JP7015770B2 - 振動発電素子および振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動発電素子および振動発電装置に関する。

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電極部に対して櫛歯電極が形成された可動電極部を振動させることで発電を行うようにしている。特許文献１に記載の振動発電素子では、可動電極部上に別途形成された錘を装着する構造を採用している。

特許６３３８０７１号公報

ところで、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電極部の質量をより大きくすることが重要である。振動発電素子は空気の影響を避けるため真空パッケージ内に封止されるので、真空パッケージの大きさの制約から可動電極部上に配置される錘の高さを低く抑える必要があった。

本発明の第１の態様による振動発電素子は、平板状の錘装着部および前記錘装着部の側方に形成される複数の櫛歯電極を有する可動電極部と、前記可動電極部の複数の櫛歯電極に相対する複数の櫛歯電極を有する固定電極部と、前記可動電極部を弾性支持する支持部と、前記錘装着部に固定される錘とを備え、前記錘には、前記錘装着部に対向する対向部と、前記対向部の側方に一体に形成され前記錘装着部が対向しない領域まで伸延する伸延部とが設けられている。
本発明の第２の態様による振動発電装置は、前記振動発電素子と、前記振動発電素子を真空封止する筐体とを備える。

本発明によれば、振動発電素子の発電効率の向上を図ることができる。

図１は、真空パッケージに封入された振動発電素子を示す図である。 図２は、振動発電素子の各部の構成を示す図である。 図３は、図１のＢ－Ｂ断面図である。 図４は、錘の形状を示す図である。 図５は、錘の他の形状を示す図である。 図６は、錘の他の形状を示す図である。 図７は、図６に示す錘が装着された振動発電素子を示す図である。 図８は、振動平面内における重心位置のずれを説明する図である。 図９は、振動平面に垂直な方向の位置ずれを説明する図である。 図１０は、錘の錘装着部への装着手順を示す図である。 図１１は、振動発電素子のＭＥＭＳ加工体の形成手順の一例を示す図である。 図１２は、ＭＥＭＳ加工体の形成手順の図１１に続く工程を示す図である。 図１３は、位置決めピンを取り去らない構成を説明する図である。 図１４は、位置決め機構の変形例を示す図である。 図１５は、位置決め機構の他の変形例を示す図である。 図１６は、図６に示した錘の他の形状を示す図である。

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。

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。

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にも、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。固定電極部１１１には電極パッド１１２が形成されている。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。

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ＳｉＯ_２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。

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、錘１０ａ，１０ｂが装着される錘装着部１２ａと、錘装着部１２ａからｙ軸方向に延びる一対の櫛歯形成部１２ｂと備えている。錘装着部１２ａ上の一点鎖線１２３で示す領域（以下では、固着面１２３と呼ぶことにする）は錘１０ａ，１０ｂが固着される面であり、固着面１２３は錘装着部１２ａの表裏両面に形成されている。固着面１２３には、錘１０ａ，１０ｂを装着する際の位置決め用に使用される貫通孔１２２が形成されている。図２（ａ）に示す例では、貫通孔１２２は２つ形成されている。錘装着部１２ａの四隅は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。

各櫛歯形成部１２ｂには、ｘ軸正方向に伸延する複数の櫛歯電極１２０とｘ軸負方向に伸延する複数の櫛歯電極１２０とが、ｙ軸方向に複数形成されている。固定電極部１１１は４組設けられており、各固定電極部１１１は、櫛歯形成部１２ｂの片側に並んだ複数の櫛歯電極１２０に対向するようにそれぞれ配置されている。各固定電極部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おり、櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０とは、隙間を介して互いに噛合するように配置されている。

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。

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。

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。

図１のＢ－Ｂ断面図である図３に示すように、錘装着部１２ａの表裏両面には、断面形状がＴ字形状の錘１０ａ，１０ｂが固定されている。錘１０ａ，１０ｂは、櫛歯形成部１２ｂに形成されている櫛歯電極１２０の上方にまで伸延している。図４は、錘１０ａの形状を示す図である。図４（ａ）は錘１０ａを錘装着部１２ａ側から見た図であり、図４（ｂ）はＣ１－Ｃ１断面図である。錘１０ａには、錘装着部１２ａに対向する領域である対向部１０４と、対向部１０４の側方に一体に形成され錘装着部１２ａが対向しない領域まで伸延する伸延部１０６とが設けられている。対向部１０４と伸延部１０６との段差ｈは、伸延部１０６が櫛歯電極１１０，１２０と接触しない程度、例えば、０．１ｍｍ程度に設定される。対向部１０４には位置決め用の貫通孔１００が２つ形成されている。なお、錘１０ｂも錘１０ａと同一形状に構成されている。

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。櫛歯電極１１０，１２０の数が多ければ多いほど発電量が大きくなるので、可動電極部１２において錘１０ａ，１０ｂが装着される錘装着部１２ａの面積は小さくなる傾向があり、例えば、錘装着部１２ａの幅寸法は１～２ｍｍ程度と小さなものになる。錘装着部１２ａと上蓋３との間の錘１０ａが配置できる空間には限りがあり、図１のように上蓋３の近傍まで錘１０ａの高さを設定しても、錘１０ａに要求される質量を満たすことができない場合が多い。そこで、本実施の形態では、図１，３，４に示すように錘１０ａ，１０ｂの伸延部１０６を櫛歯電極１１０、１２０の上方にまで伸延させることで、錘１０ａ，１０ｂの体積すなわち質量を必要十分な大きさとするようにした。

図５，６は錘１０ａの他の形状を示す図である。図５では、伸延部１０６が半円状に形成されている。図６では、枠形状の伸延部１０６が形成されている。図６において、（ａ）は錘装着部１２ａの側から見た平面図であり、（ｂ）はＣ３－Ｃ３断面図である。図６（ａ）でハッチングを施した部分は、可動電極部１２の錘装着部１２ａに対向する対向部１０４である。対向部１０４から側方（ｘ方向およびｙ方向）に伸延する部分（ハッチングが施されていない部分）が伸延部１０６である。図６(ｂ)に示すように、対向部１０４には高さｈの段差部１０４ａが形成されている。この段差部１０４ａが錘装着部１２ａに固定される。なお、図６（ｂ）において、符号１０４、１０６はＣ３－Ｃ３断面における対向部１０４の範囲および伸延部１０６の範囲を示す。

図７は、図６の錘１０ａが装着された振動発電素子１を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＤ－Ｄ断面図である。枠形状の伸延部１０６は錘装着部１２ａが対向しない領域の内、すなわち錘装着部１２ａの側方領域の内、複数の櫛歯電極１１０，１２０に対向する側方領域を除く他の側方領域に伸延している。伸延部１０６は弾性支持部１３および固定部１１の上方に配置されている。そのため、可動電極部１２に錘１０ａを装着した後においても、伸延部１０６の開口部から櫛歯電極１１０，１２０の状況を確認することができる。例えば、櫛歯電極１１０，１２０にゴミの付着が観察された場合には、レーザー照射によりゴミを燃焼させることでゴミを取り除くことができる。

なお、図７に示す例では、枠形状の伸延部１０６が固定部１１の上方に配置されているので、図７（ｂ）からも判るようにパッケージ２に干渉し錘装着部１２ａの裏面側には装着ができない。もちろん、伸延部１０６の大きさをパッケージ２に干渉しない大きさとすれば、枠形状であっても錘装着部１２ａの表裏両面に装着することができる。その場合、表面側の錘１０ａと裏面側の錘１０ｂは、質量が等しく、錘装着部１２ａの固着面からの重心の高さも等しくなるように構成される。そのように裏面側にも表面側と同じ質量の錘を設けることにより、後述するような錘の重心位置Ｇのｚ方向の位置ずれを防止でき、振動発電素子１の信頼性向上が図れる。

図６に示す例では、錘装着部１２ａに固定される段差部１０４ａのｘ方向の長さが錘装着部１２ａのｘ方向の長さよりも小さい場合を示したが、図１６に示すように段差部１０４ａの長さの方が大きくなるように設定しても良い。図１６において、（ａ）は錘装着部１２ａの側から見た平面図であり、（ｂ）はＣ４－Ｃ４断面図である。図１６（ｂ）の場合も、符号１０４、１０６はＣ４－Ｃ４断面における対向部１０４の範囲および伸延部１０６の範囲を示す。図１６（ａ）の段差部１０４ａが形成されている部分の内、両端領域を除くハッチングを施した部分が対向部１０４を構成している。その他のハッチングが施されていない部分は、符号Ｒで示す領域も含めて、対向部１０４の側方（ｘ方向およびｙ方向）に一体に形成され錘装着部１２ａが対向しない領域まで伸延する伸延部１０６を構成している。

上述のように、別に形成された錘１０ａ，１０ｂを錘装着部１２ａに装着する構成の場合、錘装着部１２ａ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８および図９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８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９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。

図８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８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。なお、図７に示す例のように錘１０ａ，１０ｂの一方を装着した場合においても同様の議論が成り立つ。図８（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８（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。錘装着部１２ａが接続部１１４の突起１１４ａに衝突すると突起１１４ａから錘装着部１２ａ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、錘装着部１２ａをｘｙ面内で傾けるようなモーメントは発生しない。

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。

一方、図８（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、錘装着部１２ａ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錘装着部１２ａを矢印のように傾けるようなモーメントが作用し、錘装着部１２ａ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。

振動平面に垂直な方向の位置ずれを説明する図９は、図８（ａ）のラインＬ１に沿ったｘｚ断面を示したものである。図９は衝突時の状態を示す図であって、図９（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９（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。

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の錘装着部１２ａ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、錘装着部１２ａ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。

ただし、錘１０ａ，１０ｂの形状が互いに異なる等の理由で、図９（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、錘装着部１２ａに対する錘１０ａ，１０ｂのｘｙ方向の位置決めが適正であっても、錘装着部１２ａが接続部１１４の突起１１４ａに衝突した際に錘装着部１２ａ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。

本実施の形態では、錘装着部１２ａに対して錘１０ａ，１０ｂを予め設定した適正なｘｙ位置に位置決めするための位置決め機構として、錘装着部１２ａおよび錘１０ａ，１０ｂに位置決めピン用の貫通孔１２２，１００（図１参照）を形成するようにした。また、図１（ｂ）のように可動電極部１２の表裏両面に錘１０ａ，１０ｂを装着する場合には、ｚ方向の重心位置ＧのラインＬ１からのずれを防止するために、錘１０ａ，１０ｂの重心位置Ｇ１，Ｇ１の錘装着部１２ａからの高さが等しくなるように設定する。すなわち、重心位置Ｇ１，Ｇ１が錘装着部１２ａに対して対称な位置となり、合計質量の重心位置ＧがラインＬ１上となるように、錘１０ａ，１０ｂを設定する。

錘１０ａ，１０ｂは同一材料で同一の形状で作成するのが好ましいが、表裏面の一対の錘１０ａ，１０ｂの質量が同一であり、錘１０ａ，１０ｂの重心位置Ｇ１，Ｇ２の各固着面からの高さが等しければ、材質、形状は異なっていても良い。

図１０は、錘１０ａ，１０ｂの錘装着部１２ａへの装着手順を示す図である。本実施形態では、錘１０ａ，１０ｂは、接着剤を用いて錘装着部１２ａへ固着される。図１０（ａ）の工程では、錘１０ｂの固着面１０１に接着剤１０２をディスペンサにより点付けし、錘１０ｂの貫通孔１００の位置と錘装着部１２ａの貫通孔１２２の位置がほぼ一致するように、錘装着部１２ａの真上から貫通孔１００、１２２の位置を目視で確認しながら、錘１０ｂの上に図２（ａ）に示した振動発電素子１のＭＥＭＳ加工体を載置する。

図１０（ｂ）の工程では、錘装着部１２ａの貫通孔１２２および錘１０ｂの貫通孔１００とに位置決めピン１０３を通して、錘装着部１２ａと錘１０ｂとを正確に位置決めした後に、錘装着部１２ａの固着面１２３上に錘１０ａを固着する。この場合も、錘装着部１２ａの固着面１２３に接着剤１０２をディスペンサにより点付けし、位置決めピン１０３の位置と錘１０ａの貫通孔１００の位置とを目視で確認しながら、錘装着部１２ａの固着面１２３上に錘１０ａを載置する。その後、図１０（ｃ）に示す状態を保持して、錘１０ａ，１０ｂの位置ずれを防止しつつ接着剤１０２を固化させる。接着剤１０２が固化したならば、位置決めピン１０３は抜き取る。以上のような手順で錘装着部１２ａへの錘１０ａ，１０ｂの装着が完了し、その後、錘１０ａ，１０ｂが装着された振動発電素子１は、ダイボンド工程においてパッケージ２内に固定される。

図１１および図１２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１１および図１２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。

図１１（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ＳｉＯ_２のボックス層３０２とＳｉの活性層３０３とから成る。図１１（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１１（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。

図１１（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。このエッチング加工において、錘装着部１２ａの貫通孔１２２も同時に形成される。図１１（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。

図１２（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１２（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ＳｉＯ_２のＢＯＸ層を強フッ酸により除去する。図１２（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１２（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１２（ｄ）に示す領域の外に形成されるので、図１２（ｄ）には表示されていない。

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。

前述したように、錘装着部１２ａの固着面１２３の幅寸法は１～２ｍｍ程度と小さなものになる。一方、固着面１２３の部分には静電力が加わるので、貫通孔１２２が大きいと残りの部分の寸法が小さくなって変形するおそれがある。そのため、貫通孔１００，１２２は０．３～０．５ｍｍ程度が限度となる。

なお、上述した実施の形態では、錘１０ａ，１０ｂを錘装着部１２ａに固着した後に位置決めピン１０３を取り去る構成としたが、図１３（ａ）のように位置決めピン１０３を残したままとしても良い。この場合、位置決めピン１０３は接着剤によって貫通孔１００、１２２内に固着されるような構成とする。また、図１３（ｂ）に示すように貫通孔１００に代えて非貫通の穴１０５を錘１０ａ，１０ｂに形成し、穴１０５と貫通孔１２２で形成される空間内に位置決めピン１０３を封入する構成としても良い。この場合も、位置決めピン１０３が上下に移動しないように接着剤によって錘１０ａ，１０ｂや錘装着部１２ａに固着される。

（変形例）
図１４，１５は、位置決め機構の変形例を示す図である。上述した実施の形態では、位置決めピンを錘１０ａ，１０ｂと錘装着部１２ａに形成された貫通孔１２２に通すことにより、錘装着部１２ａに対して錘１０ａ，１０ｂを位置決めした。一方、図１４（ａ），（ｂ）に示す変形例では、錘装着部１２ａの固着面１２３に形成された貫通孔１２３ａに錘１０ａ，１０ｂの固着面１０１に形成された凸部１０１ａを係合させることにより、錘１０ａ，１０ｂの位置決めを行うようにした。

錘１０ａ，１０ｂの装着の順序はピン位置決め構造の場合と同じで、最初に、図１４（ａ）に示すように下側の錘１０ｂの上に錘装着部１２ａを載置するように接着する。このとき、錘１０ｂの凸部１０１ａを錘装着部１２ａの貫通孔１２３ａに係合させることで、錘１０ｂの位置決めが行われる。次いで、図１４（ｂ）に示すように、錘１０ａを錘装着部１２ａに載置するように接着する。このとき、錘１０ａの凸部１０１ａを錘装着部１２ａの貫通孔１２３ａに係合させることで、錘１０ａの位置決めが行われる。

凸部１０１ａおよび貫通孔１２３ａは種々の形状が可能であり、図１５は凸部形状の代表的な例を示したものである。図示は省略するが、錘装着部１２ａの貫通孔１２３ａは、係合する凸部１０１ａの形状に対応する同一横断面形状の貫通孔となる。図１５（ａ）は、図１４（ａ），（ｂ）に示した凸部１０１ａの断面形状である。凸部１０１ａは、ｘｙ平面で断面した断面形状が円形の柱状体である。凸部１０１ａの断面形状が円形の場合、重心位置Ｇが設定位置からずれないように位置決めするためには、凸部１０１ａを２以上設ける必要がある。ただし、図５に示すように伸延部１０６が円板状であってその中心位置に重心がある場合は、凸部１０１ａが貫通孔１２３ａに対して回転ずれしても重心位置は変化しないので、凸部１０１ａは一つでも良い。

図１５（ｂ），（ｃ）は、凸部１０１ａをｘｙ平面で断面した断面形状が四角形の場合を示す。図１５（ｂ）の場合の断面形状は長辺が固着面１０１の長手方向に沿った長方形であり、図１５（ｃ）の場合の断面形状は長い方の固着面１０１の長手方向に沿った菱形である。図１５（ｂ），（ｃ）では断面形状が四角形であったが、四角形に限らず断面形状が多角形や楕円の場合には、凸部１０１ａを中心とする回転ずれを阻止できる。そのため、係合する凹凸部が一組であっても、重心位置Ｇがずれないように位置決めすることができる。

なお、図１４に示す例では、可動電極部１２の表裏両面に貫通孔１２３ａを形成したが、貫通孔に代えて凹部を形成し、その凹部に錘１０ａ，１０ｂの凸部１０１ａを係合させるようにしても良い。

上述した実施形態、変形例で説明した振動発電素子１をまとめて説明すると以下のとおりである。
（１）振動発電素子１は、平板状の錘装着部１２ａおよびその錘装着部１２ａの側方に形成される複数の櫛歯電極１２０を有する可動電極部１２と、可動電極部１２の複数の櫛歯電極１２０に相対する複数の櫛歯電極１１０を有する固定電極部１１１と、可動電極部１２を弾性支持する弾性支持部１３と、錘装着部１２ａに固定される錘１０ａ，１０ｂとを備え、錘１０ａ，１０ｂには、例えば図４に示すように、錘装着部１２ａに対向する対向部１０４と、対向部１０４の側方に一体に形成され錘装着部１２ａが対向しない領域まで伸延する伸延部１０６とが設けられている。このように、対向部１０４の側方の隙間空間に伸延部１０６を伸延させて隙間空間を有効利用することで、より重い錘１０ａ，１０ｂを錘装着部１２ａに固定することができ、振動発電素子の発電効率の向上を図ることができる。また、錘１０ａ，１０ｂを可動電極部１２に固定する構成であるため、可動電極部１２の形状や材料に制限されることなく比重および体積の大きな錘１０ａ，１０ｂを構成することができる。

また、錘装着部１２ａの表面側に装着される錘１０ａと錘装着部１２ａの裏面側に装着される錘１０ｂとを備える場合、錘１０ａと錘１０ｂは、質量が等しく、錘装着部１２ａの固着面からの重心の高さも等しくなるように構成するのが良い。好ましくは、図１，３に示すように、錘１０ａ，１０ｂの各々には、錘装着部１２ａに対向する対向部１０４と対向部１０４から側方に伸延する伸延部１０６とがそれぞれ形成される。

（２）伸延部１０６は、図１のように複数の櫛歯電極１１０，１２０の少なくとも一部と隙間を介して対向配置されるようにしても良いし、図７のように、伸延部１０６を対向部１０４の側方領域の内、複数の櫛歯電極１１０，１２０が対向する側方領域を除く他の側方領域に伸延するようにしても良い。

（３）また、錘１０ａ，１０ｂを、可動電極部１２を構成する材料よりも比重の大きい材料で形成することにより、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）振動発電素子１は、振動する可動電極部１２に当接して可動電極部１２の振動を制限する接続部１１４と、接続部１１４の当接箇所を通って振動方向に平行なラインＬ１の上に、錘１０ａ，１０ｂの重心位置Ｇを位置決めする位置決め機構を備える。そのように位置決めすることにより、重心位置Ｇを通る振動方向に平行なラインに関して弾性支持部１３の配置が対称となり、振動方向がｙ方向にぶれるような不自然な振動が発生するのを防止することができる。また、可動電極部１２が接続部１１４に当接したときに、可動電極部１２をｘｙ面内で傾けるようなモーメントが発生せず、ビーム１３ｂに意図しない変形が生じるのを防止することができる。

位置決め機構としては、図１０に示すように、錘１０ａ，１０ｂを錘装着部１２ａに位置決めするための位置決めピン用ピン孔である貫通孔１００、１２２を、錘１０ａ，１０ｂおよび錘装着部１２ａに形成しても良いし、図１４に示すように錘装着部１２ａに貫通孔１２３ａを形成し、その貫通孔１２３ａに錘１０ａ，１０ｂに形成された凸部１０１ａを係合させるようにしても良い。いずれの場合も、重心位置Ｇがずれないように錘１０ａ，１０ｂを位置決めすることができる。

（５）図９（ａ）に示すように、錘１０ａの重心位置Ｇ１と錘１０ｂの重心位置Ｇ２とが錘装着部１２ａに関して対称な位置にあるのが好ましい。そのように構成することで、可動電極部１２が接続部１１４の突起１１４ａと衝突した際に、図９（ｂ）に示すような錘装着部１２ａをｘｚ面内で傾けるようなモーメントの発生を防止することができる。

（６）上述した実施の形態では、振動発電素子１はパッケージ２と上蓋３とからなる筐体の内部に配置され、振動発電素子１が配置された筐体内は真空状態とされる。すなわち、振動発電素子１は真空封止されるので、振動発電素子１の振動に対する空気の粘性抵抗の影響を排除することができ、より高効率な振動発電素子を得ることができる。

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。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。

例えば、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。

また、上述したように、本発明は、可動電極部１２の表裏両面に錘１０ａ，１０ｂを装着する構成の場合にも、表裏両面のいずれか一方に錘を装着する構成の場合にも適用することができる。

さらにまた、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。

１…振動発電素子、２…パッケージ、１０ａ，１０ｂ…錘、１１…固定部、１２…可動電極部、１２ａ…錘装着部、１２ｂ…櫛歯形成部、１３…弾性支持部、１００，１２２，１２３ａ…貫通孔、１０１ａ…凸部、１０２…接着剤、１０３…位置決めピン、１０４…対向部、１０６…伸延部、１１０，１２０…櫛歯電極、１１１…固定電極部、１１４…接続部、１１４ａ…突起、１２３…固着面、Ｇ，Ｇ１，Ｇ２…重心位置

Claims (7)

1. 平板状の錘装着部および前記錘装着部の側方に形成される複数の櫛歯電極を有する可動電極部と、
   前記可動電極部の複数の櫛歯電極に相対する複数の櫛歯電極を有する固定電極部と、
   前記可動電極部を弾性支持する支持部と、
   前記錘装着部に固定される錘とを備え、
   前記錘には、前記錘装着部に対向する対向部と、前記対向部の側方に一体に形成され前記錘装着部が対向しない領域まで伸延する伸延部とが設けられ、
   前記伸延部は、前記可動電極部および前記固定電極部の複数の櫛歯電極の少なくとも一部と隙間を介して対向配置され、
   振動する前記可動電極部に当接して前記可動電極部の振動を制限する制限部と、
   前記制限部の当接箇所を通って振動方向に平行なラインの上に、前記錘の重心位置を位置決めする位置決め機構とを備える、振動発電素子。
2. 平板状の錘装着部および前記錘装着部の側方に形成される複数の櫛歯電極を有する可動電極部と、
   前記可動電極部の複数の櫛歯電極に相対する複数の櫛歯電極を有する固定電極部と、
   前記可動電極部を弾性支持する支持部と、
   前記錘装着部に固定される錘とを備え、
   前記錘には、前記錘装着部に対向する対向部と、前記対向部の側方に一体に形成され前記錘装着部が対向しない領域まで伸延する伸延部とが設けられ、
   前記伸延部は、前記対向部の側方領域の内、前記可動電極部および前記固定電極部の複数の櫛歯電極が対向する側方領域を除く他の側方領域に伸延する、振動発電素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動発電素子において、
   前記錘は前記可動電極部を構成する材料よりも比重の大きい材料で形成されている、振動発電素子。
4. 請求項２に記載の振動発電素子において、
   振動する前記可動電極部に当接して前記可動電極部の振動を制限する制限部と、
   前記制限部の当接箇所を通って振動方向に平行なラインの上に、前記錘の重心位置を位置決めする位置決め機構とを備える、振動発電素子。
5. 請求項１に記載の振動発電素子において、
   前記錘は、前記錘装着部の表面側に装着される第１の錘と前記錘装着部の裏面側に装着される第２の錘とから成り、
   前記第１および第２の錘の各々には、前記錘装着部に対向する対向部と前記対向部から側方に伸延する伸延部とがそれぞれ形成されている、振動発電素子。
6. 請求項５に記載の振動発電素子において、
   前記第１の錘の重心位置と前記第２の錘の重心位置とが前記錘装着部に関して対称な位置にある、振動発電素子。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の振動発電素子と、
   前記振動発電素子を真空封止する筐体とを備える、振動発電装置。

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