WO2017057317A1 - 振動発電素子 - Google Patents

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power generation
generation element
vibration power
vibration
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年吉　洋
藤田　博之
久幸 芦澤
裕幸 三屋
和徳 石橋
Original Assignee
国立大学法人 東京大学
株式会社鷺宮製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0285—Vibration sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0136—Comb structures

Definitions

  • the present invention relates to a vibration power generation element.
  • Patent Document 1 discloses an electrostatic induction conversion element in which electrets are formed on the vertical surfaces of comb-shaped electrodes formed on a movable part and a fixed part, respectively, using soft X-rays.
  • the electrostatic induction conversion element described in Patent Document 1 generates power by vibrating a movable part in a predetermined direction by environmental vibration. At this time, since the overlapping area of the electret surfaces of the opposing comb electrodes changes, mechanical work is converted into electrostatic energy by the electrostatic force acting between the comb electrodes, and an electromotive force can be generated. However, in order to change the overlap area of the electret surface by exciting the movable part in a stationary state, the inertial force generated in the movable part by the vibration must exceed a predetermined electrostatic force gap according to the electrostatic force of the electret There is. Therefore, when the acceleration of vibration is small, the movable part cannot be moved and power generation cannot be performed.
  • the vibration power generation element includes a first electrode and a second electrode that can be displaced in a predetermined vibration direction with respect to the first electrode. At least one of the opposing surfaces of the first electrode and the second electrode is charged, and a capacitance between the first electrode and the second electrode due to displacement of the second electrode A region where the capacitance does not change even when the second electrode is displaced is provided in a portion including at least the vibration center of the second electrode.
  • the first electrode is a fixed electrode.
  • the first electrode is preferably a movable electrode.
  • the first electrode and the second electrode are comb electrodes.
  • the vibration direction is preferably a direction perpendicular to the extending direction and the arrangement direction of the comb teeth of the comb electrode.
  • a region where the capacitance does not change is provided by providing a step portion in the vibration direction in at least a part of the comb electrode.
  • the first electrode and the second electrode have a first protrusion and a second protrusion along the vibration direction. And a width of the first convex portion of the first electrode in the vibration direction, and a width of the second convex portion of the second electrode. It is preferable that a region where the capacitance does not change is provided by differentiating each other.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the fixed electrode and the movable electrode in the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of displacement of the movable electrode and the force acting on the movable electrode in the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view illustrating a schematic configuration of the vibration power generation element according to the comparative example.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of the fixed electrode and the movable electrode in the vibration power generation element according to the comparative example.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the fixed electrode and the movable electrode in the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the amount of displacement of the movable electrode and the force acting on the movable electrode in the vibration power generation element according to the comparative example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the amplitude of the movable electrode and the output power when the vibration power generation element according to the comparative example is used and when the vibration power generation element according to the first embodiment is used.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the amplitude of the movable electrode and the output power when the vibration power generation element according to the comparative example is used and when the vibration power generation element according to the first embodiment is used.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an example of a machining process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining an example of a machining process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining an example of a machining process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an example of a machining process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a processing process for forming the vibration power generation element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram showing an electrode structure in the vibration power generation element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between the amount of displacement of the movable electrode and the force acting on the movable electrode in the vibration power generation element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the vibration power generation element 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the vibration power generation element 1 includes a base 2, fixed electrodes 3 a and 3 b, movable electrodes 4 a and 4 b, a movable part 5, an elastic support part 6, and a connection pad part 7.
  • a load 9 is connected to the vibration power generation element 1.
  • each of the fixed electrodes 3a and 3b and the movable electrodes 4a and 4b has a comb-tooth structure.
  • the fixed electrode 3a has a plurality of comb teeth 30a
  • the movable electrode 4a has a plurality of comb teeth 40a.
  • the fixed electrode 3a and the movable electrode 4a are arranged so that the comb teeth 30a and the comb teeth 40a mesh with each other.
  • a plurality of comb teeth 30b are formed on the fixed electrode 3b
  • a plurality of comb teeth 40b are formed on the movable electrode 4b.
  • the fixed electrode 3b and the movable electrode 4b are arranged so that the comb teeth 30b and the comb teeth 40b mesh with each other.
  • the fixed electrodes 3a and 3b constitute a fixed comb electrode
  • the movable electrodes 4a and 4b constitute a movable comb electrode.
  • the comb-teeth electrode is formed by arranging a plurality of comb teeth in parallel like the fixed electrodes 3a and 3b and the movable electrodes 4a and 4b in FIG.
  • the number of the comb teeth in this invention is not limited to what was shown in FIG. In the case of a comb-tooth electrode in which the number of comb teeth is the minimum, two comb teeth are formed on one of the fixed comb electrode and the movable comb electrode and inserted between the two comb teeth. Thus, one comb tooth is formed on the other electrode. If it is a comb-tooth electrode having such a basic configuration, a vibration power generation element having the following functions can be configured regardless of the number of comb teeth.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the fixed electrode 3b and the movable electrode 4b in the vibration power generation element 1 according to the first embodiment of the present invention, and shows the target portion 100 of FIG. 1 in an enlarged manner.
  • 2A is a top view of the target portion 100
  • FIG. 2B is a front view of the target portion 100
  • FIG. 2C is a perspective view of the target portion 100.
  • the range (hatched portion in the figure) including the meshing portion with the comb teeth 30b of the fixed electrode 3b is shown in FIG.
  • a step is provided in the vertical direction (Z direction). 2 shows only the step structure of the comb teeth 40b included in the target portion 100, the other comb teeth 40b of the movable electrode 4b and the comb teeth 40a of the movable electrode 4a also have the same step structure. ing.
  • the movable portion 5 elastically supported by the base 2 by the elastic support portion 6 can slide in the Z direction integrally with the movable electrodes 4a and 4b.
  • at least one of the comb teeth 30a of the fixed electrode 3a and the comb teeth 40a of the movable electrode 4a, and the comb teeth 30b of the fixed electrode 3b and the comb of the movable electrode 4b are engaged.
  • electrets are formed in the vicinity of the surfaces of the opposing surfaces. Thereby, at least one opposing surface of the fixed electrode 3a and the movable electrode 4a and at least one opposing surface of the fixed electrode 3b and the movable electrode 4b are charged, respectively.
  • the load 9 consumes electric power supplied from the vibration power generation element 1 and performs a predetermined operation.
  • the positive electrode side of the load 9 is electrically connected to the fixed electrodes 3a and 3b, and the negative electrode side of the load 9 is movable electrodes 4a and 4b via the connection pad portion 7, the elastic support portion 6 and the movable portion 5. And are electrically connected.
  • the vibration power generation element 1 When the vibration power generation element 1 is swung in a direction including the Z direction component by vibration in the environment, the movable electrodes 4a and 4b are vibrated and displaced in the Z direction with respect to the fixed electrodes 3a and 3b.
  • the vibration direction of the movable electrodes 4a and 4b that is, the Z direction is the extension direction (X direction) and the arrangement direction of the comb teeth 30a and 30b of the fixed electrodes 3a and 3b and the comb teeth 40a and 40b of the movable electrodes 4a and 4b ( The direction perpendicular to the (Y direction).
  • FIG. 3 is a diagram showing a relationship between the displacement amount in the Z direction of the movable electrodes 4a and 4b and the force acting on the movable electrodes 4a and 4b in the vibration power generation element 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents the amount of displacement in the Z direction
  • the vertical axis represents the magnitude of the force fz.
  • the movable electrode 4a Since no electrostatic force in the Z direction acts between 4b and the fixed electrodes 3a and 3b, the force fz changes at a constant rate according to the spring constant k of the elastic support portion 6.
  • h1 is the difference between the height of the stepped portion of the comb teeth 40b (the length in the Z direction) and the height of the comb teeth 30b (the length in the Z direction). is there.
  • the step is provided on the comb teeth 40a and 40b of the movable electrodes 4a and 4b as described above, so that the movable electrodes 4a and 4b and the fixed electrodes 3a and 3b can be connected as described above.
  • a non-operating region in which no electrostatic force in the Z direction works that is, a region where the capacitance does not change is provided between them.
  • the vibration power generation element 1 of the present embodiment power generation is possible even when the acceleration of excitation is small.
  • FIG. 4 is a plan view showing a schematic configuration of a vibration power generation element 1A according to a comparative example. 4 is similar to the vibration power generation element 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1, the base 2, the fixed electrodes 3 a and 3 b, the movable electrodes 4 a and 4 b, the movable part 5, and the elastic support Part 6 and connection pad part 7 are provided. A load 9 is connected to the vibration power generation element 1A.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of the fixed electrode 3b and the movable electrode 4b in the vibration power generation element 1A according to the comparative example, and shows the target portion 200 of FIG. 4 in an enlarged manner.
  • 5A is a top view of the target portion 200
  • FIG. 5B is a front view of the target portion 200
  • FIG. 5C is a perspective view of the target portion 200.
  • the stepped portions as in the vibration power generation element 1 are not provided in the comb teeth 40 b of the movable electrode 4 b.
  • FIG. 5 illustrates only the comb teeth 40b included in the target portion 200, but similarly, no step is provided on the other comb teeth 40b of the movable electrode 4b or the comb teeth 40a of the movable electrode 4a. .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between the displacement amount in the Z direction of the movable electrodes 4a and 4b and the force acting on the movable electrodes 4a and 4b in the vibration power generation element 1A according to the comparative example.
  • the Z-direction force fz acting on the movable electrodes 4a and 4b changes as shown by a graph 52 in FIG.
  • FIGS. 7 and 8 show the relationship between the amplitude of the movable electrodes 4a and 4b and the output power when the vibration power generation element 1A according to the comparative example is used and when the vibration power generation element 1 according to the first embodiment is used.
  • FIG. FIGS. 7A and 7B show simulation results of the amplitude and output power of the movable electrodes 4a and 4b when an acceleration of 1600 m / s 2 is applied to the vibration power generation element 1A with a pulse width of 0.1 ms, respectively. ing.
  • FIGS. 8A and 8B show simulation results of the amplitude and output power of the movable electrodes 4a and 4b when an acceleration of 800 m / s 2 is applied to the vibration power generation element 1A with a pulse width of 0.5 ms, respectively. ing.
  • 8C and 8D respectively show simulation results of the amplitude and output power of the movable electrodes 4a and 4b when an acceleration of 800 m / s 2 is applied to the vibration power generation element 1 with a pulse width of 0.5 ms. ing.
  • FIGS. 9 to 18 are diagrams for explaining an example of a machining process for forming the vibration power generation element 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • 9 to 18 show how the base 2, fixed electrode 3b, and movable electrode 4b of the vibration power generation element 1 shown in FIG. 1 are formed.
  • FIG. 9A is a plan view of an SOI (Silicon On Insulator) substrate used for forming the vibration power generation element 1
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 9A.
  • the vibration power generation element 1 is formed by a general MEMS processing technique using, for example, an SOI substrate as shown in FIG.
  • the SOI substrate includes a lower Si layer 31 on which a handle layer is formed, an SiO 2 layer 32 on which a BOX layer is formed, and an upper Si layer 33 on which a device layer is formed.
  • an appropriately doped substrate is used in order to improve the adhesion to the metal of the portion to be the connection pad portion or to improve the conductivity. This doping has no problem in the invention of the present invention regardless of whether it is P-type or N-type.
  • FIG. 10A is a plan view of the SOI substrate in the first step
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 10A.
  • resist patterns 35a and 35b are formed by photolithography using a photomask, as shown in FIG. Thereafter, hard baking is performed to cure the resist patterns 35a and 35b.
  • FIG. 11 (a) is a plan view of the SOI substrate in the second step
  • FIG. 11 (b) is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 11 (a).
  • the aluminum is formed by photolithography using a photomask. Patterns 36a and 36b are formed.
  • FIG. 12 (a) is a plan view of the SOI substrate in the third step
  • FIG. 12 (b) is a DD cross-sectional view of FIG. 12 (a).
  • DRIE Deep Reactive IonchingEtching
  • FIG. 13A is a plan view of the SOI substrate in the fourth step
  • FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line EE of FIG. 13A.
  • aluminum patterns 36a and 36b on the fixed electrode 3b and the movable electrode 4b formed in the third step are removed by performing aluminum etching.
  • FIG. 14 (a) is a plan view of the SOI substrate in the fifth step
  • FIG. 14 (b) is a cross-sectional view taken along the line FF of FIG. 14 (a).
  • comb teeth 40b having a step structure are formed as shown in FIG. 14 by slightly performing DRIE on the movable electrode 4b formed in the third step.
  • FIG. 15A is a plan view of the SOI substrate in the sixth step
  • FIG. 15B is a GG cross-sectional view of FIG. 15A.
  • resist patterns 35a and 35b on the fixed electrode 3b and the movable electrode 4b formed in the third step are removed by performing resist etching.
  • this sixth step is completed, the processing of the surface of the SOI substrate, that is, the device layer is completed.
  • FIG. 16A is a plan view of the SOI substrate in the seventh step
  • FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the line HH in FIG.
  • the base 2 is formed by performing photolithography processing and DRIE processing on the lower Si layer 31.
  • FIG. 17A is a plan view of the SOI substrate in the eighth step
  • FIG. 17B is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. 17A.
  • the SiO 2 layer 32 is etched to remove unnecessary portions.
  • FIG. 18 is a perspective view of the SOI substrate that has been processed.
  • thermal oxidation treatment, nitride film etching, BT treatment (charging treatment), etc. on the SOI substrate processed into a shape as shown in FIG. 18, electrets are formed on at least one of the fixed electrode 3b and the movable electrode 4b. It is formed. Thereafter, the vibration power generation element 1 is completed through packaging.
  • the vibration power generation element 1 includes fixed electrodes 3a and 3b and movable electrodes 4a and 4b that can be displaced in a predetermined vibration direction with respect to the fixed electrodes 3a and 3b, respectively. At least one of the opposing surfaces of the fixed electrodes 3a, 3b and the movable electrodes 4a, 4b is charged, and electrostatic displacement between the fixed electrodes 3a, 3b and the movable electrodes 4a, 4b is caused by the displacement of the movable electrodes 4a, 4b. Power is generated by changing the capacity.
  • the vibration power generation element 1 a non-operating region where the capacitance does not change even when the movable electrodes 4a and 4b are displaced is provided in a portion including at least the vibration center of the movable electrodes 4a and 4b. Since it did in this way, the vibration electric power generation element 1 which can be generated even if the acceleration of excitation is small is realizable.
  • the fixed electrodes 3a and 3b and the movable electrodes 4a and 4b are comb electrodes having comb teeth 30a and 30b and comb teeth 40a and 40b, respectively. Therefore, the vibration power generation element 1 having a small size and high power generation capability can be realized.
  • the vibration direction of the movable electrodes 4a, 4b is the Z direction perpendicular to the extending direction (X direction) and the arranging direction (Y direction) of the comb teeth 30a, 30b and 40a, 40b of the comb electrode. . Since it did in this way, the spring constant of the elastic support part 6 with respect to a X direction and a Y direction can be enlarged, and the pull-in intensity
  • the capacitance does not change by providing a step portion in the vibration direction, that is, the Z direction in at least a part of each of the comb teeth 40 a and 40 b of the movable electrodes 4 a and 4 b that are comb-tooth electrodes.
  • a non-operating area is provided. Since it did in this way, a non-operation area
  • FIG. 19 is a diagram showing an electrode structure in the vibration power generation element according to the second embodiment of the present invention.
  • the vibration power generation element of the present embodiment as shown in FIG. 19, the fixed electrode 21 and the movable electrode 22 are disposed to face each other.
  • the illustration of the configuration of the vibration power generation element other than the fixed electrode 21 and the movable electrode 22 is omitted.
  • the movable electrode 22 is supported by an elastic support portion (not shown) so as to be slidable in the horizontal direction (X direction) in the figure with respect to the fixed electrode 21.
  • the fixed electrode 21 and the movable electrode 22 are provided with a first convex portion 21a and a second convex portion 22a facing each other at predetermined intervals along the X direction.
  • the width of each second protrusion 22 a of the movable electrode 22 in the X direction is set smaller than the width of each first protrusion 21 a of the fixed electrode 21.
  • At least one of the first convex portions 21a of the fixed electrode 21 and the second convex portions 22a of the movable electrode 22 is formed with electrets in the vicinity of the surfaces of the respective opposing surfaces. Thereby, at least one of the opposing surfaces of the fixed electrode 21 and the movable electrode 22 is charged.
  • the vibration power generation element of this embodiment When the vibration power generation element of this embodiment is swung in a direction including the X direction component due to vibration in the environment, the movable electrode 22 is vibrated in the X direction and displaced with respect to the fixed electrode 21. As a result, when a deviation in the X direction occurs between the first convex portion 21a of the fixed electrode 21 and the second convex portion 22a of the movable electrode 22, the facing area between them changes, so that the fixed electrode The electrostatic capacitance between 21 and the movable electrode 22 changes. Due to this and the induced charge of the electret, the voltage between the fixed electrode 21 and the movable electrode 22 changes to generate an electromotive force, whereby the vibration power generation element of this embodiment generates power.
  • FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the amount of displacement in the X direction of the movable electrode 22 and the force acting on the movable electrode 22 in the vibration power generation element according to the second embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents the amount of displacement in the X direction
  • the vertical axis represents the magnitude of the force fx.
  • the force fx changes at a constant rate according to the spring constant of the elastic support portion.
  • h2 is a length from the left and right ends of the second convex portion 22a of the movable electrode 22 to the left and right ends of the first convex portion 21a of the fixed electrode 21, as shown in FIG.
  • the width of each second convex portion 22a of the movable electrode 22 in the X direction is set to be smaller than the width of each first convex portion 21a of the fixed electrode 21.
  • each of the fixed electrode 21 and the movable electrode 22 has the first convex portion 21a and the second convex portion 22a along the X direction that is the vibration direction. It is provided so as to face each other, and the width of the first convex portion 21a of the fixed electrode 21 in the X direction and the width of the second convex portion 22a of the movable electrode 22 are made different from each other. A region where the capacitance does not change is provided. Since it did in this way, a non-operation area
  • each second protrusion 22a of the movable electrode 22 in the X direction is set to the width of each first protrusion of the fixed electrode 21, contrary to FIG. You may set larger than the width
  • the structure of the vibration power generation element according to the present invention is not limited to that described in the first and second embodiments.
  • a vibration power generation element with a structure in which the movable electrode and the fixed electrode are arranged to face each other and the movable electrode can vibrate in the surface direction along the facing surface, or the movable electrode can vibrate in the rotational direction with respect to the fixed electrode The present invention may be applied to a vibration power generation element having a simple structure. Further, both electrodes facing each other may be movable electrodes.
  • the present invention can be applied to any structure of the vibration power generation element.
  • Vibration power generation element 2 Base 3a, 3b: Fixed electrode 30a, 30b: Comb tooth 4a, 4b: Movable electrode 40a, 40b: Comb tooth 5: Movable part 6: Elastic support part 7: Connection pad part 9: Load 21 : Fixed electrode 21a: 1st convex part 22: Movable electrode 22a: 2nd convex part

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

振動発電素子は、第１の電極と、第１の電極に対して所定の振動方向に変位可能な第２の電極と、を備え、第１の電極と第２の電極との対向面の少なくとも一方が帯電されており、第２の電極の変位により第１の電極と第２の電極との間の静電容量が変化することで発電し、第２の電極の少なくとも振動中心を含む部分に、第２の電極が変位しても静電容量が変化しない領域が設けられている。

Description

振動発電素子
　本発明は、振動発電素子に関する。
　近年、環境中からエネルギーを収穫するエナジーハーベスティング技術の一つとして、振動発電素子（振動発電デバイス）を用いて環境振動から発電を行う手法が注目されている。こうした用途の振動発電素子では、小型で高い発電効率を得るために、エレクトレットによる静電力を利用することが提案されている。たとえば特許文献１には、軟Ｘ線を利用して、可動部と固定部にそれぞれ形成された櫛歯電極の垂直面にエレクトレットを形成した静電誘導型変換素子が開示されている。
日本国特許第５５５１９１４号明細書
　特許文献１に記載の静電誘導型変換素子は、環境振動により可動部を所定方向に加振することで発電を行う。このとき、対向する櫛歯電極のエレクトレット面の重なり面積が変化することで、櫛歯電極間に働く静電力により力学的な仕事が静電エネルギーに変換され、起電力を発生することができる。しかし、静止状態の可動部を加振してエレクトレット面の重なり面積を変化させるためには、加振によって可動部に生じる慣性力が、エレクトレットの静電力に応じた所定の静電力ギャップを超える必要がある。そのため、振動の加速度が小さい場合には、可動部を動かすことができず、発電を行うことができない。
　本発明の第１の態様によると、振動発電素子は、第１の電極と、前記第１の電極に対して所定の振動方向に変位可能な第２の電極と、を備える。前記第１の電極と前記第２の電極との対向面の少なくとも一方が帯電されており、前記第２の電極の変位により前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量が変化することで発電し、前記第２の電極の少なくとも振動中心を含む部分に、前記第２の電極が変位しても前記静電容量が変化しない領域が設けられている。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の振動発電素子において、前記第１の電極は固定電極であることが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第１の態様の振動発電素子において、第１の電極は可動電極であることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第１～第３のいずれか一態様の振動発電素子において、前記第１の電極および前記第２の電極は櫛歯電極であることが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第４の態様の振動発電素子において、前記振動方向は、前記櫛歯電極の各櫛歯の延伸方向および配列方向に対して垂直な方向であることが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第５の態様の振動発電素子において、前記櫛歯電極の少なくとも一部分において前記振動方向に段差部分が設けられることで、前記静電容量が変化しない領域が設けられていることが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第１の態様の振動発電素子において、前記第１の電極および前記第２の電極には、前記振動方向に沿って第１の凸部および第２の凸部がそれぞれ所定間隔ごとに対向して設けられており、前記振動方向における前記第１の電極の前記第１の凸部の幅と、前記第２の電極の前記第２の凸部の幅とを互いに異ならせることで、前記静電容量が変化しない領域が設けられていることが好ましい。
　本発明によれば、加振の加速度が小さい場合でも発電可能な振動発電素子を実現することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子の概略構成を示す平面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子における固定電極および可動電極の部分拡大図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子における可動電極の変位量と可動電極に作用する力との関係を示す図である。 図４は、比較例に係る振動発電素子の概略構成を示す平面図である。 図５は、比較例に係る振動発電素子における固定電極および可動電極の部分拡大図である。 図６は、比較例に係る振動発電素子における可動電極の変位量と可動電極に作用する力との関係を示す図である。 図７は、比較例による振動発電素子を用いた場合と、第１の実施形態による振動発電素子を用いた場合とで、可動電極の振幅と出力電力との関係を示す図である。 図８は、比較例による振動発電素子を用いた場合と、第１の実施形態による振動発電素子を用いた場合とで、可動電極の振幅と出力電力との関係を示す図である。 図９は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１１は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１２は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１３は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１４は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１５は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１６は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１７は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１８は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。 図１９は、本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における電極構造を示す図である。 図２０は、本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における可動電極の変位量と可動電極に作用する力との関係を示す図である。
　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。
－第１の実施形態－
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１の概略構成を示す平面図である。振動発電素子１は、ベース２、固定電極３ａおよび３ｂ、可動電極４ａおよび４ｂ、可動部５、弾性支持部６、接続パッド部７を備えている。振動発電素子１には、負荷９が接続されている。
　図１に示すように、固定電極３ａ、３ｂおよび可動電極４ａ、４ｂはそれぞれ櫛歯構造を有している。固定電極３ａには複数の櫛歯３０ａが形成され、可動電極４ａには複数の櫛歯４０ａが形成されている。固定電極３ａと可動電極４ａとは、櫛歯３０ａと櫛歯４０ａとが互いに歯合するように配置されている。同様に、固定電極３ｂには複数の櫛歯３０ｂが形成され、可動電極４ｂには複数の櫛歯４０ｂが形成されている。固定電極３ｂと可動電極４ｂは、櫛歯３０ｂと櫛歯４０ｂとが互いに歯合するように配置されている。
　このように、固定電極３ａ、３ｂは固定櫛歯電極を構成し、可動電極４ａ、４ｂは可動櫛歯電極を構成している。櫛歯電極とは、図１の固定電極３ａ、３ｂや可動電極４ａ、４ｂのように、複数の櫛歯を並列配置したものである。なお、本発明における櫛歯の本数は、図１に示したものに限定されない。櫛歯の本数が最小である場合の櫛歯電極の場合は、固定櫛歯電極および可動櫛歯電極の一方の電極に２つの櫛歯が形成され、その２つの櫛歯の間に挿入されるように他方の電極に１つの櫛歯が形成されている。このような基本構成を有する櫛歯電極であれば、櫛歯の本数に関わらず、以下に記載のような機能を有する振動発電素子を構成することができる。
　図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１における固定電極３ｂおよび可動電極４ｂの部分拡大図であり、図１の対象部分１００を拡大して示している。図２（ａ）は対象部分１００の上面図、図２（ｂ）は対象部分１００の正面図、図２（ｃ）は対象部分１００の斜視図をそれぞれ示している。図１および図２に示すように、可動電極４ｂの櫛歯４０ｂにおいて、固定電極３ｂの櫛歯３０ｂとの歯合部分を含む範囲（図中のハッチング部分）には、図２（ｂ）の上下方向（Ｚ方向）に段差が設けられている。なお、図２は対象部分１００に含まれる櫛歯４０ｂの段差構造のみを図示しているが、可動電極４ｂの他の櫛歯４０ｂや可動電極４ａの櫛歯４０ａも同様の段差構造を有している。
　弾性支持部６によってベース２に弾性支持された可動部５は、可動電極４ａ、４ｂと一体に、Ｚ方向にスライド移動することができる。図１および図２では図示を省略したが、歯合している固定電極３ａの櫛歯３０ａと可動電極４ａの櫛歯４０ａの少なくとも一方、および固定電極３ｂの櫛歯３０ｂと可動電極４ｂの櫛歯４０ｂの少なくとも一方には、それぞれの対向面の表面近傍にエレクトレットが形成されている。これにより、固定電極３ａと可動電極４ａの少なくとも一方の対向面と、固定電極３ｂと可動電極４ｂの少なくとも一方の対向面とが、それぞれ帯電されている。そのため、可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂがそれぞれ歯合すると、すなわち、櫛歯３０ａ、３０ｂの間に櫛歯４０ａ、４０ｂがそれぞれ挿入された状態になると、静電力によって可動電極４ａ、４ｂが固定電極３ａ、３ｂ側にそれぞれ引き込まれる。
　負荷９は、振動発電素子１から供給される電力を消費して所定の動作を行う。負荷９の正極側は、固定電極３ａ、３ｂと電気的に接続されており、負荷９の負極側は、接続パッド部７、弾性支持部６および可動部５を介して、可動電極４ａ、４ｂと電気的に接続されている。
　環境中の振動によって振動発電素子１がＺ方向成分を含む方向に揺り動かされると、固定電極３ａ、３ｂに対して可動電極４ａ、４ｂがＺ方向に振動して変位する。このときの可動電極４ａ、４ｂの振動方向すなわちＺ方向は、固定電極３ａ、３ｂの櫛歯３０ａ、３０ｂおよび可動電極４ａ、４ｂの櫛歯４０ａ、４０ｂの延伸方向（Ｘ方向）および配列方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向である。その結果、固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間にＺ方向のずれが生じると、これらの間の対向面積が変化することで、固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間の静電容量が変化する。これとエレクトレットの誘導電荷により、固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間の電圧が変化して起電力が発生することで、振動発電素子１の発電が行われる。振動発電素子１の発電によって得られた起電力は、前述の電気的接続を介して負荷９に印加され、負荷９が駆動される。
　図３は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１における可動電極４ａ、４ｂのＺ方向の変位量と可動電極４ａ、４ｂに作用する力との関係を示す図である。本実施形態では、可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の位置を振動中心としてＺ方向にそれぞれ振動したときに可動電極４ａ、４ｂに作用するＺ方向の力ｆｚは、図３のグラフ５１に示すように変化する。図３において、横軸はＺ方向の変位量を表し、縦軸は力ｆｚの大きさを表している。
　本実施形態では、グラフ５１に示すように、可動電極４ａ、４ｂの振動中心であるＺ＝０の位置を含む０≦Ｚ≦ｈ１の領域（以下、非作動領域と称する）では、可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂとの間にＺ方向の静電力が働かないため、力ｆｚは弾性支持部６のばね定数ｋに応じた一定の割合で変化する。ここで、ｈ１は図２（ｂ）に示すように、櫛歯４０ｂの段差部分の高さ（Ｚ方向の長さ）と、櫛歯３０ｂの高さ（Ｚ方向の長さ）との差分である。一方、この非作動領域からＺ＜０の領域またはｈ１＜Ｚの領域（以下、作動領域と称する）に遷移する際には、前述のように固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間にＺ方向のずれが生じることで、可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂとの間にＺ方向の静電力が働く。そのため、グラフ５１に示すように、非作動領域と作動領域との境界（Ｚ＝０、Ｚ＝ｈ１）において力ｆｚが急激に変化する。このときの力ｆｚの変化量ｆ０は、静電力ギャップと呼ばれる。
　本実施形態の振動発電素子１では、前述のように可動電極４ａ、４ｂの櫛歯４０ａ、４０ｂに段差が設けられることで、上記のように可動電極４ａ、４ｂと固定電極３ａ、３ｂとの間にＺ方向の静電力が働かない非作動領域、すなわち静電容量が変化しない領域が設けられている。これにより、少なくとも可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の静止状態から正Ｚ方向に動き出す際には、静電力ギャップを乗り越える必要がないため、小さな加速度でも可動電極４ａ、４ｂの振動を開始することができる。また、可動電極４ａ、４ｂの振動が開始された後は、その運動エネルギーによって静電力ギャップを乗り越え、ｈ１＜Ｚの作動領域に進入することができる。したがって、本実施形態の振動発電素子１を用いることにより、加振の加速度が小さい場合でも発電が可能となる。
　ここで、本実施形態の振動発電素子１に対する比較例として、上記のような静電容量が変化しない領域を設けない場合の例を説明する。図４は、比較例に係る振動発電素子１Ａの概略構成を示す平面図である。図４の振動発電素子１Ａは、図１に示した第１の実施形態に係る振動発電素子１と同様に、ベース２、固定電極３ａおよび３ｂ、可動電極４ａおよび４ｂ、可動部５、弾性支持部６、接続パッド部７を備えている。また、振動発電素子１Ａには、負荷９が接続されている。
　図５は、比較例に係る振動発電素子１Ａにおける固定電極３ｂおよび可動電極４ｂの部分拡大図であり、図４の対象部分２００を拡大して示している。図５（ａ）は対象部分２００の上面図、図５（ｂ）は対象部分２００の正面図、図５（ｃ）は対象部分２００の斜視図をそれぞれ示している。図４および図５に示すように、振動発電素子１Ａでは、可動電極４ｂの櫛歯４０ｂにおいて、振動発電素子１のような段差が設けられていない。なお、図５は対象部分２００に含まれる櫛歯４０ｂのみを図示しているが、可動電極４ｂの他の櫛歯４０ｂや可動電極４ａの櫛歯４０ａにも同様に、段差が設けられていない。
　図６は、比較例に係る振動発電素子１Ａにおける可動電極４ａ、４ｂのＺ方向の変位量と可動電極４ａ、４ｂに作用する力との関係を示す図である。比較例では、可動電極４ａ、４ｂがＺ方向に振動したときに可動電極４ａ、４ｂに作用するＺ方向の力ｆｚは、図６のグラフ５２に示すように変化する。
　比較例では、上記のように可動電極４ａ、４ｂの櫛歯４０ａ、４０ｂに段差が設けられていないため、図３のグラフ５１で説明したような非作動領域がグラフ５２において存在しない。そのため、可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の静止状態から正Ｚ方向または負Ｚ方向に動き出す際には、以下の式（１）を満たすことで静電力ギャップを乗り越える必要がある。なお、式（１）において、ｍは振動発電素子１Ａの可動部位（可動電極４ａ、４ｂおよび可動部５）の質量を表し、ａは振動の加速度を表している。また前述のように、ｆ０は静電力ギャップの大きさを表している。
　｜－ｍ・ａ｜≧ｆ０　　・・・（１）
　以上説明したように、比較例では振動の加速度が小さいと、可動電極４ａ、４ｂがＺ＝０の静止状態から動き出すことができない。したがって、比較例による振動発電素子１Ａを用いると、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合とは異なり、加振の加速度が小さい場合には発電を行うことができない。
　次に図７、８を参照して、本発明の具体的な効果について説明する。図７、８は、比較例による振動発電素子１Ａを用いた場合と、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合とで、可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力との関係を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）は、振動発電素子１Ａに１６００ｍ／ｓ２の加速度を０．１ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図７（ｃ）、（ｄ）は、振動発電素子１に１６００ｍ／ｓ２の加速度を０．１ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図８（ａ）、（ｂ）は、振動発電素子１Ａに８００ｍ／ｓ２の加速度を０．５ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。図８（ｃ）、（ｄ）は、振動発電素子１に８００ｍ／ｓ２の加速度を０．５ｍｓのパルス幅で印加したときの可動電極４ａ、４ｂの振幅と出力電力のシミュレーション結果をそれぞれ示している。
　１６００ｍ／ｓ２×０．１ｍｓの加速度パルスを印加した場合には、加速度が比較的大きいため、比較例による振動発電素子１Ａを用いた場合でも、図７（ａ）に示すように、可動電極４ａ、４ｂが静止状態から静電力ギャップを乗り越えて振動する。その結果、図７（ｂ）に示すように、振動発電素子１Ａでもある程度の出力電力を得ることができる。一方、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合には、前述の非作動領域で可動電極４ａ、４ｂが加速を開始できるため、図７（ｃ）に示すように、振動発電素子１Ａを用いた場合よりも可動電極４ａ、４ｂの振幅が大きい。その結果、図７（ｄ）に示すように、振動発電素子１Ａを用いた場合よりも大きな出力電力を振動発電素子１から得ることができる。
　８００ｍ／ｓ２×０．５ｍｓの加速度パルスを印加した場合には、加速度が比較的小さいため、比較例による振動発電素子１Ａを用いると、図８（ａ）に示すように、可動電極４ａ、４ｂが静止状態から静電力ギャップを乗り越えて振動することができない。その結果、図８（ｂ）に示すように、振動発電素子１Ａでは出力電力が０となってしまう。一方、第１の実施形態による振動発電素子１を用いた場合には、図８（ｃ）に示すように、小さな加速度でも可動電極４ａ、４ｂが振動する。その結果、図８（ｄ）に示すように、振動発電素子１Ａでは得られない出力電力を振動発電素子１から得ることができる。
　次に、図９～１８を参照して、振動発電素子１の形成方法について説明する。図９～１８は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電素子１を形成する加工プロセスの一例を説明する図である。なお、図９～１８は、図１に示した振動発電素子１のベース２、固定電極３ｂおよび可動電極４ｂの一部分が形成される様子を示している。
　図９（ａ）は、振動発電素子１の形成に用いるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ－Ａ断面図である。振動発電素子１は、たとえば図９（ａ）のようなＳＯＩ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、ハンドル層が形成される下部Ｓｉ層３１と、ＢＯＸ層が形成されるＳｉＯ２層３２と、デバイス層が形成される上部Ｓｉ層３３とを重ねて構成されている。なお、Ｓｉ基板では接続パッド部となる部分の金属への密着性向上や、導電性の改善のために、適宜ドーピングを行ったものが用いられる場合がある。このドーピングは、Ｐ型、Ｎ型いずれの特性であっても本件の発明においては問題ない。
　図１０（ａ）は、第１のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＢ－Ｂ断面図である。第１のステップでは、上部Ｓｉ層３３の上にレジストを塗布した後、図１０に示すように、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィ加工によりレジストパターン３５ａ、３５ｂを形成する。その後ハードベーキングを行い、レジストパターン３５ａ、３５ｂを硬化させる。
　図１１（ａ）は、第２のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＣ－Ｃ断面図である。第２のステップでは、第１のステップでレジストパターン３５ａ、３５ｂが形成された上部Ｓｉ層３３の上にアルミを蒸着した後、図１１に示すように、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィ加工によりアルミパターン３６ａ、３６ｂを形成する。
　図１２（ａ）は、第３のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤ－Ｄ断面図である。第３のステップでは、第１および第２のステップを経た上部Ｓｉ層３３に対してＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）加工を行うことで、図１２に示すように、固定電極３ｂおよび可動電極４ｂを形成する。
　図１３（ａ）は、第４のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＥ－Ｅ断面図である。第４のステップでは、アルミエッチングを行うことで、第３のステップで形成された固定電極３ｂおよび可動電極４ｂ上にあるアルミパターン３６ａ、３６ｂを除去する。
　図１４（ａ）は、第５のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＦ－Ｆ断面図である。第５のステップでは、第３のステップで形成された可動電極４ｂに対してわずかにＤＲＩＥ加工を行うことで、図１４に示すように、段差構造を有する櫛歯４０ｂを形成する。
　図１５（ａ）は、第６のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＧ－Ｇ断面図である。第６のステップでは、レジストエッチングを行うことで、第３のステップで形成された固定電極３ｂおよび可動電極４ｂ上にあるレジストパターン３５ａ、３５ｂを除去する。この第６のステップを終えると、ＳＯＩ基板の表面すなわちデバイス層の加工が完了する。
　図１６（ａ）は、第７のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＨ－Ｈ断面図である。第７のステップでは、下部Ｓｉ層３１に対してフォトリソグラフィ加工およびＤＲＩＥ加工を行うことで、ベース２を形成する。
　図１７（ａ）は、第８のステップにおけるＳＯＩ基板の平面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＩ－Ｉ断面図である。第８のステップでは、ＳｉＯ２層３２に対してエッチングを行い、不要な部分を除去する。この第８のステップを終えると、ＳＯＩ基板の加工が完了する。
　図１８は、加工が完了したＳＯＩ基板の斜視図である。図１８に示すような形状に加工されたＳＯＩ基板に対して、熱酸化処理、窒化膜エッチング、ＢＴ処理（帯電処理）等を行うことで、固定電極３ｂと可動電極４ｂの少なくとも一方にエレクトレットが形成される。その後パッケージングを経て、振動発電素子１が完成する。
　以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）振動発電素子１は、固定電極３ａおよび３ｂと、固定電極３ａおよび３ｂに対して所定の振動方向にそれぞれ変位可能な可動電極４ａおよび４ｂとを備える。固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの対向面の少なくとも一方がそれぞれ帯電されており、可動電極４ａ、４ｂの変位により固定電極３ａ、３ｂと可動電極４ａ、４ｂとの間の静電容量が変化することで発電する。振動発電素子１において、可動電極４ａ、４ｂの少なくとも振動中心を含む部分に、可動電極４ａ、４ｂが変位しても静電容量が変化しない非作動領域が設けられている。このようにしたので、加振の加速度が小さい場合でも発電可能な振動発電素子１を実現することができる。
（２）固定電極３ａ、３ｂおよび可動電極４ａ、４ｂは、櫛歯３０ａ、３０ｂと櫛歯４０ａ、４０ｂとをそれぞれ有する櫛歯電極である。そのため、小型で高い発電能力を有する振動発電素子１を実現することができる。
（３）可動電極４ａ、４ｂの振動方向は、櫛歯電極の各櫛歯３０ａ、３０ｂおよび４０ａ、４０ｂの延伸方向（Ｘ方向）および配列方向（Ｙ方向）に対して垂直なＺ方向である。このようにしたので、Ｘ方向およびＹ方向に対する弾性支持部６のばね定数を大きくして、可動電極４ａ、４ｂのプルイン強度を大きくすることができる。そのため、エレクトレットの電荷量を大きく設定して、振動発電素子１の発電能力をより一層向上することができる。
（４）振動発電素子１では、櫛歯電極である可動電極４ａ、４ｂの各櫛歯４０ａ、４０ｂの少なくとも一部分において振動方向すなわちＺ方向に段差部分が設けられることで、静電容量が変化しない非作動領域が設けられている。このようにしたので、加工が容易な構造により振動発電素子１に非作動領域を設けることができる。
－第２の実施形態－
　次に本発明の第２の実施形態について説明する。図１９は、本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における電極構造を示す図である。本実施形態の振動発電素子では、図１９に示すように、固定電極２１と可動電極２２とが対向して設置されている。なお、図１９では、固定電極２１と可動電極２２以外の振動発電素子の構成については、図示を省略している。
　可動電極２２は、不図示の弾性支持部により、固定電極２１に対して図の左右方向（Ｘ方向）にスライド移動できるように支持されている。固定電極２１と可動電極２２には、Ｘ方向に沿って第１の凸部２１ａ、第２の凸部２２ａがそれぞれ所定間隔ごとに対向して設けられている。図１９に示すように、Ｘ方向における可動電極２２の第２の各凸部２２ａの幅は、固定電極２１の第１の各凸部２１ａの幅よりも小さく設定されている。
　固定電極２１の第１の各凸部２１ａと可動電極２２の第２の各凸部２２ａの少なくとも一方には、それぞれの対向面の表面近傍にエレクトレットが形成されている。これにより、固定電極２１と可動電極２２の対向面の少なくとも一方が帯電されている。
　環境中の振動によって本実施形態の振動発電素子がＸ方向成分を含む方向に揺り動かされると、固定電極２１に対して可動電極２２がＸ方向に振動して変位する。その結果、固定電極２１の第１の凸部２１ａと可動電極２２の第２の凸部２２ａとの間にＸ方向のずれが生じると、これらの間の対向面積が変化することで、固定電極２１と可動電極２２との間の静電容量が変化する。これとエレクトレットの誘導電荷により、固定電極２１と可動電極２２との間の電圧が変化して起電力が発生することで、本実施形態の振動発電素子の発電が行われる。
　図２０は、本発明の第２の実施形態に係る振動発電素子における可動電極２２のＸ方向の変位量と可動電極２２に作用する力との関係を示す図である。本実施形態では、可動電極２２がＸ＝０の位置を振動中心としてＸ方向にそれぞれ振動したときに可動電極２２に作用するＸ方向の力ｆｘは、図２０のグラフ５３に示すように変化する。図２０において、横軸はＸ方向の変位量を表し、縦軸は力ｆｘの大きさを表している。
　本実施形態では、グラフ５３に示すように、可動電極２２の振動中心であるＸ＝０の位置を含む－ｈ２≦Ｘ≦ｈ２の領域が、第１の実施形態で説明した非作動領域に相当する。この非作動領域では、可動電極２２と固定電極２１との間にＸ方向の静電力が働かないため、力ｆｘは弾性支持部のばね定数に応じた一定の割合で変化する。ここで、ｈ２は図１９に示すように、可動電極２２の第２の凸部２２ａの左右端から、固定電極２１の第１の凸部２１ａの左右端までの長さである。一方、この非作動領域からＸ＜－ｈ２の作動領域またはｈ２＜Ｘの作動領域に遷移する際には、前述のように固定電極２１と可動電極２２との間にＸ方向のずれが生じることで、可動電極２２と固定電極２１との間にＸ方向の静電力が働く。そのため、グラフ５３に示すように、非作動領域と作動領域との境界（Ｘ＝－ｈ２、Ｘ＝ｈ２）において静電力ギャップｆ０が生じ、力ｆｘが急激に変化する。
　本実施形態の振動発電素子では、前述のように、Ｘ方向における可動電極２２の第２の各凸部２２ａの幅を、固定電極２１の第１の各凸部２１ａの幅よりも小さく設定することで、上記のように可動電極２２と固定電極２１との間にＸ方向の静電力が働かない非作動領域、すなわち静電容量が変化しない領域を設けている。これにより、第１の実施形態で説明した振動発電素子１と同様に、小さな加速度でも可動電極２２の振動を開始することができる。また、可動電極２２の振動が開始された後は、その運動エネルギーにより静電力ギャップを乗り越えて作動領域に進入することができる。したがって、本実施形態の振動発電素子においても、第１の実施形態と同様に、加振の加速度が小さい場合でも発電が可能となる。
　以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、固定電極２１および可動電極２２には、振動方向であるＸ方向に沿って第１の凸部２１ａ、第２の凸部２２ａがそれぞれ所定間隔ごとに対向して設けられており、Ｘ方向における固定電極２１の第１の凸部２１ａの幅と、可動電極２２の第２の凸部２２ａの幅とを互いに異ならせることで、静電容量が変化しない領域が設けられている。このようにしたので、第１の実施形態と同様に、簡単な構造で振動発電素子に非作動領域を設けることができる。
　なお、以上説明した本発明の第２の実施形態において、図１９とは反対に、Ｘ方向における可動電極２２の第２の各凸部２２ａの幅を、固定電極２１の第１の各凸部２１ａの幅よりも大きく設定してもよい。このようにしても、上記の作用効果を得ることができる。
　また、本発明による振動発電素子の構造は、第１、第２の各実施形態で説明したものに限定されない。たとえば、可動電極と固定電極とが対向して配置され、可動電極がこの対向面に沿って面方向に振動可能な構造の振動発電素子や、可動電極が固定電極に対して回転方向に振動可能な構造の振動発電素子において、本発明を適用してもよい。また、相対向する両方の電極を可動電極としてもよい。少なくとも一方が可動する一対の電極が対向して配置されており、その一対の電極の対向面の少なくとも一方が帯電された振動発電素子において、一方の電極の少なくとも振動中心を含む部分に、当該電極が変位しても一対の電極間の静電容量が変化しない領域を設けることで、どのような構造の振動発電素子であっても本発明を適用することができる。
　上述した各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用してもよいし、あるいは組み合わせて用いてもよい。また、上記の各実施形態はあくまで一例であるため、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記の各実施形態に何ら限定されるものではない。
　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１５年第１９６７３６号（２０１５年１０月２日出願）
　１：振動発電素子
　２：ベース
　３ａ、３ｂ：固定電極
　　３０ａ、３０ｂ：櫛歯
　４ａ、４ｂ：可動電極
　　４０ａ、４０ｂ：櫛歯
　５：可動部
　６：弾性支持部
　７：接続パッド部
　９：負荷
　２１：固定電極
　　２１ａ：第１の凸部
　２２：可動電極
　　２２ａ：第２の凸部

Claims (7)

  1. 　第１の電極と、
    　前記第１の電極に対して所定の振動方向に変位可能な第２の電極と、を備え、
    　前記第１の電極と前記第２の電極との対向面の少なくとも一方が帯電されており、
    　前記第２の電極の変位により前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量が変化することで発電し、
    　前記第２の電極の少なくとも振動中心を含む部分に、前記第２の電極が変位しても前記静電容量が変化しない領域が設けられている、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の電極は固定電極である振動発電素子。
  3. 　請求項１に記載の振動発電素子において、
    　前記第１の電極は可動電極である振動発電素子。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の振動発電素子において、
    　前記第１の電極および前記第２の電極は櫛歯電極である振動発電素子。
  5. 　請求項４に記載の振動発電素子において、
    　前記振動方向は、前記櫛歯電極の各櫛歯の延伸方向および配列方向に対して垂直な方向である振動発電素子。
  6. 　請求項５に記載の振動発電素子において、
    　前記櫛歯電極の少なくとも一部分において前記振動方向に段差部分が設けられることで、前記静電容量が変化しない領域が設けられている振動発電素子。
  7. 　請求項１に記載の振動発電素子において、
    　前記第１の電極および前記第２の電極には、前記振動方向に沿って第１の凸部および第２の凸部がそれぞれ所定間隔ごとに対向して設けられており、
    　前記振動方向における前記第１の電極の前記第１の凸部の幅と、前記第２の電極の前記第２の凸部の幅とを互いに異ならせることで、前記静電容量が変化しない領域が設けられている振動発電素子。
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