(57)【要約】      （修正有）【課題】容易に大面積化することのできる電荷発生素子、電力発生装置、及びタッチセンサを提供する。【解決手段】基板１５の上に下部電極１４を形成し、その下部電極１４の上に圧電体１３を形成する。更に、その上に半導体１２と上部電極１１を形成する。このように、上部電極１１と圧電体１３との間に膜の状態で半導体１２を積層することで、圧電体キャパシタ２とダイオード１をセットで形成し、圧電体キャパシタ２とダイオード１とを直列接続しているため、容易に大面積化することのできる。【選択図】図１
2012221980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と圧電体との間に半導体の層を形成することで圧電体キャパシタとダイオードとを直列接続したことを特徴とする電荷発生素子。
【請求項２】
前記半導体として酸化物半導体を用いたことを特徴とする請求項１記載の電荷発生素子。
【請求項３】
圧力による変形から電力を発生させる電力発生装置であって、
請求項１記載の電荷発生素子を用いたことを特徴とする電力発生装置。
【請求項４】
使用者のタッチを検出するタッチセンサであって、
請求項１記載の電荷発生素子を用いたことを特徴とするタッチセンサ。
【請求項５】
前記タッチを検出した後、上部電極と下部電極の間に電圧を印可し、タッチ面を振動させることを特徴とする請求項４記載のタッチセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷発生素子、電力発生装置、及びタッチセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、強誘電体などの圧電体を用いて電力を発生させたり、タッチセンサとして使用することが知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、図１０（ａ）に示すように、複数の圧電体キャパシタ１００を並べるなどして大面積化する必要がある。しかし、それぞれの圧電体キャパシタ１００の圧力（振動）が異なると、各圧電体キャパシタ１００の出力電荷が打ち消しあい、小さな出力しか得られない欠点があった。
【０００３】
この問題を解決するためには、図１０（ｂ）に示すように、ダイオード２００などの整流回路をそれぞれの圧電体キャパシタ１００に取り付ければよい。このようにすれば、各圧電体キャパシタ１００の出力電荷を整流してから足し合わせることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−４８８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図１０（ｂ）に示すように、ダイオード２００をそれぞれの圧電体キャパシタ１００に取り付けると、外付けの素子が増えることになる。そのため、多数の圧電体キャパシタ１００を配置することができず、大面積化することが困難であった。
【０００６】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、容易に大面積化することのできる電荷発生素子、電力発生装置、及びタッチセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る電荷発生素子は、電極と圧電体との間に半導体の層を形成することで圧電体キャパシタとダイオードとを直列接続したことを特徴とする。
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る電力発生装置は、圧力による変形から電力を発生させる電力発生装置であって、前記電荷発生素子を用いたことを特徴とする。
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明の実施形態に係るタッチセンサは、使用者のタッチを検出するタッチセンサであって、前記電荷発生素子を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極と圧電体との間に半導体の層を形成することで圧電体キャパシタとダイオードとを直列接続しているため、容易に大面積化することのできる電荷発生素子、電力発生装置、及びタッチセンサを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態における電荷発生素子の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における電荷発生素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態における電荷発生素子の材料を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における他の電荷発生素子の構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における他の電荷発生素子の材料を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態における電力発生装置の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるタッチセンサの構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】従来のタッチセンサの回路図である。
【図９】本発明の第３の実施形態におけるタッチセンサの回路図である。
【図１０】従来の電荷発生素子の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態における電荷発生素子の構成図である。この図に示すように、基板１５の上に下部電極１４を形成し、その下部電極１４の上に圧電体１３を形成する。更に、その上に半導体１２と上部電極１１を形成する。このように、上部電極１１と圧電体１３との間に膜の状態で半導体１２を積層することで、圧電体キャパシタ２とダイオード１をセットで形成するようにしている。
【００１４】
図２は、本発明の第１の実施形態における電荷発生素子の製造方法を示すフローチャートである。以下、この電荷発生素子の製造方法を図２に従って説明する。ここでは、上部電極１１にＰｔ、半導体１２にＩＴＯ（ｎ型）、圧電体１３にＰＺＴ、下部電極１４にＰｔ、基板１５にステンレスを用いた場合を例示する。
【００１５】
まず、ステンレスの基板１５上に密着層としてＴｉを２０ｎｍスパッタし、その上にＰｔを２００ｎｍスパッタする（ステップＳ１）。次いで、ゾルゲル法により、ＰＺＴを１ｕｍ程度成膜する（ステップＳ２）。このステップＳ２ではゾルゲル法でなくスパッタなどの他の方法を用いてもよい。次いで、ダメージ緩和層としてＩｒＯ２を１０ｕｍ程度スパッタし、ｎ型半導体としてＩＴＯを２００ｎｍ程度スパッタする（ステップＳ３）。次いで、上部電極１１としてＰｔを１００ｎｍスパッタする（ステップＳ４）。次いで、リソグラフィにてレジストをパターニングする（ステップＳ５）。次いで、上部電極１１と半導体１２をドライエッチングし、レジストを除去する（ステップＳ６）。最後に、上部電極１１に銅箔を接着するなどして配線する（ステップＳ７）。
【００１６】
図３は、本発明の第１の実施形態における電荷発生素子の材料を示す図である。この図に示すように、電荷発生素子の材料としては様々な組み合わせが考えられる。
【００１７】
例えば、組み合わせ１では、上部電極１１にＰｔ、半導体１２にＩＴＯ（ｎ型）、圧電体１３にＰＺＴ、下部電極１４にＰｔ、基板１５にステンレス又はＳｉを用いる。この組み合わせ１には、最小膜数であることや、Ｐｔ上にＰＺＴを形成しているため圧電性が高いなどの特徴（効果）がある。ダイオード１は、半導体と金属が接合されたショットキーバリアダイオードになる。
【００１８】
組み合わせ２は、半導体１２以外は組み合わせ１と同じである。すなわち、上部電極１１にＰｔ、半導体１２にＺｎＯ（ｎ型）、圧電体１３にＰＺＴ、下部電極１４にＰｔ、基板１５にステンレス又はＳｉを用いる。半導体１２としては、ＺｎＯ（ｎ型）に代えて、ＣｄＯ（ｎ型）、ＳｎＯ２（ｎ型）、ＮｉＯ（ｐ型）、Ｃｕ２Ｏ（ｐ型）、ＣｕＡｌＯ２（ｐ型）などを用いてもよい。いずれの場合も組み合わせ１と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
組み合わせ３は、ＰＮ接合ダイオードを形成する場合を示している。すなわち、圧電体１３の上にｎ型の半導体１２とｐ型の半導体１２ａを形成する。ｎ型の半導体１２にはＩＴＯ（ｎ型）、ｐ型の半導体１２ａにはＮｉＯ（ｐ型）を用いることができる。その他は組み合わせ１と同じである。この組み合わせ３には整流性が良いなどの特徴がある。
【００２０】
組み合わせ４では、基板１５にＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）を用いる。このＳＴＯに代えて、ＭｇＯ、サファイアなどを用いてもよい。その他は組み合わせ１と同じである。この組み合わせ４には、組み合わせ１などと比べて圧電性がより高いという特徴がある。
【００２１】
組み合わせ５では、上部電極１１と下部電極１４にＬＳＣＯ（Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）、基板１５にガラスを用いる。その他は組み合わせ１と同じである。この組み合わせ５には透明であるなどの特徴がある。
【００２２】
組み合わせ６では、圧電体１３にＡＩＮ、下部電極１４にＮｉを用いる。このＡＩＮに代えて、水晶（クォーツ）などを用いてもよい。その他は組み合わせ１と同じである。この組み合わせ６ように、ＰＺＴ以外の圧電体１３を用いることも可能である。
【００２３】
組み合わせ７では、半導体１２にＮｉＯ（ｐ型）を用いる。そのため、ダイオード１の向きは組み合わせ１〜６と反対になる。その他は組み合わせ１と同じである。
【００２４】
このように、電荷発生素子の材料としては様々な組み合わせがあり、その効果も様々である。その中でも、半導体１２としては、圧電体１３と相性の良い酸化物半導体（ＩＴＯやＺｎＯなど）を用いるのが好ましい。これにより、電荷発生素子の製造をより容易にすることができる。
【００２５】
ここでは、上部電極１１と圧電体１３との間に半導体１２を積層することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、以下に説明するように、上下反対の構造を採用することも可能である。
【００２６】
図４は、本発明の第１の実施形態における他の電荷発生素子の構成図である。この図に示すように、基板１５の上に下部電極１４を形成し、その下部電極１４の上に半導体１２を形成する。更に、その上に圧電体１３と上部電極１１を形成する。このように、下部電極１４と圧電体１３との間に半導体１２を積層することによっても、圧電体キャパシタ２とダイオード１をセットで形成することができる。このような上下反対構造の電荷発生素子の材料を図５に示す。
【００２７】
例えば、組み合わせ１１では、上部電極１１にＰｔ、圧電体１３にＰＺＴ、半導体１２にＩＴＯ（ｎ型）、下部電極１４にＰｔ、基板１５にステンレス又はＳｉを用いる。上下反対構造である点を除けば、先に説明した組み合わせ１と同じである。
【００２８】
組み合わせ１２では、圧電体１３にＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、半導体１２にａ−Ｓｉ（ｎ型）、下部電極１４にＡｕ、基板１５にＰＥ（ポリエチレン）を用いる。その他は組み合わせ１１と同じである。この組み合わせ１２は曲げられる点が特徴である。
【００２９】
以上のように、本発明の第１の実施形態における電荷発生素子によれば、上部電極１１（又は下部電極１４）と圧電体１３との間に半導体１２の層を形成することで圧電体キャパシタ２とダイオード１とを直列接続しているため、容易に大面積化することができる。
【００３０】
また、本発明の第１の実施形態によれば、電荷発生素子の材料としては様々な組み合わせを採用することができる。その中でも、半導体１２として酸化物半導体を用いた場合は、電荷発生素子の製造をより容易にすることができるという効果がある。
【００３１】
なお、図５では、上下反対構造の電荷発生素子の材料として組み合わせ１１と組み合わせ１２を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上下反対構造の電荷発生素子においても、図３で示したような様々な組み合わせを採用することが可能である。
【００３２】
[第２の実施形態]
ここでは、第１の実施形態における電荷発生素子の応用例について説明する。
【００３３】
図６は、本発明の第２実施形態における電力発生装置の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。この電力発生装置は、圧力による変形から電力を発生させる装置であって、第１の実施形態における電荷発生素子を用いている。
【００３４】
具体的には、この図に示すように、一つ基板１５の上に下部電極１４と圧電体１３を形成している。更に、その上に複数（ここでは４×５）の半導体１２と上部電極１１を形成し、それぞれを配線Ｌで接続している。このような電力発生装置が足２１などで踏まれると、圧力による変形から電力が発生し、この電力を配線Ｌから取り出せる構造となっている。
【００３５】
従来の電力発生装置は、ダイオードをそれぞれの圧電体キャパシタに取り付ける必要がある。そのため、多数の圧電体キャパシタを配置することができず、大面積化することが困難であった。それに対して、本発明の第２の実施形態における電力発生装置では、圧電体キャパシタ２とダイオード１がセットで形成されているため、ダイオードをそれぞれの圧電体キャパシタに取り付ける必要がない。
【００３６】
以上のように、本発明の第２の実施形態における電力発生装置では、第１の実施形態における電荷発生素子を用いている。そのため、ダイオードをそれぞれの圧電体キャパシタに取り付ける必要がなく、容易に大面積化することができる。
【００３７】
なお、図６では、上部電極１１と圧電体１３との間に半導体１２を積層した場合を例示している、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の第１の実施形態で説明した通り、上下反対の構造を採用することも可能である。また、電荷発生素子の材料として様々な組み合わせを採用することができることはいうまでもない。
【００３８】
[第３の実施形態]
ここでは、第１の実施形態における電荷発生素子の別の応用例について説明する。
【００３９】
図７は、本発明の第３の実施形態におけるタッチセンサの構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。このタッチセンサは、使用者のタッチを検出する装置であって、第１の実施形態における電荷発生素子を用いている。
【００４０】
具体的には、この図に示すように、一つ基板１５の上に下部電極１４と圧電体１３を形成している。更に、その上に複数（ここでは４×５）の半導体１２を形成し、その上に一つの上部電極１１を形成している。
【００４１】
図８は、従来のタッチセンサの回路図である。この図に示すように、使用者の指２２などがタッチ面に触れると、圧電体キャパシタ１００ａで電荷が発生する。従来は、このように圧電体キャパシタ１００ａで発生した電荷が他の圧電体キャパシタ１００ｂ〜１００ｄに流れ込み、検出電圧が小さくなるという問題があった。
【００４２】
図９は、本発明の第３の実施形態におけるタッチセンサの回路図である。このタッチセンサによれば、図９に示すように、圧電体キャパシタ２ａで発生した電荷がダイオード１ｂ〜１ｄの作用により他の圧電体キャパシタ２ｂ〜２ｄに流れ込むことを防ぐことができる。そのため、タッチセンサの感度を向上させることが可能となる。もちろん、ここでいうダイオード１ｂ〜１ｄは、圧電体キャパシタ２ｂ〜２ｄとセットで形成されたものである。
【００４３】
また、本発明の第３の実施形態におけるタッチセンサでは、タッチを検出した後、上部電極１１と下部電極１４の間に電圧（例えば交流電圧）を印可し、タッチ面を振動させるようにしている。これにより、タッチしたことが分かるので使用者に安心感を与えることができる。音でタッチをフィードバックする方法が従来より知られているが、この方法は静かな場所では使えない。また、バイブレーションモータでフィードバックする方法もあるが、本発明はバイブレーションモータよりも反応が早く、また低消費電力で実現することが可能である。
【００４４】
以上のように、本発明の第３の実施形態におけるタッチセンサでは、第１の実施形態における電荷発生素子を用いている。そのため、ダイオードをそれぞれの圧電体キャパシタに取り付ける必要がなく、容易に大面積化することができる。
【００４５】
また、本発明の第３の実施形態におけるタッチセンサでは、タッチを検出した後、上部電極１１と下部電極１４の間に電圧を印可し、タッチ面を振動させるようにしている。これにより、タッチしたことが分かるので使用者に安心感を与えることができる。
【００４６】
なお、図７では、上部電極１１と圧電体１３との間に半導体１２を積層した場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の第１の実施形態で説明した通り、上下反対の構造を採用することも可能である。また、電荷発生素子の材料として様々な組み合わせを採用することができることはいうまでもない。
【００４７】
また、ここでは、第１の実施形態における電荷発生素子の応用例として電力発生装置とタッチセンサを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、電荷発生素子を利用する各種装置に本発明を適用することが可能である。
【００４８】
その他、本発明は、ここでは記載していない様々な実施形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は前記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の電荷発生素子は、容易に大面積化することができるため、電力発生装置やタッチセンサなどに適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１…ダイオード
２…圧電体キャパシタ
１１…上部電極
１２…半導体
１２ａ…半導体
１３…圧電体
１４…下部電極
１５…基板
【図１】
2012221980.tif 000003
【図２】
2012221980.tif 000004
【図３】
2012221980.tif 000005
【図４】
2012221980.tif 000006
【図５】
2012221980.tif 000007
【図６】
2012221980.tif 000008
【図７】
2012221980.tif 000009
【図８】
2012221980.tif 000010
【図９】
2012221980.tif 000011
【図１０】
2012221980.tif 000012