JP5487493B2 - Electret micro power generator - Google Patents

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発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に係り、特にMEMS(Micro Electromechanical Systems)技術に代表されるような技術によって製造される微小な発電装置に関する。 The present invention relates to a power generation device that converts vibration energy into electric energy, and more particularly to a micro power generation device manufactured by a technique represented by MEMS (Micro Electromechanical Systems) technology.

環境中の振動から発電する技術の歴史は古く、特筆すべき例としては自動巻き発電ウォッチがある(例えば、非特許文献1参照)。これは1センチメートル程度の規模の振動発電装置であり、扱う電圧電流はそれぞれ1V、1マイクロアンペア程度である。このような電力規模においては周知のダイオードによる半波整流によってコンデンサーへの充電が実用になる。 The history of technology for generating electricity from vibrations in the environment is old, and a self-winding power generation watch is a notable example (see Non-Patent Document 1, for example). This is a vibration power generator with a scale of about 1 centimeter, and the voltage and current handled are about 1 V and 1 microampere, respectively. In such a power scale, charging of the capacitor becomes practical by half-wave rectification using a known diode.

これをもとに複数のコンデンサーを半導体スイッチを使ってつなぎ変えることにより昇圧回路を形成して時計回路を駆動する方式が実用に供されている(例えば、非特許文献2参照)。また、整流回路そのものに関しては医療用インプラントデバイスや分散したセンサーノードのための発電に供する目的でダイオードの代わりにFET(Feild Effect Transistor)を使用した低損失の整流回路が周知である(例えば、特許文献1参照)。一方で、超低電力デバイス研究が進展する中で(例えば、非特許文献3参照)、低出力であるが超小型の振動発電装置の潜在的需要が発生し、特にエレクトレット機械電気エネルギー変換素子における研究が他のピエゾエレクトリック材料を用いた素子の研究などとともに進展している(例えば、非特許文献4参照)。 Based on this, a method of driving a timepiece circuit by forming a booster circuit by connecting a plurality of capacitors using a semiconductor switch has been put to practical use (for example, see Non-Patent Document 2). As for the rectifier circuit itself, a low-loss rectifier circuit using a FET (Feed Effect Transistor) instead of a diode for the purpose of generating power for medical implant devices or distributed sensor nodes is well known (for example, patents). Reference 1). On the other hand, as research on ultra-low power devices progresses (see, for example, Non-Patent Document 3), there is a potential demand for low-power but ultra-small vibration power generators, particularly in electret mechanical electrical energy conversion elements. Research is progressing along with research on devices using other piezoelectric materials (see, for example, Non-Patent Document 4).

日本時計学会誌,No.120,1987年の第40〜48ページJournal of the Japan Watch Association, No. 120, 1987, pages 40-48 日本時計学会誌,No.126,1988年の第28〜40ページJournal of the Japan Watch Association, No. 126, 1988, pages 28-40 Nature、Vol,445,2007年の第745〜748ページNature, Vol., 445, pp. 745, 2007, pages 745-748. Proceedings of the 23rd Sensor Symposium,2006年の第521〜524ページProceedings of the 23rd Sensor Symposium, pp. 521-524, 2006

米国特許第5,999,849号US Pat. No. 5,999,849

将来の微小な体内インプラント医療技術のより広範な使用あるいはユビキタスセンサーネットワーク社会の到来に備えて、必要な電力をその場で発電するマイクロエネルギー発電技術の開発の重要性が近年認識されてきている。一般にマイクロエネルギー発電技術では環境中にある人工あるいは自然の光、振動、化学、熱エネルギーなどから発電する。このうち環境中の振動エネルギーや音場エネルギーから発電する振動発電においては、一般にはエネルギー密度が比較的小さいために微小な出力電力パワーを効率よく整流した上でエネルギーとして蓄積し、主に間欠的な使用に供する技術が決定的に重要になる。 In recent years, the importance of developing micro-energy power generation technology that generates necessary power on the spot has been recognized in recent years in preparation for the wider use of microin-vivo implant medical technology in the future or the arrival of a ubiquitous sensor network society. In general, micro energy power generation technology generates electricity from artificial or natural light, vibration, chemistry, thermal energy, etc. in the environment. Of these, in vibration power generation that generates power from vibration energy and sound field energy in the environment, since the energy density is generally relatively small, a very small amount of output power is efficiently rectified and stored as energy, mainly intermittently. The technology used for proper use is critical.

それにもかかわらず、ナノワット程度以下の電力規模においてそのような技術は現時点で存在していない。順方向電圧降下を最小化するために例えばSchottkyダイオード素子を使用した回路等が周知であるが、それらの方式はナノワット規模の電力に適用するには不十分である。また、一定振幅の振動に対しては振動発電機の理論上の最大出力が振動周波数の4乗に比例することから、人工的なエネルギー供給の場合はより高周波ではたらく整流および電力蓄積技術が必要になるが、これは低電力になるほど困難になる。従って超低電力センサーノードに電力をその場供給する潜在的に大規模な需要に応える技術が欠落している。 Nevertheless, no such technology currently exists at power scales on the order of nanowatts or less. In order to minimize the forward voltage drop, for example, a circuit using a Schottky diode element is well known, but those schemes are insufficient to be applied to nanowatt scale power. In addition, for a constant amplitude vibration, the theoretical maximum output of the vibration generator is proportional to the fourth power of the vibration frequency, so artificial energy supply requires rectification and power storage technology that operates at higher frequencies However, this becomes more difficult as the power becomes lower. Thus, there is a lack of technology to meet the potentially large-scale demand of supplying power to ultra-low power sensor nodes on the spot.

この状況に応えるためには、微小な出力を扱う整流回路のみを取り出して検討するのではなく、機械電気エネルギー変換素子も含めて総合的に設計することが重要である。従って、本発明の目的は、微小な出力電流および電圧しか得られず、またこれらが余り低くない周波数を持っている場合にこれを効率よく整流し、エネルギーを低損失に貯蔵して低電力回路による使用に供するような装置を提供することにある。 In order to respond to this situation, it is important not to take out and examine only the rectifier circuit that handles a minute output, but to design it comprehensively including the mechanical and electrical energy conversion elements. Accordingly, an object of the present invention is to obtain only a small output current and voltage, and when they have a frequency that is not so low, this is efficiently rectified and energy is stored with low loss, and a low power circuit is obtained. An object of the present invention is to provide such a device for use by

上記の目的を達成するために本願によって開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。 To briefly explain the summary of typical inventions among the inventions disclosed by the present application in order to achieve the above object, it is as follows.

本発明における微小な一次発電電圧を扱う状況下では、ダイオードを始めとするすべての能動電子回路素子中の電圧降下が大きく影響する。従って、図2に示すように例えばダイオードD1、D2を使用して整流し、コンデンサーC1にエネルギーを貯蔵する場合には半波整流が基本になる。ただし、全波整流をするのに十分な一次発電電圧が得られる場合には当然ながらこの限りではない。 Under the situation where a very small primary power generation voltage in the present invention is handled, a voltage drop in all active electronic circuit elements including a diode greatly affects. Therefore, as shown in FIG. 2, for example, diodes D1 and D2 are used for rectification, and energy is stored in the capacitor C1, half-wave rectification is fundamental. However, this is not necessarily the case when a primary power generation voltage sufficient for full-wave rectification can be obtained.

具体的には、機械電気エネルギー変換素子として例えばMEMS技術を用いて製作した、一辺1cm以下のマイクロ振動子をもつエレクトレット振動発電素子が考えられる。図3はエレクトレット型機械電気エネルギー変換素子の模式図である。エレクトレット機械電気エネルギー変換では、例えばマイクロ振動子OSL1の底面に塗布されたエレクトレット膜ELF1を荷電することにより、それに対向する金属電極CE1、CE2の中に反対電荷を誘起する。いまマイクロ振動子を左右に動かすと、反対電荷もそれに合わせて動くので負荷Lを流れる電流が発生する。負荷特性に対応して、電流に応じた電圧が発生する。ここで一般に負荷特性はオーミックではない。 Specifically, an electret vibration power generation element having a micro vibrator with a side of 1 cm or less manufactured using, for example, a MEMS technology as a mechanical electric energy conversion element can be considered. FIG. 3 is a schematic diagram of an electret type mechanical electric energy conversion element. In electret mechanical-electrical energy conversion, for example, by electrifying the electret film ELF1 applied to the bottom surface of the micro vibrator OSL1, an opposite charge is induced in the metal electrodes CE1 and CE2 facing the electret film ELF1. If the micro vibrator is now moved to the left and right, the opposite charge also moves in accordance with that, so that a current flowing through the load L is generated. Corresponding to the load characteristics, a voltage corresponding to the current is generated. Here, in general, the load characteristic is not ohmic.

エレクトレット膜に対向した電極(以下、対向電極と言う。)に誘起されたこの電圧は振動に逆らう力をマイクロ振動子に与えるが、実際上さらに重要なファクターとしては整流回路の入力が高インピーダンスであることによる入力高抵抗Riと、対向電極CE1、CE2間の浮遊容量、あるいは、CE1またはCE2と電気的グラウンド間にある浮遊容量、による浮遊容量Cs、との組み合わせによる長い緩和時間、すなわち時定数Tr=Ri×Csの発生がある。これが例えば100Hzから100kHz程度のマイクロ振動子の振動周期を超えるとエネルギー回収率の低下をもたらす。さらに、発生電荷量を前記浮遊容量で割った値は発生電圧を与えるが、これが通常の半導体素子が動作する最低でも0.2V程度以上でなければならない。これは浮遊容量が小さくなくてはならないもう一つの理由を与える。 This voltage induced on the electrode facing the electret film (hereinafter referred to as the counter electrode) gives the micro vibrator a force that resists vibration. However, in practice, the more important factor is the high impedance of the input of the rectifier circuit. Long relaxation time, i.e., time constant, due to the combination of the input high resistance Ri due to the presence and the stray capacitance Cs due to the stray capacitance between the counter electrodes CE1 and CE2 or the stray capacitance between CE1 or CE2 and the electric ground. There is a generation of Tr = Ri × Cs . If this exceeds the vibration period of the micro vibrator of about 100 Hz to 100 kHz, for example, the energy recovery rate is lowered. Further, a value obtained by dividing the amount of generated charge by the stray capacitance gives a generated voltage, which must be at least about 0.2 V or more at which a normal semiconductor device operates. This gives another reason why the stray capacitance must be small.

一方で整流回路側に目を転ずれば、図2に示すように整流回路素子としてダイオードD1、D2を用いる場合、逆方向漏れ電流が大きな素子を使用すると、それよりも大きな電流が常に機械電気エネルギー変換素子から発生していなければ電荷がコンデンサーC1に蓄積しない問題がある。特に、ゼロバイアスでインピーダンスが10メガオーム以上ないと発電していない静止状態で蓄積した電荷が漏出してしまう。即ち本発明が主眼を置く間欠的な電力使用の場合は問題が更に大きくなる。そこで逆方向漏れ電流が小さなダイオードの使用が望ましいが、しかし今度は一般にそのような素子は電流スケールが全体として小さいために、順方向電圧に対して電流の立ち上がりが遅い問題がある。言い換えれば、順方向低電圧領域において小さすぎる電流しか流れず、即ち入力インピーダンスが非常に大きい。実際のミリメートル規模のエレクトレット型機械電気エネルギー変換素子の場合、適正な負荷インピーダンスは典型的に100メガオーム程度になるが、たとえばピコアンペア程度の微小な漏れ電流を持つダイオードはミリボルト程度の電圧領域でギガオーム以上の入力インピーダンスを持つ。本発明の発明者は、実験的検討の結果、これらのインピーダンスを整合させることが極めて重要であるとの知見を得た。 On the other hand, turning to the rectifier circuit side, when diodes D1 and D2 are used as the rectifier circuit elements as shown in FIG. 2, if an element having a large reverse leakage current is used, a larger current is always generated in the machine electric circuit. If it is not generated from the energy conversion element, there is a problem that charges are not accumulated in the capacitor C1. In particular, electric charge accumulated in a stationary state of zero bias Day impedance is not generating power and no more than 10 megohms leaks out. That is, the problem is further increased in the case of intermittent power use where the present invention is focused. Therefore, it is desirable to use a diode having a small reverse leakage current. However, in general, such a device has a problem that the current rise is slow with respect to the forward voltage because the current scale is generally small. In other words, only a small current flows in the forward low voltage region, that is, the input impedance is very large. In the case of an actual electret-type electromechanical energy conversion element of millimeter scale, the appropriate load impedance is typically about 100 megaohms, but for example, a diode having a minute leakage current of about picoamperes is more than gigaohm in a voltage range of about millivolts. Input impedance. As a result of experimental investigation, the inventors of the present invention have found that it is extremely important to match these impedances.

前記対向電極CE1、CE2に付随する浮遊容量は例えば接地電極を遠ざけることにより、あるいは回路配線を例えば5mm程度以下にするなどの方策を採ることによりある程度は減らせるが、幾何学的な限界である電極間寄生容量Cが存在する。即ち、対向電極の幅をW,隣り合う対向電極間のギャップ距離をG、前記エレクトレット膜の奥行き方向長さをL、基盤の誘電率をεとすると、電極のある基板部分のうち電極の面積占有率はH=W/(W+G)である。電極のある基板部分のうち電極板のない部分の面積を電極間ギャップ面積と呼ぶことにする。さて、容量Cは
(数1) C=eL{K(sin(pH/2))/K(cos(pH/2))}
である。ここにKは第一種完全楕円積分であり、上式のKを含む無次元数値ファクターは殆どの領域で1.5〜2程度であるが、Hが0.97程度で約3になり、Hが大きくなるにつれてその後急激に無限大に向けて大きくなる。勿論、Hが小さすぎるとエレクトレット膜との結合が悪化する。
The stray capacitance associated with the counter electrodes CE1 and CE2 can be reduced to some extent by taking away the ground electrode or by taking measures such as reducing the circuit wiring to about 5 mm or less, but is a geometric limit. There is an interelectrode parasitic capacitance C. That is, assuming that the width of the counter electrode is W, the gap distance between adjacent counter electrodes is G, the length of the electret film in the depth direction is L, and the dielectric constant of the substrate is ε, the area of the electrode in the substrate portion where the electrode is located The occupation ratio is H = W / (W + G) . The area of the substrate portion having electrodes without the electrode plate is referred to as an interelectrode gap area. Now, the capacity C is (Equation 1) C = eL {K (sin (pH / 2)) / K (cos (pH / 2))}
It is. Here, K is a first-type complete elliptic integral, and the dimensionless numerical factor including K in the above equation is about 1.5 to 2 in most regions, but becomes about 3 when H is about 0.97. As H increases, it rapidly increases toward infinity. Of course, when H is too small, the bond with the electret film is deteriorated.

前記諸問題を解決する一つの方法は、エレクトレット振動発電素子の機械的マイクロ振動子は単一に保ちつつも、図1に示されるようにエレクトレット膜およびこれに対向した2個の電極の組を複数化し、さらに対向電極の組を3個以上直列に接続することによって同期した電圧を加算する。そのことにより出力電圧を整流回路の動作に十分な値まで増加させ、適正な整流動作を行うことができる。複数化されたエレクトレット膜の形状はストライプ状であり、小型エレクトレット振動発電素子であるからストライプの幅は3mm以下となる。 One method for solving the above problems is that an electret film and a pair of two electrodes opposed to the electret film are arranged as shown in FIG. 1 while the mechanical micro vibrator of the electret vibration power generation element is kept single. A plurality of sets of counter electrodes are connected in series and three or more sets of counter electrodes are connected in series to add synchronized voltages. As a result, the output voltage can be increased to a value sufficient for the operation of the rectifier circuit, and an appropriate rectification operation can be performed. The plurality of electret films have a stripe shape, and the width of the stripe is 3 mm or less because it is a small electret vibration power generation element.

また、共振周波数100Hz以上の比較的高い周波数で作動するマイクロ素子の場合は微細加工によりエレクトレット膜、対向電極、整流素子への配線、整流回路を例えば5mm以下に極小化することにより望ましくない寄生容量を最小化し、そこに流入する電荷を小さく抑えることにより電圧低下を低く抑えられるようなものが好適である。 In the case of a micro device that operates at a relatively high frequency of resonance frequency of 100 Hz or more, undesirable parasitic capacitance is obtained by minimizing the electret film, the counter electrode, the wiring to the rectifying device, and the rectifying circuit to, for example, 5 mm or less by fine processing. It is preferable that the voltage drop can be suppressed low by minimizing the charge and suppressing the charge flowing into it.

これに加えて、前記電極間寄生容量のうち、幾何学的部分の不必要な増大を回避するためには電極間ギャップ面積の電極全体の面積、即ち前記電極間ギャップ面積と電極面積の和、に対する比が3%以上である構成が好適である。すなわち、前記の電極の面積占有率を表すファクターHを用いて表現すれば、1−Hが3%=0.03以上であるような構成が好適である。 In addition to this, in order to avoid an unnecessary increase in the geometric part of the interelectrode parasitic capacitance, the total electrode area of the interelectrode gap area, that is, the sum of the interelectrode gap area and the electrode area, A configuration in which the ratio to is 3% or more is preferable. That is, when expressed using the factor H representing the area occupancy of the electrode, a configuration in which 1-H is 3% = 0.03 or more is preferable.

また、請求項2に記載のエレクトレット振動発電装置は、シリコン基板の5mm平方の面積内に前記対向電極と整流用ダイオードとを集積することによって浮遊容量を最小化し、また特にゼロバイアスにおける漏れ電流を最小化するために微小接合断面積のダイオードを使用することを特徴とする。前記ダイオードとしてはpn接合型を使ってもよいし、順方向電圧効果を最小化するためにショットキー型を使ってもよい。また、整流回路としてはダイオードを4個使用した効率のよい全波整流回路としてもよいし、ダイオードを2個使用した動作スレッショルド電圧の低い半波整流回路としてもよい。The electret vibration power generator according to claim 2 minimizes the stray capacitance by integrating the counter electrode and the rectifying diode within an area of 5 mm square of the silicon substrate, and particularly reduces leakage current at zero bias. It is characterized by using a diode with a micro-junction cross-sectional area to minimize. As the diode, a pn junction type may be used, or a Schottky type may be used in order to minimize the forward voltage effect. The rectifier circuit may be an efficient full-wave rectifier circuit using four diodes, or a half-wave rectifier circuit using two diodes and having a low operation threshold voltage.

また、請求項3に記載のエレクトレット振動発電装置は、発電装置単位体積当たりの発電量を最大化するために、前記マイクロ振動子の表面2面以上にストライプ状エレクトレットが形成されていることを特徴とする。例えば、前記マイクロ振動子の上面と下面の両方にストライプ状エレクトレット膜を複数形成し、これらそれぞれの面に対向した対向電極群を2枚の異なる基板上に形成し、これら2枚の基板によって前記マイクロ振動子をサンドイッチ状に挟む形態としてもよい。The electret vibration power generator according to claim 3 is characterized in that stripe electrets are formed on at least two surfaces of the micro vibrator in order to maximize the power generation amount per unit volume of the power generator. And For example, a plurality of stripe electret films are formed on both the upper surface and the lower surface of the micro vibrator, and a counter electrode group facing each of these surfaces is formed on two different substrates. The micro vibrator may be sandwiched.

また、請求項4に記載のエレクトレット振動発電装置は、前記エレクトレット膜として酸化シリコン膜またはポリマー製エレクトレット材料で作成されていることを特徴とする。前記酸化シリコン膜はシリコンウエハーを熱酸化して形成される酸化シリコン膜でもよいし、薄膜デポジションにより形成される酸化シリコン膜でもよい。前記ポリマー製エレクトレット材料はCYTOPを使用してもよいし、パリレンを使用してもよい。The electret vibration power generator according to claim 4 is made of a silicon oxide film or a polymer electret material as the electret film. The silicon oxide film may be a silicon oxide film formed by thermally oxidizing a silicon wafer, or a silicon oxide film formed by thin film deposition. As the polymer electret material, CYTOP may be used, or parylene may be used.

また、請求項5に記載のエレクトレット振動発電装置は、前記マイクロ振動子が反磁性材料および永久磁石との組み合わせにより反磁性浮上することによって、機械摩擦や弾性エネルギー損失を最小化することを特徴とする。マイクロ振動子が反磁性体製で周囲にこれを浮上させるための永久磁石があってもよいし、逆にマイクロ振動子が永久磁石製で周囲にこれを浮上させるための反磁性体があってもよい。反磁性材料としてはグラファイトを使用してもよいし、ビスマスを使用してもよいし、高温超電導体を使用してもよい。The electret vibration power generator according to claim 5 is characterized in that mechanical friction and elastic energy loss are minimized by levitation of the micro vibrator by a combination of a diamagnetic material and a permanent magnet. To do. The micro vibrator may be made of a diamagnetic material and there may be a permanent magnet for floating it around. Conversely, the micro vibrator is made of a permanent magnet and there is a diamagnetic material for floating it around. Also good. As the diamagnetic material, graphite, bismuth, or a high-temperature superconductor may be used.

ダイオードを使用した整流の場合は言わばダイオード中を流れる電力発生に寄与する電流全体に対して整流動作が行われる。ところが本質的に整流に必要な情報は電流がどちらに流れているか表わす1ビットのみである。そこで、請求項6に記載のエレクトレット振動発電装置は、機械電気エネルギー変換素子からマイクロ振動子の運動方向に関する情報を別途に取得してそれを整流回路の制御に使用することによって、より高効率に整流動作を行うことを特徴とする。 In the case of rectification using a diode, the rectification operation is performed on the entire current that contributes to the generation of power flowing in the diode. However, the information necessary for rectification is essentially only one bit that indicates where the current flows. Therefore, the electret vibration power generation device according to claim 6 is more efficient by separately acquiring information on the direction of movement of the micro vibrator from the mechanical-electrical energy conversion element and using it for controlling the rectifier circuit. A rectifying operation is performed.

具体的には、FET素子を整流に使用する場合微小な電荷のみでゲート電極をドライブすれば十分であることから、制御電圧信号を別途に機械電気エネルギー変換素子から得ることにより整流動作を効率化できる。この場合は扱う電荷量が微小なので、寄生容量を最小化することが特に重要である。このために、請求項6に記載のエレクトレット振動発電装置は前記機械電気エネルギー変換素子と前記FETのゲート電極を接続する配線の長さが5mm以下であることを特徴の1つとする。そのことにより少量の発生電荷によりFETのゲート電極を十分な電圧振幅で制御できる。 Specifically, when the FET element is used for rectification, it is sufficient to drive the gate electrode with only a minute charge, so the control voltage signal is obtained separately from the mechanical and electrical energy conversion element to increase the efficiency of the rectification operation. it can. In this case, since the amount of charge handled is very small, it is particularly important to minimize the parasitic capacitance. For this reason, the electret vibration power generator according to claim 6 is characterized in that the length of the wiring connecting the mechanical-electrical energy conversion element and the gate electrode of the FET is 5 mm or less. As a result, the gate electrode of the FET can be controlled with a sufficient voltage amplitude by a small amount of generated charge.

ここにおいて、特にMOS(Metal Oxide Semiconductor)型のFET素子ではゲート漏れ電流が小さいので電力損失がほとんど無いことが本質的であり、また一般的に小型のFET素子のゲート入力容量は十分に小さく、言い換えれば少量の電荷しか必要としないことも重要である。そのため、請求項6に記載のエレクトレット振動発電装置は前記FET素子のゲート漏れ電流が10pA以下であることを特徴の1つとする。少量の電荷を別途に発生するには機械電気エネルギー変換素子の全有効面積のうち小さな一部分を供すれば十分である。従って、FET制御用の電荷発生のためのエレクトレット膜および対向電極面積を適正に設計することにより、大きな電圧が対向電極側で発生してもマイクロ振動子の運動への反作用が問題にならないように素子を設計することができる。 Here, in particular, in a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type FET element, a gate leakage current is small, and therefore it is essential that there is almost no power loss. In general, a small FET element has a sufficiently small gate input capacitance, In other words, it is important that only a small amount of charge is required. Therefore, the electret vibration power generator according to claim 6 is characterized in that the gate leakage current of the FET element is 10 pA or less. In order to separately generate a small amount of electric charge, it is sufficient to provide a small part of the total effective area of the electromechanical energy conversion element. Therefore, by appropriately designing the electret film and counter electrode area for generating the charge for controlling the FET, even if a large voltage is generated on the counter electrode side, the reaction to the movement of the micro vibrator does not become a problem. Elements can be designed.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that it is easy for a person skilled in the art to make other embodiments by changing or correcting the present invention within the scope of the claims, and these changes and modifications are included in the scope of the claims. The following description is an example of the best mode of the present invention, and does not limit the scope of the claims.

図1は本発明の典型的な実施例の概念図である。複数のエレクトレット機械電気エネルギー変換装置EC1,EC2,EC3が配置され、出力電圧は直列接続により増大する。整流回路素子RD1,RD2により整流された出力はエネルギー貯蔵デバイスESに蓄積される。実施状況によっては機械システムより別途に配線SLを介して振動方向に関する情報を得て、それにより整流回路素子RD1,RD2を制御する。 FIG. 1 is a conceptual diagram of an exemplary embodiment of the present invention. A plurality of electret mechanical electrical energy converters EC1, EC2, EC3 are arranged, and the output voltage is increased by serial connection. The output rectified by the rectifier circuit elements RD1 and RD2 is accumulated in the energy storage device ES. Depending on the implementation status, information on the vibration direction is obtained separately from the mechanical system via the wiring SL, and the rectifier circuit elements RD1 and RD2 are thereby controlled.

図4は本発明の一実施例であり、半導体微細加工プロセスにより構成した振動発電素子の斜視図である。機械電気エネルギー変換素子の対向電極付近に発生する寄生容量を最小化するために、発電装置全体が超小型化されている。寄生容量を最小化するには、整流ダイオード素子D3、D4までの配線も含めて微細化する必要があるため、これら整流素子も下側シリコン基板SS2上に対向電極群CE3と併せて集積されている。マイクロ振動子OSL2は上側シリコン基板SS1上にMEMS技術を用いて作成される。ここでマイクロ振動子を支えるばねは、例えばICPーRIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)法などにより作成されたシリコン製の梁Bである。OSL2の下側にはCYTOP製などのエレクトレット膜ELF2がパターニングされ、更にコロナ放電法などにより帯電されている。2枚の基板は、SS1上に作成された例えばポリイミド製のスペーサーPSによって微小なギャップ間隔を残しながら接着される。D3、D4は微小な逆方向漏れ電流を持っているが、十分な順方向電流を得るためにはある程度の電圧を必要とする。そのような電圧を達成するためにエレクトレット膜ELF2および対向電極CE3は複数化され、直列に集積されている。エネルギー貯蔵デバイスは例えばコンデンサーであるが、その性質上比較的大容量を確保するためにはシリコンデバイスに対して電極EL1,EL2を介して外付けにするのが好適である。すなわち、直列電極回路であるところの対向電極群CE3の一方の端、すなわち図4の場合はCE3の左端、はEL2を介して外付けされたコンデンサーの一端と接続されている。また、対向電極群CE3の他端から始まる導線は、D3、D4からなる整流回路の入力端子、すなわちD3の片側とD4の片側からの導線が直接接続されている点、まで浮遊容量を最小化するために5mm以下の距離で接続されている。また、電極EL1で代表される整流回路の出力端子は、前記コンデンサーの他端と接続されている。
FIG. 4 is a perspective view of a vibration power generation element constructed by a semiconductor microfabrication process according to an embodiment of the present invention. In order to minimize the parasitic capacitance generated in the vicinity of the counter electrode of the mechanical-electrical energy conversion element, the entire power generation apparatus is miniaturized. In order to minimize the parasitic capacitance, it is necessary to miniaturize the wiring including the wiring to the rectifying diode elements D3 and D4. Therefore, these rectifying elements are also integrated with the counter electrode group CE3 on the lower silicon substrate SS2. Yes. The micro vibrator OSL2 is formed on the upper silicon substrate SS1 using the MEMS technology. Here, the spring that supports the micro vibrator is, for example, a silicon beam B formed by an ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) method or the like. An electret film ELF2 made of CYTOP is patterned on the lower side of the OSL2, and further charged by a corona discharge method or the like. The two substrates are bonded to each other while leaving a minute gap distance by a spacer PS made of, for example, polyimide formed on SS1. D3 and D4 have a minute reverse leakage current, but a certain amount of voltage is required to obtain a sufficient forward current. In order to achieve such a voltage, the electret film ELF2 and the counter electrode CE3 are pluralized and integrated in series. The energy storage device is, for example, a capacitor. However, in order to ensure a relatively large capacity, it is preferable that the energy storage device is externally attached to the silicon device via the electrodes EL1 and EL2. That is, one end of the counter electrode group CE3 which is a series electrode circuit, that is, the left end of CE3 in the case of FIG. 4, is connected to one end of an external capacitor via EL2. In addition, the conducting wire starting from the other end of the counter electrode group CE3 minimizes the stray capacitance to the input terminal of the rectifier circuit composed of D3 and D4, that is, the point where the conducting wire from one side of D3 and the other side of D4 is directly connected. In order to do so, it is connected at a distance of 5 mm or less. The output terminal of the rectifier circuit represented by the electrode EL1 is connected to the other end of the capacitor.

図5は整流用FETを分離された信号ラインにより制御する方式の構成図である。この方式においては機械電気エネルギー変換素子から別途に直接得られる電流の向きを表わす信号を用いてFET素子を制御することにより高効率の整流動作を実現する。この構成ではマイクロ振動子OSL3の底面にパターニングされたエレクトレット膜が3つの区画に分割されている。エレクトレット膜ELF3,ELF4はそれぞれ1区画を形成し、それぞれがFET1,FET2を制御するための電圧信号を対向電極上に発生することを目的として設置されている。 FIG. 5 is a configuration diagram of a system in which the rectifying FET is controlled by a separated signal line. In this system, a highly efficient rectification operation is realized by controlling the FET element using a signal representing the direction of current directly obtained separately from the mechanical / electrical energy conversion element. In this configuration, the electret film patterned on the bottom surface of the micro vibrator OSL3 is divided into three sections. The electret films ELF3 and ELF4 each form one section and are installed for the purpose of generating voltage signals for controlling the FET1 and FET2 on the counter electrode.

その一方でエレクトレット膜ELF5,ELF6は電力を発生することを目的とし、分割されている唯一の目的は前記の実施例と同じく十分な電圧を得るためである。2つのFETのゲート電極につながる信号ラインSL2,SL3は高抵抗R1,R2を介して接地されている。これらR1,R2の抵抗値はマイクロ振動子OSL3の固有周波数の逆数よりもはるかに長い時定数で放電するように選ばれており、従ってSL2,SL3は発電動作の観点からはフロートしているのと同様であるが、しかし同時にこれら高抵抗は2つのゲート電位が制御できない振る舞いをするのを防止し、長期的には電位がゼロから大きく外れないようにする役割を果たす。 On the other hand, the electret films ELF5 and ELF6 are intended to generate electric power, and the only purpose of being divided is to obtain a sufficient voltage as in the previous embodiment. Signal lines SL2 and SL3 connected to the gate electrodes of the two FETs are grounded through high resistances R1 and R2. The resistance values of R1 and R2 are selected so as to discharge with a time constant much longer than the reciprocal of the natural frequency of the micro- vibrator OSL3. Therefore, SL2 and SL3 are floated from the viewpoint of power generation operation. However, at the same time, these high resistances prevent the two gate potentials from acting uncontrollably and in the long run serve to prevent the potential from deviating significantly from zero.

2つのFETはNチャンネル型エンハンスモードのMOS型デバイスである。従って、通常これらのFETのソース電極はP型シリコン基盤電極に接続されており、ソース電極がドレイン電極よりも高い電位にある場合はP型基盤からドレイン電極直下にあるN型領域にPN接合を通して電流が流れる。本回路ではこの電流を順方向電流として扱う。ダイオードの場合、低電圧でこの順方向電流が大きくなるようにデバイスを設計すると逆方向漏れ電流が大きくなる問題がある。しかしFETの場合は逆方向にバイアスされた場合に適切なゲート電圧を与えることにより漏れ電流の最小化を図ることができ、それが図5の回路が達成していることに他ならない。即ち、FET1,FET2のどちらに対しても、ドレイン電極がソース電極よりも高い電位にある場合はドレインソース間漏れ電流を止める必要があるが、3つの区画に分けられた対向電極からの信号は全て同期しているので、ドレインソース間電流を止める必要があるFET素子に対してはゲート電圧が大きく負に振れてN型チャンネルが閉じるように構成されている。このように整流されたELF5,ELF6からの電力エネルギーはコンデンサーC2に貯蔵される。 The two FETs are N-channel type enhancement mode MOS type devices. Therefore, the source electrode of these FETs is usually connected to a P-type silicon substrate electrode, and when the source electrode is at a higher potential than the drain electrode, a PN junction is passed from the P-type substrate to the N-type region immediately below the drain electrode. Current flows. In this circuit, this current is treated as a forward current. In the case of a diode, there is a problem that the reverse leakage current becomes large if the device is designed so that the forward current becomes large at a low voltage. However, in the case of FET, leakage current can be minimized by applying an appropriate gate voltage when biased in the reverse direction, which is exactly what the circuit of FIG. 5 has achieved. That is, for both FET1 and FET2, when the drain electrode is at a higher potential than the source electrode, it is necessary to stop the drain-source leakage current, but the signal from the counter electrode divided into three sections is Since all are synchronized, the FET voltage that needs to stop the drain-source current is configured so that the gate voltage is greatly negative and the N-type channel is closed. The power energy from the ELF5 and ELF6 thus rectified is stored in the capacitor C2.

上記の構成において、本発明が主眼を置いているような間欠使用を主とする発電装置においては、発電がなされていない場合のエネルギー損失を避けるためにFETのドレインソース間漏れ電流はゲート電圧がゼロであっても十分に小さい必要がある。この場合には、順方向電流が流れるべき時にゲート電圧が大きく正に振れてN型チャンネルを大きく開くことにより、ソースからドレインへのチャンネルを流れる電流が基板からドレインに流れるpn接合順方向電流を上回って全体としてのコンダクタンスを大きく改善するように設計されていれば好適である。この場合もデバイスパラメーターの選択を別とすれば、図5に示した基本設計は変わらない。 In the above configuration, in the power generation apparatus mainly used for intermittent use as the main point of the present invention, the drain voltage between the drain and the source of the FET has a gate voltage in order to avoid energy loss when power generation is not performed. Even if it is zero, it needs to be small enough. In this case, when the forward current should flow, the gate voltage swings positively and the N-type channel is greatly opened, so that the current flowing through the channel from the source to the drain flows into the pn junction forward current from the substrate to the drain. It is suitable if it is designed to greatly improve the overall conductance. In this case as well, the basic design shown in FIG.

本発明はIDタグの分野において、現在のRFIDにおけるアンテナからの電力供給に代わり、音波や超音波を用いた電力供給のために極めて多量に使用される可能性がある。その場合、現在10cm程度あるrfアンテナに比較して1cm以下のはるかに小型な装置により電力供給できる。他にも例えば医療目的のデータ収集のための体内インプラントデバイスに広く適用できる。極めて微小な体内インプラントデバイスを長期にわたって電池交換をせずに使用する場合、外部からエネルギー供給をする必要があるが、音波や超音波を用いたエネルギー注入は現在用いられているRF電磁波によるエネルギー転送に比べて、場所を取りがちな電磁コイルを使わないことから前記体内インプラントデバイスの極小化の観点から見て有利である。 In the field of ID tags, the present invention may be used in an extremely large amount for power supply using sound waves or ultrasonic waves instead of power supply from an antenna in the current RFID. In that case, power can be supplied by a much smaller device of 1 cm or less as compared with the rf antenna which is currently about 10 cm. In addition, it can be widely applied to, for example, an in-vivo implant device for collecting data for medical purposes. When using an extremely small implant device without replacing the battery for a long period of time, it is necessary to supply energy from the outside. However, energy injection using sound waves or ultrasonic waves is energy transfer using RF electromagnetic waves that are currently used. Compared to the above, it is advantageous from the viewpoint of minimization of the in-vivo implant device because it does not use an electromagnetic coil that tends to take a place.

本発明の実施例の構成図。The block diagram of the Example of this invention. ダイオードによる半波整流回路。Half-wave rectifier circuit using diodes. エレクトレット型機械電気エネルギー変換素子の模式図。The schematic diagram of an electret type mechanical electrical energy conversion element. 半導体微細加工プロセスにより構成した振動発電素子の模式図。The schematic diagram of the vibration electric power generation element comprised by the semiconductor fine processing process. 整流用FETを分離された信号ラインにより制御する整流方式の構成図。The block diagram of the rectification | straightening system which controls rectification FET by the separated signal line.

EC1,EC2,EC3 エレクトレット機械電気エネルギー変換装置
RD1,RD2 整流回路素子
SL1,SL2,SL3 信号ライン
ES エネルギー貯蔵デバイス
D1,D2,D3,D4 ダイオード素子
C1,C2 コンデンサー
ELF1,ELF2,ELF3,ELF4,ELF5 エレクトレット膜
CE1,CE2,CE3 対向電極
OSL1,OSL2,OSL3 マイクロ振動子
L 負荷
SS1,SS2 シリコン基板
B シリコン微細加工された梁
PS ポリマー製スペーサー
EL2,EL2 電極
R1,R2 高抵抗
FET1,FET1 Nチャンネル型エンハンスモードMOSFET素子



EC1, EC2, EC3 electret mechanical electrical energy converter RD1, RD2 Rectifier circuit element SL1, SL2, SL3 Signal line ES Energy storage device D1, D2, D3, D4 Diode element C1, C2 Capacitor ELF1, ELF2, ELF3, ELF4, ELF5 Electret film CE1, CE2, CE3 Counter electrode OSL1, OSL2, OSL3 Micro vibrator L Load SS1, SS2 Silicon substrate B Silicon microfabricated beam PS Polymer spacer EL2, EL2 Electrodes R1, R2 High resistance FET1, FET1 N channel type Enhanced mode MOSFET device



Claims (6)

幅3mm以下の複数のエレクトレット膜ストライプを有する一辺1cm以下、共振周波数100Hz以上のマイクロ振動子と、
前記ストライプに対向する電極対を有し、
整流回路の半導体素子の動作に必要な0.2V以上の電圧を生成するために前記各電極対を3個以上直列接続した直列電極回路と、
該直列電極回路の一方の端を出力コンデンサーの一端と接続し、
整流回路の半導体素子の動作に必要な0.2V以上の電圧を生成し、かつ10メガオーム以上の高いゼロバイアスインピーダンスの整流回路に100Hz以上100kHz以下の周波数で電流を供給するために浮遊容量ひいては時定数を最小化するため前記直列電極回路の他方の端を前記整流回路の入力端子に5mm以下の距離で接続し、
前記整流回路の出力端子を前記出力コンデンサの他方の端と接続し、
前記電極間ギャップ面積と前記電極の面積との和に対する、前記電極間ギャップ面積の比が3%以上であることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
A micro vibrator having a plurality of electret film stripes of 3 mm or less in width and having a side of 1 cm or less and a resonance frequency of 100 Hz or more;
An electrode pair facing the stripe;
A series electrode circuit in which three or more electrode pairs are connected in series in order to generate a voltage of 0.2 V or more necessary for the operation of the semiconductor element of the rectifier circuit;
Connecting one end of the series electrode circuit to one end of the output capacitor;
Time stray capacitance and thus to supply current at 100Hz above 100kHz frequencies below the rectifier circuit to generate a 0.2V or more voltage required for the operation of the semiconductor device of the rectifier circuit, and high above 10 megohm Zerobaia Sui impedance In order to minimize the constant, the other end of the series electrode circuit is connected to the input terminal of the rectifier circuit at a distance of 5 mm or less,
Connecting the output terminal of the rectifier circuit to the other end of the output capacitor;
The electret vibration power generator according to claim 1, wherein a ratio of the inter-electrode gap area to the sum of the inter-electrode gap area and the electrode area is 3% or more.
請求項1に記載のエレクトレット振動発電装置において、
シリコン基板上に作成された前記電極対と、
前記整流回路として、前記シリコン基板上の5mm平方の面積内に作成された漏れ電流の小さな微小接合断面積のpn接合型あるいはショットキー型の2個または4個のダイオードと
を有することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
In the electret vibration power generator according to claim 1 ,
The electrode pair created on the silicon substrate;
The rectifier circuit includes two or four diodes of a pn junction type or a Schottky type having a small junction cross-sectional area with a small leakage current formed within an area of 5 mm square on the silicon substrate. Electret vibration power generator.
請求項1から請求項2のいずれか1項に記載のエレクトレット振動発電機において、前記エレクトレット膜ストライプが前記マイクロ振動子の表面のうち2面以上に作成された前記マイクロ振動子を有することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。 3. The electret vibration power generator according to claim 1 , wherein the electret film stripe has the micro vibrator formed on two or more surfaces of the surface of the micro vibrator. 4. An electret vibration power generator. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のエレクトレット振動発電機において、エレクトレット膜ストライプが酸化シリコン膜あるいはポリマー製エレクトレット材料で作成されていることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。 The electret vibration power generator according to any one of claims 1 to 3 , wherein the electret film stripe is made of a silicon oxide film or a polymer electret material. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の前記マイクロ振動子が反磁性材料および永久磁石との組み合わせにより反磁性浮上していることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。 The electret vibration power generator according to any one of claims 1 to 4 , wherein the micro vibrator is diamagnetically levitated by a combination of a diamagnetic material and a permanent magnet . 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の前記マイクロ振動子上に作成された一個あるいは複数のFET制御エレクトレット膜ストライプと、
前記FET制御エレクトレット膜ストライプそれぞれに対向するFET制御電極対とを有し、前記FET制御電極対それぞれの片方を接地し、他方を5mm以下の距離でFETのゲート端子に接続し、
そのことによって前記整流回路中において前記FET素子が10pA以下の漏れ電流を有する整流素子として機能することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
One or more FET-controlled electret film stripes formed on the micro-vibrator according to any one of claims 1 to 5 ,
FET control electrode pairs facing each of the FET control electret film stripes, one of the FET control electrode pairs is grounded, the other is connected to the gate terminal of the FET at a distance of 5 mm or less,
As a result, the FET element functions as a rectifying element having a leakage current of 10 pA or less in the rectifying circuit.
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