TWI445298B - 發電裝置及使用其之發電模組 - Google Patents

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Description

發電裝置及使用其之發電模組
本發明係關於一種發電裝置及使用其之發電模組。
利用壓電體而將振動能量轉換成電能之發電裝置(壓電型振動發電裝置)在能量捕獲(energy harvesting)等的領域中已引起注意，且正被四處研究開發中(例如，請參閱非專利文獻1(R. van Schaijk, et al,「Piezoelectric AlN energy harvesters for wireless autonomous transducer solutions」，IEEE SENSORS 2008 Conference, 2008, p.45-48)，非專利文獻2(S. Roundy and P. K. Wright, 「A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics」，Smart Materials and Structures 13,2004, p.1131-1142))。此處，非專利文獻1中，記載有PZT(Pb(Zr，Ti)O3 )以做為壓電體的材料，非專利文獻2中，記載有PZT及氮化鋁(AlN)以做為壓電體的材料。
然而，發電裝置可藉由壓電體的形態(薄膜型、增積(bulk)型)來分類。此處，非專利文獻1中，記載著利用微機械技術製造的薄膜型發電裝置。又，非專利文獻2中，記載著增積型發電裝置。
非專利文獻1中所揭示的發電裝置如圖23所示，具備使用矽基板300而形成的裝置基板301。此裝置基板301具備矩形框狀的支持部311、配置在支持部311的內側且受支持部311支持而可自由搖動的懸臂部(樑)312、及設置在懸臂部312的前端部的錘部313。又，發電裝置具備設置在裝置基板301之懸臂部312之發電部320，其依據懸臂部312之振動而產生交流電壓。
發電部320是由下部電極322、形成在下部電極322之懸臂部312側的相反側上的壓電膜321、及形成在壓電膜321之下部電極322側的相反側上的上部電極323所構成。即，在懸臂部312上形成有下部電極322，在下部電極322上形成有壓電膜321，在壓電膜321上形成有上部電極323。此處，發電部320中，下部電極322係由鉑(Pt)膜所構成，壓電膜321係由氮化鋁(AlN)薄膜或PZT薄膜所構成，上部電極323係由鋁(Al)膜所構成。
又，發電裝置具備：第1蓋(cover)基板401，其使用第1玻璃基板400而形成且在裝置基板301的一表面側(圖23的上面側)固定有支持部311；及第2蓋基板501，其使用第2玻璃基板500而形成且在裝置基板301的另一表面側(圖23的下面側)固定有支持部311。
又，各第1蓋基板401和第2蓋基板501、及由裝置基板301的懸臂部312和錘部313所構成之可動部之間形成有該可動部的變位空間426、526。
又，非專利文獻2中所記載的發電裝置具備支持部、受支持部支持而可自由搖動的懸臂部、及設置在懸臂部之與支持部側呈相反側的前端部的錘部，且該懸臂部係由使貼合有2層壓電體的雙壓電晶片(bimorph)式壓電元件所構成。
又，非專利文獻2中圖24記載有使用了發電裝置的系統的等效電路模型。
此處，該等效電路模型中，發電裝置的等效電路使用以下各元件來表示：相當於錘部的質量或慣性的等效電感Lm 、相當於機械的衰減(damping)的等效電阻Rb、相當於機 械的硬度的等效電容Ck 、施加外部振動時所發生的等效應力σ in 、變壓器的等效繞組比n、及由發電部所構成的電容Cb 。又，該等效電路模型中，4個二極體D1、D2、D3、D4以電橋形式連接著，且記載著：對發電裝置的輸出電壓v進行全波整流的全波整流電路、及連接在全波整流電路的輸出端間的蓄電用的電容Cst 。
然而，非專利文獻1中記載的發電裝置的此種薄膜型的發電裝置中，與非專利文獻2中記載的增積型發電裝置相比較下，可達成小型化，另一方面由於輸出電壓下降，故可望輸出電壓達成高輸出化。又，使用非專利文獻1中記載的發電裝置來構成使直流電壓輸出的發電模組時，雖然已可想到採用如非專利文獻2那樣將全波整流電路連接在發電裝置的輸出端間的構成，但即使在此種情況下，亦希望輸出電壓達成高輸出化。
本發明是鑑於上述事由而做成者，其目的在於提供一種可達成小型化且可達成高輸出化的發電裝置及使用其之發電模組。
本發明的發電裝置的特徵在於具備：裝置基板，其具有支持部、受前述支持部支持而可自由搖動的懸臂部、及設置在前述懸臂部之與前述支持部側呈相反側的前端部的錘部；及發電部，其設置在前述懸臂部且依據前述懸臂部的振動而產生交流電壓。前述發電部具有複數個發電元件，其係由形成在壓電體的厚度方向的兩面上且互相對向的2個1組的電極、及前述壓電體中挾持在前述2個1組的電極中的部分即機能部所構成。前述複數個發電元件係由一個或複數個第1發電元件及一 個或複數個第2發電元件構成，前述第1發電元件及前述第2發電元件沿著前述厚度方向的極化的方向成互相逆向。前述發電部中，成對的前述第1發電元件及前述第2發電元件藉由將前述厚度方向的同一面側上形成的前述電極彼此予以連接的配線部而連接著，且所有前述複數個發電元件都串聯連接著。
此發電裝置中較佳為，前述2個1組的電極之中以前述壓電體做為基底的前述電極係由片電極構成。
此發電裝置中較佳為，前述裝置基板在前述懸臂部之前述各發電元件的各別的形成部位形成有埋設著前述機能部的一部分的埋入孔，前述壓電體係由自身平坦化膜所構成。
此發電裝置中較佳為，在前述發電部中，前述第1發電元件及前述第2發電元件呈互相連接的形狀，且所有前述複數個發電元件都串聯連接著。
此發電裝置中較佳為，互相連接的前述第1發電元件及前述第2發電元件中，前述厚度方向的同一面側上所形成的前述電極彼此之間係藉由配線部而連接。
此發電裝置中較佳為，前述複數個發電元件的所有的機能部係由一個壓電體所形成。
本發明的發電模組的特徵為具備：前述發電裝置、及安裝有前述發電裝置的電路基板，且前述電路基板中設置有對前述發電裝置的輸出電壓進行倍電壓整流的兩波倍電壓整流電路。
本發明的發電裝置一方面可達成小型化且另一方面可達成高輸出化。
將更詳細描述本發明的較佳實施形態。在與以下的詳 細描述及附加的圖面相關聯下可更進一步地理解本發明的其它特徵及優點。
(實施形態1)
以下，基於圖1來說明本實施形態之發電裝置。
發電裝置1具備：裝置基板10，其具有支持部11、受支持部11支持而可自由搖動的懸臂部12、及設置在懸臂部12之與支持部11側呈相反側的前端部的錘部13；及發電部20，其設置在懸臂部12且依據懸臂部12的振動而產生交流電壓。
裝置基板10使用基板10a而形成。做為基板10a，可使用一表面(第1面)是(100)面即單結晶的矽基板，但不限於此，多結晶的矽基板亦可。裝置基板10中，在基板10a的第1面上形成有由矽氧化膜所構成的第1絕緣膜10b。而且，在第1絕緣膜10b上形成有發電部20。即，基板10a和發電部20係藉由基板10a的第1面側上所形成的矽氧化膜所構成的第1絕緣膜10b而達成電性絕緣。又，裝置基板10在基板10a的第2面側(係第1面的相反側)上形成有由矽氧化膜構成的第2絕緣膜10c。然而，第2絕緣膜10c未必需要設置。做為基板10a，不限於矽基板，例如，亦可使用SOI(Silicon on Insulator：絕緣層上覆矽)基板、氧化鎂(MgO)基板、金屬基板、玻璃基板、聚合物基板等。在使用MgO基板、玻璃基板、或聚合物基板等的絕緣性基板做為基板10a時，亦不必設置第1絕緣膜10b。
裝置基板10的支持部11形成為框狀(此處為矩形框狀)。懸臂部12及錘部13配置在支持部11的內側。懸臂部12的厚度(圖1B的上下方向的厚度)形成為較錘部13的厚度還薄。懸臂部12及錘部13構成裝置基板10的可動部(對 支持部11可搖動的部分)。此處，裝置基板10中藉由設有圍繞著以懸臂部12及錘部13所構成的可動部之平面視U字狀的縫隙(slit)10d，使與懸臂部12之支持部11的連結部位以外的部分在空間中與支持部11相分離。即，如圖1A所示，懸臂部12形成為平面視矩形狀，其只有一邊(圖1A的左側的邊)結合至支持部11。又，錘部13在空間中與支持部11相分離。藉此，可動部(懸臂部12和錘部13)受支持部11支持而可自由搖動。又，支持部11只要為可支持懸臂部12使其自由搖動的形狀即可，並無框狀之必要。
發電部20形成在裝置基板10的第1面側(圖1B的上側)。發電部20形成在裝置基板10的第1面上。發電部20形成在壓電體21的厚度方向(圖1B、圖1C的上下方向)的兩面上，且具有複數個(本實施形態中為2個)發電元件200，該發電元件200係由互相對向的2個1組的電極22、23、和壓電體21中挾持在2個1組的電極22、23中的部分即機能部21a所構成。複數個發電元件200的各個係由壓電體21的厚度方向的兩面上所形成之互相對向的2個1組之電極22、23、及壓電體21中挾持在2個1組的電極22、23中的部分即機能部21a所構成。即，複數個發電元件200的各個係由2個1組之電極22、23中的一個電極即下側的電極22、壓電體21的一部分所構成的機能部21a、及2個1組之電極22、23中的另一個電極即上側的電極23所構成。電極22形成在裝置基板10上。機能部21a形成在電極22上。電極23形成在機能部21a上。本實施形態的發電元件200由壓電體21的厚度方向(圖1A的前後方向)觀看時形成為矩形狀。複數個發電元件200係由沿著壓電 體21的厚度方向的極化的方向可互相逆向的第1發電元件201和第2發電元件202所構成。即，複數個(本實施形態中為2個)發電元件200係由一個或複數個(本實施形態中為1個)的第1發電元件201、及一個或複數個(本實施形態中為1個)的第2發電元件所構成。第1發電元件201和第2發電元件202係以沿著壓電體21的厚度方向的極化的方向為互相逆向的方式構成。圖1C中，左側的第1發電元件201的極化的方向是朝上，右側的第2發電元件202的極化的方向是朝下。即，圖1C中，左側的第1發電元件201的機能部211a的極化的方向是朝上，右側的第2發電元件202的機能部212a的極化的方向是朝下。因此，就藉由第1發電元件201所構成的電容的極性而言，圖1C中的上側的電極23(231)成為正，下側的電極22(221)成為負。對此而言，藉由第2發電元件202所構成的電容的極性而言，圖1C中的下側的電極22(222)成為正，上側的電極23(232)成為負。
發電部20中，成對的第1發電元件201和第2發電元件202係藉由將壓電體21的厚度方向的同一面側上所形成的電極22、22彼此予以連接的配線部24而連接著，且所有複數個發電元件200都串聯連接著。即，發電部20中，就互相連接的第1發電元件201和第2發電元件202而言，壓電體21的厚度方向的同一面側上所形成的電極彼此係在形成有這些電極的面側上藉由配線部而連接著。複數個發電元件200中第1發電元件201和第2發電元件202呈互相連接的形狀且串聯連接著。
發電部20中，各發電元件200係藉由具有電極22(以下亦稱為下部電極22)和機能部21a、電極23(以下亦稱為上 部電極23)的壓電轉換部所構成，所以可藉由懸臂部12的振動而使發電部20的壓電體21(機能部21a)承受應力，並於上部電極23和下部電極22上發生電荷的偏移，而於各發電元件200中產生交流電壓。總而言之，本實施形態的發電裝置1係發電部20利用壓電材料的壓電效果而進行發電的壓電型振動發電裝置。此處，各發電元件200中互相為相反的極性彼此之間都連接著。因此，發電部20的產生電壓為匯集了各發電元件200各別所產生的交流電壓的電壓。
發電部20係為第1發電元件201的下部電極221、配線部24、和第2發電元件202的下部電極222連續而成的形狀，以第1發電元件201的下部電極221、配線部24和第2發電元件202的下部電極222所構成的第1金屬層22a的平面形狀成為矩形狀。對此而言，第1發電元件201的上部電極231和第2發電元件202的上部電極232的各電極形成為平面大小較以沿著懸臂部12的延長方向的中心線來將第1金屬層22a的平面形狀予以等分後而得的矩形狀稍小的矩形狀。第1發電元件201的上部電極231和第2發電元件202的上部電極232在懸臂部12的寬度方向(圖1C的左右方向)中互相隔開地形成。又，壓電體21的平面形狀的平面大小較第1金屬層22a者稍小，且形成為較集合了2個上部電極23、23、和後述的絕緣層25中兩上部電極23、23間夾設的部位而得的矩形稍大的矩形狀。
做為壓電體21的壓電材料，可採用PZT(Pb(Zr，Ti)O3 )，但不限於此，例如，PZT-PMN(Pb(Mn，Nb)O3 )或添加了其它雜質而得的PZT亦可。又，壓電材料亦可以是添 加了雜質(例如，鋰、鈮、鉭、銻、銅)至AlN、ZnO、KNN(K0.5 Na0.5 NbO3 )或、KN(KNbO3 )、NN(NaNbO3 )、KNN而得者。又，本實施形態中，複數個發電元件200的所有的機能部21a係由一個壓電體21所形成。即，複數個發電元件200的機能部21a係由單一的壓電體21的一部分構成。藉此，則可使複數個發電元件200的特性成為大致相同，可做成均質的裝置。
做為下部電極22的材料，可採用鉑，但不限於此，例如，亦可使用金、鋁、銥等。又，做為上部電極23的材料，可採用金，但不限於此，例如，亦可使用鉬、鋁、鉑、銥等。
本實施形態的發電裝置1中，下部電極22的厚度設定為500奈米、壓電體21的厚度設定為600奈米、上部電極23的厚度設定為100奈米，但此種數值是一例而不是特別地予以限定。然而，製造時，壓電體21中有時會形成針孔(pin hole)。因此，2個1組的電極22、23中以壓電體21做為基底而形成的上部電極23的厚度較佳是設定為比壓電體21的厚度還小。藉此，製造時上部電極23藉由濺鍍法等而形成在壓電體21上時，壓電體21上存在針孔，即使在上部電極23的電極材料進入至針孔中的情況下，亦可使壓電體21上的上部電極23和壓電體21的基底的下部電極22的短路的發生受到抑制，製造時的生產率的提高所造成的低成本化即可達成，且使可靠性上升。
又，上部電極23不限於藉由濺鍍法、CVD(Chemical Vapor Deposition；化學氣相沈積)法、蒸鍍法等的薄膜形成技術來成膜之後利用光蝕刻技術及蝕刻技術來進行圖案化 而形成的電極。例如，做為以壓電體21做為基底的上部電極23，若使用片電極(亦稱為電極片)，則在壓電體21上使上部電極23成膜時，電極材料進入至針孔內的問題不存在，可使壓電體21上的上部電極23和壓電體21的基底的下部電極22的短路的發生更確實地受到抑制。
做為在壓電體21上設置由片電極所構成的上部電極23的方法，例如可採用真空積層法等。又，做為片電極，例如亦可利用鋁箔等的金屬箔，在積層用片上亦可使用藉由濺鍍法等來對電極材料進行附著的方法。
發電裝置1亦可為裝置基板10和下部電極22之間設有緩衝層的構造。緩衝層的材料若依據壓電體21的壓電材料來適當選取亦可，壓電體21的壓電材料是PZT時，則較佳是例如採用SrRuO3 、(Pb，La)TiO3 、PbTiO3 、MgO、LaNiO3 等。又，緩衝層例如亦可藉由鉑膜和SrRuO3 膜的積層膜來構成。又，藉由設置緩衝層，則可使壓電體21之結晶性提高。
裝置基板10的第1面側上形成有：第1墊27a，其係使所有的發電元件200的串聯電路之一端的電極231(圖1A的上側；圖1C的左側的電極231)經由第1金屬配線26a而達成電性連接；及第2墊27b，其係使該串聯電路之另一端的電極232(圖1A的下側；圖1C的右側的電極232)經由第2金屬配線26b而達成電性連接。此處，各墊27a、27b在裝置基板10中形成在支持部11所對應的部位(裝置基板10中的支持部11上)。本實施形態的發電裝置1中，第1墊27a和第2墊27b分別構成輸出端子T1、T1。
做為各金屬配線26a、26b及各墊27a、27b的材料， 可採用金，但不限於此，例如，鉬、鋁、鉑、銥等亦可。又，本實施形態中，使各金屬配線26a、26b及各墊27a、27b的材料、及上部電極23的材料成為相同。各金屬配線26a、26b及各墊27a、27b、各上部電極23都同時形成。因此，在與金屬配線26a、26b及墊27a、27b、及上部電極23的材料為不同的情況相比較下，可由於製造過程的簡略化而達成低成本化。
又，在裝置基板10的第1面側上形成有上述的絕緣層25，其具有開口部25a、25a以用來規定與各上部電極23、23之各別的壓電體21相接觸的部位的面積。此絕緣層25延設至裝置基板10的第1面上(第1絕緣膜10b上)為止，且全周涵蓋壓電體21的側面及第1金屬層22a的側面。因此，可防止第1金屬配線26a及第2金屬配線26b與第1金屬層22a之間的短路。又，絕緣層25係藉由矽氧化膜所構成，但不限於矽氧化膜，例如，亦可藉由矽氮化膜來構成。
以下，基於圖2至圖4來說明本實施形態的發電裝置1的製造方法。又，圖2至圖4的各圖中，上段是概略平面圖，下段是概略剖面圖。
首先，進行絕緣膜形成過程以在由矽基板所構成的基板10a的第1面側及第2面側上分別形成由矽氧化膜所構成的第1絕緣膜10b與第2絕緣膜10c，藉此而得到圖2A所示的構造。絕緣膜形成過程中，做為形成各第1絕緣膜10b與第2絕緣膜10c的方法，例如，可採用熱氧化法，但不限於此，亦可採用CVD法等。
上述的絕緣膜形成過程之後，進行金屬膜形成過程以 在基板10a的第1面側的全面上形成金屬膜22b，其成為各下部電極22、22和配線部24所構成的第1金屬層22a的基礎。然後，進行壓電膜形成過程以在基板10a的第1面側的全面上形成壓電膜(例如，PZT薄膜等)21b，其成為壓電體21的基礎，藉此而得到如圖2B所示的構造。在金屬膜形成過程中，做為形成金屬膜22b的方法，可採用濺鍍法，但不限於此，例如，亦可採用CVD或蒸鍍法等。又，在壓電膜形成過程中做為形成壓電膜21b的方法，可採用濺鍍法，但不限於此，例如，亦可採用CVD或凝膠法。
在上述的壓電膜形成過程之後，進行壓電膜圖案化過程，使壓電膜21b圖案化而形成由壓電膜21b的一部分構成的壓電體21，藉此而得到如圖2C所示的構造。在壓電膜形成過程中，利用光蝕刻技術及蝕刻技術而使壓電膜21b圖案化。
在上述的壓電膜形成過程之後，進行金屬膜圖案化過程，使上述的金屬膜22b圖案化而各別地形成由金屬膜22b的一部分構成的第1金屬層22a(各下部電極22及配線部24)，藉此而得到如圖3A所示的構造。在金屬膜圖案化過程中，利用光蝕刻技術及蝕刻技術而使金屬膜22b圖案化。又，本實施形態中，由於第1發電元件201和第2發電元件202係1個又1個地形成，所以第1金屬層22a只形成一個。在第1發電元件201及/或第2發電元件202形成為複數個的情況下，形成複數個第1金屬層22a。
上述的金屬膜圖案化過程之後，進行絕緣層形成過程以在基板10a的第1面側上形成絕緣層25，藉此而得到如圖3B所示的構造。在絕緣層形成過程中，基板10a的第1 面側的全面上藉由CVD法等而使絕緣層25成膜，然後利用光蝕刻技術及蝕刻技術而在進行圖案化時形成開口部25a、25a。在絕緣層形成過程中，亦可利用剝離(lift-off)法來形成具有開口部25a、25a之絕緣層25的方式而進行。
在上述的絕緣層形成過程之後，與形成各上部電極23(231)、23(232)的上部電極形成過程同時，進行形成各金屬配線26a、26b及各墊27a、27b的配線形成過程，藉此而得到圖3C的構造。在上部電極形成過程中，各上部電極23、23例如係利用濺鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、光蝕刻技術、蝕刻技術來形成。又，配線形成過程中，各金屬配線26a、26b及各墊27a、27b例如係利用濺鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、光蝕刻技術、蝕刻技術來形成。
在上述的配線形成過程之後，進行極化處理過程，在兩墊27a、27b之間進行通電，以對壓電體21中挾在電極22、23間的的部分進行極化處理(輪詢(polling)處理)。藉由進行此種極化處理過程，以形成第1發電元件201和第2發電元件202之各別的機能部21a(211a)、21a(212a)。
在上述的極化處理過程之後，進行溝形成過程，由基板10a的第1面側起對懸臂部12、錘部13和支持部11以外的部位(上述的縫隙10d的形成預定區域)以僅對應於懸臂部12的厚度的部分進行蝕刻，而形成溝10e，以得到圖4A所示的構造。溝形成過程中，利用光蝕刻技術及蝕刻技術等來形成溝10e。
在上述的溝形成過程之後，進行懸臂部形成過程，由基板10a的第2面側起對錘部13和支持部11以外的部位(上述的縫隙10d和懸臂部12的形成預定區域)進行蝕刻，以合 併錘部13和支持部11而形成懸臂部12，藉此而得到圖4B所示的構造的發電裝置1。在懸臂部形成過程中，利用光蝕刻技術及蝕刻技術等來合併錘部13和支持部11而形成懸臂部12。又，此種懸臂部形成過程中，形成了縫隙10d。
在具備裝置基板10和發電部20的發電裝置1的製造中，由於至懸臂部形成過程終了為止都以晶圓級(level)來進行，因此進行切割過程以分割成各別的發電裝置1。
然而，本發明者們在本實施形態的發電裝置1的製作之前已試作圖5A、圖5B所示的參考形態1的發電裝置1’。又，參考形態1的發電裝置1’中，與本實施形態的發電裝置1同樣的構成要素附加相同的符號。
參考形態1的發電裝置1’具有與實施形態1大略相同的基本構成，不同點為：發電部20只藉由1個發電元件200來構成，且第2墊27b連接至下部電極22。
然而，參考形態1的發電裝置1’中，在該發電裝置1’的共振周期設定成750赫(Hz)的情況下，開放電壓只能獲得如圖6所示最大值為0.07伏左右的交流電壓。又，發電裝置1’的開放電壓配合壓電體21的振動而成為正弦波狀的交流電壓。
又，本發明者們精心研究的結果得知以下的見解：就參考形態1的發電裝置1’而言，以圖7的等效電路模型來表示兩墊27a、27b已成開放的狀態，藉此來整合等效電路模型的輸出特性(開放電壓)與實驗結果的輸出特性(開放電壓)。圖7的等效電路模型中，以交流電源i0、由發電部20的電容成分所構成的電容C0、由發電部20的電阻成分所構成的電阻R0所形成的並聯電路來表示發電裝置1’。此 處，外部振動的頻率與發電裝置1的共振頻率一致時，交流電源i0的頻率成為與發電裝置1的共振頻率相同。又，做為外部振動，例如包括工作中的FA(Factory Automation；工廠自動化)機器所發生的振動、車輛的行走所發生的振動、人的步行所發生的振動等之各種環境振動，而本實施形態中，做為發生外部振動的外部振動源，係預設為例如產生頻率為475赫左右的振動之FA機器。
參考形態1的發電裝置1’中，就共振頻率為475赫的參考例而言，開放電壓Voc的電壓波形的模擬結果顯示在圖8中。此開放電壓Voc的電壓波形的最大值為1.15V。
然而，本實施形態的發電裝置1的等效電路模型如圖9所示。圖9的等效電路模型中，第1發電元件201係以交流電源i1、由第1發電元件201的電容成分所構成的電容C1、由第1發電元件201的電阻成分所構成的電阻R1所形成的並聯電路來表示。又，該等效電路模型中，第2發電元件202係以交流電源i2、由第2發電元件202的電容成分所構成的電容C3、由第2發電元件202的電阻成分所構成的電阻R3所形成的並聯電路來表示。此處，外部振動的頻率與發電裝置1的共振頻率一致時，交流電源i1、i2的頻率成為與發電裝置1的共振頻率相同。又，本實施形式的發電裝置1中，發電部20所在處該電容C1和電容C3串聯連接著。
本實施形態的發電裝置1中，使發電部20以外的構造參數設為與圖8的模擬結果所得到的參考形態1相同，而且，壓電體21的厚度做成與參考形態1相同，電容C1、C3的容量成為電容C0的2分之1時的開放電壓Voc的模 擬結果顯示在圖10中。此開放電壓Voc的電壓波形的最大值是2.3V。總而言之，在模擬結果中，本實施形態的發電裝置1的開放電壓Voc是參考形態1的發電裝置1’的開放電壓Voc的2倍。此種情況下，發電部20的容量成為串聯連接的電容C1、C3的合成容量，所以成為電容C0的容量的4分之1。
以上說明的本實施形態的發電裝置1中，發電部20具有複數個發電元件200，其係由形成在壓電體21的厚度方向的兩面上且互相對向的2個1組的電極22、23、及前述壓電體21中挾持在前述2個1組的電極22、23中的部分即機能部21a所構成。又，本實施形態的發電裝置1中，複數個發電元件200係由沿著壓電體21的厚度方向的極化的方向呈互相逆向的第1發電元件201和第2發電元件202所構成。而且，本實施形態的發電裝置1的發電部20中，成對的第1發電元件201及第2發電元件202係藉由將壓電體21的厚度方向的同一面側上形成的電極22、22彼此予以連接的配線部24而連接著，且所有複數個發電元件200都串聯連接著。於是，在與參考形態的發電裝置1’或圖23所示的先前例的發電裝置比較下，本實施形態的發電裝置1中可在不變更晶片大小的狀態使發電部20的開放電壓Voc增加，所以可達成小型化且達成高輸出化。
又，本實施形態的發電裝置1中，如上所述，絕緣層25在裝置基板10的第1面側上延設至支持部11上為止，該絕緣層25規定上部電極23和壓電體21所連接之區域且防止上部電極23和下部電極22的短路。而且，由於發電裝置1在平面視中該壓電體21係位於第1金屬層22a的外周線的內側，上 部電極23、23係位於壓電體21的外周線的內側，所以在與下部電極22、壓電體21、上部電極23為相同平面大小的情況比較下，成為各金屬配線26a、26b的基底的部分的段差可減低。於是，本實施形態的發電裝置1中，各金屬配線26a、26b的斷線的發生可受到抑制，可達成製造上的生產率的提高及可靠性的提高。又，本實施形態的發電裝置1中，亦如同上述的製造方法所述，可採用如下製造過程：在基板10a的第1面側的全面上形成第1金屬層22a之後，在基板10a的第1面側的全面上形成做為壓電體21的基礎的壓電膜21b，然後藉由對該壓電膜21b進行圖案化來形成由該壓電膜21b的一部分所構成的壓電體21。因此，本實施形態的發電裝置1中，與採用：在基板10a的第1面側上形成規定形狀的各下部電極22和配線部24，然後形成壓電膜21b，且藉由對該壓電膜21b進行圖案化來形成壓電體21的製造過程的情況相比較下，可使壓電體21的結晶性提高，且使發電效率提高。
又，亦可為以下的構成：以配線部來連接第1發電元件201的上部電極231和第2發電元件202的上部電極232，經由第1金屬配線26a而將第1墊27a連接至第1發電元件201的下部電極221，且經由第2金屬配線26b而將第2墊27b連接至第2發電元件202的下部電極222，來取代圖1所示的構成。此種情況下，第1發電元件201的下部電極221和第2發電元件202的下部電極222未藉由配線部來連接。即使在此種情況下，所有的發電元件200的串聯電路之一端的電極(第1發電元件201的下部電極221)處亦連接著第1墊27a，且該串聯電路之另一端的電極(第2發電元件202的下部電極222)處亦連接著第2墊27b。在此種構成的情況下，各金屬配線26a、 26b、各墊27a、27b、及各下部電極221、222亦可藉由相同材料而同時形成。
其次，針對使用上述發電裝置1的發電模組2，基於圖11及圖12來說明。
發電模組2具備發電裝置1、及安裝在發電裝置1上的電路基板3。此電路基板3中設置著對發電裝置1的輸出電壓進行倍電壓整流的兩波倍電壓整流電路4(請參照圖12)。使用印刷基板做為電路基板3。又，電路基板3中，用來確保由發電裝置1的懸臂部12和錘部13所構成的可動部的變位空間的開口部(圖中未顯示)在該電路基板3的厚度方向中貫通設置著。又，電路基板3中亦可形成一種用來確保上述變位空間的凹部，以取代上述開口部。
兩波倍電壓整流電路4中2個二極體D1、D3的串聯電路、及2個電容C2、C4的串聯電路係並聯連接著。總而言之，兩波倍電壓整流電路中2個二極體D1、D3及2個電容C2、C4係形成為電橋連接。此處，發電模組2中，發電裝置1的第1墊27a連接至2個二極體D1、D3的串聯電路之兩二極體D1、D3的連接點，發電裝置1的第2墊27b連接至2個電容的串聯電路C2、C4之兩電容C2、C4的連接點。各別地使用表面安裝型的二極體以做為各二極體D1、D3。又，各別地使用表面安裝型的電容以做為各電容C2、C4。因此，與使用了將導線朝向電路基板3的通孔(through-hole)插入而安裝的附有導線的物件相比較下，發電模組2中各二極體D1、D3及各電容C2、C4可達成薄型化。
又，發電模組2中在2個電容C2、C4的串聯電路的高電位端所連接的輸出端子T2和低電位端所連接的輸出端子T2 之間(即，2個電容C2、C4的串聯電路的兩端間)若連接著負載(圖中未顯示)，則可發揮做為負載電源的機能。做為負載，例如可使用發光二極體(LED)、及感測器等。又，LED的工作電壓由於成為發光層的結晶材料的能帶間隙(band gap)能量的程度，所以該能帶間隙能量在2eV的紅色LED中是2V左右。
二極體D1和二極體D3使用同樣的規格，且具有相同的特性。又，可使用矽二極體做為各二極體D1、D3，順向電壓降成為0.6~0.7V左右。
又，電容C2和電容C4使用同樣的規格，且具有相同的特性。又，各電容C2、C4的容量設定為10uF，但此數值是一例，並無特別限定。
以下，針對發電模組2的動作進行簡單說明。
發電模組2中，發電裝置1的輸出電壓在當第1墊27a與第2墊27b相比較下成為高電位的正半周期時，使電流以第1墊27a→二極體D1→電容C2→第2墊27b的路徑流動而對電容C2充電。又，發電模組2中，發電裝置1的輸出電壓在當第1墊27a與第2墊27b相比較下成為低電位的負半周期時，使電流以第2墊27b→電容C4→二極體D3→第1墊27a的路徑流動而對電容C4充電。總而言之，發電模組2的兩波倍電壓整流電路4中，發電裝置1的輸出電壓的電壓波形的每個半周期中各電容C2、C4各別被充電。因此，發電模組2的輸出電壓成為發電裝置1的輸出電壓的峰值的大約2倍。發電模組2中，各電容C2、C4中所充電的電壓為0V的狀態，將相等於共振頻率之頻率的外部振動施加至發電裝置1時的充電特性進行模擬的結果，在兩電容C2、C4的串聯電路中充電的充電電壓的Vsto 如圖13所示地變化。
然而，本發明者們在製造本實施形態的發電模組2之前，試作圖14中所示的參考形態2的發電模組2’。
參考形態2的發電模組2’具備：上述參考形態1的發電裝置1’；連接在發電裝置1’的第1墊27a和第2墊27b之間的全波整流電路5；及連接在全波整流電路5的輸出端間的蓄電用的電容Cst。因此，發電模組2’能以圖15所示的等效電路模型來表示。全波整流電路5是4個二極體D1、D2、D3、D4以電橋形式連接而成的二極體電橋，且具有對發電裝置1’的輸出電壓Vout(參照圖14)進行全波整流的功能。又，圖14中顯示蓄電用的電容Cst的兩端間所連接的負載7。
該參考形態2的發電模組2’中，將該發電裝置1’的共振頻率設為200赫時，充電至電容Cst中的充電電壓為0V的狀態下，將相等於共振頻率之頻率的外部振動施加至發電裝置1時的充電特性進行模擬的結果，即充電至電容Cst的充電電壓的Vst(參照圖15)係如圖16所示地變化。由圖16可知，充電電壓Vst在0.3V左右時飽和。其原因舉例如下，發電裝置1’的輸出電壓Vout在當第1墊27a與第2墊27b相比較下成為高電位的正半周期時，在2個二極體D1、D2處發生電壓損耗(順向電壓降)，發電裝置1’的輸出電壓Vout在當第1墊27a與第2墊27b相比較下成為低電位的負半周期時，在2個二極體D3、D4處發生電壓損耗(順向電壓降)。因此，在使用工作電壓為2V的LED做為上述的負載7時，不能使做為負載7的LED點燈。
於此，本發明者們試作能以圖17所示的等效電路模型 來表示的參考形態3的發電模組2”。參考形態3的發電模組2”中，採用實施形態的發電模組2中的兩波倍電壓整流電路4來取代參考形態2的發電模組2’中的全波整流電路5。
參考形態3的發電模組2”中，發電裝置1’的共振頻率設為200赫的情況下，電容C2及C4中所充電的電壓為0V的狀態中，將相等於共振頻率之頻率的外部振動施加至發電裝置1時的充電特性進行模擬的結果，即在兩電容C2、C4的串聯電路中充電的充電電壓Vsto係如圖18所示地變化。由圖18可知，充電電壓Vsto在1.5V左右時飽和。因此，在使用工作電壓為2V的LED做為上述的負載7時，不能使做為負載7的LED點燈。
對這些參考形態2、3而言，本實施形態的發電模組2中，由圖13的充電特性可知，可使充電電壓Vsto變高，且一方面可達成小型化一方面可達成高輸出化。又，本實施形態的發電模組2中，在以工作電壓為2V的LED做為負載時，可使該LED點燈。
(實施形態2)
以下，針對本實施形態的發電裝置1，基於圖19和圖20來說明。
本實施形態的發電裝置1的基本構成與實施形態1大略相同，不同點為：除了具備使用基板10a(以下，稱為第1基板10a)而形成之裝置基板10及發電部20以外，另具備第1蓋基板30，其在裝置基板10的第1面側(圖19的上面側)上固定於支持部11。又，本實施形態的發電裝置1的不同點為：具備第2蓋基板40，其在裝置基板10的第2面側 (圖19的下面側)上固定於支持部11。又，與實施形態1同樣的構成要素付以相同的符號而省略說明。
本實施形態的發電裝置1具備：第1蓋基板30，其在裝置基板10的第1面側上固定於支持部11且至少覆蓋發電部20；及第2蓋基板40，其在裝置基板10的第2面側上固定於支持部11。
第1蓋基板30係使用第2基板30a而形成。此處，使用矽基板做為第2基板30a。而且，第1蓋基板30在裝置基板10側的一表面(圖19的下側的面)上形成有凹處30b(請參照圖20)，其係用來在與裝置基板10之間形成由懸臂部12和錘部13所構成的可動部的變位空間。
第1蓋基板30的厚度方向中形成有一對貫通孔31、31。各貫通孔31中設有貫通孔配線33。第1蓋基板30的上述一表面側(圖19的下側；裝置基板10側)上形成有一對連絡用電極34、34。又，第1蓋基板30的另一表面側(圖19的上側；裝置基板10的相反側)上形成有將發電部20所產生的交流電壓予以輸出的一對輸出用電極35、35。本實施形態的發電裝置1中，不是由一對墊27a、27b而是由一對輸出用電極35、35構成一對輸出端子T1、T1。如圖20所示，該第1蓋基板30中，各輸出用電極35、35、形成在第1蓋基板30的上述一表面側(圖19的下側)上的連絡用電極34、34係經由第1蓋基板30的厚度方向中貫通設置的貫通孔配線33、33而達成電性連接。此處，第1蓋基板30中，一連絡用電極34係與裝置基板10的第1墊27a接合而形成電性連接，另一連絡用電極34係與裝置基板10的第2墊27b接合而形成電性連接。又，本實施形態中，各 輸出用電極35、35及各連絡用電極34、34雖然是藉由鈦膜和金膜的積層膜而構成，但這些材料並不特別限定。又，雖然採用銅做為各貫通孔配線33、33的材料，但不限於此，例如，亦可採用鎳、鋁等。
第1蓋基板30中，用來防止2個輸出用電極35、35彼此的短路的由氧化矽膜所構成的絕緣膜32係以跨越該第1蓋基板30的上述一表面(圖19的下側的面)及上述另一表面(圖19的上側的面)、及內側處形成有貫通孔配線33、33的貫通孔31、31的內周面的方式而形成。第1蓋基板30不限於矽基板，亦可使用玻璃基板之類的絕緣性基板而形成，此種情況下，不必設置絕緣膜32。此處，做為玻璃基板的玻璃材料較佳是使用與矽的線膨脹率之差小的玻璃材料，例如，硼矽酸玻璃等。又，發電裝置1在第1蓋基板30上亦可不設置各連絡用電極34、34、各貫通孔配線33、33、及各輸出用電極35、35，將第1蓋基板30做成使裝置基板10的第1面側的各墊27a、27b露出的形狀。此情況下，與實施形態1一樣，第1墊27a和第2墊27b分別成為輸出端子T1、T2。
又，第2蓋基板40使用第3基板40a而形成。此處，使用矽基板做為第3基板40a。第2蓋基板40之裝置基板10側的一表面(圖19的上側的面)上形成有凹處40b，其用來在與裝置基板10之間形成上述可動部的變位空間。又，第3基板40a不限於矽基板，亦可使用玻璃基板之類的絕緣性基板。此處，做為玻璃基板的玻璃材料較佳是使用與矽的線膨脹率之差小的玻璃材料，例如，硼矽酸玻璃等。
又，裝置基板10之第1基板10a的第1面側(圖19的 上面側)上形成了用來與第1蓋基板30接合的第1接合用金屬層28。對此而言，第1蓋基板30之裝置基板10側的表面(圖19的下側面)上形成了與第1接合用金屬層28接合的第2接合用金屬層(圖中未顯示)。此處，使用與各墊27a、27b相同的材料以做為第1接合用金屬層28的材料，且第1接合用金屬層28在第1基板10a的第1面側上形成為與各墊27a、27b相同的厚度。
裝置基板10與第1蓋基板30及第2蓋基板40雖然藉由常溫接合法來接合，但不限於常溫接合法。例如，亦可藉由較常溫還高的規定溫度(例如，50℃至100℃左右)而一方面加熱，一方面施加適當的負載來進行接合的直接接合法、或使用環氧樹脂等的樹脂接合法、或陽極接合法等來接合。樹脂接合法中，若使用常溫硬化型的樹脂黏著劑(例如，2液常溫硬化型的環氧樹脂系黏著劑、1液常溫硬化型的環氧樹脂系黏著劑)，則在與使用熱硬化型的樹脂黏著劑(例如，熱硬化型的環氧樹脂系黏著劑等)的情況比較下，可達成接合溫度的低溫化。
以上說明的本實施形態的發電裝置1中，亦可與實施形態1一樣，一方面可達成小型化且另一方面可達成高輸出化。又，本實施形態的發電裝置1中，例如，亦可涵蓋框狀的支持部11的外周部的全周而形成第1接合用金屬層28，並涵蓋第1蓋基板30的外周部的全周而形成第1蓋基板30的上述第2接合用金屬層。此種情況下，跨越全周而接合第1接合用金屬層28和上述第2接合用金屬層。又，藉由跨越全周而接合裝置基板10和第2蓋基板40的周部，藉此可將裝置基板10和第1蓋基板30及第2蓋基板40所 圍繞的空間做為氣密空間。又，此氣密空間可設為鈍氣氛圍或真空氛圍。
又，亦可使用本實施形態的發電裝置1以取代實施形態1中所說明的發電模組2(請參閱圖11、圖12)之發電裝置1。即使在此種情況下，亦可達成發電模組2的小型化，且亦可達成高輸出化。又，此種情況下，在電路基板3(請參閱圖11)上不必形成上述開口部或上述凹部。
(實施形態3)
針對本實施形態的發電裝置，基於圖21和圖22來說明。
本實施形態的發電裝置1的基本構成與實施形態1大略相同，不同點為：基板10a係使用SOI基板，其係在由單結晶矽基板所構成的支持基板101上的氧化矽膜所構成的絕緣層(嵌入氧化膜)102上形成有單結晶的矽層103。又，與實施形態1同樣的構成要素附以相同的符號而省略說明。
又，圖1所示的實施形態1中例示了發電部20具備2個發電元件200的構成，但本實施形態中可具備更多的發電元件200。圖21的例中，沿著該圖21的A-B線而並列有32個發電元件200。此處，在A-B線上，經由第1金屬配線26a而連接於第1墊27a的發電元件200是第1發電元件201，經由第2金屬配線26b而連接於第2墊27b的發電元件200是第2發電元件202。又，A-B線上，第1發電元件201和第2發電元件202係交互地並列。又，下部電極22、22彼此間藉由配線部(下部電極配線部)24而連接，上部電極23、23彼此間藉由配線部(上部電極配線部)29而 連接。又，配線部29係與各電極23、23同時形成。總而言之，配線部29以與各電極23、23相同的材料而形成為相同的膜厚。
又，裝置基板10在懸臂部12之各發電元件200的各別的形成部位上形成有埋設著機能部21a的一部分之複數個(此處為32個)埋入孔104，且壓電體21藉由自身平坦化膜(self planarization film)而構成。
自身平坦化膜是在覆蓋具有凹凸面的基底的成膜時以使最外表面平坦化的條件下所形成的膜。此處，本實施形態中，構成壓電體21之自身平坦化膜藉由CVD法而形成。因此，自身平坦化膜的成膜後不需要藉由蝕刻法或CMP(化學機械式拋光)法等來進行平坦化。
裝置基板10的埋入孔104貫設在懸臂部12的厚度方向中，各埋入孔104的內周面形成有由矽氧化膜所構成的絕緣膜105，各埋入孔104的內周面和機能部21a之間介隔著絕緣膜105。
本實施形態的發電裝置1之發電部20的形成時，首先，在由SOI基板構成的基板10a中由基板10a的第1面側(圖22的上側)來對與埋入孔104對應的部位進行蝕刻直至達到絕緣層102的深度為止(此時絕緣層102未被蝕刻)。此後，由基板10a的第2面側(圖22的下側)來對該基板10a中對應於懸臂部12的部位進行蝕刻直至達到絕緣層102的深度為止(此時絕緣層102未被蝕刻)。此後，藉由熱氧化法等，形成絕緣膜105。然後，藉由CVD法以形成壓電體21。此後，在絕緣層102上由基板10a的第2面側將各電極22的形成預定部位所對應的部分進行蝕刻去除。然後，形成 各電極22及各配線部24。其次，形成各電極23及各配線部29。
然而，如圖23所示的先前例，以大略均勻的膜厚之壓電膜321或實施形態1那樣，使大略均勻的膜厚的壓電體21的膜厚增厚，成膜時間會變長，成為成本上升的主因。
相對於此，本實施形態的發電裝置1中，由於壓電體21是藉由上述的自身平坦化膜構成，所以可使機能部21a的厚度較機能部21a以外的部分的膜厚還厚，可使成膜時間縮短，且亦可使機能部21a的厚度變厚。因此，各發電元件200的容量可減低。
即使在以上說明的本實施形態的發電裝置1中，與實施形態1同樣，可達成小型化且亦可達成高輸出化。又，即使在本實施形態的發電裝置1中，與實施形態2同樣，亦可設有第1蓋基板30和第2蓋基板40。
又，亦可使用本實施形態的發電裝置1來取代實施形態1中所說明的發電模組2(請參閱圖11)中的發電裝置1。此種情況下，可達成發電模組2的小型化，且亦可達成高輸出化。
以上已針對幾個較佳的實施形態來描述了本發明，但在未脫離本發明的本來精神及範圍(即，申請專利範圍)的情況下，本行業者可做各種修正及變形。
1、1’‧‧‧發電裝置
2、2’，2”‧‧‧發電模組
3‧‧‧電路基板
4‧‧‧兩波倍電壓整流電路
5‧‧‧全波整流電路
7‧‧‧負載
10‧‧‧裝置基板
10a‧‧‧基板(第1基板)
10b‧‧‧第1絕緣膜
10c‧‧‧第2絕緣膜
10d‧‧‧縫隙
10e‧‧‧溝
11、311‧‧‧支持部
12、312‧‧‧懸臂部
13、313‧‧‧錘部
20、320‧‧‧發電部
21‧‧‧壓電體
21a‧‧‧機能部
21b、321‧‧‧壓電膜
22、221、222‧‧‧電極(下部電極)
22a‧‧‧第1金屬層
22b‧‧‧金屬膜
23、231、232‧‧‧電極(上部電極)
24‧‧‧配線部
25‧‧‧絕緣層
25a‧‧‧開口部
26a‧‧‧金屬配線(第1金屬配線)
26b‧‧‧金屬配線(第2金屬配線)
27a‧‧‧墊(第1墊)
27b‧‧‧墊(第2墊)
28‧‧‧第1接合用金屬層
29‧‧‧配線部
30‧‧‧第1蓋基板
30a‧‧‧第2基板
30b、40b‧‧‧凹處
31‧‧‧貫通孔
32‧‧‧絶緣膜
33‧‧‧貫通孔配線
34‧‧‧連絡用電極
35‧‧‧輸出用電極
40‧‧‧第2蓋基板
40a‧‧‧第3基板
101‧‧‧支持基板
102‧‧‧絕緣層
103‧‧‧矽層
104‧‧‧埋入孔
105‧‧‧絕緣膜
200‧‧‧發電元件
201‧‧‧第1發電元件
202‧‧‧第2發電元件
211a、212a‧‧‧機能部
300‧‧‧矽基板
301‧‧‧裝置基板
322‧‧‧下部電極
323‧‧‧上部電極
400‧‧‧第1玻璃基板
401‧‧‧第1蓋基板
426、526‧‧‧變位空間
500‧‧‧第2玻璃基板
501‧‧‧第2蓋基板
C0至C4、Cb、Cst‧‧‧電容
Ck‧‧‧等效電容
D1、D2、D3、D4‧‧‧二極體
i0至i2‧‧‧交流電源
n‧‧‧變壓器的等效繞組比
σin ‧‧‧等效應力
R0至R3‧‧‧電阻
T1、T2‧‧‧輸出端子
Voc‧‧‧開放電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vst、Vsto‧‧‧充電電壓
圖1顯示實施形態1的發電裝置，圖1A是概略平面圖，圖1B是圖1A的A-A’概略剖面圖，圖1C是圖1A的B-B’概略剖面圖。
圖2A至圖2C是實施形態1的發電裝置的製造方法的 說明圖。
圖3A至圖3C是實施形態1的發電裝置的製造方法的說明圖。
圖4A及圖4B是實施形態1的發電裝置的製造方法的說明圖。
圖5是顯示參考形態1的發電裝置，圖5A是概略平面圖，圖5B是圖5A的A-A’概略剖面圖。
圖6是參考形態1的發電裝置的輸出電壓的波形圖。
圖7是參考形態1的發電裝置的等效電路模型圖。
圖8是顯示參考形態1的發電裝置之開放電壓的電壓波形之模擬結果的一例的圖。
圖9是實施形態1的發電裝置的等效電路模型圖。
圖10是顯示實施形態1的發電裝置之開放電壓的電壓波形之模擬結果的一例的圖。
圖11是實施形態1的發電模組之概略平面圖。
圖12是實施形態1的發電模組的等效電路模型圖。
圖13是顯示實施形態1的發電模組之充電特性的模擬結果的一例的圖。
圖14是參考形態2的發電模組的電路圖。
圖15是參考形態2的發電模組的等效電路模型圖。
圖16是顯示參考形態2的發電模組之充電特性的模擬結果的一例的圖。
圖17是參考形態3的發電模組的等效電路模型圖。
圖18是顯示參考形態3的發電模組之充電特性的模擬結果的一例的圖。
圖19是實施形態2的發電裝置的概略分解斜視圖。
圖20是實施形態2的發電裝置之第1蓋基板的主要部分剖面圖。
圖21是實施形態3的發電裝置之概略平面圖。
圖22顯示實施形態3的發電裝置，且是圖21的A-A’概略剖面圖。
圖23是先前例的發電裝置的概略剖面圖。
圖24是其它先前例的發電裝置的等效電路模型圖。
1‧‧‧發電裝置
10‧‧‧裝置基板
10d‧‧‧縫隙
11‧‧‧支持部
12‧‧‧懸臂部
13‧‧‧錘部
20‧‧‧發電部
23、231、232‧‧‧電極(上部電極)
25‧‧‧絕緣層
26a‧‧‧金屬配線(第1金屬配線)
26b‧‧‧金屬配線(第2金屬配線)
27a‧‧‧墊(第1墊)
27b‧‧‧墊(第2墊)
200‧‧‧發電元件
201‧‧‧第1發電元件
202‧‧‧第2發電元件
T1‧‧‧輸出端子

Claims (7)

  1. 一種發電裝置，其特徵在於具備：裝置基板，其具有支持部、受前述支持部支持而可自由搖動的懸臂部、及設置在前述懸臂部之與前述支持部側呈相反側的前端部處的錘部；及發電部，其設置在前述懸臂部且依據前述懸臂部的振動而產生交流電壓；前述發電部具有複數個發電元件，其係由形成在壓電體的厚度方向的兩面上且互相對向的2個1組的電極、及前述壓電體中挾持在前述2個1組的電極中的部分即機能部所構成；前述複數個發電元件係由一個或複數個第1發電元件及一個或複數個第2發電元件構成，前述第1發電元件及前述第2發電元件沿著前述厚度方向的極化的方向成互相逆向；前述發電部中，成對的前述第1發電元件及前述第2發電元件藉由將前述厚度方向的同一面側上形成的前述電極彼此予以連接的配線部而連接著，且所有前述複數個發電元件都串聯連接著。
  2. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中前述2個1組的電極之中以前述壓電體做為基底的前述電極係由片電極構成。
  3. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中前述裝置基板在前述懸臂部之前述各發電元件的各別的形成部位形成有埋設著前述機能部的一部分的埋入孔；前述壓電體係由自身平坦化膜所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中在前述發電部 中，前述第1發電元件及前述第2發電元件呈互相連接的形狀，且所有前述複數個發電元件都串聯連接著。
  5. 如申請專利範圍第4項之發電裝置，其中互相連接的前述第1發電元件及前述第2發電元件中，前述厚度方向的同一面側上所形成的前述電極彼此之間係藉由配線部而連接。
  6. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中前述複數個發電元件的所有的機能部係由一個壓電體所形成。
  7. 一種發電模組，其特徵在於具備：如申請專利範圍第1至6項中任一項之發電裝置、及安裝有前述發電裝置的電路基板；前述電路基板中設置有對前述發電裝置的輸出電壓進行倍電壓整流的兩波倍電壓整流電路。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101410139B1 (ko) 2012-10-09 2014-06-25 재단법인대구경북과학기술원 자동차의 배터리 충전용 압전 시스템 및 그를 구비한 자동차
KR102034717B1 (ko) * 2013-02-07 2019-10-21 삼성전자주식회사 파워모듈용 기판, 파워모듈용 터미널 및 이들을 포함하는 파워모듈
JP5529328B1 (ja) * 2013-09-04 2014-06-25 株式会社トライフォース・マネジメント 発電素子
DE112014004798T5 (de) 2013-12-25 2016-07-14 Sumitomo Riko Company Limited Leistungserzeugungssystem
JP6286205B2 (ja) * 2013-12-25 2018-02-28 住友理工株式会社 発電システム
JP6494163B2 (ja) * 2014-01-28 2019-04-03 住友理工株式会社 発電システム
KR101922790B1 (ko) 2014-06-20 2018-11-27 가부시키가이샤 아루박 다층막, 다층막의 제조 방법 및 제조 장치
JP5887457B2 (ja) * 2015-10-29 2016-03-16 株式会社トライフォース・マネジメント 発電素子
US10560038B2 (en) 2017-03-13 2020-02-11 Saudi Arabian Oil Company High temperature downhole power generating device
US10320311B2 (en) * 2017-03-13 2019-06-11 Saudi Arabian Oil Company High temperature, self-powered, miniature mobile device
CN108489533A (zh) * 2018-01-31 2018-09-04 成都凡米科技有限公司 一种可抛式纸尿裤内置检测装置及检测方法
US10844694B2 (en) 2018-11-28 2020-11-24 Saudi Arabian Oil Company Self-powered miniature mobile sensing device
JP6844868B2 (ja) * 2019-06-05 2021-03-17 株式会社トライフォース・マネジメント 発電素子
DE102019132356A1 (de) * 2019-11-28 2021-06-02 Tdk Electronics Ag Zweikanaliger Detektor

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63200579A (ja) * 1987-02-16 1988-08-18 Ngk Spark Plug Co Ltd 圧電トランス
JPH03171784A (ja) * 1989-11-30 1991-07-25 Toshiba Corp バイモルフ素子
JP2000012916A (ja) * 1998-06-19 2000-01-14 Seiko Instruments Inc 熱電素子及び発電装置
JP3866258B2 (ja) * 2004-08-24 2007-01-10 太平洋セメント株式会社 圧電デバイスおよびこれを備える圧電スイッチ
US20070125176A1 (en) * 2005-12-02 2007-06-07 Honeywell International, Inc. Energy harvesting device and methods
JP3939737B1 (ja) * 2006-04-03 2007-07-04 太平洋セメント株式会社 発電装置
JP2009165212A (ja) * 2007-12-28 2009-07-23 Panasonic Corp 圧電体を用いた発電素子およびそれを用いた発電装置
JP2010136542A (ja) * 2008-12-05 2010-06-17 Seiko Epson Corp 圧電型発電機およびその製造方法
WO2010070650A1 (en) * 2008-12-21 2010-06-24 Sirius Implantable Systems Ltd. High efficiency piezoelectric micro-generator and energy storage system
JP5510448B2 (ja) * 2009-03-18 2014-06-04 富士通株式会社 圧電発電装置
KR101295670B1 (ko) * 2009-12-11 2013-08-14 한국전자통신연구원 압전 발전기
KR101243868B1 (ko) * 2009-12-14 2013-03-20 한국전자통신연구원 가변 축전층이 내장된 능동형 압전 에너지변환 소자 및 그 제조 방법
JP5609967B2 (ja) * 2010-02-26 2014-10-22 富士通株式会社 発電装置、発電方法及び発電装置の製造方法
KR101325645B1 (ko) * 2010-09-16 2013-11-06 한국전자통신연구원 에너지 하베스팅 전자 장치

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JP5520239B2 (ja) 2014-06-11

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