(57)【要約】      （修正有）【課題】重錘体の変位を抑制することができるとともに発電量を増大させることができる発電素子を提供する。【解決手段】発電素子１は、平面視で枠状に形成された支持枠体１０と、支持枠体の内側に設けられた振動体２０と、振動体を支持枠体に支持させる第１橋梁部３０および第２橋梁部３５と、振動体の変位時に電荷を発生させる電荷発生素子４０と、を備えている。支持枠体は、振動体に対して第１の側に配置された第１枠体部分１１と、振動体に対して第１の側とは反対の第２の側に配置された第２枠体部分１２と、を有している。第１橋梁部は、振動体と第１枠体部分とを連結し、第２橋梁部は、振動体と第２枠体部分とを連結している。【選択図】図１
2019030220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視で枠状に形成された支持枠体と、
前記支持枠体の内側に設けられた振動体と、
前記振動体を前記支持枠体に支持させる第１橋梁部および第２橋梁部と、
前記振動体の変位時に電荷を発生させる電荷発生素子と、を備え、
前記支持枠体は、前記振動体に対して第１の側に配置された第１枠体部分と、前記振動体に対して前記第１の側とは反対の第２の側に配置された第２枠体部分と、を有し、
前記第１橋梁部は、前記振動体と前記第１枠体部分とを連結し、
前記第２橋梁部は、前記振動体と前記第２枠体部分とを連結している、発電素子。
【請求項２】
前記振動体は、前記第１橋梁部に連結された第１重錘体と、前記第２橋梁部に連結された第２重錘体と、前記第１重錘体と前記第２重錘体とを連結した第３橋梁部と、を有し、
前記第１重錘体と前記第２重錘体とは、互いに離間している、請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
前記第１重錘体と前記第１橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数と、前記第２重錘体と前記第２橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数とが異なっている、請求項２に記載の発電素子。
【請求項４】
前記第１橋梁部の両側に前記第２重錘体および前記第２橋梁部がそれぞれ配置され、
前記第１橋梁部と前記第２橋梁部の各々との間に前記第３橋梁部がそれぞれ配置され,
前記第１重錘体は、前記第１橋梁部および前記第３橋梁部の各々に連結され、
前記第２重錘体は、対応する前記第２橋梁部および対応する前記第３橋梁部に連結され、
一方の前記第２重錘体と他方の前記第２重錘体は、互いに離間している、請求項２または３に記載の発電素子。
【請求項５】
前記第２橋梁部は、前記第１橋梁部に沿って延びており、
前記第３橋梁部は、前記第１橋梁部および前記第２橋梁部に沿って延びている、請求項４に記載の発電素子。
【請求項６】
一方の前記第２重錘体と対応する前記第２橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数と、他方の前記第２重錘体と対応する前記第２橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数とが同一である、請求項４または５に記載の発電素子。
【請求項７】
前記第１橋梁部から、前記第１重錘体を支持する第１重錘体支持部が延び、
前記第１重錘体の前記第１重錘体支持部の側とは反対側に、第１追加重錘体が設けられている、請求項２〜６のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項８】
前記第１追加重錘体は、前記支持枠体に当接可能に設けられた、前記第１重錘体の前記第１重錘体支持部の側への変位を規制する第１ストッパー部を有し、
前記第１ストッパー部は、前記振動体がニュートラル位置にあるときに、前記支持枠体に離間している、請求項７に記載の発電素子。
【請求項９】
前記第１重錘体から前記第１枠体部分に向かう方向に直交する方向における前記第１追加重錘体の両端部に、前記第１ストッパー部がそれぞれ配置されている、請求項８に記載の発電素子。  
【請求項１０】
前記第１追加重錘体の前記第１ストッパー部は、平面視で、前記支持枠体の外縁部まで延びている、請求項９に記載の発電素子。
【請求項１１】
前記第２橋梁部から、前記第２重錘体を支持する第２重錘体支持部が延び、
前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側とは反対側に、第２追加重錘体が設けられている、請求項４〜６のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項１２】
前記第２追加重錘体は、一方の前記第２重錘体から他方の前記第２重錘体まで延びて両方の前記第２重錘体に支持されている、請求項１１に記載の発電素子。
【請求項１３】
前記第２追加重錘体は、前記支持枠体に当接可能に設けられた、前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側への変位を規制する第２ストッパー部を有し、
前記第２ストッパー部は、前記振動体がニュートラル位置にあるときに、前記支持枠体に離間している、請求項１２に記載の発電素子。
【請求項１４】
前記支持枠体は、前記第１枠体部分と前記第１橋梁部との間に介在された突出部を有し、
前記突出部は、前記第２ストッパー部が当接可能な座部を含んでいる、請求項１３に記載の発電素子。
【請求項１５】
前記第２追加重錘体は、前記支持枠体に当接可能に設けられた、前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側への変位を規制する第３ストッパー部を更に有し、
前記第３ストッパー部は、前記振動体がニュートラル位置にあるときに、前記支持枠体に離間している、請求項１３または１４に記載の発電素子。
【請求項１６】
前記第２重錘体から前記第２枠体部分に向かう方向に直交する方向における前記第２追加重錘体の両端部に、前記第３ストッパー部がそれぞれ配置されている、請求項１５に記載の発電素子。  
【請求項１７】
前記第２追加重錘体の前記第３ストッパー部は、平面視で、前記支持枠体の外縁部まで延びている、請求項１６に記載の発電素子。
【請求項１８】
前記第２橋梁部から、前記第２重錘体を支持する第２重錘体支持部が延び、
前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側とは反対側に、第２追加重錘体が設けられている、請求項２または３に記載の発電素子。
【請求項１９】
前記電荷発生素子が、下部電極層と、前記下部電極層上に設けられた圧電材料層と、前記圧電材料層上に設けられた、各々が電気的に独立した複数の上部電極層と、を有している、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項２０】
前記電荷発生素子により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出す発電回路を更に備えた、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
限られた資源を有効利用するために、様々な形態のエネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す技術が提案されている。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、例えば、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、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、例えば、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】
上述した特許文献１〜４に記載の発電素子においては、一端が固定された片持ち梁構造を有する橋梁部によって重錘体が支持されている。この場合、重錘体の変位を大きくすることができる。
【０００７】
しかしながら、橋梁部の塑性変形や破損を防止するために、重錘体の過大な変位が規制されるようになっている。この場合、重錘体の変位が大きくなると、重錘体はストッパーの機能を有する部材に当接するため、重錘体が受けた力が当該部材に逃げてしまう。このため、橋梁部に発生する応力が小さくなり、圧電素子による発電量が小さくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、重錘体の変位を抑制することができるとともに発電量を増大させることができる発電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、
平面視で枠状に形成された支持枠体と、
前記支持枠体の内側に設けられた振動体と、
前記振動体を前記支持枠体に支持させる第１橋梁部および第２橋梁部と、
前記振動体の変位時に電荷を発生させる電荷発生素子と、を備え、
前記支持枠体は、前記振動体に対して第１の側に配置された第１枠体部分と、前記振動体に対して前記第１の側とは反対の第２の側に配置された第２枠体部分と、を有し、
前記第１橋梁部は、前記振動体と前記第１枠体部分とを連結し、
前記第２橋梁部は、前記振動体と前記第２枠体部分とを連結している、発電素子、
を提供する。
【００１０】
なお、上述した発電素子において、
前記振動体は、前記第１橋梁部に連結された第１重錘体と、前記第２橋梁部に連結された第２重錘体と、前記第１重錘体と前記第２重錘体とを連結した第３橋梁部と、を有し、
前記第１重錘体と前記第２重錘体とは、互いに離間している、
ようにしてもよい。
【００１１】
また、上述した発電素子において、
前記第１重錘体と前記第１橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数と、前記第２重錘体と前記第２橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数とが異なっている、
ようにしてもよい。
【００１２】
また、上述した発電素子において、
前記第１橋梁部の両側に前記第２重錘体および前記第２橋梁部がそれぞれ配置され、
前記第１橋梁部と前記第２橋梁部の各々との間に前記第３橋梁部がそれぞれ配置され,
前記第１重錘体は、前記第１橋梁部および前記第３橋梁部の各々に連結され、
前記第２重錘体は、対応する前記第２橋梁部および対応する前記第３橋梁部に連結され、
一方の前記第２重錘体と他方の前記第２重錘体は、互いに離間している、
ようにしてもよい。
【００１３】
また、上述した発電素子において、
前記第２橋梁部は、前記第１橋梁部に沿って延びており、
前記第３橋梁部は、前記第１橋梁部および前記第２橋梁部に沿って延びている、
ようにしてもよい。
【００１４】
また、上述した発電素子において、
一方の前記第２重錘体と対応する前記第２橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数と、他方の前記第２重錘体と対応する前記第２橋梁部とに基づいて規定される共振系の共振周波数とが同一である、
ようにしてもよい。
【００１５】
また、上述した発電素子において、
前記第１橋梁部から、前記第１重錘体を支持する第１重錘体支持部が延び、
前記第１重錘体の前記第１重錘体支持部の側とは反対側に、第１追加重錘体が設けられている、
ようにしてもよい。
【００１６】
また、上述した発電素子において、
前記第１追加重錘体は、前記支持枠体に当接可能に設けられた、前記第１重錘体の前記第１重錘体支持部の側への変位を規制する第１ストッパー部を有し、
前記第１ストッパー部は、前記振動体がニュートラル位置にあるときに、前記支持枠体に離間している、
ようにしてもよい。
【００１７】
また、上述した発電素子において、
前記第１重錘体から前記第１枠体部分に向かう方向に直交する方向における前記第１追加重錘体の両端部に、前記第１ストッパー部がそれぞれ配置されている、
ようにしてもよい。
【００１８】
また、上述した発電素子において、
前記第１追加重錘体の前記第１ストッパー部は、平面視で、前記支持枠体の外縁部まで延びている、
ようにしてもよい。
【００１９】
また、上述した発電素子において、
前記第２橋梁部から、前記第２重錘体を支持する第２重錘体支持部が延び、
前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側とは反対側に、第２追加重錘体が設けられている、
ようにしてもよい。
【００２０】
また、上述した発電素子において、
前記第２追加重錘体は、一方の前記第２重錘体から他方の前記第２重錘体まで延びて両方の前記第２重錘体に支持されている、
ようにしてもよい。
【００２１】
また、上述した発電素子において、
前記第２追加重錘体は、前記支持枠体に当接可能に設けられた、前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側への変位を規制する第２ストッパー部を有し、
前記第２ストッパー部は、前記振動体がニュートラル位置にあるときに、前記支持枠体に離間している、
ようにしてもよい。
【００２２】
また、上述した発電素子において、
前記支持枠体は、前記第１枠体部分と前記第１橋梁部との間に介在された突出部を有し、
前記突出部は、前記第２ストッパー部が当接可能な座部を含んでいる、
ようにしてもよい。
【００２３】
また、上述した発電素子において、
前記第２追加重錘体は、前記支持枠体に当接可能に設けられた、前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側への変位を規制する第３ストッパー部を更に有し、
前記第３ストッパー部は、前記振動体がニュートラル位置にあるときに、前記支持枠体に離間している、
ようにしてもよい。
【００２４】
また、上述した発電素子において、
前記第２重錘体から前記第２枠体部分に向かう方向に直交する方向における前記第２追加重錘体の両端部に、前記第３ストッパー部がそれぞれ配置されている、
ようにしてもよい。
【００２５】
また、上述した発電素子において、
前記第２追加重錘体の前記第３ストッパー部は、平面視で、前記支持枠体の外縁部まで延びている、
ようにしてもよい。
【００２６】
また、上述した発電素子において、
前記第２橋梁部から、前記第２重錘体を支持する第２重錘体支持部が延び、
前記第２重錘体の前記第２重錘体支持部の側とは反対側に、第２追加重錘体が設けられている、
ようにしてもよい。
【００２７】
また、上述した発電素子において、
前記電荷発生素子が、下部電極層と、前記下部電極層上に設けられた圧電材料層と、前記圧電材料層上に設けられた、各々が電気的に独立した複数の上部電極層と、を有している、
ようにしてもよい。
【００２８】
また、上述した発電素子において、
前記電荷発生素子により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出す発電回路を更に備える、
ようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、重錘体の変位を抑制することができるとともに発電量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における発電素子の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、図１に示す発電素子の製造方法において、発電素子を製造するために用いられるＳＯＩ基板を示す断面図である。
【図４】図４は、図１に示す発電素子の製造方法において、図３に示すＳＯＩ基板をエッチングして得られた発電素子の断面図である。
【図５】図５は、筐体を備えた図１の発電素子を示す断面図である。
【図６】図６は、外装パッケージを備えた図５の発電素子を示す断面図である。
【図７】図７は、図１の比較例としての発電素子の全体構成を示す斜視図である。
【図８】図８は、図７に示す発電素子の第２橋梁部の撓み状態を示す概念図である。
【図９】図９は、図１における発電素子の第１橋梁部および第２橋梁部の撓み状態を示す概念図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態における発電素子を示す上面図である。
【図１１】図１１は、図１０のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２】図１２は、図１０のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１３】図１３は、図１０のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１４】図１４は、図１０の発電素子の各橋梁部上に設けられた上部電極層の配置の一例を示す平面図である。
【図１５】図１５は、図１０の発電素子の発電回路の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、筐体を備えた図１０の発電素子を示す断面図であって、図１０のＢ−Ｂ線断面とＤ−Ｄ線断面とを組み合わせた断面に相当する図である。
【図１７】図１７は、図１０に示す圧電素子の上部電極の他の例を示す平面図である。
【図１８】図１８は、図１０に示す圧電素子の上部電極の他の例を示す平面図である。
【図１９】図１９は、本発明の第３の実施の形態における発電素子の全体構成を示す上面図である。
【図２０】図２０は、図１９に示す発電素子の下面図である。
【図２１】図２１は、図１９のＥ−Ｅ線断面図である。
【図２２】図２２は、図１９のＦ−Ｆ線断面図である。
【図２３】図２３は、本発明の第４の実施の形態における発電素子の全体構成を示す上面図である。
【図２４】図２４は、図２３に示す発電素子の下面図である。
【図２５】図２５は、図２３に示す発電素子のＧ−Ｇ線断面図である。
【図２６】図２６は、図２３に示す発電素子のＨ−Ｈ線断面図である。
【図２７】図２７は、図２２に示す発電素子において、Ｘ軸方向の振動加速度が加えられた場合のＸ軸方向応力の分布を示す図である。
【図２８】図２８は、図２２に示す発電素子において、Ｙ軸方向の振動加速度が加えられた場合のＸ軸方向応力の分布を示す図である。
【図２９】図２９は、図２２に示す発電素子において、Ｚ軸方向の振動加速度が加えられた場合のＸ軸方向応力の分布を示す図である。
【図３０】図３０は、図２２に示す発電素子において、応力の測定点を示す斜視図である。
【図３１】図３１は、Ｘ軸方向に加えられた振動加速度の周波数と、図３０に示す測定点で発生する応力との関係を示すグラフである。
【図３２】図３２は、Ｙ軸方向に加えられた振動加速度の周波数と、図３０に示す測定点で発生する応力との関係を示すグラフである。
【図３３】図３３は、Ｚ軸方向に加えられた振動加速度の周波数と、図３０に示す測定点で発生する応力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００３２】
（第１の実施の形態）
図１〜図９を用いて、本発明の第１の実施の形態における発電素子について説明する。本実施の形態における発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う素子である。
【００３３】
図１に、本発明の第１の実施の形態における発電素子の全体構成を斜視図で示し、図２に、図１のＡ−Ａ線断面図を示す。図１および図２に示すように、本実施の形態による発電素子１は、枠状に形成された支持枠体１０と、支持枠体１０の内側に設けられた振動体２０と、振動体２０を支持枠体１０に支持させる第１橋梁部３０および第２橋梁部３５と、を備えている。このうち、支持枠体１０は、平面視で矩形枠状に形成されている。そして支持枠体１０は、振動体２０に対して第１の側（Ｘ軸正側）に配置された第１枠体部分１１と、振動体２０に対して第１の側とは反対の第２の側（Ｘ軸負側）に配置された第２枠体部分１２と、を有している。ここで平面視とは、図１に示すＺ軸方向において見た状態であって、発電素子１を図２に示す姿勢にしたときに上方から見た状態を意味する。また、説明を明瞭にするために、図１に示すようにＸＹＺ座標系を定義し、Ｚ軸方向が上下方向となるように発電素子１を配置した状態で以下の説明を行う。このため、本実施の形態における発電素子１は、Ｚ軸方向を上下方向とした姿勢で使用されることに限られることはない。
【００３４】
第１橋梁部３０は、振動体２０の後述する重錘体２１に対して支持枠体１０の第１枠体部分１１の側に配置されており、重錘体２１と第１枠体部分１１とを連結している。より具体的には、第１橋梁部３０のＸ軸正側端部３１（根端部）が、第１枠体部分１１に連結され、第１橋梁部３０のＸ軸負側端部３２（先端部）が、重錘体２１に連結されている。このようにして、第１橋梁部３０は、重錘体２１と第１枠体部分１１との間でＸ軸方向に直線状に延びており、重錘体２１を第１枠体部分１１に支持させている。なお、Ｘ軸正側とは、図１に記されたＸ軸を示す矢印の向く方向を意味し、Ｘ軸負側とは、Ｘ軸正側とは反対を向く方向を意味するものとして用いている。後述するＹ軸正側、Ｙ軸負側、Ｚ軸正側、Ｚ軸負側についても同様である。
【００３５】
第２橋梁部３５は、重錘体２１に対して支持枠体１０の第２枠体部分１２の側に配置されており、重錘体２１と第２枠体部分１２とを連結している。より具体的には、第２橋梁部３５のＸ軸正側端部３６（先端部）が、重錘体２１に連結され、第２橋梁部３５のＸ軸負側端部３７（根端部）が、第２枠体部分１２に連結されている。このようにして、第２橋梁部３５は、重錘体２１と第２枠体部分１２との間で、第１橋梁部３０にＸ軸方向に直線状に延びており、第２橋梁部３５は、重錘体２１を第２枠体部分１２に支持させている。
【００３６】
第１橋梁部３０および第２橋梁部３５は、Ｘ軸方向に沿って整列しており、一直線上に配置されている。すなわち、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５は、重錘体２１のＹ軸方向に延びる中心軸線ＬＹを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成されている。このようにして、本実施の形態による発電素子１は、両持ち梁構造を有するようになっている。
【００３７】
本実施の形態による振動体２０は、直方体状に形成された重錘体２１と、重錘体２１の上面（Ｚ軸正側の面）に設けられた重錘体支持部２２と、を有している。このうち重錘体支持部２２は、第１橋梁部３０から重錘体２１の上面に延びており、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に一体に連続して形成されている。重錘体支持部２２は、重錘体２１の上面の全体に形成されており、重錘体２１は、重錘体支持部２２の下面（Ｚ軸負側の面）に接合されて、重錘体支持部２２に支持されている。このような構成により、重錘体２１は、重錘体支持部２２を介して第１橋梁部３０のＸ軸負側端部３２および第２橋梁部３５のＸ軸正側端部３６に連結され、重錘体支持部２２を介して各橋梁部３０、３５に支持されている。
【００３８】
重錘体２１の下面は、図２に示すように、支持枠体１０の下面よりも上方に位置付けられている。重錘体２１は、後述する筐体１５の底板１７に当接するまで、下方（Ｚ軸負側）に変位可能になっている。
【００３９】
また、支持枠体１０の上面には、橋梁支持部１３が設けられている。この橋梁支持部１３は、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に一体に連続して形成されており、支持枠体１０の上面の全体に形成されている。橋梁支持部１３は、支持枠体１０の上面に接合されており、各橋梁部３０、３５は、橋梁支持部１３を介して支持枠体１０に支持されている。
【００４０】
図１に示すように、本実施の形態による発電素子１は、振動体２０の変位時に電荷を発生させる圧電素子４０（電荷発生素子）を更に備えている。圧電素子４０は、図１および図２に示すように、各橋梁部３０、３５上に設けられた下部電極層４１と、下部電極層４１上に設けられた圧電材料層４２と、圧電材料層４２上に設けられた複数の上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２と、を含んでいる。すなわち圧電材料層４２が、下部電極層４１と上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２との間に設けられている。本実施の形態では、下部電極層４１は、第１橋梁部３０の上面の全体、重錘体支持部２２の上面の全体、第２橋梁部３５の上面の全体および橋梁支持部１３の上面全体に設けられており、一体に形成されている。なお、橋梁支持部１３の上面には、下部電極層４１は設けられていなくてもよい。圧電材料層４２は、下部電極層４１の上面の全体に設けられている。図１では、図面を簡略化するために、下部電極層４１および圧電材料層４２は省略している。
【００４１】
上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２は、各橋梁部３０、３５のうち重錘体２１の変位時に応力が発生する位置（橋梁部自体が変形する位置）に配置されていることが好適である。図１に示す形態では、第１橋梁部３０の上方（Ｚ軸正側）に２つの上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２が配置されており、Ｘ軸方向において互いに異なる位置に２つの上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２が配置されている。第２橋梁部３５の上方には２つの上部電極層Ｅ２１、Ｅ２２が配置されており、Ｘ軸方向において互いに異なる位置に２つの上部電極層Ｅ２１、Ｅ２２が配置されている。これら４つの上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２は、電気的に互いに独立している。しかしながら、各橋梁部３０、３５に配置される上部電極層の個数や配置などは、任意であり、後述する図１４に示すように、各橋梁部３０、３５の上方に４つの上部電極層が設けられるようにしてもよい。また、後述する図１７に示すように、圧縮応力と引張応力とを同時に受けることによって電荷がキャンセルされることを回避できれば、各橋梁部３０、３５の上方に２つの上部電極層Ｅ１１’ 、Ｅ１２’が設けられ、上部電極層Ｅ１１’ 、Ｅ１２’がＹ軸方向において互いに異なる位置に配置されるようにしてもよい。さらに、後述する図１８に示すように、圧縮応力と引張応力とを同時に受けることによって電荷がキャンセルされることを回避できれば、各橋梁部３０、３５の上方に１つの上部電極層Ｅ１が配置されるようにしてもよい。
【００４２】
図３に、図１に示す発電素子の製造方法において、発電素子を製造するために用いられるＳＯＩ基板の断面図を示す。発電素子１は、例えば、図３に示すＳＯＩ基板５０をエッチング処理することにより製造することができる。ＳＯＩ基板５０は、シリコンベース層５１と、シリコンベース層５１上に設けられた酸化シリコン層５２と、酸化シリコン層５２上に設けられたシリコン活性層５３と、を備えており、３層構造を有する積層基板になっている。このようなＳＯＩ基板５０は、様々な半導体デバイスを製造するための材料として用いられている。各層の厚みは特に限られることはないが、例えば、シリコンベース層５１の厚みは、６２５〜７２５μｍであり、酸化シリコン層５２の厚みは、１μｍであり、シリコン活性層５３の厚みは１０〜１５μｍである。
【００４３】
エッチング処理時には、ＳＯＩ基板５０の上方からのエッチングにより、シリコン活性層５３が、第１橋梁部３０、第２橋梁部３５、重錘体支持部２２および橋梁支持部１３を形成する部分が残存するように、不要な部分がエッチングによって除去される。この際、酸化シリコン層５２はエッチングストッパーとして機能する。
【００４４】
また、ＳＯＩ基板５０の下方からのエッチングにより、シリコンベース層５１が、支持枠体１０および重錘体２１を形成する部分が残存するように、不要な部分がエッチングによって除去される。この際においても、酸化シリコン層５２はエッチングストッパーとして機能する。また、シリコンベース層５１のうち重錘体２１を形成する部分においては、シリコンベース層５１を部分的にエッチングする（ハーフエッチングする）ことが好ましい。このことにより、重錘体２１の下面を、支持枠体１０の下面よりも上方に位置づけることができる。
【００４５】
次に、シリコン活性層５３およびシリコンベース層５１のエッチングにより酸化シリコン層５２の露出された部分がエッチングで除去される。このようにして、図４に示すような、発電素子１の構造が得られる。図４は、図１に示す発電素子の製造方法において、図３に示すＳＯＩ基板をエッチングして得られた発電素子の断面図を示している。ここでは、支持枠体１０および重錘体２１が、シリコンベース層５１および酸化シリコン層５２によってそれぞれ形成されている。第１橋梁部３０、第２橋梁部３５、重錘体支持部２２および橋梁支持部１３は、シリコン活性層５３によって形成されているが、シリコン活性層５３と酸化シリコン層５２とによって形成されるようにしてもよい。
【００４６】
その後、シリコン活性層５３上に、圧電素子４０を構成する下部電極層４１、圧電材料層４２および上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２が、この順番で形成される。このようにして、本実施の形態による発電素子１を製造することができる。なお、発電素子１の製造方法は、上述した方法に限られることはない。
【００４７】
図１に示すように、本実施の形態による発電素子１は、発電回路５５を更に備えている。この発電回路５５は、圧電素子４０により発生した電荷に基づく電流を整流して電力を取り出して、負荷ＺＬ（図１５参照）に供給するように構成されている。発電回路５５は、後述する図１５に示すように、整流素子（ダイオード）、平滑用の容量素子（コンデンサ）を用いて構成することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００４８】
図５に、筐体１５を備えた図１の発電素子１の断面図を示す。上述した支持枠体１０は、筐体１５の一部を構成する部材になっている。すなわち、筐体１５は、支持枠体１０と、支持枠体１０の上方に設けられた凹状の天板１６と、支持枠体１０の下方に設けられた凹状の底板１７と、を有している。天板１６および底板１７は、支持枠体１０とは別個に作製されており、天板１６は、上述した橋梁支持部１３、下部電極層４１および圧電材料層４２を介して支持枠体１０の上面に接合され、底板１７は、支持枠体１０の下面に接合されている。このような構成の筐体１５に、第１橋梁部３０、第２橋梁部３５および重錘体２１が収容されている。
【００４９】
筐体１５の天板１６は、支持枠体１０の内側の領域を上方から覆うように形成されている。天板１６は、重錘体２１が重錘体支持部２２を介して当接可能に構成されており、重錘体２１の上方への変位を規制するストッパーとしての機能を有している。重錘体２１がニュートラル位置にあるときには天板１６は重錘体支持部２２に所定の距離ｄ１を隔てて離間しており、重錘体２１は、重錘体支持部２２が天板１６に当接するまで上方へ変位可能になっている。ここで、ニュートラル位置とは、重錘体に重力を含む加速度が加えられていない状態、すなわち、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５が撓んでいない場合における重錘体２１の位置を意味している。
【００５０】
筐体１５の底板１７は、支持枠体１０の内側の領域を下方から覆うように形成されている。底板１７は、重錘体２１が当接可能に構成されており、重錘体２１の下方への変位を規制するストッパーとしての機能を有している。重錘体２１がニュートラル位置にあるときには、底板１７は重錘体２１に所定の距離ｄ２を隔てて離間しており、重錘体２１は、底板１７に当接するまで下方へ変位可能になっている。
【００５１】
図６に、外装パッケージ６０を備えた図５の発電素子１の断面図を示す。図６に示す発電素子１では、筐体１５が、外装パッケージ６０に収容されている。上述した発電回路５５は、この外装パッケージ６０に設けられていることが好適である。この場合、筐体１５に設けられたボンディングパッド１８と、外装パッケージ６０に設けられたボンディングパッド６１とが、ボンディングワイヤ６２で接続される。ここで、筐体１５には、上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２の個数と下部電極層４１の個数を合計した個数のボンディングパッドが設けられている。外装パッケージ６０にも、筐体１５に設けられたボンディングパッド１８の個数と同数のボンディングパッド６１が設けられている。外装パッケージ６０の内部空間は、空洞であってもよく、または樹脂等で充填されていてもよい。
【００５２】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００５３】
図１に示す発電素子１に上下方向（Ｚ方向）の外部振動が与えられると、重錘体２１に上下方向の加速度が加わり、重錘体２１が重錘体支持部２２とともに上下方向に変位し、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５が撓んで変形する。加速度が大きい場合には、重錘体２１が重錘体支持部２２を介して天板１６に当接したり、底板１７に当接したりする。このようにして、重錘体２１の上下方向の変位が規制され、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５の塑性変形や破損の防止が図られている。
【００５４】
第１橋梁部３０および第２橋梁部３５が撓んでいる間、各橋梁部３０、３５には応力が発生する。応力が発生すると、圧電材料層４２のうち各橋梁部３０、３５の上方に配置された部分において、発生した応力に相応する電荷が発生する。
【００５５】
ここで、図７に示す片持ち梁構造を有する発電素子１００との違いについて図７〜図９を用いて説明する。図７は、比較例としての発電素子の全体構成を示す斜視図である。図７に示す発電素子１００は、図１に示す発電素子１に対して、第１橋梁部３０が取り除かれて、重錘体２１が第２橋梁部３５によって支持された片持ち梁構造を有している。図７に示す発電素子１００の重錘体２１が下方に変位した場合の第２橋梁部３５の撓みの状態を、図８に簡略化したモデルで示す。図１に示す発電素子１の重錘体２１が下方に変位した場合の第１橋梁部３０および第２橋梁部３５の撓みの状態を、図９に簡略化したモデルで示す。
【００５６】
図７に示す発電素子１００の重錘体２１は、１つの橋梁部（第２橋梁部３５）によって支持枠体１０に支持されているため、図８に示すように、重錘体２１の変位δＯは比較的大きくなる。一方、重錘体２１の下方への変位は、上述したように筐体１５の底板１７によって規制されている。このことにより、重錘体２１の変位が小さい場合には、重錘体２１は底板１７に当接することはないが、重錘体２１が受けた力が大きくなると重錘体２１は底板１７に当接する。すなわち、片持ち梁構造のために重錘体２１が変位しやすくなっており、その結果として、加速度がそれほど大きくなくても重錘体２１が底板１７に当接しやすくなっている。この場合、重錘体２１が受けた力が底板１７に逃げてしまい、第２橋梁部３５に発生する応力が低減する。このため、重錘体２１に与えられた振動エネルギーの一部が喪失されて、圧電素子４０から発生する電荷が低減するという問題がある。
【００５７】
これに対して図１に示す発電素子１の重錘体２１は、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５によって支持枠体１０に支持されているため、図９に示すように、重錘体２１の変位δを小さくすることができる。すなわち、図８に示す重錘体２１に加えられる加速度と、図９に示す重錘体２１に加えられる加速度が同一の場合であっても、図９に示す重錘体２１の方が変位を小さくすることができる。このことにより、重錘体２１が筐体１５の底板１７に当接することなく変位可能な加速度範囲を、拡大することができ、より広い加速度範囲で重錘体２１が底板１７に当接することを回避できる。このため、重錘体２１が受けた力が底板１７に逃げることを抑制し、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に発生する応力を増大させることができる。この結果、重錘体２１に与ええられる振動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換させることができ、圧電素子４０から発生する電荷を増大させることができる。
【００５８】
発生した電荷は、圧電素子４０の上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２から発電回路５５（図１５参照）に供給され、発電回路５５によって平滑化される。平滑化された電力は、負荷ＺＬに供給される。より具体的には、第１橋梁部３０に発生した応力によって上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２において電荷が発生する。図９に示すように、上部電極層Ｅ１１は、第１橋梁部３０のうち圧縮応力が発生する位置に配置されており、上部電極層Ｅ１２は、第１橋梁部３０のうち引張応力が発生する位置に配置されている。このため、１つの上部電極層が圧縮応力と引張応力とを同時に受けることによって電荷がキャンセルされることを回避でき、第１橋梁部３０の応力から効率良く電荷を発生させることができる。同様に、第２橋梁部３５に発生した応力によって、上部電極層Ｅ２１、Ｅ２２において効率良く電荷を発生させることができる。
【００５９】
ところで、本実施の形態による発電素子１が発電可能な外部振動の振動方向は、上下方向（Ｚ軸方向）に限られることはなく、３軸発電を行うことが可能になっている。
【００６０】
例えば、Ｘ軸方向への外部振動が加えられた場合には、重錘体２１が、ＸＺ平面において回動するようになる。例えば、重錘体２１にＸ軸正側への加速度が加えられる場合には、重錘体２１の下端部がＸ軸正側に振れるように重錘体２１は回動する。このことにより、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に撓みが生じ、応力が発生して、圧電素子４０から電荷を発生させることができる。Ｘ軸方向の外部振動が加えられる場合には、図１に示すように上部電極層Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ２１、Ｅ２２を配置することで、効率良く電荷を発生させることができる。
【００６１】
また、Ｙ軸方向への外部振動が加えられる場合には、重錘体２１が、ＹＺ平面において回動するようになる。例えば、重錘体２１にＹ軸正側への加速度が加えられた場合には、重錘体２１の下端部がＹ軸正側に振れるように重錘体２１は回動する。このことにより、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に撓みが生じ、応力が発生して、圧電素子４０から電荷を発生させることができる。Ｙ軸方向の外部振動が加えられる場合には、後述する図１４に示すように、各橋梁部３０、３５の上方に４つの上部電極層がそれぞれ配置されることが好ましい。このことにより、各橋梁部３０、３５で発生する応力によって、効率良く電荷を発生させることができる。
【００６２】
このようにＸ軸方向およびＹ軸方向への外部振動が加えられた場合においても、重錘体２１が第１橋梁部３０および第２橋梁部３５によって支持枠体１０に支持されているため、重錘体２１の変位を小さくすることができる。
【００６３】
このように本実施の形態によれば、支持枠体１０の内側に設けられた重錘体２１が、支持枠体１０の第１枠体部分１１に第１橋梁部３０によって支持されるとともに、支持枠体１０の第２枠体部分１２に第２橋梁部３５によって支持されている。このことにより、外部振動が加えられた場合の重錘体２１の変位量を抑制することができ、より広い加速度範囲で、重錘体２１が筐体１５の天板１６や底板１７に当接することを回避できる。このため、重錘体２１が受けた力が天板１６や底板１７に逃げることを抑制し、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に発生する応力を増大させて、圧電素子４０から発生する電荷を増大させることができる。この結果、重錘体２１の変位を抑制することができるとともに発電量を増大させることができる。
【００６４】
また、本実施の形態によれば、重錘体２１が第１橋梁部３０および第２橋梁部３５によって支持されているため、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に反りが発生することを抑制できる。ここで、図７に示すように、発電素子１００が片持ち梁構造を有する場合には、第２橋梁部３５上に下部電極層４１、圧電材料層４２および上部電極層Ｅ２１、Ｅ２２が積層されているために、各層の線膨張係数の相違によって第１橋梁部３０に反りが発生し得る。第２橋梁部３５のＸ軸正側端部３６は自由端になっていることから、この反りは大きくなる場合がある。この場合には、半導体製造装置に入らなくなり、製造工程上好ましくない。これに対して、本実施の形態による発電素子１は、両持ち梁構造を有しているため、第１橋梁部３０および第２橋梁部３５に発生する反りを低減することができ、製造上有利である。
【００６５】
なお、上述した本実施の形態においては、上部電極層が、第１橋梁部３０の上面および第２橋梁部３５の上面にそれぞれ設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、上部電極層は、第１橋梁部３０に設けられていなくてもよく、または、第２橋梁部３５に設けられていなくてもよい。
【００６６】
また、上述した本実施の形態においては、電荷発生素子として圧電素子４０を用いる例について説明した。しかしながら、振動体２０の変位時に電荷を発生させることができれば、圧電素子４０を用いることに限られることはなく、例えば、エレクトレットなどを用いてもよい。
【００６７】
（第２の実施の形態）
次に、図１０〜図１８を用いて、本発明の第２の実施の形態における発電素子について説明する。
【００６８】
図１０〜図１８に示す第２の実施の形態においては、振動体が、第１橋梁部に連結された第１重錘体と、第２橋梁部に連結された第２重錘体と、第１重錘体と第２重錘体とを連結した第３橋梁部と、を有している点が主に異なり、他の構成は、図１〜図９に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０〜図１８において、図１〜図９に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６９】
図１０に、本発明の第２の実施の形態における発電素子の上面図を示す。本実施の形態では、図１０に示すように、振動体２０は、２つの第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂと２つの第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂとによって支持枠体１０に支持されている。そして、振動体２０は、２つの第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂに連結された第１重錘体２５と、対応する第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂに連結された２つの第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと、第１重錘体２５と対応する第２重錘体２６とを連結した２つの第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂと、を有している。各第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、互いに離間しているとともに、第１重錘体２５に対しても離間している。
【００７０】
本実施の形態では、平面視で、２つの第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＹ軸方向両側に、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂがそれぞれ配置されている。各第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂは、Ｙ軸方向において、隣り合う第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂと、隣り合う第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂとの間にそれぞれ配置されている。より具体的には、一方の第１橋梁部３０ＡがＹ軸正側に配置され、他方の第１橋梁部３０ＢがＹ軸負側に配置されている。一方の第２橋梁部３５Ａが、Ｙ軸正側に配置された第１橋梁部３０ＡよりもＹ軸正側に配置されている。他方の第２橋梁部３５Ｂは、Ｙ軸負側に配置された第２橋梁部３５ＢよりもＹ軸負側に配置されている。一方の第３橋梁部７０Ａは、Ｙ軸正側に配置された第１橋梁部３０Ａと、Ｙ軸正側に配置された第２橋梁部３５Ａとの間に配置されている。他方の第３橋梁部７０Ｂは、Ｙ軸負側に配置された第１橋梁部３０Ｂと、Ｙ軸負側に配置された第２橋梁部３５Ｂとの間に配置されている。第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの各々は、隣り合う第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂから離間しているとともに、隣り合う第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂからも離間している。
【００７１】
支持枠体１０は、第１枠体部分１１と第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂとの間に介在された突出部１４を有している。突出部１４は、第１枠体部分１１から第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂに向かってＸ軸負側に突出した部分である。
【００７２】
２つの第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂは、第１重錘体２５に対して支持枠体１０の第１枠体部分１１の側に配置されており、第１重錘体２５と第１枠体部分１１とを連結している。より具体的には、第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＸ軸正側端部３１Ａ、３１Ｂが、突出部１４を介して第１枠体部分１１に連結され、第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＸ軸負側端部３２Ａ、３２Ｂが、第１重錘体２５に連結されている。第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂは、第１重錘体２５と突出部１４との間で、Ｘ軸方向に直線状に延びており、第１重錘体２５を突出部１４を介して第１枠体部分１１に支持させている。
【００７３】
第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂは、対応する第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに対して支持枠体１０の第２枠体部分１２の側に配置されており、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２枠体部分１２とを連結している。より具体的には、第２橋梁部３５Ａ、３５ＢのＸ軸正側端部３６Ａ、３６Ｂが、対応する第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに連結され、第２橋梁部３５Ａ、３５ＢのＸ軸負側端部３７Ａ、３７Ｂが、第２枠体部分１２に連結されている。第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂは、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２枠体部分１２との間で、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂに沿ってＸ軸方向に直線状に延びており、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂを第２枠体部分１２に支持させている。
【００７４】
第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂは、Ｘ軸方向において、第１重錘体２５と対応する第２重錘体２６Ａ、２６Ｂとの間に配置されており、第１重錘体２５と対応する第２重錘体２６Ａ、２６Ｂとを連結している。より具体的には、第３橋梁部７０Ａ、７０ＢのＸ軸正側端部７１Ａ、７１Ｂが、対応する第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに連結され、第３橋梁部７０Ａ、７０ＢのＸ軸負側端部７２Ａ、７２Ｂが、第１重錘体２５に連結されている。第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂは、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂに沿ってＸ軸方向に直線状に延びている。第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂは、互いに平行になっている。
【００７５】
第１重錘体２５は、Ｙ軸方向に延びるように形成されており、各第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＸ軸負側端部３２Ａ、３２Ｂおよび各第３橋梁部７０Ａ、７０ＢのＸ軸負側端部７２Ａ、７２Ｂに連結されている。第１重錘体２５は、支持枠体１０から離間している。
【００７６】
第１重錘体２５の上面には、第１重錘体支持部２７が設けられている。この第１重錘体支持部２７は、各第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂから第１重錘体２５の上面に延びており、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂに一体に連続して形成されている。第１重錘体支持部２７は、第１重錘体２５の上面の全体に形成されており、第１重錘体２５は、第１重錘体支持部２７の下面に接合されて、第１重錘体支持部２７に支持されている。このような構成により、第１重錘体２５は、第１重錘体支持部２７を介して第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＸ軸負側端部３２Ａ、３２Ｂおよび各第３橋梁部７０Ａ、７０ＢのＸ軸負側端部７２Ａ、７２Ｂに連結されている。このようにして、第１重錘体２５は、第１重錘体支持部２７を介して第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂに支持されている。
【００７７】
図１１に、図１０のＢ−Ｂ線断面図を示し、図１２に、図１０のＣ−Ｃ線断面図を示す。第１重錘体２５の下面は、図１１および図１２に示すように、支持枠体１０の下面よりも上方に位置付けられている。第１重錘体２５は、後述する筐体１５の底板１７に当接するまで、下方に変位可能になっている。
【００７８】
図１０に示すように、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、Ｙ軸方向に延びるように形成されており、対応する第２橋梁部３５Ａ、３５ＢのＸ軸正側端部３６Ａ、３６Ｂおよび対応する第３橋梁部７０Ａ、７０ＢのＸ軸正側端部７１Ａ、７１Ｂに連結されている。第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、支持枠体１０から離間している。
【００７９】
第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上面には、第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂが設けられている。この第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂは、対応する第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂから第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上面に延びており、対応する第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび対応する第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂに一体に連続して形成されている。第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂは、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上面の全体に形成されており、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂの下面に接合されて、第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂに支持されている。このような構成により、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂを介して、対応する第２橋梁部３５Ａ、３５ＢのＸ軸正側端部３６Ａ、３６Ｂおよび対応する第３橋梁部７０Ａ、７０ＢのＸ軸正側端部７１Ａ、７１Ｂに連結されている。このようにして、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂを介して第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂに支持されている。
【００８０】
図１３に、図１０のＤ−Ｄ線断面図を示す。第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの下面は、図１２および図１３に示すように、支持枠体１０の下面よりも上方に位置付けられている。第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、後述する筐体１５の底板１７に当接するまで、下方に変位可能になっている。
【００８１】
また、支持枠体１０の上面に設けられた橋梁支持部１３は、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂに一体に連続して形成されており、支持枠体１０の上面の全体に形成されている。橋梁支持部１３は、支持枠体１０の上面に接合されており、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂは、橋梁支持部１３を介して支持枠体１０に支持されている。
【００８２】
図１４に、図１０の発電素子の各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂ上に設けられた圧電素子の一例の平面図を示す。図１４に示すように、本実施の形態における圧電素子４０は、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂ上に設けられた下部電極層４１と、下部電極層４１上に設けられた圧電材料層４２と、圧電材料層４２上に設けられた複数の上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂと、を含んでいる。このうち下部電極層４１は、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂの上面の全体、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂの上面の全体、第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの上面の全体、第１重錘体支持部２７の上面の全体、第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂの上面の全体および橋梁支持部１３の上面の全体に設けられており、一体に形成されている。橋梁支持部１３の上面には、下部電極層４１は設けられていなくてもよい。圧電材料層４２は、下部電極層４１の上面の全体に設けられている。図面を明瞭にするために、図１０では、下部電極層４１、圧電材料層４２および上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂは省略し、図１４では、下部電極層４１および圧電材料層４２を省略している。
【００８３】
上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂは、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂのうち各重錘体２５、２６Ａ、２６Ｂの変位時に応力が発生する位置（橋梁部自体が変形する位置）に配置されていることが好適である。図１４に示す形態では、各第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂの上方に４つの上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂがそれぞれ配置されている。このうち上部電極層Ｅ１１Ａ、Ｅ１２Ａ、Ｅ１１Ｂ、Ｅ１２ＢがＸ軸正側に配置され、他の上部電極層Ｅ１３Ａ、Ｅ１４Ａ、Ｅ１３Ｂ、Ｅ１４Ｂが、Ｘ軸負側に配置されている。また、上部電極層Ｅ１１Ａ、Ｅ１３Ａ、Ｅ１１Ｂ、Ｅ１３Ｂが、Ｙ軸正側に配置され、上部電極層Ｅ１２Ａ、Ｅ１４Ａ、Ｅ１２Ｂ、Ｅ１４Ｂが、Ｙ軸負側に配置されている。上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂは、電気的に互いに独立している。
【００８４】
各第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂの上方には、４つの上部電極層Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ、Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂがそれぞれ配置されている。このうち上部電極層Ｅ２１Ａ、Ｅ２２Ａ、Ｅ２１Ｂ、Ｅ２２ＢがＸ軸正側に配置され、他の上部電極層Ｅ２３Ａ、Ｅ２４Ａ、Ｅ２３Ｂ、Ｅ２４Ｂが、Ｘ軸負側に配置されている。また、上部電極層Ｅ２１Ａ、Ｅ２３Ａ、Ｅ２１Ｂ、Ｅ２３Ｂが、Ｙ軸正側に配置され、上部電極層Ｅ２２Ａ、Ｅ２４Ａ、Ｅ２２Ｂ、Ｅ２４Ｂが、Ｙ軸負側に配置されている。上部電極層Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ、Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂは、電気的に互いに独立している。
【００８５】
各第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの上方には、４つの上部電極層Ｅ３１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ３１Ｂ〜Ｅ３４Ｂがそれぞれ配置されている。このうち上部電極層Ｅ３１Ａ、Ｅ３２Ａ、Ｅ３１Ｂ、Ｅ３２ＢがＸ軸正側に配置され、他の上部電極層Ｅ３３Ａ、Ｅ３４Ａ、Ｅ３３Ｂ、Ｅ３４Ｂが、Ｘ軸負側に配置されている。また、上部電極層Ｅ３１Ａ、Ｅ３３Ａ、Ｅ３１Ｂ、Ｅ３３Ｂが、Ｙ軸正側に配置され、上部電極層Ｅ３２Ａ、Ｅ３４Ａ、Ｅ３２Ｂ、Ｅ３４Ｂが、Ｙ軸負側に配置されている。上部電極層Ｅ３１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ３１Ｂ〜Ｅ３４Ｂは、電気的に互いに独立している。
【００８６】
このような発電素子１は、図１に示す発電素子１と同様にして製造することができる。
【００８７】
図１５に、図１０の発電素子の発電回路の構成図を示す。本実施の形態による発電回路５５は、例えば図１５に示すような構成を有することができる。図１５において、Ｐ１１〜Ｐ３４は、圧電材料層４２のうち上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａの下方に位置する部分に相当する。Ｐ１１〜Ｐ３４の左側に示す縦線は、共通の下部電極層４１に相当し、Ｐ１１〜Ｐ３４の右側に示す縦線は、対応する上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａに相当する。図１５においては、図面を簡略化するために、一方の第１橋梁部３０Ａに対応する４つの上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａと、一方の第２橋梁部３５Ａに対応する４つの上部電極層Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａと、一方の第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂに対応する４つの上部電極層Ｅ３１Ａ〜Ｅ３４Ａとに対応する圧電材料層４２の部分として、Ｐ１１〜Ｐ３４が示されている。他方の第１橋梁部３０Ｂに対応する４つの上部電極層Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂと、他方の第２橋梁部３５Ｂに対応する４つの上部電極層Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂと、他方の第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂに対応する４つの上部電極層Ｅ３１Ｂ〜Ｅ３４Ｂとに対応する圧電材料層４２の部分は省略されているが、これらの圧電材料層４２の部分も、以下と同様にして電荷を取り出す回路を構成することができる。
【００８８】
発電回路５００は、整流素子（ダイオード）と、平滑用の容量素子（コンデンサ）と、を有している。このうち整流素子Ｄ１１（＋）〜Ｄ３４（＋）は、それぞれ上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａに発生した正電荷を取り出す機能を有している。また、整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−）は、それぞれ上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａに発生した負電荷を取り出す機能を有している。
【００８９】
平滑用の容量素子Ｃｆの正極端子（図１５における上側の端子）に、整流素子Ｄ１１（＋）〜Ｄ３４（＋）によって取り出された正電荷が供給され、負極端子（図１５における下側の端子）に、整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−）によって取り出された負電荷が供給される。この容量素子Ｃｆは、発生した電荷の脈流を平滑化する機能を有している。また、容量素子Ｃｆの両端子と下部電極層４１との間には、整流素子として、互いに逆方向を向いた整流素子Ｄ４１（＋）、Ｄ４１（−）が接続されている。
【００９０】
容量素子Ｃｆに並列接続されているＺＬは、発電素子１によって発電された電力の供給を受ける機器の負荷を示している。負荷ＺＬには、整流素子Ｄ１１（＋）〜Ｄ３４（＋）で取り出された正電荷と、整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−）で取り出された負電荷とが供給される。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂ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、発電効率の向上が可能になる。
【００９１】
したがって、図１０に示す発電素子１の第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび振動体２０は、第１重錘体２５のＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成されていることが好ましい。そして、第１橋梁部３０Ａの上方に配置された４つの上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａは、第１橋梁部３０ＡのＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸ１Ａを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成されていることが好ましく、第１橋梁部３０Ｂの上方に配置された４つの上部電極層Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂは、第１橋梁部３０ＢのＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸ１Ｂを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成されていることが好ましい。また、第２橋梁部３５Ａの上方に配置された４つの上部電極層Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａは、第２橋梁部３５ＡのＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸ２Ａを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成されていることが好ましく、第２橋梁部３５Ｂの上方に配置された４つの上部電極層Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂは、第２橋梁部３５ＢのＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸ２Ｂを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成されていることが好ましい。さらに、第３橋梁部７０Ａの上方に配置された４つの上部電極層Ｅ３１Ａ〜Ｅ３４Ａは、第３橋梁部７０ＡのＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸ３Ａを含む平行な平面に関して面対称に形成されていることが好ましく、第３橋梁部７０Ｂの上方に配置された４つの上部電極層Ｅ３１Ｂ〜Ｅ３４Ｂは、第３橋梁部７０ＢのＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸ３Ｂを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成されていることが好ましい。
【００９２】
図１６に、筐体１５を備えた図１０の発電素子１の断面図を示す。図１６の左側では、図１０のＢ−Ｂ線断面に相当する断面での形状が示されており、図１６の右側では、図１０のＤ−Ｄ線断面に相当する断面での形状が示されている。この筐体１５は、図５に示す筐体１５と同様の構成を有することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００９３】
筐体１５の天板１６は、第１重錘体２５が第１重錘体支持部２７を介して当接可能であるとともに、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂを介して当接可能に構成されており、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方への変位を規制するストッパーとしての機能を有している。第１重錘体２５がニュートラル位置にあるときには、天板１６は第１重錘体支持部２７に所定の距離ｄ３を隔てて離間しており、第１重錘体２５は、第１重錘体支持部２７が天板１６に当接するまで上方へ変位可能になっている。同様に、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂがニュートラル位置にあるときには、天板１６は第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂに所定の距離ｄ３を隔てて離間しており、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂが天板１６に当接するまで上方へ変位可能になっている。
【００９４】
筐体１５の底板１７は、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが当接可能に構成されており、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの下方への変位を規制するストッパーとしての機能を有している。第１重錘体２５がニュートラル位置にあるときには、底板１７は第１重錘体２５に所定の距離ｄ４を隔てて離間しており、第１重錘体２５は、底板１７に当接するまで下方へ変位可能になっている。同様に、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂがニュートラル位置にあるときには、底板１７は第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに所定の距離ｄ４を隔てて離間しており、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、底板１７に当接するまで下方へ変位可能になっている。
【００９５】
このような発電素子１は、図６に示すような外装パッケージ６０を備えることができる。この場合には、筐体１５が外装パッケージ６０に収容される。この外装パッケージ６０は、図５に示す外装パッケージ６０と同様の構成を有することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００９６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００９７】
図１０〜図１３に示す発電素子１に上下方向への外部振動が与えられると、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに上下方向への加速度が加わり、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが上下方向に変位し、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂが撓んで変形する。第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂは、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの変位に応じて上下方向に変位しながら撓んで変形する。加速度が大きい場合には、第１重錘体２５が天板１６に当接したり、底板１７に当接したりするとともに、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが天板１６に当接したり、底板１７に当接したりする。このようにして、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの変位が規制され、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの塑性変形や破損の防止が図られている。
【００９８】
第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂが撓んでいる間、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂには応力が発生する。応力が発生すると、圧電材料層４２のうち各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂの上方に配置された部分において、発生した応力に相応する電荷が発生する。
【００９９】
本実施の形態による発電素子１は、両持ち梁構造で構成されており、第１重錘体２５と第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂとを有する振動体２０が、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂによって支持枠体１０に支持されている。このことにより、図８および図９を用いて説明したように、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上下方向への変位を小さくすることができる。このため、より広い加速度範囲で、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが筐体１５の天板１６や底板１７に当接することを回避できる。このため、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが受けた力が天板１６や底板１７に逃げることを抑制し、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに発生する応力を増大させることができる。この結果、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに与えられる振動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換させることができ、圧電素子４０から発生する電荷を増大させることができる。
【０１００】
圧電素子４０の上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａにおいて発生した電荷は、整流素子Ｄ１１（＋）〜Ｄ３４（＋）で正電荷として取り出されるとともに整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−）で負電荷として取り出される。取り出された正電荷および負電荷は、平滑用の容量素子Ｃｆで平滑されて、負荷ＺＬに供給される。
【０１０１】
また、本実施の形態による発電素子１においても、第１の実施の形態による発電素子１と同様にして、３軸発電を行うことが可能になっている。Ｘ軸方向およびＹ軸方向への外部振動が加えられた場合においても、振動体２０が第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂによって支持枠体１０に支持されているため、振動体２０の第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの変位を小さくすることができる。
【０１０２】
ところで、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は、その構造に応じて固有の共振周波数が定められており、外部振動の周波数がこの共振周波数である場合、または共振周波数に近い値である場合に、重錘体を効率良く振動させることができる。しかしながら、外部振動の周波数がこの共振周波数から離れた値である場合には、振動体２０を十分に振動させることが困難になるという問題がある。
【０１０３】
これに対して、本実施の形態による発電素子１の振動体２０は、第１重錘体２５と第２重錘体２６Ａ、２６Ｂとを有しているため、この発電素子１は、共振系Ｉと共振系ＩＩと共振系ＩＩＩとを含む合成振動系を構成している。このうち共振系Ｉは、主として第１重錘体２５と第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂとに基づいて規定される共振系であり、固有の共振周波数Ｉを有している。共振系ＩＩは、主として第２重錘体２６Ａと第２橋梁部３５Ａとに基づいて規定される共振系であり、共振周波数Ｉとは異なる固有の共振周波数ＩＩを有している。さらに、共振系ＩＩＩは、主として第２重錘体２６Ｂと第２橋梁部３５Ｂとに基づいて規定される共振系であり、共振周波数Ｉとは異なる固有の共振周波数ＩＩＩを有している。共振周波数Ｉと共振周波数ＩＩ、ＩＩＩとを異ならせる場合には、例えば、第１重錘体２５の質量と第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの質量を異ならせてもよく、または第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂのバネ定数と第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂのバネ定数（より詳細には、幅、厚さ、弾性率）を異ならせてもよく、質量とバネ定数の両者を異ならせるようにしてもよい。
【０１０４】
このような共振系Ｉと共振系ＩＩと共振系ＩＩＩとを含む合成振動系を構成することにより、発電可能な振動の周波数帯域を広げることができる。この場合、各共振系の固有の共振周波数を調整することにより、発電可能な周波数帯域を広げたり、狭めたりすることが可能になる。
【０１０５】
また、本実施の形態では、共振周波数ＩＩと共振周波数ＩＩＩは同一になっている。すなわち、第２重錘体２６Ａの質量と第２重錘体２６Ｂの質量とが同一になっているとともに、第２橋梁部３５Ａのバネ定数と第２橋梁部３５Ｂのバネ定数とが同一になっている。さらに、第３橋梁部７０Ａのバネ定数と第３橋梁部７０Ｂのバネ定数とが同一になっている。このことにより、Ｘ軸方向および／またはＺ軸方向の外部振動が与えられた場合の振動体２０の振動を、中心軸線ＬＸを含むＺ軸に平行な平面に対して面対称にすることができる。この場合、各上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂに発生する正電荷の総量と負電荷の総量とを均等化させて、発電効率を向上させることができる。なお、同一とは、厳密な意味に限られることはなく、製造誤差等を含めて実質的に同一と見なすことができる範囲を含む概念を意味しているものとして用いている。
【０１０６】
このように本実施の形態によれば、支持枠体１０の内側に設けられた振動体２０が、第１重錘体２５と、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと、第１重錘体２５と第２重錘体２６Ａ、２６Ｂとを連結した第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂと、を有し、第１重錘体２５が、支持枠体１０の第１枠体部分１１に第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂによって支持されるとともに、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが、支持枠体１０の第２枠体部分１２に第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂによって支持されている。このことにより、外部振動が加えられた場合の第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの変位量を抑制することができ、より広い加速度範囲で、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが筐体１５の天板１６や底板１７に当接することを回避できる。このため、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂが受けた力が天板１６や底板１７に逃げることを抑制し、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂに発生する応力を増大させて、圧電素子４０から発生する電荷を増大させることができる。この結果、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの変位を抑制することができるとともに発電量を増大させることができる。
【０１０７】
また、本実施の形態によれば、振動体２０が、第１重錘体２５と、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと、第１重錘体２５と第２重錘体２６Ａ、２６Ｂとを連結した第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂと、を有している。このことにより、第１重錘体２５および第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂに基づいて規定される共振系Ｉと、第２重錘体２６Ａおよび第２橋梁部３５Ａに基づいて規定される共振系ＩＩと、第２重錘体２６Ｂおよび第２橋梁部３５Ｂに基づいて規定される共振系ＩＩＩと、を含む合成振動系の発電素子１を得ることができる。このため、発電可能な振動の周波数帯域を広げることができ、様々な利用環境において効率良い発電を行うことができる。
【０１０８】
また、本実施の形態によれば、第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＹ軸方向両側に第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂがそれぞれ配置され、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂと第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂとの間に第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂがそれぞれ配置されている。このことにより、各上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂに発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが均等化させることができ、発電効率を向上させることができる。とりわけ、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび振動体２０を、第１重錘体２５のＸ軸方向に延びる中心軸線ＬＸを含むＺ軸に平行な平面に関して面対称に形成する場合には、正電荷の総量と負電荷の総量とをより一層均等化させることができ、発電効率をより一層向上させることができる。
【０１０９】
また、本実施の形態によれば、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂが、互いに沿って延びている。このことにより、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂのスペース効率を向上させることができ、発電素子１の小形化を図ることができる。
【０１１０】
なお、上述した本実施の形態においては、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂの上方、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂの上方および第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの上方に、４つの上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂがそれぞれ配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、上部電極層の個数や配置等は、任意である。例えば、上述した図１に示すように、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂの上方に２つの上部電極層が設けられて、２つの上部電極層が、Ｘ軸方向において互いに異なる位置に配置されるようにしてもよい。また、図１７に、図１０に示す圧電素子の上部電極の他の例の平面図を示す。図１７に示すように、圧縮応力と引張応力とを同時に受けることによって電荷がキャンセルされることを回避できれば、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂの上方に２つの上部電極層Ｅ１１’、Ｅ１２’が設けられて、上部電極層Ｅ１１’、Ｅ１２’がＹ軸方向において互いに異なる位置に配置されるようにしてもよい。さらには、図１８に、図１０に示す圧電素子の上部電極の他の例の平面図を示す。図１８に示すように、圧縮応力と引張応力とを同時に受けることによって電荷がキャンセルされることを回避できれば、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂの上方に１つの上部電極層Ｅ１が設けられるようにしてもよい。また、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂの上方に配置される上部電極層の個数や配置と、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂの上方に配置される上部電極層の個数や配置と、第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの上方に配置される上部電極層の個数や配置は、互いに異なっていてもよい。
【０１１１】
また、上述した本実施の形態においては、平面視で、２つの第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＹ軸方向両側に、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂがそれぞれ配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂの一方の側に、一の第２重錘体および一の第２橋梁部が配置されて、他方の側には、第２重錘体も第２橋梁部も配置されていなくてもよい。この場合においても、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂおよび第２橋梁部に発生する応力を増大させて、圧電素子４０から発生する電荷を増大させることができるとともに、発電可能な振動の周波数帯域を広げることができる。また、振動体２０が、２つの第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂで支持されている例について説明したが、振動体２０を支持する第１橋梁部は１つであってもよい。すなわち、第１橋梁部３０Ａと第１橋梁部３０Ｂとが一体に形成されていてもよい。
【０１１２】
また、上述した本実施の形態においては、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂが、互いに平行になっている例について説明した。しかしながら、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂは、互いに交差しなければ、互いに平行になっていることに限られない。
【０１１３】
（第３の実施の形態）
次に、図１９〜図２２を用いて、本発明の第３の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１１４】
図１９〜図２２に示す第３の実施の形態においては、第１重錘体に第１追加重錘体が設けられるとともに、第２重錘体に第２追加重錘体が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１０〜図１８に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図１９〜図２２において、図１０〜図１８に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１１５】
図１９に、本発明の第３の実施の形態における発電素子の全体構成の上面図を示し、図２０に、図１９の発電素子の下面図を示し、図２１に、図１９のＥ−Ｅ線断面図を示し、図２２に、図１９のＦ−Ｆ線断面図を示す。本実施の形態では、図１９〜図２１に示すように、第１重錘体２５の下面（第１重錘体支持部２７の側とは反対側の面）に、第１追加重錘体８０が設けられている。これにより、第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＸ軸負側端部３２Ａ、３２Ｂ（図１０参照）に第１重錘体２５と第１追加重錘体８０とが連結されることになり、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂに連結された重錘体の質量が増加している。また、第１追加重錘体８０が設けられていない場合（図１０〜図１３参照）の第１重錘体２５の重心位置よりも、第１重錘体２５および第１追加重錘体８０の合成重心位置（第１重錘体２５と第１追加重錘体８０とで構成される重錘体全体の重心位置）が下がっている。
【０１１６】
同様に、図１９、図２０および図２２に示すように、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの下面（第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂの側とは反対側の面）に、第２追加重錘体８５が設けられている。これにより、第２橋梁部３５Ａ、３５ＢのＸ軸正側端部３６Ａ、３６Ｂ（図１０参照）に第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２追加重錘体８５とが連結されることになり、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂに連結された重錘体の質量が増加している。また、第２追加重錘体８５が設けられていない場合（図１０〜図１３参照）の第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの重心位置よりも、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂおよび第２追加重錘体８５の合成重心位置（第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２追加重錘体８５とで構成される重錘体全体の重心位置）が下がっている。また、第２追加重錘体８５は、一方の第２重錘体２６Ａから他方の第２重錘体２６Ｂまで延びており、両方の第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに取り付けられて支持されている。これにより、第２追加重錘体８５は、支持枠体１０の突出部１４の下方を跨ぐように形成されている。
【０１１７】
図１９〜図２１に示すように、第１追加重錘体８０は、支持枠体１０に当接可能に設けられた第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂを有している。この第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂは、第１重錘体２５の上方（第１重錘体支持部２７の側、Ｚ軸正側）への変位を規制するようになっている。すなわち、第１追加重錘体８０は、平面視で、第１重錘体２５よりもＹ軸正側およびＹ軸負側に延びるように形成されている。第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂは、Ｙ軸方向（第１重錘体２５から第１枠体部分１１に向かうＸ軸方向に直交する方向）における第１追加重錘体８０の両端部に配置されている。より具体的には、第１追加重錘体８０は、第１重錘体２５と平面視で重なる第１本体部分８１と、第１本体部分８１よりもＹ軸正側に配置された第１ストッパー部８２Ａと、第１本体部分８１よりもＹ軸負側に配置された第１ストッパー部８２Ｂと、を有している。このうち第１ストッパー部８２Ａは、第１重錘体２５からＹ軸正側に突出しており、第１ストッパー部８２Ｂは、第１重錘体２５からＹ軸負側に突出している。
【０１１８】
支持枠体１０の下面には、追加支持枠体９０が設けられている。追加支持枠体９０は、平面視で矩形枠状に形成されており、その内側に第１追加重錘体８０が配置されるように形成されている。第１追加重錘体８０の下面は、追加支持枠体９０の下面よりも上方に位置付けられている。第１重錘体２５および第１追加重錘体８０は、上述した筐体１５の底板１７に当接するまで、下方に変位可能になっている。また、支持枠体１０の下面には、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂが当接する第１座部９１Ａ、９１Ｂが設けられている。この第１座部９１Ａ、９１Ｂは、平面視で、支持枠体１０のうち第２橋梁部３５Ａ、３５ＢのＸ軸負側端部３７Ａ、３７Ｂ（図１０参照）の側の部分に形成されている。追加支持枠体９０の内面は、この第１座部９１Ａ、９１Ｂを下方に露出させるように、支持枠体１０の内面よりも部分的に外側に後退している。このようにして、追加支持枠体９０は、第１追加重錘体８０の第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂとの干渉を回避するように形成されており、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂが第１座部９１Ａ、９１Ｂに当接可能になっている。
【０１１９】
図２１に示すように、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂの上面８２ＡＵ、８２ＢＵは、第１本体部分８１の上面８１Ｕよりも下方に位置付けられている。例えば、第１追加重錘体８０を製造する際に、エッチングや機械加工などによって、第１追加重錘体８０の上面を部分的に除去することにより、このような第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂの上面８２ＡＵ、８２ＢＵを形成することができる。このようにして、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂは、第１重錘体２５がニュートラル位置にあるときに、支持枠体１０の第１座部９１Ａ、９１Ｂに所定の距離ｄ５を隔てて離間している。このことにより、第１重錘体２５は、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂが第１座部９１Ａ、９１Ｂに当接するまで上方へ変位可能になっている。この距離ｄ５は、図１６に示す距離ｄ３と等しくてもよく、または距離ｄ３よりも小さくてもよい。このことにより、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂが、第１重錘体２５の上方への変位のストッパーとして機能することができる。
【０１２０】
第２追加重錘体８５は、支持枠体１０に当接可能に設けられた第２ストッパー部８７を有している。この第２ストッパー部８７は、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方（第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂの側）への変位を規制するようになっている。すなわち、第２追加重錘体８５は、一方の第２重錘体２６Ａの下方に配置された第２本体部分８６Ａと、他方の第２重錘体２６Ｂの下方に配置された第２本体部分８６Ｂと、２つの第２本体部分８６Ａ、８６Ｂの間に配置された第２ストッパー部８７と、を有している。このうち第２ストッパー部８７は、支持枠体１０の突出部１４の下方に配置されている。第２本体部分８６Ａ、８６Ｂおよび第２ストッパー部８７は一体に形成されており、第２追加重錘体８５は、全体として、支持枠体１０の突出部１４の下方を跨ぐように形成されている。
【０１２１】
上述した追加支持枠体９０は、その内側に第２追加重錘体８５が配置されるように形成されている。第２追加重錘体８５の下面は、追加支持枠体９０の下面よりも上方に位置付けられている。第２重錘体２６Ａ、２６Ｂおよび第２追加重錘体８５は、上述した筐体１５の底板１７に当接するまで、下方に変位可能になっている。また、支持枠体１０の下面には、第２ストッパー部８７が当接する第２座部９２が設けられている。すなわち、上述した支持枠体１０の突出部１４が、下面に形成された第２座部９２を含んでいる。追加支持枠体９０の内面は、この第２座部９２を下方に露出させるように、突出部１４よりも外側に後退している。このようにして、追加支持枠体９０は、第２追加重錘体８５の第２ストッパー部８７との干渉を回避するように形成されており、第２ストッパー部８７が第２座部９２に当接可能になっている。
【０１２２】
図２２に示すように、第２ストッパー部８７の上面８７Ｕは、第２本体部分８６Ａ、８６Ｂの上面８６ＡＵ、８６ＢＵよりも下方に位置付けられている。例えば、第２追加重錘体８５を製造する際に、エッチングや機械加工などによって、第２追加重錘体８５の上面を部分的に除去することにより、このような第２ストッパー部８７を形成することができる。このようにして、第２ストッパー部８７は、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂがニュートラル位置にあるときに、支持枠体１０の第２座部９２に所定の距離ｄ６を隔てて離間している。このことにより、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、第２ストッパー部８７が第２座部９２に当接するまで上方へ変位可能になっている。この距離ｄ６は、図１６に示す距離ｄ３と等しくてもよく、または距離ｄ３よりも小さくてもよい。このことにより、第２ストッパー部８７が、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方への変位のストッパーとして機能することができる。
【０１２３】
第１追加重錘体８０は、第１重錘体２５と同一の材料（シリコン）により第１重錘体２５とは別個に作製されていてもよい。この場合、第１追加重錘体８０は、第１重錘体２５の下面に、直接接合技術を用いて接合してもよい。あるいは、第１追加重錘体８０がガラスで作製されていてもよい。この場合、シリコンで作製された第１重錘体２５の下面に、陽極接合技術を用いて接合してもよい。第２追加重錘体８５および追加支持枠体９０についても同様にして、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの下面および支持枠体１０の下面にそれぞれ接合することができる。なお、第１重錘体２５および第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの下面は、支持枠体１０の下面と面一にしておくことが好ましい。
【０１２４】
本実施の形態による発電素子１は、共振系ＩＶと共振系Ｖとを含む合成振動系を構成している。このうち共振系ＩＶは、主として第１重錘体２５と第１追加重錘体８０と第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂとに基づいて規定される共振系であり、固有の共振周波数ＩＶを有している。共振系Ｖは、主として第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２追加重錘体８５と第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂとに基づいて規定される共振系であり、固有の共振周波数Ｖを有している。共振周波数ＩＶと共振周波数Ｖとは互いに異なっている。共振周波数ＩＶと共振周波数Ｖとを異ならせる場合には、例えば、第１重錘体２５および第１追加重錘体８０の合計質量と第２重錘体２６Ａ、２６Ｂおよび第２追加重錘体８５の合計質量を異ならせてもよく、または第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂのバネ定数と第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂのバネ定数（より詳細には、幅、厚さ、弾性率）を異ならせてもよく、質量とバネ定数の両者を異ならせるようにしてもよい。
【０１２５】
このような共振系ＩＶと共振系Ｖとを含む合成振動系を構成することにより、発電可能な振動の周波数帯域を広げることができる。この場合、各共振系の固有の共振周波数を調整することにより、発電可能な周波数帯域を広げたり、狭めたりすることが可能になる。
【０１２６】
このように本実施の形態によれば、第１重錘体２５の下面に第１追加重錘体８０が設けられている。このことにより、第１追加重錘体８０が設けられていない場合の第１重錘体２５の重心位置よりも、第１重錘体２５および第１追加重錘体８０の合成重心位置を下げることができる。このため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向への外部振動がそれぞれ加えられた場合における各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに発生する応力を増大させることができる。また、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂに連結された重錘体（第１重錘体２５と第１追加重錘体８０）の質量を増加させることができ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向への外部振動がそれぞれ加えられた場合における各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに発生する応力を増大させることができる。この結果、圧電素子４０から発生させる電荷を増大させることができ、３軸発電の発電効率を向上させることができる。
【０１２７】
また、本実施の形態によれば、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの下面に第２追加重錘体８５が設けられている。このことにより、第２追加重錘体８５が設けられていない場合の第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの重心位置よりも、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂおよび第２追加重錘体８５の合成重心位置（第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２追加重錘体８５とで構成される重錘体全体の重心位置）を下げることができる。このため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向への外部振動がそれぞれ加えられた場合における各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに発生する応力を増大させることができる。また、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂに連結された重錘体（第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２追加重錘体８５）の質量を増加させることができ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向への外部振動がそれぞれ加えられた場合における各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに発生する応力を増大させることができる。この結果、圧電素子４０から発生させる電荷を増大させることができ、３軸発電の発電効率を向上させることができる。
【０１２８】
また、本実施の形態によれば、第２追加重錘体８５が、一方の第２重錘体２６Ａから他方の第２重錘体２６Ｂまで延びており、両方の第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに取り付けられて支持されている。このことにより、第２追加重錘体８５に、第２重錘体２６Ａと第２重錘体２６Ｂとの平面面積の合計よりも大きな平面面積を持たせることができる。このため、第２追加重錘体８５の質量を増大させることができ、発電効率を向上させることができる。
【０１２９】
また、本実施の形態によれば、第１追加重錘体８０が、支持枠体１０の第１座部９１Ａ、９１Ｂに当接可能に設けられた第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂを有している。このことにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合においても、第１重錘体２５の上方への変位を規制することができる。このため、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂや、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの塑性変形や破損をより一層防止することができ、発電素子１の信頼性を向上させることができる。
【０１３０】
また、本実施の形態によれば、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂを、Ｙ軸方向における第１追加重錘体８０の両端部に配置することができる。このことにより、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂが第１座部９１Ａ、９１Ｂに当接した際に、第１追加重錘体８０の姿勢を安定させることができる。このため、第１重錘体２５の上方への変位をより一層確実に規制することができる。また、Ｙ軸方向の外部振動が加えられる場合には、第１重錘体２５および第１追加重錘体８０がＹＺ平面において回動するようになるため、いずれの方向に第１重錘体２５および第１追加重錘体８０が回動した場合であっても、第１ストッパー部８２Ａを第１座部９１Ａに当接させるか、または第１ストッパー部８２Ｂを第１座部９１Ｂに当接させることができる。
【０１３１】
また、本実施の形態によれば、第２追加重錘体８５が、支持枠体１０の第２座部９２に当接可能に設けられた第２ストッパー部８７を有している。このことにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合においても、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方への変位を規制することができる。このため、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂや、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの塑性変形や破損をより一層防止することができ、発電素子１の信頼性を向上させることができる。
【０１３２】
また、本実施の形態によれば、支持枠体１０の第１枠体部分１１と第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂとの間に介在された突出部１４に設けられた第２座部９２に、第２追加重錘体８５の第２ストッパー部８７が当接する。このことにより、第２ストッパー部８７が第２座部９２に当接した際に、第２追加重錘体８５の姿勢を安定させることができる。このため、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方への変位をより一層確実に規制することができる。
【０１３３】
なお、上述した本実施の形態においては、第２追加重錘体８５が、支持枠体１０の突出部１４の下方を跨いで、一方の第２重錘体２６Ａから他方の第２重錘体２６Ｂまで延びており、両方の第２重錘体２６Ａ、２６Ｂに取り付けられて支持されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、図示しないが、第２重錘体２６Ａの下面に設けられた第２追加重錘体と、第２重錘体２６Ｂの下面に設けられた第２追加重錘体とが、それぞれ別体に形成されて、互いに離間していてもよい。この場合においても、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと対応する第２追加重錘体との合成重心位置を下げることができる。
【０１３４】
また、上述した本実施の形態においては、平面視で、２つの第１橋梁部３０Ａ、３０ＢのＹ軸方向両側に、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂおよび第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂがそれぞれ配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂの一方の側に、一の第２重錘体および一の第２橋梁部が配置されて、他方の側には、第２重錘体も第２橋梁部も配置されていなくてもよい。この場合においても、この一の第２重錘体の下面に、第２追加重錘体を設けることで、第２重錘体および第２追加重錘体の合成重心位置を下げることができる。
【０１３５】
（第４の実施の形態）
次に、図２３〜図２６を用いて、本発明の第４の実施の形態における発電素子について説明する。
【０１３６】
図２３〜図２６に示す第４の実施の形態においては、第２追加重錘体が、支持枠体に当接可能な第３ストッパー部を有している点が主に異なり、他の構成は、図１９〜図２２に示す第３の実施の形態と略同一である。なお、図２３〜図２６において、図１９〜図２２に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１３７】
図２３に、本発明の第４の実施の形態における発電素子の全体構成の上面図を示し、図２４に、図２３の発電素子の下面図を示し、図２５に、図２３の発電素子のＧ−Ｇ線断面図を示し、図２６に、図２３の発電素子のＨ−Ｈ線断面図を示す。本実施の形態では、図２３、図２４および図２６に示すように、第２追加重錘体８５は、支持枠体１０に当接可能に設けられた第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂを更に有している。この第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂは、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方（第２重錘体支持部２８Ａ、２８Ｂの側）への変位を規制するようになっている。すなわち、第２追加重錘体８５は、平面視で、第２重錘体２６Ａ、２６ＢよりもＹ軸正側およびＹ軸負側に延びるように形成されている。第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂは、Ｙ軸方向（第２重錘体２６Ａ、２６Ｂから第２枠体部分１２に向かうＸ軸方向に直交する方向）における第２追加重錘体８５の両端部に配置されている。より具体的には、第２追加重錘体８５は、一方の第２本体部分８６ＡよりもＹ軸正側に配置された第３ストッパー部８８Ａと、他方の第２本体部分８６ＢよりもＹ軸負側に配置された第３ストッパー部８８Ｂと、を更に有している。このうち第３ストッパー部８８Ａは、第２重錘体２６Ａ、２６ＢからＹ軸正側に突出しており、第３ストッパー部８８Ｂは、第２重錘体２６Ａ、２６ＢからＹ軸負側に突出している。
【０１３８】
支持枠体１０の下面には、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂが当接する第３座部９３Ａ、９３Ｂが設けられている。この第３座部９３Ａ、９３Ｂは、平面視で、支持枠体１０のうち第２橋梁部３５Ａ、３５ＢのＸ軸正側端部３６Ａ、３６Ｂ（図１０参照）の近傍の部分に形成されている。追加支持枠体９０は、この第３座部９３Ａ、９３Ｂを下方に露出させるように形成されている。このようにして、追加支持枠体９０は、第２追加重錘体８５の第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂとの干渉を回避するように形成されており、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂが第３座部９３Ａ、９３Ｂに当接可能になっている。
【０１３９】
図２６に示すように、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂの上面８８ＡＵ、８８ＢＵは、第２本体部分８６Ａ、８６Ｂの上面８６ＡＵ、８６ＢＵよりも下方に位置付けられており、第２ストッパー部８７の上面８７Ｕと、同一高さ位置に形成されている。この第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂは、上述した第２ストッパー部８７と同様に形成することができる。このようにして、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂは、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂがニュートラル位置にあるときに、支持枠体１０の第３座部９３Ａ、９３Ｂに所定の距離ｄ６を隔てて離間している。このことにより、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂは、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂが第３座部９３Ａ、９３Ｂに当接するまで上方へ変位可能になっている。
【０１４０】
図２３および図２４に示すように、第１追加重錘体８０の第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂは、平面視で、支持枠体１０の外縁部（図２３では外面）まで延びていてもよい。同様にして、第２追加重錘体８５の第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂは、平面視で、支持枠体１０の外縁部（図２３では外面）まで延びていてもよい。この場合、追加支持枠体９０は、４つの支持枠分割体９４Ａ〜９４Ｄに分割される。互いに隣り合う支持枠分割体９４Ａ〜９４Ｄの間で、支持枠体１０の第１座部９１Ａ、９１Ｂおよび第３座部９３Ａ、９３Ｂが下方に露出されている。
【０１４１】
このように本実施の形態によれば、第１追加重錘体８０の第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂが、平面視で、支持枠体１０の外縁部まで延びている。このことにより、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂと支持枠体１０の第１座部９１Ａ、９１Ｂとの接触領域を拡大させることができ、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂが第１座部９１Ａ、９１Ｂに当接した際に、第１追加重錘体８０の姿勢を安定させることができる。このため、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合においても、第１重錘体２５の上方への変位をより一層確実に規制することができる。また、第１追加重錘体８０の質量を増加させることができ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向への外部振動がそれぞれ加えられた場合における各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに発生する応力を増大させることができる。
【０１４２】
また、本実施の形態によれば、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの下面に設けられた第２追加重錘体８５が、支持枠体１０の第３座部９３Ａ、９３Ｂに当接可能に設けられた第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂを有している。このことにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向のいずれの方向の外部振動が与えられた場合においても、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方への変位を規制することができる。このため、第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂや、第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂおよび第３橋梁部７０Ａ、７０Ｂの塑性変形や破損をより一層防止することができ、発電素子１の信頼性を向上させることができる。
【０１４３】
また、本実施の形態によれば、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂを、Ｙ軸方向における第２追加重錘体８５の両端部に配置することができる。このことにより、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂが第３座部９３Ａ、９３Ｂに当接した際に、第２追加重錘体８５の姿勢を安定させることができる。このため、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方への変位をより一層確実に規制することができる。また、Ｙ軸方向の外部振動が加えられる場合には、第１重錘体２５および第１追加重錘体８０がＹＺ平面において回動するようになるため、いずれの方向に第１重錘体２５および第１追加重錘体８０が回動した場合であっても、第１ストッパー部８２Ａを第１座部９１Ａに当接させるか、または第１ストッパー部８２Ｂを第１座部９１Ｂに当接させることができる。
【０１４４】
また、本実施の形態によれば、第２追加重錘体８５の第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂが、平面視で、支持枠体１０の外縁部まで延びている。このことにより、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂと支持枠体１０の第３座部９３Ａ、９３Ｂとの接触領域を拡大させることができ、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂが第３座部９３Ａ、９３Ｂに当接した際に、第２追加重錘体８５の姿勢を安定させることができる。このため、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂの上方への変位をより一層確実に規制することができる。また、第２追加重錘体８５の質量を増加させることができ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向への外部振動がそれぞれ加えられた場合における各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに発生する応力を増大させることができる。
【０１４５】
本発明は上記実施の形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施の形態および変形例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態および変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【実施例】
【０１４６】
図２３〜図２６を用いて説明した上述の第４の実施の形態における発電素子１について、振動加速度を加えた場合に発生する各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０ＢのＸ軸方向の応力を、３次元解析を行って求めた。その結果を、図２７〜図２９に示す。ここで、図２７は、ある周波数のＸ軸方向の振動加速度を加えた場合のＸ軸方向応力の分布を示し、図２８は、ある周波数のＹ軸方向の振動加速度を加えた場合のＸ軸方向応力の分布を示し、図２９は、ある周波数のＺ軸方向の振動加速度を加えた場合のＸ軸方向応力の分布を示す。なお、図２７〜図２９には、発電素子１の形状が示されているが、追加支持枠体９０は含まれていない。しかしながら、３次元解析を行う上では、支持枠体１０に固定条件を設定しているため、追加支持枠体９０が含まれていなくても、解析結果に影響を与えることはない。
【０１４７】
図２７〜図２９に示されているように、いずれの方向の振動加速度に対しても、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂに応力が発生している。このことから、発電素子１は、３軸発電を行うことが可能であることが確認できる。
【０１４８】
また、図１４に示した、圧電素子４０の上部電極層Ｅ１１Ａ〜Ｅ３４Ａ、Ｅ１１Ｂ〜Ｅ３４Ｂの配置は、図２７〜図２９に示した応力が発生している位置に対応していることがわかる。このことにより、各橋梁部３０Ａ、３０Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、７０Ａ、７０Ｂにおいて発生した応力から、効率良く電荷を発生させることができ、発電効率、とりわけ３軸発電の発電効率を向上させることができるといえる。
【０１４９】
また、第４の実施の形態における発電素子１の周波数特性を調べた。ここでは、発電素子１に加える振動加速度の周波数を変化させて、いくつかの測定点に発生した応力（振幅）を求めた。図３０は、その測定点（ＳＸ１、ＳＸ２、ＳＸ３、ＳＸ４）を示す斜視図である。図３１は、Ｘ軸方向に加えられる振動加速度の周波数と、図３０に示す測定点で発生する応力との関係を示す図であり、図３２は、Ｙ軸方向に加えられる振動加速度の周波数と、図３０に示す測定点で発生する応力との関係を示す図であり、図３３は、Ｚ軸方向に加えられる振動加速度の周波数と、図３０に示す測定点で発生する応力との関係を示す図である。図３１〜図３３において、横軸は、振動加速度の周波数を示し、縦軸は、各測定点で発生した応力（単位はＰａ）を示している。
【０１５０】
図３１〜図３３に示されているように、いずれの方向の振動加速度に対しても、２つのスペクトルピーク波形が得られた。これは、上述したように、振動体２０が、第１重錘体２５と、第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと、第１追加重錘体８０と、第２追加重錘体８５と、を有していることで、発電素子１が、主として第１重錘体２５と第１追加重錘体８０と第１橋梁部３０Ａ、３０Ｂとに基づく共振系ＩＶと、主として第２重錘体２６Ａ、２６Ｂと第２追加重錘体８５と第２橋梁部３５Ａ、３５Ｂとに基づく共振系Ｖとの合成振動系で構成されていることによる。このことから、発電素子１は、発電可能な周波数帯域を広げることができることが確認できる。
【０１５１】
なお、図２７〜図２９および図３１〜図３３に示した解析結果は、第４の実施の形態による発電素子１の構成に基づいている。しかしながら、第３の実施の形態による発電素子１と第４の実施の形態による発電素子１との主な相違点は、第１ストッパー部８２Ａ、８２Ｂの形状と、第３ストッパー部８８Ａ、８８Ｂの有無である。このため、第３の実施の形態による発電素子１においても、図２７〜図２９および図３１〜図３３と同様の結果を得ることができる。また、第２の実施の形態による発電素子１と第４の実施の形態による発電素子１との主な相違点は、第１追加重錘体８０の有無と、第２追加重錘体８５の有無である。しかしながら、その他の点では、同様の構成を有しているため、第２の実施の形態による発電素子１においても、図２７〜図２９および図３１〜図３３と同様の結果を得ることができる。
【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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【図３２】
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【図３３】
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