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JP7549996B2 - Non-contact power supply system - Google Patents

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JP7549996B2 JP2020147660A JP2020147660A JP7549996B2 JP 7549996 B2 JP7549996 B2 JP 7549996B2 JP 2020147660 A JP2020147660 A JP 2020147660A JP 2020147660 A JP2020147660 A JP 2020147660A JP 7549996 B2 JP7549996 B2 JP 7549996B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

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。 The present invention relates to a non-contact power supply system that can transmit power wirelessly.

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。 A method using electromagnetic induction, as disclosed in Patent Document 1, is known as a contactless power supply system. The electromagnetic induction method is based on Faraday's law of electromagnetic induction, and by bringing a secondary coil (power receiving coil) close to a primary coil (power transmitting coil) to which a voltage is applied, power can be generated in the secondary coil. This electromagnetic induction power supply system has a simple structure and can be manufactured at low cost. For this reason, electromagnetic induction power supply systems have become popular in recent years in various fields, such as charging various electronic devices such as electric shavers and smartphones, and supplying power to electric vehicles.

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。 However, with the electromagnetic induction method, power can only be transmitted over a distance of about a few centimeters, so even though it is non-contact, it is only suitable for short-distance power supply. In addition, to transmit power, the secondary coil must be placed stationary in an accurate position relative to the primary coil. For this reason, electromagnetic induction power supply systems are not suitable for supplying power to moving objects or devices installed on moving objects.

特開2013-093429号公報JP 2013-093429 A

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。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide a power supply system capable of contactlessly supplying power to a mobile body or to equipment installed on a mobile body.

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。
In order to achieve the above object, a power supply system according to the present invention comprises:
a power transmission device having a power transmission unit that transmits energy waves to the outside;
a power receiving device having a power receiving unit that receives the energy wave supplied from the power transmitting unit in a non-contact manner and converts the energy wave into electrical energy,
The power transmitting unit has at least one power transmitting side vibrator that vibrates elastically at a first natural frequency,
The power receiving unit has at least one power receiving side vibrator that is induced by the energy wave generated by the elastic wave vibration of the power transmitting side vibrator to elastically vibrate at a second natural frequency.

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。 The power supply system according to the present invention described above is a mechanism for transmitting power contactlessly by using the resonance of elastic wave vibrations that occur between the power transmitting unit and the power receiving unit. This power supply system that uses the resonance of elastic wave vibrations is capable of transmitting power over medium to long distances (close distances to several meters). Therefore, the power supply system according to the present invention can be suitably used for supplying power to a mobile object and to equipment installed on the mobile object.

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。 In addition, in the power supply system according to the present invention, the power transmitting side vibrator, which is the smallest unit that supplies energy waves to the power receiving unit, can be made to be 1 mm square or less in size. Similarly, the power receiving side vibrator, which is the smallest unit that converts the energy waves supplied from the power transmitting unit into electrical energy, can also be made to be 1 mm square or less in size. Therefore, in the power supply system according to the present invention, it is easy to miniaturize the power transmitting device and the power receiving device, and even if they are miniaturized, power transmission over medium to long distances can be achieved.

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。 In addition, in the above, the energy wave supplied from the power transmission unit can be an electromagnetic wave or an alternating magnetic field.

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。 Preferably, the second natural frequency of the power receiving vibrator is substantially the same as the first natural frequency of the power transmitting vibrator. In this way, by matching the natural frequency of the power transmitting vibrator with the natural frequency of the power receiving vibrator, the efficiency of power transmission can be improved.

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。 Preferably, the power transmitting side vibrator has a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer, and the power receiving side vibrator has a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer. And, preferably, the piezoelectric layer of the power transmitting side vibrator and the piezoelectric layer of the power receiving side vibrator are made of substantially the same material, and the magnetostrictive layer of the power transmitting side vibrator and the magnetostrictive layer of the power receiving side vibrator are made of substantially the same material.

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。 Preferably, the power transmitting unit includes a power transmitting antenna element having a plurality of the power transmitting side vibrators. The presence of a plurality of power transmitting side vibrators makes it possible to increase the power transmitted from the power transmitting unit to the power receiving unit. Also, preferably, the power receiving unit has a power receiving antenna element having a plurality of the power receiving side vibrators. The presence of a plurality of power receiving side vibrators makes it possible to increase the output power generated in the power receiving unit. For example, in the above power receiving antenna element, when a plurality of power receiving side vibrators are arranged in series, the output current can be increased. On the other hand, in the above power receiving antenna element, when a plurality of power receiving side vibrators are arranged in parallel, the output voltage can be increased.

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。 In addition, as described above, in the power supply system according to the present invention, it is possible to adjust the magnitude of the transmitted power by adjusting the number of extremely small oscillators (power transmitting oscillators and power receiving oscillators). In other words, in the power supply system according to the present invention, the transmitted power can be easily increased by adjusting the number of extremely small oscillators without making the power receiving unit or the power transmitting unit more complex or larger.

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。
Preferably, the power transmitting device has directivity control means for controlling the directivity of the energy wave transmitted from the power transmitting unit. By controlling the directivity of the energy wave by the directivity control means, it is possible to further improve the efficiency of power transmission.
In addition, preferably, the power transmitting device has a phase shifter for controlling the phase of the power transmitting unit as the directivity control means. When the power transmitting device has the above configuration, in the power supply system according to the present invention, the directivity of the energy wave can be more effectively controlled by beamforming using the phase shifter, and the efficiency of power transmission can be further improved.

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。
Preferably, the elastic wave vibration of the power transmitting side vibrator and the elastic wave vibration of the power receiving side vibrator are both bulk elastic waves.
Preferably, the vibration mode of the elastic wave vibration in the power transmitting side vibrator and the vibration mode of the elastic wave vibration in the power receiving side vibrator are both in-plane stretching vibrations.
By each of the vibrators (the power transmitting side vibrator and the power receiving side vibrator) having the vibration mode described above, the efficiency of power transmission can be further improved.

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。 In the power supply system according to the present invention, the power receiving device incorporated in the object to be powered can be easily miniaturized. Therefore, the power supply system according to the present invention is particularly suitable for use in power supply to a wearable terminal attached to the human body (a type of moving object) or for power supply to electronic devices attached inside the human body. Examples of electronic devices incorporating the power receiving device of the present invention include hearable devices such as earphones and hearing aids, smart watches, smart glasses, smart contact lenses, wearable thermometers, wearable pulse wave sensors, and other wearable terminals, as well as artificial cochleas and cardiac pacemakers attached inside the human body, electrical stimulation devices for muscles and the brain, neuro-RFID, and microrobots.

図1は、本発明の一実施形態に係る給電システムを示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a power supply system according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態における指向性制御手段を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a directivity control means in one embodiment of the present invention. 図3は、本発明の一実施形態におけるアンテナ素子を示す概略平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view showing an antenna element in one embodiment of the present invention. 図4は、図3に示す領域IVを拡大した平面図である。FIG. 4 is an enlarged plan view of region IV shown in FIG. 図5は、図4に示すV-V線に沿う断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV shown in FIG. 図6は、図4に示すVI-VI線に沿う断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI shown in FIG. 図7は、振動子の周波数特性を概略的に示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the frequency characteristics of the vibrator. 図8は、図1に示す給電システムの使用形態を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a usage form of the power supply system shown in FIG. 図9は、振動子の変形例を示す平面図である。FIG. 9 is a plan view showing a modified example of the vibrator. 図10は、振動子の変形例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a modified example of the vibrator. 図11は、振動子の変形例を示す概略断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the vibrator.

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。 The present invention will now be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings.

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。
As shown in Fig . 1 , a power supply system 1000 according to an embodiment of the present invention includes a power transmission device 300, an electronic device 200 that is a power supply target, and a power receiving device 100 mounted inside the electronic device. The power transmission device 300 is installed at a location away from the electronic device 200, and a power transmission unit 310 that transmits energy waves E to the outside is mounted inside the power transmission device 300. Meanwhile, a power receiving unit 110 is mounted inside the power receiving device 100, and this power receiving unit 110 receives the energy waves E supplied from the power transmission unit 310 in a non-contact manner and converts the energy waves E into electrical energy.

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。 In the power supply system 1000 of this embodiment, the resonance of the elastic wave vibration occurring between the power transmission unit 310 and the power receiving unit 110 transmits power to the electronic device 200, which is the power supply target, in a non-contact manner. Each component of the power supply system 1000 will be described below.

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。 In addition to the power transmission unit 310, the power transmission device 300 has a power source 320, which supplies the power required for emitting the energy wave E to the power transmission unit 310. The power source 320 may be a primary battery such as a manganese dry battery or a nickel-manganese dry battery, but is preferably a rechargeable secondary battery such as a Ni-metal hydride battery, a lithium-ion battery, or an all-solid-state battery.

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。 As shown in FIG. 1, the power transmission section 310 of the power transmission device 300 is composed of at least one power transmission antenna element 10a. This power transmission antenna element 10a has a plate shape that is approximately rectangular in plan view. However, the shape of the power transmission antenna element 10a is not particularly limited, and may have a circular, elliptical, or other polygonal shape in plan view.

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。 In FIG. 1, the power transmission unit 310 has multiple power transmission antenna elements 10a, and the multiple power transmission antenna elements 10a are arranged along two planar axis directions on the same plane. However, the arrangement of the power transmission antenna elements 10a is not limited to the form shown in FIG. 1, and the multiple power transmission antenna elements 10a may be arranged along one planar axis direction on the same plane, or may be arranged so as to be stacked along the thickness direction of the power transmission antenna elements 10a. As described above, the power transmission antenna element 10a constituting the power transmission unit 310 may be a single element, and the number of elements 10a is not particularly limited.

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。 As shown in FIG. 3, the power transmission antenna element 10a has a substrate 6 and a plurality of power transmission side vibrators 4a formed on the substrate 6. The substrate 6 has a plane including the X-axis and the Y-axis, and a plurality of openings 61 are formed on the same plane (X-Y plane) on the substrate 6. The power transmission side vibrators 4a are formed above each opening 61. More specifically, the openings 61 are holes that penetrate the substrate 6 along the thickness direction (Z-axis direction) of the substrate 6, and have a substantially rectangular shape in plan view. The power transmission side vibrators 4a are located above the openings 61, bridging both ends of the openings 61 in the X-axis direction. In FIG. 3, the X-axis, Y-axis, and Z-axis are substantially perpendicular to each other.

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。 The substrate 6 is also provided with electrodes 8, 9 that can be connected to a power source 320, and wiring 80, 90 that connects the electrodes 8, 9 to each of the power transmission side vibrators 4a. In the power transmission antenna element 10a shown in FIG. 3, the multiple power transmission side vibrators 4a are connected in parallel via the wiring 80, 90. The multiple power transmission side vibrators 4a can also be wired in series. However, in the power transmission antenna element 10a, it is preferable to connect the multiple power transmission side vibrators 4a in parallel in order to equalize the voltage applied to each power transmission side vibrator 4a.

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。 In addition, FIG. 3 illustrates an example in which there are multiple power transmission side vibrators 4a in the power transmission antenna element 10a, but the number of power transmission side vibrators 4a included in one power transmission antenna element 10a may be one, and is not particularly limited.

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。 In the power transmission unit 310, the total number of power transmission side vibrators 4a depends on the number of vibrators 4a included in one power transmission antenna element 10a and the number of power transmission antenna elements 10a. In the present embodiment, in Figs. 1 and 3, there are multiple power transmission side vibrators 4a in the power transmission unit 310, but it is sufficient that the power transmission unit 310 includes at least one power transmission side vibrator 4a. The power transmission side vibrator 4a is the smallest unit that generates the energy wave E to be supplied to the power receiving unit 110, and the more the number of power transmission side vibrators 4a is increased, the more the amount of power transmitted from the power transmission unit 310 to the power receiving unit 110 can be increased.

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。 Figure 4 is an enlarged plan view of the main part of region IV in Figure 3, and is a plan view of the power transmission side vibrator 4a. As shown in Figure 4, the power transmission side vibrator 4a has a vibration part 41 located above the opening surface of the opening 61 at approximately the center in the X-axis direction, two fixed parts 42a, 42b located at both ends in the X-axis direction, and two support parts 43 connecting the vibration part 41 and the fixed parts 42a, 42b.

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。 As shown in Figures 4 to 6, the vibration section 41 of the power transmission side vibrator 4a includes, as functional films, a piezoelectric layer 14 having piezoelectric properties and a magnetostrictive layer 16 having magnetostrictive properties. The piezoelectric layer 14 and magnetostrictive layer 16 are substantially parallel to the X-Y plane including the X-axis and Y-axis, and are laminated along a direction approximately perpendicular to the X-Y plane (i.e., the Z-axis direction). Note that "substantially parallel" means that most parts are parallel, but there may be some parts that are not parallel, and the piezoelectric layer 14 and magnetostrictive layer 16 may be slightly uneven or tilted.

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。 In this embodiment, the power transmission side vibrator 4a (particularly the vibration section 41) is an elastic wave vibrator having a natural frequency Ft. When an electrical signal is supplied from the power source 320 and a voltage is applied to the power transmission side vibrator 4a, distortion occurs in the piezoelectric layer 14 of the power transmission side vibrator 4a due to the inverse piezoelectric effect. In the vibration section 41 of the power transmission side vibrator 4a, elastic wave vibrations of the natural frequency Ft are induced in response to the distortion of the piezoelectric layer 14.

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。 On the other hand, in the magnetostrictive layer 16 of the power transmission side vibrator 4a, an inverse magnetostrictive effect occurs due to elastic wave vibration. In the power transmission side vibrator 4a, an electromagnetic wave or an AC magnetic field is generated due to the inverse magnetostrictive effect of the magnetostrictive layer 16, and this electromagnetic wave or AC magnetic field is radiated to the power receiving device 100 as an energy wave E. In other words, the power transmission side vibrator 4a converts the electrical energy supplied from the power source 320 into an energy wave E such as an electromagnetic wave or an AC magnetic field based on the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric layer 14 and the inverse magnetostrictive effect of the magnetostrictive layer 16.

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。 In the above, the natural frequency of the vibrator is the frequency at which the response output is maximum. In the case of the power transmitting vibrator 4a, the "response output" means the amplitude of the radiated energy wave E, and in the case of the power receiving vibrator 4b described below, the "response output" means the output power.

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Ftとすると、各送電側振動子4aの固有周波数Ftは、それぞれ、Ft±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。 In this embodiment, the power transmission unit 310 may include a plurality of power transmission side vibrators 4a. In this case, it is preferable that the natural frequencies Ft of the power transmission side vibrators 4a are all approximately the same value. Specifically, it is preferable that the variation in the natural frequencies Ft of the power transmission side vibrators 4a is less than ±1%. The "variation in the natural frequency Ft" means the deviation when the average value of the natural frequencies Ft is used as a reference. In other words, when the average value of the natural frequencies Ft is Ft A , it is preferable that the natural frequencies Ft of the power transmission side vibrators 4a are each within a range of less than Ft A ±1%. In order to match the natural frequencies Ft of the plurality of power transmission side vibrators 4a, for example, it is sufficient to align the shapes of the power transmission side vibrators 4a to reduce the dimensional error.

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。 In this way, by aligning the natural frequencies Ft of each power transmitting vibrator 4a, the amplitude of the radiated energy wave E can be increased, and the amount of power transmitted from the power transmitting unit 310 to the power receiving unit 110 can be increased.

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。 As described above, in consideration of power transmission efficiency, it is preferable to make the natural frequencies Ft of the multiple power transmission side vibrators 4a uniform. However, the power transmission unit 310 may be configured with multiple power transmission side vibrators 4a with different natural frequencies Ft. In this case, it is possible to make the natural frequencies Ft of a single power transmission antenna element 10a uniform, and set different natural frequencies Ft between the multiple power transmission antenna elements 10a. It is also possible that a single power transmission antenna element 10a has power transmission side vibrators 4a with different natural frequencies Ft. For example, if the power transmission unit 310 has a group of vibrators with a natural frequency Ft1 and a group of vibrators with a natural frequency Ft2, such a power transmission device can transmit power to two types of power supply objects with different natural frequencies.

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。 In addition, in this embodiment, the power transmission device 300 preferably has a directivity control means for controlling the directivity of the energy wave E supplied from the power transmission unit 310. This directivity control means is a means for concentrating the radiation of the energy wave E, such as an electromagnetic wave or an AC magnetic field, supplied from the power transmission antenna element 10a in a specific direction (i.e., in the direction in which the electronic device 200, which is the power supply target, is located). The energy wave E generated by the power transmission side vibrator 4a is usually radiated in all directions, so that a portion of the radiated energy wave E is lost during the power transmission process. By transmitting the energy wave E in a concentrating manner in a specific direction using the above-mentioned directivity control means, the loss of the energy wave E during the power transmission process is suppressed, and the power transmission efficiency is improved. In addition, it becomes possible to radiate the energy wave E further, and the transmission distance can be extended.

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。 Directivity control means includes, for example, a method of adjusting the orientation of the power transmission antenna element 10a. The electromagnetic waves or AC magnetic fields generated by the power transmission side vibrator 4a are radiated in all directions, but the electric flux density or magnetic flux density tends to be highest in the direction perpendicular to the planar direction of the vibration part 41 (Z-axis direction). Therefore, the directivity of the electromagnetic waves or AC magnetic field can be improved by orienting the plane of the power transmission antenna element 10a (X-Y plane in FIG. 3) toward the direction of the object to be fed. The orientation of the power transmission antenna element 10a can be controlled simply by adjusting the installation position of the power transmission device 300. It is also possible to electrically change the orientation of the power transmission antenna element 10a after determining the position of the object to be fed by the position information search means.

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。 As another example of the directivity control means, there is a beamforming directivity control means 330 as shown in FIG. 2. In this beamforming directivity control means 330, a phase shifter 331 is interposed in the circuit between the power source 320 and each power transmitting antenna element 10a, and this phase shifter 331 adjusts the phase of the energy wave E transmitted from the power transmitting antenna element 10a. In other words, the directivity control means 330 generates a phase difference between each power transmitting antenna element 10a, and adjusts the signal input to each power transmitting antenna element 10a so that the phases are reinforced only in a specific direction.

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。 In addition, in the directivity control means 330, a control circuit 332 that manages each phase shifter 331 may be incorporated in the circuit between the power source 320 and each phase shifter 331. Furthermore, this control circuit 332 may incorporate a location information exploration means (for example, a means for sending a test signal to the object to be powered) for grasping the location information of the object to be powered. In addition to the phase shifter 331, an amplitude control means 333 such as a power amplifier for amplifying the amplitude of the energy wave E may be interposed in the circuit between the control circuit 332 and each power transmitting antenna element 10a.

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。 Next, the power receiving device 100 will be described. The power receiving device 100 is configured by connecting and integrating a power receiving unit 110, a power management IC (PMIC) 120 equipped with a rectifier circuit, etc., and a capacitor 130. In addition to the above, the power receiving device 100 may also be equipped with a small secondary battery, such as a lithium polymer battery or an all-solid-state battery, as an auxiliary power source.

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。 In the power receiving device 100 having the above configuration, the power receiving unit 110 receives the energy wave E in a non-contact manner and converts the energy wave E into electrical energy. The converted electrical energy is sent to the capacitor 130 via the PMIC 120 and stored in the capacitor 130. The electrical energy stored in the capacitor 130 is then sent from the capacitor 130 via the PMIC 120 to the components 210 of the electronic device 200, and consumed by each of the components 210. The components 210 of the electronic device 200 are parts that consume electrical energy and contribute to driving the electronic device 200. For example, if the electronic device 200 is an external ear canal-type earphone, the components 210 include a piezoelectric speaker, a piezoelectric microphone, a pressure sensor, an audio IC including an amplifier, and a memory device.

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。 As shown in FIG. 1, the power receiving section 110 of the power receiving device 100 is composed of at least one power receiving antenna element 10b. Like the power transmitting antenna element 10a, this power receiving antenna element 10b has a plate shape that is approximately rectangular in plan view. However, the shape of the power receiving antenna element 10b is not limited to the above. Also, in FIG. 1, multiple power receiving antenna elements 10b are present in the power receiving section 110, but the number of power receiving antenna elements 10b may be single, and there is no particular limit to the number. Furthermore, when there are multiple power receiving antenna elements 10b, the arrangement method is not particularly limited, and they may be arranged on the same plane or stacked along the thickness direction of the element.

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。 In this embodiment, the power receiving antenna element 10b can have a different shape from the power transmitting antenna element 10a, but it is preferable to use an antenna element having a shape similar to that of the power transmitting antenna element 10a. By configuring the power transmitting antenna element 10a and the power receiving antenna element 10b with antenna elements of the same shape, it becomes easier to adjust the natural frequency, which will be described later. In this embodiment, for the sake of simplicity, the antenna element shown in Figures 3 and 4, which is the same as the power transmitting antenna element 10a, is used as the power receiving antenna element 10b.

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。 In this embodiment, the power receiving antenna element 10b has a power receiving side vibrator 4b, which is an elastic wave vibrator having a natural frequency Fr. When an energy wave E is radiated from the power transmitting side vibrator 4a of the power transmitting unit 310 to the power receiving unit 110, the power receiving side vibrator 4b (particularly the vibrating unit 41) is excited by the energy wave E and vibrates elastically. More specifically, when the vibrating unit 41 of the power receiving side vibrator 4b receives the energy wave E, distortion occurs in the magnetostrictive layer 16 of the vibrating unit 41 due to the magnetostrictive effect. In the vibrating unit 41 of the power receiving side vibrator 4b, elastic wave vibration of the natural frequency Fr is induced in response to the distortion of the magnetostrictive layer 16. In other words, in the power receiving unit 110, the power receiving side vibrator 4b resonates and vibrates elastically due to the elastic wave vibration of the power transmitting side vibrator 4a that generates the energy wave E.

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。 When elastic wave vibrations are induced in the power receiving vibrator 4b, a piezoelectric effect is generated in the piezoelectric layer 14 of the power receiving vibrator 4b by the elastic wave vibrations. In the power receiving vibrator 4b, an electric charge is generated on the surface of the piezoelectric layer 14 due to the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 14, and this electric charge can be extracted as electrical energy. In other words, the power receiving vibrator 4b converts the energy wave E supplied from the power transmitting device 300 into electrical energy by the magnetostrictive effect of the magnetostrictive layer 16 and the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 14.

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。 As described above, in the power receiving antenna element 10b of the power receiving unit 110, the power receiving vibrator 4b is the smallest unit that converts the energy wave E into electrical energy. The power receiving unit 110 may include at least one power receiving vibrator 4b, but it is preferable that there are multiple power receiving vibrators. The more the number of power receiving vibrators 4b is increased, the more electrical energy can be obtained and the power transmission efficiency is improved. In addition, when there are multiple power receiving vibrators 4b in the power receiving antenna element 10b, the power receiving vibrators 4b may be arranged in parallel or in series. When multiple power receiving vibrators 4b are connected in parallel, the output voltage can be increased, and when connected in series, the output current can be increased.

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)
In this embodiment, the natural frequency Fr of the power receiving side vibrator 4b is preferably substantially the same as the natural frequency Ft of the power transmitting side vibrator 4a. By matching the natural frequency Fr of the power receiving side vibrator 4b with the natural frequency Ft of the power transmitting side vibrator 4a, it is possible to improve the power transmission efficiency. Here, "natural frequencies are substantially the same" means that the deviation D between the natural frequency Fr and the natural frequency Ft, expressed by the following formula (1), is less than 1%.
D=|Ft-Fr|/Ft×100(%)...(1)

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Ft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Ft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。 When the power transmitting unit 310 includes a plurality of power transmitting side vibrators 4a and the natural frequencies Ft of the power transmitting side vibrators 4a are set to approximately the same value, the deviation D in the above formula (1) may be calculated based on the average value Ft A of the natural frequencies Ft. In other words, each power receiving side vibrator 4b in the power receiving unit 110 may be designed so that the deviation D of the natural frequency Fr from the average value Ft A is less than 1%. In addition, when the power transmitting unit 310 includes a plurality of power transmitting side vibrators 4a with different natural frequencies Ft, each power receiving side vibrator 4b in the power receiving unit 110 may be designed so that the natural frequency is substantially the same as any one of the plurality of power transmitting side vibrators 4a included in the power transmitting unit 310.

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。 In order to match the natural frequencies between the power receiving side vibrator 4b of the power receiving unit 110 and the power transmitting side vibrator 4a of the power transmitting unit 310, it is preferable to match the shape of the power receiving antenna element 10b with the shape of the power transmitting antenna element 10a. In other words, it is preferable to use the same antenna element in each of the power receiving unit 110 and the power transmitting unit 310. The natural frequency of the elastic wave vibrator is determined not only by the shape and dimensions of the vibrator, but also by the characteristics of the functional membrane that constitutes the vibrator and the vibration form of the vibrator. Therefore, even if the shapes of the antenna elements are different, it is possible to match the natural frequency Ft and the natural frequency Fr. However, as described above, the method of using the same antenna element in the power receiving unit 110 and the power transmitting unit 310 is the simplest and has high manufacturing efficiency.

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Fr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。 Also, although this overlaps with the above, when the power receiving unit 110 has a plurality of power receiving side vibrators 4b, it is preferable that the natural frequencies Fr of the power receiving side vibrators 4b are all approximately the same value. Specifically, when the average value FrA of the natural frequencies Fr is used as a reference, it is preferable that the variation in the natural frequencies Fr of the power receiving side vibrators 4b is less than ±1%. By matching the natural frequencies Fr of the power receiving side vibrators 4b in this way, a larger electric energy can be obtained, and the power transmission efficiency is improved.

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。 As described above, in consideration of power transmission efficiency, it is preferable to make the natural frequencies Fr of the multiple power receiving vibrators 4b uniform, but the power receiving unit 110 may include multiple power receiving vibrators 4b with different natural frequencies Fr. In this case, the frequency band to which the power receiving unit 110 can respond can be expanded. For example, if the power receiving unit has a vibrator with a natural frequency Fr1 and a vibrator with a natural frequency Fr2, the power receiving unit can receive and convert energy waves E1 with the same frequency as the natural frequency Fr1, and can also receive and convert energy waves E2 with the same frequency as the natural frequency Fr2.

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。 In addition, in this embodiment, it is preferable that both the power transmitting side vibrator 4a and the power receiving side vibrator 4b have the characteristics described below. In the following paragraphs, in describing the characteristics common to the power transmitting side vibrator 4a and the power receiving side vibrator 4b, the power transmitting side vibrator 4a and the power receiving side vibrator 4b will be collectively referred to as "vibrator 4".

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。 First, in this embodiment, the vibration part 41 of the vibrator 4 that vibrates in an elastic wave preferably has a Q value (no unit) of 100 or more, and more preferably 1000 or more. The Q value is a measure that indicates the sharpness of a peak in the frequency characteristics.

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V)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Vの1/√2倍の出力電圧((1/√2)×V)が得られる周波数をfとして、低周波側において(1/√2)×Vとなる周波数をfとすると、Q値は以下の式で表される。
Q=F/(f-f
Here, the frequency characteristics of the vibration unit 41 will be described with reference to Fig. 7. In the graph shown in Fig. 7, the horizontal axis is frequency and the vertical axis is output voltage. As described above, at the natural frequency F, the output voltage is maximum (maximum output V0 ), and the natural frequency F is the peak top. If the frequency at which an output voltage 1/√2 times the maximum output voltage V0 ((1/√2) x V0 ) is obtained on the high frequency side is f1 , and the frequency at which an output voltage is (1/√2) x V0 on the low frequency side is f2 , the Q value is expressed by the following formula.
Q=F/(f 1 - f 2 )

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。 Conventionally, resonators that resonate with mechanical vibrations generated by automobiles, industrial machines, and the like have been known, and in order for such resonators to receive a wide signal (vibration), it was necessary to set the Q value low. In contrast, in the power supply system 1000 of this embodiment, the Q value of the vibrating unit 41 is set high, at 100 or more, thereby making it possible to further improve power transmission efficiency. The higher the Q value of the vibrating unit 41, the better, and the upper limit of the Q value is not particularly limited, but can be set to, for example, 50,000 or less, and preferably 10,000 or less.

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fとし(すなわちf=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fとして(すなわちf=F-F×(1/100))、周波数fおよび周波数fにおける出力をそれぞれV,Vとする。この場合、振動部41は、最大出力Vが、出力Vまたは出力V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>2V,V>2V)。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。 In addition, in the frequency characteristic of the vibrator 4 shown in FIG. 7, the frequency shifted from the natural frequency F by F×(1/100) to the high frequency side is f a (i.e., f a =F+F×(1/100)), the frequency shifted from the natural frequency F by F×(1/100) to the low frequency side is f b (i.e., f b =F−F×(1/100)), and the outputs at the frequencies f a and f b are V a and V b , respectively. In this case, it is preferable to design the vibration unit 41 so that the maximum output V 0 is twice or more the output V a or V b (i.e., V 0 >2V a , V 0 >2V b ). By the vibrator 4 having a frequency characteristic that satisfies the above conditions, the energy conversion efficiency of the vibrator 4 is improved, and the power transmission efficiency can also be improved.

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。 In addition, in this embodiment, it is preferable that the vibrator 4 is a bulk acoustic wave vibrator that vibrates with bulk acoustic waves (BAW: Bulk Acoustic Wave) rather than surface acoustic waves (SAW: Surface Acoustic Wave). A surface acoustic wave vibrator utilizes waves (vibrations) that propagate to the surface of an object, whereas a bulk acoustic wave vibrator utilizes the vibration of the object itself, not the surface. In the power supply system of this embodiment, power transmission efficiency can be improved by using a bulk acoustic wave vibrator for the vibrator 4.

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。 In addition, it is preferable that the vibration mode of the elastic wave vibration generated by the vibrator 4 is an in-plane stretching vibration rather than an out-of-plane vibration. Here, out-of-plane vibration means that the vibrator vibrates in a dynamic state without volume change such as rotation or bending. In the case of a vibrator that vibrates out-of-plane (especially in the case of a vibrator that vibrates bending), the natural frequency F of the vibrator tends to be a low frequency of 100 kHz or less. On the other hand, in-plane stretching vibration means that the vibrator vibrates by stretching along the X-Y plane or a plane including the Z axis. In this embodiment, the in-plane stretching vibration that stretches along the X-Y plane is called the spreading vibration, and the in-plane stretching vibration that stretches along the plane including the Z axis is called the thickness-extension vibration. In a vibrator that vibrates in-plane stretching vibration, the natural frequency F tends to be in a higher frequency band than a vibrator that vibrates out-of-plane, and between spreading vibration and thickness-extension vibration, the natural frequency F of the thickness-extension vibration tends to be in a higher frequency band. In the power supply system of this embodiment, the vibrator 4 is a bulk acoustic wave vibrator with in-plane stretching vibration, which can further improve power transmission efficiency.

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。 The natural frequency F, Q value, frequency characteristics, and vibration mode of the vibrator 4 as described above can be measured using an impedance analyzer. The vibration mode of the vibrator 4 is determined by the material of the functional film (piezoelectric layer 14, magnetostrictive layer 16, etc.), the thickness of the functional film, the crystal orientation of the functional film, and the shape and dimensions of the vibrator 4.

(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。
(How the power supply system is used)
The power supply system 1000 according to the present embodiment is a mechanism for transmitting power contactlessly by the resonance of an elastic wave vibrator. The power supply system 1000 utilizing the resonance of this elastic wave vibration is capable of transmitting power not only over short distances of a few centimeters, but also over medium- to long-distances up to about 10 meters. Therefore, the power supply system 1000 according to the present embodiment can be suitably used for supplying power to a mobile body and to devices and the like installed on the mobile body.

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。 A power supply system that uses magnetic resonance is also known as a medium-distance contactless power supply method. However, in a magnetic resonance power supply system, the amount of power that can be transmitted and the distance over which power can be transmitted depend on the diameter of the coil and the number of turns of the conductor in the coil. Therefore, in order to ensure sufficient transmission efficiency over medium distances in the magnetic resonance method, the dimensions of the primary coil and secondary coil become large, making it difficult to reduce the size.

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。 In contrast, in the power supply system 1000 according to the present embodiment, the power transmission antenna element 10a and the power reception antenna element 10b can be manufactured by microfabrication technology such as that used in semiconductor manufacturing processes. The vibrator 4, which is the smallest unit of energy conversion, can be made to be 1 mm square or less in size. Therefore, in the power supply system 1000 according to the present embodiment, it is easier to miniaturize the power transmission device 300 and the power reception device 100 than in a power supply system using a magnetic field resonance method. Furthermore, in the power supply system 1000 according to the present embodiment, the transmission distance can be easily extended by increasing the number of the power transmission side vibrators 4a and/or the number of the power reception side vibrators 4b, and the amount of power to be transmitted can also be increased. Therefore, in the power supply system 1000 according to the present embodiment, even if the power transmission device 300 and the power reception device 100 (particularly the power reception device) are miniaturized, power transmission over medium to long distances can be realized.

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。 8 is a schematic diagram showing an example of use of the power supply system 1000. Specifically, FIG. 8(a) shows an example of use in which the power receiving device 100 of this embodiment is incorporated into an earphone that is attached to the outer ear of the human body. FIG. 8(b) shows an example of use in which the power receiving device 100 of this embodiment is incorporated into a cardiac pacemaker that is attached to the human body. As shown in the examples of use in FIGS. 8(a) and 8(b), the power receiving device 100 can be incorporated into a wearable terminal that is attached to a person's arm or head, or a medical device that is attached to the human body. It is desirable for these electronic devices 200, such as wearable terminals and medical devices, to be small and lightweight. In the power receiving device 100 of this embodiment, the minimum unit of energy conversion is the very small power receiving side vibrator 4b, so that it is easy to reduce the size according to the specifications of the electronic device by appropriately adjusting the number of power receiving side vibrators 4b or the number of power receiving antenna elements 10b.

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。 On the other hand, the power transmission device 300 is fixed to a belt located on the person's torso in FIG. 8(a), and is placed in a handbag in FIG. 8(b). As described above, the power supply system 1000 is capable of medium- to long-distance power transmission, so that when the power supply system 1000 is operated, the power transmission device 300 can be installed in a more stable location than the electronic device 200, such as the torso of a person who moves relatively little, a bag, or a carrying tool. Therefore, the power transmission device 300 can be made larger in size than the power receiving device 100, and the power transmission device 300 can be equipped with a power source 320 with a large volume. In addition, in the power receiving unit 310, it is easy to increase the number of power transmission side vibrators 4a and the number of power transmission antenna elements 10a, and the amount of power transmitted from the power transmission unit 310 to the power receiving unit 110 can be increased.

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。 In this embodiment, the type of electronic device 200 to be supplied with power is not particularly limited. Examples of electronic devices 200 include the above-mentioned earphones and cardiac pacemakers, as well as hearable devices such as hearing aids, smart watches, smart glasses, smart contact lenses, wearable thermometers, wearable pulse wave sensors, artificial cochlea, electrical stimulation devices for muscles and the brain, neuro-RFID, and microrobots.

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。
Second embodiment In the second embodiment, the case where the vibrator 4 (the power transmitting side vibrator 4a and the power receiving side vibrator 4b) is a bulk acoustic wave vibrator with in-plane stretching vibration is illustrated, and the optimal configuration for obtaining the bulk acoustic wave vibration with in-plane stretching vibration is described. In the second embodiment, the power transmitting antenna element 10a and the power receiving antenna element 10b are both configured with the same antenna element 10, and the power transmitting side vibrator 4a and the power receiving side vibrator 4b have the same configuration. Note that in the second embodiment, referring to Figures 3 to 6, the same symbols are used for the configurations common to the first embodiment.

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。 First, we will describe in detail the morphological characteristics of the vibrator 4 in the antenna element 10.

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。 As shown in FIG. 3, the bottom layer of the antenna element 10 in the Z-axis direction is a substrate 6 having an outer edge shape of a substantially rectangular shape in a plan view. The plan view shape of the substrate 6 is not particularly limited, and may be a circle, an ellipse, a rectangle with rounded corners, or another polygon. The thickness of the substrate 6 is also not particularly limited, and may be a thickness that ensures sufficient strength. The substrate 6 has a plurality of openings 61 in the X-Y plane, and a vibrator 4 is formed above each opening 61 in the Z-axis direction. In other words, the vibration part 41 of the vibrator 4 is disposed opposite the opening 61 of the substrate 6. The shape and dimensions of the opening 61 in a plan view are determined according to the shape and dimensions of the vibration part 41 in the vibrator 4. In the second embodiment, the opening 61 has a substantially rectangular shape in a plan view.

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。 The vibrator 4 is a laminated structure in which functional films are laminated, and the vibrator 4 in the second embodiment includes at least the lower electrode layer 12, the piezoelectric layer 14, and the magnetostrictive layer 16 described above. The lower electrode layer 12 is located above the Z axis of the substrate 6, and the piezoelectric layer 14 is laminated on the lower electrode layer 12, and the magnetostrictive layer 16 is laminated on the piezoelectric layer 14. The configuration of each functional film will be described in detail later.

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。 As shown in FIG. 5, the vibrator 4 is located above the substrate 6 in the Z-axis direction, bridging the upper opening surface of the opening 61 in the X-axis direction. One end of the vibrator 4 in the X-axis direction faces and is connected to the surface of the substrate 6, forming the fixed part 42a. The other end of the vibrator 4 in the X-axis direction also faces and is connected to the surface of the substrate 6, forming the fixed part 42b.

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。 In the fixed portion 42a, the extraction electrode 18a is electrically connected to the lower electrode layer 12, and an external circuit (not shown) can be connected via this extraction electrode 18a. On the other hand, in the fixed portion 42b, there is an extraction electrode 18b electrically connected to the magnetostrictive layer 16, and an external circuit (not shown) can be connected via this extraction electrode 18b. In addition, in the fixed portion 42b, an insulating layer 20 is interposed between the extraction electrode 18b and the lower electrode layer 12, and this insulating layer 20 insulates the extraction electrode 18b and the lower electrode layer 12 from each other so as not to short circuit. In the following paragraphs, the fixed portion 42a and the fixed portion 42b may be collectively referred to as "fixed portion 42".

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。 The vibration part 41 of the vibrator 4 has a generally rectangular shape in plan view that is smaller than the upper opening surface of the opening 61, and has edges parallel to the X-axis and edges parallel to the Y-axis. In the second embodiment, the X-axis direction is the longitudinal direction of the vibration part 41, and the Y-axis direction is the lateral direction of the vibration part 41. As described above, the vibration part 41 is located above the opening 61, and in the cross section shown in FIG. 6, the vibration part 41 appears to be floating above the Z-axis of the opening 61. As shown in FIG. 6, it is preferable that the upper and lower surfaces of the vibration part 41 parallel to the X-Y plane are non-constrained surfaces that are not in direct contact with the substrate 6. The upper and lower surfaces of the vibration part 41 are surfaces that face the opening 61. The cross section shown in FIG. 6 is a cross section along the VI-VI line shown in FIG. 4, and is an X-Z cross section that does not include the support part 43.

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。 The vibrating part 41 of the power generator 4 is integrally connected to each of the fixed parts 42a, 42b via a pair of support parts 43. In other words, the vibrating part 41 is connected to the substrate 6 via the support parts 43. In the second embodiment, the direction in which the vibrating part 41 and the fixed part 42 are connected by the support parts 43 is referred to as the connection direction (the X-axis direction in Figures 1 to 3).

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。 As shown in FIG. 4 and FIG. 6, the outer peripheral edge of the vibration part 41 and the inner peripheral edge of the opening 61 are not in contact with each other, and a gap 46 exists between the outer peripheral edge of the vibration part 41 and the inner peripheral edge of the opening 61. Here, the "outer peripheral edge of the vibration part 41" in the above means the outer peripheral edge of the lower electrode layer 12 in the vibration part 41, and more specifically, the outer peripheral edge of the lower electrode layer 12 excluding the connection part with the support part 43 in the vibration part 41. In the second embodiment, the average width Wg of the gap 46 is preferably 1 μm to 500 μm. In the second embodiment, the gap 46 is a space in which the functional films 12 to 16 and the substrate 6 are not present. In addition, the width Wg of the gap 46 means the distance from the outer peripheral edge of the lower electrode layer 12 to the inner peripheral edge of the opening 61 in a plan view.

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。 In addition, in the vibration section 41, the width Wvy in the direction perpendicular to the connection direction (width in the Y-axis direction in Figures 4 to 6) is preferably 1/100 times or less, and more preferably 1/200 times or less, of the wavelength of an electromagnetic wave with the same frequency as the natural frequency F. The lower limit of the width Wvy in the direction perpendicular to the connection direction is not particularly limited, but is preferably 1/200,000 times or more of the wavelength of an electromagnetic wave with the same frequency as the natural frequency F. In the above, the "wavelength of an electromagnetic wave" means the wavelength of an electromagnetic wave in a medium (e.g., air) that serves as a transmission path. For example, in the power generation element 1 of the second embodiment, if the width Wvy is widened without changing the configuration other than the width Wvy, the natural frequency F of the vibrator 4 tends to be lower. Conversely, if the width Wvy is narrowed, the natural frequency F of the vibrator 4 tends to be higher.

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。 On the other hand, the width Wvx in the connection direction of the vibrating part 41 is not particularly limited and can be narrower than the above-mentioned width Wvx, but is preferably wider than the width Wvy.

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。 The average thickness Tv of the vibration part 41 depends on the thickness of each functional film and is not particularly limited, but is preferably, for example, 0.5 μm to 30 μm.

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。 As described above, the vibration part 41 has a plate-like shape along a plane including the X-axis and the Y-axis, and it is preferable that this plate-like vibration part 41 is as smooth as possible. For example, it is preferable that the flatness of the vibration part 41 is smaller than the width Wvy. It is also preferable that the surface roughness of the upper and lower surfaces of the vibration part 41 parallel to the X-Y plane is 1 μm or less in arithmetic mean roughness (Ra) or root mean square roughness (Rq: old RMS). Alternatively, it is preferable that the surface roughness of the upper surface (Ra or Rq) and the surface roughness of the lower surface (Ra or Rq) of the vibration part 41 are 1/10 times or less compared to the wavelength of the elastic wave vibration of the vibration part 41. By smoothing the vibration part 41 in this way, the amplitude of the bulk elastic wave vibration of the vibrator 4 can be increased.

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。 The flatness may be measured by contact or non-contact. For example, the flatness can be measured by a CNC image measuring device or a laser microscope. The surface roughness Ra and Rq may also be measured by contact or non-contact, and may be measured in accordance with JIS-B0601.

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。 The support part 43 of the power generating unit 4 connects the end of the vibration part 41 in the X-axis direction to the fixed part 42 along the X-axis direction, and in the second embodiment, two support parts 43 are formed according to the number of fixed parts 42. It is preferable that the support part 43 is formed in a manner that has a lower rigidity than the vibration part 41 so as not to interfere with the elastic wave vibration of the vibration part 41.

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。 For example, in the support section 43, the width Wsy in the direction perpendicular to the connection direction (Y-axis direction) is preferably narrower than the width Wvy of the vibration section 41. More specifically, the ratio of the width Wsy of the support section 43 to the width Wvy of the vibration section 41 (Wsy/Wvy) is preferably 10% to 90%. Alternatively, the average thickness Ts of the support section 43 in the Z-axis direction is preferably thinner than the average thickness Tv of the vibration section 41 in the Z-axis direction. More specifically, the ratio of the average thickness Ts of the support section 43 to the average thickness Tv of the vibration section 41 (Ts/Tv) is preferably 50% to 95%.

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。 Furthermore, in the support portion 43, the product of the average thickness Ts and the width Wsy (Ts x Wsy) is preferably 90% or less, and more preferably 75% or less, of the product of the average thickness Tv and the width Wvy in the vibration portion 41. By controlling the average thickness Ts and width Wsy in the support portion 43 within the range of the above conditions, the amplitude of the bulk acoustic wave vibration of the vibrator 4 can be increased, and the energy conversion efficiency of the antenna element 10 can be further improved.

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。 Furthermore, it is preferable that the length Wsx of the support portion 43 in the connection direction (X-axis) is within a range of approximately 1/10 to 1/2 times the wavelength of the elastic wave vibration of the vibration portion 41. By setting the length Wsx of the support portion 43 within the above range, the vibration energy of the elastic wave vibration can be efficiently confined in the vibration portion 41, and the output of the antenna element 10 can be increased. Furthermore, in an antenna element 10 having multiple vibrators 4, mutual interference between the multiple vibrators 4 can be suppressed by setting the length Wsx of the support portion 43 within the above range.

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。 Next, we will describe in detail the characteristics of the substrate 6 and each functional film that makes up the vibrator 4.

(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。
(Substrate 6)
In the second embodiment, the substrate 6 may be an insulating material capable of supporting at least the vibrator 4, but is preferably a single crystal substrate. Examples of single crystal substrates include Si, MgO, strontium titanate (SrTiO3), and lithium niobate (LiNbO3). In the second embodiment, it is particularly preferable to use a silicon substrate whose surface is a single crystal of the Si(100) plane. The single crystal of the Si(100) plane means that the cubic (100) plane of the silicon substrate is oriented substantially parallel to the thickness direction.

(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。
(Piezoelectric layer 14)
The piezoelectric layer 14 is a single-layer thin film extending from one fixed portion 42a to the other fixed portion 42b. As shown in Fig. 4, the planar shape of the piezoelectric layer 14 matches the shapes of the respective portions 41 to 43 of the vibrator 4, and the dimensions in the XY plane are smaller than the planar dimensions of the lower electrode layer 12 described below. The average thickness of the piezoelectric layer 14 is preferably within a range of 0.4 µm to 10 µm, and more preferably 0.4 µm to 2 µm. The variation in thickness of the piezoelectric layer 14 is preferably ±5% or less.

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。 The average thickness of the piezoelectric layer 14 can be determined, for example, by observing the X-Z cross section or Y-Z cross section with a scanning electron microscope (SEM) or a scanning transmission electron microscope (STEM) and performing image analysis on the cross-sectional photograph obtained. At this time, measurements are taken at at least three or more points in the in-plane direction, and the average value is calculated.

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)、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN:(K,Na)NbO)、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム(BCZT:(Ba,Ca)(Zr,Ti)O)、などが例示される。 The piezoelectric layer 14 is made of a piezoelectric material and exhibits a piezoelectric effect or an inverse piezoelectric effect. Examples of the piezoelectric material that constitutes the piezoelectric layer 14 include quartz crystal, lithium niobate, aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT: Pb(Zr,Ti) O3 ), potassium sodium niobate (KNN: (K,Na) NbO3 ), barium calcium zirconate titanate (BCZT: (Ba,Ca)(Zr,Ti) O3 ), and the like.

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。 In the second embodiment, among the above piezoelectric materials, it is particularly preferable to use piezoelectric materials having a perovskite structure, such as PZT, KNN, and BCZT. Since piezoelectric materials with a perovskite structure have excellent piezoelectric properties, constructing the piezoelectric layer 14 from these materials further improves the piezoelectric response of the vibrator 4. Note that other elements or compounds may be appropriately added to the above piezoelectric materials that constitute the piezoelectric layer 14 in order to further improve the piezoelectric properties.

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。 In addition, when using a piezoelectric material with a perovskite structure, it is more preferable that the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film. Here, epitaxial growth refers to the crystals of the film growing while being aligned in the thickness direction (Z-axis direction) and the planar direction (X-axis and Y-axis direction) in a form that matches the crystal lattice of the underlying material during film formation. Therefore, in a more preferable embodiment, the crystals of the piezoelectric layer 14 are aligned in all three directions of the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction (triaxial orientation) in a high-temperature state during film formation. The more the crystal axes in the piezoelectric layer 14 are aligned to improve the orientation, the higher the Q value of the vibration part 41 tends to be. In addition, by making the piezoelectric layer 14 an epitaxially grown film, the vibrator 4 is more likely to vibrate elastically with in-plane stretching vibration.

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。 Whether or not epitaxial growth has occurred so as to orient along three axes can be confirmed by performing reflection high energy electron diffraction (RHEED) evaluation during the thin film formation process. If there is a disturbance in the crystal orientation on the film surface during film formation, the RHEED image will show an extended ring-shaped pattern. On the other hand, if epitaxial growth has occurred as described above, the RHEED image will show a sharp spot-like or streak-like pattern. The above-mentioned RHEED image is observed only at high temperatures during film formation.

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。 Furthermore, when epitaxially grown, the piezoelectric layer 14 has a crystal structure close to single crystal (not completely single crystal) at room temperature after film formation with almost no grain boundaries formed. More specifically, the crystal structure of the piezoelectric layer 14 after film formation is preferably three-axially oriented and has multiple crystal phases, and preferably has a domain structure including at least three types of domains. The domain structure of the piezoelectric layer 14 further improves the piezoelectric properties and increases the piezoelectric responsiveness to vibration.

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。 When the piezoelectric layer 14 has a domain structure, the specific configuration of the domain structure varies depending on the piezoelectric material used. For example, when the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film of PZT, it can have at least two crystal phases, tetragonal and rhombohedral. In this case, the tetragonal crystal has a domain in which the c-axis (the longitudinal axis of the rectangular parallelepiped (crystal lattice)) faces the film thickness direction, and a domain in which the c-axis faces the in-plane direction. The rhombohedral crystal phase is oriented so that the (100) plane is parallel to the film thickness direction. In other words, when the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film of PZT, it is preferable that it contains a total of three domains, two tetragonal domains and a rhombohedral domain.

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。 On the other hand, when the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film of KNN, it is preferable to have two types of orthorhombic domains and one type of monoclinic domain (three types of domains in total). In the above case, the two types of orthorhombic domains may be a domain (a domain) in which the (001) plane of the orthorhombic crystal is oriented approximately parallel to the film thickness direction, and a domain (c domain) in which the (010) plane of the orthorhombic crystal is oriented approximately parallel to the film thickness direction. In addition, in the monoclinic domain, it is preferable that the (100) plane or the (010) plane is approximately parallel to the film thickness direction.

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。 In addition, when the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film of BCZT, it preferably has two tetragonal domains and two orthorhombic domains (four domains in total).

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。 The multiple domains described above are adjacent to each other across a common domain boundary, so the orientation of the crystal axis of each domain may deviate from the film thickness direction or in-plane direction by a few degrees (specifically, up to about ±3 degrees). Furthermore, the multiple domains described above are equivalent domains oriented in the same direction in the same crystal system, at least in the high temperature state during film formation, and are formed by transitioning to a more stable crystal phase or domain during the process of cooling to room temperature or the operating temperature after film formation. The presence of multiple domains mixed together can be confirmed by analyzing the piezoelectric layer 14 using electron diffraction with a STEM or transmission electron microscope (TEM), X-ray diffraction (XRD), or the like.

(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。
(Lower electrode layer 12)
The lower electrode layer 12 is a single-layer thin film extending from one fixed portion 42a to the other fixed portion 42b, similar to the piezoelectric layer 14. The lower electrode layer 12 is an electrode for recovering and extracting the charge generated in the piezoelectric layer 14, and one end of the lower electrode layer 12 in the X-axis direction is electrically connected to the extraction electrode 18a. The average thickness of the lower electrode layer 12 is preferably 3 nm to 200 nm.

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。 The lower electrode layer 12 is made of a conductive material such as a metal or an oxide conductor. In particular, when the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film, it is preferable that the lower electrode layer 12 is also an epitaxially grown film. In this case, the lower electrode layer 12 is preferably a metal thin film having a face-centered cubic structure such as platinum (Pt), iridium (Ir), or gold (Au), or an oxide conductor thin film such as strontium ruthenate (SrRuO3: hereinafter abbreviated as SRO) or lithium nickel oxide (LiNiO3). Such metal thin films and oxide conductor thin films can be epitaxially grown on a single crystal substrate. When an epitaxially grown film is used, it is preferable that the (001) plane of the lower electrode layer 12 is oriented in the film thickness direction (Z-axis direction). Additionally, in the in-plane direction (X-axis or Y-axis direction), it is preferable that the (100) plane of the piezoelectric layer 14 and the (100) plane of the lower electrode layer 12 are approximately parallel to each other.

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。 When the lower electrode layer 12 is also an epitaxially grown film, the lower electrode layer 12 may be formed by laminating the above-mentioned metal thin film and the above-mentioned oxide conductor thin film. In that case, it is preferable to laminate a metal thin film on the lower side (i.e., the substrate 6 side) of the lower electrode layer 12, and laminate an oxide conductor thin film on the metal thin film.

(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。
(Magnetostrictive layer 16)
As shown in FIG. 4, in the second embodiment, the magnetostrictive layer 16 is a single-layer thin film laminated on the vibrating portion 41, and the magnetostrictive layer 16 is not formed on the fixed portion 42 and the support portion 43. In this way, the magnetostrictive layer 16 only needs to be laminated on the vibrating portion 41, and does not necessarily need to be laminated on the fixed portion 42 or the support portion 43. However, the magnetostrictive layer 16 may be present on the support portion 43 or a part of the fixed portion 42. In addition, in FIG. 4, the magnetostrictive layer 16 has a substantially rectangular shape in plan view. It is preferable that the planar dimensions of the magnetostrictive layer 16 are smaller than the planar dimensions of the piezoelectric layer 14 on the vibrating portion 41. In other words, it is preferable that the outer periphery of the magnetostrictive layer 16 is located inside the outer periphery of the piezoelectric layer 14 in the XY plane. By controlling the planar dimensions of the magnetostrictive layer 16 as described above, the durability of the vibrator 4 can be improved.

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。 The average thickness of the magnetostrictive layer 16 is preferably in the range of 0.1 μm to 5 μm, and more preferably 0.1 μm to 1 μm. The ratio of the average thickness of the magnetostrictive layer 16 to the average thickness of the piezoelectric layer 14 is preferably in the range of 1/10 to 10, and more preferably 1/10 or more and less than 1. The variation in thickness of the magnetostrictive layer 16 is preferably ±5% or less, as in the case of the piezoelectric layer 14. The average thickness of the magnetostrictive layer 16 can be measured in the same manner as the piezoelectric layer 14.

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。 The magnetostrictive layer 16 is made of a ferromagnetic material having magnetostrictive properties. The ferromagnetic material may be a pure metal such as iron (Fe), cobalt (Co), or nickel (Ni), or an alloy containing at least one of the above metal elements (for example, an Fe-Co, Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Dy-Tb, Fe-Ga, or Fe-Si-Al alloy), or an oxide magnetic material containing an oxide of the above metal elements. The magnetostrictive layer 16 may be a single film containing the above ferromagnetic material, or a multilayer film consisting of multiple layers, or a laminated film of a ferromagnetic material and an antiferromagnetic material.

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やしきい磁場HTHが低い(好ましくは、H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。 Among the above ferromagnetic thin films, the magnetostrictive layer 16 is preferably a soft magnetic high magnetostrictive film. In the second embodiment, the soft magnetic high magnetostrictive film means a film made of a soft magnetic material having a low coercive force H C and a low threshold magnetic field H TH (preferably H C is less than 2500 A/m and H TH is less than 500 A/m) and having a saturation magnetostriction λ MAX of 5 ppm or more. Specifically, the magnetostrictive layer 16 of the soft magnetic high magnetostrictive film is exemplified by an alloy film mainly composed of Fe-Si-B alloy, Fe-Cr-Si-B alloy, Fe-Ni-Mo-B alloy, Fe-Co-B alloy, Fe-Ni-B alloy, Fe-Al-Si-B alloy, or Fe-Co-Si-B alloy. Many ferromagnetic materials exhibit the magnetostrictive effect, but when the magnetostrictive layer 16 is made of the soft magnetic, highly magnetostrictive film described above, it is possible to generate elastic wave vibrations with a larger amplitude.

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。 The crystal structure of the magnetostrictive layer 16 may be amorphous or polycrystalline, but if the magnetostrictive layer 16 is a soft magnetic highly magnetostrictive film, it is preferable that the layer has a mixture of amorphous and crystalline phases. By having the ferromagnetic thin film 16 have a mixture of amorphous and crystalline phases, the responsiveness to input signals can be improved and the magnetostrictive change rate (dλ/dH) can be increased.

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。 In addition, alloys containing Fe are usually crystallized in a body-centered cubic structure. In the second embodiment, when the magnetostrictive layer 16 has an amorphous phase and a crystalline phase, it is preferable that most of the crystalline phase contained in the magnetostrictive layer 16 has a face-centered cubic structure. By having the magnetostrictive layer 16 have the above-mentioned crystalline structure, the energy conversion efficiency of the antenna element 10 can be further improved.

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。 The crystal structure of the magnetostrictive layer 16 can be confirmed by analysis using TEM electron beam diffraction or XRD, as with the piezoelectric layer 14. For example, if the magnetostrictive layer 16 is composed only of an amorphous phase, when θ-2θ measurement is performed using XRD with Cu-Kα radiation, only a broad, wide halo pattern is detected. On the other hand, if the magnetostrictive layer 16 is composed only of a crystalline phase, only an extremely sharp reflection peak with a narrow half-width is detected. Also, if the magnetostrictive layer 16 has a mixture of amorphous and crystalline phases, a reflection peak is detected that has both a broad raised (halo) portion indicating the presence of an amorphous phase and a sharp peak portion indicating the presence of a crystalline phase.

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。 The ratio of the amorphous phase to the crystalline phase can be confirmed by performing profile fitting on the reflection peak obtained by electron beam diffraction or XRD and calculating the crystallinity. Specifically, fitting is performed on the crystalline phase portion (peak portion) and the amorphous phase portion (halo portion), and the integrated intensity (area) of each portion is measured. The crystallinity (%) is expressed as the ratio (Ic/(Ic+Ia)×100) of the integrated intensity (Ic) of the crystalline phase portion to the sum of the integrated intensity (Ic) of the crystalline phase portion and the integrated intensity (Ia) of the amorphous phase portion (i.e., the total peak area). In the second embodiment, when the magnetostrictive layer 16 has a mixture of the amorphous phase and the crystalline phase, the crystallinity is preferably 1% to 50%, and more preferably 5% to 20%.

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。 As described above, the magnetostrictive layer 16 contributes to the generation of the energy wave E and the generation of elastic wave vibration. In the case of the vibrator 4 shown in Figures 4 to 6, the magnetostrictive layer 16 also functions as an electrode for recovering and extracting the electric charge generated in the piezoelectric layer 14.

(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。
(Extraction electrode 18)
The extraction electrode 18 is not particularly limited in material or size as long as it is conductive. For example, the extraction electrode 18 may contain a conductive metal such as Pt, Ag, Cu, Au, or Al, and may contain a glass component in addition to the conductive metal. Although the extraction electrode 18 is a thin-film electrode in Fig. 4 and Fig. 5, it may be a via-hole electrode.

(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、Al、ポリイミドなどで構成することができる。
(Insulating layer 20)
There are no particular limitations on the material or thickness of the insulating layer 20 as long as it has electrical insulation properties. For example, the insulating layer 20 can be made of SiO 2 , Al 2 O 3 , polyimide, or the like.

(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。
(Other functional membranes)
Although not shown in FIGS. 4 to 6, the vibrator 4 may include other functional films in addition to the lower electrode layer 12, the piezoelectric layer 14, and the magnetostrictive layer 16 described above.

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(ZrO)、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。 For example, a buffer layer for controlling the crystallinity of the lower electrode layer 12 and the crystallinity of the piezoelectric layer 14 may be formed in the lowest layer in the Z-axis direction of the vibrator 4 (i.e., below the lower electrode layer 12). In particular, when the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film, it is preferable to form a buffer layer. The buffer layer is preferably mainly composed of zirconium oxide ( ZrO2 ) or zirconium oxide stabilized with rare earth elements (including Sc and Y) (stabilized zirconia).

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ZrO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(001)//Pt(001)//PZT(001)であって、面内方向が、ZrO(100)//Pt(100)//PZT(100)である。 This buffer layer is also preferably a film that has been epitaxially grown with crystals aligned in the thickness direction (Z-axis direction) and in-plane directions (X-axis and Y-axis directions) in a manner that matches the crystal lattice of the deposition substrate. As with the lower electrode layer 12, the buffer layer is preferably oriented with its (001) plane in the thickness direction, and more preferably, the (100) plane of the piezoelectric layer 14, the (100) plane of the lower electrode layer 12, and the (100) plane of the buffer layer are approximately parallel to each other in the in-plane direction (X-axis or Y-axis direction). Specifically, when the buffer layer is ZrO2 , the lower electrode layer 12 is Pt, and the piezoelectric layer 14 is PZT, the preferred orientation relationship of each layer is ZrO2 (001)//Pt(001)//PZT(001) in the film thickness direction and ZrO2 (100)//Pt(100)//PZT(100) in the in-plane direction.

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。 The formation of the buffer layer facilitates epitaxial growth of the lower electrode layer 12 and the piezoelectric layer 14, improving the crystallinity of these layers 12, 14. The buffer layer also functions as an etching stopper layer when forming the opening 61 by etching. When forming a buffer layer, it is preferable that the average thickness of the buffer layer is 5 nm to 100 nm.

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。 An upper electrode layer may be formed between the piezoelectric layer 14 and the magnetostrictive layer 16. By forming the upper electrode layer, the charge generated in the piezoelectric layer 14 can be extracted more efficiently. The upper electrode layer can have the same configuration (thickness and material) as the lower electrode layer 12. When the piezoelectric layer 14 is an epitaxially grown film, it is preferable that the lower electrode layer 12 is also an epitaxially grown film, but the upper electrode layer does not necessarily have to be epitaxially grown. On the other hand, when the magnetostrictive layer 16 has a mixture of amorphous and crystalline phases, it is preferable that the crystal structure of the upper electrode layer is a face-centered cubic polycrystalline structure or a crystal structure in which an amorphous phase and a face-centered cubic crystalline phase are mixed.

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、SiO、Al、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。 Furthermore, a protective layer may be formed on the outermost layer of the vibrator 4 except for the lower surface. Examples of the protective layer include a protective layer containing a metal such as Ti, Ta, or Pt, and an insulating protective layer made of SiO 2 , Al 2 O 3 , polyimide, etc., and both a metallic protective layer and an insulating protective layer may be formed. The average thickness of the protective layer is not particularly limited and can be, for example, 5 nm to 50 nm.

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。 The vibrator 4 shown in Figures 4 to 6 has the internal structure (the configuration of each functional film) as described above, and has the morphological characteristics (such as the shape and dimensions of each part of the vibrator 4) as described above, so that the vibrating part 41 becomes a bulk acoustic wave vibrator with in-plane stretching vibration. In particular, when the internal structure and morphological characteristics satisfy the preferable conditions as described above, the vibration mode of the vibrating part 41 tends to be an expansion vibration.

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。 The antenna element 10 of the second embodiment can be manufactured using microfabrication techniques such as those used in semiconductor processes. For example, first, each functional film is formed on the substrate 6 by a method such as deposition, sputtering, sol-gel, CVD, or PLD (preferably sputtering). Then, each functional film is patterned using various microfabrication techniques such as photoetching, laser dry etching, or lift-off to form multiple vibrators 4 on the substrate 6. Finally, parts of the substrate 6 are removed by various etching methods such as dry etching such as Deep-RIE or anisotropic wet etching to form multiple openings 61 in the substrate 6. The above steps result in the antenna element 10 shown in Figures 3 to 6.

(振動子4の変形例)
振動子4の形態は、上述した図4~6の形態に限定されず、たとえば、図9および図10に示すような形態とすることもできる。以下、振動子4の変形例について説明する。
(Modification of the transducer 4)
The form of the vibrator 4 is not limited to the forms shown in Figures 4 to 6, but may be, for example, forms as shown in Figures 9 and 10. Modified examples of the vibrator 4 will now be described.

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。 In FIG. 9, an opening 61b that is circular in plan view is formed in the substrate 6. Furthermore, the vibration part 41b of the vibrator 4 has a circular cross-sectional shape. Note that in FIG. 9, the vibration part 41b is also located above the opening 61b, and the upper and lower surfaces of the vibration part 41b are non-constrained surfaces. Furthermore, a gap 46 exists between the outer periphery of the vibration part 41b and the inner periphery of the opening 61b.

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。 In the case of a disk-shaped vibration section 41b as shown in FIG. 9, by optimizing the crystallinity of each functional film (particularly the piezoelectric layer 14 and magnetostrictive layer 16), it is possible to generate bulk elastic wave vibration in thickness-extension vibration (in-plane expansion and contraction). Bulk elastic wave vibrators with thickness-extension vibration tend to have a higher natural frequency F than bulk elastic wave vibrators with expansion vibration.

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。 On the other hand, in FIG. 10, the vibration part 41c of the vibrator 4 has a cantilever-type structure. Specifically, the vibrator 4 in FIG. 10 is fixed to the substrate 6 at only one end in the X-axis direction, and the other end in the X-axis direction of the vibrator 4 (i.e., the tip of the vibration part 41c) is a free end. Also, in the vibrator 4 in FIG. 10, the width in the Y-axis direction of the support part 43c is approximately the same as the width in the Y-axis direction of the vibration part 41c.

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。 In the case of such a cantilever-type vibrating part 41c, it is easy to generate bulk acoustic wave vibration with bending vibration (out-of-plane vibration). When the vibrating part 41c of the vibrator 4 is a bending vibration, it is preferable to fill the inside of the power transmitting part 310 or the power receiving part 110 on which the antenna element 10 is mounted with a low-viscosity gas. Alternatively, it is preferable to increase the degree of vacuum of the power transmitting part 310 or the power receiving part 110 (reduce the internal pressure of the container). In this way, by controlling the atmosphere around the element, it is possible to reduce the air resistance on the vibrating part 41c and improve the energy conversion efficiency.

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。 The vibration mode of the vibrator 4, which is an elastic wave vibrator, is not determined solely by the shape of the vibrating part, but is also influenced by other factors such as the thickness of the vibrator 4, the shape of the support part, and the configuration of each functional film. Therefore, even with the shape of the vibrating part shown in Figure 10, it may be possible to generate bulk elastic wave vibration of in-plane stretching vibration. Similarly, even with the shapes of the vibrating parts shown in Figures 4 to 6 and the shape of the vibrating part shown in Figure 9, it may be possible for the vibration mode to be an out-of-plane vibration such as bending vibration.

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や、Biの一部をLaなど他の元素で置き換えた(Bi,La)FeOなどが例示される。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention. For example, in the above-mentioned embodiment, the piezoelectric layer 14 and the magnetostrictive layer 16 are laminated in the vibration part 41, but the functional film may be made of a material having both piezoelectric properties and magnetostrictive properties. Examples of such materials having both piezoelectric properties and magnetostrictive properties include BiFeO 3 and (Bi, La)FeO 3 in which part of Bi is replaced with other elements such as La.

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、SiO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。 In the above embodiment (particularly the second embodiment), a single crystal silicon substrate is exemplified as the substrate 6, but an SOI base material 60 (Silicon on Insulator) as shown in FIG. 11(a) may be used as the substrate 6. The SOI base material 60 is composed of a single crystal Si layer 60α oriented so that the surface is a Si (100) surface, an insulating layer 60β made of SiO 2 , and a substrate 6d made of Si, and the single crystal Si layer 60α is laminated on the surface of the substrate 6d via the insulating layer 60β. The average thickness of the Si layer 60α and the average thickness of the insulating layer 60β are not particularly limited, but can be, for example, about 1 μm to 10 μm. The average thickness of the substrate 6d in the SOI base material 60 is also not particularly limited, but can be, for example, about 100 μm to 700 μm.

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。 When this SOI substrate 60 is used, the fixing portion 42 of the vibrator 4 is connected to the top of the substrate 6d via the Si layer 60α and the insulating layer 60β. When the antenna element 10 is manufactured using the SOI substrate 60, a vibrator 4 having a structure as shown in FIG. 11(b) may be obtained. FIG. 11(b) is a cross-sectional view showing a portion similar to FIG. 6. As described in the second embodiment, the opening 61 is formed by etching the substrate to remove a portion of the substrate. When the SOI substrate 60 is used, the Si layer 60α and the insulating layer 60β may remain on the lower surface of the vibrating portion 41 after etching. In this case, the Si layer 60α and the insulating layer 60β may remain on the entire lower surface of the vibrating portion 41, or may remain partially on a portion of the lower surface.

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。 However, as shown in FIG. 11(b), it is preferable that the Si layer 60α and the insulating layer 60β are also removed in the gap 46, and the lower and upper surfaces of the vibrating part 41 facing the opening 61 are unconstrained surfaces that are not constrained by the substrate 6d. In other words, even when an SOI substrate 60 is used, it is preferable that the outer peripheral edge of the vibrating part 41 and the inner peripheral edge of the opening 61 are not in contact with each other in a planar view from the Z-axis direction. Note that even if the Si layer 60α and the insulating layer 60β remain on the lower surface of the vibrating part 41, the outer peripheral edge of the vibrating part 41 is determined based on the outer peripheral edge of the lower electrode layer 12 in a planar view.

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。 When an SOI substrate 60 is used, even if the Si layer 60α and the insulating layer 60β remain, the thickness of these remaining layers is about a few μm, and they do not impede the elastic wave vibration of the vibrating part 41. Therefore, even in the antenna element shown in FIG. 11(b), the vibrating part 41 functions as a bulk elastic wave vibrator that vibrates elastically by in-plane expansion and contraction.

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。 The present invention will be described in more detail below using examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(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。
Example 1
In Example 1, an antenna element having a plurality of vibrators having the shape shown in FIG. 4 was produced. The plurality of vibrators included in the antenna element all had the same shape, and in each vibrator, the width Wvx in the connection direction of the vibrating part was set to 500 μm, and the width Wvy in the direction perpendicular to the connection direction of the vibrating part was set to 120 μm. In addition, a piezoelectric layer made of PZT formed by epitaxial growth and a magnetostrictive layer made of an Fe-Co-Si-B alloy having a crystalline phase and an amorphous phase were laminated on the vibrating part of each vibrator. The average thickness of the laminated piezoelectric layer was 1 μm, and the average thickness of the magnetostrictive layer was 0.5 μm.

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。 A total of 45 vibrators 4 were formed in one antenna element. As shown in Figure 3, these vibrators were arranged along two axial directions on the same plane and wired in parallel. The dimensions of the resulting antenna element were 1 cm x 1 cm.

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。 The vibration characteristics of each vibrator included in the antenna element were measured using an impedance analyzer. As a result, it was confirmed that each vibrator has a natural frequency F of 14 MHz and is a bulk acoustic wave vibrator that vibrates elastically with spreading vibration.

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。 Next, a power transmitting device and a power receiving device were fabricated using the above antenna element.

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。 The power transmission device 300 was obtained by connecting and integrating a power transmission unit including multiple antenna elements and a power source via a rectifier circuit. In Example 1, the power transmission unit was configured by arranging a total of 100 antenna elements along two axial directions on the same plane and wiring them in parallel. In other words, the size of the board with multiple antenna elements arranged was 10 cm x 10 cm. In Example 1, AA-type nickel-metal hydride batteries (1.2 V, 1900 mAh) were used as the power source, and a total of four of these nickel-metal hydride batteries were installed.

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。 On the other hand, the power receiving device was obtained by integrating a PMIC including a rectifier circuit and a capacitor with a power receiving section that is composed of the same antenna element as the power transmitting device. In Example 1, the power receiving section was equipped with one antenna element.

(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。
(Evaluation of Example 1)
Next, it was confirmed whether or not contactless power supply to an electronic device is possible using the above-mentioned power transmitting device and power receiving device. In this evaluation, the power receiving device was mounted on an external ear canal type earphone and connected to each component (such as an audio IC, a storage device, and a piezoelectric speaker) in the earphone. Meanwhile, the power transmitting device was installed at a position about 0.6 m away from the earphone, which is the object to be powered. At this time, the orientation of the power transmitting device was adjusted so that the plane of each antenna element included in the power transmitting unit intersects with the direction of the earphone, which is the object to be powered. In other words, the Z-axis direction (thickness direction of the antenna element 10) in FIG. 3 was made to coincide with the orientation connecting the power transmitting device and the earphone.

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。 After arranging each device as described above, we turned on the power supply in the power transmission device and confirmed whether the earphones would work. As a result, we were able to confirm that an AC magnetic field with a frequency of 14 MHz was generated from the power transmission device. We were also able to confirm that the earphones received this AC magnetic field, generating power in the power receiving section, and that this power was able to work the earphones.

(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。
Example 2
In Example 2, an antenna element having a plurality of disc-shaped vibrators shown in FIG. 9 was produced. In Example 2, as in Example 1, a piezoelectric layer made of PZT formed by epitaxial growth and a magnetostrictive layer made of an Fe-Co-Si-B alloy having a crystalline phase and an amorphous phase were laminated in the vibrating part of the vibrator. However, in Example 2, the average thickness of each layer was changed from Example 1, and the average thickness of the piezoelectric layer was set to 0.4 μm and the average thickness of the magnetostrictive layer was set to 0.2 μm. In addition, the diameter of the vibrating part was set to 500 μm. In Example 2, the configuration other than the above was the same as in Example 1, and an antenna element according to Example 2 was obtained.

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。 The vibration characteristics of each transducer in the antenna element of Example 2 were confirmed in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that each transducer in Example 2 has a natural frequency F of 2.5 GHz and is a bulk acoustic wave transducer that vibrates in a thickness-extensional manner.

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。 Next, a power transmitting device and a power receiving device were fabricated using the antenna element of Example 2. In Example 2, when fabricating the power transmitting device, a beamforming type directivity control means 330 shown in FIG. 2 was installed in the power transmitting device. Aside from the installation of the directivity control means 330, the power transmitting device of Example 2 was obtained in the same manner as Example 1. The power receiving device was also configured in the same manner as Example 1, and was obtained by connecting and integrating a PMIC and a capacitor to a power receiving section including the antenna element of Example 2.

(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。
(Evaluation of Example 2)
In Example 2, it was confirmed whether or not contactless power supply to earphones is possible using the power transmitting device and power receiving device of Example 2 in the same manner as in Example 1. In Example 2, the orientation of the power transmitting device was not adjusted in the above evaluation, and the directivity of the AC magnetic field irradiated from the power transmitting unit was controlled by beamforming based on the directivity control means 330.

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。 As a result of the evaluation, it was confirmed that an AC magnetic field with a frequency of 2.5 GHz was generated from the power transmission device of Example 2. It was also confirmed that the phase of the generated AC magnetic field was strengthened in the direction connecting the power transmission device and the earphones, and that the phase was weakened in other directions other than the above. It was also confirmed that in Example 2, power was generated in the power receiving unit in response to the AC magnetic field supplied from the power transmission unit, and that the earphones were driven by this power.

(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、ZrO(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。
Example 3
In Example 3, similarly to Example 2, an antenna element having a plurality of disc-shaped vibrators as shown in FIG. 9 was fabricated. However, in Example 3, the material of the piezoelectric layer was changed, and a piezoelectric layer made of aluminum nitride (AlN) was laminated on the vibrating part. This AlN piezoelectric layer was also formed by epitaxial growth. At this time, the orientation relationship in the film thickness direction of each layer was ZrO 2 (111) // Pt (111) // AlN (001). In Example 3, the material of the magnetostrictive layer was the same as in Example 2, but the average thickness of the magnetostrictive layer was changed to 0.5 μm. In Example 3, the configuration other than the above was the same as in Example 2, and an antenna element according to Example 3 was obtained.

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。 The vibration characteristics of each transducer in the antenna element of Example 3 were confirmed in the same manner as in Examples 1 and 2. As a result, it was confirmed that each transducer in Example 3 has a natural frequency F of 2.5 GHz and is a bulk acoustic wave transducer that vibrates in a thickness-extensional manner.

(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。
(Evaluation of Example 3)
In Example 3, similarly to Example 2, a power transmitting device and a power receiving device were fabricated, and then it was confirmed whether or not wireless power supply to earphones was possible using the power transmitting device and the power receiving device of Example 3.

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。 As a result, it was confirmed that the power transmission device of Example 3 generates an AC magnetic field with a frequency of 2.5 GHz and high directivity. It was also confirmed that, in Example 3, the power receiving unit receives the AC magnetic field supplied from the power transmission unit, generates electric power, and the earphones are driven by this electric power.

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
1000 ... power supply system 200 ... electronic device 210 ... component 100 ... power receiving device 110 ... power receiving unit 120 ... power management IC (PMIC)
REFERENCE SIGNS LIST 130: Capacitor 300: Power transmitting device 310: Power transmitting section 320: Power source 330: Directivity control means 331: Phase shifter 332: Control circuit 333: Amplitude control means 10: Antenna element 10a: Power transmitting antenna element 10b: Power receiving antenna element 4: Transducer 4a: Power transmitting side transducer 4b: Power receiving side transducer 41, 41b, 41c: Vibration section 12: Lower electrode layer 14: Piezoelectric layer 16: Magnetostrictive layer 18, 18a, 18b: Extraction electrode 20: Insulating layer 42, 42a, 42b: Fixed section 43: Support section 46: Gap 6: Substrate 61: Opening 8, 9: Electrode 80, 90: Wiring

Claims (21)

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。
a power transmission device having a power transmission unit that transmits energy waves to the outside;
a power receiving device having a power receiving unit that receives the energy wave supplied from the power transmitting unit in a non-contact manner and converts the energy wave into electrical energy,
The power transmitting unit has at least one power transmitting side vibrator that vibrates elastically at a first natural frequency,
the power receiving unit has at least one power receiving side vibrator that is induced by the energy wave generated by the elastic wave vibration of the power transmitting side vibrator to elastically vibrate at a second natural frequency,
the power transmitting vibrator has a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer,
The power-receiving-side vibrator includes a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer.
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。
The piezoelectric layer of the power transmitting side vibrator and the piezoelectric layer of the power receiving side vibrator are made of substantially the same material,
2. The power supply system according to claim 1 , wherein the magnetostrictive layer of the power transmitting vibrator and the magnetostrictive layer of the power receiving vibrator are made of substantially the same material.
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。
a power transmission device having a power transmission unit that transmits energy waves to the outside;
a power receiving device having a power receiving unit that receives the energy wave supplied from the power transmitting unit in a non-contact manner and converts the energy wave into electrical energy,
The power transmitting unit has at least one power transmitting side vibrator that vibrates elastically at a first natural frequency,
the power receiving unit has at least one power receiving side vibrator that is induced by the energy wave generated by the elastic wave vibration of the power transmitting side vibrator to elastically vibrate at a second natural frequency,
The power supply system, wherein the elastic wave vibration of the power transmitting side vibrator and the elastic wave vibration of the power receiving side vibrator are both bulk elastic wave vibrations.
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。
a power transmission device having a power transmission unit that transmits energy waves to the outside;
a power receiving device having a power receiving unit that receives the energy wave supplied from the power transmitting unit in a non-contact manner and converts the energy wave into electrical energy,
The power transmitting unit has at least one power transmitting side vibrator that vibrates elastically at a first natural frequency,
the power receiving unit has at least one power receiving side vibrator that is induced by the energy wave generated by the elastic wave vibration of the power transmitting side vibrator to elastically vibrate at a second natural frequency,
A power supply system in which the vibration mode of the elastic wave vibration in the power transmitting side vibrator and the vibration mode of the elastic wave vibration in the power receiving side vibrator are both in-plane stretching vibrations.
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。 The power supply system according to claim 1 , wherein the second natural frequency of the power receiving side vibrator is substantially the same as the first natural frequency of the power transmitting side vibrator. 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~のいずれかに記載の給電システム。 The power supply system according to any one of claims 1 to 5 , wherein the power transmission section includes a power transmission antenna element having a plurality of the power transmission side vibrators. 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~のいずれかに記載の給電システム。 The power supply system according to any one of claims 1 to 6 , wherein the power transmitting device has directivity control means for controlling the directivity of the energy wave transmitted from the power transmitting section. 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に記載の給電システム。 The power supply system according to claim 7 , wherein the power transmitting device includes a phase shifter for controlling a phase of the power transmitting section as the directivity control means. 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。 The power supply system according to any one of claims 1 to 8 , wherein the power receiving section includes a power receiving antenna element having a plurality of the power receiving side vibrators. 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。 5. The power supply system according to claim 1, wherein the elastic wave vibration of the power transmitting vibrator and the elastic wave vibration of the power receiving vibrator are both bulk elastic wave vibrations . 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。 3. The power supply system according to claim 1, wherein a vibration mode of the elastic wave vibration in the power transmitting side vibrator and a vibration mode of the elastic wave vibration in the power receiving side vibrator are both in-plane stretching vibrations. 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。 The power supply system according to any one of claims 1 to 11 , wherein the energy wave transmitted from the power transmission unit is an electromagnetic wave or an alternating magnetic field. 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。 The power supply system according to any one of claims 1 to 12 , wherein the power receiving device is present inside an electronic device attached to a mobile object. 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。A power transmitting device that is applied to the power supply system according to any one of claims 1 to 13. 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。A power receiving device that is applied to the power supply system according to any one of claims 1 to 13. エネルギー波を外部に送電する送電部を有し、A power transmission unit that transmits the energy wave to the outside,
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、The power transmitting unit has at least one power transmitting side vibrator that vibrates elastically at a natural frequency,
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。The power transmitting device, wherein the power transmitting side vibrator has a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer.
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、A power receiving unit converts the energy wave into electrical energy,
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、the power receiving unit has at least one power receiving side vibrator that is induced by the energy wave to vibrate elastically at a natural frequency;
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。The power receiving device, wherein the power receiving side vibrator has a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer.
エネルギー波を外部に送電する送電部を有し、A power transmission unit that transmits the energy wave to the outside,
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、The power transmitting unit has at least one power transmitting side vibrator that vibrates elastically at a natural frequency,
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。The power transmitting device, wherein the elastic wave vibration of the power transmitting vibrator is a bulk elastic wave vibration.
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、A power receiving unit converts the energy wave into electrical energy,
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、the power receiving unit has at least one power receiving side vibrator that is induced by the energy wave to vibrate elastically at a natural frequency;
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。The power receiving device, wherein the elastic wave vibration of the power receiving side vibrator is a bulk elastic wave vibration.
エネルギー波を外部に送電する送電部を有し、A power transmission unit that transmits the energy wave to the outside,
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、The power transmitting unit has at least one power transmitting side vibrator that vibrates elastically at a natural frequency,
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。A power transmitting device in which the vibration mode of the elastic wave vibration in the power transmitting side vibrator is an in-plane stretching vibration.
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、A power receiving unit converts the energy wave into electrical energy,
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、the power receiving unit has at least one power receiving side vibrator that is induced by the energy wave to vibrate elastically at a natural frequency;
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。A power receiving device in which the vibration mode of the elastic wave vibration in the power receiving side vibrator is an in-plane stretching vibration.
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