以下、本発明の実施の形態を、図面を参照� ��て説明する。
 (実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1における振動� �電器を示し、(a)は振動発電器100の断面図で� �り、(b)は、エレクトレット電極部101の拡大� �面図である。

 図1(a)において、振動発電器100は、エレク トレット電極部101を含む第1の基板102と、第1� ��基板102を、固定構造体104a、104bに接続する� �性構造体103a、103bと、第2の基板106とを含む� �固定構造体104a、104bは、支持体105a、105bによ� ��、第2の基板106に接続される。第2の基板106� �には、電極107a、107b、107c、107d、107eが形成さ れている。

 図1(b)において、エレクトレット電極部101は 、第1の基板102と、第1の基板上に形成された� ��電膜111とを含む。導電膜111上には、第1の絶 縁膜112、及び第2の絶縁膜113が、交互に積層� �れて、4層構造の絶縁膜が形成されている。� ��後に形成された第2の絶縁膜113の表面には、 第3の絶縁膜114および第4の絶縁膜115によって� ��下面、上面および側面が覆われた、エレク� ��レット110a、110b、110c、110dが形成されている 。具体的には、第3の絶縁膜114が第2の絶縁膜1 13上に形成された後、エレクトレット膜110a、 110b、110c、110dが形成され、さらに第4の絶縁� �115が形成されている。このようにエレクト� �ットとして、シリコン酸化膜を使用する場� �には、シリコン酸化膜は、いずれの面(上面� ��下面および側面)も露出せず、かつ他の膜も しくは基板と直接接触しないように、絶縁膜 で封止されることが好ましい。
 なお、導電膜111は、金属など導電性を有す� ��任意の材料により構成されてよいが、好ま� ��くはポリシリコンより成る。エレクトレッ� ��として、シリコン酸化膜を使用する場合、� ��熱処理があるLP-CVD工程での成膜が可能とな� ��、高品質のエレクトレット膜を得ることが� ��きる。また、エレクトレット以外にも絶縁� ��としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等� ��用いる場合においても高温処理が可能とな� ��など、その効果は大きい。

 この構成のエレクトレット電極部101は、エ� ��クトレット膜110a、110b、110c、110dと、電極107 a、107b、107c、107d、107eが、それらの間に間隙� ��有する状態で互いに対向するように、配置� ��れる。
 本願発明にかかる振動発電器では複数個の� ��レクトレット膜110(110a、110b、110c、110d)およ� ��/または複数個の電極107(107a、107b、107c、107d� ��107e)が配置されるのが好ましい。複数のエ� �クトレットおよび/または電極を適正に配置� ��ることにより、同じ表面積のエレクトレッ� ��および/または電極を1個配置する場合と比� �、小さな振動でも、より大きな重なり面積� �変化(増減)を得ることができるからである。

 図1(a)に示す例では、エレクトレット膜110 と電極107の横方向の位置(図1(a)の左右方向の� ��置)とは、ずらして配置されているが、第1� �基板102が横方向に振動することでエレクト� �ット膜110と電極107の重なり面積が増減すれ� �よいことから、初期状態(第1の基板102が振動 していない状態)では、エレクトレット膜110� �電極107は、図1(a)のようにずらして配置して� ��よく。また重なるように配置してもよい。

 本発明のエレクトレット電極においては� ��エレクトレット(エレクトレット膜)として� �電荷を保持したシリコン酸化膜(または酸化� ��リコン膜)を用いる。シリコン酸化膜は、絶 縁耐圧および耐熱性に優れているので、実装 時のリフロー等の際にも変質又は変形しない 。そのため、シリコン酸化膜がエレクトレッ トとして既に使用されていることは、背景技 術の欄で説明したとおりである。

 耐湿性を向上させるため、エレクトレッ� ��であるシリコン酸化膜は、膜全体が絶縁膜� ��完全に覆われていることが望ましい。具体� ��には、シリコン酸化膜は、シリコン窒化膜� ��ような絶縁膜により、その周囲を完全に覆� ��構造とすることによって、絶縁耐圧、耐熱� ��および耐湿性において、より優れたエレク� ��レットとなる。

 図示した形態において、第1絶縁膜112およ び第2絶縁膜113は、第3絶縁膜114と接する第2絶 縁膜113の材料が、第3絶縁膜114の材料とは異� �るように、適切な絶縁材料を選択して形成� �る。例えば、第3絶縁膜114がシリコン窒化膜� ��ある場合には、第2絶縁膜113はシリコン酸化 膜であることが好ましく、第1絶縁膜112はシ� �コン窒化膜であることが好ましい。第2絶縁� ��をシリコン酸化膜とすることにより、エレ� ��トレットを含む積層構造において、一層お� ��にシリコン酸化膜が存在することとなるの� ��、反りまたは歪みの小さい、積層構造体を� ��ることができる。また、第1絶縁膜をシリコ ン窒化膜とすることによって、第4絶縁膜を� �む積層構造において、一層おきにシリコン� �化膜が存在することとなるので、反りまた� �歪みの小さい積層構造体を得ることができ� �。あるいは、第1絶縁膜112は、シリコン窒化� ��以外の無機材料から成る膜であってよく、� ��えば、プラズマ窒化膜から成ってもよい。

 図1に示す形態においては、第1の絶縁膜11 2と第2の絶縁膜113が交互に形成された構成を� ��した。変形例において、第3の絶縁膜は、第 2の絶縁膜を兼ねてよく、その場合、第1の絶� ��膜が第3の絶縁膜と導電膜との間に位置して よい。即ち、図1において、4層構造の絶縁膜� ��、単層構造であってよい。このように構成� ��ることで、成膜回数を少なくすることがで� ��る。その構成において、第1の絶縁膜(単層� �絶縁膜)はシリコン酸化膜であることが好ま� ��い。または、絶縁膜は、導電膜側から、第1 の絶縁膜/第2の絶縁膜/第1の絶縁膜と積層さ� �た三層構造であってよい。その場合、第2の� ��縁膜を第3の絶縁膜と同じ材料(例えば、シ� �コン窒化膜)で形成し、第1の絶縁膜を他の無 機材料(例えば、シリコン酸化膜)で形成して� ��い。

 あるいは、可能であれば、第3の絶縁膜を 、その厚さが第4の絶縁膜の厚さよりも大き� �なるように形成して、第1の絶縁膜および第2 の絶縁膜を有しない構成としてよい。その場 合には、第4の絶縁膜を絶縁膜Aと呼び、第3の 絶縁膜を絶縁膜Bと呼んで、第1および第2の絶 縁膜が存在しないことの不自然さを回避して よい。

 あるいはまた、図1に示す形態において、 第1の絶縁膜112と第2の絶縁膜113は同じ材料か� ��成ってよい。その場合には、第1の絶縁膜112 と第2の絶縁膜113において、例えば、膜の密� �が異なるように、成膜条件を適宜調整して� �互いに隣り合う膜の物性が異なるようにす� �ことが好ましい。

 いずれのように(材料を同じにする形態にし て、または異なる形態にして)第1および第2の 絶縁膜を形成する場合にも、互いの成膜時の 応力(得られた絶縁膜に生ずる残留応力)を緩� ��するように、第1の絶縁膜112と第2の絶縁膜11 3の材料及び/又は物性を選択して形成するこ� ��が好ましい。成膜時の応力の緩和は、例え� ��第1の絶縁膜112と第2の絶縁膜113の一方を形� �した際にその露出表面に生ずる残留応力が� �張り応力である場合に、他方を形成した際� �その露出表面に生ずる残留応力が圧縮応力� �なるように、第1の絶縁膜112と第2の絶縁膜113 との組み合わせを選択することにより実現で きる。
 すなわち、成膜時の応力を緩和するとは、� ��えば、一方の膜を形成したときに、膜の露� ��表面が導電膜側に凸を形成するように応力� ��生じる場合には、他方の膜を、膜の露出表� ��が導電膜側に凹を形成するような材料等を� ��択して形成することをいう。

 図1(b)に示すように、第1の絶縁膜112およ� �第2の絶縁膜113の側面は、導電膜、または絶� ��膜で覆われていない、即ち、露出している� ��とが望ましい。このように構成することで� ��例えば、第2の絶縁膜113をエレクトレットと 同じシリコン酸化膜とした場合においても、 エレクトレット膜に着電された電荷以外は、 周辺の空間中へ拡散する。その結果、安定な エレクトレット電極を得ることが可能となる 。

 第1の絶縁膜112および第2の絶縁膜113の厚� �は、各絶縁膜の特性(脆さ、硬さ等)を考慮し て、エレクトレット110a~dと導電膜111との間の 距離が、エレクトレット電極の表面にて所望 の表面電位を得るのに必要な大きさとなるよ うに選択する。例えば、エレクトレット110a~d と導電膜111との間の距離は、1μm程度として� �い。その場合には、厚さ100nmの第1の絶縁膜11 2と、厚さ100nmの第2の絶縁膜113とを、それぞ� �5層ずつ、計10層となるように積層するとよ� �。

 次に、上記のように構成されたエレクト� ��ット電極を用いて、図1(a)のように構成した 、振動発電器の動作について説明を行う。

 振動発電器100は、外部からの力または振� ��108が加わると、弾性構造体103aおよび103bが� �縮し、それにより第1の基板102は第2の基板106 に対して相対的に変位する。この相対的な変 位は、エレクトレット電極部101(特にエレク� �レット110a~d)と第2の基板上の電極107a~eとの重 なり面積の増減をもたらす。この重なり面積 の増減により、エレクトレット電極部101に誘 起される電荷量が増減する。この電荷の増減 を電気エネルギーとして取り出すことによっ て、発電を行う。また、第1の基板101が振動� �続ける限り、この重なり面積の増減は続く� �

 本発明の実施の形態にかかる振動発電器1 00によれば、エレクトレット膜の表面電荷密� ��(表面電位)を高くすることができるという� �果を得ることができる。この効果について� �以下に詳細な説明を行う。

 エレクトレット膜110a~dは、導電膜111上に� ��成された第1の絶縁膜112および第2の絶縁膜11 3から成る積層体の上に形成されている。し� �がって、エレクトレット膜110a~eが保持する� �荷により発生する電界は、エレクトレット� �110a~e、第3の絶縁膜114、及び第1および第2の� �縁膜112および113に存在することとなる。そ� �結果、電荷を保持した領域と導電膜111との� �の距離が大きくなり、同じ電荷を保持した� �合には、電界強度が小さくなり、同じ電界� �度の場合には、表面電荷密度(表面電位)を高 くすることが可能となる。

 シリコン酸化膜から成るエレクトレット� ��おいては、絶縁破壊が約5MV/cmで発生する。� ��って、例えば、シリコン酸化膜の厚さが1マ イクロメートルであると、表面電位500Vが限� �となる。これに対し、導電膜111との間に1マ� ��クロメートルの絶縁層(同程度の絶縁耐圧を 有するシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜 )を形成すると、表面電位の限界を1000Vまで高 くすることが可能となる。

 図1(a)に示す形態では、導電膜111をエレクト レット膜110の下方全体に、連続した一枚の膜 として形成する構成を示した。
 導電膜は、図2(a)に示すように、エレクトレ ット膜120a~dの下方に、エレクトレット膜120a~d に対応する位置にのみに形成(図2(a)に示す例� ��は、エレクトレット膜120a~dが存在する部分� ��下部にのみ導電膜121a~dを形成)してもよい。 あるいは、エレクトレットを導電膜に対応す るように配置(図2(a)に示す例では、導電膜121a ~dが存在する部分の上部にのみエレクトレッ� ��膜120a~dを配置)するのが好ましい。

 このようにエレクトレット膜120a~dの位置(図 2(a)の左右方向の位置)と導電膜121a~dの位置を� ��応(一致)させることにより、着電時にエレ� �トレット膜により多くの電荷を与えること� �できるという利点がある。
 すなわち、エレクトレット膜と導電膜の位� ��を対応させることにより、着電のためにエ� ��クトレット膜と導電膜との間に所定の電圧� ��印加した際、電界がエレクトレット膜より� ��側に拡がろうとするのを抑制できる。この� ��果、同じ電圧を印加しても、広い一枚の導� ��膜を用いた場合と比べ、より多くの電荷を� ��レクトレットに与えることが可能となる。

 なお、図2において、符号122は、第1の絶� �膜に相当し、符号123は、第2の絶縁膜に相当� ��、符号124は第3の絶縁膜に相当し、符号125は 第4の絶縁膜に相当する。エレクトレット120a~ dおよび各絶縁膜の機能および材料は、先に� �1を参照して説明したとおりであるから、こ� ��ではそれらの説明を省略する。

 図2(b)に示すように、導電膜121a~dを、間隔 をあけて形成する場合には、図2(b)に示すよ� �に、第1の絶縁膜132および第2の絶縁膜133は、 エレクトレット130a~dおよび導電膜131a~dに対応 して、a~dのセクションに分け、セクションと セクションとの間に間隙を有するように形成 してよい。それにより、エレクトレット以外 に着電された電荷を周辺の空間中へより効果 的に拡散させ得る。より具体的には、第1の� �縁膜132と第2の絶縁膜133は、それぞれ132a~dお� ��び133a~dとなるように、形成される。セクシ� ��ン間の間隙は、第1の絶縁膜および第2の絶� �膜を形成した後に、形成してよい。これら� �エレクトレットならびに第1および第2の絶縁 膜の機能および材料は、先に図1を参照して� �明したとおりであるから、ここではそれら� �説明を省略する。また、図2(a)において、符� ��134は第3の絶縁膜に相当し、符号135は第4の� �縁膜に相当する。これらの絶縁膜の機能お� �び材料は、先に図1を参照して説明したとお� ��であるから、ここでは省略する。

 図1(b)および図2(a)、(b)に示す実施形態では� �基板102上に直接、導電膜111(121a~d、131a~d)を形 成しているが、基板上に熱酸化膜等の絶縁膜 を形成し、その絶縁膜上に導電膜を形成する のが好ましい。
 基板102は、通常、例えばシリコンのような� ��電性基板を用いる。そして、このような導� ��性基板の上に直接導電膜が形成されている� ��、着電時にエレクトレット膜と導電膜との� ��に電圧を印加した際に、エレクトレットと� ��電性基板との間で、エレクトレットの外側( 図2(a)の左右方向)に拡がる電界を生じ、エレ� ��トレットに与えられる電荷が減少する場合� ��ある。
 しかし、導電膜と導電性基板との間に絶縁� ��を形成することにより、エレクトレットと� ��板との間にこのような電界が生ずるのを防� ��でき、エレクトレットに、より多くの電荷� ��与えることができるという効果がある。

 また、導電膜と基板との間に絶縁層を形� ��することに代えて、基板102として、例えば� ��抗率の高いシリコン基板、或いはガラス基� ��のような絶縁性基板を用いることで同じ効� ��を得ることができる。

 本実施の形態ではエレクトレットとして� ��シリコン酸化膜を用いている。エレクトレ� ��トは、可能であれば、シリコン酸化膜以外� ��エレクトレット材料で形成してよく、その� ��合にも、エレクトレット材料に応じて、第1 の絶縁膜および第2の絶縁膜を適宜選択する� �とによって、同様の効果を得ることができ� �。

 エレクトレットとしてシリコン酸化膜を� ��いた場合、エレクトレットは正電荷にも負� ��荷にも帯電することができる。よって、エ� ��クトレット電極部101は、正の電荷と負の電� ��を有するエレクトレット膜を交互に配置し� ��構成してよい。そのような構成により、振� ��による出力電力を向上させることが可能と� ��る等、利用上の効果は大きい。

 本実施の形態では、振動発電器の例を示� ��た。振動発電器以外の装置(またはデバイス )であって、高い表面電荷密度が必要な装置(� ��たはデバイス)においても、本発明のエレク トレット電極の構成は有効である。例えば、 本発明のエレクトレット電極は、アクチュエ ータを構成するために用いてよい。アクチュ エータにおいて、エレクトレット膜の表面電 荷密度が高いほど、発生力はより大きくなる 。

 (実施の形態2)
 図3は、本発明の実施の形態1におけるエレ� �トレット電極部の上面図である。
 図3において、エレクトレット電極部201は、 導電膜211と第2の絶縁膜215(215a、215b、215c、215d )と基板202とから構成されている。このエレ� �トレット電極部201の断面は、例えば、図2(b)� ��示される断面と同じになる。

 実施の形態2において、導電膜211は、エレ クトレット電極部201において、エレクトレッ ト膜130に保持された電荷の対向電極となり、 導電膜211は、例えばGND端子と電気的に接続さ れる。このように構成することにより、エレ クトレット膜表面の表面電位が固定され、発 電器においてGNDを中心とした交流信号を出力 することが可能となる。よって、この構成の エレクトレット電極は、有利に使用できる。 図3において、エレクトレットは、例えば、50 ~300μm×数百μm~数mmの矩形としてよく、隣り合 うエレクトレット間の間隔は例えば、エレク トレットの短辺の長さ程度としてよい。

 次に、本実施の形態のエレクトレット電極� ��用いた振動発電器の動作のうち、本実施の� ��態を用いることによる特徴的な部分につい� ��のみ、説明する。
 振動発電器においては、外部振動により、� ��極107(107a~e)とエレクトレット膜130(130a~d)との 重なり面積が増減する。この重なり面積の増 減により、電極107に誘起される電荷を電気エ ネルギーとして取り出して、発電を行う。こ のとき、電極107は同じ電位となるように一体 に形成されるため、電気的な端子としては1� �となる。そのため負荷の電極端子の一方は� �極107に接続され、もう一方はGNDに接続され� �。かかる接続により、発電による交流成分� �、エレクトレット膜130に重畳される直流成� �とが合わせられた出力を得ることができる� �しかしながら、エレクトレット電極部201を� �成する導電膜211をGNDに接地することによっ� �、直流成分を除去することが可能となる。

 その結果、発生電力はGNDを中心とした交流� ��号となるため、交流電力のみを考慮した回� ��設計を行うことができるといった効果を得� ��ことができる。
 また、本実施の形態に示すエレクトレット� ��極部では、導電膜211をエレクトレットの着� ��工程における基準電位としても利用するこ� ��が可能であり、利用上の効果は非常に大き� ��。

 本実施の形態では、エレクトレット電極� ��の断面構造が図2(b)に示す構造の例を示した 。エレクトレット電極が図1(b)または図2(a)に� ��す構造のものであっても、同様の効果を得� ��れることは言うまでもない。

 (実施の形態3)
 本発明の実施の形態3として、振動発電装置 を説明する。図4は、振動発電装置300のブロ� �ク図である。図4において、振動発電器は、� ��施の形態1または実施の形態2として示され� �振動発電器である。

 図4において、振動発電装置300は、振動発 電器301、整流回路302、電圧変換回路303、出力 切替回路304、蓄電回路305、および電圧制御回 路306を含む。振動発電器301から出力された交 流電圧は、整流回路302により直流電圧に変換 される。直流電圧は、電圧変換回路303に入力 され、振動発電装置300の出力電圧レベルまで 、電圧変換に付される。変換された電圧は、 出力切替回路304により、電圧制御回路306、ま たは蓄電回路305に入力される。電圧制御回路 306では、出力電圧が一定となるように電圧制 御されて出力される。

 以上のように構成された振動発電装置300� ��動作について、図5を参照して説明を行う。 図5は振動発電装置300の各回路から出力され� �電圧波形を示している。図5の(a)は、振動発� ��器301の出力電圧波形である。本実施の形態� ��は、簡単のため、第1の基板の変位方向が変 わるときでも発電は効率よく行われていると 仮定し、振動による重なり面積の増減により 正弦波電圧が出力されるとしている。ここで 、振動発電器301の出力電圧の電圧振幅Vgは、� ��1の基板の振動振幅、第1の基板と第2の基板� ��の間のギャップ、エレクトレットの保持電� ��量、及び振動発電器301から見た外部インピ� ��ダンスの大きさ等により異なる。振動発電� ��301から出力された交流電圧は、整流回路302� ��より直流電圧VDC1に変換される(図5(b))。VDC1� �、振動発電装置300の出力電圧レベルVDC2まで� ��電圧変換回路303により電圧変換される。

 出力切替回路304は、振動発電装置300から� ��圧を出力する必要がない場合、電圧変換回� ��303からの出力を電圧制御回路306に送らず、� ��電回路305に送る役割をする。蓄電回路305は� ��発電された電力を蓄える。出力切替回路304� ��、振動発電装置300からの電圧出力が必要で� ��る場合には、電圧制御回路306から電力が出� ��されるように、回路を切り替える。出力切� ��回路304は、さらに、発電量が小さい場合に� ��、蓄電回路305に蓄えられた電力を出力する� ��うに、回路を切り替える。出力切替回路304� ��らの出力は、電圧制御回路306により所望の� ��力電圧VOUTに制御されて、振動発電装置300外 へ出力される(図5(c))。

 前述したように、振動発電器300の出力電� ��は、さまざまな要因で変動する。これに対� ��するため、VDC2は、最終的に出力される電圧 VOUTよりも若干高い電圧に設定することが望� �しい。このように設定を行うことにより、� �小な電圧変動に対しても、出力電圧を一定� �することが可能となる。例として、1.8Vの電� ��で電力を出力する場合について説明する。� ��の場合において、VDC2が1.8Vに設定されてい� �、かつ振動発電器の出力電圧が減少すると� �振動発電器300の出力電圧も減少する。しか� �、例えば、VDC2を2Vに設定しておけば、0.2Vの� ��圧減少に対しても十分に制御が可能となる� ��したがって、VDC2>VOUTに設定することによ� ��、出力電圧を一定にして安定して電力を供� ��できる。

 (実施の形態4)
 図6は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モ ニタリングシステムにおいて使用される通信 装置のブロック図である。図6において、発� �装置は、実施の形態3の振動発電装置を示す� ��

 図6において、通信装置400は、振動により 発電を行う発電装置401、通信装置の主電源ま たは発電装置401のサブ電源としての電池402、 発電装置401からの出力と電池402からの出力を 切り替えて回路部に供給する電源制御部403、 タイヤの空気圧を測定する圧力センサ404、圧 力センサからの出力を処理し、通信部に伝え る処理部405、処理部405からの入力信号を高周 波信号に変換してアンテナ407へ伝える通信部 406、およびアンテナ407を含む。

 以上のように構成された通信装置400の動作� ��ついて説明を行う。
 圧力センサ404、処理部405、および通信部406� ��動作するのに必要な電力を、電源制御部403� ��介して、発電装置401、或いは電池402から供� ��する。圧力センサ404は、タイヤの空気圧を� ��定し、測定結果を電圧信号に変換して処理� ��405へ入力する。処理部405で処理された信号� ��、通信部406へ入力され、高周波信号として� ��ンテナ407から伝搬される。

 このように作動する通信装置において、� ��動発電装置を通信装置の電源として利用す� ��場合、電池交換等のメンテナンス作業回数� ��低減することができ、或いは電池交換を不� ��とすることができる。このことは、通信装� ��それ自体の利便性を向上させるとともに、� ��資源および環境保護にも寄与する。

 本実施の形態では、振動発電装置と電池� ��を併用する例を示した。振動発電装置から� ��出力電力が、圧力センサ、処理部、通信部� ��の回路で消費する電力、および通信に必要� ��電力を十分にまかなうことができれば、振� ��発電装置のみを電源として用いてよい。そ� ��場合、電池、及び電源制御部が不要となり� ��機器の小型化の点で有利である。

 本実施の形態では、実施の形態1から3に� �す振動発電器、および振動発電装置を用い� �例を示した。振動発電器は、外部からの力� �たは振動を電力に変換可能である限りにお� �て、他の振動発電器であってもよく、その� �合において同様の効果が得られることは言� �までもない。

 本発明の振動発電器および振動発電装置� ��、通信装置以外の電気機器において、主電� ��または副電源として使用してよい。具体的� ��は、具体的には、腕時計、体温計、温度計� ��歩数計、リモートコントローラ、携帯オー� ��ィオ製品、キーレスエントリー用携帯機、� ��聴器、心臓ペースメーカー、携帯電話およ� ��ゲーム機において、使用することができる� ��

 本明細書において開示された実施の形態� ��おいて、すべての構成要素は例示であって� ��制限的なものではないと考えられるべきで� ��る。本発明の範囲は上記の説明ではなくて� ��特許請求の範囲によって示され、特許請求� ��範囲と均等の意味および範囲内でのすべて� ��変更が含まれることが意図される。