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WO2015136864A1 - 発電装置 - Google Patents

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Publication number
WO2015136864A1
WO2015136864A1 PCT/JP2015/000919 JP2015000919W WO2015136864A1 WO 2015136864 A1 WO2015136864 A1 WO 2015136864A1 JP 2015000919 W JP2015000919 W JP 2015000919W WO 2015136864 A1 WO2015136864 A1 WO 2015136864A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power generation
cantilever
substrate
base
generation element
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/000919
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
純矢 小川
博之 柳生
貴司 中川
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Publication of WO2015136864A1 publication Critical patent/WO2015136864A1/ja

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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 power generation device, and more particularly to a fluid vibration power generation device that generates power using fluid-induced vibration.
  • the power generation device 201 has a base 211 and a lead 213 to which the piezoelectric element 214 is fixed.
  • the lead 213 has flexibility capable of bending and vibrating in the thickness direction.
  • the leads 213 are flexible printed circuit boards formed of FRP or the like.
  • the leads 213 are positioned with one end 231 fixed to the top surface of the plate 215 and the other end 232 facing the window 212 so that the window 212 can be freely moved in and out.
  • the leads 213 are slightly inclined with respect to the upper surface of the plate 215 so that the end 232 is located outside the window 212 (the side where the gas F1 flows in) ( Is up).
  • the piezoelectric element 214 is a bimorph piezoelectric element, and is fixed to both surfaces of the lead 213 as shown in FIGS. 4B and 4C.
  • Document 1 states that the piezoelectric element 214 may be a unimorph piezoelectric element fixed to one of the front surface and the back surface of the lead 213.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a power generation apparatus capable of improving the power generation efficiency.
  • the power generation element including the substrate and the piezoelectric conversion portion overlaps the base including the support portion, the cantilever portion, and the gap (flow path). They are joined and arranged apart from the gap (flow path) and straddling the support portion and the cantilever portion in plan view.
  • the power generation device according to the above aspect of the present invention shifts the position of the neutral plane of the power generation device from the neutral plane of the substrate to the cantilever portion side in the thickness direction of the power generation device, It is possible to improve power generation efficiency.
  • the power generation device it is possible to suppress that the area and shape of the gap (flow path) change due to the relative positional accuracy between the base and the power generation element. It is possible to achieve cost reduction by downsizing of the power generation element. Further, in the power generation device according to the above aspect of the present invention, since the hole penetrating in the thickness direction of the cantilever portion is formed in the vertical projection area of the power generation element in the cantilever portion It becomes possible to make it low and to improve the power generation efficiency.
  • FIG. 1A is a schematic plan view of a power generation device according to an embodiment.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view along the line XX in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a schematic plan view of a base in the power generation device of the embodiment.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view taken along line XX in FIG. 2A.
  • FIG. 3A is a schematic plan view of the power generation element in the power generation device of the embodiment.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along line XX in FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a schematic plan view of a conventional power generation device.
  • FIG. 4B is a schematic cross-sectional view along line XX in FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a YY schematic cross-sectional view of FIG. 4A.
  • FIG. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B the electric power generating apparatus 1 of this embodiment is demonstrated based on FIG. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B.
  • the power generation device 1 includes a base 2 and a power generation element 3.
  • the base 2 is formed between a frame-shaped support portion 21, a cantilever portion 22 disposed inside the support portion 21 and swingably supported by the support portion 21, and between the support portion 21 and the cantilever portion 22. And a gap (i.e., a flow path 23 configured by the gap).
  • the power generation element 3 includes a substrate 30 which is smaller than the base 2 and has flexibility in plan view, and a piezoelectric conversion portion 36 formed on the surface 30 a of the substrate 30.
  • the power generation element 3 is overlapped and joined to the base 2.
  • the power generation element 3 is disposed apart from the flow path 23 and straddling the support portion 21 and the cantilever portion 22 in plan view.
  • the cantilever portion 22 is formed with a hole 24 penetrating in the thickness direction of the cantilever portion 22 in the vertical projection area of the power generation element 3. Therefore, in the power generation device 1, the power generation element 3 including the substrate 30 and the piezoelectric conversion portion 36 is overlapped and bonded to the base 2 including the support portion 21, the cantilever portion 22 and the flow path 23. It is separated from the flow path 23 and disposed across the support portion 21 and the cantilever portion 22 (in particular, as shown in FIG. 1B, the power generation element 3 is opposed to the flow path 23 in the length direction of the cantilever portion 22 Placed relatively long distances).
  • the power generation device 1 shifts the position of the neutral plane of the power generation device 1 from the neutral plane of the substrate 30 to the cantilever portion 22 side, it is possible to improve the power generation efficiency. Further, in the power generation device 1, it is possible to suppress that the area, shape, etc. of the flow path 23 change due to the relative positional accuracy between the base 2 and the power generation element 3, and it becomes possible to improve power generation efficiency. It is possible to reduce the cost by miniaturizing the element 3. Further, in the power generation device 1, the hole 24 penetrating in the thickness direction of the cantilever portion 22 is formed in the vertical projection area of the power generation element 3 in the cantilever portion 22. Therefore, the rigidity of the cantilever portion 22 decreases, and even when the flow velocity of the fluid is lower or the flow rate of the fluid is smaller, it is possible to cause the vibration of the cantilever portion 22 to improve the power generation efficiency. It becomes possible.
  • the base 2 can be formed of, for example, a metal substrate. Thereby, the power generation device 1 can suppress the attenuation of the vibration energy of the cantilever portion 22 in the base 2.
  • a material of the metal substrate a material having a low logarithmic attenuation rate is preferable, and, for example, stainless steel can be adopted.
  • stainless steel for example, austenitic stainless steel is preferable, and SUS304 (18Cr-8Ni) can be mentioned.
  • the material of the metal substrate is not limited to stainless steel, and, for example, titanium, aluminum, brass, phosphor bronze, beryllium copper or the like can be adopted.
  • the channels 23 and the holes 24 of the base 2 can be formed, for example, by performing a wet etching process on a metal substrate.
  • the support part 21 and the cantilever part 22 are formed by forming the flow path 23 with respect to a metal substrate.
  • the cantilever portion 22 is disposed inside the support portion 21 in a plan view.
  • the base 2 forms a U-shaped channel 23 in a plan view surrounding the cantilever portion 22, whereby the portion of the cantilever portion 22 other than the connection portion with the support portion 21 is separated from the support portion 21.
  • the cantilever portion 22 is supported by the support portion 21 in a cantilever manner.
  • the minimum width of the flow path 23 of the base 2 is 20 micrometers or more and 100 micrometers or less.
  • the power generation device 1 can suppress the vibration of the cantilever portion 22 from becoming difficult to occur regardless of the flow velocity, the flow rate, and the like of the fluid.
  • the minimum width of the flow path 23 is not less than 20 ⁇ m and not more than 100 ⁇ m, the power generation device 1 can reduce the flow velocity of the generation limit velocity of the fluid excitation vibration and improve the power generation efficiency. It becomes possible.
  • the fluid excitation vibration is a vibration of the cantilever portion 22 generated by the fluid flowing in the flow field passing through the flow path 23 in a state where the power generation device 1 is disposed in the flow field or the like.
  • This fluid-induced vibration is self-oscillation.
  • the fluid include air, gas, a mixed gas of air and gas, liquid and the like.
  • the flow field include the inside of the air supply duct of the air conditioner, the inside of the air exhaust duct of the air conditioner, and the like, but are not particularly limited.
  • the generation limit flow velocity of the fluid excitation vibration means the lower limit value of the flow velocity at which the self-excited vibration of the cantilever portion 22 can occur.
  • the generation limit flow velocity of the cantilever portion 22 that receives fluid and vibrates by itself is proportional to the square root of the mass per unit length of the cantilever portion 22.
  • the mechanism for estimating the operation of the power generation device 1 is self-excitation due to the force acting on the cantilever portion 22 when the fluid passes through the flow path 23 and the restoring force due to the spring property of the cantilever portion 22 and the substrate 30. It is estimated that vibration occurs.
  • the fluid flow direction coincides with the thickness direction of the base 2, and the surface 22a of the cantilever portion 22 is on the upstream side of the fluid, and the back surface 22b of the cantilever portion 22 is on the downstream side of the fluid. It is preferable to use it.
  • the flow velocity is increased when the fluid flowing from the upstream side toward the power generation device 1 passes through the flow path 23.
  • the pressure on the back surface 22b side of the cantilever portion 22 decreases, and the cantilever portion 22 is displaced. Further, in the power generation device 1, the cantilever portion 22 is displaced by the force of the fluid flowing from the upstream side toward the power generation device 1. Then, in the power generation device 1, when the restoring force of the cantilever portion 22 becomes larger than the force received from the fluid, it is inferred that the cantilever portion 22 is displaced in the direction of returning to the original position. In the power generation device 1, it is considered that the cantilever portion 22 self-excites and the piezoelectric conversion portion 36 generates power by repeating such an operation.
  • the resonant frequency of the power generation device 1 is determined by the mass and rigidity of the cantilever portion 22, the mass and rigidity of the substrate 30, and the like. Note that the power generation device 1 of the present embodiment is within the scope of the present invention even if the estimation mechanism is different.
  • the cantilever portion 22 includes a pair of beam portions 25 and a weight portion 26, the first end 25 a in the longitudinal direction of each beam portion 25 is fixed to the support portion 21, and the longitudinal direction of each beam portion 25 The second end 25 b is preferably fixed to the weight 26.
  • the longitudinal direction of the beam portion 25 is the same as the longitudinal direction of the cantilever portion 22.
  • the beam portion 25 is formed in a cantilever shape.
  • the cantilever portion 22 has the same thickness as that of the beam portion 25 and the thickness of the weight portion 26 but is not limited thereto.
  • the thickness of the beam portion 25 may be thinner than the thickness of each of the support portion 21 and the weight portion 6.
  • the thickness of the weight portion 26 may be thicker than the thickness of each of the support portion 21 and the beam portion 25.
  • the hole 24 may have, for example, a rectangular opening as shown in FIG. 2A.
  • the opening size of the hole 24 is smaller than the size of the power generation element 3 in plan view.
  • the hole 24 is preferably formed over the entire length of the beam 25 in the longitudinal direction.
  • the base 2 of this embodiment has one hole 24, the number of holes is not limited to one, and a plurality of holes may be provided. Even when the base 2 includes a plurality of holes, all the holes are formed in the vertical projection area of the power generation element 3 in the cantilever portion 22.
  • the opening shape of the hole 24 and the opening shape of the plurality of holes are not limited to the rectangular shape, and may be, for example, a circular shape or a polygonal shape other than a rectangular shape.
  • the power generation element 3 can be manufactured using a manufacturing technique of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) or the like.
  • the outer peripheral shape of the substrate 30 is preferably rectangular. As a result, in the method of manufacturing the power generation device 1, it is possible to improve the workability at the time of dicing in the subsequent step after performing the previous step of forming the plurality of power generation elements 3 on the silicon wafer. Further, in the method of manufacturing the power generation device 1, the rectangular shape of the outer periphery of the substrate 30 facilitates handling of the power generation element 3 and positioning of the power generation element 3 with respect to the base 2.
  • the substrate 30 includes a silicon substrate 31 and an insulating film 32 formed on the surface of the silicon substrate 31.
  • the insulating film 32 has electrical insulation.
  • the insulating film 32 can be made of, for example, a silicon oxide film.
  • the insulating film 32 can be formed, for example, by a thermal oxidation method.
  • the method of forming the insulating film 32 is not limited to the thermal oxidation method, and may be, for example, the CVD method.
  • the insulating film 32 is not limited to the silicon oxide film alone, and may be, for example, a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
  • the silicon substrate 31 and the piezoelectric conversion portion 36 are electrically insulated by the insulating film 32.
  • the thickness of the silicon substrate 31 is set to 50 ⁇ m.
  • the thickness of the substrate 30 is not limited to 50 ⁇ m, and is preferably set, for example, in the range of 20 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the insulating film 32 is set to 1 ⁇ m.
  • the thickness of the insulating film 32 is not limited to 1 ⁇ m, and is preferably set in the range of 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m, for example.
  • the piezoelectric conversion portion 36 is formed on the surface 30 a of the substrate 30.
  • the piezoelectric conversion portion 36 includes a first electrode 33 formed on the surface 30 a of the substrate 30, a piezoelectric layer 34 formed on the first electrode 33, and a second electrode 35 provided on the piezoelectric layer 34. And.
  • the piezoelectric conversion portion 36 includes the piezoelectric layer 34 and the first electrode 33 and the second electrode 35 opposed to each other with the piezoelectric layer 34 interposed from both sides in the thickness direction.
  • PZT Pb (Zr, Ti) O 3
  • PZT-PMN Pb (Mn, Nb) O 3
  • the piezoelectric material may be AlN, ZnO, KNN (K 0.5 Na 0.5 NbO 3 ), KN (KNbO 3 ), NN (NaNbO 3 ), a material obtained by adding an impurity to KNN, or the like.
  • an impurity Li, Nb, Ta, Sb, Cu etc. can be mentioned, for example.
  • the piezoelectric layer 34 is formed of a piezoelectric thin film.
  • the material of the first electrode 33 is Pt, but not limited to this, for example, Au, Al, Ir or the like may be used. Moreover, although Au is adopted as a material of the second electrode 35, the material is not limited to this, and for example, Mo, Al, Pt, Ir or the like may be used.
  • the thickness of the first electrode 33 is set to 500 nm
  • the thickness of the piezoelectric layer 34 is set to 3000 nm
  • the thickness of the second electrode 35 is set to 500 nm, but the present invention is not limited to these values. .
  • the power generation element 3 may have a structure in which a buffer layer is provided between the substrate 30 and the first electrode 33.
  • the material of the buffer layer is preferably selected as appropriate according to the piezoelectric material of the piezoelectric layer 34.
  • the piezoelectric material of the piezoelectric layer 34 is PZT, it is preferable to use, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 , MgO, LaNiO 3 or the like as the material of the buffer layer.
  • the buffer layer may be formed of, for example, a laminated film of a Pt film and a SrRuO 3 film.
  • the power generation element 3 includes a first pad electrode 38 and a second pad electrode 39.
  • the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 are formed on the surface 30 a of the substrate 30.
  • the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 are preferably disposed within the vertical projection area of the support portion 21 on the surface 30 a of the substrate 30.
  • the first pad electrode 38 is electrically connected to the first electrode 33 via the first conductive portion 41.
  • the second pad electrode 39 is electrically connected to the second electrode 35 via the second conductive portion 42.
  • Au is adopted as a material of the first conductive portion 41, the second conductive portion 42, the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39, the invention is not limited thereto.
  • Mo, Al, Pt, Ir Etc is adopted as a material of the first conductive portion 41, the second conductive portion 42, the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39
  • the invention is not limited thereto.
  • Mo, Al, Pt, Ir Etc the materials of the first conductive portion 41, the second conductive portion 42, the first pad electrode 38, and the second pad electrode 39 are not limited to the same material, and different materials may be adopted.
  • the first conductive portion 41, the second conductive portion 42, the first pad electrode 38, and the second pad electrode 39 are not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure of two or more layers.
  • an insulating layer 37 for preventing a short circuit between the second conductive portion 42 and the first electrode 33 is provided between the second conductive portion 42 and the peripheral portion of the first electrode 33.
  • the insulating layer 37 is formed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be formed of, for example, a silicon nitride film.
  • the piezoelectric layer 34 of the piezoelectric conversion portion 36 is stressed by the vibration of the cantilever portion 22, so that charge imbalance occurs between the second electrode 35 and the first electrode 33, and AC voltage is generated in the piezoelectric conversion portion 36. Occur.
  • the piezoelectric conversion unit 36 generates power using the piezoelectric effect of the piezoelectric material.
  • the alternating voltage generated by the piezoelectric conversion unit 36 is a sinusoidal alternating voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric layer 34.
  • the planar shape of the piezoelectric layer 34 is rectangular.
  • the piezoelectric conversion portion 36 preferably has an outer size of the piezoelectric layer 34 slightly smaller than an outer size of the first electrode 33 and slightly larger than an outer size of the second electrode 35.
  • the piezoelectric conversion unit 36 has a piezoelectric conversion region 36 a.
  • the piezoelectric conversion area 36 a means an area where the first electrode 33, the piezoelectric layer 34 and the second electrode 35 overlap in the thickness direction of the substrate 30. In the piezoelectric conversion portion 36, the piezoelectric conversion region 36a contributes to the generation of an alternating voltage.
  • the silicon substrate 31 is prepared, and then the insulating film 32 is formed on the silicon substrate 31 to perform the first step of forming the substrate 30.
  • the insulating film 32 is formed on the silicon substrate 31 using a thermal oxidation method or the like.
  • the thermal oxidation method for example, the CVD method may be employed.
  • the second step of forming a first conductive layer to be the basis of the first electrode 33 and the first conductive portion 41 is performed on the entire surface 30 a side of the substrate 30, and then the piezoelectric layer
  • a third step of forming a piezoelectric material layer which is the basis of V.34 is performed.
  • the sputtering method is employed as a method of forming the first conductive layer, but the method is not limited to this, and for example, a CVD method, a vapor deposition method, or the like may be employed.
  • a sputtering method is employed as a method of forming the piezoelectric material layer, but the method is not limited to this, and for example, a CVD method, a sol-gel method, or the like may be employed.
  • the fourth step of patterning the piezoelectric material layer into the predetermined shape of the piezoelectric layer 34 is performed, and subsequently, the first conductive layer is formed into the predetermined shape of the first electrode 33 and the first conductive portion 41
  • the fifth step of patterning is performed.
  • the piezoelectric material layer is patterned using lithography technology and etching technology.
  • the first conductive layer is patterned using lithography and etching.
  • the sixth step of forming the insulating layer 37 on the surface 30 a side of the substrate 30 is performed.
  • the seventh step of forming a second conductive layer which is a basis of the second electrode 35 and the second conductive portion 42 on the entire surface 30 a side of the substrate 30 is performed.
  • an eighth step of patterning the second conductive layer into a predetermined shape of the second electrode 35 and the second conductive portion 42 is performed.
  • the insulating layer 37 is formed using a lift-off method, but the insulating layer 37 may be formed using, for example, a thin film forming technique, a lithography technique, and an etching technique. .
  • a sputtering method is employed as a method of forming the second conductive layer, but the method is not limited to this, and for example, a CVD method, a vapor deposition method, or the like may be employed.
  • the second conductive layer is patterned using lithography and etching.
  • the ninth step is performed in which a third conductive layer which is a basis of the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 is formed over the entire surface 30 a of the substrate 30.
  • a tenth step of patterning the third conductive layer into predetermined shapes of the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 is performed.
  • the power generation element 3 is divided into individual power generation elements 3 by performing the dicing step after performing the process at the wafer level until the end of the tenth step.
  • the piezoelectric conversion portion 36 has the above-described piezoelectric conversion region 36 a, and one end of the piezoelectric conversion region 36 a in the length direction of the cantilever portion 22 is aligned with the boundary between the support portion 21 and the cantilever portion 22 Are preferably located at
  • the power generation device 1 can increase the area of the piezoelectric conversion region 36a compared to the case where one end of the piezoelectric conversion region 36a in the length direction of the cantilever portion 22 is on the cantilever portion 22 side than the boundary, and the power generation efficiency is improved. It is possible to improve.
  • the power generation device 1 does not contribute to power generation in the piezoelectric conversion region 36a compared to when the one end of the piezoelectric conversion region 36a in the length direction of the cantilever portion 22 is on the support portion 21 side with respect to the boundary. It becomes possible to reduce the part which becomes dead and to improve power generation efficiency.
  • the holes 24 of the base 2 are preferably formed with an aperture size aligned with the vertical projection area of the piezoelectric conversion area 36a.
  • the power generation device 1 forms the support portion 21, the cantilever portion 22 and the flow path 23 on the base 2 which is a separate member from the power generation element 3, a silicon wafer is adopted as a wafer to be a base of the substrate 30 of the power generation element 3. It is possible to Therefore, the power generation device 1 can achieve cost reduction as compared with the case of adopting an SOI wafer as a wafer to be a base of the substrate 30 of the power generation element 3.
  • the first end 301 of the substrate 30 in the lengthwise direction of the cantilever portion 22 is bonded to the support portion 21, and the second end 302 of the substrate 30 in the lengthwise direction of the cantilever portion 22 is the cantilever portion 22. It is preferable to be joined. Thus, the power generation device 1 can improve the power generation efficiency.
  • the piezoelectric conversion portion 36 be formed on the portion between the first end portion 301 and the second end portion 302 in the substrate 30.
  • the first end 301 of the substrate 30 is bonded to the support 21 of the base 2 via the first bonding portion 51, and the second end 302 of the substrate 30 is bonded via the second bonding portion 52.
  • the base 2 can be bonded to the cantilever portion 22 of the base 2.
  • a material of the first bonding portion 51 and the second bonding portion 52 for example, an organic resin-based die bonding material, AuSn solder, low melting point glass, or the like can be adopted.
  • an organic resin die bonding material for example, an acrylic adhesive, an epoxy adhesive and the like can be mentioned.
  • the thickness of the support portion 21 may be thicker than the thickness of the cantilever portion 22.
  • the power generation device 1 can further increase the rigidity of the support portion 21 and can suppress the vibration energy of the cantilever portion 22 from being dissipated from the support portion 21. Therefore, the power generation device 1 can improve the power generation efficiency.
  • the power generation element 3 may be configured such that the thickness of each of the first end portion 301 and the second end portion 302 in the substrate 30 is thicker than the thickness of the portion directly below the piezoelectric conversion portion 36 in the substrate 30.
  • the power generation device 1 can suppress the vibration energy of the portion of the substrate 30 immediately below the piezoelectric conversion portion 36 from being dissipated from the first end portion 301 and the second end portion 302 of the substrate 30. Therefore, the power generation device 1 can improve the power generation efficiency.
  • the cantilever portion 22 includes the beam portion 25 and the weight portion 26.
  • the first end 25 a in the longitudinal direction of the beam 25 is fixed to the support 21, and the second end 25 b in the longitudinal direction of the beam 25 is fixed to the weight 26, It is preferable that the second end 302 of the substrate 30 of the power generation element 3 be joined to the weight 26.
  • the power generation device 1 can increase the inertial force when the cantilever part 22 vibrates by making the cantilever part 22 include the weight part 26 compared with the case where the weight part 26 is not provided, and the amplitude of the cantilever part 22 becomes large. It is possible to Further, in the power generation device 1, the cantilever portion 22 includes the weight portion 26, so that distortion can be generated intensively in the beam portion 25 and the power generation element 3 when the cantilever portion 22 vibrates. It is possible to improve.
  • the base 2 is not limited to the configuration formed of a metal substrate.
  • the base 2 may be formed of, for example, a resin substrate.
  • the power generation device 1 can achieve cost reduction as compared to the case where the base 2 is formed of a metal substrate.
  • a material of the resin substrate for example, acrylic resin, polyimide or the like can be adopted.
  • the power generation element 3 includes the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39.
  • the base 2 may be configured to include a first conductor portion and a second conductor portion which are formed of a printed circuit board and to which the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 are electrically connected, respectively.
  • the power generation device 1 can use electronic components and the like to which the power generation element 3 is electrically connected and mounted on the base 2.
  • the configuration of the present invention has been described above based on the embodiment and the like, but the present invention is not limited to the configuration of the embodiment and the like, and is a configuration in which partial configurations of the embodiment and the like are combined as appropriate. May be Further, the materials, numerical values, and the like described in the embodiments and the like only exemplify preferable ones, and are not limited thereto. Furthermore, in the present invention, it is possible to appropriately change the configuration without departing from the scope of the technical idea thereof.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

発電効率の向上を図ることが可能な発電装置を提供する。発電装置（１）は、ベース（２）と、発電素子（３）と、を備える。ベース（２）は、枠状の支持部（２１）と、支持部（２１）の内側に配置され支持部（２１）に揺動自在に支持されたカンチレバー部（２２）と、支持部（２１）とカンチレバー部（２２）との間に形成される隙間と、を備える。発電素子（３）は、ベース（２）よりも小さく且つ可撓性を有する基板（３０）と、基板（３０）の表面（３０ａ）上に形成された圧電変換部（３６）と、を備える。発電素子（３）は、ベース（２）に重ねて接合されている。発電素子（３）は、平面視において、上記隙間から離れ且つ支持部（２１）とカンチレバー部（２２）とに跨っている。カンチレバー部（２２）は、発電素子（３）の垂直投影領域内に、カンチレバー部（２２）の厚さ方向に貫通する孔（２４）が形成されている。

Description

発電装置
　本発明は、発電装置に関し、より詳細には、流体励起振動を利用して発電する流体振動発電装置に関する。
　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、環境発電等の分野で注目されている。
　この種の発電装置としては、例えば、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃに示す構成の発電装置２０１が提案されている（日本国特許出願公開番号２０１２－９７６７３を参照（以下、文献１と称する））。
　発電装置２０１は、ベース２１１と、圧電素子２１４が固着されたリード２１３と、を有する。
　ベース２１１は、矩形の窓２１２が形成されたプレート２１５を有する。窓２１２のサイズは、図４Ａに示すように、平面視において、窓２１２に面したリード２１３よりも一回り大きく、窓２１２の縁部とリード２１３との間には、気体Ｆ１（図４Ｃ参照）が通過するわずかな隙間が形成されている。
　リード２１３は、板厚方向に屈曲振動可能な可撓性を有している。例えば、リード２１３は、ＦＲＰ等で形成されたフレキシブルプリント基板である。リード２１３は、一方の端部２３１が、プレート２１５の上面に固定され、他方の端部２３２が、窓２１２を自由に出入りできるように窓２１２に面して位置付けられている。
　また、リード２１３は、図４Ｂに示すように、端部２３２が窓２１２の外側（気体Ｆ１が流れ込んでくる側）に位置するように、プレート２１５の上面に対してわずかに傾斜している（上がっている）。
　圧電素子２１４は、バイモルフ圧電素子であり、図４Ｂ及び４Ｃに示すように、リード２１３の表裏両面に固着されている。文献１には、圧電素子２１４が、リード２１３の表面及び裏面の一方に固着されたユニモルフ圧電素子でもよい旨が記載されている。
　流体振動発電装置の技術分野においては、発電装置２０１に限らず、発電効率の更なる向上が求められている。
　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、発電効率の向上を図ることが可能な発電装置を提供することにある。
　本発明の一の形態に係る発電装置は、ベースと、発電素子と、を備える。前記ベースは、枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置され前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、前記支持部と前記カンチレバー部との間に形成される隙間（すなわち、隙間により構成される流路）と、を備える。前記発電素子は、平面視において前記ベースよりも小さく且つ可撓性を有する基板と、前記基板の表面上に形成された圧電変換部と、を備える。前記発電素子は、前記ベースに重ねて接合されている。前記発電素子は、平面視において、前記隙間から離れ且つ前記支持部と前記カンチレバー部とに跨って配置されている。前記カンチレバー部は、前記発電素子の垂直投影領域内に、前記カンチレバー部の厚さ方向に貫通する孔が形成されている。
　本発明の上記形態に係る発電装置によれば、前記基板と前記圧電変換部とを備える前記発電素子が、前記支持部と前記カンチレバー部と前記隙間（流路）とを備える前記ベースに重ねて接合されており、平面視において、前記隙間（流路）から離れ且つ前記支持部と前記カンチレバー部とに跨って配置されている。これにより、本発明の上記形態に係る発電装置は、前記発電装置の中立面の位置を、前記発電装置の厚さ方向において、前記基板の中立面から前記カンチレバー部側へずらせるので、発電効率の向上を図ることが可能となる。また、本発明の上記形態に係る発電装置は、前記隙間（流路）の面積や形状が前記ベースと前記発電素子との相対的な位置精度によって変わるのを抑制可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となり、更に前記発電素子の小型化による低コストを図ることが可能となる。また、本発明の上記形態に係る発電装置は、前記カンチレバー部における前記発電素子の垂直投影領域内に、前記カンチレバー部の厚さ方向に貫通する孔が形成されているので、カンチレバー部の剛性を低く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。
　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１Ａは、実施形態の発電装置の概略平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＸ－Ｘ概略断面図である。 図２Ａは、実施形態の発電装置におけるベースの概略平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＸ－Ｘ概略断面図である。 図３Ａは、実施形態の発電装置における発電素子の概略平面図である。図３Ｂは、図３ＡのＸ－Ｘ概略断面図である。 図４Ａは、従来例の発電デバイスの概略平面図である。図４Ｂは、図４ＡのＸ－Ｘ概略断面図である。図４Ｃは、図４ＡのＹ－Ｙ概略断面図である。
　以下では、本実施形態の発電装置１について図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂに基づいて説明する。
　発電装置１は、ベース２と、発電素子３と、を備える。ベース２は、枠状の支持部２１と、支持部２１の内側に配置され支持部２１に揺動自在に支持されたカンチレバー部２２と、支持部２１とカンチレバー部２２との間に形成される隙間（すなわち、隙間により構成される流路２３）と、を備える。発電素子３は、平面視においてベース２よりも小さく且つ可撓性を有する基板３０と、基板３０の表面３０ａ上に形成された圧電変換部３６と、を備える。発電素子３は、ベース２に重ねて接合されている。発電素子３は、平面視において、流路２３から離れ且つ支持部２１とカンチレバー部２２とに跨って配置されている。カンチレバー部２２は、発電素子３の垂直投影領域内に、カンチレバー部２２の厚さ方向に貫通する孔２４が形成されている。よって、発電装置１は、基板３０と圧電変換部３６とを備える発電素子３が、支持部２１とカンチレバー部２２と流路２３とを備えるベース２に重ねて接合されており、平面視において、流路２３から離れ且つ支持部２１とカンチレバー部２２とに跨って配置されている（特に、図１Ｂに示すように、カンチレバー部２２の長さ方向において、発電素子３は流路２３に対して比較的長い距離を空けて配置されている）。これにより、発電装置１は、発電装置１の中立面の位置を基板３０の中立面からカンチレバー部２２側へずらせるので、発電効率の向上を図ることが可能となる。また、発電装置１は、流路２３の面積、形状等がベース２と発電素子３との相対的な位置精度によって変わるのを抑制可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となり、更に発電素子３の小型化による低コストを図ることが可能となる。また、発電装置１は、カンチレバー部２２における発電素子３の垂直投影領域内に、カンチレバー部２２の厚さ方向に貫通する孔２４が形成されている。そのため、カンチレバー部２２の剛性が低くなり、流体の流速がより低い場合、あるいは流体の流量がより少ない場合であっても、カンチレバー部２２の振動を引き起こすことが可能となり、発電効率の向上を図ることが可能となる。
　発電装置１の各構成要素については、以下に詳細に説明する。
　ベース２は、例えば、金属基板により形成することができる。これにより、発電装置１は、ベース２においてカンチレバー部２２の振動エネルギが減衰するのを抑制することが可能となる。金属基板の材料としては、対数減衰率の低い材料が好ましく、例えば、ステンレス鋼を採用することができる。ステンレス鋼としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼が好ましく、ＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ－８Ｎｉ）等を挙げることができる。また、金属基板の材料は、ステンレス鋼に限らず、例えば、チタン、アルミニウム、真鍮、リン青銅、ベリリウム銅等を採用することもできる。
　ベース２の流路２３及び孔２４については、例えば、金属基板に対してウェットエッチング加工を施すことにより形成することができる。ベース２ついては、金属基板に対して流路２３を形成することにより、支持部２１及びカンチレバー部２２が形成される。
　支持部２１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。つまり、支持部２１は、外周形状が矩形状であるのが好ましい。これにより、発電装置１は、製造時に、多数個取りの金属基板からベース２を切り出すときに、材料歩留りの向上による低コスト化を図ることが可能となる。
　ベース２は、カンチレバー部２２が、平面視において支持部２１の内側に配置されている。ベース２は、カンチレバー部２２を囲む平面視Ｕ字状の流路２３を形成することによって、カンチレバー部２２における支持部２１との連結部位以外の部分が、支持部２１と分離されている。これにより、カンチレバー部２２は、支持部２１に片持ち支持されている。
　ベース２は、流路２３の最小幅が、２０μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましい。これにより、発電装置１は、流体の流速、流量等によらずカンチレバー部２２の振動が起こりにくくなるのを抑制することが可能となる。また、発電装置１は、流路２３の最小幅が、２０μｍ以上１００μｍ以下であることにより、流体励起振動の発生限界流速の低流速化を図ることが可能で、且つ、発電効率の向上を図ることが可能となる。
　流体励起振動は、発電装置１を流れ場に配置した状態等において、流れ場を流れる流体が流路２３を通過することによって発生するカンチレバー部２２の振動である。この流体励起振動は、自励振動である。流体としては、例えば、空気、ガス、空気とガスとの混合気体、液体等が挙げられる。流体が気体の場合、流れ場としては、例えば、空調機の給気ダクトの内部や、空調機の排気ダクトの内部等が挙げられるが、特に限定するものではない。流体励起振動の発生限界流速とは、カンチレバー部２２の自励振動が発生しうる流速の下限値を意味する。
　流体を受けて自励振動するカンチレバー部２２の発生限界流速は、カンチレバー部２２の単位長さ当たりの質量の平方根に比例する。
　発電装置１の動作の推定メカニズムについては、流路２３を流体が通過するときにカンチレバー部２２に作用する力と、カンチレバー部２２及び基板３０のばね性による復元力と、に起因して自励振動が起こる、と推定される。発電装置１は、流体の流れる方向とベース２の厚さ方向とが一致し、カンチレバー部２２の表面２２ａ側が流体の上流側、カンチレバー部２２の裏面２２ｂ側が流体の下流側となるように配置して使用するのが好ましい。発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体が流路２３を通過する際に流速が速くなるので、カンチレバー部２２の裏面２２ｂ側の圧力が下がり、カンチレバー部２２が変位する。また、発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体の力によって、カンチレバー部２２が変位する。そして、発電装置１では、流体から受ける力よりもカンチレバー部２２の復元力が大きくなると、カンチレバー部２２が元の位置に戻る向きへ変位する、と推考される。発電装置１では、このような動作が繰り返されることでカンチレバー部２２が自励振動し、圧電変換部３６が発電する、と推考される。発電装置１の共振周波数は、カンチレバー部２２の質量、剛性、基板３０の質量、剛性等により決まる。なお、本実施形態の発電装置１は、仮に推定メカニズムが別であっても、本発明の範囲内である。
　カンチレバー部２２は、一対の梁部２５と、錘部２６と、を備え、各梁部２５の長さ方向の第１端２５ａが支持部２１に固定され、各梁部２５の長さ方向の第２端２５ｂが錘部２６に固定されているのが好ましい。梁部２５の長さ方向は、カンチレバー部２２の長さ方向と同じ方向である。梁部２５は、片持ち梁状に形成されている。カンチレバー部２２は、梁部２５の厚さと錘部２６の厚さとを同じにしてあるが、これに限らない。例えば、カンチレバー部２２は、梁部２５の厚さを支持部２１及び錘部６それぞれの厚さよりも薄くしてもよい。カンチレバー部２２は、錘部２６の厚さを支持部２１及び梁部２５それぞれの厚さよりも厚くしてもよい。
　孔２４は、例えば、図２Ａに示すように開口形状を矩形状とすることができる。孔２４の開口サイズは、平面視における発電素子３のサイズよりも小さい。ここで、孔２４は、梁部２５の長さ方向の全長に亘って形成されているのが好ましい。本実施形態のベース２は、１つの孔２４を有しているが、孔の数が１つである場合に限らず、複数の孔を備えていてもよい。ベース２は、複数の孔を備える場合も、カンチレバー部２２における発電素子３の垂直投影領域内に、全ての孔が形成されている。孔２４の開口形状および上記複数の孔の開口形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状や、矩形以外の多角形状でもよい。
　発電素子３の製造方法に関しては、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の製造技術等を利用して発電素子３を製造することができる。
　基板３０の外周形状は、矩形状であるのが好ましい。これにより、発電装置１の製造方法では、シリコンウェハに複数の発電素子３を形成する前工程を行った後に、後工程でダイシングを行う際の作業性を向上させることが可能となる。また、発電装置１の製造方法では、基板３０の外周形状が矩形状であることにより、発電素子３のハンドリングや、ベース２に対する発電素子３の位置決め等が容易になる。
　基板３０は、シリコン基板３１と、シリコン基板３１の表面上に形成された絶縁膜３２と、を備える。絶縁膜３２は、電気絶縁性を有する。絶縁膜３２は、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。絶縁膜３２は、例えば、熱酸化法により形成することができる。絶縁膜３２の形成方法は、熱酸化法に限らず、例えば、ＣＶＤ法等でもよい。なお、絶縁膜３２は、シリコン酸化膜のみで構成される場合に限らず、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。
　発電素子３は、シリコン基板３１と圧電変換部３６とが、絶縁膜３２によって、電気的に絶縁されている。
　シリコン基板３１の厚さは、５０μｍに設定してある。基板３０の厚さは、５０μｍに限らず、例えば、２０μｍ～１００μｍの範囲内で設定するのが好ましい。絶縁膜３２の厚さは、１μｍに設定してある。絶縁膜３２の厚さは、１μｍに限らず、例えば、０．５μｍ～３μｍの範囲内で設定するのが好ましい。
　圧電変換部３６は、基板３０の表面３０ａ上に形成されている。圧電変換部３６は、基板３０の表面３０ａ上に形成された第１電極３３と、第１電極３３上に形成された圧電体層３４と、圧電体層３４上に設けられた第２電極３５と、を備える。要するに、圧電変換部３６は、圧電体層３４と、圧電体層３４を厚さ方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極３３及び第２電極３５を備えている。
　圧電体層３４の圧電材料としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ－ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）や、不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物を添加した材料等でもよい。不純物としては、例えば、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕ等を挙げることができる。圧電体層３４が、圧電薄膜により構成されている。
　第１電極３３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、第２電極３５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。
　発電素子３は、第１電極３３の厚さを５００ｎｍ、圧電体層３４の厚さを３０００ｎｍ、第２電極３５の厚さを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値に限定するものではない。
　発電素子３は、基板３０と第１電極３３との間に緩衝層（buffer layer）を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体層３４の圧電材料に応じて適宜選択するのが好ましい。緩衝層の材料は、圧電体層３４の圧電材料がＰＺＴの場合、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3等を採用するのが好ましい。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。発電素子３は、緩衝層を設けることにより、圧電体層３４の結晶性を向上させることが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。
　発電素子３は、第１パッド電極３８と、第２パッド電極３９と、を備える。第１パッド電極３８及び第２パッド電極３９は、基板３０の表面３０ａ上に形成されている。第１パッド電極３８及び第２パッド電極３９は、基板３０の表面３０ａにおける支持部２１の垂直投影領域内に配置されているのが好ましい。
　第１パッド電極３８は、第１導電部４１を介して第１電極３３と電気的に接続されている。第２パッド電極３９は、第２導電部４２を介して第２電極３５と電気的に接続されている。第１導電部４１、第２導電部４２、第１パッド電極３８及び第２パッド電極３９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導電部４１、第２導電部４２、第１パッド電極３８及び第２パッド電極３９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導電部４１、第２導電部４２、第１パッド電極３８及び第２パッド電極３９は、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
　また、発電装置１は、第２導電部４２と第１電極３３の周部との間に、第２導電部４２と第１電極３３との短絡を防止する絶縁層３７を設けてある。絶縁層３７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。
　発電装置１は、カンチレバー部２２の振動によって圧電変換部３６の圧電体層３４が応力を受け第２電極３５と第１電極３３とに電荷の偏りが発生し、圧電変換部３６において交流電圧が発生する。要するに、発電装置１は、圧電変換部３６が圧電材料の圧電効果を利用して発電する。圧電変換部３６で発生する交流電圧は、圧電体層３４の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。
　圧電体層３４の平面形状は、矩形状に形成されている。圧電変換部３６は、圧電体層３４の外形サイズが、第１電極３３の外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極３５の外形サイズよりもやや大きい、のが好ましい。ここで、圧電変換部３６は、圧電変換領域３６ａを有する。圧電変換領域３６ａとは、基板３０の厚さ方向において第１電極３３と圧電体層３４と第２電極３５とが重なっている領域を意味する。圧電変換部３６において、圧電変換領域３６ａが、交流電圧の発生に寄与する。
　発電素子３の製造方法については、その一例について以下に簡単に説明する。
　発電素子３の製造にあたっては、まず、シリコン基板３１を準備し、その後、シリコン基板３１上に絶縁膜３２を形成することで基板３０を形成する第１工程を行う。第１工程では、熱酸化法等を利用して、シリコン基板３１上に絶縁膜３２を形成する。第１工程では、熱酸化法に限らず、例えば、ＣＶＤ法等を採用してもよい。
　第１工程の後には、基板３０の表面３０ａ側の全面に、第１電極３３及び第１導電部４１の基礎となる第１導電層を形成する第２工程を行い、続いて、圧電体層３４の基礎となる圧電材料層を形成する第３工程を行う。第２工程では、第１導電層を形成する方法として、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第３工程では、圧電材料層を形成する方法として、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法等を採用してもよい。
　第３工程の後には、圧電材料層を圧電体層３４の所定の形状にパターニングする第４工程を行い、続いて、第１導電層を第１電極３３及び第１導電部４１の所定の形状にパターニングする第５工程を行う。第４工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して圧電材料層をパターニングする。また、第５工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して第１導電層をパターニングする。
　第５工程の後には、基板３０の表面３０ａ側に絶縁層３７を形成する第６工程を行う。第６工程の後には、第２電極３５及び第２導電部４２の基礎となる第２導電層を基板３０の表面３０ａ側の全面に形成する第７工程を行う。第７工程の後には、第２導電層を第２電極３５及び第２導電部４２の所定の形状にパターニングする第８工程を行う。第６工程では、リフトオフ法を利用して絶縁層３７を形成しているが、これに限らず、例えば、薄膜形成技術、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して絶縁層３７を形成してもよい。第７工程では、第２導電層を形成する方法として、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。また、第８工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して第２導電層をパターニングする。
　第８工程の後には、第１パッド電極３８及び第２パッド電極３９の基礎となる第３導電層を、基板３０の表面３０ａ側の全面に形成する第９工程を行う。第９工程の後には、第３導電層を、第１パッド電極３８及び第２パッド電極３９の所定の形状にパターニングする第１０工程を行う。
　発電素子３の製造にあたっては、第１０工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の発電素子３に分割するようにしている。
　発電素子３は、圧電変換部３６が、上述の圧電変換領域３６ａを有し、カンチレバー部２２の長さ方向における圧電変換領域３６ａの一端が、支持部２１とカンチレバー部２２との境界に揃うように配置されているのが好ましい。これにより、発電装置１は、カンチレバー部２２の長さ方向における圧電変換領域３６ａの一端が境界よりもカンチレバー部２２側にある場合に比べて、圧電変換領域３６ａの面積を大きくでき、発電効率を向上させることが可能となる。また、発電装置１は、カンチレバー部２２の長さ方向における圧電変換領域３６ａの一端が境界よりも支持部２１側にある場合に比べて、圧電変換領域３６ａのうち発電に寄与せず寄生容量となってしまう部分を低減でき、発電効率を向上させることが可能となる。ベース２の孔２４は、圧電変換領域３６ａの垂直投影領域と揃う開口サイズで形成されているのが好ましい。
　発電装置１は、支持部２１、カンチレバー部２２及び流路２３を発電素子３とは別部材であるベース２に形成するので、発電素子３の基板３０の基になるウェハとして、シリコンウェハを採用することが可能となる。よって、発電装置１は、発電素子３の基板３０の基になるウェハとして、ＳＯＩウェハを採用する場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。
　発電素子３は、カンチレバー部２２の長さ方向における基板３０の第１端部３０１が支持部２１に接合され、カンチレバー部２２の長さ方向における基板３０の第２端部３０２がカンチレバー部２２に接合されているのが好ましい。これにより、発電装置１は、発電効率を向上させることが可能となる。ここで、発電素子３は、基板３０において、第１端部３０１と第２端部３０２との間の部位上に圧電変換部３６が形成されているのが好ましい。発電素子３は、基板３０の第１端部３０１が、第１接合部５１を介してベース２の支持部２１に接合され、基板３０の第２端部３０２が、第２接合部５２を介してベース２のカンチレバー部２２に接合された構成とすることができる。第１接合部５１及び第２接合部５２の材料としては、例えば、有機樹脂系のダイボンディング材料、ＡｕＳｎ半田、低融点ガラス等を採用することができる。有機樹脂系のダイボンディング材料としては、例えば、アクリル系接着剤、エポキシ系接着剤等を挙げることができる。
　発電装置１は、支持部２１の厚さが、カンチレバー部２２の厚さよりも厚い構成としてもよい。これにより、発電装置１は、支持部２１の剛性をより高くすることが可能となり、カンチレバー部２２の振動エネルギが支持部２１から散逸するのを抑制することが可能となる。よって、発電装置１は、発電効率の向上を図ることが可能となる。
　発電素子３は、基板３０における第１端部３０１及び第２端部３０２それぞれの厚さが、基板３０における圧電変換部３６の直下の部位の厚さよりも厚い構成としてもよい。これにより、発電装置１は、基板３０における圧電変換部３６直下の部位の振動エネルギが基板３０の第１端部３０１及び第２端部３０２から散逸するのを抑制することが可能となる。よって、発電装置１は、発電効率の向上を図ることが可能となる。
　発電装置１は、上述のように、カンチレバー部２２が、梁部２５と、錘部２６と、を備える。ここで、発電装置１は、梁部２５の長さ方向の第１端２５ａが支持部２１に固定され、梁部２５の長さ方向の第２端２５ｂが錘部２６に固定されており、発電素子３の基板３０の第２端部３０２が錘部２６に接合されているのが好ましい。発電装置１は、カンチレバー部２２が錘部２６を備えることにより、錘部２６を備えていない場合に比べて、カンチレバー部２２が振動するときの慣性力を大きくでき、カンチレバー部２２の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電装置１は、カンチレバー部２２が錘部２６を備えることにより、カンチレバー部２２が振動するときに梁部２５及び発電素子３に集中的に歪を発生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。
　ベース２は、金属基板により形成された構成に限らない。ベース２は、例えば、樹脂基板により形成されていてもよい。これにより、発電装置１は、ベース２が金属基板により形成されている場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。樹脂基板の材料としては、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド等を採用することができる。
　ところで、発電素子３は、上述のように、第１パッド電極３８と、第２パッド電極３９と、を備える。ここで、ベース２は、プリント基板により形成され、第１パッド電極３８、第２パッド電極３９がそれぞれ電気的に接続される第１導体部、第２導体部を備える構成としてもよい。これにより、発電装置１は、ベース２に、発電素子３が電気的に接続される電子部品等を実装して使用することが可能となる。
　以上、本発明の構成を、実施形態等に基いて説明したが、本発明は、実施形態等の構成に限らず、例えば、実施形態等の部分的な構成を、適宜組み合わせてある構成であってもよい。また、実施形態等に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。
 

Claims (10)

  1. 　ベースと、発電素子と、を備え、
    　前記ベースは、枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置され前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、前記支持部と前記カンチレバー部との間に形成される隙間と、を備え、
    　前記発電素子は、平面視において前記ベースよりも小さく且つ可撓性を有する基板と、前記基板の表面上に形成された圧電変換部と、を備え、
    　前記発電素子は、前記ベースに重ねて接合され、平面視において、前記隙間から離れ且つ前記支持部と前記カンチレバー部とに跨って配置され、
    　前記カンチレバー部は、前記発電素子の垂直投影領域内に、前記カンチレバー部の厚さ方向に貫通する孔が形成されている、
    　ことを特徴とする発電装置。
  2. 　前記ベースは、金属基板により形成されている、
    　ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  3. 　前記ベースは、樹脂基板により形成されている、
    　ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  4. 　前記発電素子は、第１パッド電極と、第２パッド電極と、を備え、
    　前記ベースは、プリント基板により形成され、前記第１パッド電極、前記第２パッド電極がそれぞれ電気的に接続される第１導体部、第２導体部を備える、
    　ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  5. 　前記隙間の最小幅は、２０μｍ以上１００μｍ以下である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。
  6. 　前記圧電変換部は、圧電変換領域を有し、前記カンチレバー部の長さ方向における前記圧電変換領域の一端が、前記支持部と前記カンチレバー部との境界と揃うように配置されている、
    　ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電装置。
  7. 　前記発電素子は、前記長さ方向における前記基板の第１端部が前記支持部に接合され、前記長さ方向における前記基板の第２端部が前記カンチレバー部に接合されている、
    　ことを特徴とする請求項６記載の発電装置。
  8. 　前記支持部の厚さが、前記カンチレバー部の厚さよりも厚い、
    　ことを特徴とする請求項７記載の発電装置。
  9. 　前記発電素子は、前記基板における前記第１端部及び前記第２端部それぞれの厚さが、前記基板における前記圧電変換部の直下の部位の厚さよりも厚い、
    　ことを特徴とする請求項７又は８記載の発電装置。
  10. 　前記カンチレバー部は、梁部と、錘部と、を備え、前記梁部の長さ方向の第１端が前記支持部に固定され、前記梁部の長さ方向の第２端が前記錘部に固定されており、
    　前記発電素子は、前記基板の前記第２端部が前記錘部に接合されている、
    　ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の発電装置。
     
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