JP7245860B2 - 振動発電素子 - Google Patents
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Description
支持部材により片持ち状態で支持され、前記支持部材を基準として延在している弾性変形可能な金属製の基板と、
前記基板の上に誘電体層を介して形成されている圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成されている第1櫛歯電極および第2櫛歯電極と、を備え、
前記第1櫛歯電極を構成する複数の第1櫛歯部分および前記第2櫛歯電極を構成する複数の第2櫛歯部分が、前記基板の延在方向について交互に隣接するように、前記第1櫛歯電極および前記第2櫛歯電極が配置され、
前記第1櫛歯部分および前記第2櫛歯部分のそれぞれの幅bが前記圧電体層の厚さt1より小さく、
前記誘電体層の誘電率ε2に対する前記圧電体層の誘電率ε1の比率r=(ε1/ε2)が50~300の範囲に含まれ、
前記圧電体層の厚さt1が10~50μmの範囲に含まれ、
前記誘電体層の厚さt2が1~3μmの範囲に含まれ、
前記第1櫛歯部分と前記第2櫛歯部分との間隔aが2t1より大きく、かつ、t1+rt2より小さい範囲に含まれている。
図1および図2に示されている本発明の一実施形態としての振動発電素子は、基板10と、基板10の上に誘電体層102を介して形成されている圧電体層20と、圧電体層20の上に形成されている第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42と、を備えている。
基板10は、例えば、可撓性があるまたは弾性変形可能な略矩形状の厚さ20~200μmの金属板材により構成されている。基板10は、好ましくはAlを含有している耐熱性ステンレス鋼からなり、表面には酸化アルミニウム(Al2O3)を主成分とする、厚さ1μm以上の誘電体層102が形成されている。この誘電体層102により、圧電体層20に基板10と共に熱処理が施された場合でも、基板10および圧電体層20のそれぞれの成分の拡散が防止されうる。
略矩形板状の基板10は、その下面(圧電体層20が形成された一方の主面とは反対側にある他方の主面)の一端部において支持部材11に接合または接着されることにより、当該支持部材11によって片持ち状態で支持され、支持部材11を基準として第1指定方向(X方向)に延在している。圧電体層20が形成された基板10を挟持する樹脂製のクランプ、または、基台および基板10を当該基台に取り付けるためのネジなどの機械的固定機構により支持部材11が構成されていてもよい。
圧電体層20は、生体に装着する用途および廃棄時の環境負荷の観点から、非鉛系圧電セラミック材料により構成されていることが好ましい。圧電体層20は、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)、(KxNa1-x)NbO3系、(Bi0.5Na0.5)TiO3系、(Bi0.5K0.5)TiO3を主成分とした非鉛圧電材料の薄膜により構成されている。
圧電体層20の厚さt1は、例えば10~50μmの範囲に含まれるように調整される。これは、圧電体層20の厚さt1が50μmを超える場合、基板10の曲げ変形により圧電体層20にクラックなどの機械的破壊が発生しやすくなるためである。また、圧電体層20の厚さt1が10μmに満たない場合、発電エネルギーが低下するためである。
第1櫛歯電極41は、支持部材11による支持箇所を基準として基板10の延在方向(+X方向)に延在している第1基礎部分411と、第1基礎部分411から基板10の延在方向に対して垂直な方向(-Y方向)に延在している複数の第1櫛歯部分412と、を有している。第2櫛歯電極42は、支持部材11による支持箇所を基準として基板10の延在方向(+X方向)に延在している第2基礎部分421と、第2基礎部分421から基板10の延在方向に対して垂直な方向(+Y方向)に延在している複数の第2櫛歯部分422と、を有している。第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42は、金属などの導電体により構成されている。第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42のそれぞれは、圧電体層20の上面を全面的に覆うものではないため、第1櫛歯電極41および/または第2櫛歯電極42が貴金属で構成されていてもその材料コストの低減が図られている。
基板10の長手方向(X方向)について複数の第1櫛歯部分412および複数の第2櫛歯部分422が存在する範囲の長さである基板10の梁長L、第1櫛歯部分412および第2櫛歯部分422の基板10の短手方向(Y方向)についての重なり長さwe、圧電体層20の圧電縦効果の圧電定数d33、圧電体層20の厚さt1および誘電率ε1、真空の誘電率ε0、第1櫛歯部分412および第2櫛歯部分422のそれぞれの幅b、第1櫛歯部分412と第2櫛歯部分422との間隔a、ならびに、基板20の延在方向の曲げ変形により圧電体層40に加わる応力Tおよび当該応力Tに応じた第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42の電位差に応じた発電エネルギーU33の間に、関係式(01)で表わされる関係がある。
図示しないが、従来の振動発電素子は、圧電体層を上下から一対の電極で挟み込む構造であり、分極方向が圧電体層の厚さ方向である一方、圧電体層に応力が印加される方向は分極方向と垂直な方向である。これは、圧電横効果素子であり、圧電横効果の発電エネルギーは関係式(01)の圧電定数がd31となり、a/(a+b)の項が不要になる。よって、発電エネルギーU31は関係式(02)で表わされる。
基板10の上に形成された圧電体層20が熱処理される際の誘電体層102(拡散バリア層)の誘電率ε2が圧電体層20の誘電率ε1よりも小さいことに着目し、その厚さt2を制御することで基板10の上に形成された圧電体層20を全体的に圧電縦効果素子として機能させることができる。
電界Eの圧電体層20のX方向成分Exの大きさが抗電界Ec以上となるように隣接している第1櫛歯部分412および第2櫛歯部分422の間の電界Eが調整されればよい。
第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42の間に電圧Vが印加された場合、基板10の長手方向について間隔aで隣接している第1櫛歯部分412および第2櫛歯部分422の間の電界強度EはV/aである。電界の圧電体層20の厚さ方向(Z方向)の成分をEz、電界の圧電体層20の長手方向(X方向)の成分をExとすると、圧電体層20の分極方向をx方向にそろえる観点から、電界のX方向成分Exの大きさが圧電体層20の抗電界Ec以上である必要がある。ExおよびEzは有限要素法によりシミュレーション計算可能である。
ここで、電界EのX方向成分Exは、第1櫛歯部分412および第2櫛歯部分422の間で、圧電体層20の複数箇所(例えば、第1櫛歯部分412および第2櫛歯部分422の中間において、圧電体層20の表面から異なる複数の深さ箇所)の電界のX方向成分Exの平均値が採用される。例えば、圧電体層20の分極方向をx方向にそろえることができる条件として、Ex>Ecである必要がある。櫛歯型の電極パターンではExの大きさはEよりも小さくなるためExをEcよりも大きくして分極処理を行うにはEの大きさは膜を電極で挟み込む構造の時の電界強度よりも大きくする必要がある。
本発明の一実施形態としての振動発電素子の製造方法について説明する。
真空中において、Alを含有している耐熱性ステンレス鋼からなる略矩形板状の基板10の上に、例えば粒径が1μm程度の非鉛圧電セラミックス粉末、具体的には、チタン酸バリウム(BaTiO3)粉末がノズルから噴射されて基板10に衝突させられることにより、エアロゾルデポジション(AD)による成膜が実施される。このAD法により所望の10~50μmの厚さの圧電体層20が形成される。
AD法により形成されたままの膜(アズデポ膜)は、基板10に対してアンカー効果により強固に接合される。この強固な接合は、最終的な状態の圧電体層20においても保たれる。そのため、振動発電素子を曲げ変形させた際に圧電体層20が割れたり基板10から剥がれたりする可能性が低減される。このように、AD法は、可撓性を有する圧電体層20を得るために適した方法である。
アズデポ膜の微細組織は、AD法に使用した粉末の粒径よりも小さく、数十nm程度まで微細化されているために圧電性が低いため、熱処理により結晶粒成長を促進する必要がある。一方、セラミックスの破壊は一般的に粒界面で発生するため、圧電体層20の強度を向上させるには粒界面が多い微結晶組織の方が望ましい。圧電特性の向上の観点から圧電体層20を構成する結晶の平均結晶粒径が100nm以上になり、かつ、圧電体層20の強度の確保の観点から圧電体層20を構成する結晶の平均結晶粒径が2000nm以下になるように、アズデポ膜に対して800~1200℃で1~4hrにわたり熱処理が施される。
熱処理工程において基板10と圧電体層20との間にAlの酸化物(Al2O3)を主成分とする誘電体層102が形成される。これにより、誘電体層102がステンレス製の基板10と圧電体層20との間の成分拡散を抑制する拡散バリア層として機能し、900℃以上の高温で熱処理される際に基板10と圧電体層20とが反応する事態が回避される。ステンレス製の基板10の主面に1μm以上の厚さの誘電体層102があらかじめ形成されてもよく、Alを含有しているステンレス製の基板10の主面に圧電体層20が直接的に形成された後、当該圧電体層20に熱処理が施されることで誘電体層102が形成されてもよい。
熱処理された後の圧電体層20の上に第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42が形成される。第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42は、導電性膜からなるものであり、例えば0.4~0.6μmの厚みを有している。導電性膜は例えばスパッタ法または蒸着法により形成することができる。第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42は、Au膜に限定されるものではなく、Cu膜またはCu合金膜など、他の金属からなる金属膜であってもよく、Au/Ni/Tiなどの多層構造であってもよい。
アズデポ膜およびこれが熱処理されて得られた熱処理後膜は多結晶組織であるため、そのままでは、電気分極の向きがランダムである。そこで、分極の向きを揃えるために分極反転する電界強度以上の電圧(所定の電圧)が第1櫛歯電極41および第2櫛歯電極42の間で熱処理後膜に印加される。誘電体層102が基板10と圧電体層20との間に形成されていない場合および圧電体層20の厚さt1に対して誘電体層102の厚さt2が過度に小さい場合、電界の圧電体層20の厚み方向(Z方向)成分が主成分となりやすくなるため、誘電体層102の厚さt2は1μm以上であることが望ましい。誘電体層102(拡散バリア層)の誘電率ε2が圧電体層20の誘電率ε1よりも小さくすることで圧電体層20における電界の面方向成分または第2指定方向成分(Y方向成分)が主成分となる。
Claims (1)
- 支持部材により片持ち状態で支持され、前記支持部材を基準として延在している弾性変形可能な金属製の基板と、
前記基板の上に誘電体層を介して形成されている圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成されている第1櫛歯電極および第2櫛歯電極と、を備え、
前記第1櫛歯電極を構成する複数の第1櫛歯部分および前記第2櫛歯電極を構成する複数の第2櫛歯部分が、前記基板の延在方向について交互に隣接するように、前記第1櫛歯電極および前記第2櫛歯電極が配置され、
前記第1櫛歯部分および前記第2櫛歯部分のそれぞれの幅bが前記圧電体層の厚さt1より小さく、
前記誘電体層の誘電率ε2に対する前記圧電体層の誘電率ε1の比率r=(ε1/ε2)が50~300の範囲に含まれ、
前記圧電体層の厚さt1が10~50μmの範囲に含まれ、
前記誘電体層の厚さt2が1~3μmの範囲に含まれ、
前記第1櫛歯部分と前記第2櫛歯部分との間隔aが2t1より大きく、かつ、t1+rt2より小さい範囲に含まれている
ことを特徴とする振動発電素子。
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