JP5307955B1 - 微小電気機械発電器およびそれを用いた電気機器 - Google Patents

Abstract

微小電気機械発電器は、表面に電荷を保持し、連続して繋がって形成されたエレクトレット膜が配置された第１の基板と、エレクトレット膜と対向する表面に集電電極が配置された第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に配置され、第１の基板および第２の基板に対し所定の方向に移動可能に支持された導電性を有する可動基板と、を備え、可動基板は、第１の基板側から第２の基板側に向けて貫通し、エレクトレット膜から放射される電界を通す開口部を有し、可動基板が移動することにより、開口部から集電電極に放射される電界の有無が生じ、電界の有無により、集電電極に電荷が励起したり放電したりすることによって発電する。

Description

本発明は、微小電気機械発電器およびそれを用いた電気機器に関する。特に、環境中に存在する振動を利用して発電する静電型振動発電器である微小電気機械発電器及びそれを用いた電気機器に関する。

微小電気機械素子（MEMS：Micro Electro Mechanical Systems：以下、「ＭＥＭＳ」と略すことがある）は、無線、光、加速度センサ、バイオ、およびパワーなど、多くの分野において応用されている。その中で、パワーの分野においてＭＥＭＳを応用したデバイスとして、環境中に存在する、光、熱、および振動といった散逸したエネルギーを集めて活用する環境発電器(Energy Harvester)の開発が進められている。この環境発電器は、例えば、低電力無線機の電源に適用されて、電源ケーブルや電池を必要としない無線センサーネットワークなどの小型電気機器を実現することができる。ＭＥＭＳ技術を環境発電器に適用することにより、環境発電器の小型化が可能である。

光および熱の発生が弱い環境においては、外部環境から加えられる力によって素子を構成する部材が振動することを利用して発電する振動型発電器が有用である。振動型発電器には、圧電型、電磁型、および静電型などがある。静電型振動発電器は、圧電材料および磁性材料を必要とせず、簡単な製造方法で作製可能であるという利点を有する。

静電型振動発電器は、着電されたエレクトレットと、対向する電極と、を具備し、外部環境から加えられる力により重りが振動したときに、エレクトレットと電極との対向面積が変化するように構成される。つまり、静電型振動発電器は、エレクトレットと電極との対向面積の変化に伴う静電容量の変化を利用して、静電容量の最大値と最小値とを繰り返し発生させることにより、電極への給電および放電による発電を実現する環境発電器である。これまでに、種々の静電型振動発電器が提案されている。

図１７は、特許文献１に記載された振動発電器の断面図である。図１７において、シリコンからなる固定電極９０の表面上にエレクトレット膜９１が形成されている。また、固定電極９０と対向するように配置される可動基板９２の表面上に、エレクトレット膜９１と対向するように可動電極９３が形成されている。また、エレクトレット膜９１は櫛歯状にパターン化されている。

図１８は、特許文献１に記載された別の振動発電器の断面図である。図１８において、シリコンからなる固定電極４の表面上に、ＰＴＦＥなどの有機材料やシリコン酸化膜からなるエレクトレット膜５が形成されている。また、エレクトレット膜５の上面上には、櫛歯状の導電層６が形成されている。

国際公開公報２００８／０２６４０７号公報

G. Altena et al.著「DESIGN, MODELING, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF AN ELECTRET-BASED MEMS ELECTROSTATIC ENERGY HARVESTER」Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), 2011 16th International、2011年6月5日（P739-P742）

静電型振動発電器の発電量を増大させるためには、最大容量時の給電量を増大させること、あるいは、静電容量の最大値と最小値の容量変化比を増大させることが必要である。これらは、エレクトレットの電位を増大させること、および／または、電極とエレクトレットとの間のギャップを狭くすることによって実現される。

図１７の構成では、エレクトレットを櫛歯状に微細にパターニングする必要がある。しかし、パターニングされたエレクトレットからは、着電された電荷が逃げ易く、長期的にエレクトレットの電位が低下するという信頼上の課題があることが見出された。

一方、図１８の構成は、エレクトレットが櫛歯状にパターン化されていないため、エレクトレットからの電荷の移動は低減される。しかし、エレクトレット上に直接に導電層が形成されているため、エレクトレットから導電層への電荷の移動が生じ、やはりエレクトレットの電位が低下するという問題があることが見出された。

また、非特許文献１には、パターン化されていないエレクトレットと対向する位置に振動体(導体)を設け、櫛歯状のパターンを有する振動体(導体)に電荷を励起することにより、パターン化された電界を発生させる構成が記載されている。しかし、エレクトレットの電荷を直接使用するのではなく、振動体(導体)に励起した電荷を使用するため、発電効率が低下するという問題があることが見出された。

本発明の目的は、発電量の増大と信頼性の向上が実現された静電型振動発電器を微小電気機械発電器として提供することである。

本発明に係る微小電気機械発電器は、表面に電荷を保持し、連続して繋がって形成されたエレクトレット膜が配置された第１の基板と、
前記エレクトレット膜と対向する表面に集電電極が配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第１の基板および前記第２の基板に対し所定の方向に移動可能に支持された導電性を有する可動基板と、
を備え、
前記可動基板は、前記第１の基板側から前記第２の基板側に向けて貫通し、前記エレクトレット膜から放射される電界を通す開口部を有し、
前記可動基板が移動することにより、前記開口部から前記集電電極に放射される電界の有無が生じ、前記電界の有無により、前記集電電極に電荷が励起したり放電したりすることによって発電する。

本発明に係る微小電気機械発電器によれば、エレクトレットからの電荷の移動を抑制することができるため、経時的なエレクトレットの電位の低下を低減することができる。よって、発電量の増大と、信頼性の向上とをともに達成することができる。さらに、この微小電気機械発電器を電源として用いた電気機器を実現することができる。

実施の形態１に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器における、第１の電極の配置を示す平面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器における、可動基板の構成を示す平面図である。 実施の形態１の変形例１に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態１の変形例１に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態１の変形例２に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態１の変形例２に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態１の変形例２に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図である。 実施の形態１に係る微小電気機械発電器の構成を示す回路図である。 実施の形態２に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 実施の形態２に係る微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 従来の微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。 従来の微小電気機械発電器の構成を示す断面図である。

第１の態様に係る微小電気機械発電器は、表面に電荷を保持し、連続して繋がって形成されたエレクトレット膜が配置された第１の基板と、
前記エレクトレット膜と対向する表面に集電電極が配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第１の基板および前記第２の基板に対し所定の方向に移動可能に支持された導電性を有する可動基板と、
を備え、
前記可動基板は、前記第１の基板側から前記第２の基板側に向けて貫通し、前記エレクトレット膜から放射される電界を通す開口部を有し、
前記可動基板が移動することにより、前記開口部から前記集電電極に放射される電界の有無が生じ、前記電界の有無により、前記集電電極に電荷が励起したり放電したりすることによって発電する。

第２の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１の態様において、前記可動基板は、前記所定の方向に振動可能に支持してもよい。

第３の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１又は第２の態様において、前記可動基板は、その移動の過程において、前記エレクトレット膜と前記集電電極との前記可動基板の前記開口部を介した重なり面積を変化させるように、前記第１の基板および前記第２の基板に対して移動可能に支持してもよい。

第４の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記可動基板の前記開口部は、パターン化されていてもよい。

第５の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記第２の基板の前記集電電極は、パターン化されていてもよい。

第６の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記集電電極は、前記所定の方向について第１の周期でパターン化されており、
前記開口部は、前記所定の方向について第２の周期でパターン化されており、
前記第１の周期と前記第２の周期とは整数倍の関係にあり、前記集電電極と前記開口部とは、互いに同期しうる周期でパターン化されていてもよい。

第７の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記集電電極は、前記所定の方向について周期的パターンにパターン化されており、
前記開口部は、前記所定の方向について、前記周期的パターンと同じ周期でパターン化されていてもよい。

第８の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１から第７のいずれかの態様において、前記可動基板は接地されていてもよい。

第９の態様に係る微小電気機械発電器は、上記第１から第８のいずれかの態様において、パターン化された前記集電電極の各々の間に配置され、接地されたガード電極を有してもよい。

第１０の態様に係る電気機器は、上記第１から第９のいずれかの態様の前記微小電気機械発電器を電源として含んで構成してもよい。

実施の形態に係る微小電気機械発電器について、以下に添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。

（実施の形態１）
＜微小電気機械発電器の構成＞
図１および図２は、本実施の形態における微小電気機械発電器１００の構成を示す横断図である。図１および図２に示す微小電気機械発電器１００は、第１基板としての下部基板１１１、第２基板としての上部基板１０９、可動基板１１０、弾性構造体としてのバネ２０１、および固定構造体１０８を具備する。図１において、下部基板１１１の上部表面と、上部基板１０９の下部表面とが互いに対向している。したがって、この発電器１００において、下部基板１１１の上部表面と上部基板１０９の下部表面とが、それぞれ第１基板表面と第２基板表面とに相当する。

図３は、第１の電極１０２の配置を示す平面図である。下部基板１１１の第１基板表面（上部表面）には、図３に示すようにパターン化された複数の第１の電極１０２が設けられている。また、第１基板表面には第１の電極１０２から外部への配線を取るためのパッド１０５が形成されている。上部基板１０９の第２基板表面（下部表面）には、電界を発生するエレクトレットであって、可動基板１１０と対向したエレクトレット１０４が形成されている。このエレクトレット１０４には、半永久的に電荷を保持するように着電されている。なお、固定構造体１０８、可動基板１１０、およびバネ２０１は、通常、１枚の基板を加工して形成される。よって、これらの部材を合わせて、「可動基板（または可動部もしくは重り）１１０が弾性構造体２０１によって接続されている中間基板１０８」または「弾性構造体２０１によって可動可能な重り１１０を有する中間基板１０８」と称することもある。

図４は、可動基板１１０の構成を示す平面図である。可動基板１１０は、外部振動に追随して、上部基板１０９および下部基板１１１と対向する表面（したがって、第１基板表面および第２基板表面）と平行な少なくとも一軸方向（図面において両矢印で示す方向）において、振動（即ち、往復運動）する。このように外部振動に追随して可動基板１１０を振動させるためには、可動基板１１０は、一定の重さを有することが必要とされる。そのため、可動基板１１０の厚さは、１００μｍ〜１ｍｍの範囲にあることが望ましい。第１基板表面と対向する可動基板１１０には、複数の第１の電極１０２と同程度のパターンで可動基板１１０を貫通することにより形成された、複数の基板貫通孔１０１（以下、「スリット１０１」と呼ぶ。）が形成されている。スリット１０１の幅は、例えば１００μｍとすることができるが、これに限られず１０μｍ〜１ｍｍであってもよい。

図示した形態において、複数の第１の電極１０２の各々は、互いに平行であり、かつ等間隔で設けられている。また、第１の電極１０２の各々は、可動基板１１０の移動方向と平行な方向に並んでいる。即ち、第１の電極１０２は、第１基板表面に対して垂直な方向から見たときに、図３に示すように配置されている。ここで、複数の第１の電極１０２の間隔とは、第１の電極１０２の幅方向（可動基板１１０の移動方向と平行な方向）の中心を通る中心線間の距離であり、図３において距離Ｐに相当する。また、スリット１０１も、第１の電極１０２と同様のパターンで配置されている。

第１の電極１０２と可動基板１１０との間に所定のギャップが形成されるように、下部基板１１１と固定構造体１０８は、下部接合部１０６により接合される。同様に、エレクトレット１０４と可動基板１１０との間に所定のギャップが形成されるよう、上部基板１０９と固定構造体１０８は、上部接合部１０７により接合される。

この構成の微小電気機械発電器１００においては、エレクトレット１０４自体はパターン化せず、エレクトレット１０４と対向する第１の電極１０２をパターン化している。また、エレクトレット１０４とパターン化された第１の電極１０２との間にスリット１０１を有し、エレクトレット１０４と第１の電極１０２との間で振動可能に支持された可動基板１１０を設けている。かかる構成によれば、図１に示す可動基板１１０の位置の場合、スリット１０１の位置に応じて、エレクトレット１０４から発生した電界を可動基板１１０に引き込むことにより遮蔽できる。あるいは、図２に示すように可動基板１１０を移動させた場合、スリット１０１の位置に応じて、エレクトレット１０４から発生した電界を、スリット１０１を通して一部の電界を第１の電極１０２に通過させることができる。つまり、可動基板１１０の移動によって、スリット１０１のパターンに対応した電界を発生させることができる。実施の形態１に係る微小電気機械発電器１００によれば、エレクトレット１０４を微細にパターニングする必要がないため、高い電荷保持力を保った高信頼性を有するエレクトレット１０４を有し、高い発電効率を有する微小電気機械発電器１００を実現することが可能となる。
なお、エレクトレット１０４から発生した電界を可動基板１１０に引き込むため、可動基板１１０をシリコンなどの導体とすることができる。また、可動基板１１０上に形成したアルミニウムなどの導体を形成することができる。

なお、可動基板１１０は、接地に接続するなどの方法により、電位を定める構成としてもよい。

図１に示す微小電気機械発電器１００において、第１の電極１０２と、スリット１０１とは、第１基板表面に対して垂直な方向から見て、全くずれるように配置されている。即ち、第１の電極１０２およびスリット１０１は、図示した形態において、第１基板表面に対して垂直な同一線上に位置していない。この場合、エレクトレット１０４から発生する、第１の電極１０２の方向への電界は、可動基板１１０に遮蔽される。なお、上記の場合にはエレクトレット１０４と第１の電極１０２とのスリット１０１を介した重なり面積が最小（上記の例では重なり面積はゼロ）となる。

他方、図２に示す状態では、可動基板１１０が移動し、第１の電極１０２と、スリット１０１は、第１基板表面に対して垂直な方向から見て、一致するように配置されている。即ち、第１の電極１０２およびスリット１０１は、図２に示した形態において、第１基板表面に対して垂直な同一線上に位置し、互いに重なっている。この場合、エレクトレット１０４と第１の電極１０２とのスリット１０１を介した重なり面積が最大となり、エレクトレット１０４から発生する、第１の電極１０２の方向への電界は、スリット１０１を通過して第１の電極１０２に到達する。
すなわち、微小電気機械発電器１００によれば、可動基板１１０を移動させることによって、エレクトレット１０４と第１の電極１０２とのスリット１０１を介した重なり面積を変化させることができる。これによって、エレクトレット１０４から発生する電界を可動基板１１０で遮蔽し（図１）、あるいは、エレクトレット１０４から発生する電界を、スリット１０１を通過させて第１の電極１０２に到達させる（図２）ことを制御できる。

なお、図示した形態においては、第１の電極１０２の幅とスリット１０１の幅（可動基板１１０の移動方向と平行な寸法）が同じである。例えば、第１の電極１０２の幅とスリット１０１の幅とが異なる場合、これらが第１基板表面に対して垂直な方向から見て一致するとは、これらの幅方向の中心を通る中心線が一致することを意味する。

かかる構成によれば、可動基板１１０が振動している間、エレクトレット１０４から発生し、第１の電極１０２に到達する電界の有無を切り替えることができる。より具体的には、エレクトレット１０４と第１の電極１０２とのスリット１０１を介した重なり面積が最大になるときに、第１の電極１０２に印加される電界を最大とし、第１の電極１０２に電荷を励起することができる。他方、エレクトレット１０４と第１の電極１０２とのスリット１０１を介した重なり面積が最小になるときに、第１の電極１０２に印加される電界を最小とし、第１の電極１０２に励起された電荷を解放することができる。これにより、可動基板１１０の振動に伴い、第１の電極１０２への給電、放電を繰り返すことにより、パッド１０５に交流電流を発生させることが可能となる。

本実施の形態１に係る微小電気機械発電器によれば、エレクトレット１０４を微細なパターンにパターン化する必要がないため、エレクトレット１０４からの電荷の逃げを低減できる。また、エレクトレット１０４上には導電層が直接形成されておらず、可動基板１１０との間には空隙が存在するため、エレクトレット１０４からの電荷の移動をさらに低減することが可能となる。

このように、実施の形態１に係る微小電気機械発電器１００によれば、微小電気機械発電器の発電量の増大および信頼性の向上を共に実現することが可能となり、これを電源として組み込むことによって、種々の電気機器を提供することが可能となる。

（変形例１）
図５及び６は、実施の形態１の変形例１に係る微小電気機械発電器１００ａの構成を示す横断面図である。この変形例１に係る微小電気機械発電器１００ａは、図１及び２の実施の形態１に係る微小電気機械発電器１００と対比すると、第１の電極１０２を一つだけとしパターン化していない点、可動基板１１０に一つのスリット１０１を設けた点、について異なる。
この変形例１に係る微小電気機械発電器１００ａは、図５に示す可動基板１１０の位置の場合、スリット１０１の位置に応じて、エレクトレット１０４から発生した電界を可動基板１１０に引き込むことにより遮蔽できる。あるいは、図６に示すように可動基板１１０を移動させた場合、スリット１０１の位置に応じて、エレクトレット１０４から発生した電界を、スリット１０１を通して一部の電界を第１の電極１０２に通過させることができる。つまり、可動基板１１０の移動によって、スリット１０１のパターンに対応した電界を発生させることができる。

（変形例２）
図７乃至９は、実施の形態１の変形例２に係る微小電気機械発電器１００ｂの構成を示す横断面図である。この変形例２に係る微小電気機械発電器１００ｂは、図１及び２の実施の形態１に係る微小電気機械発電器１００、及び、図５及び６の実施の形態１の変形例１に係る微小電気機械発電器１００ａと対比すると、第１の電極１０２を四つにパターン化している点、可動基板１１０に二つのスリット１０１を設けた点、二つの第１の電極１０２にわたって可動基板１１０を振動させる点、について異なる。
この変形例２に係る微小電気機械発電器１００ｂでは、第１の電極１０２のパターンとスリット１０１のパターンとは同一ではないが、第１の電極１０２の周期とスリット１０１の周期とは整数倍の関係にあり、第１の電極１０２とスリット１０１とは、互いに同期しうる周期でパターン化されている。
そこで、変形例２に係る微小電気機械発電器１００ｂは、二つの第１の電極１０２にわたって可動基板１１０を振動させた場合、１回の振動で、エレクトレット１０４と第１の電極１０２とのスリット１０１を介した重なり面積の最大と最小との変化を２回生じさせることができる。

＜微小電気機械発電器の製造方法＞
次に、図１に示す形態の微小電気機械発電器１００の製造方法を説明する。
図１０、図１１、図１２、図１３は、実施の形態１における微小電気機械発電器１００の製造方法を示す横断面図である。図１０を参照して、１枚の基板を加工して、可動基板１１０、バネ２０１および固定構造体１０８（即ち、可動基板１１０が弾性構造体２０１によって接続されている中間基板１０８）を形成する方法を説明する。

図１０（ａ）は、基板上に接合部１０６および１０７が形成された状態を示す断面図である。基板としては、例えばシリコン基板を用いることができる。なお、この基板は、加工後に可動基板１１０として振動させるために、一定の重さを有することが必要とされる。このため、基板の厚さは、１００μｍ〜１ｍｍの範囲にあることが望ましい。ここでは、７００μｍの厚さのシリコン基板を用いる場合について説明する。
次いで、メッキプロセス用のシード層（図示せず）を形成し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより上部接合部１０７を形成する。その後、レジストを除去する。シード層の材料は、チタン、銅、またはそれらの積層膜などであり、接合部の材料としては銅などを用いることができる。

続いて、上部接合部１０７を形成した表面とは反対の表面に、下部接合部１０６を形成する。メッキプロセス用のシード層（図示せず）を形成し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより下部接合部１０６を形成する。その後、レジストを除去する。

次に、マスク形成および深堀エッチング（DRIE: Deep Reactive Ion Etching）により、図１０（ｂ）に示すように、基板を、バネ２０１、開口部であるスリット１０１を有する可動基板１１０および固定構造体１０８を有する部材に加工する。

図１１（ａ）を参照して、上部基板１０９の加工を説明する。図１１（ａ）は、上部基板１０９の表面にエレクトレット１０４および上部接合部１０７が形成された状態を示す断面図である。上部基板１０９の表面にシリコン酸化膜などの層間絶縁膜を形成した後、エレクトレット１０４の形成を行う。エレクトレット１０４は、エレクトレット材料を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのプロセスにより、パターニングすることにより形成される。エレクトレット材料は、シリコン酸化膜、シリコン窒素膜、もしくはその多層膜などの無機材料、または有機材料などである。
次に、メッキプロセス用のシード層（図示せず）を堆積し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより上部接合部１０７を形成する。その後、レジストを除去する。シード層の材料は、チタン、銅、またはそれらの積層膜などであり、接合部の材料としては銅、錫、またはそれらの積層膜などを用いることができる。

図１１（ｂ）を参照して、下部基板１１１の加工を説明する。図１１（ｂ）は、下部基板１１１の表面に第１の電極１０２、パッド１０５および下部接合部１０６が形成された状態を示す断面図である。下部基板１１１の表面にシリコン酸化膜などの層間絶縁膜を形成した後、第１の電極１０２、パッド１０５の形成を行う。第１の電極１０２は、下部基板１１１の表面（第１表面）上に、第１の電極１０２およびパッド１０５となる電極およびパッド材料を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのプロセスによりパターニングする。電極およびパッド材料は、アルミニウムなどの金属材料などである。
次に、メッキプロセス用のシード層（図示せず）を堆積し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより下部接合部１０６を形成する。その後、レジストを除去する。シード層の材料は、チタン、銅、またはそれらの積層膜などであり、接合部の材料としては銅、錫、またはそれらの積層膜などを用いることができる。

図１２、図１３を参照して、１枚の基板を加工して形成された可動基板１１０、バネ２０１をおよび固定構造体１０８、上部基板１０９、ならびに下部基板１１１の組み立て加工を説明する。図１２（ａ）に示すように、下部基板１１１と固定構造体１０８との接合は、下部接合部１０６同士を接合することにより行う。次に、図１２（ｂ）に示すように、上部基板１０９と固定構造体１０８との接合は、上部基板１０９の表面に形成された第１のエレクトレット１０４の着電工程を行った後、上部接合部１０７同士を接合することにより行う。

図１３は、グラインダまたは深堀エッチングにより、上部基板１０９、固定構造体１０８および下部基板１１１を加工し、パッド１０５の露出、および発電器のチップ化（個片化）を行う工程を示す。
以上の各工程を含む製造方法によって、実施の形態１に係る微小電気機械発電器１００を実現することが可能となる。

＜微小電気機械発電器の回路構成＞
図１４は、本実施の形態１における微小電気機械発電器１００を用いて構成した回路を示す回路図である。
図１４は、第１の電極１０２より電力を外部負荷に出力するための変換回路３００の回路構成である。変換回路３００によって、第１の電極１０２において給放電を繰り返すことにより出力される交流電流を、直流電流に変換する。第１の電極１０２とエレクトレット１０４が形成された上部基板１０９の間に変換回路３００を接続する。例えば、変換回路３００は、４つのダイオードで構成されたブリッジ整流回路と、キャパシタで構成された平滑回路と、負荷抵抗とで構成できる。なお、外部負荷とは、ワイヤ・ボンディング等で接続される。

（実施の形態２）
＜微小電気機械発電器の構成＞
図１５、図１６は、実施の形態２における微小電気機械発電器２００の構成を示す横断面図である。
実施の形態２の微小電気機械発電器２００においては、複数の第２の電極１０２１が、下部基板１１１の表面（第１基板表面）において、複数の第１の電極１０２のそれぞれの間に形成されている点で、実施の形態１の微小電気機械発電器１００と異なる。よって、図１５に示す形態においては、第２の電極１０２１とスリット１０１が、第１基板表面に対して垂直な方向から見たときに一致している。他方、図１６に示す状態では、可動基板１１０が移動し、第２の電極１０２１と、スリット１０１は、第１基板表面に対して垂直な方向から見て、ずれるように配置されている。

かかる構成によれば、図１５に示す形態においては、第２の電極１０２１にエレクトレット１０４から発生する電界を引き込み、不要な電界が第１の電極１０２に到達することを防ぐことができ、第１の電極１０２に励起された電荷を、十分に解放することができる。
よって、この微小電気機械発電器２００によれば、実施の形態１に関連して説明した効果（信頼性の向上）とともに、さらに発電量を増大するという効果を得ることができる。

上記の実施の形態１及び２は、いずれも、下部基板１１１を第１基板とし、上部基板１０９を第２基板として説明している。なお、説明した実施の形態１及び２の微小電気機械発電器１００、２００は、例えば、上下を逆にして使用することも勿論可能である。また、パッド１０５は、上部基板１０９に設けられてよい。あるいは、別の実施の形態において、下部基板１１１を第２基板とし、上部基板１０９を第１基板としてよい。「第１」および「第２」という用語は、２つの基板を区別するために用いられ、基板の上下関係を示すために用いられるものではない。

上記の実施の形態１及び２においては、可動基板１１０は、弾性構造体２０１を介して固定構造体１０８に接続されることによって、固定構造体１０８により支持されている。可動基板１１０の固定構造体１０８への支持は、可動基板１１０が所定の方向において往復運動し得る限りにおいて、例えば、磁気力または静電力によるものであってもよい。また、例えば、静電力によって可動基板１１０を支持する場合、第１基板１１１および第２基板１０９が固定構造体１０８を兼ねてよい。その場合、例えば、第１基板１１１と可動基板１１０の互いに対向するそれぞれの面、第２基板１０９と可動基板１１０の互いに対向するそれぞれの面にエレクトレットを設け、それぞれのエレクトレットを同電荷に着電することによって、エレクトレット間の静電力（反発力）によって、可動基板１１０を支持することができる。

また、上記の実施の形態１及び２においては、可動基板１１０の移動方向を図４に示すように、第１基板および第２基板を矩形または正方形としたときの一辺と平行な方向であるものを示している。しかし、これらの実施の形態の説明は、微小電気機械発電器において、可動基板の移動方向が当該方向に代えて、または当該方向に加えて、他の方向であることを妨げるものではない。

本発明に係る微小電気機械発電器は、発電量の増大および信頼性の向上を達成することができるものであるから、各種電気機器の電源として有用である。

１００、２００、１０００ 微小電気機械発電器
１０１ 基板貫通孔、スリット
１０２ 第１の電極
１０２１ 第２の電極
１０４ エレクトレット
１０５ パッド
１０６ 下部接合部
１０７ 上部接合部
１０８ 固定構造体、中間基板
１０９ 上部基板（第２基板）
１１０、１１０１ 可動基板
１１１ 下部基板（第１基板）
２０１ 弾性構造体（バネ）
３００ 変換回路

Claims (10)

1. 表面に電荷を保持し、連続して繋がって形成されたエレクトレット膜が配置された第１の基板と、
   前記エレクトレット膜と対向する表面に集電電極が配置された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第１の基板および前記第２の基板に対し所定の方向に移動可能に支持された導電性を有する可動基板と、
   を備え、
   前記可動基板は、前記第１の基板側から前記第２の基板側に向けて貫通し、前記エレクトレット膜から放射される電界を通す開口部を有し、
   前記可動基板が移動することにより、前記開口部から前記集電電極に放射される電界の有無が生じ、前記電界の有無により、前記集電電極に電荷が励起したり放電したりすることによって発電する、微小電気機械発電器。
2. 前記可動基板は、前記所定の方向に振動可能に支持される、請求項１に記載の微小電気機械発電器。
3. 前記可動基板は、その移動の過程において、前記エレクトレット膜と前記集電電極との前記可動基板の前記開口部を介した重なり面積を変化させるように、前記第１の基板および前記第２の基板に対して移動可能に支持される、請求項１又は２に記載の微小電気機械発電器。
4. 前記可動基板の前記開口部は、パターン化されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の微小電気機械発電器。
5. 前記第２の基板の前記集電電極は、パターン化されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の微小電気機械発電器。
6. 前記集電電極は、前記所定の方向について第１の周期でパターン化されており、
   前記開口部は、前記所定の方向について第２の周期でパターン化されており、
   前記第１の周期と前記第２の周期とは整数倍の関係にあり、前記集電電極と前記開口部とは、互いに同期しうる周期でパターン化されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の微小電気機械発電器。
7. 前記集電電極は、前記所定の方向について周期的パターンにパターン化されており、
   前記開口部は、前記所定の方向について、前記周期的パターンと同じ周期でパターン化されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の微小電気機械発電器。
8. 前記可動基板は接地されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の微小電気機械発電器。
9. パターン化された前記集電電極の各々の間に配置され、接地されたガード電極を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の微小電気機械発電器。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の前記微小電気機械発電器を電源として含む、電気機器。

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