WO2013190744A1 - 振動発電装置 - Google Patents

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WO2013190744A1
WO2013190744A1 PCT/JP2013/001274 JP2013001274W WO2013190744A1 WO 2013190744 A1 WO2013190744 A1 WO 2013190744A1 JP 2013001274 W JP2013001274 W JP 2013001274W WO 2013190744 A1 WO2013190744 A1 WO 2013190744A1
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WO
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power generation
vibration power
cantilever
vibration
generation element
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PCT/JP2013/001274
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English (en)
French (fr)
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規裕 山内
純矢 小川
後藤　浩嗣
有宇 和家佐
相澤　浩一
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パナソニック株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/185—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a vibration power generation apparatus using a vibration power generation element that converts vibration energy into electric energy.
  • the vibration power generation apparatus includes a vibration power generation element that converts vibration energy into electric energy.
  • a piezoelectric hydroelectric power generation device in which a power generation unit 104 including a piezoelectric element 106 that is fixed to a vibration plate 105 and converts vibration energy into electric energy, shown in FIG. 101 is known (see, for example, Japanese Patent Publication No. 2001-275370).
  • the piezoelectric hydroelectric generator 101 rectifies the power generated by the power generation unit 104 by the rectification unit 108.
  • the rectifying unit 108 includes a diode 109.
  • the piezoelectric hydroelectric generator 101 stores the rectified power in the power storage unit 110.
  • the power storage unit 110 includes a secondary battery 111.
  • the power generation unit 104 serving as a vibration power generation element includes vibration generation means 107 that generates vibration on the diaphragm 105 when the water flow 103 is received.
  • the power generation unit 104 serving as a vibration power generation element includes a vibration generation unit 107.
  • the vibration generating means 107 generates vibration on the diaphragm 105 when receiving the water flow 103.
  • a power generation device including a cantilever forming substrate 220 having a support portion 221 and a cantilever portion 222 and a piezoelectric conversion portion 224 formed on the cantilever portion 222 shown in FIG. 22 is known. (For example, see Japanese Patent Publication No. 2011-91319).
  • the piezoelectric conversion unit 224 includes a lower electrode 224a, a piezoelectric layer 224b, and an upper electrode 224c. Further, the power generation device is provided with a weight portion 223 that increases the amount of displacement of the cantilever portion 222 at the tip of the cantilever portion 222 on the cantilever forming substrate 220. In the power generation device, the piezoelectric conversion unit 224 generates an alternating voltage in response to the swing of the cantilever unit 222.
  • the piezoelectric converter 224 electrically connects the lower electrode 224a and the lower electrode pad 227a via the connection wiring 226a.
  • the piezoelectric conversion unit 224 electrically connects the upper electrode 224c and the upper electrode pad 227c through the connection wiring 226c.
  • the power generation device includes an insulating layer 225.
  • the insulating layer 225 prevents a short circuit between the upper electrode 224c and the lower electrode 224a.
  • the power generation device includes an insulating film 229 a on one surface side of the cantilever forming substrate 220.
  • the power generation device includes an insulating film 229 b on the other surface side of the cantilever forming substrate 220.
  • the piezoelectric conversion unit 224 generates power when the cantilever unit 222 is swung by vibration.
  • the power generation device can output the power generated by the piezoelectric conversion unit 224 from the lower electrode pad 227a and the upper electrode pad 227c.
  • the vibration power generation apparatus is required to have a higher output, and the configuration described in Japanese Patent Publication No. 2001-275370 is not sufficient, and further improvement is required.
  • the vibration power generation element provided with the weight portion 223 capable of increasing the displacement amount of the cantilever portion 222 in the power generation portion 104 as in the power generation device disclosed in Japanese Patent Publication No. 2011-91319. Can be applied.
  • an object of the present invention is to provide a vibration power generator having higher power generation efficiency.
  • the vibration power generation device of the present invention includes a vibration power generation element including a cantilever portion, a weight portion provided on a free end side of the cantilever portion, and a piezoelectric conversion portion that generates power by receiving stress generated by the swinging of the cantilever portion, and a fluid
  • the cantilever portion of the vibration power generation element is configured to form at least a part of a through-hole through which the free end side and the fixed end side of the cantilever portion are connected in the direction of the through-hole.
  • a vibration power generation apparatus having a housing portion that is housed in the through hole, wherein the weight portion projects from the cantilever portion in a direction connecting at least the free end side and the fixed end side of the cantilever portion.
  • the tip of the weight portion is a curved surface. Therefore, in the vibration power generator, since the tip of the weight part protruding from the cantilever part forms a curved surface, there is an effect that the power generation efficiency can be further increased.
  • the housing portion has a supply port to which the fluid is supplied, a supply portion provided with a supply pipe communicating with the free end side of the cantilever portion in the through hole, and the fluid is discharged. And a discharge portion provided with a discharge pipe communicating with the fixed end side of the cantilever portion in the through hole.
  • the housing portion has an inflow amount that increases the inflow amount of the fluid on the one surface side compared to the other surface side opposite to the one surface side of the cantilever portion provided with the weight portion. It is preferable that the control unit is provided in the supply unit.
  • the inflow amount control unit preferably has a tapered shape that reduces the opening area of the supply pipe from the supply port side toward the discharge port side.
  • the housing portion may include a tapered outflow amount control unit that increases an opening area of the discharge pipe from the supply port side toward the discharge port side. preferable.
  • the vibration power generation element and the housing portion are such that the size of the gap between the cantilever portion and the inner wall of the through hole is such that the fixed end side and the free end side of the cantilever portion are It is preferable that they are different.
  • the vibration power generation element has different sizes of the gap between the fixed end side and the free end side of the cantilever part due to the bending of the cantilever part.
  • the vibration power generation element includes a stress generating film that generates stress that causes the bending in the cantilever portion.
  • the vibration power generation element includes the piezoelectric conversion portion on the other surface side opposite to the one surface side of the cantilever portion provided with the weight portion.
  • the vibration power generation element is provided with the weight portion on the upper side in the vertical direction of the cantilever portion.
  • the tip of the weight portion protruding from the cantilever portion forms a curved surface, so that it is possible to increase the power generation efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the vibration power generation apparatus of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a partial bottom view of the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3C is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4B is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4C is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5B is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5C is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5B is a main process diagram illustrating a method for
  • FIG. 6A is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to the first embodiment.
  • 6B is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 6C is a main process diagram illustrating a method for manufacturing the main part of the vibration power generation apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 7A is a schematic cross-sectional view of the vibration power generation apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 7B is a partial plan view of the vibration power generation apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 8A is a plan view showing another main part of the vibration power generator of Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
  • FIG. 9A is a plan view showing another main part of the vibration power generator of Embodiment 2.
  • FIG. 9B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 9A.
  • FIG. 10A is a plan view showing still another main part of the vibration power generator of Embodiment 2.
  • FIG. 10B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 10A.
  • FIG. 11A is a schematic cross-sectional view illustrating the vibration power generation apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 11B is a partial plan view showing the vibration power generation apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 12A is a schematic cross-sectional view showing another vibration power generator of Embodiment 3.
  • FIG. 12A is a schematic cross-sectional view showing another vibration power generator of Embodiment 3.
  • FIG. 12B is a partial plan view showing another vibration power generation apparatus according to Embodiment 3;
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing another vibration power generator of the third embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing still another vibration power generation apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view illustrating the vibration power generation apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a bottom view of a main part of the vibration power generation apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of another main part of the vibration power generation apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of another main part of the vibration power generator of Embodiment 4.
  • FIG. 19A is a schematic cross-sectional view showing the vibration power generator of Embodiment 5.
  • FIG. 19B is a partial plan view showing the vibration power generation apparatus according to the fifth embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing another vibration power generator of Embodiment 5.
  • FIG. 21 is a configuration diagram showing a conventional piezoelectric hydroelectric generator.
  • FIG. 22A is a schematic plan view showing a conventional power generation device. 22B is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 22A.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment has a vibration power generation element 10 as shown in FIG.
  • the vibration power generation element 10 includes a cantilever part 1b, a weight part 1c, and a piezoelectric conversion part 3.
  • the weight part 1c is provided on the free end 1ba side of the cantilever part 1b.
  • the piezoelectric conversion unit 3 generates power by receiving stress generated by the swinging of the cantilever unit 1b.
  • the vibration power generator 30 has a housing part 20.
  • the housing part 20 constitutes at least a part of a through hole 30a through which a fluid (not shown) can pass.
  • the housing unit 20 of the vibration power generator 30 generates vibration power along the direction connecting the free end 1ba side of the cantilever part 1b and the fixed end 1bb side that fixes the cantilever part 1b to the support part 1a side in the direction of the through hole 30a.
  • the cantilever part 1b in the element 10 is accommodated in the through hole 30a.
  • the tip of the weight portion 1c protruding from the cantilever portion 1b is curved 1ca in the direction in which the weight portion 1c of the vibration power generation element 10 connects at least the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever portion 1b. Is configured.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment makes it easier to generate self-excited vibration due to the flow of the fluid as compared with a vibration power generation element in which the tip of the weight portion 1c does not form the curved surface 1ca.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment can increase the power generation efficiency by facilitating the generation of self-excited vibration.
  • the fluid include air, a gas such as an appropriate gas, and a liquid such as water.
  • the housing unit 20 includes a supply unit 21.
  • the supply unit 21 has a supply port 21aa to which the fluid is supplied, and is provided with a supply pipe 21a communicating with the free end 1ba side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the housing part 20 includes a discharge part 22.
  • the discharge part 22 has a discharge port 22aa for discharging the fluid, and is provided with a discharge pipe 22a communicating with the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the fluid is efficiently supplied to the curved surface 1ca side of the weight portion 1c by supplying the fluid from the supply pipe 21a on the free end 1ba side of the cantilever portion 1b provided with the weight portion 1c. It is possible to flow.
  • the upper side of the paper surface of FIG. 1 is illustrated as a vertical upward direction.
  • the vibration power generation element 10 is disposed so that the weight portion 1c is provided on the upper side in the vertical direction of the cantilever portion 1b.
  • the vibration power generation element 10 used in the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a method for manufacturing the vibration power generation element 10 will be described with reference to FIGS. 3A to 3C, FIGS. 4A to 4C, and FIGS. 5A to 5C to 6A to 6C.
  • the vibration power generation element 10 used in the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment is a thin film type piezoelectric element manufactured using a manufacturing technology of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the vibration power generation element 10 is an SOI (Silicon) having a structure in which a buried oxide film 12c made of a silicon oxide film is sandwiched between a single crystal silicon substrate 12b and a single crystal silicon layer (active layer) 12d as a base substrate 1. on Insulator) substrate.
  • SOI substrate As the SOI substrate to be the base substrate 1, a silicon layer 12d having a (100) surface is used.
  • the vibration power generation element 10 uses an SOI substrate as the base substrate 1, the buried oxide film 12c of the SOI substrate is used as an etching stopper layer when forming the cantilever portion 1b in the manufacturing process described later. Can do. As a result, the vibration power generation element 10 can improve the thickness of the cantilever portion 1b, improve the reliability, and reduce the cost.
  • the base substrate 1 is not limited to the SOI substrate, and may be a single crystal silicon substrate, another crystal silicon substrate, a magnesium oxide (MgO) substrate, a metal substrate, a glass substrate, a polymer substrate, or the like.
  • an insulating film 12e made of a silicon oxide film is formed on the other surface 1bd side opposite to the one surface 1bc of the cantilever portion 1b provided with the weight portion 1c.
  • the vibration power generation element 10 includes a first pad electrode 8a electrically connected to the first electrode 3a1 via the first connection wiring 7a on the other surface 1bd side in the support portion 1a (see FIG. 2). .
  • the vibration power generation element 10 includes a second pad electrode 8b electrically connected to the second electrode 3a2 via the second connection wiring 7b on the other surface 1bd side in the support portion 1a.
  • the base substrate 1 in the vibration power generation element 10 of the present embodiment includes a support portion 1a including a projecting portion 1aa inclined so that the tip end portion 1ab spreads outward in plan view.
  • the base substrate 1 includes a cantilever portion 1b whose one end serving as a fixed end 1bb is swingably supported by the support portion 1a, and a weight portion 1c on the free end 1ba side of the cantilever portion 1b.
  • the support part 1a is C-shaped with a pair of protrusions 1aa in plan view.
  • the weight part 1c is made to protrude from the cantilever part 1b, and has the structure provided with the curved surface 1ca on the surface.
  • the weight portion 1c can be formed in various shapes such as a hemispherical shape and a semi-elliptical spherical shape as long as the surface has a curved surface 1ca. Further, the weight portion 1c is not limited to the case where only one cantilever portion 1b is provided, and a plurality of weight portions 1c may be provided on the cantilever portion 1b.
  • the piezoelectric conversion unit 3 functions as a power generation unit.
  • the piezoelectric conversion unit 3 is designed so that the planar size of the piezoelectric layer 3a3 is smaller than that of the first electrode 3a1.
  • the piezoelectric conversion unit 3 is designed such that the planar size of the second electrode 3a2 in contact with the piezoelectric layer 3a3 is smaller than that of the piezoelectric layer 3a3.
  • the piezoelectric conversion unit 3 has the piezoelectric layer 3a3 positioned inside the outer peripheral edge of the first electrode 3a1 and the second electrode 3a2 contacting the piezoelectric layer 3a3 inside the outer peripheral edge of the piezoelectric layer 3a3 in plan view. is doing.
  • an insulating layer 3a4 that prevents a short circuit between the first electrode 3a1 side and the second electrode 3a2 side is formed so as to cover the respective peripheral portions of the first electrode 3a1 and the piezoelectric layer 3a3.
  • the insulating layer 3a4 defines an area where the piezoelectric layer 3a3 and the second electrode 3a2 are in contact with each other in plan view. That is, the planar view shape of the insulating layer 3a4 is a frame shape along the peripheral portion of the piezoelectric layer 3a3. Thereby, the insulating layer 3a4 can prevent a short circuit between the second connection wiring 7b electrically connected to the second electrode 3a2 and the first electrode 3a1.
  • the insulating layer 3a4 is formed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be formed of a silicon nitride film, or may be a multilayer film structure as well as a single layer film.
  • the insulating layer 3a4 may be formed of an electrically insulating resin.
  • the piezoelectric conversion unit 3 and the base substrate 1 are electrically insulated by an insulating film 12e.
  • the piezoelectric transducer 3 generates power by receiving stress generated by the swinging of the cantilever 1b.
  • an electric charge bias due to stress occurs in the piezoelectric layer 3 a 3. Therefore, the piezoelectric conversion unit 3 tends to increase the power generation output as the strain of the cantilever unit 1b increases.
  • the piezoelectric conversion unit 3 uses PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) as the material of the piezoelectric layer 3a3.
  • the piezoelectric layer 3a3 is not limited to PZT as a piezoelectric material.
  • PZT-PMN Pb (Mn, Nb) O 3
  • PLZT ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ) or SBT is used.
  • (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) or the like may be used.
  • AlN, ZnO, KNN (K 0.5 Na 0.5 NbO 3 ), KN (KNbO 3 ), NN (NaNbO 3 ), or the like may be used as the piezoelectric material.
  • the first electrode 3a1 is formed of a Pt film.
  • the second electrode 3a2 is composed of a laminated film of a Ti film and an Au film.
  • the vibration power generation element 10 does not particularly limit the material and the layer structure of the first electrode 3a1 and the second electrode 3a2.
  • each of the first electrode 3a1 and the second electrode 3a2 may have a single layer structure or a multilayer structure.
  • the first electrode 3a1 may employ, for example, Au, Al, Ir, In, or the like as the electrode material of the first electrode 3a1.
  • the second electrode 3a2 may employ, for example, Mo, Al, Pt, or the like as the material of the second electrode 3a2.
  • the piezoelectric layer 3a3 is located inside the outer peripheral edge of the first electrode 3a1 in plan view. Therefore, the vibration power generation element 10 can reduce the level difference of the portion serving as the base of the second connection wiring 7b as compared with the case where the first electrode 3a1 and the piezoelectric layer 3a3 have substantially the same planar size. As a result, the vibration power generation element 10 can also increase the reliability by reducing the possibility that the second connection wiring 7b of the piezoelectric conversion unit 3 is broken as the cantilever portion 1b swings.
  • an insulating layer 3a4 for preventing a short circuit between the first electrode 3a1 and the second electrode 3a2 may be extended to the support portion 1a.
  • the vibration power generation element 10 forms all the portions of the second connection wiring 7b between the second electrode 3a2 and the second pad electrode 8b electrically connected to the second electrode 3a2 on the insulating layer 3a4.
  • the two-pad electrode 8b may be formed on a flat portion of the insulating layer 3a4 (not shown).
  • the vibration power generation element 10 can reduce the level difference of the portion serving as the base of the second connection wiring 7b, and the second electrode 3a2 and the second pad electrode 8b can be electrically connected while increasing the thickness of the piezoelectric layer 3a3. The possibility of disconnection of the second connection wiring 7b to be connected can be further reduced.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment can output the electric power generated by the piezoelectric conversion unit 3 to the outside via the first pad electrode 8a and the second pad electrode 8b.
  • FIGS. 3A to 6C show a bottom view of the vibration power generation element 10 on the upper side and a schematic cross-sectional view of a main part of the vibration power generation element 10 on the lower side in the manufacturing process in each drawing.
  • the method of manufacturing the vibration power generation element 10 is such that the insulating films 12e and 12a made of silicon oxide films are formed on the one surface side and the other surface side of the element forming substrate 11 made of the above-described SOI substrate, which becomes the base substrate 1, respectively. (See FIG. 3A).
  • the element formation substrate 11 made of an SOI substrate has a structure in which a buried oxide film 12c made of a silicon oxide film is sandwiched between a single crystal silicon substrate 12b and a single crystal silicon layer 12d.
  • the first metal film composed of the Pt layer that is the basis of the first electrode 3a1, the first connection wiring 7a, and the first pad electrode 8a is formed on the entire surface of the element forming substrate 11.
  • 24 is formed by, for example, sputtering or CVD.
  • the first metal film 24 is not limited to the Pt film, and may be, for example, an Al film or an Al—Si film.
  • the first metal film 24 may have a structure in which a Ti film is interposed as an adhesion film for improving adhesion between the Au film and the insulating film 12e.
  • the material of the adhesion film (not shown) is not limited to Ti, and for example, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN, or the like may be used.
  • a piezoelectric film (for example, a PZT film) 25 serving as a basis of the piezoelectric layer 3a3 is formed on the entire surface on one surface side of the element forming substrate 11, for example, , Sputtering method, CVD method, sol-gel method, transfer method or the like (see FIG. 3B).
  • the piezoelectric film 3a3 formed of a part of the piezoelectric film 25 is formed by patterning the piezoelectric film 25 into a predetermined shape using a photolithography technique and an etching technique ( (See FIG. 3C).
  • the piezoelectric layer 3a3 is formed on the first electrode 3a1.
  • the piezoelectric layer 3a3 is formed between the piezoelectric layer 3a3 and the first electrode 3a1, and the base layer when the piezoelectric layer 3a3 is formed.
  • the crystallinity of the piezoelectric layer 3a3 may be improved by interposing a seed layer.
  • the material for the seed layer include PLT ((Pb, La) TiO 3 ), PTO (PbTiO 3 ), and SRO (SrRuO 3 ), which are a kind of conductive oxide material.
  • the step of patterning the piezoelectric film 25 can be omitted by forming the piezoelectric layer 3a3 having a predetermined shape by the transfer method.
  • a piezoelectric film made of a ferroelectric thin film is formed in advance on one surface of a piezoelectric film forming substrate (not shown) using a sputtering method, a CVD method, a sol-gel method, or the like. deep.
  • the transfer method of the piezoelectric layer 3a3 is a state in which the piezoelectric film of the piezoelectric film forming substrate and the first metal film 24 serving as the basis of the first electrode 3a1 are arranged opposite to each other on the element forming substrate 11. Then, the laser beam is irradiated from the other surface side of the translucent piezoelectric film forming substrate. The laser light is irradiated so as to be absorbed at the interface between the piezoelectric film forming substrate and the piezoelectric film. Thereby, in the transfer method of the piezoelectric layer 3a3, a part of the piezoelectric film is peeled from the piezoelectric film forming substrate.
  • the peeled piezoelectric film can be transferred to the first metal film 24 side of the element forming substrate 11 to form the piezoelectric layer 3a3.
  • the region irradiated with the laser light is controlled so that the piezoelectric film is formed on the first metal film 24, which will be the first electrode 3a1 later in plan view, than the outer shape of the first electrode 3a1. It can be transferred to a small shape.
  • the substrate for forming the piezoelectric film is preferably a substrate having a smaller lattice constant difference from the piezoelectric film serving as the basis of the piezoelectric layer 3a3 than the element forming substrate 11, and having good lattice matching.
  • a single crystal MgO substrate, a single crystal STO (SrTiO 3 ) substrate, or the like can be used as the piezoelectric film forming substrate.
  • the laser beam for transferring a part of the piezoelectric film from the piezoelectric film forming substrate can be irradiated from, for example, a KrF excimer laser.
  • a seed layer such as PLT, PTO, or SRO for controlling the crystal orientation of the piezoelectric film may be provided between the piezoelectric film forming substrate and the piezoelectric film.
  • the seed layer can also be used as a sacrificial layer that is removed by absorbing laser light during the transfer of the piezoelectric film when part of the piezoelectric film is peeled off.
  • the unnecessary debris can be appropriately removed using an etching solution. it can.
  • the manufacturing method of the vibration power generation element 10 can reduce the manufacturing time of the vibration power generation element 10. It becomes. That is, the transfer method of the piezoelectric layer 3a3 is more time-consuming than the method of manufacturing the vibration power generation element 10 by forming the piezoelectric layer 3a3 after forming the first metal film 24 described above.
  • the formation process can be performed separately from the formation process of the first electrode 3a1.
  • the method for manufacturing the vibration power generation element 10 includes forming the piezoelectric layer 3a3 shown in FIG. 3C and then patterning the first metal film 24 into a predetermined shape by using a photolithography technique and an etching technique.
  • a first electrode 3a1, a first connection wiring 7a, and a first pad electrode 8a made of a part of one metal film 24 are formed (see FIG. 4A).
  • the first electrode 3a1, the first connection wiring 7a, and the first pad electrode 8a are formed simultaneously.
  • the first electrode 3a1, the first connection wiring 7a, and the first pad electrode 8a are not only formed simultaneously by patterning the first metal film 24, but only the first electrode 3a1 is formed. May be.
  • the first connection wiring 7a and the first pad electrode 8a may be separately formed. Further, the step of forming the first connection wiring 7a and the step of forming the first pad electrode 8a may be provided separately.
  • a reactive ion etching (RIE) method or an ion milling method can be appropriately employed.
  • the insulating layer 3a4 is formed on one surface side of the element formation substrate 11 (see FIG. 4B). .
  • a resist is applied to one surface side of the element formation substrate 11 on which the piezoelectric layer 3a3 is formed, and then the resist is patterned by a photolithography technique.
  • the element forming substrate 11 is formed by using a lift-off method in which an insulating film serving as a base of the insulating layer 3a4 is formed on the entire surface on one surface side of the element forming substrate 11 by a CVD method or the like, and then the resist is peeled off.
  • An insulating layer 3a4 is formed.
  • the step of forming the insulating layer 3a4 is not limited to the method of forming the insulating layer 3a4 using the lift-off method, and the insulating layer 3a4 may be formed by patterning using a photolithography technique and an etching technique.
  • an opening 3a4a having a rectangular shape in plan view is formed by forming the insulating layer 3a4.
  • a resist is applied to one surface side of the element formation substrate 11 on which the insulating layer 3a4 is formed, and then the resist is patterned by a photolithography technique. To do.
  • a second electrode 3a2 is formed by vapor-depositing a metal film serving as a basis of the second electrode 3a2 and performing a lift-off method for removing the resist.
  • the second connection wiring 7b and the second pad electrode 8b are formed together with the second electrode 3a2 (see FIG. 4C).
  • the second electrode 3a2 is formed using a thin film formation technique such as an electron beam (EB) vapor deposition method, a sputtering method, or a CVD method, a photolithography technique, and an etching technique, whereby the second connection wiring 7b and the second electrode 3a2. You may form simultaneously with the pad electrode 8b. Further, in the method for manufacturing the vibration power generation element 10, the second connection wiring 7b and the second pad electrode 8b are formed together with the second electrode 3a2, but not limited thereto, the second electrode 3a2 and the second connection are formed. The wiring 7b and the second pad electrode 8b may be formed separately. The second connection wiring 7b may be formed separately from the second pad electrode 8b.
  • EB electron beam
  • the manufacturing method of the vibration power generation element 10 uses a photolithographic technique and an etching technique using buffered hydrofluoric acid (BHF), and supports the support portion 1a, the cantilever portion 1b, and the weight portion from one side of the element formation substrate 11.
  • BHF buffered hydrofluoric acid
  • the insulating film 12e other than the portion to be 1c is removed.
  • the method for manufacturing the vibration power generation element 10 exposes the silicon layer 12d of the element formation substrate 11 (see FIG. 5A).
  • the silicon layer 12d in the portion where the insulating film 12e on the one surface side of the element formation substrate 11 is removed is removed by etching using the RIE method.
  • the buried oxide film 12c is exposed on the element formation substrate 11 (see FIG. 5B).
  • the manufacturing method of the vibration power generation element 10 uses the photolithography technique and the etching technique using BHF or the like, and the parts that become the support part 1a, the cantilever part 1b, and the weight part 1c from the other surface side of the element formation substrate 11
  • the other insulating film 12a is removed.
  • a part of the insulating film 12a is removed, and the single crystal silicon substrate 12b is exposed (see FIG. 5C).
  • the method for manufacturing the vibration power generation element 10 after removing a part of the insulating film 12a, a portion where the insulating film 12a is removed from the other surface side of the element forming substrate 11 is subjected to a buried oxide film by Deep-RIE method.
  • the element formation substrate 11 is etched to a predetermined depth reaching 12c. Thereby, in the element formation substrate 11, the buried oxide film 12c on the other surface side of the element formation substrate 11 is exposed (see FIG. 6A).
  • an unnecessary portion of the buried oxide film 12c is removed by etching using the RIE method, and the cantilever portion 1b is configured to be swingable from the support portion 1a (see FIG. 6B).
  • the insulating film 12a in the portion constituting the weight portion 1c is removed.
  • an etching mask is formed in advance on the other surface side of the element forming substrate 11 except for the edge portion of the portion constituting the weight portion 1 c to be etched.
  • the edge portion of the portion constituting the weight portion 1c is etched to protrude from the cantilever portion 1b in the direction connecting the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever portion 1b.
  • the curved surface 1ca can be formed at the tip of the weight portion 1c (see FIG. 6C).
  • the curved surface 1ca is formed at the tip of the weight portion 1c.
  • the weight portion 1c is obtained by using an etching solution obtained by diluting hydrofluoric acid and nitric acid with acetic acid. What is necessary is just to etch the edge part of the site
  • the shape of the weight portion 1c can be adjusted by forming an etching mask in an appropriate shape in advance in a portion constituting the weight portion 1c.
  • the first support portion 1a of the vibration power generation element 10 is provided on the one surface 1bc side of the cantilever part 1b in the vibration power generation element 10 formed by the method for manufacturing the vibration power generation element 10 described above.
  • the cover substrate 20a is fixed.
  • the second cover substrate 20b is fixed to the support portion 1a of the vibration power generation element 10 on the other surface 1bd side of the cantilever portion 1b.
  • the first cover substrate 20a has a C shape in a cross section perpendicular to the direction connecting the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever portion 1b, and has a half-tubular shape as a whole.
  • the second cover substrate 20b has a C-shape in a cross section perpendicular to the direction connecting the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever portion 1b, and has a half-tube shape as a whole.
  • the first cover substrate 20a, a part of the vibration power generation element 10, and the second cover substrate 20b constitute a housing portion 20.
  • the first cover substrate 20a, the vibration power generation element 10, and the second cover substrate 20b constitute a through hole 30a through which the fluid can pass.
  • the housing part 20 accommodates the cantilever part 1b in the through hole 30a along the direction connecting the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the direction of the through hole 30a.
  • the first cover substrate 20a forms a displacement space between the base substrate 1 and the cantilever portion 1b and the weight portion 1c on the vibration power generation element 10 side.
  • the first cover substrate 20a may be a glass substrate or a silicon substrate provided with a groove portion that constitutes a part of the through hole 30a through which the fluid can pass.
  • the second cover substrate 20b forms a displacement space between the base substrate 1 and the cantilever portion 1b on the vibration power generation element 10 side.
  • a glass substrate or a silicon substrate provided with a groove part constituting a part of the through hole 30a through which the fluid can be passed may be used.
  • the second cover substrate 20b is appropriately provided with a contact electrode (not shown) that can be connected to the first pad electrode 8a and the second pad electrode 8b of the vibration power generation element 10 and output to the outside. You can do it.
  • the first cover substrate 20a and the vibration power generation element 10 can be bonded by, for example, a room temperature bonding method, a resin bonding method using an epoxy resin, an anodic bonding method, or the like.
  • the second cover substrate 20b and the vibration power generation element 10 can be bonded by, for example, a room temperature bonding method, a resin bonding method using an epoxy resin, an anodic bonding method, or the like.
  • the housing portion 20 uses not only the first cover substrate 20a, the vibration power generation element 10 and the second cover substrate 20b to form the through hole 30a, but also the first cover substrate 20a and the second cover.
  • the substrate 20b may constitute the through hole 30a.
  • the housing part 20 is not restricted only to a rectangular tube shape, and can be various shapes such as a cylindrical shape.
  • the first cover is applied to the base substrate 1 that has been processed into the element formation substrate 11 shown in FIG. 6C.
  • a first cover joining step for joining the substrates 20a is performed.
  • the method for manufacturing the vibration power generation apparatus 30 performs the second cover bonding step of bonding the second cover substrate 20b to the base substrate 1 that has been processed into the element formation substrate 11.
  • the manufacturing method of the vibration power generator 30 is performed at a wafer level until the first cover bonding process and the second cover bonding process are completed, and then a dicing process is performed to divide the vibration power generation apparatus 30 into a mass-productive product.
  • the vibration power generator 30 can be manufactured.
  • the vibration power generation device 30 performs the process up to the end of processing on the element forming substrate 11 shown in FIG. 6C at the wafer level, and then performs the vibration power generation element 10 that has been subjected to the die-sync process of dividing into individual vibration power generation elements 10.
  • the vibration power generation apparatus 30 may be manufactured by being housed in the housing part 20.
  • the tip of the weight portion 1c protruding from the cantilever portion 1b forms a curved surface 1ca in the direction connecting the free end 1ba and the fixed end 1bb of the cantilever portion 1b.
  • the free end 1ba side of the cantilever part 1b is the upstream side of the fluid
  • the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b is the downstream side of the fluid.
  • the fluid flowing from the upstream flows along the curved surface 1ca provided at the tip of the weight portion 1c when passing through the through hole 30a.
  • the vibration power generator 30 has a higher flow velocity than the flow along the other surface 1bd side of the cantilever portion 1b, so that the flow of the fluid along the curved surface 1ca is faster than the second cover substrate 20b side.
  • the pressure on the one cover substrate 20a side is relatively lowered.
  • the vibration power generator 30 is displaced in a direction in which the free end 1ba side of the cantilever portion 1b approaches the first cover substrate 20a side.
  • the vibration power generator 30 tries to return the cantilever portion 1b to the original position due to the elastic force of the cantilever portion 1b.
  • the load of the weight portion 1c is applied to the free end 1ba side of the cantilever portion 1b.
  • the force which presses the weight part 1c is added to the vibration electric power generating apparatus 30 with the said fluid which flows from upstream along the curved surface 1ca provided in the front-end
  • the vibration power generator 30 tries to return the cantilever portion 1b to the original position due to the elastic force of the cantilever portion 1b.
  • the vibration power generation apparatus 30 is piezoelectrically converted as compared with a case where a vibration power generation element in which the cantilever portion 1b is self-excited and the tip portion does not have the weight portion 1c having the curved surface 1ca by repeating such an operation. It is considered that the amount of displacement of the portion 3 can be increased to further increase the power generation efficiency.
  • the vibration power generator 30 generates self-excited vibration in the cantilever portion 1b due to a pressure difference between the one surface 1bc side and the other surface 1bd side generated by the fluid, the elastic force of the cantilever portion 1b, and the like. It becomes possible.
  • the AC voltage generated in the piezoelectric conversion unit 3 becomes a sinusoidal AC voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric conversion unit 3.
  • the vibration power generation apparatus 30 can generate power using the self-excited vibration generated by the fluid flowing through the through-hole 30a.
  • the vibration power generator 30 can adjust the resonance frequency of self-excited vibration by appropriately selecting the structure, size, material, and the like of the cantilever part 1b, the weight part 1c, and the piezoelectric conversion part 3.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment includes a rectifier circuit configured by a two-phase full-wave rectifier circuit that rectifies the two-phase alternating current output from the first pad electrode 8a and the second pad electrode 8b of the vibration power generation element 10. A portion (not shown) may be provided.
  • the vibration power generator 30 can also be provided with a storage element (not shown) that is electrically connected to both ends of the output end of the rectifier circuit unit.
  • the vibration power generation apparatus 30 may appropriately include a DC / DC conversion unit between the power storage element and a load connected to the vibration power generation apparatus 30.
  • the DC / DC converter can be configured to appropriately increase or decrease the voltage supplied to the load side according to the capacity of the load.
  • the vibration power generation apparatus 30 of this embodiment shown in FIGS. 7A and 7B is different from the first embodiment of FIG. 1 in that the structure of the vibration power generation element 10 and the entire vibration power generation element 10 are accommodated in the through hole 30a of the housing portion 20.
  • symbol is attached
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment includes the vibration power generation element 10 as shown in FIGS. 7A and 7B.
  • the vibration power generation element 10 includes a cantilever portion 1b, a weight portion 1c, and a piezoelectric conversion portion 3.
  • the weight part 1c is provided on the free end 1ba side of the cantilever part 1b.
  • the piezoelectric conversion unit 3 generates power by receiving stress generated by the swinging of the cantilever unit 1b.
  • the vibration power generator 30 has a housing part 20.
  • the housing part 20 includes a through hole 30a through which a fluid can pass.
  • the housing part 20 of the vibration power generation apparatus 30 has the cantilever part 1b of the vibration power generation element 10 in the through hole 30a along the direction connecting the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the direction of the through hole 30a. It is stored.
  • the tip of the weight portion 1c protruding from the cantilever portion 1b is curved 1ca in the direction in which the weight portion 1c of the vibration power generation element 10 connects at least the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever portion 1b. Is configured.
  • the housing unit 20 includes a supply unit 21.
  • the supply unit 21 has a supply port 21aa to which the fluid is supplied, and is provided with a supply pipe 21a communicating with the free end 1ba side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the housing part 20 includes a discharge part 22.
  • the discharge part 22 has a discharge port 22aa for discharging the fluid, and is provided with a discharge pipe 22a communicating with the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the vibration power generation device 30 of the present embodiment can obtain a power generation output from the piezoelectric conversion unit 3 as the cantilever portion 1b swings, similarly to the vibration power generation device 30 of the first embodiment.
  • the vibration electric power generating apparatus 30 of this embodiment it has illustrated by making the upper side of the paper surface of FIG.
  • the vibration power generation element 10 is disposed so that the weight portion 1c is provided on the upper side in the vertical direction as the surface side of the cantilever portion 1b.
  • the vibration power generation device 30 of the present embodiment houses the vibration power generation element 10 in the housing part 20.
  • a fixed end 1bb opposite to the free end 1ba side of the cantilever portion 1b provided with the weight portion 1c is fixed to the support portion 1a by an adhesive or the like.
  • the vibration power generation apparatus 30 may fix the vibration power generation element 10 to a support portion 1 a provided in advance in the housing portion 20 as appropriate.
  • the vibration power generation element 10 includes a flat metal plate constituting the first electrode 3a1, a piezoelectric layer 3a3 formed on the metal plate, and the piezoelectric layer 3a3.
  • the cantilever part 1b is comprised with the flat metal plate which comprises the formed 2nd electrode 3a2.
  • the cantilever portion 1 b also serves as the piezoelectric conversion portion 3.
  • the vibration power generation element 10 of the vibration power generation apparatus 30 in FIGS. 7A and 7B is a thin film type piezoelectric element manufactured by using the MEMS manufacturing technique in the vibration power generation element 10 in the first embodiment of FIG.
  • a bulk type piezoelectric element using a bulk piezoelectric material is formed as the body layer 3a3.
  • the vibration power generation element 10 has a hemispherical weight 1c protruding from the cantilever part 1b on the upper side in the vertical direction of the cantilever part 1b.
  • the weight portion 1c can be formed by fixing a weight portion 1c made of a metal material or the like formed separately from the cantilever portion 1b using an adhesive or the like.
  • the vibration power generator 30 has a cantilever portion due to the pressure difference between the one surface 1bc side and the other surface 1bd side generated by the fluid, the elastic force of the cantilever portion 1b, and the like. It becomes possible to generate self-excited vibration in 1b.
  • wiring is appropriately provided to generate electric power by the piezoelectric conversion unit 3 and to output electric power output from the first electrode 3a1 and the second electrode 3a2 to the housing unit. What is necessary is just to comprise so that it can take out of 20 outside.
  • the vibration power generation apparatus 30 may be configured with an insulating film as necessary so that the first electrode 3a1 and the second electrode 3a2 of the vibration power generation element 10 are not short-circuited.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment uses a vibration power generation element 10 in which a hemispherical weight portion 1c protrudes from the cantilever portion 1b on the lower side in the vertical direction of the cantilever portion 1b. It may be configured.
  • the vibration power generation apparatus 30 according to the present embodiment has a MEMS manufacturing technique in which a hemispherical weight 1c protrudes from the cantilever 1b on the lower side in the vertical direction of the cantilever 1b. You may comprise using the vibration electric power generation element 10 manufactured using.
  • FIGS. 9A and 9B the vibration power generation apparatus 30 according to the present embodiment has a MEMS manufacturing technique in which a hemispherical weight 1c protrudes from the cantilever 1b on the lower side in the vertical direction of the cantilever 1b. You may comprise using the vibration electric power generation element 10 manufactured using.
  • the vibration power generator 30 of the present embodiment projects a hemispherical weight 1c from the cantilever 1b on the upper side in the vertical direction of the cantilever 1b, and the cantilever is supported by the support 1a. It can also comprise using the vibration electric power generation element 10 which inclined the part 1b with respect to the perpendicular direction and a horizontal direction.
  • the vibration power generation element 10 and the housing portion 20 have a size of a gap between the cantilever portion 1b and the inner wall 20aa of the through hole 30a.
  • the cantilever portion 1b can be different between the fixed end 1bb side and the free end 1ba side.
  • the vibration power generation device 30 using the vibration power generation element 10 shown in FIGS. 10A and 10B compared with the vibration power generation device 30 in FIGS. 7A and 7B, the one surface 1bc side and the other surface 1bd of the cantilever portion 1b generated by the fluid. It becomes possible to generate the pressure difference with the side more stably.
  • the vibration power generation device 30 of the present embodiment includes an inflow amount control unit 23 that controls the inflow amount of fluid to the supply unit 21 of the housing unit 20 as compared with the vibration power generation device 30 of the second embodiment.
  • the differences are mainly different.
  • symbol is attached
  • the vibration power generation apparatus 30 of this embodiment includes a supply unit 21 in the housing unit 20.
  • the supply unit 21 has a supply port 21aa through which a fluid is supplied, and is provided with a supply pipe 21a communicating with the free end 1ba side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the vibration power generation apparatus 30 includes a discharge part 22 in the housing part 20.
  • the discharge part 22 has a discharge port 22aa for discharging the fluid, and is provided with a discharge pipe 22a communicating with the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the vibration power generation element 10 having the same configuration as that of the vibration power generation element 10 of the second embodiment shown in FIGS.
  • the size of the gap between the cantilever portion 1b and the inner wall 20aa of the through hole 30a between the vibration power generation element 10 and the housing portion 20 of the vibration power generation device 30 is such that the fixed end 1bb side and the free end 1ba of the cantilever portion 1b. It is different on the side.
  • the free end 1ba side of the cantilever part 1b is shifted to the support part 1a side from the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the thickness direction of the cantilever part 1b.
  • the housing unit 20 includes the inflow amount control unit 23 in the supply unit 21.
  • the inflow amount control unit 23 increases the inflow amount of the fluid on the one surface 1bc side as compared with the other surface 1bd side opposite to the one surface 1bc side on the cantilever portion 1b provided with the weight portion 1c.
  • the supply unit 21 including the inflow amount control unit 23 is formed integrally with the housing unit 20. The inflow amount control unit 23 reduces the opening area of the supply pipe 21a from the supply port 21aa side toward the discharge port 22aa side.
  • the vibration power generator 30 of this embodiment can flow more fluids along the curved surface 1ca side of the weight portion 1c than the vibration power generator 30 of the second embodiment. Therefore, the vibration power generator 30 of this embodiment has a larger pressure difference between the one surface 1bc side and the other surface 1bd side generated by the fluid than the vibration power generator 30 of the second embodiment. It becomes possible to do.
  • the inflow amount control unit 23 is not limited to being formed integrally with the housing unit 20, and may be formed separately from the housing unit 20. As shown in FIGS. 12A and 12B, the inflow amount control unit 23 may be configured to fix the inflow amount control unit 23 having a triangular prism shape to the housing unit 20 using an adhesive or the like. Moreover, the inflow amount control part 23 is not restricted only to the structure provided with the inclined plane shown to FIG. 12A, 12B.
  • the inflow amount control unit 23 may have a structure formed of a part of a columnar shape in which only the surface on the supply port 21aa side has a curved surface as shown in FIG.
  • the inflow rate control unit 23 may have a structure in which a semi-cylindrical inflow rate control unit 23 is provided in the supply unit 21.
  • a fluid (see an arrow of a one-dot chain line in FIG. 14) flows along the surface of the semi-cylindrical inflow control unit 23, and a larger amount of the fluid flows on the curved surface of the weight portion 1 c. It can be along the 1ca side.
  • the vibration power generation apparatus 30 according to the present embodiment is not limited to the vibration power generation element 10 having the same configuration as that of the vibration power generation element 10 according to the second embodiment illustrated in FIGS. 10A and 10B.
  • the vibration power generation element 30 according to the first embodiment illustrated in FIG. You may use the thing of the structure similar to the electric power generation element 10.
  • FIG. When the vibration power generation device 10 according to the first embodiment illustrated in FIG. 6C is used, the vibration power generation device 30 according to the present embodiment uses the tip end portion 1ab that is inclined so as to spread outward in the vibration power generation device 10 as the inflow amount control unit 23. It can also be used.
  • the vibration power generation apparatus 30 according to the present embodiment illustrated in FIG. 15 is mainly different from the vibration power generation apparatus 30 according to the third embodiment illustrated in FIG. 14 in the structure of the supply unit 21 including the inflow control unit 23.
  • symbol is attached
  • the vibration power generation apparatus 30 of this embodiment includes a supply unit 21 in the housing unit 20.
  • the supply unit 21 has a supply port 21aa to which a fluid (see an arrow of a one-dot chain line in FIG. 15) is supplied, and a supply pipe 21a communicating with the free end 1ba side of the cantilever part 1b in the through hole 30a is provided.
  • the vibration power generation apparatus 30 includes a discharge part 22 in the housing part 20.
  • the discharge part 22 has a discharge port 22aa for discharging the fluid, and is provided with a discharge pipe 22a communicating with the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the housing unit 20 includes an inflow amount control unit 23 in the supply unit 21.
  • the inflow amount control unit 23 increases the inflow amount of the fluid on the one surface 1bc side as compared with the other surface 1bd side opposite to the one surface 1bc side on the cantilever portion 1b provided with the weight portion 1c.
  • the housing portion 20 includes the tapered supply portion 21 that reduces the opening area of the supply pipe 21a from the supply port 21aa side toward the discharge port 22aa side.
  • the vibration power generation element 10 is provided with the weight portion 1c on the upper side in the vertical direction of the cantilever portion 1b.
  • the vibration power generation element 10 is a bottom view of the vibration power generation element 10 in FIG.
  • the vibration power generation apparatus 30 bends the cantilever part 1b with its own weight of the weight part 1c and, together with the inflow control part 23, the other surface 1bd side opposite to the one surface 1bc side of the cantilever part 1b provided with the weight part 1c. As compared with the above, the inflow amount of the fluid on the one surface 1bc side may be increased.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment can also be configured using the vibration power generation element 10 having the structure shown in FIG. Moreover, the vibration power generation apparatus 30 of this embodiment can also be comprised using the vibration power generation element 10 shown in FIG.
  • the vibration power generation element 10 shown in FIG. 18 includes a stress generating film 4 that generates stress that causes the cantilever portion 1b to bend in the cantilever portion 1b.
  • the stress generating film 4 is provided on the piezoelectric conversion portion 3 of the cantilever portion 1b.
  • the stress generating film 4 can be formed by, for example, a SiO 2 film or a Si 3 N 4 film formed on the piezoelectric conversion portion 3.
  • the stress generating film 4 can control the stress that causes the cantilever portion 1b to bend by adjusting the material of the stress generating film 4, the thickness of the stress generating film 4, and the like.
  • the size of the gap between the cantilever portion 1b and the inner wall 20aa of the through hole 30a is such that the fixed end 1bb side and the free end 1ba side of the cantilever portion 1b. It will be different.
  • the vibration power generation element 10 and the housing part 20 make the size of the gap different between the fixed end 1 bb side and the free end 1 ba side of the cantilever part 1 b, whereby the curved surface 1 ca of the weight part 1 c. It is also possible to increase the amount of the fluid that comes into contact with the fluid.
  • the stress generating film 4 may be provided on the cantilever portion 1b, and may be provided on the one surface 1bc side of the cantilever portion 1b, or may be provided on the other surface 1bd side of the cantilever portion 1b.
  • the stress generating film 4 may be provided on both the one surface 1bc side and the other surface 1bd side of the cantilever portion 1b.
  • the vibration power generation apparatus 30 separately forms the stress generating film 4 that causes the cantilever portion 1b to bend.
  • the cantilever portion 1b itself can be selected by appropriately selecting the material and the film thickness constituting the vibration power generation element 10. It is also possible to provide an initial deflection that causes deflection.
  • the vibration power generation device 30 may use the vibration power generation element 10 described in the first or second embodiment as the vibration power generation element 10.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment may be configured by replacing the configuration other than the structure of the supply unit 21 including the inflow control unit 23 of the present embodiment with an appropriate configuration of the first to third embodiments. .
  • the vibration power generation apparatus 30 of this embodiment shown in FIG. 19 is mainly different from the third embodiment of FIGS. 11A and 11B in the structure of the discharge part 22 of the housing part 20.
  • symbol is attached
  • the vibration power generation apparatus 30 of this embodiment includes a supply unit 21 in the housing unit 20.
  • the supply unit 21 has a supply port 21aa to which the fluid is supplied, and is provided with a supply pipe 21a communicating with the free end 1ba side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the vibration power generation apparatus 30 includes a discharge part 22 in the housing part 20.
  • the discharge part 22 has a discharge port 22aa for discharging the fluid, and is provided with a discharge pipe 22a communicating with the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the through hole 30a.
  • the housing unit 20 includes an inflow amount control unit 23 in the supply unit 21.
  • the inflow amount control unit 23 increases the inflow amount of the fluid on the one surface 1bc side as compared with the other surface 1bd side opposite to the one surface 1bc side on the cantilever portion 1b provided with the weight portion 1c.
  • the housing unit 20 includes the outflow amount control unit 26 in the discharge unit 22.
  • the outflow amount control unit 26 increases the outflow amount of the fluid on the one surface 1bc side as compared with the other surface 1bd side opposite to the one surface 1bc side on the cantilever portion 1b provided with the weight portion 1c.
  • the housing unit 20 includes the outflow amount control unit 26 that increases the opening area of the discharge pipe 22a from the supply port 21aa toward the discharge port 22aa.
  • the outflow amount control unit 26 can be formed in the same manner as the inflow amount control unit 23.
  • the discharge unit 22 is not limited to the one having the outflow amount control unit 26 having an inclined plane shown in FIGS. 19A and 19B.
  • the discharge unit 22 may include a tapered outflow amount control unit 26 that increases the opening area of the discharge pipe 22a from the supply port 21aa side to the discharge port 22aa side, as shown in FIG.
  • the vibration power generation apparatus 30 illustrated in FIG. 20 can discharge the fluid to the outside more efficiently than the vibration power generation apparatus 30 illustrated in FIGS. 19A and 19B. Therefore, the vibration power generation apparatus 30 shown in FIG. 20 can further increase the power generation efficiency as compared with the vibration power generation apparatus 30 shown in FIGS. 19A and 19B.
  • the vibration power generation apparatus 30 of the present embodiment may be configured by replacing the structure other than the structure of the discharge part 22 of the housing part 20 of the present embodiment with the appropriate structure of the first, second, and fourth embodiments. Good. While several preferred embodiments of the present invention have been described above, various modifications and variations can be made by those skilled in the art without departing from the true spirit and scope of the present invention, that is, the claims.

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Abstract

　カンチレバー部とカンチレバー部の自由端側に設ける錘部とカンチレバー部の揺動により発電する圧電変換部とを備えた振動発電素子と、流体を通すことが可能な貫通孔の少なくとも一部を構成し貫通孔の方向にカンチレバー部の自由端側と固定端側とを結ぶ方向を沿わせてカンチレバー部を貫通孔に収納させるハウジング部とを有し、錘部は、少なくともカンチレバー部の自由端側と固定端側とを結ぶ方向において、カンチレバー部から突出する錘部の先端が曲面を構成する振動発電装置を提供する。

Description

振動発電装置
　本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子を用いた振動発電装置に関する。
　近年、振動発電装置は、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。振動発電装置は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子を有している。
　この種の振動発電装置としては、図２１に示す、振動板１０５に固定され振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電素子１０６を備えた発電部１０４を、貫通孔１０２内に設置した圧電水力発電装置１０１が知られている（たとえば、日本国特許公開２００１－２７５３７０号公報を参照）。
　圧電水力発電装置１０１は、発電部１０４で発電された電力を整流部１０８で整流する。整流部１０８は、ダイオード１０９で構成されている。圧電水力発電装置１０１は、整流された電力を蓄電部１１０に蓄電する。蓄電部１１０は、二次電池１１１で構成されている。なお、振動発電素子たる発電部１０４には、水流１０３を受けた際に振動板１０５に振動を発生させる振動発生手段１０７を備えている。なお、振動発電素子たる発電部１０４は、振動発生手段１０７を備えている。振動発生手段１０７は、水流１０３を受けた際に振動板１０５に振動を発生させる。
　また、振動発電素子としては、図２２に示す、支持部２２１およびカンチレバー部２２２を有するカンチレバー形成基板２２０と、カンチレバー部２２２に形成された圧電変換部２２４とを備えた発電デバイスが知られている（たとえば、日本国特許公開２０１１－９１３１９号公報を参照）。
　発電デバイスは、圧電変換部２２４が下部電極２２４ａと圧電層２２４ｂと上部電極２２４ｃとで構成されている。また、発電デバイスは、カンチレバー形成基板２２０におけるカンチレバー部２２２の先端部に、カンチレバー部２２２の変位量を大きくする錘部２２３が設けられている。発電デバイスは、カンチレバー部２２２の揺動に応じて、圧電変換部２２４が交流電圧を発生する。
　なお、圧電変換部２２４は、接続配線２２６ａを介して、下部電極２２４ａと下部電極用パッド２２７ａとを電気的に接続している。また、圧電変換部２２４は、接続配線２２６ｃを介して、上部電極２２４ｃと上部電極用パッド２２７ｃとを電気的に接続している。発電デバイスは、絶縁層２２５を備えている。絶縁層２２５は、上部電極２２４ｃと下部電極２２４ａとの短絡を防止する。
さらに、発電デバイスは、カンチレバー形成基板２２０の一表面側に絶縁膜２２９ａを備えている。発電デバイスは、カンチレバー形成基板２２０の他表面側に絶縁膜２２９ｂを備えている。
　発電デバイスは、振動によりカンチレバー部２２２が揺動することで、圧電変換部２２４が発電する。発電デバイスは、圧電変換部２２４が発電した電力を、下部電極用パッド２２７ａおよび上部電極用パッド２２７ｃから出力することができる。
　ところで、振動発電装置は、より出力の高いものが求められており、上記日本国特許公開２００１－２７５３７０号公報に記載の構成だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。振動発電装置では、たとえば、発電部１０４に、上記日本国特許公開２０１１－９１３１９号公報の発電デバイスのごとく、カンチレバー部２２２の変位量を大きくすることが可能な錘部２２３を備えた振動発電素子を応用することが考えられる。
　しかしながら、振動発電装置は、単に、発電部１０４に、発電デバイスの錘部２２３を備えた振動発電素子を応用しただけでは、流体を利用して、より発電効率を高くすることが難しい。
　そこで、本発明の目的は、発電効率がより高い振動発電装置を提供することにある。
　本発明の振動発電装置は、カンチレバー部と該カンチレバー部の自由端側に設ける錘部と上記カンチレバー部の揺動により生ずる応力を受けて発電する圧電変換部とを備えた振動発電素子と、流体を通すことが可能な貫通孔の少なくとも一部を構成し上記貫通孔の方向に上記カンチレバー部の上記自由端側と固定端側とを結ぶ方向を沿わせて上記振動発電素子における上記カンチレバー部を上記貫通孔に収納させるハウジング部とを有する振動発電装置であって、上記錘部は、少なくとも上記カンチレバー部の上記自由端側と上記固定端側とを結ぶ方向において、上記カンチレバー部から突出する上記錘部の先端が曲面を構成していることを特徴とする。したがって、振動発電装置では、カンチレバー部から突出する錘部の先端が曲面を構成していることにより、発電効率を、より高くすることが可能になるという効果がある。
　この振動発電装置において、上記ハウジング部は、上記流体が供給される供給口を有し上記貫通孔における上記カンチレバー部の上記自由端側に連通する供給管を設けた供給部と、上記流体を排出させる排出口を有し上記貫通孔における上記カンチレバー部の上記固定端側に連通する排出管を設けた排出部とを備えていることが好ましい。
　この振動発電装置において、上記ハウジング部は、上記錘部を設けた上記カンチレバー部の一表面側と反対の他表面側と比較して、上記一表面側における上記流体の流入量を多くさせる流入量制御部を、上記供給部に備えていることが好ましい。
　この振動発電装置において、上記流入量制御部は、上記供給口側から上記排出口側に向かって、上記供給管の開口面積を小さくさせるテーパー形状であることが好ましい。
　この振動発電装置において、上記ハウジング部は、上記供給口側から上記排出口側に向かって、上記排出管の開口面積を大きくさせるテーパー形状の流出量制御部を上記排出部に備えていることが好ましい。
　この振動発電装置において、上記振動発電素子と上記ハウジング部とは、上記カンチレバー部と上記貫通孔の内壁との間の隙間の大きさが、上記カンチレバー部の上記固定端側と上記自由端側とで異なっていることが好ましい。
　この振動発電装置において、上記振動発電素子は、上記カンチレバー部の撓みにより上記隙間の大きさが上記カンチレバー部の上記固定端側と上記自由端側とで異なっていることが好ましい。
　この振動発電装置において、上記振動発電素子は、上記カンチレバー部に上記撓みを生じさせる応力を発生する応力発生膜を上記カンチレバー部に備えたことが好ましい。
　この振動発電装置において、上記振動発電素子は、上記錘部を設けた上記カンチレバー部の一表面側と反対の他表面側に上記圧電変換部を備えたことが好ましい。
　この振動発電装置において、上記振動発電素子は、上記カンチレバー部における鉛直方向の上方側に上記錘部を設けていることが好ましい。
　本発明の振動発電装置では、カンチレバー部から突出する錘部の先端が曲面を構成していることにより、発電効率を、より高くすることが可能になるという効果がある。
　本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に記述する。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記述および添付図面に関連して一層良く理解されるものである。
図１は、実施形態１の振動発電装置の略断面図である。 図２は、実施形態１の振動発電装置における要部の部分底面図である。 図３Ａは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図３Ｂは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図３Ｃは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図４Ａは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図４Ｂは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図４Ｃは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図５Ａは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図５Ｂは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図５Ｃは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図６Ａは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図６Ｂは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図６Ｃは、実施形態１の振動発電装置における要部の製造方法を説明する主要工程図である。 図７Ａは、実施形態２の振動発電装置の略断面図を示す。 図７Ｂは、実施形態２の振動発電装置の部分平面図を示す。 図８Ａは、実施形態２の振動発電装置の別の要部を示す平面図である。 図８Ｂは、図８ＡのＸ－Ｘ略断面図である。 図９Ａは、実施形態２の振動発電装置の他の要部を示す平面図である。 図９Ｂは、図９ＡのＸ－Ｘ略断面図である。 図１０Ａは、実施形態２の振動発電装置の更に別の要部を示す平面図である。 図１０Ｂは、図１０ＡのＸ－Ｘ略断面図である。 図１１Ａは、実施形態３の振動発電装置を示す略断面図である。 図１１Ｂは、実施形態３の振動発電装置を示す部分平面図である。 図１２Ａは、実施形態３の別の振動発電装置を示す略断面図である。 図１２Ｂは、実施形態３の別の振動発電装置を示す部分平面図である。 図１３は、実施形態３の他の振動発電装置を示す略断面図である。 図１４は、実施形態３の更に別の振動発電装置を示す略断面図である。 図１５は、実施形態４の振動発電装置を示す略断面図である。 図１６は、実施形態４の振動発電装置の要部の底面図である。 図１７は、実施形態４の振動発電装置の別の要部の略断面図である。 図１８は、実施形態４の振動発電装置の他の要部の略断面図である。 図１９Ａは、実施形態５の振動発電装置を示す略断面図である。 図１９Ｂは、実施形態５の振動発電装置を示す部分平面図である。 図２０は、実施形態５の別の振動発電装置を示す略断面図である。 図２１は、従来の圧電水力発電装置を示す構成図である。 図２２Ａは、従来の発電デバイスを示す概略平面図である。 図２２Ｂは、図２２ＡのＡ－Ａ概略断面図である。
　（実施形態１）
　以下では、本実施形態の振動発電装置３０について図１および図６Ａ～６Ｃを用いて説明する。
　本実施形態の振動発電装置３０は、図１に示すように、振動発電素子１０を有している。振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂと、錘部１ｃと、圧電変換部３と、を備えている。錘部１ｃは、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に設けている。圧電変換部３は、カンチレバー部１ｂの揺動により生ずる応力を受けて発電する。振動発電装置３０は、ハウジング部２０を有している。ハウジング部２０は、流体（図示していない）を通すことが可能な貫通孔３０ａの少なくとも一部を構成する。振動発電装置３０のハウジング部２０は、貫通孔３０ａの方向にカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側とカンチレバー部１ｂを支持部１ａ側に固定する固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向を沿わせて振動発電素子１０におけるカンチレバー部１ｂを貫通孔３０ａに収納させている。振動発電装置３０は、振動発電素子１０の錘部１ｃが、少なくともカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向において、カンチレバー部１ｂから突出する錘部１ｃの先端が曲面１ｃａを構成している。
　これにより本実施形態の振動発電装置３０は、錘部１ｃの先端が曲面１ｃａを構成していない振動発電素子を備えたものと比較して、上記流体の流れによる自励振動を生じ易くさせる。本実施形態の振動発電装置３０は、自励振動を生じ易くさせることにより、発電効率を、より高くすることが可能となる。なお、上記流体は、たとえば、空気、適宜のガスなどの気体や水などの液体が挙げられる。
　本実施形態の振動発電装置３０では、ハウジング部２０は、供給部２１を備えている。供給部２１は、上記流体が供給される供給口２１ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に連通する供給管２１ａを設けている。また、ハウジング部２０は、排出部２２を備えている。排出部２２は、上記流体を排出させる排出口２２ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側に連通する排出管２２ａを設けている。本実施形態の振動発電装置３０では、錘部１ｃを設けたカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側の供給管２１ａから上記流体を供給させることにより、錘部１ｃの曲面１ｃａ側に効率よく上記流体を流すことが可能となる。なお、本実施形態の振動発電装置３０では、図１の紙面の上側を鉛直の上方向として図示している。振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂにおける鉛直方向の上方側に錘部１ｃが設けられるように、振動発電素子１０を配置している。
　まず、最初に本実施形態の振動発電装置３０に用いられる振動発電素子１０について、図１および図２を用いて説明する。また、振動発電素子１０の製造方法について、図３Ａ～３Ｃ、図４Ａ～４Ｃ、図５Ａ～５Ｃないし図６Ａ～６Ｃを用いて説明する。本実施形態の振動発電装置３０に用いられる振動発電素子１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の製造技術を利用して製造した薄膜型の圧電素子としている。以下、振動発電素子１０の各構成について説明する。
　振動発電素子１０は、ベース基板１として、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層（活性層）１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を利用している。なお、ベース基板１となるＳＯＩ基板としては、シリコン層１２ｄの表面が（１００）面のものを用いている。
　また、振動発電素子１０は、ベース基板１として、ＳＯＩ基板を用いているので、後述する製造時において、ＳＯＩ基板の埋込酸化膜１２ｃをカンチレバー部１ｂの形成時におけるエッチングストッパ層として利用することができる。これにより、振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの厚さの高精度化を図れるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図ることが可能となる。なお、ベース基板１は、ＳＯＩ基板に限らず、たとえば、単結晶のシリコン基板や他結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板やポリマー基板などを用いてもよい。ベース基板１は、錘部１ｃを設けるカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃと反対の他表面１ｂｄ側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｅを形成している。
　振動発電素子１０は、他表面１ｂｄ側において、第１接続配線７ａを介して第１電極３ａ１と電気的に接続された第１パッド電極８ａを支持部１ａに備えている（図２を参照）。また、振動発電素子１０は、他表面１ｂｄ側において、第２接続配線７ｂを介して第２電極３ａ２と電気的に接続された第２パッド電極８ｂを支持部１ａに備えている。
　本実施形態の振動発電素子１０におけるベース基板１は、平面視において、先端部１ａｂが外部に向かって広がるように傾斜した突出部１ａａを備えた支持部１ａを備えている。ベース基板１は、固定端１ｂｂとなる一端が支持部１ａに揺動自在に支持されたカンチレバー部１ｂと、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側の錘部１ｃとを備えている。支持部１ａは、平面視において、一対の突出部１ａａを備えたＣ字状となっている。なお、錘部１ｃは、カンチレバー部１ｂから突出させ、表面に曲面１ｃａを備えた構造としている。錘部１ｃは、表面に曲面１ｃａを備えた構造である限り、半球状や半楕円球状など種々の形状に形成することができる。また、錘部１ｃは、カンチレバー部１ｂに１個だけ設ける場合に限られず、カンチレバー部１ｂに複数個の錘部１ｃを設けてもよい。
　圧電変換部３は、発電部として機能する。圧電変換部３は、圧電体層３ａ３の平面サイズが、第１電極３ａ１よりも小さくなるように設計している。また、圧電変換部３は、圧電体層３ａ３と接触する第２電極３ａ２の平面サイズが圧電体層３ａ３よりも小さくなるように設計している。圧電変換部３は、平面視において、第１電極３ａ１における外周縁の内側に圧電体層３ａ３が位置し、圧電体層３ａ３における外周縁の内側に圧電体層３ａ３と接する第２電極３ａ２を配置している。また、圧電変換部３は、第１電極３ａ１側と第２電極３ａ２側との短絡を防止する絶縁層３ａ４が第１電極３ａ１および圧電体層３ａ３それぞれの周部を覆う形で形成されている。絶縁層３ａ４は、平面視において、圧電体層３ａ３と第２電極３ａ２との接するエリアをそれぞれ規定している。すなわち、絶縁層３ａ４の平面視形状は、圧電体層３ａ３の周部に沿った枠状としている。これにより、絶縁層３ａ４は、第２電極３ａ２と電気的に接続された第２接続配線７ｂと第１電極３ａ１との短絡を防止することができる。
　なお、絶縁層３ａ４は、シリコン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成してもよいし、単層膜だけでなく多層膜の構造としてもよい。また、絶縁層３ａ４は、電気絶縁性の樹脂により形成させてもよい。また、ベース基板１は、圧電変換部３とベース基板１とが絶縁膜１２ｅにより電気的に絶縁されている。
　圧電変換部３は、カンチレバー部１ｂの揺動により生ずる応力を受けて発電する。圧電変換部３では、応力に起因する電荷の偏りが圧電体層３ａ３に発生する。そのため、圧電変換部３は、カンチレバー部１ｂの歪が大きいほど発電出力が大きくなる傾向にある。
　本実施形態の振動発電装置３０において、圧電変換部３は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を圧電体層３ａ３の材料に用いている。なお、圧電体層３ａ３は、圧電材料としてＰＺＴに限らず、たとえば、ＰＺＴ－ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）やＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9）などを用いてもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）などを用いてもよい。
　ここでは、振動発電素子１０は、第１電極３ａ１をＰｔ膜により構成している。また、第２電極３ａ２は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成している。振動発電素子１０は、第１電極３ａ１および第２電極３ａ２の材料や層構造を特に限定するものではない。振動発電素子１０は、第１電極３ａ１および第２電極３ａ２それぞれを単層構造としてもよいし多層構造としてもよい。第１電極３ａ１は、第１電極３ａ１の電極材料として、たとえば、Ａｕ，Ａｌ，ＩｒやＩｎなどを採用してもよい。第２電極３ａ２は、第２電極３ａ２の材料として、たとえば、Ｍｏ，ＡｌやＰｔなどを採用してもよい。
　振動発電素子１０は、平面視において、第１電極３ａ１の外周縁の内側に圧電体層３ａ３が位置している。そのため、振動発電素子１０は、第１電極３ａ１と圧電体層３ａ３とが略同じ平面サイズである場合に比べて、第２接続配線７ｂの下地となる部分の段差を低減できる。これにより、振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの揺動に伴い圧電変換部３の第２接続配線７ｂに断線が生ずる恐れを低減させて、信頼性を高めることも可能となる。
　また、振動発電素子１０は、第１電極３ａ１と、第２電極３ａ２との短絡を防止する絶縁層３ａ４が、支持部１ａ上まで延設されていてもよい。振動発電素子１０は、第２電極３ａ２と第２電極３ａ２に電気的に接続される第２パッド電極８ｂとの間の第２接続配線７ｂの全ての部位を絶縁層３ａ４上に形成し、第２パッド電極８ｂを絶縁層３ａ４の平坦な部位上に形成してもよい（図示していない）。これにより、振動発電素子１０は、第２接続配線７ｂの下地となる部分の段差を低減でき、圧電体層３ａ３の膜厚を大きくしながらも第２電極３ａ２と第２パッド電極８ｂとを電気的に接続する第２接続配線７ｂの断線の可能性をより低減することができる。
　本実施形態の振動発電装置３０は、圧電変換部３で発電した電力を第１パッド電極８ａと第２パッド電極８ｂとを介して外部に出力させることができる。
　以下、本実施形態の振動発電装置３０に用いられる振動発電素子１０の製造方法について図３Ａ～３Ｃ、図４Ａ～４Ｃ、図５Ａ～５Ｃおよび図６Ａ～６Ｃを参照しながら説明する。図３Ａないし図６Ｃは、各図における製造工程において、上側に振動発電素子１０の底面図を図示し、下側に振動発電素子１０の要部の略断面図を図示している。
　まず、振動発電素子１０の製造方法は、ベース基板１となる上述のＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１の一面側および他面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｅ，１２ａを熱酸化法などにより形成する（図３Ａを参照）。なお、ＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１は、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造としている。
　その後、振動発電素子１０の製造方法では、素子形成基板１１の一面側の全面に第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａの基礎となるＰｔ層からなる第１の金属膜２４を、たとえば、スパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する。第１の金属膜２４は、Ｐｔ膜に限らず、たとえば、Ａｌ膜やＡｌ－Ｓｉ膜でもよい。また、第１の金属膜２４は、Ａｕ膜に加え、このＡｕ膜と絶縁膜１２ｅとの間に密着性改善用の密着膜としてＴｉ膜を介在させた構成としてもよい。ここで、図示していない密着膜の材料は、Ｔｉに限らず、たとえば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮやＴａＮなどを用いてもよい。振動発電素子１０の製造方法は、第１の金属膜２４の形成後、素子形成基板１１の一面側の全面に圧電体層３ａ３の基礎となる圧電膜（たとえば、ＰＺＴ膜など）２５を、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法や転写法などにより形成する（図３Ｂを参照）。
　次に、振動発電素子１０の製造方法では、フォト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膜２５を所定の形状にパターニングすることで圧電膜２５の一部からなる圧電体層３ａ３を形成する（図３Ｃを参照）。なお、振動発電素子１０は、第１電極３ａ１上に圧電体層３ａ３を形成しているが、圧電体層３ａ３と第１電極３ａ１との間に、圧電体層３ａ３の成膜時の下地となるシード層を介在させることで圧電体層３ａ３の結晶性を向上させてもよい。シード層の材料としては、たとえば、導電性酸化物材料の一種であるＰＬＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3）やＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3）などが挙げられる。
　また、振動発電素子１０の製造方法では、所定の形状の圧電体層３ａ３を転写法で形成することで、圧電膜２５をパターニングする工程を省略することもできる。圧電体層３ａ３の転写法では、たとえば、予め、図示しない圧電膜形成用基板の一表面上にスパッタ法、ＣＶＤ法やゾルゲル法などを用いて強誘電体薄膜からなる圧電膜を成膜させておく。次に、圧電体層３ａ３の転写法は、圧電膜形成用基板の圧電膜と、素子形成基板１１に上述の第１電極３ａ１の基礎となる第１の金属膜２４とを対向配置させた状態で、透光性の圧電膜形成用基板の他表面側からレーザ光を照射させる。レーザ光は、圧電膜形成用基板と、圧電膜との界面で吸収するように照射させる。これにより、圧電体層３ａ３の転写法では、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部が剥離される。剥離した圧電膜は、素子形成基板１１の第１の金属膜２４側に転写されて圧電体層３ａ３とすることができる。圧電体層３ａ３の転写法は、レーザ光の照射する領域を制御することで、圧電膜を平面視において後に第１電極３ａ１となる第１の金属膜２４上に第１電極３ａ１の外形よりも小さい形状に転写することができる。
　なお、圧電膜形成用基板は、素子形成基板１１よりも圧電体層３ａ３の基礎となる圧電膜との格子定数差が小さく、格子整合性のよい基板を用いることが好ましい。たとえば、圧電膜の材料としてＰＺＴを用いた場合、圧電膜形成用基板としては、単結晶ＭｇＯ基板や単結晶ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）基板などを用いることができる。また、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部を転写させるレーザ光は、たとえば、ＫｒＦエキシマレーザから照射させることができる。さらに、圧電体層３ａ３の転写法では、圧電膜形成用基板と、圧電膜との間に、圧電膜の結晶配向を制御するためのＰＬＴ、ＰＴＯやＳＲＯなどのシード層を設けてもよい。シード層は、圧電膜の一部を剥離するに際し、圧電膜の転写時にレーザ光を吸収させて除去される犠牲層として利用することもできる。圧電体層３ａ３の転写法は、圧電膜の転写に伴い圧電膜形成用基板の不要な破片が素子形成基板１１側に付着した場合、エッチング液を用いて適宜に不要な破片を除去することができる。
　このような別途に形成させた圧電膜を転写して圧電体層３ａ３を形成する転写法を用いることにより、振動発電素子１０の製造方法では、振動発電素子１０の製造時間を短縮させることが可能となる。すなわち、圧電体層３ａ３の転写法は、上述の第１の金属膜２４の形成後に圧電体層３ａ３を成膜して振動発電素子１０を製造する方法と比較して、時間のかかる圧電膜の形成工程を第１電極３ａ１の形成工程と別途に並行して行うことができる。
　振動発電素子１０の製造方法は、図３Ｃに示した圧電体層３ａ３を形成後、フォト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の金属膜２４を所定の形状にパターニングすることで、第１の金属膜２４の一部からなる第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａを形成する（図４Ａを参照）。第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａは、同時に形成している。ここで、第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａは、第１の金属膜２４をパターニングすることで、全てを同時に形成するものだけでなく、第１電極３ａ１のみを形成してもよい。
　この場合、第１電極３ａ１を形成後、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａを別途に形成すればよい。また、第１接続配線７ａを形成する工程と、第１パッド電極８ａを形成する工程とを別々に設けてもよい。なお、第１の金属膜２４のエッチングにあたっては、たとえば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法やイオンミリング法などを適宜に採用することができる。
　振動発電素子１０の製造方法では、第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａを形成した後、素子形成基板１１の一面側に絶縁層３ａ４を形成する（図４Ｂを参照）。絶縁層３ａ４を形成する工程では、圧電体層３ａ３が形成された素子形成基板１１の一面側にレジストを塗布した後、レジストをフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板１１では、ＣＶＤ法などにより、素子形成基板１１の一面側の全面に絶縁層３ａ４の基礎となる絶縁膜を成膜した後、レジストを剥離するリフトオフ法を利用することで絶縁層３ａ４を形成している。絶縁層３ａ４を形成する工程では、リフトオフ法を用いて絶縁層３ａ４を形成する方法だけに限られず、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングにより絶縁層３ａ４を形成してもよい。素子形成基板１１の一面側には、絶縁層３ａ４の形成により、平面視矩形状の開口部３ａ４ａが形成されることになる。
　次に、振動発電素子１０の製造方法では、第２電極３ａ２を形成するため、絶縁層３ａ４の形成を行った素子形成基板１１の一面側にレジストを塗布した後、レジストをフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板１１では、第２電極３ａ２の基礎となる金属膜を蒸着して、レジストを剥離するリフトオフ法を行うことにより、第２電極３ａ２を形成させる。本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、第２電極３ａ２と併せて第２接続配線７ｂおよび第２パッド電極８ｂを形成させている（図４Ｃを参照）。なお、第２電極３ａ２は、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成することにより、第２接続配線７ｂおよび第２パッド電極８ｂと同時に形成させてもよい。また、振動発電素子１０の製造方法では、第２電極３ａ２と併せて第２接続配線７ｂおよび第２パッド電極８ｂを形成しているが、これに限らず、第２電極３ａ２と、第２接続配線７ｂと第２パッド電極８ｂとを別々に形成してもよい。また、第２接続配線７ｂは、第２パッド電極８ｂと別々に形成してもよい。
　続いて、振動発電素子１０の製造方法は、フォトリソグラフィ技術およびバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたエッチング技術を利用し、素子形成基板１１の一面側から支持部１ａ、カンチレバー部１ｂおよび錘部１ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ｅを除去する。これにより、振動発電素子１０の製造方法は、素子形成基板１１のシリコン層１２ｄを露出させる（図５Ａを参照）。
　次に、振動発電素子１０の製造方法では、素子形成基板１１における一面側の絶縁膜１２ｅを除去した部位のシリコン層１２ｄを、ＲＩＥ法を用いたエッチングにより除去する。これにより、素子形成基板１１では、埋込酸化膜１２ｃが露出する（図５Ｂを参照）。
　続いて、振動発電素子１０の製造方法は、フォトリソグラフィ技術およびＢＨＦなどを用いたエッチング技術を利用し、素子形成基板１１の他面側から支持部１ａ、カンチレバー部１ｂおよび錘部１ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ａを除去する。これにより、素子形成基板１１では、絶縁膜１２ａの一部を除去して、単結晶シリコン基板１２ｂが露出する（図５Ｃを参照）。
　続いて、振動発電素子１０の製造方法では、絶縁膜１２ａの一部を除去した後、素子形成基板１１の他面側から絶縁膜１２ａを除去した部位をＤｅｅｐ－ＲＩＥ法により、埋込酸化膜１２ｃに達する所定深さまで素子形成基板１１をエッチングする。これにより、素子形成基板１１では、素子形成基板１１における他面側の埋込酸化膜１２ｃを露出させる（図６Ａを参照）。
　次に、振動発電素子１０の製造方法は、埋込酸化膜１２ｃの不要部分をＲＩＥ法によるエッチングにより除去しカンチレバー部１ｂを支持部１ａから揺動可能に構成する（図６Ｂを参照）。
　続いて、振動発電素子１０の製造方法では、錘部１ｃを構成する部位の絶縁膜１２ａを除去する。振動発電素子１０の製造方法は、エッチングする錘部１ｃを構成する部位の縁部を除いて、予め素子形成基板１１における他面側にエッチングマスクを形成させる。振動発電素子１０の製造方法では、錘部１ｃを構成する部位の縁部をエッチングすることで、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向において、カンチレバー部１ｂから突出する錘部１ｃの先端に曲面１ｃａを形成することが可能となる（図６Ｃを参照）。振動発電素子１０の製造方法では、錘部１ｃの先端に曲面１ｃａを形成するため、たとえば、フッ酸と硝酸とを混合させたフッ硝酸を、酢酸で希釈したエッチング液を用いて、錘部１ｃを構成する部位の縁部をエッチングすればよい。エッチング液は、硝酸の比率を高くすることで、シリコン材料からなる錘部１ｃを構成する部位に曲面を形成させることが可能となる。振動発電素子１０の製造方法では、錘部１ｃを構成する部位に予め適宜の形状にエッチングマスクを形成させておくことで、錘部１ｃの形状を調整することもできる。
　本実施形態の振動発電装置３０では、上述の振動発電素子１０の製造方法で形成させた振動発電素子１０におけるカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側において、振動発電素子１０の支持部１ａに第１のカバー基板２０ａを固着させている。また、本実施形態の振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂの他表面１ｂｄ側において、振動発電素子１０の支持部１ａに第２のカバー基板２０ｂを固着させている。第１のカバー基板２０ａは、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向と直交する断面において、Ｃ字状をしており、全体として半角筒状の形状としている。同様に、第２のカバー基板２０ｂは、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向と直交する断面において、Ｃ字状をしており、全体として半角筒状の形状としている。本実施形態の振動発電装置３０は、第１のカバー基板２０ａと、振動発電素子１０の一部と、第２のカバー基板２０ｂとでハウジング部２０を構成している。ハウジング部２０は、第１のカバー基板２０ａと振動発電素子１０と第２のカバー基板２０ｂとで、上記流体を通すことが可能な貫通孔３０ａを構成している。ハウジング部２０は、貫通孔３０ａの方向にカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向を沿わせてカンチレバー部１ｂを貫通孔３０ａに収納させている。なお、第１のカバー基板２０ａは、振動発電素子１０側に、カンチレバー部１ｂおよび錘部１ｃが揺動する変位空間をベース基板１との間に形成している。第１のカバー基板２０ａは、上記流体を通すことが可能な貫通孔３０ａの一部を構成する溝部を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。
　第２のカバー基板２０ｂは、振動発電素子１０側に、カンチレバー部１ｂが揺動する変位空間をベース基板１との間に形成している。第２のカバー基板２０ｂは、上記流体を通すことが可能な貫通孔３０ａの一部を構成する溝部を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。また、第２のカバー基板２０ｂは、振動発電素子１０の第１パッド電極８ａおよび第２パッド電極８ｂと各別に接合させて外部に出力可能な連絡用電極（図示していない）を適宜に備えさせればよい。ここで、第１のカバー基板２０ａと、振動発電素子１０とは、たとえば、常温接合法、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や陽極接合法などにより接合することができる。同様に、第２のカバー基板２０ｂと、振動発電素子１０とは、たとえば、常温接合法、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や陽極接合法などにより接合することができる。
　ハウジング部２０は、第１のカバー基板２０ａと振動発電素子１０と第２のカバー基板２０ｂとを用いて、貫通孔３０ａを構成するものだけでなく、第１のカバー基板２０ａと第２のカバー基板２０ｂとで貫通孔３０ａを構成するものでもよい。また、ハウジング部２０は、角筒状の形状だけに限られるものではなく、円筒状など種々の形状することができる。
　第１のカバー基板２０ａおよび第２のカバー基板２０ｂを備えた振動発電装置３０を製造するためには、図６Ｃで示す素子形成基板１１への加工が終了したベース基板１に、第１のカバー基板２０ａを接合する第１カバー接合工程を行う。同様に、振動発電装置３０の製造方法は、素子形成基板１１への加工が終了したベース基板１に第２のカバー基板２０ｂを接合する第２カバー接合工程を行う。振動発電装置３０の製造方法は、第１カバー接合工程および第２カバー接合工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、個々の振動発電装置３０に分割するダイシング工程を行うことで量産性よく振動発電装置３０を製造することができる。
　振動発電装置３０は、図６Ｃで示す素子形成基板１１への加工が終了するまでの工程をウェハレベルで行ってから、個々の振動発電素子１０に分割するダイシンク工程を行った振動発電素子１０をハウジング部２０に収容して振動発電装置３０を製造してもよい。
　本実施形態の振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａと固定端１ｂｂとを結ぶ方向において、カンチレバー部１ｂから突出する錘部１ｃの先端が曲面１ｃａを構成している。本実施形態の振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側が上記流体の上流側、カンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側が上記流体の下流側となっている。本実施形態の振動発電装置３０では、上流から流れる上記流体が貫通孔３０ａを通る際に、錘部１ｃの先端に設けられた曲面１ｃａに沿って流れる。振動発電装置３０は、曲面１ｃａに沿った上記流体の流れがカンチレバー部１ｂの他表面１ｂｄ側に沿った流れよりも流速が速くなることで、第２のカバー基板２０ｂ側と比較して、第１のカバー基板２０ａ側の圧力が相対的に下がる。これにより、振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側が第１のカバー基板２０ａ側に近づく向きに変位する。また、振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂが一定の変位量を超えるとカンチレバー部１ｂの弾性力により、カンチレバー部１ｂが元の位置側に戻ろうとする。
　本実施形態の振動発電装置３０では、錘部１ｃの荷重がカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に掛かっている。また、振動発電装置３０は、錘部１ｃの先端に設けられた曲面１ｃａに沿って上流から流れる上記流体により、錘部１ｃを押圧する力が加わる。そのため、振動発電装置３０では、元の位置側に戻ってきたカンチレバー部１ｂを、第２のカバー基板２０ｂ側に押圧する向きに変位させる。また、振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂが一定の変位量を超えるとカンチレバー部１ｂの弾性力により、カンチレバー部１ｂが元の位置側に戻ろうとする。振動発電装置３０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１ｂが自励振動し、先端部が曲面１ｃａの錘部１ｃを有していない振動発電素子を用いる場合に比べて、圧電変換部３の変位量を大きくさせ発電効率をより高めることが可能になると考えられる。言い換えれば、振動発電装置３０は、上記流体によって発生するカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と他表面１ｂｄ側との圧力差、カンチレバー部１ｂの弾性力などによりカンチレバー部１ｂに自励振動を生じさせることが可能となる。
　本実施形態の振動発電装置３０では、圧電変換部３で発生する交流電圧が圧電変換部３の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。振動発電装置３０は、圧電変換部３が貫通孔３０ａを流れる上記流体によって生ずる自励振動を利用して発電することができる。振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂ、錘部１ｃや圧電変換部３の構造、大きさや材料などを適宜に選択することにより、自励振動の共振周波数を調整することが可能となる。
　なお、本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０の第１パッド電極８ａおよび第２パッド電極８ｂから出力される二相交流を整流する二相全波整流回路により構成される整流回路部（図示していない）を備えてもよい。また、振動発電装置３０は、整流回路部の出力端の両端間と電気的に接続させる蓄電素子（図示していない）を備えさせることもできる。さらに、振動発電装置３０は、図示していないが、蓄電素子と振動発電装置３０に接続される負荷との間にＤＣ／ＤＣ変換部を適宜に設けてもよい。ＤＣ／ＤＣ変換部は、負荷の容量に応じて、負荷側に供給する電圧を適宜に昇圧または降圧させる構成とすることができる。
　（実施形態２）
　図７Ａ，７Ｂに示す本実施形態の振動発電装置３０は、図１の実施形態１と比較し、振動発電素子１０の構造およびハウジング部２０の貫通孔３０ａに振動発電素子１０全体を収納させる点が主として相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
　本実施形態の振動発電装置３０は、図７Ａ，７Ｂに示すように、振動発電素子１０を有している。振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂと、錘部１ｃと、圧電変換部３とを備えている。錘部１ｃは、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に設けている。圧電変換部３は、カンチレバー部１ｂの揺動により生ずる応力を受けて発電する。振動発電装置３０は、ハウジング部２０を有している。ハウジング部２０は、流体を通すことが可能な貫通孔３０ａを備えている。振動発電装置３０のハウジング部２０は、貫通孔３０ａの方向にカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向を沿わせて振動発電素子１０におけるカンチレバー部１ｂを貫通孔３０ａに収納させている。振動発電装置３０は、振動発電素子１０の錘部１ｃが、少なくともカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と固定端１ｂｂ側とを結ぶ方向において、カンチレバー部１ｂから突出する錘部１ｃの先端が曲面１ｃａを構成している。
　本実施形態の振動発電装置３０では、ハウジング部２０は、供給部２１を備えている。供給部２１は、上記流体が供給される供給口２１ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に連通する供給管２１ａを設けている。また、ハウジング部２０は、排出部２２を備えている。排出部２２は、上記流体を排出させる排出口２２ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側に連通する排出管２２ａを設けている。
　本実施形態の振動発電装置３０は、実施形態１の振動発電装置３０と同様に、カンチレバー部１ｂの揺動に伴い圧電変換部３から発電出力を得ることができる。なお、本実施形態の振動発電装置３０では、図７Ａ，７Ｂの紙面の上側を鉛直の上方向として図示している。振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂにおける表面側として鉛直方向の上方側に錘部１ｃが設けられるように振動発電素子１０を配置している。これにより、本実施形態の振動発電装置３０は、錘部１ｃの自重によりカンチレバー部１ｃが撓む状態となったとしても、上記流体の流れを堰き止めることを抑制することが可能となる。
　本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０をハウジング部２０に収納している。振動発電素子１０は、接着剤などにより、錘部１ｃが設けられたカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側と反対の固定端１ｂｂを支持部１ａに固定している。振動発電装置３０はハウジング部２０に予め設けた支持部１ａに振動発電素子１０を適宜に固定すればよい。本実施形態の振動発電装置３０では、振動発電素子１０が、第１電極３ａ１を構成する平板状の金属板と、この金属板上に形成させた圧電体層３ａ３と、圧電体層３ａ３上に形成させた第２電極３ａ２を構成する平板状の金属板とでカンチレバー部１ｂを構成している。すなわち、本実施形態の振動発電装置３０の振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂが圧電変換部３を兼ねている。図７Ａ，７Ｂの振動発電装置３０の振動発電素子１０は、図１の実施形態１における振動発電素子１０がＭＥＭＳの製造技術を利用して製造した薄膜型の圧電素子であるのに対し、圧電体層３ａ３としてバルクの圧電体を利用したバルク型の圧電素子を構成している。また、振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂにおける鉛直方向の上方側にカンチレバー部１ｂから半球状の錘部１ｃを突出させている。錘部１ｃは、カンチレバー部１ｂと別途に形成させた金属材料などからなる錘部１ｃを、接着剤などを用いて固着させて形成することができる。
　本実施形態の振動発電装置３０は、実施形態１と同様、上記流体によって発生するカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と他表面１ｂｄ側との圧力差と、カンチレバー部１ｂの弾性力などによりカンチレバー部１ｂに自励振動を生じさせることが可能となる。なお、本実施形態の振動発電装置３０では、図示していないが、適宜に配線を設けて、圧電変換部３で発電し第１電極３ａ１と第２電極３ａ２とから出力される電力をハウジング部２０の外部に取り出すことが可能なように構成すればよい。振動発電装置３０は、振動発電素子１０の第１電極３ａ１と第２電極３ａ２とが短絡しないように、必要に応じて適宜に絶縁膜を構成すればよい。
　本実施形態の振動発電装置３０は、図８Ａ，８Ｂに示すように、カンチレバー部１ｂにおける鉛直方向の下方側にカンチレバー部１ｂから半球状の錘部１ｃを突出させた振動発電素子１０を用いて構成してもよい。また、本実施形態の振動発電装置３０は、図９Ａ，９Ｂに示すように、カンチレバー部１ｂにおける鉛直方向の下方側にカンチレバー部１ｂから半球状の錘部１ｃを突出させたＭＥＭＳの製造技術を利用して製造した振動発電素子１０を用いて構成してもよい。さらに、本実施形態の振動発電装置３０は、図１０Ａ，Ｂに示すように、カンチレバー部１ｂにおける鉛直方向の上方側にカンチレバー部１ｂから半球状の錘部１ｃを突出させ、支持部１ａによりカンチレバー部１ｂを鉛直方向と水平な方向に対して傾斜させた振動発電素子１０を用いて構成することもできる。図１０Ａ，Ｂに示す振動発電素子１０を用いた振動発電装置３０では、振動発電素子１０とハウジング部２０とが、カンチレバー部１ｂと貫通孔３０ａの内壁２０ａａとの間の隙間の大きさを、カンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側と自由端１ｂａ側とで異ならせることができる。図１０Ａ，Ｂに示す振動発電素子１０を用いた振動発電装置３０では、図７Ａ，７Ｂの振動発電装置３０と比較して、上記流体によって発生するカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と他表面１ｂｄ側との圧力差を、より安定的に発生させることが可能となる。
　（実施形態３）
　図１１Ａ，Ｂに示す本実施形態の振動発電装置３０は、実施形態２の振動発電装置３０と比較して、ハウジング部２０の供給部２１に流体の流入量を制御する流入量制御部２３を備えた点が主として相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
　本実施形態の振動発電装置３０は、ハウジング部２０に供給部２１を備えている。供給部２１は、流体が供給される供給口２１ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に連通する供給管２１ａを設けている。また、振動発電装置３０は、ハウジング部２０に、排出部２２を備えている。排出部２２は、上記流体を排出させる排出口２２ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側に連通する排出管２２ａを設けている。本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０として、図１０Ａ，１０Ｂに示す実施形態２の振動発電素子１０と同様の構成のものを用いている。そのため、振動発電装置３０の振動発電素子１０とハウジング部２０とは、カンチレバー部１ｂと貫通孔３０ａの内壁２０ａａとの間の隙間の大きさが、カンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側と自由端１ｂａ側とで異なっている。本実施形態の振動発電装置３０では、カンチレバー部１ｂの厚み方向において、カンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側をカンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側よりも支持部１ａ側にずらしてある。
　また、本実施形態の振動発電装置３０では、ハウジング部２０は、供給部２１に流入量制御部２３を備えている。流入量制御部２３は、錘部１ｃを設けたカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と反対の他表面１ｂｄ側と比較して、一表面１ｂｃ側における上記流体の流入量を多くさせる。ここで、本実施形態の振動発電装置３０は、流入量制御部２３を備えた供給部２１をハウジング部２０と一体に形成させている。流入量制御部２３は、供給口２１ａａ側から排出口２２ａａ側に向かって、供給管２１ａの開口面積を小さくさせている。これにより、本実施形態の振動発電装置３０は、実施形態２の振動発電装置３０と比較して、より多くの上記流体を錘部１ｃの曲面１ｃａ側に沿って流すことができる。そのため、本実施形態の振動発電装置３０は、実施形態２の振動発電装置３０と比較して、上記流体によって発生するカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と他表面１ｂｄ側との圧力差をより大きくすることが可能となる。
　流入量制御部２３は、ハウジング部２０と一体に形成させたものだけに限られず、ハウジング部２０と別体に形成させるものでもよい。流入量制御部２３は、図１２Ａ，１２Ｂに示すように、接着剤などを用いて、三角柱状の流入量制御部２３をハウジング部２０に固着させるものでもよい。また、流入量制御部２３は、図１２Ａ，１２Ｂに示す傾斜した平面を備えた構造だけに限られない。流入量制御部２３は、図１３に示すような供給口２１ａａ側の表面だけが曲面を備えた円柱状の一部からなる構造としてもよい。図１３に示す振動発電装置３０は、供給口２１ａａ側の表面だけが曲面を備えた円柱状の一部からなる構造の流入量制御部２３の表面に沿って、流体（図１３の一点鎖線の矢印を参照）が流れ、より多くの上記流体を錘部１ｃの曲面１ｃａ側に沿わすことができる。同様に、流入量制御部２３は、図１４に示すように、半円柱状の流入量制御部２３を供給部２１に備えた構造としてもよい。図１４に示す振動発電装置３０は、流体（図１４の一点鎖線の矢印を参照）が半円柱状の流入量制御部２３の表面に沿って流れ、さらに多くの上記流体を錘部１ｃの曲面１ｃａ側に沿わすことができる。
　本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０として、図１０Ａ，１０Ｂに示す実施形態２の振動発電素子１０と同様の構成のものだけに限られず、図１で示す実施形態１の振動発電素子１０と同様の構成のものを用いてもよい。本実施形態の振動発電装置３０は、図６Ｃに示す実施形態１の振動発電素子１０を用いる場合、振動発電素子１０における外部に向かって広がるように傾斜した先端部１ａｂを流入量制御部２３として利用することもできる。
　（実施形態４）
　図１５に示す本実施形態の振動発電装置３０は、図１４に示す実施形態３の振動発電装置３０と比較して、流入制御部２３を備えた供給部２１の構造が主として相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
　本実施形態の振動発電装置３０は、ハウジング部２０に供給部２１を備えている。供給部２１は、流体（図１５の一点鎖線の矢印を参照）が供給される供給口２１ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に連通する供給管２１ａを設けている。また、振動発電装置３０は、ハウジング部２０に排出部２２を備えている。排出部２２は、上記流体を排出させる排出口２２ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側に連通する排出管２２ａを設けている。
　本実施形態の振動発電装置３０では、ハウジング部２０は、供給部２１に流入量制御部２３を備えている。流入量制御部２３は、錘部１ｃを設けたカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と反対の他表面１ｂｄ側と比較して、一表面１ｂｃ側における上記流体の流入量を多くさせる。特に、本実施形態の振動発電装置３０では、ハウジング部２０は、供給口２１ａａ側から排出口２２ａａ側に向かって、供給管２１ａの開口面積を小さくさせるテーパー形状の供給部２１を備えている。
　本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０が、カンチレバー部１ｂにおける鉛直方向の上方側に錘部１ｃを設けている。なお、振動発電素子１０は、図１６に振動発電素子１０の底面図を示している。振動発電装置３０は、錘部１ｃの自重でカンチレバー部１ｂを撓ませて、流入量制御部２３と合わせて、錘部１ｃを設けたカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と反対の他表面１ｂｄ側と比較して、一表面１ｂｃ側における上記流体の流入量をより多くさせてもよい。
　ここで、本実施形態の振動発電装置３０では、図１７に示す構造の振動発電素子１０を用いて構成することもできる。また、本実施形態の振動発電装置３０は、図１８に示す振動発電素子１０を用いて構成することもできる。図１８に示す振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂに撓みを生じさせる応力を発生する応力発生膜４をカンチレバー部１ｂに備えている。図１８に示す振動発電素子１０では、応力発生膜４は、カンチレバー部１ｂの圧電変換部３に設けている。応力発生膜４は、たとえば、圧電変換部３上に形成させたＳｉＯ2膜やＳｉ3Ｎ4膜などにより形成することができる。応力発生膜４は、応力発生膜４の材料や応力発生膜４の膜厚などを調整することで、カンチレバー部１ｂに撓みを生じさせる応力を制御することが可能となる。図１８に示す振動発電素子１０では、カンチレバー部１ｂの撓みにより、カンチレバー部１ｂと貫通孔３０ａの内壁２０ａａとの間の隙間の大きさがカンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側と自由端１ｂａ側とで異なることなる。振動発電装置３０は、振動発電素子１０とハウジング部２０とが、上記隙間の大きさを、カンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側と自由端１ｂａ側とで異ならせることにより、錘部１ｃの曲面１ｃａに当接させる上記流体をより多くさせることも可能となる。なお、応力発生膜４は、カンチレバー部１ｂに備えていればよく、カンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側に設けてもよいし、カンチレバー部１ｂの他表面１ｂｄ側に設けてもよい。また、応力発生膜４は、カンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側および他表面１ｂｄ側の両方に設けてもよい。振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂに撓みを生じさせる応力発生膜４を別途に形成させているが、振動発電素子１０を構成する材料や膜厚を適宜に選択することで、カンチレバー部１ｂ自体に撓みを生じさせる初期撓みを備えさせることも可能である。
　本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０として、実施形態１や実施形態２で説明した振動発電素子１０を用いてもよい。本実施形態の振動発電装置３０は、本実施形態の流入制御部２３を備えた供給部２１の構造以外の構成を、実施形態１ないし実施形態３の適宜の構成に置き換えて構成してもよい。
　（実施形態５）
　図１９に示す本実施形態の振動発電装置３０は、図１１Ａ，１１Ｂの実施形態３と比較して、ハウジング部２０の排出部２２の構造が主として相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
　本実施形態の振動発電装置３０は、ハウジング部２０に供給部２１を備えている。供給部２１は、上記流体が供給される供給口２１ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの自由端１ｂａ側に連通する供給管２１ａを設けている。また、振動発電装置３０は、ハウジング部２０に排出部２２を備えている。排出部２２は、上記流体を排出させる排出口２２ａａを有し、貫通孔３０ａにおけるカンチレバー部１ｂの固定端１ｂｂ側に連通する排出管２２ａを設けている。
　本実施形態の振動発電装置３０では、ハウジング部２０は、供給部２１に流入量制御部２３を備えている。流入量制御部２３は、錘部１ｃを設けたカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と反対の他表面１ｂｄ側と比較して、一表面１ｂｃ側における上記流体の流入量を多くさせる。また、本実施形態の振動発電装置３０では、ハウジング部２０は、排出部２２に流出量制御部２６を備えている。流出量制御部２６は、錘部１ｃを設けたカンチレバー部１ｂの一表面１ｂｃ側と反対の他表面１ｂｄ側と比較して、一表面１ｂｃ側における上記流体の流出量を多くさせる。
　本実施形態の振動発電装置３０は、ハウジング部２０が、供給口２１ａａ側から排出口２２ａａ側に向かって、排出管２２ａの開口面積を大きくさせる流出量制御部２６を排出部２２に備えている。なお、流出量制御部２６は、流入量制御部２３と同様にして形成することができる。
　排出部２２は、図１９Ａ，１９Ｂに示す傾斜した平面を有する流出量制御部２６を備えたものだけに限られない。排出部２２は、図２０に示す、供給口２１ａａ側から排出口２２ａａ側に向かって、排出管２２ａの開口面積を大きくさせるテーパー形状の流出量制御部２６を備えたものでもよい。図２０に示す振動発電装置３０は、図１９Ａ，１９Ｂに示す振動発電装置３０と比較して、上記流体をより効率よく外部に排出させることが可能となる。そのため、図２０に示す振動発電装置３０は、図１９Ａ，１９Ｂに示す振動発電装置３０と比較して、より発電効率を大きくすることが可能となる。
　本実施形態の振動発電装置３０は、本実施形態のハウジング部２０の排出部２２の構造以外の構成を、実施形態１、実施形態２および実施形態４の適宜の構成に置き換えて構成してもよい。以上では、本発明の幾つかの好ましい実施形態について記述したが、この発明の本来の精神および範囲、即ち請求の範囲を逸脱することなく、当業者によって様々な修正や変形が可能である。

Claims (10)

  1. 　カンチレバー部と該カンチレバー部の自由端側に設ける錘部と前記カンチレバー部の揺動により生ずる応力を受けて発電する圧電変換部とを備えた振動発電素子と、流体を通すことが可能な貫通孔の少なくとも一部を構成し前記貫通孔の方向に前記カンチレバー部の前記自由端側と固定端側とを結ぶ方向を沿わせて前記振動発電素子における前記カンチレバー部を前記貫通孔に収納させるハウジング部とを有する振動発電装置であって、
    　前記錘部は、少なくとも前記カンチレバー部の前記自由端側と前記固定端側とを結ぶ方向において、前記カンチレバー部から突出する前記錘部の先端が曲面を構成していることを特徴とする振動発電装置。
  2. 　前記ハウジング部は、前記流体が供給される供給口を有し前記貫通孔における前記カンチレバー部の前記自由端側に連通する供給管を設けた供給部と、前記流体を排出させる排出口を有し前記貫通孔における前記カンチレバー部の前記固定端側に連通する排出管を設けた排出部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
  3. 　前記ハウジング部は、前記錘部を設けた前記カンチレバー部の一表面側と反対の他表面側と比較して、前記一表面側における前記流体の流入量を多くさせる流入量制御部を、前記供給部に備えていることを特徴とする請求項２に記載の振動発電装置。
  4. 　前記流入量制御部は、前記供給口側から前記排出口側に向かって、前記供給管の開口面積を小さくさせるテーパー形状であることを特徴とする請求項３に記載の振動発電装置。
  5. 　前記ハウジング部は、前記供給口側から前記排出口側に向かって、前記排出管の開口面積を大きくさせるテーパー形状の流出量制御部を前記排出部に備えていることを特徴とする請求項４に記載の振動発電装置。
  6. 　前記振動発電素子と前記ハウジング部とは、前記カンチレバー部と前記貫通孔の内壁との間の隙間の大きさが、前記カンチレバー部の前記固定端側と前記自由端側とで異なっていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の振動発電装置。
  7. 　前記振動発電素子は、前記カンチレバー部の撓みにより前記隙間の大きさが前記カンチレバー部の前記固定端側と前記自由端側とで異なっていることを特徴とする請求項６に記載の振動発電装置。
  8. 　前記振動発電素子は、前記カンチレバー部に前記撓みを生じさせる応力を発生する応力発生膜を前記カンチレバー部に備えたことを特徴とする請求項７に記載の振動発電装置。
  9. 　前記振動発電素子は、前記錘部を設けた前記カンチレバー部の一表面側と反対の他表面側に前記圧電変換部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
  10. 　前記振動発電素子は、前記カンチレバー部における鉛直方向の上方側に前記錘部を設けていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の振動発電装置。
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