JPWO2014013638A1 - 発電モジュールおよびそれを用いた空調管理システム - Google Patents

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Abstract

発電モジュール（Ａ１）は、流体を受けて自励振動するカンチレバー部（１２）および前記カンチレバー部に設けられた圧電変換部（１４）を備えた発電装置（１）と、発電装置で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部（５）と、蓄電部から電力供給を受けて駆動されるデバイス（６）とを備えている。

Description

本発明は、発電モジュールおよびそれを用いた空調管理システムに関するものである。
近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する機能を有する発電モジュールは、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目されている。
この種の発電モジュールとしては、例えば、風力によって圧電素子を振動させる発電手段と、この発電手段で発電された電気エネルギを蓄える蓄電手段と、蓄電手段からの電力が間欠的に供給される電気回路とを備えた圧電発電モジュールが提案されている（日本国特許公開２０１０−１０６８０９号公報参照；以下、文献１と称する）。
上述の発電手段は、図１９に示すように、圧電素子１１０と、圧電素子１１０が固着された保持体１４０と、受風翼１２０と、受風翼１２０を圧電素子１１０に接続して受風翼１２０の振動運動等を圧電素子１１０に伝達する接続体１３０とを備えている。なお、図１９の発電手段は、１個の保持体１４０に対して、圧電素子１１０、受風翼１２０および接続体１３０の各々を８個ずつ備えている。
圧電素子１１０は、ステンレスのシム板を２枚のＰＺＴ系セラミックス板で挟んだ圧電バイモルフ素子である。
文献１には、発生電圧と平均風速との関係として図２０が例示され、平均風速が７ｍ／ｓｅｃ程度までは発生電圧が増加し、これを超えると発生電圧が減少する旨が記載されている。
上述の圧電発電モジュールは、カルマン渦が発生することで圧電素子１１０へ持続した振動を与えることができるものと推測される。しかしながら、この圧電発電モジュールでは、発電手段が、圧電素子１１０以外にも、保持体１４０、接続体１３０および受風翼１２０を備えている必要があり、圧電素子１１０に比べて発電手段が大型化してしまう。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、流体を利用して発電可能であり且つ小型化が可能な発電モジュールおよびそれを用いた空調管理システムを提供することにある。
本発明の発電モジュール（Ａ１）は、流体を受けて自励振動するカンチレバー部（１２）および前記カンチレバー部（１２）に設けられた圧電変換部（１４）を備えた発電装置（１）と、前記発電装置（１）で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部（５）と、前記蓄電部（５）から間欠的に電力供給を受けて駆動されるデバイス（６）とを備えることを特徴とする。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記発電装置（１）は、枠状の支持部（１１）と、前記支持部（１１）に揺動自在に支持された前記カンチレバー部（１２）と、前記圧電変換部（１４）と、前記支持部（１１）と前記カンチレバー部（１２）との間に設けられ前記支持部（１１）の厚み方向に沿って前記流体が通過可能な流路（１５）とを備え、前記カンチレバー部（１２）の先端部（１２ａ）を、前記カンチレバー部（１２）の基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記圧電変換部（１４）は、前記カンチレバー部（１２）の厚み方向の一面（１２１）側において前記一面（１２１）側から順に第１電極（１４ａ）、圧電薄膜（１４ｂ）、第２電極（１４ｃ）を有し、前記圧電薄膜（１４ｂ）の内部応力によって、前記カンチレバー部（１２）の前記先端部（１２ａ）を、前記基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
この発電モジュールにおいて、前記圧電変換部（１４）は、前記カンチレバー部（１２）の厚み方向の一面（１２１）側において前記一面（１２１）側から順に第１電極（１４ａ）、圧電薄膜（１４ｂ）、第２電極（１４ｃ）を有し、前記カンチレバー部（１２）の前記一面（１２１）側に設けられた応力制御膜（１９）によって、前記カンチレバー部（１２）の前記先端部（１２ａ）を、前記基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記デバイス（６）は、前記圧電変換部（１４）の振動情報を検知する検知部（６１）と、前記検知部（６１）で検知された振動情報を含む無線信号の送信を行う無線送信部（６２）とを備えることが好ましい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記発電装置は、前記圧電変換部（１４）として、前記蓄電部（５）に接続された第１圧電変換部（１４1）と、前記検知部（６１）に接続された第２圧電変換部（１４2）とを備えることが好ましい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記圧電変換部（１４）は、前記圧電変換部（１４）と前記蓄電部（５）とを電気的に接続する第１状態と、前記圧電変換部（１４）と前記検知部（６１）とを電気的に接続する第２状態とを切り替える切替回路（９）に接続されてなることが好ましい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記デバイス（６）は、検知部（６１）と、前記検知部（６１）で得られた検知結果を送信する無線送信部（６２）とを備えることが好ましい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記カンチレバー部（１２）および前記圧電変換部（１４）は基板（１０）に形成されており、前記発電装置（１）は前記基板（１０）を支持する設置ボディを備え、前記基板（１０）又は前記設置ボディに、前記蓄電部（５）および前記デバイス（６）が保持され、前記蓄電部（５）は、前記圧電変換部（１４）に電気的に接続されていることが好ましい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記蓄電部（５）および前記デバイス（６）は、前記基板（１０）において、前記カンチレバー部（１２）を囲む外周部（１１）に搭載されていてもよい。
この発電モジュール（Ａ１）において、前記設置ボディ（１ｂ）は載置面（１ｂｃ）と設置面（１ｂｄ）とを有し、前記蓄電部（５）および前記デバイス（６）は、前記載置面（１ｂｃ）に搭載されていてもよい。
本発明の空調管理システムは、前記発電モジュール（Ａ１）と、空調機（Ａ２）とを備え、前記発電モジュール（Ａ１）が前記空調機（Ａ２）の給気ダクトもしくは排気ダクト（４）の内部に配置され、前記空調機（Ａ２）は、前記無線送信部（６２）からの無線信号を受信する無線受信部（７１）を備え、前記無線受信部（７１）で受信した前記無線信号に含まれている前記振動情報に基づいて前記流体の流量もしくは流速が目標値となるようにファン（７４）の運転状態を制御することを特徴とする。
本発明の発電モジュールにおいては、流体を利用して発電可能であり且つ小型化が可能となる。
本発明の空調管理システムにおいては、流体を利用して発電可能であり且つ小型化が可能な発電モジュールを備えた空調管理システムを提供することが可能となる。
実施形態１の発電モジュールの概略構成図である。 図２Ａは実施形態１における発電装置の概略平面図、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ａ’概略断面図、図２Ｃは図２ＡのＢ−Ｂ’概略断面図、図２Ｄは図２Ａの要部断面図である。 実施形態１の発電モジュールの他の構成例の概略構成図である。 実施形態１の発電モジュールの特性説明図である。 実施形態１の発電モジュールの特性説明図である。 実施形態１における空調管理システムの概略構成図である。 図７Ａは実施形態２における発電装置の概略平面図、図７Ｂは図７ＡのＡ−Ａ’概略断面図、図７Ｃは図７ＡのＢ−Ｂ’概略断面図、図７Ｄは図７Ａの要部断面図である。 実施形態３における発電装置の概略断面図である。 図９Ａは実施形態４における発電装置の概略平面図、図９Ｂは図９ＡのＡ−Ａ’概略断面図、図９Ｃは図９ＢのＢ−Ｂ’概略断面図、図９Ｄは図９Ａの要部断面図である。 図１０Ａは実施形態５における発電装置の概略断面図、図１０Ｂは実施形態５における発電装置の他の概略断面図である。 図１１Ａは実施形態６における発電装置の概略断面図、図１１Ｂは実施形態６における発電装置の他の概略断面図である。 実施形態７の空調管理システムの要部説明図である。 実施形態８の空調管理システムの要部説明図である。 実施形態９の発電モジュールの概略構成図である。 実施形態１０の発電モジュールの概略構成図である。 実施形態１の発電モジュールの概略構成図である。 実施形態５の発電モジュールの概略構成図である。 実施形態６の発電モジュールの概略構成図である。 従来例における発電手段を模式的に示す説明図である。 従来例における起電力（発生電圧）の風速依存性の一例を示す説明図である。
（実施形態１）
以下では、本発明の第１の実施形態について図１〜図６，図１６に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１は、図１，図２に示すように、流体を受けて自励振動するカンチレバー部１２に圧電変換部１４が設けられた発電装置１と、発電装置１で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部５と、蓄電部５から（間欠的に）電力供給を受けて駆動されるデバイス６とを備える。
発電装置１は、図２に示すように、枠状の支持部１１と、支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２に設けられた圧電変換部１４とを備えている。また、発電装置１は、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向（図２Ｂ，図２Ｃの上下方向）に沿って流体が通過可能な流路１５を備えている。また、発電装置１は、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。
言い換えれば、発電装置１は、開口１１ａを有する枠状の支持部１１と、カンチレバー部１２とを備える。カンチレバー部１２は、支持部１１の開口１１ａ側に配置される。本実施形態では、カンチレバー部１２の基端部１２ｂが開口１１ａ内に位置する。カンチレバー部１２は、第１端（基端部１２ｂ）と第２端（先端部１２ａ）とを有する。カンチレバー部１２の第１端は、第２端が揺動自在となるように支持部１１に支持されている。カンチレバー部１２の第２端側（先端部１２ａ側）は、支持部１１の厚み方向において、第１端側（基端部１２ｂ側）よりも支持部１１から離れている。本実施形態では、カンチレバー部１２は、第２端が支持部１１から離れるように湾曲している。
発電装置１は、カンチレバー部１２の自励振動によって圧電変換部１４が交流電圧を発生する。
本実施形態の発電装置１は、例えば、流体を通過させる中空筒状のダクト内に、第１の方向（支持部１１の厚み方向）の第１の側の面（図２Ｂ，図２Ｃの上側の面）がダクトの上流側へ向くように配置して使用される。
次に、発電装置１の各構成要素について、図２に基づいて詳細に説明する。
発電装置１は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造されている。本実施形態では、発電装置１は半導体基板を用いて形成される。
発電装置１は、支持部１１とカンチレバー部１２とが、基板１０から形成されている。発電装置１は、基板１０の一表面（第１面）１０１側においてカンチレバー部１２が形成されている。また、発電装置１は、圧電変換部１４が、基板１０にモノリシックに形成されている。すなわち、カンチレバー部１２および圧電変換部１４は、基板１０に形成されている。
基板１０としては、シリコン基板１０ａ上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０ｂ上にシリコン層１０ｃが形成されたＳＯＩ基板を用いている。基板１０の上記一表面１０１は、（１００）面としてあるが、これに限らず、例えば、（１１０）面でもよい。
支持部１１は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板１０ａと埋込酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されている。これに対して、カンチレバー部１２は、ＳＯＩ基板のうち埋込酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されており、支持部１１に比べて薄肉であり、可撓性を有している。このカンチレバー部１２は、弾性を有している。
基板１０の一表面１０１側には、シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１８ａが形成されている。発電装置１は、基板１０と圧電変換部１４とが、第１の絶縁膜１８ａによって電気的に絶縁されている。また、発電装置１は、基板１０の他表面（第２面）１０２側に、シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜１８ｂが形成されている。第１の絶縁膜１８ａおよび第２の絶縁膜１８ｂは、熱酸化法により形成してある。第１の絶縁膜１８ａおよび第２の絶縁膜１８ｂの形成方法は、熱酸化法に限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などでもよい。ただし、第２の絶縁膜１８ｂは、必ずしも設ける必要はない。
上述の基板１０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板や多結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いることも可能である。基板１０として、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板などの絶縁性基板を用いる場合、第１の絶縁膜１８ａおよび第２の絶縁膜１８ｂは必ずしも設ける必要はない。
支持部１１は、枠状の形状として、矩形枠状の形状を採用することが好ましい。これにより、発電装置１は、製造時に、支持部１１およびカンチレバー部１２の基礎となるウェハ（ここでは、ＳＯＩウェハ）を準備し、このウェハから多数の発電装置１を形成する前工程を行い、後工程において個々の発電装置１に分離するような製造方法を採用する場合に、ダイシング工程の作業性を向上させることが可能となる。
また、支持部１１は、外周形状が矩形状であることが好ましいが、内周形状については矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状や円形状、楕円形状などの形状でもよい。また、支持部１１の外周形状は矩形状以外の形状でもよい。
発電装置１は、カンチレバー部１２が、平面視において支持部１１の内側に配置されている。発電装置１は、基板１０に、カンチレバー部１２を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄを形成することによって、カンチレバー部１２における支持部１１との連結部位以外の部分が、支持部１１と空間的に分離されている。これにより、カンチレバー部１２は、平面視形状が長方形状に形成されている。発電装置１は、スリット１０ｄが、流路１５を構成している。
カンチレバー部１２は長さを有する。カンチレバー部１２は、長さ方向の第２端（先端部１２ａ）が揺動自在となるように、長さ方向の第１端（基端部１２ｂ）で支持部１１に支持されている。カンチレバー部１２は、支持部１１との間に隙間（流路１５）が形成されるように支持部１１に支持されている。カンチレバー部１２の揺動に応じて、上記隙間の開口面積が変化する。
カンチレバー部１２は、一面１２１（第１面）と他面１２２（第２面）とを有する。基端部１２ｂにおいて、カンチレバー部１２の一面１２１は支持部１１の一表面１１１（第１面）に段差なく連続している。
圧電変換部１４は、カンチレバー部１２の厚み方向の一面１２１側（基板１０の上記一表面１０１側；カンチレバー部１２における第１の方向の第１の側の面）に形成されている。圧電変換部１４は、カンチレバー部１２側から順に、第１電極（下部電極）１４ａ、圧電体層１４ｂ及び第２電極（上部電極）１４ｃを有している。第１電極１４ａは、カンチレバー部１２上に形成されている。圧電体層１４ｂは、第１電極１４ａ上に形成されている。第２電極１４ｃは、圧電体層１４ｂ上に形成されている。要するに、圧電変換部１４は、圧電体層１４ｂと、この圧電体層１４ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極１４ａおよび第２電極１４ｃを備えている。
したがって、発電装置１は、カンチレバー部１２の振動によって圧電変換部１４の圧電体層１４ｂが応力を受け第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部１４において交流電圧が発生する。要するに、発電装置１は、圧電変換部１４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動型の発電素子である。
圧電体層１４ｂの平面形状は、第１電極１４ａよりも平面サイズがやや小さく、且つ、第２電極１４ｃよりもやや大きな、矩形状に形成されている。ここで、発電装置１は、支持部１１とカンチレバー部１２とを結ぶ方向（図２Ａの左右方向）において、第１電極１４ａと圧電体層１４ｂと第２電極１４ｃとが重なっている領域の支持部１１側の端を、支持部１１とカンチレバー部１２との境界に揃えてある。カンチレバー部１２が振動するとき、カンチレバー部１２と支持部１１との境界に応力が集中する。従って、発電装置１は、上記領域の支持部１１側の端が上記境界よりもカンチレバー部１２側にある場合に比べて、カンチレバー部１２の振動時に応力が高くなる部分に存在する圧電変換部１４の面積を大きくでき、発電効率を向上させることが可能となる。
圧電変換部１４で発生する交流電圧は、圧電体層１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、発電装置１の圧電変換部１４は、流路１５を流体が流れることによって発生する自励振動を利用して発電する。発電装置１の共振周波数は、カンチレバー部１２と圧電変換部１４とからなる可動部の構造パラメータおよび材料により決まる。流路１５を流れる流体としては、例えば、空気などがある。
発電装置１は、支持部１１に、第１電極１４ａに第１配線部１７ａを介して電気的に接続された第１パッド１６ａと、第２電極１４ｃに第２配線部１７ｃを介して電気的に接続された第２パッド１６ｃとが設けられている。第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。また、第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。また、第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃは、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
また、発電装置１は、第２配線部１７ｃと第１電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層（図示せず）を設けてある。この絶縁層は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。また、発電装置１は、基板１０の材料に応じて、適宜の絶縁膜を設けてもよい。
圧電体層１４ｂの圧電材料としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。なお、本実施形態における発電装置１では、圧電体層１４ｂが、圧電薄膜により構成されている。
第１電極１４ａの材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒなどでもよい。また、第２電極１４ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。
発電装置１は、第１電極１４ａの厚みを５００ｎｍ、圧電体層１４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極１４ｃの厚みを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
発電装置１は、基板１０と第１電極１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体層１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体層１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3などを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、発電装置１は、緩衝層を設けることにより、圧電体層１４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。
また、発電装置１の構成は、上述の例に限らず、例えば、圧電変換部１４におけるカンチレバー部１２の幅方向（図２Ａの上下方向）に沿った方向の幅寸法を小さくして、１つのカンチレバー部１２の上記一面１２１側において複数の圧電変換部１４を上記幅方向に並設し、これら複数の圧電変換部１４の直列回路の一端、他端を第１パッド１６ａ、第２パッド１６ｃそれぞれに電気的に接続するように構成してもよい。
次に、発電装置１の製造方法の一例について簡単に説明する。
発電装置１の製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板１０を準備し、その後、絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜形成工程では、熱酸化法などを利用して、基板１０の上記一表面１０１側、上記他表面１０２側それぞれに、シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１８ａ、第２の絶縁膜１８ｂを形成する。絶縁膜形成工程では、第１の絶縁膜１８ａ、第２の絶縁膜１８ｂを形成する方法として熱酸化法を採用しているが、これに限らず、ＣＶＤ法などを採用してもよい。
上述の絶縁膜形成工程の後には、基板１０の上記一表面１０１側の全面に、第１電極１４ａおよび第１配線部１７ａの基礎となる第１導電層を形成する第１導電層形成工程を行い、続いて、圧電体層１４ｂの基礎となる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程を行う。第１導電層形成工程において第１導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法などを採用してもよい。また、圧電材料層形成工程において圧電材料層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法などを採用してもよい。
圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層をパターニングして圧電体層１４ｂを形成する圧電材料層パターニング工程を行い、続いて、第１導電層をパターニングして第１電極１４ａおよび第１配線部１７ａを形成する第１導電層パターニング工程を行う。圧電材料層パターニング工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電材料層をパターニングする。また、第１導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第１導電層をパターニングする。
上述の第１導電層パターニング工程の後には、基板１０の上記一表面１０１側に上記絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。その後には、第２電極１４ｃおよび第２配線部１７ｃの基礎となる第２導電層を基板１０の上記一表面１０１側の全面に形成する第２導電層形成工程を行ってから、第２導電層をパターニングして第２電極１４ｃ及び第２配線部１７ｃを形成する第２導電層パターニング工程を行う。上述の第２導電層形成工程において第２導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法などを採用してもよい。また、第２導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２導電層をパターニングする。
上述の第２導電層パターニング工程の後には、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの基礎となる第３導電層を、基板１０の上記一表面１０１側の全面に形成する第３導電層形成工程を行い、その後、第３導電層をパターニングして第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃを形成する第３導電層パターニング工程を行う。なお、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃに対応する部位に開口が形成されたマスクを用いて、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃに対応する箇所にだけ第３導電層を形成してもよい。
続いて、基板１０の上記一表面１０１側から、支持部１１、カンチレバー部１２以外の部位（スリット１０ｄの形成予定領域）をカンチレバー部１２の厚みに対応する分だけエッチングすることで溝を形成する溝形成工程を行う。その後には、基板１０の上記他表面１０２側から支持部１１以外の部位をエッチングすることで支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成するカンチレバー部形成工程を行うことによって、発電装置１を得る。上述の溝形成工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して溝を形成する。また、上述のカンチレバー部形成工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して、支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成する。溝形成工程およびカンチレバー部形成工程での各エッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングである。なお、このカンチレバー形成工程において、スリット１０ｄが形成される。
発電装置１の製造にあたっては、カンチレバー部形成工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の発電装置１に分割するようにしている。
ところで、発電装置１は、上述のように支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路１５を備え、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。ここにおいて、初期のずれＧ１（図２Ｂ参照）は、２００μｍ以上であることが好ましい。なお、図２Ｂでは、カンチレバー部１２の中立面とカンチレバー部１２の先端面との交線の、支持部１１の厚み方向におけるずれを初期のずれＧ１としてある。
カンチレバー部１２は、外部振動や流体などが作用していない初期状態において、図２Ｂ，図２Ｃのように、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。ここで、カンチレバー部１２は、上記一面１２１側が凹曲面となり且つ他面１２２側が凸曲面となるように、湾曲している。本実施形態における発電装置１では、圧電体層１４ｂを構成する圧電薄膜の内部応力によって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。つまり本実施形態では、圧電体層１４ｂを構成する圧電薄膜の内部応力によって、カンチレバー部１２の第２端側（先端部１２ａ側）は、支持部１１の厚み方向において第１端側（基端部１２ｂ側）よりも支持部１１から離れている。圧電薄膜の内部応力は、例えば、圧電薄膜をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧や、温度などのプロセス条件を適宜設定することによって調整することができる。
ここで、発電装置１の動作について説明する。
発電装置１は、流体の流れる方向と支持部１１の厚み方向とが一致し、基板１０の上記一表面１０１側が流体の上流側、基板１の上記他表面１０２側が流体の下流側となるように配置して使用する。この発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体が流路１５を通る際に流速が速くなるので、カンチレバー部１２の上記他面１２２側と支持部１１の内側面とで囲まれた空間１０ｆの圧力が下がり、カンチレバー部１２の先端部１２ａが支持部１１に近づく向き（上記空間１０ｆ側）へ変位する。そして、この発電装置１では、カンチレバー部１２の上記一面１２１と支持部１１の上記一表面１１１とが面一になったところで、カンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側とでの圧力差がなくなるので、カンチレバー部１２の弾性力によってカンチレバー部１２の先端部１２ａが元の位置に戻る。発電装置１は、このような動作が繰り返されることでカンチレバー部１２が自励振動するので、圧電変換部１４が発電することとなる。
以上説明した発電装置１は、上述のように、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路１５を備えている。さらに、発電装置１は、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。これにより、発電装置１は、流路１５を通る流体の流れ（気流）によって発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性とによって自励振動を発生させることができるので、流体を利用して発電可能となる。
なお、流路１５を通る流体は、空気に限らず、ガス、空気とガスとの混合気体、液体などでもよい。
蓄電部５は、圧電変換部１４に電気的に接続されている。
蓄電部５は、例えば、発電装置１で発生する交流電圧を整流するダイオードブリッジからなる全波整流回路と、この全波整流回路の出力端間に接続されたコンデンサとで構成することができる。この場合、発電モジュールＡ１は、発電装置１の一方の出力端を、全波整流回路の一方の入力端に接続し、発電装置１の他方の出力端を、全波整流回路の他方の入力端に接続し、コンデンサの両端間に、デバイス６を接続すればよい。
また、蓄電部５は、例えば、両波倍電圧整流回路により構成することもできる。両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードの直列回路と２個のコンデンサの直列回路とが並列接続されている。要するに、両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードと２個のコンデンサとがブリッジ接続されている。蓄電部５が両波倍電圧整流回路の場合、発電モジュールＡ１は、発電装置１の一方の出力端を、２個のダイオードの直列回路における両ダイオードの接続点に接続し、発電装置１の他方の出力端を、２個のコンデンサの直列回路における両コンデンサの接続点に接続すればよい。そして、発電モジュールＡ１は、２個のコンデンサの直列回路の両端間に、デバイス６を接続すればよい。
デバイス６としては、例えば、センサ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、無線回路などを用いることが可能である。
発電モジュールＡ１は、蓄電部５からデバイス６への電力供給路に設けられたスイッチング素子８と、蓄電部５の蓄電量を監視する蓄電量監視部７とを備えている。スイッチング素子８は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどにより構成することができる。蓄電量監視部７は、蓄電部５の出力端間の電圧を蓄電量として監視し、蓄電量と予め設定した規定値との比較結果に基いてスイッチング素子８をオンオフする機能を有している。
すなわち、発電モジュールＡ１は、蓄電部５の蓄電量を監視する蓄電量監視部７を備える。蓄電量監視部７は、蓄電部５の蓄電量が所定の第１閾値よりも大きいときに、蓄電部５からデバイス６へ電力を供給させ、蓄電部５の蓄電量が第１閾値以下である所定の第２閾値よりも小さいときに、蓄電部５からデバイス６への電力供給を停止させる。第１閾値と第２閾値とは、同じであってもよいし異なっていてもよい。
例えば、蓄電量監視部７は、蓄電部５の蓄電量がデバイス６の駆動のために予め設定した上記規定量に到達すると、スイッチング素子８をオンさせ、上記規定量よりも低下すると、スイッチング素子８をオフさせる。これにより、デバイス６は、蓄電部５から間欠的に電力供給されることになる。したがって、デバイス６は、間欠的に駆動される。ここで、発電モジュールＡ１は、デバイス６がセンサの場合、センサが動作できるように、上記規定値を設定すればよい。また、発電モジュールＡ１は、デバイス６がＬＥＤの場合、ＬＥＤを点灯させることができるように、上記規定値を設定すればよい。また、発電モジュールＡ１は、デバイス６が無線回路の場合、例えば無線回路から無線信号を送信できるように、上記規定値を設定すればよい。なお、無線回路の無線通信規格としては、例えば、EnOceanなどを採用することができる。
以上説明した発電モジュールＡ１は、流体を受けて自励振動するカンチレバー部１２およびカンチレバー部１２に設けられた圧電変換部１４を備えた発電装置１と、発電装置１で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部５と、蓄電部５から（間欠的に）電力供給を受けて駆動されるデバイス６とを備えているので、流体を利用して発電可能であり且つ小型化が可能である。
ここで、発電装置１は、枠状の支持部１１と、支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２に設けられた圧電変換部１４と、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路１５とを備え、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてあることが好ましい。これにより、発電モジュールＡ１は、発電装置１において、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられた流路１５を通過する流体を利用して発電することが可能となる。
発電モジュールＡ１は、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の厚み方向の上記一面１２１側において上記一面１２１側から順に第１電極１４ａ、圧電薄膜１４ｂ、第２電極１４ｃを有し、圧電薄膜１４ｂの内部応力によって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。これにより、発電モジュールＡ１は、発電装置１の構成要素を増加させることなく、流体を利用した発電が可能となる。
ところで、発電モジュールＡ１は、図１６に示すように、蓄電部５およびデバイス６が基板１０に保持されていてもよい。この場合、蓄電部５およびデバイス６は、基板１０において、カンチレバー部１２を囲む外周部（つまり支持部１１）に搭載されていることが好ましい。
また、発電モジュールＡ１は、基板１０を支持する設置ボディ（図示せず）を備えていてもよい。この場合、蓄電部５およびデバイス６は、設置ボディに保持されてもよい。設置ボディが設置面と載置面とを有し、蓄電部５およびデバイス６が、設置面に搭載されていてもよい。設置ボディは、立体回路形成基板などを利用して形成してもよいし、支持部１１を保持するクリップなどでもよい。
これらの構成の場合、デバイス６を備えた発電モジュールＡ１を、外部電源から独立して配置することができ、発電モジュールＡ１の配置場所の自由度を高めることができる。
また図３に示すように、デバイス６が、検知部６１と、検知部６１で得られた検知結果を送信する無線送信部６２とを備える構成としてもよい。この場合、検知部６１で得られた検知結果を無線で送信することができ、発電モジュールＡ１の配置場所の自由度を高めることができる。
蓄電部５およびデバイス６が基板１０または設置ボディに保持され、デバイス６が検知部６１および無線送信部６２を備えることが、さらに好ましい。この場合発電モジュールＡ１は、自身で発電した電力を用いて検知部６１が検知動作を行い、無線送信部６２が検知部６１の検知結果を無線で送信することができる。ここで発電モジュールＡ１は、カンチレバー部１２の自励振動のエネルギーにより発電するので、何らかの流れがある場所に発電モジュールＡ１を配置すれば、自立的に発電して動作する。従って、配管の内部などの、保守点検が困難であったり、外部電源の確保が困難であったり、有線通信が困難な場所であるような場所にでも、モジュールを設置することができる。
発電モジュールＡ１は特に、デバイス６が、圧電変換部１４の振動情報を検知する検知部６１と、検知部６１で検知された振動情報を含む無線信号の送信を（間欠的に）行う無線送信部６２とを備えている構成としてもよい。なお、無線送信部６２の無線通信規格としては、例えば、EnOceanなどを採用することができる。
この場合、圧電変換部１４の振動情報としては、例えば、圧電変換部１４で発生する交流電圧のピーク値や周波数などがある。なお、検知部６１は、例えば、ピークホールド回路や電圧−周波数変換回路などを採用することができる。
ここで、圧電変換部１４で発生する交流電圧のピーク値（絶対値）は、流体の流速が増加するにしたがって増加する。図４は、交流電圧のピーク値からなる発生電圧と流速との相関例を示したものである。図４では、３種類の発電装置１それぞれの相関例Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を示してある。３種類の発電装置１は、カンチレバー部１２の長さ寸法が同じでカンチレバー部１２の幅寸法を異ならせてある。相対的には、相関例Ｆ１が、カンチレバー部１２の幅寸法が小さい場合、相関例Ｆ３が、カンチレバー部１２の幅寸法が大きい場合、相関例Ｆ２が、カンチレバー部１２の幅寸法が、相関例Ｆ１と相関例Ｆ３との中間の場合である。図４から分かるように、発電装置１は、カンチレバー部１２の幅寸法を大きくすれば、自励振動を開始する流速が大きくなるが、流速の増加にしたがって発生電圧が緩やかに増加する傾向があるので、比較的広い流速域で流速センサとしても使用することが可能となる。一方、発電装置１は、カンチレバー部１２の幅寸法を小さくすれば、自励振動を開始する流速が小さくなり、流速の増加にしたがって発生電圧が急峻に増加する傾向にあるので、比較的狭い流速域で流速センサとして使用することが可能となる。また、発電装置１は、カンチレバー部１２の幅寸法を小さくすれば、発生電圧が飽和する流速が比較的低いので、安定した発生電圧を維持したい場合の発電用途に適していると考えられる。
また、圧電変換部１４で発生する交流電圧の周波数は、図５に示すように、流体の流速が増加するにしたがって減少する。これは、発電装置１では、流体の流速が増加するとカンチレバー部１２の上記一面１２１側の圧力が増加するため、周波数が低下するものと推考される。流速と周波数との関係は、ほぼ線形である。
したがって、発電モジュールＡ１は、検知部６１で検知された振動情報を含む無線信号を（間欠的に）送信することが可能となる。
図６は、上述の発電モジュールＡ１を用いた空調管理システムの概略構成図である。この空調管理システムは、発電モジュールＡ１と、空調機（エアコンディショナー）Ａ２とを備えている。発電モジュールＡ１は、空調機Ａ２の給気ダクト（図示せず）もしくは排気ダクト（図示せず）の内部に配置されている。
空調機Ａ２は、無線送信部６２からの無線信号を受信する無線受信部７１を備え、無線受信部７１で受信した無線信号に含まれている振動情報に基づいて流体の流量もしくは流速が目標値となるようにファン７４の運転状態を制御する。これにより、空調管理システムには、流体を利用して発電可能であり且つ小型化が可能な発電モジュールを備えた空調管理システムとして利用することが可能となる。
空調機Ａ２は、ファン７４を回転させるモータ７３と、運転スイッチ７５と、モータ７３を制御する制御部７２と、リモートコントローラからのリモコン信号などに基づいて流量や流速の目標値を設定する設定部７６とを備えている。空調機Ａ２は、運転スイッチ７５をオンさせることにより、制御部７２がモータ７３を駆動してファン７４を回転させる。制御部７２は、設定部７６により設定された流量もしくは流速の目標値となるようにモータ７３の回転速度をフィードバック制御する。これにより、空調管理システムは、省エネルギ化を図ることが可能となる。なお、制御部７２は、例えば、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータなどからなる制御回路、モータ７３を駆動する駆動回路などを備えた構成とすればよい。
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態について図７に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１の基本構成については、実施形態１と同じであり、発電装置１の構成が相違するだけなので、発電モジュールＡ１全体の図示および説明を適宜省略する。
本実施形態における発電装置１は、図７に示すように、カンチレバー部１２の上記一面１２１側に設けられた応力制御膜１９（図７Ｃ，図７Ｄ参照）によって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。つまり本実施形態では、カンチレバー部１２の上記一面１２１側に設けられた応力制御膜１９によって、カンチレバー部１２の第２端側（先端部１２ａ側）は、支持部１１の厚み方向において第１端側（基端部１２ｂ側）よりも支持部１１から離れている。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
応力制御膜１９は、第２電極１４ｃにおける圧電体層１４ｂ側とは反対側に形成してある。すなわち、応力制御膜１９は、第２電極１４ｃ上に形成してある。応力制御膜１９は、ＳｉＯ2膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、Ｓｉ3Ｎ4膜などにより構成してもよい。なお、応力制御膜１９は、カンチレバー部１２と第１電極１４ａとの間に形成してもよい。また、応力制御膜１９は、カンチレバー部１２の上記他面１２２側に形成してもよい。また、図７では、圧電変換部１４の全面を覆うように応力制御膜１９を形成しているが、応力制御膜１９は、圧電変換部１４の一部のみを覆うように形成されていてもよい。
本実施形態における発電装置１は、実施形態１と同様、流路１５を通る流体の流れによって発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性とによって自励振動を発生させ、発電させることができる。本実施形態における発電装置１は、実施形態１に比べて圧電体層１４ｂのプロセス条件の自由度が高くなり、より高品質な圧電体層１４ｂを形成することが可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となる。
なお、発電装置１は、応力制御膜１９に起因してカンチレバー部１２に作用する応力と圧電薄膜である圧電体層１４ｂの内部応力との両方によって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてもよい。
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態について図８に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１の基本構成については、実施形態１と同じであり、発電装置１の構成が相違するだけなので、発電モジュールＡ１全体の図示および説明を適宜省略する。
本実施形態における発電装置１は、図８に示すように、カンチレバー部１２を支持部１１に対して傾けて配置することによって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。すなわち、本実施形態における発電装置１は、支持部１１の一表面１１１（支持部１１の厚み方向に直交する面；図８における上面）に対してカンチレバー部１２が傾いている。
すなわち、本実施形態の発電装置１は、開口１１ａを有する枠状の支持部１１と、カンチレバー部１２とを備える。カンチレバー部１２は、支持部１１の開口１１ａ側に配置される。本実施形態では、カンチレバー部１２は、開口１１ａに対向するように、支持部１１に支持される。カンチレバー部１２は、第１端（基端部１２ｂ）と第２端（先端部１２ａ）とを有する。カンチレバー部１２の第１端は、第２端が揺動自在となるように支持部１１に支持されている。カンチレバー部１２の第２端側は、支持部１１の厚み方向において、第１端側よりも支持部１１から離れている。本実施形態では、カンチレバー部１２は、支持部１１の一表面１１１に対して傾斜するように支持部１１に保持されている。
なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態１で説明した図２の発電装置１は、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造した薄膜型の圧電型振動発電装置であり、第１電極１４ａ、圧電体層１４ｂおよび第２電極１４ｃそれぞれを第１金属薄膜、圧電薄膜および第２金属薄膜により構成している。これに対して、本実施形態における発電装置１は、バルク型の圧電型振動発電装置である。この発電装置１は、圧電体層１４ｂとしてバルクを利用しており、圧電体層１４ｂの厚み方向の他面１４２側に金属膜からなる第１電極１４ａを形成し且つ一面１４１側に金属膜からなる第２電極１４ｃを形成した梁部材２０を支持部１１に対して傾けて配置してある。梁部材２０は、支持部１１の上記一表面１１１上に設けた取付台部２１に対して、例えば、接着剤などによって固定すればよい。取付台部２１は、梁部材２０を所望の角度で傾けて配置するための傾斜面２１ａを有している。また、本実施形態における発電装置１では、圧電体層１４ｂがカンチレバー部１２を兼ねている。なお、取付台部２１は、支持部１１に対して例えば接着剤などによって固定すればよい。
支持部１１は、例えば、金属板を機械加工することによって形成したものでもよいし、樹脂成形品により構成してもよいし、実施形態１と同様に基板１０をＭＥＭＳの製造技術などを利用して加工することによって形成したものでもよい。
本実施形態における発電装置１は、実施形態１と同様、流路１５を通る流体の流れによって発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性とによって自励振動を発生させることができるので、流体を利用して発電可能となる。
（実施形態４）
本発明の第４の実施形態について図９に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１の基本構成については、実施形態１と同じであり、発電装置１の構成が相違するだけなので、発電モジュールＡ１全体の図示および説明を適宜省略する。
本実施形態における発電装置１は、図９に示すように、支持部１１の内側面の形状が実施形態１における発電装置１と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態における発電装置１の支持部１１は、流路１５の断面積が支持部１１の厚み方向の両側で当該厚み方向の中間よりも広くなる形状に形成されている。
本実施形態における発電装置１は、実施形態１において説明した製造方法において、溝形成工程およびカンチレバー部形成工程の各エッチングをアルカリ系溶液による異方性エッチングとすることで、上述の支持部１１および流路１５の形状を実現することが可能である。
本実施形態における発電装置１では、支持部１１を、流路１５の断面積が支持部１１の厚み方向の両側で当該厚み方向の中間よりも広くなる形状としてあることにより、流路１５を通る流体の流量を大きくすることが可能となる。よって、発電装置１は、流体が流路１５を通ることにより発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差を大きくすることが可能となり、より効率良く発電することが可能となる。
なお、本実施形態における発電装置１の支持部１１および流路１５の形状を他の実施形態において採用してもよい。
（実施形態５）
本発明の第５の実施形態について図１０，図１７に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１の基本構成については、実施形態１と同じであり、発電装置１の構成が相違するだけなので、発電モジュールＡ１全体の図示および説明を適宜省略する。
本実施形態における発電装置１は、図１０に示すように、支持部１１、カンチレバー部１２、圧電変換部１４および流路１５を備えた発電素子１ａと、発電素子１ａを収納する収納部材１ｂとを備えている。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
発電素子１ａの構成は実施形態１における発電装置１と同じ構成なので、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。発電素子１ａは、実施形態１における発電装置１に限らず、実施形態２〜４の何れかにおける発電装置１と同じ構成でもよい。
収納部材１ｂは、流体が流入する流入口１ｂａと、流体が流出する流出口１ｂｂとが設けられ、流入口１ｂａと流出口１ｂｂとの間に発電素子１ａが配置されている。なお、図１０Ａ，図１０Ｂ中の矢印は、流体の流れる方向を模式的に示している。
収納部材１ｂは、流入口１ｂａから発電素子１ａに近づくにつれて開口面積が小さくなり、発電素子１ａから流出口１ｂｂに近づくにつれて開口面積が大きくなる形状に形成されている。
収納部材１ｂは、発電素子１ａの支持部１１の周部を保持している。収納部材１ｂは、外周形状を矩形状とし、開口形状を矩形状としてある。このような収納部材１ｂは、例えば、２つの半角筒状の部材を接合することで形成するようにすれば、発電素子１を容易に収納し且つ保持することが可能となる。
収納部材１ｂは、立体回路形成基板などを利用して形成してもよく、この場合、収納部材１ｂに、図３に基づいて説明した蓄電部５、デバイス６、蓄電量監視部７およびスイッチング素子８などを設けてもよい。
つまり発電装置１は、基板１０を支持する収納部材１ｂ（設置ボディ）を備え、収納部材１ｂに、蓄電部５およびデバイス６が保持されていてもよい。特に、収納部材１ｂが、載置面１ｂｃおよび発電モジュールＡ１を所定の位置に（接着などにより）設置するための設置面１ｂｄを有し（図１７参照）、載置面１ｂｃに、蓄電部５およびデバイス６が搭載されてもよい。
蓄電部５やデバイス６などは、基板１０（支持部１１）に搭載してもよいし、収納部材１ｂと一体に結合されるよう構成された別の部材に搭載してもよい。
発電装置１は、上述のように、発電素子１ａを収納する収納部材１ｂを備え、収納部材１ｂが、流入口１ｂａから発電素子１ａに近づくにつれて開口面積が小さくなり、発電素子１ａから流出口１ｂｂに近づくにつれて開口面積が大きくなる形状に形成されている。これにより、発電装置１は、流路１５を通る流体の流量を大きくすることが可能となる。よって、発電装置１は、流体が流路１５を通ることにより発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差を大きくすることが可能となり、より効率良く発電することが可能となる。また、発電装置１は、収納部材１ｂを備えていることにより、収納部材１ｂによって発電素子１ａを保護することができるとともに、取り扱いが容易になるという利点もある。
（実施形態６）
本発明の第６の実施形態について図１１，図１８に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１の基本構成については、実施形態５と同じであり、収納部材１ｂの構成が相違する。
本実施形態における発電装置１は、図１１に示すように、収納部材１ｂが、両面が開放された鼓状の形状に形成されており、実施形態５に比べて、発電素子１ａの平面サイズを変えることなく、収納部材１ｂの流入口１ｂａおよび流出口１ｂｂそれぞれの開口面積を大きくしてある。これにより、発電装置１は、流路１５を通る流体の流量を、より大きくすることが可能となる。よって、発電装置１は、流体が流路１５を通ることにより発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差を更に大きくすることが可能となり、更に効率良く発電することが可能となる。
本実施形態においても、蓄電部５およびデバイス６が収納部材１ｂに保持されていてもよい。また、収納部材１ｂは、載置面１ｂｃおよび発電モジュールＡ１を所定の位置に（接着などにより）設置するための設置面１ｂｄを有し（図１８参照）、載置面１ｂｃに、蓄電部５およびデバイス６が搭載されてもよい。
（実施形態７）
本発明の第７の実施形態について図１２に基づいて説明する。
本実施形態の空調管理システムの基本構成については、実施形態１で説明した空調管理システムと同じであり、発電装置１の構成が相違するだけなので、発電モジュールＡ１および空調機Ａ２全体の図示および説明を適宜省略する。
本実施形態の空調管理システムは、図１２に示すように、給気ダクトと排気ダクトとのいずれかからなるダクト４内に配置される流体制御部３を備えている点が相違する。流体制御部３は、発電装置１の流路１５を通る流体の流量を増大させるように流体の流れを制御可能なものである。なお、図１２中の矢印は、流体の流れる方向を模式的に示している。
発電装置１の構成は、実施形態５の発電装置１と同じ構成であるが、これに限らず、他の実施形態１〜４，６のいずれかの発電装置１と同じ構成でもよい。また、空調管理システムは、複数の発電モジュールＡ１を備えていてもよい。
流体制御部３と発電装置１とは、ダクト４内において流体の流れる方向に沿って並んで配置されている。空調管理システムは、ダクト４内において、流体制御部３が上流側に配置され、発電装置１が下流側に配置されている。
流体制御部３は、ノズルにより構成されており、発電装置１に近い側が吹出口３ｂ、発光装置１から遠い側が吸込口３ａとなるように配置されている。吹出口３ｂの開口面積は、吸込口３ａの開口面積よりも小さい。
空調管理システムは、発電装置１の外部に設けられ流路１５を通る流体の流量を増大させるように流体の流れを制御可能な流体制御部３を備えていることにより、発電装置１の流路１５を通る流体の流量を、より大きくすることが可能となる。よって、空調管理システムでは、流体が発電装置１の流路１５を通ることにより発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差を更に大きくすることが可能となり、発電装置１において更に効率良く発電することが可能となる。これにより、空調管理システムは、間欠的に動作するデバイス６の休止期間を短くすることが可能となる。
（実施形態８）
本発明の第８の実施形態について図１３に基づいて説明する。
本実施形態の空調管理システムの基本構成については、実施形態７で説明した空調管理システムと同じであり、流体制御部３の構成が相違するだけなので、発電モジュールＡ１および空調機Ａ２全体の図示および説明を適宜省略する。
本実施形態の空調管理システムでは、図１３に示すように、流体制御部３を、円柱状の形状としてある。
本実施形態の空調管理システムは、実施形態７と同様、発電装置１の外部に設けられ流路１５を通る流体の流量を増大させるように流体の流れを制御可能な流体制御部３を備えている。したがって、空調管理システムは、発電装置１の流路１５を通る流体の流量を、より大きくすることが可能となる。よって、発電モジュールＡ１は、流体が発電装置１の流路１５を通ることにより発生するカンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側との圧力差を更に大きくすることが可能となり、更に効率良く発電することが可能となる。これにより、空調管理システムは、間欠的に動作するデバイス６の休止期間を短くすることが可能となる。
なお、流体制御部３の形状は円柱状に限らず、例えば、三角柱状の形状や、球状の形状としてもよい。
（実施形態９）
本発明の第９の実施形態について図１４に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１は、実施形態１と略同じ構成であり、発電装置１が、圧電変換部１４として、蓄電部５に接続された第１圧電変換部１４1と、検知部６１に接続された第２圧電変換部１４2とを備えている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、実施形態１と同一の符号を付して説明を省略する。
また、発電装置１の構成は、実施形態１で説明した発電装置１において、例えば、圧電変換部１４におけるカンチレバー部１２の幅方向（図２Ａの上下方向）に沿った方向の幅寸法を小さくして、１つのカンチレバー部１２の上記一面１２１側において２つの圧電変換部１４を上記幅方向に並設すればよい。この場合には、一方の圧電変換部１４を第１圧電変換部１４1、他方の圧電変換部１４を第２圧電変換部１４2として、第１圧電変換部１４1の出力を取り出すための２つのパッドと、第２圧電変換部１４2の出力を取り出すための２つのパッドとを設ければよい。
本実施形態の発電モジュールＡ１は、発電装置１が、圧電変換部１４として、蓄電部５に接続された第１圧電変換部１４1と、検知部６１に接続された第２圧電変換部１４2とを備えているので、簡単な回路構成で圧電変換部１４の振動情報を検知することが可能となる。本実施形態の発電モジュールＡ１と同様に圧電変換部１４を２つ備えた構成を実施形態１〜８の発電モジュールＡ１に採用してもよい。本実施形態の発電モジュールＡ１を実施形態１で説明した空調管理システムに用いてもよい。なお、圧電変換部１４の数は、２つに限らず、３つ以上でもよく、少なくとも、第１圧電変換部１４1と第２圧電変換部１４2とを１つずつ備えていればよい。また、発電モジュールＡ１は、圧電変換部１４を１つだけ備えた発電装置１を並べて設けた構成としてもよい。
（実施形態１０）
本発明の第１０の実施形態について図１５に基づいて説明する。
本実施形態の発電モジュールＡ１は、実施形態１と略同じ構成であり、圧電変換部１４が、圧電変換部１４と蓄電部５とを電気的に接続する第１状態と、圧電変換部１４と検知部６１とを電気的に接続する第２状態とを切り替える切替回路９に接続されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、実施形態１と同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の発電モジュールＡ１における切替回路９は、例えば、蓄電量監視部７がオン、オフを制御するようにすればよい。ここで、蓄電量監視部７は、蓄電量が上記規定値に到達したときに切替回路９を第１状態から第２状態へ切り替えるようにすればよい。
本実施形態の発電モジュールＡ１では、実施形態９に比べて、蓄電部５の充電毎に蓄電部５の蓄電量が上記規定値に達するまでの時間を短縮することが可能となる。
発電装置１は、流体の流れる方向と支持部１１の厚み方向とが一致し、基板１０の上記一表面１０１側が流体の上流側、基板１０の上記他表面１０２側が流体の下流側となるように配置して使用する。この発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体が流路１５を通る際に流速が速くなるので、カンチレバー部１２の上記他面１２２側と支持部１１の内側面とで囲まれた空間１０ｆの圧力が下がり、カンチレバー部１２の先端部１２ａが支持部１１に近づく向き（上記空間１０ｆ側）へ変位する。そして、この発電装置１では、カンチレバー部１２の上記一面１２１と支持部１１の上記一表面１１１とが面一になったところで、カンチレバー部１２の上記一面１２１側と上記他面１２２側とでの圧力差がなくなるので、カンチレバー部１２の弾性力によってカンチレバー部１２の先端部１２ａが元の位置に戻る。発電装置１は、このような動作が繰り返されることでカンチレバー部１２が自励振動するので、圧電変換部１４が発電することとなる。
収納部材１ｂは、発電素子１ａの支持部１１の周部を保持している。収納部材１ｂは、外周形状を矩形状とし、開口形状を矩形状としてある。このような収納部材１ｂは、例えば、２つの半角筒状の部材を接合することで形成するようにすれば、発電素子１ａを容易に収納し且つ保持することが可能となる。
流体制御部３は、ノズルにより構成されており、発電装置１に近い側が吹出口３ｂ、発電装置１から遠い側が吸込口３ａとなるように配置されている。吹出口３ｂの開口面積は、吸込口３ａの開口面積よりも小さい。

Claims (12)

  1. 流体を受けて自励振動するカンチレバー部および前記カンチレバー部に設けられた圧電変換部を備えた発電装置と、
    前記発電装置で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部と、
    前記蓄電部から電力供給を受けて駆動されるデバイスと
    を備える
    ことを特徴とする発電モジュール。
  2. 前記発電装置は、枠状の支持部と、前記支持部に揺動自在に支持された前記カンチレバー部と、前記圧電変換部と、前記支持部と前記カンチレバー部との間に設けられ前記支持部の厚み方向に沿って前記流体が通過可能な流路とを備え、
    前記カンチレバー部の先端部を、前記カンチレバー部の基端部よりも前記支持部から離れる向きにずらしてある
    ことを特徴とする請求項１記載の発電モジュール。
  3. 前記圧電変換部は、前記カンチレバー部の厚み方向の一面側において前記一面側から順に第１電極、圧電薄膜、第２電極を有し、
    前記圧電薄膜の内部応力によって、前記カンチレバー部の前記先端部を、前記基端部よりも前記支持部から離れる向きにずらしてある
    ことを特徴とする請求項２記載の発電モジュール。
  4. 前記圧電変換部は、前記カンチレバー部の厚み方向の一面側において前記一面側から順に第１電極、圧電薄膜、第２電極を有し、
    前記カンチレバー部の前記一面側に設けられた応力制御膜によって、前記カンチレバー部の前記先端部を、前記基端部よりも前記支持部から離れる向きにずらしてある
    ことを特徴とする請求項２記載の発電モジュール。
  5. 前記デバイスは、前記圧電変換部の振動情報を検知する検知部と、前記検知部で検知された振動情報を含む無線信号の送信を行う無線送信部とを備える
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電モジュール。
  6. 前記発電装置は、前記圧電変換部として、前記蓄電部に接続された第１圧電変換部と、前記検知部に接続された第２圧電変換部とを備える
    ことを特徴とする請求項５記載の発電モジュール。
  7. 前記圧電変換部は、前記圧電変換部と前記蓄電部とを電気的に接続する第１状態と、前記圧電変換部と前記検知部とを電気的に接続する第２状態とを切り替える切替回路に接続されてなる
    ことを特徴とする請求項５記載の発電モジュール。
  8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の発電モジュールと、空調機とを備え、
    前記発電モジュールが前記空調機の給気ダクトもしくは排気ダクトの内部に配置され、
    前記空調機は、前記無線送信部からの無線信号を受信する無線受信部を備え、前記無線受信部で受信した前記無線信号に含まれている前記振動情報に基づいて前記流体の流量もしくは流速が目標値となるようにファンの運転状態を制御する
    ことを特徴とする空調管理システム。
  9. 前記デバイスは、検知部と、前記検知部で得られた検知結果を送信する無線送信部とを備える
    ことを特徴とする請求項１記載の発電モジュール。
  10. 前記カンチレバー部および前記圧電変換部は基板に形成されており、
    前記発電装置は、前記基板を支持する設置ボディを備え、
    前記基板又は前記設置ボディに、前記蓄電部および前記デバイスが保持され、
    前記蓄電部は、前記圧電変換部に電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載の発電モジュール。
  11. 前記蓄電部および前記デバイスは、前記基板において、前記カンチレバー部を囲む外周部に搭載されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の発電モジュール。
  12. 前記設置ボディは設置面と載置面とを有し、
    前記蓄電部および前記デバイスは、前記載置面に搭載されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の発電モジュール。
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