JP2018088777A - 振動発電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】Ｑ値を低下させることなく、広帯域の周波数応答を可能にする。
【解決手段】外部から印加される機械的な振動エネルギーにより所定の振動方向に振動することが可能であって、振動方向に沿う第１の面を備える可動側部と、可動側部の第１の面と所定の間隔を隔てて対向する第２の面を備え、振動エネルギーに対しても位置固定するように構成されている固定側部とを備える。可動側部の第１の面及び固定側部の第２の面のそれぞれには、振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部が振動の方向に櫛歯状に配列されて形成されている。固定側部の少なくとも第１の面、または、可動側部の少なくとも第２の面の少なくとも一方の面にはエレクトレット膜が形成される。可動側部のバネ定数が、可動側部と固定側部との間に働く静電力により、振動方向の位置の関数として変調されているように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、エレクトレットを用いた静電誘導作用により機械的な振動エネルギーを電力に変換する静電方式の振動発電デバイスに関する。

近年、歩行による振動、自動車走行による振動、橋梁振動、風力発電時の低周波振動などの環境振動の振動エネルギーを電力に変換することができる振動発電デバイスの実用化に向けての研究開発が進められている。

この種の振動発電デバイスとしては、電磁方式、圧電方式、静電方式等が知られているが、電磁方式に比べて微小小型化が容易、圧電方式に必要なＰＺＴ（Piezoelectric Transducer）などの鉛などの有毒物質を含まない、などの理由で静電方式の振動発電デバイスが注目されている。この種の静電方式の振動発電デバイスとしては、例えば特許文献１（ＷＯ２０１１／０８６８３０号公報）や特許文献２（特開２０１１−３６０８９号公報）などに提案されているものが知られている。

特許文献１に記載されている静電誘導型発電装置においては、第１の基板と第２の基板とが所定の間隔を隔てて互いに対向し、その対向する状態を保ったまま相対的に移動可能に構成されている。そして、第１の基板には、複数個の短冊状のエレクトレットが前記相対的な移動方向に配列されるように形成され、第２の基板には、第１の基板のエレクトレットと対向するように、第１の電極と第２の電極とが形成されており、エレクトレットと第１の電極との間の静電容量及びエレクトレットと第２の電極との間の静電容量が、前記相対的な移動により変化することにより、電力が出力されるように構成されている。

また、特許文献２には、基板上に形成されたエレクトレット膜を有する第１の電極と、この第１の電極とエアギャップを隔てて対向し複数の開口部を有する第２の電極とを備え、第２の電極が振動移動することで、第１の電極のエレクトレット膜と第２の電極との静電容量が変化することにより、電力が出力されるように構成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System；微小電気機械システム）デバイスが開示されている。

これらの特許文献１，特許文献２に開示されている振動発電デバイスは、いずれもデバイス自身に特有の特定の周波数における共振の鋭さの値であるＱ値（クォリティファクタ）が高い構造となっている。従来の振動発電デバイスの共振周波数のおける半値幅の周波数範囲は、例えば５Ｈｚ以下となるような高いＱ値を有するものとされている。すなわち、これらの特許文献１，特許文献２に開示されている振動発電デバイスは、Ｑ値が高い特定周波数での振動を効率良く電力に変換することができる構造に設定されているので、外部の振動エネルギーによる励振周波数が、その特定周波数に一致しているときには、無駄なく振動発電することができる。

ＷＯ２０１１／０８６８３０号公報 特開２０１１−３６０８９号公報

ところで、上述したような環境振動は、一般的に、周波数スペクトルとしては、一つの周波数でピークを有するものではなく、広い周波数範囲において分布している。しかし、上述した特許文献１や特許文献２に開示されているような振動発電デバイスでは、周波数応答は、共振周波数に限られるため、環境振動の内の限られた振動周波数成分のみしか発電に利用することができず、振動周波数の利用効率が悪いという問題がある。

広い周波数範囲に亘って周波数応答して振動するように構成するには、振動発電デバイスのＱ値を下げて、共振周波数における半値幅の周波数範囲を広くするという手法も採用されている。しかし、振動発電デバイスのＱ値を下げるのは、共振感度を下げて、外部からの振動エネルギーに対する損失を大きくすることになる。この種の環境振動を用いて発電を行う振動発電デバイスは、元来、共振感度が低いものであり、更に感度を下げて外部からの振動エネルギーに対する損失を大きくすることは、好ましくない。

この発明は、以上の問題点を解決することができるようにした振動発電デバイスを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、
外部から印加される振動エネルギーにより所定の振動方向に振動することが可能なように構成されており、前記振動方向に沿う第１の面を備える可動側部と、
前記可動側部が前記振動方向に振動することが可能なように、前記可動側部の前記第１の面と所定の間隔を隔てて対向する第２の面を備え、前記振動エネルギーに対しても位置固定するように構成されている固定側部と、
を備え、
前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれには、前記振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部が前記振動方向に櫛歯状に配列されて形成されていると共に、
前記固定側部の少なくとも前記第１の面、または、前記可動側部の少なくとも前記第２の面の少なくとも一方の面には、所定のエレクトレット電位とされたエレクトレット膜が形成され、
前記可動部側のバネ定数が、前記可動側部と前記固定側部との間に働く静電力により、前記振動方向の位置の関数として変調されているように構成されている
ことを特徴とする振動発電デバイスを提供する。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、
前記エレクトレット電位の値と、前記固定側部の前記複数個の突部及び前記可動側部の前記複数個の突部の配列周期と、前記可動側部の振動移動により前記固定側部と前記可動側部との間に生じる静電容量の最大値と最小値との差の値とが、前記可動側部の自由振動時のバネ定数に対して、前記可動側部と前記固定側部との間で生じる静電力による前記可動側部自身が備えるバネ定数の低下効果を有するように選定されている
ことを特徴とする振動発電デバイスを提供する。

さらに、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、
前記固定側部と前記可動側部とが半導体基板から形成されたＭＥＭＳデバイスである
ことを特徴とする振動発電デバイスを提供する。

上述の構成の請求項１の発明による振動発電デバイスにおいては、エレクトレット電位により可動側部の突部と固定側部の突部との間に働く静電力は、振動に応じて、可動側部の固定側部に対する位置が変化するために変化する。この静電力が、可動側部の自由振動（静電力が存在せずに、可動側部が自由に振動）の際のバネ定数（弾性定数）に影響を及ぼすような値になるように構成することにより、請求項１の発明の振動発電デバイスは、可動部側のバネ定数が、可動側部と前記固定側部との間に働く静電力により、振動方向の位置の関数として変調されているように構成されていることになる。

ところで、振動デバイスの振動周波数ｆは、振動デバイスの可動側部の質量をｍと、可動側部のバネ定数をｋとしたとき、周知のように、
ｆ∝ｋ／ｍ ・・・ （式１）
である。

特許文献１や特許文献２などの振動発電デバイスでは、可動側部の自由振動のバネ定数に対して静電力による影響は無視できる程度であるので、可動側部のバネ定数ｋは、当該可動側部の自由振動のバネ定数にほぼ等しくなり、当該振動発電デバイスの共振周波数は、当該可動側部の自由振動のバネ定数に等しいバネ定数ｋで定まる特定周波数となっている。

これに対して、この発明の振動発電デバイスにおいては、可動部側のバネ定数ｋが、可動側部と固定側部との間に働く静電力により、振動方向の位置の関数として変調されている。すなわち、（式１）におけるバネ定数ｋが、振動方向の位置に応じて変化することになり、この発明の振動発電デバイスの振動周波数ｆは、そのバネ定数の変化に応じた広い周波数となる。

この場合に、この発明による振動発電デバイスにおいては、そのＱ値を低下させることはないので、外部の振動エネルギーに対する損失を大きくすることなく、応答する振動周波数の帯域を広帯域にすることができる。

請求項２の発明においては、エレクトレット電位の値と、固定側部の複数個の突部及び可動側部の複数個の突部の配列周期と、可動側部の振動移動により固定側部と可動側部との間に生じる静電容量の最大値と最小値との差の値とが選定されて、隣り合う突部同士の振動移動においては、可動側部と固定側部との間で生じる静電力によって、可動側部の自由振動時のバネ定数の低下効果（ソフトスプリング効果と称する）を有するようにされている。

すなわち、請求項２のように、エレクトレット電位の値と、固定側部の複数個の突部及び可動側部の複数個の突部の配列周期と、可動側部の振動移動により固定側部と可動側部との間に生じる静電容量の最大値と最小値との差の値とを選定しておくことにより、可動側部の自由振動時のバネ定数の低下効果が得られるので、振動発電デバイスの周波数の広帯域化を有効に図ることができると共に、可動側部を振動し易くことができるという効果がある。

請求項３の発明においては、振動発電デバイスが、ＭＥＭＳデバイスとされている。したがって、微小小型という環境発電素子として、有益なデバイスを提供することが可能となる。

この発明の振動発電デバイスによれば、可動部側のバネ定数ｋが、可動側部と固定側部との間に働く静電力により、振動方向の位置の関数として変調されているので、（式１）におけるバネ定数ｋが、振動方向の位置に応じて変化することになり、可動側部の振動周波数ｆは、そのバネ定数の変化に応じた広い周波数となる。

そして、この発明による振動発電デバイスにおいては、そのＱ値を低下させることはないので、外部の振動エネルギーに対する損失を大きくすることなく、振動周波数の帯域を広帯域にすることができる。

この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の構成例を説明するための全体斜視図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態を用いた充電回路の一例を示す図である。 この発明による振動発電デバイスの第２の実施形態の構成例を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第２の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第２の実施形態における周波数特性を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの実施形態を説明するために用いる数式を示す図である。 この発明による振動発電デバイスの第２の実施形態における周波数特性を説明するための図である。

以下、この発明による振動発電デバイスの実施形態を、図を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
先ず、この発明による振動発電デバイスの原理的な構成例を、第１の実施形態として示す。以下に示す実施形態の振動発電デバイスは、半導体製造プロセスにより製造されるＭＥＭＥＳデバイスとして構成される場合の例である。

図１は、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０の全体の構成例を説明するための斜視図を示すものである。この第１の実施形態の振動発電デバイス１０は、半導体基板１に対して、後述するような半導体製造プロセスが実行されることにより形成される可動側部２と、固定側部３Ａ，３Ｂと、可動側部２を支持する支持梁部４Ｌ，４Ｒとからなる。

可動側部２は、断面が矩形の細長状に形成されており、図１において矢印ＡＲで示すように、当該可動側部２の長手方向を振動方向として振動可能なように構成されている。すなわち、この可動側部２の振動方向である長手方向の両端は、半導体基板１から半導体製造プロセスにより形成された支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒにより、可動側部２が振動可能となるように支持されている。なお、この例では、この可動側部２の振動方向は、図１において、半導体基板１の基板面に直交する方向（図１で矢印Ｂで示す方向）とは直交する方向、つまり、半導体基板１の基板面に沿う方向とされている。

支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒのそれぞれは、振動方向に直交する方向に設けられている２枚の薄板状部４１，４２及び薄板状部４３，４４からなる支持梁の構成とされている。支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒのそれぞれは、半導体基板１において、可動側部２の振動方向の両側に形成されている空間５Ｌ及び空間５Ｒの周囲を取り囲むように半導体基板１に形成されている支持梁保持部６Ｌ及び支持梁保持部６Ｒに取り付けられている。

可動側部２の長手方向の両端部２ａ及び２ｂは、２枚の薄板状部４１，４２及び薄板状部４３，４４の中央部分で支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒと結合されて、振動方向に移動可能とされている。

支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒのそれぞれは、１枚の薄板状部で構成することもできるが、複数枚、この例では２枚の薄板状部４１，４２及び薄板状部４３，４４で構成することにより、可動側部２の振動方向が偏向しづらくなるようにすると共に、可動側部２が対向する固定側部３Ａ，３Ｂと接触せずに、安定して矢印ＡＲの方向に振動することができるようにしている。

固定側部３Ａ，３Ｂは、この例では、可動側部２の振動方向に直交する方向に、可動側部２を挟むような位置に設けられている。この場合に、固定側部３Ａ，３Ｂのそれぞれは、図１において矢印Ｂで示す基板面に直交する方向に沿う方向であって、可動側部２の振動方向に沿う方向の面３１Ａ及び面３１Ｂを有するように構成されている。そして、固定側部３Ａの面３１Ａは、可動側部２の基板面に直交する方向に沿う方向であって、可動側部２の振動方向に沿う方向の面２１と所定の間隔を隔てて対向する状態となるようにされている。また、固定側部３Ｂの面３１Ｂは、可動側部２の基板面に直交する方向に沿う方向であって、可動側部２の振動方向に沿う方向の面２２と所定の間隔を隔てて対向する状態となるようにされている。なお、面２１、面２２、面３１Ａ、面３１Ｂは、以下の説明においては、対向面２１、対向面２２、対向面３１Ａ、対向面３１Ｂと称する。

そして、可動側部２の対向面２１及び対向面２２には、振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部２３及び突部２４が、振動方向に沿う方向に櫛歯状に配列されて形成されていると共に、固定側部３Ａの対向面３１Ａ及び固定側部３Ｂの対向面３１Ｂにも、振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部３２Ａ及び突部３２Ｂが、振動方向に沿う方向に櫛歯状に配列されて形成されている。この例の場合、突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂは、同様の構成を備えるようにされており、この例では、断面が矩形の突条が矢印Ｂ方向に延伸するように形成されている。

図２は、固定側部３Ａと可動側部２との対向部分の一部を、図１の矢印Ｂの方向に、可動側部２の振動方向に直交する上方から見た図である。この図２に示すように、この例では、可動側部２の対向面２１に形成されている複数個の突部２３と、固定側部３Ａの対向面３１Ａに形成されている複数個の突部３２Ａとは、全て同様の寸法に形成されていると共に、振動方向に沿う方向の配列ピッチも同様に形成されている。

この例の場合、図２に示すように、可動側部２の突部２３及び固定側部３Ａの突部３２Ａの振動方向に沿う方向の幅は、共に同じ幅Ｗｔとされていると共に、突部２３及び突部３２Ａの振動方向に直交する方向の長さ（突部２３及び突部３２Ａの高さ）は、共に同じ長さＨとされている。そして、可動側部２の突部２３及び固定側部３Ａの突部３２Ａの振動方向に沿う方向の配列周期は、所定の長さＬとされている。したがって、隣接する突部２３及び突部３２Ａの間は、Ｗｂ＝Ｌ−Ｗｔだけ隔てられている。

さらに、可動側部２の突部２３の振動方向に直交する方向の端面と、固定側部３Ａの突部３２Ａの振動方向に直交する方向の端面とは、所定の空隙ｇを隔てているように構成されている。なお、可動側部２の突部２３が形成されている対向面２１（突部２３の付け根位置）と、固定側部３Ａの突部３２Ａが形成されている対向面３１Ａ（突部３２Ａの付け根位置）との間は、距離Ｄだけ隔てられている。

この例では、Ｗｔ＝２０μｍ、Ｗｂ＝４０μｍ、Ｌ＝６０μｍ、Ｈ＝４２．５μｍ、ｇ＝５μｍ、Ｄ＝９０μｍとされている。そして、振動発電デバイスとしては、可動側部２の振動方向の長さが、例えば１２ｍｍ、振動方向に直交する方向の長さが、例えば８ｍｍとされている。

なお、振動発電デバイス１０の可動側部２の突部２３，２４の個数と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂの個数は、図１及び図２では、作図の便宜上、５〜６個程度となっているが、その個数は、実際的には、より多数である。

なお、図示は省略するが、固定側部３Ｂの対向面３１Ｂに形成されている複数個の突部３２Ｂと、可動側部２の対向面２２に形成されている複数個の突部２４との関係も、図２と同様に構成されている。この場合に、この例では、可動側部２の対向面２１に形成されている突部２３と固定側部３Ａの対向面３１Ａに形成されている突部３２Ａとの位置関係（対向位相関係）が図２に示すような状態のときには、可動側部２の対向面２２に形成されている突部２４と固定側部３Ｂの対向面３１Ｂに形成されている突部３２Ｂとの位置関係（対向位相関係）も同様の状態となるようにされている。すなわち、可動側部２の突部２３と固定側部３Ａの突部３２Ａとの対向位相関係と、可動側部２の突部２４と固定側部３Ｂの突部３２Ｂとの対向位相関係は同相となるようにされている。

以上のように可動側部２の突部２３，２４と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂとは、その先端面が対向する状態でも、空隙ｇが存在するように構成されているので、可動側部２は、固定側部３Ａ，３Ｂに対して、前記空隙ｇの間隔を保って、図１の矢印ＡＲで示す振動方向に振動移動することが可能とされている。

そして、後述するように、この実施形態では、固定側部３Ａ，３Ｂまたは可動側部２の一方には、エレクトレット膜が形成され、そのエレクトレット膜が形成されている固定側部３Ａ，３Ｂまたは可動側部２の一方は、所定のエレクトレット電位Ｅとされる。この例では固定側部３Ａ，３Ｂにエレクトレット膜が形成されて、固定側部３Ａ，３Ｂは、例えば−４００ボルトのエレクトレット電位Ｅとされる。なお、固定側部３Ａ，３Ｂと可動側部２とは、後述するように、半導体基板の絶縁層により、互いに電気的に絶縁されている。

そして、図１に示すように、可動側部２には、その振動方向の両端部において電極２５及び電極２６が形成されると共に、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂには、可動側部２の振動方向に直交する方向の端部において電極３３Ａ及び電極３３Ｂが形成される。これら電極２５及び電極２６、電極３３Ａ及び電極３３Ｂは、振動発電デバイス１０を充電回路と接続する際の接続端子電極となる。

以上のように構成されているので、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂと可動側部２との間には、可動側部２の振動に応じて変化する静電容量が得られる。図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、可動側部２が振動するときにおける対向面２１の突部２３と、固定側部３Ａの対向面３１Ａの突部３２Ａとの対向位相関係と、その時の静電容量との関係を説明するための図である。なお、可動側部２が振動するときにおける対向面２２の突部２４と、固定側部３Ｂの対向面３１Ｂの突部３２Ｂとの対向位相関係と、その時の静電容量との関係も同様であるので、ここでは説明は省略する。

すなわち、図３（Ａ）は、可動側部２の突部２３が固定側部３Ａの隣り合う突部３２Ａの中央に位置する場合であり、突部２３と突部３２Ａとの先端の端面は、振動方向に直交する方向において全く対向しない状態である。この図３（Ａ）の状態では、可動側部２の突部２３の先端の端面は、距離Ｄだけ隔てた固定側部３Ａの対向面３１Ａに対向する状態となっており、可動側部２と固定側部３Ａとの間の静電容量は最小値Ｃｍｉｎになる。

また、図３（Ｃ）は、可動側部２の突部２３の先端の端面と固定側部３Ａの突部３２Ａの先端の端面とが、振動方向に直交する方向において全体的に対向する状態である。この図３（Ｃ）の状態では、可動側部２の突部２３の先端の端面と固定側部３Ａの対向面３１Ａの先端の端面とが狭い空隙ｇを介して対向する状態となっており、可動側部２と固定側部３Ａとの間の静電容量は最大値Ｃｍａｘになる。

また、図３（Ｂ）は、可動側部２の突部２３の先端の端面と固定側部３Ａの突部３２Ａの先端の端面とが、振動方向に直交する方向において部分的に対向する状態である。この図３（Ｂ）の状態は、図３（Ａ）の状態と、図３（Ｃ）の状態との中間の状態であり、可動側部２と固定側部３Ａとの間の静電容量は、最小値Ｃｍｉｎと最大値Ｃｍａｘとの間の中間値Ｃｍｉｄになる。

この例においては、可動側部２の対向面２１と、固定側部３Ａの対向面３１Ａとの距離Ｄに対して、可動側部２の突部２３の先端の端面と固定側部３Ａの突部３２Ａの先端の端面とが対向するときの空隙ｇは非常に狭いので、静電容量の最小値Ｃｍｉｎと最大値Ｃｍａｘとの差Ｃｄｅｆは、大きい値となる。そして、さらに、可動側部２の突部２３と、固定側部３Ａの突部３２Ａとのそれぞれの幅Ｗｔと、高さＨとは、差Ｃｄｅｆが最大となるように選定されている。すなわち、幅Ｗｔが定められたときに、差Ｃｄｅｆが最大となる高さＨは定まり、その高さＨよりも高くしても差Ｃｄｅｆを、それより大きくすることができないものである。

以上のように構成されるこの実施形態の振動発電デバイス１０において、可動側部２に加わる力Ｆを、可動側部２と、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂとの間に働く静電力を考慮したモデル式として示すと、図１２に示す（式２）のようになる。

この（式２）のモデル式において、ｖは、可動側部２の振動速度、ｋは、支持梁部４Ｌ，４Ｒにより支持された可動側部２が静電力に関係なく自由振動するときのバネ定数（弾性定数）、ｘは、突部２３，２４，３２Ａ，３２Ｂの振動方向に沿う方向の配列周期Ｌの１周期内における可動側部２の位置、つまり、可動側部２の振動方向の位置、をそれぞれ示している。

この（式２）の第３項は、可動側部２と固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂとの間で働く静電力を考慮したときの、支持梁部４Ｌ，４Ｒにより支持された可動側部２のバネ定数に関する値を意味しており、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０においては、支持梁部４Ｌ，４Ｒにより支持された可動側部２が静電力に関係なく自由振動するときのバネ定数ｋと、静電力に関係する成分との差に応じたものとなっている。そして、この（式２）の第３項における静電力に関係する成分は、位置ｘの関数となっている。

したがって、この（式２）の第３項から明らかなように、上述した構成の第１の実施形態の振動発電デバイス１０においては、支持梁部４Ｌ，４Ｒにより支持された可動側部２のバネ定数は、可動側部２と固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂとの間で働く静電力に応じて、位置ｘの関数として変調されていることが分かる。

前述の（式１）で示したように、振動発電デバイスの振動の周波数は、バネ定数ｋに比例する周波数となる。そして、この実施形態の振動発電デバイス１０の場合、支持梁部４Ｌ，４Ｒにより支持された可動側部２のバネ定数は、可動側部２と固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂとの間で働く静電力に応じて、位置ｘの関数として変調されているから、当該バネ定数は一定ではなく、位置ｘに応じて変化するものとなる。したがって、（式１）で表される、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０の共振周波数ｆは、ｋが一定である場合のような特定の周波数ではなく、位置ｘに応じて変化するので、広帯域の周波数となる。

そして、（式２）の第３項においては、ｃｏｓ（２π／Ｌ）ｘが正の値であるときには、可動側部２と固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂとの間で働く静電力に関係する成分により、支持梁部４Ｌ，４Ｒにより支持された可動側部２のバネ定数は、当該可動側部２が静電力に関係なく自由振動するときのバネ定数ｋよりも低減される。つまり、可動側部２は、より容易に振動し易くなる。これはソフトスプリング効果と呼ばれる現象であり、例えば公知文献（JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM. VOL.20.NO.6.DECEMBER 2011）に開示されている。この公知文献に開示されているように、このソフトスプリング効果は、振動発電デバイスの周波数の広帯域化に寄与する。

この場合に、より有効にソフトスプリング効果を得るには、（式２）の第３項において、バネ定数ｋから減算する項の値を、バネ定数ｋに対して無視できない値にする方が良い。そこで、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、エレクトレット膜のエレクトレット電位Ｅの値と、可動側部２の突部２３及び固定側部３Ａの突部３２Ａの振動方向に沿う方向の配列周期Ｌと、可動側部２と固定側部３Ａ、３Ｂとの間の静電容量の最小値Ｃｍｉｎと最大値Ｃｍａｘとの差Ｃｄｅｆの値とは、（式２）の第３項において、バネ定数ｋから減算する項の値が、当該バネ定数ｋに対して無視できない値になるように選定されている。可動側部２と固定側部３Ａ、３Ｂとの間の静電容量の最小値Ｃｍｉｎと最大値Ｃｍａｘとの差Ｃｄｅｆは、主として、前記空隙ｇ、前記幅Ｗｔや前記距離Ｄの値に基づいて定まるものであり、空隙ｇが小さいほど値が大きくなるものである。

この場合に、「（式２）の第３項において、バネ定数ｋから減算する項の値が、当該バネ定数ｋに対して無視できない値」とは、バネ定数ｋと同等の桁数あるいは違いが１桁程度を言い、バネ定数ｋと２桁以上異なる値は含まない意味である。

上述した例のエレクトレット電位Ｅの値、配列周期Ｌ、また、空隙ｇや距離Ｄの値は、上記のソフトスプリング効果を良好に得るために、「（式２）の第３項において、バネ定数ｋから減算する項の値が、当該バネ定数ｋに対して無視できない値」となるように選定された値である。ちなみに、この第１の実施形態の振動発電デバイスの場合、例えばバネ定数ｋが７９０Ｎ／ｍに対して、上述の実施形態の振動発電デバイス１０の場合の前記（式２）の第３項におけるｃｏｓの係数である２π^２Ｅ^２Ｃｄｅｆ／Ｌ^２の値は、８３０Ｎ／ｍとなる。

以上のことから、この実施形態の振動発電デバイス１０では、前記（式２）の第３項におけるｃｏｓの値が正である微小振動範囲では、ソフトスプリング効果により、広い範囲に存在する微弱な環境振動エネルギーに応答して、振動して、効率良く、振動発電することができる。

なお、この実施形態の振動発電デバイス１０では、前記（式２）の第３項におけるｃｏｓの値が正である微小振動範囲でのみ振動するのではなく、外部からの振動エネルギーが大きければ、より大きな振幅の振動をすることができるように構成されており、その場合にも、可動側部２と固定側部との間の静電容量の変化に応じた発電出力が得られるのは、通常の静電容量方式の振動発電デバイスと同様である。

なお、図１において、７は錘であり、この錘７は、半導体基板１から作成されるのではなく、別途に作成されて、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０の可動側部２の上に装着されるものである。この錘７を可動側部２の上に載せることで、可動側部２の質量ｍを大きくして、振動発電デバイス１０の振動発電による出力Ｐ（後述の(式３)参照）を大きくすることができる。

以上のように、上述の実施形態の振動発電デバイス１０は、上述のように、可動側部２と固定側部３の、可動側部２の振動方向に沿う方向の対向面２１、２２と固定側部３Ａ，２２と，３Ｂとの対向面３１Ａ，３１Ｂとに、前記振動方向に沿う方向に櫛歯状に突部２３，２４及び突部３２Ａ，３２Ｂを配列する構成を備えることにより、（式２）のモデル式に示すように、可動側部２のばね定数が、振動方向の位置ｘの関数として変調される構成となるようにしたので、広帯域の振動周波数を有する振動発電デバイスとなる。

そして、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、エレクトレット膜のエレクトレット電位Ｅの値と、可動側部２の突部２３及び固定側部３Ａの突部３２Ａの振動方向に沿う方向の配列周期Ｌと、可動側部２と固定側部３Ａ、３Ｂとの間の静電容量の最小値Ｃｍｉｎと最大値Ｃｍａｘとの差Ｃｄｅｆの値とを（式２）の第３項において、バネ定数ｋから減算する項の値が、バネ定数ｋに対して無視できない値になるように選定されている。そのため、ソフトスプリング効果を有効に働かせることができ、振動発電デバイス１０の周波数の広帯域化を、より実際的に実現することができる。

なお、前記の公知文献においても、広帯域を図った振動発電デバイスが開示されている。しかし、前記公知文献の振動発電デバイスにおいては、櫛歯状の突部は、互いに噛み合うようにされると共に、その噛み合っている突部の高さ方向に可動側部を振動させるようにしている。つまり、可動側部は固定側部に対して近づいたり、遠ざかったりするように振動する。このため、公知文献の振動発電デバイスの場合、静電力によりプルイン現象（引き込み現象）が生じてしまい、振動が継続できない恐れがある。すなわち、所定の空隙を隔てて対向する２面間に静電力が働いているときに、可動側部が、固定側部に対して、対向する２面間の空隙の長さの１／３以上近づくと、プルイン現象が生じて、振動が停止してしまうからである。

これに対して、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、上述したように、可動側部２の対向面２１，２２に形成した櫛歯状配列の突部２３，２４と、固定側部３Ａの対向面３１Ａに形成した櫛歯状配列の突部３２Ａ及び固定側部３Ｂの対向面３１Ｂに形成した櫛歯状配列の突部３２Ｂとの間には、空隙ｇが設けられており、可動側部２は、対向面２１，２２，３１Ａ，３１Ｂの面に沿う方向に振動移動する構成である。したがって、この実施形態の振動発電デバイス１０は、可動側部２は、固定側部３Ａ，３Ｂとの間に、最低限として空隙ｇの距離を保って、当該空隙ｇの方向とは直交する方向に振動移動するので、プルイン現象は生じない。したがって、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、原理的には可動側部２の振動の振幅に制限を設ける必要はないというメリットがある。

［第１の実施形態の振動発電デバイスの製法］
この第１の実施形態の振動発電デバイス１０は、前述したように、半導体基板１に対して施される半導体プロセスにより形成されるＭＥＭＳデバイスである。半導体基板の例としては、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、セラミック基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることができる。以下に説明するこの実施形態の振動発電デバイス１０についての半導体製造プロセスの例においては、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いている。

図４〜図７は、この実施形態の振動発電デバイス１０についての半導体製造プロセスの例を示す図である。

半導体プロセスの実行に先立ち、ＳＯＩ基板からなる半導体基板１を用意する。最終的には、半導体基板１からエッチングにより振動発電デバイス１０を分離する。以下の説明では、便宜上、その分離された１つの振動発電デバイス１０についてプロセスを説明することとする。図４（Ａ）は、１つの振動発電デバイス１０についての半導体基板１を示すもので、横方向の長さＸが、例えば１２ｍｍ、縦方向の長さＹが、例えば８ｍｍとされている。この半導体基板１を、その基板面１ａに直交する方向に破断したときの断面図を図４（Ｂ）に示す。この図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図４（Ｂ）に示すように、半導体基板１は、基板面１ａに直交する方向に複数層が積層されており、この例では、基板面１ａを形成するＳＯＩ層１０１と、埋め込み酸化膜層１０２と、ハンドル層１０３とならなる。ＳＯＩ層１０１は、この例では、厚さが３００μｍで、比抵抗が例えば０．１ΩｃｍのＰ型シリコン層からなる。埋め込み酸化膜層１０２は、厚さが２μｍの酸化膜からなる絶縁層である。また、ハンドル層１０３は、厚さが５００μｍで、比抵抗が例えば０．１ΩｃｍのＰ型シリコン層からなる。

この半導体基板１に対して、先ず、図４（Ｃ）の断面図（図４（Ｂ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、ＳＯＩ層１０１の表面（基板面１ａ）上に、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜１０４を成膜する。この窒化シリコン膜１０４は、後において、図１に示した電極２５，２６，３３Ａ，３３Ｂを形成する位置を確保するためのものである。

窒化シリコン膜１０４は、パターニング処理されて、図４（Ｄ）及び図４（Ｅ）に示すように、電極２５，２６，３３Ａ，３３Ｂを形成する位置部分１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄのみを残して除去される。なお、図４（Ｅ）は、図４（Ａ）と同様に、半導体基板１を、その基板面１ａ側から見た図であり、図４（Ｄ）は、図４（Ｅ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

次に、図５（Ａ）においてハッチングを付して示すように、半導体基板１の基板面１ａ上にレジスト膜１０５を塗布し、かつ、その塗布したレジスト膜１０５について、可動側部２と、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂと、支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒとを形成する部分に対応する部分を残して、それらの部分をマスクするようにパターニング処理する。なお、図５（Ａ）は、図４（Ａ）と同様に、半導体基板１を、その基板面１ａ側から見た図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。

なお、振動発電デバイス１０の可動側部２の突部２３，２４の個数と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂの個数は、図５〜図７の半導体製造プロセスの図においては、作図の便宜上、５〜６個となっているが、前述したように、その個数は、実際的には、より多数である。

次に、図５（Ｃ）の断面図（図５（Ｂ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma;誘導結合プラズマ）−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）による深掘りエッチング処理を施して、ＳＯＩ層１０１の内の、レジスト膜１０５によりマスクされていない部分を、埋め込み酸化膜層１０２のところまで、エッチング除去する。

次に、レジスト膜１０５を除去する処理して、図５（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、ＳＯＩ層１０１を露呈させるようにする。なお、図５（Ｅ）は、半導体基板１を、その基板面１ａ側から見た図であり、図５（Ｄ）は、図５（Ｅ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

次に、半導体基板１の基板面１ａとは反対側の裏面１ｂ（ハンドル層１０３の露呈面）上に、図６（Ａ）においてハッチングを付して示すように、可動側部２と支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒ以外の部分をマスクするようにパターニングしたレジスト膜１０６を形成する。すなわち、半導体基板１に対して裏面レジストパターニング処理する。なお、図６（Ａ）は、半導体基板１を、その裏面１ｂ側から見た図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図である。

次に、図６（Ｃ）の断面図（図６（Ｂ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥによる深掘りエッチング処理を施して、ハンドル層１０３の内の、レジスト膜１０６によりマスクされていない部分を、埋め込み酸化膜層１０２のところまで、エッチング除去する。

次に、レジスト膜１０６を除去する処理して、図６（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、ハンドル層１０３を裏面１ｂ側に露呈させるようにする。なお、図６（Ｅ）は、半導体基板１を、その裏面１ｂ側から見た図であり、図６（Ｄ）は、図６（Ｅ）におけるＦ−Ｆ線断面図である。

次に、バッファー弗酸溶液により、埋め込み酸化膜層１０２の露呈している部分をエッチング除去する処理を施して、図７（Ａ）の断面図（図６（Ｄ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、可動側部２と支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒの部分が可動可能となるようにする。

次に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液によるバブリング酸化処理を行って、図７（Ｂ）の断面図（図７（Ａ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、カリウム含有酸化膜１０７を形成する。カリウム含有酸化膜１０７は、後述するエレクトレット膜を生成するエレクトレット化の処理のためのものであり、例えば厚さが１μｍとされる。なお、このＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液によるバブリング酸化処理については、例えば特開２０１６−８２８３６号公報の図２、図３及びその説明部分に記載の技術を用いることができる。ここではその詳細は省略する。

次に、窒化ケイ素膜１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄを、図７（Ｃ）の断面図に示すようにエッチング除去する処理をして、当該エッチング除去した部分を、前述した電極２５，２６，３３Ａ，３３Ｂとして形成する。

以上のようにして、半導体基板１から、この実施形態の振動発電デバイスの構成部分が、図７（Ｄ）に示すように作成することができる。そして、この図７（Ｄ）に示す振動発電デバイスの可動側部２または固定側部３Ａ及び３Ｂのいずれか一方にエレクトレット膜を生成するエレクトレット化処理をする。この例では、固定側部３Ａ及び３Ｂに、負に帯電させたエレクトレット膜を生成する。このエレクトレット化の処理は、例えば特開２０１３−１３２５６号公報に記載のＢｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ法を用いて行うことができる。ここではその詳細な説明は省略する。

以上のように構成された振動発電デバイス１０は、発電出力電力の最大値Ｐｍａｘとして、図１２の（式３）に示すような値を得ることができる。この（式３）において、ｍは、錘７を含めた可動側部２の質量であり、ａは加速度、ｖは振動速度、Ｑは可動側部２の共振時における尖鋭度（いわゆるＱ値（Quality factor））であり、外部励振振動の振幅に対する可動側部２の振動振幅の比である。この（式３）から明らかなように、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０においては、錘７を可動側部２の上に取り付けたことで、発電出力電力を大きくすることができる。

図８は、この実施形態の振動発電デバイス１０を用いた充電回路の回路構成例を示す図である。図８に示すように、この実施形態の振動発電デバイス１０は、可動側部２の電極２５と、固定側部３Ａの電極３３Ａとの間に生成される静電容量Ｃ１と、可動側部２の電極２６と、固定側部３Ｂの電極３３Ｂとの間に生成される静電容量Ｃ２とが、この例では並列に接続されたものとされる。したがって、この例では、振動発電デバイス１０で生成される静電容量Ｃは、Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。

そして、図８の例においては、この振動発電デバイス１０の静電容量Ｃに得られる発電出力が、この例では、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２からなる整流回路８により整流されて、その整流出力により、蓄電用キャパシタ９が充電されて、蓄電される。

［上述の第１の実施形態の変形例］
なお、上述の第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、可動側部２の振動方向に直交する方向の両側の振動方向に沿う方向の面２１，２２のそれぞれに突部２３，２４を櫛歯状に配設すると共に、面２１，２２に対向する面３１Ａ，３１Ｂを有する２個の固定側部３Ａ，３Ｂを設け、面２１，２２のそれぞれに突部３２Ａ，３２Ｂを櫛歯状に配設する構成とした。しかし、可動側部２の振動方向に直交する方向の両側を利用せずに、その片側の可動側部２と固定側部３Ａとの組み合わせ、あるいは、可動側部２と固定側部３Ｂとの組み合わせの構成とするようにしてもよい。

また、上述の第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、固定側部３Ａ及び３Ｂにエレクトレット膜を生成するようにしたが、可動側部２にエレクトレット膜を生成するようにしてもよい。

また、上述の第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、固定側部３Ａ及び３Ｂの全体に亘ってエレクトレット膜を生成するようにしたが、エレクトレット膜は、全体に生成する必要はなく、少なくとも、固定側部３Ａ及び３Ｂの対向面３１Ａ及び３１Ｂにエレクトレット膜を生成すればよい。

なお、振動発電デバイスの可動側部２または固定側部３Ａ及び３Ｂのいずれか一方にエレクトレット膜を生成するエレクトレット化処理をするようにしたが、一方に負のエレクトレット電位、他方に正のエレクトレット電位を与えるように、可動側部２及び固定側部３Ａ及び３Ｂの両方にエレクトレット膜を生成するようにしてもよい。

なお、上述の図４〜図７に示した、第１の実施形態の振動発電デバイス１０についての半導体製造プロセスは、一例であり、半導体製造プロセスは、上述の例に限られないことは言うまでもない。

［第２の実施形態］
上述の実施形態の振動発電デバイス１０では、可動側部と固定側部とで、櫛歯状に配列された突部が対向する組み合わせは１対としたが、複数対設けることにより、より高出力の振動発電デバイスを提供することができる。以下に説明する第２の実施形態の振動発電デバイスは、そのように構成した場合の一例である。

図９は、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍを、半導体基板１Ｍの基板面に直交する方向に当該基板面側から見た図である。この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍも、半導体基板１Ｍに対して、第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様の半導体製造プロセスを施すことで製造されるものである。すなわち、可動側部と固定側部とを形成する際のレジスト膜によるエッチングのマスクパターンが異なるのみで、その他はほぼ同様となる。なお、この例の振動発電デバイス１０Ｍの大きさは、振動方向の長さは、例えば２４ｍｍとされ、振動方向に直交する方向の長さは、例えば１５ｍｍとされている。厚さ方向の大きさは、第１の実施形態と同様である。

図９に示すように、この第２の実施形態においても第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様に、可動側部２Ｍに対して、当該可動側部２Ｍの振動方向に直交する方向の両側に固定側部３ＡＭと固定側部３ＢＭとが配設される構成である。

そして、可動側部２Ｍは、第１の実施形態の振動発電デバイス１０の可動側部２と同様に、支持梁部４ＬＭ及び４ＲＭで振動方向の両端が支持されて、図９中の矢印ＡＲで示す方向に振動するように構成されている。

この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍの可動側部２Ｍは、細長形状の可動主軸部２０１と、この可動主軸部２０１の長手方向のほぼ中央位置の両側から振動方向に直交する方向に伸びるアーム部２０２Ｕとアーム部２０２Ｄと、これらのアーム部２０２Ｕ及びアーム部２０２Ｄのそれぞれの左側と右側の両側から矢印ＡＲで示す振動方向に延伸する複数の可動枝部２０３ＵＬ及び２０３ＵＲと可動枝部２０３ＤＬ及び２０３ＤＲとを備える。

この例の場合、アーム部２０２Ｕは、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１から、固定側部３ＡＭの方向に張り出すように構成されている。また、アーム部２０２Ｄは、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１から、固定側部３ＢＭ側の方向に張り出すように構成されている。

そして、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲは、可動側部２Ｍの振動方向に、アーム部２０２Ｕの左側と右側の両側から、振動方向に直交する方向に互いに所定の間隔を空けて、図９の例では３本ずつが延伸するように形成されている。また、可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲは、可動側部２Ｍの振動方向に、アーム部２０２Ｄの左側と右側の両側から、図９の例では３本ずつが延伸するように形成されている。

一方、固定側部３ＡＭは、この第２の実施形態においては、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１と平行に設けられる固定主軸部３０１Ａと、その長手方向の両端から可動主軸部２０１の方向に延伸されるアーム部３０２ＡＬ及びアーム部３０２ＡＲを備える。そして、これらのアーム部３０２ＡＬ及びアーム部３０２ＡＲは、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｕに対向する面から、矢印ＡＲで示す振動方向に延伸する複数の固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲを備える。

この例の場合には、固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲは、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲの本数に合わせた３本ずつとされており、図９に示すように、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲと、固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲとが交互に噛み合うように構成されている。

また、固定側部３ＢＭは、この第２の実施形態においては、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１と平行に設けられる固定主軸部３０１Ｂと、その長手方向の両端から可動主軸部２０１の方向に延伸されるアーム部３０２ＢＬ及び３０２ＢＲとを備える。そして、これらのアーム部３０２ＢＬ及びアーム部３０２ＢＲは、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｄに対向する面から、矢印ＡＲで示す振動方向に延伸する複数の固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲを備える。

この例の場合には、固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲは、可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲの本数に合わせて３本ずつとされており、図９に示すように、可動枝部２０３ＤＬ及び２０３ＤＲと、固定枝部３０３ＢＬ及び３０３ＢＲとが交互に噛み合うように構成されている。

なお、可動枝部及び固定枝部の数は、３本ずつではなく、１本または２本でもよいし、３本よりも多数とすることも可能であることは言うまでもない。

図１０（Ａ）に、固定側部３ＡＭの左側のアーム部３０２ＡＬに形成されている固定枝部３０３ＡＬと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｕの左側に形成されている可動枝部２０３ＵＬとの噛み合い状態を説明するための一部拡大図を示す。また、図１０（Ｂ）には、固定側部３ＡＭの右側のアーム部３０２ＡＲに形成されている固定枝部３０３ＡＲと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｕの右側に形成されている可動枝部２０３ＵＲとの噛み合い状態を説明するための一部拡大図を示す。

なお、固定側部３ＢＭの左側のアーム部３０２ＢＬに形成されている固定枝部３０３ＢＬと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｄの左側に形成されている可動枝部２０３ＤＬとの噛み合い状態、また、固定側部３ＢＭの右側のアーム部３０２ＢＲに形成されている固定枝部３０３ＢＲと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｄの右側に形成されている可動枝部２０３ＤＲとの噛み合い状態は、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）と同様になる。そこで、ここでは、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲと、固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲとの関係の説明のみを行い、可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲと、固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲとの関係については、その説明は省略する。

図１０（Ａ）に示すように、可動枝部２０３ＵＬの、固定枝部３０３ＡＬと対向し、振動方向に沿う方向の面それぞれには、第１の実施形態の可動側部２の突部２３及び突部２４と同様にして、突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬが形成されている。一方、固定枝部３０３ＡＬの可動枝部２０３ＵＬに対向する面には、第１の実施形態の固定側部３Ａの突部３２Ａに対応する突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬが形成されている。

そして、この例においても、可動側部２Ｍの可動枝部２０３ＵＬに形成されている突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬと、固定枝部３０３ＡＬに形成されている突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬとは、第１の実施形態において、図２を用いて説明したのと同様の寸法関係で構成されている。すなわち、突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬ、突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬの幅Ｗｔは２０μｍ、配列ピッチＬは６０μｍ、高さＨは４２．５μｍとされ、突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬの先端面と、突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬの先端面との間の空隙ｇは、５μｍとされている。

また、図１０（Ｂ）に示すように、可動枝部２０３ＵＲの、固定枝部３０３ＡＲと対向し、振動方向に沿う方向の面それぞれには、同様にして、突部２０４ＵＲ及び突部２０５ＵＲが形成されていると共に、固定枝部３０３ＡＲの可動枝部２０３ＵＲに対向する面には、突部３０４ＡＲ及び突部３０５ＡＲが形成されている。そして、可動側部２Ｍの可動枝部２０３ＵＲに形成されている突部２０４ＵＲ及び２０５ＵＲと、固定枝部３０３ＡＲに形成されている突部３０４ＡＲ及び３０５ＡＲとは、可動側部２Ｍの可動枝部２０３ＵＬに形成されている突部２０４ＵＬ及び２０５ＵＬと、固定枝部３０３ＡＬに形成されている突部３０４Ｌ及び３０５Ｌとの関係と同様に構成されている。

なお、この場合に、固定側部３ＡＭの固定主軸部３０１にも、固定枝部３０３ＡＬの突部３０５ＡＬ及び突部３０５ＡＬ、また、固定枝部３０３ＡＲの突部３０５ＡＲ及び突部３０５ＡＲ、と同様の突部３０５Ｍが形成されている。また、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１にも、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲの突部２０３ＵＬ及び２０３ＵＲと同様の突部が形成されている。

ところで、前述したように、可動側部２Ｍの振動による位置ｘが、前述の（式２）の第３項のｃｏｓが正の値を取る範囲のときには、振動発電デバイス１０Ｍのバネ定数が、バネ定数ｋよりも小さくなって、静電力によるソフトスプリング効果により、可動側部２Ｍは、より動きやすい状態になる。しかし、可動側部２Ｍの振動による位置ｘが、前述の（式２）の第３項のｃｏｓが負の値を取るような範囲になると、振動発電デバイス１０Ｍのバネ定数が、バネ定数ｋよりも大きくなって、振動しにくくなるような状態になる。すなわち、この種の静電型の振動発電デバイスの場合、支持梁部４ＬＭ及び４ＲＭの復元力と、可動側部２Ｍと固定側部３ＡＭ及び３ＢＭとの間の静電力が同一方向に働くと、静電力により可動構造が制動されて動きにくくなり、低い加速度では発電ができなくなる恐れがある。

これに鑑み、この第２の実施形態では、図１０（Ａ）に示すアーム部２０２Ｕの左側の可動枝部２０３ＵＬと固定側部３ＡＭの左側の固定枝部３０３ＡＬとの左側グループにおける突部２０４ＵＬ及び２０５ＵＬと突部３０４ＡＬ及び３０５ＡＬとの対向位相と、図１０（Ｂ）に示すアーム部２０２Ｕの右側の可動枝部２０３ＵＲと固定側部３ＡＭの右側の固定枝部３０３ＡＲとの右側グループにおける突部２０４ＵＲ及び２０５ＵＲと突部３０４ＡＲ及び３０５ＡＲとの対向位相とが、静電力による影響が、左側グループと、右側グループとで互いに相殺されるように異なる構成とされている。

この図９の例では、配列ピッチＬを１周期（３６０度）としたとき、左側グループと、右側グループとで９０度位相が異なるように構成されている。すなわち、図１０（Ａ）に示すように、左側グループの可動枝部２０３ＵＬの突部２０４ＵＬ及び２０５ＵＬと、固定枝部３０３ＡＬの突部３０４ＡＬ及び３０５ＡＬとが互いに正対するような状態であるときには、図１０（Ｂ）に示すように、右側グループの可動枝部２０３ＵＲの突部２０４ＵＲ及び２０５ＵＲと、固定枝部３０３ＡＲの突部３０４ＡＲ及び３０５ＡＲとは、正対せずに、９０度ずれた状態となるように構成されている。

なお、図示は省略するが、上述と同様にして、アーム部２０２Ｄの左側の可動枝部２０３ＤＬと固定側部３ＢＭの左側の固定枝部３０３ＢＬとの左側グループにおける突部２０４ＤＬ及び２０５ＤＬと突部３０４ＢＬ及び３０５ＢＬとの対向位相と、アーム部２０２Ｄの右側の可動枝部２０３ＤＲと固定側部３ＢＭの右側の固定枝部３０３ＢＲとの右側グループにおける突部２０４ＤＲ及び２０５ＤＲと突部３０４ＢＲ及び３０５ＢＲとの対向位相とが、同様にして、静電力による影響が、左側グループと、右側グループとで互いに相殺されるように異なる構成とされている。

このように、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍにおいては、可動側部２Ｍの突部を、振動方向に２つのグループに分け、固定側部３ＡＭ及び固定側部３ＢＭの突部との間の対向位相が、その２つのグループで互いに異なるようにしたことにより、可動側部２Ｍと固定側部３ＡＭ及び固定側部３ＢＭとの間に働く静電力を、それらの２つのグループで逆方向に働かせるようにすることができ、可動側部２Ｍが静電力により制動されて、振動しづらくなる状態を軽減、あるいは振動を継続しなくなる状態を回避することができる。

なお、上述の説明では、可動側部２Ｍの突部を、振動方向に２つのグループに分けたが、固定側部３ＡＭ及び固定側部３ＢＭの突部を、振動方向に２つのグループに分けるようにしても勿論よい。

図示は省略したが、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍにおいても、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１の上には、錘が載せられるのは、第１の実施形態の振動発電デバイス１０の場合と同様である。

この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍも、第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様にして、可動側部２Ｍの両端側に電極２５Ｍ及び２６Ｍが形成されると共に、固定側部３ＡＭには電極３３ＡＭが形成され、固定側部３ＢＭには電極３３ＢＭが形成される。そして、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍの場合にも、図８に示した充電回路により、蓄電用キャパシタ９に蓄電することができる。

この場合に、この第２の実施形態においては、図８に示す電極２５に対応する電極２５Ｍと、電極３３Ａに対応する電極３３ＡＭとの間には、複数の可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲ（可動主軸部２０１を含む）と複数の固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲ（固定主軸部３０１Ａを含む）との対の間でそれぞれ生成される複数個の静電容量が並列に接続されていることになる。同様に、図８に示す電極２６に対応する電極２６Ｍと、電極３３Ｂに対応する電極３３ＢＭとの間には、複数の可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲ（可動主軸部２０１を含む）と複数の固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲ（固定主軸部３０１Ｂを含む）との対の間でそれぞれ生成される複数個の静電容量が並列に接続されていることになる。

したがって、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍによれば、第１の実施形態と同様の作用効果を有する上に、振動発電の発電量を大きくすることができる広帯域の振動発電デバイスを実現することができる。

そして、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍによれば、可動側部の突部と固定側部の突部との対向位相が互いに異なる２つのグループに分け、それら２つのグループ間で、可動側部と固定側部との間に働く静電力を互いに相殺するように構成したので、可動側部が静電力により振動しづらくなる状態を軽減、あるいは振動を継続しなくなる状態を回避することができる。

この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍによれば、可動側部２Ｍが自由振動する際のバネ定数ｋにおける共振周波数を１００Ｈｚであるとき、図１１に示すように広帯域の励振周波数に対して、所定値以上の充電電圧が得られることが確認できた。すなわち、この図１１から明らかなように、第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍによれば、励振周波数が５０Ｈｚのときには、２ボルトの充電電圧が得られ、７０Ｈｚでは３．５ボルト、１２０Ｈｚでは４．５ボルトの充電電圧が得られた。すなわち、共振周波数である１００Ｈｚでのみならず、この共振周波数を含む広帯域の周波数範囲で、所定値以上の充電電圧が得られる振動発電デバイスを実現することができたことが確認された。なお、この場合の励振エネルギーは、０．１Ｇの場合である。

また、図１３に、外部振動エネルギーとして、エアコンの振動エネルギー（この例では０．０２Ｇｒｍｓ）が第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍに与えられときの、当該振動発電デバイス１０Ｍの振動周波数のスペクトル分析結果を示す。図１３においては、下方にエアコンの振動のスペクトルを示し、その上方に、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍの周波数スペクトルを示す。この図１３から明らかなように、第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍは、広範囲の振動エネルギーに応答して、広帯域の振動をすることが分かる。

［第２の実施形態の変形例］
上述の第２の実施形態の例においても、固定側部３ＢＭ側を省略して、可動側部２Ｍと、固定側部３ＡＭとの組み合わせからなるものとしてもよい。

また、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１から振動方向に直交する方向に延伸するアーム部を、更に、振動方向の異なる位置に複数個設け、それぞれのアーム部について、上述と同様の構成となるようにするとともに、固定側部３ＡＭ及び３ＢＭも、それぞれのアーム部に対応する部分を、上述と同様に構成することにより、より多数の可動枝部と固定枝部との対からなる構成とすることもできる。

また、上述の第２の実施形態においては、可動側部と固定側部との間の静電力を相殺するようにするために、突部の対向位相が異なるグループを、可動側部の振動方向に配置するようにした。しかし、突部の対向位相が異なるグループを、振動方向に直交する方向に配置してもよい。すなわち、可動側部２Ｍと固定側部３ＡＭとのグループと、可動側部２Ｍと固定側部３ＢＭとのグループとで、突部の対向位相が異なるグループを構成してもよい。その場合には、第１の実施形態においても適用が可能であることは言うまでもない。

そして、突部の対向位相の異なりは、上述の例の９０度に限らず、可動側部と固定側部との間の静電力を相殺するようにする寄与する位相の異なりであればよい。

［その他の実施形態または変形例］
上述の実施形態の振動発電デバイスは、半導体製造プロセスにより製造されるＭＥＭＳデバイスの場合であったが、この発明による振動発電デバイスは、ＭＥＭＳデバイスに限られるものではない。

また、上述の実施形態においては、可動側部及び固定側部に形成する突部は、断面が矩形形状のものとしたが、突部の形状は、これに限られるものではない。

また、上述の実施形態では、振動発電デバイスを重力方向から見たときに、可動側部の左右方向に固定側部を配置するようにしたが、可動側部と固定側部とを上下方向に所定の間隔を空けて配置するようにしてもよい。また、可動側部の振動方向は、直線方向ではなく、回転方向であってもよい。

１，１Ｍ…半導体基板、２，２Ｍ…可動側部、３Ａ，３Ｂ，３ＡＭ，３ＢＭ…固定側部、４Ｌ，４Ｒ，４ＬＭ，４ＲＭ…支持梁部、７…錘、２３，２４…可動側部２の突部、３２Ａ，３２Ｂ…固定側部３Ａ，３Ｂの突部

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、
外部から印加される振動エネルギーにより所定の振動方向に振動することが可能なように構成されており、前記振動方向に沿う第１の面を備える可動側部と、
前記可動側部が前記振動方向に振動することが可能なように、前記可動側部の前記第１の面と所定の間隔を隔てて対向する第２の面を備え、前記振動エネルギーに対しても位置固定するように構成されている固定側部と、
を備え、
前記固定側部と前記可動側部との少なくとも一方には、エレクトレット膜が形成されていると共に、
前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれには、前記振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部が前記振動方向に櫛歯状に配列されて形成されていると共に、
前記固定側部の少なくとも前記第１の面、または、前記可動側部の少なくとも前記第２の面の少なくとも一方の面には、所定のエレクトレット電位とされたエレクトレット膜が形成され、
前記可動側部のバネ定数が、前記可動側部と前記固定側部との間に働く静電力により、前記振動方向の位置の関数として変調されているように構成されており、更に、
前記エレクトレット電位の値と、前記固定側部の前記複数個の突部及び前記可動側部の前記複数個の突部の配列周期と、前記可動側部の振動移動により前記固定側部と前記可動側部との間に生じる静電容量の最大値と最小値との差の値とが、前記可動側部の自由振動時のバネ定数に対して、前記可動側部と前記固定側部との間で生じる静電力による前記可動側部自身が備えるバネ定数の低下効果を有するように選定されている
ことを特徴とする振動発電デバイスを提供する。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、
前記固定側部と前記可動側部とが半導体基板から形成されたＭＥＭＳデバイスである
ことを特徴とする振動発電デバイスを提供する。

請求項１の発明においては、エレクトレット電位の値と、固定側部の複数個の突部及び可動側部の複数個の突部の配列周期と、可動側部の振動移動により固定側部と可動側部との間に生じる静電容量の最大値と最小値との差の値とが選定されて、隣り合う突部同士の振動移動においては、可動側部と固定側部との間で生じる静電力によって、可動側部の自由振動時のバネ定数の低下効果（ソフトスプリング効果と称する）を有するようにされている。

すなわち、請求項１のように、エレクトレット電位の値と、固定側部の複数個の突部及び可動側部の複数個の突部の配列周期と、可動側部の振動移動により固定側部と可動側部との間に生じる静電容量の最大値と最小値との差の値とを選定しておくことにより、可動側部の自由振動時のバネ定数の低下効果が得られるので、振動発電デバイスの周波数の広帯域化を有効に図ることができると共に、可動側部を振動し易くことができるという効果がある。

請求項２の発明においては、振動発電デバイスが、ＭＥＭＳデバイスとされている。したがって、微小小型という環境発電素子として、有益なデバイスを提供することが可能となる。

Claims (10)

1. 外部から印加される振動エネルギーにより所定の振動方向に振動することが可能なように構成されており、前記振動方向に沿う第１の面を備える可動側部と、
   前記可動側部が前記振動方向に振動することが可能なように、前記可動側部の前記第１の面と所定の間隔を隔てて対向する第２の面を備え、前記振動エネルギーに対しても位置固定するように構成されている固定側部と、
   を備え、
   前記固定側部と前記可動側部との少なくとも一方には、エレクトレット膜が形成されていると共に、
   前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれには、前記振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部が前記振動方向に櫛歯状に配列されて形成されていると共に、
   前記固定側部の少なくとも前記第１の面、または、前記可動側部の少なくとも前記第２の面の少なくとも一方の面には、所定のエレクトレット電位とされたエレクトレット膜が形成され、
   前記可動側部のバネ定数が、前記可動側部と前記固定側部との間に働く静電力により、前記振動方向の位置の関数として変調されているように構成されている
   ことを特徴とする振動発電デバイス。
2. 前記エレクトレット電位の値と、前記固定側部の前記複数個の突部及び前記可動側部の前記複数個の突部の配列周期と、前記可動側部の振動移動により前記固定側部と前記可動側部との間に生じる静電容量の最大値と最小値との差の値とが、前記可動側部の自由振動時のバネ定数に対して、前記可動側部と前記固定側部との間で生じる静電力による前記可動側部自身が備えるバネ定数の低下効果を有するように選定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動発電デバイス。
3. 前記固定側部と前記可動側部とが半導体基板から形成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動発電デバイス。
4. 前記可動側部の前記第１の面と前記固定側部の前記第２の面とは、それぞれ前記半導体基板の基板面に直交する方向の面であり、前記可動側部の前記振動方向の両端は、前記半導体基板から形成された支持梁により支持されて、前記可動側部が振動移動可能とされている
   ことを特徴とする請求項３に記載の振動発電デバイス。
5. 前記可動側部の前記前記振動方向に沿う前記第１の面は複数個であり、
   前記固定側部は、前記可動側部の複数個の前記第１の面のそれぞれに対向する複数個の前記第２の面を有する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の振動発電デバイス。
6. 前記可動側部には、前記振動方向に対して交差する方向に重さが加わるように錘が配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の振動発電デバイス。
7. 前記振動方向に直交する方向に複数個の前記可動側部を備えると共に、前記固定側部材は、複数個の前記可動側部の前記第１の面のそれぞれに対向する複数個の前記第２の面を有する
   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振動発電デバイス。
8. 前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面に形成されている前記複数個の突部同士の対向位相が異なる第１のグループと第２のグループとを備え、
   前記第１のグループの前記可動側部と前記固定側部との間に働く静電力と、前記第２のグループの前記可動側部と前記固定側部との間に働く静電力とは、互いに逆方向に働くように構成されている
   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振動発電デバイス。
9. 前記第１のグループと前記第２のグループは、前記可動側部の振動方向に設けられている
   ことを特徴とする請求項８に記載の振動発電デバイス。
10. 前記第１のグループと前記第２のグループは、前記可動側部の振動方向に直交する方向に設けられている
    ことを特徴とする請求項８に記載の振動発電デバイス。
    

Images