JP6338071B2 - 振動発電デバイス - Google Patents

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Description

この発明は、エレクトレットを用いた静電誘導作用により機械的な振動エネルギーを電力に変換する静電方式の振動発電デバイスに関する。
近年、歩行による振動、自動車走行による振動、橋梁振動、風力発電時の低周波振動などの環境振動の振動エネルギーを電力に変換することができる振動発電デバイスの実用化に向けての研究開発が進められている。
この種の振動発電デバイスとしては、電磁方式、圧電方式、静電方式等が知られているが、電磁方式に比べて微小小型化が容易、圧電方式に必要なＰＺＴ（Piezoelectric Transducer）などの鉛などの有毒物質を含まない、などの理由で静電方式の振動発電デバイスが注目されている。この種の静電方式の振動発電デバイスとしては、例えば特許文献１（ＷＯ２０１１／０８６８３０号公報）や特許文献２（特開２０１１−３６０８９号公報）などに提案されているものが知られている。
特許文献１に記載されている静電誘導型発電装置においては、第１の基板と第２の基板とが所定の間隔を隔てて互いに対向し、その対向する状態を保ったまま相対的に移動可能に構成されている。そして、第１の基板には、複数個の短冊状のエレクトレットが前記相対的な移動方向に配列されるように形成され、第２の基板には、第１の基板のエレクトレットと対向するように、第１の電極と第２の電極とが形成されており、エレクトレットと第１の電極との間の静電容量及びエレクトレットと第２の電極との間の静電容量が、前記相対的な移動により変化することにより、電力が出力されるように構成されている。
また、特許文献２には、基板上に形成されたエレクトレット膜を有する第１の電極と、この第１の電極とエアギャップを隔てて対向し複数の開口部を有する第２の電極とを備え、第２の電極が振動移動することで、第１の電極のエレクトレット膜と第２の電極との静電容量が変化することにより、電力が出力されるように構成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System；微小電気機械システム）デバイスが開示されている。
特開２０１１−１８６８０３号公報 特開２００２−２４４８０６号公報
外部から振動発電デバイスに印加される振動エネルギーが環境振動などの場合には、一般に、励振加速度の大きさは一定のものではなく、時間的に変化する。振動発電デバイスに加わる振動エネルギーとしての力ｆは、励振加速度をαとし、振動発電デバイスの振動部分の質量をｍとすると、ｆ＝ｍαである。そして、振動発電デバイスの発電出力電力Ｐは、力ｆに比例したものとなり、また、発電出力の電流値ｉ及び電圧値Ｖも、共に力ｆに比例したものとなる。
この場合に、振動発電デバイスは、発電出力電流を整流して、蓄電用キャパシタ等の蓄電素子に蓄電することで、発生した発電出力を取り出すようにする。したがって、環境振動から発電を行う振動発電デバイスとしては、励振加速度が小さい状態であっても、大きい状態であっても、効率良く、蓄電素子に蓄電することができるようにすることが望ましい。
ところで、振動発電デバイスの発電出力により蓄電を行うための整流回路に利用されるダイオードは、閾値電圧が、例えばショットキーダイオードの場合には０．３Ｖ程度、シリコン系ＰＮ接合のダイオードの場合には０．７Ｖが必要であり、振動発電デバイスの発電出力としては、それ以上の電圧が必要である。
しかしながら、従来の振動発電デバイスにおいては、通常、出力インピーダンスが固定値となる構成とされている。このため、低励振加速度における小さな出力電流値であっても整流用ダイオードを導通させるようにするために振動発電デバイスの出力インピーダンスを高くすると、高励振加速度の際には、大きな出力電流値であるにもかかわらず、その大電流を効率的に利用できずに、損失が大きくなってしまう。逆に、振動発電デバイスの出力インピーダンスを小さくすると、高励振加速度の際の大電流は、効率良く蓄電用に利用することができるが、低励振加速度における小さな出力電流値の際には、整流用ダイオードの閾値電圧以上の電圧を得ることができず、低励振加速度の振動エネルギーは、振動発電デバイスにおける振動発電には利用できなくなってしまう。
以上の点に鑑み、この発明は、外部から印加される振動エネルギーが、励振加速度の大きさが時間的に変化する環境振動などの場合においても、低加速度から高加速度まで効率良く整流及び蓄電ができるようにした静電方式の振動発電デバイスを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、
外部から印加される振動エネルギーにより所定の振動方向に振動することが可能なように構成されており、前記振動方向に沿う第１の面を備える可動側部と、
前記可動側部が前記振動方向に振動することが可能なように、前記可動側部の前記第１の面と所定の間隔を隔てて対向する第２の面を備え、前記振動エネルギーに対しても位置固定するように構成されている固定側部と、
を備え、
前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれの表面には、複数個の凹部と凸部とが前記振動方向に交互に形成されていると共に、
前記固定側部と前記可動側部との少なくとも一方には、エレクトレット膜が形成されており、
前記可動側部の前記第１の面の複数個の前記凸部と、前記固定側部の前記第２の面の複数個の前記凸部とは、前記振動方向の配列ピッチは同一とされていると共に、前記振動方向に配列されている複数の前記凸部の前記振動方向に直交する方向の高さが、振動方向に沿って徐々に大きくなった後、徐々に小さくなるような変化を繰り返すように形成されて、前記可動側部の前記第１の面側と前記固定側部の第２の面側との間隔に応じた値を有する力係数（電気機械変換係数）が、前記可動側部の前記振動振幅が小さいときには小さく、前記可動側部の前記振動振幅が大きいときには大きくなるように構成されている
ことを特徴とする振動発電デバイスを提供する。
上記のような可動側部２と固定側部とを備える請求項１の発明の振動発電デバイスの出力電圧は、理想的な条件の場合には、機械抵抗（ダンピング抵抗）をｒ、電気機械変換係数（力係数）をＡ、外部からの力（外力）をｆとすると、出力インピーダンスＺｍは、Ｚｍ＝ｒ／Ａ２であり、出力電流ｉは、ｉ＝Ａｆ／Ｚｍ、また、出力電圧ｅは、ｅ＝ｆ／Ａと表すことができる。
したがって、可動側部の振動振幅が小さいとき（低加速度時）には、力係数（電気機械変換係数）Ａが小さいので、出力インピーダンスＺｍは大きくなり、出力電流ｉが小さくても出力電圧ｅは大きくなる。したがって、低加速度時であっても、整流用ダイオードを導通させることができ、小さい値の出力電流ｉを効率良く整流して充電を行うようにすることができる。
一方、可動側部の振動振幅が大きいとき（高加速度時）には、力係数（電気機械変換係数）Ａが大きいので、出力インピーダンスＺｍは小さくなり、出力電流ｉが大きくなる。このとき、出力電圧ｅは小さくなるが、外力ｆも大きいので、整流用ダイオードを導通させることができる値となる。したがって、可動側部の振動振幅が大きいときには、その外力ｆの大きさに従った大きな電流ｉを効率良く整流して充電を行うようにすることができる。
この発明によれば、低加速度から高加速度まで効率良く整流及び蓄電ができるようにした静電方式の振動発電デバイスを提供することができる。したがって、この発明による振動発電デバイスは、外部から印加される振動エネルギーが、励振加速度の大きさが時間的に変化する環境振動などを用いて振動発電する場合に好適となる。
この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の構成例を説明するための全体斜視図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の半導体製造プロセスを説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態を用いた充電回路の一例を示す図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の変形例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態の他の変形例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第１の実施形態のさらに他の変形例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第２の実施形態の構成例を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第２の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第３の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの第４の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの他の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの、さらに他の実施形態の構成例の要部を説明するための図である。 この発明による振動発電デバイスの実施形態を説明するために用いる数式を示す図である。
以下、この発明による振動発電デバイスの実施形態を、図を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
先ず、この発明による振動発電デバイスの原理的な構成例を、第１の実施形態として示す。以下に示す実施形態の振動発電デバイスは、半導体製造プロセスにより製造されるＭＥＭＥＳデバイスとして構成される場合の例である。
図１は、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０の全体の構成例を説明するための斜視図を示すものである。この第１の実施形態の振動発電デバイス１０は、半導体基板１に対して、後述するような半導体製造プロセスが実行されることにより形成される可動側部２と、固定側部３Ａ，３Ｂと、可動側部２を支持する支持梁部４Ｌ，４Ｒとからなる。
可動側部２は、断面が矩形の細長状に形成されており、図１において矢印ＡＲで示すように、当該可動側部２の長手方向を振動方向として振動可能なように構成されている。すなわち、この可動側部２の振動方向である長手方向の両端は、半導体基板１から半導体製造プロセスにより形成された支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒにより、可動側部２が振動可能となるように支持されている。なお、この例では、この可動側部２の振動方向は、図１において、半導体基板１の基板面に直交する方向（図１で矢印Ｂで示す方向）とは直交する方向、つまり、半導体基板１の基板面に沿う方向とされている。
支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒのそれぞれは、振動方向に直交する方向に設けられている２枚の薄板状部４１，４２及び薄板状部４３，４４からなる支持梁の構成とされている。支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒのそれぞれは、半導体基板１において、可動側部２の振動方向の両側に形成されている空間５Ｌ及び空間５Ｒの周囲を取り囲むように半導体基板１に形成されている支持梁保持部６Ｌ及び支持梁保持部６Ｒに取り付けられている。
可動側部２の長手方向の両端部２ａ及び２ｂは、２枚の薄板状部４１，４２及び薄板状部４３，４４の中央部分で支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒと結合されて、振動方向に移動可能とされている。
支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒのそれぞれは、１枚の薄板状部で構成することもできるが、複数枚、この例では２枚の薄板状部４１，４２及び薄板状部４３，４４で構成することにより、可動側部２の振動方向が偏向しづらくなるようにすると共に、可動側部２が対向する固定側部３Ａ，３Ｂと接触せずに、安定して矢印ＡＲの方向に振動することができるようにしている。
固定側部３Ａ，３Ｂは、この例では、可動側部２の振動方向に直交する方向に、可動側部２を挟むような位置に設けられている。この場合に、固定側部３Ａ，３Ｂのそれぞれは、図１において矢印Ｂで示す基板面に直交する方向に沿う方向であって、可動側部２の振動方向に沿う方向の面３１Ａ及び面３１Ｂを有するように構成されている。そして、固定側部３Ａの面３１Ａは、可動側部２の基板面に直交する方向に沿う方向であって、可動側部２の振動方向に沿う方向の面２１と所定の間隔を隔てて対向する状態となるようにされている。また、固定側部３Ｂの面３１Ｂは、可動側部２の基板面に直交する方向に沿う方向であって、可動側部２の振動方向に沿う方向の面２２と所定の間隔を隔てて対向する状態となるようにされている。なお、面２１、面２２、面３１Ａ、面３１Ｂは、以下の説明においては、対向面２１、対向面２２、対向面３１Ａ、対向面３１Ｂと称する。
そして、可動側部２の対向面２１及び対向面２２には、振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部２３及び突部２４が、振動方向に沿う方向に櫛歯状に配列されて形成されていると共に、固定側部３Ａの対向面３１Ａ及び固定側部３Ｂの対向面３１Ｂにも、振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部３２Ａ及び突部３２Ｂが、振動方向に沿う方向に櫛歯状に配列されて形成されている。この例の場合、突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂは、同様の構成を備えるようにされており、この例では、断面が矩形の突条が矢印Ｂ方向に延伸するように形成されている。この例の場合、突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂは、それぞれ凸部を構成すると共に、複数の突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂのそれぞれの間は、凹部を構成する。
図２は、固定側部３Ａと可動側部２との対向部分の一部を、図１の矢印Ｂの方向に、可動側部２の振動方向に直交する上方から見た図であり、可動側部２が静止している状態を示している。この図２に示すように、可動側部２の対向面２１に形成されている複数個の突部２３と、固定側部３Ａの対向面３１Ａに形成されている複数個の突部３２Ａとは、可動側部２の振動方向に沿う方向の幅は、共に同じ幅Ｗｔとされていると共に、振動方向に沿う方向に同一の配列ピッチＬで形成されている。したがって、隣接する突部２３及び突部３２Ａの間は、Ｗｂ＝Ｌ−Ｗｔだけ隔てられている。
そして、図２に示すように、可動側部２が静止している状態では、可動側部２の対向面２１に形成されている複数個の突部２３と、固定側部３Ａの対向面３１Ａに形成されている複数個の突部３２Ａとが互いに対向しているように構成されている。そして、可動側部２の対向面２１において振動方向に配列されている複数個の突部２３の振動方向に直交する方向の長さ、すなわち、突部２３の高さＨｍは、一定ではなく、高さＨｍの変化が例えば正弦波状になるように異ならされている。同様に、固定側部３Ａの対向面３１Ａにおいて振動方向に配列されている複数個の突部３２Ａの振動方向に直交する方向の長さ、すなわち、突部３２Ａの高さＨｓも、一定ではなく、高さＨｓの変化が例えば正弦波状になるように異ならされている。
なお、振動発電デバイス１０の可動側部２の突部２３，２４の個数と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂの個数は、図１及び図２では、作図の便宜上、１０〜１２個程度となっているが、その個数は、実際的には、より多数である。そして、突部２３，２４，３２Ａ，３２Ｂの高さの正弦波状の変化も、図１及び図２のような１周期程度ではなく、突部の個数に応じた複数周期に亘るものである。
そして、この例の場合、図２に示すように、可動側部２が静止している状態では、互いに対向する突部２３と突部３２Ａとの間隔が、複数の突部２３と複数の突部３２Ａにおいて、等しい間隔ｇｓとなるように、突部２３の高さＨｍと、突部３２Ａの高さＨｓとが変化するように構成されている。更に、この場合において、図２に示すように、高さＨｍが最大である突部２３と、高さＨｓが最大である突部３２Ａとが対向した場合にも、微小な間隔ｇｍｉｎだけ、両者の間に空隙が生じるように構成されている。
したがって、以上のように可動側部２の突部２３の高さＨｍが振動方向ＡＲにおいて変化すると共に、固定側部３Ａの突部３２Ａの高さＨｓが振動方向ＡＲにおいて変化していても、最小の間隔ｇの空隙が存在するように構成されているので、可動側部２は、固定側部３Ａに対して、間隔ｇの空隙を保って、図１及び図２の矢印ＡＲで示す振動方向に振動移動することが可能とされている。
なお、可動側部２の突部２３が形成されている対向面２１（突部２３の付け根位置）と、固定側部３Ａの突部３２Ａが形成されている対向面３１Ａ（突部３２Ａの付け根位置）との間は、距離Ｄだけ隔てられている。
この例では、Ｗｔ＝２０μｍ、Ｗｂ＝４０μｍ、Ｌ＝６０μｍ、Ｈｍ（最大値）＝Ｈｓ（最大値）＝４２．５μｍ、ｇ＝５μｍ、Ｄ＝９０μｍとされている。そして、振動発電デバイスとしては、可動側部２の振動方向の長さが、例えば１２ｍｍ、振動方向に直交する方向の長さが、例えば８ｍｍとされている。
なお、図示は省略するが、固定側部３Ｂの対向面３１Ｂに形成されている複数個の突部３２Ｂと、可動側部２の対向面２２に形成されている複数個の突部２４との関係も、図２と同様に構成されている。この場合に、この例では、可動側部２の対向面２１に形成されている突部２３と固定側部３Ａの対向面３１Ａに形成されている突部３２Ａとの位置関係（対向位相関係）が図２に示すような可動側部２が静止している状態のときには、可動側部２の対向面２２に形成されている突部２４と固定側部３Ｂの対向面３１Ｂに形成されている突部３２Ｂとの位置関係（対向位相関係）も同様の状態となるようにされている。すなわち、可動側部２の突部２３と固定側部３Ａの突部３２Ａとの対向位相関係と、可動側部２の突部２４と固定側部３Ｂの突部３２Ｂとの対向位相関係は同相となるようにされている。
そして、後述するように、この実施形態では、固定側部３Ａ，３Ｂまたは可動側部２の一方には、エレクトレット膜が形成され、そのエレクトレット膜が形成されている固定側部３Ａ，３Ｂまたは可動側部２の一方は、所定のエレクトレット電位Ｅとされる。この例では固定側部３Ａ，３Ｂにエレクトレット膜が形成されて、固定側部３Ａ，３Ｂは、例えば−４００ボルトのエレクトレット電位Ｅとされる。なお、固定側部３Ａ，３Ｂと可動側部２とは、後述するように、半導体基板の絶縁層により、互いに電気的に絶縁されている。
そして、図１に示すように、可動側部２には、その振動方向の両端部において電極２５及び電極２６が形成されると共に、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂには、可動側部２の振動方向に直交する方向の端部において電極３３Ａ及び電極３３Ｂが形成される。これら電極２５及び電極２６、電極３３Ａ及び電極３３Ｂは、振動発電デバイス１０を充電回路と接続する際の接続端子電極となる。
以上のように構成されているので、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂと可動側部２との間には、可動側部２の振動に応じて変化する静電容量が得られる。図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、可動側部２が振動するときにおける対向面２１の突部２３と、固定側部３Ａの対向面３１Ａの突部３２Ａとの対向位相関係と、その時の静電容量との関係を説明するための図である。なお、可動側部２が振動するときにおける対向面２２の突部２４と、固定側部３Ｂの対向面３１Ｂの突部３２Ｂとの対向位相関係と、その時の静電容量との関係も同様であるので、ここでは説明は省略する。
すなわち、図３（Ａ）は、可動側部２の突部２３が固定側部３Ａの隣り合う突部３２Ａの中央に位置する場合であり、突部２３と突部３２Ａとの先端の端面は、振動方向に直交する方向において全く対向しない状態である。この図３（Ａ）の状態では、可動側部２の突部２３の先端の端面は、距離Ｄだけ隔てた固定側部３Ａの対向面３１Ａに対向する状態となっており、可動側部２と固定側部３Ａとの間の静電容量は小さい値Ｃ（小）になる。
また、図３（Ｃ）は、可動側部２の突部２３の先端の端面と固定側部３Ａの突部３２Ａの先端の端面とが、振動方向に直交する方向において全体的に対向する状態である。この図３（Ｃ）の状態では、可動側部２の突部２３の先端の端面と固定側部３Ａの対向面３１Ａの先端の端面とが所定の間隔（最小値ｇ）を介して対向する状態となっており、可動側部２と固定側部３Ａとの間の静電容量は大きな値Ｃ（大）になる。
また、図３（Ｂ）は、可動側部２の突部２３の先端の端面と固定側部３Ａの突部３２Ａの先端の端面とが、振動方向に直交する方向において部分的に対向する状態である。この図３（Ｂ）の状態は、図３（Ａ）の状態と、図３（Ｃ）の状態との中間の状態であり、可動側部２と固定側部３Ａとの間の静電容量は、前記小さい値Ｃ（小）と前記大きな値Ｃ（大）との間の中間値Ｃ（中）になる。
以上のように、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、外部から振動エネルギーが加わって、可動側部２が振動すると、可動側部２と、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂとの間の静電容量の変化と、外力と、振動速度などに応じた交流出力電力が発生する。そして、この実施形態の振動発電デバイス１０が発生した交流出力電力を負荷に供給したり、蓄電素子に蓄電するなどすることができる。
この場合に、この実施形態の振動発電デバイス１０の等価回路を考えた場合、外力をｆ、出力電流をｉ、出力電圧をｅ、外力による励振速度をｖ、出力インピーダンスをＺｍ、振動発電デバイス１０で生成される静電容量をＣｏ、浮遊容量をＣｓとしたとき、その線形方程式は、図１９の（式１）で示すような行列で表すことができる。この（式１）において、Ａは、力係数（電気機械変換係数）であり、図１９の（式２）のように表すことができる。
この（式２）において、ｎは可動側部２と固定側部３Ａ，３Ｂとで対向する突部の数、εｏは真空の誘電率、ｂは振動発電デバイス１０の厚み、Ｅはエレクトレット電位、ｄｏは可動側部２の突部２３及び２４と、固定側部３Ａ、３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂとの間の間隔（空隙）である。
この実施形態の振動発電デバイス１０では、可動側部２の突部２３及び２４と、固定側部３Ａ、３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂとの間の間隔（空隙）ｄｏは、上述したように、可動側部２の振動方向の振動振幅に応じて変化するので、力係数（電気機械変換係数）Ａは、この間隔ｄｏの変化に応じて変化するものとなる。
すなわち、例えば図２において突部２３，２４及び突部３２Ａ、３２Ｂの配列ピッチＬ内程度の振動振幅が小さいときには、図２から分かるように、突部２３，２４及び突部３２Ａ、３２Ｂとの間の隙間の間隔ｄｏは、可動側部２が静止状態であるときの大きな間隔ｇｓの近傍の大きさとなって比較的大きなものとなる。このため、（式２）に示す力係数（電気機械変換係数）Ａの値は比較的小さな値となる。
振動発電デバイス１０の出力インピーダンスＺｍは、図１９の（式３）に示すように、Ｚｍ＝ｒ／Ａ２であるので、このときの出力インピーダンスＺｍは大きくなる。ここで、ｒは、この実施形態の振動発電デバイス１０の機械抵抗（ダンピング抵抗）である。このときの振動発電デバイス１０の出力電流ｉは、図１９の（式４）に示すように、ｉ＝Ａｆ／Ｚｍであるので小さい。そして、振動発電デバイス１０の出力電圧ｅは、図１９の（式５）に示すように、ｅ＝ｆ／Ａであるが、出力インピーダンスＺｍが大きいため、振動発電デバイス１０の出力電流を整流するためのダイオードを導通させるのに十分な値になる。
以上のように、振動発電デバイス１０に加わる励振加速度が低加速度の状態で、振動振幅が小さいときであっても、振動発電デバイス１０の出力インピーダンスＺｍが大きいので、振動発電デバイス１０の出力電圧ｅは、整流用ダイオードを導通させるのに十分な値になり、小さい値の出力電流ｉであっても、それにより蓄電素子を充電させるようにすることができる。
そして、図２に示したように、静止状態から励振加速度が低加速度の状態においては、突部２３，２４及び突部３２Ａ、３２Ｂとの間の隙間の間隔ｄｏが比較的大きいので、可動側部２と固定側部３Ａ，３Ｂとの間の静電容量は小さくなるから、静電的拘束力が小さくなり、振動発電デバイス１０の可動側部２は振動し易い状態となっている。このため、この実施形態の振動発電デバイス１０によれば、外力による励振加速度が低加速度のときにも、効率良く、その外力に応答して振動することができ、小さい出力電流であっても、効率良く発電をして、効率良く充電することができるという効果がある。
次に、外力が大きくなって、振動発電デバイス１０の振動振幅が大きくなると、図４に示すように、突部２３，２４及び突部３２Ａ、３２Ｂとの間の隙間の間隔ｄｏが、低加速度時よりも狭い値となる。このため、図１９の（式２）に示される力係数（電気機械変換係数）Ａは、大きくなる。すると、図１９の（式３）に示される出力インピーダンスＺｍが小さくなり、図１９の（式４）に示す電流ｉは大きくなる。一方、振動発電デバイス１０の図１９の（式５）に示す出力電圧ｅは、力係数（電気機械変換係数）Ａが大きくなるので小さくなるが、外力ｆが大きくなっていることから、振動発電デバイス１０の出力電流を整流するためのダイオードを導通させるのに十分な値は維持する。
したがって、上述の構成の振動発電デバイス１０においては、励振加速度が高加速度の状態で、振動振幅が大きいときには、振動発電デバイス１０の出力インピーダンスＺｍが小さくなって、振動発電デバイス１０の出力電流ｉは大きくなり、このときの振動発電デバイス１０の出力電圧ｅにより整流用ダイオードは導通状態となるので、大きい値の出力電流ｉにより、蓄電素子を充電させるようにすることができる。
以上のように、この実施形態の振動発電デバイス１０は、励振加速度が低加速度のときには、出力インピーダンスが大きくなり、高加速度のときには、出力インピーダンスが小さくなる。したがって、この実施形態の振動発電デバイス１０によれば、低加速度の状態から高加速度の状態にまで広範囲に分布する環境振動エネルギーの励振加速度に対して振動応答したときの出力電流及び出力電圧により、効率良く、整流回路を駆動して蓄電することができる。
なお、図１において、７は錘であり、この錘７は、半導体基板１から作成されるのではなく、別途に作成されて、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０の可動側部２の上に装着されるものである。この錘７を可動側部２の上に載せることで、可動側部２の質量ｍを大きくして、振動発電デバイス１０の振動発電による出力Ｐ（図１９の(式６)参照）を大きくすることができる。
この図１９の（式６）において、ｍは、錘７を含めた可動側部２の質量であり、ｘは振動振幅、ωは角速度、Ｑは可動側部２の共振時における尖鋭度（いわゆるＱ値（Quality factor））であり、外部励振振動の振幅に対する可動側部２の振動振幅の比である。この（式６）から明らかなように、この第１の実施形態の振動発電デバイス１０においては、錘７を可動側部２の上に取り付けたことで、発電出力電力を大きくすることができる。
なお、可動側部と固定側部の櫛歯状の突部を、互いに噛み合うようにすると共に、その噛み合っている突部の高さ方向に可動側部を振動させるようにする振動発電デバイスも知られている（例えば公知文献（JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM. VOL.20.NO.6.DECEMBER 2011）等参照）。
しかし、この種の振動発電デバイスにおいては、可動側部は固定側部に対して近づいたり、遠ざかったりするように振動するため、静電力によりプルイン現象（引き込み現象）が生じ易くなってしまい、振動が継続できない恐れがある。すなわち、所定の空隙を隔てて対向する２面間に静電力が働いているときに、可動側部が、固定側部に対して、対向する２面間の空隙の長さの１／３以上近づくと、プルイン現象が生じて、振動が停止してしまうからである。
これに対して、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、上述したように、可動側部２の対向面２１，２２に形成した櫛歯状配列の突部２３，２４と、固定側部３Ａの対向面３１Ａに形成した櫛歯状配列の突部３２Ａ及び固定側部３Ｂの対向面３１Ｂに形成した櫛歯状配列の突部３２Ｂとの間には、最小でも間隔ｇｍｉｎの空隙が設けられており、可動側部２は、対向面２１，２２，３１Ａ，３１Ｂの面に沿う方向に振動移動する構成である。したがって、この実施形態の振動発電デバイス１０は、可動側部２は、固定側部３Ａ，３Ｂとの間に、最低限として間隔ｇｍｉｎの距離を保って、当該間隔ｇの方向とは直交する方向に振動移動するので、プルイン現象は生じない。したがって、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、原理的には可動側部２の振動の振幅に制限を設ける必要はないというメリットがある。
また、この実施形態の振動発電デバイスにおいては、前述したように、振動開始時の静電拘束力が小さいので、外部振動エネルギーにより振動が成長しやすいというメリットもある。
［第１の実施形態の振動発電デバイスの製法］
この第１の実施形態の振動発電デバイス１０は、前述したように、半導体基板１に対して施される半導体プロセスにより形成されるＭＥＭＳデバイスである。半導体基板の例としては、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、セラミック基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることができる。以下に説明するこの実施形態の振動発電デバイス１０についての半導体製造プロセスの例においては、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いている。
図５〜図９は、この実施形態の振動発電デバイス１０についての半導体製造プロセスの例を示す図である。
半導体プロセスの実行に先立ち、ＳＯＩ基板からなる半導体基板１を用意する。最終的には、半導体基板１からエッチングにより振動発電デバイス１０を分離する。以下の説明では、便宜上、その分離された１つの振動発電デバイス１０についてプロセスを説明することとする。図５（Ａ）は、１つの振動発電デバイス１０についての半導体基板１を示すもので、横方向の長さＸが、例えば１２ｍｍ、縦方向の長さＹが、例えば８ｍｍとされている。この半導体基板１を、その基板面１ａに直交する方向に破断したときの断面図を図５（Ｂ）に示す。この図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図５（Ｂ）に示すように、半導体基板１は、基板面１ａに直交する方向に複数層が積層されており、この例では、基板面１ａを形成するＳＯＩ層１０１と、埋め込み酸化膜層１０２と、ハンドル層１０３とならなる。ＳＯＩ層１０１は、この例では、厚さが３００μｍで、比抵抗が例えば０．１ΩｃｍのＰ型シリコン層からなる。埋め込み酸化膜層１０２は、厚さが２μｍの酸化膜からなる絶縁層である。また、ハンドル層１０３は、厚さが５００μｍで、比抵抗が例えば０．１ΩｃｍのＰ型シリコン層からなる。
この半導体基板１に対して、先ず、図５（Ｃ）の断面図（図５（Ｂ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、ＳＯＩ層１０１の表面（基板面１ａ）上に、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜１０４を成膜する。この窒化シリコン膜１０４は、後において、図１に示した電極２５，２６，３３Ａ，３３Ｂを形成する位置を確保するためのものである。
窒化シリコン膜１０４は、パターニング処理されて、図５（Ｄ）及び図５（Ｅ）に示すように、電極２５，２６，３３Ａ，３３Ｂを形成する位置部分１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄのみを残して除去される。なお、図５（Ｅ）は、図５（Ａ）と同様に、半導体基板１を、その基板面１ａ側から見た図であり、図５（Ｄ）は、図５（Ｅ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
次に、図６（Ａ）においてハッチングを付して示すように、半導体基板１の基板面１ａ上にレジスト膜１０５を塗布し、かつ、その塗布したレジスト膜１０５について、可動側部２と、固定側部３Ａ及び固定側部３Ｂと、支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒとを形成する部分に対応する部分を残して、それらの部分をマスクするようにパターニング処理する。なお、図６（Ａ）は、図５（Ａ）と同様に、半導体基板１を、その基板面１ａ側から見た図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
なお、振動発電デバイス１０の可動側部２の突部２３，２４の個数と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂの個数は、図６〜図８の半導体製造プロセスの図においては、作図の便宜上、５〜６個となっているが、前述したように、その個数は、実際的には、より多数である。また、振動発電デバイス１０の可動側部２の突部２３，２４と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂとは、図６〜図８の半導体製造プロセスの図においては、作図の便宜上、全て同一の高さを有するものとして示してあるが、実際上は、図２に示したように、振動方向において高さが異なるものであることは言うまでもない。
次に、図６（Ｃ）の断面図（図６（Ｂ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma;誘導結合プラズマ）−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）による深掘りエッチング処理を施して、ＳＯＩ層１０１の内の、レジスト膜１０５によりマスクされていない部分を、埋め込み酸化膜層１０２のところまで、エッチング除去する。
次に、レジスト膜１０５を除去する処理して、図６（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、ＳＯＩ層１０１を露呈させるようにする。なお、図６（Ｅ）は、半導体基板１を、その基板面１ａ側から見た図であり、図６（Ｄ）は、図６（Ｅ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
次に、半導体基板１の基板面１ａとは反対側の裏面１ｂ（ハンドル層１０３の露呈面）上に、図７（Ａ）においてハッチングを付して示すように、可動側部２と支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒ以外の部分をマスクするようにパターニングしたレジスト膜１０６を形成する。すなわち、半導体基板１に対して裏面レジストパターニング処理する。なお、図７（Ａ）は、半導体基板１を、その裏面１ｂ側から見た図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図である。
次に、図７（Ｃ）の断面図（図７（Ｂ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥによる深掘りエッチング処理を施して、ハンドル層１０３の内の、レジスト膜１０６によりマスクされていない部分を、埋め込み酸化膜層１０２のところまで、エッチング除去する。
次に、レジスト膜１０６を除去する処理して、図７（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、ハンドル層１０３を裏面１ｂ側に露呈させるようにする。なお、図７（Ｅ）は、半導体基板１を、その裏面１ｂ側から見た図であり、図７（Ｄ）は、図７（Ｅ）におけるＦ−Ｆ線断面図である。
次に、バッファー弗酸溶液により、埋め込み酸化膜層１０２の露呈している部分をエッチング除去する処理を施して、図８（Ａ）の断面図（図７（Ｄ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、可動側部２と支持梁部４Ｌ及び支持梁部４Ｒの部分が可動可能となるようにする。
次に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液によるバブリング酸化処理を行って、図８（Ｂ）の断面図（図８（Ａ）の断面図と同じ位置の断面図）に示すように、カリウム含有酸化膜１０７を形成する。カリウム含有酸化膜１０７は、後述するエレクトレット膜を生成するエレクトレット化の処理のためのものであり、例えば厚さが１μｍとされる。なお、このＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液によるバブリング酸化処理については、例えば特開２０１６−８２８３６号公報の図２、図３及びその説明部分に記載の技術を用いることができる。ここではその詳細は省略する。
次に、窒化ケイ素膜１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄを、図８（Ｃ）の断面図に示すようにエッチング除去する処理をして、当該エッチング除去した部分を、前述した電極２５，２６，３３Ａ，３３Ｂとして形成する。
以上のようにして、半導体基板１から、この実施形態の振動発電デバイスの構成部分が、図８（Ｄ）に示すように作成することができる。そして、この図８（Ｄ）に示す振動発電デバイスの可動側部２または固定側部３Ａ及び３Ｂのいずれか一方にエレクトレット膜を生成するエレクトレット化処理をする。この例では、固定側部３Ａ及び３Ｂに、負に帯電させたエレクトレット膜を生成する。このエレクトレット化の処理は、例えば特開２０１３−１３２５６号公報に記載のＢｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ法を用いて行うことができる。ここではその詳細な説明は省略する。
図９は、この実施形態の振動発電デバイス１０を用いた充電回路の回路構成例を示す図である。図９に示すように、この実施形態の振動発電デバイス１０は、可動側部２の電極２５と、固定側部３Ａの電極３３Ａとの間に生成される静電容量Ｃ１と、可動側部２の電極２６と、固定側部３Ｂの電極３３Ｂとの間に生成される静電容量Ｃ２とが、この例では並列に接続されたものとされる。したがって、この例では、振動発電デバイス１０で生成される静電容量Ｃは、Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。
そして、図９の例においては、この振動発電デバイス１０の静電容量Ｃに得られる発電出力が、この例では、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２からなる整流回路８により整流されて、その整流出力により、蓄電用キャパシタ９が充電されて、蓄電される。
［上述の第１の実施形態の変形例］
上述の実施形態の振動発電デバイス１０では、可動側部２の突部２３，２４の振動方向の幅と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂの振動方向の幅は、全て同一としたが、可動側部２の振動のし易さと、高加速度時の大電流をより効率良く利用することができるように、突部２３，２４及び突部３２Ａ，３２Ｂの幅を変化させるようにしてもよい。
図１０は、突部２３，２４及び突部３２Ａ，３２Ｂの幅を変化させた振動発電デバイス１０Ａにおける可動側部２と固定側部３Ａとの対向部分を示す図である。なお、図示は省略するが、可動側部２と固定側部３Ｂとの対向部分も、同様に構成することは言うまでもない。
この図１０に示すように、可動側部２の複数の突部２３及び固定側部３Ａの複数の突部３２Ａは、図２に示した高さＨｍ及び高さＨｓが高いものは振動方向の幅が広く、高さＨｍ及びＨｓが低くなるにしたがって、徐々に、振動方向の幅が狭く構成されている。
図１０の例では、可動側部２の中央の高さＨｍが大きい４個の突部２３の振動方向の幅は、幅Ｗｔ１に選定され、それらよりも高さＨｍが低く、それらの両側の２個ずつの突部２３の振動方向の幅は、幅Ｗｔ１よりも狭い幅Ｗｔ２とされている。そして、それら幅Ｗｔ２よりも高さＨｍが低い左右の２個ずつの突部２３の振動方向の幅は、幅Ｗｔ２よりも狭い幅Ｗｔ３とされている。
また、図１０の例では、固定側部３Ａの両端の高さＨｓが大きい３個ずつの突部３２Ａの振動方向の幅は、幅Ｗｔ１に選定され、それらよりも高さＨｓが低く、それらの隣の２個ずつの突部３２Ａの振動方向の幅は、幅Ｗｔ１よりも狭い幅Ｗｔ２とされている。そして、それら幅Ｗｔ２よりも高さＨｓが低い中央の２個の突部３２Ａの振動方向の幅は、幅Ｗｔ２よりも狭い幅Ｗｔ３とされている。
したがって、振動発電デバイス１０Ａでは、可動側部２が静止している状態では、可動側部２の中央の大きい幅Ｗｔ１の４個の突部２３Ａは、固定側部３Ａの中央の幅Ｗｔ３の２個の突部３２Ａ及びその両隣の幅Ｗｔ２の２個の突部３２Ａと対向する状態となる。一方、固定側部３Ａの大きい幅Ｗｔ１の突部３２Ａは、可動側部２の幅Ｗｔ２（＜Ｗｔ１）及び幅Ｗｔ３（＜Ｗｔ１）の突部２３と対向する状態となる。すなわち、この図１０の例の振動発電デバイス１０Ａにおいては、可動側部２が静止している状態では、可動側部２の複数の突部２３と固定側部３Ａの複数の突部３２Ａとは、互いに振動方向の幅が異なるもの同士が対向するような状態となる。
したがって、この図１０の例の振動発電デバイス１０Ａにおいては、可動側部２が静止している状態では、可動側部２の複数の突部２３と固定側部３Ａの複数の突部３２Ａとは、大きい間隔ｇｓだけ空隙を空けて対向するだけでなく、互いに振動方向の幅が異なるもの同士が対向して、静電容量を形成する実効の対向面積は小さくなる。このため、振動方向の力に対抗する静電力が、図２の場合よりも小さくなるので、この図１０の例の振動発電デバイス１０Ａは、図２の例の振動発電デバイス１０よりも、可動側部２が静止している状態からの振動のし易さが向上する。
そして、高加速度となった時には、可動側部２の複数の突部２３と固定側部３Ａの複数の突部３２Ａとは、図１０に示すように、互いに、大きい幅Ｗｔ１同士が狭い間隔ｇｍｉｎで対向する状態となって、上述した振動発電デバイス１０と同様に、出力インピーダンスが小さい状態となる。したがって、この図１０の例の振動発電デバイス１０Ａにおいても、励振加速度が高加速度のときには、大電流となり、蓄電素子を効率良く蓄電することができる。
上述した図１０の例において、可動側部２及び固定側部３Ａ，３Ｂの複数の突部２３，２４及び３２Ａ，３２Ｂのうち、振動方向の幅が狭い突部は、静電容量の形成について、それほど寄与しないと考えられる。そこで、当該振動方向の幅が狭い突部を省略することが可能である。図１１は、このことを踏まえた図１０の例の変形例である。
すなわち、図１１の例においては、図１０の例において、振動方向の幅が最も狭い幅Ｗｔ３である突部２３及び３２Ａは設けない。可動側部２の固定側部３Ｂとの対向面２２の突部２４及び固定側部３Ｂの対向面３１Ｂにおいても同様とする。したがって、図１１の例の振動発電デバイスにおいては、可動側部２の対向面２１及び２２の突部２３及び２４は、可動側部２の振動方向に異なる密度で形成されている（すなわち、振動方向に密度変調されている）と共に、固定側部３Ａ，３Ｂの対向面３１Ａ及び３１Ｂの突部３２Ａ及び３２Ｂにおいても、可動側部２の振動方向に異なる密度で形成されている（すなわち、振動方向に密度変調されている）。そして、図１１に示すように、可動側部２の突部２３、２４が高密度の部分（突部２３，２４が存在している部分）と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂが低密度の部分（突部２３，２４が存在していない部分）とは、可動側部２が静止状態では、互いに対向するようになるように構成される。
この図１１の例の振動発電デバイスにおいても、図１０の例の振動発電デバイス１０Ａと同様の作用効果が得られることは言うまでもない。
なお、図１１の例は、可動側部２の突部２３，２４及び固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂを、可動側部２の振動方向に密度変調するようにする構成は、図１０の例に適用した場合であった。しかし、可動側部２の突部２３，２４及び固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂを、可動側部２の振動方向に密度変調することにより、図１９の（式２）に示す力係数（電気機械変換係数）Ａにおける、対向する突部の数ｎを変更することができて、当該力係数（電気機械変換係数）Ａを、小振幅時（低加速度時）と、大振幅時（高加速度時）とで、変更することができる。したがって、可動側部２の突部２３，２４及び固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂの高さＨｍ及びＨｓが全て同一で、突部２３，２４と突部３２Ａ，３２Ｂとの間隔（可動側部２の対向面２１側、対向面２２側と、固定側部３Ａ，３Ｂの対向面３１Ａ，３１Ｂ側との間隔）が一定であってもよい。また、突部２３，２４と突部３２Ａ，３２Ｂとの振動方向の幅も一定であってもよい。
上述の図１〜図８を用いて説明した第１の実施形態の振動発電デバイス１０においては、凸部を構成する複数の突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂのそれぞれの間の凹部は、空間としたが、この凹部に所定の誘電率の誘電体を充填するようにしてもよい。
図１２の例は、複数の突部２３及び３２Ａのそれぞれの間の凹部に所定の誘電率の誘電体８１及び８２をそれぞれ充填した振動発電デバイスの可動側部２と固定側部３Ａとの対向部分を示す図である。可動側部２と固定側部３Ｂとの対向部分における複数の突部２４及び３２Ｂのそれぞれの間の凹部も同様に構成される。なお、この例においては、図２に示したのと同様に、複数の突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂの高さＨｍ及びＨｓが振動方向に沿って正弦波状に変化するように構成されている。
この図１２の例の振動発電デバイスにおいては、複数の突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂのそれぞれの間の凹部に誘電体８１，８２が充填されているので、複数の突部２３，２４，３２Ａ及び３２Ｂ及びそのそれぞれの間の凹部は、この発明の凸部及び凹部を構成しなくなる。その代わりに、可動側部２においては、複数の突部２３及び２４の高さＨｍが振動方向に沿って正弦波状に変化しているので、当該正弦波状の変化において、図１２に示すように、可動側部２には、凸部２７と凹部２８とが形成される。また、固定側部３Ａにおいては、複数の突部３２Ａ及び３２Ｂの高さＨｓが振動方向に沿って正弦波状に変化しているので、当該正弦波状の変化において、図１２に示すように、固定側部３Ａ，３Ｂには、凸部３４と凹部３５とが形成される。
この図１２の例の振動発電デバイスにおいても、上述の実施形態の振動発電デバイスと同様の作用効果を得ることができる。
［上述の第１の実施形態のその他の変形例］
なお、上述の第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、可動側部２の振動方向に直交する方向の両側の振動方向に沿う方向の面２１，２２のそれぞれに突部２３，２４を櫛歯状に配設すると共に、面２１，２２に対向する面３１Ａ，３１Ｂを有する２個の固定側部３Ａ，３Ｂを設け、面２１，２２のそれぞれに突部３２Ａ，３２Ｂを櫛歯状に配設する構成とした。しかし、可動側部２の振動方向に直交する方向の両側を利用せずに、その片側の可動側部２と固定側部３Ａとの組み合わせ、あるいは、可動側部２と固定側部３Ｂとの組み合わせの構成とするようにしてもよい。
また、上述の第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、固定側部３Ａ及び３Ｂにエレクトレット膜を生成するようにしたが、可動側部２にエレクトレット膜を生成するようにしてもよい。
また、上述の第１の実施形態の振動発電デバイス１０では、固定側部３Ａ及び３Ｂの全体に亘ってエレクトレット膜を生成するようにしたが、エレクトレット膜は、全体に生成する必要はなく、少なくとも、固定側部３Ａ及び３Ｂの対向面３１Ａ及び３１Ｂにエレクトレット膜を生成すればよい。
なお、振動発電デバイスの可動側部２または固定側部３Ａ及び３Ｂのいずれか一方にエレクトレット膜を生成するエレクトレット化処理をするようにしたが、一方に負のエレクトレット電位、他方に正のエレクトレット電位を与えるように、可動側部２及び固定側部３Ａ及び３Ｂの両方にエレクトレット膜を生成するようにしてもよい。
なお、上述の図５〜図８に示した、第１の実施形態の振動発電デバイス１０についての半導体製造プロセスは、一例であり、半導体製造プロセスは、上述の例に限られないことは言うまでもない。
［第２の実施形態］
上述の実施形態の振動発電デバイス１０では、可動側部と固定側部とで、櫛歯状に配列された突部が対向する組み合わせは１対としたが、複数対設けることにより、より高出力の振動発電デバイスを提供することができる。以下に説明する第２の実施形態の振動発電デバイスは、そのように構成した場合の一例である。
図１３は、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍを、半導体基板１Ｍの基板面に直交する方向に当該基板面側から見た図である。この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍも、半導体基板１Ｍに対して、第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様の半導体製造プロセスを施すことで製造されるものである。すなわち、可動側部と固定側部とを形成する際のレジスト膜によるエッチングのマスクパターンが異なるのみで、その他はほぼ同様となる。なお、この例の振動発電デバイス１０Ｍの大きさは、振動方向の長さは、例えば２４ｍｍとされ、振動方向に直交する方向の長さは、例えば１５ｍｍとされている。厚さ方向の大きさは、第１の実施形態と同様である。
図１３に示すように、この第２の実施形態においても第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様に、可動側部２Ｍに対して、当該可動側部２Ｍの振動方向に直交する方向の両側に固定側部３ＡＭと固定側部３ＢＭとが配設される構成である。
そして、可動側部２Ｍは、第１の実施形態の振動発電デバイス１０の可動側部２と同様に、支持梁部４ＬＭ及び４ＲＭで振動方向の両端が支持されて、図１３中の矢印ＡＲで示す方向に振動するように構成されている。
この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍの可動側部２Ｍは、細長形状の可動主軸部２０１と、この可動主軸部２０１の長手方向のほぼ中央位置の両側から振動方向に直交する方向に伸びるアーム部２０２Ｕとアーム部２０２Ｄと、これらのアーム部２０２Ｕ及びアーム部２０２Ｄのそれぞれの左側と右側の両側から矢印ＡＲで示す振動方向に延伸する複数の可動枝部２０３ＵＬ及び２０３ＵＲと可動枝部２０３ＤＬ及び２０３ＤＲとを備える。
この例の場合、アーム部２０２Ｕは、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１から、固定側部３ＡＭの方向に張り出すように構成されている。また、アーム部２０２Ｄは、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１から、固定側部３ＢＭ側の方向に張り出すように構成されている。
そして、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲは、可動側部２Ｍの振動方向に、アーム部２０２Ｕの左側と右側の両側から、振動方向に直交する方向に互いに所定の間隔を空けて、図１３の例では３本ずつが延伸するように形成されている。また、可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲは、可動側部２Ｍの振動方向に、アーム部２０２Ｄの左側と右側の両側から、図１３の例では３本ずつが延伸するように形成されている。
一方、固定側部３ＡＭは、この第２の実施形態においては、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１と平行に設けられる固定主軸部３０１Ａと、その長手方向の両端から可動主軸部２０１の方向に延伸されるアーム部３０２ＡＬ及びアーム部３０２ＡＲを備える。そして、これらのアーム部３０２ＡＬ及びアーム部３０２ＡＲは、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｕに対向する面から、矢印ＡＲで示す振動方向に延伸する複数の固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲを備える。
この例の場合には、固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲは、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲの本数に合わせた３本ずつとされており、図１３に示すように、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲと、固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲとが交互に噛み合うように構成されている。
また、固定側部３ＢＭは、この第２の実施形態においては、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１と平行に設けられる固定主軸部３０１Ｂと、その長手方向の両端から可動主軸部２０１の方向に延伸されるアーム部３０２ＢＬ及び３０２ＢＲとを備える。そして、これらのアーム部３０２ＢＬ及びアーム部３０２ＢＲは、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｄに対向する面から、矢印ＡＲで示す振動方向に延伸する複数の固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲを備える。
この例の場合には、固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲは、可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲの本数に合わせて３本ずつとされており、図１３に示すように、可動枝部２０３ＤＬ及び２０３ＤＲと、固定枝部３０３ＢＬ及び３０３ＢＲとが交互に噛み合うように構成されている。
なお、可動枝部及び固定枝部の数は、３本ずつではなく、１本または２本でもよいし、３本よりも多数とすることも可能であることは言うまでもない。
図１４（Ａ）に、固定側部３ＡＭの左側のアーム部３０２ＡＬに形成されている固定枝部３０３ＡＬと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｕの左側に形成されている可動枝部２０３ＵＬとの噛み合い状態を説明するための一部拡大図を示す。また、図１４（Ｂ）には、固定側部３ＡＭの右側のアーム部３０２ＡＲに形成されている固定枝部３０３ＡＲと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｕの右側に形成されている可動枝部２０３ＵＲとの噛み合い状態を説明するための一部拡大図を示す。
なお、固定側部３ＢＭの左側のアーム部３０２ＢＬに形成されている固定枝部３０３ＢＬと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｄの左側に形成されている可動枝部２０３ＤＬとの噛み合い状態、また、固定側部３ＢＭの右側のアーム部３０２ＢＲに形成されている固定枝部３０３ＢＲと、可動側部２Ｍのアーム部２０２Ｄの右側に形成されている可動枝部２０３ＤＲとの噛み合い状態は、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）と同様になる。そこで、ここでは、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲと、固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲとの関係の説明のみを行い、可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲと、固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲとの関係については、その説明は省略する。
図１４（Ａ）に示すように、可動枝部２０３ＵＬの、固定枝部３０３ＡＬと対向し、振動方向に沿う方向の面それぞれには、第１の実施形態の可動側部２の突部２３及び突部２４と同様にして、突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬが形成されている。一方、固定枝部３０３ＡＬの可動枝部２０３ＵＬに対向する面には、第１の実施形態の固定側部３Ａの突部３２Ａに対応する突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬが形成されている。
そして、この例においても、可動側部２Ｍの可動枝部２０３ＵＬに形成されている突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬと、固定枝部３０３ＡＬに形成されている突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬとは、第１の実施形態において、図２を用いて説明したのと同様の寸法関係で構成されている。すなわち、突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬ、突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬの幅Ｗｔは２０μｍ、配列ピッチＬは６０μｍ、高さＨは４２．５μｍとされ、突部２０４ＵＬ及び突部２０５ＵＬの先端面と、突部３０４ＡＬ及び突部３０５ＡＬの先端面との間の間隔の最小値ｇｍｉｎは、５μｍとされている。
また、図１４（Ｂ）に示すように、可動枝部２０３ＵＲの、固定枝部３０３ＡＲと対向し、振動方向に沿う方向の面それぞれには、同様にして、突部２０４ＵＲ及び突部２０５ＵＲが形成されていると共に、固定枝部３０３ＡＲの可動枝部２０３ＵＲに対向する面には、突部３０４ＡＲ及び突部３０５ＡＲが形成されている。そして、可動側部２Ｍの可動枝部２０３ＵＲに形成されている突部２０４ＵＲ及び２０５ＵＲと、固定枝部３０３ＡＲに形成されている突部３０４ＡＲ及び３０５ＡＲとは、可動側部２Ｍの可動枝部２０３ＵＬに形成されている突部２０４ＵＬ及び２０５ＵＬと、固定枝部３０３ＡＬに形成されている突部３０４Ｌ及び３０５Ｌとの関係と同様に構成されている。
なお、この場合に、固定側部３ＡＭの固定主軸部３０１にも、固定枝部３０３ＡＬの突部３０５ＡＬ及び突部３０５ＡＬ、また、固定枝部３０３ＡＲの突部３０５ＡＲ及び突部３０５ＡＲ、と同様の突部３０５Ｍが形成されている。また、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１にも、可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲの突部２０３ＵＬ及び２０３ＵＲと同様の突部が形成されている。
なお、可動側部２の突部２３，２４の個数と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂの個数は、図１３及び図１４においては、作図の便宜上、少数となっているが、前述したように、その個数は、実際的には、より多数である。また、可動側部２の突部２３，２４と、固定側部３Ａ，３Ｂの突部３２Ａ，３２Ｂとは、図１３及び図１４においては、作図の便宜上、全て同一の高さを有するものとして示してあるが、実際上は、図２に示したように、振動方向において高さが異なるものであることは言うまでもない。また、上述した第１の実施形態の変形例のように構成されていてもよい。
ところで、一般に、この種の静電型の振動発電デバイスの場合、支持梁部４ＬＭ及び４ＲＭの復元力と、可動側部２Ｍと固定側部３ＡＭ及び３ＢＭとの間の静電力が同一方向に働くと、静電力により可動構造が制動されて動きにくくなる。
これに鑑み、この第２の実施形態では、図１４（Ａ）に示すアーム部２０２Ｕの左側の可動枝部２０３ＵＬと固定側部３ＡＭの左側の固定枝部３０３ＡＬとの左側グループにおける突部２０４ＵＬ及び２０５ＵＬと突部３０４ＡＬ及び３０５ＡＬとの対向位相と、図１４（Ｂ）に示すアーム部２０２Ｕの右側の可動枝部２０３ＵＲと固定側部３ＡＭの右側の固定枝部３０３ＡＲとの右側グループにおける突部２０４ＵＲ及び２０５ＵＲと突部３０４ＡＲ及び３０５ＡＲとの対向位相とが、静電力による影響が、左側グループと、右側グループとで互いに相殺されるように異なる構成とされている。
この図１３の例では、配列ピッチＬを１周期（３６０度）としたとき、左側グループと、右側グループとで９０度位相が異なるように構成されている。すなわち、図１４（Ａ）に示すように、左側グループの可動枝部２０３ＵＬの突部２０４ＵＬ及び２０５ＵＬと、固定枝部３０３ＡＬの突部３０４ＡＬ及び３０５ＡＬとが互いに正対するような状態であるときには、図１４（Ｂ）に示すように、右側グループの可動枝部２０３ＵＲの突部２０４ＵＲ及び２０５ＵＲと、固定枝部３０３ＡＲの突部３０４ＡＲ及び３０５ＡＲとは、正対せずに、９０度ずれた状態となるように構成されている。
なお、図示は省略するが、上述と同様にして、アーム部２０２Ｄの左側の可動枝部２０３ＤＬと固定側部３ＢＭの左側の固定枝部３０３ＢＬとの左側グループにおける突部２０４ＤＬ及び２０５ＤＬと突部３０４ＢＬ及び３０５ＢＬとの対向位相と、アーム部２０２Ｄの右側の可動枝部２０３ＤＲと固定側部３ＢＭの右側の固定枝部３０３ＢＲとの右側グループにおける突部２０４ＤＲ及び２０５ＤＲと突部３０４ＢＲ及び３０５ＢＲとの対向位相とが、同様にして、静電力による影響が、左側グループと、右側グループとで互いに相殺されるように異なる構成とされている。
このように、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍにおいては、可動側部２Ｍの突部を、振動方向に２つのグループに分け、固定側部３ＡＭ及び固定側部３ＢＭの突部との間の対向位相が、その２つのグループで互いに異なるようにしたことにより、可動側部２Ｍと固定側部３ＡＭ及び固定側部３ＢＭとの間に働く静電力を、それらの２つのグループで逆方向に働かせるようにすることができ、可動側部２Ｍが静電力により制動されて、振動しづらくなる状態を軽減、あるいは振動を継続しなくなる状態を回避することができる。
なお、上述の説明では、可動側部２Ｍの突部を、振動方向に２つのグループに分けたが、固定側部３ＡＭ及び固定側部３ＢＭの突部を、振動方向に２つのグループに分けるようにしても勿論よい。
図示は省略したが、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍにおいても、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１の上には、錘が載せられるのは、第１の実施形態の振動発電デバイス１０の場合と同様である。
この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍも、第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様にして、可動側部２Ｍの両端側に電極２５Ｍ及び２６Ｍが形成されると共に、固定側部３ＡＭには電極３３ＡＭが形成され、固定側部３ＢＭには電極３３ＢＭが形成される。そして、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍの場合にも、図９に示した充電回路により、蓄電用キャパシタ９に蓄電することができる。
この場合に、この第２の実施形態においては、図９に示す電極２５に対応する電極２５Ｍと、電極３３Ａに対応する電極３３ＡＭとの間には、複数の可動枝部２０３ＵＬ及び可動枝部２０３ＵＲ（可動主軸部２０１を含む）と複数の固定枝部３０３ＡＬ及び固定枝部３０３ＡＲ（固定主軸部３０１Ａを含む）との対の間でそれぞれ生成される複数個の静電容量が並列に接続されていることになる。同様に、図９に示す電極２６に対応する電極２６Ｍと、電極３３Ｂに対応する電極３３ＢＭとの間には、複数の可動枝部２０３ＤＬ及び可動枝部２０３ＤＲ（可動主軸部２０１を含む）と複数の固定枝部３０３ＢＬ及び固定枝部３０３ＢＲ（固定主軸部３０１Ｂを含む）との対の間でそれぞれ生成される複数個の静電容量が並列に接続されていることになる。
したがって、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍによれば、第１の実施形態と同様の作用効果を有する上に、振動発電の発電量を大きくすることができる広帯域の振動発電デバイスを実現することができる。
そして、この第２の実施形態の振動発電デバイス１０Ｍによれば、可動側部の突部と固定側部の突部との対向位相が互いに異なる２つのグループに分け、それら２つのグループ間で、可動側部と固定側部との間に働く静電力を互いに相殺するように構成したので、可動側部が静電力により振動しづらくなる状態を軽減、あるいは振動を継続しなくなる状態を回避することができる。
［第２の実施形態の変形例］
上述の第２の実施形態の例においても、固定側部３ＢＭ側を省略して、可動側部２Ｍと、固定側部３ＡＭとの組み合わせからなるものとしてもよい。
また、可動側部２Ｍの可動主軸部２０１から振動方向に直交する方向に延伸するアーム部を、更に、振動方向の異なる位置に複数個設け、それぞれのアーム部について、上述と同様の構成となるようにするとともに、固定側部３ＡＭ及び３ＢＭも、それぞれのアーム部に対応する部分を、上述と同様に構成することにより、より多数の可動枝部と固定枝部との対からなる構成とすることもできる。
また、上述の第２の実施形態においては、可動側部と固定側部との間の静電力を相殺するようにするために、突部の対向位相が異なるグループを、可動側部の振動方向に配置するようにした。しかし、突部の対向位相が異なるグループを、振動方向に直交する方向に配置してもよい。すなわち、可動側部２Ｍと固定側部３ＡＭとのグループと、可動側部２Ｍと固定側部３ＢＭとのグループとで、突部の対向位相が異なるグループを構成してもよい。その場合には、第１の実施形態においても適用が可能であることは言うまでもない。
そして、突部の対向位相の異なりは、上述の例の９０度に限らず、可動側部と固定側部との間の静電力を相殺するようにする寄与する位相の異なりであればよい。
［第３の実施形態］
上述の実施形態では、可動側部２の対向面２１，２２及び固定側部３Ａ，３Ｂの対向面３１Ａ，３１Ｂには、振動方向に直交する方向の高さＨｍ及びＨｓが異なる複数個の櫛歯状の突部２３，２４及び３２Ａ，３２Ｂをそれぞれ形成するようにした。しかし、このような櫛歯状の突部を形成することなく、可動側部２の対向面２１，２２及び固定側部３Ａ，３Ｂの対向面３１Ａ，３１Ｂの形状を、平面ではなく、可動側部２の振動方向の振幅の大きさに応じて、可動側部２の対向面２１，２２と、固定側部３Ａ，３Ｂの対向面３１Ａ，３１Ｂとの間隔が変化するように構成する。
第３の実施形態は、この場合の構成例である。図１５は、この第３の実施形態の振動発電デバイスの要部を説明するための図で、上述の実施形態の可動側部２の対向面と固定側部３Ａの対向面の形状の例を示す図である。
すなわち、図１５の例においては、可動側部２の固定側部３Ａとの対向面２１Ｗと、固定側部３Ａの可動側部２との対向面３１ＡＷとは、平面ではなく、矢印ＡＲで示す可動側部２の振動方向において、図１５に示すように、同一の繰り返し周期の正弦波状の波形形状となるように形成されている。
したがって、可動側部２の対向面２１Ｗにおいては、波形形状において、固定側部３Ａの対向面３１ＡＷ側に突出する部分が凸部９１となると共に、隣接する２個の凸部９１の間が凹部９２となる。また、固定側部３Ａの対向面３１ＡＷにおいては、波形形状において、可動側部２の対向面２１Ｗ側に突出する部分が凸部９３となると共に、隣接する２個の凸部９３の間が凹部９４となる。
そして、図１５に示すように、可動側部２が静止状態においては、可動側部２の対向面の凸部９１と固定側部３Ａの対向面３１ＡＷの凹部９４とが対向すると共に、可動側部２の凹部９２と固定側部３Ａの凸部９３とが対向するように構成されている。そして、この可動側部２が静止状態であるときの、可動側部２の対向面２１Ｗと固定側部３Ａの対向面３１ＡＷとの間隔は、上述の第１の実施形態の場合と同様に、比較的大きい間隔ｇｓとなるように構成されている。そして、可動側部２が振動して、可動側部２の対向面の凸部９１と固定側部３Ａの対向面３１ＡＷの凹部９４とが対向するようになったときの、可動側部２の対向面２１Ｗと固定側部３Ａの対向面３１ＡＷとの間隔は、上述の第１の実施形態の場合と同様に、微小な間隔ｇｍｉｎ（＜ｇｓ）となるように構成されている。
この第３の実施形態の振動発電デバイスにおいては、可動側部２と固定側部３Ｂとの間も同様に構成されるのは勿論である。
これにより、この図１５の例の振動発電デバイスにおいても、振動振幅が小さいときには、図１９の（式２）のｄｏ＝ｇｓとなって、力係数（電気機械変換係数）Ａが小さくなり、出力インピーダンスは大きくなる。また、振動振幅が大きいときには、図１９の（式２）のｄｏ＝ｇｍｉｎとなって、力係数（電気機械変換係数）Ａが大きくなり、出力インピーダンスは小さくなる。したがって、この第３の実施形態の振動発電デバイスにおいても、第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様に、低加速度の状態から高加速度の状態まで、効率良く、出力電流を整流して、蓄電することができる。
なお、この第３の実施形態を、上述の第２の実施形態に適用することができることは言うまでもない。
［第４の実施形態］
以上の実施形態では、図１９の（式２）で表される力係数（電気機械変換係数）Ａが、可動側部２と固定側部３Ａ，３Ｂとの間の間隔ｄｏに応じて変化することに鑑み、可動側部２の振動振幅に応じて、この間隔ｄｏを、振動振幅が小さいときには大きく、振動振幅が大きいときには小さくするようにした。しかし、力係数（電気機械変換係数）Ａを変化させる因子は、図１９の（式２）から分かるように、間隔ｄｏに限られず、エレクトレット電位Ｅであってもよい。
第４の実施形態においては、固定側部３Ａ，３Ｂまたは可動側部２のいずれか一方にエレクトレット膜を生成する際に、そのエレクトレット膜のエレクトレット電位Ｅを、可動側部２の振動方向において変化させることで、力係数（電気機械変換係数）Ａを変化させるように構成する。
図１６は、この第４の実施形態の振動発電デバイスの要部を説明するための図で、上述の実施形態の可動側部２の対向面と固定側部３Ａの対向面の部分の場合の例を示す図である。この第４の実施形態では、図１６の例に示すように、可動側部２の振動方向の長さは、固定側部３Ａの振動方向の長さよりも短く構成する。そして、この例では、固定側部３Ａにエレクトレット膜を形成するようにするが、そのエレクトレット電位Ｅを、可動側部２の振動方向において、図１６において、一点鎖線で示すように、変化させておくようにする。
すなわち、可動側部２が静止状態においては、固定側部３Ａの可動側部２と対向している中央部分のエレクトレット電位Ｅは低くくしておく。また、可動側部２が大きく振動したときに対向することとなる固定側部３Ａの部分には、エレクトレット電位Ｅは高くしておく。
なお、図１６の例では、可動側部２の対向面２１と固定側部３Ａの対向面３１Ａとには、突部２３と突部３２Ａは形成されず、また、可動側部２の対向面２１と固定側部３Ａの対向面３１ａとの間の間隔は、一定の間隔、例えば間隔ｇｍｉｎとする。
また、可動側部２と固定側部３Ｂとの間の関係は、上述した可動側部２と固定側部３Ａとの関係と同様に構成する。
このように構成した第４の実施形態の振動発電デバイスにおいては、可動側部２の振動振幅が小さいときには、対向する固定側部３Ａ，３Ｂにおけるエレクトレット電位Ｅは低いので、力係数（電気機械変換係数）Ａは、（式２）から小さくなり、出力インピーダンスは大きくなる。一方、可動側部２の振動振幅が大きくなると、対向する固定側部３Ａ，３Ｂにおけるエレクトレット電位Ｅは高くなるので、力係数（電気機械変換係数）Ａは、（式２）から大きくなり、出力インピーダンスは小さくなる。
したがって、この第３の実施形態の振動発電デバイスにおいても、第１の実施形態の振動発電デバイス１０と同様に、低加速度の状態から高加速度の状態まで、効率良く、出力電流を整流して、蓄電することができる。
なお、図１６の例では、可動側部２の対向面２１と固定側部３Ａの対向面３１Ａとには、突部２３と突部３２Ａは形成されず、また、可動側部２の対向面２１と固定側部３Ａの対向面３１ａとの間の間隔は、一定の間隔としたが、可動側部２の対向面２１と固定側部３Ａの対向面３１Ａとにおいては、第１の実施形態や第１の実施形態の変形例、さらに、第３の実施形態のように構成してもよい。また、この第４の実施形態を、第２の実施形態に適用することも可能であることは言うまでもない。
［その他の実施形態または変形例］
上述の実施形態の振動発電デバイスは、半導体製造プロセスにより製造されるＭＥＭＳデバイスの場合であったが、この発明による振動発電デバイスは、ＭＥＭＳデバイスに限られるものではない。
また、上述の第１の実施形態においては、可動側部及び固定側部に形成する突部（凸部）は、断面が矩形形状のものとしたが、突部（凸部）の形状は、これに限られるものではない。
また、上述の実施形態では、振動発電デバイスを重力方向から見たときに、可動側部の左右方向に固定側部を配置するようにしたが、図１７に示すように、可動側部と固定側部とを上下方向に所定の間隔ｇ（可動側部の振動により変化する場合有り）を空けて配置するようにしてもよい。図１７の例の場合、上側が可動側部２Ｃであり、下側が固定側部３Ｃとなるが、可動側部２Ｃの固定側部３Ｃに対する対向面２１Ｃと、固定側部３Ｃの可動側部２に対する対向面３１Ｃとは、上述した第１の実施形態、その変形例、あるいは第３の実施形態や第４の実施形態のいずれかと同様に形成するようにする。
また、可動側部の振動方向は、直線方向ではなく、回転方向であってもよい。図１８は、そのように構成される振動発電デバイスの可動側部２Ｄと、固定側部３Ｄの一例である。すなわち、図１８に示すように、可動側部２Ｄと、固定側部３Ｄとは円板状に構成され、所定の間隔ｇ（可動側部の振動により変化する場合有り）を空けて配置する。そして、可動側部２Ｄは、図１８において矢印で示すように、固定側部３Ｄとの間隔を保った状態で、その円板に直交する方向を回転中心軸Ｏｚ（円板の中心位置）として回転するように構成される。
この図１８の例においても、可動側部２Ｄの固定側部３Ｄに対する対向面２１Ｄと、固定側部３Ｄの可動側部２Ｄに対する対向面３１Ｄとは、上述した第１の実施形態、その変形例、あるいは第３の実施形態や第４の実施形態のいずれかと同様に形成するようにする。ただし、振動方向が回転方向となるので、突部の高さの変化方向や、エレクトレット電位Ｅの変化方向などが回転方向となる点が、上述の実施形態とは異なる。
１，１Ｍ…半導体基板、２，２Ｍ…可動側部、３Ａ，３Ｂ，３ＡＭ，３ＢＭ…固定側部、４Ｌ，４Ｒ，４ＬＭ，４ＲＭ…支持梁部、７…錘、２１，２２…可動側部２の対向面、２３，２４…可動側部２の突部、３１Ａ，３１Ｂ…固定側部３Ａ，３Ｂの対向面、３２Ａ，３２Ｂ…固定側部３Ａ，３Ｂの突部

Claims (16)

  1. 外部から印加される振動エネルギーにより所定の振動方向に振動することが可能なように構成されており、前記振動方向に沿う第１の面を備える可動側部と、
    前記可動側部が前記振動方向に振動することが可能なように、前記可動側部の前記第１の面と所定の間隔を隔てて対向する第２の面を備え、前記振動エネルギーに対しても位置固定するように構成されている固定側部と、
    を備え、
    前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれの表面には、複数個の凹部と凸部とが前記振動方向に交互に形成されていると共に、
    前記固定側部と前記可動側部との少なくとも一方には、エレクトレット膜が形成されており、
    前記可動側部の前記第１の面の複数個の前記凸部と、前記固定側部の前記第２の面の複数個の前記凸部とは、前記振動方向の配列ピッチは同一とされていると共に、前記振動方向に配列されている複数の前記凸部の前記振動方向に直交する方向の高さが、振動方向に沿って徐々に大きくなった後、徐々に小さくなるような変化を繰り返すように形成されて、前記可動側部の前記第１の面側と前記固定側部の第２の面側との間隔に応じた値を有する力係数（電気機械変換係数）が、前記可動側部の前記振動振幅が小さいときには小さく、前記可動側部の前記振動振幅が大きいときには大きくなるように構成されている
    ことを特徴とする振動発電デバイス。
  2. 前記可動側部の前記第１の面の前記複数個の凹部と凸部と、前記固定側部の前記第２の面の前記複数個の凹部と凸部とは、前記可動側部の前記振動振幅が小さいときには、前記可動側部の前記第１の面の前記凸部と、前記固定側部の前記第２の面の前記凸部との間隔の最小値が大きい状態となり、かつ、前記可動側部の前記振動振幅が大きいときには、前記可動側部の前記第１の面の前記凸部と、前記固定側部の前記第２の面の前記凸部との間隔の最小値が小さい状態となるように、形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の振動発電デバイス。
  3. 前記可動側部の前記第１の面の複数個の前記凸部と、前記固定側部の前記第２の面の複数個の前記凸部とは、前記振動方向に直交する方向が高さが低いものほど、前記振動方向の幅が狭くされている
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動発電デバイス。
  4. 前記可動側部の前記第１の面の複数個の前記凸部と、前記固定側部の前記第２の面の複数個の前記凸部は、前記振動方向の存在密度が、前記振動方向において変えられている
    ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の振動発電デバイス。
  5. 前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれの表面の、前記凸部は、前記振動方向に直交する方向に突出する複数個の突部が前記振動方向に櫛歯状に配列されている
    ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の振動発電デバイス。
  6. 前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれの表面の前記凸部は、前記振動移動方向に配列された複数個のくさび形状からなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の振動発電デバイス。
  7. 前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面のそれぞれの表面の前記凹部と前記凸部とにより波形形状に形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の振動発電デバイス。
  8. 外部から印加される振動エネルギーにより所定の振動方向に振動することが可能なように構成されており、前記振動方向に沿う第１の面を備える可動側部と、
    前記可動側部が前記振動方向に振動することが可能なように、前記可動側部の前記第１の面と所定の間隔を隔てて対向する第２の面を備え、前記振動エネルギーに対しても位置固定するように構成されている固定側部と、
    を備え、
    前記固定側部と前記可動側部との少なくとも一方には、エレクトレット膜が形成されており、
    前記固定側部と前記可動側部との少なくとも一方に形成される前記エレクトレット膜のエレクトレット電位が前記振動方向において変化せられていることにより、前記エレクトレット膜の電位に応じた値を有する力係数（電気機械変換係数）が、前記可動側部の前記振動振幅が小さいときには小さく、前記可動側部の前記振動振幅が大きいときには大きくなるように構成されている
    ことを特徴とする振動発電デバイス。
  9. 前記固定側部と前記可動側部とが半導体基板から形成されたＭＥＭＳデバイスである
    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振動発電デバイス。
  10. 前記可動側部の前記第１の面と前記固定側部の前記第２の面とは、それぞれ前記半導体基板の基板面に直交する方向の面であり、前記可動側部の前記振動方向の両端は、前記半導体基板から形成された支持梁により支持されて、前記可動側部が振動移動可能とされている
    ことを特徴とする請求項９に記載の振動発電デバイス。
  11. 前記可動側部及び前記固定側部は、それぞれ平板状部材である
    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振動発電デバイス。
  12. 前記可動側部は前記第１の面に直交する方向を回転軸方向として回転振動する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の振動発電デバイス。
  13. 前記可動側部の前記前記振動方向に沿う前記第１の面は複数個であり、
    前記固定側部は、前記可動側部の複数個の前記第１の面のそれぞれに対向する複数個の前記第２の面を有する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の振動発電デバイス。
  14. 前記可動側部には、前記振動移動方向に対して交差する方向に重さが加わるように錘が配置されている
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の振動発電デバイス。
  15. 前記振動移動方向に直交する方向に複数個の前記可動側部を備えると共に、前記固定側部材は、複数個の前記可動側部の前記第１の面のそれぞれに対向する複数個の前記第２の面を有する
    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振動発電デバイス。
  16. 前記可動側部の前記第１の面及び前記固定側部の前記第２の面に形成されている前記複数個の凹部と凸部は、前記振動方向の配列ピッチの位相が異なる第１のグループと第２のグループとに分けられており、
    前記第１のグループにおいて、前記可動側部の複数個の前記凸部と、前記固定側部の複数個の前記凸部とが対向して前記振動方向に直交する方向において重なる状態のときには、前記第２のグループの前記可動側部の複数個の前記凸部と、前記固定側部の複数個の前記凸部とは前記振動方向に直交する方向において重ならない状態となるようにされている
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれかに記載の振動発電デバイス。
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