JP2023107340A - 振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】バネ部への負荷を低減し、破損し難い振動デバイスを提供すること。【解決手段】振動デバイスは、支持部と、前記支持部に接続されているバネ部と、前記バネ部を介して前記支持部に接続され、前記バネ部を弾性変形させつつ前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、前記可動部に接続されている可動電極と、前記支持部に接続され、前記可動電極と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置されている固定電極と、前記可動部に配置されている錘部と、前記錘部の前記第１方向への変位を許容し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向への変位を規制するガイドと、を有している。【選択図】図５

Description

本発明は、振動デバイスに関する。

例えば、特許文献１には、静電誘導型の振動発電素子が記載されている。静電誘導型の振動発電素子は、支持部と、支持部に配置され、櫛歯状の固定電極を備えている固定電極部と、弾性変形可能なバネ部を介して支持部に接続され、固定電極に噛み合う櫛歯状の可動電極を備えた可動部と、可動部に配置されている錘と、を有している。

特開２０２０－０６５３２２号公報

このように、可動部に錘を配置することにより、可動部の質量が増大し、振動発電素子の感度が向上する。しかしながら、錘を配置することにより、可動部を支持部に接続しているバネ部にかかる負荷が増大し、振動発電素子が破損し易くなる。

本発明の振動デバイスは、支持部と、
前記支持部に接続されているバネ部と、
前記バネ部を介して前記支持部に接続され、前記バネ部を弾性変形させつつ前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
前記可動部に接続されている可動電極と、
前記支持部に接続され、前記可動電極と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置されている固定電極と、
前記可動部に配置されている錘部と、
前記錘部の前記第１方向への変位を許容し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向への変位を規制するガイドと、を有している。

第１実施形態に係る振動デバイスの断面図である。 図１の振動デバイスが備える振動発電ユニットの平面図である。 図２の振動発電ユニットからシリコン基板および第２シリコン層を除去した状態の平面図である。 図２中のＡ－Ａ線断面図である。 図２中のＢ－Ｂ線断面図である。 振動デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 第２実施形態に係る振動デバイスの断面図である。

以下、本発明の振動デバイスを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、第１実施形態に係る振動デバイスの断面図である。図２は、図１の振動デバイスが備える振動発電ユニットの平面図である。図３は、図２の振動発電ユニットからシリコン基板および第２シリコン層を除去した状態の平面図である。図４は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図５は、図２中のＢ－Ｂ線断面図である。図６は、振動デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図７ないし図２０は、それぞれ、振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。

図６を除く各図には、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が図示されている。また、Ｘ軸に沿う方向すなわちＸ軸に平行な方向を第１方向としての「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に沿う方向すなわちＹ軸に平行な方向を第２方向としての「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿う方向すなわちＺ軸に平行な方向を第３方向としての「Ｚ軸方向」とも言う。また、各軸の矢印先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」とも言い、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。

図１に示す振動デバイス１は、パッケージ２と、パッケージ２に収容されている振動発電ユニット１０と、を有している。また、振動発電ユニット１０は、支持基板４１と、支持基板４１に支持されている振動発電素子３と、支持基板４１と振動発電素子３との間に配置されているスペーサー４２と、振動発電素子３の変位をガイドするリニアガイド６と、振動発電素子３の過度な変位を規制するストッパー７と、を有している。

≪パッケージ２≫
図１に示すように、パッケージ２は、上面に開口する凹部２１１を備えるベース２１と、凹部２１１の開口を塞ぐようにベース２１の上面に接合されているリッド２２と、を有している。そして、凹部２１１の開口がリッド２２で塞がれることによりパッケージ２内に内部空間Ｓが形成されている。振動発電ユニット１０は、内部空間Ｓに収容され、凹部２１１の底面に配置されている。

例えば、ベース２１は、アルミナ等の各種セラミックスで構成され、リッド２２は、コバール等の各種金属材料で構成されている。ただし、これらの構成材料は、それぞれ、特に限定されない。

内部空間Ｓは、減圧状態、好ましくは、より真空に近い状態である。これにより、粘性抵抗が減り振動発電素子３が振動し易くなるため振動発電素子３の感度が向上する。また、発生した振動が減衰し難くなることから効率的な発電が可能となる。ただし、内部空間Ｓの雰囲気は、特に限定されない。

なお、パッケージ２は、省略してもよい。

≪振動発電ユニット１０≫
－支持基板４１－
図１に示すように、支持基板４１は、振動発電素子３を支持している。このような支持基板４１は、例えば、アルミナ等の各種セラミックスで構成されている。ただし、支持基板４１の構成材料は、特に限定されない。この支持基板４１は、振動デバイス１の製造工程を簡略化するために配置されているため省略してもよい。この場合は、ベース２１が支持基板４１に代わって振動発電素子３を支持すればよい。

－スペーサー４２－
図１に示すように、スペーサー４２は、支持基板４１と振動発電素子３との間に介在して配置され、これらの間にリニアガイド６を配置するスペースを形成している。本実施形態のスペーサー４２は、支持基板４１の四隅からＺ軸方向プラス側に突出している４本の柱状部４２１で構成されている。そして、これら４本の柱状部４２１の上面に振動発電素子３が接合されている。このようなスペーサー４２は、例えば、各種金属材料、各種樹脂材料、各種セラミックス等で構成されている。

なお、スペーサー４２の構成としては、特に限定されず、例えば、Ｚ軸方向からの平面視で、リニアガイド６を囲む枠状であってもよい。また、スペーサー４２は、例えば、支持基板４１と一体で形成されていてもよいし、後述する実施形態のように、ベース２１と一体的に形成されていてもよい。

－振動発電素子３－
振動発電素子３は、静電誘導型の振動発電素子であり、外力によって駆動して発電する。図２ないし図５に示すように、振動発電素子３は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板８とシリコン基板９との積層基板１００を半導体プロセスによってパターニングすることにより製造されている。ＳＯＩ基板８は、下側に位置する第１シリコン層８Ａと上側に位置する第２シリコン層８Ｃとの間に酸化シリコン層８Ｂを挿入してなる基板であり、第２シリコン層８Ｃの上面にシリコン基板９が接合されている。

振動発電素子３は、支持部３１と、支持部３１に接続されているバネ部３２と、バネ部３２を介して支持部３１に接続され、バネ部３２を弾性変形させつつ支持部３１に対してＸ軸方向に変位する可動部３３と、可動部３３に接続されている可動電極３４と、支持部３１に接続されている固定電極としての第１、第２固定電極３５、３６と、を有している。このような振動発電素子３は、支持部３１の下面が各柱状部４２１の上面に接合されることにより、スペーサー４２を介して支持基板４１に支持されている。

支持部３１は、ＳＯＩ基板８とシリコン基板９との積層体から形成されており、Ｚ軸方向からの平面視で枠状をなしている。そして、この支持部３１の内側にその他の各部が配置されている。支持部３１の第２シリコン層８Ｃとシリコン基板９との積層体は、第１固定電極３５が接続されている第１固定電極接続領域３１１と、第２固定電極３６が接続されている第２固定電極接続領域３１２とに分割されており、互いに絶縁されている。また、第１固定電極接続領域３１１には、第１固定電極３５と電気的に接続されている端子Ｔ１が配置されており、第２固定電極接続領域３１２には、第２固定電極３６と電気的に接続されている端子Ｔ２が配置されている。

可動部３３は、第１シリコン層８Ａから形成されており、Ｚ軸方向からの平面視で、振動発電素子３の中央部に位置している。

バネ部３２は、第１シリコン層８Ａから形成されている。バネ部３２を可動部３３と同じ第１シリコン層８Ａから形成することにより、可動部３３の重心近くにバネ部３２を配置することができ、可動部３３の不要な変位を抑制することができる。また、バネ部３２は、それぞれＸ軸方向に弾性変形する第１バネ部３２１および第２バネ部３２２を有している。第１バネ部３２１は、可動部３３のＸ軸方向プラス側に位置し、可動部３３のＸ軸方向プラス側の端部と支持部３１とを接続している。一方、第２バネ部３２２は、可動部３３のＸ軸方向マイナス側に位置し、可動部３３のＸ軸方向マイナス側の端部と支持部３１とを接続している。このように、第１、第２バネ部３２１、３２２で可動部３３をＸ軸方向の両側から支持することにより、可動部３３をＸ軸方向に安定して振動させることができる。

可動電極３４は、第２シリコン層８Ｃとシリコン基板９との積層体１１０から形成されている。また、可動電極３４は、Ｚ軸方向からの平面視で可動部３３と重なっている。可動電極３４を可動部３３に重ねて配置することにより、振動発電素子３の平面寸法を大きくすることなく、可動部３３を大きくし、その質量を高めることができる。そのため、振動発電素子３の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部３３を振動させることができる。さらには、可動部３３の大きさに関係なく可動電極３４および第１、第２固定電極３５、３６を広範囲にわたって形成することができ、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６との間の容量を大きくすることができる。そのため、振動発電素子３の発電量を高めることができる。

また、可動電極３４は、酸化シリコン層８Ｂを介して可動部３３に接合されている層状の基部３４０と、基部３４０から上側へ突出する複数の可動電極指３４１と、を有している。このような構成によれば、基部３４０を介して全ての可動電極指３４１を電気的に接続することができる。複数の可動電極指３４１は、行列状に配置され、それぞれ、Ｘ軸方向に延在している。図示の構成では、複数の可動電極指３４１がＹ軸方向に沿って櫛歯状に整列してなる列がＸ軸方向に３つ並んでいる。以下では、説明の便宜上、これら３つの列のうちＸ軸方向プラス側の列を可動電極指群３４１Ａとも言い、中央の列を可動電極指群３４１Ｂとも言い、Ｘ軸方向マイナス側の列を可動電極指群３４１Ｃとも言う。ただし、可動電極指３４１の数や配置は、特に限定されない。

また、可動電極３４には、エレクトレット膜ＥＬが形成されている。

第１固定電極３５および第２固定電極３６は、それぞれ、シリコン基板９から形成されている。また、第１固定電極３５および第２固定電極３６は、それぞれ、Ｚ軸方向からの平面視で、可動部３３と重なっている。また、第１、第２固定電極３５、３６と可動電極３４の基部３４０との間には隙間が形成されており、これらが絶縁されている。

第１固定電極３５は、Ｘ軸方向に延在し、可動電極指３４１とＹ軸方向に並んで配置されている複数の第１固定電極指３５１を有している。具体的には、第１固定電極３５は、可動電極指群３４１Ａに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指３５１を備えている櫛歯状の第１固定電極指群３５１Ａと、可動電極指群３４１Ｂに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指３５１を備えている櫛歯状の第１固定電極指群３５１Ｂと、可動電極指群３４１Ｃに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指３５１を備えている櫛歯状の第１固定電極指群３５１Ｃと、を有している。可動電極指３４１と第１固定電極指３５１とは、静止状態（中立状態）においてＸ軸方向に所定の噛合長をもって、かつ、Ｙ軸方向に隙間Ｄを介して配置されている。

同様に、第２固定電極３６は、Ｘ軸方向に延在し、可動電極指３４１とＹ軸方向に並んで配置されている複数の第２固定電極指３６１を有している。具体的には、第２固定電極３６は、可動電極指群３４１Ａに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指３６１を備えている櫛歯状の第２固定電極指群３６１Ａと、可動電極指群３４１Ｂに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指３６１を備えている櫛歯状の第２固定電極指群３６１Ｂと、可動電極指群３４１Ｃに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指３６１を備えている櫛歯状の第２固定電極指群３６１Ｃと、を有している。可動電極指３４１と第２固定電極指３６１とは、静止状態（中立状態）においてＸ軸方向に所定の噛合長をもって、かつ、Ｙ軸方向に隙間Ｄを介して配置されている。

以上、振動発電素子３の構成について簡単に説明した。このような構成の振動発電素子３では、Ｘ軸方向の力が加わると、第１、第２バネ部３２１、３２２を弾性変形させつつ可動部３３がＸ軸方向に振動する。そして、可動部３３の振動によって可動電極指３４１と第１、第２固定電極指３５１、３６１との噛合長が逆相で変化して発電が行われる。なお、本実施形態では、可動電極３４にエレクトレット膜ＥＬが形成されているが、これに限定されず、第１、第２固定電極３５、３６に形成してもよいし、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６の両方に形成してもよい。

このような振動発電素子３では、前述したように、第１シリコン層８Ａから可動部３３が形成され、積層体１１０から可動電極３４が形成され、シリコン基板９から第１、第２固定電極３５、３６が形成されている。そのため、可動部３３とこれら各電極３４、３５、３６とをＺ軸方向に重ねて配置することができる。したがって、振動発電素子３の平面寸法を大きくすることなく、可動部３３と各電極３４、３５、３６とを共に大きく形成することができる。可動部３３を大きくすることにより、振動発電素子３の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部３３を振動させることができる。さらには、各電極３４、３５、３６を大きくすることにより、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６との間の容量を大きくすることができる。そのため、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子３となる。

特に、振動発電素子３は、積層基板１００をパターニングすることにより形成されているため寸法精度に優れ、可動電極指３４１と第１、第２固定電極指３５１、３６１との隙間Ｄをより小さくすることができる。そのため、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６との間の容量をより大きくすることができる。したがって、発電特性がより向上する。

－リニアガイド６－
図４に示すように、リニアガイド６は、支持基板４１と振動発電素子３との間に配置されている。リニアガイド６は、ガイドＧとしての案内レール６１と、錘部Ｍとしてのスライダー６２と、転動体６９と、を有している。このように、ガイドＧおよび錘部Ｍとしてリニアガイド６を適用することにより、振動発電ユニット１０の構成が簡単となる。ただし、ガイドＧおよび錘部Ｍは、リニアガイド６で構成されていなくてもよい。

案内レール６１は、支持基板４１に配置され、Ｘ軸方向に延在している。また、案内レール６１の両側面には、それぞれ、Ｘ軸方向に伸びる転動溝６１１が形成されている。このような案内レール６１は、例えば、各種金属材料で構成されている。そのため、案内レール６１の剛性を十分に高めることができる。ただし、案内レール６１の構成材料は、特に限定されない。

スライダー６２は、可動部３３の下面に配置されている。つまり、スライダー６２と可動部３３とがＺ軸方向に並んで配置されている。これにより、振動発電ユニット１０のＸ軸方向やＹ軸方向への広がりを抑制することができ、ユニットの小型化を図ることができる。また、スライダー６２が可動部３３に対して各電極３４、３５、３６と反対側に配置されるため、スライダー６２と各電極３４、３５、３６との干渉を防ぐことができる。そのため、各電極３４、３５、３６の配置スペースの減少が防止され、優れた発電効率を発揮することができる。

スライダー６２は、可動部３３の質量を増加させる錘部Ｍである。そのため、可動部３３の質量が増して振動発電素子３の感度が向上する（以下、この効果を錘効果とも言う。）。特に、振動発電素子３によれば、前述したように、可動部３３と各電極３４、３５、３６とをＺ軸方向に重ねて配置しているため可動部３３の面積を大きく確保することができる。そのため、より大きなスライダー６２を配置することができ、可動部３３の質量をより増大させることができる。そのため、上述の錘効果が顕著となる。

このようなスライダー６２は、例えば、各種金属材料で構成されている。そのため、スライダー６２の質量を十分に高めることができ、上述の錘効果がより顕著となる。ただし、スライダー６２の構成材料は、特に限定されない。なお、本実施形態では、スライダー６２は、図示しない絶縁性の接着剤を介して可動部３３に接合されている。これにより、リニアガイド６を介する可動部３３と意図しない箇所との導通を抑制することができる。

また、スライダー６２は、案内レール６１上にＸ軸方向に移動可能に組み付けられている。そのため、スライダー６２に固定されている可動部３３のＸ軸方向の振動が許容され、上述した発電を行うことができる。また、スライダー６２は、案内レール６１に組み付けられることにより、Ｙ軸方向およびＺ軸方向への変位が規制されている。そのため、スライダー６２に固定されている可動部３３のＹ軸方向およびＺ軸方向への変位がそれぞれ規制される。

可動部３３のＹ軸方向への変位を規制することにより、可動電極指３４１と第１、第２固定電極指３５１、３６１との接触が抑制される。そのため、これらの隙間Ｄをさらに小さくすることができる。そのため、振動発電素子３の発電特性がさらに向上する。さらには、振動発電素子３の小型化を図ることもできる。また、可動部３３のＺ軸方向への変位を規制することにより、スライダー６２が案内レール６１によって支持された状態となる。そのため、バネ部３２にかかる負荷が軽減され、振動発電素子３の破損を効果的に抑制することができる。

また、スライダー６２は、下方に延びる一対の脚部６２０を備える略コ字状であり、一対の脚部６２０が案内レール６１を跨ぐようにして案内レール６１に跨嵌されている。また、スライダー６２の案内レール６１の両側面に対向する部分すなわち両脚部６２０の内側面には、それぞれ、案内レール６１の転動溝６１１に対向してＸ軸方向に延在する転動溝６２１が形成されている。そして、対向する転動溝６１１、６２１によって転動体６９が転動する転動路６３が形成されている。

また、スライダー６２には、転動体６９を転動路６３の終点から始点へ戻すための戻し経路６２３が形成されている。そして、転動路６３と戻し経路６２３とにより、転動体６９が循環する循環経路６４が形成される。循環経路６４には、多数の転動体６９が装填されており、転動路６３内で転動する転動体６９を介して、スライダー６２が案内レール６１に対してＸ軸方向に移動する。これにより、スライダー６２の摺動抵抗が低減され、スライダー６２をスムーズに移動させることができる。そのため、リニアガイド６に起因した振動発電素子３の感度低下を効果的に抑えることができる。

－ストッパー７－
図５に示すように、ストッパー７は、案内レール６１に配置され、スライダー６２と衝突することにより可動部３３のＸ軸方向への過度な変位を規制する。これにより、可動部３３と支持部３１との衝突、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６との衝突、バネ部３２の過剰な変形等を抑制することができ、振動発電素子３の破損や発電不良を効果的に抑制することができる。

なお、ＭＥＭＳ分野においては、ＭＥＭＳ素子内の非可動箇所に一体形成されたストッパーと可動箇所とを衝突させることにより可動箇所の過度な変位を抑制する技術が従来から知られている。しかしながら、このような構成では、ストッパーとの衝突により可動箇所が破損するおそれがある。これに対して、本構成では、ストッパー７をスライダー６２と衝突させるため、振動発電素子３内での衝突が生じない。したがって、振動発電素子３の破損を効果的に抑制することができる。

このようなストッパー７は、スライダー６２に対してＸ軸方向プラス側に位置する第１ストッパー７１と、スライダー６２に対してＸ軸方向マイナス側に位置する第２ストッパー７２と、を有している。第１ストッパー７１は、スライダー６２との衝突によりスライダー６２のＸ軸方向プラス側への所定距離以上の変位を規制する。同様に、第２ストッパー７２は、スライダー６２との衝突によりスライダー６２のＸ軸方向マイナス側への所定距離以上の変位を規制する。

なお、ストッパー７の構成としては、特に限定されず、例えば、第１、第２ストッパー７１、７２は、支持基板４１に配置されていてもよい。

以上、振動デバイス１について説明した。このような振動デバイス１は、前述したように、支持部３１と、支持部３１に接続されているバネ部３２と、バネ部３２を介して支持部３１に接続され、バネ部３２を弾性変形させつつ支持部３１に対して第１方向であるＸ軸方向に変位する可動部３３と、可動部３３に接続されている可動電極３４と、支持部３１に接続され、可動電極３４とＸ軸方向に直交する第２方向であるＹ軸方向に並んで配置されている固定電極としての第１、第２固定電極３５、３６と、可動部３３に配置されている錘部Ｍと、錘部ＭのＸ軸方向への変位を許容し、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する第３方向であるＺ軸方向への変位を規制するガイドＧと、を有している。このような構成によれば、錘部ＭがガイドＧに支えられ、バネ部３２にかかる負荷が軽減される。そのため、振動発電素子３の破損を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、ガイドＧは、さらに、錘部ＭのＹ軸方向への変位を規制している。これにより、可動電極指３４１と第１、第２固定電極指３５１、３６１との接触が抑制されるため、これらの隙間Ｄをさらに小さくすることができる。したがって、振動発電素子３の発電特性がさらに向上する。

また、前述したように、錘部Ｍは、転動体６９を介してガイドＧに対して変位する。これにより、錘部Ｍの摺動抵抗が低減され、可動部３３をスムーズにＸ軸方向に振動させることができる。

また、前述したように、振動デバイス１は、錘部ＭのＸ軸方向への所定距離以上の移動を規制するストッパー７を有している。これにより、例えば、可動部３３と支持部３１との衝突、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６との衝突、バネ部３２の過剰な変形等を抑制することができ、振動発電素子３の破損や発電不良を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、錘部Ｍは、可動部３３とＺ軸方向に並んで配置されている。これにより、振動デバイス１のＸ軸方向やＹ軸方向への広がりを抑制することができ、振動デバイス１の小型化を図ることができる。また、錘部Ｍと各電極３４、３５、３６との干渉を防ぐことができる。そのため、各電極３４、３５、３６の配置スペースの減少が防止され、優れた発電効率を発揮することができる。

また、前述したように、可動電極３４は、可動部３３とＺ軸方向に並んで配置されている。これにより、振動発電素子３の平面寸法を大きくすることなく、可動部３３と各電極３４、３５、３６とを共に大きく形成することができる。可動部３３を大きくすることにより、振動発電素子３の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部３３を振動させることができる。さらには、各電極３４、３５、３６を大きく形成することにより、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６との間の容量を大きくすることができる。そのため、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子３となる。

また、前述したように、振動デバイス１は、可動電極３４および第１、第２固定電極３５、３６の少なくとも一方に配置されているエレクトレット膜ＥＬを有している。これにより、可動部３３のＸ軸方向への振動により発電が行われる振動発電素子３となる。

次に、振動デバイス１の製造方法について説明する。図６に示すように、振動デバイス１の製造方法は、振動発電素子３を製造する第１工程Ｓ１と、第１工程Ｓ１で得られた振動発電素子３を支持基板４１に接合して振動発電ユニット１０とする第２工程Ｓ２と、第２工程Ｓ２で得られた振動発電ユニット１０をパッケージ２に収容する第３工程Ｓ３と、を含んでいる。

≪第１工程Ｓ１≫
第１工程Ｓ１は、ＳＯＩ基板８を準備するＳＯＩ基板準備工程Ｓ１１と、第２シリコン層８Ｃの上面に凹部８１を形成する凹部形成工程Ｓ１２と、凹部８１にエッチング耐性膜ＥＳを形成するエッチング耐性膜形成工程Ｓ１３と、第２シリコン層８Ｃの上面にシリコン基板９を接合するシリコン基板接合工程Ｓ１４と、第２シリコン層８Ｃおよびシリコン基板９の積層体１１０をエッチングによりパターニングする積層体パターニング工程Ｓ１５と、第１シリコン層８Ａをエッチングによりパターニングする第１シリコン層パターニング工程Ｓ１６と、エッチング耐性膜ＥＳを除去するエッチング耐性膜除去工程Ｓ１７と、酸化シリコン層８Ｂの一部を除去する酸化シリコン層除去工程Ｓ１８と、エレクトレット膜ＥＬを形成するエレクトレット膜形成工程Ｓ１９と、を含む。

－ＳＯＩ基板準備工程Ｓ１１－
まず、図７に示すように、ＳＯＩ基板８を準備する。前述したように、ＳＯＩ基板８は、第１シリコン層８Ａと第２シリコン層８Ｃとの間に酸化シリコン層８Ｂを挿入してなる基板である。なお、各層８Ａ、８Ｂ、８Ｃの厚さとしては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、第１シリコン層８Ａが３００μｍ程度、酸化シリコン層８Ｂが１０μｍ程度、第２シリコン層８Ｃが２０μｍ程度である。

－凹部形成工程Ｓ１２－
次に、図８に示すように、第２シリコン層８Ｃの上面に凹部８１を形成する。凹部８１は、第１、第２固定電極３５、３６が形成される固定電極形成領域Ｑ３５、Ｑ３６と重なるように形成される。また、凹部８１は、第２シリコン層８Ｃを貫通しない有底の凹部である。なお、凹部８１の形成方法は、特に限定されないが、例えば、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。また、凹部８１の厚さは、例えば、１０μｍ程度である。

－エッチング耐性膜形成工程Ｓ１３－
本工程Ｓ１３は、第２シリコン層８Ｃの上面にエッチング耐性膜ＥＳを成膜する成膜工程Ｓ１３１と、凹部８１に充填されている部分を残してエッチング耐性膜ＥＳを除去し、第２シリコン層８Ｃの上面を露出させる除去工程Ｓ１３２と、を含んでいる。

成膜工程Ｓ１３１では、図９に示すように、第２シリコン層８Ｃの上面にエッチング耐性膜ＥＳを形成する。エッチング耐性膜ＥＳとしては、後述する積層体パターニング工程Ｓ１５でのエッチングに対して十分な耐性を有していれば特に限定されず、本実施形態では、酸化シリコン膜を用いている。エッチング耐性膜ＥＳ（酸化シリコン膜）の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、熱酸化、ＣＶＤ等を用いることができる。

除去工程Ｓ１３２では、図１０に示すように、凹部８１に充填されている部分を残してエッチング耐性膜ＥＳを除去し、第２シリコン層８Ｃの上面を露出させる。エッチング耐性膜ＥＳの除去方法としては、特に限定されず、例えば、ＣＭＰ（化学機械研磨）を用いることができる。なお、図示の構成では、凹部８１内のエッチング耐性膜ＥＳがわずかに除去されて凹没した形状となっている。これにより、次のシリコン基板接合工程Ｓ１４において、第２シリコン層８Ｃとシリコン基板９とを凹部８１内のエッチング耐性膜ＥＳに阻害されることなく、強固に接合することができる。ただし、凹部８１内のエッチング耐性膜ＥＳの形状は、特に限定されず、例えば、第２シリコン層８Ｃの上面と面一であってもよい。

以上のような工程によれば、エッチング耐性膜ＥＳを凹部８１内に容易に形成することができる。ただし、エッチング耐性膜ＥＳの形成方法としては、特に限定されない。

－シリコン基板接合工程Ｓ１４－
次に、図１１に示すように、第２シリコン層８Ｃの上面にシリコン基板９を接合する。これにより、積層基板１００が得られる。接合方法としては、特に限定されず、例えば、表面活性化接合を用いることができる。なお、シリコン基板９の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、３００μｍ程度である。

－積層体パターニング工程Ｓ１５－
次に、図１２に示すように、第２シリコン層８Ｃとシリコン基板９との積層体１１０を上面側からエッチングし、積層体１１０を貫通する貫通孔を形成することにより、積層体１１０に、支持部３１と、可動電極３４と、第１、第２固定電極３５、３６とを形成する。この際、酸化シリコン層８Ｂおよびエッチング耐性膜ＥＳがエッチングストップ層として機能する。エッチングには、例えば、ドライエッチング、特にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。ドライエッチングを用いることにより、高アスペクト比の貫通孔を精度よく形成することができるため、隙間Ｄをより小さく設計することができる。そのため、優れた発電特性を有する振動発電素子３を製造することができる。ただし、エッチング方法は、特に限定されず、例えば、ウェットエッチングであってもよい。

－第１シリコン層パターニング工程Ｓ１６－
次に、図１３に示すように、第１シリコン層８Ａを下面側からエッチングし、第１シリコン層８Ａを貫通する貫通孔を形成することにより、第１シリコン層８Ａに、支持部３１と、バネ部３２と、可動部３３とを形成する（ただし、バネ部３２は、図１３に不図示。）。なお、この際、酸化シリコン層８Ｂがエッチングストップ層として機能する。エッチングには、例えば、ドライエッチング、特にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。ドライエッチングを用いることにより、高アスペクト比の貫通孔を精度よく形成することができる。ただし、エッチング方法は、特に限定されず、例えば、ウェットエッチングであってもよい。

－エッチング耐性膜除去工程Ｓ１７－
次に、図１４に示すように、凹部８１内のエッチング耐性膜ＥＳを除去する。これにより、第１、第２固定電極３５、３６の下方に隙間が形成され、第１、第２固定電極３５、３６と可動電極３４との接触が抑制される。なお、エッチング耐性膜ＥＳの除去方法としては、特に限定さないが、例えば、フッ酸系のエッチング液を用いることができる。

－酸化シリコン層除去工程Ｓ１８－
次に、図１５に示すように、酸化シリコン層８Ｂの一部を除去して、可動部３３およびバネ部３２を支持部３１に対して可動可能な状態とする。可動部３３およびバネ部３２を支持部３１に対して可動可能な状態とすることができれば、酸化シリコン層８Ｂの除去部分は、特に限定されない。

－エレクトレット膜形成工程Ｓ１９－
次に、図１６に示すように、可動電極３４にエレクトレット膜ＥＬを形成すると共に端子Ｔ１、Ｔ２を形成する（ただし、端子Ｔ１、Ｔ２は、図１６に不図示。）。なお、エレクトレット膜ＥＬの形成方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、熱酸化により積層体１１０の表面に酸化シリコン膜を成膜し、次に、この酸化シリコン膜にカリウムイオン等のアルカリ金属イオンをドープし、その後、電界印加して帯電させる方法がある。

以上により、振動発電素子３が得られる。ただし、振動発電素子３の製造方法としては、特に限定されず、例えば、積層体パターニング工程Ｓ１５と第１シリコン層パターニング工程Ｓ１６の順序を入れ替えてもよい。つまり、第１シリコン層パターニング工程Ｓ１６の後に積層体パターニング工程Ｓ１５を行ってもよい。また、上面側からのエッチングと下面側からのエッチングとが同時にできる場合には、これらの工程を同時に行ってもよい。同様に、エッチング耐性膜除去工程Ｓ１７と酸化シリコン層除去工程Ｓ１８の順序を入れ替えてもよい。つまり、酸化シリコン層除去工程Ｓ１８の後にエッチング耐性膜除去工程Ｓ１７を行ってもよい。また、本実施形態のように材料が同じ等、酸化シリコン層８Ｂとエッチング耐性膜ＥＳとを同時に除去可能な場合は、これらの工程を同時に行ってもよい。

≪第２工程Ｓ２≫
次に、図１７に示すように、支持基板４１上にスペーサー４２およびストッパー７が取り付けられているリニアガイド６を配置してなるユニットを準備する。次に、図１８に示すように、第１工程Ｓ１で得られた振動発電素子３を準備して、支持部３１をスペーサー４２に接合すると共に、可動部３３をスライダー６２に接合する。これにより、振動発電ユニット１０が得られる。

≪第３工程Ｓ３≫
次に、図１９に示すように、ベース２１を準備して、凹部２１１の底面に第２工程Ｓ２で得られた振動発電ユニット１０を配置する。次に、図２０に示すように、凹部２１１の開口を塞ぐように、ベース２１の上面にリッド２２を接合する。以上により、振動デバイス１が得られる。

＜第２実施形態＞
図２１は、第２実施形態に係る振動デバイスの断面図である。

本実施形態の振動デバイス１は、ベース２１が支持基板４１およびスペーサー４２を兼ねていること以外は、前述した第１実施形態の振動デバイス１と同様である。そのため、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態における図において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図２１に示すように、本実施形態の振動デバイス１では、ベース２１の凹部２１１は、ベース２１の上面に開口している第１凹部２１１ａと、第１凹部２１１ａの底面に開口し、第１凹部２１１ａよりも開口が小さい第２凹部２１１ｂと、を有している。そして、第２凹部２１１ｂの底面に案内レール６１が配置されており、第１凹部２１１ａの底面に振動発電素子３が配置されている。つまり、本実施形態では、ベース２１が支持基板４１およびスペーサー４２を兼ねている。このような構成によれば、振動デバイス１の構成部品点数が削減され、振動デバイス１の小型化や低コスト化を図ることができる。

以上のような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

以上、本発明の振動デバイスを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前述した実施形態では、振動デバイスを振動発電素子に応用した例を説明したが、振動デバイスとしては、これに限定されない。例えば、可動電極３４と第１、第２固定電極３５、３６との容量変化に基づいて加速度や角速度を検出する慣性センサーに適用してもよい。

また、前述した各実施形態では、可動部３３と各電極３４、３５、３６とがＺ軸方向に重なって配置されていたが、これに限定されず、例えば、可動部３３と各電極３４、３５、３６とがＹ軸方向およびＸ軸方向に並んで配置されていてもよい。

１…振動デバイス、１０…振動発電ユニット、１００…積層基板、１１０…積層体、２…パッケージ、２１…ベース、２１１…凹部、２１１ａ…第１凹部、２１１ｂ…第２凹部、２２…リッド、３…振動発電素子、３１…支持部、３１１…第１固定電極接続領域、３１２…第２固定電極接続領域、３２…バネ部、３２１…第１バネ部、３２２…第２バネ部、３３…可動部、３４…可動電極、３４０…基部、３４１…可動電極指、３４１Ａ…可動電極指群、３４１Ｂ…可動電極指群、３４１Ｃ…可動電極指群、３５…第１固定電極、３５１…第１固定電極指、３５１Ａ…第１固定電極指群、３５１Ｂ…第１固定電極指群、３５１Ｃ…第１固定電極指群、３６…第２固定電極、３６１…第２固定電極指、３６１Ａ…第２固定電極指群、３６１Ｂ…第２固定電極指群、３６１Ｃ…第２固定電極指群、４１…支持基板、４２…スペーサー、４２１…柱状部、６…リニアガイド、６１…案内レール、６１１…転動溝、６２…スライダー、６２０…脚部、６２１…転動溝、６２３…戻し経路、６３…転動路、６４…循環経路、６９…転動体、７…ストッパー、７１…第１ストッパー、７２…第２ストッパー、８…ＳＯＩ基板、８Ａ…第１シリコン層、８Ｂ…酸化シリコン層、８Ｃ…第２シリコン層、８１…凹部、９…シリコン基板、Ｄ…隙間、ＥＬ…エレクトレット膜、ＥＳ…エッチング耐性膜、Ｇ…ガイド、Ｍ…錘部、Ｑ３５…固定電極形成領域、Ｑ３６…固定電極形成領域、Ｓ…内部空間、Ｓ１…第１工程、Ｓ１１…ＳＯＩ基板準備工程、Ｓ１２…凹部形成工程、Ｓ１３…エッチング耐性膜形成工程、Ｓ１３１…成膜工程、Ｓ１３２…除去工程、Ｓ１４…シリコン基板接合工程、Ｓ１５…積層体パターニング工程、Ｓ１６…第１シリコン層パターニング工程、Ｓ１７…エッチング耐性膜除去工程、Ｓ１８…酸化シリコン層除去工程、Ｓ１９…エレクトレット膜形成工程、Ｓ２…第２工程、Ｓ３…第３工程、Ｔ１…端子、Ｔ２…端子

Claims (7)

1. 支持部と、
   前記支持部に接続されているバネ部と、
   前記バネ部を介して前記支持部に接続され、前記バネ部を弾性変形させつつ前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
   前記可動部に接続されている可動電極と、
   前記支持部に接続され、前記可動電極と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置されている固定電極と、
   前記可動部に配置されている錘部と、
   前記錘部の前記第１方向への変位を許容し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向への変位を規制するガイドと、を有していることを特徴とする振動デバイス。
2. 前記ガイドは、さらに、前記錘部の前記第２方向への変位を規制する請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記錘部は、転動体を介して前記ガイドに対して変位する請求項１または２に記載の振動デバイス。
4. 前記錘部の前記第１方向への所定距離以上の移動を規制するストッパーを有している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動デバイス。
5. 前記錘部は、前記可動部と前記第３方向に並んで配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動デバイス。
6. 前記可動電極は、前記可動部と前記第３方向に並んで配置されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動デバイス。
7. 前記可動電極および前記固定電極の少なくとも一方に配置されているエレクトレット膜を有している請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動デバイス。

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