JP6934850B2 - Vibration power generation element - Google Patents
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Description
本発明は、振動発電素子に関する。 The present invention relates to a vibration power generation element.
近年、MEMS技術を利用した非常に小型の振動発電素子が開発されている。例えば、特許文献1では、櫛歯電極が形成された固定部に対して櫛歯電極が形成された可動部を振動させることで発電を行うようにしている。このような振動発電素子においては、小さな環境振動でも効率良く発電するために可動部の質量をより大きくすることが重要であり、特許文献1に記載の振動発電素子では可動部上に別途形成された錘を装着する構造としている。 In recent years, very small vibration power generation elements using MEMS technology have been developed. For example, in Patent Document 1, power is generated by vibrating a movable portion on which a comb tooth electrode is formed with respect to a fixed portion on which the comb tooth electrode is formed. In such a vibration power generation element, it is important to increase the mass of the movable part in order to efficiently generate power even with a small environmental vibration, and in the vibration power generation element described in Patent Document 1, it is separately formed on the movable part. It has a structure in which a weight is attached.
上記特許文献1には、錘が可動部に装着される(明細書段落[0059]参照)ことが記載されているだけであり、錘を可動部に装着する手段については記載されていない。そこで、可動部に固定される錘の実装構造を提供する。 The above-mentioned Patent Document 1 only describes that a weight is attached to a movable portion (see paragraph [0059] of the specification), and does not describe a means for attaching the weight to the movable portion. Therefore, a mounting structure of a weight fixed to the movable portion is provided.
本発明の一態様による振動発電素子は、複数の櫛歯電極を有する固定電極部と、複数の櫛歯電極を有する可動電極部と、前記可動電極部に固定される錘と、前記錘または前記可動電極部に設けられ、前記錘を前記可動電極部に固定する樹脂を収容する樹脂溜め部とを備える。 The vibration power generation element according to one aspect of the present invention includes a fixed electrode portion having a plurality of comb-tooth electrodes, a movable electrode portion having a plurality of comb-tooth electrodes, a weight fixed to the movable electrode portion, and the weight or the above. The movable electrode portion is provided with a resin reservoir portion for accommodating the resin for fixing the weight to the movable electrode portion.
本発明によれば、錘と可動電極部とを接合する樹脂のはみ出しを抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the protrusion of the resin that joins the weight and the movable electrode portion.
−第1の実施形態−
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図1は真空状態のパッケージ2内に封入された振動発電素子1を示す図であり、図1(a)は平面図、図1(b)はA−A断面図である。なお、図1(a)の平面図ではパッケージ2の内部構造が分かるように、パッケージ2の上面側(z軸正方向側)に設けられた上蓋3の図示を省略した。
− First Embodiment −
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a vibration power generation element 1 enclosed in a package 2 in a vacuum state, FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA. In addition, in the plan view of FIG. 1A, the illustration of the upper lid 3 provided on the upper surface side (z-axis positive direction side) of the package 2 is omitted so that the internal structure of the package 2 can be seen.
振動発電素子1は、固定部11と、可動電極部12と、可動電極部12を弾性支持する弾性支持部13と、可動電極部12の表裏両面に固着された一対の錘10a、10bとを備えている。振動発電素子1の固定部11は、ダイボンドによりパッケージ2に固定される。パッケージ2は、例えば、電気絶縁性の材料(例えば、セラミックス)で形成されている。パッケージ2の上端には、パッケージ2内を真空封入するための上蓋3がシーム溶接される。
The vibration power generation element 1 includes a fixed
固定部11上には固定電極部111が形成され、その固定電極部111には、x軸方向に延びる櫛歯電極110がy軸方向に複数形成されている。可動電極部12には、x軸方向に延びる櫛歯電極120がy軸方向に複数形成されている。詳細には、可動電極部12は、x軸方向に延在する中央帯部121(図1(b)参照)と、中央帯部121のx軸方向の中心から、それぞれ、y軸正方向、およびy軸負方向に延在する枝部122を有する。可動電極部12の各枝部122には、y軸方向に所定の間隔をおいて複数の櫛歯電極120が配列されている。x軸方向に延在する複数の櫛歯電極110と各枝部122から延在される櫛歯電極120とは、y軸方向に隙間を介して互いに噛合するように配置されている。固定電極部111には電極パッド112が形成されている。
A
可動電極部12は、固定部11上に形成された接続部114に弾性支持部13を介して機械的および電気的に接続されている。接続部114には電極パッド113が形成されている。電極パッド112、113は、ワイヤー22によってパッケージ2に設けられた電極21a、21bに接続されている。本実施の形態では可動電極部12はx軸方向に振動するように構成されており、可動電極部12がx軸方向に振動すると、固定電極部111の櫛歯電極110に対する櫛歯電極120の挿入量が変化して発電が行われる。錘10a、10bは、接着用の樹脂105により可動電極部12に接合されている。錘10a、10bと可動電極部12との接合構造については後述する。
The
図2は振動発電素子1の各部の構成を示す図である。後述するように、振動発電素子1は、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いて一般的なMEMS加工技術により形成される。SOI基板はSiの支持層とSiO2のボックス層とSiの活性層とから成る3層構造の基板であり、固定部11は支持層により形成され、固定電極部111、可動電極部12、弾性支持部13および接続部114は活性層により形成される。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of each part of the vibration power generation element 1. As will be described later, the vibration power generation element 1 is formed by a general MEMS processing technique using an SOI (Silicon On Insulator) substrate. The SOI substrate is a substrate having a three-layer structure composed of a support layer of Si, a box layer of SiO 2 , and an active layer of Si. The
図2(a)は、振動発電素子1のMEMS加工体、すなわち錘10a、10bを固着する前の振動発電素子1を示す図である。図2(a)では、固定部11上の固定電極部111と、可動電極部12、弾性支持部13および接続部114とをハッチングを施して示した。可動電極部12は4組の弾性支持部13によって弾性支持されている。各弾性支持部13は、弾性変形可能な3本のビーム13a〜13cを備えている。
FIG. 2A is a diagram showing a MEMS processed body of the vibration power generation element 1, that is, the vibration power generation element 1 before fixing the
接続部114は、可動電極部12のx軸方向振動の範囲を制限する制限部としても機能する。接続部114の可動電極部12に対向する面には、突起114aが形成されている。可動電極部12のx軸方向端面が接続部114の突起114aに衝突することによって、可動電極部12の振動の振幅が制限される。なお、図2(a)では突起を接続部114に形成したが、可動電極部12側に形成しても良い。
The connecting
図2(b)は、振動発電素子1の固定部11のみを示す図である。図2(b)の固定部11上に示したハッチング領域11Cは、固定電極部111が固定されている領域を示す。ビーム13aの端部は固定部11上に固定される。図2(b)の固定部11上に示したハッチング領域11Aは、ビーム13aの端部が固定されている領域を示す。ビーム13cの端部は、固定部11上に形成された接続部114に接続されている。図2(b)の固定部11上に示したハッチング領域11Bは、接続部114が固定されている領域を示す。
FIG. 2B is a diagram showing only the fixed
本実施の形態の振動発電素子1では、可動電極部12の質量を増やして発電効率をより向上させるために別体の錘10a、10bを可動電極部12に装着するようにしている。錘10a、10bの材料には、小さな体積でも大きな質量が得らえるようにSOI基板よりも比重の大きな材料が使用される。例えば、タングステン(比重19.25)、快削銅(比重8.94)、ステンレス鋼(比重7.93)や、メタルインジェクション法により形成されるタングステン部材(比重13〜17)等の金属や、タングステン樹脂(比重11〜13)のように樹脂に金属材を混入したものなどが用いられる。
In the vibration power generation element 1 of the present embodiment,
このように、別に形成された錘10a、10bを可動電極部12に装着する構成の場合、可動電極部12に装着した際の錘10a、10bの重心位置のずれが弾性支持部13の寿命に大きな影響を与えることが判った。図3および図4は、錘10a、10bの重心位置のずれの影響を説明する図である。図3は振動平面内(図1のxy平面内)での位置ずれを説明する図で、図4は振動平面に垂直な方向(図1のz軸方向)の位置ずれを説明する図である。
In the case where the separately formed
図3において、(a)は位置決めが適切に行われている場合を示し、(b)は位置決めが不適切な場合を示す。図3では錘10a、10bの図示を省略し、錘10a、10bの重心位置のみを符号Gで示した。図3(a)、(b)において、ラインL1は接続部114の突起114aの先端を通り振動方向(x軸方向)に平行な直線である。図3(a)に示す例では、xy平面上における錘10a、10bの重心位置GはラインL1上に位置している。そのため、振動により錘10a、10bの重心に働く力F1の方向は、ラインL1に沿った方向となっている。可動電極部12が接続部114の突起114aに衝突すると突起114aから可動電極部12に対して反作用の力F2が働くが、F1とF2は向きは逆であるが方向はラインL1に沿った方向である。そのため、可動電極部12をxy面内で傾けるようなモーメントは発生しない。
In FIG. 3, (a) shows a case where positioning is properly performed, and (b) shows a case where positioning is inappropriate. In FIG. 3, the
なお、可動電極部12はラインL1に対して線対称にyプラス方向とyマイナス方向に可動櫛歯群が設けられており、質量に関してもラインL1に対して線対称となっている。したがって、ラインL1は可動電極部12の可動電極群が線対称となる基準線と定義することもできる。
The
一方、図3(b)に示す位置決めが不適切な場合、錘10a、10bの重心位置GはラインL1に対してy軸負方向に位置ずれしている。そのため、可動電極部12が接続部114の突起114aに衝突すると、力F1および力F2を表すベクトルが同一ラインに沿った力ではないため可動電極部12を矢印のように傾けるようなにモーメントが作用し、可動電極部12がxy面内で傾くことになる。その結果、ビーム13bに意図しない変形が生じビーム破損の原因となる。
On the other hand, when the positioning shown in FIG. 3B is improper, the position G of the center of gravity of the
振動平面に垂直な方向の位置ずれを説明する図4は、図3(a)のラインL1に沿ったxz断面を示したものである。図4は衝突時の状態を示す図であって、図4(a)は錘10a、10bの合計質量の重心位置GがラインL1上にある場合を示し、図4(b)は重心位置GがラインL1よりも図示下側(z軸負方向側)にある場合を示す。
FIG. 4, which explains the positional deviation in the direction perpendicular to the vibration plane, shows the xz cross section along the line L1 of FIG. 3 (a). FIG. 4 is a diagram showing a state at the time of collision, FIG. 4 (a) shows a case where the center of gravity position G of the total mass of the
錘10a、10bが同一材料かつ同一形状である場合には、それぞれの重心位置G1、G2の可動電極部12からの高さ寸法は同一となる。そのため、xy平面上における重心位置G1、G2の位置ずれがあった場合でも、錘10a、10bの合計質量の重心位置GはラインL1を含むxy平面上に位置することになり、可動電極部12が接続部114の突起114aに衝突した際にモーメントは発生しない。
When the
ただし、錘10a、10bの形状が互いに異なる等の理由で、図4(b)に示すように合計質量の重心位置GがラインL1に対してz軸方向に位置ずれしていた場合、可動電極部12に対する錘10a、10bのxy方向の位置決めが適正であっても、可動電極部12が接続部114の突起114aに衝突した際に可動電極部12を矢印のように傾けるようなモーメントが発生して、ビーム13bに意図しない変形が生じることになる。
However, when the center of gravity position G of the total mass is displaced in the z-axis direction with respect to the line L1 as shown in FIG. 4B because the shapes of the
図5は、図1に示された錘を可動電極部側からみた斜視図であり、図6は、可動電極部と錘との接合構造の第1の実施形態を示し、図1(b)における可動電極部と錘との接合構造を示す拡大図である。なお、図6は、図示の都合上、Z方向(厚さ方向)の長さを拡大して図示している。
錘10aと錘10bとは同一の形状をしており、以下では、代表として、錘10aについて説明する。
錘10aは、可動電極部12の中央帯部121に沿ってx軸方向に延在される帯状形状を有する。錘10aの可動電極部12の中央帯部121側には、y軸方向の長さ(幅)の小さい幅狭部115が形成されている。幅狭部115の可動電極部12に対面する一面115aには、一対の位置決め突起102と樹脂溜め部103が形成されている。図5では、位置決め突起102は、円筒形状として例示するが、角筒形状としてもよい。あるいは、円錐形状や角錐形状とすることもできる。
FIG. 5 is a perspective view of the weight shown in FIG. 1 as viewed from the movable electrode portion side, and FIG. 6 shows a first embodiment of a joint structure of the movable electrode portion and the weight, which is shown in FIG. 1 (b). It is an enlarged view which shows the joint structure of a movable electrode part and a weight in. Note that FIG. 6 shows an enlarged length in the Z direction (thickness direction) for convenience of illustration.
The
The
錘10aのx軸方向の中心線L2は、xy面において可動電極部12のx軸方向の中心線と同一位置に配置されている。錘10aのy軸方向の中心線L3は、xy面において接続部114の突起114aを通り振動方向(x軸方向)に平行な直線であるラインL1と同一位置に配置されている。一対の位置決め突起102は、同一形状を有し、各位置決め突起102の中心は、中心線L3上における中心線L2と対称な位置に配置されている。
従って、xy面上における錘10aの重心の位置と可動電極部12の重心位置とは一致する。
このことは、錘10bに関しても同様である。このため、xy面上における錘10a、10bの重心の位置と可動電極部12の重心位置とは一致する。
The center line L2 in the x-axis direction of the
Therefore, the position of the center of gravity of the
This also applies to the
可動電極部12の中央帯部121の上面(Z軸正方向側の一面)121a(図6参照)および下面(Z軸正方向側の一面)121b(図6参照)には、それぞれ、位置決め突起102が嵌合する位置決め用貫通孔123(図7参照)が形成されている。
図6に示されるように、錘10aは、一対の位置決め突起102を可動電極部12の中央帯部121の位置決め用貫通孔123に嵌合した状態で、樹脂溜め部103に収容された接着用の樹脂105により可動電極部12の中央帯部121に接着される。同様に、錘10bは、一対の位置決め突起102を可動電極部12の中央帯部121の位置決め用貫通孔123に嵌合した状態で、樹脂溜め部103に収容された接着用の樹脂105により可動電極部12の中央帯部121に接着される。
Positioning protrusions on the upper surface (one surface on the Z-axis positive direction side) 121a ( see FIG. 6 ) and the lower surface (one surface on the Z-axis positive direction side) 121b (see FIG. 6) of the
As shown in FIG. 6, the
図7(a)〜(c)は、図6に示す可動電極部と錘との接合構造を形成する各工程の図である。
図7(a)に示すように、錘10bの樹脂溜め部103および一対の位置決め突起102が形成された面を上方に向けて、樹脂溜め部103内に液状の樹脂105aを充填する。樹脂溜め部103内に充填する液状の樹脂105aの量は、表面張力により中央部が錘10bの上面から少し隆起する程度とする。可動電極部12の中央帯部121の下面121b側を錘10bに対面させて、錘10bの一対の位置決め突起102に可動電極部12の中央帯部121の位置決め用貫通孔123に嵌合する。これにより、可動電極部12の中央帯部121の下面121bが錘10bに接着される。この状態を図7(b)に示す。
7 (a) to 7 (c) are diagrams of each step of forming a joint structure between the movable electrode portion and the weight shown in FIG.
As shown in FIG. 7A, the
錘10bの樹脂溜め部103内に収容された液状の樹脂105aが硬化したら、図7(c)に示すように、可動電極部12の中央帯部121の上面121aのx軸方向およびy軸方向の中心に、液状の樹脂105aを滴下する。液状の樹脂105aは、表面張力により球状に盛り上がった状態になる。この後、錘10aを、樹脂溜め部103が形成されている一面115aを可動電極部12の中央帯部121の上面121aに対面させ、錘10aの一対の位置決め突起102を可動電極部12の中央帯部121の位置決め用貫通孔123に嵌合する。これにより、可動電極部12の中央帯部121の上面121aに付着している液状の樹脂105aが錘10aの樹脂溜め部103内に収容され、図6に示す錘10a、10bが可動電極部12に接合された接合構造が得られる。
After the
図16(a)、(b)は、比較例の可動電極部と錘との接合構造を示し、図16(a)は錘を可動電極部に接着する前の図であり、図16(b)は錘を可動電極部に接着した状態の図である。図16(a)、(b)は、図1におけるy軸方向に沿う断面図である。
比較例では、可動電極部401は、y軸方向に所定間隔で配列された櫛歯電極401aを有する。固定電極の櫛歯電極411aは、隙間を介して可動電極部401の櫛歯電極401aと互いに噛合している。但し、図16(a)、(b)では、可動電極部401の櫛歯電極401aとの間の隙間は図示されていない。比較例の可動電極部401と錘420との接合構造では、可動電極部401と錘420とのいずれにも樹脂溜め部は形成されていない。このため、可動電極部401上に樹脂405を滴下し、錘420を可動電極部401に接合しようとすると、樹脂405は、広がって可動電極部401の外側にはみ出る。このため、可動電極部401からはみ出た樹脂405により、可動電極部401の櫛歯電極401aと固定電極部の櫛歯電極411aが接着される虞がある。
16 (a) and 16 (b) show the joint structure of the movable electrode portion and the weight of the comparative example, and FIG. 16 (a) is a view before the weight is adhered to the movable electrode portion, and FIG. 16 (b). ) Is a state in which the weight is adhered to the movable electrode portion. 16 (a) and 16 (b) are cross-sectional views taken along the y-axis direction in FIG.
In the comparative example, the
これに対し、本実施形態では、錘10a、10bには、樹脂溜め部103が形成されているため、液状の樹脂105aは、樹脂溜め部103内に収容される。このため、液状の樹脂105aは、可動電極部12の中央帯部121の上面121aおよび下面121bの外側にはみ出るのを抑制され、可動電極部12の櫛歯電極120と固定電極部111の櫛歯電極110が接着されるのを防止することができる。
On the other hand, in the present embodiment, since the
図8および図9は、振動発電素子1のMEMS加工体の形成手順の一例を示す図である。MEMS加工技術によりSOI基板から振動発電素子を形成する方法は周知の技術であり(例えば、特開2017−070163号公報等参照)、ここでは形成手順の概略を説明する。なお、図8および図9では、図2(a)の一点鎖線L2に沿った断面を模式的に示した。 8 and 9 are views showing an example of a procedure for forming a MEMS machined body of the vibration power generation element 1. A method of forming a vibration power generation element from an SOI substrate by a MEMS processing technique is a well-known technique (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-0701163), and an outline of the forming procedure will be described here. In addition, in FIG. 8 and FIG. 9, the cross section along the alternate long and short dash line L2 of FIG. 2A is schematically shown.
図8(a)は、MEMS加工が行われる基板であるSOI基板の断面を示す図である。前述したように、SOI基板は、Siの支持層301とSiO2のボックス層302とSiの活性層303とから成る。図8(b)に示す第1のステップでは、活性層303の表面に窒化膜(SiN膜)304を成膜する。図8(c)に示す第2のステップでは、窒化膜304をパターニングして、電極パッド112、113を形成する箇所を保護するための窒化膜パターン304aを形成する。
FIG. 8A is a diagram showing a cross section of an SOI substrate, which is a substrate on which MEMS processing is performed. As described above, the SOI substrate is composed of a
図8(d)に示す第3のステップでは、可動電極部12、固定電極部111、弾性支持部13および接続部114を形成するためのマスクパターンを形成し、活性層303をエッチングする。エッチング加工は、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)等によりボックス層302に達するまで行われる。図8(d)において、符号B1で示す部分は固定電極部111に対応する部分で、符号B2で示す部分は可動電極部12に対応する部分で、符号B3で示す部分は接続部114に対応する部分である。
In the third step shown in FIG. 8D, a mask pattern for forming the
図9(a)に示す第4のステップでは、固定部11を形成するためのマスクパターンを支持層301の表面に形成し、支持層301をDRIE加工する。図9(b)に示す第5のステップでは、支持層301の側および活性層303の側に露出するSiO2のBOX層を強フッ酸により除去する。図9(c)に示す第6のステップでは、熱酸化法によりSi層の表面にシリコン酸化膜305を形成する。図9(d)に示す第6のステップでは、窒化膜パターン304aを除去し、除去した領域にアルミ電極を成膜して電極パッド112、113を形成する。なお、電極パッド113については図9(d)の範囲外に形成されるので、図9(d)には表示されていない。
In the fourth step shown in FIG. 9A, a mask pattern for forming the fixing
上述の加工手順により、エレクトレット未形成の振動発電素子1のMEMS加工体が形成される。その後、周知のエレクトレット形成方法(例えば、特許5627130号公報等参照)により、櫛歯電極110、120の少なくとも一方にエレクトレットを形成する。
By the above-mentioned processing procedure, a MEMS processed body of the vibration power generation element 1 in which the electret is not formed is formed. Then, an electret is formed on at least one of the
振動発電素子1はMEMS技術により加工され非常に微小な構造体であり、図1に示したパッケージ2の縦横寸法は数cmで高さ寸法は数mm程度である。 The vibration power generation element 1 is a very minute structure processed by MEMS technology, and the vertical and horizontal dimensions of the package 2 shown in FIG. 1 are several cm and the height dimension is about several mm.
上記実施形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)振動発電素子1は、複数の櫛歯電極110を有する固定電極部111と、複数の櫛歯電極120を有する可動電極部12と、可動電極部12に固定される錘10a、10bと、錘10a、10bに設けられ、錘10a、10bを可動電極部12に固定する樹脂105を収容する樹脂溜め部103とを備える。このため、錘10a、10bと可動電極部とを接合する樹脂のはみ出しを抑制することができる。
According to the above embodiment, the following effects are obtained.
(1) The vibration power generation element 1 includes a fixed
(2)樹脂溜め部103の中心は、錘10aの重心と可動電極部12の重心とを通る直線上に設定されている。一般に、xy平面に平行な異なる面上にある錘10aの重心と可動電極部12の重心とは、z方向に関して同軸になるように構成されるので、樹脂溜め部103の中心、錘10aの重心および可動電極部12の重心はz方向に関して同軸になっている。このため、樹脂溜め部103内に収容される樹脂105の影響で可動電極部12全体の重心位置がxy平面内でずれるのを、防止することができる。
(2) The center of the
(3)可動電極部12は、可動電極部12の櫛歯電極120の配列方向の中心部に、櫛歯電極120の配列方向と直交する方向に延在された中央帯部121を有し、錘10a、10bは、中央帯部121に沿って延在された帯状部を有し、樹脂溜め部103は、錘10a、10bの櫛歯電極120の配列方向と直交する方向の中心に対し対称に設けられている。このため、樹脂溜め部103内に収容される樹脂105により櫛歯電極120の配列方向と直交する方向の重心位置がずれることがない。
(3) The
(4)錘10a、10bは、可動電極部12を構成する材料より大きい比重の材料により形成されている。このため、錘10a、10bをより小さくすることができ、振動発電素子1の小型化を図ることができる。
(4) The
−第2の実施形態−
図10は、可動電極部と錘との接合構造の第2の実施形態を示す断面図である。
第2の実施形態では、錘10a、10bに形成される樹脂溜め部103aは、錘10aまたは錘10bを、厚さ方向(Z軸方向)に貫通する貫通孔として形成されている。
第2の実施形態において、錘10aと可動電極部12とを接合するには、錘10aの位置決め突起102を可動電極部12の位置決め用貫通孔123に嵌合して、液状の樹脂105aを樹脂溜め部103a内に注入し、その後、硬化して樹脂105にすればよい。また、錘10bと可動電極部12とを接合するには、錘10bの下面に樹脂漏れシートをあてがい、液状の樹脂105aを樹脂溜め部103a内に注入し、液状の樹脂105aを半硬化させた後、樹脂漏れシートを剥離して、可動電極部12に接着し、硬化して樹脂105にすればよい。
-Second embodiment-
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the joint structure of the movable electrode portion and the weight.
In the second embodiment, the
In the second embodiment, in order to join the
なお、上記では、錘10bと可動電極部12とを接合する場合、錘10bの下面に樹脂漏れシートをあてがう方法で例示したが、MEMS加工体を上下反転して、可動電極部12に固定された錘10bの樹脂溜め部103a内に液状の樹脂105aを注入するようにしてもよい。
In the above, when the
第2の実施形態においても、樹脂溜め部103の形状は、中心線L2および中心線L3(図5参照)に対して線対称に形成されており、xy面に平行な面内における錘10a、10bおよび可動電極部12aの重心の位置は、z方向に関して同軸である。
第2の実施形態における他の構成は、第1の実施形態と同様である。
従って、第2の実施形態においても、第1の実施形態の効果(1)〜(4)を奏する。
Also in the second embodiment, the shape of the
Other configurations in the second embodiment are similar to those in the first embodiment.
Therefore, also in the second embodiment, the effects (1) to (4) of the first embodiment are exhibited.
−第3の実施形態−
図11は、可動電極部と錘との接合構造の第3の実施形態を示し、可動電極部に錘を接合する前の状態を示す図であり、図12は、第3の実施形態における可動電極部と錘との接合構造を示す断面図である。
第3の実施形態では、樹脂溜め部103bを錘10a、10bに設けずに、可動電極部12aに設けた構造とされている。
樹脂溜め部103bは、可動電極部12aの中央帯部121の上面121aおよび下面121bに設けられている。
第1の実施形態と同様、一対の位置決め突起102は、同一形状を有し、各位置決め突起102の中心は、中心線L3上における中心線L2と対称な位置に配置されている。錘10aのx軸方向の中心線L2は、xy面において可動電極部12aのx軸方向の中心線と同一位置に配置されている。錘10aのy軸方向の中心線L3は、xy面において接続部114の突起114aを通り振動方向(x軸方向)に平行な直線であるラインL1と同一位置に配置されている。樹脂溜め部103bのy軸方向の中心は、位置決め用貫通孔123と同様、接続部114の突起114aを通り振動方向(x軸方向)に平行な直線であるラインL1上に配置されている。また、樹脂溜め部103bのx軸方向の中心は、可動電極部12aの中央帯部121のx軸方向の中心に配置されている。樹脂溜め部103bは、x軸方向の中心線およびy軸方向の中心線に対して線対称に形成されている。従って、錘10aのxy面に垂直な方向における重心の位置は、z方向に関して可動電極部12の重心位置と同軸である。
-Third embodiment-
FIG. 11 shows a third embodiment of the joining structure of the movable electrode portion and the weight, and is a diagram showing a state before joining the weight to the movable electrode portion, and FIG. 12 is a diagram showing a state before joining the weight to the movable electrode portion, and FIG. 12 shows the movable in the third embodiment. It is sectional drawing which shows the joint structure of an electrode part and a weight.
In the third embodiment, the
The
Similar to the first embodiment, the pair of positioning
錘10a、10bを可動電極部12aに接合する手順を以下に示す。
(1)錘10bの一対の位置決め突起102が形成された一面115aを上方に向け、ディスペンサー等により、該一面115a上に液状の樹脂105aを滴下する。液状の樹脂105aは、表面張力により球状に盛り上がった状態になる。
(2)可動電極部12の中央帯部121の下面121bを、錘10bの一面115aに対面させ、可動電極部12の位置決め用貫通孔123を錘10bの各位置決め突起102に嵌合する。これにより、錘10bの一面115aに付着している液状の樹脂105aが可動電極部12の樹脂溜め部103b内に収容され、錘10bが可動電極部12に接合される。
(3)錘10aの一対の位置決め突起102が形成された一面115aを上方に向け、ディスペンサー等により、該一面115a上に液状の樹脂105aを滴下する。液状の樹脂105aは、表面張力により球状に盛り上がった状態になる。
(4)MEMS加工体を上下反転し、可動電極部12の中央帯部121の上面121aを、錘10aの一面115aに対面させ、可動電極部12の位置決め用貫通孔123を錘10bの各位置決め突起102に嵌合する。これにより、錘10aの一面115aに付着している液状の樹脂105aが可動電極部12の樹脂溜め部103b内に収容され、錘10aが可動電極部12に接合される。
(5)MEMS加工体を上下反転すれば、図12に図示された錘10a、10bと可動電極部12の接合構造が得られる。
The procedure for joining the
(1) The one
(2) The
(3) The one
(4) The MEMS machined body is turned upside down so that the
(5) When the MEMS processed body is turned upside down, a joint structure of the
上記(1)〜(5)の手順によれば、錘10a、10bに液状の樹脂105aを滴下し、表面張力により液状の樹脂105aが球状に盛り上がった状態にして、錘10a、10bに付着している液状の樹脂105aを可動電極部12aの樹脂溜め部103b内に収容して接合する。可動電極部12aの樹脂溜め部103bに液状の樹脂105aを収容してから、錘10a、10bを可動電極部12に接着する方法もある。しかし、この方法の場合、液状の樹脂105aの量や、液状の樹脂105a内に発生するボイド等により、液状の樹脂105aと可動電極部12との接着面に空隙が生じ、十分な接着強度が得られない可能性がある。本実施形態では、錘10a、10bに、液状の樹脂105aを滴下し、表面張力により液状の樹脂105aが球状に盛り上がった状態にし、可動電極部12の樹脂溜め部103内に付着している液状の樹脂105aを収容して接合するようにした。つまり、液状の樹脂105aは、可動電極部12の接着面に密着した状態で樹脂溜め部103内に収容される。このため、可動電極部12の接着面との間に空隙が生じるのを防止することができる。
According to the procedures (1) to (5) above, the
なお、図12では、可動電極部12aの中央帯部121の上下両面に設けた樹脂溜め部103bをxy面において相対向する位置に配置した構造として例示した。しかし、可動電極部12aの中央帯部121の上下両面に設ける樹脂溜め部103bを、xy面において重ならないように異なる領域に配置してもよい。この場合、可動電極部12a一方の面に設ける樹脂溜め部103bをx軸方向の中心に配置し、可動電極部12aの他方の面に設ける樹脂溜め部103bを、一方の面に設ける樹脂溜め部103bのx軸正方向側およびx軸負方向側に、x軸方向の中心を対照軸とする対称位置に配置するとよい。このようにすると、可動電極部12aの厚さ(z軸方向の長さ)が小さい場合でも、樹脂溜め部103bを深くして十分な量の液状樹脂を充填することが可能となり、かつ、MEMS加工品のxy面における重心位置をずらさないようにすることができる。
Note that FIG. 12 illustrates a structure in which the
第3の実施形態のその他の構成は、第1の実施形態と同様である。
従って、第3の実施形態においても、第1の実施形態の効果(1)〜(4)を奏する。
また、第3の実施形態では、樹脂溜め部103は、錘10a、10bの可動電極部12に固定される面側に設けられた凹部であり、樹脂溜め部103に収容される樹脂105は、可動電極部12の上面に表面張力により盛り上がった状態で樹脂溜め部103に収容されて接合される。つまり、液状の樹脂105aは、可動電極部12の接着面に密着した状態で樹脂溜め部103内に収容される。このため、錘10a、10bと可動電極部12の接着面に空隙が生じるのを防止することができ、以って、錘10a、10bと可動電極部12との接合強度を高めることができるという効果を奏する。
Other configurations of the third embodiment are the same as those of the first embodiment.
Therefore, also in the third embodiment, the effects (1) to (4) of the first embodiment are exhibited.
Further, in the third embodiment, the
上記第1〜第3の実施形態では、錘10a、10bを、可動電極部12aの中央帯部121の形状に対応した帯状形状として例示した。しかし、錘10a、10bは、以下に示すような態様とすることができる。
In the first to third embodiments, the
[錘の変形例1]
図13は、錘の変形例1を示し、図13(a)は錘の平面図、図13(b)は図13(a)の中心線L5−L5に沿う断面図、図13(c)は図13(a)の中心線L4−L4に沿う断面図である。
図13に示す錘10cは、帯状部161と平板状部162とが一体成型された構造を有する。帯状部161は、第1〜第3の実施形態における錘10a、10bに相当する形状を有し、可動電極部12の中央帯部121に接合される。平板状部162は、平面視で矩形形状を有し、帯状部161より大きい面積を有する。平板状部162は、固定電極部111の櫛歯電極110および可動電極部12の櫛歯電極120の全体もしくは一部を覆う大きさを有する。
[Modification example 1 of weight]
13 shows a modified example 1 of the weight, FIG. 13 (a) is a plan view of the weight, FIG. 13 (b) is a cross-sectional view taken along the center line L5-L5 of FIG. 13 (a), and FIG. 13 (c). Is a cross-sectional view taken along the center line L4-L4 of FIG. 13 (a).
The
平板状部162のx軸方向の中心線は、xy面において帯状部161のx軸方向の中心線と一致している。つまり、帯状部161および平板状部162のx軸方向の中心線は、錘10cのx軸方向の中心線L4となっている。また、平板状部162のy軸方向の中心線は、xy面において帯状部161のy軸方向の中心線と一致している。つまり、帯状部161および平板状部162のx軸方向の中心線は、錘10cのy軸方向の軸方向の中心線L5となっている。錘10cのy軸方向の中心線L5は、接続部114の突起114aを通り振動方向(x軸方向)に平行な直線であるラインL1と、xy面において同一位置となっている。
The center line of the flat plate-shaped
錘10cの帯状部161には、一対の位置決め突起102と3つの樹脂溜め部103が形成されている。つまり、変形例1では、各樹脂溜め部103は複数の分割樹脂溜め部の1つとして構成されている。一対の位置決め突起102の中心および各樹脂溜め部103の中心は、中心線L5上に配置されている。一対の位置決め突起102の中心は、錘10cのx軸方向の中心線L4に対して対称位置に配置されている。各樹脂溜め部103の形状は、錘10cのx軸方向の中心線L4および錘10cのx軸方向の中心線L5に対して線対称に形成されている。
A pair of positioning
樹脂溜め部103は、図13では凹部として例示されている。しかし、樹脂溜め部103は、錘10cを厚さ方向に貫通する貫通孔としてもよい。また、樹脂溜め部103は、錘10cに設けず、可動電極部12に設ける態様とすることもできる。錘10cの平板状部162は、平面視で矩形形状として例示したが、錘10cのx軸方向の中心線L4およびy軸方向の中心線L5に対し対称形状であれば、他の多角形状としてもよい。
The
[錘の変形例2]
図14は、錘の変形例2を示し、図14(a)は錘の平面図、図14(b)は図14(a)の中心線L5−L5に沿う断面図、図14(c)は図14(a)の中心線L4−L4に沿う断面図である。
図14に示す錘10dは、帯状部161aと平板状部162aとが一体成型された構造を有する。帯状部161aは、第1〜第3の実施形態における錘10a、10bに相当する形状を有し、可動電極部12の中央帯部121に接合される。平板状部162aは、平面視で円形状を有し、帯状部161aより大きい面積を有する。平板状部162aは、固定電極部111の櫛歯電極110および可動電極部12の櫛歯電極120の全体もしくは一部を覆う大きさを有する。
[Modification example 2 of weight]
14 shows a modified example 2 of the weight, FIG. 14 (a) is a plan view of the weight, FIG. 14 (b) is a cross-sectional view taken along the center line L5-L5 of FIG. 14 (a), and FIG. 14 (c). Is a cross-sectional view taken along the center line L4-L4 of FIG. 14 (a).
The
平板状部162aのx軸方向の中心線は、xy面において帯状部161aのx軸方向の中心線と一致している。つまり、帯状部161aおよび平板状部162aのx軸方向の中心線は、錘10dのx軸方向の中心線L4となっている。また、平板状部162aのy軸方向の中心線は、xy面において帯状部161aのy軸方向の中心線と一致している。つまり、帯状部161aおよび平板状部162aのx軸方向の中心線は、錘10dのy軸方向の軸方向の中心線L5となっている。錘10dのy軸方向の中心線L5は、接続部114の突起114aを通り振動方向(x軸方向)に平行な直線であるラインL1と、xy面において同一位置となっている。
The center line of the flat plate-shaped
錘10dの帯状部161aには、一対の位置決め突起102と1つの樹脂溜め部103が形成されている。一対の位置決め突起102の中心および各樹脂溜め部103の中心は、中心線L5上に配置されている。一対の位置決め突起102の中心は、錘10dのx軸方向の中心線L4に対して対称位置に配置されている。また、樹脂溜め部103の形状は、錘10cのx軸方向の中心線L4およびy軸方向の中心線L5に対して線対称に設けられている。
A pair of positioning
樹脂溜め部103は、図14では凹部として例示されている。しかし、樹脂溜め部103は、錘10dを厚さ方向に貫通する貫通孔としてもよい。また、樹脂溜め部103は、錘10dに設けず、可動電極部12に設ける態様とすることもできる。
The
[錘の変形例3]
図15は、錘の変形例3を示し、図15(a)は錘の平面図、図15(b)は図15(a)の中心線L5−L5に沿う断面図、図15(c)は図15(a)の中心線L4−L4に沿う断面図である。
図15に示す錘10eは、帯状部161bと平板状部162bとが一体成型された構造を有する。帯状部161bは、第1〜第3の実施形態における錘10a、10bに相当する形状を有し、可動電極部12の中央帯部121に接合される。平板状部162bは、平面視で矩形の枠形状を有し、帯状部161bより大きい面積を有する。平板状部162bは、固定電極部111の櫛歯電極110および可動電極部12の櫛歯電極120の一部を覆う大きさを有する。
[Modification example 3 of weight]
15 shows a modified example 3 of the weight, FIG. 15 (a) is a plan view of the weight, FIG. 15 (b) is a cross-sectional view taken along the center line L5-L5 of FIG. 15 (a), and FIG. 15 (c). Is a cross-sectional view taken along the center line L4-L4 of FIG. 15 (a).
The
平板状部162bのx軸方向の中心線は、xy面において帯状部161bのx軸方向の中心線と一致している。つまり、帯状部161bおよび平板状部162bのx軸方向の中心線は、錘10eのx軸方向の中心線L4となっている。また、平板状部162bのy軸方向の中心線は、xy面において帯状部161bのy軸方向の中心線と一致している。つまり、帯状部161bおよび平板状部162bのx軸方向の中心線は、錘10eのy軸方向の軸方向の中心線L5となっている。錘10eのy軸方向の中心線L5は、接続部114の突起114aを通り振動方向(x軸方向)に平行な直線であるラインL1と、xy面において同一位置となっている。
The center line of the flat plate-shaped
錘10eの帯状部161bには、一対の位置決め突起102と1つの樹脂溜め部103が形成されている。一対の位置決め突起102の中心および各樹脂溜め部103の中心は、中心線L5上に配置されている。一対の位置決め突起102の中心は、錘10eのx軸方向の中心線L4に対して対称位置に配置されている。また、樹脂溜め部103の形状は、錘10eのx軸方向の中心線L4およびy軸方向の中心線L5に対して線対称に設けられている。
A pair of positioning
樹脂溜め部103は、図15では凹部として例示されている。しかし、樹脂溜め部103は、錘10eを厚さ方向に貫通する貫通孔としてもよい。また、樹脂溜め部103は、錘10dに設けず、可動電極部12に設ける態様とすることもできる。
上記錘10a、10bの変形例1〜3として例示する錘10c〜10eは、帯状部161、161a、161bに平板状部162、162a、162bを一体的に設けた構造とされている。このため、錘10c〜10eの質量を錘10a、10bより大きくすることができ、振動発電素子1の発電効率を大きくすることができる。
The
The
なお、上述した実施の形態では、SOI基板により振動発電素子1を形成したが、シリコン基板を用いても良い。シリコン基板を用いる場合、例えば、導電率の小さな真性のシリコン基板の表面から所定厚さの領域にドーピングによりP型またはN型の導電層を形成し、導電層の下部の真性なシリコン層に固定部11を形成し、導電層に固定電極部111、可動電極部12、弾性支持部13を形成すれば良い。
In the above-described embodiment, the vibration power generation element 1 is formed by the SOI substrate, but a silicon substrate may be used. When a silicon substrate is used, for example, a P-type or N-type conductive layer is formed by doping from the surface of an intrinsic silicon substrate having a small conductivity to a region having a predetermined thickness and fixed to the intrinsic silicon layer below the conductive layer. The
また、上述した振動発電素子1では、可動電極部12が櫛歯電極110、120の伸延方向(図1のx軸方向)に振動するような構成であったが、例えば、特許6338071号公報に記載の振動発電素子のように複数の櫛歯電極110が並置されている方向(図1のy軸方向)に振動するような構成であっても本発明は適用が可能である。
Further, in the vibration power generation element 1 described above, the
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。上述した種々の実施の形態および変形例を組み合わせたり、適宜、変更を加えたりしてもよく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. Various embodiments and modifications described above may be combined or modified as appropriate, and other aspects considered within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention.
1 振動発電素子
10a〜10e 錘
12、12a 可動電極部
12a 可動電極部
102 位置決め突起
103、103a、103b 樹脂溜め部
105 樹脂
105a 液状の樹脂
110 櫛歯電極
111 固定電極部
120 櫛歯電極
121 中央帯部
123 位置決め用貫通孔
161、161a、161b 帯状部
162、162a、162b 平板状部
L1 接続部114の突起114aを通り振動方向(x軸方向)に平行なライン
L2〜L5 中心線
1 Vibration
Claims (9)
複数の櫛歯電極を有する可動電極部と、
前記可動電極部に固定される錘と、
前記錘または前記可動電極部に設けられ、前記錘を前記可動電極部に固定する樹脂を収容する樹脂溜め部とを備え、
前記樹脂溜め部の壁面の少なくとも一部は、前記可動電極部または前記錘に接する端部に向かって外向きに傾斜する振動発電素子。 A fixed electrode part with multiple comb tooth electrodes and
A movable electrode part having multiple comb tooth electrodes and
A weight fixed to the movable electrode portion and
A resin reservoir provided on the weight or the movable electrode portion and accommodating a resin for fixing the weight to the movable electrode portion is provided.
A vibration power generation element in which at least a part of the wall surface of the resin reservoir portion is inclined outward toward the movable electrode portion or the end portion in contact with the weight.
前記樹脂溜め部の中心は、前記錘の重心と前記可動電極部の重心とを通る直線上に設定されている振動発電素子。 In the vibration power generation element according to claim 1,
The center of the resin reservoir is a vibration power generation element set on a straight line passing through the center of gravity of the weight and the center of gravity of the movable electrode.
前記樹脂溜め部に収容される前記樹脂は、前記錘または前記可動電極部の上面に表面張力により盛り上がった状態で前記樹脂溜め部に収容される振動発電素子。 In the vibration power generation element according to claim 1,
The resin housed in the resin storage part is a vibration power generation element housed in the resin storage part in a state of being raised by surface tension on the upper surface of the weight or the movable electrode part.
前記樹脂溜め部は、前記錘の前記可動電極部に固定される面側に設けられた凹部である、振動発電素子。 In the vibration power generation element according to claim 3,
The resin reservoir is a vibration power generation element which is a recess provided on the surface side of the weight fixed to the movable electrode portion.
前記樹脂溜め部は、前記可動電極部の前記錘が固定される面側に設けられた凹部である、振動発電素子。 In the vibration power generation element according to claim 3,
The resin reservoir is a vibration power generation element which is a recess provided on the surface side of the movable electrode portion on which the weight is fixed.
前記樹脂溜め部は、前記錘を厚さ方向に貫通する貫通孔である、振動発電素子。 In the vibration power generation element according to claim 1,
The resin reservoir is a vibration power generation element that is a through hole that penetrates the weight in the thickness direction.
前記可動電極部は、前記可動電極部の前記櫛歯電極の配列方向の中心部に、前記櫛歯電極の配列方向と直交する方向に延在された中央帯部を有し、前記錘は、前記中央帯部に沿って延在された帯状部を有し、前記樹脂溜め部は、前記錘の前記櫛歯電極の配列方向と直交する方向の中心に対して対称に設けられている振動発電素子。 In the vibration power generation element according to any one of claims 1 to 6.
The movable electrode portion has a central band portion extending in a direction orthogonal to the arrangement direction of the comb tooth electrodes at the center of the movable electrode portion in the arrangement direction of the comb tooth electrodes, and the weight has a weight. A vibration power generator having a band-shaped portion extending along the central band portion, and the resin reservoir portion being provided symmetrically with respect to the center in a direction orthogonal to the arrangement direction of the comb tooth electrodes of the weight. element.
前記錘は、前記帯状部に一体的に設けられ、少なくとも前記固定電極部の前記櫛歯電極および前記可動電極部の前記櫛歯電極の一部を覆う平板状部を有する振動発電素子。 In the vibration power generation element according to claim 7.
The weight is a vibration power generation element that is integrally provided on the strip-shaped portion and has at least a flat plate-shaped portion that covers a part of the comb-tooth electrode of the fixed electrode portion and the comb-tooth electrode of the movable electrode portion.
前記錘は、前記可動電極部を構成する材料より大きい比重の材料により形成されている振動発電素子。 In the vibration power generation element according to any one of claims 1 to 8.
The weight is a vibration power generation element formed of a material having a specific gravity larger than that of the material constituting the movable electrode portion.
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