(57)【要約】【課題】発電効率がより高い振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置を提供する。【解決手段】支持部１ａと支持部１ａに一端が揺動自在に支持されたカンチレバー部１ｂとを備えたベース基板１と、カンチレバー部１ｂの揺動に応じて発電する発電部２とを有する振動発電素子１０である。発電部２は、圧電変換部２ａと、静電発電部２ｂとを有している。圧電変換部２ａは、ベース基板１の一表面１ａａ側におけるカンチレバー部１ｂに重なる部位に配される第１電極３ａ１、圧電体層３ａ３、第２電極３ａ２を備えている。静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂの一端に対して反対の他端側における先端部１ｃａと空間１ｅを介して対向する対向部位１ｄとの一方に静電場を発生するエレクトレット部４ｂ１を設け、他方に静電場によって誘導電荷が生じる対向電極４ｂ２を設けている。【選択図】図１
2013172523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と該支持部に一端が揺動自在に支持されたカンチレバー部とを備えたベース基板と、前記カンチレバー部の揺動に応じて発電する発電部とを有する振動発電素子であって、
前記発電部は、圧電変換部と、静電発電部とを有し、
前記圧電変換部は、前記ベース基板の一表面側における前記カンチレバー部に重なる部位に配され前記カンチレバー部側の第１電極と該第１電極における前記カンチレバー部側とは反対側に設けられる圧電体層と該圧電体層における前記第１電極側とは反対側に設けられる第２電極とを備えており、
前記静電発電部は、前記カンチレバー部の前記一端に対して反対の他端側における先端部と該先端部に空間を介して対向する対向部位との一方に静電場を発生するエレクトレット部を設け、他方に静電場によって誘導電荷が生じる対向電極を設けていることを特徴とする振動発電素子。
【請求項２】
前記静電発電部は、平面視において、前記エレクトレット部と前記対向電極とがそれぞれ櫛歯形状であることを特徴とする請求項１に記載の振動発電素子。
【請求項３】
前記静電発電部は、前記エレクトレット部および前記対向電極が互いの対向面に前記一表面に平行で且つ前記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の金属部を備えており、前記エレクトレット部は、該エレクトレット部における前記金属部の前記対向電極側にエレクトレットを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動発電素子。
【請求項４】
前記静電発電部は、前記エレクトレット部が前記先端部に設けられたエレクトレットと該エレクトレットを覆い前記一表面に平行で且つ前記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の第１金属部とを備え、隣接する前記第１金属部と前記第１金属部との間で前記エレクトレットが露出しており、前記対向電極が互いに極性の異なる一対の電極を備え、該一対の電極の一方が前記一表面に平行で且つ前記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の第２金属部を備えており、前記一対の電極の他方が前記一表面に平行で且つ前記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の第３金属部を隣接する前記第２金属部と前記第２金属部との間に備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動発電素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の振動発電素子と、該振動発電素子の前記圧電変換部からの交流電流を整流する第１整流回路部と、前記振動発電素子の前記静電発電部からの交流電流を整流する第２整流回路部と、前記第１整流回路部および前記第２整流回路部と電気的に接続して電力を蓄電する蓄電素子とを備えたことを特徴とする振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの一種などとして、車の振動や人の動きによる振動など任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子が各所で研究開発されている。
【０００３】
この種の振動発電素子として、図１４に示す、支持部１２１およびカンチレバー部１２２を有するカンチレバー形成基板１２０と、カンチレバー部１２２に形成された圧電変換部１２４とを備えた発電デバイスが知られている（たとえば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に示す発電デバイスでは、圧電変換部１２４が下部電極１２４ａと圧電層１２４ｂと上部電極１２４ｃとで構成されている。また、発電デバイスは、カンチレバー形成基板１２０におけるカンチレバー部１２２の先端部にカンチレバー部１２２の変位量を大きくするための錘部１２３が設けられている。発電デバイスは、カンチレバー部１２２の揺動に応じて圧電変換部１２４が交流電圧を発生する。
【０００５】
なお、圧電変換部１２４では、下部電極１２４ａが接続配線１２６ａを介して下部電極用パッド１２７ａと電気的に接続している。また、圧電変換部１２４は、上部電極１２４ｃが接続配線１２６ｃを介して上部電極用パッド１２７ｃと電気的に接続している。発電デバイスは、上部電極１２４ｃと圧電体層１２４ｂとの接するエリアを規定し且つ上部電極１２４ｃと下部電極１２４ａとの短絡を防止する絶縁層１２５を備えている。さらに、発電デバイスは、カンチレバー形成基板１２０の一表面側および他表面側それぞれに絶縁膜１２９ａ，１２９ｂを備えている。
【０００６】
発電デバイスは、振動によりカンチレバー部１２２が揺動することで、圧電変換部１２４が圧電変換部１２４の厚み方向と直交する方向に分極され、発電した電力を下部電極用パッド１２７ａおよび上部電極用パッド１２７ｃから出力することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−９１３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の発電デバイスでは、カンチレバー部１２２の揺動により圧電層１２４ｂが応力を受け発電する。発電デバイスは、カンチレバー部１２２の揺動に伴う応力の大きさに比例して発電出力が増大する傾向にある。そのため、発電デバイスである振動発電素子は、応力が小さい状態では発電出力が小さい傾向にある。
【０００９】
振動発電素子は、より出力の高いものが求められており、カンチレバー部の揺動に伴う発電効率が上述の構成だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発電効率がより高い振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の振動発電素子は、支持部と該支持部に一端が揺動自在に支持されたカンチレバー部とを備えたベース基板と、上記カンチレバー部の揺動に応じて発電する発電部とを有する振動発電素子であって、上記発電部は、圧電変換部と、静電発電部とを有し、上記圧電変換部は、上記ベース基板の一表面側における上記カンチレバー部に重なる部位に配され上記カンチレバー部側の第１電極と該第１電極における上記カンチレバー部側とは反対側に設けられる圧電体層と該圧電体層における上記第１電極側とは反対側に設けられる第２電極とを備えており、上記静電発電部は、上記カンチレバー部の上記一端に対して反対の他端側における先端部と該先端部に空間を介して対向する対向部位との一方に静電場を発生するエレクトレット部を設け、他方に静電場によって誘導電荷が生じる対向電極を設けていることを特徴とする。
【００１２】
この振動発電素子において、上記静電発電部は、平面視において、上記エレクトレット部と上記対向電極とがそれぞれ櫛歯形状であることが好ましい。
【００１３】
この振動発電素子において、上記静電発電部は、上記エレクトレット部および上記対向電極が互いの対向面に上記一表面に平行で且つ上記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の金属部を備えており、上記エレクトレット部は、該エレクトレット部における上記金属部の上記対向電極側にエレクトレットを有することが好ましい。
【００１４】
この振動発電素子において、上記静電発電部は、上記エレクトレット部が上記先端部に設けられたエレクトレットと該エレクトレットを覆い上記一表面に平行で且つ上記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の第１金属部とを備え、隣接する上記第１金属部と上記第１金属部との間で上記エレクトレットが露出しており、上記対向電極が互いに極性の異なる一対の電極を備え、該一対の電極の一方が上記一表面に平行で且つ上記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の第２金属部を備えており、上記一対の電極の他方が上記一表面に平行で且つ上記ベース基板の厚み方向に離間する複数個の筋状の第３金属部を隣接する上記第２金属部と上記第２金属部との間に備えていることが好ましい。
【００１５】
本発明の振動発電装置は、上記振動発電素子と、該振動発電素子の上記圧電変換部からの交流電流を整流する第１整流回路部と、上記振動発電素子の上記静電発電部からの交流電流を整流する第２整流回路部と、上記第１整流回路部および上記第２整流回路部と電気的に接続して電力を蓄電する蓄電素子とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の振動発電素子では、発電効率を、より高くすることが可能になるという効果がある。
【００１７】
本発明の振動発電装置では、発電効率を、より高くすることが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１の振動発電素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図、（ｃ）は要部の斜視断面図である。
【図２】実施形態１の振動発電素子の発電原理を説明する説明図である。
【図３】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図４】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図５】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図６】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図７】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図８】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図９】実施形態１の別の振動発電素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図１０】実施形態２の振動発電素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図、（ｃ）は要部の斜視図である。
【図１１】実施形態２の振動発電素子の発電原理を説明する説明図である。
【図１２】実施形態２の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図１３】実施形態３の振動発電装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面説明図である。
【図１４】従来の発電デバイスを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
以下、本実施形態の振動発電素子１０について図１および図２を用いて説明する。
【００２０】
本実施形態の振動発電素子１０は、図１に示すように、支持部１ａと支持部１ａに一端が揺動自在に支持されたカンチレバー部１ｂとを備えたベース基板１と、カンチレバー部１ｂの揺動に応じて発電する発電部２とを有している。発電部２は、圧電変換部２ａと、静電発電部２ｂとを有している。圧電変換部２ａは、ベース基板１の一表面１ａａ側におけるカンチレバー部１ｂに重なる部位に配されている。圧電変換部２ａは、カンチレバー部１ｂ側の第１電極３ａ１と第１電極３ａ１におけるカンチレバー部１ｂ側とは反対側に設けられる圧電体層３ａ３と圧電体層３ａ３における第１電極３ａ１側とは反対側に設けられる第２電極３ａ２とを備えている。
【００２１】
また、静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂの上記一端に対して反対の他端側における先端部１ｃａと先端部１ｃａに空間１ｅを介して対向する対向部位１ｄとの一方にエレクトレット部４ｂ１を設け、他方に対向電極４ｂ２を設けている。ここで、エレクトレット部４ｂ１は、静電場を発生するものである。また、対向電極４ｂ２は、エレクトレット部４ｂ１の静電場により、誘導電荷を生じさせることが可能なものである。
【００２２】
これにより本実施形態の振動発電素子１０は、発電部２として、圧電変換部２ａを備えただけの振動発電素子と比較して、発電効率をより高くすることが可能となる。
【００２３】
以下、本実施形態の振動発電素子１０の各構成について、より詳細に説明する。
【００２４】
ベース基板１は、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層（活性層）１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を利用することができる。なお、ベース基板１となるＳＯＩ基板としては、シリコン層１２ｄの表面が（１００）面のものを用いている。
【００２５】
また、本実施形態の振動発電素子１０では、ベース基板１として、ＳＯＩ基板を用いているので、後述する製造時において、ＳＯＩ基板の埋込酸化膜１２ｃをカンチレバー部１ｂの形成時におけるエッチングストッパ層として利用することができる。これにより、振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの厚さの高精度化を図れるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図ることが可能となる。なお、ベース基板１は、ＳＯＩ基板に限らず、たとえば、単結晶のシリコン基板などを用いてもよい。ベース基板１は、一表面１ａａ側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｅを形成している。
【００２６】
本実施形態の振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ａａ側において、第１電極３ａ１と第１接続配線７ａを介して電気的に接続された第１パッド電極８ａを支持部１ａに備えている。また、振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ａａ側において、第２電極３ａ２と第２接続配線７ｂを介して電気的に接続された第２パッド電極８ｂを支持部１ａに備えている。
【００２７】
本実施形態の振動発電素子１０では、ベース基板１が、平面視において、矩形枠状の支持部１ａと、支持部１ａに囲まれ上記一端が支持部１ａに揺動自在に支持されたカンチレバー部１ｂと、カンチレバー部１ｂの上記他端側の錘部１ｃとを備えている。言い換えれば、ベース基板１は、上記一端が支持部１ａに支持されたカンチレバー部１ｂおよびカンチレバー部１ｂの上記他端側に設けられた錘部１ｃが、空間１ｅを介して、支持部１ａを構成するフレームの内側に囲まれる構成としている。対向部位１ｄは、支持部１ａを構成するフレームを利用して形成している。
【００２８】
発電部２は、圧電変換部２ａと静電発電部２ｂとを有している。圧電変換部２ａは、圧電体層３ａ３の平面サイズが、第１電極３ａ１よりも小さくなるように設計している。また、圧電変換部２ａは、圧電体層３ａ３と接触する第２電極３ａ２の平面サイズが圧電体層３ａ３よりも小さくなるように設計している。ここで、圧電変換部２ａは、平面視において、第１電極３ａ１における外周縁の内側に圧電体層３ａ３が位置し、圧電体層３ａ３における外周縁の内側に圧電体層３ａ３と接する第２電極３ａ２を配置している。また、圧電変換部２ａは、第１電極３ａ１側と第２電極３ａ２側との短絡を防止する絶縁層３ａ４が第１電極３ａ１および圧電体層３ａ３それぞれの周部を覆う形で形成されている。絶縁層３ａ４は、平面視において、ベース基板１の一表面１ａａ側で圧電体層３ａ３と第２電極３ａ２との接するエリアをそれぞれ規定している。すなわち、絶縁層３ａ４の平面視形状は、圧電体層３ａ３の周部に沿った枠状となっている。これにより、絶縁層３ａ４は、第２電極３ａ２と電気的に接続された第２接続配線７ｂと第１電極３ａ１との短絡を防止することができる。
【００２９】
なお、絶縁層３ａ４は、シリコン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成してもよいし、単層膜だけでなく多層膜の構造としてもよい。また、絶縁層３ａ４は、電気絶縁性の樹脂により形成させてもよい。振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの一表面１ａａ側に形成される絶縁層３ａ４を、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜により形成することで、電気絶縁性の樹脂により絶縁層３ａ４を形成させる場合と比較して絶縁性および耐熱性をより向上させることができる。
【００３０】
また、ベース基板１は、圧電変換部２ａとベース基板１とが一表面１ａａ側の絶縁膜１２ｅにより電気的に絶縁されている。
【００３１】
発電部２を構成する圧電変換部２ａは、カンチレバー部１ｂの揺動によって、応力を受けて発電する。圧電変換部２ａでは、応力に起因する電荷の偏りが圧電体層３ａ３に発生する。そのため、圧電変換部２ａは、カンチレバー部１ｂの歪が大きいほど発電出力が大きくなる傾向にある。
【００３２】
圧電変換部２ａは、圧電体層３ａ３の圧電材料として、変形方向と電界方向とが平行となるｄ３１モードを利用したＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を用いている。なお、圧電体層３ａ３は、圧電材料としてＰＺＴに限らず、たとえば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３）、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）などを用いてもよい。
【００３３】
また、本実施形態の振動発電素子１０では、第１電極３ａ１をＰｔ膜により構成している。また、第２電極３ａ２は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成している。振動発電素子１０の第１電極３ａ１および第２電極３ａ２は、これらの材料や層構造を特に限定するものではなく、第１電極３ａ１および第２電極３ａ２それぞれを単層構造としてもよいし多層構造としてもよい。第１電極３ａ１の電極材料としては、たとえば、Ａｕ，Ａｌ，ＩｒやＩｎなどを採用してもよく、第２電極３ａ２の材料としては、たとえば、Ｍｏ，ＡｌやＰｔなどを採用してもよい。
【００３４】
本実施形態の振動発電素子１０では、平面視において、第１電極３ａ１の外周縁の内側に圧電体層３ａ３が位置している。そのため、本実施形態の振動発電素子１０は、第１電極３ａ１と圧電体層３ａ３とが略同じ平面サイズである場合に比べて、第２接続配線７ｂの下地となる部分の段差を低減できる。これにより、振動発電装置３０は、カンチレバー部１ｂの揺動に伴い圧電変換部２ａの第２接続配線７ａに断線が生ずる恐れを低減させて、信頼性を高めることも可能となる。
【００３５】
また、振動発電素子１０は、第１電極３ａ１と、第２電極３ａ２との短絡を防止する絶縁層３ａ４が、ベース基板１の一表面１ａａ側において支持部１ａ上まで延設されていてもよい。振動発電素子１０は、第２電極３ａ２と第２電極３ａ２に電気的に接続される第２パッド電極８ｂとの間の第２接続配線７ｂの全ての部位を絶縁層３ａ４上に形成し、第２パッド電極８ｂを絶縁層３ａ４の平坦な部位上に形成してもよい（図示していない）。これにより、振動発電素子１０は、第２接続配線７ｂの下地となる部分の段差を低減でき、圧電体層３ａ３の膜厚を大きくしながらも第２電極３ａ２と第２パッド電極８ｂとを電気的に接続する第２接続配線７ｂの断線の可能性をより低減することができる。
【００３６】
発電部２を構成する静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂの上記他端側の錘部１ｃにおける先端部１ｃａに、対向電極４ｂ２を構成する金属膜４ｂ２ａを備えている。金属膜４ｂ２ａは、錘部１ｃにおける先端部１ｃａの絶縁膜１２ｈに設けられている。また、静電発電部２ｂは、錘部１ｃにおける先端部１ｃａと空間１ｅを介して対向する枠状の支持部１ａの内側にエレクトレット部４ｂ１を備えている。エレクトレット部４ｂ１は、支持部１ａを構成するフレームを対向部位１ｄとして、対向部位１ｄの絶縁膜１２ｉに設けられている。
【００３７】
静電発電部２ｂは、エレクトレット部４ｂ１および対向電極４ｂ２が互いの対向面に一表面１ａａに平行で且つベース基板１の厚み方向に沿って離間する複数個の筋状の金属部４ｂ２ｂ，４ｂ１ｂを備えている。静電発電部２ｂは、エレクトレット部４ｂ１における複数個の金属部４ｂ１ｂの対向電極４ｂ２側に筋状のエレクトレット４ｂ１ｃを有している。ここで、エレクトレット４ｂ１ｃは、半永久的な電荷を持つ絶縁体から構成しており、静電場を発生する。また、対向電極４ｂ２は、金属材料（たとえば、Ａｕ、ＣｕやＡｌなど）からなる導体を用いている。なお、エレクトレット４ｂ１ｃは、高分子材料などの誘電体（たとえば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂やポリエステル樹脂など）を、図示していない外部電極から放電処理などすることで帯電させて形成することができる。
【００３８】
本実施形態の振動発電素子１０では、図１（ｃ）に示すように、静電発電部２ｂの対向電極４ｂ２が、金属膜４ｂ２ａに複数個の筋状の金属部４ｂ２ｂを備えた構造としている。静電発電部２ｂは、図示していないがエレクトレット部４ｂ１も対向電極４ｂ２と同様に、金属膜４ｂ１ａに、エレクトレット４ｂ１ｃを有する筋状の金属部４ｂ１ｂを備えた構造としている。エレクトレット部４ｂ１や対向電極４ｂ２は、筋状の金属部４ｂ１ｂや筋状のエレクトレット４ｂ１ｃを備えた構造だけに限らず、対向電極４ｂ２とエレクトレット部４ｂ１との相対的な位置の変化により発電できれば、種々の形状をとることができる。
【００３９】
以下、静電発電部２ｂにおける発電原理を図２を用いてより詳細に説明する。
【００４０】
本実施形態の振動発電素子１０の静電発電部２ｂでは、図２（ａ）に示すように、カンチレバー部１ｂの揺動のない静止状態において、エレクトレット部４ｂ１が負の電荷を持ちエレクトレット部４ｂ１が負に帯電している。また、静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂの揺動のない静止状態において、エレクトレット部４ｂ１の静電場により、対向電極４ｂ２が正電荷を持ち対向電極４ｂ２が正に帯電している。すなわち、静電発電部２ｂは、エレクトレット部４ｂ１により形成される静電場によって対向電極４ｂ２に誘導電荷が生じている。そして、静電発電部２ｂは、エレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２との間に電気を蓄えた状態となっている。
【００４１】
ここで、振動発電素子１０は、図２（ｂ）に示すように、カンチレバー部１ｂに揺動が生ずる動作状態において、静電発電部２ｂの対向電極４ｂ２とエレクトレット部４ｂ１との位置が相対的に変位する。静電発電部２ｂは、エレクトレット部４ｂ１とエレクトレット部４ｂ１に投影した対向電極４ｂ２との重なり面積が変化することによる静電誘導により発電することができる。すなわち、振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの揺動に応じて、エレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２との静電誘導を利用して発電させ、外部の負荷Ｒに電流Ｉを供給することが可能となる。なお、静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂが揺動する周波数とエレクトレット４ｂ１ｃの面積とに比例して発電量が変化する傾向にある。そのため、静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂの揺動により、カンチレバー部１ｂの先端部１ｃａの移動速度が速くカンチレバー部１ｂの歪が小さい領域ほど発電出力が大きくなる傾向にある。
【００４２】
本実施形態の振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの揺動に伴い圧電変換部２ａおよび静電発電部２ｂの双方から発電出力を得ることができる。振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの歪が小さい状態において、圧電変換部２ａでの発電出力が比較的に小さくなる傾向にある。振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの歪が大きい状態において、圧電変換部２ａでの発電出力が比較的に大きくなる傾向にある。また、振動発電素子１０は、上述したように、カンチレバー部１ｂの歪が小さい状態において、静電容量の変化が大きく静電発電部２ｂでの発電出力が比較的に大きくなる傾向にある。振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの歪が大きい状態において、静電容量の変化が小さく静電発電部２ｂでの発電出力が比較的に小さくなる傾向にある。したがって、本実施形態の振動発電素子１０では、圧電変換部２ａと静電発電部２ｂとがカンチレバー部１ｂの歪み対し、互いに補完する関係で発電することが可能となり、振動発電素子１０全体の発電効率を安定的により向上させることが可能となる。
【００４３】
なお、振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ａａ側において、対向電極４ｂ２と、対向電極４ｂ２に電気的に接続させる第３パッド電極８ｃとの間に第３接続配線７ｃを備えている。同様に、振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ａａ側において、エレクトレット部４ｂ１と、エレクトレット部４ｂ１に電気的に接続させる第４パッド電極８ｄとの間に第４接続配線７ｄを備えている。振動発電素子１０は、第４パッド電極８ｄとエレクトレット部４ｂ１とを電気的に接続させる第４接続配線７ｄを、支持部１ａを構成するフレームの対向部位１ｄに設けている（図１（ａ）を参照）。これにより、振動発電素子１０は、支持部１ａの上記一端側に第１パッド電極８ａ、第２パッド電極８ｂ、第３パッド電極８ｃ、第４パッド電極８ｄを並んで配置させることが比較的簡単に行うことができる。
【００４４】
本実施形態の振動発電素子１０は、圧電変換部２ａで発電した電力を第１パッド電極８ａと第２パッド電極８ｂとを介して外部に出力させることができる。同様に、振動発電素子１０は、静電発電部２ｂで発電した電力を第３パッド電極８ｃと第４パッド電極８ｄとを介して外部に出力させることができる。
【００４５】
以下、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法について図３ないし図８を参照しながら説明する。図３ないし図８の各紙面は、左側に振動発電素子１０の平面図を図示し、右側に振動発電素子１０の要部の略断面図を図示している。
【００４６】
まず、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、ベース基板１となる上述のＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１の一面側および他面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｅ，１２ａを熱酸化法などにより形成する（図３（ａ）を参照）。これにより、素子形成基板１１を用いて形成されるベース基板１では、ベース基板１の一表面１ａａ側に絶縁膜１２ｅを備え、ベース基板１の他表面１ａｂ側に絶縁膜１２ａを備えることになる。なお、ＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１は、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造としている。
【００４７】
その後、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、素子形成基板１１の一面側の全面に第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａの基礎となるＰｔ層からなる第１の金属膜２４を、たとえば、スパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する。第１の金属膜２４は、Ｐｔ膜に限らず、たとえば、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜でもよい。また、第１の金属膜２４は、Ａｕ膜に加え、このＡｕ膜と絶縁膜１２ｅとの間に密着性改善用の密着膜としてＴｉ膜を介在させた構成としてもよい。ここで、図示していない密着膜の材料は、Ｔｉに限らず、たとえば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮやＴａＮなどを用いてもよい。続いて、素子形成基板１１の一面側の全面に圧電材料（たとえば、ＰＺＴなど）からなる圧電体層３ａ３の基礎となる圧電膜（たとえば、ＰＺＴ膜など）２５を、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法や転写法などにより形成する（図３（ｂ）を参照）。
【００４８】
次に、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電膜２５を所定の形状にパターニングすることで圧電膜２５の一部からなる圧電体層３ａ３を形成する（図３（ｃ）を参照）。なお、本実施形態の振動発電素子１０では、第１電極３ａ１上に圧電体層３ａ３を形成しているが、圧電体層３ａ３と第１電極３ａ１との間に、圧電体層３ａ３の成膜時の下地となるシード層を介在させることで圧電体層３ａ３の結晶性を向上させてもよい。シード層の材料としては、たとえば、導電性酸化物材料の一種であるＰＬＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３）やＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ３）などが挙げられる。
【００４９】
また、所定の形状の圧電体層３ａ３を転写法で形成することで、圧電膜２５をパターニングする工程を省略することもできる。たとえば、予め、図示しない圧電膜形成用基板の一表面上にスパッタ法、ＣＶＤ法やゾルゲル法などを用いて強誘電体薄膜からなる圧電膜を成膜させておく。次に、圧電膜形成用基板の圧電膜と、素子形成基板１１に上述の第１電極３ａ１の基礎となる第１の金属膜２４とを対向配置させた状態で、透光性の圧電膜形成用基板の他表面側からレーザ光を照射させる。レーザ光は、圧電膜形成用基板と、圧電膜との界面で吸収するように照射させる。これにより、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部が剥離される。剥離した圧電膜は、素子形成基板１１の第１の金属膜２４側に転写されて圧電体層３ａ３とすることができる。レーザ光の照射する領域を制御することで、圧電膜を平面視において後に第１電極３ａ１となる第１の金属膜２４上に第１電極３ａ１の外形よりも小さい形状に転写することができる。
【００５０】
なお、圧電膜形成用基板は、素子形成基板１１よりも圧電体層３ａ３の基礎となる圧電膜との格子定数差が小さく、格子整合性のよい基板を用いることが好ましい。たとえば、圧電膜の材料としてＰＺＴを用いた場合、圧電膜形成用基板としては、単結晶ＭｇＯ基板や単結晶ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板などを用いることができる。また、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部を転写させるレーザ光は、たとえば、ＫｒＦエキシマレーザから照射させることができる。さらに、圧電膜形成用基板と、圧電膜との間に、圧電膜の結晶配向を制御するためのＰＬＴ、ＰＴＯやＳＲＯなどのシード層を設けてもよい。シード層は、圧電膜の一部を剥離するに際し、圧電膜の転写時にレーザ光を吸収させて除去される犠牲層として利用することもできる。圧電膜の転写に伴い圧電膜形成用基板の不要な破片が素子形成基板１１側に付着した場合は、適宜エッチャントにより除去してもよい。
【００５１】
このような別途に形成させた圧電膜を転写して圧電体層３ａ３を形成する転写法を用いることにより、振動発電素子１０の製造時間を短縮させることが可能となる。すなわち、上述の第１の金属膜２４の形成後に圧電体層３ａ３を成膜して振動発電素子１０を製造する方法と比較して、時間のかかる圧電膜の形成工程を第１電極３ａ１の形成工程と別途に並行して行うことができる。
【００５２】
次に、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、図３（ｃ）に示した圧電体層３ａ３を形成後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、第１の金属膜２４を所定の形状にパターニングすることで、第１の金属膜２４の一部からなる第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａを形成する（図４（ａ）を参照）。第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａは、同時に形成している。ここで、第１電極３ａ１、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａは、第１の金属膜２４をパターニングすることで、全てを同時に形成するものだけでなく、第１電極３ａ１のみを形成してもよい。
【００５３】
この場合、第１電極３ａ１を形成後、第１接続配線７ａおよび第１パッド電極８ａを別途に形成すればよい。また、第１接続配線７ａを形成する工程と、第１パッド電極８ａを形成する工程とを別々に設けてもよい。なお、第１の金属膜２４のエッチングにあたっては、たとえば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法やイオンミリング法などを適宜に採用することができる。
【００５４】
本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、第１電極３ａ１、第１接続配線７ａ、および第１パッド電極８ａを形成した後、素子形成基板１１の一面側に絶縁層３ａ４を形成する（図４（ｂ）を参照）。絶縁層３ａ４を形成する工程では、圧電体層３ａ３が形成された素子形成基板１１の一面側にレジストを塗布した後、レジストをフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板１１では、ＣＶＤ法などにより、素子形成基板１１の一面側の全面に絶縁層３ａ４の基礎となる絶縁膜を成膜した後、レジストを剥離するリフトオフ法を利用することで絶縁層３ａ４を形成している。絶縁層３ａ４を形成する工程では、リフトオフ法を用いて絶縁層３ａ４を形成する方法だけに限られず、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングにより絶縁層３ａ４を形成してもよい。素子形成基板１１の一面側には、絶縁層３ａ４の形成により、平面視矩形状の開口部３ａ４ａが形成されることになる。
【００５５】
次に、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、第２電極３ａ２を形成するため、絶縁層３ａ４の形成を行った素子形成基板１１の一面側にレジストを塗布した後、レジストをフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板１１では、第２電極３ａ２の基礎となる金属膜を蒸着して、レジストを剥離するリフトオフ法を行うことにより、第２電極３ａ２と併せて第２接続配線７ｂおよび第２パッド電極８ｂを形成させる（図４（ｃ）を参照）。なお、第２電極３ａ２は、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成することにより、第２接続配線７ｂおよび第２パッド電極８ｂと同時に形成させてもよい。また、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、第２電極３ａ２と併せて第２接続配線７ｂおよび第２パッド電極８ｂを形成しているが、これに限らず、第２電極３ａ２と、第２接続配線７ｂと第２パッド電極８ｂとを別々に行うようにしてもよい。また、第２接続配線７ｂは、第２パッド電極８ｂと別々に形成してもよい。
【００５６】
続いて、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、フォトリソグラフィ技術およびバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたエッチング技術を利用し、素子形成基板１１の一面側から支持部１ａ、カンチレバー部１ｂおよび錘部１ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ｅを除去する。これにより、素子形成基板１１のシリコン層１２ｄを露出させる（図５（ａ）を参照）。
【００５７】
次に、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、素子形成基板１１における一面側の絶縁膜１２ｅを除去した部位のシリコン層１２ｄを、ＲＩＥ法を用いたエッチングにより除去する。これにより、埋込酸化膜１２ｃを露出させて空間１ｅの一部となる第１の溝１２ｆを形成する（図５（ｂ）を参照）。
【００５８】
続いて、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、フォトリソグラフィ技術およびＢＨＦなどを用いたエッチング技術を利用し、素子形成基板１１の他面側から支持部１ａ、カンチレバー部１ｂおよび錘部１ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ａを除去する。これにより、絶縁膜１２ａの一部を除去して単結晶シリコン基板１２ｂを露出させる（図５（ｃ）を参照）。
【００５９】
本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、絶縁膜１２ａの一部を除去した後、素子形成基板１１の他面側から絶縁膜１２ａを除去した部位をＤｅｅｐ−ＲＩＥ法により、埋込酸化膜１２ｃに達する所定深さまで素子形成基板１１をエッチングする。これにより、素子形成基板１１における他面側の埋込酸化膜１２ｃを露出させて、空間１ｅの一部となる第２の溝１２ｇなどを形成する（図６（ａ）を参照）。
【００６０】
続いて、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、埋込酸化膜１２ｃの不要部分をＲＩＥ法によるエッチングにより除去し、第１の溝１２ｆと第２の溝１２ｇとを連通させて空間１ｅを形成させる（図６（ｂ）を参照）。これにより、素子形成基板１１では、カンチレバー部１ｂと併せて錘部１ｃを形成することができる。本実施形態の振動発電素子１０では、カンチレバー部１ｂの上記他端側に錘部１ｃを備えた構成としている。振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの上記他端側の錘部１ｃが空間１ｅを介して、支持部１ａを構成するフレームに囲まれる構成となる。対向部位１ｄは、フレームの一部により形成されている。
【００６１】
次に、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、錘部１ｃ側と、空間１ｅを介して対向する対向部位１ｄ側とのそれぞれに、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｈ，１２ｉを形成する（図７（ａ）を参照）。シリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｈ，１２ｉは、既に形成した圧電体層３ａ３などに損傷を与えないように、たとえば、オゾンを用いた低温での熱酸化法などにより形成する。なお、圧電体層３ａ３は、絶縁膜１２ｈ，１２ｉの形成後に、分極処理することが好ましい。
【００６２】
続いて、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、素子形成基板１１の一面側または反対の他面側から図示していないピンを備えた冶具などを利用して錘部１ｃを押圧した状態で、素子形成基板１１を冶具に固定させる。これにより素子形成基板１１は、カンチレバー部１ｂが支持部１ａに対して撓んだ状態となる。すなわち、素子形成基板１１は、カンチレバー部１ｂの上記他端側の先端部１ｃａと、先端部１ｃａに空間１ｅを介して対向する支持部１ａ側とを、ベース基板１の厚み方向において、ピンの押圧方向と反対の方向にずらすことが可能となる。素子形成基板１１は、この状態で、たとえば、スパッタ法やＥＢ蒸着法などにより、先端部１ｃａの全面に対向電極４ｂ２を構成するＡｕ層からなる金属膜４ｂ２ａを形成する。なお、素子形成基板１１は、ピンにより錘部１ｃを押圧した状態で、先端部１ｃａの全面に金属膜４ｂ２ａを形成できない場合、ピンの押圧する方向を素子形成基板１１の他面側または一面側に変えた状態で、再び金属膜４ｂ２ａの材料が成膜されてもよい。また、素子形成基板１１は、金属膜４ｂ２ａの形成に先立って、金属膜４ｂ２ａを形成させたくない素子形成基板１１の部位にマスクを形成させ、金属膜４ｂ２ａの形成後にマスクを除去してもよい。
【００６３】
また、素子形成基板１１では、金属膜４ｂ２ａの形成と同様にして、先端部１ｃａと空間１ｅを介して対向する支持部１ａ側の全面に、たとえば、スパッタ法やＥＢ蒸着法などによりＡｕ層からなる金属膜４ｂ１ａを形成する。これにより、素子形成基板１１は、カンチレバー部１ｂの上記他端側の先端部１ｃａに金属膜４ｂ１ａを形成することができる。また、素子形成基板１１には、先端部１ｃａと空間１ｅを介して対向する支持部１ａ側に金属膜４ｂ１ａを形成することができる（図７（ｂ）を参照）。なお、金属膜４ｂ１ａや金属膜４ｂ２ａは、Ａｕ膜だけに限らず、たとえば、Ｃｕ膜やＡｌ膜などを用いてもよい。また、素子形成基板１１では、金属膜４ｂ１ａや金属膜４ｂ２ａは、どちらを先に形成させてもよい。
【００６４】
続いて、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、後に形成する複数個の筋状の金属部４ｂ２ｂを金属膜４ｂ２ａに形成するため、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して筋状の金属部４ｂ２ｂの形状に対応するレジスト膜１３を金属膜４ｂ２ａ上に形成する。また、素子形成基板１１は、エレクトレット４ｂ１ｃの基礎となる樹脂材料を金属膜４ｂ１ａ上に塗布してから硬化させ樹脂膜１４を形成する（図７（ｃ）を参照）。なお、樹脂膜１４は、図示していない高電圧電源と電気的に接続させた電極と対向配置させる。樹脂膜１４は、対向配置した電極に電圧を印加することにより、エレクトレット化させることが可能となる。
【００６５】
次に、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、レジスト膜１３を介して金属膜４ｂ２ａにＡｕからなる筋状の金属部４ｂ２ｂを形成する無電解メッキ処理工程を行う。また、素子形成基板１１では、フォトリソグラフィ技術およびＯ２プラズマを利用したアッシング技術により、金属膜４ｂ１ａ上の樹脂膜１４をエッチングして筋状のエレクトレット４ｂ１ｃが形成される。さらに、素子形成基板１１では、樹脂膜１４が除去された部位の下地となる金属膜を、ＲＩＥ法を利用してエッチングし筋状の金属部４ｂ１ｂが形成される（図８（ａ）を参照）。
【００６６】
続いて、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、リフトオフ法を利用することでレジスト膜１３を剥離し、筋状の金属部４ｂ２ｂを金属膜４ｂ２ａに形成することができる（図８（ｂ）を参照）。
【００６７】
次に、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法は、素子形成基板１１の一面上に第３接続配線７ｃ、第４接続配線７ｄ、第３パッド電極８ｃおよび第４パッド電極８ｄの基礎となるＰｔ層をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、Ｐｔ層を所定の形状にパターニングすることで第３接続配線７ｃ、第４接続配線７ｄ、第３パッド電極８ｃおよび第４パッド電極８ｄを形成する（図８（ｃ）を参照）。なお、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、第３接続配線７ｃ、第４接続配線７ｄ、第３パッド電極８ｃおよび第４パッド電極８ｄを一体として形成しているが、これにだけに限られない。したがって、第３接続配線７ｃ、第４接続配線７ｄ、第３パッド電極８ｃおよび第４パッド電極８ｄは、それぞれ各別に形成してもよい。
【００６８】
また、振動発電素子１０の製造方法では、図８（ｃ）で示す素子形成基板１１への加工が終了するまでの工程をウェハレベルで行ってから、個々の振動発電素子１０に分割するダイシンク工程を行うことで、複数個の振動発電素子１０を量産性よく形成することもできる。
【００６９】
本実施形態の振動発電素子１０は、カンチレバー部１ｂの上記他端側に錘部１ｃを備えているので、錘部１ｃを有していない場合に比べて、発電出力を大きくすることができる。振動発電素子１０は、支持部１ａに揺動自在に支持されるカンチレバー部１ｂを備えていればよく、必ずしも錘部１ｃを形成させる必要はない。
【００７０】
本実施形態の振動発電素子１０は、カンチレバー部１ａの上記一端側を支持する対向電極４ｂ２側の支持部１ａと、空間１ｅを介してエレクトレット部４ｂ１側の対向部位１ｄとを一体に形成させたものだけに限られない。すなわち、振動発電素子１０は、エレクトレット部４ｂ１側を支持する支持部と、対向電極４ｂ２側を支持する対向部位とを分離可能な別体に形成してもよい。また、振動発電素子１０は、エレクトレット部４ｂ１側を支持する対向部位と、対向電極４ｂ２側を支持する支持部とを分離可能な別体に形成してもよい。振動発電素子１０は、たとえば、エレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２とを各別に形成した後、対向電極４ｂ２を備えた支持部１ａ側と、エレクトレット部４ｂ１を備えた対向部位１ｄ側とを静電誘導により発電することが可能な距離で対向配置させて形成するものでもよい。
【００７１】
また、振動発電素子１０の静電発電部２ｂは、平面視において、対向するエレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２との各々の対向する辺が一直線状に配置される構造だけに限られない。たとえば、振動発電素子１０の静電発電部２ｂは、図９（ａ）に示すように、平面視において、エレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２とがそれぞれ櫛歯形状となるように形成してもよい。静電発電部２ｂは、櫛歯形状のエレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２が相互に入り込むように配置することで、エレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２との対向する面積を増やし静電誘導により発電する発電効率をより高めることも可能となる。なお、図９に示す振動発電素子１０は、図１に示す振動発電素子１０と、静電発電部２ｂの形状以外は、同様の構成としている。
【００７２】
（実施形態２）
図１０に示す本実施形態の振動発電素子１０は、図１の振動発電素子１０と比較すると、カンチレバー部１ｂおよび対向電極４ｂ２の構造および配置位置が主として相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００７３】
本実施形態の振動発電素子１０は、実施形態１の振動発電素子１０と同様に、カンチレバー部１ｂの揺動に伴い圧電変換部２ａおよび静電発電部２ｂの双方から発電出力を得ることができるものである。
【００７４】
ここで、静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂにおける上記他端側のエレクトレット部４ｂ１と、空間１ｅを介してエレクトレット部４ｂ１に対向する対向電極４ｂ２とを備えている。エレクトレット部４ｂ１は、先端部１ｃａに設けられたエレクトレット４ｂ１ｅと、エレクトレット４ｂ１ｅを覆いベース基板１の一表面１ａａに平行で且つベース基板１の厚み方向に離間する複数個の筋状の第１金属部４ｂ１ｄとを備えている。エレクトレット部４ｂ１は、隣接する第１金属部４ｂ１ｄと第１金属部４ｂ１ｄとの間でエレクトレット４ｂ１ｅが露出している。また、静電発電部２ｂは、対向電極４ｂ２が互いに極性の異なる一対の電極４ｂ２１，４ｂ２２を備えている。対向電極４ｂ２は、一対の電極４ｂ２１，４ｂ２２における一方の電極４ｂ２１がベース基板１の一表面１ａａに平行で且つベース基板１の厚み方向に離間する複数個の筋状の第２金属部４ｂ２ｂを備えている。また、対向電極４ｂ２は、一対の電極４ｂ２１，４ｂ２２における他方の電極４ｂ２２がベース基板１の一表面１ａａに平行で且つベース基板１の厚み方向に離間する複数個の筋状の第３金属部４ｂ２ｃを備えている。筋状の第３金属部４ｂ２ｃは、隣接する第２金属部４ｂ２ｂと第２金属部４ｂ２ｂとの間に設けられている（図１０（ｃ）を参照）。
【００７５】
言い換えれば、エレクトレット部４ｂ１は、第１金属部４ｂ１ｄと第１金属部４ｂ１ｄとの間でエレクトレット４ｂ１ｃが露出している。複数個の筋状の第１金属部４ｂ１ｄは、それぞれ端部において接続されているものの、電気的にどこにも接続されていないフローティング状態としている。また、静電発電部２ｂは、第１金属部４ｂ１ｄと第１金属部４ｂ１ｄとの間で露出するエレクトレット４ｂ１ｃに対向して、対向電極４ｂ２の一方の電極４ｂ２１における第２金属部４ｂ２ｂが配置される。同様に、静電発電部２ｂは、第１金属部４ｂ１ｄに対向して、対向電極４ｂ２の他方の電極４ｂ２２における第３金属部４ｂ２ｃが配置される。対向電極４ｂ２は、図１０（ｃ）に示すように、複数個の筋状の第２金属部４ｂ２ｂと第３金属部４ｂ２ｃとを交互に入れ子に配置させている。一対の電極４ｂ２１，４ｂ２２のうち、一方の電極４ｂ２１は、ベース基板１の一表面１ａａ側で第３接続配線７ｃを介して第３パッド電極８ｃと電気的に接続されている。第３パッド電極８ｃは、支持部１ａの一表面１ａａ側に設けられている。一対の電極４ｂ２１，４ｂ２２のうち、他方の電極４ｂ２２は、ベース基板１の一表面１ａａ側に、第４接続配線７ｄを介して第４パッド電極８ｄと電気的に接続されている。第４パッド電極８ｄは、支持部１ａの一表面１ａａ側に設けられている。
【００７６】
なお、筋状の第１金属部４ｂ１ｄ、第２金属部４ｂ２ｂおよび第３金属部４ｂ２ｃそれぞれの数は、ベース基板１の厚みなどに合わせて適宜に増減することができる。図１０（ｂ）と図１０（ｃ）とでは、第１金属部４ｂ１ｄ、第２金属部４ｂ２ｂおよび第３金属部４ｂ２ｃの数が一致していないが、各金属部の形状を説明するため模式的に示した斜視図のためである。
【００７７】
本実施形態の振動発電素子１０の静電発電部２ｂは、図１１（ａ）に示すように、カンチレバー部１ｂの揺動のない静止状態において、エレクトレット部４ｂ１が負の電荷を持ちエレクトレット部４ｂ１が負に帯電している。また、静電発電部２ｂは、カンチレバー部１ｂの揺動のない静止状態において、エレクトレット部４ｂ１の静電場により、対向電極４ｂ２のうち、露出したエレクトレット４ｂ１ｅと対向する第２金属部４ｂ２ｂが正の電荷を持ち第２金属部４ｂ２ｂが正に帯電している。すなわち、静電発電部２ｂは、エレクトレット４ｂ１ｅと、対向電極４ｂ２における他方の電極４ｂ２２との間に電気を蓄えた状態となっている。
【００７８】
ここで、振動発電素子１０は、図１１（ｂ）に示すように、カンチレバー部１ｂに揺動が生ずる動作状態において、静電誘導を利用して発電させ、対向電極４ｂ２の一対の電極４ｂ２１，４ｂ２２から負荷Ｒに電流Ｉを供給することが可能となる。
【００７９】
以下、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法について、図１２を参照しながら説明する。
【００８０】
本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、支持部１ａ側のエレクトレット部４ｂ１と、対向部位１ｄ側の対向電極４ｂ２とを各別に形成する。その後、振動発電素子１０の製造方法では、エレクトレット部４ｂ１を備えた支持部１ａ側と対向電極４ｂ２を備えた対向部位１ｄ側とを、静電誘導により発電することが可能な距離で対向配置させて振動発電素子１０を形成している。
【００８１】
本実施形態の振動発電素子１０は、図１２（ａ）（ｂ）では、図１２の紙面の下側において、エレクトレット部４ｂ１側の形成工程を示し、図１２の紙面の上側において、対向電極４ｂ２の形成工程を示している。静電発電部２ｂは、エレクトレット部４ｂ１側において、ベース基板１の先端部１ｃａ側にエレクトレット４ｂ１ｅの基礎となる樹脂材料を塗布し硬化させる。静電発電部２ｂは、硬化させた樹脂材料に電圧を印加させてエレクトレット４ｂ１ｅを形成する（図１２（ａ）を参照）。次に、振動発電素子１０は、エレクトレット４ｂ１ｅの全面にエレクトレット部４ｂ１を構成する第１金属部４ｂ１ｄの基礎となる金属膜２６を、たとえば、スパッタ法やＥＢ蒸着法などにより形成する（図１２（ｂ）を参照）。
【００８２】
また、本実施形態の振動発電素子１０では、対向電極４ｂ２側となる対向部位１ｄにおいて、ＣＶＤ法などにより、シリコン酸化膜２７を対向部位１ｄに形成する（図１２（ａ）を参照）。次に、対向部位１ｄ側では、スパッタ法やＥＢ蒸着法などにより、シリコン酸化膜２７上に金属膜２８を形成する（図１２（ｂ）を参照）。
【００８３】
エレクトレット部４ｂ１側において、ベース基板１の先端部１ｃａ側では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜２６をエッチングして、第１金属部４ｂ１ｄをエレクトレット４ｂ１ｅに形成する。対向部位１ｄ側では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜２８をエッチングして、対向電極４ｂ２を構成する一対の電極４ｂ２１，４ｂ２２を形成する。そして、振動発電素子１０は、各別に形成したエレクトレット部４ｂ１と対向電極４ｂ２とを静電誘導により発電することが可能な距離で対向配置され構成することができる（図１２（ｃ）を参照）。
【００８４】
これにより本実施形態の振動発電素子１０は、発電部２として、圧電変換部２ａを備えただけの振動発電素子と比較して、発電効率をより高くすることが可能となる。
【００８５】
また、本実施形態の振動発電素子１０では、エレクトレット４ｂ１ｅを先端部１ｃａに形成させた後、電気的にフローティング状態とする第１金属部４ｂ１ｄを形成しているため、筋状に露出したエレクトレット４ｂ１ｅを比較的簡単に形成することができる。振動発電素子１０は、樹脂材料からなるエレクトレット４ｂ１ｅをパターニングする代わりに、樹脂材料と比較してパターニングが比較的容易な金属材料を用いてパターニングしている。言い換えれば、振動発電素子１０は、先端部１ｃａの一端面に広がって形成されたエレクトレット４ｂ１ｅ上に第１金属部４ｂ１ｄをガード電極として形成してエレクトレット４ｂ１ｅを部分的に隠している。また、振動発電素子１０は、エレクトレット部４ｂ１側と、対向電極４ｂ２側とを別途に形成した後、組み合わせることで、エレクトレット部４ｂ１側および対向電極４ｂ２側それぞれを比較的簡単に形成することができる。
【００８６】
（実施形態３）
図１３に示す本実施形態の振動発電装置３０は、図１に示す実施形態１の振動発電素子１０を用いて構成している。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００８７】
本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０の第１パッド電極８ａおよび第２パッド電極８ｂから出力される二相交流を整流する二相全波整流回路により構成される第１整流回路部３４を備えている。同様に、振動発電装置３０は、振動発電素子１０の第３パッド電極８ｃおよび第４パッド電極８ｄから出力される二相交流を整流する二相全波整流回路により構成される第２整流回路部３５を備えている。また、振動発電装置３０は、第１整流回路部３４と第２整流回路部３５との各出力端の両端間と電気的に接続させる蓄電素子３６を備えている。振動発電装置３０は、振動発電素子１０や蓄電素子３６を実装する配線基板３１を備えている。配線基板３１には、第１整流回路部３４および第２整流回路部３５を構成している。また、配線基板３１は、配線パターンによって振動発電素子１０側と蓄電素子３６側とを、第１整流回路部３４や第２整流回路部３５を介して、電気的に接続させている。さらに、配線基板３１は、蓄電素子３６と電気的に接続させた配線パターンの端部に一対の出力端子３１，３２を備えている。配線基板３１は、貫通孔３１ａを設けており、振動発電素子１０のカンチレバー部１ｂが振動しても配線基板３１側と振動発電素子１０側とが干渉しない構成としている。振動発電装置３０は、振動発電素子１０で発電した電力を蓄電素子３６に蓄電させる。振動発電装置３０は、蓄電素子３６の電力を一対の出力端子３１，３２から外部に出力することができる。なお、振動発電装置３０は、振動発電装置３０に接続される図示しない負荷の容量に応じて、蓄電素子３６と負荷との間にＤＣ／ＤＣ変換部を適宜に設けて負荷側に供給する電圧を適宜に昇圧または降圧させる構成としてもよい。
【００８８】
言い換えれば、本実施形態の振動発電装置３０は、振動発電素子１０の圧電変換部２ａからの交流電流を整流する第１整流回路部３４と、振動発電素子１０の静電発電部２ｂからの交流電流を整流する第２整流回路部３５とを備えている。すなわち、振動発電装置３０は、圧電変換部２ａ用の第１整流回路部３４と静電発電部２ｂ用の第２整流回路部３５とを各別に備えている。また、振動発電装置３０は、第１整流回路部３４および第２整流回路部３５と電気的に接続して電力を蓄電する蓄電素子３６を備えている。これにより、振動発電装置３０は、圧電変換部２ａでの発電出力と静電発電部２ｂでの発電出力との大きさが異なっていても、効率よく蓄電素子３６に蓄電することが可能となる。また、振動発電装置３０は、圧電変換部２ａと静電発電部２ｂとのうち、発電出力の大きい方から発電出力の小さい方へ電流が逆流することを抑制することも可能となる。
【００８９】
なお、本実施形態の振動発電装置３０は、実施形態１の振動発電素子１０を用いたものだけでなく、実施形態２の振動発電素子１０を用いても同様にして振動発電装置３０を構成することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１  ベース基板
１ａ  支持部
１ａａ  一表面
１ｂ  カンチレバー部
１ｃａ  先端部
１ｄ  対向部位
１ｅ  空間
２  発電部
２ａ  圧電変換部
２ｂ  静電発電部
３ａ１  第１電極
３ａ２  第２電極
３ａ３  圧電体層
４ｂ１  エレクトレット部
４ｂ１ｃ、４ｂ１ｅ  エレクトレット
４ｂ１ｄ  第１金属部
４ｂ２  対向電極
４ｂ２ｂ  第２金属部
４ｂ２ｃ  第３金属部
４ｂ２１，４ｂ２２  電極
１０  振動発電素子
３０  振動発電装置
３４  第１整流回路部
３５  第２整流回路部
３６  蓄電素子
【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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