JP5395589B2 - 発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、運動エネルギー（振動エネルギー）を電気エネルギーに変換する発電装置、特に、ＭＥＭＳ［Micro Electromechanical System］技術を用いて製造される振動駆動型の容量性発電装置に関するものである。
図５４は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される振動型発電装置の一従来例を示す模式図である。本従来例の振動型発電装置は、バルクＭＥＭＳ技術を用いて上側ユニットＵ１と下側ユニットＵ２とを個別に作成し、これらを互いに貼り合わせた構造とされていた。
なお、図５４中において、符号１００はパリレン［登録商標］、符号１０１はシリコン基板、符号１０２はシリカ層、符号１０３はエレクトレット、符号１０４は対向電極、符号１０５はベース電極、符号１０６はパイレックス（登録商標）、及び、符号１０７はスペーサを各々示している。
上記構成から成る振動型発電装置の動作原理は、エレクトレット１０３と対向電極１０４との重なり面積を２軸平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の振動によって変化させ、対向電極１０４に誘導される電荷の変化分を電流として引き出すというものであった。
なお、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される振動型発電装置の関連技術としては、例えば、特許文献１を挙げることができる。
特開２００９−７７６１４号公報
しかしながら、上記従来の振動型発電装置では、その発電電力が１０μＷ程度であり、その用途が限定されていた。
また、上記従来の振動型発電装置は、エレクトレット１０３と対向電極１０４が互いに対面している構造であるため、上側ユニットＵ１と下側ユニットＵ２とのギャップ距離を小さく設計し過ぎると、エレクトレット１０３と対向電極１０４との間に静電引力が働いて両者が接触したり、或いは、エレクトレット１０３の注入電荷が放電されてしまうおそれがあった。そのため、上側ユニットＵ１と下側ユニットＵ２とのギャップ距離は、ある程度大きく設計しなければならないが、ギャップ距離を広げた上で、なおかつ、振動による容量変化を大きくするためには、エレクトレット１０３と対向電極１０４の面積を大きく設計する必要があり、その結果として、さらなるギャップ距離の増大が必要となる。このような悪循環から、上記従来の振動型発電装置では、例えば、ギャップ距離が７０μｍ程度、エレクトレット１０３の横サイズが１５０μｍ程度に設計されており、装置の小型化に関しては、さらなる改良の余地があった。
また、上記従来の振動型発電装置では、上側ユニットＵ１と下側ユニットＵ２とを貼り合わせる前に、コロナ放電（大気放電）を利用して、エレクトレット１０３への電荷注入（帯電）が非接触で行われていた。しかしながら、このような電荷注入プロセスを実施するためには、大規模なコロナ放電設備が必要となるため、製造コスト面で不利であった。
本発明は、上記の問題点に鑑み、小型大出力の発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る発電装置は、誘電体と；前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と；前記可動部の前記誘電体側に各々形成され、２電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と；を有して成り、前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、前記誘電体の可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるためのメタル層と；前記誘電体と前記メタル層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜（例えば、静摩擦係数が０．５以下、比誘電率が４．０以下）と；を有して成る構成（第１の構成）とされている。
なお、上記第１の構成から成る発電装置において、前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に突起して形成されている構成（第２の構成）にするとよい。
また、上記第１の構成から成る発電装置において、前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に埋没して形成されている構成（第３の構成）にするとよい。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る発電装置は、誘電体と；前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と；前記可動部の誘電体側表面に各々形成され、２電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と；を有して成り、前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、前記誘電体は、その可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるための溝部を有して成る構成（第４の構成）とされている。
なお、上記第４の構成から成る発電装置は、前記溝部の内部に積層され、前記誘電体の可動部側表面を平坦化するシリカ等の低誘電率層（比誘電率が１００以下）を有して成る構成（第５の構成）にするとよい。
また、上記第５の構成から成る発電装置は、前記誘電体と前記シリカ等の低誘電率層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜を有して成る構成（第６の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第６いずれかの構成から成る発電装置は、前記可動部の支持部材として、厚み方向の長さが幅方向の長さよりも大きい梁部を有して成る構成（第７の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第７いずれかの構成から成る発電装置において、前記エレクトレットと前記対向電極は、複数の櫛歯部を有する櫛歯状にそれぞれ形成されており、平面的に見て、互いの櫛歯部が所定の間隔を隔てて交互に配列されている構成（第８の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第８いずれかの構成から成る発電装置は、前記エレクトレットに対して所定量の電荷を接触式放電によって注入するためのエレクトレット端子（エレクトレット材が露出した端子）を有して成る構成（第９の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第９いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は、１，０００以上の比誘電率を有する構成（第１０の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第１０いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域は低真空状態（高真空や超真空ではない状態）とされている構成（第１１の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第１０いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域には、所定の気体が充填されている構成（第１２の構成）にするとよい。
また、上記第１２の構成から成る発電装置において、前記所定の気体は、空気、不活性ガス、或いは、放電防止効果を有するガスのいずれ一である構成（第１３の構成）にするとよい。
また、上記第１３の構成から成る発電装置において、前記放電防止効果を有するガスの主成分はＳＦ6である構成（第１４の構成）にするとよい。
また、上記第１４の構成から成る発電装置は、表面マイクロマシニング技術を用いて製造される構成（第１５の構成）にするとよい。
本発明によれば、小型大出力の発電装置を提供することが可能となる。
強誘電体のＰＺＴ板を用いた電極対面型の発電装置の電気的モデル図 エレクトレットを櫛歯形の部材に分割することの効果を説明するための模式図（櫛歯形加工なし） エレクトレットを櫛歯形の部材に分割することの効果を説明するための模式図（櫛歯形加工あり） 発電原理を説明するための模式図（可動体の初期位置） 発電原理を説明するための模式図（可動体の水平移動後） 発電原理を説明するための模式図（可動体の垂直移動後） シミュレーションモデル図 Ｘ方向（水平方向）の変位に対する容量変化を示す図 Ｚ方向（垂直方向）の変位に対する容量変化を示す図 ＸＹＺ方向全てに対応した発電装置を概念的に示す模式図 発電装置の製造プロセスを示す断面図（第１の状態） 発電装置の製造プロセスを示す断面図（第２の状態） 発電装置の製造プロセスを示す断面図（第３の状態） 発電装置の製造プロセスを示す断面図（第４の状態） 発電装置の製造プロセスを示す断面図（第５の状態） 発電装置の製造プロセスを示す断面図（第６の状態） 静電放電シミュレータの等価回路図 ＣＹＴＯＰフィルムの放電条件を模式的に示す図（大気放電モデル） ＣＹＴＯＰフィルムの放電条件を模式的に示す図（接触放電モデル） 本発明の第１実施形態による発電装置の構造を示した斜視図 図１１のα１−α１線に沿った断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の平面図 本発明の第１実施形態による発電装置の強誘電体層の構造を示した斜視図 本発明の第１実施形態による発電装置のプルーフマスを裏面側から見た平面図 図１３のβ１−β１線に沿った断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の一部を示した斜視図 本発明の第１実施形態による発電装置の動作を説明するための概略断面図 強誘電体層の厚みとカバー率との関係を示したグラフ 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための平面図 本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の構造を示した斜視図 図２９のα２−α２線に沿った断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の平面図 本発明の第２実施形態による発電装置の強誘電体層の構造を示した斜視図 本発明の第２実施形態による発電装置のプルーフマスを裏面側から見た平面図 本発明の第２実施形態による発電装置における梁部の構造を拡大して示した斜視図 図３１のβ２−β２線に沿った断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の動作を説明するための斜視図 強誘電体層の厚みとカバー率との関係を示したグラフ 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための平面図 本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図 本発明の第１変形例による発電装置のプルーフマスおよび梁部の構造を示した斜視図 本発明の第２変形例による発電装置の構造を示した平面図 本発明の第３変形例による発電装置（メタル層突起型）の構造を示した断面図 本発明の第３変形例による発電装置（メタル層埋没型）の構造を示した断面図 本発明の第４変形例による発電装置の発電原理を説明するための模式図（可動体の初期位置） 本発明の第４変形例による発電装置の発電原理を説明するための模式図（可動体の水平移動後） 本発明の第４変形例による発電装置の第１構造例（トレンチ型）を示した断面図 本発明の第４変形例による発電装置の第２構造例（シリカ積層型）を示した断面図 本発明の第４変形例による発電装置の第３構造例（保護層形成型）を示した断面図 ＭＥＭＳ技術を用いて製造される振動型発電装置の一従来例を示す模式図
本明細書中では、エネルギーハーベスティングを目的として、振動駆動型の発電装置が提案されている。この発電装置では、交互に配列されたエレクトレットと対向電極がプルーフマスの下部において同一表面に形成されている。本明細書中で提案されている発電装置の特徴は、以下の通りである。第１の特徴は、強誘電体基板に形成されるフリンジ電界が利用されている点である。第２の特徴は、２つの電極間に占める誘電体の体積占有率の変化が利用されている点である。第３の特徴は、１，０００以上の大きな比誘電率を有する強誘電体が可動体としてではなく基板として用いられている点である。第４の特徴は、プルーフマスの移動量に対して従来より大きな容量値の変化を得ることが期待される点である。第５の特徴は、表面マイクロマシニングを適用することができるので、配線を含む構造を単純化して製造コストを削減することが可能な点である。なお、本明細書中では、提案された動作原理の妥当性を確認するために、電界の演算や容量変化の調査が行われているが、これらの演算や調査には有限要素法（ＦＥＭ［Finite Element Method］）シミュレーションが用いられている。ＭＥＭＳ製造プロセスは、多軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及び、Ｚ軸方向）に各々対応する３つのデバイスによって形成される発電システム用に設計されている。装置製造の第１ステップとして、櫛歯形に形成された高分子膜（ＣＹＴＯＰ［登録商標］フィルム）には、所定量の電荷が首尾よく注入される。
（第１節−序論）
近年、微小発電システムは、バッテリやスラスタなどの用途で、大きな注目を集めている。ユビキタスセンサネットワークやモバイル通信など、低消費電力用途向けのバッテリとして、振動駆動型の発電装置が報告されている。電磁型や圧電型に比べて、静電型の発電装置は、微細加工技術との整合性や数十Ｈｚ以下の低周波帯振動に対する適合性の点で有利であると考えられている。微細加工された容量性の振動駆動型発電装置については、その発電能力に関する調査結果がいくつか報告されている。なお、このような振動駆動型発電装置では、エレクトレットが利用されている。エレクトレットとは、それに注入された電荷を長期間、すなわち、半永久的に保持する素子である。本明細書中においても、エレクトレットを用いた容量性のＭＥＭＳ発電装置が重点的に取り扱われている。
上記報告済みの容量性発電装置において、２つの電極間の絶縁体としては、空気などの気体や真空（比誘電率ε＝１）が用いられている。上記の絶縁体を強誘電体、例えば、上記の絶縁体よりもずっと大きな比誘電率εを有するＰＺＴやＢａＴｉＯ3など（これらの比誘電率εは通常１，０００以上）に置き代えてやれば、より大きな発電出力を得ることが期待できる。また、上記報告済みの容量性発電装置は、通常、単一方向の振動を利用するものである。ランダムな人体の動きによる運動エネルギーを回収するためには、多軸振動を利用する発電装置の方がより望ましい。
これらの状況に鑑み、本願の発明者は、プルーフマスの移動によって生じる容量変化に応じたエレクトレット発電システムの開発を目指している。このエレクトレット発電システムは、下記２点の特徴を有している。第１の特徴は、上記の発電装置は、水平方向の振動だけでなく、垂直方向の振動からも電流を生成することができるという点である。これは、エネルギー回収の効率化を図る上で有用である。第２の特徴は、上記の発電装置は、２つの電極間の重なり面積及び／またはギャップ距離の変化を利用するだけでなく、２つの電極間に占める誘電体の体積占有率の変化も利用している点である。
後者の目的を達成すべく、本願の発明者は、以前に、非常に大きな容量変化を得る目的で、強誘電体のＰＺＴ（比誘電率εr＝２，６００）をプルーフマスとして用いた発電装置を報告した。このエレクトレット発電装置の原理については、図１で概略的に示されている。図１は、強誘電体のＰＺＴ板を用いた電極対面型の発電装置の電気的モデル図である。なお、図中の符号Ａ１はベース電極、符号Ａ２はエレクトレット、符号Ａ３はパリレン、符号Ａ４はＰＺＴ板、及び、符号Ａ５は対向電極を示している。初めから所定量の電荷Ｑがベース電極Ａ１上のエレクトレットＡ２にトラップされているので、２つの電極間（エレクトレットＡ２と対向電極Ａ５との間）における容量値Ｃに変化が生じると、その電荷Ｑの一部が対向電極Ａ５に誘導され、外部回路に電流Ｉが供給される。なお、容量値Ｃは、下記の（１）式で表される。
上記（１）式中において、ε0は空気の比誘電率であり、Ｓは対面している２つの電極間の重なり面積であり、ｄは２つの電極間のギャップ距離である。プルーフマスが水平方向に振動駆動された場合、上記の重なり面積Ｓが変化して容量値ＣがΔＣだけ変化する。なお、比誘電率εrを乗算した重なり面積Ｓが容量値Ｃに影響を及ぼすことから、比誘電率εrが大きいほど、より大きな変化量ΔＣが得られる点に注目すべきである。一方、プルーフマスが垂直方向に振動駆動された場合、上記のギャップ距離ｄが変化して、容量値ＣがΔＣだけ変化する。この場合も、上記と同様の理由から、比誘電率εrは大きい方がより好ましい。
しかしながら、上記した報告済みの発電装置は、一つの問題点を有していた。この発電装置を含む従来の容量性発電装置において、図２Ａ及び図２Ｂ（エレクトレットを櫛歯形の部材に分割することの効果を説明するための模式図）で示すように、プルーフマスの水平移動時における容量値Ｃの変化量ΔＣを増大させるためには、エレクトレットＡ２を櫛歯形の部材に分割するべきである。なぜなら、重なり面積率の変化について見ると、図２Ａの構成ではｂ／ａであるのに対して、図２Ｂの構成では２ｎ×（ｂ／ａ）（ただしｎは櫛歯の本数）であり、同一量の水平移動に対してｎ倍の面積率変化が生じるからである。
このとき、発電量の増大を目的として２電極間の重なり面積Ｓを最大化するためには、櫛歯形のエレクトレットＡ２とこれに対応する櫛歯形の対向電極Ａ５とを正確に配列することが要求される。従来の容量性発電装置は、一般に、エレクトレットＡ２を支持する部材と対向電極Ａ５を支持する部材から成り、これらの部材は各個別に製造された後、微小なギャップ距離を持たせて互いに対向する形で最終的に貼り合わされていた。しかしながら、このような組立構造では、エレクトレットＡ２と対向電極Ａ５とを正確に配列することが極めて困難であった。
このような問題を解決するために、本明細書中では、表面マイクロマシニングが可能な容量性発電装置が提案されている。そして、図３Ａ〜図３Ｃに示したように、この発電装置において、櫛歯形のエレクトレットＢ２と対向電極Ｂ４は、プルーフマスＢ１の下部において同一表面に形成されている。ここでの配列は、フォトリソグラフィ技術による単一マスクを用いて、正確に実施される。また、電気的な配線は、プルーフマスＢ１の表面上にのみ必要であり、基板Ｂ５の表面には不要である。従って、構造を単純化して製造コストを削減することが期待できる。また、この発電装置において、プルーフマスＢ１は、バルクＰＺＴやセラミック基板上にスクリーン印刷されたＢａＴｉＯ3などの強誘電体基板Ｂ５の上部に設けられている。強誘電体素材は、一般にエッチングすることが難しい。そこで、今回提案する発電装置では、実際の製造工程を鑑み、懸架されたプルーフマスＢ１としてではなく、基板Ｂ５として強誘電体が用いられている。このような構成は、今回提案する発電装置が備えた特徴の一つである。強誘電体基板Ｂ５に形成されるフリンジ電界Ｂ７は有効に利用されるが、その詳細な原理については、後ほど説明する。
今回提案する発電装置の独創的な特徴については、下記の通り総括することができる。第１の特徴は、交互に配列された２電極（すなわち、エレクトレットと対向電極）の間に形成されるフリンジ電界が利用されている点である。第２の特徴は、２つの電極間に占める誘電体の体積占有率の変化が利用されている点である。第３の特徴は、１，０００以上の大きな比誘電率を有する強誘電体がプルーフマスとしてではなく基板として用いられている点である。第４の特徴は、これらの考案により、プルーフマスの移動量に対して従来よりも大きな容量値の変化を得ることが期待され、延いては、より大きな発電量が得られる点である。第５の特徴は、表面マイクロマシニングを適用することができるので、配線を含む構造を単純化して製造コストを削減することが可能な点である。
また、以下で説明する本明細書の内容は、次のように系統化されている。次の第２節では、今回提案する発電装置の概念及び動作原理が説明されている。第３節では、電界の演算や容量変化の調査を行うために、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションが実施されている。第４節では、発電装置の製造工程が説明されている。第５節では、発電装置の実際の製造前に、所定量の電荷が高分子ＣＹＴＯＰフィルムに予め注入されている。これは研究段階の装置を用いたエレクトレット製造の可能性を確かめるためである。
（第２節−概念及び動作原理）
２．１ 装置構造
本節では、概念及び動作原理について、図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、いずれも発電原理を説明するための模式図であり、それぞれ、可動体が初期位置にある状態、可動体が水平移動された後の状態、及び、可動体が垂直移動された後の状態を示している。なお、本図中の符号Ｂ１はプルーフマス（可動体）、符号Ｂ２はエレクトレット、符号Ｂ３はベース電極、符号Ｂ４は対向電極、符号Ｂ５は強誘電体基板、符号Ｂ６はフローティング電極、及び、符号Ｂ７はフリンジ電界を示している。
エレクトレットＢ２は、電気的に接地されたベース電極Ｂ３に隣接して形成された高分子素材（本実施形態では例えばＣＹＴＯＰを使用）から形成されている。櫛歯形のエレクトレットＢ２は、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、絶縁体（本実施形態では、例えばＳＵ−８やパリレンを使用）から成る可動体Ｂ１の下面に形成されている。櫛歯形の対向電極Ｂ４は、エレクトレットＢ２と同じく、可動体Ｂ１の下面に形成されている。すなわち、可動体Ｂ１の下面には、交互に配列された２つの電極（すなわち、エレクトレットＢ２と対向電極Ｂ４）がいずれも形成されている。フリンジ電界Ｂ７は、上記２電極間に形成される。フリンジ電界Ｂ７を利用することにより、製造面やコスト面でより好ましい表面マイクロマシニングを適用することが可能となる。
ＭＥＭＳ技術を用いることにより、可動体Ｂ１は、ＰＺＴ板、或いは、セラミック板上のＢａＴｉＯ3のような強誘電体基板Ｂ５の上部に形成される。ここで、電気力線は、誘電体を貫く一方、導電体を貫かないことが知られている。そこで、強誘電体基板Ｂ５の表面には、櫛歯形の金属性のフローティング電極Ｂ６が形成されている。なお、強誘電体基板Ｂ５の表面に形成された金属性のフローティング電極Ｂ６は、電気的に浮いた状態、すなわち、接地端や電源端などに接続されていない状態とされている。
２．２ 水平振動時の動作原理
外的な振動入力によって可動体Ｂ１が水平方向に移動されたとき、図３Ａと図３Ｂとを用いて対比的に示したように、フリンジ電界Ｂ７とフローティング電極Ｂ６との相対的な配置関係が変化し、強誘電体基板Ｂ５を貫く電気力線の状態が変化する。つまり、可動体Ｂ１の初期位置（図３Ａを参照）では、電気力線が強誘電体基板Ｂ５の内部に進入しやすい状態となっているが、可動体Ｂ１の水平移動後の位置（図３Ｂを参照）では、電気力線がフローティング電極Ｂ６によってブロックされ、強誘電体基板Ｂ５の内部に進入しにくい状態となる。この事実は、エレクトレットＢ２と対向電極Ｂ４との間に形成される容量Ｃ（＝εrε0Ｓ／ｄ、符号の意味については第１節を参照）が変化することを意味している。この変化は、２つの電極間に存在する誘電体と空気の体積比、すなわち、等価比誘電率εrが変化することによって生じる。
２電極間における上記の容量変化に伴って、所定量の電荷Ｑが対向電極Ｂ４に導入される。そして、この電荷Ｑは、下記の（２）式に基づき、電流Ｉとして引き出される。
なお、上記（２）式中、Ｖchargeは、エレクトレットＢ２の表面電圧を示している。図３Ａ及び図３Ｂの左側には、それぞれ、今回提案する発電装置の上記概念及び動作原理を模式的に示した等価回路が描写されている。
上記（２）式から分かるように、大きな電流Ｉを発生させる上で、比誘電率εrは大きいほど好ましいことに留意すべきである。上記（２）式は、基板Ｂ５を形成する素材として、高い誘電率を持つ素材、すなわち、強誘電体を採用することの重要性を示している。
２．３ 垂直振動時の動作原理
可動体Ｂ１が垂直方向に移動されたとき、図３Ａと図３Ｃとを用いて対比的に示したように、可動体Ｂ１と基板Ｂ５との垂直距離がより小さくなると、等価比誘電率εrはより大きくなり、逆に、可動体Ｂ１と基板Ｂ５との垂直距離がより大きくなると、等価比誘電率εrはより小さくなる。従って、水平方向の振動時と同様の原理に基づいて発電することができる。
（第３節−容量変化に関するＦＥＭシミュレーション）
３．１ シミュレーション条件
本節では、先述の動作原理を理論的に確認する。フリンジ電界を分析的に演算することは困難である。そこで、容量変化とプルーフマスの移動量との関係を知るために、ＦＥＭシミュレーションを実施した。ＦＥＭソフトウェアとしては、Ｃｏｍｓｏｌ社製のＦＥＭＬＡＢを採用した。シミュレーション条件は図４に示されている。なお、図４中の符号は図３Ａ〜図３Ｃ中の符号と同様であり、符号Ｂ１がプルーフマス（素材：パリレン（εr＝３．１５）、符号Ｂ２がエレクトレット（素材：ＣＹＴＯＰ（εr＝２．１）、表面電圧：−３００Ｖ）、符号Ｂ３がベース電極（０Ｖ）、符号Ｂ４が対向電極（０Ｖ）、符号Ｂ５が基板（素材：ＰＺＴ（εr＝２，６００）、または、ＳｉＯ2（εr＝３．１））、符号Ｂ６がフローティング電極である。また、符号Ｂ８はギャップ間に存在する空気である。図４に示すように、今回のＦＥＭシミュレーションでは、対称性を考慮に入れて、２次元（２Ｄ）モデルを採用した。構造、素材、及び、寸法については、実際の発電装置用に設計された具体的な製造プロセス（詳細は第４節にて詳述）を参照している。
基板として強誘電体を使用することの効果を調べるために、基板Ｂ５の素材としては、ＰＺＴ（εr＝２，６００）のほかに、ＳｉＯ2（εr＝３．１）を参照用として用いた。
分析空間の総容量は、下記の（３）式中に挙げる全てのＦＥＭ要素の電気的データを積分することによって演算されている。
上記（３）式中、Ｗeは電気エネルギーの総量であり、ＶchargeはエレクトレットＢ２の表面電圧である（想定値は−３００Ｖ、第５節を参照）。Ｅは電界を示しており、Ｄは電気的変位量を示している。分析空間における上記パラメータ値を用いることにより、１ｍｍ×１ｍｍ板の総容量が演算される。
３．２ シミュレーション結果
電気力線と電位の分布に関するシミュレーション結果から、電気力線は、部分的にフローティング電極Ｂ６にブロックされながらも、強誘電体基板Ｂ５に確実に進入していることを確認することができた。
また、プルーフマスＢ１の変位により、先出の（１）式に従う容量Ｃが得られる。初期位置（図３Ａを参照）から水平方向（Ｘ方向）へのマス変位に応じた容量変化のシミュレーション結果は図４に示されている。同様に、垂直方向（Ｚ方向）へのマス変位、すなわち、可動体Ｂ１と基板Ｂ５表面とのギャップ距離に応じた容量変化に関するシミュレーション結果は図５に示されている。
これらの図を見ることにより、水平方向及び垂直方向のいずれのマス変位に応じても、容量が確実に変化していることが証明される。このことは、多軸振動入力に応じて発電を行う上で効果的である。また、ＰＺＴ基板を用いた場合のマス変位に応じた容量変化率はＳｉＯ2を用いた場合のそれに比べて優れていることが証明される。このことは、大きな比誘電率を有する強誘電体基板の使用が効果的であることを示している。
（第４節−製造プロセス）
ＭＥＭＳ発電システムの概要は、図７に示されている。なお、本図に示すＭＥＭＳ発電システムは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用として、３つの発電装置Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を含んでいる。また、本図中の符号Ｄ１はプルーフマス（可動体）、符号Ｄ２は梁部、符号Ｄ３はエレクトレット、符号Ｄ４は対向電極、符号Ｄ５はフローティング電極を示している。
今回提案する発電装置の製造プロセスは、実際の発電装置用に設計されたものであり、図８Ａ〜図８Ｆに示されている。本節では、以下に詳細を説明する。
図８Ａには、フローティング電極を形成するために、アルミニウムのスパッタリングとパターニングが行われる様子が示されている。
まず、シリコンウェハＥ１（厚さ５００μｍ）が準備される。シリコンウェハＥ１上に表面研磨されたＰＺＴ板Ｅ３（１０ｍｍ角、厚さ１００μｍ、フルウチ化学社製、εr＝２，６００）が貼り付けられる。このとき、接着剤Ｅ２としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ［polydimethylsilozane］）が用いられる。その後、アルミニウムＥ４（厚さ０．１μｍ）がＰＺＴ板Ｅ３の表面にスパッタされ、櫛歯形のフローティング電極がパターニングされる。
図８Ｂには、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ［plasma-enhanced chemical vapor deposition］）を用いてアモルファスシリコンが堆積され、さらにそのアモルファスシリコンにスロットやディンプルが形成される様子が示されている。
アモルファスシリコンＥ５（厚さ１μｍ）は、ＰＥＣＶＤを用いて犠牲層として堆積される。その後、スロットＥ６やディンプルＥ７を形成するために、ＳＦ6プラズマを用いてエッチングされる。なお、アモルファスシリコンＥ５の機能は後述する。
図８Ｃには、注入済み電荷を保護するためにパリレンが堆積された後に、ＣＹＴＯＰがスピンコーティングされ、さらに、そのＣＹＴＯＰがＯ2プラズマによってエッチングされる様子が示されている。
パリレンＥ８（厚さ２μｍ）は、以後のプロセス中や、可動体が基板と衝突するような使用時においても、エレクトレットの注入電荷が放電してしまわないように保護する目的で、ＣＶＤによって堆積される。パリレンＥ８の堆積は等角であることから、アモルファスシリコンＥ５上のスロットＥ６（図８Ｂを合わせて参照）は、パリレンＥ８によって満たされており、これによって、可動体と基板とを結ぶアンカーが形成される。梁部とアンカー部／マス部とを結ぶ結合部材の機械的強度を鑑みると、アンカー部とマス部のいずれにおけるパリレンＥ８の高さも互いに同一であることが望ましい。そのため、アモルファスシリコンＥ５にはスロットＥ６が形成されており、アンカー接触面積が最小限とされている。また、アモルファスシリコンＥ５上に形成されたディンプルＥ７（図８Ｂを合わせて参照）にも、パリレンＥ８が満たされており、アモルファスシリコンＥ５を除去した後には、スティクション（貼り付き）防止用のバンプが形成される。
ＣＹＴＯＰフィルムＥ９（旭硝子社製、ＣＴＬ−８０９型）は、パリレンＥ８の表面にスピンコートされた後、１２０℃で１０分間乾燥される。なお、１回のスピンコートにより、０．３μｍの厚さが得られる。このプロセスは１０回繰り返され、合計３μｍの厚さが得られる。そして、最終的には１８０℃で１時間乾燥される。ＣＹＴＯＰフィルムＥ９は、櫛歯形のエレクトレット領域を形成するために、Ｏ2プラズマでエッチングされる。
図８Ｄには、対向電極を形成するために、アルミニウムのスパッタリングとパターニングが行われる様子が示されている。なお、コロナ放電（大気放電）によるＣＹＴＯＰフィルムへの電荷注入は、この時点で行われる。
アルミニウムＥ１０（厚さ０．５μｍ）は、櫛歯形の対向電極を形成するために、スパッタリング及びパターニングされる。その後、形成済みのＣＹＴＯＰフィルムＥ９（図８Ｃを合わせて参照）に対して、コロナ放電（大気放電）により所定量の電荷が注入される（詳細は第５節にて後述）。なお、表面電圧Ｖchargeの想定値は−３００Ｖである。
図８Ｅには、パリレンが堆積され、その上にベース電極としてのアルミニウムがスパッタリングされた後、さらに、パリレンが堆積される様子が示されている。
パリレンＥ１１（厚さ４μｍ）は、放電防止用に堆積される。アルミニウムＥ１２（厚さ０．５μｍ）は、櫛歯形のエレクトレットの基板電極を形成するために、スパッタリング及びパターニングされる。そして再び、パリレンＥ１３（厚さ３μｍ）が放電防止用に堆積される。
図８Ｆには、ＳＵ−８層がスピンコーティング及びパターニングされた後、Ｏ2プラズマによりパリレンがエッチングされ、さらに、ＸｅＦ2によりアモルファスシリコンがエッチングされることにより、プルーフマス部と梁部が誘電体基板から切り離される様子が示されている。
ＳＵ−８層Ｅ１４（厚フォトレジスト、ＫＡＹＡＫＵ ＭＩＣＲＯＣＨＥＭ社製、ＫＭＰＲ−１０３５）は、プルーフマス部を形成するために、スピンコーティング及びパターニングされる。その後、支持梁部を形成するために、Ｏ2プラズマによってパリレンＥ１３、Ｅ１１、及び、Ｅ８（図８Ｅ及び図８Ｂを合わせて参照）がエッチングされる。最後に、マス部と梁部とを誘電基板から切り離すために、犠牲的なアモルファスシリコンＥ５（図８Ｂを合わせて参照）がＸｅＦ2ガスを用いて除去される。このドライエッチングプロセスは、スティクションを防止する上で効果的である。なお、人体の動きなど（数十Ｈｚの振動）から効率よく発電を行うためには、プルーフマス部を指示する梁部（バネ部）を形成する素材として、アスペクト比（縦／横）を大きく設計する必要がある。そこで、図８Ｆでは、厚膜形成が容易なＳＵ−８層Ｅ１４が梁部の素材として採用されている。
これらのプロセスは、現状において、その一部が実際に実施されており、最適なプロセス条件が模索されている段階である。実際の発電装置の製造や評価については、今後の研究課題である。
（第５節−電荷注入試験）
本節では、所定量の電荷をＣＹＴＯＰフィルムに注入する一つの予備実験が行われている。もちろん、電荷がＣＹＴＯＰフィルムに注入され得ることについては、すでに他の研究によって確認されている。そこで、ここで記載されている結果は、我々の研究室で現在使用可能な装置による充電能力を確かめるための一種のフォローアップ研究である。
まず、シリコンウェハが準備される。このウェハの表面上に、放電防止用の絶縁体としてパリレン（厚さ２μｍ）が堆積される。その後、ＣＹＴＯＰフィルム（厚さ３μｍ）がその上に形成される（詳細については第４節を参照）。ＣＹＴＯＰフィルムは、櫛歯形のエレクトレットとなる５μｍ−５μｍの線−空間パターン（line-space pattern）を形成するために、Ｏ2プラズマによってエッチングされる。
所定量の電荷は、コロナ放電によって、加工されたＣＹＴＯＰフィルムに注入される。この目的のために、静電放電シミュレータ（ノイズラボラトリー社製、ｔｙｐｅＥＳＳ−２００２）が用いられている。この実験において、−８ｋＶが放電銃の出力電圧として採用されている。等価電気回路は、図９に概略的に示されている。実験では、２つの放電モデルが適用されている。一つは大気放電モデル（図１０Ａを参照）であり、もう一つは接触放電モデル（図１０Ｂを参照）である。放電は、各放電間に０．５秒のインターバルを持って、合計６００回行われた。接触放電においては、放電期間にスイッチを開くことにより、試料が絶縁状態に保たれた。
なお、図１０Ａ及び図１０Ｂ中の符号Ｆ１はシリコンウェハ、符号Ｆ２はパリレン、符号Ｆ３はＣＹＴＯＰフィルム、符号Ｆ４は放電シミュレータ、符号Ｆ５はスイッチを示している。
上記放電後、静電センサ（ＳＵＮＸ社製、ｔｙｐｅＥＦ−Ｓ１）を用いてＣＹＴＯＰフィルムの表面電圧が測定された。その結果、大気放電モデルでは約−３５０Ｖ、接触放電モデルでは−２５０Ｖがそれぞれ得られることが確かめられた。静電放電シミュレータを用いることにより、ＣＹＴＯＰフィルムへの電荷注入は確かに可能であり、高い表面電圧を得るという観点からすれば、大気放電モデルは接触放電モデルよりも好ましいことが証明された。しかしながら、他の研究によって、約−１，０００Ｖのより高い表面電圧が報告されている。放電中における基板の加熱など、放電の実験条件を変えることにより、この値に追いつくための研究は将来的な課題である。
（第６節−結論）
上記で説明したように、本明細書中には、エネルギーハーベスティングを目的として、表面マイクロマシニングが可能な容量性発電装置が提案されている。その発電装置では、交互に配列されたエレクトレットと対向電極がプルーフマスの下部において、同一表面に設けられている。この発電装置は、１，０００以上の大きな比誘電率を有する強誘電体基板中に形成されるフリンジ電界を利用する。
電界の演算やマス変化に応じた容量変化の調査のために、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションを行った。その結果、今回提案した動作原理の正当性が確認された。ＭＥＭＳ製造プロセスは、多軸振動（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及び、Ｚ軸方向）に各々対応する３つのデバイスによって形成される発電システム用に設計されている。
実際の発電装置の全体的な製造や評価については、今後の研究課題である。特に、金属堆積やウェットエッチングなどの製造プロセス中における放電を防止するための保護層として用いられるパリレンフィルムの能力を確かめることについては、優先的に検討すべき重要な課題である。
上記の発電装置を用いたエネルギーハーベスティングにより、電池寿命を心配する煩わしさから解放される。
また、各種センサや無線機器（例えば、ＺｉｇＢｅｅ・３００ＭＨｚ帯特定小電力無線機器）用の電源として、上記の発電装置を適用することにより、無線センサネットワークによるユビキタス環境を構築することができる。すなわち、各種のセンサや無線装置の電源配線が不要となるので、各々の機器を分散配置して、ネットワーク内での情報連携を実現することが可能となる。
なお、上記発電装置を用いたユビキタス環境の使用シーンとしては、例えば、医療・健康分野（健康管理や安否確認）、構造物監視（ワイヤ断線やボルト緩みの監視）、プラント監視（設備異常の監視）、並びに、物流管理（流通状態や品質の監視）などを挙げることができる。
なお、本明細書中で提案する発電装置であれば、表面マイクロマシニングを適用することができるので、製造コストを低減することが可能となる。
また、本明細書中で提案する発電装置であれば、基板とプルーフマス（可動体）とのギャップ距離を小さくすることができるので、従来構造よりも小型化・高効率化を実現することが可能となる。
また、本明細書中で提案する発電装置であれば、フリンジ電界と強誘電体を利用して、等価的な比誘電率の変化を発電動作に利用することができるので、従来構造（エレクトレットと対向電極との重なり面積変化を発電動作に利用した構造）よりも、発電効率（振動の検出感度）を大幅に高めることが可能となる。
また、本明細書中で提案する発電装置であれば、水平方向の振動だけでなく、垂直方向の振動も発電動作に利用することができるので、さらなる発電効率の向上を実現することも可能となる。
また、上記では、エレクトレットに電荷を注入するための手法として、コロナ放電（大気放電）と接触式放電の２種類が検討されているが、本明細書中で提案する発電装置であれば、エレクトレット材が露出した端子（以下、適宜エレクトレット端子と呼ぶ）を装置外部に引き出しておくことにより、製造プロセスの最終工程で、接触式放電を用いてエレクトレットに電荷を注入することができる。従って、大規模なコロナ放電設備が不要となるので、製造コストを削減することが可能となる。また、製造工程途中での放電の心配がないというメリットもある。また、最終工程の犠牲層エッチング直前に、可動体に設けられた貫通穴から放電プローブを差し込んでＣＹＴＯＰへの電荷の打ち込みが可能であるため、基板を貼り合わせる従来方式と異なり、表面マイクロマシニングが適用可能となる。また、可動体下部の櫛歯電極（エレクトレットと対向電極）と、誘電体上部のフローティング電極との間のミスアライメントの解消にもつながる。
以上より、本明細書中で提案する発電装置であれば、従来構造の発電装置に比べて、１００倍の高出力と１／２のコストを実現することが可能となる。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１１は、本発明の第１実施形態による発電装置の構造を示した斜視図である。図１２は、図１１のα１−α１線に沿った断面図である。図１３は、図１１に示した本発明の第１実施形態による発電装置の平面図である。図１４〜図１７は、本発明の第１実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。まず、図１１〜図１７を参照して、本発明の第１実施形態による発電装置５０の構造について説明する。
第１実施形態による発電装置５０は、図１１に示すように、セラミック基板１と、セラミック基板１上に形成された強誘電体層２と、強誘電体層２を囲むようにセラミック基板１上に形成された枠体部３と、枠体部３の内側に配置されたプルーフマス４とを備えている。なお、強誘電体層２は、本発明の「誘電体層」の一例であり、プルーフマス４は、本発明の「可動部」の一例である。
セラミック基板１は、Ａｌ2Ｏ3から構成されているとともに、約１ｍｍの厚みを有している。このセラミック基板１の上面上には、グレーズ層５が形成されている。なお、グレーズ層５は、強誘電体層２などを形成するのに適した平滑面を得るために設けられている。また、セラミック基板１（グレーズ層５）の上面上であるとともに、枠体部３の外側の所定領域には、スクリーン印刷法によって形成された配線層６が設けられている。この配線層６は、たとえば、Ａｕ（金）などから構成されている。
ここで、第１実施形態では、強誘電体層２は、ＢａＴｉＯ3（比誘電率：１，０００以上）から構成されている。また、強誘電体層２は、図１２および図１４に示すように、セラミック基板１（グレーズ層５）上の所定領域に、スクリーン印刷法によって形成されている。この強誘電体層２は、平面的に見て、実質的に四角形状を有している。
また、第１実施形態では、強誘電体層２は、５μｍ以上の厚みに構成されている。具体的には、強誘電体層２は５μｍ〜２０μｍの厚みｔ１（図１６参照）に構成されている。
また、プルーフマス４は、パリレン（Ｐａｒｙｌｅｎ：パラキシリレン系樹脂）から構成されているとともに、図１２および図１６に示すように、約５μｍの厚みｔ２（図１６参照）に構成されている。また、プルーフマス４は、図１３に示したように、平面的に見て、実質的に四角形状（一辺の長さが約１０００μｍ）に形成されている。
ここで、第１実施形態では、図１５に示すように、プルーフマス４の裏面側（下面側）には、２つの電極（第１電極７および第２電極８）が、同一平面内に隣り合うように形成されている。具体的には、第１電極７および第２電極８は、平面的に見て、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、第１電極７の櫛歯部７ａと第２電極８の櫛歯部８ａとが交互に配列されるように構成されている。また、図１６および図１７に示すように、第１電極７の櫛歯部７ａの幅ｗおよび第２電極８の櫛歯部８ａの幅ｗは、それぞれ、約５μｍに構成されているとともに、第１電極７の櫛歯部７ａから隣り合う第２電極８の櫛歯部８ａまでの長さｇも、約５μｍに構成されている。なお、第１実施形態による発電装置５０では、図１５に示すように、第１電極７および第２電極８は、プルーフマス４の裏面（下面）側のほぼ全面に形成されている。
上記の第１電極７は、対向電極に相当するものであり、アルミニウムなどの金属素材から成る（図３Ａ〜図３Ｃ及び図４の符号Ｂ４、並びに、図８Ｄの符号Ｅ１０を参照）。また、上記の第２電極８は、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分（ＣＹＴＯＰフィルムなど）と、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分（アルミニウムなど）とを重ね合わせた構造とされている（図３Ａ〜図３Ｃや図４の符号Ｂ２及びＢ３、図８Ｃの符号Ｅ９、並びに、図８Ｅの符号Ｅ１２を参照）。
また、プルーフマス４は、図１１および図１３に示すように、一体的に連結された４つの梁部９を含んでいる。この４つの梁部９は、プルーフマス４の４つの角部の各々に１つずつ配置されており、平面的に見て、放射状に広がるように形成されている。また、４つの梁部９の端部は、それぞれ、枠体部３と一体的に連結されている。これにより、プルーフマス４は、図１１および図１２に示すように、強誘電体層２と対向するように配置された状態で、強誘電体層２の上方に支持されている。なお、強誘電体層２の上面からプルーフマス４（第１電極７および第２電極８）までの距離ｄ（図１２および図１６参照）は、約１μｍである。
また、４つの梁部９は、それぞれ、約５μｍの厚みを有しているとともに、約５０μｍの幅を有している。すなわち、４つの梁部９は、セラミック基板１の上面に対して垂直方向（矢印Ｚ方向）に弾性変形し易くなるように、幅方向の長さが厚み方向の長さよりも大きく構成されている。これにより、４つの梁部９によって支持されたプルーフマス４は、加速度が加わると、その慣性力によって、セラミック基板１の上面に対して垂直方向（矢印Ｚ方向）に移動することが可能に構成されている。
また、上述した第１電極７は、図１５に示す通り、接続部７ｂを介して、パッド電極７ｃに電気的に接続されている。一方、上述した第２電極８のうち、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分は、電気的に絶縁された状態とされており、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分は、接続部８ｂを介して、パッド電極８ｃに電気的に接続されている。なお、パッド電極７ｃは、発電によって得られた電流を引き出すための電極であり、発電装置５０の使用時には、電流供給先である負荷に接続される。一方、パッド電極８ｃは、発電時における電位の基準をとるための電極であり、発電装置５０の使用時には、所定の基準電位に接続される。また、本図では明示されていないが、本実施形態の発電装置５０には、発電装置５０の製造工程（最終段階）において、第２電極８のエレクトレット部分に所定量の電荷を接触式放電で注入するためのエレクトレット端子が設けられている。なお、エレクトレット端子は、上記の電荷注入時には、所定の接触式放電装置（高電圧印加装置）に接続され、発電装置５０の使用時には、オープンまたは接地される。
また、枠体部３は、図１２に示すように、プルーフマス４よりも大きい厚みを有しており、図１１〜図１３に示すように、梁部９を介して、プルーフマス４を保持する機能を有している。なお、枠体部３は、主として、パリレンから構成されている。また、枠体部３の所定領域には、パッド電極７ｃおよび８ｃの表面を露出させるための開口部３ａが形成されている。
図１８は、本発明の第１実施形態による発電装置の動作を説明するための概略断面図である。次に、図１５〜図１８を参照して、本発明の第１実施形態による発電装置５０の動作について説明する。
第１実施形態による発電装置５０では、図１６および図１７に示すように、第１電極７の櫛歯部７ａと第２電極８の櫛歯部８ａとの間にフリンジ電界（電極間の脇に発生する電界）１０が発生している。ここで、フリンジ電界１０を発生させる第１電極７および第２電極８が、図１５に示したように、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、互いの櫛歯部７ａおよび８ａが交互に配列されているため、フリンジ電界１０は、プルーフマス４の裏面（下面）側のほぼ全面に均一に発生している。一方、図１６〜図１８に示すように、プルーフマス４と対向する強誘電体層２は、発生したフリンジ電界１０の中に配置された状態となっている。
この状態から発電装置５０に垂直方向（Ｚ方向）の振動が加わると、プルーフマス４に慣性力が働くので、これによって、図１８に示すように、プルーフマス４が矢印Ｚ方向に移動する。このため、フリンジ電界１０中に占める強誘電体層２の体積の割合が変化するので、２電極間に形成されるキャパシタの静電容量値が変化する。上記の容量変化に伴って、所定量の電荷が第１電極７（対向電極）に導入され、これが電流として出力される。
次に、第１実施形態による発電装置５０の効果を確認するために行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。このコンピュータシミュレーションでは、強誘電体層２の厚みｔ１を種々変化させた場合のカバー率を求めた。
図１９は、強誘電体層２の厚みとカバー率との関係を示したグラフである。図１９の縦軸は、カバー率（％）を示しており、図１９の横軸は、強誘電体層２の厚みｔ１（μｍ）を示している。すなわち、図１９は、上記した第１実施形態による発電装置５０の構成において、強誘電体層２の厚みｔ１を種々変化させた場合のカバー率の変化を示している。ここで、カバー率は、下記の（４）式によって表される。
上記（４）式中、Ｘ１は強誘電体層２の領域に入ってくるフリンジ電界１０の電気力線の数を示しており、Ｘ２は強誘電体層２の領域でターン出来ずに、強誘電体層２の領域の下部から出てしまう電気力線の数を示している。
すなわち、カバー率は、強誘電体層２に入ってくる電気力線のうち、どの位の割合の電気力線が強誘電体層２内の領域でターンしているのかを示す数値であり、この値が高いほど、プルーフマス４の変位に応じた静電容量値の変化が大きくなる。なお、電極に加える電圧は、一方を０Ｖ（第１電極７または第２電極８）とし、他方を５Ｖ（第２電極８または第１電極７）とした。
図１９に示すように、強誘電体層２の厚みｔ１を５μｍ以上に構成することによって、９９％以上のカバー率が得られることが判明した。また、強誘電体層２の厚みｔ１を１０μｍ以上に構成した場合には、ほぼ１００％（９９．８％以上）のカバー率が得られ、２０μｍ以上に構成した場合には、１００％のカバー率が得られることが判明した。なお、強誘電体層２の厚みｔ１が１０μｍの場合には、強誘電体層２の厚みｔ１は、第１電極７および第２電極８の一方の櫛歯部７ａ（または８ａ）の幅ｗ（約５μｍ）と、第１電極７の櫛歯部７ａから隣り合う第２電極８の櫛歯部８ａまでの長さｇ（約５μｍ）との合計長さ（ｗ＋ｇ：約１０μｍ）と一致する。また、強誘電体層２の厚みｔ１が２０μｍの場合には、強誘電体層２の厚みｔ１は、上記合計長さ（ｗ＋ｇ：約１０μｍ）の２倍（２（ｗ＋ｇ））と一致する。
以上のように、強誘電体層２の厚みｔ１を５μｍ以上に構成することによって、十分なカバー率を得ることができ、プルーフマス４の変位に応じた静電容量値の変化を十分に大きくすることが可能となることが確認された。これにより、発電能力を向上させることが可能となることが確認された。
第１実施形態では、上記のように、プルーフマス４の強誘電体層２側に第１電極７および第２電極８を形成することによって、第１電極７と第２電極８との間にフリンジ電界１０を発生させることができる。また、セラミック基板１上の所定領域に、ＢａＴｉＯ3からなる強誘電体層２を形成することによって、ＢａＴｉＯ3は比誘電率が１，０００以上の金属酸化物（強誘電体物質）であるため、強誘電体層２の比誘電率を十分に大きくすることができる。このため、フリンジ電界１０中に占める強誘電体層２の体積の割合の変化によって生じる静電容量値の変化を大きくすることができるので、発電装置５０に加わる振動を高効率で電流に変換することができる。
また、第１実施形態では、強誘電体層２をＢａＴｉＯ3から構成することにより、強誘電体層２とプルーフマス４との間の距離ｄを大きくした場合でも、静電容量値の変化量の低下を抑制することができるので、強誘電体層２とプルーフマス４との間の距離ｄを大きくすることによって、スティクションの発生を抑制することができる。これにより、スティクションの発生に起因する信頼性の低下を抑制することができる。なお、ＢａＴｉＯ3はＰｂ（鉛）を含有しない強誘電体物質であるため、強誘電体層２をＢａＴｉＯ3から構成することによって、廃棄物による環境負荷を低減することができるとともに、人体に与える悪影響を低減することができる。
また、第１実施形態では、基板にＡｌ2Ｏ3からなるセラミック基板１を用いることにより、基板にシリコン基板などを用いた場合に比べて、絶縁性および機械的強度を向上させることができるので、製造効率を向上させながら、発電能力を向上させることができ、かつ、信頼性を向上させることができる。また、基板にセラミック基板１を用いることによって、シリコン基板を用いた場合に比べて、製造コストを低減することができる。さらに、最終製品のセラミックパッケージ上にＭＥＭＳ発電装置を直接的に作り込むことが可能となる。
また、第１実施形態では、強誘電体層２の厚みｔ１を５μｍ以上に構成することによって、９９％以上のカバー率を得ることができるので、静電容量値の変化を大きくすることができる。これにより、製造効率を向上させながら、さらに容易に、発電能力を向上させることができる。なお、強誘電体層２の厚みｔ１は、１０μｍ以上に構成するのが好ましく、２０μｍ以上に構成するのがより好ましい。
また、第１実施形態では、セラミック基板１と強誘電体層２との間に、グレーズ層５を形成することによって、強誘電体層２の上面の平滑度を向上させることができるので、ＢａＴｉＯ3の粒径を制御することによって、強誘電体層２の上面に、０．１μｍ〜０．２μｍ程度の凹凸を設けることができる。
図２０〜図２８は、本発明の第１実施形態による発電装置の製造方法を説明するための図である。続いて、図１１、図１５、図１６および図２０〜図２８を参照して、本発明の第１実施形態による発電装置５０の製造方法について説明する。なお、第１実施形態による発電装置５０は、主として、表面マイクロマシニング技術を用いて製造する。
まず、図２０に示すように、約１ｍｍの厚みを有するとともにＡｌ2Ｏ3からなるセラミック基板１の上面上に、グレーズ層５を形成する。このグレーズ層５は、たとえば、ガラス成分を含んだ液体をセラミック基板１上に印刷した後、所定温度で焼成することによって形成する。
次に、スクリーン印刷法を用いて、グレーズ層５上に、図１１に示した配線層６を形成する。その後、図２０に示すように、セラミック基板１（グレーズ層５）上の所定領域に強誘電体層２を形成する。
ここで、第１実施形態では、強誘電体層２は、スクリーン印刷法を用いて形成する。具体的には、グレーズ層５上の所定領域に、ＢａＴｉＯ3を含むペーストを印刷した後、８００℃〜１２００℃程度の焼成温度で焼成することにより、ＢａＴｉＯ3からなる強誘電体層２を形成する。
また、第１実施形態では、強誘電体層２は、その厚みｔ１（図１６参照）が５μｍ〜２０μｍとなるように形成されるとともに、ＢａＴｉＯ3の粒径を制御することによって、強誘電体層２の上面に０．１μｍ〜０．２μｍ程度の凹凸（図示せず）が生じるように形成される。
続いて、図２１に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、グレーズ層５上に、アモルファスシリコンからなる犠牲層１１を、強誘電体層２を覆うように形成する。ここで、犠牲層１１とは、後工程で除去することを前提に形成する層のことである。
次に、図２２に示すように、フォトリソグラフィ技術とＳＦ6プラズマガスを用いたドライエッチングとにより、犠牲層１１に細長状の溝部（スロット）１１ａを形成する。その後、図２３に示すように、犠牲層１１の上面上に、第１のパリレン層１２を蒸着する。この際、溝部１１ａ内に蒸着された第１のパリレン層１２は、プルーフマス４を保持するためのアンカー部となる。
次に、図２４に示すように、フォトリソグラフィ技術とＯ2プラズマガスを用いたエッチングとにより、第１のパリレン層１２の所定領域を除去する。
その後、犠牲層１１上および第１のパリレン層１２上に、スパッタリングまたは蒸着法により、アルミニウム層を堆積するとともに、図２５に示すように、堆積したアルミニウム層を、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチングとを用いてパターニングする。これにより、図１５に示したような櫛歯状の第１電極７が形成されるとともに、第１電極７に電気的に接続されるパッド電極７ｃが形成される。なお、第１電極７とパッド電極７ｃとを接続する接続部７ｂ（図１５参照）も、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。
また、犠牲層１１上には、スピンコーティングによってＣＹＴＯＰフィルムが形成された後、これがＯ2プラズマでエッチングされる。このような工程により、第２電極８のエレクトレット部分が櫛歯状に形成される。
その後、第１電極７、第２電極８のエレクトレット部分、パッド電極７ｃ、接続部７ｂ（図１５参照）を覆うように、犠牲層１１上および第１のパリレン層１２上に、放電防止用のパリレン（図２５及び図２６では図示が省略されているが、その詳細については、図８Ｅの符号Ｅ１１を参照）が堆積され、その上に、第２電極８のベース電極部分、及び、これに接続されるパッド電極８ｃとしてのアルミニウムがスパッタリングされる。なお、第２電極８のベース電極部分とパッド電極８ｃとを接続する接続部８ｂ（図１５参照）についても、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。
次に、図２６に示すように、第２電極８のベース電極部分、パッド電極８ｃ、接続部８ｂ（図１５参照）を覆うように、第２のパリレン層１３を蒸着する。そして、第２のパリレン層１３を図２７に示した形状にパターニングする。これにより、パリレンからなるプルーフマス４（図１１参照）、梁部９（図１１参照）、および、枠体部３（図１１参照）が形成される。この際、図２７および図２８に示すように、枠体部３の所定領域に、パッド電極７ｃおよび８ｃの表面を露出させるための開口部３ａを形成する。なお、第１のパリレン層１２および第２のパリレン層１３は、室温で形成（蒸着）可能である。
最後に、ＸｅＦ2ガスを用いたドライエッチングにより、犠牲層１１の所定領域を除去することによって、プルーフマス４と強誘電体層２とを離間させる。このようにして、図１１に示した本発明の第１実施形態による発電装置５０が形成される。
第１実施形態の製造方法では、上記のように、セラミック基板１上の所定領域に、スクリーン印刷法を用いてＢａＴｉＯ3からなる強誘電体層２を形成することによって、強誘電体層２を所定の領域に容易に形成することができるので、板状の強誘電体層を基板上に貼り付ける場合などと比べて、製造効率を向上させることができる。なお、第１実施形態による発電装置５０では、ＤＲＩＥプロセスを用いることなく製造することができる。
また、第１実施形態では、スクリーン印刷法を用いてＢａＴｉＯ3からなる強誘電体層２を形成することによって、スパッタ法やゾルゲル法などを用いて強誘電体層２を形成する場合に比べて、容易に、強誘電体層２の厚みｔ１を大きくすることができるので、強誘電体層２の厚みｔ１が小さいことに起因して、静電容量値の変化を大きくすることが困難になるという不都合が発生するのを抑制することができる。これにより、製造効率を向上させながら、発電能力の高い発電装置５０を得ることができる。
また、第１実施形態では、セラミック基板１（グレーズ層５）の上面上に、スクリーン印刷法を用いて配線層６を形成することによって、容易に、配線層６を形成することができるので、これによっても、製造効率を向上させることができる。
（第２実施形態）
図２９は、本発明の第２実施形態による発電装置の構造を示した斜視図である。図３０は、図２９のα２−α２線に沿った断面図である。図３１は、図２９に示した本発明の第２実施形態による発電装置の平面図である。図３２〜図３５は、本発明の第２実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。まず、図２９〜図３５を参照して、本発明の第２実施形態による発電装置６０の構造について説明する。
第２実施形態による発電装置６０は、図２９および図３０に示すように、セラミック基板１と、セラミック基板１上に形成された強誘電体層２２と、強誘電体層２２を囲むようにセラミック基板１上に形成された枠体部２３と、枠体部２３の内側に配置されたプルーフマス２４とを備えている。なお、強誘電体層２２は、本発明の「誘電体層」の一例であり、プルーフマス２４は、本発明の「可動部」の一例である。
セラミック基板１は、Ａｌ2Ｏ3から構成されているとともに、約１ｍｍの厚みを有している。このセラミック基板１の上面上には、上記第１実施形態と同様、グレーズ層５が形成されている。なお、グレーズ層５は、強誘電体層２２などを形成するのに適した平滑面を得るために設けられている。また、図２９に示すように、セラミック基板１（グレーズ層５）の上面上であるとともに、枠体部２３の外側の所定領域には、スクリーン印刷法によって形成された配線層６が設けられている。この配線層６は、たとえば、Ａｕ（金）などから構成されている。
ここで、第２実施形態では、上記の第１実施形態と同様、強誘電体層２２は、ＢａＴｉＯ3（比誘電率：１，０００以上）から構成されている。また、強誘電体層２２は、図３０および図３２に示すように、セラミック基板１（グレーズ層５）上の所定領域に、スクリーン印刷法によって形成されている。この強誘電体層２２は、平面的に見て、実質的に四角形状を有している。
また、強誘電体層２２は、５μｍ以上の厚みに構成されている。具体的には、強誘電体層２２は、５μｍ〜２０μｍの厚みｔ１１（図３５参照）に構成されている。
また、第２実施形態では、図３０および図３２に示すように、強誘電体層２２の上面側の所定領域に、アルミニウム（Ａｌ）からなるメタル層４０（フローティング電極）が形成されている。このメタル層４０は、所定のパターンに構成されており、強誘電体層２２の上面から突出しないように形成されている。具体的には、メタル層４０は、平面的に見て、後述する第１電極２７および第２電極２８のそれぞれの櫛歯部２７ａおよび２８ａに対して平行に延びるように形成されている。また、メタル層４０は、その上面が強誘電体層２２の上面と実質的に同一面となるように形成されている。
また、プルーフマス２４は、パリレン（Ｐａｒｙｌｅｎ：パラキシリレン系樹脂）から構成されているとともに、図３０および図３５に示すように、約５μｍの厚みｔ１２（図３４参照）に構成されている。また、プルーフマス２４は、図３１に示すように、平面的に見て、実質的に四角形状（一辺の長さが約１０００μｍ）に形成されている。
また、第２実施形態では、図３３に示すように、プルーフマス２４の裏面側（下面側）には、２つの電極（第１電極２７および第２電極２８）が、同一平面内に隣り合うように形成されている。具体的には、第１電極２７および第２電極２８は、平面的に見て、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、第１電極２７の櫛歯部２７ａと第２電極２８の櫛歯部２８ａとが交互に配列されるように構成されている。また、図３５に示すように、第１電極２７の櫛歯部２７ａの幅ｗ１および第２電極２８の櫛歯部２８ａの幅ｗ１は、それぞれ、約５μｍの長さに構成されているとともに、第１電極２７の櫛歯部２７ａから隣り合う第２電極２８の櫛歯部２８ａまでの長さｇ１は約５μｍに構成されている。なお、第２実施形態による発電装置６０では、図３３に示すように、第１電極２７および第２電極２８は、プルーフマス２４の裏面（下面）側のほぼ全面に形成されている。
上記の第１電極２７は、対向電極に相当するものであり、アルミニウムなどの金属素材から成る（図３Ａ〜図３Ｃ及び図４の符号Ｂ４、及び、図８Ｄの符号Ｅ１０を参照）。また、上記の第２電極２８は、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分（ＣＹＴＯＰフィルムなど）と、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分（アルミニウムなど）とを重ね合わせた構造とされている（図３Ａ〜図３Ｃや図４の符号Ｂ２及びＢ３、図８Ｃの符号Ｅ９、並びに、図８Ｅの符号Ｅ１２を参照）。
また、プルーフマス２４は、図２９および図３１に示すように、一体的に連結された４つの梁部２９を含んでいる。この４つの梁部２９は、プルーフマス２４の互いに対向する２つの側面に、それぞれ、２つずつ配置されており、平面的に見て、同一方向に延びるように形成されている。また、４つの梁部２９の端部は、それぞれ、枠体部２３と一体的に連結されている。これにより、プルーフマス２４は、図２９および図３０に示すように、強誘電体層２２と対向するように配置された状態で、強誘電体層２２の上方に支持されている。なお、強誘電体層２２の上面からプルーフマス２４（第１電極２７および第２電極２８）までの距離ｄ１（図３０および図３５参照）は、約１μｍである。
また、第２実施形態では、図３４に示すように、梁部２９は、１０μｍ以上の厚みｔ１２を有しているとともに、約３μｍの幅ｗ１１を有している。すなわち、梁部２９は、セラミック基板１（図２９参照）の上面（主面）に対して平行な矢印Ｘ方向に弾性変形し易くなるように、厚み方向の長さが、幅方向の長さよりも大きく構成されている。これにより、４つの梁部２９によって支持されたプルーフマス２４は、加速度が加わると、その慣性力によって、セラミック基板１の上面（主面）に対して水平な矢印Ｘ方向に移動することが可能となる。
また、上述した第１電極２７は、図３３に示すように、接続部２７ｂを介して、パッド電極２７ｃに電気的に接続されている。一方、上述した第２電極２８のうち、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分は、電気的に絶縁された状態とされており、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分は、接続部２８ｂを介して、パッド電極２８ｃに電気的に接続されている。なお、パッド電極２７ｃは、発電によって得られた電流を引き出すための電極であり、発電装置６０の使用時には、電流供給先である負荷に接続される。一方、パッド電極２８ｃは、発電時における電位の基準をとるための電極であり、発電装置６０の使用時には所定の基準電位に接続される。また、本図では明示されていないが、本実施形態の発電装置６０には、発電装置６０の製造工程（最終段階）において、第２電極２８のエレクトレット部分に所定量の電荷を接触式放電で注入するためのエレクトレット端子が設けられている。なお、エレクトレット端子は、上記の電荷注入時には、所定の接触式放電装置（高電圧印加装置）に接続され、発電装置６０の使用時には、オープンまたは接地される。
また、枠体部２３は、図３０に示すように、プルーフマス２４よりも大きい厚みを有しており、図２９および図３１に示すように、梁部２９を介して、プルーフマス２４を保持する機能を有している。なお、枠体部２３は、主として、パリレンから構成されている。また、枠体部２３の所定領域には、パッド電極２７ｃおよび２８ｃの表面を露出させるための開口部２３ａが形成されている。
第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
図３６は、本発明の第２実施形態による発電装置の動作を説明するための図である。次に、図３３、図３５および図３６を参照して、本発明の第２実施形態による発電装置６０の動作について説明する。
第２実施形態による発電装置６０では、図３５および図３６に示すように、第１電極２７の櫛歯部２７ａと第２電極２８の櫛歯部２８ａとの間にフリンジ電界１０（電極間の脇に発生する電界）が発生している。ここで、フリンジ電界１０を発生させる第１電極２７および第２電極２８が、図３３に示すように、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、互いの櫛歯部２７ａおよび２８ａが交互に配列されているため、フリンジ電界１０はプルーフマス２４の裏面（下面）側のほぼ全面に均一に発生している。一方、プルーフマス２４と対向する強誘電体層２２は、発生したフリンジ電界１０の中に配置された状態となっている。
この状態から発電装置６０に水平方向（Ｘ方向）の振動が加わると、プルーフマス２４に慣性力が働くので、これによって、プルーフマス２４が、セラミック基板１の上面に対して水平方向である矢印Ｘ方向に移動する。ここで、第１電極２７と第２電極２８との間に発生しているフリンジ電界１０では、その電気力線は強誘電体層２２を貫くことが可能である一方、メタル層４０を貫くことができないので、プルーフマス２４が矢印Ｘ方向に移動することによって、電気力線の様相が変化し、この電気力線の様相の変化に応じて、２電極間に形成されるキャパシタの静電容量値が変化する。上記の容量変化に伴って、所定量の電荷が第１電極２７（対向電極）に導入され、これが電流として出力される。
次に、第２実施形態による発電装置６０の効果を確認するために、上記第１実施形態と同様の方法を用いてコンピュータシミュレーションを行った。その結果を図３７に示す。
図３７に示すように、強誘電体層２２の厚みｔ１１を５μｍ以上に構成することによって、９９％以上のカバー率が得られることが判明した。また、強誘電体層２２の厚みｔ１１を１０μｍ以上に構成した場合には、ほぼ１００％（９９．８％以上）のカバー率が得られ、２０μｍ以上に構成した場合には１００％のカバー率が得られることが判明した。なお、強誘電体層２２の厚みｔ１１が１０μｍの場合には、強誘電体層２２の厚みｔ１１は、第１電極２７及び第２電極２８の一方の櫛歯部２７ａ（または２８ａ）の幅ｗ１（約５μｍ）と、第１電極２７の櫛歯部２７ａから隣り合う第２電極２８の櫛歯部２８ａまでの長さｇ１（約５μｍ）との合計長さ（ｗ１＋ｇ１：約１０μｍ）と一致する。また、強誘電体層２２の厚みｔ１１が２０μｍの場合には、強誘電体層２２の厚みｔ１１は、上記合計長さ（ｗ１＋ｇ１：約１０μｍ）の２倍（２（ｗ１＋ｇ１））と一致する。
以上のように、強誘電体層２２の厚みｔ１１を５μｍ以上に構成することによって、十分なカバー率を得ることができ、プルーフマス２４の変位に応じた静電容量値の変化を十分に大きくすることが可能となることが確認された。これにより、発電能力を向上させることが可能となることが確認された。
第２実施形態では、上記のように、プルーフマス２４の強誘電体層２２側に第１電極２７および第２電極２８を形成することによって、第１電極２７の櫛歯部２７ａと第２電極２８の櫛歯部２８ａとの間にフリンジ電界１０を発生させることができる。また、強誘電体層２２の上面側の所定領域に、所定のパターンでメタル層４０を形成することにより、プルーフマス２４がセラミック基板１の上面（主面）と平行な矢印Ｘ方向に移動した場合でも、フリンジ電界１０における電気力線の様相を変化させることができる。すなわち、第１電極２７の櫛歯部２７ａと第２電極２８の櫛歯部２８ａとの間に発生するフリンジ電界１０では、その電気力線は強誘電体層２２を貫くことが可能である一方、メタル層４０を貫くことができないので、強誘電体層２２の上面側の所定領域に、所定のパターンでメタル層４０を形成することにより、プルーフマス２４が矢印Ｘ方向に移動した際に、フリンジ電界１０における電気力線の様相を変化させることができる。これにより、電気力線の様相の変化に応じて、２電極間に形成されるキャパシタの静電容量値が変化するので、その静電容量値の変化に伴って、所定量の電荷が第１電極２７（対向電極）に導入され、これが電流として出力される。
また、第２実施形態では、メタル層４０を、強誘電体層２２の上面から突出しないように形成することによって、強誘電体層２２の上面側にメタル層４０を形成したとしても、メタル層４０が形成されていない場合と同様のプロセスで、その後の製造プロセスを行うことができるので、強誘電体層２２の上面からメタル層４０が突出することに起因して、その後の製造プロセスが繁雑になるという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、容易に、製造効率を向上させることができる。
また、第２実施形態では、メタル層４０を、強誘電体層２２の上面から突出しないように形成することによって、プルーフマス２４が、セラミック基板１（強誘電体層２２）の上面（主面）と平行な矢印Ｘ方向に移動する際に、メタル層４０とプルーフマス２４（第１電極２７、第２電極２８）とが係合するのを抑制することができるので、メタル層４０とプルーフマス２４（第１電極２７、第２電極２８）とが係合することに起因して、セラミック基板１（強誘電体層２２）の上面（主面）と平行な矢印Ｘ方向へのプルーフマス２４の移動が妨げられるという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、容易に、セラミック基板１（強誘電体層２２）の上面（主面）と平行な矢印Ｘ方向の振動を電流として取り出すことができる。
また、第２実施形態では、強誘電体層２２をＢａＴｉＯ3から構成することによって、ＢａＴｉＯ3は比誘電率が１，０００以上の金属酸化物（強誘電体物質）であるため、強誘電体層２２の比誘電率を十分に大きくすることができる。これにより、容易に、静電容量値の変化を大きくすることができるので、セラミック基板１（強誘電体層２２）の上面（主面）と平行な矢印Ｘ方向の振動からより大きな電流を取り出すことができる。なお、ＢａＴｉＯ3は、Ｐｂ（鉛）を含有しない強誘電体物質であるため、強誘電体層２２をＢａＴｉＯ3から構成することによって、廃棄物による環境負荷を低減することができるとともに、人体に与える悪影響を低減することができる。
また、第２実施形態では、プルーフマス２４を支持する梁部２９を、その厚み方向の長さが、幅方向の長さよりも大きくなるように構成することにより、セラミック基板１（強誘電体層２２）の上面（主面）に対して垂直方向（矢印Ｚ方向）にプルーフマス２４が移動するのを抑制することができるので、振動エネルギーが垂直方向に分散してしまうのを抑制することができる。これにより、容易に、セラミック基板１（強誘電体層２２）の上面（主面）と平行な矢印Ｘ方向の振動からより効率的に発電することができる。
また、第２実施形態では、上記第１実施形態と同様、強誘電体層２２の厚みｔ１１を５μｍ以上に構成することによって、９９％以上のカバー率を得ることができるので、静電容量値の変化を大きくすることができる。これにより、セラミック基板１（強誘電体層２２）の上面（主面）と平行な矢印Ｘ方向の振動からより効率的に発電することができる。
さらに、第２実施形態では、セラミック基板１と強誘電体層２２との間に、グレーズ層５を形成することによって、強誘電体層２２の上面の平滑度を向上させることができるので、ＢａＴｉＯ3の粒径を制御することによって、強誘電体層２２の上面に、０．１μｍ〜０．２μｍ程度の凹凸を設けることができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
図３８〜図４８は、本発明の第２実施形態による発電装置の製造方法を説明するための図である。続いて、図２９、図３３〜図３５および図３８〜図４８を参照して、本発明の第２実施形態による発電装置６０の製造方法について説明する。なお、第２実施形態による発電装置６０は、主として、表面マイクロマシニング技術を用いて製造する。
まず、図３８に示すように、約１ｍｍの厚みを有するとともにＡｌ2Ｏ3からなるセラミック基板１の上面上に、グレーズ層５を形成する。このグレーズ層５は、たとえば、ガラス成分を含んだ液体をセラミック基板１上に印刷した後、所定温度で焼成することによって形成する。
次に、スクリーン印刷法を用いて、グレーズ層５上に、図２９に示した配線層６を形成する。なお、配線層６をスクリーン印刷法で形成することにより、容易に、配線層６を形成することが可能となるので、これによっても製造効率を向上させることが可能となる。
その後、図３８に示すように、セラミック基板１（グレーズ層５）上の所定領域にスクリーン印刷法を用いて強誘電体層２２を形成する。具体的には、グレーズ層５上の所定領域に、ＢａＴｉＯ3を含むペーストを印刷した後、８００℃〜１２００℃程度の焼成温度で焼成することにより、ＢａＴｉＯ3からなる強誘電体層２２を形成する。
また、強誘電体層２２は、その厚みｔ１１（図３５参照）が５μｍ〜２０μｍとなるように形成するとともに、ＢａＴｉＯ3の粒径を制御することによって、強誘電体層２２の上面に０．１μｍ〜０．２μｍ程度の凹凸（図示せず）が生じるように形成する。
続いて、図３９に示すように、強誘電体層２２をエッチングにより凹加工した後、スパッタ法や蒸着法でメタル層４０（アルミニウム）を成膜する。さらに、表面を研削して、図４０に示すように、規定の強誘電体とメタルのストライプ面を形成する。これにより、メタル層４０が強誘電体層２２の上面から突出しないように構成される。
その後、図４１に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、グレーズ層５上に、アモルファスシリコンからなる犠牲層３１を、強誘電体層２２を覆うように形成する。ここで、犠牲層３１とは、後工程で除去することを前提に形成する層のことである。
次に、図４２に示すように、フォトリソグラフィ技術とＳＦ6プラズマガスを用いたドライエッチングとにより、犠牲層３１に細長状の溝部（スロット）３１ａを形成する。そして、図４３に示すように、犠牲層３１の上面上に、第１のパリレン層３２を蒸着する。この際、溝部３１ａ内に蒸着された第１のパリレン層３２は、プルーフマス２４を保持するためのアンカー部となる。
次に、図４４に示すように、フォトリソグラフィ技術とＯ2プラズマガスを用いたエッチングとにより、第１のパリレン層３２の所定領域を除去する。
その後、犠牲層３１上および第１のパリレン層３２上に、スパッタリングまたは蒸着法により、アルミニウム層を堆積するとともに、図４５に示すように、堆積したアルミニウム層を、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチングとを用いてパターニングする。これにより、図３３に示したような櫛歯状の第１電極２７が形成されるとともに、第１電極２７に電気的に接続されるパッド電極２７ｃが形成される。なお、第１電極２７とパッド電極２７ｃとを接続する接続部２７ｂ（図３３参照）も、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。
また、犠牲層３１上には、スピンコーティングによってＣＹＴＯＰフィルムが形成された後、これがＯ2プラズマでエッチングされる。このような工程により、第２電極２８のエレクトレット部分が櫛歯状に形成される。
その後、第１電極２７、第２電極２８のエレクトレット部分、パッド電極２７ｃ、接続部２７ｂ（図３３参照）を覆うように、犠牲層３１上および第１のパリレン層３２上に、放電防止用のパリレン（図４５及び図４６では図示が省略されているが、その詳細については、図８Ｅの符号Ｅ１１を参照）が堆積され、その上に、第２電極２８のベース電極部分、及び、これに接続されるパッド電極２８ｃとしてのアルミニウムがスパッタリングされる。なお、第２電極２８のベース電極部分とパッド電極２８ｃとを接続する接続部２８ｂ（図３３参照）についても、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。
次に、図４６に示す通り、第２電極２８のベース電極部分、パッド電極２８ｃ（図３３参照）、接続部２８ｂ（図３３参照）を覆うように、第２のパリレン層３３を蒸着する。そして、第２のパリレン層３３を図４７に示した形状にパターニングする。この際、図３４に示したように、４つの梁部２９は、それぞれ、厚み方向の長さを、幅方向の長さよりも大きくなるように形成する。これにより、パリレンからなるプルーフマス２４（図２９参照）、梁部２９（図２９参照）、及び、枠体部２３（図２９参照）が形成される。この際、枠体部２３の所定領域に、パッド電極２７ｃおよび２８ｃの表面を露出させるための開口部２３ａを形成する。なお、第１のパリレン層３２および第２のパリレン層３３は、室温で形成（蒸着）可能である。
最後に、図４８に示した状態から、ＸｅＦ2ガスを用いたドライエッチングにより、犠牲層３１の所定領域を除去することによって、プルーフマス２４と強誘電体層２２とを離間させる。このようにして、図２９に示した本発明の第２実施形態による発電装置６０が形成される。
第２実施形態では、上記のように、セラミック基板１上の所定領域に、スクリーン印刷法を用いて強誘電体層２２を形成することによって、セラミック基板１上の所定領域に強誘電体層２２を容易に形成することができるので、板状の強誘電体層２２をセラミック基板１上の所定領域に貼り付ける場合などと比べて、製造効率を向上させることができる。なお、第２実施形態による発電装置６０では、ＤＲＩＥプロセスを用いることなく製造することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記第１及び第２実施形態では、強誘電体層をＢａＴｉＯ3から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、比誘電率が１，０００以上であって、スクリーン印刷法が適用可能な金属酸化物であれば、ＢａＴｉＯ3以外の金属酸化物から強誘電体層を構成してもよい。この際、Ｐｂ（鉛）を含有しない金属酸化物を用いるのが好ましい。
また、上記第１および第２実施形態では、強誘電体層を５μｍ〜２０μｍの厚みに構成した例について示したが、本発明はこれに限らず、強誘電体層を２０μｍ以上の厚みに構成してもよい。なお、強誘電体層の形成は、上述したように、スクリーン印刷法によって行われるので、２０μｍ以上の厚みを有する強誘電体層でも、容易に形成することが可能である。
また、上記第１及び第２実施形態では、グレーズ層が形成されたセラミック基板上に、スクリーン印刷法を用いて、強誘電体層を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、グレーズ層が形成されていないセラミック基板上に、スクリーン印刷法を用いて強誘電体層を形成してもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、８００℃〜１２００℃程度の焼成温度で焼成することにより、強誘電体層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記した焼成温度以外の焼成温度で焼成することにより、強誘電体層を形成してもよい。例えば、１２００℃〜１５００℃程度の比較的高い焼成温度で焼成してもよいし、７００℃以下の比較的低い焼成温度で焼成してもよい。なお、１２００℃〜１５００℃程度の焼成温度で焼成する場合には、グレーズ層が形成されていないセラミック基板上に、強誘電体層を形成するとともに、強誘電体層の形成後に配線層を形成すれば、上記実施形態に示した発電装置の製造が可能である。また、７００℃以下の焼成温度で焼成する場合には、強誘電体層の比誘電率が１，０００以下にならないように構成するのが好ましい。
また、上記第１および第２実施形態では、Ａｌ2Ｏ3からなるセラミック基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、Ａｌ2Ｏ3以外のセラミック材料からなるセラミック基板を用いるほか、強誘電体材を基板として用いて発電装置を製造してもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、枠体部によってプルーフマスを保持するように構成したが、本発明はこれに限らず、枠体部以外の部材によってプルーフマスを保持するように構成してもよい。
なお、上記第１および第２実施形態において、プルーフマスに、上面から下面に貫通する複数の貫通孔を設けてもよい。このように構成した場合には、犠牲層の除去が容易になるとともに、空気抵抗を低減することが可能となる。
また、上記第２実施形態では、メタル層を、強誘電体層の上面から突出しないように形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、メタル層を、強誘電体層の上面から突出するように形成してもよい。
また、上記第２実施形態では、メタル層をアルミニウムから構成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、アルミニウム以外の金属からメタル層を構成してもよい。
（第１変形例）
また、上記第２実施形態では、４つの梁部によってプルーフマスを支持する構成について示したが、本発明はこれに限らず、セラミック基板の上面に対して平行な所定方向に、プルーフマスを移動させることが可能であれば、プルーフマスを支持する梁部の構成は、上記実施形態による構成以外の構成であってもよい。たとえば、図４９に示すように、プルーフマス３４を支持する梁部３９を、矢印Ｘ方向に撓むように構成してもよい。
（第２変形例）
また、上記第２実施形態では、発電装置を、セラミック基板の上面に対して平行な矢印Ｘ方向の振動から発電可能に構成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、１つのセラミック基板上に複数の発電装置を形成することによって、複数方向の振動から同時に発電可能に構成してもよい。たとえば、図５０に示すように、少なくとも、セラミック基板１の上面に対して平行な矢印Ｘ方向および矢印Ｙ方向の振動からそれぞれ発電する２つの発電装置６０と、セラミック基板１の上面に対して垂直方向の振動から発電する発電装置５０とを、１つのセラミック基板１上に形成することによって、３軸方向の振動から同時に発電可能に構成してもよい。
（第３変形例）
次に、上記で説明した発電装置（特に水平振動から発電する第２実施形態の発電装置）の第３変形例について、詳細に説明する。図５１Ａ及び図５１Ｂは、いずれも、本発明の第３変形例による発電装置の構造を示す断面図である。なお、図５１Ａの発電装置では、図３Ａ〜図３Ｃと同じく、メタル層（フローティング電極）Ｇ２が強誘電体基板Ｇ１の表面上に突起して形成されており、図５１Ｂの発電装置では、図３０と同じく、メタル層Ｇ２が強誘電体基板Ｇ１の表面上に埋没して形成されている。
ここで、第３変形例の発電装置は、強誘電体基板Ｇ１とメタル層Ｇ２とを被覆し、可動体Ｇ４に対して水平な表面を持つ保護層Ｇ３を有して成る。なお、保護層Ｇ３の素材としては、摩擦係数が小さく、かつ、絶縁性にも優れたフッ素樹脂やポリイミド樹脂など（例えば、静摩擦係数が０．５以下、比誘電率が４．０以下）が好適である。なお、半導体装置の分野で一般的に使用されている層間絶縁膜の比誘電率は４．０以下であり、例えばＳｉＯ2の比誘電率は４．０である。保護層Ｇ３の素材として、比誘電率は小さければ小さいほど良いが、材料の入手性を鑑みると、半導体装置の分野で一般的に使用されている層間絶縁膜材を用いてもよい。
例えば、摩擦係数が小さい保護層Ｇ３を有する構成であれば、強誘電体基板Ｇ１と可動体Ｇ４とが万一接触した場合であっても、可動体Ｇ４が保護層Ｇ３の表面上を滑らかに摺動するので、発電装置の機械的な破壊を回避することが可能となる。また、絶縁性に優れた保護層Ｇ３を有する構成であれば、メタル層（フローティング電極）Ｇ２と、対向電極Ｇ５やエレクトレット電極Ｇ６との間で、不要な放電が生じにくくなる。
特に、強誘電体基板Ｇ１と可動体Ｇ４とのギャップ間距離が短い発電装置では、上記の接触や放電の問題が生じやすいため、上記第３変形例の構成を採用することが望ましい。
なお、図５１Ｂのメタル層Ｇ２は、その上面が強誘電体基板Ｇ１の上面と実質的に同一面となるように形成されている。
その形成方法としては、後述する第４変形例のように、強誘電体基板Ｇ１の表面上に溝部（トレンチ部）を形成した後、その内部にメタル層Ｇ２を積層すればよい。このとき、上記溝部の深さについては、メタル層Ｇ２がフリンジ電界を遮るために必要十分な厚さを持つように適宜設計すればよい。なお、フリンジ電界を適切に遮ることができるのであれば、メタル層Ｇ２に代えて、半導体層（純シリコン層など）を上記溝部に積層しても構わない。
図５１Ｂの構成（すなわち、メタル層Ｇ２を強誘電体基板Ｇ１の表面上に埋没させた構成）であれば、図５１Ａの構成（すなわち、メタル層Ｇ２を強誘電体基板Ｇ１の表面上に突起させた構成）と比べて、メタル層Ｇ２の厚み分だけ、強誘電体基板Ｇ１と可動体Ｇ４とのギャップ間距離を短縮することができるので、発電装置の小型化や発電効率の向上に寄与することが可能となる。
（第４変形例）
次に、上記で説明した発電装置（特に水平振動から発電する第２実施形態の発電装置）の第４変形例について詳細に説明する。図５２Ａ及び図５２Ｂは、それぞれ、本発明の第４変形例による発電装置の発電原理を説明するための模式図である。なお、図５２Ａは、可動体Ｈ１が初期位置に存在する様子を示しており、図５２Ｂは、可動体Ｈ１が水平移動された後の様子を示している。また、図５２Ａ及び図５２Ｂの左側には、それぞれ、発電装置の概念及び動作原理を模式的に示した等価回路が描写されている。
第４変形例の発電装置において、強誘電体基板Ｈ５の表面上には、メタル層に代えて、溝部（トレンチ部）Ｈ６が形成されている。溝部（トレンチ部）Ｈ６は、ウェットエッチング、ＩＣＰ装置等を用いたドライエッチング、機械加工（ダイシング）、エキシマレーザ等を用いたレーザビーム加工によって形成すればよい。また、溝部（トレンチ部）Ｈ６が形成された強誘電体基板Ｈ５の上部に、可動体Ｈ１などの構造物をさらに積層形成していくためには、先出の図４１で示したように、強誘電体基板Ｈ５を覆うようにアモルファスシリコンから成る犠牲層を形成して新たな水平面を取得し、その上部に所望の構造物を積層形成した後、最終的に上記の犠牲層を除去すればよい。
なお、溝部（トレンチ部）Ｈ６の深さは、可動体Ｈ１と強誘電体基板Ｈ５とのギャップ長（＝約１μｍ）と同値またはそれ以上に設計すればよい。また、溝部（トレンチ部）Ｈ６の幅ないしピッチについては、エレクトレットＨ２や対向電極Ｈ４の幅ないしピッチとの関係を考慮して適切に設計することが望ましい。また、溝部（トレンチ部）Ｈ６のテーパ形状については、加工プロセスを考慮して適切に設計することが望ましい。
上記構成から成る発電装置の動作原理について説明する。外的な振動入力によって可動体Ｈ１が水平方向に移動されたとき、図５２Ａと図５２Ｂとを用いて対比的に示したように、フリンジ電界Ｈ７と溝部（トレンチ部）Ｈ６との相対的な配置関係が変化し、強誘電体基板Ｈ５を貫く電気力線の状態が変化する。例えば、可動体Ｈ１の初期位置（図５２Ａを参照）では、エレクトレットＨ２と対向電極Ｈ４との間に強誘電体基板Ｈ５の凸部があり、可動体Ｈ１と強誘電体基板Ｈ５とのギャップ長が比較的短くなった状態、すなわち、電気力線が強誘電体基板Ｈ５の内部に進入しやすい状態となっているが、可動体Ｈ１の水平移動後の位置（図５２Ｂを参照）では、エレクトレットＨ２と対向電極Ｈ４との間に溝部（トレンチ部）Ｈ６が存在し、可動体Ｈ１と強誘電体基板Ｈ５とのギャップ長が比較的長くなった状態、すなわち、電気力線が強誘電体基板Ｈ５の内部に進入しにくい状態となる。この事実は、エレクトレットＨ２と対向電極Ｈ４との間に形成される容量Ｃが変化することを意味している。この容量Ｃの変化は、２つの電極間に存在する誘電体と空気の体積比、すなわち、等価比誘電率εrが変化することによって生じる。２電極間における上記の容量変化に伴って、所定量の電荷Ｑが対向電極Ｈ４に導入される。そして、この電荷Ｑは、先出の（２）式に基づき、電流Ｉとして引き出される。
このように、上記第４の変形例における発電装置であれば、強誘電体基板Ｈ５の表面上にメタル層を設けることなく、水平振動に基づく発電を行うことができるので、実使用時における不要な放電を防止することが可能となり、延いては、強誘電体基板Ｈ５と可動体Ｈ１とのギャップ間距離を短縮して、発電装置の小型化や発電効率の向上に寄与することが可能となる。
図５３Ａ〜図５３Ｃは、それぞれ、本発明の第４変形例による発電装置の第１〜第３構造例を示した断面図である。なお、図５３Ａは、第１構造例（トレンチ形成型）を示しており、図５３Ｂは、第２構造例（シリカ積層型）を示しており、図５３Ｃは、第３構造例（保護層形成型）を示している。
図５３Ａの第１構造例（トレンチ形成型）は、図５２Ａ及び図５２Ｂで既に示した構造であり、強誘電体基板Ｉ２の表面上には、ウェットエッチング、ＩＣＰ装置等を用いたドライエッチング、機械加工（ダイシング）、エキシマレーザ等を用いたレーザビーム加工によって溝部（トレンチ部）Ｉ３が形成されており、その内部は、可動体Ｉ１と強誘電体基板Ｉ２とのギャップ領域と同様、低真空状態（高真空や超高真空ではない状態）とされているか、若しくは、空気、不活性ガス（Ｎ2など）、或いは、放電防止効果のあるガス（例えば主成分としてＳＦ6を含むガス）などが充填されている。このような構成とすることにより、ギャップ領域とトレンチ内部の状態（誘電率）を一致させることができる。なお、ギャップ領域及びトレンチ内部を高真空や超高真空にしない理由は、放電を回避するためである。なお、本明細書中において、「低真空状態」とは大気圧〜１０-1Ｐａの状態を指し、「高真空状態」とは１０-1〜１０-5Ｐａの状態を指し、「超高真空状態」とは１０-5以下の状態を指すものとする。
図５３Ｂの第２構造例（シリカ積層型）は、図５３Ａの第１構造例で形成した溝部（トレンチ部）Ｉ３の内部にシリカ層Ｉ３’（誘電率３程度）を積層して、強誘電体基板Ｉ２の表面を平坦化した構造である。このような構成とすることにより、可動体Ｉ１と強誘電体基板Ｉ２との接触（引っ掛かり）を低減することが可能となる。また、強誘電体基板Ｉ２の表面を平坦化することにより、その上に表面マイクロマシニングで構造体を作成することが可能となる。
図５３Ｂの第３構造例（保護層形成型）は、図５３Ｂの第２構造例に加えて、強誘電体基板Ｉ２とシリカ層Ｉ３’とを被覆し、可動体Ｉ１に対して水平な表面を持つ保護層Ｉ４を追加した構造である。なお、保護層Ｉ４の素材としては、摩擦係数の小さいフッ素樹脂などが好適である。このような構成とすることにより、強誘電体基板Ｉ２と可動体Ｉ１とが万一接触した場合であっても、可動体Ｊ１が保護層Ｊ４の表面上を滑らかに摺動するので、発電装置の機械的な破壊を回避することが可能となる。
なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
例えば、強誘電体基板と可動体とのギャップは、低真空状態としてもよいし、或いは、空気、不活性ガス（Ｎ2など）、または、放電防止効果のあるガス（主成分としてＳＦ6を含むガスなど）などを充填しても構わない。なお、上記ギャップを低真空状態とする場合、脱気工程を用いてもよいし、或いは、何らかの高温処理時に上記のギャップからガスが抜けて自然に低真空状態となる現象を利用してもよい。
また、可動体と対向する位置に設けられる強誘電体については、基板自体を強誘電体素材で形成してもよいし（図３Ａ〜図３Ｃなどを参照）、基板上に薄膜印刷技術を用いて強誘電体層を形成してもよいし（図８Ａ〜図８Ｆなどを参照）、或いは、別途の工程で形成しておいた板状の強誘電体を基板上に貼り付けてもよい（図１４や図３２などを参照）。
本発明に係る発電装置は、例えば、各種センサや無線機器用の電源として、好適に利用可能な技術である。
Ａ１ ベース電極
Ａ２ エレクトレット
Ａ３ パリレン
Ａ４ ＰＺＴ板
Ａ５ 対向電極
Ｂ１ プルーフマス（可動体）
Ｂ２ エレクトレット
Ｂ３ ベース電極
Ｂ４ 対向電極
Ｂ５ 強誘電体基板
Ｂ６ フローティング電極
Ｂ７ フリンジ電界
Ｂ８ 空気
Ｃ１ 発電装置（Ｘ方向用）
Ｃ２ 発電装置（Ｙ方向用）
Ｃ３ 発電装置（Ｚ方向用）
Ｄ１ プルーフマス（可動体）
Ｄ２ 梁部
Ｄ３ エレクトレット
Ｄ４ 対向電極
Ｄ５ フローティング電極
Ｅ１ シリコンウェハ
Ｅ２ 接着剤（ＰＤＭＳ）
Ｅ３ ＰＺＴ板（強誘電体基板）
Ｅ４ アルミニウム（フローティング電極）
Ｅ５ アモルファスシリコン（犠牲層）
Ｅ６ スロット（溝）
Ｅ７ ディンプル（窪み）
Ｅ８ パリレン
Ｅ９ ＣＹＴＯＰフィルム（エレクトレット）
Ｅ１０ アルミニウム（対向電極）
Ｅ１１ パリレン
Ｅ１２ アルミニウム（ベース電極）
Ｅ１３ パリレン
Ｅ１４ ＳＵ−８層
Ｆ１ シリコンウェハ
Ｆ２ パリレン
Ｆ３ ＣＹＴＯＰフィルム
Ｆ４ 放電シミュレータ
Ｆ５ スイッチ
Ｇ１ 強誘電体基板
Ｇ２ メタル層（フローティング電極）
Ｇ３ 保護層
Ｇ４ 可動体
Ｇ５ 対向電極
Ｇ６ エレクトレット電極
Ｈ１ 可動体
Ｈ２ エレクトレット
Ｈ３ ベース電極
Ｈ４ 対向電極
Ｈ５ 強誘電体基板
Ｈ６ 溝部（トレンチ部）
Ｈ７ フリンジ電界
Ｉ１ 可動体
Ｉ２ 強誘電体基板
Ｉ３ 溝部（トレンチ部）
Ｉ３’ シリカ層
Ｉ４ 保護層
１ セラミック基板
２、２２ 強誘電体層（誘電体層）
３、２３ 枠体部
３ａ、２３ａ 開口部
４、２４ プルーフマス（可動部）
５ グレーズ層
６ 配線層
７、２７ 第１電極（対向電極）
７ａ、２７ａ 櫛歯部
７ｂ、２７ｂ 接続部
７ｃ、２７ｃ パッド電極
８、２８ 第２電極（エレクトレット）
８ａ、２８ａ 櫛歯部
８ｂ、２８ｂ 接続部
８ｃ、２８ｃ パッド電極
９、２９ 梁部
１０ フリンジ電界
１１、３１ 犠牲層
１１ａ、３１ａ 溝部（スロット）
４０ メタル層（フローティング電極）
５０ 発電装置（Ｚ方向用）
６０ 発電装置（Ｘ方向用／Ｙ方向用）

Claims (15)

  1. 誘電体と；
    前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と；
    前記可動部の前記誘電体側に各々形成され、２電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と；
    を有して成り、
    前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、
    前記誘電体の可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるためのメタル層と；
    前記誘電体と前記メタル層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜と；
    を有して成ることを特徴とする発電装置。
  2. 前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に突起して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に埋没して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  4. 誘電体と；
    前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と；
    前記可動部の誘電体側表面に各々形成され、２電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と；
    を有して成り、
    前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、
    前記誘電体は、その可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるための溝部を有して成ることを特徴とする発電装置。
  5. 前記溝部の内部に積層され、前記誘電体の可動部側表面を平坦化するシリカ等の低誘電率層を有して成ることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
  6. 前記誘電体と前記シリカ等の低誘電率層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜を有して成ることを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
  7. 前記可動部の支持部材として、厚み方向の長さが幅方向の長さよりも大きい梁部を有して成ることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の発電装置。
  8. 前記エレクトレットと前記対向電極は、複数の櫛歯部を有する櫛歯状にそれぞれ形成されており、平面的に見て、互いの櫛歯部が所定の間隔を隔てて交互に配列されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の発電装置。
  9. 前記エレクトレットに対して所定量の電荷を接触式放電によって注入するためのエレクトレット端子を有して成ることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の発電装置。
  10. 前記誘電体は、１，０００以上の比誘電率を有することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の発電装置。
  11. 前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域は、低真空状態とされていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の発電装置。
  12. 前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域には、所定の気体が充填されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の発電装置。
  13. 前記所定の気体は、空気、不活性ガス、或いは、放電防止効果を有するガスのいずれ一であることを特徴とする請求項１２に記載の発電装置。
  14. 前記放電防止効果を有するガスの主成分はＳＦ6であることを特徴とする請求項１３に記載の発電装置。
  15. 表面マイクロマシニング技術を用いて製造されることを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれかに記載の発電装置。
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