JP2016058534A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷が接続された状態において発電が開始される流速の低流速化を図ることが可能な発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１は、枠状の支持部２と、支持部２に揺動自在に支持された第１振動子３と、支持部２と第１振動子３との間に形成された第１流路４と、支持部２に揺動自在に支持された第２振動子５と、支持部２と第２振動子５との間に形成された第２流路６と、を備える。第１振動子３は、圧電変換部３２を備え、自由端３ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置するように反っている。第２振動子５は、自由端５ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置するように反っている。発電装置１は、第１振動子３の共振周波数と第２振動子５の共振周波数とが等しく、第２振動子５の質量を第２振動子５の長さで除した線密度が、第１振動子３の質量を第１振動子３の長さで除した線密度よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関し、より詳細には、流体励起振動を利用して発電する発電装置に関する。

近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置は、環境発電（エナジーハーベスティング）等の分野で注目されている（例えば、特許文献１、２）。

特許文献１には、例えば、枠状の支持部と、支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、カンチレバー部に設けられカンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部と、を備える発電装置が記載されている。

特許文献１に記載された発電装置は、支持部とカンチレバー部との間に設けられ支持部の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路を備える。また、特許文献１に記載された発電装置は、カンチレバー部の先端部を、カンチレバー部の基端部よりも支持部から離れる向きにずらしてある。

特許文献２には、ベースと、圧電素子が固着されたリードと、を有する発電装置が記載されている。

特許文献２に記載された発電装置におけるベースは、矩形の窓が形成されたプレートを有する。窓の縁部とリードとの間には、気体が通過するわずかな隙間が形成されている。

リードは、板厚方向に屈曲振動可能な可撓性を有している。例えば、リードは、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）等で形成されたフレキシブルプリント基板であり、圧電素子の出力端子を有する。リードは、一方の端部が、プレートの上面に固定され、他方の端部が、窓を自由に出入りできるように窓に面して位置付けられている。また、リードは、他方の端部が窓の外側（気体が流れ込んでくる側）に位置するように、プレートの上面に対してわずかに傾斜している（上がっている）。

国際公開ＷＯ２０１３／１８６９６５ 特開２０１２−９７６７３号公報

発電装置では、流体励起振動の発生限界流速の低流速化を図ることが求められる場合があるが、電力への変換効率が高くなると、発生限界流速が高くなる傾向にある。

本発明の目的は、負荷が接続された状態において発電が開始される流速の低流速化を図ることが可能な発電装置を提供することにある。

本発明の発電装置は、枠状の支持部と、前記支持部に揺動自在に支持された第１振動子と、前記支持部と前記第１振動子との間に形成された第１流路と、を備える。また、本発明の発電装置は、平面視において前記第１振動子に並んで配置され前記支持部に揺動自在に支持された第２振動子と、前記支持部と前記第２振動子との間に形成された第２流路と、を備える。前記第１振動子は、少なくとも一部が可撓性の第１梁部により構成された第１カンチレバー部と、前記第１梁部の表面に設けられた圧電変換部と、を備える。前記第１振動子は、前記第１振動子の自由端が前記支持部の厚さ方向において前記支持部の外に位置するように反っている。前記第２振動子は、少なくとも一部が可撓性の第２梁部により構成された第２カンチレバー部を備える。前記第２振動子は、前記第２振動子の自由端が前記支持部の厚さ方向において前記支持部の外に位置するように反っている。本発明の発電装置は、前記第１振動子の共振周波数と前記第２振動子の共振周波数とが等しい。本発明の発電装置は、前記第２振動子の質量を前記第２振動子の長さで除した線密度が、前記第１振動子の質量を前記第１振動子の長さで除した線密度よりも小さい。

本発明の発電装置においては、負荷が接続された状態において発電が開始される流速の低流速化を図ることが可能となる。

図１Ａは、実施形態１の発電装置の概略平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＸ１−Ｘ１概略断面図である。図１Ｃは、図１ＡのＸ２−Ｘ２概略断面図である。 図２は、比較例の発電装置における流速と振動の振幅との関係の模式的な説明図である。 図３は、実施形態１の発電装置における流速と振動の振幅との関係の模式的な説明図である。 図４Ａは、実施形態２の発電装置の概略平面図である。図４Ｂは、図４ＡのＸ１−Ｘ１概略断面図である。図４Ｃは、図４ＡのＸ２−Ｘ２概略断面図である。

下記の実施形態１、２において説明する各図は、模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態１、２に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。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。

（実施形態１）
以下では、本実施形態の発電装置１について図１に基づいて説明する。

発電装置１は、枠状の支持部２と、支持部２に揺動自在に支持された第１振動子３と、支持部２と第１振動子３との間に形成された第１流路４と、を備える。また、発電装置１は、平面視において第１振動子３に並んで配置され支持部２に揺動自在に支持された第２振動子５と、支持部２と第２振動子５との間に形成された第２流路６と、を備える。第１振動子３は、少なくとも一部が可撓性の第１梁部３１により構成された第１カンチレバー部３０と、第１梁部３１の表面３１ａに設けられた圧電変換部３２と、を備える。第１振動子３は、第１振動子３の自由端３ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置するように反っている。第２振動子５は、少なくとも一部が可撓性の第２梁部５１により構成された第２カンチレバー部５０を備える。第２振動子５は、第２振動子５の自由端５ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置するように反っている。発電装置１は、第１振動子３の共振周波数と第２振動子５の共振周波数とが等しい。発電装置１は、第２振動子５の質量を第２振動子５の長さで除した線密度が、第１振動子３の質量を第１振動子３の長さで除した線密度よりも小さい。よって、発電装置１は、負荷が接続された状態において発電が開始される流速の低流速化を図ることが可能となる。「第１振動子３の自由端３ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置する」とは、第１振動子３の自由端３ａが、支持部２の厚さ方向において支持部２の表面２１を含む平面よりも外側に位置することを意味する。また、「第２振動子５の自由端５ａが支持部２の厚さ方向において支持部２の外に位置する」とは、第２振動子５の自由端５ａが、支持部２の厚さ方向において支持部２の表面２１を含む平面よりも外側に位置することを意味する。また、「第１振動子３の共振周波数と第２振動子５の共振周波数とが等しい」とは、厳密に同一でなくてもよく、略同一であればよいという意味である。「第１振動子３の共振周波数と第２振動子５の共振周波数とが等しい」とは、〔（第１振動子３の共振周波数−第２振動子５の共振周波数）／第１振動子３の共振周波数〕×１００（％）が±５％以下であるのが好ましく、±３％以下であるのがより好ましい。第１振動子３の共振周波数は、支持部２の表面２１が、流れ場に対して垂直になるように発電装置１を配置し、レーザドップラ振動計により、第１振動子３の振動の振幅を測定し、その測定結果から求めることができる。同様に、第２振動子５の共振周波数は、レーザドップラ振動計により第２振動子５の振動の振幅を測定して、その測定結果から求めることができる。

発電装置１の各構成要素については、以下に詳細に説明する。

発電装置１は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造されている。

発電装置１は、支持部２と第１カンチレバー部３０と第２カンチレバー部５０とが、基板２０から形成されている。発電装置１は、基板２０の厚さ方向の第１面２０ａ側に第１カンチレバー部３０及び第２カンチレバー部５０が形成されている。

基板２０としては、シリコン基板２１１上のシリコン酸化膜２１２上にシリコン層２１３が形成されたＳＯＩ基板を用いている。シリコン酸化膜２１２は、例えば、埋込酸化膜により構成することができる。基板２０の第１面２０ａは、ＳＯＩ基板のシリコン層２１３の表面を構成する（１００）面としてある。ＳＯＩ基板は、例えば、シリコン基板２１１、シリコン酸化膜２１２及びシリコン層２１３の厚さを、それぞれ、４００μｍ、１μｍ及び５０μｍとすることができる。

支持部２は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とシリコン層２１３とから形成されている。

支持部２は、外周形状が矩形（直角四辺形）状であるのが好ましい。これにより、発電装置１の製造方法では、複数の発電装置１を形成したウェハから個々の発電装置１に分離する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。基板２０がＳＯＩ基板の場合、基板２０の基礎となるウェハは、ＳＯＩウェハである。

支持部２は、枠状の形状として、矩形枠状の形状を採用している。支持部２の内周形状は、矩形状としてある。

発電装置１は、平面視において、支持部２の内側で、第１振動子３と第２振動子５とが並んで配置されている。第１振動子３及び第２振動子５は、平面視で見た形状が細長の矩形状であり、それぞれの長手方向の一端が支持部２に固定されている。「発電装置１は、平面視において」とは、支持部２の厚さ方向から発電装置１を見た形状において、を意味する。

第１振動子３は、一端が支持部２に固定された固定端３ｂであり他端が自由端３ａである。

発電装置１は、基板２０に、第１振動子３を囲む平面視Ｕ字状の第１スリット２３が形成されている。これにより、第１振動子３は、固定端３ｂ以外の部分が、支持部２と分離されている。要するに、第１振動子３は、支持部２に片持ち支持されている。発電装置１は、第１スリット２３が、第１流路４を構成している。

第１梁部３１は、可撓性を有するように、第１梁部３１の厚さを支持部２の厚さよりも薄くしてある。第１梁部３１は、ＳＯＩ基板のうちシリコン層２１３から形成されている。第１梁部３１は、弾性を有している。第１梁部３１は、第１振動子３が振動するときに変形して歪を発生する。

第１振動子３は、自由端３ａ側に、第１梁部３１よりも厚い第１錘部３３を備えているのが好ましい。この場合、第１カンチレバー部３０は、第１錘部３３よりも固定端３ｂ側の部位が、第１梁部３１を構成している。第１錘部３３は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とシリコン層２１３とから形成されている。

発電装置１は、第１カンチレバー部３０が第１錘部３３を備えることにより、第１錘部３３を備えていない場合に比べて、第１振動子３が振動するときの慣性力を大きくすることが可能となる。これにより、発電装置１は、第１振動子３の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電装置１は、第１カンチレバー部３０が第１錘部３３を備えることにより、第１カンチレバー部３０が振動するとき、第１梁部３１及び圧電変換部３２に、集中的に歪を発生させ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、発電装置１は、第１カンチレバー部３０が第１錘部３３を備えることにより、第１振動子３の共振周波数を小さくすることが可能となる。

圧電変換部３２は、第１梁部３１に設けられている。発電装置１は、基板２０と圧電変換部３２とが、基板２０の第１面２０ａ上に形成された第１絶縁膜９１によって、電気的に絶縁されている。第１絶縁膜９１は、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。発電装置１は、基板２０の厚さ方向の第２面２０ｂ上に、シリコン酸化膜からなる第２絶縁膜（図示せず）を備えていてもよい。第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜は、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９１及び第２絶縁膜の形成方法は、熱酸化法に限らず、例えば、ＣＶＤ法等でもよい。第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜の厚さは、１μｍに設定してある。

圧電変換部３２は、第１梁部３１上に設けられた第１電極（下部電極）３２１と、第１電極３２１上に設けられた圧電体層３２２と、圧電体層３２２上に設けられた第２電極（上部電極）３２３と、を備える。要するに、圧電変換部３２は、圧電体層３２２と、圧電体層３２２を厚さ方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極３２１及び第２電極３２３と、を備えている。

圧電体層３２２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、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に不純物を添加した材料等でもよい。不純物としては、例えば、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕ等が挙げられる。なお、発電装置１は、圧電体層３２２が、圧電薄膜により構成されている。

第１電極３２１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３２３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。

発電装置１は、第１電極３２１の厚さを５００ｎｍ、圧電体層３２２の厚さを３０００ｎｍ、第２電極３２３の厚さを５００ｎｍに設定してある。

発電装置１は、第１電極３２１と圧電体層３２２との間にバッファ層（緩衝層）を備えてもよい。バッファ層の材料は、圧電体層３２２の圧電材料に応じて適宜選択すればよい。バッファ層の材料は、圧電体層３２２の圧電材料がＰＺＴの場合、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、バッファ層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ₃膜との積層膜により構成してもよい。発電装置１は、バッファ層を備えることにより、圧電体層３２２の結晶性を向上させることが可能となる。これにより、発電装置１は、発電効率を向上させることが可能となる。

発電装置１は、第１振動子３の振動によって圧電変換部３２の圧電体層３２２が応力を受ける。これにより、発電装置１は、第２電極３２３と第１電極３２１とに電荷の偏りが発生し、圧電変換部３２において交流電圧が発生する。要するに、発電装置１は、圧電変換部３２が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動型の発電装置である。

圧電体層３２２の平面形状は、矩形状に形成されている。圧電変換部３２は、圧電体層３２２の外形サイズが、第１電極３２１の外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極３２３の外形サイズよりもやや大きい、のが好ましい。以下では、第１振動子３の厚さ方向において第１電極３２１と圧電体層３２２と第２電極３２３とが重なっている領域を、圧電変換領域３３０と称する。

圧電変換部３２は、第１カンチレバー部３０の第１梁部３１を面状に覆うように形成されている。第１梁部３１を面状に覆うとは、第１梁部３１の表面３１ａの略全面を覆うことを意味する。図１Ａにおける圧電変換部３２は、第１梁部３１の幅方向において第１梁部３１の表面３１ａの全面よりもやや狭い領域の全体を覆っている。より詳細には、圧電変換部３２は、第１カンチレバー部３０の側縁付近で、第１カンチレバー部３０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、発電装置１の製造時に第１スリット２３を形成する際に、圧電変換部３２がエッチングされないように設定するのが好ましい。

圧電変換部３２は、圧電変換領域３３０が、交流電圧の発生に寄与する。発電装置１は、第１カンチレバー部３０の長さ方向において、圧電変換領域３３０の、固定端３ｂ側の端３３１を、第１カンチレバー部３０と支持部２との境界に揃えてある。よって、発電装置１は、圧電変換領域３３０の、固定端３ｂ側の端３３１が上記境界よりも第１カンチレバー部３０側にある場合に比べて、第１カンチレバー部３０上に存在する圧電変換領域３３０の面積を大きくできる。これにより、発電装置１は、発電効率を向上させることが可能となる。第１カンチレバー部３０の長さ方向は、第１梁部３１の軸線に沿った方向である。

また、発電装置１は、圧電変換領域３３０の、固定端３ｂ側の端３３１が上記境界よりも支持部２側にある場合に比べて、圧電変換領域３３０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。

圧電変換部３２で発生する交流電圧は、圧電体層３２２の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。発電装置１の圧電変換部３２は、主として、第１流路４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を想定している。第１振動子３の共振周波数は、第１カンチレバー部３０及び圧電変換部３２それぞれの構造パラメータと材料とにより決まる。

支持部２の表面２１は、第１振動子３の固定端３ｂ付近において、第１カンチレバー部３０の表面３０ａと滑らかに連続している。発電装置１は、第２絶縁膜を備えていない場合、支持部２の表面２１とは反対の裏面２２と、基板２０の第２面２０ｂとが同じである。発電装置１は、基板２０の第２面２０ｂ上に第２絶縁膜を備えている場合、第２絶縁膜の表面が支持部２の裏面２２となる。

発電装置１は、支持部２の表面２１側に、第１パッド電極（図示せず）と、第２パッド電極（図示せず）と、が設けられている。

第１パッド電極は、第１配線（図示せず）を介して第１電極３２１と電気的に接続されている。第２パッド電極は、第２配線（図示せず）を介して第２電極３２３と電気的に接続されている。第１配線、第２配線、第１パッド電極及び第２パッド電極の材料としては、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、第２配線、第１パッド電極及び第２パッド電極の材料は、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、第２配線、第１パッド電極及び第２パッド電極は、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。

また、発電装置１は、第２配線と第１電極３２１の周部との間に、第２配線と第１電極３２１との短絡を防止する電気絶縁層（図示せず）を設けてある。電気絶縁層は、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。

第２振動子５は、一端が支持部２に固定された固定端５ｂであり他端が自由端５ａである。

発電装置１は、基板２０に、第２振動子５を囲む平面視Ｕ字状の第２スリット２５が形成されている。これにより、第２振動子５は、固定端５ｂ以外の部分が、支持部２と分離されている。要するに、第２振動子５は、支持部２に片持ち支持されている。発電装置１は、第２スリット２５が、第２流路６を構成している。

第２梁部５１は、可撓性を有するように、第２梁部５１の厚さを支持部２の厚さよりも薄くしてある。第２梁部５１は、ＳＯＩ基板のうちシリコン層２１３から形成されている。第２梁部５１は、弾性を有している。第２梁部５１は、第２振動子５が振動するときに変形して歪を発生する。

第２振動子５は、自由端５ａ側に、第２梁部５１よりも厚い第２錘部５３を備えているのが好ましい。この場合、第２カンチレバー部５０は、第２錘部５３よりも固定端５ｂ側の部位が、第２梁部５１を構成している。第２錘部５３は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とシリコン層２１３とから形成されている。

発電装置１は、第２カンチレバー部５０が第２錘部５３を備えることにより、第２錘部５３を備えていない場合に比べて、第２振動子５が振動するときの慣性力を大きくすることが可能となる。これにより、発電装置１は、第２振動子５の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電装置１は、第２カンチレバー部５０が第２錘部５３を備えることにより、第２振動子５の共振周波数を小さくすることが可能となる。

第２振動子５の共振周波数は、第２カンチレバー部５０の構造パラメータと材料とにより決まる。

支持部２の表面２１は、第２振動子５の固定端５ｂ付近において、第２カンチレバー部５０の表面５０ａと滑らかに連続している。

発電装置１は、第１スリット２３と第２スリット２５との間に、支持部２に一体に形成された隔壁８を備えている。隔壁８は、支持部２の内側面により囲まれた空間２９を２つに分けるように形成されている。第１振動子３は、自由端３ａが空間２９の外に位置するように反っている。また、第２振動子５は、自由端５ａが空間２９の外に位置するように反っている。第１振動子３と第２振動子５とは、支持部２により連結されている。

発電装置１は、流体励起振動を利用して発電することができる。流体励起振動は、発電装置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第１流路４及び第２流路６を通過することによって発生する第１振動子３及び第２振動子５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、これら以外でもよい。

発電装置１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。

発電装置１の製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板２０を準備し、その後、絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜形成工程では、熱酸化法等を利用して、基板２０の第１面２０ａにシリコン酸化膜からなる第１絶縁膜９１を形成する。また、絶縁膜形成工程では、基板２０の第２面２０ｂ側に第２絶縁膜を形成する。絶縁膜形成工程では、第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜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。

絶縁膜形成工程の後には、基板２０の第１面２０ａ側の全面に、第１電極３２１と第１配線との基礎になる第１導電層を形成する第１導電層形成工程を行い、続いて、圧電体層３２２の基礎になる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程を行う。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。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。

圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層を圧電体層３２２の所定の形状にパターニングする第１パターニング工程を行い、続いて、第１導電層を第１電極３２１及び第１配線の所定の形状にパターニングする第２パターニング工程を行う。第１パターニング工程では、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。また、第２パターニング工程では、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２パターニング工程の後には、基板２０の第１面２０ａ側に電気絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。絶縁層形成工程の後には、第２電極３２３と第２配線との基礎になる第２導電層を基板２０の第１面２０ａ側の全面に形成する第２導電層形成工程を行い、第２導電層を第２電極３２３及び第２配線の所定の形状にパターニングする第３パターニング工程を行う。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。また、第３パターニング工程では、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３パターニング工程の後には、第１パッド電極と第２パッド電極との基礎になる第３導電層を、基板２０の第１面２０ａ側の全面に形成する第３導電層形成工程を行う。第３導電層形成工程の後には、第３導電層を、第１パッド電極及び第２パッド電極の所定の形状にパターニングする第４パターニング工程を行う。第４パターニング工程の後には、基板２０の第１面２０ａ側から、支持部２、第１カンチレバー部３０、第２カンチレバー部５０及び隔壁８以外の部位を第１所定深さまでエッチングすることで第１溝を形成する第１溝形成工程を行う。第１所定深さは、第１梁部３１及び第２梁部５１の厚さに対応する深さである。第１溝形成工程では、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１溝形成工程では、シリコン酸化膜２１２をエッチングストッパ層として利用する。第１溝形成工程の後には、基板２０の第２面２０ｂ側から支持部２及び隔壁８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溝を形成する第２溝形成工程を行う。第２溝形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して第２溝を形成する。第２溝形成工程では、シリコン酸化膜２１２をエッチングストッパ層として利用する。第２溝形成工程の後には、シリコン酸化膜２１２のうち支持部２及び隔壁８以外に対応する部分をエッチングすることで支持部２と併せて第１カンチレバー部３０及び第２カンチレバー部５０を形成するカンチレバー部形成工程を行うことにより、発電装置１を得る。また、上述のカンチレバー部形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、支持部２と併せて第１カンチレバー部３０及び第２カンチレバー部５０を形成する。第１溝形成工程、第２溝形成工程及びカンチレバー部形成工程での各エッチングは、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である。なお、カンチレバー形成工程において、第１流路４及び第２流路６が形成される。発電装置１の製造方法では、第１振動子３及び第２振動子５を形成したときに、第１振動子３、第２振動子５を、それぞれの内部応力である圧縮応力によって反らせることができる。

発電装置１の製造にあたっては、カンチレバー部形成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装置１に分割するようにしている。

発電装置１の製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング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パッド電極及び第２パッド電極を形成してもよい。また、発電装置１の製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング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パッド電極及び第２パッド電極を形成してもよい。

第１振動子３は、外部振動や流体等が作用していない初期状態において、図１Ｂのように、自由端３ａが支持部２の表面２１側において空間２９の外に位置するように反っている。ここで、第１梁部３１は、表面３１ａが凹曲面となり且つ裏面３１ｂが凸曲面となるように、湾曲している。第１振動子３は、圧電体層３２２の内部応力、第１絶縁膜９１の内部応力等によって反っており、自由端３ａが空間２９の外に位置している。圧電体層３２２の内部応力及び第１絶縁膜９１の内部応力は、圧縮応力である。圧電体層３２２の内部応力は、例えば、圧電薄膜をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧、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。第２振動子５は、第１絶縁膜９１の内部応力等によって反っており、自由端５ａが空間２９の外に位置している。第１絶縁膜９１の内部応力は、例えば、シリコン酸化膜を熱酸化法等により成膜する場合、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調整することができる。

ところで、特許文献１に記載された発電装置では、流速とカンチレバー部の振動の振幅との関係が図２の模式図のようになる。図２では、Ａ１が、発電装置に負荷が接続されていないときの流速と振動の振幅との関係を示し、Ａ２が、発電装置に負荷が接続されているときの流速と振動の振幅との関係を示している。発電装置に負荷が接続されているとは、圧電変換部に負荷が電気的に接続されており、圧電変換部から負荷へ電力を取り出せる状態となっていることを意味する。図２から分かるように、発電装置は、負荷が接続されている場合、圧電変換部での圧電変換により振動エネルギの一部が電力に変換され負荷に供給されるので、負荷が接続されていない場合に比べて、流体励起振動が開始される流速が高くなる。

特許文献１に記載された発電装置では、流体励起振動の発生限界流速の低流速化を図るために、共振周波数をより低く設計することが考えられる。

特許文献１に記載された発電装置において共振周波数を低くするには、例えば、カンチレバー部の厚さを小さくすることにより、カンチレバー部の剛性を低下させることが考えられる。しかしながら、発電装置は、カンチレバー部の剛性を低下させた場合、初期状態において、圧電変換部の内部応力によるカンチレバー部の変形が顕在化する場合がある。より詳細には、発電装置においてカンチレバー部の剛性を低下させた場合には、カンチレバー部がカンチレバー部の長さ方向で変形するだけでなく、カンチレバー部の幅方向でも変形しやすくなる。発電装置は、カンチレバー部の幅方向の変形が生じると、カンチレバー部の剛性を低下させるためにカンチレバー部の厚さを小さくしたにも関わらず、カンチレバー部の剛性を設計通りに低下させることができない懸念があり、発電効率が低下してしまう懸念がある。発電装置は、初期状態においてカンチレバー部が、カンチレバー部の幅方向で変形していると、カンチレバー部の幅方向で変形していない場合に比べて、カンチレバー部の剛性が大きくなり、カンチレバー部の振動方向の変形を阻害する要因となる。このため、発電装置では、発電効率の低下、想定していない箇所への振動時の応力集中による信頼性の低下、等の懸念がある。

これに対して、本実施形態の発電装置１は、第１振動子３と第２振動子５とが支持部２を介して並設されており、第２振動子５の質量を第２振動子５の長さで除した線密度が、第１振動子３の質量を第１振動子３の長さで除した線密度よりも小さい。これにより、発電装置１は、第２振動子５の流体励起振動の発生限界流速を、第１振動子３の流体励起振動の発生限界流速よりも低流速化することが可能となる。言い換えれば、発電装置１は、第２振動子５の線密度を第１振動子３の線密度よりも小さくすることにより、第２振動子５の流体励起振動の発生限界流速を、第１振動子３の流体励起振動の発生限界流速よりも低く設定してある。そして、発電装置１は、第２振動子５の振動に第１振動子３が共振することにより、第２振動子５を備えていない場合に比べて、流体励起振動の発生限界流速を低流速化することが可能となる。

本実施形態の発電装置１では、流速と第１振動子３及び第２振動子５の振動の振幅との関係が図３の模式図のようになる。図３では、第２振動子５を備えていない比較例において負荷が接続されていないときの流速と振動の振幅との関係をＡ１１で示し、比較例において負荷が接続されているときの流速と振動の振幅との関係をＡ１２で示してある。比較例の発電装置では、負荷が接続されている場合、圧電変換部３２での圧電変換により振動エネルギの一部が電力に変換され負荷に供給されるので、負荷が接続されていない場合に比べて、流体励起振動が開始される流速が高くなる。また、図３では、Ｂ１が、第２振動子５の流速と振動の振幅との関係を示し、Ｂ２が、圧電変換部３２に負荷が接続されているときの第１振動子３の流速と振動の振幅との関係を示している。図３から分かるように、本実施形態の発電装置１では、第２振動子５を備えていない比較例の発電装置に比べて、圧電変換部３２に負荷が接続されている状態において、流体励起振動が開始される流速が低くなることが分かる。要するに、本実施形態１の発電装置１では、第２振動子５を備えていない場合に比べて、発電が開始される流速をより低くすることが可能となる。なお、特許文献２には、プレートに一対の窓が並列して形成され、リードが一対のリード部を備えている、発電装置が記載されているが、一対のリードの構造が同じであり、発電を開始する流速を低減させる効果はない。

本実施形態の発電装置１の動作については、以下の推定メカニズムにより説明する。なお、本実施形態の発電装置１は、仮に推定メカニズムが別であっても、本発明の範囲内である。

発電装置１は、流体の流れる方向と支持部２の厚さ方向とが一致し、支持部２の表面２１側が流体の上流側、支持部２の裏面２２側が流体の下流側となるように配置して使用するのが好ましい。

発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体が第１流路４を通る際に流速が速くなるので、第１振動子３と支持部２と隔壁８とで囲まれた空間の圧力が下がり、第１振動子３の自由端３ａが空間２９に近づく向きへ変位する。そして、発電装置１では、第１カンチレバー部３０の表面３０ａと支持部２の表面２１とが面一になったところで、第１カンチレバー部３０の表面３０ａ側と裏面３０ｂ側との圧力差がなくなる。そして、発電装置１は、第１梁部３１の弾性力によって第１振動子３の自由端３ａが元の位置に戻る向きへ変位するものと推考される。発電装置１は、このような動作が繰り返されることで第１振動子３が自励振動する。

また、発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体が第２流路６を通る際に流速が速くなるので、第２振動子５と支持部２と隔壁８とで囲まれた空間の圧力が下がり、第２振動子５の自由端５ａが空間２９に近づく向きへ変位する。そして、発電装置１では、第２カンチレバー部５０の表面５０ａと支持部２の表面２１とが面一になったところで、第２カンチレバー部５０の表面５０ａ側と裏面５０ｂ側との圧力差がなくなる。そして、発電装置１は、第２梁部５１の弾性力によって第２振動子５の自由端５ａが元の位置に戻る向きへ変位するものと推考される。発電装置１は、このような動作が繰り返されることで第２振動子５が自励振動する。

発電装置１では、比較例の発電装置で自励振動が起こらないような低い流速であっても、流速が、第２振動子５の流体励起振動が開始される流速以上であれば、第２振動子５が自励振動する。そして、発電装置１では、第２振動子５が自励振動すると、第１振動子３が共振して自励振動し、圧電変換部３２が発電する、と推考される。

発電装置１は、第２振動子５を備えることにより、第１梁部３１の剛性の低下を図ることなく、負荷が接続されている状態における第１振動子３の流体励起振動の発生限界流速の低流速化を図ることが可能となる。

発電装置１は、第２振動子５の長さが、第１振動子３の長さと等しく、第２振動子５の幅が、第１振動子３の幅よりも小さいのが好ましい。これにより、発電装置１は、第２振動子５の長さを第１振動子３の長さよりも長くすることで第２振動子５の線密度を第１振動子３の線密度よりも小さくする場合に比べて、平面サイズの小型化を図ることが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。第１振動子３の長さは、第１梁部３１の軸線に沿った方向における第１カンチレバー部３０の長さである。第２振動子５の長さは、第２梁部５１の軸線に沿った方向における第２カンチレバー部５０の長さである。「第２振動子５の長さは、第１振動子３の長さと等しく」とは、厳密に同一でなくてもよく、略同一であればよいという意味である。「第２振動子５の長さは、第１振動子３の長さと等しく」とは、例えば、〔（第１振動子３の長さ−第２振動子５の長さ）／第１振動子３の長さ〕×１００（％）が±５％以下であるのが好ましく、±３％以下であるのがより好ましい。発電装置１の平面サイズは、例えば、発電装置１がＭＥＭＳの製造技術を利用して製造されている場合、発電装置１のチップサイズを意味する。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の発電装置１０について図４に基づいて説明する。

本実施形態の発電装置１０は、第２振動子５が第２梁部５１の表面５１ａ上に設けられた圧電変換部５２を備えている点が実施形態１の発電装置１と相違する。なお、実施形態１の発電装置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。また、以下では、説明の便宜上、第１振動子３の圧電変換部３２を第１圧電変換部３２と称し、第２振動子５の圧電変換部５２を第２圧電変換部５２と称することもある。

発電装置１０は、基板２０と第２圧電変換部５２とが、基板２０の第１面２０ａ上に形成された第１絶縁膜９１によって、電気的に絶縁されている。

圧電変換部５２は、第２梁部５１上に設けられた第１電極（下部電極）５２１と、第１電極５２１上に設けられた圧電体層５２２と、圧電体層５２２上に設けられた第２電極（上部電極）５２３と、を備える。要するに、圧電変換部５２は、圧電体層５２２と、圧電体層５２２を厚さ方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極５２１及び第２電極５２３と、を備えている。

第２圧電変換部５２は、第１圧電変換部３２と同じ厚さで同じ材料により形成されているのが好ましい。

発電装置１０は、第２振動子５の振動によって第２圧電変換部５２の圧電体層５２２が応力を受ける。これにより、発電装置１０は、第２電極５２３と第１電極５２１とに電荷の偏りが発生し、圧電変換部５２において交流電圧が発生する。

圧電体層５２２の平面形状は、矩形状に形成されている。圧電変換部５２は、圧電体層５２２の外形サイズが、第１電極５２１の外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極５２３の外形サイズよりもやや大きい、のが好ましい。以下では、第２振動子５の厚さ方向において第１電極５２１と圧電体層５２２と第２電極５２３とが重なっている領域を、圧電変換領域５３０と称する。

第２圧電変換部５２は、第２カンチレバー部５０の第２梁部５１を面状に覆うように形成されている。第２梁部５１を面状に覆うとは、第２梁部５１の表面５１ａの略全面を覆うことを意味する。図４Ａにおける第２圧電変換部５２は、第２梁部５１の幅方向において第２梁部５１の表面５１ａの全面よりもやや狭い領域の全体を覆っている。より詳細には、第２圧電変換部５２は、第２カンチレバー部５０の側縁付近で、第２カンチレバー部５０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、発電装置１０の製造時に第２スリット２５を形成する際に、第２圧電変換部５２がエッチングされないように設定するのが好ましい。

第２圧電変換部５２は、圧電変換領域５３０が、交流電圧の発生に寄与する。発電装置１０は、第２カンチレバー部５０の長さ方向において、圧電変換領域５３０の、固定端５ｂ側の端５３１を、第２カンチレバー部５０と支持部２との境界に揃えてある。よって、発電装置１０は、圧電変換領域５３０の、固定端５ｂ側の端５３１が上記境界よりも第２カンチレバー部５０側にある場合に比べて、第２カンチレバー部５０上に存在する圧電変換領域５３０の面積を大きくできる。これにより、発電装置１０は、発電効率を向上させることが可能となる。第２カンチレバー部５０の長さ方向は、第２梁部５１の軸線に沿った方向である。

また、発電装置１０は、圧電変換領域５３０の、固定端５ｂ側の端５３１が上記境界よりも支持部２側にある場合に比べて、圧電変換領域５３０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。

第２圧電変換部５２で発生する交流電圧は、圧電体層５２２の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。発電装置１０の第２圧電変換部５２は、第２流路６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。第２振動子５の共振周波数は、第２カンチレバー部５０及び第２圧電変換部５２それぞれの構造パラメータと材料とにより決まる。

発電装置１０は、第２振動子５が第２梁部５１の表面５１ａ上に設けられた圧電変換部５２を備えているので、流体の流速によっては第１圧電変換部３２だけでなく第２圧電変換部５２からも負荷へ電力を供給することが可能となる。発電装置１０は、第２圧電変換部５２の第１電極５２１に電気的に接続された第３パッド電極と、第２電極５２３に電気的に接続された第４パッド電極と、を支持部２の表面２１側に備えているのが好ましい一形態である。これにより、発電装置１０は、第２圧電変換部５２からも負荷へ電力を供給する形態と電力を供給しない形態とのいずれの形態でも使用することが可能となる。発電装置１０は、第２圧電変換部５２からも負荷へ電力を供給する形態の場合、負荷へ供給する電力を大きくすることが可能となる。また、発電装置１００は、第２圧電変換部５２から負荷へ電力を供給しない形態の場合、第２圧電変換部５２から負荷へ電力を供給する形態に比べて、第２振動子５の流体励起振動の発生限界流速の低速化を図れる。これにより、発電装置１００は、第２圧電変換部５２から負荷へ電力を供給しない形態の場合、第２圧電変換部５２から負荷へ電力を供給する形態に比べて、第１振動子３の流体励起振動の発生限界流速の低流速化を図ることが可能となる。発電装置１０は、第２圧電変換部５２から負荷へ電力を供給しない場合、第１電極５２１が圧電体層５２２の下地層としての機能を有する。また、この場合、発電装置１０は、圧電体層５２２が、第２振動子５を反った状態とするための応力を付加する応力付加層としての機能を有する。また、この場合、発電装置１０は、第２電極５２３が圧電体層５２２を保護する保護層としての機能を有する。発電装置１０は、第１圧電変換部３２と第２圧電変換部５２とが支持部２の表面２１側で適宜に電気的に接続された構成としてもよい。

基板２０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、金属基板、酸化マグネシウム基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。金属基板としては、例えば、ステンレス鋼基板、アルミニウム基板、銅基板、真鍮基板等を採用することができる。ステンレス鋼基板としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼基板を採用することが好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼基板としては、例えば、ＳＵＳ３０４基板を採用することができる。発電装置１０は、基板２０として、酸化マグネシウム基板、ガラス基板、ポリマー基板等の絶縁性基板を用いる場合、第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜を必ずしも設ける必要はない。

また、ＳＯＩ基板は、例えば、シリコン基板２１１、シリコン酸化膜２１２及びシリコン層２１３の厚さを、それぞれ、２００μｍ〜１ｍｍ、０．５μｍ〜２μｍ及び２０〜８０μｍの範囲で適宜設定することが好ましい。

１、１０ 発電装置
２ 支持部
３ 第１振動子
３ａ 自由端
４ 第１流路
５ 第２振動子
５ａ 自由端
６ 第２流路
３０ 第１カンチレバー部
３１ 第１梁部
３１ａ 表面
３２ 圧電変換部
５０ 第２カンチレバー部
５１ 第２梁部
５１ａ 表面
５２ 圧電変換部

Claims (3)

1. 枠状の支持部と、前記支持部に揺動自在に支持された第１振動子と、前記支持部と前記第１振動子との間に形成された第１流路と、平面視において前記第１振動子に並んで配置され前記支持部に揺動自在に支持された第２振動子と、前記支持部と前記第２振動子との間に形成された第２流路と、を備え、
   前記第１振動子は、少なくとも一部が可撓性の第１梁部により構成された第１カンチレバー部と、前記第１梁部の表面に設けられた圧電変換部と、を備え、前記第１振動子の自由端が前記支持部の厚さ方向において前記支持部の外に位置するように反っており、
   前記第２振動子は、少なくとも一部が可撓性の第２梁部により構成された第２カンチレバー部を備え、前記第２振動子の自由端が前記支持部の厚さ方向において前記支持部の外に位置するように反っており、
   前記第１振動子の共振周波数と前記第２振動子の共振周波数とが等しく、
   前記第２振動子の質量を前記第２振動子の長さで除した線密度が、前記第１振動子の質量を前記第１振動子の長さで除した線密度よりも小さい、
   ことを特徴とする発電装置。
2. 前記第２振動子の長さは、前記第１振動子の長さと等しく、
   前記第２振動子の幅は、前記第１振動子の幅よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記第２振動子は、前記第２梁部の表面に設けられた圧電変換部を備える、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。

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