(57)【要約】【課題】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、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により構成される流路２３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、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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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により構成される流路と、を備え、
前記発電素子は、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おり、
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項５】
前記流路の最小幅は、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。
【請求項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沿った第１方向における前記圧電変換領域の第１端が、前記支持部と前記カンチレバー部との第１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。
【請求項７】
前記発電素子は、前記第１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、前記第１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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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流体振動発電装置に関する。
【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４（ａ）、４（ｂ）及び４（ｃ）に示す構成の発電装置２０１が提案されている（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４（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Ｆ１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。
【０００７】
また、リード２１３は、図４（ｂ）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）。
【０００８】
圧電素子２１４は、バイモルフ圧電素子であり、図４（ｂ）及び４（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】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−９７６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発電装置は、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により構成される流路と、を備える。前記発電素子は、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。
【００１３】
この発電装置において、前記ベースは、金属基板により形成されているのが好ましい。
【００１４】
この発電装置において、前記ベースは、樹脂基板により形成されているのが好ましい。
【００１５】
この発電装置において、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導体部を備えるのが好ましい。
【００１６】
この発電装置において、前記流路の最小幅は、２０μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましい。
【００１７】
この発電装置において、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沿った第１方向における前記圧電変換領域の第１端が、前記支持部と前記カンチレバー部との第１境界と揃うように配置されているのが好ましい。
【００１８】
この発電装置において、前記発電素子は、前記第１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、前記第１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のが好ましい。
【００１９】
この発電装置において、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のが好ましい。
【００２０】
この発電装置において、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のが好ましい。
【００２１】
この発電装置において、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のが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の発電装置は、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いる。これにより、本発明の発電装置は、前記発電装置の中立面の位置を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、本発明の発電装置は、前記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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１（ａ）は、実施形態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（ａ）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２（ｂ）は、図２（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図３】図３（ａ）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３（ｂ）は、図３（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図４】図４（ａ）は、従来例の発電デバイス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４（ｃ）は、図４（ａ）のＹ−Ｙ概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、本実施形態の発電装置１について図１（ａ）、１（ｂ）、２（ａ）、２（ｂ）、３（ａ）、３（ｂ）に基づいて説明する。
【００２５】
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により構成される流路２３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、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が形成されているので、カンチレバー部２２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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
カンチレバー部２２は、梁部２５と、錘部２６と、を備え、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。
【００３６】
孔２４は、例えば、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、発電素子３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。ベース２は、孔２４の数が１つである場合に限らず、複数の孔２４を備えていてもよい。ベース２は、複数の孔２４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２４が形成されている。孔２４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。
【００３７】
発電素子３の製造方法に関しては、例えば、ＭＥＭＳ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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
シリコン基板３０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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
発電素子３は、基板３０と第１電極３３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。
【００４７】
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。
【００４８】
第１パッド電極３８は、第１配線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配線４２を介して第２電極３５と電気的に接続されている。第１配線４１、第２配線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配線４１、第２配線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配線４１、第２配線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。
【００４９】
また、発電装置１は、第２配線４２と第１電極３３の周部との間に、第２配線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。
【００５０】
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。
【００５１】
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は、圧電変換領域３６ａが、交流電圧の発生に寄与する。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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配線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。
【００５５】
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配線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。
【００５６】
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配線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配線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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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の長さ方向に沿った第１方向における圧電変換領域３６ａの第１端が、支持部２１とカンチレバー部２２との第１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、第１方向における圧電変換領域３６ａの第１端が第１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、第１方向における圧電変換領域３６ａの第１端が第１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。
【００６０】
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。
【００６１】
発電素子３は、第１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、第１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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、を備えた構成とすることができる。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。
【００６５】
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。
【００６６】
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（図示せず）、第２導体部（図示せず）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。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
１  発電装置
２  ベース
３  発電素子
２１  支持部
２２  カンチレバー部
２３  流路
２４  孔
２５  梁部
２５ａ  第１端
２５ｂ  第２端
２６  錘部
３０  基板
３０ａ  表面
３６  圧電変換部
３６ａ  圧電変換領域
３８  第１パッド電極
３９  第２パッド電極
３０１  第１端部
３０２  第２端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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