JPH1118445A

JPH1118445A - 圧電型発電機及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1118445A
Application number: JP9162843A
Authority: JP
Inventors: Dong-Kuk Kim; 東局金
Original assignee: Daewoo Electronics Co Ltd
Current assignee: WiniaDaewoo Co Ltd
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1999-01-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】自動車などのエンジンの機械的振動エネルギ
ーを利用して電気を発生させる圧電型発電機及びその製
造方法を提供する。【解決手段】圧電型発電機２００は多数の圧電要素２
０５から発生する電気を蓄電池１５０に充電するための
電気回路１０５を備える。それぞれの圧電要素は圧電薄
膜２１０、該圧電薄膜２１０を支持する支持部材２２０
を有し、基板との衝突を防止するために、上向きに反る
ように残有能力が予め形成されたカンチレバー形状を有
する。圧電薄膜２１０はＰＺＴで構成され、支持部材２
２０は窒化物で構成される。電気回路１０５には圧電要
素から発生する直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換器
１３０、変圧器１４０、及び蓄電池１５０から電流が放
電することを防止するダイオード１６０が提供される。
エンジンが振動すると、圧電薄膜２１０に生成する応力
により電流が発生し、電気回路１０５を通して蓄電池１
５０に充電される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電型発電機及びそ
の製造方法に関するものであり、より詳細には機械的振
動源の振動エネルギーを利用して電気を発生させる圧電
型発電機及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】所定の特定の結晶群では圧電現象が存在
する。一般に、圧電現象は正圧電効果及び逆圧電効果を
伴う。正圧電効果は圧電材料に力または応力を加える時
に電荷が発生することを称し、逆圧電効果はこれとは反
対に圧電材料に電流が流れる時に応力が発生して変位を
起こす効果を称する。従って、圧電現象により電気的エ
ネルギーと機械的エネルギーの相互変換が可能である。
前述した圧電現象のうちで正圧電効果は機械的な変化を
電流の形態として検出するセンサ分野で広く利用され、
逆圧電効果は主にアクチュエータの原理として利用され
る。

【０００３】圧電物質の圧電性が発見されて以来、前記
正電圧効果を利用して機械的な変化を感知するセンサが
開発されてきた。その一例が“圧電型加速センサ”とい
う名称でNakayama Shiroなどによる米国特許第４，９２
４，１３１号に開示されている。前記Nakayama Shiroの
センサは圧電ポリマメンブレン要素と膜壁を備えて、前
記圧電要素の変形により発生する電流を利用して前記膜
壁に加えられる加速を測定する。また、圧電性を利用す
るセンサの他の例が“液体の粘性及び比重測定装置”と
いう名称としてMiura Shinsukeなどによる米国特許第
４，９０４，４９９号、“多次元力センサ”という名称
としてHolm-Kennedy，James W.などによる米国特許第
５，０８３，４６６号などに多数開示されている。

【０００４】また、圧電要素を自動車のエンジンに取り
付けてエンジンのノッキングや振動を測定するセンサの
例が“振動センサ”という名称でTakeuchi Tadashiな
どによる米国特許第４，６７２，８３９号、また“ノッ
キングセンサ”という名称でEntenmann Robertなどに許
されRobert Bosch Gmbhに譲渡された米国特許第４，６
６０，４１０号などに開示されている。

【０００５】近来には正圧電効果をより積極的に利用し
て圧電要素に加えられる応力から有用な電気エネルギー
を発生させる圧電型発電機に関する種々の研究がなされ
てきた。このような圧電型発電機の一例は“圧電型発電
機”という名称でCero, Jr.,Joseph T.などによる米国
特許第５，３４１，０６２号に開示されている。“自動
車装着圧電型発電機”という名称でCharles G. Triplet
tによる米国特許第４，５０４，７６１号は自動車のタ
イヤに装着されて自動車の輪の回転時にタイヤに加えら
れる応力を利用して電気を発生させる圧電型発電機を開
示する。また、“風力発電機及び速度計”という名称で
David B. Changによる米国特許第５，２２３，７６３号
は渦流により圧電要素から電気を発生させる圧電型発電
機を開示する。

【０００６】図１は前記triplettの圧電型発電機が装着
されたタイヤを概略的に示す。図１を参照して前記trip
lettの圧電型発電機は自動車のタイヤ２０の内壁２２の
上部に取り付けられる多数の圧電要素１２を有する圧電
アレー、及び前記圧電要素１２に応力を加えるための部
材１４を備える。自動車の走行時にタイヤ２０の回転毎
に前記それぞれの応力部材１４がそれに対応する圧電要
素１２と接触して応力を加え、これにより前記圧電要素
１２には電気が発生する。前記圧電要素１２から発生す
る電流は自動車の蓄電池または電気システムに電気的に
接続される。

【０００７】図２は風を利用して電気を発生させる前記
窓の圧電型発電機を示す。図２を参照して前記窓の発電
機は風を案内するコンジット３０、及び渦流４２Ａ〜４
２Ｄを形成させる隔壁４０を備える。風が案内される経
路上には多数の圧電要素５０Ａ〜５０Ｆが所定の距離だ
け離隔されて配置され、前記圧電要素５０Ａ〜５０Ｆに
は渦流４２Ａ〜４２Ｆにより応力が加えられる。従っ
て、前記渦流４２Ａ〜４２Ｆにより応力を受ける圧電要
素５０Ａ〜５０Ｆには電気が発生する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電現
象を利用して積極的に機械的エネルギーから有用な電気
的エネルギーを発生させて使用する圧電型発電機に対し
てその有用性にもかかわらず現在まで多くの研究がなさ
れていない。また、圧電要素の加工が難しく効率がそれ
ほど高くないために、その実用化には解決すべき多くの
課題が存する。

【０００９】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解決するためのものであり、本発明の目的は、機械的振
動源の振動エネルギーを利用して電気を発生させる圧電
型発電機を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は効果的に電気を発生さ
せる構造を有する圧電要素と電気回路を備える圧電型発
電機を提供することにある。

【００１１】本発明のさらに他の目的は前記圧電型発電
機の製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明による圧電型発電機は、圧電薄膜、及び前記
圧電薄膜に取り付けられ、前記圧電薄膜と共に機械的振
動源の振動により変形を起こす変形部及び前記変形部の
一側に一体に形成され前記圧電薄膜と前記変形部を支持
する支持部を有する圧電薄膜支持部材をそれぞれ有し、
機械的な振動源に取り付けられるウェーハ上に提供され
て前記機械的な振動源の機械的なエネルギーから電気を
発生させる多数の圧電要素と、前記圧電要素から発生す
る電気を蓄電池に充電させるための電気回路とを有す
る。

【００１３】本発明の他の特徴によると、前記圧電薄
膜、及び前記圧電薄膜支持部材の変形部及び支持部はそ
れぞれほぼ直六面体の形状を有し、前記圧電要素の一部
がカンチレバーとして作用するように、前記圧電薄膜の
長さと前記変形部の長さは前記支持部の長さに比べて十
分に長く形成される。前記圧電要素のカンチレバー部分
には上向きに反るように残有応力が形成される。前記圧
電要素のサイズは１つの圧電要素から発生する電荷量と
ウェーハに加工される圧電要素の個数の積が最大となる
ように定められる。また、前記圧電薄膜は望ましくはＺ
ｎＯ、ＰＺＴ、またはＰＬＺＴからなるグループのうち
から選択されたいずれか１つで構成され、前記圧電薄膜
支持部材は窒化物からなる。前記圧電薄膜から発生する
電荷を前記蓄電池に伝達するために、前記圧電薄膜の下
部には第１電極が形成され、前記圧電薄膜の上部には第
２電極が形成される。前記第１及びは白金、タンタル、
または白金ータンタルからなるグループのうちから選択
されたいずれか１つでそれぞれ構成される。

【００１４】さらに、本発明の他の特徴によると、前記
電気回路は一側が前記圧電要素に電気的に接続され、他
側が接地される高電圧コイル及び両側が前記蓄電池の陽
極及び陰極にそれぞれ電気的に接続される低電圧コイル
を備える変圧器を有する。前記電気回路には前記圧電要
素から発生した直流を交流に変換させるＤＣ／ＡＣ変換
器、前記蓄電池から前記変圧器を通して電流が放電する
ことを防止するダイオードが提供される。

【００１５】本発明による製造方法は、i)第１電極及び
第２電極を形成する段階を有する圧電薄膜を形成する段
階、及びii)前記第１電極及び前記第２電極が形成され
た前記圧電薄膜に取り付けられ前記圧電薄膜と共に機械
的振動源の振動により変形を起こす変形部及び前記変形
部の一側に一体に形成されて前記圧電薄膜と前記変形部
を支持する支持部を有する圧電薄膜支持部材を形成する
段階をそれぞれ有し、機械的振動源に取り付けられるウ
ェーハ上に提供されて前記機械的振動源の機械的振動エ
ネルギーから電気を発生させる多数の圧電要素を形成す
る段階と、前記圧電要素から発生する電気を蓄電池に充
電させるための電気回路を形成する段階とを有する。

【００１６】

【作用】機械的振動源が振動すると、前記圧電薄膜に生
成する応力により電流が発生し、前記電流は前記電気回
路を通して蓄電池に充電される。本圧電型発電機による
と、浪費される機械的振動エネルギーから有用な電気エ
ネルギーを効果的に発生させて電気システムなどに利用
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の好適実施例をより詳細に説明する。図３は本発明によ
る圧電型発電機の基本概念を説明するための概略図であ
る。前記圧電型発電機２００は自動車のエンジンなどの
機械的振動源１００に取り付けられる。前記機械的振動
源１００が振動すると、前記圧電型発電機２００の圧電
要素２０５に変位が加えられて電流が発生する。前記圧
電型発電機２００は蓄電池１５０に電気的に接続され
て、前記圧電型発電機２００から発生される電流は前記
蓄電池１５０に充電される。

【００１８】図４は本発明による圧電型発電機がエンジ
ンに適用された一例を示す概略図である。図４を参照し
て本発明の圧電型発電機２００は多数の圧電要素２０
５、及び前記圧電要素２０５から発生する電気を蓄電池
１５０に充電させるための電気回路１０５を有する。前
記多数の圧電要素２０５は自動車のエンジン１００の上
部に取り付けられるウェーハ上に提供される。前記エン
ジン１００にはベルトなどにより通常の交流発電機１１
０が連結される。前記交流発電機１１０は駆動時に自動
車の走行出力を減少させるために、自動車の電気システ
ム１２０で電気を必要としないか、あるいは蓄電池が完
全に充電された状態では駆動されることなく空回転でき
るようになっている。本発明の圧電型発電機２００はエ
ンジン１００の振動により浪費される機械的エネルギー
を利用することにより、前記交流発電機１１０とは異な
り発電中に自動車の出力を減少させないために、本発明
の圧電型発電機２００は前記交流発電機１１０に先立っ
て、または前記交流発電機１１０と共に作動する。

【００１９】図４に示すように、前記電気回路１０５は
ＤＣ／ＡＣ変換器１３０、変圧器１４０、及びダイオー
ド１６０を備える。前記圧電要素２０５には第１及び第
２端子１４８，１５６が電気的に接続される。第１及び
第２端子１４８，１５６はさらに接地と前記ＤＣ／ＡＣ
変換器１３０にそれぞれ電気的に接続され、前記圧電型
発電機２００により発生した直流はＤＣ／ＡＣ変換器１
３０に印加されて交流に変換される。また、前記ＤＣ／
ＡＣ変換器１３０は第３端子１３２を通して前記変圧器
１４０の高電圧コイル１４２に電気的に接続され、前記
高電圧コイル１４２は第４端子１４６を通して接地さ
れ、前記圧電型発電機２００から発生されて前記ＤＣ／
ＡＣ変換器１３０で変換された交流は前記高電圧コイル
１４２を通して流れる。一方、前記変圧器１４０の低電
圧コイル１４４は第５及び第６端子１５２，１５４を通
して蓄電池１５０の陽極及び陰極にそれぞれ連結され
る。

【００２０】前記ダイオード１６０は前記第６端子１５
４に提供され、前記ダイオード１６０の陽極は蓄電池１
５０の陰極に連結され、前記ダイオード１６０の陰極は
前記低電圧コイル１４４に連結される。前記ダイオード
１６０は蓄電池１５０から前記変圧器１４０を通して電
流が放電することを防止する。

【００２１】前記低電圧コイル１４４の第６端子１５４
と蓄電池１５０の陰極は第１連結点ＣＮ１を形成し、前
記ダイオード１６０の陰極と蓄電池１５０の陽極は第２
連結点ＣＮ２を形成する。前記第１及び第２連結点ＣＮ
１，ＣＮ２には交流発電機１１０の第１及び第２出力端
子１１２，１１４がそれぞれ連結される。自動車の電装
部品で構成される電気システム１２０の陽極及び陰極電
源供給端子は前記第１及び第２連結点ＣＮ１，ＣＮ２と
連結されて電流を供給される。

【００２２】図５は本発明による圧電型発電機に用いら
れる圧電要素を概略的に示す。図５に示すように、本発
明の圧電型発電機２００の圧電要素２０５は圧電薄膜２
１０、該圧電薄膜２１０の下部に形成された第１電極２
１３、該第１電極２１３に対応して圧電薄膜２１０の上
部に形成された第２電極２１５、及び前記第１電極２１
３の下部に形成されて前記圧電薄膜２１０を支持する圧
電薄膜支持部材２２０（以下、支持部材ともいう）を有
する。前記圧電薄膜２１０はほぼ長さＬ、厚さＴ１、及
び幅Ｂの直六面体の形状を有する。前記圧電薄膜２１０
の構成物質としてはZnO、PZT(Pb(Zr,Ti)O₃)、またはPLZ
T(Pb,La)(Zr,Ti)O₃)などが用いられる。望ましくはＰＺ
Ｔを使用して前記圧電薄膜２１０を形成する。ＰＺＴは
PbZrO₃とPbTiO₃の完全固溶体であって高温では結晶構造
が立方晶の常誘電相に存在し、常温ではＺｒとＴｉの組
成比に応じて結晶構造が斜方晶の反強誘電相、菱面体晶
の強誘電相、及び正方晶の強誘電相に存在する。

【００２３】前記第１電極２１３及び第２電極２１５は
電気伝導性に優れた白金Ｐｔ、タンタルＴａ、または白
金ータンタルＰｔ−Ｔａなどを使用して形成される。第
１電極２１３及び第２電極２１５は前記圧電薄膜２１０
から発生する電荷を伝達する。

【００２４】第１電極２１３及び第２電極２１５が形成
された前記圧電薄膜２１０は圧電薄膜支持部材２２０に
より支持される。前記支持部材２２０は窒化物ＳｉＮｘ
を使用して形成される。前記圧電薄膜支持部材２２０は
ほぼＬ字形状の断面を有し、前記圧電薄膜２１０に取り
付けられ自動車のエンジン１００の振動により前記圧電
薄膜２１０と共に変形を起こす変形部２２０Ａ、及び該
変形部２２０Ａの一側に一体に形成されて前記第１及び
第２電極２１３，２１５が形成された圧電薄膜２１０及
び該圧電薄膜２１０に取り付けられた変形部２２０Ａを
支持する支持部２２０Ｂを備える。前記変形部２２０Ａ
はほぼ長さＬ１、厚さＴ２、及び幅Ｂの直六面体の形状
であり、前記支持部２２０Ｂはほぼ長さＬ２、厚さＴＳ
及び幅Ｂの直六面体の形状を有する。図５に示すよう
に、前記変形部２２０Ａの長さＬ１は支持部２２０Ｂの
長さＬ２に比べて充分に長く形成され、前記圧電要素２
０５は長さＬ１、厚さＴＣ、及び幅Ｂの圧電カンチレバ
ーとして作用する。

【００２５】最近、日本のオムロン（ＯＭＲＯＮ）社の
M.Sakataなどは図５のような形状を有する圧電要素２０
５の圧電常数を測定するために次のような式を提案し
た。

【数１】ここで、ｄ₃₁：圧電常数Ｌ１：圧電カンチレバーの長さＱ：電荷量Ｂ：圧電カンチレバーの幅ＴＣ：圧電カンチレバーの厚さＥ：支持部材のヤング係数 δ：圧電薄膜の変位量Ｌ：圧電要素の全長前記電荷量Ｑは圧電常数の測定時に電荷増幅器から検出
される電荷量を、そして変位量δはカンチレバー形状の
圧電薄膜２１０の変位量を意味する。

【００２６】式１を検出電荷量Ｑに対して整理すると次
の通りである。

【数２】式２から分かるように、電荷量Ｑは圧電常数ｄ₃₁と正比
例するために、電荷量Ｑを増加させるためには圧電常数
ｄ₃₁が大きい圧電材料を用いることが望ましい。本発明
では８０ｐＣ／Ｎないし２２０ｐＣ／Ｎの範囲の比較的
に大きい圧電常数ｄ₃₁を有する材料を圧電薄膜２１０と
して使用する。

【００２７】前記支持部材２２０の支持部２２０Ｂの長
さＬ２が前記圧電要素２０５の全長Ｌに比べて充分に小
さく形成される。従って、解釈の単純化のためにＬ１の
値はＬと同様であると仮定できる。また、計算の便宜の
ために、前記圧電常数ｄ₃₁は１００ｐＣ／Ｎと仮定す
る。

【００２８】式１では圧電薄膜２１０の厚さＴ１が支持
部材の厚さＴ２に比べて充分に小さいものと仮定して前
記圧電薄膜２１０のヤング係数を無視した。しかしなが
ら、本発明の圧電要素２０５の振動解釈において、前記
圧電薄膜２１０の下部及び上部に形成される前記第１及
び第２電極２１３，２１５の厚さは無視するが、前記圧
電薄膜２１０の厚さＴ１を無視せず二重層での有効ヤン
グ係数を利用する。圧電薄膜のヤング係数をＥ１とし、
支持部材のヤング係数をＥ２とするとき、二重層での有
効ヤング係数Ｅ_eqは式３のようである。

【数３】

【００２９】一方、図６は本発明に用いられる圧電要素
の振動特性を解釈するための簡単な機械的なモデルを示
す。図６を参照して、カンチレバー形状の圧電要素２０
５の機械的モデルは質量ｍを有する質量体、スプリング
常数ｋを有するスプリング、及び減衰係数ｃのダンパを
備える。前記スプリングと前記ダンパは前記質量体に並
列に連結される。質量体の変位をｘとするとき、前記機
械的モデルに振動源による外力Ｆ＝Asin(ωt)（ここ
で、Ａは振動源の振幅で、ωは振動源の振動数であり、
ｔは時間である）が作用するときの前記質量体の運動方
程式は次の式４のようである。

【数４】

【００３０】前記微分方程式の式４の解は式５のようで
ある。

【数５】ここで、δは圧電要素２０５の相対変位、Ａは振動源の
振幅、ζは減衰比、そしてγは振動源の振動数ωと前記
機械的モデルの固有振動数ω_nとの比、すなわち振動数
比ω／ω_nを示す。

【００３１】前記機械的モデルの固有振動数ω_nは式６
のようである。

【数６】ここで、Ｋ_eqは有効スプリング常数、そしてＭ_eqは有効
質量を示す。

【００３２】前記カンチレバーを構成するＰＺＴと窒化
物のヤング係数及び密度などの物性値は既存の発表され
た材料を利用し、圧電薄膜２１０と変形部２２０Ａの厚
さはそれぞれ１μｍと設定した。計算に利用された材料
を整理すると表１のようである。

【表１】

【００３３】また、本発明を望ましく遂行するために採
択した変数の種類とその範囲を整理すると表２のようで
ある。

【表２】

【００３４】表３は計算により得られたカンチレバー形
状の圧電要素２０５の固有振動数ω_nを示し、図７はそ
の結果を図式的に示す。

【表３】表３から分かるように、圧電要素２０５の固有振動数ω
_nはその幅Ｂとは関係なくその長さＬの自乗に反比例す
る。

【００３５】本発明では最大の電荷量を発生させる圧電
要素２０５の大きさを決定するために式２を利用する。
式２を参照すると、一定の面積を有する円形のウェーハ
上に加工できる圧電要素２０５の個数とそれぞれの圧電
要素２０５から発生する電荷量の積が最大化するための
最も重要な変数は圧電要素２０５の長さＬであることが
分かる。

【００３６】図８は振動の振幅Ａが０．５ｍｍである時
に１つの圧電要素２０５から発生する電荷量Ｑを圧電要
素２０５の長さＬと幅Ｂに対して示す。図８から分かる
ように、発生電荷量Ｑは圧電要素２０５の幅Ｂに線形的
に比例する。また、図５の点Ｐを参照して圧電要素２０
５の幅Ｂが１００μｍであり、長さＬが１０００μｍの
際に振動サイクル毎に約２ｎＣの電荷量が発生すること
が分かる。

【００３７】図９は８インチのＳｉ−ウェーハ上の一定
の面積に加工可能な圧電要素２０５の個数Ｎを圧電要素
２０５の長さＬと幅Ｂに対して示す。また、図１０は１
つの圧電要素から発生する電荷量Ｑ（図８参照）と８イ
ンチのＳｉ−ウェーハ上に加工され得る圧電要素２０５
の個数Ｎ（図９参照）の積を図式的に示す。図１０を参
照して８インチのＳｉ−ウェーハの一枚にマイクロ加工
されるカンチレバー圧電要素２０５で構成される圧電ア
レーを１ｋＨｚと加振させる時に発生する電荷量は最大
秒当たり０．６４８Ｃであり、従って６４８ｍＡの電流
が発生する。

【００３８】本発明による圧電型発電機２００において
電荷発生量Ｑを増加させるのに重要な物性値は圧電薄膜
２１０の圧電常数ｄ₃₁と圧電薄膜支持部材２２０のヤン
グ係数Ｅ２である。式２から分かるように、発生電荷量
Ｑは圧電薄膜２１０の圧電常数ｄ₃₁と支持部材２２０の
ヤング係数Ｅ２に正比例して増加する。

【００３９】カンチレバー形状の圧電要素２０５の自重
による変形は計算により０．６７８μｍで無視できる程
度である。一方、振動の振幅が０．５ｍｍの時に圧電要
素２０５の変位量δは圧電要素２０５の長さＬが１００
０μｍの時に最大３７μｍ（＝５００μｍ×０．０７
４）に達する。ところが、前記圧電要素２０５の変位量
δは運動空間となる犠牲層の厚さと比較する時に非常に
大きい値であり、作動中に基板との衝突により前記圧電
要素２０５は破損されるなどの望ましくない結果がもた
らされる。従って、前記支持部材２２０のヤング係数Ｅ
２を小さくすることにより、電荷発生量が増加するにも
かかわらずその値を小さくすることには限界がある。前
記の理由により本発明の支持部材２２０のヤング係数Ｅ
２は実際に２００×１０⁹Ｎ／ｍないし４００×１０⁹Ｎ
／ｍの範囲に値を有するように定められる。

【００４０】また、前記圧電要素２０５の厚さＴＣを薄
くして発生電荷量Ｑを増大させ得るにもかかわらず、前
記圧電要素２０５の厚さＴＣを減少させるにも限界があ
る。反面、ＰＺＴ結晶化の過程中に発生する体積の収縮
により前記問題点がある程度解決され得ると期待され
る。本発明による圧電型発電機２００では圧電要素２０
５の厚さＴＣをなるべく薄くしながらも圧電要素２０５
の基板との衝突をより効果的に防止するために、事前に
圧電薄膜支持部材２２０に残有応力を生成させて犠牲層
の除去後に前記圧電要素２０５を上向きに反らせる。

【００４１】本発明による圧電要素からなる圧電アレー
はマイクロ加工により製造される。前記圧電アレーは圧
電薄膜をＳｉ−ウェーハ上に直接製造するＭＥＭＳ(Mic
roElectro Mechanical System)を利用して製造され、機
械的疲労寿命を延長させるために、前記圧電アレーはＳ
ｉ−ウェーハ自体にクラックが発生しやすい容積マイク
ロ加工よりは表面マイクロ加工により製造される。

【００４２】以下、前述した圧電要素２０５の製造方法
を図面を参照して詳細に説明する。図１１Ａないし図１
１Ｄは図５に示す圧電要素２０５の製造工程図である。
図１１Ａないし図１１Ｄにおいて、図５と同様の部材に
対しては同一の参照符号を付する。

【００４３】図１１Ａを参照すると、まず軽質の基板３
００上に低圧化学気相蒸着方法（ＬＰＣＶＤ）を利用し
て犠牲層３０５を形成する。犠牲層３０５はリンシリケ
ートガラス（ＰＳＧ）を使用して１．０〜５．０μｍ程
度の厚さを有するようにする。次いで、前記支持部材２
２０の支持部２２０Ｂが形成される位置を考慮して、前
記犠牲層３０５の一部を食刻して除去する。

【００４４】図１１Ｂを参照すると、前記基板３００の
上部及び前記犠牲層３０５の上部に低圧化学気相蒸着方
法を使用して支持層２１９を形成する。前記支持層２１
９は窒化物を使用して０．５〜２．０μｍ、望ましくは
１．０μｍ程度の厚さを有するように形成する。前記支
持層２１９は後に支持部材２２０にパターニングされ
る。前記支持層２１９の上部には第１電極層２１２が形
成される。第１電極層２１２は電気伝導性に優れた白金
Ｐｔ、タンタルＴａ、または白金ータンタルＰｔ−Ｔａ
などの金属を、スパッタリング方法または化学気相蒸着
方法を使用して０．１〜１．０μｍ、望ましくは０．１
μｍ程度の厚さを有するように形成する。第１電極層２
１２は後に第１電極２１３にパターニングされる。

【００４５】前記第１電極層２１２の上部にはゾル−ゲ
ル法、化学気相蒸着方法、またはスパッタリング方法を
使用して圧電層２０９が形成される。圧電層２０９はＺ
ｎＯ、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなどの圧電物質を使用して、
０．５〜２．０μｍ程度の厚さを有するように形成され
る。望ましくは、圧電層２０９はＰＺＴをゾル−ゲル法
を利用して１．０μｍ程度の厚さを有するように形成す
る。次いで、圧電層２０９を急速熱処理（ＲＴＡ）方法
を利用して熱処理した後、ポーリングさせる。圧電層２
０９は後に圧電薄膜２１０にパターニングされる。

【００４６】前記圧電層２０９の上部には第２電極層２
１４が形成される。第２電極層２１４は第１電極層２１
２と同一の物質及び方法を使用して同様の厚さを有する
ように形成する。第２電極層２１４は後に第２電極２１
５にパターニングされる。

【００４７】図１１Ｃを参照すると、前記第２電極層２
１４の上部に第１フォトレジスト（図示せず）を塗布し
た後、前記第１フォトレジストを食刻マスクとして使用
して前記第２電極層２１４、圧電層２０９、第１電極層
２１２、及び支持層２１９をパターニングしてそれぞれ
四角形の形状を有する第２電極２１５、圧電薄膜２１
０、第１電極２１３及び支持部材２２０を形成する。次
いで、前記結果物の上部及び側部に第２フォトレジスト
をスピンコーティング方法を使用して１．５〜２．０μ
ｍ程度の厚さを有する保護層３１０を形成する。前記保
護層３１０は後に犠牲層３０５を除去する間に第１電極
２１３及び第２電極２１５が形成された圧電薄膜２１０
を保護する機能を遂行する。

【００４８】図１１Ｄを参照すると、前記犠牲層３０５
をフルオロ化水素（ＨＦ）蒸気または水酸化カリウム
（ＫＯＨ）蒸気を使用して食刻して除去する。次いで、
前記保護層３１０を食刻して除去した後、前記基板３０
０を分離して圧電要素２０５を完成する。

【００４９】以下、本発明による圧電型発電機の作用に
対して説明する。自動車のエンジン１００の作動時にピ
ストンがシリンダ内を往復運動することにより、振動が
発生する。自動車エンジン１００が振動すると、前記自
動車エンジン１００の上部に取り付けられた前記圧電型
発電機２００のカンチレバー形状の圧電要素２０５に周
期的な外力が加えられて、前記圧電要素２０５は変位を
起こす。前記圧電要素２０５に生成する変位により前記
圧電要素２０５にはその正圧電効果により電流が発生す
る。

【００５０】本発明による圧電型発電機２００では予め
圧電薄膜支持部材２２０に残有応力を生成させて犠牲層
の除去後に前記圧電要素２０５を上向きに反らせること
により、圧電要素２０５の厚さＴＣをなるべく薄くしな
がらも圧電要素２０５の基板との衝突がより効果的に防
止される。前記圧電要素２０５のサイズは１つの圧電要
素２０５から発生する電荷量とウェーハに加工される圧
電要素２０５の個数の積が最大となるように定められる
ことにより効果的に電気を発生させる。

【００５１】前記圧電要素２０５から発生する電流は前
記電気回路１０５により自動車の蓄電池１５０に充電さ
れる。前記圧電要素２０５から発生する直流は前記電気
回路１０５のＤＣ／ＡＣ変換器１３０により交流に変換
される。前記交流は前記変圧器１４０の高電圧コイル１
４２を通して流れ、前記変圧器１４０の低電圧コイル１
４４は蓄電池１５０の陰極と陽極にそれぞれ連結されて
電気が充電される。前記変圧器１４０と前記蓄電池１５
０との間に提供されるダイオード１６０により蓄電池１
５０から前記変圧器１４０を通して電流が放電されるの
が防止される。また、前記蓄電池１５０は自動車の通常
の交流発電機１１０に連結され前記交流発電機から電流
を供給される。前記交流発電機１１０は駆動時に自動車
の走行出力を減少させるために、自動車の電気システム
１２０で電気を必要としないか、あるいは完全に充電さ
れた状態では駆動されることなく空回転できるようにな
っている。本発明の圧電型発電機２００はエンジン１０
０の振動により浪費される機械的エネルギーを利用する
ことにより、前記交流発電機１１０とは異なり発電中に
自動車の出力を減少させないために、本発明の圧電型発
電機２００は前記交流発電機１１０に代わってまたは前
記交流発電機１１０と共に作動する。

【００５２】本発明を実施例によって詳細に説明した
が、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属す
る技術分野において通常の知識を有する者であれば本発
明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または
変更できるであろう。

【００５３】

【発明の効果】以上で説明したように、本発明による圧
電型発電機により浪費される機械的振動エネルギーから
有用な電気エネルギーを発生させ得る。また、同一の面
積のウェーハ上で最大限多くの電荷量が発生されるよう
に、圧電型発電機に用いられる圧電要素の形状、サイ
ズ、物性値を選択することにより、効果的に電気を発生
させるのが可能である。また、本発明による圧電型発電
機により提供される電気回路により圧電要素から発生す
る電気を効果的に蓄電池に充電できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】タイヤに装着された従来の圧電型発電機を説明
する概略図である。

【図２】風を利用して電気を発生させる従来の圧電型発
電機を説明する概略図である。

【図３】本発明による圧電型発電機の基本概念を説明す
る概略図である。

【図４】本発明の一実施例による圧電型発電機を示す概
略図である。

【図５】図４の圧電型発電機に用いられる圧電要素を示
す斜視図である。

【図６】図５の圧電要素の振動特性を解釈するための機
械的なモデルを示す概略図である。

【図７】ＡないしＣは図５の圧電要素の固有振動数を図
式的に示すグラフである。

【図８】図５の圧電要素から発生する電荷量を図式的に
示すグラフである。

【図９】一定の面積のウェーハ上に加工可能な圧電要素
の個数を図式的に示すグラフである。

【図１０】一定の面積のウェーハ上から発生する総電荷
量を図式的に示すグラフである。

【図１１】ＡないしＤは図５に示す圧電要素の製造工程
図である。

【符号の説明】

１０５電気回路１１０交流発電機１２０電気システム１３０ＤＣ／ＡＣ変換器１４０変圧器１４２高電圧コイル１４４低電圧コイル１５０蓄電池１６０ダイオード２００圧電型発電機２０５圧電要素２１３，２１５第１及び第２電極２１０圧電薄膜２２０圧電薄膜支持部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電薄膜、及び該圧電薄膜の下部に形成
され、前記圧電薄膜と共に機械的振動源の振動により変
形を起こす変形部及び該変形部の一側に一体に形成され
前記圧電薄膜と前記変形部を支持する支持部を有する圧
電薄膜支持部材をそれぞれ有し、機械的な振動源に取り
付けられるウェーハ上に提供されて前記機械的な振動源
の機械的な振動エネルギーから電気を発生させる多数の
圧電要素と、前記圧電要素から発生する電気を蓄電池に充電させるた
めの電気回路とを有することを特徴とする圧電型発電
機。
【請求項２】前記圧電薄膜から発生する電荷を前記蓄
電池に伝達するために前記圧電薄膜の下部には第１電極
が形成され、前記圧電薄膜の上部には第２電極が形成さ
れることを特徴とする請求項１に記載の圧電型発電機。
【請求項３】前記第１電極及び第２電極は白金、タン
タル、及び白金−タンタルからなるグループのうちから
選択されたいずれか１つでそれぞれ構成されることを特
徴とする請求項２に記載の圧電型発電機。
【請求項４】前記機械的振動源はエンジンであること
を特徴とする請求項１に記載の圧電型発電機。
【請求項５】前記圧電薄膜、及び前記圧電薄膜支持部
材の変形部及び支持部はそれぞれほぼ直六面体の形状を
有し、前記圧電要素の一部がカンチレバーとして作用す
るように、前記圧電薄膜の長さと前記変形部の長さは前
記支持部の長さに比べて十分に長く形成されることを特
徴とする請求項１に記載の圧電型発電機。
【請求項６】前記圧電要素のカンチレバー部分には上
向きに反るように残有応力が形成されることを特徴とす
る請求項５に記載の圧電型発電機。
【請求項７】前記圧電薄膜はＺｎＯ、ＰＺＴ、または
ＰＬＺＴからなるグループのうちから選択されたいずれ
か１つで構成されることを特徴とする請求項１に記載の
圧電型発電機。
【請求項８】前記圧電薄膜支持部材は窒化物からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電型発電機。
【請求項９】前記圧電薄膜の圧電常数は８０ｐＣ／Ｎ
ないし２２０ｐＣ／Ｎであることを特徴とする請求項１
に記載の圧電型発電機。
【請求項１０】前記圧電薄膜支持部材のヤング係数は
２００×１０⁹Ｎ／ｍないし４００×１０⁹Ｎ／ｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電型発電機。
【請求項１１】前記圧電要素のサイズは１つの圧電要
素から発生する電荷量とウェーハに加工される圧電要素
の個数の積が最大となるように定められることを特徴と
する請求項１に記載の圧電型発電機。
【請求項１２】前記電気回路は前記圧電要素に電気的
に接続された第１端子、一側が前記圧電要素に電気的に
接続され、他側が接地される第２端子、一側が前記第１
端子に電気的に接続され、他側が接地される高電圧コイ
ル及び両側が前記蓄電池の陽極及び陰極にそれぞれ電気
的に接続される低電圧コイルを備える変圧器を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の圧電型発電機。
【請求項１３】前記電気回路は前記圧電要素から発生
した直流を交流に変換させるために前記第１端子に提供
されるＤＣ／ＡＣ変換器をさらに有することを特徴とす
る請求項１２に記載の圧電型発電機。
【請求項１４】前記電気回路は前記蓄電池から前記変
圧器を通して電流が放電されることを防止するために、
前記蓄電池と前記変圧器との間に提供されるダイオード
をさらに有することを特徴とする請求項１２に記載の圧
電型発電機。
【請求項１５】 i)その下部に第１電極及びその上部に
第２電極を形成する段階を有する圧電薄膜を形成する段
階、及びii)前記第１電極及び第２電極が形成された前
記圧電薄膜に取り付けられ前記圧電薄膜と共に機械的振
動源の振動により変形を起こす変形部及び前記変形部の
一側に一体に形成されて前記圧電薄膜と前記変形部を支
持する支持部を有する圧電薄膜支持部材を形成する段階
を有し、機械的振動源に取り付けられるウェーハ上に提
供されて前記機械的振動源の機械的振動エネルギーから
電気を発生させる多数の圧電要素を形成する段階と、前
記圧電要素から発生する電気を蓄電池に充電させるため
の電気回路を形成する段階とを有することを特徴とする
圧電型発電機の製造方法。
【請求項１６】前記圧電薄膜支持部材を形成する段階
は、基板上に低圧化学気相蒸着方法を利用して犠牲層を
形成する段階及び前記犠牲層の一部を食刻して除去する
段階の後に遂行されることを特徴とする請求項１５に記
載の圧電型発電機の製造方法。
【請求項１７】前記犠牲層を形成する段階は、リンシ
リケートガラスを使用して１．０〜５．０μｍ程度の厚
さを有するように形成する段階であることを特徴とする
請求項１５に記載の圧電型発電機の製造方法。
【請求項１８】前記圧電要素を形成する段階は、前記
第１電極及び第２電極が形成された圧電薄膜の上部及び
側部、前記圧電薄膜支持部材の側部にフォトレジストを
使用して保護層を形成する段階及び前記犠牲層をフルオ
ロ化水素蒸気を使用して食刻する段階をさらに有するこ
とを特徴とする請求項１５に記載の圧電型発電機の製造
方法。
【請求項１９】前記圧電薄膜支持部材を形成する段階
は、窒化物を低圧化学気相蒸着方法を使用して０．５〜
２．０μｍの厚さを有するように形成する段階であるこ
とを特徴とする請求項１４に記載の圧電型発電機の製造
方法。
【請求項２０】前記圧電薄膜部材を形成する段階は、
ゾルーゲル法、化学気相蒸着方法、またはスパッタリン
グ方法を使用して遂行されることを特徴とする請求項１
４に記載の圧電型発電機の製造方法。