JP2014200162A - 圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】流体励起振動が可能で且つ流体励起振動時の圧電変換効率の向上を図ることが可能な圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサを提供する。
【解決手段】圧電変換デバイス１は、支持部１１ａと、支持部１１ａに対向する対向部１１ｂと、支持部１１ａと対向部１１ｂとの間にあり支持部１１ａに一端が固定され他端が対向部１１ｂから離れている振動ブロック１２と、を備える。振動ブロック１２は、支持部１１ａよりも薄く支持部１１ａに揺動自在に支持された梁部１２ａと、梁部１２ａの先端に設けられ梁部１２ａよりも厚い錘部１２ｂと、錘部１２ｂにおける梁部１２ａ側とは反対側に突出し錘部１２ｂ及び対向部１１ｂよりも薄い突出部１２ｃと、梁部１２ａの振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１４と、を備える。振動ブロック１２は、突出部１２ｃの先端面１２ｃｃの法線が対向部１１ｂに交差しないように反っている。
【選択図】図１
【解決手段】圧電変換デバイス１は、支持部１１ａと、支持部１１ａに対向する対向部１１ｂと、支持部１１ａと対向部１１ｂとの間にあり支持部１１ａに一端が固定され他端が対向部１１ｂから離れている振動ブロック１２と、を備える。振動ブロック１２は、支持部１１ａよりも薄く支持部１１ａに揺動自在に支持された梁部１２ａと、梁部１２ａの先端に設けられ梁部１２ａよりも厚い錘部１２ｂと、錘部１２ｂにおける梁部１２ａ側とは反対側に突出し錘部１２ｂ及び対向部１１ｂよりも薄い突出部１２ｃと、梁部１２ａの振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１４と、を備える。振動ブロック１２は、突出部１２ｃの先端面１２ｃｃの法線が対向部１１ｂに交差しないように反っている。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサに関するものである。
圧電変換デバイスとしては、例えば、図２０に示す構成の発電デバイスが提案されている（例えば、特許文献１）。
この発電デバイスは、カンチレバー形成基板１２０と、カンチレバー形成基板１２０のカンチレバー部１２２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１２４と、を備えている。カンチレバー形成基板１２０は、枠状の支持部１２１及び支持部１２１の内側に配置され支持部１２１にカンチレバー部１２２を介して揺動自在に支持された錘部１２３を有する。圧電変換部１２４は、カンチレバー形成基板１２０の一表面側においてカンチレバー部１２２に形成されている。
支持部１２１とカンチレバー部１２２と錘部１２３とは、素子形成基板１２０ａを用いて形成されている。素子形成基板１２０ａとしては、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板等が記載されている。
圧電変換部１２４は、下部電極１２４ａと、圧電層１２４ｂと、上部電極１２４ｃと、で構成されている。
従来から、ブリッジ回路を有する流量センサとしては、ヒータを用いた熱式フローセンサが知られている（例えば、特許文献２）。
特許文献２には、ブリッジ回路に用いる抵抗を、ヒータ、測温抵抗体、温度センサと同一の半導体基板上に集積化した構成の熱式フローセンサが記載されている。
また、従来から、風力によって圧電素子を振動させる発電手段を風速検知のセンサとして利用することが提案されている（例えば、特許文献３）。
この発電手段は、例えば、図２１に示すように、圧電素子１１０と、圧電素子１１０が固着された保持体１４０と、受風翼１２０と、受風翼１２０を圧電素子１１０に接続して受風翼１２０の振動運動等を圧電素子１１０に伝達する接続体１３０と、を備える。なお、発電手段は、１個の保持体１４０に対して、圧電素子１１０、受風翼１２０及び接続体１３０の各々を８個ずつ備えている。
圧電素子１１０は、ステンレスのシム板を２枚のＰＺＴ系セラミックス板で挟んだ圧電バイモルフ素子である。
特許文献３には、平均風速と発生電圧との関係が例示され、平均風速が７ｍ／ｓｅｃ程度までは発生電圧が増加し、これを超えると発生電圧が減少する旨が記載されている。
また、特許文献３には、例えば、風力によって圧電素子を振動させる発電手段と、この発電手段で発電された電気エネルギを蓄える蓄電手段と、蓄電手段からの電力が間欠的に供給される電気回路とを備えた圧電発電モジュールが記載されている。また、特許文献３には、上述の圧電発電モジュールからの電力を供給されて、間欠的に風速のデータ送信を行う無線送信モジュールを含む無線送信システムが記載されている。また、特許文献３には、上述の無線送信モジュールと送信シグナルの受信機を含む風速監視システムが記載されている。
ところで、熱式フローセンサは、ヒータに電流を流す必要があり、低消費電力化が難しい。
また、上述の発電手段は、カルマン渦が発生することで圧電素子１１０へ持続した振動を与えることができるものと推考される。しかしながら、上述の発電手段では、圧電素子１１０以外にも、保持体１４０、接続体１３０及び受風翼１２０を備えている必要があり、圧電素子１１０に比べて発電手段が大型化してしまう。このため、上述の発電手段を風速検知のセンサとして利用する場合には、風速検知のセンサの小型化が難しい。
本願発明者らは、上述の発電デバイスのカンチレバー部１２２を流体により振動させて発電させることを考えた。そこで、本願発明者らは、上述の発電デバイスを流体の流路に配置し、外部振動ではなく流体を利用して発電デバイスを発電させることを検討した。
しかしながら、上述の発電デバイスでは、流体を利用して発電させることが難しかった。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、流体励起振動が可能で且つ流体励起振動時の圧電変換効率の向上を図ることが可能な圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサを提供することにある。
本発明の圧電変換デバイスは、支持部と、前記支持部に対向する対向部と、前記支持部と前記対向部との間にあり前記支持部に一端が固定され他端が前記対向部から離れている振動ブロックと、を備え、前記振動ブロックは、前記支持部よりも薄く前記支持部に揺動自在に支持された梁部と、前記梁部の先端に設けられ前記梁部よりも厚い錘部と、前記錘部における前記梁部側とは反対側に突出し前記錘部及び前記対向部よりも薄い突出部と、前記梁部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部と、を備え、前記突出部の先端面の法線が前記対向部に交差しないように反っていることを特徴とする。
この圧電変換デバイスにおいて、前記突出部の固有振動数が前記振動ブロックの固有振動数よりも大きいことが好ましい。
この圧電変換デバイスにおいて、前記対向部は、前記支持部に対向する対向面と前記対向部の厚み方向の一面との間に、前記突出部と前記対向部との距離を長くする傾斜面を設けてあることが好ましい。
この圧電変換デバイスにおいて、前記対向部に、前記突出部である第１突出部側へ突出する第２突出部が設けられ、前記第２突出部は、前記第１突出部とは反対側に反っていることが好ましい。
この圧電変換デバイスにおいて、前記振動ブロックは、前記錘部の厚み方向の両面のうち前記梁部から遠い面に凹部が形成されていることが好ましい。
この圧電変換デバイスにおいて、前記梁部は、第１シリコン層と、前記第１シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第１絶縁膜と、で構成され、前記第１絶縁膜の圧縮応力によって反っており、前記突出部は、第２シリコン層と、前記第２シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第２絶縁膜と、で構成され、前記第２絶縁膜の圧縮応力によって反っていることが好ましい。
この圧電変換デバイスにおいて、前記梁部は、第１シリコン層と、前記第１シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第１絶縁膜と、で構成され、前記第１絶縁膜の圧縮応力によって反っており、前記第１突出部は、第２シリコン層と、前記第２シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第２絶縁膜と、で構成され、前記第２絶縁膜の圧縮応力によって反っており、前記第２突出部は、第３シリコン層と、前記第３シリコン層の厚み方向の一面側に形成され引張応力を有する第３絶縁膜と、で構成され、前記第３絶縁膜の引張応力によって反っていることが好ましい。
この圧電変換デバイスにおいて、前記振動ブロックの平面視形状が矩形状であり、前記梁部の幅と前記錘部の幅とが同じであり、前記錘部の長さを前記錘部の長さと前記梁部の長さとの和で除した値が、０．４以上０．６以下であることが好ましい。
本発明のフローセンサは、前記圧電変換デバイスと、前記圧電変換部で発生する交流電圧を検知する検知部とを備えることを特徴とする。
このフローセンサにおいて、前記検知部での検知結果を含む無線信号の送信を間欠的に行う無線送信部を備えることが好ましい。
このフローセンサにおいて、前記圧電変換部で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部と、切替回路とを備え、前記切替回路は、前記圧電変換部と前記蓄電部とを電気的に接続する第１状態と、前記圧電変換部と前記検知部とを電気的に接続する第２状態とを切り替えるように構成され、前記検知部及び前記無線送信部は、前記蓄電部を電源として動作可能であることが好ましい。
本発明の圧電変換デバイスにおいては、流体励起振動が可能で且つ流体励起振動時の圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。
本発明のフローセンサにおいては、流体励起振動が可能で且つ流体励起振動時の圧電変換効率の向上を図ることが可能な圧電変換デバイスを備えているので、低消費電力化及び小型化を図ることが可能となる。
（実施形態１）
以下では、本実施形態の圧電変換デバイス１について図１に基づいて説明する。
以下では、本実施形態の圧電変換デバイス１について図１に基づいて説明する。
圧電変換デバイス１は、支持部１１ａと、支持部１１ａに対向する対向部１１ｂと、支持部１１ａと対向部１１ｂとの間にあり支持部１１ａに一端が固定され他端が対向部１１ｂから離れている振動ブロック１２と、を備える。これにより、圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２の他端と対向部１１ｂとの間に、流体が通過可能な流路１５が形成されている。圧電変換デバイス１は、支持部１１ａと対向部１１ｂとの相対的な位置関係が変わらないように構成されている。
振動ブロック１２は、支持部１１ａに揺動自在に支持された梁部１２ａと、梁部１２ａの先端に設けられた錘部１２ｂと、錘部１２ｂにおける梁部１２ａ側とは反対側に突出した突出部１２ｃと、圧電変換部１４と、を備える。振動ブロック１２は、梁部１２ａにおける支持部１１ａ側の端が、振動ブロック１２の一端（固定端）を構成し、突出部１２ｃにおける先端が、振動ブロック１２の他端（自由端）を構成している。
梁部１２ａは、支持部１１ａよりも薄い。錘部１２ｂは、梁部１２ａよりも厚い。また、突出部１２ｃは、錘部１２ｂ及び対向部１１ｂよりも薄い。圧電変換部１４は、振動ブロック１２の振動に応じて交流電圧を発生する。振動ブロック１２は、突出部１２ｃの先端面１２ｃｃの法線が対向部１１ｂに交差しないように反っている。これにより、圧電変換デバイス１は、流体励起振動が可能で且つ流体励起振動時の圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。流体励起振動は、圧電変換デバイス１を流れ場に配置した状態等において、流れ場を流れる流体が流路１５を通過することによって発生する振動ブロック１２の振動である。この流体励起振動は、自励振動である。流体としては、例えば、空気、ガス、空気とガスとの混合気体、液体等が挙げられる。流体が気体の場合、流れ場としては、例えば、空調機の給気ダクトの内部や、空調機の排気ダクトの内部等が挙げられるが、特に限定するものではない。圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２が錘部１２ｂを備えていることにより、錘部１２ｂを備えていない場合に比べて、振動ブロック１２の振動時の慣性力を大きくでき、振動ブロック１２の振幅を大きくすることが可能となる。また、圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２が錘部１２ｂを備えていることにより、振動ブロック１２の振動時に梁部１２ａ及び圧電変換部１４に集中的にひずみを発生させることが可能となり、圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。また、圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２が錘部１２ｂを備えていることにより、振動ブロック１２の共振周波数を小さくすることが可能となり、振動ブロック１２が振動し始める流体の流速の低速化を図ることが可能となる。また、圧電変換デバイス１は、対向部１１ｂを備えていることにより、流路１５を流れる流体の流束から、振動ブロック１２の振動を誘起しやすくなる。
圧電変換デバイス１は、突出部１２ｃの固有振動数が振動ブロック１２の固有振動数よりも大きいことが好ましい。これにより、圧電変換デバイス１は、突出部１２ｃが錘部１２ｂを基点として単独で振動するのを抑制することが可能となり、突出部１２ｃ単独の振動に起因した振動エネルギの低下を抑制することが可能となる。
圧電変換デバイス１の各構成要素については、以下に詳細に説明する。
圧電変換デバイス１は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造されている。
圧電変換デバイス１は、支持部１１ａ、対向部１１ｂ、梁部１２ａ、錘部１２ｂ及び突出部１２ｃが、基板１０から形成されている。圧電変換デバイス１は、基板１０の一表面側において梁部１２ａ及び突出部１２ｃが形成されている。
圧電変換デバイス１は、支持部１１ａと対向部１１ｂとを有する枠状のフレーム部１１を備えているのが好ましい。要するに、圧電変換デバイス１は、フレーム部１１、梁部１２ａ、錘部１２ｂ及び突出部１２ｃが、基板１０から形成されているのが好ましい。言い換えれば、支持部１１ａ及び対向部１１ｂは、フレーム部１１の別々の一部により構成されているのが好ましい。これにより、圧電変換デバイス１は、支持部１１ａと対向部１１ｂとの相対的な位置精度を高めることが可能となり、振動ブロック１２と対向部１１ｂとの相対的な位置精度を高めることが可能となる。なお、以下では、フレーム部１１のうち、支持部１１ａと対向部１１ｂとを連結している２つの部位を「連結部１１ｃ、１１ｃ」という。
基板１０としては、シリコン基板１０ａ上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０ｂ上にシリコン層１０ｃが形成されたＳＯＩ基板を用いている。基板１０の上記一表面は、（１００）面としてあるが、これに限らず、例えば、（１１０）面でもよい。
支持部１１ａ、対向部１１ｂ及び各連結部１１ｃは、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板１０ａと埋込酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されている。
梁部１２ａは、ＳＯＩ基板のうちシリコン層１０ｃから形成されている。梁部１２ａは、支持部１１ａに比べて厚み寸法が小さく、可撓性を有している。
突出部１２ｃは、ＳＯＩ基板のうちシリコン層１０ｃから形成されており、支持部１１ａ及び対向部１１ｂに比べて厚み寸法が小さい。圧電変換デバイス１は、突出部１２ｃの固有振動数が振動ブロック１２の固有振動数よりも大きくなるように、突出部１２ｃの長さを梁部１２ａの長さよりも短く設定してある。
圧電変換デバイス１は、基板１０と圧電変換部１４とが、基板１０の上記一表面側に形成された絶縁膜１８ａによって、電気的に絶縁されている。絶縁膜１８ａは、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。このシリコン酸化膜は、例えば、熱酸化法により形成してあるが、これに限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成することもできる。
圧電変換デバイス１は、梁部１２ａが、シリコン層１０ｃの一部（以下、「第１部位」という。）と、シリコン層１０ｃの厚み方向の一面側に形成された絶縁膜１８ａの一部（以下、「第１部位」という。）と、で構成されている。ここで、絶縁膜１８ａは、圧縮応力を有する。よって、梁部１２ａは、シリコン層１０ｃのうち梁部１２ａを構成する第１部位（以下、「第１シリコン層１０ｃａ」という。）と、絶縁膜１８ａのうち第１シリコン層１０ｃａの厚み方向の一面側に形成された第１部位（以下、「第１絶縁膜１８ａａ」という。）と、で構成され、第１絶縁膜１８ａａの圧縮応力によって反っている。
また、圧電変換デバイス１は、突出部１２ｃが、シリコン層１０ｃの一部（以下、「第２部位」という。）と、シリコン層１０ｃの厚み方向の一面側に形成された絶縁膜１８ａの一部（以下、「第２部位」という。）と、で構成されている。ここで、絶縁膜１８ａは、圧縮応力を有する。よって、突出部１２ｃは、シリコン層１０ｃのうち突出部１２ｃを構成する第２部位（以下、「第２シリコン層１０ｃｃ」という。）と、絶縁膜１８ａのうち第２シリコン層１０ｃｃの厚み方向の一面側に形成された第２部位（以下、「第２絶縁膜１８ａｃ」という。）と、で構成され、第２絶縁膜１８ａｃの圧縮応力によって反っている。
圧電変換デバイス１は、基板１０の上記一表面側に形成した絶縁膜１８ａが、基板１０と圧電変換部１４とを電気的に絶縁する機能だけでなく、梁部１２ａ及び突出部１２ｃを反らせる機能を有している。これにより、圧電変換デバイス１は、絶縁膜１８ａとは別途に、梁部１２ａ及び突出部１２ｃそれぞれに応力制御用の薄膜を形成する場合に比べて、製造プロセスを簡略化することが可能となる。
基板１０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板や多結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。
フレーム部１１は、枠状の形状として、矩形枠状の形状を採用することが好ましい。つまり、フレーム部１１は、外周形状が矩形状であることが好ましい。これにより、圧電変換デバイス１は、製造時に、ダイシング工程の作業性を向上させることが可能となる。圧電変換デバイス１の製造時には、例えば、まず、フレーム部１１、梁部１２ａ、錘部１２ｂ及び突出部１２ｃの基礎となるウェハ（ここでは、ＳＯＩウェハ）を準備する。圧電変換デバイス１の製造時には、ウェハに多数の圧電変換デバイス１を形成する前工程を行い、後工程において、ダイシング工程で個々の圧電変換デバイス１に分離する。なお、圧電変換デバイス１の製造方法については、後述する。
フレーム部１１の内周形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状や円形状、楕円形状等の形状でもよい。なお、フレーム部１１の外周形状は矩形状以外の形状でもよい。
圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２が、平面視においてフレーム部１１の内側に配置されている。圧電変換デバイス１は、基板１０に、平面視において振動ブロック１２を囲むＵ字状のスリット１０ｄを形成することによって、振動ブロック１２におけるフレーム部１１との連結部位以外の部分が、フレーム部１１と空間的に分離されている。これにより、振動ブロック１２は、平面視形状が矩形状に形成されている。圧電変換デバイス１は、スリット１０ｄが、流路１５を構成している。
圧電変換部１４は、絶縁膜１８ａ上に形成されている。圧電変換部１４は、梁部１２ａ側から順に、第１電極（下部電極）１４ａ、圧電体層１４ｂ及び第２電極（上部電極）１４ｃを有している。要するに、圧電変換部１４は、圧電体層１４ｂと、この圧電体層１４ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極１４ａ及び第２電極１４ｃと、を備えている。
圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２の振動によって圧電変換部１４の圧電体層１４ｂが応力を受け、第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部１４において交流電圧が発生する。よって、圧電変換デバイス１は、圧電変換部１４が圧電材料の圧電効果を利用して交流電圧を発生する。圧電変換デバイス１は、振動型の発電デバイスとして用いることができる。
圧電体層１４ｂの平面形状は、矩形状に形成されている。圧電体層１４ｂの平面サイズは、第１電極１４ａよりも平面サイズがやや小さく、且つ、第２電極１４ｃの平面サイズよりもやや大きく設定してある。以下では、振動ブロック１２の厚み方向において第１電極１４ａと圧電体層１４ｂと第２電極１４ｃとが重なっている領域を、圧電変換領域という。
圧電変換デバイス１は、平面視で支持部１１ａと振動ブロック１２とを結ぶ方向において、圧電変換領域の支持部１１ａ側の端を、支持部１１ａと振動ブロック１２との境界（以下、「第１境界」という。）に揃えてある。これにより、圧電変換デバイス１は、圧電変換領域の支持部１１ａ側の端が第１境界よりも振動ブロック１２側にある場合に比べて、振動ブロック１２の振動時に応力が高くなる部分に存在する圧電変換領域の面積を大きくでき、圧電変換効率を向上させることが可能となる。
また、圧電変換デバイス１は、平面視で支持部１１ａと振動ブロック１２とを結ぶ方向において、圧電変換領域の錘部１２ｂ側の端を、梁部１２ａと錘部１２ｂとの境界（以下、「第２境界」という。）に揃えてある。これにより、圧電変換デバイス１は、圧電変換領域の錘部１２ｂ側の端が第２境界よりも梁部１２ａ側にある場合に比べて、振動ブロック１２の振動時に応力が高くなる部分に存在する圧電変換領域の面積を大きくでき、圧電変換効率を向上させることが可能となる。
圧電変換部１４で発生する交流電圧は、圧電体層１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。圧電変換デバイス１の圧電変換部１４は、流路１５を流体が流れることによって発生する自励振動を利用して発電することができる。圧電変換デバイス１の共振周波数は、振動ブロック１２の構造パラメータ及び材料等により決まる。
圧電変換デバイス１は、支持部１１ａに、第１電極１４ａに第１配線１６ａを介して電気的に接続された第１パッド１７ａと、第２電極１４ｃに第２配線１６ｃを介して電気的に接続された第２パッド１７ｃと、が設けられている。第１配線１６ａ、第２配線１６ｃ、第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。また、第１配線１６ａ、第２配線１６ｃ、第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃの材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。
また、第１配線１６ａ、第２配線１６ｃ、第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃは、単層構造の金属層により構成してあるが、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
また、圧電変換デバイス１は、第２配線１６ｃと第１電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層１９を設けてある。絶縁層１９は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
圧電体層１４ｂの圧電材料としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕ等）を添加したもの等でもよい。圧電変換デバイス１は、圧電体層１４ｂが、圧電薄膜により構成されている。
第１電極１４ａの材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒ等でもよい。また、第２電極１４ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。
圧電変換デバイス１は、第１電極１４ａの厚みを５００ｎｍ、圧電体層１４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極１４ｃの厚みを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
圧電変換デバイス１は、基板１０と第１電極１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層は、第１電極１４ａ上の圧電体層１４ｂの結晶性を向上させるために設ける層である。緩衝層の材料は、圧電体層１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体層１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3等を採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、圧電変換デバイス１は、緩衝層を設けることにより、圧電体層１４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。
圧電変換デバイス１の構成は、上述の例に限らず、例えば、圧電変換部１４における梁部１２ａの幅方向（図１（ａ）の上下方向）に沿った方向の幅寸法を小さくし、１つの梁部１２ａの一面側において複数の圧電変換部１４を上記幅方向に並設してもよい。この場合、圧電変換デバイス１は、複数の圧電変換部１４の直列回路の一端、他端を第１パッド１７ａ、第２パッド１７ｃそれぞれに電気的に接続するように構成することができる。
圧電変換デバイス１に製造方法については、以下に説明する。
圧電変換デバイス１の製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板１０（図２（ａ）参照）を準備し、その後、第１工程を行う。第１工程では、熱酸化法等を利用して、基板１０の上記一表面側、他表面側それぞれに、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１８ａ、１８ｂを形成する（図２（ｂ）参照）。第１工程では、絶縁膜１８ａ、１８ｂを形成する方法として熱酸化法を採用しているが、これに限らず、ＣＶＤ法等を採用してもよい。
第１工程の後には、第２工程、第３工程を順次行う。第２工程では、基板１０の上記一表面側の全面に、第１電極１４ａ及び第１配線１６ａの基礎となる第１導電層を形成する。第２工程において第１導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第３工程では、圧電体層１４ｂの基礎となる圧電材料層を形成する。第３工程において圧電材料層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法等を採用してもよい。
第３工程の後には、第４工程、第５工程を順次行う。第４工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、圧電材料層を圧電体層１４ｂの所定の形状にパターニングする。第５工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第１導電層を第１電極１４ａ及び第１配線１６ａの所定の形状にパターニングする。
第５工程の後には、第６工程、第７工程、第８工程を順次行う。第６工程では、基板１０の上記一表面側に絶縁層１９を形成する。第６工程では、リフトオフ法を利用して絶縁層１９を形成する。第６工程において絶縁層１９を形成する方法は、リフトオフ法に限らない。第７工程では、第２電極１４ｃ及び第２配線１６ｃの基礎となる第２導電層を、基板１０の上記一表面側の全面に形成する。第７工程において第２導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第８工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第２導電層を第２電極１４ｃ及び第２配線１６ｃの所定の形状にパターニングする（図２（ｃ）参照）。
第８工程の後には、第９工程、第１０工程を順次行う。第９工程では、第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃの基礎となる第３導電層を、基板１０の上記一表面側の全面に形成する。第９工程において第３導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第１０工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第３導電層を第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃの所定の形状にパターニングする。圧電変換デバイス１の製造方法では、第９工程と第１０工程とを順次行う代わりに、リフトオフ法を利用して第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃを形成してもよい。また、圧電変換デバイス１の製造方法では、第９工程と第１０工程とを順次行う代わりに、メタルマスク等を利用して蒸着法等により第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃを形成してもよい。
第１０工程の後には、第１１工程、第１２工程を順次行う。第１１工程では、基板１０の上記一表面側から、スリット１０ｄの形成予定領域を第１所定深さまでエッチングすることで第１溝１０ｈを形成する（図２（ｄ）参照）。スリット１０ｄの形成予定領域は、支持部１１ａ、対向部１１ｂ、各連結部１１ｃ、梁部１２ａ、錘部１２ｂ及び突出部１２ｃ以外の部位である。第１１工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、絶縁膜１８ａ及びシリコン層１０ｃをエッチングすることで第１溝１０ｈを形成する。第１１工程でのエッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングが好ましい。第１１工程では、基板１０の埋込酸化膜１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第１２工程では、基板１０の上記他表面側から、支持部１１ａ、対向部１１ｂ、各連結部１１ｃ及び錘部１２ｂ以外の部位を第２所定深さまでエッチングすることで第２溝１０ｉを形成する（図２（ｅ）参照）。第１２工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、絶縁膜１８ｂ及びシリコン基板１０ａをエッチングすることで第２溝１０ｉを形成する。第１２工程でのエッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングが好ましい。第１２工程では、基板１０の埋込酸化膜１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第１１工程と第１２工程との順番は、逆でもよい。
第１１工程、第１２工程の後、第１３工程を行う。第１３工程では、埋込酸化膜１０ｂのうち、スリット１０ｄの形成予定領域、梁部１２ａの形成予定領域及び突出部１２ｃの形成予定領域それぞれに存在している部分をエッチングすることで、スリット１０ｄ、梁部１２ａ及び突出部１２ｃを形成する（図２（ｆ）参照）。また、第１３工程では、埋込酸化膜１０ｂ及び絶縁膜１８ｂをエッチングする。圧電変換デバイス１の製造方法では、第１工程から第１３工程までの工程を行うことによって、圧電変換デバイス１を得る。
圧電変換デバイス１の製造にあたっては、第１３工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の圧電変換デバイス１に分割するようにしている。
圧電変換デバイス１の製造方法では、第１３工程で埋込酸化膜１０ｂをエッチングすることで振動ブロック１２を形成したときに、絶縁膜１８ａの内部応力である圧縮応力によって、振動ブロック１２を反らせることができる。圧電変換デバイス１の製造方法では、絶縁膜１８ａの形成時に絶縁膜１８ａのプロセス条件を適宜設定することによって、絶縁膜１８ａの内部応力を制御することが可能である。絶縁膜１８ａの内部応力は、例えば、絶縁膜１８ａを熱酸化法により形成する場合、酸化温度等のプロセス条件を適宜設定することによって制御することができる。また、絶縁膜１８ａの内部応力は、例えば、絶縁膜１８ａをスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧や、温度等のプロセス条件を適宜設定することによって制御することができる。
圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２に外部振動や流体等が作用していない初期状態において、振動ブロック１２が、突出部１２ｃの先端面１２ｃｃの法線が対向部１１ｂに交差しないように反っている。ここで、振動ブロック１２は、厚み方向の一面側が凹曲面状となり且つ他面側が凸曲面状となるように、反っている。
圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２を流体励起振動させたい場合、基板１０の上記一表面側が流体の上流側、基板１０の上記他表面側が流体の下流側となるように配置して使用する。要するに、圧電変換デバイス１は、対向部１１ｂの厚み方向の一面（図１（ｂ）の上面）側が流体の上流側、対向部１１ｂの厚み方向の他面（図１（ｂ）の下面）側が流体の下流側となるように配置して使用する。圧電変換デバイス１では、上流側から圧電変換デバイス１に向って流れる流体が流路１５を通る際に流速が速くなるので、錘部１２ｂと突出部１２ｃと対向部１１ｂとで囲まれた空間１０ｆの圧力が下がり、突出部１２ｃが対向部１１ｂに近づく向き（空間１０ｆ側）へ変位する。そして、この圧電変換デバイス１では、突出部１２ｃの厚み方向の両側の圧力差がなくなると、振動ブロック１２の弾性力によって振動ブロック１２が元の位置に戻ろうとする力が作用するものと推考される。圧電変換デバイス１は、このような動作が繰り返されることで振動ブロック１２が自励振動し、圧電変換部１４で交流電圧が発生することになると推考される。
以上説明した本実施形態の圧電変換デバイス１は、支持部１１ａと、支持部１１ａに対向する対向部１１ｂと、支持部１１ａと対向部１１ｂとの間にあり支持部１１ａに一端が固定され他端が対向部１１ｂから離れている振動ブロック１２と、を備えている。振動ブロック１２は、支持部１１ａよりも薄く支持部１１ａに揺動自在に支持された梁部１２ａと、梁部１２ａの先端に設けられ梁部１２ａよりも厚い錘部１２ｂと、錘部１２ｂにおける梁部１２ａ側とは反対側に突出し錘部１２ｂ及び対向部１１ｂよりも薄い突出部１２ｃと、梁部１２ａの振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１４と、を備える。振動ブロック１２は、突出部１２ｃの先端面１２ｃｃの法線が対向部１１ｂに交差しないように反っている。これにより、圧電変換デバイス１は、流体励起振動が可能で且つ流体励起振動時の圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。
ところで、本願発明者らは、鋭意研究の結果、圧電変換デバイス１の構造パラメータによっては低流速域において振動が励起されなかったり、流速の増加に伴う振幅の増加が飽和して圧電変換効率が飽和してしまうことがあるという知見を得た。
そこで、本願発明者らは、振動ブロック１２の構造パラメータとして、図３に示すように、振動ブロック１２が反っていない状態の平面視において、梁部１２ａの幅をＨａ、錘部１２ｂの幅をＨｂ、梁部１２ａの長さをＬａ、錘部１２ｂの長さをＬｂと規定した。そして、本願発明者らは、梁部１２ａの幅Ｈａと錘部１２ｂの幅Ｈｂとを同じとして、錘部１２ｂの長さＬｂを錘部１２ｂの長さＬｂと梁部１２ａの長さＬａとの和で除した値に１００を乗じた値（以下、「錘部１２ｂの割合Ｒ」という。）を異ならせた複数の圧電変換デバイス１を作製した。図４は、各圧電変換デバイス１それぞれについて、共振周波数及び流体励起振動の発生限界流速を測定した結果をまとめたものであり、共振周波数と流体励起振動の発生限界流速との関係を示している。流体励起振動の発生限界流速とは、振動ブロック１２の自励振動が発生しうる流速の下限値を意味する。
本願発明者らは、図４から、発生限界流速と共振周波数とが略比例関係にあり、より低流速で振動ブロック１２を振動させるには振動ブロック１２の共振周波数を低くする必要があるという知見を得た。
図５〜７は、錘部１２ｂの割合Ｒごとの圧電変換デバイス１の振動特性の測定結果を示す。図５〜７は、横軸が流体の流速、縦軸が振動ブロック１２の振幅である。錘部１２ｂの割合Ｒは、Ｌａ＝Ｌｂのとき、５０％となる。
図５の振動特性が得られた圧電変換デバイス１と、図６の振動特性が得られた圧電変換デバイス１とは、梁部１２ａの幅Ｈａ及び錘部１２ｂの幅Ｈｂを同じとし、錘部１２ｂの長さＬｂと梁部１２ａの長さＬａとの和が異なる。図６の振動特性が得られた圧電変換デバイス１は、図５の振動特性が得られた圧電変換デバイス１よりも、Ｌａ＋Ｌｂが大きい。また、図７の振動特性が得られた圧電変換デバイス１は、図６の振動特性が得られた圧電変換デバイス１よりも梁部１２ａの幅Ｈａ及び錘部１２ｂの幅Ｈｂが短く、図６の振動特性が得られた圧電変換デバイス１よりも、Ｌａ＋Ｌｂが大きい。
なお、図５において、Ｒ＝２０％、５０％それぞれの圧電変換デバイス１の振動ブロック１２の共振周波数は、それぞれ、２００Ｈｚ、１７０Ｈｚである。また、図６において、Ｒ＝８０％、５０％及び０％それぞれの圧電変換デバイス１の振動ブロック１２の共振周波数は、それぞれ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ及び３００Ｈｚである。また、図７において、Ｒ＝３５％、６５％それぞれの圧電変換デバイス１の振動ブロック１２の共振周波数は、それぞれ、８０Ｈｚ、８０Ｈｚである。
図５〜７から、錘部１２ｂの割合Ｒが５０％の圧電変換デバイス１では、流速の増加に伴って振動ブロック１２の振幅が大きくなる傾向にあるのに対して、割合Ｒが０％、２０％、３５％、６５％及び８０％それぞれの圧電変換デバイス１では、流速の増加に伴って振動ブロック１２の振幅が飽和する傾向にあることが分かる。この点について、本願発明者らは、割合Ｒが５０％の圧電変換デバイス１では、振動ブロック１２の復元力を発生する弾性部分となる梁部１２ａの面積と、流体の流れによる圧力を受ける振動ブロック１２全体の面積のバランスが取れるためであると考えた。
図８は、錘部１２ｂの割合Ｒと割合Ｒが５０％のときの共振周波数からの共振周波数の変化量との関係のシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、有限要素法を用いたモーダル解析（固有値解析）である。
図８は、Ｈａ＝Ｈｂ、且つ、Ｌａ＋Ｌｂ＝一定とした場合のシミュレーション結果である。図８から、圧電変換デバイス１は、Ｈａ＝Ｈｂ、且つ、Ｌａ＋Ｌｂ＝一定として錘部１２ｂの割合Ｒを５０％としたときに、共振周波数が最も低くなることが分かる。そして、上述のように、より低流速で振動ブロック１２を振動させるには、振動ブロック１２の共振周波数を低くする必要がある。要するに、圧電変換デバイス１は、Ｈａ＝Ｈｂ、且つ、Ｌａ＋Ｌｂ＝一定として錘部１２ｂの割合Ｒを５０％としたときに、Ｌａ＝Ｌｂとすれば、流体励起振動の発生限界流速を最も遅くすることが可能となる。また、図８からは、錘部１２ｂの割合Ｒを４０％以上６０％以下とすれば、共振周波数の変化量が２％以下、錘部１２ｂの質量の差が２０％程度、梁部１２ａの剛性の差が２０％程度であり、錘部１２ｂの割合Ｒが５０％のときと同程度の振動特性を期待できる。
以上の結果から、圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２の平面視形状が矩形状であり、梁部１２ａの幅Ｈａと錘部１２ｂの幅Ｈｂとが同じであり、錘部１２ｂの長さＬｂを錘部１２ｂの長さＬｂと梁部１２ａの長さＬａとの和で除した値が、０．４以上０．６以下であるのが好ましい。これにより、圧電変換デバイス１は、流体励起振動の発生限界流速の低速化を図ることが可能で、且つ、圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。
本実施形態の圧電変換デバイス１の第１変形例は、図９に示すように、対向部１１ｂに、突出部１２ｃと対向部１１ｂとの距離を長くする傾斜面１０ｅを設けてある点が図１の構成と相違する。対向部１１ｂは、支持部１１ａに対向する対向面と対向部１１ｂの厚み方向の上記一面との間に、傾斜面１０ｅを設けてある。これにより、第１変形例の圧電変換デバイス１では、対向部１１ｂに傾斜面１０ｅを設けてあるので、流体が流路１５をより効率良く流れるようにすることが可能となり、流体のエネルギから振動ブロック１２の振動エネルギへの変換効率を向上させることが可能となる。よって、第１変形例の圧電変換デバイス１は、流体エネルギから電気エネルギへの変換効率を向上させることが可能となる。
本実施形態の圧電変換デバイス１の第２変形例は、図１０に示すように、振動ブロック１２において、錘部１２ｂの厚み方向の両面のうち梁部１２ａから遠い面に、凹部１２ｂｂが形成されている点が図１の構成と相違する。これにより、第２変形例の圧電変換デバイス１では、図１の構成に比べて振動ブロック１２の固有振動数を高くすることが可能となり、より流速の速い流体エネルギに対応して振動することが可能となる。なお、凹部１２ｂｂの形状は、特に限定するものではない。また、凹部１２ｂｂの数は、１つに限定するものではなく、複数でもよい。
本願発明者らは、圧電変換デバイス１の第２変形例に関し、振動ブロック１２の構造パラメータとして、図１１に示すように、振動ブロック１２が反っていない状態の平面視において、梁部１２ａの幅をＨａ、錘部１２ｂの幅をＨｂ、梁部１２ａの長さをＬａ、錘部１２ｂの長さをＬｂと規定した。
図１２は、梁部１２ａの幅Ｈａ及び錘部１２ｂの幅Ｈｂを同じとし、錘部１２ｂの割合Ｒを５０％としたときの圧電変換デバイス１の第２変形例の振動特性の測定結果を示す。図１２は、横軸が流体の流速、縦軸が振動ブロック１２の振幅である。振動ブロック１２の共振周波数は、２７５Ｈｚである。図１２の振動特性が得られた圧電変換デバイス１の第２変形例は、図５の振動特性が得られた圧電変換デバイス１と梁部１２ａの幅Ｈａ及び錘部１２ｂの幅Ｈｂが同じで、Ｌａ＋Ｌｂも同じである。
第２変形例においても、実施形態１の圧電変換デバイス１と同様に、錘部１２ｂの割合Ｒを５０％とすることで、流速の増加に伴って振幅が増加する傾向にあることが分かる。図５〜７及び図１２の結果から、凹部１２ｂｂの有無により共振周波数及び流体励起振動の発生限界流速は変化するものの、錘部１２ｂの割合Ｒが５０％であれば、流速の増加に伴って振幅を増大させることが可能となり、圧電変換効率の向上を図れることが分かる。
なお、上述の図４〜７及び１２に示す測定結果を得た振動特性の評価に際しては、円筒状の風洞を用いた実験を行った。風洞は、内径が０．１ｍ、長さが２ｍである。実験では、風洞内において風洞の流出口近傍に、圧電変換デバイス１を配置し、風洞の流入口側からファンを用いて気流を流入させた。この実験では、圧電変換デバイス１を、支持部１１が、流れ場に対して垂直になるように固定し、レーザードップラー振動変位計により、振動ブロック１２の振幅を測定した。また、この実験では、ファンにより、流体の流速を変化させた。
第１変形例の圧電変換デバイス１は、錘部１２ｂに、第２変形例の圧電変換デバイス１の凹部１２ｂｂを設けてもよい。
圧電変換デバイス１は、発電デバイスとして用いる場合、例えば、アクチュエータや、センサ（温度センサ、加速度センサ、圧力センサ等）や、固体発光素子（発光ダイオード、半導体レーザ等）や、無線通信素子や、演算素子（例えば、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）等）等の電源として利用することができる。
（実施形態２）
以下では、本実施形態の圧電変換デバイス１について図１３に基づいて説明する。本実施形態の圧電変換デバイス１は、対向部１１ｂに、突出部１２ｃ（以下、「第１突出部１２ｃ」という。）側へ突出する第２突出部１３が設けられ、第２突出部１３が、第１突出部１２ｃとは反対側に反っている点等が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
以下では、本実施形態の圧電変換デバイス１について図１３に基づいて説明する。本実施形態の圧電変換デバイス１は、対向部１１ｂに、突出部１２ｃ（以下、「第１突出部１２ｃ」という。）側へ突出する第２突出部１３が設けられ、第２突出部１３が、第１突出部１２ｃとは反対側に反っている点等が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
本実施形態１の圧電変換デバイス１は、対向部１１ｂにおいてシリコン層１０ｃ上に形成されているのが、実施形態１で説明したシリコン酸化膜からなる絶縁膜１８ａではなく、シリコン窒化膜からなる絶縁膜１８ｃである。
第２突出部１３は、シリコン層１０ｃのうち第２突出部１３を構成する第１部位（以下、「第３シリコン層１０ｃｄ」という。）と、絶縁膜１８ｃのうち第３シリコン層１０ｃｄの厚み方向の一面側に形成された第３部位（以下、「第３絶縁膜１８ｃｃ」という。）と、で構成され、第３絶縁膜１８ｃｃの内部応力である引張応力によって反っている。絶縁膜１８ｃの内部応力は、例えば、絶縁膜１８ｃをスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧や、温度等のプロセス条件を適宜設定することによって制御することができる。
本実施形態の圧電変換デバイス１では、上述の第２突出部１３を備えていることにより、流体が流路１５をより効率良く流れやすくなり、流体のエネルギから振動ブロック１２の振動エネルギへの変換効率を向上させることが可能となる。よって、第１変形例の圧電変換デバイス１は、流体エネルギから電気エネルギへの変換効率を向上させることが可能となる。
本実施形態の圧電変換デバイス１は、錘部１２ｂに、実施形態１の第２変形例の圧電変換デバイス１の凹部１２ｂｂを設けてもよい。
（実施形態３）
以下では、本実施形態のフローセンサＡ１について図１４に基づいて説明する。
以下では、本実施形態のフローセンサＡ１について図１４に基づいて説明する。
フローセンサＡ１は、実施形態１の圧電変換デバイス１と、圧電変換デバイス１の圧電変換部１４から出力される電気信号を検知する検知部２とを備える。圧電変換部１４から出力される電気信号は、圧電変換部１４で発生する交流電圧である。
圧電変換部１４で発生する交流電圧は、振動ブロック１２の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。圧電変換デバイス１は、流路１５を通る流体の流れによって発生する突出部１２ｃの厚み方向の両側の圧力差と、振動ブロック１２の弾性とによって自励振動を発生させることができるので、流体の流速や流量に応じてピーク電圧の絶対値が変化する交流電圧を発生することが可能である。
検知部２において検知する電気信号としては、例えば、圧電変換部１４で発生する交流電圧のピーク値や周波数等がある。
検知部２は、例えば、圧電変換部１４から出力される交流電圧のピーク電圧の絶対値を検出するピークホールド回路（ピーク電圧検出回路）、ピークホールド回路を制御する制御回路等により構成することができる。ピークホールド回路は、整流回路、整流回路の出力の最大値をホールドするコンデンサ、コンデンサの保持している電荷を放電させるリセット回路、リセット回路を制御する制御部等を備えた構成とすることができる。
これにより、検知部２は、圧電変換部１４で発生している交流電圧のピーク電圧の絶対値を間欠的に検知することができる。ここで、検知部２は、例えば、制御部を、適宜のプログラムが搭載されたマイクロコンピュータ等により構成し、制御部が、圧電変換部１４で発生する交流電圧の絶対値と流速とを予め対応付けたテーブルを記憶したメモリを備えるようにしてもよい。
ここで、圧電変換部１４で発生する交流電圧のピーク値の絶対値は、流体の流速が増加するにしたがって増加する。図１５は、交流電圧のピーク値の絶対値からなる発生電圧と流速との相関例を示したものである。図１５では、３種類の圧電変換デバイス１それぞれの相関例Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を示してある。３種類の圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２の長さ寸法が同じで振動ブロック１２の幅寸法を異ならせてある。相対的には、相関例Ｆ１が、振動ブロック１２の幅寸法が小さい場合、相関例Ｆ３が、振動ブロック１２の幅寸法が大きい場合、相関例Ｆ２が、振動ブロック１２の幅寸法が、相関例Ｆ１と相関例Ｆ３との中間の場合である。図１５から分かるように、圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２の幅寸法を大きくすれば、自励振動を開始する流速が大きくなるが、流速の増加にしたがって発生電圧が緩やかに増加する傾向がある。よって、圧電変換デバイス１は、比較的広い流速域で流速を検知するフローセンサＡ１に使用することが可能となる。一方、圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２の幅寸法を小さくすれば、自励振動を開始する流速が小さくなり、流速の増加にしたがって発生電圧が急峻に増加する傾向にある。よって、圧電変換デバイス１は、比較的狭い流速域で流速を検知するフローセンサＡ１に使用することが可能となる。また、圧電変換デバイス１は、振動ブロック１２の幅寸法を小さくすれば、発生電圧が飽和する流速が比較的低いので、安定した発生電圧を維持したい場合の発電用途に適していると考えられる。
また、圧電変換部１４で発生する交流電圧の周波数は、図１６に示すように、流体の流速が増加するにしたがって減少する。これは、流体の流速が増加すると、振動ブロック１２の一面側の圧力が増加し、振動ブロック１２の振動する周波数が低下するためであると推考される。流速と周波数との関係は、ほぼ線形である。なお、圧電変換部１４で発生する交流電圧の周波数は、例えば、電圧−周波数変換回路により検出することができる。この場合、検知部２は、上述の制御部が、圧電変換部１４で発生する交流電圧の周波数と流速とを予め対応付けたテーブル（例えば、図１６のデータ）を記憶したメモリを備えるようにしてもよい。
以上説明したフローセンサＡ１は、流体を受けて自励振動する振動ブロック１２に圧電変換部１４が設けられた圧電変換デバイス１と、圧電変換部１４から出力される電気信号を検知する検知部２とを備えている。このフローセンサＡ１では、流体をセンシングするための圧電変換部１４に電力を供給する必要がないので、特許文献２に記載された熱式フローセンサに比べて低消費電力化を図ることが可能となる。また、このフローセンサＡ１では、流体を受けて自励振動する振動ブロック１２に圧電変換部１４が設けられた圧電変換デバイス１を備えているので、特許文献３に記載された発電手段に比べて、小型化を図ることが可能となる。これらにより、フローセンサＡ１は、低消費電力化及び小型化を図ることが可能となる。また、フローセンサＡ１は、低消費電力化を図れることで、メンテナンスの頻度及びコストを低減することが可能となる。
また、フローセンサＡ１は、圧電変換デバイス１において、流路１５を通過する流体のエネルギを高効率で振動ブロック１２の振動エネルギに変換することが可能となる。よって、フローセンサＡ１は、流体の流速や流量の検知精度を向上させることが可能となる。
フローセンサＡ１は、図１７に示す第１変形例のように、検知部２での検知結果を含む無線信号の送信を間欠的に行う無線送信部６を備えている構成としてもよい。これにより、フローセンサＡ１は、検知部２の検知結果を含む無線信号を間欠的に送信することが可能となる。よって、フローセンサＡ１は、設置場所の自由度が高くなり、汎用性を高めることが可能となる。また、複数のフローセンサＡ１を利用した気流センサでは、複数のフローセンサＡ１を適宜配置することで、気流状態の分布を調べることも可能となる。なお、無線送信部６の無線通信規格としては、例えば、EnOcean（登録商標）、Zigbee（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、特定小電力無線、微弱無線、Wi-Fi（登録商標）、UWB（Ultra Wide Band）等を採用することができるが、特に限定するものではない。
図１８は、フローセンサＡ１を用いた空調管理システムの概略構成図である。この空調管理システムにおけるフローセンサＡ１は、圧電変換デバイス１で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部５と、切替回路９と、を備えている。
切替回路９は、圧電変換部１４と蓄電部５とを電気的に接続する第１状態と、圧電変換部１４と検知部２とを電気的に接続する第２状態とを切り替え可能に構成されている。見方を変えれば、圧電変換部１４は、圧電変換部１４と蓄電部５とを電気的に接続する第１状態と、圧電変換部１４と検知部２とを電気的に接続する第２状態と、を切り替える切替回路９に接続されている。また、検知部２及び無線送信部６は、蓄電部５を電源として動作可能である。
フローセンサＡ１は、蓄電部５から検知部２及び無線送信部６への電力供給路に設けられたスイッチング素子８と、蓄電部５の蓄電量を監視する蓄電量監視部７とを備えているのが好ましい。スイッチング素子８は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等により構成することができる。蓄電量監視部７は、蓄電部５の出力端間の電圧を蓄電量として監視し、蓄電量と予め設定した規定値との比較結果に基づいてスイッチング素子８をオンオフする機能を有している。例えば、蓄電量監視部７は、蓄電部５の蓄電量が検知部２及び無線送信部６の駆動のために予め設定した上記規定量に到達すると、スイッチング素子８をオンさせ、上記規定量よりも低下すると、スイッチング素子８をオフさせる。これにより、検知部２及び無線送信部６は、蓄電部５から間欠的に電力供給され、駆動される。
切替回路９は、例えば、蓄電量監視部７がオン、オフを制御するようにすればよい。ここで、蓄電量監視部７は、蓄電部５の蓄電量が上記規定値に到達したときに切替回路９を第１状態から第２状態へ切り替えるようにすればよい。
フローセンサＡ１は、切替回路９を備えていることにより、蓄電部５の充電毎に蓄電部５の蓄電量が上記規定値に達するまでの時間を短縮することが可能となる。
蓄電部５は、例えば、圧電変換デバイス１で発生する交流電圧を整流するダイオードブリッジからなる全波整流回路と、全波整流回路の出力端間に接続されたコンデンサとで構成することができる。この場合、フローセンサＡ１は、圧電変換デバイス１の一方の出力端を、全波整流回路の一方の入力端に接続し、圧電変換デバイス１の他方の出力端を、全波整流回路の他方の入力端に接続し、コンデンサの両端間に検知部２や無線送信部６を接続すればよい。
蓄電部５は、例えば、両波倍電圧整流回路により構成することもできる。両波倍電圧整流回路は、例えば、２個のダイオードの直列回路と２個のコンデンサの直列回路とが並列接続された構成を採用することができる。要するに、両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードと２個のコンデンサとがブリッジ接続されている構成を採用することができる。蓄電部５が両波倍電圧整流回路の場合、フローセンサＡ１は、圧電変換デバイス１の一方の出力端を、２個のダイオードの直列回路における両ダイオードの接続点に接続し、圧電変換デバイス１の他方の出力端を、２個のコンデンサの直列回路における両コンデンサの接続点に接続すればよい。そして、フローセンサＡ１は、２個のコンデンサの直列回路の両端間に、検知部２や無線送信部６を接続すればよい。
空調管理システムは、フローセンサＡ１と、空調機Ａ２とを備えている。フローセンサＡ１は、空調機Ａ２の給気ダクト（図示せず）もしくは排気ダクト（図示せず）の内部に配置されている。
空調機Ａ２は、無線送信部６からの無線信号を受信する無線受信部７１と、無線受信部７１で受信した無線信号に基づいて流体の流量もしくは流速が目標値となるようにファン７４の運転状態を制御する制御部７２と、を備える。これにより、空調管理システムは、低消費電力化及び小型化が可能なフローセンサＡ１を備えているので、空調管理システム全体の低消費電力化を図ることが可能となる。
空調機Ａ２は、ファン７４を回転させるモータ７３と、運転スイッチ７５と、モータ７３を制御することでファン７４の運転状態を制御する制御部７２と、リモートコントローラからのリモコン信号等に基づいて流量や流速の目標値を設定する設定部７６と、を備えている。空調機Ａ２は、運転スイッチ７５をオンさせることにより、制御部７２がモータ７３を駆動してファン７４を回転させる。制御部７２は、設定部７６により設定された流量もしくは流速の目標値となるようにモータ７３の回転速度をフィードバック制御する。これにより、空調管理システムは、省エネルギ化を図ることが可能となる。なお、制御部７２は、例えば、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータ等からなる制御回路、モータ７３を駆動する駆動回路等を備えた構成とすればよい。
本実施形態のフローセンサＡ１の第２変形例は、図１９に示すように、圧電変換デバイス１の構成が相違するだけである。第２変形例のフローセンサＡ１における圧電変換デバイス１は、圧電変換部１４として、第１圧電変換部１４１と、第２圧電変換部１４２と、を備えている。第１圧電変換部１４１は、蓄電部５に接続されている。第２圧電変換部１４２は、検知部２に接続されている。
圧電変換デバイス１は、実施形態１で説明した圧電変換デバイス１において、梁部１２ａの幅方向に沿って２つの圧電変換部１４を並設してあり、各圧電変換部１４ごとに第１パッド１７ａ、１７ｃを設けた構成を採用することができる。この場合には、一方の圧電変換部１４を第１圧電変換部１４１、他方の圧電変換部１４を第２圧電変換部１４２とすればよい。
第２変形例のフローセンサＡ１は、蓄電部５に接続された第１圧電変換部１４１と、検知部２に接続された第２圧電変換部１４２と、を備えるので、簡単な回路構成で圧電変換部１４から出力される電気信号を検知部２で検知することが可能となる。
なお、圧電変換部１４の数は、２つに限らず、３つ以上でもよく、少なくとも、第１圧電変換部１４１と第２圧電変換部１４２とを１つずつ備えていればよい。また、フローセンサＡ１は、圧電変換部１４を１つだけ備えた圧電変換デバイス１を２つ並べて設けた構成としてもよい。
上述の実施形態１、２等において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。
以上、本願発明の構成を、実施形態１〜３等に基いて説明したが、本願発明は、実施形態１〜３の構成に限らず、例えば、実施形態１〜３等の部分的な構成を、適宜組み合わせてある構成であってもよい。また、実施形態１〜３に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。
１ 圧電変換デバイス
２ 検知部
５ 蓄電部
６ 無線送信部
９ 切替回路
１０ｃａ 第１シリコン層
１０ｃｃ 第２シリコン層
１０ｃｄ 第３シリコン層
１０ｅ 傾斜面
１１ａ 支持部
１１ｂ 対向部
１２ 振動ブロック
１２ａ 梁部
１２ｂ 錘部
１２ｂｂ 凹部
１２ｃ 突出部（第１突出部）
１２ｃｃ 先端面
１３ 第２突出部
１４ 圧電変換部
１８ａａ 第１絶縁膜
１８ａｃ 第２絶縁膜
１８ｃｃ 第３絶縁膜
Ａ１ フローセンサ
２ 検知部
５ 蓄電部
６ 無線送信部
９ 切替回路
１０ｃａ 第１シリコン層
１０ｃｃ 第２シリコン層
１０ｃｄ 第３シリコン層
１０ｅ 傾斜面
１１ａ 支持部
１１ｂ 対向部
１２ 振動ブロック
１２ａ 梁部
１２ｂ 錘部
１２ｂｂ 凹部
１２ｃ 突出部（第１突出部）
１２ｃｃ 先端面
１３ 第２突出部
１４ 圧電変換部
１８ａａ 第１絶縁膜
１８ａｃ 第２絶縁膜
１８ｃｃ 第３絶縁膜
Ａ１ フローセンサ
Claims (11)
- 支持部と、前記支持部に対向する対向部と、前記支持部と前記対向部との間にあり前記支持部に一端が固定され他端が前記対向部から離れている振動ブロックと、を備え、前記振動ブロックは、前記支持部よりも薄く前記支持部に揺動自在に支持された梁部と、前記梁部の先端に設けられ前記梁部よりも厚い錘部と、前記錘部における前記梁部側とは反対側に突出し前記錘部及び前記対向部よりも薄い突出部と、前記梁部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部と、を備え、前記突出部の先端面の法線が前記対向部に交差しないように反っていることを特徴とする圧電変換デバイス。
- 前記突出部の固有振動数が前記振動ブロックの固有振動数よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の圧電変換デバイス。
- 前記対向部は、前記支持部に対向する対向面と前記対向部の厚み方向の一面との間に、前記突出部と前記対向部との距離を長くする傾斜面を設けてあることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電変換デバイス。
- 前記対向部に、前記突出部である第１突出部側へ突出する第２突出部が設けられ、前記第２突出部は、前記第１突出部とは反対側に反っていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電変換デバイス。
- 前記振動ブロックは、前記錘部の厚み方向の両面のうち前記梁部から遠い面に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電変換デバイス。
- 前記梁部は、第１シリコン層と、前記第１シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第１絶縁膜と、で構成され、前記第１絶縁膜の圧縮応力によって反っており、前記突出部は、第２シリコン層と、前記第２シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第２絶縁膜と、で構成され、前記第２絶縁膜の圧縮応力によって反っていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電変換デバイス。
- 前記梁部は、第１シリコン層と、前記第１シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第１絶縁膜と、で構成され、前記第１絶縁膜の圧縮応力によって反っており、前記第１突出部は、第２シリコン層と、前記第２シリコン層の厚み方向の一面側に形成され圧縮応力を有する第２絶縁膜と、で構成され、前記第２絶縁膜の圧縮応力によって反っており、前記第２突出部は、第３シリコン層と、前記第３シリコン層の厚み方向の一面側に形成され引張応力を有する第３絶縁膜と、で構成され、前記第３絶縁膜の引張応力によって反っていることを特徴とする請求項４記載の圧電変換デバイス。
- 前記振動ブロックの平面視形状が矩形状であり、前記梁部の幅と前記錘部の幅とが同じであり、前記錘部の長さを前記錘部の長さと前記梁部の長さとの和で除した値が、０．４以上０．６以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電変換デバイス。
- 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電変換デバイスと、前記圧電変換部で発生する交流電圧を検知する検知部とを備えることを特徴とするフローセンサ。
- 前記検知部での検知結果を含む無線信号の送信を間欠的に行う無線送信部を備えることを特徴とする請求項９記載のフローセンサ。
- 前記圧電変換部で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部と、切替回路とを備え、前記切替回路は、前記圧電変換部と前記蓄電部とを電気的に接続する第１状態と、前記圧電変換部と前記検知部とを電気的に接続する第２状態とを切り替えるように構成され、前記検知部及び前記無線送信部は、前記蓄電部を電源として動作可能であることを特徴とする請求項１０記載のフローセンサ。
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