JP2009077614A - エレクトレット微小発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超小型のエレクトレット機械電気エネルギー変換素子からの出力電力を効率よく整流し低損失に貯蔵するマイクロ振動発電装置を実現する。
【解決手段】本発明においては、一般に電圧および電流が微小なマイクロエレクトレット機械電気エネルギー変換素子の出力を効率よく整流して蓄積する方式を実現する。そのために、第一にエレクトレット機械電気エネルギー変換素子の出力と半導体整流回路の入力電圧レベルを整合させるために、エレクトレット機械電気エネルギー変換装置ＥＣ１、２、３の直列化ならびに、整流回路素子ＲＤ１、２およびそれらへの配線経路の極小化と整流回路の集積化による浮遊容量の極小化により高効率エネルギー伝達を実現する。第二に、電流の向きの情報を機械電気エネルギー変換素子から配線ＳＬを介して伝送し、整流素子の制御に使用して更に効率的な整流動作を実現する。整流された電流はエネルギー貯蔵デバイスＥＳに導かれる。
【選択図】図１

Description

本発明は振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に係り、特にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術に代表されるような技術によって製造される微小な発電装置に関する。

環境中の振動から発電する技術の歴史は古く、特筆すべき例としては自動巻き発電ウォッチがある（例えば、非特許文献１参照）。これは１センチメートル程度の規模の振動発電装置であり、扱う電圧電流はそれぞれ１Ｖ、１マイクロアンペア程度である。このような電力規模においては周知のダイオードによる半波整流によってコンデンサーへの充電が実用になる。

これをもとに複数のコンデンサーを半導体スイッチを使ってつなぎ変えることにより昇圧回路を形成して時計回路を駆動する方式が実用に供されている（例えば、非特許文献２参照）。また、整流回路そのものに関しては医療用インプラントデバイスや分散したセンサーノードのための発電に供する目的でダイオードの代わりにＦＥＴ（Ｆｅｉｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用した低損失の整流回路が周知である（例えば、特許文献１参照）。一方で、超低電力デバイス研究が進展する中で（例えば、非特許文献３参照）、低出力であるが超小型の振動発電装置の潜在的需要が発生し、特にエレクトレット機械電気エネルギー変換素子における研究が他のピエゾエレクトリック材料を用いた素子の研究などとともに進展している（例えば、非特許文献４参照）。

日本時計学会誌，Ｎｏ．１２０，１９８７年の第４０〜４８ページ 日本時計学会誌，Ｎｏ．１２６，１９８８年の第２８〜４０ページ Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ，４４５，２００７年の第７４５〜７４８ページ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２３ｒｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００６年の第５２１〜５２４ページ

米国特許第５，９９９，８４９号

将来の微小な体内インプラント医療技術のより広範な使用あるいはユビキタスセンサーネットワーク社会の到来に備えて、必要な電力をその場で発電するマイクロエネルギー発電技術の開発の重要性が近年認識されてきている。一般にマイクロエネルギー発電技術では環境中にある人工あるいは自然の光、振動、化学、熱エネルギーなどから発電する。このうち環境中の振動エネルギーや音場エネルギーから発電する振動発電においては、一般にはエネルギー密度が比較的小さいために微小な出力電力パワーを効率よく整流した上でエネルギーとして蓄積し、主に間欠的な使用に供する技術が決定的に重要になる。

それにもかかわらず、ナノワット程度以下の電力規模においてそのような技術は現時点で存在していない。順方向電圧降下を最小化するために例えばＳｃｈｏｔｔｋｙダイオード素子を使用した回路等が周知であるが、それらの方式はナノワット規模の電力に適用するには不十分である。また、一定振幅の振動に対しては振動発電機の理論上の最大出力が振動周波数の４乗に比例することから、人工的なエネルギー供給の場合はより高周波ではたらく整流および電力蓄積技術が必要になるが、これは低電力になるほど困難になる。従って超低電力センサーノードに電力をその場供給する潜在的に大規模な需要に応える技術が欠落している。

この状況に応えるためには、微小な出力を扱う整流回路のみを取り出して検討するのではなく、機械電気エネルギー変換素子も含めて総合的に設計することが重要である。従って、本発明の目的は、微小な出力電流および電圧しか得られず、またこれらが余り低くない周波数を持っている場合にこれを効率よく整流し、エネルギーを低損失に貯蔵して低電力回路による使用に供するような装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために本願によって開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

本発明における微小な一次発電電圧を扱う状況下では、ダイオードを始めとするすべての能動電子回路素子中の電圧降下が大きく影響する。従って、図２に示すように例えばダイオードＤ１、Ｄ２を使用して整流し、コンデンサーＣ１にエネルギーを貯蔵する場合には半波整流が基本になる。ただし、全波整流をするのに十分な一次発電電圧が得られる場合には当然ながらこの限りではない。

具体的には、機械電気エネルギー変換素子として例えばＭＥＭＳ技術を用いて製作したエレクトレット振動発電素子が考えられる。図３はエレクトレット型機械電気エネルギー変換素子の模式図である。エレクトレット機械電気エネルギー変換では、例えば振動子ＯＳＬ１の底面に塗布されたエレクトレット膜ＥＬＦ１を荷電することにより、それに対向する金属電極ＣＥ１、ＣＥ２の中に反対電荷を誘起する。いま振動子を左右に動かすと、反対電荷もそれに合わせて動くので負荷Ｌを流れる電流が発生する。負荷特性に対応して、電流に応じた電圧が発生する。ここで一般に負荷特性はオーミックではない。

対向電極に誘起されたこの電圧は振動に逆らう力を振動子に与えるが、実際上さらに重要なファクターとしては高インピーダンスに伴う高抵抗と対向電極ＣＥ１、ＣＥ２に付随する寄生容量の組み合わせによる長い緩和時間の発生がある。これが例えば１００Ｈｚから１００ｋＨｚ程度の振動子の振動周期を超えるとエネルギー回収率の低下をもたらす。さらに、発生電荷量を前記寄生容量で割った値は発生電圧を与えるが、これが通常の半導体素子が動作する最低でも０．２Ｖ程度以上でなければならない。これは寄生容量が小さくなくてはならないもう一つの理由を与える。

一方で整流回路側に目を転ずれば、図２に示すように整流回路素子としてダイオードＤ１、Ｄ２を用いる場合、逆方向漏れ電流が大きな素子を使用すると、それよりも大きな電流が常に機械電気エネルギー変換素子から発生していなければ電荷がコンデンサーＣ１に蓄積しない問題がある。本発明が主眼を置く間欠的な電力使用の場合は問題が更に大きくなる。そこで逆方向漏れ電流が小さなダイオードの使用が望ましいが、しかし今度は一般にそのような素子は電流スケールが全体として小さいために、順方向電圧に対して電流の立ち上がりが遅い問題がある。言い換えれば、順方向低電圧領域において小さすぎる電流しか流れず、即ち入力インピーダンスが非常に大きい。実際のミリメートル規模のエレクトレット型機械電気エネルギー変換素子の場合、適正な負荷インピーダンスは典型的に１００メガオーム程度になるが、たとえばピコアンペア程度の微小な漏れ電流を持つダイオードはミリボルト程度の電圧領域でギガオーム以上の入力インピーダンスを持つ。本発明の発明者は、実験的検討の結果、これらのインピーダンスを整合させることが極めて重要であるとの知見を得た。

前記対向電極ＣＥ１、ＣＥ２に付随する寄生容量は例えば接地電極を遠ざけることにより、あるいは回路配線を例えば５ｍｍ程度以下にするなどの方策を採ることによりある程度は減らせるが、幾何学的な限界である電極間寄生容量Ｃが存在する。即ち、対向電極の幅をＷ，対向電極間のギャップをＧ、前記エレクトレット膜の奥行き方向長さをし、基盤の誘電率をεとすると、電極の面積占有率はＨ＝Ｗ／（Ｗ＋Ｇ）であるが、容量Ｃは

である。ここにＫは第一種完全楕円積分であり、上式のＫを含む無次元数値ファクターは殆どの領域で１．５〜２程度であるが、Ｈが０．９７程度で約３になり、Ｈが大きくなるにつれてその後急激に無限大に向けて大きくなる。勿論、Ｈが小さすぎるとエレクトレット膜との結合が悪化する。

前記諸問題を解決する一つの方法は、エレクトレット振動発電素子の機械的振動子は単一に保ちつつも、図１に示されるようにエレクトレット膜および対向電極を複数化し、さらに直列にすることによって同期した電圧を加算する。そのことにより出力電圧を整流回路の動作に十分な値まで増加させ、適正な整流動作を行うことができる。

また、比較的高い周波数で作動する素子の場合は微細加工によりエレクトレット膜、対向電極、整流素子への配線、整流回路を例えば５ｍｍ以下に極小化することにより望ましくない寄生容量を最小化し、そこに流入する電荷を小さく抑えることにより電圧低下を低く抑えられるようなものが好適である。

これに加えて、前記電極間寄生容量のうち、幾何学的部分の不必要な増大を回避するためには電極間ギャップ面積の電極全体の面積、即ち前記電極間ギャップ面積と電極面積の和、に対する比が３％以上である構成が好適である。

ダイオードを使用した整流の場合は言わばダイオード中を流れる電力発生に寄与する電流全体に対して整流動作が行われる。ところが本質的に整流に必要な情報は電流がどちらに流れているか表わす１ビットのみであることから、機械電気エネルギー変換素子から振動子の運動方向に関する情報を別途に取得してそれを整流回路の制御に使用できる場合は、より高効率に整流動作を行うことができる。

具体的には、ＦＥＴ素子を整流に使用する場合微小な電荷のみでゲート電極をドライブするの十分であることから、制御電圧信号を別途に機械電気エネルギー変換素子から得ることにより整流動作を効率化できる。この場合は扱う電荷量が微小なので、寄生容量を最小化することが特に重要である。そのことにより少量の発生電荷によりＦＥＴのゲート電極を十分な電圧振幅で制御できる。ここにおいて、特にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型のＦＥＴ素子ではゲート漏れ電流が小さいので電力損失がほとんど無いことが本質的であり、また一般的に小型のＦＥＴ素子のゲート入力容量は十分に小さく、言い換えれば少量の電荷しか必要としないことも重要である。少量の電荷を別途に発生するには機械電気エネルギー変換素子の全有効面積のうち小さな一部分を供すれば十分である。従って、ＦＥＴ制御用の電荷発生のためのエレクトレット膜および対向電極面積を適正に設計することにより、大きな電圧が対向電極側で発生しても振動子の運動への反作用が問題にならないように素子を設計することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。

図１は本発明の典型的な実施例の概念図である。複数のエレクトレット機械電気エネルギー変換装置ＥＣ１，ＥＣ２，ＥＣ３が配置され、出力電圧は直列接続により増大する。整流回路素子ＲＤ１，ＲＤ２により整流された出力はエネルギー貯蔵デバイスＥＳに蓄積される。実施状況によっては機械システムより別途に配線ＳＬを介して振動方向に関する情報を得て、それにより整流回路素子ＲＤ１，ＲＤ２を制御する。

図４は本発明の一実施例であり、半導体微細加工プロセスにより構成した振動発電素子の斜視図である。機械電気エネルギー変換素子の対向電極付近に発生する寄生容量を最小化するために、発電装置全体が超小型化されている。寄生容量を最小化するには、整流ダイオード素子Ｄ３、Ｄ４までの配線も含めて微細化する必要があるため、これら整流素子も下側シリコン基板ＳＳ２上に対向電極群ＣＥ３と併せて集積されている。機械振動子ＯＳＬ２は上側シリコン基板ＳＳ１上にＭＥＭＳ技術を用いて作成される。ここで振動子を支えるばねは、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などにより作成されたシリコン製の梁Ｂである。ＯＳＬ２の下側にはＣＹＴＯＰ製などのエレクトレット膜ＥＬＦ２がパターニングされ、更にコロナ放電法などにより帯電されている。２枚の基板は、ＳＳ１上に作成された例えばポリイミド製のスペーサーＰＳによって微小なギャップ間隔を残しながら接着される。Ｄ３、Ｄ４は微小な逆方向漏れ電流を持っているが、十分な順方向電流を得るためにはある程度の電圧を必要とする。そのような電圧を達成するためにエレクトレット膜ＥＬＦ２および対向電極ＣＥ３は複数化され、直列に集積されている。エネルギー貯蔵デバイスは例えばコンデンサーであるが、その性質上比較的大容量を確保するためにはシリコンデバイスに対して電極ＥＬ１，ＥＬ２を介して外付けにするのが好適である。

図５は整流用ＦＥＴを分離された信号ラインにより制御する方式の構成図である。この方式においては機械電気エネルギー変換素子から別途に直接得られる電流の向きを表わす信号を用いてＦＥＴ素子を制御することにより高効率の整流動作を実現する。この構成では機械振動子ＯＳＬ３の底面にパターニングされたエレクトレット膜が３つの区画に分割されている。エレクトレット膜ＥＬＦ３，ＥＬＦ４はそれぞれ１区画を形成し、それぞれがＦＥＴ１，ＦＥＴ２を制御するための電圧信号を対向電極上に発生することを目的として設置されている。

その一方でエレクトレット膜ＥＬＦ５，ＥＬＦ６は電力を発生することを目的とし、分割されている唯一の目的は前記の実施例と同じく十分な電圧を得るためである。２つのＦＥＴのゲート電極につながる信号ラインＳＬ２，ＳＬ３は高抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して接地されている。これらＲ１，Ｒ２の抵抗値は機械振動子ＯＳＬ３の固有周波数の逆数よりもはるかに長い時定数で放電するように選ばれており、従ってＳＬ２，ＳＬ３は発電動作の観点からはフロートしているのと同様であるが、しかし同時にこれら高抵抗は２つのゲート電位が制御できない振る舞いをするのを防止し、長期的には電位がゼロから大きく外れないようにする役割を果たす。

２つのＦＥＴはＮチャンネル型エンハンスモードのＭＯＳ型デバイスである。従って、通常これらのＦＥＴのソース電極はＰ型シリコン基盤電極に接続されており、ソース電極がドレイン電極よりも高い電位にある場合はＰ型基盤からドレイン電極直下にあるＮ型領域にＰＮ接合を通して電流が流れる。本回路ではこの電流を順方向電流として扱う。ダイオードの場合、低電圧でこの順方向電流が大きくなるようにデバイスを設計すると逆方向漏れ電流が大きくなる問題がある。しかしＦＥＴの場合は逆方向にバイアスされた場合に適切なゲート電圧を与えることにより漏れ電流の最小化を図ることができ、それが図５の回路が達成していることに他ならない。即ち、ＦＥＴ１，ＦＥＴ２のどちらに対しても、ドレイン電極がソース電極よりも高い電位にある場合はドレインソース間漏れ電流を止める必要があるが、３つの区画に分けられた対向電極からの信号は全て同期しているので、ドレインソース間電流を止める必要があるＦＥＴ素子に対してはゲート電圧が大きく負に振れてＮ型チャンネルが閉じるように構成されている。このように整流されたＥＬＦ５，ＥＬＦ６からの電力エネルギーはコンデンサーＣ２に貯蔵される。

上記の構成において、本発明が主眼を置いているような間欠使用を主とする発電装置においては、発電がなされていない場合のエネルギー損失を避けるためにＦＥＴのドレインソース間漏れ電流はゲート電圧がゼロであっても十分に小さい必要がある。この場合には、順方向電流が流れるべき時にゲート電圧が大きく正に振れてＮ型チャンネルを大きく開くことにより、ソースからドレインへのチャンネルを流れる電流が基板からドレインに流れるｐｎ接合順方向電流を上回って全体としてのコンダクタンスを大きく改善するように設計されていれば好適である。この場合もデバイスパラメーターの選択を別とすれば、図５に示した基本設計は変わらない。

本発明はＩＤタグの分野において、現在のＲＦＩＤにおけるアンテナからの電力供給に代わり、音波や超音波を用いた電力供給のために極めて多量に使用される可能性がある。その場合、現在１０ｃｍ程度あるｒｆアンテナに比較して１ｃｍ以下のはるかに小型な装置により電力供給できる。他にも例えば医療目的のデータ収集のための体内インプラントデバイスに広く適用できる。極めて微小な体内インプラントデバイスを長期にわたって電池交換をせずに使用する場合、外部からエネルギー供給をする必要があるが、音波や超音波を用いたエネルギー注入は現在用いられているＲＦ電磁波によるエネルギー転送に比べて、場所を取りがちな電磁コイルを使わないことから前記体内インプラントデバイスの極小化の観点から見て有利である。

本発明の実施例の構成図。 ダイオードによる半波整流回路。 エレクトレット型機械電気エネルギー変換素子の模式図。 半導体微細加工プロセスにより構成した振動発電素子の模式図。 整流用ＦＥＴを分離された信号ラインにより制御する整流方式の構成図。

符号の説明

ＥＣ１，ＥＣ２，ＥＣ３ エレクトレット機械電気エネルギー変換装置
ＲＤ１，ＲＤ２ 整流回路素子
ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３ 信号ライン
ＥＳ エネルギー貯蔵デバイス
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ ダイオード素子
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサー
ＥＬＦ１，ＥＬＦ２，ＥＬＦ３，ＥＬＦ４，ＥＬＦ５ エレクトレット膜
ＣＥ１，ＣＥ２，ＣＥ３ 対向電極
ＯＳＬ１，ＯＳＬ２，ＯＳＬ３ 振動子
Ｌ 負荷
ＳＳ１，ＳＳ２ シリコン基板
Ｂ シリコン微細加工された梁
ＰＳ ポリマー製スペーサー
ＥＬ２，ＥＬ２ 電極
Ｒ１，Ｒ２ 高抵抗
ＦＥＴ１，ＦＥＴ１ Ｎチャンネル型エンハンスモードＭＯＳＦＥＴ素子

Claims (6)

1. 幅３ｍｍ以下の複数のエレクトレット膜ストライプを有する一辺１ｃｍ以下、共振周波数１００Ｈｚ以上のマイクロ振動子と、
   前記ストライプに対向する電極対を有し、
   整流回路の半導体素子の動作に必要な０．２Ｖ以上の電圧を生成するために前記各電極対を３個以上直列接続し、
   その一方の端を出力コンデンサーの一端と接続し、
   整流回路の半導体素子の動作に必要な０．２Ｖ以上の電圧を生成し、かつ１０メガオーム以上の高いゼロバイアス入力インピーダンスの整流回路に１００Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下の周波数で電流を供給するために浮遊容量ひいては時定数を最小化するため他方の端を前記整流回路の入力端子に５ｍｍ以下の距離で接続し、
   前記整流回路の出力端子を前記出力コンデンサの他方の端と接続し、
   前記電極間ギャップ面積の電極全体の面積、即ち前記電極間ギャップ面積と電極面積の和、に対する比が３％以上であることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
2. 請求項１から請求項２のいずれか一項に記載のエレクトレット振動発電装置において、
   シリコン基板上に作成された前記電極対と、
   前記整流回路として、前記シリコン基板上の５ｍｍ平方の面積内に作成された漏れ電流の小さな微小接合断面積のｐｎ接合型あるいはショットキー型の２個または４個のダイオードと
   を有することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
3. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエレクトレット振動発電機において、前記エレクトレット膜ストライプが２面以上に作成された前記マイクロ振動子を有することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
4. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエレクトレット振動発電機において、エレクトレット膜ストライプが酸化シリコン膜あるいはポリマー製エレクトレット材料で作成されていることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
5. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の前記マイクロ振動子がグラファイトなどの反磁性材料および永久磁石との組み合わせにより反磁性浮上していることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
6. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の前記マイクロ振動子上に作成された一個あるいは複数のＦＥＴ制御エレクトレット膜ストライプと、
   前記ＦＥＴ制御エレクトレット膜ストライプそれぞれに対向するＦＥＴ制御電極対とを有し、前記ＦＥＴ制御電極対それぞれの片方を接地し、他方を５ｍｍ以下の距離でＦＥＴのゲート端子に接続し、
   そのことによって前記整流回路中において前記ＦＥＴ素子が１０ｐＡ以下の漏れ電流を有する整流素子として機能することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。

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