JP2012210090A - 圧電型発電機とその製造方法、及びセンサーノード - Google Patents

Abstract

【課題】小型、薄型、低コストで効率よく発電する圧電型発電機とその製造方法及びセンサーノードを提供する。
【解決手段】圧電型発電機１は、基体２０と、基体２０上に配置され、振動によるエネルギーを電気エネルギーに変換する圧電変換部２４と、圧電変換部２４上に配置された第１の錘４０と、を備え、圧電変換部２４は、基体２０に固定された支持部３０と、基体２０から離間され、かつ、一端３２ａが支持部３０に接続され他端３２ｂが自由端とされて外部より加わる振動により振動する振動部３２とを含み、振動部３２の他端３２ｂと基体２０との距離は、振動部３２の一端３２ａと基体２０との距離よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電型発電機とその製造方法、及びセンサーノードに関する。

片持ち梁状の圧電変換部を備え、圧電変換部が振動することで圧電効果により電気エネルギーを発生する圧電型発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の圧電型発電機は、圧電変換部（第１電極、圧電薄膜、及び第２電極）の下側に、圧電変換部と一緒に変形する変形部と変形部を支持する支持部とを有する支持部材を備えている。このような圧電型発電機は、シリコン基板上に犠牲層、支持層、２層の電極層、圧電体層等の各層をスパッタリング法や化学気相蒸着法等の低圧成膜法により成膜し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてパターニングして製造される。

また、通信機能を有するセンサーネットワーク端末（以下では、センサーノードと呼ぶ）を様々な場所に多数設置してネットワークを形成し、センサーノードが取得したデータの収集を行うセンサーネットワークが提案されている。センサーノードは、センサーと回路と通信システムと電源とを備えるが、小型、薄型で様々な場所に設置し易いこと、効率よく発電し長期間稼動できること、低価格で提供できること、等が求められる。このようなセンサーノードの電源として、上述の圧電型発電機を用いることが検討されている。

特開平１１−１８４４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧電型発電機では、圧電変換部の下側に支持部材が介在し支持部材の変形部が圧電変換部と一緒に振動する構成を有しているため、薄型化しにくいという課題があった。また、圧電型発電機の製造工程において高価な真空（低圧）成膜装置を必要とするとともにフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いる複雑な工程を含んでいるため、低コスト化が困難であるという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る圧電型発電機は、基体と、前記基体上に配置され、振動によるエネルギーを電気エネルギーに変換する圧電変換部と、前記圧電変換部上に配置された第１の錘と、を備え、前記圧電変換部は、前記基体に固定された支持部と、前記基体から離間され、かつ、一端が前記支持部に接続され他端が自由端とされて外部より加わる振動により振動する振動部と、を含み、前記振動部の前記他端と前記基体との距離は、前記振動部の前記一端と前記基体との距離よりも大きいことを特徴とする。

この構成によれば、支持部の下面は基体により拘束され、支持部の上面は第１の錘により拘束されるので、振動部の振動が支持部に漏れにくい。このため振動部の振動は減衰しにくくなる。また、圧電変換部の一部をボルト締めで基体に拘束する場合に比べて、複雑な加工が不要となるため、圧電型発電機を低コスト化かつ薄型化できる。また、基体に対して振動部の一端側よりも他端側の方が離れているため、基体との距離が一端側と他端側とで同じ場合に比べて、外部振動により誘起される振動部の振幅を大きくできる。これにより圧電変換部に生じる歪量が大きくなるので、圧電型発電機が発生する電気エネルギーがより大きくなる。この結果、低コスト、薄型で効率よく発電する圧電型発電機を提供できる。

［適用例２］上記適用例に係る圧電型発電機であって、前記圧電変換部は、前記基体上に配置された第１の電極と、前記第１の電極上に配置された圧電体と、前記圧電体上に配置された第２の電極と、を備え、前記圧電型発電機は、前記第２の電極上に第２の錘をさらに備え、前記振動部の質量をＷ１、前記第１の錘の質量をＷＭ、前記第２の錘の質量をＷ、前記一端から前記第２の錘の重心までの距離をＬ２、前記一端から前記第１の錘の重心までの距離をＬ１、前記一端から前記振動部の重心までの距離をＢ１、重力加速度をＧ、外部より加わる振動の加速度をＧＡ、としたとき、以下の式

を満たすことが好ましい（図６（Ｂ）参照）。

この構成によれば、振動部と支持部との境を支点とした振動部側のモーメント（Ｇ＋ＧＡ）×（Ｗ１×Ｂ１＋Ｗ×Ｌ２）よりも、支持部側のモーメントＧ×ＷＭ×Ｌ１が大きくなるので、振動部側のモーメントは打ち消される。これにより、外部より加わる振動によって、振動部に振動が誘起されたときでも、支持部の変形は抑制されるため、振動部の振動は減衰しにくくなる。

［適用例３］上記適用例に係る圧電型発電機であって、前記圧電変換部は、前記基体上に配置された第１の電極と、前記第１の電極上に配置された圧電体と、前記圧電体上に配置された第２の電極と、を備え、前記第１の電極の熱収縮率は、前記圧電体の熱収縮率よりも小さいことが好ましい。

この構成によれば、圧電体の基体側に位置する第１の電極の熱収縮率が圧電体の熱収縮率よりも小さいので、焼成により圧電体は第１の電極よりも大きく収縮する。そのため、焼成後の圧電変換部において、振動部の自由端である他端側が一端側よりも基体とは反対側に反るので、振動部の他端と基体との距離を振動部の一端と基体との距離よりも大きくできる。

［適用例４］上記適用例に係る圧電型発電機であって、前記圧電変換部は、前記基体上に配置された第１の電極と、前記第１の電極上に配置された圧電体と、前記圧電体上に配置された第２の電極と、を備え、前記第２の電極の熱収縮率は、前記圧電体の熱収縮率よりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、圧電体の基体とは反対側に位置する第２の電極の熱収縮率が圧電体の熱収縮率よりも大きいので、焼成により第２の電極は圧電体よりも大きく収縮する。そのため、焼成後の圧電変換部において、振動部の自由端である他端側が一端側よりも基体とは反対側に反るので、振動部の他端と基体との距離を振動部の一端と基体との距離よりも大きくできる。

［適用例５］上記適用例に係る圧電型発電機であって、前記第２の錘は、前記振動部の前記他端側に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、外部振動により誘起される振動部の振動が第２の錘により促進されるので、振動部の振幅をさらに大きくできる。また、第２の錘の量を調整することにより、圧電型発電機の固有周波数を調整して外部振動に対して共振し易くすることができる。これにより、圧電型発電機から出力される電流又は電圧が大きくなるので、より効率よく発電する圧電型発電機を提供できる。

［適用例６］本適用例に係る圧電型発電機の製造方法は、基体層を用意する工程と、前記基体層上の一部の領域に、熱分解する材料を含むペーストを印刷法により配置して犠牲層を形成する工程と、前記基体層上と前記犠牲層上とに跨るように、第１の電極層を印刷法により配置する工程と、前記第１の電極層上に、圧電体粒子を含むペースト状の圧電体層を印刷法により配置する工程と、前記圧電体層上に第２の電極層を印刷法により配置する工程と、前記圧電体層上と前記第２の電極層上とに跨るように、第１の錘層を印刷法により配置する工程と、前記基体層、前記犠牲層、前記第１の電極層、前記圧電体層、前記第２の電極層、及び前記第１の錘層を焼成する焼成工程と、を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、犠牲層、第１の電極層、圧電体層、第２の電極層、及び第１の錘層の各層を印刷法により配置するので、高価な真空（低圧）成膜装置を必要としない。そして、これらの層を焼成することにより、犠牲層が熱分解して除去され、第１の電極、圧電体、及び第２の電極で構成される圧電変換部が片持ち梁状に形成されるので、パターニングや犠牲層除去のためのフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いる複雑な工程を不要にできる。これらの結果、圧電型発電機の製造工数及び製造コストを低減できる。なお、ここでいう印刷法とは、スクリーン印刷法や、インクジェット法等の液滴吐出法を含む。

［適用例７］上記適用例に係る圧電型発電機の製造方法であって、前記基体層を用意する工程では、前記基体層として、前記圧電体層と同じ成分を含む未焼成のセラミックスをフィルム上に配置したセラミックスシートを用意し、前記焼成工程の前に、前記基体層、前記犠牲層、前記第１の電極層、前記圧電体層、前記第２の電極層、及び前記第１の錘層に等方加圧処理を行う工程をさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、基体層として未焼成のセラミックスシートを用いるので、焼成時に基体を任意の形状に形成することが可能となる。そして、等方加圧処理を行う工程では、基体層が既に焼成されている場合に比べて、基体層と接触する部分に対する面方向の拘束が少ないので、等方加圧処理を効率よく行うことができる。これにより、圧電体層における圧電粒子の密度がより高められるので、圧電特性をより高めることができる。また、基体層が圧電体層と同じ成分を含むので、基体層と圧電体層との成分が異なる場合に比べて、焼成時における両者の収縮率の差が小さくなるとともに基体層から圧電体層への不純物の拡散が少なくなる。これにより、収縮率の差が大きいことによる基体層や圧電体層におけるクラックや残留応力の発生、及び不純物の拡散による圧電体層における圧電特性の劣化が抑えられる。

［適用例８］本適用例に係るセンサーノードは、センサーと、前記センサーが取得したデータを処理する回路と、前記センサーが取得したデータを通信する通信システムと、前記センサー、前記通信システム、及び前記回路を駆動する電源と、を備えたセンサーノードであって、上記のいずれか一項に記載の圧電型発電機、前記センサー及び前記電源として有していることを特徴とする。

この構成によれば、外部振動により効率よく発電する圧電型発電機を電源として備えているので、センサーノードの電源交換を不要にできる。また、低コストで製造できる圧電型発電機が電源だけでなくセンサーとしても機能するので、低価格なセンサーノードを提供できる。さらに、圧電型発電機の基体を任意の形状にできるので、基体がシリコン基板等で構成されている場合に比べて、設置の自由度を向上できる。

第１の実施形態に係る圧電型発電機の概略構成を示す模式図。 第１の実施形態に係る圧電型発電機の製造方法を示すフローチャート。 第１の実施形態に係る圧電型発電機の製造方法を示す概略断面図。 第１の実施形態に係る圧電型発電機の製造方法を示す概略断面図。 第１の実施形態に係るセンサーノードの概略構成を示す模式図。 第２の実施形態に係る圧電型発電機の概略構成を示す模式図。 変形例に係る圧電型発電機の概略構成を示す図。

以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、参照する各図面において、構成をわかりやすく示すため、各構成要素の寸法の比率、角度等は適宜異ならせてある。

（第１の実施形態）
＜圧電型発電機の構成＞
まず、第１の実施形態に係る圧電型発電機の概略構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る圧電型発電機の概略構成を示す模式図である。詳しくは、図１（Ａ）は圧電型発電機の概略平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

第１の実施形態に係る圧電型発電機１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基体２０と、基体２０上に順に積層配置された第１の電極２１、圧電体２２、及び第２の電極２３を含む圧電変換部２４と、第１の錘４０と、を備えている。基体２０は、圧電体２２と同じ成分を含むセラミックス材料で構成されている。本実施形態では、基体２０は、圧電体２２と同じ構成材料からなる。基体２０の厚さは、例えば、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度である。

圧電変換部２４は、支持部３０と振動部３２とを有している。支持部３０は、圧電変換部２４のうち基体２０に固定された部分である。振動部３２は、圧電変換部２４のうち基体２０から上方に離間された梁状の部分である。振動部３２は、一端３２ａが支持部３０に接続されており、支持部３０とは反対側の他端３２ｂを自由端として、外部より加わる振動により振動する。分極処理された圧電材料に歪を加えると、歪を打ち消す方向に圧電材料中に電荷が発生する。図１（Ｂ）において、矢印は分極方向であり、電荷（＋、−）は振動部３２が下方（基体２０側）に振れたときに生じる電荷を示している。圧電変換部２４は、振動部３２が振動することで屈曲して歪が生じ、圧電効果により電気エネルギーを発生する。

振動部３２の他端３２ｂと基体２０との距離Ｇ２は、一端３２ａと基体２０との距離Ｇ１よりも大きい（図１（Ｂ）参照）。換言すれば、振動部３２は、他端３２ｂ側が上方（基体２０とは反対側）に反った形状を有している。そのため、基体２０との距離が一端３２ａと他端３２ｂとで同じ場合に比べて、外部振動により誘起される振動部３２の振幅を大きくできるので、圧電変換部２４に生じる歪量が大きくなる。これにより、圧電変換部２４が発生する電気エネルギーをより大きくすることができる。

第１の電極２１は、圧電変換部２４のうち最も基体２０側に配置されている。第１の電極２１は、例えば、銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）との合金からなる。第１の電極２１の層厚は、例えば、１μｍ〜５μｍ程度である。

圧電体２２は、第１の電極２１上に配置されている。圧電体２２は、下層の第１の電極２１に配線を接続するための領域が露出するように、例えば、支持部３０の一辺側が第１の電極２１よりも小さく形成されている。圧電体２２は、２層の圧電体層が積層され形成されている（図３（Ｅ）参照）。圧電体２２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃：ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃、Ｐｂ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃等の圧電材料で構成されている。圧電体２２の層厚は、例えば、３μｍ〜４０μｍ程度である。

第２の電極２３は、圧電体２２上に配置されている。第２の電極２３は、圧電体２２を間に挟んで下層の第１の電極２１との接触やリークが発生しないように、圧電体２２よりも一回り小さく形成されている。第２の電極２３は、例えば、銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）との合金からなる。第２の電極２３の層厚は、例えば、１μｍ〜５μｍ程度である。

第１の錘４０は、一端３２ａから支持部側に形成され、第２の電極２３に配線を接続するための領域が露出するように、支持部３０に含まれる圧電体２２上の一部の領域と支持部３０に含まれる第２の電極２３上の一部の領域に跨って配置されている。第１の錘４０は、圧電体２２と同じ成分を含むセラミックスで構成されている。第１の錘４０は、式（１）を簡単化した式（２）を満たすように、形成領域と層厚を決定する（図４（Ｅ）参照）。

このとき、振動部３２の質量をＷ１、第１の錘４０の質量をＷＭ、一端３２ａから第１の錘４０の重心までの距離をＬ１、一端３２ａから振動部３２の重心までの距離をＢ１、重力加速度をＧ、外部より加わる振動の加速度をＧＡ、とする。
このようにすることで、支持部３０の下面は基体２０により拘束され、支持部３０の上面は第１の錘４０により拘束されるので、支持部３０の変形は抑制される。また、振動部３２と支持部３０との境を支点とした振動部３２側のモーメント（Ｇ＋ＧＡ）×（Ｗ１×Ｂ１）よりも、支持部３０側のモーメントＧ×ＷＭ×Ｌ１が大きくなるので、振動部３２側のモーメントは打ち消される。これにより、外部より加わる振動により、振動部３２に振動が誘起されたときでも、支持部３０の変形は抑制されるため、振動部３２の振動は減衰しにくくなる。これにより、圧電変換部２４が発生する電気エネルギーを大きくすることができる。

なお、図１（Ｂ）では、第１の電極２１の厚さが支持部３０と振動部３２とで異なるように示されているが、このような形態に限定されない。第１の電極２１の厚さが支持部３０と振動部３２とで略同一であり、圧電変換部２４全体が一端３２ａで上方に屈曲して梁状の振動部３２が形成されていてもよい。

＜圧電型発電機の製造方法＞
次に、第１の実施形態に係る圧電型発電機の製造方法について、図２、図３、及び図４を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係る圧電型発電機の製造方法を示すフローチャートである。図３及び図４は、第１の実施形態に係る圧電型発電機の製造方法を示す概略断面図である。

図２に示すように、第１の実施形態に係る圧電型発電機１の製造方法は、基体層１０を用意する工程（ステップＳ１）と、犠牲層１６を形成する工程（ステップＳ２）と、第１の電極層１１を配置する工程（ステップＳ３）と、圧電体層１２を配置する工程（ステップＳ４）と、第２の電極層１３を配置する工程（ステップＳ５）と、第１の錘層１７を配置する工程（ステップＳ６）と、等方加圧処理を行う工程（ステップＳ７）と、焼成工程（ステップＳ８）と、を備えている。

ステップＳ１では、図３（Ａ）に示すように、基体層１０を用意する。基体層１０の材料として、例えば、エタノール、ブタノール、トルエン、ターピネオール等の溶媒と、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等の結合剤と、ポリカルボン酸系分散剤等の分散剤と、アジピン酸ジオクチル等の可塑剤とに、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃：ＰＺＴ）等の圧電材料の粉末を加えた混合溶液を作る。この混合溶液を遊星ボールミル等を用いて混合し解砕を行うことにより、圧電材料が良好に分散されたスラリー（ペースト）を作成する。このスラリーをフィルム１５上に塗布して乾燥させることにより、フィルム１５上に未焼成の基体層１０が配置されたセラミックスシートが得られる。基体層１０の厚さは、例えば、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度とするが、必要に応じて、複数の層を積層して基体層１０を形成してもよい。

ステップＳ２では、図３（Ｂ）に示すように、基体層１０上の一部の領域に犠牲層１６を形成する。犠牲層１６の材料として、例えば、エチルセルロース等の結合剤を、ターピネオール等の溶媒に溶解し、カーボン等の熱分解する材料の粒子を加えた混合溶液を作る。この混合溶液を三本ロールミル等を用いて分散し混練して、熱分解する材料を含むペーストを作成する。このペーストを、例えばスクリーン印刷等の印刷法により、基体層１０上に配置して乾燥させることにより、犠牲層１６が得られる。犠牲層１６の厚さは、例えば、２μｍ〜２０μｍ程度とする。

ステップＳ３では、図３（Ｃ）に示すように、基体層１０上と犠牲層１６上とに跨るように、第１の電極層１１を配置する。第１の電極層１１の材料として、例えば、銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）とを重量比で７：３から８：２程度含む電極ペーストを用い、必要に応じて、例えばターピネオール等の溶媒で粘度を調整する。この電極ペーストを、例えばスクリーン印刷等の印刷法により、基体層１０上と犠牲層１６上とに配置して乾燥させることにより、第１の電極層１１が得られる。第１の電極層１１の層厚は、焼成後の第１の電極２１の層厚が、例えば１μｍ〜５μｍ程度となるように適宜調整する。

なお、図３（Ｃ）では、第１の電極層１１の厚さが基体層１０上と犠牲層１６上とで異なるように示されているが、第１の電極層１１の厚さが基体層１０上と犠牲層１６上とで略同一となっていてもよい。

ステップＳ４では、図３（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、第１の電極層１１上に圧電体層１２を配置する。本実施形態では、圧電体層１２の材料として、基体層１０と同じ材料からなるスラリーを用いる。このスラリーを、例えばスクリーン印刷等の印刷法により、第１の電極層１１上に配置して乾燥させる。本実施形態では、まず、図３（Ｄ）に示すように、第１の電極層１１上に圧電体層１２ａを配置し乾燥させる。そして、図３（Ｅ）に示すように、圧電体層１２ａ上に圧電体層１２ｂを配置し乾燥させる。これにより、圧電体層１２ａ，１２ｂが積層された圧電体層１２が得られる。ここでは、焼成後の圧電体２２の層厚が、例えば３μｍ〜４０μｍ程度となるように圧電体層１２ａ及び圧電体層１２ｂの層厚を適宜調整する。圧電体層１２は、一辺部において下層の第１の電極層１１が露出するように配置する。

なお、ステップＳ４において、圧電体層１２を圧電体層１２ａの１層で構成してもよい。しかしながら、圧電体層１２を上述のように２層で構成すると、圧電体層１２が１層である場合に比べて所望の層厚が得易くなるとともに層厚をより均一にできる。これにより、圧電体層１２の層厚のばらつきに起因する破損や焼成後の第１の電極２１と第２の電極２３間のリークが抑えられる。圧電体層１２は、圧電体層１２ａ，１２ｂ上にさらに圧電体層を積層して３層以上で構成してもよい。

ステップＳ５では、図４（Ａ）に示すように、圧電体層１２上に第２の電極層１３を配置する。第２の電極層１３は、第１の電極層１１と同じ材料を用いて、例えばスクリーン印刷等の印刷法により、圧電体層１２上に配置して乾燥させる。第２の電極層１３は、例えば３つの辺部において圧電体層１２よりも一回り小さく配置する。第１の電極層１１、圧電体層１２、及び第２の電極層１３で圧電変換層１４が構成される。

ここで、圧電変換層１４を構成する第１の電極層１１、圧電体層１２、及び第２の電極層１３は、後述するステップＳ７の焼成工程においてそれぞれ焼成により収縮する。この焼成の結果得られる圧電変換部２４の振動部３２を、図１（Ｂ）に示すように、他端３２ｂ側が上方に反った形状とするためには、第１の電極層１１の熱収縮率は圧電体層１２の熱収縮率よりも小さいことが好ましく、第２の電極層１３の熱収縮率は圧電体層１２の熱収縮率よりも大きいことが好ましい。圧電変換層１４の各層の熱収縮率は、各層の材料に添加するポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール、水溶性ポリウレタン、メチルセルロース等の樹脂材料の量により調整することが可能である。すなわち、樹脂材料の添加量を多くするほど熱収縮率を大きくすることができる。したがって、第１の電極層１１、圧電体層１２、及び第２の電極層１３の各層に添加する上述の樹脂材料の量を適宜調整して熱収縮率を調整することにより、図１（Ｂ）に示すような形状を有する振動部３２（圧電変換部２４）が得られる。

ステップＳ６では、図４（Ｂ）に示すように、圧電変換層１４上の一部の領域に第１の錘層１７を配置する。第１の錘層１７は、圧電体層１２と同じ材料を用いて、例えばスクリーン印刷等の印刷法により、圧電体層１２上の一部の領域及び第２の電極層１３上の一部の領域に跨って配置して乾燥させる。第１の錘層１７は、例えば犠牲層１６と第１の電極層１１との境１６ａから犠牲層１６とは逆側に第２の電極層１３に配線を接続するための領域が露出するように配置する。

なお、ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４、ステップＳ５、及びステップＳ６の各工程において各層を配置する印刷法は、スクリーン印刷法に限定されない。印刷法としては、所定の外形（パターン形状）及び層厚が得られる印刷方法であれば、インクジェット法やディスペンサー法等の液滴吐出法や他の印刷法を適用してもよい。

次に、ステップＳ７では、図４（Ｃ）に示すように、基体層１０上に配置された犠牲層１６、圧電変換層１４、及び第１の錘層１７に等方加圧処理として、例えば、冷間等方加圧処理（Cold Isostatic Pressing：ＣＩＰ）を行う。等方加圧処理を行うことにより、圧電体層１２において圧電材料の粒子の密度が高められる。なお、ステップＳ７の等方加圧処理の前に、フィルム１５を剥離する。

ステップＳ７において、仮に、基体層１０が既に焼成されたセラミックスである場合、基体層１０上に配置された犠牲層１６及び第１の電極層１１は、基体層１０に接する面が拘束されるため、面方向における等方加圧が行われにくくなる。これに対して、本実施形態では、基体層１０が未焼成であり柔軟性を有しているため、基体層１０に接する面に対する拘束が少なくなるので、等方加圧処理を効率よく行うことができる。これにより、圧電体層１２における圧電粒子の密度がより高められるので、圧電体２２の圧電特性をより高めることができる。

なお、等方加圧処理として、温間等方加圧処理（Warm Isostatic Pressing：ＷＩＰ）を適用してもよい。温間等方加圧処理を行うと。圧電体層１２と第１の電極層１１及び第２の電極層１３との密着性が高められる。

ステップＳ８は、基体層１０、犠牲層１６、圧電変換層１４、及び第１の錘層１７を焼成する焼成工程である。ステップＳ８では、例えば、大気中で１２００℃以下の温度で焼成を行うことにより、図４（Ｄ）に示すように、犠牲層１６の材料が熱分解して除去される。また、基体層１０、圧電変換層１４、及び第１の錘層１７の各層が焼成されて、基体２０上に、第１の電極２１、圧電体２２、第２の電極２３、及び第１の錘４０で構成され、支持部３０と梁状の振動部３２とを有する圧電変換部２４が形成される。

ステップＳ８において、基体層１０として未焼成のセラミックスシートを用いているので、基体層１０を、例えば湾曲した形状等任意の形状にして焼成することが可能となる。また、基体層１０と圧電体層１２と第１の錘層１７とが同じ成分を含んでいるので、基体層１０と圧電体層１２と第１の錘層１７の成分が異なる場合に比べて、焼成時における各層の収縮率の差が小さくなるとともに基体層１０、第１の錘層１７から圧電体層１２への不純物の拡散が少なくなる。これにより、焼成工程において、収縮率の差が大きいことによる基体２０や圧電体２２や第１の錘４０におけるクラックや残留応力の発生、及び不純物の拡散による圧電体２２の圧電特性の劣化が抑えられる。

以上のステップＳ１〜ステップＳ８の工程により、図１（Ａ）、（Ｂ）に示す圧電型発電機１が形成される。

＜センサーノードの構成＞
次に、第１の実施形態に係るセンサーノードの概略構成について、図５を参照して説明する。図５は、第１の実施形態に係るセンサーノードの概略構成を示す模式図である。

図５に示すように、第１の実施形態に係るセンサーノード１００は、基体１０１上に配置された圧電型発電機１と、回路４と、通信システム５とを備えている。センサーノード１００は、センサーネットワーク（図示省略）の端末として使用される。センサーネットワークは、様々な場所に設置されたセンサーノード同士を結ぶネットワークであり、センサーノードにより取得された環境情報等のデータを収集し、例えば、これらのデータをもとに特定範囲の状況を総合的に判断すること等を可能とする。センサーノードは、メインテナンスが困難な場所にも設置されるため、効率よく発電し長期間稼動できること、電池交換を必要としないメインテナンスフリーの電源を有していることが求められる。また、センサーノードは、様々な場所に多数設置されるため、小型、薄型で低価格であることも求められる。

センサーノード１００では、圧電型発電機１が回路４や通信システム５を駆動する電源として機能する。圧電型発電機１は、圧電変換部２４の圧電効果により電気エネルギーを効率よく発生するので、交換を必要としないメインテナンスフリーの電源として好適に用いることができる。また、圧電型発電機１は、振動部３２を有する圧電変換部２４の圧電効果により振動や衝撃を感知するセンサーとしても機能するので、別途センサーを必要としない。

回路４は、圧電型発電機１がセンサーとして取得したデータについて、例えば基準値と比較する等の処理を行う。通信システム５は、圧電型発電機１がセンサーとして取得したデータをネットワークに送信する等の通信を行う。基体１０１は、例えば、基板やフィルム等、センサーノード１００が設置される場所に応じて選択された材料で構成される。

第１の実施形態に係るセンサーノード１００は、低コストで製造できるとともにセンサーを兼ねる圧電型発電機１を備えているので、小型で低価格なセンサーノード１００を提供できる。また、圧電型発電機１の基体２０を任意の形状にできるので、基体２０がシリコン基板等で構成されている場合に比べて、センサーノード１００の設置の自由度を向上できる。

なお、圧電型発電機１は、圧電変換部２４上に、振動及び衝撃以外の環境変化、例えば、温度や湿度等の変化に伴って収縮する材料で構成された層を設けることにより、温度や湿度を感知するセンサー等として用いることも可能である。このような構成とすることにより、様々な環境情報のデータ取得に対応するセンサーノード１００を提供できる。

以上、第１の実施形態に係る圧電型発電機１の構成、及び製造方法によれば、以下の効果が得られる。

（１）支持部３０と振動部３２とを有する圧電変換部２４と基体２０との間に他の層が介在しないので、圧電型発電機１を薄型化できる。また、振動部３２の他端３２ｂ側が上方に反っているため、外部振動により誘起される振動部３２の振幅を大きくできる。これにより圧電変換部２４に生じる歪量が大きくなるので、圧電型発電機１が発生する電気エネルギーが大きくなる。この結果、薄型で効率よく発電する圧電型発電機１を提供できる。

（２）製造工程において犠牲層１６及び圧電変換層１４を印刷法により配置するので、高価な真空（低圧）成膜装置を必要としない。そして、配置したこれらの層を焼成することにより犠牲層１６が熱分解して除去され、圧電変換部２４を片持ち梁状に形成できるので、圧電変換部２４のパターニングや犠牲層１６除去のためのフォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いる複雑な工程を不要にできる。これらの結果、圧電型発電機１の製造工数及び製造コストを低減できる。

（３）圧電体２２は圧電体層１２ａ，１２ｂの２層を積層して形成されているので、所望の層厚が得易くなるとともに層厚をより均一にできる。これにより、圧電体２２の層厚のばらつきに起因する破損や第１の電極２１及び第２の電極２３間のリークが抑えられる。

（４）基体層１０として未焼成のセラミックスシートを用いるため、基体２０の形状を任意の形状とすることが可能となるので、設置の自由度を向上できる。そして、等方加圧処理を行う工程では、基体層１０と接触する部分に対する面方向の拘束が少ないので、等方加圧処理を効率よく行うことができる。これにより、圧電体２２における圧電粒子の密度がより高められるので、圧電特性をより高めることができる。

（５）基体層１０が圧電体層１２と同じ成分を含むので、焼成時における両者の収縮率の差が小さくなるとともに基体層１０から圧電体層１２への不純物の拡散が少なくなる。これにより、収縮率の差が大きいことによる基体２０や圧電体２２におけるクラックや残留応力の発生、及び不純物の拡散による圧電体２２の圧電特性の劣化が抑えられる。また、基体層１０は柔軟性を有しているため焼成後の基体２０を任意の形状とすることが可能となる。

（６）第１の電極層１１の熱収縮率が圧電体層１２の熱収縮率よりも小さいので、焼成により上方に位置する圧電体層１２は第１の電極層１１よりも大きく収縮する。そのため、焼成後の圧電変換部２４において、振動部３２の他端３２ｂ側が上方に反るので、振動部３２の他端３２ｂと基体２０との距離を振動部３２の一端３２ａと基体２０との距離よりも大きくできる。

（７）第２の電極層１３の熱収縮率が圧電体層１２の熱収縮率よりも大きいので、焼成により上方に位置する第２の電極層１３は圧電体層１２よりも大きく収縮する。そのため、焼成後の圧電変換部２４において、振動部３２の他端３２ｂ側が上方に反るので、振動部３２の他端３２ｂと基体２０との距離を振動部３２の一端３２ａと基体２０との距離よりも大きくできる。

（８）支持部３０上の一部の領域に第１の錘４０が形成されているので、振動部３２が振動したときでも、支持部３０は変形が抑制され、振動部３２の振動が支持部３０に漏れにくくなっている。そのため、振動部３２の振動は減衰しにくい。

（９）外部振動により効率よく発電する圧電型発電機１を電源として備えているので、センサーノード１００の電源交換を不要にできる。また、低コストで製造できる圧電型発電機１が電源だけでなくセンサーとしても機能するので、低価格なセンサーノード１００を提供できる。さらに、圧電型発電機１の基体２０を任意の形状にできるので、基体２０がシリコン基板等で構成されている場合に比べて、設置の自由度を向上できる。

（第２の実施形態）
＜圧電型発電機の構成＞
次に、第２の実施形態に係る圧電型発電機の概略構成について、図６を参照して説明する。図６は、第２の実施形態に係る圧電型発電機の概略構成を示す模式図である。詳しくは、図６（Ａ）は圧電型発電機の概略平面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

第２の実施形態に係る圧電型発電機２は、第１の実施形態に係る圧電型発電機１に対して、振動部３２上に第２の錘４１を備えている点が異なっているが、その他の構成は略同じである。したがって、第２の実施形態では、第１の実施形態と共通する構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。

第２の実施形態に係る圧電型発電機２は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基体２０と、基体２０上に配置された圧電変換部２４と、支持部３０上の一部の領域に配置された第１の錘４０と、圧電変換部２４上に配置された第２の錘４１とを備えている。第２の錘４１は、圧電変換部２４の振動部３２の他端３２ｂ側に設けられている。第２の錘４１は、例えば、ドット状の塊を積み重ねたように形成されている。したがって、第２の錘４１の形状は、図６（Ａ）、（Ｂ）では平面視矩形状で平坦な表面を有しているが、このような形状に限定されるものではない。

振動部３２（圧電変換部２４）上に第２の錘４１を備えることで、外部振動により誘起される振動部３２の振動が第２の錘４１により促進されるので、振動部３２の振幅をさらに大きくできる。その結果、第２の錘４１を備えていない場合に比べて、圧電変換部２４が発生する電気エネルギーをより大きくすることができるので、圧電型発電機２から出力される電流又は電圧をより大きくすることができる。

また、振動部３２上に第２の錘４１を備えることで、圧電型発電機２の固有周波数は低くなる。そして、第２の錘４１の量を調整することで、圧電型発電機２の固有周波数を調整することができる。外部振動の周波数と圧電型発電機２の固有周波数とが等しいときに圧電型発電機２の出力が最大になるので、圧電型発電機２の固有周波数を適宜調整して外部振動に対して共振し易くすることにより、圧電型発電機２から出力される電流又は電圧を最大に近付けることができる。

なお、圧電型発電機２の固有周波数は振動部３２の長さや厚さによって変化するので、振動部３２の長さを変えたり、振動部３２（圧電体２２）の厚さを変えたりすることで固有周波数を調整することが可能である。しかしながら、圧電型発電機２のように第２の錘４１の量で調整すれば、振動部３２の寸法設定を変更することなく容易に固有周波数を調整することができるので、外部振動が異なる設置環境等に容易に対応することが可能となる。

第２の錘４１は、式（１）を満たすように、形成領域と層厚を決定する。振動部３２の質量をＷ１、第１の錘４０の質量をＷＭ、第２の錘４１の質量をＷ、一端３２ａから第２の錘４１の重心までの距離をＬ２、一端３２ａから第１の錘４０の重心までの距離をＬ１、一端３２ａから振動部３２の重心までの距離をＢ１、重力加速度をＧ、外部より加わる振動の加速度をＧＡ、としたとき、振動部３２と支持部３０との境を支点とした振動部３２側のモーメント（Ｇ＋ＧＡ）×（Ｗ１×Ｂ１＋Ｗ×Ｌ２）よりも、支持部３０側のモーメントＧ×ＷＭ×Ｌ１が大きくなるので、振動部３２側のモーメントは打ち消される。これにより、外部より加わる振動により、振動部３２に振動が誘起されたときでも、支持部３０の変形は抑制されるため、振動部３２の振動は減衰しにくくなる。これにより、圧電変換部２４が発生する電気エネルギーを大きくすることができる。

第２の実施形態に係る圧電型発電機２の製造方法は、第１の実施形態に係る圧電型発電機１の製造方法に対して、ステップＳ８の焼成工程の後に第２の錘４１を形成する工程をさらに備えている点が異なっている。第２の錘４１の材料としては、例えば、光硬化性樹脂等の有機物、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等の無機物、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属、レジスト等のいずれかを用いることができる。

第２の錘４１を形成する方法は、例えば、インクジェット法やディスペンサー法等を用いて、圧電変換部２４上に第２の錘４１の材料からなるドット状の塊を複数配置する。これにより第２の錘４１が形成され、このドット状の塊の数（量）により第２の錘４１の量を調整することができる。第２の錘４１を配置する場所は振動部３２の振幅が最大になる場所とすることが好ましい。第２の錘４１をインクジェット法やディスペンサー法等により直接形成することで、複雑な製造工程を必要としないので生産性が向上する。

第２の実施形態に係る圧電型発電機２は、第１の実施形態に係るセンサーノード１００のセンサー及び電源として用いることができる。センサーノード１００が圧電型発電機２を備えることで、電源としての圧電型発電機２から供給される電流又は電圧をより大きくすることができる。また、圧電型発電機２の固有周波数を容易に調整することができるので、センサーノード１００の設置環境等に容易に対応することができる。

以上、本発明の圧電型発電機を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。変形例としては、例えば以下のようなものが考えられる。

第１の実施形態における圧電型発電機１は、基体２０上に、１層の圧電変換部２４（第１の電極２１、圧電体２２、及び第２の電極２３）が配置された構成を有していたが、このような構成に限定されない。圧電型発電機は、基体２０上に複数の圧電変換部が積層された構成を有していてもよい。
図７は、変形例に係る圧電型発電機の概略構成を示す図である。詳しくは、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ異なる構成の圧電型発電機の概略断面図である。なお、上記実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。

（変形例１）
図７（Ａ）に示す圧電型発電機１Ａは、圧電変換部２４（第１の電極２１、圧電体２２、及び第２の電極２３）の上に、さらに圧電体２７と第３の電極２８とが積層されている。圧電型発電機１Ａでは、第２の電極２３、圧電体２７、及び第３の電極２８により圧電変換部２４ａが構成される。第２の電極２３は、圧電変換部２４ａにおける電極を兼ねる。したがって、圧電型発電機１Ａは、第１の実施形態における圧電型発電機１に対して、圧電変換部２４の上に積層された圧電変換部２４ａを有している点が異なっている。

圧電型発電機１Ａでは、基体２０上に積層された複数の圧電変換部２４，２４ａのそれぞれから、外部振動により電気エネルギーが得られる。図７（Ａ）に矢印で示すように、圧電変換部２４の分極方向と圧電変換部２４ａの分極方向とが同じであるので、圧電型発電機１Ａは、第１の実施形態における圧電型発電機１に対して、出力される電流を増加させることができる。これにより、より効率よく発電する圧電型発電機１Ａを提供できる。

（変形例２）
図７（Ｂ）に示す圧電型発電機１Ｂは、変形例１の圧電型発電機１Ａと同様に、圧電変換部２４の上に圧電変換部２４ａが積層された構成を有している。ただし、配線の仕方が異なっており、分極方向が圧電変換部２４と圧電変換部２４ａとで互いに対向する方向となっている。このような構成により、圧電型発電機１Ｂは、圧電型発電機１に対して、出力される電圧を増加させることができる。

（変形例３）
図７（Ｃ）に示す圧電型発電機１Ｃは、圧電変換部２４（第１の電極２１、圧電体２２、及び第２の電極２３）の上に絶縁層２５が配置され、絶縁層２５上にさらに第４の電極２６と圧電体２７と第３の電極２８とが積層されている。第４の電極２６、圧電体２７、及び第３の電極２８で圧電変換部２４ｃが構成される。したがって、圧電型発電機１Ｃは、圧電型発電機１に対して、圧電変換部２４上に絶縁層２５を介して圧電変換部２４ｃが積層されている点が異なっている。

圧電型発電機１Ｃでは、圧電変換部２４の分極方向と圧電変換部２４ｃの分極方向とが同じであり、変形例１の圧電型発電機１Ａと類似した構成となっている。このような構成により、圧電型発電機１Ｃは、圧電型発電機１Ａと同様に出力される電流を増加させることができる。

圧電型発電機１Ａと比較すると、圧電型発電機１Ｃでは、絶縁層２５と第４の電極２６との厚さ分だけ振動部３２がより厚くなるので、固有周波数は高くなる。つまり、圧電型発電機１Ｃの構成によれば、絶縁層２５の層厚や材質を変えることで、振動部３２の圧電型発電機１Ｃの固有周波数を調整することができる。したがって、振動部３２の長さや圧電体２２，２７等の厚さを変えなくても、圧電型発電機１Ｃの固有周波数を調整することが可能である。

絶縁層２５の材料としては、圧電体２２，２７の構成材料と同じ材料で分極しないものを用いることが好ましい。絶縁層２５の材料として、圧電体２２，２７の構成材料と異なる材料を用いると、焼成時に絶縁層２５の材料の成分が圧電体２２，２７に拡散して圧電体２２，２７の圧電特性が劣化するおそれがある。

なお、上述の変形例１，２，３の圧電型発電機１Ａ，１Ｂ，１Ｃが第２の実施形態の第２の錘４１を備えた構成としてもよい。圧電型発電機１Ａ，１Ｂ，１Ｃが第２の錘４１を備えることで、振動部３２の振幅をさらに大きくできるとともに、固有周波数を容易に調整することができる。また、変形例１，２，３の圧電型発電機１Ａ，１Ｂ，１Ｃを第１の実施形態に係るセンサーノード１００のセンサー及び電源として用いる構成としてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２…センサー及び電源としての圧電型発電機、４…回路、５…通信システム、１０…基体層、１１…第１の電極層、１２，１２ａ，１２ｂ…圧電体層、１３…第２の電極層、１４…圧電変換層、１５…フィルム、１６…犠牲層、１６ａ…犠牲層と第１の電極層との境、１７…第１の錘層、２０…基体、２１…第１の電極、２２，２７…圧電体、２３…第２の電極、２４，２４ａ，２４ｃ…圧電変換部、２５…絶縁層、２６…第４の電極、２７…圧電体、２８…第３の電極、３０…支持部、３２…振動部、３２ａ…一端、３２ｂ…他端、４０…第１の錘、４１…第２の錘、１００…センサーノード、１０１…基体。

Claims (8)

1. 基体と、
   前記基体上に配置され、振動によるエネルギーを電気エネルギーに変換する圧電変換部と、
   前記圧電変換部上に配置された第１の錘と、
   を備え、
   前記圧電変換部は、
   前記基体に固定された支持部と、
   前記基体から離間され、かつ、一端が前記支持部に接続され他端が自由端とされて外部より加わる振動により振動する振動部と、
   を含み、
   前記振動部の前記他端と前記基体との距離は、前記振動部の前記一端と前記基体との距離よりも大きいことを特徴とする圧電型発電機。
2. 請求項１に記載の圧電型発電機であって、
   前記圧電変換部は、前記基体上に配置された第１の電極と、前記第１の電極上に配置された圧電体と、前記圧電体上に配置された第２の電極と、を備え、
   前記圧電型発電機は、前記第２の電極上に第２の錘をさらに備え、
   前記振動部の質量をＷ１、前記第１の錘の質量をＷＭ、前記第２の錘の質量をＷ、前記一端から前記第２の錘の重心までの距離をＬ２、前記一端から前記第１の錘の重心までの距離をＬ１、前記一端から前記振動部の重心までの距離をＢ１、重力加速度をＧ、外部より加わる振動の加速度をＧＡ、としたとき、以下の式
   を満たすことを特徴とする圧電型発電機。
3. 請求項１又は２に記載の圧電型発電機であって、
   前記圧電変換部は、前記基体上に配置された第１の電極と、前記第１の電極上に配置された圧電体と、前記圧電体上に配置された第２の電極と、を備え、
   前記第１の電極の熱収縮率は、前記圧電体の熱収縮率よりも小さいことを特徴とする圧電型発電機。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電型発電機であって、
   前記圧電変換部は、前記基体上に配置された第１の電極と、前記第１の電極上に配置された圧電体と、前記圧電体上に配置された第２の電極と、を備え、
   前記第２の電極の熱収縮率は、前記圧電体の熱収縮率よりも大きいことを特徴とする圧電型発電機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電型発電機であって、
   前記第２の錘は、前記振動部の前記他端側に配置されていることを特徴とする圧電型発電機。
6. 基体層を用意する工程と、
   前記基体層上の一部の領域に、熱分解する材料を含むペーストを印刷法により配置して犠牲層を形成する工程と、
   前記基体層上と前記犠牲層上とに跨るように、第１の電極層を印刷法により配置する工程と、
   前記第１の電極層上に、圧電体粒子を含むペースト状の圧電体層を印刷法により配置する工程と、
   前記圧電体層上に第２の電極層を印刷法により配置する工程と、
   前記圧電体層上と前記第２の電極層上とに跨るように、第１の錘層を印刷法により配置する工程と、
   前記基体層、前記犠牲層、前記第１の電極層、前記圧電体層、前記第２の電極層、及び前記第１の錘層を焼成する焼成工程と、
   を備えていることを特徴とする圧電型発電機の製造方法。
7. 請求項６に記載の圧電型発電機の製造方法であって、
   前記基体層を用意する工程では、前記基体層として、前記圧電体層と同じ成分を含む未焼成のセラミックスをフィルム上に配置したセラミックスシートを用意し、
   前記焼成工程の前に、前記基体層、前記犠牲層、前記第１の電極層、前記圧電体層、前記第２の電極層、及び前記第１の錘層に等方加圧処理を行う工程をさらに備えていることを特徴とする圧電型発電機の製造方法。
8. センサーと、前記センサーが取得したデータを処理する回路と、前記センサーが取得したデータを通信する通信システムと、前記センサー、前記通信システム、及び前記回路を駆動する電源と、を備えたセンサーノードであって、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電型発電機、前記センサー及び前記電源として有していることを特徴とするセンサーノード。