(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙をおいて配置され、固定端と自由端を有する複数の圧電体と、
複数の前記圧電体のそれぞれの一面に形成される第１表面電極と、
複数の前記圧電体のそれぞれの反対面に形成される第２表面電極と、
複数の前記圧電体を跨ぎ、前記複数の前記圧電体が変形した状態で前記複数の前記圧電体が剥離せず、且つ前記複数の前記圧電体の変形を妨げない材料から形成された接着層により、複数の前記自由端に取り付けられる錘と、を有し、
前記圧電体は第１圧電層と第２圧電層を含み、前記第１圧電層と前記第２圧電層の間に内部電極を有することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
前記第１圧電層と前記第２圧電層は、前記固定端に対する前記錘の位置の変化により生じる圧電横効果により、第１電極と前記内部電極の間及び第２電極と前記内部電極の間にそれぞれ電位差が生じる圧電材から形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記第１圧電層と前記第２圧電層内のそれぞれの分極方向は、初期状態で相対的に逆向きに調整されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電発電装置。
【請求項４】
前記第１圧電層と前記第２圧電層のそれぞれの分極方向は、初期状態で相対的に同じ向きに調整されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電発電装置。
【請求項５】
複数の前記圧電体の前記固定端は、支持部に一体に形成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【請求項６】
前記支持部の中には、複数の前記第１表面電極を接続する第１配線と、複数の前記内部電極を接続する第２配線と、複数の前記第２表面電極を接続する第３配線とが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧電発電装置。
【請求項７】
前記支持部の表面には、第１の配線に接続する第１端子と、第２の配線に接続する第２の端子と、第３の配線に接続する第３の端子が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の圧電発電装置。
【請求項８】
前記圧電体と支持部は、１つの焼結体であることを特徴とする請求項３に記載の圧電発電装置。
【請求項９】
前記間隙の中には、ヤング率が前記圧電体よりも小さい絶縁物が充填されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のうちいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【請求項１０】
前記接着層は、前記複数の前記圧電体よりもヤング率が低い材料で
形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサと無線装置とデータ処理機能を小型一体化したセンサノードをネットワーク化したセンサネットワークの開発が進められている。このようなセンサノードは、バッテリーレスで自己発電することが望まれていることから、太陽電池や熱電発電、振動発電のようにその場の環境を利用する発電方式であって、しかも、超小型のマイクロ発電の採用が検討されている。【０００３】
マイクロ発電の一種として、圧電現象を利用するマイクロ圧電発電がある。マイクロ圧電発電は、振動や衝撃などの機械的力を電気エネルギーに変換する方式であり、自動車や各種機械だけでなく、人体、生物など、動く物に広く適用することができる。
マイクロ圧電発電については各種検討されているが、振動板と錘を組み合わせたユニモルフ構造が基本となっている。【０００４】
ユニモルフ構造として、チップ状の錘を先端に設けたカンチレバーの上に圧電キャパシタを取り付けた構造が知られ、錘の上下動によりカンチレバー及び圧電キャパシタに応力が加わる構造となっている。その圧電キャパシタは、例えば、プラチナ下部電極、ＰＺＴ膜及びアルミニウム上部電極を積層した構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
非特許文献１：Proceedings of the 14th International
Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France,
June 10-14, 2007, p.891-894
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、そのようなカンチレバーの上に圧電キャパシタを形成したユニモルフ構造によれば、圧電発電装置の全体積に占める圧電素子の体積の割合が小さく、発電効率が低い。
本発明は、発電効率の高い圧電発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の１つの観点によれば、間隙をおいて配置され、固定端と自由端を有する複数の圧電体と、複数の前記圧電体のそれぞれの一面に形成される第１表面電極と、複数の前記圧電体のそれぞれの反対面に形成される第２表面電極と、複数の前記圧電体を跨ぎ、前記複数の前記圧電体が変形した状態で前記複数の前記圧電体が剥離せず、且つ前記複数の前記圧電体の変形を妨げない材料から形成された接着層により、複数の前記自由端に取り付けられる錘と、を有し、前記圧電体は第１圧電層と第２圧電層を含み、前記第１圧電層と前記第２圧電層の間に内部電極を有することを特徴とする圧電発電装置が提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
【発明の効果】
【０００８】
本実施形態によれば、発電部となる複数の圧電体の自由端に錘が接続されており、発電装置の体積あたりの発電部の数を増やすことができ、発電効率を高めることができる。また、複数の圧電発電部を短い距離で直列又は並列に接続できるので、大きな電力が発電される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る圧電発電装置の筐体を外した状態を示す平面図である。
【図３Ａ】図３Ａ〜図３Ｄは、第１実施形態に係る圧電発電装置の形成工程を示す断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅ〜図３Ｇは、第１実施形態に係る圧電発電装置の形成工程を示すその他の断面図である。
【図４】図４は、比較例に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図５】図５は、第２実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図６】図６は、第３実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図７】図７は、第４実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図８】図８は、第５実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図９】図９は、第６実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図１０】図１０は、第７実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図１１】図１１Ａ、図１１Ｂは、第７実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図１２】図１２は、第８実施形態に係る圧電発電装置を示す側断面図である。
【図１３】図１３は、第８実施形態に係る圧電発電装置の筐体を外した状態を示す平面図である。
【図１４】図１４Ａ、図１４Ｂは、第８実施形態に係る圧電発電装置に含まれる圧電体の形成工程を示す断面図である。
【図１５】図１５Ａ〜図１５Ｅは、第８実施形態に係る圧電発電装置に含まれる圧電体を形成するための５つのグリーンシート積層ユニットを示す断面図である。
【図１６】図１６Ａ〜図１６Ｅは、第８実施形態に係る圧電発電装置に含まれるグリーンシート積層ユニットの形成工程の一例を示す断面図である。
【図１７】図１７Ａ、図１７Ｂは、第８実施形態に係る圧電発電装置の等価回路図である。
【図１８】図１８は、実施形態の圧電発電装置が適用される装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図面を参照して好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、第１実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図、図２は、図１に示す圧電発電装置の内部を示す平面図である。
図１、図２において、アルミナ、ステンレス、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の強度の高い材料から形成された基板１上には、圧電体基板２が配置されている。
【００１２】
圧電体基板２の上部には、複数の板状のユニモルフ圧電体セル２ａが溝状の間隙２ｂを介して列状に形成されている。ユニモルフ圧電体セル２ａのそれぞれは、根本の固定端が圧電体基板２の下部、即ち圧電支持部に固定される一方、上側に自由端を有している。板状のユニモルフ圧電体セル２ａには、圧電体基板２の底面に略平行な方向でその自由端に加わる圧力の大きさに応じて表面電荷が現れる。固定端、自由端は相対的な関係であり、以下の実施形態でも同様である。
なお、ユニモルフ圧電体セル２ａの数は、図１，図２では７つ示されているが、これに限るものではない。
【００１３】
圧電体基板２とユニモルフ圧電体セル２ａは、圧電材料から形成される。圧電材料として、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Pb(Zr,Ti)3）、或いは、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ；（Pb,La）(Zr,Ti)O3）、ニオブ(Nb)添加ＰＺＴ、さらにはＰＮＮ−ＰＺＴ（Pb(Ni,Nb)O3−PbTiO3−PbZrO3）、ＰＭＮ−ＰＺＴ（Pb(Mg,Nb)O3−PbTiO3−PbZrO3）、チタン酸バリウム（BaTiO3）等のペロブスカイト酸化物が挙げられる。また、これらの材料の他に、ニオブ酸カリウム（KNbO3）、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、チタン酸リチウム（LiTiO3）、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN）なども使用可能である。
【００１４】
また、ユニモルフ圧電体セル２ａのそれぞれの一面の上には第１表面電極３が形成され、他面の上には第２表面電極４が形成されている。また、隣接するユニモルフ圧電体セル２ａのうち互いに対向する面の第１表面電極３と第２表面電極４は、ユニモルフ圧電体セル２ａの間を仕切る間隙２ｂの底面上で互いに電気的に接続されている。
以上のような１つのユニモルフ圧電体セル２ａとその両面の第１、第２表面電極３、４は一つの発電動作部となる。
【００１５】
第１表面電極３は第２表面電極４よりも外力に対して変形しにくい条件で形成されている。換言すれば、第１表面電極３は、第２表面電極４よりも潰れ難い膜厚、材料等の条件で形成される。この変形し難さは、第１、第２表面電極３、４となる材料のヤング率（伸び弾性率）Ｅと厚さＴとの積Ｐ＝Ｅ×Ｔで定量的に表すことができる。
【００１６】
例えば、第１表面電極３と第２表面電極４とが同じ材料からなる場合、図１に示されるように、第１表面電極３を第２表面電極４よりも厚く形成することにより、第１表面電極３は第２表面電極４よりも変形し難くなる。
【００１７】
また、第１表面電極３の材料のヤング率が、第２表面電極４の材料のヤング率よりも高い場合には、第１、第２表面電極３、４の膜厚がそれぞれ同じであっても、第１表面電極３は第２表面電極４よりも変形し難くなる。なお、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面と他面に形成される表面電極の厚さは、以下の他の実施形態も含めて、一面から他面への方向で測定される厚さである。
【００１８】
第１表面電極３及び第２表面電極４に使用可能な導電性材料として、例えば、ニッケル（Ni）、白金（Pt）、イリジウム（Ir）、クロム（Cr）、銅（Cu）、チタン（Ti）等の金属や、窒化チタン（TiN）等の窒化物、炭化タングステン（WC）等の炭化物、或いは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の酸化物が使用可能である。
【００１９】
第１、第２表面電極３、４はそれぞれ２層以上の積層構造を有していてもよい。この場合、ユニモルフ圧電体セル２ａの両面に接する層に上記の導電性材料が用いられる。
圧電体基板２上の複数の表面電極３、４のうち最も外側の両端寄りの第１表面電極３と第２表面電極４にはそれぞれ第１、第２配線５ａ、５ｂが接続されている。第１、第２配線５ａ、５ｂは、例えば、はんだを使用して接続してもよいし、ワイヤボンディングにより接続してもよい。
【００２０】
複数のユニモルフ圧電体セル２ａの自由端の上には、接着層６を介して錘７が取り付けられている。錘７は、図１、図２に示すように、ユニモルフ圧電体セル２ａの自由端を渡る形状の１つの固まりであるが、複数に分割されてもよい。
さらに、錘７は、比重及びヤング率の高い材料から形成することが好ましく、例えばステンレス、タングステン、鉛等の金属、或いは、ジルコニア等のセラミックが好ましく、また、圧電材料から形成してもよい。
【００２１】
接着層６は、加速度が印加された錘７の移動によりユニモルフ圧電体セル２ａが変形しても錘７とユニモルフ圧電体セル２ａが剥離しない材料であることが好ましく、ユニモルフ圧電体セル２ａよりもヤング率が低くて接着性に優れた接着材、例えばシリコーン弾性樹脂から形成する。
【００２２】
基板１の上には筐体８が取り付けられている。筐体８は、圧電体基板２、ユニモルフ圧電体セル２ａ及び錘７を収容するとともに、ユニモルフ圧電体セル２ａ及び錘７が変位できる広さの内部空間を有し、その下面の開口部の縁は、エポキシ系樹脂等の封止剤９により基板１上面の周縁部に接着されている。筐体８は、ユニモルフ圧電体セル２ａ及び錘７を保護する材料、例えばステンレス、アルミニウム、樹脂等から形成されている。
【００２３】
筐体８と基板１の間には、第１、第２表面電極３、４に接続される配線５ａ、５ｂを通す隙間が形成され、その隙間は、封止剤９により密閉される。
なお、筐体８と基板１により囲まれる空間内は、空気で満たされた状態であってもよいが、窒素等の不活性ガスを封入し、或いは減圧された状態であってもよい。
【００２４】
上記した圧電発電装置において、図１の矢印に示すように錘７を移動させると、複数のユニモルフ圧電体セル２ａのそれぞれが同じ方向に湾曲する。この場合、ヤング率Ｅと膜厚Ｔの積Ｐについて、第１表面電極３の積Ｐを第２表面電極４の積Ｐよりも大きくしているので、湾曲が大きくなるにつれてユニモルフ圧電体セル２ａの他面側の伸縮量は、一面側の伸縮量よりも大きくなる。これにより、ユニモルフ圧電体セル２ａの内部に歪みが生じ、圧電横効果（ｄ３１効果）により圧力の大きさに応じた電位差が第１表面電極３と第２表面電極４の間に生じる。
【００２５】
また、間隙２ｂを挟んで相対向する第１表面電極３と第２表面電極４は、間隙２ｂの底面でそれぞれ接続されているので、複数のユニモルフ圧電体セル２ａは第１、第２表面電極３、４を介して互いに直列に接続されている。これにより、圧電体基板２上部の複数のユニモルフ圧電体セル２ａは電気的に直列に接続され、それらの両面に生じる電位差はユニモルフ圧電体セル２ａの数だけ加算される。この結果、第１、第２表面電極５ａ、５ｂの間には大きな電位差が生じる。
【００２６】
なお、ユニモルフ圧電体セル２ａと錘７を接着する接着層６は、錘７よりもヤング率が低い材料から形成されているので、錘７の移動を阻害することはない。
【００２７】
次に、上記した圧電発電装置の形成方法について説明する。
まず、図３Ａに示すように、例えばシリコンの基板１上に圧電体基板２を形成する。圧電体基板２として例えばＰＺＴ膜をＣＶＤ法により２５μｍの厚さに形成した後に、これをフォトリソグラフィー法によりパターニングし、例えば奥行きと幅がそれぞれ約５ｍｍとなる大きさにする。ＰＺＴ膜のヤング率は約６５ＧＰａである。
【００２８】
圧電体基板２を形成する方法としては、ＣＶＤ法に限定されず、例えば、スパッタリング法、ゾルゲル法、パルスレーザ蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、厚膜印刷法、グリーンシート積層法、或いは、エアロゾルデポジション法などで形成してもよいし、圧電体の板を基板１に接着してもよい。グリーンシート積層法により形成された圧電体基板２は焼結体である。
【００２９】
続いて、図３Ｂに示すように、ダイシングソーを使用して圧電体基板２の上部に溝を入れて間複数の間隙２ｂを形成することにより、間隙２ｂにより区画される板状のユニモルフ圧電体セル２ａを形成する。間隙２ｂの形成方法は、ダイシングソーを使用する方法に限定されるものではなく、例えばマスクを使用してミリング、リアクティブイオンエッチングなどにより形成することもできる。
【００３０】
間隙２ｂの深さを例えば約２０μｍとし、図中横方向の間隙２ｂの幅を例えば約１０μｍ又はそれ以下とする。これにより、圧電体基板２の上部には、ピッチが３０μｍの凹凸パターンが形成される。
【００３１】
次に、図３Ｃに示すように、枠１０の中に圧電体基板２を嵌め込み、圧電体基板２の周りを枠１０で囲んだ後に、無電解メッキによりユニモルフ圧電体セル２ａの上と間隙２ｂの中に第１の導電膜１１を形成する。第１の導電膜１１として、例えばヤング率が約２２０ＧＰａのニッケル膜を形成する。第１表面電極膜１１は、間隙２ｂ内を完全に充填する厚さに形成される。その後に、第１の導電膜１１の上面を化学機械研磨（ＣＭＰ）法等により平坦化する。
【００３２】
続いて、図３Ｄに示すように、ダイシングソーをユニモルフ圧電体セル２ａ及び間隙２ｂ内に入れることにより第１の導電膜１１に間隙２ｂを再び露出させる。これにより、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面上で第１の導電膜１１を厚さ約５μｍに残すとともに、ユニモルフ圧電体セル２ａの他面を露出させる。この場合、間隙２ｂの幅を例えば１５μｍ幅とし、ユニモルフ圧電体セル２ａの図中横方向の厚さは約１０μｍとする。
【００３３】
次に、図３Ｅに示すように、ユニモルフ圧電体セル２ａの露出面と第１の導電膜１１の露出面上に第２の導電膜１２を形成する。第２の導電膜１２として、例えばヤング率が約５０ＧＰａのニッケル膜をＤＣスパッタ法により形成する。第２の導電膜１２は、ユニモルフ圧電体セル２ａの両面の上で０．１μｍとなる厚さに形成される。
【００３４】
これにより、圧電体基板２の一面上に形成された第１及び第２の導電膜１１、１２を第１表面電極３として使用し、また、他面上に形成された第２の導電膜１２を第２表面電極４として使用する。間隙２ｂから露出する第１表面電極３と第２表面電極４は間隙２ｂの底面で電気的に接続される。
【００３５】
第１、第２の導電膜１１、１２の形成方法は上記の方法に限定されるものではなく、例えば、電解めっき法、無電解めっき法等のめっき法、スパッタリング法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、或いは、有機金属化学気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）等の化学気相成長（ＣＶＤ）法などにより形成してもよい。
【００３６】
特に、第１の導電膜１１は、上記のように無電解めっき法により形成することが、コスト的にも、成膜速度を高くする観点からも好ましい。また、第２の導電膜１２は、第１の導電膜１１よりも潰れ難くさを小さくするために、スパッタリング法を用いて形成することが好ましい。なお、第１、第２の導電膜１１、１２の材料として、タンタル、チタン、その他の金属又は合金を使用してもよい。
【００３７】
続いて、図３Ｆに示すように、ユニモルフ圧電体セル２ａの自由端上の第１、第２の導電膜１１、１２を研磨して除去する。これにより、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面側の第１の導電膜１１と他面側の第２の導電膜１２はユニモルフ圧電体セル２ａの自由端上で分離される。
【００３８】
この処理において、研磨の方法は特に限定されるものではないが、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法を用いてもよい。
なお、凸状のユニモルフ圧電体セル２ａの破損を防ぐために、研磨前に間隙２ｂ内を樹脂などで埋め、研磨後に樹脂を溶剤により除去してもよい。
【００３９】
次に、図３Ｇに示すように、厚さ約３０μｍのステンレス製の錘７を用意し、接着層６を介して錘７を複数のユニモルフ圧電体セル２ａの自由端の上に載置する。
その後に、図１に示したように、エポキシ系封止剤９を介して外形立方体状の筐体８を基板１の周縁部上に接着固定する。
【００４０】
以上により形成した圧電発電装置をバイブレータにより横方向に周波数１ｋＨｚで振動させて加速試験を行った。圧電発電装置内には板状のユニモルフ圧電体セル２ａを１００個とすると、第１、第２配線５ａ、５ｂから約５００μＷの高い出力が得られる。
【００４１】
これに対し、図４に示す従来の圧電発電装置では、上下方向の振動周波数を１ｋＨｚとした場合に、約４０μＷの低出力が得られる。
図４に示す圧電発電装置は、基板１０１上の支持部１０２に片持ち梁状に支えられた振動板１０３の自由端の下に錘１０４を取り付けた構造を有している。
【００４２】
振動板１０３の上には、上部電極１０５と下部電極１０６に挟まれた板状のＰＺＴ圧電体１０７が形成されている。ＰＺＴ圧電体１０７の大きさは、上記の圧電体基板２上部の１つのユニモルフ圧電体セル２ａと同じ寸法である。また、上部電極１０５はニッケル膜から形成され、その厚さは約０．１μｍである。
【００４３】
支持部１０２、振動板１０３、錘１０４、ＰＺＴ圧電体１０７等は筐体１０８により覆われている。なお、筐体１０８及び支部部１０２は、接着層１０９を介して基板１０１上に接着固定されている。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図５は、第２実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図である。
図５において、第１実施形態と同様に、溝状の間隙２ｂにより分離された複数のユニモルフ圧電体セル２ａを有する圧電体基板２が基板１上に取り付けられている。また、第１実施形態と同様に、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面上には第１表面電極３、他面上には第２表面電極４が形成され、さらに、複数のユニモルフ圧電体セル２ａの自由端上には接着層６を介して錘７が載置されている。この場合にも、圧電体基板２の下部がユニモルフ圧電体セル２ａの圧電支持部となっている。
【００４５】
また、複数のユニモルフ圧電体セル２ａのうち中央のユニモルフ圧電体セル２ａ又は中央に最も近い１つのユニモルフ圧電体セル２ａは絶縁部２ｃとして機能し、絶縁部２ｃの一面上の第１表面電極３には第３配線５ｃが接続されている。第３配線５ｃは、第２配線５ｂに電気的に接続されている。さらに、絶縁部２ｃとなるユニモルフ圧電体セル２ａの他面上の第２表面電極４には第４配線５ｄが接続され、第４配線５ｄは第１配線５ａに接続されている。
【００４６】
従って、絶縁部２ｃに対して図中右側の複数のユニモルフ圧電体セル２ａは、第１配線５ａと第３配線５ｃの間で電気的に直列に接続される。また、絶縁部２ｃに対して図中左側の複数のユニモルフ圧電体セル２ａは、第２配線５ｂと第４配線５ｄの間で電気的に直列に接続される。
【００４７】
また、絶縁部２ｃに対して図中右側の群のユニモルフ圧電体セル２ａは第１配線５ａと第３配線５ｃにより引き出され、また、図中左側の群のユニモルフ圧電体セル２ａは第２配線５ｂと第４配線５ｄにより引き出され、それら２つの群は電気的に並列に接続されている。これにより、第１、第２配線５ａ、５ｂの間の内部インピーダンスは、第１実施形態に示す圧電発電装置に比べて１／２になる。
【００４８】
本実施形態に係る圧電発電装置について、加速度を印加して錘７を横方向に移動させると、圧電横効果により第１、第２表面電極３、４の間に電位差が生じる。例えば、バイブレータを用いて錘７を振動させて加振試験を行うと、１００個のユニモルフ圧電体セル２ａの発電により振動周波数１ｋＨｚで約５００μＷの出力が得られる。
なお、本実施形態では、絶縁部２ｃを介して複数のユニモルフ圧電体セル２ａを２つの群に分けたが、複数のユニモルフ圧電体セル２ａを３つ以上の群に分け、複数の電極対を形成してもよい。
【００４９】
（第３の実施の形態）
図６は、第３実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図である。
図６において、第１実施形態と同様に、溝状の間隙２ｂ、２ｄにより分離された複数のユニモルフ圧電体セル２ａを有する圧電体基板２が基板１上に取り付けられている。また、第１実施形態と同様に、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面上には第１表面電極３、他面上には第２表面電極４が形成され、さらに、複数のユニモルフ圧電体セル２ａの自由端上には接着層６を介して錘７が載置されている。この場合にも、圧電体基板２の下部がユニモルフ圧電体セル２ａの圧電支持部となっている。
【００５０】
複数のユニモルフ圧電体セル２ａは中央に形成された幅の広い第２の間隙２ｄを境にして２つの群に分けられている。第２の間隙２ｄの図中横方向の奥行きを、例えば約５０μｍとし、間隙２ｄの底部ではその両側方の第１、第２表面電極３、４が分離されている。広い間隙２ｄに対して図中右側のユニモルフ圧電体セル２ａの群のうち最も右側の第１表面電極３には第１配線５ａが接続され、最も左側の第２表面電極４には第３配線５ｃが接続されている。
【００５１】
また、第２の間隙２ｄに対して図中左側のユニモルフ圧電体セル２ａの群のうち最も左側の第２電極４には第２配線５ｂが接続され、最も右側の第１表面電極３には第４配線５ｄが接続されている。
これにより、奥行きの広い第２の間隙２ｄに対して図中右側の群の複数のユニモルフ圧電体セル２ａは、第１配線５ａと第３配線５ｃの間に直列に接続されている。また、第２の間隙２ｄに対して図中左側の群の複数のユニモルフ圧電体セル２ａは、第２の配線５ｂと第４の配線５ｄの間に直列に接続されている。
【００５２】
以上のことから、広い間隙２ｄに対して図中右側のユニモルフ圧電体セル２ａの群は第１の配線５ａと第３の配線５ｃにより引き出され、また、図中左側のユニモルフ圧電体セル２ａの群は第２の配線５ｂと第４の配線５ｄにより引き出されている。そして、第１の配線５ａは第４の配線５ｄに接続され、また、第２の配線５ｂは第３の配線５ｃに接続される。
【００５３】
これにより、右側の群のユニモルフ圧電体セル２ａと左側の群のユニモルフ圧電体セル２ａは電気的に並列に接続されている。そして、第１、第２の配線５ａ、５ｂの間の内部インピーダンスは、第１実施形態と同数のユニモルフ圧電体セル２ａを有する圧電発電装置に比べて１／２になる。
【００５４】
本実施形態に係る圧電発電装置について、加速度を印加して錘７を横方向に振動すると、圧電横効果により第１、第２表面電極３、４の間に電位差が生じる。例えば、バイブレータを用いて錘７を振動させて加振試験を行うと、振動周波数１ｋＨｚで１００個のユニモルフ圧電体セル２ａから約５００μＷの出力が得られる。
【００５５】
なお、本実施形態では、広い第２の間隙２ｄを介して複数のユニモルフ圧電体セル２ａを２つの群に分けたが、広い第２の間隙２ｄを介して複数のユニモルフ圧電体セル２ａを３つ以上の群に分け、複数の電極対を設けてもよい。また、広い第２の間隙２ｄを形成するのではなく、間隙２ｂ内面で第１、第２表面電極３、４を分断して複数のユニモルフ圧電体セル２ａを複数の郡に分けても良い。
【００５６】
（第４の実施の形態）
図７は、第４実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図である。
図７において、第１実施形態と同様に、溝状の間隙２ｂにより分離された複数のユニモルフ圧電体セル２ａを有する圧電体基板２が基板１上に形成されている。また、第１実施形態と同様に、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面上には第１表面電極３が、他面上には第２表面電極４が形成されている。
【００５７】
複数のユニモルフ圧電体セル２ａを区分する溝状の間隙２ｂの中には、接着性の弾性体１３が充填される。その弾性体１３は、ユニモルフ圧電体セル２ａの自由端上にも形成され、ユニモルフ圧電体セル２ａと錘７を接着する。弾性体１３は、ユニモルフ圧電体セル２ａの材料よりもヤング率が低い絶縁材、例えばシリコーン系樹脂等から形成されている。
【００５８】
弾性体１３は、第１実施形態の図３Ｆに示したように、第１、第２表面電極３、４の形成後に形成される。即ち、弾性体１３を間隙２ｂ内に充填するとともにユニモルフ圧電体セル２ａの自由端上に形成する。その後に、ユニモルフ圧電体セル２ａの自由端を覆う弾性体１３の上に錘７を乗せ、その後に加熱等により弾性体１３を硬化する。これにより、錘７は、弾性体１３を介して圧電セル２ａの自由端に接着される。
【００５９】
この場合にも、圧電体基板２の下部がユニモルフ圧電体セル２ａの圧電支持部となっている。
続いて、第１実施形態と同様に、接着剤９により筐体８を基板１の上に接着する。
【００６０】
以上の本実施形態によれば、錘７に加速度を印加すると、錘７の変位によりその下のユニモルフ圧電体セル２ａが変形し、第１実施形態と同様に、圧電横効果により第１表面電極３、第２表面電極４の間に電位差が生じて発電される。この場合、錘７及びユニモルフ圧電体セル２ａの移動に伴って弾性体１３が変形する。
【００６１】
弾性体１３は、ユニモルフ圧電体セル２ａの過剰な変形を抑止するとともに、湾曲したユニモルフ圧電体セル２ａを元の位置に戻り易くする。
以上の圧電発電装置について、バイブレータを用いて錘７を振動させて加振試験を行ったところ、振動周波数１ｋＨｚで８００μＷの出力が得られた。
【００６２】
ところで、図３Ｅに示したように第２の導電膜１２を形成した後に、ユニモルフ圧電体セル２ａの自由端を覆わない程度の深さで弾性体１３を間隙２ｂ内に埋め込んでもよい。これにより、図３Ｆに示すように、ユニモルフ圧電体セル２ａの自由端上の第１、第２の導電膜１１、１２をＣＭＰする際に、ユニモルフ圧電体セル２ａの変形が弾性体１３により抑制され、第１、第２の導電膜１１、１２の最頂部の除去が容易になる。ユニモルフ圧電体セル２ａの自由端と錘７は、第１実施形態と同様に接着層６を介して接続される。
【００６３】
（第５の実施の形態）
図８は、第５実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図である。
図８において、ユニモルフ圧電体セル２ａを支える圧電体基板２の下部、即ち圧電支持部は、数ｍｍ以上の厚みを有し、第１実施形態で説明した基板１の機能を兼ね備えている。
【００６４】
圧電体基板２の上部のうち周縁部２ｆを除いた領域には、第１実施形態と同様に、溝状の間隙２ｂを介して複数の板状のユニモルフ圧電体セル２ａが形成されている。ユニモルフ圧電体セル２ａと溝状の間隙２ｂは、第１実施形態と同様な大きさに形成される。また、圧電体基板２の周縁部２ｆは、両端寄りのユニモルフ圧電体セル２ａから間隔をおいてユニモルフ圧電体セル２ａと同じ高さに形成されている。
【００６５】
ユニモルフ圧電体セル２ａのそれぞれの一面の上には第１表面電極３が形成され、他面の上には第２表面電極４が形成されている。第１表面電極３と第２表面電極４のヤング率と厚さの関係は第１実施形態と同様にする。また、間隙２ｂを介して対向する第１表面電極３と第２表面電極４は、間隙２ｂの底面上で互いに電気的に接続されている。
【００６６】
圧電体基板２の上の複数の電極３、４のうち最も両端寄りの第１表面電極３と第２表面電極４にはそれぞれ第１の配線５ａと第２の配線５ｂが接続されている。
複数のユニモルフ圧電体セル２ａの自由端の上には、第１実施形態と同様に、接着層６を介して錘７が取り付けられている。
【００６７】
圧電体基板２の周縁部２ｆの上には、圧電体基板２及び錘７が変位できる広さの内部空間を有する筐体８が封止剤９を介して取り付けられている。
なお、筐体８と圧電体基板２により区画される空間内は、空気で満たされた状態であってもよいが、窒素等の不活性ガスを封入し、或いは減圧された状態にしてもよい。
【００６８】
上記した圧電発電装置において、図８の矢印に示す横方向に錘７に加速度を印加して錘７を移動させると、ユニモルフ圧電体セル２ａのそれぞれが同じ方向に湾曲する。この場合、ヤング率Ｅと膜厚Ｔの積Ｐの値について、第１表面電極３の積Ｐが第２の分極４の積Ｐよりも大きいので、ユニモルフ圧電体セル２ａの内部に歪みが生じ、圧電横効果によって圧力に応じた電位差が第１表面電極３と第２表面電極４の間に生じる。
また、圧電体基板２が基板１と兼用しているので、図１に示す基板１が不要になり、部品点数を少なくすることができる。
【００６９】
（第６の実施の形態）
図９は、第６実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図である。
図９において、シリコン、セラミック、アルミナ、ステンレス等の強度の高い材料、又はＦＲＰ等の樹脂などから形成された基板１上には圧電体基板２が配置されている。圧電体基板２は第１実施形態に示した圧電材料から形成される。
【００７０】
圧電体基板２の下部には、溝状の間隙２ｂを介して互いに対向する複数の板状のユニモルフ圧電体セル２ａが形成されている。ユニモルフ圧電体セル２ａは、第１実施形態と同様な方法により圧電体基板２に複数の間隙２ｂを入れることにより形成される。また、圧電体基板２のうちユニモルフ圧電体セル２ａの自由端に一体形成されたブロックは錘部２ｇとなる。そのブロックの厚さを例えば数ｍｍとする。ＰＺＴのような圧電体材料は、比重が大きいので第１実施形態の錘７と同じ機能を担わせてもよい。
【００７１】
ユニモルフ圧電体セル２ａの先端は接着層６ａを介して基板１に接着され、固定端となる。そして、圧電基板２の錘部２ｇの横方向の移動によりユニモルフ圧電体セル２ａが湾曲してその両面に表面電荷が現れる。この場合、基板１は、ユニモルフ圧電体セル２ａの支持部となる。なお、ユニモルフ圧電体セル２ａの数は、図では７つ示されているが、これに限るものではない。
【００７２】
接着層６については、ユニモルフ圧電体セル２ａが変形してもユニモルフ圧電体セル２ａを基板１から剥離させない材料で形成することが好ましく、ユニモルフ圧電体セル２ａよりもヤング率が低くて接着性に優れた接着材、例えばシリコーン弾性樹脂から形成する。
【００７３】
第１実施形態と同様に、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面の上には第１表面電極３が形成され、他面の上には第２表面電極４が形成されている。また、間隙２ｂを介して互いに対向する第１表面電極３と第２表面電極４は、間隙２ｂの上端面上で電気的に接続されている。
【００７４】
第１表面電極３は、第１実施形態と同様に、第２表面電極４よりも外力に対して変形し難い条件で形成されている。換言すれば、第１表面電極３は、第２表面電極４よりも潰れ難い膜厚、材料等を有している。この変形し難さは、第１、第２表面電極３、４となる材料のヤング率Ｅと厚さＴとの積Ｐ＝Ｅ×Ｔで定量的に表すことができる。
【００７５】
第１表面電極３及び第２表面電極４に使用可能な導電性材料として、第１実施形態に示したと同様な材料がある。
圧電体基板２の上で最も両端寄りの第１表面電極３と第２表面電極４には、第１、第２の配線５ａ、５ｂが接続されている。また、基板１の上には、第１実施形態と同様に、圧電体基板２の変位を制限しない広さの内部空間を有する筐体８が封止剤９を介して取り付けられている。
【００７６】
上記した圧電発電装置において、図９の矢印に示す横方向に圧電体基板２の錘部２ｇを移動させると、ユニモルフ圧電体セル２ａのそれぞれが同じ方向に湾曲し、圧電横効果によって圧力に応じた電位差が第１表面電極３と第２表面電極４の間に生じる。
【００７７】
また、間隙２ｂを挟んで相対向する第１表面電極３と第２表面電極４は、間隙２ｂの天井面でそれぞれ接続されているので、複数のユニモルフ圧電体セル２ａは第１、第２表面電極３、４を介して互いに直列に接続されている。これにより、複数のユニモルフ圧電体セル２ａの両面に生じる電位差は加算され、最両端の第１、第２表面電極５ａ、５ｂの間には大きな電位差が生じる。
【００７８】
さらに、ユニモルフ圧電体セル２ａと錘７を接着する接着層６は、錘７よりもヤング率が低い材料から形成されているので、錘７の移動を阻害することはない。また、本実施形態では、第１実施形態の錘が不要となるので、部品点数を少なくすることができる。
【００７９】
なお、第４実施形態と同様に、ユニモルフ圧電体セル２ａ、第１電極３及び第２電極４から形成される圧電発電部と基板１との間の空間の少なくとも一部を、ユニモルフ圧電体セル２ａよりもヤング率が低い材料により充填してもよい。
【００８０】
（第７の実施の形態）
図１０は、第７実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図である。
図１０において、第１実施形態と同様に、基板１上には圧電体基板２が形成され、圧電体基板２の上部には、互いに溝状の間隙２ｂを介して対向する複数の板状のユニモルフ圧電体セル２ａが形成されている。
【００８１】
ユニモルフ圧電体セル２ａは、根本が圧電体基板２の下部、即ち圧電支持部に固定される一方、その上側に自由端を有し、自由端に横方向に加わる圧力に応じて表面電荷が現れる。ユニモルフ圧電体セル２ａの数は、図では７つ示されているが、これに限るものではない。
【００８２】
また、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面の上には第１表面電極３ａ、絶縁膜１４が順に形成されている。また、ユニモルフ圧電体セル２ａの他面の上には第２表面電極４ａが形成されている。第２表面電極４ａは、間隙２ｂの底面からユニモルフ圧電体セル２ａの一面側に延在し、略Ｕ字状に形成されている。
また、第１表面電極３ａと第２表面電極４ａは、圧電セル２ａの間を仕切る間隙２ｂの底面上で互いに電気的に接続されている。
【００８３】
第１表面電極３ａは、第２表面電極４ａよりも潰れ難い条件で形成される。換言すれば、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面側の第１表面電極３ａ、絶縁膜１４及び第２表面電極４ａの積層構造は、他面側の第２表面電極４ａよりも外力に対して変形しにくい条件で形成されている。
【００８４】
従って、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面における積層構造の変形し難さは、第１、第２表面電極３ａ、４ａのそれぞれのヤング率Ｅ１、Ｅ２と厚さＴ１、Ｔ２との積Ｐ１、Ｐ２の和Ｐ１＋Ｐ２＝Ｅ１×Ｔ１＋Ｅ２×Ｔ２と、絶縁膜１４のヤング率Ｅａと厚さＴａとの積Ｐａ＝Ｅａ×Ｔａとの総和＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐａで定量的に表すことができる。また、第２表面電極４ａの変形し難さは、第２表面電極４ａとなる材料のヤング率Ｅと厚さＴとの積Ｐ＝ＥＴで表すことができる。
【００８５】
第１表面電極３ａ及び第２表面電極４ａに使用可能な導電性材料として、例えば第１実施形態に示した第１、第２表面電極３ａ、４ａの形成に用いる材料が採用される。また、絶縁膜１４の材料は、ヤング率が高い材料が好ましく、例えばアルミナが採用される。
【００８６】
圧電体基板２における両端側の第１表面電極３と第２表面電極４には、第１、第２の配線５ａ、５ｂが電気的に接続されている。第１、第２の配線５ａ、５ｂは、例えば、はんだを使用して接続してもよいし、ワイヤボンディングにより接続してもよい。
【００８７】
また、複数のユニモルフ圧電体セル２ａの自由端の上には、第１実施形態と同様に、接着層６を介して錘７が取り付けられている。
基板１の上には、第１実施形態と同様に、エポキシ系樹脂等の封止剤９を介して筐体８が取り付けられている。
【００８８】
上記した圧電発電装置において、図１０の矢印に示す横方向に錘７を移動させると、第１実施形態と同様に、ユニモルフ圧電体セル２ａのそれぞれが同じ方向に湾曲し、ユニモルフ圧電体セル２ａの内部に歪みが生じ、圧電横効果によって圧力に応じた電位差が第１表面電極３と第２表面電極４の間に生じる。
【００８９】
また、第１表面電極３ａと第２表面電極４ａは間隙２ｂの底面でそれぞれ接続されているので、複数のユニモルフ圧電体セル２ａは第１、第２表面電極３ａ、４ａを介して互いに直列に接続されている。
【００９０】
また、第１表面電極３ａの強度は、その上の絶縁膜１４及び第２表面電極４ａによって補強されているので、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面側の強度の調整が容易になる。
上記の第１、第２表面電極３ａ、４ａと絶縁膜１４は例えば次のような方法で形成される。
【００９１】
まず、第１実施形態の図３Ｂに示すように、圧電体基板２にユニモルフ圧電体セル２ａと間隙２ｂを形成した後に、板状のユニモルフ圧電体セル２ａの両面に例えばスパッタ法により第１の導電膜１５を形成する。第１の導電膜１５の厚みは間隙２ｂを埋め込まない程度にする。
【００９２】
その後に、間隙２ｂを完全に埋め込む厚さのアルミナからなる絶縁膜１４を第１の導電膜１５の上に形成する。
さらに、図１１Ａに示すように、ダイシングソー等を使用して絶縁膜１４に間隙２ｂを再び形成し、ユニモルフ圧電体セル２ａの一面側で絶縁膜１４を薄く残存させるとともに、圧電セル２ａの他面側を露出させる。
次に、図１１Ｂに示すように、ユニモルフ圧電体セル２ａの露出面と絶縁膜１４の上に、例えばスパッタ法により第２の導電膜１６を形成する。
【００９３】
その後に、第１、第２の導電膜１５、１６と絶縁膜１４を研磨してユニモルフ圧電体セル２ａの自由端を露出させる。これにより、ユニモルフ圧電体セル２ａの頂部の上で、第１、第２の導電膜１５、１６を分離すると、図１０に示した第１、第２表面電極３ａ、４ａが形成される。一面上では、第１表面電極３ａから第２表面電極４ａまでが、実質的に第１実施形態の第１表面電極となる。
以上のように、２層以上の積層構造を有する電極の変形しにくさは、積層構造を構成する各層のヤング率と厚さの積の和で定量的に表すことができる。
【００９４】
なお、上記の第１〜第７実施形態において、複数の圧電セルを同じ材料により形成しているが異なる材料により形成し、間隔をおいて基板上に取り付けてもよい。
【００９５】
（第８の実施の形態）
図１２は、第８実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図、図１３は、図１２に示す圧電発電装置の内部を示す平面図である。
図１２、図１３において、アルミナ、ステンレス、ＦＲＰ等の強度の高い材料から形成された基板２１上には圧電体基板２２が載置されている。圧電体基板２２は、例えば第１実施形態において例示した圧電体基板２の材料から選択してもよし、その他の圧電材料を採用してもよい。
【００９６】
圧電体基板２２の上部には、複数の板状のバイモルフ圧電体セル２３が溝状の間隙２０を介して一列に形成されている。バイモルフ圧電体基板２３は、基板２１上面に略垂直方向に延びて形成され、その根本が圧電体基板２２の下部に固定さる一方、その上端は自由端となっている。バイモルフ圧電セル２３の間隙は例えば約５０μｍである。
【００９７】
これにより、バイモルフ圧電体基板２３は、その自由端に加わる力の大きさに応じて湾曲し、その湾曲によりバイモルフ圧電体セル２３の両表面に電荷が現れる。なお、バイモルフ圧電体セル２３の数は、図では６つ示されているが、これに限られるものではない。
【００９８】
バイモルフ圧電体セル２３は第１圧電層２２ａと第２圧電層２２ｂを有し、第１圧電層２２ａと第２圧電層２２ｂの間には内部電極２５が挟まれている。また、第１、第２圧電層２２ａ、２２ｂのうち内部電極２５に接合しない２つの表面にはそれぞれ第１表面電極２４と第２表面電極２６が形成されている。第１、第２圧電層２２ａ、２２ｂは、圧電体基板２１と同じ材料から例えば約５０μｍの厚さに形成されている。
【００９９】
第１表面電極２４は、圧電体基板２２下部の中に形成される第１配線２７に接続される。第１配線２７は、基板２１の上面に略平行に形成され、圧電体基板２２側面上の第１端子２８に接続される。第１配線２７は、内部電極２５と第２表面電極２６には接続されない。
【０１００】
内部電極２５は、圧電体基板２２下部の中に形成された第２配線２９に接続される。第２配線２９は、第１配線２７の上方で平行に形成され、圧電体基板２２側面上の第２端子３０に接続される。第２配線２９は、第１表面電極２４及び第２表面電極２６に接続されず、第１表面電極２４の第１ホール２４ａ内を非接触で貫通するか、或いは第１表面電極２４を迂回する。
【０１０１】
第２表面電極２６は、圧電体基板２２下部の中に形成された第３配線３１に接続される。第３配線３１は、で第２配線２９の上方で平行に形成され、圧電体基板２２側面上の第３端子３２に接続される。第３配線３１は、第１表面電極２４及び内部電極２５に接続されず、第１表面電極２４及び内部電極２５の第２、第３ホール２４ｂ、２５ａ内を非接触で貫通するか、或いは第１表面電極２４及び内部電極２５を迂回する。
【０１０２】
内部電極２５、第１、第２表面電極２４、２６、第１、第２、第３配線２７、２９、３１及び第１、第２、第３端子２８、３０、３２は、導電材であれば特に限定される必要はないし、それぞれ異なる導電材から形成してもよい。
【０１０３】
しかし、圧電体基板２２をセラミックスから形成する場合には、セラミックスと同時に焼成可能な導電材から形成することが好ましい。そのような導電材として、例えば、Pt、Ni、パラジウム（Pd）、銀パラジウム（AgPd）等がある。
なお、第１、第２表面電極２４、２５は、セラミックス焼成後に、第１〜第７実施形態に示したと同様な方法で、第１表面電極３，３ａ、第２表面電極４、４ａと同じ方法で形成されてもよい。
【０１０４】
複数のバイモルフ圧電体セル２３の自由端の上には、接着層３３を介して錘３４が取り付けられている。錘３４は、複数の自由端を橋渡す形状を有し、１つの塊であってもよいし、複数の塊であってもよい。錘３４は、比重及びヤング率の高い材料から形成することが好ましく、例えば第１実施形態に示した錘７と同じ材料から形成してもよい。おな、錘３４を圧電材料から形成して第１、第２圧電層２２ａ、２２ｂと一体化してもよい。この場合、接着層３３は不要になる。
【０１０５】
接着層３３として、バイモルフ圧電体セル２３が変形した状態で錘３４とバイモルフ圧電体セル２３が剥離しない材料であって、バイモルフ圧電体セル２３の変形を妨げない材料から形成されることが好ましい。接着層３３として、例えば第１、第２の圧電層２２ａ、２２ｂよりもヤング率が低い材料、例えばシリコーン弾性樹脂から形成する。
【０１０６】
基板２１の上には、筐体３８が取り付けられている。筐体３８は、圧電体基板２２及び錘３４を収容する空間を有するとともに、バイモルフ圧電体セル２３及び錘３４が自由に変形できる広さの内部空間を有している。また、筐体３８下面の開口部周囲の縁は、エポキシ系樹脂等の封止剤３８ａを介して基板２１上面の周縁部に接着される。筐体３８は、例えば、ステンレス、アルミニウム、樹脂等の材料から形成される。
【０１０７】
筐体３８と基板２１の間には、筐体３８の内側から外側に第１、第２及び第３引出配線３５、３６、３７を通す隙間が確保されている。第１、第２、第３引出配線３５、３６、３７はそれぞれ第１、第２、第３端子２８、３０、３２に接続される。
【０１０８】
なお、特に図示しないが、圧電体基板２２内に第１、第２及び第３配線２７、２９、３１を形成せずに、内部電極２５同士を外部から配線で接続し、第１表面電極２４同士を外部から配線で接続し、さらに、第２表面電極２６同士を外部から配線で接続してもよい。
【０１０９】
バイモルフ圧電体では第１及び第２の圧電層２２ａ、２２ｂの分極方向を同じにする「同一方向型」と、それらの分極方向を逆にする「逆方向型」の２種類の方法がある。基本的にどちらの方法でもよいが、以下の説明は逆方向型についてのものである。
【０１１０】
上記の実施形態において、まず、第１端子２８と第３端子３２を導通させ、それらの端子２８、３２と第２端子３０の間に直流電圧を印加する。これにより、第１表面電極２４と内部電極２５の間および第２表面電極２６と内部電極２５の間にそれぞれ電界を発生させる。これにより、第１圧電層２２ａは第１方向に分極され、さらに第２圧電層２２ｂは第１方向とは反対方向に分極される。
【０１１１】
その後に直流電圧を第１〜第３端子２８、３０、３２から切り離す。その切り離し後にも、第１、第２圧電層２２ａ、２２ｂの分極はそのまま維持される。第１、第２圧電層２２ａ、２２ｂは、上記したような圧電材料から形成されるので、強誘電体の性質があるからである。
【０１１２】
次に、基板２１の上面に平行な方向の成分を有する振動を図１２、図１３に示す圧電発電装置に加えると、その内部の錘３４が振動する。このため、圧電体基板２２の上部に形成された複数のバイモルフ圧電体セル２３は、錘３４の振動に伴って湾曲する。
【０１１３】
これにより、バイモルフ圧電体セル２３を構成する第１圧電層２２ａと第２圧電層２２ｂのうち一方は伸び、他方は縮むので、第１圧電層２２ａと第２圧電層２２ｂのそれぞれの内部には歪みが生じる。発生する電圧は、圧電横効果（ｄ３１効果）によって錘３４の加速度に応じた値となる。
【０１１４】
複数のバイモルフ圧電体セル２３により発生した電力は、第１、第２表面電極２４、２６から第１、第３の配線２７、３１及び第１、第２端子２８、３２に導かれる。
１つのバイモルフ電圧セル２３において、第１表面電極２４と第２表面電極２６の間の電圧は、第１圧電層２２ａの両面と第２圧電層２２ｂの両面にそれぞれ発生する電圧の合計となる。
【０１１５】
複数のバイモルフ圧電体セル２３により発生した電力は、第１、第３の配線２７、３１を介して第１、第３端子２８、３２に導かれ、第１、第３引出配線３５、３７により外部に引き出される。
【０１１６】
以上のように本実施形態によれば、複数のバイモルフ圧電体セル２３の自由端に錘３４を橋渡しして接着したので、各バイモルフ圧電体セル２３の両面に発生する電荷の極性を同じにすることができる。また、複数のバイモルフ圧電体セル２３は、第１、第３の配線２７、３１を介して互いに並列に接続され、それらの両面に発生する電荷は互いに加算されて第１、第３端子２８、３２から流出可能になる。
【０１１７】
ところでバイモルフ圧電体セル２３が１０個形成された圧電発電装置をバイブレータにより振動させて加速試験を行う。この場合、バイモルフ圧電体セル２３のそれぞれの高さを約５ｍｍ、幅約を５ｍｍ、厚みを約１１５μｍとする。
【０１１８】
これにより、錘３４の振動周波数を１ｋＨｚに設定すると、第１端子２８と第３端子３２から約２０ｍＷの高い電力が出力される。
これに対し、図４に示した従来の圧電発電装置では、上下方向の振動周波数を１ｋＨｚとした場合に、約４０μＷの低い電力が出力される。
【０１１９】
ところで、図１２に示す圧電発電装置を同一方向型で用いる場合は、まず、第１端子２８と第２端子３０の間に直流電圧を印加することにより、第１表面電極２４と内部電極２５の間に電界を発生させる。さらに第２端子３０と第３端子３２の間に同様に直流電圧を印加することにより、内部電極２４と第２表面電極２６の間に電界を発生させる。
【０１２０】
これにより、第１圧電層２２ａは第１方向に分極され、さらに第２圧電層２２ｂは第１方向と同方向に分極される。
【０１２１】
同一方向型では、逆方向型と異なり、１つのバイモルフ電圧セル２３が湾曲した状態において、内部電極２５に対して第1表面電極２４及び第２表面電極２６は同じ極性の電位が発生するため、第１端子２８と第２端子３２を導通し、それらの端子２８、３２と第３端子３０との間で出力を取り出す。この場合、出力電圧は逆方向型の１／２となるが電流は２倍となり、出力電力は特に変わらない。
【０１２２】
次に、上記した圧電発電装置の形成方法の一例について説明する。
まず、図１４Ａに示すようなグリーンシート積層ブロック５０を形成する。グリーンシート積層ブロック５０は、図１５Ａ〜図１５Ｅに示すような同じ平面形状を有する第１〜第５のグリーンシート積層ユニット５１〜５５を積層することにより形成される。
【０１２３】
第１〜第５のグリーンシート積層ユニット５１〜５５は、四角の平面形状に形成され、左右対称の構造を有している。その四角形のうち奥行き方向（ｘ方向）の２つの辺の長さは、バイモルフ圧電体セル２３を含む圧電体基板２１の高さの２倍である。また、奥行き方向に直交する方向（ｙ方向）の２辺は、バイモルフ圧電体セル２３の幅と同じ長さを有している。
【０１２４】
第１のグリーンシート積層ユニット５１の上には、第２のグリーンシート積層ユニット５２と第３のグリーンシート積層ユニット５３が順に重ねられる。さらに、第３のグリーンシート積層ユニット５３の上には、第４のグリーンシート積層ブロック５４と第３のグリーンシート積層ユニット５３が交互に４層ずつ重ね合わせられる。さらに、最上の第３のグリーンシート積層ユニット５３上には、第５のグリーンシート積層ユニット５５が重ねられる。
【０１２５】
第１のグリーンシート積層ユニット５１は、図１５Ａに示すように、第１グリーンシート４１の上に第２グリーンシート４２を重ねた構造を有している。
【０１２６】
第１グリーンシート４１は、図１２に示した溝状の間隙２０を高さ方向に２つ繋げた形状の広い溝４１ｄを有し、その中には樹脂ペースト４０、例えばアクリル樹脂が埋め込まれている。また、第１グリーンシート４１において、樹脂ペースト４０上とその両側の領域には第１表面電極２４が形成されている。また、溝４１ｄの両側のそれぞれには、第１表面電極２４に形成された第１ホール２４ａを貫通する第１ビアホール４１ａが形成され、第１ビアホール４１ａ内には第１導電性プラグ２９ａが充填されている。
なお、第１グリーンシート４１の下面には、第１導電性プラグ２９ａの下端に接続される第２端子３０が形成されている。
【０１２７】
第２グリーンシート４２は、第１グリーンシート４１上の第１表面電極２４の両端にそれぞれ繋がる第２ビアホール４２ａと、第１ビアホール４１ａに直結する第３ビアホール４２ｂを有している。第２、第３ビアホール４２ａ、４２ｂ内には第２、第３導電性プラグ２７ｂ、２９ｂが充填されている。第２グリーンシート４２上には内部電極２５が形成され、内部電極２５の両端は第３導電性プラグ２９ｂの上端に接続されるが、第３埋込導電性プラグ２９ｂより外寄りの第２導電性プラグ２７ｂに達しない大きさを有している。
【０１２８】
第２のグリーンシート積層ユニット５２は、図１５Ｂに示すように、第３グリーンシート４３の上に第４グリーンシート４４を重ねた構造を有している。
【０１２９】
第３グリーンシート４３の両側領域のそれぞれには、図１４Ａに示す第２グリーンシート４２内の第２導電性プラグ２７ｂに重なる第４ビアホール４３ａと、第２グリーンシート４２内の第３導電性プラグ２９ｂに重なる第４ビアホール４３ｂが形成されている。第４、第５ビアホール４３ａ、４３ｂのそれぞれの中には第４、第５導電性プラグ２７ｃ、２９ｃが形成されている。さらに、第３グリーンシート４３の上面のうち、両端寄りの２つの第５導電性プラグ２９ｃに挟まれる領域に第２表面電極２６が形成されている。第２表面電極２６は、第５導電性プラグ２９ｃに非接触状態となっている。
【０１３０】
第４グリーンシート４４は、第１グリーンシート４１の溝４１ｄと同じ位置に同じ形状の溝４４ｄを有し、その中には樹脂ペースト４０が埋め込まれている。また、第４グリーンシート４４において、溝４４ｄの両側には、第４導電性プラグ２７ｃに繋がる第６ビアホール４４ａと、第５導電性プラグ２９ｃに繋がる第７ビアホール４４ｂが形成されている。また、溝４４ｄの両側において、第３グリーンシート４４上の第２表面電極２６の両端の上には第８ビアホール４４ｃが形成されている。第６、第７及び第８ビアホール４４ａ、４４ｂ、４ｃ内にはそれぞれ第６、第７及び第８導電性プラグ２７ｄ、２９ｄ、３１ｄが充填されている。
【０１３１】
第３のグリーンシート積層ユニット５３は、図１５Ｃに示すように、第５グリーンシート４５を有している。第５グリーンシート４５の下面には第１表面電極２４が形成される一方、その上面には内部電極２５が形成されている。第５グリーンシート４５の両端寄りの領域には、図１４Ｂに示す第４グリーンシート４４の第６、第７及び第８導電性プラグ２７ｄ、２９ｄ、３１ｄに重なる第９、第１０及び第１１ビアホール４５ａ、４５ｂ、４５ｃが形成されている。また、第９、第１０及び第１１ビアホール４５ａ、４５ｂ、４５ｃ内にはそれぞれ第９、第１０及び第１１導電性プラグ２７ｅ、２９ｅ、３１ｅが充填されている。第９導電性プラグ２７ｅは、第５グリーンシート４５下面の第１表面電極２４の端部に接続される。さらに、第１０導電性プラグ２９ｅは、第５グリーンシート４５上面上の内部電極２５の端部に接続される。
【０１３２】
第５グリーンシート４５表面の第１表面電極２４には第１０、第１１導電性プラグ２９ｅ、３１ｅを貫通させる第１、第２ホール２４ａ、２４ｂが形成されている。また、第５グリーンシート４５表面の内部電極２５には、第１１導電性プラグ３１ｅを貫通させる第３ホール２５ａが形成されている。
【０１３３】
第４のグリーンシート積層ユニット５４は、図１５Ｄに示すように、第６グリーンシート４６の上に第７グリーンシート４７を重ねた構造を有している。
【０１３４】
第６グリーンシート４６の両側領域のそれぞれには、図１５Ｃに示した第５グリーンシート４５内の第９、第１０及び第１１導電性プラグ２７ｅ、２９ｅ、３１ｅにそれぞれ重なる第１２、第１３及び第１４ビアホール４６ａ、４６ｂ、４６ｃが形成される。第１２、第１３及び第１４ビアホール４６ａ、４６ｂ、４６ｃのそれぞれの中には第１２、第１３及び第１４導電性プラグ２７ｆ、２９ｆ、３１ｆが形成されている。さらに、第６グリーンシート４６の上面には、端部が第１４導電性プラグ３１ｆに接続される第２表面電極２６が形成されている。
【０１３５】
第７グリーンシート４７は、第１グリーンシート４１の溝４１ｄと同じ位置に同じ形状の溝４７ｄを有し、その中には樹脂ペースト４０が埋め込まれている。また、第７グリーンシート４７において、溝４７ｄの両側には、第１２、第１３及び第１４導電性プラグ２７ｆ、２９ｆ、３１ｆに繋がる第１５、第１６及び第１７ビアホール４７ａ、４７ｂ、４７ｃが形成されている。そして、第１５、第１６及び第１７ビアホール４７ａ、４７ｂ、４７ｃの中には、第１５、第１６及び第１７導電性プラグ２７ｇ、２９ｇ、３１ｇが形成されている。
【０１３６】
第５のグリーンシート積層ユニット５５は、図１５Ｅに示すように、第８グリーンシート４８の上に第９グリーンシート４９を重ねた構造を有している。
【０１３７】
第８グリーンシート４６の両側領域のそれぞれには、図１５Ｃに示す第５グリーンシート４５内の第９及び第１１導電性プラグ２７ｅ、３１ｅにそれぞれ重なる第１８及び第１９ビアホール４８ａ、４８ｂが形成される。第１８及び第１９ビアホール４８ａ、４８ｂのそれぞれの中には第１８及び第１９導電性プラグ２７ｈ、３１ｈが形成されている。さらに、第８グリーンシート４８の上面には、端部が第１９導電性プラグ３１ｈに接続される第２表面電極２６が形成されている。
【０１３８】
第９グリーンシート４９は、第１グリーンシート４１の溝４１ｄと同じ位置に同じ形状の溝４９ｄを有し、その中には樹脂ペースト４０が埋め込まれている。また、第７グリーンシート４９において、溝４９ｄの両側には、第１８及び第１９導電性プラグ２７ｈ、３１ｈに繋がる第２０及び第２１ビアホール４９ａ、４９ｂが形成されている。そして、第２０及び第２１ビアホール４９ａ、４９ｂの中には、第２０及び第２１導電性プラグ２７ｉ、３１ｉが形成されている。
【０１３９】
なお、第９グリーンシート４９上には、第２０及び第２１導電性プラグ２７ｉ、３１ｉにそれぞれ接続される第１、第３端子２８、３２が形成されている。
【０１４０】
ところで、第１〜第９のグリーンシート４１〜４９は、セラミック材料を有機バインダーで分散させてシート状に成型することにより形成される。セラミック材料は、圧電体基板２２として使用される材料であり、例えばＰＺＴ系材料が使用される。
【０１４１】
また、第１〜第２１導電性プラグ２７ｂ〜２７ｉ、２９ａ〜２９ｇ、３０ｂ〜３１ｉは、例えば銀パラジウムから形成されている。第１表面電極２４、内部電極２５及び第２表面電極２６は、例えば銀パラジウムから形成されている。
【０１４２】
グリーンシート積層ブロック５０は、第１〜第９グリーンシート４１〜４９、第１表面電極２４等を下から順に形成してもよいし、或いは第１〜第５グリーンシート積層ユニット５１〜５５を別々に形成した後にそれらを重ね合わせてもよい。
グリーンシート積層ブロック５０は大気中で脱脂された後に焼成され、これにより圧電材からなる焼結体が形成される。脱脂のための加熱温度は例えば約４００℃であり、焼成のための加熱温度は例えば約１０００℃である。
【０１４３】
グリーンシート積層ブロック５０内の樹脂ペースト４０は、図１４Ｂに示すように、それらの加熱により飛散、燃焼し、消失する。これにより、樹脂ペースト４０が消失した領域はバイモルフ圧電体セル２３の溝状の間隙２０となる。
【０１４４】
グリーンシート積層ブロック５０において、第２、第４、第６、第９、第１２、第１５、第１８及び第２０の導電性プラグ２７ｂ〜２７ｉは互いに接続されて第１の配線２７となる。また、第１、第３、第５、第７、第１０、第１３、第１６の導電性プラグ２９ａ〜２９ｇは互いに接続されて第２の配線２９となる。さらに、第８、第１１、第１４、第１７、第１９及び第２１の導電性プラグ３１ｄ〜３１ｉは互いに接続されて第３の配線３１となる。
【０１４５】
焼結されたグリーンシート積層ブロック５０は、図１４Ｂの一点鎖線に沿って切断され、これにより図１２に示したようなバイモルフ圧電体セル２３を有する圧電体基板２２が２つ形成される。
続いて、図１２に示した錘３４を接着剤３３により複数のバイモルフ圧電体セル２３の自由端に接着する。
【０１４６】
例えば、圧電体基板２２の高さが約５ｍｍであって、バイモルフ圧電体セル２３の幅が約５ｍｍ、厚みが約１００μｍの場合に、約１ｍｍの厚さのステンレス製の錘３４を複数のバイモルフ圧電体セル２３の自由端に接続する。
【０１４７】
次に、第１〜第３端子２８、３０、３２のそれぞれに第１〜第３の引出配線３５、３６、３７の一端を接続した後に、第１〜第３の引出配線３５、３６、３７の他端を基板２１の外に引き出す。続いて、エポキシ樹脂３８ａを介して外形が立方体状の筐体３８を基板１の周縁部上に接着固定する。
【０１４８】
次に、上記のグリーンシート、電極及び導電性プラグの形成方法について、第４のグリーシート積層ユニット５４を例に挙げて説明する。
まず、図１６Ａに示すように、圧電セラミック粉末とバインダー樹脂と可塑剤を含む圧電材からなる厚さ５０μｍの第４グリーンシート４６をドクターブレード法により形成した後に、例えば１０ｍｍ×５ｍｍの大きさの四角形に切断する。
【０１４９】
続いて、図１６Ｂに示すように、第６グリーンシート４６のうち長辺を正面にして両端寄りの領域のそれぞれに第１２、第１３及び第１４のビアホール４６ａ、４６ｂ、４６ｃをパンチを用いて打ち抜く。第１２、第１３及び第１４のビアホール４６ａ、４６ｂ、４６ｃの直径を例えば約５０μｍとする。
【０１５０】
その後に、図１６Ｃに示すように、第１２、第１３及び第１４のビアホール４６ａ、４６ｂ、４６ｃ内にAgPdペーストをスクリーン印刷により充填する。これにより、第１２、第１３及び第１４のビアホール４６ａ、４６ｂ、４６ｃ内にはAgPdを含む第１２、第１３及び第１４の導電プラグ２７ｆ、２９ｆ、３１ｆが形成される。
【０１５１】
さらに、第２表面電極２６として用いられるAgPdペーストを第６グリーンシート４６上にスクリーン印刷により形成する。
その後に、図１６Ｄに示すように、溝４７ｄが形成された第７のグリーンシート４７を第６のグリーンシート上に載せる。第７のグリーンシートのうち溝４７ｄの両側にはそれぞれ第１５、第１６及び第１７のビアホール４７ａ、４７ｂ、４７ｃがパンチにより形成されている。
【０１５２】
そして、第１５、第１６及び第１７のビアホール４７ａ、４７ｂ、４７ｃ内にAgPdペーストをスクリーン印刷により充填する。これにより、第１５、第１６及び第１７のビアホール４７ａ、４７ｂ、４７ｃ内には、AgPdを含む第１５、第１６及び第１７の導電プラグ２７ｇ、２９ｇ、３１ｇが形成される。
さらに、図１６Ｅに示すように、溝４７ｄ内には、スクリーン印刷により樹脂ペースト４０としてアクリル材を充填する。
【０１５３】
以上により、第４のグリーンシート積層ユニット５４が完成する。
ところで、第１〜第９のグリーンシート４１〜４９をそれぞれ幅１００ｍｍ×奥行き１００ｎｍの平面形状に切断し、さらに、その平面領域を１０×２０に区画する。そして、第１〜第９のグリーンシート４１〜４９内で区画された領域毎に、図１４Ａに示した構造の第１〜第５グリーンシート積層ユニット５１〜５５を形成してもよい。これにより一体化した２００個のグリーンシート積層ブロック５０が形成される。そして、その一体化したグリーンシート積層ブロック５０を焼結することにより、１つの焼結ブロックから４００個の圧電素子を同時に形成することができ、大量生産が可能になる。
【０１５４】
なお、溝４７ｄの中に、第４実施形態、第６実施形態と同様に、ヤング率がバイモルフ圧電体セル２３より小さい絶縁材を充填してもよい。
【０１５５】
図１２に示した圧電発電装置は、図１７Ａの等価回路に示すように、複数のバイモルフ圧電体セル２３を全て並列に接続した構造である。その他に、図１７Ｂの等価回路に示すように、複数のバイモルフ圧電体セル２３を複数のグループに分けて、グループ毎に並列に接続してもよい。
【０１５６】
このように、複数のバイモルフ圧電体セル２３の互いの接続は上記の回路に限定されない。例えば、直列に接続してもよい。それらの接続は、圧電体基板２１内の配線で接続されてもよいし、外部の配線で接続されてもよい。
【０１５７】
第８実施形態に説明した圧電発電装置においては、図７に示したと同様に、内部に樹脂１３を充填してもよいし、また、図８に示すと同様に基板２１を省略して圧電発電基板２１に基板２１の機能を兼用させてもよい。さらに、図１２に示した圧電発電装置において、図９に示したと同様に、バイモルフ圧電体セル２３の先端を基板２１に固定して固定端にし、圧電体基板２２のうち配線２７、２９、３１が形成されている部分を錘として使用してもよい。
【０１５８】
ところで、図１８に示すように、上記の各実施形態で説明した構造を有する圧電発電装置６１は、センサ６２とデータ処理機能等を有する無線通信装置６３に内部で又は外部で接続されて使用されてもよいし、或いはその他の機器に接続されて使用されていてもよい。センサ６１は、特に限定されるものではなく、ガス、温度、湿度、照度等を検出するものがある。
【０１５９】
また、上記の各実施形態で説明した構造を有する圧電装置は、振動が発生する場所に設置してもよい。
なお、上記した各実施形態では、圧電体セルを一列に形成した構造を例に挙げて説明しているが、これを複数列形成してもよい。
【０１６０】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定するものではなく、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、組み合わせ、置換および変形を施すことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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