特開 2017-70163 振動発電素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-70163(P2017-70163A)

(43)【公開日】2017年4月6日

(54)【発明の名称】振動発電素子

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/00 20060101AFI20170317BHJP

【ＦＩ】

   H02N1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-196736(P2015-196736)

(22)【出願日】2015年10月2日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「エネルギー・環境新技術先導プログラム／トリリオンセンサ社会を支える高効率ＭＥＭＳ振動発電デバイスの研究」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000143949

【氏名又は名称】株式会社鷺宮製作所

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100084412

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 冬紀

(74)【代理人】

【識別番号】100149157

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 創史

(72)【発明者】

【氏名】芦澤 久幸

(72)【発明者】

【氏名】三屋 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】石橋 和徳

(72)【発明者】

【氏名】年吉 洋

(72)【発明者】

【氏名】藤田 博之

(57)【要約】

【課題】加振の加速度が小さい場合でも発電可能な振動発電素子を実現する。
【解決手段】振動発電素子１は、固定電極３ａおよび３ｂと、固定電極３ａおよび３ｂに対して所定の振動方向にそれぞれ可動する可動電極４ａおよび４ｂとを備える。固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの対向面の少なくとも一方がそれぞれ帯電されており、可動電極４ａ、４ｂの変位により固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間の静電容量が変化することで発電する。振動発電素子１において、可動電極４ａ、４ｂの振動中心を少なくとも含む部分に、可動電極４ａ、４ｂが変位しても静電容量が変化しない非作動領域を設けている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電極と、
前記第１の電極に対して所定の振動方向に可動する第２の電極と、を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との対向面の少なくとも一方が帯電されており、
前記第２の電極の変位により前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量が変化することで発電し、
前記第２の電極の振動中心を少なくとも含む部分に、前記第２の電極が変位しても前記静電容量が変化しない領域を設けた、振動発電素子。

【請求項2】

請求項１に記載の振動発電素子において、
前記第１の電極は固定電極である振動発電素子。

【請求項3】

請求項１に記載の振動発電素子において、
前記第１の電極は可動電極である振動発電素子。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動発電素子において、
前記第１の電極および前記第２の電極は櫛歯電極である振動発電素子。

【請求項5】

請求項４に記載の振動発電素子において、
前記振動方向は、前記櫛歯電極の各櫛歯の延伸方向および配列方向に対して垂直な方向である振動発電素子。

【請求項6】

請求項５に記載の振動発電素子において、
前記櫛歯電極の少なくとも一部分において前記振動方向に段差部分を設けることで、前記静電容量が変化しない領域を設けた振動発電素子。

【請求項7】

請求項１に記載の振動発電素子において、
前記第１の電極および前記第２の電極には、前記振動方向に沿って凸部がそれぞれ所定間隔ごとに対向して設けられており、
前記振動方向における前記第１の電極の前記凸部の幅と、前記第２の電極の前記凸部の幅とを互いに異ならせることで、前記静電容量が変化しない領域を設けた振動発電素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動発電素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境中からエネルギーを収穫するエナジーハーベスティング技術の一つとして、振動発電素子（振動発電デバイス）を用いて環境振動から発電を行う手法が注目されている。こうした用途の振動発電素子では、小型で高い発電効率を得るために、エレクトレットによる静電力を利用することが提案されている。たとえば特許文献１には、軟Ｘ線を利用して、可動部と固定部にそれぞれ形成された櫛歯電極の垂直面にエレクトレットを形成した静電誘導型変換素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５５５１９１４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の静電誘導型変換素子は、環境振動により可動部を所定方向に加振することで発電を行う。このとき、対向する櫛歯電極のエレクトレット面の重なり面積が変化することで、櫛歯電極間に働く静電力により力学的な仕事が静電エネルギーに変換され、起電力を発生することができる。しかし、静止状態の可動部を加振してエレクトレット面の重なり面積を変化させるためには、加振によって可動部に生じる慣性力が、エレクトレットの静電力に応じた所定の静電力ギャップを超える必要がある。そのため、振動の加速度が小さい場合には、可動部を動かすことができず、発電を行うことができない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明による振動発電装置は、第１の電極と、前記第１の電極に対して所定の振動方向に可動する第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との対向面の少なくとも一方が帯電されており、前記第２の電極の変位により前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量が変化することで発電し、前記第２の電極の振動中心を少なくとも含む部分に、前記第２の電極が変位しても前記静電容量が変化しない領域を設けた。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、加振の加速度が小さい場合でも発電可能な振動発電素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子の概略構成を示す平面図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子における固定電極および可動電極の部分拡大図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子における可動電極の変位量と可動電極に作用する力との関係を示す図である。

【図4】比較例に係る振動発電素子の概略構成を示す平面図である。

【図5】比較例に係る振動発電素子における固定電極および可動電極の部分拡大図である。

【図6】比較例に係る振動発電素子における可動電極の変位量と可動電極に作用する力との関係を示す図である。

【図7】比較例による振動発電素子を用いた場合と、第１の実施形態による振動発電素子を用いた場合とで、可動電極の振幅と出力電力との関係を示す図である。

【図8】比較例による振動発電素子を用いた場合と、第１の実施形態による振動発電素子を用いた場合とで、可動電極の振幅と出力電力との関係を示す図である。

【図9】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図10】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図11】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図12】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図13】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図14】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図15】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図16】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図17】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図18】本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。

【図19】本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における電極構造を示す図である。

【図20】本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における可動電極の変位量と可動電極に作用する力との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

【0009】

−第１の実施形態−
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１の概略構成を示す平面図である。振動発電素子１は、ベース２、固定電極３ａおよび３ｂ、可動電極４ａおよび４ｂ、可動部５、弾性支持部６、接続パッド部７を備えている。振動発電素子１には、負荷９が接続されている。

【0010】

図１に示すように、固定電極３ａ、３ｂおよび可動電極４ａ、４ｂはそれぞれ櫛歯構造を有している。固定電極３ａには複数の櫛歯３０ａが形成され、可動電極４ａには複数の櫛歯４０ａが形成されている。固定電極３ａと可動電極４ａとは、櫛歯３０ａと櫛歯４０ａとが互いに歯合するように配置されている。同様に、固定電極３ｂには複数の櫛歯３０ｂが形成され、可動電極４ｂには複数の櫛歯４０ｂが形成されている。固定電極３ｂと可動電極４ｂは、櫛歯３０ｂと櫛歯４０ｂとが互いに歯合するように配置されている。

【0011】

このように、固定電極３ａ、３ｂは固定櫛歯電極を構成し、可動電極４ａ、４ｂは可動櫛歯電極を構成している。櫛歯電極とは、図１の固定電極３ａ、３ｂや可動電極４ａ、４ｂのように、複数の櫛歯を並列配置したものである。なお、本発明における櫛歯の本数は、図１に示したものに限定されない。櫛歯の本数が最小である場合の櫛歯電極は、固定櫛歯電極および可動櫛歯電極の一方の電極に２つの櫛歯が形成され、その２つの櫛歯の間に挿入されるように他方の電極に１つの櫛歯が形成されている。このような基本構成を有する櫛歯電極であれば、櫛歯の本数に関わらず、以下に記載のような機能を有する振動発電素子を構成することができる。

【0012】

図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１における固定電極３ｂおよび可動電極４ｂの部分拡大図であり、図１の対象部分１００を拡大して示している。図２において、（ａ）は対象部分１００の上面図、（ｂ）は対象部分１００の正面図、（ｃ）は対象部分１００の斜視図をそれぞれ示している。図１および図２に示すように、可動電極４ｂの櫛歯４０ｂにおいて、固定電極３ｂの櫛歯３０ｂとの歯合部分を含む範囲（図中のハッチング部分）には、図２（ｂ）の上下方向（Ｚ方向）に段差が設けられている。なお、図２では対象部分１００に含まれる櫛歯４０ｂの段差構造のみを図示しているが、可動電極４ｂの他の櫛歯４０ｂや可動電極４ａの櫛歯４０ａも同様の段差構造を有している。

【0013】

弾性支持部６によってベース２に弾性支持された可動部５は、可動電極４ａ、４ｂと一体に、Ｚ方向にスライド移動することができる。図１および図２では図示を省略したが、歯合している固定電極３ａの櫛歯３０ａと可動電極４ａの櫛歯４０ａの少なくとも一方、および固定電極３ｂの櫛歯３０ｂと可動電極４ｂの櫛歯４０ｂの少なくとも一方には、それぞれの対向面の表面近傍にエレクトレットが形成されている。これにより、固定電極３ａと可動電極４ａの対向面の少なくとも一方と、固定電極３ｂと可動電極４ｂの対向面の少なくとも一方とが、それぞれ帯電されている。そのため、可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂがそれぞれ歯合すると、すなわち、櫛歯３０ａ、３０ｂの間に櫛歯４０ａ、４０ｂがそれぞれ挿入された状態になると、静電力によって可動電極４ａ、４ｂが固定電極３ａ、３ｂ側にそれぞれ引き込まれる。

【0014】

負荷９は、振動発電素子１から供給される電力を消費して所定の動作を行う。負荷９の正極側は、固定電極３ａ、３ｂと電気的に接続されており、負荷９の負極側は、接続パッド部７、弾性支持部６および可動部５を介して、可動電極４ａ、４ｂと電気的に接続されている。

【0015】

環境中の振動によって振動発電素子１がＺ方向成分を含む方向に揺り動かされると、固定電極３ａ、３ｂに対して可動電極４ａ、４ｂがＺ方向に振動して変位する。このときの可動電極４ａ、４ｂの振動方向すなわちＺ方向は、固定電極３ａ、３ｂの櫛歯３０ａ、３０ｂおよび可動電極４ａ、４ｂの櫛歯４０ａ、４０ｂの延伸方向（Ｘ方向）および配列方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向である。その結果、固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間にＺ方向のずれが生じると、これらの間の対向面積が変化することで、固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間の静電容量が変化する。これとエレクトレットの誘導電荷により、固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間の電圧が変化して起電力が発生することで、振動発電素子１の発電が行われる。振動発電素子１の発電によって得られた起電力は、前述の電気的接続を介して負荷９に印加され、負荷９が駆動される。

【0016】

図３は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１における可動電極４ａ、４ｂのＺ方向の変位量と可動電極４ａ、４ｂに作用する力との関係を示す図である。本実施形態では、可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の位置を振動中心としてＺ方向にそれぞれ振動したときに可動電極４ａ、４ｂに作用するＺ方向の力ｆｚは、図３のグラフ５１に示すように変化する。図３において、横軸はＺ方向の変位量を表し、縦軸は力ｆｚの大きさを表している。

【0017】

本実施形態では、グラフ５１に示すように、可動電極４ａ、４ｂの振動中心であるＺ＝０の位置を含む０≦Ｚ≦ｈ１の領域（以下、非作動領域と称する）では、可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂとの間にＺ方向の静電力が働かないため、力ｆｚは弾性支持部６のばね定数ｋに応じた一定の割合で変化する。ここで、ｈ１は図２（ｂ）に示すように、櫛歯４０ｂの段差部分の高さ（Ｚ方向の長さ）と、櫛歯３０ｂの高さ（Ｚ方向の長さ）との差分である。一方、この非作動領域からＺ＜０の領域またはｈ１＜Ｚの領域（以下、作動領域と称する）に遷移する際には、前述のように固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間にＺ方向のずれが生じることで、可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂとの間にＺ方向の静電力が働く。そのため、グラフ５１に示すように、非作動領域と作動領域との境界（Ｚ＝０、Ｚ＝ｈ１）において力ｆｚが急激に変化する。このときの力ｆｚの変化量ｆ０は、静電力ギャップと呼ばれる。

【0018】

本実施形態の振動発電素子１では、前述のように可動電極４ａ、４ｂの櫛歯４０ａ、４０ｂに段差を設けることで、上記のように可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂとの間にＺ方向の静電力が働かない非作動領域、すなわち静電容量が変化しない領域を設けている。これにより、少なくとも可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の静止状態から正Ｚ方向に動き出す際には、静電力ギャップを乗り越える必要がないため、小さな加速度でも可動電極４ａ、４ｂの振動を開始することができる。また、可動電極４ａ、４ｂの振動が開始された後は、その運動エネルギーによって静電力ギャップを乗り越え、ｈ１＜Ｚの作動領域に進入することができる。したがって、本実施形態の振動発電素子１を用いることにより、加振の加速度が小さい場合でも発電が可能となる。

【0019】

ここで、本実施形態の振動発電素子１に対する比較例として、上記のような静電容量が変化しない領域を設けない場合の例を説明する。図４は、比較例に係る振動発電素子１Ａの概略構成を示す平面図である。図４の振動発電素子１Ａは、図１に示した第１の実施形態に係る振動発電素子１と同様に、ベース２、固定電極３ａおよび３ｂ、可動電極４ａおよび４ｂ、可動部５、弾性支持部６、接続パッド部７を備えている。また、振動発電素子１Ａには、負荷９が接続されている。

【0020】

図５は、比較例に係る振動発電素子１Ａにおける固定電極３ｂおよび可動電極４ｂの部分拡大図であり、図４の対象部分２００を拡大して示している。図５において、（ａ）は対象部分２００の上面図、（ｂ）は対象部分２００の正面図、（ｃ）は対象部分２００の斜視図をそれぞれ示している。図４および図５に示すように、振動発電素子１Ａでは、可動電極４ｂの櫛歯４０ｂにおいて、振動発電素子１のような段差が設けられていない。なお、図５では対象部分２００に含まれる櫛歯４０ｂのみを図示しているが、可動電極４ｂの他の櫛歯４０ｂや可動電極４ａの櫛歯４０ａも同様に、段差が設けられていない。

【0021】

図６は、比較例に係る振動発電素子１Ａにおける可動電極４ａ、４ｂのＺ方向の変位量と可動電極４ａ、４ｂに作用する力との関係を示す図である。比較例では、可動電極４ａ、４ｂがＺ方向に振動したときに可動電極４ａ、４ｂに作用するＺ方向の力ｆｚは、図６のグラフ５２に示すように変化する。

【0022】

比較例では、上記のように可動電極４ａ、４ｂの櫛歯４０ａ、４０ｂに段差が設けられていないため、図３のグラフ５１で説明したような非作動領域がグラフ５２において存在しない。そのため、可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の静止状態から正Ｚ方向または負Ｚ方向に動き出す際には、以下の式（１）を満たすことで静電力ギャップを乗り越える必要がある。なお、式（１）において、ｍは振動発電素子１Ａの可動部位（可動電極４ａ、４ｂおよび可動部５）の質量を表し、ａは振動の加速度を表している。また前述のように、ｆ０は静電力ギャップの大きさを表している。
｜−ｍ・ａ｜≧ｆ０ ・・・（１）

【0023】

以上説明したように、比較例では振動の加速度が小さいと、可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の静止状態から動き出すことができない。したがって、比較例による振動発電素子１Ａを用いると、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合とは異なり、加振の加速度が小さい場合には発電を行うことができない。

【0024】

次に図７、８を参照して、本発明の具体的な効果について説明する。図７、８は、比較例による振動発電素子１Ａを用いた場合と、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合とで、可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力との関係を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）は、振動発電素子１Ａに１６００ｍ／ｓ^２の加速度を０．１ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図７（ｃ）、（ｄ）は、振動発電素子１に１６００ｍ／ｓ^２の加速度を０．１ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図８（ａ）、（ｂ）は、振動発電素子１Ａに８００ｍ／ｓ^２の加速度を０．５ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図８（ｃ）、（ｄ）は、振動発電素子１に８００ｍ／ｓ^２の加速度を０．５ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。

【0025】

１６００ｍ／ｓ^２×０．１ｍｓの加速度パルスを印加した場合には、加速度が比較的大きいため、比較例による振動発電素子１Ａを用いた場合でも、図７（ａ）に示すように、可動電極４ａ、４ｂが静止状態から静電力ギャップを乗り越えて振動する。その結果、図７（ｂ）に示すように、振動発電素子１Ａでもある程度の出力電力を得ることができる。一方、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合には、前述の非作動領域で可動電極４ａ、４ｂが加速を開始できるため、図７（ｃ）に示すように、振動発電素子１Ａを用いた場合よりも可動電極４ａ、４ｂの振幅が大きい。その結果、図７（ｄ）に示すように、振動発電素子１Ａを用いた場合よりも大きな出力電力を振動発電素子１から得ることができる。

【0026】

８００ｍ／ｓ^２×０．５ｍｓの加速度パルスを印加した場合には、加速度が比較的小さいため、比較例による振動発電素子１Ａを用いると、図８（ａ）に示すように、可動電極４ａ、４ｂが静止状態から静電力ギャップを乗り越えて振動することができない。その結果、図８（ｂ）に示すように、振動発電素子１Ａでは出力電力が０となってしまう。一方、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合には、図８（ｃ）に示すように、小さな加速度でも可動電極４ａ、４ｂが振動する。その結果、図８（ｄ）に示すように、振動発電素子１Ａでは得られない出力電力を振動発電素子１から得ることができる。

【0027】

次に、図９〜１８を参照して、振動発電素子１の形成方法について説明する。図９〜１８は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。なお、図９〜１８では、図１に示した振動発電素子１のベース２、固定電極３ｂおよび可動電極４ｂの一部分が形成される様子を示している。

【0028】

図９（ａ）は、振動発電素子１の形成に用いるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。振動発電素子１は、たとえば図９（ａ）のようなＳＯＩ基板を用いて、一般的なＭＥＭＳ加工技術により形成される。ＳＯＩ基板は、ハンドル層が形成される下部Ｓｉ層３１と、ＢＯＸ層が形成されるＳｉＯ_２層３２と、デバイス層が形成される上部Ｓｉ層３３とを重ねて構成されている。なお、Ｓｉ基板では接続パッド部となる部分の金属への密着性向上や、導電性の改善のために、適宜ドーピングを行ったものが用いられる場合がある。このドーピングは、Ｐ型、Ｎ型いずれの特性であっても本件の発明においては問題ない。

【0029】

図１０（ａ）は、第１のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。第１のステップでは、上部Ｓｉ層３３の上にレジストを塗布した後、図１０に示すように、フォトマスクを用いたフォトリソ加工によりレジストパターン３５ａ、３５ｂを形成する。その後ハードベーキングを行い、レジストパターン３５ａ、３５ｂを硬化させる。

【0030】

図１１（ａ）は、第２のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。第２のステップでは、第１のステップでレジストパターン３５ａ、３５ｂが形成された上部Ｓｉ層３３の上にアルミを蒸着した後、図１１に示すように、フォトマスクを用いたフォトリソ加工によりアルミパターン３６ａ、３６ｂを形成する。

【0031】

図１２（ａ）は、第３のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。第３のステップでは、第１および第２のステップを経た上部Ｓｉ層３３に対してＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）加工を行うことで、図１２に示すように、固定電極３ｂおよび可動電極４ｂを形成する。

【0032】

図１３（ａ）は、第４のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。第４のステップでは、アルミエッチングを行うことで、第３のステップで形成された固定電極３ｂおよび可動電極４ｂ上にあるアルミパターン３６ａ、３６ｂを除去する。

【0033】

図１４（ａ）は、第５のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。第５のステップでは、第３のステップで形成された可動電極４ｂに対してわずかにＤＲＩＥ加工を行うことで、図１４に示すように、段差構造を有する櫛歯４０ｂを形成する。

【0034】

図１５（ａ）は、第６のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。第６のステップでは、レジストエッチングを行うことで、第３のステップで形成された固定電極３ｂおよび可動電極４ｂ上にあるレジストパターン３５ａ、３５ｂを除去する。この第６のステップを終えると、ＳＯＩ基板の表面すなわちデバイス層の加工が完了する。

【0035】

図１６（ａ）は、第７のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＨ−Ｈ断面図である。第７のステップでは、下部Ｓｉ層３１に対してフォトリソ加工およびＤＲＩＥ加工を行うことで、ベース２を形成する。

【0036】

図１７（ａ）は、第８のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。第８のステップでは、ＳｉＯ_２層３２に対してエッチングを行い、不要な部分を除去する。この第８のステップを終えると、ＳＯＩ基板の加工が完了する。

【0037】

図１８は、加工が完了したＳＯＩ基板の斜視図である。図１８に示すような形状に加工されたＳＯＩ基板に対して、熱酸化処理、窒化膜エッチング、ＢＴ処理（帯電処理）等を行うことで、固定電極３ｂと可動電極４ｂの少なくとも一方にエレクトレットが形成される。その後パッケージングを経て、振動発電素子１が完成する。

【0038】

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0039】

（１）振動発電素子１は、固定電極３ａおよび３ｂと、固定電極３ａおよび３ｂに対して所定の振動方向にそれぞれ可動する可動電極４ａおよび４ｂとを備える。固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの対向面の少なくとも一方がそれぞれ帯電されており、可動電極４ａ、４ｂの変位により固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間の静電容量が変化することで発電する。振動発電素子１において、可動電極４ａ、４ｂの振動中心を少なくとも含む部分に、可動電極４ａ、４ｂが変位しても静電容量が変化しない非作動領域を設けている。このようにしたので、加振の加速度が小さい場合でも発電可能な振動発電素子１を実現することができる。

【0040】

（２）固定電極３ａ、３ｂおよび可動電極４ａ、４ｂは、櫛歯３０ａ、３０ｂと櫛歯４０ａ、４０ｂとをそれぞれ有する櫛歯電極である。そのため、小型で高い発電能力を有する振動発電素子１を実現することができる。

【0041】

（３）可動電極４ａ、４ｂの振動方向は、櫛歯電極の各櫛歯３０ａ、３０ｂおよび４０ａ、４０ｂの延伸方向および配列方向に対して垂直なＺ方向である。このようにしたので、Ｘ方向およびＹ方向に対する弾性支持部６のばね定数を大きくして、可動電極４ａ、４ｂのプルイン強度を大きくすることができる。そのため、エレクトレットの電荷量を大きく設定して、振動発電素子１の発電能力をより一層向上することができる。

【0042】

（４）振動発電素子１では、櫛歯電極である可動電極４ａ、４ｂの各櫛歯４０ａ、４０ｂの少なくとも一部分において振動方向すなわちＺ方向に段差部分を設けることで、静電容量が変化しない非作動領域を設けた。このようにしたので、加工が容易な構造により振動発電素子１に非作動領域を設けることができる。

【0043】

−第２の実施形態−
次に本発明の第２の実施形態について説明する。図１９は、本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における電極構造を示す図である。本実施形態の振動発電素子では、図１９に示すように、固定電極２１と可動電極２２とが対向して設置されている。なお、図１９では、固定電極２１と可動電極２２以外の振動発電素子の構成については、図示を省略している。

【0044】

可動電極２２は、不図示の弾性支持部により、固定電極２１に対して図の左右方向（Ｘ方向）にスライド移動できるように支持されている。固定電極２１と可動電極２２には、Ｘ方向に沿って凸部２１ａ、２２ａがそれぞれ所定間隔ごとに対向して設けられている。図１９に示すように、Ｘ方向における可動電極２２の各凸部２２ａの幅は、固定電極２１の各凸部２１ａの幅よりも小さく設定されている。

【0045】

固定電極２１の各凸部２１ａと可動電極２２の各凸部２２ａの少なくとも一方には、それぞれの対向面の表面近傍にエレクトレットが形成されている。これにより、固定電極２１と可動電極２２の対向面の少なくとも一方が帯電されている。

【0046】

環境中の振動によって本実施形態の振動発電素子がＸ方向成分を含む方向に揺り動かされると、固定電極２１に対して可動電極２２がＸ方向に振動して変位する。その結果、固定電極２１の凸部２１ａと可動電極２２の凸部２２ａとの間にＸ方向のずれが生じると、これらの間の対向面積が変化することで、固定電極２１と可動電極２２との間の静電容量が変化する。これとエレクトレットの誘導電荷により、固定電極２１と可動電極２２との間の電圧が変化して起電力が発生することで、本実施形態の振動発電素子の発電が行われる。

【0047】

図２０は、本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における可動電極２２のＸ方向の変位量と可動電極２２に作用する力との関係を示す図である。本実施形態では、可動電極２２がＸ＝０の位置を振動中心としてＸ方向にそれぞれ振動したときに可動電極２２に作用するＸ方向の力ｆｘは、図２０のグラフ５３に示すように変化する。図２０において、横軸はＸ方向の変位量を表し、縦軸は力ｆｘの大きさを表している。

【0048】

本実施形態では、グラフ５３に示すように、可動電極２２の振動中心であるＸ＝０の位置を含む−ｈ２≦Ｘ≦ｈ２の領域が、第１の実施形態で説明した非作動領域に相当する。この非作動領域では、可動電極２２と固定電極２１との間にＸ方向の静電力が働かないため、力ｆｘは弾性支持部のばね定数に応じた一定の割合で変化する。ここで、ｈ２は図１９に示すように、可動電極２２の凸部２２ａの左右端から、固定電極２１の凸部２１ａの左右端までの長さである。一方、この非作動領域からＸ＜−ｈ２の作動領域またはｈ２＜Ｘの作動領域に遷移する際には、前述のように固定電極２１と可動電極２２との間にＸ方向のずれが生じることで、可動電極２２と固定電極２１との間にＸ方向の静電力が働く。そのため、グラフ５３に示すように、非作動領域と作動領域との境界（Ｘ＝−ｈ２、Ｘ＝ｈ２）において静電力ギャップｆ０が生じ、力ｆｘが急激に変化する。

【0049】

本実施形態の振動発電素子では、前述のように、Ｘ方向における可動電極２２の各凸部２２ａの幅を、固定電極２１の各凸部２１ａの幅よりも小さく設定することで、上記のように可動電極２２と固定電極２１との間にＸ方向の静電力が働かない非作動領域、すなわち静電容量が変化しない領域を設けている。これにより、第１の実施形態で説明した振動発電素子１と同様に、小さな加速度でも可動電極２２の振動を開始することができる。また、可動電極２２の振動が開始された後は、その運動エネルギーにより静電力ギャップを乗り越えて作動領域に進入することができる。したがって、本実施形態の振動発電素子においても、第１の実施形態と同様に、加振の加速度が小さい場合でも発電が可能となる。

【0050】

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、固定電極２１および可動電極２２には、振動方向であるＸ方向に沿って凸部２１ａ、２２ａがそれぞれ所定間隔ごとに対向して設けられており、Ｘ方向における固定電極２１の凸部２１ａの幅と、可動電極２２の凸部２２ａの幅とを互いに異ならせることで、静電容量が変化しない領域を設けた。このようにしたので、第１の実施形態と同様に、簡単な構造で振動発電素子に非作動領域を設けることができる。

【0051】

なお、以上説明した本発明の第２の実施形態において、図１９とは反対に、Ｘ方向における可動電極２２の各凸部２２ａの幅を、固定電極２１の各凸部２１ａの幅よりも大きく設定してもよい。このようにしても、上記の作用効果を得ることができる。

【0052】

また、本発明による振動発電素子の構造は、第１、第２の各実施形態で説明したものに限定されない。たとえば、可動電極と固定電極とが対向して配置され、可動電極がこの対向面に沿って面方向に振動可能な構造の振動発電素子や、可動電極が固定電極に対して回転方向に振動可能な構造の振動発電素子において、本発明を適用してもよい。また、両方の電極を可動電極としてもよい。少なくとも一方が可動する一対の電極が対向して配置されており、その対向面の少なくとも一方が帯電された振動発電素子において、一方の電極の振動中心を少なくとも含む部分に、当該電極が変位しても一対の電極間の静電容量が変化しない領域を設けることで、どのような構造の振動発電素子であっても本発明を適用することができる。

【0053】

上述した各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用してもよいし、あるいは組み合わせて用いてもよい。また、上記の各実施形態はあくまで一例であるため、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記の各実施形態に何ら限定されるものではない。

【符号の説明】

【0054】

１：振動発電素子
２：ベース
３ａ、３ｂ：固定電極
３０ａ、３０ｂ：櫛歯
４ａ、４ｂ：可動電極
４０ａ、４０ｂ：櫛歯
５：可動部
６：弾性支持部
７：接続パッド部
９：負荷
２１：固定電極
２１ａ：凸部
２２：可動電極
２２ａ：凸部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】