JP2011066961A - 発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘電体G1と;誘電体G1から所定の距離を隔てて対向する可動部G4と;可動部G4の下部に各々形成され、2電極間で誘電体G1を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレットG6及び対向電極G5と;を有して成り、エレクトレットG6と対向電極G5との間に占める誘電体G1の体積占有率が可動体G4の水平方向の変位に応じて変化したときに、対向電極G5に導入される電荷を電流として出力する発電装置であって、誘電体G1の表面に形成され、フリンジ電界が誘電体G1内に進入することを妨げるためのメタル層G2と;誘電体G1とメタル層G2を被覆するように形成され、可動体G4に対して水平な表面を持つフッ素樹脂層G3と;を有する。
【選択図】図51B
Description
近年、微小発電システムは、バッテリやスラスタなどの用途で、大きな注目を集めている。ユビキタスセンサネットワークやモバイル通信など、低消費電力用途向けのバッテリとして、振動駆動型の発電装置が報告されている。電磁型や圧電型に比べて、静電型の発電装置は、微細加工技術との整合性や数十Hz以下の低周波帯振動に対する適合性の点で有利であると考えられている。微細加工された容量性の振動駆動型発電装置については、その発電能力に関する調査結果がいくつか報告されている。なお、このような振動駆動型発電装置では、エレクトレットが利用されている。エレクトレットとは、それに注入された電荷を長期間、すなわち、半永久的に保持する素子である。本明細書中においても、エレクトレットを用いた容量性のMEMS発電装置が重点的に取り扱われている。
2.1 装置構造
本節では、概念及び動作原理について、図3A〜図3Cを参照して説明する。図3A〜図3Cは、いずれも発電原理を説明するための模式図であり、それぞれ、可動体が初期位置にある状態、可動体が水平移動された後の状態、及び、可動体が垂直移動された後の状態を示している。なお、本図中の符号B1はプルーフマス(可動体)、符号B2はエレクトレット、符号B3はベース電極、符号B4は対向電極、符号B5は強誘電体基板、符号B6はフローティング電極、及び、符号B7はフリンジ電界を示している。
外的な振動入力によって可動体B1が水平方向に移動されたとき、図3Aと図3Bとを用いて対比的に示したように、フリンジ電界B7とフローティング電極B6との相対的な配置関係が変化し、強誘電体基板B5を貫く電気力線の状態が変化する。つまり、可動体B1の初期位置(図3Aを参照)では、電気力線が強誘電体基板B5の内部に進入しやすい状態となっているが、可動体B1の水平移動後の位置(図3Bを参照)では、電気力線がフローティング電極B6によってブロックされ、強誘電体基板B5の内部に進入しにくい状態となる。この事実は、エレクトレットB2と対向電極B4との間に形成される容量C(=εrε0S/d、符号の意味については第1節を参照)が変化することを意味している。この変化は、2つの電極間に存在する誘電体と空気の体積比、すなわち、等価比誘電率εrが変化することによって生じる。
可動体B1が垂直方向に移動されたとき、図3Aと図3Cとを用いて対比的に示したように、可動体B1と基板B5との垂直距離がより小さくなると、等価比誘電率εrはより大きくなり、逆に、可動体B1と基板B5との垂直距離がより大きくなると、等価比誘電率εrはより小さくなる。従って、水平方向の振動時と同様の原理に基づいて発電することができる。
3.1 シミュレーション条件
本節では、先述の動作原理を理論的に確認する。フリンジ電界を分析的に演算することは困難である。そこで、容量変化とプルーフマスの移動量との関係を知るために、FEMシミュレーションを実施した。FEMソフトウェアとしては、Comsol社製のFEMLABを採用した。シミュレーション条件は図4に示されている。なお、図4中の符号は図3A〜図3C中の符号と同様であり、符号B1がプルーフマス(素材:パリレン(εr=3.15)、符号B2がエレクトレット(素材:CYTOP(εr=2.1)、表面電圧:−300V)、符号B3がベース電極(0V)、符号B4が対向電極(0V)、符号B5が基板(素材:PZT(εr=2,600)、または、SiO2(εr=3.1))、符号B6がフローティング電極である。また、符号B8はギャップ間に存在する空気である。図4に示すように、今回のFEMシミュレーションでは、対称性を考慮に入れて、2次元(2D)モデルを採用した。構造、素材、及び、寸法については、実際の発電装置用に設計された具体的な製造プロセス(詳細は第4節にて詳述)を参照している。
電気力線と電位の分布に関するシミュレーション結果から、電気力線は、部分的にフローティング電極B6にブロックされながらも、強誘電体基板B5に確実に進入していることを確認することができた。
MEMS発電システムの概要は、図7に示されている。なお、本図に示すMEMS発電システムは、X、Y、Z方向用として、3つの発電装置C1、C2、C3を含んでいる。また、本図中の符号D1はプルーフマス(可動体)、符号D2は梁部、符号D3はエレクトレット、符号D4は対向電極、符号D5はフローティング電極を示している。
本節では、所定量の電荷をCYTOPフィルムに注入する一つの予備実験が行われている。もちろん、電荷がCYTOPフィルムに注入され得ることについては、すでに他の研究によって確認されている。そこで、ここで記載されている結果は、我々の研究室で現在使用可能な装置による充電能力を確かめるための一種のフォローアップ研究である。
上記で説明したように、本明細書中には、エネルギーハーベスティングを目的として、表面マイクロマシニングが可能な容量性発電装置が提案されている。その発電装置では、交互に配列されたエレクトレットと対向電極がプルーフマスの下部において、同一表面に設けられている。この発電装置は、1,000以上の大きな比誘電率を有する強誘電体基板中に形成されるフリンジ電界を利用する。
図11は、本発明の第1実施形態による発電装置の構造を示した斜視図である。図12は、図11のα1−α1線に沿った断面図である。図13は、図11に示した本発明の第1実施形態による発電装置の平面図である。図14〜図17は、本発明の第1実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。まず、図11〜図17を参照して、本発明の第1実施形態による発電装置50の構造について説明する。
図29は、本発明の第2実施形態による発電装置の構造を示した斜視図である。図30は、図29のα2−α2線に沿った断面図である。図31は、図29に示した本発明の第2実施形態による発電装置の平面図である。図32〜図35は、本発明の第2実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。まず、図29〜図35を参照して、本発明の第2実施形態による発電装置60の構造について説明する。
また、上記第2実施形態では、4つの梁部によってプルーフマスを支持する構成について示したが、本発明はこれに限らず、セラミック基板の上面に対して平行な所定方向に、プルーフマスを移動させることが可能であれば、プルーフマスを支持する梁部の構成は、上記実施形態による構成以外の構成であってもよい。たとえば、図49に示すように、プルーフマス34を支持する梁部39を、矢印X方向に撓むように構成してもよい。
また、上記第2実施形態では、発電装置を、セラミック基板の上面に対して平行な矢印X方向の振動から発電可能に構成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、1つのセラミック基板上に複数の発電装置を形成することによって、複数方向の振動から同時に発電可能に構成してもよい。たとえば、図50に示すように、少なくとも、セラミック基板1の上面に対して平行な矢印X方向および矢印Y方向の振動からそれぞれ発電する2つの発電装置60と、セラミック基板1の上面に対して垂直方向の振動から発電する発電装置50とを、1つのセラミック基板1上に形成することによって、3軸方向の振動から同時に発電可能に構成してもよい。
次に、上記で説明した発電装置(特に水平振動から発電する第2実施形態の発電装置)の第3変形例について、詳細に説明する。図51A及び図51Bは、いずれも、本発明の第3変形例による発電装置の構造を示す断面図である。なお、図51Aの発電装置では、図3A〜図3Cと同じく、メタル層(フローティング電極)G2が強誘電体基板G1の表面上に突起して形成されており、図51Bの発電装置では、図30と同じく、メタル層G2が強誘電体基板G1の表面上に埋没して形成されている。
次に、上記で説明した発電装置(特に水平振動から発電する第2実施形態の発電装置)の第4変形例について詳細に説明する。図52A及び図52Bは、それぞれ、本発明の第4変形例による発電装置の発電原理を説明するための模式図である。なお、図52Aは、可動体H1が初期位置に存在する様子を示しており、図52Bは、可動体H1が水平移動された後の様子を示している。また、図52A及び図52Bの左側には、それぞれ、発電装置の概念及び動作原理を模式的に示した等価回路が描写されている。
A2 エレクトレット
A3 パリレン
A4 PZT板
A5 対向電極
B1 プルーフマス(可動体)
B2 エレクトレット
B3 ベース電極
B4 対向電極
B5 強誘電体基板
B6 フローティング電極
B7 フリンジ電界
B8 空気
C1 発電装置(X方向用)
C2 発電装置(Y方向用)
C3 発電装置(Z方向用)
D1 プルーフマス(可動体)
D2 梁部
D3 エレクトレット
D4 対向電極
D5 フローティング電極
E1 シリコンウェハ
E2 接着剤(PDMS)
E3 PZT板(強誘電体基板)
E4 アルミニウム(フローティング電極)
E5 アモルファスシリコン(犠牲層)
E6 スロット(溝)
E7 ディンプル(窪み)
E8 パリレン
E9 CYTOPフィルム(エレクトレット)
E10 アルミニウム(対向電極)
E11 パリレン
E12 アルミニウム(ベース電極)
E13 パリレン
E14 SU−8層
F1 シリコンウェハ
F2 パリレン
F3 CYTOPフィルム
F4 放電シミュレータ
F5 スイッチ
G1 強誘電体基板
G2 メタル層(フローティング電極)
G3 保護層
G4 可動体
G5 対向電極
G6 エレクトレット電極
H1 可動体
H2 エレクトレット
H3 ベース電極
H4 対向電極
H5 強誘電体基板
H6 溝部(トレンチ部)
H7 フリンジ電界
I1 可動体
I2 強誘電体基板
I3 溝部(トレンチ部)
I3’ シリカ層
I4 保護層
1 セラミック基板
2、22 強誘電体層(誘電体層)
3、23 枠体部
3a、23a 開口部
4、24 プルーフマス(可動部)
5 グレーズ層
6 配線層
7、27 第1電極(対向電極)
7a、27a 櫛歯部
7b、27b 接続部
7c、27c パッド電極
8、28 第2電極(エレクトレット)
8a、28a 櫛歯部
8b、28b 接続部
8c、28c パッド電極
9、29 梁部
10 フリンジ電界
11、31 犠牲層
11a、31a 溝部(スロット)
40 メタル層(フローティング電極)
50 発電装置(Z方向用)
60 発電装置(X方向用/Y方向用)
Claims (15)
- 誘電体と;
前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と;
前記可動部の前記誘電体側に各々形成され、2電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と;
を有して成り、
前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、
前記誘電体の可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるためのメタル層と;
前記誘電体と前記メタル層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜と;
を有して成ることを特徴とする発電装置。 - 前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に突起して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
- 前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に埋没して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
- 誘電体と;
前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と;
前記可動部の誘電体側表面に各々形成され、2電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と;
を有して成り、
前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、
前記誘電体は、その可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるための溝部を有して成ることを特徴とする発電装置。 - 前記溝部の内部に積層され、前記誘電体の可動部側表面を平坦化するシリカ等の低誘電率層を有して成ることを特徴とする請求項4に記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記シリカ等の低誘電率層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜を有して成ることを特徴とする請求項5に記載の発電装置。
- 前記可動部の支持部材として、厚み方向の長さが幅方向の長さよりも大きい梁部を有して成ることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の発電装置。
- 前記エレクトレットと前記対向電極は、複数の櫛歯部を有する櫛歯状にそれぞれ形成されており、平面的に見て、互いの櫛歯部が所定の間隔を隔てて交互に配列されていることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の発電装置。
- 前記エレクトレットに対して所定量の電荷を接触式放電によって注入するためのエレクトレット端子を有して成ることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれかに記載の発電装置。
- 前記誘電体は、1,000以上の比誘電率を有することを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域は、低真空状態とされていることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれかに記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域には、所定の気体が充填されていることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれかに記載の発電装置。
- 前記所定の気体は、空気、不活性ガス、或いは、放電防止効果を有するガスのいずれ一であることを特徴とする請求項12に記載の発電装置。
- 前記放電防止効果を有するガスの主成分はSF6であることを特徴とする請求項13に記載の発電装置。
- 表面マイクロマシニング技術を用いて製造されることを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれかに記載の発電装置。
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