JP7185610B2 - Ｍｅｍｓ素子および振動発電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子および振動発電デバイスに関する。

従来、シリコン基板をＭＥＭＳ（Ｍicro Ｅlectro-Ｍechanical Ｓystem）加工技術により加工して形成される振動発電デバイスが知られている。振動発電デバイスは、弾性支持部により支持された可動電極に設けられた櫛歯を、固定電極に設けられた櫛歯に挿脱可能に設ける構造を有している。外部からの衝撃が振動発電デバイスに加わると、弾性支持された可動電極が固定電極に対して振動し、可動電極の櫛歯が固定電極の櫛歯に対して挿脱され、その結果、発電が行われる。

固定部である固定電極は、外部からの振動により可動部である可動電極に生じる加速度を、固定電極に設けた弾性を有する規制部材で受けて、可動電極の振動範囲を規制する。このため、固定電極の弾性規制部材には、可動電極の加速度による力に耐え得る剛性が必要とされる。しかし、従来のＭＥＭＳ素子では、弾性規制部材のばね定数を大きくすると、弾性規制部材の弾性部の根元に応力が集中して破損し易く、発電可能な電力を増大することが困難であった。
固定電極に弾性規制部材を設ける構造の一例として、固定電極の側部の内側にスリットを設け、固定電極の側部を弾性規制部材とする構造がある（例えば、特許文献１の図５参照）。

特開２０１８－８８７８０号公報

特許文献１の図５には、可動電極が衝突する固定部の側面の内方に側面に沿って延在するスリットを設ける構造が図示されている。しかし、この構造では、可動部の振動による大きい力を受けるには限界がある。

本発明の第１の態様によるＭＥＭＳ素子は、ベースと、少なくとも一部が前記ベースに固定され、所定方向に移動可能な可動部と、少なくとも一部が前記ベースに固定され、前記可動部に対向して設けられた弾性部および前記弾性部が固定された固定部本体を有する固定部と、を備え、前記弾性部は、前記可動部の移動方向と交差する方向に延在され、前記可動部の力を受ける中央部と、前記固定部本体に固定された一端および他端を有し、前記中央部と前記一端との間、および前記中央部と前記他端との間のそれぞれに、前記中央部、前記一端および前記他端より肉厚が薄い薄肉部を有する。
本発明の第２の態様によるＭＥＭＳ素子は、ベースと、少なくとも一部が前記ベースに固定され、所定方向に移動可能な可動部と、少なくとも一部が前記ベースに固定された固定部本体、前記固定部本体に固定された弾性部、および前記弾性部と前記固定部本体との間に前記弾性部に沿って延在され、前記固定部本体を貫通して設けられたスリットを有する固定部と、を備え、前記弾性部は、前記可動部の移動方向と交差する方向に延在され、前記可動部の力を受ける中央部と、前記固定部本体に固定された一端および他端を有する梁構造であり、前記スリットは、前記弾性部の前記中央部に対応して設けられた第１スリット部と、前記第１スリット部に接続され、前記弾性部の前記一端近傍および前記他端近傍の内側に設けられた第２スリット部を有し、前記第２スリット部の前記可動部の移動方向の幅は前記第１スリット部の幅よりも大きく形成され、前記第２スリット部の前記弾性部の前記一端側のコーナー部および前記他端側のコーナー部には、円弧状の湾曲部が設けられ、前記円弧状の湾曲部の曲率半径は、前記第１スリット部に内接する円の曲率半径より大きい。
本発明の第３の態様による振動発電デバイスは、上記第１の態様または上記第２の態様のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子の前記可動部を前記固定部に弾性支持する弾性支持部と、
前記固定部に対して前記可動部が振動することで発生する電力を出力する出力部と、を備える。

本発明によれば、可動部の変位量を制限する構造を採用するＭＥＭＳ素子や振動発電デバイスにおいて、大きい外力が作用しても破損し難いＭＥＭＳ素子や振動発電デバイスを提供することができる。

図１（Ａ）は、真空パッケージ内にＭＥＭＳ素子が封入された振動発電デバイスを、上蓋を透過して示す平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ_Ｂ－Ｉ_Ｂ線断面図である。 図２（Ａ）は、図１（Ａ）に図示されたＭＥＭＳ素子の平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に図示されたＭＥＭＳ素子から、固定電極部および可動電極部を取り除いた状態を示す平面図である。 図３（Ａ）は、図１（Ａ）の領域ＩＩＩ_Ａの拡大図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の領域ＩＩＩ_Ｂの拡大図である。 図４は放物線を用いた疑似平等梁の原理図であり、図４（Ａ）は、側面の表面全長に亘り、ほぼ均等な応力となる弾性部の形状を示す側面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の領域ＩＶ_Ｂの拡大図である。 図５は、図４に図示された放物線梁の他の原理図であり、梁の側面図である。 図６は、比較例と本実施形態における、可動部振幅量と振動発電デバイスに印加される加速度との関係を示す図である。 図７は、弾性部に発生する応力分布をシミュレーションにより示す斜視図であり、図７（Ａ）は比較例の構造、図７（Ｂ）は本実施形態の構造に関するものである。 図８（Ａ）は、両端固定矩形梁（以下、単に矩形梁とする）の模式図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の断面形状を示し、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）における曲げ応力分布図であり、図８（Ｄ）は、図８（Ａ）の曲げモーメント図であり、図８（Ｅ）は、図８（Ａ）に図示される梁のｘ軸方向の下面側表面の曲げ応力を示す。 図９（Ａ）は、両端固定の放物線梁の模式図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の断面形状を示し、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）の曲げモーメント図であり、図９（Ｄ）は、図９（Ａ）に図示される梁のｘ軸方向の下面側表面の曲げ応力を示す。 図１０は、ＭＥＭＳ素子を構成する、可動部と固定部の構造の変形例を示す平面図である。

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（Ａ）は、真空パッケージ内にＭＥＭＳ素子１０が封入された振動発電デバイス１を、上蓋３を透過して示す平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ_Ｂ－Ｉ_Ｂ線断面図である。
ケース２と上蓋３は、真空パッケージを構成しており、ＭＥＭＳ素子１０は、この真空パッケージ内に収納されている。図１（Ａ）の平面図では、ＭＥＭＳ素子１０の平面構造を明確に示すため、上面側（ｚ軸正方向側）に設けられた上蓋３の図示が省略されている。
なお、本実施形態において、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向は、各図に示す方向とする。

ＭＥＭＳ素子１０は、４つの固定電極部１１と、可動電極部（可動部）１２と、可動電極部１２を弾性支持する弾性支持部１３とを備えている。ＭＥＭＳ素子のベース７は、ダイボンドによりケース２に固定されている。ケース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。ケース２の上端には、ケース２内を真空封入するための上蓋３がシーム溶接される。

ＭＥＭＳ素子１０は、Ｓｉからなるベース７と、Ｓｉ活性層からなるデバイス層９と、ベース７とデバイス層９を接合するＳｉＯ_２等の無機絶縁材料により形成された接合層８とから構成されている。つまり、ＭＥＭＳ素子１０は、図１（Ｂ）に図示されるように、ベース７、接合層８およびＳｉ活性層からなるデバイス層９がｚ方向に積層された３層構造により構成されている。このような構成のＭＥＭＳ素子１０は、通常、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。

デバイス層９には、４つの固定電極部１１と、可動電極部１２と、固定電極外周部３５が形成されている。各固定電極部１１は、複数の固定櫛歯１１０と、複数の固定櫛歯１１０を連結する固定櫛歯連結部１１１と、リード部１１２とを有する。固定櫛歯１１０は、ｘ軸方向に延在され、ｙ軸方向に所定の間隔で配列されている。固定櫛歯連結部１１１は、ｙ軸方向に延在され、ｙ軸方向に配列された複数の固定櫛歯１１０を連結している。リード部１１２は、固定櫛歯連結部１１１に直交する方向、すなわちｘ軸方向に延在されている。リード部１１２の先端部には、矩形形状の端子部が形成されている。この端子部の上面にはアルミニウム等の導電性金属が設けられて電極パッド１１３が形成されている。

図示はしないが、固定電極外周部３５と、各固定電極部１１のリード部１１２および固定櫛歯連結部１１１との間には、隙間が形成されており、固定電極外周部３５と、各固定電極部１１のリード部１１２および固定櫛歯連結部１１１とは物理的に分離されている。これにより、固定電極外周部３５と各固定電極部１１とは電気的に絶縁されている。各固定電極部１１のリード部１１２および固定櫛歯連結部１１１は、接合層８を介してベース７により支持されている。各固定電極部１１の固定櫛歯１１０は、ベース７に設けられた矩形形状の開口部７ａ（図１（Ｂ）、図２（Ａ）、（Ｂ）参照）に対応する領域上に延在されている。

可動電極部１２は、複数の可動櫛歯１２０と、中央帯部１２１（図１（Ｂ）参照）と、複数の可動櫛歯１２０を連結する可動櫛歯連結部１２２を有する。可動櫛歯連結部１２２は、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軸負方向に延在されている。可動櫛歯１２０は、ｙ軸正方向およびｙ軸負方向に延在されている各可動櫛歯連結部１２２からｘ軸正方向またはｘ軸負方向に延在され、ｙ軸方向に所定の間隔で配列されている。

可動電極部１２の中央帯部１２１のｚ軸正方向側の面である上面およびｚ軸負方向側の面である下面には、それぞれ、錘１０５ａ、１０５ｂが接着等により固定されている。錘１０５ａ、１０５ｂそれぞれの重心位置は、中央帯部１２１のｘ軸方向およびｙ軸方向の中心を通るｚ軸と同軸上にある。

中央帯部１２１のｙ軸正方向側に配置された２つの固定電極部１１は、中央帯部１２１のｘ軸方向の中心線に対して線対称に配置されている。また、中央帯部１２１のｙ軸負方向側に配置された他の２つの固定電極部１１は、中央帯部１２１のｘ軸方向の中心線に対して線対称に配置されている。

固定櫛歯連結部１１１からｘ軸方向に延在する複数の固定櫛歯１１０と各可動櫛歯連結部１２２からｘ軸方向に延在される可動櫛歯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。

可動電極部１２は、接合層８を介してベース７に固定された固定部１５０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。固定部１５０は、中央帯部１２１のｘ軸正方向およびｘ軸負方向に１つずつ、すなわち、一対設けられている。一対の固定部１５０は同一形状に形成されており、中央帯部１２１のｘ軸方向の中心軸に対し線対称に配置されている。各固定部１５０のｙ軸方向の中心線は、中央帯部１２１のｙ軸方向の中心線と同軸である。

弾性支持部１３に支持されている可動電極部１２は、外部の振動によりｘ軸方向に振動し、可動電極部１２の中央帯部１２１の一側面１２１ａ（図３参照）が固定部１５０に衝突する。このとき、可動部が衝突する固定部１５０の当接部のｙ軸方向の位置が、錘１０５ａ、１０５ｂを含む中央帯部１２１の重心を通る中心軸からｙ軸方向にずれていると、可動電極部１２の中央帯部１２１にモーメントが発生する。可動電極部１２の中央帯部１２１にモーメントが発生すると、弾性支持部１３に変形が生じ、中央帯部１２１が正常に振動しなくなる。このため、可動電極部１２の中央帯部１２１が衝突する固定部１５０の当接部のｙ軸方向の中心線は、可動電極部１２の中央帯部１２１のｘ軸方向に延在する中心線と同軸にする必要がある。

固定部１５０には電極パッド１１４が接続されている。固定部１５０には、矩形形状の端子部が一体的に形成され、この端子部の上面にはアルミニウム等の導電性金属が設けられて電極パッド１１４が形成されている。
電極パッド１１３、１１４は、それぞれ、ワイヤー２２によってケース２に設けられた電極２１ａ、２１ｂに接続されている。

固定電極部１１および可動電極部１２には、エレクトレットが形成されている。固定電極部１１および可動電極部１２の一方にのみエレクトレットが形成されている場合、他方には、逆極性の電荷が発生するので、固定電極部１１および可動電極部１２の一方のみにエレクトレットを形成してもよい。
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１１の固定櫛歯１１０に対する可動電極部１２の可動櫛歯１２０の挿入量が変化して電荷の移動が発生して発電が行われる。

図２（Ａ）は、錘１０５ａ、１０５ｂを固着する前のＭＥＭＳ素子１０を示す図である。
上述したように、ＭＥＭＳ素子１０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、ベース７、接合層８およびＳｉ活性層からなるデバイス層９がｚ方向に積層された３層構造により構成されている。図１（Ｂ）に図示されるように、デバイス層９は、接合層８を介して、ベース７により支持されている。固定電極部１１、可動電極部１２、弾性支持部１３はＳｉ活性層により形成される。

図２（Ａ）では、ベース７上の固定電極部１１、可動電極部１２、弾性支持部１３および固定部１５０を、ハッチングを施して示した。可動電極部１２は４つの弾性支持部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。可動電極部１２は、ベース７に設けられた開口部７ａに対応する領域上に配置されている。可動電極部１２は、弾性支持部１３のビーム１３ａ～１３ｃを介して固定部１５０に接続されている。固定部１５０は、接合層８を介してベース７に固定されている。従って、可動電極部１２は、４つの弾性支持部１３および固定部１５０を介して、ベース７に支持されている。

固定部１５０は、可動電極部１２のｘ軸方向の振動の範囲を制限する制限部としても機能する。各固定部１５０は、図３（Ａ）に図示されるように、固定部本体１５１と、弾性部１５２と、固定部本体１５１と弾性部１５２との間に設けられたスリット１５３とを有する。

可動電極部１２のｘ軸方向の振動は、可動電極部１２が各固定部１５０に衝突し、弾性部１５２が変形することにより、規制される。すなわち、固定部１５０には、可動電極部１２の力が作用する。固定部１５０は、損傷することなく、可動電極部１２の力を受け止める剛性を有する必要がある。本実施形態の固定部１５０を採用することにより、従来のものに比べて、ＭＥＭＳ素子１０のｘ軸方向に作用する大きな加速度でも損傷を防止することが可能であり、かつ、小型化を図ることができる構造を備えている。このことについては、後述する。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に図示されたＭＥＭＳ素子１０から、固定電極部１１および可動電極部１２を取り除いた状態を示す平面図である。図２（Ｂ）のハッチング領域１１Ｃは、各固定電極部１１の固定櫛歯連結部１１１およびリード部１１２が接合層８に接合される接合部のパターンを示す。図３（Ｂ）のハッチング領域１１Ａは、弾性支持部１３のビーム１３ａの端部が接合層８に接合される接合部のパターンを示す。図３（Ｂ）のハッチング領域１１Ｂは、固定部１５０が接合層８に接合される接合部のパターンを示す。

図３（Ａ）は、図１（Ａ）の領域ＩＩＩ_Ａの拡大図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の領域ＩＩＩ_Ｂの拡大図である。 固定部１５０は、固定部本体１５１と、弾性部１５２と、固定部本体１５１と弾性部１５２との間に設けられたスリット１５３とを有する。固定部１５０のｙ軸方向の中心軸は、可動電極部１２の中央帯部１２１のｙ軸方向の中心軸と同軸である。
弾性部１５２は、中央帯部１２１のｘ軸方向の一側面１２１ａに沿って延在されている。弾性部１５２は、４つの梁構成部１５２ａ～１５２ｄと、梁構成部１５２ａと梁構成部１５２ｂ、および梁構成部１５２ｃと梁構成部１５２ｄとを連結する２つの梁構成部連結部１５４により構成されている。

図４（Ａ）は、弾性部１５２の表面形状を説明する原理図であり、４つの梁構成部２５２ａ～２５２ｄで形成された両持ち梁である放物線梁２５２からなる弾性部２５１を示している。４つの梁構成部２５２ａはそれぞれが放物線形状を有し、両持ち梁の全長にわたりほぼ均一な応力分布が得られる疑似平等梁を構成する。
梁構成部２５２ａの放物線の頂点は梁構成部２５２ｂの放物線の頂点と梁構成部連結部２５４で接続されている。梁構成部２５２ｃの放物線の頂点は梁構成部２５２ｄの放物線の頂点と梁構成部連結部２５４で接続されている。
図３の弾性部１５２は、４つの梁構成部１５２ａ～１５２ｄを有する疑似平等梁であるが、この疑似平等梁は、図４の放物線梁２５２の形状のうち、各梁構成部２５２ａ～２５２ｄの放物線の軸を境とした右の領域の側面を平坦に構成した梁である。
なお、図４の梁構造は後で詳細に説明する。

図３に戻って説明を続ける。弾性部１５２が中央帯部１２１と対峙する面は、それぞれ、図４の梁構成部２５２ａ～２５２ｄと同様の放物線状の輪郭を有する。梁構成部１５２ａと梁構成部１５２ｂ、および梁構成部１５２ｃと梁構成部１５２ｄは、放物線の頂点側で梁構成部連結部１５４により連結されている。また、梁構成部１５２ｂと梁構成部１５２ｃとは、放物線の頂点と反対側で連結されている。以下では、放物線の頂点の反対側を根元部側と称する。梁構成部１５２ａと梁構成部１５２ｄは、それぞれ、固定部本体１５１のｙ軸方向の一端１５１Ｔおよび他端１５２Ｔに一体化され、弾性部１５２は両持ち梁として機能する。

スリット１５３は、可動電極部１２の中央帯部１２１が衝突する固定部本体１５１の端部において、中央帯部１２１の一側面１２１ａと平行にｙ軸方向に延在されている。スリット１５３を形成することにより両持ち梁である弾性部１５２が形成される。
スリット１５３は、ｙ軸方向の中央部に、換言すれば、梁構成部１５２ｂおよび梁構成部１５２ｃに対応する領域に形成された第１スリット部１５３ａと、ｙ軸方向の両端部、すなわち、梁構成部連結部１５４に対応する領域に形成された第２スリット部１５３ｂとを有する。２つの第２スリット部１５３ｂの形状およびサイズは、ほぼ、同一である。
第１スリット部１５３ａのｘ軸方向の幅は、弾性部１５２のｘ軸方向の最大変位量を規定するもので、第１スリット部１５３ａは、梁構成部１５２ｂおよび梁構成部１５２ｃのスリット１５３側の側面と、スリット１５３内の突出部１５１ａの最終規制先端面１６４との間に形成されている。第１スリット部１５３ａの幅、換言すれば、ｘ軸方向の長さは、第２スリット部１５３ｂのｘ軸方向の幅より小さい。
第２スリット部１５３ｂの固定部本体１５１のコーナー部１７１近傍は、半円状に形成されている。

梁構成部１５２ｂと梁構成部１５２ｃの連結部のｙ軸方向の中心は、中央帯部１２１のｙ軸方向の中心と同軸である。梁構成部１５２ｂと梁構成部１５２ｃの連結部の側面１６１は、弾性部１５２において中央帯部１２１の一側面１２１ａに最も近接するように突出している。２つの梁構成部連結部１５４の側面１６２は、弾性部１５２において中央帯部１２１の一側面１２１ａから最も離間している。従って、梁構成部連結部１５４の肉厚、すなわち、ｘ軸方向の長さは、構成部１５２ｂと梁構成部１５２ｃの連結部の肉厚より小さい。
つまり、弾性部１５２は、肉厚が大きい中央部、一端および他端を有し、また、中央部と一端との間および中央部と他端との間のそれぞれに、中央部より厚さの薄い薄肉部を有する構造を有している。
次に、固定部１５０による可動電極部１２の振動の範囲を制限する動作について説明する。

可動電極部１２の振動により中央帯部１２１がｘ軸方向に移動すると、中央帯部１２１の一側面１２１ａが固定部１５０の弾性部１５２の連結部の側面１６１に衝突する。固定部１５０の弾性部１５２は、中央帯部１２１の一側面１２１ａにより押圧されて変形し、弾性部１５２の第１スリット部１５３ａに面する内側面１６３が、固定部本体１５１の第１スリット部１５３ａに面する突出部１５１ａの最終規制先端面１６４に当接し、この位置で、中央帯部１２１のｘ軸方向へ移動が停止する。つまり、固定部本体１５１の最終規制先端面１６４は、中央帯部１２１、すなわち可動電極部１２の振動の範囲を制限する制限部となっている。

弾性部１５２が最終規制先端面１６４に衝突すると可動電極部１２が停止する。従来構造のように、スリットの幅を可動電極部１２の最大変位量に応じた値とし、かつ、スリットの幅を弾性部のｙ軸方向全長にわたり同じ寸法に設定し、かつ、弾性部の断面形状をｙ軸方向全長に一様な矩形とすると、弾性部１５２のスリット１５３のｙ軸方向両端側のコーナー部１７１近傍に生じる応力集中により、弾性部１５２のｙ軸方向の両端部のコーナー部１７１が破損する可能性が増大する。

比較例として、固定部１５０に形成するスリット１５３として、第１スリット部１５３ａのみが設けられており、第１スリット部１５３ａが固定部本体１５１のｙ軸方向の両端部まで延在され、断面形状が梁の全長にわたり一様な矩形とした弾性部の構造を考える。この比較例の構造では、第１スリット部１５３ａの固定部本体１５１のｙ軸方向の両端側のコーナー部１７１に形成される半円の曲率半径は、図３（Ｂ）に図示されるように、第１スリット部１５３ａに内接する円の半径Ｒａとなる。

これに対し、本実施形態では、弾性部１５２を、比較例の梁に比べて大きな曲げ剛性、換言すると大きなばね定数を有し、かつ、梁の全長にわたり応力がほぼ等しくなるような疑似平等梁とした。したがって、弾性部１５２が有する弾性エネルギ（衝撃を吸収するエネルギ）の大きさは、実施の形態の梁が比較例の梁に比べて大きい。また、第１スリット部１５３ａのｙ軸方向の両側に第１スリット部１５３ａの幅よりも大きい幅の第２スリット部１５３ｂを有する。従って、固定部本体１５１のｙ軸方向の両端側のコーナー部に形成される第２スリット部１５３ｂの曲率半径Ｒｂを、第１スリット部１５３ａにおける曲率半径Ｒａより大きくすることができる。このため、固定部本体１５１のｙ軸方向の両端側のコーナー部に生じる集中応力を緩和することができる。

第１スリット部１５３ａの幅は、例えば、１０～２０μｍ程度とすることができる。一方、第２スリット部１５３ｂの幅は、例えば、５０μｍ以上とすることができる。但し、これらの幅寸法は、参考用に示す一例であって、適宜、最良の幅寸法を採用することができる。

また、図３に例示される弾性部１５２の側面は、ｙ軸方向の中央部の側面１６１から、梁構成部連結部１５４の側面１６２に向かう、なだらかな曲面に形成されている。このため、根元連結部の側面１６１から、梁構成部連結部１５４の側面１６２の間の応力分布をほぼ均一化することができる。

さらに、図３に例示される固定部１５０は、第１スリット部１５３ａのｙ軸方向の両側に第２スリット部１５３ｂを設けたので、第１スリット部１５３ａのｙ軸方向、換言すれば、最終規制先端面１６４の長さが短くなる。これにより、以下で説明するように、反応ガスの排出性を向上することができる。

通常、スリット１５３は、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）により形成する。
ＤＲＩＥによるエッチングでは、被エッチング材であるＳｉとの反応速度を向上するには、反応を終了した後の反応ガスが、スリットから流出する際の排出性の良いことが重要である。エッチング加工するスリット幅が狭く、延在する方向に長い場合には、スリットから流出する反応ガスの排出性が悪くなり、加工時間が長くなる。本実施形態では、第１スリット部１５３ａのｙ軸方向、換言すれば、スリット幅方向と直交する方向の長さが短くなるので、反応を終了した後の反応ガスのスリットからの排出性が良好となり、スリット１５３の加工時間の能率化を図ることができる。

図６は、比較例と本実施形態における、可動部振幅量と振動発電デバイス１に印加される加速度との関係を示す図である。
図６の縦軸は、可動部振幅量であり、横軸は振動発電デバイス１に印加される加速度である。縦軸の点Ｔ１は、中央帯部１２１の一側面１２１ａが固定部１５０の弾性部１５２の側面１６１に接触する位置である。また、縦軸の点Ｔ２は、弾性部１５２の内側面１６３が固定部本体１５１の最終規制先端面１６４に当接する位置である。弾性部１５２が位置Ｔ１からＴ２に移動して変形する際にＭＥＭＳ素子１０に作用する衝撃エネルギを吸収する。
可動電極部１２が振動を開始して、中央帯部１２１の一側面１２１ａが点Ｔ１に達するまでは、弾性部１５２のばね定数が大きい場合も小さい場合も、可動部振幅量と振動発電デバイス１に印加される加速度の関係は、同一であり、直線Ｌｃの関係を示す。

固定部１５０に設けられた弾性部１５２のばね定数が小さい場合には、可動電極部１２の移動と共に直線Ｌ_wに示すように可動電極部１２の振幅増加の傾きが小さい状態で、中央帯部１２１の一側面１２１ａが点Ｔ２に達する。すなわち、弾性部１５２のばね定数が小さい場合には、中央帯部１２１の一側面１２１ａが点Ｔ２に達する際の振動発電デバイス１に印加される加速度α_ｗは小さい。これに対し、固定部１５０に設けられた弾性部１５２のばね定数が大きい場合には、可動電極部１２の移動と共に直線_ｓに示すように振動発電デバイス１に印加される加速度が加速度α_ｗを超えても可動電極部１２の力を受け続ける。そして、加速度が所定の大きさであるα_ｓに達した時点で、点Ｔ２に達する。すなわち、弾性部１５２のばね定数が大きい場合には、中央帯部１２１の一側面１２１ａが点Ｔ２に達する際の振動発電デバイス１に印加される加速度α_ｓは、加速度α_ｗより大きくなる。
このように、固定部１５０の弾性部１５２のばね定数を大きくすることにより、可動電極部１２が固定部１５０に衝突してからＴ２－Ｔ１の距離だけ変形する際に吸収するエネルギーが大きくなり、比較例に比べて大きな加速度が作用した場合でもＭＥＭＳ素子１０の破損を防止することができる。吸収エネルギについては後述する。

本実施形態では、固定部１５０に形成するスリット１５３を、可動電極部１２の移動を規制するためのスリット幅の小さい第１スリット部１５３ａと、第１スリット部１５３ａに接続され、固定部１５０のコーナー部１７１近傍まで延在するスリット幅の大きい第２スリット部１５３ｂにより構成した。そして、第２スリット部１５３ｂのコーナー部１７１側を曲率半径の大きい円弧形状に形成した。また、弾性部１５２の中央帯部１２１側の側面を、ｙ軸方向の中央部の側面１６１から梁構成部連結部１５４の側面１６２に向かうなだらかな曲面とした。

このため、外部からＭＥＭＳ素子１０に作用する加速度が大きくなっても、弾性部１５２が固定部本体１５１に固定されるコーナー部１７１、および弾性部１５２の側面１６１から梁構成部連結部１５４の側面１６２までの領域に生じる応力を均一化できる。これにより、弾性部１５２の小型化を図りつつ、大きなばね定数を有する弾性部を得ることができる。

また、固定部１５０の弾性部１５２を、比較例のような矩形で断面積が一様な梁構造とは異なり、梁の全長にわたり応力がほぼ等しくなるような梁構造とし、かつ、比較例の梁に比べてばね定数を大きくした。すなわち、比較例の梁のばね定数よりも大きなばね定数とした。従って、図６で説明したように、第１スリット部１５３ａのスリット幅を比較例のスリット幅と等しくしても、換言すると、可動電極部の可動範囲が同じでも、ＭＥＭＳ素子１０を落下してしまったり、ＭＥＭＳ素子１０を取り付ける際に他の部材が衝突したりした場合の弾性部１５２の損傷を防止することが可能となる。

図７を参照して、比較例と実施の形態における応力分布について説明する。
図７（Ａ）は、全長にわたり矩形で均一な断面積を有する両持ち梁である弾性部３０１のｙ軸方向の中心に、集中荷重ｆを作用させたとき、弾性部３０１に発生するシミュレーションによる応力分布を示す斜視図である。弾性部３０１は、Ｓｉにより形成されている。なお、弾性部３０１は、前述した比較例の弾性部と等価な梁である。
図７（Ｂ）は、実施の形態の４つの梁構成部２５２ａ～２５２ｄを有する放物線梁２５２を説明した図４の原理図による梁と等価な梁の斜視図である。
図７（Ａ）、（Ｂ）では、大きい応力をハッチングＡで、小さい応力をハッチングＣで、その中間の応力をハッチングＢで示している。
図７（Ａ）に図示されるように、弾性部３０１のｙ軸方向の中間部３０１ｍのｘ軸正方向およびｘ軸負方向の側面の表面には、大きい応力が発生する。また、弾性部３０１のｙ軸方向の一端３０１ｔａ側および他端３０１ｔｂ側のｘ軸正方向およびｘ軸負方向の側面の表面にも、大きい応力が発生する。
一方、弾性部３０１のｙ軸方向の中間部３０１ｍとｙ軸方向の一端３０１ｔａとの間、および弾性部３０１のｙ軸方向の中間部３０１ｍとｙ軸方向の他端３０１ｔｂとの間の表面に発生する応力は小さい。

このことから、矩形梁では、ｙ軸方向の中間部３０１ｍと、ｙ軸方向の一端３０１ｔａおよび他端３０１ｔｂとの間の領域では、発生する応力が小さいため、この領域の剛性を小さくする余裕があることが判る。

ここで、図４の疑似平等梁について詳細に説明する。
図４（Ａ）は、側面の表面全長に亘り、ほぼ均等な応力となる弾性部の形状を示す側面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の領域ＩＶ_Ｂの拡大図である。
放物線梁２５２は、第１梁構成部２５２ａ～第４梁構成部２５２ｄと、第１梁構成部２５２ａと第２梁構成部２５２ｂ、および第３梁構成部２５２ｃと第４梁構成部２５２ｄとを連結する２つの梁構成部連結部２５４により構成されている。第１梁構成部２５２ａ～第４梁構成部２５２ｄの４つの梁構成部は、それぞれ、放物線状の輪郭を有している。

図４（Ｂ）に図示されるように、第１梁構成部２５２ａと第２梁構成部２５２ｂ、および第３梁構成部２５２ｃと第４梁構成部２５２ｄは、放物線の頂点側で梁構成部連結部２５４により連結されている。第１梁構成部２５２ａの頂点と第２梁構成部２５２ｂの頂点とが接触した状態で第１、第２梁構成部２５２ａ、２５２ｂの頂点を含む近傍が一体化され、梁構成部連結部２５４が形成されている。同様に、第３梁構成部２５２ｃの頂点と第４梁構成部２５２ｄの頂点とが接触した状態で第３、第４梁構成部２５２ｃ、２５２ｄの頂点を含む近傍が一体化され、梁構成部連結部２５４が形成されている。
また、第２梁構成部２５２ｂと第３梁構成部２５２ｃとは、放物線の根元部側で一体化され、第１梁構成部２５２ａの根元部側および第４梁構成部２５２ｄの根元部側は固定されている。

図４に図示される４つの放物線状の梁が連結された両端固定梁を、以下では、放物線梁と称する。なお、図３の弾性部１５２は、図４の放物線の軸の右側の領域の側面を平坦面とした梁構造であるが、この弾性部１５２も放物線梁と呼ぶ。
弾性部１５２を放物線梁とすることにより、全長にわたり矩形の同一断面を有する比較例や図７（Ａ）の矩形梁よりも、ばね定数を大きくすることが可能となって、弾性部１５２が保有可能な弾性エネルギを大きくできる。

図７は、弾性部に発生する応力分布をシミュレーションにより示す斜視図であり、図７（Ａ）は比較例の構造、図７（Ｂ）は本実施形態の構造に関するものである。
図７（Ａ）は、比較例として、断面積が一様な、矩形形状の弾性部３０１の応力分布を示す。
比較例では、上述した通り、弾性部３０１における、ｙ軸方向における中間部３０１ｍおよび一端３０１ｔａ側および他端３０１ｔｂのｘ軸正方向およびｘ軸負方向の側面表面に大きい応力が発生する。また、弾性部３０１のｙ軸方向の中間部３０１ｍとｙ軸方向の一端３０１ｔａとの間、および弾性部３０１のｙ軸方向の中間部３０１ｍとｙ軸方向の他端３０１ｔｂとの間の側面表面に発生する応力は小さい。つまり、弾性部３０１に生じる応力の大きさは全長一様ではなく不均等である。

図７（Ｂ）は、放物線梁により形成された弾性部２５１を、弾性部２５１に生じる最大応力が、図７（Ａ）の比較例の最大応力と同一になるように歪ませた状態の応力分布を示す。
図７（Ｂ）に図示された放物線梁２５２により形成された弾性部２５１では、梁構成部連結部２５４を除く、第１～第４梁構成部２５２ａ～２５２ｄのｘ軸正方向およびｘ軸負方向の側面表面には比較的大きな応力が生じ、かつ、第１～第４梁構成部２５２ａ～２５２ｄの側面表面の全面に亘り、ほぼ均等であることが確認された。
因みに、比較例の弾性部３０１の最大たわみ量は、０．５μｍ程度であり、放物線梁２５２により形成された弾性部２５１の最大たわみ量は１．０μｍ程度であった。

このように、第１～第４梁構成部２５２ａ～２５２ｄにほぼ均等に応力が生じる構造とすることにより、ばね定数を大きくすることが可能となって、弾性部２５１が保有可能な弾性エネルギを大きくできる。以下に、その理由を説明する。
なお、本実施形態の効果を、対比して説明するため、先ず、断面積が一様な矩形梁について記載する。

図８（Ａ）は、両端固定矩形梁（以下、単に矩形梁とする）の模式図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の断面形状を示し、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）における曲げ応力分布図であり、図８（Ｄ）は、図８（Ａ）の曲げモーメント図であり、図８（Ｅ）は、図８（Ａ）に図示される梁のｘ軸方向の下面側表面の曲げ応力を示す。
以下では、梁のｘ軸方向の長さ、換言すれば、たわみ方向の長さを厚さ、梁の延在方向の長さを梁長さ、梁のｘ軸方向およびｙ軸方向に直交するｚ軸方向の長さを幅とする。

矩形梁は、梁長さ全体に亘り、厚さｗ_１、幅ｂ_１の一様な矩形断面を有する。つまり、梁の厚さｗ_１および幅ｂ１は、梁長さ方向の任意位置において一定である。梁の両端は固定され、梁長さの中央に集中荷重Ｐ１を受けるものとし、集中荷重Ｐ１を受ける位置を原点０とし、原点からの長さをｙとする。梁長さはＬ_１とする。従って、梁の一端および他端の位置ｙは、それぞれ、±Ｌ_１／２である。
位置ｙにおける曲げモーメントＭ１（ｙ）、ｘ軸方向の下面側表面の曲げ応力σ_ｍａｘ１（ｙ）は、それぞれ、式（１）（２）で表される。
Ｍ_１（ｙ）＝Ｌ_１Ｐ_１（１－４|ｙ|／Ｌ_１）／８ （１）
σ_ｍａｘ１（ｙ）＝Ｍ_１（ｙ）／Ｚ_１ （２）
Ｚ_１は、断面係数であり、式（３）で表される。
Ｚ_１＝ｂ_１ｗ_１ ^２／６ （３）

矩形梁では、断面係数Ｚ_１がｙによらず一定のため、σ_ｍａｘ１（ｙ）は、Ｍ_１（ｙ）に比例する。このため、図８（Ｄ）に図示される|Ｍ_１（ｙ）|が最大となる位置（ｙ＝０、ｙ＝±Ｌ_１／２）において、|σ_ｍａｘ１（ｙ）|は、最大値σ_１をとる（（図８（Ｅ）参照）。
すなわち、式（４）が成立する。
σ_１＝σ_ｍａｘ１（０）＝３Ｌ_１Ｐ_１／４ｂ_１ｗ_１ ^２ （４）

つまり、ｙ＝０、ｙ＝±Ｌ_１／２において応力が集中し、集中荷重Ｐ１を大きくすると、この位置に対応する領域が許容応力を超え、梁が破壊する。このとき、この領域以外の領域では、応力に対する余裕がある。従って、矩形梁における不均等応力を改善して、均等化することにより、梁全体を有効に利用することが可能となる。このことは、図７（Ａ）に図示される比較品に関して説明した通りである。

たわみδ_１は、曲げモーメントと断面二次モーメントを用いて、式（５）で表される。
δ_１＝Ｌ_１ ^３Ｐ_１／１６Ｅｂ_１ｗ_１ ^３ （５）
ここで、Ｅはヤング率である。
次に、放物線梁について説明する。

図９（Ａ）は、両端固定の放物線梁の模式図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の断面形状を示し、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）の曲げモーメント図であり、図９（Ｄ）は、図９（Ａ）に図示される梁のｘ軸方向の下面側表面の曲げ応力を示す。
放物線梁で、断面の幅ｂは、梁長さ方向の任意位置において一定であるが、厚さｗは、ｙの関数であり、梁長さ方向の位置ｙにおける厚さをｗ（ｙ）とする。梁の両端は固定され、梁長さの中央に集中荷重Ｐを受けるものとし、集中荷重Ｐを受ける位置を原点０とし、原点からの長さをｙとする。梁長さはＬとする。
放物線梁の固定部である一端および他端における梁の厚さをｗ_０とする（図９（Ａ）参照）。
関数ｗ(y)には下記の対称性を持たせることとする。
（ｉ） ｙ＝０に対して対称
すなわち、ｗ(－ｙ)＝ｗ（ｙ）
（ｉｉ）０≦ｙの部分が、ｙ＝Ｌ／４に対して対称
すなわち、ｗ（Ｌ／４－ｙ）＝ｗ（Ｌ／４＋ｙ） （ｘ≧０）

これらの対称性により、曲げモーメントＭ（ｙ）、ｘ軸方向の下面側表面の曲げ応力σ_ｍａｘ（ｙ）は、それぞれ、式（６）、（７）で表される。
Ｍ（ｙ）＝ＬＰ（１－４|ｙ|／Ｌ）／８ （６）
σ_ｍａｘ（ｙ）＝Ｍ（ｙ）／Ｚ_（ｙ） （７）
Ｚ（ｙ）は、断面係数であり、式（８）で表される。
Ｚ（ｙ）＝ｂｗ（ｙ）^２／６ （８）

ここで、関数ｗ（ｙ）を適切に選ぶことにより、|σ_ｍａｘ（ｙ）|がｙによらず、一定値σとなるようにすることが可能となる。
|σ_ｍａｘ（ｙ）|＝σ （９）

式（９）に式（６）、（７）、（８）を代入して整理すると式（１０）が得られる。
ｗ（ｙ）＝√３ＬＰ|１－４|ｙ|／Ｌ |／４ｂσ （１０）

放物線梁の一端および他端における梁の厚さｗ（－Ｌ／２）＝ｗ_０より、σとｗ０の関係が式（１１）として得られる。
σ＝３ＬＰ／４ｂｗ_０ ^２ （１１）

式（１１）により、式（１０）は、式（１０ａ）となる。
ｗ（ｙ）＝ｗ_０√|１－４|ｙ|／Ｌ| （１０ａ）

ｘ軸方向の下面側表面の曲げ応力の絶対値は、位置ｙによらずσであり、均一な分布となっている。
たわみδは、曲げモーメントと断面二次モーメントから計算され、式（１２）で表される。
δ＝Ｌ^３Ｐ／８Ｅｂｗ_０ ^３ （１２）

式（１０ａ）による放物線梁の形状を図示すると図４となる。
図４に図示された梁長さＬ、位置ｙ、一端および他端における梁の厚さｗ_０は、それぞれ式（１０ａ）のＬ、ｙ、ｗ_０に対応する。
なお、ｙ軸方向の中心からの長さｙ＝±Ｌ／４では、梁の厚さｗ（ｙ）＝０となるが、このような梁では集中荷重Ｐを受けることができない。このため、この位置を含む周囲を連結部により連結する。

次に、弾性部１５２を矩形梁から放物線梁に置き換えた場合の効果について説明する。
置き換えの条件は、梁の厚さｗ以外のサイズは同一とする。
つまり、梁の幅ｂ_１＝ｂ、梁長さＬ_１＝Ｌとする。
また、梁の応力最大値が材料の許容応力σ_０に達するときのたわみをδ_０とし、これらの条件をそろえる。すなわち、たわみδ_１＝δ＝δ_０、曲げ応力σ_１＝σ＝σ_０ とする。
つまり、矩形梁も放物線梁も破壊寸前まで撓んでおり、そのたわみ量が等しい場合を考える。このとき、式（４）、（５）、（１１）、（１２）から式（１３）が成り立つ。
ｗ_０／ｗ_１＝２Ｌ^２σδ_１／Ｌ_１ ^２σ_１δ＝２ （１３）

式（１３）は、弾性部１５２を放物線梁にすることで、弾性部１５２が固定部１５０に固定される一端および他端の厚さを、矩形梁の場合の２倍にすることができることを示す。このことから、弾性部１５２が保有することができる弾性エネルギを大きくすることが可能であることが示唆される。
そこで、矩形梁と放物線梁それぞれが保有可能な弾性エネルギを求めることとする。

矩形梁と放物線梁が、それぞれ、限界まで撓んでいる状態で保有する弾性エネルギＵ_１、Ｕは、それぞれ、式（１４）、（１５）で表される。
Ｕ_１＝Ｐ_１δ_１／２ （１４）
Ｕ＝Ｐδ／２ （１５）

式（４）（１１）、（１３）より、これらの大きさには、式（１６）に示す関係が成立することが判る。
Ｕ／Ｕ_１＝Ｐδ／Ｐ_１δ_１＝４ （１６）

式（１６）から、同じ長さの放物線梁に置き換えることで、破壊されずに保有可能な弾性エネルギを、矩形梁の４倍に大きくすることができることが判る。
従って、放物線梁の構造を採用した弾性部１５２は、大きな外部振動に対して振動状態を維持することができる効果を奏する。

（放物線梁の変形例）
図５は、原理図として示した図４に対応するもので、図３に示した実施の形態の疑似平等梁の原理図である。
図４に図示された放物線梁２５２は、４つの梁構成部が頂点を通るy軸方向と平行な軸に対して線対称な輪郭を有する構造であった、
図５に図示された弾性部２６１は、一側面が直線状に延在され、一側面に対向する側面のみが湾曲面を有する放物線状の梁構造を有する。
弾性部２６１は、可動電極部１２の中央帯部１２１との対面側と反対側の側面２６３が、直線状にｙ軸方向に延在されている。
弾性部２６１は、４つの梁構成部２６２ａ～２６２ｄが連結されて構成されており、その連結の仕方は、図４の放物線梁２５２と同様である。

つまり、梁構成部２６２ａの根元部および梁構成部２６２ｄの根元部は固定されている。梁構成部２６２ｂの根元部と梁構成部２６２ｃの根元部は、弾性部２６１のｙ軸方向の中心で一体化されている。
梁構成部２６２ａと梁構成部２６２ｂは、それぞれの頂点側の梁構成部連結部２６４において連結されている。また、梁構成部２６２ｃと梁構成部２６２ｄは、それぞれの頂点側の梁構成部連結部２６４において連結されている。
弾性部２６１のｙ軸方向の中心からの長さがｙの位置における、各梁構成部２６２ａ～２６２ｄのｘ軸方向の厚さ、換言すれば、一側面２６３から湾曲面側までの長さは、図４に図示された放物線梁２５２における、ｙ位置が同一位置の厚さｗ（ｙ）と同一となっている。弾性部２６１は、一方の側面のみが湾曲された構造であるので、別の言い方をすると、各梁構成部の厚さは、図４に図示された放物線梁２５２の、頂点を通るｙ軸に平行な軸からの厚さの２倍となっている。
なお、本明細書においては、放物線状なる用語は、放物線の他、放物線に近似する形状を含むものとして用いられている。

弾性部２６１においても、各梁構成部の厚さは、図４に図示された放物線梁２５２における対応するｙ位置の厚さと同一であるので、図４に図示された放物線梁２５２からなる弾性部２５１と同様な効果を奏する。

上記では、弾性部２５１、２６１は、放物線または放物線状の輪郭を有する部材として例示した。しかし、弾性部２５１、２６１の輪郭を、正確に、放物線または放物線状にする必要はない。図７（Ａ）について説明した通り、矩形梁では、中央部と、梁の固定部である一端および他端との間それぞれに応力が小さい領域が生じる。従って、この応力が小さい領域に薄肉部を設けて、剛性を小さくすれば、弾性部２５１、２６１の表面全体の応力が均等となる方向に近づくので、相応の効果を奏することができる。

また、上記実施形態では、固定部１５０の弾性部１５２の側面を湾曲面とすると共に、弾性部１５２と固定部本体との間に設けるスリット１５３を、スリット幅が小さい第１スリット部１５３ａと、それよりもスリット幅が大きい第２スリット部１５３ｂにより構成する構造として例示した。
しかし、弾性部１５２の輪郭を放物線または放物線状にすることによる効果は、スリット１５３を、スリット幅が異なる複数のスリットから構成するか否かとは関係なく得ることができる。

また、スリット１５３を、スリット幅が異なる複数のスリットから構成することによる効果は、弾性部１５２の輪郭を放物線または放物線状にするか否かとは関係なく得ることができる。
従って、弾性部１５２の側面を湾曲面とすること、およびスリット１５３を、スリット幅が異なる複数のスリットから構成することは、それぞれ、単独に用いてＭＥＭＳ素子１０を構成してもよい。

（固定部および可動部の変形例）
図１０は、可動部と固定部の変形例を示す平面図である。
図１０に図示される固定部１５０は、可動電極部１２の中央帯部１２１に対面する側面１５６は、ｙ軸方向に直線状に延在されており、側面１５６には、突出面が形成されていない。これに対し、可動電極部１２の中央帯部１２１の固定部１５０側に対面する一側面１２１ａに、可動電極部１２側に突出する突出部１２８が設けられている。突出部１２８は、先端部１２８ａが固定部１５０のｙ軸方向の中心に対応する位置に設けられている。

また、固定部１５０に設けられたスリット１５５は、中央部に設けられた第１スリット部１５５ａと、第１スリット部１５５ａのｙ軸方向の両側に設けられたほぼ円形の第２スリット部１５５ｂにより構成されている。

このように、突出部１２８は、可動電極部１２側に設けてもよい。また、第２スリット部１５５ｂは、円形や楕円形にしてもよい。
また、上記実施形態では、弾性部１５２を固定部１５０に設けた構造として例示したが、弾性部１５２を可動電極部１２に設けてもよい。

上記実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）ＭＥＭＳ素子１０は、ベース７と、可動電極部（可動部）１２と、弾性部１５２および固定部本体１５１を有する固定部１５０を備えており、弾性部１５２は、可動電極部１２の移動方向と交差する方向に延在され、可動電極部１２の中央帯部１２１の力を受ける中央部と、固定部本体１５１に固定された一端および他端を有し、中央部と一端との間および中央部と他端との間のそれぞれに、中央部、一端および他端より肉厚が薄い薄肉部を有する。中央部に外力が作用した場合、矩形梁構造の弾性部１５２に発生する、中央部と一端との間および中央部と他端との間の側面表面に生じる応力は、中央部、一端および他端の側面表面に生じる応力より小さい。本実施形態では、応力が小さい中央部と一端との間および中央部と他端との間に薄肉部を設けた構造を有する。これにより、弾性部１５２の薄肉部の側面表面の応力が大きくなり、弾性部１５２側面表面全体の応力が均等となる方向に改善される。このため、弾性部を小型化しつつ、ばね定数を大きくすることができ、変形に伴う弾性エネルギを大きくすることができる。その結果、大きい外力を受けた場合の弾性部１５２の損傷を抑制することができる。

（２）弾性部１５２の中央部と薄肉部の間は、その間の応力がほぼ均一となるように、なだらかな曲面に形成されている。中央部と薄肉部の間に生じる応力を均一にすることにより、弾性部の小型化を図ることができる。
弾性部１５２の中央部と薄肉部との間の損傷を抑制することができる。

（３）弾性部１５２の中央部の可動電極部１２の中央帯部１２１に対面する側面は、薄肉部よりも可動電極部１２の中央帯部１２１側に突出している。このため、可動電極部１２の中央帯部１２１が弾性部１５２に当接したときに、中央帯部１２１に不所望な回転モーメントが生じるのが抑制され、可動電極部１２を効果的に直線移動することができる。その結果、発電効率の低下を抑えることができる。

（４）弾性部１５２は、根元部側で一体化された２つの放物線状の輪郭を有する第２、第３梁構成部１５２ｂ、１５２ｃと、頂点側が第２梁構成部１５２ｂの頂点側に連結された放物線状の輪郭を有する第１梁構成部１５２ａと、頂点側が第３梁構成部１５２ｃの頂点側に連結された放物線状の輪郭を有する第４梁構成部１５２ｄを有する放物線梁により構成されている。これにより、弾性部１５２を矩形梁により構成する場合に比し、弾性部を小型化したり、放物線梁を矩形梁と同一サイズとすれば、最大たわみ量を大きくしたり、ばね定数を大きくすることが可能となって、弾性部１５２が保有可能な弾性エネルギを大きくしたりすることができる。

弾性部１５２を上記放物線梁により構成する場合、弾性部１５２の厚さｗ（ｙ）は、下記の式をほぼ満足するように設定することが好ましい。
ｗ（ｙ）＝ｗ_０√|１－４|ｙ|／Ｌ|
但し、ｗ（ｙ）は、弾性部１５２の梁長さの中央からの長さがｙの位置における放物線梁の厚さであり、ｗ_０は、弾性部１５２の一端部の厚さであり、|ｙ|は、弾性部１５２の梁長さの中央から位置ｙまでの長さの絶対値であり、Ｌは、弾性部１５２の梁長さの全長である。

（５）ＭＥＭＳ素子１０は、ベース７と、可動電極部１２と、弾性部１５２および固定部本体１５１を有する固定部１５０を備えており、固定部１５０は、弾性部１５２に沿って延在され、固定部本体１５１を貫通して設けられたスリット１５３を有する。弾性部１５２は、可動電極部１２の中央帯部１２１の移動方向と交差する方向に延在され、中央帯部１２１の力を受ける中央部と、固定部本体１５１に固定された一端および他端を有し、スリット１５３は、弾性部１５２の中央部に対応して設けられた第１スリット部１５３ａと、第１スリット部１５３ａに接続され、弾性部１５２の一端近傍および他端近傍の内側に設けられた第２スリット部１５３ｂを有し、第２スリット部１５３ｂの中央帯部１２１の移動方向の幅は第１スリット部１５３ａの中央帯部１２１の移動方向の幅よりも大きく形成され、第２スリット部１５３ｂの弾性部１５２の一端側のコーナー部１７１および他端側のコーナー部１７１には、それぞれ、円弧状の湾曲部が設けられ、円弧状の湾曲部の曲率半径Ｒｂは、第１スリット部１５３ａに内接する円の曲率半径Ｒａより大きい。このため、弾性部１５２の一端側のコーナー部１７１および他端側のコーナー部１７１に生じる集中応力を抑制することができ、大きい振動を受けた場合でも、弾性部１５２が損傷されるのを抑制することができる。

なお、上記実施形態では、ＳＯＩ基板によりＭＥＭＳ素子１０を形成するとして例示したが、シリコン基板を用いても良い。また、シリコン基板に替えて、ガラス、金属、アルミナ等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、ＭＥＭＳ素子１０は、振動発電素子用として例示した。しかし、外部から駆動電圧を印加して可動電極部を振動させる振動アクチュエータ用のＭＥＭＳ素子としてもよい。振動アクチュエータでは、可動電極部の振動を利用して、種々のデバイスを形成することができる。さらに、本実施形態のＭＥＭＳ素子１０は、種々のセンサ用としてもよい。

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。

１ 振動発電デバイス
７ ベース
１０ ＭＥＭＳ素子
１１ 固定電極部
１２ 可動電極部（可動部）
１３ 弾性支持部
１１０ 固定櫛歯
１２０ 可動櫛歯
１２１ 中央帯部
１２１ａ 一側面
１２８ 突出部
１５０ 固定部
１５１ 固定部本体
１５２ 弾性部
１５２ａ～１５２ｄ 梁構成部
１５３ スリット
１５３ａ 第１スリット部
１５３ｂ 第２スリット部
１５４ 梁構成部連結部
１５５ スリット
１５５ａ 第１スリット部
１５５ｂ 第２スリット部
１６１ 側面
１６３ 内側面
１７１ コーナー部
２５１ 弾性部
２５２ 放物線梁
２５２ａ 第１梁構成部
２５２ｂ 第２梁構成部
２５２ｃ 第３梁構成部
２５２ｄ 第４梁構成部
２５４ 梁構成部連結部
２６１ 弾性部
２６２ａ～２６２ｄ 梁構成部
２６４ 梁構成部連結部

Claims (15)

1. ベースと、
   少なくとも一部が前記ベースに固定され、所定方向に移動可能な可動部と、
   少なくとも一部が前記ベースに固定され、前記可動部に対向して設けられた弾性部および前記弾性部が固定された固定部本体を有する固定部と、を備え、
   前記弾性部は、前記可動部の移動方向と交差する方向に延在され、前記可動部の力を受ける中央部と、前記固定部本体に固定された一端および他端を有し、前記中央部と前記一端との間、および前記中央部と前記他端との間のそれぞれに、前記中央部、前記一端および前記他端より肉厚が薄い薄肉部を有し、
   前記弾性部の前記中央部と前記薄肉部の間は、その間の応力がほぼ均一となるように、なだらかな曲面に形成されているＭＥＭＳ素子。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記弾性部の前記中央部の前記可動部に対面する側面は、前記薄肉部よりも前記可動部側に突出しているＭＥＭＳ素子。
3. 請求項１に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記可動部の前記固定部に対面する側面に、前記固定部の前記中央部に対向する突出部が形成されているＭＥＭＳ素子。
4. 請求項１または請求項２に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記弾性部と前記固定部本体との間には、前記弾性部に沿って延在され、前記固定部本体を貫通するスリットが設けられており、
   前記弾性部の前記可動部に対面する側面は、
   前記可動部から受ける力により発生する応力が、前記中央部の表面および前記薄肉部の表面において、ほぼ均一となる、なだらかな曲面に形成されているＭＥＭＳ素子。
5. 請求項１または請求項２に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記弾性部は、４つの梁構成部を有し、
   前記弾性部と前記固定部本体との間には、前記弾性部に沿って延在されたスリットが設けられており、
   前記弾性部の前記可動部に対面する側面および前記弾性部の前記スリット側の側面の少なくとも一方は、前記固定部本体の一端に根元部が固定された放物線状の湾曲面を有する第１梁構成部と、前記第１梁構成部と頂点側で連結された放物線状の湾曲面を有する第２梁構成部と、前記第２梁構成部と根元部で一体化された放物線状の湾曲面を有する第３梁構成部と、前記第３梁構成部と頂点側で連結され、根元部が前記固定部本体の他端に固定された放物線状の湾曲面を有する第４梁構成部からなる放物線状構造を有するＭＥＭＳ素子。
6. 請求項５に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記弾性部の前記可動部に対面する前記側面は、前記中央部と前記一端間が、前記中央部の中心を基端とする放物線状の湾曲面と前記一端を基端とする放物線状の湾曲面とを、各放物線状の湾曲面の頂点側で接合した形状を有し、
   前記弾性部の前記スリット側の側面は、直線状に形成されているＭＥＭＳ素子。
7. 請求項５または請求項６に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記弾性部の厚さｗ（ｙ）は、下記の式をほぼ満足するように設定されているＭＥＭＳ素子。
   ｗ（ｙ）＝ｗ_０√|１－４|ｙ|／Ｌ|
   但し、ｗ（ｙ）は、弾性部の梁長さの中央からの長さがｙの位置における放物線梁の厚さであり、ｗ_０は、弾性部の一端部の厚さであり、|ｙ|は、弾性部の梁長さの中央から位置ｙまでの長さの絶対値であり、Ｌは、弾性部の梁長さの全長である。
8. 請求項１に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記弾性部と前記固定部本体との間には、前記弾性部に沿って延在されたスリットが設けられており、
   前記スリットは、前記弾性部の前記中央部に対応して設けられた第１スリット部と、前記第１スリット部に接続され、前記弾性部の前記一端近傍および前記他端近傍の内側に設けられた第２スリット部を有し、前記第２スリット部の前記可動部の移動方向の幅は前記第１スリット部の幅よりも大きいＭＥＭＳ素子。
9. 請求項８に記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記固定部本体の前記第１スリット部に対向する領域には、ストッパ部が設けられており、
   前記ストッパ部の先端面は、前記弾性部を介して受ける前記可動部の力を最終的に規制する最終規制先端面であるＭＥＭＳ素子。
10. ベースと、
    少なくとも一部が前記ベースに固定され、所定方向に移動可能な可動部と、
    少なくとも一部が前記ベースに固定され、前記可動部に対向して設けられた弾性部および前記弾性部が固定された固定部本体を有する固定部と、を備え、
    前記固定部は、前記弾性部と前記固定部本体との間に前記弾性部に沿って延在され、前記固定部本体を貫通して設けられたスリットを有し、
    前記弾性部は、前記可動部の移動方向と交差する方向に延在され、前記可動部の力を受ける中央部と、前記固定部本体に固定された一端および他端を有する梁構造であり、
    前記中央部と前記一端との間、および前記中央部と前記他端との間のそれぞれに、前記中央部、前記一端および前記他端より肉厚が薄い薄肉部を有し、
    前記弾性部の前記中央部と前記薄肉部の間は、その間の応力がほぼ均一となるように、なだらかな曲面に形成され、
    前記スリットは、前記弾性部の前記中央部に対応して設けられた第１スリット部と、前記第１スリット部に接続され、前記弾性部の前記一端近傍および前記他端近傍の内側に設けられた第２スリット部を有し、前記第２スリット部の前記可動部の移動方向の幅は前記第１スリット部の幅よりも大きく形成され、前記第２スリット部の前記弾性部の前記一端側のコーナー部および前記他端側のコーナー部には、円弧状の湾曲部が設けられ、前記円弧状の湾曲部の曲率半径は、前記第１スリット部に内接する円の曲率半径より大きいＭＥＭＳ素子。
11. 請求項１０に記載のＭＥＭＳ素子において、
    前記弾性部は、前記中央部と前記一端との間、および前記中央部と前記他端との間のそれぞれに、前記中央部、前記一端および前記他端より肉厚が薄い薄肉部を有するＭＥＭＳ素子。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子において、
    前記ベース、前記固定部および前記可動部は、シリコンにより形成されているＭＥＭＳ素子。
13. 請求項１２に記載のＭＥＭＳ素子において、
    前記可動部は、複数の可動櫛歯および前記複数の可動櫛歯を連結する櫛歯連結部を有し、前記固定部は、前記可動部の前記複数の可動櫛歯に挿脱される複数の固定櫛歯を有するＭＥＭＳ素子。
14. 請求項１３に記載のＭＥＭＳ素子において、
    少なくとも前記各可動櫛歯および前記固定櫛歯の一方には、エレクトレットが形成されているＭＥＭＳ素子。
15. 請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子と、
    前記ＭＥＭＳ素子の前記可動部を前記固定部に弾性支持する弾性支持部と、
    前記固定部に対して前記可動部が振動することで発生する電力を出力する出力部とを備える振動発電デバイス。

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