JP2013135596A - 振動発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性の向上及び発電効率の向上を図ることが可能な振動発電素子を提供する。
【解決手段】振動発電素子１０は、枠状の支持部１１と、支持部１１の内側に配置された錘部１２と、錘部１２を挟んで配置され錘部１２と支持部１１とを繋いだ一対の発電部１３とを備えている。各発電部１３は、下部電極１３ａと圧電薄膜１３ｂと上部電極１３ｃとの積層構造を有し、且つ、一対の発電部１３の並設方向における錘部１２からの距離によらず幅寸法及び厚み寸法が一様な梁状に形成されており、当該並設方向に沿った振動により発電する。また、発電部１３は、下部電極１３ａにおける圧電薄膜１３ｂ側とは反対側に弾性層１３ｄを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動発電素子に関するものである。

近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置は、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目され、各所で研究開発されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、圧電振動発電機及びそれを用いた発電装置が記載されている。

ここにおいて、特許文献１には、図１０及び図１１に示す構成の圧電振動発電機１００が記載されている。

圧電振動発電機１００は、空胴１０１ａが中央に形成された支持体１０１と、空胴１０１ａの中央部に設けられ、外部振動による機械的振動によって励振される直方体の可動錘１０２と、支持体１０１と可動錘１０２との間に設けられた１対の弾性梁１０３ａ、１０３ｂとにより構成されている。ここで、支持体１０１、可動錘１０２及び弾性梁１０３ａ、１０３ｂは、シリコンにより一体で構成されている。

各弾性梁１０３ａ、１０３ｂの一端は、支持体１０１の上端に結合され、他端が可動錘１０２の上端に結合されている。また、各弾性梁１０３ａ、１０３ｂは複数の片持ち梁が折り返し連結された構造をなしている。さらに、各弾性梁１０３ａ、１０３ｂ上には、下部電極１０３１、厚さ数μｍのジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）よりなる圧電体層１０３２及び上部電極１０３３（図１１のみに図示）が形成されている。下部電極１０３１は、図示しないＡｕボンディングワイヤ等によって下部電極配線パターン１０４ａ及び下部電極パッド１０５ａ（図１０のみに図示）に接続されている。上部電極１０３３は、図示しないＡｕボンディングワイヤ等によって上部電極配線パターン１０４ｂ及び上部電極パッド１０５ｂ（図１０のみに図示）に接続されている。

さらに、支持体１０１と可動錘１０２との間には、１対の弾性梁１０６ａ、１０６ｂが設けられている。各弾性梁１０６ａ、１０６ｂは、弾性梁１０３ａ、１０３ｂと同様に折り返し構造をなしている。弾性梁１０６ａ、１０６ｂは、機械的なダンパの役目を果たしており、外部振動による過度の可動錘１０２の動きを抑制して圧電振動発電機１００の損壊を防止する。

圧電振動発電機１００は、外部振動によって可動錘１０２が変位したときに、弾性梁１０３ａ、１０３ｂが変形し、この結果、弾性梁１０３ａ、１０３ｂに設けられた圧電体層１０３２の下部電極１０３１、上部電極１０３３間に交流起電力が発生することになる。

圧電振動発電機１００は、例えば、外部振動によって可動錘１０２が上下並進変位した場合、外部振動によって可動錘１０２が左右並進変位した場合、外部振動によって可動錘１０２が角度変位した場合、それぞれで弾性梁１０３ａ、１０３ｂの変形する形状が異なる。さらに、圧電振動発電機１００は、外部振動によって可動錘１０２がせん断（ねじれ）変位すると、弾性梁１０３ａ、１０３ｂが、図１２に示す如く変形する。

圧電振動発電機１００は、弾性梁１０３ａ、１０３ｂが柔らかい折り返し構造を有するので、外部振動として多く存在する数Ｈｚから数１００Ｈｚまでの振動に対して可動錘１０２が変位して弾性梁１０３ａ、１０３ｂが変形する。

なお、特許文献１には、発電装置として、図１３に示すように、圧電振動発電機１００、整流器１２０及び蓄電器１３０が絶縁基板１４０上に実装されたものが記載されている。

特開２０１１−９７６６１号公報

上述の圧電振動発電機１００のような振動発電素子では、各弾性梁１０３ａ、１０３ｂが例えば図１２のように変形した場合に、各弾性梁１０３ａ、１０３ｂの一端付近及び折り返し付近に、応力がかかりやすく、破損しやすくなる懸念がある。また、上述の圧電振動発電機１００では、各弾性梁１０３ａ、１０３ｂそれぞれが全体として図１２のように変形したとしても、局所的にみれば、各弾性梁１０３ａ、１０３ｂそれぞれにおいて一端付近及び折り返し付近以外の部分の変形が殆ど起こらない。このため、上述の圧電振動発電機１００では、発電に寄与しない圧電体層１０３２の平面積が大きく、寄生容量が大きくなってしまう。よって、上述の圧電振動発電機１００では、発電に寄与しない圧電体層１０３２に起因した寄生容量の影響で発電効率及び発電出力が低下してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、耐久性の向上及び発電効率の向上を図ることが可能な振動発電素子を提供することにある。

本発明の振動発電素子は、枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置された錘部と、前記錘部を挟んで配置され前記錘部と前記支持部とを繋いだ一対の発電部とを備え、前記各発電部は、下部電極と圧電薄膜と上部電極との積層構造を有し、且つ、前記発電部の並設方向における前記錘部からの距離によらず幅寸法及び厚み寸法が一様な梁状に形成されてなり、前記並設方向に沿った振動により発電することを特徴とする。

この振動発電素子において、前記発電部は、前記下部電極における前記圧電薄膜側とは反対側に弾性層を有することが好ましい。

この振動発電素子において、前記支持部と前記錘部とがシリコンにより形成されてなり、前記弾性層は、シリコンよりも弾性率の小さな材料により形成されてなることが好ましい。

この振動発電素子において、前記弾性層の厚みが前記圧電薄膜の膜厚よりも小さいことが好ましい。

この振動発電素子において、前記並設方向に直交する方向で前記錘部を挟んで配置され前記錘部と前記支持部とを繋ぐ一対の補助部を備え、前記各補助部は、ばね状に形成されてなることが好ましい。

この振動発電素子において、前記錘部に、一対の前記発電部の前記上部電極どうし若しくは下部電極どうしを電気的に接続する配線層が設けられてなることが好ましい。

本発明の振動発電素子においては、耐久性の向上及び発電効率の向上を図ることが可能となる。

実施形態１の振動発電素子を示す概略斜視図である。 実施形態１の振動発電素子を示す概略平面図である。 実施形態１の振動発電素子の動作説明図である。 実施形態１の振動発電素子の他の構成例を示す概略斜視図である。 実施形態１の振動発電素子の他の構成例の動作説明図である。 実施形態２の振動発電素子を示す概略平面図である。 実施形態２の振動発電素子の他の構成例の概略平面図である。 実施形態３の振動発電素子を示す概略平面図である。 実施形態３の振動発電素子の他の構成例の概略平面図である。 従来例の圧電振動発電機を示す斜視図である。 図９のII-II線断面図である。 従来例の圧電振動発電機における弾性梁の変形を説明するための図である。 従来例の圧電振動発電機を用いた発電装置を示す斜視図である。

以下では、本実施形態の振動発電素子について図１〜図３に基づいて説明する。

振動発電素子１０は、枠状の支持部１１と、支持部１１の内側に配置された錘部１２と、錘部１２を挟んで配置され錘部１２と支持部１１とを繋いだ一対の発電部１３とを備えている。各発電部１３は、下部電極１３ａと圧電薄膜１３ｂと上部電極１３ｃとの積層構造を有し、且つ、一対の発電部１３の並設方向における錘部１２からの距離によらず幅寸法及び厚み寸法が一様な梁状に形成されており、当該並設方向に沿った振動により発電する。

また、発電部１３は、下部電極１３ａにおける圧電薄膜１３ｂ側とは反対側に弾性層１３ｄを有している。

次に、振動発電素子１０の各構成要素について詳細に説明する。

振動発電素子１０は、各発電部１３が、機械要素及び電気要素を兼ねたＭＥＭＳ（microelectro mechanical systems）である。振動発電素子１０は、特にＭＥＭＳに限定するものではない。

振動発電素子１０は、支持部１１と錘部１２とを、基板１０ａから形成することができる。この基板１０ａとしては、例えば、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることができる。

支持部１１は、枠状の形状として、矩形枠状の形状を採用することが好ましい。これにより、振動発電素子１０は、製造時に、支持部１１及び錘部１２の基礎となるウェハを準備し、このウェハから多数の振動発電素子１０を形成する前工程を行い、後工程において個々の振動発電素子１０に分離するような製造方法を採用する場合に、ダイシング工程の作業性を向上させることが可能となる。

また、支持部１１は、外周形状が矩形状であることが好ましいが、内周形状については矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状や円形状、楕円形状等の形状でもよい。また、支持部１１の外周形状は矩形状以外の形状でもよい。

錘部１２は、支持部１１の内側面から離れて配置されている。振動発電素子１０は、錘部１２の平面視形状が矩形状であり、４つの側面の全てが支持部１１から離れて位置している。要するに、錘部１２は、支持部１１と空間的に分離されている。一対の発電部１３は、基板１０ａの一表面側において、錘部１２と支持部１１とを繋ぐように配置されている。

一対の発電部１３の長さ寸法は、同じ値に設定することが好ましい。各発電部１３は、錘部１２からの距離によらず幅寸法が一様な梁状に形成されている。より具体的には、各発電部１３は、下部電極１３ａ、圧電薄膜１３ｂ及び上部電極１３ｃの幅寸法が異なっていてもよく、下部電極１３ａ、圧電薄膜１３ｂ及び上部電極１３ｃの幅寸法がそれぞれ一様となっていればよい。また、各発電部１３は、弾性層１３ｄの幅寸法が一様となっていればよい。弾性層１３ｄは、基板１０ａの上記一表面側において錘部１２および支持部１１の表面にも延設されている。

発電部１３の厚み寸法は、錘部１２からの距離によらず一様であることが好ましい。より具体的には、各発電部１３は、幅方向の両端部の厚み寸法が当該幅方向の中央部の厚み寸法と異なっていてもよく、下部電極１３ａ、圧電薄膜１３ｂ及び上部電極１３ｃの厚み寸法がそれぞれ一様となっていればよい。また、各発電部１３は、弾性層１３ｄの厚み寸法が一様となっていればよい。

各発電部１３の幅寸法は、錘部１２の矩形状の外周形状における４辺のうち、発電部１３の並設方向に直交する２辺の長さと同じ値に設定してある。発電部１３の幅寸法は、上記２辺の長さと同じに限らず、製造プロセスの観点から、上記２辺の長さよりもやや短い寸法としてもよいが、発電に寄与する領域の面積を大きくする観点から、上記２辺の長さに近い値が好ましい。

圧電薄膜１３ｂの圧電材料としては、ＰＺＴを採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ₃）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ_0.5Ｎａ_0.5ＮｂＯ₃）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ₃）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ₃）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕ等）を添加したもの等でもよい。

下部電極１３ａの材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒ等でもよい。また、上部電極１３ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。

振動発電素子１０は、弾性層１３ｄと下部電極１３ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電薄膜１３ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電薄膜１３ｂの圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ₃、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ₃等を採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ₃膜との積層膜により構成してもよい。振動発電素子１０は、緩衝層を設けることにより、圧電薄膜１３ｂの結晶性を向上させることが可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となる。

振動発電素子１０は、支持部１１と錘部１２とがシリコンにより形成されており、弾性層１３ｄが、シリコンよりも弾性率の小さな材料により形成されていることが好ましく、例えば、ＳｉＯ_２により形成されていることが好ましい。

また、振動発電素子１０は、弾性層１３ｄの厚みが圧電薄膜１３ｂの膜厚よりも小さいことが好ましい。本実施形態の振動発電素子１０では、弾性層１３ｄの厚みを８００ｎｍ、下部電極１３ａの厚みを５０ｎｍ、圧電薄膜１３ｂの膜厚を３μｍ、上部電極１３ｃの厚みを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、振動発電素子１０は、支持部１１の厚みと錘部１２の厚みとを同じ値に設定してあるが、これに限らず、例えば、支持部１１の厚みに比べて錘部１２の厚みを小さな値としてもよい。支持部１１及び錘部１２の厚みは、例えば、１００〜１０００μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。

振動発電素子１０は、支持部１１に、下部電極１３ａに第１配線部１４ａを介して電気的に接続された第１パッド１５ａと、上部電極１３ｃに第２配線部１４ｃを介して電気的に接続された第２パッド１５ｃとが設けられている。第１配線部１４ａ、第２配線部１４ｃ、第１パッド１５ａ及び第２パッド１５ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。また、第１配線部１４ａ、第２配線部１４ｃ、第１パッド１５ａ及び第２パッド１５ｃの材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。また、第１配線部１４ａ、第２配線部１４ｃ、第１パッド１５ａ及び第２パッド１５ｃは、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。

また、振動発電素子１０は、第２配線部１５ｃと下部電極１３ａとの短絡を防止する絶縁層（図示せず）を設けてある。この絶縁層は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

上述の説明から分かるように、振動発電素子１０は、枠状の支持部１１の内側に配置された錘部１２が、錘部１２を挟んで配置された一対の梁状の発電部１３により支持部１１に両持ち支持されている。

振動発電素子１０は、一対の発電部１３の並設方向に沿った錘部１２の振動によって、一対の発電部１３それぞれの圧電薄膜１３ｂにおいて互いに異なる向きのひずみを生じ、各発電部１３それぞれにおいて交流電圧が発生する。

要するに、振動発電素子１０は、一対の発電部１３の並設方向を左右方向とすれば、当該左右方向の外部振動に応じて、支持部１１に対して錘部１２が当該並設方向において相対的に振動し、各発電部１３それぞれが発電する。

ここで、振動発電素子１０は、錘部１２が図３（ａ）中の矢印Ａ１の方向に変位すると、左側の発電部１３の圧電薄膜１３ｂに圧縮方向（図３（ａ）中の矢印ｓ１１）のひずみが発生して当該左側の発電部１３が発電する。また、振動発電素子１０は、右側の発電部１３の圧電薄膜１３ｂに引張方向（図３（ａ）中の矢印ｓ１２）のひずみが発生して当該右側の発電部１３が発電する。

これに対して、振動発電素子１０は、錘部１２が図３（ｂ）中の矢印Ａ２の方向に変位すると、左側の発電部１３の圧電薄膜１３ｂに引張方向（図３（ｂ）中の矢印ｓ２１）のひずみが発生して当該左側の発電部１３が発電する。また、振動発電素子１０は、右側の発電部１３の圧電薄膜１３ｂに圧縮方向（図３（ｂ）中の矢印ｓ２２）のひずみが発生して当該右側の発電部１３が発電する。要するに、振動発電素子１０は、各発電部１３それぞれが、圧電材料の圧電効果を利用して発電する。

振動発電素子１０の各発電部１３の開放電圧は、環境振動に起因した圧電薄膜１３ｂの一面内方向（図３（ａ），（ｂ）の左右方向）の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、振動発電素子１０は、この振動発電素子１０の共振周波数と一致する環境振動（外部振動）を利用して発電することを想定している。環境振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動等、種々の環境振動がある。振動発電素子１０で発生する交流電圧の周波数は、環境振動の周波数が振動発電素子１０の共振周波数と一致する場合、振動発電素子１０の共振周波数と同じになる。

以上説明した本実施形態の振動発電素子１０は、枠状の支持部１１と、支持部１１の内側に配置された錘部１２と、錘部１２を挟んで配置され錘部１２と支持部１１とを繋いだ一対の発電部１３とを備え、各発電部１３が、下部電極１３ａと圧電薄膜１３ｂと上部電極１３ｃとの積層構造を有し、且つ、一対の発電部１３の並設方向における錘部１２からの距離によらず幅寸法及び厚み寸法が一様な梁状に形成されており、当該並設方向に沿った振動により発電する。

しかして、本実施形態の振動発電素子１０では、図１０及び図１１に示した従来の圧電振動発電機１００のように折り返し構造の各弾性梁１０３ａ、１０３ｂ上に、下部電極１０３１、圧電体層１０３２及び上部電極１０３３が形成されたものに比べて、最大変形量が小さく、且つ、各発電部１３それぞれの面内においてひずみが略均一にかかるので、耐久性の向上を図ることが可能となる。また、本実施形態の振動発電素子１０では、各発電部１３それぞれにおいて発電に寄与しない圧電薄膜１３ｂに起因した寄生容量が生成されるのを抑制することが可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となる。ここにおいて、振動発電素子１０は、圧電薄膜１３ｂを支持部１１及び錘部１２に重ならないように配置することが好ましく、これにより、圧電薄膜１３ｂ全体を発電に寄与させることが可能となり、発電効率のより一層の向上を図ることが可能となる。

振動発電素子１０は、図１〜図３に示した例のように各発電部１３の各々が弾性層１３ｄを備えた構成に限らず、図４及び図５に示すように各発電部１３が弾性層１３ｄを備えていない構成でもよい。要するに、振動発電素子１０は、図４及び図５に示すように、各発電部１３が、下部電極１３ａと圧電薄膜１３ｂと上部電極１３ｃとの積層構造により構成されたものでもよい。この場合、基板１０ａとしては、絶縁性基板が好ましく、例えば、高抵抗率のシリコン基板、ガラス基板、ＭｇＯ基板等を用いることができる。なお、高抵抗率のシリコン基板は、例えば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることが好ましく、１０００Ωｃｍ以上であることがより好ましい。図４及び図５に示した振動発電素子１０は、基板１０ａの材料や抵抗率等に応じて、基板１０ａの一表面に適宜にパターニングされた絶縁膜を設けてもよい。図４及び図５に示した構成の振動発電素子１０では、図１〜図３に示した構成の振動発電素子１０と同様、従来の圧電振動発電機１００に比べて耐久性の向上及び発電効率の向上を図ることが可能となる。

ただし、振動発電素子１０は、図１〜図３に示した構成のように、発電部１３が、下部電極１３ａにおける圧電薄膜１３ｂ側とは反対側に弾性層１３ｄを有していることが好ましい。これにより、振動発電素子１０は、錘部１２の振動に伴う錘部１２の変位及び圧電薄膜１３ｂに発生するひずみが低減されるのを抑制しながらも、下部電極１３ａと圧電薄膜１３ｂと上部電極１３ｃとの積層構造を補強することが可能となり、耐久性をより一層向上させることが可能となる。

また、振動発電素子１０は、上述のように、支持部１１と錘部１２とがシリコンにより形成されており、弾性層１３ｄが、シリコンよりも弾性率の小さな材料により形成されていることが好ましい。これにより、振動発電素子１０は、弾性層１３ｄの材料として例えばＳｉＯ_２を採用することが可能となり、弾性層１３ｄを熱酸化法やＣＶＤ法などによって形成することが可能となる。また、振動発電素子１０は、弾性層１３ｄを下部電極１３ａにおける圧電薄膜１３ｂ側とは反対側ではなく、上部電極１３ｃにおける圧電薄膜１３ｂ側とは反対側に設けてもよい。弾性層１３ｄの材料として樹脂（例えば、ポリイミド、フッ素系樹脂など）を採用する場合には、弾性層１３ｄを上部電極１３ｃにおける圧電薄膜１３ｂ側とは反対側に形成する方が容易である。

また、振動発電素子１０は、上述のように、弾性層１３ｄの厚みが圧電薄膜１３ｂの膜厚よりも小さいことが好ましい。これにより、振動発電素子１０は、弾性層１３ｄが設けられたことによって錘部１２及び発電部１３の振動が減衰するのを抑制することが可能となる。

ところで、上述の振動発電素子１０を備えた発電装置としては、例えば、振動発電素子１０と、蓄電部と、振動発電素子１０で発生する交流電圧を整流して蓄電部を充電する充電手段とを備えた構成を採用することができる。ここにおいて、振動発電素子１０は、基板１０ａの上記一表面側において支持部１１に固着された第１のカバー基板と、基板１０ａの他表面側において支持部１１に固着された第２のカバー基板とを備えた構成としてもよい。

第１のカバー基板及び第２のカバー基板としては、例えば、平面視の外形サイズが基板１０ａの外形サイズと同じガラス基板を用いることができる。したがって、第１のカバー基板及び第２のカバー基板としては、例えば、矩形板状のガラス基板を用いることができる。第１のカバー基板及び第２のカバー基板は、基板１０ａとの線膨張率差の小さな材料からなるものが好ましい。したがって、基板１０ａがシリコン基板の場合には、第１のカバー基板及び第２のカバー基板として、シリコン基板を用いるのが、より好ましい。

第１のカバー基板及び第２のカバー基板としては、基板１０ａ側の表面に、錘部１２及び各発電部１３の横方向への振動を妨げないようにするための凹部が形成されているものが好ましい。基板１０ａと第１のカバー基板及び第２のカバー基板との接合方法としては、例えば、表面活性化接合法や、陽極接合法、共晶接合法、樹脂接合法などを採用することができる。

第１のカバー基板としては、例えば、第１パッド１５ａ及び第２パッド１５ｃそれぞれを各別に露出させる開口部や切欠部を形成したものを採用することができる。また、第１のカバー基板としては、第１パッド１５ａ及び第２パッド１５ｃの両方を露出させる開口部や切欠部を形成したものを採用することもできる。また、第１のカバー基板としては、第１パッド１５ａ及び第２パッド１５ｃそれぞれに電気的に接続される貫通孔配線が形成されたものを採用することもできる。

振動発電素子１０は、支持部１１と第１のカバー基板と第２のカバー基板とで構成されるパッケージ（ここでは、チップサイズパッケージ）の内部空間を気密空間とすることが好ましく、この気密空間を不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。不活性ガス雰囲気としては、例えば、Ｎ_２ガス雰囲気が好ましい。

また、発電装置は、例えば、振動発電素子１０、蓄電部、充電手段及びこれらを収納したパッケージを備えた構成を採用することができる。

蓄電部は、例えば、コンデンサや蓄電池などにより構成することができる。また、蓄電部は、例えば、複数個（例えば、２個）のコンデンサを直列接続した構成とすることもできる。

充電手段は、全波整流回路であって、プリント基板等からなる回路基板に回路部品を実装して構成してある。全波整流回路は、例えば、回路部品である４個のダイオードがブリッジ接続されたダイオードブリッジにより構成することができる。充電手段を構成する全波整流回路は、ダイオードブリッジに限らず、例えば、両波倍電圧整流回路により構成してもよい。両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードの直列回路と２個のコンデンサの直列回路とが並列接続された回路であり、例えば回路基板に回路部品（２個のダイオードおよび２個のコンデンサ）を実装して構成することができる。要するに、両波倍電圧整流回路は、２個ダイオードと２個のコンデンサとがブリッジ接続されている。そして、両波倍電圧整流回路は、振動発電素子１０の第１のパッド１５ａどうしの接続点を、２個のダイオードの直列回路における両ダイオードの接続点に接続し、また、振動発電素子１０の第２のパッド１５ｃどうしの接続点を、２個のコンデンサの直列回路における両コンデンサの接続点に接続すればよい。また、２個のコンデンサの直列回路は、上述の蓄電部により構成すればよい。

充電手段の回路部品としては、表面実装型の電子部品（ダイオードや、コンデンサ）を用いることが好ましい。これにより、発電装置は、充電手段の回路部品として、回路基板のスルーホールへリードを挿入して実装するリード付きのものを用いる場合に比べて、薄型化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、振動発電素子１０及び蓄電部を充電手段の回路基板に実装してあることが好ましい。これにより、発電装置は、部品点数の削減を図れる。

本実施形態の振動発電素子１０は、従来の圧電振動発電機１００よりも最大変形量が小さく、且つ、錘部１２及び各発電部１３が気体の抵抗を受けにくい方向の振動により発電するので、パッケージの薄型化を図れ、且つ、パッケージを備えた振動発電素子あるいは発電装置の出力の低下を抑制することが可能となる。

要するに、振動発電素子１０あるいは発電装置は、パッケージを備えた構成とした場合でも、錘部１２及び各発電部１３の振動を抑制するスクイーズフィルム効果によるダンピングを抑制することが可能となり、パッケージを備えたことによる出力の低下を抑制することが可能となる。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の振動発電素子１０について図６に基づいて説明する。

本実施形態の振動発電素子１０は、実施形態１の振動発電素子１０と略同じ構成であり、一対の発電部１３の並設方向に直交する方向で錘部１２を挟んで配置され錘部１２と支持部１１とを繋ぐ一対の補助部１６を備えている点が相違する。なお、実施形態１の振動発電素子１０と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

各補助部１６は、ばね状に形成されている。ここで、図６の振動発電素子１０における各補助部１６は、基板１０ａの上記一表面に平行な平面内で蛇行した形状とすることで、ばね状に形成されている。ここで、各補助部１６は、基板１０ａの一部により形成されている。ここで、各補助部１６は、支持部１１及び錘部１２よりも薄肉に形成してある。また、振動発電素子１０は、各発電部１３が実施形態１で説明した弾性層１３ｄ（図１〜図３参照）を備えている場合、弾性層１３ｄを各補助部１６の表面上にも延設してもよい。

本実施形態の振動発電素子１０は、上述の一対の補助部１６を備え、各補助部１６が、ばね状に形成されているので、耐久性を向上させることが可能となる。

振動発電素子１０は、各補助部１６の形状に関して、ばね状の形状であれば、図６の例に限らず、例えば、図７に示すような形状でもよい。図７に示した振動発電素子１０の各補助部１６は、複数の環状（図示例では、矩形環状）の部分が連結された形状となっている。

（実施形態３）
以下では、本実施形態の振動発電素子１０について図８に基づいて説明する。

本実施形態の振動発電素子１０は、実施形態１の振動発電素子１０と略同じ構成であり、錘部１２に、一対の発電部１３の下部電極１３ａどうしを接続する配線層１７ａが設けられており、各発電部１３の上部電極１３ｃのみを各別の第２パッド１５ｃに各別の第２配線部１４ｃを介して接続してある点が相違する。なお、実施形態１の振動発電素子１０と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

配線層１７ａは、下部電極１３ａと同じ材料、同じ厚みに設定することが好ましい。これにより、振動発電素子１０は、製造時に、配線層１７ａを下部電極１３ａと同時に形成することが可能となり、配線層１７ａを設けたことによる製造コストのコストアップを抑えることが可能となる。

ところで、実施形態１の振動発電素子１０や実施形態２の振動発電素子１０では、一対の発電部１３の各々に、第１パッド１５ａ及び第２パッド１５ｃが接続されているので、２つの発電部１３が、両者の発電電圧が打ち消される接続関係で誤接続される懸念がある。

これに対して、本実施形態の振動発電素子１０では、２つの発電部１３が、両者の発電電圧が打ち消される接続関係で接続されるのを防止することが可能となり、取り扱いが容易になる。また、本実施形態の振動発電素子１０では、１つの発電部１３の略２倍の発電電圧を出力することが可能となる。

振動発電素子１０は、図８の例に限らず、図９に示す構成としてもよい。図９に示す構成の振動発電素子１０は、錘部１２に、一対の発電部１３の上部電極１３ｃどうしを接続する配線層１７ｃが設けられており、各発電部１３の下部電極１３ａのみを各別の第１パッド１５ａに各別の第１配線部１４ａを介して接続してある。ここで、配線層１７ｃは、上部電極１３ｃと同じ材料、同じ厚みに設定することが好ましい。これにより、振動発電素子１０は、製造時に、配線層１７ｃを上部電極１３ｃと同時に形成することが可能となり、配線層１７ｃを設けたことによる製造コストのコストアップを抑えることが可能となる。

本実施形態の振動発電素子１０は、実施形態２で説明した一対の補助部１６を設けた構成としてもよい。

１０ 振動発電素子
１１ 支持部
１２ 錘部
１３ 発電部
１３ａ 下部電極
１３ｂ 圧電薄膜
１３ｃ 上部電極
１３ｄ 弾性層
１６ 補助部
１７ａ 配線層
１７ｃ 配線層

Claims (6)

1. 枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置された錘部と、前記錘部を挟んで配置され前記錘部と前記支持部とを繋いだ一対の発電部とを備え、前記各発電部は、下部電極と圧電薄膜と上部電極との積層構造を有し、且つ、前記発電部の並設方向における前記錘部からの距離によらず幅寸法及び厚み寸法が一様な梁状に形成されてなり、前記並設方向に沿った振動により発電することを特徴とする振動発電素子。
2. 前記発電部は、前記下部電極における前記圧電薄膜側とは反対側に弾性層を有することを特徴とする請求項１記載の振動発電素子。
3. 前記支持部と前記錘部とがシリコンにより形成されてなり、前記弾性層は、シリコンよりも弾性率の小さな材料により形成されてなることを特徴とする請求項２記載の振動発電素子。
4. 前記弾性層の厚みが前記圧電薄膜の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項２又は３記載の振動発電素子。
5. 前記並設方向に直交する方向で前記錘部を挟んで配置され前記錘部と前記支持部とを繋ぐ一対の補助部を備え、前記各補助部は、ばね状に形成されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動発電素子。
6. 前記錘部に、一対の前記発電部の前記上部電極どうし若しくは下部電極どうしを電気的に接続する配線層が設けられてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動発電素子。

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