JP2015018830A - 発電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の向上を図ることが可能な発電デバイスを提供する。
【解決手段】発電デバイス１ａは、枠状の支持部２１、支持部２１の内側に配置された錘部２３及び支持部２１と錘部２３とを繋いだ梁部２２を有する基板２０と、基板２０の第１面２０１側で梁部２２に形成された圧電変換部２４と、を備える。基板２０は、複数の梁部２２を備え、複数の梁部２２が規定方向で錘部２３を挟んで配置されている。複数の梁部２２は、錘部２３の振動に伴って変形するように構成され、且つ、湾曲した形状に形成されている。圧電変換部２４は、第１電極２４ａ、第１電極２４ａに対向する第２電極２４ｃ、及び第１電極２４ａと第２電極２４ｃとの間にある圧電体層２４ｂを有する。圧電変換部２４は、梁部２２に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動式の発電デバイスに関するものである。

近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイスは、環境発電（エナジーハーべスティング）等の分野で注目され、各所で研究開発されている。この種の発電デバイスは、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスの一種として、車の振動や人の動きによる振動などの任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電変換部を備えた発電デバイスが各所で研究開発されている。

また、従来から、圧電素子を具備する電気機械変換装置としては、図３に示す構成の電気機械変換装置１０１が提案されている（特許文献１）。

電気機械変換装置１０１は、圧電素子１０２と、圧電素子１０２を支持する支持体１０４と、を有している。圧電素子１０２は、基板１０５上に、第１電極１１４と、圧電膜１１５と、第２電極１１６とが積層されてなる積層部１０３を有している。また、圧電素子１０２は、一端が固定された片持ち梁形状の振動片として構成されている。圧電素子１０２は、初期静止状態において、第２電極１１６側で凹をなす湾曲面形状という特有の形状を有している。

電気機械変換装置１０１は、支持体１０４が開口部１０６を有し、開口部１０６の開口周縁１０６ａから開口部１０６に向けて圧電素子１０２が突出形成された構成を有している。

電気機械変換装置１０１は、圧電素子１０２の基板１０５が、支持体１０４と一体に形成されている。

電気機械変換装置１０１は、支持体１０４及び基板１０５が、Ｓｉからなる共通の基体１１１から形成されており、支持体１０４及び基板１０５の上面に酸化膜１１２が形成され、支持体１０４の下面に酸化膜１１３が形成されている。

電気機械変換装置１０１は、第１電極１１４が、外部との電気的接合のための接続部（図示せず）を有して形成されている。また、電気機械変換装置１０１は、第２電極接続部１１６ｂに電気的に接続される配線膜１１９を有し、配線膜１１９の、外部との電気的接合に用いられる接続部が、ワイヤボンディングによって接続を図ることができるように形成されている。

また、電気機械変換装置１０１は、配線膜１１９の、第１電極１１４との接触による短絡と、圧電膜１１５の端部における段差による配線膜１１９自身の断線を回避するための、レジスト１１８が形成されている。

特開２００５−３３１４８５号公報

本願発明者らは、上述の電気機械変換装置１０１を発電デバイスとして用いることを考えた。

しかしながら、電気機械変換装置１０１では、例えば、圧電素子１０２の厚み方向に加わる振動に対して発電を行う場合、空気抵抗に起因する振動の減衰が大きくなりがちであった。また、電気機械変換装置１０１では、圧電素子の長手方向に振動が加わった場合にはそもそも発電ができず、結果として発電効率の低下を招いてしまう。

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、発電効率の向上を図ることが可能な発電デバイスを提供することにある。

本発明の発電デバイスは、枠状の支持部、前記支持部の内側に配置された錘部及び前記支持部と前記錘部とを繋いだ梁部を有する基板と、前記基板の第１面側で前記梁部に形成された圧電変換部と、を備え、前記基板は、複数の前記梁部を備え、前記複数の前記梁部が規定方向で前記錘部を挟んで配置されており、前記複数の前記梁部は、前記錘部の振動に伴って変形するように構成され、且つ、湾曲した形状に形成され、前記圧電変換部は、第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１電極と前記第２電極との間にある圧電体層を有し、前記複数の前記梁部のうちの少なくとも１つの梁部に形成されていることを特徴とする。

この発電デバイスにおいては、前記規定方向における前記錘部の一方側に配置された前記梁部の数と他方側に配置された前記梁部の数とが等しいことが好ましい。

この発電デバイスにおいては、前記基板は、前記規定方向における前記錘部の両側に前記梁部を１つずつ備え、前記圧電変換部は、各前記梁部に１つずつ形成され、
前記錘部に、各前記圧電変換部の前記第１電極どうし若しくは前記第２電極どうしを電気的に接続する配線層が設けられていることが好ましい。

この発電デバイスにおいては、前記基板は、金属により形成されていることが好ましい。

本発明の発電デバイスは、発電効率の向上を図ることが可能となる。

図１（ａ）は、実施形態１の発電デバイスの概略平面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。 図２（ａ）は、実施形態２の発電デバイスの概略平面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。 図３（ａ）は、従来例の電気機械変換装置を示す概略斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＹ−Ｙ’概略断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）のＸ−Ｘ’概略断面図である。

（実施形態１）
以下では、本実施形態の発電デバイス１ａについて図１（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。

発電デバイス１ａは、枠状の支持部２１、支持部２１の内側に配置された錘部２３及び支持部２１と錘部２３とを繋いだ梁部２２を有する基板２０と、基板２０の第１面２０１側で梁部２２に形成された圧電変換部２４と、を備える。基板２０は、複数の梁部２２を備え、複数の梁部２２が規定方向（図１（ａ）の左右方向）で錘部２３を挟んで配置されている。複数の梁部２２は、錘部２３の振動に伴って変形するように構成され、且つ、湾曲した形状に形成されている。圧電変換部２４は、第１電極２４ａ、第１電極２４ａに対向する第２電極２４ｃ、及び第１電極２４ａと第２電極２４ｃとの間にある圧電体層２４ｂを有する。圧電変換部２４は、梁部２２に形成されている。発電デバイス１ａは、発電効率の向上を図ることが可能となる。

発電デバイス１ａは、基板２０の第１面２０１側で支持部２１に形成された第１パッド２７ａ及び第２パッド２７ｃを備えている。第１パッド２７ａは、第１配線２６ａを介して第１電極２４ａと電気的に接続されている。第２パッド２７ｃは、第２配線２６ｃを介して第２電極２４ｃと電気的に接続されている。

また、発電デバイス１ａは、第２配線２６ｃと第１電極２４ａとの短絡を防止する絶縁層２５を設けてある。

発電デバイス１ａの各構成要素については、以下に詳細に説明する。

発電デバイス１ａは、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造されている。

発電デバイス１ａは、基板２０が、基材２０ａから形成されている。基材２０ａとしては、主表面が（１００）面のシリコン基板を採用している。これにより、基板２０の第１面２０１のうち支持部２１及び錘部２３それぞれに対応する表面は、（１００）面となっている。基材２０ａとしては、主表面が（１００）面のシリコン基板を採用しているが、これに限らず、例えば、主表面が（１１０）面のシリコン基板でもよい。基板２０は、第１面２０１側に梁部２２が形成されている。発電デバイス１ａにおける梁部２２は、支持部２１に比べて厚み寸法が小さく、可撓性を有している。梁部２２は、弾性を有している。梁部２２は、支持部２１に揺動自在に支持されている。

発電デバイス１ａは、基板２０と圧電変換部２４とが、基板２０の第１面２０１側に形成された第１絶縁膜２９ａによって、電気的に絶縁されている。第１絶縁膜２９ａは、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。発電デバイス１ａは、基板２０の厚み方向の第２面２０２側に、シリコン酸化膜からなる第２絶縁膜２９ｂを備えている。第１絶縁膜２９ａ及び第２絶縁膜２９ｂは、例えば、熱酸化法により形成することができる。第１絶縁膜２９ａ及び第２絶縁膜２９ｂの形成方法は、熱酸化法に限らず、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等でもよい。第１絶縁膜２９ａ及び第２絶縁膜２９ｂは、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜や、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜、等により構成してもよい。

基材２０ａは、単結晶のシリコン基板に限らず、例えば、多結晶のシリコン基板、単結晶のシリコン基板上のシリコン酸化膜上に単結晶のシリコン層が形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。金属板の材料としては、例えば、チタン、ステンレス鋼等を採用することができる。発電デバイス１ａは、基材２０ａとして金属板を採用した場合、梁部２２が金属により形成されているので、梁部２２に、より大きなひずみを発生させることが可能となる。発電デバイス１ａは、基材２０ａとして、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板等の、電気絶縁性を有する絶縁性基板を用いる場合、第１絶縁膜２９ａ及び第２絶縁膜２９ｂを必ずしも設ける必要はない。

支持部２１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、支持部２１は、外周形状が矩形状であるのが好ましい。これにより、発電デバイス１ａは、製造時に、基材２０ａの基礎となるウェハを準備し、このウェハから多数の発電デバイス１ａを形成する前工程を行い、後工程において個々の発電デバイス１ａに分離するような製造方法を採用する場合に、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。基材２０ａがシリコン基板の場合には、ウェハとして、シリコンウェハを準備すればよい。

また、支持部２１は、外周形状が矩形状であることが好ましいが、内周形状については矩形状に限らず、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。また、支持部２１の外周形状は矩形状以外の形状でもよい。

錘部２３は、支持部２１の内側面から離れて配置されている。発電デバイス１ａは、錘部２３の平面視形状が矩形状であり、錘部２３の４つの側面の全てが支持部２１から離れて位置している。要するに、錘部２３は、支持部２１と空間的に分離されている。梁部２２は、基板２０の第１面２０１側において、錘部２３と支持部２１とを繋ぐように配置されている。

梁部２２の平面視形状は、錘部２３側を上底、支持部２１側を下底とする台形状であるが、これに限らず、矩形状でもよい。各梁部２２の長さは、同じ値に設定することが好ましい。梁部２２の長さは、梁部２２の軸線に沿った方向の長さである。各梁部２２は、支持部２１から離れて錘部２３に近づくにつれて幅寸法が徐々に小さくなる梁状に形成されているが、これに限らず、幅寸法が一様な梁状に形成してもよい。

梁部２２は、軸線を含む断面形状が湾曲した形状となるように形成されている。つまり、梁部２２は、幅方向に直交する断面形状が湾曲した形状となるように形成されている。言い換えれば、梁部２２は側面視形状が、湾曲した形状となるように形成されている。これにより、錘部２３は、湾曲構造を有する２つの梁部２２を介して支持部２１に支持されている。梁部２２は、第１面２２１が凸曲面で、第２面２２２が凹曲面の、湾曲した形状に形成されている。梁部２２は、第１面２２１が凹曲面で、第２面２２２が凸曲面の、湾曲した形状に形成されていてもよい。湾曲した形状の梁部２２は、例えば、グレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成することができる。また、湾曲した形状の梁部２２は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成した平坦な梁部に対して圧電変換部２４によって応力を加えることで形成することができる。また、湾曲した形状の梁部２２は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成した平坦な梁部に対して別途の応力制御膜を設けることによっても形成することができる。この場合は、圧電体層２４ｂの構造を維持したまま梁部２２の湾曲した形状を制御することが可能となる。

発電デバイス１ａは、平面視において、２つの梁部２２が上記規定方向で錘部２３を挟んで配置されている。要するに、発電デバイス１ａは、平面視において、錘部２３の、上記規定方向に直交する２辺それぞれの縁に、梁部２２が１つずつ配置されている。

上述の説明から分かるように、発電デバイス１ａは、枠状の支持部２１の内側に配置された錘部２３が、錘部２３を挟んで配置された一対の梁部２２、２２により支持部２１に両持ち支持されている。発電デバイス１ａは、錘部２３と各梁部２２とで構成される可動部が、平面視において支持部２１の内側に配置されている。発電デバイス１ａは、基板２０に、基板２０の厚み方向に貫通するスリット２０ｄを形成することによって、可動部における支持部２１との連結部位以外の部分が、支持部２１と分離されている。発電デバイス１ａは、２つのスリット２０ｄが形成されている。スリット２０ｄの数や形状は、梁部２２の数や可動部の形状等によって適宜変更すればよい。

発電デバイス１ａは、上記規定方向における錘部２３の一方側に配置された梁部２２の数と他方側に配置された梁部２２の数とが等しいことが好ましい。これにより、発電デバイス１ａは、外力が作用していない初期状態において錘部２３が傾くのを抑制することが可能となる。また、発電デバイス１ａは、上記規定方向における錘部２３の一方側に配置された梁部２２の数と他方側に配置された梁部２２の数とが等しいほうが、錘部２３の振動が、より安定し、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。

発電デバイス１ａは、複数の梁部２２の各々に圧電変換部２４が形成されている。発電デバイス１ａは、圧電変換部２４が、複数の梁部２２のうちの少なくとも１つの梁部２２に形成されていればよいが、全ての梁部２２に圧電変換部２４が形成されているほうが、発電量を大きくすることが可能となるので、好ましい。

発電デバイス１ａは、支持部２１の厚み寸法（図１（ｂ）の上下方向の寸法）と錘部２３の厚み寸法（図１（ｂ）の上下方向の寸法）とを同じ値に設定してあるが、これに限らず、例えば、支持部２１の厚み寸法に比べて錘部２３の厚み寸法を小さな値としてもよい。支持部２１及び錘部２３の厚み寸法は、例えば、１００〜１０００μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。

圧電変換部２４の幅寸法（図１（ａ）の上下方向の寸法）は、発電デバイス１ａの製造プロセスの観点から、梁部２２の幅寸法（図１（ａ）の上下方向の寸法）よりもやや短い寸法に設定してある。ここで、圧電変換部２４は、平面視形状が梁部２２よりもやや小さな台形状に形成されており、支持部２１から離れて錘部２３に近づくにつれて幅寸法が徐々に小さくなっている。圧電変換部２４の幅寸法は、発電に寄与する領域の面積を大きくする観点から、梁部２２の幅寸法に近い値が好ましい。圧電変換部２４の平面視形状は、台形状に限らず、例えば矩形状でもよい。

圧電変換部２４は、梁部２２の厚み方向の第１面２２１側に設けられている。圧電変換部２４は、梁部２２の第１面２２１側に設けられた第１電極（下部電極）２４ａと、第１電極２４ａ上に設けられた圧電体層２４ｂと、圧電体層２４ｂ上に設けられた第２電極（上部電極）２４ｃと、を備えている。要するに、圧電変換部２４は、圧電体層２４ｂと、圧電体層２４ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極２４ａ及び第２電極２４ｃを備えている。

発電デバイス１ａは、圧電変換部２４が、梁部２２の第１面２２１を面状に覆うように形成されている。面状に覆うとは、梁部２２の第１面２２１の略全面を覆うことを意味するが、第１面２２１の全面を覆う場合に限らず、図１（ａ）に示すように、第１面２２１の全面よりもやや狭い領域の全体を覆う場合が好ましい。発電デバイス１ａは、圧電変換部２４が、梁部２２の側縁付近で、梁部２２の側縁から規定距離だけ離れて位置するように配置されている。規定距離は、例えば、発電デバイス１ａの製造時においてスリット２０ｄを形成する際に、圧電変換部２４がエッチングされないように設定するのが好ましい。

発電デバイス１ａは、錘部２３の振動によって圧電変換部２４の圧電体層２４ｂが応力を受け第２電極２４ｃと第１電極２４ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部２４において交流電圧が発生する。要するに、発電デバイス１ａは、圧電変換部２４が圧電材料の圧電効果を利用して発電することができる。

圧電変換部２４は、圧電体層２４ｂの外形サイズが、第１電極２４ａの外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極２４ｃの外形サイズよりもやや大きいのが好ましい。要するに、圧電変換部２４は、第１電極２４ａの外形サイズが最も大きく、圧電体層２４ｂの外形サイズが２番目に大きく、第２電極２４ｃの外形サイズが最も小さくなるように設計してあるのが好ましい。圧電変換部２４は、平面視において、第１電極２４ａの外周線の内側に圧電体層２４ｂが位置し、圧電体層２４ｂの外周線の内側に第２電極２４ｃが位置しているのが好ましい。

以下では、梁部２２の厚み方向において第１電極２４ａと圧電体層２４ｂと第２電極２４ｃとが重なっている領域を、圧電変換領域２４１と称する。圧電変換部２４は、圧電変換領域２４１が、交流電圧の発生に寄与する。

発電デバイス１ａは、梁部２２の長さ方向（梁部２２の軸線に沿った方向）において、圧電変換領域２４１の支持部２１側の端を、梁部２２と支持部２１との境界（以下、「第１境界」という。）に揃えてあるのが好ましい。圧電変換領域２４１の支持部２１側の端を、第１境界に揃えることは、第１境界に略一致させることを意味する。これにより、発電デバイス１ａは、梁部２２の長さ方向において、圧電変換領域２４１の支持部２１側の端が第１境界よりも梁部２２側にある場合に比べて、梁部２２上に存在する圧電変換領域２４１の面積を大きくでき、発電効率を向上させることが可能となる。また、発電デバイス１ａは、圧電変換領域２４１の支持部２１側の端が第１境界よりも支持部２１側にある場合に比べて、圧電変換領域２４１のうち発電に寄与せず寄生容量となってしまう部分を低減でき、発電効率を向上させることが可能となる。

発電デバイス１ａは、梁部２２の長さ方向において、圧電変換領域２４１の錘部２３側の端を、梁部２２と錘部２３との境界（以下、「第２境界」という。）に揃えてあるのが好ましい。圧電変換領域２４１の錘部２３側の端を、第２境界に揃えることは、第２境界に略一致させることを意味する。これにより、発電デバイス１ａは、梁部２２の長さ方向において、圧電変換領域２４１の錘部２３側の端が第２境界よりも梁部２２側にある場合に比べて、梁部２２上に存在する圧電変換領域２４１の面積を大きくでき、発電効率を向上させることが可能となる。また、発電デバイス１ａは、圧電変換領域２４１の錘部２３側の端が第２境界よりも錘部２３側にある場合に比べて、圧電変換領域２４１のうち発電に寄与せず寄生容量となってしまう部分を低減でき、発電効率を向上させることが可能となる。

圧電体層２４ｂ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（Ｋ_0.5Ｎａ_0.5ＮｂＯ₃）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。なお、発電デバイス１ａは、圧電体層２４ｂが、圧電材料により形成された圧電薄膜により構成されている。

第１電極２４ａ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２４ｃ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。

発電デバイス１ａは、第１電極２４ａの厚みを５００ｎｍ、圧電体層２４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極２４ｃ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。例えば、発電デバイス１ａは、第１電極２４ａの厚みを１００ｎｍ、圧電体層２４ｂの厚みを６００ｎｍ、第２電極２４ｃの厚みを１００ｎｍに設定してもよい。

発電デバイス１ａは、基板２０と第１電極２４ａ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２４ａ上の圧電体層２４ｂ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２４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体層２４ｂ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。発電デバイス１ａは、緩衝層を設けることにより、圧電体層２４ｂの結晶性を向上させることが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。

発電デバイス１ａは、支持部２１に、第１パッド２７ａと、第２パッド２７ｃと、が設けられている。第１パッド２７ａは、第１配線２６ａを介して、第１電極２４ａと電気的に接続されている。第２パッド２７ｃは、第２配線２６ｃを介して、第２電極２４ｃと電気的に接続されている。第１配線２６ａ及び第２配線２６ｃは、導体層により構成してある。発電デバイス１ａは、第１電極２４ａと第１配線２６ａと第１パッド２７ａとを一体に形成してあるが、別々に形成して電気的に接続された構成としてもよい。また、発電デバイス１ａは、第２電極２４ｃと第２配線２６ｃと第２パッド２７ｃとを一体に形成してあるが、別々に形成して電気的に接続された構成としてもよい。

第１配線２６ａ、第２配線２６ｃ、第１パッド２７ａ及び第２パッド２７ｃ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２６ａ、第２配線２６ｃ、第１パッド２７ａ及び第２パッド２７ｃ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２６ａ、第２配線２６ｃ、第１パッド２７ａ及び第２パッド２７ｃは、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。

発電デバイス１ａは、第２配線２６ｃと第１電極２４ａの周部との間に、第２配線２６ｃと第２電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層２５を設けてある。絶縁層２５は、シリコン酸化膜により構成してある。絶縁層２５は、シリコン酸化膜に限らず、電気絶縁性を有する薄膜であればよく、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

絶縁層２５は、基板２０の第１面２０１側に形成されている。絶縁層２５は、圧電体層２４ｂにおいて第２電極２４ｃが接するエリアを規定するように構成されているのが好ましい。このため、絶縁層２５の平面視形状は、下部電極２４ａおよび圧電層２４ｂそれぞれの周部を覆う枠状に形成されているのが好ましい。これにより、発電デバイス１ａは、絶縁層２５により、圧電変換領域２４１を規定することができる。

発電デバイス１ａは、絶縁層２５が、枠状の第１部位２５１と、第１部位２５１から第２配線２６ｃ及び第２パッド２７ｃの下方まで延設された第２部位２５２と、を備えている。これにより、発電デバイス１ａは、第２配線２６ｃの下地となる部分の段差を低減でき、圧電体層２４ｂの膜厚を大きくしながらも第２配線２６ｃの断線を抑制することが可能となり、発電効率の向上及び信頼性の向上を図ることが可能となる。しかも、発電デバイス１ａは、第２パッド２７ｃと基材２０ａとの間の寄生容量を低減することが可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となる。また、発電デバイス１ａは、平面視において、第１電極２４ａの外周線の内側に圧電体層２４ｂが位置し、圧電体層２４ｂの外周線の内側に第２電極２４ｃが位置している。これにより、発電デバイス１ａは、第１電極２４ａと圧電体層２４ｂと第２電極２４ｃとが同じ外形サイズである場合に比べて、第２配線２６ｃの下地となる部分の段差を低減でき、圧電体層２４ｂの膜厚を大きくしながらも第２配線２６ｃの断線を抑制することが可能となり、発電効率の向上及び信頼性の向上を図ることが可能となる。

発電デバイス１ａに製造方法については、その一例について以下に簡単に説明する。

発電デバイス１ａの製造にあたっては、まず、シリコン基板からなる基材２０ａを準備し、その後、第１工程を行う。第１工程では、基材２０ａの主表面を梁部２２の第１面２２１及び基板２０の第１面２０１に対応する形状に加工する。第１工程では、例えば、グレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して基材２０ａの主表面を加工すればよい。

第１工程の後には、第２工程を行う。第２工程では、熱酸化法等を利用して、基材２０ａの主表面側、裏面側にそれぞれ、シリコン酸化膜からなる第１絶縁膜２９ａ、第２絶縁膜２９ｂを形成する。第２工程では、第１絶縁膜２９ａ、第２絶縁膜２９ｂ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、例えば、ＣＶＤ法等を採用してもよい。

第２工程の後には、第３工程、第４工程を順次行う。第３工程では、基材２０ａの主表面側の全面に、第１電極２４ａ、第１配線２６ａ及び第１パッド２７ａの基礎となる第１導電層を形成する。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４工程では、第１導電層上に、圧電体層２４ｂの基礎となる圧電材料層を形成する。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４工程の後には、第５工程、第６工程を順次行う。第５工程では、圧電材料層を圧電体層２４ｂの所定の形状にパターニングする。この第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圧電材料層をパターニングする。第６工程では、第１導電層を第１電極２４ａ、第１配線２６ｃ及び第１パッド２７ａの所定の形状にパターニングする。この第６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導電層をパターニングする。

第６工程の後には、第７工程、第８工程及び第９工程を順次行う。第７工程では、基材２０ａの主表面側に絶縁層２５を形成する。第７工程では、リフトオフ法を利用して絶縁層２５を形成する。第７工程において絶縁層２５を形成する方法は、リフトオフ法を利用する方法に限らず、例えば、薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用する方法でもよい。第８工程では、第２電極２４ｃ、第２配線２６ｃ及び第２パッド２７ｃの基礎となる第２導電層を基材２０ａの主表面側の全面に形成する。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９工程では、第２導電層を第２電極２４ｃ、第２配線２６ｃ及び第２パッド２７ｃの所定の形状にパターニングする。第９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導電層をパターニングする。

第９工程の後には、第１０工程を行う。第１０工程では、基材２０ａの主表面側から、支持部２１、各梁部２２及び錘部２３以外の部位（スリット２０ｄの形成予定領域）を第１所定深さ（例えば、梁部２２の厚みに対応する深さ）までエッチングすることで第１溝を形成する。第１０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第１溝を形成する。

第１０工程の後には、第１１工程を行う。第１１工程では、基材２０ａの裏面側から支持部２１及び錘部２３以外の部位をエッチングすることで第１溝に連通する第２溝を形成する。これにより、第１１工程では、スリット２０ｄが形成され、発電デバイス１ａが形成される。第１１工程では、例えば、グレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して第２溝を形成する。

発電デバイス１ａの製造にあたっては、第１１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発電デバイス１ａに分割するようにしている。

発電デバイス１ａの製造方法では、基材２０ａの主表面側の全面に第１導電層を形成した後で、基材２０ａの主表面側の全面に圧電材料層を形成してから、この圧電材料層をパターニングするようにしている。これにより、発電デバイス１ａの製造方法では、基材２０ａの主表面側に第１電極２４ａ、第１配線２６ｃ及び第１パッド２７ａを形成してから、圧電材料層を形成し、この圧電材料層をパターニングするような場合に比べて、圧電材料層及び圧電体層２４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。よって、発電デバイス１ａの製造方法では、発電デバイス１ａの発電効率の向上を図ることが可能となる。

なお、発電デバイス１ａは、例えば圧電体層２４ｂの内部応力によって、梁部２２を湾曲した形状としてもよい。圧電体層２４ｂの内部応力は、例えば、圧電材料層をスパッタ法や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調整することができる。また、湾曲した形状の梁部２２は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成した平坦な梁部に対して別途の応力制御膜を設けることによって形成してもよい。この場合は、圧電体層２４ｂの構造を維持したまま梁部２２の湾曲した形状を制御することが可能となる。

また、発電デバイス１ａの製造方法は、上述の例に限らない。例えば、第１導電層上に圧電材料層を形成するにあたっては、基材２０ａ（以下、「第１基材２０ａ」ともいう。）よりも圧電材料層との格子整合性の良い第２基材の主表面側に圧電材料層を形成したものを準備した後で、第２基材を透過するレーザ光を利用して圧電材料層を第１基材２０ａの主表面側に転写するようにしてもよい。このような製造方法では、圧電材料層の結晶性を向上させることが可能となる。例えば、発電デバイス１ａの製造方法では、圧電材料層の圧電材料がＰＺＴであり、第１基材２０ａとしてシリコン基板や金属板を用いている場合、第２基材としてＭｇＯ基板を用いることにより、圧電材料層の結晶性を向上させることが可能となる。また、発電デバイス１ａの製造方法では、ＭｇＯ基板を再利用することが可能となるので、第１基材２０ａとしてシリコン基板や金属板よりも高価なＭｇＯ基板を用いる場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。なお、第２基材の主表面側に圧電材料層を形成する場合、適宜の緩衝層やシード層を介して圧電材料層を形成することによって、圧電材料層の結晶性をより向上させることが可能となる。特に、発電デバイス１ａは、基材２０ａとして金属板を採用する場合、圧電体層２４ｂを、転写工程によって形成することが好ましい。

発電デバイス１ａは、圧電体層２４ｂの結晶性が向上することにより、発電効率の向上を図ることが可能となり、高出力化を図ることが可能となる。

発電デバイス１ａは、一対の梁部２２、２２の並設方向に沿った錘部２３の振動によって、一対の梁部２２それぞれの圧電体層２４ｂにおいて互いに異なる向きのひずみを生じ、各圧電変換部２４それぞれにおいて交流電圧が発生する。一対の梁部２２、２２の並設方向は、上記規定方向である。

よって、発電デバイス１ａは、上記規定方向を左右方向とすれば、当該左右方向の外部振動に応じて、支持部２１に対して錘部２３が当該左右方向において相対的に振動し、各圧電変換部２４それぞれが発電する。

発電デバイス１ａは、錘部２３が図１（ａ）において左向きに変位すると、左側の圧電体層２４ｂと右側の圧電体層２４ｂとに互いに異なる向きのひずみが発生して、各圧電体層２４それぞれが発電する。互いに異なる向きのひずみとは、圧縮ひずみと、引張ひずみと、である。

また、発電デバイス１ａは、錘部２３が図１（ａ）において右向きに変位すると、左側の圧電体層２４ｂと右側の圧電体層２４ｂとに互いに異なる向きのひずみが発生して、各圧電体層２４それぞれが発電する。互いに異なる向きのひずみとは、圧縮ひずみと、引張ひずみと、である。なお、各圧電体層２４それぞれに発生するひずみは、錘部２３の変位する向きによって、異なる。

発電デバイス１ａの各圧電変換部２４それぞれの開放電圧は、環境振動に起因した錘部２３の、上記規定方向の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。発電デバイス１ａは、この発電デバイス１ａの共振周波数と一致する環境振動（外部振動）を利用して発電することが可能である。環境振動としては、例えば、稼動中のＦＡ（factory automation）機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動等、種々の環境振動がある。発電デバイス１ａで発生する交流電圧の周波数は、環境振動の周波数が発電デバイス１ａの共振周波数と一致する場合、発電デバイス１ａの共振周波数と同じになる。

発電デバイス１ａは、上述のように、枠状の支持部２１と、支持部２１の内側に配置された錘部２３と、錘部２３を挟んで配置され錘部２３と支持部２１とを繋いだ一対の梁部２２、２２と、を備え、各梁部２２に圧電変換部２４が形成されている。ここで、発電デバイス１ａは、各梁部２２が、湾曲した形状の湾曲構造を有している。これにより、発電デバイス１ａは、梁部２２の延伸方向（図１（ｂ）の左右方向）に対する振動モードによっても圧電変換部２４にひずみが加わりやすくなり、発電が容易となる。また、発電デバイス１ａは、各梁部２２が湾曲構造を有することで、各梁部２２が湾曲していない形状である場合に比べて、錘部２３の厚み方向（図１（ｂ）の上下方向）の振幅に対するひずみが大きくなる。言い換えれば、発電デバイス１ａは、錘部２３の厚み方向の振幅が小さい場合でも、より大きなひずみが発生する。さらに、発電デバイス１ａは、錘部２３の厚み方向（図１（ｂ）の上下方向）に対する振動モードの振動に比べて、梁部２２の延伸方向に対する振動モードの振動のほうが、減衰しづらいので、仮に、内部空間が減圧状態となるパッケージ内に収納しない場合であっても、発電効率の向上を図ることが可能となる。

発電デバイス１ａは、基板２０の第１面２０１側に配置される第１カバー基板と、基板２０の第２面２０２側に配置された第２カバー基板と、を備えた構成としてもよい。第１カバー基板は、周部が、基板２０の第１面２０１側で支持部２１に固着される。第２カバー基板は、周部が、基板２０の第２面２０２側で支持部に固着される。第１カバー基板には、錘部２３及び各梁部２２を変位可能とするための第１凹部を設けてある。また、第２カバー基板には、錘部２３を変位可能とするための第２凹部を設けてある。第１カバー基板は、第１パッド２７ａ及び第２パッド２７ｃを露出させるように構成してもよいし、第１パッド２７ａ及び第２パッド２７ｃそれぞれに電気的に接続された第１貫通配線及び第２貫通配線等を備えた構成としてもよい。発電デバイス１ａは、基板２０の支持部２１と第１のカバー基板と第２のカバー基板とで構成されるパッケージ（ここでは、チップサイズパッケージ）の内部空間を気密空間とすることが好ましく、この気密空間を不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。不活性ガス雰囲気としては、例えば、Ｎ_２ガス雰囲気が好ましい。

本実施形態の発電デバイス１ａは、錘部２３及び各梁部２２が気体の抵抗を受けにくい方向に振動することにより発電するので、パッケージの薄型化を図ることが可能となる。また、発電デバイス１ａは、パッケージを備えた構成とした場合でも、錘部２３及び各梁部２２の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングを抑制することが可能となり、パッケージを備えたことによる出力の低下を抑制することが可能となる。よって、発電デバイス１ａは、パッケージの内部空間を減圧雰囲気としなくても、発電効率の向上を図ることが可能となる。

湾曲構造は、梁部２２の延伸方向に対して略垂直方向に湾曲していればよく、また、一つの梁部２２に複数の湾曲構造が設けられていてもよい。

発電デバイス１ａは、湾曲構造を有する梁部２２を複数備え、上記規定方向における錘部２３の一方側（第１圧電変換部２４_１側）に配置された梁部２２の数と他方側（第２圧電変換部２４_２側）に配置された梁部２２の数とが等しくなるように形成されているのが好ましい。発電デバイス１ａは、錘部２３の両側で梁部２２の数が異なる場合であっても、発電効率の向上を図ることが可能であるが、所望の振動モードでの発電効率の向上を図る観点から、錘部２３の両側で梁部２２の数が等しいのが好ましい。発電デバイス１ａは、錘部２３の両側に配置された梁部２２の数が同じ場合、錘部２３を、より安定して保持することが可能となり、外部振動等が作用していない状態での梁部２２の湾曲構造の維持が容易となり、所望の振動モードでの発電効率の向上を図ることが可能となる。

発電デバイス１ａは、上述のように、圧電変換部２４が、第１電極２４ａと圧電体層２４ｂと第２電極２４ｃとで構成されている。これにより、発電デバイス１ａは、梁部２２の振動によって圧電変換部２４の圧電体層２４ｂがひずみを受けて、第１電極２４ａと第２電極２４ｃとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部２４において交流電圧が発生する。

発電デバイス１ａでは、圧電体層２４ｂの比誘電率をε、発電指数をＰとすると、Ｐ∝ｅ_３１ ²／εの関係が成り立ち、発電指数Ｐが大きいほど発電効率が大きくなる。ここで、発電指数Ｐは、圧電定数ｅ_３１の２乗に比例する。発電デバイス１ａは、圧電材料としてＰＺＴを採用した場合、ＡｌＮを採用する場合に比べて、圧電定数ｅ_３１が大きいので、発電指数Ｐを大きくすることができる。

なお、発電デバイス１ａの圧電変換部２４は、複数の圧電変換エレメントを備え、これら複数の圧電変換エレメントが、直列接続された構成としてもよい。これにより、発電デバイス１ａは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。圧電変換エレメントは、圧電変換部２４と同様に、第１電極２４ａと圧電体層２４ｂと第２電極２４ｂとの積層構造を有し、圧電変換部２４よりも外形サイズの小さな圧電変換部である。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の発電デバイス１ｂについて図２に基づいて説明する。

本実施形態の発電デバイス１ｂは、実施形態１の発電デバイス１ａと略同じ構成であり、一対の圧電変換部２４、２４の第１電極２４ａ、２４ａどうしを接続する配線層３１が設けられている点が相違する。以下では、説明の便宜上、図２（ａ）の左側の圧電変換部２４を第１圧電変換部２４_１と称し、右側の圧電変換部２４を第２圧電変換部２４_２と称することもある。配線層３１は、支持部２１に設けてもよいが、錘部２３に設けられているのが好ましい。なお、発電デバイス１ｂにおいて、実施形態１の発電デバイス１ａ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。

発電デバイス１ｂは、第１圧電変換部２４_１の第１電極２４ａと、第２圧電変換部２４_２の第１電極２４ａとが、錘部２３の表面側に設けられた配線層３１を介して電気的に接続されている。

配線層３１は、第１電極２４ａと同じ材料、同じ厚みに設定することが好ましい。これにより、発電デバイス１ｂは、製造時に、配線層３１を第１電極２４ａと同時に形成することが可能となり、配線層３１を設けたことによる製造コストのコストアップを抑えることが可能となる。

発電デバイス１ｂは、錘部２３が梁部２２の延伸方向（図２（ｂ）の左右方向）に対する振動モードによって変位する際、第１圧電変換部２４_１と第２圧電変換部２４_２とで、発生するひずみの向きが異なる。具体的には、第１圧電変換部２４_１が縮む際は第２圧電変換部２４_２が引っ張られ、第１圧電変換部２４_１が引っ張られる際は第２圧電変換部２４_２が縮む。よって、発電デバイス１ｂは、第１圧電変換部２４_１と第２圧電変換部２４_２とで、第１電極２４ａ・第２電極２４ｃ間に生じる電圧の向きが反転する。発電デバイス１ｂは、配線層３１を備えていることにより、想定する振動モードである、梁部２２の延伸方向に対する振動モード、の振動による発電効率の向上を図ることが可能となる。

ところで、実施形態１の発電デバイス１ａでは、一対の圧電変換部２４、２４の各々に、第１パッド２７ａ及び第２パッド２７ｃが接続されているので、梁部２２の延伸方向に対する振動モードを所望の振動モードとしている場合に、２つの圧電変換部２４が、両者の発電電圧が打ち消される接続関係で誤接続される懸念がある。

そこで、本実施形態の発電デバイス１ｂでは、各圧電変換部２４_１、２４_２の第２電極２４ｃ、２４ｃのみを各別の第２パッド２７ｃ、２７ｃに各別の第２配線２６ｃ、２６ｃを介して接続した構成を有する第１変形例としてもよい。これにより、発電デバイス１ｂの第１変形例は、梁部２２の延伸方向に対する振動モードを所望の振動モードとしている場合に、２つの圧電変換部２４が、両者の発電電圧が打ち消される接続関係で接続されるのを防止することが可能となり、取り扱いが容易になる。また、発電デバイス１ｂの第１変形例では、１つの圧電変換部２４の略２倍の発電電圧を出力することが可能となる。

なお、発電デバイス１ｂは、想定する振動モードが錘部２３の厚み方向（図２（ｂ）の上下方向）の振動モードなら、第１圧電変換部２４_１と第２圧電変換部２４_２とで、一方の圧電変換部２４の第１電極２４ａと他方の圧電変換部２４の第２電極２４ｃとを接続すれば、想定する振動モードに対して、発電効率をより向上させることが可能となる。

発電デバイス１ｂは、図２の例に限らず、一対の圧電変換部２４、２４の第２電極２４ｃ、２４ｃどうしを接続する配線層が設けられた構成を有する第２変形例としてもよい。発電デバイス１ｂの第２変形例の配線層は、支持部２１に設けてもよいが、錘部２３に設けられているのが好ましい。

配線層は、第２電極２４ｃと同じ材料、同じ厚みに設定することが好ましい。これにより、発電デバイス１ｂの第２変形例は、製造時に、配線層を第２電極２４ｃと同時に形成することが可能となり、配線層を設けたことによる製造コストのコストアップを抑えることが可能となる。

発電デバイス１ｂの第３変形例は、各圧電変換部２４_１、２４_２の第１電極２４ａ、２４ａのみを各別の第１パッド２７ａ、２７ａに各別の第１配線２６ａ、２６ａを介して接続した構成を有する。これにより、発電デバイス１ｂの第３変形例は、梁部２２の延伸方向に対する振動モードを所望の振動モードとしている場合に、２つの圧電変換部２４が、両者の発電電圧が打ち消される接続関係で接続されるのを防止することが可能となり、取り扱いが容易になる。また、発電デバイス１ｂの第３変形例では、１つの圧電変換部２４の略２倍の発電電圧を出力することが可能となる。

以上、本発明の構成を、実施形態１、２等に基いて説明したが、実施形態１、２等に記載した材料、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。

１ａ、１ｂ 発電デバイス
２０ 基板
２１ 支持部
２２ 梁部
２３ 錘部
２４ 圧電変換部
２４ａ 第１電極
２４ｂ 圧電体層
２４ｃ 第２電極
２０１ 第１面

Claims (4)

1. 枠状の支持部、前記支持部の内側に配置された錘部及び前記支持部と前記錘部とを繋いだ梁部を有する基板と、
   前記基板の第１面側で前記梁部に形成された圧電変換部と、
   を備え、
   前記基板は、複数の前記梁部を備え、前記複数の前記梁部が規定方向で前記錘部を挟んで配置されており、
   前記複数の前記梁部は、前記錘部の振動に伴って変形するように構成され、且つ、湾曲した形状に形成され、
   前記圧電変換部は、第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１電極と前記第２電極との間にある圧電体層を有し、前記複数の前記梁部のうちの少なくとも１つの梁部に形成されていることを特徴とする発電デバイス。
2. 前記規定方向における前記錘部の一方側に配置された前記梁部の数と他方側に配置された前記梁部の数とが等しいことを特徴とする請求項１記載の発電デバイス。
3. 前記基板は、前記規定方向における前記錘部の両側に前記梁部を１つずつ備え、
   前記圧電変換部は、各前記梁部に１つずつ形成され、
   前記錘部に、各前記圧電変換部の前記第１電極どうし若しくは前記第２電極どうしを電気的に接続する配線層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の発電デバイス。
4. 前記基板は、金属により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電デバイス。

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