JP5237705B2 - Power generation device - Google Patents
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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
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。
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
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
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
(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-
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
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
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
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
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C0、正極側の電荷を+Q0、負極側の電荷を−Q0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C1、正極側の電荷を+Q1、負極側の電荷を−Q1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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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)
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
(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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
51 Air gap T1, T2 Electrode terminal
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