專利名稱：振動發(fā)電器、振動發(fā)電裝置及搭載了振動發(fā)電裝置的通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動發(fā)電器、振動發(fā)電裝置以及搭載了振動發(fā)電裝置的通信裝置，尤 其涉及使用了駐極體的靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器、振動發(fā)電裝置以及搭載了該振動發(fā)電裝置 的通信裝置。
背景技術(shù)：
對可變?nèi)萘康囊粋€(gè)電極提供電荷，利用靜電感應(yīng)將電荷引導(dǎo)至相向的電極，利用 容量的變化，使引導(dǎo)產(chǎn)生的電荷發(fā)生變化，將該電荷變化作為電能取出的靜電感應(yīng)型振動 發(fā)電裝置已經(jīng)被提出(例如參照專利文獻(xiàn)1)。圖14表示所述專利文獻(xiàn)1中記載的靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器。圖14是使用駐極體 的振動發(fā)電器10的概略剖視圖。該靜電感應(yīng)型發(fā)電器10由具備多個(gè)導(dǎo)電性表面區(qū)域13的第1基板11和具備多 個(gè)駐極體材料區(qū)域15的第2基板16構(gòu)成。所述第1基板11與所述第2基板16相互隔開 指定間隔配置。包括駐極體材料區(qū)域15的第2基板16被固定。包括導(dǎo)電性表面區(qū)域13 的第1基板11經(jīng)由彈簧19與固定結(jié)構(gòu)17連接。彈簧19與第1基板11的兩個(gè)側(cè)面連接， 并且與固定結(jié)構(gòu)17連接。利用該彈簧19，第1基板11能夠返回固定位置，或者第1基板 11能夠進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(例如X軸方向運(yùn)動)并返回固定位置。利用該運(yùn)動，產(chǎn)生駐極體材 料區(qū)域15與相向的導(dǎo)電性表面區(qū)域13的重合面積的增減，導(dǎo)電性表面區(qū)域13上產(chǎn)生電荷 的變化。靜電感應(yīng)型發(fā)電器將該電荷變化作為電能取出，據(jù)此進(jìn)行發(fā)電。但是，在圖14的靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器中，控制使得第1基板在X軸方向(圖中 箭頭18的方向)以外的方向上不進(jìn)行振動。因此，該靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器100無法將X 軸方向以外的方向的外部振動作為電能取出。為了解決該問題，提出了能夠?qū)⒍喾较虻耐?部振動用于發(fā)電的靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器(例如參照專利文獻(xiàn)2)。圖15表示所述專利文獻(xiàn)2中記載的靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器。圖15是使用駐極體 的振動發(fā)電器的概略剖視圖。在圖15所示的振動發(fā)電器20中，駐極體電極22C以及可動電極25C分別包括以 二維陣列配置的多個(gè)電極焊盤22L、25L。因此，比較容易做到使可動電極25C僅在X軸方 向(箭頭27a)上移動一定距離時(shí)產(chǎn)生的可動電極25c與駐極體電極22C的重合面積的變 化量與可動電極25C僅在Y軸方向(箭頭27b)上移動所述一定距離時(shí)產(chǎn)生的所述重合面 積的變化量相同。另外，圖15所示的振動發(fā)電器是能夠使關(guān)于X軸方向與Y軸方向移位相 互相同的距離時(shí)的發(fā)電量相等，不僅能對X軸方向，也能對Y軸方向的外部振動進(jìn)行發(fā)電的 結(jié)構(gòu)。駐極體本身已經(jīng)是公知的技術(shù)。例如，作為駐極體的材料已經(jīng)知道有機(jī)系統(tǒng)的高 分子聚合體(FEP(四氟乙烯與六氟丙烯的共聚物))。另外，作為無機(jī)材料已知硅氧化膜，另 外，提出了使用絕緣膜覆蓋硅氧化膜以防止電荷逃逸的結(jié)構(gòu)(例如專利文獻(xiàn)3)。
專利文獻(xiàn)1 特表2005-529574號公報(bào)(第10-11頁、圖4)專利文獻(xiàn)2 特開2008-86190號公報(bào)(第6-7頁、圖6)專利文獻(xiàn)3 國際公開第2005/050680號小冊子(第2頁、圖3)

發(fā)明內(nèi)容
但是，在所述專利文獻(xiàn)2所示的振動發(fā)電器中，為了將XY平面內(nèi)的任意方向的振 動轉(zhuǎn)換為電力，采用在駐極體電極22C的周圍不配置駐極體電極的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是，與相同 大小的振動發(fā)電器相比，駐極體電極的可配置區(qū)域(駐極體電極的總面積)減少。因此，具 有如下問題，即與一個(gè)振動方向(僅X軸或Y軸方向)上的發(fā)電量相比，發(fā)電量比專利文獻(xiàn) 1中記載的結(jié)構(gòu)的裝置有所減少。另外，在專利文獻(xiàn)2記載的振動發(fā)電器中，為了分割駐極體電極，必須進(jìn)行穿透布 線等。這也產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)以及加工變得復(fù)雜等問題。本發(fā)明為了解決上述以往的振動發(fā)電器的問題而作。本發(fā)明的目的尤其在于增加 配置駐極體電極的區(qū)域(即駐極體電極的總面積)，提供一種增加了發(fā)電量的振動發(fā)電器。 并且，本發(fā)明的目的在于提供一種改善了發(fā)電效率的振動發(fā)電器。并且，本發(fā)明的目的在于 使用這種振動發(fā)電器，提供一種振動發(fā)電裝置以及搭載了振動發(fā)電裝置的通信裝置。本發(fā)明提供一種振動發(fā)電器，包括在第1基板上形成的第1電極，以及在第2基板上形成的第2電極；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者能夠在與所述第1以及第2基板平 行的平面內(nèi)的第1軸方向以及與所述第1軸方向垂直的第2軸方向上振動；所述第1電極具有在所述第1基板上具有與所述第1軸方向以及所述第2軸方向 平行的邊的長方形或正方形的導(dǎo)體部配置為交錯格子狀的結(jié)構(gòu)；所述第2電極具有在所述第2基板上具有與所述第1軸方向以及所述第2軸方向 平行的邊的長方形或正方形的導(dǎo)體部配置為交錯格子狀的結(jié)構(gòu)；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者包括保持電荷的膜；所述第1電極與所述第2電極以在它們之間具有間隙的狀態(tài)相互相向。在本發(fā)明的振動發(fā)電器中，作為駐極體電極的第1電極以及作為檢測電極的第2 電極具有長方形或正方形的導(dǎo)體部配置為交錯格子狀的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的振動發(fā)電器中，在 與基板平行的面中的第1軸方向(例如X軸方向)或與第1軸方向垂直的方向(例如Y軸 方向)上，第1以及第2電極中的任意一者由于外部施加的力而振動，由此第1電極的導(dǎo)體 部與第2電極的導(dǎo)體部的重合面積發(fā)生變化，據(jù)此進(jìn)行發(fā)電。通過本結(jié)構(gòu)，能夠增加駐極體 電極與檢測電極的重合面積，其結(jié)果是，能夠增加可因振動而發(fā)電的區(qū)域，進(jìn)而能夠增加發(fā) 電量。另外，根據(jù)本結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?gòu)成駐極體電極的導(dǎo)電部在基板上簡單容易地進(jìn)行電連 接，能夠減少制作工作量。本發(fā)明的振動發(fā)電器可以具有如下結(jié)構(gòu)，即還包括固定結(jié)構(gòu)體；所述固定結(jié)構(gòu)體與所述第1基板利用彈性結(jié)構(gòu)體連接；所述第2基板與所述固定結(jié)構(gòu)體被固定；在與所述第1軸方向平行的方向上使所述第1基板振動的彈性結(jié)構(gòu)體的所述第1軸方向的彈性常數(shù)與在與所述第2軸方向平行的方向上使所述第1基板振動的彈性結(jié)構(gòu)體 的所述第2軸方向的彈性常數(shù)相互不同。根據(jù)本結(jié)構(gòu)，第1基板的振動的共振頻率在第1軸方向(X軸方向)與第2軸方 向(Y軸方向)上為不同的值，能夠防止第1基板在第1軸方向以及第2軸方向以外的方向 (例如，與第1軸方向所成的銳角為45度的傾斜方向)上移位。其結(jié)果是，能夠在本發(fā)明的 振動發(fā)電器中防止發(fā)電量的降低。在利用彈性結(jié)構(gòu)體將固定結(jié)構(gòu)體與第2基板連接的情況 下，也能通過與上述方式相同地選擇彈性體的彈性常數(shù)，得到相同的效果。本發(fā)明還提供一種振動發(fā)電器，包括在第1基板上形成的第1電極，以及在第2基板上形成的第2電極；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者能夠在與所述第1以及第2基板平 行的平面內(nèi)的第1軸方向以及與所述第1軸方向垂直的第2軸方向中的至少一者上振動；所述第1電極具有在所述第1基板上配置多個(gè)導(dǎo)體部的結(jié)構(gòu)；所述第2電極具有在所述第2基板上配置多個(gè)導(dǎo)體部的結(jié)構(gòu)；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者包括保持電荷的膜；所述第1電極與所述第2電極以在它們之間具有間隙的狀態(tài)相互相向；所述第2基板中形成所述第2電極的區(qū)域的外接面積大于所述第1基板中形成所 述第1電極的區(qū)域的外接面積。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，即使在第1電極對第2電極大幅移位的情況下，駐極體電極與檢測電 極的重合面積相對于初始狀態(tài)(即不振動的狀態(tài))的面積也不發(fā)生變化，能夠保持恒定。其 結(jié)果是，無論第1基板的移位量(或振幅)的大小為多少，都能將發(fā)電量保持恒定。本發(fā)明還提供一種包括所述本發(fā)明的振動發(fā)電器的振動發(fā)電裝置。與以往的振動 發(fā)電裝置和包括具有相同尺寸(尤其是形成電極的區(qū)域的外接面積)的振動發(fā)電器的振動 發(fā)電裝置相比，本發(fā)明的振動發(fā)電裝置的發(fā)電量更大。本發(fā)明的振動發(fā)電裝置可以包括蓄電電路。通過包括蓄電電路，在來自振動發(fā)電 器的輸出電力較大的情況下，能夠在蓄電電路中積蓄電力。在蓄電電路中積蓄的電力在來 自發(fā)電器的輸出電力降低的情況下被供給，據(jù)此能夠使振動發(fā)電裝置的輸出保持穩(wěn)定。本發(fā)明還提供一種包括本發(fā)明的振動發(fā)電裝置的通信裝置。與僅用電池驅(qū)動的通 信裝置相比，本發(fā)明的通信裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電池更換次數(shù)的減少，或者在某些用途下能夠消 除電池更換的必要。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明的振動發(fā)電器，能夠在不降低發(fā)電效率的情況下，使相向的兩個(gè)電極 中的一者受到來自外部的力后在X軸方向以及與X軸方向垂直的方向(Y軸方向)上振動， 并將該振動轉(zhuǎn)換為電力。另外，本發(fā)明的振動發(fā)電裝置包括本發(fā)明的振動發(fā)電器，能夠供給 較高輸出的電力。另外，在本發(fā)明的振動發(fā)電裝置包括蓄電電路的情況下，能夠使輸出電壓 較為穩(wěn)定。本發(fā)明的振動發(fā)電器能夠作為通信裝置的電源起作用。本發(fā)明的振動發(fā)電裝置 能夠使用從外部提供的力(例如，人步行時(shí)施加的力，或者駕駛車輛期間施加的振動等)進(jìn) 行發(fā)電，因此使用本發(fā)明的振動發(fā)電裝置的通信裝置在能夠減少電池更換等的維護(hù)次數(shù)等 節(jié)省資源以及環(huán)境保護(hù)的方面是有利的。


圖1 (a)是本發(fā)明的實(shí)施方式1的振動發(fā)電器的俯視圖，(b)是表示(a)所示的振 動發(fā)電器的第2電極的配置的俯視圖。圖2是表示在圖1所示的振動發(fā)電器中，沿著A-A截?cái)嗟牡?電極結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的振動發(fā)電器的另一電極結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖4是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的振動發(fā)電器的第1電極與第2電極的關(guān)系的圖。圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的振動發(fā)電器的另一結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖6是本發(fā)明的實(shí)施方式2的振動發(fā)電器的圖。圖7是表示由步行產(chǎn)生的振動的加速度功率譜的測量結(jié)果的例子的曲線。圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式3的振動發(fā)電器的圖。圖9是本發(fā)明的實(shí)施方式3的變形例的振動發(fā)電器的圖。圖10是包括彈性結(jié)構(gòu)體的具體例子的、發(fā)明的實(shí)施方式3的變形例的振動發(fā)電器 的圖。圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的振動發(fā)電裝置的模塊圖。圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的振動發(fā)電裝置的各部分的電壓波形的圖。圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4的通信裝置的圖。圖14是以往的靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器的俯視圖。圖15是以往的將多軸方向的振動轉(zhuǎn)換為電力的靜電感應(yīng)型振動發(fā)電器的俯視 圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。(實(shí)施方式1)圖1表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的振動發(fā)電器，(a)是振動發(fā)電器100的俯視圖，(b) 是構(gòu)成振動發(fā)電器100的、包括形成第2電極105的第2基板106的第2結(jié)構(gòu)體108的俯 視圖。在圖1的(a)中，為了便于理解，示出了在第1基板101上形成的第1電極104。在 實(shí)際的振動發(fā)電器中，第1電極與第2電極是相向的，因此不會顯露在外面。振動發(fā)電器100由第1結(jié)構(gòu)體107與第2結(jié)構(gòu)體108構(gòu)成。第1結(jié)構(gòu)體107包括 第1基板101以及固定結(jié)構(gòu)體103，第1電極104在第1基板101上形成。第1基板101利 用彈性結(jié)構(gòu)體102X、102Y與固定結(jié)構(gòu)體103連接，能夠在圖示的X軸方向以及Y軸方向上 振動。彈性結(jié)構(gòu)體102X、102Y具有利用從外部提供的力進(jìn)行伸縮，以使第1基板101振 動的性質(zhì)。彈性結(jié)構(gòu)體具體而言可以是使用了彈簧或彈性體(elastomer)材料(例如派瑞 林(parylene)樹脂)的結(jié)構(gòu)體?；蛘?，彈性結(jié)構(gòu)體可以是在加工(例如深反應(yīng)離子蝕刻 (deep RIE)) 一片硅半導(dǎo)體基板以制作固定結(jié)構(gòu)體103與第1基板101時(shí)在兩者之間以橋 的形狀留下一部分半導(dǎo)體基板而形成的。通過適當(dāng)選擇橋狀部分的形狀以及尺寸，能夠使 硅半導(dǎo)體基板作為彈性結(jié)構(gòu)體起作用。第2結(jié)構(gòu)體108包括第2電極105，第2電極105在第2基板106上形成于與第1電極104相向的位置。第1結(jié)構(gòu)體107與第2結(jié)構(gòu)體108以使第1電極104與第2電極105相互面對 的方式?jīng)Q定位置，并相互連接。更具體而言，在圖1所示的方式中，第1電極104的導(dǎo)體部 104a不存在的部分(大致正方形的空白部)與第2電極105的導(dǎo)體部105a重合，并且，以 形成第2電極105的區(qū)域不從形成第1電極104的區(qū)域中露出的方式，決定兩個(gè)結(jié)構(gòu)體100 以及108的位置。兩個(gè)結(jié)構(gòu)體107以及108的連接以固定結(jié)構(gòu)體103的一部分或全部區(qū)域與第2基 板106連接的方式進(jìn)行。連接可以使用粘合劑等進(jìn)行，或者可以利用共晶連接進(jìn)行?；蛘撸?只要能夠以所需的方式控制兩個(gè)相向電極間的距離，可以使用其他連接手段(例如焊錫)。 通過以此方式固定第2基板106與固定結(jié)構(gòu)體103，成為形成于第1基板101上的第1電極 104能夠?qū)Φ?基板進(jìn)行相對移位的結(jié)構(gòu)。第1電極104與第2電極105之間的距離還依賴于固定結(jié)構(gòu)體103以及后述的駐 極體的尺寸，但一般而言設(shè)定為數(shù)μ m 數(shù)100 μ m，尤其設(shè)定為數(shù)μ m 30 μ m左右。在構(gòu) 成各電極的導(dǎo)體部或其上面形成其他層的情況下，兩個(gè)電極間的距離是該層的表面間的距罔。第1基板101以及第2基板106可以利用例如玻璃基板或半導(dǎo)體基板。半導(dǎo)體基 板可以使用例如高阻抗硅半導(dǎo)體基板或SOI基板。接著，進(jìn)行關(guān)于電極配置的說明。第1電極104以及第2電極105具有多個(gè)大致正 方形的導(dǎo)體部104a以及105a。這些導(dǎo)體部104a以及105a如圖1 (a)以及(b)所示配置為 交錯格子狀(或者方格圖案)。即，在一行上交互配置大致正方形的導(dǎo)體部104a (或105a) 與空白部(無導(dǎo)體部104a (或105a)的部分)，在下一行上，前一行的導(dǎo)體部104a (或105a) 處配置空白部，前一行的空白部的相鄰處配置導(dǎo)體部104a(或105a)。在第1電極104中， 導(dǎo)體部104a在其四角(4個(gè)角落)處與其他導(dǎo)體部104a電連接。在第2電極105中，與第 1電極104不同，導(dǎo)體部105a的面積小于位于上下左右的不存在導(dǎo)體的部分(在圖1中是 位于陰影部分之間的白色部分)的面積，因此通過使用較細(xì)的導(dǎo)體部(布線電極)連接四 角中的至少一個(gè)，確保導(dǎo)體部105a整體的電連接。在圖示的方式中，導(dǎo)體部105a與在X軸 以及Y軸方向上延伸的公共布線105b連接，公共布線105b用于向外部輸出電力。第1電極104以及第2電極105(即它們的導(dǎo)體部104a以及105a)由具有導(dǎo)電性 的材料形成。具有導(dǎo)電性的材料可以是銅、銀、金、鐵或鋁，或者由這些金屬形成的合金，或 者摻雜了雜質(zhì)的硅或多晶硅。第1電極104以及第2電極105的導(dǎo)體部可以利用布線基 板的領(lǐng)域中使用的圖案形成(patterning)的方法(包括導(dǎo)電膜的形成與通過蝕刻進(jìn)行的 指定圖案的形成)形成?；蛘?，電極的導(dǎo)體部可以使用例如使用了掩膜的濺射法、蒸鍍法或 CVD法形成。接著，進(jìn)行關(guān)于構(gòu)成第1電極104的、保持電荷的膜(即駐極體)的說明。第1電 極104具有導(dǎo)體部104a，并且具有保持電荷的膜狀的駐極體。作為構(gòu)成駐極體的材料，可 以舉出聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyester terephthalate, PET)、以及聚氯乙烯 (polyvinylchlorid,PVC)等高分子材料，或者氧化硅等無機(jī)材料。在包括圖示方式的本發(fā) 明的振動發(fā)電器中，較為理想的是，作為駐極體的材料，使用絕緣耐壓以及耐熱性優(yōu)異的氧 化硅。
另外，為了提高耐濕性，較為理想的是，通過硅氮化膜等絕緣膜，使氧化硅的周圍 完全被覆蓋。即，較為理想的是，使用絕緣膜密封氧化硅膜，從而使氧化硅的膜的任意面 (上面、下面以及側(cè)面)均不露出，并且與其他膜或基板不直接接觸。該結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況在 后面描述。進(jìn)行關(guān)于以上述方式構(gòu)成的振動發(fā)電器的動作的說明。在施加來自外部的力或振動后，振動發(fā)電器100的彈性結(jié)構(gòu)體102X及/或102Y進(jìn) 行伸縮，據(jù)此第1基板101在X軸方向或Y軸方向上振動，對第2基板106進(jìn)行相對移位。 該相對移位帶來第1電極104的導(dǎo)體部104a與第2電極105的導(dǎo)體部105a的重合面積的 增減。利用該重合面積的增減，被引導(dǎo)至第2電極105的電荷量發(fā)生增減。將該電荷的增 減作為電能取出，以產(chǎn)生電力。另外，只要第1基板101持續(xù)振動，該重合面積的增減便會 持續(xù)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的振動發(fā)電器100，能夠取得以下效果。(1)從外部施加力或振動后，能夠在不降低發(fā)電效率的情況下，將X軸方向以及與 X軸垂直的方向(Y軸方向)上的基板的振動轉(zhuǎn)換為電力。(2)易于進(jìn)行駐極體電極的電連接。對上述(1)的效果進(jìn)行詳細(xì)說明。第1電極104以及第2電極105具有其導(dǎo)體部 104a以及105b配置為交錯格子狀(方格圖案狀)的圖案。另外，第1基板101在X軸方 向上振動時(shí)導(dǎo)體部的重合面積的增減與在Y軸方向上振動時(shí)重合面積的增減大致相同。因 此，在X軸方向上振動時(shí)的發(fā)電量與在與X軸方向垂直的方向(Y軸方向)上振動時(shí)的發(fā)電 量相同。為了進(jìn)行簡化，假設(shè)在兩個(gè)基板上對發(fā)電做出貢獻(xiàn)的電極區(qū)域的X軸方向以及Y 軸方向的尺寸相同(即，將導(dǎo)體部配置為交錯格子狀的、電極整體的形狀為大致正方形)， 由駐極體電極產(chǎn)生的電荷的引導(dǎo)僅在兩個(gè)電極的導(dǎo)體部位于相向的位置時(shí)發(fā)生。在本實(shí)施 方式的振動發(fā)電器中，在使電極的重合面積最大(即，第1電極104的導(dǎo)體部104a與第2電 極105的導(dǎo)體部105a完全重合)時(shí)的值為100，最小時(shí)(即，第1電極104的導(dǎo)體部104a 與不存在第2電極105的導(dǎo)體部105a的格子重合)時(shí)的值為0的情況下，第1基板101在 X軸方向以及Y軸方向中的任意一個(gè)方向上振動，重合面積的最大值均為100，最小值均為 0。換言之，根據(jù)本實(shí)施方式的振動發(fā)電器能夠在不降低發(fā)電效率的情況下，將兩個(gè)軸方向 的來自外部的振動轉(zhuǎn)換為電力。接著，參照圖2對上述(2)的效果進(jìn)行說明。第1電極104中，例如在基板上將膜 狀的導(dǎo)電部111(相當(dāng)于圖1的104a)配置為交錯格子狀，配置為圖2所示的交錯格子狀的 導(dǎo)電部111的四角與其他導(dǎo)電部111接觸，因此相互電連接?；蛘?，在導(dǎo)電部如圖1(b)所 示那樣四角相互不接觸的情況下，可以經(jīng)由較細(xì)的導(dǎo)體部(布線電極)連接導(dǎo)電部。在導(dǎo) 電部111上，硅氮化膜112、硅氧化膜113和硅氮化膜114層積配置。關(guān)于作為駐極體的硅 氧化膜113，較為理想的是，在硅氧化膜113的形成之前先形成硅氮化膜112，在形成硅氧化 膜113之后形成硅氮化膜114，由此利用硅氮化膜113完全覆蓋。據(jù)此，提高硅氧化膜的耐 濕性，防止駐極體中所帶的電荷的逃逸。僅僅使用上述材料形成膜，還無法作為駐極體起作用。為了使之作為駐極體起作 用，在使用駐極體的材料形成膜之后，需要在該膜中注入電荷的步驟(上電)。在上電時(shí)，如果將導(dǎo)電部形成為具有共同電位，則能夠取得良好的器件特性。雖然圖2中并未示出，但硅氮化膜112、114以導(dǎo)電部111能夠與外部端子進(jìn)行電 連接的方式形成。只要以至少覆蓋硅氧化膜113的方式形成硅氮化膜112、114，硅氮化膜 112、114不必在基板的整個(gè)面上成膜，可以按照使導(dǎo)電部的一部分露出的方式形成。硅氧化膜(駐極體)112與導(dǎo)電部111同樣形成為交錯格子狀，并且如圖示的那樣 以覆蓋導(dǎo)電部111的一部分的方式(即，從上面觀察時(shí)，具有比導(dǎo)電部111小的面積)形成。 從加工以及器件特性的穩(wěn)定性的角度來說，以這種方式形成駐極體是較為理想的。在圖1中，導(dǎo)電部配置為交錯格子狀的第2電極在基板上配置了一組。在變形例 中，如圖3所示，第2電極可以配置兩組。在圖3中，符號125a指電極群A，符號125b指電 極群B。電極群A以及B均具有導(dǎo)電部配置為交錯格子狀的結(jié)構(gòu)，電極群A 125a的導(dǎo)電部 配置在未設(shè)置電極群B 125b的導(dǎo)電部的格子中。由此，如圖示的那樣，在第2基板中，由導(dǎo) 電部覆蓋的面積是圖1所示方式的面積的大約兩倍。以此方式配置兩個(gè)電極群后，從電極群A 125a輸出電壓相位與從電極群B 125b 輸出的電力的電壓相位相差180度的電力。另外，將電極群A125a與電極群B 125b的各 自的電極端子與全波整流電路連接后，能夠得到使用一個(gè)電極群時(shí)的電壓的兩倍的直流電 壓。另外，若將來自各電極群的輸出進(jìn)行DC轉(zhuǎn)換后在電路上匯總為一個(gè)，則能取出兩 倍的電荷。這樣，使用多個(gè)電極群構(gòu)成第2電極所產(chǎn)生的應(yīng)用上的效果較大。在圖1所示的方式中，第2電極以形成其的區(qū)域的外接面積與第1電極大致相同 的方式形成。此處，所謂“形成第2電極的區(qū)域的外接面積”，即，從上面觀察時(shí)全部包含構(gòu) 成第2電極的導(dǎo)體部的矩形或正方形中，具有最小面積的上述矩形或正方形的面積。換言 之，第2電極整體的概略形狀以及構(gòu)成第2電極的導(dǎo)體部的數(shù)目與第1電極相同。在圖1所示方式的理想變形例中，形成第2電極的區(qū)域的外接面積大于形成第1 電極的區(qū)域的外接面積。在圖4中表示這種變形例。如圖4所示，較為理想的是，在超出形 成第1電極的區(qū)域的區(qū)域中，在第2基板205上形成第2電極206。最為理想的是，形成第 2電極的區(qū)域的外接面積達(dá)到第1基板201的振動邊界。通過以此方式構(gòu)成，能夠取得以下效果。(3)能夠使重合面積的有效區(qū)域保持恒定。在第1基板以較大振幅進(jìn)行振動的情況下，若采用圖1所示的電極結(jié)構(gòu)，則在未形 成第2電極的區(qū)域中不發(fā)生電極的重合，因此產(chǎn)生重合面積的有效面積減少的問題。但是， 如圖4所示，通過使形成第2電極的區(qū)域的外接面積大于形成第1電極的區(qū)域的外接面積， 能夠使重合面積的有效區(qū)域始終保持恒定。其結(jié)果是，能夠?qū)⑺鲋睾厦娣e的最大值維持 為100，最小值維持為0。圖4所示的結(jié)構(gòu)不僅在具有可在X軸方向及Y軸方向上振動的第1基板的方式中 有效，在第1基板僅能在一個(gè)軸方向上振動的振動發(fā)電器中也是有效的。尤其是，在彈性結(jié) 構(gòu)體具有較小的彈性常數(shù)，通過極小的力進(jìn)行較大變形的振動發(fā)電器的情況下，該結(jié)構(gòu)是 有效的。另外，在第1基板在第1軸方向及/或第2軸方向上比振動方向的導(dǎo)電部的尺寸 更大幅度地移位振動的振動發(fā)電器中，該結(jié)構(gòu)也是有效的。因此，該結(jié)構(gòu)也能適用于例如所 述專利文獻(xiàn)1以及2中記載的振動發(fā)電器。
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在本實(shí)施方式中，表示了在第1基板上構(gòu)成包括膜狀駐極體的電極的方式。在第 2基板上構(gòu)成包括膜狀駐極體的電極也能取得相同的效果，這一點(diǎn)自不待言。另外，無論是 否有駐極體，都可以利用彈性結(jié)構(gòu)體將第2基板連接到固定結(jié)構(gòu)體。在此情況下，較為理想 的是，以形成第1電極的區(qū)域的外接面積大于形成第2電極的區(qū)域的外接面積的方式構(gòu)成 兩個(gè)電極。另外，如圖5所示的振動發(fā)電器300那樣，第1基板301可以是矩形(長方形)。 在此情況下，較為理想的是，第2基板同樣也是矩形。或者，只要導(dǎo)電部配置為交錯格子狀， 第1基板也可以是其他形狀，在此情況下也能取得與本實(shí)施方式相同的效果，這一點(diǎn)自不待言。此外，在本實(shí)施方式中，示出了駐極體采用硅氧化膜的例子。硅氧化膜既能帶有正 電荷，也能帶有負(fù)電荷。因此，通過將第1電極如圖2所示那樣配置兩組，并且使屬于一個(gè) 電極群的駐極體帶有正電荷，使屬于另一個(gè)電極群的駐極體帶有負(fù)電荷，則能夠進(jìn)一步提 高振動產(chǎn)生的輸出電力，是較為有用的。另外，導(dǎo)電部也可以不是正方形，而是長方形。在此情況下，為了在X軸方向以及 Y軸方向上得到相同的發(fā)電量，根據(jù)長方形的長邊或短邊的長度，選擇第1基板(或第2基 板)的X軸方向以及Y軸方向的振動振幅，以使重合面積的最大值為100，最小值為0。本發(fā)明的振動發(fā)電器也可以是如下裝置，即在第1及第2電極中，在一個(gè)軸方向 (軸方向α)以及與其不同的軸方向(軸方向β)上分別具有一定的寬度的幾何學(xué)圖形(例 如菱形以及平行四邊形)的導(dǎo)電部配置為交錯格子狀。在此情況下，使用彈性結(jié)構(gòu)體將第 1基板或第2基板以可在軸方向α以及β上振動的方式連接到固定結(jié)構(gòu)體上。(實(shí)施方式2)圖6表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的振動發(fā)電器400的俯視圖、沿著A-A截?cái)嗟钠室?圖以及沿著B-B截?cái)嗟钠室晥D。本實(shí)施方式與實(shí)施方式1的不同點(diǎn)在于，使第1基板在X 軸方向上振動的彈性結(jié)構(gòu)體402Χ的X軸方向的彈性常數(shù)與使第1基板在Y軸方向上振動 的彈性結(jié)構(gòu)體402Υ的Y軸方向的彈性常數(shù)不同。為了在概念上示意彈性常數(shù)的不同，以彈 性結(jié)構(gòu)體402Χ的彈簧個(gè)數(shù)與彈性結(jié)構(gòu)體402Υ的彈簧個(gè)數(shù)不同的方式進(jìn)行圖示。彈性結(jié)構(gòu) 體不一定必需是彈簧，也可以使用彈性體材料形成，或者可以利用半導(dǎo)體基板的加工形成， 這與前文所述相同。對于如本實(shí)施方式這樣負(fù)責(zé)X軸方向的振動的彈性結(jié)構(gòu)體的彈性常數(shù)kX與負(fù)責(zé) Y軸方向的振動的彈性結(jié)構(gòu)體的彈性常數(shù)kY不同的振動發(fā)電器的動作，在下面進(jìn)行說明。在振動發(fā)電器400中，受到來自外部的力或振動后第1基板進(jìn)行振動，據(jù)此第1基 板對第2基板移位，作為移位的結(jié)果，產(chǎn)生的電荷變化由第2電極檢測并進(jìn)行發(fā)電。此時(shí)， 對于由第1基板與彈性結(jié)構(gòu)體決定的共振頻率的外部振動，第1基板以尤其大的振幅進(jìn)行 振動。如果使彈性結(jié)構(gòu)體402X以及402Y的彈性常數(shù)相互不同，則振動發(fā)電器400的X軸 方向以及Y軸方向的共振頻率為不同的值。其結(jié)果是，例如在傾斜方向(與X軸形成90度 之外的角度的方向)上施加某個(gè)頻率的外部振動時(shí)，也能在X軸方向或Y軸方向中的某一 個(gè)方向上強(qiáng)制性地使第1基板振動。因此，圖4所示方式的結(jié)構(gòu)帶來以下效果。(4)防止發(fā)電量的降低，擴(kuò)大振動發(fā)電器的可利用范圍。
對上述(4)的效果進(jìn)行說明。首先，如對本實(shí)施方式的振動發(fā)電器的動作已經(jīng)說 明的那樣，通過使彈性結(jié)構(gòu)體402X的X軸方向的彈性常數(shù)與彈性結(jié)構(gòu)體402Y的Y軸方向的 彈性常數(shù)相互不同，能夠使X軸方向以及Y軸方向的共振頻率不同。由于振動發(fā)電器利用 來自外部的力或振動使第1基板振動從而發(fā)電，所以若使共振頻率不同，則對相同頻率的 振動，在某一個(gè)方向上進(jìn)行強(qiáng)制激振。其結(jié)果是，在采用將導(dǎo)電部配置為交錯格子狀的電極 結(jié)構(gòu)的情況下，從外部施加使第1基板在傾斜方向上移位的力時(shí)，發(fā)電量也不會極端降低。 這能減少在特定的頻率范圍或特定方向的外部振動之外的范圍中發(fā)電量的降低，能夠進(jìn)一 步擴(kuò)大可利用范圍。在本實(shí)施方式中，形成第2電極的區(qū)域的外接面積也大于形成第1電極的區(qū)域的 外接面積，第2電極形成為達(dá)到振動邊界。通過以此方式構(gòu)成電極，該方式的振動發(fā)電器在 第1基板以較大振幅振動時(shí)也能在發(fā)電量不降低的情況下進(jìn)行動作。使第1基板在X軸方向上振動的彈性結(jié)構(gòu)體402X的X軸方向的彈性常數(shù)kX與使 第1基板在Y軸方向上振動的彈性結(jié)構(gòu)體402Y的Y軸方向的彈性常數(shù)kY不同，對于這樣 做的技術(shù)意義在下面更具體地進(jìn)行說明。圖7是表示以指定條件步行時(shí)產(chǎn)生的X軸方向振動的加速度功率譜(power spectrum)與Y軸方向的加速度功率譜的測量例的曲線。如圖中所示，上面的頻譜對應(yīng)于X 軸方向的振動，下面的頻譜對應(yīng)于Y軸方向的振動。曲線的橫軸是以任意單位表示的頻率，縱軸是以任意單位表示的加速度的功率 譜，橫軸和縱軸為對數(shù)表示。X軸方向的振動在圖7中“基本頻率”表示的頻率處具有加速度功率譜的最大峰 值，另一方面，Y軸方向的振動在圖中“基本頻率χ 2”表示的基本頻率的2倍頻率處具有加 速度功率譜的最大峰值。即，在X軸方向與Y軸方向上加速度功率譜達(dá)到最大的頻率不同。但是，在X軸方向的振動的加速度功率譜達(dá)到最大的基本頻率處，Y軸方向的振動 也具有功率譜的較大峰值。另外，在Y軸方向的振動的加速度功率譜達(dá)到最大的基本頻率 的2倍頻率處，Y軸方向的振動也具有功率譜的較大峰值。表1表示在以X軸方向振動的基本頻率處的加速度功率譜為100時(shí)，X軸方向、Y 軸方向各自的基本頻率以及基本頻率的2倍頻率(圖7的“基本頻率X2”)處的加速度頻 譜的大小。表權(quán)利要求
1.一種振動發(fā)電器，其特征在于包括 在第1基板上形成的第1電極，以及 在第2基板上形成的第2電極；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者能夠在與所述第1基板以及第2基板平 行的平面內(nèi)的第1軸方向以及與所述第1軸方向垂直的第2軸方向上振動；所述第1電極具有在所述第1基板上具有與所述第1軸方向以及所述第2軸方向平行 的邊的長方形或正方形的導(dǎo)體部配置為交錯格子狀的結(jié)構(gòu)；所述第2電極具有在所述第2基板上具有與所述第1軸方向以及所述第2軸方向平行 的邊的長方形或正方形的導(dǎo)體部配置為交錯格子狀的結(jié)構(gòu)；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者包括保持電荷的膜； 所述第1電極與所述第2電極以在它們之間具有間隙的狀態(tài)相互相向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動發(fā)電器，其特征在于所述第2電極由所述導(dǎo)體部配置為交錯格子狀的電極群A以及電極群B構(gòu)成，所述電 極群B在所述電極群A中所述導(dǎo)體部不存在的各個(gè)格子中，具有與所述第1軸方向以及所 述第2軸方向平行的邊的長方形或正方形的導(dǎo)體部配置為交錯格子狀； 所述電極群A與所述電極群B不進(jìn)行電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器，其特征在于 還包括固定結(jié)構(gòu)體；所述固定結(jié)構(gòu)體與所述第1基板利用彈性結(jié)構(gòu)體連接； 所述第2基板與所述固定結(jié)構(gòu)體被固定；在與所述第1軸方向平行的方向上使所述第1基板振動的彈性結(jié)構(gòu)體的所述第1軸方 向的彈性常數(shù)與在與所述第2軸方向平行的方向上使所述第1基板振動的彈性結(jié)構(gòu)體的所 述第2軸方向的彈性常數(shù)相互不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器，其特征在于 還包括固定結(jié)構(gòu)體；所述固定結(jié)構(gòu)體與所述第2基板利用彈性結(jié)構(gòu)體連接； 所述第1基板與所述固定結(jié)構(gòu)體被固定；在與所述第1軸方向平行的方向上使所述第2基板振動的彈性結(jié)構(gòu)體的所述第1軸方 向的彈性常數(shù)與在與所述第2軸方向平行的方向上使所述第2基板振動的彈性結(jié)構(gòu)體的所 述第2軸方向的彈性常數(shù)相互不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器，其特征在于還包括固定結(jié)構(gòu)體和配置在所述固定結(jié)構(gòu)體與所述第1基板之間的可動結(jié)構(gòu)體； 所述可動結(jié)構(gòu)體與所述第1基板利用第1彈性結(jié)構(gòu)體在與所述第1軸方向平行的方向 上連接；所述固定結(jié)構(gòu)體與所述可動結(jié)構(gòu)體利用第2彈性結(jié)構(gòu)體在與所述第2軸方向平行的方 向上連接；所述第2基板與所述固定結(jié)構(gòu)體被固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器，其特征在于所述第1電極或所述第2電極中的任意一者的所述第1軸方向的振動的共振頻率即第1共振頻率與所述任意一者的電極的所述第2軸方向的振動的共振頻率即第2共振頻率不 同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的振動發(fā)電器，其特征在于 所述第1共振頻率與所述第2共振頻率至少相差20%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器，其特征在于所述第2基板中形成所述第2電極的區(qū)域的外接面積大于所述第1基板中形成所述第 1電極的區(qū)域的外接面積。
9.一種振動發(fā)電器，其特征在于包括 在第1基板上形成的第1電極，以及 在第2基板上形成的第2電極；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者能夠在與所述第1基板以及第2基板平 行的平面內(nèi)的第1軸方向以及與所述第1軸方向垂直的第2軸方向中的至少一者上振動； 所述第1電極具有在所述第1基板上配置多個(gè)導(dǎo)體部的結(jié)構(gòu)； 所述第2電極具有在所述第2基板上配置多個(gè)導(dǎo)體部的結(jié)構(gòu)； 所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者包括保持電荷的膜； 所述第1電極與所述第2電極以在它們之間具有間隙的狀態(tài)相互相向； 所述第2基板中形成所述第2電極的區(qū)域的外接面積大于所述第1基板中形成所述第 1電極的區(qū)域的外接面積。
10.一種振動發(fā)電器，其特征在于包括 在第1基板上形成的第1電極，以及 在第2基板上形成的第2電極；所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者能夠在與所述第1基板以及第2基板平 行的平面內(nèi)的第1軸方向以及與所述第1軸方向垂直的第2軸方向中的至少一者上振動； 所述第1電極具有在所述第1基板上配置多個(gè)導(dǎo)體部的結(jié)構(gòu)； 所述第2電極具有在所述第2基板上配置多個(gè)導(dǎo)體部的結(jié)構(gòu)； 所述第1電極以及所述第2電極中的任意一者包括保持電荷的膜； 所述第1電極與所述第2電極以在它們之間具有間隙的狀態(tài)相互相向； 所述第1基板中形成所述第1電極的區(qū)域的外接面積大于所述第2基板中形成所述第 2電極的區(qū)域的外接面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器，其特征在于所述第1電極或第2電極至少包括膜狀導(dǎo)電部與硅氧化膜，所述膜狀導(dǎo)電部作為所述 導(dǎo)電部，所述硅氧化膜作為所述保持電荷的膜；所述膜狀導(dǎo)電部在所述第1基板或所述第2基板上形成； 所述硅氧化膜的上面、下面以及側(cè)面被絕緣膜覆蓋； 所述導(dǎo)電部全部電連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的振動發(fā)電器，其特征在于在包括所述硅氧化膜的所述第1電極或所述第2電極中，所述硅氧化膜作為多個(gè)獨(dú)立 的帶電部形成，所述第1電極或所述第2電極由包括保持正電荷的帶電部的電極群以及包 括保持負(fù)電荷的帶電部的電極群構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器，其特征在于所述第1基板與所述第2基板之間的所述間隙的距離小于構(gòu)成所述第1電極的所述導(dǎo) 體部以及構(gòu)成所述第2電極的所述導(dǎo)體部中最小的導(dǎo)體部的短邊。
14.一種發(fā)電裝置，其特征在于包括權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器。
15.一種發(fā)電裝置，其特征在于 包括權(quán)利要求2所述的振動發(fā)電器；來自所述電極群A的輸出端子與來自所述電極群B的輸出端子分別與全波整流電路連接。
16.一種振動發(fā)電裝置，其特征在于包括權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的振動發(fā)電器；對來自所述振動發(fā)電器的交流輸出電壓進(jìn)行整流并轉(zhuǎn)換為直流電壓的整流電路； 將從所述整流電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為指定的電壓水平的電壓轉(zhuǎn)換電路； 在不需要來自振動發(fā)電裝置的輸出的情況下，積蓄由振動發(fā)電器發(fā)電產(chǎn)生的電力的蓄 電電路；將來自所述電壓轉(zhuǎn)換電路或所述蓄電電路的輸出電壓控制為指定的電壓的電壓控制 電路；以及將來自所述電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出被送往的電路切換為蓄電電路或電壓控制電路的輸 出切換電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的振動發(fā)電裝置，其特征在于來自所述電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓被設(shè)定為高于來自所述電壓控制電路的輸出電壓。
18.—種通信裝置，其特征在于包括權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的發(fā)電裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的通信裝置，其特征在于 還包括電池。
全文摘要
提高可在兩個(gè)軸方向上振動發(fā)電的振動發(fā)電裝置的發(fā)電效率。振動發(fā)電器包括第1基板(101)與第2基板(106)、在第1基板上形成的第1電極(104)、固定結(jié)構(gòu)體(103)、連接第1基板與固定結(jié)構(gòu)體的彈性結(jié)構(gòu)體(102X、102Y)以及在第2基板上形成的第2電極(105)；通過將第1電極的矩形以至正方形的導(dǎo)體部(104a)以及第2電極的矩形以至正方形的導(dǎo)體部(105a)配置為交錯格子狀，使電極的重合面積變大，因此能夠增加由于振動而發(fā)電的區(qū)域。
文檔編號H02N1/00GK102007679SQ20098011330
公開日2011年4月6日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月29日
發(fā)明者中塚宏, 大西慶治, 野村幸治 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社