JPWO2013105280A1 - 発電装置 - Google Patents

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Abstract

靭性層、及び、前記靭性層上方に積層され磁歪材料で形成された磁歪層を含み、前記靭性層は、前記磁歪材料よりも引張強度が高い靭性材料で形成されている、振動部材と、前記振動部材が厚さ方向に振動可能に取り付けられた支持部材と、前記磁歪層に磁場を印加する磁場印加部材と、前記磁歪層の周りに配置されたコイルとを有している。

Description

本発明は、発電装置に関する。
磁歪現象とは、磁性体が外部から印加された磁場により変形する現象である。磁歪現象を示す磁歪材料に、外部磁場を印加した状態で変形を加えることにより、磁歪材料内部の磁化が変化する。この現象を、逆磁歪現象もしくはビラリ効果という。逆磁歪現象を利用した発電装置が提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
湘南メタルテック株式会社、"ＳＭＴ開発の逆磁歪式振動発電機のご紹介"、［online］、［平成２３年１１月８日検索］、インターネット＜URL: http://www.shonan-metaltec.com/HPdata/info_gyakujiwai_hatudenki.pdf＞ 上野敏幸、"磁歪材料を用いたマイクロ振動発電素子"、［online］、平成２２年８月６日、金沢大学新技術説明会、［平成２３年１１月８日検索］、インターネット＜URL: http://jstshingi.jp/abst/p/10/1022/kanazawa1.pdf＞
本発明の一目的は、逆磁歪現象を用いた発電装置であって、新規な構造を有する発電装置を提供することである。
本発明の一観点によれば、靭性層、及び、前記靭性層上方に積層され磁歪材料で形成された磁歪層を含み、前記靭性層は、前記磁歪材料よりも引張強度が高い靭性材料で形成されている、振動部材と、前記振動部材が厚さ方向に振動可能に取り付けられた支持部材と、前記磁歪層に磁場を印加する磁場印加部材と、前記磁歪層の周りに配置されたコイルとを有することを特徴とする発電装置が提供される。
開示の発電装置によれば、靭性層上方に磁歪層を積層することにより、磁歪層を含む振動部材の靭性向上を図ることができる。このため、磁歪層に大きな歪みを加えることができ、また、磁歪層全体に満遍なく歪みを生じさせることができるため、発電効率を向上することができる。また、振動部材を薄く形成することができるため、低い振動周波数や低い振動加速度にも対応でき、適用範囲の著しく広い発電装置を提供することができる。
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図９Ａ、図９Ｂ、及び図９Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の概略構造の、平面図及びＡ−Ａ′方向断面図である。 図１２Ａ、図１２Ｂ、及び図１２Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１５Ａ、図１５Ｂ、及び図１５Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１６Ａ、図１６Ｂ、及び図１６Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１７Ａ、図１７Ｂ、及び図１７Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１８Ａ、図１８Ｂ、及び図１８Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図１９Ａ、図１９Ｂ、及び図１９Ｃは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２０Ａ及び図２０Ｂは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の概略構造の、平面図及びＡ−Ａ′方向断面図であり、図２０Ｃ及び図２０Ｄは、それぞれ、第２実施形態のコイル構造の概略的な平面図及びＡ−Ａ′方向断面図である。 図２１Ａ、図２１Ｂ、及び図２１Ｃは、それぞれ、第３実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２２Ａ、図２２Ｂ、及び図２２Ｃは、それぞれ、第３実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２３Ａ、図２３Ｂ、及び図２３Ｃは、それぞれ、第３実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃは、それぞれ、第３実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２５Ａ、図２５Ｂ、及び図２５Ｃは、それぞれ、第４実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２６Ａ、図２６Ｂ、及び図２６Ｃは、それぞれ、第４実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略的な平面図、Ａ−Ａ′方向断面図、及びＢ−Ｂ′方向断面図である。 図２７は、各種材料の引張強度、疲労強度、ヤング率、及び弾性限界伸びをまとめた表である。 図２８は、実施例１による振動発電装置を示す概略図である。 図２９は、実施例１による振動発電装置の一部を示す側面図である。 図３０は、比較例１による振動発電装置を示す概略図である。 図３１は、比較例２による振動発電装置を示す平面図及び側面図である。 図３２は、振動の加速度と単位量当たりの出力との関係を示すグラフである。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態による振動発電装置（発電装置）の製造方法について説明する。図１Ａ〜図１０Ａは、第１実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略平面図である。図１Ｂ〜図１０Ｂは、図１Ａ等の平面図の一点鎖線Ａ−Ａ′方向（紙面左右方向）に沿った概略断面図である。図１Ｃ〜図１０Ｃは、図１Ａ等の平面図の一点鎖線Ｂ−Ｂ′方向（紙面上下方向）に沿った概略断面図である。
後述するように、図１Ａ等の平面図の、Ａ−Ａ′方向の左方側及び右方側が、それぞれ、片持ち梁構造で支持された振動部材１４の根元側（固定端側）及び先端側（可動端側）となる。Ａ−Ａ′方向の左方側を根元側、右方側を先端側と呼び、Ａ−Ａ′方向を長さ方向と呼ぶこととする。また、Ｂ−Ｂ′方向を幅方向と呼ぶこととする。
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃを参照する。支持基板１として、直径約１００ｍｍ（４インチ）、厚さ５００μｍのシリコンウエハを用い、１枚のシリコンウエハ１に、約４０ｍｍ×約３０ｍｍの大きさの振動発電装置を４個（４チップ）同時形成する例を説明する。図１Ａの下方部分に、シリコンウエハ１上の４チップのレイアウト例を示す。以下、代表として１チップ分を図示しながら、製造方法の説明を進める。
シリコンウエハ１上に、凹部（ザグリ部）２の外側を覆うレジストパターンを形成し、ＫＯＨによるウエットエッチングを施して、凹部２を形成する。凹部２は、例えば、Ａ−Ａ′方向の長さが２５ｍｍ、Ｂ−Ｂ′方向の幅が２０ｍｍの矩形状であり、深さが３００μｍである。凹部２の形成後、レジストパターンを除去する。
なお、振動部材の振幅が大きい場合、ザグリはそれに応じて深くすればよいが、ザグリが深い場合は、シリコン等の基板材料を所望の形に切断したものを重ね合わせ接合して使用してもよい。
図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃを参照する。全面に、スパッタリングにより、厚さ５０ｎｍのＴｉ層を形成し、Ｔｉ層上に厚さ２００ｎｍのＣｕシード層を形成する。凹部２の外側を覆うレジストパターンを形成し、電解メッキによりＣｕを堆積して凹部２を埋め込み、Ｃｕ層３を形成する。Ｃｕ層３の形成後、レジストパターンを除去する。次に、凹部２の外側でウエハ１の上面に残ったＣｕシード層及びＴｉ層を、イオンミリングにより除去する。なお、平滑性を向上させるため、表面を研磨することがより望ましい。
図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃを参照する。シリコンウエハ１上に、靭性層４及び絶縁層５の形成領域外側を覆うレジストパターンを形成する。全面に、例えば、スパッタリングにより厚さ３μｍのＰｄＣｕＳｉ系金属ガラス層を堆積する。続いて金属ガラス層上に、例えば、スパッタリングにより厚さ１００ｎｍの酸化シリコン層を堆積する。レジストパターンとともに不要部の金属ガラス層及び酸化シリコン層を除去するリフトオフにより、金属ガラスによる靭性層４及び酸化シリコンによる絶縁層５を形成する。
靭性層４及び絶縁層５は、例えば、Ａ−Ａ′方向の長さが２９ｍｍ、Ｂ―Ｂ′方向の幅が１８ｍｍの矩形状であり、凹部２の根元側縁部近傍のシリコンウエハ１上面上から、凹部２上方に、つまり先端側に、突き出すように形成されている。図３Ａに示されるように、靭性層４及び絶縁層５が突き出している部分では、靭性層４及び絶縁層５の周りに、凹部２の縁部（Ｃｕ層３の縁部）が露出している。
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃを参照する。コイル下層部分６の形成領域外側を覆うレジストパターンを形成する。全面に、例えば、スパッタリングにより厚さ１μｍのＣｕ層を形成する。レジストパターンとともに不要部のＣｕ層を除去するリフトオフにより、絶縁層５上にコイル下層部分６を形成する。
コイル下層部分６は、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃを参照して後述する工程で完成されるコイル１１の一部分を成す。図６Ａに示すように、コイル１１は、コイル両側の引き出し線部分１１ａ及び１１ｃと、コイル主部分１１ｂとを含む。
コイル下層部分６は、コイル両端側の引き出し線１１ａ及び１１ｃと、コイル主部分１１ｂの下層部分とを成す。コイル主部分１１ｂでは、幅方向に延在するＣｕ線６ａが、長さ方向に並んでいる。各Ｃｕ線６ａの端部は、一端では先端側に折れ曲がり、他端では根元側に折れ曲がっている。Ｃｕ線６ａの配列の、幅方向外側に、長さ方向に延在して、一端側の引き出し線１１ａと、他端側の引き出し線１１ｃとが配置されている。
図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃを参照する。コイル下層部分６のＣｕ線６ａの配列を覆って、絶縁層５上に、絶縁層７を形成する。絶縁層７は、例えば、スパッタリングで厚さ５００ｎｍ堆積された酸化シリコン層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。絶縁層７は、幅方向外側に、Ｃｕ線６ａの両端を露出させるように配置される。
絶縁層７上に、磁歪層８を形成する。磁歪層８を形成する磁歪材料として、例えば、組成がＴｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ１．９のＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金であるＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（商品名／以下「Ｔｅｒｆｅｎｏｌ」と略称する）を用いることができる。
磁歪層８は、例えば、スパッタリングで厚さ１μｍ堆積されたＴｅｒｆｅｎｏｌ層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。磁歪層８は、例えば、Ａ−Ａ′方向の長さが２７ｍｍ、Ｂ−Ｂ′方向の幅が１４ｍｍの矩形状である。
図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃを参照する。磁歪層８を覆って、絶縁層７上に、絶縁層９を形成する。絶縁層９は、例えば、スパッタリングで厚さ５００ｎｍ堆積された酸化シリコン層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。絶縁層９は、根元側端部で磁歪層８の上面（及び側面）を露出させるように配置され、それ以外の部分では、磁歪層８の上面及び側面を覆う。
次に、コイル上層部分１０の形成領域外側を覆うレジストパターンを形成する。全面に、例えば、スパッタリングにより厚さ１μｍのＣｕ層を形成する。レジストパターンとともに不要部のＣｕ層を除去するリフトオフにより、絶縁層９上に、コイル上層部分１０を形成する。コイル上層部分１０では、幅方向に延在するＣｕ線１０ａが、コイル下層部分６のＣｕ線６ａと互い違いに、長さ方向に並んでいる。各Ｃｕ線１０ａは、両端部が深さ方向に延在し、コの字形状（Ｕ字形状）となっている。
コイル下層部分６において隣接するＣｕ線６ａ同士の一端側端部と他端側端部とを、コイル上層部分１０のＣｕ線１０ａが接続して、磁歪層８を取り巻くコイル主部分１１ｂが形成される。また、コイル主部分１１ｂと一端側の引き出し線１１ａとがＣｕ線１０ａで接続されるとともに、コイル主部分１１ｂと他端側の引き出し線１１ｃとがＣｕ線１０ａで接続される。このようにして、コイル下層部分６とコイル上層部分１０とにより、コイル１１が形成される。
図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃを参照する。コイル１１を覆って、絶縁層１２を形成する。絶縁層１２は、例えば、スパッタリングで厚さ５００ｎｍ堆積された酸化シリコン層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。絶縁層１２は、根元側端部において、磁歪層８の上面（及び側面）と、コイル１１の引き出し線１１ａ及び１１ｃを露出させるように配置される。
絶縁層５、７、９、及び１２が、（根元側端部を除き）磁歪層８を取り囲む。絶縁層５、７、９、及び１２に埋め込まれて、コイル１１が配置されている。例えば金属ガラスで形成された靭性層４は導電性である。靭性層４とコイル１１との間に、絶縁層５及び７が介在していることにより、靭性層４とコイル１１との電気的短絡が抑制される。
次に、磁歪層８とコイル１１の引き出し線１１ａ及び１１ｃを覆うレジストパターンを形成し、全面に、スパッタリングにより、厚さ２００ｎｍのＮｉシード層を形成する。さらに、錘１３の形成領域外側を覆うレジストパターンを形成し、電解メッキによりＮｉを厚さ１００μｍ堆積して、錘１３を形成する。錘１３は、絶縁層１２の先端側端部上に配置される。錘１３の形成後、すべてのレジストパターンを除去する。なお、錘１３は、強磁性膜（ネオジム膜）をスパッタリングあるいはパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）等で成膜してもよい。
再び、磁歪層８とコイル１１の引き出し線１１ａ及び１１ｃを覆うレジストパターンを形成し、錘１３の外側に残ったＮｉシード層を、イオンミリングにより除去する。その後、レジストパターンを除去する。このようにして、靭性層４上方に錘１３までが積層された振動部材１４が形成される。
図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃを参照する。再び、磁歪層８とコイル１１の引き出し線１１ａ及び１１ｃを覆うレジストパターンを形成し、錘１３まで形成されたシリコンウエハ１をＣｕエッチャントに浸して、銅層３を除去する（リリース）。Ｃｕの選択的エッチャントとして、例えばアンモニア銅錯塩系エッチャントを用いることができる。銅層３が除去されることにより、根元側でシリコンウエハ１に支持された振動部材１４が、先端側で凹部２上に突き出した片持ち梁構造が形成される。
図９Ａ、図９Ｂ、及び図９Ｃを参照する。後の工程で取り付けられるキャップ１７の接続部分に、印刷またはディスペンサにより、ＡｕＳｎによるシール層１５を厚さ１０μｍ程度形成する。なお、ＡｕＳｎによるシール層１５を、スパッタリングで堆積させることもでき、この場合は厚さ１μｍ〜２μｍ程度形成する。
また、根元側で露出した部分の磁歪層８上に、積層厚さ方向に磁化された磁石１６を接着剤で取り付ける。磁石１６は、例えば、４９０ｍＴのネオジム磁石で、振動部材長さ方向（Ａ−Ａ′方向）の寸法が２ｍｍ、振動部材幅方向（Ｂ−Ｂ′方向）の寸法が１５ｍｍ、積層厚さ方向の寸法が１０ｍｍである。
図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃを参照する。軟鉄を機械加工でザグリ加工したキャップ１７を別途準備しておく。真空装置内で、シール層１５及び磁石１６まで形成されたシリコンウエハ１上に、キャップ１７を位置合わせし、３００℃程度で加熱圧着する。このようにして、振動部材１４が真空封止される。キャップ実装は、ウエハ状態のままで全チップの振動発電装置をパッケージするウエハレベルパッケージ（ＷＬＰ）が望ましい。
キャップ１７は、パッケージ部材であると同時に、磁石１６とともに、磁歪層８に磁場を印加する磁場印加部材１８を形成する。キャップ１７は、根元側で磁石１６に接続し、先端側の内壁が磁歪層８の先端に対向し、磁歪層８の長さ方向に（面内方向に）磁場を印加するヨークとなる。
なお、磁歪部材８に十分にバイアス磁場がかかり磁路を閉じると磁歪部材８に引張のテンションが強くかかり過ぎてしまう場合は、キャップ１７を銅やセラミクスなどの非磁性材料で形成してもよい。
その後、シリコンウエハ１上に同時形成された４チップの振動発電装置が、各々に切断される。このようにして、第１実施形態による振動発電装置が形成される。
次に、第１実施形態による振動発電装置の動作について説明する。図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ、第１実施形態による振動発電装置の概略構造の、平面図及びＡ−Ａ′方向断面図である。振動発電装置の支持基板（シリコンウエハ）１が、機械等の振動源に取り付けられて、発電が行われる。
振動部材１４は、根元側でシリコンウエハ１に支持された片持ち梁構造であり、先端側が上下方向（積層厚さ方向）に振動することができる。振動部材１４は、靭性層４上方に磁歪層８が積層された構造であり、磁歪層８は、例えばＴｅｒｆｅｎｏｌで形成されている。例えばＴｅｒｆｅｎｏｌは脆性が大きいので、Ｔｅｒｆｅｎｏｌのみで形成された振動部材はそのままでは壊れやすい。
本実施形態では、金属ガラス等、靭性の大きな材料で形成された支持層である靭性層４上に、薄膜状の磁歪層８を積層することにより、磁性層８に脆性の大きな磁歪材料を用いる場合であっても、振動部材１４の靭性を向上させることができる。
また、靭性層４を薄く形成することにより、弱い振動でも容易に振動部材１４を振動させることができる。
靭性層４上方に磁歪層８が積層された構造とすることにより、積層厚さ方向に振動部材１４が撓んだ場合にも歪が生じない歪中立面を、靭性層４側に配置することができる。これにより、振動部材１４が下方に歪む場合は、磁歪層８に選択的に引張歪を生じさせ、振動部材１４が上方に歪む場合は、磁歪層８に選択的に圧縮歪を生じさせることができる。
歪中立面を靭性層４側に配置するために、靭性層４は磁歪層８よりも厚く形成することが望ましい。なお、振動部材が磁歪部材８のみで形成されている場合は、磁歪部材８中に歪中立面が配置されるので、磁歪部材８の一方側とその反対側に、引張歪と圧縮歪とが同時に生じる。
（図１０Ｂ等に示した）磁場印加部材１８により、磁歪層８の長さ方向に、磁場が印加される。磁場印加による磁歪に伴い、磁歪層８の長さ方向に、磁束密度Ｂ８が生じる。例えば正の磁歪材料（例えばＴｅｒｆｅｎｏｌ）を用いるとき、磁場印加により、印加磁場方向に伸びる磁歪が生じる。印加磁場は、磁歪層８の磁束密度Ｂ８が飽和しない程度の大きさとする。
外部から磁場が印加された状態で、磁歪材料に変形が加わることにより、磁歪材料に生じる磁束密度が変化する（逆磁歪現象もしくはビラリ効果）。磁歪層８の歪みの無い状態、あるいは振動していない状態を、基準状態と呼ぶこととする。
磁歪層８が下方に歪み引張歪が生じる場合、つまり磁歪層８が伸びる場合は、磁歪層８の磁束密度Ｂ８が、基準状態のそれに比べて大きくなる。一方、磁歪層８が上方に歪み圧縮歪が生じる場合、つまり磁歪層８が縮む場合は、磁歪層８の磁束密度Ｂ８が、基準状態のそれに比べて小さくなる。
従って、振動に伴い、磁歪層８の磁束密度Ｂ８が、周期的に増減する。磁歪層８に巻かれたコイル１１に、磁歪層８の振動に伴う磁束密度変化を妨げるような誘導電流が生じる。このようにして、発電を行うことができる。整流蓄電回路１９が、コイル１１の両端の引き出し線１１ａ及び１１ｃの間に接続されて、発電された電流の整流や蓄電が行われる。
本実施形態による振動発電装置は、振動部材１４が容易に振動するように形成されているので、振動加速度が弱い系での発電にも用いることができる。なお、振動センサとして用いることもできる。
図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃを参照して説明したように、振動部材１４は、真空封止されている。これにより、大気中に比べて、振動部材１４の振動減衰が抑制されるので、発電効率を向上させることができる。なお、真空封止でなく減圧封止としても、振動減衰を抑制することができる。
上述のように、本実施形態では、靭性の大きな材料で形成された靭性層４上に、薄膜状の磁歪層８を積層することにより、振動部材１４の靭性向上が図られている。また、靭性層４を薄く形成することにより、振動部材１４の振動を容易にしている。
靭性層４の好適な材料の特性と、好適な厚さとについて説明する。靭性層４を形成する材料は、第１に、薄膜もしくは薄板状で弾性があり、繰り返し振動に対して疲労破壊が起こりにくいという観点で、靭性に富むことが望ましい。
具体的には、ヤング率に対し疲労強度（あるいは引張強度）が高く弾性限界が大きい材料が望ましい。一般に、引張強度（引張って破壊される時の応力）の約１／３程度が疲労強度であり、引張強度が大きい程、疲労強度は大きい。疲労強度はその応力以下の応力であれば繰り返し応力をかけても金属疲労を起こさない値であり、振動部材１４の材料としては疲労強度が高いことが望ましい。
磁歪層８の支持層とするので、靭性層４を形成する靭性材料は、磁歪層８を形成する磁歪材料に比べ、引張強度及び疲労強度が高いことが望ましい。
靭性層４を形成する材料は、第２に、振動源の小さい振動（小さい振動加速度）にも応じて振動しやすいという観点から、ヤング率の小さい材料が望ましい。
図２７は、一般的な金属（鉄・銅など）、金属ガラス、超弾性合金、及び単結晶シリコンの、引張強度（単位ＭＰａ）、疲労強度（単位ＭＰａ）、ヤング率（単位ＧＰａ）、及び弾性限界伸び（単位％）をまとめた表である。
金属ガラスや超弾性合金は、一般的な金属に比べ、引張強度及び疲労強度が１桁程高く、ヤング率が小さく、弾性限界伸びが大きい。単結晶シリコンは、一般的な金属に比べ、ヤング率は同程度であるが、引張強度及び疲労強度が２桁程高い。
上述の観点より、例えば一般的な金属に比べ、引張強度及び疲労強度が高く、ヤング率が小さく、弾性限界伸びが大きい金属ガラス及び超弾性合金（ゴムメタル（登録商標）と呼ばれる材料もある）が、靭性層４に特に好適な材料といえる。
ゴムメタル（登録商標）は、ニオブ、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、酸素を含み、体心立方構造を持つベータ型チタン合金である。ゴムメタル（登録商標）の組成は、基本的には、Ｔｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏで表示される。ゴムメタル（登録商標）は、可撓性・耐久性に優れているため、靭性層４の材料として好適に用いることができる。ゴムメタル（登録商標）は、例えば、豊通マテリアル株式会社により提供されている。
また、一般的な金属に比べ、引張強度及び疲労強度が高く、ヤング率が同程度である、単結晶シリコンも、靭性層４に好適な材料といえる。
一般的な金属を基準にするならば、高い引張強度の目安は、例えば１０００ＭＰａオーダであるといえ、低いヤング率の目安は、例えば１５０ＧＰａ程度以下であるといえ、高い弾性限界伸びは０．５％以上であるといえる。靭性層４を形成する材料は、引張強度が１０００ＭＰａ以上であることが望ましく、ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることや、弾性限界伸びが０．５％以上であることがより望ましい。
上記実施形態では、一例としてＰｄＣｕＳｉ系金属ガラスで靭性層４を形成したが、金属ガラスとして、その他例えば、ＺｒＣｕＴｉ系金属ガラスを用いることもできる。超弾性合金として、例えばＴｉＮｉ系超弾性合金を用いることができる。
なお、金属ガラス、超弾性合金、単結晶シリコン以外の材料としては、セラミクス（電子部品によく使用されているＬＴＣＣ:低温同時焼成セラミクスなど）のように脆いが硬く、振動に対して敏感であり、疲労が起こらない材料を用いることもできる。また、寸法精度が多少犠牲になっても良い場合は、引張強度の高いＰＥＴフィルムやポリエチレンカーバイト、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリカーボネート等のさまざまな高分子材料なども利用できる。
靭性層４の好適な厚さは、例えば、金属ガラスの場合、薄膜形成で１μｍ〜５μｍ程度、リボンのものを使用する場合は５０μｍ〜１０００μｍ程度である。また例えば、超弾性合金の場合、薄膜形成で１μｍ〜５μｍ程度、リボンのものを使用する場合は５０μｍ〜１０００μｍ程度である。また例えば、単結晶シリコンの場合１５μｍ〜５０μｍ程度であり、セラミクスの場合２０μｍ〜１０００μｍ程度であり、高分子材料の場合１００μｍ〜１０００μｍ程度である。種々の材料についてまとめると、靭性層４の好ましい厚さ範囲は、概して、１μｍ〜１０００μｍ程度といえる。
磁歪層８の好適な厚さについて説明する。磁歪層８は、薄膜化することによって、見かけの靭性を大きくすることができる。一般に、脆い材料であっても薄膜化すると、曲げた時の曲率半径が膜厚に対し相対的に大きくなるため、見かけの靭性は大きくなる。
例えばＴｅｒｆｅｎｏｌのような脆い磁歪材料の場合の磁歪層８の好適な膜厚は、例えば１μｍ〜５０μｍ程度である。また、例えばＦｅ−Ｇａ合金（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）のような、ある程度靭性のある磁歪材料を用いる場合には、１μｍ〜１０００μｍ程度で、利用する振動を拾える程度に厚いことが望ましい。
このように、本実施形態によれば、靭性層４の上方に磁歪層８が積層されているため、磁歪層８を含む振動部材１４の靭性を向上することができる。このため、本実施形態によれば、磁歪層８に大きな歪みを加えることができ、また、磁歪層８の全体に満遍なく歪みを生じさせることができ、発電効率を向上することができる。また、本実施形態によれば、振動部材１４を薄く形成することができるため、低い振動周波数や低い振動加速度にも対応でき、適用範囲の著しく広い発電装置を提供することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態による振動発電装置の製造方法について説明する。第２実施形態は、第１実施形態と、コイルの構造が異なる。図１２Ａ〜図１９Ａは、第２実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略平面図である。図１２Ｂ〜図１９Ｂは、図１２Ａ等の平面図の一点鎖線Ａ−Ａ′方向（長さ方向）に沿った概略断面図であり、図１２Ｃ〜図１９Ｃは、図１２Ａ等の平面図の一点鎖線Ｂ−Ｂ′方向（幅方向）に沿った概略断面図である。
図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃを参照する。まず、第１実施形態の図１Ａ〜図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｃを参照して説明した工程までと同様にして、シリコンウエハ（支持基板）２１に凹部２２を形成し、凹部２２に銅層２３を充填する。そして、第１実施形態の図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明した工程と同様にして、靭性層２４及び絶縁層２５を形成する。
図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃを参照する。絶縁層２５上に、下側平面ラダーコイル２６の形成領域外側を覆うレジストパターンを形成する。全面に、例えば、スパッタリングにより厚さ１μｍのＣｕ層を形成する。レジストパターンとともに不要部のＣｕ層を除去するリフトオフにより、絶縁層２５上に下側平面ラダーコイル２６を形成する。
下側平面ラダーコイル２６は、長さ方向に延在する２本のＣｕ線２６ａ及び２６ｃの間に、幅方向に延在しＣｕ線２６ａとＣｕ線２６ｃとを接続する複数のＣｕ線２６ｂが平行に配置された梯子状構造を有する。Ｃｕ線２６ａ及び２６ｃが、引き出し線も兼ねる。
図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃを参照する。下側平面ラダーコイル２６を覆って、絶縁層２５上に、絶縁層２７を形成する。絶縁層２７は、例えば、スパッタリングで厚さ５００ｎｍ堆積された酸化シリコン層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。絶縁層２７は、根元側端部で、下側平面ラダーコイル２６の引き出し線２６ａ及び２６ｃを露出させるように配置されている。
絶縁層２７上に、磁歪層２８を形成する。磁歪層２８を形成する磁歪材料として、例えばＴｅｒｆｅｎｏｌを用いることができる。磁歪層２８は、例えば、スパッタリングで厚さ１μｍ堆積されたＴｅｒｆｅｎｏｌ層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。
図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃを参照する。磁歪層２８を覆って、絶縁層２９を形成する。絶縁層２９は、例えば、スパッタリングで厚さ５００ｎｍ堆積された酸化シリコン層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。絶縁層２９は、根元側端部で磁歪層２８の上面（及び側面）を露出させるように配置され、それ以外の部分では、磁歪層２８の上面及び側面を覆う。
次に、上側平面ラダーコイル３０の形成領域外側を覆うレジストパターンを形成する。全面に、例えば、スパッタリングにより厚さ１μｍのＣｕ層を形成する。レジストパターンとともに不要部のＣｕ層を除去するリフトオフにより、絶縁層２９上に、上側平面ラダーコイル３０を形成する。
下側平面ラダーコイル２６と同様に、上側平面ラダーコイル３０は、長さ方向に延在する２本のＣｕ線３０ａ及び３０ｃの間に、幅方向に延在しＣｕ線３０ａとＣｕ線３０ｃとを接続する複数のＣｕ線３０ｂが平行に配置された梯子状構造を有する。Ｃｕ線３０ａ及び３０ｃが、引き出し線も兼ねる。磁歪層２８の上下に配置された一対の平面ラダーコイル２６及び３０が、第２実施形態のコイル構造（コイル）３１を形成する。
図１６Ａ、図１６Ｂ及び図１６Ｃを参照する。上側平面ラダーコイル３０を覆って、絶縁層３２を形成する。絶縁層３２は、例えば、スパッタリングで厚さ５００ｎｍ堆積された酸化シリコン層を、リフトオフでパターニングすることにより形成される。絶縁層３２は、根元側端部において、磁歪層２８の上面（及び側面）と、コイル構造３１の引き出し線２６ａ、２６ｃ、３０ａ及び３０ｃを露出させるように配置される。
次に、磁歪層２８とコイル構造３１の引き出し線２６ａ、２６ｃ、３０ａ及び３０ｃを覆うレジストパターンを形成し、全面に、スパッタリングにより、厚さ２００ｎｍのＮｉシード層を形成する。さらに、錘３３の形成領域外側を覆うレジストパターンを形成し、電解メッキによりＮｉを厚さ１００μｍ堆積して、錘３３を形成する。錘３３は、絶縁層３２の先端側端部上に配置される。錘３３の形成後、すべてのレジストパターンを除去する。なお、錘３３は、強磁性膜（ネオジム膜）をスパッタリングあるいはパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）等で成膜してもよい。
再び、磁歪層２８とコイル構造３１の引き出し線２６ａ、２６ｃ、３０ａ及び３０ｃを覆うレジストパターンを形成し、錘３３の外側に残ったＮｉシード層を、イオンミリングにより除去する。その後、レジストパターンを除去する。このようにして、靭性層２４上方に錘３３までが積層された振動部材３４が形成される。
図１７Ａ、図１７Ｂ及び図１７Ｃを参照する。再び、磁歪層２８とコイル構造３１の引き出し線２６ａ、２６ｃ、３０ａ及び３０ｃを覆うレジストパターンを形成し、錘３３までが形成されたシリコンウエハ２１を、Ｃｕエッチャントに浸して、銅層２３を除去する（リリース）。銅層２３が除去されることにより、根元側でシリコンウエハ２１に支持された振動部材３４が、先端側で凹部２２上に突き出した片持ち梁構造が形成される。
図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃを参照する。第１実施形態の図９Ａ〜図９Ｃを参照して説明した工程と同様にして、シール層３５を形成するとともに、根元側で露出した部分の磁歪層２８上に、磁石３６を取り付ける。
図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃを参照する。第１実施形態の図１０Ａ〜図１０Ｃを参照して説明した工程と同様にして、磁束をほぼ完全に閉じたい場合は、ヨークを兼ねるキャップ３７を取り付けて、振動部材３４を真空封止するとともに、磁場印加部材３８を形成する。
なお、バイアス磁場が十分に磁歪部材２８にかかっている場合、キャップ３７は、必ずしもヨークの機能がある強磁性体でなくともよく、プラスティックやアルミ、銅などの非磁性材料で形成してもよい。
その後、シリコンウエハ２１上に同時形成された振動発電装置が、各々に切断される。このようにして、第２実施形態による振動発電装置が形成される。
次に、第２実施形態による振動発電装置の動作について説明する。図２０Ａ及び図２０Ｂは、それぞれ、第２実施形態による振動発電装置の概略構造の、平面図及びＡ−Ａ′方向断面図である。図２０Ｃ及び図２０Ｄは、それぞれ、第２実施形態のコイル構造３１の概略的な平面図及びＡ−Ａ′方向断面図である。
靭性の大きな材料で形成された靭性層２４上に薄膜状の磁歪層２８を積層することにより、振動部材３４の靭性を向上させていることや、歪中立面を靭性層２４側に配置して磁歪層２８に選択的に引張歪または圧縮歪を生じさせられることは、第１実施形態と同様である。また、振動部材３４の振動に伴い、磁歪層２８の長さ方向に生じる磁束密度Ｂ２８が周期的に増減することは、第１実施形態と同様である。
図２０Ｃは、下側平面ラダーコイル２６と上側平面ラダーコイル３０とを並べて示した概略平面図であり、磁歪層２８の磁束密度Ｂ２８が増加している場合（磁歪層２８が下方に撓んでいる場合）に、各平面ラダーコイルに生じる電流方向を示す。
図２０Ｄは、下側平面ラダーコイル２６と上側平面ラダーコイル３０のＡ−Ａ′方向断面図であり、磁歪層２８の磁束密度Ｂ２８が増加している場合（磁歪層２８が下方に撓んでいる場合）に、各平面ラダーコイルに生じる電流方向と、電流により生じた磁束の方向とを示す。磁歪層２８の磁束密度Ｂ２８の向きは、例えば根元側から先端側向きとする。
図２０Ｄに示すように、磁歪層２８の磁束密度Ｂ２８が増加すると、これを妨げるような磁束を生じさせるように、下側平面ラダーコイル２６及び上側平面ラダーコイル３０のそれぞれに電流が生じる。
下側平面ラダーコイル２６においては、上方側（磁歪層２８側）で先端側から根元側向きの磁束Ｂ２６を生じさせるように、Ｃｕ線２６ｂに、紙面裏側から表側向きの電流が生じる。
一方、上側平面ラダーコイル３０においては、下方側（磁歪層２８側）で先端側から根元側向きの磁束Ｂ３０を生じさせるように、Ｃｕ線３０ｂに、紙面表側から裏側向きの電流が生じる。
図２０Ｃに示すように、下側平面ラダーコイル２６のＣｕ線２６ｂに流れる電流の向きと、上側平面ラダーコイル３０のＣｕ線３０ｂに流れる電流の向きとが逆向きなので、下側側平面ラダーコイル２６の一端側の引き出し線２６ａと、上側平面ラダーコイル３０の他端側の引き出し線３０ｃとが同極性となり、下側側平面ラダーコイル２６の他端側の引き出し線２６ｃと、上側平面ラダーコイル３０の一端側の引き出し線３０ａとが同極性となる。
そこで、図２０Ａに示すように、一方の極性の引き出し線２６ａと３０ｃとが接続され、他方の極性の引き出し線２６ｃと３０ａとが接続されるように、クロス配線構造を形成している。整流蓄電回路３９が、コイル構造３１の引き出し線２６ａ及び３０ｃと、引き出し線２６ｃ及び３０ａとの間に接続されて、発電された電流の整流や蓄電が行われる。
第１実施形態のコイル１１は、コイル下層部分６とコイル上層部分１０とを積層工程で接続して、一体のコイルとしている。第２実施形態のコイル構造３１は、下側平面ラダーコイル２６と上側平面ラダーコイル３０とが独立のコイルとして機能するので、下側平面ラダーコイル２６と上側平面ラダーコイル３０とを接続しなくてもよく、製造工程がより容易である。
なお、第２実施形態では、磁歪層２８の上下にそれぞれ、上側平面ラダーコイル３０と下側平面ラダーコイル２６とを形成したが、少なくとも一方の平面ラダーコイルが形成されていれば発電を行うことができる。磁歪層２８の上下両方に平面ラダーコイルを形成することにより、発電効率を向上させることができる。
なお、上述の第１実施形態及び第２実施形態による振動発電装置の製造工程は、例示であり、密着性向上層、金属拡散防止層、磁歪層の配向を揃える配向膜の追加や、熱処理工程の追加をしても構わない。
なお、以下に第３実施形態として説明するように、靭性層として靭性基板を用い、靭性基板上方に磁歪層が形成され磁歪層の周りにコイルが形成された振動部材を複数同時形成した後、個々に切断して、一つ一つの振動発電装置を組み立てる工程とすることもできる。靭性基板として、例えば、金属ガラス薄板、ゴムメタル（登録商標）薄板、単結晶シリコン薄板、セラミクス薄板、高分子材料薄板等を用いることができる。
［第３実施形態］
図２１Ａ〜図２４Ａは、第３実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略平面図である。図２１Ｂ〜図２４Ｂは、図２１Ａ等の平面図の一点鎖線Ａ−Ａ′方向（長さ方向）に沿った概略断面図であり、図２１Ｃ〜図２４Ｃは、図２１Ａ等の平面図の一点鎖線Ｂ−Ｂ′方向（幅方向）に沿った概略断面図である。
図２１Ａ、図２１Ｂ、及び図２１Ｃを参照する。靭性基板（靭性層）４１として、例えば、厚さ５００μｍのポリイミド薄板を用いる。第１実施形態のコイル下層部分６の形成工程（図４Ａ〜図４Ｃ参照）と同様にして、靭性基板４１上に、Ｃｕによりコイル下層部分４２を形成する。
図２２Ａ、図２２Ｂ、及び図２２Ｃを参照する。第１実施形態の絶縁層７の形成工程（図５Ａ〜図５Ｃ参照）と同様にして、コイル下層部分４２の一部を覆い靭性基板４１上に、絶縁層４３を形成する。
さらに、絶縁層４３上に、磁歪層４４を形成する。例えば、液体急冷凝固法によるＦｅ−Ｇａ磁歪リボン材料（例えば厚さ３００μｍ）を、絶縁層４３上に接着することにより、磁歪層４４を形成することができる。なお、磁歪層４４は、また例えば、第１実施形態と同様に、スパッタリングで形成することもできる。
図２３Ａ、図２３Ｂ、及び図２３Ｃを参照する。磁歪層４４の形成後、第１実施形態で、絶縁層９、コイル上層部分１０（コイル１１）、絶縁層１２、錘１３を形成して振動部材１４を形成した工程と同様にして、絶縁層４５、コイル上層部分４６（コイル４７）、絶縁層４８、錘４９を形成して、振動部材５０を形成する。なお、錘４９は磁石でも構わない。その際の形成方法は、永久磁石を接着剤で固定する方法でも、薄膜磁石を形成する方法でもどちらでもよい。錘４９として磁石を用いる場合には、後述するキャップ５５の材料として非磁性材料を用いることが好ましい。
靭性基板４１上に複数の振動部材５０を同時形成した後、靭性基板４１を切断して、振動部材５０を個々に分離する。
図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃを参照する。その後、振動部材５０に磁石５４を取り付け、振動部材５０を凹部５２の形成された支持基板（ザグリ基板）５１に接着し、シール材５３を用いてキャップ５５を取り付ける。このように、ザグリ基板５１とキャップ５５との間に振動部材５０を挟み込み実装することにより、第３実施形態による振動発電装置が形成される。
なお、上述の第１実施形態〜第３実施形態では、靭性層と磁歪層とを含む振動部材中に、コイルを一体的に形成したが、コイルは必ずしも振動部材中に作りこむ必要はない。例えば、磁歪層を取り巻くラインコイルを、靭性層と磁歪層とを含む振動部材とは別に配置する構造にすることもできる。以下、第４実施形態として、パッケージの周りにコイルを巻く構造を説明する。
［第４実施形態］
図２５Ａ及び図２６Ａは、第４実施形態による振動発電装置の主要な製造工程を示す概略平面図である。図２５Ｂ及び図２６Ｂは、図２５Ａ等の平面図の一点鎖線Ａ−Ａ′方向（長さ方向）に沿った概略断面図であり、図２５Ｃ及び図２６Ｃは、図２５Ａ等の平面図の一点鎖線Ｂ−Ｂ′方向（幅方向）に沿った概略断面図である。
図２５Ａ、図２５Ｂ、及び図２５Ｃを参照する。靭性層６１上に磁歪層６２を形成し、錘６３を形成して、振動部材６４を形成する。なお、錘６３は磁石でも構わない。その際の形成方法は、永久磁石を接着剤で固定する方法でも、薄膜磁石を形成する方法でもどちらでもよい。
振動部材６４を、凹部６６を有する支持基板（ザグリ基板）６５に接着する。第４実施形態のザグリ基板６５は、例えば銅やアルミニウム、セラミクス、プラスティック等の非磁性材料で形成されていることが望ましい。磁石６８を取り付け、シール材６７を形成する。
図２６Ａ、図２６Ｂ、及び図２６Ｃを参照する。ザグリ基板６５とキャップ６９との間に振動部材６４を挟み込み実装する。第４実施形態のキャップ６９は、例えば銅やアルミニウム、セラミクス、プラスティック等の非磁性材料で形成されていることが望ましい。
キャップ６９が取り付けられた後、パッケージ全体に誘導コイル（コイル）７０を機械的に巻いていく。このようにして、第４実施形態による振動発電装置が形成される。
（評価結果）
次に、評価結果について図２８乃至図３２を用いて説明する。
図２８は、実施例１による振動発電装置を示す概略図である。図２８Ａは平面図であり、図２８Ｂは側面図である。図２９は、実施例１による振動発電装置の一部を示す側面図である。図３０は、比較例１による振動発電装置を示す概略図である。図３０Ａは平面図であり、図３０Ｂは側面図である。図３１は、比較例２による振動発電装置を示す平面図及び側面図である。図３１Ａは平面図であり、図３１Ｂは側面図である。
実施例１は、上述した第１乃至第４実施形態による振動発電装置に対応するものである。実施例１では、靭性層１０４として、厚さ５００μｍのポリカーボネート板を用いた。靭性層１０４は、上記実施形態の靭性層４，２４，４１，６１に対応するものである。磁歪層１０８として、厚さ２００μｍのＦｅ−Ｇａのリボン材を用いた。磁歪層１０８は、上記実施形態の磁歪層８，２８，４４，６２に対応するものである。磁歪層１０８の体積は、０．０４４ｃｍ３とした。靭性層１０４と磁歪層１０８とを含む振動部材１１４の根元側に、磁石１１６を取り付けた。振動部材１１４は、上記実施形態の振動部材１４，３４，５０，６４に対応するものである。振動部材１１４の先端側に、錘を兼ねる磁石１１３を取り付けた。錘１１３は、上記実施形態の錘１３，３３，４９，６３に対応するものである。根元側の磁石１１６と先端側の磁石１１３との距離は、５５ｍｍとした。錘を兼ねる磁石１１３の質量は、３ｇとした。そして、振動部材１１４の根元側をケーシング１１７に固定した。ケーシング１１７は、上記実施形態の支持基板１，２１，５１，６５及びキャップ１７，３７，５５，６９に対応するものである。ケーシング１１７のサイズは、５５ｍｍ×７０ｍｍ×２０ｍｍとした。ケーシング１１７の容積は、７７ｃｍ３とした。ケーシング１１７の周囲にコイル（図示せず）を巻いた。かかるコイルは、上記実施形態のコイル１１，３１，４７，７０に対応するものである。
比較例１では、２本の磁歪材料２０８ａ、２０８ｂを並行するように配した。磁歪材料２０８ａ、２０８ｂとしては、それぞれＦｅ−Ｇａ磁歪板を用いた。磁歪板２０８ａ、２０８ｂには、コイル２１１ａ、２１１ｂをそれぞれ巻き付けた。磁歪板２０８ａ、２０８ｂの体積は、それぞれ１．２ｃｍ３とした。並行するように配した２つの磁歪板２０８ａ、２０８ｂを、根元側と先端側に設けた連結ヨーク２２０ａ、２２０ｂにより連結した。磁歪板２０８ａ、２０８ｂを含む振動部材２１４の先端側には、錘２１３を取り付けた。錘２１３の質量は、３５４ｇとした。更に、振動部材２１４の根元側と先端側にそれぞれ磁石２１６ａ、２１６ｂを取り付けた。そして、磁石２１６ａと磁石２１６ｂとが磁気的に結合されるようにバックヨーク２１７を取り付けた。そして、振動部材２１４の根元側を、支持体２０１に固定した。
比較例２においても、２本の磁歪材料３０８ａ、３０８ｂを並行するように配した。磁歪材料３０８ａ、３０８ｂとしては、それぞれＦｅ−Ｇａ磁歪板を用いた。磁歪板３０８ａ、３０８ｂには、コイル３１１ａ、３１１ｂをそれぞれ巻き付けた。磁歪板３０８ａ、３０８ｂの体積は、それぞれ１．２ｃｍ３とした。並行するように配した２つの磁歪板３０８ａ、３０８ｂを、根元側に設けた連結ヨーク３２０ａと先端側に設けた連結ヨーク３２０ｂとにより連結した。磁歪板３０８ａ、３０８ｂを含む振動部材３１４の先端側に設けた連結ヨーク３２０ｂは、錘を兼ねるものである。錘３２０ｂの質量は、３５ｇとした。更に、振動部材３１４の根元側と先端側にそれぞれ磁石３１６ａ、３１６ｂを取り付けた。そして、磁石３１６ａと磁石３１６ｂとが磁気的に結合されるようにバックヨーク３１７を取り付けた。そして、振動部材３１４の根元側を、支持体３０１に固定した。
図３２は、振動の加速度と単位量当たりの出力との関係を示すグラフである。図３２における横軸は、加速度を示している。図３２における縦軸は、単位量当たりの出力を示している。単位量当たりの出力は、実際に得られた出力の値を、磁歪材料の体積と錘の質量との積で除算することにより求めた。
図３２における●印のプロットは、実施例１の場合を示している。図３２における◆印のプロットは、比較例１の場合を示している。図３２における▲印のプロットは、比較例２の場合を示している。
図３２から分かるように、実施例１では、比較例１、２と比較して、著しく高い単位量当たりの出力が得られた。
このことから、実施例１，即ち、上記実施形態によれば、発電効率の良好な振動発電装置を提供し得ることが分かる。
また、図３２から分かるように、実施例１では、振動の加速度が低いにもかかわらず、比較例１，２と比較して、著しく高い単位量当たりの出力が得られた。
このことから、実施例１，即ち、上記実施形態によれば、振動の加速度が低い場合であっても、良好に発電し得ることが分かる。
また、実施例１においては、振動部材１１４の振動の周波数は、約１５Ｈｚであった。
一方、比較例１においては、振動部材２１４の振動の周波数は、約４３Ｈｚであった。また、比較例２においては、振動部材３１４の振動の周波数は、約７９Ｈｚであった。
これらのことから、実施例１、即ち、上記実施形態によれば、振動の低周波が低い場合であっても、良好に発電し得ることが分かる。
[変形実施形態］
以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
例えば、錘１３，３３として磁石を用いてもよい。錘１３，３３として磁石を用いる場合には、キャップ１７，３７の材料として非磁性材料を用いることが好ましい。
本発明による発電装置は、発電効率の向上等を図るのに有用である。
１、２１…シリコンウエハ
２、２２…凹部
３、２３…銅層
４、２４…靭性層
５、２５…絶縁層
６…コイル下層部分
２６…下側平面ラダーコイル
７、２７…絶縁層
８、２８…磁歪層
９、２９…絶縁層
１０…コイル上層部分
３０…上側平面ラダーコイル
１１…（第１実施形態の）コイル
３１…（第２実施形態の）コイル構造
１２、３２…絶縁層
１３、３３…錘
１４、３４…振動部材
１５、３５…シール層
１６、３６…磁石
１７、３７…キャップ
１８、３８…磁場印加部材
６ａ、１０ａ…Ｃｕ線
１１ａ、１１ｃ…引き出し線
１１ｂ…コイル主部分
２６ｂ、３０ｂ…Ｃｕ線
２６ａ、２６ｃ、３０ａ、３０ｃ…引き出し線
３９…整流蓄電回路
４１…靭性層
４２…コイル下層部分
４３…絶縁層
４４…磁歪層
４５…絶縁層
４６…コイル上層部分
４７…コイル
４８…絶縁層
４９…錘
５０…振動部材
５１…支持基板
５２…凹部
５３…シール材
５４…磁石
５５…キャップ
６１…靭性層
６２…磁歪層
６３…錘
６４…振動部材
６５…支持基板
６６…凹部
６７…シール材
６８…磁石
６９…支持基板
７０…コイル
１０４…靭性層
１０８…磁歪層
１１３…錘、磁石
１１４…振動部材
１１６…磁石
２０１…支持体
２０８ａ、２０８ｂ…磁歪板
２１１ａ、２１１ｂ…コイル
２１３…錘
２１４…振動部材
２１６ａ、２１６ｂ…磁石
２１７…バックヨーク
２２０ａ、２２０ｂ…連結ヨーク
３０１…支持体
３０８ａ、３０８ｂ…磁歪板
３１１ａ、３１１ｂ…コイル
３１４…振動部材
３１６ａ、３１６ｂ…磁石
３１７…バックヨーク
３２０ａ、３２０ｂ…連結ヨーク
これらのことから、実施例１、即ち、上記実施形態によれば、振動の周波数が低い場合であっても、良好に発電し得ることが分かる。

Claims (23)

  1. 靭性層、及び、前記靭性層上方に積層され磁歪材料で形成された磁歪層を含み、前記靭性層は、前記磁歪材料よりも引張強度が高い靭性材料で形成されている、振動部材と、
    前記振動部材が厚さ方向に振動可能に取り付けられた支持部材と、
    前記磁歪層に磁場を印加する磁場印加部材と、
    前記磁歪層の周りに配置されたコイルと
    を有することを特徴とする発電装置。
  2. 前記靭性層は、前記磁歪層よりも厚く形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記磁歪層は、厚さが１０００μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
  4. 前記靭性層は、厚さが１０００μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電装置。
  5. 前記靭性材料は、引張強度が１０００ＭＰａ以上である
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
  6. 前記靭性材料は、ヤング率が１５０ＧＰａ以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発電装置。
  7. 前記靭性材料は、弾性限界伸びが０．５％以上である
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電装置。
  8. 前記靭性材料は、金属ガラスもしくはゴムメタル（登録商標）である
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
  9. 前記靭性材料は、超弾性合金である
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
  10. 前記靭性材料は、シリコンである
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
  11. 前記靭性材料は、セラミクスである
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
  12. 前記靭性材料は、高分子材料である
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
  13. 前記コイルは、前記振動部材と一体的に形成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発電装置。
  14. 前記コイルは、前記磁歪層を取り巻き、下側部分が前記靭性層と前記磁歪層との間に配置されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の発電装置。
  15. 前記コイルは、前記磁歪層の上方及び下方の少なくとも一方に配置された平面ラダーコイルを含む
    ことを特徴とする請求項１３に記載の発電装置。
  16. 前記平面ラダーコイルは、前記磁歪層の下方に配置され、前記靭性層と前記磁歪層との間に配置されている
    ことを特徴とする請求項１５に記載の発電装置。
  17. 前記振動部材は、前記磁歪層を取り囲む絶縁層をさらに有し、
    前記コイルは、前記絶縁層に埋め込まれている
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の発電装置。
  18. 前記磁場印加部材は、前記振動部材を収める容器を兼ねる
    ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の発電装置。
  19. さらに、前記振動部材を収める容器を有し、
    前記コイルは、前記容器の周りに巻かれている
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発電装置。
  20. 前記容器は、内部が真空または減圧状態にされている
    ことを特徴とする請求項１８または１９に記載の発電装置。
  21. 前記振動部材に錘が取り付けられている
    ことを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の発電装置。
  22. 前記錘は、磁石である
    ことを特徴とする請求項２１に記載の発電装置。
  23. 前記錘は、前記振動部材の先端側に形成されている
    ことを特徴とする請求項２１または２２に記載の発電装置。
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