JP2014007798A - Oscillation power generator - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率がより高い振動発電装置を提供する。
【解決手段】カンチレバー部1bとカンチレバー部1bの自由端1ba側に設ける錘部1cとカンチレバー部1bの揺動により発電する圧電変換部3とを備えた振動発電素子10と、流体を通すことが可能な貫通孔30aの少なくとも一部を構成し貫通孔30aの方向にカンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向を沿わせてカンチレバー部1bを貫通孔30aに収納させるハウジング部20とを有する振動発電装置30であり、錘部1cは、少なくともカンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向において、カンチレバー部1bから突出する錘部1cの先端が曲面1caを構成している。
【選択図】図1A vibration power generator having higher power generation efficiency is provided.
A vibration power generation element including a cantilever portion, a weight portion provided on a free end of the cantilever portion, and a piezoelectric conversion portion that generates electric power when the cantilever portion is swung can pass a fluid. A housing that constitutes at least part of the possible through hole 30a and accommodates the cantilever part 1b in the through hole 30a along the direction connecting the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever part 1b in the direction of the through hole 30a. The weight portion 1c has a curved surface at the tip of the weight portion 1c protruding from the cantilever portion 1b in a direction connecting at least the free end 1ba side and the fixed end 1bb side of the cantilever portion 1b. 1ca is configured.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子を用いた振動発電装置に関する。 The present invention relates to a vibration power generation apparatus using a vibration power generation element that converts vibration energy into electric energy.
近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子を用いた振動発電装置は、環境発電(エナジー・ハーベスティング)などの分野で注目されている。 In recent years, a vibration power generation apparatus using a vibration power generation element that converts vibration energy into electric energy has attracted attention in fields such as energy harvesting.
この種の振動発電装置として、図21に示す、振動板105に固定され振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電素子106を備えた発電部104を、貫通孔102内に設置した圧電水力発電装置101が知られている(たとえば、特許文献1)。
As this type of vibration power generation device, a piezoelectric hydroelectric
特許文献1の圧電水力発電装置101は、発電部104で発電された電力をダイオード109で構成された整流部108で整流し、整流された電力を二次電池111で構成された蓄電部110に蓄電する。なお、振動発電素子たる発電部104には、水流103を受けた際に振動板105に振動を発生させる振動発生手段107を備えている。
The piezoelectric hydroelectric
また、振動発電装置の振動発電素子として、図22に示す、支持部221およびカンチレバー部222を有するカンチレバー形成基板220と、カンチレバー部222に形成された圧電変換部224とを備えた発電デバイスが知られている(たとえば、特許文献2)。
As a vibration power generation element of the vibration power generation apparatus, a power generation device including a
特許文献2に示す発電デバイスは、圧電変換部224が下部電極224aと圧電層224bと上部電極224cとで構成されている。また、発電デバイスは、カンチレバー形成基板220におけるカンチレバー部222の先端部にカンチレバー部222の変位量を大きくするための錘部223が設けられている。発電デバイスは、カンチレバー部222の揺動に応じて圧電変換部224が交流電圧を発生する。
In the power generation device shown in
なお、圧電変換部224では、下部電極224aが接続配線226aを介して下部電極用パッド227aと電気的に接続している。また、圧電変換部224は、上部電極224cが接続配線226cを介して上部電極用パッド227cと電気的に接続している。発電デバイスは、上部電極224cと下部電極224aとの短絡を防止する絶縁層225を備えている。さらに、発電デバイスは、カンチレバー形成基板220の一表面側および他表面側それぞれに絶縁膜229a,229bを備えている。
In the
発電デバイスは、振動によりカンチレバー部222が揺動することで、下部電極用パッド227aおよび上部電極用パッド227cから圧電変換部224が発電した電力を出力することができる。
The power generation device can output the electric power generated by the
ところで、振動発電装置は、より出力の高いものが求められており、上述の特許文献1の構成だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。振動発電装置では、たとえば、特許文献1の発電部104に、特許文献2の発電デバイスのごとく、カンチレバー部222の変位量を大きくすることが可能な錘部223を備えた振動発電素子を応用することが考えれる。
By the way, the vibration power generator is required to have a higher output, and the above-described configuration of
しかしながら、単に、特許文献1の発電部104に、特許文献2の発電デバイスの錘部223を備えた振動発電素子を応用した振動発電装置では、流体を利用して、より発電効率を高くすることが難しい。
However, in the vibration power generation apparatus in which the vibration power generation element including the
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、発電効率がより高い振動発電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide a vibration power generator having higher power generation efficiency.
本発明の振動発電装置は、カンチレバー部と該カンチレバー部の自由端側に設ける錘部と上記カンチレバー部の揺動により生ずる応力を受けて発電する圧電変換部とを備えた振動発電素子と、流体を通すことが可能な貫通孔の少なくとも一部を構成し上記貫通孔の方向に上記カンチレバー部の上記自由端側と固定端側とを結ぶ方向を沿わせて上記振動発電素子における上記カンチレバー部を上記貫通孔に収納させるハウジング部とを有する振動発電装置であって、上記錘部は、少なくとも上記カンチレバー部の上記自由端側と上記固定端側とを結ぶ方向において、上記カンチレバー部から突出する上記錘部の先端が曲面を構成していることを特徴とする。 The vibration power generation device of the present invention includes a vibration power generation element including a cantilever portion, a weight portion provided on a free end side of the cantilever portion, and a piezoelectric conversion portion that generates power by receiving stress generated by the swinging of the cantilever portion, and a fluid The cantilever portion of the vibration power generation element is configured to form at least a part of a through-hole through which the free end side and the fixed end side of the cantilever portion are connected in the direction of the through-hole. A vibration power generation apparatus having a housing portion that is housed in the through hole, wherein the weight portion projects from the cantilever portion in a direction connecting at least the free end side and the fixed end side of the cantilever portion. The tip of the weight portion is a curved surface.
この振動発電装置において、上記ハウジング部は、上記流体が供給される供給口を有し上記貫通孔における上記カンチレバー部の上記自由端側に連通する供給管を設けた供給部と、上記流体を排出させる排出口を有し上記貫通孔における上記カンチレバー部の上記固定端側に連通する排出管を設けた排出部とを備えていることが好ましい。 In this vibration power generation device, the housing portion has a supply port to which the fluid is supplied, a supply portion provided with a supply pipe communicating with the free end side of the cantilever portion in the through hole, and the fluid is discharged. And a discharge portion provided with a discharge pipe communicating with the fixed end side of the cantilever portion in the through hole.
この振動発電装置において、上記ハウジング部は、上記錘部を設けた上記カンチレバー部の一表面側と反対の他表面側と比較して、上記一表面側における上記流体の流入量を多くさせる流入量制御部を、上記供給部に備えていることが好ましい。 In this vibration power generation device, the housing portion has an inflow amount that increases the inflow amount of the fluid on the one surface side compared to the other surface side opposite to the one surface side of the cantilever portion provided with the weight portion. It is preferable that the control unit is provided in the supply unit.
この振動発電装置において、上記流入量制御部は、上記供給口側から上記排出口側に向かって、上記供給管の開口面積を小さくさせるテーパー形状であることが好ましい。 In the vibration power generator, the inflow amount control unit preferably has a tapered shape that reduces the opening area of the supply pipe from the supply port side toward the discharge port side.
この振動発電装置において、上記ハウジング部は、上記供給口側から上記排出口側に向かって、上記排出管の開口面積を大きくさせるテーパー形状の流出量制御部を上記排出部に備えていることが好ましい。 In this vibration power generation device, the housing portion may include a tapered outflow amount control unit that increases an opening area of the discharge pipe from the supply port side toward the discharge port side. preferable.
この振動発電装置において、上記振動発電素子と上記ハウジング部とは、上記カンチレバー部と上記貫通孔の内壁との間の隙間の大きさが、上記カンチレバー部の上記固定端側と上記自由端側とで異なっていることが好ましい。 In this vibration power generation device, the vibration power generation element and the housing portion are such that the size of the gap between the cantilever portion and the inner wall of the through hole is such that the fixed end side and the free end side of the cantilever portion are It is preferable that they are different.
この振動発電装置において、上記振動発電素子は、上記カンチレバー部の撓みにより上記隙間の大きさが上記カンチレバー部の上記固定端側と上記自由端側とで異なっていることが好ましい。 In the vibration power generation device, it is preferable that the vibration power generation element has different sizes of the gap between the fixed end side and the free end side of the cantilever part due to the bending of the cantilever part.
この振動発電装置において、上記振動発電素子は、上記カンチレバー部に上記撓みを生じさせる応力を発生する応力発生膜を上記カンチレバー部に備えたことが好ましい。 In this vibration power generation device, it is preferable that the vibration power generation element includes a stress generating film that generates a stress that causes the bending in the cantilever portion.
この振動発電装置において、上記振動発電素子は、上記カンチレバー部における鉛直方向の上方側に上記錘部を設けていることが好ましい。 In this vibration power generation device, it is preferable that the vibration power generation element includes the weight portion on the upper side in the vertical direction of the cantilever portion.
本発明の振動発電装置では、カンチレバー部から突出する錘部の先端が曲面を構成していることにより、発電効率を、より高くすることが可能になるという効果がある。 In the vibration power generation device of the present invention, since the tip of the weight portion protruding from the cantilever portion forms a curved surface, there is an effect that the power generation efficiency can be further increased.
(実施形態1)
以下、本実施形態の振動発電装置30について図1および図6を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the vibration
本実施形態の振動発電装置30は、図1に示すように、カンチレバー部1bとカンチレバー部1bの自由端1ba側に設ける錘部1cとカンチレバー部1bの揺動により生ずる応力を受けて発電する圧電変換部3とを備えた振動発電素子10を有している。振動発電装置30は、流体(図示していない)を通すことが可能な貫通孔30aの少なくとも一部を構成するハウジング部20を有している。振動発電装置30のハウジング部20は、貫通孔30aの方向にカンチレバー部1bの自由端1ba側とカンチレバー部1bを支持部1a側に固定する固定端1bb側とを結ぶ方向を沿わせて振動発電素子10におけるカンチレバー部1bを貫通孔30aに収納させている。振動発電装置30は、振動発電素子10の錘部1cが、少なくともカンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向において、カンチレバー部1bから突出する錘部1cの先端が曲面1caを構成している。
As shown in FIG. 1, the vibration
これにより本実施形態の振動発電装置30は、錘部1cの先端が曲面1caを構成していない振動発電素子を備えたものと比較して、上記流体の流れによる自励振動を生じ易くさせ、発電効率をより高くすることが可能となる。なお、上記流体は、たとえば、空気、適宜のガスなどの気体や水などの液体が挙げられる。
Thereby, the vibration
本実施形態の振動発電装置30では、ハウジング部20は、上記流体が供給される供給口21aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの自由端1ba側に連通する供給管21aを設けた供給部21を備えている。また、ハウジング部20は、上記流体を排出させる排出口22aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの固定端1bb側に連通する排出管22aを設けた排出部22を備えている。本実施形態の振動発電装置30では、錘部1cを設けたカンチレバー部1bの自由端1ba側の供給管21aから上記流体が供給させることにより、錘部1cの曲面1ca側に効率よく上記流体を流すことが可能となる。なお、本実施形態の振動発電装置30では、図1の紙面の上側を鉛直の上方向とし、振動発電素子10は、カンチレバー部1bにおける鉛直方向の上方側に錘部1cを設けられるように配置している。
In the vibration
まず、最初に本実施形態の振動発電装置30に用いられる振動発電素子10について図1および図2を用いて説明する。また、振動発電素子10の製造方法について、図3ないし図6を用いて説明する。本実施形態の振動発電装置30に用いられる振動発電素子10は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の製造技術を利用して製造した薄膜型の圧電素子としている。以下、振動発電素子10の各構成について説明する。
First, the vibration
振動発電素子10は、ベース基板1として、単結晶シリコン基板12bと、単結晶のシリコン層(活性層)12dとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜12cを挟んだ構造のSOI(Silicon on Insulator)基板を利用している。なお、ベース基板1となるSOI基板としては、シリコン層12dの表面が(100)面のものを用いている。
The vibration
また、振動発電素子10は、ベース基板1として、SOI基板を用いているので、後述する製造時において、SOI基板の埋込酸化膜12cをカンチレバー部1bの形成時におけるエッチングストッパ層として利用することができる。これにより、振動発電素子10は、カンチレバー部1bの厚さの高精度化を図れるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図ることが可能となる。なお、ベース基板1は、SOI基板に限らず、たとえば、単結晶のシリコン基板や他結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム(MgO)基板、金属基板、ガラス基板やポリマー基板などを用いてもよい。ベース基板1は、錘部1cを設けるカンチレバー部1bの一表面1bcと反対の他表面1bd側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜12eを形成している。
In addition, since the vibration
振動発電素子10は、他表面1bd側において、第1電極3a1と第1接続配線7aを介して電気的に接続された第1パッド電極8aを支持部1aに備えている(図2を参照)。また、振動発電素子10は、他表面1bd側において、第2電極3a2と第2接続配線7bを介して電気的に接続された第2パッド電極8bを支持部1aに備えている。
The vibration
本実施形態の振動発電素子10におけるベース基板1は、平面視において、先端部1abが外部に向かって広がるように傾斜した突出部1aaを備えた支持部1aと、固定端1bbとなる一端が支持部1aに揺動自在に支持されたカンチレバー部1bと、カンチレバー部1bの自由端1ba側の錘部1cとを備えている。支持部1aは、平面視において、一対の突出部1aaを備えC字状となっている。なお、錘部1cは、カンチレバー部1bから突出させ、表面に曲面1caを備えた構造としている。錘部1cは、表面に曲面1caを備えた構造である限り、半球状や半楕円球状など種々の形状に形成することができる。また、錘部1cは、カンチレバー部1bに1個だけ設ける場合に限られず、カンチレバー部1bに複数個の錘部1cを設けてもよい。
The
圧電変換部3は、発電部として機能する。圧電変換部3は、圧電体層3a3の平面サイズが、第1電極3a1よりも小さくなるように設計している。また、圧電変換部3は、圧電体層3a3と接触する第2電極3a2の平面サイズが圧電体層3a3よりも小さくなるように設計している。圧電変換部3は、平面視において、第1電極3a1における外周縁の内側に圧電体層3a3が位置し、圧電体層3a3における外周縁の内側に圧電体層3a3と接する第2電極3a2を配置している。また、圧電変換部3は、第1電極3a1側と第2電極3a2側との短絡を防止する絶縁層3a4が第1電極3a1および圧電体層3a3それぞれの周部を覆う形で形成されている。絶縁層3a4は、平面視において、圧電体層3a3と第2電極3a2との接するエリアをそれぞれ規定している。すなわち、絶縁層3a4の平面視形状は、圧電体層3a3の周部に沿った枠状としている。これにより、絶縁層3a4は、第2電極3a2と電気的に接続された第2接続配線7bと第1電極3a1との短絡を防止することができる。
The
なお、絶縁層3a4は、シリコン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成してもよいし、単層膜だけでなく多層膜の構造としてもよい。また、絶縁層3a4は、電気絶縁性の樹脂により形成させてもよい。また、ベース基板1は、圧電変換部3とベース基板1とが絶縁膜12eにより電気的に絶縁されている。
The insulating layer 3a4 is formed of a silicon oxide film. However, the insulating layer 3a4 is not limited to a silicon oxide film, and may be formed of a silicon nitride film, or may have a multilayer film structure as well as a single layer film. The insulating layer 3a4 may be formed of an electrically insulating resin. In the
圧電変換部3は、カンチレバー部1bの揺動により生ずる応力を受けて発電する。圧電変換部3では、応力に起因する電荷の偏りが圧電体層3a3に発生する。そのため、圧電変換部3は、カンチレバー部1bの歪が大きいほど発電出力が大きくなる傾向にある。
The
本実施形態の振動発電装置30において、圧電変換部3は、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)を圧電体層3a3の材料に用いている。なお、圧電体層3a3は、圧電材料としてPZTに限らず、たとえば、PZT−PMN(:Pb(Mn,Nb)O3)、PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3)やSBT(SrBi2Ta2O9)などを用いてもよい。また、圧電材料は、AlN、ZnO、KNN(K0.5Na0.5NbO3)、KN(KNbO3)、NN(NaNbO3)などを用いてもよい。
In the vibration
ここでは、振動発電素子10は、第1電極3a1をPt膜により構成している。また、第2電極3a2は、Ti膜とAu膜との積層膜により構成している。振動発電素子10の第1電極3a1および第2電極3a2は、これらの材料や層構造を特に限定するものではなく、第1電極3a1および第2電極3a2それぞれを単層構造としてもよいし多層構造としてもよい。第1電極3a1の電極材料としては、たとえば、Au,Al,IrやInなどを採用してもよく、第2電極3a2の材料としては、たとえば、Mo,AlやPtなどを採用してもよい。
Here, in the vibration
振動発電素子10は、平面視において、第1電極3a1の外周縁の内側に圧電体層3a3が位置している。そのため、振動発電素子10は、第1電極3a1と圧電体層3a3とが略同じ平面サイズである場合に比べて、第2接続配線7bの下地となる部分の段差を低減できる。これにより、振動発電素子10は、カンチレバー部1bの揺動に伴い圧電変換部3の第2接続配線7bに断線が生ずる恐れを低減させて、信頼性を高めることも可能となる。
In the vibration
また、振動発電素子10は、第1電極3a1と、第2電極3a2との短絡を防止する絶縁層3a4が、支持部1a上まで延設されていてもよい。振動発電素子10は、第2電極3a2と第2電極3a2に電気的に接続される第2パッド電極8bとの間の第2接続配線7bの全ての部位を絶縁層3a4上に形成し、第2パッド電極8bを絶縁層3a4の平坦な部位上に形成してもよい(図示していない)。これにより、振動発電素子10は、第2接続配線7bの下地となる部分の段差を低減でき、圧電体層3a3の膜厚を大きくしながらも第2電極3a2と第2パッド電極8bとを電気的に接続する第2接続配線7bの断線の可能性をより低減することができる。
Further, in the vibration
本実施形態の振動発電装置30は、圧電変換部3で発電した電力を第1パッド電極8aと第2パッド電極8bとを介して外部に出力させることができる。
The
以下、本実施形態の振動発電装置30に用いられる振動発電素子10の製造方法について図3ないし図6を参照しながら説明する。図3ないし図6の各紙面は、左側に振動発電素子10の底面図を図示し、右側に振動発電素子10の要部の略断面図を図示している。
Hereinafter, a method for manufacturing the vibration
まず、振動発電素子10の製造方法は、ベース基板1となる上述のSOI基板からなる素子形成基板11の一面側および他面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜12e,12aを熱酸化法などにより形成する(図3(a)を参照)。なお、SOI基板からなる素子形成基板11は、単結晶シリコン基板12bと、単結晶のシリコン層12dとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜12cを挟んだ構造としている。
First, the method of manufacturing the vibration
その後、振動発電素子10の製造方法では、素子形成基板11の一面側の全面に第1電極3a1、第1接続配線7aおよび第1パッド電極8aの基礎となるPt層からなる第1の金属膜24を、たとえば、スパッタ法やCVD法などにより形成する。第1の金属膜24は、Pt膜に限らず、たとえば、Al膜やAl−Si膜でもよい。また、第1の金属膜24は、Au膜に加え、このAu膜と絶縁膜12eとの間に密着性改善用の密着膜としてTi膜を介在させた構成としてもよい。ここで、図示していない密着膜の材料は、Tiに限らず、たとえば、Cr、Nb、Zr、TiNやTaNなどを用いてもよい。振動発電素子10の製造方法は、第1の金属膜24の形成後、素子形成基板11の一面側の全面に圧電体層3a3の基礎となる圧電膜(たとえば、PZT膜など)25を、たとえば、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法や転写法などにより形成する(図3(b)を参照)。
Thereafter, in the method for manufacturing the vibration
次に、振動発電素子10の製造方法では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電膜25を所定の形状にパターニングすることで圧電膜25の一部からなる圧電体層3a3を形成する(図3(c)を参照)。なお、振動発電素子10は、第1電極3a1上に圧電体層3a3を形成しているが、圧電体層3a3と第1電極3a1との間に、圧電体層3a3の成膜時の下地となるシード層を介在させることで圧電体層3a3の結晶性を向上させてもよい。シード層の材料としては、たとえば、導電性酸化物材料の一種であるPLT((Pb,La)TiO3)、PTO(PbTiO3)やSRO(SrRuO3)などが挙げられる。
Next, in the manufacturing method of the vibration
また、所定の形状の圧電体層3a3を転写法で形成することで、圧電膜25をパターニングする工程を省略することもできる。圧電体層3a3の転写法では、たとえば、予め、図示しない圧電膜形成用基板の一表面上にスパッタ法、CVD法やゾルゲル法などを用いて強誘電体薄膜からなる圧電膜を成膜させておく。次に、圧電膜形成用基板の圧電膜と、素子形成基板11に上述の第1電極3a1の基礎となる第1の金属膜24とを対向配置させた状態で、透光性の圧電膜形成用基板の他表面側からレーザ光を照射させる。レーザ光は、圧電膜形成用基板と、圧電膜との界面で吸収するように照射させる。これにより、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部が剥離される。剥離した圧電膜は、素子形成基板11の第1の金属膜24側に転写されて圧電体層3a3とすることができる。レーザ光の照射する領域を制御することで、圧電膜を平面視において後に第1電極3a1となる第1の金属膜24上に第1電極3a1の外形よりも小さい形状に転写することができる。
In addition, the step of patterning the
なお、圧電膜形成用基板は、素子形成基板11よりも圧電体層3a3の基礎となる圧電膜との格子定数差が小さく、格子整合性のよい基板を用いることが好ましい。たとえば、圧電膜の材料としてPZTを用いた場合、圧電膜形成用基板としては、単結晶MgO基板や単結晶STO(SrTiO3)基板などを用いることができる。また、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部を転写させるレーザ光は、たとえば、KrFエキシマレーザから照射させることができる。さらに、圧電膜形成用基板と、圧電膜との間に、圧電膜の結晶配向を制御するためのPLT、PTOやSROなどのシード層を設けてもよい。シード層は、圧電膜の一部を剥離するに際し、圧電膜の転写時にレーザ光を吸収させて除去される犠牲層として利用することもできる。圧電膜の転写に伴い圧電膜形成用基板の不要な破片が素子形成基板11側に付着した場合は、エッチング液を用いて適宜に除去することができる。
The substrate for forming the piezoelectric film is preferably a substrate having a smaller lattice constant difference from the piezoelectric film serving as the basis of the piezoelectric layer 3a3 than the
このような別途に形成させた圧電膜を転写して圧電体層3a3を形成する転写法を用いることにより、振動発電素子10の製造時間を短縮させることが可能となる。すなわち、上述の第1の金属膜24の形成後に圧電体層3a3を成膜して振動発電素子10を製造する方法と比較して、時間のかかる圧電膜の形成工程を第1電極3a1の形成工程と別途に並行して行うことができる。
By using such a transfer method in which the separately formed piezoelectric film is transferred to form the piezoelectric layer 3a3, the manufacturing time of the vibration
振動発電素子10の製造方法は、図3(c)に示した圧電体層3a3を形成後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、第1の金属膜24を所定の形状にパターニングすることで、第1の金属膜24の一部からなる第1電極3a1、第1接続配線7aおよび第1パッド電極8aを形成する(図4(a)を参照)。第1電極3a1、第1接続配線7aおよび第1パッド電極8aは、同時に形成している。ここで、第1電極3a1、第1接続配線7aおよび第1パッド電極8aは、第1の金属膜24をパターニングすることで、全てを同時に形成するものだけでなく、第1電極3a1のみを形成してもよい。
In the method of manufacturing the vibration
この場合、第1電極3a1を形成後、第1接続配線7aおよび第1パッド電極8aを別途に形成すればよい。また、第1接続配線7aを形成する工程と、第1パッド電極8aを形成する工程とを別々に設けてもよい。なお、第1の金属膜24のエッチングにあたっては、たとえば、反応性イオンエッチング(RIE)法やイオンミリング法などを適宜に採用することができる。
In this case, after forming the first electrode 3a1, the
振動発電素子10の製造方法では、第1電極3a1、第1接続配線7aおよび第1パッド電極8aを形成した後、素子形成基板11の一面側に絶縁層3a4を形成する(図4(b)を参照)。絶縁層3a4を形成する工程では、圧電体層3a3が形成された素子形成基板11の一面側にレジストを塗布した後、レジストをフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板11では、CVD法などにより、素子形成基板11の一面側の全面に絶縁層3a4の基礎となる絶縁膜を成膜した後、レジストを剥離するリフトオフ法を利用することで絶縁層3a4を形成している。絶縁層3a4を形成する工程では、リフトオフ法を用いて絶縁層3a4を形成する方法だけに限られず、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングにより絶縁層3a4を形成してもよい。素子形成基板11の一面側には、絶縁層3a4の形成により、平面視矩形状の開口部3a4aが形成されることになる。
In the method of manufacturing the vibration
次に、振動発電素子10の製造方法では、第2電極3a2を形成するため、絶縁層3a4の形成を行った素子形成基板11の一面側にレジストを塗布した後、レジストをフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板11では、第2電極3a2の基礎となる金属膜を蒸着して、レジストを剥離するリフトオフ法を行うことにより、第2電極3a2を形成させる。本実施形態の振動発電素子10の製造方法では、第2電極3a2と併せて第2接続配線7bおよび第2パッド電極8bを形成させている(図4(c)を参照)。なお、第2電極3a2は、電子ビーム(EB)蒸着法やスパッタ法やCVD法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成することにより、第2接続配線7bおよび第2パッド電極8bと同時に形成させてもよい。また、振動発電素子10の製造方法では、第2電極3a2と併せて第2接続配線7bおよび第2パッド電極8bを形成しているが、これに限らず、第2電極3a2と、第2接続配線7bと第2パッド電極8bとを別々に行うようにしてもよい。また、第2接続配線7bは、第2パッド電極8bと別々に形成してもよい。
Next, in the method for manufacturing the vibration
続いて、振動発電素子10の製造方法は、フォトリソグラフィ技術およびバッファードフッ酸(BHF)を用いたエッチング技術を利用し、素子形成基板11の一面側から支持部1a、カンチレバー部1bおよび錘部1cとなる部位以外の絶縁膜12eを除去する。これにより、素子形成基板11のシリコン層12dを露出させる(図5(a)を参照)。
Subsequently, the manufacturing method of the vibration
次に、振動発電素子10の製造方法では、素子形成基板11における一面側の絶縁膜12eを除去した部位のシリコン層12dを、RIE法を用いたエッチングにより除去する。これにより、素子形成基板11では、埋込酸化膜12cが露出する(図5(b)を参照)。
Next, in the method for manufacturing the vibration
続いて、振動発電素子10の製造方法は、フォトリソグラフィ技術およびBHFなどを用いたエッチング技術を利用し、素子形成基板11の他面側から支持部1a、カンチレバー部1bおよび錘部1cとなる部位以外の絶縁膜12aを除去する。これにより、素子形成基板11では、絶縁膜12aの一部を除去して、単結晶シリコン基板12bが露出する(図5(c)を参照)。
Subsequently, the manufacturing method of the vibration
続いて、振動発電素子10の製造方法では、絶縁膜12aの一部を除去した後、素子形成基板11の他面側から絶縁膜12aを除去した部位をDeep−RIE法により、埋込酸化膜12cに達する所定深さまで素子形成基板11をエッチングする。これにより、素子形成基板11では、素子形成基板11における他面側の埋込酸化膜12cを露出させる(図6(a)を参照)。
Subsequently, in the method for manufacturing the vibration
次に、振動発電素子10の製造方法は、埋込酸化膜12cの不要部分をRIE法によるエッチングにより除去しカンチレバー部1bを支持部1aから揺動可能に構成する(図6(b)を参照)。
Next, in the manufacturing method of the vibration
続いて、振動発電素子10の製造方法では、錘部1cを構成する部位の絶縁膜12aを除去する。振動発電素子10の製造方法は、エッチングする錘部1cを構成する部位の縁部を除いて、予め素子形成基板11における他面側にエッチングマスクを形成させる。振動発電素子10の製造方法では、錘部1cを構成する部位の縁部をエッチングすることで、カンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向において、カンチレバー部1bから突出する錘部1cの先端に曲面1caを形成することが可能となる(図6(c)を参照)。振動発電素子10の製造方法では、錘部1cの先端に曲面1caを形成するため、たとえば、フッ酸と硝酸とを混合させたフッ硝酸を、酢酸で希釈したエッチング液を用いて、錘部1cを構成する部位の縁部をエッチングすればよい。エッチング液は、硝酸の比率を高くすることで、シリコン材料からなる錘部1cを構成する部位に曲面を形成させることが可能となる。振動発電素子10の製造方法では、錘部1cを構成する部位に予め適宜の形状にエッチングマスクを形成させておくことで、錘部1cの形状を調整することもできる。
Subsequently, in the method for manufacturing the vibration
本実施形態の振動発電装置30では、上述の振動発電素子10の製造方法で形成させた振動発電素子10におけるカンチレバー部1bの一表面1bc側において、振動発電素子10の支持部1aに第1のカバー基板20aを固着させている。また、本実施形態の振動発電装置30は、カンチレバー部1bの他表面1bd側において、振動発電素子10の支持部1aに第2のカバー基板20bを固着させている。第1のカバー基板20aは、カンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向と直交する断面において、C字状をしており、全体として半角筒状の形状としている。同様に、第2のカバー基板20bは、カンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向と直交する断面において、C字状をしており、全体として半角筒状の形状としている。本実施形態の振動発電装置30は、第1のカバー基板20aと、振動発電素子10の一部と、第2のカバー基板20bとでハウジング部20を構成している。ハウジング部20は、第1のカバー基板20aと振動発電素子10と第2のカバー基板20bとで、上記流体を通すことが可能な貫通孔30aを構成している。ハウジング部20は、貫通孔30aの方向にカンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向を沿わせてカンチレバー部1bを貫通孔30aに収納させている。なお、第1のカバー基板20aは、振動発電素子10側に、カンチレバー部1bおよび錘部1cが揺動する変位空間をベース基板1との間に形成し、上記流体を通すことが可能な貫通孔30aの一部を構成する溝部を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。
In the vibration
第2のカバー基板20bは、振動発電素子10側に、カンチレバー部1bが揺動する変位空間をベース基板1との間に形成し、上記流体を通すことが可能な貫通孔30aの一部を構成する溝部を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。また、第2のカバー基板20bは、振動発電素子10の第1パッド電極8aおよび第2パッド電極8bと各別に接合させて外部に出力可能な連絡用電極(図示していない)を適宜に備えさせればよい。ここで、第1のカバー基板20aと、振動発電素子10とは、たとえば、常温接合法、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や陽極接合法などにより接合することができる。同様に、第2のカバー基板20bと、振動発電素子10とは、たとえば、常温接合法、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や陽極接合法などにより接合することができる。
The
ハウジング部20は、第1のカバー基板20aと振動発電素子10と第2のカバー基板20bとを用いて、貫通孔30aを構成するものだけでなく、第1のカバー基板20aと第2のカバー基板20bとで貫通孔30aを構成するものでもよい。また、ハウジング部20は、角筒状の形状だけに限られるものではなく、円筒状など種々の形状することができる。
The
第1のカバー基板20aおよび第2のカバー基板20bを備えた振動発電装置30を製造するためには、図6(c)で示す素子形成基板11への加工が終了したベース基板1に、第1のカバー基板20aを接合する第1カバー接合工程を行う。同様に、振動発電装置30の製造方法は、素子形成基板11への加工が終了したベース基板1に第2のカバー基板20bを接合する第2カバー接合工程を行う。振動発電装置30の製造方法は、第1カバー接合工程および第2カバー接合工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、個々の振動発電装置30に分割するダイシング工程を行うことで量産性よく振動発電装置30を製造することができる。
In order to manufacture the vibration
振動発電装置30は、図6(c)で示す素子形成基板11への加工が終了するまでの工程をウェハレベルで行ってから、個々の振動発電素子10に分割するダイシンク工程を行った振動発電素子10をハウジング部20に収容して振動発電装置30を製造してもよい。
The vibration
本実施形態の振動発電装置30は、カンチレバー部1bの自由端1baと固定端1bbとを結ぶ方向において、カンチレバー部1bから突出する錘部1cの先端が曲面1caを構成している。本実施形態の振動発電装置30は、カンチレバー部1bの自由端1ba側が上記流体の上流側、カンチレバー部1bの固定端1bb側が上記流体の下流側となっている。本実施形態の振動発電装置30では、上流から流れる上記流体が貫通孔30aを通る際に、錘部1cの先端に設けられた曲面1caに沿って流れる。振動発電装置30は、曲面1caに沿った上記流体の流れがカンチレバー部1bの他表面1bd側に沿った流れよりも流速が速くなることで、第2のカバー基板20b側と比較して、第1のカバー基板20a側の圧力が相対的に下がる。これにより、振動発電装置30は、カンチレバー部1bの自由端1ba側が第1のカバー基板20a側に近づく向きに変位する。また、振動発電装置30は、カンチレバー部1bが一定の変位量を超えるとカンチレバー部1bの弾性力により、カンチレバー部1bが元の位置側に戻ろうとする。
In the vibration
本実施形態の振動発電装置30では、錘部1cの荷重がカンチレバー部1bの自由端1ba側に掛かっている。また、振動発電装置30は、錘部1cの先端に設けられた曲面1caに沿って上流から流れる上記流体により、錘部1cを押圧する力が加わる。そのため、振動発電装置30では、元の位置側に戻ってきたカンチレバー部1bを、第2のカバー基板20b側に押圧する向きに変位させる。また、振動発電装置30は、カンチレバー部1bが一定の変位量を超えるとカンチレバー部1bの弾性力により、カンチレバー部1bが元の位置側に戻ろうとする。振動発電装置30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1bが自励振動し、先端部が曲面1caの錘部1cを有していない振動発電素子を用いる場合に比べて、圧電変換部3の変位量を大きくさせ発電効率をより高めることが可能になると考えられる。言い換えれば、振動発電装置30は、上記流体によって発生するカンチレバー部1bの一表面1bc側と他表面1bd側との圧力差、カンチレバー部1bの弾性力などによりカンチレバー部1bに自励振動を生じさせることが可能となる。
In the
本実施形態の振動発電装置30では、圧電変換部3で発生する交流電圧が圧電変換部3の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。振動発電装置30は、圧電変換部3が貫通孔30aを流れる上記流体によって生ずる自励振動を利用して発電することができる。振動発電装置30は、カンチレバー部1b、錘部1cや圧電変換部3の構造、大きさや材料などを適宜に選択することにより、自励振動の共振周波数を調整することが可能となる。
In the vibration
なお、本実施形態の振動発電装置30は、振動発電素子10の第1パッド電極8aおよび第2パッド電極8bから出力される二相交流を整流する二相全波整流回路により構成される整流回路部(図示していない)を備えてもよい。また、振動発電装置30は、整流回路部の出力端の両端間と電気的に接続させる蓄電素子を備えさせることもできる。さらに、振動発電装置30は、蓄電素子と図示しない振動発電装置30に接続される負荷との間にDC/DC変換部を適宜に設け、負荷の容量に応じて、負荷側に供給する電圧を適宜に昇圧または降圧させる構成としてもよい。
Note that the vibration
(実施形態2)
図7に示す本実施形態の振動発電装置30は、図1の実施形態1と比較し、振動発電素子10の構造およびハウジング部20の貫通孔30aに振動発電素子10全体を収納させる点が主として相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 2)
The vibration
本実施形態の振動発電装置30は、カンチレバー部1bとカンチレバー部1bの自由端1ba側に設ける錘部1cとカンチレバー部1bの揺動により生ずる応力を受けて発電する圧電変換部3とを備えた振動発電素子10を有している。振動発電装置30は、流体を通すことが可能な貫通孔30aを備えたハウジング部20を有している。振動発電装置30のハウジング部20は、貫通孔30aの方向にカンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向を沿わせて振動発電素子10におけるカンチレバー部1bを貫通孔30aに収納させている。振動発電装置30は、振動発電素子10の錘部1cが、少なくともカンチレバー部1bの自由端1ba側と固定端1bb側とを結ぶ方向において、カンチレバー部1bから突出する錘部1cの先端が曲面1caを構成している。
The vibration
本実施形態の振動発電装置30では、ハウジング部20は、上記流体が供給される供給口21aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの自由端1ba側に連通する供給管21aを設けた供給部21を備えている。また、ハウジング部20は、上記流体を排出させる排出口22aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの固定端1bb側に連通する排出管22aを設けた排出部22を備えている。
In the vibration
本実施形態の振動発電装置30は、実施形態1の振動発電装置30と同様に、カンチレバー部1bの揺動に伴い圧電変換部3から発電出力を得ることができる。なお、本実施形態の振動発電装置30では、図7の紙面の上側を鉛直の上方向とし、振動発電素子10は、カンチレバー部1bにおける表面側として鉛直方向の上方側に錘部1cを設けられるように配置している。これにより、本実施形態の振動発電装置30は、錘部1cの自重によりカンチレバー部1cが撓む状態となったとしても、上記流体の流れを堰き止めることを抑制することが可能となる。
Similar to the vibration
本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20に予め設けた支持部1aに、錘部1cが設けられたカンチレバー部1bの自由端1ba側と反対の固定端1bbを接着剤などにより適宜に固定させ、振動発電素子10をハウジング部20に収納させている。本実施形態の振動発電装置30では、振動発電素子10が、第1電極3a1を構成する平板状の金属板と、この金属板上に形成させた圧電体層3a3と、圧電体層3a3上に形成させた第2電極3a2を構成する平板状の金属板とでカンチレバー部1bを構成している。すなわち、本実施形態の振動発電装置30の振動発電素子10は、カンチレバー部1bが圧電変換部3を兼ねている。図7の振動発電装置30の振動発電素子10は、図1の実施形態1における振動発電素子10がMEMSの製造技術を利用して製造した薄膜型の圧電素子であるのに対し、圧電体層3a3としてバルクの圧電体を利用したバルク型の圧電素子を構成している。また、振動発電素子10は、カンチレバー部1bにおける鉛直方向の上方側にカンチレバー部1bから半球状の錘部1cを突出させている。錘部1cは、カンチレバー部1bと別途に形成させた金属材料などからなる錘部1cを、接着剤などを用いて固着させて形成することができる。
In the
本実施形態の振動発電装置30は、実施形態1と同様、上記流体によって発生するカンチレバー部1bの一表面1bc側と他表面1bd側との圧力差と、カンチレバー部1bの弾性力などによりカンチレバー部1bに自励振動を生じさせることが可能となる。なお、本実施形態の振動発電装置30では、図示していないが、適宜に配線を設けて、圧電変換部3で発電し第1電極3a1と第2電極3a2とから出力される電力をハウジング部20の外部に取り出すことが可能なように構成すればよい。振動発電装置30は、振動発電素子10の第1電極3a1と第2電極3a2とが短絡しないように、必要に応じて適宜に絶縁膜を構成すればよい。
As in the first embodiment, the
本実施形態の振動発電装置30は、図8に示すように、カンチレバー部1bにおける鉛直方向の下方側にカンチレバー部1bから半球状の錘部1cを突出させた振動発電素子10を用いて構成してもよい。また、本実施形態の振動発電装置30は、図9に示すように、カンチレバー部1bにおける鉛直方向の下方側にカンチレバー部1bから半球状の錘部1cを突出させたMEMSの製造技術を利用して製造した振動発電素子10を用いて構成してもよい。さらに、本実施形態の振動発電装置30は、図10に示すように、カンチレバー部1bにおける鉛直方向の上方側にカンチレバー部1bから半球状の錘部1cを突出させ、支持部1aによりカンチレバー部1bを鉛直方向と水平な方向に対して傾斜させた振動発電素子10を用いて構成することもできる。図10に示す振動発電素子10を用いた振動発電装置30では、振動発電素子10とハウジング部20とが、カンチレバー部1bと貫通孔30aの内壁20aaとの間の隙間の大きさを、カンチレバー部1bの固定端1bb側と自由端1ba側とで異ならせることができる。図10に示す振動発電素子10を用いた振動発電装置30では、図7の振動発電装置30と比較して、上記流体によって発生するカンチレバー部1bの一表面1bc側と他表面1bd側との圧力差を、より安定的に発生させることが可能となる。
As shown in FIG. 8, the vibration
(実施形態3)
図11に示す本実施形態の振動発電装置30は、実施形態2の振動発電装置30と比較して、ハウジング部20の供給部21に流体の流入量を制御する流入量制御部23を備えた点が主として相違する。なお、実施形態2と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 3)
The vibration
本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20に流体が供給される供給口21aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの自由端1ba側に連通する供給管21aを設けた供給部21を備えている。また、振動発電装置30は、ハウジング部20に、上記流体を排出させる排出口22aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの固定端1bb側に連通する排出管22aを設けた排出部22を備えている。本実施形態の振動発電装置30は、振動発電素子10として、図10に示す実施形態2の振動発電素子10と同様の構成のものを用いている。そのため、振動発電装置30の振動発電素子10とハウジング部20とは、カンチレバー部1bと貫通孔30aの内壁20aaとの間の隙間の大きさが、カンチレバー部1bの固定端1bb側と自由端1ba側とで異なっている。本実施形態の振動発電装置30では、カンチレバー部1bの厚み方向において、カンチレバー部1bの自由端1ba側をカンチレバー部1bの固定端1bb側よりも支持部1a側にずらしてある。
The
また、本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20が、錘部1cを設けたカンチレバー部1bの一表面1bc側と反対の他表面1bd側と比較して、一表面1bc側における上記流体の流入量を多くさせる流入量制御部23を供給部21に備えている。ここで、本実施形態の振動発電装置30は、流入量制御部23を備えた供給部21をハウジング部20と一体に形成させている。流入量制御部23は、供給口21aa側から排出口22aa側に向かって、供給管21aの開口面積を小さくさせている。これにより、本実施形態の振動発電装置30は、実施形態2の振動発電装置30と比較して、より多くの上記流体を錘部1cの曲面1ca側に沿わすことができる。そのため、本実施形態の振動発電装置30は、実施形態2の振動発電装置30と比較して、上記流体によって発生するカンチレバー部1bの一表面1bc側と他表面1bd側との圧力差をより大きくすることが可能となる。
Further, in the vibration
流入量制御部23は、ハウジング部20と一体に形成させるだけに限られず、図12に示すように、ハウジング部20と別体に形成させた三角柱状の流入量制御部23をハウジング部20に接着剤などを用いて固着させるものでもよい。また、流入量制御部23は、図12に示す傾斜した平面を備えた構造だけに限られず、図13に示すような供給口21aa側の表面だけが曲面を備えた円柱状の一部からなる構造としてもよい。図13に示す振動発電装置30は、供給口21aa側の表面だけが曲面を備えた円柱状の一部からなる構造の流入量制御部23の表面に沿って、流体(図13の一点鎖線の矢印を参照)が流れ、より多くの上記流体を錘部1cの曲面1ca側に沿わすことができる。同様に、流入量制御部23は、図14に示すように、半円柱状の流入量制御部23を供給部21に備えた構造としてもよい。図14に示す振動発電装置30は、流体(図14の一点鎖線の矢印を参照)が半円柱状の流入量制御部23の表面に沿って流れ、さらに多くの上記流体を錘部1cの曲面1ca側に沿わすことができる。
The inflow
(実施形態4)
図15に示す本実施形態の振動発電装置30は、図14に示す実施形態3の振動発電装置30と比較して、流入制御部23を備えた供給部21の構造が主として相違する。なお、実施形態3と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 4)
The vibration
本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20に流体(図15の一点鎖線の矢印を参照)が供給される供給口21aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの自由端1ba側に連通する供給管21aを設けた供給部21を備えている。また、振動発電装置30は、ハウジング部20に、上記流体を排出させる排出口22aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの固定端1bb側に連通する排出管22aを設けた排出部22を備えている。
The vibration
本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20が、錘部1cを設けたカンチレバー部1bの一表面1bc側と反対の他表面1bd側と比較して、一表面1bc側における上記流体の流入量を多くさせるように流入量制御部23を供給部21に備えている。特に、本実施形態の振動発電装置30では、供給口21aa側から排出口22aa側に向かって、供給管21aの開口面積を小さくさせるテーパー形状の供給部21を備えている。
In the
本実施形態の振動発電装置30は、振動発電素子10が、カンチレバー部1bにおける鉛直方向の上方側に錘部1cを設けている。なお、振動発電素子10は、図16に振動発電素子10の底面図を示している。振動発電装置30は、錘部1cの自重でカンチレバー部1bを撓ませて、流入量制御部23と合わせて、錘部1cを設けたカンチレバー部1bの一表面1bc側と反対の他表面1bd側と比較して、一表面1bc側における上記流体の流入量をより多くさせてもよい。
In the vibration
ここで、本実施形態の振動発電装置30では、図17に示す構造の振動発電素子10を用いて構成することもできる。また、本実施形態の振動発電装置30は、図18に示す振動発電素子10を用いて構成することもできる。図18に示す振動発電素子10は、カンチレバー部1bに撓みを生じさせる応力を発生する応力発生膜4をカンチレバー部1bに備えている。図18に示す振動発電素子10では、応力発生膜4は、カンチレバー部1bの圧電変換部3に設けている。応力発生膜4は、たとえば、圧電変換部3上に形成させたSiO2膜やSi3N4膜などにより形成することができる。応力発生膜4は、応力発生膜4の材料や応力発生膜4の膜厚などを調整することで、カンチレバー部1bに撓みを生じさせる応力を制御することが可能となる。図18に示す振動発電素子10では、カンチレバー部1bの撓みにより、カンチレバー部1bと貫通孔30aの内壁20aaとの間の隙間の大きさがカンチレバー部1bの固定端1bb側と自由端1ba側とで異なることなる。そのため、振動発電装置30では、振動発電素子10とハウジング部20とが、上記隙間の大きさを、カンチレバー部1bの固定端1bb側と自由端1ba側とで異ならせることにより、錘部1cの曲面1caに当接させる上記流体をより多くさせることも可能となる。なお、応力発生膜4は、カンチレバー部1bに備えていればよく、カンチレバー部1bの一表面1bc側に設けてもよいし、カンチレバー部1bの他表面1bd側に設けてもよい。また、応力発生膜4は、カンチレバー部1bの一表面1bc側および他表面1bd側の両方に設けてもよい。振動発電装置30は、カンチレバー部1bに撓みを生じさせる応力発生膜4を別途に形成させているが、振動発電素子10を構成する材料や膜厚を適宜に選択することで、カンチレバー部1b自体に撓みを生じさせる初期撓みを備えさせることも可能である。
Here, the vibration
(実施形態5)
図19に示す本実施形態の振動発電装置30は、図11の実施形態3と比較して、ハウジング部20の排出部22の構造が主として相違する。なお、実施形態3と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 5)
The vibration
本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20に上記流体が供給される供給口21aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの自由端1ba側に連通する供給管21aを設けた供給部21を備えている。また、振動発電装置30は、ハウジング部20に上記流体を排出させる排出口22aaを有し貫通孔30aにおけるカンチレバー部1bの固定端1bb側に連通する排出管22aを設けた排出部22を備えている。
The vibration
本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20が、錘部1cを設けたカンチレバー部1bの一表面1bc側と反対の他表面1bd側と比較して、一表面1bc側における上記流体の流入量を多くさせる流入量制御部23を供給部21に備えている。また、本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20が、錘部1cを設けたカンチレバー部1bの一表面1bc側と反対の他表面1bd側と比較して、一表面1bc側における上記流体の流出量を多くさせる流出量制御部26を備えている。
In the
すなわち、本実施形態の振動発電装置30は、ハウジング部20が、供給口21aa側から排出口22aa側に向かって、排出管22aの開口面積を大きくさせる流出量制御部26を排出部22に備えている。なお、流出量制御部26は、流入量制御部23と同様にして形成することができる。
That is, in the vibration
排出部22は、図19に示す傾斜した平面を有する流出量制御部26を備えたものだけに限られず、図20に示す、供給口21aa側から排出口22aa側に向かって、排出管22aの開口面積を大きくさせるテーパー形状の流出量制御部26を備えたものでもよい。図20に示す振動発電装置30は、図19に示す振動発電装置30と比較して、上記流体をより効率よく外部に排出させることが可能となる。そのため、図20に示す振動発電装置30は、図19に示す振動発電装置30と比較して、より発電効率を大きくすることが可能となる。
The
1b カンチレバー部
1ba 自由端
1bb 固定端
1c 錘部
1ca 曲面
3 圧電変換部
4 応力発生膜
10 振動発電素子
20 ハウジング部
20aa 内壁
21 供給部
21a 供給管
21aa 供給口
22 排出部
22a 排出管
22aa 排出口
23 流入量制御部
26 流出量制御部
30 振動発電装置
30a 貫通孔
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記錘部は、少なくとも前記カンチレバー部の前記自由端側と前記固定端側とを結ぶ方向において、前記カンチレバー部から突出する前記錘部の先端が曲面を構成していることを特徴とする振動発電装置。 A vibration power generating element including a cantilever portion, a weight portion provided on the free end side of the cantilever portion, and a piezoelectric conversion portion that generates power in response to stress generated by the swinging of the cantilever portion, and a through-hole through which fluid can pass A housing part that accommodates the cantilever part in the vibration power generation element in the through-hole along a direction connecting the free end side and the fixed end side of the cantilever part in the direction of the through-hole. A vibration power generator having
The weight generator is characterized in that the tip of the weight protruding from the cantilever part forms a curved surface at least in a direction connecting the free end side and the fixed end side of the cantilever part. apparatus.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017098304A (en) * | 2015-11-18 | 2017-06-01 | 京セラ株式会社 | Piezoelectric device, sensor device, and power generation device |
| US11105231B1 (en) * | 2017-11-30 | 2021-08-31 | United Services Automobile Association (Usaa) | Vehicle liquid monitoring system and method |
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