压电发电元件和使用压电发电元件的发电方法

专利名称：压电发电元件和使用压电发电元件的发电方法
技术领域：
本发明涉及压电发电元件和使用压电发电元件的发电方法。
背景技术：
振动发电是捕捉机械振动中包含的力学能量而转换为电能的发电方法。振动发电例如利用电磁感应、静电感应或者压电效果。其中，利用压电效果的振动发电(压电发电) 表现出高能量密度。这是因为用于压电发电的元件(压电发电元件)的结构简单，该元件能够小型化。压电发电元件(振动发电元件)是通过压电效果把施加到压电体层上的机械振动的能量转换成电能进行发电的元件。图11和图12表示现有技术中的压电发电元件。图11表示的元件具备单臂式的(悬臂形的，一端固定的，cantilever)振动梁 102。振动梁102为带状。振动梁102的一个端部(固定端)103固定在框架104上。振动梁102的另一个端部105没有固定在框架104上。端部105是自由端。端部105能够沿着与振动梁102的主面垂直的方向振动。在振动梁102的一个表面上配置发电层101。发电层101具备压电体层和夹持压电体层的一对电极。如果在图11表示的元件上施加外部振动，则振动梁102因该振动而振动。该振动使包含在发电层101中的压电体层变形。该变形基于压电效果在夹持压电体层的一对电极之间产生电位差。发电层101可以配置在振动梁102的两个(双方)表面上。发电层101的一部分也能够配置在框架104的表面。图11 表示的元件例如公开在专利文献1中。图12表示的元件具备两端固定式(桥形)的振动梁201。振动梁201是带状。 振动梁201的两个端部202、203固定在框架104。在振动梁201的一个表面上配置发电层 101。如果在图12表示的元件施加外部振动，则振动梁201因该振动而振动。振动的幅度在振动梁201的中央部分204成为最大。该振动使包含在发电层101中的压电体层变形。 该变形基于压电效果，在夹持压电体层的一对电极之间产生电位差。图12表示的元件例如公开在专利文献2中。在图11表示的元件中，振动梁102是悬臂形。因此，对于振动梁102的振动的制约少。这样的少的制约允许产生一定程度的大电力。但另一方面，由于过度的外部振动，振动梁102易于损坏。对此，在图12表示的元件中，振动梁201是两端固定式。两端固定式的振动梁201 难以由于外部振动而损坏。但另一方面，由于振动梁的2个端部被固定，因此该梁的振幅量小，存在产生的电力小的倾向。专利文献3公开了增大两端固定式振动梁的振幅量的方法。 具体地讲，在专利文献3中公开的元件中，预先折曲振动梁，保持为双稳定状态。在该元件中，振动梁在2个稳定状态之间交替(交互)振动。该振动的振幅量比图12表示的振动梁 201所示出的振幅量大。除了专利文献1 3以外，专利文献4和专利文献5也能够与本发明相关联。专利文献5没有公开压电发电元件。专利文献5公开了高频微电机开关(micro machineswitch) 0压电发电元件基于与梁的振动有关的技术。高频微电机开关基于把梁作为开关保持为OFF或者ON的位置，即，使梁在特定的2个形态之间转换，保持该形态的技术。在高频微电机开关中，完全没有考虑梁的振动。两者基于完全不同的技术。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开平09-205781号公报专利文献2 日本专利第3790255号公报专利文献3 日本专利第3939737号公报专利文献4 日本特开2006-246688号公报专利文献5 日本特开2007-(^6804号公报

发明内容
发明要解决的课题预先使振动梁折曲的方法增大振动梁的振幅量。但是，在压电发电元件的制造时， 需要振动梁的折曲、双稳定点的寻找、振动梁折曲状态的调整以及保持调整后的状态的振动梁的固定。即，压电发电元件的制造工艺复杂。当前并没有实现具备两端固定式的振动梁、发电量大、制造比较容易的压电发电元件。本发明的目的是提供具备相对于外部振动难以损坏的两端固定式的振动梁的同时，发电量大，制造比较容易的压电发电元件。另外，本发明的目的是提供使用了该压电发电元件的发电方法。用于解决课题的技术手段本发明的压电发电元件具备支承体、带状的振动梁、压电体层、夹持上述压电体层的一对电极。上述振动梁的两个端部(第一端部和第二端部)固定在上述支承体。上述压电体层和上述一对电极配置在上述振动梁的表面。上述振动梁在未振动的状态下，在一个平面内伸展。上述振动梁具有从固定在上述支承体上的上述第一端部伸展的第一部分、从固定在上述支承体上的上述第二端部伸展的第二部分、连接上述第一部分中的与上述第一端部相反一侧的端部以及上述第二部分中的与上述第二端部相反一侧的端部的第三部分。 上述振动梁在从垂直于上述平面的方向观察时，有以下的(1) (3)的形状。(1)上述第一部分从上述第一端部伸展的第一方向和上述第二部分从上述第二端部伸展的第二方向分别为接近上述第二端部和上述第一端部的方向。( 上述第一方向和上述第二方向分别具有相对于连接上述第一端部中心和上述第二端部中心的直线超过0°小于90°的角度。 (3)上述第三部分与上述直线交叉1次。本发明的方法是使用压电发电元件的发电方法，包括准备压电发电元件的工序， 和以下的工序(A)。此处，上述压电发电元件具备支承体、带状的振动梁、压电体层、夹持上述压电体层的一对电极。上述振动梁的两个端部(第一端部以及第二端部)固定在上述支承体。上述压电体层和上述一对电极配置在上述振动梁的表面。上述振动梁在未振动的状态下，在一个平面内伸展。上述振动梁有从固定在上述支承体上的上述第一端部伸展的第一部分、从固定在上述支承体上的上述第二端部伸展的第二部分、连接上述第一部分中的与上述第一端部相反一侧的端部和上述第二部分中的与上述第二端部相反一侧的端部的第三部分。上述振动梁在从垂直于上述平面的方向观察时，有以下的(1) (3)的形状。(1)上述第一部分从上述第一端部伸展的第一方向和上述第二部分从上述第二端部伸展的第二方向是分别接近上述第二端部和上述第一端部的方向。( 上述第一方向和上述第二方向分别具有相对于连接上述第一端部中心和上述第二端部中心的直线超过0°小于 90°的角度。( 上述第三部分与上述直线交叉1次。工序(A)是通过在上述压电发电元件施加振动，使得在上述一对电极之间产生电位差的工序。发明的效果本发明的发电元件具备有特殊形状的振动梁。由此，实现相对于外部振动难以损坏，发电量大，制造比较容易的压电发电元件。本发明的压电发电元件能够从存在于该元件周围环境中的振动捕捉大的电力。通过使用本发明的压电发电元件，实现稳固、生产性优秀 (便于生成)的小型的独立发电机。


图1是示意性表示本发明的压电发电元件的1个例子的立体图。图2是从与图1表示的压电发电元件具备的振动梁伸展的平面垂直的方向观察该压电发电元件的示意性平面图。图3是示意性表示虽然振动梁具有折曲部，但是没有包含在本发明中的压电发电元件的1个例子的平面图。图4A是用于说明振动梁中的端部的中心的示意图。图4B是用于说明振动梁中的端部的中心的示意图。图5A是示意性表示本发明的压电发电元件的另一个例子的平面图。图5B是沿着图5A表示的压电发电元件具备的振动梁的中心线切断该压电发电元件后的截面图。 图6A是示意性表示本发明的压电发电元件的另一个例子的平面图。图6B是沿着图6A表示的压电发电元件具备的振动梁的中心线切断了该压电发电元件后的截面图。图7A是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。图7B是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。图7C是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。图8A是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。图8B是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。图8C是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。图8D是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。图9表示在实施例1中评价了的压电发电元件表示的产生电压的时间依赖性。图10是示意性表示在实施例3中评价了的压电发电元件的制造的立体图。图11是示意性表示具备悬臂形振动梁的现有技术中的压电发电元件的1个例子的立体图。图12是示意性表示具备桥形振动梁的现有技术中的压电发电元件的1个例子的立体图。
具体实施例方式以下，说明本发明的实施方式。在以下的说明中，在相同的构件上标注相同的符号。由此省略重复的说明。[压电发电元件]图1表示本发明的压电发电元件的1个例子。图1表示的压电发电元件1具备带状的振动梁2。振动梁2的两个端部(第一端部4和第二端部6)固定在支承体(基座)3 上。振动梁2的该端部(固定端)以外的部分(振动部)能够跟随(对应于)外部振动而振动。即，振动梁2是两端固定式。因而，振动梁2相对于外部振动难以损坏。振动梁2以振动部能够沿着该振动梁的厚度方向振动的方式固定在支承体3上。振动梁2在该梁未振动的状态下，在一个平面内伸展。即，在元件1的制造时不需要进行振动梁的折曲、双稳定点的寻找、振动梁的折曲状态的调整以及保持调整后的状态的振动梁的固定。因而，元件1的制造比较容易。与振动梁2伸展的平面垂直的方向和与振动梁2的主面垂直的方向是相同的。振动梁2有从固定在支承体3的第一端部4伸展的第一部分5、从固定在支承体3 上的第二端部6伸展的第二部分7、连接第一部分5中的与端部4相反一侧的端部和第二部分7中的与端部6相反一侧的端部的第三部分10。图2是从与振动梁2伸展的平面垂直的方向观察图1表示的元件1的平面图。如图2所示，从与振动梁2伸展的平面垂直的方向观察，第一部分5从振动梁2的第一端部4 伸展的第一方向11是接近(趋向于)振动梁2的第二端部6的方向。第二部分7从振动梁2的第二端部6伸展的第二方向12是接近(趋向于)振动梁2的第一端部4的方向。第一方向11和第二方向12相对于连接振动梁2的第一端部4的中心8和第二端部6的中心 9的直线13，以超过0°小于90°的角度相交。第三部分10与直线13交叉1次。在振动梁2的表面配置具备压电体层和夹持该压电体层的一对电极的发电层14。 带状的振动梁2的厚度方向与压电体层的厚度方向相同。具备振动梁2的元件1由外部振动产生的发电量大。图12表示的现有技术中的压电发电元件具备两端固定式的振动梁201。但是，在振动梁201，梁201从其一个端部202伸展的方向和梁201从另一个端部203伸展的方向相同。除此以外，这些方向与连接梁201的两个端部中心的直线是平行的。S卩，这些方向与该直线构成的角度是0°。有这样的直线的桥形的振动梁201是刚直的。振动梁201在振动时能够得到的振幅量小。对此，根据第一方向11和第二方向12相对于直线13以超过0° 的角度相交的形状，振动梁2更柔软。从而，振动梁2在振动时能够得到的振幅量大。但是，仅有振动梁能够得到的振幅量大时，发电量并不大。这是因为在压电发电元件中，通过与振动梁伸展的平面垂直的方向(振动梁和压电体层的厚度方向，例如，图2中表示的ζ方向)的振动进行发电。考虑到这一点，振动梁2具有上述的形状。对于元件1，如果从外部在与振动梁2伸展的平面垂直的方向(图2表示的ζ方向)施加机械振动，则振动梁2沿着ζ方向振动，进行发电。其它方向的振动例如图2表示的y方向的振动对发电没有贡献。但是，外部振动仅由ζ方向的成分构成的情况较少。外部振动通常包括ζ方向以外方向的成分。在元件1中，在外部振动包含y方向的成分的情况下，振动梁2中的y方向的振动受到抑制。被抑制后的y方向的振动汇集到ζ方向的振动中，对发电做出贡献。由此，元件1的发电量变大。通过在振动梁中设置折曲部或者弯曲部，振动梁能够得到的振幅量变大。但是，在振动梁不满足上述形状的情况下，在振动梁中y方向的振动被抑制的程度减小。即，这些y 方向的振动汇集在ζ方向的振动中的量减少，发电量减小。存在折曲部或者弯曲部但是不满足上述形状的振动梁的1个例子表示在图3中。图3表示的振动梁301在未振动的状态下，在1个平面内伸展。图3是从与振动梁301伸展的平面垂直的方向观察的平面图。振动梁301有从固定在支承体302上的一个端部303伸展的部分305、从固定在支承体302上的另一个端部304伸展的部分306。振动梁301在部分305与部分306之间具有折曲部309和折曲部310。折曲部309、310对增大振动梁301能够得到的振幅量做出贡献。但是，从与振动梁301伸展的平面垂直的方向观察，部分305从端部303伸展的方向307和部分306从端部304伸展的方向308与连接端部303的中心311和端部304的中心312的直线313平行。S卩，方向307、308与直线313 构成的角度是0°。包含y方向的成分的振动如果施加到振动梁301，则振动梁301沿着y 方向振动。即，在振动梁301中，y方向的振动汇集到ζ方向的振动中的量减少，发电量减小。在图1和图2表示的振动梁2中，第一部分5伸展的第一方向11是第二部分7接近固定在支承体3的第二端部6的方向。第二部分7伸展的第二方向12是第一部分5接近固定在支承体3的第一端部4的方向。假如方向11和方向12分别是从第二端部6和第一端部4离开(远离)的方向，则连接第一部分5和第二部分7的第三部分10的长度加长， 形状变得复杂。进而，第一方向11和第二方向12以相对于连接第一端部4的中心8和第二端部 6的中心9的直线13小于90°的角度相交。假如方向11和方向12以相对于直线13大于等于90°的角度相交，则第三部分10的长度加长，形状变得复杂。进而，第三部分10与直线13交叉1次。假如交叉2次以上，则第三部分10的长度加长，形状变得复杂。S卩，振动梁2的形状基于在增加振幅量的同时，缩短连接第一部分5与第二部分7 的第三部分10的长度，不会使形状过度复杂的技术思想。如果第三部分的长度长或者第三部分的形状复杂时，振动梁易于向Z方向以外的方向振动。即，发电量降低。由振动产生的振动梁的振幅量在振动梁的固定端(固定在支承体的端部)附近最大。振幅量越大发电量越多。即，在第一部分、第二部分和第三部分中，第三部分对于发电量的贡献相对小。由此，即使缩短第三部分的长度，基于振动在ζ方向汇集的效果，发电量也增大。在第三部分与连接振动梁中的两端部分中心之间的直线的交叉为0次的情况下， 振动梁在该梁伸展的平面中，仅存在于由该直线分割的一个平面中。在该形状的情况下，与振动梁的长度无关地，振动梁易于向ζ方向以外的方向振动。即，发电量降低。在本发明的压电发电元件中，第三部分与该直线的交叉次数是1次。这种情况下，振动梁在该梁伸展的平面中，存在于由该直线分割的两个平面中。图1和图2表示的振动梁2的振动部的宽度(从垂直于振动梁2伸展的平面的方
8向观察的宽度)是均勻的。第一部分5和第二部分7从垂直于该平面的方向观察时为梯形。第三部分10从垂直于该平面的方向观察时为平行四边形。振动梁2具有2个直角的折曲部。一个折曲部位于第一部分5与第三部分10的连接部。另一个折曲部位于第二部分7与第三部分10的连接部。图1和图2表示的振动梁2从垂直于该平面的方向观察时为曲轴(crank)形。振动梁的端部的中心是以下的点。如图1和图2表示的振动梁2那样，在该梁的侧面被固定在支承体的情况下(参照图4A)，从垂直于振动梁21伸展的平面的方向观察，是连接振动梁21中的接触支承体22的侧面的端点A、B的线段AB的中心C。振动梁在该梁的表面(主面)被固定到支承体的情况下(参照图4B)，从垂直于振动梁21伸展的平面的方向观察，以振动梁21的未与支承体22重复的部分(即振动部)23的一端为端部，连接其端点A、B的线段AB的中点C。第一部分和第二部分伸展的方向是该部分的中心线(带状的振动梁的长度方向的中心线)延伸的方向。第一部分和第二部分的中心线是直线。第三部分与直线交叉是指第三部分的中心线(带状的振动梁的长度方向的中心线)与该直线交叉。在本发明的压电发电元件中，第一部分和第二部分的形状在满足以下的条件即可的情况下没有限定。两个端部(第一端部和第二端部)固定在支承体。第一部分和第二部分分别从第一端部和第二端部伸展。第一部分和第二部分在未振动的状态下，在1个平面内伸展。从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察，第一部分和第二部分从上述各端部伸展的方向(第一方向和第二方向)是分别接近第二端部和第一端部的方向。从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察，第一方向和第二方向具有相对于连接该端部的中心之间的直线超过0°小于90°的角度。第三部分的形状在将第一部分和第二部分在该各部分的端部连接、在与第一部分和第二部分伸展的平面相同的平面内伸展、与上述直线交叉1次的情况下没有限定。第三部分从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察，可以有弯曲部和/或折曲部。在振动梁中，优选为第一方向与第二方向相互平行。这种情况下，ζ方向以外方向的振动汇集到ζ方向的振动中的量增大。对于振动梁，优选从与该梁伸展的平面垂直的方向观察时具有点对称的形状。这种情况下，ζ方向以外方向的振动汇集到ζ方向的振动中的量增大。图1和图2表示的振动梁2以其中心线15上的点16为基准，具有点对称的形状。点16在中心线15中位于第一端部4与第二端部6之间的中间点。 在本发明的压电发电元件中，在振动梁的表面上能够配置锤。通过锤的配置，能够进行压电发电元件中的响应频率的调整和捕捉振动的水平(level)调整。
如图1和图2所示，在本发明的压电发电元件中，在振动梁2的表面上配置发电层 14。发电层14具备压电体层和夹持压电体层的一对电极。发电层14配置在振动梁2的至少一部分表面上。可以存在未配置发电层14的振动梁2的表面。发电层14可以配置在振动梁2的两个表面(主面)。发电层14还可以配置在振动梁2中的固定在支承体3的部分和支承体3的表面上。在图1和图2都没有表现发电层14的厚度。但是实际上发电层14 具有厚度。
构成压电体层的材料具有压电性能。具体而言，该材料例如是I3MZr, Ti)03那样的含铅的强电介质；BaTi03、(Bi, Na)TiO3和(K，Na)NbO3那样的强电介质；和高分子压电材料。构成压电体层的材料可以是公知的压电材料。电极由具有导电性的材料构成。该材料没有限定。振动梁、压电体层和电极的厚度、发电层的结构和支承体的形状如果是从业人员则能够适当调整。在图1和图2表示的元件1中，支承体3从与振动梁2伸展的平面垂直的方向观察，是包围振动梁2的U字形。本发明的压电发电元件如果是从业人员则能够应用公知的方法制造。以下，叙述本发明的压电发电元件能够采取的变更。图5A和图5B表示本发明的压电发电元件的另一个例子。图5B表示沿着图5A表示的压电发电元件31具备的振动梁32的中心线33切断该元件后的截面。图5A和图5B 表示的压电发电元件31除去从夹持压电体层33的一对电极(下部电极32和上部电极34) 选择出的一个电极(上部电极34)沿着振动梁2伸展的方向分割配置成2个以上(上部电极34a、34b、34c)以外，与图1和图2表示的压电发电元件1相同。上部电极3 通过下部电极32和压电体层33，配置在振动梁2中的第一部分5的表面。上部电极34b经过下部电极32和压电体层33，配置在振动梁2中的第三部分10的表面。上部电极3 经过下部电极32和压电体层33，配置在振动梁2中的第二部分7的表面。对于ζ方向的外部振动，振动梁2的整体沿着相同的方向变位。另一方面，在振动梁2的表面发生的面内应力，即，施加在振动梁2的表面配置的压电体层33上的应力在第一部分5和第二部分7、第三部分10之间不同。具体地讲，第一部分5和第二部分7其一个端部固定在支承体3上(有固定端)。另一方面，第三部分10的两个端部都能够振动。因而，当在第一部分5和第二部分7上施加压缩应力时，在第三部分10上施加扩张应力。当在第一部分5和第二部分7上施加扩张应力时，在第三部分10上施加压缩应力。压缩应力和扩张应力根据振动，周期性地交替施加到各部分上。即，在压电体层中，在与第一部分5 和第二部分7相对应的部分中产生的电场的方向与在与第三部分10相对应的部分中产生的电场的方向成为相反(参照图5B。压电体层33中的箭头指示某个瞬间的在该层33内产生的电场的方向)。因而，如果没有分割地在第一部分5、第二部分7和第三部分10中共用配置夹持压电体层33的一对电极，则在压电体层中，在与第一部分5和第二部分7相对应的部分中的发电和在与第三部分10相对应的部分中的发电相互抵消。这样在压电发电元件中带来发电量的降低。对此，在图5A和图5B表示的元件31中，上部电极34被分割为3个。由此，能够减轻压电体层33中的发电相互抵消的程度。即，在本发明的压电发电元件中，优选从夹持压电体层的一对电极选择出的至少1个电极沿着振动梁伸展的方向分割配置为2个以上。 分割该至少1个电极的具体状态没有特别限定。根据分割的状态和取出通过发电产生的电力的布线的状态，压电体层中的发电的相互抵消几乎完全受到抑制。在图5A和图5B表示的例子中，上部电极；34分割为与第一部分5、第二部分7和第三部分10的每一个相对应的 3个电极34a、34b和34c。如图5B所示，这种情况下，经过下部电极32，电并联连接与压电体层中的第一部分5相对应的部分和与压电体层中的第二部分7相对应的部分。除此以外，经由下部电极32，电串联连接与压电体层中的第一部分5相对应的部分和与第二部分7相对应的部分、与压电体层中的第三部分10相对应的部分。依据该结构，发电的相互抵消几乎完全被抑制，取出较大的电力的量。如上所述，由于在接近振动梁的固定端的部分中发电量大，因此能够省略配置在第三部分表面上的电极34b。布线的状态能够为以下的状态利用电极3 和下部电极32，取出在压电体层中与第一部分5相对应的部分中产生的电力；利用电极34b和下部电极32，取出在发电体层中与第二部分7相对应的部分中产生的电力；利用电极3 和下部电极32，取出在压电体层中与第三部分10相对应的部分中产生的电力。即，单独取出在与第一部分5相对应的部分中产生的电力、在与第二部分7相对应的部分中产生的电力和在与第三部分10相对应的部分中产生的电力。图6A和图6B表示至少1个电极沿着振动梁伸展的方向分割配置为2个以上的其它例子。图6B是沿着图6A表示的压电发电元件41具备的振动梁2的中心线15切断该元件41后的截面图。图6A和图6B表示的压电发电元件41除去夹持压电体层43的一对电极(下部电极42和上部电极44)的每一个沿着振动梁2伸展的方向分割配置为2个以上 (下部电极42a、42b和上部电极44a、44b)以外，与图1和图2表示的压电发电元件1相同。上部电极4 经过下部电极4 和压电体层43，配置在振动梁2中的第一部分5 的表面。上部电极44b经由下部电极4 和压电体层43，配置在振动梁2中的第二部分7 的表面，和经由下部电极42b以及压电体层43配置在振动梁2中的第三部分10的表面。 下部电极4 配置在振动梁2中的第一部分5和第二部分7的表面。下部电极42b配置在振动梁2中的第三部分10的表面。在下部电极4 与下部电极42b之间，配置将两个电极 42a、42b电绝缘的绝缘间隔45。绝缘间隔45由空隙或者绝缘物构成。在图6A和图6B表示的元件41中，压电体层中的与第一部分5相对应的部分、与第二部分7相对应的部分和与第三部分10相对应的部分电串联连接。在元件41中，上述的抵消几乎完全被抑制，取出很大的电力量。除此以外，在元件41中，取出电力的电极配置在振动梁2的固定端的附近。因而， 容易进行元件41与外部电路的连接。如图1所示，本发明的压电发电元件具备的振动梁能够具有折曲部。图1表示的元件1具备的振动梁2有2个直角的折曲部。在本发明的压电发电元件中，在振动梁有折曲部的情况下，折曲部的角度能够是锐角或者钝角。图7A表示振动梁的折曲部的角度是锐角的元件的例子。图7A表示的元件具备的振动梁51有2个锐角的折曲部。在折曲部的角度是锐角的情况下，能够增大收容振动梁51 的由支承体3包围的空间的使用效率。即，能够增大元件的每个单位面积的发电量。图7B表示振动梁的折曲部的角度是钝角的例子。图7B表示的元件具备的振动梁 53有2个钝角的折曲部。图7C表示振动梁M虽然有2个锐角的折曲部，但是在该折曲部中设定了圆弧的例子。如果在振动梁中有角，则由于反复施加的振动，有时以该角为起点产生龟裂。在图7B和图7C表示的例子中，能够抑制发生这样的龟裂的情况。即，能够减少元件的损坏频度，实现更坚固耐用的元件。在图7A 图7C表示的例子中，每一个中的上部电极都沿着振动梁51、53或者M伸展的方向，分割配置为2个以上(上部电极52a、52b和52c)。图7A 图7C表示的例子中的第一部分5和第二部分7是振动梁的中心线15为直线的部分。振动梁51、53或者M 中的剩余的部分是第三部分10。图8A表示图5A表示的元件中的扩宽了振动梁的固定端附近的例子。图8B表示图7A表示的元件中的扩宽了振动梁的固定端附近的例子。图8C表示图7B表示的元件中的扩宽了振动梁的固定端附近的例子。图8D表示图7C表示的元件中的扩宽了振动梁的固定端附近的例子。如这些例子所示，如果扩宽固定端的附近，则压电发电元件的发电效率提高。除此以外能够增大收容振动梁的由支承体3包围的空间的使用效率。S卩，能够增大元件的每个单位面积的发电量。扩宽优选有随着接近固定端，振动梁的宽度增大的形态。本发明的压电发电元件只要能够得到本发明的效果，就可以具备上述以外的任意的构件。[使用压电发电元件的发电方法]通过在上述本发明的压电发电元件施加振动，在夹持压电体层的一对电极之间产生电位差。由此，经由该电极能够得到电力。上述的压电发电元件的优选形态在本发明的发电方法中使用的压电发电元件中也作为优选。从外部在压电发电元件上施加机械振动时，该元件具备的振动梁振动。该振动使压电体层产生基于压电效果的电动势。这样，在夹持压电体层的一对电极(上部电极和下部电极)之间产生电位差。在本发明的发电方法中能够实现大的发电量。实施例以下，根据实施例，更详细地说明本发明。但本发明不限于以下的实施例。(实施例1)在实施例1中，将硅(Si)基板进行微细加工，形成支承体和固定在该支承体上的振动梁。形成了两种振动梁。一种是图12表示的直线桥形的振动梁。另一种是图1表示的曲轴形的振动梁。在所形成的振动梁的表面，配置了由钙钛矿型强电介质ιη3(ζι·，τυο3(以下记为PZT)构成的压电体层和夹持该压电体层的一对电极(上部电极和下部电极)。由此，形成了本发明的压电发电元件(振动梁是图1表示的形状)和比较用的压电发电元件 (振动梁是图12表示的形状)。 具体的形成方法如下所示。最初，在Si基板上，在干蚀刻以后通过溅射法形成成为下部电极的厚度IOOnm的铱(Ir)层。接着，在Ir层上，在干蚀刻以后通过溅射法形成了成为压电体层的厚度3. 6μπι 的PZT薄膜。PZT薄膜在基板温度600°C的条件下形成。接着，通过光刻法，将Si基板/Ir 层/PZT薄膜的叠层体图案化为图1表示的形状。另外，通过光刻法，将Si基板/Ir层/PZT 薄膜的另外的叠层体图案化为图12表示的形状。在图案化中，振动梁的宽度(从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察的宽度)在振动梁整体是均勻的，是2mm。支承体的形状是图1和图12表示的形状(U字形)。U字的相互平行的边的间隔是10mm。在图1表示的形状中，振动梁2的第三部分10的长度作为该部分的中心线15的长度，是4mm。接着，在干蚀刻以后通过溅射法形成成为上部电极的厚度IOOnm的金(Au)层。在PZT薄膜与Au层之间作为密接层配置了钛(Ti)层。Au层形成为接近成为振动梁的固定端的部分。接着，整体干蚀刻使振动梁的厚度成为80 μ m。由此，形成了具有图1表示的形状的压电发电元件和有图12表示的形状的压电发电元件。把这样形成的两种压电发电元件分别设置在振动试验机中。接着，由振动试验机在与元件的振动梁的主面垂直的方向(ζ方向)施加振动。这时，振动梁的一个固定端中的上部电极和下部电极连接负载电阻，估算了在元件中产生的发电量。图9表示在元件上提供了有2G(G 重力加速度)的最大加速度的频率800Hz的外部振动时的无负载时的产生电压(在上部电极-下部电极之间产生的电位差)的时间依赖性。白色标记与具有图12表示的形状的压电发电元件输出的电位差相对应。黑色标记与具有图1表示的形状的压电发电元件输出的电位差相对应。如图9所示，具有图1表示的形状的元件输出的峰间(峰-峰)电压是2.8V。这是具有图12表示的形状的元件输出的峰间电压的2倍以上。接着，通过连接负载，估算了各元件的平均产生电力。双方的元件都在连接 5k Ω (千欧)的负载电阻时表现出了最大的发电量。有图12表示的形状的元件的最大发电量作为电力实效值是8yW。另一方面，有图1表示的形状的元件的最大发电量作为电力实效值是50 μ W。接着，使施加在元件上的外部振动的最大加速度增加。有图12表示的形状的元件的最大发电量在10 μ W时饱和。这一点能够认为是由于振动梁中的振幅量的界限低。另一方面，有图1表示的形状的元件的最大发电量根据加速度的增加而增大。在有图1表示的形状的元件中，确认了对于最大加速度2G的外部振动的瞬时最大产生电力达到400 μ W。除此以外，对于最大加速度IOG的外部振动，该元件也没有被破坏，继续发电。(实施例2)使用与实施例1相同的材料和方法，形成了具有图1表示的形状的压电发电元件和具有图3表示的形状的压电发电元件。两个元件的振动梁的宽度在振动梁整体都是均勻的，是2mm。支承体的形状是图1和图3表示的形状(U字形)。U字的相互平行的边的间隔是10mm。在图1表示的形状中，振动梁2的第三部分10的长度作为该部分的中心线15的长度是4mm。两个元件的上部电极都从振动梁的固定端起形成3mm左右的长度。两个元件都在振动梁的中央的点16 (有图1表示的形状的元件)和点320(有图3表示的形状的元件)上设置锤，使得振动梁的共振频率成为800Hz左右。将这样形成的两种压电发电元件分别设置在振动试验机中。接着，由振动试验机在与元件的振动梁的主面垂直的方向(ζ方向)施加最大加速度3G的外部振动。与实施例1同样地估算了这时的最大发电量。两个元件都能够得到 IlOyW的电力实效值。接着，由振动试验机在两个元件施加了不是与Z方向完全相同，而是沿着y方向倾斜了 45度的即包括ζ方向和y方向的两个成分的外部振动。在有图3表示的形状的元件中，最大发电量作为电力实效值是70 μ W。另一方面，在有图1表示的形状的元件中，最大发电量作为电力实效值是100 μ W。在有图1表示的形状的元件中，y方向的振动汇集到ζ方向的振动中。即，在有图1表示的形状的元件中，实现了不仅是ζ方向，y方向的振动也对发电做出贡献的发电效率非常高的压电发电元件的结构。
(实施例3)使用与实施例1相同的材料和方法，形成了有图10表示的形状的压电发电元件。 支承体3的形状是U字形。U字的相互平行的边的间隔是10mm。振动梁65的宽度在第三部分(振动梁65中的第一部分5和第二部分7以外的部分)中是均勻的2mm。振动梁65的宽度在第一部分5和第二部分7的固定端中是4mm。振动梁65的宽度在第一部分5和第二部分7中的与第三部分的连接端中是2mm。即，振动梁65的宽度越接近固定端越大。在位于振动梁65的中央(振动梁的中心线15中的从一个固定端向另一个固定端的中央部分) 的点16上设置锤，使得振动梁的共振频率成为800Hz左右。为了易于理解附图，省略了第三部分的图示。在该元件中，形成在第一部分5上的上部电极52a与形成在第二部分7上的上部电极52c由设置在第三部分上的上部电极52b旁边的引出布线61进行电连接。上部电极 52a向形成在支承体3上的电极端子62引出。形成在第三部分上的上部电极52b由设置在上部电极5 旁边的引出布线63引出，与电极端子64电连接。根据该构造，在电极端子 62与电极端子64之间，在第一部分5、第二部分7和第三部分上配置的压电体层66中产生的电力串联连接。即，在该元件中，实现图5B表示的电连接。由此，被寄予确保有效的发电量的期待。把这样形成的压电发电元件设置在振动试验机中。接着，由振动试验机在与元件的振动梁的主面垂直的方向(ζ方向)施加最大速度 2G的外部振动。与实施例1同样地估算了这时的最大发电量。在该元件中连接负载电阻 2kΩ时，得到最大发电量(作为电力实效值是1.5mW)。除此以外，瞬时最大产生电力达到了 10mW。该元件有在由支承体包围的空间中存在少的空隙的振动梁的形状。因而，每个单位面积(当从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察元件时的单位面积)的实效发电量达到了 2mW/cm2这样大的值。本发明只要不脱离其意图和本质性的特征，也能够在其它实施方式中适用。在该说明书公开的实施方式在所有各点都是说明性的，并不限于该形态。本发明的范围不是由上述说明而是由权利要求表示，包括与权利要求均等意义和范围内的所有变更。产业上的可利用性本发明的压电发电元件作为从周围环境捕捉电力的小型的独立发电元件是有用的。本发明的压电发电元件实现不需要电池交换的设备。设备例如是各种传感器、无线机那样的电子设备。
权利要求
1.一种压电发电元件，其特征在于具备支承体、带状的振动梁、压电体层、夹持所述压电体层的一对电极， 所述振动梁的第一端部和第二端部固定在所述支承体， 所述压电体层和所述一对电极配置在所述振动梁的表面， 所述振动梁的形态为 在未振动的状态下，在1个平面内伸展，具有从固定在所述支承体的所述第一端部伸展的第一部分、从固定在所述支承体的所述第二端部伸展的第二部分、连接所述第一部分中的与所述第一端部相反一侧的端部和所述第二部分中的与所述第二端部相反一侧的端部的第三部分，并且从与所述平面垂直的方向观察时，所述第一部分从所述第一端部伸展的第一方向和所述第二部分从所述第二端部伸展的第二方向分别为接近所述第二端部和所述第一端部的方向，并且具有相对于连接所述第一端部的中心和所述第二端部的中心的直线超过0°小于90°的角度， 所述第三部分与所述直线交叉1次。
2.如权利要求1所述的压电发电元件，其特征在于 所述第一方向与所述第二方向相互平行。
3.如权利要求1所述的压电发电元件，其特征在于所述振动梁具有从与所述平面垂直的方向观察时呈点对称的形状。
4.如权利要求1所述的发电元件，其特征在于从所述一对电极选择出的至少1个电极在所述振动梁伸展的方向分割配置2个以上。
5.一种方法，该方法为使用压电发电元件的发电方法，其特征在于，包括 准备所述压电发电元件的工序；和通过对所述压电发电元件施加振动，使所述一对电极之间产生电位差的工序，其中所述压电发电元件具备支承体、带状的振动梁、压电体层、夹持所述压电体层的一对电极，所述振动梁的第一端部和第二端部固定在所述支承体， 所述压电体层和所述一对电极配置在所述振动梁的表面， 所述振动梁的形态为 在未振动的状态下，在1个平面内伸展，具有从固定在所述支承体的所述第一端部伸展的第一部分、从固定在所述支承体的所述第二端部伸展的第二部分、连接所述第一部分中的与所述第一端部相反一侧的端部和所述第二部分中的与所述第二端部相反一侧的端部的第三部分，并且从与所述平面垂直的方向观察时，所述第一部分从所述第一端部伸展的第一方向和所述第二部分从所述第二端部伸展的第二方向分别为接近所述第二端部和所述第一端部的方向，并且具有相对于连接所述第一端部的中心和所述第二端部的中心的直线超过0°小于90°的角度， 所述第三部分与所述直线交叉1次。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于 所述第一方向与所述第二方向相互平行。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述振动梁具有从与所述平面垂直的方向观察时呈点对称的形状。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于从所述一对电极选择出的至少1个电极在所述振动梁伸展的方向分割配置2个以上。
全文摘要
本发明提供具备相对于外部振动难以损坏的两端固定式振动梁、并且发电量大、制造比较容易的压电发电元件，该元件具备支承体、带状的振动梁、压电体层和电极，振动梁的第一和第二端部固定在支承体上，压电体层和电极配置在振动梁的表面，振动梁在未振动的状态下在1个平面内伸展，具有从固定在支承体上的第一端部伸展的第一部分、从第二端部伸展的第二部分、连接第一部分中的与上述端部相反一侧的端部和第二部分中的与上述端部相反一侧的端部的第三部分，有从与上述平面垂直的方向观察时，第一部分伸展的第一方向和第二部分伸展的第二方向分别为接近上述端部的方向，具有相对于连接两个端部的中心之间的直线超过0°小于90°的角度，第三部分与上述直线交叉1次的形状。
文档编号H02N2/00GK102414854SQ201180001918
公开日2012年4月11日 申请日期2011年1月6日 优先权日2010年1月7日
发明者上田路人, 张替贵圣, 藤井映志, 足立秀明 申请人:松下电器产业株式会社