JP2019097381A - Power generator and energy harvest device - Google Patents

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Abstract

To provide a power generator capable of improving fixed charge density of an electret even when there is restriction due to mixture of an electret manufacturing process and an MEMS structure creation process.SOLUTION: An equivalent circuit of a power generator 100 includes fixed capacity Cf and variable capacity Cv, and they are connected in series with each other. The fixed capacity includes an electret 102 and a first electrode 104. The variable capacity includes a second electrode 106 and a third electrode 108, and has electrostatic capacity which varies according to a vibration. When the third electrode 108 is displaced, an area in which the second electrode 106 overlaps with the third electrode 108 varies, and the variable capacity varies. As a result, an electric charge Q of the second electrode 106 varies, and can be taken out as power from an output terminal 110.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明の実施形態は、発電装置に関する。   Embodiments of the present invention relate to a power generator.

光、熱、振動などの再生可能エネルギー（環境エネルギーともいう）を有効活用するために、環境発電素子（エネルギーハーベスト素子とも称される）の開発が進められている。   In order to make effective use of renewable energy such as light, heat, and vibration (also referred to as environmental energy), development of an environmental power generation element (also referred to as an energy harvest element) is in progress.

環境発電素子のひとつとして、環境振動により発電する振動発電装置がある。図１は、従来のエレクトレット発電装置を備える発電システムのブロック図である。エレクトレット発電装置１０は、エレクトレット電極１２と、対向する金属電極１４のペアで構成される。エレクトレット電極１２は、強い誘電性を有する絶縁体に電界を印加し、その結果生ずる恒久的あるいは半恒久的な電気分極により帯電が保たれる物質である。エレクトレット電極１２と金属電極１４は相対的に変位可能である。図１では、エレクトレット電極１２が固定電極、金属電極１４が可動電極であり、金属電極１４にはバネ１６が取り付けられ、図中、矢印の方向に振動可能となっている。   As one of the environmental power generation elements, there is a vibration power generation device that generates electric power by environmental vibration. FIG. 1 is a block diagram of a power generation system provided with a conventional electret power generator. The electret power generation device 10 is configured by a pair of an electret electrode 12 and a metal electrode 14 facing each other. The electret electrode 12 is a substance that can maintain its charge by applying an electric field to a strong dielectric insulator and the resulting permanent or semi-permanent electrical polarization. The electret electrode 12 and the metal electrode 14 are relatively displaceable. In FIG. 1, the electret electrode 12 is a fixed electrode, the metal electrode 14 is a movable electrode, and a spring 16 is attached to the metal electrode 14 so that it can vibrate in the direction of the arrow in the figure.

エレクトレット電極１２と金属電極１４が正対していると、静電誘導により金属電極１４にエレクトレット電極１２と同量の逆極性の誘導電荷が蓄えられる。振動によって、エレクトレット電極１２と金属電極１４のオーバーラップ面積が変化すると、それに応じた電気信号を外部に取り出すことができる。   When the electret electrode 12 and the metal electrode 14 are in a right-to-head relationship, induced charge of the reverse polarity of the same amount as the electret electrode 12 is accumulated in the metal electrode 14 by electrostatic induction. When the overlap area of the electret electrode 12 and the metal electrode 14 changes due to the vibration, an electric signal corresponding to the change can be extracted to the outside.

電源管理回路２０は、エレクトレット発電装置１０から出力される電荷を整流、平滑化し、負荷３０に供給する。   The power supply management circuit 20 rectifies and smoothes the charge output from the electret power generation device 10 and supplies the charge 30 to the load 30.

D. Yamane et. al., "Design of sub-1g microelectromechanical systems accelerometers"、Applied Physics Letters 104, 074102 (2014)D. Yamane et. Al., "Design of sub-1 g microelectromechanical systems accelerators", Applied Physics Letters 104, 074102 (2014)

本発明者らは従来のエレクトレット発電装置１０について検討した結果、いくつかの課題を認識するに至った。   As a result of examining the conventional electret power generator 10, the inventors came to recognize several problems.

図１のエレクトレット発電装置１０の最大発電出力は、固定電極であるエレクトレットの表面電荷密度の２乗に比例する。表面電荷密度を高めるには、エレクトレットの材料、形成方法、帯電方法を最適化するなどのアプローチを取りうる。   The maximum power generation output of the electret power generation system 10 of FIG. 1 is proportional to the square of the surface charge density of the electret which is a fixed electrode. In order to increase the surface charge density, it is possible to take approaches such as optimizing the electret material, forming method, and charging method.

ところが、エレクトレット発電装置１０の可動電極をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術で作成する場合、エレクトレットの製造プロセスとＭＥＭＳ構造作成プロセスが混在することになり、エレクトレットの材料選択、製造方法、帯電方法がＭＥＭＳ構造によって制約され、固定電荷密度を高めることが難しい場合もある。また、エレクトレットの製膜後に、それを帯電させる工程において、高電圧を印加する必要があり、ＭＥＭＳ構造も、このような高電圧に耐えうるものとしなければならず、設計に少なからず制約が生ずる。   However, when the movable electrode of the electret power generation device 10 is formed by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, the manufacturing process of the electret and the MEMS structure forming process are mixed, and the material selection of the electret, the manufacturing method, the charging method Due to the MEMS structure, it may be difficult to increase the fixed charge density. Also, after forming the electret film, it is necessary to apply a high voltage in the step of charging it, and the MEMS structure must also be able to withstand such a high voltage, resulting in not only a few restrictions on the design .

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、従来のエレクトレット発電装置の問題の少なくともひとつを解決可能な発電装置の提供にある。   The present invention has been made in such a situation, and one of the exemplary objects of an aspect of the present invention is to provide a power generation device capable of solving at least one of the problems of the conventional electret power generation device.

本発明のある態様は発電装置に関する。発電装置は、エレクトレットと、エレクトレットを支持し、または対向配置される第１電極と、第１電極と電気的に接続される第２電極と、第２電極と対向配置される第３電極と、を備え、第２電極と第３電極が相対的に変位可能に構成される。   One aspect of the present invention relates to a power generator. The power generation apparatus includes an electret, a first electrode supporting or opposed to the electret, a second electrode electrically connected to the first electrode, and a third electrode opposed to the second electrode, And the second electrode and the third electrode are configured to be relatively displaceable.

本発明のある態様によれば、従来のエレクトレット発電装置の問題の少なくともひとつを解決できる。   According to an aspect of the present invention, at least one of the problems of the conventional electret power generator can be solved.

従来のエレクトレット発電装置を備える発電システムのブロック図である。It is a block diagram of a power generation system provided with the conventional electret power generator. 実施の形態に係る発電装置を模式的に示す図である。It is a figure showing typically the power generator concerning an embodiment. 図３（ａ）〜（ｃ）は、可変容量Ｃｖの構成例を示す図である。FIGS. 3A to 3C are diagrams showing configuration examples of the variable capacitance Cv. 図２の発電装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of the electric power generating apparatus of FIG. 図５（ａ）、（ｂ）は、図２の発電装置の動作を説明する図である。5 (a) and 5 (b) are diagrams for explaining the operation of the power generation device of FIG. 一実施例に係る発電装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of the electric power generating apparatus which concerns on one Example. 図６の発電装置の第１の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st structural example of the electric power generating apparatus of FIG. 図６の発電装置の第２の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd structural example of the electric power generating apparatus of FIG. 発電装置を備えるエネルギーハーベストデバイスの断面図である。1 is a cross-sectional view of an energy harvesting device comprising a power generation device. 図１０（ａ）〜（ｃ）は、作製した発電装置を示す図である。Fig.10 (a)-(c) is a figure which shows the produced electric power generating apparatus. 図１１（ａ）〜（ｃ）は、作製した第１構造体を示す図である。FIGS. 11 (a) to 11 (c) are diagrams showing the produced first structure. 図１２（ａ）〜（ｃ）は、発電装置の動作を説明する図である。12 (a) to 12 (c) are diagrams for explaining the operation of the power generation device. 発電装置の発電特性の測定系のブロック図である。It is a block diagram of the measurement system of the power generation characteristic of a power generation device. 発電装置の周波数特性（測定結果）を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic (measurement result) of a generator. 発電装置の出力電圧の測定波形図である。It is a measurement waveform figure of the output voltage of a generator. 図１６（ａ）は、振動発生器が発生する振動の振幅と、測定される電圧の振幅の関係を示す図であり、図１６（ｂ）は、発電装置の出力電力の負荷依存性を示す図である。FIG. 16 (a) shows the relationship between the amplitude of the vibration generated by the vibration generator and the amplitude of the measured voltage, and FIG. 16 (b) shows the load dependency of the output power of the power generation apparatus FIG.

（実施の形態の概要）
本明細書の一実施の形態には、発電装置が開示される。この発電装置は、エレクトレットと、エレクトレットを支持し、または対向配置される第１電極と、第１電極と電気的に接続される第２電極と、第２電極との間に静電容量を形成する第３電極と、を備え、第２電極と第３電極が形成する静電容量が可変に構成される。 (Overview of the embodiment)
A power generator is disclosed in one embodiment of the present specification. The power generation device forms a capacitance between the electret, the first electrode supporting or opposed to the electret, the second electrode electrically connected to the first electrode, and the second electrode. And an electrostatic capacitance formed by the second electrode and the third electrode is variably configured.

エレクトレットに生ずる固定電荷を−Ｑとするとき、第１電極には、逆極性の誘導電荷＋Ｑが発生する。第１電極と第２電極の電荷保存の法則から、第２電極には−Ｑの電荷が発生する。第２電極と第３電極が形成する静電容量が変化することにより、第３電極に生ずる電荷が変化し、電力を取り出すことができる。   When the fixed charge generated in the electret is -Q, an induced charge + Q of the reverse polarity is generated in the first electrode. According to the charge storage law of the first electrode and the second electrode, a charge of -Q is generated in the second electrode. By changing the capacitance formed by the second electrode and the third electrode, the charge generated in the third electrode changes, and power can be extracted.

エレクトレットの面積は、第２電極の面積より大きくてもよい。これにより、第２電極の表面電荷密度を高めることができ、ひいては最大発電出力を高めることができる。   The area of the electret may be larger than the area of the second electrode. Thereby, the surface charge density of the second electrode can be increased, and thus the maximum power generation output can be increased.

エレクトレットと第１電極のペアが複数個、電気的に並列に接続されてもよい。これにより、エレクトレットの総面積を、ペアの個数に応じて設計できる。   A plurality of pairs of electrets and first electrodes may be electrically connected in parallel. Thereby, the total area of the electret can be designed according to the number of pairs.

エレクトレットと第１電極のペアは、積層されてもよい。これにより、パッケージ面積を増やすことなく、最大発電出力を増やすことができる。   The electret-first electrode pair may be stacked. Thereby, the maximum power generation output can be increased without increasing the package area.

発電装置は、第２電極と第３電極を含む第１構造体とエレクトレットと第１電極を含む第２構造体とを備えてもよい。第２構造体は、第１構造体の上に積層されてもよい。第１構造体と第２構造体を個別に製造することにより、ＭＥＭＳプロセスと、エレクトレットの製造プロセスを分離することができる。このことは、各製造プロセスや材料の選択が、互いに制約を受けないことを意味し、従来よりも高性能な発電装置の設計が可能となる。   The power generation device may include a first structure including a second electrode and a third electrode, and a second structure including an electret and the first electrode. The second structure may be stacked on the first structure. By separately manufacturing the first structure and the second structure, the MEMS process and the manufacturing process of the electret can be separated. This means that the selection of each manufacturing process and material is not restricted to each other, which makes it possible to design a power generation device with higher performance than before.

第２電極が固定され、第３電極が振動可能に支持されてもよい。   The second electrode may be fixed and the third electrode may be vibratably supported.

（実施の形態）
以下、実施形態についていくつかの図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Embodiment
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to several drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are given the same reference numerals, and redundant description will be made only when necessary.

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く（長く）描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄い（短い）こともあり得る。   Further, the dimensions (thickness, length, width, etc.) of each member described in the drawings may be scaled appropriately for ease of understanding. Furthermore, the dimensions of a plurality of members do not necessarily represent the magnitude relationship between them, and even if one member A is drawn thicker (longer) than another member B in the drawing, the member A May be thinner (shorter) than the member B.

図２は、実施の形態に係る発電装置１００を模式的に示す図である。発電装置１００は、エレクトレット１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８を備える。   FIG. 2: is a figure which shows typically the electric power generating apparatus 100 which concerns on embodiment. The power generation device 100 includes an electret 102, a first electrode 104, a second electrode 106, and a third electrode 108.

エレクトレット１０２には、固定電荷−Ｑ０が帯電している。エレクトレット１０２は第１電極１０４によって支持されている。第１電極１０４には、エレクトレット１０２の固定電荷−Ｑ０に対応する誘導電荷＋Ｑ０が発生する。第２電極１０６は、第１電極１０４と電気的に接続される。電荷保存の法則により、第１電極１０４と第２電極１０６の総電荷量はゼロであるから、第２電極１０６の電荷量は−Ｑ０である。 Electret 102, the fixed charge -Q 0 are charged. The electret 102 is supported by the first electrode 104. In the first electrode 104, an induced charge + Q 0 corresponding to the fixed charge -Q 0 of the electret 102 is generated. The second electrode 106 is electrically connected to the first electrode 104. Since the total charge amount of the first electrode 104 and the second electrode 106 is zero according to the law of charge storage, the charge amount of the second electrode 106 is −Q 0 .

第３電極１０８は、第２電極１０６と対向配置され、静電容量Ｃｖを形成する。第２電極１０６と第３電極１０８は、それらが形成する静電容量（以下、可変容量ともいう）Ｃｖが、振動等の外力に応じて可変となるように構成される。第３電極１０８の電荷量Ｑは、可変容量Ｃｖに応じて変化し、したがって出力端子１１０から電力を取り出すことができる。   The third electrode 108 is disposed to face the second electrode 106 to form a capacitance Cv. The second electrode 106 and the third electrode 108 are configured such that the electrostatic capacitance (hereinafter also referred to as variable capacitance) Cv formed by them is variable according to an external force such as vibration. The charge amount Q of the third electrode 108 changes in accordance with the variable capacitance Cv, and hence power can be extracted from the output terminal 110.

図３（ａ）〜（ｃ）は、可変容量Ｃｖの構成例を示す図である。図３（ａ）、（ｂ）では、第２電極１０６と第３電極１０８の物理的な位置が、相対的に変位可能となっている。図３（ａ）では、第２電極１０６と第３電極１０８の少なくとも一方を、面内方向に変位可能とし、それらのオーバーラップする面積が可変である。図３（ｂ）では、第２電極１０６と第３電極１０８の少なくとも一方を、面外方向（面直方向）に変位可能とし、それらの距離が可変となっている。   FIGS. 3A to 3C are diagrams showing configuration examples of the variable capacitance Cv. In FIGS. 3A and 3B, the physical positions of the second electrode 106 and the third electrode 108 are relatively displaceable. In FIG. 3A, at least one of the second electrode 106 and the third electrode 108 is displaceable in the in-plane direction, and their overlapping area is variable. In FIG. 3B, at least one of the second electrode 106 and the third electrode 108 is displaceable in the out-of-plane direction (perpendicular direction), and the distance between them is variable.

図３（ｃ）では、第２電極１０６と第３電極１０８の間の空間の誘電率を、振動等の外力に応じて可変としてもよい。たとえば第２電極１０６と第３電極１０８の間に、誘電体１０９を挿入し、誘電体１０９を外力に応じて面内方向に変位可能としてもよい。   In FIG. 3C, the dielectric constant of the space between the second electrode 106 and the third electrode 108 may be variable according to an external force such as vibration. For example, a dielectric 109 may be inserted between the second electrode 106 and the third electrode 108 so that the dielectric 109 can be displaced in the in-plane direction according to an external force.

なお、可変容量Ｃｖの構成は図３（ａ）〜（ｃ）に限定されない。   The configuration of the variable capacitance Cv is not limited to FIGS. 3 (a) to 3 (c).

図４は、図２の発電装置１００の等価回路図である。第２電極１０６と第３電極１０８が可変容量Ｃｖを形成するのに対して、エレクトレット１０２と第１電極１０４は、固定的な静電容量（以下、固定容量）Ｃｆを形成するものとみなすことができる。すなわち、発電装置１００は、エレクトレット１０２を含む固定容量Ｃｆと、可変容量Ｃｖの直列接続と把握することができる。   FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the power generation device 100 of FIG. While the second electrode 106 and the third electrode 108 form a variable capacitance Cv, the electret 102 and the first electrode 104 should be regarded as forming a fixed electrostatic capacitance (hereinafter, fixed capacitance) Cf. Can. That is, the power generation device 100 can grasp that the fixed capacity Cf including the electret 102 and the variable capacity Cv are connected in series.

以上が発電装置１００の基本構成である。続いてその動作原理を説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、図２の発電装置１００の動作を説明する図である。ここでは図３（ａ）に示すように、第２電極１０６が固定電極であり、第３電極１０８が面内方向に変位する可動電極とする。   The above is the basic configuration of the power generation device 100. Subsequently, the principle of operation will be described. FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the operation of the power generation device 100 of FIG. Here, as shown in FIG. 3A, the second electrode 106 is a fixed electrode, and the third electrode 108 is a movable electrode displaced in the in-plane direction.

図５（ａ）は第３電極１０８の変位量がゼロの状態を、図５（ｂ）は第３電極１０８が面内方向にΔｘ変位した状態を示す。図５（ａ）に示すように、エレクトレット１０２に固定電荷−Ｑ０が帯電するとき、第２電極１０６にも同じ誘導電荷−Ｑ０が現れ、これは実質的に一定とみなすことができ、擬似的な固定電荷として扱うことができる。第３電極１０８には、第２電極１０６の擬似的な固定電荷−Ｑ０に対応する誘導電荷＋Ｑが現れる。変位量Δｘ＝０のとき、第２電極１０６に現れる誘導電荷Ｑは、Ｑ０と等しい。 FIG. 5A shows a state in which the displacement amount of the third electrode 108 is zero, and FIG. 5B shows a state in which the third electrode 108 is displaced by Δx in the in-plane direction. As shown in FIG. 5A, when the fixed charge -Q 0 is charged in the electret 102, the same induced charge -Q 0 also appears in the second electrode 106, which can be regarded as substantially constant, It can be treated as pseudo fixed charge. The third electrode 108, the induced charge + Q appears corresponding to pseudo fixed charges -Q 0 of the second electrode 106. When the displacement amount Δx = 0, the induced charge Q appearing on the second electrode 106 is equal to Q 0 .

図５（ｂ）に示すように第３電極１０８がＸ方向に変位すると、第２電極１０６と第３電極１０８のオーバーラップする面積が変化し、可変容量Ｃｖが変化する。その結果、第２電極１０６の電荷Ｑが変化し、出力端子１１０から電力として取り出すことができる。   As shown in FIG. 5B, when the third electrode 108 is displaced in the X direction, the overlapping area of the second electrode 106 and the third electrode 108 changes, and the variable capacitance Cv changes. As a result, the charge Q of the second electrode 106 changes, and can be taken out as power from the output terminal 110.

以上が発電装置１００の動作である。続いて発電装置１００の利点を説明する。   The above is the operation of the power generation device 100. Subsequently, the advantages of the power generation device 100 will be described.

発電装置１００の第１の利点は、第２電極１０６の電荷量が、第２電極１０６の面積に依存せずに、エレクトレット１０２に帯電する電荷量−Ｑ０で決まる点である。このことは、可動部分（第３電極１０８）の面積を大きくしなくても、エレクトレット１０２の電荷量Ｑ０を大きくすれば、最大発電出力を高めることができることを意味する。言い換えれば、第２電極１０６の面積を小さくして、固定電極側の電荷密度を高めることが可能である。 The first advantage of the power generation apparatus 100 is that the charge amount of the second electrode 106 is determined by the charge amount −Q 0 charging the electret 102 independently of the area of the second electrode 106. This means that even without increasing the area of the movable portion (third electrode 108), by increasing the charge amount Q 0 of the electret 102, which means that it is possible to increase the maximum power output. In other words, the area of the second electrode 106 can be reduced to increase the charge density on the fixed electrode side.

発電装置１００の第２の利点は、エレクトレット１０２を含む固定容量Ｃｆの部分と、ＭＥＭＳ構造を有する可変容量Ｃｖの部分を分離可能であることである。これによりエレクトレット１０２の製造プロセスと、ＭＥＭＳ構造の製造プロセスを分離することができ、それぞれのプロセスを、他方のプロセスの影響を受けずに最適化することができる。例えば従来では、ＭＥＭＳ構造は、エレクトレットを帯電させるために印加される高電圧に耐えうるように設計する必要があったが、２つの部分を分離することにより、そのような制約から開放される。また、エレクトレット１０２の製膜プロセスについても、ＭＥＭＳ構造から制約を受けなくなるため、従来よりも材料選択、製膜方法、帯電方法の選択の自由度が高まり、性能向上に資することとなる。   The second advantage of the power generation device 100 is that it is possible to separate the part of the fixed capacitance Cf including the electret 102 and the part of the variable capacitance Cv having the MEMS structure. Thereby, the manufacturing process of the electret 102 and the manufacturing process of the MEMS structure can be separated, and each process can be optimized without being influenced by the other process. For example, in the past, MEMS structures had to be designed to withstand the high voltages applied to charge electrets, but separation of the two parts frees them from such limitations. In addition, since the film formation process of the electret 102 is not restricted by the MEMS structure, the degree of freedom in selection of material selection, film formation method and electrification method is enhanced more than before, which contributes to performance improvement.

本発明は、図２の断面図や図４の等価回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や変形例を説明する。   The present invention is understood as the cross-sectional view of FIG. 2 and the equivalent circuit diagram of FIG. 4 or extends to various devices and circuits derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. Hereinafter, in order not to narrow the scope of the present invention but to help the understanding of the nature of the invention and the circuit operation and to clarify them, more specific configuration examples and modifications will be described.

図６は、一実施例に係る発電装置１００Ａの等価回路図である。発電装置１００Ａは、エレクトレット１０２と第１電極１０４からなる固定容量Ｃｆを複数Ｎ個（Ｎ≧２）備え、それらが電気的に並列に接続される。   FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a power generation device 100A according to an embodiment. The power generation device 100A includes a plurality of N fixed capacitors Cf (N ≧ 2) including the electret 102 and the first electrode 104, which are electrically connected in parallel.

固定容量Ｃｆ１〜ＣｆＮそれぞれの電荷量をＱ１〜ＱＮとする。このとき第２電極１０６に生ずる擬似的な固定電荷は、Ｑ１＋Ｑ２＋・・・ＱＮ＝ΣＱｉとなる。図４の発電装置１００と第２電極１０６の面積が等しい場合、表面電荷密度を高めることができる。なお、固定容量Ｃｆ１〜ＣｆＮの個数を増やすことは、単純にエレクトレット１０２の総面積が増えるだけであるから、製造上の困難性はない。 The charge amount of each fixed capacitor Cf1~CfN and Q 1 to Q N. At this time, pseudo fixed charge generated in the second electrode 106 is Q 1 + Q 2 +... Q N = ΣQi. When the areas of the power generation device 100 of FIG. 4 and the second electrode 106 are equal, the surface charge density can be increased. Note that increasing the number of fixed capacitors Cf1 to CfN simply increases the total area of the electret 102, so there is no difficulty in manufacturing.

図７は、図６の発電装置の第１の構成例（１００Ｂ）を示す断面図である。図７において、複数の固定容量Ｃｆ１〜ＣｆＮは積層される。これにより、実効的な面積（フットプリント）を維持したまま、第２電極１０６の表面電荷密度を高めることができる。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first configuration example (100B) of the power generation device of FIG. In FIG. 7, a plurality of fixed capacitors Cf1 to CfN are stacked. Thereby, the surface charge density of the second electrode 106 can be increased while maintaining the effective area (footprint).

可変容量Ｃｖを含む部分（第１構造体）１２０と、複数の固定容量Ｃｆ１〜ＣｆＮを含む部分（第２構造体）１２２は、別々のチップとして構成してもよい。これにより、２つの製造プロセスを完全に分離することができる。   The portion (first structure) 120 including the variable capacitance Cv and the portion (second structure) 122 including the plurality of fixed capacitances Cf1 to CfN may be configured as separate chips. This allows complete separation of the two manufacturing processes.

なお、第１構造体１２０と第２構造体１２２は、別々のパッケージに分離してもよいし、ひとつのパッケージに隣接して収容してもよい。   The first structural body 120 and the second structural body 122 may be separated into separate packages, or may be housed adjacent to one package.

図８は、図６の発電装置の第２の構成例（１００Ｃ）を示す断面図である。図８では、図７の第１構造体１２０と第２構造体１２２が積層されている。これにより、図７に比べてさらにデバイスのフットプリントを小さくできる。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing a second configuration example (100C) of the power generation device of FIG. In FIG. 8, the first structural body 120 and the second structural body 122 of FIG. 7 are stacked. Thereby, the footprint of the device can be further reduced as compared with FIG.

図９は、発電装置を備えるエネルギーハーベストデバイス２００の断面図である。エネルギーハーベストデバイス２００は、発電装置１００Ｄに加えて、電源管理回路２１０、さらには負荷回路２２０を備える。発電装置１００Ｄは、図８と同様に、第１構造体１２０と第２構造体１２２の積層構造を有する。第１構造体１２０は、半導体基板１３０上に構成される。半導体基板１３０には、さまざまな回路を集積化することができる。好ましくは半導体基板１３０に、発電装置１００Ｄの出力電力を負荷回路２２０に中継する電源管理回路２１０を集積化するとよい。   FIG. 9 is a cross-sectional view of an energy harvesting device 200 including a power generation device. The energy harvesting device 200 includes a power management circuit 210 and a load circuit 220 in addition to the power generation device 100D. The power generation device 100D has a stacked structure of a first structure body 120 and a second structure body 122, as in FIG. The first structure 120 is formed on the semiconductor substrate 130. Various circuits can be integrated on the semiconductor substrate 130. Preferably, a power management circuit 210 that relays the output power of the power generation device 100D to the load circuit 220 may be integrated on the semiconductor substrate 130.

第１構造体１２０は、半導体基板１３０上にＭＥＭＳプロセスを利用して形成される。第２電極１０６は、半導体基板１３０上に固定的に形成される。第１構造体１２０は、第３電極１０８に加えて、ばね１３４と、錘１３６を備える。ばね１３４は、錘１３６を水平方向に振動可能に支持する。発電装置１００Ｄの最大発電出力は、錘１３６の質量に比例するため、錘１３６は高密度な金属で形成するとよい。たとえば錘１３６は、金（Ａｕ）を用いることができる。錘１３６を導電性の高い金属で構成する場合、錘１３６が第３電極１０８を兼ねることができる。錘１３６として非金属、あるいは導電性の低い金属を選択した場合、錘１３６の面上に、第２電極１０６と対向して第３電極１０８を形成するとよい。   The first structure 120 is formed on the semiconductor substrate 130 using a MEMS process. The second electrode 106 is fixedly formed on the semiconductor substrate 130. The first structure body 120 includes a spring 134 and a weight 136 in addition to the third electrode 108. The spring 134 supports the weight 136 so as to be able to horizontally vibrate. Since the maximum power generation output of the power generation device 100D is proportional to the mass of the weight 136, the weight 136 may be formed of a high density metal. For example, the weight 136 can use gold (Au). In the case where the weight 136 is formed of a highly conductive metal, the weight 136 can also serve as the third electrode 108. When a nonmetal or a metal with low conductivity is selected as the weight 136, the third electrode 108 may be formed on the surface of the weight 136 so as to face the second electrode 106.

第１構造体１２０のＭＥＭＳ製造プロセスは、特に限定されず、公知の、あるいは将来利用可能な技術を用いることができるが、たとえば非特許文献１に記載の技術を用いてもよい。   The MEMS manufacturing process of the first structure 120 is not particularly limited, and a known or future available technology can be used, but for example, the technology described in Non-Patent Document 1 may be used.

第１構造体１２０の上には、第２構造体１２２が搭載される。第２構造体１２２は、半導体基板１３０および第１構造体１２０とは独立に製造した後に、第２構造体１２２の上に実装される。   The second structure 122 is mounted on the first structure 120. The second structure 122 is mounted on the second structure 122 after being manufactured independently of the semiconductor substrate 130 and the first structure 120.

上述のように、第２構造体１２２は積層されたＮ個の固定容量Ｃｆ１〜ＣｆＮを含む。たとえば各固定容量Ｃｆは、支持基板１１２の上に形成された第１電極１０４と、第１電極１０４の上に形成されたエレクトレット１０２を含む。複数の固定容量Ｃｆ１〜ＣｆＮの電気的接続は、ポスト（ビアホール）１１４を介して行われる。   As described above, the second structure 122 includes N fixed capacitances Cf1 to CfN stacked. For example, each fixed capacitance Cf includes a first electrode 104 formed on the support substrate 112 and an electret 102 formed on the first electrode 104. Electrical connection of the plurality of fixed capacitors Cf1 to CfN is performed through the post (via hole) 114.

半導体基板１３０の上には、第２構造体１２２と隣接して負荷回路２２０を形成してもよい。たとえば負荷回路２２０は小型のセンサであり、図９では加速度センサが示される。加速度センサと第２構造体１２２は、類似の構造を有するため、共通の製造プロセスで形成することができ、特に集積化するメリットが大きいといえる。   A load circuit 220 may be formed on the semiconductor substrate 130 adjacent to the second structure body 122. For example, the load circuit 220 is a small sensor, and an acceleration sensor is shown in FIG. Since the acceleration sensor and the second structure 122 have similar structures, they can be formed by a common manufacturing process, and in particular, they can be said to be highly advantageous in integration.

（サンプルの作製および評価）
本発明者らは、図８の発電装置１００Ｂのサンプル（符号３００を付す）を作製し、その評価を行った。図１０（ａ）〜（ｃ）は、作製した発電装置３００を示す図である。 (Preparation and evaluation of samples)
The present inventors produced and evaluated a sample (denoted by reference numeral 300) of the power generation device 100B of FIG. 10 (a) to 10 (c) are diagrams showing the produced power generating device 300. FIG.

図１０（ａ）は、発電装置１００Ｂのサンプル（符号３００を付す）の構造を示す。発電装置３００は、第１構造体３１０および第２構造体３２０を備える。第１構造体３１０は、図７の第１構造体１２０に対応しており、櫛形の固定電極３１２、可動電極３１４およびバネ３１６を備える。第１構造体３１０はＭＥＭＳプロセスを用いて、Ｓｉ半導体基板上に形成されている。   FIG. 10A shows the structure of a sample (indicated by reference numeral 300) of the power generation device 100B. The power generation device 300 includes a first structure 310 and a second structure 320. The first structure 310 corresponds to the first structure 120 of FIG. 7 and includes a comb-shaped fixed electrode 312, a movable electrode 314 and a spring 316. The first structure 310 is formed on a Si semiconductor substrate using a MEMS process.

第２構造体３２０は、図７の第２構造体１２２に対応しており、オフチップエレクトレットと称される。作製したサンプルでは、図７における固定容量Ｃｆの個数Ｎは１とした。第２構造体３２０は、エレクトレット層３２６および誘電体層３２８を２枚の導体３２２，３２４で挟み込む構造をとっている。エレクトレット層３２６の材料はＣＹＴＯＰ（登録商標）であり、厚みは１０μｍである。誘電体層３２８の材料はＳＵ−８であり、厚みは４００μｍである。２枚の導体３２２，３２４は、Ｎ型の不純物をドープしたシリコンウェハである。ウェハの直径は４インチである。   The second structure 320 corresponds to the second structure 122 of FIG. 7 and is referred to as an off-chip electret. In the manufactured sample, the number N of fixed capacitances Cf in FIG. The second structural body 320 has a structure in which the electret layer 326 and the dielectric layer 328 are sandwiched between two conductors 322 and 324. The material of the electret layer 326 is CYTOP (registered trademark), and the thickness is 10 μm. The material of the dielectric layer 328 is SU-8, and the thickness is 400 μm. The two conductors 322 and 324 are silicon wafers doped with N-type impurities. The diameter of the wafer is 4 inches.

第２構造体３２０の製造方法を説明する。上側の導体３２２にＣＹＴＯＰをスピンコートにより塗布し、ベークを行う作業を繰り返し、上側の構造体を作製する。また、下側の導体３２４に、ＳＵ−８をスピンコートにより塗布し、アニールを行う作業を繰り返し、下側の構造体を作製する。そして、ＳＵ−８を加熱した状態で、ＣＹＴＯＰとＳＵ−８を貼り合わせることで、それらを接着させた。   A method of manufacturing the second structure 320 will be described. The CYTOP is spin-coated on the upper conductor 322 and the baking operation is repeated to fabricate the upper structure. In addition, SU-8 is applied to the lower conductor 324 by spin coating, and the work of annealing is repeated to fabricate the lower structure. And in the state which heated SU-8, CYTOP and SU-8 were bonded together, and they were made to adhere.

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の発電装置３００の等価回路を示す。ＣＡは、誘電体層３２８の容量を表し、ＣＭは、固定電極３１２と可動電極３１４とが形成する容量を表す。ＣＰ１〜ＣＰ３は寄生容量を表しており、ＣＰ１は主として電極３２２とエレクトレット層３２６が形成する寄生容量を、ＣＰ２は容量ＣＭと並列な寄生容量を表し、ＣＰ３は発電装置３００の出力ＯＵＴと接地間の寄生容量を表す。 FIG.10 (b) shows the equivalent circuit of the electric power generating apparatus 300 of Fig.10 (a). C A represents the capacitance of the dielectric layer 328, and C M represents the capacitance formed by the fixed electrode 312 and the movable electrode 314. C P1 to C P3 represent parasitic capacitances, C P1 mainly represents a parasitic capacitance formed by the electrode 322 and the electret layer 326, C P2 represents a parasitic capacitance in parallel with the capacitance C M, and C P3 represents a power generating device 300 Represents the parasitic capacitance between the output OUT of and the ground.

図１０（ｃ）は、より簡略化された等価回路を示す。図１０（ｃ）の容量ＣＢは、図１０（ｂ）に示される容量の内、ＣＡ以外の容量ＣＭ，ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３の合成容量である。ＣＡの設計値は３５０ｐＦ、ＣＢの設計値は３００〜４００ｐＦである。 FIG. 10 (c) shows a more simplified equivalent circuit. The capacitance C B in FIG. 10C is a combined capacitance of the capacitances C M , C P1 , C P2 and C P3 other than C A among the capacitances shown in FIG. Design value of C A is 350 pF, the design value of C B is 300～400PF.

図１１（ａ）〜（ｃ）は、作製した第１構造体３１０を示す図である。図１１（ａ）は、第１構造体３１０の全体を示す。図１１（ｂ）は櫛形の電極部分を示す。   FIGS. 11 (a) to 11 (c) are diagrams showing the manufactured first structure 310. FIG. FIG. 11A shows the whole of the first structure 310. FIG. 11 (b) shows a comb-shaped electrode part.

図１２（ａ）〜（ｃ）は、発電装置３００の動作を説明する図である。振動が発生すると、容量ＣＭが変化し、容量ＣＢが変化する。図１２（ａ）〜（ｃ）には、ＣＢ＞ＣＡ、ＣＢ＝ＣＡ、ＣＢ＜ＣＡの状態が示される。振動によって、図１２（ａ）〜（ｃ）の状態を遷移することにより、交流の電力を取り出すことができる。 FIGS. 12A to 12C are diagrams for explaining the operation of the power generation device 300. FIG. When vibration occurs, the capacitance C M changes and the capacitance C B changes. The states of C B > C A , C B = C A , and C B <C A are shown in FIGS. 12 (a) to 12 (c). By transitioning the states of FIGS. 12 (a) to 12 (c) by vibration, it is possible to extract AC power.

図１３は、発電装置３００の発電特性の測定系４００のブロック図である。振動発生器４１０は、第１構造体３１０に振動を与えて、固定電極３１２と可動電極３１４の間の容量ＣＭを変化させる。発電装置３００の出力端子には、負荷４１２として抵抗（抵抗値をＲＬＯＡＤとする）が接続される。ボルテージフォロア４１４は、ゲイン１のアンプであり、負荷４１２に発生する電圧を受け、オシロスコープ４１６に出力する。 FIG. 13 is a block diagram of a measurement system 400 of the power generation characteristics of the power generation apparatus 300. Vibration generator 410 gives vibration to the first structure 310, varying the capacitance C M between the fixed electrode 312 and the movable electrode 314. A resistor (having a resistance value R LOAD ) is connected to the output terminal of the power generation device 300 as a load 412. The voltage follower 414 is an amplifier with a gain of 1, receives the voltage generated at the load 412, and outputs the voltage to the oscilloscope 416.

図１４は、発電装置３００の周波数特性を示す図である。負荷４１２としてＲＬＯＡＤ＝１０ＭΩの抵抗を用いている。振動発生器４１０により、加速度０．２Ｇの振動を発生し、周波数をスイープしている。この結果から、共振周波数が３０９Ｈｚであることがわかる。 FIG. 14 is a diagram showing frequency characteristics of the power generation device 300. As shown in FIG. A resistance of R LOAD = 10 MΩ is used as the load 412. The vibration generator 410 generates a vibration with an acceleration of 0.2 G and sweeps the frequency. From this result, it can be seen that the resonant frequency is 309 Hz.

図１５は、発電装置３００の出力電圧の測定波形図である。実線（i）は、発電装置３００の出力電圧の波形を示す。比較のために、第２構造体３２０を取り外したときの波形を破線（ii）で示す。加速度０．２Ｇ、周波数３０９Ｈｚの入力振動を与え、ＲＬＯＡＤ＝１０ＭΩの条件で測定した。第２構造体３２０の有無により、発電能力が大きく変化していることが確認できる。 FIG. 15 is a measurement waveform diagram of the output voltage of the power generation device 300. The solid line (i) shows the waveform of the output voltage of the power generation device 300. The waveform when the second structure 320 is removed is shown by a broken line (ii) for comparison. An input vibration with an acceleration of 0.2 G and a frequency of 309 Hz was applied, and measurement was performed under the condition of R LOAD = 10 MΩ. It can be confirmed that the power generation capacity is largely changed by the presence or absence of the second structural body 320.

図１６（ａ）は、振動発生器４１０が発生する振動の振幅と、測定される電圧の振幅の関係を示す図である。振動の周波数は、共振周波数と等しい３０９Ｈｚ、負荷４１２は１０ＭΩの抵抗である。   FIG. 16A shows the relationship between the amplitude of the vibration generated by the vibration generator 410 and the amplitude of the voltage to be measured. The frequency of vibration is 309 Hz, which is equal to the resonant frequency, and the load 412 has a resistance of 10 MΩ.

図１６（ｂ）は、発電装置３００の出力電力の負荷依存性を示す図である。横軸は負荷４１２の抵抗値ＲＬＯＡＤを、縦軸は、発電装置３００から取り出される電力Ｐを表す。電力Ｐは、Ｖ２／ＲＬＯＡＤから計算できる。出力電力はＲＬＯＡＤ＝１０ＭΩ付近において最大となっている。 FIG. 16 (b) is a diagram showing the load dependency of the output power of the power generation device 300. The horizontal axis represents the resistance value R LOAD of the load 412, and the vertical axis represents the power P extracted from the power generation device 300. The power P can be calculated from V 2 / R LOAD . The output power is maximum around R LOAD = 10 MΩ.

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。   The present invention has been described above based on the embodiments. It is understood by those skilled in the art that this embodiment is an exemplification, and that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and such a modification is also within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.

（変形例１）
実施の形態では、エレクトレット１０２が第１電極１０４によって支持される構成としたが、その限りでなく、第１電極１０４とエレクトレット１０２は静電容量を形成すればよい。したがってエレクトレット１０２と第１電極１０４は対向配置されてもよい。 (Modification 1)
In the embodiment, the electret 102 is supported by the first electrode 104. However, the present invention is not limited thereto, and the first electrode 104 and the electret 102 may form a capacitance. Therefore, the electret 102 and the first electrode 104 may be disposed to face each other.

（変形例２）
図９においてエネルギーハーベストデバイス２００に集積化する負荷回路２２０は、加速度センサには限定されない。加速度センサに代えて、あるいはそれに加えて、照度センサ、温度センサなどを集積化してもよい。 (Modification 2)
The load circuit 220 integrated in the energy harvesting device 200 in FIG. 9 is not limited to an acceleration sensor. Instead of or in addition to the acceleration sensor, an illumination sensor, a temperature sensor, etc. may be integrated.

（変形例３）
図９では、発電装置１００Ｄ、電源管理回路２１０、負荷回路２２０をモジュール化したが、その限りでなく、発電装置１００Ｄと電源管理回路２１０をモジュール化し、負荷回路２２０は外付けとしてもよい。この場合、エネルギーハーベストデバイスの汎用性を高めることができる。 (Modification 3)
Although the power generation device 100D, the power management circuit 210, and the load circuit 220 are modularized in FIG. 9, the power generation device 100D and the power management circuit 210 may be modularized and the load circuit 220 may be external. In this case, the versatility of the energy harvesting device can be enhanced.

１００ 発電装置
１０２ エレクトレット
１０４ 第１電極
１０６ 第２電極
１０８ 第３電極
１１０ 出力端子
１１２ 支持基板
Ｃｖ 静電容量
１２０ 第１構造体
１２２ 第２構造体
１３０ 半導体基板
１３２ 電源管理回路
１３４ ばね
１３６ 錘
２００ エネルギーハーベストデバイス
２１０ 電源管理回路
２２０ 負荷回路 Reference Signs List 100 power generator 102 electret 104 first electrode 106 second electrode 108 third electrode 110 output terminal 112 support substrate Cv capacitance 120 first structure 122 second structure 130 semiconductor substrate 132 power management circuit 134 spring 136 weight 200 energy Harvest Device 210 Power Management Circuit 220 Load Circuit

Claims (10)

エレクトレットと、
前記エレクトレットを支持し、または対向配置される第１電極と、
前記第１電極と電気的に接続される第２電極と、
前記第２電極との間に静電容量を形成する第３電極と、
を備え、前記第２電極と前記第３電極が形成する前記静電容量が可変に構成されることを特徴とする発電装置。 With the electret,
A first electrode that supports or faces the electret;
A second electrode electrically connected to the first electrode;
A third electrode forming a capacitance between the second electrode and the third electrode;
And the electrostatic capacitance formed by the second electrode and the third electrode is variably configured. 前記エレクトレットの面積は、前記第２電極の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 1, wherein an area of the electret is larger than an area of the second electrode. 前記エレクトレットと前記第１電極のペアが複数個、電気的に並列に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。   The power generating apparatus according to claim 1, wherein a plurality of pairs of the electret and the first electrode are electrically connected in parallel. 前記エレクトレットと前記第１電極のペアは、積層されることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 3, wherein the pair of the electret and the first electrode is stacked. 前記第２電極と前記第３電極を含む第１構造体と、
前記エレクトレットと前記第１電極を含む第２構造体と、
を備え、
前記第２構造体が、前記第１構造体の上に積層されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。 A first structure including the second electrode and the third electrode;
A second structure including the electret and the first electrode;
Equipped with
The power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the second structure is stacked on the first structure. 前記第２電極が固定され、前記第３電極が振動可能に支持されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電装置。   The power generation apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the second electrode is fixed and the third electrode is vibratably supported. 半導体基板と、
請求項５に記載の発電装置と、
前記半導体基板に形成され、前記発電装置の出力を負荷に供給する電源管理回路と、
を備え、
前記発電装置の前記第１構造体が、前記半導体基板の上に形成されており、
前記発電装置の前記第２構造体が、前記第１構造体の上に実装されていることを特徴とするエネルギーハーベストデバイス。 A semiconductor substrate,
A power generator according to claim 5;
A power management circuit formed on the semiconductor substrate and supplying an output of the power generation apparatus to a load;
Equipped with
The first structure of the power generation device is formed on the semiconductor substrate;
An energy harvesting device, wherein the second structure of the power generation device is mounted on the first structure. 前記半導体基板の上に形成される前記負荷であるセンサをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のエネルギーハーベストデバイス。   The energy harvesting device according to claim 7, further comprising a sensor that is the load formed on the semiconductor substrate. エレクトレットを含む固定容量と、振動に応じて変化する静電容量を有する可変容量とが直列接続されてなることを特徴とする発電装置。   What is claimed is: 1. A power generation apparatus comprising a series connection of a fixed capacity including an electret and a variable capacity having an electrostatic capacity that changes according to vibration. 複数の前記固定容量が電気的に並列に接続されることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。   The power generation apparatus according to claim 9, wherein the plurality of fixed capacities are electrically connected in parallel.
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