振动发电装置的制作方法

本发明涉及通过使用了驻极体的静电感应作用将机械的振动能转换成电力的静电方式的振动发电装置。

背景技术：

近年来，推进了面向能够将步行产生的振动、汽车行驶产生的振动、桥梁振动、风力发电时的低频振动等的环境振动的振动能转换成电力的振动发电装置的实用化的研究开发。

作为这种振动发电装置，公知有电磁方式、压电方式、静电方式等，但与电磁方式相比，由于微小小型化容易，压电方式所需要的pzt(piezoelectrictransducer)等不含铅等有毒物质等的理由，静电方式的振动发电装置备受关注。作为这种静电方式的振动发电装置，例如公知有在专利文献1(wo2011/086830号公报)、专利文献2(日本特开2011－36089号公报)等中提出的方案。

在专利文献1所记载的静电感应型发电装置中，第一基板与第二基板隔着预定的间隔相互对置，并且构成为在保持其对置的状态的状态下能够相对移动。并且，在第一基板，以在上述相对的移动方向上排列的方式形成有多个长方状的驻极体，在第二基板，以与第一基板的驻极体对置的方式，形成有第一电极和第二电极，并且构成为驻极体与第一电极之间的电容以及驻极体与第二电极之间的电容通过上述相对的移动而变化，从而输出电力。

另外，在专利文献2中，公开了如下mems(microelectromechanicalsystem；微机电系统)装置，其构成为，具备：具有形成于基板上的驻极体膜的第一电极；以及与该第一电极隔着空隙而对置并具有多个开口部的第二电极，通过第二电极振动移动，第一电极的驻极体膜和第二电极的电容发生变化，从而输出电力。

这些专利文献1、专利文献2中公开的振动发电装置均为装置自身所特有的特定频率中的共振锐度的值即q值(质量指标)高的构造。以往的振动发电装置的共振频率中的半值宽度的频率范围具有例如5hz以下那样的高q值。即，这些专利文献1，专利文献2中公开的振动发电装置由于设定为能够将q值高的特定频率的振动效率良好地转换为电力的构造，因此在外部的振动能产生的激励频率与其特定频率一致时，能够无浪费地振动发电。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：wo2011/086830号公报

专利文献2：日本特开2011－36089号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

然而，就上述那样的环境振动而言，一般地，作为频率光谱在一个频率中没有峰值，而是分布在宽阔的频率范围。但是，在上述的专利文献1、专利文献2所公开的那样的振动发电装置中，频率响应限于共振频率，因此仅环境振动中的有限的振动频率成分能够用于发电，存在振动频率的利用效率恶化之类的问题。

为了构成为在遍及宽阔的频率范围响应频率并进行振动，也采用了降低振动发电装置的q值，使共振频率中的半值宽度的频率范围变大之类的方法。但是，降低振动发电装置的q值会降低共振灵敏度，增大相对于来自外部的振动能的损失。使用这种环境振动进行发电的振动发电装置本来共振灵敏度就低，进一步降低灵敏度会增大相对于来自外部的振动能的损失，因而不推荐。

本发明的目的在于提供一种能够解决以上的问题点的振动发电装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述的课题，方案1的发明是一种振动发电装置，其特征在于，具备：可动侧部，其构成为通过从外部施加的振动能而能够在预定的振动方向上振动，并具有沿上述振动方向的第一面；以及固定侧部，其构成为具有以使上述可动侧部能够在上述振动方向上振动的方式与上述可动侧部的上述第一面隔着预定的间隔而对置的第二面，并相对于上述振动能也固定位置，在上述可动侧部的上述第一面以及上述固定侧部的上述第二面，在上述振动方向以梳齿状排列地分别形成有在与上述振动方向正交的方向上突出的多个突部，并且，在上述固定侧部的至少上述第一面和上述可动侧部的至少上述第二面中的至少一方的面，形成有作为预定的驻极体电位的驻极体膜，上述可动侧部的弹簧常数通过作用于上述可动侧部与上述固定侧部之间的静电力而调制为上述振动方向的位置的函数。

另外，方案2的发明根据方案1的发明，提供一种振动发电装置，其特征在于，上述驻极体电位的值、上述固定侧部的上述多个突部以及上述可动侧部的上述多个突部的排列周期、以及通过上述可动侧部的振动移动而在上述固定侧部与上述可动侧部之间产生的电容的最大值与最小值的差的值被选定为：相对于上述可动侧部的自由振动时的弹簧常数，具有降低在上述可动侧部与上述固定侧部之间产生的静电力引起的上述可动侧部自身所具备的弹簧常数的效果。

并且，方案3的发明根据方案1或2的发明，提供一种振动发电装置，其特征在于，上述固定侧部和上述可动侧部是由半导体基板形成的mems装置。

在上述结构的方案1的发明的振动发电装置中，因为可动侧部的相对于固定侧部的位置与振动相应地变化，通过驻极体电位作用于可动侧部的突部与固定侧部的突部之间的静电力发生变化。通过构成为该静电力成为不对可动侧部的自由振动(不存静电力，可动侧部自由地振动)时的弹簧常数(弹性常数)带来影响的值，从而方案1的发明的振动发电装置构成为，可动部侧的弹簧常数通过作用于可动侧部与上述固定侧部之间的静电力而调制为振动方向的位置的函数。

另外，将振动装置的可动侧部的质量设为m、将可动侧部的弹簧常数设为k时，振动装置的振动频率f如公知的那样为：

f∝k/m···(式1)

在专利文献1、专利文献2等的振动发电装置中，相对于可动侧部的自由振动的弹簧常数而言，静电力产生的影响为能够忽视的程度，因此可动侧部的弹簧常数k与该可动侧部的自由振动的弹簧常数大致相等，该振动发电装置的共振频率成为由与该可动侧部的自由振动的弹簧常数相等的弹簧常数k决定的特定频率。

针对于此，在本发明的振动发电装置中，可动部侧的弹簧常数k通过作用于可动侧部与固定侧部之间的静电力而调制为振动方向的位置的函数。即，通过(式1)中的弹簧常数k与振动方向的位置相应地变化，从而本发明的振动发电装置的振动频率f成为与该弹簧常数的变化相应的宽阔的频率。

该情况下，在本发明的振动发电装置中，由于不会使其q值下降，因此不会增大相对于外部的振动能的损失，能够使响应的振动频率的带域成为宽带。

在方案2的发明中，选定驻极体电位的值、固定侧部的多个突部以及可动侧部的多个突部的排列周期、以及通过可动侧部的振动移动而在固定侧部与可动侧部之间产生的电容的最大值与最小值的差的值，在相邻的突部彼此的振动移动中，具有通过产生于可动侧部与固定侧部之间的静电力来降低可动侧部的自由振动时的弹簧常数的效果(称为软弹簧效应)。

即，如方案2那样，通过预先选定驻极体电位的值、固定侧部的多个突部以及可动侧部的多个突部的排列周期、以及通过可动侧部的振动移动而在固定侧部与可动侧部之间产生的电容的最大值与最小值的差的值，从而得到降低动侧部的自由振动时的弹簧常数的效果，能够有效地实现振动发电装置的频率的宽带化，并且具有能够使可动侧部容易振动之类的效果。

在方案3的发明中，振动发电装置是mems装置。因此，作为微小小型的环境发电素子，能够提供有益的装置。

发明的效果

根据本发明的振动发电装置，由于可动部侧的弹簧常数k通过作用于可动侧部与固定侧部之间的静电力而调制为振动方向的位置的函数，因此(式1)中的弹簧常数k与振动方向的位置相应地变化，从而可动侧部的振动频率f成为与该弹簧常数的变化相应的宽频率。

并且，在本发明的振动发电装置中，由于不会使其q值下降，因此不会增大相对于外部的振动能的损失，能够使振动频率的带域成为宽带。

附图说明

图1是用于说明本发明的振动发电装置的第一实施方式的构成例的整体立体图。

图2是用于说明本发明的振动发电装置的第一实施方式的构成例的主要部分的图。

图3是用于说明本发明的振动发电装置的第一实施方式的构成例的主要部分的图。

图4是用于说明本发明的振动发电装置的第一实施方式的半导体制造工序的图。

图5是用于说明本发明的振动发电装置的第一实施方式的半导体制造工序的图。

图6是用于说明本发明的振动发电装置的第一实施方式的半导体制造工序的图。

图7是用于说明本发明的振动发电装置的第一实施方式的半导体制造工序的图。

图8是表示使用了本发明的振动发电装置的第一实施方式的充电电路的一个例子的图。

图9是用于说明本发明的振动发电装置的第二实施方式的构成例的图。

图10是用于说明本发明的振动发电装置的第二实施方式的构成例的主要部分的图。

图11是用于说明本发明的振动发电装置的第二实施方式中的频率特性的图。

图12是表示为了说明本发明的振动发电装置的实施方式而使用的数学式的图。

图13是用于说明本发明的振动发电装置的第二实施方式中的频率特性的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的振动发电装置的实施方式进行说明。

[第一实施方式]

首先，示出本发明的振动发电装置的原理的构成例来作为第一实施方式。以下所示的实施方式的振动发电装置是通过半导体制造工序来制造的作为mems装置而构成的情况的例子。

图1表示用于说明该第一实施方式的振动发电装置10的整体的构成例的立体图。该第一实施方式的振动发电装置10由通过相对于半导体基板1执行后文所述那样的半导体制造工序而形成的可动侧部2、固定侧部3a、3b以及支撑可动侧部2的支撑梁部4l、4r构成。

可动侧部2构成为，剖面形成为矩形的细长状，如图1中箭头ar所示，能够以该可动侧部2的长度方向为振动方向进行振动。即，该可动侧部2的作为振动方向的长度方向的两端被通过半导体制造工序从半导体基板1形成的支撑梁部4l以及支撑梁部4r支撑为可动侧部2能够振动。此外，在该例中，该可动侧部2的振动方向在图1中是与半导体基板1的正交于基板面的方向(图1中箭头b所示的方向)正交的方向、也就是沿半导体基板1的基板面的方向。

支撑梁部4l以及支撑梁部4r分别成为由设置在与振动方向正交的方向上的两张薄板状部41、42以及薄板状部43、44构成的支撑梁的结构。支撑梁部4l以及支撑梁部4r分别以包围在半导体基板1上形成于可动侧部2的振动方向的两侧的空间5l以及空间5r的周围的方式，安装在形成于半导体基板1上的支撑梁保持部6l以及支撑梁保持部6r。

可动侧部2的长度方向的两端部2a以及2b在两张薄板状部41、42以及薄板状部43、44的中央部分与支撑梁部4l以及支撑梁部4r结合，并能够在振动方向上移动。

支撑梁部4l以及支撑梁部4r分别也能够由一张薄板状部构成，但通过由多张、在该例中由两张薄板状部41、42以及薄板状部43、44构成，可动侧部2的振动方向难以偏向，并且，不与可动侧部2所对置的固定侧部3a、3b接触，能够稳定地在箭头ar的方向上振动。

在该例中，固定侧部3a、3b在与可动侧部2的振动方向正交的方向上设置于夹着可动侧部2的位置。该情况下，固定侧部3a、3b分别构成为，在图1中沿箭头b所示的与基板面正交的方向的方向上，具有沿可动侧部2的振动方向的方向的面31a以及面31b。并且，固定侧部3a的面31a在沿可动侧部2的与基板面正交的方向的方向上，成为与沿可动侧部2的振动方向的方向的面21隔着预定的间隔而对置的状态。另外，固定侧部3b的面31b在沿可动侧部2的与基板面正交的方向的方向上，成为与沿可动侧部2的振动方向的方向的面22隔着预定的间隔而对置的状态。此外，面21、面22、面31a、面31b在以下的说明中称为对置面21、对置面22、对置面31a、对置面31b。

并且，在可动侧部2的对置面21以及对置面22，在沿振动方向的方向上以梳齿状排列的方式形成有在与振动方向正交的方向上突出的多个突部23以及突部24，并且在固定侧部3a的对置面31a以及固定侧部3b的对置面31b，也在沿振动方向的方向上以梳齿状排列的方式形成有在与振动方向正交的方向上突出的多个突部32a以及突部32b。该例的情况下，突部23、24、32a以及32b具备相同的结构，在该例中，形成为剖面为矩形的突条在箭头b方向上延伸。

图2是在图1的箭头b的方向上从与可动侧部2的振动方向正交的上方观察固定侧部3a与可动侧部2的对置部分的一部分的图。如该图2所示，在该例中，形成于可动侧部2的对置面21的多个突部23与形成于固定侧部3a的对置面31a的多个突部32a全部以相同的尺寸形成，并且沿振动方向的方向的排列间距也相同地形成。

该例的情况下，如图2所示，可动侧部2的突部23以及固定侧部3a的突部32a的沿振动方向的方向的宽度均为相同的宽度wt，并且与突部23以及突部32a的振动方向正交的方向的长度(突部23以及突部32a的高度)均为相同的长度h。并且，可动侧部2的突部23以及固定侧部3a的突部32a的沿振动方向的方向的排列周期为预定的长度l。因此，相邻的突部23以及突部32a之间相隔wb＝l－wt。

并且，可动侧部2的突部23的与振动方向正交的方向的端面、和固定侧部3a的突部32a的与振动方向正交的方向的端面构成为隔着预定的空隙g。此外，可动侧部2的形成有突部23的对置面21(突部23的根部位置)、与固定侧部3a的形成有突部32a的对置面31a(突部32a的根部位置)之间相隔距离d。

在该例中，wt＝20μm、wb＝40μm、l＝60μm、h＝42.5μm、g＝5μm、d＝90μm。并且，作为振动发电装置，可动侧部2的振动方向的长度例如为12mm，与振动方向正交的方向的长度例如为8mm。

此外，在图1以及图2中，为了便于作图，振动发电装置10的可动侧部2的突部23、24的个数与固定侧部3a、3b的突部32a、32b的个数成为5～6个左右，但其个数实际上更多数。

此外，虽然省略了图示，但形成于固定侧部3b的对置面31b的多个突部32b与形成于可动侧部2的对置面22的多个突部24的关系也构成为与图2相同。该情况下，在该例中，可动侧部2的形成于对置面21的突部23与固定侧部3a的形成于对置面31a的突部32a的位置关系(对置位相关系)在图2所示那样的状态时，可动侧部2的形成于对置面22的突部24与固定侧部3b的形成于对置面31b的突部32b的位置关系(对置位相关系)也成为相同的状态。即，可动侧部2的突部23与固定侧部3a的突部32a的对置位相关系、和可动侧部2的突部24与固定侧部3b的突部32b的对置位相关系同相。

如上所述，构成为可动侧部2的突部23、24与固定侧部3a、3b的突部32a、32b在其前端面对置的状态下也存在空隙g，因此可动侧部2相对于固定侧部3a、3b保持上述空隙g的间隔，能够在图1的箭头ar所示的振动方向上振动移动。

并且，如后文所述，在该实施方式中，在固定侧部3a、3b或者可动侧部2的一方形成有驻极体膜，形成有该驻极体膜的固定侧部3a、3b或者可动侧部2的一方成为预定的驻极体电位e。在该例中，在固定侧部3a、3b形成有驻极体膜，固定侧部3a、3b成为例如－400伏的驻极体电位e。此外，固定侧部3a、3b与可动侧部2如后文所述那样通过半导体基板的绝缘层而相互电绝缘。

并且，如图1所示，在可动侧部2，在其振动方向的两端部形成有电极25以及电极26，并且，在固定侧部3a以及固定侧部3b，在与可动侧部2的振动方向正交的方向的端部形成有电极33a以及电极33b。这些电极25以及电极26、电极33a以及电极33b成为将振动发电装置10与充电电路连接时的连接端子电极。

由于如以上那样构成，因此在固定侧部3a以及固定侧部3b与可动侧部2之间得到与可动侧部2的振动相应地变化的电容。图3(a)、(b)、(c)是用于说明可动侧部2振动时的对置面21的突部23、与固定侧部3a的对置面31a的突部32a的对置位相关系、以及此时的电容的关系的图。此外，可动侧部2振动时的对置面22的突部24、与固定侧部3b的对置面31b的突部32b的对置位相关系、以及此时的电容的关系也相同，因此，这里省略说明。

即，图3(a)是可动侧部2的突部23位于固定侧部3a的相邻的突部32a的中央的情况，突部23与突部32a的前端的端面在与振动方向正交的方向上是不完全对置的状态。在该图3(a)的状态下，可动侧部2的突部23的前端的端面成为相隔距离d的与固定侧部3a的对置面31a对置的状态，从而可动侧部2与固定侧部3a之间的电容成为最小值cmin。

另外，图3(c)是可动侧部2的突部23的前端的端面与固定侧部3a的突部32a的前端的端面在与振动方向正交的方向上整体地对置的状态。在该图3(c)的状态下，成为可动侧部2的突部23的前端的端面与固定侧部3a的对置面31a的前端的端面隔着狭小的空隙g对置的状态，从而可动侧部2与固定侧部3a之间的电容成为最大值cmax。

另外，图3(b)是可动侧部2的突部23的前端的端面与固定侧部3a的突部32a的前端的端面在与振动方向正交的方向上部分地对置的状态。该图3(b)的状态是图3(a)的状态与图3(c)的状态的中间的状态，可动侧部2与固定侧部3a之间的电容成为最小值cmin与最大值cmax之间的中间值cmid。

在该例中，相对于可动侧部2的对置面21与固定侧部3a的对置面31a的距离d而言，可动侧部2的突部23的前端的端面与固定侧部3a的突部32a的前端的端面对置时的空隙g非常狭小，因此电容的最小值cmin与最大值cmax的差cdef成为较大的值。并且，可动侧部2的突部23与固定侧部3a的突部32a各自的宽度wt和高度h进一步选定为差cdef为最大。即，在确定了宽度wt时，确定差cdef为最大的高度h，即使比高度h更高，也不能使差cdef比其更大。

在如上所述那样构成的该实施方式的振动发电装置10中，若将施加于可动侧部2的力f作为考虑了作用于可动侧部2与固定侧部3a以及固定侧部3b之间的静电力的模型式来表示，则如图12所示(式2)。

在该(式2)的模型式中，v表示可动侧部2的振动速度，k表示由支撑梁部4l、4r支撑的可动侧部2与静电力无关地自由振动时的弹簧常数(弹性常数)，x表示突部23、24、32a、32b的沿振动方向的方向的排列周期l的一个周期内的可动侧部2的位置、也就是可动侧部2的振动方向的位置。

该(式2)的第三项是指考虑了作用于可动侧部2与固定侧部3a以及固定侧部3b之间的静电力时的、与由支撑梁部4l、4r支撑的可动侧部2的弹簧常数相关的值，在该第一实施方式的振动发电装置10中，相应于由支撑梁部4l、4r支撑的可动侧部2与静电力无关地自由振动时的弹簧常数k和与静电力相关的成分的差。并且，该(式2)的第三项中的与静电力相关的成分成为位置x的函数。

因此，从该(式2)的第三项清楚地可知，在上述的结构的第一实施方式的振动发电装置10中，由支撑梁部4l、4r支撑的可动侧部2的弹簧常数根据作用于可动侧部2与固定侧部3a以及固定侧部3b之间的静电力，可调制为位置x的函数。

如上述的(式1)所示，振动发电装置的振动的频率成为与弹簧常数k成比例的频率。并且，该实施方式的振动发电装置10的情况下，由支撑梁部4l、4r支撑的可动侧部2的弹簧常数根据作用于可动侧部2与固定侧部3a以及固定侧部3b之间的静电力，可调制为位置x的函数，因此该弹簧常数并非恒定，而是根据位置x变化。因此，由(式1)表示的该第一实施方式的振动发电装置10的共振频率f不是k为恒定的情况那样的特定的频率，而是根据位置x而变化，因此成为宽带的频率。

并且，在(式2)的第三项中，在cos(2π/l)x为正的值时，根据与作用于可动侧部2与固定侧部3a以及固定侧部3b之间的静电力相关的成分，由支撑梁部4l、4r支撑的可动侧部2的弹簧常数比该可动侧部2与静电力无关地自由振动时的弹簧常数k降低。也就是，可动侧部2更容易振动。这是被称为软弹簧效应的现象，例如公开于公知文献(journalofmicroelectromechanicalsystem.vol.20.no.6.december2011)。如该公知文献中公开的那样，该软弹簧效应有助于振动发电装置的频率的宽带化。

该情况下，为了更有效地得到软弹簧效应，在(式2)的第三项，将从弹簧常数k减去的项的值设为不能忽视弹簧常数k的值为宜。因此，在该第一实施方式的振动发电装置10中，驻极体膜的驻极体电位e的值、可动侧部2的突部23以及固定侧部3a的突部32a的沿振动方向的方向的排列周期l、以及可动侧部2与固定侧部3a、3b之间的电容的最小值cmin与最大值cmax的差cdef的值选定为，在(式2)的第三项中，从弹簧常数k减去的项的值为相对于该弹簧常数k而不能忽视的值。可动侧部2与固定侧部3a、3b之间的电容的最小值cmin与最大值cmax的差cdef主要基于上述空隙g、上述宽度wt、上述距离d的值来决定，空隙g越小则值越大。

该情况下，“在(式2)的第三项中，从弹簧常数k减去的项的值为相对于该弹簧常数k而不能忽视的值”是指，与弹簧常数k同等的位数或者不同为1位程度，是不包含与弹簧常数k相差2位以上的值的意思。

为了良好地取得上述的软弹簧效应，上述的例子的驻极体电位e的值、排列周期l、以及空隙g、距离d的值是以如下方式选定的值，即，“在(式2)的第三项中，从弹簧常数k减去的项的值为相对于该弹簧常数k而不能忽视的值”。顺便说一下，该第一实施方式的振动发电装置的情况下，例如相对于弹簧常数k为790n/m，上述的实施方式的振动发电装置10的情况的作为上述(式2)的第三项中的cos的系数的2π²e²cdef/l²的值成为830n/m。

根据以上所述，在该实施方式的振动发电装置10中，在上述(式2)的第三项中的cos的值为正的微小振动范围内，利用软弹簧效应来响应存在于宽阔范围的微弱的环境振动能并进行振动，从而能够效率良好地进行振动发电。

此外，在该实施方式的振动发电装置10中构成为，并非仅在上述(式2)的第三项中的cos的值为正的微小振动范围内进行振动，如果来自外部的振动能较大，则能够进行更大振幅的振动，在该情况下，得到与可动侧部2与固定侧部之间的电容的变化相应的发电输出的情况也与通常的电容方式的振动发电装置相同。

此外，在图1中，符号7是锤，该锤7并非由半导体基板1作成，而是由其它部件作成，装配于该第一实施方式的振动发电装置10的可动侧部2之上。通过将该锤7载置于可动侧部2之上，从而能够增大可动侧部2的质量m，并增大振动发电装置10的振动发电所产生的输出p(参照后文所述的(式3))。

如上所述，上述的实施方式的振动发电装置10通过具备如上述那样在可动侧部2和固定侧部3的、沿可动侧部2的振动方向的方向的对置面21、22和固定侧部3a、3b的对置面31a、31b，在沿上述振动方向的方向上以梳齿状排列突部23、24以及突部32a、32b的结构，从而如(式2)的模型式所示地构成为，可动侧部2的弹簧常数调制为振动方向的位置x的函数，因此成为具有宽带的振动频率的振动发电装置。

并且，在该第一实施方式的振动发电装置10中，将驻极体膜的驻极体电位e的值、可动侧部2的突部23以及固定侧部3a的突部32a的沿振动方向的方向的排列周期l、以及可动侧部2与固定侧部3a、3b之间的电容的最小值cmin与最大值cmax的差cdef的值选定为，在(式2)的第三项中，从弹簧常数k减去的项的值为相对于弹簧常数k而不能忽视的值。因此，能够使软弹簧效应有效地发挥作用，能够更实际地实现振动发电装置10的频率的宽带化。

此外，在上述的公知文献中，公开了实现了宽带的振动发电装置。但是，在上述公知文献的振动发电装置中，梳齿状的突部相互啮合，并且使可动侧部在该啮合的突部的高度方向上振动。也就是，可动侧部以相对于固定侧部接近或者远离的方式进行振动。因此，公知文献的振动发电装置的情况下，因静电力而产生牵引现象(拉入现象)，有可能无法继续振动。即，在静电力作用于隔着预定的空隙而对置的两面间时，若可动侧部相对于固定侧部接近对置的两面间的空隙的长度的1/3以上，则产生牵引现象，振动停止。

针对于此，在该实施方式的振动发电装置10中，如上所述，在形成于可动侧部2的对置面21、22的梳齿状排列的突部23、24与形成于固定侧部3a的对置面31a的梳齿状排列的突部32a以及形成于固定侧部3b的对置面31b的梳齿状排列的突部32b之间设有空隙g，可动侧部2是在沿对置面21、22、31a、31b的面的方向上振动移动的结构。因此，该实施方式的振动发电装置10中，可动侧部2在固定侧部3a、3b之间保持空隙g的距离作为最低限度，并在与该空隙g的方向正交的方向上振动移动，因此不会产生牵引现象。因此，在该实施方式的振动发电装置10中，理论上具有不需要对可动侧部2的振动的振幅设置限制的优点。

[第一实施方式的振动发电装置的制法]

如上所述，该第一实施方式的振动发电装置10是通过对半导体基板1实施的半导体工序而形成的mems装置。作为半导体基板的例子，能够使用单晶硅基板、多晶硅基板、soi(silicononinsulator)基板、陶瓷基板、金属基板、玻璃基板、聚合物基板等。在对以下说明的该实施方式的振动发电装置10的半导体制造工序的例子中，使用soi基板作为半导体基板。

图4～图7是表示对该实施方式的振动发电装置10的半导体制造工序的例子的图。

在执行半导体工序之前，准备由soi基板构成的半导体基板1。最终通过蚀刻从半导体基板1分离振动发电装置10。在以下的说明中，为了方便，对其分离后的一个振动发电装置10说明工序。图4(a)表示对一个振动发电装置10的半导体基板1，横方向的长度x例如是12mm，纵方向的长度y例如是8mm。图4(b)表示将该半导体基板1沿与其基板面1a正交的方向剖切了时的剖视图。该图4(b)是图4(a)的a－a线剖视图。

如图4(b)所示，半导体基板1在与基板面1a正交的方向上层叠有多个层，在该例中，由形成基板面1a的soi层101、埋入氧化膜层102、以及控制层103构成。soi层101在该例中由厚度为300μm、比电阻例如为0.1ωcm的p型硅层构成。埋入氧化膜层102是由厚度为2μm的氧化膜构成的绝缘层。另外，控制层103由厚度为500μm、比电阻例如为0.1ωcm的p型硅层构成。

针对该半导体基板1，首先，如图4(c)的剖视图(与图4(b)的剖视图相同的位置的剖视图)所示，利用lpcvd(lowpressurechemicalvapordeposition)法，在soi层101的表面(基板面1a)上形成氮化硅(si3n4)膜104。该氮化硅膜104用于确保之后形成图1所示的电极25、26、33a、33b的位置。

氮化硅膜104对进行图案成形处理，如图4(d)以及图4(e)所示，以仅保留形成电极25、26、33a、33b的位置部分104a、104b、104c、104d的方式进行去除。此外，图4(e)与图4(a)相同，是从半导体基板1的基板面1a侧观察半导体基板1的图，图4(d)是图4(e)中的b－b线剖视图。

接着，如图5(a)中标注影线所示，在半导体基板1的基板面1a上涂敷保护膜105，而且，对该涂敷的保护膜105保留与形成可动侧部2、固定侧部3a以及固定侧部3b、和支撑梁部4l以及支撑梁部4r的部分对应的部分，并以遮掩上述部分的方式进行图案成形处理。此外，图5(a)与图4(a)相同，是从半导体基板1的基板面1a侧观察半导体基板1的图，图5(b)是图5(a)中的c－c线剖视图。

此外，在图5～图7的半导体制造工序的图中，为了便于作图，振动发电装置10的可动侧部2的突部23、24的个数和固定侧部3a、3b的突部32a、32b的个数为5～6个，但如上所述，其个数实际上更多。

接着，如图5(c)的剖视图(与图5(b)的剖视图相同的位置的剖视图)所示，实施利用了icp(inductivelycoupledplasma；感应耦合等离子体)－rie(reactiveionetching；反应性离子蚀刻)的深挖蚀刻处理，蚀刻除去soi层101内的、未被保护膜105遮掩的部分，直至埋入氧化膜层102的部位。

接着，进行除去保护膜105的处理，如图5(d)以及(e)所示，使soi层101露出。此外，图5(e)是从半导体基板1的基板面1a侧观察半导体基板1的图，图5(d)是图5(e)中的b－b线剖视图。

接着，在半导体基板1的与基板面1a相反侧的背面1b(控制层103的露出面)上，如图6(a)中标注影线所示，形成以遮掩可动侧部2和支撑梁部4l以及支撑梁部4r以外的部分的方式进行图案成形的保护膜106。即，相对于半导体基板1进行背面保护图案成形处理。此外，图6(a)是从半导体基板1的背面1b侧观察半导体基板1的图，图6(b)是图6(a)中的e－e线剖视图。

接着，如图6(c)的剖视图(与图6(b)的剖视图相同的位置的剖视图)所示，实施利用了icp－rie的深挖蚀刻处理，蚀刻除去控制层103内的未被保护膜106遮掩的部分，直至埋入氧化膜层102的部位。

接着，进行除去保护膜106的处理，如图6(d)以及(e)所示，使控制层103向背面1b侧露出。此外，图6(e)是从半导体基板1的背面1b侧观察半导体基板1的图，图6(d)是图6(e)中的f－f线剖视图。

接着，利用缓冲氢氟酸溶液来实施对埋入氧化膜层102的露出的部分进行蚀刻除去的处理，如图7(a)的剖视图(与图7(d)的剖视图相同的位置的剖视图)所示，可动侧部2和支撑梁部4l以及支撑梁部4r的部分能够动作。

接着，进行利用了koh(氢氧化钾)溶液的起泡氧化处理，如图7(b)的剖视图(与图7(a)的剖视图相同的位置的剖视图)所示，形成含钾氧化膜107。含钾氧化膜107用于生成后述的驻极体膜的驻极体化的处理，例如厚度为1μm。此外，对于利用了该koh(氢氧化钾)溶液的起泡氧化处理，例如能够使用日本特开2016－82836号公报的图2、图3以及其说明部分所记载的技术。在此省略其详细。

接着，进行如图7(c)的剖视图所示那样蚀刻除去氮化硅膜104a、104b、104c、104d的处理，并将该蚀刻除去后的部分形成为上述的电极25、26、33a、33b。

如上所述，能够如图7(d)所示那样从半导体基板1作成该实施方式的振动发电装置的构成部分。并且，进行在该图7(d)所示的振动发电装置的可动侧部2或者固定侧部3a以及3b的任一方生成驻极体膜的驻极体化处理。在该例中，在固定侧部3a以及3b生成带负电的驻极体膜。该驻极体化的处理例如能够使用日本特开2013－13256号公报所记载的bias－temperature法来进行。在此省略其详细的说明。

如上所述那样构成的振动发电装置10能够得到图12的(式3)所示的那样的值，来作为发电输出电力的最大值pmax。在该(式3)中，m是包含锤7的可动侧部2的质量，a是加速度，v是振动速度，q是可动侧部2的共振时的尖锐度(所谓q值(qualityfactor))，是可动侧部2的振动振幅相对于外部激励振动的振幅的比。从该(式3)可知，在该第一实施方式的振动发电装置10中，通过将锤7安装于可动侧部2之上，从而能够增大发电输出电力。

图8是表示使用了该实施方式的振动发电装置10的充电电路的电路构成例的图。如图8所示，该实施方式的振动发电装置10在该例中并列连接生成于可动侧部2的电极25与固定侧部3a的电极33a之间的电容c1、和生成于可动侧部2的电极26与固定侧部3b的电极33b之间的电容c2而成。因此，在该例中，由振动发电装置10生成的电容c为c＝c1+c2。

并且，在图8的例子中，在该振动发电装置10的电容c所得到的发电输出在该例中通过由二极管d1以及二极管d2构成的整流电路8整流，并通过该整流输出来对蓄电用电容器9充电并蓄电。

[上述的第一实施方式的变形例]

此外，在上述的第一实施方式的振动发电装置10中，做成如下结构：在可动侧部2的与振动方向正交的方向的两侧的沿振动方向的方向的面21、22分别以梳齿状配设突部23、24，并且设置具有与面21、22对置的面31a、31b的两个固定侧部3a、3b，在面21、22分别以梳齿状配设突部32a、32b。但是也可以做成如下结构：不利用可动侧部2的与振动方向正交的方向的两侧，而是组合单侧的可动侧部2和固定侧部3a、或者组合可动侧部2和固定侧部3b。

另外，在上述的第一实施方式的振动发电装置10中，在固定侧部3a以及3b生成驻极体膜，但是也可以在可动侧部2生成驻极体膜。

另外，在上述的第一实施方式的振动发电装置10中，遍及固定侧部3a以及3b的整体生成驻极体膜，但驻极体膜不需要生成于整体，至少在固定侧部3a以及3b的对置面31a以及31b生成驻极体膜即可。

此外，在振动发电装置的可动侧部2或者固定侧部3a以及3b的任一方进行生成驻极体膜的驻极体化处理，也可以以对一方给与负的驻极体电位、对另一方给与正的驻极体电位的方式，在可动侧部2以及固定侧部3a以及3b这两方生成驻极体膜。

此外，对上述的图4～图7所示的第一实施方式的振动发电装置10的半导体制造工序是一个例子，不言而喻，半导体制造工序并不限于上述的例子。

[第二实施方式]

上述的实施方式的振动发电装置10中，在可动侧部和固定侧部以梳齿状排列的突部对置的组合为一对，但通过设置多对，能够提供更高输出的振动发电装置。以下说明的第二实施方式的振动发电装置是这样构成的情况的一个例子。

图9是在半导体基板1m的与基板面正交的方向上从该基板面侧观察该第二实施方式的振动发电装置10m的图。该第二实施方式的振动发电装置10m也通过对半导体基板1m实施与第一实施方式的振动发电装置10相同的半导体制造工序来制造。即，仅形成可动侧部和固定侧部时的利用了保护膜的蚀刻的掩模图形不同，其它大致相同。此外，就该例的振动发电装置10m的大小而言，振动方向的长度例如为24mm，与振动方向正交的方向的长度例如为15mm。厚度方向的大小与第一实施方式相同。

如图9所示，在该第二实施方式中也与第一实施方式的振动发电装置10相同，是相对于可动侧部2m在与该可动侧部2m的振动方向正交的方向的两侧配设有固定侧部3am和固定侧部3bm的结构。

并且，可动侧部2m与第一实施方式的振动发电装置10的可动侧部2相同，构成为由支撑梁部4lm以及4rm支撑振动方向的两端，并在图9中箭头ar所示的方向上振动。

该第二实施方式的振动发电装置10m的可动侧部2m具备：细长形状的可动主轴部201；从该可动主轴部201的长度方向的大致中央位置的两侧向与振动方向正交的方向延伸的臂部202u和臂部202d；以及从这些臂部202u以及臂部202d各自的左侧和右侧的两侧向箭头ar所示的振动方向延伸的多个可动支部203ul以及203ur和可动支部203dl以及203dr。

该例的情况下，臂部202u构成为从可动侧部2m的可动主轴部201向固定侧部3am的方向伸出。另外，臂部202d构成为从可动侧部2m的可动主轴部201向固定侧部3bm侧的方向伸出。

并且，可动支部203ul以及可动支部203ur在图9的例子中形成为各三根在可动侧部2m的振动方向上从臂部202u的左侧和右侧的两侧在与振动方向正交的方向上相互空出预定的间隔地延伸。另外，可动支部203dl以及可动支部203dr在图9的例子中形成为各三根在可动侧部2m的振动方向上从臂部202d的左侧和右侧的两侧延伸。

另一方面，在该第二实施方式中，固定侧部3am具备：与可动侧部2m的可动主轴部201平行地设置的固定主轴部301a；以及从其长度方向的两端向可动主轴部201的方向延伸的臂部302al以及臂部302ar。并且，这些臂部302al以及臂部302ar具备从与可动侧部2m的臂部202u对置的面沿由箭头ar所示的振动方向延伸的多个固定支部303al以及固定支部303ar。

该例的情况下，固定支部303al以及固定支部303ar为与可动支部203ul以及可动支部203ur的根数一致的各三根，如图9所示，构成为可动支部203ul以及可动支部203ur与固定支部303al以及固定支部303ar交替地啮合。

另外，在该第二实施方式中，固定侧部3bm具备：与可动侧部2m的可动主轴部201平行地设置的固定主轴部301b；以及从其长度方向的两端向可动主轴部201的方向延伸的臂部302bl以及302br。并且，这些臂部302bl以及臂部302br具备从与可动侧部2m的臂部202d对置的面沿箭头ar所示的振动方向延伸的多个固定支部303bl以及固定支部303br。

在该例的情况下，固定支部303bl以及固定支部303br与可动支部203dl以及可动支部203dr的根数一致，各为三根，如图9所示，构成为可动支部203dl以及203dr与固定支部303bl以及303br交替地啮合。

此外，可动支部以及固定支部的数量并不限于各三根，不言而喻，既可以是一根或者两根、也可以是比三根更多的多根。

图10(a)表示用于说明固定侧部3am的形成于左侧的臂部302al的固定支部303al、与可动侧部2m的形成于臂部202u的左侧的可动支部203ul的啮合状态的局部放大图。另外，图10(b)表示用于说明固定侧部3am的形成于右侧的臂部302ar的固定支部303ar、与可动侧部2m的形成于臂部202u的右侧的可动支部203ur的啮合状态的局部放大图。

此外，固定侧部3bm的形成于左侧的臂部302bl的固定支部303bl、与可动侧部2m的形成于臂部202d的左侧的可动支部203dl的啮合状态、另外固定侧部3bm的形成于右侧的臂部302br的固定支部303br、与可动侧部2m的形成于臂部202d的右侧的可动支部203dr的啮合状态与图10(a)以及图10(b)相同。因此，这里仅进行可动支部203ul以及可动支部203ur、与固定支部303al以及固定支部303ar的关系的说明，省略可动支部203dl以及可动支部203dr、与固定支部303bl以及固定支部303br的关系的说明。

如图10(a)所示，与第一实施方式的可动侧部2的突部23以及突部24相同，在可动支部203ul的与固定支部303al对置且沿振动方向的方向的面分别形成有突部204ul以及突部205ul。另一方面，在固定支部303al的与可动支部203ul对置的面，形成有与第一实施方式的固定侧部3a的突部32a对应的突部304al以及突部305al。

并且，在该例中，形成于可动侧部2m的可动支部203ul的突部204ul以及突部205ul、与形成于固定支部303al的突部304al以及突部305al以与第一实施方式中使用图2说明的相同的尺寸关系构成。即，突部204ul以及突部205ul、突部304al以及突部305al的宽度wt为20μm，排列间距l为60μm，高度h为42.5μm，突部204ul以及突部205ul的前端面与突部304al以及突部305al的前端面之间的空隙g为5μm。

另外，如图10(b)所示，在可动支部203ur的与固定支部303ar对置且沿振动方向的方向的面分别相同地形成有突部204ur以及突部205ur，并且在固定支部303ar的与可动支部203ur对置的面形成有突部304ar以及突部305ar。并且，形成于可动侧部2m的可动支部203ur的突部204ur以及205ur、和形成于固定支部303ar的突部304ar以及305ar构成为与形成于可动侧部2m的可动支部203ul的突部204ul以及205ul、和形成于固定支部303al的突部304l以及305l的关系相同。

此外，该情况下，在固定侧部3am的固定主轴部301，也形成有与固定支部303al的突部305al以及突部305al、或者固定支部303ar的突部305ar以及突部305ar相同的突部305m。另外，在可动侧部2m的可动主轴部201也形成有与可动支部203ul以及可动支部203ur的突部203ul以及203ur相同的突部。

然而，如上所述，基于可动侧部2m的振动的位置x在上述的(式2)的第三项的cos取得正的值的范围时，振动发电装置10m的弹簧常数比弹簧常数k小，利用静电力产生的软弹簧效应，可动侧部2m成为更容易移动的状态。但是，若基于可动侧部2m的振动的位置x成为上述的(式2)的第三项的cos取得负的值的范围，则振动发电装置10m的弹簧常数比弹簧常数k大，成为难以振动的状态。即，这种静电型的振动发电装置的情况下，若支撑梁部4lm以及4rm的复原力、和可动侧部2m与固定侧部3am以及3bm之间的静电力作用于同一方向，则可动构造被静电力制动而难以移动，在低加速度下有可能无法发电。

鉴于上述情形，在该第二实施方式中，图10(a)所示的臂部202u的左侧的可动支部203ul和固定侧部3am的左侧的固定支部303al的左侧组中的突部204ul以及205ul和突部304al以及305al的对置位相、与图10(b)所示的臂部202u的右侧的可动支部203ur和固定侧部3am的右侧的固定支部303ar的右侧组中的突部204ur以及205ur和突部304ar以及305ar的对置位相成为不同的结构，以使静电力产生的影响通过左侧组和右侧组而相互抵消。

在该图9的例子中，在使排列间距l为一个周期(360度)时，构成为左侧组和右侧组位相相差90度。即，如图14(a)所示，左侧组的可动支部203ul的突部204ul以及205ul、与固定支部303al的突部304al以及305al为相互正对的状态时，如图10(b)所示构成为，右侧组的可动支部203ur的突部204ur以及205ur、与固定支部303ar的突部304ar以及305ar不正对，而是成为错开90度的状态。

此外，虽然省略了图示，但与上述相同，臂部202d的左侧的可动支部203dl和固定侧部3bm的左侧的固定支部303bl的左侧组中的突部204dl以及205dl和突部304bl以及305bl的对置位相、与臂部202d的右侧的可动支部203dr和固定侧部3bm的右侧的固定支部303br的右侧组中的突部204dr以及205dr和突部304br以及305br的对置位相也同样地成为不同的结构，以使静电力产生的影响通过左侧组和右侧组而相互抵消。

这样，在该第二实施方式的振动发电装置10m中，将可动侧部2m的突部在振动方向上分成两个组，通过使固定侧部3am以及固定侧部3bm的突部之间的对置位相在这两个组相互不同，从而能够使作用于可动侧部2m与固定侧部3am以及固定侧部3bm之间的静电力在这两个组中作用于相反方向，能够减轻可动侧部2m被静电力制动而成为难以振动的状态、或者避免成为无法继续振动的状态。

此外，在上述的说明中，将可动侧部2m的突部在振动方向上分成两个组，不言而喻，也可以将固定侧部3am以及固定侧部3bm的突部在振动方向上分成两个组。

虽然省略了图示，但在该第二实施方式的振动发电装置10m中，在可动侧部2m的可动主轴部201之上载置有锤的结构与第一实施方式的振动发电装置10的情况相同。

该第二实施方式的振动发电装置10m也与第一实施方式的振动发电装置10相同，在可动侧部2m的两端侧形成有电极25m以及26m，并且在固定侧部3am形成有电极33am，在固定侧部3bm形成有电极33bm。并且，该第二实施方式的振动发电装置10m的情况下，也能够通过图8所示的充电电路来在蓄电用电容器9蓄电。

该情况下，在该第二实施方式中，在与图8所示的电极25对应的电极25m和与电极33a对应的电极33am之间，并列连接有多个电容，该多个电容分别生成于多个可动支部203ul以及可动支部203ur(包含可动主轴部201)与多个固定支部303al以及固定支部303ar(包含固定主轴部301a)的对之间。同样，在与图8所示的电极26对应的电极26m和与电极33b对应的电极33bm之间，并列连接有多个电容，该多个电容分别生成于多个可动支部203dl以及可动支部203dr(包含可动主轴部201)与多个固定支部303bl以及固定支部303br(包含固定主轴部301b)的对之间。

因此，根据该第二实施方式的振动发电装置10m，不仅具有与第一实施方式相同的作用效果，而且还能够实现可增大振动发电的发电量的宽带的振动发电装置。

并且，根据该第二实施方式的振动发电装置10m，构成为可动侧部的突部与固定侧部的突部的对置位相分成相互不同的两个组，使作用于可动侧部与固定侧部之间的静电力在这两个组间相互抵消，因此能够减轻可动侧部因静电力而成为难以振动的状态、或者避免成为无法继续振动的状态。

根据该第二实施方式的振动发电装置10m，在可动侧部2m自由振动时的弹簧常数k中的共振频率为100hz时，如图11所示，相对于宽带的激励频率，能够确认得到预定值以上的充电电压。即，从该图11可知，根据第二实施方式的振动发电装置10m，在激励频率为50hz时，得到2伏的充电电压，70hz时得到3.5伏、120hz时得到4.5伏的充电电压。即，确认到能够实现一种振动发电装置，其不仅在共振频率为100hz、而且在包含该共振频率的宽带的频率范围内也可得到预定值以上的充电电压。此外，该情况的激励能是0.1g的情况。

另外，图13表示作为外部振动能而对第二实施方式的振动发电装置10m给与空气调节器的振动能(该例中为0.02grms)时的、该振动发电装置10m的振动频率的光谱分析结果。在图13中，下方表示空气调节器的振动的光谱，在其上方表示该第二实施方式的振动发电装置10m的频率光谱。从该图13清楚地可知，第二实施方式的振动发电装置10m响应宽阔范围的振动能而进行宽带的振动。

[第二实施方式的变形例]

在上述的第二实施方式的例子中，也可以省略固定侧部3bm侧而做成由可动侧部2m和固定侧部3am的组合构成的结构。

另外，还在振动方向不同的位置设置多个从可动侧部2m的可动主轴部201向与振动方向正交的方向延伸的臂部，对这些臂部采用与上述相同的结构，并且固定侧部3am以及3bm也通过使与这些臂部对应的部分与上述相同地构成，从而也能够成为由更多的可动支部和固定支部的对构成的结构。

另外，在上述的第二实施方式中，为了使可动侧部与固定侧部之间的静电力抵消，而在可动侧部的振动方向上配置突部的对置位相不同的组。但是，也可以在与振动方向正交的方向上配置突部对置位相不同的组。即，也可以由可动侧部2m与固定侧部3am的组、和可动侧部2m与固定侧部3bm的组构成突部的对置位相不同的组。该情况下，不言而喻，在第一实施方式中也能够应用。

并且，突部的对置位相的不同并不限于上述的例子的90度，只要是有助于使可动侧部与固定侧部之间的静电力抵消那样的位相的不同即可。

[其它实施方式或者变形例]

上述的实施方式的振动发电装置是利用半导体制造工序制造的mems装置的情况，但本发明的振动发电装置并不限于mems装置。

另外，在上述的实施方式中，形成于可动侧部以及固定侧部的突部构成为剖面为矩形形状，但突部的形状并不限于此。

另外，在上述的实施方式中，在从重力方向观察振动发电装置时，在可动侧部的左右方向配置固定侧部，但也可以在上下方向上空出预定的间隔地配置可动侧部和固定侧部。另外，可动侧部的振动方向也可以不是直线方向，而是旋转方向。

符号的说明

1、1m—半导体基板，2、2m—可动侧部，3a、3b、3am、3bm—固定侧部，4l、4r、4lm、4rm—支撑梁部，7—锤，23、24—可动侧部2的突部，32a、32b—固定侧部3a、3b的突部。