JPWO2013186965A1 - 発電装置および発電モジュール - Google Patents
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Abstract
発電装置１は、枠状の支持部１１と、支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２の一面１２１側に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する１４とを備えている。また、発電装置１は、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路１５を備えている。また、発電装置１は、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。
Description
本発明は、発電装置および発電モジュール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装置は、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目されている。
この種の発電装置としては、例えば、図９に示す構成の発電デバイスが、日本国特許出願公開番号２０１１−９１３１９で提案されている。
この発電デバイスは、フレーム部（支持部）１２１及びフレーム部１２１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２２を有するカンチレバー形成基板１２０と、カンチレバー部１２２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１２４とを備えている。圧電変換部１２４は、カンチレバー形成基板１２０の一表面側においてカンチレバー部１２２に形成されている。また、カンチレバー形成基板１２０は、カンチレバー部１２２の先端部に、錘部１２３が一体に設けられている。
フレーム部１２１とカンチレバー部１２２と錘部１２３とは、素子形成基板１２０ａを用いて形成されている。素子形成基板１２０ａとしては、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板及び金属基板などが記載されている。
圧電変換部１２４は、下部電極１２４ａと、下部電極１２４ａにおけるカンチレバー部１２２側とは反対側に形成された圧電層１２４ｂと、圧電層１２４ｂにおける下部電極１２４ａ側とは反対側に形成された上部電極１２４ｃとで構成されている。
また、カンチレバー形成基板１２０の上記一表面側には、下部電極１２４ａ及び上部電極１２４ｃそれぞれに接続配線１２６ａ，１２６ｃを介して電気的に接続された下部電極用パッド１２７ａ及び上部電極用パッド１２７ｃが形成されている。
ところで、本願発明者らは、上述の発電デバイスを流体により発電させることを考えた。すなわち、本願発明者らは、上述の発電デバイスを流体の流路に配置し、外部振動ではなく流体を利用して発電デバイスを発電させることを検討した。
しかしながら、上述の発電デバイスでは、流体を利用して発電させることが難しかった。
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、流体を利用して発電可能な発電装置および発電モジュールを提供することにある。
本発明の発電装置（１）は、枠状の支持部（１１）と、前記支持部（１１）に揺動自在に支持されたカンチレバー部（１２）と、前記カンチレバー部（１２）の一面（１２１）側に設けられ前記カンチレバー部（１２）の振動に応じて交流電圧を発生する発電部（１４）と、前記支持部（１１）と前記カンチレバー部（１２）との間に設けられ前記支持部（１１）の厚み方向に沿って流体（Ｆ）が通過可能な流路（１５）とを備え、前記カンチレバー部（１２）の先端部（１２a）を、前記カンチレバー部（１２）の基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１２ａ）から離れる向きにずらしてあることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、前記発電部（１４）は、前記カンチレバー部（１２）の厚み方向の一面（１２１）側に設けられた第１電極（１４ａ）と、前記カンチレバー部（１２）の他表面（１２２）側に設けられた第２電極（１４ｃ）と、前記第１電極（１４ａ）と第２電極と（１４ｃ）の間に設けられた圧電薄膜（１４ｂ）とを備え、前記圧電薄膜（１４ｂ）の内部応力によって、前記カンチレバー部（１２）の前記先端部（１２ａ）を、前記基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記発電部（１４）は、前記カンチレバー部（１２）の厚み方向の一面（１２１）側に設けられた第１電極（１４ａ）と、前記カンチレバー部（１２）の他表面（１２２）側に設けられた第２電極（１４ｃ）と、前記第１電極（１４ａ）と第２電極と（１４ｃ）の間に設けられた圧電薄膜（１４ｂ）とを備え、前記カンチレバー部（１２）の前記一面（１２１）側に設けられた応力制御膜（１９）によって、前記カンチレバー部の前記先端部（１２ａ）を、前記基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記カンチレバー部（１２）を前記支持部（１１）に対して傾けて配置することによって、前記カンチレバー部の前記先端部（１２a）を、前記基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記支持部（１１）は、前記流路（１５）の断面積が前記支持部の厚み方向の両側で前記厚み方向の中間よりも広くなる形状に形成されてなることが好ましい。
本発明の一実施形態における発電装置（１）は、発電素子（１ａ）と、収納部材（１ｂ）とを備える。前記発電素子（１ａ）は、前記支持部（１１）、前記カンチレバー部（１２）、前記発電部（１４）および前記流路を備える。前記発電素子（１ａ）を収納するように形成される。前記収納部材（１ｂ）は、前記流体（Ｆ）が流入する流入口（１ｂａ）と、前記流体（Ｆ）が流出する流出口（１ｂｂ）とを備える。前記流入口（１ｂａ）と前記流出口（１ｂｂ）との間に前記発電素子（１ａ）が配置される。前記収納部材（１ｂ）は、、前記流入口（１ｂａ）から前記発電素子（１ａ）に近づくにつれて開口面積が小さくなり、前記発電素子（１ａ）から前記流出口（１ｂｂ）に近づくにつれて開口面積が大きくなる形状に形成されてなることが好ましい。
本発明の一実施形態において、発電モジュール（Ａ１）は、前記発電装置（１）と、前記発電装置（１）の外部に設けられ前記流路を通る流体（Ｆ）の流量を増大させるように流体の流れを制御可能な流体制御部（３）とを備えることが好ましい。
本発明の発電装置においては、カンチレバー部の先端部を、前記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ので、流体を利用して発電可能となる。
本発明の発電モジュールにおいては、流体を利用して発電可能となる。
以下では、本実施形態の発電装置について図１Ａ乃至図１Ｄに基づいて説明する。
発電装置１は、枠状の支持部１１と、支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部１４とを備えている。また、発電装置１は、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向（図１Ｂ及び図Ｃの上下方向）に沿って流体が通過可能な流路１５を備えている。また、発電装置１は、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。
すなわち、支持部１１は、第１方向Ｄ１（厚み方向）に所定の厚みを有する。また支持部１１は、第１方向Ｄ１との直交方向である第２方向Ｄ２（例えば、図１Ｃの左右方向）に伸び、開口１１ａを有する。支持部１１は第２方向Ｄ２の第１及び第２側にそれぞれ、第１端部１１ｂと第２端部１１ｆとを有する。図１Ａの例では、支持部１１は、矩形状に形成されている。また、支持部１１は、第１方向Ｄ１の第１及び第２側にそれぞれ、一面（第１面）１１１及び他表面（第２面）１１２を有する。カンチレバー部１２は第１方向Ｄ１の第１及び第２側にそれぞれ一面（第１面）１２１及び他表面（第２面）１２２を有する。また、カンチレバー部１２は、第１方向Ｄ１の第１及び第２側にそれぞれ基端部１２ｂ（被支持端）と先端部１２ａ（自由端）とを有し、図１Ａの例では、矩形状に形成されている。また、被支持端１２ｂの第１面１２１が第１端部１１ｂの第１面１１１と連通するように、被支持端１２ｂは第１端部１１ｂに支持されている。これにより、カンチレバー部１２と支持部１１とが一体に形成されている。また、カンチレバー部１２の自由端１２ａが、第２端部１１ｆの第１面１１１から第１方向Ｄ１の第１側（図１Ｃでは上側）へ反るようになっている。
次に、発電装置１の各構成要素について詳細に説明する。
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では、支持部１１とカンチレバー部１２とが、基板１０から形成されている。発電装置１において、基板１０は第１の方向Ｄ１に一面（第１面）１０１及び他表面（第２面）１０２を有する。基板１０の第１面１０１側にカンチレバー部１２が形成されている。
ここで、基板１０の第１面１０１は、支持部１１の第１面１１１及びカンチレバー部１２の第１面１２１と対応するようになってもよい。
また、発電装置１は、発電部１４が、基板１０にモノリシックに形成されている。すなわち、発電部１４はカンチレバー部１２の基端部１２ｂ側に位置し、カンチレバー部１２の第１面１２１側に形成されている。
発電部１４は、カンチレバー部１２の第１面１２１側（基板１０の上記第１面１０１側）に形成されている。発電部１４は、カンチレバー部１２側から順に、第１電極（下部電極）１４ａ、圧電体層１４ｂ及び第２電極（上部電極）１４ｃを有している。第１電極１４ａはカンチレバー部１２の第１面１２１側に形成されている。圧電体層１４ｂは第１電極１４ａ上に形成されている。第２電極１４ｃは圧電体層１４ｂ上に形成されている。要するに、発電部１４は、圧電体層１４ｂと、この圧電体層１４ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極１４ａおよび第２電極１４ｃを備えている。
基板１０としては、シリコン基板１０ａ上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０ｂ上にシリコン層１０ｃが形成されたＳＯＩ基板を用いている。基板１０の上記第１面１０１は、（１００）面としてあるが、これに限らず、例えば、（１１０）面でもよい。
支持部１１は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板１０ａと埋込酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されている。これに対して、カンチレバー部１２は、ＳＯＩ基板のうち埋込酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されており、支持部１１に比べて薄肉であり、可撓性を有している。このカンチレバー部１２は、弾性を有している。
発電装置１は、基板１０と発電部１４とが、基板１０の上記第１面１０１側に形成されたシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１８ａによって、電気的に絶縁されている。つまり、基板１０と発電部１４とが電気的に絶縁されるように、基板１０の第１面１０１側に第１の絶縁膜１８ａが形成される。このような第１の絶縁膜１８ａとして、シリコン酸化膜からなる絶縁膜などが挙げられる。また、発電装置１において、基板１０の第２面１０２側に、第２の絶縁膜１８ｂが形成されている。このような、第２の絶縁膜１８ｂとして、シリコン酸化膜からなる絶縁膜などが挙げられる。上記される第１の絶縁膜１８ａおよび第２の絶縁膜１８ｂは、熱酸化法により形成される。第１の絶縁膜１８ａおよび第２の絶縁膜１８ｂの形成方法は、熱酸化法に限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などでもよい。上記のように第１の絶縁膜１８ａおよび第２の絶縁膜１８ｂが形成される場合、第１の絶縁膜１８ａの第１方向Ｄ１の第１側の面１８ａａが支持部１１の第１面１１１に対応し、第２の絶縁膜１８ｂの第１方向Ｄ１の第２側の面１８ｂｂが支持部１１の第２面１１２に対応する。ただし、第２の絶縁膜１８ｂは、オプションであって、必ずしも設ける必要はない。このように、基板１０の第２面１０２側に第２の絶縁膜１８ｂを設けない場合、基板１０の第２面１０２が支持部１１の第２面１１２に対応することになる。
上述の基板１０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板や多結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いることも可能である。基板１０として、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板などの絶縁性基板を用いる場合、第１の絶縁膜１８ａおよび第２の絶縁膜１８ｂはオプションであって、必ずしも設ける必要はない。このように、基板１０の第１面１０１側に第１の絶縁膜１８ａを、基板１０の第２面１０２側に第２の絶縁膜１８ｂを設けない場合、基板１０の第１面１０１及び第２面１０２はそれぞれ、支持部１１の第１面１１１及び第２面１１２に対応することになる。
支持部１１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。これにより、発電装置１は、製造時に、支持部１１およびカンチレバー部１２の基礎となるウェハ（ここでは、ＳＯＩウェハ）を準備し、このウェハから多数の発電装置１を形成する前工程を行い、後工程において個々の発電装置１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。
また、支持部１１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、楕円形状などの形状でもよい。また、支持部１１の外周形状は矩形状以外の形状でもよい。
発電装置１は、カンチレバー部１２が、平面視において支持部１１の内側に配置されている。発電装置１は、基板１０に、カンチレバー部１２を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄを形成することによって、カンチレバー部１２における支持部１１との連結部位以外の部分が、支持部１１と（空間的）に分離されている。これにより、カンチレバー部１２は、平面視形状が長方形状に形成されている。発電装置１は、スリット１０ｄが、流路１５を構成している。
すなわち、カンチレバー部１２は矩形板状に形成されている。カンチレバー部１２において、先端部１２ａが支持部１１の第２端部１１ｆで揺動自在となっている。また、カンチレバー部１２の第１面１２１が支持部１１の第１面１１１に連通するように、カンチレバー部１２の基端部１２ｂが支持部１１の第１端部１１ｂと一体に支持されている。また、第２端部１１ｆとの先端部１２ａとの間に隙間（流路１５）が形成されている。従って、カンチレバー部１２の揺動に応じて、上記隙間（流出口）の開口量（開口面積）が変化する。
上記のように基端部１２ｂの第１面１２１が第１端部１１ｂの第１面１１１と面一となり、カンチレバー部１２と支持部１１とが一体に形成されると、カンチレバー部１２の第１面１２１は、支持部１１の第１面１１１と段差なく連続している。
したがって、発電装置１は、カンチレバー部１２の振動によって発電部１４の圧電体層１４ｂが応力を受け第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、発電部１４において交流電圧が発生する。要するに、発電装置１は、発電部１４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素子である。
圧電体層１４ｂの平面形状は、第１電極１４ａよりも平面形状がやや小さく、且つ、第２電極１４ｃの平面形状よりもやや大きな、矩形状に形成されている。ここで、発電装置１は、支持部１１とカンチレバー部１２とを結ぶ方向である第２方向Ｄ２（例えば、図１Ａの左右方向）において、第１電極１４ａと圧電体層１４ｂと第２電極１４ｃとが重なっている領域Ｒの支持部１１側（基端部１２ｂ側）の端Ｔを、支持部１１とカンチレバー部１２との境界に揃えてある。カンチレバー部１２が振動すると、カンチレバー部１２への応力は、カンチレバー部１２と支持部１１（第１端部１１ｂ）との境界に集中する。従って、発電装置１は、上記領域Ｒの支持部１１側の端Ｔが上記境界Ｒよりもカンチレバー部１２側にある場合に比べて、カンチレバー部１２の振動時に応力が高くなる部分に存在する発電部１４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。
発電部１４で発生する交流電圧は、圧電体層１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、発電装置１の発電部１４は、流路１５を流体から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。発電装置１の共振周波数は、カンチレバー部１２と発電部１４とからなる可動部の構造パラメータおよび材料により決まる。流路１５を流れる流体としては、例えば、空気、ガス、空気とガスとの混合気体、液体などがある。
発電装置１は、支持部１１に、第１電極１４ａに第１配線部１７ａを介して電気的に接続された第１パッド１６ａと、第２電極１４ｃに第２配線部１７ｃを介して電気的に接続された第２パッド１６ｃとが設けられている。第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃ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などでもよい。また、第１配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃ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配線部１７ａ、第２配線部１７ｃ、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃ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配線部１７ｃと第１電極１４ａとの間に、第２配線部１７ｃと第１電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層（図示せず）を設けてある。この絶縁層は、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。また、発電装置１は、基板１０の材料に応じて、適宜の絶縁膜を設けてもよい。
圧電体層１４ｂ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（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。なお、本実施形態の発電装置１では、圧電体層１４ｂが、圧電薄膜により構成されている。
第１電極１４ａ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などでもよい。また、第２電極１４ｃ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などでもよい。
発電装置１は、第１電極１４ａの厚みを５００ｎｍ、圧電体層１４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極１４ｃ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。
発電装置１は、基板１０と第１電極１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体層１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体層１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3など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。なお、緩衝層を設けることにより、圧電体層１４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。
また、発電装置１の構成は、上述の例に限らず、例えば、発電部１４は、カンチレバー部１２の幅方向を指す第３方向Ｄ３（例えば、図１Ａの上下方向）に沿った寸法を小さくして、１つのカンチレバー部１２の上記第１面１２１側において複数の発電部１４を上記第３方向Ｄ３に沿って並設することができる。この場合、これら複数の発電部１４の直列回路の一端（第１接続端）、及び他端（第２接続端）を第１パッド１６ａ、第２パッド１６ｃそれぞれに電気的に接続するように構成。
次に、発電装置１に製造方法の一例について簡単に説明する。
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１０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、熱酸化法などを利用して、基板１０の上記第１面１０１側、上記第２面１０２側にそれぞれに、シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１８ａ、第２の絶縁膜１８ｂを形成する。絶縁膜形成工程では、第１の絶縁膜１８ａ、第２の絶縁膜１８ｂ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法などを採用してもよい。
上述の絶縁膜形成工程の後には、基板１０の上記第１面１０１側の全面に、第１電極１４ａおよび第１配線部１７ａの基礎となる第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１４ｂの基礎と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導電層形成工程において第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法や蒸着法などを採用してもよい。また、圧電材料層形成工程において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法やゾルゲル法などを採用してもよい。
圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層を圧電体層の所定の形状にパターニングする圧電材料層パターニング工程を行い、続いて、第１導電層を第１電極１４ａおよび第１配線部１７ａの所定の形状にパターニングする第１導電層パターニング工程を行う。圧電材料層パターニング工程では、リソグラフィ技術およ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１導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術およ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。
上述の第１導電層パターニング工程の後には、基板１０の上記第１面１０１側に上記絶縁層１８ａを形成する絶縁層形成工程を行う。その後には、第２電極１４ｃおよび第２配線部１７ｃの基礎となる第２導電層を基板１０の上記第１面１０１側の全面に形成する第２導電層形成工程を行ってから、第２導電層を第２電極１４ｃ及び第２配線部１７ｃの所定の形状にパターニングする第２導電層パターニング工程を行う。上述の第２導電層形成工程において第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法や蒸着法などを採用してもよい。また、第２導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術およ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。
上述の第２導電層パターニング工程の後には、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの基礎となる第３導電層を、基板１０の上記第１面１０１側の全面に形成する第３導電層形成工程を行い、その後、第３導電層を、第１パッド１６ａおよび第２パッド１６ｃの所定の形状にパターニングする第３導電層パターニング工程を行う。
続いて、基板１０の上記第１面１０１側から、支持部１１、カンチレバー部１２以外の部位（スリット１０ｄの形成予定領域）をカンチレバー部１２の厚みに対応する分だけエッチングすることで溝を形成する溝形成工程を行う。その後には、基板１０の上記第２面１０２側から支持部１１以外の部位をエッチングすることで支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成するカンチレバー部形成工程を行うことによって、発電装置１を得る。上述の溝形成工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して溝を形成する。また、上述のカンチレバー部形成工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して、支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成する。溝形成工程およ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、このカンチレバー形成工程において、スリット１０ｄが形成される。
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デバイス１に分割するようにしている。
ところで、発電装置１は、上述のように支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路１５を備え、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。ここにおいて、初期のずれＧ１（図１Ｂ参照）は、２００μｍ以上であることが好ましい。なお、図１Ｂでは、カンチレバー部１２の中立面とカンチレバー部１２の先端面との交線の、支持部１１の厚み方向におけるずれを初期のずれＧ１としてある。
カンチレバー部１２は、外部振動や流体などが作用していない初期状態において、図１Ｂ、図１Ｃのように、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。ここで、カンチレバー部１２は、上記第１面１２１側が凹曲面となり且つ第２面１２２側が凸曲面となるように、湾曲している。本実施形態の発電装置１では、圧電体層１４ｂを構成する圧電薄膜の内部応力によって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。圧電薄膜の内部応力は、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、ガス圧や、温度など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。
ここで、本実施形態の発電装置１の動作について説明する。
本実施形態の発電装置１は、流体の流れる方向と支持部１１の厚み方向とが一致し、基板１０の上記第１面１０１側が流体の上流側、基板１０の上記第２面１０２側が流体の下流側となるように配置して使用する。この発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体が流路１５を通る際に流速が速くなるので、カンチレバー部１２の上記第２面１２２側と支持部１１の内側面とで囲まれた空間１０ｆの圧力が下がり、カンチレバー部１２の先端部１２ａが支持部１１に近づく向き（上記空間１０ｆ側）へ変位する。そして、この発電装置１では、カンチレバー部１２の上記第１面１２１と支持部１１の上記第１面１１１とが面一になったところで、カンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第１面１２２側とでの圧力差がなくなる。そして、カンチレバー部１２の弾性力によってカンチレバー部１２の先端部１２ａが元の位置に戻る向きへ変位する。発電装置１は、このような動作が繰り返されることでカンチレバー部１２が自励振動するので、発電部１４が発電することとなる。
本実施形態の発電装置１は、上述のように、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられ支持部１１の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路１５を備えている。さらに、本実施形態の発電装置１は、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、カンチレバー部１２の基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。これにより、発電装置１は、流路１５を通る流体の流れ（気流）によって発生するカンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第２面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性とによって自励振動を発生させることができるので、流体を利用して発電可能となる。
なお、流路１５を通る流体としては、空気、ガス、空気とガスとの混合気体、液体などでもよい。
（実施形態２）
以下では、本実施形態の発電装置１について図２Ａ乃至図２Ｄに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、カンチレバー部１２の上記第１面１２１側に設けられた応力制御膜１９によって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。すなわち、応力制御膜１９はカンチレバー部１２の第１面１２１側に設けられ、この応力制御膜１９によって、カンチレバー部１２における先端部１２ａが支持部１１の第１面１１１から反り返るようになっている。なお、実施形態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。
以下では、本実施形態の発電装置１について図２Ａ乃至図２Ｄに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、カンチレバー部１２の上記第１面１２１側に設けられた応力制御膜１９によって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。すなわち、応力制御膜１９はカンチレバー部１２の第１面１２１側に設けられ、この応力制御膜１９によって、カンチレバー部１２における先端部１２ａが支持部１１の第１面１１１から反り返るようになっている。なお、実施形態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。
応力制御膜１９は、第２電極１４ｃにおける圧電体層１４ｂ側とは反対側に形成してある。応力制御膜１９は、ＳｉＯ2膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、Ｓｉ3Ｎ4膜などにより構成してもよい。なお、応力制御膜１９は、カンチレバー部１２と第１電極１４ａとの間に形成されてもよい。また、応力制御膜１９は、カンチレバー部１２の上記第２面１２２側に形成してもよい。また、図２Ｃのように、応力制御膜１９は、カンチレバー部１２の第１面１２１側で圧電変換部１４の全面を覆うように形成しているが、応力制御膜１９は、圧電変換部１４の一部のみを覆うように形成されていてもよい。
本実施形態の発電装置１は、実施形態１と同様、流路１５を通る流体の流れによって発生するカンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第２面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性とによって自励振動を発生させることができるので、流体を利用して発電可能となる。
なお、本実施形態の発電装置１において、応力制御膜１９に起因してカンチレバー部１２に作用する応力と圧電薄膜である圧電体層１４ｂの内部応力とによって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１の第１面１１１から離れる向きにずらしてもよい。
（実施形態３）
以下では、本実施形態の発電装置１について図３に基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、カンチレバー部１２を支持部１１の第１面１１１に対して傾けて配置することによって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。すなわち、本実施形態の発電装置１は、支持部１１の厚み方向に直交する支持部１１の第１面１１１（図３における上面）に対してカンチレバー部１２が傾いている。
以下では、本実施形態の発電装置１について図３に基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、カンチレバー部１２を支持部１１の第１面１１１に対して傾けて配置することによって、カンチレバー部１２の先端部１２ａを、基端部１２ｂよりも支持部１１から離れる向きにずらしてある。すなわち、本実施形態の発電装置１は、支持部１１の厚み方向に直交する支持部１１の第１面１１１（図３における上面）に対してカンチレバー部１２が傾いている。
言い換えると、本実施形態の発電装置１は、開口１１ａを有する枠状の支持部１１と、カンチレバー部１２とを備える。カンチレバー部１２は、所定の間隔を設けて、支持部１１の第１面１１１から第１方向Ｄ１の第１側に配置される。本実施形態では、カンチレバー部１２は、開口１１ａ（支持部１１の第１面１１１）と対向するように、支持部１１（第１端部１１ｂ）に支持される。カンチレバー部１２は、基端部１２ｂと先端部１２ａとを有する。カンカンチレバー部１２は、支持部１１の第１面１１１に対して傾斜し、先端部１２ａ側が、基端部１２ｂ側よりも支持部１１の第１面１１１から離れている。更に、基端部１２ｂを支持部１１の第１面１１１側で支持することで、カンチレバー部１２の先端部１２ａが揺動自在となるように構成されている。
なお、実施形態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。
図１Ａ乃至図１Ｄに示した実施形態１の発電装置１は、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造した薄膜型の圧電型振動発電装置であり、第１電極１４ａ、圧電体層１４ｂおよび第２電極１４ｃそれぞれを第１金属薄膜、圧電薄膜および第２金属薄膜により構成している。
これに対して、図３で示すように、本実施形態の発電装置１は、バルク型の圧電型振動発電装置であり、圧電体層１４ｂとしてバルクを利用しており、圧電体層１４ｂの厚み方向の他表面（第２面）１４２側に金属膜からなる第１電極１４ａを形成し且つ一面（第１面）１４１側に金属膜からなる第２電極１４ｃを形成した梁部材２０を支持部１１に対して傾けて配置してある。言い換えると、発電部１４は、圧電体層１４ｂと、第１電極１４ａと、第２電極１４ｃとを備える。圧電体層１４ｂは、第１方向Ｄ１の第１及び第２側のそれぞれに、第１面１４１及び第２面１４２を有する。圧電体層１４ｂの第１面１４１側には第２電極１４ｃが形成され、圧電体層１４ｂの第２面１４２側には第１電極１４ａが形成されている。上記第１電極１４ａ及び第２電極１４ｃのそれぞれは、金属膜から形成されている。発電部１４は、梁部材２０に形成され、支持部１１の第１面１１１に対して傾けて配置されている。
所望の角度を有する取付台部２１が支持部１１の第１面１１１側に設けられている。この取付台部２１は傾斜面２１ａを有している。傾斜面２１ａは、梁部材２０の第２面１４２側に固定される。具体的には、梁部材２０は、支持部１１の上記第１面１１１上に設けた取付台部２１に対して、例えば、接着剤などによって固定すればよい。取付台部２１は、梁部材２０を所望の角度で傾けて配置するための傾斜面２１ａを有している。また、本実施形態の発電装置１では、圧電体層１４ｂがカンチレバー部１２を兼ねている。なお、取付台部２１は、支持部１１に対して例えば接着剤などによって固定すればよい。
支持部１１は、例えば、金属板を機械加工することによって形成したものでもよいし、樹脂成形品により構成してもよいし、実施形態１と同様に基板１０をＭＥＭＳの製造技術などを利用して加工することによって形成したものでもよい。
本実施形態の発電装置１は、実施形態１と同様、流路１５を通る流体の流れによって発生するカンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第２面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性とによって自励振動を発生させることができるので、流体を利用して発電可能となる。
（実施形態４）
以下では、本実施形態の発電装置１について図４Ａ乃至図４Ｄに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、支持部１１の内側面の形状が実施形態１の発電装置１と相違する。なお、実施形態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。
以下では、本実施形態の発電装置１について図４Ａ乃至図４Ｄに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、支持部１１の内側面の形状が実施形態１の発電装置１と相違する。なお、実施形態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。
本実施形態の発電装置１における支持部１１は、流路１５の断面積が支持部１１の厚み方向（第１方向Ｄ１）の両側で当該厚み方向の中間に位置する流路１５の断面積よりも広くなる形状に形成されている。
本実施形態の発電装置１は、実施形態１において説明した製造方法において、溝形成工程およびカンチレバー部形成工程の各エッチングをアルカリ系溶液による異方性エッチングとすることで、上述の支持部１１および流路１５の形状を実現することが可能である。
本実施形態の発電装置１では、支持部１１を、流路１５の断面積が支持部１１の厚み方向の両側で当該厚み方向の中間よりも広くなる形状としてあることにより、流路１５を通る流体の流量を大きくすることが可能となる。よって、発電装置１は、流体が流路１５を通ることによる発生するカンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第２面１２２側との圧力差を大きくすることが可能となり、より効率良く発電することが可能となる。
なお、本実施形態の支持部１１および流路１５の形状を他の実施形態において採用してもよい。
（実施形態５）
以下では、本実施形態の発電装置１について図５Ａ及び図５Ｂに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、支持部１１、カンチレバー部１２、発電部１４および流路１５を備えた発電素子１ａと、発電素子１ａを収納する収納部材１ｂとを備えている。なお、実施形態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。
以下では、本実施形態の発電装置１について図５Ａ及び図５Ｂに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、支持部１１、カンチレバー部１２、発電部１４および流路１５を備えた発電素子１ａと、発電素子１ａを収納する収納部材１ｂとを備えている。なお、実施形態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。
本実施形態の発電素子１ａの構成は実施形態１の発電装置１と同じ構成なので、実施形態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。発電素子１ａは、実施形態１の発電装置１に限らず、実施形態２〜４の何れかの発電装置１と同じ構成でもよい。
本実施形態の発電装置１は、支持部１１、カンチレバー部１２、発電部１４および流路１５を備えた発電素子１ａと、発電素子１ａを収納する収納部材１ｂとを備える。収納部材１ｂに、流体Ｆが流入する流入口１ｂａと、流体が流出する流出口１ｂｂとが設けられている。流入口１ｂａと流出口１ｂｂとの間に発電素子１ａが配置されている。収納部材１ｂは、流入口１ｂａから発電素子１ａに近づくにつれて開口面積が小さくなり、発電素子１ａから流出口１ｂｂに近づくにつれて開口面積が大きくなる形状に形成されてなる。
収納部材１ｂは、流体Ｆが流入する流入口１ｂａと、流体Ｆが流出する流出口１ｂｂとが設けられ、流入口１ｂａと流出口１ｂｂとの間に発電素子１ａが配置されている。なお、図５Ａ及び図５Ｂ中の矢印は、流体Ｆの流れる方向を模式的に示している。
収納部材１ｂは、流入口１ｂａから発電素子１ａに近づくにつれて開口面積が小さくなり、発電素子１ａから流出口１ｂｂに近づくにつれて開口面積が大きくなる形状に形成されている。
収納部材１ｂは、発電素子１ａの支持部１１の周部を保持している。収納部材１ｂは、外周形状を矩形状とし、開口形状を矩形状としてある。このような収納部材１ｂは、例えば、２つの半角筒状の部材を接合することで形成するようにすれば、発電素子１を容易に収納し且つ保持することが可能となる。
収納部材１ｂは、立体回路形成基板などを利用して形成してもよい。また、収納部材１ｂには、例えば、蓄電部、発電素子１ａで発生する交流電圧を整流して蓄電部を充電する充電回路などを設けてもよい。
本実施形態の発電装置１は、上述のように、発電素子１ａを収納する収納部材１ｂを備え、収納部材１ｂが、流入口１ｂａから発電素子１ａに近づくにつれて開口面積が小さくなり、発電素子１ａから流出口１ｂｂに近づくにつれて開口面積が大きくなる形状に形成されている。これにより、発電装置１は、流路１５を通る流体Ｆの流量を大きくすることが可能となる。よって、発電装置１は、流体Ｆが流路１５を通ることによる発生するカンチレバー部１２の上記一面側と上記他面側との圧力差を大きくすることが可能となり、より効率良く発電することが可能となる。また、本実施形態の発電装置１は、収納部材１ｂを備えていることにより、収納部材１ｂによって発電素子１ａを保護することができるとともに、取り扱いが容易になるという利点もある。
（実施形態６）
以下では、本実施形態の発電装置１について図６Ａ及び図６Ｂに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、収納部材１ｂの形状が実施形態５の発電装置１と相違する。なお、実施形態５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。
以下では、本実施形態の発電装置１について図６Ａ及び図６Ｂに基づいて説明する。本実施形態の発電装置１は、収納部材１ｂの形状が実施形態５の発電装置１と相違する。なお、実施形態５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。
本実施形態の発電装置１では、収納部材１ｂが鼓状の形状に形成されている。これにより、本実施形態の発電装置１では、実施形態５に比べて、発電素子１ａの平面サイズを変えることなく、収納部材１ｂの流入口１ｂａおよび流出口１ｂｂそれぞれの開口面積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、流路１５を通る流体Ｆの流量を、より大きくすることが可能となる。よって、発電装置１は、流体Ｆが流路１５を通ることによる発生するカンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第２面１２２側との圧力差を更に大きくすることが可能となり、更に効率良く発電することが可能となる。
（実施形態７）
以下では、本実施形態の発電モジュールＡ１について図７に基づいて説明する。本実施形態の発電モジュールＡ１は、発電装置１と、発電装置１の外部に設けられ流路１５を通る流体Ｆの流量を増大させるように流体Ｆの流れを制御可能な流体制御部３とを備えている。なお、図７中の矢印は、流体Ｆの流れる方向を模式的に示している。
以下では、本実施形態の発電モジュールＡ１について図７に基づいて説明する。本実施形態の発電モジュールＡ１は、発電装置１と、発電装置１の外部に設けられ流路１５を通る流体Ｆの流量を増大させるように流体Ｆの流れを制御可能な流体制御部３とを備えている。なお、図７中の矢印は、流体Ｆの流れる方向を模式的に示している。
発電装置１の構成は、実施形態５の発電装置１と同じ構成であるが、これに限らず、他の実施形態１〜４，６のいずれかの発電装置１と同じ構成でもよい。また、発電モジュールＡ１は、１つの流体制御部３に対して、複数の発電装置１を備えていてもよい。
流体制御部３と発電装置１とは、ダクト４内において流体Ｆの流れる方向に沿って並んで配置されている。発電モジュールＡ１において、ダクト４内で流れる流体Ｆの上流側に流体制御部３が配置され、この流体制御部３よりも下流側に発電装置１が配置されている。なお、ダクト４は、各種の機器の内部や外部に設けられるものであればよく、機器としては、例えば、エアコンディショナーなどでもよい。また、ダクト４は、開口面積が一様な筒状体に限らず、例えば、蛇腹状の形状のものでもよい。
流体制御部３は、ノズルにより構成されており、発電装置１に近い側が吹出口３ｂ、発光装置１から遠い側が吸込口３ａとなるように配置されている。吹出口３ｂの開口面積は、吸込口３ａの開口面積よりも小さい。
発電モジュールＡ１は、発電装置１と、発電装置１の外部に設けられ流路１５を通る流体Ｆの流量を増大させるように流体Ｆの流れを制御可能な流体制御部３とを備えていることにより、発電装置１の流路１５を通る流体Ｆの流量を、より大きくすることが可能となる。よって、発電モジュールは、流体Ｆが発電装置１の流路１５を通ることによる発生するカンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第２面１２２側との圧力差を更に大きくすることが可能となり、更に効率良く発電することが可能となる。
（実施形態８）
以下では、本実施形態の発電モジュールＡ１について図８に基づいて説明する。本実施形態の発電モジュールＡ１は、流体制御部３の構成が実施形態７の発電モジュールと相違する。なお、実施形態７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。
以下では、本実施形態の発電モジュールＡ１について図８に基づいて説明する。本実施形態の発電モジュールＡ１は、流体制御部３の構成が実施形態７の発電モジュールと相違する。なお、実施形態７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。
流体制御部３は、円柱状の形状としてあるが、これに限らず、例えば、三角柱状の形状や、球状の形状としてもよい。
本実施形態の発電モジュールは、実施形態７と同様、発電装置１と、発電装置１の外部に設けられ流路１５を通る流体Ｆの流量を増大させるように流体Ｆの流れを制御可能な流体制御部３とを備えている。したがって、発電モジュールは、発電装置１の流路１５を通る流体Ｆの流量を、より大きくすることが可能となる。よって、発電モジュールは、流体Ｆが発電装置１の流路１５を通ることによる発生するカンチレバー部１２の上記第１面１２１側と上記第２面１２２側との圧力差を更に大きくすることが可能となり、更に効率良く発電することが可能となる。
本発明の一実施形態において、前記発電部（１４）は、前記カンチレバー部（１２）の厚み方向の一面（１２１）側から順に、第１電極（１４ａ）と、圧電薄膜（１４ｂ）と、第２電極（１４ｃ）とを備え、前記圧電薄膜（１４ｂ）の内部応力によって、前記カンチレバー部（１２）の前記先端部（１２ａ）を、前記基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記発電部（１４）は、前記カンチレバー部（１２）の厚み方向の一面（１２１）側から順に、第１電極（１４ａ）と、圧電薄膜（１４ｂ）と、第２電極（１４ｃ）とを備え、前記カンチレバー部（１２）の前記一面（１２１）側に設けられた応力制御膜（１９）によって、前記カンチレバー部の前記先端部（１２ａ）を、前記基端部（１２ｂ）よりも前記支持部（１１）から離れる向きにずらしてあることが好ましい。
Claims (7)
- 枠状の支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部の一面側に設けられ前記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、前記支持部と前記カンチレバー部との間に設けられ前記支持部の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路とを備え、前記カンチレバー部の先端部を、前記カンチレバー部の基端部よりも前記支持部から離れる向きにずらしてあることを特徴とする発電装置。
- 前記発電部は、前記カンチレバー部の厚み方向の一面側に設けられた第１電極と、前記カンチレバー部の他表面側に設けられた第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に設けられた圧電薄膜とを備え、前記圧電薄膜の内部応力によって、前記カンチレバー部の前記先端部を、前記基端部よりも前記支持部から離れる向きにずらしてあることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
- 前記発電部は、前記カンチレバー部の厚み方向の一面側に設けられた第１電極と、前記カンチレバー部の他表面側に設けられた第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に設けられた圧電薄膜とを備え、前記カンチレバー部の前記一面側に設けられた応力制御膜によって、前記カンチレバー部の前記先端部を、前記基端部よりも前記支持部から離れる向きにずらしてあることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
- 前記カンチレバー部を前記支持部に対して傾けて配置することによって、前記カンチレバー部の前記先端部を、前記基端部よりも前記支持部から離れる向きにずらしてあることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
- 前記支持部は、前記流路の断面積が前記支持部の厚み方向の両側で前記厚み方向の中間よりも広くなる形状に形成されてな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。
- 発電素子と、
収納部材とを備え、
前記発電素子は、前記支持部、前記カンチレバー部、前記発電部および前記流路を備え、
前記収納部材は、前記発電素子を収納するように形成され、
前記収納部材は、前記流体が流入する流入口と、前記流体が流出する流出口とを備え、
前記流入口と前記流出口との間に前記発電素子が配置され、
前記収納部材は、前記流入口から前記発電素子に近づくにつれて開口面積が小さくなり、前記発電素子から前記流出口に近づくにつれて開口面積が大きくなる形状に形成されてな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。 - 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電装置と、前記発電装置の外部に設けられ且つ前記流路を通る流体の流量を増大させるように流体の流れを制御可能な流体制御部とを備えることを特徴とする発電モジュール。
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