(57)【要約】      （修正有）【課題】３軸方向の振動で発電を行うことができる発電素子を提供する。【解決手段】発電素子１は、第１内面４１と第２内面４２とを有する筐体４０と、第１内面に支持され、第２内面との間に変位空間３が設けられた第１電荷発生素子１０と、変位空間内に変位可能に収容された重錘体２と、を備えている。第１の方向で見たときに変位空間の外側に方向変換体３０が設けられている。方向変換体は、第１の方向に直交する方向に変位する重錘体の変位方向を第１の方向に変換する。方向変換体は、第１の方向における一側から他側に向かって、重錘体から遠ざかるように形成された方向変換面３１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１内面と、第１の方向において前記第１内面に対向する第２内面と、を有する筐体と、
前記第１内面に支持され、前記第２内面との間に変位空間が設けられた第１電荷発生素子と、
前記変位空間内に変位可能に収容された重錘体と、
前記第１の方向で見たときに前記変位空間の外側に設けられ、前記第１の方向に直交する方向に変位する前記重錘体の変位方向を前記第１の方向に変換する方向変換体と、を備え、
前記方向変換体は、前記第１の方向における一側から他側に向かって、前記重錘体から遠ざかるように形成された方向変換面を有している、発電素子。
【請求項２】
前記方向変換面は、前記第１の方向に沿う断面で見たときに直線状に形成されている、請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
前記第１電荷発生素子よりも前記第２内面の側に設けられ、前記第１電荷発生素子との間に前記変位空間を画定する第２電荷発生素子を更に備えた、請求項１または２に記載の発電素子。
【請求項４】
前記重錘体は、前記第１電荷発生素子、前記第２電荷発生素子および前記方向変換体に支持されていない、請求項３に記載の発電素子。
【請求項５】
前記第２電荷発生素子は、前記第２内面に支持されている、請求項３または４に記載の発電素子。
【請求項６】
前記方向変換体は、前記第１電荷発生素子に支持されて前記第２電荷発生素子に離間し、
前記方向変換面は、前記第１電荷発生素子から前記第２電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、請求項５に記載の発電素子。
【請求項７】
前記方向変換体は、前記第１の方向で見たときの前記重錘体の周囲で互いに異なる位置に設けられた第１変換体部分および第２変換体部分を有し、
前記第１変換体部分は、前記第１電荷発生素子に支持されて前記第２電荷発生素子に離間し、
前記第１変換体部分の前記方向変換面は、前記第１電荷発生素子から前記第２電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成され、
前記第２変換体部分は、前記第２電荷発生素子に支持されて前記第１電荷発生素子に離間し、
前記第２変換体部分の前記方向変換面は、前記第２電荷発生素子から前記第１電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、請求項５に記載の発電素子。
【請求項８】
前記第２内面に、電荷発生素子は設けられていない、請求項１または２に記載の発電素子。
【請求項９】
前記方向変換体は、前記第１電荷発生素子に支持されて前記第２内面に離間し、
前記方向変換面は、前記第１電荷発生素子から前記第２内面に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、請求項８に記載の発電素子。
【請求項１０】
前記方向変換体は、前記第２内面に支持されて前記第１電荷発生素子に離間し、
前記方向変換面は、前記第２内面から前記第１電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、請求項８に記載の発電素子。
【請求項１１】
前記第１電荷発生素子により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出す発電回路を更に備えた、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項１２】
前記第１電荷発生素子よりも前記第２内面の側に設けられ、前記第１電荷発生素子との間に前記変位空間を画定する第２電荷発生素子を更に備え、
前記方向変換体は、前記第１電荷発生素子から前記第２電荷発生素子に延び、
前記第２電荷発生素子は、前記方向変換体を介して前記第１電荷発生素子に支持されている、請求項１または２に記載の発電素子。
【請求項１３】
前記第１電荷発生素子と前記第１内面との間に介在された台座を更に備えた、請求項１２に記載の発電素子。
【請求項１４】
前記第１電荷発生素子および前記第２電荷発生素子により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出す発電回路を更に備え、
前記発電回路は、前記筐体の内部に配置されている、請求項１２または１３に記載の発電素子。
【請求項１５】
前記第１電荷発生素子は、前記重錘体の側に設けられた第１重錘体側電極層と、前記第１重錘体側電極層とは反対側に設けられた第１反対側電極層と、前記第１重錘体側電極層と前記第１反対側電極層との間に設けられた第１電荷発生材料層と、を有し、
前記第１電荷発生素子は、前記方向変換体よりも外側に延びる外側延長部を更に有し、
前記外側延長部における前記第１重錘体側電極層および前記第１電荷発生材料層に、前記第１反対側電極層を露出させる第１露出孔が設けられている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項１６】
前記第２電荷発生素子は、前記重錘体の側に設けられた第２重錘体側電極層と、前記第２重錘体側電極層とは反対側に設けられた第２反対側電極層と、前記第２重錘体側電極層と前記第２反対側電極層との間に設けられた第２電荷発生材料層と、を有し、
前記第２反対側電極層および前記第２電荷発生材料層に、前記第２重錘体側電極層を露出させる第２露出孔が設けられている、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項１７】
前記第２電荷発生素子は、前記重錘体の側に設けられた第２重錘体側電極層と、前記第２重錘体側電極層とは反対側に設けられた第２反対側電極層と、前記第２重錘体側電極層と前記第２反対側電極層との間に設けられた第２電荷発生材料層と、を有し、
前記第２反対側電極層の厚みは、前記第２重錘体側電極層の厚みより厚い、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項１８】
前記変位空間内に、複数の前記重錘体が収容されている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項１９】
前記変位空間を、一の前記重錘体が収容される空間と、他の前記重錘体が収容される空間とに区画する区画体を更に備えた、請求項１８に記載の発電素子。
【請求項２０】
前記区画体は、前記第１の方向に直交する方向に変位する前記重錘体の変位方向を前記第１の方向に変換するように構成されており、
前記区画体は、前記第１の方向における一側から他側に向かって、前記重錘体から遠ざかるように形成された方向変換面を有している、請求項１９に記載の発電素子。
【請求項２１】
前記重錘体を変位可能に支持する弾性体を更に備えた、請求項３に記載の発電素子。
【請求項２２】
前記重錘体は、前記弾性体を介して、前記筐体の前記第１内面および前記第２内面にそれぞれ支持されている、請求項２１に記載の発電素子。
【請求項２３】
前記筐体は、前記第１内面と前記第２内面とを接続する側面を更に有し、
前記重錘体は、前記弾性体を介して、前記筐体の前記側面に支持されている、請求項２１に記載の発電素子。
【請求項２４】
前記弾性体は、前記第１の方向に直交する第２の方向に延びる延在部と、前記延在部に接続され、前記第１の方向および前記第２の方向に直交する第３の方向に延出する折り返し部と、を有している、請求項２３に記載の発電素子。
【請求項２５】
前記弾性体は、２つの前記折り返し部を有し、
一方の前記折り返し部は、前記第３の方向のうちの一側に延出し、
他方の前記折り返し部は、前記第３の方向のうちの他側に延出している、請求項２４に記載の発電素子。
【請求項２６】
前記弾性体は、前記第１の方向で見たときにＬ字状に形成されている、請求項２３に記載の発電素子。
【請求項２７】
前記弾性体は、前記第１の方向で見たときに前記方向変換体の外側に配置されている、請求項２１〜２６のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項２８】
前記弾性体は、接続部材を介して前記重錘体に接続されている、請求項２１〜２７のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項２９】
前記重錘体と前記第１電荷発生素子との間に介在された第１保護基板を更に備えた、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項３０】
前記重錘体と前記第２電荷発生素子との間に介在された第２保護基板を更に備えた、請求項３〜７、１２〜１４、１６および１７のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項３１】
第１内面と、第１の方向において前記第１内面に対向する第２内面と、を有する筐体と、
前記第１内面に支持された第１電荷発生素子と、
前記第１電荷発生素子よりも前記第２内面の側に設けられ、前記第１の方向において前記第１電荷発生素子に対向する重錘体と、
前記重錘体を、変位可能であるとともに前記第１の方向に沿う平面内で回動可能に前記筐体の前記第２内面に支持する弾性体と、を備えた、発電素子。
【請求項３２】
前記重錘体は、単一の前記弾性体を介して、前記筐体の前記第２内面に支持されている、請求項３１に記載の発電素子。
【請求項３３】
前記第２内面に支持された第２電荷発生素子を更に備えた、請求項３１または３２に記載の発電素子。
【請求項３４】
前記第２電荷発生素子は、前記弾性体が貫通する貫通孔を有している、請求項３３に記載の発電素子。
【請求項３５】
前記重錘体と前記第１電荷発生素子との間に介在された保護基板を更に備えた、請求項２６〜２９のいずれか一項に記載の発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
限られた資源を有効利用するために、様々な形態のエネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す技術が提案されている。
【０００３】
例えば、下記の特許文献１には、略Ｕ字状に形成された共鳴振動体の自由端部に圧電発電装置を固定し、この圧電発電装置が、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電を行うように構成された圧電発電装置が開示されている。この圧電発電装置においては、共鳴振動体の自由端部に、一対のセラミックス体を設けて、それらの間に鋼球（殴打体）が転動可能に保持されている。共鳴振動体を共振させると、鋼球が変位して圧電セラミックス体を連続的に殴打して圧電セラミックス体が歪み変形する。このようにして、圧電セラミックス体が連続的に発電可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２６０９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電発電装置においては、２つの圧電セラミックス体の間で、鋼球が変位可能になっている。このため、これら２つの圧電セラミックス体が配置されている方向以外の方向で共鳴振動体を共振させた場合には発電を行うことが困難になる。
【０００６】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、３軸方向の振動で発電を行うことができる発電素子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】
【０００７】
本発明は、第１の解決手段として、
第１内面と、第１の方向において前記第１内面に対向する第２内面と、を有する筐体と、
前記第１内面に支持され、前記第２内面との間に変位空間が設けられた第１電荷発生素子と、
前記変位空間内に変位可能に収容された重錘体と、
前記第１の方向で見たときに前記変位空間の外側に設けられ、前記第１の方向に直交する方向に変位する前記重錘体の変位方向を前記第１の方向に変換する方向変換体と、を備え、
前記方向変換体は、前記第１の方向における一側から他側に向かって、前記重錘体から遠ざかるように形成された方向変換面を有している、発電素子、
を提供する。
【０００８】
なお、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記方向変換面は、前記第１の方向に沿う断面で見たときに直線状に形成されている、
ようにしてもよい。
【０００９】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第１電荷発生素子よりも前記第２内面の側に設けられ、前記第１電荷発生素子との間に前記変位空間を画定する第２電荷発生素子を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００１０】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記重錘体は、前記第１電荷発生素子、前記第２電荷発生素子および前記方向変換体に支持されていない、
ようにしてもよい。
【００１１】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第２電荷発生素子は、前記第２内面に支持されている、
ようにしてもよい。
【００１２】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記方向変換体は、前記第１電荷発生素子に支持されて前記第２電荷発生素子に離間し、
前記方向変換面は、前記第１電荷発生素子から前記第２電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、
ようにしてもよい。
【００１３】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記方向変換体は、前記第１の方向で見たときの前記重錘体の周囲で互いに異なる位置に設けられた第１変換体部分および第２変換体部分を有し、
前記第１変換体部分は、前記第１電荷発生素子に支持されて前記第２電荷発生素子に離間し、
前記第１変換体部分の前記方向変換面は、前記第１電荷発生素子から前記第２電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成され、
前記第２変換体部分は、前記第２電荷発生素子に支持されて前記第１電荷発生素子に離間し、
前記第２変換体部分の前記方向変換面は、前記第２電荷発生素子から前記第１電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、
ようにしてもよい。
【００１４】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第２内面に、電荷発生素子は設けられていない、
ようにしてもよい。
【００１５】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記方向変換体は、前記第１電荷発生素子に支持されて前記第２内面に離間し、
前記方向変換面は、前記第１電荷発生素子から前記第２内面に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、
ようにしてもよい。
【００１６】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記方向変換体は、前記第２内面に支持されて前記第１電荷発生素子に離間し、
前記方向変換面は、前記第２内面から前記第１電荷発生素子に向かって前記重錘体から遠ざかるように形成されている、
ようにしてもよい。
【００１７】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第１電荷発生素子により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出す発電回路を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００１８】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第１電荷発生素子よりも前記第２内面の側に設けられ、前記第１電荷発生素子との間に前記変位空間を画定する第２電荷発生素子を更に備え、
前記方向変換体は、前記第１電荷発生素子から前記第２電荷発生素子に延び、
前記第２電荷発生素子は、前記方向変換体を介して前記第１電荷発生素子に支持されている、
ようにしてもよい。
【００１９】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第１電荷発生素子と前記第１内面との間に介在された台座を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００２０】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第１電荷発生素子および前記第２電荷発生素子により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出す発電回路を更に備え、
前記発電回路は、前記筐体の内部に配置されている、
ようにしてもよい。
【００２１】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第１電荷発生素子は、前記重錘体の側に設けられた第１重錘体側電極層と、前記第１重錘体側電極層とは反対側に設けられた第１反対側電極層と、前記第１重錘体側電極層と前記第１反対側電極層との間に設けられた第１電荷発生材料層と、を有し、
前記第１電荷発生素子は、前記方向変換体よりも外側に延びる外側延長部を更に有し、
前記外側延長部における前記第１重錘体側電極層および前記第１電荷発生材料層に、前記第１反対側電極層を露出させる第１露出孔が設けられている、
ようにしてもよい。
【００２２】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第２電荷発生素子は、前記重錘体の側に設けられた第２重錘体側電極層と、前記第２重錘体側電極層とは反対側に設けられた第２反対側電極層と、前記第２重錘体側電極層と前記第２反対側電極層との間に設けられた第２電荷発生材料層と、を有し、
前記第２反対側電極層および前記第２電荷発生材料層に、前記第２重錘体側電極層を露出させる第２露出孔が設けられている、
ようにしてもよい。
【００２３】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記第２電荷発生素子は、前記重錘体の側に設けられた第２重錘体側電極層と、前記第２重錘体側電極層とは反対側に設けられた第２反対側電極層と、前記第２重錘体側電極層と前記第２反対側電極層との間に設けられた第２電荷発生材料層と、を有し、
前記第２反対側電極層の厚みは、前記重錘体側電極層の厚みより厚い、
ようにしてもよい。
【００２４】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記変位空間内に、複数の前記重錘体が収容されている、
ようにしてもよい。
【００２５】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記変位空間を、一の前記重錘体が収容される空間と、他の前記重錘体が収容される空間とに区画する区画体を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００２６】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記区画体は、前記第１の方向に直交する方向に変位する前記重錘体の変位方向を前記第１の方向に変換するように構成されており、
前記区画体は、前記第１の方向における一側から他側に向かって、前記重錘体から遠ざかるように形成された方向変換面を有している、
ようにしてもよい。
【００２７】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記重錘体を変位可能に支持する弾性体を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００２８】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記重錘体は、前記弾性体を介して、前記筐体の前記第１内面および前記第２内面にそれぞれ支持されている、
ようにしてもよい。
【００２９】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記筐体は、前記第１内面と前記第２内面とを接続する側面を更に有し、
前記重錘体は、前記弾性体を介して、前記筐体の前記側面に支持されている、
ようにしてもよい。
【００３０】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記弾性体は、前記第１の方向に直交する第２の方向に延びる延在部と、前記延在部に接続され、前記第１の方向および前記第２の方向に直交する第３の方向に延出する折り返し部と、を有している、
ようにしてもよい。
【００３１】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記弾性体は、２つの前記折り返し部を有し、
一方の前記折り返し部は、前記第３の方向のうちの一側に延出し、
他方の前記折り返し部は、前記第３の方向のうちの他側に延出している、
ようにしてもよい。
【００３２】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記弾性体は、前記第１の方向で見たときにＬ字状に形成されている、
ようにしてもよい。
【００３３】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記弾性体は、前記第１の方向で見たときに前記方向変換体の外側に配置されている、
ようにしてもよい。
【００３４】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記弾性体は、接続部材を介して前記重錘体に接続されている、
ようにしてもよい。
【００３５】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記重錘体と前記第１電荷発生素子との間に介在された第１保護基板を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００３６】
また、上述した第１の解決手段による発電素子において、
前記重錘体と前記第２電荷発生素子との間に介在された第２保護基板を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００３７】
本発明は、第２の解決手段として、
第１内面と、第１の方向において前記第１内面に対向する第２内面と、を有する筐体と、
前記第１内面に支持された第１電荷発生素子と、
前記第１電荷発生素子よりも前記第２内面の側に設けられ、前記第１の方向において前記第１電荷発生素子に対向する重錘体と、
前記重錘体を、変位可能であるとともに前記第１の方向に沿う平面内で回動可能に前記筐体の前記第２内面に支持する弾性体と、を備えた、発電素子、
を提供する。
【００３８】
なお、上述した第２の解決手段による発電素子において、
前記重錘体は、単一の前記弾性体を介して、前記筐体の前記第２内面に支持されている、
ようにしてもよい。
【００３９】
また、上述した第２の解決手段による発電素子において、
前記第２内面に支持された第２電荷発生素子を更に備えた、
ようにしてもよい。
【００４０】
また、上述した第２の解決手段による発電素子において、
前記第２電荷発生素子は、前記弾性体が貫通する貫通孔を有している、
ようにしてもよい。
【００４１】
また、上述した第２の解決手段による発電素子において、
前記重錘体と前記第１電荷発生素子との間に介在された保護基板を更に備えた、
ようにしてもよい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、３軸方向の振動で発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図２】図２は、図１の発電素子を示すＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、図１の発電素子の発電回路の構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図５】図５は、図４の発電素子を示すＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図７】図７は、図６の発電素子の変形例を示す縦断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図９】図９は、本発明の第５の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第６の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図１１】図１１は、図１０の発電素子を示すＣ−Ｃ線断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第７の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図１３】図１３は、図１２の発電素子を示すＤ−Ｄ線断面図である。
【図１４】図１４は、図１３の発電素子の変形例を示す平面断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第８の実施の形態における発電素子を示す縦断面図である。
【図１６】図１６は、図１５の発電素子の変形例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００４５】
なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件および物理的特性並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「垂直」、等の用語や寸法、物理的特性の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
【００４６】
（第１の実施の形態）
図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施の形態における発電素子について説明する。本実施の形態における発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う素子である。
【００４７】
図１に、本発明の第１の実施の形態における発電素子１を縦断面で示し、図２に、図１の発電素子１のＡ−Ａ線断面を示し、図３に、図１の発電素子１の発電回路を示す。図１に示すように、本実施の形態による発電素子１は、第１圧電素子１０（第１電荷発生素子）と、Ｚ軸方向（第１の方向）において第１圧電素子１０に対向した第２圧電素子２０（第２電荷発生素子）と、重錘体２と、筐体４０と、を備えている。なお、説明を明瞭にするために、図１および図２に示すように、ＸＹＺ座標系を定義し、Ｚ軸方向を上下方向とし、第１圧電素子１０が下側に配置され、第２圧電素子２０が上側に配置されるように発電素子１を配置した状態で以下の説明を行う。このため、本実施の形態における発電素子１は、Ｚ軸方向を上下方向とした姿勢で使用されることに限られることはない。また、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０のどちらを上側または下側に配置するかは任意である。
【００４８】
図１に示すように、第２圧電素子２０は、第１圧電素子１０よりも筐体４０の第２内面４２の側（図１における上側）に配置されている。そして、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０とは互いに離間している。第１圧電素子１０と筐体４０の後述する第２内面４２との間、すなわち、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０との間には、変位空間３が設けられている。重錘体２は、この変位空間３内に収容されて、変位空間３内を変位可能になっている。本実施の形態においては、変位空間３内に１つの重錘体２が収容されており、重錘体２は、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０、並びに後述する方向変換体３０および筐体４０等の他の部材に接続されておらず、支持されていない。このため、重錘体２は、重力の影響を除けば、変位空間３内を自由に変位可能になっている。なお、図１においては、重錘体２が、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０との間で宙に浮いた状態で示されているが、図１の下方向（Ｚ軸負側）に重力が作用している場合には、重錘体２は、重力の影響を受けて第１圧電素子１０上に載置される。
【００４９】
本実施の形態においては、図１および図２に示すように、重錘体２は直方体形状を有しており、Ｚ軸方向で見たときに正方形状で形成されている例が示されている。しかしながら、このことに限られることはなく、重錘体２は、立方体形状でもよく、球形状（図８等参照）や楕円体形状、円柱形状でもよく、任意である。重錘体２は、第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突させて発電を行わせることができれば、任意の材料を用いることができる。例えば、重錘体２は、シリコン、金属材料、プラスチック材料、またはゴム材料等で形成されていてもよい。なお、重錘体２は、第１圧電素子１０や第２圧電素子２０に衝突した際に破損せず、粉塵等を発生させない材料であることが好ましい。
【００５０】
第１圧電素子１０と第２圧電素子２０との間には、方向変換体３０が設けられている。この方向変換体３０は、Ｚ軸方向に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換するように構成されている。すなわち、方向変換体３０は、Ｚ軸方向における一側から他側に向かって、重錘体２から遠ざかるように形成された方向変換面３１を有しており、この方向変換面３１によって、重錘体２の変位方向が変換されるようになっている。
【００５１】
図２に示すように、方向変換体３０は、Ｚ軸方向で見たときに、重錘体２の外側に設けられている。本実施の形態では、方向変換体３０は、重錘体２の周囲で全周にわたって連続状に形成されている。図２に示す例では、方向変換体３０は、Ｚ軸方向で見たときに正方形の枠状に形成されている。
【００５２】
本実施の形態による方向変換体３０は、Ｘ軸方向（第２の方向）に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換するとともに、Ｙ軸方向（第３の方向）に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換するようになっている。より具体的には、図２に示すように、方向変換体３０は、Ｘ軸方向に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換する一対のＸ軸方向変換面３２と、Ｙ軸方向に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換する一対のＹ軸方向変換面３３と、を有している。一対のＸ軸方向変換面３２は、Ｘ軸方向において重錘体２の両側に配置され、一対のＹ軸方向変換面３３は、Ｙ軸方向において重錘体２の両側に配置されている。
【００５３】
Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、第１圧電素子１０から第２圧電素子２０に向かって、重錘体２から遠ざかるように（Ｚ軸方向で見たときに外側に向かうように）それぞれ形成されている。本実施の形態では、Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、Ｚ軸方向に沿う断面で見たときに直線状に形成されており、第１圧電素子１０の上面（第２圧電素子２０の側の面）や第２圧電素子２０の下面（第１圧電素子１０の側の面）に対して傾斜している。更に言えば、本実施の形態では、方向変換面３１は、Ｚ軸方向における任意の位置（図１における上下方向での任意の位置）でＸＹ平面に平行（図１における左右方向）に切断してＺ軸方向で見たときに、正方形枠状に形成されている（長方形枠状であってもよい）。このようにして、本実施の形態によるＸ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、平坦状に形成されている。
【００５４】
しかしながら、Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、第１圧電素子１０から第２圧電素子２０に向かって重錘体２から遠ざかるように形成されていれば、任意の形状を有していてもよい。例えば、Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、Ｚ軸方向に沿う断面で見たときに曲線状に形成されていてもよい。また、例えば、方向変換面３１は、全体的にすり鉢状に形成されていてもよい。より具体的には、Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、Ｚ軸方向における任意の位置（図１における上下方向での任意の位置）でＸＹ平面に平行（図１における左右方向）に切断してＺ軸方向で見たときに、円形状や楕円形状で形成されていてもよい。この場合、Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、Ｚ軸方向に沿う断面で見たときに直線状または曲線状に形成されていてもよい。方向変換面３１がすり鉢状に形成されている場合には、重錘体２は球形状であってもよい。
【００５５】
本実施の形態では、Ｘ軸方向変換面３２はＹ軸に平行であり、Ｙ軸方向変換面３３はＸ軸に平行になっている。このため、直方体形状の重錘体２を、Ｘ軸およびＹ軸に平行に配置した場合には、Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、Ｚ軸方向で見たときに重錘体２の外形輪郭に沿うように（平行に）なる。
【００５６】
なお、図２においては、Ｘ軸方向変換面３２とＹ軸方向変換面３３とが直接的に接続されている例が示されている。この場合、Ｘ軸方向変換面３２とＹ軸方向変換面３３を任意のＺ軸方向位置（図１における上下方向の位置）でＸＹ平面に平行（図１における左右方向）に切断すると、Ｘ軸方向変換面３２を示す線とＹ軸方向変換面３３を示す線が直角をなすようになる。しかしながら、このことに限られることはなく、Ｘ軸方向変換面３２とＹ軸方向変換面３３とは、他の面を介して間接的に接続されていてもよい。例えば、Ｘ軸方向変換面３２とＹ軸方向変換面３３とが傾斜面（図示せず）を介して接続されていてもよい。この場合、ＸＹ平面に平行に切断すると、Ｘ軸方向変換面３２とＹ軸方向変換面３３との間に、これらの方向変換面３２、３３に対していずれも４５度の角度をなす傾斜面を示す線が介在されるようになる。あるいは、Ｘ軸方向変換面３２とＹ軸方向変換面３３とが湾曲面（図示せず）を介して間接的に接続されていてもよい。この場合、ＸＹ平面に平行に切断すると、Ｘ軸方向変換面３２を示す線とＹ軸方向変換面３３を示す線との間に、湾曲面を示す曲線（例えば、１／４円弧をなす曲線）が介在されるようになる。
【００５７】
本実施の形態による方向変換体３０は、第１圧電素子１０上に設けられており、第１圧電素子１０に支持されている。そして、方向変換体３０は、第２圧電素子２０に離間しており、方向変換体３０と第２圧電素子２０との間には隙間Ｇが形成されている。この隙間Ｇは、重錘体２が通過できないようになっている。すなわち、方向変換体３０と第２圧電素子２０との間の隙間Ｇは、重錘体２の外形寸法（重錘体２が直方体形状である場合には最小辺寸法）よりも小さくなっており、重錘体２が変位空間３から外側に移動できないようになっている。
【００５８】
方向変換体３０は、重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換させることができれば、任意の材料を用いることができる。例えば、方向変換体３０は、シリコン、金属材料、プラスチック材料、またはゴム材料等で形成されていてもよい。
【００５９】
重錘体２が変位する変位空間３は、主として、第１圧電素子１０の上面（後述する第１保護基板５が設けられている場合にはその上面）と、第２圧電素子２０の下面（後述する第２保護基板６が設けられている場合にはその下面）と、Ｘ軸方向変換面３２と、Ｙ軸方向変換面３３と、により画定されている。発電素子１にＺ軸方向の振動が与えられた場合には、重錘体２はＺ軸方向に変位し、第１圧電素子１０の上面または第２圧電素子２０の下面に衝突する。一方、発電素子１にＸ軸方向の振動が与えられた場合には、重錘体２はＸ軸方向（図２における左右方向）に変位し、Ｘ軸方向変換面３２に衝突する。この場合、重錘体２の変位方向は、Ｘ軸方向変換面３２によってＺ軸方向に変換され、第１圧電素子１０の上面または第２圧電素子２０の下面（本実施の形態においては第２圧電素子２０の下面）に衝突する。また、発電素子１にＹ軸方向の振動が与えられた場合には、重錘体２はＹ軸方向（図２における上下方向）に変位し、Ｙ軸方向変換面３３に衝突する。この場合、重錘体２の変位方向は、Ｙ軸方向変換面３３によってＺ軸方向に変換され、第１圧電素子１０の上面または第２圧電素子２０の下面（本実施の形態においては第２圧電素子２０の下面）に衝突する。
【００６０】
図１に示すように、上述した筐体４０は、第１内面４１と、Ｚ軸方向において第１内面４１に対向する第２内面４２と、第１内面４１と第２内面４２とを接続する側面４３と、を有している。第１内面４１と第２内面４２と側面４３によって、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０、方向変換体３０および重錘体２が収容される収容空間４７が画定されている。第１圧電素子１０は、第１内面４１に設けられており、筐体４０に支持されている。第２圧電素子２０は、第２内面４２に設けられており、筐体４０に支持されている。本実施の形態においては、図１および図２に示すように、筐体４０は直方体形状を有しており、Ｚ軸方向で見たときに正方形状で形成されている。筐体４０は、底板４４と、底板４４の上方に設けられた天板４５と、底板４４と天板４５との間に設けられた側板４６と、により構成されていてもよい。このうち底板４４が、上述した第１内面４１を含み、天板４５が、上述した第２内面４２を含み、側板４６が、上述した側面４３を含む。側板４６は、Ｚ軸方向で見たときに正方形の枠状に形成される。筐体４０は、重錘体２が第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突した際に剛性を確保することができれば任意の材料を用いることができる。例えば、筐体４０は、シリコン、金属材料、プラスチック材料、ガラスまたはセラミック等で形成することができる。
【００６１】
図１に示すように、本実施の形態による第１圧電素子１０は、重錘体２が衝突した際に電荷を発生させるようになっている。第１圧電素子１０は、重錘体２の側（図１における上側）に設けられた第１上部電極層１１（第１重錘体側電極層）と、第１上部電極層１１とは反対側（図１における下側）に設けられた第１下部電極層１２（第１反対側電極層）と、第１圧電材料層１３（第１電荷発生材料層）と、を有している。第１圧電材料層１３は、第１上部電極層１１と第１下部電極層１２との間に設けられている。このうち第１圧電材料層１３は、例えば、圧電セラミック（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））、高分子強誘電体（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））、圧電薄膜（ＰＺＴ）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）等で形成されていてもよい。
【００６２】
第１圧電素子１０と同様に、本実施の形態による第２圧電素子２０も、重錘体２が衝突した際に電荷を発生させるようになっている。第２圧電素子２０は、重錘体２の側（図１における下側）に設けられた第２下部電極層２１（第２重錘体側電極層）と、第２下部電極層２１とは反対側（図１における上側）に設けられた第２上部電極層２２（第２反対側電極層）と、第２圧電材料層２３（第２電荷発生材料層）と、を有している。第２圧電材料層２３は、第２下部電極層２１と第２上部電極層２２との間に設けられている。このうち第２圧電材料層２３は、第１圧電材料層１３と同様の材料で形成される。
【００６３】
第１上部電極層１１および第２下部電極層２１は、重錘体２が衝突した際に発生する電荷は、正電荷でも負電荷でもよい。本実施の形態では、正電荷が発生するとして説明する。ここで、第１圧電材料層１３および第２圧電材料層２３が薄膜状の圧電材料層である場合には、重錘体２が衝突した際に第１上部電極層１１および第２下部電極層２１で発生する電荷は、一義的に決められる場合が多い。ここで、一般的に、焼結によって形成される圧電セラミックでは、自発分極の向きがランダムになっているため、圧縮応力または引張応力を受けた場合であっても電荷は発生しない。しかしながら、高い電圧を印加して分極処理を行うことにより、圧電セラミックの自発分極の方向を揃えることができる。このような圧電セラミックで各圧電材料層１３、２３が形成されている場合には、分極処理で圧縮応力と引張応力とで発生する電荷の正負を意図的に変えることができる。このため、第１上部電極層１１および第２下部電極層２１で発生する電荷の正負に関わることなく、３次元的にいずれの方向の振動が与えられた場合においても、第１上部電極層１１および第２下部電極層２１に電荷を発生させることができるという点で、本実施の形態は有利である。
【００６４】
図１に示すように、本実施の形態による発電素子１は、発電回路４を更に備えている。この発電回路４は、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出して、負荷ＺＬ（図３参照）に供給するように構成されている。発電回路４は、整流素子（ダイオード）、平滑用の容量素子（コンデンサ）を用いて構成することができる。
【００６５】
図３に、図１の発電素子１の発電回路４の構成を示す。本実施の形態による発電回路４は、例えば図３に示すような構成を有することができる。図３において、Ｐ１は、第１圧電素子１０の第１圧電材料層１３に相当する。Ｐ１の右側に示す縦線は、第１上部電極層１１に相当し、Ｐ１の左側に示す縦線は、第１下部電極層１２に相当する。Ｐ２は、第２圧電素子２０の第２圧電材料層２３に相当する。Ｐ２の右側に示す縦線は、第２下部電極層２１に相当し、Ｐ２の左側に示す縦線は、第２上部電極層２２に相当する。
【００６６】
発電回路４は、整流素子（ダイオード）と、平滑用の容量素子（コンデンサ）と、を有している。このうち整流素子Ｄ１（＋）は、第１上部電極層１１に発生した正電荷を取り出す機能を有しており、整流素子Ｄ２（＋）は、第２下部電極層２１に発生した正電荷を取り出す機能を有している。また、整流素子Ｄ１（−）は、第１下部電極層１２に発生した負電荷を取り出す機能を有しており、整流素子Ｄ２（−）は、第２上部電極層２２に発生した負電荷を取り出す機能を有している。
【００６７】
平滑用の容量素子Ｃｆの正極端子（図３における上側の端子）に、整流素子Ｄ１（＋）およびＤ２（＋）によって取り出された正電荷が供給され、負極端子（図３における下側の端子）に、整流素子Ｄ１（−）およびＤ２（−）によって取り出された負電荷が供給される。この容量素子Ｃｆは、発生した電荷の脈流を平滑化する機能を有している。また、容量素子Ｃｆの一方の端子（図３における上側の端子）と第１下部電極層１２との間には、整流素子Ｄ０（＋）が接続され、容量素子Ｃｆの他方の端子（図３における下側の端子）と第２上部電極層２２との間には、整流素子として整流素子Ｄ０（−）が接続されている。整流素子Ｄ０（＋）と整流素子Ｄ０（−）は、互いに逆方向を向いている。
【００６８】
容量素子Ｃｆに並列接続されているＺＬは、発電素子１によって発電された電力の供給を受ける機器の負荷を示している。負荷ＺＬには、整流素子Ｄ１（＋）およびＤ２（＋）で取り出された正電荷と、整流素子Ｄ１（−）およびＤ２（−）で取り出された負電荷とが供給される。
【００６９】
このような発電回路４は、筐体４０の外側に設けられていてもよい。しかしながら、後述する図８に示すように、筐体４０内に設けられていてもよい。
【００７０】
第１圧電素子１０の第１上部電極層１１および第１下部電極層１２は、図示しないボンディングワイヤで電気的に接続されており、これらのボンディングワイヤは、筐体４０に設けられた貫通パッド（図示せず）を介して筐体４０の外部に引き出されている。なお、後述する図８に示すように、第１圧電素子１０に外側延長部１４を設けて、第１上部電極層１１および第１圧電材料層１３に第１露出孔１５を設けてもよい。この場合、第１下部電極層１２と発電回路４とを接続するボンディングワイヤを、第１露出孔１５を通して第１下部電極層１２に容易に接続することができる。
【００７１】
また、第２圧電素子２０の第２下部電極層２１および第２上部電極層２２は、図示しないボンディングワイヤで電気的に接続されており、これらのボンディングワイヤは、筐体４０に設けられた貫通パッド（図示せず）を介して筐体４０の外部に引き出されている。なお、後述する図８に示すように、第２圧電素子２０の第２上部電極層２２および第２圧電材料層２３に第２露出孔２４を設けてもよい。この場合、第２下部電極層２１と発電回路４とを接続するボンディングワイヤを、第２露出孔２４を通して第２下部電極層２１に容易に接続することができる。
【００７２】
ところで、図１に示すように、重錘体２と第１圧電素子１０との間には、第１保護基板５が介在されている。ここでは、第１保護基板５は、第１圧電素子１０の第１上部電極層１１の上面（重錘体２の側の面）に設けられている。第１上部電極層１１の全体が、第１保護基板５によって覆われている。第１保護基板５は、第１圧電素子１０を保護することができれば、任意の材料で形成することができる。例えば、第１保護基板５は、シリコン、金属材料、プラスチック材料またはゴム材料等で形成されていてもよい。重錘体２が金属材料で形成される場合には、第１保護基板５は、絶縁材料で形成されていてもよい。
【００７３】
同様に、重錘体２と第２圧電素子２０との間には、第２保護基板６が介在されている。ここでは、第２圧電素子２０の第２下部電極層２１の下面（重錘体２の側の面）に、第２保護基板６が設けられている。第２下部電極層２１の全体が、第２保護基板６によって覆われている。第２保護基板６は、第１保護基板５と同様の材料で形成されていてもよい。
【００７４】
本実施の形態による発電素子１を製造する方法の一例について説明する。
【００７５】
筐体４０の底板４４の第１内面４１に、第１圧電素子１０が形成される。この場合、まず、第１内面４１に、第１下部電極層１２、第１圧電材料層１３および第１上部電極層１１がスパッタリングでこの順番に成膜される。続いて、第１圧電素子１０の第１上部電極層１１の上面に、第１保護基板５が接着剤等で接着される。次に、第１保護基板５の上面に方向変換体３０が接着剤等で接着される。方向変換体３０は、例えばシリコン基板を水酸化カリウム水溶液等をエッチング剤として異方性エッチングで作製することができる。
【００７６】
筐体４０の天板４５の第２内面４２に、第２圧電素子２０が形成される。この場合、まず、第１圧電素子１０と同様にして、第２上部電極層２２、第２圧電材料層２３および第２下部電極層２１がこの順番に成膜される。その後、第２下部電極層２１の下面に、第２保護基板６が接着される。
【００７７】
重錘体２は、直方体状に作製する場合には、金属材料等から切断加工等で作製することできる。重錘体２を球形状に作製する場合には、鋼球を用いてもよい。
【００７８】
第１圧電素子１０が形成された底板４４と、第２圧電素子２０が形成された天板４５と、側板４６とから筐体４０が作製される。この場合、まず、底板４４に側板４６が接着される。続いて、第１圧電素子１０の第１上部電極層１１および第１下部電極層１２にボンディングワイヤが接続される。このボンディングワイヤは、筐体４０に設けられた図示しない貫通パッドに接続される。同様にして、第２圧電素子２０の第２上部電極層２２および第２下部電極層２１にボンディングワイヤが接続される。このボンディングワイヤが、貫通パッドに接続される。次に、方向変換体３０の内側に、重錘体２が配置される。その後、側板４６に、天板４５が接着される。
【００７９】
このようにして、本実施の形態による発電素子１を得ることができる。しかしながら、発電素子１を製造する方法は、これに限られることはない。例えば、第１圧電素子１０は、第１圧電材料層１３（例えば、圧電セラミック）の上面および下面に、印刷を施すことによって、第１上部電極層１１および第１下部電極層１２を形成してもよい。そして、このように形成された第１圧電素子１０を、筐体４０の底板４４の第１内面４１に、接着剤で接着してもよい。第２圧電素子２０についても同様である。
【００８０】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００８１】
図１および図２に示す発電素子１にＺ軸方向の外部振動が与えられた場合、重錘体２は、変位空間３内でＺ軸方向に変位する。このため、重錘体２は、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０の一方に衝突する。一方の圧電素子１０、２０に衝突した後に重錘体２は反対側に変位して他方の圧電素子１０、２０に衝突する。そして、重錘体２はＺ軸方向で往復運動を行い、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に衝突する。
【００８２】
重錘体２が第１圧電素子１０に衝突すると、第１圧電素子１０の第１圧電材料層１３が圧縮応力を受ける。この際、第１上部電極層１１と第１下部電極層１２には、圧縮応力に相応する電荷が発生するが、第１上部電極層１１に発生する電荷と、第１下部電極層１２に発生する電荷は符号が異なる。ここでは、第１上部電極層１１に正電荷が発生し、第１下部電極層１２に負電荷が発生する。
【００８３】
重錘体２が第２圧電素子２０に衝突すると、第２圧電素子２０の第２圧電材料層２３が圧縮応力を受ける。この際、第２下部電極層２１と第２上部電極層２２には、圧縮応力に相応する電荷が発生するが、第２下部電極層２１に発生する電荷と、第２上部電極層２２に発生する電荷は符号が異なる。ここでは、第２下部電極層２１に正電荷が発生し、第２上部電極層２２に負電荷が発生する。
【００８４】
発生した電荷は、各圧電素子１０、２０の各電極層１１、１２、２１、２２から発電回路４（図３参照）に供給され、発電回路４によって平滑化される。平滑化された電力は、負荷ＺＬに供給される。
【００８５】
このようにして、Ｚ軸方向の外部振動が与えられた場合には、本実施の形態による発電素子１が、振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電を行うことができる。
【００８６】
また、図１および図２に示す発電素子１にＸ軸方向の外部振動が与えられた場合、重錘体２は、変位空間３内でＸ軸方向に変位する。このため、重錘体２は、方向変換体３０の一方のＸ軸方向変換面３２に衝突する。これにより、重錘体２の変位方向は、Ｚ軸正側（図１における上側）に変換され、第２圧電素子２０に衝突する。第２圧電素子２０に衝突した後に重錘体２は反対側（図１における下側）に変位して第１圧電素子１０に衝突し、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に衝突する。この間、外部振動の大きさ次第では、重錘体２は他方のＸ軸方向変換面３２に衝突し得るが、この場合においても、重錘体２の変位方向を再びＺ軸方向に向けることができる。
【００８７】
このようにして重錘体２が第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突すると、上述したように各圧電素子１０、２０の各電極層１１、１２、２１、２２で電荷が発生する。発生した電荷は、平滑化された電力として、負荷ＺＬに供給される。このようにして、Ｘ軸方向の外部振動が与えられた場合においても、本実施の形態による発電素子１が、振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電を行うことができる。
【００８８】
また、図１および図２に示す発電素子１にＹ軸方向の外部振動が与えられた場合、重錘体２は、変位空間３内でＹ軸方向に変位する。このため、重錘体２は、方向変換体３０の一方のＹ軸方向変換面３３に衝突する。これにより、重錘体２の変位方向は、Ｚ軸正側（図１における上側）に変換され、第２圧電素子２０に衝突する。第２圧電素子２０に衝突した後に重錘体２は反対側に変位して第１圧電素子１０に衝突し、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に衝突する。この間、外部振動の大きさ次第では、重錘体２は他方のＹ軸方向変換面３３に衝突し得るが、この場合においても、重錘体２の変位方向を再びＺ軸方向に向けることができる。
【００８９】
このようにして重錘体２が第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突すると、上述したように各圧電素子１０、２０の各電極層１１、１２、２１、２２で電荷が発生する。発生した電荷は、平滑化された電力として、負荷ＺＬに供給される。このようにして、Ｙ軸方向の外部振動が与えられた場合においても、本実施の形態による発電素子１が、振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電を行うことができる。
【００９０】
このように本実施の形態によれば、Ｚ軸方向において互いに対向する第１圧電素子１０と第２圧電素子２０との間に設けられた変位空間３内を重錘体２が変位可能になっており、方向変換体３０によって、Ｚ軸方向に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）に変位する重錘体２の変位方向がＺ軸方向に変換される。このことにより、Ｚ軸に直交する方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合においても、重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換することができ、重錘体２を第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突させることができる。また、Ｚ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２をＺ軸方向に変位させて第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突させることができる。このため、Ｚ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合であっても、第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に電荷を発生させることができる。この結果、３軸発電を行うことができる。
【００９１】
また、本実施の形態によれば、方向変換体３０のＸ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３が、Ｚ軸方向に沿う断面で見たときに直線状に形成されている。このことにより、Ｚ軸方向に直交する方向に変位する重錘体２が方向変換面３１のうちＺ軸方向におけるいずれの位置に衝突した場合であっても、重錘体２の変位方向をＺ軸方向に効果的に変換させることができる。このため、重錘体２の変位方向の変換機能を高めることができ、効率良く電荷を発生させることができる。
【００９２】
また、本実施の形態によれば、重錘体２は、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０、方向変換体３０および筐体４０のいずれにも支持されていない。このことにより、重錘体２は、重力の影響を除き、変位空間３内を自由に変位することができる。このため、発電素子１の発電が外部振動の周波数に依存することを防止できる。
【００９３】
また、本実施の形態によれば、第１圧電素子１０は、筐体４０の第１内面４１に支持され、第２圧電素子２０は、筐体４０の第２内面４２に支持されている。このことにより、発電素子１の剛性を高めることができる。このため、重錘体２が圧電素子１０、２０に衝突した際に、圧電素子１０、２０が変形して応力が分散されることを抑制でき、効率良く電荷を発生させることができる。
【００９４】
また、本実施の形態によれば、方向変換体３０は、第１圧電素子１０に支持されて第２圧電素子２０に離間している。このことにより、第１圧電素子１０は、筐体４０の第１内面４１に支持され、第２圧電素子２０は、筐体４０の第２内面４２に支持されているため、第１圧電素子１０に支持される方向変換体３０を第２圧電素子２０に対して離間させることで、製造誤差があっても、発電素子１を組み付けることができる。
【００９５】
また、本実施の形態によれば、重錘体２と第１圧電素子１０との間に、第１保護基板５が介在されている。このことにより、重錘体２の衝突によって第１圧電素子１０が破損することを防止できるとともに、騒音が発生することを防止できる。このため、発電素子１の信頼性を向上させることができる。
【００９６】
また、本実施の形態によれば、重錘体２と第２圧電素子２０との間に、第２保護基板６が介在されている。このことにより、重錘体２の衝突によって第２圧電素子２０が破損することを防止できるとともに、騒音が発生することを防止できる。このため、発電素子１の信頼性を向上させることができる。
【００９７】
なお、上述した本実施の形態においては、第１電荷発生素子および第２電荷発生素子として第１圧電素子１０および第２圧電素子２０を用いる例について説明した。しかしながら、重錘体２の変位時に電荷を発生させることができれば、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０を用いることに限られない。
【００９８】
また、上述した本実施の形態においては、第１圧電素子１０の第１上部電極層１１の上面に、第１保護基板５が設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、重錘体２に、第１保護基板５が設けられて、第１圧電素子１０に第１保護基板５が設けられていなくてもよい。あるいは、重錘体２が衝突しても第１圧電素子１０の破損を回避可能である場合（例えば、重錘体２がゴム材料やプラスチック材料で形成されている場合）には、第１保護基板５は設けられていなくてもよい。第２保護基板６についても同様である。
【００９９】
また、上述した本実施の形態においては、変位空間３内に１つの重錘体２が収容されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、変位空間３内には、複数の重錘体２が収容されていてもよい。この場合、重錘体２の変位が他の重錘体２によって干渉されることを防止するために、重錘体２は球形状や楕円体形状であってもよい。このことにより、各圧電素子１０、２０への重錘体２の衝突回数を増やして、各圧電素子１０、２０における電荷の発生量を増大させることができる。
（第２の実施の形態）
次に、図４および図５を用いて、本発明の第２の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１００】
図４および図５に示す第２の実施の形態においては、方向変換体の一部が、第２圧電素子に支持されている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４および図５において、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１０１】
図４に、本発明の第２の実施の形態における発電素子１を縦断面で示し、図５に、図４の発電素子１のＢ−Ｂ線断面を示す。本実施の形態においては、方向変換体３０は、図５に示すように、Ｚ軸方向で見たときの重錘体２の周囲で周方向に互いに異なる位置に設けられた第１変換体部分３４Ａおよび第２変換体部分３４Ｂを有している。ここでは、方向変換体３０は、一対の第１変換体部分３４Ａと、一対の第２変換体部分３４Ｂと、を有している例が示されている。一対の第１変換体部分３４Ａは、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５度をなす方向において重錘体２の両側に配置されている。同様に、一対の第２変換体部分３４Ｂは、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５度をなす方向において重錘体２の両側に配置されている。このため、第１変換体部分３４Ａと第２変換体部分３４Ｂは、重錘体２の周囲で交互に配置されている。また、互いに隣り合う第１変換体部分３４Ａと第２変換体部分３４Ｂとは、互いに離間している。このように、各変換体部分３４Ａ、３４Ｂが、重錘体２の角部に対向するように配置されているため、第１変換体部分３４Ａおよび第２変換体部分３４Ｂはそれぞれ、Ｘ軸方向変換面３２Ａ、３２ＢとＹ軸方向変換面３３Ａ、３３Ｂとを含むように構成されている。なお、図４においては、便宜上、左側に第１変換体部分３４Ａを示し、右側に第２変換体部分３４Ｂを示している。
【０１０２】
図４に示すように、第１変換体部分３４Ａは、第１圧電素子１０に支持されている。そして、第１変換体部分３４Ａは、第２圧電素子２０に離間しており、第１変換体部分３４Ａと第２圧電素子２０との間には隙間Ｇが形成されている。この隙間Ｇは、重錘体２が通過できないようになっている。すなわち、第１変換体部分３４Ａと第２圧電素子２０との間の隙間Ｇは、重錘体２の外形寸法（重錘体２が直方体形状である場合には最小辺寸法）よりも小さくなっており、重錘体２が変位空間３から外側に移動できないようになっている。第１変換体部分３４ＡのＸ軸方向変換面３２Ａは、Ｙ軸に平行に形成されており、第１圧電素子１０から第２圧電素子２０に向かって、重錘体２から遠ざかるように平坦状に形成されている。第１変換体部分３４ＡのＹ軸方向変換面３３Ａは、Ｘ軸に平行に形成されており、第１圧電素子１０から第２圧電素子２０に向かって、重錘体２から遠ざかるように平坦状に形成されている。
【０１０３】
第２変換体部分３４Ｂは、第２圧電素子２０に支持されている。そして、第２変換体部分３４Ｂは、第１圧電素子１０に離間しており、第２変換体部分３４Ｂと第１圧電素子１０との間には隙間Ｇが形成されている。この隙間Ｇは、重錘体２が通過できないようになっている。すなわち、第２変換体部分３４Ｂと第１圧電素子１０との間の隙間Ｇは、重錘体２の外形寸法（重錘体２が直方体形状である場合には最小辺寸法）よりも小さくなっており、重錘体２が変位空間３から外側に移動できないようになっている。第２変換体部分３４ＢのＸ軸方向変換面３２Ｂは、Ｙ軸に平行に形成されており、第２圧電素子２０から第１圧電素子１０に向かって、重錘体２から遠ざかるように平坦状に形成されている。第２変換体部分３４ＢのＹ軸方向変換面３３Ｂは、Ｘ軸に平行に形成されており、第２圧電素子２０から第１圧電素子１０に向かって、重錘体２から遠ざかるように平坦状に形成されている。
【０１０４】
本実施の形態においては、変位空間３内でＸ軸方向に変位する重錘体２が、第２変換体部分３４ＢのＸ軸方向変換面３２Ｂに衝突した場合、重錘体２の変位方向は、Ｚ軸負側（図４における下側）に変換され、第１圧電素子１０に衝突する。第１圧電素子１０に衝突した後に重錘体２は反対側に変位して第２圧電素子２０に衝突し、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に衝突する。この間、外部振動の大きさ次第では、重錘体２は第１変換体部分３４ＡのＸ軸方向変換面３２Ａに衝突し得るが、この場合においても、重錘体２の変位方向を再びＺ軸方向に向けることができる。変位空間３内でＹ軸方向に変位する重錘体２が、第２変換体部分３４ＢのＹ軸方向変換面３３Ｂに衝突した場合でも同様である。このようにして、各圧電素子１０、２０の各電極層１１、１２、２１、２２で電荷を発生させることができる。
【０１０５】
なお、図４および図５に示すように、重錘体２は、図１に示す形態における重錘体２よりも小さく形成されていてもよい。この場合、重錘体２が、第１変換体部分３４ＡのＸ軸方向変換面３２Ａと第２変換体部分３４ＢのＸ軸方向変換面３２Ｂとに同時に衝突する可能性を低減させることができ、重錘体２の変位が停止することを抑制できる。
【０１０６】
このように本実施の形態によれば、方向変換体３０の第１変換体部分３４Ａは、第１圧電素子１０に支持されており、第２変換体部分３４Ｂは、第２圧電素子２０に支持されている。このことにより、Ｚ軸方向に直交する方向に変位する重錘体２が方向変換体３０に衝突した際の衝撃力を、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０に分散させることができる。このため、各圧電素子１０、２０の破損を効果的に防止することができ、発電素子１の信頼性をより一層向上させることができる。
【０１０７】
なお、上述した本実施の形態においては、第１変換体部分３４Ａおよび第２変換体部分３４Ｂはそれぞれ、Ｘ軸方向変換面３２Ａ、３２Ｂと、Ｙ軸方向変換面３３Ａ、３３Ｂと、を含んでいる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第１変換体部分３４ＡはＹ軸方向変換面３３Ａを含んでいなくてもよく、第２変換体部分３４ＢはＸ軸方向変換面３２Ｂを含んでいなくてもよい。すなわち、Ｙ軸に平行なＸ軸方向変換面３２Ａを含む一対の第１変換体部分３４Ａを、Ｘ軸方向において重錘体２の両側に配置し、Ｘ軸に平行なＹ軸方向変換面３３Ｂを含む一対の第２変換体部分３４Ｂを、Ｙ軸方向において重錘体２の両側に配置するようにしてもよい。この場合、重錘体２の角部に対向する位置には、第１変換体部分３４Ａと第２変換体部分３４Ｂとの間の隙間が存在し、Ｚ軸方向で見たときに、重錘体と第１変換体部分３４Ａと第２変換体部分３４Ｂとが十字状に配置される。このような形態においても、Ｚ軸方向に直交する方向に変位する重錘体２の変位方向を、Ｚ軸方向に変換することができる。
【０１０８】
また、上述した本実施の形態においては、第２変換体部分３４Ｂが、第２圧電素子２０に支持されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第２変換体部分３４Ｂは、第１圧電素子１０に支持されるようにしてもよい。この場合、方向変換体３０は、後述する図１１等に示す方向変換体３０と同様な構成になる。
【０１０９】
（第３の実施の形態）
次に、図６および図７を用いて、本発明の第３の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１１０】
図６および図７に示す第３の実施の形態においては、発電素子が、第２圧電素子を備えていない点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６および図７において、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１１１】
図６に、本発明の第２の実施の形態における発電素子１を縦断面で示す。図６に示すように、本実施の形態においては、筐体４０の第２内面４２に第２圧電素子２０は設けられておらず、第２内面４２が第１圧電素子１０に対向している。変位空間３は、第１圧電素子１０と第２内面４２との間に設けられている。より具体的には、変位空間３は、主として、第１圧電素子１０の上面（第１保護基板５が設けられている場合にはその上面）と、第２内面４２（第２保護基板６が設けられる場合にはその下面）と、方向変換体３０のＸ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３（図２参照）と、により画定されている。第２内面４２には、上述した第２保護基板６が設けられていてもよい。本実施の形態による筐体４０は、第１内面４１を含む底板４４と、第２内面４２を含む天板側部材４８と、を含んでいる。天板側部材４８は、図１に示す天板４５と側板４６とを一体に形成した部材である。
【０１１２】
方向変換体３０は、図１および図２に示す形態と同様にして、第１圧電素子１０上に設けられており、第１圧電素子１０に支持されている。そして、方向変換体３０は、筐体４０の第２内面４２に離間しており、方向変換体３０と第２内面４２との間には、隙間Ｇが形成されている。この隙間Ｇは、重錘体２が通過できないようになっている。Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、第１圧電素子１０から筐体４０の第２内面４２に向かって、重錘体２から遠ざかるようにそれぞれ形成されている。
【０１１３】
本実施の形態においては、変位空間３内でＺ軸方向に変位する重錘体２は、第１圧電素子１０と筐体４０の第２内面４２に交互に衝突する。また、変位空間３内でＸ軸方向に変位する重錘体２は、Ｘ軸方向変換面３２に衝突して、Ｚ軸正側（図６における上側）に重錘体２の変位方向が変換される。これにより、重錘体２は第２内面４２に衝突する。第２内面４２に衝突した後に重錘体２は反対側（図６における下側）に変位して、第１圧電素子１０に衝突し、第１圧電素子１０および第２内面４２に交互に衝突する。この間、外部振動の大きさ次第では、重錘体２は他方のＸ軸方向変換面３２に衝突し得るが、この場合においても、重錘体２の変位方向を再びＺ軸方向に向けることができる。変位空間３内でＹ軸方向に変位する重錘体２も同様に第１圧電素子１０に衝突することができる。
【０１１４】
このようにして、重錘体２が第１圧電素子１０に衝突すると、第１圧電素子１０の各電極層１１、１２で電荷を発生させることができる。
【０１１５】
このように本実施の形態によれば、Ｚ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合であっても、重錘体２を第１圧電素子１０に衝突させて、電荷を発生させることができる。一方、筐体４０の第２内面４２に第２圧電素子２０が設けられていない。このため、３軸発電を行うことができる発電素子１の構成を簡素化して製造効率を向上させることができる。
【０１１６】
また、本実施の形態によれば、方向変換体３０が第１圧電素子１０に支持されている。このことにより、第１圧電素子１０に方向変換体３０を積層させることができ、第１圧電素子１０および方向変換体３０を一体的に作製することができる。このため、第１圧電素子１０と方向変換体３０の位置合わせを容易化させることができ、発電素子１の製造効率を向上させることができる。
【０１１７】
なお、上述した本実施の形態においては、方向変換体３０が、第１圧電素子１０に支持されている例について説明した。しかしながら、これに限られることはなく、例えば、図７に示すように、方向変換体３０は、筐体４０の第２内面４２に支持されるようにしてもよい。図７に、図６に示す発電素子１の変形例を縦断面で示す。
【０１１８】
図７に示す変形例においては、方向変換体３０は、第１圧電素子１０に離間しており、方向変換体３０と第１圧電素子１０との間には、重錘体２が通過することができない隙間Ｇが形成されている。Ｘ軸方向変換面３２およびＹ軸方向変換面３３は、第２内面４２から第１圧電素子１０に向かって、重錘体２から遠ざかるようにそれぞれ形成されている。
【０１１９】
図７に示す変形例においては、変位空間３内でＺ軸方向に変位する重錘体２は、第１圧電素子１０と筐体４０の第２内面４２に交互に衝突する。また、変位空間３内でＸ軸方向に変位する重錘体２は、Ｘ軸方向変換面３２に衝突して、Ｚ軸負側（図７における下側）に重錘体２の変位方向が変換される。これにより、重錘体２は第１圧電素子１０に衝突する。第１圧電素子１０に衝突した後に重錘体２は反対側（図７における上側）に変位して、第２内面４２に衝突し、第２内面４２および第１圧電素子１０に交互に衝突する。この間、外部振動の大きさ次第では、重錘体２は他方のＸ軸方向変換面３２に衝突し得るが、この場合においても、重錘体２の変位方向を再びＺ軸方向に向けることができる。変位空間３内でＹ軸方向に変位する重錘体２も同様に第１圧電素子１０に衝突することができる。
【０１２０】
このようにして、重錘体２が第１圧電素子１０に衝突すると、第１圧電素子１０の各電極層１１、１２で電荷を発生させることができる。
【０１２１】
図７に示す変形例によれば、Ｚ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合であっても、重錘体２を第１圧電素子１０に衝突させて、電荷を発生させることができる。一方、筐体４０の第２内面４２に第２圧電素子２０が設けられていない。このため、３軸発電を行うことができる発電素子１の構成を簡素化して製造効率を向上させることができる。また、図７に示す変形例によれば、方向変換体３０が筐体４０の第２内面４２に支持されている。このことにより、重錘体２が方向変換体３０に衝突した際の衝撃力が第１圧電素子１０に与えられることを防止できる。このため、第１圧電素子１０の破損を効果的に防止することができ、発電素子１の信頼性をより一層向上させることができる。更に、筐体４０の天板側部材４８と方向変換体３０を一体的に（例えば、射出成型などで）作製することができ、製造効率を向上させることができる。
【０１２２】
（第４の実施の形態）
次に、図８を用いて、本発明の第４の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１２３】
図８に示す第４の実施の形態においては、方向変換体が第１圧電素子から第２圧電素子に延びて、第２圧電素子が第１圧電素子に支持される点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８において、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１２４】
図８に、本発明の第４の実施の形態における発電素子１を縦断面で示す。図８に示すように、本実施の形態においては、方向変換体３０は、第１圧電素子１０に支持されている。そして、方向変換体３０は、第１圧電素子１０から第２圧電素子２０に延びており、第２圧電素子２０は方向変換体３０を介して第１圧電素子１０に間接的に支持されている。第１圧電素子１０は、筐体４０の第１内面４１に支持されており、第２圧電素子２０は、方向変換体３０を介して第１圧電素子１０に支持されている。すなわち、第２圧電素子２０は、方向変換体３０および第１圧電素子１０を介して筐体４０の第１内面４１に間接的に支持されている。第２圧電素子２０は、筐体４０の第２内面４２に離間している。なお、本実施の形態においても、第１圧電素子１０の第１上部電極層１１の上面に、第１保護基板５が設けられており、第２圧電素子２０の第２下部電極層２１の下面に、第２保護基板６が設けられている。
【０１２５】
第１圧電素子１０と筐体４０の第１内面４１との間に、台座７が介在されている。この台座７は、筐体４０の第１内面４１に支持されている。このようにして、第１圧電素子１０は、台座７を介して筐体４０の第１内面４１に支持されている。台座７は、重錘体２が第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突した際に剛性を確保することができれば任意の材料を用いることができる。例えば、台座７は、シリコン、金属材料、プラスチック材料、ガラス、セラミックまたはガラスエポキシ等で形成することができる。
【０１２６】
図８においては、重錘体２が球形である例について示されている。しかしながら、このことに限られることはなく、重錘体２の形状は任意である。
【０１２７】
本実施の形態では、図８に示すように、発電回路４は、筐体４０の内部（すなわち、収容空間４７内）に設けられている。この発電回路４と、各圧電素子１０、２０の各電極層１１、１２、２１、２２が、ボンディングワイヤで電気的に接続されている。
【０１２８】
より具体的には、第１圧電素子１０の第１上部電極層１１が、ボンディングワイヤＷ１１で発電回路４に接続され、第１圧電素子１０の第１下部電極層１２が、ボンディングワイヤＷ１２で発電回路４に接続されている。ここで、第１圧電素子１０は、方向変換体３０よりも外側に延びる外側延長部１４を有している。図８においては、一例として、外側延長部１４がＸ軸負側（図８における左側）に延びている例を示している。この外側延長部１４における第１上部電極層１１および第１圧電材料層１３に、第１下部電極層１２を露出させる第１露出孔１５が設けられている。ボンディングワイヤＷ１２は、この第１露出孔１５を通って、第１下部電極層１２に接続されている。第１露出孔１５は、第１圧電素子１０の第１上部電極層１１および第１圧電材料層１３をエッチングすることにより形成することができる。
【０１２９】
第２圧電素子２０の第２下部電極層２１が、ボンディングワイヤＷ２１で発電回路４に接続され、第２圧電素子２０の第２上部電極層２２が、ボンディングワイヤＷ２２で発電回路４に接続されている。ここで、第２圧電素子２０の第２上部電極層２２および第２圧電材料層２３には、第２下部電極層２１を露出させる第２露出孔２４が設けられている。ボンディングワイヤＷ２１は、この第２露出孔２４を通って、第２下部電極層２１に接続されている。第２露出孔２４は、第２圧電素子２０の第２上部電極層２２および第２圧電材料層２３をエッチングすることにより形成することができる。
【０１３０】
発電回路４から筐体４０の貫通パッド（図示せず）を貫通して筐体４０の外部に信号線Ｗ３１、Ｗ３２が引き出されており、負荷ＺＬ（図３参照）に接続されている。
【０１３１】
図８に示すように、本実施の形態による第２圧電素子２０においては、第２上部電極層２２が厚く形成されている。例えば、第２上部電極層２２の厚みは、第２下部電極層２１の厚みより厚くなっていてもよい。あるいは、第２上部電極層２２の厚みは、第２圧電材料層２３の厚みよりも厚くなっていてもよく、更には、第２圧電材料層２３の厚みの２倍以上であってもよい。
【０１３２】
このように本実施の形態によれば、方向変換体３０が、第１圧電素子１０から第２圧電素子２０に延びており、第２圧電素子２０が、方向変換体３０、第１圧電素子１０および台座７を介して筐体４０の第１内面４１に支持されている。このことにより、第１圧電素子１０に、方向変換体３０を介して第２圧電素子２０を積層させることができる。このため、第１圧電素子１０、方向変換体３０および第２圧電素子２０を一体的に作製することができ、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０の位置合わせを容易化させることができる。この結果、発電素子１の製造効率を向上させることができる。
【０１３３】
また、本実施の形態によれば、第１圧電素子１０と筐体４０の第１内面４１との間に、台座７が介在されている。このことにより、発電素子１の剛性を高めることができる。このため、重錘体２が圧電素子に衝突した際に、圧電素子の変形を防止することができ、効率良く電荷を発生させることができる。また、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０、方向変換体３０を、筐体４０とは別に台座７上に形成することができ、製造効率を向上させることができる。
【０１３４】
また、本実施の形態によれば、発電回路４が、筐体４０の内部に設けられている。このことにより、発電回路４が筐体４０に内蔵された発電素子１を得ることができ、筐体４０と発電回路４とが別体に形成されることを回避できる。
【０１３５】
また、本実施の形態によれば、第１圧電素子１０の外側延長部１４において、第１上部電極層１１および第１圧電材料層１３に、第１下部電極層１２を露出させる第１露出孔１５が設けられている。このことにより、ボンディングワイヤＷ１２を第１下部電極層１２に容易に接続させることができる。このため、ボンディングワイヤＷ１２の接続作業性を向上させることができるとともに、ボンディングワイヤＷ１２の接続信頼性を向上させることができる。
【０１３６】
また、本実施の形態によれば、第２圧電素子２０の第２上部電極層２２および第２圧電材料層２３に、第２下部電極層２１を露出させる第２露出孔２４が設けられている。このことにより、第２下部電極層２１と発電回路４とを接続するボンディングワイヤＷ２１を、第２露出孔２４を通して第２下部電極層２１に接続することができ、ボンディングワイヤＷ２１の接続信頼性を向上させることができる。
【０１３７】
また、本実施の形態によれば、第２上部電極層２２の厚みが、第２下部電極層２１の厚みより厚くなっている。このことにより、第２上部電極層２２の剛性を高めることができ、重錘体２が第２圧電素子２０に衝突した際に第２圧電材料層２３が変形して、応力が分散されることを抑制できる。このため、第２下部電極層２１と第２上部電極層２２に発生する電荷が低減することを抑制できる。
【０１３８】
なお、上述した本実施の形態においては、第１圧電素子１０に第１露出孔１５を設けて、ボンディングワイヤＷ１２を第１露出孔１５を通して第１下部電極層１２に接続している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ボンディングワイヤＷ１２を第１下部電極層１２に接続することができれば、ボンディングワイヤＷ１２の接続形態は任意である。第２下部電極層２１へのボンディングワイヤＷ２１の接続形態についても同様である。
【０１３９】
（第５の実施の形態）
次に、図９を用いて、本発明の第５の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１４０】
図９に示す第５の実施の形態においては、変位空間内に複数の重錘体が収容されて、変位空間が、一の重錘体が収容される空間と、他の重錘体が収容される空間とに区画されている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図９において、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１４１】
図９に、本発明の第５の実施の形態における発電素子１を縦断面で示す。図９に示すように、本実施の形態においては、変位空間３内に複数の重錘体２が収容されている。そして、変位空間３に、区画体５０が設けられており、この区画体５０によって、変位空間３が、一の重錘体２が収容される第１変位空間３ａ（図９における左側の空間）と、他の重錘体２が収容される第２変位空間３ｂ（図９における右側の空間）とに区画されている。区画体５０は、第２圧電素子２０に支持されているが、第１圧電素子１０に離間しており、区画体５０と第１圧電素子１０との間には隙間Ｇ’が形成されている。この隙間Ｇ’は、図１に示す隙間Ｇと同様に、重錘体２が通過できないようになっている。すなわち、区画体５０と第１圧電素子１０との間の隙間Ｇ’は、重錘体２の外形寸法（重錘体２が球形状である場合には直径寸法）よりも小さくなっており、重錘体２は、第１変位空間３ａと第２変位空間３ｂとの間で行き来できないようになっている。なお、区画体５０は、Ｙ軸方向（図９における紙面に垂直な方向）に延びるように形成されてＹ軸に平行であってもよい。この場合、区画体５０と、方向変換体３０のＹ軸方向変換面３３との間には、重錘体２が通過できないような隙間（図示せず）が形成されるようにしてもよい。
【０１４２】
本実施の形態では、区画体５０は、Ｚ軸方向に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換するように構成されている。この区画体５０は、Ｚ軸方向における一側から他側に向かって、重錘体２から遠ざかるように（変位空間３の内側に向かうように）形成された一対の区画体方向変換面５１を有している。この区画体方向変換面５１によって、重錘体２の変位方向が変換されるようになっている。本実施の形態では、区画体５０は、第２圧電素子２０に支持されている。このため、区画体方向変換面５１は、第２圧電素子２０から第１圧電素子１０に向かって重錘体２から遠ざかるように形成されている。このようにして、区画体方向変換面５１は、Ｘ軸方向に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸負側（図９における下側）に変換するように形成されている。
【０１４３】
図９における左側の区画体方向変換面５１は、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０および方向変換体３０と共に第１変位空間３ａを画定し、第１変位空間３ａ内の重錘体２に対してＸ軸正側に配置されている。当該区画体方向変換面５１は、第２圧電素子２０から第１圧電素子１０に向かって、第１変位空間３ａ内の重錘体２から遠ざかるように形成されている。第１変位空間３ａ内でＸ軸正側に変位する重錘体２は、区画体方向変換面５１に衝突する。これにより、重錘体２の変位方向は、Ｚ軸負側（図９における下側）に変換され、第１圧電素子１０に衝突する。
【０１４４】
一方、図９における右側の区画体方向変換面５１は、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０および方向変換体３０と共に第２変位空間３ｂを画定し、第２変位空間３ｂ内の重錘体２に対してＸ軸負側に配置されている。当該区画体方向変換面５１は、第２圧電素子２０から第１圧電素子１０に向かって、第２変位空間３ｂ内の重錘体２から遠ざかるように形成されている。第２変位空間３ｂ内でＸ軸負側に変位する重錘体２は、区画体方向変換面５１に衝突する。これにより、重錘体２の変位方向は、Ｚ軸負側に変換され、第１圧電素子１０に衝突する。
【０１４５】
本実施の形態では、第１変位空間３ａに１つの球形状の重錘体２が収容され、第２変位空間３ｂに１つの球形状の重錘体２が収容されている。しかしながら、第１変位空間３ａには、複数の球形状の重錘体２が収容されるようにしてもよく、また球形以外の重錘体２が１つまたは複数収容されるようにしてもよい。第２変位空間３ｂに収容される重錘体２についても同様である。更には、第１変位空間３ａに収容される重錘体２の個数と、第２変位空間３ｂに収容される重錘体２の個数は異なっていてもよい。
【０１４６】
このように本実施の形態によれば、区画体５０によって、変位空間３が、一の重錘体２が収容される第１変位空間３ａと、他の重錘体２が収容される第２変位空間３ｂとに区画されている。このことにより、変位空間３内に複数の重錘体２が収容される場合であっても、一の重錘体２の変位が、他の重錘体２によって干渉されることを防止することができ、重錘体２同士が衝突することを防止できる。このため、発電素子１の発電効率を向上させることができる。
【０１４７】
また、本実施の形態によれば、区画体５０は、区画体方向変換面５１を有しており、Ｚ軸方向に直交する方向に変位する重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換するように構成されている。このことにより、Ｚ軸方向に直交する方向に変位する重錘体２が区画体５０に衝突した場合に、重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換することができる。このため、重錘体２を第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突させることができ、各圧電素子１０、２０における電荷の発生量を増大させることができる。
【０１４８】
なお、上述した本実施の形態においては、変位空間３が、単一の区画体５０によって２つの変位空間３ａ、３ｂに区画される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、変位空間３に複数の区画体５０を設けて、変位空間３を３つ以上の空間に区画してもよい。この場合、各空間に１つ以上の重錘体２を収容すればよい。
【０１４９】
（第６の実施の形態）
次に、図１０および図１１を用いて、本発明の第６の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１５０】
図１０および図１１に示す第６の実施の形態においては、重錘体が弾性体を介して筐体の第１内面および第２内面に変位可能に支持されている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０および図１１において、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１５１】
図１０に、本発明の第６の実施の形態における発電素子１を縦断面で示し、図１１に、図１０の発電素子１のＣ−Ｃ線断面を示す。図１０に示すように、本実施の形態における発電素子１は、重錘体２を変位可能に筐体４０に支持する弾性体６０を更に備えている。重錘体２は、弾性体６０を介して、筐体４０の第１内面４１および第２内面４２にそれぞれ支持されている。
【０１５２】
図１１に示すように、弾性体６０は、接続部材７０を介して重錘体２に接続されている。すなわち、Ｚ軸方向で見たときに、重錘体２から外側に接続部材７０が延びており、互いに隣り合う第１変換体部分３４Ａ同士の隙間を通っている。ここで、本実施の形態による方向変換体３０は、図６および図７に示したような４つの第１変換体部分３４Ａによって構成されている。４つの第１変換体部分３４Ａは、Ｚ軸方向で見たときの重錘体２の周囲で周方向に互いに異なる位置に配置されている。周方向で互いに隣り合う第１変換体部分３４Ａ同士は離間しており、当該第１変換体部分３４Ａ同士の間には、上述した接続部材７０を配置することができる隙間が形成されている。そして、第１変換体部分３４Ａは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って配置された重錘体２の角部に対応するように配置されている。
【０１５３】
接続部材７０は、方向変換体３０の外側まで延びており、接続部材７０の外側端部に、図１０に示すように２つの弾性体６０が接続されている。各弾性体６０は、Ｚ軸方向で見たときに方向変換体３０の外側に配置されている。接続部材７０の下側の弾性体６０は、筐体４０の第１内面４１に接続されており、接続部材７０の上側の弾性体６０は、筐体４０の第２内面４２に接続されている。
【０１５４】
例えば、重錘体２に４つの接続部材７０が接続されていてもよく、これらの接続部材７０は、Ｚ軸方向に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）に延びている。図１１に示すように、２つの接続部材７０は、Ｘ軸方向に延びており、Ｘ軸方向において重錘体２の両側に配置されている。残りの２つの接続部材７０は、Ｙ軸方向に延びており、Ｙ軸方向において重錘体２の両側に配置されている。すなわち、Ｚ軸方向で見たときには、４つの接続部材７０は、十字状に配置されている。
【０１５５】
接続部材７０は、実質的に弾性作用が発揮できない剛体として構成されていてもよいが、弾性作用が発揮できるように構成されていてもよい。接続部材７０は、例えば、シリコン、金属材料またはプラスチック材料等で形成されていてもよい。このような接続部材７０は、重錘体２に接着剤等で接着されていてもよい。
【０１５６】
弾性体６０は、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向およびＹ軸方向でも弾性作用を発揮できるように構成されていてもよい。弾性体６０としては、例えば、コイルバネや板バネなどで構成することができる。弾性体６０は、接続部材７０および筐体４０に対して、接着剤等で接着されていてもよい。
【０１５７】
図１０に示すように、本実施の形態による重錘体２は、弾性体６０によって筐体４０に支持されている。このことにより、重力の影響によって、上側（第２内面４２の側）の弾性体６０が引っ張られ、下側（第１内面４１の側）の弾性体６０が圧縮する。弾性体６０の弾性力を調整することで、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０との間で宙に浮いた状態になるようにしてもよい。図１０においては、便宜上、重力が作用していない状態（無重力状態）での重錘体２の位置を示している。このため、重力が作用する場合には、重錘体２は図示の位置よりも下方に位置付けられるが、第１圧電素子１０には接触しないように、弾性体６０のバネ定数を調整することが好ましい。また、重力が作用している状態で重錘体２が第１圧電素子１０と第２圧電素子２０との中間位置に位置付けられるようにしてもよい。
【０１５８】
例えば、重錘体２と弾性体６０とで構成される振動系の共振周波数を１Ｈｚ〜数Ｈｚ程度となるように重錘体２の質量や弾性体６０のバネ定数を設定してもよい。一般的な環境下では周波数の下限値は１Ｈｚ程度（人がゆっくり歩くときの上下振動の周波数）であり、上限は２００Ｈｚ程度（多くのモータが設置されている工場などの設備の床に発生する振動の周波数）である。このため、上述した振動系の共振周波数を１Ｈｚ〜数Ｈｚ程度に設定すれば、一般的な環境下で発生するＺ軸方向の振動（周波数で１Ｈｚ〜２００Ｈｚ程度）が小さくても、重錘体２を変位させて、第１圧電素子１０や第２圧電素子２０に衝突させることができる。このため、幅広い周波数帯域で、非共振状態で発電を行うことができる。当然のことながら、発電素子１に与えられるＺ軸方向の外部振動の周波数が１Ｈｚ〜数Ｈｚ程度であれば、共振状態での発電を行うこともできる。
【０１５９】
Ｚ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２は、弾性体６０の弾性作用を受けながらＺ軸方向に往復運動を行う。このことにより、重錘体２は、第１圧電素子１０と第２圧電素子２０に交互に衝突する。
【０１６０】
Ｘ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２の変位方向を方向変換体３０によってＺ軸方向に変換することができ、重錘体２を第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突させることができる。図１０に示す形態では、重錘体２は、方向変換体３０に対して変位し、方向変換体３０の一方のＸ軸方向変換面３２Ａに衝突する。これにより、重錘体２の変位方向は、Ｚ軸正側（図１０における上側）に変換され、第２圧電素子２０に衝突する。その後、弾性体６０の弾性作用によって、重錘体２は反対側に変位して第１圧電素子１０に衝突し、往復運動を行い、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に連続的に衝突する。この間、外部振動の大きさ次第では、重錘体２は他方のＸ軸方向変換面３２Ａに衝突し得るが、この場合においても、重錘体２の変位方向を再びＺ軸方向に向けることができる。
【０１６１】
Ｙ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合においても、Ｘ軸方向の外部振動が与えられた場合と同様にして、重錘体２は、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に連続的に衝突する。
【０１６２】
このようにして重錘体２が第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に連続的に衝突すると、上述したように各圧電素子１０、２０の各電極層１１、１２、２１、２２で電荷が連続的に発生する。
【０１６３】
このように本実施の形態によれば、重錘体２が、変位可能に弾性体６０によって筐体４０に支持されている。このことにより、Ｚ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２がＺ軸方向で往復運動し、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に衝突することができる。また、Ｚ軸方向に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）の外部振動が発電素子１に与えられた場合においても、重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換することができ、重錘体２を第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突させることができる。このため、Ｚ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合であっても、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に電荷を連続的に発生させることができる。この結果、３軸発電を連続的に行うことができる。
【０１６４】
また、本実施の形態によれば、重錘体２が、変位可能に弾性体６０によって筐体４０に支持されている。このことにより、発電素子１に与えられるＺ軸方向の外部振動が小さい場合であっても、発電を行うことができる。すなわち、外部振動の加速度が小さい場合には、重錘体２が各圧電素子１０、２０に対して変位しなくなり、重錘体２が圧電素子１０、２０に衝突しなくなる。これに対して、本実施の形態によれば、重錘体２が弾性体６０によって筐体４０に支持されているため、重錘体２の質量と弾性体６０のバネ定数を調整することで、重錘体２を各圧電素子１０、２０に対して変位させて衝突させることができる。このため、小さな外部振動であっても発電を行うことができ、発電素子１の発電能力を高めることができる。なお、小さな外部振動でも効率良く発電を行うためには、外部振動が与えられていない状態で、一方の圧電素子１０、２０（例えば、第１圧電素子１０）に対して重錘体２がわずかに浮いている状態となるように、重錘体２の質量や弾性体６０のバネ定数を設定してもよい。例えば、重錘体２は、第１圧電素子１０に対して比較的小さな隙間を介して位置付けられるようにしてもよい。
【０１６５】
また、本実施の形態によれば、重錘体２は、弾性体６０を介して、筐体４０の第１内面４１および第２内面４２にそれぞれ接続されている。このことにより、重錘体２に作用する弾性作用を高めることができる。外部振動の加速度が小さい場合であっても、効果的に発電を行うことができ、発電素子１の発電能力を高めることができる。
【０１６６】
また、本実施の形態によれば、弾性体６０は、Ｚ軸方向で見たときに、方向変換体３０の外側に配置されている。このことにより、重錘体２を筐体４０に支持するための弾性体６０が、方向変換体３０と干渉することを防止でき、弾性体６０の配置を容易化させることができる。
【０１６７】
また、本実施の形態によれば、弾性体６０は、接続部材７０を介して重錘体２に接続されている。このことにより、筐体４０の第１内面４１および第２内面４２に接続された弾性体６０と、重錘体２とを容易に接続することができる。
【０１６８】
なお、上述した本実施の形態においては、４つの接続部材７０のうちの２つの接続部材７０がＸ軸方向に延びており、残りの２つの接続部材７０がＹ軸方向に延びている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ＸＹ平面において接続部材７０が延びる方向は任意である。例えば、接続部材７０は、Ｘ軸およびＹ軸に対して傾斜させてもよい。この場合、接続部材７０を、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５度をなす方向に延ばしてもよい。
【０１６９】
また、上述した本実施の形態においては、重錘体２から４つの接続部材７０が延びており、各接続部材７０の外側端部に、２つの弾性体６０が接続されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、弾性作用を発揮させながら重錘体２を支持することができれば、接続部材７０の個数は任意である。また、接続部材７０に接続される弾性体６０の個数も任意であり、例えば、接続部材７０の外側端部には、いずれか一方のみの弾性体６０が接続されるようにしてもよい。
【０１７０】
また、上述した本実施の形態においては、第２圧電素子２０が、筐体４０の第２内面４２に支持されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、図８に示す形態と同様にして、方向変換体３０を第１圧電素子１０から第２圧電素子２０に延ばして、第２圧電素子２０を、方向変換体３０を介して第１圧電素子１０に間接的に支持させるようにしてもよい。この場合、図８に示す形態と同様にして、第１圧電素子１０と筐体４０の第１内面４１との間に台座７を介在させてもよい。
【０１７１】
（第７の実施の形態）
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の第７の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１７２】
図１２〜図１４に示す第７の実施の形態においては、重錘体が、弾性体を介して筐体の側面に支持されている点が主に異なり、他の構成は、図１０および図１１に示す第６の実施の形態と略同一である。なお、図１２〜図１４において、図１０および図１１に示す第６の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１７３】
図１２に、本発明の第７の実施の形態における発電素子１を縦断面で示し、図１３に、図１２の発電素子１のＤ−Ｄ線断面を示す。図１２に示すように、本実施の形態においては、重錘体２は、接続部材７０および弾性体６１、６２を介して、筐体４０の側面４３に支持されている。
【０１７４】
図１２に示すように、本実施の形態による弾性体６１、６２は、板バネとして構成されている。弾性体６１、６２は、Ｚ軸方向で弾性作用として発揮するだけではなく、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にも弾性作用を発揮することができるように構成されている。なお、弾性体６１、６２は、弾性作用を発揮することができる材料であれば、任意の材料で形成されていてもよい。例えば、弾性体６１、６２は、シリコン、金属材料、プラスチック材料またはゴム材料等で形成されていてもよい。弾性体６１、６２は、接続部材７０および筐体４０に対して、接着剤等で接着されていてもよい。
【０１７５】
すなわち、本実施の形態では、図１３に示すように、重錘体２は４つの弾性体（第１弾性体６１および第２弾性体６２）によって筐体４０に支持されている。このうち第１弾性体６１が、Ｘ軸方向において重錘体２の両側に配置され、第２弾性体６２が、Ｙ軸方向において重錘体２の両側に配置されている。第１弾性体６１および第２弾性体６２はいずれも、ＸＹ平面に沿って延びており、板バネとしてＺ軸方向で弾性作用を発揮できるように構成されている。
【０１７６】
図１３に示すように、第１弾性体６１は、Ｘ軸方向（第１弾性体６１に関しては、第２の方向がＸ軸方向に対応する）に延びる第１延在部６１ａと、第１延在部６１ａに接続され、Ｙ軸方向（第１弾性体６１に関しては、第３の方向がＹ軸方向に対応する）に延出する２つの第１折り返し部６１ｂと、を有している。この第１折り返し部６１ｂによって、第１弾性体６１は、Ｘ軸方向で弾性作用を発揮できるとともにＹ軸方向で弾性作用を発揮できるように構成されている。
【０１７７】
本実施の形態では、第１弾性体６１は、２つの第１延在部６１ａと、２つの第１折り返し部６１ｂと、を有しており、２つの第１延在部６１ａの間に、２つの第１折り返し部６１ｂが配置されている。一方の第１折り返し部６１ｂは、Ｙ軸方向のうちの一側（Ｙ軸負側）に延出し、他方の第１折り返し部６１ｂは、Ｙ軸方向のうちの他側（Ｙ軸正側）に延出している。より具体的には、筐体４０に接続された第１延在部６１ａの重錘体２の側の端部に、Ｙ軸負側に延出する第１折り返し部６１ｂの一端部が接続されている。当該第１折り返し部６１ｂの他端部に、Ｙ軸正側に延出する第１折り返し部６１ｂの一端部が接続されている。当該第１折り返し部６１ｂの他端部に、接続部材７０に接続された第１延在部６１ａの筐体４０の側の端部が接続されている。第１延在部６１ａは、直線状に形成された部分であり、第１折り返し部６１ｂは、Ｕ字状に形成された部分である。図１３に示す形態では、Ｙ軸負側に延出する第１折り返し部６１ｂが筐体４０の側に配置されるとともに、Ｙ軸正側に延出する第１折り返し部６１ｂが重錘体２の側に配置されているが、これに限られることはない。Ｙ軸負側に延出する第１折り返し部６１ｂを重錘体２の側に配置し、Ｙ軸正側に延出する第１折り返し部６１ｂを筐体４０の側に配置してもよい。
【０１７８】
同様に、第２弾性体６２は、Ｙ軸方向（第２弾性体６２に関しては、第２の方向がＹ軸方向に対応する）に延びる第２延在部６２ａと、第２延在部６２ａに接続され、Ｘ軸方向（第２弾性体６２に関しては、第３の方向がＸ軸方向に対応する）に延出する２つの第２折り返し部６２ｂと、を有している。この第２折り返し部６２ｂによって、第２弾性体６２は、Ｘ軸方向で弾性作用を発揮できるとともにＹ軸方向で弾性作用を発揮できるように構成されている。
【０１７９】
本実施の形態では、第２弾性体６２は、２つの第２延在部６２ａと、２つの第２折り返し部６２ｂと、を有しており、２つの第２延在部６２ａの間に、２つの第２折り返し部６２ｂが配置されている。一方の第２折り返し部６２ｂは、Ｘ軸方向のうちの一側（Ｘ軸負側）に延出し、他方の第２折り返し部６２ｂは、Ｘ軸方向のうちの他側（Ｘ軸正側）に延出している。図１３に示す形態では、Ｘ軸負側に延出する第２折り返し部６２ｂが、筐体４０の側に配置されるとともに、Ｘ軸正側に延出する第２折り返し部６２ｂが重錘体２の側に配置されているが、これに限られることはない。Ｘ軸負側に延出する第２折り返し部６２ｂを重錘体２の側に配置し、Ｘ軸正側に延出する第２折り返し部６２ｂを筐体４０の側に配置してもよい。
【０１８０】
このように本実施の形態によれば、重錘体２が、変位可能に弾性体６１、６２によって筐体４０に支持されている。このことにより、Ｚ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２がＺ軸方向で往復運動し、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に衝突することができる。また、Ｚ軸方向に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）の外部振動が発電素子１に与えられた場合においても、重錘体２の変位方向をＺ軸方向に変換することができ、重錘体２を第１圧電素子１０または第２圧電素子２０に衝突させることができる。このため、Ｚ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合であっても、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に連続的に電荷を発生させることができる。この結果、３軸発電を連続的に行うことができる。
【０１８１】
また、本実施の形態によれば、重錘体２は、弾性体６１、６２を介して、筐体４０の側面４３に支持されている。このことにより、発電素子１の構成を簡素化して、製造効率を向上させることができる。
【０１８２】
また、本実施の形態によれば、第１弾性体６１は、Ｘ軸方向に延びる第１延在部６１ａと、Ｙ軸方向に延出する第１折り返し部６１ｂと、を有している。このことにより、第１弾性体６１は、Ｚ軸方向だけではなく、Ｘ軸方向で弾性作用を発揮させることができるとともにＹ軸方向で弾性作用を発揮させることができる。このため、発電素子１にＺ軸方向に直交する方向の外部振動が与えられた場合であっても、重錘体２を良好に振動させることができ、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０により一層連続的に電荷を発生させることができる。とりわけ、本実施の形態によれば、第１弾性体６１が２つの第１折り返し部６１ｂを有しており、一方の第１折り返し部６１ｂはＹ軸負側に延出し、他方の第１折り返し部６１ｂはＹ軸正側に延出している。この場合、弾性作用の指向性が生じることを防止できる。
【０１８３】
また、本実施の形態によれば、第２弾性体６２は、Ｙ軸方向に延びる第２延在部６２ａと、Ｘ軸方向に延出する第２折り返し部６２ｂと、を有している。このことにより、第２弾性体６２は、Ｚ軸方向だけではなく、Ｘ軸方向で弾性作用を発揮させることができるとともにＹ軸方向で弾性作用を発揮させることができる。このため、発電素子１にＺ軸方向に直交する方向の外部振動が与えられた場合であっても、重錘体２を良好に振動させることができ、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０により一層連続的に電荷を発生させることができる。とりわけ、本実施の形態によれば、第２弾性体６２が、２つの第２折り返し部６２ｂを有しており、一方の第２折り返し部６２ｂはＸ軸負側に延出し、他方の第２折り返し部６２ｂはＸ軸正側に延出している。この場合、弾性作用の指向性が生じることを防止できる。
【０１８４】
なお、上述した本実施の形態においては、各弾性体６０が、２つの折り返し部６１ｂ、６２ｂを有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、各弾性体６０を構成する折り返し部６１ｂ、６２ｂは１つであってもよい。この場合であっても、弾性体６１、６２に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において弾性作用を発揮させることができる。
【０１８５】
また、上述した本実施の形態においては、各弾性体６１、６２が、延在部６１ａ、６２ａと折り返し部６１ｂ、６２ｂとを有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、図１４に示すように、弾性体６１、６２は、Ｚ軸方向で見たときにＬ字状に形成されていてもよい。図１４は、図１３の発電素子の変形例を示す平面断面図である。この場合、第１弾性体６１は、Ｘ軸方向に延びる第１Ｘ軸延在部６１ｃと、第１Ｘ軸延在部６１ｃに接続された、Ｙ軸方向に延びる第１Ｙ軸延在部６１ｄと、を有している。第２弾性体６２は、Ｙ軸方向に延びる第２Ｙ軸延在部６２ｃと、第２Ｙ軸延在部６２ｃに接続された、Ｘ軸方向に延びる第２Ｘ軸延在部６２ｄと、を有している。第１弾性体６１は、Ｘ軸方向において重錘体２の両側に配置されており、第１Ｙ軸延在部６１ｄが筐体４０の側に配置され、第１Ｘ軸延在部６１ｃが重錘体２の側に配置されている。第２弾性体６２は、Ｙ軸方向において重錘体２の両側に配置されており、第２Ｘ軸延在部６２ｄが筐体４０の側に配置され、第２Ｙ軸延在部６２ｃが重錘体２の側に配置されている。図１４に示す変形例においても、弾性体６１、６２に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において弾性作用を発揮させることができる。
【０１８６】
（第８の実施の形態）
次に、図１５および図１６を用いて、本発明の第８の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１８７】
図１５および図１６に示す第８の実施の形態においては、重錘体が、弾性体を介して筐体の第２内面に変位可能であるとともに第１の方向に沿う平面内で回動可能に支持されている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１５および図１６おいて、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１８８】
図１５に、本発明の第８の実施の形態における発電素子１を縦断面で示す。図１５に示すように、本実施の形態においては、筐体４０の第２内面４２には、第２圧電素子２０は設けられていない。そして、第１圧電素子１０上には、第１保護基板５は設けられており、重錘体２と第１圧電素子１０との間には第１保護基板５が介在されている。しかしながら、本実施の形態では、第１圧電素子１０上には、方向変換体３０は設けられていない。
【０１８９】
重錘体２は、第１圧電素子１０よりも第２内面４２の側（図１５における上側）に設けられている。重錘体２は、第１圧電素子１０に離間しており、第１圧電素子１０に対向している。
【０１９０】
重錘体２は、単一の弾性体６０を介して、筐体４０の第２内面４２に対して変位可能に支持されている。この弾性体６０の上端部は、筐体４０の第２内面４２に接続されており、下端部は、重錘体２に接続されている。Ｚ軸方向で見たときに、弾性体６０の下端部は、重錘体２の中心に接続されている。弾性体６０は、例えば、コイルバネや板バネなどで構成することができる。
【０１９１】
また、重錘体２は、単一の弾性体６０によって、Ｚ軸方向に沿う平面内で回動可能に支持されている。すなわち、弾性体６０は、Ｚ軸方向に直交する方向に力を受けた場合に、弾性体６０の上端部を中心として回動可能になっている。
【０１９２】
Ｚ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２は、弾性体６０の弾性作用を受けながらＺ軸方向に往復運動を行う。このことにより、重錘体２は、第１圧電素子１０に対する衝突を繰り返す。
【０１９３】
Ｘ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、第１圧電素子１０に対して重錘体２はＸ軸方向に変位しようとする。しかしながら、重錘体２は、単一の弾性体６０によって筐体４０の第２内面４２に支持されている。このことにより、重錘体２のＸ軸方向の変位は、弾性体６０の上端部を中心にした回動運動に変換される。この場合、重錘体２の進行方向の側の端部（例えば、図１５において左側に重錘体２が移動しようとするときの左側の端部）は上昇し、進行方向とは反対側の端部（図１５における右側の端部）は下降する。この下降した端部が、第１圧電素子１０に衝突する。その後、弾性体６０の弾性作用によって、重錘体２は、第１圧電素子１０に衝突した後に、反対側に回動し、反対側の端部が第１圧電素子１０に衝突する。このようにして、重錘体２は、往復回動運動を行い、Ｘ軸方向における両端部が第１圧電素子１０に交互に衝突する。
【０１９４】
Ｙ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合においても、Ｘ軸方向の外部振動が与えられた場合と同様にして、重錘体２のＹ軸方向における両端部が、第１圧電素子１０に交互に衝突する。
【０１９５】
このようにして重錘体２が第１圧電素子１０に衝突すると、上述したように第１圧電素子１０の各電極層１１、１２で電荷が発生する。
【０１９６】
このように本実施の形態によれば、第１圧電素子１０に対向する重錘体２が、弾性体６０によって、筐体４０の第２内面４２に支持されている。このことにより、Ｚ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２がＺ軸方向で往復運動し、第１圧電素子１０に対する衝突を繰り返すことができる。また、重錘体２は、Ｚ軸方向に沿う平面内で回動可能に支持されているため、Ｚ軸方向に直交する方向（ＸＹ平面に沿う方向）の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２の変位をＺ軸方向に沿う平面内の回動運動に変換することができる。このため、外部振動の方向における重錘体２の両端部を、交互に下降させて第１圧電素子１０に交互に衝突させることができる。このため、Ｚ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合であっても、第１圧電素子１０に連続的に電荷を発生させることができる。この結果、３軸発電を連続的に行うことができる。
【０１９７】
また、本実施の形態によれば、重錘体２は、単一の弾性体６０によって筐体４０の第２内面４２に支持されている。このことにより、Ｚ軸方向に直交する方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、Ｚ軸方向に沿う平面内で重錘体２をスムースに回動運動させることができ、外部振動の方向における重錘体２の両端部の上下動距離を増大させることができる。このため、重錘体２の当該両端部を、第１圧電素子１０により一層長く連続的に衝突させることができ、第１圧電素子１０により一層長く連続的に電荷を発生させることができる。
【０１９８】
また、本実施の形態によれば、重錘体２と第１圧電素子１０との間に、第１保護基板５が介在されている。このことにより、重錘体２の衝突によって第１圧電素子１０が破損することを防止できるとともに、騒音が発生することを防止できる。このため、発電素子１の信頼性を向上させることができる。
【０１９９】
なお、上述した本実施の形態においては、重錘体２が、単一の弾性体６０を介して、筐体４０の第２内面４２に支持されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、重錘体２がＺ軸方向に沿う平面内で回動可能であれば、複数の弾性体６０を介して第２内面４２に支持されていてもよい。
【０２００】
また、上述した本実施の形態においては、筐体４０の第２内面４２には、第２圧電素子２０が設けられていない例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、図１６に示すように、筐体４０の第２内面４２には、第２圧電素子２０が設けられていてもよい。図１６は、図１５の発電素子の変形例を示す縦断面図である。この場合、第２圧電素子２０は、弾性体６０が貫通可能な貫通孔２５を有している。このことにより、弾性体６０を、重錘体２の中心付近に接続することができ、重錘体２をバランス良く支持することができる。このため、重錘体２は、Ｚ軸方向に沿う平面内の回動運動を効率良く行うことができる。
【０２０１】
図１６に示す変形例においては、Ｚ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、重錘体２は、弾性体６０の弾性作用を受けながら、Ｚ軸方向に往復運動を行う。このことにより、重錘体２は、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に交互に衝突する。
【０２０２】
Ｘ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合には、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に対して重錘体２はＸ軸方向に変位しようとする。しかしながら、重錘体２は、単一の弾性体６０によって筐体４０の第２内面４２に支持されている。このことにより、重錘体２のＸ軸方向の変位は、弾性体６０の上端部を中心にした回動運動に変換される。この場合、重錘体２の進行方向の側の端部（例えば、図１６において左側に重錘体２が移動しようとするときの左側の端部）は上昇し、第２圧電素子２０に衝突する。一方、進行方向とは反対側の端部（図１６における右側の端部）は下降し、第１圧電素子１０に衝突する。その後、弾性体６０の弾性作用によって、重錘体２は反対側に回動し、第２圧電素子２０に衝突した端部は下降して第１圧電素子１０に衝突するとともに、第１圧電素子１０に衝突した端部は上昇して第２圧電素子２０に衝突する。このようにして、重錘体２は、往復回動運動を行い、Ｘ軸方向における両端部が第１圧電素子１０および第２圧電素子２０への衝突を繰り返す。
【０２０３】
Ｙ軸方向の外部振動が発電素子１に与えられた場合においても、Ｘ軸方向の外部振動が与えられた場合と同様にして、重錘体２のＹ軸方向における両端部が、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０への衝突を繰り返す。
【０２０４】
このようにして重錘体２が第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に衝突すると、上述したように各圧電素子１０、２０の各電極層１１、１２、２１、２２で電荷が発生する。
【０２０５】
このように図１６に示す変形例によれば、Ｚ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合であっても、重錘体２を第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に衝突させて、第１圧電素子１０および第２圧電素子２０に連続的に電荷を発生させることができる。このため、３軸発電を連続的に行うことができる。
【０２０６】
本発明は上記実施の形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施の形態および変形例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態および変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０２０７】
１：発電素子
２：重錘体
３：変位空間
３ａ：第１変位空間
３ｂ：第２変位空間
４：発電回路
５：第１保護基板
６：第２保護基板
７：台座
１０：第１圧電素子
１１：第１上部電極層
１２：第１下部電極層
１３：第１圧電材料層
１４：外側延長部
１５：第１露出孔
２０：第２圧電素子
２１：第２下部電極層
２２：第２上部電極層
２３：第２圧電材料層
２４：第２露出孔
２５：貫通孔
３０：方向変換体
３１：方向変換面
３４Ａ：第１変換体部分
３４Ｂ：第２変換体部分
４０：筐体
４１：第１内面
４２：第２内面
４３：側面
５０：区画体
５１：区画体方向変換面
６０：弾性体
６１：第１弾性体
６１ａ：第１延在部
６１ｂ：第１折り返し部
６２：第２弾性体
６２ａ：第２延在部
６２ｂ：第２折り返し部
７０：接続部材
【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】
2020080637.tif 000009
【図８】
2020080637.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2020080637.tif 000012
【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１５】
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【図１６】
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