(57)【要約】      （修正有）【課題】電荷の発生率をさらに高めることが可能な圧電デバイス、およびそれを用いたセンサ装置ならびに発電装置を提供する。【解決手段】圧電デバイス１０は、一端に固定部１ａを有しており、外力によって第１方向Ｚに湾曲可能な第１基板１と、圧電体２ｂを有し、一端が第１基板１の固定部１ａから離れた部位に接続されており、外力によって第１方向Ｚに湾曲可能な第２基板２とを具備する。第１基板１および第２基板２がそれぞれ外力によって、湾曲可能となっていることから、第２基板２の湾曲の変位量をより大きくすることができるため、第２基板２に含まれる圧電体２ｂの圧電効果によって生じる電荷の量を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に固定部を有しており、外力によって第１方向に湾曲可能な第１基板と、
圧電体を有し、一端が前記第１基板の前記固定部から離れた部位に接続されており、外力によって前記第１方向に湾曲可能な第２基板と
を具備する圧電デバイス。
【請求項２】
前記第１基板の質量は前記第２基板の質量よりも大きい、請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記第１基板は前記第１方向に延びる貫通孔を有しており、前記第２基板は前記貫通孔の内側面に接続されている、請求項１または２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記第２基板は前記貫通孔の前記固定部に近い部位に接続されている、請求項３に記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記第２基板は前記第１基板の前記固定部とは反対側の第１外側面に接続されている、請求項１または２に記載の圧電デバイス。
【請求項６】
前記第１基板は前記第１外側面に前記第２基板と間隔をあけて張り出した張り出し部を有している、請求項５に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電デバイスと、
前記圧電体から生じた電荷が入力される信号処理装置と
を具備するセンサ装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電デバイスと、
前記圧電体から生じた電荷を出力する出力部と
を具備する発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電効果を利用した圧電デバイスおよびそれを用いたセンサ装置ならびに発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電体に加わる外力によって電荷を生じさせる圧電効果を利用した圧電デバイスが注目されている。このような圧電デバイスを発電用途に用いたものや、センサ用途に用いたもの（特許文献１および特許文献２参照）が提案されている。圧電デバイスは小型化に適しており、種々の電子機器への搭載が検討されている。
【０００３】
圧電デバイスは、圧電体を有するとともに弾性変形可能な板状の基板を具備している。このような構成によって、基板に外力が加わった際、圧電体が変形し、圧電効果によって電荷を生じさせることができる。
【０００４】
基板は、弾性変形を容易にするため、一端が固定され、他端が開放された、いわゆる片持ち状態で保持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４１９７８号公報
【特許文献２】特開平７−２９８３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電子機器は、ますます小型化、高機能化が進んでいる。それにともない、使用される圧電デバイスも、電荷の発生率のさらなる向上が求められている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電荷の発生率をさらに高めることが可能な圧電デバイス、およびそれを用いたセンサ装置ならびに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】
【０００８】
本発明の一態様に係る圧電デバイスは、一端に固定部を有しており、外力によって第１方向に湾曲可能な第１基板と、圧電体を有し、一端が前記第１基板の前記固定部から離れた部位に接続されており、外力によって前記第１方向に湾曲可能な第２基板とを具備する。
【０００９】
本発明の他の態様に係るセンサ装置は、上記圧電デバイスと、前記圧電体から生じた電荷が入力される信号処理装置とを具備する。
【００１０】
本発明の他の態様に係る発電装置は、上記圧電デバイスと、前記圧電体から生じた電荷を出力する出力部とを具備する。
【発明の効果】
【００１１】
上記各態様によれば、電荷の発生率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の圧電デバイスの平面図である。
【図２】図１の圧電デバイスのＩ−Ｉ線における断面図である。
【図３】図１の圧電デバイスのII−II線における断面図である。
【図４】図１の圧電デバイスの動作を説明するための断面図である。
【図５】図１の圧電デバイスの固定状態の一例を示す断面図である。
【図６】図１の圧電デバイスの固定状態の他の例を示す断面図である。
【図７】第２実施形態の圧電デバイスの平面図である。
【図８】図７の圧電デバイスのIII−III線における断面図である。
【図９】第３実施形態の圧電デバイスの平面図である。
【図１０】図９の圧電デバイスのIV−IV線における断面図である。
【図１１】第４実施形態の圧電デバイスの平面図である。
【図１２】図１１の圧電デバイスのＶ−Ｖ線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
圧電デバイス、センサ装置および発電装置の各種実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図１０には、右手系のＸＹＺ座標系が付されている。
【００１４】
＜第１実施形態の圧電デバイス＞
図１は、第１実施形態の圧電デバイス１０の平面図である。圧電デバイス１０は、第１基板１と、第２基板２とを具備している。
【００１５】
第１基板１は、その一端に固定部１ａを有しており、この固定部１ａを介して配線基板等の固定対象物に固定される。固定部１ａは図１の例では、第１基板１の幅（Ｘ軸方向の長さ）よりも短い２つの張り出し部から成るが、これに限定されず、第１基板１の延長部であってもよく、１つまたは３つ以上の張り出し部から成るものであってもよい。
【００１６】
また、第１基板１は、外力が加わったときに第１方向（図１の例ではＺ軸方向）に湾曲可能となっている。湾曲しやすくするという観点からは、第１基板１は板状体であってもよい。つまり、第１基板１は、一端が固定部１ａで固定されていることから、固定部１ａとは反対側の他端部が、固定部１ａが位置する平面（ＸＹ平面）から上側または下側に離れるように湾曲可能となっている。
【００１７】
なお、第１基板１に加わる外力とは、例えば、振動や移動等で固定対象物が動くことによって第１基板１に加わるエネルギー、または、音等の雰囲気媒体を介して第１基板１に伝達されるエネルギーを含んでいる。
【００１８】
このような第１基板１の材料としては、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ガラス、セラミックス等の無機物、あるいは、ＰＰＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリパラキシレン樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂が用いられ得る。
【００１９】
第１基板１は、外力によって湾曲可能であれば特に形状は限定されず、例えば、平面視形状が四角形状であり、一辺の長さが０．５ｍｍ〜１００ｍｍとすることができる。また、第１基板１の厚みは、０．５μｍ〜１０ｍｍとすることができる。第１基板１は、エッチング等を用いた公知の微細加工方法によって作製することができる。
【００２０】
第２基板２は、その一端が第１基板１の固定部１ａから離れた部位に接続されている。つまり、第２基板２は、第１基板１における、固定部１ａから離れた湾曲による変位が大きな部位に接続されている。図１〜図３の例では、第１基板１が上記第１方向（Ｚ軸方向）に延びる貫通孔１ｈを有しており、この貫通孔１ｈの内側面に第２基板２が接続されている。
【００２１】
また、第２基板２は、外力が加わったときに上記第１方向（Ｚ軸方向）に湾曲可能となっている。湾曲しやすくするという観点からは、第２基板２は板状体であってもよい。つまり、第２基板２は、一端が第１基板１に接続され、固定されていることから、この接続部とは反対側の他端部が、接続部が位置する平面（ＸＹ平面）から上側または下側に離れるように湾曲可能となっている。
【００２２】
このように第１基板１および第２基板２がそれぞれ外力によって、湾曲可能となっていることから、第２基板２の湾曲の変位量をより大きくすることができる。つまり、圧電デバイス１０に外力が加わった際に、第１基板１および第２基板２が湾曲する。このとき、第１基板１および第２基板２のそれぞれの固定部の位置が異なっているため、図４に示すように、第１基板１の動きと第２基板２の動きとにずれが生じる。そのため、第２基板２の他端が、例えば−Ｚ方向に変位するように湾曲しているときに、第１基板１の他端が、反対側の＋Ｚ方向に変位することによって、第２基板２に対してさらに力を加えることができ、第２基板２をさらに大きく湾曲させることができる。その結果、第２基板２に含まれる圧電体２ｂの圧電効果によって生じる電荷の量を高めることができる。
【００２３】
また、第２基板２は圧電体を有している。このような第２基板２は、図１〜図３に示すように、基板本体２ａの表面に圧電体２ｂが設けられたものであってもよく、基板本体２ａの内部に圧電体が設けられたものであってもよい。あるいは、第２基板２が主として圧電体から成るものであってもよい。
【００２４】
第２基板２が、基板本体２ａの表面あるいは内部に圧電体２ｂが設けられたものから成る場合、基板本体２ａとしては、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ガラス、セラミックス等の無機物が用いられてもよく、ＰＰＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリパラキシレン樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂が用いられてもよい。あるいは、有機物と無機物のハイブリッド材料が用いられてもよい。また、圧電体２ｂは、外力が加わった際に圧電効果によって電荷を生じることが可能な材料である。このような圧電体２ｂとしては、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ポリフッ化ビニリデン等が用いられ得る。圧電体２ｂは、基板本体２ａの湾曲による変形が大きな部位、例えば基板本体２ａと第１基板１との接続部近傍部に位置していてもよく、その場合、電荷の発生効率が高められる。なお、図示していないが、圧電体２ｂで生じた電荷を取り出すために、例えば、膜状の圧電体２ｂの上下主面にそれぞれ電極が配置されている。そして、この電極から、ボンディングワイヤを介して、あるいは第１基板１に設けられた配線導体等を介して、圧電デバイス１０の外部へ電荷が取り出される。なお、第１基板１と第２基板２との接続信頼性を高めるという観点からは、第１基板１および第２基板２は、１つの基板材料を加工して一体的に形成されたもの、つまり、継ぎ目のない一体構造体であってもよい。
【００２５】
また、第２基板２が、主として圧電体から成る場合、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ポリフッ化ビニリデン等の圧電効果を有する圧電基板の上下主面に、圧電基板で生じた電荷を取り出すための電極が設けられたものが用いられ得る。
【００２６】
第２基板２は、外力によって湾曲可能であれば特に形状は限定されず、例えば、平面視形状が四角形状であり、一辺の長さが０．５ｍｍ〜１００ｍｍとすることができる。また、第２基板２の厚みは、０．５μｍ〜１０ｍｍとすることができる。第２基板２は、エッチング等を用いた公知の微細加工方法によって作製することができる。
【００２７】
第２基板２をさらに大きく湾曲させるという観点からは、第１基板１の質量は第２基板
２の質量よりも大きくてもよい。この場合、第１基板１の平面視形状における面積が第２基板２の平面視形状における面積よりも大きくてもよい。あるいは、第１基板１の厚みが第２基板２の厚みよりも大きくてもよい。
【００２８】
以上のような圧電デバイス１０は、例えば、図５または図６のように、固定対象物４に固定部１ａが固定されて使用される。固定対象物４は、特に限定されず、例えば、配線基板や各種測定装置等の電子機器類、壁や床等の構造物、人や動物等の生物等が用いられ得る。圧電デバイス１０の固定対象物４への固定方法としては、図５のように第１基板１および第２基板２が固定対象物４の表面に対して、平行に近い状態で固定されてもよく、図６のように第１基板１および第２基板２が固定対象物４の表面に対して、垂直に近い状態で固定されてもよい。あるいは、第１基板１および第２基板２が固定対象物４の表面に対して、斜めに傾いた状態で固定されてもよい。また、圧電デバイス１０と固定対象物４との接続方法は、接着、接合、溶接、ネジ止め等でもよく、あるいは固定対象物４に圧電デバイス１０を突き刺してもよい。
【００２９】
＜第２実施形態の圧電デバイス＞
上記のような第１実施形態の圧電デバイス１０では、第１基板１が上記第１方向（Ｚ軸方向）に延びる貫通孔１ｈを有しており、この貫通孔１ｈの固定部１ａに近い内側面に第２基板２が接続されていることから、第１基板１に働く慣性力を大きくすることができ、第１基板１が第２基板２に対してより大きな力を加えて、第２基板２をさらに大きく湾曲させることができる。なお、圧電デバイスは上記の構成に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、図７および図８に第２実施形態の圧電デバイス２０を示す。圧電デバイス２０は、固定部２１ａを有する第１基板２１に、第１方向（Ｚ軸方向）に延びる貫通孔２１ｈを有しており、第２基板２２がこの貫通孔２１ｈの内側面に接続されている点は、第１実施形態の圧電デバイス１０と類似している。しかし、圧電デバイス２０は、第２基板２２が上記貫通孔２１ｈの固定部２１ａとは反対側の部位に接続されている点で圧電デバイス１０と異なっている。このような構成であっても、圧電デバイス１０と同様に、電荷の発生率を高めることが可能となる。
【００３０】
＜第３実施形態の圧電デバイス＞
圧電デバイスの変形例として、第３実施形態の圧電デバイス３０を図９および図１０に示す。圧電デバイス３０は、第２基板３２が第１基板３１の固定部３１ａとは反対側の第１外側面に接続されている点で圧電デバイス１０と異なっている。このような構成であっても、圧電デバイス１０と同様に、電荷の発生率を高めることが可能となる。また、第３実施形態の圧電デバイス３０では、第１基板３１および第２基板３２の加工が容易となり、加工ばらつきを小さくすることができる。
【００３１】
＜第４実施形態の圧電デバイス＞
圧電デバイスの変形例として、第４実施形態の圧電デバイス４０を図１１および図１２に示す。圧電デバイス４０は、第２基板４２が第１基板４１の固定部４１ａとは反対側の第１外側面に接続されており、さらに、第１基板４１は上記第１外側面に第２基板４２と間隔をあけて張り出した張り出し部４１ｂを有している。このような構成であれば、第３実施形態の圧電デバイス３０の第１基板３１に働く慣性力をより大きくすることができ、それによって、第２基板４２をさらに湾曲させやすくすることができ、電荷の発生率をより高めることができる。
【００３２】
＜センサ装置＞
上記の圧電デバイスを用いて、センサ装置とすることができる。センサ装置の一実施形態としては、上記圧電デバイス１０〜４０のいずれかと、この圧電デバイス１０〜４０の圧電体２ｂ〜４２ｂから圧電効果によって生じた電荷が入力される信号処理装置とを具備
している。信号処理装置は、圧電デバイス１０で検出した電気信号を演算処理するものである。以下では圧電デバイス１０を用いた例について示すが、これに限定されない。
【００３３】
圧電デバイス１０は、図５または図６のように、固定対象物４に固定部１ａが固定されて使用される。固定対象物４は、特に限定されず、例えば、配線基板や各種測定装置等の電子機器類、壁や床等の構造物、人や動物等の生物等が用いられ得る。
【００３４】
圧電体２ｂのいずれかから生じた電荷を信号処理装置へ入力させる方法としては、例えば、有線通信または無線通信によって、圧電デバイス１０と信号処理装置とを接続すればよい。固定対象物４として配線基板や各種測定装置等の電子機器類を用いる場合、信号処理装置に対して有線通信または無線通信するための出力部（出力端子またはアンテナ等）を固定対象物４に設けてもよい。その場合、圧電デバイス１０と出力部とは、圧電デバイス１０や固定対象物４に設けた配線導体を介して、あるいはボンディングワイヤ等で電気的に接続すればよい。
【００３５】
このようなセンサ装置は、振動や移動等による固定対象物４の動きを検出するための振動センサや加速度センサ等として用いられ得る。あるいは、センサ装置は、音等の雰囲気媒体を介して圧電デバイス１０に伝達されるエネルギーを検出する、音響センサや集音器等として用いられ得る。
【００３６】
＜発電装置＞
上記の圧電デバイスを用いて、発電装置とすることができる。発電装置の一実施形態としては、上記圧電デバイス１０〜４０のいずれかと、この圧電デバイス１０〜４０の圧電体２ｂ〜４２ｂから圧電効果によって生じた電荷を出力する出力部とを具備している。以下では圧電デバイス１０を用いた例について示すが、これに限定されない。
【００３７】
圧電デバイス１０は、図５または図６のように、固定対象物４に固定部１ａが固定されて使用される。固定対象物４は、特に限定されず、例えば、配線基板や各種測定装置等の電子機器類、壁や床等の構造物、人や動物等の生物等が用いられ得る。
【００３８】
発電装置は、圧電デバイス１０の振動によって圧電体２ｂから生じる電荷を利用して電力を得るためのものである。出力部は圧電デバイス１０に設けた出力端子であってもよい。その場合、出力端子と外部の電気回路とを導電性接合材やボンディングワイヤ等で電気的に接続すればよい。あるいは、固定対象物４として配線基板や各種測定装置等の電子機器類を用いる場合、出力部は固定対象物４に設けられてもよい。その場合、圧電デバイス１０と出力部とは、圧電デバイス１０や固定対象物４に設けた配線導体を介して、あるいはボンディングワイヤ等で電気的に接続すればよい。
【００３９】
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、第1基板、第２基板の表面に対し
て凹凸形状を形成してもよく、第１基板、第２基板に貫通孔が形成されてもよい。これらの形状は、素子が設置される周囲環境、例えば、空気中、真空中、液体中、圧力雰囲気等において第２基板をさらに湾曲できるように適宜設定可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１、２１、３１、４１：第１基板
１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ：固定部
２、２２、３２、４２：第２基板
２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ：基板本体
２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ：圧電体
１０、２０、３０、４０：圧電デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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