WO2014188649A1 - 発電装置 - Google Patents

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WO2014188649A1
WO2014188649A1 PCT/JP2014/002019 JP2014002019W WO2014188649A1 WO 2014188649 A1 WO2014188649 A1 WO 2014188649A1 JP 2014002019 W JP2014002019 W JP 2014002019W WO 2014188649 A1 WO2014188649 A1 WO 2014188649A1
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WO
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cantilever
power generation
generation device
flow path
support portion
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/002019
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English (en)
French (fr)
Inventor
純矢 小川
貴司 中川
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/185—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a power generation device, and more particularly to a power generation device that generates power using fluid excitation vibration.
  • a power generation device 201 configured as shown in FIGS. 12A, 12B and 12C has been proposed (for example, Japanese Patent Application Publication No. 2012-97673 (hereinafter referred to as “Document 1”)). .
  • the power generation device 201 includes a base 211 and a lead 213 to which the piezoelectric element 214 is fixed.
  • the base 211 has a plate 215 on which a rectangular window 212 is formed. As shown in FIG. 12A, the size of the window 212 is slightly larger than the lead 213 facing the window 212, and a slight gap through which the gas F passes is formed between the edge of the window 212 and the lead 213. Has been.
  • the lead 213 is flexible so that it can bend and vibrate in the thickness direction.
  • the lead 213 is a flexible printed board formed of FRP (Fiber Reinforced Plastics) or the like, and has an output terminal (not shown) of the piezoelectric element 214.
  • 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.
  • 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 F flows) ( Is up).
  • the distance t from the end 232 of the lead 213 to the window 212 (the upper surface of the plate 215) in a state of not vibrating is set according to the strength of the wind to be used.
  • the distance t may be set to the thickness of the end 232 of the lead 213, or to extract a large energy when the wind force is strong. Describes that the distance t may be increased.
  • the piezoelectric element 214 is a bimorph piezoelectric element, and is fixed to both front and back surfaces of the lead 213 as shown in FIGS. 12A and 12C.
  • Document 1 describes that the piezoelectric element 214 may be a unimorph piezoelectric element fixed to one of the front and back surfaces of the lead 213.
  • a power generation apparatus that converts vibration energy into electrical energy
  • a power generation device 300 having a configuration shown in FIGS. 13A and 13B has been proposed (for example, Japanese Patent Application Publication No. 2011-91318).
  • the power generation device 300 includes a cantilever-forming substrate 320 having a frame part (support part) 321 and a cantilever part 322, and a piezoelectric conversion part 324 that generates an alternating voltage in response to vibration of the cantilever part 322.
  • the piezoelectric conversion portion 324 is formed on the cantilever portion 322 on one surface side of the cantilever forming substrate 320. Further, the cantilever forming substrate 320 is integrally provided with a weight portion 323 at the tip of the cantilever portion 322.
  • the frame part 321, the cantilever part 322, and the weight part 323 are formed using an element formation substrate 420.
  • an SOI (Silicon on Insulator) substrate having a single crystal silicon layer 420c on a buried oxide film 420b on a support substrate 420a made of a single crystal silicon substrate is used.
  • the piezoelectric conversion unit 324 includes a lower electrode 324a, a piezoelectric layer 324b, and an upper electrode 324c.
  • the power generation efficiency is not sufficient, and further improvement is required.
  • the inventors of the present application considered generating the power generation device 300 with a fluid. That is, the inventors of the present application have considered arranging the power generation device in the flow field and generating the power generation device 300 using the fluid flowing in the flow field.
  • the power generation device 300 it is difficult for the power generation device 300 to generate power using a fluid.
  • An object of the present invention is to provide a power generation apparatus that can reduce the critical flow velocity of fluid-excited vibration and can improve power generation efficiency.
  • the power generation device of the present invention includes a frame-shaped support portion, a cantilever portion that is disposed inside the support portion, one end is fixed to the support portion, and the other end is a free end, and the cantilever portion
  • a piezoelectric converter that is provided and generates an AC voltage in response to vibration of the cantilever part; and a first flow path that is formed by a gap formed between the support part and the cantilever part.
  • the cantilever part is warped so that the free end is located outside the space surrounded by the inner surface of the support part.
  • the cantilever part is formed with a second flow path penetrating in the thickness direction of the cantilever part.
  • the second flow path is formed in a shape in which the inner side surface of the support portion in the cantilever portion is opened, and the support portion has the free end of the cantilever portion entering the space. It is preferable that the structural body disposed in the space so as to reduce the cross-sectional area of the second flow path is integrally provided.
  • the thickness of the structure in the direction along the thickness direction of the support portion is the same as the thickness of the support portion.
  • the second flow path is preferably formed so as to divide a part of the cantilever part into a plurality of parts in the width direction of the cantilever part.
  • the cantilever portion includes a weight portion on the free end side, and a portion on the fixed end side of the weight portion in the length direction of the cantilever portion is deformed when the cantilever portion vibrates. It is preferable that a strain generating portion that generates strain is formed, the second flow path is formed in the weight portion, and the piezoelectric conversion portion is provided in the strain generating portion.
  • the cantilever part also forms the second flow path in the strain generating part.
  • the piezoelectric conversion unit includes a plurality of piezoelectric conversion elements, and at least two of the plurality of piezoelectric conversion elements are electrically connected in series.
  • the power generation device of the present invention it is possible to reduce the critical flow velocity of the fluid excitation vibration, and to improve the power generation efficiency.
  • FIG. 1A is a schematic plan view of the power generator of Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a first modification of the power generation device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a second modification of the power generation device according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a schematic plan view of the power generation device according to the second embodiment. 4B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 4A.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the power generation apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan view of a first modification of the power generation device according to the second embodiment.
  • FIG. 7A is a schematic plan view of the power generation device of the third embodiment.
  • FIG. 7B is a schematic cross-sectional view taken along the line X1-X1 of FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a schematic cross-sectional view taken along the line X2-X2 of FIG. 7A.
  • FIG. 8 is a schematic plan view of a first modification of the power generation device according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic plan view of a second modification of the power generation device according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of a third modification of the power generation device according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of a fourth modification of the power generation device according to the third embodiment.
  • FIG. 12A is a schematic plan view of a conventional power generator.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 12A.
  • 12C is a YY cross-sectional view of FIG. 12A.
  • FIG. 13A is a schematic plan view of a conventional power generation device.
  • 13B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 13A.
  • the power generation device 1a includes a frame-shaped support portion 11, a cantilever portion 12 that is disposed inside the support portion 11, one end is fixed to the support portion 11, and the other end is a free end 12b.
  • the cantilever portion A piezoelectric converter 14 that generates an alternating voltage in response to vibration of the cantilever part 12 and a first flow path 15a that is formed by a gap formed between the support part 11 and the cantilever part 12; I have.
  • the cantilever portion 12 is warped so that the free end 12b is located outside the space 19 surrounded by the inner side surface 11b of the support portion 11.
  • a second flow path 15b penetrating in the thickness direction of the cantilever portion 12 is formed.
  • the power generation device 1a can achieve a reduction in the generation limit flow rate of the fluid excitation vibration, and can improve the power generation efficiency.
  • the fluid-excited vibration is vibration of the cantilever part 12 generated when the fluid flowing through the flow field passes through the first flow path 15a in a state where the power generation device 1a is disposed in the flow field.
  • This fluid excitation vibration is self-excited vibration.
  • the fluid include air, gas, a mixed gas of air and gas, and liquid.
  • 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 may be other than these.
  • 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 12 can be generated.
  • the inventors of the present application contemplate the present invention by paying attention to the following (1) to (3) relating to the power generation apparatus of the reference embodiment having the same basic configuration as the power generation apparatus 1a and not provided with the second flow path 15b. It came to.
  • the generation limit flow velocity of the cantilever portion 12 that self-excites and receives fluid is proportional to the square root of the mass per unit length of the cantilever portion 12.
  • the power generation device includes a first surface 121 side and a second surface 122 side of the cantilever portion 12 that are generated when a fluid passes through a first flow path 15 a provided between the support portion 11 and the cantilever portion 12. Self-excited vibration occurs due to the pressure difference between the cantilever portion 12 and the elasticity of the cantilever portion 12. Therefore, the power generating device can increase the amplitude of the free end 12b of the cantilever part 12 by increasing the cross-sectional area of the first flow path 15a with respect to the area of the cantilever part 12.
  • the amount of power generation can be increased by increasing the area of the piezoelectric conversion unit 14.
  • the power generation device 1a of the present embodiment includes a first flow path 15a configured by a gap formed between the support portion 11 and the cantilever portion 12, and the cantilever portion 12 has a free end 12b. Is warped so as to be located outside the space 19 surrounded by the inner side surface 11 b of the support portion 11. Further, in the power generation device 1 a, a second flow path 15 b that penetrates the cantilever part 12 in the thickness direction of the cantilever part 12 is formed. Therefore, the power generation device 1a can achieve a reduction in the generation limit flow rate of the fluid excitation vibration, and can improve the power generation efficiency.
  • the power generation device 1a is manufactured using a manufacturing technology of MEMS (micro-electromechanical mechanical systems).
  • a support portion 11 and a cantilever portion 12 are formed from a substrate 10.
  • the power generation device 1 a has a cantilever portion 12 formed on the first surface 101 side in the thickness direction of the substrate 10.
  • the substrate 10 an SOI substrate in which a silicon layer 10c is formed on a silicon oxide film (buried oxide film) 10b on a silicon substrate 10a is used.
  • the first surface 101 of the substrate 10 is a (100) surface, but is not limited to this, and may be a (110) surface, for example.
  • the support portion 11 is formed of a silicon substrate 10a, a silicon oxide film 10b, and a silicon layer 10c among SOI substrates.
  • the cantilever part 12 is formed from the silicon layer 10c of the SOI substrate.
  • the cantilever part 12 has elasticity. In short, the cantilever part 12 is supported by the support part 11 so as to be swingable.
  • the substrate 10 and the piezoelectric conversion unit 14 are electrically insulated by a first insulating film 18 a formed on the first surface 101 side of the substrate 10.
  • the first insulating film 18a can be composed of, for example, a silicon oxide film.
  • the power generation device 1 a may include a second insulating film (not shown) made of a silicon oxide film on the second surface 102 side in the thickness direction of the substrate 10.
  • the first insulating film 18a and the second insulating film can be formed by, for example, a thermal oxidation method.
  • the method of forming the first insulating film 18a and the second insulating film is not limited to the thermal oxidation method, and may be, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
  • the substrate 10 is not limited to an SOI substrate, and a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, a magnesium oxide (MgO) substrate, a metal substrate, a glass substrate, a polymer substrate, or the like can also be used.
  • the power generation apparatus 1a uses an insulating substrate such as an MgO substrate, a glass substrate, or a polymer substrate as the substrate 10, the first insulating film 18a and the second insulating film are not necessarily provided.
  • the support portion 11 preferably employs a rectangular frame shape as the frame shape. That is, it is preferable that the support portion 11 has a rectangular outer peripheral shape.
  • the power generation device 1a prepares a wafer as a base of the substrate 10 at the time of manufacture, performs a pre-process for forming a large number of power generation devices 1a from the wafer, and separates the individual power generation devices 1a in a post-process.
  • the substrate 10 is an SOI substrate
  • the wafer serving as the basis of the substrate 10 is an SOI wafer.
  • the support portion 11 preferably has a rectangular outer peripheral shape, but the inner peripheral shape is not limited to a rectangular shape, and may be a polygonal shape other than a rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape, or the like. Further, the outer peripheral shape of the support portion 11 may be a shape other than a rectangular shape.
  • the cantilever portion 12 is disposed inside the support portion 11 in a plan view.
  • a slit 10d having a U-shape in plan view surrounding the cantilever portion 12 is formed in the substrate 10, so that a portion other than the fixed end 12a that is a connection portion with the support portion 11 in the cantilever portion 12 is supported. It is separated from the part 11. Thereby, the cantilever part 12 is cantilevered by the support part 11.
  • the slit 10d constitutes the first flow path 15a.
  • the piezoelectric conversion unit 14 is provided on the first surface 121 side (the first surface 101 side of the substrate 10) in the thickness direction of the cantilever unit 12.
  • the piezoelectric conversion unit 14 includes a first electrode (lower electrode) 14a provided on the first surface 121 side of the cantilever unit 12, a piezoelectric layer 14b provided on the first electrode 14a, and a piezoelectric layer 14b. And a second electrode (upper electrode) 14c provided.
  • the piezoelectric conversion unit 14 includes a piezoelectric layer 14b and a first electrode 14a and a second electrode 14c facing each other with the piezoelectric layer 14b sandwiched from both sides in the thickness direction.
  • the piezoelectric layer 14 b of the piezoelectric conversion unit 14 receives stress due to the vibration of the cantilever unit 12, and a bias of electric charge occurs between the second electrode 14 c and the first electrode 14 a, and an AC voltage is appear.
  • the power generation device 1a is a vibration type power generation device in which the piezoelectric conversion unit 14 generates power using the piezoelectric effect of the piezoelectric material.
  • the planar shape of the piezoelectric layer 14b is formed in a rectangular shape.
  • the outer size of the piezoelectric layer 14b is slightly smaller than the outer size of the first electrode 14a and slightly larger than the outer size of the second electrode 14c.
  • a region where the first electrode 14a, the piezoelectric layer 14b, and the second electrode 14c overlap in the thickness direction of the cantilever portion 12 is referred to as a piezoelectric conversion region 141.
  • the piezoelectric conversion region 141 contributes to generation of an alternating voltage.
  • the end 141 a on the fixed end 12 a side of the piezoelectric conversion region 141 is aligned with the boundary between the cantilever portion 12 and the support portion 11 in the length direction of the cantilever portion 12.
  • the power generation device 1a is positioned on the cantilever portion 12 in the length direction of the cantilever portion 12 as compared with the case where the end 141a on the fixed end 12a side of the piezoelectric conversion region 141 is closer to the cantilever portion 12 than the boundary.
  • the area of the existing piezoelectric conversion region 141 can be increased. Thereby, the power generation device 1a can improve the power generation efficiency.
  • the power generation device 1a does not contribute to power generation in the piezoelectric conversion region 141 and has a parasitic capacitance as compared with the case where the end 141a on the fixed end 12a side of the piezoelectric conversion region 141 is closer to the support portion 11 than the boundary. Therefore, it is possible to reduce the portion that is generated and improve the power generation efficiency.
  • the length direction of the cantilever part 12 is a direction along the axis of the cantilever part 12.
  • the AC voltage generated in the piezoelectric converter 14 is a sinusoidal AC voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric layer 14b.
  • the piezoelectric conversion unit 14 of the power generation device 1a generates power using self-excited vibration generated by fluid flowing through the first flow path 15a and the second flow path 15b.
  • the resonance frequency of the power generation device 1a is determined by the structural parameters and the material of the movable part composed of the cantilever part 12 and the piezoelectric conversion part 14.
  • the power generation device 1 a is provided with a first pad electrode (not shown) and a second pad electrode (not shown) on the first surface 111 side in the thickness direction of the support portion 11.
  • the first surface 111 of the support portion 11 is smoothly continuous with the first surface 121 of the cantilever portion 12 in the vicinity of the fixed end 12 a of the cantilever portion 12.
  • the second surface 112 in the thickness direction of the support portion 11 and the second surface 102 of the substrate 10 are the same.
  • the power generation device 1 a includes the second insulating film on the second surface 102 side of the substrate 10, the surface of the second insulating film becomes the second surface 112 of the support portion 11.
  • the first pad electrode is electrically connected to the first electrode 14a via a first wiring (not shown).
  • the second pad electrode is electrically connected to the second electrode 14c via a second wiring (not shown).
  • the material of the first wiring, the second wiring, the first pad electrode, and the second pad electrode is Au, but is not limited to this.
  • Mo, Al, Pt, Ir, or the like may be used.
  • the materials of the first wiring, the second wiring, the first pad electrode, and the second pad electrode are not limited to the same material, and different materials may be employed. Further, the first wiring, the second wiring, the first pad electrode, and the second pad electrode are not limited to a single layer structure, and may be a multilayer structure of two or more layers.
  • an insulating layer (not shown) that prevents a short circuit between the second wiring and the first electrode 14a is provided between the second wiring and the peripheral portion of the first electrode 14a.
  • This insulating layer is formed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be formed of, for example, a silicon nitride film.
  • the piezoelectric material of the piezoelectric layer 14b 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.
  • 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.
  • the impurity include Li, Nb, Ta, Sb, and Cu.
  • the piezoelectric layer 14b is formed of a piezoelectric thin film.
  • the material of the first electrode 14a is Pt, but is not limited thereto, and may be Au, Al, Ir, or the like, for example. Further, although Au is adopted as the material of the second electrode 14c, it is not limited to this, and for example, Mo, Al, Pt, Ir, or the like may be used.
  • the thickness of the first electrode 14a is set to 500 nm
  • the thickness of the piezoelectric layer 14b is set to 3000 nm
  • the thickness of the second electrode 14c is set to 500 nm. is not.
  • the power generation device 1a may have a structure in which a buffer layer is provided between the substrate 10 and the first electrode 14a.
  • the material of the buffer layer may be appropriately selected according to the piezoelectric material of the piezoelectric layer 14b.
  • the piezoelectric material of the piezoelectric layer 14b is PZT, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 , MgO, LaNiO 3 or the like is preferably used as the material of the buffer layer 14b.
  • the buffer layer may be constituted by a laminated film of a Pt film and a SrRuO 3 film, for example.
  • a second flow path 15b penetrating in the thickness direction of the cantilever portion 12 is formed.
  • the second flow path 15b is formed in a shape in which the inner surface 11b side of the support portion 11 in the cantilever portion 12 is opened.
  • the second flow path 15b is formed on the free end 12b side of the vertical projection region of the piezoelectric conversion unit 14 in the cantilever part 12 in the length direction of the cantilever part 12.
  • the second flow path 15b is preferably formed so as to divide a part of the cantilever part 12 into two in the width direction of the cantilever part 12 (vertical direction in FIG. 1A).
  • the second flow path 15b divides a part of the cantilever part 12 into two in the width direction of the cantilever part 12.
  • the width dimension H1 of the part on one side of the second flow path 15b in the width direction of the cantilever part 12 in the cantilever part 12 is equal to the width dimension H2 of the part on the other side. preferable.
  • the fluid inflow port 151 in the first surface 121 of the cantilever part 12 and the fluid outflow port 152 in the second surface 122 of the cantilever part 12 are along the length direction of the cantilever part 12. Is preferably formed.
  • the second flow path 15b is formed so as to divide a part of the cantilever part 12 into two in the width direction of the cantilever part 12.
  • the second flow path 15b is not limited to this.
  • the cantilever portion 12 may be formed so that a part of the cantilever portion 12 is divided into three or more in the width direction of the cantilever portion 12.
  • two second flow paths 15b may be formed so that a part of the cantilever part 12 is divided into three in the width direction of the cantilever part 12.
  • the number of parts of the cantilever part 12 divided in the width direction of the cantilever part 12 is larger, the number of the second flow paths 15b increases, the vibration of the cantilever part 12 becomes more stable, and the power generation efficiency is further increased. It is possible to improve.
  • a substrate 10 made of an SOI substrate is prepared, and then an insulating film forming step is performed.
  • a first insulating film 18a and a second insulating film made of a silicon oxide film are formed on the first surface 101 side and the second surface 102 side of the substrate 10 by using a thermal oxidation method or the like, respectively.
  • the thermal oxidation method is employed as a method for forming the first insulating film 18a and the second insulating film, but the present invention is not limited thereto, and a CVD method or the like may be employed.
  • a first conductive layer forming step for forming a first conductive layer serving as a basis of the first electrode 14a and the first wiring on the entire surface of the substrate 10 on the first surface 101 side is performed, Then, a piezoelectric material layer forming step for forming a piezoelectric material layer serving as a basis of the piezoelectric layer 14b is performed.
  • a method for forming the first conductive layer a sputtering method is employed.
  • the present invention is not limited thereto, and for example, a CVD method, a vapor deposition method, or the like may be employed.
  • a method of forming the piezoelectric material layer a sputtering method is employed, but is not limited thereto, and for example, a CVD method or a sol-gel method may be employed.
  • a first patterning step of patterning the piezoelectric material layer into a predetermined shape of the piezoelectric layer 14b is performed, and subsequently, the first conductive layer is changed to a predetermined shape of the first electrode 14a and the first wiring.
  • a second patterning step for patterning the shape is performed.
  • the piezoelectric material layer is patterned using a lithography technique and an etching technique.
  • the first conductive layer is patterned using a lithography technique and an etching technique.
  • an insulating layer forming step for forming the insulating layer on the first surface 101 side of the substrate 10 is performed.
  • the second conductive layer forming step for forming the second conductive layer serving as the basis of the second electrode 14c and the second wiring on the entire surface on the first surface 101 side of the substrate 10 is performed.
  • a third patterning step of patterning the two conductive layers into a predetermined shape of the second electrode 14c and the second wiring is performed.
  • a sputtering method is employed, but is not limited thereto, and for example, a CVD method, a vapor deposition method, or the like may be employed.
  • the second conductive layer is patterned using a lithography technique and an etching technique.
  • a third conductive layer forming step for forming a third conductive layer serving as a basis for the first pad electrode and the second pad electrode on the entire surface on the first surface 101 side of the substrate 10 is performed.
  • a fourth patterning step of patterning the third conductive layer into a predetermined shape of the first pad electrode and the second pad electrode is performed.
  • a portion other than the support portion 11 and the cantilever portion 12 (scheduled formation region of the slit 10d, planned formation region of the second flow path 15b) is first predetermined from the first surface 101 side of the substrate 10.
  • a first groove forming step is performed in which the first groove is formed by etching to a depth.
  • the first predetermined depth is a depth corresponding to the thickness of the cantilever portion 12.
  • the first groove is formed using a lithography technique, an etching technique, and the like.
  • the silicon oxide film 10b is used as an etching stopper layer.
  • a second groove forming step is performed in which a portion other than the support portion 11 is etched from the second surface 102 side of the substrate 10 to a second predetermined depth to form the second groove.
  • the second groove is formed using a lithography technique, an etching technique, or the like.
  • the silicon oxide film 10b is used as an etching stopper layer.
  • the second groove forming step power generation is performed by performing a cantilever portion forming step of forming the cantilever portion 12 together with the support portion 11 by etching a portion of the silicon oxide film 10b other than the support portion 11 by etching.
  • Device 1a is obtained.
  • the cantilever part 12 is formed together with the support part 11 using a lithography technique, an etching technique, and the like.
  • Each etching in the first groove forming step, the second groove forming step, and the cantilever portion forming step is dry etching using an inductively coupled plasma type dry etching apparatus capable of vertical deep drilling.
  • the first flow path 15a and the second flow path 15b are formed.
  • the cantilever portion 12 when the cantilever portion 12 is formed, the cantilever portion 12 can be warped by, for example, a compressive stress that is an internal stress of the piezoelectric layer 14b.
  • the process until the cantilever part forming process is completed is performed at the wafer level, and then the dicing process is performed to divide the power generation device 1a into individual power generation devices 1a.
  • the first pad electrode and the second pad electrode may be formed using a lift-off method.
  • the first pad electrode and the second pad electrode are formed by vapor deposition using a metal mask or the like. May be.
  • the cantilever portion 12 in the power generation device 1a is warped so that the free end 12b is located outside the space 19 surrounded by the inner side surface 11b of the support portion 11.
  • the free end 12b of the cantilever part 12 is located outside the space 19 on the first surface 111 side of the support part 11 as shown in FIG. 1B. Warped to be located at.
  • the cantilever portion 12 is curved so that the first surface 121 side is a concave curved surface and the second surface 122 side is a convex curved surface.
  • the free end 12b of the cantilever part 12 is positioned outside the space 19 surrounded by the inner side surface 11b of the support part 11 due to the internal stress of the piezoelectric thin film constituting the piezoelectric layer 14b.
  • the cantilever portion 12 is warped.
  • the internal stress of the piezoelectric thin film can be adjusted by appropriately setting process conditions such as gas pressure and temperature.
  • the operation of the power generation device 1a of the present embodiment will be described with the following estimation mechanism. Note that the power generation device 1a of the present embodiment is within the scope of the present invention even if the estimation mechanism is different.
  • the direction in which the fluid flows matches the thickness direction of the support portion 11, the first surface 101 side of the substrate 10 is the upstream side of the fluid, and the second surface 102 side of the substrate 10 is the downstream side of the fluid. It is preferable to arrange and use such that In the power generation device 1a, the fluid flowing from the upstream side toward the power generation device 1a has a higher flow velocity when passing through the first flow path 15a and the second flow path 15b, so the second surface 122 of the cantilever part 12 and the support part 11 The pressure in the space 10 f surrounded by the inner side surface 11 b of the inner surface 11 b decreases, and the free end 12 b of the cantilever portion 12 is displaced in a direction approaching the space 19.
  • the power generation device 1a is assumed to be displaced in a direction in which the free end 12b of the cantilever part 12 returns to the original position due to the elastic force of the cantilever part 12. In the power generation device 1a, it is assumed that the cantilever portion 12 self-excites and the piezoelectric conversion portion 14 generates power by repeating such an operation.
  • the power generation device 1a includes the first flow path 15a and the second flow path 15b, and the free end 12b of the cantilever portion 12 is located outside the space 19 surrounded by the inner surface 11b of the support portion 11. Is warping. As a result, the power generation device 1a generates a pressure difference between the first surface 121 side and the second surface 122 side of the cantilever portion 12 that is generated by a fluid flow (airflow) passing through the first flow path 15a and the second flow path 15b. Since the self-excited vibration can be generated by the elasticity of the cantilever portion 12, it is possible to generate power using a fluid.
  • the second flow path 15b penetrating in the thickness direction of the cantilever part 12 is formed in the cantilever part 12.
  • the power generation device 1a can achieve a reduction in the generation limit flow rate of the fluid excitation vibration, and can improve the power generation efficiency.
  • the power generation device 1b of the first modification is different from the power generation device 1a of the first embodiment in that the cantilever portion 12 is warped by a stress control film 119 formed on the first surface 121 side of the cantilever portion 12. A part of the stress control film 119 is also formed on the first surface 111 side of the support portion 11.
  • symbol is attached
  • the stress control film 119 is formed so as to cover the piezoelectric conversion part 14 on the first surface 121 side of the cantilever part 12.
  • the stress control film 119 is formed of a silicon oxide film, but is not limited thereto, and may be formed of, for example, a silicon nitride film.
  • the stress control film 119 may be formed on the second surface 122 side of the cantilever portion 12.
  • the power generation device 1b according to the first modification can reduce the generation limit flow velocity of the fluid excitation vibration and can improve the power generation efficiency. Become.
  • the cantilever portion 12 may be warped by the stress acting on the cantilever portion 12 due to the stress control film 119 and the internal stress of the piezoelectric layer 14b that is a piezoelectric thin film. .
  • the power generation device 1c of the second modified example is different from the power generation device 1a of the first embodiment in the area where the piezoelectric conversion portion 14 is formed in the cantilever portion 12.
  • symbol is attached
  • the power generation device 1c of the second modified example is formed so that the piezoelectric conversion unit 14 covers the first surface 121 of the cantilever unit 12 in a planar shape. Covering in a plane means covering substantially the entire surface of the first surface 121 of the cantilever portion 12, but is not limited to covering the entire surface of the first surface 121, and as shown in FIG. It is also possible to cover the entire area slightly narrower than the entire surface.
  • the piezoelectric conversion portion 14 is disposed in the vicinity of the side edge of the cantilever portion 12 so as to be separated from the side edge of the cantilever portion 12 by a specified distance.
  • the method for manufacturing the power generation device 1c according to the second modification is basically the same as the method for manufacturing the power generation device 1a according to the first embodiment, except that a photomask for patterning the piezoelectric conversion unit 14 is different.
  • the specified distance may be set so that the piezoelectric conversion portion 14 is not etched when the first groove and the second groove are formed in the method for manufacturing the power generation device 1a of the first embodiment.
  • the power generation device 1d of the present embodiment is different from the power generation device 1a of the first embodiment in the configuration of the support portion 11.
  • symbol is attached
  • the support portion 11 of the power generation device 1d includes a structure 11e arranged in the space 19 so that the cross-sectional area of the second flow path 15b is reduced when the free end 12b of the cantilever portion 12 enters the space 19. Is provided.
  • the first surface 11e1 in the thickness direction of the structure 11e (the vertical direction in FIG. 4B) is preferably on the same plane as the first surface 111 of the support portion 11.
  • the power generation device 1d includes the structure 11e, the cross-sectional area of the second flow path 15b when the first surface 121 of the cantilever portion 12 and the first surface 111 of the support portion 11 are flush with each other is obtained. It can be made smaller. As a result, the power generation device 1d can achieve a further lower flow velocity than the generation limit flow velocity of the fluid excitation vibration as compared with the power generation device 1a of the first embodiment.
  • the thickness t2 of the structure 11e in the direction along the thickness direction of the support portion 11 is preferably the same as the thickness t1 of the support portion 11.
  • the power generation device 1d can increase the rigidity of the structure 11e as compared with the case where the thickness t2 of the structure 11e is the same as the thickness of the cantilever part 12, and the structure when the cantilever part 12 vibrates. It becomes possible to suppress the deformation
  • the power generation device 1e of the first modification is formed so that the piezoelectric conversion unit 14 covers the first surface 121 of the cantilever unit 12 in a planar shape. Covering in a planar manner means covering substantially the entire first surface 121 of the cantilever portion 12, but is not limited to covering the entire surface of the first surface 121, and as shown in FIG. It is also possible to cover the entire area slightly narrower than the entire surface.
  • the piezoelectric conversion unit 14 is arranged in the vicinity of the side edge of the cantilever unit 12 so as to be separated from the side edge of the cantilever unit 12 by a specified distance.
  • the method for manufacturing the power generation device 1e according to the first modification is basically the same as the method for manufacturing the power generation device 1a of the first embodiment, and the photomask and the like for patterning the piezoelectric conversion unit 14 are different.
  • the specified distance may be set so that the piezoelectric conversion portion 14 is not etched when the first groove and the second groove are formed in the method for manufacturing the power generation device 1a of the first embodiment.
  • the power generating device 1f of the present embodiment is different from the power generating device 1d of the second embodiment in the configuration of the cantilever portion 12 and the like.
  • symbol is attached
  • the cantilever part 12 of the power generation device 1f includes a weight part 23 on the free end 12b side. Further, the cantilever portion 12 of the power generation device 1f is deformed and distorted in the length direction of the cantilever portion 12 when the portion of the cantilever portion 12 on the fixed end 12a side of the weight portion 23 is deformed when the cantilever portion 12 vibrates.
  • the generated strain generating portion 12c is configured.
  • the second flow path 15b is formed in the weight part 23, and the piezoelectric conversion part 14 is provided in the strain generating part 12c.
  • the power generation device 1 f can increase the inertial force when the cantilever portion 12 vibrates compared to the case where the weight portion 23 is not provided, and the amplitude of the cantilever portion 12. Can be increased.
  • the power generation device 1 f includes the weight portion 23 in the cantilever portion 12, when the cantilever portion 12 vibrates, it is possible to intensively generate strain in the strain generating portion 12 c and the piezoelectric conversion portion 14. Thus, it is possible to improve the power generation efficiency.
  • the power generation device 1 f can reduce the resonance frequency of the cantilever portion 12 because the cantilever portion 12 includes the weight portion 23.
  • the power generation device 1 f has the second flow path 15 b formed in the weight portion 23, it is possible to further reduce the flow limit for generating the fluid excitation vibration.
  • the power generator 1g of the first modification is different only in that the structure 11e of the power generator 1f of the present embodiment is not provided.
  • the power generation device 1g of the first modification is different only in that the weight portion 23 is provided on the cantilever portion 12 in the power generation device 1a of the first embodiment.
  • the power generation device 1g according to the first modification can further improve the power generation efficiency and further reduce the flow velocity at which the fluid excitation vibration is generated, compared to the power generation device 1a of the first embodiment. .
  • the power generator 1h of the second modification is different from the power generator 1f of the third embodiment in that the second flow path 15b is also formed in the strain generating portion 12c of the cantilever portion 12. For this reason, in the power generation device 1h of the second modification, the piezoelectric conversion unit 14 is divided into two piezoelectric conversion elements 140.
  • the piezoelectric conversion element 140 includes a first electrode 14a, a piezoelectric layer 14b, and a second electrode 14c, like the piezoelectric conversion unit 14.
  • the two piezoelectric conversion elements 140 are connected in series by a third wiring (not shown) provided on the first surface 111 side of the support unit 11.
  • the power generation device 1h can increase the output voltage.
  • the power generation device 1h includes a pad electrode (third pad electrode) electrically connected to one end of the series circuit of the two piezoelectric conversion elements 140 on the first surface 111 side of the support portion 11, and the other end. What is necessary is just to provide it with the pad electrode (4th pad electrode) electrically connected.
  • the power generation device 1h supports the structure 11e corresponding to each of the second flow path 15b provided in the weight portion 23 and the second flow path 15b provided in the strain generating portion 12c of the cantilever portion 12. 11 is integrally provided. As a result, the power generation device 1h can further reduce the flow velocity of the generation limit flow velocity of the fluid excitation vibration.
  • the power generator 1i of the third modification has a longer overall length of the second flow path 15b in the length direction of the cantilever part 12 than the power generator 1h of the second modification, and the strain generating part 12c and the weight part 23 are The point where one second flow path 15b is formed across the power generation apparatus 1h of the second modification is different.
  • the power generation device 1i can further reduce the critical flow velocity of the fluid excitation vibration, similarly to the power generation device 1h of the second modification.
  • the piezoelectric conversion unit 14 is divided into eight piezoelectric conversion elements 140.
  • the piezoelectric conversion elements are provided on both sides in the width direction of the cantilever part 12. The point where four 140 are arranged is different from the power generator 1h of the second modification.
  • the piezoelectric conversion unit 14 of the power generation device 1j for example, it is preferable that all of the eight piezoelectric conversion elements 140 are connected in series. As a result, the power generation device 1j can increase the output voltage.
  • the power generator 1j includes a first series circuit in which four piezoelectric conversion elements 140 arranged on one side of the second flow path 15b in the width direction of the cantilever portion 12 are connected in series, and the other side of the second flow path 15b.
  • a second series circuit in which the four piezoelectric transducer elements 140 arranged in the series are connected in series may be connected in parallel.
  • the power generation device 1j does not limit the number of piezoelectric conversion elements 140.
  • the piezoelectric conversion unit 14 includes a plurality of piezoelectric conversion elements 140, and at least two of the plurality of piezoelectric conversion elements 140 are electrically connected in series. It only has to be. As a result, the power generation device 1j can increase the output voltage.
  • a configuration in which the piezoelectric conversion unit 14 includes a plurality of piezoelectric conversion elements 140 and at least two of the plurality of piezoelectric conversion elements 140 are electrically connected in series may be employed in the first and second embodiments.
  • each component may be separately formed and assembled.
  • the configuration manufactured using the MEMS manufacturing technology it is possible to reduce the size as compared with a configuration in which each component is formed and assembled separately.
  • Embodiments 1 to 3 and the like The configuration of the present invention has been described based on Embodiments 1 to 3 and the like. However, the present invention is not limited to the configurations of Embodiments 1 to 3 and the like, for example, partial configurations of Embodiments 1 to 3 and the like. These may be combined as appropriate.
  • the materials, numerical values, and the like described in the first to third embodiments are merely preferable examples, and are not intended to be limiting.
  • the present invention can be appropriately modified in configuration without departing from the scope of its technical idea.

Landscapes

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

Abstract

発電装置（１ａ）は、枠状の支持部（１１）と、支持部の内側に配置され一端が支持部に固定された固定端（１２ａ）であり他端が自由端（１２ｂ）であるカンチレバー部（１２）と、カンチレバー部に設けられカンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部（１４）と、支持部と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第１流路（１５ａ）と、を備えている。カンチレバー部は、自由端が支持部の内側面（１１ｂ）により囲まれた空間（１９）の外に位置するように反っており、カンチレバー部には、カンチレバー部の厚み方向に貫通した第２流路（１５ｂ）を形成してある。

Description

発電装置
　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発電装置に関する。
　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（エナジーハーベスティング）等の分野で注目されている。
　この種の発電装置としては、例えば、図１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃに示す構成の発電装置２０１が提案されている（例えば、日本国特許出願公開番号２０１２－９７６７３（以下、「文献１」という））。
　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。
　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１２Ａ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Ｆが通過するわずかな隙間が形成されている。
　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（Fiber Reinforced Plastics）等で形成されたフレキシブルプリント基板であり、圧電素子２１４の出力端子（不図示）を有する。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。
　また、リード２１３は、図１２Ｂに示すように、端部２３２が窓２１２の外側（気体Ｆ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）。ここで、振動していない状態におけるリード２１３の端部２３２から窓２１２（プレート２１５の上面）までの距離ｔは、利用する風の強さに応じて設定されている。文献１には、例えば、風力が弱いときでもリード２１３を振動させるために、距離ｔをリード２１３の端部２３２の板厚程度にしてもよく、あるいは、風力が強いときに大きなエネルギを取り出すために、距離ｔを大きくしてもよい旨が記載されている。
　圧電素子２１４は、バイモルフ圧電素子であり、図１２Ａ、１２Ｃに示すように、リード２１３の表裏両面に固着されている。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。
　また、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置としては、例えば、図１３Ａ、１３Ｂに示す構成の発電デバイス３００も提案されている（例えば、日本国特許出願公開番号２０１１－９１３１８）。
　発電デバイス３００は、フレーム部（支持部）３２１及びカンチレバー部３２２を有するカンチレバー形成基板３２０と、カンチレバー部３２２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部３２４と、を備えている。圧電変換部３２４は、カンチレバー形成基板３２０の一表面側においてカンチレバー部３２２に形成されている。また、カンチレバー形成基板３２０は、カンチレバー部３２２の先端部に、錘部３２３が一体に設けられている。
　フレーム部３２１とカンチレバー部３２２と錘部３２３とは、素子形成基板４２０を用いて形成されている。素子形成基板４２０としては、単結晶シリコン基板からなる支持基板４２０ａ上の埋込酸化膜４２０ｂ上に単結晶のシリコン層４２０ｃを有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が用いられている。
　圧電変換部３２４は、下部電極３２４ａと、圧電層３２４ｂと、上部電極３２４ｃと、で構成されている。
　上述の発電装置２０１では、発電効率が十分ではなく、更なる改良が求められている。
　本願発明者らは、発電デバイス３００を流体により発電させることを考えた。すなわち、本願発明者らは、発電デバイスを流れ場に配置し、流れ場を流れる流体を利用して発電デバイス３００を発電させることを検討した。
　しかしながら、発電デバイス３００では、流体を利用して発電させることが難しかった。
　本発明の目的は、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な、発電装置を提供することにある。
　本発明の発電装置は、枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置され一端が前記支持部に固定された固定端であり他端が自由端であるカンチレバー部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部と、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第１流路と、を備える。前記カンチレバー部は、前記自由端が前記支持部の内側面により囲まれた空間の外に位置するように反っている。前記カンチレバー部には、前記カンチレバー部の厚み方向に貫通した第２流路を形成してある。
　この発電装置において、第２流路は、前記カンチレバー部における前記支持部の前記内側面側が開放された形状に形成されており、前記支持部は、前記カンチレバー部の前記自由端が前記空間に入ったときに前記第２流路の断面積を小さくするように前記空間内に配置された構造体が、一体に設けられていることが好ましい。
　この発電装置において、前記支持部の厚み方向に沿った方向における前記構造体の厚みが、前記支持部の厚みと同じであることが好ましい。
　この発電装置において、前記第２流路は、前記カンチレバー部の一部を前記カンチレバー部の幅方向で複数に分割するように形成されていることが好ましい。
　この発電装置において、前記カンチレバー部は、前記自由端側に錘部を備え、前記カンチレバー部の長さ方向において前記錘部よりも前記固定端側の部位が、前記カンチレバー部が振動するときに変形して歪を発生する起歪部を構成しており、前記錘部に、前記第２流路を形成してあり、前記圧電変換部は、前記起歪部に設けられていることが好ましい。
　この発電装置において、前記カンチレバー部は、前記起歪部にも前記第２流路を形成してあることが好ましい。
　この発電装置において、前記圧電変換部は、複数の圧電変換エレメントを備え、前記複数の圧電変換エレメントの少なくとも２つが電気的に直列接続されていることが好ましい。
　本発明の発電装置においては、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。
図１Ａは、実施形態１の発電装置の概略平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＸ－Ｘ概略断面図である。 図２は、実施形態１の発電装置の第１変形例の概略断面図である。 図３は、実施形態１の発電装置の第２変形例の概略平面図である。 図４Ａは、実施形態２の発電装置の概略平面図である。図４Ｂは、図４ＡのＸ－Ｘ概略断面図である。 図５は、実施形態２の発電装置の概略斜視図である。 図６は、実施形態２の発電装置の第１変形例の概略平面図である。 図７Ａは、実施形態３の発電装置の概略平面図である。図７Ｂは、図７ＡのＸ１－Ｘ１概略断面図である。図７Ｃは、図７ＡのＸ２－Ｘ２概略断面図である。 図８は、実施形態３の発電装置の第１変形例の概略平面図である。 図９は、実施形態３の発電装置の第２変形例の概略平面図である。 図１０は、実施形態３の発電装置の第３変形例の概略平面図である。 図１１は、実施形態３の発電装置の第４変形例の概略平面図である。 図１２Ａは、従来例の発電装置の概略平面図である。図１２Ｂは、図１２ＡのＸ－Ｘ断面図である。図１２Ｃは、図１２ＡのＹ－Ｙ断面図である。 図１３Ａは、従来例の発電デバイスの概略平面図である。図１３Ｂは、図１３ＡのＸ－Ｘ概略断面図である。
　（実施形態１）
　以下では、本実施形態の発電装置１ａについて図１Ａ、１Ｂに基づいて説明する。
　発電装置１ａは、枠状の支持部１１と、支持部１１の内側に配置され一端が支持部１１に固定された固定端１２ａであり他端が自由端１２ｂであるカンチレバー部１２と、カンチレバー部１２に設けられカンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部１４と、支持部１１とカンチレバー部１２との間に形成される隙間により構成される第１流路１５ａと、を備えている。カンチレバー部１２は、自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っている。カンチレバー部１２には、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。これにより、発電装置１ａは、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。
　流体励起振動は、発電装置１ａ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第１流路１５ａを通過することによって発生するカンチレバー部１２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、これら以外でもよい。
　流体励起振動の発生限界流速とは、カンチレバー部１２の自励振動が発生しうる流速の下限値を意味する。
　ところで、本願発明者らは、発電装置１ａと基本構成が同じで第２流路１５ｂを設けていない参考形態の発電装置に関する次の（１）～（３）に着目して本願発明を想到するに至った。
　（１）流体を受けて自励振動するカンチレバー部１２の発生限界流速は、カンチレバー部１２の単位長さ当たりの質量の平方根に比例する。
　（２）発電装置は、支持部１１とカンチレバー部１２との間に設けられた第１流路１５ａを流体が通過するときに発生するカンチレバー部１２の第１面１２１側と第２面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性と、に起因して自励振動が起こる。したがって、発電装置は、カンチレバー部１２の面積に対して第１流路１５ａの断面積を大きくしたほうが、カンチレバー部１２の自由端１２ｂの振幅を増大させることができる。
　（３）発電装置では、圧電変換部１４の面積を大きくしたほうが、発電量を大きくすることができる。
　（１）、（２）と（３）とは、相反する。
　これに対して、本実施形態の発電装置１ａは、支持部１１とカンチレバー部１２との間に形成される隙間により構成される第１流路１５ａを備え、カンチレバー部１２が、その自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っている。更に、発電装置１ａは、カンチレバー部１２に、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。よって、発電装置１ａは、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。
　発電装置１ａの各構成要素については、以下に詳細に説明する。
　発電装置１ａは、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造されている。
　発電装置１ａは、支持部１１とカンチレバー部１２とが、基板１０から形成されている。発電装置１ａは、基板１０の厚み方向の第１面１０１側にカンチレバー部１２が形成されている。
　基板１０としては、シリコン基板１０ａ上のシリコン酸化膜（埋込酸化膜）１０ｂ上にシリコン層１０ｃが形成されたＳＯＩ基板を用いている。基板１０の第１面１０１は、（１００）面としてあるが、これに限らず、例えば、（１１０）面でもよい。
　支持部１１は、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板１０ａとシリコン酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されている。これに対して、カンチレバー部１２は、ＳＯＩ基板のうちシリコン層１０ｃから形成されている。これにより、発電装置１ａにおけるカンチレバー部１２は、支持部１１に比べて薄肉であり、可撓性を有している。カンチレバー部１２は、弾性を有している。要するに、カンチレバー部１２は、支持部１１に揺動自在に支持されている。
　発電装置１ａは、基板１０と圧電変換部１４とが、基板１０の第１面１０１側に形成された第１絶縁膜１８ａによって、電気的に絶縁されている。第１絶縁膜１８ａは、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。発電装置１ａは、基板１０の厚み方向の第２面１０２側に、シリコン酸化膜からなる第２絶縁膜（図示せず）を備えていてもよい。第１絶縁膜１８ａ及び第２絶縁膜は、例えば、熱酸化法により形成することができる。第１絶縁膜１８ａ及び第２絶縁膜の形成方法は、熱酸化法に限らず、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等でもよい。
　基板１０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板や多結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。発電装置１ａは、基板１０として、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板等の絶縁性基板を用いる場合、第１絶縁膜１８ａ及び第２絶縁膜を必ずしも設ける必要はない。
　支持部１１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１１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１ａは、製造時に、基板１０の基礎となるウェハを準備し、このウェハから多数の発電装置１ａを形成する前工程を行い、後工程において個々の発電装置１ａに分離するような製造方法を採用する場合に、ダイシング工程の作業性を向上させることが可能となる。基板１０がＳＯＩ基板の場合、基板１０の基礎となるウェハは、ＳＯＩウェハである。
　また、支持部１１は、外周形状が矩形状であることが好ましいが、内周形状については矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状や円形状、楕円形状等の形状でもよい。また、支持部１１の外周形状は矩形状以外の形状でもよい。
　発電装置１ａは、カンチレバー部１２が、平面視において支持部１１の内側に配置されている。発電装置１ａは、基板１０に、カンチレバー部１２を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄを形成することによって、カンチレバー部１２における支持部１１との連結部位である固定端１２ａ以外の部分が、支持部１１と分離されている。これにより、カンチレバー部１２は、支持部１１に片持ち支持されている。発電装置１ａは、スリット１０ｄが、第１流路１５ａを構成している。
　圧電変換部１４は、カンチレバー部１２の厚み方向の第１面１２１側（基板１０の第１面１０１側）に設けられている。圧電変換部１４は、カンチレバー部１２の第１面１２１側に設けられた第１電極（下部電極）１４ａと、第１電極１４ａ上に設けられた圧電体層１４ｂと、圧電体層１４ｂ上に設けられた第２電極（上部電極）１４ｃと、を備えている。要するに、圧電変換部１４は、圧電体層１４ｂと、圧電体層１４ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極１４ａ及び第２電極１４ｃと、を備えている。
　発電装置１ａは、カンチレバー部１２の振動によって圧電変換部１４の圧電体層１４ｂが応力を受け第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部１４において交流電圧が発生する。要するに、発電装置１ａは、圧電変換部１４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動型の発電装置である。
　圧電体層１４ｂの平面形状は、矩形状に形成されている。圧電変換部１４は、圧電体層１４ｂの外形サイズが、第１電極１４ａの外形サイズよりもやや小さく、且つ、第２電極１４ｃの外形サイズよりもやや大きい、のが好ましい。以下では、カンチレバー部１２の厚み方向において第１電極１４ａと圧電体層１４ｂと第２電極１４ｃとが重なっている領域を、圧電変換領域１４１と称する。圧電変換部１４は、圧電変換領域１４１が、交流電圧の発生に寄与する。発電装置１ａは、カンチレバー部１２の長さ方向において、圧電変換領域１４１の固定端１２ａ側の端１４１ａを、カンチレバー部１２と支持部１１との境界に揃えてある。これにより、発電装置１ａは、カンチレバー部１２の長さ方向において、圧電変換領域１４１の固定端１２ａ側の端１４１ａが上記境界よりもカンチレバー部１２側にある場合に比べて、カンチレバー部１２上に存在する圧電変換領域１４１の面積を大きくできる。これにより、発電装置１ａは、発電効率を向上させることが可能となる。また、発電装置１ａは、圧電変換領域１４１の固定端１２ａ側の端１４１ａが上記境界よりも支持部１１側にある場合に比べて、圧電変換領域１４１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。カンチレバー部１２の長さ方向は、カンチレバー部１２の軸線に沿った方向である。
　圧電変換部１４で発生する交流電圧は、圧電体層１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、発電装置１ａの圧電変換部１４は、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを流体が流れることによって発生する自励振動を利用して発電することを想定している。発電装置１ａの共振周波数は、カンチレバー部１２と圧電変換部１４とからなる可動部の構造パラメータ及び材料により決まる。
　発電装置１ａは、支持部１１の厚み方向の第１面１１１側に、第１パッド電極（図示せず）と、第２パッド電極（図示せず）と、が設けられている。支持部１１の第１面１１１は、カンチレバー部１２の固定端１２ａ付近において、カンチレバー部１２の第１面１２１と滑らかに連続している。発電装置１ａは、上記第２絶縁膜を備えていない場合、支持部１１の厚み方向の第２面１１２と、基板１０の第２面１０２とが同じである。発電装置１ａは、基板１０の第２面１０２側に上記第２絶縁膜を備えている場合、上記第２絶縁膜の表面が支持部１１の第２面１１２となる。
　第１パッド電極は、第１配線（図示せず）を介して第１電極１４ａと電気的に接続されている。第２パッド電極は、第２配線（図示せず）を介して第２電極１４ｃと電気的に接続されている。第１配線、第２配線、第１パッド電極及び第２パッド電極の材料としては、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、第２配線、第１パッド電極及び第２パッド電極の材料は、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、第２配線、第１パッド電極及び第２パッド電極は、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
　また、発電装置１ａは、第２配線と第１電極１４ａの周部との間に、第２配線と第１電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層（図示せず）を設けてある。この絶縁層は、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。
　圧電体層１４ｂ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等が挙げられる。なお、発電装置１ａは、圧電体層１４ｂが、圧電薄膜により構成されている。
　第１電極１４ａ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１４ｃ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。
　発電装置１ａは、第１電極１４ａの厚みを５００ｎｍ、圧電体層１４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極１４ｃの厚みを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
　発電装置１ａは、基板１０と第１電極１４ａ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１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよい。緩衝層の材料は、圧電体層１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3等を採用することが好ましい。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。発電装置１ａは、緩衝層を設けることにより、圧電体層１４ｂ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。
　カンチレバー部１２には、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２における支持部１１の内側面１１ｂ側が開放された形状に形成されている。第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２の長さ方向において、カンチレバー部１２における圧電変換部１４の垂直投影領域よりも自由端１２ｂ側に形成されている。第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向（図１Ａの上下方向）で２つに分割するように形成されていることが好ましい。
　発電装置１ａでは、カンチレバー部１２の共振周波数がカンチレバー部１２の長さで規定されるため、第２流路１５ｂが、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で２つに分割するように形成されていることで、カンチレバー部１２の振動が安定し、発電効率の向上を図ることが可能となる。ここで、発電装置１ａは、カンチレバー部１２のうちカンチレバー部１２の幅方向において第２流路１５ｂの一方側にある部位の幅寸法Ｈ１と他方側にある部位の幅寸法Ｈ２とが等しいのが好ましい。このため、第２流路１５ｂは、カンチレバー部１２の第１面１２１における流体の流入口１５１及びカンチレバー部１２の第２面１２２における流体の流出口１５２が、カンチレバー部１２の長さ方向に沿って形成されているのが好ましい。発電装置１ａでは、第２流路１５ｂが、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で２つに分割するように形成されているが、これに限らず、第２流路１５ｂが、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で３つ以上の複数に分割するように形成されていてもよい。例えば、発電装置１ａでは、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で３つに分割するように２つの第２流路１５ｂが形成されていてもよい。発電装置１ａは、カンチレバー部１２の一部をカンチレバー部１２の幅方向で分割する数が多いほうが、第２流路１５ｂが多くなり、カンチレバー部１２の振動がより安定し、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。
　発電装置１ａに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。
　発電装置１ａの製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板１０を準備し、その後、絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜形成工程では、熱酸化法等を利用して、基板１０の第１面１０１側、第２面１０２側にそれぞれ、シリコン酸化膜からなる第１絶縁膜１８ａ、第２絶縁膜を形成する。絶縁膜形成工程では、第１絶縁膜１８ａ、第２絶縁膜を形成する方法として熱酸化法を採用しているが、これに限らず、ＣＶＤ法等を採用してもよい。
　絶縁膜形成工程の後には、基板１０の第１面１０１側の全面に、第１電極１４ａ及び第１配線の基礎となる第１導電層を形成する第１導電層形成工程を行い、続いて、圧電体層１４ｂの基礎となる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程を行う。第１導電層を形成する方法としては、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。圧電材料層を形成する方法としては、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。
　圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層を圧電体層１４ｂの所定の形状にパターニングする第１パターニング工程を行い、続いて、第１導電層を第１電極１４ａ及び第１配線の所定の形状にパターニングする第２パターニング工程を行う。第１パターニング工程では、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２パターニング工程では、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。
　第２パターニング工程の後には、基板１０の第１面１０１側に上記絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。絶縁層形成工程の後には、第２電極１４ｃ及び第２配線の基礎となる第２導電層を基板１０の第１面１０１側の全面に形成する第２導電層形成工程を行ってから、第２導電層を第２電極１４ｃ及び第２配線の所定の形状にパターニングする第３パターニング工程を行う。第２導電層を形成する方法としては、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３パターニング工程では、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。
　第３パターニング工程の後には、第１パッド電極及び第２パッド電極の基礎となる第３導電層を、基板１０の第１面１０１側の全面に形成する第３導電層形成工程を行う。第３導電層形成工程の後には、第３導電層を、第１パッド電極及び第２パッド電極の所定の形状にパターニングする第４パターニング工程を行う。第４パターニング工程の後には、基板１０の第１面１０１側から、支持部１１、カンチレバー部１２以外の部位（スリット１０ｄの形成予定領域、第２流路１５ｂの形成予定領域）を第１所定深さまでエッチングすることで第１溝を形成する第１溝形成工程を行う。第１所定深さは、カンチレバー部１２の厚みに対応する深さである。第１溝形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して第１溝を形成する。第１溝形成工程では、シリコン酸化膜１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第１溝形成工程の後には、基板１０の第２面１０２側から支持部１１以外の部位を第２所定深さまでエッチングすることで第２溝を形成する第２溝形成工程を行う。第２溝形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して第２溝を形成する。第２溝形成工程では、シリコン酸化膜１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第２溝形成工程の後には、シリコン酸化膜１０ｂのうち支持部１１以外に対応する部分をエッチングすることで支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成するカンチレバー部形成工程を行うことによって、発電装置１ａを得る。また、上述のカンチレバー部形成工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成する。第１溝形成工程、第２溝形成工程及びカンチレバー部形成工程での各エッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングである。なお、カンチレバー形成工程において、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂが形成される。発電装置１ａの製造方法では、カンチレバー部１２を形成したときに、例えば圧電体層１４ｂの内部応力である圧縮応力によって、カンチレバー部１２を反らせることができる。
　発電装置１ａの製造にあたっては、カンチレバー部形成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装置１ａに分割するようにしている。
　発電装置１ａの製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング工程とを順次行う代わりに、リフトオフ法を利用して第１パッド電極及び第２パッド電極を形成してもよい。また、発電装置１ａの製造方法では、第３導電層形成工程と第４パターニング工程とを順次行う代わりに、メタルマスク等を利用して蒸着法等により第１パッド電極及び第２パッド電極を形成してもよい。
　ところで、上述のように、発電装置１ａにおけるカンチレバー部１２は、自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っている。要するに、カンチレバー部１２は、外部振動や流体等が作用していない初期状態において、図１Ｂのように、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが、支持部１１の第１面１１１側において空間１９の外に位置するように反っている。ここで、カンチレバー部１２は、第１面１２１側が凹曲面となり且つ第２面１２２側が凸曲面となるように、湾曲している。本実施形態の発電装置１ａでは、圧電体層１４ｂを構成する圧電薄膜の内部応力によって、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するようにカンチレバー部１２を反らせてある。圧電薄膜の内部応力は、例えば、圧電薄膜をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧や、温度等のプロセス条件を適宜設定することによって調整することができる。
　本実施形態の発電装置１ａの動作については、以下の推定メカニズムにより説明する。なお、本実施形態の発電装置１ａ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。
　本実施形態の発電装置１ａは、流体の流れる方向と支持部１１の厚み方向とが一致し、基板１０の第１面１０１側が流体の上流側、基板１０の第２面１０２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１ａでは、上流側から発電装置１ａに向って流れる流体が第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを通る際に流速が速くなるので、カンチレバー部１２の第２面１２２と支持部１１の内側面１１ｂとで囲まれた空間１０ｆの圧力が下がり、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが空間１９に近づく向きへ変位する。そして、発電装置１ａでは、カンチレバー部１２の第１面１２１と支持部１１の第１面１１１とが面一になったところで、カンチレバー部１２の第１面１２１側と第２面１２２側とでの圧力差がなくなる。そして、発電装置１ａは、カンチレバー部１２の弾性力によってカンチレバー部１２の自由端１２ｂが元の位置に戻る向きへ変位するものと推考される。発電装置１ａ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１２が自励振動し、圧電変換部１４が発電するものと推考される。
　発電装置１ａは、上述のように、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを備え、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが支持部１１の内側面１１ｂにより囲まれた空間１９の外に位置するように反っている。これにより、発電装置１ａは、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを通る流体の流れ（気流）によって発生する、カンチレバー部１２の第１面１２１側と第２面１２２側との圧力差と、カンチレバー部１２の弾性と、によって自励振動を発生させることができるので、流体を利用して発電可能となる。
　また、発電装置１ａは、カンチレバー部１２に、カンチレバー部１２の厚み方向に貫通した第２流路１５ｂを形成してある。これにより、発電装置１ａは、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となり、且つ、発電効率の向上を図ることが可能となる。
　以下では、本実施形態の発電装置１ａの第１変形例の発電装置１ｂについて図２に基づいて説明する。第１変形例の発電装置１ｂは、カンチレバー部１２の第１面１２１側に形成された応力制御膜１１９によって、カンチレバー部１２を反らしてある点が実施形態１の発電装置１ａと相違する。応力制御膜１１９の一部は、支持部１１の第１面１１１側にも形成されている。なお、実施形態１の発電装置１ａと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　応力制御膜１１９は、カンチレバー部１２の第１面１２１側において圧電変換部１４を覆うように形成してある。応力制御膜１１９は、シリコン酸化膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜等により構成してもよい。なお、応力制御膜１１９は、カンチレバー部１２の第２面１２２側に形成してもよい。
　第１変形例の発電装置１ｂは、実施形態１の発電装置１ａと同様、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。
　なお、第１変形例の発電装置１ｂにおいて、応力制御膜１１９に起因してカンチレバー部１２に作用する応力と圧電薄膜である圧電体層１４ｂの内部応力とによって、カンチレバー部１２を反らしてもよい。
　以下では、本実施形態の発電装置１ａの第２変形例の発電装置１ｃについて図３に基づいて説明する。
　第２変形例の発電装置１ｃは、カンチレバー部１２において圧電変換部１４が形成されている領域が実施形態１の発電装置１ａと相違する。なお、実施形態１の発電装置１ａと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　第２変形例の発電装置１ｃは、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の第１面１２１を面状に覆うように形成されている。面状に覆うとは、カンチレバー部１２の第１面１２１の略全面を覆うことを意味するが、第１面１２１の全面を覆う場合に限らず、図３に示すように、第１面１２１の全面よりもやや狭い領域の全体を覆う場合でもよい。図３に示した第２変形例では、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の側縁付近で、カンチレバー部１２の側縁から規定距離だけ離れて位置するように配置されている。第２変形例の発電装置１ｃの製造方法は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法と基本的に同じであり、圧電変換部１４をパターニングする際のフォトマスクが異なるだけである。規定距離は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法において、第１溝、第２溝をそれぞれ形成する際に、圧電変換部１４がエッチングされないように設定すればよい。
　（実施形態２）
　以下では、本実施形態の発電装置１ｄについて図４Ａ、４Ｂ及び５に基づいて説明する。
　本実施形態の発電装置１ｄは、支持部１１の構成が実施形態１の発電装置１ａと相違する。なお、実施形態１の発電装置１ａと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　発電装置１ｄの支持部１１は、カンチレバー部１２の自由端１２ｂが空間１９に入ったときに第２流路１５ｂの断面積を小さくするように空間１９内に配置された構造体１１ｅが、一体に設けられている。構造体１１ｅの厚み方向（図４Ｂの上下方向）の第１面１１ｅ１は、支持部１１の第１面１１１と同一平面上にあるのが好ましい。
　発電装置１ｄは、構造体１１ｅを備えていることにより、カンチレバー部１２の第１面１２１と支持部１１の第１面１１１とが面一になったときの第２流路１５ｂの断面積を小さくすることが可能となる。これにより、発電装置１ｄは、実施形態１の発電装置１ａに比べて、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
　発電装置１ｄは、支持部１１の厚み方向に沿った方向における構造体１１ｅの厚みｔ２が、支持部１１の厚みｔ１と同じであることが好ましい。これにより、発電装置１ｄは、構造体１１ｅの厚みｔ２がカンチレバー部１２の厚みと同じである場合に比べて、構造体１１ｅの剛性を高めることが可能となり、カンチレバー部１２が振動するときに構造体１１ｅが変形するのを抑制することが可能となる。よって、発電装置１ｄは、カンチレバー部１２の振動による振動エネルギが構造体１１ｅの変形に起因して低下したり、カンチレバー部１２の振動が不安定になるのを抑制することが可能となる。要するに、発電装置１ｄは、構造体１１ｅの厚みｔ２が、支持部１１の厚みｔ１と同じであることにより、カンチレバー部１２の振動をより安定させることが可能となる。
　以下では、本実施形態の発電装置１ｄの第１変形例の発電装置１ｅについて図６に基づいて説明する。なお、実施形態２の発電装置１ｄと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　第１変形例の発電装置１ｅは、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の第１面１２１を面状に覆うように形成されている。面状に覆うとは、カンチレバー部１２の第１面１２１の略全面を覆うことを意味するが、第１面１２１の全面を覆う場合に限らず、図６に示すように、第１面１２１の全面よりもやや狭い領域の全体を覆う場合でもよい。図６に示した第１変形例では、圧電変換部１４が、カンチレバー部１２の側縁付近で、カンチレバー部１２の側縁から規定距離だけ離れて位置するように配置されている。第１変形例の発電装置１ｅの製造方法は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法と基本的に同じであり、圧電変換部１４をパターニングする際のフォトマスク等が異なる。規定距離は、実施形態１の発電装置１ａの製造方法において、第１溝、第２溝をそれぞれ形成する際に圧電変換部１４がエッチングされないように設定すればよい。
　（実施形態３）
　以下では、本実施形態の発電装置１ｆについて図７Ａ、７Ｂ及び７Ｃに基づいて説明する。
　本実施形態の発電装置１ｆは、カンチレバー部１２の構成等が実施形態２の発電装置１ｄと相違する。なお、実施形態２の発電装置１ｄと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　発電装置１ｆのカンチレバー部１２は、自由端１２ｂ側に錘部２３を備えている。また、発電装置１ｆのカンチレバー部１２は、カンチレバー部１２の長さ方向において、カンチレバー部１２の錘部２３よりも固定端１２ａ側の部位が、カンチレバー部１２が振動するときに変形して歪を発生する起歪部１２ｃを構成している。そして、発電装置１ｆは、錘部２３に、第２流路１５ｂを形成してあり、圧電変換部１４が、起歪部１２ｃに設けられている。
　発電装置１ｆは、カンチレバー部１２が錘部２３を備えていることにより、錘部２３を備えていない場合に比べて、カンチレバー部１２が振動するときの慣性力を大きくでき、カンチレバー部１２の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電装置１ｆは、カンチレバー部１２が錘部２３を備えていることにより、カンチレバー部１２が振動するときに起歪部１２ｃ及び圧電変換部１４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。また、発電装置１ｆは、カンチレバー部１２が錘部２３を備えていることにより、カンチレバー部１２の共振周波数を小さくすることが可能となる。また、発電装置１ｆは、錘部２３に、第２流路１５ｂを形成してあることにより、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
　以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第１変形例の発電装置１ｇについて図８に基づいて説明する。なお、実施形態３の発電装置１ｆと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　第１変形例の発電装置１ｇは、本実施形態の発電装置１ｆの構造体１１ｅを備えていない点が相違するだけである。要するに、第１変形例の発電装置１ｇは、実施形態１の発電装置１ａにおけるカンチレバー部１２に錘部２３を設けた点が相違するだけである。
　したがって、第１変形例の発電装置１ｇは、実施形態１の発電装置１ａに比べて、発電効率の更なる向上、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
　以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第２変形例の発電装置１ｈについて図９に基づいて説明する。なお、実施形態３の発電装置１ｆと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　第２変形例の発電装置１ｈは、カンチレバー部１２の起歪部１２ｃにも第２流路１５ｂを形成してある点が実施形態３の発電装置１ｆと相違する。このため、第２変形例の発電装置１ｈは、圧電変換部１４を、２つの圧電変換エレメント１４０に分けてある。圧電変換エレメント１４０は、圧電変換部１４と同様、第１電極１４ａと、圧電体層１４ｂと、第２電極１４ｃと、を備えている。発電装置１ｈの圧電変換部１４は、２つの圧電変換エレメント１４０が、支持部１１の第１面１１１側に設けた第３配線（図示せず）により直列接続されているのが好ましい。これにより、発電装置１ｈは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。この場合、発電装置１ｈは、支持部１１の第１面１１１側に、２つの圧電変換エレメント１４０の直列回路の一端に電気的に接続されたパッド電極（第３パッド電極）と、他端に電気的に接続されたパッド電極（第４パッド電極）と、を備えるようにすればよい。
　また、第２変形例の発電装置１ｈは、錘部２３に設けた第２流路１５ｂ、カンチレバー部１２の起歪部１２ｃに設けた第２流路１５ｂそれぞれに対応する構造体１１ｅを支持部１１に一体に設けてある。これにより、発電装置１ｈは、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
　以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第３変形例の発電装置１ｉについて図１０に基づいて説明する。なお、第２変形例の発電装置１ｈと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　第３変形例の発電装置１ｉは、第２変形例の発電装置１ｈに比べて、カンチレバー部１２の長さ方向における第２流路１５ｂの全長が長く、起歪部１２ｃと錘部２３とに跨って１つの第２流路１５ｂが形成されている点が、第２変形例の発電装置１ｈと相違する。これにより、発電装置１ｉは、第２変形例の発電装置１ｈと同様、流体励起振動の発生限界流速の更なる低流速化を図ることが可能となる。
　以下では、本実施形態の発電装置１ｆの第４変形例の発電装置１ｊについて図１１に基づいて説明する。なお、第２変形例の発電装置１ｈと同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
　第４変形例の発電装置１ｊは、圧電変換部１４を、８つの圧電変換エレメント１４０に分けてあり、カンチレバー部１２の第１面１２１上において、カンチレバー部１２の幅方向の両側に圧電変換エレメント１４０を４つずつ配置してある点が、第２変形例の発電装置１ｈと相違する。
　発電装置１ｊの圧電変換部１４は、例えば、８つの圧電変換エレメント１４０の全部が、直列接続されているのが好ましい。これにより、発電装置１ｊは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。また、発電装置１ｊは、カンチレバー部１２の幅方向において第２流路１５ｂの一方側に配置された４つの圧電変換エレメント１４０を直列接続した第１直列回路と、第２流路１５ｂの他方側に配置された４つの圧電変換エレメント１４０を直列接続した第２直列回路と、を並列接続するようにしてもよい。
　発電装置１ｊは、圧電変換エレメント１４０の数を限定するものではなく、圧電変換部１４が、複数の圧電変換エレメント１４０を備え、当該複数の圧電変換エレメント１４０の少なくとも２つが電気的に直列接続されていればよい。これにより、発電装置１ｊは、出力電圧の高電圧化を図ることが可能となる。
　なお、圧電変換部１４が複数の圧電変換エレメント１４０を備え、当該複数の圧電変換エレメント１４０の少なくとも２つが電気的に直列接続された構成は、実施形態１、２等において採用してもよい。
　実施形態１～３等では、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造される構成について説明したが、これに限らず、例えば、各構成要素を別々に形成して組み立てたものでもよい。ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造される構成では、各構成要素を別々に形成して組み立てた構成に比べて、小型化を図ることが可能となる。
　以上、本発明の構成を、実施形態１～３等に基いて説明したが、本発明は、実施形態１～３等の構成に限らず、例えば、実施形態１～３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１～３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、それに限定する主旨ではない。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。

Claims (7)

  1. 　枠状の支持部と、前記支持部の内側に配置され一端が前記支持部に固定された固定端であり他端が自由端であるカンチレバー部と、前記カンチレバー部に設けられ前記カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部と、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第１流路と、を備え、
    　前記カンチレバー部は、前記自由端が前記支持部の内側面により囲まれた空間の外に位置するように反っており、前記カンチレバー部には、前記カンチレバー部の厚み方向に貫通した第２流路を形成してある、
    　ことを特徴とする発電装置。
  2. 　第２流路は、前記カンチレバー部における前記支持部の前記内側面側が開放された形状に形成されており、
    　前記支持部は、前記カンチレバー部の前記自由端が前記空間に入ったときに前記第２流路の断面積を小さくするように前記空間内に配置された構造体が、一体に設けられている、
    　ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  3. 　前記支持部の厚み方向に沿った方向における前記構造体の厚みが、前記支持部の厚みと同じである、
    　ことを特徴とする請求項２記載の発電装置。
  4. 　前記第２流路は、前記カンチレバー部の一部を前記カンチレバー部の幅方向で複数に分割するように形成されている、
    　ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電装置。
  5. 　前記カンチレバー部は、前記自由端側に錘部を備え、前記カンチレバー部の長さ方向において前記錘部よりも前記固定端側の部位が、前記カンチレバー部が振動するときに変形して歪を発生する起歪部を構成しており、前記錘部に、前記第２流路を形成してあり、
    　前記圧電変換部は、前記起歪部に設けられている、
    　ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。
  6. 　前記カンチレバー部は、前記起歪部にも前記第２流路を形成してある、
    　ことを特徴とする請求項５記載の発電装置。
  7. 　前記圧電変換部は、複数の圧電変換エレメントを備え、前記複数の圧電変換エレメントの少なくとも２つが電気的に直列接続されている、
    　ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電装置。
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