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JP2015171295A - Power generator - Google Patents

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JP2015171295A
JP2015171295A JP2014046663A JP2014046663A JP2015171295A JP 2015171295 A JP2015171295 A JP 2015171295A JP 2014046663 A JP2014046663 A JP 2014046663A JP 2014046663 A JP2014046663 A JP 2014046663A JP 2015171295 A JP2015171295 A JP 2015171295A
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JP
Japan
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power generation
cantilever
substrate
base
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014046663A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
純矢 小川
Junya Ogawa
純矢 小川
博之 柳生
Hiroyuki Yagyu
博之 柳生
貴司 中川
Takashi Nakagawa
貴司 中川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2014046663A priority Critical patent/JP2015171295A/en
Priority to PCT/JP2015/000919 priority patent/WO2015136864A1/en
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/185Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304Beam type
    • H10N30/306Cantilevers

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generator that can enhance a power generation efficiency.SOLUTION: A power generator 1 has a base 2 and a power generating element 3. The base 2 has a frame-shaped support portion 21, a cantilever portion 22 which is disposed inside the support portion 21 and is freely swingably supported by the support portion 21, and a flow passage 23 constructed by a gap formed between the support portion 21 and the cantilever portion 22. The power generating element 3 has a substrate 30 which is smaller than the base 2 and has flexibility, and a piezoelectric conversion unit 36 formed on the surface 30a of the substrate 30. The power generating element 3 is stacked and joined onto the base 2. The power generating element 3 is away from the flow passage 23 and straddles over the support portion 21 and the cantilever portion 22. The cantilever portion 22 has a through-hole 24 penetrating in the thickness direction of the cantilever portion 22 within a vertical projection area of the power generating element 3.

Description

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。   The present invention relates to a power generation device, and more particularly to a fluid vibration power generation device that generates power using fluid excitation vibration.

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。   In recent years, power generation devices that convert vibration energy into electrical energy have attracted attention in fields such as energy harvesting.

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)。   As this type of power generation device, for example, a power generation device 201 having a configuration shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C is proposed (Patent Document 1).

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。   The power generation apparatus 201 includes a base 211 and a lead 213 to which the piezoelectric element 214 is fixed.

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。   The base 211 has a plate 215 on which a rectangular window 212 is formed. As shown in FIG. 4A, the size of the window 212 is slightly larger than the lead 213 facing the window 212, and a slight amount of gas F1 passes between the edge of the window 212 and the lead 213. A gap is formed.

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。   The lead 213 has flexibility that allows bending vibration in the plate thickness direction. For example, the lead 213 is a flexible printed board formed of FRP or the like. The lead 213 is positioned so that one end 231 is fixed to the upper surface of the plate 215 and the other end 232 faces the window 212 so that the window 212 can freely enter and exit.

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)。   Further, as shown in FIG. 4B, the lead 213 is slightly inclined with respect to the upper surface of the plate 215 so that the end 232 is located outside the window 212 (the side into which the gas F1 flows). (Up)

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。   The piezoelectric element 214 is a bimorph piezoelectric element, and is fixed to both the front and back surfaces of the lead 213 as shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c). Patent Document 1 describes that the piezoelectric element 214 may be a unimorph piezoelectric element fixed to one of the front surface and the back surface of the lead 213.

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。   In the technical field of the fluid vibration power generation device, not only the power generation device 201 but also further improvement in power generation efficiency is required.

特開2012−97673号公報JP 2012-97673 A

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。   This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the electric power generating apparatus which can aim at the improvement of electric power generation efficiency.

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。   The power generation device of the present invention includes a base and a power generation element. The base includes a frame-shaped support portion, a cantilever portion that is disposed inside the support portion and is swingably supported by the support portion, and a gap formed between the support portion and the cantilever portion. A configured flow path. The power generating element includes a substrate that is smaller than the base and has flexibility, and a piezoelectric transducer formed on the surface of the substrate. The power generation element is overlapped and joined to the base. The power generation element is separated from the flow path and straddles the support part and the cantilever part in a plan view. In the cantilever portion, a hole penetrating in the thickness direction of the cantilever portion is formed in a vertical projection region of the power generation element.

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。   In this power generator, the base is preferably formed of a metal substrate.

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。   In this power generator, the base is preferably formed of a resin substrate.

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。   In this power generation device, the power generation element includes a first pad electrode and a second pad electrode, the base is formed of a printed circuit board, and the first pad electrode and the second pad electrode are electrically connected to each other. It is preferable to include a first conductor portion and a second conductor portion connected to each other.

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。   In this power generator, the minimum width of the flow path is preferably 20 μm or more and 100 μm or less.

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。   In this power generation device, the piezoelectric conversion unit has a piezoelectric conversion region, and the first end of the piezoelectric conversion region in a first direction along the length direction of the cantilever unit is the support unit and the cantilever unit. It is preferable that the first boundary is aligned with the first boundary.

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。   In the power generation device, the power generation element has a first end portion of the substrate in the first direction joined to the support portion, and a second end portion of the substrate in the first direction joined to the cantilever portion. It is preferable.

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。   In this power generation device, it is preferable that the support portion is thicker than the cantilever portion.

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。   In the power generation device, it is preferable that the power generation element has a thickness of each of the first end portion and the second end portion of the substrate that is greater than a thickness of a portion of the substrate immediately below the piezoelectric conversion portion.

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。   In this power generation device, the cantilever part includes a beam part and a weight part, a first end in the length direction of the beam part is fixed to the support part, and a second length in the length direction of the beam part. It is preferable that an end is fixed to the weight portion, and the power generation element has the second end portion of the substrate joined to the weight portion.

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。   In the power generation device of the present invention, the power generation element including the substrate and the piezoelectric conversion unit is overlapped and joined to the base including the support unit, the cantilever unit, and the flow path. It is separated from the flow path and straddles the support part and the cantilever part. As a result, the power generation device of the present invention shifts the position of the neutral surface of the power generation device from the neutral surface of the substrate toward the cantilever part, so that it is possible to improve the power generation efficiency. Further, the power generation device of the present invention can suppress the change in the area and shape of the flow path depending on the relative positional accuracy between the base and the power generation element, and can improve power generation efficiency. The cost can be reduced by downsizing the power generating element. Further, in the power generation device of the present invention, since a hole penetrating in the thickness direction of the cantilever part is formed in the vertical projection region of the power generation element in the cantilever part, the rigidity of the cantilever part can be lowered. This makes it possible to improve power generation efficiency.

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。FIG. 1A is a schematic plan view of the power generator according to the embodiment. FIG.1 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.1 (a). 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。FIG. 2A is a schematic plan view of a base in the power generator according to the embodiment. FIG.2 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.2 (a). 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。FIG. 3A is a schematic plan view of a power generation element in the power generation apparatus of the embodiment. FIG.3 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.3 (a). 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。FIG. 4A is a schematic plan view of a conventional power generation device. FIG.4 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.4 (a). FIG.4 (c) is a YY schematic sectional drawing of Fig.4 (a).

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。   Below, the electric power generating apparatus 1 of this embodiment is demonstrated based on FIG. 1 (a), 1 (b), 2 (a), 2 (b), 3 (a), 3 (b).

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。   The power generation device 1 includes a base 2 and a power generation element 3. The base 2 is formed between a frame-shaped support portion 21, a cantilever portion 22 that is disposed inside the support portion 21 and is swingably supported by the support portion 21, and the support portion 21 and the cantilever portion 22. And a flow path 23 constituted by a gap. The power generating element 3 includes a substrate 30 that is smaller than the base 2 and has flexibility, and a piezoelectric conversion portion 36 formed on the surface 30 a of the substrate 30. The power generation element 3 is overlapped and joined to the base 2. The power generation element 3 is separated from the flow path 23 and straddles the support portion 21 and the cantilever portion 22 in a plan view. The cantilever portion 22 is formed with a hole 24 penetrating in the thickness direction of the cantilever portion 22 in the vertical projection region of the power generating element 3. Therefore, in the power generation device 1, the power generation element 3 including the substrate 30 and the piezoelectric conversion unit 36 is overlapped and joined to the base 2 including the support unit 21, the cantilever unit 22, and the flow path 23. It is separated from the flow path 23 and straddles the support portion 21 and the cantilever portion 22. As a result, the power generation device 1 shifts the position of the neutral surface of the power generation device 1 from the neutral surface of the substrate 30 to the cantilever portion 22 side, so that it is possible to improve the power generation efficiency. In addition, the power generation device 1 can suppress the change in the area, shape, and the like of the flow path 23 depending on the relative positional accuracy between the base 2 and the power generation element 3, and can improve power generation efficiency. The cost can be reduced by downsizing the element 3. Further, since the power generation device 1 has a hole 24 penetrating in the thickness direction of the cantilever portion 22 in the vertical projection region of the power generation element 3 in the cantilever portion 22, the rigidity of the cantilever portion 22 can be reduced. This makes it possible to improve power generation efficiency.

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。   Each component of the power generator 1 will be described in detail below.

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。   The base 2 can be formed by a metal substrate, for example. Accordingly, the power generation device 1 can suppress the vibration energy of the cantilever portion 22 from being attenuated in the base 2. As the material of the metal substrate, a material having a low logarithmic decay rate is preferable. For example, stainless steel can be adopted. As the stainless steel, for example, austenitic stainless steel is preferable, and examples thereof include SUS304 (18Cr-8Ni). Further, the material of the metal substrate is not limited to stainless steel, and for example, titanium, aluminum, brass, phosphor bronze, beryllium copper, or the like can be employed.

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。   The flow path 23 and the hole 24 of the base 2 can be formed, for example, by subjecting a metal substrate to wet etching. For the base 2, the support portion 21 and the cantilever portion 22 are formed by forming the flow path 23 with respect to the metal substrate.

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。   The support portion 21 preferably adopts a rectangular frame shape as the frame shape. That is, it is preferable that the support portion 21 has a rectangular outer peripheral shape. As a result, the power generation device 1 can reduce the cost by improving the material yield when the base 2 is cut out from the multi-piece metal substrate during manufacture.

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。   In the base 2, the cantilever portion 22 is disposed inside the support portion 21 in a plan view. The base 2 forms a U-shaped flow path 23 that surrounds the cantilever part 22, so that the part other than the connection part of the cantilever part 22 with the support part 21 is separated from the support part 21. Thereby, the cantilever part 22 is cantilevered by the support part 21.

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。   The base 2 preferably has a minimum width of the flow path 23 of 20 μm or more and 100 μm or less. As a result, the power generation device 1 can suppress the vibration of the cantilever portion 22 from occurring less easily regardless of the fluid flow velocity, flow rate, and the like. In addition, since the minimum width of the flow path 23 is 20 μm or more and 100 μm or less, the power generation device 1 can reduce the critical flow velocity of the fluid excitation vibration and can improve power generation efficiency. It becomes possible.

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。   The fluid excitation vibration is vibration of the cantilever portion 22 generated when the fluid flowing through the flow field passes through the flow path 23 in a state where the power generation device 1 is disposed in the flow field. This fluid excitation vibration is self-excited vibration. Examples of the fluid include air, gas, a mixed gas of air and gas, and liquid. When the fluid is a gas, examples of the flow field include the inside of an air supply duct of an air conditioner and the inside of an exhaust duct of an air conditioner, but are not particularly limited. The generation limit flow velocity of the fluid excitation vibration means a lower limit value of the flow velocity at which the self-excited vibration of the cantilever portion 22 can be generated.

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。   The generation limit flow velocity of the cantilever portion 22 that self-excites and receives fluid is proportional to the square root of the mass per unit length of the cantilever portion 22.

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。   The mechanism for estimating the operation of the power generation device 1 is self-excited due to the force acting on the cantilever portion 22 when the fluid passes through the flow path 23 and the restoring force due to the spring properties of the cantilever portion 22 and the substrate 30. It is estimated that vibration will occur. The power generation device 1 is arranged so that the direction in which the fluid flows coincides with the thickness direction of the base 2, the front surface 22 a side of the cantilever portion 22 is the upstream side of the fluid, and the back surface 22 b side of the cantilever portion 22 is the downstream side of the fluid. Are preferably used. In the power generation device 1, when the fluid flowing from the upstream side toward the power generation device 1 passes through the flow path 23, the flow velocity increases, so that the pressure on the back surface 22 b side of the cantilever portion 22 decreases and the cantilever portion 22 is displaced. In the power generation device 1, the cantilever portion 22 is displaced by the force of the fluid flowing from the upstream side toward the power generation device 1. And in the electric power generating apparatus 1, when the restoring force of the cantilever part 22 becomes larger than the force received from the fluid, it is estimated that the cantilever part 22 is displaced in a direction to return to the original position. In the power generation device 1, it is assumed that the cantilever part 22 self-excites and the piezoelectric conversion part 36 generates power by repeating such an operation. The resonance frequency of the power generation device 1 is determined by the mass and rigidity of the cantilever portion 22, the mass and rigidity of the substrate 30, and the like. Note that the power generation apparatus 1 of the present embodiment is within the scope of the present invention even if the estimation mechanism is different.

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。   The cantilever portion 22 includes a beam portion 25 and a weight portion 26, a first end 25 a in the length direction of the beam portion 25 is fixed to the support portion 21, and a second end 25 b in the length direction of the beam portion 25. Is preferably fixed to the weight portion 26. The length direction of the beam portion 25 is the same direction as the length direction of the cantilever portion 22. The beam portion 25 is formed in a cantilever shape. In the cantilever portion 22, the thickness of the beam portion 25 and the thickness of the weight portion 26 are the same, but this is not restrictive. For example, the cantilever part 22 may make the thickness of the beam part 25 thinner than the thicknesses of the support part 21 and the weight part 6. In the cantilever part 22, the thickness of the weight part 26 may be larger than the thickness of each of the support part 21 and the beam part 25.

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。   For example, the hole 24 may have a rectangular opening shape. The opening size of the hole 24 is smaller than that of the power generation element 3. Here, the hole 24 is preferably formed over the entire length of the beam portion 25 in the length direction. The base 2 is not limited to the case where the number of holes 24 is one, and may include a plurality of holes 24. Even when the base 2 includes a plurality of holes 24, all the holes 24 are formed in the vertical projection region of the power generation element 3 in the cantilever portion 22. The opening shape of the hole 24 is not limited to a rectangular shape, and may be, for example, a circular shape or a polygonal shape other than a rectangular shape.

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。   Regarding the manufacturing method of the power generation element 3, the power generation element 3 can be manufactured using, for example, a MEMS manufacturing technique.

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。   The outer peripheral shape of the substrate 30 is preferably rectangular. Thereby, in the manufacturing method of the electric power generating apparatus 1, after performing the pre-process which forms the several electric power generation element 3 in a silicon wafer, it becomes possible to improve workability | operativity at the time of performing a dicing by a post process. Further, in the method for manufacturing the power generation device 1, since the outer peripheral shape of the substrate 30 is rectangular, the power generation element 3 can be easily handled, the power generation element 3 can be positioned with respect to the base 2, and the like.

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。   The substrate 30 includes a silicon substrate 31 and an insulating film 32 formed on the surface of the silicon substrate 31. The insulating film 32 has electrical insulation. The insulating film 32 can be composed of, for example, a silicon oxide film. The insulating film 32 can be formed by, for example, a thermal oxidation method. The formation method of the insulating film 32 is not limited to the thermal oxidation method, and may be a CVD method, for example. The insulating film 32 is not limited to being composed of only a silicon oxide film, and may be composed of a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film, for example.

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。   In the power generating element 3, the silicon substrate 31 and the piezoelectric conversion unit 36 are electrically insulated by the insulating film 32.

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。   The thickness of the silicon substrate 30 is set to 50 μm. The thickness of the substrate 30 is not limited to 50 μm and is preferably set within a range of 20 μm to 100 μm, for example. The thickness of the insulating film 32 is set to 1 μm. The thickness of the insulating film 32 is not limited to 1 μm and is preferably set within a range of 0.5 μm to 3 μm, for example.

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。   The piezoelectric conversion unit 36 is formed on the surface 30 a of the substrate 30. The piezoelectric conversion unit 36 includes a first electrode 33 formed on the surface 30 a of the substrate 30, a piezoelectric layer 34 formed on the first electrode 33, and a second electrode 35 provided on the piezoelectric layer 34. And comprising. In short, the piezoelectric conversion unit 36 includes the piezoelectric layer 34 and the first electrode 33 and the second electrode 35 facing each other with the piezoelectric layer 34 sandwiched from both sides in the thickness direction.

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。 As the piezoelectric material of the piezoelectric layer 34, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) is adopted, but not limited to this, for example, PZT-PMN (Pb (Mn, Nb) O 3 ), PZT added with impurities may also be used. Further, the piezoelectric material may be AlN, ZnO, KNN (K 0.5 Na 0.5 NbO 3 ), KN (KNbO 3 ), NN (NaNbO 3 ), a material obtained by adding impurities to KNN, or the like. Examples of the impurity include Li, Nb, Ta, Sb, and Cu. The piezoelectric layer 34 is composed of a piezoelectric thin film.

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。   The material of the first electrode 33 is Pt, but is not limited to this, and may be Au, Al, Ir, or the like, for example. The material of the second electrode 35 is Au, but is not limited thereto. For example, Mo, Al, Pt, Ir, or the like may be used.

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。   In the power generating element 3, the thickness of the first electrode 33 is set to 500 nm, the thickness of the piezoelectric layer 34 is set to 3000 nm, and the thickness of the second electrode 35 is set to 500 nm. However, the power generation element 3 is not limited to these values. .

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。 The power generating element 3 may have a structure in which a buffer layer is provided between the substrate 30 and the first electrode 33. The material of the buffer layer is preferably selected as appropriate according to the piezoelectric material of the piezoelectric layer 34. When the piezoelectric material of the piezoelectric layer 34 is PZT, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 , MgO, LaNiO 3 or the like is preferably used as the buffer layer material. Further, the buffer layer may be constituted by a laminated film of a Pt film and a SrRuO 3 film, for example. By providing the buffer layer, the power generation element 3 can improve the crystallinity of the piezoelectric layer 34 and improve the power generation efficiency.

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。   The power generating element 3 includes a first pad electrode 38 and a second pad electrode 39. The first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 are formed on the surface 30 a of the substrate 30. The first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 are preferably arranged in the vertical projection region of the support portion 21 on the surface 30 a of the substrate 30.

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。   The first pad electrode 38 is electrically connected to the first electrode 33 via the first wiring 41. The second pad electrode 39 is electrically connected to the second electrode 35 via the second wiring 42. The material of the first wiring 41, the second wiring 42, the first pad electrode 38, and the second pad electrode 39 is Au, but is not limited to this. For example, Mo, Al, Pt, Ir, etc. may be used. Good. The materials of the first wiring 41, the second wiring 42, the first pad electrode 38, and the second pad electrode 39 are not limited to the same material, and different materials may be adopted. The first wiring 41, the second wiring 42, the first pad electrode 38, and the second pad electrode 39 are not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure of two or more layers.

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。   In the power generation device 1, an insulating layer 37 that prevents a short circuit between the second wiring 42 and the first electrode 33 is provided between the second wiring 42 and the peripheral portion of the first electrode 33. The insulating layer 37 is composed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be composed of, for example, a silicon nitride film.

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。   In the power generation device 1, the piezoelectric layer 34 of the piezoelectric conversion unit 36 receives stress due to the vibration of the cantilever unit 22, and a bias of electric charge occurs between the second electrode 35 and the first electrode 33, and an AC voltage is generated in the piezoelectric conversion unit 36. Occur. In short, in the power generation device 1, the piezoelectric conversion unit 36 generates power using the piezoelectric effect of the piezoelectric material. The AC voltage generated in the piezoelectric conversion unit 36 is a sinusoidal AC voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric layer 34.

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。   The planar shape of the piezoelectric layer 34 is formed in a rectangular shape. In the piezoelectric conversion unit 36, it is preferable that the outer size of the piezoelectric layer 34 is slightly smaller than the outer size of the first electrode 33 and slightly larger than the outer size of the second electrode 35. Here, the piezoelectric transducer 36 has a piezoelectric transducer region 36a. The piezoelectric conversion region 36 a means a region where the first electrode 33, the piezoelectric layer 34, and the second electrode 35 overlap in the thickness direction of the substrate 30. In the piezoelectric conversion unit 36, the piezoelectric conversion region 36a contributes to generation of an AC voltage.

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。   An example of the method for manufacturing the power generating element 3 will be briefly described below.

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。   In manufacturing the power generating element 3, first, a silicon substrate 31 is prepared, and then a first step of forming the substrate 30 by forming an insulating film 32 on the silicon substrate 31 is performed. In the first step, an insulating film 32 is formed on the silicon substrate 31 using a thermal oxidation method or the like. In the first step, not limited to the thermal oxidation method, for example, a CVD method or the like may be employed.

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。   After the first step, a second step of forming a first conductive layer serving as a basis for the first electrode 33 and the first wiring 41 is performed on the entire surface of the substrate 30 on the surface 30a side, and then the piezoelectric layer 34 is formed. A third step of forming a piezoelectric material layer that is the basis of the above is performed. In the second step, the sputtering method is employed as a method for forming the first conductive layer, but the present invention is not limited thereto, and for example, a CVD method, a vapor deposition method, or the like may be employed. In the third step, the sputtering method is employed as a method for forming the piezoelectric material layer. However, the method is not limited thereto, and for example, a CVD method, a sol-gel method, or the like may be employed.

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。   After the third step, a fourth step of patterning the piezoelectric material layer into a predetermined shape of the piezoelectric layer 34 is performed, and then the first conductive layer is formed into a predetermined shape of the first electrode 33 and the first wiring 41. A fifth step of patterning is performed. In the fourth step, the piezoelectric material layer is patterned using a lithography technique and an etching technique. In the fifth step, the first conductive layer is patterned using a lithography technique and an etching technique.

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。   After the fifth step, a sixth step of forming the insulating layer 37 on the surface 30a side of the substrate 30 is performed. After the sixth step, a seventh step is performed in which a second conductive layer serving as a basis for the second electrode 35 and the second wiring 42 is formed on the entire surface of the substrate 30 on the surface 30a side. After the seventh step, an eighth step of patterning the second conductive layer into a predetermined shape of the second electrode 35 and the second wiring 42 is performed. In the sixth step, the insulating layer 37 is formed by using the lift-off method, but the insulating layer 37 may be formed by using, for example, a thin film forming technique, a lithography technique, and an etching technique. . In the seventh step, the sputtering method is employed as a method for forming the second conductive layer, but the present invention is not limited thereto, and for example, a CVD method, a vapor deposition method, or the like may be employed. In the eighth step, the second conductive layer is patterned using a lithography technique and an etching technique.

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。   After the eighth step, a ninth step is performed in which a third conductive layer serving as a basis for the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 is formed on the entire surface of the substrate 30 on the surface 30a side. After the ninth step, a tenth step of patterning the third conductive layer into a predetermined shape of the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 is performed.

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。   In manufacturing the power generation element 3, the process until the end of the tenth step is performed at the wafer level, and then the dicing process is performed to divide the power generation element 3 into individual power generation elements 3.

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。   In the power generating element 3, the piezoelectric conversion portion 36 has the piezoelectric conversion region 36 a described above, and the first end of the piezoelectric conversion region 36 a in the first direction along the length direction of the cantilever portion 22 has the support portion 21 and the cantilever. It is preferable that they are arranged so as to be aligned with the first boundary with the portion 22. Thus, the power generation device 1 can increase the area of the piezoelectric conversion region 36a and increase the power generation efficiency compared to the case where the first end of the piezoelectric conversion region 36a in the first direction is closer to the cantilever part 22 side than the first boundary. It becomes possible to improve. Further, the power generation device 1 does not contribute to power generation in the piezoelectric conversion region 36a as compared with the case where the first end of the piezoelectric conversion region 36a in the first direction is closer to the support portion 21 than the first boundary. The part which becomes can be reduced and it becomes possible to improve electric power generation efficiency. The hole 24 of the base 2 is preferably formed with an opening size that is aligned with the vertical projection region of the piezoelectric conversion region 36a.

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。   Since the power generation device 1 forms the support portion 21, the cantilever portion 22, and the flow path 23 on the base 2, which is a separate member from the power generation element 3, a silicon wafer is adopted as a wafer on which the substrate 30 of the power generation element 3 is based It becomes possible to do. Therefore, the power generation device 1 can achieve cost reduction compared to the case where an SOI wafer is used as a wafer on which the substrate 30 of the power generation element 3 is based.

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。   In the power generating element 3, it is preferable that the first end portion 301 of the substrate 30 in the first direction is bonded to the support portion 21 and the second end portion 302 of the substrate 30 in the first direction is bonded to the cantilever portion 22. Thereby, the power generation device 1 can improve the power generation efficiency. Here, in the power generating element 3, it is preferable that the piezoelectric conversion portion 36 is formed on a portion of the substrate 30 between the first end portion 301 and the second end portion 302. In the power generating element 3, the first end portion 301 of the substrate 30 is bonded to the support portion 21 of the base 2 via the first bonding portion 51, and the second end portion 302 of the substrate 30 is bonded to the second bonding portion 52. The base 2 can be joined to the cantilever portion 22. As a material for the first bonding portion 51 and the second bonding portion 52, for example, an organic resin-based die bonding material, AuSn solder, low melting point glass, or the like can be used. Examples of the organic resin die bonding material include acrylic adhesives and epoxy adhesives.

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。   The power generation device 1 may be configured such that the support portion 21 is thicker than the cantilever portion 22. Thereby, the power generation device 1 can further increase the rigidity of the support portion 21, and can suppress the vibration energy of the cantilever portion 22 from being dissipated from the support portion 21. Therefore, the power generation device 1 can improve the power generation efficiency.

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。   The power generating element 3 may be configured such that the thickness of each of the first end portion 301 and the second end portion 302 in the substrate 30 is thicker than the thickness of the portion immediately below the piezoelectric conversion portion 36 in the substrate 30. Thereby, the power generation device 1 can suppress the vibration energy of the portion of the substrate 30 immediately below the piezoelectric conversion unit 36 from being dissipated from the first end 301 and the second end 302 of the substrate 30. Therefore, the power generation device 1 can improve the power generation efficiency.

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。   As described above, the power generation device 1 can be configured such that the cantilever portion 22 includes the beam portion 25 and the weight portion 26. Here, in the power generation device 1, the first end 25a in the length direction of the beam portion 25 is fixed to the support portion 21, and the second end 25b in the length direction of the beam portion 25 is fixed to the weight portion 26. It is preferable that the second end portion 302 of the substrate 30 of the power generation element 3 is joined to the weight portion 26. In the power generation device 1, since the cantilever portion 22 includes the weight portion 26, the inertial force when the cantilever portion 22 vibrates can be increased and the amplitude of the cantilever portion 22 can be increased compared to the case where the weight portion 26 is not provided. It becomes possible to do. In addition, since the cantilever portion 22 includes the weight portion 26, the power generation device 1 can intensively generate distortion in the beam portion 25 and the power generation element 3 when the cantilever portion 22 vibrates, thereby reducing power generation efficiency. It is possible to improve.

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。   The base 2 is not limited to a configuration formed by a metal substrate. For example, the base 2 may be formed of a resin substrate. Thereby, the power generation device 1 can achieve cost reduction compared to the case where the base 2 is formed of a metal substrate. As the material of the resin substrate, for example, acrylic resin, polyimide, or the like can be employed.

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。   Incidentally, the power generating element 3 includes the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 as described above. Here, the base 2 is formed of a printed circuit board, and a first conductor portion (not shown) and a second conductor portion (not shown) to which the first pad electrode 38 and the second pad electrode 39 are electrically connected, respectively. ). As a result, the power generation apparatus 1 can be used by mounting the electronic component or the like to which the power generation element 3 is electrically connected to the base 2.

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。   The configuration of the present invention has been described above based on the embodiment and the like. However, the present invention is not limited to the configuration of the embodiment and the like, and for example, is a configuration in which partial configurations such as the embodiment are appropriately combined. May be. In addition, the materials, numerical values, and the like described in the embodiments and the like are merely preferable examples and are not limited thereto. Furthermore, the present invention can be appropriately modified in configuration without departing from the scope of its technical idea.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generator 2 Base 3 Power generating element 21 Support part 22 Cantilever part 23 Flow path 24 Hole 25 Beam part 25a 1st end 25b 2nd end 26 Weight part 30 Substrate 30a Surface 36 Piezoelectric conversion part 36a Piezoelectric conversion area 38 1st pad electrode 39 Second pad electrode 301 First end 302 Second end

Claims (10)

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。
A base and a power generation element,
The base includes a frame-shaped support portion, a cantilever portion that is disposed inside the support portion and is swingably supported by the support portion, and a gap formed between the support portion and the cantilever portion. Comprising a flow path configured,
The power generating element includes a substrate that is smaller than the base and has flexibility, and a piezoelectric transducer formed on the surface of the substrate,
The power generating element is overlapped and joined to the base, and in plan view, is separated from the flow path and straddles the support portion and the cantilever portion,
The cantilever part is formed with a hole penetrating in the thickness direction of the cantilever part in the vertical projection region of the power generation element.
A power generator characterized by that.
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。
The base is formed of a metal substrate;
The power generator according to claim 1.
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。
The base is formed of a resin substrate;
The power generator according to claim 1.
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。
The power generating element includes a first pad electrode and a second pad electrode,
The base is formed of a printed circuit board and includes a first conductor portion and a second conductor portion to which the first pad electrode and the second pad electrode are electrically connected, respectively.
The power generator according to claim 1.
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。
The minimum width of the flow path is 20 μm or more and 100 μm or less.
The power generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the power generator is provided.
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。
The piezoelectric conversion unit includes a piezoelectric conversion region, and a first end of the piezoelectric conversion region in a first direction along a length direction of the cantilever unit is a first boundary between the support unit and the cantilever unit. Arranged to align,
The power generation device according to claim 1, wherein the power generation device is a power generation device.
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。
In the power generating element, a first end of the substrate in the first direction is joined to the support portion, and a second end of the substrate in the first direction is joined to the cantilever portion.
The power generator according to claim 6.
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。
The thickness of the support part is thicker than the thickness of the cantilever part,
The power generator according to claim 7.
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。
In the power generation element, the thickness of each of the first end and the second end of the substrate is thicker than the thickness of the portion immediately below the piezoelectric conversion unit of the substrate.
The power generator according to claim 7 or 8, wherein
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。
The cantilever part includes a beam part and a weight part, a first end in the length direction of the beam part is fixed to the support part, and a second end in the length direction of the beam part is the weight part. Is fixed to
In the power generating element, the second end portion of the substrate is joined to the weight portion.
The power generation device according to any one of claims 7 to 9, characterized by the above.
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