JP4767369B1 - 圧電発電素子および圧電発電素子を用いた発電方法 - Google Patents

Abstract

外部振動に対して破損し難い両持ち式の振動梁を具備しながら、発電量が大きく、製造が比較的容易な圧電発電素子が提供される。この素子は、支持体と帯状の振動梁と圧電体層と電極とを具備し、振動梁の第１および第２の端部は支持体に固定され、圧電体層および電極が振動梁の表面に配置される。振動梁は、振動していない状態で一つの平面内に伸長し、支持体に固定された第１の端部から伸長する第１の部分と、第２の端部から伸長する第２の部分と、第１の部分における前記端部とは反対側の端部および第２の部分における前記端部とは反対側の端部をつなぐ第３の部分とを有し、前記平面に垂直な方向から見て、第１の部分が伸長する第１の方向および第２の部分が伸長する第２の方向が、それぞれ前記端部に近づく方向であり、前記双方の端部の中心間を結ぶ直線に対して０°を超え９０°未満の角度を有し、第３の部分が前記直線と１回交差する、形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発電素子と、圧電発電素子を用いた発電方法とに関する。

振動発電は、機械的振動に含まれる力学的エネルギーが捕捉されて電気エネルギーに変換される発電方法である。振動発電は、例えば、電磁誘導、静電誘導または圧電効果を利用する。これらのなかでも、圧電効果を利用する振動発電（圧電発電）は、高いパワー密度を示す。圧電発電のための素子（圧電発電素子）の構成がシンプルであり、当該素子が小型化しうるからである。圧電発電素子（振動発電素子）は、圧電体層に加えられた機械的振動のエネルギーを、圧電効果により、電気エネルギーに変換して発電する素子である。

図１１および図１２は、従来の圧電発電素子を示す。

図１１に示される素子は、片持ち式の（カンチレバー状の）振動梁１０２を具備する。振動梁１０２は、帯状である。振動梁１０２の一方の端部（固定端）１０３は、フレーム１０４に固定されている。振動梁１０２の他方の端部１０５は、フレーム１０４に固定されていない。端部１０５は、自由端である。端部１０５は、振動梁１０２の主面に垂直な方向に振動しうる。振動梁１０２の一方の表面に、発電層１０１が配置されている。発電層１０１は、圧電体層と、圧電体層を挟持する一対の電極と、を具備する。図１１に示される素子に外部振動が加えられると、当該振動に応じて、振動梁１０２が振動する。この振動は、発電層１０１に含まれる圧電体層を変形させる。この変形は、圧電効果に基づき、圧電体層を挟持する一対の電極間に電位差を発生させる。発電層１０１は、振動梁１０２の双方の表面に配置されうる。発電層１０１の一部は、フレーム１０４の表面にも配置されうる。図１１に示される素子は、例えば、特許文献１に開示される。

図１２に示される素子は、両持ち式（ブリッジ状）の振動梁２０１を具備する。振動梁２０１は、帯状である。振動梁２０１の双方の端部２０２，２０３は、フレーム１０４に固定されている。振動梁２０１の一方の表面に、発電層１０１が配置されている。図１２に示される素子に外部振動が加えられると、当該振動に応じて、振動梁２０１が振動する。振動の振幅は、振動梁２０１の中央部２０４において、最大となる。この振動は、発電層１０１に含まれる圧電体層を変形させる。この変形は、圧電効果に基づき、圧電体層を挟持する一対の電極間に電位差を発生させる。図１２に示される素子は、例えば、特許文献２に開示される。

図１１に示される素子では、振動梁１０２がカンチレバー状である。このため、振動梁１０２の振動に対する制約が少ない。この少ない制約は、ある程度大きな電力の発生を許容する。一方で、過度の外部振動によって、振動梁１０２が破損しやすい。

これに対して、図１２に示される素子では、振動梁２０１が両持ち式である。両持ち式の振動梁２０１は、外部振動によって破損し難い。一方で、振動梁の両端部が固定されているため、当該梁の振幅量が小さく、発生する電力が小さい傾向にある。特許文献３は、両持ち式の振動梁の振幅量を増大する手法を開示する。具体的には、特許文献３に開示される素子では、振動梁が予め屈曲されて、双安定状態に保持されている。当該素子において、振動梁は、２つの安定状態の間を交互に振動する。当該振動の振幅量は、図１２に示される振動梁２０１が示しうる振幅量よりも大きい。

特許文献１〜３以外に、特許文献４および特許文献５が本発明に関連しうる。特許文献５は、圧電発電素子を開示しない。特許文献５は、高周波マイクロマシンスイッチを開示する。圧電発電素子は、梁の振動に関する技術に基づく。高周波マイクロマシンスイッチは、梁を、スイッチとしてＯＦＦまたはＯＮの位置に保持する、すなわち、梁を特定の２つの形態間で転換させ、当該形態に保持する技術に基づく。高周波マイクロマシンスイッチにおいて、梁の振動は全く考慮されない。両者は、全く異なる技術に基づく。

特開平09-205781号公報 特許第3790255号公報 特許第3939737号公報 特開2006-246688号公報 特開2007-026804号公報

振動梁を予め屈曲させる手法は、振動梁の振幅量を増大させる。しかし、圧電発電素子の製造時に、振動梁の屈曲、双安定点のサーチ、振動梁の屈曲状態の調整ならびに調整した状態を保った振動梁の固定が必須となる。すなわち、圧電発電素子の製造工程が複雑である。従来、両持ち式の振動梁を具備し、発電量が大きく、製造が比較的容易な圧電発電素子は実現されていない。

本発明は、外部振動に対して破損し難い両持ち式の振動梁を具備しながら、発電量が大きく、製造が比較的容易な圧電発電素子の提供を目的とする。また、本発明は、当該圧電発電素子を用いた発電方法の提供を目的とする。

本発明の圧電発電素子は、支持体と、帯状の振動梁と、圧電体層と、前記圧電体層を挟持する一対の電極と、を具備する。前記振動梁の双方の端部（第１の端部および第２の端部）は、前記支持体に固定されている。前記圧電体層および前記一対の電極が、前記振動梁の表面に配置されている。前記振動梁は、振動していない状態で、一つの平面内に伸長する。前記振動梁は、前記支持体に固定された前記第１の端部から伸長する第１の部分と、前記支持体に固定された前記第２の端部から伸長する第２の部分と、前記第１の部分における前記第１の端部とは反対側の端部および前記第２の部分における前記第２の端部とは反対側の端部をつなぐ第３の部分と、を有する。前記振動梁は、前記平面に垂直な方向から見て、以下の（１）〜（３）の形状を有する。（１）前記第１の端部から前記第１の部分が伸長する第１の方向、および前記第２の端部から前記第２の部分が伸長する第２の方向が、それぞれ前記第２の端部および前記第１の端部に近づく方向である。（２）前記第１の方向および前記第２の方向が、それぞれ、前記第１の端部の中心と前記第２の端部の中心とを結ぶ直線に対して０°を超え９０°未満の角度を有する。（３）前記第３の部分が前記直線と１回交差する。

本発明の方法は、圧電発電素子を用いた発電方法であって、前記圧電発電素子を準備する工程と、以下の工程（Ａ）とを包含する。ここで、前記圧電発電素子は、支持体と、帯状の振動梁と、圧電体層と、前記圧電体層を挟持する一対の電極と、を具備する。前記振動梁の双方の端部（第１の端部および第２の端部）は、前記支持体に固定されている。前記圧電体層および前記一対の電極が、前記振動梁の表面に配置されている。前記振動梁は、振動していない状態で、一つの平面内に伸長する。前記振動梁は、前記支持体に固定された前記第１の端部から伸長する第１の部分と、前記支持体に固定された前記第２の端部から伸長する第２の部分と、前記第１の部分における前記第１の端部とは反対側の端部および前記第２の部分における前記第２の端部とは反対側の端部をつなぐ第３の部分と、を有する。前記振動梁は、前記平面に垂直な方向から見て、以下の（１）〜（３）の形状を有する。（１）前記第１の端部から前記第１の部分が伸長する第１の方向、および前記第２の端部から前記第２の部分が伸長する第２の方向が、それぞれ前記第２の端部および前記第１の端部に近づく方向である。（２）前記第１の方向および前記第２の方向が、それぞれ、前記第１の端部の中心と前記第２の端部の中心とを結ぶ直線に対して０°を超え９０°未満の角度を有する。（３）前記第３の部分が前記直線と１回交差する。工程（Ａ）は、前記圧電発電素子に振動を与えることにより、前記一対の電極間に電位差を生じさせる工程である。

本発明の発電素子は、特定の形状を有する振動梁を具備する。これにより、外部振動に対して破損し難く、発電量が大きく、製造が比較的容易な圧電発電素子が実現する。本発明の圧電発電素子は、当該素子の周囲環境に存在する振動から、大きな電力を捕捉しうる。本発明の圧電発電素子の使用により、頑強で、生産性に優れる、小型の自立発電機が実現する。

図１は、本発明の圧電発電素子の一例を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す圧電発電素子を、当該素子が具備する振動梁が伸長する平面に垂直な方向から見た、模式的な平面図である。 図３は、振動梁が屈曲部を有するが、本発明に含まれない圧電発電素子の一例を模式的に示す平面図である。 図４Ａは、振動梁における端部の中心を説明するための模式図である。 図４Ｂは、振動梁における端部の中心を説明するための模式図である。 図５Ａは、本発明の圧電発電素子の別の一例を模式的に示す平面図である。 図５Ｂは、図５Ａに示す圧電発電素子を、当該素子が具備する振動梁の中心線に沿って切断した断面図である。 図６Ａは、本発明の圧電発電素子のまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図６Ｂは、図６Ａに示す圧電発電素子を、当該素子が具備する振動梁の中心線に沿って切断した断面図である。 図７Ａは、本発明の圧電発電素子のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図７Ｂは、本発明の圧電発電素子のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図７Ｃは、本発明の圧電発電素子のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図８Ａは、本発明の圧電発電素子のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図８Ｂは、本発明の圧電発電素子のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図８Ｃは、本発明の圧電発電素子のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図８Ｄは、本発明の圧電発電素子のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図９は、実施例１において評価した、圧電発電素子が示す発生電圧の時間依存性を示す図である。 図１０は、実施例３において評価した、圧電発電素子の構造を模式的に示す斜視図である。 カンチレバー状の振動梁を具備する、従来の圧電発電素子の一例を模式的に示す斜視図である。 ブリッジ状の振動梁を具備する、従来の圧電発電素子の一例を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態が説明される。以下の説明において、同一の部材に同一の符号が与えられる。これにより、重複する説明が省略される。

［圧電発電素子］
図１は、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図１に示される圧電発電素子１は、帯状の振動梁２を具備する。振動梁２の双方の端部（第１の端部４および第２の端部６）は、支持体（土台）３に固定されている。振動梁２の当該端部（固定端）以外の部分（振動部）は、外部振動に応じて振動しうる。すなわち、振動梁２は、両持ち式である。このため、振動梁２は、外部振動に対して破損し難い。振動梁２は、振動部が当該梁の厚さ方向に振動しうるように、支持体３に固定されている。

振動梁２は、当該梁が振動していない状態で、一つの平面内に伸長している。すなわち、素子１の製造時に、振動梁の屈曲、双安定点のサーチ、振動梁の屈曲状態の調整ならびに調整した状態を保った振動梁の固定は不要である。このため、素子１は、製造が比較的容易である。振動梁２が伸長する平面に垂直な方向と、振動梁２の主面に垂直な方向とは同一である。

振動梁２は、支持体３に固定された第１の端部４から伸長する第１の部分５と、支持体３に固定された第２の端部６から伸長する第２の部分７と、第１の部分５における端部４とは反対側の端部および第２の部分７における端部６とは反対側の端部を接続する第３の部分１０と、を有する。

図２は、図１に示される素子１を、振動梁２が伸長する平面に垂直な方向から見た平面図である。図２に示されるように、振動梁２が伸長する平面に垂直な方向から見て、振動梁２の第１の端部４から第１の部分５が伸長する第１の方向１１は、振動梁２の第２の端部６に近づく方向である。振動梁２の第２の端部６から第２の部分７が伸長する第２の方向１２は、振動梁２の第１の端部４に近づく方向である。第１の方向１１および第２の方向１２は、振動梁２の第１の端部４の中心８と、第２の端部６の中心９とを結ぶ直線１３に対して、０°を超え９０°未満の角度で交わる。第３の部分１０は、直線１３と１回交差する。

振動梁２の表面に、圧電体層および当該圧電層を挟持する一対の電極を具備する発電層１４が配置されている。帯状の振動梁２の厚さ方向と、圧電体層の厚さ方向とは同一である。

振動梁２を具備する素子１は、外部振動による発電量が大きい。

図１２に示される従来の圧電発電素子は、両持ち式の振動梁２０１を具備する。しかし、振動梁２０１では、その一方の端部２０２から梁２０１が伸長する方向と、他方の端部２０３から梁２０１が伸長する方向とが同一である。これに加えて、これらの方向と、梁２０１の双方の端部の中心とを結ぶ直線は平行である。すなわち、これらの方向と当該直線とがなす角度が０°である。このような直線のブリッジ形状を有する振動梁２０１は、剛直である。振動梁２０１は、振動時にとりうる振幅量が小さい。これに対して、第１の方向１１および第２の方向１２が直線１３に対して０°を超える角度で交わる形状に基づいて、振動梁２は、より柔軟である。したがって、振動梁２は、振動時にとりうる振幅量が大きい。

しかし、振動梁がとりうる振幅量が大きいだけでは、発電量は大きくならない。圧電発電素子では、振動梁が伸長する平面に垂直な方向（振動梁および圧電体層の厚さ方向、例えば、図２に示されるｚ方向）の振動により、発電が行われるからである。これを考慮し、振動梁２は、上述した形状を有する。

素子１に対して、振動梁２が伸長する平面に垂直な方向（図２に示されるｚ方向）に外部から機械的振動が加わると、振動梁２がｚ方向に振動して、発電が行われる。その他の方向の振動、例えば、図２に示されるｙ方向の振動は、発電に寄与しない。しかし、外部振動がｚ方向の成分のみからなることは希である。外部振動は、通常、ｚ方向以外の方向の成分を含む。素子１では、ｙ方向の成分が外部振動に含まれる場合、振動梁２におけるｙ方向の振動が抑制される。抑制されたｙ方向の振動は、ｚ方向の振動に集約され、発電に寄与する。これにより、素子１の発電量が大きくなる。

振動梁に屈曲部または湾曲部を設けることにより、振動梁がとりうる振幅量が大きくなる。しかし、振動梁が上述した形状を満たさない場合、振動梁においてｙ方向の振動が抑制される程度が小さくなる。すなわち、ｙ方向の振動がｚ方向の振動に集約される量が減少し、発電量が小さくなる。屈曲部または湾曲部を有するが、上述した形状を満たさない振動梁の一例が図３に示される。

図３に示される振動梁３０１は、振動していない状態で、一つの平面内に伸長している。図３は、振動梁３０１が伸長する平面に垂直な方向から見た平面図である。振動梁３０１は、支持体３０２に固定された一方の端部３０３から伸長する部分３０５と、支持体３０２に固定された他方の端部３０４から伸長する部分３０６と、を有する。振動梁３０１は、部分３０５と部分３０６との間に、屈曲部３０９および屈曲部３１０を有する。屈曲部３０９，３１０は、振動梁３０１がとりうる振幅量の増大に寄与する。しかし、振動梁３０１が伸長する平面に垂直な方向から見て、端部３０３から部分３０５が伸長する方向３０７と、端部３０４から部分３０６が伸長する方向３０８とは、端部３０３の中心３１１と端部３０４の中心３１２とを結ぶ直線３１３と平行である。すなわち、方向３０７，３０８と直線３１３とがなす角度は０°である。ｙ方向の成分を含む振動が振動梁３０１に加わると、振動梁３０１はｙ方向に振動する。すなわち、振動梁３０１では、ｙ方向の振動がｚ方向の振動に集約される量が減少し、発電量が小さくなる。

図１および図２に示される振動梁２において、第１の部分５が伸長する第１の方向１１は、第２の部分７が支持体３に固定されている第２の端部６に近づく方向である。第２の部分７が伸長する第２の方向１２は、第１の部分５が支持体３に固定されている第１の端部４に近づく方向である。仮に、方向１１および方向１２が、それぞれ第２の端部６および第１の端部４から遠ざかる方向である場合、第１の部分５と第２の部分７とを接続する第３の部分１０の長さが長く、形状が複雑になる。

さらに、第１の方向１１および第２の方向１２は、第１の端部４の中心８と第２の端部６の中心９とを結ぶ直線１３に対して９０°未満の角度で交わる。仮に、方向１１および方向１２が、直線１３に対して９０°以上の角度で交わる場合、第３の部分１０の長さが長く、形状が複雑になる。

さらに、第３の部分１０は直線１３と１回交差する。仮に、交差が２回以上とすると、第３の部分１０の長さが長く、形状が複雑になる。

すなわち、振動梁２の形状は、振幅量を増やしながら、第１の部分５と第２の部分７とを接続する第３の部分１０の長さを短くし、形状を過度に複雑にしない技術的思想に基づく。第３の部分の長さが長い、または第３の部分の形状が複雑であると、振動梁が、ｚ方向以外の方向に振動しやすくなる。すなわち、発電量が低下する。

振動による振動梁の振幅量は、振動梁の固定端（支持体に固定されている端部）近傍において最も大きい。振幅量が大きいほど、発電量が多くなる。すなわち、第１の部分、第２の部分および第３の部分では、発電量に対する第３の部分の寄与が相対的に小さい。よって、第３の部分の長さを短くしたとしても、ｚ方向に振動が集約する効果によって、発電量が増大する。

第３の部分と、振動梁における両端部の中心間を結ぶ直線と、の交差が０回の場合、振動梁は、当該梁が伸長する平面において、当該直線によって分割される一方の平面のみに存在する。この形状の場合、振動梁の長さに関係なく、振動梁がｚ方向以外の方向に振動しやすくなる。すなわち、発電量が低下する。本発明の圧電発電素子では、第３の部分と、当該直線との交差回数は１回である。この場合、振動梁は、当該梁が伸長する平面において、当該直線によって分割される双方の平面に存在する。

図１および図２に示される振動梁２の振動部の幅（振動梁２が伸長する平面に垂直な方向から見た幅）は、均一である。第１の部分５および第２の部分７は、当該平面に垂直な方向から見て、台形である。第３の部分１０は、当該平面に垂直な方向から見て、平行四辺形である。振動梁２は、２つの、直角の屈曲部を有する。一方の屈曲部は、第１の部分５と第３の部分１０との接続部に位置する。他方の屈曲部は、第２の部分７と第３の部分１０との接続部に位置する。図１および図２に示される振動梁２は、当該平面に垂直な方向から見て、クランク状である。

振動梁の端部の中心とは、以下の点である。図１および図２に示される振動梁２のように、当該梁の側面において支持体に固定されている場合（図４Ａ参照）、振動梁２１が伸長する平面に垂直な方向から見て、振動梁２１における支持体２２に接する側面の端点Ａ，Ｂを結ぶ線分ＡＢの中点Ｃである。振動梁が、当該梁の表面（主面）において支持体に固定されている場合（図４Ｂ参照）、振動梁２１が伸長する平面に垂直な方向から見て、振動梁２１が支持体２２と重複しない部分（すなわち振動部）２３の端を端部として、その端点Ａ，Ｂを結ぶ線分ＡＢの中点Ｃである。

第１の部分および第２の部分が伸長する方向とは、当該部分の中心線（帯状の振動梁の長さ方向の中心線）が伸びる方向である。第１の部分および第２の部分の中心線は直線である。

第３の部分が直線と交差する、とは、第３の部分の中心線（帯状の振動梁の長さ方向の中心線）が、当該直線と交差することを意味する。

本発明の圧電発電素子において、第１の部分および第２の部分の形状は、以下の条件を満たす限り限定されない。双方の端部（第１の端部および第２の端部）が支持体に固定されている。第１の部分および第２の部分が、それぞれ、第１の端部および第２の端部から伸長している。第１の部分および第２の部分が、振動していない状態で、一つの平面内に伸長している。振動梁が伸長する平面に垂直な方向から見て、第１の部分および第２の部分が上記各端部から伸長する方向（第１の方向および第２の方向）は、それぞれ、第２の端部および第１の端部に近づく方向である。振動梁が伸長する平面に垂直な方向から見て、第１の方向および第２の方向は、当該端部の中心間を結ぶ直線に対して０°を超え９０°未満の角度を有する。

第３の部分の形状は、第１の部分と第２の部分とを、当該各部分の端部において接続し、第１の部分および第２の部分が伸長する平面と同一平面内に伸長し、上記直線と１回交差する限り、限定されない。第３の部分は、振動梁が伸長する平面に垂直な方向から見て、湾曲部および／または屈曲部を有しうる。

振動梁において、第１の方向と第２の方向とが互いに平行であることが好ましい。この場合、ｚ方向以外の方向の振動が、ｚ方向の振動に集約される量が増大する。

振動梁は、当該梁が伸長する平面に垂直な方向から見て、点対称の形状を有することが好ましい。この場合、ｚ方向以外の方向の振動が、ｚ方向の振動に集約される量が増大する。図１および図２に示される振動梁２は、その中心線１５上の点１６を基準に、点対称の形状を有する。点１６は、中心線１５において、第１の端部４と第２の端部６との間の中間点に位置する。

本発明の圧電発電素子において、振動梁の表面に、錘が配置されうる。錘の配置により、圧電発電素子における応答周波数の調整および捕捉振動のレベル調整がなされうる。

図１および図２に示されるように、本発明の圧電発電素子において、振動梁２の表面に発電層１４が配置される。発電層１４は、圧電体層と、圧電体層を挟持する一対の電極と、を具備する。発電層１４は、振動梁２の少なくとも一部の表面に配置される。発電層１４が配置されていない振動梁２の表面が存在しうる。発電層１４は、振動梁２の双方の表面（主面）に配置されうる。発電層１４は、振動梁２における支持体３に固定されている部分ならびに支持体３の表面に、さらに配置されうる。図１および図２において、発電層１４の厚さが表現されていない。しかし、実際は、発電層１４は厚さを有する。

圧電体層を構成する材料は、圧電性能を有する。具体的な当該材料は、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃のような鉛を含む強誘電体；ＢａＴｉＯ₃、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ₃および（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ₃のような強誘電体；および高分子圧電材料である。圧電体層を構成する材料は、公知の圧電材料でありうる。

電極は、導電性を有する材料から構成される。当該材料は限定されない。

振動梁、圧電体層および電極の厚さ、発電層の構成および支持体の形状は、当業者であれば、適宜調整しうる。図１および図２に示される素子１では、支持体３は、振動梁２が伸長する平面に垂直な方向から見て、振動梁２を囲むＵ字状である。

本発明の圧電発電素子は、当業者であれば、公知の方法を応用して製造しうる。

以下、本発明の圧電発電素子がとりうるバリエーションが述べられる。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の圧電発電素子の別の一例を示す。図５Ｂは、図５Ａに示される圧電発電素子３１を、当該素子３１が具備する振動梁３２の中心線３３に沿って切断した断面を示す。図５Ａおよび図５Ｂに示される圧電発電素子３１は、圧電体層３３を挟持する一対の電極（下部電極３２および上部電極３４）から選ばれる一方の電極（上部電極３４）が、振動梁２が伸長する方向に、分割して２以上（上部電極３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）配置されている以外、図１および図２に示される圧電発電素子１と同一である。

上部電極３４ａは、下部電極３２および圧電体層３３を介して、振動梁２における第１の部分５の表面に配置されている。上部電極３４ｂは、下部電極３２および圧電体層３３を介して、振動梁２における第３の部分１０の表面に配置されている。上部電極３４ｃは、下部電極３２および圧電体層３３を介して、振動梁２における第２の部分７の表面に配置されている。

ｚ方向の外部振動に対して、振動梁２の全体は同じ方向に変位する。一方、振動梁２の表面に発生する面内応力、すなわち振動梁２の表面に配置された圧電体層３３に加わる応力は、第１の部分５および第２の部分７と、第３の部分１０と、の間で異なる。具体的には、第１の部分５および第２の部分７は、その一方の端部が支持体３に固定されている（固定端を有する）。一方、第３の部分１０は、双方の端部が振動しうる。したがって、第１の部分５および第２の部分７に圧縮応力が加わるとき、第３の部分１０に引っ張り応力が加わる。第１の部分５および第２の部分７に引っ張り応力が加わるとき、第３の部分１０に圧縮応力が加わる。圧縮応力と引っ張り応力とは、振動に応じて、周期的かつ交互に、各部分に加わる。すなわち、圧電体層のうち、第１の部分５および第２の部分７に対応する部分に生じる電界の向きと、第３の部分１０に対応する部分に生じる電界の向きとが逆になる（図５Ｂ参照。圧電体層３３における矢印は、ある瞬間における、当該層３３内に生じた電界の向きを指し示す）。このため、圧電体層３３を挟持する一対の電極を、分割することなく、第１の部分５、第２の部分７および第３の部分１０に共通して配置すると、圧電体層のうち、第１の部分５および第２の部分７に対応する部分における発電と、第３の部分１０に対応する部分における発電とが打ち消し合う。これは、圧電発電素子に、発電量の低下をもたらす。

これに対して、図５Ａおよび図５Ｂに示される素子３１では、上部電極３４が、３つに分割されている。これにより、圧電体層３３における発電が打ち消し合う程度が軽減されうる。すなわち、本発明の圧電発電素子では、圧電体層を挟持する一対の電極から選ばれる少なくとも１つの電極が、振動梁が伸長する方向に、分割して２以上配置されていることが好ましい。当該少なくとも１つの電極が分割される具体的な状態は特に限定されない。分割の状態ならびに発電により生じた電力を取り出す配線の状態によっては、圧電体層における発電の打ち消し合いは、ほぼ抑えられる。図５Ａおよび図５Ｂに示される例では、上部電極３４が、第１の部分５、第２の部分７および第３の部分１０のそれぞれに対応する３つの電極３４ａ，３４ｂおよび３４ｃに分割されている。図５Ｂに示されるように、この場合、下部電極３２を介して、圧電体層における第１の部分５に対応する部分と、圧電体層における第２の部分７に対応する部分と、が電気的に並列に接続されている。これに加えて、下部電極３２を介して、圧電体層における第１の部分５に対応する部分および第２の部分７に対応する部分と、圧電体層における第３の部分１０に対応する部分と、が電気的に直列に接続されている。この構成によれば、発電の打ち消し合いがほぼ抑えられ、大きな電力量が取り出されうる。

上述したように、振動梁の固定端に近い部分で発電量が大きいため、第３の部分の表面に配置された電極３４ｂは省略されうる。

配線の状態は、以下の状態でありうる：電極３４ａと下部電極３２とを利用して、圧電体層のうち、第１の部分５に対応する部分において発生した電力を取りだす；電極３４ｂと下部電極３２とを利用して、圧電体層のうち、第２の部分７に対応する部分において発生した電力を取りだす；電極３４ｃと下部電極３２とを利用して、圧電体層のうち、第３の部分１０に対応する部分において発生した電力を取り出す。すなわち、第１の部分５に対応する部分で発生した電力と、第２の部分７に対応する部分で発生した電力と、第３の部分１０に対応する部分で発生した電力とを、個別に取り出す。

図６Ａおよび図６Ｂは、少なくとも１つの電極が、振動梁が伸長する方向に分割して２以上配置された別の例を示す。図６Ｂは、図６Ａに示される圧電発電素子４１を、当該素子４１が具備する振動梁２の中心線１５に沿って切断した断面を示す。図６Ａおよび図６Ｂに示される圧電発電素子４１は、圧電体層４３を挟持する一対の電極（下部電極４２および上部電極４４）のそれぞれが、振動梁２が伸長する方向に、分割して２以上（下部電極４２ａ,４２ｂおよび上部電極４４ａ，４４ｂ）配置されている以外、図１および図２に示される圧電発電素子１と同一である。

上部電極４４ａは、下部電極４２ａおよび圧電体層４３を介して、振動梁２における第１の部分５の表面に配置されている。上部電極４４ｂは、下部電極４２ａおよび圧電体層４３を介して、振動梁２における第２の部分７の表面に、ならびに下部電極４２ｂおよび圧電体層４３を介して、振動梁２における第３の部分１０の表面に配置されている。下部電極４２ａは、振動梁２における第１の部分５および第２の部分７の表面に配置されている。下部電極４２ｂは、振動梁２における第３の部分１０の表面に配置されている。下部電極４２ａと下部電極４２ｂとの間には、双方の電極４２ａ，４２ｂを電気的に絶縁する絶縁ギャップ４５が配置されている。絶縁ギャップ４５は、空隙または絶縁物から構成されうる。図６Ａおよび図６Ｂに示される素子４１では、圧電体層における、第１の部分５に対応する部分、第２の部分７に対応する部分および第３の部分１０に対応する部分が、電気的に直列に接続されている。素子４１において、上述した打ち消し合いがほぼ抑えられ、大きな電力量が取り出されうる。

これに加えて素子４１では、電力を取り出す電極が、振動梁２の固定端の近傍に配置されている。このため、素子４１と外部回路との接続が容易となる。

図１に示されるように、本発明の圧電発電素子が具備する振動梁は、屈曲部を有しうる。図１に示される素子１が具備する振動梁２は、２つの、直角の屈曲部を有する。本発明の圧電発電素子において、振動梁が屈曲部を有する場合、屈曲部の角度は鋭角または鈍角でありうる。

図７Ａは、振動梁の屈曲部の角度が鋭角である素子の例を示す。図７Ａに示される素子が具備する振動梁５１は、２つの、鋭角の屈曲部を有する。屈曲部の角度が鋭角である場合、振動梁５１が収容される、支持体３に囲まれた空間の使用効率が増大しうる。すなわち、素子の単位面積あたりの発電量が増大しうる。

図７Ｂは、振動梁の屈曲部の角度が鈍角である例を示す。図７Ｂに示される素子が具備する振動梁５３は、２つの、鈍角の屈曲部を有する。図７Ｃは、振動梁５４が、２つの、鋭角の屈曲部を有するが、当該屈曲部に丸みが与えられた例を示す。振動梁に角部があると、繰り返し加えられる振動によって、当該角部を起点として亀裂が生じることがある。図７Ｂおよび図７Ｃに示される例では、このような亀裂の発生が抑制されうる。すなわち、素子の破損頻度が減少し、より頑強な素子が実現しうる。

図７Ａ〜図７Ｃに示される例では、いずれも、上部電極が、振動梁５１，５３または５４が伸長する方向に、分割して２以上配置されている（上部電極５２ａ，５２ｂおよび５２ｃ）。図７Ａ〜図７Ｃに示される例における第１の部分５および第２の部分７は、振動梁の中心線１５が直線の部分である。振動梁５１，５３または５４における残る部分は、第３の部分１０である。

図８Ａは、図５Ａに示される素子における、振動梁の固定端の近傍を拡幅した例を示す。図８Ｂは、図７Ａに示される素子における、振動梁の固定端の近傍を拡幅した例を示す。図８Ｃは、図７Ｂに示される素子における、振動梁の固定端の近傍を拡幅した例を示す。図８Ｄは、図７Ｃに示される素子における、振動梁の固定端の近傍を拡幅した例を示す。これらの例に示されるように、固定端の近傍を拡幅すると、圧電発電素子の発電効率が向上する。これに加えて、振動梁が収容される、支持体３に囲まれた空間の使用効率が増大しうる。すなわち、素子の単位面積あたりの発電量が増大しうる。拡幅は、好ましくは、固定端に近づくにつれて振動梁の幅が大きくなる形態を有する。

本発明の圧電発電素子は、本発明の効果が得られる限り、上述した以外の任意の部材を具備しうる。

［圧電発電素子を用いた発電方法］
上述した本発明の圧電発電素子に振動を与えることにより、圧電体層を挟持する一対の電極間に電位差が生じる。これにより、当該電極を介して電力が得られる。上述した圧電発電素子の好ましい形態は、本発明の発電方法に使用する圧電発電素子においても、好ましい。

外部から圧電発電素子に機械的振動が与えられると、当該素子が具備する振動梁が振動する。当該振動が、圧電効果による起電力を圧電体層に発生させる。このようにして、圧電体層を挟持する一対の電極（上部電極および下部電極）の間に電位差が発生する。

本発明の発電方法では、大きな発電量が実現しうる。

以下、実施例により、本発明が、より詳細に説明される。本発明は、以下の実施例に限定されない。

（実施例１）
実施例１では、シリコン（Ｓｉ）基板を微細加工して、支持体と、当該支持体に固定された振動梁とが形成された。２種類の振動梁が形成された。一つは、図１２に示される直線ブリッジ状の振動梁であった。もう一つは、図１に示されるクランク状の振動梁であった。形成した振動梁の表面には、ペロブスカイト型強誘電体Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下、ＰＺＴ）から構成される圧電体層、ならびに当該圧電体層を挟持する一対の電極（上部電極および下部電極）が配置された。これにより、本発明の圧電発電素子（振動梁が図１に示される形状）と、比較用の圧電発電素子（振動梁が図１２に示される形状）とが形成された。

具体的な形成方法が、以下に示される。

最初に、Ｓｉ基板上に、ドライエッチング後に下部電極となる厚さ１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）層が、スパッタリングにより形成された。次に、Ｉｒ層上に、ドライエッチング後に圧電体層となる厚さ３．６μｍのＰＺＴ薄膜が、スパッタリングにより形成された。ＰＺＴ薄膜は、基板温度６００℃の条件下で、形成された。次に、Ｓｉ基板／Ｉｒ層／ＰＺＴ薄膜の積層体が、フォトリソグラフィにより、図１に示される形状にパターニングされた。これとは別に、Ｓｉ基板／Ｉｒ層／ＰＺＴ薄膜の別の積層体が、フォトリソグラフィにより、図１２に示される形状にパターニングされた。

パターニングにおいて、振動梁の幅（振動梁が伸長する平面に垂直な方向から見た幅）は、振動梁全体で均一であり、２ｍｍであった。支持体の形状は、図１および図１２に示される形状（Ｕ字状）であった。Ｕ字の平行に向かい合った辺の間隔は１０ｍｍであった。図１に示される形状において、振動梁２の第３の部分１０の長さは、当該部分の中心線１５の長さにして、４ｍｍであった。

次に、ドライエッチング後に上部電極となる厚さ１００ｎｍの金（Ａｕ）層が、スパッタリングにより形成された。ＰＺＴ薄膜とＡｕ層との間には、密着層としてチタン（Ｔｉ）層が配置された。Ａｕ層は、振動梁の固定端となる部分に接するように形成された。次に、全体が、振動梁の厚さが８０μｍとなるようにドライエッチングされた。これにより、図１に示される形状を有する圧電発電素子と、図１２に示される形状を有する圧電発電素子とが形成された。

このように形成された２種類の圧電発電素子が、それぞれ、振動試験機に設置された。次に、振動試験機により、素子の振動梁の主面に垂直な方向（ｚ方向）に振動が加えられた。その際、振動梁の一方の固定端における上部電極および下部電極が負荷抵抗に接続され、素子において発生した発電量が見積もられた。

図９は、２Ｇ（Ｇ：重力加速度）の最大加速度を有する、周波数８００Ｈｚの外部振動を素子に与えた際の、無負荷時の発生電圧（上部電極−下部電極間に発生した電位差）の時間依存性を示す。白マークは、図１２に示される形状を有する圧電発電素子が出力する電位差に対応する。黒マークは、図１に示される形状を有する圧電発電素子が出力する電位差に対応する。図９に示されるように、図１に示される形状を有する素子が出力するピーク間電圧は２．８Ｖであった。これは、図１２に示される形状を有する素子が出力するピーク間電圧の２倍以上であった。

次に、負荷の接続により、各素子の平均発生電力が見積もられた。双方の素子ともに、５ｋΩ（キロオーム）の負荷抵抗を接続した際に、最大の発電量が示された。図１２に示される形状を有する素子の最大発電量は、電力実効値にして８μＷであった。一方、図１に示される形状を有する素子の最大発電量は、電力実効値にして５０μＷであった。

次に、素子に加える外部振動の最大加速度を増加させた。図１２に示される形状を有する素子の最大発電量は１０μＷで飽和した。これは、振動梁における振幅量の限界が低いためと考えられた。一方、図１に示される形状を有する素子の最大発電量は、加速度の増加に応じて増大した。図１に示される形状を有する素子において、最大加速度２Ｇの外部振動に対する瞬間的な最大発生電力は、４００μＷに達することが確認された。これに加えて、最大加速度１０Ｇの外部振動に対しても、当該素子は破損せず、発電が続いた。

（実施例２）
実施例１と同様の材料および手法を用いて、図１に示される形状を有する圧電発電素子および図３に示される形状を有する圧電発電素子が形成された。双方の素子ともに、振動梁の幅は、振動梁全体で均一であり、２ｍｍであった。支持体の形状は、図１および図３に示される形状（Ｕ字状）であった。Ｕ字の平行に向かい合った辺の間隔は１０ｍｍであった。図１に示される形状において、振動梁２の第３の部分１０の長さは、当該部分の中心線１５の長さにして、４ｍｍであった。双方の素子ともに、上部電極は、振動梁の固定端から３ｍｍ程度の長さで形成した。双方の素子ともに、振動梁の中央の点１６（図１に示される形状を有する素子）および点３２０（図３に示される形状を有する素子）に、振動梁の共振周波数が８００Ｈｚ前後となるように、錘が設置された。

このように形成された２種類の圧電発電素子が、それぞれ、振動試験機に設置された。

次に、振動試験機により、素子の振動梁の主面に垂直な方向（ｚ方向）に、最大加速度３Ｇの外部振動が加えられた。その際の最大発電量が、実施例１と同様に見積もられた。双方の素子ともに、１１０μＷの電力実効値が得られた。

次に、振動試験機により、ｚ方向と完全に同一ではなく、ｙ方向に４５度傾いた、すなわち、ｚ方向およびｙ方向の双方の成分を含む外部振動が、双方の素子に加えられた。図３に示される形状を有する素子では、最大発電量が、電力実効値にして７０μＷであった。一方、図１に示される形状を有する素子では、最大発電量が、電力実効値にして１００μＷであった。図１に示される形状を有する素子では、ｙ方向の振動がｚ方向の振動に集約された。すなわち、図１に示される形状を有する素子では、ｚ方向だけではなくｙ方向の振動が発電に寄与する、非常に発電効率が高い圧電発電素子の構成が実現された。

（実施例３）
実施例１と同様の材料および手法を用いて、図１０に示される形状を有する圧電発電素子が形成された。支持体３の形状は、Ｕ字状であった。Ｕ字の平行に向かい合った辺の間隔は１０ｍｍであった。振動梁６５の幅は、第３の部分（振動梁６５における第１の部分５および第２の部分７以外の部分）において、２ｍｍ均一であった。振動梁６５の幅は、第１の部分５および第２の部分７における固定端において４ｍｍであった。振動梁６５の幅は、第１の部分５および第２の部分７における第３の部分との接続端において２ｍｍであった。すなわち、振動梁６５の幅は、固定端に近づくほど、大きかった。振動梁６５の中央（振動梁の中心線１５における、一方の固定端から他方の固定端への中央部）に位置する点１６に、振動梁の共振周波数が８００Ｈｚ前後となるように、錘が設置された。図面を分かり易くするために、第３の部分の図示は省略する。

当該素子において、第１の部分５上に形成された上部電極５２ａと、第２の部分７上に形成された上部電極５２ｃとは、第３の部分上の上部電極５２ｂの傍らに設けられた引き出し配線６１により、電気的に接続されている。上部電極５２ａは、支持体３上に形成された電極端子６２へと引き出されている。第３の部分上に形成された上部電極５２ｂは、上部電極５２ａの傍らに設けられた引き出し配線６３により引き出され、電極端子６４に電気的に接続されている。この構造により、電極端子６２と電極端子６４との間には、第１の部分５、第２の部分７および第３の部分の上に配置された圧電体層６６で発生した電力が、直列で接続されている。すなわち、当該素子では、図５Ｂに示される電気的接続が実現している。これにより、効率的な発電量の確保が期待された。

このように形成された圧電発電素子が、振動試験機に設置された。

次に、振動試験機により、素子の振動梁の主面に垂直な方向（ｚ方向）に、最大加速度２Ｇの外部振動が加えられた。その際の最大発電量が、実施例１と同様に見積もられた。当該素子では、負荷抵抗２ｋΩを接続した際に、最大発電量（電力実効値にして１．５ｍＷ）が得られた。これに加えて、瞬間的な最大発生電力が１０ｍＷに達した。当該素子は、支持体によって囲まれる空間に空隙が少ない振動梁の形状を有する。このため、単位面積（振動梁の伸長する平面に垂直な方向から素子を見たときの単位面積）あたりの実効発電量は、２ｍＷ／ｃｍ²もの大きな値に達した。

本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。

本発明の圧電発電素子は、周囲環境から電力を捕捉する小型の自立発電素子として有用である。本発明の圧電発電素子は、電池交換不要の機器を実現する。機器は、例えば、各種のセンサー、無線機のような電子機器である。

Claims (8)

1. 支持体と、帯状の振動梁と、圧電体層と、前記圧電体層を挟持する一対の電極と、を具備し、
   前記振動梁の第１の端部および第２の端部は、前記支持体に固定され、
   前記圧電体層および前記一対の電極が、前記振動梁の表面に配置され、
   前記振動梁は、
   振動していない状態で、一つの平面内に伸長し、
   前記支持体に固定された前記第１の端部から伸長する第１の部分と、前記支持体に固定された前記第２の端部から伸長する第２の部分と、前記第１の部分における前記第１の端部とは反対側の端部および前記第２の部分における前記第２の端部とは反対側の端部をつなぐ第３の部分と、を有し、および
   前記平面に垂直な方向から見て、
   前記第１の端部から前記第１の部分が伸長する第１の方向、および前記第２の端部から前記第２の部分が伸長する第２の方向が、それぞれ前記第２の端部および前記第１の端部に近づく方向であるとともに、前記第１の端部の中心と前記第２の端部の中心とを結ぶ直線に対して０°を超え９０°未満の角度を有し、
   前記第３の部分が前記直線と１回交差する、
   形状を有する、
   圧電発電素子。
2. 前記第１の方向と前記第２の方向とが互いに平行である請求項１に記載の発電素子。
3. 前記振動梁が、前記平面に垂直な方向から見て点対称の形状を有する請求項１に記載の発電素子。
4. 前記一対の電極から選ばれる少なくとも１つの電極が、前記振動梁が伸長する方向に、分割して２以上配置されている請求項１に記載の発電素子。
5. 圧電発電素子を用いた発電方法であって、
   前記圧電発電素子を準備する工程、および
   ここで、前記圧電発電素子は、
   支持体と、帯状の振動梁と、圧電体層と、前記圧電体層を挟持する一対の電極と、を具備し、
   前記振動梁の第１の端部および第２の端部は、前記支持体に固定され、
   前記圧電体層および前記一対の電極が、前記振動梁の表面に配置され、
   前記振動梁は、
   振動していない状態で、一つの平面内に伸長し、
   前記支持体に固定された前記第１の端部から伸長する第１の部分と、前記支持体に固定された前記第２の端部から伸長する第２の部分と、前記第１の部分における前記第１の端部とは反対側の端部および前記第２の部分における前記第２の端部とは反対側の端部をつなぐ第３の部分と、を有し、および
   前記平面に垂直な方向から見て、
   前記第１の端部から前記第１の部分が伸長する第１の方向、および前記第２の端部から前記第２の部分が伸長する第２の方向が、それぞれ前記第２の端部および前記第１の端部に近づく方向であるとともに、前記第１の端部の中心と前記第２の端部の中心とを結ぶ直線に対して０°を超え９０°未満の角度を有し、
   前記第３の部分が前記直線と１回交差する、
   形状を有し、
   前記圧電発電素子に振動を与えることにより、前記一対の電極間に電位差を生じさせる工程、
   を包含する、方法。
6. 前記第１の方向と前記第２の方向とが互いに平行である請求項５に記載の方法。
7. 前記振動梁が、前記平面に垂直な方向から見て点対称の形状を有する請求項５に記載の方法。
8. 前記一対の電極から選ばれる少なくとも１つの電極が、前記振動梁が伸長する方向に、分割して２以上配置されている請求項５に記載の方法。

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