JPWO2019073766A1 - 発電素子の製造方法、発電素子及び発電装置 - Google Patents

Abstract

発電素子の製造方法は、振動可能とされた振動部を有する基板において、振動部の一方向の一端部に振動部を支持する支持部を設け、振動部の一方向の他端部に錘部を設ける第１工程と、振動部に支持部及び錘部が設けられた後で、振動によって発電する圧電部を基板の厚さ方向における振動部の支持部側とは反対側の部位に設ける第２工程と、圧電部が振動部に設けられた後で、振動部の外縁を基板の厚さ方向に切断することで基板から発電素子を取り出す第３工程と、を有する。

Description

本開示は、発電素子の製造方法、発電素子及び発電装置に関する。

特開２０１４−２３０４２６号公報の発電装置では、基板にスリットを形成することで、片持ち支持のカンチレバー部が形成されている。カンチレバー部の周囲には、枠状の支持部が形成されている。

特開２０１３−１７２５２３号公報の振動発電装置では、素子形成基板がエッチングされることで、支持部、カンチレバー部及び錘部が形成されている。錘部は、支持部を構成するフレームに囲まれている。

基板の振動部に圧電部が設けられ、振動部の振動によって圧電部を変位させることで発電する発電素子において、振動部の厚さを薄くするほど振動部が振動し易くなる。しかし、振動部に圧電部を設ける場合には、振動部の厚さが薄いほど、振動部に反りが生じ易くなる。

特開２０１４−２３０４２６号公報の発電装置及び特開２０１３−１７２５２３号公報の振動発電装置では、振動部に枠が設けられているため、振動部に反りは生じ難くなる。しかし、振動部に枠を設けることで振動部単体よりも発電素子が大型化するために、振動部に枠を設けた構成では、振動部を有する基板からの発電素子の取り数が少なくなる。

本開示は、上記事実を考慮して、振動部に枠を設けることで発電素子を製造する方法に比べて、振動部の厚さを薄くし且つ基板からの発電素子の取り数を増やすことができる発電素子の製造方法、発電素子及び発電装置を提供することを目的とする。

本開示の第１態様に係る発電素子の製造方法は、振動可能とされた振動部を有する基板において、振動部の一方向の一端部に振動部を支持する支持部を設け、振動部の一方向の他端部に錘部を設ける第１工程と、振動部に支持部及び錘部が設けられた後で、振動によって発電する圧電部を基板の厚さ方向における振動部の支持部側とは反対側の部位に設ける第２工程と、圧電部が振動部に設けられた後で、振動部の外縁を基板の厚さ方向に切断することで基板から発電素子を取り出す第３工程と、を有する。

なお、本明細書における「工程」の用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の初期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。

本開示の第２態様に係る発電素子の製造方法は、１つの基材から支持部及び錘部を一体で取り出す工程を有し、第１工程では、基材から取り出された支持部及び錘部が振動部に設けられ、第３工程では、振動部に設けられた支持部と錘部が、振動部の外縁の切断によって分断されてもよい。

本開示の第３態様に係る発電素子の製造方法は、基板の厚さ方向に複数の板材を重ねて接合することで支持部及び錘部が形成されてもよい。

本開示の第４態様に係る発電素子の製造方法の支持部及び錘部は、金属製の板材を厚さ方向に熱圧着又は拡散接合をすることで形成されてもよい。

本開示の第５態様に係る発電素子は、厚さ方向に変形可能に形成され、厚さ方向と交差する長手方向及び短手方向の側面が露出された振動板と、振動板の長手方向の一端部に短手方向の一端から他端まで設けられ、振動板を支持する支持部と、振動板の厚さ方向における支持部側とは反対側の部位に設けられ、振動板の振動によって発電する圧電部と、振動板の長手方向の他端部に短手方向の一端から他端まで設けられた錘部と、を有する。

本開示の第６態様に係る発電素子の振動板の厚さが１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。

本開示の第７態様に係る発電素子の錘部は、厚さ方向に重なる複数の板材を有してもよい。

本開示の第８態様に係る発電素子の支持部は、厚さ方向に重なる複数の板材を有してもよい。

本開示の第９態様に係る発電素子の支持部及び錘部は、振動板の厚さ方向における圧電部側とは反対側の面に設けられ、支持部と錘部との間の振動板の面には、振動板を補強する補強部が設けられていてもよい。

本開示の第１０態様に係る発電装置は、第５態様から第９態様のいずれか１つに記載の発電素子と、支持部が取付けられる被取付部が設けられた回路基板と、中空の箱形に形成され、回路基板に設けられ、発電素子を内側に収容する収容部材と、収容部材の内側で且つ発電素子と回路基板との間に収容され振動板と接触する接触部材と、を有する。

本開示の第１１態様に係る発電装置の接触部材は、球状に形成され、支持部と錘部との間に配置され、接触部材の直径の長さが、回路基板と錘部との間隔の長さよりも長くてもよい。

本開示によれば、振動部に枠を設けることで発電素子を製造する方法に比べて、振動部の厚さを薄くし且つ基板からの発電素子の取り数を増やすことができる発電素子の製造方法、発電素子及び発電装置を提供することができる。

第１実施形態に係る発電装置の構成図である。 第１実施形態に係る発電素子の平面図である。 第１実施形態に係る基板の平面図である。 第１実施形態に係る支持部及び錘部の説明図である。 第１実施形態に係る支持部及び錘部が振動板に取付けられた状態を示す説明図である。 第１実施形態に係る振動板に圧電部が設けられた状態を示す説明図である。 第１実施形態に係る圧電素子が切り出された状態を示す説明図である。 第１実施形態に係る支持板の平面図である。 第１実施形態に係る支持板における支持部に相当する領域と錘部に相当する領域とを示す説明図である。 第１実施形態に係る基板に支持部材を取付けた状態を支持部材側から見た説明図である。 第１実施形態に係る基板から切断により発電素子が切り出された状態を示す説明図である。 第１実施形態に係る振動板の厚さと振動板の反り評価との関係を示す表である。 第２実施形態に係る発電装置の構成図である。 変形例に係る基板に支持部及び錘部が取付けられた状態を示す説明図である。

[第１実施形態]
以下、本開示に係る発電素子の製造方法、発電素子及び発電装置の一例について説明する。

図１には、本開示の第１実施形態としての発電装置１０が示されている。発電装置１０は、一例として、発電素子２０と、回路基板１２と、収容部材の一例としてのカバー部材１４と、球状に形成された接触部材の一例としての球部材１６と、被取付部の一例としての支柱１８と、Ａｕ（金）製のボンディングワイヤ１９とを有する。

なお、以後の説明では、回路基板１２の厚さ方向をＹ方向と称する。また、Ｙ方向と直交する方向で且つ発電素子２０の長手方向をＸ方向と称する。さらに、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向で且つ発電素子２０の短手方向をＺ方向と称する。Ｙ方向は、一例として、重力方向に沿っている。発電装置１０において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれ中央に対する一方側と他方側を区別する必要がある場合は、一方側をＸ側、Ｙ側、Ｚ側と称し、他方側を−Ｘ側、−Ｙ側、−Ｚ側と称する。

＜回路基板＞
回路基板１２は、Ｘ−Ｚ面に沿って広がる基板本体１２Ａと、基板本体１２ＡのＹ側の面（上面）に形成された配線パターン１２Ｂとを有する。基板本体１２Ａの上面のうち、配線パターン１２Ｂが形成されていない部位の一部には、後述する支柱１８が設けられている。図１において、回路基板１２は発電素子２０に対して−Ｙ側（下側）に配置されているが、回路基板１２をＹ方向から見た場合に、回路基板１２が発電素子２０と重ならない配置（回路基板１２が発電素子２０に対してＸ方向にずれた配置）とされても構わない。回路基板１２が発電素子２０に対してＸ方向にずらして配置された場合には、発電素子２０の下面には、台座となるような基板等を配置することができる。以後、発電装置１０の一例として、回路基板１２が発電素子２０の下面に配置されているとして説明を行う。

＜支柱＞
支柱１８は、回路基板１２の上面にＹ方向に沿って直立されている。また、支柱１８は、Ｙ方向から見た場合に、Ｚ方向を長手方向としＸ方向を短手方向とする矩形の上面１８Ａを有する直方体状に形成されている。支柱１８は、一例として、樹脂製とされている。上面１８Ａには、後述する発電素子２０の支持部２４が取付けられる。なお、支柱１８のＹ方向の高さに相当する長さをＬ１とする。なお、長さＬ１は、回路基板１２と後述する錘部２６との間隔の長さに相当する。

＜カバー部材＞
カバー部材１４は、回路基板１２に対するＹ側に設けられており、回路基板１２の上面をＹ側から覆っている。また、カバー部材１４は、回路基板１２のＸ側でＹ方向に直立する側壁１４Ａと、回路基板１２の−Ｘ側でＹ方向に直立する側壁１４Ｂと、回路基板１２のＺ側及び−Ｚ側でＹ方向に直立する図示しない側壁と、上壁１４Ｃとを有する。上壁１４Ｃは、側壁１４ＡのＹ側端部、側壁１４ＢのＹ側端部及び図示しない側壁のＹ側端部を繋いで回路基板１２を覆っている。換言すると、カバー部材１４は、−Ｙ側が解放された中空の箱状に形成されている。そして、カバー部材１４は、後述する発電素子２０を内側に収容している。

〔発電素子〕
発電素子２０は、一例として、振動板２２と、支持部２４と、錘部２６と、下地部２７と、下部電極２８と、パッド３２と、圧電部３４と、上部電極３６とを有する。また、発電素子２０は、パッド３２と回路基板１２の図示しないパッドとがボンディングワイヤ１９により接続されることで、回路基板１２に給電可能とされている。なお、図に示す各部の厚さの比率は、説明の都合上、適宜変更して示しており、必ずしも実際の厚さの比率を反映していない。

＜振動板＞
図１に示す振動板２２は、振動部の一例であり、Ｙ方向を厚さ方向とする板材で構成されている。また、振動板２２は、一例として、ＳＵＳ４３０（ステンレス鋼）製とされている。換言すると、振動板２２は、Ｙ方向に変形（振動）可能に形成されている。なお、振動板２２の厚さは、製造可能な範囲内で設定すると１０μｍ以上となる。また、振動板２２の厚さは、発電に必要な振動を得る観点から、１００μｍ以下で設定することが好ましい。本実施形態では、一例として、振動板２２の厚さを２０μｍとしている。

図２Ａに示す振動板２２は、Ｙ方向から見た場合に、Ｘ方向を長手方向としＺ方向を短手方向とする矩形状に形成されている。また、振動板２２は、Ｘ側の側面２２Ａと、Ｚ側の側面２２Ｂと、−Ｘ側の側面２２Ｃと、−Ｚ側の側面２２Ｄとを有する。側面２２Ａ、側面２２Ｂ、側面２２Ｃ及び側面２２Ｄは、それぞれ露出されている。換言すると、振動板２２をＹ方向から見た場合に、振動板２２に対する外側には、他の部材は設けられていない。振動板２２のＸ方向の長さをＬ２とし、Ｚ方向の長さをＬ３とする。なお、図１に示す振動板２２の−Ｙ側（支持部２４側で且つ錘部２６側）の面を下面２２Ｅ（図３Ｃ参照）と称し、Ｙ側（圧電部３４側）の面を上面２２Ｆと称する。

図２Ｂには、複数の振動板２２が切断（ダイシング）により取り出される前の基板２１が示されている。換言すると、基板２１は、複数の振動板２２を有している。基板２１は、一例として、ＳＵＳ４３０製であり、Ｙ方向から見た場合の外形が四角形となっている。基板２１の大きさは、一例として、Ｘ方向に４枚且つＺ方向に７枚の合計２８枚の振動板２２を切り出すことが可能な大きさとされている。

基板２１において、Ｘ方向及びＺ方向に隣り合う振動板２２の間隔の大きさは、図示しないダイシングソーのブレード幅の大きさに合わせて設定されている。換言すると、基板２１では、Ｘ方向又はＺ方向に隣り合う２枚の振動板２２の間を切断することで、隣り合う２枚の振動板２２が切り出される（１枚ずつに分離される）。基板２１の外周に位置し且つ複数（２８枚）の振動板２２に対して外側に位置する外縁部２３は、切断によって切り落とされる。なお、基板２１が外縁部２３を有していなくてもよい。

＜支持部＞
図１に示す支持部２４は、Ｙ方向から見た場合にＺ方向を長手方向としＸ方向を短手方向とする矩形の面を有し且つＹ方向を高さ方向とする直方体状に形成されている。支持部２４の−Ｙ側の面（底面）は、支柱１８の上面１８Ａに、図示しない接着剤を用いて取り付けられて（貼り付けられて）いる。支持部２４のＹ側の面（上面）には、振動板２２の下面２２Ｅ（図３Ｃ参照）における−Ｘ側の一端部が、図示しない接着剤を用いてＹ側から貼り付けられている。つまり、支持部２４は、振動板２２を間接的に支持している。

また、支持部２４は、Ｙ方向を厚さ方向として、Ｙ方向に重なる複数の支持板４２を有する。支持板４２は、板材の一例である。支持部２４は、一例として、支持板４２がＹ方向に１０枚重ねられて熱圧着された構成とされているが、図１では省略して３枚のみ示している。なお、支持板４２がＹ方向に１０枚重ねられて熱圧着され且つ支持部２４及び錘部２６が分断されていない状態の部材を、１つの基材の一例としての支持部材４４（図３Ａ参照）と称する。本実施形態では、一例として、支持部材４４の一部が切断によって切り出されることで、支持部２４及び後述する錘部２６が形成される。

図２Ａに示す支持部２４は、Ｙ方向から見た場合に、振動板２２の−Ｘ側の一端部において、−Ｚ側の一端からＺ側の他端まで設けられている。また、支持部２４のＺ方向の両側面と、振動板２２の側面２２Ｂ及び側面２２Ｄとは、それぞれＸ−Ｙ面に沿って揃えられている。なお、支持部２４のＸ方向の長さをＬ４とする。支持部２４のＺ方向の長さはＬ３とされている。

図４Ａに示す１枚の支持板４２は、一例として、ＳＵＳ４３０（ステンレス鋼）製であり、Ｙ方向から見た場合の外形が四角形となっている。換言すると、複数の支持板４２の集合体である支持部材４４は、金属材料から成っている。金属材料の一例としては、ステンレス材料を用いることが好ましい。また、支持板４２は、一例として、Ｘ−Ｚ面における大きさが、基板２１（図２Ｂ参照）と同じ大きさとされている。１枚の支持板４２のＹ方向の厚さは、一例として、２０μｍとされている。さらに、支持板４２には、一例として、４つの貫通孔４３がエッチングにより形成されている。なお、１枚の支持板４２は、一例として、Ｘ方向及びＺ方向に複数の支持板４２が並ぶ板部材が、図示しないダイシングソーで切断されることにより得られている。支持板４２の材質に関しては、特にこだわらない（ＳＵＳ４３０に限定されない）。

４つの貫通孔４３は、Ｙ方向から見た場合に、一例として、それぞれＺ方向を長手方向としＸ方向を短手方向とする矩形状に形成されている。また、４つの貫通孔４３は、一例として、Ｘ方向に等間隔をあけて配置されている。４つの貫通孔４３は、それぞれ同じ形状及び同じ大きさとされているため、１つの貫通孔４３について説明し、他の３つの貫通孔４３の説明を省略する。貫通孔４３のＺ方向の長さをＬ５とする。長さＬ５は、一例として、長さＬ３（図２Ａ参照）の７倍程度の長さとされている。貫通孔４３のＸ方向の長さをＬ６とする。

図４Ｂに示す支持板４２におけるＸ方向及びＺ方向の外側端部には、一例として、枠部４５が形成されている。枠部４５は、支持板４２から切り出される前の支持部２４及び錘部２６を繋ぐ部位である。支持板４２における貫通孔４３に対するＸ方向の一方側（−Ｘ側）の部位は、支持部２４として切り出される領域Ａ１とされている。領域Ａ１は、斜線で示されている。

＜錘部＞
図１に示す錘部２６は、Ｙ方向から見た場合にＺ方向を長手方向としＸ方向を短手方向とする矩形の面を有し且つＹ方向を高さ方向とする直方体状に形成されている。錘部２６のＹ側の面（上面）には、振動板２２の下面２２Ｅ（図３Ｃ参照）の−Ｘ側の一端部が、図示しない接着剤を用いてＹ側から貼り付けられている。錘部２６の−Ｙ側の面（底面）には、部材は取付けられていない。錘部２６の−Ｙ側の面は、回路基板１２とＹ方向に対向している。つまり、錘部２６は、支柱１８及び支持部２４によって片持ち状態とされた振動板２２の自由端側に設けられており、Ｙ方向に変位（振動）可能とされている。

また、錘部２６は、Ｙ方向を厚さ方向として、Ｙ方向に重なり熱圧着された複数の支持板４２（支持部材４４（図３Ａ参照））を有する。本実施形態では、一例として、支持部材４４の一部が切断によって切り出されることで、錘部２６が形成される。つまり、支持部材４４の一部は、錘部２６として用いられる。

図２Ａに示す錘部２６は、振動板２２の下面２２Ｅ（図３Ｃ参照）におけるＸ側の他端部に、−Ｚ側の一端からＺ側の他端まで設けられている。また、錘部２６のＺ方向の両側面と、振動板２２の側面２２Ｂ及び側面２２Ｄとは、それぞれＸ−Ｙ面に沿って揃えられている。なお、錘部２６のＸ方向の長さをＬ７とする。長さＬ７は、既述の長さＬ２、Ｌ４、Ｌ６（図４Ａ参照）を用いて表すと、Ｌ７＝Ｌ２−（Ｌ４＋Ｌ６）となる。錘部２６のＺ方向の長さはＬ３とされている。

図４Ｂに示す支持板４２における貫通孔４３に対するＸ方向の他方側（Ｘ側）の部位は、錘部２６として切り出される領域Ａ２とされている。領域Ａ２は、領域Ａ１とは異なる斜線で示されている。Ｘ方向に隣り合う貫通孔４３の間の支持板４２の部位は、領域Ａ１及び領域Ａ２で構成されている。領域Ａ１と領域Ａ２との間隔は、図示しないダイシングソーの切断幅に合わせて設定されている。

＜下地部＞
図１に示す下地部２７は、一例として、スパッタ法により形成されることで振動板２２の上面２２ＦをＹ側から覆っている（上面２２Ｆに積層されている）。下地部２７には、一例として、ＴｉＷ（タングステンチタン）が用いられている。下地部２７のＹ方向の厚さは、一例として、２０ｎｍとされている。下地部２７は、振動板２２に対する下部電極２８の密着性を高める密着層として機能する。

＜下部電極＞
下部電極２８は、一例として、スパッタ法により形成されることで下地部２７をＹ側から覆っている。換言すると、下部電極２８は、下地部２７を介して振動板２２に積層されている。下部電極２８は、一例として、Ｉｒ（イリジウム）で構成されている。下部電極２８の材料としては、公知の貴金属電極や酸化物電極を好適に用いることができる。下部電極２８のＹ方向の厚さは、一例として、１５０ｎｍとされている。

＜パッド＞
パッド３２は、下部電極２８の−Ｘ側の端部に設けられており、ワイヤボンディングパッドとして用いられる。パッド３２には、ボンディングワイヤ１９の一端部が接合されている。ボンディングワイヤ１９の他端部は、回路基板１２に接合されている。

＜圧電部＞
圧電部３４は、一例として、スパッタ法によりＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されることで、下部電極２８のＸ方向の中央部からＸ側端部までをＹ側から覆って設けられている。換言すると、圧電部３４は、振動板２２のＹ方向（厚さ方向）における支持部２４側（−Ｙ側）とは反対側（Ｙ側）の部位に設けられている。圧電部３４は、振動板２２の振動で歪が生じた場合に、圧電作用によって発電する。

圧電部３４は、一例として、強誘電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されている。なお、本実施形態では、一例として、圧電部３４及び支持部２４を振動板２２に（Ｙ方向に）投影した場合に、圧電部３４の領域と支持部２４の領域とは重なっていない。圧電部３４のＹ方向の厚さは、一例として、５μｍとされている。

＜上部電極＞
上部電極３６は、一例として、スパッタ法により形成されることで圧電部３４のＸ方向の中央よりも−Ｘ側の上面を覆っている。上部電極３６は、一例として、Ａｕで構成されている。上部電極３６のＹ方向の厚さは、一例として、１５０ｎｍとされている。上部電極３６には、パッド３２に接合されたものとは異なるボンディングワイヤ１９の一端部が接合されている。ボンディングワイヤ１９の他端部は、回路基板１２に接合されている。

＜球部材＞
図１に示す球部材１６は、回路基板１２上で支持部２４と錘部２６との間に配置されている。換言すると、球部材１６は、カバー部材１４の内側で且つ発電素子２０と回路基板１２との間に収容されている。また、球部材１６は、一例として、直径の長さＬ８の鋼球とされている。長さＬ８は、回路基板１２と錘部２６との間隔の長さＬ１よりも長い。つまり、球部材１６は、支持部２４と錘部２６との間の空間部から、回路基板１２と錘部２６との間の空間部に向けて移動される場合に、錘部２６と接触して移動が規制される構成とされている。さらに、球部材１６は、発電装置１０に対してＹ方向の外力が作用した場合に（発電装置１０が振動した場合に）、振動板２２に対して−Ｙ側から接触する。本実施形態では、接触部材の形状の一例として球状と表現したが、上記の概念を満たす構成であれば、接触部材は必ずしも球形（球状）である必要はない。接触部材は、例えば、円柱状の本体部と、本体部の上面に形成された球状の突起部とを有する分銅の形状を有していてもよい。本体部を有することで、接触部材として必要な質量を確保することができる。球状の突起部を有することで、振動板２２に対して接触部材を点で接触させることができる。

〔作用〕
次に、第１実施形態の発電素子２０の製造方法、発電装置１０の作用及び発電素子２０の作用について説明する。

＜発電素子の製造方法＞
図３Ａに示すそれぞれの支持板４２について、貫通孔４３がエッチングにより形成される。そして、貫通孔４３の孔壁面を揃えた状態で、複数の支持板４２がＹ方向に重ねて熱圧着（接合）されることで、支持部材４４（支持部２４及び錘部２６を含む）が形成される。支持部材４４は、図示しないダイシングソーで厚さ方向に切断されることで、１単位分の支持部材４４とされる。１単位分の支持部材４４は、一例として、４つの支持部２４及び４つの錘部２６（図４Ｂ参照）を有する。つまり、１つの支持部材４４から、支持部２４及び錘部２６が一体で取り出される。

図３Ｂに示す支持部材４４は、基板２１の下面２２Ｅに、図示しない接着剤等を用いて貼り付けられる。換言すると、図５Ａに示す基板２１において、振動板２２のＸ方向の一端部（−Ｘ側端部）に支持部２４が設けられ、Ｘ方向の他端部（Ｘ側端部）に錘部２６が設けられる（第１工程の一例）。

図３Ｃに示す基板２１に支持部材４４が貼り付けられた（振動板２２に支持部２４及び錘部２６が設けられた）後で、振動板２２の上面２２Ｆには、下地部２７を介して下部電極２８及びパッド３２が設けられる。さらに、下部電極２８には、スパッタ法によって、圧電部３４が設けられる。換言すると、圧電部３４が、Ｙ方向における振動板２２の支持部２４側とは反対側の部位に設けられる（第２工程の一例）。圧電部３４のＹ側（Ｙ方向における下部電極２８側とは反対側）の面の一部には、スパッタ法により、上部電極３６が形成される。

図５Ｂに示す基板２１及び支持部材４４において、圧電部３４（図３Ｃ参照）が振動板２２に設けられた後で、振動板２２の外縁２９が、図示しないダイシングソーを用いてＹ方向に切断される。外縁２９は、振動板２２をＹ方向から見た場合の外形線に相当する部位を意味している。具体的には、外縁２９は、側面２２Ａ、側面２２Ｂ、側面２２Ｃ及び側面２２Ｄ（図２Ａ参照）により構成されている。振動板２２の外縁２９及び支持部材４４が切断されることで、基板２１及び支持部材４４から複数の発電素子２０が取り出される（第３工程の一例）。換言すると、振動板２２に設けられた支持部２４と錘部２６は、外縁２９の切断に伴って支持部材４４が切断されることで、１単位ずつに分断される。

図３Ｄに示す発電素子２０では、振動板２２の外縁２９、支持部２４の側面及び下面、錘部２６の側面及び下面が露出されている。振動板２２、支持部２４及び錘部２６の露出とは、切断によって実質的に切り離された、厚さ方向と交差する交差方向の側面が、外側に露出していることを意味する。実質的とは、切り離された側面が図示しないコーティング剤で覆われている場合も含むことを意味する。換言すると、外縁２９、支持部２４及び錘部２６は、Ｙ方向から見た場合に、Ｘ方向及びＺ方向において他の部材に囲まれていない。

図１に示す発電素子２０の支持部２４は、予め回路基板１２に設けられた支柱１８に図示しない接着剤を用いて取り付けられる。パッド３２と上部電極３６は、別々のボンディングワイヤ１９により回路基板１２と接続される。さらに、支柱１８と錘部２６との間の空間部に球部材１６が配置された状態で、発電素子２０がカバー部材１４により覆われる。発電素子２０がカバー部材１４により覆われることで、発電装置１０が出来上がる。

以上、説明した通り、発電素子２０の製造方法では、基板２１の振動板２２に支持部２４及び錘部２６が設けられた状態で、振動板２２のＹ方向（厚さ方向）における支持部２４側とは反対側の部位に圧電部３４が設けられる。圧電部３４を設けることで振動板２２内に内部応力が生じた場合には、振動板２２の内部応力による変形に対して、支持部２４及び錘部２６が抵抗する。内部応力による振動板２２の変形に対して支持部２４及び錘部２６が抵抗することで、振動板２２の反りが抑制されるので、振動板２２に支持部２４及び錘部２６を設ける前に振動板２２に圧電部３４を設ける方法に比べて、振動板２２の厚さを薄くできる。換言すると、振動板２２の厚さを薄くした場合でも、圧電部３４を設けた場合の振動板２２の反りが抑制される。

さらに、発電素子２０の製造方法では、振動板２２の外縁２９を切断することで基板２１から発電素子２０を取り出せるので、基板２１が複数の振動板２２を有する場合に、Ｘ方向及びＺ方向に隣合う振動板２２を近づけることができる。隣合う振動板２２が近づくことで、振動板２２の周囲に枠部が設けられた場合に比べて、基板２１からの発電素子２０の取り数を増やすことができる。つまり、発電素子２０の製造方法によれば、振動板２２の厚さを薄くし且つ基板２１からの発電素子２０の取り数を増やすことができる。

また、発電素子２０の製造方法では、支持部材４４から支持部２４及び錘部２６が一体で取り出されて振動板２２に設けられる。つまり、振動板２２に支持部２４と錘部２６をまとめて設けられるので、振動板２２に支持部２４及び錘部２６を設ける作業を簡単に行うことができる。

さらに、発電素子２０の製造方法では、錘部２６において、支持板４２の重ねる枚数を変更することで錘部２６の質量が変更されるので、錘部２６全体をまとめて交換して質量を調整する方法に比べて、錘部２６の質量の調整を簡単に行うことができる。

加えて、発電素子２０の製造方法では、複数の支持板４２をＹ方向に熱圧着することで支持部２４及び錘部２６が形成される。換言すると、複数の支持板４２を接着剤で接着しなくて済むので、複数の支持板４２の間に接着剤を塗布する作業を無くすことができる。また、有機系の接着剤は、後工程において耐熱性の問題が生じ又はガス発生の原因となるが、発電素子２０の製造方法では、金属製の支持板４２を熱圧着しているため、耐熱性及びガス発生の問題を無くすことができる。つまり、無機材料のみで支持部２４及び錘部２６を形成することが好ましい。

＜発電素子の作用＞
図１に示す発電素子２０において、支持部２４及び錘部２６は、振動板２２のＹ方向（厚さ方向）における圧電部３４側とは反対側の部位に、短手方向の一端から他端まで設けられている。振動板２２に圧電部３４を設けることで振動板２２内に内部応力が生じた場合には、内部応力による振動板２２の変形に対して支持部２４及び錘部２６が抵抗する。つまり、振動板２２のＹ側の変形に対して、支持部２４及び錘部２６が抵抗する（−Ｙ側に向かう力を作用させる）ことにより、振動板２２の反りが抑制されるので、Ｚ方向の一部に錘部２６が設けられた場合に比べて、振動板２２の厚さを薄くできる。

さらに、発電素子２０では、振動板２２のＸ方向及びＺ方向の側面２２Ａ、側面２２Ｂ、側面２２Ｃ及び側面２２Ｄが露出されている。換言すると、振動板２２の周囲に他の部材、部位が設けられていないので、１つの基板２１に振動板２２を複数形成する場合に、隣合う振動板２２を近づけることができる。隣合う振動板２２が近づくことで、基板２１からの発電素子２０の取り数を増やすことができる。

また、発電素子２０では、一例として、振動板２２の厚さが２０μｍとされている。換言すると、振動板２２の厚さが１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内で選択されているので、振動板２２の厚さが１００μｍよりも厚い場合に比べて、振動板２２がＹ方向に振動し易くなり、発電素子２０の発電効率を高めることができる。

振動板２２に支持部２４及び錘部２６を設けた後で、圧電部３４を設けた場合の振動板２２の反り状態の評価結果が、図６に示されている。なお、各部材については、図１を参照する。振動板２２の厚さは、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍ又は１２０μｍとされている。圧電部３４は、一例として、成膜圧力が２．２ｍＴｏｒｒ、成膜温度が６００℃の条件で振動板２２に設けられている。振動板２２の反り量については、振動板２２の−Ｘ側端のＹ方向の高さと、Ｘ側端のＹ方向の高さとの差で求めた。また、振動板２２の反り量については、５０μｍよりも小さい場合をランクＡ、５０μｍ以上２００μｍ以下の場合をランクＢ、２００μｍよりも大きい場合をランクＣとして評価した。ランクＡ及びランクＢの場合については、製造上の問題は無い。一方、ランクＣの場合については、反り量が大きいため、圧電部３４を設けた後の工程の製造を行い難くなる。

評価結果として、振動板２２の厚さ２０μｍの場合はランクＡ、振動板２２の厚さ５０μｍの場合はランクＢ、振動板２２の厚さ１００μｍの場合はランクＢ、振動板２２の厚さ１２０μｍの場合はランクＣとなった。つまり、振動板２２の厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内で選択されていることが好ましい。

また、図１に示す発電素子２０では、錘部２６が、Ｙ方向（厚さ方向）に重なる複数の支持板４２を有する。換言すると、錘部２６では、支持板４２の枚数を変更することで、錘部２６の質量が変更されるので、錘部２６が１つのブロック体で構成される場合に比べて、錘部２６の質量の調整を簡単に行うことができる。

さらに、発電素子２０では、支持部２４が、Ｙ方向（厚さ方向）に重なる複数の支持板４２を有する。換言すると、支持部２４は、錘部２６と同じ部材によって構成されている。つまり、支持部２４及び錘部２６が、同じ支持板４２を重ねることで形成され且つ振動板２２にまとめて設けられるので、支持部２４と錘部２６が別部材で形成される場合に比べて、振動板２２に支持部２４及び錘部２６を設ける作業を簡単に行うことができる。

＜発電装置の作用＞
図１に示す発電装置１０では、回路基板１２の振動が支柱１８及び支持部２４を介して振動板２２に伝わること及び球部材１６が振動板２２と接触することの少なくとも一方の作用によって、振動板２２が振動する。振動板２２の振動で圧電部３４に歪が生じた場合に、圧電部３４の圧電作用によって、下部電極２８及び上部電極３６からボンディングワイヤ１９を介して電荷が得られる。つまり、発電装置１０において発電される。発電装置１０において得られた電力は、回路基板１２において消費され又は図示しない電池に蓄電される。

具体的には、発電装置１０では、発電素子２０における振動板２２の厚さを薄くすることができるので、振動板２２が振動し易くなる。さらに、球部材１６が振動板２２と接触することで、振動板２２を強制的に振動させることができる。つまり、発電素子２０を有していない場合に比べて、発電装置１０の発電効率を高めることができる。

また、発電装置１０では、球部材１６の直径の長さＬ８が回路基板１２と錘部２６とのＹ方向の間隔の長さＬ１よりも長く、さらに、球部材１６が支持部２４と錘部２６との間に配置されている。換言すると、振動板２２の錘部２６側（Ｘ側）がＹ側に変位した場合であっても、球部材１６が錘部２６に引っ掛かり易くなっている。球部材１６が錘部２６に引っ掛かり易くなることにより、球部材１６が支持部２４と錘部２６との間から外側へ飛び出し難くなり、球部材１６と振動板２２との接触機会が増えるので、発電装置１０の発電効率を高めることができる。

〔実施例〕
本実施形態の発電装置１０の実施例と、実施例に対する第１比較例及び第２比較例について説明する。なお、各部材については、図１を参照する。

発電装置１０の実施例として、エッチングにより貫通孔が形成された（枠加工された）複数のＳＵＳ４３０（ステンレス鋼）板を厚さ方向に重ねて熱圧着し、厚み２０μｍのＳＵＳ４３０の板に接着剤を用いて貼り付けることで、基板２１を形成した。ＳＵＳ４３０板の大きさは、５ｃｍ角とした。続いて、基板２１上に、厚さ２０μｍのＴｉＷを介して、スパッタ法により厚さ１５０ｎｍのＩｒ電極を形成した。さらに、基板２１を６００℃に加熱してＰＺＴ製の圧電部３４を形成した。

圧電部３４を形成した後で、圧電部３４の一部を機械で削り、下部電極２８を取り出した。下部電極２８を取り出した後で、圧電部３４上に上部電極３６を形成した。そして、基板２１における振動板２２の外縁２９に相当する部位をダイシングソーにより切断して、基板２１から発電素子２０を取り出した。なお、切断によって支持部２４及び錘部２６が形成された。得られた発電素子２０を回路基板１２の支柱１８に取付けた後で、上部電極３６及び下部電極２８へワイヤーボンディングを行い、外部に電極を取り出した。さらに、振動板２２と回路基板１２との間に球部材１６を配置して、カバー部材１４で覆うことで、実施例の発電装置１０を得た。実施例の発電装置１０では、共振周波数が１５０Ｈｚであり、好ましい振動特性が得られた。

（第１比較例）
発電装置１０に対する第１比較例として、５ｃｍ角で厚さ２０μｍのＳＵＳ４３０の基板２１に、支持部２４及び錘部２６を設けずに下部電極２８を形成した後で、６００℃の温度でＰＺＴ製の圧電部３４を形成した。得られた基板２１は、厚さ方向の一方側に大きく反り上がり、上部電極３６を形成することが困難であった。

（第２比較例）
発電装置１０に対する第２比較例として、５ｃｍ角で厚さ１００μｍのＳＵＳ４３０の基板２１に、支持部２４及び錘部２６を設けずに下部電極２８を形成した後で、６００℃の温度でＰＺＴ製の圧電部３４を形成した。得られた基板２１は、第１比較例と比べて反り量が小さかったため、上部電極３６を形成できた。続いて、基板２１の裏面にパターンニングを施してから、基板２１の一部を塩化第二鉄を用いたウエットエッチングにより取除いた。エッチングは等方性であり、精度が悪くなった。

エッチングされた基板２１では、エッチングストッパー層がないために、予め設定した深さでエッチングを止めるためには、時間を管理しなければならず、作業が煩雑となった。さらに、予め設定した深さと得られた深さとの差が大きくなった。続いて、得られた発電素子を回路基板１２の支柱１８に取付けた後で、上部電極３６及び下部電極２８へワイヤーボンディングを行い、外部に電極を取り出した。さらに、振動板２２と回路基板１２との間に球部材１６を配置して、カバー部材１４で覆うことで、第２比較例の発電装置を得た。第２比較例の発電装置では、実施例の発電装置１０に比べて共振周波数が高くなった。

[第２実施形態]
次に、第２実施形態に係る発電素子の製造方法、発電素子及び発電装置の一例について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については、第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。また、第１実施形態と同一の方法については、説明を省略する。

図７には、本開示の第２実施形態としての発電装置５０が示されている。発電装置５０は、一例として、発電素子６０と、回路基板１２と、カバー部材１４と、球部材１６と、支柱１８と、ボンディングワイヤ１９と、補強部の一例としての応力調整部５２とを有する。つまり、発電装置５０は、発電装置１０（図１参照）において、応力調整部５２が追加された構成とされている。発電素子６０において、支持部２４及び錘部２６は、振動板２２のＹ方向における圧電部３４側とは反対側の下面２２Ｅに、Ｘ方向に間隔をあけて設けられている。

＜応力調整部＞
応力調整部５２は、一例として、スパッタ法によりＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されることで、支持部２４と錘部２６との間の下面２２Ｅに設けられている。つまり、応力調整部５２は、振動板２２のＹ方向（厚さ方向）における圧電部３４側（Ｙ側）とは反対側（−Ｙ側）の部位を−Ｙ側から覆うことで、振動板２２を補強している。換言すると、振動板２２は、応力調整部５２が設けられたことで、Ｙ方向に作用する力に対する剛性が、応力調整部５２が無い場合の剛性に比べて高められている。

応力調整部５２は、一例として、既述のＳＵＳ４３０の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数のＴｉＯ_２で構成されている。また、本実施形態では、応力調整部５２が、一例として、Ｚ方向から見た場合に、支持部２４のＸ側端となる位置から錘部２６の−Ｘ側端となる位置まで、且つ支持板４２のＺ方向の幅全体に亘って設けられている。応力調整部５２のＹ方向の厚さは、一例として、１００ｎｍとされている。

〔作用〕
次に、第２実施形態の発電素子６０の製造方法及び作用について説明する。

発電素子６０の製造方法では、既述の発電装置１０（図１参照）の製造方法に応力調整部５２の製造工程が加わる。具体的には、振動板２２に圧電部３４を設ける前に、支持部２４と錘部２６との間の下面２２Ｅに、スパッタ法により厚さ１００ｎｍの応力調整部５２（ＴｉＯ_２）を設ける工程が加わる。応力調整部５２が設けられた後は、振動板２２に圧電部３４が設けられ、さらに、下部電極２８の取り出し及び上部電極３６の形成が行われて、基板２１が図示しないダイシングソーで切断されることで、発電素子６０が取り出される。

発電素子６０では、圧電部３４が振動板２２に６００℃で設けられることで振動板が反る方向に変形しようとした場合に、振動板２２のＹ方向における圧電部３４側とは反対側に設けられた応力調整部５２が、振動板２２の変形に抵抗する。つまり、発電素子６０は、応力調整部５２が無い構成に比べて、振動板２２に圧電部３４を設ける場合の振動板２２の変形（反り）を抑制することができる。

発電装置５０では、発電素子６０における振動板２２の変形が抑制されることで、振動板２２の初期位置がＹ側又は−Ｙ側に偏ることが抑制される。振動板２２の初期位置がＹ側又は−Ｙ側に偏ることが抑制されることで、振動板２２の振動状態が安定するので、発電装置５０では、振動板２２の初期位置がＹ側又は−Ｙ側に偏った構成に比べて、発電効率の低下を抑制することができる。

なお、本開示は上記の実施形態に限定されない。

＜変形例＞
図８には、基板２１に設けられた変形例の支持部７２及び錘部７４が示されている。支持部７２及び錘部７４は、支持部材４４（図４Ｂ参照）から一体で取り出されるのではなく、基板２１にそれぞれ別体として設けられている点が、支持部２４及び錘部２６（図４Ｂ参照）とは異なる。なお、支持部７２は、Ｙ方向（厚さ方向）から見た場合に、支持部２４と同じ形状及び同じ大きさとされている。また、支持部７２は、一例として、複数のＳＵＳ４３０の板材をＹ方向に重ねて熱圧着することで形成されている。

錘部７４は、Ｙ方向（厚さ方向）から見た場合に、錘部２６と同じ形状及び同じ大きさとされている。また、錘部７４は、一例として、複数のＳＵＳ４３０の板材をＹ方向に重ねて熱圧着することで形成されている。形成された支持部７２は、基板２１に接着剤で取り付けられる（設けられる）。形成された錘部７４は、基板２１において、支持部７２に対してＸ方向に間隔あけて、接着剤で取り付けられる（設けられる）。錘部７４は、支持部７２とは別体で基板２１に設けられるので、厚さ調整（質量調整）を自由に行うことができる。なお、支持部７２及び錘部７４は、いずれも図示しないダイシングソーにより切断されることで、それぞれの振動板２２に合わせた大きさとされる。

＜他の変形例＞
支持部２４、錘部２６、支持部７２又は錘部７４が形成される方法は、複数の板材が厚さ方向に重ねられて接合される方法に限らず、それぞれ１つの部材を用いる方法であってもよい。また、支持部２４、錘部２６、支持部７２又は錘部７４が形成される方法は、複数の板材が厚さ方向に重ねられて熱圧着される接合方法に限らず、複数の板材が接着剤で接着される接合方法であってもよい。

また、接合方法の他の例（熱圧着以外の例）としては、拡散接合又は共晶を用いてもよい。拡散接合とは、部材（母材）を密着させ、部材の融点以下の温度条件で、塑性変形を出来るだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。共晶とは、２成分以上を含む液体から、同時に晶出する２種以上の結晶の混合物をいう。

振動板２２は、ＳＵＳ４３０に限らず、他の金属製の部材を用いてもよい。また、振動板２２の厚さは、１００μｍよりも厚くてもよい。さらに、振動板２２は、厚さ方向から見た場合に矩形状の構成に限らず、Ｘ側のＺ方向の長さ又は−Ｘ側のＺ方向の長さが長い台形状であってもよい。

支持部２４及び支持部７２は、それぞれ１つの部材で構成されていてもよい。また、支持部２４及び支持部７２は、ＳＵＳ４３０に限らず、他の金属製の部材を用いてもよい。さらに、支持部２４及び支持部７２は、厚さ方向から見た場合に矩形状の構成に限らず、Ｘ側のＺ方向の長さ又は−Ｘ側のＺ方向の長さが長い台形状であってもよい。さらに、支持部２４及び支持部７２は、複数の島状部としてＺ方向に間隔をあけて振動板２２に設けられ、振動板２２を切断する場合に、切断されない構成であってもよい。

錘部２６及び錘部７４は、それぞれ１つの部材で構成されていてもよい。また、錘部２６及び錘部７４は、振動板２２に対してＹ方向の−Ｙ側（支持部２４側）のみに設けられる構成に限らず、振動板２２に対してＹ方向の−Ｙ側及びＹ側に設けられてもよい。さらに、錘部２６及び錘部７４は、ＳＵＳ４３０に限らず、他の金属製の部材を用いてもよい。加えて、錘部２６及び錘部７４は、厚さ方向から見た場合に矩形状の構成に限らず、Ｘ側のＺ方向の長さ又は−Ｘ側のＺ方向の長さが長い台形状であってもよい。加えて、錘部２６及び錘部７４は、複数の島状部としてＺ方向に間隔をあけて振動板２２に設けられ、振動板２２を切断する場合に、切断されない構成であってもよい。

圧電部３４は、圧電体材料であれば、ＰＺＴ以外の部材で構成されていてもよい。例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）又はＺｎＯ（酸化亜鉛）、さらには添加物を含んでいてもよい。

応力調整部５２は、ＴｉＯ_２に限らず、ＩｒＯｘ又はＴｉ、あるいは振動板２２と同じ材料で構成されてもよい。

発電装置１０及び発電装置５０は、球部材１６の直径の長さＬ８が、回路基板１２と、錘部２６又は錘部７４との間隔の長さよりも短くてもよい。なお、振動板２２と接触する接触部材は、球体に限らず、一方向から見た場合の外形が多角形状の多面体又は楕円体であってもよい。

２０１７年１０月１２日に出願された日本国特許出願２０１７−１９８３８４の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

１０ 発電装置、１２ 回路基板、１２Ａ 基板本体、１２Ｂ 配線パターン、１４ カバー部材（収容部材の一例）、１４Ａ 側壁、１４Ｂ 側壁、１４Ｃ 上壁、１６ 球部材（接触部材の一例）、１８ 支柱（被取付部の一例）、１８Ａ 上面、１９ ボンディングワイヤ、２０ 発電素子、２１ 基板、２２ 振動板（振動部の一例）、２２Ａ 側面、２２Ｂ 側面、２２Ｃ 側面、２２Ｄ 側面、２２Ｅ 下面（支持部側の面の一例）、２２Ｆ 上面（圧電部側の面の一例）、２３ 外縁部、２４ 支持部、２６ 錘部、２７ 下地部、２８ 下部電極、２９ 外縁、３２ パッド、３４ 圧電部、３６ 上部電極、４２ 支持板（板材の一例）、４３ 貫通孔、４４ 支持部材（基材の一例）、４５ 枠部、５０ 発電装置、５２ 応力調整部（補強部の一例）、６０ 発電素子、７２ 支持部、７４ 錘部

Claims (11)

1. 振動可能とされた振動部を有する基板において、該振動部の一方向の一端部に前記振動部を支持する支持部を設け、該振動部の該一方向の他端部に錘部を設ける第１工程と、
   前記振動部に前記支持部及び前記錘部が設けられた後で、振動によって発電する圧電部を前記基板の厚さ方向における前記振動部の前記支持部側とは反対側の部位に設ける第２工程と、
   前記圧電部が前記振動部に設けられた後で、前記振動部の外縁を前記基板の厚さ方向に切断することで前記基板から発電素子を取り出す第３工程と、
   を有する発電素子の製造方法。
2. １つの基材から前記支持部及び前記錘部を一体で取り出す工程を有し、
   前記第１工程では、前記基材から取り出された前記支持部及び前記錘部が前記振動部に設けられ、
   前記第３工程では、前記振動部に設けられた前記支持部と前記錘部が、前記振動部の外縁の切断によって分断される請求項１に記載の発電素子の製造方法。
3. 前記基板の厚さ方向に複数の板材を重ねて接合することで前記支持部及び前記錘部が形成される請求項１又は請求項２に記載の発電素子の製造方法。
4. 前記支持部及び前記錘部は、金属製の前記板材を前記厚さ方向に熱圧着又は拡散接合をすることで形成される請求項３に記載の発電素子の製造方法。
5. 厚さ方向に変形可能に形成され、該厚さ方向と交差する長手方向及び短手方向の側面が露出された振動板と、
   前記振動板の前記長手方向の一端部に前記短手方向の一端から他端まで設けられ、前記振動板を支持する支持部と、
   前記振動板の前記厚さ方向における前記支持部側とは反対側の部位に設けられ、前記振動板の振動によって発電する圧電部と、
   前記振動板の前記長手方向の他端部に前記短手方向の一端から他端まで設けられた錘部と、
   を有する発電素子。
6. 前記振動板の厚さが１０μｍ以上１００μｍ以下である請求項５に記載の発電素子。
7. 前記錘部は、前記厚さ方向に重なる複数の板材を有する請求項５又は請求項６に記載の発電素子。
8. 前記支持部は、前記厚さ方向に重なる複数の前記板材を有する請求項７に記載の発電素子。
9. 前記支持部及び前記錘部は、前記振動板の前記厚さ方向における前記圧電部側とは反対側の面に設けられ、
   前記支持部と前記錘部との間の前記振動板の面には、前記振動板を補強する補強部が設けられている請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の発電素子。
10. 請求項５から請求項９のいずれか１項に記載の発電素子と、
    前記支持部が取付けられる被取付部が設けられた回路基板と、
    中空の箱形に形成され、前記回路基板に設けられ、前記発電素子を内側に収容する収容部材と、
    前記収容部材の内側で且つ前記発電素子と前記回路基板との間に収容され前記振動板と接触する接触部材と、
    を有する発電装置。
11. 前記接触部材は、球状に形成され、前記支持部と前記錘部との間に配置され、
    前記接触部材の直径の長さが、前記回路基板と前記錘部との間隔の長さよりも長い請求項１０に記載の発電装置。