CN109428516B - 发电元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发电元件，具备板面与XY平面平行的第一板状构造体(24)及第二板状构造体(28)、支撑第一板状构造体(24)的台座(32)。发电元件具备基于两个板状构造体(24、28)的各挠曲而产生电荷的第一压电元件(26)及第二压电元件(30)。第一板状构造体的基端部与台座连接，从基端部朝向前端部的方向为Y轴正方向。第二板状构造体的基端部经由连接体(34)而与第一板状构造体的前端部连接，从基端部朝向前端部的方向为Y轴负方向。基于第二板状构造体的挠性而形成的共振系(Re2)的半幅值(hz2)的频带的至少一部分与基于第一板状构造体的挠性而形成的共振系(Re1)的半幅值(hz1)的频带重叠。

Description

发电元件

技术领域

本发明涉及一种通过将机械振动能量转换成电能来进行发电的发电元件。

背景技术

以往，如图14(a)所示，存在由具有挠性的板状构造体10、基于板状构造体10的挠曲而产生电荷的压电元件12、将板状构造体10的基端部支撑为悬臂梁构造的台座14及设于板状构造体10的前端部的重锤体16构成的发电元件18。发电元件18的台座14安装于某种振动源20进行使用，在作为正交坐标的XYZ三维坐标系中，板状构造体10以使其板面成为与XY平面平行的面方式配置。

例如如图14(b)所示，压电元件12由覆盖板状构造体10的整个上表面的下部电极层G、覆盖下部电极层G的整个上表面的压电材料层P及在压电材料层P的上表面上的特定的区域上设置的上部电极层E构成，实质上设有上部电极层E的区域作为压电元件12发挥动作。

当向台座14施加了Z轴方向上的振动时，如图15(a)所示，该振动作用于重锤体16及板状构造体10，使板状构造体10在厚度方向上挠曲，基于该挠曲而在压电元件12中产生电荷。并且，将在压电元件12中产生的电荷通过与压电元件12连接的未图示的整流平滑电路作为电力取出。

发电元件18具有基于板状构造体10的挠性的一个共振系(共振频率frz)，如表示频率fz与振幅A的关系的图15(b)那样，当施加的振动的频率fz接近共振频率frz时，与该振动共振而板状构造体10的振幅A增大。因此，若将共振频率frz设定在施加的振动的频率fz附近，并且提高共振的Q值而提高振幅A的峰值(提高共振的Q值)，则能够增加发电元件18的发电量。

共振频率frz能够通过调节板状构造体10的Z轴方向上的弹簧常数与重锤体16的质量来设定，例如，若增大弹簧常数或者减小重锤体16的质量，则能够提高共振频率frz。共振的Q值能够通过尽量减小使振动衰减的成分(例如设为真空状态)来提高。

在专利文献1中，公开了与上述发电元件18同样地具有一个共振系的压电发电装置。

现有技术文献

专利文献1：国际公开第2012/105368号公报

发明内容

发明要解决的课题

以往的发电元件18及专利文献1的压电发电装置若提高共振系的Q值则能够增加发电量，但在物理上存在极限，因此即便使共振的频率frz与施加的振动的频率fz准确地一致，发电效率也较低。

本发明是鉴于上述背景技术而完成的，其目的在于，提供一种与以往相比能够显著增加发电量，并且构造简单的发电元件。

用于解决课题的技术方案

本发明涉及一种发电元件，具备：具有挠性的第一板状构造体及第二板状构造体、支撑上述第一板状构造体的台座及基于上述第一板状构造体及上述第二板状构造体的挠曲或者上述第二板状构造体的挠曲而产生电荷的压电元件，在XYZ三维坐标系中，上述第一板状构造体及上述第二板状构造体以使板面成为与XY平面平行的面的方式配置，上述第一板状构造体的基端部直接或者间接地与上述台座连接，且上述第一板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，上述第二板状构造体的基端部经由连接体而与上述第一板状构造体的前端部连接，且上述第二板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，基于上述第二板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带的至少一部分与基于上述第一板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带重叠。

上述第一板状构造体及上述第二板状构造体隔开预定间隔地在上述第一板状构造体及上述第二板状构造体挠曲的方向上重叠设置。或者，也可以是，上述第一板状构造体及上述第二板状构造体隔开预定间隔地设置在与上述XY平面平行的面上。上述第二板状构造体与上述第一板状构造体相比Y轴方向上的长度短。

本发明涉及一种发电元件，上述发电元件具备：具有挠性的n个板状构造体(n为3以上的自然数)、支撑作为上述n个板状构造体之中的一个板状构造体的第一板状构造体的台座及基于上述n个板状构造体的挠曲或者至少第n板状构造体的挠曲而产生电荷的压电元件，在XYZ三维坐标系中，上述n个板状构造体以使板面成为与XY平面平行的面的方式配置，上述第一板状构造体的基端部直接或者间接地与上述台座连接，且上述第一板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，上述n个板状构造体之中的第ka板状构造体(ka为偶数，2≤ka≤n)的基端部经由连接体而与第ka-1板状构造体的前端部连接，且上述第ka板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，上述n个板状构造体之中的第kb板状构造体(kb为奇数，3≤kb≤n)的基端部经由连接体而与第kb-1板状构造体的前端部连接，且上述第kb板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，基于上述第n板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带的至少一部分与基于其他上述板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带重叠。

上述n个板状构造体隔开预定间隔地各自在上述板状构造体挠曲的方向上重叠设置。或者，也可以是，上述n个板状构造体隔开预定间隔地设置在与上述XY平面平行的面上，优选的是，设置在上述XY平面的同一面上。此外，上述第n板状构造体与第n-1板状构造体相比Y轴方向上的长度短。

本发明涉及一种发电元件，具备：具有挠性的n个板状构造体(n为3以上的自然数)、支撑作为上述n个板状构造体之中的一个板状构造体的第一板状构造体的台座及基于上述n个板状构造体的挠曲或者第二～第n板状构造体的挠曲而产生电荷的压电元件，在XYZ三维坐标系中，上述n个板状构造体以使板面成为与XY平面平行的面的方式配置，上述第一板状构造体的基端部直接或者间接地与上述台座连接，且上述第一板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，除了上述第一板状构造体以外的上述板状构造体的各基端部经由连接体而与第一板状构造体的前端部连接，且除了上述第一板状构造体以外的上述板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，基于上述第一板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带的至少一部分与基于其他上述板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带重叠。

上述n个板状构造体也可以隔开预定间隔地各自在上述板状构造体挠曲的方向上重叠设置，或者，上述n个板状构造体隔开预定间隔地设置在与上述XY平面平行的面上，优选的是，设置在上述XY平面的同一面上。此外，上述第n板状构造体与第n-1板状构造体相比的Y轴方向上的长度短。

也可以是，上述各发电元件中，在多个上述板状构造体中的至少一部分的所述板状构造体的前端部设有重锤体。

发明效果

本发明的发电元件具有彼此连接的两个以上的共振系，并设定为各共振特性的半幅值的频带彼此重叠，因此能够通过共振系彼此的相互作用，使综合共振的Q非常高。因此，相对于彼此的半幅值重叠的频带的振动，与以往相比能够显著增加发电量。并且，构造简单，因此能够使用通常的制造工序而容易地制造。

附图说明

图1中，(a)是表示本发明的发电元件的第一实施方式的外观的立体图、(b)是表示施加了Z轴方向上的振动时的动作的主视图。

图2中，(a)是表示第一实施方式的发电元件具有的第一共振系及第二共振系的Z轴方向上的共振特性的曲线图、(b)是表示发电量的曲线图。

图3中，(a)是表示第一实施方式的发电元件的一变形例的外观的立体图、(b)是表示施加了Z轴方向上的振动时的动作的主视图。

图4中，(a)是表示第一实施方式的发电元件的其他变形例的外观的立体图、(b)是表示施加了Z轴方向上的振动时的动作的主视图。

图5中，(a)是表示图4所示的发电元件具有的第一共振系～第三共振系的Z轴方向上的共振特性的一个例子的曲线图、(b)是表示发电量的曲线图。

图6中，(a)是表示本发明的发电元件的第二实施方式的外观的立体图、(b)是俯视图、(c)是主视图。

图7中，(a)是表示向第二实施方式的发电元件施加了Z轴方向上的振动时的动作的主视图、(b)是后视图。

图8中，(a)是表示第二实施方式的发电元件具有的第一共振系～第三共振系的Z轴方向上的共振特性的一个例子的曲线图、(b)是表示发电量的曲线图。

图9中，(a)是表示第二实施方式的发电元件的一变形例的外观的立体图、(b)是俯视图、(c)是右视图。

图10中，(a)是表示本发明的发电元件的第三实施方式的外观的俯视图、(b)是从正面观察的局部剖视图、(c)是仰视图。

图11中，(a)是表示第三实施方式的发电元件的一变形例的外观的俯视图、(b)是表示与所施加的振动对应的各压电元件的输出的极性的图。

图12中，(a)是表示图11(a)所示的发电元件具有的第一共振系及第二共振系的共振特性的曲线图，是Z轴方向的曲线图、(b)是X轴方向的曲线图、(c)是Y轴方向的曲线图。

图13中，(a)是表示第三实施方式的发电元件的其他变形例的外观的俯视图、(b)是表示与施加的振动对应的各压电元件的输出的极性的图。

图14中，(a)是表示以往的发电元件的外观的立体图、(b)是表示压电元件的构造的主视图。

图15中，(a)是表示向图14的发电元件施加了Z轴方向上的振动时的动作的主视图、(b)是表示该发电元件具有的共振系的Z轴方向上的共振特性及发电量的曲线图。

具体实施方式

以下，基于图1、图2对本发明的发电元件的第一实施方式进行说明。如图1(a)所示，该实施方式的发电元件22具备：具有挠性的第一板状构造体24、基于第一板状构造体24的挠曲而产生电荷的第一压电元件26、具有挠性的第二板状构造体28、基于第二板状构造体28的挠曲而产生电荷的第二压电元件30及将第一板状构造体24支撑为悬臂梁构造的台座32。将台座14安装于某种振动源20来使用发电元件22，在XYZ三维坐标系中，各板状构造体24、28以使其板面成为与XY平面平行的面的方式配置。

第一板状构造体24的基端部直接与台座32连接，以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展。第二板状构造体28位于第一板状构造体24的Z轴方向上的上方，基端部经由连接体34而与第一板状构造体24的前端部连接，以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展。即，第一板状构造体24及第二板状构造体28隔开基于连接体34的预定间隔，在第一板状构造体24及第二板状构造体28产生挠曲的方向即Z轴方向上重叠设置。第二板状构造体28的Y轴方向上的长度比第一板状构造体24的长度短。在第二板状构造体28的前端部设有重锤体36。由此，将第一板状构造体24与第二板状构造体28的共振频率如后述那样设定为预定的共振频率。

第一压电元件26及第二压电元件30与图14(b)所示的压电元件12同样地分别由下部电极层G、压电材料层P及上部电极层E构成。

通过上述构造，在发电元件22中形成两个共振系Re1、Re2。第一共振系Re1是基于第一板状构造体24的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz1通过调节第一板状构造体24的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第一板状构造体24的前端部的物体的质量(连接体34、第二板状构造体28及重锤体36的质量)来设定。

第二共振系Re2是基于第二板状构造体28的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz2通过调节第二板状构造体28的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第二板状构造体28的前端部的物体的质量(重锤体36的质量)来设定。

两个共振系Re1、Re2的共振特性如示出频率fz与振幅A的关系的图2(a)那样表示。图2(a)所示的第二共振系Re2的共振特性为，假定第二板状构造体28的基端部与台座32直接连接的状态，不包含与第一共振系Re1的相互作用。

第一共振系Re1的共振特性为，在共振频率frz1附近与施加的振动共振而产生振幅A1增大的峰值，在以共振频率frz1为中心的半幅值hz1的频带中，振幅A1成为峰值的1/2以上。第二共振系Re2的共振特性为，在共振频率frz2附近与施加的振动共振而产生振幅A2增大的峰值，在以共振频率frz2为中心的半幅值hz2的频带中，振幅A2成为峰值的1/2以上。第一共振系Re1的半幅值hz1的频带的一部分与第二共振系Re2的半幅值hz2的频带的一部分相互重叠。

接下来，对向发电元件22施加了Z轴方向上的振动时的动作进行说明。为了简化说明，将第一共振系Re1及第二共振系Re2的Q值分别设为Qz1(>>1)、Qz2(>>1)，假设Qz1与Qz2彼此相等，共振频率frz1与frz2彼此一致，考虑对发电元件22施加与共振频率frz1、frz2相同的频率的振动的情况。

当向台座32施加了振动时，该振动传递至第一共振系Re1，如图1(b)所示，第一板状构造体24在厚度方向上挠曲，在第一板状构造体24的前端部产生台座32位移的加速度α的Qz1倍的加速度(Qz1·α)。因此，在第一压电元件26大概产生和前端部与基端部的加速度之差(Qz1·α)相称的电荷。

当第一板状构造体24的前端部的振动传递至第二共振系Re2时，第二板状构造体28与第一板状构造体24反向地挠曲。并且，在第二板状构造体28的前端部产生第一板状构造体24的前端部位移的加速度的Qz2倍的加速度(Qz2·Qz1·α)。因此，在第二压电元件30大概产生和前端部与基端部的加速度之差(Qz2·Qz1·α)相称的电荷。

这样，发电元件22能够在第一共振系Re1中得到与(Qz1·α)相称的电荷，能够在第二共振系Re2中得到与(Qz2·Qz1·α)相称的电荷，将它们的合计值作为电力取出。

若假设Qz2＝Qz1>>1，则第二共振系Re2产生比第一共振系Re1多的电荷，因此在第二共振系Re2中电荷的量即发电量显著增多(Qz2≠Qz1也是同样的)。例如，在上述以往的发电元件18的情况下，共振系仅为一个，只能进行与发电元件22的第一共振系Re1相同程度的发电。与此相对，发电元件22能够通过第二共振系Re2的动作，进行与以往的发电元件18相比显著增多的发电。

发电元件22的重锤体36在不设于第二板状构造体28的下表面侧而是设于上表面侧的情况下也进行同样的动作。重锤体36是两个共振系Re1、Re2的共振特性调节用的部件，若能够利用其他方法(例如变更两个板状构造体24、28的杨氏模量或形状来调节弹簧常数的方法)进行共振特性的调节，则能够省略重锤体36。若相对于第二共振系Re2的发电量而第一共振系Re1的发电量小到能够忽略，则也可以省略第一压电元件26，能够确保一定以上的发电量，并且简化制造工序。

至此，对假设共振频率frz1与frz2彼此一致并对发电元件22施加与共振频率frz1、frz2相同的频率的振动时的动作进行了说明。但是，量产时产生制造上的偏差等，因此难以使共振频率frz1、frz2准确地一致。对此，发明人进行了实验、模拟并研究，结果是发现若使第一共振系Re1的半幅值hz1的频带与第二共振系Re2的半幅值hz2的频带彼此至少一部分重叠，则如示出发电量W与频率fz的关系的图2(b)所示，可在该重叠的频带hz12中得到充分高的发电量。

如以上说明的那样，发电元件22被设定为，具有彼此连接的两个共振系Re1、Re2，各共振特性的半幅值hz1、hz2的频带彼此重叠，因此通过共振系彼此的相互作用，而作为综合共振的Q非常高。因此，针对半幅值hz1、hz2重叠的频带的振动，与以往相比，能够显著增加发电量。并且，由于构造简单，因此能够使用通常的制造工序容易地制造。

接下来，说明第一实施方式的发电元件22的两个变形例。在此，对与发电元件22相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。

如图3(a)、(b)所示，作为第一变形例的发电元件38的结构部件与发电元件22相同，不同之处在于，第二板状构造体28配置于第一板状构造体24的下方。第二压电元件30设于第二板状构造体28的下表面侧，连接体34设于第一板状构造体24的前端部的下表面侧，重锤体36设于第二板状构造体28的上表面侧。

发电元件38的第一共振系Re1及第二共振系Re2的上下方向上的配置与发电元件22相反，但各共振系的共振特性与图2(a)所示的曲线图相同，发电性能也与图2(b)所示的曲线图相同。因此，在发电元件38中，也能够得到与发电元件22相同的优异效果。发电元件38的重锤体36即使不设于第二板状构造体28的下表面侧而是设于上表面侧也进行同样的动作。

如图4(a)、(b)所示，作为第二变形例的发电元件40是从发电元件22的结构中删除了重锤体36，并新追加了第三板状构造体42、第三压电元件44、连接体46及重锤体48的结构。

第三板状构造体42位于第二板状构造体28的上方，基端部经由连接体46而连接于第二板状构造体28的前端部，以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展。并且，在第三板状构造体42的前端部设有重锤体48。其他结构与发电元件22相同。

通过上述构造，在发电元件40中形成有三个共振系Re1、Re2、Re3。第一共振系Re1是基于第一板状构造体24的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz1通过调节第一板状构造体24的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第一板状构造体24的前端部的物体的质量(连接体34、第二板状构造体28、连接体46、第三板状构造体42及重锤体48的质量)来设定。

第二共振系Re2是基于第二板状构造体28的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz2通过调节第二板状构造体28的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第二板状构造体28的前端部的物体的质量(连接体46、第三板状构造体42及重锤体48的质量)来设定。

第三共振系Re3是基于第三板状构造体42的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz3通过调节第三板状构造体42的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第三板状构造体42的前端部的物体的质量(重锤体48的质量)来设定。重锤体48是共振特性调节用的部件，若能够通过其他方法(例如变更三个板状构造体24、28、42的杨氏模量或形状来调节弹簧常数的方法)进行共振特性的调节，则能够省略重锤体48。

三个共振系Re1、Re2、Re3的共振特性例如如示出频率fz与振幅A的关系的图5(a)那样设定。图5(a)所示的第二共振系Re2的共振特性为，假定第二板状构造体28的基端部与台座32直接连接的状态，不包含与其他共振系的相互作用。同样，第三共振系Re3的共振特性为，假定第三板状构造体42的基端部与台座32直接连接的状态，不包含与其他共振系的相互作用。

三个共振系Re1、Re2、Re3中，第一共振系Re1的半幅值hz1的频带的一部分与第三共振系Re3的半幅值hz3的频带的一部分重叠，第二共振系Re2的半幅值hz2的频带的一部分也与第三共振系Re3的半幅值hz3的频带的一部分重叠。半幅值hz1与hz2的频带不重叠。

发电元件40的各共振系的共振特性被如图5(a)那样设定，因此如示出发电量W与频率fz的关系的图5(b)所示，在重叠的频带hz13、hz23中，能够得到与上述同样的较多的发电量。另外，也能够设定为使半幅值hz1与hz2的频带重叠，在该情况下，表示发电量的峰值的频带成为一个，发电量的峰值进一步变高。

接下来，基于图6～图8对本发明的发电元件的第二实施方式进行说明。如图6(a)所示，该实施方式的发电元件50具备：具有挠性的第一板状构造体52、基于第一板状构造体52的挠曲而产生电荷的第一压电元件54、具有挠性的第二板状构造体56、基于第二板状构造体56的挠曲而产生电荷的第二压电元件58、具有挠性的第三板状构造体60及基于第三板状构造体60的挠曲而产生电荷的第三压电元件62。并且，具备将第一板状构造体52支撑为悬臂梁构造的台座64。将台座64安装于某种振动源20来使用发电元件50，在XYZ三维坐标系中，各板状构造体52、56、60配置在使其板面与XY平面平行的面上。上述与XY平面平行的面优选为同一面。

第一板状构造体52的基端部直接连接于台座64，以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展。第二板状构造体56及第三板状构造体60以将第一板状构造体52夹在中间的方式配置于第一板状构造体52的侧方，各基端部经由连接体66而连接于第一板状构造体52的前端部，以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展。此外，在连接体66的下表面侧设有重锤体68，在第二板状构造体56的前端部的下表面侧设有重锤体70，在第三板状构造体60的前端部的下表面侧设有重锤体72。

因此，当对台座64施加了Z轴方向上的振动而第一板状构造体52在厚度方向上挠曲时，如图7(a)所示，第二板状构造体56与第一板状构造体52反向地挠曲。同样，当第一板状构造体52在厚度方向上挠曲时，如图7(b)所示，第三板状构造体60与第一板状构造体52反向地挠曲。

第一压电元件54、第二压电元件58及第三压电元件62与图14(b)所示的压电元件12同样地分别由下部电极层G、压电材料层P及上部电极层E构成。

通过上述构造，在发电元件50中形成有三个共振系Re1、Re2、Re3。第一共振系Re1是基于第一板状构造体52的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz1通过调节第一板状构造体52的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第一板状构造体52的前端部的物体的质量(连接体66、第二板状构造体56及第三板状构造体60、及重锤体68、70、72的质量)来设定。

第二共振系Re2是基于第二板状构造体56的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz2通过调节第二板状构造体56的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第二板状构造体28的前端部的物体的质量(重锤体70的质量)来设定。

第三共振系Re3是基于第三板状构造体60的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz3通过调节第三板状构造体60的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第三板状构造体60的前端部的物体的质量(重锤体72的质量)来设定。重锤体68、70、72是共振特性调节用的部件，若能够利用其他方法(例如变更三个板状构造体52、56、60的杨氏模量或形状来调节弹簧常数的方法)进行共振特性的调节，则能够省略重锤体68、70、72。

这三个共振系Re1、Re2、Re3的共振特性例如如示出频率fz与振幅A的关系的图8(a)那样设定。在三个共振系Re1、Re2、Re3中，第二共振系Re2的半幅值hz2的频带的一部分与第一共振系Re1的半幅值hz1的频带的一部分重叠，第三共振系Re3的半幅值hz3的频带的一部分也与第一共振系Re1的半幅值hz1的频带的一部分重叠。半幅值hz2与hz3的频带不重叠。

发电元件50将各共振系的共振特性如图8(a)那样设定，因此如示出发电量W与频率fz的关系的图8(b)所示，在重叠的频带hz13、hz12中，能够得到较多的发电量。也能够设定为半幅值hz1与hz2的频带重叠，在该情况下，表示发电量为峰值的频带成为一个，但发电量的峰值进一步变高。

之前说明的图4的发电元件40也具有三个共振系，但在发电元件40的情况下，三个共振系依次直列地配置，因此在未直接连接的两个共振系Re1与Re3之间也彼此产生作用。与此相对，在该发电元件50中，第一共振系Re1及第二共振系Re2直列，第一共振系Re1及第三共振系Re3直列，但第二共振系Re2及第三共振系Re3未直列。因此，在未直接连接的两个共振系Re2与Re3之间几乎不产生相互作用。因此，发电元件50进行与将两台发电元件22(图1)并列使用的情况几乎同样的动作。

发电元件50能够得到比发电元件22多的发电量。在发电元件22的情况下，板状构造体24、28配置为上下重叠，因此容易彼此接触，但发电元件50配置为板状构造体52、56、60在上下方向上不重叠，是板状构造体52、56、60彼此不会碰撞的构造，因此能够增大板状构造体52、56、60的最大挠曲量，能够进一步增加发电量。

接下来，基于图9对作为第二实施方式的发电元件50的一变形例的发电元件74进行说明。在此，对与发电元件50相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。发电元件74成为从发电元件50的结构删除了重锤体70、72并新设有U字状的重锤体76的结构。其他结构与发电元件50相同。

重锤体76是通过横梁对重锤体70、72的前端部彼此进行连接并使其一体化那样的结构形状。因此，成为板状构造体56、60的各前端部经由重锤体76而连接的形状，两个板状构造体56、60配合而发挥第二板状构造体(一个板状构造体)的作用。以下，将合成两个板状构造体56、60的特性而成的结构称为第二板状构造体56x进行说明。

通过上述构造，在发电元件74中形成有两个共振系Re1、Re2。第一共振系Re1是基于第一板状构造体52的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz1通过调节第一板状构造体52的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第一板状构造体52的前端部的物体的质量(连接体66、重锤体68、第二板状构造体56x及重锤体76的质量)来设定。

第二共振系Re2是基于第二板状构造体56x的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz2通过调节第二板状构造体56x的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第二板状构造体56x的前端部的物体的质量(重锤体76的质量)来设定。

各共振系的共振特性与图2(a)所示的发电元件22的曲线图相同。因此，发电元件74也进行与发电元件22同样的动作，能够得到与发电元件50同样的效果。

接下来，基于图10对本发明的发电元件的第三实施方式进行说明。该实施方式的发电元件78具备：具有挠性的第一板状构造体80、基于第一板状构造体80的挠曲而产生电荷的第一压电元件82、具有挠性的第二板状构造体84、基于第二板状构造体84的挠曲而产生电荷的第二压电元件86及将第一板状构造体80支撑为悬臂梁构造的台座88。将台座88安装于某种振动源20来使用发电元件78，在XYZ三维坐标系中，各板状构造体80、84的板面配置在与XY平面平行的面上。上述与XY平面平行的面优选为同一面。

台座88形成为四边形的方筒状，并设置为包围其他部件。第一板状构造体80的基端部直接连接于台座88的内壁，以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展。并且，在第一板状构造体80的前端部向Y轴正方向延伸配置有形成为四边形的框板状的连接体90。

第二板状构造体84位于连接体90的内侧，基端部连接于连接体90的内缘部(与第一板状构造体80连接且局部地相向的一边的内缘部)。即，第二板状构造体84经由连接体90而连接于第一板状构造体80，以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展。此外，在连接体90的下表面侧设有与连接体90相同大小的形成为方筒状的重锤体92，在第二板状构造体84的前端部的下表面侧以被重锤体92包围的方式设有重锤体94。因此，当向台座88施加了Z轴方向上的振动而第一板状构造体80在厚度方向上挠曲时，第二板状构造体86与第一板状构造体80反向地挠曲。

第一压电元件82及第二压电元件86与图14(b)所示的压电元件12同样地分别由下部电极层G、压电材料层P及上部电极层E构成。

通过上述构造，在发电元件78中形成有两个共振系Re1、Re2。第一共振系Re1是基于第一板状构造体80的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz1通过调节第一板状构造体80的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第一板状构造体80的前端部的物体的质量(连接体90、重锤体92、第二板状构造体84及重锤体94的质量)来设定。

第二共振系Re2是基于第二板状构造体84的挠性而形成的共振系，Z轴方向上的共振频率frz2通过调节第二板状构造体84的Z轴方向上的弹簧常数与连接于第二板状构造体84的前端部的物体的质量(重锤体94的质量)来设定。重锤体92、94是共振特性调节用的部件，若能够通过其他方法(例如变更两个板状构造体80、84的杨氏模量或形状来调节弹簧常数的方法)进行共振特性的调节，则能够省略重锤体92、94。

各共振系的共振特性与图2(a)所示的发电元件22的曲线图相同，在发电元件78中也能够得到与发电元件22相同的作用效果。此外，在发电元件78中，能够使台座88发挥防止重锤体92过度位移的止动件的作用，使重锤体92发挥防止重锤体94过度位移的止动件的作用，因此在对发电元件78施加了较强的冲击时，能够容易地保护第一板状构造体80及第二板状构造体84免于破损。第一板状构造体80的前端部和第二板状构造体84的根端部与连接体90的两端部(相互分离的位置)连接，因此能够通过第二共振系Re2使较大的加速度作用。

接下来，说明第三实施方式的发电元件78的两个变形例。在此，对与发电元件78相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。

如图11(a)所示，作为第一变形例的发电元件96将发电元件78的第一压电元件82置换成第一压电元件98并将第二压电元件86置换成第二压电元件100而成，其他结构与发电元件78相同。

上述发电元件78的第一压电元件82由一个压电元件构成，第二压电元件86由一个压电元件构成，仅能够将Z轴方向上的振动转换成电能。与此相对，该发电元件96的第一压电元件98由四个压电元件Ea1～Ea4构成，第二压电元件100由四个压电元件Eb1～Eb4构成，能够将XYZ各轴方向上的振动全部转换成电能。

发电元件96的基本构造与发电元件78相同，如图10(b)所示，重锤体92、94的重心偏向比第一板状构造体80及第二板状构造体84的前端部低的位置，因此当向重锤体92、94作用了XY各轴方向上的振动时，对第一板状构造体80及第二板状构造体84作用弯曲力矩。并且，第一板状构造体80及第二板状构造体84挠曲，如图11(b)所示，在八个压电元件Ea1～Ea4、Eb1～Eb4中分别产生正或者负电荷。因此，不仅是Z轴方向上的振动，XY各轴方向上的振动也能够转换成电能。图11(b)中的“+”、“-”相对地表示在各压电元件中产生的电荷的极性，也可以将“+”与“-”全部相反置换来进行表示。

发电元件96的第一共振系Re1除了Z轴方向上的共振频率frz1及半幅值hz1之外，还具有X轴方向上的共振频率frx1及半幅值hx1、Y轴方向上的共振频率fry1及半幅值hy1。同样，第二共振系Re2除了Z轴方向上的共振频率frz2及半幅值hz2之外，还具有X轴方向上的共振频率frx2及半幅值hx2、Y轴方向上的共振频率fry2及半幅值hy2。

在Z轴方向上，如表示频率fz与振幅A的关系的图12(a)所示，设定为半幅值hz2的频带的一部分与半幅值hz1的频带的一部分重叠。因此，通过两个共振系Re1、Re2的相互作用，能够在该重叠的频带中得到较多的发电量。

如图12(b)所示，X轴方向也同样，设定为半幅值hx2的频带的一部分与半幅值hx1的频带的一部分重叠。因此，通过两个共振系Re1、Re2的相互作用，能够在该重叠的频带中得到较多的发电量。

如图12(c)所示，Y轴方向也同样，设定为半幅值hy2的频带的一部分与半幅值hy1的频带的一部分重叠。因此，通过两个共振系Re1、Re2的相互作用，能够在该重叠的频带中得到较多的发电量。

这样，根据发电元件96，能够将XYZ各轴方向上的振动全部高效地转换成电能，因此能够得到比发电元件78更多的发电量。

如图13(a)所示，作为第二变形例的发电元件102将发电元件78的第一压电元件82置换成第一压电元件104并将第二压电元件86置换成第二压电元件106而成，其他结构与发电元件78相同。

上述发电元件78的第一压电元件82由一个压电元件构成，第二压电元件86由一个压电元件构成，仅能够将Z轴方向上的振动转换成电能。与此相对，该发电元件102的第一压电元件104由两个压电元件Ea1、Ea2构成，第二压电元件106由两个压电元件Eb1、Eb2构成，能够将YZ这两个轴方向上的振动转换成电能。

如上述那样，当向发电元件102的重锤体92、94作用了Y轴方向上的振动时，对第一板状构造体80及第二板状构造体84作用弯曲力矩。并且，第一板状构造体80及第二板状构造体84挠曲，如图13(b)所示，在四个压电元件Ea1、Ea2、Eb1、Eb2中分别产生正或者负电荷。因此，不仅是Z轴方向的振动，Y轴方向的振动也能够转换成电能。

发电元件102的第一共振系Re1除了Z轴方向上的共振频率frz1及半幅值hz1之外，还具有X轴方向上的共振频率frx1及半幅值hx1、Y轴方向上的共振频率fry1及半幅值hy1。同样，第二共振系Re2除了Z轴方向上的共振频率frz2及半幅值hz2之外，还具有X轴方向上的共振频率frx2及半幅值hx2、Y轴方向上的共振频率fry2及半幅值hy2。这与发电元件96相同。

在Z轴方向上，与发电元件96同样地设定为半幅值hz2的频带的一部分与半幅值hz1的频带的一部分重叠(图12(a))。因此，利用两个共振系Re1、Re2的相互作用，能够在该重叠的频带中得到较大的发电量。

在Y轴方向上，也与发电元件96同样地设定为半幅值hy2的频带的一部分与半幅值hy1的频带的一部分重叠(图12(c))。因此，利用两个共振系Re1、Re2的相互作用，能够在该重叠的频带中得到较大的发电量。

但是，X轴方向上的共振特性不是特别重要，也可以不使半幅值hx2的频带与半幅值hx1的频带重叠。这是因为，发电元件102是不进行X轴方向的发电的元件。

根据发电元件102，能够将YZ这两个轴方向上的振动高效地转换成电能，因此能够获得比发电元件78更多的发电量。在进行第一共振系Re1及第二共振系Re2的设计时，在发电元件96的情况下需要考虑三个方向的共振特性，但在发电元件102的情况下仅需考虑两个方向即可，因此发电元件102的设计较为容易。

本发明的发电元件不限于上述实施方式及变形例。例如，图4所示的发电元件40将三个板状构造体直列地连接而设置有合计三个共振系，但也能够进一步增加直列地配置的板状构造体的数量及共振系的数量，由此能够使发电量呈指数函数增多。在该情况下，与上述实施方式同样地对第奇数个的板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式配置，对第偶数个的板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式配置。在直列地配置第一～第n板状构造体的情况下，形成第一共振系～第n共振系，在各共振系的半幅值的频带重叠时，最远离台座的第n共振系的发电量最大。因此，为了增多发电量，在第n共振系与其他共振系之间产生相互作用变得重要，因此可以设定为使第n共振系的共振特性的半幅值的频带与其他共振系(尽可能多的共振系)的半幅值的频带重叠。

图6所示的发电元件50在第一板状构造体的前端部连接两个其他板状构造体，设有合计三个共振系，但也能够进一步增加其他板状构造体的数量而进一步增加共振系的数量，由此使发电量进一步增多。在该情况下，需留意与上述实施方式同样地，第一板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式配置，其他板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式配置。为了增加发电量，在第一共振系与其他共振系之间产生相互作用是重要的，可以设定为使第一共振系的共振特性的半幅值的频带与其他共振系(尽可能多的共振系)的半幅值的频带重叠。

图6所示的发电元件50是仅能够将Z轴方向上的振动转换成电能的结构，若将第一压电元件82及第二压电元件86变更为图11所示的第一压电元件98及第二压电元件100那样的结构，则能够将XYZ各轴方向上的振动全部转换成电能，能够进一步增加发电量。或者，若将第一压电元件82及第二压电元件86变更为图13所示的第一压电元件104及第二压电元件106那样的结构，则能够将YZ这两个轴方向上的振动转换成电能，能够进一步增加发电量。

此外，发电元件的制造工序没有特别限定，能够与各个构造对应地自由选择。例如，上述的发电元件50、74、78、96、102(图6、图9、图10、图11、图13)采用将多个共振系沿XY平面几乎共面地并列设置的结构，因此若利用使用了Si基板、SOI基板等的MEMS技术，则能够容易制造。压电元件的具体构造不限定于图14(b)所示的压电元件18的构造，也可以使用能够实现同样功能的其他构造。

附图标记说明

22、38、40、50、74、78、96、102 发电元件

24、52、80 第一板状构造体

26、54、82、98、104 第一压电元件

28、56、56x、84 第二板状构造体

30、58、86、100、106 第二压电元件

32、64、88 台座

34、46、66、90 连接体

36、48、68、70、72、76、92、94 重锤体

42、60 第三板状构造体

44、62 第三压电元件

frx1、fry1、frz1 共振频率(第一共振系)

frx2、fry2、frz2 共振频率(第二共振系)

frz3 共振频率(第三共振系)

hx1、hy1、hz1 半幅值(第一共振系)

hx2、hy2、hz2 半幅值(第二共振系)

hz3 半幅值(第三共振系)

Re1 第一共振系

Re2 第二共振系

Re3 第三共振系。

Claims (9)

1.一种发电元件，其特征在于，

所述发电元件具备：具有挠性的第一板状构造体及第二板状构造体、支撑所述第一板状构造体的台座及基于所述第一板状构造体及所述第二板状构造体的挠曲或者所述第二板状构造体的挠曲而产生电荷的压电元件，

在XYZ三维坐标系中，所述第一板状构造体及所述第二板状构造体以使板面成为与XY平面平行的面的方式配置，

所述第一板状构造体的基端部直接或者间接地与所述台座连接，且所述第一板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，

所述第二板状构造体的基端部经由连接体而与所述第一板状构造体的前端部连接，且所述第二板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，

基于所述第二板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带的至少一部分与基于所述第一板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带重叠。

2.根据权利要求1所述的发电元件，其中，

所述第一板状构造体及所述第二板状构造体隔开预定间隔地在所述第一板状构造体及所述第二板状构造体挠曲的方向上重叠设置。

3.根据权利要求1所述的发电元件，其中，

所述第一板状构造体及所述第二板状构造体隔开预定间隔地设置在与所述XY平面平行的面上。

4.根据权利要求1、2或3所述的发电元件，其中，

所述第二板状构造体与所述第一板状构造体相比Y轴方向上的长度短。

5.一种发电元件，其特征在于，

所述发电元件具备：具有挠性的n个板状构造体、支撑第一板状构造体的台座及基于所述n个板状构造体的挠曲或者至少第n板状构造体的挠曲而产生电荷的压电元件，其中，n为3以上的自然数，所述第一板状构造体是所述n个板状构造体中的一个，

在XYZ三维坐标系中，所述n个板状构造体以使板面成为与XY平面平行的面的方式配置，

所述第一板状构造体的基端部直接或者间接地与所述台座连接，且所述第一板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，

所述n个板状构造体之中的第ka板状构造体的基端部经由连接体而与第ka-1板状构造体的前端部连接，且所述第ka板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴负方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，其中，ka为偶数，2≤ka≤n，

所述n个板状构造体之中的第kb板状构造体的基端部经由连接体而与第kb-1板状构造体的前端部连接，且所述第kb板状构造体以使从基端部朝向前端部的方向成为Y轴正方向的方式沿与Y轴平行的方向伸展，其中，kb为奇数，3≤kb≤n，

基于所述第n板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带的至少一部分与基于其他所述板状构造体的挠性而形成的共振系的共振特性的半幅值的频带重叠。

6.根据权利要求5所述的发电元件，其中，

所述n个板状构造体隔开预定间隔地各自在所述板状构造体挠曲的方向上重叠设置。

7.根据权利要求5所述的发电元件，其中，

所述n个板状构造体隔开预定间隔地设置在与所述XY平面平行的面上。

8.根据权利要求7所述的发电元件，其中，

所述n个板状构造体隔开预定间隔地设置在所述XY平面的同一面上。

9.根据权利要求5、6、7或8所述的发电元件，其中，

所述第n板状构造体与第n-1板状构造体相比Y轴方向上的长度短。

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