JP5237705B2 - Power generation device - Google Patents

Power generation device Download PDF

Info

Publication number
JP5237705B2
JP5237705B2 JP2008164678A JP2008164678A JP5237705B2 JP 5237705 B2 JP5237705 B2 JP 5237705B2 JP 2008164678 A JP2008164678 A JP 2008164678A JP 2008164678 A JP2008164678 A JP 2008164678A JP 5237705 B2 JP5237705 B2 JP 5237705B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
vibrator
base substrate
comb
frame portion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008164678A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010011547A (en
Inventor
和司 吉田
仁路 ▲高▼野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2008164678A priority Critical patent/JP5237705B2/en
Publication of JP2010011547A publication Critical patent/JP2010011547A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5237705B2 publication Critical patent/JP5237705B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Power Sources (AREA)

Description

本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動式の発電デバイスに関するものである。   The present invention relates to a vibration power generation device that converts vibration energy into electrical energy.

従来から、MEMS(micro electro mechanical systems)デバイスの一種として、車の振動や人の動きによる振動などの任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイスが各所で研究開発されている(例えば、非特許文献1参照)。   Conventionally, as one type of MEMS (micro electro mechanical systems) devices, power generation devices that convert vibration energy caused by arbitrary vibrations such as car vibrations and vibrations caused by human movements into electrical energy have been researched and developed in various places. (For example, refer nonpatent literature 1).

ここにおいて、上記非特許文献1に開示された発電デバイスは、図11に示すように、ベース基板10’と、ベース基板10’の一表面側においてベース基板10’に支持された2つの櫛形状の固定電極24’,24’と、ベース基板10’の上記一表面から離間して2つの固定電極24’,24’の間に配置され支持ばね部22’を介してアンカー部(図示せず)に支持された振動子23’に設けられた櫛形状の可動電極25’と、ベース基板10’における可動電極25’との対向部位に形成されたエレクトレット30’とを備えている。なお、上述の発電デバイスは、支持ばね部22’の剛性が低くなるように設計されている。   Here, as shown in FIG. 11, the power generation device disclosed in Non-Patent Document 1 includes a base substrate 10 ′ and two comb shapes supported by the base substrate 10 ′ on one surface side of the base substrate 10 ′. Fixed electrodes 24 ', 24' and an anchor portion (not shown) via a support spring portion 22 'disposed between the two fixed electrodes 24', 24 'and spaced from the one surface of the base substrate 10'. ) Supported by a vibrator 23 ′, and an electret 30 ′ formed on a portion of the base substrate 10 ′ facing the movable electrode 25 ′. Note that the above-described power generation device is designed such that the rigidity of the support spring portion 22 ′ is low.

上述の発電デバイスでは、固定電極24’と可動電極25’とを電極とする可変容量コンデンサ26’が形成されるから、振動子23’がベース基板10’の上記一表面に沿って2つの固定電極24’,24’の並設方向(図11(b)の左右方向)に振動する(図11(a)中の白抜きの矢印は振動子23’の振動方向を示している)ことにより固定電極24’と可動電極25’との間の距離および対向面積が変化し、可変容量コンデンサ26’の静電容量が変化する。したがって、可変容量コンデンサ26’と当該可変容量コンデンサ26’に電圧を印加する電圧印加手段であるエレクトレット30’との直列回路の両端間に負荷抵抗Rを接続しておけば、可変容量コンデンサ26’の静電容量の変化に応じて電荷が移動して電流が発生するから、振動子23’の振動によって生じる可動子23’の振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。ここにおいて、上述の発電デバイスのエネルギ変換効率を大きくするには、可変容量コンデンサ26’の静電容量の変化量を大きくすればよい。
T.Sterken,etal,「AN ELECTRET-BASEDELECTROSTATIC μ-GENERATOR」,TRANSDUCERS ‘03,The 12th International Conference on Solid StateSensors,Actuators and Microsystems,Boston,June 8-12,2003,p.1291-1294
In the power generation device described above, the variable capacitor 26 ′ having the fixed electrode 24 ′ and the movable electrode 25 ′ as electrodes is formed, so that the vibrator 23 ′ has two fixed portions along the one surface of the base substrate 10 ′. By vibrating in the direction in which the electrodes 24 ′ and 24 ′ are arranged side by side (the left-right direction in FIG. 11B) (the white arrow in FIG. 11A indicates the vibration direction of the vibrator 23 ′). The distance between the fixed electrode 24 ′ and the movable electrode 25 ′ and the facing area change, and the capacitance of the variable capacitor 26 ′ changes. Therefore, if the load resistor R is connected between both ends of the series circuit of the variable capacitor 26 ′ and the electret 30 ′, which is a voltage applying means for applying a voltage to the variable capacitor 26 ′, the variable capacitor 26 ′. The electric charge moves in accordance with the change in the electrostatic capacity and a current is generated. Therefore, the vibration energy of the mover 23 ′ generated by the vibration of the vibrator 23 ′ can be converted into electric energy. Here, in order to increase the energy conversion efficiency of the power generation device described above, the amount of change in the capacitance of the variable capacitor 26 ′ may be increased.
T.Sterken, etal, “AN ELECTRET-BASEDELECTROSTATIC μ-GENERATOR”, TRANSDUCERS '03, The 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston, June 8-12,2003, p.1291-1294

しかしながら、図11に示した構成の発電デバイスでは、環境に存在する低周波領域(例えば、10〜500Hz程度)の振動数に近い共振周波数を実現するために、支持ばね部22’の剛性を低くする必要があり、支持ばね部22’の幅を狭くし、厚みを薄くし、また、全長を長くする必要があるので、振動子23’の変位が大きくなり、振動子23’の振動空間が大きくなってしまう。ここで、図11に示した構成の発電デバイスは、支持ばね部22’の剛性が低くなるほど共振周波数が小さくなる一方で、振動子23’の質量が小さくなると共振周波数が大きくなるので、振動子23’の平面サイズを小さくすることができず、支持ばね部22’および振動子23’の可動範囲を含めた占有領域が大きくなるので、デバイス全体の平面サイズが大きくなってしまう。なお、上述の発電デバイスでは、可変容量コンデンサ26’の静電容量を大きくすることで振動子23’の振動時の可変容量コンデンサ26’の静電容量の変化量を大きくすることが考えられ、可動電極25’と固定電極24’との距離(以下、電極間距離と称する)を短くすれば可変容量コンデンサ26’の静電容量を大きくすることができるが、電極間距離を短くしすぎると、プルインの現象が誘発されてしまう。   However, in the power generation device having the configuration shown in FIG. 11, in order to realize a resonance frequency close to the frequency in the low frequency region (for example, about 10 to 500 Hz) existing in the environment, the rigidity of the support spring portion 22 ′ is reduced. It is necessary to reduce the width of the support spring portion 22 ′, reduce the thickness, and increase the total length. Therefore, the displacement of the vibrator 23 ′ increases, and the vibration space of the vibrator 23 ′ increases. It gets bigger. Here, in the power generation device having the configuration shown in FIG. 11, the resonance frequency decreases as the rigidity of the support spring portion 22 ′ decreases, whereas the resonance frequency increases as the mass of the oscillator 23 ′ decreases. Since the planar size of 23 ′ cannot be reduced and the occupied area including the movable range of the support spring portion 22 ′ and the vibrator 23 ′ is increased, the planar size of the entire device is increased. In the power generation device described above, it is conceivable to increase the amount of change in the capacitance of the variable capacitor 26 ′ when the vibrator 23 ′ vibrates by increasing the capacitance of the variable capacitor 26 ′. If the distance between the movable electrode 25 ′ and the fixed electrode 24 ′ (hereinafter referred to as the interelectrode distance) is shortened, the capacitance of the variable capacitor 26 ′ can be increased, but if the distance between the electrodes is too short. The pull-in phenomenon is triggered.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、平面サイズの小型化が可能な発電デバイスを提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the electric power generation device which can be reduced in plane size.

請求項1の発明は、ベース基板と、前記ベース基板の一表面側に固着されたフレーム部と、前記フレーム部の内側において前記ベース基板から離間して配置された振動子と、前記フレーム部の内側で前記振動子を挟む形で配置され前記フレーム部と前記振動子とを連結した一対の支持ばね部と、前記フレーム部に設けられた固定電極と前記振動子に設けられた可動電極とで構成される可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサに電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記支持ばね部は、前記フレーム部に対して前記振動子が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなり、前記固定電極は、平面視櫛形状に形成され、前記可動電極は、前記固定電極の複数の固定櫛歯片に対向する複数の可動櫛歯片を有し、前記電圧印加手段は、エレクトレットからなり、前記ベース基板の前記一表面側において前記固定電極の櫛骨部に対向する部位に前記エレクトレットが形成されており、前記フレーム部は、前記固定電極の前記櫛骨部を兼ねる部位に凹所が形成されており、前記固定電極の前記櫛骨部と前記エレクトレットとの間に空隙が形成されてなり、前記可動電極に電気的に接続された電極端子と前記エレクトレットに電気的に接続された電極端子との間に、前記可変容量コンデンサと前記エレクトレットとの直列回路が接続されていることを特徴とする。 The invention of claim 1 includes a base substrate and the base over scan a frame portion fixed to one surface of the substrate, the frame portion vibrator inner odor Te are arranged spaced apart from the base over the scan board When a pair of support spring portions said being arranged in a manner sandwiching the vibration Doko inside the frame portions connecting the Doko vibration the said frame portion, the fixed electrode provided on the frame portion and a variable capacitance capacitor configured with the movable electrode provided on the vibration Doko and, and a voltage applying means for applying a voltage to the variable - capacitance capacitor, the supporting lifting spring portion, the frame portion the vibration Doko consists torsion spring capable torsional deformation so as to be swingable against, the fixed electrode is formed in plan view a comb shape, the movable electrode has a plurality of fixed comb of the fixed electrode A plurality of movable comb teeth facing the teeth; The applying means is made of an electret, and the electret is formed in a portion facing the comb bone portion of the fixed electrode on the one surface side of the base substrate, and the frame portion is the comb bone portion of the fixed electrode A recess is formed in a portion that also serves as a gap, and a gap is formed between the comb portion of the fixed electrode and the electret, and an electrode terminal electrically connected to the movable electrode and the electret A series circuit of the variable capacitor and the electret is connected between electrically connected electrode terminals .

この発明によれば、前記支持ばね部が、前記フレーム部に対して振動子が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなるので、前記支持ばね部および前記可動子が前記ベース基板の前記一表面に沿った方向に振動するような構成に比べて、前記支持ばね部および前記可動子の可動範囲を含めた占有領域を小さくすることができ、平面サイズの小型化が可能となる
また、この発明によれば、前記固定電極は、平面視櫛形状に形成され、前記可動電極は、前記固定電極の複数の固定櫛歯片に対向する複数の可動櫛歯片を有するので、前記固定櫛歯片および前記可動櫛歯片が形成されていない場合に比べて前記可変容量コンデンサの静電容量を大きくすることができるから、前記振動子の振動時の前記可変容量コンデンサの静電容量の変化量を大きくすることができ、エネルギ変換効率の向上を図れる。
また、この発明によれば、前記電圧印加手段がエレクトレットからなるので、前記電圧印加手段として圧電変換素子や2次電池などを用いる場合に比べて、平面サイズの小型化が可能になる。
According to the invention, the supporting lifting spring portion, wherein the vibration element against the frame portion is made of a torsion spring capable of torsional deformation so that the swingable, said supporting lifting spring portion and said compared with a configuration such as to vibrate in the direction in which mover is along said one surface of said base over scan substrate, to reduce the occupied area including the movable range of the supporting lifting spring portion and the friendly Doko Therefore, the planar size can be reduced .
According to the invention, the fixed electrode is formed in a comb shape in plan view, and the movable electrode has a plurality of movable comb teeth facing the plurality of fixed comb teeth of the fixed electrode. Since the capacitance of the variable capacitor can be increased as compared with the case where the fixed comb tooth piece and the movable comb tooth piece are not formed, the capacitance of the variable capacitor during vibration of the vibrator Can be increased, and energy conversion efficiency can be improved.
In addition, according to the present invention, since the voltage applying means is composed of electrets, the planar size can be reduced as compared with the case where a piezoelectric conversion element or a secondary battery is used as the voltage applying means.

本願の別の発明は、ベース基板と、前記ベース基板の一表面側に固着されたフレーム部と、前記フレーム部の内側において前記ベース基板から離間して配置された振動子と、前記フレーム部の内側で前記振動子を挟む形で配置され前記フレーム部と前記振動子とを連結した一対の支持ばね部と、前記フレーム部に設けられた固定電極と前記振動子に設けられた可動電極とで構成される可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサに電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記支持ばね部は、前記フレーム部に対して前記振動子が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなり、前記固定電極は、平面視櫛形状に形成され、前記可動電極は、前記固定電極の複数の固定櫛歯片に対向する複数の可動櫛歯片を有することを特徴とする。 Another invention of the present application is directed to a base substrate, a frame portion fixed to one surface side of the base substrate, a vibrator disposed away from the base substrate inside the frame portion, and the frame portion. A pair of support springs that are arranged inside the vibrator and connect the frame part and the vibrator, a fixed electrode provided on the frame part, and a movable electrode provided on the vibrator. And a voltage applying means for applying a voltage to the variable capacitor, and the support spring portion is twisted and deformed so that the vibrator can swing with respect to the frame portion. consists capable torsion spring, before Symbol fixed electrode is formed in plan view a comb shape, the movable electrode to have a plurality of movable comb-tooth segments facing the plurality of fixed comb-tooth segments of the fixed electrode And butterflies.

上記別の発明によれば、前記支持ばね部が、前記フレーム部に対して振動子が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなるので、前記支持ばね部および前記可動子が前記ベース基板の前記一表面に沿った方向に振動するような構成に比べて、前記支持ばね部および前記可動子の可動範囲を含めた占有領域を小さくすることができ、平面サイズの小型化が可能となる。また、上記別の発明によれば、前記固定櫛歯片および前記可動櫛歯片が形成されていない場合に比べて前記可変容量コンデンサの静電容量を大きくすることができるから、前記振動子の振動時の前記可変容量コンデンサの静電容量の変化量を大きくすることができ、エネルギ変換効率の向上を図れる。 According to another aspect of the invention, the support spring portion is a torsion spring that can be torsionally deformed so that the vibrator can swing with respect to the frame portion. Compared to a configuration that vibrates in the direction along the one surface of the base substrate, the occupied area including the movable range of the support spring portion and the mover can be reduced, and the planar size can be reduced. It becomes possible. Furthermore, according to the further invention, since it is possible to increase the capacitance of the variable capacitor as compared with the case where the solid Teikushi tooth segments and the friendly Dokushi tooth segments are not formed, The amount of change in capacitance of the variable capacitor during vibration of the vibrator can be increased, and energy conversion efficiency can be improved.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記可変容量コンデンサは、前記ベース基板の前記一表面側からの平面視において前記両支持ばね部を結ぶ方向に直交する方向の両側の少なくとも一方に形成されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the variable capacitor is at least one of both sides in a direction orthogonal to a direction connecting the two support spring portions in a plan view from the one surface side of the base substrate. It is formed in these.

この発明によれば、前記振動子の振動時の前記可変容量コンデンサの静電容量の変化量を大きくすることができ、エネルギ変換効率の向上を図れる。   According to this invention, the amount of change in the capacitance of the variable capacitor during vibration of the vibrator can be increased, and the energy conversion efficiency can be improved.

請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記可変容量コンデンサは、前記ベース基板の前記一表面側からの平面視において前記両支持ばね部を結ぶ方向に直交する方向の両側に形成されてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the variable capacitor is formed on both sides in a direction orthogonal to a direction connecting the two support spring portions in a plan view from the one surface side of the base substrate. It is characterized by.

この発明によれば、前記両支持ばね部を結ぶ方向に直交する方向の両側で前記可動電極と前記固定電極との間に発生する静電引力を相殺することができ、前記可動電極が前記固定電極に静電引力により接触するプルインを抑制することができる。   According to this invention, the electrostatic attractive force generated between the movable electrode and the fixed electrode can be canceled on both sides in the direction orthogonal to the direction connecting the two support springs, and the movable electrode is fixed. Pull-in that contacts the electrode by electrostatic attraction can be suppressed.

本願の他の発明は、ベース基板と、前記ベース基板の一表面側に固着されたフレーム部と、前記フレーム部の内側において前記ベース基板から離間して配置された振動子と、前記フレーム部の内側で前記振動子を挟む形で配置され前記フレーム部と前記振動子とを連結した一対の支持ばね部と、前記フレーム部に設けられた固定電極と前記振動子に設けられた可動電極とで構成される可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサに電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記支持ばね部は、前記フレーム部に対して前記振動子が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなり、前記電圧印加手段は、エレクトレットからなることを特徴とする。 Another invention of the present application is directed to a base substrate, a frame portion fixed to one surface side of the base substrate, a vibrator disposed away from the base substrate inside the frame portion, A pair of support springs that are arranged inside the vibrator and connect the frame part and the vibrator, a fixed electrode provided on the frame part, and a movable electrode provided on the vibrator. And a voltage applying means for applying a voltage to the variable capacitor, and the support spring portion is twisted and deformed so that the vibrator can swing with respect to the frame portion. consists capable torsion spring, before Symbol voltage applying means is characterized by comprising the electret.

上記他の発明によれば、前記支持ばね部が、前記フレーム部に対して振動子が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなるので、前記支持ばね部および前記可動子が前記ベース基板の前記一表面に沿った方向に振動するような構成に比べて、前記支持ばね部および前記可動子の可動範囲を含めた占有領域を小さくすることができ、平面サイズの小型化が可能となる。また、上記他の発明によれば、前記電圧印加手段がエレクトレットからなるので、前記電圧印加手段として圧電変換素子や2次電池などを用いる場合に比べて、平面サイズの小型化が可能になる。 According to another aspect of the invention, the support spring portion is a torsion spring that can be torsionally deformed so that the vibrator can swing with respect to the frame portion. Compared to a configuration that vibrates in the direction along the one surface of the base substrate, the occupied area including the movable range of the support spring portion and the mover can be reduced, and the planar size can be reduced. It becomes possible. Further , according to the other invention, since the voltage applying means is made of an electret, the planar size can be reduced as compared with the case where a piezoelectric conversion element or a secondary battery is used as the voltage applying means.

請求項1の発明では、平面サイズの小型化が可能になるという効果がある。   In the invention of claim 1, there is an effect that the planar size can be reduced.

(実施形態1)
以下、本実施形態の発電デバイスについて図1を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the power generation device of the present embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態の発電デバイスは、矩形板状のベース基板10と、ベース基板10の一表面側に固着されたフレーム部21と、フレーム部21の内側においてベース基板10から離間して配置された矩形板状の振動子23と、フレーム部21の内側で振動子23を挟む形で配置されフレーム部21と振動子23とを連結した一対の支持ばね部22,22と、フレーム部21に設けられた固定電極24と振動子23に設けられた可動電極25とで構成される可変容量コンデンサ26と、可変容量コンデンサ26に電圧を印加するエレクトレット30とを備える。なお、本実施形態では、エレクトレット30が、可変容量コンデンサ26に電圧を印加する電圧印加手段を構成しているが、電圧印加手段は、エレクトレット30に限らず、例えば、圧電変換素子や2次電池などでもよい。   The power generation device of the present embodiment includes a rectangular plate-shaped base substrate 10, a frame portion 21 fixed to one surface side of the base substrate 10, and a rectangular shape that is disposed apart from the base substrate 10 inside the frame portion 21. A plate-like vibrator 23, a pair of support spring parts 22, 22 that are arranged so as to sandwich the vibrator 23 inside the frame part 21 and connect the frame part 21 and the vibrator 23, and the frame part 21. The variable capacitor 26 includes a fixed electrode 24 and a movable electrode 25 provided on the vibrator 23, and an electret 30 that applies a voltage to the variable capacitor 26. In the present embodiment, the electret 30 constitutes a voltage applying means for applying a voltage to the variable capacitor 26. However, the voltage applying means is not limited to the electret 30, but for example, a piezoelectric conversion element or a secondary battery. Etc.

フレーム部21、振動子23、および支持ばね部22,22は、1枚のシリコン基板20aを用いて形成されており、フレーム部21が接合用の樹脂(例えば、エポキシ樹脂など)からなる複数(図示例では、6つ)の接合層41を介してベース基板10の上記一表面側に接合されている。ここにおいて、フレーム部21は、平面視コ字状に形成され両脚片の先端面同士が対向する形で配置された2つの枠片部21a,21aと、2つの枠片部21a,21aの両脚片の先端面同士の間に配置され一端部が振動子23の外側面に連続一体に連結された各支持ばね部22,22それぞれの他端部が内側面に連続一体に連結された2つのアンカー部21b,21bとで構成されている。要するに、各アンカー部21b,21bと各枠片部21a,21aとの間にはスリット21cが形成されており、各アンカー部21bは、枠片部21aとは電気的に絶縁され、振動子23と同電位になる。また、2つのアンカー部21b,21bのうちの一方のアンカー部21bにおけるベース基板1側とは反対側の表面に金属膜からなる電極端子T1が形成されており、電極端子T1が振動子23と電気的に接続されている。   The frame portion 21, the vibrator 23, and the support spring portions 22 and 22 are formed using a single silicon substrate 20 a, and the frame portion 21 includes a plurality of (for example, epoxy resins) made of a bonding resin (for example, epoxy resin). In the illustrated example, the base substrate 10 is bonded to the one surface side via six bonding layers 41. Here, the frame part 21 is formed in a U-shape in plan view and is arranged in such a manner that the front end surfaces of both leg pieces face each other, and both legs of the two frame piece parts 21a and 21a. Two support springs 22, 22 disposed between the tip surfaces of the pieces and connected at one end to the outer surface of the vibrator 23 are integrally connected to the inner surface. It is comprised by the anchor parts 21b and 21b. In short, a slit 21c is formed between each anchor part 21b, 21b and each frame piece part 21a, 21a. Each anchor part 21b is electrically insulated from the frame piece part 21a, and the vibrator 23 And the same potential. In addition, an electrode terminal T1 made of a metal film is formed on the surface opposite to the base substrate 1 side of one anchor portion 21b of the two anchor portions 21b and 21b, and the electrode terminal T1 is connected to the vibrator 23. Electrically connected.

上述の固定電極24は、平面視形状が櫛形状であり、櫛骨部24aがフレーム部21の枠片部21aの中央片により構成されており、櫛骨部24aにおける可動子23との対向面には多数の固定櫛歯片24bが一対の支持ばね部22,22の並設方向に沿って列設されている。一方、可動電極25は可動子23により構成されており、固定電極24の櫛骨部24a側の側面には、固定櫛歯片24bにそれぞれ対向する多数の可動櫛歯片25bが上記並設方向に列設されている。ここで、各固定櫛歯片24bと各可動櫛歯片25bとは互いに離間している。   The above-mentioned fixed electrode 24 has a comb shape in plan view, and the comb bone portion 24a is constituted by the central piece of the frame piece portion 21a of the frame portion 21, and the surface of the comb bone portion 24a that faces the movable element 23. A large number of fixed comb teeth 24b are arranged along the direction in which the pair of support springs 22 and 22 are arranged side by side. On the other hand, the movable electrode 25 is composed of a movable element 23, and on the side surface of the fixed electrode 24 on the side of the comb portion 24 a, a large number of movable comb teeth 25 b respectively facing the fixed comb teeth 24 b are arranged in the parallel direction. Are lined up. Here, each fixed comb tooth piece 24b and each movable comb tooth piece 25b are separated from each other.

ベース基板10は、1枚のシリコン基板10aを用いて形成されており、上記一表面側において各固定電極24の櫛骨部24aに対向する各部位に、エレクトレット30が形成されている。これに対して、フレーム部21は、固定電極24の櫛骨部24aを兼ねる部位に凹所27が形成されており、固定電極24の櫛骨部24aとエレクトレット30との間に空隙51が形成されている。ここで、エレクトレット30は、ベース基板10の上記一表面側に形成したシリコン酸化膜を帯電させることにより形成されており、永久電荷(正電荷)を保持している。ここにおいて、エレクトレット30となるシリコン酸化膜は、例えば、熱酸化法、CVD法などにより形成すればよい。また、エレクトレット30は、コロナ放電などによってシリコン酸化膜を帯電させている。   The base substrate 10 is formed by using a single silicon substrate 10a, and electrets 30 are formed at portions facing the comb portions 24a of the fixed electrodes 24 on the one surface side. On the other hand, in the frame portion 21, a recess 27 is formed at a portion that also serves as the comb bone portion 24 a of the fixed electrode 24, and a gap 51 is formed between the comb bone portion 24 a of the fixed electrode 24 and the electret 30. Has been. Here, the electret 30 is formed by charging a silicon oxide film formed on the one surface side of the base substrate 10 and holds a permanent charge (positive charge). Here, the silicon oxide film to be the electret 30 may be formed by, for example, a thermal oxidation method or a CVD method. The electret 30 charges the silicon oxide film by corona discharge or the like.

また、ベース基板10は、他表面側に、上述のエレクトレット30に電気的に接続される金属膜からなる電極端子T2が形成されている。   The base substrate 10 has an electrode terminal T2 made of a metal film electrically connected to the above-described electret 30 on the other surface side.

本実施形態の発電デバイスでは、上述のように固定電極24と可動電極25とを電極とする可変容量コンデンサ26が形成されるから、振動子23が振動することにより固定電極24と可動電極25との対向面積が変化し、可変容量コンデンサ26の静電容量が変化する。ここにおいて、本実施形態の発電デバイスの等価回路は、図2(a)に示すように、可変容量コンデンサ26とエレクトレット30との直列回路が接続された構成となるから、一対の電極端子T1,T2間(つまり、可変容量コンデンサ26とエレクトレット30との直列回路の両端間)に負荷抵抗R(図2(b),(c)参照)を接続しておけば、可変容量コンデンサ26の静電容量が変化すると、電荷が移動し電流i(図2(c)参照)が流れるから、振動子23の振動によって生じる可動子23の振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。図2(b),(c)は、本実施形態の発電デバイスの発電原理の説明図であって、同図(b)は振動子23が変位していない状態での可変容量コンデンサ26の静電容量をC、正極側の電荷を+Q、負極側の電荷を−Qとし、エレクトレット30を電圧源Vinとして記載してあり、同図(c)は振動子23が変位した状態での可変容量コンデンサ26の静電容量をC、正極側の電荷を+Q、負極側の電荷を−Qとし、エレクトレット30を電圧源Vinとし、流れる電流をiとして記載してある。 In the power generation device of the present embodiment, the variable capacitor 26 having the fixed electrode 24 and the movable electrode 25 as the electrodes is formed as described above. Therefore, when the vibrator 23 vibrates, the fixed electrode 24 and the movable electrode 25 are , And the capacitance of the variable capacitor 26 changes. Here, the equivalent circuit of the power generation device of the present embodiment has a configuration in which a series circuit of a variable capacitor 26 and an electret 30 is connected as shown in FIG. If a load resistor R (see FIGS. 2B and 2C) is connected between T2 (that is, between both ends of the series circuit of the variable capacitor 26 and the electret 30), the electrostatic capacity of the variable capacitor 26 can be increased. When the capacitance changes, electric charge moves and current i (see FIG. 2C) flows, so that vibration energy of the mover 23 generated by vibration of the vibrator 23 can be converted into electric energy. 2B and 2C are explanatory views of the power generation principle of the power generation device of the present embodiment. FIG. 2B is a diagram illustrating the static capacitance of the variable capacitor 26 in a state where the vibrator 23 is not displaced. state capacitance C 0, charge + Q 0 of the positive electrode side, the charge on the negative electrode side and -Q 0, has indicated the electret 30 as a voltage source V in, FIG. (c) is that the vibrator 23 is displaced the electrostatic capacitance of the variable capacitor 26 C 1, charge + Q 1 on the positive electrode side, the charge of the negative electrode side and -Q 1, the electret 30 and a voltage source V in, there describes a current flowing as i in .

ところで、本実施形態の発電デバイスにおける各支持ばね部22,22は、ねじれ変形が可能なトーションばね(トーションバー)であって、フレーム部21および振動子23に比べて薄肉に形成されており、振動子23は、フレーム部21に対して一対の支持ばね部22,22の回りで変位可能となっている。つまり、一対の支持ばね部22,22は、フレーム部21に対して振動子23が揺動自在となるようにフレーム部21と振動子23とを連結している。言い換えれば、フレーム部21の内側に配置される振動子23は、当該振動子23から相反する2方向へ延長された2つの支持ばね部22,22を介してフレーム部21に揺動自在に支持されている。ここにおいて、ベース基板10の上記一表面には、振動子23の変位空間を確保するための凹部(図示せず)が形成されているが、ベース基板10に凹部を形成せずに、振動子23の厚みを薄くすることでベース基板10側への変位空間を確保するようにしてもよい。   By the way, each support spring part 22 and 22 in the electric power generation device of this embodiment is a torsion spring (torsion bar) which can be twisted, and is formed thinly compared with frame part 21 and vibrator 23, The vibrator 23 can be displaced around the pair of support spring portions 22, 22 with respect to the frame portion 21. That is, the pair of support springs 22 and 22 connect the frame part 21 and the vibrator 23 so that the vibrator 23 can swing with respect to the frame part 21. In other words, the vibrator 23 arranged inside the frame portion 21 is supported by the frame portion 21 so as to be swingable via the two support spring portions 22 and 22 extended in two opposite directions from the vibrator 23. Has been. Here, a concave portion (not shown) for securing a displacement space of the vibrator 23 is formed on the one surface of the base substrate 10, but without forming the concave portion in the base substrate 10, the vibrator It is also possible to secure a displacement space toward the base substrate 10 by reducing the thickness of 23.

ここで、支持ばね部22のばね定数をk、振動子23の慣性モーメントをIとすると、振動子23の共振周波数(振動数)fは、下記数1で表される。   Here, assuming that the spring constant of the support spring portion 22 is k and the moment of inertia of the vibrator 23 is I, the resonance frequency (frequency) f of the vibrator 23 is expressed by the following formula 1.

Figure 0005237705
ここにおいて、支持ばね部22のばね定数kは、当該支持ばね部22の材料(本実施形態では、Si)のヤング率をGとし、支持ばね部22の寸法に関して、図3(b)に示すように支持ばね部22の幅をw、厚さをt、長さをlとすると、下記数2で表される。
Figure 0005237705
Here, the spring constant k of the support spring part 22 is shown in FIG. 3B regarding the dimensions of the support spring part 22 with the Young's modulus of the material of the support spring part 22 (Si in this embodiment) as G. Thus, when the width of the support spring portion 22 is w t , the thickness is t t , and the length is l t , the following expression 2 is obtained.

Figure 0005237705
また、振動子23の慣性モーメントIは、振動子23の質量をMとし、振動子23の寸法に関して、図3(a)に示すように一対の支持ばね部22,22の長手方向(両支持ばね部22,22を結ぶ方向)に直交する方向の長さをL、振動子23の厚さをHとすると、下記数3で表される。
Figure 0005237705
Further, the moment of inertia I of the vibrator 23 is that the mass of the vibrator 23 is M, and the dimension of the vibrator 23 is the longitudinal direction of the pair of support springs 22 and 22 (both supports) as shown in FIG. When the length in the direction orthogonal to the direction connecting the spring portions 22 and 22 is L, and the thickness of the vibrator 23 is H, the following equation 3 is obtained.

Figure 0005237705
また、振動子23の質量Mは、振動子23の材料の密度をρとし、振動子23の寸法に関して、図3(a)に示すように一対の支持ばね部22,22の長手方向に沿った方向の寸法をWとすると、下記数4で近似できる。
Figure 0005237705
In addition, the mass M of the vibrator 23 is set such that the density of the material of the vibrator 23 is ρ, and the dimensions of the vibrator 23 are along the longitudinal direction of the pair of support spring portions 22 and 22 as shown in FIG. If the dimension in the direction is W, it can be approximated by the following equation (4).

Figure 0005237705
ここで、振動子23の平面サイズを変えて支持ばね部22の長さlを種々変化させた場合の共振周波数fを上記数1〜4に基づいて求めた結果を図4に示す。図4から、振動子23および支持ばね部22,22の平面サイズを小さくしても、共振周波数を低減でき、また、支持ばね部22の長さを短くしても低周波領域の共振周波数fを実現することができることが分かる。
Figure 0005237705
Here, FIG. 4 shows a result of obtaining the resonance frequency f based on the above equations 1 to 4 when the planar size of the vibrator 23 is changed and the length l t of the support spring portion 22 is variously changed. From FIG. 4, it is possible to reduce the resonance frequency even if the planar size of the vibrator 23 and the support springs 22 and 22 is reduced, and the resonance frequency f in the low frequency region can be reduced even if the length of the support spring 22 is reduced. It can be seen that can be realized.

以上説明した本実施形態の発電デバイスでは、支持ばね部22,22が、フレーム部21に対して振動子23が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなるので、図11に示した従来構成のように支持ばね部22’および可動子23’がベース基板10’の上記一表面に沿った方向に振動するような構成に比べて、支持ばね部22,22および可動子23の可動範囲を含めた占有領域を小さくすることができ、平面サイズの小型化が可能となる。   In the power generation device of the present embodiment described above, the support spring portions 22 and 22 are formed of torsion springs that can be twisted and deformed so that the vibrator 23 can swing with respect to the frame portion 21. Compared to the configuration in which the support spring portion 22 ′ and the mover 23 ′ vibrate in the direction along the one surface of the base substrate 10 ′ as in the conventional configuration shown, the support spring portions 22, 22 and the mover 23. The occupied area including the movable range can be reduced, and the planar size can be reduced.

また、本実施形態の発電デバイスでは、固定電極24が平面視櫛形状に形成され、可動電極25が固定電極24の複数の固定櫛歯片24bに対向する複数の可動櫛歯片25bを有しているので、固定櫛歯片24bおよび可動櫛歯片25bが形成されていない場合に比べて可変容量コンデンサ26の静電容量を大きくすることができるから、振動子23の振動時の可変容量コンデンサ26の静電容量の変化量を大きくすることができ、エネルギ変換効率の向上を図れる。   Further, in the power generation device of the present embodiment, the fixed electrode 24 is formed in a comb shape in plan view, and the movable electrode 25 has a plurality of movable comb teeth pieces 25b facing the plurality of fixed comb teeth pieces 24b of the fixed electrode 24. Therefore, the capacitance of the variable capacitor 26 can be increased as compared with the case where the fixed comb tooth piece 24b and the movable comb tooth piece 25b are not formed. Therefore, the variable capacitor when the vibrator 23 vibrates. The amount of change in the electrostatic capacity 26 can be increased, and the energy conversion efficiency can be improved.

また、本実施形態の発電デバイスでは、可変容量コンデンサ26が、ベース基板10の上記一表面側からの平面視において両支持ばね部22,22を結ぶ方向に直交する方向の両側に形成されているが、少なくとも一方に形成されていればよく、いずれの場合も、振動子23の振動時の可変容量コンデンサ26の静電容量の変化量を大きくすることができ、エネルギ変換効率の向上を図れる。   Further, in the power generation device of the present embodiment, the variable capacitors 26 are formed on both sides in the direction orthogonal to the direction connecting the support spring portions 22 and 22 in a plan view from the one surface side of the base substrate 10. However, in any case, the amount of change in the capacitance of the variable capacitor 26 when the vibrator 23 vibrates can be increased, and the energy conversion efficiency can be improved.

ただし、可動電極25と固定電極24との間には図5(a),(b)それぞれにおいて矢印で示した向きの静電引力が発生するので、両支持ばね部22,22を結ぶ方向に直交する方向の両側のうちの一方だけに可変容量コンデンサ26が形成されている場合には、高電位側の可動電極25が低電位側の固定電極24に静電引力により接触するプルインが発生することが考えられる。   However, an electrostatic attractive force in the direction indicated by the arrow in FIGS. 5A and 5B is generated between the movable electrode 25 and the fixed electrode 24, so that the support springs 22 and 22 are connected in the direction. When the variable capacitor 26 is formed on only one of the two sides in the orthogonal direction, a pull-in occurs in which the movable electrode 25 on the high potential side contacts the fixed electrode 24 on the low potential side by electrostatic attraction. It is possible.

これに対して、本実施形態の発電デバイスのように、両支持ばね部22,22を結ぶ方向に直交する方向の両側に可変容量コンデンサ26を形成しておけば、両支持ばね部22,22を結ぶ方向に直交する方向の両側で可動電極25と固定電極24との間に発生する静電引力を相殺することができ、可動電極25が固定電極24に静電引力により接触するプルインを抑制することができる。   On the other hand, if the variable capacitor 26 is formed on both sides in the direction orthogonal to the direction connecting both the support springs 22, 22 as in the power generation device of this embodiment, both support springs 22, 22 are formed. The electrostatic attractive force generated between the movable electrode 25 and the fixed electrode 24 can be canceled on both sides in the direction orthogonal to the direction connecting the two, and the pull-in where the movable electrode 25 contacts the fixed electrode 24 by the electrostatic attractive force is suppressed. can do.

また、本実施形態の発電デバイスでは、可変容量コンデンサ26に電圧を印加する電圧印加手段がエレクトレット30により構成されているので、電圧印加手段として圧電変換素子や2次電池などを用いる場合に比べて、平面サイズの小型化が可能になる。   Further, in the power generation device of the present embodiment, since the voltage applying means for applying a voltage to the variable capacitor 26 is constituted by the electret 30, compared to the case where a piezoelectric conversion element or a secondary battery is used as the voltage applying means. The planar size can be reduced.

(実施形態2)
本実施形態の発電デバイスの基本構成は実施形態1と略同じであり、図6に示すように、ベース基板10が1枚のガラス基板10bを用いて形成されて上記一表面に当該ベース基板10側への振動子23の変位空間を確保する第1の凹部11が形成され、フレーム部21におけるベース基板10側とは反対側に1枚のガラス基板50bを用いて形成された矩形板状のカバー基板50が固着されている点などが相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the power generation device of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 6, the base substrate 10 is formed using one glass substrate 10b, and the base substrate 10 is formed on the one surface. A first concave portion 11 that secures a displacement space of the vibrator 23 to the side is formed, and a rectangular plate shape formed by using one glass substrate 50b on the opposite side of the frame portion 21 from the base substrate 10 side. The difference is that the cover substrate 50 is fixed. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

上述のカバー基板50は、ベース基板10と同じ平面サイズに形成されており、ベース基板10との対向面側に、当該カバー基板50側への振動子23の変位空間を確保する第2の凹部(図示せず)が形成されている。   The above-described cover substrate 50 is formed in the same plane size as the base substrate 10, and a second recess that secures a displacement space of the vibrator 23 toward the cover substrate 50 on the side facing the base substrate 10. (Not shown) is formed.

また、本実施形態の発電デバイスは、ベース基板10の上記一表面側にフレーム部21を囲む枠状(本実施形態では、矩形枠状)の外フレーム部28が固着されており、外フレーム部28がカバー基板50の外周部の全周に亘って固着されている。ここにおいて、外フレーム部28は、フレーム部21、振動子23、および各支持ばね部22,22の基礎となるシリコン基板20aの一部により構成されおり、外フレーム部28およびフレーム部21は、上記シリコン基板20aに適宜加工を施してからベース基板10に陽極接合により接合した後に分離されている。また、外フレーム部28およびフレーム部21は、カバー基板50と陽極接合により接合されている。なお、カバー基板50は、ガラス基板に限らず、シリコン基板により構成してもよい。   Further, in the power generation device of the present embodiment, a frame-like (in this embodiment, a rectangular frame shape) outer frame portion 28 surrounding the frame portion 21 is fixed to the one surface side of the base substrate 10. 28 is fixed over the entire outer periphery of the cover substrate 50. Here, the outer frame part 28 is configured by a part of the frame part 21, the vibrator 23, and the silicon substrate 20a that is the basis of each support spring part 22, 22, and the outer frame part 28 and the frame part 21 are After the silicon substrate 20a is appropriately processed, it is separated after being bonded to the base substrate 10 by anodic bonding. Further, the outer frame portion 28 and the frame portion 21 are joined to the cover substrate 50 by anodic bonding. Note that the cover substrate 50 is not limited to a glass substrate, and may be a silicon substrate.

以上説明した本実施形態の発電デバイスでは、ベース基板10と外フレーム部28とカバー基板50とで気密パッケージが構成されるので、当該気密パッケージ内を真空とすれば、振動子23の空気によるエアダンピングを防止することができてエネルギ変換効率の向上を図れるとともに、信頼性を高めることができる。   In the power generation device of the present embodiment described above, an airtight package is configured by the base substrate 10, the outer frame portion 28, and the cover substrate 50. Therefore, if the inside of the airtight package is evacuated, air generated by the air of the vibrator 23 is used. Damping can be prevented, energy conversion efficiency can be improved, and reliability can be improved.

(実施形態3)
以下、本実施形態の発電デバイスについて、図7〜図9を参照しながら説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, the power generation device of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施形態の発電デバイスの基本構成は実施形態1と略同じであり、ベース基板10が、1枚のガラス基板10bを用いて形成され、フレーム部21、各支持ばね部22、および可動子23が、シリコン基板からなる支持基板200a上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)200b上にn形のシリコン層(活性層)200ccを有するSOI基板200を用いて形成されている点などが相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。   The basic configuration of the power generation device of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and the base substrate 10 is formed using a single glass substrate 10b, and includes a frame portion 21, support spring portions 22, and a mover 23. Is formed using an SOI substrate 200 having an n-type silicon layer (active layer) 200 cc on an insulating layer (buried oxide film) 200 b made of a silicon oxide film on a support substrate 200 a made of a silicon substrate. Etc. are different. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

本実施形態の発電デバイスは、フレーム部21の各枠片部21a,21aおよび各アンカー部21b,21bそれぞれにおいてシリコン層200cの一部により構成された各部分が絶縁層200bにより電気的に絶縁されるので、上述のスリット21cがシリコン層200cのみに形成されており、フレーム部21が全体して矩形枠状に形成されている。   In the power generation device of the present embodiment, each of the frame piece portions 21a and 21a and the anchor portions 21b and 21b of the frame portion 21 is electrically insulated by the insulating layer 200b. Therefore, the slit 21c described above is formed only in the silicon layer 200c, and the frame portion 21 is formed in a rectangular frame shape as a whole.

また、ベース基板10は、エレクトレット30が当該エレクトレット30の表面が上記一表面よりもやや後退するように形成されており(具体的には、ベース基板10の上記一表面側においてエレクトレット30の形成領域を上記一表面からエレクトレット30の厚み分よりもやや多くエッチングして後退させてある)、上記他表面側に形成された電極端子T2が、ガラス基板10bの厚み方向に貫通した貫通配線13を介してエレクトレット30と電気的に接続されている。   Further, the base substrate 10 is formed such that the electret 30 has the surface of the electret 30 slightly retracted from the one surface (specifically, the formation region of the electret 30 on the one surface side of the base substrate 10). The electrode terminal T2 formed on the other surface side passes through the through-wiring 13 penetrating in the thickness direction of the glass substrate 10b. The electret 30 is electrically connected.

また、本実施形態の発電デバイスは、ベース基板10の上記一表面側に、フレーム部21の各枠片部21a,21aおよび各アンカー部21b,21bそれぞれにおいてシリコン層200cの一部により構成された各部分が陽極接合により接合されている。ここで、ベース基板10には、アンカー部21bに電気的に接続されている電極端子T1を露出させる切欠部14が形成されている。   Further, the power generation device of the present embodiment is configured on the one surface side of the base substrate 10 by a part of the silicon layer 200c in each of the frame piece portions 21a and 21a and the anchor portions 21b and 21b of the frame portion 21. Each part is joined by anodic bonding. Here, the base substrate 10 is formed with a notch portion 14 that exposes the electrode terminal T1 that is electrically connected to the anchor portion 21b.

以上説明した本実施形態の発電デバイスでは、SOI基板200を用いてフレーム部21、振動子23および各支持ばね部22,22を形成してあるので、実施形態1に比べて各支持ばね部22,22の厚み寸法の精度を高めることができ、振動子23の共振周波数の精度を高めることができる。   In the power generation device of the present embodiment described above, the frame portion 21, the vibrator 23, and the support spring portions 22, 22 are formed using the SOI substrate 200, so that each support spring portion 22 is compared to the first embodiment. , 22 can be improved in accuracy of the thickness dimension, and the accuracy of the resonance frequency of the vibrator 23 can be improved.

(実施形態4)
図10(f)に示す本実施形態の発電デバイスの基本構成は実施形態3と略同じであり、ベース基板10の上記一表面側に、フレーム部21の各枠片部21a,21aおよび各アンカー部21b,21bそれぞれにおいてシリコン層200cの一部により構成された各部分が接合用の樹脂(例えば、エポキシ樹脂など)からなる接合層41を介して接合されている点などが相違する。なお、実施形態3と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 4)
The basic configuration of the power generation device of the present embodiment shown in FIG. 10 (f) is substantially the same as that of the third embodiment, and the frame piece portions 21a and 21a and the anchors of the frame portion 21 are formed on the one surface side of the base substrate 10. Each of the portions 21b and 21b is different in that each portion constituted by a part of the silicon layer 200c is bonded via a bonding layer 41 made of a bonding resin (for example, epoxy resin). In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 3, and description is abbreviate | omitted.

また、本実施形態の発電デバイスでは、ベース基板10の上記一表面側においてエレクトレット30直下に金属膜からなる内部電極15を形成してあり、当該内部電極15が貫通配線13を介して電極端子T2と電気的に接続されている。   In the power generation device of the present embodiment, the internal electrode 15 made of a metal film is formed immediately below the electret 30 on the one surface side of the base substrate 10, and the internal electrode 15 is connected to the electrode terminal T <b> 2 via the through wiring 13. And are electrically connected.

以下、本実施形態の発電デバイスの製造方法について図10を参照しながら説明するが、振動子23、フレーム部21および両支持ばね部22,22を有する振動子形成基板を形成する(a1)〜(e1)の一連の工程と、ベース基板10を形成する(a2)〜(d2)の一連の工程との順序は特に限定するものではない。なお、図10における(a1)〜(e1)は図7のA−A’断面に対応する断面を示し、(a2)〜(d2)は図9のB−B’断面に対応する断面を示している。   Hereinafter, the method for manufacturing the power generation device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 10, but a vibrator formation substrate having the vibrator 23, the frame portion 21, and both support spring portions 22, 22 is formed (a1) ˜. The order of the series of steps (e1) and the series of steps (a2) to (d2) for forming the base substrate 10 is not particularly limited. 10, (a1) to (e1) show cross sections corresponding to the AA ′ cross section of FIG. 7, and (a2) to (d2) show cross sections corresponding to the BB ′ cross section of FIG. ing.

まず、(a1)〜(e1)の一連の工程について説明する。   First, a series of steps (a1) to (e1) will be described.

図10(a1)に示すSOI基板200の一表面上に電極端子T1を形成する電極形成工程を行うことによって、図10(b1)に示す構造を得る。電極形成工程では、例えば、電極端子T1の基礎となる金属膜をスパッタ法や蒸着法やCVD法などによりSOI基板200の上記一表面側の全面に形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記金属膜をパターニングすることにより上記金属膜の一部からなる電極端子T1を形成すればよい。   The structure shown in FIG. 10B1 is obtained by performing an electrode forming step of forming the electrode terminal T1 on one surface of the SOI substrate 200 shown in FIG. In the electrode formation process, for example, a metal film that is the basis of the electrode terminal T1 is formed on the entire surface of the one surface side of the SOI substrate 200 by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like, and then photolithography technology and etching technology are used. The electrode terminal T1 made of a part of the metal film may be formed by patterning the metal film using it.

上述の電極形成工程の後、SOI基板200のシリコン層200cにおいてスリット21cに対応する部位、フレーム部21と振動子23との間の部位、可動電極25と固定電極24との間の部位を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してSOI基板200の上記一表面側からエッチングするシリコン層パターニング工程を行うことによって、図10(c1)に示す構造を得る。   After the above-described electrode formation step, a portion corresponding to the slit 21c in the silicon layer 200c of the SOI substrate 200, a portion between the frame portion 21 and the vibrator 23, and a portion between the movable electrode 25 and the fixed electrode 24 are The structure shown in FIG. 10C1 is obtained by performing a silicon layer patterning process in which etching is performed from the one surface side of the SOI substrate 200 using photolithography technology and etching technology.

その後、SOI基板200の絶縁層200bにおいてフレーム部21と振動子23との間の部位、可動電極25と固定電極24との間の部位を、SOI基板200の上記一表面側からエッチングする絶縁層パターニング工程を行うことによって、図10(d1)に示す構造を得る。   Thereafter, in the insulating layer 200b of the SOI substrate 200, an insulating layer that etches a portion between the frame portion 21 and the vibrator 23 and a portion between the movable electrode 25 and the fixed electrode 24 from the one surface side of the SOI substrate 200. The structure shown in FIG. 10D1 is obtained by performing the patterning process.

その後、SOI基板200の支持基板200aにおいてフレーム部21と振動子23との間の部位、可動電極25と固定電極24との間の部位、各支持ばね部22,22直下の部位を、SOI基板200の他表面側からエッチングする支持基板パターニング工程を行うことによって、図10(e1)に示す構造の振動子形成基板を得る。   Thereafter, a portion of the support substrate 200a of the SOI substrate 200 between the frame portion 21 and the vibrator 23, a portion between the movable electrode 25 and the fixed electrode 24, and a portion immediately below each of the support spring portions 22 and 22 are designated as SOI substrates. By performing a support substrate patterning step of etching from the other surface side of 200, a vibrator forming substrate having a structure shown in FIG. 10E1 is obtained.

次に、(a2)〜(d2)の一連の工程について説明する。   Next, a series of steps (a2) to (d2) will be described.

図10(a2)に示すガラス基板10bの一表面側に例えばサンドブラス法により凹部(以下、変位空間形成用凹部と称する)11を形成するとともに切欠部14に対応する部位、貫通配線13用の貫通孔12に対応する部位それぞれに凹部14a,12aを形成する第1のサンドブラスト工程を行うことによって、図10(b2)に示す構造を得る。   A concave portion (hereinafter referred to as a displacement space forming concave portion) 11 is formed on one surface side of the glass substrate 10b shown in FIG. The structure shown in FIG. 10B2 is obtained by performing the first sandblasting process for forming the recesses 14a and 12a in the portions corresponding to the through holes 12, respectively.

その後、サンドブラスト法によりガラス基板10bに切欠部14、貫通孔12を形成する第2のサンドブラスト工程を行うことによって、図10(c2)に示す構造を得る。   Then, the structure shown in FIG. 10C2 is obtained by performing a second sand blasting process for forming the notch 14 and the through hole 12 in the glass substrate 10b by the sand blasting method.

その後、ガラス基板10bの貫通孔12内に貫通配線13を形成する貫通配線形成工程を行ってから、電極端子T2および内部電極15を形成する電極形成工程を行うことによって、図10(d2)に示す構造のベース基板10を得る。   Then, after performing the penetration wiring formation process which forms the penetration wiring 13 in the penetration hole 12 of the glass substrate 10b, the electrode formation process which forms the electrode terminal T2 and the internal electrode 15 is performed, FIG.10 (d2). A base substrate 10 having the structure shown is obtained.

上述の振動子形成基板とベース基板10とをそれぞれ形成した後、ベース基板10にエレクトレット30を形成してから、振動子形成基板とベース基板10とをエポキシ樹脂などからなる接合層41を介して接合することにより、図10(f)に示す構造の発電デバイスを得る。   After forming the above-described vibrator formation substrate and the base substrate 10, the electret 30 is formed on the base substrate 10, and then the vibrator formation substrate and the base substrate 10 are connected via the bonding layer 41 made of epoxy resin or the like. By joining, the electric power generation device of the structure shown in FIG.10 (f) is obtained.

以上説明した本実施形態の発電デバイスでは、上述の振動子形成基板とベース基板10とをエポキシ樹脂などからなる接合層41を介して接合しているので、両者を陽極接合により接合する場合に比べて、接合時にエレクトレット30の特性劣化を抑制することができる。   In the power generation device of the present embodiment described above, the above-described vibrator formation substrate and the base substrate 10 are bonded via the bonding layer 41 made of epoxy resin or the like, so that compared with the case where both are bonded by anodic bonding. Thus, the characteristic deterioration of the electret 30 can be suppressed at the time of joining.

実施形態1を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a first embodiment. 同上を示し、(a)は等価回路図、(b),(c)は動作説明図である。The same as above, (a) is an equivalent circuit diagram, (b), (c) is an operation explanatory diagram. 同上の要部説明図である。It is principal part explanatory drawing same as the above. 同上の特性説明図である。It is characteristic explanatory drawing same as the above. 同上の要部説明図である。It is principal part explanatory drawing same as the above. 実施形態2を示す概略分解斜視図である。FIG. 6 is a schematic exploded perspective view showing a second embodiment. 実施形態3を示す概略分解斜視図である。6 is a schematic exploded perspective view showing a third embodiment. FIG. 同上の概略斜視図である。It is a schematic perspective view same as the above. 同上におけるカバー基板の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the cover board | substrate in the same as the above. 実施形態4の製造方法を説明するための主要工程概略断面図である。It is a main process schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of Embodiment 4. 従来例を示し、(a)は一部破断した概略斜視図、(b)は概略断面図である。A prior art example is shown, (a) is a schematic perspective view partly broken, (b) is a schematic sectional view.

符号の説明Explanation of symbols

10 ベース基板
10a シリコン基板
20a シリコン基板
21 フレーム部
22 支持ばね部
23 振動子
24 固定電極
24b 固定櫛歯片
25 可動電極
25 可動櫛歯片
26 可変容量コンデンサ
30 エレクトレット(電圧印加手段)
51 空隙
T1,T2 電極端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Base substrate 10a Silicon substrate 20a Silicon substrate 21 Frame part 22 Support spring part 23 Vibrator 24 Fixed electrode 24b Fixed comb tooth piece 25 Movable electrode 25 Movable comb tooth piece 26 Variable capacity capacitor 30 Electret (voltage application means)
51 Air gap T1, T2 Electrode terminal

Claims (3)

ベース基板と、前記ベース基板の一表面側に固着されたフレーム部と、前記フレーム部の内側において前記ベース基板から離間して配置された振動子と、前記フレーム部の内側で前記振動子を挟む形で配置され前記フレーム部と前記振動子とを連結した一対の支持ばね部と、前記フレーム部に設けられた固定電極と前記振動子に設けられた可動電極とで構成される可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサに電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記支持ばね部は、前記フレーム部に対して前記振動子が揺動自在となるようにねじれ変形が可能なトーションばねからなり、前記固定電極は、平面視櫛形状に形成され、前記可動電極は、前記固定電極の複数の固定櫛歯片に対向する複数の可動櫛歯片を有し、前記電圧印加手段は、エレクトレットからなり、前記ベース基板の前記一表面側において前記固定電極の櫛骨部に対向する部位に前記エレクトレットが形成されており、前記フレーム部は、前記固定電極の前記櫛骨部を兼ねる部位に凹所が形成されており、前記固定電極の前記櫛骨部と前記エレクトレットとの間に空隙が形成されてなり、前記可動電極に電気的に接続された電極端子と前記エレクトレットに電気的に接続された電極端子との間に、前記可変容量コンデンサと前記エレクトレットとの直列回路が接続されていることを特徴とする発電デバイス。 A base substrate, wherein a frame portion fixed to one surface of the base over the scan board, and the frame portion vibrator inside smell Te are arranged spaced apart from the base over scan substrate, the frame portion provided a pair of support spring portion is arranged in a manner sandwiching the vibration Doko inside and connecting the Doko vibration the said frame portion, said fixed electrode oscillation Doko provided on the frame portion and a variable capacitance capacitor configured with the movable electrode which is provided with a voltage applying means for applying a voltage to the variable - capacitance capacitor, the supporting lifting spring portion, the vibration Doko with respect to the frame part It comprises a torsion spring capable of torsional deformation so as to be swingable , the fixed electrode is formed in a comb shape in plan view, and the movable electrode is a plurality of fixed comb teeth facing the fixed electrode. A movable comb-teeth piece; The electret is formed in a portion facing the comb bone portion of the fixed electrode on the one surface side of the base substrate, and the frame portion is a portion also serving as the comb bone portion of the fixed electrode. A recess is formed, and a gap is formed between the comb portion of the fixed electrode and the electret, and is electrically connected to the electrode terminal and the electret electrically connected to the movable electrode A power generating device , wherein a series circuit of the variable capacitor and the electret is connected between the electrode terminals . 前記可変容量コンデンサは、前記ベース基板の前記一表面側からの平面視において前記両支持ばね部を結ぶ方向に直交する方向の両側の少なくとも一方に形成されてなることを特徴とする請求項1記載の発電デバイス。 2. The variable capacitor according to claim 1, wherein the variable capacitor is formed on at least one of both sides in a direction orthogonal to a direction connecting the two support springs in a plan view from the one surface side of the base substrate. Power generation device. 前記可変容量コンデンサは、前記ベース基板の前記一表面側からの平面視において前記両支持ばね部を結ぶ方向に直交する方向の両側に形成されてなることを特徴とする請求項2記載の発電デバイス The variable capacitor, Motomeko 2 wherein you characterized by comprising formed on both sides in the direction perpendicular to the direction connecting the both supporting spring portion in a plan view from the one surface side of the base substrate Power generation device .
JP2008164678A 2008-06-24 2008-06-24 Power generation device Expired - Fee Related JP5237705B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008164678A JP5237705B2 (en) 2008-06-24 2008-06-24 Power generation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008164678A JP5237705B2 (en) 2008-06-24 2008-06-24 Power generation device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010011547A JP2010011547A (en) 2010-01-14
JP5237705B2 true JP5237705B2 (en) 2013-07-17

Family

ID=41591362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008164678A Expired - Fee Related JP5237705B2 (en) 2008-06-24 2008-06-24 Power generation device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5237705B2 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI123941B (en) 2010-09-07 2013-12-31 Murata Electronics Oy Structure and method of energy collection
JP5603200B2 (en) * 2010-10-26 2014-10-08 日本電信電話株式会社 Electrostatic conversion device and method of manufacturing electrostatic conversion device
JP5676377B2 (en) * 2011-06-29 2015-02-25 アオイ電子株式会社 Electret film and vibration power generation element using the same
JP5504298B2 (en) 2012-02-22 2014-05-28 アオイ電子株式会社 Vibration power generation element and manufacturing method thereof
JP5826681B2 (en) * 2012-03-09 2015-12-02 シチズンホールディングス株式会社 Manufacturing method of electret board
JP5627130B2 (en) 2012-08-30 2014-11-19 アオイ電子株式会社 Method for forming electrets containing positive ions
JP5763023B2 (en) 2012-08-30 2015-08-12 アオイ電子株式会社 Manufacturing method of three-dimensional comb-tooth electret electrode
JP6554742B2 (en) 2014-10-22 2019-08-07 国立大学法人静岡大学 Electret element, microphone equipped with the electret element, and method for manufacturing the electret element
JP6677125B2 (en) * 2016-08-24 2020-04-08 株式会社デンソー Semiconductor device
JP6985702B2 (en) * 2018-05-31 2021-12-22 国立大学法人 東京大学 Vibration power generation device and vibration power generation element
CN113302834A (en) * 2019-01-22 2021-08-24 国立大学法人东京大学 Vibration power generation element
JP2020202613A (en) * 2019-06-06 2020-12-17 国立大学法人 東京大学 Electrostatic device and manufacturing method thereof
JP7090249B2 (en) * 2019-06-06 2022-06-24 国立大学法人 東京大学 Manufacturing method for manufacturing electrostatic devices

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005173411A (en) * 2003-12-12 2005-06-30 Canon Inc Light deflector
JP4229970B2 (en) * 2006-07-28 2009-02-25 三洋電機株式会社 Power generation device, electric device equipped with power generation device, and communication device equipped with power generation device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010011547A (en) 2010-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5237705B2 (en) Power generation device
US10033305B2 (en) Energy harvesting device and method for forming the same
WO2018101017A1 (en) Vibration power generation element
JP5610069B2 (en) Piezoelectric generator
JP4767369B1 (en) Piezoelectric power generation element and power generation method using piezoelectric power generation element
JP5136644B2 (en) Piezoelectric generator
US20130038175A1 (en) Vibration power generation device
JP2017055594A (en) Power generation device mounting structure and power generation method
US20130175897A1 (en) Disk resonator and electronic component
JP5351570B2 (en) Sensor device
WO2018038150A1 (en) Semiconductor device
JP2008252847A (en) Electrostatic transducer
JP2010538598A (en) Piezoelectric energy converter with double diaphragm
JP2019033631A (en) Mems vibration element and manufacturing method therefor, and vibration power generation element
JP2008252854A (en) Electrostatic transducer and manufacturing method thereof
JP2015076688A (en) Vibrator, oscillator, electronic apparatus and movable body
JP2011024278A (en) Method of manufacturing oscillating power generating element, and power generation element
JP2020065438A (en) Power generation device mounting structure and power generation method
JP2008259062A (en) Electrostatic transducer
JP4930769B2 (en) Oscillator
JP2015080013A (en) Vibrator, oscillator, electronic apparatus and movable body
Honma et al. Power Generation Demonstration of Electrostatic Vibrational Energy Harvester with Comb Electrodes and Suspensions Located in Upper and Lower Decks.
JP5307955B1 (en) Micro-electromechanical generator and electrical equipment using the same
JP6673479B2 (en) Piezoelectric transformer
JP2015080012A (en) Vibrator, oscillator, electronic apparatus and movable body

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20100809

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110323

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20120112

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120919

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120925

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121126

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130305

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130329

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160405

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees