JP2011029239A - 圧電発電モジュール、圧電発電モジュールの製造方法及び圧電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存構成のものよりも、高い電圧を発生できる圧電発電モジュールを提供する。
【解決手段】圧電発電モジュール１０は、支持部材１１上に設けられた、複数の分極領域１４ａが形成されている強誘電体膜１４と、２つの出力端子１８と、圧電効果により前記強誘電体膜の各分極領域にて発生する電圧の和が２つの出力端子間１８に出力されるように、複数の分極領域１４ａ及び２つの出力端子１８間を電気的に接続する複数の電極１３、１５ａ、１５ｂを備える。
【選択図】図２

Description

本願明細書で開示される技術は、圧電効果を利用して発電を行う圧電発電モジュールと、そのような圧電発電モジュールの製造方法と、圧電発電モジュールを備えた圧電発電装置とに関する。

近年、環境にやさしいクリーンなエネルギー供給技術の開発が積極的に行われている。そして、そのような技術の一つとして、屈曲可能な部材の片面又は両面に少なくとも一つ以上の圧電体を形成した圧電発電モジュールの一方の端を固定して他端を振動させることにより発電を行う圧電発電装置が開発されている。

特開２００７−２８１０１５号公報 特開平７−１０７７５２号公報

上記のような圧電発電装置に用いる圧電発電モジュールは、比較的に高い電圧（例えば、昇圧しなくても、二次電池を充電できる電圧）を出力できるものであることが望ましい。しかしながら、既存の圧電発電装置に用いられている圧電発電モジュールは、上記構成から明らかなように、低い電圧しか出力できないものとなっている。また、その結果として、既存の圧電発電装置は、微小のセンサデバイス等への電力供給にしか使用できないものとなっている。

そこで、開示の技術の課題は、より高い電圧を発生できる圧電発電モジュール及び圧電発電装置と、より高い電圧を発生できる圧電発電モジュールを製造できる圧電発電モジュールの製造方法とを、提供することにある。

上記課題を解決するために、開示の技術の一態様の圧電発電モジュールは、支持部材と、前記支持部材上に設けられた、複数の分極領域が形成されている強誘電体膜と、２つの出力端子と、圧電効果により前記強誘電体膜の各分極領域にて発生する電圧の和が前記２つの出力端子間に出力されるように、前記複数の分極領域及び前記２つの出力端子間を電気的に接続する複数の電極とを、備える。

上記構成を採用しておけば、より高い電圧を発生できる圧電発電モジュールを実現することが出来る。

圧電発電モジュールの平面図。 圧電発電モジュールの断面図。 製造手順を説明する圧電発電モジュールの各部分のサイズの説明図。 製造手順を説明する圧電発電モジュールの各部分のサイズの説明図。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その１）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その２）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その３）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その４）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その５）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その６）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その７）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その８）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その９）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その１０）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その１１）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その１２）。 圧電発電モジュールの製造手順の説明図（その１３）。 圧電発電装置の平面図。 圧電発電装置の断面図。 圧電発電装置の電気回路構成の説明図。 圧電発電モジュールの機能の説明図。

以下、発明者らが開発した圧電発電モジュール及び圧電発電装置の構成を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下で説明する圧電発電モジュール／圧電発電装置の構成は例示であり、本発明は、以下の説明における特定の技術事項に限定されるものではない。

まず、図１及び図２を用いて、発明者らが開発した圧電発電モジュール１０の基本構成を説明する。なお、図１は、圧電発電モジュール１０の平面図であり、図２は、圧電発電モジュール１０の、平面図（図１）におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。また、各図は、圧電発電モジュール１０の各部分を認識し易い大きさとするために、各部分の縮尺や数を適宜変更したものとなっている。

この圧電発電モジュール１０は、図１及び図２における左端側の部分が他部材に対して固定された状態（図１８、１９参照）で発電を行うモジュールである。以下の説明では、圧電発電モジュール１０の固定される側（図１、２における左側）の端のことを固定端と表記し、反対側の端のことを自由端と表記する。

図２に示してあるように、圧電発電モジュール１０は、その長手方向の両端部のみが残る形状の凹部１１ａが形成されている支持部材１１を備えている。換言すれば、圧電発電モジュール１０は、自由端側の端部が錘として機能するように、且つ、中央部分がより弾性変形しやすいように、その形状を加工した支持部材１１を備えている。

圧電発電モジュール１０の支持部材１１上には、絶縁膜１２が形成されている。この絶縁膜１２の上層部分には、矩形状の下部電極１３が、その表面が絶縁膜１２表面と一致し、且つ、隣接する２個の下部電極１３の間の間隔が等間隔となるように、複数個、形成されている。

絶縁膜１２及び下部電極１３上には、その内部に、Ｎ（本実施形態では、Ｎ＝偶数）個の分極領域１４ａが形成されている強誘電体膜１４が設けられている。この強誘電体膜１４は、隣接する１組（２個）の分極領域１４ａの分極方向が反平行（逆向き）となるように、且つ、個々の下部電極１３上に１組の分極領域１４ａが存在しているように、Ｎ個の分極領域１４ａが形成されたものとなっている。なお、分極領域１４ａとは、各結晶粒の分極方向（分極軸方向）がほぼ一方向に揃っている領域（部分）のことである。

図１及び図２に示してあるように、強誘電体膜１４内の最も端に位置している２個の分
極領域１４ａ上には、それぞれ、分極領域１４ａと同形状の上部電極１５ａが形成されている。また、図２に示してあるように、同一の下部電極１３上に位置していない，隣接する各１組の分極領域１４ａ上には、それらの分極領域１４ａの上面間を電気的に接続するための上部電極１５ｂが形成されている。

強誘電体膜１４上には、それぞれ、特定の上部電極１５ａと電気的に接続された２個の出力端子１８も形成されている。

そして、強誘電体膜１４の、上部電極１５ｘ（ｘ＝ａ、ｂ）が形成されている領域／範囲には、水分等の吸着による上部電極１５ｘの劣化を防止するための絶縁膜１６が形成されている。

次に、圧電発電モジュール１０の各部の形成に使用できる材料を、圧電発電モジュール１０の製造手順と共に説明する。なお、以下で説明する製造手順は、各部のサイズが図３及び図４に示したものとなっている圧電発電モジュール１０が製造されるものである。

各部のサイズが図３及び図４に示したものとなっている圧電発電モジュール１０を製造する際には、まず、図５に示してあるように、８００μｍ厚の基板２１上に、アルミナ等の絶縁材料からなる、０．３μｍ厚の絶縁層２２がスパッタ法等により形成される。

基板２１は、圧電発電モジュール１０の支持部材１１になるものである。そのため、基板２１としては、例えば、シリコン基板等の、凹部１１ａが比較的に形成しやすく、且つ、比較的に弾性変形しやすい基板が用いられる。また、絶縁層２２は、下部電極１３（詳細は後述）間を絶縁するために設けられている層である。従って、基板２１として絶縁基板を使用する場合には、絶縁層２２の形成を省略することが出来る。

絶縁層２２の形成後には、絶縁層２２上に、Ｐｔ、Ｉｒ、ＳＲＯ(Strontium Ruthenium
Oxide)、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、ＴｉＮ等の導電性材料からなる、０．２μｍ厚の
導電性材料層２３がスパッタ法等により形成される。

その後、導電性材料層２３が、図６に示した形状を有する導電性材料パターン２４にパターニングされる。すなわち、導電性材料層２３が、５００μｍ×５０μｍの矩形状の１０μｍ間隔で並んだ複数個の下部電極１３（図４参照）、パッド２４ｂ、パッド２４ｂから下部電極１３の並び方向に伸びた配線２４ｃ、及び、配線２４ｃと各下部電極１３との間を接続する複数の配線２４ｄからなる導電性材料パターン２４にパターニングされる。なお、この導電性材料層２３の導電性材料パターン２４へのパターニングは、導電性材料層２３上へレジストの塗布、塗布したレジストの露光（ｉ線、ＫｒＦを光源としたステッパ等）、露光したレジストの現像、現像により得られたレジストパターンをマスクとした導電性材料層２３のドライ／ウェットエッチングといったような公知の手順により行われる。

導電性材料パターン２４の形成後には、図７に示したように、導電性材料パターン２４及び絶縁層２２上に、絶縁層２２と同材料からなる０．３μｍ程度の厚さの絶縁層２２ｂがスパッタ法等により形成される。この絶縁層２２ｂの形成は、導電性材料パターン２４のパッド２４ｂ部分をメタルマスク等でマスクした状態で行われる。

次いで、図８に示したように、絶縁層２２ｂの表面が、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)等により導電性材料パターン２４が現れるまで研磨される。以下、絶縁層２２
と研磨後の絶縁層２２ｂとからなる部分のことを、絶縁層２２と表記することにする。

その後、図９に示したように、絶縁層２２及び導電性材料パターン２４上に、例えば、ＺｒとＴｉの組成比が５２：４８となっているＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる、０．２μｍ厚の強誘電体層２５がスパッタ法等により形成される。この強誘電体層２５の形成も、導電性材料パターン２４のパッド２４ｂ部分をメタルマスク等でマスクした状態で行われる。

なお、強誘電体層２５を形成する材料は、強誘電体材料でありさえすれば良い。従って、組成比が上記したものとは異なるＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）や、（Ｐｂ，Ｌａ
）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃等の他の強誘電体材料により、強誘電体層２５を形成することも出来る。

強誘電体層２５の形成後には、エッチングが容易な導電性材料（例えば、アルミニウム：以下、分極電極材料と表記する）からなる、０．２μｍ程度の厚さの分極電極材料層が形成される。そして、レジストの塗布で始まる一連の処理により、分極電極材料層が、図１０及び図１１に示した形状の分極電極２６及び分極電極２７にパターニングされる。

すなわち、このパターニング工程では、各下部電極１３の固定端側（図１０における下側）の端から２０μｍ（図４参照）の部分上に位置している複数の分極電極要素２６ａ、及び、各分極電極要素２６ａと電気的に接続されたパッド２６ｂを有する分極電極２６が、強誘電体層２５上に形成される。また、各下部電極１３の自由端側（図１０における上側）の端から２０μｍの部分上に位置している複数の分極電極要素２７ａ、及び、各分極電極要素２７ａと電気的に接続されたパッド２７ｂを有する分極電極２７も、強誘電体層２５上に形成される。

分極電極２６及び２７の形成後には、図１２に模式的に示したように、パッド２４ｂ・パッド２６ｂ間とパッド２４ｂ・パッド２７ｂ間とに、異なる極性の電圧を印加する分極処理が行われる。

この分極処理時に各パッド間に印加する電圧は、強誘電体層２５の形成材料と膜厚とから定めるべきものである。例えば、強誘電体層２５の形成材料が、Ｚｒ：Ｔｉ＝５２：４８のＰＺＴであり、強誘電体層２５の膜厚が５μｍである場合、±６０Ｖ程度の電圧を各パッド間に印加すれば、図１３に示してあるように、強誘電体層２５の各分極電極要素２６ａ、２７ａ下の領域を分極領域１４ａとすることが出来る。なお、図１３に矢印で示してある各分極領域１４ａの分極方向は、図１２に示してあるように各パッド間に電圧を印加した場合に得られるものである。

分極処理後には、分極電極材料用のエッチャントを用いて、分極電極２６，２７が除去（ウェットエッチング）される。分極電極材料としてアルミニウムを用いた場合、エッチャントとしては、りん酸を使用することが出来る。

次いで、分極電極２６，２７がその表面から除去された強誘電体層２５上に、Ｐｔ、Ｉｒ、ＳＲＯ、ＩＴＯ、ＴｉＮ等の導電性材料からなる、０．２μｍ厚の上部電極層がスパッタ法等により形成される。

そして、当該上部電極層のパターニングにより、図１４及び図１５に示したように、強誘電体層２５上に、複数個の上部電極１５ｂ、２個の上部電極１５ａ、２個の出力端子１８等が形成される。

より具体的には、このパターニング工程では、５００μｍ×５０μｍの矩形状の、１０μｍ間隔で並んだ複数個の上部電極１５ｂであって、それぞれの中心が、隣接する１組の
下部電極１３からなる部分の中心上に位置している複数個の上部電極１５ｂが、強誘電体層２５上に形成される。また、最も自由端側の分極領域１４ａ上に位置している上部電極１５ａと、出力端子１８と、それらの間を電気的に接続する、配線２４ｃよりも内側（上部電極１５ｂ側）に位置している配線１８ａとからなる電極パターンが形成される。さらに、最も固定端側の分極領域１４ａ上に位置している上部電極１５ａと、出力端子１８と、それらの間を電気的に接続する配線からなる電極パターンも形成される。

上部電極１５ｂ等の形成後には、図１６に示したように、アルミナ等の絶縁材料からなる、０．５μｍ厚の絶縁層２９がスパッタ法等により形成されてから、絶縁層２９表面がＣＭＰ等により平坦化される。なお、この絶縁層２９の形成は、強誘電体層２５上の出力端子１８が形成されている部分をメタルマスク等でマスクした状態で行われる。

その後、基板２１の裏面に、分極電極１４ａ群下に相当する部分のみが開口しているレジストパターンが形成される。次いで、当該レジストパターンをマスクとしたドライエッチング（又はウェットエッチング）により、図１７に示したように、基板２１の裏面に、５００μｍ程度の深さの凹部が形成される。

そして、以上のような工程を経た基板２１の各所（配線２４ｃと配線１８ａとの間等；図１４参照）がダイシングソーにより切断されることにより、強誘電体層２５の一部である強誘電体膜１４、絶縁層２９の一部である絶縁膜１６等を備えた圧電発電モジュール１０が製造される。

次に、図１８〜図２０を用いて、発明者らが開発した圧電発電装置３０の構成を説明する。なお、これらの図のうち、図１８は、圧電発電装置３０の平面図であり、図１９は、圧電発電装置３０の、平面図（図１８）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。また、図２０は、圧電発電装置３０に実装されている各回路の説明図である。

図１８及び図１９に示してあるように、圧電発電装置３０は、圧電発電モジュール１０と整流回路３２と蓄電回路３３とを、第２基板３１上に実装した装置である。

第２基板３１は、柔軟性がない／弾性変形しにくい材料からなる基板（本実施形態では、絶縁体基板）である。この第２基板３１には、凹部３１ａが形成されている。そして、圧電発電装置３０は、圧電発電モジュール１０の自由端が凹部３１ａ上に位置するように、圧電発電モジュール１０を第２基板３１上に実装した装置となっている。

整流回路３２は、圧電発電モジュール１０からの交流電力を直流電力に変換する回路である。蓄電回路３３は、整流回路３２からの直流電力に基づき内部に電力を蓄える機能と、内部に蓄えている電力を他機器に供給する機能とを有する回路である。

図２０に示してあるように、圧電発電装置３０は、整流回路３２として、いわゆるブリッジ整流回路を採用し、蓄電回路３３として、二次電池と、二次電池にかかる電圧を制御（調整）するための電圧制御回路とを組み合わせた回路を採用したものとなっている。

以上の説明から既に明らかであるとは考えるが、ここで、図２１を用いて、上記した圧電発電モジュール１０及び圧電発電装置３０の機能を説明しておくことにする。

まず、圧電発電モジュール１０の自由端が上方に変位した場合を考える。この場合、強誘電体膜１４内の各分極領域１４ａに横方向（分極領域１４ａの並び方向）の圧縮応力が加わることになるが、強誘電体膜１４内には、分極方向の異なる２種の分極領域１４ａが形成されている。

そのため、圧電発電モジュール１０の自由端が上方に変位した場合、図２１に模式的に示してあるように、分極方向が下方向となっている各分極領域１４ａの上面、下面には、それぞれ、−の電荷、＋の電荷が発生することになる。また、分極方向が上方向となっている各分極領域１４ａの上面、下面には、それぞれ、＋の電荷、−の電荷が発生することになる。要するに、圧電発電モジュール１０の自由端が上方に変位した場合、各電極領域１４ａは、図中に模式的に示してあるように、＋極が分極方向を向いた電池として機能することになる。

そして、各分極領域１４ａの上面及び下面は、上記したような形で下部電極１３及び上部電極１５ｂによって接続されている。従って、圧電発電モジュール１０の自由端が上方に変位した場合、圧電発電モジュール１０の出力端子１８間からは、１つの分極領域１４ａの上下面間に発生する電圧のおよそＮ倍の電圧が出力されることになる。

また、圧電発電モジュール１０の自由端が下方に変位した場合には、各分極領域１４ａに横方向の引張り応力が加わる。そのため、各分極領域１４ａの各面には、圧電発電モジュール１０の自由端が上方に変位した場合とは逆符号の電荷が発生することになる。従って、圧電発電モジュール１０の自由端が下方に変位した場合にも、出力端子１８間からは、１つの分極領域１４ａの上下面間に発生する電圧のおよそＮ倍の電圧が出力されることになる。

そして、圧電発電装置３０は、上記のような作用効果により圧電発電モジュール１０が発生する比較的に大きな電圧に基づき、電力を蓄えて他機器に供給する装置となっている。従って、この圧電発電装置３０を用いておけば、従来の圧電発電装置では電力を供給できない機器（消費電力量が比較的に大きな機器）にも、電力を供給できることになる。

《変形例》
上記した各技術については、各種の変形を行うことが出来る。

例えば、製造する圧電発電モジュール１０が、分極領域１４ａ間の間隔が強誘電体膜１４の膜厚よりも比較的に大きいもので良い場合には、分極電極２６及び２７を形成せずに圧電発電モジュール１０を製造することが出来る。具体的には、この場合、導電性材料パターン２４（図６）の形成時に、複数の下部電極１３のみを形成する。その後、上記した工程中の、分極電極２６及び２７を形成する工程、分極処理工程、分極電極２６及び２７を除去する工程を除いた各工程を行うことにより、分極領域１４ａが強誘電体膜１４内に形成されていない圧電発電モジュール１０を製造する。そして、製造した圧電発電モジュール１０の出力端子１８間への電圧の印加により強誘電体膜１４内に分極領域１４ａを形成することによって、圧電発電モジュール１０を完成させる。

なお、この手順／方法により製造できるのは、分極領域１４ａ間の間隔が強誘電体膜１４の膜厚よりも或る程度大きい圧電発電モジュール１０（つまり、出力端子１８間への電圧印加時に、電流が、上部電極１５ａ、強誘電体膜１４、下部電極１３、強誘電体膜１４、上部電極１５ｂといった順で流れる構成を有する圧電発電モジュール１０）だけである。そして、分極領域１４ａ間の間隔を狭くした方が、強誘電体膜１４の発電に寄与しない部分の割合を少なくすることが出できる。従って、圧電発電モジュール１０の製造時には、分極電極２６，２７を形成して分極処理を行う上記製造手順を採用しておくことが望ましい。

また、圧電発電モジュール１０を、強誘電体膜１４に形成されている各分極領域１４ａの分極方向が等しいものに変形することも出来る。ただし、分極方向が等しい複数の分極
領域１４ａを直列接続することは困難である。そのため、圧電発電モジュール１０の強誘電体膜１４には、上記したように、分極方向が上方向となっている分極領域１４ａと、分極方向が下方向となっている分極領域１４ａとを交互に形成しておくことが望ましい。

圧電発電モジュール１０を、奇数個の分極領域１４ａが強誘電体膜１４内に形成されているモジュールに変形することも出来る。また、圧電発電装置３０を、蓄電回路３３を備えない装置や、整流回路３２及び蓄電回路３３を備えない装置に変形することも出来る。圧電発電装置３０を、上記したものとは異なる構成の整流回路３２や蓄電回路３３（例えば、二次電池ではなく、キャパシタを備えた回路）を備えた装置に変形することも出来る。

また、圧電発電モジュール１０を、一部の分極領域１４ａが並列接続されているモジュールに変形しても良いことや、圧電発電装置３０を、圧電発電モジュール１０を複数個備えた装置に変形しても良いことなどは、当然のことである。、

１０ 圧電発電モジュール
１１ａ，３１ａ 凹部
１１ 支持部材
１２，１６ 絶縁膜
１３，１５ 下部電極
１４ 強誘電体膜
１４ａ 分極領域
１５ａ、１５ｂ 上部電極
１８ａ、２４ｃ、２４ｄ 配線
１８ 出力端子
２１ 基板
２２、２２ｂ、２９ 絶縁層
２３ 導電性材料層
２４ 導電性材料パターン
２４ｂ、２６ｂ、２７ｂ パッド
２５ 強誘電体層
２６、２７ 分極電極
２６ａ、２７ａ 分極電極要素
３０ 圧電発電装置
３１ 第２基板
３２ 整流回路
３３ 蓄電回路

Claims (6)

1. 支持部材と、
   前記支持部材上に設けられた、複数の分極領域が形成されている強誘電体膜と、
   ２つの出力端子と、
   圧電効果により前記強誘電体膜の各分極領域にて発生する電圧の和が前記２つの出力端子間に出力されるように、前記複数の分極領域及び前記２つの出力端子間を電気的に接続する複数の電極と
   を備えることを特徴とする圧電発電モジュール。
2. 前記強誘電体膜の前記複数の分極領域中の、隣接する各２つの分極領域の分極方向が反平行である
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電発電モジュール。
3. 前記支持部材が、
   その長手方向の両端部分を除いた部分が薄くなるように加工されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電発電モジュール。
4. 前記圧電膜の前記支持部材とは反対側の面に当該面上の各電極を覆う絶縁膜を形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の圧電発電モジュール。
5. 支持部材上に、所定方向に並んだ複数の下部電極を形成する工程と、
   前記複数の下部電極が形成された前記支持部材上に強誘電体膜を形成する工程と、
   前記強誘電体膜の各下部電極上の部分に、前記所定方向に並んだ２つの分極領域形成用電極を形成する工程と、
   各分極領域形成用電極と各下部電極との間に電圧を印加することにより、隣接する各２つの分極領域の分極方向が反平行となっている複数の分極領域を前記強誘電体膜内に形成する工程と、
   複数の分極領域を形成した前記強誘電体膜上から各分極領域形成用電極を除去する工程と、
   各分極領域形成用電極を除去した前記強誘電体膜上に、同一の下部電極上に位置しておらず、且つ、隣接している各２つの分極領域が電気的に接続されるように、複数の上部電極を形成する工程と
   を含むことを特徴とする圧電発電モジュールの製造方法。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧電発電モジュールと、
   二次電池と、
   前記圧電発電モジュールの前記２つの出力端子からの電圧に基づき、前記二次電池を充電する充電回路と
   を備えることを特徴とする圧電発電装置。

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