(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】2024-09-04
(45)【発行日】2024-09-12
(54)【発明の名称】非接触給電システム
(51)【国際特許分類】
H02J 50/12 20160101AFI20240905BHJP
H02J 50/40 20160101ALI20240905BHJP
【ＦＩ】
H02J50/12
H02J50/40
【請求項の数】
21
(21)【出願番号】P 2020147660
(22)【出願日】2020-09-02
(65)【公開番号】P2022042294
(43)【公開日】2022-03-14
【審査請求日】2023-04-25
(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】柳下 勝幸
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－１７９７２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２２０９９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２５６９８８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１１－５２５０９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－３４６２７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００９－５４２１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１９９９７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１４２７０８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ５０／１２
Ｈ０２Ｊ ５０／４０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
エネルギー波を外部に送電する送電部を有する送電装置と、前記送電部から供給される前記エネルギー波を非接触で受電し、前記エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有する受電装置と、を備え、
前記送電部が、第１固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記受電部が、前記送電側振動子の前記弾性波振動により発生する前記エネルギー波によって誘起されて、第２固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有し、
前記送電側振動子が、圧電体層と磁歪層とを有し、
前記受電側振動子が、圧電体層と磁歪層とを有する給電システム。
【請求項2】
前記送電側振動子の前記圧電体層と、前記受電側振動子の前記圧電体層とが、実質的に同一の材質で構成してあり、前記送電側振動子の前記磁歪層と、前記受電側振動子の前記磁歪層とが、実質的に同一の材質で構成してある請求項１に記載の給電システム。
【請求項3】
エネルギー波を外部に送電する送電部を有する送電装置と、前記送電部から供給される前記エネルギー波を非接触で受電し、前記エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有する受電装置と、を備え、
前記送電部が、第１固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記受電部が、前記送電側振動子の前記弾性波振動により発生する前記エネルギー波によって誘起されて、第２固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有し、
前記送電側振動子の前記弾性波振動、および、前記受電側振動子の前記弾性波振動が、いずれも、バルク弾性波振動である給電システム。
【請求項4】
エネルギー波を外部に送電する送電部を有する送電装置と、前記送電部から供給される前記エネルギー波を非接触で受電し、前記エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有する受電装置と、を備え、
前記送電部が、第１固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記受電部が、前記送電側振動子の前記弾性波振動により発生する前記エネルギー波によって誘起されて、第２固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有し、
前記送電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態、および、前記受電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態が、いずれも、面内伸縮振動である給電システム。
【請求項5】
前記受電側振動子が有する前記第２固有周波数が、前記送電側振動子が有する前記第１固有周波数と実質的に同一である、請求項１～４のいずれかに記載の給電システム。
【請求項6】
前記送電部は、前記送電側振動子を複数有する送電用アンテナ素子を有する請求項１～５のいずれかに記載の給電システム。
【請求項7】
前記送電装置は、前記送電部から送電する前記エネルギー波の指向性を制御する指向性制御手段を有する請求項１～６のいずれかに記載の給電システム。
【請求項8】
前記送電装置は、前記指向性制御手段として、前記送電部の位相を制御する移相器を有する請求項７に記載の給電システム。
【請求項9】
前記受電部は、前記受電側振動子を複数有する受電用アンテナ素子を有する請求項１～８のいずれかに記載の給電システム。
【請求項10】
前記送電側振動子の前記弾性波振動、および、前記受電側振動子の前記弾性波振動が、いずれも、バルク弾性波振動である請求項１、２または４のいずれかに記載の給電システム。
【請求項11】
前記送電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態、および、前記受電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態が、いずれも、面内伸縮振動である請求項１または２に記載の給電システム。
【請求項12】
前記送電部から送電される前記エネルギー波が、電磁波または交流磁場である請求項１～１１のいずれかに記載の給電システム。
【請求項13】
前記受電装置が、移動体に装着してある電子機器の内部に存在する請求項１～１２のいずれかに記載の給電システム。
【請求項14】
請求項１～１３のいずれかに記載の給電システムに適用される送電装置。
【請求項15】
請求項１～１３のいずれかに記載の給電システムに適用される受電装置。
【請求項16】
エネルギー波を外部に送電する送電部を有し、
前記送電部が、固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記送電側振動子が、圧電体層と磁歪層とを有する送電装置。
【請求項17】
エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有し、
前記受電部が、前記エネルギー波によって誘起されて、固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有し、
前記受電側振動子が、圧電体層と磁歪層とを有する受電装置。
【請求項18】
エネルギー波を外部に送電する送電部を有し、
前記送電部が、固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記送電側振動子の前記弾性波振動がバルク弾性波振動である送電装置。
【請求項19】
エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有し、
前記受電部が、前記エネルギー波によって誘起されて、固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有し、
前記受電側振動子の前記弾性波振動がバルク弾性波振動である受電装置。
【請求項20】
エネルギー波を外部に送電する送電部を有し、
前記送電部が、固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記送電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態が面内伸縮振動である送電装置。
【請求項21】
エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有し、
前記受電部が、前記エネルギー波によって誘起されて、固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有し、
前記受電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態が面内伸縮振動である受電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ワイヤレスで電力の伝送が可能な非接触型の給電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
非接触型の給電システムとして、特許文献１で開示されているような電磁誘導を利用した方式が知られている。電磁誘導方式は、ファラデーの電磁誘導の法則に基づいており、電圧を印加した１次側コイル（送電コイル）に、２次側コイル（受電コイル）を近接させることで、２次側コイルに電力を発生させることができる。この電磁誘導方式の給電システムは、構造が簡素で、かつ、低コストで製造が可能である。そのため、電磁誘導方式の給電システムは、近年、電気シェーバやスマートフォンなどの各種電子機器への充電や、電気自動車への給電など、様々な分野で普及しつつある。
【0003】
ただし、電磁誘導方式の場合、電力の伝送が可能な距離が数ｃｍ程度で、非接触とはいえ、近距離給電にしか適さない。また、電力の伝送にあたって、２次側コイルを、１次側コイルに対して正確な位置で静置しておく必要がある。そのため、電磁誘導方式の給電システムは、移動体への給電や、移動体に設置してある機器等への給電に適さない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１３－０９３４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、このような実情を鑑みてなされ、その目的は、移動体または移動体に設置してある機器等に非接触で給電が可能な給電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の目的を達成するために、本発明に係る給電システムは、
エネルギー波を外部に送電する送電部を有する送電装置と、
前記送電部から供給される前記エネルギー波を非接触で受電し、前記エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有する受電装置と、を備え、
前記送電部が、第１固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記受電部が、前記送電側振動子の前記弾性波振動により発生する前記エネルギー波によって誘起されて、第２固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有する。
エネルギー波を外部に送電する送電部を有する送電装置と、
前記送電部から供給される前記エネルギー波を非接触で受電し、前記エネルギー波を電気エネルギーに変換する受電部を有する受電装置と、を備え、
前記送電部が、第１固有周波数で弾性波振動する送電側振動子を少なくとも１つ有し、
前記受電部が、前記送電側振動子の前記弾性波振動により発生する前記エネルギー波によって誘起されて、第２固有周波数で弾性波振動する受電側振動子を、少なくとも１つ有する。
【0007】
上記の本発明に係る給電システムは、送電部と受電部との間で起きる弾性波振動の共振により、非接触で電力を伝送する機構となっている。この弾性波振動の共振を利用した給電システムでは、中長距離（至近距離～数ｍ程度）での電力伝送が可能である。そのため、本発明に係る給電システムは、移動体への給電、および、移動体に設置した機器等への給電に好適に用いることができる。
【0008】
また、本発明に係る給電システムにおいて、エネルギー波を受電部に供給する最小単位である送電側振動子は、１ｍｍ四方以下のサイズとすることが可能である。同様に、送電部から供給されるエネルギー波を電気エネルギーに変換する最小単位である受電側振動子も、１ｍｍ四方以下のサイズとすることが可能である。そのため、本発明に係る給電システムでは、送電装置および受電装置を小型化することが容易であり、これらを小型化したとしても中長距離での電力伝送を実現することができる。
【0009】
また、上記において、送電部から供給するエネルギー波は、電磁波または交流磁場とすることができる。
【0010】
好ましくは、前記受電側振動子が有する前記第２固有周波数が、前記送電側振動子が有する前記第１固有周波数と実質的に同一である。このように、送電側振動子の固有周波数と、受電側振動子の固有周波数とを合わせることで、電力伝送の効率を向上させることができる。
【0011】
好ましくは、前記送電側振動子が、圧電体層と磁歪層とを有し、前記受電側振動子が、圧電体層と磁歪層とを有する。そして、好ましくは、前記送電側振動子の前記圧電体層と、前記受電側振動子の前記圧電体層とが、実質的に同一の材質で構成してあり、前記送電側振動子の前記磁歪層と、前記受電側振動子の前記磁歪層とが、実質的に同一の材質で構成してある。
【0012】
好ましくは、前記送電部は、前記送電側振動子を複数有する送電用アンテナ素子を含む。複数の送電側振動子が存在することで、送電部から受電部に送電する電力をより大きくすることができる。また、好ましくは、前記受電部は、前記受電側振動子を複数有する受電用アンテナ素子を有する。複数の受電側振動子が存在することで、受電部で発生する出力電力をより大きくすることができる。たとえば、上記の受電用アンテナ素子において、複数の受電側振動子を直列に配列した場合には、出力電流を大きくすることができる。一方、上記の受電用アンテナ素子において、複数の受電側振動子を並列に配列した場合には、出力電圧を高くすることができる。
【0013】
また、本発明に係る給電システムでは、上記のとおり、サイズが極微小な振動子（送電側振動子および受電側振動子）の個数を調整することで、伝送電力の大きさを調整することが可能である。換言すると、本発明に係る給電システムでは、受電部や送電部を複雑化したり大型化したりすることなく、極微小な振動子の個数によって伝送電力を容易に大きくすることができる。
【0014】
好ましくは、前記送電装置は、前記送電部から送電する前記エネルギー波の指向性を制御する指向性制御手段を有する。指向性制御手段によりエネルギー波の指向性を制御することで、電力伝送の効率をより向上させることができる。
また、好ましくは、前記送電装置は、前記指向性制御手段として、前記送電部の位相を制御する移相器を有する。送電装置が上記の構成を有する場合、本発明に係る給電システムでは、移相器を用いたビームフォーミングにより、エネルギー波の指向性をより効果的に制御することができ、電力伝送の効率をさらに向上させることができる。
また、好ましくは、前記送電装置は、前記指向性制御手段として、前記送電部の位相を制御する移相器を有する。送電装置が上記の構成を有する場合、本発明に係る給電システムでは、移相器を用いたビームフォーミングにより、エネルギー波の指向性をより効果的に制御することができ、電力伝送の効率をさらに向上させることができる。
【0015】
好ましくは、前記送電側振動子の前記弾性波振動、および、前記受電側振動子の前記弾性波振動が、いずれも、バルク弾性波である。
また、好ましくは、前記送電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態、および、前記受電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態が、いずれも、面内伸縮振動である。
各振動子（送電側振動子および受電側振動子）が上記のような振動様態を有することで、電力伝送の効率をより向上させることができる。
また、好ましくは、前記送電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態、および、前記受電側振動子における前記弾性波振動の振動姿態が、いずれも、面内伸縮振動である。
各振動子（送電側振動子および受電側振動子）が上記のような振動様態を有することで、電力伝送の効率をより向上させることができる。
【0016】
本発明に係る給電システムでは、給電対象物に組み込む受電装置を容易に小型化することができる。そのため、本発明に係る給電システムは、人体（移動体の一種）に装着するようなウェアラブル端末への給電や、人体の内部に装着される電子機器等に対する給電に、特に好適に用いることができる。本発明の受電装置を組み込む電子機器としては、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】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
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。
【0019】
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給電システム１０００は、送電装置３００と、給電対象物である電子機器２００と、当該電子機器の内部に搭載してある受電装置１００と、を有する。送電装置３００は、電子機器２００から離間した場所に設置してあり、エネルギー波Ｅを外部に送電する送電部３１０が、送電装置３００の内部に搭載してある。一方、受電創始１００の内部には、受電部１１０が搭載してあり、この受電部１１０が、送電部３１０から供給されるエネルギー波Ｅを非接触で受電し、エネルギー波Ｅを電気エネルギーに変換する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る給電システム１０００は、送電装置３００と、給電対象物である電子機器２００と、当該電子機器の内部に搭載してある受電装置１００と、を有する。送電装置３００は、電子機器２００から離間した場所に設置してあり、エネルギー波Ｅを外部に送電する送電部３１０が、送電装置３００の内部に搭載してある。一方、受電創始１００の内部には、受電部１１０が搭載してあり、この受電部１１０が、送電部３１０から供給されるエネルギー波Ｅを非接触で受電し、エネルギー波Ｅを電気エネルギーに変換する。
【0020】
本実施形態の給電システム１０００では、上記の送電部３１０と受電部１１０との間で起きる弾性波振動の共振により、給電対象物である電子機器２００に非接触で電力を伝送する機構となっている。以下、給電システム１０００の各構成要素について説明する。
【0021】
送電装置３００は、送電部３１０の他に、電源３２０を有しており、この電源３２０が、送電部３１０に対して、エネルギー波Ｅの放射に必要な電力を供給している。電源３２０は、マンガン乾電池やニッケルマンガン乾電池などの１次電池であってもよいが、Ｎｉ水素電池、リチウムイオン電池、全個体電池などの充電可能な二次電池であることが好ましい。
【0022】
図１に示すように、送電装置３００の送電部３１０は、少なくとも１つの送電用アンテナ素子１０ａで構成してある。この送電用アンテナ素子１０ａは、平面視形状が略矩形である板形状を有している。ただし、送電用アンテナ素子１０ａの形状は、特に限定されず、円形や楕円形、その他多角形の平面視形状を有していてもよい。
【0023】
図１では、送電部３１０に複数の送電用アンテナ素子１０ａが存在しており、複数の送電用アンテナ素子１０ａが、同一平面上において２つの平面軸方向に沿って配列してある。ただし、送電用アンテナ素子１０ａの配列方式は、図１に示す様態に限定されず、複数の送電用アンテナ素子１０ａが、同一平面上において１つの平面軸方向に沿って配列してあってもよく、送電用アンテナ素子１０ａの厚み方向に沿って積層するように配列してあってもよい。なお、前述のとおり、送電部３１０を構成する送電用アンテナ素子１０ａは、単数であってもよく、素子１０ａの個数は特に限定されない。
【0024】
図３に示すように、送電用アンテナ素子１０ａは、基板６と、基板６の上に形成してある複数の送電側振動子４ａとを有している。基板６は、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面を有しており、基板６には、同一平面上（Ｘ－Ｙ平面上）に複数の開口部６１が形成してある。そして、各開口部６１の上方に送電側振動子４ａが形成してある。より具体的に、開口部６１は、基板６の厚み方向（Ｚ軸方向）に沿って基板６を貫通する穴であり、略矩形の平面視形状を有する。そして、送電側振動子４ａは、開口部６１の上方において、開口部６１のＸ軸方向の両端を架け渡すようにして存在している。なお、図３において、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、相互に略垂直である。
【0025】
また、基板６には、電源３２０と接続可能な電極８，９と、当該電極８，９と各送電側振動子４ａとを繋ぐ配線８０，９０と、が形成してある。そして、図３に示す送電用アンテナ素子１０ａでは、複数の送電側振動子４ａが、配線８０，９０を介して並列に接続してある。なお、複数の送電側振動子４ａは、直列で配線することもできる。ただし、送電用アンテナ素子１０ａにおいては、各送電側振動子４ａに印可する電圧を等しくするため、複数の送電側振動子４ａを、並列で繋ぐことが好ましい。
【0026】
また、図３では、送電用アンテナ素子１０ａにおいて送電側振動子４ａが複数存在する場合を例示しているが、１つの送電用アンテナ素子１０ａに含まれる送電側振動子４ａの数は、単数であってもよく、特に限定されない。
【0027】
なお、送電部３１０において、送電側振動子４ａの総数は、１つの送電用アンテナ素子１０ａに含まれる振動子４ａの数、および、送電用アンテナ素子１０ａの数に依存する。本実施形態の図１および図３では、送電部３１０に複数の送電側振動子４ａが存在するが、送電部３１０には、少なくとも１つの送電側振動子４ａが含まれていればよい。送電側振動子４ａは、受電部１１０に供給するエネルギー波Ｅを発生させる最小単位であり、送電側振動子４ａの数を増やすほど、送電部３１０から受電部１１０に送電する電力量を増やすことができる。
【0028】
図４は、図３における領域IVを拡大した要部平面図であって、送電側振動子４ａの平面図である。図４に示すように、送電側振動子４ａは、Ｘ軸方向の略中央で開口部６１の開口面の上方に位置している振動部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。
【0029】
そして、図４～６に示すように、送電側振動子４ａ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いことを意味し、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。
【0030】
本実施形態において、送電側振動子４ａ（特に振動部４１）は、固有周波数Ｆｔを有する弾性波振動子である。電源３２０から電気信号が供給されて、送電側振動子４ａに電圧が印加されると、送電側振動子４ａの圧電体層１４では、逆圧電効果により歪みが発生する。送電側振動子４ａの振動部４１では、この圧電体層１４の歪みに応じて、固有周波数Ｆｔの弾性波振動が誘起される。
【0031】
一方、送電側振動子４ａの磁歪層１６では、弾性波振動によって逆磁歪効果が発現する。送電側振動子４ａでは、この磁歪層１６の逆磁歪効果により、電磁波または交流磁場が発生し、この電磁波または交流磁場が、エネルギー波Ｅとして、受電装置１００に放射される。つまり、送電側振動子４ａは、圧電体層１４の逆圧電効果、および、磁歪層１６の逆磁歪効果に基づいて、電源３２０から供給される電気エネルギーを、電磁波または交流磁場などのエネルギー波Ｅに変換する。
【0032】
なお、上記において、振動子が有する固有周波数とは、応答出力が最大となる場合の周波数である。送電側振動子４ａの場合、「応答出力」とは、放射するエネルギー波Ｅの振幅を意味し、後述する受電側振動子４ｂの場合、「応答出力」とは、出力電力を意味する。
【0033】
本実施形態において、送電部３１０には、複数の送電側振動子４ａが含まれ得るが、この場合、各送電側振動子４ａの固有周波数Ｆｔは、全て同程度の値であることが好ましい。具体的に、各送電側振動子４ａの固有周波数Ｆｔのばらつきは、±１％未満であることが好ましい。「固有周波数Ｆｔのばらつき」とは、固有周波数Ｆｔの平均値を基準とした場合の偏差を意味している。つまり、固有周波数Ｆｔの平均値をＦｔＡとすると、各送電側振動子４ａの固有周波数Ｆｔは、それぞれ、ＦｔＡ±１％未満の範囲内であることが好ましい。なお、複数の送電側振動子４ａにおいて、固有周波数Ｆｔを一致させるためには、たとえば、各送電側振動子４ａの形状を揃えて、寸法誤差を小さくすればよい。
【0034】
このように、各送電側振動子４ａの固有周波数Ｆｔを揃えることで、放射するエネルギー波Ｅの振幅を大きくすることができ、送電部３１０から受電部１１０に送電する電力量を増やすことができる。
【0035】
上記のとおり、電力伝送効率を鑑みると、複数の送電側振動子４ａの固有周波数Ｆｔは、揃えておくことが好ましい。ただし、固有周波数Ｆｔが異なる複数の送電側振動子４ａで、送電部３１０を構成してもよい。この場合、単一の送電用アンテナ素子１０ａでは固有周波数Ｆｔを一致させておいて、複数の送電用アンテナ素子１０ａの間で異なる固有周波数Ｆｔを設定しておくことが考えられる。また、単一の送電用アンテナ素子１０ａにおいて、異なる固有周波数Ｆｔを有する送電側振動子４ａが存在する場合も考えられる。たとえば、送電部３１０において、固有周波数Ｆｔ１の振動子群と、固有周波数Ｆｔ２の振動子群とが存在する場合、このような送電装置は、固有周波数が異なる２種の給電対象物に対して電力の送電が可能となる。
【0036】
また、本実施形態において、送電装置３００は、送電部３１０から供給するエネルギー波Ｅの指向性を制御する指向性制御手段を有していることが好ましい。この指向性制御手段とは、送電用アンテナ素子１０ａから供給される電磁波または交流磁場などのエネルギー波Ｅを、特定の方向に（すなわち、給電対象物である電子機器２００が存在する方向に）、集中的に放射するための手段である。送電側振動子４ａで発生したエネルギー波Ｅは、通常、全方位に放射されるため、放射されたエネルギー波Ｅの一部は、送電の過程で損失する。上記の指向性制御手段により特定方向に集中的にエネルギー波Ｅを送電することで、送電過程でのエネルギー波Ｅの損失が抑えられ、電力伝送効率が向上する。また、より遠くまでエネルギー波Ｅを放射することが可能となり、伝送可能距離を延ばすことができる。
【0037】
指向性制御手段としては、たとえば、送電用アンテナ素子１０ａの向きを調整する方法がある。送電側振動子４ａで発生する電磁波または交流磁場は、全方位に放射されるが、特に、振動部４１の平面方向と直行する方向（Ｚ軸方向）において、最も電束密度や磁束密度が高くなる傾向となる。そのため、送電用アンテナ素子１０ａの平面（図３におけるＸ-Ｙ平面）を、給電対象物の方向に向けることで、電磁波または交流磁場の指向性を高めることができる。なお、送電用アンテナ素子１０ａの向きは、単純に送電装置３００の設置位置を調整することで制御可能である。また、位置情報探索手段によって給電対象物の位置を把握したうえで、電動で送電用アンテナ素子１０ａの向きを変更することも可能である。
【0038】
また、指向性制御手段としては、図２に示すようなビームフォーミング方式の指向性制御手段３３０が挙げられる。このビームフォーミング方式の指向性制御手段３３０では、電源３２０と各送電用アンテナ素子１０ａとの間の回路に、移相器３３１を介在させており、この移相器３３１により、送電用アンテナ素子１０ａから送電されるエネルギー波Ｅの位相を調整する。つまり、指向性制御手段３３０では、各送電用アンテナ素子１０ａの間に位相差を生じさせ、特定の方向においてのみ位相が強め合うように、各送電用アンテナ素子１０ａに入力する信号を調整している。
【0039】
また、指向性制御手段３３０において、電源３２０と各移相器３３１との間の回路には、各移相器３３１を管理する制御回路３３２が組み込まれていてもよい。さらにこの制御回路３３２には、給電対象物の位置情報を把握するための位置情報探査手段（たとえば、給電対象物に対して試験信号を送る手段など）が組み込まれていてもよい。また、制御回路３３２と各送電用アンテナ素子１０ａとの間の回路には、移相器３３１の他に、エネルギー波Ｅの振幅を増幅させるためのパワーアンプなどの振幅制御手段３３３が介在してあってもよい。
【0040】
次に、受電装置１００について説明する。受電装置１００は、受電部１１０と、整流回路などが搭載してあるパワーマネジメントＩＣ（ＰＭＩＣ）１２０と、キャパシタ１３０と、を接続して一体化することで構成してある。なお、受電装置１００には、上記以外に、補助電源として、リチウムポリマー電池や全個体電池などの小型な二次電池が搭載されていてもよい。
【0041】
上記の構成を有する受電装置１００では、受電部１１０がエネルギー波Ｅを非接触で受電し、当該エネルギー波Ｅを電気エネルギーに変換すると、変換した電気エネルギーが、ＰＭＩＣ１２０を介してキャパシタ１３０に送られ、キャパシタ１３０に蓄えられる。そして、キャパシタ１３０に蓄積された電気エネルギーは、キャパシタ１３０からＰＭＩＣ１２０を介して電子機器２００の構成要素２１０に送られ、各構成要素２１０で消費される。なお、電子機器２００の構成要素２１０とは、電気エネルギーを消費して電子機器２００の駆動に寄与する部品である。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、および記憶装置などが、構成要素２１０に該当する。
【0042】
図１に示すように、受電装置１００の受電部１１０は、少なくとも１つの受電用アンテナ素子１０ｂで構成してある。この受電用アンテナ素子１０ｂも、送電用アンテナ素子１０ａと同様に、平面視形状が略矩形である板形状を有している。ただし、受電用アンテナ素子１０ｂの形状は、上記に限定されない。また、図１では、受電部１１０に複数の受電用アンテナ素子１０ｂが存在しているが、受電用アンテナ素子１０ｂは、単数であってもよく、その個数は特に限定されない。さらに、受電用アンテナ素子１０ｂが複数存在する場合、その配列方法も、特に限定されず、同一平面上に配列してもよいし、素子の厚み方向に沿って積層するように配列してもよい。
【0043】
本実施形態において、受電用アンテナ素子１０ｂは、送電用アンテナ素子１０ａと異なる形態とすることも可能であるが、送電用アンテナ素子１０ａと同様の形態を有するアンテナ素子を用いることが好ましい。送電用アンテナ素子１０ａと、受電用アンテナ素子１０ｂとを、同一形態のアンテナ素子で構成することで、後述する固有周波数の調整が容易となる。本実施形態では、説明を簡潔にするために、受電用アンテナ素子１０ｂとして、送電用アンテナ素子１０ａと同じである図３および図４に示すアンテナ素子を用いることとする。
【0044】
本実施形態において、受電用アンテナ素子１０ｂは、受電側振動子４ｂを有しており、当該受電側振動子４ｂが、固有周波数Ｆｒを有する弾性波振動子である。エネルギー波Ｅが、送電部３１０の送電側振動子４ａから受電部１１０に対して放射されると、受電側振動子４ｂ（特に振動部４１）は、エネルギー波Ｅによって励振され、弾性波振動する。より具体的に、受電側振動子４ｂの振動部４１がエネルギー波Ｅを受けると、振動部４１の磁歪層１６では、磁歪効果によって歪みが生じる。受電側振動子４ｂの振動部４１では、この磁歪層１６の歪みに応じて、固有周波数Ｆｒの弾性波振動が誘起される。換言すると、受電部１１０では、エネルギー波Ｅを発生させる送電側振動子４ａの弾性波振動によって、受電側振動子４ｂが共振し弾性波振動する機構となっている。
【0045】
そして、受電側振動子４ｂで弾性波振動が誘起されると、受電側振動子４ｂの圧電体層１４では、弾性波振動によって圧電効果が発現する。受電側振動子４ｂでは、この圧電体層１４の圧電効果によって、圧電体層１４の表面に電荷が発生し、この電荷を電気エネルギーとして取り出すことができる。つまり、受電側振動子４ｂは、磁歪層１６の磁歪効果、および、圧電体層１４の圧電効果により、送電装置３００から供給されるエネルギー波Ｅを電気エネルギーに変換する。
【0046】
上記のとおり、受電部１１０の受電用アンテナ素子１０ｂでは、受電側振動子４ｂが、エネルギー波Ｅを電気エネルギーに変換する最小単位となっている。受電部１１０では、当該受電側振動子４ｂが少なくとも１つ含まれていればよいが、複数存在することが好ましい。受電側振動子４ｂの数を増やすほど、より大きな電気エネルギーが得られ、電力伝送効率が向上する。また、受電用アンテナ素子１０ｂにおいて複数の受電側振動子４ｂが存在する場合、当該受電側振動子４ｂは、並列に配列してもよいし、直列に配列してもよい。複数の受電側振動子４ｂを並列に繋いだ場合、出力電圧を高くすることができ、直列に繋いだ場合は、出力電流を高くすることができる。
【0047】
また、本実施形態において、受電側振動子４ｂが有する固有周波数Ｆｒは、送電側振動子４ａが有する固有周波数Ｆｔと実質的に同一であることが好ましい。受電側振動子４ｂが有する固有周波数Ｆｒと、送電側振動子４ａが有する固有周波数Ｆｔと、を一致させることで、電力伝送効率を向上させることができる。ここで「固有周波数が実質的に同一」とは、以下の（１）式で表される固有周波数Ｆｒと固有周波数ＦｔのずれＤが１％未満であることを意味する。
Ｄ＝｜Ｆｔ－Ｆｒ｜／Ｆｔ×１００（％）・・・・（１）
Ｄ＝｜Ｆｔ－Ｆｒ｜／Ｆｔ×１００（％）・・・・（１）
【0048】
送電部３１０において複数の送電側振動子４ａが含まれ、各送電側振動子４ａの固有周波数Ｆｔが同程度の値に揃えてある場合、上記（１）式におけるずれＤは、固有周波数Ｆｔの平均値ＦｔＡを基準として算出すればよい。つまり、受電部１１０における各受電側振動子４ｂは、平均値ＦｔＡに対する固有周波数ＦｒのずれＤが１％未満となるように設計すればよい。また、送電部３１０において、固有周波数Ｆｔが異なる複数の送電側振動子４ａが存在する場合、受電部１１０における各受電側振動子４ｂは、送電部３１０に含まれる複数の送電側振動子４ａのうち、いずれか１つと実質的に同一な固有周波数となるように設計すればよい。
【0049】
なお、受電部１１０の受電側振動子４ｂと、送電部３１０の送電側振動子４ａとの間で、固有周波数を一致させるためには、たとえば、受電用アンテナ素子１０ｂの形態と、送電用アンテナ素子１０ａの形態とを一致させることが好ましい。すなわち、受電部１１０と送電部３１０とにおいて、それぞれ、同一のアンテナ素子を使用することが好ましい。弾性波振動子の固有周波数は、振動子の形状や寸法だけでなく、振動子を構成する機能膜の特性、および振動子の振動姿態などに影響されて定まる。そのため、アンテナ素子の形態が異なっていたとしても、固有周波数Ｆｔと固有周波数Ｆｒとを一致させることは可能である。ただし、上記のように、受電部１１０と送電部３１０とで同一のアンテナ素子を使用する方法が、最も簡易的であり、製造効率も高い。
【0050】
また、前述した内容と一部重複するが、受電部１１０に複数の受電側振動子４ｂが存在する場合、各受電側振動子４ｂの固有周波数Ｆｒは、全て同程度の値であることが好ましい。具体的に、固有周波数Ｆｒの平均値ＦｒＡを基準とした場合において、各受電側振動子４ｂの固有周波数Ｆｒのばらつきは、±１％未満であることが好ましい。このように各受電側振動子４ｂの固有周波数Ｆｒを一致させることで、より大きな電気エネルギーが得られ、電力伝送効率が向上する。
【0051】
上記のとおり、電力伝送効率を鑑みると、複数の受電側振動子４ｂの固有周波数Ｆｒは、揃えておくことが好ましいが、受電部１１０には、互いに固有周波数Ｆｒが異なる複数の受電側振動子４ｂが含まれていてもよい。この場合は、受電部１１０が応答可能な周波数帯域を広げることができる。たとえば、受電部が、固有周波数Ｆｒ１の振動子と、固有周波数Ｆｒ２の振動子とを有する場合、当該受電部は、固有周波数Ｆｒ１と同じ周波数のエネルギー波Ｅ１を受電してエネルギー変換することができるとともに、固有周波数Ｆｒ２と同じ周波数のエネルギー波Ｅ２を受電してエネルギー変換することもできる。
【0052】
また、本実施形態において、送電側振動子４ａと受電側振動子４ｂとは、いずれも、以下に示すような特徴を有することが好ましい。なお、以降の段落において、送電側振動子４ａと受電側振動子４ｂとで共通する特徴の説明では、送電側振動子４ａと受電側振動子４ｂとを総称して、「振動子４」と記すこととする。
【0053】
まず、本実施形態において、弾性波振動する振動子４の振動部４１は、Ｑ値（単位なし）が、１００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。
【0054】
ここで、図７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７に示すグラフでは、横軸が、周波数であり、縦軸が、出力電圧である。前述したように、固有周波数Ｆでは、出力電圧が最大（最大出力Ｖ０）となり、固有周波数Ｆ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電圧Ｖ０の１／√２倍の出力電圧（（１／√２）×Ｖ０）が得られる周波数をｆ１として、低周波側において（１／√２）×Ｖ０となる周波数をｆ２とすると、Ｑ値は以下の式で表される。
Ｑ＝Ｆ／（ｆ１－ｆ２）
Ｑ＝Ｆ／（ｆ１－ｆ２）
【0055】
従来、自動車や産業機械などで発生する機械的振動に共振する共振子が知られており、当該共振子では、幅の広い信号（振動）を受電できるように、Ｑ値を低く設定する必要があった。これに対して、本実施形態の給電システム１０００では、振動部４１のＱ値を１００以上と高く設定することで、電力伝送効率をより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。
【0056】
また、図７に示す振動子４の周波数特性において、固有周波数ＦからＦ×（１／１００）だけ高周波側にシフトした周波数をｆａとし（すなわちｆａ＝Ｆ＋Ｆ×（１／１００））、固有周波数ＦからＦ×（１／１００）だけ低周波側にシフトした周波数をｆｂとして（すなわちｆｂ＝Ｆ－Ｆ×（１／１００））、周波数ｆａおよび周波数ｆｂにおける出力をそれぞれＶａ，Ｖｂとする。この場合、振動部４１は、最大出力Ｖ０が、出力Ｖａまたは出力Ｖｂ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Ｖ０＞２Ｖａ，Ｖ０＞２Ｖｂ）。振動子４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、振動子４のエネルギー変換効率が向上し、電力伝送効率も向上させることができる。
【0057】
また、本実施形態において、振動子４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。本実施形態の給電システムでは、振動子４をバルク弾性波振動子とすることで、電力伝送効率を向上させることができる。
【0058】
また、振動子４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のほうが高周波帯となる傾向がある。本実施形態の給電システムでは、振動子４を面内伸縮振動のバルク弾性波振動子とすることで、電力伝送効率をより向上させることができる。
【0059】
なお、上述したような振動子４の固有周波数Ｆ、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、振動子４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、および振動子４の形状や寸法などに影響されて定まる。
【0060】
（給電システムの使用形態）
本実施形態に係る給電システム１０００は、弾性波振動子の共振により非接触で電力を伝送する機構となっている。この弾性波振動の共振を利用した給電システム１０００では、数ｃｍ程度の近距離での電力伝送だけでなく、１０ｍ程度まで離れた中長距離での電力伝送も可能である。そのため、本実施形態に係る給電システム１０００は、移動体への給電、および、移動体に設置した機器等への給電に好適に用いることができる。
本実施形態に係る給電システム１０００は、弾性波振動子の共振により非接触で電力を伝送する機構となっている。この弾性波振動の共振を利用した給電システム１０００では、数ｃｍ程度の近距離での電力伝送だけでなく、１０ｍ程度まで離れた中長距離での電力伝送も可能である。そのため、本実施形態に係る給電システム１０００は、移動体への給電、および、移動体に設置した機器等への給電に好適に用いることができる。
【0061】
なお、中距離での非接触給電方式として、磁界共鳴を利用した給電システムも知られている。ただし、磁界共鳴方式の給電システムでは、伝送可能な電力量や、電力伝送可能な距離が、コイルの直径や、コイルにおける導体の巻回数に依存する。そのため、磁界共鳴方式において、中距離で十分な伝送効率を確保するためには、１次コイルや２次コイルの寸法が大きくなり、小型化が困難である。
【0062】
これに対して、本実施形態に係る給電システム１０００では、送電用アンテナ素子１０ａおよび受電用アンテナ素子１０ｂを、半導体製造プロセスで用いられるような微細加工技術により製造することが可能である。そして、エネルギー変換の最小単位である振動子４は、１ｍｍ四方以下のサイズとすることができる。したがって、本実施形態の給電システム１０００は、磁界共鳴方式の給電システムよりも、送電装置３００および受電装置１００を小型化することが容易である。そのうえ、本実施形態の給電システム１０００では、送電側振動子４ａの個数、および／または、受電側振動子４ｂの個数を増やすことで、容易に、伝送可能な距離を延ばすことができ、また、伝送する電力量を増やすこともできる。したがって、本実施形態の給電システム１０００では、送電装置３００や受電装置１００（特に受電装置）を小型化したとしても、中長距離での電力伝送を実現することができる。
【0063】
図８は、給電システム１０００の使用例を示す模式図である。具体的に、図８（ａ）は、人体の外耳に装着するイヤホンに、本実施形態の受電装置１００を組み込んだ場合の使用例である。また、図８（ｂ）は、人の体内に装着する心臓ペースメーカに、本実施形態の受電装置１００を組み込んだ場合の使用例である。図８（ａ），（ｂ）に示す使用例のように、受電装置１００は、人の腕や頭部などに装着するウェアラブル端末や、人の体内に装着する医療機器などに組み込んで使用することが可能である。これらのウェアラブル端末や医療機器などの電子機器２００は、小型でかつ軽量であることが望まれる。本実施形態の受電装置１００は、エネルギー変換の最小単位が、ごく微小な受電側振動子４ｂであるため、受電側振動子４ｂの数、もしくは、受電用アンテナ素子１０ｂの個数を、適宜調整することで上記電子機器の仕様に合わせて小型化することが容易である。
【0064】
一方、送電装置３００は、図８（ａ）において、人の胴体部に位置するベルトに固定してあり、図８（ｂ）においては、手提げかばんの中に入れてある。前述したように、給電システム１０００は、中長距離の電力伝送が可能であるため、給電システム１０００の運用にあたって、送電装置３００は、設置個所の自由度が高く、比較的に動作が少ない人の胴体部や、袋物、運搬用具などの、電子機器２００の設置個所に比べて安定な箇所に設置しておくことができる。そのため、送電装置３００は、受電装置１００に比べてサイズを大きくすることが可能であり、送電装置３００に容積の大きい電源３２０を搭載しておくことができる。また、受電部３１０では、送電側振動子４ａの数、および、送電用アンテナ素子１０ａの個数を増やすことが容易であり、送電部３１０から受電部１１０に送電する電力量を増やすことができる。
【0065】
なお、本実施形態において、給電対象物である電子機器２００の種類は特に限定されない。電子機器２００としては、たとえば、上述したイヤホンや、心臓ペースメーカの他に、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、人口内耳、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。
【0066】
第２実施形態
第２実施形態では、振動子４（送電側振動子４ａおよび受電側振動子４ｂ）が面内伸縮振動のバルク弾性波振動子である場合について例示し、面内伸縮振動のバルク弾性波振動を得るために最適な構成を説明する。また、第２実施形態において、送電用アンテナ素子１０ａと受電用アンテナ素子１０ｂとは、いずれも同一のアンテナ素子１０で構成することとし、送電側振動子４ａおよび受電側振動子４ｂが、同一の構成を有していることとする。なお、第２実施形態でも、図３～６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。
第２実施形態では、振動子４（送電側振動子４ａおよび受電側振動子４ｂ）が面内伸縮振動のバルク弾性波振動子である場合について例示し、面内伸縮振動のバルク弾性波振動を得るために最適な構成を説明する。また、第２実施形態において、送電用アンテナ素子１０ａと受電用アンテナ素子１０ｂとは、いずれも同一のアンテナ素子１０で構成することとし、送電側振動子４ａおよび受電側振動子４ｂが、同一の構成を有していることとする。なお、第２実施形態でも、図３～６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。
【0067】
まず、アンテナ素子１０における振動子４の形態的特徴について、詳述する。
【0068】
図３に示すように、アンテナ素子１０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平面において、複数の開口部６１を有しており、各開口部６１のＺ軸方向の上方には、それぞれ振動子４が形成してある。つまり、振動子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、振動子４における振動部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。
【0069】
振動子４は、機能膜を積層した積層構造体であり、第２実施形態における振動子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。下部電極層１２は、基板６のＺ軸上方に位置し、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。
【0070】
図５に示すように、振動子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、振動子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軸方向における振動子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。
【0071】
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。
【0072】
振動子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６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６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６に示す断面とは、図４に示すVI－VI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。
【0073】
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。
【0074】
図４および図６に示すように、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、上記における「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。
【0075】
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４～６ではＹ軸方向の幅）は、固有周波数Ｆと同じ周波数の電磁波の波長と比較して、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、「電磁波の波長」とは、伝送経路となる媒介中（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、振動子４が有する固有周波数Ｆは、低くなる傾向となる。逆に幅Ｗｖｙを狭くすると、振動子４が有する固有周波数Ｆは、高くなる傾向となる。
【0076】
一方、振動部４１において、連結方向の幅Ｗｖｘは、特に限定されず、上記の幅Ｗｖｘ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。
【0077】
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。
【0078】
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、可能な限り平滑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。このように振動部４１を平滑化することで、振動子４のバルク弾性波振動の振幅をより大きくすることができる。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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、振動子４のバルク弾性波振動の振幅をより大きくすることができ、アンテナ素子１０のエネルギー変換効率がより向上する。
【0083】
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、アンテナ素子１０の出力をより大きくすることができる。また、複数の振動子４を有するアンテナ素子１０では、支持部４３の長さＷｓｘを上記の範囲内とすることで、複数の振動子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。
【0084】
次に、基板６、および、振動子４を構成する各機能膜の特徴について詳述する。
【0085】
（基板６）
第２実施形態において、基板６は、少なくとも振動子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（ＳｒＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）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。
第２実施形態において、基板６は、少なくとも振動子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（ＳｒＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）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。
【0086】
（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４に示すように、圧電体層１４の平面視形状は、振動子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。
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４に示すように、圧電体層１４の平面視形状は、振動子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。
【0087】
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。
【0088】
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）Ｏ３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム（ＢＣＺＴ：（Ｂａ，Ｃａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、などが例示される。
【0089】
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、振動子４の圧電応答性がより向上する。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。
【0090】
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、振動子４が、面内伸縮振動で弾性波振動し易くなる。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
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。
【0097】
（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。
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。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
（磁歪層１６）
図４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４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、振動子４の耐久性を向上させることができる。
図４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４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、振動子４の耐久性を向上させることができる。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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ＨＣやしきい磁場ＨＴＨが低い（好ましくは、ＨＣが２５００Ａ／ｍ未満、ＨＴＨが５００Ａ／ｍ未満）軟磁性体で構成されており、かつ、飽和磁歪λＭＡＸ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。
【0104】
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、入力信号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。
【0105】
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、アンテナ素子１０のエネルギー変換効率をより向上させることができる。
【0106】
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。
【0107】
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。
【0108】
磁歪層１６は、前述したように、エネルギー波Ｅの発生や弾性波振動の発生に寄与する。また、図４～６に示す振動子４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。
【0109】
（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４および図５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。
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４および図５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。
【0110】
（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、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ポリイミドなどで構成することができる。
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、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ポリイミドなどで構成することができる。
【0111】
（その他の機能膜）
なお、図４～６では図示していないが、振動子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。
なお、図４～６では図示していないが、振動子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。
【0112】
たとえば、振動子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（ＺｒＯ２）、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。
【0113】
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く、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ＺｒＯ２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、ＺｒＯ２（００１）//Ｐｔ（００１）//ＰＺＴ（００１）であって、面内方向が、ＺｒＯ２（１００）//Ｐｔ（１００）//ＰＺＴ（１００）である。
【0114】
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。
【0115】
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。
【0116】
さらに、振動子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、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、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。
【0117】
図４～６に示す振動子４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（振動子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。
【0118】
なお、第２実施形態のアンテナ素子１０は、半導体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。たとえば、まず、各機能膜を、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＣＤＶ法、ＰＬＤ法などの方法（好ましくはスパッタリング法）により基板６の上に成膜する。そして、フォトエッチング法、レーザドライエッチング法、またはリフトオフ法などの各種微細加工技術を用いて、成膜した各機能膜にパターニング加工を施し、基板６の上に複数の振動子４を形成する。最後に、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各種エッチング法により、基板６の一部を除去して、基板６に複数の開口部６１を形成する。上記のような工程により、図３～６に示すアンテナ素子１０が得られる。
【0119】
【0120】
図９では、基板６に平面視形状が円形の開口部６１ｂが形成してある。また、振動子４の振動部４１ｂが、円形の断面視形状を有している。なお図９でも、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。
【0121】
図９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。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が高くなる傾向となる。
【0122】
一方、図１０では、振動子４の振動部４１ｃが、カンチレバー型の構造となっている。具体的に、図１０の振動子４は、Ｘ軸方向の一端でのみ基板６に固定してあり、振動子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、図１０の振動子４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。
【0123】
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。振動子４の振動部４１ｃが屈曲振動となる場合は、アンテナ素子１０が搭載してある送電部３１０または受電部１１０の内部を、粘性の低いガスで充填することが好ましい。もしくは、送電部３１０の真空度または受電部１１０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させることができる。
【0124】
なお、弾性波振動子である振動子４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、振動子４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１０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４～６に示す振動部の形状および図９に示す振動部の形状でも、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。
【0125】
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、ＢｉＦｅＯ３や、Ｂｉの一部をＬａなど他の元素で置き換えた（Ｂｉ，Ｌａ）ＦｅＯ３などが例示される。
【0126】
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１１（ａ）に示すようなＳＯＩ基材６０（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を使用してもよい。ＳＯＩ基材６０は、表面がＳｉ（１００）面となるように配向した単結晶のＳｉ層６０αと、ＳｉＯ２からなる絶縁層６０βと、Ｓｉからなる基板６ｄとで構成してあり、単結晶のＳｉ層６０αが、絶縁層６０βを介して基板６ｄの表面に積層してある。Ｓｉ層６０αの平均厚み、および、絶縁層６０β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６０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。
【0127】
このＳＯＩ基材６０を使用した場合、振動子４の固定部４２は、Ｓｉ層６０αおよび絶縁層６０βを介して、基板６ｄの上に接続される。また、ＳＯＩ基材６０を用いてアンテナ素子１０を製造した場合、図１１（ｂ）に示すような構造の振動子４が得られることがある。なお、図１１（ｂ）は、図６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６０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６０αと絶縁層６０βとが残存することがある。この場合、Ｓｉ層６０αおよび絶縁層６０β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。
【0128】
ただし、図１１（ｂ）に示すように、隙間４６では、Ｓｉ層６０αおよび絶縁層６０β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６０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６０αおよび絶縁層６０β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。
【0129】
ＳＯＩ基材６０を使用した場合において、Ｓｉ層６０αおよび絶縁層６０β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１１（ｂ）に示すアンテナ素子においても、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して機能する。
【実施例】
【0130】
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。
【0131】
（実施例１）
実施例１では、図４に示す形状の振動子を複数有するアンテナ素子を作製した。アンテナ素子に含まれる複数の振動子は、全て同じ形状であり、各振動子において、振動部の連結方向の幅Ｗｖｘを５００μｍとし、振動部の連結方向と直交する方向の幅Ｗｖｙを１２０μｍとした。また、各振動子の振動部には、エピタキシャル成長させて成膜したＰＺＴからなる圧電体層と、結晶相と非晶質相とを有するＦｅ-Ｃｏ-Ｓｉ-Ｂ合金からなる磁歪層と、を積層した。なお、積層した圧電体層の平均厚みは、１μｍであり、磁歪層の平均厚みは０．５μｍであった。
実施例１では、図４に示す形状の振動子を複数有するアンテナ素子を作製した。アンテナ素子に含まれる複数の振動子は、全て同じ形状であり、各振動子において、振動部の連結方向の幅Ｗｖｘを５００μｍとし、振動部の連結方向と直交する方向の幅Ｗｖｙを１２０μｍとした。また、各振動子の振動部には、エピタキシャル成長させて成膜したＰＺＴからなる圧電体層と、結晶相と非晶質相とを有するＦｅ-Ｃｏ-Ｓｉ-Ｂ合金からなる磁歪層と、を積層した。なお、積層した圧電体層の平均厚みは、１μｍであり、磁歪層の平均厚みは０．５μｍであった。
【0132】
１つのアンテナ素子において、形成した振動子４の個数は、合計４５個とした。また、図３に示すように、これら振動子を、同一平面上の２つの軸方向に沿って配列し、並列に配線した。なお、得られたアンテナ素子の寸法は、１ｃｍ×１ｃｍであった。
【0133】
また、上記のアンテナ素子に含まれる各振動子の振動特性を、インピーダンスアナライザにより測定した。その結果、各振動子は、いずれも、固有周波数Ｆが１４ＭＨｚであり、拡がり振動で弾性波振動するバルク弾性波振動子であることが確認できた。
【0134】
次に、上記のアンテナ素子を用いて、送電装置と、受電装置とを作製した。
【0135】
送電装置３００は、複数のアンテナ素子を含む送電部と、電源とを、整流回路を介して接続し、一体化することで得た。実施例１において、送電部は、合計１００個のアンテナ素子を、同一平面上の２つの軸方向に沿って配列し、並列に配線することで構成した。すなわち、複数のアンテナ素子を配列した状態の基板のサイズは、１０ｃｍ×１０ｃｍとした。また、実施例１では、電源として、単３型のニッケル水素電池（１．２Ｖ，１９００ｍＡｈ）を用い、このニッケル水素電池を合計４本搭載した。
【0136】
一方、受電装置は、送電装置と同じアンテナ素子で構成される受電部に、整流回路を含むＰＭＩＣと、キャパシタとを接続して一体化することで得た。なお、実施例１において、受電部には、アンテナ素子を１個搭載した。
【0137】
（実施例１の評価）
次に、上記の送電装置と受電装置とを用いて、電子機器への非接触給電が可能であるかを、確認した。当該評価にあたり、受電装置を、外耳装着式のカナル型イヤホンに搭載し、イヤホン内の各構成要素（音響用ＩＣ、記憶装置、圧電スピーカなど）に接続させた。一方、送電装置は、給電対象物であるイヤホンから約０．６ｍ離れた位置に設置した。この際、送電部に含まれる各アンテナ素子の平面が、給電対象物であるイヤホンの方向に対して交差するように、送電装置の向きを調整した。つまり、図３におけるＺ軸方向（アンテナ素子１０の厚み方向）を、送電装置とイヤホンとを結ぶ方位に一致させた。
次に、上記の送電装置と受電装置とを用いて、電子機器への非接触給電が可能であるかを、確認した。当該評価にあたり、受電装置を、外耳装着式のカナル型イヤホンに搭載し、イヤホン内の各構成要素（音響用ＩＣ、記憶装置、圧電スピーカなど）に接続させた。一方、送電装置は、給電対象物であるイヤホンから約０．６ｍ離れた位置に設置した。この際、送電部に含まれる各アンテナ素子の平面が、給電対象物であるイヤホンの方向に対して交差するように、送電装置の向きを調整した。つまり、図３におけるＺ軸方向（アンテナ素子１０の厚み方向）を、送電装置とイヤホンとを結ぶ方位に一致させた。
【0138】
上記のように、各装置を配置したうえで、送電装置内の電源を起動して、イヤホンが駆動するかを確認した。その結果、送電装置からは、周波数が１４ＭＨｚの交流磁場が発生していることが確認できた。また、イヤホン側では、当該交流磁場を受けて、受電部に電力が発生し、当該電力により、イヤホンが駆動することが確認できた。
【0139】
（実施例２）
実施例２では、図９に示す円板状の振動子を複数有するアンテナ素子を作製した。実施例２においても、実施例１と同様に、振動子の振動部には、エピタキシャル成長させて成膜したＰＺＴからなる圧電体層と、結晶相と非晶質相とを有するＦｅ-Ｃｏ-Ｓｉ-Ｂ合金からなる磁歪層と、を積層した。ただし、実施例２では、各層の平均厚みを実施例１から変更しており、圧電体層の平均厚みを０．４μｍとし、磁歪層の平均厚みを０．２μｍとした。また、振動部の直径は、５００μｍとした。なお、実施例２において、上記以外の構成は、実施例１と同様にして、実施例２に係るアンテナ素子を得た。
実施例２では、図９に示す円板状の振動子を複数有するアンテナ素子を作製した。実施例２においても、実施例１と同様に、振動子の振動部には、エピタキシャル成長させて成膜したＰＺＴからなる圧電体層と、結晶相と非晶質相とを有するＦｅ-Ｃｏ-Ｓｉ-Ｂ合金からなる磁歪層と、を積層した。ただし、実施例２では、各層の平均厚みを実施例１から変更しており、圧電体層の平均厚みを０．４μｍとし、磁歪層の平均厚みを０．２μｍとした。また、振動部の直径は、５００μｍとした。なお、実施例２において、上記以外の構成は、実施例１と同様にして、実施例２に係るアンテナ素子を得た。
【0140】
実施例２のアンテナ素子についても、実施例１と同様にして、各振動子の振動特性を確認した。その結果、実施例２における各振動子は、いずれも、固有周波数Ｆが２．５ＧＨｚであり、厚み縦振動で弾性波振動するバルク弾性波振動子であることが確認できた。
【0141】
次に、実施例２のアンテナ素子を用いて、送電装置と、受電装置とを作製した。実施例２では、送電装置の作製にあたり、送電装置内に、図２に示すビームフォーミング方式の指向性制御手段３３０を搭載した。当該指向性制御手段３３０を搭載したこと以外は、実施例１と同様として、実施例２に係る送電装置を得た。また、受電装置についても、実施例１と同様に構成し、実施例２のアンテナ素子を含む受電部に、ＰＭＩＣとキャパシタとを接続して一体化することで得た。
【0142】
（実施例２の評価）
実施例２においても、実施例１と同様にして、実施例２の送電装置と受電装置とを用いて、イヤホンへの非接触給電が可能であるかを確認した。なお、実施例２では、上記の評価にあたり、送電装置の設置向きの調整は行っておらず、指向性制御手段３３０に基づくビームフォーミングにより送電部から照射する交流磁場の指向性を制御した。
実施例２においても、実施例１と同様にして、実施例２の送電装置と受電装置とを用いて、イヤホンへの非接触給電が可能であるかを確認した。なお、実施例２では、上記の評価にあたり、送電装置の設置向きの調整は行っておらず、指向性制御手段３３０に基づくビームフォーミングにより送電部から照射する交流磁場の指向性を制御した。
【0143】
評価の結果、実施例２の送電装置からは、周波数が２．５ＧＨｚの交流磁場が発生していることが確認できた。また、発生した交流磁場は、送電装置とイヤホンとを結ぶ方位において、位相が強められていることが確認でき、上記以外の他の方位では、位相が弱められていることが確認できた。そして、実施例２でも、送電部から供給される交流磁場を受けて、受電部に電力が発生し、当該電力により、イヤホンが駆動することが確認できた。
【0144】
（実施例３）
実施例３でも、実施例２と同様に、図９に示す円板状の振動子を複数有するアンテナ素子を作製した。ただし、実施例３では、圧電体層の材質を変更しており、振動部に、窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる圧電体層を積層した。なお、このＡｌＮ圧電体層も、エピタキシャル成長させて成膜した。このとき、各層の膜厚方向における配向関係は、ＺｒＯ２（１１１）//Ｐｔ（１１１）//ＡｌＮ（００１）とした。また、実施例３では、磁歪層の材質は実施例２と同様であるが、磁歪層の平均厚みを変更しており、０．５μｍとした。実施例３において、上記以外の構成は、実施例２と同様にして、実施例３に係るアンテナ素子を得た。
実施例３でも、実施例２と同様に、図９に示す円板状の振動子を複数有するアンテナ素子を作製した。ただし、実施例３では、圧電体層の材質を変更しており、振動部に、窒化アルミ（ＡｌＮ）からなる圧電体層を積層した。なお、このＡｌＮ圧電体層も、エピタキシャル成長させて成膜した。このとき、各層の膜厚方向における配向関係は、ＺｒＯ２（１１１）//Ｐｔ（１１１）//ＡｌＮ（００１）とした。また、実施例３では、磁歪層の材質は実施例２と同様であるが、磁歪層の平均厚みを変更しており、０．５μｍとした。実施例３において、上記以外の構成は、実施例２と同様にして、実施例３に係るアンテナ素子を得た。
【0145】
実施例３のアンテナ素子についても、実施例１，２と同様にして、各振動子の振動特性を確認した。その結果、実施例３における各振動子は、いずれも、固有周波数Ｆが２．５ＧＨｚであり、厚み縦振動で弾性波振動するバルク弾性波振動子であることが確認できた。
【0146】
（実施例３の評価）
実施例３でも、実施例２と同様にして、送電装置と受電装置とを作製したうえで、実施例３の送電装置と受電装置とを用いて、イヤホンへの非接触給電が可能であるかを確認した。
実施例３でも、実施例２と同様にして、送電装置と受電装置とを作製したうえで、実施例３の送電装置と受電装置とを用いて、イヤホンへの非接触給電が可能であるかを確認した。
【0147】
その結果、実施例３の送電装置から、周波数が２．５ＧＨｚで、かつ、指向性の高い交流磁場が発生していることが確認できた。そして、実施例３でも、送電部から供給される交流磁場を受けて、受電部に電力が発生し、当該電力により、イヤホンが駆動することが確認できた。
【符号の説明】
【0148】
１０００ … 給電システム
２００ … 電子機器
２１０ … 構成要素
１００ … 受電装置
１１０ … 受電部
１２０ … パワーマネジメントＩＣ（ＰＭＩＣ）
１３０ … キャパシタ
３００ … 送電装置
３１０ … 送電部
３２０ … 電源
３３０ … 指向性制御手段
３３１ … 移相器
３３２ … 制御回路
３３３ … 振幅制御手段
１０ … アンテナ素子
１０ａ … 送電用アンテナ素子
１０ｂ … 受電用アンテナ素子
４ … 振動子
４ａ … 送電側振動子
４ｂ … 受電側振動子
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，４２ｂ … 固定部
４３ … 支持部
４６ … 隙間
６ … 基板
６１ … 開口部
８，９ … 電極
８０，９０ … 配線
２００ … 電子機器
２１０ … 構成要素
１００ … 受電装置
１１０ … 受電部
１２０ … パワーマネジメントＩＣ（ＰＭＩＣ）
１３０ … キャパシタ
３００ … 送電装置
３１０ … 送電部
３２０ … 電源
３３０ … 指向性制御手段
３３１ … 移相器
３３２ … 制御回路
３３３ … 振幅制御手段
１０ … アンテナ素子
１０ａ … 送電用アンテナ素子
１０ｂ … 受電用アンテナ素子
４ … 振動子
４ａ … 送電側振動子
４ｂ … 受電側振動子
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，４２ｂ … 固定部
４３ … 支持部
４６ … 隙間
６ … 基板
６１ … 開口部
８，９ … 電極
８０，９０ … 配線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】