(57)【要約】  両端（１０５ａ，１０５ｂ）が保持されたバネ材（１００）に振動子（１０１ａ，１０１ｂ）が取り付けられており、バネ材又は振動子に圧電素子（１０３ａ，１０３ｂ，１０６）が取り付けられている。バネ材の両端を結ぶ軸と平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と振動子とを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸としたとき、振動子はＹ軸及びＺ軸を含む面に対して非対称である。これにより、加速度が印加されるとバネ材にねじれ振動が励起される。バネ材のねじれ剛性を小さく設定すれば、ねじれ振動の固有振動数を低くすることができる。バネ材の両端は保持されているので、バネ材のたわみ量は小さい。従って、低い固有振動数を有する小型の圧電型発電機構を実現できる。
2008053835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が保持されたバネ材と、
前記バネ材に取り付けられた少なくとも１つの振動子と、
前記バネ材又は前記少なくとも１つの振動子に取り付けられた圧電素子と
を備え、
前記バネ材の前記両端を結ぶ軸と平行な軸をＹ軸、前記Ｙ軸と前記少なくとも１つの振動子とを含む面と平行で且つ前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸、前記Ｙ軸及び前記Ｘ軸と直交する軸をＺ軸としたとき、前記少なくとも１つの振動子は、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含む面に対して非対称であることを特徴とする圧電型発電機構。
【請求項２】
前記振動子の数が複数であって、
複数の前記振動子は、前記Ｙ軸方向において異なる位置に前記バネ材に取り付けられている請求項１に記載の圧電型発電機構。
【請求項３】
前記振動子は、錘部とバネ性を有する梁部とを備え、
前記梁部の一端が前記バネ材と接続され、他端が前記錘部に接続されている請求項１に記載の圧電型発電機構。
【請求項４】
前記振動子の数が複数であって、
複数の前記振動子の前記錘部の質量が互いに異なる請求項３に記載の圧電型発電機構。
【請求項５】
前記振動子の数が複数であって、
複数の前記振動子の前記梁部の形状が互いに異なる請求項３に記載の圧電型発電機構。
【請求項６】
前記圧電素子は、前記バネ材に取り付けられている請求項１に記載の圧電型発電機構。
【請求項７】
前記圧電素子は前記梁部に取り付けられている請求項３に記載の圧電型発電機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的な振動エネルギーから電力を取り出す圧電型発電機構に関する。特に、高層ビルや橋梁などの大規模な建造物や身体の動きなどに伴って発生する周期の長い振動のエネルギーを圧電素子により電力に変換して発電することができる圧電型発電機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の地点に設置したセンサーをネットワークで接続して各センサーから情報を得ることにより、情報機器の制御やセキュリティ、環境のモニタリングに役立てることができる。例えば、高層ビルや橋梁などの大規模建造物は、数十年の寿命が必要とされる。このような建造物が激しく損傷してから補修を行うのではなく、損傷が生じる前に補修を行うのがコストも安く、安全性も高い。そこで、これらの建造物に加速度センサーやひずみセンサーを設置し、長期的にモニタリングすることで、その損傷などを予測することが検討されている。また、人の衣服や持ち物や器具にセンサーをつけ、それらの位置や温度などを記録することで、物品の管理や人の行動予測、環境測定などを行うことが検討されている。【０００３】
このようにセンサーを用いて長期間にわたる観測を行う場合、そのセンサーの電力源として従来のバッテリーや電池を用いると動作期間が短かったり、交換のコストが増大したりすることから現実的ではない。【０００４】
センサーを間欠的に動作させれば、数μＷの電力でセンサーを長期間にわたり継続的に動作させることができる。このような電力を得る方法として、センサーが取り付けられる環境中の振動エネルギーを電気エネルギーとして回収する方法がある。【０００５】
振動エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機構としては、たとえば特許文献１のような圧電材料を用いた発電機構が知られている。圧電材料にひずみを加えると、分極方向に電荷が生じ、これにより電界が生じる。このような材料を用いることで、機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。特許文献１には、短冊状に加工した圧電材料の一端を固定し、他端に錘を取り付けて、外部からの振動により圧電材料をたわみ変形させて発電する発電機構が開示されている。【０００６】
このような振動型発電機構が効率的な発電するためには、回収しようとする振動エネルギーの振動数と発電機構の固有振動数とを近づける必要がある。即ち、電気エネルギーとして回収する対象である振動を分析し、これに応じて発電機構の固有振動数を設定する必要がある。【０００７】
例えば、図１５Ａに歩行中の人間に発生する加速度の時間変化を示し、図１５Ｂに歩行中の人間に発生する加速度の周波数成分を示す。図１５Ｂに示すように、人間の歩行時に発生する振動は数ヘルツ以下の低周波数成分を多く含む。したがって、人間が歩行したときの身体の動きによって発電するためには、このような低い固有振動数を持つ発電機構が必要である。【０００８】
また、ビルや橋梁などの建造物も、風やその周辺を移動体が通過することにより振動する。建造物自体のサイズが大きいため、その振動数は数Ｈｚ程度の低い周波数であることが知られている。したがって、建造物の振動から電気エネルギーを回収する場合も、低い固有振動数を持つ発電機構が必要である。【０００９】
一方、発電機構のサイズが大きいと、発電機構を含むセンサーの取り付け場所が制限されてしまうため、発電機構のサイズはできるだけ小さいほうが好ましい。
【特許文献１】特開２００５−４５９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、回収しようとする振動エネルギーの振動数に合わせて発電機構の固有振動数を低くすると、重力や入力振動によるたわみが大きくなり、錘の振動空間を大きく確保する必要が生じる。そのため、発電機構の固有振動数を低くすることとそのサイズを小さくすることとが両立できないという問題がある。【００１１】
従来の振動型発電機構は、図１６Ａのように短冊状の梁５０１の一端５００が固定されており、他端に錘５０２が設けられている片持ち支持された振動構造体であり、これは、梁５０１をバネとみなして、図１６Ｂのように、バネ定数ｋを有するバネの下端に質量ｍの錘が吊り下げられた振動系にモデル化することができる。図１６Ａにおいて、５０３はたわみ変形する梁に取り付けられた圧電素子である。この振動系の固有振動数ｆは式（１）の通りとなる。【００１２】
【数１】
2008053835.tif 000003
【００１３】
梁５０１の復元力と錘５０２の重力とが釣り合ったとき、重力による錘５０２の変位量（たわみ）をδとすると、式（２）の関係が成立する。【００１４】
【数２】
2008053835.tif 000004
【００１５】
振動系の固有振動数ｆをある値に設定すると、式（１）より錘５０２の質量ｍに対するバネ定数ｋの比（ｋ／ｍ）が決まる。錘５０２の質量ｍに対するバネ定数ｋの比（ｋ／ｍ）が決まると、式（２）より重力による錘５０２の変位量δが決まる。式（１）及び式（２）より、振動系の固有振動数ｆを低くすると、変位量δが大きくなる。振動系に固有振動数ｆ又はこれに近い振動数の振動が加えられると、錘５０２は、重力により変位量δだけ変位した状態から振動を開始する。従って、図１６Ａのようなたわみ変形をする振動型発電機構において、効率的な発電を行うために周辺環境の低い振動数に合わせてその固有振動数ｆを低くしようとすると、重力による錘５０２の変位量δが大きくなることと、振動数が固有振動数ｆに近づくことによる錘５０２の振幅が大きくなることとによって、発電機構のサイズを小さくすることが困難となる。即ち、従来の振動型発電機構では、その固有振動数ｆを低くすることとそのサイズを小さくすることとを同時に実現することができない。【００１６】
たとえば、８Ｈｚの固有振動数を有する振動系では、式（１）及び式（２）によれば梁５０１の長さによらず、静止状態ににおいて錘５０２は重力により約３ｍｍ変位する。この振動系に、その固有振動数と近い振動数の外部振動が加えられると、上記静止状態から錘５０２が大きく振動する。従って、静止状態での錘５０２の変位量δに加えて、外部振動による錘５０２の振動振幅に必要な空間を確保する必要があるので、錘５０２の変位方向（振幅方向）のサイズが３ｍｍ以下の振動型発電機構を実現することはできない。【００１７】
一方、発電機構をマイクロデバイスに応用する場合、梁などの部材を小さくする必要があるから、低い固有振動数を実現すること自体が難しい。【００１８】
本発明は、上記の従来の問題を解決し、低い固有振動数を有し、且つ重力及び加速度によるたわみ量を小さくすることで小型化された圧電型発電機構を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る圧電型発電機構は、両端が保持されたバネ材と、前記バネ材に取り付けられた少なくとも１つの振動子と、前記バネ材又は前記少なくとも１つの振動子に取り付けられた圧電素子とを備える。前記バネ材の前記両端を結ぶ軸と平行な軸をＹ軸、前記Ｙ軸と前記少なくとも１つの振動子とを含む面と平行で且つ前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸、前記Ｙ軸及び前記Ｘ軸と直交する軸をＺ軸としたとき、前記少なくとも１つの振動子は、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含む面に対して非対称であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、圧電型発電機構に加速度が印加されると、少なくとも１つの振動子がＹ軸及びＺ軸を含む面に対して非対称であるので、バネ材に回転モーメントが作用し、バネ材にねじれ振動が励起される。このねじれ振動は最も低い次数の振動モードになる。そして、ねじれ振動の固有振動数は、バネ材を軸とした慣性モーメントとバネ材のねじれ剛性に依存するので、バネ材のねじれ剛性を小さく設定すれば、ねじれ振動の固有振動数を低くすることができる。【００２１】
一方、振動子の質量を支持するバネ材の両端は固定されているので、バネ材の張力が重力及び加速度によるバネ材のたわみ量を小さく抑える。従って、バネ材がたわむことにより発生する振動子の変位量は小さい。【００２２】
このように、本発明では、固有振動数を低下させる構成と、振動子の質量を支持する構成とが分離されている。これにより、固有振動数の低下と、振動空間を小さくすることによるデバイスの小型化とを同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した２−２線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの一点鎖線で示した３Ｂ−３Ｂ線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの一点鎖線で示した４Ｂ−４Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの一点鎖線で示した５Ｂ−５Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの一点鎖線で示した６Ｂ−６Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの一点鎖線で示した７Ｂ−７Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図９】図９は、図８に示した本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した９−９線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構において、最大発電電力Ｅmaxと回転モーメント比ｓとの関係を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図１２】図１２は、図１１に示した本発明の実施の形態３に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した１２−１２線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態４に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図１４】図１４は、図１３に示した本発明の実施の形態４に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した１４−１４線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは人間の歩行時に発生する加速度の時間変化を示すグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは人間の歩行時に発生する加速度の周波数成分を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、従来の片持ち支持された梁のたわみを利用した圧電型発電機構の概念図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、図１６Ａの圧電型発電機構のモデル図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の上記の圧電型発電機構において、前記振動子の数が複数であって、複数の前記振動子は、前記Ｙ軸方向において異なる位置に前記バネ材に取り付けられていることが好ましい。これにより、バネ材のねじり変形が大きくなるので、バネ材における発電電圧を高くすることができる。【００２５】
前記振動子は、錘部とバネ性を有する梁部とを備え、前記梁部の一端が前記バネ材と接続され、他端が前記錘部に接続されていることが好ましい。これにより、低い固有振動数を維持したまま、デバイスのサイズを小さくすることができる。【００２６】
前記振動子の数が複数であって、複数の前記振動子の前記錘部の質量が互いに異なることが好ましい。これにより、加速度が作用したときに複数の振動子がバネ材にそれぞれ加える回転モーメントを互いに異ならせることができるので、バネ材にねじれ振動を効率的に励起させることができる。【００２７】
前記振動子の数が複数であって、複数の前記振動子の前記梁部の形状が互いに異なることが好ましい。これにより、デバイス全体の質量をほとんど増加させることなく、加速度が作用したときに複数の振動子がバネ材にそれぞれ加える回転モーメントを互いに異ならせることができるので、バネ材にねじれ振動を効率的に励起させることができる。【００２８】
前記圧電素子は、前記バネ材に取り付けられていることが好ましい。これにより、バネ材のねじれ振動に伴うバネ材の機械的変形を電気エネルギーに変換することができるので、エネルギー損失を少なくすることができる。【００２９】
前記圧電素子は前記梁部に取り付けられていることが好ましい。これにより、梁部の屈曲変形を電気エネルギーに変換することができるので、効率よく電力を取り出すことができる。【００３０】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図２は、図１の一点鎖線で示した２−２線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態１に係る圧電型発電機構の組み合わせ断面図である。【００３２】
本実施の形態１の圧電型発電機構は、複数の振動子のバネ材に対する取付位置がバネ材の長軸方向において異なる点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子１０１ａ，１０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子１０４ａ，１０４ｂ，１０６とからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子１０１ａ，１０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。【００３３】
振動子１０１ａ，１０１ｂは、錘部１０２ａ，１０２ｂとバネ性を有する梁部１０３ａ，１０３ｂとからなる。梁部１０３ａ，１０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部１０２ａ，１０２ｂに接続されている。振動子１０１ａ及び振動子１０２ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子１０４ａ，１０４ｂは梁部１０３ａ，１０３ｂに取り付けられており、圧電素子１０６はバネ材１００に取り付けられている。【００３４】
振動子１０１ａと振動子１０１ｂとは同一仕様であり、圧電素子１０４ａと圧電素子１０４ｂとは同一仕様である。但し、振動子１０１ａのバネ材１００に対する取付位置１０７ａ及び振動子１０１ｂのバネ材１００に対する取付位置１０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は互いに異なる。即ち、振動子１０１ａと振動子１０１ｂとは、Ｙ軸及びＺ軸を含む面（以下「ＹＺ面」という）を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。【００３５】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態１の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図２に示すように錘部１０２ａ，１０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ1a，Ｆ1bが発生する。振動子１０１ａと振動子１０２ｂとで錘部及び梁部の質量、形状等の仕様が同一に設定されているので、慣性力Ｆ1aと慣性力Ｆ1bとは同一となり、軸１００ａを中心としてバネ材１００に大きさが同じで向きが逆の回転モーメントＭ1a，Ｍ1bが作用する。【００３６】
振動子１０１ａの取付位置１０７ａと振動子１０１ｂの取付位置１０７ｂとの軸１００ａ方向における位置が異なるので、取付位置１０７ａと取付位置１０７ｂとの間、取付位置１０７ａと端１０５ｂとの間、取付位置１０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子１０４ａ，１０４ｂ，１０６によって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態１の発電機構における発電原理である。【００３７】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子１０１ａ，１０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部１０２ａ，１０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。【００３８】
図１、図２では梁部１０３ａ，１０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部１０２ａ，１０２ｂを保持することができれば、梁部１０３ａ，１０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。【００３９】
図１、図２ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子１０１ａ，１０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。【００４０】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図１、図２に限定されない。例えば、バネ材１００及び梁部１０３ａ，１０３ｂのいずれか一方のみに取り付けてもよい。【００４１】
圧電素子をバネ材１００に取り付ける場合、その取付位置は図１に示すように取付位置１０７ａと取付位置１０７ｂとの間の領域に限定されず、取付位置１０７ａと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置１０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。【００４２】
また、図１、図２に示すように圧電素子をバネ材１００及び梁部１０３ａ，１０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部１０３ａ，１０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。【００４３】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。【００４４】
（実施例１）
実施の形態１の圧電型発電機構をスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィとを利用して作成した。その作製方法の概略を以下に説明する。【００４５】
まず、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、厚さ４００μｍのシリコン基板７００の上に、スパッタリングにより厚さ０．１μｍのＰｔからなる電極層７０１を形成し、さらに、その上に圧電体７０２として厚さ３μｍのＰＺＴ薄膜を形成した。【００４６】
次に、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、圧電体７０２上にレジストでパターンを形成し、レジストが形成されていない領域の圧電体７０２及び電極層７０１をエッチングして、圧電素子となる部分７０３のみを残した。【００４７】
次に、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、パターニングされた圧電体７０２上のみに厚さ０．１μｍのＰｔからなる電極７０４を形成した。【００４８】
次に、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、バネ材及び振動子の平面形状にパターニングされた厚さ５μｍのポリイミド７０５を形成した。【００４９】
最後に、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、シリコン基板７００の裏側から錘部となる部分７０６以外をＳＦ6とＯ2との混合ガスを用いてドライエッチングした。【００５０】
このようにして作製した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）１８００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１２５０μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる一対の錘部と、一対の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）３００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなる一対の梁部と、一対の梁部及びバネ材に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。【００５１】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は８Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは１．６μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると、この発電機構は０．１６μＷの発電を期待できることが分かった。【００５２】
特性のよい圧電体薄膜を形成するためには、６００度から７００度の高温処理が必要があるので、実施例１ではポリイミド７０５の形成前に圧電体７０２を形成した。従って、梁部及びバネ材に対する圧電素子のＺ軸方向の配置は、実施例１と図１及び図２とでは逆になっている。【００５３】
上記の実施例１では梁部及びバネ材の材料としてポリイミドを用いたが、本発明ではこれに限定されない。梁部及びバネ材の材料としてポリイミドやＳＵ８などのヤング率の低い樹脂材料を用いると、得られる発電機構の共振周波数を低下させることができる。【００５４】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図９は、図８の一点鎖線で示した９−９線に沿って切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態２に係る圧電型発電機構の断面図である。【００５５】
本実施の形態２の圧電型発電機構は、バネ材回りの複数の振動子の慣性モーメントを、振動子の錘の質量を異ならせることにより異ならせた点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子２０１ａ，２０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子２０４ａ，２０４ｂとからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子２０１ａ，２０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。【００５６】
振動子２０１ａ，２０１ｂは、錘部２０２ａ，２０２ｂとバネ性を有する梁部２０３ａ，２０３ｂとからなる。梁部２０３ａ，２０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部２０２ａ，２０２ｂに接続されている。振動子２０１ａ及び振動子２０２ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子２０４ａ，２０４ｂは梁部２０３ａ，２０３ｂに取り付けられている。【００５７】
振動子２０１ａのバネ材１００に対する取付位置２０７ａ及び振動子２０１ｂのバネ材１００に対する取付位置２０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は同じである。梁部２０３ａと梁部２０３ｂとは同一仕様であり、圧電素子２０４ａと圧電素子２０４ｂとは同一仕様である。但し、錘部２０２ａの質量は錘部２０２ｂの質量より大きい。即ち、振動子２０１ａと振動子２０１ｂとは、ＹＺ面を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。【００５８】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態２の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図９に示すように錘部２０２ａ，２０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ2a，Ｆ2bが発生する。錘部２０２ａの質量は錘部２０２ｂの質量より大きいので、慣性力Ｆ2aは慣性力Ｆ2bより大きい。従って、振動子２０１ａがバネ材１００に与える回転モーメントＭ2aは振動子２０１ｂがバネ材１００に与える回転モーメントＭ2bに比べて大きくなる。この回転モーメントＭ2a，Ｍ2b間の差により回転トルクが発生し、取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ｂとの間、取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子２０４ａ，２０４ｂによって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態２の発電機構における発電原理である。【００５９】
本実施の形態の圧電型発電機構が、振動エネルギーを電気エネルギーに最も効率良く変換できるのは、外部から加えられる振動の振動数と発電機構のねじれ振動の固有振動数とが一致し、発電機構が共振する場合である。角速度ωの外部振動が発電機構に作用したとき、錘部２０２ａ，２０２ｂに発生する慣性力Ｆ2a，Ｆ2bは角速度ωで周期的に増減する。従って、回転モーメントＭ2aと回転モーメントＭ2bとの差によって発生する回転トルクも角速度ωで周期的に増減する。バネ材１００のねじれ剛性をＧとすると、この回転トルクによって発生するねじれ振動の振幅θ1は式（３）となる。【００６０】
【数３】
2008053835.tif 000005
【００６１】
この回転トルクによって共振したときのねじれ振動の振幅をθ2とすると、発電機構が発電できる最大電力Ｅmaxは式（４）となる。【００６２】
【数４】
2008053835.tif 000006
【００６３】
ここで、ｃeは、発電により系から出て行くエネルギーによる振動の減衰を表す係数であり、ωは、ねじれ振動の角速度である。角速度ωは、外部から加える振動の角速度と同じになるように設定され、バネ材１００のねじれ剛性Ｇとバネ材１００を軸とする慣性モーメントＩzzにより式（５）であらわされる。【００６４】
【数５】
2008053835.tif 000007
【００６５】
また、外部振動による振幅θ1と共振時の振幅θ2との間には式（６）の関係が成立する。【００６６】
【数６】
2008053835.tif 000008
【００６７】
ここで、ωは、固有振動数でのねじれ振動に対応する角速度、ｃeは、前述の発電により系から出て行くエネルギーによる減衰を表す係数、ｃmは、材料の変形や空気抵抗などによる振動の減衰を表す係数ある。最も効率的に発電できる理想的な場合は、発電による減衰以外の抵抗が非常に小さい場合である。すなわち、式（７）の関係が成立する場合である。【００６８】
【数７】
2008053835.tif 000009
【００６９】
式（４）に式（７）、式（５）、式（３）を代入することにより、外部振動により共振した場合に期待できる最大発電電力Ｅmaxは式（８）となる。【００７０】
【数８】
2008053835.tif 000010
【００７１】
このように回転モーメントＭ2aと回転モーメントＭ2bとの差の２乗に比例する発電が期待できる。【００７２】
Ｍ2b＝ｓＭ2a（０＜ｓ＜１）とすると、比ｓの大きさは、バネ材１００に対する振動子２０１ａ，２０１ｂの非対称性（即ち、構造の不均一性）の程度を表す。比ｓが小さいほど、回転モーメントＭ2aと回転モーメントＭ2bとの間の差が大きく、バネ材１００に対する非対称性が大きく、構造が不均一となる。式（８）は次の式（９）のように書き換えることができる。【００７３】
【数９】
2008053835.tif 000011
【００７４】
この最大発電電力Ｅmaxと比ｓの関係を図１０に示す。より多くの発電量を得るためには、比ｓを小さくすること、即ち、バネ材１００に対する非対称性を大きくする必要があることが分かる。発電機構の設計時には、図１０より必要な発電量Ｅ0から必要な比ｓの上限値ｓ0を求め、バネ材１００に対して振動子をどの程度非対称にするかを決定することができる。但し、式（９）は理想的な場合に成立するので、現実の最大発電電力は図１０よりも少なくなる。例えば、必要な発電量Ｅ0を得るためには、図１０から求められる比ｓの上限値ｓ0よりも現実の発電機構の比ｓを小さくする必要がある。【００７５】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子２０１ａ，２０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部２０２ａ，２０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。【００７６】
図８、図９では梁部２０３ａ，２０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部２０２ａ，２０２ｂを保持することができれば、梁部２０３ａ，２０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。【００７７】
図８、図９ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子２０１ａ，２０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。【００７８】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図８、図９に限定されない。例えば、梁部２０３ａ，２０３ｂに代えて又はこれらに加えて、バネ材１００の取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。【００７９】
また、図８、図９に示すように圧電素子を梁部２０３ａ，２０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部２０３ａ，２０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。【００８０】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。【００８１】
図８、図９では、バネ材１００に対して両側に配置される２つの振動子２０１ａ，２０１ｂの質量を異ならせることにより、バネ材１００にねじれ振動を発生させた。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、バネ材１００の片側のみに振動子を配置してもよい。この場合は、図８、図９に示した発電機構が備える２つの錘部２０２ａ，２０２ｂのうちの一方の錘部の質量を極端に小さくした場合に相当し、本実施の形態２と同様のねじれ振動を発生させることができる。【００８２】
（実施例２）
実施の形態２の圧電型発電機構を実施例１と同様にスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィを利用して作成した。【００８３】
作成した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）２０００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる第１錘部と、縦（Ｙ軸方向寸法）５００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる第２錘部と、第１及び第２錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）２００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなる一対の梁部と、一対の梁部に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。【００８４】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は１０．６Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは６．４μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると、この発電機構は０．６μＷの発電を期待できることが分かった。【００８５】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図１２は、図１１の一点鎖線で示した１２−１２線に沿って切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態３に係る圧電型発電機構の断面図である。【００８６】
本実施の形態３の圧電型発電機構は、バネ材回りの複数の振動子の慣性モーメントを、錘を保持する梁部の長さを異ならせることにより異ならせた点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子３０１ａ，３０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子３０４ａ，３０４ｂとからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子３０１ａ，３０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。【００８７】
振動子３０１ａ，３０１ｂは、錘部３０２ａ，３０２ｂとバネ性を有する梁部３０３ａ，３０３ｂとからなる。梁部３０３ａ，３０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部３０２ａ，３０２ｂに接続されている。振動子３０１ａ及び振動子３０１ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子３０４ａ，３０４ｂは梁部３０３ａ，３０３ｂに取り付けられている。【００８８】
振動子３０１ａのバネ材１００に対する取付位置３０７ａ及び振動子３０１ｂのバネ材１００に対する取付位置３０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は同じである。錘部３０２ａと錘部３０２ｂとは同一質量を有し、圧電素子３０４ａと圧電素子３０４ｂとは同一仕様である。但し、梁部３０３ａの長さ（Ｘ軸方向寸法）は梁部３０３ｂの長さより長い。即ち、振動子３０１ａと振動子３０１ｂとは、ＹＺ面を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。【００８９】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態３の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図１２に示すように錘部３０２ａ，３０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ3a，Ｆ3bが発生する。錘部３０２ａと錘部３０２ｂとは同一質量を有するので、慣性力Ｆ3aと慣性力Ｆ3bとは同一である。しかしながら、梁部３０３ａが梁部３０３ｂより長いので、軸１００ａから慣性力Ｆ3a，Ｆ3bの作用点までの距離が異なる。従って、振動子３０１ａがバネ材１００に与える回転モーメントＭ3aは振動子３０１ｂがバネ材１００に与える回転モーメントＭ3bに比べて大きくなる。この回転モーメントＭ3a，Ｍ3b間の差により回転トルクが発生し、取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ｂとの間、取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子３０４ａ，３０４ｂによって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態３の発電機構における発電原理である。【００９０】
本実施の形態の圧電型発電機構においても実施の形態２のそれと同様に、式（９）の関係が成立するので、必要な発電量から必要な比ｓを求め、バネ材１００に対して振動子をどの程度非対称にするかを決定することができる。【００９１】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子３０１ａ，３０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部３０２ａ，３０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。【００９２】
図１１、図１２では梁部３０３ａ，３０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部３０２ａ，３０２ｂを保持することができれば、梁部３０３ａ，３０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。【００９３】
図１１、図１２ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子３０１ａ，３０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。【００９４】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図１１、図１２に限定されない。例えば、梁部３０３ａ，３０３ｂに代えて又はこれらに加えて、バネ材１００の取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。【００９５】
また、図１１、図１２に示すように圧電素子を梁部３０３ａ，３０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部３０３ａ，３０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。【００９６】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。【００９７】
（実施例３）
実施の形態３の圧電型発電機構を実施例１と同様にスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィを利用して作成した。【００９８】
作成した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）１０００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる一対の錘部と、一方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなる第１梁部と、他方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）８００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなる第２梁部と、第１及び第２梁部に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。【００９９】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は６．２Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは０．９６μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると、この発電機構は０．１μＷの発電を期待できることが分かった。【０１００】
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図１４は、図１３の一点鎖線で示した１４−１４線に沿って切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態４に係る圧電型発電機構の断面図である。【０１０１】
本実施の形態４の圧電型発電機構は、複数の振動子の固有振動数を、錘を保持する梁部の幅を異ならせることにより異ならせた点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子４０１ａ，４０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子４０４ａ，４０４ｂとからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子４０１ａ，４０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。【０１０２】
振動子４０１ａ，４０１ｂは、錘部４０２ａ，４０２ｂとバネ性を有する梁部４０３ａ，４０３ｂとからなる。梁部４０３ａ，４０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部４０２ａ，４０２ｂに接続されている。振動子４０１ａ及び振動子４０１ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子４０４ａ，４０４ｂは梁部４０３ａ，４０３ｂに取り付けられている。【０１０３】
振動子４０１ａのバネ材１００に対する取付位置４０７ａ及び振動子４０１ｂのバネ材１００に対する取付位置４０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は同じである。錘部４０２ａと錘部４０２ｂとは同一質量を有し、圧電素子４０４ａと圧電素子４０４ｂとは同一仕様である。梁部４０３ａと梁部４０３ｂとは同一の長さ（Ｘ軸方向寸法）を有している。但し、梁部４０３ａの幅（Ｙ軸方向寸法）は梁部４０３ｂの幅より大きい。即ち、振動子４０１ａと振動子４０１ｂとは、ＹＺ面を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。【０１０４】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態４の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図１４に示すように錘部４０２ａ，４０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ4a，Ｆ4bが発生する。錘部４０２ａと錘部４０２ｂとは同一質量を有するので、慣性力Ｆ4aと慣性力Ｆ4bとは同一である。また、梁部４０３ａと梁部４０３ｂとは長さが同一であるので、振動子４０１ａがバネ材１００に与える静的な回転モーメントＭ4aと振動子４０１ｂがバネ材１００に与える静的な回転モーメントＭ4bとは同一になる。【０１０５】
しかしながら、梁部４０３ａと梁部４０３ｂとは幅が異なるので、たわみ方向の曲げ剛性が異なる。従って、取り付け部４０７ａに対する振動子４０１ａの固有振動数と、取り付け部４０７ｂに対する振動子４０１ｂの固有振動数とは異なる。この結果、加速度が加えられたとき、その加速度の変化率に近い固有振動数を有する振動子がより早く応答し、これによって発生した回転モーメントにより、取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ｂとの間、取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子４０４ａ，４０４ｂによって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態４の発電機構における発電原理である。【０１０６】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子４０１ａ，４０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部４０２ａ，４０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。【０１０７】
図１３、図１４では、梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの幅を異ならせたが、本発明はこれに限定されない。例えば、梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの厚さ（Ｚ軸方向寸法）を異ならせても、梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの曲げ剛性を異なることができるので、振動子４０１ａ及び振動子４０１ｂの固有振動数を異ならせることができ、上記と同様の効果を得ることが出来る。【０１０８】
図１３、図１４では梁部４０３ａ，４０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部４０２ａ，４０２ｂを保持することができ、且つ梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの曲げ剛性を異ならせることができれば、梁部４０３ａ，４０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。【０１０９】
図１３、図１４ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子４０１ａ，４０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。【０１１０】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図１３、図１４に限定されない。例えば、梁部４０３ａ，４０３ｂに代えて又はこれらに加えて、バネ材１００の取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。【０１１１】
また、図１３、図１４に示すように圧電素子を梁部４０３ａ，４０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部４０３ａ，４０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。【０１１２】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。【０１１３】
（実施例４）
実施の形態４の圧電型発電機構を実施例１と同様にスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィを利用して作成した。【０１１４】
作成した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）１０００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる一対の錘部と、一方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）４５０μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなる第１梁部と、他方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）４５０μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）３００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなる第２梁部と、第１及び第２梁部に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。【０１１５】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は７．０Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは１．２μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると０．１μＷの発電を期待できることが分かった。【０１１６】
実施の形態１〜４は一例に過ぎず、本発明はこれらに限定されない。例えば上記の実施の形態１〜４の２以上を組み合わせてもよい。また、振動子の数は２つに限定されず、１つ又は３つ以上であってもよい。本発明では、バネ材の両端を固定し、その両端を結ぶ軸を含むＹＺ面に対して非対称に振動子をバネ材に取り付けることにより、バネ材にねじれ振動を励起させることができれば良い。バネ材のねじれ剛性が小さくなるようにバネ材の材料等を適切に設定することにより、小さな振動空間内で、低い固有振動数で振動する小型の圧電型発電機構を実現できる。【０１１７】
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の利用分は特に制限はないが、小型で低い固有振動数を有するので、携帯電話や音楽再生機などのモバイル機器の充電用発電機又は補助電源として利用すれば、人間が移動時に単に携帯するだけで発電することができるので、充電の不要化又は充電間隔の拡大が可能になる。【０１１９】
また、各種建造物や自動車等の移動体などの構造物の振動を入力して発電させることにより、構造物に設けられた複数のセンサーがネットワーク状に接続され、システムとして動作するセンサーネットワークに用いられる小型センサーの電源として利用することができる。
【図１】
2008053835.tif 000012
【図２】
2008053835.tif 000013
【図３Ａ】
2008053835.tif 000014
【図３Ｂ】
2008053835.tif 000015
【図４Ａ】
2008053835.tif 000016
【図４Ｂ】
2008053835.tif 000017
【図５Ａ】
2008053835.tif 000018
【図５Ｂ】
2008053835.tif 000019
【図６Ａ】
2008053835.tif 000020
【図６Ｂ】
2008053835.tif 000021
【図７Ａ】
2008053835.tif 000022
【図７Ｂ】
2008053835.tif 000023
【図８】
2008053835.tif 000024
【図９】
2008053835.tif 000025
【図１０】
2008053835.tif 000026
【図１１】
2008053835.tif 000027
【図１２】
2008053835.tif 000028
【図１３】
2008053835.tif 000029
【図１４】
2008053835.tif 000030
【図１５Ａ】
2008053835.tif 000031
【図１５Ｂ】
2008053835.tif 000032
【図１６Ａ】
2008053835.tif 000033
【図１６Ｂ】
2008053835.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月13日(2008.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が保持されたバネ材と、
前記バネ材に取り付けられた少なくとも１つの振動子と、
前記バネ材又は前記少なくとも１つの振動子に取り付けられた圧電素子と
を備え、
前記バネ材の前記両端を結ぶ軸と平行な軸をＹ軸、前記Ｙ軸と前記少なくとも１つの振動子とを含む面と平行で且つ前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸、前記Ｙ軸及び前記Ｘ軸と直交する軸をＺ軸としたとき、前記少なくとも１つの振動子は、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含む面に対して非対称であることを特徴とする圧電型発電機構。
【請求項２】
前記振動子の数が複数であって、
複数の前記振動子は、前記Ｙ軸方向において異なる位置に前記バネ材に取り付けられている請求項１に記載の圧電型発電機構。
【請求項３】
前記振動子は、錘部とバネ性を有する梁部とを備え、
前記梁部の一端が前記バネ材と接続され、他端が前記錘部に接続されている請求項１に記載の圧電型発電機構。
【請求項４】
前記振動子の数が複数であって、
複数の前記振動子の前記錘部の質量が互いに異なる請求項３に記載の圧電型発電機構。
【請求項５】
前記振動子の数が複数であって、
複数の前記振動子の前記梁部の形状が互いに異なる請求項３に記載の圧電型発電機構。
【請求項６】
前記圧電素子は、前記バネ材に取り付けられている請求項１に記載の圧電型発電機構。
【請求項７】
前記圧電素子は前記梁部に取り付けられている請求項３に記載の圧電型発電機構。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的な振動エネルギーから電力を取り出す圧電型発電機構に関する。特に、高層ビルや橋梁などの大規模な建造物や身体の動きなどに伴って発生する周期の長い振動のエネルギーを圧電素子により電力に変換して発電することができる圧電型発電機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の地点に設置したセンサーをネットワークで接続して各センサーから情報を得ることにより、情報機器の制御やセキュリティ、環境のモニタリングに役立てることができる。例えば、高層ビルや橋梁などの大規模建造物は、数十年の寿命が必要とされる。このような建造物が激しく損傷してから補修を行うのではなく、損傷が生じる前に補修を行うのがコストも安く、安全性も高い。そこで、これらの建造物に加速度センサーやひずみセンサーを設置し、長期的にモニタリングすることで、その損傷などを予測することが検討されている。また、人の衣服や持ち物や器具にセンサーをつけ、それらの位置や温度などを記録することで、物品の管理や人の行動予測、環境測定などを行うことが検討されている。
【０００３】
このようにセンサーを用いて長期間にわたる観測を行う場合、そのセンサーの電力源として従来のバッテリーや電池を用いると動作期間が短かったり、交換のコストが増大したりすることから現実的ではない。
【０００４】
センサーを間欠的に動作させれば、数μＷの電力でセンサーを長期間にわたり継続的に動作させることができる。このような電力を得る方法として、センサーが取り付けられる環境中の振動エネルギーを電気エネルギーとして回収する方法がある。
【０００５】
振動エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機構としては、たとえば特許文献１のような圧電材料を用いた発電機構が知られている。圧電材料にひずみを加えると、分極方向に電荷が生じ、これにより電界が生じる。このような材料を用いることで、機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。特許文献１には、短冊状に加工した圧電材料の一端を固定し、他端に錘を取り付けて、外部からの振動により圧電材料をたわみ変形させて発電する発電機構が開示されている。
【０００６】
このような振動型発電機構が効率的な発電するためには、回収しようとする振動エネルギーの振動数と発電機構の固有振動数とを近づける必要がある。即ち、電気エネルギーとして回収する対象である振動を分析し、これに応じて発電機構の固有振動数を設定する必要がある。
【０００７】
例えば、図１５Ａに歩行中の人間に発生する加速度の時間変化を示し、図１５Ｂに歩行中の人間に発生する加速度の周波数成分を示す。図１５Ｂに示すように、人間の歩行時に発生する振動は数ヘルツ以下の低周波数成分を多く含む。したがって、人間が歩行したときの身体の動きによって発電するためには、このような低い固有振動数を持つ発電機構が必要である。
【０００８】
また、ビルや橋梁などの建造物も、風やその周辺を移動体が通過することにより振動する。建造物自体のサイズが大きいため、その振動数は数Ｈｚ程度の低い周波数であることが知られている。したがって、建造物の振動から電気エネルギーを回収する場合も、低い固有振動数を持つ発電機構が必要である。
【０００９】
一方、発電機構のサイズが大きいと、発電機構を含むセンサーの取り付け場所が制限されてしまうため、発電機構のサイズはできるだけ小さいほうが好ましい。
【特許文献１】特開２００５−４５９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、回収しようとする振動エネルギーの振動数に合わせて発電機構の固有振動数を低くすると、重力や入力振動によるたわみが大きくなり、錘の振動空間を大きく確保する必要が生じる。そのため、発電機構の固有振動数を低くすることとそのサイズを小さくすることとが両立できないという問題がある。
【００１１】
従来の振動型発電機構は、図１６Ａのように短冊状の梁５０１の一端５００が固定されており、他端に錘５０２が設けられている片持ち支持された振動構造体であり、これは、梁５０１をバネとみなして、図１６Ｂのように、バネ定数ｋを有するバネの下端に質量ｍの錘が吊り下げられた振動系にモデル化することができる。図１６Ａにおいて、５０３はたわみ変形する梁に取り付けられた圧電素子である。この振動系の固有振動数ｆは式（１）の通りとなる。
【００１２】
【数１】
2008053835.tif 000035
【００１３】
梁５０１の復元力と錘５０２の重力とが釣り合ったとき、重力による錘５０２の変位量（たわみ）をδとすると、式（２）の関係が成立する。
【００１４】
【数２】
2008053835.tif 000036
【００１５】
振動系の固有振動数ｆをある値に設定すると、式（１）より錘５０２の質量ｍに対するバネ定数ｋの比（ｋ／ｍ）が決まる。錘５０２の質量ｍに対するバネ定数ｋの比（ｋ／ｍ）が決まると、式（２）より重力による錘５０２の変位量δが決まる。式（１）及び式（２）より、振動系の固有振動数ｆを低くすると、変位量δが大きくなる。振動系に固有振動数ｆ又はこれに近い振動数の振動が加えられると、錘５０２は、重力により変位量δだけ変位した状態から振動を開始する。従って、図１６Ａのようなたわみ変形をする振動型発電機構において、効率的な発電を行うために周辺環境の低い振動数に合わせてその固有振動数ｆを低くしようとすると、重力による錘５０２の変位量δが大きくなることと、振動数が固有振動数ｆに近づくことによる錘５０２の振幅が大きくなることとによって、発電機構のサイズを小さくすることが困難となる。即ち、従来の振動型発電機構では、その固有振動数ｆを低くすることとそのサイズを小さくすることとを同時に実現することができない。
【００１６】
たとえば、８Ｈｚの固有振動数を有する振動系では、式（１）及び式（２）によれば梁５０１の長さによらず、静止状態ににおいて錘５０２は重力により約３ｍｍ変位する。この振動系に、その固有振動数と近い振動数の外部振動が加えられると、上記静止状態から錘５０２が大きく振動する。従って、静止状態での錘５０２の変位量δに加えて、外部振動による錘５０２の振動振幅に必要な空間を確保する必要があるので、錘５０２の変位方向（振幅方向）のサイズが３ｍｍ以下の振動型発電機構を実現することはできない。
【００１７】
一方、発電機構をマイクロデバイスに応用する場合、梁などの部材を小さくする必要があるから、低い固有振動数を実現すること自体が難しい。
【００１８】
本発明は、上記の従来の問題を解決し、低い固有振動数を有し、且つ重力及び加速度によるたわみ量を小さくすることで小型化された圧電型発電機構を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る圧電型発電機構は、両端が保持されたバネ材と、前記バネ材に取り付けられた少なくとも１つの振動子と、前記バネ材又は前記少なくとも１つの振動子に取り付けられた圧電素子とを備える。前記バネ材の前記両端を結ぶ軸と平行な軸をＹ軸、前記Ｙ軸と前記少なくとも１つの振動子とを含む面と平行で且つ前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸、前記Ｙ軸及び前記Ｘ軸と直交する軸をＺ軸としたとき、前記少なくとも１つの振動子は、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を含む面に対して非対称であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、圧電型発電機構に加速度が印加されると、少なくとも１つの振動子がＹ軸及びＺ軸を含む面に対して非対称であるので、バネ材に回転モーメントが作用し、バネ材にねじれ振動が励起される。このねじれ振動は最も低い次数の振動モードになる。そして、ねじれ振動の固有振動数は、バネ材を軸とした慣性モーメントとバネ材のねじれ剛性に依存するので、バネ材のねじれ剛性を小さく設定すれば、ねじれ振動の固有振動数を低くすることができる。
【００２１】
一方、振動子の質量を支持するバネ材の両端は固定されているので、バネ材の張力が重力及び加速度によるバネ材のたわみ量を小さく抑える。従って、バネ材がたわむことにより発生する振動子の変位量は小さい。
【００２２】
このように、本発明では、固有振動数を低下させる構成と、振動子の質量を支持する構成とが分離されている。これにより、固有振動数の低下と、振動空間を小さくすることによるデバイスの小型化とを同時に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の上記の圧電型発電機構において、前記振動子の数が複数であって、複数の前記振動子は、前記Ｙ軸方向において異なる位置に前記バネ材に取り付けられていることが好ましい。これにより、バネ材のねじり変形が大きくなるので、バネ材における発電電圧を高くすることができる。
【００２４】
前記振動子は、錘部とバネ性を有する梁部とを備え、前記梁部の一端が前記バネ材と接続され、他端が前記錘部に接続されていることが好ましい。これにより、低い固有振動数を維持したまま、デバイスのサイズを小さくすることができる。
【００２５】
前記振動子の数が複数であって、複数の前記振動子の前記錘部の質量が互いに異なることが好ましい。これにより、加速度が作用したときに複数の振動子がバネ材にそれぞれ加える回転モーメントを互いに異ならせることができるので、バネ材にねじれ振動を効率的に励起させることができる。
【００２６】
前記振動子の数が複数であって、複数の前記振動子の前記梁部の形状が互いに異なることが好ましい。これにより、デバイス全体の質量をほとんど増加させることなく、加速度が作用したときに複数の振動子がバネ材にそれぞれ加える回転モーメントを互いに異ならせることができるので、バネ材にねじれ振動を効率的に励起させることができる。
【００２７】
前記圧電素子は、前記バネ材に取り付けられていることが好ましい。これにより、バネ材のねじれ振動に伴うバネ材の機械的変形を電気エネルギーに変換することができるので、エネルギー損失を少なくすることができる。
【００２８】
前記圧電素子は前記梁部に取り付けられていることが好ましい。これにより、梁部の屈曲変形を電気エネルギーに変換することができるので、効率よく電力を取り出すことができる。
【００２９】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図２は、図１の一点鎖線で示した２−２線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態１に係る圧電型発電機構の組み合わせ断面図である。
【００３１】
本実施の形態１の圧電型発電機構は、複数の振動子のバネ材に対する取付位置がバネ材の長軸方向において異なる点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子１０１ａ，１０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子１０４ａ，１０４ｂ，１０６とからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子１０１ａ，１０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。
【００３２】
振動子１０１ａ，１０１ｂは、錘部１０２ａ，１０２ｂとバネ性を有する梁部１０３ａ，１０３ｂとからなる。梁部１０３ａ，１０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部１０２ａ，１０２ｂに接続されている。振動子１０１ａ及び振動子１０２ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子１０４ａ，１０４ｂは梁部１０３ａ，１０３ｂに取り付けられており、圧電素子１０６はバネ材１００に取り付けられている。
【００３３】
振動子１０１ａと振動子１０１ｂとは同一仕様であり、圧電素子１０４ａと圧電素子１０４ｂとは同一仕様である。但し、振動子１０１ａのバネ材１００に対する取付位置１０７ａ及び振動子１０１ｂのバネ材１００に対する取付位置１０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は互いに異なる。即ち、振動子１０１ａと振動子１０１ｂとは、Ｙ軸及びＺ軸を含む面（以下「ＹＺ面」という）を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。
【００３４】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態１の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図２に示すように錘部１０２ａ，１０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ1a，Ｆ1bが発生する。振動子１０１ａと振動子１０２ｂとで錘部及び梁部の質量、形状等の仕様が同一に設定されているので、慣性力Ｆ1aと慣性力Ｆ1bとは同一となり、軸１００ａを中心としてバネ材１００に大きさが同じで向きが逆の回転モーメントＭ1a，Ｍ1bが作用する。
【００３５】
振動子１０１ａの取付位置１０７ａと振動子１０１ｂの取付位置１０７ｂとの軸１００ａ方向における位置が異なるので、取付位置１０７ａと取付位置１０７ｂとの間、取付位置１０７ａと端１０５ｂとの間、取付位置１０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子１０４ａ，１０４ｂ，１０６によって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態１の発電機構における発電原理である。
【００３６】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子１０１ａ，１０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部１０２ａ，１０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。
【００３７】
図１、図２では梁部１０３ａ，１０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部１０２ａ，１０２ｂを保持することができれば、梁部１０３ａ，１０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。
【００３８】
図１、図２ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子１０１ａ，１０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。
【００３９】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図１、図２に限定されない。例えば、バネ材１００及び梁部１０３ａ，１０３ｂのいずれか一方のみに取り付けてもよい。
【００４０】
圧電素子をバネ材１００に取り付ける場合、その取付位置は図１に示すように取付位置１０７ａと取付位置１０７ｂとの間の領域に限定されず、取付位置１０７ａと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置１０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。
【００４１】
また、図１、図２に示すように圧電素子をバネ材１００及び梁部１０３ａ，１０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部１０３ａ，１０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。
【００４２】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。
【００４３】
（実施例１）
実施の形態１の圧電型発電機構をスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィとを利用して作成した。その作製方法の概略を以下に説明する。
【００４４】
まず、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、厚さ４００μｍのシリコン基板７００の上に、スパッタリングにより厚さ０．１μｍのＰｔからなる電極層７０１を形成し、さらに、その上に圧電体７０２として厚さ３μｍのＰＺＴ薄膜を形成した。
【００４５】
次に、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、圧電体７０２上にレジストでパターンを形成し、レジストが形成されていない領域の圧電体７０２及び電極層７０１をエッチングして、圧電素子となる部分７０３のみを残した。
【００４６】
次に、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、パターニングされた圧電体７０２上のみに厚さ０．１μｍのＰｔからなる電極７０４を形成した。
【００４７】
次に、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、バネ材及び振動子の平面形状にパターニングされた厚さ５μｍのポリイミド７０５を形成した。
【００４８】
最後に、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、シリコン基板７００の裏側から錘部となる部分７０６以外をＳＦ6とＯ2との混合ガスを用いてドライエッチングした。
【００４９】
このようにして作製した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）１８００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１２５０μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる一対の錘部と、一対の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）３００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなる一対の梁部と、一対の梁部及びバネ材に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。
【００５０】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は８Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは１．６μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると、この発電機構は０．１６μＷの発電を期待できることが分かった。
【００５１】
特性のよい圧電体薄膜を形成するためには、６００度から７００度の高温処理が必要があるので、実施例１ではポリイミド７０５の形成前に圧電体７０２を形成した。従って、梁部及びバネ材に対する圧電素子のＺ軸方向の配置は、実施例１と図１及び図２とでは逆になっている。
【００５２】
上記の実施例１では梁部及びバネ材の材料としてポリイミドを用いたが、本発明ではこれに限定されない。梁部及びバネ材の材料としてポリイミドやＳＵ８などのヤング率の低い樹脂材料を用いると、得られる発電機構の共振周波数を低下させることができる。
【００５３】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図９は、図８の一点鎖線で示した９−９線に沿って切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態２に係る圧電型発電機構の断面図である。
【００５４】
本実施の形態２の圧電型発電機構は、バネ材回りの複数の振動子の慣性モーメントを、振動子の錘の質量を異ならせることにより異ならせた点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子２０１ａ，２０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子２０４ａ，２０４ｂとからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子２０１ａ，２０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。
【００５５】
振動子２０１ａ，２０１ｂは、錘部２０２ａ，２０２ｂとバネ性を有する梁部２０３ａ，２０３ｂとからなる。梁部２０３ａ，２０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部２０２ａ，２０２ｂに接続されている。振動子２０１ａ及び振動子２０２ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子２０４ａ，２０４ｂは梁部２０３ａ，２０３ｂに取り付けられている。
【００５６】
振動子２０１ａのバネ材１００に対する取付位置２０７ａ及び振動子２０１ｂのバネ材１００に対する取付位置２０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は同じである。梁部２０３ａと梁部２０３ｂとは同一仕様であり、圧電素子２０４ａと圧電素子２０４ｂとは同一仕様である。但し、錘部２０２ａの質量は錘部２０２ｂの質量より大きい。即ち、振動子２０１ａと振動子２０１ｂとは、ＹＺ面を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。
【００５７】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態２の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図９に示すように錘部２０２ａ，２０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ2a，Ｆ2bが発生する。錘部２０２ａの質量は錘部２０２ｂの質量より大きいので、慣性力Ｆ2aは慣性力Ｆ2bより大きい。従って、振動子２０１ａがバネ材１００に与える回転モーメントＭ2aは振動子２０１ｂがバネ材１００に与える回転モーメントＭ2bに比べて大きくなる。この回転モーメントＭ2a，Ｍ2b間の差により回転トルクが発生し、取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ｂとの間、取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子２０４ａ，２０４ｂによって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態２の発電機構における発電原理である。
【００５８】
本実施の形態の圧電型発電機構が、振動エネルギーを電気エネルギーに最も効率良く変換できるのは、外部から加えられる振動の振動数と発電機構のねじれ振動の固有振動数とが一致し、発電機構が共振する場合である。角速度ωの外部振動が発電機構に作用したとき、錘部２０２ａ，２０２ｂに発生する慣性力Ｆ2a，Ｆ2bは角速度ωで周期的に増減する。従って、回転モーメントＭ2aと回転モーメントＭ2bとの差によって発生する回転トルクも角速度ωで周期的に増減する。バネ材１００のねじれ剛性をＧとすると、この回転トルクによって発生するねじれ振動の振幅θ1は式（３）となる。
【００５９】
【数３】
2008053835.tif 000037
【００６０】
この回転トルクによって共振したときのねじれ振動の振幅をθ2とすると、発電機構が発電できる最大電力Ｅmaxは式（４）となる。
【００６１】
【数４】
2008053835.tif 000038
【００６２】
ここで、ｃeは、発電により系から出て行くエネルギーによる振動の減衰を表す係数であり、ωは、ねじれ振動の角速度である。角速度ωは、外部から加える振動の角速度と同じになるように設定され、バネ材１００のねじれ剛性Ｇとバネ材１００を軸とする慣性モーメントＩzzにより式（５）であらわされる。
【００６３】
【数５】
2008053835.tif 000039
【００６４】
また、外部振動による振幅θ1と共振時の振幅θ2との間には式（６）の関係が成立する。
【００６５】
【数６】
2008053835.tif 000040
【００６６】
ここで、ωは、固有振動数でのねじれ振動に対応する角速度、ｃeは、前述の発電により系から出て行くエネルギーによる減衰を表す係数、ｃmは、材料の変形や空気抵抗などによる振動の減衰を表す係数ある。最も効率的に発電できる理想的な場合は、発電による減衰以外の抵抗が非常に小さい場合である。すなわち、式（７）の関係が成立する場合である。
【００６７】
【数７】
2008053835.tif 000041
【００６８】
式（４）に式（７）、式（５）、式（３）を代入することにより、外部振動により共振した場合に期待できる最大発電電力Ｅmaxは式（８）となる。
【００６９】
【数８】
2008053835.tif 000042
【００７０】
このように回転モーメントＭ2aと回転モーメントＭ2bとの差の２乗に比例する発電が期待できる。
【００７１】
Ｍ2b＝ｓＭ2a（０＜ｓ＜１）とすると、比ｓの大きさは、バネ材１００に対する振動子２０１ａ，２０１ｂの非対称性（即ち、構造の不均一性）の程度を表す。比ｓが小さいほど、回転モーメントＭ2aと回転モーメントＭ2bとの間の差が大きく、バネ材１００に対する非対称性が大きく、構造が不均一となる。式（８）は次の式（９）のように書き換えることができる。
【００７２】
【数９】
2008053835.tif 000043
【００７３】
この最大発電電力Ｅmaxと比ｓの関係を図１０に示す。より多くの発電量を得るためには、比ｓを小さくすること、即ち、バネ材１００に対する非対称性を大きくする必要があることが分かる。発電機構の設計時には、図１０より必要な発電量Ｅ0から必要な比ｓの上限値ｓ0を求め、バネ材１００に対して振動子をどの程度非対称にするかを決定することができる。但し、式（９）は理想的な場合に成立するので、現実の最大発電電力は図１０よりも少なくなる。例えば、必要な発電量Ｅ0を得るためには、図１０から求められる比ｓの上限値ｓ0よりも現実の発電機構の比ｓを小さくする必要がある。
【００７４】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子２０１ａ，２０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部２０２ａ，２０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。
【００７５】
図８、図９では梁部２０３ａ，２０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部２０２ａ，２０２ｂを保持することができれば、梁部２０３ａ，２０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。
【００７６】
図８、図９ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子２０１ａ，２０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。
【００７７】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図８、図９に限定されない。例えば、梁部２０３ａ，２０３ｂに代えて又はこれらに加えて、バネ材１００の取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置２０７ａ，２０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。
【００７８】
また、図８、図９に示すように圧電素子を梁部２０３ａ，２０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部２０３ａ，２０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。
【００７９】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。
【００８０】
図８、図９では、バネ材１００に対して両側に配置される２つの振動子２０１ａ，２０１ｂの質量を異ならせることにより、バネ材１００にねじれ振動を発生させた。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、バネ材１００の片側のみに振動子を配置してもよい。この場合は、図８、図９に示した発電機構が備える２つの錘部２０２ａ，２０２ｂのうちの一方の錘部の質量を極端に小さくした場合に相当し、本実施の形態２と同様のねじれ振動を発生させることができる。
【００８１】
（実施例２）
実施の形態２の圧電型発電機構を実施例１と同様にスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィを利用して作成した。
【００８２】
作成した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）２０００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる第１錘部と、縦（Ｙ軸方向寸法）５００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる第２錘部と、第１及び第２錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）２００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなる一対の梁部と、一対の梁部に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。
【００８３】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は１０．６Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは６．４μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると、この発電機構は０．６μＷの発電を期待できることが分かった。
【００８４】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図１２は、図１１の一点鎖線で示した１２−１２線に沿って切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態３に係る圧電型発電機構の断面図である。
【００８５】
本実施の形態３の圧電型発電機構は、バネ材回りの複数の振動子の慣性モーメントを、錘を保持する梁部の長さを異ならせることにより異ならせた点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子３０１ａ，３０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子３０４ａ，３０４ｂとからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子３０１ａ，３０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。
【００８６】
振動子３０１ａ，３０１ｂは、錘部３０２ａ，３０２ｂとバネ性を有する梁部３０３ａ，３０３ｂとからなる。梁部３０３ａ，３０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部３０２ａ，３０２ｂに接続されている。振動子３０１ａ及び振動子３０１ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子３０４ａ，３０４ｂは梁部３０３ａ，３０３ｂに取り付けられている。
【００８７】
振動子３０１ａのバネ材１００に対する取付位置３０７ａ及び振動子３０１ｂのバネ材１００に対する取付位置３０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は同じである。錘部３０２ａと錘部３０２ｂとは同一質量を有し、圧電素子３０４ａと圧電素子３０４ｂとは同一仕様である。但し、梁部３０３ａの長さ（Ｘ軸方向寸法）は梁部３０３ｂの長さより長い。即ち、振動子３０１ａと振動子３０１ｂとは、ＹＺ面を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。
【００８８】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態３の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図１２に示すように錘部３０２ａ，３０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ3a，Ｆ3bが発生する。錘部３０２ａと錘部３０２ｂとは同一質量を有するので、慣性力Ｆ3aと慣性力Ｆ3bとは同一である。しかしながら、梁部３０３ａが梁部３０３ｂより長いので、軸１００ａから慣性力Ｆ3a，Ｆ3bの作用点までの距離が異なる。従って、振動子３０１ａがバネ材１００に与える回転モーメントＭ3aは振動子３０１ｂがバネ材１００に与える回転モーメントＭ3bに比べて大きくなる。この回転モーメントＭ3a，Ｍ3b間の差により回転トルクが発生し、取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ｂとの間、取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子３０４ａ，３０４ｂによって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態３の発電機構における発電原理である。
【００８９】
本実施の形態の圧電型発電機構においても実施の形態２のそれと同様に、式（９）の関係が成立するので、必要な発電量から必要な比ｓを求め、バネ材１００に対して振動子をどの程度非対称にするかを決定することができる。
【００９０】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子３０１ａ，３０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部３０２ａ，３０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。
【００９１】
図１１、図１２では梁部３０３ａ，３０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部３０２ａ，３０２ｂを保持することができれば、梁部３０３ａ，３０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。
【００９２】
図１１、図１２ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子３０１ａ，３０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。
【００９３】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図１１、図１２に限定されない。例えば、梁部３０３ａ，３０３ｂに代えて又はこれらに加えて、バネ材１００の取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置３０７ａ，３０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。
【００９４】
また、図１１、図１２に示すように圧電素子を梁部３０３ａ，３０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部３０３ａ，３０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。
【００９５】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。
【００９６】
（実施例３）
実施の形態３の圧電型発電機構を実施例１と同様にスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィを利用して作成した。
【００９７】
作成した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）１０００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる一対の錘部と、一方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなる第１梁部と、他方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）８００μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）１０μｍのポリイミドからなる第２梁部と、第１及び第２梁部に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。
【００９８】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は６．２Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは０．９６μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると、この発電機構は０．１μＷの発電を期待できることが分かった。
【００９９】
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図、図１４は、図１３の一点鎖線で示した１４−１４線に沿って切断した断面を矢印方向から見た本実施の形態４に係る圧電型発電機構の断面図である。
【０１００】
本実施の形態４の圧電型発電機構は、複数の振動子の固有振動数を、錘を保持する梁部の幅を異ならせることにより異ならせた点が特徴である。この圧電型発電機構は、バネ材１００と、バネ材１００に取り付けられた２つの振動子４０１ａ，４０１ｂと、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子４０４ａ，４０４ｂとからなる。バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されている。説明の便宜のため、図示したように、バネ材１００の長軸、即ちバネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂを結ぶ軸１００ａと平行な軸をＹ軸、Ｙ軸と２つの振動子４０１ａ，４０１ｂとを含む面と平行で且つＹ軸と直交する軸をＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸と直交する軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。
【０１０１】
振動子４０１ａ，４０１ｂは、錘部４０２ａ，４０２ｂとバネ性を有する梁部４０３ａ，４０３ｂとからなる。梁部４０３ａ，４０３ｂの一端はバネ材１００に接続され、他端は錘部４０２ａ，４０２ｂに接続されている。振動子４０１ａ及び振動子４０１ｂのＺ軸方向の位置は同じである。圧電素子４０４ａ，４０４ｂは梁部４０３ａ，４０３ｂに取り付けられている。
【０１０２】
振動子４０１ａのバネ材１００に対する取付位置４０７ａ及び振動子４０１ｂのバネ材１００に対する取付位置４０７ｂの軸１００ａ方向（Ｙ軸方向）における位置は同じである。錘部４０２ａと錘部４０２ｂとは同一質量を有し、圧電素子４０４ａと圧電素子４０４ｂとは同一仕様である。梁部４０３ａと梁部４０３ｂとは同一の長さ（Ｘ軸方向寸法）を有している。但し、梁部４０３ａの幅（Ｙ軸方向寸法）は梁部４０３ｂの幅より大きい。即ち、振動子４０１ａと振動子４０１ｂとは、ＹＺ面を挟んで両側に配置され、且つＹＺ面に対して非対称である。
【０１０３】
建造物の振動や人間の歩行などにより発生する加速度の方向がＺ軸方向と一致するように本実施の形態４の圧電型発電機構を設置する。圧電型発電機構にＺ軸の正の向きの加速度が作用した場合、図１４に示すように錘部４０２ａ，４０２ｂにＺ軸の負の向きの慣性力Ｆ4a，Ｆ4bが発生する。錘部４０２ａと錘部４０２ｂとは同一質量を有するので、慣性力Ｆ4aと慣性力Ｆ4bとは同一である。また、梁部４０３ａと梁部４０３ｂとは長さが同一であるので、振動子４０１ａがバネ材１００に与える静的な回転モーメントＭ4aと振動子４０１ｂがバネ材１００に与える静的な回転モーメントＭ4bとは同一になる。
【０１０４】
しかしながら、梁部４０３ａと梁部４０３ｂとは幅が異なるので、たわみ方向の曲げ剛性が異なる。従って、取り付け部４０７ａに対する振動子４０１ａの固有振動数と、取り付け部４０７ｂに対する振動子４０１ｂの固有振動数とは異なる。この結果、加速度が加えられたとき、その加速度の変化率に近い固有振動数を有する振動子がより早く応答し、これによって発生した回転モーメントにより、取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ｂとの間、取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ａとの間で、バネ材１００がねじられ、その復元力により振動が発生する。この振動のエネルギーを圧電素子４０４ａ，４０４ｂによって電気エネルギーに変換する。以上が本実施の形態４の発電機構における発電原理である。
【０１０５】
本実施の形態では、バネ材１００の両端１０５ａ，１０５ｂは固定されているので、振動子４０１ａ，４０１ｂの質量はバネ材１００に発生する張力により保持される。従って、重力及び加速度によってバネ材１００がたわむことにより発生する錘部４０２ａ，４０２ｂの変位量は小さい。一方、バネ材１００のねじれ剛性を小さく設定することにより、ねじれ振動の固有振動数を大幅に小さくすることができる。従って、小型で低い固有振動数を有する圧電型発電機構を実現できる。
【０１０６】
図１３、図１４では、梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの幅を異ならせたが、本発明はこれに限定されない。例えば、梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの厚さ（Ｚ軸方向寸法）を異ならせても、梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの曲げ剛性を異なることができるので、振動子４０１ａ及び振動子４０１ｂの固有振動数を異ならせることができ、上記と同様の効果を得ることが出来る。
【０１０７】
図１３、図１４では梁部４０３ａ，４０３ｂは直方体形状を有しているが、錘部４０２ａ，４０２ｂを保持することができ、且つ梁部４０３ａ及び梁部４０３ｂの曲げ剛性を異ならせることができれば、梁部４０３ａ，４０３ｂの形状は直方体形状に限定されない。
【０１０８】
図１３、図１４ではバネ材１００は軸１００ａに垂直な断面形状が一定の長方形である板状の部材であるが、両端１０５ａ，１０５ｂで保持された状態においてバネ材１００に発生する張力により振動子４０１ａ，４０１ｂの質量を小さなたわみ量で保持することができ、且つ、バネ材１００自身のねじれ剛性が小さければ、バネ材１００の形状は特に制限はなく、上記と同様の効果を得ることが出来る。
【０１０９】
本実施の形態において圧電素子の取付位置は図１３、図１４に限定されない。例えば、梁部４０３ａ，４０３ｂに代えて又はこれらに加えて、バネ材１００の取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ｂとの間の領域及び／又は取付位置４０７ａ，４０７ｂと端１０５ａとの間の領域に取り付けてもよい。圧電素子をこれらのいずれの領域に取り付けてもバネ材１００のねじれにより圧電素子を歪ませることができるので、電力を取り出すことが可能である。
【０１１０】
また、図１３、図１４に示すように圧電素子を梁部４０３ａ，４０３ｂの一方の面にのみ取り付けるのではなく、バネ材１００及び／又は梁部４０３ａ，４０３ｂの両面に取り付けてバイモルフ構造を構成しても良い。
【０１１１】
更に、振動による部材の変形を考慮して複数の圧電素子を異なる位置に取り付けて、複数の圧電素子を、それぞれが発生する電力が相互に打ち消し合わないように接続すれば、より多くの電力を取り出すことができる。
【０１１２】
（実施例４）
実施の形態４の圧電型発電機構を実施例１と同様にスパッタリングによる薄膜形成とフォトリソグラフィを利用して作成した。
【０１１３】
作成した圧電型発電機構は、長さ（Ｙ軸方向寸法）３０００μｍ、幅（Ｘ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなるバネ材と、縦（Ｙ軸方向寸法）１０００μｍ、横（Ｘ軸方向寸法）１５００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）４００μｍのシリコン基板からなる一対の錘部と、一方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）４５０μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）１００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなる第１梁部と、他方の錘部を支える長さ（Ｘ軸方向寸法）４５０μｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）３００μｍ、厚さ（Ｚ軸方向寸法）５μｍのポリイミドからなる第２梁部と、第１及び第２梁部に取り付けられた厚さ（Ｚ軸方向寸法）３μｍの圧電素子とを備えていた。
【０１１４】
この圧電型発電機構の発電特性を有限要素法を用いて予測した。１次の共振周波数は７．０Ｈｚであり、共振時の錘部の運動エネルギーは１．２μＪ／ｓであった。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が１０％とすると０．１μＷの発電を期待できることが分かった。
【０１１５】
実施の形態１〜４は一例に過ぎず、本発明はこれらに限定されない。例えば上記の実施の形態１〜４の２以上を組み合わせてもよい。また、振動子の数は２つに限定されず、１つ又は３つ以上であってもよい。本発明では、バネ材の両端を固定し、その両端を結ぶ軸を含むＹＺ面に対して非対称に振動子をバネ材に取り付けることにより、バネ材にねじれ振動を励起させることができれば良い。バネ材のねじれ剛性が小さくなるようにバネ材の材料等を適切に設定することにより、小さな振動空間内で、低い固有振動数で振動する小型の圧電型発電機構を実現できる。
【０１１６】
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明の利用分は特に制限はないが、小型で低い固有振動数を有するので、携帯電話や音楽再生機などのモバイル機器の充電用発電機又は補助電源として利用すれば、人間が移動時に単に携帯するだけで発電することができるので、充電の不要化又は充電間隔の拡大が可能になる。
【０１１８】
また、各種建造物や自動車等の移動体などの構造物の振動を入力して発電させることにより、構造物に設けられた複数のセンサーがネットワーク状に接続され、システムとして動作するセンサーネットワークに用いられる小型センサーの電源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した２−２線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの一点鎖線で示した３Ｂ−３Ｂ線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの一点鎖線で示した４Ｂ−４Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの一点鎖線で示した５Ｂ−５Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの一点鎖線で示した６Ｂ−６Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧電型発電機構の一製造工程を示した平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの一点鎖線で示した７Ｂ−７Ｂ線に沿って階段状に切断した断面を矢印方向から見た組み合わせ断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図９】図９は、図８に示した本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した９−９線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２に係る圧電型発電機構において、最大発電電力Ｅmaxと回転モーメント比ｓとの関係を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図１２】図１２は、図１１に示した本発明の実施の形態３に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した１２−１２線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態４に係る圧電型発電機構の概略構成を示した斜視図である。
【図１４】図１４は、図１３に示した本発明の実施の形態４に係る圧電型発電機構の、一点鎖線で示した１４−１４線に沿って切断した断面を矢印方向から見た断面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは人間の歩行時に発生する加速度の時間変化を示すグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは人間の歩行時に発生する加速度の周波数成分を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、従来の片持ち支持された梁のたわみを利用した圧電型発電機構の概念図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、図１６Ａの圧電型発電機構のモデル図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008053835.tif 000044
【図２】
2008053835.tif 000045
【図３Ａ】
2008053835.tif 000046
【図３Ｂ】
2008053835.tif 000047
【図４Ａ】
2008053835.tif 000048
【図４Ｂ】
2008053835.tif 000049
【図５Ａ】
2008053835.tif 000050
【図５Ｂ】
2008053835.tif 000051
【図６Ａ】
2008053835.tif 000052
【図６Ｂ】
2008053835.tif 000053
【図７Ａ】
2008053835.tif 000054
【図７Ｂ】
2008053835.tif 000055
【図８】
2008053835.tif 000056
【図９】
2008053835.tif 000057
【図１０】
2008053835.tif 000058
【図１１】
2008053835.tif 000059
【図１２】
2008053835.tif 000060
【図１３】
2008053835.tif 000061
【図１４】
2008053835.tif 000062
【図１５Ａ】
2008053835.tif 000063
【図１５Ｂ】
2008053835.tif 000064
【図１６Ａ】
2008053835.tif 000065
【図１６Ｂ】
2008053835.tif 000066
【国際調査報告】
2008053835.tif 000067
2008053835.tif 000068