(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板の上方に設けられ、この基板の平面に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、
一端が前記可動部材に接続され、前記第１の方向に延在する腕部材と、
この腕部材の他端に設けられた第１の帯電体と、
前記基板上に垂設され、前記第１の帯電体の移動軌跡から前記平面に平行でかつ前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に所定距離離間して設けられた第１の固定電極と、
前記基板上に垂設され、前記第１の方向に沿って前記第１の固定電極と並設された第２の固定電極と
を備え、
前記第１の帯電体と前記第１の固定電極および前記第２の固定電極とが、前記基板に垂直な面内で対向する
ことを特徴とする静電変換装置。
【請求項２】
外部負荷と接続される第１の端子および第２の端子をさらに備え、
前記第１の端子は、前記第１の固定電極に接続され、
前記第２の端子は、前記第２の固定電極に接続される
ことを特徴とする請求項１記載の静電変換装置。
【請求項３】
前記腕部材は、前記可動部材の両側に設けられる
ことを特徴とする請求項１または２記載の静電変換装置。
【請求項４】
前記第１の固定電極および前記第２の固定電極は、それぞれ前記移動軌跡に対して線対称をなす位置に設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の静電変換装置。
【請求項５】
前記第２の固定電極は、前記第１の方向における前記第１の固定電極の両側に設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の静電変換装置。
【請求項６】
前記基板上に前記第２の方向に所定間隔離間して垂設された柱状の一対の柱部材と、
一方の前記柱部材の上端に一端が支持され、他方の前記柱部材に向かって前記基板の平面方向に延在する一対の梁部材と
をさらに備え、
前記可動部材は、直方体の形状を有し、前記柱部材と対向する一対の第１の側面に前記梁部材の他端が接続されることにより前記基板上方に配設され、
前記腕部材は、前記可動部材の前記第１の側面と直交する第２の側面に設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の静電変換装置。
【請求項７】
前記可動部材の上面に垂設された第２の帯電体と、
前記可動部材の上方に、前記第２の帯電体と対向配置された第３の固定電極と、
前記可動部材の上方で、かつ、前記第３の固定電極から前記第１の方向に離間して配設された第４の固定電極と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の静電変換装置。
【請求項８】
前記第２の帯電体は、前記第１の方向に所定間隔離間して複数設けられ、
前記第３の固定電極および前記第４の固定電極は、前記第２の方向に交互に複数設けられる
ことを特徴とする請求項７記載の静電変換装置。
【請求項９】
基板と、この基板の上方に設けられ、この基板の平面に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、一端が前記可動部材に接続され、前記第１の方向に延在する腕部材と、この腕部材の他端に設けられた第１の帯電体と、前記基板上に垂設され、前記第１の帯電体の移動軌跡から前記平面に平行でかつ前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に所定距離離間して設けられた第１の固定電極と、前記基板上に垂設され、前記第１の方向に沿って前記第１の固定電極と並設された第２の固定電極とを備え、前記第１の帯電体と前記第１の固定電極および前記第２の固定電極とが前記基板に垂直な面内で対向する静電変換装置の製造方法であって、
上面に絶縁膜が形成されたシリコン基板を前記基板として用意する第１のステップと、
前記絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第１の開口部が形成された第１のレジストパターンを形成する第２のステップと、
メッキ法により前記第１の開口部内に金属を堆積して第１の金属パターンを形成した後、前記第１のレジストパターンを除去することにより、前記第１の固定電極の下部および第２の固定電極の下部を形成する第３のステップと、
前記第１の金属パターンを含む前記絶縁膜上に、前記第１の金属パターンの上面を露出させた第１の犠牲層を形成する第４のステップと、
前記第１の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第２の開口部が形成された第２のレジストパターンを形成する第５のステップと、
メッキ法により前記第２の開口部内に金属を堆積して第２の金属パターンを形成した後、前記第２のレジストパターンを除去することにより、前記第１の固定電極の上部、前記第２の固定電極の上部、前記可動部材および腕部材を形成する第６のステップと、
前記第１の犠牲層を除去する第７のステップと、
前記腕部材に、電着により前記第１の帯電体を形成する第８のステップと
を有することを特徴とする静電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、多数の携帯端末装置から構成されるユビキタスネットワークの開発が進んでいる。このユビキタスネットワークにおいて、ノードとなる携帯端末装置には、携帯性などの観点から、小型かつメンテナンス不要であることが望まれている（例えば、非特許文献１を参照。）。ところが、従来より携帯端末装置の電源に用いられている一次電池や二次電池は、携帯端末装置の構成要素と比較してサイズが大きくなるとともに、交換や充電などのメンテナンスが不可欠であった。
【０００３】
そこで、近年では、携帯端末装置に適した電源として、Energy harvesting技術を用いた手段が注目されている。このEnergy harvesting技術とは、環境の中に存在する振動、熱、電磁波（光や電波）など、通常は無駄に放出されていた各種エネルギーを電気エネルギーに変換する技術のことである。このようなEnergy harvesting技術のうち、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する技術としては、電磁誘導、圧電変換、静電変換などを用いた技術が提案されている（非特許文献２を参照。）。中でも静電変換を用いる技術は、半導体プロセスやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）プロセスにより、小型化が容易であり、かつ機械的要素と電気的要素を独立して設計や作製することが可能であることから、多くの提案がなされている。その一例を図１６に示す（非特許文献３を参照。）。
【０００４】
非特許文献３に開示された静電変換装置は、図１６に示すように、２０ｍｍ角程度のガラス板からなる下部基板７０１と、この下部基板７０１と同等の材料からなり、下部基板７０１の上方に所定距離離間し、かつ、下部基板７０１と互いに平行に配置された上部基板７０２と、この上部基板７０２の一端に連結され、上部基板７０２をその平面に平行な方向に振動させる加振器７０３とを備えている。下部基板７０１の上部基板７０２と対向する側の面上には、複数の電極７０４が設けられている。同様に、上部基板７０２の下部基板７０１と対向する側の面上には、複数の電極７０５が設けられている。これらの電極７０４および電極７０５は、対向配置されており、外部負荷７０６を介して電気的に接続されている。また、下部基板７０１に設けられた電極７０４の一部には、その上面に絶縁層７０７が設けられている。この絶縁層７０７は、一般に「エレクトレット」と呼ばれる電荷保持のための絶縁体として機能する。
【０００５】
このように構成された静電変換装置では、エレクトレットとして機能する絶縁層７０７により形成される静電場によってその絶縁層７０７と対向する電極７０５に誘導電荷を生じさせる。そして、加振器７０３を駆動させて上部基板７０２をその平面に平行な方向に振動させて、絶縁層７０７と電極７０５との重なり合う面積（以下、「重なり面積」という。）を変化させる。すると、電極７０５の絶縁層７０７と重なり合っていない部分が生じると、この部分に誘導されていた電荷が、外部負荷７０６を通って電極７０４に移動し、再びその部分が絶縁層７０７と重なり合うと、電極７０４に移動した電荷が外部負荷７０６を通ってその部分に移動することになる。これにより、外部７０６に交流電流が流れることとなる。したがって、このような静電変換装置の発電効率は、エレクトレットによって形成される電場の空間的な変化や下部基板７０１と上部基板７０２との相対的な位置関係の変化に伴う重なり面積の変化に依存する、と言える。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Shimamura, et al. , “Nano-Watt Power Management and Vibration Sensing on a Dust-Size Batteryless Sensor Node for Ambient Intelligence Applications” , Proc. Int. Conf. ISSCC2010, pp. 504-505, 2010
【非特許文献２】S. Beeby, et al., “Energy harvesting vibration sources for microsystem applications” Meas. Sci. Technol., 17 (2006) pp. R175-R195
【非特許文献３】T. Tsutsumino, et al., “SEISMIC POWER GENERATOR USING HIGH-PERFORMANCE POLYMER ELECTRET” Proc. Int. Conf. MEMS 2006 , pp. 98-101, 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の静電変換装置では、その機構上、エレクトレットとして機能する絶縁層７０７やこれと対向する電極７０５を形成できる領域は、下部基板７０１と上部基板７０２との対向面に限定される。そのため、発電効率を向上させることが困難であった。
【０００８】
そこで、本願発明は、発電効率を向上させることができる静電変換装置および静電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る静電変換装置は、基板と、この基板の上方に設けられ、この基板の平面に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、第１の方向に延在する棒状の部材からなり、一端が可動部材に接続された腕部材と、この腕部材の他端に設けられた第１の帯電体と、基板上に垂設され、第１の帯電体の移動軌跡から平面に平行でかつ第１の方向に対して垂直な第２の方向に所定距離離間して設けられた第１の固定電極と、基板上に垂設され、第１の方向に沿って第１の固定電極と並設された第２の固定電極とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記静電変換装置において、外部負荷と接続される第１の端子および第２の端子をさらに備え、第１の端子は、第１の固定電極に接続され、第２の端子は、第２の固定電極に接続されるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記静電変換装置において、腕部材は、可動部材の両側に設けられるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記静電変換装置において、第１の固定電極および第２の固定電極は、それぞれ移動軌跡に対して線対称をなす位置に設けられるようにしてもよい。
【００１３】
また、上記静電変換装置において、第２の固定電極は、第１の方向における第１の固定電極の両側に設けられるようにしてもよい。
【００１４】
また、上記静電変換装置において、基板上に第２の方向に所定間隔離間して垂設された柱状の一対の柱部材と、一方の柱部材の上端に一端が支持され、他方の柱部材に向かって基板の平面方向に延在する一対の梁部材とをさらに備え、可動部材は、直方体の形状を有し、柱部材と対向する一対の第１の側面に梁部材の他端が接続されることにより基板上方に配設され、腕部材は、可動部材の第１の側面と直交する第２の側面に設けられるようにしてもよい。
【００１５】
また、上記静電変換装置において、可動部材の上面に垂設された第２の帯電体と、可動部材の上方に、第２の帯電体と対向配置された第３の固定電極と、可動部材の上方で、かつ、第３の固定電極から第１の方向に離間して配設された第４の固定電極とをさらに備えるようにしてもよい。
【００１６】
また、上記静電変換装置において、第２の帯電体は、第１の方向に所定間隔離間して複数設けられ、第３の固定電極および第４の固定電極は、第２の方向に交互に複数設けられるようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る静電変換装置の製造方法は、基板と、この基板の上方に設けられ、この基板の平面に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、第１の方向に延在する棒状の部材からなり、一端が可動部材に接続された腕部材と、この腕部材の他端に設けられた第１の帯電体と、基板上に垂設され、第１の帯電体の移動軌跡から平面に平行でかつ第１の方向に対して垂直な第２の方向に所定距離離間して設けられた第１の固定電極と、基板上に垂設され、第１の方向に沿って第１の固定電極と並設された第２の固定電極とを備えた静電変換装置の製造方法であって、上面に絶縁膜が形成されたシリコン基板を基板として用意する第１のステップと、絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第１の開口部が形成された第１のレジストパターンを形成する第２のステップと、メッキ法により第１の開口部内に金属を堆積して第１の金属パターンを形成した後、第１のレジストパターンを除去することにより、第１の固定電極の下部および第２の固定電極の下部を形成する第３のステップと、第１の金属パターンを含む絶縁膜上に、第１の金属パターンの上面を露出させた第１の犠牲層を形成する第４のステップと、第１の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第２の開口部が形成された第２のレジストパターンを形成する第５のステップと、メッキ法により第２の開口部内に金属を堆積して第２の金属パターンを形成した後、第２のレジストパターンを除去することにより、第１の固定電極の上部、第２の固定電極の上部、可動部材および腕部材を形成する第６のステップと、第１の犠牲層を除去する第７のステップと、腕部材に、電着により第１の帯電体を形成する第８のステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の固定電極および第２の固定電極を第１の帯電体の軌道に並設することにより、基板に垂直な面内で第１の帯電体と第１および第２の固定電極が対向することになる。したがって、基板の面積の制約を受けずに、第１の帯電体と第１および第２の固定電極との重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に係る第１の実施の形態の静電変換装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図２は、図１のI-I線断面図である。
【図３】図３は、図１の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。
【図４】図４は、図１の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。
【図５】図５は、本発明に係る第２の実施の形態の静電変換装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図６】図６は、図５の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。
【図７】図７は、本発明に係る第３の実施の形態の静電変換装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図８】図８は、図７のII-II線断面図である。
【図９】図９は、図７の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。
【図１０】図１０は、図７の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図１２】図１２は、図１１のIII-III線断面図である。
【図１３】図１３は、図１１のIV-IV線断面図である。
【図１４】図１４は、図１１のV-V線断面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｆ】図１５Ｆは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｇ】図１５Ｇは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｈ】図１５Ｈは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｉ】図１５Ｉは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｊ】図１５Ｊは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｋ】図１５Ｋは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｌ】図１５Ｌは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｍ】図１５Ｍは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｎ】図１５Ｎは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｏ】図１５Ｏは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｐ】図１５Ｐは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｑ】図１５Ｑは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１５Ｒ】図１５Ｒは、本発明に係る第４の実施の形態の静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図１６】図１６は、従来の静電変換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。
【００２２】
＜静電変換装置の構成＞
図１，図２に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置１は、上面に酸化シリコン等の絶縁膜１２が形成されたシリコン等からなる半導体基板１１と、この半導体基板１１上方に設けられ、この半導体基板１１の平面に対して平行な第１の方向（以下、「Ｙ方向」という。）に揺動可能に支持された可動部材１５と、絶縁膜１２上において、可動部材１５からＹ方向に離間した位置に設けられた第１の固定電極１７および第２の固定電極１８とを備えている。ここで、可動部材１５、第１の固定電極１７および第２の固定電極１８は、半導体基板１１上において互いに絶縁分離されている。また、本実施の形態では、第１の固定電極１７と第２の固定電極１８とは、それぞれＸ方向に沿って複数設けられ、配線１９を介して一対の端子２０に接続される。ここで、複数の第１の固定電極１７は電気的に共通に一方の端子２０に電気的に接続され、複数の第２の固定電極１８は電気的に共通に他方の端子２０に接続されている。この端子２０は、外部負荷２１と接続可能に構成されている。
なお、便宜上、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向、すなわち半導体基板１１の平面に対して垂直な方向を「Ｚ方向」という。また、Ｘ方向において、柱部材１３ａから柱部材１３ｂに向かう側を正の側とする。同様に、Ｙ方向において、図１の紙面に対して上方を正の側とする。同様に、Ｚ方向において、半導体基板１１から離間する側を上側または上方、半導体基板１１に近づく側を下側または下方とする。また、図２においては、切断面以外については記載を省略している。
【００２３】
可動部材１５は、絶縁膜１２上に所定間隔離間して設けられた一対の柱部材１３ａ，１３ｂと、一端が一方の柱部材１３ａ，１３ｂに支持され他端が他方の柱部材１３ａ，１３ｂに向かって延在する一対の梁部材１４ａ，１４ｂと、この梁部材１４ａ，１４ｂの他端に接続されることにより、Ｙ方向に揺動可能に支持された可動部材１５と、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材１５の表面を覆う絶縁帯電体１６とを備えている。
【００２４】
柱部材１３ａ，１３ｂは、絶縁膜１２上から上方に突出した金属からなる棒状の部材から構成される。柱部材１３ａの上端には梁部材１４ａの一端、柱部材１３ｂの上端には梁部材１４ｂの一端がそれぞれ接続されている。
【００２５】
梁部材１４ａ，１４ｂは、Ｘ方向に沿って延在する金属からなる棒状の部材から構成される。上述したように、梁部材１４ａの一端は、柱部材１３ａの上端に接続され、他端は、可動部材１５の１つの側面に接続されている。同様に、梁部材１４ｂの一端は、柱部材１３ｂの上端に接続され、他端は、可動部材１５の１つの側面に接続されている。このような梁部材１４ａ、１４ｂは、少なくともＹ方向に可撓性を有するように形成されている。これは、例えば、幅よりも厚さの方を大きく、言い換えるとＺＹ方向の断面においてＹ方向の長さよりもＺ方向の長さの方が大きくなるように形成することにより、実現することができる。
【００２６】
可動部材１５は、金属からなる直方体の部材から構成され、上面および下面の長手方向がＸ方向に沿い、短手方向がＹ方向に沿うように配設されている。ここで、可動部材１５の柱部材１３ａ，１３ｂと対向する２つの側面（以下、「第１の側面」という。）には、対向する梁部材１４ａ，１４ｂの他端が接続されている。これにより、可動部材１５は、梁部材１４ａ、１４ｂによって半導体基板１１上方に吊設されることとなる。このとき、上述したように梁部材１４ａ、１４ｂがＹ方向に可撓性を有するので、可動部材１５は、Ｙ方向に揺動可能な状態、Ｙ方向の正負の側に往復移動が可能な状態とされている。したがって、静電変換装置１が外力を受けると、可動部材１５は、半導体基板１１に対して相対的に移動することとなる。静電変換装置１自体が振動すると、可動部材１５は、半導体基板１１に対して相対的に往復運動することとなる。
【００２７】
可動部材１５の第１の側面とは異なる２つの側面（以下、「第２の側面」という。）には、Ｙ方向に沿って垂設された複数の板状の腕部材１５ａが互いにＸ方向に所定間隔離間して形成されている。上述したように可動部材１５がＹ方向の正負両側に移動可能とされているので、この可動部材１５の移動に伴って腕部材１５ａもＹ方向の正負両側に移動することとなる。
腕部材１５ａの、第２の側面に接続された側と反対側の端部には、Ｘ方向の長さが大きくなっている平面視略矩形の幅広部１５ｂが設けられている。この腕部材１５ａのＹ方向の長さは、可動部材１５のＹ方向の移動量に応じて設定される。すなわち、可動部材１５の第２の側面が第１の固定電極１７に接触しないように設定される。
このような可動部材１５は、図示しない配線を介して接地されている。
【００２８】
絶縁帯電体１６は、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材１５の表面に形成された絶縁体から構成される。このような絶縁帯電体１６は、少なくとも幅広部１５ｂの部分が予め電子を帯電したエレクトレットとして機能する。この帯電は、後述するように電子ビーム法、液体接触法、コロナ放電法などによって実現される。
【００２９】
第１の固定電極１７は、絶縁膜１２上から上方に突出した金属の柱状の部材から構成されている。このような第１の固定電極１７は、可動部材１５が静止している状態において、可動部材１５の第２の側面と所定間隔離間し、かつ、幅広部１５ｂとＸ方向に所定間隔離間する位置に配設されている。この幅広部１５ｂと第１の固定電極１７との距離は、第１の固定電極１７が幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６の静電場の影響を受ける距離に設定されている。１つの腕部材１５ａに第１の固定電極１７を１つずつ対応付けることができる。
【００３０】
第２の固定電極１８は、絶縁膜１２上から上方に突出した金属の柱状の部材から構成され、絶縁膜１２上において、可動部材１５の第２の側面と所定間隔離間して配置されている。また、第２の固定電極１８は、第１の固定電極１７とＹ方向に沿った同一直線上に所定間隔離間して配置されている。１つの腕部材１５ａに第２の固定電極１８を１つずつ対応付けることができる。
【００３１】
＜静電変換装置の発電動作＞
次に、図３，図４を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置による発電動作について説明する。
【００３２】
まず、図３に示すように、可動部材１５が静止している状態において幅広部１５ｂの近くに位置する第１の固定電極１７は、その幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体１６の負電荷に対応した正電荷が第１の固定電極１７に現れる。
【００３３】
このような状態において、例えば静電変換装置１が振動させられると、質量を有する可動部材１５がＹ方向に揺動する。可動部材１５がＹ方向の正の向きに移動したときには、図４に示すように、幅広部１５ｂもＹ方向の正の向きに移動し、第１の固定電極１７から遠ざかり、第２の固定電極１８に近づく。すると、第２の固定電極１８は、第１の固定電極１７よりも幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６に近づくので、第１の固定電極１７よりも絶縁帯電体１６が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第２の固定電極１８に現れる。この正電荷は、第１の固定電極１７と第２の固定電極１８とが外部負荷２１を介して電気的に接続されていることから、図３において第１の固定電極１７に現れた正電荷が移動してきたものである。
【００３４】
図４に示す状態から、可動部材１５がＹ方向の負の向きに再度移動すると、図３に示すように、幅広部１５ｂは、第２の固定電極１８から遠ざかり、第１の固定電極１７に近づく。すると、第１の固定電極１７は、第２の固定電極１８よりも幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第２の固定電極１８から移動してきたものである。
【００３５】
このように、静電変換装置１が振動させられることによって可動部材１５がＹ方向に揺動すると、第１の固定電極１７と第２の固定電極１８とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷２１に電流が流れることとなる。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の固定電極１７および第２の固定電極１８を幅広部１５ｂの表面に形成された絶縁帯電体１６の軌道に並設することにより、半導体基板１１に垂直な面内で絶縁帯電体１６と第１の固定電極１７および第２の固定電極１８が対向することになる。したがって、半導体基板１１の面積の制約を受けずに、絶縁帯電体１６と第１の固定電極１７および第２の固定電極１８との重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、直方体形状の可動部材１５の表面を形成する６つの面のうち、２つの第２の側面で静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、図１に示すように、可動部材１５の第２の側面それぞれ４つずつ腕部材１５ａを設ける場合を例に説明したが、腕部材１５ａの数量は４つに限定されず適宜自由に設定できるのは言うまでもない。
【００３９】
また、本実施の形態では、幅広部１５ｂを、可動部材１５が静止した状態において第１の固定電極１７とＸ方向に対向する位置に設ける場合を例に説明したが、幅広部１５ｂを設ける位置はこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、幅広部１５ｂを、可動部材１５が静止した状態において、第１の固定電極１７と第２の固定電極１８との間の領域と、Ｘ方向に対向する位置に設けるようにしてもよい。
【００４０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態における静電変換装置１における第１の固定電極１７および第２の固定電極１８を１つの幅広部１５ｂに対してそれぞれ２つずつ設けたものである。したがって、上述した第１の実施と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
【００４１】
＜静電変換装置の構成＞
図５に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置１は、上面に絶縁膜１２が形成された半導体基板１１と、柱部材１３ａ，１３ｂと梁部材１４ａ，１４ｂとによってＹ方向に揺動可能に支持された可動部材１５と、絶縁膜１２上において、可動部材１５からＹ方向に離間した位置に１つの幅広部１５ｂに対して一対ずつ設けられた複数の第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂとを備えている。この第１の固定電極１７ａ，１７ｂと第２の固定電極１８ａ，１８ｂとは、配線１９を介して一対の端子２０に接続される。
【００４２】
ここで、第１の固定電極１７ａ，１７ｂは、可動部材１５の移動軌跡に対して線対称、言い換えると、幅広部１５ｂの略中央部を通るＹ方向に沿った直線に対して線対称に設けられている。また、可動部材１５が静止している状態において、第１の固定電極１７ａ，１７ｂは、幅広部１５ｂとＸ方向に所定間隔離間して配設されている。この幅広部１５ｂと第１の固定電極１７ａ，１７ｂとの距離は、第１の固定電極１７ａ，１７ｂが幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６の静電場の影響を受ける距離に設定されている。
【００４３】
第２の固定電極１８ａ，１８ｂは、可動部材１５の移動軌跡に対して線対称、言い換えると、幅広部１５ｂの略中央部を通るＹ方向に沿った直線に対して線対称に設けられている。また、第２の固定電極１８ａは、第１の固定電極１７ａとＹ方向の可動部材１５から離れる側に所定間隔離間して配置されている。同様に、第２の固定電極１８ｂは、第１の固定電極１７ｂとＹ方向の可動部材１５から離れる側に所定間隔離間して配置されている。
【００４４】
ここで、１つの幅広部１５ｂには、一対の第１の固定電極１７ａ，１７ｂと、一対の第２の固定電極１８ａ，１８ｂとが対応付けて配設されている。第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂは、Ｙ方向に沿った同一直線上に配設されている。上述したように、可動部材１５が静止した状態において、幅広部１５ｂは、第１の固定電極１７ａ，１７ｂとＸ方向に対向している。このような状態から、可動部材１５が第２の固定電極１８ａ，１８ｂの方に向かってＹ方向に移動すると、幅広部１５ｂは、第２の固定電極１８ａ，１８ｂとＸ方向に対向することとなる。
【００４５】
＜静電変換装置の発電動作＞
次に、図６を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置による発電動作について説明する。
【００４６】
まず、図６に示すように、可動電極１５が静止している状態において幅広部１５ｂの近くに位置する第１の固定電極１７ａ，１７ｂは、その幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体１６の負電荷に対応した正電荷が第１の固定電極１７ａ，１７ｂに現れる。
【００４７】
このような状態において、例えば静電変換装置１が振動させられると、質量を有する可動部材１５がＹ方向に揺動する。可動部材１５がＹ方向の正の向きに移動したときには、幅広部１５ｂもＹ方向の正の向きに移動し、第２の固定電極１８ａ，１８ｂに近づく。すると、第２の固定電極１８ａ，１８ｂは、第１の固定電極１７ａ，１７ｂよりも幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６に近づくので、第１の固定電極１７ａ，１７ｂよりも静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第２の固定電極１８ａ，１８ｂに現れる。この正電荷は、第１の固定電極１７ａ，１７ｂと第２の固定電極１８ａ，１８ｂとが外部負荷２１を介して電気的に接続されていることから、図６において第１の固定電極１７に現れた正電荷が移動してきたものである。
【００４８】
幅広部１５ｂが第２の固定電極１８ａ，１８ｂに対向した状態から、可動部材１５がＹ方向の負の向きに再度移動すると、図６に示すように、幅広部１５ｂは、第２の固定電極１８ａ，１８ｂから遠ざかり、第１の固定電極１７ａ，１７ｂに近づく。すると、第１の固定電極１７ａ，１７ｂは、第２の固定電極１８ａ，１８ｂよりも幅広部１５ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第２の固定電極１８ａ，１８ｂから移動してきたものである。
【００４９】
このように、静電変換装置１が振動させられることによって可動部材１５がＹ方向に揺動すると、第１の固定電極１７ａ，１７ｂと第２の固定電極１８ａ，１８ｂとに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷２１に電流が流れることとなる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、これにより、第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂを幅広部１５ｂの表面に形成された絶縁帯電体１６の軌道に並設することにより、半導体基板１１に垂直な面内で絶縁帯電体１６と第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂが対向することになる。したがって、半導体基板１１の面積の制約を受けずに、絶縁帯電体１６と第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂとの重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、直方体形状の可動部材１５の表面を形成する６つの面のうち、２つの第２の側面で静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。また、本実施の形態では、１つの幅広部１５ｂに対して、一対の第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび一対の第２の固定電極１８ａ，１８ｂが設けているので、誘導される正電荷の量が増加するため、出力を向上させることができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、図５に示すように、可動部材１５の第２の側面それぞれ４つずつ腕部材１５ａを設ける場合を例に説明したが、腕部材１５ａの数量は４つに限定されず適宜自由に設定できるのは言うまでもない。この場合、第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂの数量についても、腕部材１５ａの数量に応じて設定される。
【００５３】
また、本実施の形態では、幅広部１５ｂを、可動部材１５が静止した状態において第１の固定電極１７ａ，１７ｂとＸ方向に対向する位置に設ける場合を例に説明したが、幅広部１５ｂを設ける位置はこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、幅広部１５ｂを、可動部材１５が静止した状態において、第１の固定電極１７ａ，１７ｂと第２の固定電極１８ａ，１８ｂとの間の領域と、Ｘ方向に対向する位置に設けるようにしてもよい。
【００５４】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第２の実施の形態の静電変換装置２において、可動部材１５の上面に可動電極を設けるとともに、この可動電極１５と対向する位置に固定電極をさらに設けたものである。したがって、上述した第１，第２の実施と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
【００５５】
＜静電変換装置の構成＞
図７，図８に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置３は、半導体基板（以下、「第１の半導体基板」という。）１１と、この第１の半導体基板１１の上方に所定距離離間して配置された第２の半導体基板３１と、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板３１との間に配設され、これらの距離を所定の距離に保つスペーサ部材４１とを備えている。このスペーサ部材４１は、金属から構成され、平面視略矩形の開口を有する筒の形状を有する。その開口内には、図８に示されるように、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂ、可動部材１５、第１の固定電極１７ａ，１７ｂ、第２の固定電極１８ａ，１８ｂ、ならびに、後述する第３の固定電極３３および第４の固定電極３４が収容される。なお、図８においては、切断面以外については記載を省略している。
【００５６】
ここで、第１の半導体基板１１には、この第１の半導体基板１１の上面に形成された絶縁膜（以下、「第１の絶縁膜」という。）１２上に柱部材１３ａ，１３ｂと梁部材１４ａ，１４ｂによりＹ方向に揺動可能に支持された可動部材１５と、第１の絶縁膜１２上において、可動部材１５からＹ方向に離間した位置に１つの幅広部１５ｂに対して一対ずつ設けられた複数の第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂとを備えている。
【００５７】
ここで、可動部材１５の上面には、Ｘ方向に沿って垂設された複数の板状の突出部材１５ｃが互いにＹ方向に所定間隔離間して形成されている。上述したように、可動部材１５がＹ方向に移動可能とされているので、この可動部材１５の移動に伴って突出部材１５ｃもＹ方向に移動することとなる。また、この突出部材１５ｃの表面には、負電荷が帯電した絶縁帯電体１６が形成されている。
【００５８】
また、第２の半導体基板３１には、この第２の半導体基板３１の第１の半導体基板１１と対向する面に形成された第２の絶縁膜３２上に、Ｙ方向に所定間隔離間して交互に設けられた複数の第３の固定電極３３および第４の固定電極３４を備えている。ここで、第３の固定電極３３と第４の固定電極３４は、第２の半導体基板３１などに設けられた配線２２を介して一対の端子２３に接続される。また、複数の第３の固定電極３３は電気的に共通に一方の端子２３に電気的に接続され、複数の第４の固定電極３４は電気的に共通に他方の端子２３に接続されている。この端子２３は、外部負荷２４と接続可能に構成されている。
【００５９】
なお、第２の半導体基板３１は、シリコン等からなる半導体基板から構成され、第１の半導体基板１１と同等の外形を有する。第２の絶縁膜３２は、酸化シリコン等からなり、第２の半導体基板３１の下面に形成されている。
【００６０】
第３の固定電極３３は、第２の絶縁膜３２上から下方に突出しＸ方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第２の絶縁膜３２上において、可動部材１５の上面と所定間隔離間して配置されている。このような第３の固定電極３３は、可動部材１５が静止している状態において、可動電極１５ｃと対向する位置に設けられている。
【００６１】
第４の固定電極３４は、第２の絶縁膜３２上から下方に突出しＸ方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第２の絶縁膜３２上において、隣り合う第３の固定電極３３と互いに平行かつ等間隔に離間して配設されている。なお、Ｙ方向の正負両端に位置する第４の固定電極３４は、Ｙ方向の正の側および負の側の何れか一方のみにおいて、第３の固定電極３３と隣り合っている。
【００６２】
＜静電変換装置の発電動作＞
次に、図９，図１０を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置の発電動作について説明する。なお、第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂを用いた発電動作については、上述した第２の実施の形態と同等であるので、説明を省略する。以下においては、第３の固定電極３３および第４の固定電極３４を用いた発電動作について説明する。
【００６３】
まず、図９に示すように、可動部材１５が静止している状態において突出部材１５ｃと対向しており、第３の固定電極３３は、その突出部材１５ｃの表面に設けられた絶縁帯電体１６により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体１６の負電荷に対応した正電荷が第３の固定電極３３に現れる。
【００６４】
このような状態において、例えば静電変換装置１が振動させられると、質量を有する可動部材１５がＹ方向に揺動する。可動部材１５がＹ方向の正の向きに移動したときには、図１０に示すように、突出部材１５ｃもＹ方向の正の向きに移動し、第４の固定電極３４に近づく。すると、第４の固定電極３４は、第３の固定電極３３よりも突出部材１５ｃの表面に設けられた絶縁帯電体１６に近づくので、第３の固定電極３３よりも静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第４の固定電極３４に現れる。この正電荷は、第３の固定電極３３と第４の固定電極３４とが外部負荷２４を介して電気的に接続されていることから、図９において第３の固定電極３３に現れた正電荷が移動してきたものである。
【００６５】
図１０に示す状態から、可動部材１５がＹ方向の負の向きに再度移動すると、図９に示すように、突出部１５ｃは、第４の固定電極３４から遠ざかり、第３の固定電極３３に近づく。すると、第３の固定電極３３は、第４の固定電極３４よりも突出部材１５ｃの表面に設けられた絶縁帯電体１６の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第４の固定電極３４から移動してきたものである。
【００６６】
このように、静電変換装置１が振動させられることによって可動部材１５がＹ方向に揺動すると、第３の固定電極３３と第４の固定電極３４とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷２４に電流が流れることとなる。このとき、第２の実施の形態でも説明したように、第１の固定電極１７と第２の固定電極１８とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷２４にも電流が流れている。これにより、本実施の形態によれば、直方体形状の可動部材１５の表面を形成する６つの面のうち、２つの第２の側面と上面という合計３つの面での静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。
【００６７】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、上述した第１〜第３の実施と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
【００６８】
＜静電変換装置の構成＞
図１１〜図１４に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置４は、第１の半導体基板１１と、この第１の半導体基板１１の上方に所定距離離間して配置された第２の半導体基板３１と、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板３１との間に配設され、これらの距離を所定の距離に保つスペーサ部材４１とを備えている。なお、図１３においては、切断面以外については記載を省略している。
【００６９】
≪第１の半導体基板の構成≫
第１の半導体基板１１は、第１の絶縁膜１２上に、柱部材１３ａ，１３ｂと梁部材１４ａ，１４ｂによりＹ方向に揺動可能に支持された平面視略格子状の可動部材５０と、この可動部材５０の周囲に設けられた、複数の第５の固定電極６１および第６の固定電極６２とを備えている。ここで、第５の固定電極６１と第６の固定電極６２とは、第１の半導体基板１１上などに設けられた配線２２により外部負荷２４を介して電気的に接続されている。ここで、可動部材５０、第５の固定電極６１および第６の固定電極６２は、第１の半導体基板１１上において互いに絶縁分離されている。また、本実施の形態では、第５の固定電極６１と第６の固定電極６２とは、それぞれＸ方向に沿って複数設けられ、配線１９を介して一対の端子２０に接続される。複数の第５の固定電極６１は電気的に共通に一方の端子２０に電気的に接続され、複数の第６の固定電極６２は電気的に共通に他方の端子２０に接続されている。この端子２０は、外部負荷２１と接続可能に構成されている。
【００７０】
可動部材５０は、Ｘ方向に沿って延在する直方体の柱状の部材からなる基部５１と、Ｙ方向に沿って延在する柱状の部材からなり、一端が基部５１のＸ方向に沿った両側面に互いにＸ方向に所定間隔離間して接続される複数の第１の部材５２と、Ｘ方向に沿って延在する一対の柱状の部材からなり、第１の部材５２の他端が接続される第２の部材５３と、Ｘ方向に沿って延在する柱状の部材からなり、第１の部材５２の上部に設けられ、互いにＹ方向に所定間隔離間する複数の第３の部材５４とを備えている。この第１の部材５２、第２の部材５３および第３の部材５４それぞれは、第１の部材５２の延在方向に対して線対称に配設されている。このような可動部材５０は、金属から構成される。また、可動部材５０の表面には、柱部材１３ａ，１３ｂおよび梁部材１４ａ，１４ｂとともに、絶縁帯電体１６が形成されている。この絶縁帯電体１６は、少なくとも後述する幅広部５２ａおよび第３の部材５４の部分が予め電子を帯電したエレクトレットとして機能する。さらに、可動部材５０は、図示しない配線によりグランドに接続されている。
【００７１】
ここで、基部５１の柱部材１３ａ，１３ｂと対向する２つの側面には、対向する梁部材１４ａ，１４ｂの他端が接続されている。これにより、可動部材５０は、梁部材１４ａ、１４ｂによって第１の半導体基板１１上方に吊設されることとなる。このとき、梁部材１４ａ、１４ｂがＹ方向に可撓性を有するので、可動部材５０は、Ｙ方向に揺動可能な状態、Ｙ方向の正負両側に往復移動が可能な状態とされている。したがって、静電変換装置４自体が振動すると、可動部材５０はＹ方向に揺動することとなる。
【００７２】
また、第１の部材５２のＹ方向における略中央部には、Ｘ方向の長さが大きくなっている平面視略矩形の幅広部５２ａが設けられている。また、本実施の形態では、４つの第３の部材５４が設けられている。これらは、第１の部材５２の上部において、幅広部５２ａを挟むように幅広部５２ａからＹ方向の正負両側に所定距離離間した位置に配設される。
【００７３】
第５の固定電極６１は、絶縁膜１２上から上方に突出した金属の棒状の部材から構成されている。このような第５の固定電極６１は、可動部材５０が静止している状態において、Ｘ方向に隣り合う幅広部５２ａの間に、これらの幅広部５２ａから等間隔の位置にその幅広部５２ａと離間して配設されている。なお、幅広部５２ａのうちＸ方向における両端部に位置する幅広部５２ａについては、幅広部５２ａと隣り合っていない側にも第５の固定電極６１が設けられる。この場合、第５の固定電極６１と幅広部５２ａとの距離は、幅広部５２ａの間に設けた場合と同等の間隔で設けられる。ここで、幅広部５２ａと第５の固定電極６１との距離は、第５の固定電極６１が幅広部５２ａの表面に設けられた絶縁帯電体１６の静電場の影響を受ける距離に設定されている。
【００７４】
第６の固定電極６２は、絶縁膜１２上から上方に突出した金属の棒状の部材から構成されている。このような第６の固定電極６２は、第５の固定電極６１とＹ方向の正負両側に所定間隔離間して配置されている。また、第６の固定電極６２は、図示しない配線によりグランドに接続されている。
【００７５】
≪第２の半導体基板の構成≫
第２の半導体基板３１には、この第２の半導体基板３１の下面に形成された第２の絶縁膜３２上に、Ｙ方向に所定間隔離間して設けられた複数の第７の固定電極７１および第８の固定電極７２を備えている。ここで、第７の固定電極７１と第８の固定電極７２は、第２の半導体基板３１などに設けられた配線２２を介して一対の端子２３に接続される。また、複数の第７の固定電極７１は電気的に共通に一方の端子２３に電気的に接続され、複数の第８の固定電極７２は電気的に共通に他方の端子２３に接続されている。この端子２３は、外部負荷２４と接続可能に構成されている。
【００７６】
第７の固定電極７１は、第２の絶縁膜３２上から下方に突出しＸ方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第２の絶縁膜３２上において、可動部材５０の上面と所定間隔離間して配置されている。このような第７の固定電極７１は、可動部材５０が静止している状態において、第３の部材５４と対向する位置に設けられている。
【００７７】
第８の固定電極７２は、第２の絶縁膜３２上から下方に突出しＸ方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第２の絶縁膜３２上において、隣り合う第７の固定電極７１と互いに平行かつ等間隔に離間して配設されている。なお、Ｙ方向の正負両端に位置する第８の固定電極７２は、Ｙ方向の正の側および負の側の何れか一方のみにおいて、第７の固定電極７１と隣り合っている。
【００７８】
スペーサ部材４１は、金属から構成され、平面視略矩形の開口を有する筒の形状を有する。その開口内には、図１１，図１２に示されるように、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂ、可動部材５０、第５の固定電極６１、第６の固定電極６２、第７の固定電極７１、第８の固定電極第７２が収容される。このようなスペーサ部材４１は、図示しない配線によりグランドに接続されている。
【００７９】
＜静電変換装置の発電動作＞
次に、図１１〜図１４を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置による発電動作について説明する。
【００８０】
はじめに、第５の固定電極６１および第６の固定電極６２を利用した発電動作について説明する。
【００８１】
まず、可動部材５０が静止している状態において幅広部５２ｂの近くに位置する第５の固定電極６１は、その幅広部５２ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体１６の負電荷に対応した正電荷が第５の固定電極６１に現れる。
【００８２】
このような状態において、例えば静電変換装置４が振動させられると、可動部材５０がＹ方向の正負の何れかの向き（以下においては、正の向きに移動した場合を例に説明する。）に移動すると、幅広部５２ｂもＹ方向の正の側に移動し、第５の固定電極に対してＹ方向の正の側に位置する第６の固定電極６２に近づく。すると、第６の固定電極６２は、第５の固定電極６１よりも幅広部５２ｂの表面に設けられた絶縁帯電体１６に近づくので、第５の固定電極６１よりも絶縁帯電体１６が形成する静電場の影響をより強くを受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第６の固定電極６２に現れる。この正電荷は、第５の固定電極６１と第６の固定電極６２とが外部負荷２１を介して電気的に接続されていることから、第５の固定電極６１に現れた正電荷が移動してきたものである。
【００８３】
このような状態から、可動部材５０がＹ方向の負の向きに再度移動すると、幅広部５２ｂは、第６の固定電極６２から遠ざかり、第５の固定電極６１に近づく。すると、第５の固定電極は、第６の固定電極６２よりも絶縁帯電体１６が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、Ｙ方向の正の側に位置する第６の固定電極６２から移動してきたものである。
【００８４】
可動部材５０がさらにＹ方向の負の側に移動すると、幅広部５２ｂは、第５の固定電極６１から遠ざかり、第６の固定電極６２に近づく。すると、第６の固定電極６２は、第５の固定電極６１よりも絶縁帯電体１６が形成する静電場の影響をより強くを受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第５の固定電極６１から移動してきたものである。
【００８５】
このような状態から、可動部材５０がＹ方向の正の側に再度移動すると、幅広部５２ｂは、第６の固定電極６２から遠ざかり、第５の固定電極６１に近づく。すると、第５の固定電極は、第６の固定電極６２よりも絶縁帯電体１６が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、Ｙ方向の負の側に位置する第６の固定電極６２から移動してきたものである。
【００８６】
このように、静電変換装置４が振動させられることによって可動部材５０がＹ方向に揺動すると、第５の固定電極６１と２つの第６の固定電極６２とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷２４に電流が流れることとなる。
【００８７】
本実施の形態によれば、第５の固定電極６１および第６の固定電極６２を幅広部５２ｂの表面に形成された絶縁帯電体１６の軌道に並設することにより、第１の半導体基板１１に垂直な面内で絶縁帯電体１６と第５の固定電極６１および第６の固定電極６２が対向することになる。したがって、第１の半導体基板１１の面積の制約を受けずに、絶縁帯電体１６と第５の固定電極６１および第６の固定電極６２との重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。
【００８８】
また、本実施の形態によれば、第５の固定電極６１の両側に第６の固定電極６２を設けることにより、可動部材５０がＹ方向の正負の何れの側に移動しても発電することができる。
【００８９】
次に、第７の固定電極７１および第８の固定電極７２を利用した発電動作について説明する。
【００９０】
この場合は、第３の実施の形態における第３の固定電極３３および第４の固定電極３４を用いた発電動作と同等である。すなわち、第７の固定電極７１が第３の固定電極３３、第８の固定電極７２が第４の固定電極３４、第３の部材５４が突出部材１５ｃにそれぞれ対応する。したがって、静電変換装置４が振動させられることによって可動部材５０がＹ方向の正負両側に移動すると、外部負荷２４を介して第７の固定電極７１と第８の固定電極７２との間で正電荷が移動するので、結果として、外部負荷２４に電流が流れることとなる。
【００９１】
これにより、本実施の形態によれば、可動部材５０の多数の面で静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。
【００９２】
＜静電変換装置の製造方法＞
次に、本実施の形態に係る静電変換装置の製造方法の一例について、図１５Ａ〜図１５Ｑを参照して説明する。
【００９３】
まず、例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜１２が上面に形成された、シリコンからなる第１の半導体基板１１を用意する。この第１の半導体基板１１は、複数のトランジスタ、抵抗、容量、配線などから構成された半導体集積回路を備えるようにしてもよい。この場合、集積回路の配線や、パッドの配線などと電気的に接続するためのコンタクトホールなどが、絶縁膜１２の所定の箇所に形成されていてもよい。
【００９４】
このような第１の半導体基板１１に対して、図１５Ａに示すように、絶縁膜１２上に第１のシード層１０１を形成する。この第１のシード層１０１は、例えば、スパッタ法や蒸着法などにより、絶縁膜１２上にチタンを堆積した後、この上に金を堆積することにより形成することができる。この場合、チタンの膜厚は０．１μｍ程度、金の膜厚は０．１μｍ程度とすればよい。
【００９５】
第１のシード層１０１を形成した後、この第１のシード層１０１の上にレジスト材料を塗布し、このレジスト材料に対して所望のパターンを有するマスクを用いて露光することにより、第１のシード層１０１上の所望の位置に開口部が形成されたレジストパターンを形成する。このとき、その開口部からは、第１のシード層１０１が露出している。このようなレジストパターンを形成した後、例えばメッキ法により、そのレジストパターンの開口部内に金を堆積した後、そのレジストパターンを除去することにより、図１５Ｂに示すように、第１のシード層１０１上に上方に突出した柱状の第１の金属パターン１０２を形成する。このとき、例えば、塗布するレジスト材料の膜厚を２０μｍ程度、メッキ膜の膜厚を１５μｍ程度とすることにより、第１の金属パターン１０２の高さを１５μｍ程度に形成することができる。
【００９６】
第１の金属パターン１０２を形成した後、この第１の金属パターン１０２をマスクとして第１のシード層１０１をエッチング除去し、図１５Ｃに示すように、第１の金属パターン１０２が絶縁膜１２の上で互いに分離した状態とする。これにより、柱部材１３ａ，１３ｂの下部、第５の固定電極６１の下部、第６の固定電極６２の下部、および、スペーサ部材４１の一部が形成される。
【００９７】
第１のシード層のエッチング除去は、例えば、第１のシード層１０１の上層にある金を、硝酸と塩酸からなる王水エッチング液でウエットエッチングした後、このウエットエッチングにより露出した第１のシード層１０１の下層にあるチタンを、フッ化水素水溶液によりウエットエッチングすることにより行うことができる。
【００９８】
第１のシード層１０１を選択的にエッチング除去した後、図１５Ｄに示すように、絶縁膜１２上に第１の犠牲層１０３を形成する。このとき、第１の金属パターン１０２の上面は、第１の犠牲層１０３表面に露出した状態とされる。このような第１の犠牲層１０３は、例えば、ＰＢＯ（ポリベンゾオキサゾール）からなる感光性有機樹脂を絶縁膜１２上に塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を公知のリソグラフィ技術によりパターニングすることにより形成することができる。そのパターニングでは、前処理として１２０℃のプリベークを４分間行い、パターニング後に３１０℃の加熱処理を行い、有機樹脂の膜が熱硬化された状態とする。その有機樹脂としては、例えば、住友ベークライト社製のＣＲＣ８３００を用いることができる。
【００９９】
第１の犠牲層１０３を形成した後、図１５Ｅに示すように、上述した第１のシード層１０１を形成した方法と同様の方法により第１の犠牲層１０３上に第２のシード層１０４を形成し、上述した第１の金属パターン１０２を形成した方法と同様の方法により第２のシード層１０４上に第２の金属パターン１０５を形成する。ここで、第２の金属パターン１０５の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を４０μｍ程度、メッキの膜厚２５μｍ程度に形成された状態とすればよい。
【０１００】
第２の金属パターン１０５を形成した後、第１のシード層１０１をエッチング除去した方法と同様の方法により、第２の金属パターン１０５をマスクとして第２のシード層１０４をエッチング除去し、図１５Ｆに示すように、第２の金属パターン１０５が第１の犠牲層１０３上で互いに分離した状態とする。これにより、柱部材１３ａ，１３ｂの上部、梁部材１４ａ，１４ｂ、可動部材５０の一部（基部５１、第１の部材５２および第２の部材５３の下部）、第５の固定電極６１の上部、第６の固定電極６２の上部、および、スペーサ部材４１の一部が形成される。
【０１０１】
第２のシード層１０４を選択的にエッチング除去した後、図１５Ｇに示すように、第１の犠牲層１０３上に第２の犠牲層１０６を形成する。このとき、第２の金属パターン１０５の上面は、第２の犠牲層１０６表面に露出した状態とされる。このような第２の犠牲層１０６を形成する工程は、上述した第１の犠牲層１０３を形成する工程と同等の方法により行うことができる。
【０１０２】
第２の犠牲層１０６を形成した後、図１５Ｈに示すように、第１のシード層１０１を形成した方法と同等の方法により、第２の犠牲層１０６上に第３のシード層１０７を形成し、第１の金属パターン１０２や第２の金属パターン１０５を形成した方法と同等の方法により、その第３のシード層１０７上に第３の金属パターン１０８を形成する。ここで、第３の金属パターン１０８の形成時には、マスクとなるレジストパターンの膜厚を１０μｍ程度、メッキの膜厚５μｍ程度に形成された状態とすればよい。
【０１０３】
第３の金属パターン１０８を形成した後、図１５Ｉに示すように、第１のシード層１０１や第２のシード層１０４をエッチング除去した方法と同等の方法により、第３の金属パターン１０８をマスクとして第３のシード層１０７を除去する。これにより、第３の金属パターン１０８が第２の犠牲層１０６上で分離した状態とする。これにより、可動部材５０の一部（基部５１、第１の部材５２および第２の部材４２の上部）、および、スペーサ部材４１の一部が形成される。
【０１０４】
第３のシード層１０７を選択的にエッチング除去した後、図１５Ｊに示すように、第２の犠牲層１０６上に第３の犠牲層１０９を形成する。このとき、第３の金属パターン１０８の上面は、第３の犠牲層１０９表面に露出した状態とされる。このような第３の犠牲層１０９を形成する工程は、上述した第１の犠牲層１０３や第２の犠牲層１０６を形成する工程と同等の方法により行うことができる。
【０１０５】
第３の犠牲層１０９を形成した後、図１５Ｋに示すように、第１のシード層１０１等を形成した方法と同等の方法により、第３の犠牲層１０９上に第４のシード層１１０を形成し、第１の金属パターン１０２等を形成した方法と同等の方法により、その第４のシード層１１０上に第４の金属パターン１１１を形成する。ここで、第３の金属パターン１０８の形成時には、マスクとなるレジストパターンの膜厚を２０μｍ程度、メッキの膜厚１０μｍ程度に形成された状態とすればよい。
【０１０６】
第４の金属パターン１１１を形成した後、図１５Ｌに示すように、第１のシード層１０１等をエッチング除去した方法と同等の方法により、第４の金属パターン１１１をマスクとして第４のシード層１１０を除去する。これにより、第４の金属パターン１１１が第３の犠牲層１０９上で分離した状態とする。これにより、可動部材５０の一部（第３の部材５４）およびスペーサ部材４１の一部が形成される。
【０１０７】
第４のシード層１１１を選択的にエッチング除去した後、図１５Ｍに示すように、第１の犠牲層１０３、第２の犠牲層１０６および第３の犠牲層１０９を除去する。これにより、可動部材５０の一部を構成する第２のシード層１０４の下方に空間が形成された状態となる。第１の犠牲層１０３、第２の犠牲層１０６および第３の犠牲層１０９の除去は、例えば、オゾンアッシャー装置を用いてオゾンを第１の犠牲層１０３、第２の犠牲層１０６および第３の犠牲層１０９に作用させることにより、行うことができる。
【０１０８】
第１の犠牲層１０３、第２の犠牲層１０６および第３の犠牲層１０９を除去した後、図１５Ｎに示すように、第１のシード層１０１、第１の金属パターン１０２、第２のシード層１０４、第２の金属パターン１０５、第３のシード層１０７および第３の金属パターン１０８のうち、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材５０を構成する部材の表面に、撥水性、絶縁性および帯電性を発現する電着材料を用いた電着により、絶縁膜１１２を形成する。この絶縁膜１１２は、上述した絶縁帯電体１６を構成する。このような絶縁膜１１２の製造工程の具体例を以下に示す。
【０１０９】
例えば、スルフォニウムカチオンが分散する電着液（例えば、日本ペイント（株）製、INSULEED3020X）を30℃に調整し、この電着液の中に、上述した工程を経た第１の半導体基板１１および白金からなる対向電極が浸漬された状態とする。この状態で柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材５０を構成する部材に負電圧を印加するとともに、対向電極に正電圧を印加する。すなわち、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材５０を構成する部材を構成する部材を負極とし、対向電極を正極として電着液中に浸漬し、定電圧源を用いて電圧を印加することにより、カチオン電着を行う。この電着により、電着液に分散している絶縁膜形成材料が、負電圧が印加された柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材５０を構成する部材の表面に析出することにより、絶縁膜１１２が形成される。電着液に分散している材料は、負電圧が印加されていない絶縁膜１２や、その他の部材の表面には付着せず、負電圧を印加した柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材５０を構成する部材のみに絶縁膜１１２を選択的に形成することができる。
【０１１０】
絶縁膜１１２を形成した後、第１の半導体基板１１を水洗処理し、乾燥させた後、窒素雰囲気において１９０℃で２５分間の加熱処理を行うことにより、絶縁膜１１２が熱硬化された状態とする。
【０１１１】
絶縁膜１１２を熱硬化した後、第１の半導体基板１１に対して、例えば、公知の電子ビーム法、液体接触法、コロナ放電法などの方法により、帯電処理を行う。例えば、コロナ放電を用いる場合は、第１の半導体基板１１の下面および柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材５０する部材をグランドに取り、ＤＣ放電を行う。コロナ放電の条件は、印加電圧を−１０００Ｖ、印加時間を６０分とすればよい。このような帯電処理により、絶縁膜１１２の表面には負電荷が帯電した状態となる。
【０１１２】
次に、例えば、酸化シリコンからなる第２の絶縁膜３２が一方の面に形成された、シリコンからなる第２の半導体基板３１を用意する。ここで、第２の半導体基板３１は、複数のトランジスタ、抵抗、容量、配線などから構成された半導体集積回路を備えるようにしてもよい。この場合、集積回路の配線や、パッドの配線などと電気的に接続するためのコンタクトホールなどが、第２の絶縁膜３２の所定の箇所に形成されていてもよい。
【０１１３】
このような第２の半導体基板３１に対して、図１５Ｏに示すように、上述した第１のシード層１０１等を形成した方法と同様の方法により第２の絶縁膜３２上に第５のシード層３０１を形成し、第１の金属パターン１０２等を形成した方法と同様の方法により第５のシード層３０１上に第５の金属パターン３０２を形成する。ここで、第５の金属パターン３０２の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を４０μｍ程度、メッキの膜厚２５μｍ程度に形成された状態とすればよい。これにより、第７の固定電極７１、第８の固定電極７２およびスペーサ部材４１それぞれの一部が形成される。
【０１１４】
第５の金属パターン３０２を形成した後、図１５Ｐに示すように、上述した第１の金属パターン１０２を形成した方法と同様の方法により第５の金属パターン３０２上に第６の金属パターン３０３を形成する。ここで、第６の金属パターン３０３の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を５μｍ程度、メッキの膜厚１μｍ程度に形成された状態とすればよい。これにより、スペーサ部材４１の一部が形成される。
【０１１５】
第６の金属パターン３０３を形成した後、第１のシード層１０１等をエッチング除去した方法と同様の方法により、第５の金属パターン３０２および第６の金属パターン３０３をマスクとして第５のシード層３０１をエッチング除去し、図１５Ｑに示すように、第５の金属パターン３０２および第６の金属パターン３０３が第５のシード層犠牲層３０１上で互いに分離した状態とする。これにより、第７の固定電極７１、第８の固定電極７２およびスペーサ部材４１の一部が形成される。
【０１１６】
次に、図１５Ｒに示すように、第１の半導体基板１１の第１の絶縁膜１２が形成された側の面と、第２の半導体基板３１の第２の絶縁膜３２が形成された側の面とを対向させ、第１の半導体基板１１に形成された第４の金属パターン１１１の上面と、第２の半導体基板３１に形成された第６の金属パターン３０３の上面とを貼り合わせる。この貼り合わせる方法としては、公知のＣＯＣ（Chip On Chip）接合や、常温ＳＡＢ（Surface Activated Bonding ）接合などにより行うことができる。これにより、静電変換装置４が完成する。
【０１１７】
なお、上述した第１〜第３の実施の形態における静電変換装置１〜３についても、上述した静電変換装置４の製造方法と同等の方法により製造できる。
【０１１８】
例えば、静電変換装置１の場合には、第１のシード層１０１および第１の金属パターン１０２によって、柱部材１３ａ，１３ｂ、第１の固定電極１７および第２の固定電極１８それぞれの下部を形成する。また、第２のシード層１０４および第２の金属パターン１０５によって、柱部材１３ａ，１３ｂ、第１の固定電極１７および第２の固定電極１８それぞれの上部、ならびに、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材１５を形成する。そして、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材１５を構成する部材の表面に、絶縁帯電体１６となる絶縁膜を形成するようにすればよい。
【０１１９】
また、静電変換装置２の場合には、第１のシード層１０１および第１の金属パターン１０２によって、柱部材１３ａ，１３ｂ、第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂそれぞれの下部を形成する。また、第２のシード層１０４および第２の金属パターン１０５によって、柱部材１３ａ，１３ｂ、第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂそれぞれの上部、ならびに、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材１５を形成する。そして、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材１５を構成する部材の表面に、絶縁帯電体１６となる絶縁膜を形成するようにすればよい。
【０１２０】
さらに、静電変換装置３の場合には、第１のシード層１０１および第１の金属パターン１０２によって、柱部材１３ａ，１３ｂ、第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂそれぞれの下部およびスペーサ部材４１の一部を形成する。また、第２のシード層１０４および第２の金属パターン１０５によって、柱部材１３ａ，１３ｂ、第１の固定電極１７ａ，１７ｂおよび第２の固定電極１８ａ，１８ｂそれぞれの上部、ならびに、梁部材１４ａ，１４ｂ、可動部材１５の一部（突出部材１５ｃを除く部分）、スペーサ部材４１の一部を形成する。また、第３のシード層１０７および第３の金属パターン１０８によって、可動部材１５の一部（突出部材１５ｃ）およびスペーサ部材４１の一部を形成する。また、第５のシード層３０１および第５の金属パターン３０２によって、第３の固定電極３３、第４の固定電極３４およびスペーサ部材４１の一部を形成する。また、第６の金属パターン３０３によって、スペーサ部材４１の一部を形成する。そして、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂおよび可動部材１５を構成する部材の表面に、絶縁帯電体１６となる絶縁膜を形成するようにすればよい。
【０１２１】
なお、第１〜第４の実施の形態において、幅広部１５ｂまたは幅広部５２ａの下方にも固定電極を設けるようにしてもよい。これにより、さらに発電量を増加させることが可能となる。なお、この場合には、上述した第１の金属パターン１０２および第２の金属パターン１０５の間に少なくとも１つの金属パターンをさらに形成し、第１の金属パターン１０２によりその固定電極を形成し、さらに形成した金属パターンによりその固定電極と幅広部１５ｂまたは５２ａとを離間させるようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電変換装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１〜４…静電変換装置、１１…（第１の）半導体基板、１２…（第１の）絶縁膜、１３ａ，１３ｂ…柱部材、１４ａ，１４ｂ…梁部材、１５…可動部材、１５ａ…腕部材、１５ｂ…幅広部、１５ｃ…突出部材、１６…絶縁帯電体、１７，１７ａ，１７ｂ…第１の固定電極、１８，１８ａ，１８ｂ…第２の固定電極、１９，２２…配線、２０，２３…端子、２１，２４…外部負荷、３１…第２の半導体基板、３２…第２の絶縁膜、３３…第３の固定電極、３４…第４の固定電極、４１…スペーサ部材、５０…可動部材、５１…基部、５２…第１の部材、５２ａ…幅広部、５３…第２の部材、５４…第３の部材、６１…第５の固定電極、６２…第６の固定電極、７１…第７の固定電極、７２…第８の固定電極、１０１…第１のシード層、１０２…第１の金属パターン、１０３…第１の犠牲層、１０４…第２のシード層、１０５…第２の金属パターン、１０６…第２の犠牲層、１０７…第３のシード層、１０８…第３の金属パターン、１０９…第３の犠牲層、１１０…第４のシード層、１１１…第４の金属パターン、１１２…絶縁膜、３０１…第５のシード層、３０２…第５の金属パターン、３０３…第６の金属パターン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１５Ｉ】
0005603200.tif 000024
【図１５Ｊ】
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【図１５Ｋ】
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【図１５Ｌ】
0005603200.tif 000027
【図１５Ｍ】
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【図１５Ｎ】
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【図１５Ｏ】
0005603200.tif 000030
【図１５Ｐ】
0005603200.tif 000031
【図１５Ｑ】
0005603200.tif 000032
【図１５Ｒ】
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【図１６】
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