(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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発電素子であって、
第１の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
前記板状橋梁部の根端部を支持固定する台座と、
前記板状橋梁部の先端部に間接的に接続された重錘体と、
前記板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、
前記圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を備え、
前記重錘体は、前記板状橋梁部の前記長手方向軸に関して左脇に位置する左翼重錘部と、前記板状橋梁部の前記長手方向軸に関して右脇に位置する右翼重錘部と、を有し、
前記板状橋梁部の先端部に重錘体支持部が接続されており、前記重錘体支持部の下面に前記重錘体が接続されており、前記重錘体の重心が板状橋梁部の下方に位置しており、
前記重錘体支持部が、前記第１の長手方向軸に直交する第２の長手方向軸に沿って伸びる中央板状部を有し、前記板状橋梁部の先端部が前記中央板状部の中央近傍に接続されており、前記板状橋梁部および前記中央板状部によりＴ字状構造体が形成され、
前記左翼重錘部が前記中央板状部の左側の下面に接続されており、前記右翼重錘部が前記中央板状部の右側の下面に接続されていることを特徴とする発電素子。
【請求項２】
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発電素子であって、
第１の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
前記板状橋梁部の根端部を支持固定する台座と、
前記板状橋梁部の先端部に間接的に接続された重錘体と、
前記板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、
前記圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を備え、
前記重錘体は、前記板状橋梁部の前記長手方向軸に関して左脇に位置する左翼重錘部と、前記板状橋梁部の前記長手方向軸に関して右脇に位置する右翼重錘部と、を有し、
前記板状橋梁部の先端部に重錘体支持部が接続されており、前記重錘体支持部の下面に前記重錘体が接続されており、前記重錘体の重心が板状橋梁部の下方に位置しており、
前記重錘体支持部が、前記第１の長手方向軸に直交する第２の長手方向軸に沿って伸び、中央近傍が前記板状橋梁部の先端部に接続された中央板状部と、前記中央板状部の左側から前記板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、前記中央板状部の右側から前記板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を有し、
前記左翼重錘部が前記左翼板状部の下面に接続されており、前記右翼重錘部が前記右翼板状部の下面に接続されていることを特徴とする発電素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発電素子において、
重錘体が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、前記中央重錘部が中央板状部の下面に接続されていることを特徴とする発電素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の発電素子において、
板状橋梁部の根端部に第１の長手方向軸に直交する第３の長手方向軸に沿って伸びる台座接続部が接続されており、この台座接続部が台座に固定されていることを特徴とする発電素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の発電素子において、
台座が、板状橋梁部および重錘体の周囲を取り囲む環状構造体をなし、発電素子に対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体の一部が前記環状構造体の一部に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたことを特徴とする発電素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の発電素子において、
圧電素子が、板状橋梁部の先端部近傍の左側に配置された先端部左側圧電素子と、板状橋梁部の先端部近傍の右側に配置された先端部右側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の左側に配置された根端部左側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の右側に配置された根端部右側圧電素子と、を有することを特徴とする発電素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の発電素子において、
圧電素子が、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、前記下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、前記圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、を有し、前記圧電材料層は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有することを特徴とする発電素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の発電素子と、この発電素子を収容する装置筐体と、を備える発電装置において、
前記発電素子の台座を前記装置筐体に固定し、前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、前記発電素子の重錘体が板状橋梁部の撓みによって前記装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力することを特徴とする発電装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の発電素子と、この発電素子を収容する装置筐体と、を備える発電装置において、
前記発電素子の重錘体を前記装置筐体に固定し、前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、前記発電素子の台座が板状橋梁部の撓みによって前記装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力することを特徴とする発電装置。
【請求項１０】
ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の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発電素子であって、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、上から順に主発電第１層、主発電第２層、主発電第３層を積層した主発電構造体と、
前記主発電構造体の所定箇所を支持固定する台座と、
前記主発電構造体が発生させた電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を備え、
前記主発電第２層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、前記主発電第３層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
前記重錘体支持部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸上に配置された中央板状部を有し、
前記板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、前記中央板状部はＹ軸と交差するようにＸ′軸に沿って伸び、前記中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に前記板状橋梁部の先端部が接続されており、前記板状橋梁部と前記中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
前記主発電第１層は、前記主発電第２層の前記板状橋梁部の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有し、
前記主発電第３層は、前記主発電第２層の前記重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて前記板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
前記板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、前記主発電第３層は、前記板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
前記台座は、前記板状橋梁部の前記根端部を支持固定し、
前記発電回路は、前記圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す回路であることを特徴とする発電素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の発電素子において、
主発電第２層の重錘体支持部が、中央板状部の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を更に有し、
左翼重錘部が前記左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が前記右翼板状部の下面に接続されていることを特徴とする発電素子。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の発電素子において、
主発電第３層が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、前記中央重錘部が中央板状部の下面に接続されており、前記左翼重錘部、前記右翼重錘部および前記中央重錘部を有する重錘体のＸＹ平面投影像が「コ」の字状をなすことを特徴とする発電素子。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれかに記載の発電素子において、
主発電第３層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方に位置していることを特徴とする発電素子。
【請求項１４】
請求項１０〜１３のいずれかに記載の発電素子において、
主発電構造体が、ＹＺ平面に関して面対称をなし、主発電第３層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方のＹＺ平面上に位置していることを特徴とする発電素子。
【請求項１５】
請求項１０〜１４のいずれかに記載の発電素子において、
主発電第１層のＸＹ平面投影像と主発電第２層のＸＹ平面投影像とが同一形状であり、主発電第１層の下面の全領域が主発電第２層の上面の全領域に接合されていることを特徴とする発電素子。
【請求項１６】
請求項１０〜１５のいずれかに記載の発電素子において、
主発電第３層のＸ軸正方向の端部が重錘体支持部のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、主発電第３層のＸ軸負方向の端部が重錘体支持部のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、主発電第３層のＹ軸正方向の端部が重錘体支持部のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、主発電第３層のＹ軸負方向の端部が重錘体支持部のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出していることを特徴とする発電素子。
【請求項１７】
請求項１０〜１６のいずれかに記載の発電素子において、
主発電第１層が、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、前記下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、前記圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、を有する圧電素子を構成し、
前記圧電材料層が、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
発電回路が、前記上層電極および前記下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出すことを特徴とする発電素子。
【請求項１８】
請求項１７に記載の発電素子において、
上層電極群が、先端部左側上層電極と、先端部右側上層電極と、根端部左側上層電極と、根端部右側上層電極と、を有し、
前記先端部左側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
前記先端部右側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
前記根端部左側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
前記根端部右側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置することを特徴とする発電素子。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載の発電素子において、
発電回路が、容量素子と、各上層電極に発生した正電荷を前記容量素子の正極側へ導くために各上層電極から前記容量素子の正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子と、各上層電極に発生した負電荷を前記容量素子の負極側へ導くために前記容量素子の負極側から各上層電極へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを前記容量素子により平滑化して供給することを特徴とする発電素子。
【請求項２０】
請求項１７〜１９のいずれかに記載の発電素子において、
主発電第１層の圧電材料層が圧電薄膜によって構成され、主発電第１層の上層電極および下層電極が金属層によって構成され、主発電第２層がシリコン基板によって構成され、主発電第３層が金属基板、セラミック基板、もしくはガラス基板によって構成されていることを特徴とする発電素子。
【請求項２１】
請求項１０〜２０のいずれかに記載の発電素子において、
台座が、ＸＹ平面に沿って主発電構造体を取り囲む環状構造体をなし、発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、主発電第３層が前記環状構造体の内面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたことを特徴とする発電素子。
【請求項２２】
請求項２１に記載の発電素子において、
台座が、第１壁部、第２壁部、第３壁部、第４壁部なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなし、
前記第１壁部は、主発電構造体に対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第２壁部は、主発電構造体に対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第３壁部は、主発電構造体に対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第４壁部は、主発電構造体に対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
板状橋梁部の根端部が、前記第４壁部に支持固定されていることを特徴とする発電素子。
【請求項２３】
請求項２１または２２に記載の発電素子において、
台座が、上から順に台座第１層、台座第２層、台座第３層を積層した積層構造体によって構成され、前記台座第１層は板状橋梁部の根端部近傍において主発電第１層に連なり、前記台座第２層は板状橋梁部の根端部において主発電第２層に連なることを特徴とする発電素子。
【請求項２４】
請求項２１または２２に記載の発電素子において、
主発電第２層が、板状橋梁部の根端部に接続された台座接続部を更に有し、
前記台座接続部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な所定の配置軸上に配置され、前記配置軸に沿って伸び、
台座の所定箇所の上面には、前記台座接続部を嵌合するための嵌合溝が形成されており、前記台座接続部が前記嵌合溝に嵌合した状態で固定されていることを特徴とする発電素子。
【請求項２５】
請求項１０〜２４のいずれかに記載の発電素子と、この発電素子を収容する装置筐体と、を備える発電装置において、
前記発電素子の台座を前記装置筐体に固定し、前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、前記発電素子の主発電第３層が板状橋梁部の撓みによって前記装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力することを特徴とする発電装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の発電装置において、
装置筐体が、発電素子を下方から支持固定するための土台基板と、発電素子の上方を覆う上蓋基板と、発電素子の周囲を囲うように配置され、前記土台基板と前記上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
発電素子の台座の底面は発電素子の主発電第３層の底面より下方に位置し、前記台座の底面は前記土台基板の上面に固定されており、前記土台基板の上面と前記主発電第３層の底面との間に下方空隙部が形成され、
前記上蓋基板は、発電素子の主発電第１層の上面より上方に位置し、前記上蓋基板の下面と前記主発電第１層の上面との間に上方空隙部が形成され、
発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、主発電構造体の一部が前記土台基板の上面もしくは前記上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたことを特徴とする発電装置。
【請求項２７】
請求項１０〜２４のいずれかに記載の発電素子と、この発電素子を収容する装置筐体と、を備える発電装置において、
前記発電素子の主発電第３層を前記装置筐体に固定し、前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、前記発電素子の台座が板状橋梁部の撓みによって前記装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力することを特徴とする発電装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の発電装置において、
装置筐体が、発電素子を下方から支持固定するための土台基板と、発電素子の上方を覆う上蓋基板と、発電素子の周囲を囲うように配置され、前記土台基板と前記上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
発電素子の台座の底面は発電素子の主発電第３層の底面より上方に位置し、前記主発電第３層の底面は前記土台基板の上面に固定されており、前記土台基板の上面と前記台座の底面との間に下方空隙部が形成され、
前記上蓋基板は、発電素子の主発電第１層の上面より上方に位置し、前記上蓋基板の下面と前記主発電第１層の上面との間に上方空隙部が形成され、
発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、台座の一部が前記土台基板の上面もしくは前記上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたことを特徴とする発電装置。
【請求項２９】
請求項１〜７，１０〜２４のいずれかに記載の発電素子から、発電回路を除いた発電素子用構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子に関し、特に、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技術に関する。
【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。振動エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す技術もそのひとつであり、たとえば、下記の特許文献１には、層状の圧電素子を積層して発電用圧電素子を形成し、この発電用圧電素子を外力によって振動させて発電を行う圧電型の発電素子が開示されている。また、特許文献２には、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）構造の発電素子が開示されている。
【０００３】
一方、特許文献３には、一端を固定した片持ち梁によって重錘体を支持するハンマーヘッド型の構造体を用い、ヘッド部分を構成する重錘体を振動させ、柄の部分に配置された発電用圧電素子によって発電を行うタイプの発電素子が開示されている。また、特許文献４には、このハンマーヘッド型の構造体を用いる発電素子とともに、Ｌ字型に屈曲した板状橋梁部によって重錘体を支持する構造体を用いた圧電素子が開示されている。
【０００４】
これらの発電素子の基本原理は、重錘体の振動により圧電素子に周期的な撓みを生じさせ、圧電素子に加わる応力に基づいて生じる電荷を外部に取り出す、というものである。このような発電素子を、たとえば、自動車、列車、船舶などに搭載しておけば、輸送中に加わる振動エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことが可能になる。また、冷蔵庫やエアコンといった振動源に取り付けて発電を行うことも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２４３６６７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５２０１０号公報
【特許文献３】米国特許公開第２０１３／０１５４４３９号公報
【特許文献４】ＷＯ２０１５／０３３６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発電素子を、自動車、列車、船舶などの輸送機器に搭載して利用する場合、運行中にランダムな方向から力が加わることになる。したがって、このような輸送機器に搭載する発電素子では、重錘体が様々な方向に振動することを想定し、あらゆる方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換できるようにしておくのが、発電効率を向上させる上で好ましい。
【０００７】
また、上述した特許文献３，４に開示されているような板状橋梁部を利用する発電素子では、構造を単純化してコスト低減を図ることができる利点が得られるが、板状橋梁部に十分な撓みを発生させ、発電効率を向上させるためには、板状橋梁部をできるだけ長く、薄くする必要性が生じる。このため、過度の振動が加わった場合に、板状橋梁部が損傷する可能性がある。
【０００８】
そこで本発明は、単純な構造でありながら、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することにより、高い発電効率を得ることが可能であり、しかも過度の振動が加わった場合でも損傷を受けにくい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】
【０００９】
(1)   本発明の第１の態様は、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発電素子において、
第１の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
板状橋梁部の根端部を支持固定する台座と、
板状橋梁部の先端部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
重錘体が、板状橋梁部の長手方向軸に関して左脇に位置する左翼重錘部と、板状橋梁部の長手方向軸に関して右脇に位置する右翼重錘部と、を有しているようにしたものである。
【００１０】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
板状橋梁部の先端部に重錘体支持部を接続し、重錘体支持部の下面に重錘体を接続し、重錘体の重心が板状橋梁部の下方に位置するようにしたものである。
【００１１】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る発電素子において、
重錘体支持部が、第１の長手方向軸に直交する第２の長手方向軸に沿って伸びる中央板状部を有し、板状橋梁部の先端部が中央板状部の中央近傍に接続されており、板状橋梁部および中央板状部によりＴ字状構造体が形成され、
左翼重錘部が中央板状部の左側の下面に接続されており、右翼重錘部が中央板状部の右側の下面に接続されているようにしたものである。
【００１２】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第２の態様に係る発電素子において、
重錘体支持部が、第１の長手方向軸に直交する第２の長手方向軸に沿って伸び、中央近傍が板状橋梁部の先端部に接続された中央板状部と、中央板状部の左側から板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側から板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を有し、
左翼重錘部が左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が右翼板状部の下面に接続されているようにしたものである。
【００１３】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第３または第４の態様に係る発電素子において、
重錘体が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、中央重錘部が中央板状部の下面に接続されているようにしたものである。
【００１４】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る発電素子において、
板状橋梁部の根端部に第１の長手方向軸に直交する第３の長手方向軸に沿って伸びる台座接続部を接続し、この台座接続部を台座に固定するようにしたものである。
【００１５】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る発電素子において、
台座を、板状橋梁部および重錘体の周囲を取り囲む環状構造体によって構成し、発電素子に対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体の一部がこの環状構造体の一部に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００１６】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第１〜第７の態様に係る発電素子において、
圧電素子が、板状橋梁部の先端部近傍の左側に配置された先端部左側圧電素子と、板状橋梁部の先端部近傍の右側に配置された先端部右側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の左側に配置された根端部左側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の右側に配置された根端部右側圧電素子と、を有するようにしたものである。
【００１７】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る発電素子において、
圧電素子を、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、によって構成し、圧電材料層として、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有する材料を用いるようにしたものである。
【００１８】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第１〜第９の態様に係る発電素子を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の台座を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の重錘体が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
【００１９】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第９の態様に係る発電素子を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の重錘体を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
【００２０】
(12)  本発明の第１２の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の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発電素子において、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、上から順に主発電第１層、主発電第２層、主発電第３層を積層した主発電構造体と、
主発電構造体の所定箇所を支持固定する台座と、
主発電構造体が発生させた電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
主発電第２層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、主発電第３層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
重錘体支持部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸上に配置された中央板状部を有し、
板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、中央板状部はＹ軸と交差するようにＸ′軸に沿って伸び、中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に板状橋梁部の先端部が接続されており、板状橋梁部と中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
主発電第１層は、主発電第２層の板状橋梁部の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有し、
主発電第３層は、主発電第２層の重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、主発電第３層は、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
台座は、板状橋梁部の根端部を支持固定し、
発電回路は、圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す回路であるようにしたものである。
【００２１】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第１２の態様に係る発電素子において、
主発電第２層の重錘体支持部が、中央板状部の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を更に有し、
左翼重錘部が左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が右翼板状部の下面に接続されているようにしたものである。
【００２２】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第１２または第１３の態様に係る発電素子において、
主発電第３層が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、中央重錘部が中央板状部の下面に接続されており、左翼重錘部、右翼重錘部および中央重錘部を有する重錘体のＸＹ平面投影像が「コ」の字状をなすようにしたものである。
【００２３】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述した第１２〜第１４の態様に係る発電素子において、
主発電第３層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方に位置するようにしたものである。
【００２４】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述した第１２〜第１５の態様に係る発電素子において、
主発電構造体が、ＹＺ平面に関して面対称をなし、主発電第３層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方のＹＺ平面上に位置するようにしたものである。
【００２５】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第１２〜第１６の態様に係る発電素子において、
主発電第１層のＸＹ平面投影像と主発電第２層のＸＹ平面投影像とが同一形状であり、主発電第１層の下面の全領域が主発電第２層の上面の全領域に接合されているようにしたものである。
【００２６】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述した第１２〜第１７の態様に係る発電素子において、
主発電第３層のＸ軸正方向の端部が重錘体支持部のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、主発電第３層のＸ軸負方向の端部が重錘体支持部のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、主発電第３層のＹ軸正方向の端部が重錘体支持部のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、主発電第３層のＹ軸負方向の端部が重錘体支持部のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出しているようにしたものである。
【００２７】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述した第１２〜第１８の態様に係る発電素子において、
主発電第１層が、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、を有する圧電素子を構成し、
圧電材料層が、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
発電回路が、上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出すようにしたものである。
【００２８】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述した第１９の態様に係る発電素子において、
上層電極群が、先端部左側上層電極と、先端部右側上層電極と、根端部左側上層電極と、根端部右側上層電極と、を有し、
先端部左側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
先端部右側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
根端部左側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
根端部右側上層電極の主発電第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置するようにしたものである。
【００２９】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述した第１９または第２０の態様に係る発電素子において、
発電回路が、容量素子と、各上層電極に発生した正電荷を容量素子の正極側へ導くために各上層電極から容量素子の正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子と、各上層電極に発生した負電荷を容量素子の負極側へ導くために容量素子の負極側から各上層電極へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子により平滑化して供給するようにしたものである。
【００３０】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述した第１９〜第２１の態様に係る発電素子において、
主発電第１層の圧電材料層が圧電薄膜によって構成され、主発電第１層の上層電極および下層電極が金属層によって構成され、主発電第２層がシリコン基板によって構成され、主発電第３層が金属基板、セラミック基板、もしくはガラス基板によって構成されているようにしたものである。
【００３１】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述した第１２〜第２２の態様に係る発電素子において、
台座が、ＸＹ平面に沿って主発電構造体を取り囲む環状構造体をなし、発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、主発電第３層が環状構造体の内面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００３２】
(24)  本発明の第２４の態様は、上述した第２３の態様に係る発電素子において、
台座が、第１壁部、第２壁部、第３壁部、第４壁部なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなし、
第１壁部は、主発電構造体に対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第２壁部は、主発電構造体に対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第３壁部は、主発電構造体に対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第４壁部は、主発電構造体に対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
板状橋梁部の根端部が、第４壁部に支持固定されているようにしたものである。
【００３３】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述した第２３または第２４の態様に係る発電素子において、
台座が、上から順に台座第１層、台座第２層、台座第３層を積層した積層構造体によって構成され、台座第１層は板状橋梁部の根端部近傍において主発電第１層に連なり、台座第２層は板状橋梁部の根端部において主発電第２層に連なるようにしたものである。
【００３４】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述した第２３または第２４の態様に係る発電素子において、
主発電第２層が、板状橋梁部の根端部に接続された台座接続部を更に有し、
台座接続部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な所定の配置軸上に配置され、配置軸に沿って伸び、
台座の所定箇所の上面には、台座接続部を嵌合するための嵌合溝が形成されており、台座接続部が上記嵌合溝に嵌合した状態で固定されるようにしたものである。
【００３５】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述した第１２〜第２６の態様に係る発電素子を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の台座を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の主発電第３層が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
【００３６】
(28)  本発明の第２８の態様は、上述した第２７の態様に係る発電装置において、
装置筐体が、発電素子を下方から支持固定するための土台基板と、発電素子の上方を覆う上蓋基板と、発電素子の周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
発電素子の台座の底面は発電素子の主発電第３層の底面より下方に位置し、台座の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と主発電第３層の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、発電素子の主発電第１層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主発電第１層の上面との間に上方空隙部が形成され、
発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、主発電構造体の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００３７】
(29)  本発明の第２９の態様は、上述した第１２〜第２６の態様に係る発電素子を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の主発電第３層を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
【００３８】
(30)  本発明の第３０の態様は、上述した第２９の態様に係る発電装置において、
装置筐体が、発電素子を下方から支持固定するための土台基板と、発電素子の上方を覆う上蓋基板と、発電素子の周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
発電素子の台座の底面は発電素子の主発電第３層の底面より上方に位置し、主発電第３層の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と台座の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、発電素子の主発電第１層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主発電第１層の上面との間に上方空隙部が形成され、
発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、台座の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００３９】
(31)  本発明の第３１の態様は、上述した第１〜第９、第１２〜第２６の態様に係る発電素子から、発電回路を除いた要素により発電素子用構造体を構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る発電素子では、可撓性を有する板状橋梁部の根端部を台座に固定し、先端部に重錘体を接続する片持ち梁構造が採用され、板状橋梁部に固定された圧電素子によって発電が行われる。しかも、重錘体は、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しているため、板状橋梁部に対して様々な方向に撓ませる外力を効率良く伝達することができる。また、左右の重錘体の変位を制限する部材を設けることにより、過度の振動が加わった場合にも、板状橋梁部の変位を制限することができるようになり、板状橋梁部の損傷を防ぐことができる。
【００４１】
このように、本発明によれば、単純な構造でありながら、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することにより、高い発電効率を得ることが可能であり、しかも過度の振動が加わった場合でも損傷を受けにくい発電素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥの構成を示す斜視図（主発電構造体ＭＧＳを構成する３層部分を分離して示す）およびブロック図である。
【図２】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第１層１００の上面図である。
【図３】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第２層２００の上面図である。
【図４】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第３層３００の上面図である。
【図５】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの側面図である。
【図６】図１に示す主発電構造体ＭＧＳを台座４００に固定した状態を示す上面図である（ハッチングは各上層電極の形成領域および台座による固定状態を示すためのものであり、断面を示すものではない。括弧書きの符号は、下方に配置されている構成要素を示している。）。
【図７】図１に示す主発電構造体ＭＧＳを台座４００に固定した状態を示す側断面図である（ＹＺ平面で切断した断面を示す）。
【図８】図１に示す主発電構造体ＭＧＳにＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形態様を示す上面図である。
【図９】図１に示す主発電構造体ＭＧＳにＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である（ＹＺ平面で切断した断面を示す）。
【図１０】図１に示す主発電構造体ＭＧＳにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である（ＹＺ平面で切断した断面を示す）。
【図１１】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体に各座標軸正方向の力が作用したときに、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の位置に加わるＹ軸方向についての伸縮応力を示す表である。
【図１２】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体に各座標軸正方向の力が作用したときに、上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する電荷の極性を示す表である。
【図１３】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。
【図１４】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。
【図１５】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。
【図１６】図１に示す発電素子ＰＧＥの発電回路５００の具体的な構成を示す回路図である。
【図１７】台座４００として、矩形状の環状構造体を用いた発電素子ＰＧＥを示す上面図である（発電回路は図示省略）。
【図１８】図１７に示す発電素子ＰＧＥを切断線１８−１８に沿って切断した断面を示す正断面図である。
【図１９】図１７に示す発電素子ＰＧＥを切断線１９−１９に沿って切断した断面を示す側断面図である。
【図２０】図１７に示す発電素子ＰＧＥを切断線２０−２０に沿って切断した断面を示す側断面図である。
【図２１】図１７に示す発電素子ＰＧＥの主発電構造体ＭＧＳおよび台座４００を構成する材料として用いられる積層材料ブロック１０００の側断面図である。
【図２２】図１７に示す発電素子ＰＧＥを装置筐体６００に収容して構成される発電装置の側断面図である。
【図２３】図２２に示す発電装置における重錘体と台座の役割を逆にした変形例に係る発電装置の側断面図である。
【図２４】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第１の変形例Ａを示す上面図である（括弧書きの符号は、下方に配置されている主発電第２層２００ａの構成要素を示している。）。
【図２５】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第２の変形例Ｂを示す上面図である（括弧書きの符号は、下方に配置されている主発電第２層２００ｂの構成要素を示している。）。
【図２６】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第２層２００における板状橋梁部２１０の両端の接続角度を示す上面図である。
【図２７】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第３の変形例Ｃに係る主発電第２層２００ｃを示す上面図である。
【図２８】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第４の変形例Ｄに用いる主発電部品７００ｄを示す上面図（図(a) ）および正断面図（図(b) ）である。図(a) において、括弧書きの符号は、各層の構成要素を示している。
【図２９】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第４の変形例Ｄに用いる重錘体３００ｄを示す上面図である。
【図３０】図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第４の変形例Ｄを固定するための台座４００ｄを示す上面図である。
【図３１】図３０に示す台座４００ｄに、図２８に示す主発電部品７００ｄおよび図２９に示す重錘体３００ｄを取り付けた状態を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００４４】
＜＜＜  §１．  基本的実施形態に係る発電素子の構造  ＞＞＞
図１は、本発明の基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥ（Power Generating Elementの略）の構成を示す斜視図およびブロック図である。斜視図の部分に示されているように、この発電素子ＰＧＥは、第１層１００、第２層２００、第３層３００を積層した３層構造体を有する。図１の斜視図では、説明の便宜上、これら３層をそれぞれ上下に分離した状態を示すが、実際には、第１層１００の下面に第２層２００の上面が固着され、第２層２００の下面に第３層３００の上面が固着されており、３層は相互に接合された構造体になる。
【００４５】
この３層構造体は、本発明に係る発電素子ＰＧＥにおいて、根源的な発電機能を果たす。そこで、本願では、この３層構造体を主発電構造体ＭＧＳ（Main Generating Structureの略）と呼ぶことにし、第１層１００を「主発電第１層」、第２層２００を「主発電第２層」、第３層３００を「主発電第３層」と呼ぶことにする。本発明に係る発電素子ＰＧＥは、この３層からなる主発電構造体ＭＧＳに、更に、台座４００（図では、単なるシンボル記号で示す）および発電回路５００（図では、ブロックで示す）を付加することにより構成される。
【００４６】
台座４００は、主発電構造体ＭＧＳの一部分（図における右端面）を支持固定する役割を果たすが、その具体的な構造については§３で詳述する。なお、§３で述べるように、本発明の基本的実施形態の場合、台座４００も、主発電構造体ＭＧＳと同様に３層構造を有するが、台座４００を構成する各層については、それぞれ「台座第１層」、「台座第２層」、「台座第３層」と呼んで区別することにする。
【００４７】
ここでは図１の斜視図に示すように、主発電第２層２００の右端面の中央位置に原点Ｏを定義し、奥方向にＸ軸、左方向にＹ軸、上方向にＺ軸をそれぞれとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。本願の以下の説明では、図示のとおり、ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとることを前提として、各構成要素間の上下の関係を述べることにする。したがって、主発電構造体ＭＧＳは、上から順に主発電第１層１００、主発電第２層２００、主発電第３層３００を積層した構造体ということになる。
【００４８】
本発明に係る発電素子ＰＧＥは、このようなＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の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機能を有している。なお、図示の座標系は、説明の便宜のために用いる一例であり、座標系の位置は、必ずしも図示の位置である必要はない。たとえば、原点Ｏは、主発電第２層２００の右端面位置ではなく、主発電第２層２００の重心位置などに定義してもかまわない。ただ、主発電第２層２００の右端面は、台座４００によって固定される部分であるため、ここでは説明の便宜上、この右端面の中央位置に原点Ｏを定義して以下の説明を行う。
【００４９】
主発電第１層１００は、平面形状が「Ｅ」の字状をした平板状の構造体であり、その主要部分は圧電材料層１０５によって構成されている。より具体的には、主発電第１層１００は、圧電材料層１０５と、その上面の所定領域に形成された上層電極Ｅ１〜Ｅ４および下面の全領域に形成された下層電極Ｅ０、という３層構造体によって構成されている。ここで、圧電材料層１０５は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有している。したがって、圧電材料層１０５の各部に応力が加わり、撓みが生じることになると、厚み方向に分極が生じ、上層電極Ｅ１〜Ｅ４および下層電極Ｅ０に電荷が発生することになる。
【００５０】
下層電極Ｅ０が、圧電材料層１０５の下面全面に形成された１枚の共通電極になっているのに対し、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、圧電材料層１０５の各所定領域に形成された局在電極になっているのは、作用する外力の方向によっては、圧電材料層１０５の各部に加わる応力の向き（圧縮方向応力か、伸張方向応力か）が異なり、発生電荷の極性が異なる可能性があるためである。
【００５１】
発電回路５００は、こうして発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す機能を有する。この発電素子ＰＧＥによって発電された電力は、発電回路５００から外部へ供給されることになる。なお、図１では、図示の便宜上、発電回路５００に対する配線として、上層電極Ｅ４および下層電極Ｅ０についての配線しか示されていないが、実際には、上層電極Ｅ２〜Ｅ４と発電回路５００との間にも同様の配線がなされる。
【００５２】
図２は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第１層１００の上面図であり、Ｘ軸を図の右方向、Ｙ軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。なお、図２に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、実際には、この主発電第１層１００の下方（主発電第２層２００の内部）に位置している。上述したとおり、主発電第１層１００は、「Ｅ」の字状をした圧電材料層１０５の上面に４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４を形成し、下面に１枚の下層電極Ｅ０（図２には現れていない）を形成したものである。
【００５３】
圧電材料層１０５は、実際には、「Ｅ」の字状をした１枚の板状一体構造体であるが、ここでは説明の便宜上、図示のような４つの部分１１０，１２０，１３０，１４０に分けて考えることにする。いずれの部分も、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の圧電材料層によって構成されている。
【００５４】
部分１１０は、Ｙ軸に沿って伸びる橋梁構造を有する部分であり、ここでは橋梁部圧電層１１０と呼ぶことにする。この橋梁部圧電層１１０は、図示のとおり、Ｙ軸に沿って原点Ｏから先端点Ｔ（Ｙ軸上に定義された点）に至る区間に配置された部分ということになる。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、いずれもこの橋梁部圧電層１１０の上面に配置されている。なお、実際には、上層電極Ｅ１〜Ｅ４および下層電極Ｅ０には、発電回路５００に対する配線がなされるが、ここでは、配線の図示は省略する。
【００５５】
部分１２０は、Ｘ′軸（Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸）に沿って伸びる部分であり、その中央部分は、先端点Ｔの位置において橋梁部圧電層１１０に連なっている。ここでは、この部分１２０を中央圧電層と呼ぶことにする。橋梁部圧電層１１０と中央圧電層１２０とは、平面形状がＴ字状をなす構造体を構成する。
【００５６】
部分１３０は、中央圧電層１２０の左側から図の下方へと伸び、橋梁部圧電層１１０の左脇に配置された翼状部であり、ここでは、この部分１３０を左翼圧電層１３０と呼ぶことにする。一方、部分１４０は、中央圧電層１２０の右側から図の下方へと伸び、橋梁部圧電層１１０の右脇に配置された翼状部であり、ここでは、この部分１４０を右翼圧電層１４０と呼ぶことにする。
【００５７】
なお、本願では、説明の便宜上、図２に示すように、Ｙ軸を縦方向に描いた上面図を念頭において左右を定義しているため、ＹＺ平面に関してＸ座標値が負となる側を左側と呼び、Ｙ軸に関してＸ座標値が正となる側を右側と呼んでいる。このような定義によれば、左翼圧電層１３０は橋梁部圧電層１１０の左脇に配置されており、右翼圧電層１４０は橋梁部圧電層１１０の右脇に配置されていることになる。もちろん、このような左右の定義は、ＹＺ平面に関する相対的な位置関係を説明するための便宜上の定義であり、絶対的な意味をもつものではない。
【００５８】
図２において、橋梁部圧電層１１０の図の下端（原点Ｏの近傍）は、左翼圧電層１３０の下端や右翼圧電層１４０の下端に比べて下方に伸びているが、これは、図１の斜視図に示されているように、主発電第２層の原点Ｏの近傍が台座４００に接続されているためである。後述するように、台座４００との接続端近傍には応力の集中が見られるため、この応力集中部分に上層電極Ｅ３，Ｅ４を配置すると、より効率的な発電が可能になる。
【００５９】
図３は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第２層２００の上面図であり、やはりＸ軸を図の右方向、Ｙ軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。この、図３に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、実際には、この主発電第２層２００の内部に埋もれた位置（厚み方向の中間位置）に配置されている。
【００６０】
この主発電第２層２００も、「Ｅ」の字状をした板状構造体であり、ここに示す基本的実施形態の場合、図２に示す主発電第１層１００のＸＹ平面投影像と、図３に示す主発電第２層２００のＸＹ平面投影像とは同一形状であり、主発電第１層１００の下面の全領域が主発電第２層２００の上面の全領域に接合されている。したがって、主発電第２層２００についても、主発電第１層１００と同様に、４つの部分２１０，２２０，２３０，２４０を定義することができる。いずれの部分も、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層によって構成されている。もちろん、実際には、この主発電第２層２００は、「Ｅ」の字状をした１枚の板状一体構造体であり、上記４つの部分は、この板状一体構造体を、個々の区画に分けて説明するための便宜上のものである。
【００６１】
まず、部分２１０は、Ｙ軸上に配置され、可撓性を有する橋梁構造を有する部分であり、ここでは、この部分２１０を板状橋梁部２１０と呼ぶことにする。この板状橋梁部２１０は、Ｙ軸に沿って、原点Ｏから先端点Ｔ（Ｙ軸上の１点）まで伸びる薄いビーム状の構造体であり、可撓性を有しているため、様々な方向に変形する性質を有している。ここでは、説明の便宜上、板状橋梁部２１０の原点Ｏの近傍を根端部と呼び、先端点Ｔの近傍を先端部と呼ぶことにする。板状橋梁部２１０は、根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸びる細長い板状部材ということになる。
【００６２】
ここで、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏ近傍）は、台座４００（図３には示されていない）に接合されて支持固定される。したがって、台座４００を装置筐体などに固定すれば、根端部は固定された状態になる。これに対して、板状橋梁部２１０の先端部（先端点Ｔ近傍）は、板状橋梁部２１０の変形の自由度の範囲内で変位可能な自由端になる。
【００６３】
図２に示す橋梁部圧電層１１０は、図３に示す板状橋梁部２１０の上面に固着される。後述するように、板状橋梁部２１０は、重錘体の振動により撓みを生じる性質を有し、当該撓みがその上面に固着された橋梁部圧電層１１０に伝達され、生じた応力に基づいて電荷が発生することになる。
【００６４】
一方、部分２２０，２３０，２４０（主発電第２層２００のうち、板状橋梁部２１０を除く部分）を一括して、ここでは、重錘体支持部と呼ぶことにする。この重錘体支持部は、図示のとおり、先端点Ｔにおいて板状橋梁部２１０に連なっている。この重錘体支持部の役割は、文字どおり、重錘体（主発電第３層３００）を支持し、重錘体の振動を板状橋梁部２１０の先端部（先端点Ｔ近傍）に伝達することにある。ここに示す基本的実施形態の場合、重錘体支持部は、中央板状部２２０、左翼板状部２３０、右翼板状部２４０を有する「コ」の字状の部材である。
【００６５】
中央板状部２２０は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸上に配置された細長い板状部材であり、Ｙ軸と交差するようにＸ′軸に沿って伸びている。そして、この中央板状部２２０の中央部分は、先端点Ｔの位置において板状橋梁部２１０の先端部に連なっている。すなわち、中央板状部２２０のＹ軸と交差する部分近傍に板状橋梁部２１０の先端部が接続されている。その結果、板状橋梁部２１０と中央板状部２２０とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなす。図２に示す中央圧電層１２０は、図３に示す中央板状部２２０の上面に固着される。
【００６６】
一方、左翼板状部２３０は、中央板状部２２０の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の左脇に伸びる板状部材であり、右翼板状部２４０は、中央板状部２２０の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の右脇に伸びる板状部材である。図２に示す左翼圧電層１３０は、図３に示す左翼板状部２３０の上面に固着され、図２に示す右翼圧電層１４０は、図３に示す右翼板状部２４０の上面に固着される。
【００６７】
図３において、板状橋梁部２１０の図の下端（根端部）は、左翼板状部２３０の下端や右翼板状部２４０の下端に比べて下方に伸びているが、これは、図１の斜視図に示されているように、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏ近傍）を台座４００に接続するためである。重錘体の振動によって板状橋梁部２１０に加わる応力は、根端部（台座４００との接続端近傍）と先端部（中央板状部２２０との接続端近傍）に集中する。
【００６８】
図４は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第３層３００の上面図であり、やはりＸ軸を図の右方向、Ｙ軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。この、図４に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、実際には、この主発電第３層３００の上方に位置している。主発電第３層３００は、図３に示す重錘体支持部２２０，２３０，２４０の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部２１０に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能する。この重錘体は、外部から加えられた加速度に基づく力の作用によって振動を生じ、板状橋梁部２１０に対して、時間的に変動する弾性変形を生じさせる役割を果たす。
【００６９】
ここに示す基本的実施形態の場合、主発電第３層３００（重錘体）は、図４に示すとおり、中央重錘部３２０、左翼重錘部３３０、右翼重錘部３４０によって構成されている。中央重錘部３２０は、Ｘ′軸（Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸）に沿って伸びる細長い部分であり、左翼重錘部３３０と右翼重錘部３４０とを連結する役割を果たす。
【００７０】
また、前述したように、板状橋梁部２１０の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義すれば、左翼重錘部３３０は、中央重錘部３２０の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の左脇に伸びる重錘体であり、右翼重錘部３４０は、中央重錘部３２０の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の右脇に伸びる重錘体である。
【００７１】
図４に示す中央重錘部３２０は、図３に示す中央板状部２２０の下面に固着され、図４に示す左翼重錘部３３０は、図３に示す左翼板状部２３０の下面に固着され、図４に示す右翼重錘部３４０は、図３に示す右翼板状部２４０の下面に固着される。結局、左翼重錘部３３０、中央重錘部３２０、右翼重錘部３４０を有する重錘体のＸＹ平面投影像は、「コ」の字状をなすことになる。なお、この主発電第３層３００では、板状橋梁部２１０の直下の位置に空洞部３１０が形成されている。この空洞部３１０の存在により、板状橋梁部２１０は下方（Ｚ軸負方向）への変位が可能になる。
【００７２】
実際には、この主発電第３層３００は、「コ」の字状をした一体構造体であり、上記３つの部分は、この一体構造体を、個々の区画に分けて説明するための便宜上のものである。
【００７３】
図５は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの側面図である。前述したとおり、実際には、図１に示す主発電第１層１００，主発電第２層２００，主発電第３層３００は、上下方向に積層した状態で相互に接合された３層構造体を構成する。各層の接合には、たとえば、接着剤を用いた接着を行えばよい（後述するように、印刷、蒸着、スパッタ等の方法で層形成を行うこともできる。）。図５は、このような積層状態にある主発電構造体ＭＧＳを、Ｘ軸負方向からＸ軸正方向に向かって観察したときの側面図である。したがって、座標系の原点Ｏは図の右端に位置し、図の紙面垂直奥方向がＸ軸正方向、図の左方向がＹ軸正方向、図の上方向がＺ軸正方向になる。
【００７４】
図５において、主発電第２層２００の部分には、原点Ｏの近傍に板状橋梁部２１０の根端部が示されており、この板状橋梁部２１０の手前に位置する中央板状部２２０および左翼板状部２３０が観察される。この主発電第２層２００の上方に位置する主発電第１層１００の部分には、下層電極Ｅ０の上面に、橋梁部圧電層１１０，中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０が観察され、更にその上面に、上層電極Ｅ１，Ｅ３が観察される（上層電極Ｅ２，Ｅ４は、その裏に隠れている）。また、主発電第２層２００の下方に位置する主発電第３層３００の部分としては、中央重錘部３２０および左翼重錘部３３０が観察される。図の右側に突出した橋梁部圧電層１１０および板状橋梁部２１０の右端部（原点Ｏ近傍）は、図示されていない台座４００に固着されることになる。
【００７５】
図示のとおり、主発電第１層１００は、主発電第２層２００の上面を覆うように形成された圧電素子（圧電材料層１０５と上下の電極）を構成している。主発電第２層２００の下方には、主発電第３層３００（「コ」の字状をした重錘体）が接合されており、作用した加速度に基づいて重錘体が変位を生じると、主発電第２層２００（特に、板状橋梁部２１０の部分）に撓みが生じ、その上面に形成されている主発電第１層１００（特に、橋梁部圧電層１１０）の部分にも撓みが伝達され、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４および下層電極Ｅ０に電荷が発生する。
【００７６】
図６は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳを台座４００に固定した状態を示す上面図である。図におけるハッチングは各上層電極の形成領域および台座による固定状態を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、括弧書きの符号は、下方に配置されている構成要素を示している。ここで、橋梁部圧電層１１０の上面に配置された４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の平面形状に注目すると、いずれもＹ軸方向に伸びる細長い矩形状をした電極になっている。
【００７７】
また、４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置に着目すると、上層電極Ｅ１，Ｅ２については、その上端が境界線Ｈ（橋梁部圧電層１１０と中央圧電層１２０との境界線）に揃う位置に配置され、上層電極Ｅ３，Ｅ４については、その下端が橋梁部圧電層１１０の下端に揃う位置（Ｘ軸に揃う位置）に配置されている。また、上層電極Ｅ１，Ｅ３は、橋梁部圧電層１１０の左側（Ｘ座標値が負となる位置）に配置され、上層電極Ｅ２，Ｅ４は、橋梁部圧電層１１０の右側（Ｘ座標値が正となる位置）に配置されている。
【００７８】
このような上層電極Ｅ１〜Ｅ４の形状および配置は、§２で述べるように、効率的な発電を行う上で好都合である。図６に示す「コ」の字状部分（中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０，右翼圧電層１４０）の下方には、同じく「コ」の字状をした重錘体支持部（中央板状部２２０，左翼板状部２３０，右翼板状部２４０）および重錘体（主発電第３層：中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０）が接合されている。そして、当該重錘体の振動に基づく力が先端点Ｔの近傍に作用すると（後述する図７参照）、橋梁部圧電層１１０がその支持層である板状橋梁部２１０とともに撓みを生じることになり、当該撓みに応じて、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４に電荷が発生することになる。図示の電極配置は、このような電荷発生を効率的に行うために適したものになっている（詳細は§２で述べる）。こうして、主発電構造体ＭＧＳが発生させた電荷に基づいて生じる電流は、発電回路５００によって整流され、電力として取り出される。
【００７９】
図７は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳを台座４００に固定した状態を示す側断面図であり、図６に示す主発電構造体ＭＧＳを中央のＹＺ平面で切断した断面に相当する。
【００８０】
この側断面図では、主発電第２層２００の部分には、原点Ｏ（根端部）から先端点Ｔ（先端部）に至る板状橋梁部２１０と、中央板状部２２０の断面が示されている。また、主発電第１層１００の部分には、橋梁部圧電層１１０および中央圧電層１２０と下層電極Ｅ０の断面および上層電極Ｅ２，Ｅ４の側面が示されている。
【００８１】
そして、主発電第３層３００（重錘体）の部分には、中央重錘部３２０の断面および右翼重錘部３４０の側面が示されている。右翼重錘部３４０の手前には、空洞部３１０が形成されており、板状橋梁部２１０は、この空洞部３１０の存在により下方に変位することができる。
【００８２】
なお、図示の実施例の場合、板状橋梁部２１０の根端部と橋梁部圧電層１１０の根端部との双方が、台座４００に接合され支持固定されているが、台座４００に対しては、少なくとも板状橋梁部２１０の根端部が支持固定されていればよい。要するに、重錘体が、台座４００に対して片持ち梁構造で支持されるようにし、板状橋梁部２１０を介して宙吊り状態になればよい。
【００８３】
また、本願では、図面における各部の寸法比は、必ずしも実際の製品の寸法比どおりにはなっておらず、便宜上、実際の寸法比を無視して図面を描いている。そこで、図６および図７には、参考のため、各部の実寸法を符号ｄ１〜ｄ１０で示した。これら実寸法ｄ１〜ｄ１０の値は、ＭＥＭＳ構造の発電素子ＰＧＥを構成するのであれば、たとえば、次のような値に設定することができる。もちろん、以下の寸法例は、一実施例として提示したものであり、本発明を実施するにあたり、各部の寸法が下記の寸法値に限定されるものではない。
【００８４】
ｄ１＝１０００μｍ，ｄ２＝２００μｍ，ｄ３＝８００μｍ，ｄ４＝１００μｍ，ｄ５＝５０μｍ，ｄ６＝２００μｍ，ｄ７＝７０μｍ，ｄ８（圧電材料層１０５の厚み）＝２μｍ（実用上は２μｍ以上が好ましい），ｄ９（主発電第２層２００の厚み）＝２００μｍ，ｄ１０（主発電第３層３００の厚み）＝１０００μｍ。下層電極Ｅ０および上層電極Ｅ１〜Ｅ４の厚みは０．０１μｍ。
【００８５】
なお、一般に、主発電構造体ＭＧＳの固有の構造に基づいて定まる重錘体の共振周波数が、外部から与えられる振動周波数に一致した場合に最も効率的な発電が可能になる。したがって、外部から与えられる振動の周波数が予め想定されている場合、主発電構造体ＭＧＳの構造設計の段階で、当該想定周波数に共振周波数が合致するような設計、すなわち、上述した各部の寸法を適切な値に設定した設計を行うのが好ましい。
【００８６】
一般に、自動車、列車、船舶などの輸送機器やモータなどを利用した産業機器において発生する振動の周波数は、数Ｈｚ〜数１００Ｈｚの範囲であることが多く、特に、１０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲内の振動を発生するケースが多い。したがって、このような一般的な機器に搭載して発電を行うことを想定した場合、主発電構造体ＭＧＳの各座標軸方向の共振周波数が、１０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲内になるような設計を行うのが好ましい。
【００８７】
なお、上記説明では、便宜上、主発電第３層３００の部分のみを重錘体と呼んでいるが、実際には、主発電構造体ＭＧＳの各構成要素のうち、橋梁部圧電層１１０および板状橋梁部２１０を除くすべての部分が全体として重錘体としての役割を果たし、先端点Ｔに変位を生じさせる機能を有している。たとえば、図６に示す中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０，右翼圧電層１４０（主発電第１層１００の構成要素）や、これらの下層に接合された中央板状部２２０，左翼板状部２３０，右翼板状部２４０（主発電第２層２００の構成要素）も、先端点Ｔに変位を生じさせる役割に寄与するため、重錘体の一部として機能することになる。
【００８８】
ただ、図７に示すとおり、主発電第３層３００の厚みは、主発電第１層１００や主発電第２層２００の厚みに比べて大きく設定されており、重錘体としての役割は、主として主発電第３層３００が担うことになる。したがって、ここでは、便宜上、主発電第３層３００の部分を重錘体と呼ぶことにする。
【００８９】
本発明に係る発電素子ＰＧＥの特徴は、主発電構造体ＭＧＳを構成する板状橋梁部２１０の左右両脇に重錘体が配置されるようにした点にある。すなわち、図１の斜視図を見れば明らかなように、本発明に係る発電素子ＰＧＥの重錘体は、ＸＹ平面への投影像を見れば明らかなように、少なくとも、板状橋梁部２１０の左脇に位置する左翼重錘部３３０と、板状橋梁部２１０の右脇に位置する右翼重錘部３４０と、を有している。このため、板状橋梁部２１０に対して様々な方向に撓ませる外力を効率良く伝達することができる。また、§３で詳述するように、この主発電構造体ＭＧＳの外側に、左翼重錘部３３０および右翼重錘部３４０の変位を制限する部材を設けることにより、過度の振動が加わった場合にも、板状橋梁部２１０の変位を制限することができるようになり、板状橋梁部の損傷を防ぐことができるようになる。
【００９０】
また、ここに示す基本的実施形態では、板状橋梁部２１０を主発電第２層２００によって構成し、重錘体をその下方に配置された主発電第３層３００によって構成しているため、重錘体（主発電第３層を構成する構造体）の重心Ｇが、板状橋梁部２１０の下方に所定距離をおいて位置することになる。図６および図７には、この重錘体の重心Ｇをｘ印で示してある。このように、主発電構造体ＭＧＳとして、板状橋梁部２１０の下方に、所定距離をおいて重錘体の重心Ｇが配置される構造を採用すると、重錘体に作用する加速度の各座標軸方向成分に基づいて、板状橋梁部２１０を効率的に撓ませることができるようになり、効率的な発電が可能になる。特に、重心Ｇと板状橋梁部２１０の下面との間の距離は、できるだけ長くした方が、Ｙ軸方向の加速度に対して板状橋梁部２１０の撓みを大きくする上で好ましい。
【００９１】
ここに示す実施例の場合、主発電構造体ＭＧＳは、ＹＺ平面に関して面対称な構造をなしているため、主発電第３層３００を構成する構造体（重錘体）の重心が、板状橋梁部２１０の下方のＹＺ平面上に位置している。このような対称性をもった構造を採用すると、重錘体を各座標軸方向について安定して振動させることができるようになり、発電効率を高める上で好ましい。
【００９２】
主発電構造体ＭＧＳを構成する各層の材料は、上述した各層としての機能を果たすことができる材質であれば、任意の材料を用いてかまわないが、ここでは、実用上好ましい材料の例をいくつか挙げておくことにする。
【００９３】
まず、主発電第１層１００は、外部から加えられた応力に基づいて電荷を発生させる圧電素子としての機能を果たすことができればよいので、層方向に伸縮する応力の作用により厚み方向に分極を生じる性質をもった圧電材料層１０５の上下両面に、それぞれ電極が形成されていればよい。具体的には、圧電材料層１０５は、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）などの圧電薄膜によって構成することができる。あるいは、バルク型圧電素子を用いるようにしてもかまわない。各電極Ｅ０〜Ｅ４は、導電性材料であれば、どのような材料で構成してもかまわないが、実用上は、たとえば、金、白金、アルミニウム、銅などの金属層によって構成すればよい。
【００９４】
一方、主発電第２層２００は、主発電第１層１００の支持基板として機能するとともに、板状橋梁部２１０の部分が可撓性を有する必要がある。このような用途に利用する材質としては、シリコンが最適である。したがって、ここで述べる実施例の場合、主発電第２層はシリコン基板によって構成されている。図７に示す例の場合、主発電第２層２００の厚みｄ９は２００μｍであり、この程度の厚みをもったシリコンからなる板状橋梁部２１０は、発電を行うのに必要な十分な可撓性を有している。
【００９５】
もちろん、主発電第２層２００として金属基板を利用することも可能である。その場合は、金属基板の上層部分が下層電極Ｅ０としての役割を果たすので、この金属基板の上にスパッタ法やゾルゲル法によって圧電薄膜を成膜することにより、主発電第１層１００となる圧電素子を形成することができる。あるいは、金属基板の上にバルク型の圧電材料を接着することも可能である。上層電極は、金属材料を印刷、蒸着、スパッタ等の方法で形成することができる。
【００９６】
ただ、本願発明者は、現時点では、シリコン基板が主発電第２層２００として最適な材料であると考えている。これは、一般に、現在の製造プロセスをよって、金属基板の上面に圧電素子を形成した場合と、シリコン基板の上面に圧電素子を形成した場合とを比較すると、前者の圧電定数に比べて後者の圧電定数の方が３倍程度大きな値になり、後者の方の発電効率が圧倒的に高くなるためである。これは、シリコン基板の上面に圧電素子を形成すると、圧電素子の結晶の配向が揃うためと考えられる。また、主発電第２層２００としてシリコン基板を用いるようにすれば、このシリコン基板上に形成した半導体素子を利用して発電回路５００を構成することも可能になる。
【００９７】
主発電第３層３００は、重錘体として機能を果たす構成要素であるため、できるだけ比重の大きな材料を用いるのが好ましい。具体的には、ＳＵＳ（鉄），銅，タングステンなどの金属基板、あるいは、セラミック基板もしくはガラス基板等を用いて構成すればよい。
【００９８】
＜＜＜  §２．  基本的実施形態に係る発電素子の発電動作  ＞＞＞
続いて、§１で述べた基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥの発電動作を説明する。既に述べたとおり、図１に示す発電素子ＰＧＥは、３層構造体からなる主発電構造体ＭＧＳに台座４００および発電回路５００を付加することにより構成され、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の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機能を有している。
【００９９】
そこで、ここでは、台座４００の部分を走行中の自動車に固定し、この発電素子ＰＧＥに各座標軸方向の振動成分が加えられたときに、どのような原理で発電動作が行われるかについての説明を行うことにする。そのため、以下、ＸＹＺ三次元座標系が、台座４００（すなわち、輸送機器）に固定された座標系であり、重錘体がこの座標系内で振動するものとして、この発電素子ＰＧＥの動作を説明する。
【０１００】
図８は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体（主発電第３層３００）にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形態様を示す上面図である。このような現象は、路面を走行中の自動車の振動により、台座４００に対してＸ軸負方向の加速度−αｘが作用した場合に生じる。すなわち、台座４００に対して加速度−αｘが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度＋αｘが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Ｘ軸正方向（図の右方向）へ変位させる外力＋Ｆｘが作用する。
【０１０１】
当該外力＋Ｆｘは、重錘体の重心Ｇおよび先端点Ｔを図の右方向へ変位させる力として作用するので、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０の先端部は、重錘体とともに図の右方向へ変位する。一方、根端部（原点Ｏ近傍）は台座４００に固定されているため、ＸＹＺ三次元座標系上では変位しない。その結果、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０は、図示のように湾曲変形する。
【０１０２】
このような湾曲変形は、橋梁部圧電層１１０の４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の各配置位置について、Ｙ軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１，Ｅ４の配置位置については、上下に向かい合う矢印対で示すように、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用し（丸に「縮」の字で示す）、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ２，Ｅ３の配置位置については、上下に矢がついた両矢印で示すように、Ｙ軸方向についての伸張応力が作用する（丸に「伸」の字で示す）。
【０１０３】
一方、台座４００に対してＸ軸正方向の加速度＋αｘが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αｘが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図８とは逆に、Ｘ軸負方向（図の左方向）へ変位させる外力−Ｆｘが作用する。この場合、各部の伸縮の態様は図８とは逆転したものになる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１，Ｅ４の配置位置については伸張応力が作用し、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ２，Ｅ３の配置位置については圧縮応力が作用する。
【０１０４】
図９は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体（主発電第３層３００）にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような現象は、路面を走行中の自動車の振動により、台座４００に対してＹ軸負方向の加速度−αｙが作用した場合に生じる。すなわち、台座４００に対して加速度−αｙが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度＋αｙが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Ｙ軸正方向（図の左方向）へ変位させる外力＋Ｆｙが作用する。
【０１０５】
当該外力＋Ｆｙは、重錘体の重心Ｇを図の左方向へ変位させる力として作用するが、重錘体は板状橋梁部２１０の先端点Ｔの近傍に接続されているため、重錘体は図９に示すように斜めに傾斜する（図９において、左側が上がり、右側が下がる）。したがって、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０は、図９に示すように、上方に反るように湾曲変形する。
【０１０６】
このような湾曲変形は、橋梁部圧電層１１０の４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の各配置位置について、Ｙ軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上面に形成された４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置位置のすべてについて、左右に向かい合う矢印対で示すように、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用する（丸に「縮」の字で示す）。
【０１０７】
一方、台座４００に対してＹ軸正方向の加速度＋αｙが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αｙが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図９とは逆に、Ｙ軸負方向（図の右方向）へ変位させる外力−Ｆｙが作用する。この場合、重錘体は図９とは逆の態様に傾斜し（左側が下がり、右側が上がる）、各部の伸縮の態様は図９とは逆転する。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上面に形成された４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置位置のすべてについて、Ｙ軸方向についての伸張応力が作用する。
【０１０８】
図１０は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体（主発電第３層３００）にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような現象は、路面を走行中の自動車の振動により、台座４００に対してＺ軸負方向の加速度−αｚが作用した場合に生じる。すなわち、台座４００に対して加速度−αｚが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度＋αｚが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Ｚ軸正方向（図の上方向）へ変位させる外力＋Ｆｚが作用する。
【０１０９】
当該外力＋Ｆｚは、重錘体の重心Ｇを図の上方向へ変位させる力として作用するが、重錘体は板状橋梁部２１０の先端点Ｔの近傍に接続されているため、板状橋梁部２１０の先端部に対して図の上方へ変位させる力が加わることになる。一方、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏ近傍）は台座４００に固定されている。したがって、ＸＹＺ三次元座標系において、板状橋梁部２１０の根端部を固定状態にしたまま、先端部を上方に移動させる力が加わることになり、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０は、図１０に示すように湾曲変形する。
【０１１０】
このような湾曲変形は、橋梁部圧電層１１０の４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の各配置位置について、Ｙ軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の先端部に配置された上層電極Ｅ１，Ｅ２の位置については、左右に矢がついた両矢印で示すように、Ｙ軸方向についての伸張応力が作用する（丸に「伸」の字で示す）。これに対して、橋梁部圧電層１１０の根端部に配置された上層電極Ｅ３，Ｅ４の位置については、左右に向かい合う矢印対で示すように、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用する（丸に「縮」の字で示す）。
【０１１１】
一方、台座４００に対してＺ軸正方向の加速度＋αｚが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αｚが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図１０とは逆に、Ｚ軸負方向（図の下方向）へ変位させる外力−Ｆｚが作用する。この場合、重錘体は図の下方へと移動するので、各部の伸縮の態様は図１０とは逆転する。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１，Ｅ２の配置位置については圧縮応力が作用し、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ３，Ｅ４の配置位置については伸張応力が作用する。
【０１１２】
図１１は、図８〜図１０の変形態様を踏まえて、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体に各座標軸方向の力が作用したときに、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の位置に加わるＹ軸方向についての伸縮応力を示す表である。図は、各座標軸正方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚが作用したときの伸縮応力を示す表であるが、各座標軸負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用したときの伸縮応力は、この表における圧縮／伸張の関係を逆転させたものになる。
【０１１３】
§１で述べたように、基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥでは、主発電第１層１００が、主発電第２層２００の表面に層状に形成された下層電極Ｅ０と、この下層電極Ｅ０の表面に層状に形成された圧電材料層１０５と、この圧電材料層１０５の表面に局在的に形成された複数の上層電極Ｅ１〜Ｅ４からなる上層電極群と、を有する圧電素子を構成しており、圧電材料層１０５は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有している。
【０１１４】
ここで、圧電材料層１０５として、層方向に伸張する応力が作用すると、上方に正電荷、下方に負電荷を発生させ、層方向に圧縮する応力が作用すると、上方に負電荷、下方に正電荷を発生させる分極特性を有するものを用いたとすると、重錘体に各座標軸正方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚが作用したとき、上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する電荷の極性は、図１２の表のようになる。別言すれば、図１２の表は、図１１の表における「伸張」を「＋」、「圧縮」を「−」に置き換えたものになっている。各座標軸負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用したときの伸縮応力は、この表における＋／−の関係を逆転させたものになる。
【０１１５】
もちろん、圧電材料層１０５としては、層方向に伸張する応力が作用すると、上方に負電荷、下方に正電荷を発生させ、層方向に圧縮する応力が作用すると、上方に正電荷、下方に負電荷を発生させる分極特性を有するものを用いることも可能である。そのような分極特性を有する圧電材料層を用いた場合は、上述した場合に対して、＋／−の関係が逆転することになる。また、バルク型の圧電素子を用いた場合は、個々の領域ごとに異なる分極特性をもった圧電素子を配置することが可能であり、個々の局在圧電素子Ｐ１〜Ｐ４にそれぞれ任意の分極特性をもたせるようにすることができる。
【０１１６】
いずれにしても、発電回路５００は、４枚の局在上層電極Ｅ１〜Ｅ４および１枚の共通下層電極Ｅ０に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流することにより、電力を取り出すことができる。
【０１１７】
図６の上面図に示すように、４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、橋梁部圧電層１１０の上面のそれぞれ固有の位置に配置されている。ここでは、個々の配置位置に応じて、これら４枚の上層電極群を、先端部左側上層電極Ｅ１、先端部右側上層電極Ｅ２、根端部左側上層電極Ｅ３、根端部右側上層電極Ｅ４と、と呼ぶことにする。そうすると、先端部左側上層電極Ｅ１の主発電第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、先端部右側上層電極Ｅ２の主発電第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、根端部左側上層電極Ｅ３の主発電第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、根端部右側上層電極Ｅ４の主発電第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置する。
【０１１８】
このような４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、電荷発生を効率的に行うために適したものになっており、発電効率を高めるために効果的である。これは、重錘体に対していずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、これら４箇所の配置位置には、Ｙ軸方向に関して大きな応力が発生するためである。これは、図１３〜図１５に示す応力分布図を見れば明らかである。これらの応力分布図は、§１で述べた実寸法を用いてコンピュータによるＦＥＭ（有限要素法）構造解析を行った結果を示すものであり、板状橋梁部２１０の根端部を固定した状態において、重錘体に特定の座標軸正方向の力が作用した場合に、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力の分布を示す図になっている。
【０１１９】
図１３は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。この図では、基本的には、図８に示す伸縮態様に基づく応力分布が得られていることがわかる。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、このような応力分布図において、顕著な応力が発生する位置に対応している。
【０１２０】
図１４は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。図９に示す変形態様を参照すればわかるとおり、力＋Ｆｙが作用した場合、橋梁部圧電層１１０のほぼ全領域にわたって、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用することになる。このため、図１４に示す応力分布図においても、橋梁部圧電層１１０のほぼ全領域にわたって強度の圧縮応力が発生することが示されている。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、このような応力分布図においても、顕著な応力が発生する位置に対応している。
【０１２１】
図１５は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの重錘体にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。この図では、基本的には、図１０に示す伸縮態様に基づく応力分布が得られていることがわかる。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、このような応力分布図においても、顕著な応力が発生する位置に対応している。
【０１２２】
このように、図１３〜図１５に示す応力分布図を見れば、図６に示す４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、重錘体がいずれの方向に変位した場合にも応力が集中する領域に配置されており、発生電荷を効果的に収集できることがわかる。なお、これらの応力分布図を参照すれば、図６に示す上層電極Ｅ１，Ｅ２の図面における上端位置は、境界線Ｈよりも若干図の上方（Ｙ軸正方向）に伸びていてもよいことがわかる。
【０１２３】
以上、図１３〜図１５を参照して、重錘体に各座標軸正方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚが作用した場合の応力分布を説明したが、各座標軸負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用した場合の応力分布は、圧縮／伸張の分布を逆転させたものになる。結局、図６の上面図に示す４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、重錘体に対していずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、Ｙ軸方向に関して大きな応力が発生する位置に配置されていることになる。また、いずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、同一の電極に逆極性の電荷が発生することはない。すなわち、同一の電極において、逆極性の電荷が互いに打ち消し合うような現象は生じない。したがって、このような固有の電極配置を採用した発電素子ＰＧＥは、極めて効率的な発電を行うことが可能である。
【０１２４】
図１６は、図１に示す発電素子ＰＧＥに用いる発電回路５００の具体的な構成を示す回路図であり、圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す機能を有する。
【０１２５】
図１６において、先端部左側圧電素子Ｐ１は、図６に示す先端部左側上層電極Ｅ１と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ１の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示し、先端部右側圧電素子Ｐ２は、図６に示す先端部右側上層電極Ｅ２と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ２の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示す。
【０１２６】
同様に、根端部左側圧電素子Ｐ３は、図６に示す根端部左側上層電極Ｅ３と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ３の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示し、根端部右側圧電素子Ｐ４は、図６に示す根端部右側上層電極Ｅ４と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ４の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示す。また、回路図上に白丸で示すＥ０は下層電極，Ｅ１〜Ｅ４は各上層電極に対応する。
【０１２７】
Ｄ１（＋），Ｄ２（＋），Ｄ３（＋），Ｄ４（＋）は整流素子（ダイオード）であり、それぞれ上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に発生した正電荷を取り出す役割を果たす。また、Ｄ１（−），Ｄ２（−），Ｄ３（−），Ｄ４（−）も整流素子（ダイオード）であり、それぞれ上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に発生した負電荷を取り出す役割を果たす。同様に、Ｄ０（＋）は下層電極Ｅ０に発生した正電荷を取り出す役割を果たす整流素子（ダイオード）であり、Ｄ０（−）は下層電極Ｅ０に発生した負電荷を取り出す役割を果たす整流素子（ダイオード）である。
【０１２８】
一方、Ｃｆは平滑用の容量素子（コンデンサ）であり、その正極端子（図の上方端子）には取り出された正電荷が供給され、負極端子（図の下方端子）には取り出された負電荷が供給される。この容量素子Ｃｆは、発生電荷に基づく脈流を平滑化する役割を果たし、重錘体の振動が安定した定常時には、容量素子Ｃｆのインピーダンスはほとんど無視しうる。容量素子Ｃｆに並列接続されているＺＬは、本発電素子ＰＧＥ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。
【０１２９】
結局、この発電回路５００は、平滑用の容量素子Ｃｆと、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生した正電荷を容量素子Ｃｆの正極側へ導くために各上層電極Ｅ１〜Ｅ４から容量素子Ｃｆの正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子Ｄ１（＋），Ｄ２（＋），Ｄ３（＋），Ｄ４（＋）と、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生した負電荷を容量素子Ｃｆの負極側へ導くために容量素子Ｃｆの負極側から各上層電極Ｅ１〜Ｅ４へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子Ｄ１（−），Ｄ２（−），Ｄ３（−），Ｄ４（−）と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子Ｃｆにより平滑化して供給する機能を果たすことになる。
【０１３０】
この回路図において、負荷ＺＬには、正電荷用整流素子Ｄ１（＋），Ｄ２（＋），Ｄ３（＋），Ｄ４（＋）で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子Ｄ１（−），Ｄ２（−），Ｄ３（−），Ｄ４（−）で取り出された負電荷とが供給されることになる。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなるようにすれば、最も効率的な発電が可能になる。
【０１３１】
図６に示すとおり、基本的実施形態に係る主発電構造体ＭＧＳは、ＹＺ平面に関して面対称となる対称構造をなす。このような対称構造を採用すれば、図８に示すように、重錘体がＸ軸方向に振動した場合は、対称位置に配置された一対の上層電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなり、効率的な発電が期待できる。また、上層電極Ｅ１，Ｅ２からなる先端部電極群と、上層電極Ｅ３，Ｅ４からなる根端部電極群と、の間にも、橋梁部圧電層１１０の長手方向の中央位置に関して対称性がある。したがって、図１０に示すように、重錘体がＺ軸方向に振動した場合にも、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなり、効率的な発電が期待できる。
【０１３２】
＜＜＜  §３．  変位制限構造および発電装置  ＞＞＞
図１に示す主発電構造体ＭＧＳにおいて、発電効率を高めるためには、板状橋梁部２１０は、できるだけ薄く、長くするのが好ましい。その第１の理由は、薄くて長い板状橋梁部２１０を用いれば、可撓性が高まるため、より大きな撓みが生じるようになるためである。板状橋梁部２１０に大きな撓みが生じれば、圧電材料層１０５にも大きな撓みが生じ、発電量が増加する。なお、板状橋梁部２１０の幅を細くすると、大きな撓みを生じさせるメリットは得られるが、圧電材料層１０５の面積が減少するため、発電量が低下するデメリットが生じてしまう。
【０１３３】
板状橋梁部２１０を薄く、長くする第２の理由は、適切な共振周波数が得られるようにするためである。前述したように、主発電構造体ＭＧＳの固有の構造に基づいて定まる重錘体の共振周波数は、発電素子の利用環境（輸送機器や産業機器など）における振動周波数に一致させるのが好ましく、実用上は、共振周波数が１０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲内になるような設計を行うのが好ましい。このような範囲内の共振周波数をもった主発電構造体ＭＧＳを設計するためには、板状橋梁部２１０を薄く、長くした方が有利である。
【０１３４】
このような事情により、本発明に係る発電素子ＰＧＥを設計する場合、板状橋梁部２１０を薄く、長くするのが好ましい。しかしながら、薄くて長い板状橋梁部２１０は、過度の外力が作用すると破損しやすい。たとえば、図８には、重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの主発電構造体ＭＧＳの変形態様が示されているが、過度の力＋Ｆｘ（過度の加速度−αｘ）が作用すると、橋梁部圧電層１１０およびその下層の板状橋梁部２１０に過度の変形が生じて破損する可能性がある。
【０１３５】
本発明で採用している主発電構造体ＭＧＳの場合、板状橋梁部２１０の過度の変位を抑制する変位制限構造を容易に付加することができる。それは、重錘体が、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しているためである。たとえば、図６に示す実施例の場合、左翼圧電層１３０の下方には左翼重錘部３３０が配置され、右翼圧電層１４０の下方には右翼重錘部３４０が配置されており、橋梁部圧電層１１０の下方に位置する板状橋梁部２１０が、左翼重錘部３３０および右翼重錘部３４０によって左右から保護された形態をとっている。
【０１３６】
したがって、この図６に示す主発電構造体ＭＧＳの右側および左側に何らかの変位制限壁を設ければ、この変位制限壁によって重錘体の左右方向の変位を制限することができる。たとえば、図８の例のように、重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合、重錘体は右側の変位制限壁を超えて変位することはできない。同様に、重錘体にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合、重錘体は左側の変位制限壁を超えて変位することはできない。
【０１３７】
また、図６に示す実施例の場合、中央圧電層１２０の下方には中央重錘部３２０が配置されているので、図の上方にも変位制限壁を設けておけば、重錘体にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合にも、重錘体は上方の変位制限壁を超えて変位することはできない。
【０１３８】
結局、図６に示す実施例の場合、橋梁部圧電層１１０の下方に位置する板状橋梁部２１０が、「コ」の字型をした重錘体によって取り囲まれ、周囲から保護された状態になっているので、主発電構造体ＭＧＳの外側に何らかの変位制限壁を設ければ、重錘体の過度の変位を制限し、板状橋梁部２１０の破損を避けることが可能になる。板状橋梁部２１０は、「コ」の字型をした重錘体によって取り囲まれているため、変位制限壁に直接接触することはない。
【０１３９】
変位制限壁としては、たとえば、この主発電構造体ＭＧＳを収容する装置筐体の内壁面を利用することが可能である。ただ、重錘体の外面と変位制限壁の内面との間の空隙寸法を適切な値（正常な発電動作に必要な範囲内で重錘体が自由運動を行い、過度の加速度が加わったときにのみ重錘体の変位を制御するのに適切な値）に設定する上では、専用の変位制限壁を設けるようにするのが好ましい。そこで、ここでは、台座４００を変位制限壁として利用した実施形態を説明する。
【０１４０】
本発明に係る発電素子ＰＧＥでは、板状橋梁部２１０の根端部が台座４００に固定される。たとえば、図１では、固定部を示す単なるシンボル記号として台座４００が示されている。また、図６〜図１０では、単なる固定面として台座４００が示されている。実際、台座４００は、板状橋梁部２１０の根端部を固定して、重錘体を宙吊り状態にする役割を果たすことができれば、どのような構造のものであってもかまわない。以下に述べる実施形態は、主発電構造体ＭＧＳを取り囲む環状構造体を、台座４００として用い、当該環状構造体の内壁を変位制限壁として利用した例である。
【０１４１】
図１７は、台座４００として矩形状の環状構造体を用いた発電素子ＰＧＥを示す上面図である（実際には、発電素子ＰＧＥから、発電回路５００を除いた発電素子用構造体の部分のみが示されており、発電回路５００は図示が省略されている）。図面中央に描かれている主発電構造体ＭＧＳは、§１および§２で述べた基本的実施形態に係る主発電構造体であり、その周囲に配置された矩形状の方環状構造体が台座４００である。主発電構造体ＭＧＳと台座４００とは、原点Ｏの位置で接合されている。
【０１４２】
台座４００は、ＸＹ平面に沿って主発電構造体ＭＧＳを取り囲む環状構造体をなす。より具体的には、台座４００は、第１壁部４１０、第２壁部４２０、第３壁部４３０、第４壁部４４０なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体によって構成されている。ここで、第１壁部４１０は、主発電構造体ＭＧＳに対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第２壁部４２０は、主発電構造体ＭＧＳに対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第３壁部４３０は、主発電構造体ＭＧＳに対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第４壁部４４０は、主発電構造体ＭＧＳに対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成している。そして、主発電構造体ＭＧＳの一部を構成する板状橋梁部２１０の根端部が、第４壁部４４０の内面に支持固定されている。
【０１４３】
このような構造を有する発電素子ＰＧＥに対して、所定の大きさを超える加速度の水平方向成分（ＸＹ平面に平行な成分）が作用した場合、重錘体（主発電第３層３００）がこの環状構造体からなる台座４００の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。図示のとおり、主発電構造体ＭＧＳの左側面と第１壁部４１０の内面との間には空隙寸法ｄ１１が確保されており、主発電構造体ＭＧＳの右側面と第２壁部４２０の内面との間には空隙寸法ｄ１２が確保されている。同様に、主発電構造体ＭＧＳの上側面と第３壁部４３０の内面との間には空隙寸法ｄ１３が確保されており、主発電構造体ＭＧＳの下側面と第４壁部４４０の内面との間には空隙寸法ｄ１４が確保されている。
【０１４４】
したがって、この発電素子ＰＧＥに過度の振動が加わり、重錘体にＸ軸方向の外力成分が作用しても、重錘体の変位は空隙寸法ｄ１１，ｄ１２の範囲内に制限され、重錘体にＹ軸方向の外力成分が作用しても、重錘体の変位は空隙寸法ｄ１３，ｄ１４の範囲内に制限される。このため、板状橋梁部２１０に生じる撓みの程度を制限することができ、板状橋梁部２１０の損傷を防ぐことができる。
【０１４５】
主発電構造体ＭＧＳと台座４００との構造上の関係は、図１８〜図２０に示す側断面図に詳細に示されている。図１８は、図１７に示す発電素子ＰＧＥを切断線１８−１８に沿って切った断面を示す正断面図である。主発電構造体ＭＧＳは、既に述べたとり、主発電第１層１００，主発電第２層２００，主発電第３層３００を積層した３層構造体からなる。一方、台座４００も、台座第１層４０１，台座第２層４０２，台座第３層４０３を積層した３層構造体からなる。
【０１４６】
ここで、主発電第１層１００と台座第１層４０１とは、Ｚ軸に関して全く同じ位置に配置され、主発電第２層２００と台座第２層４０２とは、やはりＺ軸に関して全く同じ位置に配置されている。これに対して、主発電第３層３００と台座第３層４０３とを比較すると、上面はＺ軸に関して全く同じ位置に配置されているが、下面は、主発電第３層３００の方が台座第３層４０３よりも若干上方に位置している。これは、重錘体（中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０）を台座４００の底面より浮かして宙吊り状態にするためである。
【０１４７】
図示のとおり、左翼重錘部３３０の外側面と第１壁部４１０の内面との間には空隙寸法ｄ１１が確保されており、右翼重錘部３４０の外側面と第２壁部４２０の内面との間には空隙寸法ｄ１２が確保されている。したがって、重錘体は、Ｘ軸方向に関して、これら空隙寸法ｄ１１，ｄ１２の範囲内で変位可能であるが、当該範囲を超える変位は制限される。この実施例では、ｄ１１＝ｄ１２＝２０μｍに設定している。
【０１４８】
図１９は、図１７に示す発電素子ＰＧＥを切断線１９−１９に沿って切った断面を示す側断面図であり、図２０は、図１７に示す発電素子ＰＧＥを切断線２０−２０に沿って切った断面を示す側断面図である。いずれの図にも、主発電構造体ＭＧＳおよび台座４００が、３層構造体からなる点が明瞭に示されている。
【０１４９】
図示のとおり、中央重錘部３２０の外側面と第３壁部４３０の内面との間には空隙寸法ｄ１３が確保されており、左翼重錘部３３０および右翼重錘部３４０の外側面と第４壁部４４０の内面との間には空隙寸法ｄ１４が確保されている。したがって、重錘体は、Ｙ軸方向に関して、これら空隙寸法ｄ１３，ｄ１４の範囲内で変位可能であるが、当該範囲を超える変位は制限される。この実施例では、ｄ１３＝ｄ１４＝１５μｍに設定している。
【０１５０】
ここで、主発電構造体ＭＧＳを、主発電第１層１００，主発電第２層２００，主発電第３層３００の３層構造体によって構成する理由は、§２で述べた発電動作を行うためである。すなわち、主発電第２層２００は、可撓性を有する板状橋梁部２１０を構成するための層であり、主発電第１層１００は、板状橋梁部２１０に生じる撓みを検出するための圧電素子を構成するための層であり、主発電第３層３００は、板状橋梁部２１０に外力を作用させる重錘体として機能するための層である。
【０１５１】
これに対して、台座４００は、板状橋梁部２１０の根端部を支持固定する固定部材としての役割と、重錘体の過度の変位を制限するための変位制限壁としての役割とを果たせば足りるので、機能上は、敢えて３層構造体にする必要はない。しかしながら、図１８〜図２０に示す実施例において、台座４００を主発電構造体ＭＧＳと同様の３層構造体によって構成している理由は、専ら、製造プロセス上の便宜を図るためである。
【０１５２】
すなわち、図１８に示す実施例の場合、台座４００は、上から順に台座第１層４０１、台座第２層４０２、台座第３層４０３を積層した積層構造体によって構成されており、台座第１層４０１は板状橋梁部２１０の根端部近傍において主発電第１層１００に連なり、台座第２層４０２は板状橋梁部２１０の根端部において主発電第２層２００に連なっている。また、台座第３層４０３は、主発電第３層３００に対して、物理的には離隔した構成要素になっているが、３層構造体の最下層であり、その上面の位置は同じになっている。
【０１５３】
結局、図１８に示す実施例の場合、台座第１層４０１と主発電第１層１００とを同一の材料層から構成することができ、台座第２層４０２と主発電第２層２００とを同一の材料層から構成することができ、台座第３層４０３と主発電第３層３００とを同一の材料層から構成することができる。
【０１５４】
図２１は、図１８に示す発電素子ＰＧＥの主発電構造体ＭＧＳおよび台座４００を構成する材料として用いられる積層材料ブロック１０００の側断面図である。この積層材料ブロック１０００は、上から順に、材料第１層１００１、材料第２層１００２、材料第３層１００３を積層した３層からなる積層構造体である。図の破線は、台座４００となるべき部分を示している。
【０１５５】
図２１において、材料第１層１００１は、主発電第１層１００を構成することを意図した層であり、圧電材料層の上下両面に電極となる導電層を形成したものである。同様に、材料第２層１００２は、主発電第２層２００を構成することを意図した層であり、たとえば、板状橋梁部２１０を構成するのに適したシリコン基板によって構成することができる。そして、材料第３層１００３は、主発電第３層３００（重錘体）を構成することを意図した層であり、たとえば、ＳＵＳ等の金属基板によって構成することができる。
【０１５６】
このような積層材料ブロック１０００の各層に対して、それぞれ必要な加工（たとえば、エッチング加工）を施すことにより、図１８〜図２０に示す主発電構造体ＭＧＳと台座４００とを同時進行で構成することができる。このため、製造工程を単純化して量産化を図ることができ、製造コストを低減することができるようになる。
【０１５７】
このように、図１７に示す発電素子ＰＧＥでは、主発電構造体ＭＧＳを方環状構造体からなる台座４００に収容したため、所定の大きさを超える加速度の水平方向成分（ＸＹ平面に平行な成分）が作用した場合、重錘体の変位を制限することが可能である。ここでは更に、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分（Ｚ軸に平行な成分）が作用した場合にも、重錘体の変位を制限する実施例を述べる。
【０１５８】
図２２は、このような実施例を示す側断面図である。図示の実施例は、図１７に示す発電素子ＰＧＥを、装置筐体６００に収容したものであり、本願では、このように装置筐体６００を含めた発電素子ＰＧＥを、便宜上、「発電装置」と呼ぶことにする。すなわち、ここで言う「発電装置」とは、これまで述べてきた発電素子ＰＧＥ（主発電構造体ＭＧＳ、台座４００、発電回路５００を有する素子）と、この発電素子ＰＧＥを収容する装置筐体６００と、を備える装置ということになる。
【０１５９】
図示のとおり、発電素子ＰＧＥの台座４００は、装置筐体６００に固定されており、装置筐体６００を振動させる外力が作用すると、発電素子ＰＧＥの重錘体３００（主発電第３層）は、板状橋梁部２１０の撓みによって装置筐体６００内で振動する。図示されていない発電回路５００は、当該振動によって発生した電力を取り出して外部に出力する処理を行う。
【０１６０】
より具体的には、装置筐体６００は、発電素子ＰＧＥを下方から支持固定するための土台基板６１０と、発電素子ＰＧＥの上方を覆う上蓋基板６２０と、発電素子ＰＧＥの周囲を囲うように配置され、土台基板６１０と上蓋基板６２０とを連結する側壁板６３０と、を有している。そして、発電素子ＰＧＥの台座４００（各壁部４１０〜４４０）の底面は、発電素子ＰＧＥの重錘体（主発電第３層３００：３２０，３３０，３４０）の底面より下方に位置し、台座４００（各壁部４１０〜４４０）の底面は土台基板６１０の上面に固定されている。
【０１６１】
その結果、土台基板６１０の上面と重錘体（主発電第３層３００：３２０，３３０，３４０）の底面との間に、空隙寸法ｄ１５を有する下方空隙部が形成されている。また、上蓋基板６２０は、発電素子ＰＧＥの主発電第１層１００の上面より上方に位置し、上蓋基板６２０の下面と主発電第１層１００の上面との間に、空隙寸法ｄ１６を有する上方空隙部が形成されている。この実施例では、ｄ１５＝ｄ１６＝１０μｍに設定している。
【０１６２】
したがって、発電素子ＰＧＥに対して、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合には、主発電構造体ＰＧＥの一部が土台基板６１０の上面もしくは上蓋基板６２０の下面に接触し、それ以上の変位が制限される。かくして、図２２に示す発電装置によれば、ＸＹＺ三次元座標系において、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向を向いた過度の加速度が作用した場合にも、重錘体の変位を制限することが可能になり、板状橋梁部２１０の破損を防ぐことができる。
【０１６３】
図２３は、図２２に示す発電装置における重錘体と台座の役割を逆にした変形例に係る発電装置の側断面図である。この図２３に示す発電装置も、発電素子ＰＧＥ′と、この発電素子ＰＧＥ′を収容する装置筐体６００と、を備える装置であり、装置筐体６００の部分は、図２２に示す装置と全く同じである。ただ、図２３に示す発電素子ＰＧＥ′は、図２２に示す発電素子ＰＧＥとは若干構造が異なっている。
【０１６４】
この図２３に示す発電装置の場合、発電素子ＰＧＥ′の主発電第３層３００′（３２０′，３３０′，３４０′）が装置筐体６００に固定され、台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）が宙吊り状態になっている。このため、装置筐体６００を振動させる外力が作用した場合、発電素子ＰＧＥの台座４００′が板状橋梁部２１０の撓みによって装置筐体６００内で振動する。図示されていない発電回路５００は、当該振動によって発生した電力を取り出して外部に出力する処理を行う。
【０１６５】
より具体的には、装置筐体６００は、発電素子ＰＧＥ′を下方から支持固定するための土台基板６１０と、発電素子ＰＧＥ′の上方を覆う上蓋基板６２０と、発電素子ＰＧＥ′の周囲を囲うように配置され、土台基板６１０と上蓋基板６２０とを連結する側壁板６３０と、を有している。そして、発電素子ＰＧＥ′の台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）の底面は、発電素子ＰＧＥ′の主発電第３層３００′（３２０′，３３０′，３４０′）の底面より上方に位置し、主発電第３層３００′（３２０′，３３０′，３４０′）の底面は土台基板６１０の上面に固定されている。
【０１６６】
その結果、土台基板６１０の上面と台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）の底面との間に、空隙寸法ｄ１７を有する下方空隙部が形成されている。また、上蓋基板６２０は、発電素子ＰＧＥ′の主発電第１層１００の上面より上方に位置し、上蓋基板６２０の下面と主発電第１層１００の上面との間に、空隙寸法ｄ１８を有する上方空隙部が形成されている。この実施例では、ｄ１７＝ｄ１８＝１０μｍに設定している。
【０１６７】
したがって、発電素子ＰＧＥ′に対して、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合には、主発電構造体ＰＧＥ′の一部が土台基板６１０の上面もしくは上蓋基板６２０の下面に接触し、それ以上の変位が制限される。かくして、図２３に示す発電装置の場合も、ＸＹＺ三次元座標系において、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向を向いた過度の加速度が作用しても、重錘体の変位を制限することが可能になり、板状橋梁部２１０の破損を防ぐことができる。以上、空隙寸法ｄ１１〜ｄ１８について具体的な寸法値を例示したが、もちろん、これらの空隙寸法ｄ１１〜ｄ１８の最適値は、図６および図７に示す各部の寸法値ｄ１〜ｄ１０等に応じて定められるべきものである。
【０１６８】
なお、図２２に示す発電装置と図２３に示す発電装置とについて、動作原理を比較すると、前者の場合、主発電第３層３００（３２０，３３０，３４０）が、装置筐体６００内に宙吊り状態となった重錘体として機能し、この重錘体の振動エネルギーが電気エネルギーに変換されることになるのに対して、後者の場合、台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）が、装置筐体６００内に宙吊り状態となった重錘体として機能し、この重錘体の振動エネルギーが電気エネルギーに変換されることになる。なお、図２３に示す発電装置の場合、原理上は、部材３００′を台座と呼び、部材４００′を重錘体と呼ぶべきであるが、図２２に示す発電装置と対比する便宜上、ここでは部材３００′を重錘体と呼び、部材４００′を台座と呼んでいる。
【０１６９】
一般論として、主発電第３層３００，３００′よりも、その外側を取り囲む台座４００，４００′の方が、より大きな質量をもった構造体にしやすい。たとえば、図１７に示す例において、第１壁部４１０，第２壁部４２０，第３壁部４３０，第４壁部４４０の壁の厚みを厚くすれば、台座４００の質量を増加させることは容易である。このように質量の大きな台座を重錘体として利用すれば、より大きな発電量を確保することができる。したがって、一般論としては、図２２に示す構造よりも、図２３に示す構造の方が、発電量を確保する上では好ましい。もちろん、図２３に示す構造を採用した場合にも、台座４００′の各座標軸方向への変位は制限されるので、板状橋梁部２１０の破損を防ぐ効果が得られることになる。
【０１７０】
＜＜＜  §４．  本発明の変形例  ＞＞＞
続いて、これまで述べてきた基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥについて、いくつかの変形例を述べておく。
【０１７１】
＜４−１．第１の変形例Ａ：３層構造体の平面形状の変形例＞
§１で述べた基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥを構成する主発電構造体ＭＧＳは、図１に示すように、主発電第１層１００，主発電第２層２００，主発電第３層３００を積層させた３層構造体によって構成されている。これら３層の平面形状は、それぞれ図２〜図４に示されている。
【０１７２】
ここで、図２と図３とを比較すればわかるとおり、主発電第１層１００の平面形状と主発電第２層２００の平面形状とは全く同一であり、両者のＸＹ平面投影像は重なることになる。これは、シリコン基板からなる主発電第２層２００の上面の全領域に、圧電素子からなる主発電第１層１００を形成する製造プロセスを採ったためである。
【０１７３】
もっとも、主発電第１層１００（圧電素子）の役割は、主発電第２層２００とともに撓みを生じさせ、この撓みに基づいて発電を行うことにあるので、原理的には、主発電第１層１００（圧電素子）は、撓みが生じる板状橋梁部２１０の上面に形成されていれば足りる。図２に示す主発電第１層１００は、橋梁部圧電層１１０，中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０，右翼圧電層１４０の４つの部分によって構成されているが、原理的には、橋梁部圧電層１１０のみを設ければよく、より細かく言えば、橋梁部圧電層１１０のうち、上層電極Ｅ１〜Ｅ４が形成される領域にのみ形成されていればよい。
【０１７４】
要するに、主発電第１層１００の平面形状と主発電第２層２００の平面形状とは、必ずしも同一である必要はなく、主発電第１層１００は、主発電第２層２００の板状橋梁部２１０の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有していればよい。
【０１７５】
一方、図３と図４とを比較すればわかるとおり、主発電第２層２００の平面形状と主発電第３層３００の平面形状とは、板状橋梁部２１０の部分を除いて同一になっている。すなわち、図３に示されている主発電第２層２００の各部分を構成する中央板状部２２０，左翼板状部２３０，右翼板状部２４０の平面形状は、それぞれ図４に示されている主発電第３層３００の各部分を構成する中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０の平面形状と同一である。平面形状における両者の相違は、図３に示されている主発電第２層２００の板状橋梁部２１０に対応する部分が、図４に示されている主発電第３層３００では、空洞部３１０になっている点だけである。
【０１７６】
このように、主発電第２層２００の平面形状と主発電第３層３００の平面形状とをほぼ同一にすれば、３層の平面形状の外形がほぼ同じになり、主発電構造体ＭＧＳの全体形状を単純化することができる。しかしながら、主発電第２層２００の平面形状と主発電第３層３００の平面形状とは、必ずしもほぼ同一にする必要はない。
【０１７７】
図２４は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第１の変形例Ａに係る主発電構造体ＭＧＳａを示す上面図である。この主発電構造体ＭＧＳａは、図１に示す主発電構造体ＭＧＳと同様に、主発電第１層１００ａ，主発電第２層２００ａ，主発電第３層３００ａの３層構造体によって構成されているが、各層の平面形状が異なっている。この第１の変形例Ａでは、主発電第１層１００ａの平面形状と主発電第２層２００ａの平面形状とは同一であるが、これらと主発電第３層３００ａの平面形状とは大きく異なっている。
【０１７８】
主発電第１層１００ａの各部と主発電第２層２００ａの各部は、それぞれ同一の平面形状を有している。図２４は上面図であるため、主発電第２層２００ａは主発電第１層１００ａの下層に隠れ、図には現れていないが、括弧書きの符号により、主発電第１層１００ａの下方に重なって配置されている主発電第２層２００ａの各構成要素が示されている。図から明らかなように、主発電第３層３００ａの外周部は、主発電第１層１００ａや主発電第２層２００ａの外周部から大きく外側に張り出している。
【０１７９】
具体的には、中央重錘部３２０ａは、中央圧電層１２０ａや中央板状部２２０ａよりも外側に大きく張り出した構造を有する。また、左翼重錘部３３０ａは、左翼圧電層１３０ａや左翼板状部２３０ａよりも外側に大きく張り出した構造を有し、右翼重錘部３４０ａは、右翼圧電層１４０ａや右翼板状部２４０ａよりも外側に大きく張り出した構造を有する。
【０１８０】
このような構造を有する主発電構造体ＭＧＳａも、ＹＺ平面に関して面対称な構造をなしているため、主発電第３層３００ａを構成する構造体（重錘体）の重心Ｇａは、板状橋梁部２１０ａの下方のＹＺ平面上に位置している。したがって、重錘体が各座標軸方向について安定して振動する点に変わりはない。
【０１８１】
このように、重錘体として機能する主発電第３層３００ａ（中央重錘部３２０ａ，左翼重錘部３３０ａ，右翼重錘部３４０ａ）の外周部を、主発電第１層１００ａや主発電第２層２００ａの外周部から大きく外側に張り出させる構造を採用すると、過度の振動が加わった場合に、主発電第１層１００ａおよび主発電第２層２００ａを保護する機能を向上させることができる。
【０１８２】
すなわち、図１７に示す主発電構造体ＭＧＳの場合、最も損傷が生じやすい板状橋梁部２１０が、「コ」の字型の構造体によって囲われているため、過度の変位を生じさせる外力が加わっても、板状橋梁部２１０自体が台座４００に接触することはない。しかしながら、図１８を見れば明らかなように、主発電第１層１００，主発電第２層２００，主発電第３層３００の外周面の位置は揃っているため、過度の変位を生じさせる外力が加わった場合、これら各層の外周部が台座４００の内面に接触することになる。主発電第１層１００および主発電第２層２００は、主発電第３層３００に比べて厚みが小さいため、台座４００の内面に接触すると外周部に損傷が生じるおそれがある。
【０１８３】
これに対して、図２４に示す主発電構造体ＭＧＳａの場合、厚みの大きな主発電第３層３００ａの外周部を外側に張り出させる構造が採られているため、過度の変位を生じさせる外力が加わると、主発電第３層３００ａの外周部が台座４００の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。したがって、厚みの小さな主発電第１層１００ａや主発電第２層２００ａの外周面が台座４００の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止できる。
【０１８４】
なお、図２４に示す主発電構造体ＭＧＳａでは、主発電第３層３００ａを図の上下左右すべての方向に張り出させているが、上記保護効果を得る上では、必ずしもすべての方向に張り出させる必要はない。すなわち、重錘体として機能する主発電第３層３００ａについて、その外周部の一部が台座４００の内面に接触することにより、図の上下方向の変位および図の左右方向の変位を制限することができる構造になっていればよい。
【０１８５】
具体的には、主発電第３層３００ａのＸ軸正方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、主発電第３層３００ａのＸ軸負方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、主発電第３層３００ａのＹ軸正方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、主発電第３層３００ａのＹ軸負方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出しているようにすればよい。
【０１８６】
＜４−２．第２の変形例Ｂ：重錘体の分離構造＞
これまで述べてきた基本的実施形態では、図４に示すとおり、重錘体として機能する主発電第３層３００を、中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０の３つの部分によって構成していた（図２４に示す第１の変形例Ａも同様）。しかしながら、本発明では、重錘体として、板状橋梁部２１０の長手方向軸（Ｙ軸）に関して、左脇に位置する左翼重錘部３３０と右脇に位置する右翼重錘部３４０と、を有する主発電構造体ＭＧＳを用いれば、必要な作用効果が得られる。別言すれば、本発明を実施するにあたり、左翼重錘部３３０と右翼重錘部３４０とを接続する中央重錘部３２０は必須のものではない。
【０１８７】
図２５は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第２の変形例Ｂを示す上面図である。図示の主発電構造体ＭＧＳｂは、図１に示す主発電構造体ＭＧＳや図２４に示す主発電構造体ＭＧＳａと同様に、主発電第１層１００ｂ，主発電第２層２００ｂ，主発電第３層３００ｂの３層構造体によって構成されている。ここでも、括弧書きの符号は、下方に配置されている主発電第２層２００ｂの構成要素を示している。図２５に示す主発電第１層１００ｂ（１１０ｂ，１２０ｂ，１３０ｂ，１４０ｂ）は、図２４に示す主発電第１層１００ａ（１１０ａ，１２０ａ，１３０ａ，１４０ａ）と全く同一の構成要素であり、図２５に示す主発電第２層２００ｂ（２１０ｂ，２２０ｂ，２３０ｂ，２４０ｂ）は、図２４に示す主発電第２層２００ａ（２１０ａ，２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）と全く同一の構成要素である。
【０１８８】
図２４に示す主発電構造体ＭＧＳａと図２５に示す主発電構造体ＭＧＳｂとの相違点は、重錘体として機能する主発電第３層の構造部分のみである。すなわち、図２４に示す主発電構造体ＭＧＳａの場合、主発電第３層３００ａは、中央重錘部３２０ａ，左翼重錘部３３０ａ，右翼重錘部３４０ａの３つの部分からなる「コ」の字状の構造体であるが、図２５に示す主発電構造体ＭＧＳｂの場合、主発電第３層３００ｂは、左翼重錘部３３０ｂおよび右翼重錘部３４０ｂの２つの部分からなる構造体であり、両者を接続する中央重錘部は設けられていない。
【０１８９】
左翼重錘部３３０ｂは、左翼板状部２３０ｂ（重錘体支持部）の下面に接合され、右翼重錘部３４０ｂは、右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）の下面に接合されており、重錘体に生じた変位は、支障なく板状橋梁部２１０ｂの先端部に伝達される。
【０１９０】
このような構造を有する主発電構造体ＭＧＳｂでは、重錘体が、左翼重錘部３３０ｂと右翼重錘部３４０ｂとの２つの部分に分離しているが、ＹＺ平面に関して面対称な構造をなしているため、重錘体の重心Ｇｂは、板状橋梁部２１０ｂの下方のＹＺ平面上に位置している。したがって、重錘体が各座標軸方向について安定して振動する点に変わりはない。
【０１９１】
また、図２５に示す主発電構造体ＭＧＳｂは、図２４に示す主発電構造体ＭＧＳａと同様に、主発電第１層１００ｂおよび主発電第２層２００ｂの外周部に比べて、主発電第３層３００ｂの外周部が外側に張り出す構造をとっているため、厚みの小さな主発電第１層１００ｂや主発電第２層２００ｂの外周面が台座４００の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止する効果も得られる。
【０１９２】
すなわち、図２５において、右翼重錘部３４０ｂのＸ軸正方向の端部は、右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、左翼重錘部３３０ｂのＸ軸負方向の端部は、左翼板状部２３０ｂ（重錘体支持部）のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、左翼重錘部３３０ｂおよび右翼重錘部３４０ｂのＹ軸正方向の端部は、左翼板状部２３０ｂおよび右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、左翼重錘部３３０ｂおよび右翼重錘部３４０ｂのＹ軸負方向の端部は、左翼板状部２３０ｂおよび右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出している。
【０１９３】
したがって、重錘体に対して、図の上下方向もしくは図の左右方向に過度の変位を生じさせる外力が加わったとしても、常に、主発電第３層３００ｂ（重錘体）の外周部が台座４００の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。このため、厚みの小さな主発電第１層１００ｂや主発電第２層２００ｂの外周面が台座４００の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止できる。
【０１９４】
＜４−３．第３の変形例Ｃ：板状橋梁部の接続角＞
図２６は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの主発電第２層２００における板状橋梁部２１０の両端の接続角度を示す上面図である。図示のとおり、主発電第２層２００は、板状橋梁部２１０、中央板状部２２０、左翼板状部２３０、右翼板状部２４０という４つの部分によって構成されている。
【０１９５】
ここで、板状橋梁部２１０は、発電動作に直接的に関与する撓みを生じる中枢部分であり、第１の長手方向軸Ｌ１（これまでの説明ではＹ軸）に沿って伸びる可撓性をもったビーム状の構造体である。これに対して、中央板状部２２０は、第１の長手方向軸Ｌ１に直交する第２の長手方向軸Ｌ２（これまでの説明ではＸ′軸）に沿って伸びる構造体であり、第１の長手方向軸Ｌ１に関して左右対称となる位置に配置されている。そして、板状橋梁部２１０の先端部は、先端点Ｔにおいて中央板状部２２０の中央側部に接続されており、両者はＴ字状の構造体をなす。
【０１９６】
更に、中央板状部２２０の左側には左翼板状部２３０が接続され、右側には右翼板状部２４０が接続されており、主発電第２層２００は、全体として平面形状が「Ｅ」の字状をした平板状の構造体を構成している。図の境界線Ｈ′は、これら各部の領域を相互に区分けするための境界線に相当する。
【０１９７】
このような主発電第２層２００において、板状橋梁部２１０の先端部（先端点Ｔの近傍）における中央板状部２２０に対する接続状態に注目してみると、図示の接続角θ１，θ２は、いずれも９０°になる。ここで、接続角θ１は、板状橋梁部２１０の左側辺と境界線Ｈ′とのなす角であり、接続角θ２は、板状橋梁部２１０の右側辺と境界線Ｈ′とのなす角である。このように、接続角θ１，θ２が９０°になるのは、第１の長手方向軸Ｌ１および第２の長手方向軸Ｌ２が互いに直交し、かつ、長方形状の板状橋梁部２１０が第１の長手方向軸Ｌ１を中心軸として配置され、長方形状の中央板状部２２０が第２の長手方向軸Ｌ２を中心軸として配置されているためである。
【０１９８】
同様に、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏの近傍）における台座４００に対する接続状態に注目してみると、図示の接続角θ３，θ４は、いずれも９０°になる。ここで、接続角θ３は、板状橋梁部２１０の左側辺と台座４００の内側面とのなす角であり、接続角θ４は、板状橋梁部２１０の右側辺と台座４００の内側面とのなす角である。このように、接続角θ３，θ４が９０°になるのは、第１の長手方向軸Ｌ１が台座４００の内側面に直交し、かつ、長方形状の板状橋梁部２１０が第１の長手方向軸Ｌ１を中心軸として配置されているためである。
【０１９９】
一方、図２７は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第３の変形例Ｃに係る主発電第２層２００ｃを示す上面図である。この第３の変形例Ｃの場合も、主発電第２層２００ｃは、板状橋梁部２１０ｃ、中央板状部２２０ｃ、左翼板状部２３０ｃ、右翼板状部２４０ｃという４つの部分によって構成されているが、これら個々の部分の平面形状は長方形ではなく、変則的な図形になっている。また、板状橋梁部２１０ｃは、長手方向軸Ｌ１′に沿った方向に伸びる部材であるが、長手方向軸Ｌ１′は、台座４００の内側面には直交していない。そのため、板状橋梁部２１０ｃの先端部についての接続角θ１，θ２および根端部についての接続角θ３，θ４は、９０°にはなっていない。
【０２００】
このように、図２７に示す第３の変形例Ｃに係る変則的な形状を有する主発電第２層２００ｃを用いて本発明に係る発電素子を形成した場合にも、支障なく発電を行うことが可能である。すなわち、左翼板状部２３０ｃの下面に接合された左翼重錘部３３０ｃと、右翼板状部２４０ｃの下面に接合された右翼重錘部３４０ｃと、を有する重錘体を設ければ、当該重錘体の振動により、板状橋梁部２１０ｃに撓みが生じるので、その上面に設けた圧電素子により発電を行うことができる。
【０２０１】
したがって、本発明を実施する上で、板状橋梁部と中央板状部とは、必ずしも直交させる必要はなく、必ずしも両者によってＴ字状の構造体を構成する必要はない。たとえば、図２７に示す変形例Ｃの場合、板状橋梁部２１０ｃと中央板状部２２０ｃは、Ｙ字に近い形態をなしている。また、板状橋梁部は、必ずしも台座４００の内側面に対して直交する形態で接続する必要はない。更に、主発電構造体の各層を構成する各部分の平面形状は、必ずしも長方形である必要はなく、任意の形状でかまわない。
【０２０２】
しかしながら、実用上は、図２６に示す例のように、主発電第２層２００の各部を、平面が長方形となる部材によって構成し、板状橋梁部２１０を、台座４００の内側面に直交する第１の長手方向軸Ｌ１が中心軸となるように配置し、中央板状部２２０を、第１の長手方向軸Ｌ１に直交する第２の長手方向軸Ｌ２が中心軸となるように配置し、板状橋梁部２１０と中央板状部２２０とが直交してＴ字状をなすようにするのが好ましい。このような構成を採ると、接続角θ１〜θ４がすべて９０°となり、板状橋梁部２１０の先端部および根端部に応力を集中させることができるようになり（図１３〜図１５参照）、図６に示す位置に配置された４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４に効率的に電荷を発生させることができる。
【０２０３】
＜４−４．第４の変形例Ｄ：独立した主発電部品＞
図１８に示す発電素子ＰＧＥは、主発電構造体ＭＧＳの部分と台座４００の部分との双方を３層構造体によって構成したため、図２１に示すような単一の積層材料ブロック１０００を用意して、これに対してエッチングなどの加工処理を施すことにより製造することができるので、量産化に適していることは既に述べたとおりである。
【０２０４】
ここで、主発電構造体ＭＧＳを構成する３層構造のうち、主発電第１層１００としては、発電動作を行わせるために圧電素子を用いる必要がある。また、主発電第２層２００としては、シリコン基板を用いるのが適しており、主発電第３層３００としては、金属基板を用いるのが適している。これは、前述したとおり、圧電素子の支持層としてはシリコン基板が最適であり、共振周波数を１０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲にするためには、重錘体を金属基板によって構成するのが最適であるためである。
【０２０５】
特に、量産性を考慮すると、図２１に示す積層材料ブロック１０００を用意する段階において、材料第２層１００２をシリコン基板によって構成し、その上面に下層電極Ｅ０となるべき金属層を形成し、その上面に圧電材料層を成膜し、更にその上面に上層電極Ｅ１〜Ｅ４となるべき金属層を形成することにより、材料第１層１００１を形成し、これを金属基板からなる材料第３層１００３の上面に接合するのが好ましい。
【０２０６】
しかしながら、現在のところ、シリコン基板上に圧電素子を形成する処理工程には、高度な設備が必要になり、多大なコストがかかる。実際、現在の技術では、シリコン基板上に圧電素子を形成する処理工程には、当該シリコン基板の材料価格の１０倍以上の費用がかかる。したがって、図２１に示す積層材料ブロック１０００を利用して、図１８に示す発電素子ＰＧＥを製造するプロセスは効率的に行うことができたとしても、積層材料ブロック１０００の調達コストは比較的高価にならざるを得ない。
【０２０７】
実際、発電素子ＰＧＥの発電機能に直接関与する圧電素子は、板状橋梁部２１０の上面に形成された部分のみであり、それ以外の領域に圧電素子を形成する必要はない。特に、台座４００に形成された圧電素子は無駄であり、そもそも台座４００にシリコン基板を用いる必要は全くない。そこでここでは、シリコン基板およびその上面に形成される圧電素子の平面的なサイズを大幅に削減し、製造コストの低減を図ることができる変形例を述べる。
【０２０８】
図２８は、図１に示す主発電構造体ＭＧＳの第４の変形例Ｄに用いる主発電部品７００ｄを示す図であり、図２８(a) はその上面図、図２８(b) はこれを切断線ｂ−ｂに沿って切断した正断面図である。図２８(a) において、括弧書きの符号は、各層の構成要素を示している。ここで述べる第４の変形例Ｄは、原理的には、これまで述べてきた基本的実施形態と全く同じであるが、具体的な部品構成が若干異なっている。図２８に示す主発電部品７００ｄは、これまで述べてきた基本的実施形態における主発電構造体ＭＧＳから、重錘体の部分を除いた部品としての役割を果たす。
【０２０９】
図２８(a) の上面図に示されているように、主発電部品７００ｄは、第１の長手方向軸Ｌ１に沿って伸びる第１部材７１０ｄと、第２の長手方向軸Ｌ２に沿って伸びる第２部材７２０ｄと、第３の長手方向軸Ｌ３に沿って伸びる第３部材７３０ｄと、によって構成されている。ここで、第１の長手方向軸Ｌ１，第２の長手方向軸Ｌ２，第３の長手方向軸Ｌ３は、いずれも同一の共通平面上に含まれ、第１の長手方向軸Ｌ１と第２の長手方向軸Ｌ２とは直交し、第１の長手方向軸Ｌ１と第３の長手方向軸Ｌ３とは直交する（第２の長手方向軸Ｌ２と第３の長手方向軸Ｌ３とは平行になる）。
【０２１０】
図２８(b) の正断面図には、第１部材７１０ｄを切断線ｂ−ｂに沿って切断した断面部分のみが示されている。図示のとおり、第１部材７１０ｄは、たとえば、シリコンからなる板状橋梁部７１２ｄの上面に、金属からなる下層電極Ｅ０を形成し、その上面に橋梁部圧電層７１１ｄを形成し、更にその上面の所定箇所に上層電極Ｅ１〜Ｅ４（図には、切断面に位置するＥ１，Ｅ２のみが現れている）を形成した構造を有しており、その層構造および各層の厚み寸法は、図７に示す実施例と同じである。したがって、この実施例の場合、第１部材７１０ｄの厚み寸法ｄ１９（板状橋梁部７１２ｄの下面から上層電極Ｅ１〜Ｅ４の上面までの寸法）は、４層の各厚みの和、すなわち、０．０１＋２．００＋０．０１＋２００．００＝２０２．０２μｍになる。
【０２１１】
図示は省略するが、第２部材７２０ｄおよび第３部材７３０ｄも同様の層構造を有している。すなわち、第２部材７２０ｄは、たとえば、シリコンからなる中央板状部７２２ｄの上面に、金属からなる下層電極Ｅ０を形成し、その上面に中央圧電層７２１ｄを形成した構造を有し、第３部材７３０ｄは、たとえば、シリコンからなる台座接続部７３２ｄの上面に、金属からなる下層電極Ｅ０を形成し、その上面に接続部圧電層７３１ｄを形成し、更にその上面の所定箇所にボンディングパッドＢ（図示の例では、５箇所に設けられている）を形成した構造を有している。
【０２１２】
ここで、第３部材７３０ｄの厚みは、第１部材７１０ｄの厚みと同じ寸法ｄ１９である（ボンディングパッドＢの厚みを上層電極Ｅ１〜Ｅ４の厚みと同じに設定したため）。一方、図示の実施例の場合、第２部材７２０ｄの上面には、上層電極Ｅ１〜Ｅ４やボンディングパッドＢは形成されていない。そのため、第２部材７２０ｄの厚みは、寸法ｄ１９より若干小さくなる。なお、５組のボンディングパッドＢと各電極Ｅ０〜Ｅ４との間には配線（図示省略）がなされている。各ボンディングパッドＢに対しては、発電回路５００からの配線がなされることになる。
【０２１３】
この第４の変形例Ｄにおいても、４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、第１部材７１０ｄの図の上端近傍の左右両脇位置と第１部材７１０ｄの図の下端近傍の左右両脇位置に形成されており、いずれも応力が集中する領域に配置されている。なお、図１３〜図１５に示す応力分布図を見れば、図２８に示す上層電極Ｅ１，Ｅ２の図面における上端位置は、第１部材７１０ｄと第２部材７２０ｄとの境界線を越えて、若干図の上方（第２部材７２０ｄの領域）に伸びていてもよいことがわかる。同様に、図２８に示す上層電極Ｅ３，Ｅ４の図面における下端位置は、第１部材７１０ｄと第３部材７３０ｄとの境界線を越えて、若干図の下方（第３部材７３０ｄの領域）に伸びていてもよいことがわかる。
【０２１４】
一方、図２９は、この第４の変形例Ｄに用いる重錘体３００ｄを示す上面図である。この重錘体３００ｄは、図４に示す重錘体３００（主発電第３層）と同様に、金属，ガラス，セラミックスなどの材料によって構成され、中央重錘部３２０ｄ，左翼重錘部３３０ｄ，右翼重錘部３４０ｄという３つの部分を有する「コ」の字状の構成要素であり、空洞部３１０ｄを有する。もちろん、重錘体３００ｄの厚みは、図２８に示す第１部材７１０ｄに撓みを生じさせるための十分な質量が得られる寸法に設定される。図示の実施例の場合、中央重錘部３２０ｄの上面に長方形状の嵌合溝３２５ｄが形成されている。この嵌合溝３２５ｄは、後述するように、図２８に示す主発電部品７００ｄの第２部材７２０ｄを嵌合させて固定するためのものであり、その深さの寸法は、第２部材７２０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されている。
【０２１５】
図３０は、この第４の変形例Ｄに用いる台座４００ｄを示す上面図である。この台座４００ｄは、図１７に示す台座４００と同様に、第１壁部４１０ｄ，第２壁部４２０ｄ，第３壁部４３０ｄ，第４壁部４４０ｄを有する長方形状の構成要素である。ただ、台座４００が図１８に示すような３層構造体（主発電構造体ＭＧＳと同様の層構造をもつ）によって構成されていたのに対し、図３０に示す台座４００ｄは、そのような３層構造をもつ必要はなく、たとえば、金属などの材料からなる単層構造体でかまわない。これは、ここに示す第４の変形例Ｄの場合、台座４００ｄが、図２８に示す主発電部品７００ｄとは全く別個独立したプロセスで製造されるためである。
【０２１６】
なお、図示の実施例の場合、第４壁部４４０ｄの上面中央部に、長方形上の嵌合溝４４５ｄが形成されている。この嵌合溝４４５ｄは、後述するように、図２８に示す主発電部品７００ｄの第３部材７３０ｄを嵌合させて固定するためのものであり、その深さの寸法は、第３部材７３０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されている。
【０２１７】
図３１は、この第４の変形例Ｄに係る発電素子ＰＧＥｄの全体構成を示す上面図である（ただし、発電回路５００を除いた発電素子用構造体の部分のみが示され、発電回路５００は図示されていない）。この発電素子ＰＧＥｄは、図３０に示す台座４００ｄに、図２８に示す主発電部品７００ｄおよび図２９に示す重錘体３００ｄを取り付けることにより構成される。
【０２１８】
具体的には、図２８に示す主発電部品７００ｄの第２部材７２０ｄを、図２９に示す「コ」の字状の重錘体３００ｄの中央重錘部３２０ｄに設けられた嵌合溝３２５ｄに嵌め込み、第２部材７２０ｄの下面を嵌合溝３２５ｄの底面に接着する。同様に、この主発電部品７００ｄの第３部材７３０ｄを、図３０に示す台座４００ｄの第４壁部４４０ｄに設けられた嵌合溝４４５ｄに嵌め込み、第３部材７３０ｄの下面を嵌合溝４４５ｄの底面に接着する。そうすれば、図３１に示す発電素子ＰＧＥｄが完成する（実際には、図示されていない発電回路５００とボンディングパッドＢとの間に配線を行う必要がある。）。
【０２１９】
結局、図３１に示す発電素子ＰＧＥｄも、矩形状の台座４００ｄの内部に主発電構造体ＭＧＳｄを収容した構成を採り、主発電構造体ＭＧＳｄが３層構造体からなる点については、図１７に示す基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥと同様である。ただ、図２８に括弧書きの符号で示すとおり、主発電構造体ＭＧＳｄを構成する主発電第２層が、板状橋梁部７１２ｄの根端部に接続された台座接続部７３２ｄを更に有している。この台座接続部７３２ｄは、第１の長手方向軸Ｌ１（基本的実施形態におけるＹ軸）と交差する第３の長手方向軸Ｌ３（基本的実施形態におけるＸ軸に平行な軸）を配置軸として、当該配置軸上に配置され、当該配置軸に沿って伸びる部材である。
【０２２０】
図２９に示すとおり、重錘体３００ｄの所定箇所の上面には、中央板状部７２２ｄ（第２部材７２０ｄ）を嵌合させてその下面を接着するための嵌合溝３２５ｄが形成されており、中央板状部７２２ｄが嵌合溝３２５ｄに嵌合した状態で固定される。同様に、図３０に示すとおり、台座４００ｄの所定箇所の上面には、台座接続部７３２ｄ（第３部材７３０ｄ）を嵌合させてその下面を接着するための嵌合溝４４５ｄが形成されており、台座接続部７３２ｄが嵌合溝４４５ｄに嵌合した状態で固定される。
【０２２１】
なお、図３１に示すとおり、ここに示す実施例の場合、嵌合溝３２５ｄの平面形状は第２部材７２０ｄの平面形状より若干大きくなるように設計されており、第２部材７２０ｄが嵌合溝３２５ｄ内に余裕をもって嵌合する。一方、嵌合溝４４５ｄの平面形状は第３部材７３０ｄの平面形状に一致するように設計されており、第３部材７３０ｄが嵌合溝４４５ｄ内にぴったり嵌合する形態になっている。もちろん、各嵌合溝３２５ｄ，４４５ｄとそこに嵌合させる部材７２０ｄ，７３０ｄとの平面形状の関係は、必ずしもこの実施例のようにする必要はない。いずれの場合も、溝内に余裕をもって嵌合させるように設計してもよいし、ぴったり嵌合させるように設計してもよい。
【０２２２】
これに対して、各嵌合溝３２５ｄ，４４５ｄの深さとそこに嵌合させる部材７２０ｄ，７３０ｄの厚みとの関係は、前者の寸法の方が後者の寸法よりも大きくなるように、すなわち、嵌合溝が部材の厚みより深くなるように設計するのが好ましい。これは、主発電部品７００ｄを破損から保護するための配慮である。主発電部品７００ｄは、たとえば、シリコン基板，圧電素子層，電極を含む部品であるため、重錘体３００ｄや台座４００ｄに比べて破損しやすい部品である。そこで、部材７２０ｄ，７３０ｄが、嵌合溝３２５ｄ，４４５ｄの内部に完全に埋め込まれるようにすれば、主発電部品７００ｄが何らかの別部材と接触して破損する可能性を低減することができる。
【０２２３】
図３１に示す実施例の場合、嵌合溝３２５ｄの深さ寸法は、第２部材７２０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されているため、第２部材７２０ｄの上面は、中央重錘部３２０ｄの上面よりも下方（図の奥方向）に位置し、第２部材７２０ｄは重錘体３００ｄの内部に完全に埋め込まれており、外部部材との接触から保護される状態になっている。同様に、嵌合溝４４５ｄの深さ寸法は、第３部材７３０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されているため、第３部材７３０ｄの上面（ボンディングパッドＢを含めた上面）は、第４壁部４４０ｄの上面よりも下方（図の奥方向）に位置し、第３部材７３０ｄは台座４００ｄの内部に完全に埋め込まれており、外部部材との接触から保護されている状態になっている。このような構成を採れば、過度の加速度が加わり、各部が大きく変位する事態が生じても、主発電部品７００ｄが何らかの別部材と接触して破損することを防止できる。
【０２２４】
この第４の変形例Ｄに係る発電素子ＰＧＥｄの製造プロセスは、図１７，図１８に示す基本的実施形態に係る発電素子ＰＧＥの製造プロセスとは異なり、各部品を相互に接着して組み立てる工程が必要になるが、板状橋梁部７１２ｄに連なる層をシリコンによって構成した場合でも、シリコン層およびその上面の圧電素子は、図２８に示す主発電部品７００ｄの部分にのみ形成すれば足りる。したがって、シリコン基板およびその上面に形成される圧電素子の平面的なサイズを大幅に削減し、製造コストの低減を図ることができる。
【０２２５】
また、この第４の変形例Ｄの場合、図２８に示すとおり、第１の長手方向軸Ｌ１に沿って配置された第１部材７１０ｄ（板状橋梁部７１２ｄ）と、第２の長手方向軸Ｌ２に沿って配置された第２部材７２０ｄ（中央板状部７２２ｄ）および第３の長手方向軸Ｌ３に沿って配置された第３部材７３０ｄ（台座接続部７３２ｄ）とは直交しているため、図２６に示す接続角θ１〜θ４を９０°にすることができる。したがって、板状橋梁部７１２ｄの両端部に効率的な応力を発生させ、発電効率を高めることができる。
【０２２６】
＜＜＜  §５．  本発明の基本概念  ＞＞＞
以上、§１〜§３において、本発明の基本的な実施形態を説明し、更に§４において、いくつかの変形例を述べた。もちろん、本発明の変形例は§４で述べた変形例に限定されるものではなく、同様の作用効果を奏することができる範囲で、この他にも様々な変形例を実施することが可能である。
【０２２７】
たとえば、これまで述べてきた基本的な実施形態や変形例では、主発電構造体ＭＧＳを３層構造体によって構成しているが、本発明を実施する上では、必ずしも３層構造体を用いる必要はない。たとえば、主発電第２層２００と主発電第３層３００と融合させ、板状橋梁部と重錘体とをシリコン基板等で一体に形成するようにしてもかまわない。もちろん、板状橋梁部と重錘体と台座とをシリコンなどの同一材料で一体形成することもできる。
【０２２８】
また、これまでの例では、重錘体を構成する主発電第３層３００を、板状橋梁部より下方に配置しているが、板状橋梁部の下方から上方へと連なる重錘体を設けるようにしてもかまわない。
【０２２９】
ここでは、これまで述べてきた基本的な実施形態および種々の変形例を踏まえて、本発明の基本概念を総括しておく。本発明に係る発電素子は、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発電素子であって、図１に示すように、第１の長手方向軸Ｙに沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部２１０と、この板状橋梁部２１０の根端部を支持固定する台座４００と、板状橋梁部２１０の先端部に直接もしくは間接的に接続された重錘体３００と、板状橋梁部２１０の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子１００と、この圧電素子１００に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路５００と、を備え、重錘体３００が、板状橋梁部２１０の長手方向軸Ｙに関して左脇に位置する左翼重錘部３３０と、板状橋梁部２１０の長手方向軸Ｙに関して右脇に位置する右翼重錘部３４０と、を有していればよい。
【０２３０】
ただ、より効率的な発電を行う上では、板状橋梁部２１０の先端部に重錘体支持部２２０，２３０，２４０を接続し、その下面に重錘体３００を接続するようにし、重錘体３００の重心Ｇが板状橋梁部２１０の下方に位置しているようにするのが好ましい。
【０２３１】
特に、図１に示す基本的実施形態では、重錘体支持部として、第１の長手方向軸Ｙに直交する第２の長手方向軸Ｘ′に沿って伸びる中央板状部２２０が設けられており、板状橋梁部２１０の先端部を中央板状部２２０の中央近傍に接続し、板状橋梁部２１０および中央板状部２２０によりＴ字状構造体が形成されるようにしている。そして、左翼重錘部３３０を中央板状部２２０の左側の下面に接続し、右翼重錘部３４０を中央板状部２２０の右側の下面に接続する構造を採用している。
【０２３２】
より具体的には、図１に示す基本的実施形態の場合、重錘体支持部を、第１の長手方向軸Ｙに直交する第２の長手方向軸Ｘ′に沿って伸び、中央近傍が板状橋梁部２１０の先端部に接続された中央板状部２２０と、この中央板状部２２０の左側から板状橋梁部２１０の左脇に伸びる左翼板状部２３０と、中央板状部２１０の右側から板状橋梁部２１０の右脇に伸びる右翼板状部２４０と、によって構成しており、左翼重錘部３３０を左翼板状部２３０の下面に接続し、右翼重錘部３４０を右翼板状部２４０の下面に接続する構造を採用している。また、重錘体３００には、左翼重錘部３３０と右翼重錘部３４０とを連結する中央重錘部３２０を設け、この中央重錘部３２０を中央板状部２２０の下面に接続するようにしている。
【０２３３】
このような構成を採用すると、板状橋梁部２１０の周囲を重錘体３００によって「コ」の字状に覆うような構造が実現でき、また、重錘体３００の重心Ｇを板状橋梁部２１０の下方の所定位置に置くことができる。そのため、重錘体３００の変位に基づいて板状橋梁部２１０を効率的に撓ませることができる。また、重錘体３００の周囲に何らかの変位制限壁を設けるようにすれば、重錘体３００に対して過度の変位を生じさせる外力が作用した場合にも、重錘体３００の変位を制限し、板状橋梁部２１０の破損を防止することができる。
【０２３４】
実用上は、台座４００を重錘体３００の変位を制限する変位制限壁として利用するのが好ましい。たとえば、図１７に示す実施形態の場合、板状橋梁部２１０および重錘体３００を有する主発電構造体ＭＧＳの周囲を取り囲む環状構造体をなす台座４００を用いている。そうすることにより、発電素子ＰＧＥに対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体３００の一部が環状構造体からなる台座４００の一部に接触し、それ以上の変位を制限することができる。
【０２３５】
なお、図２６に示すように、板状橋梁部２１０と中央板状部２２０とを直交させ、Ｔ字状構造体が形成されるようにすると、重錘体３００に各座標軸方向の力が作用した場合、図１３〜図１５に示すように、板状橋梁部２１０の先端部の左右両側と根端部の左右両側とに応力集中が見られる。
【０２３６】
したがって、圧電素子としては、板状橋梁部２１０の先端部近傍の左側に配置された先端部左側圧電素子Ｐ１（上層電極Ｅ１の領域に形成される圧電素子）と、板状橋梁部２１０の先端部近傍の右側に配置された先端部右側圧電素子Ｐ２（上層電極Ｅ２の領域に形成される圧電素子）と、板状橋梁部２１０の根端部近傍の左側に配置された根端部左側圧電素子Ｐ３（上層電極Ｅ３の領域に形成される圧電素子）と、板状橋梁部２１０の根端部近傍の右側に配置された根端部右側圧電素子Ｐ４（上層電極Ｅ４の領域に形成される圧電素子）と、を設けるようにすると、効率的な発電が可能になる。
【０２３７】
また、圧電素子の具体的な構造は、図１に示されているように、板状橋梁部２１０の表面に層状に形成された下層電極Ｅ０と、下層電極Ｅ０の表面に層状に形成された圧電材料層１０５と、圧電材料層１０５の表面に局在的に形成された複数の上層電極Ｅ１〜Ｅ４からなる上層電極群と、を有する積層構造を採ればよい。ここで、圧電材料層１０５は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有する材料を用いればよい。
【０２３８】
なお、図１に示す実施例の場合、圧電素子（主発電第１層１００）は、板状橋梁部２１０（主発電第２層２００）の上面に形成されているが、圧電素子は必ずしも板状橋梁部２１０の上面に形成する必要はなく、側面や下面に形成することも可能である。もちろん、上面と側面の両方に形成したり、上面，側面，下面のすべてに形成してもかまわない。板状橋梁部２１０の撓みは、上面だけでなく、側面や下面にも応力を発生させるので、側面や下面に形成された圧電素子によっても発電は可能である。
【０２３９】
要するに、圧電素子は上面，側面，下面に関わらず、板状橋梁部２１０の表面に形成されていればよい。たとえば、板状橋梁部２１０の上面から側面へと連なるように下層電極Ｅ０を形成し、この下層電極Ｅ０の表面全域に圧電材料層１０５を形成し、この圧電材料層１０５の表面の所定箇所（板状橋梁部２１０の上方だけでなく側方も含めた所定箇所）に局在的に複数の上層電極を形成するようにすれば、板状橋梁部２１０の上面だけでなく側面にも圧電素子が形成されることになる。この場合、上面に形成された圧電素子だけでなく、側面に形成された圧電素子によっても発電が可能になる。
【０２４０】
ただ、板状橋梁部２１０の上面だけでなく、側面や下面にも圧電素子を形成するためには、複雑な工程が必要になるため、製造コストは高騰せざるを得ない。したがって、実用上は、これまで述べてきた基本的実施形態やその変形例に示すように、板状橋梁部２１０の上面に圧電素子を設ける構造を採用し、コスト低減を図るのが好ましい。特に、図２１に示すような積層材料ブロック１０００を用意し、これに対して所定の加工処理を施す量産プロセスを採る場合、圧電素子は板状橋梁部２１０の上面に形成せざるを得ない。
【０２４１】
なお、図２２に示す例のように、発電素子ＰＧＥを装置筐体６００内に収容して発電装置を構成する場合には、発電素子ＰＧＥの台座４００を装置筐体６００に固定し、装置筐体６００を振動させる外力が作用したときに、発電素子ＰＧＥの重錘体３００が板状橋梁部２１０の撓みによって装置筐体６００内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路５００から取り出される電力を出力する構成を採ればよい。
【０２４２】
あるいは、図２３に示す例のように、重錘体と台座の役割を逆転させる構成を採ることも可能である。この場合は、台座４００′の底面よりも重錘体３００′の底面の方が下方に位置する発電素子ＰＧＥ′を用意し、この発電素子ＰＧＥ′の重錘体３００′を装置筐体６００に固定し、装置筐体６００を振動させる外力が作用したときに、発電素子ＰＧＥ′の台座４００′が板状橋梁部２１０の撓みによっ装置筐体６００内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路５００から取り出される電力を出力する構成を採ればよい。
【０２４３】
もちろん、図２８〜図３１に示す実施例のように、いくつかの個別部品を組み立てる方法により、発電素子ＰＧＥを構成することもできる。図２８に示す主発電部品７００ｄの場合、長手方向軸Ｌ１に沿って伸びる板状橋梁部７１２ｄの根端部に、この長手方向軸Ｌ１に直交する長手方向軸Ｌ３に沿って伸びる台座接続部７３２ｄが接続されており、この台座接続部７３２ｄを台座４００ｄに固定することにより、組み立てを行うことができるようにしている。
【符号の説明】
【０２４４】
１００：主発電第１層
１０５：圧電材料層
１１０：橋梁部圧電層
１２０：中央圧電層
１３０：左翼圧電層
１４０：右翼圧電層
２００：主発電第２層
２１０，２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ：板状橋梁部
２２０，２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ：中央板状部（重錘体支持部）
２３０，２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ：左翼板状部（重錘体支持部）
２４０，２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ：右翼板状部（重錘体支持部）
３００，３００ｄ：主発電第３層（重錘体）
３１０，３１０ｄ：空洞部
３２０，３２０ａ，３２０ｄ：中央重錘部（重錘体）
３２５ｄ：嵌合溝
３３０，３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｄ：左翼重錘部（重錘体）
３４０，３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｄ：右翼重錘部（重錘体）
４００，４００ｄ：台座
４０１：台座第１層
４０２：台座第２層
４０３：台座第３層
４１０，４１０ｄ：第１壁部
４２０，４２０ｄ：第２壁部
４３０，４３０ｄ：第３壁部
４４０，４４０ｄ：第４壁部
４４５ｄ：嵌合溝
５００：発電回路
６００：装置筐体
６１０：土台基板
６２０：上蓋基板
６３０：側壁板
７００ｄ：主発電部品
７１０ｄ：第１部材
７１１ｄ：橋梁部圧電層
７１２ｄ：板状橋梁部
７２０ｄ：第２部材
７２１ｄ：中央圧電層
７２２ｄ：中央板状部
７３０ｄ：第３部材
７３１ｄ：接続部圧電層
７３２ｄ：台座接続部
１０００：積層材料ブロック
１００１：材料第１層
１００２：材料第２層
１００３：材料第３層
Ｂ：ボンディングパッド
Ｃｆ：平滑用容量素子（コンデンサ）
Ｄ０（＋）〜Ｄ４（＋）：正電荷用整流素子（ダイオード）
Ｄ０（−）〜Ｄ４（−）：負電荷用整流素子（ダイオード）
ｄ１〜ｄ１０：各部の実寸法
ｄ１１〜ｄ１８：空隙寸法
ｄ１９：各部の実寸法
Ｅ０：下層電極
Ｅ１：先端部左側上層電極
Ｅ２：先端部右側上層電極
Ｅ３：根端部左側上層電極
Ｅ４：根端部右側上層電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
Ｇ，Ｇａ，Ｇｂ：重錘体の重心
Ｈ，Ｈ′：各部分の境界線
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：長手方向軸
Ｌ１′：長手方向軸
ＭＧＳ：主発電構造体
ＭＧＳａ：主発電構造体
ＭＧＳｂ：主発電構造体
ＭＧＳｄ：主発電構造体
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点（根端部）
Ｐ１：先端部左側圧電素子
Ｐ２：先端部右側圧電素子
Ｐ３：根端部左側圧電素子
Ｐ４：根端部右側圧電素子
ＰＧＥ，ＰＧＥ′，ＰＧＥｄ：発電素子
Ｔ，Ｔ′：先端点（先端部）
Ｘ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｘ′：Ｘ軸に平行な軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
ＺＬ：電力供給を受ける機器の負荷
θ１〜θ４：板状橋梁部の接続角
【要約】
【課題】様々な方向の振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換でき、過度の振動が加わった場合でも損傷を受けにくい発電素子を提供する。
【解決手段】第１層１００、第２層２００、第３層３００を積層した主発電構造体ＭＧＳを用意する。第２層２００は、可撓性を有する板状橋梁部２１０、中央板状部２２０、左翼板状部２３０、右翼板状部２４０を有し、その下面に「コの字」状の第３層３００（重錘体）が接合される。板状橋梁部２１０は周囲の重錘体３００によって保護される。第１層１００は、下層電極Ｅ０の上面に圧電材料層１０５を積層し、その上面に４枚の局在上層電極Ｅ１〜Ｅ４を積層した構造を有する。板状橋梁部２１０の根端部は台座４００に固定される。重錘体３００の振動は板状橋梁部２１０および橋梁部圧電層１１０に効率的に伝達され、下層電極Ｅ０と上層電極Ｅ１〜Ｅ４とに発生した電荷に基づき、発電回路５００が電力を出力する。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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