CN111049427A - 振动发电元件以及振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够高精度地装配重锤的振动发电元件。振动发电元件(1)具备：具有多个梳齿电极(110)的固定电极部(111)；具有多个梳齿电极(120)的可动电极部(12)；弹性支撑可动电极部(12)的弹性支撑部(13)；固定于可动电极部(12)的重锤(10a、10b)；以及作为将重锤(10a、10b)固定于可动电极部(12)的定位机构的贯通孔(100、122)。
Description
技术领域
本发明涉及振动发电元件以及振动发电装置。
背景技术
近年来，开发出一种利用MEMS技术的非常小型的振动发电元件。例如，在专利文献1中，通过使形成有梳齿电极的可动电极部相对于形成有梳齿电极的固定电极部振动来进行发电。在这样的振动发电元件中，为了即使在较小的环境振动中也能效率良好地发电，使可动电极部的质量更大是重要的，在专利文献1所记载的振动发电元件中，采用在可动部上装配另外形成的锤的构造。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利6338071号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，由于振动发电元件非常小，因此存在如下问题：即使在锤从预先决定的固定位置稍微偏移的情况下，都会给振动发电元件的振动状态带来不良影响。
用于解决课题的方案
本发明的第一方案的振动发电元件的其特征在于，具备：具有多个梳齿电极的固定电极部；具有多个梳齿电极的可动电极部；弹性支撑上述可动电极部的支撑部；固定于上述可动电极部的锤；以及将上述锤定位于上述可动电极部的定位机构。
本发明的第二方案的振动发电装置的特征在于，具备：上述振动发电元件；以及真空密封上述振动发电元件的箱体。
发明的效果
根据本发明，能够高精度地装配锤。
附图说明
图1是表示封入于真空封装件的振动发电元件的图。
图2是表示振动发电元件的各部的结构的图。
图3是说明振动平面内中的重心位置的偏移的图。
图4是说明与振动平面垂直的方向的位置偏移的图。
图5是表示重锤向可动电极部的装配顺序的图。
图6是表示重锤向可动电极部的装配顺序中的、与图5连续的工序的图。
图7是表示振动发电元件的MEMS加工体的形成顺序的一例的图。
图8是表示MEMS加工体的形成顺序的与图7连续的工序的图。
图9是表示定位机构的变形例的图。
图10是表示卡合部形状的图。
图11是说明未除去定位销的结构的图。
图中：
1—振动发电元件，2—封装件，10a、10b—重锤(重物)，11—固定部，12—可动电极部，13—弹性支撑部，100、122、123a—贯通孔，101a—凸部，102—粘接剂，103—定位销，110、120—梳齿电极，111—固定电极部，114—连接部，114a—突起，G、G1、G2—重心位置。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。图1是表示封入于真空状态的封装件2内的振动发电元件1的图，图1(a)是俯视图，图1(b)是A－A剖视图。此外，在图1(a)的俯视图中，为了清楚封装件2的内部构造，省略了设于封装件2的上表面侧(z轴正方向侧)的上盖3的图示。
振动发电元件1具备固定部11、可动电极部12、弹性支撑可动电极部12的弹性支撑部13、以及紧固于可动电极部12的表背两面的一对重锤10a、10b。振动发电元件1的固定部11通过芯片焊接而固定于封装件2。封装件2例如由电绝缘性的材料(例如，陶瓷)形成。在封装件2的上端，缝焊有用于对封装件2内进行真空密封的上盖3。
在固定部11上形成有固定电极部111，在该固定电极部111且在y轴方向上形成有多个沿x轴方向延伸的梳齿电极110。在可动电极部12且在y轴方向上形成有多个沿x轴方向延伸的梳齿电极120。梳齿电极110与梳齿电极120配置为经由间隙而相互啮合。在固定电极部111形成有电极焊盘112。可动电极部12经由弹性支撑部13而与形成于固定部11上的连接部114机械式连接以及电连接。在连接部114形成有电极焊盘113。电极焊盘112、113通过缆线22而与设于封装件2的电极21a、21b连接。在本实施方式中，可动电极部12构成为沿x轴方向振动，若可动电极部12沿x轴方向振动，则梳齿电极120相对于固定电极部111的梳齿电极110的插入量变化来进行发电。
图2是表示振动发电元件1的各部的结构的图。如后文所述，振动发电元件1使用SOI(Silicon On Insulator)基板并通过一般的MEMS加工技术来形成。SOI基板是由Si的支撑层和SiO2的埋氧化层以及Si的活性层构成的三层构造的基板，固定部11由支撑层形成，固定电极部111、可动电极部12、弹性支撑部13以及连接部114由活性层形成。
图2(a)是表示振动发电元件1的MEMS加工体、即紧固重锤10a、10b前的振动发电元件1的图。在图2(a)中，对固定部11上的固定电极部111、可动电极部12、弹性支撑部13以及连接部114施加影线来表示。可动电极部12由四组弹性支撑部13弹性支撑。各弹性支撑部13具备能够弹性变形的三根梁13a～13c。在可动电极部12形成有装配重锤10a、10b时的定位所使用的贯通孔122。在图2(a)所示的例子中，形成有两个贯通孔122。
连接部114也作为限制可动电极部12的x轴方向振动的范围的限制部发挥功能。在连接部114的与可动电极部12对置的面形成有突起114a。通过可动电极部12的x轴方向端面碰撞到连接部114的突起114a，来限制可动电极部12的振动的振幅。此外，在图2(a)中，将突起形成于连接部114，但也可以形成于可动电极部12侧。
图2(b)是仅图示振动发电元件1的固定部11的图。图2(b)的固定部11上示出的影线区域11C表示固定有固定电极部111的区域。梁13a的端部固定于固定部11上。图2(b)的固定部11上示出的影线区域11A表示固定有梁13a的端部的区域。梁13c的端部与形成于固定部11上的连接部114连接。图2(b)的固定部11上示出的影线区域11B表示固定有连接部114的区域。
在本实施方式的振动发电元件1中，为了增加可动电极部12的质量来进一步提高发电效率，将独立的重锤10a、10b装配于可动电极部12。重锤10a、10b的材料使用比重比SOI基板的比重大的材料，以便即使是较小的体积也能获得较大的质量。例如，使用钨(比重19.25)、切削铜(比重8.94)、不锈钢(比重7.93)、通过金属注射法来形成的钨部件(比重13～17)等金属、或者如钨树脂(比重11～13)那样在树脂中混入金属材料的材料等。
如上所述，在将另外形成的重锤10a、10b装配于可动电极部12的结构的情况下，判断出装配于可动电极部12时的重锤10a、10b的重心位置的偏移给弹性支撑部13的寿命带来较大的影响。图3以及图4是说明重锤10a、10b的重心位置的偏移的影响的图。图3是说明振动平面内(图1的xy平面内)的位置偏移的图，图4是说明与振动平面垂直的方向(图1的z轴方向)的位置偏移的图。
在图3中，(a)表示适当地进行了定位的情况，(b)表示定位不适当的情况。图3省略了重锤10a、10b的图示，仅用符号G示出了重锤10a、10b的重心位置。此外，在装配了重锤10a、10b的一方的情况下，同样的讨论也成立。在图3(a)、(b)中，线L1是经过连接部114的突起114a的前端并与振动方向(x轴方向)平行的直线。在图3(a)所示的例子中，xy平面上的重锤10a、10b的重心位置G位于线L1上。因此，通过振动对重锤10a、10b的重心作用的力F1的方向成为沿线L1的方向。若可动电极部12碰撞到连接部114的突起114a，则从突起114a对可动电极部12作用反作用的力F2，F1与F2朝向相反，但方向是沿线L1的方向。因此，不会产生使可动电极部12在xy面内倾斜那样的力矩。
此外，可动电极部12相对于线L1线对称地在y正方向和y负方向上设有可动梳齿组，并且质量也相对于线L1成为线对称。因此，线L1也能够定义为可动电极部12的可动电极组成为线对称的基准线。
另一方面，在图3(b)所示的定位不适当的情况下，重锤10a、10b的重心位置G相对于线L1在y轴负方向上位置偏移。因此，若可动电极部12碰撞到连接部114的突起114a，则由于表示力F1及力F2的矢量不是沿同一线的力，因此作用使可动电极部12如箭头所示那样倾斜的力矩，从而可动电极部12在xy面内倾斜。其结果，使梁13b产生意料外的变形，成为梁破损的原因。
说明与振动平面垂直的方向的位置偏移的图4示出了沿图3(a)的线L1的xz截面。图4是表示碰撞时的状态的图，图4(a)表示重锤10a、10b的合计质量的重心位置G位于线L1上的情况，图4(b)表示重心位置G位于比线L1靠图示下侧(z轴负方向侧)的情况。
在重锤10a、10b材料相同且形状相同的情况下，各自的重心位置G1、G2的离可动电极部12的高度尺寸相同。因此，即使在有xy平面上的重心位置G1、G2的位置偏移的情况下，重锤10a、10b的合计质量的重心位置G也位于包含线L1的xy平面上，从而当可动电极部12碰撞到连接部114的突起114a时不会产生力矩。
但是，在因重锤10a、10b的形状相互不同等理由而如图4(b)所示那样，合计质量的重心位置G相对于线L1在z轴方向上位置偏移的情况下，即使重锤10a、10b相对于可动电极部12在xy方向的定位适当，可动电极部12碰撞到连接部114的突起114a时，也产生使可动电极部12如箭头所示那样倾斜的力矩，从而使梁13b产生意料外的变形。
在本实施方式中，作为用于相对于可动电极部12将重锤10a、10b定位于预先设定的适当的xy位置的定位机构，在可动电极部12以及重锤10a、10b形成有定位销用的贯通孔122、100(参照图1)。另外，在如图1(b)所示那样在可动电极部12的表背两面装配重锤10a、10b的情况下，为了防止z方向的重心位置G从线L1偏移，设定为重锤10a、10b的重心位置G1、G1距离可动电极部12的高度相等。即、重心位置G1、G1相对于可动电极部12处于对称的位置，以合计质量的重心位置G处于线L1上的方式设定重锤10a、10b。
重锤10a、10b优选以相同材料且相同形状制成，但如果表背面的一对重锤10a、10b的质量相同，重锤10a、10b的重心位置G1、G2的离各紧固面的高度相等，则材质、形状也可以不同。
图5以及图6是表示重锤10a、10b向可动电极部12的装配顺序的图。在本实施方式中，重锤10a、10b使用粘接剂紧固于可动电极部12。在图5(a)的工序中，利用分配器将粘接剂102分布在重锤10b的紧固面101，以重锤10b的贯通孔100的位置与可动电极部12的贯通孔122的位置大致一致的方式，一边从可动电极部12的正上方目视观察确认贯通孔100、122的位置一边将图2(a)所示的振动发电元件1的MEMS加工体载置于重锤10b上。在图5(b)的工序中，将定位销103穿过可动电极部12的贯通孔122以及重锤10b的贯通孔100，使可动电极部12和重锤10b准确地定位。
在图6(a)的工序中，利用分配器将粘接剂102分布在可动电极部12的紧固面123，一边目视观察确认定位销103的位置与重锤10a的贯通孔100的位置，一边将重锤10a载置于可动电极部12的紧固面123上。然后，保持图6(b)所示的状态，防止重锤10a、10b的位置偏移的同时使粘接剂102固化。如果粘接剂102固化，则拔出定位销103。按照以上那样的顺序完成重锤10a、10b向可动电极部12的装配，然后，装配有重锤10a、10b的振动发电元件1在芯片焊接工序中固定在封装件2内。
图7以及图8是表示振动发电元件1的MEMS加工体的形成顺序的一例的图。利用MEMS加工技术由SOI基板形成振动发电元件的方法是众所周知的技术(例如，参照日本特开2017－070163号公报等)，在此省略形成顺序的概略。此外，在图7以及图8中，适宜性地表示沿图2(a)的单点划线L2的截面。
图7(a)是表示作为进行MEMS加工的基板的SOI基板的截面的图。如上所述，SOI基板由Si的支撑层301和SiO2的埋氧化层302以及Si的活性层303构成。在图7(b)所示的第一步骤中，在活性层303的表面进行氮化膜(SiN膜)304的成膜。在图7(c)所示的第二步骤，对氮化膜304刻画图案，从而形成用于保护形成电极焊盘112、113的部位的氮化膜图案304a。
在图7(d)所示的第三步骤中，形成用于形成可动电极部12、固定电极部111、弹性支撑部13以及连接部114的掩模图案，并对活性层303进行蚀刻。蚀刻加工通过DRIE(DeepReactive Ion Etching，深反应离子刻蚀)等来进行，直至到达埋氧化层302。在该蚀刻加工中，可动电极部12的贯通孔122也同时形成。在图7(d)中，符号B1所示的部分是与固定电极部111对应的部分，符号B2所示的部分是与可动电极部12对应的部分，符号B3所示的部分是与连接部114对应的部分。
在图8(a)所示的第四步骤中，在支撑层301的表面形成用于形成固定部11的掩模图案，并对支撑层301进行DRIE加工。在图8(b)所示的第五步骤中，利用强氟酸来除去在支撑层301的一侧以及活性层303的一侧露出的SiO2的BOX层。在图8(c)所示的第六步骤中，利用热氧化法在Si层的表面形成硅氧化膜305。在图8(d)所示的第六步骤中，除去氮化膜图案304a，并在除去后的区域进行铝电极的成膜来形成电极焊盘112、113。此外，由于电极焊盘113形成于图8(d)所示的区域之外，因此在图8(d)中未显示。
通过上述的加工顺序，来形成未形成驻极体的振动发电元件1的MEMS加工体。然后，利用周所周知的驻极体形成方法(例如，参照日本专利5627130号公报等)，在梳齿电极110、120的至少一方形成驻极体。
振动发电元件1是通过MEMS技术被加工且非常微小的构造体，图1所示的封装件2的纵横尺寸为数cm且高度尺寸为数mm左右。由于梳齿电极110、120的数量越多则发电量越大，因此在可动电极部12装配有重锤10a、10b的紧固面123的面积具有变小的倾向，例如，紧固面123的宽度尺寸成为1～2mm左右。另一方面，由于在紧固面123的部分施加有静电力，因此有若贯通孔122较大则剩余部分的尺寸变小而变形的担忧。因此，贯通孔100、122的限度为0.3～0.5mm左右。
此外，在上述的实施方式中，采用了将重锤10a、10b紧固于可动电极部12之后除去定位销103的结构，但也可以如图11(a)所示那样保留定位销103。该情况下，采用定位销103由粘接剂紧固于贯通孔100、122内的结构。另外，也可以如图11(b)所示那样代替贯通孔100而采用如下结构：在重锤10a、10b形成非贯通的孔105，将定位销103封入由孔105和贯通孔122形成的空间内。该情况下，定位销103利用粘接剂紧固于重锤10a、10b或可动电极部12以免上下移动。
(变形例)
图9、10是表示定位机构的变形例的图。在上述的实施方式中，使定位销穿过形成于重锤10a、10b和可动电极部12的贯通孔122，来相对于可动电极部12对重锤10a、10b进行定位。另一方面，在图9(a)、(b)所示的变形例中，通过使形成于重锤10a、10b的紧固面101的凸部101a与形成于可动电极部12的紧固面123的贯通孔123a卡合，来进行重锤10a、10b的定位。
重锤10a、10b的装配顺序与销定位构造的情况相同，首先，如图9(a)所示，以将可动电极部12载置于下侧的重锤10b上的方式粘接。此时，通过使重锤10b的凸部101a与可动电极部12的贯通孔123a卡合，来进行重锤10b的定位。接着，如图9(b)所示，以将重锤10a载置于可动电极部12的方式粘接。此时，通过使重锤10a的凸部101a与可动电极部12的贯通孔123a卡合，来进行重锤10a的定位。
凸部101a以及贯通孔123a能够是各种形状，图10表示凸部形状的代表性的例子。虽然省略了图示，但可动电极部12的贯通孔123a成为与卡合的凸部101a的形状对应的相同横截面形状的贯通孔。图10(a)是图9(a)、(b)所示的凸部101a的截面形状。凸部101a是在xy平面中剖切出的截面形状为圆形的柱状体。在凸部101a的截面形状为圆形的情况下，为了定位成不使重心位置G从设定位置偏移，需要设置两个以上凸部101a。
图10(b)、(c)表示在xy平面中剖切凸部101a的截面形状为四角形的情况。图10(b)的情况下的截面形状是长边与线L1平行的长方形，图10(c)的情况下的截面形状是较长的对角线与线L1平行的棱形。图10(b)、(c)中，截面形状为四边形，但并不限于四边形，在截面形状为多边形的情况下，能够阻止以凸部101a为中心的旋转偏移。因此，即使进行卡合的凹凸部为一组，也能够定位成重心位置G不会偏移。
此外，在图9所示的例子中，在可动电极部12的表背两面形成贯通孔123a，但也可以代替贯通孔而形成凹部，并使重锤10a、10b的凸部101a与该凹部卡合。
若集中说明上述的实施方式、变形例中说明的振动发电元件1则如下所述。
(1)振动发电元件1具备：具有多个梳齿电极110的固定电极部111；具有多个梳齿电极120的可动电极部12；弹性支撑可动电极部12的弹性支撑部13；固定于可动电极部12的重锤10a、10b；以及作为将重锤10a、10b定位于可动电极部12的定位机构的贯通孔100、122。通过设置定位机构，即使是与可动电极部12独立形成的重锤10a、10b，也能够精度良好地固定于预先设定的位置。另外，由于是将重锤10a、10b固定于可动电极部12的结构，因此能够不受可动电极部12的形状、材料限制地构成比重以及体积较大的重锤10a、10b，从而能够实现发电效率的提高。
(2)振动发电元件1具备连接部114，该连接部114与进行振动的可动电极部12抵接来限制可动电极部12的振动，定位机构将重锤10a、10b的重心位置G定位于经过连接部114作为抵接部位的突起114a的前端并与振动方向平行的线L1上。通过这样定位，弹性支撑部13的配置关于通过重心位置G的与振动方向平行的线成为对称，能够防止产生振动方向在y方向上摇晃那样的不自然的振动。另外，在可动电极部12碰撞到连接部114的突起114a时，不会产生使可动电极部12在xy面内倾斜那样的力矩，能够防止使梁13b产生意料外的变形。
(3)如图6所示，作为定位机构，也可以将作为定位销用销孔的贯通孔100、122形成于重锤10a、10b以及可动电极部12，该定位销用销孔用于将重锤10a、10b定位于可动电极部12，也可以如图9所示，在可动电极部12形成贯通孔123a，使形成于重锤10a、10b的凸部101a与该贯通孔123a卡合。在任意情况下，都能够将重锤10a、10b定位成重心位置G不会偏移。
(4)并且，通过使贯通孔123a以及凸部101a的横截面形状为图10(b)、(c)所示的多边形，从而能够利用一组的贯通孔123a以及凸部101a来进行定位。此外，在上述的实施方式中，对多边形进行了说明，但即使是横截面形状为椭圆也具有与多边形的情况相同的效果。即，通过为多边形、椭圆，能够阻止以凸部101a为中心的旋转偏移，因此即使进行卡合的凹凸部为一组，也能够定位成重心位置G不会偏移。
(5)另外，通过由比重大于构成可动电极部12的材料的比重的材料形成重锤10a、10b，从而能够进一步减小重锤10a、10b，能够实现振动发电元件1的小型化。
(6)如图4(a)所示，在具备装配于可动电极部12的表面侧的重锤10a、和装配于可动电极部12的背面侧的重锤10b的情况下，重锤10a的重心位置G1与重锤10b的重心位置G2位于关于可动电极部12对称的位置。通过这样构成，在可动电极部12碰撞到连接部114的突起114a时，能够防止产生使图4(b)所示的可动电极部12在xz面内倾斜那样的力矩。
(7)在上述的实施方式中，振动发电元件1配置在由封装件2和上盖3构成的箱体的内部，配置有振动发电元件1的箱体内成为真空状态。即，振动发电元件1被真空密封，因此能够排除空气的粘性阻力对振动发电元件1的振动的影响，能够得到更高效率的振动发电元件。
上述内容中，对各种实施方式以及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术的思想的范围内考虑的其它方式也包含在本发明的范围内。
例如，在上述的实施方式中，利用SOI基板形成振动发电元件1，但也可以使用硅基板。在使用硅基板的情况下，例如，通过掺杂在从导电率较小的真性硅基板的表面离开预定厚度的区域形成P型或者N型导电层，在导电层的下部的真性硅层形成固定部11，在导电层形成固定电极部111、可动电极部12、弹性支撑部13即可。
另外，在上述的实施方式中，以在可动电极部12的表背两面装配重锤10a、10b的结构为例进行了说明，本发明也能够应用于在表背两面的任一方装配重锤的结构的情况。
另外，在上述的振动发电元件1中，是可动电极部12在梳齿电极110、120的伸延方向(图1的x轴方向)上振动的结构，但在例如如日本专利6338071号公报所记载的振动发电元件那样在并排设置多个梳齿电极110的方向(图1的y轴方向)上振动那样的结构中，也能够应用本发明。
Claims (8)
1.一种振动发电元件，其特征在于，具备：
具有多个梳齿电极的固定电极部；
具有多个梳齿电极的可动电极部；
弹性支撑上述可动电极部的支撑部；
固定于上述可动电极部的重锤；以及
将上述重锤定位于上述可动电极部的定位机构。
2.根据权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，
具备限制部，该限制部与进行振动的上述可动电极部抵接来限制上述可动电极部的振动，
上述定位机构将上述重锤的重心位置定位于经过上述限制部的抵接部位而与振动方向平行的线上。
3.根据权利要求1或2所述的振动发电元件，其特征在于，
作为上述定位机构，在上述重锤以及上述可动电极部分别形成有用于将上述重锤定位于上述可动电极部的定位销用销孔。
4.根据权利要求1或2所述的振动发电元件，其特征在于，
上述定位机构具备形成于上述可动电极部的凹部、和形成于上述重锤且与上述凹部卡合的凸部。
5.根据权利要求4所述的振动发电元件，其特征在于，
上述凹部以及上述凸部的横截面形状为多边形或者椭圆。
6.根据权利要求1～5任一项中所述的振动发电元件，其特征在于，
上述重锤由比重大于构成上述可动电极部的材料的比重的材料形成。
7.根据权利要求1～6任一项中所述的振动发电元件，其特征在于，
上述重锤由装配在上述可动电极部的表面侧的第一重锤、和装配在上述可动电极部的背面侧的第二重锤构成，
上述第一重锤的重心位置与上述第二重锤的重心位置位于关于上述可动电极部对称的位置。
8.一种振动发电装置，其特征在于，具备：
权利要求1～7任一项中所述的振动发电元件；以及
真空密封上述振动发电元件的箱体。
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