aluminum etc. Compounds, silver compounds containing glass etc. mainly containing silica in silver, silver-lead alloys, silver-palladium alloys, silver-platinum alloys, etc., gold-lead alloys, gold-palladium alloys, gold-platinum alloys And the like. The material constituting the current collection layer may be one type or two or more types. The thickness of the current collection layer can be the same as the thickness of the electrode in a general piezoelectric element, and can be, for example, in the range of 0.05 μm to 5 μm.

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。   The plurality of piezoelectric bodies are disposed on at least one surface of the substrate in the first region. The piezoelectric body may be provided on the surface on the printed wiring board side, may be provided on the surface opposite to the printed wiring board side, or may be provided on both sides. Among them, in the first region, it is preferable to have the plurality of piezoelectric bodies on both surfaces of the substrate. It is because the power generation by vibration can be performed efficiently. At this time, it is preferable that the piezoelectric body disposed on one surface of the substrate and the piezoelectric body disposed on the other surface overlap in plan view. This is because the influence of the warp of the base material due to the residual stress of the piezoelectric layer can be reduced.

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。   The number of piezoelectric members in the piezoelectric element is not particularly limited as long as the desired power generation capability can be obtained.

(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。
(B) Substrate The substrate is a thin plate-like member that supports the piezoelectric body, and can be referred to as a diaphragm. The substrate vibrates from a position overlapping with the outer periphery of the opening in plan view due to the action of an external force. Moreover, the said board | substrate has the area | region (area | region R in FIG. 2) used as a fixed position with the weight body mentioned later.

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。   The substrate is required to have physical properties that allow the piezoelectric element to be bent in the direction in which the external force acts. Therefore, it is preferable that the substrate has high toughness and elasticity and low bending rigidity. Examples of such a substrate include a resin substrate and a metal substrate. Examples of the resin of the resin substrate include silicone resin, polyimide, polyethylene terephthalate, and polycarbonate. Examples of the metal of the metal substrate include stainless steel (SUS), titanium, a titanium alloy, nickel, a nickel alloy and the like. Among them, a metal substrate is preferable, and a SUS substrate is more preferable. This is because SUS substrates have high toughness, are relatively inexpensive, and are industrially easy to obtain. As stainless steel, SUS303, SUS304 etc. are mentioned, for example. Among them, SUS304 is preferable. The reason for this will be described in detail in the section “2. Weight body” described later, so the description here is omitted.

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。   The plan view shape of the substrate corresponds to the plan view shape of the piezoelectric element. The substrate can have a plan view shape that can be bent and oscillated by the action of an external force. The plan view shape of the substrate in the first region is not particularly limited, but is preferably a cross shape having four beam portions. By making the plan view shape of the substrate in the first region into a cross shape, the substrate is easily bent and vibrated by the action of an external force, larger vibration energy can be obtained, and it has high output and high impact reliability. Because you can do it.

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。   FIGS. 7A to 7C are schematic plan views showing an example of the piezoelectric element, and the plan view shape of the substrate 11 in the first region A is a cross shape having four beam portions 11 a. In the first region A, portions other than the beam portion 11a of the substrate 11 are through holes (symbol 11b in FIGS. 7A to 7C).

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。   The beam portion of the substrate intersects the outer periphery of the opening in the insulating substrate, and in particular, the shape of the opening in a plan view is preferably a square having a chamfered portion with four corners chamfered. At this time, it is preferable that the chamfered portion has a chamfering width equal to or larger than the width of the beam portion, and the four beam portions are orthogonal to the chamfered portion. The beam part extends in a direction intersecting with the direction in which the impact force is applied to the piezoelectric element, so the stress concentration occurring at the end of the beam part fixed to the printed wiring board is dispersed. It is because it can be made to have higher output power and high impact reliability. In FIG. 7B, the four beam portions 11a of the substrate 11 are orthogonal to the chamfered portion 21b of the square opening 21a in the insulating substrate.

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。   The range in which the above-described effects can be exhibited in addition to the case where the plane angle at which the beam portion and the chamfered portion intersect (hereinafter referred to as the intersection angle) is 90 ° that the four beam portions are orthogonal to the chamfered portion, respectively. In this case, the crossing angle may be larger or smaller than 90 °. Specifically, the crossing angle may be defined as a range of 90 ° ± 30 °.

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。   When the plan view shape of the substrate in the first region is a cross shape, the beam portion can be a double-supported beam in which both ends are fixed. The four beams 11a of the substrate 11 illustrated in FIGS. 7 (a) and 7 (b) are fixed at one end to the printed wiring board and at the other end to the beam intersection 11c. It is a beam. In the case of a cross shape having four beam portions, the beam intersection portion 11c corresponding to the intersection position of the four beam portions can have an action point of vibration, and the piezoelectric element and the weight body described later are fixed at the beam intersection portion 11c. Be done.

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。   In a first aspect, in the case where the plan view shape of the substrate is a cross shape, as an aspect in which one end of the beam is fixed to the printed wiring board, one end of the beam is a printed wiring board The substrate may have a peripheral frame, the end of the beam may be connected and fixed to the peripheral frame, and the peripheral frame and the printed wiring board may be formed of the opening. It may be laminated and fixed outside the outer periphery. In the substrate illustrated in FIGS. 7A and 7B, one end of each of the four beam portions is connected and fixed to the outer peripheral frame, and the substrate illustrated in FIG. Each of the two beam portions is fixed to the printed wiring board at one end. The end portion of the beam portion of the substrate or the outer peripheral frame of the substrate can be fixed to the printed wiring board via, for example, an adhesive layer described later.

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。   When the substrate has an outer peripheral frame, the shape of the outer peripheral frame in plan view is not particularly limited as long as it does not overlap the opening of the printed wiring board in plan view and can be laminated outside the outer periphery of the opening. For example, it may be designed appropriately according to the plan view shape of the opening of the printed wiring board, such as a square, a polygon other than a square, or a circle. The quadrilaterals and polygons include regular squares and regular polygons. In addition, the corners of the quadrangle or polygon may be chamfered.

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。   The width and effective length of the beam portion of the substrate are not particularly limited, and the size and the number of the piezoelectric members to be mounted, the sizes of the substrate and the opening, and the vibration tendency of the weight body to the externally applied vibration. It can design suitably according to resonance frequency, a power generation range, etc. which are required supposing. In addition, the effective length of a beam part means the length of the area | region which can be vibrated in the beam part to which both ends were fixed. The plurality of beam portions in the substrate preferably have equal effective lengths and preferably equal widths.

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。   The size of the substrate is not particularly limited, and can be appropriately designed according to the size of the piezoelectric element and the size of the vibration power generation device using the piezoelectric element laminate.

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。   The substrate preferably has a thickness capable of exhibiting the above-mentioned physical properties, and can be, for example, 10 μm or more, and in particular, 20 μm or more, particularly 25 μm or more. The thickness of the substrate can be 1000 μm or less, preferably 500 μm or less, and particularly preferably 100 μm or less. By setting the thickness of the substrate within the above range, the piezoelectric body can be supported, and vibration can be performed by the action of an external force.

(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。
(C) Others The method of forming the piezoelectric element is not particularly limited. For example, chemical deposition such as chemical vapor deposition (CVD), metal organic decomposition (MOD), sol-gel method, sputtering, or the like for the substrate It is obtained by direct film formation by physical deposition such as molecular beam epitaxy and pulsed laser deposition (PLD), and processing into a desired shape to form a piezoelectric body. Further, the piezoelectric element can be obtained by preparing a substrate processed into a desired shape in advance, and bonding and fixing a piezoelectric body to a region located in the first region of the substrate using an adhesive or the like. At this time, the piezoelectric body can be formed using a known method such as a sintering method.

(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。
(2) Printed Wiring Board The printed wiring board of the piezoelectric element laminate in this aspect is disposed on the surface of the piezoelectric element opposite to the weight body side, and has an opening.

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。   The printed wiring board includes an insulating substrate having an opening, a plurality of wires, connection terminals connected to the wires, and the wires outside the outer periphery of the opening on one surface of the insulating substrate. It has an insulating layer which covers and is arranged so that the field which has the above-mentioned insulating layer of the above-mentioned printed wired board may turn to the above-mentioned piezoelectric element side. In addition, in FIGS. 1-4, illustration is abbreviate | omitted about members other than the insulated substrate of printed wiring board 2A, 2B.

(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。
(A) Insulating Substrate The insulating substrate in the printed wiring board is a member supporting the wiring, the connection terminal, and the insulating layer. The insulating substrate is not particularly limited as long as it has a desired insulating property, and, for example, an insulating substrate used for a conventionally known printed wiring board such as a glass epoxy plate can be applied.

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。   The insulating substrate has an opening. The opening of the insulating substrate is the opening of the printed wiring board. The plan view shape of the opening (peripheral shape of the opening) is not particularly limited as long as the weight body can be inserted and removed when assembling the vibration power generation device, for example, a quadrilateral, a polygon other than a quadrilateral, It can be of any shape such as circular. The quadrilaterals and polygons include regular squares and regular polygons. The quadrangle or polygon may have a chamfered portion whose corner is chamfered. The corners may be chamfered in a planar manner, or may be chamfered in a curved manner.

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。   FIG. 8 is a schematic plan view showing an example of the printed wiring board 2, showing an example in which the plan view shape of the opening 21 (the shape of the outer periphery 21a) is a square having chamfers 21b with four corners chamfered. There is. In FIG. 8, the members other than the insulating substrate 31 of the printed wiring board 2 are not shown. In FIG. 8, the square opening is chamfered flatly at the corners of the four corners. The chamfering width is not particularly limited and can be set as appropriate, and can be, for example, equal to or greater than the width of the beam portion. The upper limit of the chamfering width is not particularly limited, but is preferably twice or less the length of the beam portion. In addition, chamfering width means the length in the surface direction of the surface formed by chamfering of a corner, and says the length shown by T in FIG.

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。   Among them, it is preferable that the plan view shape of the opening portion is a square having a chamfered portion in which four corners are chamfered, and the chamfered portion has a chamfered width larger than the width of the beam portion in the substrate of the piezoelectric element. The four beams of the substrate of the piezoelectric element having cross-shaped beams are disposed orthogonal to the chamfers of the opening, thereby intersecting the direction in which an impact force is applied to the piezoelectric element The structure in which the beam extends in the direction can disperse the stress concentration generated at the end of the beam fixed to the printed wiring board, and can have higher output power and high impact reliability. It is from.

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。   The size of the opening can be appropriately set so that the weight can be inserted and removed.

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。   The outer peripheral shape in plan view of the insulating substrate is not particularly limited, and may be an arbitrary shape such as, for example, a square, a polygon other than a square, or a circle. The above-mentioned quadrilateral and polygon include square (square) and regular polygon. The corners of the square or polygon may be chamfered. Above all, the outer peripheral shape in plan view of the insulating substrate is preferably a quadrangle, and can be, for example, a square or a rectangle.

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。   The thickness of the insulating substrate is not particularly limited as long as the wiring, the connection terminal, the insulating layer, and the partition can be supported.

(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。
(B) A plurality of wires and connection terminals A plurality of wires in the printed wiring board includes a plurality of printed wires and a plurality of dummy wires. The wiring is provided outside the outer periphery of the opening of the insulating substrate, and for example, is provided outside the second region (the outer peripheral side of the printed wiring board).

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。   The printed wiring and the dummy wiring are not particularly limited as long as they have a desired conductivity, and can be formed of a wiring material used for a conventionally known printed wiring board.

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。   The wiring has an output electrode (output terminal) to the outside at one end, and an input electrode (input terminal) from the piezoelectric element at the other end. These connection terminals are not particularly limited as long as they have desired conductivity, and can be similar to the connection terminals used for the conventionally known printed wiring board. The connection terminal may be provided outside the periphery of the opening of the insulating substrate, and at least one of the connection terminals provided at both ends of the wiring may be located in the second region.

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。   The printed wiring board can be formed by a conventionally known forming method.

(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。
(C) Insulating layer The insulating layer is a member provided on the outer surface of the opening on the surface of the printed wiring board on the piezoelectric element side, which protects the wiring, and between the printed wiring board and the piezoelectric element. Has a function to prevent the occurrence of short circuit.

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。   As a material of the insulating layer, the same material as the insulating layer in a general wiring substrate can be used, and examples thereof include an ionizing radiation curable resin exhibiting an insulating property. Among them, photosensitive resins used for resists are preferable. As a photosensitive resin which shows insulation, a general thing can be used, It may be positive photosensitive resin and may be negative photosensitive resin. As a positive photosensitive resin, a phenol epoxy resin, an acrylic resin, a polyimide, a cycloolefin etc. can be mentioned, for example. Moreover, as a negative photosensitive resin, photosensitive polyimide resin, acrylic resin, photosensitive phenol resin, photosensitive epoxy resin, novolak resin, melamine resin etc. can be mentioned, for example. Moreover, the said insulating layer may contain arbitrary compositions, such as a crosslinking agent, according to the kind of said resin.

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。   The thickness of the insulating layer is not particularly limited as long as it can exhibit the function of the insulating layer described above, and can be the same as the standard thickness of the insulating layer in a general printed circuit board. May be, for example, 10 μm or more, and in particular, 20 μm or more is preferable. The thickness of the insulating layer can be, for example, 100 μm or less, and can be 60 μm or less.

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。   The insulating layer is formed at a position overlapping the wiring in plan view. Specifically, the insulating layer can be formed on the insulating substrate outside the second region, and a part of the insulating layer is formed on the insulating substrate in the second region. May be

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。   The insulating layer can be formed using a general method of forming an insulating layer on a wiring substrate, such as a photolithography method and a printing method.

(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。
(3) Adhesive Layer In the piezoelectric element laminate, an adhesive layer is disposed in a space between the piezoelectric element and the printed wiring board in the second region (hereinafter, may be referred to as a space in the second region). It is also good. This is because the printed wiring board and the piezoelectric element can be firmly joined. The adhesive layer in the vibration power generation device is generally referred to as an "underfill", and the adhesive forming the adhesive layer is generally referred to as an "underfill material".

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。   The adhesive layer is a cured product obtained by curing a liquid adhesive containing a curable resin. As said curable resin, curable resin contained in the general adhesive used for joining a piezoelectric element and a board | substrate is mentioned, For example, a silicone resin, a modified silicon resin, an epoxy resin, a modified epoxy resin, an acryl A resin, a urea resin, a fluorine resin, etc., or a combination of these resins, or a hybrid resin containing one or more of these resins, etc. may be mentioned. Among them, silicone resin and epoxy resin are preferable.

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。   The adhesive layer is provided to fill the space in the second region. When the space in the second region has an electric connection member described later, the electric connection member is reinforced by the adhesive layer, and connection reliability can be enhanced.

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。   The thickness of the adhesive layer may be a size that can fill the space in the second region and can firmly bond the printed wiring board and the piezoelectric element, and usually, the insulation of the printed wiring board And the spacing between the piezoelectric substrate and the substrate of the piezoelectric element.

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。   The method of forming the adhesive layer can be similar to, for example, the method of providing an adhesive layer (underfill) between the component and the substrate in the component mounting board. Specifically, the piezoelectric element is disposed at a desired position on the printed wiring board, and a liquid adhesive (underfill material) is injected into the space in the second region using a needle or the like and filled, and then cured. It can be formed.

(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。
(4) Electrical Connection Member The piezoelectric element laminate can have an electrical connection member for electrically connecting the printed wiring board and the piezoelectric element.

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。   In the piezoelectric element laminate, the input electrodes of the pair of electrodes on the printed wiring board are connected to the both ends of the piezoelectric members of the piezoelectric element where the potential difference occurs, through the above-mentioned electrical connection members. Thus, the potential difference generated by the piezoelectric body can be collected as electric energy at each output electrode in the printed wiring board.

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。   A method of connecting the printed wiring board and the piezoelectric element may be any method as long as conduction between the printed wiring board and the piezoelectric element can be taken, and either a wire bonding method or a flip chip method can be adopted.

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。   The electrical connection member can be appropriately selected depending on the connection method, and in the case of the flip chip method, for example, a bump can be used, and in the case of the wire bonding method, for example, a conductive wire can be used. When the adhesive layer is provided between the printed wiring board and the piezoelectric element, the printed wiring board and the piezoelectric element can be formed by connecting the printed wiring board and the piezoelectric element by a flip chip method. Connection reliability between elements can be improved. Since the space in the second region is filled with the adhesive layer, concentration of stress on the bump during vibration is suppressed by the surrounding adhesive layer.

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。   The material of the bumps is not particularly limited as long as the material exhibits conductivity, and, for example, general bump materials such as solder and metal paste can be used. The composition of the solder and the composition of the metal paste are not particularly limited, and may be the same as the composition of the solder and the composition with the metal paste which are generally used for mounting components on a printed wiring board.

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。   The method for forming the electrical connection member is not particularly limited, and can be formed using a method used for manufacturing a general component mounting wiring board. For example, a mounting method using an anisotropic conductive film (ACF) can be used.

(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。
(5) Others Each piezoelectric element laminate is fixed to the weight body in the first region of the substrate of the piezoelectric element. The fixing position can be appropriately set according to the shape of the first region of the substrate.

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。   Further, each of the piezoelectric element stacks is fixed by the fixing member. The piezoelectric element laminate is preferably fixed by the fixing member at a position that does not inhibit the vibration of the piezoelectric element, and may be fixed by the fixing member in the second region, and is outside the second region The region may be fixed by the fixing member.

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。   In addition to the above members, the piezoelectric element laminate may be a rectifier circuit, a voltage regulator circuit, an energy management circuit element such as a battery and the circuit itself, a passive element such as a capacitor, a physical quantity sensor such as an acceleration sensor or an ultrasonic transducer It may have a chemical quantity sensor such as an odor sensor, a signal processing circuit, and a communication circuit.

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。
2. Weight body The weight body in the vibration power generation device of this aspect is a member disposed between the pair of piezoelectric element stacks. The weight connects the piezoelectric elements of the pair of piezoelectric element stacks in the first region of the substrate of the piezoelectric element stack, and the mass converts the external force into a force transmitted to the plurality of piezoelectric elements. Have a function to

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。   The material of the weight is not particularly limited, and, for example, stainless steel (for example, SUS303, SUS304), free-cutting brass (C3604), copper, tungsten, tantalum or the like can be used.

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。   Moreover, the material of the weight may be the same as or different from the material of the substrate of the piezoelectric element, but among them, the weight and the substrate of the piezoelectric element are formed of the same metal. Is preferred. This is because distortion due to temperature is less likely to occur since the weight body and the piezoelectric element laminate are easily joined and there is almost no difference in thermal expansion coefficient. At this time, the metal is preferably stainless steel, and more preferably SUS304. SUS304 has high strength, and it is possible to firmly bond the weight body and the piezoelectric element laminate. Moreover, when joining a weight body and a piezoelectric element laminated body by spot welding, for example, SUS304 has a high absorptivity of a laser, and welding with a small diameter becomes possible by a laser spot.

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。   The weight body may have any shape as long as the piezoelectric elements of the pair of piezoelectric element stacks can be connected, and can be, for example, a cylindrical shape, a prismatic shape, or the like. The weight body may have a multistage shape including a body portion and a pair of fixing portions disposed above and below the body portion in the axial direction. The weight body shown in FIG. 9 (a) is a multistage circular casting shape having a cylindrical body portion 51a and a pair of cylindrical fixing portions 51b, and the weight body shown in FIG. 9 (b) is a prismatic body portion It is a multistage prism shape which has 51a and a pair of prismatic fixing | fixed part 51b. 9A and 9B indicate the axis of the body portion, and the axial direction of the body portion is a direction in which an external force is applied to the piezoelectric element, and the piezoelectric of the pair of piezoelectric element laminates is used. It is a direction which connects between elements.

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。   The shape and size of the weight body are not particularly limited as long as the shape and size can stably convert the external force to the piezoelectric element. When the weight body has a structure having a body portion and a fixing portion, the position of the weight body and the position of the fixing portion are on the axis extension line of the weight body, and stably transmit the external force to the piezoelectric element It can be designed at a position that can be converted into force, and the position is not particularly limited.

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。   The bonding method of the weight body and the piezoelectric element laminate is not particularly limited, and for example, it can be bonded by welding. Above all, it is preferable that the substrate of the piezoelectric element laminate and the weight body be joined by spot welding. This is because inexpensive and high-strength bonding is possible.

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。
3. Fixing Member The fixing member in the vibration power generation device of this aspect is a member disposed between the pair of piezoelectric element laminates.

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。   The material of the fixing member is not particularly limited as long as dimensional tolerance is small and durability can be provided. Examples of such materials include metals and resins. As a metal, aluminum (A5052), stainless steel (SUS) etc. are mentioned, for example. Examples of the resin include polycarbonate (PC), polyphenylene ether (PPE), nylon (Ny), one another, or an alloy with polypropylene (PP) or an elastomer, or an aramid fiber composite resin.

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。   The shape, size, and the like of the fixing member can be appropriately set according to the shape, size, and the like of the vibration power generation device of one embodiment of the present disclosure. The shape of the fixing member is preferably a shape that can be fixed so that initial deflection does not easily occur in the piezoelectric element, and examples thereof include a columnar shape and a plate shape.

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。   The fixing member is disposed between the pair of piezoelectric element laminates and at a position that does not inhibit the vibration of the piezoelectric element. The fixing member may be fixed, for example, in contact with the surface of the printed wiring board 2 on the piezoelectric element 1 side outside the second region B as shown in FIGS. 1 to 3, as shown in FIG. It may be fixed in contact with the substrate 11 of the piezoelectric element 1 in the second region B, but the former is preferable. Further, the fixing member may be arranged in a columnar shape with an interval along the outer periphery of the printed wiring board, or may be arranged in a plate shape (wall shape) without an interval. Are preferably arranged in the form of This is because the contact area between the printed wiring board and the fixing member can be secured, and unnecessary vibration of the piezoelectric element can be controlled by sufficiently fixing the two piezoelectric element laminates.

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。   The fixing member is disposed along the axial direction of the weight body between the pair of piezoelectric element laminates, that is, along the action direction of the external force, and hence the fixing member is a side fixing member (member indicated by reference numeral 52A in FIG. 11). Can. Further, in the vibration power generation device according to one embodiment of the present disclosure, an upper surface fixing member and a lower surface fixing member sandwiching the pair of piezoelectric element laminates from above and below in the axial direction of the weight body in addition to the side surface fixing member And the members indicated by reference numeral 52C. The upper surface fixing member and the lower surface fixing member should strike the weight (or the piezoelectric element) with the upper surface fixing member or the lower surface fixing member in order to prevent breakage of the beam portion of the substrate of the piezoelectric element when a large impact is applied from the outside. Can function as a stopper for suppressing the displacement of the beam portion. Further, the upper surface fixing member and the lower surface fixing member can function as a seal (packaging) that prevents adhesion of dust to the piezoelectric element.

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。   When the vibration power generation device of this aspect has the upper surface fixing member and the lower surface fixing member, the stopper 53 is further provided on the weight side surface of at least one of the upper surface fixing member and the lower surface fixing member as shown in FIG. You may have. This is because even in the vibration direction that contributes to power generation, it is possible to prevent displacement exceeding the elastic limit of the material.

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。   The fixing method of the fixing member and the piezoelectric element laminate, and the fixing method of the side fixing member, the upper surface fixing member and the lower surface fixing member are not particularly limited. For example, a fixing method using a fastening means such as screwing And a fixing method using a bonding means such as an adhesive or a pressure-sensitive adhesive.

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。
5. Other members In the vibration power generation device of the present embodiment, a fixed lubricating layer (a member indicated by reference numeral 54 in FIG. 11) is provided on the surface on the weight body side of the fixing member (side fixing member) disposed between the pair of piezoelectric element laminates. ) May be arranged. This is because the vibration direction of the piezoelectric element can be limited to the axial direction of the weight body. The fixed lubricating layer preferably has friction resistance and wear resistance. Examples of the material of the fixed lubricating layer include fluorine resin typified by Teflon (registered trademark), and Teflon-containing nickel plating (Ni-PTFE).

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。
6. The vibration power generation device of this aspect has the above-mentioned structure, thereby suppressing variation in initial deflection of the piezoelectric element and suppressing a decrease in power generation capacity of individual devices. As electrical energy. Such a vibration power generation device can be used, for example, as a power supply source to a sensor network module for IoT (Internet of Things) such as an in-vehicle application system in which wiring power feeding or battery driving is difficult or an infrastructure soundness diagnosis system.

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。
B. Second Aspect A second aspect of the vibration power generation device of the present disclosure (hereinafter, may be referred to as a vibration power generation device of this aspect in this section) includes a pair of piezoelectric element laminates and the pair of piezoelectric element laminates A vibration generating device having a weight body disposed on the upper surface and a fixing member disposed between the pair of piezoelectric element stacks, wherein the piezoelectric element stack is disposed on a substrate and the substrate A piezoelectric element having a plurality of piezoelectric bodies and a printed wiring board having an opening are provided, and the substrate of the piezoelectric element and the weight body are joined by welding.

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。   The vibration power generation device is required to have high power generation capacity. In order to satisfy such requirements, it is necessary to increase the amount of vibration energy generated by the vibration of the piezoelectric element and to improve the conversion efficiency to electrical energy. For this reason, the joint portion between the piezoelectric element and the weight body needs to be durable to withstand vibration.

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。   To solve such problems, according to the vibration power generation device of this aspect, the substrate of the piezoelectric element and the weight body are joined by welding, and thus inexpensive and high-strength joining is possible. It is because

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。   Hereinafter, each structure of the vibration power generation device of this aspect is demonstrated.

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。
1. Piezoelectric Element Laminate The piezoelectric element laminate in the vibration power generation device of this aspect is a piezoelectric element laminate having a substrate and a piezoelectric element having a plurality of piezoelectric bodies disposed on the substrate, and a printed wiring board having an opening. And.

(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。
(1) Piezoelectric Element The piezoelectric element includes a substrate and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the substrate. The piezoelectric element can include the piezoelectric body in a first area which is an area where the substrate and the opening overlap in plan view.

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。   The piezoelectric element of the piezoelectric element laminate in this aspect can be the same as the piezoelectric element of the piezoelectric element laminate in the first aspect of the vibration power generation device described above, and thus the description thereof is omitted here. Among them, the base of the piezoelectric element is preferably formed of the same metal as the weight body, more preferably the metal is stainless steel, and particularly preferably the metal is SUS304. The reason for this has been described in the first aspect of the vibration power generation device described above, so the description here is omitted.

(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。
(2) Printed wiring board The printed wiring board has an opening. About the said printed wiring board, since it can be made to be the same as that of the printed wiring board of the piezoelectric element laminated body in the 1st aspect of the vibration electric power generation device mentioned above, description here is abbreviate | omitted.

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。   The printed wiring board may be disposed on the surface of the piezoelectric element on the weight body side, or may be disposed on the surface of the piezoelectric element opposite to the weight body.

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。
2. Weight body The weight body in the vibration power generation device of this aspect is disposed between the pair of piezoelectric element stacks.

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。   The weight body can be the same as the weight body in the first aspect of the vibration power generation device described above, and thus the description thereof is omitted here. Among them, the weight body is preferably formed of the same metal as the base material of the piezoelectric element, more preferably the metal is stainless steel, and particularly preferably the metal is SUS304. The reason for this has been described in the first aspect of the vibration power generation device described above, so the description here is omitted.

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。
3. Fixing Member The fixing member in the vibration power generation device of this aspect is disposed between the pair of piezoelectric element laminates.

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。   The fixing member and the arrangement position thereof can be the same as the fixing member and the arrangement position thereof in the first aspect of the vibration power generation device described above, and thus the description thereof is omitted here.

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。
4. Others In the vibration power generation device of this aspect, each of the piezoelectric element stacks is fixed to the weight body in the first region of the substrate. Further, the substrate of the piezoelectric element and the weight body are joined by welding.

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。   The weight body and the substrate of the piezoelectric element are preferably formed of the same metal, more preferably the metal is stainless steel, and particularly preferably the metal is SUS304. By using the same SUS304, welding with a small diameter can be performed by the laser spot by using the high laser absorptivity of SUS304.

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。   That the substrate of the piezoelectric element and the weight body are joined by welding means that, for example, a rough surface portion is provided around the bonding portion of the substrate to the weight body, the substrate of the piezoelectric element It can be confirmed from the fact that the weight body and the bonding interface do not contain any metal other than the above-mentioned substrate and the metal forming the weight body. The rough surface portion of the substrate refers to a portion formed around the bonding portion between the substrate and the weight body and having a surface roughness greater than that of the other surface of the substrate, specifically, the surface roughness Ra Means a portion showing Ra> 0.1 μm. The surface roughness Ra is a value measured in accordance with JIS B0601.

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。
5. Application The vibration power generation device of this aspect can be used as a power supply source to, for example, a sensor network module for IoT (Internet of Things) such as an in-vehicle application system in which wiring feeding or battery driving is difficult or an infrastructure soundness diagnosis system.

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。
II. Method of Manufacturing Vibration Power Generation Device The method of manufacturing a vibration power generation device according to the present disclosure is a method of manufacturing a vibration power generation device described in the section “I. Vibration power generation device”, and the piezoelectric element included in the piezoelectric element laminate. It is a manufacturing method which has a joining process which joins the above-mentioned substrate of the above, and the above-mentioned weight body by welding.

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。   According to the method of manufacturing a vibration power generation device of the present disclosure, the pair of piezoelectric element laminates and the weight body can be joined at low cost and with high strength.

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。
A. Bonding Step The bonding step in the method of manufacturing a vibration power generation device of the present disclosure is a bonding step of welding the substrate of the piezoelectric element of the piezoelectric element laminate and the weight body by welding.

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。   According to this process, the pair of piezoelectric element laminates can be fixed to the weight body in the first region of the substrate of the piezoelectric element.

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。   The welding method is not particularly limited as long as the substrate of the piezoelectric element and the weight body can be firmly joined, but a method using laser light is preferable among them. Further, at the joint portion between the substrate of the piezoelectric element and the weight body, the welded portion formed by welding may be at one or more points, and usually in a plurality of point or line or plane It is formed. The distance between the welds can be set as appropriate.

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。   In this process, the piezoelectric element laminate may be disposed so that the printed wiring board is closer to the weight body than the piezoelectric element, and the piezoelectric element is closer to the weight body than the printed wiring board. You may arrange and carry out. The said piezoelectric element laminated body arrange | positions and performs it so that a piezoelectric element may become a weight body side rather than a printed wiring board, The 1st aspect of the vibration electric power generation device demonstrated by the term of said "I. vibration electric power generation device" Can be manufactured.

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。
B. Other Steps The method of manufacturing a vibration power generation device of the present disclosure can have other steps such as a piezoelectric element laminate formation step, a fixing member arrangement step, and the like in addition to the above-described bonding step. About these other processes, since it can be made to be the same as that of the manufacturing method of a publicly known oscillating power generation device, explanation here is omitted.

[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。
[Reference Example and Reference Comparative Example]
The effects of the vibration power generation device of the present disclosure were evaluated by finite element analysis. As finite element analysis software, ANSYS 16.0 (ANSYS) was used. The physical property database used the one that comes standard with the software, but the science chronology (Maruzen, 2015) and Z. Cao, J. Zhang and H. Kuwano, Sens. Actuators A 179 (2012), pp. See 178-184.

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。 The simulation model of the vibration power generation device of the structure illustrated to FIG. 12 (a), (b) was created. The vibration power generation device of the structure illustrated in FIG. 12A is a reference example, and the vibration power generation device of the structure illustrated in FIG. 12B is a reference comparative example. 13 (a) is a schematic plan view of the piezoelectric element laminate in the simulation model, FIG. 13 (b) is a schematic cross section of the piezoelectric element and the weight body in the simulation model, and FIG. 13 (c) is a simulation model The schematic plan view of a weight body is shown, respectively. Moreover, FIG. 14 is a graph which shows the simulation result of Tad dependence of the output electric power of a vibration electric power generation element. In addition, about the code | symbol in FIGS. 12-14, it is the same as having already demonstrated. Further, in FIGS. 12A, 12B, and 13B, the illustration of the specific configuration of the piezoelectric element is omitted.

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。 As illustrated in FIG. 13A, in the simulation model, the piezoelectric element 1 of the piezoelectric element laminate 10 has four beams and is formed on both sides of a stainless steel substrate 11 having a cross shape in plan view. A single aluminum nitride thin film covering the entire surface of the substrate 11 is formed as the piezoelectric layer 22. The thickness T beam of the beam portion 11a and 0.05 mm, the thickness of the piezoelectric layer T piezo. Was 0.004 mm.

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。 As illustrated in FIGS. 13A and 13B, the beam portion 11a is a fixed end in which one end is ideally joined to the outer periphery 21a of the opening 21 of the insulating substrate of the printed wiring board 2 The other end portion is a fixed end similarly joined to the beam intersection portion 11 c which is a connection portion with the weight body 51. Further, the length L beam between the two fixed ends of the beam portion 11a (effective length of the beam portion 11a) was set to 4 mm.

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。 A current collecting layer (hereinafter, referred to as an electrode layer) is formed on the piezoelectric layer 22 to form the piezoelectric body 12, and the dimension of the electrode layer in the beam length direction is the piezoelectric body length ( Lpiezo. ) . It was set to 1.8 mm. In addition, the width of the beam portion 11a is the substrate beam width (W beam ), and the width of the electrode layer in the piezoelectric body 12 is the piezoelectric body width (W piezo. ), W beam = W piezo = 7 mm, and W beam and W piezo is FIG. 13 (b), the was equal to the width (diameter) D 1 of the fixed portion 51b of the weight body 51 shown in (c).

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。 As shown in FIG. 13 (b), the weight body 51, the length d 1 and 2mm of the fixed portion 51b, and the body portion 51a the length d 2 and 7 mm. The target length d between the piezoelectric elements 1A and 1B defined from these values is equal to the sum of d 1 and d 2 and is 9 mm. Further, as shown in FIG. 13 (c), the dimensions of the planar direction, the width D 1 of the fixing portion 51b of the weight body 51 and 7 mm, and the outer peripheral diameter D 2 of the body portion 51a and 13.3 mm. The material of the weight body 51 was tungsten, and the weight was 22.5 g.

表1、表2に各寸法を示す。   Each dimension is shown in Table 1 and Table 2.

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、X方向=0.01mm、X方向=0.01mm、X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。 In this model, the difference between the target length d between the piezoelectric elements and the realized length d * between the piezoelectric elements caused by the dimensional error of the parts such as the fixing member and the insulating substrate disposed between the pair of piezoelectric elements is T ad The Tad dependency of the output power of the vibration power generation element is calculated as shown in FIG. At this time, a parabolic element is used for the mesh, and the mesh size is X 1 direction = 0.01 mm, X 2 based on the coordinate display shown in FIG. 1 and FIGS. 12 (a) and 12 (b) and 13 (a). direction = 0.01mm, was the X 3 direction = 0.002mm. The solver used an electromechanical coupled analysis solver capable of calculating piezoelectric elements. For the reference frequency, the output power P normalized by the value when there is no error is P = 1.00, 0.79, 0.29 when T ad is 0 mm, 0.05 mm, 0.10 mm, respectively. It has been shown that the output power decreases as the dimensional deviation increases.

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。   In the structure of the reference example, the dimensional tolerance was ± 0.1 mm, and in the structure of the reference comparative example, the dimensional tolerance was ± 0.3 mm. From the results shown in FIG. 14, assuming that the dimensional tolerance allowed when making a vibration power generation device capable of generating about 80% of the design value as a good product is 0.05 mm, and the dimensional tolerance follows a normal distribution. The yield rate of the vibration power generation device having the structure of the reference example is 38%, and the yield rate of the vibration power generation device having the structure of the reference comparative example is 13%. From the above results, in the structure of the vibration power generation device of the reference example, the non-defective rate is improved by nearly three times that of the structure of the vibration power generation device of the reference comparative example. It was suggested that it was big.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A, 1B ... Piezoelectric element 2, 2A, 2B ... Printed wiring board 10, 10A, 10B ... Piezoelectric element laminated body 11 ... Substrate 12 ... Piezoelectric body 21 ... Opening 21a ... Outer periphery 50 ... Vibration power generation device 51 ... Weight weight Body 52, 52A ... Fixing member (side fixing member)
A ... first area B ... second area

Claims (5)

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。
A vibration power generation device comprising: a pair of piezoelectric element stacks; a weight body disposed between the pair of piezoelectric element stacks; and a fixing member disposed between the pair of piezoelectric element stacks,
The piezoelectric element laminate includes a substrate and a piezoelectric element having a plurality of piezoelectric members disposed on the substrate, and a print having an opening disposed on the surface of the piezoelectric element opposite to the weight body side. A wiring board, and the piezoelectric element includes the piezoelectric body in a first area, which is an area where the substrate and the opening overlap in plan view,
Each said piezoelectric element laminated body is a vibration electric power generation device currently fixed to the said weight body in the said 1st area | region of the said board | substrate.
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。
A vibration power generation device comprising: a pair of piezoelectric element stacks; a weight body disposed between the pair of piezoelectric element stacks; and a fixing member disposed between the pair of piezoelectric element stacks,
The piezoelectric element laminate includes a piezoelectric element having a substrate and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the substrate, and a printed wiring board having an opening.
A vibration power generation device, wherein the substrate of the piezoelectric element and the weight body are joined by welding.
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。   The vibration power generation device according to claim 1, wherein the weight body and the substrate of the piezoelectric element are formed of the same metal. 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。   The vibration power generation device according to claim 3, wherein the metal is SUS304. 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。
A method of manufacturing a vibration power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein
The manufacturing method of the vibration electric power generation device which has a joining process which joins the said board | substrate of the said piezoelectric element which the said piezoelectric element laminated body has, and the said weight body by welding.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10274531A (en) * 1997-03-28 1998-10-13 Miyota Co Ltd Manufacture of angular velocity sensor
JP2003004760A (en) * 2001-06-22 2003-01-08 Star Micronics Co Ltd Piezoelectric-type acceleration sensor
JP2015006087A (en) * 2013-06-21 2015-01-08 浩平 速水 Power generating system
JP2017055594A (en) * 2015-09-10 2017-03-16 大日本印刷株式会社 Power generation device mounting structure and power generation method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10274531A (en) * 1997-03-28 1998-10-13 Miyota Co Ltd Manufacture of angular velocity sensor
JP2003004760A (en) * 2001-06-22 2003-01-08 Star Micronics Co Ltd Piezoelectric-type acceleration sensor
JP2015006087A (en) * 2013-06-21 2015-01-08 浩平 速水 Power generating system
JP2017055594A (en) * 2015-09-10 2017-03-16 大日本印刷株式会社 Power generation device mounting structure and power generation method

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