JP6199122B2 - Vibration generator - Google Patents

Description

本発明は、振動を利用して発電を行う振動発電機に関し、特に高い発電圧を得ることのできる圧電素子と、それを用いた振動発電機に関する。   The present invention relates to a vibration power generator that generates power using vibration, and particularly relates to a piezoelectric element capable of obtaining a high voltage generation and a vibration power generator using the piezoelectric element.

無線センサネットワークの研究開発が盛んになったことで、環境中に存在する微小なエネルギーから電力を取り出す環境発電に注目が集まっている。振動エネルギーは、熱や室内光などの他のエネルギーに比べて高いエネルギー密度と安定性を有していることから、環境発電における主要なエネルギー源として期待されている。   With the research and development of wireless sensor networks, attention has been focused on energy harvesting that extracts power from minute energy existing in the environment. Vibration energy is expected to be a major energy source in energy harvesting because it has higher energy density and stability than other energy sources such as heat and room light.

振動エネルギーを電力へ変換する方式には、電磁方式、静電方式など幾つかの方式が検討されている。圧電方式は、ＭＥＭＳ技術を利用することで、発電機自体を小型に作製することができる。したがって、圧電方式は、無線ネットワークでの利用に適している。   As a method for converting vibration energy into electric power, several methods such as an electromagnetic method and an electrostatic method have been studied. In the piezoelectric method, the generator itself can be manufactured in a small size by utilizing the MEMS technology. Therefore, the piezoelectric method is suitable for use in a wireless network.

圧電方式の振動発電機は、錘が配置された梁に、圧電素子を形成する。そして錘によって梁が振動することで圧電素子に圧縮伸長の力が加わり、発電が行われる。したがって、圧電素子自体の性能と、圧電素子を形成する梁の形状という２つの観点で、発電力の向上が検討されてきた。   A piezoelectric vibration generator forms a piezoelectric element on a beam on which a weight is arranged. The beam is vibrated by the weight, so that a compression / extension force is applied to the piezoelectric element to generate power. Therefore, improvement in power generation has been studied from the two viewpoints of the performance of the piezoelectric element itself and the shape of the beam forming the piezoelectric element.

特許文献１には、振動発電機が用いられる環境に最も多く存在する振動からエネルギーを得るために、使用する環境に応じた共振周波数を持てる振動発電機が開示されている。   Patent Document 1 discloses a vibration power generator that can have a resonance frequency corresponding to the environment in which the vibration power generator is used in order to obtain energy from vibration that exists most in the environment in which the vibration power generator is used.

特許文献１に係る振動発電デバイスでは、発電部分以外で、フレーム（固定枠）と錘をつなぐ折り返し構造を有する形状が開示されている。この発明では、折り返し構造の長さや幅といった形状を変化させることで、使用環境に応じた共振周波数を得る。   In the vibration power generation device according to Patent Document 1, a shape having a folded structure that connects a frame (fixed frame) and a weight other than the power generation portion is disclosed. In the present invention, the resonance frequency corresponding to the use environment is obtained by changing the shape such as the length and width of the folded structure.

特許文献２には、フレームと錘をつなぐ折り返し構造を有する弾性梁に圧電素子を搭載し、さまざまな振動周波数から電力を得る発明が開示されている。   Patent Document 2 discloses an invention in which a piezoelectric element is mounted on an elastic beam having a folded structure that connects a frame and a weight, and electric power is obtained from various vibration frequencies.

圧電素子自体としては、最も一般的に用いられているチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を初め、ペロブスカイト構造やタングステンブロンズ構造を有するものが報告されている（特許文献３、特許文献４）。   As the piezoelectric element itself, those having a perovskite structure or a tungsten bronze structure including the most commonly used lead zirconate titanate (PZT) have been reported (Patent Documents 3 and 4).

圧電素子を用いた振動発電機は、特許文献および学会等でも様々なタイプのものが報告されている。しかし、これまで、１０μＷ・ｍｍ^−３・Ｇ^−２（Ｇは重力加速度）を超える発電量が得られたという報告は少ない。 Various types of vibration generators using piezoelectric elements have been reported in patent literature and academic societies. However, there have been few reports that a power generation amount exceeding 10 μW · mm ⁻³ · G ⁻² (G is gravitational acceleration) has been obtained.

振動発電における圧電体薄膜の性能指数（Ｆｉｇｕｒｅ Ｏｆ Ｍｅｒｉｔ：以後「ＦＯＭ」とも呼ぶ。）は、（１）式で表される。   The figure of merit (FIGURE Of Merit: hereinafter also referred to as “FOM”) of the piezoelectric thin film in vibration power generation is expressed by the following equation (1).

・・・（１） ... (1)

ここでｅ_３１，ｆは有効横圧電応力定数であり、ε_ｒは比誘電率、ε_０は真空の誘電率である。 Here, e _{31 and f} are effective transverse piezoelectric stress constants, ε _r is a relative dielectric constant, and ε ₀ is a vacuum dielectric constant.

すなわち、振動発電に用いる場合は、自発分極が反映される有効横圧電応力定数と、比誘電率とのバランスが必要になる。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合は、有効横圧電応力定数は−１Ｃ／ｍ^２と小さいものの、比誘電率も１０程度であるので、性能指数としては、１０ＧＰａ程度の値を示す。一方、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、窒化アルミニウムと比較して１０倍以上の有効横圧電応力定数を有するものの、比誘電率も１０００倍程度大きいので、性能指数ではＡｌＮの２倍程度である。 That is, when used for vibration power generation, it is necessary to balance the effective transverse piezoelectric stress constant reflecting the spontaneous polarization and the relative dielectric constant. For example, in the case of aluminum nitride (AlN), although the effective transverse piezoelectric stress constant is as small as −1 C / m ² , the relative dielectric constant is also about 10, so that the figure of merit shows a value of about 10 GPa. On the other hand, lead zirconate titanate (PZT) has an effective transverse piezoelectric stress constant more than 10 times that of aluminum nitride, but its relative dielectric constant is about 1000 times larger, so that the figure of merit is about twice that of AlN. is there.

特開２０１１−２３４５６８号公報JP 2011-234568 A 特開２０１１−０９７６６１号公報JP 2011-097661 A 特開２００２−６８８３４号公報JP 2002-68834 A 特開２００２−２９３６２８号公報JP 2002-293628 A

発電量が大きな振動発電機を得るためには、ＦＯＭの大きな素子の検討が必要である。また、実用化のためには、製造方法が容易であることも必要である。ＦＯＭを大きくするためには、上記のように高い有効横圧電応力定数と低い比誘電率を有する材料が必要である。その有力な候補としてＢｉＦｅＯ_３がある。 In order to obtain a vibration generator with a large amount of power generation, it is necessary to examine an element with a large FOM. For practical use, it is also necessary that the manufacturing method be easy. In order to increase the FOM, a material having a high effective transverse piezoelectric stress constant and a low dielectric constant as described above is required. BiFeO ₃ is a promising candidate.

しかし、エピタキシャルで作製したＢｉＦｅＯ_３は高い有効横圧電応力定数を示すものの、製造の容易なゾルゲル法で作製すると、大きな特性はとれないという課題があった。また、振動発電機の構成自体も、大きな発電量を圧電素子から引き出せる形状ではなかった。 However, although BiFeO ₃ produced epitaxially shows a high effective transverse piezoelectric stress constant, there has been a problem that large characteristics cannot be obtained when produced by a sol-gel method that is easy to manufacture. Further, the configuration of the vibration generator itself was not in a shape that could extract a large amount of power generation from the piezoelectric element.

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、不要な振動が発生しない振動構造とすることで、共振周波数において、高い発電量を得るものである。より具体的に本発明に係る振動発電機は、
略長方形の貫通孔が穿設されたフレームと、
前記貫通孔中に配置され前記フレームとの間に固定端を有し、圧電素子を有する振動体を含む振動発電機であって、
前記振動体は、
一端と他端を長手方向とし、錘が配置された中梁と、
前記中梁の一方の側に前記中梁の長手方向と平行に配置され、一端と他端を有する第１および第２の側梁と、
前記中梁の他方の側に前記中梁の長手方向と平行に配置され、一端と他端を有する第３および第４の側梁と、
前記中梁の一端と、前記第１の側梁および前記第３の側梁の一端を連結する第１連結部と、
前記中梁の他端と、前記第２の側梁および前記第４の側梁の他端を連結する第２連結部と、
前記中梁と前記第１の側梁と前記第２の側梁と前記第３の側梁と前記第４の側梁の少なくとも１つの梁に設けられた圧電素子を含む発電部を有し、
前記第１の側梁の他端と前記第２の側梁の一端および、前記第３の側梁の他端と前記第４の側梁の一端を前記フレームに対する固定端とすることを特徴とする。 The present invention has been conceived in view of the above-described problems, and obtains a high power generation amount at a resonance frequency by employing a vibration structure that does not generate unnecessary vibration. More specifically, the vibration generator according to the present invention is:
A frame with a substantially rectangular through-hole,
A vibration generator including a vibrating body that is disposed in the through-hole and has a fixed end between the frame and a piezoelectric element,
The vibrator is
One end and the other end in the longitudinal direction,
First and second side beams disposed on one side of the middle beam in parallel with the longitudinal direction of the middle beam and having one end and the other end;
Third and fourth side beams disposed on the other side of the middle beam in parallel with the longitudinal direction of the middle beam and having one end and the other end;
A first connecting portion that connects one end of the middle beam, and one end of the first side beam and the third side beam;
A second connecting portion that connects the other end of the intermediate beam and the other end of the second side beam and the fourth side beam;
A power generation unit including a piezoelectric element provided on at least one of the middle beam, the first side beam, the second side beam, the third side beam, and the fourth side beam;
The other end of the first side beam and one end of the second side beam, and the other end of the third side beam and one end of the fourth side beam are fixed ends with respect to the frame, To do.

また、本発明に係る圧電素子は、高いＦＯＭを得ることができるＢｉＦｅＯ_３膜を得るものである。より具体的に、本発明に係る圧電素子は、
ＬａＮｉＯ_３層とＢｉＦｅＯ_３層の積層構造を有することを特徴とし、さらに、前記ＢｉＦｅＯ_３層の膜厚が２５０ｎｍ〜４５０ｎｍであることを特徴とする。 Moreover, the piezoelectric element according to the present invention is to obtain a BiFeO ₃ film capable of obtaining a high FOM. More specifically, the piezoelectric element according to the present invention is:
Characterized by having a laminated structure of LaNiO ₃ layer and BiFeO ₃ layer, further, the thickness of the BiFeO ₃ layers characterized in that it is a 250 nm to 450 nm.

本発明に係る振動発電機は、中梁と、中梁に平行に配置され中梁の両端に連結部で連結され、連結部でない端部がフレームと固定された４本の側梁という構成を有するので、中梁および側梁とも回転方向の振動やねじれによる振動が発生しにくい。したがって、圧電素子に、圧縮および伸長の力以外の力がかからないので、振動の大きさによって共振周波数がずれるということがない。   The vibration generator according to the present invention has a configuration of a middle beam and four side beams arranged in parallel to the middle beam and connected to both ends of the middle beam by a connecting portion, and an end portion which is not the connecting portion is fixed to the frame. Therefore, both the middle beam and the side beam are less likely to generate vibration in the rotational direction or vibration due to torsion. Accordingly, no force other than the compression and extension force is applied to the piezoelectric element, so that the resonance frequency does not shift depending on the magnitude of vibration.

また、本発明に係る圧電素子は、ＬａＮｉＯ_３上にＢｉＦｅＯ_３をゾルゲル法で作製するので、作製が容易である上に、出来上がったＢｉＦｅＯ_３が膜厚方向に結晶成長した構造になるため、高い有効横圧電応力定数を得ることができる。 The piezoelectric element according to the present invention, since making a sol-gel method BiFeO ₃ on LaNiO _3, on making is easy, to become a finished BiFeO ₃ were grown in the thickness direction structure, high An effective lateral piezoelectric stress constant can be obtained.

また、膜厚を２５０ｎｍ〜４５０ｎｍに調製することで、分極を膜厚方向に揃えることができるので、複数の圧電素子をシーケンシャルに連結しても、発電効率が低下することがない。   Moreover, by adjusting the film thickness to 250 nm to 450 nm, the polarization can be aligned in the film thickness direction, so that the power generation efficiency does not decrease even when a plurality of piezoelectric elements are connected sequentially.

このように本発明に係る圧電素子を本発明に係る振動発電機に用いることで、１０μＷ・ｍｍ^−３・Ｇ^−２（Ｇは重力加速度）を超える発電量を得ることができる。 As described above, by using the piezoelectric element according to the present invention for the vibration power generator according to the present invention, it is possible to obtain a power generation amount exceeding 10 μW · mm ⁻³ · G ⁻² (G is gravitational acceleration).

実施の形態１に係る振動発電機の斜視図を示す図である。It is a figure which shows the perspective view of the vibration generator which concerns on Embodiment 1. FIG. 図１の振動発電機の平面図である。It is a top view of the vibration generator of FIG. 図２の一部断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of FIG. 2. 図１の振動発電機が振動した際の圧電部材の圧縮および引張力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the compression and tension | tensile_strength of a piezoelectric member when the vibration generator of FIG. 1 vibrates. 実施の形態２に係る振動発電機の平面図である。6 is a plan view of a vibration generator according to Embodiment 2. FIG. 図５の振動発電機が振動した際の様子を示す図である。It is a figure which shows a mode when the vibration generator of FIG. 5 vibrates. 図５の振動発電機に発電部を複数搭載させた場合の平面図を示す。The top view at the time of mounting two or more power generation parts on the vibration generator of FIG. 5 is shown. 実施の形態３に係る振動発電機の平面図である。6 is a plan view of a vibration power generator according to Embodiment 3. FIG. 図８の一部拡大図を示す図である。It is a figure which shows the partially expanded view of FIG. 実施の形態３に係る振動発電機が振動した際の様子を示す図である。It is a figure which shows a mode when the vibration generator which concerns on Embodiment 3 vibrates. 実施の形態４に係る振動発電機の平面図である。FIG. 6 is a plan view of a vibration generator according to a fourth embodiment. ＢＦＯ薄膜のＸ線回折図である。It is an X-ray diffraction pattern of a BFO thin film. 試作のプロセスを示す図である。It is a figure which shows the process of trial manufacture. 多結晶ＢＦＯ薄膜と（１００）配向ＢＦＯ薄膜を搭載した振動発電素子に振動数９３Ｈｚの振動を印加した際の発電量の負荷抵抗依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the load resistance dependence of the electric power generation amount when a vibration with a frequency of 93 Hz is applied to the vibration power generation element carrying a polycrystalline BFO thin film and a (100) orientation BFO thin film. （１００）配向ＢＦＯ薄膜を搭載した圧電型振動発電素子の発電性能の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the power generation performance of the piezoelectric vibration power generation element carrying a (100) oriented BFO thin film. 実施の形態２のタイプの発電特性を測定した結果を示すグラフである。6 is a graph showing the results of measuring the power generation characteristics of the type according to the second embodiment. （１００）配向ＢＦＯ薄膜の分極の整列状態と膜厚の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the alignment state of the polarization of a (100) oriented BFO thin film, and film thickness.

以下に図面を参照しながら、本発明に係る振動発電機と、圧電素子について説明を行う。以下の説明は、本発明の一実施形態を例示するのであって、本発明は以下の説明に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の説明は変更することができる。   Hereinafter, a vibration generator and a piezoelectric element according to the present invention will be described with reference to the drawings. The following description exemplifies an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following description. The following description can be changed without departing from the spirit of the present invention.

（実施の形態１）
図１に本実施の形態に係る振動発電機の構成を示す。振動発電機１は、フレーム１０と、中梁１２と、４つの側梁１４、１５、１６、１７と、連結部２０、２２と、一対の圧電部材３２、３４（図３参照）を含む。 (Embodiment 1)
FIG. 1 shows the configuration of the vibration generator according to the present embodiment. The vibration generator 1 includes a frame 10, a middle beam 12, four side beams 14, 15, 16, 17, connecting portions 20, 22, and a pair of piezoelectric members 32, 34 (see FIG. 3).

フレーム１０は筐体などに固定された固定体である。フレーム１０には、表面１０ａから裏面１０ｂに向かって、貫通孔１０ｈが穿設されている。貫通孔１０ｈは略長方形に形成されている。フレーム１０の裏面１０ｂは、振動体１１が振動できるだけの深さを有する穴若しくはフリー空間が設けられている。貫通孔１０ｈには、振動体１１が配置される。貫通孔１０ｈの縁には、振動体１１を指示する固定端が設けられる。   The frame 10 is a fixed body fixed to a housing or the like. A through hole 10h is formed in the frame 10 from the front surface 10a toward the back surface 10b. The through hole 10h is formed in a substantially rectangular shape. The back surface 10b of the frame 10 is provided with a hole or a free space having a depth that allows the vibrating body 11 to vibrate. The vibrating body 11 is disposed in the through hole 10h. A fixed end that points to the vibrating body 11 is provided at the edge of the through hole 10h.

図２に振動発電機１の平面図を示す。図２（ａ）は振動体１１だけを示し、図２（ｂ）には発電部３０も示した。振動体１１は、中梁１２と、４つの側梁１４、１５、１６、１７と、連結部２０、２２を含む。中梁１２は、短冊形状をした梁である。中梁１２の一端を符号１２ａ、他端を符号１２ｂとする。中梁１２の一端１２ａから他端１２ｂへ向かう方向を長手方向と呼ぶ。また、中梁１２の幅を符号１２ｗとする。中梁１２の中央には、錘１３が配置される。なお、錘１３の部分は、多少中梁１２の幅１２ｗが広がっていてもよい。   FIG. 2 shows a plan view of the vibration generator 1. FIG. 2A shows only the vibrating body 11, and FIG. 2B also shows the power generation unit 30. The vibrating body 11 includes a middle beam 12, four side beams 14, 15, 16, and 17, and connecting portions 20 and 22. The middle beam 12 is a strip-shaped beam. One end of the intermediate beam 12 is denoted by reference numeral 12a, and the other end is denoted by reference numeral 12b. The direction from the one end 12a of the intermediate beam 12 to the other end 12b is referred to as a longitudinal direction. The width of the intermediate beam 12 is 12w. A weight 13 is disposed at the center of the intermediate beam 12. Note that, in the portion of the weight 13, the width 12w of the middle beam 12 may be somewhat widened.

中梁１２の一端１２ａと他端１２ｂには、連結部２０と連結部２２が連結されている。連結部２０、２２は、長方形状の部材で、後述する側梁１４、１５、１６、１７と、中梁１２を連結する。中梁１２の一端１２ａに連結している連結部２０を第１連結部２０と呼び、中梁１２の他端１２ｂに連結している連結部２２を第２連結部２２と呼んでもよい。   A connecting portion 20 and a connecting portion 22 are connected to one end 12 a and the other end 12 b of the intermediate beam 12. The connecting portions 20 and 22 are rectangular members that connect side beams 14, 15, 16, and 17, which will be described later, and the middle beam 12. The connecting portion 20 connected to the one end 12 a of the middle beam 12 may be referred to as a first connecting portion 20, and the connecting portion 22 connected to the other end 12 b of the middle beam 12 may be referred to as a second connecting portion 22.

中梁１２の長手方向の両脇には、側梁１４、１５、１６、１７が配置される。側梁は、中梁１２同様に短冊形状をした梁である。ただし、中梁１２と比較して長さは短くてもよい。それぞれ、一端１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａと他端１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを有する。なお、一端および他端は、呼び方を統一するためのものであり、機能としての違いはない。   Side beams 14, 15, 16, and 17 are disposed on both sides of the middle beam 12 in the longitudinal direction. The side beams are strip-shaped beams like the middle beam 12. However, the length may be shorter than that of the intermediate beam 12. Each has one end 14a, 15a, 16a, 17a and the other end 14b, 15b, 16b, 17b. The one end and the other end are for unifying the way of calling and there is no difference in function.

側梁１４、１５は、中梁１２の一方の側に、中梁１２の長手方向に沿って配置される。この時、中梁１２の一方の縁１２ｃから側梁１４および１５は同じ距離に配置される。また側梁１６、１７は、中梁１２の他方の側に、中梁１２の長手方向に沿って配置される。側梁１６、１７が中梁１２の他方の縁１２ｄから同じ距離に配置されるのは、側梁１４、１５の場合と同じである。なお、便宜上側梁１４を第１の側梁、側梁１５を第２の側梁、側梁１６を第３の側梁、側梁１７を第４の側梁と呼んでもよい。   The side beams 14 and 15 are arranged along the longitudinal direction of the middle beam 12 on one side of the middle beam 12. At this time, the side beams 14 and 15 are arranged at the same distance from one edge 12c of the middle beam 12. Further, the side beams 16 and 17 are arranged on the other side of the middle beam 12 along the longitudinal direction of the middle beam 12. The side beams 16 and 17 are arranged at the same distance from the other edge 12 d of the middle beam 12 as in the case of the side beams 14 and 15. For convenience, the side beam 14 may be called a first side beam, the side beam 15 may be called a second side beam, the side beam 16 may be called a third side beam, and the side beam 17 may be called a fourth side beam.

側梁１４と側梁１６の一端１４ａ、１６ａは、中梁１２の一端１２ａに接続されている第１連結部２０に連結される。また、側梁１５と側梁１７の他端１５ｂ、１７ｂは、中梁１２の他端１２ｂに接続されている第２連結部２２に連結される。   One ends 14 a and 16 a of the side beam 14 and the side beam 16 are connected to the first connecting portion 20 connected to the one end 12 a of the intermediate beam 12. Further, the other ends 15 b and 17 b of the side beam 15 and the side beam 17 are connected to the second connecting portion 22 connected to the other end 12 b of the intermediate beam 12.

側梁１４の他端１４ｂと、側梁１５の一端１５ａは、貫通孔１０ｈの一方の長辺１０ｈａに接続片１４ｚ、１５ｚを介して接続する。接続片１４ｚ、１５ｚは、側梁１４の他端１４ｂおよび側梁１５の一端１５ａの一部としてよい。したがって、側梁１４の他端１４ｂと側梁１５の一端１５ａは貫通孔１０ｈの一方の長辺１０ｈａに接続していると言ってもよい。   The other end 14b of the side beam 14 and one end 15a of the side beam 15 are connected to one long side 10ha of the through hole 10h via connection pieces 14z and 15z. The connection pieces 14z and 15z may be a part of the other end 14b of the side beam 14 and one end 15a of the side beam 15. Therefore, it may be said that the other end 14b of the side beam 14 and one end 15a of the side beam 15 are connected to one long side 10ha of the through hole 10h.

また、側梁１６の他端１６ｂと、側梁１７の一端１７ａは、貫通孔１０ｈの他方の長辺１０ｈｂに接続片１６ｚ、１７ｚを介して接続する。接続片１６ｚ、１７ｚは、側梁１６の他端１６ｂおよび側梁１７の一端１７ａの一部としてよい。したがって、側梁１６の他端１６ｂと側梁１７の一端１７ａは貫通孔１０ｈの長辺１０ｈｂに接続していると言ってもよい。   Further, the other end 16b of the side beam 16 and one end 17a of the side beam 17 are connected to the other long side 10hb of the through hole 10h via connection pieces 16z and 17z. The connection pieces 16z and 17z may be a part of the other end 16b of the side beam 16 and one end 17a of the side beam 17. Therefore, it can be said that the other end 16b of the side beam 16 and one end 17a of the side beam 17 are connected to the long side 10hb of the through hole 10h.

したがって、側梁１４の他端１４ｂ、側梁１５の一端１５ａ、側梁１６の他端１６ｂ、側梁１７の一端１７ａは、振動体１１とフレーム１０を結合する固定端である。なお、中梁１２、側梁１４、１５、１６、１７、第１連結部２０、第２連結部２２、接続片１４ｚ、１５ｚ、１６ｚ、１７ｚは二点鎖線で区切りを入れたが、実際は一体的に作製される場合が多く、二点鎖線部分が連続的であってもよい。   Therefore, the other end 14 b of the side beam 14, one end 15 a of the side beam 15, the other end 16 b of the side beam 16, and one end 17 a of the side beam 17 are fixed ends that couple the vibrating body 11 and the frame 10. The middle beam 12, the side beams 14, 15, 16, and 17, the first connecting portion 20, the second connecting portion 22, and the connecting pieces 14z, 15z, 16z, and 17z are separated by a two-dot chain line. The two-dot chain line portion may be continuous.

振動発電機１の発電を司る発電部３０は、一対の圧電部材３２、３４を含む。また、電圧を取り出す一対の圧電部材３２、３４は、側梁１４、１５、１６、１７若しくは、中梁１２のいずれにも搭載することができる。ここでは、中梁１２に搭載する場合について説明する。   The power generation unit 30 that controls the power generation of the vibration power generator 1 includes a pair of piezoelectric members 32 and 34. In addition, the pair of piezoelectric members 32 and 34 for extracting the voltage can be mounted on any of the side beams 14, 15, 16, and 17 or the middle beam 12. Here, the case where it mounts in the middle beam 12 is demonstrated.

また、中梁１２に圧電部材３２、３４を配置する場合は、中央の錘１３から第１連結部２０までの間若しくは中央の錘１３から第２連結部２２までの間に配置する。ここでは、錘１３から第１連結部２０までの間に配置する場合について説明する。   Further, when the piezoelectric members 32 and 34 are disposed on the intermediate beam 12, the piezoelectric members 32 and 34 are disposed between the central weight 13 and the first connecting portion 20 or between the central weight 13 and the second connecting portion 22. Here, the case where it arrange | positions between the weight 13 and the 1st connection part 20 is demonstrated.

図２（ｂ）を参照して、圧電部材３２、３４は、一方を錘１３に近い側に配置し、他方は第１連結部２０に近い側に配置する。ここでは、圧電部材３２を錘１３に近い側に配置し、圧電部材３４を第１連結部２０に近い側に配置したとする。圧電部材３２、３４は接続線３３ｃで連結される。また、圧電部材３２および３４からは、接続線３２ａｓ、３４ａｓが延設され、フレーム１０上に設けられた接続端子３２ａｔ、３４ａｔと接続されている。   Referring to FIG. 2B, one of the piezoelectric members 32 and 34 is disposed on the side close to the weight 13, and the other is disposed on the side close to the first connecting portion 20. Here, it is assumed that the piezoelectric member 32 is disposed on the side closer to the weight 13 and the piezoelectric member 34 is disposed on the side closer to the first connecting portion 20. The piezoelectric members 32 and 34 are connected by a connection line 33c. Further, connection lines 32 as and 34 as are extended from the piezoelectric members 32 and 34 and connected to connection terminals 32 at and 34 at provided on the frame 10.

図３（ａ）に図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図を示す。これは、圧電部材３２、３４の断面を示す。また、図３（ｂ）には、圧電部材３２、３４の部分の拡大図を示す。圧電部材３２、３４は、中梁１２の表面に形成された下電極３２ａ、３４ａと、下電極３２ａ、３４ａの上に形成された圧電素子３２ｂ、３４ｂと、圧電素子３２ｂ、３４ｂの上に設けられた上電極３２ｃ、３４ｃで構成される。   FIG. 3A shows a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. This shows a cross section of the piezoelectric members 32, 34. FIG. 3B shows an enlarged view of the piezoelectric members 32 and 34. The piezoelectric members 32 and 34 are provided on the lower electrodes 32a and 34a formed on the surface of the intermediate beam 12, the piezoelectric elements 32b and 34b formed on the lower electrodes 32a and 34a, and the piezoelectric elements 32b and 34b. The upper electrodes 32c and 34c thus formed.

なお、下電極３２ａ、３４ａは、電極層３２ａａ、３４ａａ上に、ＬａＮｉＯ_３層３２ａｂ、３４ａｂが形成された積層構造となっている。そして圧電素子３２ｂ、３４ｂは、ＢｉＦｅＯ_３によって形成される。したがって、圧電素子３２ｂ、３４ｂは、下電極３２ａ、３４ａ上のＬａＮｉＯ_３層３２ａｂ、３４ａｂ上に形成される。 The lower electrodes 32a and 34a have a laminated structure in which LaNiO ₃ layers 32ab and 34ab are formed on the electrode layers 32aa and 34aa. The piezoelectric elements 32b and 34b are formed of BiFeO ₃ . Accordingly, the piezoelectric elements 32b and 34b are formed on the LaNiO ₃ layers 32ab and 34ab on the lower electrodes 32a and 34a.

また、上電極３２ｃ、３４ｃ同士は接続線３３ｃで接続されている。下電極３２ａ、３４ａには、取り出し用の接続線３２ａｓ、３４ａｓがそれぞれ接続され、第１連結部２０および側梁１４上を適宜配線された後、フレーム１０上の接続端子３２ａｔ、３４ａｔに接続される（図２（ｂ）参照）。なお、ここでは、簡単のために、絶縁膜についての説明は省略するが、接続線３２ａｓ、３４ａｓ、３３ｃはその配線の取り回しにおいて、互いに導通しないように、適宜必要な部分には絶縁膜が形成される。   Further, the upper electrodes 32c and 34c are connected by a connection line 33c. The lower electrodes 32a and 34a are connected to connection lines 32as and 34as for extraction, respectively, and after being appropriately wired on the first connecting portion 20 and the side beams 14, they are connected to connection terminals 32at and 34at on the frame 10. (See FIG. 2 (b)). Here, for the sake of simplicity, description of the insulating film is omitted, but the connecting lines 32as, 34as, and 33c are appropriately formed with an insulating film so that they are not electrically connected to each other in the routing of the wiring. Is done.

以上の振動発電機１は、ＭＥＭＳ技術によって、ＳＯＩウエハ上に形成される。なお、中梁１２、第１連結部２０、第２連結部２２、側梁１４、１５、１６、１７は、一体的に作製されてよい。   The vibration generator 1 described above is formed on an SOI wafer by MEMS technology. In addition, the middle beam 12, the 1st connection part 20, the 2nd connection part 22, and the side beams 14, 15, 16, and 17 may be produced integrally.

次に本発明の振動発電機１の動作について説明する。図４には、振動発電機１の各梁が振動した場合の、中梁１２の長手方向の断面（図２（ａ）のＢ−Ｂ断面）視を示す。図４（ａ）を参照して、錘１３がフレーム１０より下方向に移動した場合、中梁１２は下方に撓む。中梁１２の両端は、第１連結部２０および第２連結部２２で、側梁１４、１５、１６、１７に連結されているので、第１連結部２０および第２連結部２２も下方に移動する。   Next, the operation of the vibration generator 1 of the present invention will be described. FIG. 4 shows a cross section in the longitudinal direction of the intermediate beam 12 (BB cross section in FIG. 2A) when each beam of the vibration generator 1 vibrates. Referring to FIG. 4A, when the weight 13 moves downward from the frame 10, the intermediate beam 12 bends downward. Since both ends of the middle beam 12 are connected to the side beams 14, 15, 16, and 17 by the first connecting portion 20 and the second connecting portion 22, the first connecting portion 20 and the second connecting portion 22 are also downward. Moving.

一方フレーム１０に固定されている側梁１４の他端１４ｂ、側梁１５の一端１５ａ、側梁１６の他端１６ｂ、側梁１７の一端１７ａは、フレーム１０に対しては移動しない。なお、ここでは、側梁１６の他端１６ｂ、側梁１７の一端１７ａは記載されていないが、側梁１４の他端１４ｂ、側梁１５の一端１５ａと同様にフレーム１０に固定されている。   On the other hand, the other end 14 b of the side beam 14 fixed to the frame 10, one end 15 a of the side beam 15, the other end 16 b of the side beam 16, and one end 17 a of the side beam 17 do not move with respect to the frame 10. Here, the other end 16b of the side beam 16 and one end 17a of the side beam 17 are not shown, but are fixed to the frame 10 in the same manner as the other end 14b of the side beam 14 and one end 15a of the side beam 15. .

図４（ｂ）には、図４（ａ）の丸の部分の拡大図を示す。中梁１２と側梁１４、１５が図４（ａ）のように変位すると、中梁１２に設置された圧電部材３２、３４は、錘１３に近い圧電部材３２が圧縮力を受け、第１連結部２０に近い圧電部材３４は引張力を受ける。したがって、圧電部材３２、３４の膜厚方向への分極の極性が揃っていれば、圧電部材３２の上電極３２ｃと、圧電部材３４の上電極３４ｃ（図３（ｂ）参照）は、それぞれ異極の電極となる。   FIG. 4B shows an enlarged view of the circled part of FIG. When the middle beam 12 and the side beams 14 and 15 are displaced as shown in FIG. 4A, the piezoelectric members 32 and 34 installed on the middle beam 12 receive the compressive force from the piezoelectric member 32 close to the weight 13, and the first The piezoelectric member 34 close to the connecting portion 20 receives a tensile force. Therefore, if the polarities of polarization in the film thickness direction of the piezoelectric members 32 and 34 are the same, the upper electrode 32c of the piezoelectric member 32 and the upper electrode 34c (see FIG. 3B) of the piezoelectric member 34 are different from each other. It becomes the electrode of the pole.

ここでは、上電極３２ｃがプラス極になり、上電極３４ｃがマイナス極になると例示した。したがって、接続端子３２ａｔ、３４ａｔには、異極の電圧が発生する。なお、図４においては、接続線３３ｃは記載を省略している。   In this example, the upper electrode 32c is a positive electrode and the upper electrode 34c is a negative electrode. Accordingly, voltages of different polarities are generated at the connection terminals 32at and 34at. In FIG. 4, the connection line 33c is not shown.

図４（ｃ）は、錘１３がフレーム１０より上に変位した場合について示している。また、図４（ｄ）には、図４（ｃ）の丸の部分の拡大図を示す。図４（ａ）の場合と逆に、錘１３に近い圧電部材３２は引張力を受け、第１連結部２０に近い圧電部材３４は圧縮力を受ける。それぞれの圧電部材３２、３４の圧電素子３２ｂ、３４ｂの分極が揃っていれば、上電極３２ｃと上電極３４ｃはやはり異極の電極となる。結果、接続端子３２ａｔ、３４ａｔには、異極の電圧が発生する。なお、図４（ａ）の場合とは、極性が反転する。つまり、錘１３がフレーム１０に対して上下に変位すると、接続端子３２ａｔ、３４ａｔには、交流電圧が発生する。   FIG. 4C shows a case where the weight 13 is displaced above the frame 10. FIG. 4 (d) shows an enlarged view of the circled portion of FIG. 4 (c). Contrary to the case of FIG. 4A, the piezoelectric member 32 close to the weight 13 receives a tensile force, and the piezoelectric member 34 close to the first connecting portion 20 receives a compressive force. If the polarization of the piezoelectric elements 32b and 34b of the piezoelectric members 32 and 34 is the same, the upper electrode 32c and the upper electrode 34c are also different polar electrodes. As a result, voltages with different polarities are generated at the connection terminals 32at and 34at. Note that the polarity is reversed from the case of FIG. That is, when the weight 13 is displaced up and down with respect to the frame 10, an alternating voltage is generated at the connection terminals 32at and 34at.

なお、図４（ａ）〜（ｄ）に示したように、錘１３は、フレーム１０に対して、上下に振動するだけで、ねじれたり、どちらかの端部を中心とする回転運動は起こらない。つまり、圧電素子３２ｂ、３４ｂ（図３（ｂ）参照）には、圧縮力および引張力以外の力はほとんど加わらない。その結果、加えられる加速度の大きさに対して、いつも同じ共振特性を示し、実用上使用しやすくなる。なお、この点は、実施例において圧電部材３２、３４を説明する際に詳説する。   As shown in FIGS. 4A to 4D, the weight 13 only vibrates up and down with respect to the frame 10 and twists or rotates around one of the ends. Absent. That is, almost no force other than the compressive force and the tensile force is applied to the piezoelectric elements 32b and 34b (see FIG. 3B). As a result, the same resonance characteristic is always shown with respect to the magnitude of the applied acceleration, and it becomes easy to use practically. This point will be described in detail when the piezoelectric members 32 and 34 are described in the embodiment.

また、振動発電機１は、圧電部材３２、３４に圧縮力と引張力以外の力ができるだけ加わらないようにするのが望ましい。したがって、中梁１２は、最大振動幅で振動するときでも、捩れや回転などが生じないように幅１２ｗを決定するのが好ましい。例えば、少なくとも中梁１２の幅１２ｗは、中梁１２の長さ（一端１２ａから他端１２ｂまでの距離）の１０％〜３０％程度であるのが望ましい。   In addition, it is desirable that the vibration generator 1 is configured so that forces other than the compressive force and the tensile force are not applied to the piezoelectric members 32 and 34 as much as possible. Therefore, it is preferable that the width 12w of the intermediate beam 12 is determined so as not to be twisted or rotated even when it vibrates at the maximum vibration width. For example, at least the width 12w of the intermediate beam 12 is desirably about 10% to 30% of the length of the intermediate beam 12 (the distance from the one end 12a to the other end 12b).

また、ここでは、圧電部材３２および３４の上電極３２ｃおよび３４ｃ同士を接続線３３ｃで接続したが、下電極３２ａおよび３４ａ同士を接続し、接続端子３２ａｔおよび３４ａｔは上電極３２ｃおよび３４ｃ同士から引き出してもよい。すなわち、圧電素子３２ｂおよび３４ｂを一対で用いる場合は、圧電部材３２および３４の下電極３２ａおよび３４ａ同士若しくは上電極３２ｃおよび３４ｃ同士が接続される。   Here, the upper electrodes 32c and 34c of the piezoelectric members 32 and 34 are connected by the connection line 33c, but the lower electrodes 32a and 34a are connected, and the connection terminals 32at and 34at are drawn from the upper electrodes 32c and 34c. May be. That is, when a pair of piezoelectric elements 32b and 34b is used, the lower electrodes 32a and 34a of the piezoelectric members 32 and 34 or the upper electrodes 32c and 34c are connected to each other.

（実施の形態２）
図５に本実施の形態に係る振動発電機２の平面図を示す。実施の形態１と同じ部分については、同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態に係る振動発電機２と、実施の形態１の場合との違いは、側梁１４、１５、１６、１７とフレーム１０の固定端の形状にある。振動発電機２では、側梁１４の他端１４ｂ（図５中符号を省略）と側梁１５の一端１５ａ（図５中符号を省略）は一体となり、接続片１４ｚ、１５ｚは一体となっている。接続片１４ｚ、１５ｚが一体となった接続片を接続片１４ｚｘとする。 (Embodiment 2)
FIG. 5 shows a plan view of the vibration power generator 2 according to the present embodiment. About the same part as Embodiment 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. The difference between the vibration power generator 2 according to the present embodiment and the case of the first embodiment is in the shape of the side beams 14, 15, 16, 17 and the fixed end of the frame 10. In the vibration generator 2, the other end 14b of the side beam 14 (reference numeral omitted in FIG. 5) and one end 15a of the side beam 15 (reference numeral omitted in FIG. 5) are integrated, and the connection pieces 14z and 15z are integrated. Yes. A connection piece in which the connection pieces 14z and 15z are integrated is referred to as a connection piece 14zx.

また、側梁１４の他端１４ｂと側端１５の一端１５ａが一体となった結果、側梁１４、１５も１本の側梁のように見える。同様に、側梁１６、１７も１本の側梁のようになり、また接続片１６ｚｘによってフレーム１０と固定されている。しかし、振動体１１とフレーム１０との固定端が一体となり接続片１４ｚｘと接続片１６ｚｘになっても、中梁１２および側梁１４、１５、１６、１７の動作は実施の形態１の場合と同じである。   Further, as a result of the integration of the other end 14b of the side beam 14 and the one end 15a of the side end 15, the side beams 14 and 15 also appear as one side beam. Similarly, the side beams 16 and 17 are also formed as one side beam, and are fixed to the frame 10 by connection pieces 16zx. However, even if the fixed ends of the vibrating body 11 and the frame 10 are integrated into the connection piece 14zx and the connection piece 16zx, the operation of the middle beam 12 and the side beams 14, 15, 16, and 17 is the same as in the case of the first embodiment. The same.

つまり、形状は異なるが、振動発電機１および振動発電機２は、同じ機能を有する。したがって、振動発電機２の場合も、側梁１４、１５、１６、１７があり、第１連結部２０と第２連結部２２に接続していない端部が別々にフレーム１０と接続していると言ってもよい。   That is, although the shapes are different, the vibration generator 1 and the vibration generator 2 have the same function. Therefore, also in the case of the vibration generator 2, there are side beams 14, 15, 16, and 17, and the end portions not connected to the first connecting portion 20 and the second connecting portion 22 are connected to the frame 10 separately. You can say.

また、振動発電機２は、発電部３０が中梁１２だけでなく、側梁１４にも形成されている。側梁１４に形成された圧電部材を圧電部材３６、３８とする。第１連結部２０に近い側を圧電部材３６とし、接続片１４ｚｘに近い側を圧電部材３８とする。圧電部材３６と３８は、下電極３６ａ、３８ａの上に圧電素子３６ｂ、３８ｂが形成され、その上に上電極３６ｃ、３８ｃが形成される点も、圧電部材３２、３４の場合と同じである。また、下電極３６ａ、３８ａは電極層３６ａａ、３８ａａ（不図示）とＬａＮｉＯ_３層３６ａｂ、３８ａｂ（不図示）から構成されている点も同じである。 Further, in the vibration power generator 2, the power generation unit 30 is formed not only on the middle beam 12 but also on the side beam 14. The piezoelectric members formed on the side beams 14 are referred to as piezoelectric members 36 and 38. The side close to the first connecting portion 20 is a piezoelectric member 36, and the side close to the connection piece 14 zx is a piezoelectric member 38. The piezoelectric members 36 and 38 are the same as the piezoelectric members 32 and 34 in that the piezoelectric elements 36b and 38b are formed on the lower electrodes 36a and 38a and the upper electrodes 36c and 38c are formed thereon. . The lower electrodes 36a and 38a are also composed of electrode layers 36aa and 38aa (not shown) and LaNiO ₃ layers 36ab and 38ab (not shown).

図５（ｂ）に圧電部材だけの接続関係を図示する。圧電部材３２と３４の接続関係は、実施の形態１の場合（振動発電機１）と同様である。下電極３６ａは接続線３５ａによって圧電部材３４の下電極３４ａと接続されており、上電極３６ｃは圧電部材３８の上電極３８ｃと接続線３７ｃによって接続されている。   FIG. 5B illustrates the connection relationship of only the piezoelectric member. The connection relationship between the piezoelectric members 32 and 34 is the same as in the case of the first embodiment (vibration generator 1). The lower electrode 36a is connected to the lower electrode 34a of the piezoelectric member 34 by a connection line 35a, and the upper electrode 36c is connected to the upper electrode 38c of the piezoelectric member 38 by a connection line 37c.

すなわち、圧電部材３２、３４、３６、３８は、直列に接続された１つの発電部３０と言える。なお、電圧の取り出しは、圧電部材３２の下電極３２ａと圧電部材３８の下電極３８ａから、それぞれ接続線３２ａｓおよび３８ａｓで引き出す。それぞれの接続線は、フレーム１０上に設けた接続端子３２ａｔ、３８ａｔに接続される。   That is, the piezoelectric members 32, 34, 36, and 38 can be said to be one power generation unit 30 connected in series. The voltage is extracted from the lower electrode 32a of the piezoelectric member 32 and the lower electrode 38a of the piezoelectric member 38 through connection lines 32as and 38as, respectively. Each connection line is connected to connection terminals 32 at and 38 at provided on the frame 10.

図６（ａ）〜（ｄ）には、図４（ａ）〜（ｄ）に対応する図を示す。図６（ａ）、（ｂ）を参照して、錘１３がフレーム１０より下に変位した場合について説明すると、圧電部材３２は圧縮力を受け、圧電部材３４は引張力を受ける。さらに、圧電部材３６は、圧縮力を受け、圧電部材３８は引張力を受ける。したがって、圧電素子３２ｂ、３４ｂ、３６ｂ、３８ｂの分極方向が揃っていれば、それぞれの圧電部材３２、３４、３６、３８が直列に接続された発電機となる。その結果これらの圧電部材３２、３４、３６、３８は、１つの発電部３０を形成する。接続端子３２ａｔ、３８ａｔ間には電圧が発生する。   FIGS. 6A to 6D are diagrams corresponding to FIGS. 4A to 4D. A case where the weight 13 is displaced below the frame 10 will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. The piezoelectric member 32 receives a compressive force, and the piezoelectric member 34 receives a tensile force. Further, the piezoelectric member 36 receives a compressive force, and the piezoelectric member 38 receives a tensile force. Therefore, if the polarization directions of the piezoelectric elements 32b, 34b, 36b, and 38b are aligned, a generator in which the piezoelectric members 32, 34, 36, and 38 are connected in series is obtained. As a result, these piezoelectric members 32, 34, 36 and 38 form one power generation unit 30. A voltage is generated between the connection terminals 32at and 38at.

図６（ｃ）、（ｄ）は、錘１３がフレーム１０より上に変位した場合を示す。この場合は、図６（ａ）と逆に、圧電部材３２は引張力を受け、圧電部材３４は圧縮力を受ける。また圧電部材３６は、引張力を受け、圧電部材３８は圧縮力を受ける。したがって、接続端子３２ａｔ、３８ａｔ間には、図６（ａ）、（ｂ）の場合と逆の電圧が発生する。図６（ａ）、（ｂ）と（ｃ）、（ｄ）の状態が繰り返されることで、接続端子３２ａｔ、３８ａｔに交流電圧が発生する。   6C and 6D show a case where the weight 13 is displaced above the frame 10. In this case, contrary to FIG. 6A, the piezoelectric member 32 receives a tensile force and the piezoelectric member 34 receives a compressive force. The piezoelectric member 36 receives a tensile force, and the piezoelectric member 38 receives a compressive force. Therefore, a voltage opposite to that shown in FIGS. 6A and 6B is generated between the connection terminals 32at and 38at. By repeating the states of FIGS. 6A, 6B, 6C, and 6D, an AC voltage is generated at the connection terminals 32at and 38at.

なお、振動発電機２の説明は、側梁１４上に形成された一対の圧電部材３６、３８だけでも発電部３０を構成することができることを示している。また、圧電部材３６、３８は、他の側梁１５、１６、１７上に形成することもできる。また、中梁１２の錘１３と第２連結部２２との間に圧電部材３６、３８を配置してもよい。さらに、全ての実施の形態を含む本発明では、各梁に配した圧電部材が一対でなく、単独である場合を排除するものではない。   The description of the vibration power generator 2 indicates that the power generation unit 30 can be configured by only a pair of piezoelectric members 36 and 38 formed on the side beam 14. In addition, the piezoelectric members 36 and 38 can be formed on the other side beams 15, 16, and 17. Further, the piezoelectric members 36 and 38 may be disposed between the weight 13 of the intermediate beam 12 and the second connecting portion 22. Furthermore, the present invention including all the embodiments does not exclude the case where the piezoelectric members disposed on each beam are not a pair but are a single member.

図７には、中梁１２上に４つの一対の圧電部材と、側梁１４、１５、１６、１７上にそれぞれ一対の圧電部材を形成した振動発電機２．１を示す。この場合は、直列に連結した圧電部材からなる発電部３０が４セット（符号３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄとした。）形成されることになる。そして、それぞれの圧電部材によって形成される発電部３０は、同様に発電を行うことができる。このように、中梁１２および側梁１４、１５、１６、１７には、並列に複数の圧電部材を配置してもよい。   FIG. 7 shows a vibration generator 2.1 in which four pairs of piezoelectric members are formed on the middle beam 12 and a pair of piezoelectric members are formed on the side beams 14, 15, 16, and 17. In this case, four sets (reference numerals 30a, 30b, 30c, and 30d) of the power generation units 30 made of piezoelectric members connected in series are formed. And the electric power generation part 30 formed with each piezoelectric member can generate electric power similarly. Thus, a plurality of piezoelectric members may be arranged in parallel on the middle beam 12 and the side beams 14, 15, 16, and 17.

（実施の形態３）
図８（ａ）に本実施の形態に係る振動発電機３の平面図を示す。振動発電機３は、４つの側梁５４、５５、５６、５７を有する。また、図８（ｂ）には、側梁５４、５５、５６、５７だけを縮小した図で示した。なお、図８（ｂ）には発電部は記載していない。 (Embodiment 3)
FIG. 8A shows a plan view of the vibration power generator 3 according to the present embodiment. The vibration power generator 3 has four side beams 54, 55, 56, and 57. In FIG. 8B, only the side beams 54, 55, 56, and 57 are shown in a reduced view. Note that the power generation unit is not shown in FIG.

図８（ａ）、（ｂ）を参照して、これらの側梁５４、５５、５６、５７は、折り返し構造を有する。側梁５４、５５、５６、５７の折り返しの部分をそれぞれ折り返し部５４ｍ、５５ｍ、５６ｍ、５７ｍで表す。また、折り返し部からフレーム１０までの間の梁の部分を符号５４ｇ、５５ｇ、５６ｇ、５７ｇとし、第１連結部２０および第２連結部２２に連結している側梁の部分は、符号５４ｆ、５５ｆ、５６ｆ、５７ｆとする。これらは、単に「側梁５４ｇ」若しくは「側梁５４ｆ」等とも呼ぶ。   Referring to FIGS. 8A and 8B, these side beams 54, 55, 56, and 57 have a folded structure. The folded portions of the side beams 54, 55, 56, and 57 are represented by folded portions 54m, 55m, 56m, and 57m, respectively. Further, the portions of the beam between the folded portion and the frame 10 are denoted by reference numerals 54g, 55g, 56g, and 57g, and the side beam portions connected to the first connecting portion 20 and the second connecting portion 22 are denoted by reference symbols 54f, 55f, 56f, 57f. These are also simply referred to as “side beams 54g” or “side beams 54f”.

また、側梁５４ｆの他端５４ｆｂと側梁５４ｇの一端５４ｇａが折り返し部５４ｍで連結されているといってもよい。折り返し部５４ｍからフレーム１０までの間の梁については、一端、他端の方向を逆とする。同様に、側梁５５は、側梁５５ｆと折り返し部５５ｍと側梁５５ｇで構成され、側梁５５ｆの一端５５ｆａと側梁５５ｇの他端５５ｇｂが折り返し部５５ｍで連結されているといってもよい。   Further, it may be said that the other end 54fb of the side beam 54f and one end 54ga of the side beam 54g are connected by a folded portion 54m. For the beam between the folded portion 54m and the frame 10, the direction of one end and the other end is reversed. Similarly, the side beam 55 is composed of the side beam 55f, the folded portion 55m, and the side beam 55g, and one end 55fa of the side beam 55f and the other end 55gb of the side beam 55g are connected by the folded portion 55m. Good.

なお、側梁５４の一端５４ａは、第１連結部２０に接続している部分であり、側梁５４の他端５４ｂは、フレーム１０と接続している部分とする。これは言い換えると、側梁５４の一端５４ａは、側梁５４ｆの一端５４ｆａであり、側梁５４の他端５４ｂは側梁５４ｇの他端５４ｇｂである。   Note that one end 54 a of the side beam 54 is a portion connected to the first connecting portion 20, and the other end 54 b of the side beam 54 is a portion connected to the frame 10. In other words, one end 54a of the side beam 54 is one end 54fa of the side beam 54f, and the other end 54b of the side beam 54 is the other end 54gb of the side beam 54g.

また、同様に、側梁５５の一端５５ａは、フレーム１０に接続した部分であり、側梁５５の他端５５ｂは、第２連結部２２に接続した部分である。これは言い換えると、側梁５５の一端５５ａは、側梁５５ｇの一端５５ｇａであり、側梁５５の他端５５ｂは、側梁５５ｆの他端５５ｆｂである。また、側梁５６、５７についても、側梁５４、５５に準じる。   Similarly, one end 55 a of the side beam 55 is a portion connected to the frame 10, and the other end 55 b of the side beam 55 is a portion connected to the second connecting portion 22. In other words, one end 55a of the side beam 55 is one end 55ga of the side beam 55g, and the other end 55b of the side beam 55 is the other end 55fb of the side beam 55f. The side beams 56 and 57 also conform to the side beams 54 and 55.

側梁５４は第１の側梁、側梁５５は第２の側梁、側梁５６は第３の側梁、側梁５７は第４の側梁と呼んでもよい。したがって、振動発電機３においても、第１の側梁５４の一端５４ａと、第３の側梁５６の一端５６ａは第１連結部２０に接続し、第２の側梁５５の他端５５ｂと第４の側梁５７の他端５７ｂは第２の連結部２２に接続している。そして、第１の側梁５４の他端５４ｂと、第２の側梁５５の一端５５ａと、第３の側梁５６の他端５６ｂと、第４の側梁５７の一端５７ａは、フレーム１０に固定されている。   The side beam 54 may be referred to as a first side beam, the side beam 55 may be referred to as a second side beam, the side beam 56 may be referred to as a third side beam, and the side beam 57 may be referred to as a fourth side beam. Accordingly, also in the vibration power generator 3, one end 54 a of the first side beam 54 and one end 56 a of the third side beam 56 are connected to the first connecting portion 20, and the other end 55 b of the second side beam 55 is connected. The other end 57 b of the fourth side beam 57 is connected to the second connecting portion 22. The other end 54 b of the first side beam 54, one end 55 a of the second side beam 55, the other end 56 b of the third side beam 56, and one end 57 a of the fourth side beam 57 are connected to the frame 10. It is fixed to.

振動発電機３は、フレーム１０とフレーム１０に穿設された貫通孔１０ｈと、貫通孔１０ｈ中に保持された振動体５１と、振動体５１の各梁に設けられた発電部３０で構成される。   The vibration power generator 3 includes a frame 10, a through hole 10 h formed in the frame 10, a vibrating body 51 held in the through hole 10 h, and a power generation unit 30 provided on each beam of the vibrating body 51. The

振動体５１は、中梁１２と、第１連結部２０と、第２連結部２２と、４つの側梁５４、５５、５６、５７で構成されている。側梁５４の他端５４ｂおよび側梁５６の他端５６ｂは、貫通孔１０ｈの一方の短辺１０ｈｃと接続し、側梁５５の一端５５ａと側梁５７の一端５７ａは、貫通孔１０ｈの他方の短辺１０ｈｄと接続している。したがって、振動体５１はこれら４つの接続部分を固定端としてフレーム１０に連結している。   The vibrating body 51 includes the middle beam 12, the first connecting portion 20, the second connecting portion 22, and four side beams 54, 55, 56, and 57. The other end 54b of the side beam 54 and the other end 56b of the side beam 56 are connected to one short side 10hc of the through hole 10h, and one end 55a of the side beam 55 and one end 57a of the side beam 57 are connected to the other side of the through hole 10h. Are connected to the short side 10hd. Therefore, the vibrating body 51 is connected to the frame 10 with these four connecting portions as fixed ends.

図９には、図８に示した振動発電機３の発電部３０を拡大した図を示す。拡大した部分は、中梁１２の一部と、側梁５４（側梁５４ｆと側梁５４ｇを含む）の部分である。振動発電機３は振動発電機２と比較すると、側梁に折り返し部を有する点が異なる。これは実質的に側梁の数が増えている。そこで、増えた梁にも圧電部材を配置している。   FIG. 9 shows an enlarged view of the power generation unit 30 of the vibration power generator 3 shown in FIG. The enlarged part is a part of the middle beam 12 and a part of the side beam 54 (including the side beam 54f and the side beam 54g). The vibration generator 3 is different from the vibration generator 2 in that the side generator has a folded portion on the side beam. This substantially increases the number of side beams. Therefore, piezoelectric members are also arranged on the increased beams.

具体的には、中梁１２上の圧電部材３２と３４、側梁５４ｆ上の圧電部材３６と３８に加え、側梁５４ｇ上にも圧電部材４０、４２が形成されている。また、圧電部材３２の上電極３２ｃと、圧電部材３４の上電極３４ｃは接続線３３ｃで接続されており、圧電部材３４の下電極３４ａと、圧電部材３６の下電極３６ａは接続線３５ａで接続されている。   Specifically, in addition to the piezoelectric members 32 and 34 on the intermediate beam 12 and the piezoelectric members 36 and 38 on the side beam 54f, piezoelectric members 40 and 42 are also formed on the side beam 54g. The upper electrode 32c of the piezoelectric member 32 and the upper electrode 34c of the piezoelectric member 34 are connected by a connection line 33c, and the lower electrode 34a of the piezoelectric member 34 and the lower electrode 36a of the piezoelectric member 36 are connected by a connection line 35a. Has been.

さらに、圧電部材３６の上電極３６ｃと圧電部材３８の上電極３８ｃは接続線３７ｃで接続されている。そして、圧電部材３８の下電極３８ａと圧電部材４０の下電極４０ａは接続線３９ａで接続され、圧電部材４０の上電極４０ｃは、圧電部材４２の上電極４２ｃと接続線４１ｃで接続されている。そして、圧電部材４２の下電極４２ａと、圧電部材３２の下電極３２ａが接続端子３２ａｔと接続端子４２ａｔに接続されている。   Further, the upper electrode 36c of the piezoelectric member 36 and the upper electrode 38c of the piezoelectric member 38 are connected by a connection line 37c. The lower electrode 38a of the piezoelectric member 38 and the lower electrode 40a of the piezoelectric member 40 are connected by a connection line 39a, and the upper electrode 40c of the piezoelectric member 40 is connected by an upper electrode 42c of the piezoelectric member 42 by a connection line 41c. . The lower electrode 42a of the piezoelectric member 42 and the lower electrode 32a of the piezoelectric member 32 are connected to the connection terminal 32at and the connection terminal 42at.

圧電部材４２の下電極４２ａと接続端子４２ａｔは、接続線４２ａｓによって接続され、圧電部材３２の下電極３２ａと接続端子３２ａｔは、接続線３２ａｓによって接続されている。   The lower electrode 42a of the piezoelectric member 42 and the connection terminal 42at are connected by a connection line 42as, and the lower electrode 32a of the piezoelectric member 32 and the connection terminal 32at are connected by a connection line 32as.

図１０（ａ）〜（ｄ）には、振動発電機３の梁が振動している様子を、中梁１２の長手方向の断面を用いて示す。中梁１２の中央に配置された錘１３の上下運動は、実施の形態１および２の場合と同じである。   10A to 10D show how the beam of the vibration power generator 3 is oscillating using a cross section in the longitudinal direction of the intermediate beam 12. The vertical movement of the weight 13 arranged at the center of the middle beam 12 is the same as in the first and second embodiments.

図１０（ａ）、（ｂ）を参照して、錘１３がフレーム１０より下に変位すると、圧電部材３２は圧縮力、圧電部材３４は引張力、圧電部材３６は圧縮力、圧電部材３８は引張力、圧電部材４０は圧縮力、圧電部材４２は引張力をそれぞれ受ける。そして、各圧電部材中の圧電素子の分極方向が揃っていれば、各圧電部材間の接続によって、接続端子３２ａｔと接続端子４２ａｔ間に電圧が発生する。   10A and 10B, when the weight 13 is displaced below the frame 10, the piezoelectric member 32 has a compressive force, the piezoelectric member 34 has a tensile force, the piezoelectric member 36 has a compressive force, and the piezoelectric member 38 has The tensile force, the piezoelectric member 40 receives a compressive force, and the piezoelectric member 42 receives a tensile force. If the polarization directions of the piezoelectric elements in each piezoelectric member are aligned, a voltage is generated between the connection terminal 32 at and the connection terminal 42 at due to the connection between the piezoelectric members.

一方、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように、錘１３がフレーム１０より上に変位すると、圧電部材３２は引張力、圧電部材３４は圧縮力、圧電部材３６は引張力、圧電部材３８は圧縮力、圧電部材４０は引張力、圧電部材４２は圧縮力をそれぞれ受ける。そして、接続端子３２ａｔと接続端子４２ａｔ間に図１０（ａ）、（ｂ）とは逆方向の電圧が発生する。   On the other hand, as shown in FIGS. 10C and 10D, when the weight 13 is displaced above the frame 10, the piezoelectric member 32 has a tensile force, the piezoelectric member 34 has a compressive force, the piezoelectric member 36 has a tensile force, and the piezoelectric member. Reference numeral 38 denotes a compressive force, the piezoelectric member 40 receives a tensile force, and the piezoelectric member 42 receives a compressive force. A voltage in the direction opposite to that shown in FIGS. 10A and 10B is generated between the connection terminal 32at and the connection terminal 42at.

以上のように振動発電機３は、振動体５１とフレーム１０の接続点（固定端）が、振動体５１のほぼ対角の関係にある位置に設けられるので、実施の形態１および２にも増して、ねじり等の不要な振動が生じにくくなる。   As described above, the vibration generator 3 has the connection point (fixed end) between the vibrating body 51 and the frame 10 provided at a position that is substantially diagonal to the vibrating body 51. In addition, unnecessary vibration such as torsion is less likely to occur.

（実施の形態４）
図１１に本実施の形態に係る振動発電機４の平面図を示す。振動発電機４は振動発電機３を２つ並列にし、錘部分を連結したものである。フレーム１０には、略長方形の貫通孔を２つ連結し、全体としては、略ひょうたん型に見える貫通孔１０ｈが形成され、そこに振動体７０が保持される。振動体７０は、実施の形態３の振動体を２つ連結させたものである。それぞれの振動体を振動体５１、７１とする。 (Embodiment 4)
FIG. 11 is a plan view of the vibration power generator 4 according to the present embodiment. The vibration power generator 4 has two vibration power generators 3 arranged in parallel and connected with a weight portion. Two substantially rectangular through-holes are connected to the frame 10 to form a through-hole 10h that looks almost gourd-shaped as a whole, and the vibrating body 70 is held there. The vibrating body 70 is obtained by connecting two vibrating bodies according to the third embodiment. The vibrating bodies are referred to as vibrating bodies 51 and 71, respectively.

振動体５１は、中梁１２と側梁５４、５５、５６、５７と第１連結部２０、第２連結部２２によって構成されている。また、振動体７１は、中梁７２と側梁７４、７５、７６、７７と第１連結部２４と第２連結部２６で構成されている。それぞれの中梁１２、７２の中央部には共通の錘８３が配置されている。錘８３は、中梁１２と中梁７２を直角に連結しているといってもよい。   The vibrating body 51 includes the middle beam 12, side beams 54, 55, 56, and 57, the first connecting portion 20, and the second connecting portion 22. The vibrating body 71 includes a middle beam 72, side beams 74, 75, 76, 77, the first connecting portion 24, and the second connecting portion 26. A common weight 83 is disposed at the center of each of the middle beams 12 and 72. The weight 83 may be said to connect the middle beam 12 and the middle beam 72 at a right angle.

なお、振動体５１の側梁５６、５７と、振動体７１の側梁７４、７５は、折り返し部からフレーム１０側の側梁５６ｇ、５７ｇ、７４ｇ、７５ｇの側面同士が一体として形成されている。それぞれの境界は二点鎖線５６Ｌ、５７Ｌで示した。これら２組の側梁が一体的に作製されていても、梁としての効果は別々に分かれているときと同じである。   Note that the side beams 56 and 57 of the vibrating body 51 and the side beams 74 and 75 of the vibrating body 71 are formed integrally with the side surfaces of the side beams 56g, 57g, 74g, and 75g on the frame 10 side from the folded portion. . The respective boundaries are indicated by two-dot chain lines 56L and 57L. Even if these two sets of side beams are produced integrally, the effect as a beam is the same as when they are separated separately.

錘８３は、中梁１２上に設けられた錘１３と中梁７２上に設けられた錘８１と錘１３と錘８１を連結する錘連結部８０を有する。また、錘１３および錘８１は、錘連結部８０の反対側に延長部１３ａおよび８１ａを設けてもよい。   The weight 83 includes a weight 13 provided on the middle beam 12, a weight 81 provided on the middle beam 72, and a weight connecting portion 80 that connects the weight 13 and the weight 81. Further, the weight 13 and the weight 81 may be provided with extensions 13 a and 81 a on the opposite side of the weight connecting portion 80.

中梁１２および７２は、幅１２ｗ、７２ｗを有する短冊状の梁である。また、２つの中梁１２、７２および８つの側梁５４、５５、５６、５７、７４、７５、７６、７７もＭＥＭＳ技術を用いて一体的に作製される。したがって、錘８３は極めて安定にフレーム１０の上側および下側への変位を行う。もし、錘８３の中梁１２側と、中梁７２側が互い違いに変位を行おうとすると、全長（一端から他端までの長さ）に対して所定の比率を有する中梁１２および７２を捩じることになるからである。   The middle beams 12 and 72 are strip-shaped beams having widths 12w and 72w. In addition, the two middle beams 12, 72 and the eight side beams 54, 55, 56, 57, 74, 75, 76, 77 are also integrally manufactured using the MEMS technology. Therefore, the weight 83 is displaced to the upper side and the lower side of the frame 10 very stably. If the intermediate beam 12 side of the weight 83 and the intermediate beam 72 side are alternately displaced, the intermediate beams 12 and 72 having a predetermined ratio with respect to the total length (length from one end to the other end) are twisted. Because it will be.

すなわち振動発電機４の各梁は、フレーム１０に対して安定した上下運動を行う。各梁への圧電部材の配置を実施の形態３と同じにし、中梁１２および７２には、振動発電機２で示したように４セットの圧電部材を配置すれば、振動発電機４では全部で８セットの発電部を有することができる。   That is, each beam of the vibration generator 4 performs a stable vertical movement with respect to the frame 10. If the piezoelectric members are arranged on the beams in the same manner as in the third embodiment, and four sets of piezoelectric members are arranged on the middle beams 12 and 72 as shown in the vibration generator 2, all of the vibration generators 4 are arranged. It can have 8 sets of power generation units.

次に振動部材、特に圧電素子について実施例を示しながら説明する。圧電型振動発電デバイス向け圧電体薄膜としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３所謂ＰＺＴ薄膜が用いられている。一方、ＢｉＦｅＯ_３薄膜（以後「ＢＦＯ薄膜」とも呼ぶ。）の比誘電率がＰＺＴ薄膜と比較して一桁程度低いのみならず、エピタキシャル成長によって（１００）配向させたＢＦＯ薄膜がＰＺＴ薄膜と同等の圧電性能を示すことが報告されていた。したがって、ＢＦＯ薄膜は、（１）式で表される性能指数ＦＯＭを高くできる期待があった。 Next, the vibration member, particularly the piezoelectric element will be described with reference to examples. A Pb (Zr, Ti) O ₃ so-called PZT thin film is used as a piezoelectric thin film for piezoelectric vibration power generation devices. On the other hand, the relative permittivity of BiFeO ₃ thin film (hereinafter also referred to as “BFO thin film”) is not only about an order of magnitude lower than that of PZT thin film, but BFO thin film oriented by (100) by epitaxial growth is equivalent to PZT thin film. It has been reported to exhibit piezoelectric performance. Therefore, the BFO thin film has been expected to have a high figure of merit FOM expressed by the equation (1).

圧電体薄膜を実用化するには、製造しやすいことが必要である。そこで、ゾル・ゲル法を用いてＢＦＯ薄膜を形成し性能を評価した。   In order to put the piezoelectric thin film into practical use, it must be easy to manufacture. Therefore, a BFO thin film was formed using a sol-gel method to evaluate the performance.

サンプル１は、以下のようにして準備された。下地としては、（１１１）面が出ているＰｔ（白金）を用いた。ＢＦＯ薄膜はゾル・ゲル法を用い、厚さ３５０ｎｍで作製した。   Sample 1 was prepared as follows. As the base, Pt (platinum) having a (111) plane was used. The BFO thin film was formed using a sol-gel method with a thickness of 350 nm.

サンプル２は、下地の上に（１００）配向したＬａＮｉＯ_３をＲＦマグネトロンスパッタ法で厚さ１００ｎｍの厚さで作製し、さらにＢＦＯ薄膜をゾル・ゲル法で厚さ２５０ｎｍに作製した。 In sample 2, LaNiO ₃ having a (100) orientation on the base was prepared to a thickness of 100 nm by the RF magnetron sputtering method, and a BFO thin film was prepared to a thickness of 250 nm by the sol-gel method.

図１２にサンプル１およびサンプル２のＢＦＯ薄膜のＸ線回折パターンを示す。線源はＣｕのＫαである。図１２（ａ）はサンプル１の測定結果であり、図１２（ｂ）はサンプル２の測定結果である。両方のグラフとも、縦軸は強度（ｃｐｓ．：ｃｏｕｎｔ ｐｅｒ
ｓｅｃｏｎｄ）であり、横軸は２θ（ｄｅｇ．）を表す。 FIG. 12 shows X-ray diffraction patterns of the BFO thin films of Sample 1 and Sample 2. The radiation source is Cu Kα. 12A shows the measurement result of sample 1, and FIG. 12B shows the measurement result of sample 2. In both graphs, the vertical axis represents intensity (cps .: count per).
second), and the horizontal axis represents 2θ (deg.).

図１２（ａ）より、（１１１）Ｐｔ上のＢＦＯ薄膜は多結晶であることがわかる。一方、図１２（ｂ）より（１００）ＬａＮｉＯ_３上のＢＦＯ薄膜はペロブスカイト（１００）に配向していることがわかる。サンプル１とサンプル２の有効横圧電応力定数（ｅ_３１，ｆ）および比誘電率（ε_ｒ）を測定し、それぞれのＦＯＭを求めた。 FIG. 12 (a) shows that the BFO thin film on (111) Pt is polycrystalline. On the other hand, FIG. 12B shows that the BFO thin film on (100) LaNiO ₃ is oriented to perovskite (100). The effective transverse piezoelectric stress constants (e _{31, f} ) and relative permittivity (ε _r ) of Sample 1 and Sample 2 were measured, and the respective FOMs were determined.

すると、サンプル１のＦＯＭは、１．１ＧＰａであり、サンプル２のＦＯＭは８．５ＧＰａとなった。すなわち、（１００）ＬａＮｉＯ_３上にＢＦＯ薄膜を形成すれば、ゾル・ゲル法で作製した場合であっても、ＢＦＯ薄膜は（１００）配向させることができた。また、（１００）配向のＢＦＯ薄膜は、多結晶のＢＦＯ薄膜よりも、高いＦＯＭを示した。 Then, the FOM of sample 1 was 1.1 GPa, and the FOM of sample 2 was 8.5 GPa. That is, if a BFO thin film was formed on (100) LaNiO ₃ , the BFO thin film could be (100) oriented even when produced by the sol-gel method. In addition, the (100) -oriented BFO thin film showed higher FOM than the polycrystalline BFO thin film.

＜発電性能＞
サンプル１（多結晶のＢＦＯ薄膜）およびサンプル２（（１００）配向ＢＦＯ薄膜）を用いて振動発電機を作製した。図１３に試作のＭＥＭＳプロセスを示す。基板はＳＯＩウエハを用いた。Ｓｉ活性層、埋め込み酸化膜、Ｓｉバルク層の厚さは５μｍ、１μｍ、６５０μｍとした。 <Power generation performance>
A vibration generator was manufactured using Sample 1 (polycrystalline BFO thin film) and Sample 2 ((100) -oriented BFO thin film). FIG. 13 shows a prototype MEMS process. An SOI wafer was used as the substrate. The thicknesses of the Si active layer, the buried oxide film, and the Si bulk layer were 5 μm, 1 μm, and 650 μm.

工程１：ＳＯＩウエハを熱酸化した。酸化層の厚みは０．５μｍであった。裏面より片持ち梁を形成する領域とその周辺をＳｉ層の厚さ１００μｍを残すところまで水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ２５％、９０℃）によるＳｉ異方性エッチングを行った。   Step 1: The SOI wafer was thermally oxidized. The thickness of the oxide layer was 0.5 μm. Si anisotropic etching with a tetramethylammonium hydroxide aqueous solution (TMAH 25%, 90 ° C.) was performed from the back surface to the area where the cantilever was formed and the periphery thereof, leaving a thickness of 100 μm of the Si layer.

工程２：下部電極（ＬａＮｉＯ_３／Ｐｔ／Ｔｉ）、ＢＦＯ薄膜（厚さ２５０ｎｍ）、上部電極（Ｐｔ）を形成して圧電キャパシタとした。ここで、下部電極、上部電極は共にＲＦマグネトロンスパッタ法で作製し、ＢＦＯ薄膜はゾル・ゲル法により作製した。なお、多結晶のＢＦＯ薄膜を使う場合はＬａＮｉＯ_３層を形成しなかった。 Step 2: A lower electrode (LaNiO ₃ / Pt / Ti), a BFO thin film (thickness 250 nm), and an upper electrode (Pt) were formed to obtain a piezoelectric capacitor. Here, both the lower electrode and the upper electrode were produced by the RF magnetron sputtering method, and the BFO thin film was produced by the sol-gel method. In the case of using a polycrystalline BFO thin film, the LaNiO ₃ layer was not formed.

工程３：片持ち梁周囲の表面側の熱酸化膜とＳｉ活性層（厚さ５μｍ）を表面から、それぞれバッファードフッ酸と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により除去した。ＲＩＥにおいては、反応性ガスとしてＳＦ_６ガスを用いた。 Step 3: The surface-side thermal oxide film and Si active layer (thickness: 5 μm) around the cantilever were removed from the surface by buffered hydrofluoric acid and reactive ion etching (RIE), respectively. In RIE, SF ₆ gas was used as the reactive gas.

工程４：工程１において残した裏面側のＳｉ層（厚さ１００μｍ）をＲＩＥによって除去した。反応性ガスは工程３と同様にＳＦ_６ガスを用いた。さらに、埋め込み酸化膜をバッファードフッ酸によりエッチング除去した。 Step 4: The Si layer (thickness: 100 μm) on the back side left in Step 1 was removed by RIE. As the reactive gas, SF ₆ gas was used in the same manner as in Step 3. Further, the buried oxide film was removed by etching with buffered hydrofluoric acid.

以上のＭＥＭＳプロセスによりＢＦＯ圧電体キャパシタが搭載された片持ち梁（ＳｉＯ_２（０．５μｍ）／Ｓｉ（５μｍ））を形成し、ユニモルフ・カンチレバーとした。片持ち梁の幅は、０．４〜１ｍｍ、長さは１〜４ｍｍとした。最後に、片持ち梁の先端に０．４ｍｇの錘を形成して振動発電デバイスを完成させた。 A cantilever (SiO ₂ (0.5 μm) / Si (5 μm)) on which a BFO piezoelectric capacitor was mounted was formed by the MEMS process described above to obtain a unimorph cantilever. The width of the cantilever was 0.4 to 1 mm and the length was 1 to 4 mm. Finally, a 0.4 mg weight was formed at the tip of the cantilever to complete the vibration power generation device.

図１４に多結晶ＢＦＯ薄膜と（１００）配向ＢＦＯ薄膜を搭載した振動発電素子に振動数９３Ｈｚの振動を印加した際の発電量の負荷抵抗依存性を示す。横軸は負荷抵抗（Ω）であり、縦軸は発電量（ｍＷ・ｃｍ^−３・Ｇ^−２）である。なお、片持ち梁の体積と振動加速度で規格化している。図１４より、（１００）配向ＢＦＯ薄膜を搭載した振動発電素子の最大発電量は１０．５（ｍＷ・ｃｍ^−３・Ｇ^−２）であった。また多結晶ＢＦＯ薄膜は、（１００）配向ＢＦＯ薄膜の３分の１程度の発電量であった。 FIG. 14 shows the load resistance dependence of the amount of power generated when a vibration having a frequency of 93 Hz is applied to a vibration power generation element equipped with a polycrystalline BFO thin film and a (100) -oriented BFO thin film. The horizontal axis is the load resistance (Ω), and the vertical axis is the power generation amount (mW · cm ⁻³ · G ⁻² ). It is standardized by the volume and vibration acceleration of the cantilever beam. From FIG. 14, the maximum power generation amount of the vibration power generation element on which the (100) -oriented BFO thin film was mounted was 10.5 (mW · cm ⁻³ · G ⁻² ). The polycrystalline BFO thin film had a power generation amount of about one third of that of the (100) oriented BFO thin film.

図１５に（１００）配向ＢＦＯ薄膜を搭載した圧電型振動発電素子の発電性能を測定した。横軸は振動周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は、素子に１ＭΩの負荷抵抗に接続してインピーダンスマッチングさせた際の、印加した振動加速度で規格化した出力電圧（Ｖ・Ｇ^−１）を示す。各振動加速度において、実線は周波数を低い側から高い側に変化させた場合の特性であり、点線は周波数を高い側から低い側に変化させた場合の特性を表す。 In FIG. 15, the power generation performance of the piezoelectric vibration power generation element on which the (100) -oriented BFO thin film is mounted was measured. The horizontal axis is the vibration frequency (Hz), and the vertical axis is the output voltage (V · G ⁻¹ ) normalized by the applied vibration acceleration when impedance matching is performed by connecting the element to a load resistance of 1 MΩ. Show. In each vibration acceleration, the solid line represents the characteristic when the frequency is changed from the low side to the high side, and the dotted line represents the characteristic when the frequency is changed from the high side to the low side.

各振動加速度において最大出力電圧はほぼ同じであった。共振周波数は９２Ｈｚ〜９５Ｈｚであり、振動加速度により若干異なった。特に、振動加速度が大きくなると、振動数を上げていく場合と、下げていく場合におけるヒステリシスが大きくなっていた。より具体的には、０．００９Ｇの場合の特性は、実線と点線に大きな違いはなかった。しかし、０．０５４Ｇでは、周波数を高くしていく際の特性（実線）と周波数を低くしていく際の特性（点線）は、大きく異なった。これは、振動加速度を高くすると片持ち梁の先端にある錘に回転モーメントが作用することに起因すると考えられた。   The maximum output voltage was almost the same at each vibration acceleration. The resonance frequency was 92 Hz to 95 Hz, and was slightly different depending on the vibration acceleration. In particular, when the vibration acceleration increases, the hysteresis increases when the frequency is increased and when the vibration frequency is decreased. More specifically, in the case of 0.009G, there was no significant difference between the solid line and the dotted line. However, at 0.054G, the characteristics when increasing the frequency (solid line) and the characteristics when decreasing the frequency (dotted line) are significantly different. This is thought to be due to the fact that the rotational moment acts on the weight at the tip of the cantilever when the vibration acceleration is increased.

そこで、実施の形態２の振動発電機２を作製し、出力電圧を測定した。図１６に結果を示す。横軸は振動周波数（Ｈｚ）を表し、縦軸は出力電圧（ｍＶ）である。図１５と比較して、加速度によるヒステリシスは小さくなっていた。実施の形態２で示した構成のように、梁に回転モーメントが働きにくい構成にすることで、振動周波数が変わるときの加速度の依存性がなくなり、実用的に十分な値を得ることができた。   Therefore, the vibration power generator 2 of Embodiment 2 was produced and the output voltage was measured. FIG. 16 shows the result. The horizontal axis represents the vibration frequency (Hz), and the vertical axis represents the output voltage (mV). Compared with FIG. 15, the hysteresis due to acceleration was small. By adopting a configuration in which the rotational moment hardly acts on the beam as in the configuration shown in the second embodiment, the dependency on the acceleration when the vibration frequency changes is eliminated, and a practically sufficient value can be obtained. .

なお、実施の形態１乃至４で示した振動発電機においては、圧電素子の分極が揃っていることが条件であった。図１７には、（１００）配向ＢＦＯ薄膜の分極の整列状態と膜厚の関係を示す。横軸はＢＦＯ膜の膜厚（ｎｍ）を示し、縦軸は、下向き方向の分極の程度（％）を示す。これは、単位面積あたり、どの程度の面積の部分が下向き（下地のＬａＮｉＯ_３側が正極）に分極しているかを示している。膜厚によっては、単位面積中に、上向きに分極している部分と下向きに分極する部分が発生する場合があるが、ＢＦＯの膜厚が２５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲では、ほぼ全ての部分において、分極方向が揃った膜を得ることができた。 In the vibration power generator shown in Embodiments 1 to 4, the condition is that the polarization of the piezoelectric elements is uniform. FIG. 17 shows the relationship between the alignment state of the polarization of the (100) -oriented BFO thin film and the film thickness. The horizontal axis indicates the film thickness (nm) of the BFO film, and the vertical axis indicates the degree of polarization (%) in the downward direction. This shows how much of the area per unit area is polarized downward (the underlying LaNiO ₃ side is the positive electrode). Depending on the film thickness, there may be a portion polarized upward and a portion polarized downward in the unit area. However, when the BFO film thickness is in the range of 250 nm to 450 nm, the polarization is almost the same. A film with uniform orientation could be obtained.

これより、ＬａＮｉＯ_３の下地上にゾル・ゲル法で形成したＢＦＯ薄膜は、２５０ｎｍ〜４５０ｎｍの膜厚の範囲で、膜全体にわたり、分極が厚み方向で揃った。 As a result, the BFO thin film formed on the ground of LaNiO _{3 by} the sol-gel method had polarization aligned in the thickness direction over the entire film in the thickness range of 250 nm to 450 nm.

本発明は、小型の振動発電機に好適に利用することができる。   The present invention can be suitably used for a small vibration generator.

１、２、３、４ 振動発電機
１０ フレーム
１０ａ （フレームの）表面
１０ｂ （フレームの）裏面
１０ｈ （フレームに設けられた）貫通孔
１０ｈａ、１０ｈｂ （貫通孔の）長辺
１０ｈｃ、１０ｈｄ （貫通孔の）短辺
１１、７０、５１、７１ 振動体
１２ 中梁
１２ａ 中梁の一端
１２ｂ 中梁の他端
１２ｃ （中梁の）一方の側
１２ｄ （中梁の）他方の側
１３ 錘
１４、１５、１６、１７ 側梁
１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ 各側梁の一端
１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ 各側梁の他端
１４ｚ、１５ｚ、１６ｚ、１７ｚ、１４ｚｘ、１６ｚｘ 接続片
２０ 第１連結部
２２ 第２連結部
３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ） 発電部
３２、３４、３６、３８、４０、４２ 圧電部材
３２ａ、３４ａ、３６ａ、３８ａ、４０ａ、４２ａ 下電極
３３ｃ、３７ｃ、４１ｃ、３５ａ、３９ａ 接続線
３２ａｂ、３４ａｂ、３６ａｂ、３８ａｂ ＬａＮｉＯ_３層
３２ｂ、３４ｂ、３６ｂ、３８ｂ 圧電素子（ＢｉＦｅＯ_３）
３２ｃ、３４ｃ、３６ｃ、３８ｃ、４０ｃ、４２ｃ 上電極
３２ａｔ、３４ａｔ、３８ａｔ、４２ａｔ 接続端子
３２ａｓ、３４ａｓ、３８ａｓ、４２ａｓ 接続線

５４（５４ｆ、５４ｇ）、５５（５５ｆ、５５ｇ）、５６（５６ｆ、５６ｇ）、５７（５７ｆ、５７ｇ） 側梁
５４ｍ、５５ｍ、５６ｍ、５７ｍ 折り返し部
７４、７５、７６、７７ 側梁 1, 2, 3, 4 Vibration generator 10 Frame 10a (Frame) Front surface 10b (Frame) Back surface 10h Through hole 10ha, 10hb (Through hole) Long side 10hc, 10hd (Through hole) Short side 11, 70, 51, 71 Vibrator 12 Middle beam 12a Middle beam one end 12b Middle beam other end 12c One side 12d (middle beam) The other side 13 Weights 14, 15 , 16, 17 Side beams 14a, 15a, 16a, 17a One end 14b, 15b, 16b, 17b of each side beam The other end 14z, 15z, 16z, 17z, 14zx, 16zx of each side beam Connecting piece 20 First connecting portion 22 Second connecting part 30 (30a, 30b, 30c, 30d) Power generation part 32, 34, 36, 38, 40, 42 Piezoelectric member 32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 42a Lower electrode 33c, 7c, 41c, 35a, 39a connecting line 32ab, 34ab, 36ab, 38ab LaNiO 3 layers 32b, 34b, 36b, 38b piezoelectric elements (BiFeO ₃₎
32c, 34c, 36c, 38c, 40c, 42c Upper electrode 32at, 34at, 38at, 42at Connection terminal 32as, 34as, 38as, 42as Connection line

54 (54f, 54g), 55 (55f, 55g), 56 (56f, 56g), 57 (57f, 57g) Side beams 54m, 55m, 56m, 57m Folded portions 74, 75, 76, 77 Side beams

Claims (5)

略長方形の貫通孔が穿設されたフレームと、
前記貫通孔中に配置され前記フレームとの間に固定端を有し、圧電素子を有する振動体を含む振動発電機であって、
前記振動体は、
一端と他端を長手方向とし、錘が配置された中梁と、
前記中梁の一方の側に前記中梁の長手方向と平行に配置され、一端と他端を有する第１および第２の側梁と、
前記中梁の他方の側に前記中梁の長手方向と平行に配置され、一端と他端を有する第３および第４の側梁と、
前記中梁の一端と、前記第１の側梁および前記第３の側梁の一端を連結する第１連結部と、
前記中梁の他端と、前記第２の側梁および前記第４の側梁の他端を連結する第２連結部と、
前記中梁と前記第１の側梁と前記第２の側梁と前記第３の側梁と前記第４の側梁の少なくとも１つの梁に設けられた圧電素子を含む発電部を有し、
前記第１の側梁の他端と前記第２の側梁の一端および、前記第３の側梁の他端と前記第４の側梁の一端を前記フレームに対する固定端とすることを特徴とする振動発電機。 A frame with a substantially rectangular through-hole,
A vibration generator including a vibrating body that is disposed in the through-hole and has a fixed end between the frame and a piezoelectric element,
The vibrator is
One end and the other end in the longitudinal direction,
First and second side beams disposed on one side of the middle beam in parallel with the longitudinal direction of the middle beam and having one end and the other end;
Third and fourth side beams disposed on the other side of the middle beam in parallel with the longitudinal direction of the middle beam and having one end and the other end;
A first connecting portion that connects one end of the middle beam, and one end of the first side beam and the third side beam;
A second connecting portion that connects the other end of the intermediate beam and the other end of the second side beam and the fourth side beam;
A power generation unit including a piezoelectric element provided on at least one of the middle beam, the first side beam, the second side beam, the third side beam, and the fourth side beam;
The other end of the first side beam and one end of the second side beam, and the other end of the third side beam and one end of the fourth side beam are fixed ends with respect to the frame, Vibration generator. 前記発電部は、前記中梁の中央と前記第１連結部若しくは前記中梁と前記第２連結部の間に直列に配置された一対の圧電部材を有し、
前記圧電部材は、
前記中梁上に設けた下電極と、
前記下電極上に設けた圧電素子と、
前記圧電素子上に設けた上電極とを有し、
前記一対の圧電部材の下電極同士若しくは上電極同士が接続されていることを特徴とする請求項１に記載された振動発電機。 The power generation unit has a pair of piezoelectric members arranged in series between the center of the middle beam and the first connection part or between the middle beam and the second connection part,
The piezoelectric member is
A lower electrode provided on the intermediate beam;
A piezoelectric element provided on the lower electrode;
An upper electrode provided on the piezoelectric element;
The vibration generator according to claim 1, wherein lower electrodes or upper electrodes of the pair of piezoelectric members are connected to each other. 前記発電部は、前記第１の側梁と前記第２の側梁と前記第３の側梁と前記第４の側梁の少なくとも１つの梁の一端と他端の間に直列に配置された一対の圧電部材を有し、
前記圧電部材は、
前記中梁上に設けた下電極と、
前記下電極上に設けた圧電素子と、
前記圧電素子上に設けた上電極とを有し、
前記一対の圧電部材の下電極同士若しくは上電極同士が接続されていることを特徴とする請求項１または２の何れかの請求項に記載された振動発電機。 The power generation unit is arranged in series between one end and the other end of at least one beam of the first side beam, the second side beam, the third side beam, and the fourth side beam. Having a pair of piezoelectric members;
The piezoelectric member is
A lower electrode provided on the intermediate beam;
A piezoelectric element provided on the lower electrode;
An upper electrode provided on the piezoelectric element;
The vibration generator according to claim 1, wherein lower electrodes or upper electrodes of the pair of piezoelectric members are connected to each other. 前記第１の側梁の他端と前記第２の側梁の一端は、前記貫通孔の一方の長辺で固定端とされ、
前記第３の側梁の他端と前記第４の側梁の一端は、前記貫通孔の他方の長辺で固定端とされることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載された振動発電機。 The other end of the first side beam and the one end of the second side beam are fixed ends at one long side of the through hole,
One end of the other end and the fourth side beams of the third side beams, a request for any one of claims 1 to 3, characterized in that it is a fixed end at the other long side of the through hole The vibration generator described in the section. 前記第１の側梁の他端と前記第３の側梁の他端は、前記貫通孔の一方の短辺で固定端とされ、
前記第２の側梁の一端と前記第４の側梁の一端は、前記貫通孔の他方の短辺で固定端とされることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載された振動発電機。 The other end of the first side beam and the other end of the third side beam are fixed ends at one short side of the through hole,
One end to one end of the fourth side beams of the second side beam, any one of claims 1 to 3, characterized in that it is a fixed end at the other short side of the through hole The vibration generator described in 1.