JP7128493B2 - 振動発電素子 - Google Patents

Description

本発明は、振動発電素子に関する。

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、３層構造のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の一つの層に、固定部、可動部、可動部を弾性支持する支持梁部を形成し、固定部に対して可動部が振動したときに静電容量の変化を利用して発電を行っている。

日本国特許第６３３８０７０号公報

ところで、振動発電素子の大型化を抑えつつ発電量増大を図る方法の一つとしては、振動発電素子における固定部および可動部の面積の割合を大きくして静電容量の変化の増大を図る方法がある。しかしながら、特許文献１に記載の振動発電素子では、支持梁部の配置面積が必要なため、支持梁部が固定部および可動部の面積割合の増大を阻害する要因となっていた。その結果、支持梁部の分だけ振動発電素子が大型化するという課題があった。

本発明の第１の態様によると、振動発電素子は、絶縁層を介して第１層と第２層とが設けられた基板の前記第２層に形成される固定電極部および可動電極部と、前記絶縁層を介して設けられた前記第１層と前記第２層とで形成され、前記第２層において前記固定電極部を支持する枠体と、前記第１層に形成され、前記枠体の前記第１層に連結される梁部により前記可動電極部を弾性的に支持する弾性支持部と、前記可動電極部と前記弾性支持部とを電気的に接続する第１導通部とを備える。
本発明の第２の態様によると、第１の態様による振動発電素子において、前記第１導通部は前記可動電極部と連続する第２層に形成され、絶縁層を介することなく前記弾性支持部と対向する第１板状部材を備え、前記第１板状部材は、前記絶縁層を介することなく前記弾性支持部と対向する片持ち梁形状の第１変形部と、前記片持ち梁形状の第１変形部の先端に接続され、前記先端から前記第１変形部の根元方向に折り返すように延在し、前記弾性支持部に付着している第１付着部と、を有し、前記第１変形部および前記第１付着部は、前記第１板状部材の厚さ方向に貫通する孔が複数形成されていることが好ましい。
本発明の第３の態様によると、第１または第２の態様による振動発電素子において、前記枠体の前記第１層と前記第２層とを電気的に接続する第２導通部を備えることが好ましい。
本発明の第４の態様によると、第３の態様による振動発電素子において、前記第２導通部は前記枠体の前記第２層に形成され、絶縁層を介することなく前記枠体の前記第１層と対向する第２板状部材を備え、前記第２板状部材は、前記絶縁層を介することなく前記枠体の前記第１層と対向する片持ち梁形状の第２変形部と、前記片持ち梁形状の第２変形部の先端に接続され、前記先端から前記第２変形部の根元方向に折り返すように延在し、前記枠体の前記第１層に付着している第２付着部と、を有し、前記第２変形部および前記第２付着部は、前記第２板状部材の厚さ方向に貫通する孔が複数形成されていることが好ましい。
本発明の第５の態様によると、第１の態様から第４の態様のいずれかによる振動発電素子において、前記固定電極部は複数の固定櫛歯を有し、前記可動電極部は、前記複数の固定櫛歯と隙間を介して噛合するように配置される複数の可動櫛歯を有し、前記弾性支持部は、前記固定櫛歯に対する前記可動櫛歯の挿入量が変化する方向に変位可能に前記可動電極部を弾性支持することが好ましい。
本発明の第６の態様によると、振動発電素子は、第１層と第２層が絶縁層を介して積層されている基板の、前記第１層に形成された固定櫛歯電極と、前記第１層に形成され、前記固定櫛歯電極に対して可動する可動櫛歯電極と、前記第２層に形成され、前記可動櫛歯電極を弾性支持する弾性支持部と、前記第１層に形成され、前記可動櫛歯電極を前記弾性支持部に機械的、かつ、電気的に接続する接続部とを備える。

本発明によれば、振動発電素子の小型化を図ることができる。

図１は、振動発電素子の一例を示す平面図である。 図２は、振動発電素子のハンドル層とＢＯＸ層の形状を示す図である。 図３は、可動電極部に設けられた導通部の詳細を示す図である。 図４は、支持部に設けられた導通部の詳細を示す図である。 図５は、振動発電素子の形成手順を示す図である。 図６は、振動発電素子の形成手順を示す図であり、図５の工程に続く工程を説明する図である。 図７は、振動発電素子の形成手順を示す図であり、図６の工程に続く工程を説明する図である。 図８は、振動発電素子の形成手順を示す図であり、図７の工程に続く工程を説明する図である。 図９は、導通部に形成される貫通孔の寸法を説明する図である。 図１０は、導通部の模式図である。 図１１は、本実施の形態の振動発電素子の比較例を示す図である。 図１２は、振動発電素子が収納されるケースの構造を示す部分断面図である。 図１３は、導通部の他の例を示す図である。 図１４は、本実施の形態の振動発電素子の変形例を示す図である。

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、振動発電素子１の一例を示す平面図である。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のハンドル層２ＡとＳｉＯ_２のＢＯＸ層２ＢとＳｉのデバイス層２Ｃとから成る３層構造の基板である。図２は、振動発電素子１におけるハンドル層２ＡとＢＯＸ層２Ｂの形状を示す図である。

（振動発電素子１の構成）
振動発電素子１は、枠形状の枠体１０と、枠体１０に固定された４組の固定電極部１１と、固定電極部１１と対をなす可動電極部１２と、可動電極部１２を弾性的に支持する弾性支持部１３と、可動電極部１２を弾性支持部１３に機械的、かつ電気的に接続する導通部１５とを備えている。図１では、デバイス層２Ｃが図示表面側に設けられており、４組の固定電極部１１および可動電極部１２はデバイス層２Ｃに形成され、弾性支持部１３は裏面側のハンドル層２Ａに形成されている。枠体１０は、ＢＯＸ層２Ｂを介して設けられたハンドル層２Ａとデバイス層２Ｃとで形成される。枠体１０には、表面側のデバイス層２Ｃと裏面側のハンドル層２Ａとを機械的、かつ電気的に接続する導通部１４が２か所形成されている。また、可動電極部１２の中央にも導通部１５が同様に形成されている。各固定電極部１１には電極パッド１１１が設けられ、導通部１４にも電極パッド１４５が設けられている。

(弾性支持部１３)
図２に示すように、弾性支持部１３はハンドル層２Ａに形成されている。この弾性支持部１３は、デバイス層２Ｃに形成された可動電極部１２が連結されて設けられる可動電極連結部１３０と、ハンドル層２Ａに形成されている枠体１０に可動電極連結部１３０を弾性的に支持する４組の梁部１３１とを備える。図１に示すデバイス層２Ｃの導通部１５は、後述する変形部１５１を介して、ハンドル層２Ａの可動電極連結部１３０に電気的に接続されている。したがって、ＳＯＩ基板表面側の可動電極部１２は、導通部１５を介してＳＯＩ基板裏面側の可動電極連結部１３０に導通している。枠体１０は矩形の枠形状を成し、ハンドル層２Ａの弾性支持部１３の４組の梁部１３１は、枠体１０のハンドル層２Ａに連結されている。

以上のとおり、デバイス層２Ｃの可動電極部１２は、デバイス層２Ｃの導通部１５の変形部１５１を介してハンドル層２Ａの可動電極連結部１３０に連結され、可動電極連結部１３０が梁１３１により枠体１０のハンドル層２Ａに弾性支持されている。

図２のハッチングで示した領域Ｓ０は、枠体１０のハンドル層２Ａとデバイス層２Ｃとの間のＢＯＸ層２Ｂを示す。領域Ｓ１は、デバイス層２Ｃの固定電極部１１と枠体１０のハンドル層２Ａとの間のＢＯＸ層２Ｂを示す。領域Ｓ２は、デバイス層２Ｃの導通部１４と枠体１０のハンドル層２Ａとの間のＢＯＸ層２Ｂを示す。領域Ｓ３は、デバイス層２Ｃの可動電極部１２とハンドル層２Ａの可動電極連結部１３０との間のＢＯＸ層２Ｂを示す。

（固定電極部１１と可動電極部１２）
図１に示すように、４組の固定電極部１１の各々は、ｘ方向に延びる固定櫛歯１１０がｙ方向に複数並ぶ櫛歯列を有している。可動電極部１２は、４組の固定電極部１１に対応する４組の可動櫛歯群１２Ａを有している。各可動櫛歯群１２Ａは、ｘ方向に延びる可動櫛歯１２０がｙ方向に複数並ぶ櫛歯列を成している。固定電極部１１に形成された複数の固定櫛歯１１０と、その固定電極部１１に対応する可動櫛歯群１２Ａの複数の可動櫛歯１２０とは、静止状態(中立状態)においてｘ方向に所定の噛合長をもって、隙間を介して互いに噛合するように配置されている。

外部からの衝撃が振動発電素子１に加わると、梁部１３１が弾性変形して可動電極部１２が図１のｘ方向に振動する。固定櫛歯１１０および可動櫛歯１２０の少なくとも一方にはエレクトレットが形成されており、可動電極部１２の振動により固定櫛歯１１０と可動櫛歯１２０との噛合長が変化して発電が行われる。固定櫛歯１１０および可動櫛歯１２０のそれぞれにエレクトレットを設けてもよい。

(導通部１５)
図３は可動電極部１２に設けられた導通部１５を詳細に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ１－Ｂ１断面図、（ｃ）はＢ２－Ｂ２断面図である。導通部１５は、デバイス層２Ｃに形成されている。導通部１５は、枠部１５０と、変形部１５１と、付着部１５２とを備えている。変形部１５１の先端領域および付着部１５２は、ハンドル層２Ａに形成された可動電極連結部１３０に、いわゆるスティクション現象により接触している。枠部１５０は、図２に示した領域Ｓ３のＢＯＸ層２Ｂを介してハンドル層２Ａの可動電極連結部１３０に固定されている。変形部１５１の根元部分（図示左端）は枠部１５０に接続され、先端（図示右端）は連結部１５３を介して付着部１５２と繋がっている。付着部１５２は、デバイス層２Ｃに設けた導通部１５の変形部１５１のたわみ変形により、その底面のほぼ全域がハンドル層２Ａの可動電極連結部１３０に接触されている。導通部１５の外観形状は、後述する図１０に示されている。

変形部１５１および付着部１５２には、変形部１５１および付着部１５２の下部のＢＯＸ層２Ｂをエッチングするための貫通孔１５４が複数形成されている。後述するように、変形部１５１および付着部１５２と可動電極連結部１３０との間に存在していたＢＯＸ層２Ｂはエッチングにより除去され、変形部１５１の先端領域および付着部１５２の全体が、スティクション現象により可動電極連結部１３０に付着している。その結果、デバイス層２Ｃに形成された可動電極部１２とハンドル層２Ａに形成された可動電極連結部１３０とが、導通部１５により導通する。

(導通部１４)
図４は、枠体１０のデバイス層２Ｃに設けられた導通部１４を詳細に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ－Ｃ断面図である。導通部１４も、導通部１５と同様の構造の変形部１４１，付着部１４２および連結部１４３を有し、変形部１４１および付着部１４２にはエッチング用の貫通孔１４４が複数形成されている。変形部１４１の根元部（図示下端）は導通部１４の固定部１４０に接続されている。図４（ｂ）に示すように固定部１４０は、図２に示す領域Ｓ２のＢＯＸ層２Ｂを介して枠体１０のハンドル層２Ａに固定されている。

変形部１４１および付着部１４２と枠体１０のハンドル層２Ａとの間に存在していたＢＯＸ層２Ｂはエッチングにより除去され、変形部１４１の先端領域および付着部１４２の全体が、スティクション現象により枠体１０のハンドル層２Ａに付着している。その結果、デバイス層２Ｃに形成された導通部１４は、枠体１０のハンドル層２Ａと導通している。図２に示すように、枠体１０のハンドル層２Ａには弾性支持部１３の梁部１３１が接続されている。そのため、導通部１４は、枠体１０のハンドル層２Ａ，弾性支持部１３および導通部１５を介して可動電極部１２と導通している。

（振動発電素子１の製造方法）
図５～８は、ＭＥＭＳ加工による振動発電素子１の形成手順の一例を示す図である。なお、図５～８では、図１の一点鎖線Ｌ１に沿った断面を模式的に示した。図５（ａ）に示す工程では、ＭＥＭＳ加工に用いられるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の表裏両面に、ＬＰ－ＣＶＤによりＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２を成膜する。ＳＯＩ基板の各層の厚さは、例えば、ハンドル層２Ａが５００μｍ、ＢＯＸ層２Ｂが２μｍ、デバイス層２Ｃが１００μｍである。

図５（ｂ）に示す工程では、電極パッド１１１を形成する領域のＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２を残すためのレジストマスクをＳＯＩ基板の表面側（デバイス層２Ｃ側の表面）に形成して、ＳＦ_６、ＣＦ_４を用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によりＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２をエッチングする。その結果、デバイス層２Ｃの表面にＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２のパターンが形成される。

図５（ｃ）に示す工程では、基板の表裏両面にＡｌ蒸着膜２０３を形成した後に、Ａｌ蒸着膜２０３をエッチングするためのレジストマスク（不図示）を形成し、そのレジストマスクを用いてハンドル層２Ａおよびデバイス層２ＣをエッチングするためのＡｌマスクパターンＰ１～Ｐ６を形成する。パターンＰ１は固定電極部１１の電極パッド１１１が設けられる部分のパターンであり、パターンＰ２は固定電極部１１に関する固定櫛歯１１０のパターンであり、パターンＰ３は導通部１５に関するパターンであり、パターンＰ４は、導通部１４に関するパターンである。また、裏面側のパターンＰ５は可動電極連結部１３０に関するパターンであり、パターンＰ６は枠体１０に関するパターンである。

図６（ａ）に示す工程では、基板表面側のＡｌマスクパターンＰ１～Ｐ４を用いて、ＤｅｅＰ－ＲＩＥによりデバイス層２Ｃをエッチングする。

図６（ｂ）に示す工程では、基板表面側に保護用のアルミ蒸着膜２０４およびレジスト膜２０５を形成し、ＡｌマスクパターンＰ５，Ｐ６を用いて裏面側のＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２をエッチングする。

図６（ｃ）に示す工程では、ハンドル層２Ａ上に形成されたＳｉＮ膜２０１，Ｐｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２およびＡｌ蒸着膜２０３によるマスクパターンを用いて、ＤｅｅＰ－ＲＩＥによりハンドル層２Ａをエッチングする。

図７（ａ）に示す工程では、ＳＰＭ（Sulfuric acid Peroxide Mixture）洗浄により、基板上のレジスト膜２０５，およびＡｌ蒸着膜２０３，２０４を除去する。さらに、ＳＦ_６を用いたＲＩＥにより、基板表面および裏面のＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２を除去する。なお、Ｐｏｌｙ－Ｓｉ膜２０２の除去は、後述するＢＯＸ層２Ｂのエッチングの後に行ってもよい。

図７（ｂ）に示す工程では、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウェットエッチングにより、露出しているＢＯＸ層２Ｂ（ＳｉＯ_２）を除去する。ＤｅｅＰ－ＲＩＥにより形成されたハンドル層２Ａおよびデバイス層２Ｃの貫通孔からＢＨＦによりＢＯＸ層２Ｂがエッチングされ、固定櫛歯１１０同士が分離される。図７（ｂ）には示していないが、可動櫛歯１２０同士も同様に分離される。また、図４に示したように導通部１４の変形部１４１および付着部１４２の下側に存在するＢＯＸ層２ＢがＢＨＦにより除去され、変形部１４１の先端領域および付着部１４２の全体が下側に対向するハンドル層２Ａに付着する。図７（ｂ）には示していないが、図３に示したように導通部１５の変形部１５１および付着部１５２の下側に存在するＢＯＸ層２ＢがＢＨＦにより除去され、変形部１５１の先端領域および付着部１５２の全体も下側に対向するハンドル層２Ａに付着する。

図７（ｃ）に示す工程では、エレクトレット膜を形成するために、Ｓｉ層の表面にカリウムイオンを含むＳｉＯ_２膜２０６を形成する。

図８（ａ）に示す工程では、ＣＦ_４ガスを用いたＲＩＥにより、基板裏面のＳｉＮ膜２０１を除去する。そして、図８（ｂ）に示す工程では、基板表面のＳｉＮ膜２０１を除去した領域に金属膜（例えば、アルミニウム）を成膜して電極パッド１１１を形成する。

上述した加工手順により、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、日本国特許第５６２７１３０号公報等参照）により、固定櫛歯１１０および／または可動櫛歯１２０にエレクトレットを形成する。

図９は、導通部１５の変形部１５１および付着部１５２に形成される貫通孔１５４の寸法を説明する図である。なお、導通部１４の変形部１４１および付着部１４２に形成されている貫通孔１４４についても同様であり、その説明は省略する。図９（ａ）は導通部１５の一部を示す平面図であり、図７（ａ）に示すＢＨＦによるＢＯＸ層２Ｂのエッチングが行われる前の段階の状況を示したものである。

図９（ａ）の平面図において露出している部分のＢＯＸ層２Ｂおよび、図９（ｂ）に示す付着部１５２とハンドル層２Ａで形成される可動電極連結部１３０との間に介在するＢＯＸ層２Ｂは、図７（ｂ）に示したようにＢＨＦによるエッチングによって除去される。貫通孔１５４および溝孔１５５に浸入したエッチング液によるＢＯＸ層２Ｂのエッチングは等方的に行われるので、図９（ｃ）のように、露出している部分のＢＯＸ層２Ｂの厚みが減少するとともに、符号Ｒ１で示す枠部１５０の下部にあるＢＯＸ層２Ｂおよび符号Ｒ２で示す付着部１５２の下部にあるＢＯＸ層２Ｂも図示左右方向にエッチングされることになる。

そして、図９（ｄ）のように露出している部分のＢＯＸ層２Ｂの厚みがゼロとなるエッチング完了時には、付着部１５２の下部のＢＯＸ層２Ｂは全て除去されることになる。同様に、貫通孔１５４が形成されている変形部１５１の下部のＢＯＸ層２Ｂも除去されて、変形部１５１は片持ち梁形状となる。図１０は、ＢＯＸ層２Ｂ除去後の導通部１５の模式図である。付着部１５２の両側に設けられた一対の変形部１５１は、枠部１５０から延びる片持ち梁を構成しており、各変形部１５１の先端に連結部１５３を介して付着部１５２が接続されている。付着部１５２は変形部１５１の先端から枠部１５０方向に折り返すように延在している。

図９（ｄ）のエッチング処理の結果、図１０に示すように、変形部１５１が可動電極連結部１３０の方向に変形して、変形部１５１の先端部分および先端部分に接続されている付着部１５２がスティクション現象によって可動電極連結部１３０の上面に固着する。それにより、ハンドル層２Ａに形成された可動電極連結部１３０とデバイス層２Ｃに形成された導通部１５とが機械的、かつ電気的に接続されて導通する。図２に示すように、可動電極連結部１３０は梁部１３１を介して枠体１０のハンドル層２Ａに弾性支持されており、かつ、導通部１５は可動電極部１２と接続されているので、可動電極部１２は導通部１５を介して枠体１０のハンドル層２Ａと導通していることになる。

貫通孔１５４同士の間隔は次の観点で決定する。図９（ｄ）に示すように露出しているＢＯＸ層２Ｂが縦方向エッチングで除去されたとき、ほぼ同時に、変形部１５１と付着部１５２の下に存在するＢＯＸ層２Ｂが貫通孔１５４から浸入するエッチング液による側方エッチングで除去されるように、貫通孔１５４同士の間隔ｔ１を決定するのが好ましい。もちろん、露出しているＢＯＸ層２Ｂが縦方向エッチングで除去される以前、隣り合う貫通孔１５４のＢＯＸ層２Ｂ側が連通するように間隔ｔ１を決定しても良い。すなわち、ＢＯＸ層２Ｂの厚さをｔ２とした場合に、ｔ１≦２×ｔ２のように設定すれば良い。

枠体１０に設けられている導通部１４（図４参照）に関しても導通部１５と同様の構造を有しており、図４に示すように、片持ち梁形状の変形部１４１の先端部分と付着部１４２とが枠体１０のハンドル層２Ａに固着する。その結果、電極パッド１４５が形成されたデバイス層２Ｃと枠体１０のハンドル層２Ａとが導通している。よって、図１に示す導通部１４の電極パッド１４５と固定電極部１１の電極パッド１１１とから、発電電力を取り出すことができる。

実施の形態の振動発電素子１の作用効果を図１１の比較例と比較して説明する。
（比較例）
図１１は、本実施の形態の振動発電素子１の比較例を示す図である。図１１に示す振動発電素子３００では、４組の弾性支持部１３が可動電極部１２と共にデバイス層２Ｃに形成されている点が図１の振動発電素子１と異なる。図１１の振動発電素子では、可動電極部１２を弾性支持する弾性支持部１３は、デバイス層２Ｃに形成された固定部３０に連結している。固定部３０は、ハンドル層２Ａに形成された枠体１０上にＢＯＸ層２Ｂを介して固定されている。可動電極部１２は、デバイス層２Ｃに形成された弾性支持部１３および固定部３０を介して電極パッド１４５に導通している。

このように、図１１に示す比較例では、弾性支持部１３が可動電極部１２と共にデバイス層２Ｃに形成されているので、櫛歯領域とは別に、櫛歯領域に隣接するように弾性支持部１３を配置する領域Ｅが必要となる。この領域Ｅの存在は、振動発電素子の平面視形状の小型化を阻害する。

（１）本実施の形態の振動発電素子１は、絶縁層であるＢＯＸ層２Ｂを介してハンドル層２Ａとデバイス層２Ｃとが設けられた基板のデバイス層２Ｃにより形成される固定電極部１１および可動電極部１２と、ＢＯＸ層２Ｂを介して設けられたハンドル層２Ａとデバイス層２Ｃとで形成され、デバイス層２Ｃにおいて固定電極部１１を支持する枠体１０と、ハンドル層２Ａに形成され、枠体１０のハンドル層２Ａに連結される梁部１３１により可動電極部１２を弾性的に支持する弾性支持部１３と、可動電極部１２と弾性支持部１３とを電気的に接続する導通部１５とを備える。

図１に示すように、本実施の形態の振動発電素子１は、ハンドル層２Ａには弾性支持部１３が形成され、デバイス層２Ｃには可動櫛歯１２０および固定櫛歯１１０が形成され、振動発電素子１の主要構成部材を基板厚さ方向に上下に重ねて配置している。その結果、平面図における振動発電素子の面積を、ほぼ、可動櫛歯１２０および固定櫛歯１１０の形成領域と枠体１０の領域との合計面積程度に抑制することができる。逆に、比較例の構成の場合には、弾性支持部を配置する領域Ｅの分だけ本実施の形態よりも大型化する。このように、本実施の形態の振動発電素子１は、振動発電素子１の設置面積を従来よりも小さくすることができる。言い換えると、比較例の振動発電素子３００と同程度の素子面積に抑えつつ、発電量の増大を図ることができる。

ところで、図１１の比較例では、可動電極部１２、弾性支持部１３および固定部３０が連続するデバイス層２Ｃで形成されているので、枠体１０上に設けられた固定部３０の電極パッド１４５および固定電極部１１の電極パッド１１１により、容易に発電電力を取り出すことができる。

一方、本実施の形態の振動発電素子１では、図１１の固定部３０のように、可動電極部１２に連続していてかつ動かない箇所が存在しない。そこで、可動電極部１２と弾性支持部１３とを電気的に接続する導通部１５を備えることで、枠体１０のハンドル層２Ａは弾性支持部１３および導通部１５を介して可動電極部１２と電気的に接続されるようになる。その結果、枠体１０のハンドル層２Ａに出力端子を接続することで発電電力を容易に取り出すことができる。換言すると、出力端子を基板裏面側に設けることができる。

（２）図３に示すように、導通部１５の構成として、可動電極部１２と連続するデバイス層２Ｃに形成され、ＢＯＸ層２Ｂを介することなくハンドル層２Ａに形成された可動電極連結部１３０と対向する板状部材（変形部１５１と付着部１５２）を備える構成としても良い。板状部材には、ＢＯＸ層２Ｂを介することなくハンドル層２Ａと対向する片持ち梁形状の変形部１５１と、変形部１５１の先端に接続され、その先端から変形部１５１の根元方向（ｘ軸のマイナス方向）に折り返すように延在し、可動電極連結部１３０のハンドル層２Ａに付着している付着部１５２とが設けられている。変形部１５１および付着部１５２には、ＢＨＦによるエッチングにより変形部１５１および付着部１５２を構成するデバイス層２Ｃと可動電極連結部１３０のハンドル層２Ａとの間に介在するＢＯＸ層２Ｂを除去するための、貫通孔１５４が複数形成されている。導通部１４も、図４に示すように導通部１５と同様の構成とされる。

導通部１５において、片持ち梁形状の変形部１５１は先端に近い領域しかハンドル層２Ａと接触しないので、変形部１５１のみでは十分な導通状態を得ることができない。そこで、導通部１５では、片持ち梁形状の変形部１５１の先端に連結する折り返し構造の付着部１５２を設けることで、十分な接触面積が確保されるようにした。

（３）さらに、枠体１０のハンドル層２Ａとデバイス層２Ｃとを電気的に接続する導通部１４を備えることで、可動電極部１２と電気的に接続される電極パッド１４５を枠体１０のデバイス層側に配置することができる。その結果、出力端子である電極パッド１１１、１４５の両方を基板表面側（デバイス層側）に配置することができる。電極パッド１１１、１４５へのアクセスが容易となる。

なお、導通部１４を設けない場合には、例えば、図１２に示すように、振動発電素子１が収納されるケース４０の素子載置部に電極パッド４００を形成して、その電極パッド４００に振動発電素子１の枠体１０のハンドル層２Ａを装着するような構成としても良い。その結果、電極パッド４００に発電電力取り出しの配線を接続することで、発電電力の取り出しを容易に行うことができる。

なお、導通部１４，１５としては、図３，４に示すような構成に限らず、図１３に示すような構成であっても構わない。図１３（ａ）に示す構成では、ハンドル層２Ａに達する貫通孔５２を形成し、その貫通孔５２を含む領域に金属蒸着膜５０を蒸着する。この金属蒸着膜５０によりハンドル層２Ａとデバイス層２Ｃとが電気的に接続される。また、図１３（ｂ）に示す構成では、貫通孔５２を含む領域に導電ペースト５１を配置することで、ハンドル層２Ａとデバイス層２Ｃとを電気的に接続するようにした。

上述した実施形態の図１に示す構成では、枠体１０には、隙間を介して導通部１４の周囲を囲むようにデバイス層２Ｃが形成されていた。しかし、この部分のデバイス層２Ｃは必ずしも必須ではなく、図１４に示す振動発電素子１００のような枠体１０Ａとしても良い。なお、図１４に示す変形例では、ハンドル層２Ａで形成されている部分、すなわち枠体１０Ａのハンドル層２Ａおよび弾性支持部１３の梁部１３１にハッチングを施した。

梁部１３１は枠体１０Ａのハンドル層２Ａに連結されており、枠体１０Ａ上のデバイス層２Ｃにおいて固定電極１１が支持されている。また、導通部１４は枠体１０Ａのデバイス層２Ｃに形成され、導通部１４の変形部１４１および付着部１４２は、枠体１０Ａのハンドル層２Ａと、電極パッド１４５が形成されたデバイス層２Ｃとを電気的に接続している。図１４に示すような構成であっても、上述した図１の振動発電素子１と同様の作用効果を奏することができる。

以上の実施の形態では、固定電極部１１と可動電極部１２を４組設けた振動発電素子１として説明した。しかし、本発明は実施の形態の振動発電素子の櫛歯構造に限定されない。１組の固定電極部と可動電極部を有する櫛歯電極構造にも本発明を適用できる。
また、固定櫛歯および／または可動櫛歯にエレクトレット膜を形成した振動発電素子を一例として説明したが、必要な発電量を出力できる素子であれば、エレクトレット膜は必須の構成ではない。

上述した実施の形態では、複数の固定櫛歯１１０を有する固定電極部１１と、複数の固定櫛歯１１０と隙間を介して噛合するように配置される複数の可動櫛歯１２０を有する可動電極部１２とを有し、櫛歯挿入量が変化する方向に変位可能に可動電極部１２を弾性支持する構成の振動発電素子１を例に説明したが、本発明は、このような構成の振動発電素子１に限定されない。例えば、日本国特許第６３３８０７０号公報に記載の振動発電素子のように、固定櫛歯１１０と可動櫛歯１２０とが櫛歯先端面が対向するように配置され、固定櫛歯１１０に対して可動櫛歯１２０が横ずれするように振動する振動発電素子にも、本発明は適用することができる。

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、例えば、ＭＥＭＳセンサに適用した場合も本発明の範囲内に含まれる。

次の優先権基礎出願および特許公報の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特願２０１９－００８３３７号（２０１９年１月２２日出願）
日本国特許第５６２７１３０号公報
日本国特許第６３３８０７０号公報

１，１００…振動発電素子、２Ａ…ハンドル層、２Ｂ…ＢＯＸ層、２Ｃ…デバイス層、１０，１０Ａ…枠体、１１…固定電極部、１２…可動電極部、１３…弾性支持部、１４，１５…導通部、１３０…可動電極連結部、１３１…梁部、１４１，１５１…変形部、１４２，１５２…付着部、１４４，１５４…貫通孔

Claims (6)

1. 絶縁層を介して第１層と第２層とが設けられた基板の前記第２層に形成される固定電極部および可動電極部と、
   前記絶縁層を介して設けられた前記第１層と前記第２層とで形成され、前記第２層において前記固定電極部を支持する枠体と、
   前記第１層に形成され、前記枠体の前記第１層に連結される梁部により前記可動電極部を弾性的に支持する弾性支持部と、
   前記可動電極部と前記弾性支持部とを電気的に接続する第１導通部とを備える、振動発電素子。
2. 請求項１に記載の振動発電素子において、
   前記第１導通部は前記可動電極部と連続する第２層に形成され、絶縁層を介することなく前記弾性支持部と対向する第１板状部材を備え、
   前記第１板状部材は、
   前記絶縁層を介することなく前記弾性支持部と対向する片持ち梁形状の第１変形部と、
   前記片持ち梁形状の第１変形部の先端に接続され、前記先端から前記第１変形部の根元方向に折り返すように延在し、前記弾性支持部に付着している第１付着部と、を有し、
   前記第１変形部および前記第１付着部は、前記第１板状部材の厚さ方向に貫通する孔が複数形成されている、振動発電素子。
3. 請求項１または２に記載の振動発電素子において、
   前記枠体の前記第１層と前記第２層とを電気的に接続する第２導通部を備える、振動発電素子。
4. 請求項３に記載の振動発電素子において、
   前記第２導通部は前記枠体の前記第２層に形成され、絶縁層を介することなく前記枠体の前記第１層と対向する第２板状部材を備え、
   前記第２板状部材は、
   前記絶縁層を介することなく前記枠体の前記第１層と対向する片持ち梁形状の第２変形部と、
   前記片持ち梁形状の第２変形部の先端に接続され、前記先端から前記第２変形部の根元方向に折り返すように延在し、前記枠体の前記第１層に付着している第２付着部と、を有し、
   前記第２変形部および前記第２付着部は、前記第２板状部材の厚さ方向に貫通する孔が複数形成されている、振動発電素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の振動発電素子において、
   前記固定電極部は複数の固定櫛歯を有し、
   前記可動電極部は、前記複数の固定櫛歯と隙間を介して噛合するように配置される複数の可動櫛歯を有し、
   前記弾性支持部は、前記固定櫛歯に対する前記可動櫛歯の挿入量が変化する方向に変位可能に前記可動電極部を弾性支持する、振動発電素子。
6. 第１層と第２層が絶縁層を介して積層されている基板の、前記第１層に形成された固定櫛歯電極と、
   前記第１層に形成され、前記固定櫛歯電極に対して可動する可動櫛歯電極と、
   前記第２層に形成され、前記可動櫛歯電極を弾性支持する弾性支持部と、
   前記第１層に形成され、前記可動櫛歯電極を前記弾性支持部に機械的、かつ、電気的に接続する接続部とを備える、振動発電素子。

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