(57)【要約】【課題】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な、発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１は、枠状の支持部１１と、支持部１１の内側に配置され一端が支持部１１に固定された固定端１２ａであり他端が自由端１２ｂであるカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１４と、支持部１１とカンチレバー部１２との間に形成される隙間により構成される第１流路１５ａと、を備えている。カンチレバー部１２は、自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っており、カンチレバー部１２には、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。【選択図】図１
2014230426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置され一端が前記支持部に固定された固定端であり他端が自由端であるカンチレバー部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部と、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により構成される第１流路と、を備え、前記カンチレバー部は、前記自由端が前記支持部の前記内側面により囲まれた空間の外に位置するように反っており、前記カンチレバー部には、前記カンチレバー部の厚み方向に貫通した第２流路を形成してあることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
第２流路は、前記カンチレバー部における前記支持部の内側面側が開放された形状に形成されており、前記支持部は、前記カンチレバー部の前記自由端が前記空間に入ったときに前記第２流路の断面積を小さくするように前記空間内に配置された構造体が、一体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記支持部の厚み方向に沿った方向における前記構造体の厚みが、前記支持部の厚みと同じであることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記第２流路は、前記カンチレバー部の一部を前記カンチレバー部の幅方向で複数に分割するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記カンチレバー部は、前記自由端側に錘部を備え、前記カンチレバー部の長さ方向において前記錘部よりも前記固定端側の部位が、前記カンチレバー部が振動するときに変形して歪を発生する起歪部を構成しており、前記錘部に、前記第２流路を形成してあり、前記圧電変換部は、前記起歪部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記カンチレバー部は、前記起歪部にも前記第２流路を形成してあることを特徴とする請求項５記載の発電装置。
【請求項７】
前記圧電変換部は、複数の圧電変換エレメントを備え、前記複数の圧電変換エレメントの一部もしくは全部が電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）等の分野で注目されている。
【０００３】
この種の発電装置としては、例えば、図１２に示す構成の発電装置２０１が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
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。
【０００５】
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１２（ａ）に示すように、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Ｆが通過するわずかな隙間が形成されている。
【０００６】
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（Fiber Reinforced Plastics）等で形成されたフレキシブルプリント基板であり、圧電素子２１４の出力端子（不図示）を有する。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。
【０００７】
また、リード２１３は、図１２（ｂ）に示すように、端部２３２が窓２１２の外側（気体Ｆ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）。ここで、振動していない状態におけるリード２１３の端部２３２から窓２１２（プレート２１５の上面）までの距離ｔは、利用する風の強さに応じて設定されている。特許文献１には、例えば、風力が弱いときでもリード２１３を振動させるために、距離ｔをリード２１３の端部２３２の板厚程度にしてもよく、あるいは、風力が強いときに大きなエネルギを取り出すために、距離ｔを大きくしてもよい旨が記載されている。
【０００８】
圧電素子２１４は、バイモルフ圧電素子であり、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように、リード２１３の表裏両面に固着されている。特許文献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。
【０００９】
また、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置としては、例えば、図１３に示す構成の発電デバイスも提案されている（例えば、特許文献２）。
【００１０】
この発電デバイスは、フレーム部（支持部）３２１及びカンチレバー部３２２を有するカンチレバー形成基板３２０と、カンチレバー部３２２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部３２４と、を備えている。圧電変換部３２４は、カンチレバー形成基板３２０の一表面側においてカンチレバー部３２２に形成されている。また、カンチレバー形成基板３２０は、カンチレバー部３２２の先端部に、錘部３２３が一体に設けられている。
【００１１】
フレーム部３２１とカンチレバー部３２２と錘部３２３とは、素子形成基板４２０を用いて形成されている。素子形成基板４２０としては、単結晶シリコン基板からなる支持基板４２０ａ上の埋込酸化膜４２０ｂ上に単結晶のシリコン層４２０ｃを有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が用いられている。
【００１２】
圧電変換部３２４は、下部電極３２４ａと、圧電層３２４ｂと、上部電極３２４ｃと、で構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１２−９７６７３号公報
【特許文献２】特開２０１１−９１３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述の発電装置２０１では、発電効率が十分ではなく、更なる改良が求められている。
【００１５】
また、本願発明者らは、上述の発電デバイスを流体により発電させることを考えた。すなわち、本願発明者らは、上述の発電デバイスを流れ場に配置し、流れ場を流れる流体を利用して発電デバイスを発電させることを検討した。
【００１６】
しかしながら、上述の発電デバイスでは、流体を利用して発電させることが難しかった。
【００１７】
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、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な、発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の発電装置は、枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置され一端が前記支持部に固定された固定端であり他端が自由端であるカンチレバー部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部と、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により構成される第１流路と、を備え、前記カンチレバー部は、前記自由端が前記支持部の前記内側面により囲まれた空間の外に位置するように反っており、前記カンチレバー部には、前記カンチレバー部の厚み方向に貫通した第２流路を形成してあることを特徴とする。
【００１９】
この発電装置において、第２流路は、前記カンチレバー部における前記支持部の内側面側が開放された形状に形成されており、前記支持部は、前記カンチレバー部の前記自由端が前記空間に入ったときに前記第２流路の断面積を小さくするように前記空間内に配置された構造体が、一体に設けられていることが好ましい。
【００２０】
この発電装置において、前記支持部の厚み方向に沿った方向における前記構造体の厚みが、前記支持部の厚みと同じであることが好ましい。
【００２１】
この発電装置において、前記第２流路は、前記カンチレバー部の一部を前記カンチレバー部の幅方向で複数に分割するように形成されていることが好ましい。
【００２２】
この発電装置において、前記カンチレバー部は、前記自由端側に錘部を備え、前記カンチレバー部の長さ方向において前記錘部よりも前記固定端側の部位が、前記カンチレバー部が振動するときに変形して歪を発生する起歪部を構成しており、前記錘部に、前記第２流路を形成してあり、前記圧電変換部は、前記起歪部に設けられていることが好ましい。
【００２３】
この発電装置において、前記カンチレバー部は、前記起歪部にも前記第２流路を形成してあることが好ましい。
【００２４】
この発電装置において、前記圧電変換部は、複数の圧電変換エレメントを備え、前記複数の圧電変換エレメントの一部もしくは全部が電気的に直列接続されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の発電装置においては、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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１（ａ）は、実施形態１の発電装置の概略平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図２】図２は、実施形態１の発電装置の第１変形例の概略断面図である。
【図３】図３は、実施形態１の発電装置の第２変形例の概略平面図である。
【図４】図４（ａ）は、実施形態２の発電装置の概略平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図５】図５は、実施形態２の発電装置の概略斜視図である。
【図６】図６は、実施形態２の発電装置の第１変形例の概略平面図である。
【図７】図７（ａ）は、実施形態３の発電装置の概略平面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ１−Ｘ１概略断面図である。図７（ｃ）は、図７（ａ）のＸ２−Ｘ２概略断面図である。
【図８】図８は、実施形態３の発電装置の第１変形例の概略平面図である。
【図９】図９は、実施形態３の発電装置の第２変形例の概略平面図である。
【図１０】図１０は、実施形態３の発電装置の第３変形例の概略平面図である。
【図１１】図１１は、実施形態３の発電装置の第４変形例の概略平面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、従来例の発電装置の概略平面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【図１３】図１３（ａ）は、従来例の発電デバイスの概略平面図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施形態１）
以下では、本実施形態の発電装置１ａについて図１（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。
【００２８】
発電装置１ａは、枠状の支持部１１と、支持部１１の内側に配置され一端が支持部１１に固定された固定端１２ａであり他端が自由端１２ｂであるカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１４と、支持部１１とカンチレバー部１２との間に形成される隙間により構成される第１流路１５ａと、を備えている。カンチレバー部１２は、自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っている。カンチレバー部１２には、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。これにより、発電装置１ａは、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。
【００２９】
流体励起振動は、発電装置１ａ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第１流路１５ａを通過することによって発生するカンチレバー部１２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、液体等が挙がられる。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。
【００３０】
流体励起振動の発生限界流速とは、カンチレバー部１２の自励振動が発生しうる流速の下限値を意味する。
【００３１】
ところで、本願発明者らは、第２流路１５ｂを設けていない参考形態の発電装置に関する次の（１）〜（３）に着目して本願発明を想到するに至った。
【００３２】
（１）流体を受けて自励振動するカンチレバー部１２の発生限界流速は、カンチレバー部１２の単位長さ当たりの質量の平方根に比例する。
【００３３】
（２）発電装置は、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられた第１流路１５ａを流体が通過するときに発生するカンチレバー部１２の第１面１２１側と第２面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性と、に起因して自励振動が起こるので、カンチレバー部１２の面積に対して第１流路５ａの断面積を大きくしたほうが、カンチレバー部１２の自由端１２ａの振幅を増大させることができる。
【００３４】
（３）発電装置では、圧電変換部１４の面積を大きくしたほうが、発電量を大きくすることができる。
【００３５】
（１）、（２）と（３）とは、相反する。
【００３６】
これに対して、本実施形態の発電装置１ａは、支持部１１とカンチレバー部１２との間に形成される隙間により構成される第１流路１５ａを備え、カンチレバー部１２が、その自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っているだけでなく、カンチレバー部１２に、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。よって、発電装置１ａは、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。
【００３７】
発電装置１ａの各構成要素については、以下に詳細に説明する。
【００３８】
発電装置１ａは、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造されている。
【００３９】
発電装置１ａは、支持部１１とカンチレバー部１２とが、基板１０から形成されている。発電装置１ａは、基板１０の厚み方向の第１面１０１側にカンチレバー部１２が形成されている。
【００４０】
基板１０としては、シリコン基板１０ａ上のシリコン酸化膜（埋込酸化膜）１０ｂ上にシリコン層１０ｃが形成されたＳＯＩ基板を用いている。基板１０の第１面１０１は、（１００）面としてあるが、これに限らず、例えば、（１１０）面でもよい。
【００４１】
支持部１１は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板１０ａとシリコン酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されている。これに対して、カンチレバー部１２は、ＳＯＩ基板のうちシリコン層１０ｃから形成されている。これにより、発電装置１ａにおけるカンチレバー部１２は、支持部１１に比べて薄肉であり、可撓性を有している。このカンチレバー部１２は、弾性を有している。要するに、カンチレバー部１２は、支持部１１に揺動自在に支持されている。
【００４２】
発電装置１ａは、基板１０と圧電変換部１４とが、基板１０の第１面１０１側に形成された第１絶縁膜１８ａによって、電気的に絶縁されている。第１絶縁膜１８ａは、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。発電装置１ａは、基板１０の厚み方向の第２面１０２側に、シリコン酸化膜からなる第２絶縁膜（図示せず）を備えていてもよい。第１絶縁膜１８ａ及び第２絶縁膜は、例えば、熱酸化法により形成することができる。第１絶縁膜１８ａ及び第２絶縁膜の形成方法は、熱酸化法に限らず、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等でもよい。
【００４３】
基板１０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板や多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、ポリマー基板等を用いることも可能である。発電装置１ａは、基板１０として、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板等の絶縁性基板を用いる場合、第１絶縁膜１８ａ及び第２絶縁膜を必ずしも設ける必要はない。
【００４４】
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。つまり、支持部１１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１ａは、製造時に、基板１０の基礎となるウェハ（基板１０がＳＯＩ基板の場合には、ＳＯＩウェハ）を準備し、このウェハから多数の発電装置１ａを形成する前工程を行い、後工程において個々の発電装置１ａ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。
【００４５】
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。
【００４６】
発電装置１ａは、カンチレバー部１２が、平面視において支持部１１の内側に配置されている。発電装置１ａは、基板１０に、カンチレバー部１２を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄを形成することによって、カンチレバー部１２における支持部１１との連結部位である固定端１２ａ以外の部分が、支持部１１と分離されている。これにより、カンチレバー部１２は、支持部１１に片持ち支持されている。発電装置１ａは、スリット１０ｄが、第１流路１５ａを構成している。
【００４７】
圧電変換部１４は、カンチレバー部１２の厚み方向の第１面１２１側（基板１０の第１面１０１側）に設けられている。圧電変換部１４は、カンチレバー部１２の第１面１２１側に設けられた第１電極（下部電極）１４ａと、第１電極１４ａ上に設けられた圧電体層１４ｂと、圧電体層１４ｂ上に設けられた第２電極（上部電極）１４ｃと、を備えている。要するに、圧電変換部１４は、圧電体層１４ｂと、圧電体層１４ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極１４ａ及び第２電極１４ｃを備えている。
【００４８】
したがって、発電装置１ａは、カンチレバー部１２の振動によって圧電変換部１４の圧電体層１４ｂが応力を受け第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部１４において交流電圧が発生する。要するに、発電装置１ａは、圧電変換部１４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動型の発電装置である。
【００４９】
圧電体層１４ｂの平面形状は、矩形状に形成されている。圧電変換部１４は、圧電体層１４ｂの外形サイズが、第１電極１４ａの外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極１４ｃの外形サイズよりもやや大きい、のが好ましい。以下では、カンチレバー部１２の厚み方向において第１電極１４ａと圧電体層１４ｂと第２電極１４ｃとが重なっている領域を、圧電変換領域１４１と称する。圧電変換部１４は、圧電変換領域１４１が、交流電圧の発生に寄与する。発電装置１ａは、カンチレバー部１２の長さ方向において、圧電変換領域１４１の固定端１２ａ側の端１４１ａを、カンチレバー部１２と支持部１１との境界に揃えてある。これにより、発電装置１ａは、カンチレバー部１２の長さ方向において、圧電変換領域１４１の固定端１２ａ側の端１４１ａが上記境界よりもカンチレバー部１２側にある場合に比べて、カンチレバー部１２上に存在する圧電変換領域１４１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１ａは、圧電変換領域１４１の固定端１２ａ側の端１４１ａが上記境界よりも支持部１１側にある場合に比べて、圧電変換領域１４１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。
【００５０】
圧電変換部１４で発生する交流電圧は、圧電体層１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、発電装置１ａの圧電変換部１４は、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを流体が流れることによって発生する自励振動を利用して発電することを想定している。発電装置１ａの共振周波数は、カンチレバー部１２と圧電変換部１４とからなる可動部の構造パラメータ及び材料により決まる。
【００５１】
発電装置１ａは、支持部１１の厚み方向の第１面１１１側に、第１パッド（図示せず）と、第２パッド（図示せず）と、が設けられている。支持部１１の第１面１１１は、カンチレバー部１２の第１面１２１と滑らかに連続している。発電装置１ａは、上記第２絶縁膜を備えていない場合、支持部１１の厚み方向の第２面１１２と、基板１０の第２面１０２とが同じである。発電装置１ａは、基板１０の第２面１０２側に上記第２絶縁膜を備えている場合、上記第２絶縁膜の表面が支持部１１の第２面１１２となる。
【００５２】
第１パッドは、第１配線（図示せず）を介して第１電極１４ａと電気的に接続されている。第２パッドは、第２配線（図示せず）を介して第２電極１４ｃと電気的に接続されている。第１配線、第２配線、第１パッド及び第２パッドの材料としては、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、第２配線、第１パッド及び第２パッドの材料は、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、第２配線、第１パッド及び第２パッドは、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
【００５３】
また、発電装置１ａは、第２配線と第１電極１４ａの周部との間に、第２配線と第１電極１４ａ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。
【００５４】
圧電体層１４ｂ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（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）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。なお、発電装置１ａは、圧電体層１４ｂが、圧電薄膜により構成されている。
【００５５】
第１電極１４ａ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１４ｃ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。
【００５６】
発電装置１ａは、第１電極１４ａの厚みを５００ｎｍ、圧電体層１４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極１４ｃの厚みを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
【００５７】
発電装置１ａは、基板１０と第１電極１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体層１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体層１４ｂ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。発電装置１ａは、緩衝層を設けることにより、圧電体層１４ｂ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。
【００５８】
カンチレバー部１２には、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２における支持部１１の内側面１１ｂ側が開放された形状に形成されている。第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２の長さ方向（カンチレバー部１２の軸線に沿った方向）において、カンチレバー部１２における圧電変換部１４の垂直投影領域よりも自由端１２ｂ側に形成されている。第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で２つに分割するように形成されていることが好ましい。
【００５９】
発電装置１ａでは、カンチレバー部１２の共振周波数がカンチレバー部１２の長さで規定されるため、第２流路１５ｂが、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で２つに分割するように形成されていることで、カンチレバー部１２の振動が安定し、発電効率の向上を図ることが可能となる。ここで、発電装置１ａは、カンチレバー部１２のうちカンチレバー部１２の幅方向において第２流路１５ｂの一方側にある部位の幅寸法Ｈ１と他方側にある部位の幅寸法Ｈ２とが等しいのが好ましい。このため、第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２の第１面１２１における流体の流入口１５１及びカンチレバー部１２の第２面１２２における流体の流出口１５２が、カンチレバー部１２の長さ方向に沿って形成されているのが好ましい。発電装置１ａでは、第２流路１５ｂが、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で２つに分割するように形成されているが、これに限らず、第２流路１５ｂが、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で複数に分割するように形成されていてもよい。例えば、発電装置１ａでは、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で３つに分割するように２つの第２流路１５ｂが形成されていてもよい。発電装置１ａは、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で分割する数が多いほうが、第２流路１５ｂが多くなり、カンチレバー部１２の振動がより安定し、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。
【００６０】
発電装置１ａに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。
【００６１】
発電装置１ａの製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板１０を準備し、その後、絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜形成工程では、熱酸化法等を利用して、基板１０の第１面１０１側、第２面１０２側にそれぞれ、シリコン酸化膜からなる第１絶縁膜１８ａ、第２絶縁膜を形成する。絶縁膜形成工程では、第１絶縁膜１８ａ、第２絶縁膜を形成する方法として熱酸化法を採用しているが、これに限らず、ＣＶＤ法等を採用してもよい。
【００６２】
上述の絶縁膜形成工程の後には、基板１０の第１面１０１側の全面に、第１電極１４ａ及び第１配線の基礎となる第１導電層を形成する第１導電層形成工程を行い、続いて、圧電体層１４ｂの基礎となる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程を行う。第１導電層を形成する方法としては、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。圧電材料層を形成する方法としては、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。
【００６３】
圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層を圧電体層１４ｂの所定の形状にパターニングする第１パターニング工程を行い、続いて、第１導電層を第１電極１４ａ及び第１配線の所定の形状にパターニングする第２パターニング工程を行う。第１パターニング工程では、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２パターニング工程では、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。
【００６４】
第２パターニング工程の後には、基板１０の第１面１０１側に上記絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。絶縁層形成工程の後には、第２電極１４ｃ及び第２配線の基礎となる第２導電層を基板１０の第１面１０１側の全面に形成する第２導電層形成工程を行ってから、第２導電層を第２電極１４ｃ及び第２配線の所定の形状にパターニングする第３パターニング工程を行う。第２導電層を形成する方法としては、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３パターニング工程では、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。
【００６５】
第３パターニング工程の後には、第１パッド及び第２パッドの基礎となる第３導電層を、基板１０の第１面１０１側の全面に形成する第３導電層形成工程を行い、その後、第３導電層を、第１パッド及び第２パッドの所定の形状にパターニングする第４パターニング工程を行う。第４パターニング工程の後には、基板１０の第１面１０１側から、支持部１１、カンチレバー部１２以外の部位（スリット１０ｄの形成予定領域、第２流路１５ｂの形成予定領域）を第１所定深さ（カンチレバー部１２の厚みに対応する深さ）までエッチングすることで第１溝を形成する第１溝形成工程を行う。第１溝形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して第１溝を形成する。第１溝形成工程では、シリコン酸化膜１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第１溝形成工程の後には、基板１０の第２面１０２側から支持部１１以外の部位を第２所定深さまでエッチングすることで第２溝を形成する第２溝形成工程を行う。第１溝形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して第２溝を形成する。第２溝形成工程では、シリコン酸化膜１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第２溝形成工程の後には、シリコン酸化膜１０ｂのうち支持部１１以外に対応する部分をエッチングすることで支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成するカンチレバー部形成工程を行うことによって、発電装置１ａを得る。また、上述のカンチレバー部形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成する。溝形成工程及びカンチレバー部形成工程での各エッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングである。なお、カンチレバー形成工程において、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂが形成される。発電装置１ａの製造方法では、カンチレバー部１２を形成したときに、例えば圧電体層１４ｂの内部応力である圧縮応力によって、カンチレバー部１２を反らせることができる。
【００６６】
発電装置１ａの製造にあたっては、カンチレバー部形成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装置１ａに分割するようにしている。
【００６７】
発電装置１ａの製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング工程とを順次行う代わりに、リフトオフ法を利用して第１パッド及び第２パッドを形成してもよい。また、発電装置１ａの製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング工程とを順次行う代わりに、メタルマスク等を利用して蒸着法等により第１パッド及び第２パッドを形成してもよい。
【００６８】
ところで、上述のように、発電装置１ａにおけるカンチレバー部１２は、自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っている。要するに、カンチレバー部１２は、外部振動や流体等が作用していない初期状態において、図１（ｂ）のように、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが、支持部１１の第１面１１１側において空間１９の外に位置するように反っている。ここで、カンチレバー部１２は、第１面１２１側が凹曲面となり且つ第２面１２２側が凸曲面となるように、湾曲している。本実施形態の発電装置１ａでは、圧電体層１４ｂを構成する圧電薄膜の内部応力によって、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するようにカンチレバー部１２を反らせてある。圧電薄膜の内部応力は、例えば、圧電薄膜をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧や、温度等のプロセス条件を適宜設定することによって調整することができる。
【００６９】
本実施形態の発電装置１ａの動作については、以下の推定メカニズムにより説明する。なお、本実施形態の発電装置１ａ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。
【００７０】
本実施形態の発電装置１ａは、流体の流れる方向と支持部１１の厚み方向とが一致し、基板１０の第１面１０１側が流体の上流側、基板１０の第２面１０２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１ａでは、上流側から発電装置１ａに向って流れる流体が第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを通る際に流速が速くなるので、カンチレバー部１２の第２面１２２と支持部１１の内側面１１ｂとで囲まれた空間１０ｆの圧力が下がり、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが空間１９に近づく向きへ変位する。そして、この発電装置１ａでは、カンチレバー部１２の第１面１２１と支持部１１の第１面１１１とが面一になったところで、カンチレバー部１２の第１面１２１側と第２面１２２側とでの圧力差がなくなる。そして、発電装置１ａは、カンチレバー部１２の弾性力によってカンチレバー部１２の自由端１２ｂが元の位置に戻る向きへ変位するものと推考される。発電装置１ａ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１２が自励振動し、圧電変換部１４が発電するものと推考される。
【００７１】
発電装置１ａは、上述のように、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを備え、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っている。これにより、発電装置１ａは、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを通る流体の流れ（気流）によって発生するカンチレバー部１２の第１面１２１側と第２面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性とによって自励振動を発生させることができるので、流体を利用して発電可能となる。
【００７２】
また、発電装置１ａは、カンチレバー部１２に、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。これにより、発電装置１ａは、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となり、且つ、発電効率の向上を図ることが可能となる。
【００７３】
以下では、本実施形態の発電装置１ａの第１変形例の発電装置１ｂについて図２に基づいて説明する。第１変形例の発電装置１ｂは、カンチレバー部１２の第１面１２１側に形成された応力制御膜１１９によって、カンチレバー部１２を反らしてある点が実施形態１の発電装置１ａと相違する。応力制御膜１１９の一部は、支持部１１の第１面１１１側にも形成されている。なお、実施形態１の発電装置１ａと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００７４】
応力制御膜１１９は、カンチレバー部１２の第１面１２１側において圧電変換部１４を覆うように形成してある。応力制御膜１１９は、シリコン酸化膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜等により構成してもよい。なお、応力制御膜１１９は、カンチレバー部１２の第２面１２２側に形成してもよい。
【００７５】
第１変形例の発電装置１ｂは、実施形態１の発電装置１ａと同様、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。
【００７６】
なお、第１変形例の発電装置１ｂにおいて、応力制御膜１１９に起因してカンチレバー部１２に作用する応力と圧電薄膜である圧電体層１４ｂの内部応力とによって、カンチレバー部１２を反らしてもよい。
【００７７】
以下では、本実施形態の発電装置１ａの第２変形例の発電装置１ｃについて図３に基づいて説明する。
【００７８】
第２変形例の発電装置１ｃは、カンチレバー部１２において圧電変換部１４が形成されている領域が実施形態１の発電装置１ａと相違する。なお、実施形態１の発電装置１ａと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
第２変形例の発電装置１ｃは、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の第１面１２１を面状に覆うように形成されている。面状に覆うとは、カンチレバー部１２の第１面１２１の略全面を覆うことを意味するが、第１面１２１の全面を覆う場合に限らず、図３に示すように、第１面１２１の全面よりもやや狭い領域の全体を覆う場合でもよい。図３に示した第２変形例では、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の側縁付近で、カンチレバー部１２の側縁から規定距離だけ離れて位置するように配置されている。第２変形例の発電装置１ｃの製造方法は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法と基本的に同じであり、圧電変換部１４をパターニングする際のフォトマスクが異なるだけである。規定距離は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法において、第１溝、第２溝をそれぞれ形成する際に、圧電変換部１４がエッチングされないように設定すればよい。
【００８０】
（実施形態２）
以下では、本実施形態の発電装置１ｄについて図４、５に基づいて説明する。
【００８１】
本実施形態の発電装置１ｄは、支持部１１の構成が実施形態１の発電装置１ａと相違する。なお、実施形態１の発電装置１ａと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００８２】
発電装置１ｄの支持部１１は、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが空間１９に入ったときに第２流路１５ｂの断面積を小さくするように空間１９内に配置された構造体１１ｅが、一体に設けられている。構造体１１ｅの厚み方向の第１面１１ｅ１は、支持部１１の第１面１１１と同一平面上にあるのが好ましい。
【００８３】
発電装置１ｄは、構造体１１ｅを備えていることにより、カンチレバー部１２の第１面１２１と支持部１１の第１面１１１とが面一になったときの第２流路１５ｂの断面積を小さくすることが可能となり、実施形態１の発電装置１ａに比べて、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
【００８４】
発電装置１ｄは、支持部１１の厚み方向に沿った方向における構造体１１ｅの厚みｔ２が、支持部１１の厚みｔ１と同じであることが好ましい。これにより、発電装置１ｄは、構造体１１ｅの厚みｔ１がカンチレバー部１２の厚みと同じである場合に比べて、構造体１１ｅの剛性を高めることが可能となり、カンチレバー部１２が振動するときに構造体１１ｅが変形するのを抑制することが可能となる。これにより、発電装置１ｄは、カンチレバー部１２の振動による振動エネルギが構造体１１ｅの変形に起因して低下したり、カンチレバー部１２の振動が不安定になるのを抑制することが可能となる。要するに、発電装置１ｄは、構造体１１ｅの厚みｔ２が、支持部１１の厚みｔ１と同じであることにより、カンチレバー部１２の振動をより安定させることが可能となる。
【００８５】
以下では、本実施形態の発電装置１ｄの第１変形例の発電装置１ｅについて図６に基づいて説明する。なお、実施形態２の発電装置１ｄと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００８６】
第１変形例の発電装置１ｅは、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の第１面１２１を面状に覆うように形成されている。面状に覆うとは、カンチレバー部１２の第１面１２１の略全面を覆うことを意味するが、第１面１２１の全面を覆う場合に限らず、図６に示すように、第１面１２１の全面よりもやや狭い領域の全体を覆う場合でもよい。図６に示した第１変形例では、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の側縁付近で、カンチレバー部１２の側縁から規定距離だけ離れて位置するように配置されている。第１変形例の発電装置１ｅの製造方法は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法と基本的に同じであり、圧電変換部１４をパターニングする際のフォトマスク等が異なる。規定距離は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法において、第１溝、第２溝をそれぞれ形成する際に圧電変換部１４がエッチングされないように設定すればよい。
【００８７】
（実施形態３）
以下では、本実施形態の発電装置１ｆについて図７に基づいて説明する。
【００８８】
本実施形態の発電装置１ｆは、カンチレバー部１２の構成等が実施形態２の発電装置１ｄと相違する。なお、実施形態２の発電装置１ｄと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００８９】
発電装置１ｆのカンチレバー部１２は、自由端１２ｂ側に錘部２３を備えている。また、発電装置１ｆのカンチレバー部１２は、カンチレバー部１２の長さ方向において、カンチレバー部１２の錘部２３よりも固定端１２ａ側の部位が、カンチレバー部１２が振動するときに変形して歪を発生する起歪部１２ｃを構成している。そして、発電装置１ｆは、錘部２３に、第２流路１５ｂを形成してあり、圧電変換部１４が、起歪部１２ｃに設けられている。
【００９０】
発電装置１ｆは、カンチレバー部１２が錘部２３を備えていることにより、錘部２３を備えていない場合に比べて、カンチレバー部１２が振動するときの慣性力を大きくでき、カンチレバー部１２の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電装置１ｆは、カンチレバー部１２が錘部２３を備えていることにより、カンチレバー部１２が振動するときに起歪部１２ｃ及び圧電変換部１４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。また、発電装置１ｆは、カンチレバー部１２が錘部２３を備えていることにより、カンチレバー部１２の共振周波数を小さくすることが可能となり、錘部２３に、第２流路１５ｂを形成してあることにより、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
【００９１】
以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第１変形例の発電装置１ｇについて図８に基づいて説明する。なお、実施形態３の発電装置１ｆと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００９２】
第１変形例の発電装置１ｇは、本実施形態の発電装置１ｆの構造体１１ｅを備えていない点が相違するだけである。要するに、第１変形例の発電装置１ｇは、実施形態１の発電装置１ａにおけるカンチレバー部１２に錘部２３を設けた点が相違するだけである。
【００９３】
したがって、第１変形例の発電装置１ｇは、実施形態１の発電装置１ａに比べて、発電効率の更なる向上、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
【００９４】
以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第２変形例の発電装置１ｈについて図９に基づいて説明する。なお、実施形態３の発電装置１ｆと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００９５】
第２変形例の発電装置１ｈは、カンチレバー部１２の起歪部１２ｃにも第２流路１５ｂを形成してある点が実施形態３の発電装置１ｆと相違する。このため、第２変形例の発電装置１ｈは、圧電変換部１４を、２つの圧電変換エレメント１４０に分けてある。圧電変換エレメント１４０は、圧電変換部１４と同様、第１電極１４ａと、圧電体層１４ｂと、第２電極１４ｃと、を備えている。発電装置１ｈの圧電変換部１４は、２つの圧電変換エレメント１４０が、支持部１１の第１面１１１側に設けた第３配線（図示せず）により直列接続されているのが好ましい。これにより、発電装置１ｈは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。この場合、発電装置１ｈは、支持部１１の第１面１１１側に、２つの圧電変換エレメント１４０の直列回路の一端に電気的に接続されたパッドと、他端に電気的に接続されたパッドと、を備えるようにすればよい。
【００９６】
また、第２変形例の発電装置１ｈは、錘部２３に設けた第２流路１５ｂ、カンチレバー部１２の起歪部１２ｃに設けた第２流路１５ｂそれぞれに対応する構造体１１ｅを支持部１１に一体に設けてある。これにより、発電装置１ｈは、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
【００９７】
以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第３変形例の発電装置１ｉについて図１０に基づいて説明する。なお、第２変形例の発電装置１ｈと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【００９８】
第３変形例の発電装置１ｉは、第２変形例の発電装置１ｈに比べて、カンチレバー部１２の長さ方向における第２流路１５ｂの全長が長く、起歪部１２ｃと錘部２３とに跨って１つの第２流路１５ｂが形成されている点が、第２変形例の発電装置１ｈと相違する。これにより、発電装置１ｉは、第２変形例の発電装置１ｈと同様、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
【００９９】
以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第４変形例の発電装置１ｊについて図１１に基づいて説明する。なお、第２変形例の発電装置１ｈと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
【０１００】
第４変形例の発電装置１ｊは、圧電変換部１４を、８つの圧電変換エレメント１４０に分けてあり、カンチレバー部１２の第１面１２１上において、カンチレバー部１２の幅方向の両側に圧電変換エレメント１４０を４つずつ配置してある点が、第２変形例の発電装置１ｈと相違する。
【０１０１】
発電装置１ｊの圧電変換部１４は、例えば、８つの圧電変換エレメント１４０の全部が、直列接続されているのが好ましい。これにより、発電装置１ｊは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。また、発電装置１ｊは、カンチレバー部１２の幅方向において第２流路１５ｂの一方側に配置された４つの圧電変換エレメント１４０を直列接続した第１直列回路と、第２流路１５ｂの他方側に配置された４つの圧電変換エレメント１４０を直列接続した第２直列回路と、を並列接続するようにしてもよい。
【０１０２】
発電装置１ｊは、圧電変換エレメント１４０の数を限定するものではなく、圧電変換部１４が、複数の圧電変換エレメント１４０を備え、当該複数の圧電変換エレメント１４０の一部もしくは全部が電気的に直列接続されていればよい。これにより、発電装置１ｊは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。
【０１０３】
なお、圧電変換部１４が複数の圧電変換エレメント１４０を備え、当該複数の圧電変換エレメント１４０の一部もしくは全部が電気的に直列接続された構成は、実施形態１、２等において採用してもよい。
【０１０４】
実施形態１〜３等では、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造される構成について説明したが、これに限らず、例えば、各構成要素を別々に形成して組み立てたものでもよい。ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造される構成では、各構成要素を別々に形成して組み立てた構成に比べて、小型化を図ることが可能となる。
【０１０５】
以上、本発明の構成を、実施形態１〜３等に基いて説明したが、本発明は、実施形態１〜３等の構成に限らず、例えば、実施形態１〜３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１〜３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。
【符号の説明】
【０１０６】
１ａ〜１ｊ  発電装置
１１  支持部
１１ｂ  内側面
１２  カンチレバー部
１２ａ  固定端
１２ｂ  自由端
１２ｃ  起歪部
１４  圧電変換部
１５ａ  第１流路
１５ｂ  第２流路
１９  空間
２３  錘部
１４０  圧電変換エレメント
【図１】
2014230426.tif 000003
【図２】
2014230426.tif 000004
【図３】
2014230426.tif 000005
【図４】
2014230426.tif 000006
【図５】
2014230426.tif 000007
【図６】
2014230426.tif 000008
【図７】
2014230426.tif 000009
【図８】
2014230426.tif 000010
【図９】
2014230426.tif 000011
【図１０】
2014230426.tif 000012
【図１１】
2014230426.tif 000013
【図１２】
2014230426.tif 000014
【図１３】
2014230426.tif 000015