特許 7446955 発電素子、電源装置、および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-01

(45)【発行日】2024-03-11

(54)【発明の名称】発電素子、電源装置、および電子機器

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/18 20060101AFI20240304BHJP

   H02J 50/15 20160101ALI20240304BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20240304BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20240304BHJP

   H10N 35/00 20230101ALI20240304BHJP

   H10N 30/88 20230101ALI20240304BHJP

   H10N 30/853 20230101ALI20240304BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20240304BHJP

【ＦＩ】

H02N2/18

H02J50/15

H02N11/00 Z

H10N30/30

H10N35/00

H10N30/88

H10N30/853

B81B3/00

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020145744

(22)【出願日】2020-08-31

(65)【公開番号】P2022040834

(43)【公開日】2022-03-11

【審査請求日】2023-02-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001494

【氏名又は名称】前田・鈴木国際特許弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】野口 隆男

(72)【発明者】

【氏名】岡野 靖久

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特表２００９－５４２１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２０１１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１４７８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９１３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３４６２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２５４６８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ ２／１８

Ｈ０２Ｊ ５０／１５

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ１０Ｎ ３０／３０

Ｈ１０Ｎ ３５／００

Ｈ１０Ｎ ３０／８８

Ｈ１０Ｎ ３０／８５３

Ｂ８１Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から非接触で供給されるエネルギーを受けて電力を発生させる非接触型の発電体、を有する発電素子であり、
前記発電体は、圧電特性と磁歪特性とを兼ね備える単層または複数層の機能膜を含む振動部を有し、
前記振動部は、固有周波数で弾性波振動が可能な振動子であり、
前記振動部のＱ値が１００以上であり、
前記発電体は、開口部を有する基板に設置してあり、
前記発電体は、
前記基板に面して接続してある固定部と、
前記固定部と前記振動部とを所定の１の連結方向において連結する少なくとも１つの支持部と、をさらに有し、
前記振動部が、前記基板の前記開口部に対向して配置してあり、
前記振動部における前記開口部と対向する面が、前記基板に直に接していない非拘束面であり、
前記振動部が、前記少なくとも１つの支持部により前記１の連結方向のみにおいて前記固定部に連結されており、
前記振動部の前記外周縁と前記基板の前記開口部における内周縁との間に、前記振動部の前記連結方向に沿う前記外周縁の全体に沿って連続する隙間が存在する発電素子。

【請求項2】

前記振動部の前記機能膜は、圧電体層と磁歪層とを有し、
前記振動部において前記圧電体層と前記磁歪層とが、積層してある請求項１に記載の発電素子。

【請求項3】

前記振動部のＱ値が１０００以上である請求項１または２に記載の発電素子。

【請求項4】

前記振動部の前記外周縁と前記基板の前記開口部における前記内周縁との間に、前記振動部の厚み方向と平行な方向からの平面視において前記振動部の前記連結方向と直交する直交方向に沿う前記外周縁の前記支持部の部分を除く全体に沿って連続する隙間が存在する請求項１～３のいずれかに記載の発電素子。

【請求項5】

前記連結方向に沿う前記外周縁の全体に沿って連続する隙間と、前記直交方向に沿う前記外周縁の前記支持部の部分を除く全体に沿って連続する隙間とが連続している請求項４に記載の発電素子。

【請求項6】

前記連結方向を第１軸とし、前記振動部の厚み方向と平行な方向からの平面視において前記第１軸と直交する方向を第２軸として、
前記支持部の前記第２軸における幅が、前記振動部の前記第２軸における幅よりも小さい請求項１～５のいずれかに記載の発電素子。

【請求項7】

前記振動部の厚み方向と平行な方向からの平面視において前記連結方向と直交する方向における前記振動部の幅が、前記固有周波数における電磁波の波長に対して、１／１００倍以下である請求項１～６のいずれかに記載の発電素子。

【請求項8】

前記弾性波振動が、バルク弾性波であり、
前記振動部が、バルク弾性波振動子である請求項１～７のいずれかに記載の発電素子。

【請求項9】

前記弾性波振動の振動姿態が、面内伸縮振動であり、
前記振動部が、面内伸縮振動での弾性波振動が可能なバルク弾性波振動子である請求項１～８のいずれかに記載の発電素子。

【請求項10】

前記発電体を複数有する請求項１～９のいずれかに記載の発電素子。

【請求項11】

複数の前記発電体において、前記固有周波数の平均値をｆＡとして、前記固有周波数のばらつきがｆＡ±１．０％未満の範囲内である請求項１０に記載の発電素子。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれかに記載の発電素子を備える電源装置。

【請求項13】

請求項１０に記載の電源装置を備える電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、離間した場所から供給されるエネルギーを受けて電荷を発生させる発電素子と、当該発電素子を備える電源装置および電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ワイヤレスで電力を送受電する非接触型の給電システムが注目されており、非接触給電に関する技術開発が活発化している。たとえば、特許文献１では、電磁誘導を利用する非接触給電システムが開示されており、特許文献２では、磁界共鳴を利用する非接触給電システムが開示されている。

【0003】

このような電磁誘導型もしくは磁界共鳴型の非接触給電システムでは、電力の送受電を行うために、磁性体コアの周囲に導体を巻回したコイルが用いられている。上記の非接触給電において電力伝送効率を確保するためには、送受電用のコイルにおける巻回数を十分に確保する必要があり、当該コイルのサイズが大きくなる傾向となる。そのため、上記の非接触給電システムでは、装置の小型化が容易ではない。

【0004】

一方、上記以外の非接触給電システムとして、たとえば、特許文献３に示すような音波共鳴型の発電素子が知られている。特許文献３の発電素子では、外部エネルギーとして電磁波や磁場ではなく音波を利用し、外部から供給される音波により振動子を共鳴させることで、音波を電力に変換することができる。ただし、音波共鳴型の発電素子では、送信過程における音波の反射や音波の減衰により、効率的にエネルギーを送電することができず、エネルギー変換効率が悪いという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１０－０１４１２４号公報

【文献】特開２０１２－１９１６９９号公報

【文献】特開平０５－３３０４２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、このような実情を鑑みてなされ、その目的は、高効率なエネルギー変換が可能で、かつ、小型化が容易な発電素子、および、当該発電素子を用いた電源装置と電子機器とを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明に係る発電素子は、
外部から非接触で供給されるエネルギーを受けて電力を発生させる非接触型の発電体を有し、
前記発電体は、圧電特性と磁歪特性とを兼ね備える単層または複数層の機能膜を含む振動部を有し、
前記振動部は、固有周波数で弾性波振動が可能な振動子であり、
前記振動部のＱ値が１００以上である。

【0008】

本発明に係る発電素子では、発電体に含まれる振動部が、電磁波や交流磁場などの外部エネルギーを受けて共振し、弾性波振動することで、電力を発生させることができる。特に、本発明に係る発電素子では、弾性波振動する振動部のＱ値が１００以上に設定してある。振動部のＱ値を高く設定することで、振動部では、より大きな振幅の弾性波振動を発生させることが可能となり、高効率なエネルギー変換が可能となる。また、弾性波振動を有する振動部は、電磁誘導用の受電コイルや磁界共鳴用の受電コイルと比べて、寸法を遥かに小さくすることができ、小型化が容易である。

【0009】

好ましくは、前記振動部の前記機能膜は、圧電体層と磁歪層とを有し、前記振動部において、前記圧電体層と前記磁歪層とが積層してある。振動部が、上記のような圧電体層と磁歪層とを有することで、発電素子のエネルギー変換効率がより向上する。

【0010】

好ましくは、前記発電体が、開口部を有する基板に設置してあり、前記基板に面して接続してある固定部と、前記固定部と前記振動部とを連結する少なくとも１つの支持部と、をさらに有する。そして、好ましくは、前記振動部が、前記基板の前記開口部に対向して配置してあり、前記振動部における前記開口部と対向する面が、前記基板に直に接していない非拘束面である。発電素子の構造を上記の構成とすることで、振動部でより大きな振幅の弾性波振動を発生させることができ、発電素子のエネルギー変換効率がより向上する。

【0011】

また、前記振動部の厚み方向と平行な方向からの平面視において、前記振動部の外周縁と、前記基板における前記開口部の内周縁とは、互いに接触していないことが好ましい。そして、前記振動部の前記外周縁と、前記開口部の前記内周縁との間には、隙間が存在することが好ましい。上記構成を有することで、本発明の発電素子では、エネルギー変換効率がさらに向上する。

【0012】

また、好ましくは、前記支持部の連結方向を第１軸とし、前記第１軸と直交する方向を第２軸として、前記支持部の前記第２軸における幅が、前記振動部の前記第２軸における幅よりも小さい。上記構成を有することで、振動部でより大きな振幅の弾性波振動を発生させることができ、発電素子のエネルギー変換効率がさらに向上する。

【0013】

好ましくは、前記支持部の連結方向と直交する方向における前記振動部の幅が、前記固有周波数における電磁波の波長に対して１／１００倍以下である。上記構成を有することで、振動部でより大きな振幅の弾性波振動を発生させることができ、発電素子のエネルギー変換効率がより向上する。

【0014】

好ましくは、前記弾性波振動が、バルク弾性波であり、前記振動部が、バルク弾性波振動子である。また、好ましくは、前記弾性波振動の振動姿態が、面内伸縮振動であり、前記振動部が、面内伸縮振動での弾性波振動が可能なバルク弾性波振動子である。振動部の弾性波振動が上記の構成を有することで、発電素子のエネルギー変換効率がより向上する。

【0015】

好ましくは、本発明の発電素子は、前記発電体を複数有している。本発明に係る発電素子は、上記のとおり発電体を複数有するアレー素子とすることで、弾性波振動の共振により発生する電力をより大きくすることができる。たとえば、複数の発電体を直列に配列した場合には、出力電圧を高くすることができ、複数の発電体を並列に配列した場合には、出力電流をより大きくすることができる。

【0016】

また、発電素子を上記のようなアレー素子とする場合、複数の前記発電体において、前記固有周波数の平均値をｆＡとして、前記固有周波数のばらつきがｆＡ±１．０％未満の範囲内であることが好ましい。上記の構成を有することで、本発明の発電素子では、より大きな電力を発生させることができ、エネルギー変換効率がより向上する。

【0017】

本発明の発電素子は、電源装置に組み込んで好適に用いることができる。そして、当該電源装置を組み込んだ電子機器は、有線方式の電力供給が不要な自立したデバイスとして、長時間駆動することができる。また、本発明に係る電源装置および電子機器は、人の体内に装着できるほど小型化することが可能である。なお、本発明の電子機器としては、たとえば、イヤホンや補聴器などのヒアラブルデバイス、スマートウォッチ、スマートグラス、スマートコンタクトレンズ、ウェアラブル体温計、ウェアラブル脈波センサなどの各種ウェアラブル端末の他、人体の内部に装着される人口内耳や心臓ペースメーカ、筋肉や脳などへの電気刺激機器、ニューロＲＦＩＤ、マイクロロボットなどが挙げられる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る発電素子を示す平面図である。

【図2】図２は、図１に示すII－II線に沿う概略断面図である。

【図3】図３は、図１に示すIII－III線に沿う概略断面図である。

【図4】図４は、振動部の周波数特性を概略的に示すグラフである。

【図5】図５は、図１に示す発電素子を搭載した電源装置および電子機器を示す概略図である。

【図6】図６は、本発明に係る発電素子の変形例を示す平面図である。

【図7】図７は、本発明に係る発電素子の変形例を示す平面図である。

【図8】図８は、本発明に係る発電素子の変形例を示す平面図である。

【図9】図９は、本発明に係る発電素子の変形例を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。

【0020】

第１実施形態
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る発電素子１は、基板６と、基板６の上に形成してある発電体４と、を有する。また、本実施形態において、発電体４は、Ｘ軸方向の略中央に位置する振動部４１と、Ｘ軸方向の両端に位置する２つの固定部４２ａ，４２ｂと、振動部４１と固定部４２ａ，４２ｂとを連結する２つの支持部４３と、を有する。なお、本実施形態において、発電体４の長手方向をＸ軸とし、発電体４の短手方向をＹ軸とし、発電体４の厚み方向をＺ軸とする。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、相互に略垂直である。

【0021】

図１～３に示すように、発電体４の振動部４１には、機能膜として、圧電特性を有する圧電体層１４と、磁歪特性を有する磁歪層１６とが含まれている。この圧電体層１４および磁歪層１６は、Ｘ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面と実質的に平行であり、Ｘ－Ｙ平面と略垂直な方向（すなわちＺ軸方向）に沿って積層してある。なお、「実質的に平行」とは、ほとんどの部分が平行であるが、多少平行でない部分を有していてもよりことを意味し、圧電体層１４と磁歪層１６とは、多少、凹凸があったり、傾いていたりしてもよいという趣旨である。

【0022】

本実施形態の発電素子１では、電力の発生に際して、上記のような機能膜を有する振動部４１が重要な役割を果たす。そこで、本実施形態では、主に振動部４１の特徴について、説明する。

【0023】

発電体４の振動部４１は、固有周波数ｆ_０を有する振動子である。振動子としては、音波に呼応する振動子や、単なる機械的な振動に呼応する振動子が知られているが、本実施形態の振動部４１は、電磁波や交流磁場などに呼応して弾性波振動することが可能な振動子である。また、振動部４１が有する固有周波数ｆ_０とは、応答が最大となる場合の周波数であって、共振周波数とも呼ばれる。なお、発電素子１の場合、「応答」とは、出力電力を意味する。

【0024】

発電素子１に対して、固有周波数ｆ_０に近い周波数を有する電磁波や交流磁場などの外部エネルギーが放射されると、弾性波振動子である振動部４１は、外部エネルギーによって励振されて、弾性波振動する。より具体的には、振動部４１が外部エネルギーを受けると、磁歪効果によって磁歪層１６に歪みが生じ、その歪みに応じて固有周波数ｆ_０の弾性波振動が発生する。そして、この弾性波振動が発生すると、振動部４１では、圧電体層１４の圧電効果により圧電体層１４の表面に電荷が発生する。つまり、本実施形態の発電素子１では、振動部４１の弾性波振動により、電磁波または交流磁場などの外部エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

【0025】

上記のような発電機構を有する発電素子１において、振動部４１のＱ値（単位なし）は、１００以上であり、５００以上であることが好ましく、１０００以上であることがより好ましい。Ｑ値とは、周波数特性におけるピークの鋭さを表す尺度である。

【0026】

ここで、図４に基づいて、振動部４１の周波数特性について説明しておく。図４に示すグラフでは、横軸が、外部から供給される外部エネルギーの周波数であり、縦軸が、振動部４１に発生する出力電圧である。前述したように、固有周波数ｆ_０では、出力電圧が最大（最大出力Ｖ_０）となり、固有周波数ｆ_０がピークトップとなる。そして、高周波側において最大出力Ｖ_０の１／√２倍の出力（Ｖ_０×１／√２）が得られる周波数をｆ_１として、低周波側において１／√２倍の出力となる周波数をｆ_２とすると、Ｑ値は以下の式で表される。
Ｑ＝ｆ_０／（ｆ_１－ｆ_２）

【0027】

ウェアラブル端末への応用が期待されている共振子では、幅の広い信号を受信できるように、Ｑ値を低く設定することが一般的であった。これに対して、本実施形態の発電素子１では、振動部４１のＱ値を１００以上と高く設定することで、より大きな振幅の弾性波振動を発生させることが可能となり、エネルギーの変換効率を向上させることができる。なお、振動部４１のＱ値は、高ければ高いほど好ましく、Ｑ値の上限値は、特に限定されないが、たとえば、５００００以下とすることができ、１００００以下であることが好ましい。

【0028】

また、図４に示す振動部４１の周波数特性において、固有周波数ｆ_０から（１／１００）×ｆ_０だけ高周波側にシフトした周波数をｆ_ａとし（すなわちｆ_ａ＝ｆ_０＋（１／１００）×ｆ_０）、固有周波数ｆ_０から（１／１００）×ｆ_０だけ低周波側にシフトした周波数をｆ_ｂとして（すなわちｆ_ｂ＝ｆ_０－（１／１００）×ｆ_０）、周波数ｆ_ａおよび周波数ｆ_ｂにおける出力をそれぞれＶ_ａ，Ｖ_ｂとする。この場合、振動部４１は、最大出力Ｖ_０が、出力Ｖ_ａまたは出力Ｖ_ｂに対して２倍以上となるように設計することが好ましい（すなわちＶ_０＞２Ｖ_ａ，Ｖ_０＞２Ｖ_ｂ）。振動部４１が上記のような条件を満足する周波数特性を有することで、本実施形態の発電素子１では、より大きな電力を得ることができ、エネルギーの変換効率がより向上する。

【0029】

また、本実施形態において、振動部４１は、表面弾性波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）などではなく、バルク弾性波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）で振動するバルク弾性波振動子であることが好ましい。表面弾性波の振動子では、物体表面に伝播する波（振動）を利用するが、バルク弾性波の振動子では、表面ではなく物体自体が振動することを利用する。本実施形態の発電素子１では、振動部４１をバルク弾性波振動子とすることで、より大きな電荷を発生させることができ、エネルギーの変換効率がより向上する。

【0030】

また、振動部４１で発生する弾性波振動の振動姿態は、面外振動ではなく面内伸縮振動であることが好ましい。ここで、面外振動とは、振動子が、回転や屈曲などの体積変化を伴わない動態で振動することを意味する。面外振動する振動子の場合（特に屈曲振動する振動子の場合）、当該振動子の固有周波数ｆ_０は、１００ｋＨｚ以下の低周波となる傾向がある。一方、面内伸縮振動とは、振動子がＸ－Ｙ平面もしくはＺ軸を含む平面に沿って伸縮することで振動することを意味する。本実施形態では、Ｘ－Ｙ平面に沿って伸縮する面内伸縮振動を、拡がり振動と称し、Ｚ軸を含む平面に沿って伸縮する面内伸縮振動を、厚み縦振動と称する。面内伸縮振動する振動子では、固有周波数ｆ_０が面外振動の振動子よりも高周波帯となる傾向があり、拡がり振動と厚み縦振動とでは、厚み縦振動の固有周波数ｆ_０のほうが高周波帯となる傾向がある。本実施形態の発電素子１では、振動部４１を面内伸縮振動のバルク弾性波振動子とすることで、より大きな電荷を発生させることができ、エネルギーの変換効率がより向上する。

【0031】

なお、上述したような振動部４１の固有周波数ｆ_０、Ｑ値、周波数特性、および振動様態は、インピーダンスアナライザを用いて測定することができる。また、振動部４１の振動様態は、機能膜（圧電体層１４や磁歪層１６など）の材質、機能膜の厚み、機能膜の結晶配向性、振動部４１の形状、および、発電体４における各部位の寸法（特に振動部４１および支持部４３の寸法）などに影響されて定まる。また、振動部４１の固有周波数ｆ_０、Ｑ値、および、周波数特性は、振動様態と同様に、発電体４の各部位の構造、機能膜の構成、および、振動部４１の振動姿態などに影響されて定まる。

【0032】

第２実施形態
第２実施形態では、振動部４１が面内伸縮振動のバルク弾性波振動子である場合の発電素子１ついて例示し、その詳細な構成を説明する。なお、第２実施形態でも、第１実施形態と同様に図１～３を参照し、第１実施形態と共通の構成に関しては、同じ符号を使用する。

【0033】

まず、図１～３に基づいて、発電素子１の形態的特徴を詳細に説明する。

【0034】

図１に示すように、発電素子１のＺ軸方向における最下層には、平面視において略矩形の外縁形状を有する基板６が存在する。なお、基板６の平面視形状は、特に限定されず、円形、楕円形、角部が丸みを帯びた四角形、およびその他多角形であってもよい。また、基板６の厚みも、特に限定されず、十分な強度を確保できる厚みであればよい。この基板６は、Ｘ－Ｙ平面の略中央部において、開口部６１を有しており、この開口部６１のＺ軸方向の上方に振動部４１が位置している。つまり、発電体４の振動部４１は、基板６の開口部６１に対向して配置してある。開口部６１の平面視形状および寸法は、振動部４１の形状や寸法に合わせて決定される。第２実施形態では、開口部６１が略矩形の平面視形状を有する。

【0035】

発電体４は、機能膜を積層した積層構造体であり、第２実施形態における発電体４には、少なくとも下部電極層１２と、前述した圧電体層１４および磁歪層１６とが含まれている。発電体４のＺ軸下方には、下部電極層１２が位置し、当該下部電極層１２の上に圧電体層１４が積層してあり、当該圧電体層１４の上に磁歪層１６が積層してある。なお、各機能膜の構成に関しては、追って詳述する。

【0036】

図２に示すように、発電体４は、基板６のＺ軸方向の上方において、開口部６１の上部開口面を、Ｘ軸方向に架け渡すように存在している。そして、発電体４のＸ軸方向における一方の端部は、基板６の表面に面して接続してあり、固定部４２ａとなっている。また、Ｘ軸方向における発電体４の他方の端部も、基板６の表面に面して接続してあり、固定部４２ｂとなっている。

【0037】

固定部４２ａでは、取出電極１８ａが下部電極層１２に電気的に接続してあり、この取出電極１８ａを介して、図示しない外部回路が接続可能となっている。一方、固定部４２ｂには、磁歪層１６に電気的に接続してある取出電極１８ｂが存在しており、この取出電極１８ｂを介して図示しない外部回路が接続可能となっている。なお、固定部４２ｂにおいて、取出電極１８ｂと下部電極層１２との間には絶縁層２０が介在してあり、この絶縁層２０によって、取出電極１８ｂと下部電極層１２とが、短絡しないように互いに絶縁されている。なお、以降の段落では、固定部４２ａおよび固定部４２ｂを、総称して「固定部４２」と記載する場合がある。

【0038】

発電体４の振動部４１は、開口部６１の上部開口面よりも寸法が小さい略矩形の平面視形状を有しており、Ｘ軸と平行な縁辺とＹ軸と平行な縁辺とを有している。第２実施形態では、Ｘ軸方向が、振動部４１の長手方向となっており、Ｙ軸方向が、振動部４１の短手方向となっている。前述したように、振動部４１は開口部６１の上方に位置しており、図３に示す断面では、振動部４１が、開口部６１のＺ軸上方において浮遊しているように見える。図３に示すように、Ｘ－Ｙ平面と平行な振動部４１の上面および下面は、基板６に直に接していない非拘束面であることが好ましい。なお、振動部４１の上面および下面とは、開口部６１と対向する面である。また、図３に示す断面とは、図１に示すIII－III線に沿う断面であって、支持部４３を含まないＸ－Ｚ断面である。

【0039】

そして、発電体４の振動部４１は、一対の支持部４３を介して、各固定部４２ａ，４２ｂに一体的に接続してある。つまり、振動部４１は、支持部４３を介して基板６に連結してある。第２実施形態では、支持部４３により振動部４１と固定部４２とが連結される方向を、連結方向（図１～３ではＸ軸方向）と称する。

【0040】

図１および図３に示すように、Ｚ軸方向からの平面視において、振動部４１の外周縁と、開口部６１の内周縁とは、互いに接触しておらず、振動部４１の外周縁と開口部６１の内周縁との間には、隙間４６が存在する。ここで、上記の「振動部４１の外周縁」とは、振動部４１における下部電極層１２の外周縁であり、より具体的に、振動部４１における支持部４３との連結部分を除く下部電極層１２の外周縁を意味する。第２実施形態において、隙間４６の平均幅Ｗｇは、１μｍ～５００μｍであることが好ましい。なお、第２実施形態において、隙間４６は、機能膜１２～１６や基板６が存在していない空間となっている。また、隙間４６の幅Ｗｇは、平面視における下部電極層１２の外周縁から開口部６１の内周縁までの間隔を意味する。

【0041】

また、振動部４１において、連結方向と直交する方向の幅Ｗｖｙ（図１～３では、Ｙ軸方向の幅）は、固有周波数ｆ_０と同じ周波数の電磁波ＥＷの波長と比較して、１／１００倍以下であることが好ましく、１／２００倍以下であることがより好ましい。連結方向と直交する方向の幅Ｗｖｙの下限値は、特に限定されないが、たとえば、固有周波数ｆ_０と同じ周波数の電磁波の波長と比較して、１／２０００００倍以上とすることが好ましい。なお、上記において、「電磁波ＥＷの波長」とは、外部エネルギーの伝達経路となる媒介中（例えば空気中）における電磁波の波長を意味する。たとえば、第２実施形態の発電素子１において、幅Ｗｖｙ以外の構成を変えずに幅Ｗｖｙを広くした場合、振動部４１が有する固有周波数ｆ_０は、低くなる傾向となる。逆に幅Ｗｖｙを狭くすると、振動部４１が有する固有周波数ｆ_０は、高くなる傾向となる。

【0042】

一方、振動部４１において、連結方向の幅Ｗｖｘ（図１～３ではＸ軸方向の幅）は、特に限定されず、上記の幅Ｗｖｙよりも狭い幅とすることもできるが、幅Ｗｖｙよりも広い幅とすることが好ましい。

【0043】

また、振動部４１の平均厚みＴｖは、各機能膜の厚みに依存し、特に限定されないが、たとえば、０．５μｍ～３０μｍとすることが好ましい。

【0044】

また、前述のとおり、振動部４１は、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面に沿った板状の形態を有するが、この板状の振動部４１は、可能な限り平坦であることが好ましい。たとえば、振動部４１の平面度は、幅Ｗｖｙよりも小さい値とすることが好ましい。また、Ｘ－Ｙ平面と平行な振動部４１の上面および下面は、表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）または二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ：旧ＲＭＳ）で、１μｍ以下であることが好ましい。もしくは、振動部４１における上面の表面粗さ（ＲａまたはＲｑ）、および、下面の表面粗さ（ＲａまたはＲｑ）は、振動部４１の弾性波振動の波長と比較して、１／１０倍以下であることが好ましい。

【0045】

なお、平面度は、接触式で測定してもよいし、非接触式で測定してもよい。たとえば、ＣＮＣ画像測定器やレーザ顕微鏡などにより平面度を測定することができる。また、表面粗さＲａ，Ｒｑについても、接触式で測定してもよいし、非接触式で測定してもよく、ＪＩＳ－Ｂ０６０１に準拠して測定すればよい。

【0046】

発電部４の支持部４３は、振動部４１のＸ軸方向における端部と、固定部４２とを、Ｘ軸方向に沿って連結しており、第２実施形態では、支持部４３が、固定部４２の数に応じて２つ形成してある。この支持部４３は、振動部４１の弾性波振動を妨げないように、振動部４１よりも剛性が低くなるような様態で形成してあることが好ましい。

【0047】

たとえば、支持部４３において、連結方向と直交する方向（Ｙ軸方向）の幅Ｗｓｙは、振動部４１の幅Ｗｖｙよりも狭くすることが好ましい。より具体的に、振動部４１の幅Ｗｖｙに対する支持部４３の幅Ｗｓｙの比率（Ｗｓｙ／Ｗｖｙ）は、１０％～９０％とすることがより好ましい。あるいは、支持部４３のＺ軸方向の平均厚みＴｓは、振動部４１のＺ軸方向の平均厚みＴｖよりも薄いことが好ましい。より具体的には、振動部４１の平均厚みＴｖに対する支持部４３の平均厚みＴｓの比率（Ｔｓ／Ｔｖ）は、５０％～９５％であることがより好ましい。

【0048】

さらに、支持部４３において、平均厚みＴｓと幅Ｗｓｙとの積（Ｔｓ×Ｗｓｙ）は、振動部４１における平均厚みＴｖと幅Ｗｖｙとの積と比較して、９０％以下であることが好ましく、７５％以下であることがより好ましい。支持部４３における平均厚みＴｓおよび幅Ｗｓｙを、上記条件の範囲内に制御することで、振動部４１における弾性波振動の振幅をより大きくすることができ、より大きな電力を発生させることができる。

【0049】

また、支持部４３において、連結方向（Ｘ軸）の長さＷｓｘは、振動部４１の弾性波振動の波長と比較して、１／１０倍～１／２倍程度の範囲内とすることが好ましい。支持部４３の長さＷｓｘを上記の範囲内とすることで、弾性波振動の振動エネルギーを振動部４１に効率的に閉じ込めることができ、より大きな電力を得ることができる。また、発電素子が図６に示すような発電体４を複数有するアレー素子である場合には、支持部４３の長さＷｓｘを上記の範囲内とすることで、複数の発電体４の間で相互干渉が発生することを抑制することができる。

【0050】

次に、発電素子１を構成する基板６や機能膜などの各要素の特徴について詳述する。

【0051】

（基板６）
第２実施形態において、基板６は、少なくとも発電体４を支持できる絶縁物であればよいが、単結晶の基板であることが好ましい。単結晶基板としては、Ｓｉ、ＭｇＯ、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などが挙げられる。第２実施形態では、特に、表面がＳｉ（１００）面の単結晶となっているシリコン基板を使用することがより好ましい。なお、Ｓｉ（１００）面の単結晶とは、シリコン基板において、立方晶の（１００）面が、厚み方向に対して略平行となるように配向していることを意味する。

【0052】

（圧電体層１４）
圧電体層１４は、一方の固定部４２ａから他方の固定部４２ｂにかけて延在している、単層の薄膜である。図１に示すように、圧電体層１４の平面視形状は、発電体４の各部位４１～４３の形状に適合しており、Ｘ－Ｙ平面における寸法が、後述する下部電極層１２の平面寸法よりも小さくなっている。また、圧電体層１４の平均厚みは、０．４μｍ～１０μｍの範囲内であることが好ましく、０．４μｍ～２μｍであることがより好ましい。そして、圧電体層１４の厚みのばらつきは、±５％以下であることが好ましい。

【0053】

なお、圧電体層１４の平均厚みは、たとえば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などによりＸ－Ｚ断面もしくはＹ－Ｚ断面を観察し、その際に得られる断面写真を画像解析することで求められる。この際、面内方向において少なくとも３点以上の箇所で計測を行い、その平均値を算出する。

【0054】

圧電体層１４は、圧電材料で構成してあり、圧電効果または逆圧電効果を奏する。圧電体層１４を構成する圧電材料としては、たとえば、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３）、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム（ＢＣＺＴ：（Ｂａ，Ｃａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、などが例示される。

【0055】

第２実施形態では、上記の圧電材料のうち、特に、ＰＺＴ、ＫＮＮ、およびＢＣＺＴなどのペロブスカイト構造を有する圧電材料を用いることが好ましい。ペロブスカイト構造の圧電材料は、優れた圧電特性を有するため、圧電体層１４をこれらの材質で構成することで、発電素子４の性能が向上する。なお、圧電体層１４を構成する上記の圧電材料には、圧電特性をさらに改善するために、適宜他の元素や化合物が添加してあってもよい。

【0056】

また、ペロブスカイト構造の圧電材料を用いる場合、圧電体層１４は、エピタキシャル成長した膜であることがより好ましい。ここで、エピタキシャル成長とは、成膜の際に、膜の結晶が、下地材料の結晶格子に整合する形で、膜厚方向（Ｚ軸方向）および平面方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）に揃いながら成長することをいう。そのため、より好ましい様態の場合、圧電体層１４は、成膜中の高温状態において、結晶が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の３軸すべての方向に揃って配向した状態（３軸配向）となる。圧電体層１４における結晶の軸を揃えて配向性を向上させるほど、振動部４１のＱ値が高くなる傾向がある。また、圧電体層１４をエピタキシャル成長した膜とすることで、振動部４１が面内伸縮振動で弾性波振動し易くなる。

【0057】

なお、３軸配向するようにエピタキシャル成長しているか否かは、薄膜形成過程において反射高速電子線回折評価（ＲＨＥＥＤ評価）を行うことで確認できる。成膜中の膜表面において、結晶配向に乱れがある場合には、ＲＨＥＥＤ像は、リング状に伸びたパターンを示す。一方で、上記のようにエピタキシャル成長している場合には、ＲＨＥＥＤ像は、スポット状またはストリーク状のシャープなパターンを示す。上記のようなＲＨＥＥＤ像は、あくまでも成膜中の高温状態で観測される。

【0058】

また、エピタキシャル成長した場合、圧電体層１４は、成膜後の室温状態において、結晶粒界がほとんど形成されず、単結晶に近い（完全な単結晶ではない）結晶構造を有する。より具体的に、成膜後における圧電体層１４の結晶構造は、３軸配向したうえで、複数の結晶相を有することが好ましく、また、少なくとも３種のドメイン（域）を含むドメイン構造を有することが好ましい。圧電体層１４がドメイン構造を有することで、圧電特性がより向上し、振動に対する圧電応答性が高まる。

【0059】

圧電体層１４がドメイン構造を有する場合、ドメイン構造の具体的な構成は、使用する圧電材料によって異なる。たとえば、圧電体層１４がＰＺＴのエピタキシャル成長した膜である場合には、正方晶と菱面体晶の少なくとも２種の結晶相を有することができる。そして、この場合、正方晶は、ｃ軸（直方体（結晶格子）の長手方向の軸）が膜厚方向を向いたドメインと、ｃ軸が面内方向を向いたドメインと、を有する。また、菱面体晶の結晶相は、膜厚方向に対して（１００）面が平行となるように配向している。すなわち、圧電体層１４がＰＺＴのエピタキシャル成長した膜である場合には、正方晶の２種のドメインと、菱面体晶のドメインとの計３種のドメインを含むことが好ましい。

【0060】

一方、圧電体層１４がＫＮＮのエピタキシャル成長した膜である場合には、斜方晶の２種のドメインと、単斜晶の１種のドメインと（計３種のドメイン）を有することが好ましい。上記の場合、斜方晶の２種のドメインとは、斜方晶の（００１）面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメイン（ａドメイン）と、斜方晶の（０１０）面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメイン（ｃドメイン）とが存在し得る。また、単斜晶のドメインでは、（１００）面または（０１０）面が膜厚方向に対して略平行となっていることが好ましい。

【0061】

また、圧電体層１４がＢＣＺＴのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の２種のドメインと、斜方晶の２種のドメインと（計４種のドメイン）を有することが好ましい。

【0062】

上述したような複数のドメインは、共通のドメイン境界を挟んで接しているため、各ドメインの結晶軸の向きは、膜厚方向や面内方向から数度程度（具体的には、最大±３度程度）ずれていてもよい。また、上述したような複数のドメインは、少なくとも成膜時の高温状態においては、同じ結晶系の同じ方位に配向した等価なドメインであり、成膜後に室温や使用温度に冷却される過程で、より安定な結晶相やドメインに転移することで形成される。なお、複数のドメインが混在して存在する様子は、圧電体層１４を、ＳＴＥＭもしくは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の電子線回折、または、Ｘ線回折（ＸＲＤ）などで分析することにより確認できる。

【0063】

（下部電極層１２）
下部電極層１２も、圧電体層１４と同様に、一方の固定部４２ａから他方の固定部４２ｂにかけて延在している、単層の薄膜である。下部電極層１２は、圧電体層１４で発生した電荷を回収し取り出すための電極であり、下部電極層１２のＸ軸方向における一方の端部が取出電極１８ａと電気的に接続してある。下部電極層１２の平均厚みは、３ｎｍ～２００ｎｍとすることが好ましい。

【0064】

下部電極層１２は、金属や酸化物導電体などの導電材料で構成される。特に、圧電体層１４をエピタキシャル成長した膜とする場合、下部電極層１２も、エピタキシャル成長した膜とすることが好ましい。この場合、下部電極層１２は、たとえば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）などの面心立方構造の金属薄膜か、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３：以下ＳＲＯと略す）やニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ３）などの酸化物導電体薄膜とすることが好ましい。このような金属薄膜および酸化物導電体薄膜は、単結晶の基板上にエピタキシャル成長させることができる。そして、エピタキシャル成長した膜とする場合、下部電極層１２では、膜厚方向（Ｚ軸方向）において（００１）面が配向していることが好ましい。また、面内方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）においては、圧電体層１４の（１００）面と下部電極層１２の（１００）面とが略平行となっていることが好ましい。

【0065】

なお、下部電極層１２もエピタキシャル成長した膜とする場合、下部電極層１２は、上記の金属薄膜と上記の酸化物導電体薄膜とを積層して構成してもよい。その場合、下部電極層１２における下方側（すなわち基板６側）には、金属薄膜を積層し、当該金属薄膜の上に酸化物導電体薄膜を積層することが好ましい。

【0066】

（磁歪層１６）
図１に示すように、第２実施形態において、磁歪層１６は、振動部４１において積層してある単層の薄膜であり、固定部４２および支持部４３には、磁歪層１６が形成されていない。このように、磁歪層１６は、振動部４１に積層してあればよく、必ずしも固定部４２や支持部４３に積層してある必要はない。ただし、支持部４３や、固定部４２の一部において磁歪層１６が存在していてもよい。また、図１において磁歪層１６は、略矩形の平面視形状を有している。磁歪層１６の平面寸法は、圧電体層１４の振動部４１における平面寸法よりも小さくすることが好ましい。換言すると、Ｘ－Ｙ平面において、磁歪層１６の外周縁は、圧電体層１４の外周縁よりも内側に位置することが好ましい。上記のように磁歪層１６の平面寸法を制御することで、振動部４１の耐久性を向上させることができる。

【0067】

磁歪層１６の平均厚みは、０．１μｍ～５μｍの範囲であることが好ましく、０．１μｍ～１μｍであることがより好ましい。また、圧電体層１４の平均厚みに対する磁歪層１６の平均厚みの比は、１／１０～１０の範囲内であることが好ましく、１／１０以上、１未満であることがより好ましい。そして、磁歪層１６の厚みのばらつきも、圧電体層１４の場合と同様、±５％以下であることが好ましい。なお、磁歪層１６の平均厚みも、圧電体層１４と同様にして測定可能である。

【0068】

磁歪層１６は、磁歪特性を有する強磁性体で構成してある。強磁性体としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの純金属、または、上記金属元素のうち少なくとも１種を含む合金（たとえば、Ｆｅ－Ｃｏ系、Ｆｅ－Ｎｉ系、Ｆｅ－Ｓｉ系、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂ系、Ｆｅ－Ｇａ系、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系の合金など）、もしくは、上記金属元素の酸化物を含む酸化物磁性体を用いることができる。また、磁歪層１６は、上記の強磁性体を含む単一膜であってもよいし、複数の層からなる多層膜や、強磁性体と反強磁性体との積層膜であってもよい。

【0069】

磁歪層１６は、上記の強磁性体薄膜の中でも、特に、軟磁性の高磁歪膜であることが好ましい。第２実施形態において、軟磁性の高磁歪膜とは、保持力Ｈ_Ｃやしきい磁場Ｈ_ＴＨが低い（好ましくは、Ｈ_Ｃが２５００Ａ／ｍ未満、Ｈ_ＴＨが５００Ａ／ｍ未満）軟磁性体で構成されており、かつ、飽和磁歪λ_ＭＡＸが５ｐｐｍ以上の膜であることを意味する。具体的に軟磁性高磁歪膜の磁歪層１６としては、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｂ系合金、またはＦｅ－Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ系合金などを主成分とする合金膜が例示される。強磁性体の多くは磁歪効果を示すが、特に上記の軟磁性高磁歪膜で磁歪層１６を構成すると、より振幅が大きい弾性波振動を発生させることができる。

【0070】

また、磁歪層１６の結晶構造は、非晶質であってもよいし、多結晶であってもよいが、磁歪層１６が軟磁性高磁歪膜である場合には、非晶質相と結晶相とを、混在して有することが好ましい。強磁性体薄膜１６が非晶質相と結晶相とを混在して含むことで、外部エネルギーに対する応答性を向上させることができるとともに、磁歪変化率（ｄλ／ｄＨ)を大きくすることができる。

【0071】

なお、Ｆｅを含む合金は、体心立法構造で結晶化されることが通常である。第２実施形態においては、磁歪層１６が非晶質相と結晶相とを有する場合、磁歪層１６に含まれる結晶相のほとんどが、面心立法構造を有することが好ましい。磁歪層１６が上記のような結晶構造を有することで、発電素子１のエネルギー変換効率をより向上させることができる。

【0072】

磁歪層１６の結晶構造は、圧電体層１４と同様に、ＴＥＭの電子線回折またはＸＲＤなどで分析することで確認できる。たとえば、磁歪層１６が非晶質相のみで構成される場合、ＸＲＤを用いてＣｕ-Ｋα線によるθ－２θ測定を行うと、ブロードで幅が広いハローパターンのみが検出される。一方、磁歪層１６が結晶相のみで構成された場合には、半値幅が狭い極めてシャープな反射ピークのみが検出される。また、磁歪層１６が非晶質相と結晶相とを混在して有する場合、非晶質相の存在を示すブロードな盛り上がり（ハロー）部分と、結晶相の存在を示すシャープなピーク部分とを共に有する反射ピークが検出される。

【0073】

また、非晶質相と結晶相との割合は、電子線回折もしくはＸＲＤで得られた反射ピークに対して、プロファイルフィッティングを行い、結晶化度を算出することで確認できる。具体的には、結晶相部分（ピーク部分）と非晶質相部分（ハロー部分）のフィッティングを行い、各部分の積分強度（面積）を測定する。そして、結晶化度（％）は、結晶相部分の積分強度（Ｉｃ）と非晶質相部分の積分強度（Ｉａ）との和（すなわち全ピーク面積）に対する、結晶相部分の積分強度（Ｉｃ）の比（Ｉｃ／（Ｉｃ＋Ｉａ）×１００）で表される。第２実施形態において、磁歪層１６が非晶質相と結晶相とを混在して有する場合、結晶化度は、１％～５０％であることが好ましく、５％～２０％であることがより好ましい。

【0074】

磁歪層１６は、前述したように、電磁波や交流磁場などの外部エネルギーを受けて、弾性波振動の発生に寄与する。また、図１～３に示す発電素子１の場合、磁歪層１６は、圧電体層１４で発生した電荷を回収し取り出すための電極としても機能する。

【0075】

（取出電極１８）
取出電極１８は、導電性を有していればよく、その材質や寸法は特に制限されない。たとえば、取出電極１８は、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの導電性金属を含むことができ、導電性金属の他にガラス成分などが含まれていてもよい。なお、図１および図２において、取出電極１８は、薄膜状の電極としているが、ビアホール電極としてもよい。

【0076】

（絶縁層２０）
絶縁層２０は、電気絶縁性を有していればよく、その材質や厚みは特に制限されない。たとえば、絶縁層２０は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ポリイミドなどで構成することができる。

【0077】

（その他の機能膜）
なお、図１～３では図示していないが、発電体４には、上述した下部電極層１２、圧電体層１４、および磁歪層１６の他に、その他の機能膜が含まれていてもよい。

【0078】

たとえば、発電体４のＺ軸方向の最下層（すなわち下部電極層１２の下方）には、下部電極層１２の結晶性および圧電体層１４の結晶性を制御するバッファ層が形成してあってもよい。特に圧電体層１４をエピタキシャル成長した膜とする場合には、バッファ層を形成することが好ましい。バッファ層は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、もしくは、希土類元素（ＳｃおよびＹを含む）により安定化された酸化ジルコニウム（安定化ジルコニア）を主成分とすることが好ましい。

【0079】

このバッファ層も、成膜用基板の結晶格子に整合する形で、結晶が膜厚方向（Ｚ軸方向）および面内方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）に揃いながらエピタキシャル成長した膜であることが好ましい。バッファ層は、下部電極層１２と同様に、膜厚方向において、（００１）面が配向していることが好ましい。そして、面内方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）においては、圧電体層１４の（１００）面と、下部電極層１２の（１００）面と、バッファ層の（１００）面とが略平行となっていることがより好ましい。具体的に、バッファ層がＺｒＯ_２で、下部電極層１２がＰｔで、圧電体層１４がＰＺＴの場合、各層の好ましい配向関係は、膜厚方向が、ＺｒＯ_２（００１）//Ｐｔ（００１）//ＰＺＴ（００１）であって、面内方向が、ＺｒＯ_２（１００）//Ｐｔ（１００）//ＰＺＴ（１００）である。

【0080】

バッファ層が形成してあることで、下部電極層１２および圧電体層１４をエピタキシャル成長させ易くすることができ、これらの層１２，１４の結晶性がより良好となる。また、バッファ層は、エッチングにより開口部６１を形成する際に、エッチングストッパ層としても機能する。バッファ層を形成する場合、その平均厚みは、５ｎｍ～１００ｎｍとすることが好ましい。

【0081】

また、圧電体層１４と磁歪層１６との間には、上部電極層が形成してあってもよい。上部電極層を形成することで、圧電体層１４で発生する電荷をより効率よく取り出すことができる。上部電極層は、下部電極層１２と同様の構成（厚みや材質）とすることができる。なお、圧電体層１４をエピタキシャル成長した膜とする場合、下部電極層１２もエピタキシャル成長した膜とすることが好ましいが、上部電極層については必ずしもエピタキシャル成長させる必要はない。一方、磁歪層１６において非晶質相と結晶相とを混在させる場合は、上部電極層の結晶構造は、面心立方の多結晶構造、もしくは、非晶質相と面心立法の結晶相とが混在した結晶構造とすることが好ましい。

【0082】

さらに、発電体４において、下面を除く最外層には、保護層が形成してあってもよい。保護層としては、Ｔｉ，Ｔａ，またはＰｔなどの金属を含む保護層や、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、またはポリイミドなどで構成する絶縁性の保護層が例示され、金属製の保護層と絶縁性の保護層とを両方形成してもよい。なお、保護層の平均厚みは、特に限定されず、たとえば、５ｎｍ～５０ｎｍとすることができる。

【0083】

図１～３に示す発電素子１では、上述したような内部構造（各機能膜の構成）を有し、上述したような形態的特徴（発電体４の各部位の形状や寸法など）を有することで、振動部４１が面内伸縮振動のバルク弾性波振動子となる。特に、内部構造や形態的特徴が、前述したような好適な条件を満たす場合、振動部４１の振動姿態は、拡がり振動となる傾向がある。

【0084】

（発電素子１の製造方法）
以下、図１～３に示す発電素子１の製造方法の一例について説明する。

【0085】

第２実施形態の発電素子１は、半導体製造プロセスで用いられるような微細加工技術を用いて製造することができる。まず、まず、成膜用基板の上に下部電極層１２と、圧電体層１４と、磁歪層１６とを、各種薄膜作製法により形成する。薄膜作製法としては、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＣＤＶ法、ＰＬＤ法などが適用でき、特に好ましくは、スパッタリング法である。スパッタリング法で製膜することにより、各機能膜の間の密着力を高めることができる。その結果、膜の剥離などの不良の発生を抑えることができるとともに、磁歪層１６の歪を効率的に圧電体層１４に伝達することができるようになり、エネルギーの変換効率が向上する。

【0086】

各層１２，１４，１６の成膜条件は、公知の条件を採用でき、特に制限されない。ただし、圧電体層１４をエピタキシャル成長膜とする場合には、スパッタリングターゲットの組成、成膜用基板の温度、成膜速度、ガス組成、真空度、基板ターゲット間距離などを適正に制御する。また、圧電体層１４がドメイン構造を有するためには、特に、スパッタリングターゲットの組成、成膜用基板の温度、もしくは、圧電体層１４の上に積層する磁歪層１６の応力、などを制御すればよい。

【0087】

たとえば、スパッタリングターゲットの組成は、圧電材料の材質に応じて、複数のドメインや結晶相が形成されやすい組成を選択すると共に、蒸気圧の高い元素を、化学量論的組成の２０～１２０%増しとすることが好ましい。ＰＺＴを例にとると、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表される原子数比が、１．２～２．２であることが好ましく、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表される原子数比が、１～１．５となるように制御することが好ましい。また、成膜用基板の温度については、５５０～６５０℃となるように制御することが好ましい。さらに、磁歪層１６の応力は、圧縮応力とすることが好ましい。加えて、圧電体層１４をエピタキシャル成長させた後で、酸化雰囲気下において、３００℃～５００℃の温度でアニール処理することも、上述したドメイン構造を得るために効果的である。

【0088】

なお、圧電体層１４をエピタキシャル成長させる場合、成膜用基板としては、前述したように、単結晶のシリコン基板（ウェハ）を使用することが好ましい。また、下部電極層１２も、シリコン基板上にエピタキシャル成長させて形成することが好ましい。下部電極層１２をエピタキシャル成長させる方法については、公知の方法を採用すればよい。

【0089】

また、磁歪層１６ついては、非晶質相と結晶相とを混在させる場合、スパッタリング時に、真空度、成膜用基板の温度、ガス組成、ガス圧力、パワー、ターゲットと成膜用基板との距離などの成膜条件を適切に制御する。たとえば、ガス圧力は、０．０１～０．１Ｐａとすることが好ましい。また、成膜用基板の温度は、２０～２００℃とすることが好ましく、ターゲットと成膜用基板との距離は、基板温度が成膜中に上昇しないように、１００ｍｍ以上離すことが好ましい。

【0090】

上記のように機能膜を形成した成膜用基板については、フォトエッチングやレーザードライエッチングなどの各種エッチング法によりパターニング加工を施す。このパターニング加工では、成膜用基板の上に、図１～３に示す積層パターンを形成する。

【0091】

たとえば、フォトエッチングによりパターニングする場合には、まず、スピンコート法などの各種コーティング法により、磁歪層１６の上にフォトレジスト剤を塗布する。そして、塗布したフォトレジスト剤の上に所望のパターン形状を有するマスクをあてて、紫外線を照射し、磁歪層１６を除去したい部分のみを露光させる（つまり、磁歪層１６を残存させる部分をマスクする）。その後、フォトレジスト膜の現像と磁歪層１６のエッチングを行い、露光した部分に対応するフォトレジスト膜と磁歪層１６とを除去することで、図１に示す磁歪層１６の外周縁が形成される。なお、磁歪層１６の上に残存しているフォトレジストは、酸素プラズマや所定の薬品などによる表面処理で取り除くことができる。また、磁歪層１６の上に残存したフォトレジストは、取り除くことなく、保護層として利用してもよい。

【0092】

上記の手順により磁歪層１６のパターンを形成した後、圧電体層１４および下部電極層１２についても、上記と同様の方法によりパターニングする。なお、圧電体層１４のパターニング時に使用するマスクは、磁歪層１６のパターニング時に使用するマスクよりも、１パターン当たりの寸法が、大きくなるように調整することが好ましい。

【0093】

また、圧電体層１４をエピタキシャル成長させた場合、発電体４の延面方向（パターニング形状）を、圧電体層１４の所定の結晶方位に合わせて制御することが好ましい。具体的に、上記のパターニング加工において、発電体４の長手方向（Ｘ軸方向）または短手方向（Ｙ軸方向）が、圧電体層１６の＜１１０＞方向、および、単結晶シリコン基板の＜１１０＞方向に対して、略平行となるように、マスクの位置を調整する。

【0094】

上記のように、発電体４の延面方向（パターニング形状）を制御することで、発電素子１の耐久性を向上させることができる。また、圧電体層１４の分極方向が膜厚方向に向きやすくなり、圧電体層１４の圧電特性が向上する。なお、マスク位置は、単結晶シリコン基板に形成してあるオリエンテーションフラット（オリフラ）やノッチを基準として調整すればよい。つまり、成膜前の単結晶シリコン基板には、予め基板の結晶方位がわかるようにオリフラやノッチを形成しておく。また、第２実施形態において、丸括弧は、ミラー指数（面）を表しており、三角括弧および角括弧は、結晶方位（方向）を表している。

【0095】

上記の手順でパターニング加工を施した後、取出電極１８および絶縁層２０を形成する。

【0096】

そして、成膜用基板の一部をエッチングにより除去して、図１～３に示す開口部６１を形成する。この場合、エッチング後に残存した部分が基板６となる。成膜用基板のエッチングは、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥ法などのドライエッチングや、異方性ウェットエッチングなどが適用できる。なお、成膜用基板は、上記のエッチングによりすべて除去してもよい。この場合、発電体４は、成膜用基板を除去した後、別部材の基板６に貼り付けて固定すればよい。

【0097】

以上のような工程で、図１～３に示す発電素子１が得られる。なお、上記の製造工程では、エッチング法によりパターニングする方法を説明したが、各層のパターニング加工は、リフトオフ法により実施してもよい。リフトオフ法の場合、たとえば、磁歪層１６を成膜する前に、磁歪層１６の形成予定領域以外を覆うように、圧電体層１４の上にレジスト膜を形成する。磁歪層１６は、レジスト膜が形成された圧電体層１４の上に強磁性体成分をスパッタし、その後、レジスト膜を剥離（リフトオフ）することで形成される。つまり、リフトオフ法の場合、リフトオフ後に、レジスト膜を形成しなかった場所に残存した強磁性体成分が、磁歪層１６となる。また、磁歪層１６の外周縁は、レジスト膜上に成膜された強磁性体成分が、リフトオフにより除去されることで、形成される。

【0098】

（発電素子１の使用形態）
第２実施形態の発電素子１は、微細加工技術で作製するＭＥＭＳ素子（Micro Electro Mechanical Systems）の一種であり、従来の受信装置（電磁誘導用コイルや磁界共鳴用コイルなど）よりも遥かに小型化が容易である。そのうえ、第２実施形態では、発電体４の形態や各機能膜の構成（材質、厚み、結晶性など）を好適な条件に制御することで、振動部４１が拡がり振動のバルク弾性波振動子となっている。そのため、第２実施形態の発電素子１は、小型であっても、高い変換効率で電力を発生させることができる。

【0099】

このような小型でかつエネルギー変換効率の高い発電素子１は、電源装置に組み込んで電子機器の電力供給源として、好適に用いることができる。ここで、発電素子１の適用例として、図５に示す非接触給電システム３００について簡単に説明する。

【0100】

図５に示すように、非接触給電システム３００は、送信アンテナ２５０と、電子機器２００と、当該電子機器２００の内部に搭載された電源装置１００と、を有している。送信アンテナ２５０は、電子機器２００から離間した場所に設置してあり、電子機器２００に対して、非接触で電磁波や交流磁場などの外部エネルギーＥを供給している。なお、送信アンテナ２５０としては、たとえば、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、コイルアンテナ、レクテナなどを用いることができ、特に限定されない。

【0101】

一方、エネルギーの受信側である電源装置１００は、第２実施形態の発電素子１に、整流回路などが搭載されているパワーマネジメントＩＣ（ＰＭＩＣ）１１０と、キャパシタ１２０と、を接続して一体化することで構成してある。

【0102】

送信アンテナ２５０から供給された外部エネルギーＥを、電源装置１００の発電素子１が受信すると、発電素子１の内部では、外部エネルギーＥによって振動部４１の弾性波振動が誘起され、この弾性波振動に伴い電力が発生する。なお、送信アンテナから供給する外部エネルギーＥの周波数Ｆは、発電素子１の振動部４１が有する固有周波数ｆ_０と、実質的に同一であることが好ましい。実質的に同一とは、以下の式で表される周波数Ｆと固有周波数ｆ_０のずれＦＧが１％以下であることを意味する。
ＦＧ＝｜Ｆ－ｆ_０｜／ｆ_０×１００（％）

【0103】

発電素子１で発生した電力は、ＰＭＩＣ１１０を介してキャパシタ１２０に送られ、キャパシタ１２０に蓄えられる。そして、電子機器２００で電力を消費する場合は、キャパシタ１２０に蓄えていた電力が、ＰＭＩＣ１１０を介して電子機器２００の各構成要素２１０に送られる。なお、図５に示す構成要素２１０とは、たとえば、電子機器２００が外耳装着式のカナル型イヤホンである場合、圧電式スピーカ、圧電式マイク、圧力センサ、増幅器を含む音響用ＩＣ、記憶装置などである。

【0104】

このように、非接触給電システム３００では、送信アンテナ２５０から供給される電磁波または交流磁場を、電源装置１００で受信し電気エネルギーに変換している。そして変換した電気エネルギーを用いて電子機器２００を駆動させている。従来から知られているような、電磁誘導方式の給電システムでは、非接触給電が可能ではあるものの、受電側の電子機器を送電装置に近づけて静置しておく必要がある。一方、図５に示す非接触給電システム３００の場合、送信アンテナ２５０と電子機器２００とが最大１０ｍ程度離れた場合であっても送受電が可能であり、また、電子機器２００を静置していない状態であっても送受電が可能である。

【0105】

また、上記の非接触給電システム３００は、様々な電子機器に適用でき、発電素子１を適用可能な電子機器２００の種類は特に限定されない。前述したように、第２実施形態の発電素子１は、小型でかつ高効率であるため、小型な電子機器や体内に埋め込む電子機器などへの適用が特に有効である。このような電子機器としては、たとえば、イヤホンや補聴器などのヒアラブルデバイス、スマートウォッチ、スマートグラス、スマートコンタクトレンズ、ウェアラブル体温計、ウェアラブル脈波センサなどの各種ウェアラブル端末の他、人体の内部に装着される人口内耳や心臓ペースメーカ、筋肉や脳などへの電気刺激機器、ニューロＲＦＩＤ、マイクロロボットなどが例示される。

【0106】

（第２実施形態のまとめ）
第２実施形態に係る発電素子１では、基板６が開口部６１を有し、発電体４が、弾性波振動子である振動部４１と、基板６に面して接続してある固定部４２と、固定部４２と振動部４１とを連結する支持部とを有している。そして、振動部４１が、基板６の開口部６１に対向して配置してあり、振動部４１におけるＸ軸およびＹ軸を含む平面が、基板６に直に接していない非拘束面となっている。発電素子１が上記の構成を有することで、振動部４１でより大きな振幅の弾性波振動を発生させることができ、発電素子１のエネルギー変換効率をより向上させることができる。

【0107】

また、第２実施形態に係る発電素子１において、振動部４１の外周縁と、基板６における開口部６１の内周縁とは、互いに接触していない。そして、振動部４１の厚み方向から見た平面視において、振動部４１の外周縁と、開口部６１の内周縁との間には、隙間４６が存在する。このように、振動部４１と基板６との間に隙間４６を形成することで、振動部４１でより大きな振幅の弾性波振動を発生させることができ、発電素子１のエネルギー変換効率をより向上させることができる。

【0108】

また、第２実施形態において、支持部４３の連結方向と直交する方向（Ｙ軸方向）の幅Ｗｓｙは、振動部４１の幅Ｗｖｙよりも小さくしてある。このように支持部４３の幅Ｗｓｙを設定することで、支持部４３の剛性をより低下させることができる。その結果、振動部４１でより大きな振幅の弾性波振動を発生させることができ、発電素子１のエネルギー変換効率をより向上させることができる。

【0109】

また、第２実施形態において、連結方向と直交する方向における振動部４１の幅Ｗｖｙが、固有周波数ｆ_０と同じ周波数の電磁波ＥＷの波長と比較して、１／１００倍以下である。振動部４１の大きさを上記の条件の範囲内とすることで、振動部４１でより大きな振幅の弾性波振動を発生させることができ、発電素子１のエネルギー変換効率をより向上させることができる。なお、第２実施形態において、振動部４１の最大幅とは、基板６との連結方向における幅Ｗｖｘである。

【0110】

第３実施形態
第３実施形態では、図６～図８に基づいて、発電素子１の変形例について説明する。なお、第３実施形態における第１および第２実施形態と共通の構成に関しては、説明を省略し、同様の符号を使用する。

【0111】

まず、図６に示す発電素子１ａは、複数の発電体４を有するアレー素子である。発電素子１ａの基板６ａには、同一平面上に複数の開口部６１が形成してあり、その複数の開口部６１に、それぞれ発電体４が形成してある。複数の発電体４は、基板６ａのＸ－Ｙ平面において、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方向に沿って配列してある。より具体的に、図６に示す発電素子１ａでは、発電体４が、Ｘ軸方向に沿って５列、Ｙ軸方向に沿って８列並んでおり、合計４０個の発電体４が形成してある。ただし、発電体４の個数および配列形式は、特に限定されない。１つの基板上に配列する発電体４の個数は、たとえば、１～５００個とすることができる。また、発電体４を、１軸方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）においてのみ配列し、１Ｄアレー型の配列形式としてもよい。

【0112】

図６では、複数の発電体４が、配線８０ａ，８０ｂを介して並列に接続してある。このように、複数の発電体４を並列で繋ぐことで、発電素子１ａの出力電流（Ａ）を大きくすることができる。なお、図示していないが、複数の発電体４を直列で接続してもよい。直列に繋いだ場合は、発電素子１ａの出力電圧（Ｖ）を高くすることができる。

【0113】

また、複数の発電体４には、それぞれ、固有周波数ｆ_０を有する振動部４１が形成してあるが、各振動部４１の固有周波数ｆ_０は、すべて同程度の値であることが好ましい。具体的に、アレー素子を構成する各振動部４１の固有周波数ｆ_０は、いずれも、ｆ_Ａ±１．０％未満の範囲内であることが好ましい。上記において、ｆ_Ａは、各振動部４１の固有周波数ｆ_０を母集団とした場合の平均値を意味する。このように各振動部４１の固有周波数ｆ_０を揃えることで、発電素子１ａの出力をより大きくすることができ、エネルギー変換効率をより向上させることができる。なお、各振動部４１の固有周波数ｆ_０を揃えるためには、たとえば、各発電体４の形状を揃えて、寸法誤差を小さくすればよい。

【0114】

ただし、各振動部４１の固有周波数ｆ_０を揃えずに、互いに異なる固有周波数ｆ_０を有する複数の振動部４１で発電素子１ａ（アレー素子）を構成してもよい。この場合、発電素子１ａは、様々な周波数帯の外部エネルギーに応答することができる。たとえば、アレー素子において、固有周波数ｆ_０のばらつきの範囲が１ＭＨｚ～３ＭＨｚであった場合、当該アレー素子は、１ＭＨｚ～３ＭＨｚの外部エネルギーに呼応して電力を発生させることができる。なお、発電素子１ａのようなアレー素子において、各振動部４１の固有周波数ｆ_０をずらす場合は、たとえば、各振動部４１の幅Ｗｖｙを調整すればよい。

【0115】

また、図６では、１つの基板６ａの上に複数の発電体４を配列しているが、当該基板６ａを複数枚組み合わせて、３Ｄアレー型の発電素子を構成してもよい。この場合、複数の基板６ａの配列方向は、特に限定されず、Ｘ－Ｙ平面上に配列してもよいし、Ｚ軸方向に配列してもよい。３Ｄアレー型の発電素子の場合、それぞれの基板６ａ上に複数の発電体４が形成してあるため、発電体４の搭載個数が増えて、出力をより大きくすることができる。

【0116】

次に、図７に示す発電素子１ｂについて説明する。図７に示す発電素子１ｂでは、基板６ｂに平面視形状が円形の開口部６１ｂが形成してある。そして、その基板６ｂの上には、発電体４ｂが形成してあり、当該発電体４ｂは、平面視形状が円形の振動部４１ｂを有する。この発電素子１ｂにおいても、振動部４１ｂは、開口部６１ｂの上方に存在しており、振動部４１ｂの上面および下面が非拘束面となっている。また、振動部４１ｂの外周縁と開口部６１ｂとの内周縁との間には隙間４６が存在する。

【0117】

図７に示すような、円板状の振動部４１ｂの場合、各機能膜（特に圧電体層１４および磁歪層１６）の結晶性などを最適化することで、厚み縦振動（面内伸縮）でのバルク弾性波振動を発生させることができる。換言すると、振動部４１ｂが、厚み縦振動のバルク弾性波振動子となる。厚み縦振動のバルク弾性波振動子は、拡がり振動のバルク弾性波振動子よりも固有周波数ｆ_０が高くなる傾向となる。

【0118】

一方、図８に示す発電素子１ｃでは、振動部４１ｃがカンチレバー型の構造となっている。具体的に、発電素子１ｃの発電体４ｃは、Ｘ軸方向の一端でのみ基板６ｃに固定してあり、発電体４のＸ軸方向の他端（すなわち、振動部４１ｃの先端）は、自由端となっている。また、発電素子１ｃの発電体４ｃでは、支持部４３ｃのＹ軸方向の幅が、振動部４１ｃのＹ軸方向の幅と略同一となっている。

【0119】

このようなカンチレバー型の振動部４１ｃの場合、屈曲振動（面外振動）でのバルク弾性波振動を発生させやすい。発電素子１ｃの振動部４１ｃが屈曲振動となる場合は、発電素子１ｃが搭載してある容器内を、粘性の低いガスで充填することが好ましい。もしくは、当該容器内の真空度を高くする（容器の内圧を下げる）ことが好ましい。このように、素子周囲の雰囲気を制御することで、振動部４１ｃにかかる空気抵抗を低減することができ、エネルギー変換効率を向上することができる。

【0120】

なお、弾性波振動子の振動姿態は、振動部の形状のみに依存して決まるわけではなく、その他、発電体の厚み、支持部の形態、各機能膜の構成などの影響も受ける。そのため、図８に示す振動部の形状であっても、面内伸縮振動のバルク弾性波振動を発生させることができる場合もある。同様に、図１～３に示す振動部の形状および図７に示す振動部の形状でも、面内伸縮振動の場合だけでなく、屈曲振動などの面外振動の振動姿態となる場合があり得る。

【0121】

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々に改変することができる。たとえば、上記の実施形態では、振動部４１において圧電体層１４と磁歪層１６とを積層していたが、圧電特性と磁歪特性とを兼ね備える材料で機能膜を構成してもよい。このような圧電特性と磁歪特性とを兼ね備える材料としては、たとえば、ＢｉＦｅＯ_３や、Ｂｉの一部をＬａなど他の元素で置き換えた（Ｂｉ，Ｌａ）ＦｅＯ_３などが例示される。

【0122】

また、上記の実施形態（特に第２実施形態）では、基板６として単結晶のシリコン基板を例示したが、基板６として図９（ａ）に示すようなＳＯＩ基材８（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を使用してもよい。ＳＯＩ基材８は、表面がＳｉ（１００）面となるように配向した単結晶のＳｉ層８αと、ＳｉＯ_２からなる絶縁層８βと、Ｓｉからなる基板６ｄとで構成してあり、単結晶のＳｉ層８αが、絶縁層８βを介して基板６ｄの表面に積層してある。Ｓｉ層８αの平均厚み、および、絶縁層８βの平均厚みは、特に限定されないが、たとえば、いずれも１μｍ～１０μｍ程度とすることができる。また、ＳＯＩ基材８における基板６ｄの平均厚みも、特に限定されないが、たとえば、１００μｍ～７００μｍ程度とすることができる。

【0123】

このＳＯＩ基材８を使用した場合、発電素子４の固定部４２は、Ｓｉ層８αおよび絶縁層８βを介して、基板６ｄの上に接続される。また、ＳＯＩ基材８を用いて発電素子を製造した場合、図９（ｂ）に示すような構造の発電素子１ｄが得られることがある。なお、図９（ｂ）は、図３と同様の箇所を示す断面図である。第２実施形態で説明したように、開口部６１は、基板をエッチングして基板の一部を除去することで形成されるが、ＳＯＩ基材８を使用した場合、エッチング後に、振動部４１の下面側にＳｉ層８αと絶縁層８βとが残存することがある。この場合、Ｓｉ層８αおよび絶縁層８βは、振動部４１の下面の全面に残存していてもよいし、当該下面の一部において部分的に残存していてもよい。

【0124】

ただし、図９（ｂ）に示すように、隙間４６では、Ｓｉ層８αおよび絶縁層８βも除去され、開口部６１と対向する振動部４１の下面および上面は、基板６ｄに拘束されていない非拘束面であることが好ましい。つまり、ＳＯＩ基材８を使用する場合であっても、振動部４１の外周縁と開口部６１の内周縁とは、Ｚ軸方向からの平面視において、互いに接触していないことが好ましい。なお、振動部４１の下面にＳｉ層８αおよび絶縁層８βが残存した場合であっても、振動部４１の外周縁は、平面視における下部電極層１２の外周縁を基準として、判別する。

【0125】

ＳＯＩ基材８を使用した場合において、Ｓｉ層８αおよび絶縁層８βが残存したとしても、これらの残存層の厚みは、数μｍ程度であり、振動部４１の弾性波振動を阻害しない。そのため、図９（ｂ）に示す発電素子１ｄにおいても、振動部４１は、面内伸縮で弾性波振動するバルク弾性波振動子となり、発電素子１ｄでは、上述した実施形態と同様の作用効果が得られる。

【実施例】

【0126】

以下、実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【0127】

実験１
実験１では、図１に示す形状で、振動部のＱ値が異なる２つの発電素子試料を作製し、その性能を比較した。

【0128】

（試料１）
まず、表面がＳｉ（１００）面である単結晶のシリコン基板を準備し、当該シリコン基板の上に、以下に示す各層をスパッタリング法により製膜した。シリコン基板の最表面には、ＺｒＯ_２からなる酸化物層（バッファ層）と、Ｐｔからなる下部電極層１２と、をエピタキシャル成長させた。なお、積層順は、シリコン基板→酸化物層→下部電極膜１２の順番であり、酸化物層の平均厚みを５０ｎｍ、下部電極層１２の平均厚みを１００ｎｍとした。

【0129】

そして、下部電極層１２の上に、ＰＺＴからなる圧電体層１４をエピタキシャル成長させた。この際に使用したスパッタリングターゲットの組成は、原子数比で、Ｐｂ:Ｚｒ:Ｔｉが、１．３：０．５５：０．４５であった。また、ＰＺＴ膜を形成する際の基板温度は、６００℃とし、成膜速度は、０．１ｎｍ／ｓｅｃとした。その他の条件については、スパッタリング時の導入ガスを、酸素１０モル％－アルゴン（Ａｒ）９０モル％の混合ガスとし、導入ガスの圧力を、０．３Ｐａとし、基板とターゲットの距離を２００ｍｍとした。また、製膜した圧電体層１４の平均厚みは、１μｍであった。

【0130】

なお、酸化物層から圧電体層１４までの成膜時には、ＲＨＥＥＤ評価を行い、各層がエピタキシャル成長しているか否かを確認した。その結果、酸化物層から圧電体層１４までの各層は、すべて、成膜過程においてエピタキシャル成長していることが確認できた。また、圧電体層１４の製膜後に、ＸＲＤで結晶構造解析を行ったところ、圧電体層１４には、菱面体晶のドメインと正方晶の２つのドメインとの計３つのドメインが含まれていることが確認できた。

【0131】

次に、圧電体層１４を成膜した後、製膜後のシリコン基板に対して、アニール処理を施した。アニール処理の条件は、処理雰囲気を、１気圧の酸素雰囲気下とし、３５０℃で１時間保持することとした。

【0132】

アニール処理後、圧電体層１４の上に、Ｐｔからなる多結晶構造の上部電極層を、平均厚み１００ｎｍで形成した。そして、上部電極層の上に、以下に示す条件で、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｓｉ－
Ｂ合金からなる磁歪層１６を製膜した。磁歪層１６は、超高真空ＤＣスパッタリング装置（キャノンアネルバ株式会社製：Ｃ－７９６０ＵＨＶ）を使用して成膜し、その際、成膜時の真空度を３×１０^－６Ｐａとした。また、成膜時には、基板加熱は行わずに、基板温度が上昇しないように、ターゲットと基板間距離を十分に確保して成膜した。その他の成膜条件は、導入ガスとしてＡｒガスを使用し、導入ガスの圧力を０．０３Ｐａとし、出力を２００Ｗ（ＤＣ）とした。また、製膜した磁歪層１６の平均厚みは、５００ｎｍであった。

【0133】

形成した磁歪層１６の結晶構造を、ＸＲＤおよびＴＥＭの電子線回折により確認した。その結果、当該磁歪層１６には、非晶質相と結晶相とが混在していることが確認できた。

【0134】

なお、磁歪層１６の上には、さらにＰｔからなる表面保護層を、平均２０ｎｍの厚みで形成した。

【0135】

シリコン基板に積層した各層に対して、フォトエッチング法によりパターニング加工を施し、図１に示すような平面形状を有する発電体４を形成した。その後、シリコン基板の一部をＲＩＥエッチングにより除去し、開口部６１を形成した。このようにして、試料１に係る発電素子を得た。

【0136】

なお、当該発電体試料における発電体４の寸法は以下のとおりであった。
振動部４１のＸ軸方向の幅Ｗｖｘ：２０００μｍ
振動部４１のＹ軸方向の幅Ｗｖｙ：５００μｍ
支持部４３のＸ軸方向の長さＷｓｘ：１００μｍ
支持部４３のＹ軸方向の幅Ｗｓｙ：２００μｍ
隙間４６の幅Ｗｇ：５０μｍ

【0137】

作製した試料１に係る発電素子の振動特性を、インピーダンスアナライザを用いて測定した。その結果、試料１の発電素子では、振動部４１の固有周波数ｆ_０が３．０ＭＨｚであり、振動部４１のＱ値が１２０であり、当該振動部４１の振動姿態が拡がり振動であることが確認できた。

【0138】

（試料２）
試料２では、圧電体層１４の製膜に際して、基板の過熱を行わずに、室温でスパッタリングを実施し、結晶配向性が悪い多結晶構造の圧電体層１４を形成した。圧電体層１４の製膜条件以外の製造条件は、試料１と同様として、試料２に係る発電素子を得た。

【0139】

試料２においても、インピーダンスアナライザを用いて、発電素子試料の振動特性を測定したところ、試料２でも、振動部４１の固有周波数ｆ_０が３．０ＭＨｚであり、振動姿態が拡がり振動であることが確認できた。ただし、試料２では、振動部４１のＱ値が８０であった。

【0140】

（出力電圧の測定）
作製した発電素子試料の性能を評価するために、１０ｃｍ離れた位置から外部エネルギーを供給し、試料の発電量（出力）を測定した。当該測定において、外部エネルギーは、周波数が３．０ＭＨｚで振幅が５０ｎＴである交流磁場とした。また、ｆ_０±ｆ_０×（１／１００）に相当する周波数３．０３ＭＨｚ、および、周波数２．９７ＭＨｚでも発電量の測定を行った。なお、発電素子に生じる交流電圧は、ロックインアンプを用いて測定した。

【0141】

測定の結果、試料１では、３．０ＭＨｚでの出力が１．８ｍＶであり、３．０３ＭＨｚおよび２．９７ＭＨｚでは、それぞれ、０．３ｍＶ，０．３ｍＶの出力が得られた。一方、試料２では、３．０ＭＨｚでの出力が０．２２ｍＶであり、３．０３ＭＨｚおよび２．９７ＭＨｚでは、それぞれ、０．０８ｍＶ，０．０９ｍＶの出力が得られた。この結果から、振動部４１のＱ値を１００以上と高くすることで、より大きな出力が得られ、エネルギーの変換効率が高くなることが確認できた。

【0142】

なお、試料１の発電素子に対してＰＭＩＣ１１０およびキャパシタ１２０を接続して一体化し、電源装置１００を作製した。そして、当該電源装置１００をカナル型のイヤホンに組み込んで、外部から交流磁場を供給したところ、イヤホンが正常に動作することが確認できた。

【0143】

実験２
実験２では、振動部の形態を変更した発電素子試料を作製し、その固有周波数ｆ_０と振動特性とを調査した。

【0144】

（試料３）
試料３では、振動部４１のＹ軸方向の幅Ｗｖｙを１００００μｍに設定して、試料３に係る発電素子を作製した。つまり、試料３では、振動部４１の幅Ｗｖｙを、試料１よりも広くした。なお、当該寸法以外の実験条件は、試料１と同様とした。

【0145】

試料３の発電素子についても振動特性を測定したところ、試料３では、振動姿態が拡がり振動となり、その固有周波数が１５０ｋＨｚであった。つまり、試料３の発電素子では、試料１よりも固有周波数が低くなった。この結果から、振動部の幅Ｗｖｙに基づいて固有周波数の調整が可能であることがわかった。

【0146】

（試料４）
試料４では、図７に示すような、振動部４１が直径５００μｍの円板状である発電素子を作製した。また、試料４では、圧電体層１４の平均厚みを４００ｎｍとし、磁歪層の平均厚みを２００ｎｍとし、振動部の厚みを試料１よりも薄くした。なお、試料４の発電素子において、振動部の形状と各層の厚み以外の構成は、試料１の発電素子と同様とした。

【0147】

試料４の発電素子の振動特性を測定したところ、円板状の振動部４１では、固有周波数２．５ＧＨｚの厚み縦振動が発生した。

【0148】

（試料５）
試料５では、図８に示すようなカンチレバー型の発電素子を作製した。試料５では、振動部４１のＸ軸方向の幅Ｗｖｘを３００μｍとし、振動部の厚みを１．５μｍ程度とした。なお、試料５において、振動部の形態以外の構成は、試料１の発電素子と同様とした。

【0149】

試料５の発電素子の振動特性を測定したところ、カンチレバー型の振動部４１では、固有周波数８ｋＨｚの屈曲振動が発生した。試料１～５の評価結果を比較すると、振動姿態の変化に、振動部４１の形状が影響していることが確認できた。また、振動姿態によって、固有周波数が異なり、厚み縦振動では固有周波数が高くなり、屈曲振動では固有周波数が低くなることが確認できた。

【符号の説明】

【0150】

１，１ａ～１ｃ … 発電素子
４ … 発電体
４１，４１ｂ，４１ｃ … 振動部
１２ … 下部電極層
１４ … 圧電体層
１６ … 磁歪層
１８，１８ａ，１８ｂ … 取出電極
２０ … 絶縁層
４２，４２ａ～４２ｃ … 固定部
４３ … 支持部
６，６a～６ｃ … 基板
６１，６１ｂ，６１ｃ … 開口部
４６ … 隙間
３００ … 非接触給電システム
２５０ … 送信アンテナ
２００ … 電子機器
１００ … 電源装置
１１０ … パワーマネジメントＩＣ（ＰＭＩＣ）
１２０ … キャパシタ
２１０ … 構成要素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】