JP2013077646A - 静電誘導式発電デバイスのための誘電体薄膜デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】環境振動に対して高効率な発電が可能なミリメートルスケール以下の小型圧電発電装置を提供する。
【解決手段】破壊靭性の高いFe合金、Cu合金、TiおよびTi合金を圧電発電装置振動部の基板材料とする。基板１１上にAlNおよびその混合物M_xAl_1-xN（x<0.5、Mは任意の元素）やZnOおよびその混合物M_yZn_1-yO（y<0.5、Mは任意の元素）を圧電薄膜１４として堆積する。こうして得られる薄膜形状振動発電部位の共振周波数は200Hzより低いため、圧電発電装置の発電効率が著しく向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は 環境振動を取り出し、電気エネルギーに変換して発電する、一種の圧電発電に関する。

膨大な数の無線センサーノードを至る所に設置するセンサーネットワークの構築は、社会の発展に貢献するだけでなく、大きな市場を生み出す可能性がある。ところで無線センサーノードの電源として電池を使用する場合、設置台数の増加にしたがって電池交換は現実的に不可能となる。そのため電池に代わる交換不要な電源開発が強く求められている。そこで注目を集めているのが、我々の身の回りに無尽蔵に存在しながらこれまで利用されてこなかった環境エネルギーである。なぜなら、例えば環境振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置は交換不要の電源となり得るからである。
圧電発電装置はまさにそのような装置であり、振動によって歪むと電荷が生じる圧電体は、振動エネルギーを電気エネルギーに高効率に変換することができる。その単純な構造と相まって、圧電発電装置は無線センサーノードの電源として期待されている（特許文献１，非特許文献１）。
体積が数立方センチメートル以下になることが予想される無線センサーノードへ圧電発電装置を組み込む場合には、圧電発電装置はミリメートルスケールに小型化される必要がある。このため圧電体は省体積の可能な薄膜形状とし、SiやSrTiO3やMgOなどの基板上に堆積するのが一般的である（特許文献１，非特許文献１〜４）。また圧電発電装置を電源とする場合、環境中に主に含まれる200 Hz以下の振動を効率良く利用する必要がある。このため圧電体薄膜と前述の基板から成る振動部を出来るだけ薄くして、振動部の機械的共振周波数を200 Hz以下に設計し、振動の変位を最大化することでエネルギー変換効率を最大化する研究が進められている。
しかし、前述の基板は硬くもろい材料からできているため、共振周波数を200 Hz以下に低下できるほど薄くすると非常に壊れやすくなる。そのためミリメートルスケールの小型圧電発電装置で200 Hz以下の共振周波数を実現するには至っていない。SiやSrTiO3やMgOなどのもろい基板はまた、自動車や飛行機などが発生する強い衝撃や大きな振動が加えられると圧電発電装置の破壊をもたらすという問題を抱えている。

特開２０１１−２９２７４号 D. Steingar, et al., "Micropower Materials Development for WirelessSensor Networks", MRS Bulletin, 33 (2008) p. 408-409. K. A. Cook-Chennault, et al., "Powering MEMS Portable Devices&#8212; aReview of Non-regenerative and Regenerative Power Supply Systems with SpecialEmphasis on Piezoelectric Energy Harvesting Systems", Smart Mater. Struct., 17(2008) p.1-33. D. Shen, et al., "The design, fabrication and evaluation of a MEMSPZT cantilever with an integrated Si proof mass for vibration energyharvesting", J. Micromech. Microeng.,18 (2008) p. 055017. R. Elfrink, et al., "Vibration energy harvesting with aluminumnitride-based piezoelectric devices", J. Micromech. Microeng., 19 (2009) p.094005.

一般に圧電発電装置は小型化するにしたがってその共振周波数が上昇するため、ミリメートルスケール以下に小型化した場合には環境中に主に存在する振動数200 Hz以下の振動を利用した発電の発電効率は著しく減少してしまう。そのため小型圧電発電装置の実用化には至っていない。本発明で対象とするのはミリメートルスケール以下に小型化しても200 Hz以下の共振周波数を持つ圧電発電装置である。さらに低価格で作製でき、なおかつ自動車や飛行機などが発生する強い衝撃や大きな振動に耐え得る圧電発電装置である。

本発明は、200 Hz以下の共振周波数を持つミリメートルスケール以下の小型圧電発電装置を実現するために、厚み1 &#8211; 100 μmの薄膜形状基板を加工して振動部を作製する。従来使用されているSi、SrTiO3、MgO基板は破壊靭性が低く前述の厚みでは使用できない。
そこで本発明では前述の基板材料より破壊靭性の高い鉄（Fe）合金、銅（Cu）合金、チタン（Ti）およびチタン合金を基板材料とする。ただし懸念される金属基板と圧電薄膜間での拡散や化学反応を防ぐため、低温合成によって十分な圧電特性を示す圧電薄膜材料が求められる。そこで結晶化温度が500℃以下と比較的低い窒化アルミニウム（AlN）およびその混合物MxAl1-xN （x < 0.5、Mは任意の元素）や酸化亜鉛（ZnO）およびその混合物MyZn1-yO（y < 0.5、Mは任意の元素）を圧電薄膜として金属基板上に堆積することを特徴とする。

一般に圧電発電装置は小型化するにしたがってその共振周波数が上昇するため、ミリメートルスケール以下に小型化した場合には環境中に主に存在する振動数200 Hz以下の振動を利用した発電の発電効率は著しく減少してしまう。本発明は200 Hz以下の共振周波数を持ち、環境振動に対して高効率な発電が可能なミリメートルスケール以下の小型圧電発電装置を提供する。この圧電発電装置はまた低価格で作製でき、なおかつ自動車や飛行機などが発生する強い衝撃や大きな振動に耐えうるものとする。本発明の典型的な例では、ミリメートルスケールの圧電発電装置はSUS304基板上に堆積したAlN薄膜を基に作製される。圧電体としてはAlNの代わりにMxAl1-xN、ZnOおよびMyZn1-yOを利用可能である。また基板材料としてFe合金、Cu合金、TiおよびTi合金が利用可能である。これらの材料により作製した圧電発電装置を直列もしくは並列に接続して発電装置の一群を形成することも可能である。

本発明の金属基板片面に堆積した圧電体薄膜構造の模式図である。 本発明の金属基板両面に堆積した圧電体薄膜構造の模式図である。 本発明の金属基板片面に堆積した圧電体薄膜構造を有する片持ち梁構造から成る圧電発電装置の模式図である。 本発明の金属基板両面に堆積した圧電体薄膜構造を有する片持ち梁構造から成る圧電発電装置の模式図である。 本発明の金属基板片面に堆積した圧電体薄膜構造を有する両持ち梁構造から成る圧電発電装置の模式図である。 本発明の金属基板両面に堆積した圧電体薄膜構造を有する両持ち梁構造から成る圧電発電装置の模式図である。 本発明のSUS304基板上にスパッタリング法を用いて堆積したAlN薄膜のX線回折像を示す図である。 本発明のSUS304基板上にスパッタリング法を用いて堆積したAlN薄膜の走査電子顕微鏡像を示す図である。 本発明のSUS304基板上にスパッタリング法を用いて堆積したAlN薄膜から成る圧電発電装置を示す（a）模式図と（b）写真である。 AlN薄膜から成る圧電発電装置を加速度0.2 gで振動した場合に得られるピーク電圧の周波数応答図である。 AlN薄膜から成る圧電発電装置に0.7 MΩの負荷抵抗をつなぎ加速度1 gで振動した場合に得られるピーク電圧の時間応答図である。 AlN圧電発電装置の寸法を示す図表である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図1と図2において11はFe合金、Cu合金、TiまたはTi合金からなる板上の基板であって、その厚みは1 ~ 100 μmで、その表面は鏡面もしくは粗面である。
図1から図6において14は、有機金属気相成長法または高周波マグネトロンスパッタまたは電子サイクロトロン共鳴スパッタにより金属基板上に堆積した、AlNまたはMxAl1-xNまたはZnOまたはMyZn1-yOから成る圧電薄膜である。図1において14は11の片面に、図2において14は11の両面に堆積している。
図1から図6において15は、任意の堆積法により圧電薄膜上に堆積した集電電極である。図1において15は11の片面に、図2において15は11の両面に堆積している。
圧電薄膜構造を任意の方法で切断して得られる小片を、任意の構造土台に接着等により固定することにより、任意形状の圧電発電装置を作製可能である。図3と図4においては圧電薄膜構造の小片を構造土台に固定した型持ち梁構造圧電発電装置を示す。図5と図6においては圧電薄膜構造の小片を構造土台に固定した両持ち梁構造圧電発電装置を示す。
図3から図6において16は、圧電発電装置に取り付けられた錘であり、発電量を増加させ、なおかつ共振周波数を低下することができる。
振動により圧電薄膜が歪むと、圧電発電装置に取り付けた2本の導線間には交流電圧の電位差が生じる。
複数の圧電発電装置を直列もしくは並列に接続した発電装置群を形成すれば、振動の機械エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上することができる。

電子サイクロトロン共鳴スパッタによりAlN圧電薄膜を堆積する基板として、厚さ50 μmの板状SUS304ステンレス鋼を使用する。
実施の形態のAlN薄膜のX線回折像を図7に示す。AlN(0002)面からの回折ピークのみが観察されることから、AlN薄膜が高いc軸配向性を持つことが分かる。
実施の形態のAlN薄膜の走査電子顕微鏡像を図8に示す。図8よりAlN薄膜は隙間なく高密度に堆積していることが分かる。また基板表面の垂直方向に柱状成長していることが分かる。
実施の形態のAlN薄膜の片面には、厚み200 μmのAl電極が高周波マグネトロンスパッタリングにより体積される。Al堆積中にAlN薄膜上に固定したマスクの開口部形状によりAl電極の形状を制御することができる。
実施の形態の圧電発電装置は、SUS304基板、AlN圧電薄膜、およびAl電極よりなる構造体を切断加工機械で切り分けた長方形の小片の一端を構造土台に固定し、他端に銅製の錘を取り付けた片持ち梁構造体である。図9(a)、(b)はこの圧電発電装置の説明図および光学顕微鏡像である。図12は圧電発電装置の寸法を示す。続いて、実施の形態の振動に対する応答ついて説明する。応答を取り出すため、直径50 μmのAl線をAl電極とSUS304基板に銀ペーストで取り付けた。圧電発電装置を加振機に固定し、任意の加速度と振動数を持つ振動を加えた。図10は圧電発電装置を加速度0.2 gで振動させた場合に得られるピーク電圧の周波数応答図である。共振周波数74.1 Hzでピーク電圧2.10 Vが得られることが分かる。
図11は実施の形態の圧電発電装置に0.7 MΩの不可抵抗を接続し、加速度1 gで振動させた場合に得られるピーク電圧の時間応答図である。ピーク電圧5.36 Vが得られることから、このときの出力は5.13 μWであることが分かる。

11 金属基板
14 圧電体薄膜
15 電極
16 錘
17 圧電発電装置を支える構造土台
SUS ステンレス鋼
ECR電子サイクロトロン共鳴

Claims (4)

1. 板状金属基板の上に堆積した圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜の上に堆積した電極と、前記板状金属基板および電極に取り付けた導線とを備え、振動すると前記圧電体薄膜が歪み前記板状金属基板と電極の間に電圧を生じることを特徴とする圧電発電装置。
2. 圧電体薄膜の材料が窒化アルミニウム（AlN）及びその混合物MxAl1-xN（x < 0.5、Mは任意の元素）または酸化亜鉛（ZnO）およびその混合物MyZn1-yO（y < 0.5、Mは任意の元素）であることを特徴とする請求項1記載の圧電発電装置。
3. 板状金属基板が鉄（Fe）合金または銅（Cu）合金またはチタン（Ti）またはチタン合金であることを特徴とする請求項1および2記載の圧電発電装置。
4. 複数の圧電発電装置が導線で直接または並列に接続された一群であることを特徴とする請求項1、2、および3記載の圧電発電装置。