(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１ａは、枠状の支持部２と、支持部２の内側に配置され一端が支持部２に固定された固定端３１であり他端が自由端３２であるカンチレバー部３と、支持部２とカンチレバー部３との間に形成された流路７と、を備える。発電装置１ａは、カンチレバー部３の少なくとも一部が可撓性の梁部４により構成されている。発電装置１ａは、梁部４の厚さ方向の第１面４１に設けられカンチレバー部３の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部５と、梁部４の厚さ方向の第２面４２において梁部４の幅方向に沿って形成された補強部６と、を備える。カンチレバー部３は、自由端３２が支持部２の内側面２００により囲まれた空間２９の外に位置するように反っている。【選択図】図１
2015220921.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、前記支持部と前記カンチレバー部との間に形成された流路と、を備え、
前記カンチレバー部の少なくとも一部が可撓性の梁部により構成されており、
前記梁部の厚さ方向の第１面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、
前記梁部の厚さ方向の第２面において前記梁部の幅方向に沿って形成された補強部と、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いる、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
複数の前記圧電変換部を備え、
前記複数の前記圧電変換部のうち少なくとも２つが、前記梁部の長さ方向に沿った方向において離れて配置されており、
前記補強部における前記梁部の幅方向に沿った中心線が、前記複数の前記圧電変換部のうち前記梁部の長さ方向に沿った方向において隣り合う２つの前記圧電変換部の間にある、
ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記補強部は、前記梁部の長さ方向に沿った方向における幅が、０より大きく前記梁部の長さの２０％以下である、
ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項４】
前記梁部の厚さをｈ１とし、
前記梁部を構成する材料のヤング率をＥ１とし、
前記梁部の長さをＬとし、
前記補強部の厚さをｈ２とし、
前記補強部を構成する材料のヤング率をＥ２とし、
前記梁部の長さ方向における前記補強部の幅をα×Ｌとし、
前記支持部の厚さをｈ３とするとき、下記の式（１）を満たす、
【数１】
2015220921.tif 000019
ことを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項５】
複数の前記補強部を備え、前記複数の前記補強部の、前記梁部の長さ方向に沿った方向における幅の総和が、０より大きく前記梁部の長さの２０％以下である、
ことを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項６】
前記梁部の厚さをｈ１とし、
前記梁部を構成する材料のヤング率をＥ１とし、
前記梁部の長さをＬとし、
前記補強部の厚さをｈ２とし、
前記補強部を構成する材料のヤング率をＥ２とし、
前記梁部の長さ方向における前記補強部の幅の総和をα×Ｌとし、
前記支持部の厚さをｈ３とするとき、下記の式（１）を満たす、
【数２】
2015220921.tif 000020
ことを特徴とする請求項５記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関し、より詳細には、流体励起振動を利用して発電する発電装置に関する。
【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（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１には、例えば、枠状の支持部と、支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、カンチレバー部に設けられカンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部と、を備える発電装置が記載されている。発電装置は、支持部とカンチレバー部との間に設けられ支持部の厚み方向に沿って流体が通過可能な流路を備える。また、発電装置は、カンチレバー部の先端部を、カンチレバー部の基端部よりも支持部から離れる向きにずらしてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１３／１８６９６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電装置では、流体励起振動の発生限界流速の低流速化を図ることが求められる場合があり、発電効率の向上が求められている。
【０００６】
本発明の目的は、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】
【０００７】
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、前記支持部と前記カンチレバー部との間に形成された流路と、を備える。本発明の発電装置は、前記カンチレバー部の少なくとも一部が可撓性の梁部により構成されている。本発明の発電装置は、前記梁部の厚さ方向の第１面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、前記梁部の厚さ方向の第２面において前記梁部の幅方向に沿って形成された補強部と、を備える。前記カンチレバー部は、前記自由端が前記支持部の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いる。
【発明の効果】
【０００８】
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】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態１の発電装置の概略平面図である。
【図２】図２は、図１のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図３】図３は、図１のＹ−Ｙ概略断面図である。
【図４】図４は、比較例の発電装置の概略平面図である。
【図５】図５は、図４のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図６】図６は、図４のＹ−Ｙ概略断面図である。
【図７】図７は、梁部及び補強部の寸法の説明図である。
【図８】図８は、梁部、補強部それぞれに対する曲げモーメントの模式的な説明図である。
【図９】図９は、梁部の模式的な説明図である。
【図１０】図１０は、変形例の発電装置の概略平面図である。
【図１１】図１１は、図１０のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図１２】図１２は、図１０のＹ−Ｙ概略断面図である。
【図１３】図１３は、実施形態２の発電装置の概略平面図である。
【図１４】図１４は、実施形態２の発電装置の要部概略平面図である。
【図１５】図１５は、図１４のＸ１−Ｘ１概略断面図である。
【図１６】図１５は、図１４のＸ２−Ｘ２概略断面図である。
【図１７】図１７は、図１３のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図１８】図１８は、図１３のＹ−Ｙ概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（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１〜３に基づいて説明する。
【００１１】
発電装置１ａは、枠状の支持部２と、支持部２の内側に配置され一端が支持部２に固定された固定端３１であり他端が自由端３２であるカンチレバー部３と、支持部２とカンチレバー部３との間に形成された流路７と、を備える。発電装置１ａは、カンチレバー部３の少なくとも一部が可撓性の梁部４により構成されている。発電装置１ａは、梁部４の厚さ方向の第１面４１に設けられカンチレバー部３の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部５と、梁部４の厚さ方向の第２面４２において梁部４の幅方向に沿って形成された補強部６と、を備える。カンチレバー部３は、自由端３２が支持部２の内側面２００により囲まれた空間２９の外に位置するように反っている。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。
【００１２】
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流路７を通過することによって発生するカンチレバー部３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、これら以外でもよい。
【００１３】
流体励起振動の発生限界流速とは、カンチレバー部３の自励振動が発生しうる流速の下限値を意味する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
発電装置１ａは、支持部２とカンチレバー部３とが、基板２０から形成されている。発電装置１ａは、基板２０の厚さ方向の第１面２０１側にカンチレバー部３が形成されている。
【００１７】
基板２０としては、シリコン基板２１１上のシリコン酸化膜２１２上にシリコン層２１３が形成されたＳＯＩ基板を用いている。シリコン酸化膜２１２は、例えば、埋込酸化膜により構成することができる。基板２０の第１面２０１は、ＳＯＩ基板のシリコン層２１３の表面を構成する（１００）面としてある。ＳＯＩ基板は、例えば、シリコン基板２１１、シリコン酸化膜２１２及びシリコン層２１３の厚さを、それぞれ、４００μｍ、１μｍ及び５０μｍとすることができる。
【００１８】
支持部２は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とシリコン層２１３とから形成されている。
【００１９】
支持部２は、外周形状が矩形（直角四辺形）状であるのが好ましい。これにより、発電装置１ａの製造方法では、複数の発電装置１ａを形成したウェハから個々の発電装置１ａに分離する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。基板２０がＳＯＩ基板の場合、基板２０の基礎となるウェハは、ＳＯＩウェハである。
【００２０】
支持部２は、枠状の形状として、矩形枠状の形状を採用している。したがって、支持部２の内周形状は、矩形状としてある。
【００２１】
カンチレバー部３は、支持部２に揺動自在に支持されている。梁部４は、可撓性を有するように、梁部４の厚さを支持部２の厚さよりも薄くしてある。梁部４は、ＳＯＩ基板のうちシリコン層２１３から形成されている。梁部４は、弾性を有している。梁部４は、カンチレバー部３が振動するときに変形して歪を発生する。
【００２２】
発電装置１ａは、平面視において、カンチレバー部３が、支持部２の内側に配置されている。発電装置１ａは、基板２０に、カンチレバー部３を囲む平面視Ｕ字状のスリット２４が形成されている。よって、発電装置１ａは、カンチレバー部３における固定端３１以外の部分が、支持部２と分離されている。これにより、カンチレバー部３は、支持部２に片持ち支持されている。発電装置１ａは、スリット２４が、流路７を構成している。
【００２３】
カンチレバー部３は、自由端３２側に、梁部４よりも厚い錘部８を備えているのが好ましい。この場合、カンチレバー部３は、錘部８よりも固定端３１側の部位が、梁部４を構成している。錘部８は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とシリコン層２１３とから形成されている。
【００２４】
発電装置１ａは、カンチレバー部３が錘部８を備えることにより、錘部８を備えていない場合に比べて、カンチレバー部３が振動するときの慣性力を大きくすることが可能となる。これにより、発電装置１ａは、カンチレバー部３の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電装置１ａは、カンチレバー部３が錘部８を備えることにより、カンチレバー部３が振動するとき、梁部４及び圧電変換部５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１ａは、カンチレバー部３が錘部８を備えることにより、カンチレバー部３の共振周波数を小さくすることが可能となる。
【００２５】
圧電変換部５は、梁部４に設けられている。発電装置１ａは、基板２０と圧電変換部５とが、基板２０の第１面２０１側に形成された第１絶縁膜９１によって、電気的に絶縁されている。第１絶縁膜９１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２０の厚み方向の第２面２０２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９１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９１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法等でもよい。第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜の厚さは、１μｍに設定してあるが、一例であって特に限定するものではない。
【００２６】
圧電変換部５は、梁部４の第１面４１側に設けられた第１電極（下部電極）５１と、第１電極５１上に設けられた圧電体層５２と、圧電体層５２上に設けられた第２電極（上部電極）５３と、を備える。要するに、圧電変換部５は、圧電体層５２と、圧電体層５２を厚さ方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極５１及び第２電極５３と、を備えている。
【００２７】
圧電体層５２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等が挙げられる。なお、発電装置１ａは、圧電体層５２が、圧電薄膜により構成されている。
【００２８】
第１電極５１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５３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。
【００２９】
発電装置１ａは、第１電極５１の厚さを５００ｎｍ、圧電体層５２の厚さを３０００ｎｍ、第２電極５３の厚さを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。
【００３０】
発電装置１ａは、基板２０と第１電極５１との間に緩衝層を備えてもよい。緩衝層の材料は、圧電体層５２の圧電材料に応じて適宜選択すればよい。緩衝層の材料は、圧電体層５２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、緩衝層を備えることにより、圧電体層５２の結晶性を向上させることが可能となる。これにより、発電装置１ａは、発電効率を向上させることが可能となる。
【００３１】
発電装置１ａは、カンチレバー部３の振動によって圧電変換部５の圧電体層５２が応力を受ける。これにより、発電装置１ａは、第２電極５３と第１電極５１とに電荷の偏りが発生し、圧電変換部５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５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。
【００３２】
圧電体層５２の平面形状は、矩形状に形成されている。圧電変換部５は、圧電体層５２の外形サイズが、第１電極５１の外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極５３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３の厚み方向において第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３とが重なっている領域を、圧電変換領域５０と称する。
【００３３】
圧電変換部５は、カンチレバー部３の梁部４を面状に覆うように形成されている。面状に覆うとは、梁部４の第１面４１の略全面を覆うことを意味する。図１における圧電変換部５は、梁部４の幅方向において梁部４の第１面４１の全面よりもやや狭い領域の全体を覆っている。より詳細には、圧電変換部５は、カンチレバー部３の側縁付近で、カンチレバー部３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。規定距離は、例えば、発電装置１ａの製造時にスリット２４を形成する際に、圧電変換部５がエッチングされないように設定するのが好ましい。
【００３４】
圧電変換部５は、圧電変換領域５０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３の長さ方向において、圧電変換領域５０の、固定端３１側の端５０１を、カンチレバー部３と支持部２との境界に揃えてある。よって、発電装置１ａは、カンチレバー部３の長さ方向において、圧電変換領域５０の、固定端３１側の端５０１が上記境界よりもカンチレバー部３側にある場合に比べて、カンチレバー部３上に存在する圧電変換領域５０の面積を大きくできる。これにより、発電装置１ａは、発電効率を向上させることが可能となる。カンチレバー部３の長さ方向は、梁部４の軸線に沿った方向である。
【００３５】
また、発電装置１ａは、圧電変換領域５０の、固定端３１側の端５０１が上記境界よりも支持部２側にある場合に比べて、圧電変換領域５０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。
【００３６】
圧電変換部５で発生する交流電圧は、圧電体層５２の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。発電装置１ａの圧電変換部５は、流路７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３と圧電変換部５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。
【００３７】
支持部２の表面２１は、カンチレバー部３の固定端３１付近において、カンチレバー部３の第１面１３１と滑らかに連続している。発電装置１ａは、第２絶縁膜を備えていない場合、支持部２の表面２１とは反対の裏面２２と、基板２０の第２面２０２とが同じである。発電装置１ａは、基板２０の第２面２０２側に第２絶縁膜を備えている場合、第２絶縁膜の表面が支持部２の裏面２２となる。
【００３８】
発電装置１ａは、支持部２の表面２１側に、第１パッド電極（図示せず）と、第２パッド電極（図示せず）と、が設けられている。
【００３９】
第１パッド電極は、第１配線（図示せず）を介して第１電極５１と電気的に接続されている。第２パッド電極は、第２配線（図示せず）を介して第２電極５３と電気的に接続されている。第１配線、第２配線、第１パッド電極及び第２パッド電極の材料としては、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パッド電極及び第２パッド電極の材料は、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パッド電極及び第２パッド電極は、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
【００４０】
また、発電装置１ａは、第２配線と第１電極５１の周部との間に、第２配線と第１電極５１との短絡を防止する電気絶縁層（図示せず）を設けてある。電気絶縁層は、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。
【００４１】
補強部６は、桟状の形状に形成されている。より詳細には、補強部６は、桟状の形状として矩形板状の形状を採用している。補強部６は、梁部４の幅方向に沿った方向における長さを、圧電変換部５の長さと同じに設定してあるが、これに限らない。補強部６は、梁部４の幅方向に沿った方向における長さが、梁部４において圧電変換部５の配置される領域の長さ以上であるのが好ましく、梁部４の幅方向の長さと同じでもよい。補強部６は、シリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とから形成されている。
【００４２】
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。
【００４３】
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２０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２０の第１面２０１側にシリコン酸化膜からなる第１絶縁膜９１を形成する。また、絶縁膜形成工程では、基板２０の第２面２０２側に第２絶縁膜を形成する。絶縁膜形成工程では、第１絶縁膜９１及び第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。
【００４４】
絶縁膜形成工程の後には、基板２０の第１面２０１側の全面に、第１電極５１と第１配線との基礎になる第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５２の基礎に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。
【００４５】
圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層を圧電体層５２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５１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。
【００４６】
第２パターニング工程の後には、基板２０の第１面２０１側に電気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５３と第２配線との基礎になる第２導電層を基板２０の第１面２０１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５３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。
【００４７】
第３パターニング工程の後には、第１パッド電極と第２パッド電極との基礎になる第３導電層を、基板２０の第１面２０１側の全面に形成する第３導電層形成工程を行う。第３導電層形成工程の後には、第３導電層を、第１パッド電極及び第２パッド電極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２０の第１面２０１側から、支持部２、カンチレバー部３以外の部位（スリット２４の形成予定領域）を第１所定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所定深さは、梁部４の厚さに対応する深さである。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２１２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２０の第２面２０２側から支持部２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２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２１２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２１２のうち支持部２以外に対応する部分をエッチングすることで支持部２と併せてカンチレバー部３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２と併せてカンチレバー部３を形成する。第１溝形成工程、第２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、流路７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３を形成したときに、例えば圧電体層５２の内部応力である圧縮応力によって、カンチレバー部３を反らせることができる。
【００４８】
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。
【００４９】
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パッド電極及び第２パッド電極を形成してもよい。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パッド電極及び第２パッド電極を形成してもよい。
【００５０】
発電装置１ａにおけるカンチレバー部３は、自由端３２が支持部２の内側面２００により囲まれた空間２９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３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２のように、自由端３２が支持部２の表面２１側において空間２９の外に位置するように反っている。ここで、梁部４は、第１面４１が凹曲面となり且つ第２面４２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５２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３の自由端３２が支持部２の内側面２００により囲まれた空間２９の外に位置するようにカンチレバー部３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、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。
【００５１】
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。
【００５２】
本実施形態の発電装置１ａは、流体の流れる方向と支持部２の厚さ方向とが一致し、支持部２の表面２１側が流体の上流側、支持部２の裏面２２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。
【００５３】
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流路７を通る際に流速が速くなるので、カンチレバー部３と支持部２の内側面２００とで囲まれた空間の圧力が下がり、カンチレバー部３の自由端３２が空間２９に近づく向きへ変位する。そして、発電装置１ａでは、カンチレバー部３の第１面１３１と支持部２の表面２１とが面一になったところで、カンチレバー部３第１面１３１側と第２面１３２側との圧力差がなくなる。そして、発電装置１ａは、梁部４の弾性力によってカンチレバー部３の自由端３２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３が自励振動し、圧電変換部５が発電するものと推考される。
【００５４】
発電装置１ａは、上述のように、流路７を備え、カンチレバー部３の自由端３２が支持部２の内側面２００により囲まれた空間２９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、流路７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３の第１面１３１側と第２面１３２側との圧力差と、カンチレバー部３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。
【００５５】
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観点から、共振周波数をより低く設計するのが好ましい。
【００５６】
図４〜６は、比較例の発電装置１０を示す。図４〜６では、発電装置１ａと同様の構成要素に同一の符号を付してある。比較例の発電装置１０は、圧電変換部５における圧電体層５２の内部応力により、カンチレバー部３を反らしてある。圧電体層５２の内部応力は、圧縮応力である。
【００５７】
比較例の発電装置１０において共振周波数を低くするには、例えば、梁部４の厚さを薄くする、もしくは、梁部４の長さを長くする、ことにより、梁部４の剛性を低下させることが考えられる。
【００５８】
しかしながら、発電装置１０は、梁部４の剛性を低下させた場合、初期状態において、圧電変換部５の内部応力による梁部４の変形が顕在化する場合がある。より詳細には、比較例の発電装置１０において梁部４の剛性を低下させた場合には、梁部４が図５に示すように梁部４の長さ方向で変形するだけでなく、図６に示すように梁部４の幅方向でも変形しやすくなる。すなわち、比較例の発電装置１０では、梁部４の中立面上において梁部４の長さ方向にｘ軸を規定した場合、梁部４が、ｘ軸回りに曲りやすくなる。ここで、比較例の発電装置１０では、例えば、梁部４が、第１面４１が凹となり、第２面４２が凸となる、形状に変形しやすくなる。発電装置１０は、梁部４の幅方向の変形が生じると、梁部４の剛性を低下させるために梁部４の厚さを薄くしたにも関わらず、梁部４の剛性を設計通りに低下させることができない懸念があり、発電効率が低下してしまう懸念がある。
【００５９】
比較例の発電装置１０は、初期状態において梁部４が、梁部４の幅方向で変形していると、梁部４の幅方向で変形していない場合に比べて、梁部４の剛性が大きくなり、カンチレバー部３の振動方向の変形を阻害する要因となる。このため、比較例の発電装置１０では、発電効率の低下、想定していない箇所への振動時の応力集中による信頼性の低下、等の懸念がある。
【００６０】
これに対して、発電装置１ａは、梁部４の第２面４２において梁部４の幅方向に沿って形成された補強部６を備え、且つ、カンチレバー部３の自由端３２が支持部２の内側面２００により囲まれた空間２９の外に位置するように、カンチレバー部３が反っている。カンチレバー部３の自由端３２が支持部２の内側面２００により囲まれた空間２９の外に位置するとは、カンチレバー部３の自由端３２が、支持部２の表面２１を含む平面よりも外側に位置することを意味する。
【００６１】
発電装置１ａは、補強部６を備えることにより、梁部４の剛性の低下を図りながらも、初期状態における梁部４の幅方向の変形を抑制することが可能となる。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。更に、発電装置１ａは、振動時に応力が集中するのを想定されていない箇所への、振動時の応力集中を抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。発電装置１ａは、梁部４の長さ方向における補強部６の幅が広くなるにつれて、圧電変換部５のうち発電に寄与しない領域が増える傾向にある。このため、補強部６は、梁部４の長さ方向における幅を、梁部４の長さよりも十分に短く設定してあるのが好ましい。より詳細には、補強部６は、梁部４の長さ方向に沿った方向における幅が、０より大きく梁部４の長さの２０％以下であるのが好ましい。言い換えれば、発電装置１ａは、補強部６の、梁部４の長さ方向に沿った方向における幅が、０より大きく梁部４の長さの２０％以下であるのが、初期状態における梁部４の幅方向の変形を抑制し且つ発電効率の低下を抑制する点で好ましい。
【００６２】
発電装置１ａは、梁部４の厚さをｈ１とし、梁部４を構成する材料のヤング率をＥ１とし、梁部４の長さをＬとし、補強部６の厚さをｈ２とし、補強部６を構成する材料のヤング率をＥ２とし、梁部４の長さ方向における補強部６の幅をｔ＝α×Ｌとし、支持部２の厚さをｈ３とするとき、下記の式（１）を満たすのが好ましい。
【００６３】
【数１】
2015220921.tif 000003
【００６４】
これにより、発電装置１ａは、梁部４の初期形状に関して、梁部４の幅方向に沿った方向の軸（ｙ軸）回りの曲りが支配的になり、梁部４の幅方向の初期変形を抑制することが可能となる。
【００６５】
発電装置１ａは、梁部４がシリコン層２１３と第１絶縁膜９１とから形成されているが、シリコン層２１３の厚さが第１絶縁膜９１の厚さに比べて十分に厚いので、梁部４の材質をシリコンとみなすことができる。よって、梁部４を構成する材料のヤング率Ｅ１としては、シリコンのヤング率を採用することができる。本明細書において、シリコン層２１３の厚さが第１絶縁膜９１の厚さに比べて十分に厚いとは、シリコン層２１３の厚さが第１絶縁膜９１の厚さの１０倍以上であることを意味し、２０倍以上がより好ましく、３０倍以上が更に好ましい。
【００６６】
また、発電装置１ａは、補強部６がシリコン基板２１１とシリコン酸化膜２１２とから形成されているが、シリコン基板２１１の厚さがシリコン酸化膜２１２の厚さに比べて十分に厚いので、補強部６の材質をシリコンとみなすことができる。よって、補強部６を構成する材料のヤング率Ｅ２として、シリコンのヤング率を採用することができる。本明細書において、シリコン基板２１１の厚さがシリコン酸化膜２１２の厚さに比べて十分に厚いとは、シリコン基板２１１の厚さがシリコン酸化膜２１２の厚さの１０倍以上であることを意味し、１００倍以上がより好ましく、２００倍以上が更に好ましい。
【００６７】
式（１）の導出過程については、図７に示す基本モデルに基づいて説明する。
【００６８】
図７に示す基本モデルは、梁部４及び補強部６のいずれも変形していない状態の構造モデルであり、梁部４の厚さをｈ１とし、梁部４の長さをＬとし、補強部６の厚さをｈ２とし、梁部４の長さ方向における補強部６の幅をｔとする。
【００６９】
ここで、図８に示すように、梁部４２にｘ軸及びｙ軸を規定し、補強部６にｙ軸を規定する。梁部４２のｘ軸は、梁部４の中立面４０上で中立面４０の中心Ｏを通るように、梁部４の長さ方向に沿って規定する。梁部４２のｙ軸は、梁部４の中立面４０上で中立面４０の中心Ｏを通るように、梁部４の幅方向に沿って規定する。梁部４をｙ軸周りにおいて円筒の周方向の一部を構成するように曲げるときに、ｘ軸方向の両端に作用する曲げモーメントをＭｘとすると、Ｍｘは、下記の式（２）で表される。
【００７０】
【数２】
2015220921.tif 000004
【００７１】
ここで、式（２）におけるＲｘは、ｘ軸の曲率半径である。
【００７２】
また、図９に示すように梁部４をｙ軸回りにおいて円筒の周方向の一部を構成するように曲げるときに、ｙ軸方向の両端に作用する曲げモーメントをＭｙとすると、Ｍｙは、下記の式（３）で表される。
【００７３】
【数３】
2015220921.tif 000005
【００７４】
また、補強部６を梁部４のｘ軸の周りに曲げるときの曲げ変形の曲げモーメントをＭｙ１とすると、Ｍｙ１は、下記の式（４）で表される。
【００７５】
【数４】
2015220921.tif 000006
【００７６】
ここで、式（４）におけるＲｙは、ｙ軸の曲率半径である。
【００７７】
梁部４が円筒の周方向の一部を構成するように曲げられるように、梁部４の曲げモーメントＭｙを補強部６の曲げモーメントＭｙ１で補うとすれば、下記の式（５）が成り立つ。
【００７８】
【数５】
2015220921.tif 000007
【００７９】
式（５）は、整理すると、下記の式（６）のようになる。
【００８０】
【数６】
2015220921.tif 000008
【００８１】
基本モデルを曲げ変形するときに円筒の周方向の一部を構成するような曲げ変形が支配的となる条件としては、例えば、下記の式（７）が考えられる。
【００８２】
【数７】
2015220921.tif 000009
【００８３】
式（７）は、ＲｘがＲｙに比べて１桁以上小さければ円筒の周方向の一部を構成するような曲げ変形が支配的になるという観点で設定してある。
【００８４】
式（６）と式（７）とから、基本モデルの梁部４を曲げ変形するときに円筒の周方向の一部を構成するような曲げ変形が支配的となる条件は、下記の式（８）で表される。
【００８５】
【数８】
2015220921.tif 000010
【００８６】
梁部４の材質として、シリコンに限らず、例えば、ＳＵＳ３０４、アルミニウム、銅及び真鍮等を採用することができる。梁部４の材質として、シリコン、ＳＵＳ３０４、アルミニウム、銅及び真鍮の群から選択される１種を採用する場合には、梁部４の材質のポアソン比を０．３５以下と設定すれば、式（８）の左辺においてν１を含んだ項を下記の式（９）で表すことができる。
【００８７】
【数９】
2015220921.tif 000011
【００８８】
ここで、シリコン、ＳＵＳ３０４、アルミニウム、銅及び真鍮それぞれのポアソン比は、下記の表１に示す通りである。シリコンのポアソン比は、例えば、インターネット（＜ＵＲＬ：http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si/mechanic.html#Basic＞、２０１４年４月２３日検索）で開示されたデータに基づいた値である。シリコンのポアソン比は、〔１００〕方向のポアソン比である。また、ＳＵＳ３０４、アルミニウム、銅及び真鍮それぞれのポアソン比は、参考文献１（理科年表  平成２５年、丸善株式会社）に基づいた値である。ただし、ＳＵＳ３０４のポアソン比に関しては、縦弾性係数の値である１９７ＧＰａと、横弾性係数の値である７４ＧＰａとから計算した値である。
【００８９】
【表１】
2015220921.tif 000012
【００９０】
式（８）と式（９）とから、基本モデルの梁部４を曲げ変形するときに円筒の周方向の一部を構成するような曲げ変形が支配的となる条件は、下記の式（１０）で表される。
【００９１】
【数１０】
2015220921.tif 000013
【００９２】
式（１０）は、下記の式（１１）のように変形できる。
【００９３】
【数１１】
2015220921.tif 000014
【００９４】
ここで、αは、下記の式（１２）で表される。
【００９５】
【数１２】
2015220921.tif 000015
【００９６】
要するに、αは、梁部４の長さＬに対する補強部６の幅ｔの相対比である。
【００９７】
式（１１）から、発電装置１ａにおいて好ましい補強部６の厚さｈ２は、下記の式（１３）で表される。
【００９８】
【数１３】
2015220921.tif 000016
【００９９】
また、発電装置１ａは、製造プロセスの簡略化の観点から、補強部６の厚さｈ２が、支持部２の厚さｈ３に対して下記の式（１４）の関係を満たすのが好ましい。
【０１００】
【数１４】
2015220921.tif 000017
【０１０１】
式（１３）と式（１４）とから、発電装置１ａにおいて好ましい補強部６の厚さｈ２は、上述の式（１）で表される。
【０１０２】
以下では、本実施形態の発電装置１ａの変形例の発電装置１ｂについて図１０〜１２に基づいて説明する。変形例の発電装置１ｂは、補強部６を複数備えている点が、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。
【０１０３】
変形例の発電装置１ｂは、複数の補強部６が、梁部４の長さ方向において離れて配置されている。
【０１０４】
これにより、変形例の発電装置１ｂは、発電装置１ａに比べて、初期状態において梁部４の幅方向の変形をより抑制することが可能となり、梁部４の剛性の設計が容易になる。
【０１０５】
変形例の発電装置１ｂは、複数の補強部６を備え、複数の補強部６の、梁部４の長さ方向に沿った方向における幅の総和が、０より大きく梁部４の長さの２０％以下である、のが好ましい。これにより、発電装置１ｂは、初期状態における梁部４の幅方向の変形を抑制し且つ発電効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１０６】
発電装置１ｂは、梁部４の厚さをｈ１とし、梁部４を構成する材料のヤング率をＥ１とし、梁部４の長さをＬとし、補強部６の厚さをｈ２とし、補強部６を構成する材料のヤング率をＥ２とし、梁部４の長さ方向における補強部６の幅ｔの総和をα×Ｌとし、支持部２の厚さをｈ３とするとき、下記の式（１５）を満たすのが好ましい。
【０１０７】
【数１５】
2015220921.tif 000018
【０１０８】
これにより、発電装置１ｂは、梁部４の初期形状に関して、梁部４の幅方向に沿った方向の軸（ｙ軸）回りの曲りが支配的になり、梁部４の幅方向の初期変形を抑制することが可能となる。なお、式（１５）の導出過程は、式（１）の導出過程と同様なので説明を省略する。
【０１０９】
（実施形態２）
以下では、本実施形態の発電装置１ｃについて図１３〜１８に基づいて説明する。
【０１１０】
本実施形態の発電装置１ｃは、圧電変換部５を複数備えている点が実施形態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。
【０１１１】
発電装置１ｃは、梁部４の第１面４１上に、複数の圧電変換部５を配置してある。発電装置１ｃは、複数の圧電変換部５を２次元アレイ状に配置してある。より詳細には、発電装置１ｃは、梁部４の長さ方向を行方向、梁部４の幅方向を列方向と規定すれば、８つの圧電変換部５を２行４列の２次元アレイ状に配置してある。ここで、発電装置１ｃは、８つの圧電変換部５を、梁部４の第１面４１上において、梁部４の長さ方向に沿った中心線を基準として梁部４の幅方向の両側に、圧電変換部５を４つずつ配置してある。
【０１１２】
発電装置１ｃは、少なくとも、行方向に沿って２つの圧電変換部５が配置されていればよい。言い換えれば、発電装置１ｃは、少なくとも２つの圧電変換部５を備え、２つの圧電変換部５が梁部４の長さ方向に沿って配置されていればよい。
【０１１３】
発電装置１ｃは、複数の圧電変換部５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１ｃは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。発電装置１ｃは、支持部２の表面２１側に、複数の圧電変換部５の全部が直列接続された直列回路の一端に電気的に接続されたパッド電極（第３パッド電極）と、他端に電気的に接続されたパッド電極（第４パッド電極）と、を備えるのが好ましい。ここで、発電装置１ｃは、各圧電変換部５における第１電極５１と第２電極５３との短絡を防止する電気絶縁層９３を備えている。電気絶縁層９３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。電気絶縁層９３は、第２電極５３のうち圧電体層５２に接する領域を規定する開口部９４が形成されている。また、発電装置１ｃは、互いに直列接続する２つの圧電変換部５のうちの一方の圧電変換部５の第２電極５３と他方の圧電変換部５の第１電極５１とを電気的に接続する接続配線５５を備えている。接続配線５５は、一方の圧電変換部５の第２電極５３と一体に形成されており、電気絶縁層９３に形成されたコンタクトホール９５を通して他方の圧電変換部５の第１電極５１と電気的に接続されている。また、発電装置１ｃは、複数の圧電変換部５の全部が直列接続された直列回路の一端が第３配線９６を介して第３パッド電極と電気的に接続されている。第３配線９６は、電気絶縁層９３に形成されたコンタクトホール９８を通して、直列回路の一端となる第１電極５１と電気的に接続されている。また、発電装置１ｃは、複数の圧電変換部５の全部が直列接続された直列回路の他端が第４配線９７を介して第４パッド電極と電気的に接続されている。第４配線９７は、直列回路の他端となる第２電極５３と一体に形成されている。
【０１１４】
以上説明した本実施形態の発電装置１ｃは、複数の圧電変換部５を備える。また、発電装置１ｃは、複数の圧電変換部５のうち少なくとも２つが、梁部４の長さ方向に沿った方向において離れて配置されている。ここで、発電装置１ｃは、補強部６における梁部４の幅方向に沿った中心線が、複数の圧電変換部５のうち梁部４の長さ方向に沿った方向において隣り合う２つの圧電変換部５の間にある。これにより、発電装置１ｃは、補強部６を備えたことで圧電変換部５のうち発電に寄与しない領域が増えるのを抑制することが可能となる。発電装置１ｃは、補強部６が、圧電変換部５の圧電変換領域５０に重ならない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１ｃは、補強部６に起因した寄生容量を低減でき、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。
【０１１５】
複数の圧電変換部５を備えた構成は、実施形態１等において採用してもよい。
【０１１６】
発電装置１ｃは、梁部４の長さ方向に沿った中心線を基準として梁部４の幅方向の一方側に配置された４つの圧電変換部５を直列接続した第１直列回路と、他方側に配置された４つの圧電変換部５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。
【０１１７】
以上、本発明の構成を、実施形態１、２等に基づいて説明したが、本発明は、実施形態１、２等の構成に限らず、例えば、実施形態１、２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、２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、それに限定する主旨ではない。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。
【０１１８】
例えば、基板２０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、金属基板、酸化マグネシウム基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。金属基板としては、例えば、ステンレス鋼基板、アルミニウム基板、銅基板、真鍮基板等を採用することができる。ステンレス鋼基板としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼基板を採用することが好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼基板としては、例えば、ＳＵＳ３０４基板を採用することができる。発電装置１ａは、基板２０として、酸化マグネシウム基板、ガラス基板、ポリマー基板等の絶縁性基板を用いる場合、第１絶縁膜９１及び第２絶縁膜を必ずしも設ける必要はない。
【０１１９】
また、ＳＯＩ基板は、例えば、シリコン基板２１１、シリコン酸化膜２１２及びシリコン層２１３の厚さを、それぞれ、２００μｍ〜１ｍｍ、０．５μｍ〜２μｍ及び２０〜８０μｍの範囲で適宜設定することが好ましい。
【０１２０】
また、支持部２の内周形状は、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２の外周形状は、矩形状以外の形状でもよい。
【符号の説明】
【０１２１】
１ａ、１ｂ、１ｃ  発電装置
２  支持部
３  カンチレバー部
４  梁部
５  圧電変換部
６  補強部
７  流路
２９  空間
３１  固定端
３２  自由端
４１  第１面
４２  第２面
２００  内側面
【図１】
2015220921.tif 000021
【図２】
2015220921.tif 000022
【図３】
2015220921.tif 000023
【図４】
2015220921.tif 000024
【図５】
2015220921.tif 000025
【図６】
2015220921.tif 000026
【図７】
2015220921.tif 000027
【図８】
2015220921.tif 000028
【図９】
2015220921.tif 000029
【図１０】
2015220921.tif 000030
【図１１】
2015220921.tif 000031
【図１２】
2015220921.tif 000032
【図１３】
2015220921.tif 000033
【図１４】
2015220921.tif 000034
【図１５】
2015220921.tif 000035
【図１６】
2015220921.tif 000036
【図１７】
2015220921.tif 000037
【図１８】
2015220921.tif 000038