JP2009165212A - Power generation element using piezoelectric material, and generating set using the power generation element - Google Patents

Power generation element using piezoelectric material, and generating set using the power generation element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new power generation element using a piezoelectric vertical effect. <P>SOLUTION: The power generation element 100 includes: a first piezoelectric elements 110 including electrodes 111 sequentially laminated on a base material 102, a first piezoelectric material layer 113, and an electrode 112; a second piezoelectric element 120 including electrodes 121 sequentially laminated on the base material 102, a second piezoelectric material layer 123, and an electrode 112; and a vibrating member 101. One end 101a of the vibrating member 101 is fixed to the electrode 112. The other end 101b of the vibrating member 101 can vibrate in a direction which is parallel with a direction 105 in which the first piezoelectric material layer 113 and the second piezoelectric material layer 123 are connected. The first piezoelectric material layer 113 is polarized in a polarizing direction 114 which is parallel with a direction in which the electrode 111 and the electrode 112 are connected. The second piezoelectric material layer 123 is polarized in a polarizing direction 124 in which the electrodes 121 and the electrode 112 are connected. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電体を用いた発電素子、およびそれを用いた発電装置に関する。   The present invention relates to a power generation element using a piezoelectric body and a power generation apparatus using the power generation element.

自動車のエンジンや家電製品のコンプレッサやモータなどにおいて発生する機械振動は、熱エネルギーや音(空気の振動エネルギー)に変わり、散逸している。これらの振動エネルギーを電気エネルギーに変換して利用することができれば、エネルギーの利用効率を改善できる。また、風や波などの自然現象や移動体の通過などによって、建造物は振動する。また、人の活動によってもさまざまな振動が発生している。これらの振動エネルギーをデバイスの電力として利用することができれば、デバイスの電池の交換周期を伸ばすことができる。また、消費電力が少ないセンサなどのデバイスであれば、電池交換を不要にすることが可能である。   Mechanical vibrations that occur in automobile engines, home appliance compressors, motors, etc., are dissipated instead of thermal energy and sound (vibration energy of air). If these vibrational energy can be converted into electric energy and used, the energy utilization efficiency can be improved. In addition, the building vibrates due to natural phenomena such as wind and waves and the passage of moving objects. Various vibrations are also generated by human activities. If these vibrational energy can be used as the power of the device, the battery replacement cycle of the device can be extended. In addition, it is possible to eliminate the need for battery replacement for a device such as a sensor with low power consumption.

振動エネルギーを電気エネルギーに変換する素子として、圧電体を用いた発電素子がある。この圧電型発電素子は、圧電体に歪みを加えた時に電気エネルギーが生じる現象を利用して、振動の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。   As an element for converting vibration energy into electric energy, there is a power generation element using a piezoelectric body. This piezoelectric power generation element converts the mechanical energy of vibration into electrical energy using a phenomenon in which electrical energy is generated when a piezoelectric body is distorted.

圧電型発電素子の原理を、図16(a)および16(b)に示す。なお、図16(a)および(b)ではハッチングを省略する。図16(a)および16(b)の発電素子は、圧電体1と、圧電体1を挟むように配置された2つの電極2とによって構成されている。圧電体1は、分極方向1aの方向に分極している。図16(a)に示すように、分極方向1aと平行な方向に外部から圧力3を加えて圧電体1を歪ませると、歪みの方向と平行な方向に電荷が生じる。この現象は、圧電縦効果と呼ばれる。また、図16(b)に示すように、分極方向1aに垂直な方向に外部から圧力を加えて圧電体1を歪ませると、歪みの方向と垂直な方向に電荷が生じる。この現象は、圧電横効果と呼ばれる。電極2に抵抗4を接続すると、発生した電荷が移動して電流が流れる。圧電体に加えた仕事が電気エネルギーに変換される効率は、一般的に、圧電縦効果の方が圧電横効果よりも2倍以上高い。   The principle of the piezoelectric power generation element is shown in FIGS. 16 (a) and 16 (b). In addition, hatching is abbreviate | omitted in Fig.16 (a) and (b). 16 (a) and 16 (b) includes a piezoelectric body 1 and two electrodes 2 arranged so as to sandwich the piezoelectric body 1 therebetween. The piezoelectric body 1 is polarized in the direction of the polarization direction 1a. As shown in FIG. 16A, when pressure 3 is applied from the outside in a direction parallel to the polarization direction 1a to distort the piezoelectric body 1, charges are generated in a direction parallel to the strain direction. This phenomenon is called the piezoelectric longitudinal effect. Further, as shown in FIG. 16B, when the piezoelectric body 1 is distorted by applying pressure from the outside in a direction perpendicular to the polarization direction 1a, an electric charge is generated in a direction perpendicular to the direction of the strain. This phenomenon is called the piezoelectric lateral effect. When the resistor 4 is connected to the electrode 2, the generated charge moves and a current flows. The efficiency with which work applied to the piezoelectric body is converted into electrical energy is generally twice or more higher in the piezoelectric longitudinal effect than in the piezoelectric lateral effect.

圧電横効果を用いる発電素子として、圧電素子の一方を固定し、他方に錘を取り付けて、錘の振動によって圧電体を曲げる素子が提案されている(特許文献1)。この発電素子では、曲げによって圧電体が面方向に伸縮し、圧電体の厚さ方向に電荷が生じる。この電荷の発生が、電力として取り出される。しかし、圧電横効果の変換効率は低いという課題がある。   As a power generation element using the piezoelectric lateral effect, an element has been proposed in which one of the piezoelectric elements is fixed and a weight is attached to the other, and the piezoelectric body is bent by vibration of the weight (Patent Document 1). In this power generation element, the piezoelectric body expands and contracts in the plane direction due to bending, and charges are generated in the thickness direction of the piezoelectric body. The generation of this electric charge is taken out as electric power. However, there is a problem that the conversion efficiency of the piezoelectric lateral effect is low.

また、圧電縦効果を利用する圧電型発電素子も提案されている(特許文献2)。この発電素子では、振動部材の自由端と支持端との間に作用点が設けられ、この作用点によって圧電体に歪みを加える。しかし、特許文献2の発電素子は、構造が複雑であり小型化に限界があった。そのため、発電素子を密に並べて配置することができなかった。
特開平10−174462号公報 特開平11−146663号公報
In addition, a piezoelectric power generating element using the piezoelectric longitudinal effect has been proposed (Patent Document 2). In this power generation element, an action point is provided between the free end and the support end of the vibration member, and the piezoelectric body is distorted by this action point. However, the power generating element of Patent Document 2 has a complicated structure and has a limit in miniaturization. Therefore, the power generating elements cannot be arranged closely.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-174462 Japanese Patent Laid-Open No. 11-146663

このような状況において、エネルギー変換効率が高く、密に並べて配置することが可能な発電素子が求められている。そのような要求に応えるため、本発明は、圧電縦効果を利用した新規な発電素子を提供することを目的の1つとする。   Under such circumstances, there is a demand for a power generation element that has high energy conversion efficiency and can be arranged closely. In order to meet such a demand, an object of the present invention is to provide a novel power generation element using the piezoelectric longitudinal effect.

上記目的を達成するために、本発明の発電素子は、基材上に順に積層された第1の電極、第1の圧電体層および第2の電極を含む第1の圧電素子と、前記基材上に順に積層された第3の電極、第2の圧電体層および第4の電極を含む第2の圧電素子と、振動部材とを含む。前記振動部材の一端は、前記第2および第4の電極に固定されている。前記振動部材の前記一端に対して反対側の他端は、前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層とを結ぶ方向と平行な方向に振動可能である。前記第1の圧電体層は、前記第1の電極と前記第2の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている。前記第2の圧電体層は、前記第3の電極と前記第4の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている。   In order to achieve the above object, a power generation element of the present invention includes a first electrode including a first electrode, a first piezoelectric layer, and a second electrode, which are sequentially stacked on a substrate, and the base. It includes a third electrode, a second piezoelectric layer including a fourth piezoelectric layer and a fourth electrode, which are sequentially stacked on the material, and a vibration member. One end of the vibrating member is fixed to the second and fourth electrodes. The other end of the vibration member opposite to the one end can vibrate in a direction parallel to a direction connecting the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. The first piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the first electrode and the second electrode. The second piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the third electrode and the fourth electrode.

また、本発明の発電装置は、基材上に形成された複数の発電素子を含む発電装置であって、前記複数の発電素子のそれぞれは、前記基材上に順に積層された第1の電極、第1の圧電体層および第2の電極を含む第1の圧電素子と、前記基材上に順に積層された第3の電極、第2の圧電体層および第4の電極を含む第2の圧電素子と、振動部材とを含む。前記振動部材の一端は、前記第2および第4の電極に固定されている。前記振動部材の前記一端に対して反対側の他端は、前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層とを結ぶ方向と平行な方向に振動可能である。前記第1の圧電体層は、前記第1の電極と前記第2の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている。前記第2の圧電体層は、前記第3の電極と前記第4の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている。   Moreover, the power generation device of the present invention is a power generation device including a plurality of power generation elements formed on a base material, and each of the plurality of power generation elements is a first electrode laminated in order on the base material. A first piezoelectric element including a first piezoelectric layer and a second electrode; a third electrode sequentially stacked on the substrate; a second electrode including a second piezoelectric layer and a fourth electrode; A piezoelectric element and a vibration member. One end of the vibrating member is fixed to the second and fourth electrodes. The other end of the vibration member opposite to the one end can vibrate in a direction parallel to a direction connecting the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. The first piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the first electrode and the second electrode. The second piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the third electrode and the fourth electrode.

本発明の発電素子では、振動部材の振動を、第1および第2の圧電体層の伸長および圧縮という2つの成分に分けて有効に利用する。また、本発明の発電素子では、圧電縦効果を用いて発電する。そのため、本発明によれば、エネルギー変換効率が高い発電素子が得られる。本発明の発電素子では、振動部材の一端が固定され、他端が自由端である。この構成によれば、複数の発電素子を密に並べて配置することが可能である。本発明の発電装置は本発明の発電素子を用いている。そのため、狭い面積で効率的な発電が可能である。   In the power generation element of the present invention, the vibration of the vibration member is effectively used by being divided into two components, ie, expansion and compression of the first and second piezoelectric layers. In the power generation element of the present invention, power is generated using the piezoelectric longitudinal effect. Therefore, according to the present invention, a power generation element with high energy conversion efficiency can be obtained. In the power generation element of the present invention, one end of the vibration member is fixed and the other end is a free end. According to this configuration, it is possible to arrange a plurality of power generation elements in a dense arrangement. The power generation device of the present invention uses the power generation element of the present invention. Therefore, efficient power generation in a small area is possible.

以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with examples. The present invention is not limited to the following embodiment. In the following description, specific numerical values and specific materials may be exemplified, but other numerical values and other materials may be applied as long as the effect of the present invention is obtained.

[発電素子]
本発明の発電素子は、第1の圧電素子、第2の圧電素子、および振動部材を含む。第1の圧電素子は、基材上に順に積層された、第1の電極、第1の圧電体層および第2の電極を含む。第2の圧電素子は、基材上に順に積層された、第3の電極、第2の圧電体層および第4の電極を含む。振動部材の一端(固定端)は、第2および第4の電極に固定されている。なお、本発明の効果が得られる限り、圧電素子は、電極および圧電体層以外の層を含んでもよい。たとえば、圧電体層の分極方向を制御するための層を、電極と圧電体層との間に含んでもよい。
[Power generation element]
The power generation element of the present invention includes a first piezoelectric element, a second piezoelectric element, and a vibration member. The first piezoelectric element includes a first electrode, a first piezoelectric layer, and a second electrode, which are sequentially stacked on the base material. The second piezoelectric element includes a third electrode, a second piezoelectric layer, and a fourth electrode, which are sequentially stacked on the base material. One end (fixed end) of the vibration member is fixed to the second and fourth electrodes. In addition, as long as the effect of this invention is acquired, a piezoelectric element may also contain layers other than an electrode and a piezoelectric material layer. For example, a layer for controlling the polarization direction of the piezoelectric layer may be included between the electrode and the piezoelectric layer.

振動部材の上記一端(固定端)に対して反対側の他端(自由端)は、第1の圧電体層と第2の圧電体層とを結ぶ方向と平行な方向に振動可能である。第1の圧電体層は、第1の電極と第2の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている。第2の圧電体層は、第3の電極と第4の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている。   The other end (free end) opposite to the one end (fixed end) of the vibration member can vibrate in a direction parallel to the direction connecting the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. The first piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to the direction connecting the first electrode and the second electrode. The second piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to the direction connecting the third electrode and the fourth electrode.

第1の圧電素子と第2の圧電素子は、異なる材料で形成されてもよい。しかし、通常、両者は同じ工程で形成されるため、一般的には、第1の圧電素子と第2の圧電素子とは同じ材料で構成される。   The first piezoelectric element and the second piezoelectric element may be formed of different materials. However, since both are usually formed in the same process, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are generally made of the same material.

第1の圧電素子の第1の電極、および第2の圧電素子の第3の電極は、基材側に固定されている。なお、第1および第3の電極は、基材に直接固定されていてもよいし、他の部材を挟んで間接的に基材に固定されていてもよい。基材に特に限定はなく、圧電素子を固定できるものであればよい。なお、基材は、振動を生じる物体(たとえば構造体や移動体)の一部であってもよい。本発明の発電素子は、それらの物体に直接固定することも可能である。そのため、基材は、本発明の発電素子および発電装置の必須の構成要素ではない。   The first electrode of the first piezoelectric element and the third electrode of the second piezoelectric element are fixed to the base material side. The first and third electrodes may be directly fixed to the base material, or may be indirectly fixed to the base material with another member interposed therebetween. There is no limitation in particular in a base material, What is necessary is just what can fix a piezoelectric element. The base material may be a part of an object (for example, a structure or a moving body) that generates vibration. The power generating element of the present invention can be directly fixed to those objects. Therefore, the base material is not an essential component of the power generation element and power generation device of the present invention.

第1および第2の圧電体層は、異なる材料で形成されてもよいが、通常、同じ材料で形成される。本発明の効果が得られる限り、第1および第2の圧電体層の材料に限定はない。第1および第2の圧電体層には、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やそれに他の元素を添加した圧電体などを用いることができる。第1〜第4の電極は、金属などの導電性材料で形成される。これらの電極は、圧電体の配向特性を制御する貴金属材料の合金(Pt、IrなどにTi、Coなどを添加したもの)で形成してもよい。   The first and second piezoelectric layers may be formed of different materials, but are usually formed of the same material. As long as the effects of the present invention are obtained, there is no limitation on the material of the first and second piezoelectric layers. For the first and second piezoelectric layers, for example, a lead zirconate titanate (PZT) or a piezoelectric body to which other elements are added can be used. The first to fourth electrodes are formed of a conductive material such as metal. These electrodes may be formed of a noble metal material alloy (Pt, Ir, etc. added with Ti, Co, etc.) that controls the orientation characteristics of the piezoelectric body.

本発明の効果が得られる限り、第1および第2の圧電体層の厚さに限定はない。第1および第2の圧電体層は、通常は薄膜であるが、薄膜でなくてもよい。一例では、第1および第2の圧電体層の厚さは、それぞれ、0.5μm〜100μmの範囲にある。   The thickness of the first and second piezoelectric layers is not limited as long as the effects of the present invention are obtained. The first and second piezoelectric layers are usually thin films, but may not be thin films. In one example, the thicknesses of the first and second piezoelectric layers are each in the range of 0.5 μm to 100 μm.

第1の圧電体層は第1の電極と第2の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極している。そのため、第1の電極と第2の電極とを結ぶ方向に伸長または圧縮される歪みが第1の圧電体層に加えられた場合、圧電縦効果に基づく起電力が生じる。第2の圧電体層は第3の電極と第4の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極している。そのため、第3の電極と第4の電極とを結ぶ方向に伸長または圧縮される歪みが第2の圧電体層に加えられた場合、圧電縦効果に基づく起電力が生じる。第1の圧電体層の分極方向と第2の圧電体層の分極方向とは、同じ向きであってもよいし、逆向きであってもよい。それらの分極方向は、電極の接続方法を考慮して決定される。   The first piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to the direction connecting the first electrode and the second electrode. Therefore, when a strain that is expanded or compressed in a direction connecting the first electrode and the second electrode is applied to the first piezoelectric layer, an electromotive force based on the piezoelectric longitudinal effect is generated. The second piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to the direction connecting the third electrode and the fourth electrode. Therefore, when a strain that is extended or compressed in the direction connecting the third electrode and the fourth electrode is applied to the second piezoelectric layer, an electromotive force based on the piezoelectric longitudinal effect is generated. The direction of polarization of the first piezoelectric layer and the direction of polarization of the second piezoelectric layer may be the same or opposite. Their polarization directions are determined in consideration of the electrode connection method.

振動部材の一端(固定端)は、第2および第4の電極に固定されている。すなわち、振動部材は、第2および第4の電極上に配置されている。振動部材の固定端は、第2および第4の電極に直接固定されていてもよいし、接着層などの他の部材を挟んで間接的に第2および第4の電極に固定されていてもよい。振動部材の他端は、第1の圧電体層と第2の圧電体層とを結ぶ方向と平行な方向に振動可能である。以下、この方向を「有効振動方向」という場合がある。振動部材の他端(自由端)は、有効振動方向以外に振動可能であってもよい。振動部材が有効振動方向に振動可能である限り、振動部材の形状および材料に限定はない。振動部材の形状の一例は、細長い直方体状の形状である。振動部材の材料の例としては、化学増幅系のレジストやメッキで形成されるニッケルなど高いアスペクト比が得られる材料や、エッチングによって成形したシリコンが挙げられる。   One end (fixed end) of the vibration member is fixed to the second and fourth electrodes. That is, the vibrating member is disposed on the second and fourth electrodes. The fixed end of the vibration member may be directly fixed to the second and fourth electrodes, or may be indirectly fixed to the second and fourth electrodes with another member such as an adhesive layer interposed therebetween. Good. The other end of the vibration member can vibrate in a direction parallel to the direction connecting the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. Hereinafter, this direction may be referred to as an “effective vibration direction”. The other end (free end) of the vibration member may be capable of vibrating in a direction other than the effective vibration direction. As long as the vibration member can vibrate in the effective vibration direction, the shape and material of the vibration member are not limited. An example of the shape of the vibration member is an elongated rectangular parallelepiped shape. Examples of the material of the vibration member include a material having a high aspect ratio such as a chemically amplified resist or nickel formed by plating, and silicon formed by etching.

振動部材の他端が有効振動方向に振動した場合、第1および第2の圧電体層は、伸長または圧縮される。具体的には、第1の圧電体層がその分極方向と平行な方向に伸長されるときは、第2の圧電体層はその分極方向と平行な方向に圧縮される。また、第1の圧電体層がその分極方向と平行な方向に圧縮されるときは、第2の圧電体層はその分極方向と平行な方向に伸長される。したがって、第1の圧電体層の分極方向と第2の圧電体層の分極方向とが同じ方向である場合、振動部材の振動に伴って、第1の圧電素子の起電力と第2の圧電素子の起電力とは逆向きに発生する。また、第1の圧電体層の分極方向と第2の圧電体層の分極方向とが逆方向である場合、振動部材の振動に伴って、第1の圧電素子の起電力と第2の圧電素子の起電力とが同じ向きに発生する。本発明の発電素子は、第1の圧電体層で発生する起電力と第2の圧電体層で発生する起電力とが互いに打ち消しあわないように構成される。そのため、第1の圧電素子で発生する電力と第2の圧電素子で発生する電力とが、互いに打ち消し合うことなく取り出される。   When the other end of the vibration member vibrates in the effective vibration direction, the first and second piezoelectric layers are stretched or compressed. Specifically, when the first piezoelectric layer is stretched in a direction parallel to the polarization direction, the second piezoelectric layer is compressed in a direction parallel to the polarization direction. Further, when the first piezoelectric layer is compressed in a direction parallel to the polarization direction, the second piezoelectric layer is expanded in a direction parallel to the polarization direction. Therefore, when the polarization direction of the first piezoelectric layer is the same as the polarization direction of the second piezoelectric layer, the electromotive force of the first piezoelectric element and the second piezoelectric force are accompanied by the vibration of the vibration member. It is generated in the opposite direction to the electromotive force of the element. Further, when the polarization direction of the first piezoelectric layer and the polarization direction of the second piezoelectric layer are opposite directions, the electromotive force of the first piezoelectric element and the second piezoelectric force are accompanied by the vibration of the vibration member. The electromotive force of the element is generated in the same direction. The power generating element of the present invention is configured such that the electromotive force generated in the first piezoelectric layer and the electromotive force generated in the second piezoelectric layer do not cancel each other. For this reason, the electric power generated in the first piezoelectric element and the electric power generated in the second piezoelectric element are taken out without canceling each other.

第1の圧電素子の出力と、第2の圧電素子の出力とは個別に取り出してもよい。また、第1の圧電素子の電極と第2の圧電素子の電極とを接続し、両者を直列または並列につないでもよい。この場合、第1および第2の圧電素子の出力が加算されて取り出される。   You may take out separately the output of a 1st piezoelectric element, and the output of a 2nd piezoelectric element. Further, the electrode of the first piezoelectric element and the electrode of the second piezoelectric element may be connected and connected in series or in parallel. In this case, the outputs of the first and second piezoelectric elements are added and taken out.

以上のように、本発明の発電素子は、基材上に形成された第1および第2の圧電素子と、それらの圧電素子上に固定された振動部材とを含む。そして、振動部材の振動によって生じる第1の圧電素子の圧電体層の伸縮と、振動部材の振動によって生じる第2の圧電素子の圧電体層の伸縮とが、逆になる。   As described above, the power generation element of the present invention includes the first and second piezoelectric elements formed on the base material and the vibration member fixed on the piezoelectric elements. The expansion and contraction of the piezoelectric layer of the first piezoelectric element caused by the vibration of the vibration member and the expansion and contraction of the piezoelectric layer of the second piezoelectric element caused by the vibration of the vibration member are reversed.

本発明の発電素子では、第1の圧電体層と第2の圧電体層とが同じ方向に分極されていてもよい。そして、第1の電極および第3の電極からなる1組の電極、ならびに第2の電極および第4の電極からなる1組の電極のうち、いずれか1組の電極が接続されていてもよい。この構成では、第1の圧電素子と第2の圧電素子とが、それぞれの出力が加算されるように直列に接続されている。すなわち、第1の圧電体層が伸長されたときに発生する起電力と第2の圧電体層が圧縮されたときに発生する起電力とが回路上で同じ向きになるように、第1の圧電素子と第2の圧電素子とが直列に接続されている。もちろん、第1の圧電体層が圧縮されたときに発生する起電力と第2の圧電体層が伸長されたときに発生する起電力とは、回路上で同じ向きに直列に加算される。この構成では、第1の圧電素子の出力電圧と第2の圧電素子の出力電圧とが加算される。   In the power generating element of the present invention, the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer may be polarized in the same direction. And any one set of electrodes may be connected among one set of electrodes consisting of the first electrode and the third electrode, and one set of electrodes consisting of the second electrode and the fourth electrode. . In this configuration, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are connected in series so that their outputs are added. That is, the first electromotive force generated when the first piezoelectric layer is stretched and the electromotive force generated when the second piezoelectric layer is compressed have the same direction on the circuit. The piezoelectric element and the second piezoelectric element are connected in series. Of course, the electromotive force generated when the first piezoelectric layer is compressed and the electromotive force generated when the second piezoelectric layer is expanded are added in series in the same direction on the circuit. In this configuration, the output voltage of the first piezoelectric element and the output voltage of the second piezoelectric element are added.

本発明の発電素子では、第1の圧電体層と第2の圧電体層とが同じ方向に分極されていてもよい。そして、第1の電極と第4の電極とが接続されており、第2の電極と第3の電極とが接続されていてもよい。この構成によれば、第1の圧電素子と第2の圧電素子とが、出力が加算されるように並列に接続される。すなわち、第1の圧電体層が伸長されたときに発生する起電力と第2の圧電体層が圧縮されたときに発生する起電力とが回路上で同じ向きになるように、第1の圧電素子と第2の圧電素子とが並列に接続される。もちろん、第1の圧電体層が圧縮されたときに発生する起電力と第2の圧電体層が伸長されたときに発生する起電力とは、回路上で同じ向きになる。この構成では、第1の圧電素子の出力電流と第2の圧電素子の出力電流とが加算される。   In the power generating element of the present invention, the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer may be polarized in the same direction. The first electrode and the fourth electrode may be connected, and the second electrode and the third electrode may be connected. According to this configuration, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are connected in parallel so that outputs are added. That is, the first electromotive force generated when the first piezoelectric layer is stretched and the electromotive force generated when the second piezoelectric layer is compressed have the same direction on the circuit. The piezoelectric element and the second piezoelectric element are connected in parallel. Of course, the electromotive force generated when the first piezoelectric layer is compressed and the electromotive force generated when the second piezoelectric layer is expanded are in the same direction on the circuit. In this configuration, the output current of the first piezoelectric element and the output current of the second piezoelectric element are added.

本発明の発電素子では、第1の圧電体層の分極方向と第2の圧電体層の分極方向とが逆向きであってもよい。そして、第1の電極と第3の電極とが接続され、第2の電極と第4の電極とが接続されていてもよい。この構成によれば、振動部材の振動に伴って、第1の圧電素子の起電力と第2の圧電素子の起電力とが同じ向きに発生する。それらの起電力は、並列に接続される。   In the power generating element of the present invention, the polarization direction of the first piezoelectric layer and the polarization direction of the second piezoelectric layer may be opposite. The first electrode and the third electrode may be connected, and the second electrode and the fourth electrode may be connected. According to this configuration, the electromotive force of the first piezoelectric element and the electromotive force of the second piezoelectric element are generated in the same direction as the vibration member vibrates. Those electromotive forces are connected in parallel.

本発明の発電素子では、第1および第3の電極は、基材上に直接固定されていてもよい。この構成によれば、振動部材の振動によって発生する歪みが、他の部分に吸収されることなく圧電体に加えられるため、発生する電力を大きくできる。   In the power generation element of the present invention, the first and third electrodes may be directly fixed on the substrate. According to this configuration, since the distortion generated by the vibration of the vibration member is applied to the piezoelectric body without being absorbed by other portions, the generated electric power can be increased.

本発明の発電素子では、基材と第1の電極との間、および基材と第3の電極との間に、振動部材の振動に伴って変形可能な緩衝部材が配置されていてもよい。基材と圧電素子との間に緩衝部材を配置することによって、過大な歪みが圧電体に加わることを防止できる。そのため、この構成によれば、振動部材の過大な振動による圧電体の破損を防止できる。緩衝部材の材料に限定はなく、電極との密着性が高い材料を選択することが好ましい。たとえば、振動部材と同じ材料を用いて形成してもよい。   In the power generation element of the present invention, a buffer member that can be deformed in accordance with the vibration of the vibration member may be disposed between the base material and the first electrode and between the base material and the third electrode. . By disposing the buffer member between the base material and the piezoelectric element, it is possible to prevent excessive distortion from being applied to the piezoelectric body. Therefore, according to this configuration, it is possible to prevent the piezoelectric body from being damaged due to excessive vibration of the vibration member. There is no limitation on the material of the buffer member, and it is preferable to select a material having high adhesion to the electrode. For example, you may form using the same material as a vibration member.

本発明の発電素子では、緩衝部材の途中に、圧電体を用いた他の圧電素子が形成されていてもよい。この構成によれば、圧電体の破損を防止できるとともに、より多くの電力を取り出すことができる。他の圧電素子には、通常、上記第1および第2の圧電素子と同じ構造を有する素子が用いられる。   In the power generation element of the present invention, another piezoelectric element using a piezoelectric body may be formed in the middle of the buffer member. According to this configuration, it is possible to prevent damage to the piezoelectric body and to extract more electric power. As the other piezoelectric elements, elements having the same structure as the first and second piezoelectric elements are usually used.

本発明の発電素子では、基材と第1の圧電素子との間に、他の第1の圧電素子が1つ以上積層されており、基材と第2の圧電素子との間に、他の第2の圧電素子が1つ以上積層されていてもよい。この構成によれば、より多くの電力を取り出すことが可能である。積層された複数の第1の圧電素子の圧電体層の分極方向を同じ方向にしておけば、各第1の圧電素子の出力が打ち消し合うことなく加算される。同様に、積層された複数の第2の圧電素子の圧電体層の分極方向を同じ方向にしておけば、各第2の圧電素子の出力が打ち消し合うことなく加算される。   In the power generation element of the present invention, one or more other first piezoelectric elements are laminated between the base material and the first piezoelectric element, and the other is provided between the base material and the second piezoelectric element. One or more of the second piezoelectric elements may be laminated. According to this configuration, it is possible to extract more power. If the polarization directions of the piezoelectric layers of the plurality of stacked first piezoelectric elements are the same, the outputs of the first piezoelectric elements are added without canceling each other. Similarly, if the polarization directions of the piezoelectric layers of the plurality of stacked second piezoelectric elements are the same, the outputs of the second piezoelectric elements are added without canceling each other.

本発明の発電素子では、振動部材の他端(自由端)に、振動部材よりも比重が大きい材料からなる重りが固定されていてもよい。この構成によれば、振動部材に加えられる慣性力を大きくできるので、発生する電力を大きくできる。発生する電力を大きくできる限り、重りの形状および材料に限定はない。重りは、たとえば、レジストを型としてNiやCuのメッキを行うことによって形成できる。   In the power generation element of the present invention, a weight made of a material having a specific gravity greater than that of the vibration member may be fixed to the other end (free end) of the vibration member. According to this configuration, since the inertial force applied to the vibration member can be increased, the generated electric power can be increased. There is no limitation on the shape and material of the weight as long as the generated power can be increased. The weight can be formed, for example, by plating Ni or Cu using a resist as a mold.

本発明の発電素子では、第1の圧電体層と第2の圧電体層とが一体となって1つの圧電体層を構成していてもよい。この構成では、1つの圧電体層の一部および他の一部が、それぞれ、第1の圧電素子の第1の圧電体層、および第2の圧電素子の第2の圧電体層として機能する。   In the power generation element of the present invention, the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer may be integrated to form one piezoelectric layer. In this configuration, a part of one piezoelectric layer and the other part function as a first piezoelectric layer of the first piezoelectric element and a second piezoelectric layer of the second piezoelectric element, respectively. .

[発電装置]
本発明の発電装置は、基材上に形成された複数の発電素子を含む発電装置である。複数の発電素子は、上記本発明の発電素子である。本発明の発電素子については上述したため、重複する説明を省略する。
[Power generation equipment]
The power generation device of the present invention is a power generation device including a plurality of power generation elements formed on a substrate. The plurality of power generation elements are the power generation elements of the present invention. Since the power generating element of the present invention has been described above, a duplicate description is omitted.

本発明の発電装置では、複数の発電素子は、それぞれの第1の電極と第3の電極とを結ぶ方向が互いに平行になるように配置されていてもよい。この構成によれば、1つの有効振動方向に振動したときに、すべての発電素子が同様に発電する。なお、本発明の発電装置では、複数の発電素子は、それぞれの第1の電極と第3の電極とを結ぶ方向が互いに平行になるように配置されていなくてもよい。異なる方向に発電素子を配置することによって、様々な方向に振動したときでも発電が可能になる。   In the power generation device of the present invention, the plurality of power generation elements may be arranged so that directions connecting the first electrode and the third electrode are parallel to each other. According to this configuration, all the power generation elements similarly generate power when oscillating in one effective vibration direction. In the power generation device of the present invention, the plurality of power generation elements may not be arranged so that the directions connecting the first electrode and the third electrode are parallel to each other. By arranging the power generation elements in different directions, it is possible to generate power even when oscillating in various directions.

本発明の発電装置では、隣接する2つの発電素子が直列に接続されていてもよい。それぞれの発電素子の出力電圧が加算されるように複数の発電素子を直列に接続することによって、出力電圧を高くできる。また、本発明の発電装置では、それぞれの発電素子の出力電流が加算されるように、隣接する2つの発電素子が並列に接続されていてもよい。   In the power generation device of the present invention, two adjacent power generation elements may be connected in series. By connecting a plurality of power generation elements in series so that the output voltages of the respective power generation elements are added, the output voltage can be increased. In the power generation device of the present invention, two adjacent power generation elements may be connected in parallel so that the output currents of the respective power generation elements are added.

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施形態1]
実施形態1の発電素子の上面図を図1に示す。また、図1の線IIa−IIaにおける断面図を図2(a)に示し、線IIb−IIbにおける断面図を図2(b)に示す。なお、図1では、基材の図示を省略している。
[Embodiment 1]
A top view of the power generating element of the first embodiment is shown in FIG. A cross-sectional view taken along line IIa-IIa in FIG. 1 is shown in FIG. 2A, and a cross-sectional view taken along line IIb-IIb is shown in FIG. In addition, illustration of a base material is abbreviate | omitted in FIG.

図1の発電素子100は、振動部材101を含む。図2を参照して、発電素子100は、基材102と、基材102上に形成された第1の圧電素子110および第2の圧電素子120とを含む。基材102上には、電気配線103aおよび103bが形成されている。   The power generation element 100 in FIG. 1 includes a vibration member 101. Referring to FIG. 2, power generation element 100 includes a base material 102, and a first piezoelectric element 110 and a second piezoelectric element 120 formed on base material 102. On the base material 102, electrical wirings 103a and 103b are formed.

図2を参照して、第1の圧電素子110は、電極111および112(第1および第2の電極)と、それらの間に配置された第1の圧電体層113とによって構成されている。電極111は、基材102上に積層されている。電極111は、電気配線103aを介して基材102側に固定されている。第1の圧電体層113は、分極方向114の向きに分極されている。分極方向114は、電極111と電極112とを結ぶ方向と平行である。   Referring to FIG. 2, the first piezoelectric element 110 is constituted by electrodes 111 and 112 (first and second electrodes) and a first piezoelectric layer 113 disposed therebetween. . The electrode 111 is laminated on the base material 102. The electrode 111 is fixed to the base material 102 side through the electric wiring 103a. The first piezoelectric layer 113 is polarized in the polarization direction 114. The polarization direction 114 is parallel to the direction connecting the electrode 111 and the electrode 112.

第2の圧電素子120は、電極121および112(第3および第4の電極)と、それらの間に配置された第2の圧電体層123とによって構成されている。電極112は、第1の圧電素子110の電極(第2の電極)と第2の圧電素子120の電極(第4の電極)とを兼ねている。別の観点では、圧電素子110の振動部材101側の電極と、圧電素子120の振動部材101側の電極とは接続されている。電極121は、基材102上に積層されている。電極121は、電気配線103bを介して基材102側に固定されている。第2の圧電体層123は、分極方向124の向きに分極されている。分極方向124は、電極121と電極112とを結ぶ方向と平行である。発電素子100では、第1の圧電体層113の分極方向114と第2の圧電体層123の分極方向124とが同じ向きであり、共に、振動部材101側から基材102側に向かう方向である。   The second piezoelectric element 120 includes electrodes 121 and 112 (third and fourth electrodes) and a second piezoelectric layer 123 disposed between them. The electrode 112 serves as both the electrode (second electrode) of the first piezoelectric element 110 and the electrode (fourth electrode) of the second piezoelectric element 120. From another viewpoint, the electrode on the vibration member 101 side of the piezoelectric element 110 and the electrode on the vibration member 101 side of the piezoelectric element 120 are connected. The electrode 121 is laminated on the base material 102. The electrode 121 is fixed to the base material 102 side through the electric wiring 103b. The second piezoelectric layer 123 is polarized in the direction of the polarization direction 124. The polarization direction 124 is parallel to the direction connecting the electrode 121 and the electrode 112. In the power generating element 100, the polarization direction 114 of the first piezoelectric layer 113 and the polarization direction 124 of the second piezoelectric layer 123 are the same direction, and both are in the direction from the vibrating member 101 side to the base material 102 side. is there.

振動部材101の一端101aは、電極112(第2および第4の電極)に固定されている。振動部材101は、直方体状の形状を有する。振動部材101は、その長手方向が、圧電素子の構成要素の積層方向(基材102の表面に垂直な方向)と平行になるように配置されている。振動部材101の他端101bは固定されておらず、第1の圧電体層113と第2の圧電体層123とを結ぶ方向105と平行な方向に振動可能である。   One end 101a of the vibration member 101 is fixed to the electrode 112 (second and fourth electrodes). The vibration member 101 has a rectangular parallelepiped shape. The vibration member 101 is arranged so that the longitudinal direction thereof is parallel to the stacking direction of the components of the piezoelectric element (direction perpendicular to the surface of the base material 102). The other end 101 b of the vibration member 101 is not fixed and can vibrate in a direction parallel to the direction 105 connecting the first piezoelectric layer 113 and the second piezoelectric layer 123.

図1および図2(a)に示すように、本発明の発電素子は、通常、方向105に垂直でかつ振動部材101の中心軸を通る面に対して、面対称の構造を有する。   As shown in FIGS. 1 and 2A, the power generating element of the present invention usually has a plane-symmetric structure with respect to a plane perpendicular to the direction 105 and passing through the central axis of the vibration member 101.

発電素子100の発電原理について図3(a)および図3(b)を参照して説明する。なお、図3(a)および(b)では、圧電体層のハッチングを省略している。また、圧電体層中の矢印は、歪みの方向を示している。   The power generation principle of the power generation element 100 will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). In FIGS. 3A and 3B, the piezoelectric layer is not hatched. An arrow in the piezoelectric layer indicates the direction of strain.

基材102が方向105に平行な方向に振動すると、慣性の力によって振動部材101の他端101bが振動する。図3(a)に示すように、他端101bが圧電素子110側に曲がったときには、第1の圧電体層113は圧縮され、第2の圧電体層123は伸長される。また、図3(b)に示すように、他端101bが圧電素子120側に曲がったときには、第1の圧電体層113は伸長され、第2の圧電体層123は圧縮される。   When the substrate 102 vibrates in a direction parallel to the direction 105, the other end 101b of the vibration member 101 vibrates due to inertial force. As shown in FIG. 3A, when the other end 101b is bent toward the piezoelectric element 110, the first piezoelectric layer 113 is compressed and the second piezoelectric layer 123 is expanded. As shown in FIG. 3B, when the other end 101b is bent toward the piezoelectric element 120, the first piezoelectric layer 113 is expanded and the second piezoelectric layer 123 is compressed.

第1の圧電体層113および第2の圧電体層123が、圧縮または伸長されると、圧電縦効果による電力が発生する。第1の圧電体層113と第2の圧電体層123とは、分極の向きが同じであるため、振動部材101がどちらの方向に曲がっても、第1の圧電素子110で発生する起電力の向きと第2の圧電素子120で発生する起電力の向きとは逆である。そのため、電極112を共通の電極とすることによって、第1の圧電素子110で発生する電力と第2の圧電素子120で発生する電力とを、互いに打ち消しあわせることなく取り出すことができる。発電素子100では、第1の圧電素子110で発生する電圧と、第2の圧電素子120で発生する電圧とが足し合わされる。   When the first piezoelectric layer 113 and the second piezoelectric layer 123 are compressed or expanded, electric power due to the piezoelectric longitudinal effect is generated. Since the first piezoelectric layer 113 and the second piezoelectric layer 123 have the same polarization direction, the electromotive force generated in the first piezoelectric element 110 regardless of which direction the vibration member 101 bends. Is opposite to the direction of the electromotive force generated in the second piezoelectric element 120. Therefore, by using the electrode 112 as a common electrode, the electric power generated in the first piezoelectric element 110 and the electric power generated in the second piezoelectric element 120 can be extracted without canceling each other. In the power generation element 100, the voltage generated in the first piezoelectric element 110 and the voltage generated in the second piezoelectric element 120 are added together.

実施形態1の発電素子100に接続される回路の一例を図4に示す。図4の回路140は、整流回路および蓄電回路として機能する。回路140は、4つのダイオードからなる全波整流回路141と、コンデンサ142とを含む。電気配線103aおよび103bから取り出された出力は、全波整流回路141によって整流され、コンデンサ142に蓄積される。   An example of a circuit connected to the power generation element 100 of Embodiment 1 is shown in FIG. The circuit 140 in FIG. 4 functions as a rectifier circuit and a power storage circuit. Circuit 140 includes a full-wave rectifier circuit 141 composed of four diodes, and a capacitor 142. Outputs extracted from the electrical wirings 103 a and 103 b are rectified by the full-wave rectifier circuit 141 and accumulated in the capacitor 142.

図1〜図4では、圧電体層の分極方向114および124が振動部材101側から基材102側へ向かう向きである発電素子100について説明した。しかし、分極方向114および124は、それぞれ、逆向きであってもよい(他の実施形態においても同様である)。この場合でも、発電素子100と同様に、第1の圧電素子110の出力と第2の圧電素子120の出力とが、打ち消し合うことなく取り出される。   1 to 4, the power generation element 100 in which the polarization directions 114 and 124 of the piezoelectric layer are directed from the vibrating member 101 side to the base material 102 side has been described. However, the polarization directions 114 and 124 may be opposite directions (the same applies to other embodiments). Even in this case, similarly to the power generation element 100, the output of the first piezoelectric element 110 and the output of the second piezoelectric element 120 are taken out without canceling each other.

また、図1〜図4では、第1の圧電体層113と第2の圧電体層123とが別個の圧電体である発電素子100について説明した。しかし、振動部材101の振動時に、第1の圧電素子の2つの電極間の圧電体層の歪み(圧縮または伸長)と、第2の圧電素子の2つの電極間の圧電体層の歪み(圧縮または伸長)とが逆になる限り、第1の圧電素子の2つの電極間の圧電体層と、第2の圧電素子の2つの電極間の圧電体層とは、一体となっていてもよい。すなわち、1つの圧電体層の一部および他の一部が、それぞれ、第1の圧電体層113および第2の圧電体層123であってもよい(以下の実施形態においても同様である)。   1 to 4, the power generation element 100 in which the first piezoelectric layer 113 and the second piezoelectric layer 123 are separate piezoelectric bodies has been described. However, when the vibrating member 101 vibrates, distortion (compression or expansion) of the piezoelectric layer between the two electrodes of the first piezoelectric element and distortion (compression) of the piezoelectric layer between the two electrodes of the second piezoelectric element. As long as (or extension) is reversed, the piezoelectric layer between the two electrodes of the first piezoelectric element and the piezoelectric layer between the two electrodes of the second piezoelectric element may be integrated. . That is, a part of one piezoelectric layer and the other part may be the first piezoelectric layer 113 and the second piezoelectric layer 123, respectively (the same applies to the following embodiments). .

また、図1〜図4では、第1の圧電素子110の振動部材101側の電極と、第2の圧電素子120の振動部材101側の電極とが接続されて共通の電極112となっている発電素子100について示した。しかし、第1の圧電素子110の基材102側の電極と、第2の圧電素子120の基材102側の電極とが接続されて共通の電極となっていてもよい。そのような発電素子100aの一例を図5に示す。   1 to 4, the electrode on the vibration member 101 side of the first piezoelectric element 110 and the electrode on the vibration member 101 side of the second piezoelectric element 120 are connected to form a common electrode 112. The power generation element 100 is shown. However, the electrode on the base material 102 side of the first piezoelectric element 110 and the electrode on the base material 102 side of the second piezoelectric element 120 may be connected to form a common electrode. An example of such a power generation element 100a is shown in FIG.

図5の発電素子100aは、基材102上に配置された電極151を備える。電極151は、第1の圧電素子110の基材102側の電極、および第2の圧電素子120の基材102側の電極として機能する。図5では、第1の圧電体層113の分極方向114および第2の圧電体層123の分極方向124が、基材102側から振動部材101側への向きである一例について示している。しかし、これらの分極方向は逆向きであってもよい。   The power generation element 100a of FIG. 5 includes an electrode 151 disposed on the base material 102. The electrode 151 functions as an electrode on the base material 102 side of the first piezoelectric element 110 and an electrode on the base material 102 side of the second piezoelectric element 120. FIG. 5 shows an example in which the polarization direction 114 of the first piezoelectric layer 113 and the polarization direction 124 of the second piezoelectric layer 123 are directions from the substrate 102 side to the vibrating member 101 side. However, these polarization directions may be reversed.

[実施形態2]
実施形態2では、実施形態1の発電素子100と比べて、電極の接続方法が異なる発電素子について説明する。実施形態2の発電素子100bおよびそれに接続される回路の一例について、構成を図6に模式的に示す。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a power generation element having a different electrode connection method compared to the power generation element 100 of the first embodiment will be described. The configuration of the power generation element 100b according to the second embodiment and an example of a circuit connected thereto is schematically shown in FIG.

発電素子100aでは、発電素子100の電極112(図2(a)参照)が、電極161(第2の電極)と電極162(第4の電極)とに分けられている。また、電極111と電極162とが配線で接続され、電極161と電極121とが配線で接続されている。これらの電極以外の部分は、発電素子100と同じである。また、回路140は、実施形態1で説明した回路140と同じである。   In the power generation element 100a, the electrode 112 (see FIG. 2A) of the power generation element 100 is divided into an electrode 161 (second electrode) and an electrode 162 (fourth electrode). In addition, the electrode 111 and the electrode 162 are connected by a wiring, and the electrode 161 and the electrode 121 are connected by a wiring. Parts other than these electrodes are the same as those of the power generation element 100. The circuit 140 is the same as the circuit 140 described in the first embodiment.

発電素子100aでは、第1の圧電体層113の分極方向114と第2の圧電体層123の分極方向124とが同じでる。そのため、実施形態1で述べたように、振動部材101が振動すると、第1の圧電体層113および第2の圧電体層123では、互いに逆向きに起電力が生じる。発電素子100bでは、それらの起電力が互いに打ち消し合わされないように、第1の圧電素子110と第2の圧電素子120とが並列に接続されている。その結果、第1の圧電素子110の出力電流と、第2の圧電素子120の出力電流とが足し合わされる。   In the power generation element 100a, the polarization direction 114 of the first piezoelectric layer 113 and the polarization direction 124 of the second piezoelectric layer 123 are the same. Therefore, as described in the first embodiment, when the vibrating member 101 vibrates, the first piezoelectric layer 113 and the second piezoelectric layer 123 generate electromotive forces in opposite directions. In the power generation element 100b, the first piezoelectric element 110 and the second piezoelectric element 120 are connected in parallel so that their electromotive forces do not cancel each other. As a result, the output current of the first piezoelectric element 110 and the output current of the second piezoelectric element 120 are added together.

[実施形態3]
実施形態3では、実施形態1の発電素子100と比べて、圧電体層の分極の向き、および電極の接続方法が異なる発電素子について説明する。実施形態3の発電素子100cおよびそれに接続される回路の一例について、構成を図7に模式的に示す。
[Embodiment 3]
In the third embodiment, a power generation element in which the polarization direction of the piezoelectric layer and the electrode connection method are different from those of the power generation element 100 of the first embodiment will be described. The configuration of the power generation element 100c of the third embodiment and an example of a circuit connected thereto is schematically shown in FIG.

発電素子100cでは、第1の圧電体層113の分極方向114と、第2の圧電体層123の分極方向124とが逆向きである。また、発電素子100cでは、発電素子100の電極111および121(図2(a)参照)の代わりに、共通の電極171が用いられている。別の観点では、電極171は、電極111と電極121とが接続された電極である。発電素子100cは、圧電体層の分極方向および電極の構成以外の部分については、発電素子100と同じである。また、回路140は、実施形態1で説明した回路140と同じである。   In the power generation element 100c, the polarization direction 114 of the first piezoelectric layer 113 and the polarization direction 124 of the second piezoelectric layer 123 are opposite to each other. In the power generation element 100c, a common electrode 171 is used instead of the electrodes 111 and 121 (see FIG. 2A) of the power generation element 100. In another aspect, the electrode 171 is an electrode in which the electrode 111 and the electrode 121 are connected. The power generation element 100c is the same as the power generation element 100 except for the polarization direction of the piezoelectric layer and the configuration of the electrodes. The circuit 140 is the same as the circuit 140 described in the first embodiment.

発電素子100cでは、振動部材101の他端101bが振動したときに、第1の圧電素子110で発生する電圧の向きと第2の圧電素子120で発生する電圧の向きとが同じになる。発電素子100cでは、2つの圧電素子の基材側の電極が共通であり、2つの圧電素子の振動部材側の電極が共通である。すなわち、発電素子100cでは、第1の圧電素子110で発生する電圧と第2の圧電素子120で発生する電圧とが互いに打ち消し合わないように、第1の圧電素子110と第2の圧電素子120とが並列に接続されている。   In the power generation element 100c, when the other end 101b of the vibration member 101 vibrates, the direction of the voltage generated in the first piezoelectric element 110 is the same as the direction of the voltage generated in the second piezoelectric element 120. In the power generation element 100c, the electrodes on the base material side of the two piezoelectric elements are common, and the electrodes on the vibration member side of the two piezoelectric elements are common. That is, in the power generation element 100 c, the first piezoelectric element 110 and the second piezoelectric element 120 are prevented from canceling out the voltage generated in the first piezoelectric element 110 and the voltage generated in the second piezoelectric element 120. And are connected in parallel.

[実施形態4]
実施形態4では、基材と圧電素子との間に、圧電体に加わる歪みを緩和する緩衝部材が配置されている例について説明する。実施形態4の発電素子100dの断面図を図8(a)に示す。
[Embodiment 4]
In the fourth embodiment, an example in which a buffer member that relaxes strain applied to the piezoelectric body is disposed between the base material and the piezoelectric element will be described. A cross-sectional view of the power generation element 100d of the fourth embodiment is shown in FIG.

発電素子100dは、基材102、電気配線103aおよび103b、取り出し配線181aおよび181b、緩衝部材182および183、第1の圧電素子110、第2の圧電素子120、および振動部材101を含む。基材102、電気配線103aおよび103b、第1の圧電素子110、第2の圧電素子120、および振動部材101は、発電素子100のそれらと同じである。   The power generation element 100 d includes a base material 102, electric wires 103 a and 103 b, take-out wires 181 a and 181 b, buffer members 182 and 183, a first piezoelectric element 110, a second piezoelectric element 120, and a vibration member 101. The base material 102, the electric wirings 103 a and 103 b, the first piezoelectric element 110, the second piezoelectric element 120, and the vibration member 101 are the same as those of the power generation element 100.

緩衝部材182は、第1の圧電素子110の電極111と基材102(電気配線103a)との間に配置されている。緩衝部材183は、第2の圧電素子120の電極121と基材102(電気配線103b)との間に配置されている。緩衝部材182および183は、振動部材101が有効振動方向に振動したときにそれに伴って変形し、有効振動方向と平行な方向に振動する。緩衝部材182および183によって、過剰な振動による圧電体の破損を抑制できる。圧電体の破損を防止でき、電極材料と充分な密着力が得られる限り、緩衝部材182および183の材料に限定はない。たとえば、緩衝部材182および183を、振動部材101と同じ材料で形成してもよい。   The buffer member 182 is disposed between the electrode 111 of the first piezoelectric element 110 and the base material 102 (electrical wiring 103a). The buffer member 183 is disposed between the electrode 121 of the second piezoelectric element 120 and the base material 102 (electrical wiring 103b). When the vibration member 101 vibrates in the effective vibration direction, the buffer members 182 and 183 are deformed accordingly and vibrate in a direction parallel to the effective vibration direction. The buffer members 182 and 183 can suppress damage to the piezoelectric body due to excessive vibration. There is no limitation on the material of the buffer members 182 and 183 as long as damage to the piezoelectric body can be prevented and sufficient adhesion to the electrode material can be obtained. For example, the buffer members 182 and 183 may be formed of the same material as that of the vibration member 101.

電極111と電気配線103aとは、取り出し配線181aによって接続されている。電極121と電気配線103bとは、取り出し配線181bによって接続されている。取り出し配線は、緩衝部材182と緩衝部材183とが対向する面に形成することが好ましい。発電素子の中心軸から離れた部分は、振動部材101の振動に伴う変形が大きい。そのため、発電素子の中心軸から離れた部分に取り出し配線を形成すると、配線が断線しやすくなる。   The electrode 111 and the electrical wiring 103a are connected by the extraction wiring 181a. The electrode 121 and the electrical wiring 103b are connected by the extraction wiring 181b. The take-out wiring is preferably formed on the surface where the buffer member 182 and the buffer member 183 face each other. A portion away from the central axis of the power generation element is greatly deformed due to vibration of the vibration member 101. For this reason, when the lead-out wiring is formed in a portion away from the central axis of the power generation element, the wiring is easily disconnected.

なお、緩衝部材の途中に他の圧電素子を配置してもよい。そのような発電素子100eの断面図を図8(b)に示す。   In addition, you may arrange | position another piezoelectric element in the middle of a buffer member. A cross-sectional view of such a power generation element 100e is shown in FIG.

発電素子100eでは、緩衝部材182の途中に、第1の圧電素子110aが形成されている。また、緩衝部材183の途中に第2の圧電素子120aが形成されている。緩衝部材182の途中に形成される圧電素子の数は2つ以上であってもよい。同様に、緩衝部材183の途中に形成される圧電素子の数は2つ以上であってもよい。通常、緩衝部材182の途中に形成される圧電素子の数と、緩衝部材183の途中に形成される圧電素子の数とは同じである。   In the power generation element 100e, the first piezoelectric element 110a is formed in the middle of the buffer member 182. A second piezoelectric element 120 a is formed in the middle of the buffer member 183. The number of piezoelectric elements formed in the middle of the buffer member 182 may be two or more. Similarly, the number of piezoelectric elements formed in the middle of the buffer member 183 may be two or more. Usually, the number of piezoelectric elements formed in the middle of the buffer member 182 and the number of piezoelectric elements formed in the middle of the buffer member 183 are the same.

圧電素子110aおよび120aと、圧電素子110および120とは、電極112が電極184および185に分けられている点のみが異なる。第1の圧電素子110の圧電体層の分極方向114と、第1の圧電素子110aの圧電体層の分極方向とは同じである。また、第2の圧電素子120の圧電体層の分極方向124と、第2の圧電素子120aの圧電体層の分極方向とは同じである。   The piezoelectric elements 110a and 120a and the piezoelectric elements 110 and 120 differ only in that the electrode 112 is divided into electrodes 184 and 185. The polarization direction 114 of the piezoelectric layer of the first piezoelectric element 110 is the same as the polarization direction of the piezoelectric layer of the first piezoelectric element 110a. The polarization direction 124 of the piezoelectric layer of the second piezoelectric element 120 is the same as the polarization direction of the piezoelectric layer of the second piezoelectric element 120a.

第1の圧電素子110の電極111と第1の圧電素子110aの電極184とは、取り出し配線181aによって接続されている。第2の圧電素子120の電極121と第2の圧電素子120aの電極185とは、取り出し配線181bによって接続されている。圧電素子110aの電極111と電気配線103aとは、取り出し配線181aによって接続されている。圧電素子120aの電極121と電気配線103bとは、取り出し配線181bによって接続されている。   The electrode 111 of the first piezoelectric element 110 and the electrode 184 of the first piezoelectric element 110a are connected by an extraction wiring 181a. The electrode 121 of the second piezoelectric element 120 and the electrode 185 of the second piezoelectric element 120a are connected by an extraction wiring 181b. The electrode 111 of the piezoelectric element 110a and the electric wiring 103a are connected to each other by a lead-out wiring 181a. The electrode 121 of the piezoelectric element 120a and the electric wiring 103b are connected by the extraction wiring 181b.

振動部材101が図8(b)の上方に向かって曲がるときには、第1の圧電素子110および110aの圧電体層は共に分極方向と平行な方向に圧縮され、第2の圧電素子120および120aの圧電体層は共に分極方向と平行な方向に伸長される。また、振動部材101が図8(b)の下方に向かって曲がるときには、第1の圧電素子110および110aの圧電体層は共に分極方向と平行な方向に伸長され、第2の圧電素子120および120aの圧電体層は共に分極方向と平行な方向に圧縮される。したがって、第1の圧電素子110と第1の圧電素子110aとは同じ方向に電圧を生じ、それらの電圧は足し合わされる。同様に、第2の圧電素子120で発生する電圧と第2の圧電素子120aで発生する電圧とは足し合わされる。また、第1の圧電素子110および110aの電圧の向きと、第2の圧電素子120および120aの電圧の向きとは逆である。ここで、電極112は共通の電極であるため、4つの圧電素子の電圧は、互いに打ち消し合うことなく直列に足し合わされる。   When the vibrating member 101 bends upward in FIG. 8B, the piezoelectric layers of the first piezoelectric elements 110 and 110a are both compressed in a direction parallel to the polarization direction, and the second piezoelectric elements 120 and 120a Both piezoelectric layers are stretched in a direction parallel to the polarization direction. When the vibrating member 101 bends downward in FIG. 8B, the piezoelectric layers of the first piezoelectric elements 110 and 110a are both extended in a direction parallel to the polarization direction, and the second piezoelectric element 120 and Both of the piezoelectric layers 120a are compressed in a direction parallel to the polarization direction. Accordingly, the first piezoelectric element 110 and the first piezoelectric element 110a generate voltages in the same direction, and these voltages are added together. Similarly, the voltage generated in the second piezoelectric element 120 and the voltage generated in the second piezoelectric element 120a are added together. The direction of the voltage of the first piezoelectric elements 110 and 110a is opposite to the direction of the voltage of the second piezoelectric elements 120 and 120a. Here, since the electrode 112 is a common electrode, the voltages of the four piezoelectric elements are added in series without canceling each other.

[実施形態5]
実施形態5では、複数の圧電素子が積層されている発電素子の一例について説明する。実施形態5の発電素子100fの断面図を図9に示す。
[Embodiment 5]
In the fifth embodiment, an example of a power generation element in which a plurality of piezoelectric elements are stacked will be described. A cross-sectional view of the power generation element 100f of the fifth embodiment is shown in FIG.

発電素子100fでは、電気配線103a上に、第1の圧電素子110aおよび110が積層されている。また、電気配線103b上に、第2の圧電素子120aおよび120が積層されている。4つの発電素子に含まれる圧電体層の分極の向きは、同じである。なお、積層される発電素子の数は3つ以上であってもよい。通常、積層される第1の圧電素子の数と、積層される第2の圧電素子の数とは同じである。   In the power generation element 100f, the first piezoelectric elements 110a and 110 are stacked on the electric wiring 103a. The second piezoelectric elements 120a and 120 are stacked on the electric wiring 103b. The directions of polarization of the piezoelectric layers included in the four power generation elements are the same. Note that the number of power generating elements stacked may be three or more. Usually, the number of first piezoelectric elements stacked is the same as the number of second piezoelectric elements stacked.

第1の圧電素子110aの振動部材101側の電極と、第1の圧電素子110の基材102側の電極111とは共通である。第2の圧電素子120aの振動部材101側の電極と、第2の圧電素子120の基材102側の電極121とは共通である。また、第1の圧電素子110の振動部材101側の電極と第2の圧電素子120の振動部材101側の電極とは接続されている。そのため、4つの圧電素子は直列に接続されている。図8(b)の発電素子100eと同様に、発電素子100fでも、4つの圧電素子の電圧は、互いに打ち消し合うことなく直列に足し合わされる。   The electrode on the vibrating member 101 side of the first piezoelectric element 110a and the electrode 111 on the base material 102 side of the first piezoelectric element 110 are common. The electrode on the vibrating member 101 side of the second piezoelectric element 120a and the electrode 121 on the base material 102 side of the second piezoelectric element 120 are common. The electrode on the vibrating member 101 side of the first piezoelectric element 110 and the electrode on the vibrating member 101 side of the second piezoelectric element 120 are connected. Therefore, the four piezoelectric elements are connected in series. Similarly to the power generation element 100e of FIG. 8B, in the power generation element 100f, the voltages of the four piezoelectric elements are added in series without canceling each other.

[実施形態6]
実施形態6では、振動部材の自由端に重りが固定されている発電素子の一例について説明する。実施形態6の発電素子100gの断面図を図10に示す。
[Embodiment 6]
In the sixth embodiment, an example of a power generation element in which a weight is fixed to the free end of the vibration member will be described. A cross-sectional view of the power generation element 100g of the sixth embodiment is shown in FIG.

発電素子100gは、振動部材101の他端101bに固定された重り200を含む。重り200は、振動部材101よりも比重が大きい材料からなる。その他の構成要素については、発電素子100と同じである。   The power generation element 100 g includes a weight 200 fixed to the other end 101 b of the vibration member 101. The weight 200 is made of a material having a specific gravity greater than that of the vibration member 101. Other components are the same as those of the power generation element 100.

発電素子100gでは、重り200が存在するため、加速度によって発生する慣性の力が大きくなり、得られる電力が大きくなる。また、重り200の質量を調節することによって、外部振動の振動数と振動部材101の固有振動数とを一致させることができる。このとき、振動部材101の振幅が大きくなり、得られる電力をさらに大きくすることが可能である。   In the power generation element 100g, since the weight 200 exists, the inertia force generated by the acceleration increases, and the obtained electric power increases. Further, by adjusting the mass of the weight 200, the frequency of external vibration and the natural frequency of the vibration member 101 can be matched. At this time, the amplitude of the vibration member 101 is increased, and the obtained electric power can be further increased.

[実施形態7]
実施形態7では、複数の発電素子100を備える発電装置、およびその製造方法の一例について説明する。特に説明がない限り、以下の工程は、半導体素子製造プロセスで用いられる方法、たとえば、気相成膜法、フォトリソグラフィー法、エッチング法、およびリフトオフ法などによって行うことができる。
[Embodiment 7]
In the seventh embodiment, an example of a power generation apparatus including a plurality of power generation elements 100 and a method for manufacturing the power generation apparatus will be described. Unless otherwise specified, the following steps can be performed by a method used in a semiconductor element manufacturing process, such as a vapor deposition method, a photolithography method, an etching method, and a lift-off method.

まず、図11(a)に示すように、スパッタリング法によって、基板211上に、金属層212、圧電体層213、および金属層214を形成する。これらの層は、スパッタリング法以外の成膜法で形成してもよい。基板211は、後の工程によって振動部材101となる基板である。   First, as shown in FIG. 11A, a metal layer 212, a piezoelectric layer 213, and a metal layer 214 are formed on a substrate 211 by sputtering. These layers may be formed by a film formation method other than the sputtering method. The substrate 211 is a substrate that becomes the vibration member 101 in a later process.

次に、レジストパターンの形成およびドライエッチングによって、金属層212、圧電体層213、および金属層214をパターニングする。これによって、図11(b)に示すように、4つの圧電素子110と4つの圧電素子120とが形成される。すべての圧電素子の圧電体層の分極方向は同じ向きである。圧電素子の圧電体層の分極方向は、圧電体層213の成膜時に制御してもよい。また、圧電素子の圧電体層の分極方向は、金属層212および214、または電極(パターニング後の金属層)を用いたポーリング処理によって行ってもよい。また、成膜時に配向方向を制御し、さらにポーリング処理を行ってもよい。   Next, the metal layer 212, the piezoelectric layer 213, and the metal layer 214 are patterned by formation of a resist pattern and dry etching. As a result, as shown in FIG. 11B, four piezoelectric elements 110 and four piezoelectric elements 120 are formed. The polarization directions of the piezoelectric layers of all the piezoelectric elements are the same. The polarization direction of the piezoelectric layer of the piezoelectric element may be controlled when the piezoelectric layer 213 is formed. Further, the polarization direction of the piezoelectric layer of the piezoelectric element may be performed by a poling process using the metal layers 212 and 214 or the electrodes (metal layer after patterning). In addition, the orientation direction may be controlled at the time of film formation, and further poling treatment may be performed.

次に、電気配線215を形成した基材102を用意する。電気配線215は、図2(a)の電気配線103aと電気配線103bとを兼ねる。そして、圧電素子110の電極111と圧電素子120の電極121を電気配線215上に接着する。これらの接着は、圧電素子の固定と電気的な接続とを行うために、導電性の接着剤を用いて行われる。なお、これらの接着は、圧電素子の固定と電気的な接続とが達成される方法で行われればよい。たとえば、これらの接着は、異方性導電性シートを用いて行われてもよい。また、これらの接着は、超音波や加熱によって金属同士を接続させる方法で行われてもよい。   Next, the base material 102 on which the electrical wiring 215 is formed is prepared. The electric wiring 215 also serves as the electric wiring 103a and the electric wiring 103b in FIG. Then, the electrode 111 of the piezoelectric element 110 and the electrode 121 of the piezoelectric element 120 are bonded onto the electric wiring 215. These adhesions are performed using a conductive adhesive in order to fix and electrically connect the piezoelectric element. In addition, what is necessary is just to perform these adhesion | attachment by the method in which fixation and electrical connection of a piezoelectric element are achieved. For example, these adhesions may be performed using an anisotropic conductive sheet. Moreover, these adhesion | attachments may be performed by the method of connecting metals by an ultrasonic wave or a heating.

次に、基板211の不要な部分を除去することによって、発電素子100ごとに振動部材101を形成する。このようにして、実施形態7の発電装置210が得られる。図11に示したように、薄膜形成、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによって、多数の発電素子が密に並べられた発電装置を簡単に形成できる。この製造方法では、圧電体層213の大部分を圧電素子の圧電体層として利用することが可能である。   Next, the vibration member 101 is formed for each power generation element 100 by removing unnecessary portions of the substrate 211. In this way, the power generation device 210 of Embodiment 7 is obtained. As shown in FIG. 11, a power generation device in which a large number of power generation elements are arranged closely can be easily formed by thin film formation, photolithography, and dry etching. In this manufacturing method, most of the piezoelectric layer 213 can be used as the piezoelectric layer of the piezoelectric element.

なお、発電素子単独の形成も、発電装置と同様の方法によって実施できる。このように、本発明の発電素子および発電装置は、半導体製造プロセスに用いられている公知の技術などを用いて製造できる。   The formation of the power generation element alone can also be performed by the same method as that for the power generation apparatus. As described above, the power generating element and the power generating device of the present invention can be manufactured using a known technique used in a semiconductor manufacturing process.

電気配線の一例を図12に示す。図12において、振動部材101が配置されているそれぞれの箇所に発電素子100が存在する。図12の例では、20個の発電素子100が、4行×5列にマトリクス状に配置される。1つの発電素子100の電気配線103aと、隣接する発電素子100の電気配線103bとは、配線221で接続されている。また、1つの行の端に存在する発電素子100の電気配線103aと、隣接する行の端に存在する発電素子100の電気配線103bとは、配線221で接続されている。その結果、すべての発電素子100が直列に接続される。   An example of the electrical wiring is shown in FIG. In FIG. 12, the power generation element 100 is present at each location where the vibration member 101 is disposed. In the example of FIG. 12, 20 power generating elements 100 are arranged in a matrix of 4 rows × 5 columns. The electrical wiring 103 a of one power generation element 100 and the electrical wiring 103 b of the adjacent power generation element 100 are connected by a wiring 221. In addition, the electrical wiring 103 a of the power generation element 100 present at the end of one row and the electrical wiring 103 b of the power generation element 100 present at the end of the adjacent row are connected by a wiring 221. As a result, all the power generating elements 100 are connected in series.

図12の例では、電気配線103a上の電極(図2(a)の電極111)と電気配線103b上の電極(図2(a)の電極121)とを結ぶ方向222が互いに平行になるように、それぞれの発電素子100が配置される。すなわち、すべての発電素子100が同じ向きに配置されている。そのため、外部振動が加えられると、すべての発電素子100の振動部材が同じ方向に変形する。その結果、すべての発電素子100は同じように発電し、それらの出力は直列に加算される。直列に接続する発電素子の数を調整することによって、出力電圧を調整することが可能である。   In the example of FIG. 12, the direction 222 connecting the electrode on the electric wiring 103a (the electrode 111 in FIG. 2A) and the electrode on the electric wiring 103b (the electrode 121 in FIG. 2A) is parallel to each other. In addition, each power generating element 100 is arranged. That is, all the power generating elements 100 are arranged in the same direction. Therefore, when external vibration is applied, the vibration members of all the power generation elements 100 are deformed in the same direction. As a result, all the power generating elements 100 generate power in the same manner, and their outputs are added in series. It is possible to adjust the output voltage by adjusting the number of power generating elements connected in series.

[実施形態8]
実施形態8では、複数の発電素子100a(図5参照)を備える発電装置、およびその製造方法の一例について説明する。特に説明がない限り、以下の工程は、半導体素子製造プロセスで用いられる方法、たとえば、気相成膜法、フォトリソグラフィー法、エッチング法、およびリフトオフ法などによって行うことができる。
[Embodiment 8]
In the eighth embodiment, an example of a power generation device including a plurality of power generation elements 100a (see FIG. 5) and a method for manufacturing the power generation device will be described. Unless otherwise specified, the following steps can be performed by a method used in a semiconductor element manufacturing process, such as a vapor deposition method, a photolithography method, an etching method, and a lift-off method.

まず、図13(a)に示すように、スパッタリング法によって、基材102上に、金属層231および圧電体層232を形成する。これらの層は、スパッタリング法以外の成膜法で形成してもよい。   First, as shown in FIG. 13A, a metal layer 231 and a piezoelectric layer 232 are formed on a base material 102 by a sputtering method. These layers may be formed by a film formation method other than the sputtering method.

次に、図13(b)に示すように、レジストパターンの形成とドライエッチングとによって、金属層231および圧電体層232をパターニングする。このパターニングによって、電極151、圧電体層113および123が形成される。すべての圧電体層の分極方向は、同じ向きである。   Next, as shown in FIG. 13B, the metal layer 231 and the piezoelectric layer 232 are patterned by forming a resist pattern and performing dry etching. By this patterning, the electrode 151 and the piezoelectric layers 113 and 123 are formed. The polarization directions of all the piezoelectric layers are the same.

次に、図13(c)に示すように、絶縁体層234および電極235を形成する。具体的には、まず、発電素子間に絶縁体層234を形成する。次に、圧電体層113および123ならびに絶縁体層234上に、電極235を形成する。電極235によって、隣接する発電素子が直列に接続される。   Next, as shown in FIG. 13C, the insulator layer 234 and the electrode 235 are formed. Specifically, first, the insulator layer 234 is formed between the power generation elements. Next, an electrode 235 is formed on the piezoelectric layers 113 and 123 and the insulator layer 234. Adjacent power generation elements are connected in series by the electrode 235.

次に、図13(d)に示すように、振動部材101を形成する。このようにして、複数の発電素子を備える発電装置230が得られる。振動部材101は、電極235上に基板を貼り付けた後、その基板をエッチングすることによって形成してもよい。また、振動部材101はメッキ法によって形成することもできる。たとえば、高いアスペクト比でパターニングした厚膜レジストを型として用い、NiやCuなどのメッキを行った後、厚膜レジストを除去して、形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 13D, the vibration member 101 is formed. In this way, a power generation device 230 including a plurality of power generation elements is obtained. The vibration member 101 may be formed by attaching a substrate on the electrode 235 and then etching the substrate. The vibration member 101 can also be formed by a plating method. For example, a thick film resist patterned with a high aspect ratio may be used as a mold, and after plating such as Ni or Cu, the thick film resist may be removed and formed.

以上、本発明の発電素子および発電装置について例を挙げて説明した。なお、本発明の発電素子および発電装置に関して、振動部材の振動は、基材の振動による振動に限定されない。たとえば、振動部材の周囲に流体を配置し、その流体の往復運動によって振動部材を振動させてもよい。そのような一例を図14に示す。発電装置210は、管路241の内部に固定されている。管路241の内部には、液体242が配置されている。液体242は、外部の振動などによって往復運動する。その結果、発電装置210の振動部材が振動し、発電が行われる。   The power generation element and the power generation device of the present invention have been described above with examples. In the power generation element and the power generation device of the present invention, the vibration of the vibration member is not limited to the vibration due to the vibration of the base material. For example, a fluid may be arranged around the vibration member, and the vibration member may be vibrated by the reciprocating motion of the fluid. One such example is shown in FIG. The power generator 210 is fixed inside the pipe 241. A liquid 242 is disposed inside the conduit 241. The liquid 242 reciprocates due to external vibration or the like. As a result, the vibration member of the power generation apparatus 210 vibrates and power generation is performed.

[分極方向の制御]
本発明の発電素子および発電装置では、圧電体層の分極方向を制御する必要がある。圧電体層の分極方向を制御する方法に限定はなく、公知の方法で行ってもよい。
[Control of polarization direction]
In the power generation element and the power generation device of the present invention, it is necessary to control the polarization direction of the piezoelectric layer. There is no limitation on the method of controlling the polarization direction of the piezoelectric layer, and a known method may be used.

分極方向を制御する方法の一例は、形成した圧電体層に電界を加えることによって分極の方向を制御する方法である(ポーリング処理)。この方法によれば、図7の発電素子100cのように、圧電体層113の分極方向114と、圧電体層123の分極方向124とを逆にすることが可能である。具体的には、圧電体層をパターニングして圧電体層113と圧電体層123とを形成したのち、それぞれに異なる電極を接触させて逆向きに電界を印加すればよい。   An example of a method for controlling the polarization direction is a method for controlling the polarization direction by applying an electric field to the formed piezoelectric layer (polling process). According to this method, the polarization direction 114 of the piezoelectric layer 113 and the polarization direction 124 of the piezoelectric layer 123 can be reversed as in the power generation element 100c of FIG. Specifically, after patterning the piezoelectric layer to form the piezoelectric layer 113 and the piezoelectric layer 123, different electrodes may be brought into contact with each other and an electric field applied in the opposite direction.

以下、発電素子によって得られる電力についてシミュレーションを行った結果を説明する。   Hereinafter, the result of having performed simulation about the electric power obtained by the power generation element will be described.

[実施例1]
実施例1では、実施形態1の発電素子100によって得られる電力について、有限要素法によってシミュレーションを行った。
[Example 1]
In Example 1, the electric power obtained by the power generation element 100 of Embodiment 1 was simulated by the finite element method.

振動部材101は結晶シリコンからなるものであると仮定した。振動部材101は、長さが825μmで断面が50μm角とし、ヤング率は153GPaとした。圧電体層113および123は、それぞれ、PZTからなる層であると仮定した。各圧電体層は、平面形状が20μm×50μmの長方形で厚さが3μmとし、ヤング率は93GPaとした。また、各圧電体層は、圧電定数d31が130pm/Vとし、圧電定数d33が430pm/Vとし、比誘電率が800とした。導電性の接着層には、厚さが10μmでヤング率が1GPaの異方性導電接着フィルムを用いると仮定した。 The vibration member 101 was assumed to be made of crystalline silicon. The vibration member 101 had a length of 825 μm, a cross section of 50 μm square, and a Young's modulus of 153 GPa. The piezoelectric layers 113 and 123 were assumed to be layers made of PZT. Each piezoelectric layer had a rectangular shape with a planar shape of 20 μm × 50 μm, a thickness of 3 μm, and a Young's modulus of 93 GPa. Each piezoelectric layer had a piezoelectric constant d 31 of 130 pm / V, a piezoelectric constant d 33 of 430 pm / V, and a relative dielectric constant of 800. It was assumed that an anisotropic conductive adhesive film having a thickness of 10 μm and a Young's modulus of 1 GPa was used for the conductive adhesive layer.

上記構造の発電素子に、振幅が2m/s2で、構造の共振周波数と異なる周波数で増減する加速度を加えた場合、各圧電素子において16μVの電圧が発生し、1つの発電素子では32μVの電圧が発生する。2つの圧電素子は直列に接続されており、発電素子の静電容量は1.18×10-12Fである。そのため、1つの発電素子当り、1.21×10-21Wの電力が得られる。 When an acceleration having an amplitude of 2 m / s 2 and increasing or decreasing at a frequency different from the resonance frequency of the structure is applied to the power generation element having the above structure, a voltage of 16 μV is generated in each piezoelectric element, and a voltage of 32 μV is generated in one power generation element. Will occur. The two piezoelectric elements are connected in series, and the electrostatic capacity of the power generation element is 1.18 × 10 −12 F. Therefore, 1.21 × 10 −21 W electric power can be obtained per one power generation element.

[比較例1]
本発明の効果を確認するために、圧電横効果を用いる従来の発電素子について、シミュレーションを行った。シミュレーションは、図15に示す構造を有する発電素子5について行った。発電素子5は、基材8上に配置された振動部材6と、基材8上であって振動部材6の両端に配置された圧電体7aおよび7bとによって構成される。振動部材6は、実施例1と同じく、長さ825μmで断面が50μm角の結晶シリコンであると仮定した。振動部材6は、厚さ10μmの接着剤で基材8に固定されているとした。圧電体7aおよび7bは、実施例1の圧電体層と同じ形状(平面形状が20μm×50μmの長方形で厚さが3μm)とした。そして、圧電体7aおよび7bは、分極方向9の向きに分極していると仮定した。各構成部材の物性値には、実施例1のシミュレーションで用いた値と同じ値を用いた。
[Comparative Example 1]
In order to confirm the effect of the present invention, a simulation was performed on a conventional power generation element using the piezoelectric lateral effect. The simulation was performed for the power generation element 5 having the structure shown in FIG. The power generation element 5 includes a vibration member 6 disposed on the base member 8 and piezoelectric bodies 7 a and 7 b disposed on both ends of the vibration member 6 on the base member 8. As in Example 1, the vibration member 6 was assumed to be crystalline silicon having a length of 825 μm and a cross section of 50 μm square. The vibration member 6 is fixed to the base material 8 with an adhesive having a thickness of 10 μm. The piezoelectric bodies 7a and 7b have the same shape as the piezoelectric layer of Example 1 (planar shape is a rectangle of 20 μm × 50 μm and a thickness of 3 μm). The piezoelectric bodies 7a and 7b were assumed to be polarized in the direction of the polarization direction 9. As the physical property values of the constituent members, the same values as those used in the simulation of Example 1 were used.

比較例1の発電素子に振幅が2m/s2で、構造の共振周波数と異なる周波数で増減する加速度を加えた場合、それぞれの圧電体において、1.1μVの電圧が発生する。圧電体7aおよび7bを並列に接続すると、静電容量は4.72×10-12Fとなる。その結果、1つの発電素子当り、5.71×10-24Wの電力が得られる。 When an acceleration that has an amplitude of 2 m / s 2 and increases or decreases at a frequency different from the resonance frequency of the structure is applied to the power generation element of Comparative Example 1, a voltage of 1.1 μV is generated in each piezoelectric body. When the piezoelectric bodies 7a and 7b are connected in parallel, the capacitance becomes 4.72 × 10 −12 F. As a result, electric power of 5.71 × 10 −24 W is obtained per one power generation element.

このように、シミュレーションの結果によれば、実施例1の発電素子によって、比較例1の発電素子の約210倍の電力が得られる。得られる電力は、多数の素子を接続し、構造の共振周波数と回収する対象の振動の周波数を一致させることによって、増やすことが可能である。   As described above, according to the simulation results, the power generation element of Example 1 can obtain approximately 210 times the power of the power generation element of Comparative Example 1. The resulting power can be increased by connecting a number of elements and matching the resonant frequency of the structure with the frequency of the vibration to be recovered.

本発明は、圧電体を用いた発電素子および発電装置に利用できる。本発明の発電素子および発電装置の利用分野に限定はない。本発明の発電素子および発電装置は小型であるため、携帯電話や音楽再生機などのモバイル機器の、充電用発電装置または補助電源として利用できる。その場合、人が移動する際に機器を携帯するだけで発電するため、充電の不要化または充電間隔を長くすることが可能になる。   The present invention can be used for a power generation element and a power generation device using a piezoelectric body. There is no limitation in the field of application of the power generation element and power generation device of the present invention. Since the power generation element and power generation device of the present invention are small in size, they can be used as a power generation device for charging or an auxiliary power source for mobile devices such as mobile phones and music players. In that case, since electricity is generated simply by carrying the device when a person moves, it becomes possible to eliminate the need for charging or increase the charging interval.

また、家屋や建物、橋などの各種構造物や自動車の車体やタイヤなど振動する物体に本発明の発電素子または発電装置を取り付けることによって、電力を得ることが可能である。従って、本発明の発電素子または発電装置をセンサの電源として用いることによって、電力供給が不要なセンサを様々な場所に設置できる。たとえば、複数のセンサをネットワーク状に接続し、センサシステムとして稼働させることも可能である。   Moreover, it is possible to obtain electric power by attaching the power generation element or the power generation device of the present invention to various structures such as houses, buildings, and bridges, and vibrating objects such as automobile bodies and tires. Therefore, by using the power generation element or power generation device of the present invention as the power source of the sensor, sensors that do not require power supply can be installed in various places. For example, a plurality of sensors can be connected in a network and operated as a sensor system.

本発明の発電素子の一例を示す上面図である。It is a top view which shows an example of the electric power generating element of this invention. 図1に示した発電素子の、(a)断面図および(b)他の断面図である。It is (a) sectional drawing and (b) other sectional drawing of the electric power generation element shown in FIG. 図1に示した発電素子の動作状態を示す図である。It is a figure which shows the operation state of the electric power generating element shown in FIG. 図1に示した発電素子に接続される回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit connected to the electric power generation element shown in FIG. 本発明の発電素子の他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the electric power generating element of this invention. 図5に示した発電素子について、電極の接続方法、および発電素子に接続される回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit connected to the connection method of an electrode, and a power generation element about the power generation element shown in FIG. 本発明の発電素子のその他の一例、およびそれに接続される回路の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the electric power generating element of this invention, and an example of the circuit connected to it. (a)および(b)は、それぞれ、本発明の発電素子のその他の例を示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows the other example of the electric power generating element of this invention, respectively. 本発明の発電素子のその他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the electric power generating element of this invention. 本発明の発電素子のその他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the electric power generating element of this invention. 本発明の発電装置の製造方法について、一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example about the manufacturing method of the electric power generating apparatus of this invention. 本発明の発電装置の電気配線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electrical wiring of the electric power generating apparatus of this invention. 本発明の発電装置の製造方法について、他の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows another example about the manufacturing method of the electric power generating apparatus of this invention. 流体の運動によって発電を行う場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example in the case of generating electric power by the motion of the fluid. シミュレーションで仮定した比較例の発電素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power generation element of the comparative example assumed by simulation. 一般的な圧電素子の機能を示す図である。It is a figure which shows the function of a general piezoelectric element.

符号の説明Explanation of symbols

100、100a〜100g 発電素子
101 振動部材
101a 一端(固定端)
101b 他端(自由端)
102 基材
103a、103b 電気配線
105 方向(第1の圧電体層と第2の圧電体層とを結ぶ方向)
110、110a 第1の圧電素子
111 電極(第1の電極)
112 電極(第2の電極、第4の電極)
113 第1の圧電体層
114、124 分極方向
120、120a 第2の圧電素子
121 電極(第3の電極)
123 第2の圧電体層
140 回路
141 全波整流回路
142 コンデンサ
182、183 緩衝部材
200 重り
210、230 発電装置
221 配線
222 方向(第1の電極と第3の電極とを結ぶ方向)
100, 100a to 100g Power generation element 101 Vibration member 101a One end (fixed end)
101b The other end (free end)
102 Substrate 103a, 103b Electric wiring 105 direction (direction connecting the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer)
110, 110a First piezoelectric element 111 Electrode (first electrode)
112 electrodes (second electrode, fourth electrode)
113 First piezoelectric layer 114, 124 Polarization direction 120, 120a Second piezoelectric element 121 Electrode (third electrode)
123 Second piezoelectric layer 140 Circuit 141 Full wave rectifier circuit 142 Capacitor 182, 183 Buffer member 200 Weight 210, 230 Power generator 221 Wiring 222 Direction (direction connecting the first electrode and the third electrode)

Claims (13)

基材上に順に積層された第1の電極、第1の圧電体層および第2の電極を含む第1の圧電素子と、
前記基材上に順に積層された第3の電極、第2の圧電体層および第4の電極を含む第2の圧電素子と、
振動部材とを含み、
前記振動部材の一端は、前記第2および第4の電極に固定されており、
前記振動部材の前記一端に対して反対側の他端は、前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層とを結ぶ方向と平行な方向に振動可能であり、
前記第1の圧電体層は、前記第1の電極と前記第2の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されており、
前記第2の圧電体層は、前記第3の電極と前記第4の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている、発電素子。
A first piezoelectric element including a first electrode, a first piezoelectric layer, and a second electrode, which are sequentially stacked on the substrate;
A second piezoelectric element including a third electrode, a second piezoelectric layer, and a fourth electrode, which are sequentially stacked on the substrate;
A vibration member,
One end of the vibrating member is fixed to the second and fourth electrodes,
The other end of the vibration member opposite to the one end can vibrate in a direction parallel to a direction connecting the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer,
The first piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the first electrode and the second electrode;
The power generation element, wherein the second piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the third electrode and the fourth electrode.
前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層とが同じ方向に分極されており、
前記第1の電極および前記第3の電極からなる1組の電極、ならびに前記第2の電極および前記第4の電極からなる1組の電極のうち、いずれか1組の電極が接続されている請求項1に記載の発電素子。
The first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are polarized in the same direction;
One set of electrodes is connected among the set of electrodes including the first electrode and the third electrode, and the set of electrodes including the second electrode and the fourth electrode. The power generating element according to claim 1.
前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層とが同じ方向に分極されており、
前記第1の電極と前記第4の電極とが接続されており、前記第2の電極と前記第3の電極とが接続されている請求項1に記載の発電素子。
The first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are polarized in the same direction;
The power generation element according to claim 1, wherein the first electrode and the fourth electrode are connected, and the second electrode and the third electrode are connected.
前記第1の圧電体層の分極方向と前記第2の圧電体層の分極方向とが逆向きであり、
前記第1の電極と前記第3の電極とが接続され、
前記第2の電極と前記第4の電極とが接続されている請求項1に記載の発電素子。
The polarization direction of the first piezoelectric layer and the polarization direction of the second piezoelectric layer are opposite to each other;
The first electrode and the third electrode are connected;
The power generation element according to claim 1, wherein the second electrode and the fourth electrode are connected.
前記第1および第3の電極は、前記基材上に直接固定されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の発電素子。   The power generation element according to claim 1, wherein the first and third electrodes are directly fixed on the base material. 前記基材と前記第1の電極との間、および前記基材と前記第3の電極との間に、前記振動部材の振動に伴って変形可能な緩衝部材が配置されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の発電素子。   The buffer member which can be deform | transformed with the vibration of the said vibration member is arrange | positioned between the said base material and the said 1st electrode, and between the said base material and the said 3rd electrode. 5. The power generation element according to any one of 4 above. 前記緩衝部材の途中に、圧電体を用いた他の圧電素子が形成されている請求項6に記載の発電素子。   The power generating element according to claim 6, wherein another piezoelectric element using a piezoelectric body is formed in the middle of the buffer member. 前記基材と前記第1の圧電素子との間に、他の前記第1の圧電素子が1つ以上積層されており、
前記基材と前記第2の圧電素子との間に、他の前記第2の圧電素子が1つ以上積層されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の発電素子。
One or more other first piezoelectric elements are laminated between the base material and the first piezoelectric element,
The power generating element according to any one of claims 1 to 4, wherein one or more other second piezoelectric elements are stacked between the base material and the second piezoelectric element.
前記他端に、前記振動部材よりも比重が大きい材料からなる重りが固定されている請求項1〜8のいずれか1項に記載の発電素子。   The power generating element according to any one of claims 1 to 8, wherein a weight made of a material having a specific gravity greater than that of the vibration member is fixed to the other end. 前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層とが一体となって1つの圧電体層を構成している請求項1〜9のいずれか1項に記載の発電素子。   The power generation element according to any one of claims 1 to 9, wherein the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are integrated to form one piezoelectric layer. 基材上に形成された複数の発電素子を含む発電装置であって、
前記複数の発電素子のそれぞれは、前記基材上に順に積層された第1の電極、第1の圧電体層および第2の電極を含む第1の圧電素子と、前記基材上に順に積層された第3の電極、第2の圧電体層および第4の電極を含む第2の圧電素子と、振動部材とを含み、
前記振動部材の一端は、前記第2および第4の電極に固定されており、
前記振動部材の前記一端に対して反対側の他端は、前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層とを結ぶ方向と平行な方向に振動可能であり、
前記第1の圧電体層は、前記第1の電極と前記第2の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されており、
前記第2の圧電体層は、前記第3の電極と前記第4の電極とを結ぶ方向と平行な方向に分極されている、発電装置。
A power generation device including a plurality of power generation elements formed on a substrate,
Each of the plurality of power generating elements is sequentially stacked on the base material, the first piezoelectric element including a first electrode, a first piezoelectric layer, and a second electrode sequentially stacked on the base material. A third piezoelectric element, a second piezoelectric element including a second piezoelectric layer and a fourth electrode, and a vibration member,
One end of the vibrating member is fixed to the second and fourth electrodes,
The other end of the vibration member opposite to the one end can vibrate in a direction parallel to a direction connecting the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer,
The first piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the first electrode and the second electrode;
The power generation apparatus, wherein the second piezoelectric layer is polarized in a direction parallel to a direction connecting the third electrode and the fourth electrode.
前記複数の発電素子は、それぞれの前記第1の電極と前記第3の電極とを結ぶ方向が互いに平行になるように配置されている請求項11に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 11, wherein the plurality of power generation elements are arranged so that directions connecting the first electrode and the third electrode are parallel to each other. 隣接する2つの前記発電素子が直列に接続されている請求項11または12に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 11 or 12, wherein two adjacent power generation elements are connected in series.
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