JP2019047545A - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも発電量を格段に増やすことができ、しかもシンプルな構造の発電素子を提供する。【解決手段】板面がＸＹ平面と平行な第１及び第２の板状構造体２４，２８と、第１の板状構造体２４を支持する台座３２とを備える。２つの板状構造体２４，２８の各変形に基づいて電荷を発生させる第１及び第２の圧電素子２６，３０を備える。第１の板状構造体２４は、基端部が台座３２に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向である。第２の板状構造体２８は、基端部が第１の板状構造体２４の先端部に接続体３４を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向である。第２の板状構造体２８の可撓性に基づいて形成される共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯は、第１の板状構造体２４の可撓性に基づいて形成される共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯と重なっている。【選択図】図１

Description

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う発電素子に関する。

従来、図１４（ａ）に示すように、可撓性を有した板状構造体１０と、板状構造体１０の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子１２と、板状構造体１０の基端部を片持ち梁構造に支持する台座１４と、板状構造体１０の先端部に設けられた重錘体１６とで構成された発電素子１８があった。発電素子１８は、台座１４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、板状構造体１０は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

圧電素子１２は、例えば図１４（ｂ）に示すように、板状構造体１０の上面全体を覆う下部電極層Ｇ、下部電極層Ｇの上面全体を覆う圧電材料層Ｐ、圧電材料層Ｐの上面の特定の領域に設けた上部電極層Ｅとで構成され、実質的には上部電極層Ｅを設けた領域が圧電素子１２として動作する。

台座１４にＺ軸方向の振動が印加されると、図１５（ａ）に示すように、その振動が重錘体１６及び板状構造体１０に作用し、板状構造体１０が厚み方向に撓み、この変形に基づいて圧電素子１２に電荷が発生する。そして、圧電素子１２に発生した電荷が、圧電素子１２に接続されている図示しない整流平滑回路によって電力として取り出される。

発電素子１８は、板状構造体１０の可撓性に基づく１つの共振系（共振周波数frz）を有し、図１５（ｂ）に示すように、印加された振動の周波数fzが共振周波数frzに近いと、この振動に共鳴して板状構造体１０の振幅Ａが大きくなる。したがって、共振周波数frzを、印加される振動の周波数fz付近に設定し、かつ共振のＱ値を高くして振幅Ａのピーク値を高くする（共振のＱ値を高くする）すれば、発電素子１８の発電量を増やすことができる。

なお、共振周波数frzは、板状構造体１０のＺ軸方向のバネ定数と、重錘体１６の質量とを調節することによって設定することができ、例えば、バネ定数を大きくしたり重錘体１６の質量を小さくしたりすれば、共振周波数frzを高くすることができる。また、共振のＱ値は、振動を減衰させる成分を極力小さくする（例えば、真空状態にする）ことによって高くすることができる。

また、特許文献１には、上記発電素子１８と同様に、１つの共振系を有した圧電発電装置が開示されている。

国際公開第２０１２／１０５３６８号公報

従来の発電素子１８及び特許文献１の圧電発電装置は、共振系のＱ値を高くすれば発電量を増やすことができるが、物理的に限界があるため、印加される振動の周波数fzに対して共振周波数frzを正確に一致させたとしても、発電効率は低いものであった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、従来よりも発電量を格段に増やすことができ、しかもシンプルな構造の発電素子を提供することを目的とする。

本発明は、可撓性を有した第１及び第２の板状構造体と、前記第１の板状構造体を支持する台座と、前記第１及び第２の板状構造体の変形、又は前記第２の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記第１及び第２の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第２の板状構造体は、基端部が前記第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第２の板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第１の板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

また、本発明は、可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は少なくとも前記第ｎの板状構造体変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子と備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体（ｋａは偶数、２≦ｋａ≦ｎ）は、基端部が第（ｋａ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体（ｋｂは奇数、３≦ｋｂ≦ｎ）は、基端部が第（ｋｂ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第ｎの板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

また、本発明は、可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は前記第２〜第ｎの板状構造体の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体は、各基端部が第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

上記各発電素子は、特定の前記板状構造体の先端部に、重錘体が設けられていてもよい。

本発明の発電素子は、互いに接続された２個以上の共振系を有し、各共振特性の半値幅の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のＱを非常に高くすることができる。したがって、互いの半値幅が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。

本発明の発電素子の第一の実施形態の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子が有する第１及び第２の共振系のＺ軸方向の共振特性を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子の他の変形例の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 図４に示す発電素子が有する第１〜第３の共振系のＺ軸方向の共振特性の一例を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 本発明の発電素子の第二の実施形態の外観を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）である。 第二の実施形態の発電素子にＺ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ａ）、背面図（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子が有する第１〜第３の共振系のＺ軸方向の共振特性の一例を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、右側面図（ｃ）である。 本発明の発電素子の第三の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面から見た部分断面図（ｂ）、底面図（ｃ）である。 第三の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す平面図（ａ）、印加される振動に対する各圧電素子の出力の極性を示す図（ｂ）である。 図１１（ａ）に示す発電素子が有する第一及び第二の共振系の共振特性を示すグラフであって、Ｚ軸方向のグラフ（ａ）、Ｘ軸方向のグラフ（ｂ）、Ｙ軸方向のグラフ（ｃ）である。 第三の実施形態の発電素子の他の変形例の外観を示す平面図（ａ）、印加される振動に対する各圧電素子の出力の極性を示す図（ｂ）である。 従来の発電素子の外観を示す斜視図（ａ）、圧電素子の構造を示す正面図（ｂ）である。 図１４の発電素子にＺ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ａ）、この発電素子が有する共振系のＺ軸方向の共振特性及び発電量を示すグラフ（ｂ）である。

以下、本発明の発電素子の第一の実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。この実施形態の発電素子２２は、図１（ａ）に示すように、可撓性を有した第１の板状構造体２４と、第１の板状構造体２４の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子２６と、可撓性を有した第２の板状構造体２８と、第２の板状構造体２８の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子３０と、第１の板状構造体２４を片持ち梁構造に支持する台座３２とを備えている。発電素子２２は、台座１４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体２４，２８は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

第１の板状構造体２４は、基端部が直接的に台座３２に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。第２の板状構造体２８は、第１の板状構造体２４の上方に位置し、基端部が第１の板状構造体２４の先端部に接続体３４を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、第２の板状構造体２８の先端部には、重錘体３６が設けられている。

第１及び第２の圧電素子２６，３０は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極Ｇ、圧電材料Ｐ及び上部電極Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子２２には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体２４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体２４のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体２４の先端部に接続された物体の質量（接続体３４、第２の板状構造体２８及び重錘体３６の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体２８の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体２８のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（重錘体３６の質量）とを調節することによって設定される。

２つの共振系Re1，Re2の共振特性は、図２（ａ）のように表される。なお、図２（ａ）に示す第２の共振系Re2の共振特性は、第２の板状構造体２８の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、第１の共振系Re1との相互作用は含んでいない。

第１の共振系Re1の共振特性は、共振周波数frz1付近に、印加された振幅に共鳴して振幅A1が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz1を中心とする半値幅hz1の周波数帯で、振幅A1がピーク値の1/2以上になっている。第２の共振系Re2の共振特性は、共振周波数frz2付近に、印加された振幅に共鳴して振幅A2が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz2を中心とする半値幅hz2の周波数帯で、振幅A2がピーク値の1/2以上になっている。ここで特徴的なのは、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっている点である。

次に、発電素子２２にＺ軸方向の振動が印加されたときの動作を説明する。ここでは、説明を簡単化するため、第１及び第２の共振系Re1，Re2のＱ値を各々Qz1（>>1），Qz2（>>1）とし、Qz1とQZ2とが互いに等しく、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子２２に対して共振周波数frz1，frz2と同じ周波数の振動が印加された場合を考える。

台座３２に振動が印加されると、この振動が第１の共振系Re1に伝わり、図１（ｂ）に示すように、第１の板状構造体２４が厚み方向に撓み、第１の板状構造体２４の先端部に、台座３２が変位する加速度αのQz1倍の加速度（Qz1・α）が発生する。したがって、第１の圧電素子２６には、概算で、先端部と基端部の加速度の差（Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz1＝10とすれば、加速度（10α）に相当する電荷が発生することになる。

さらに、第１の板状構造体２４の先端部の振動が第２の共振系Re2に伝わり、第２の板状構造体２８が第１の板状構造体２４と逆向きに撓む。そして、第２の板状構造体２８の先端部に、第１の板状構造体２４の先端部が変位する加速度のQz2倍の加速度（Qz2・Qz1・α）が発生する。したがって、第２の圧電素子３０には、概算で、先端部と基端部の加速度の差（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz2＝Qz1＝10とすれば、加速度（100α）に相当する電荷が発生することになる。

このように、発電素子２２は、第１の共振系Re1で（Qz1・α）に相当する電荷を得ることができ、第２の共振系Re2では、（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷を得ることができ、これらを合計したものが電力として取り出される。

Qz2＝Qz1>>１と仮定すれば、第２の共振系Re2は、第１の共振系Re1よりも多くの電荷が発生するので、第２の共振系Re2の方が発電量が格段に多くなる（Qz2≠Qz1でも同様である）。例えば、上述した従来の発電素子１８の場合、共振系が１つだけなので、発電素子２２の第１の共振系Re1と同程度の発電しか行うことができない。これに対して、発電素子２２は、第２の共振系Re2の働きにより、従来の発電素子１８よりも格段に多くの発電を行うことができる。

なお、発電素子２２の重錘体３６は、第２の板状構造体２８の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。また、重錘体３６は、２つの共振系Re1,Re2の共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、２つの板状構造体２４，２８のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。また、第２の共振系Re2の発電量に対して第１の共振系Re1の発電量が無視できるほど小さければ第１の圧電素子２６を省略してもよく、一定以上の発電量を確保しつつ、製造プロセスを簡単化することができる。

ここまでは、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子２２に対して共振周波数frz1，frz2と同じ周波数の振動が印加されたときの動作を説明した。しかし、量産時は製造上のバラツキ等が生じるので、共振周波数frz1，frz2を正確に一致させることは難しい。そこで、発明者が実験やシミュレーションを行って検討した結果、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっていれば、図２（ｂ）に示すように、その重なっている周波数帯において、十分に高い発電量が得られることが分かった。

以上説明したように、発電素子２２は、互いに接続された２つの共振系Re1，Re2を有し、各共振特性の半値幅hz1，hz2の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のＱが非常に高くなる。したがって、半値幅hz1，hz2が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。

次に、第一の実施形態の発電素子２２の２つの変形例を説明する。ここで、発電素子２２と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。

１つ目の変形例である発電素子３８は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、構成部材は発電素子２２と同様であり、異なるのは、第２の板状構造体２８が第１の板状構造体２４の下方に配置されている点であり、これに伴い、第２の圧電素子３０が第２の板状構造体２８の下面側に設けられ、接続体３４が第１の板状構造体２４の先端部の下面側に設けられ、重錘体３６が第２の板状構造体２８の上面側に設けられている。

発電素子３８は、第１及び第２の共振系Re1，Re2の上下方向の配置が発電素子２２と逆になっているが、各共振系の共振特性は図２（ａ）に示すグラフと同様であり、発電性能も図２（ｂ）に示すグラフと同様である。したがって、発電素子３８においても、発電素子２２と同様の優れた効果を得ることができる。なお、発電素子３８の重錘体３６は、第２の板状構造体２８の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。

２つ目の変形例である発電素子４０は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、発電素子２２の構成から重錘体３６が削除され、新たに第３の板状構造体４２、第３の圧電素子４４、接続体４６及び重錘体４８が追加された構成になっている。

第３の板状構造体４２は、第２の板状構造体２８の上方に位置し、基端部が第２の板状構造体２８の先端部に接続体４６を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。そして、第３の板状構造体４２の先端部には、重錘体４８が設けられている。その他の構成は、発電素子２２と同様である。

上記の構造により、発電素子４０には３つの共振系Re1，Re2，Re3が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体２４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体２４のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体２４の先端部に接続された物体の質量（接続体３４、第２の板状構造体２８、接続体４６、第３の板状構造体４２及び重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体２８の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体２８のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（接続体４６、第３の板状構造体４２及び重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。

第３の共振系Re3は、第３の板状構造体４２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz3は、第３の板状構造体４２のＺ軸方向のバネ定数と、第３の板状構造体４２の先端部に接続された物体の質量（重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。なお、重錘体４８は共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、３つの板状構造体２４，２８，４２のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。

３つの共振系Re1，Re2，Re3の共振特性は、例えば図５（ａ）のように設定される。なお、図５（ａ）に示す第２の共振系Re2の共振特性は、第２の板状構造体２８の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。同様に、第３の共振系Re3の共振特性は、第３の板状構造体４２の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。

特徴的なのは、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部が第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なり、第２の共振系Re2の半値幅hz1の周波数帯の一部も第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。

発電素子４０は、各共振系の共振特性が図５（ａ）のように設定されているので、図５（ｂ）に示すように、上記と同様の多くの発電量を、２つの周波数帯で得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯が１つになり、発電量のピーク値はより高くなる
次に、本発明の発電素子の第二の実施形態について、図６〜図８に基づいて説明する。この実施形態の発電素子５０は、図６（ａ）に示すように、可撓性を有した第１の板状構造体５２と、第１の板状構造体５２の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子５４と、可撓性を有した第２の板状構造体５６と、第２の板状構造体５６の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子５８と、可撓性を有した第３の板状構造体６０と、第３の板状構造体６２の変形に基づいて電荷を発生させる第３の圧電素子６２とを備えている。そして、第１の板状構造体５２を片持ち梁構造に支持する台座６４を備えている。発電素子５０は、台座６４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体５２，５６，６０は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

第１の板状構造体５２は、基端部が直接的に台座６４に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。第２及び第３の板状構造体５６，６０は、第１の板状構造体５２を間に挟むように、第１の板状構造体５２の側方に配置され、各基端部が第１の板状構造体２４の先端部に接続体６６を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、接続体６６の下面側に重錘体６８が設けられ、第２の板状構造体５６の先端部の下面側に重錘体７０が設けられ、第３の板状構造体６０の先端部の下面側に重錘体７２が設けられている。

したがって、台座６４にＺ軸方向の振動が印加され、第１の板状構造体５２が厚み方向に撓むと、図７（ａ）に示すように、第２の板状構造体５６は第１の板状構造体５２と逆向きに撓む。同様に、第１の板状構造体５２が厚み方向に撓むと、図７（ｂ）に示すように、第３の板状構造体６０は第１の板状構造体５２と逆向きに撓む。

第１、第２及び第３の圧電素子５４，５８，６２は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極Ｇ、圧電材料Ｐ及び上部電極Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子５０には３つの共振系Re1，Re2，Re3が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体５２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体５２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体５２の先端部に接続された物体の質量（接続体６６、第２及び第３の板状構造体５６，６０、及び重錘体６８，７０，７２の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体５６の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体２８のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（重錘体７０の質量）とを調節することによって設定される。

第３の共振系Re3は、第３の板状構造体６０の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz3は、第３の板状構造体６０のＺ軸方向のバネ定数と、第３の板状構造体６０の先端部に接続された物体の質量（重錘体７２の質量）とを調節することによって設定される。なお、重錘体６８，７０，７２は共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、３つの板状構造体５２，５６，６０のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。

この３つの共振系Re1，Re2，Re3の共振特性は、例えば図８（ａ）のように設定される。特徴的なのは、第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部が第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なり、第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部も第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。

発電素子５０は、各共振系の共振特性が図８（ａ）のように設定されているので、図８（ｂ）に示すように、２つの周波数帯で多くの発電量を得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯は１つになるが、発電量のピーク値はもっと高くなる。

なお、先に説明した発電素子４０（図４）も３つの共振系を有しているが、発電素子４０の場合は、３つの共振系が順に直列に配置されているので、直接接続されていない２つの共振系Re1とRe3の間にも相互作用が生じる。これに対して、この発電素子５０は、第１及び第２の共振系Re1，Re2が直列で、第１及び第３の共振系Re1，Re2が直列であるが、第２及び第３の共振系Re2，Re3は直列になっていない。そのため、直接接続されていない２つの共振系Re2とRe3の間には相互作用がほとんど生じない。したがって、発電素子５０は、２台の発電素子２２（図１）を並列に使用するのとほぼ同様の動作を行う。

発電素子５０は、発電素子２２よりも多くの発電量を得ることができる。また、発電素子２２の場合は、板状構造体２４，２８が上下に重なるように配置されているので互いに接触しやすいが、発電素子５０は、板状構造体５２，５６，６０が上下方向に重ならないよう配置され、板状構造体５２，５６，６０が互いにぶつからない構造なので、板状構造体５２，５６，６０の最大撓み量を大きくすることができ、発電量をさらに増やすことができる。

次に、第二の実施形態の発電素子５０の一変形例である発電素子７４について、図９に基づいて説明する。ここで、発電素子５０と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。発電素子７４は、発電素子５０の構成から重錘体７０，７２が削除され、新たにＵ字状の重錘体７６が設けられた構成になっている。その他の構成は、発電素子５０と同様である。

重錘体７６は、重錘体７０，７２の先端部同士を横梁で連結して一体化させたような構形状である。したがって、板状構造体５６，６０の各先端部が重錘体７６を介して連結される形になり、２つの板状構造体５６，６０が協働して第２の板状構造体（１つの板状構造体）の役割をする。以下、２つの板状構造体５６，６０の特性を合成したものを第２の板状構造体５６ｘと称して説明する。

上記の構造により、発電素子７４には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体５２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体５２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体５２の先端部に接続された物体の質量（接続体６６、重錘体６８、第２の板状構造体５６ｘ及び重錘体７６の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体５６ｘの可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体５６ｘのＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体５６ｘの先端部に接続された物体の質量（重錘体７６の質量）とを調節することによって設定される。

各共振系の共振特性は、図２（ａ）に示す発電素子２２のグラフと同様である。したがって、発電素子７４も発電素子２２と同様の動作を行い、発電素子５０と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の発電素子の第三の実施形態について、図１０に基づいて説明する。この実施形態の発電素子７８は、可撓性を有した第１の板状構造体８０と、第１の板状構造体８０の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子８２と、可撓性を有した第２の板状構造体８４と、第２の板状構造体８４の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子８６と、第１の板状構造体８０を片持ち梁構造に支持する台座８８を備えている。発電素子７８は、台座８８が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体８０，８４は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

台座８８は、四角形の角筒状に形成され、他の部材を囲むように設けられている。第１の板状構造体８０は、基端部が直接的に台座８８の内壁に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。そして、第１の板状構造体８０の先端部には、四角形の枠板状に形成された接続体９０がＹ軸正方向に延設されている。

第２の板状構造体８４は、接続体９０の内側に位置し、基端部が接続体９０の内縁部（第１の板状構造体８０が接続されて部分に対向する一辺の内縁部）に接続されている。つまり、第２の板状構造体８４は、接続体９０を介して第１の板状構造体８０に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、接続体９０の下面側に、接続体９０と同じに大きさの角筒状に形成された重錘体９２が設けられ、第２の板状構造体８６の先端部の下面側に、重錘体９２に囲まれるように重錘体９４が設けられている。したがって、台座８８にＺ軸方向の振動が印加され、第１の板状構造体８０が厚み方向に撓むと、第２の板状構造体８６は、第１の板状構造体８０と逆向きに撓む。

第１及び第２の圧電素子８２，８６は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極Ｇ、圧電材料Ｐ及び上部電極Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子７８には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体８０の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体８０のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体８０の先端部に接続された物体の質量（接続体９０、重錘体９２、第２の板状構造体８４及び重錘体９４の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体８４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体８４のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体８４の先端部に接続された物体の質量（重錘体９４の質量）とを調節することによって設定される。なお、重錘体９２，９４は共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、２つの板状構造体８０．８４のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。

各共振系の共振特性は、図２（ａ）に示す発電素子２２のグラフと同様であり、発電素子７８においても、発電素子２２と同様の作用効果を得ることができる。さらに、発電素子７８では、台座８８に、重錘体９２が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせ、重錘体９２に、重錘体９４が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせることができるので、発電素子７８に強い衝撃が加わった時、第１及び第２の板状構造体８０，８４が破損するのを容易に保護することができる。また、第１の板状構造体８０の先端部と第２の板状構造体８４の根端部は、接続体９０の両端部（互いに離れた位置）に接続されているので、第２の共振系Re2により大きな加速度を作用させることができる。

次に、第三の実施形態の発電素子７８の２つの変形例を説明する。ここで、発電素子７８と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。

１つ目の変形例である発電素子９６は、図１１（ａ）に示すように、発電素子７８の第１の圧電素子８２を第１の圧電素子９８に置き換え、第２の圧電素子８６を第２の圧電素子１００に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子７８と同様である。

上記発電素子７８は、第１の圧電素子８２が１個の圧電素子で構成され、第２の圧電素子８６が１個の圧電素子で構成されており、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子９６は、第１の圧電素子９８が４個の圧電素子Ea1〜Ea4で構成され、第２の圧電素子１００が４個の圧電素子Eb1〜Eb4で構成されており、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換できるという特徴がある。

発電素子９６は、発電素子７８と基本構造が同じであり、図１０（ｂ）に示すように、重錘体９２，９４の重心が第１及び第２の板状構造体８０，８４の先端部よりも低い位置に偏っているので、重錘体９２，９４にＸＹの各軸方向の振動が作用すると、第１及び第２の板状構造体８０，８４に対して曲げモーメントが作用する。そして、第１及び第２の板状構造体８０，８４が変形し、図１１（ｂ）に示すように、８つの圧電素子Ea1〜Ea4，Eb1〜Eb4に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Ｚ軸方向の振動だけでなく、ＸＹの各軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。なお、図１１（ｂ）の中の「＋」「−」は、各圧電素子に発生する電荷の極性を相対的に表したものであり、「＋」と「−」をすべて逆に置き換えて表してもよい。

発電素子９６の第１の共振系Re1は、Ｚ軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Ｙ軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第２の共振系Re2は、Ｚ軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Ｙ軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。

Ｚ軸方向は、図１２（ａ）に示すように、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｘ軸方向も同様であり、図１２（ｂ）に示すように、半値幅hx2の周波数帯の一部が、半値幅hx1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｙ軸方向も同様であり、図１２（ｃ）に示すように、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

このように、発電素子９６によれば、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子７８より多くの発電量を得ることができる。

２つ目の変形例である発電素子１０２は、図１３（ａ）に示すように、発電素子７８の第１の圧電素子８２を第１の圧電素子１０４に置き換え、第２の圧電素子８６を第２の圧電素子１０６に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子７８と同様である。

上記発電素子７８は、第１の圧電素子８２が１個の圧電素子で構成され、第２の圧電素子８６が１個の圧電素子で構成されており、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子１０２は、第１の圧電素子１０４が２個の圧電素子Ea1，Ea2で構成され、第２の圧電素子１０６が２個の圧電素子Eb1，Eb2で構成されており、ＹＺの２軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができるという特徴がある。

上記のように、発電素子１０２の重錘体９２，９４にＹ軸方向の振動が作用すると、第１及び第２の板状構造体８０，８４に対して曲げモーメントが作用する。そして、第１及び第２の板状構造体８０，８４が変形し、図１３（ｂ）に示すように、４つの圧電素子Ea1，Ea2，Eb1，Eb2に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Ｚ軸方向の振動だけでなく、Ｙ軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。

発電素子１０２の第１の共振系Re1は、Ｚ軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Ｙ軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第２の共振系Re2は、Ｚ軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Ｙ軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。これは、発電素子９６と同様である。

Ｚ軸方向は、発電素子９６と同様に、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている(図１２（ａ）)。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｙ軸方向も、発電素子９６と同様に、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている（図１２（ｃ））。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

しかし、Ｘ軸方向の共振特性は特に重要ではなく、半値幅hx2の周波数帯が半値幅hx1の周波数帯に重なっていなくても構わない。発電素子１０２は、Ｘ軸方向の発電を行わない素子だからである。

発電素子１０２によれば、ＹＺの２軸方向の振動を効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子７８より多くの発電量を得ることができる。また、第１及び第２の共振系Re1，Re2の設計を行うとき、発電素子９４の場合は３方向の共振特性を考慮する必要があるが、発電素子１０２の場合は２方向だけを考慮すればよいので、発電素子１０２の方が設計が容易である。

なお、本発明の発電素子は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、図４に示す発電素子４０は、３個の板状構造体を直列に接続して合計３個の共振系を設けているが、直列に配置する板状構造体の数及び共振系の数をもっと増やすことによって、発電量を指数関数的に多くすることができる。この場合、上記実施形態と同様に、奇数番目の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように配置し、偶数番目の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように配置する点に留意する。また、第１〜第ｎの板状構造体を直列に配置した場合、第１〜第ｎの共振系が形成され、各共振系の半値幅の周波数帯が重なったとき、台座から最も離れている第ｎの共振系の発電量が最大になる。したがって、発電量を多くするためには、第ｎの共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要になるので、第ｎの共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系（できるだけ多くの共振系）の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。

図６に示す発電素子５０は、第１の板状構造体の先端部に他の板状構造体を２個接続し合計３個の共振系を設けているが、他の板状構造体の数をもっと増やして共振系の数をもっと増やすことによって、発電量をさらに多くすることができる。この場合、上記実施形態と同様に、第１の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように配置し、その他の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように配置する点に留意する。また、発電量を多くするためには、第１の共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要であり、第１の共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系（できるだけ多くの共振系）の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。

また、図６に示す発電素子５０は、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる構成であるが、第１及び第２の圧電素子８２，８６を、図１１に示す第１及び第２の圧電素子９８．１００のような構成に変更すれば、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。あるいは、第１及び第２の圧電素子８２，８６を、図１３に示す第１及び第２の圧電素子１０４，１０６のような構成に変更すれば、ＹＺの２軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。

その他、発電素子の製造プロセスは特に限定されず、個々の構造に合わせて自由に選択することができる。例えば、上記の発電素子５０，７４，７８，９６，１０２（図６、図９、図１０、図１１、図１３）は、複数の共振系がＸＹ平面に沿ってほぼ面一に並設される構成なので、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板等を用いたＭＥＭＳ技術を使用すれば、容易に製造することができる。また、圧電素子の具体的な構造は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１８の構造に限定されず、同様の機能を実現できる他の構造を用いてもよい。

２２，３８，４０，５０，７４，７８，９６，１０２ 発電素子
２４，５２，８０ 第１の板状構造体
２６，５４，８２，９８，１０４ 第１の圧電素子
２８，５６，５６ｘ，８４ 第２の板状構造体
３０，５８，８６，１００，１０６ 第２の圧電素子
３２，６４，８８ 台座
３４，４６，６６，９０ 接続体
３６，４８，６８，７０，７２，７６，９２，９４ 重錘体
４２，６０ 第３の板状構造体
４４，６２ 第３の圧電素子
frx1，fry1，frz1 共振周波数（第１の共振系）
frx2，fry2，frz2 共振周波数（第２の共振系）
frz3 共振周波数（第３の共振系）
hx1，hy1，hz1 半値幅（第１の共振系）
hx2，hy2，hz2 半値幅（第２の共振系）
hz3 共振周波数（第３の共振系）
Re1 第１の共振系
Re2 第２の共振系
Re3 第３の共振系

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う発電素子に関する。

従来、図１４（ａ）に示すように、可撓性を有した板状構造体１０と、板状構造体１０の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子１２と、板状構造体１０の基端部を片持ち梁構造に支持する台座１４と、板状構造体１０の先端部に設けられた重錘体１６とで構成された発電素子１８があった。発電素子１８は、台座１４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、板状構造体１０は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

圧電素子１２は、例えば図１４（ｂ）に示すように、板状構造体１０の上面全体を覆う下部電極層Ｇ、下部電極層Ｇの上面全体を覆う圧電材料層Ｐ、圧電材料層Ｐの上面の特定の領域に設けた上部電極層Ｅとで構成され、実質的には上部電極層Ｅを設けた領域が圧電素子１２として動作する。

台座１４にＺ軸方向の振動が印加されると、図１５（ａ）に示すように、その振動が重錘体１６及び板状構造体１０に作用し、板状構造体１０が厚み方向に撓み、この変形に基づいて圧電素子１２に電荷が発生する。そして、圧電素子１２に発生した電荷が、圧電素子１２に接続されている図示しない整流平滑回路によって電力として取り出される。

発電素子１８は、板状構造体１０の可撓性に基づく１つの共振系（共振周波数frz）を有し、図１５（ｂ）に示すように、印加された振動の周波数fzが共振周波数frzに近いと、この振動に共鳴して板状構造体１０の振幅Ａが大きくなる。したがって、共振周波数frzを、印加される振動の周波数fz付近に設定し、かつ共振のＱ値を高くして振幅Ａのピーク値を高くすれば、発電素子１８の発電量を増やすことができる。

なお、共振周波数frzは、板状構造体１０のＺ軸方向のバネ定数と、重錘体１６の質量とを調節することによって設定することができ、例えば、バネ定数を大きくしたり重錘体１６の質量を小さくしたりすれば、共振周波数frzを高くすることができる。また、共振のＱ値は、振動を減衰させる成分を極力小さくする（例えば、真空状態にする）ことによって高くすることができる。

また、特許文献１には、上記発電素子１８と同様に、１つの共振系を有した圧電発電装置が開示されている。

国際公開第２０１２／１０５３６８号公報

従来の発電素子１８及び特許文献１の圧電発電装置は、共振系のＱ値を高くすれば発電量を増やすことができるが、物理的に限界があるため、印加される振動の周波数fzに対して共振周波数frzを正確に一致させたとしても、発電効率は低いものであった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、従来よりも発電量を格段に増やすことができ、しかもシンプルな構造の発電素子を提供することを目的とする。

本発明は、可撓性を有した第１及び第２の板状構造体と、前記第１の板状構造体を支持する台座と、前記第１及び第２の板状構造体の変形、又は前記第２の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記第１及び第２の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第２の板状構造体は、前記第２の板状構造体の基端部が前記第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記第２の板状構造体の基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第１の共振系が形成され、前記第２の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第２の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第２の共振系が形成され、前記第２の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第１の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

また、本発明は、可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は少なくとも前記第ｎの板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子と備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体（ｋａは偶数、２≦ｋａ≦ｎ）は、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの基端部が第（ｋａ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体（ｋｂは奇数、３≦ｋｂ≦ｎ）は、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの基端部が第（ｋｂ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第１の共振系が形成され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第ｋａの共振系が形成され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第ｋｂの共振系が形成され、前記ｎ個の板状構造体の各共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

また、本発明は、可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は前記第２〜第ｎの板状構造体の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体は、前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体の各基端部が前記第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体の基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第１の共振系が形成され、前記第１の板状構造体以外の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体以外の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により、前記第１の共振系以外の他の共振系が形成され、前記第１の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記他の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

上記各発電素子は、特定の前記板状構造体の先端部に、重錘体が設けられていてもよい。

本発明の発電素子は、互いに接続された２個以上の共振系を有し、各共振特性の半値幅の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のＱを非常に高くすることができる。したがって、互いの半値幅が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。

本発明の発電素子の第一の実施形態の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子が有する第１及び第２の共振系のＺ軸方向の共振特性を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子の他の変形例の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 図４に示す発電素子が有する第１〜第３の共振系のＺ軸方向の共振特性の一例を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 本発明の発電素子の第二の実施形態の外観を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）である。 第二の実施形態の発電素子にＺ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ａ）、背面図（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子が有する第１〜第３の共振系のＺ軸方向の共振特性の一例を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、右側面図（ｃ）である。 本発明の発電素子の第三の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面から見た部分断面図（ｂ）、底面図（ｃ）である。 第三の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す平面図（ａ）、印加される振動に対する各圧電素子の出力の極性を示す図（ｂ）である。 図１１（ａ）に示す発電素子が有する第一及び第二の共振系の共振特性を示すグラフであって、Ｚ軸方向のグラフ（ａ）、Ｘ軸方向のグラフ（ｂ）、Ｙ軸方向のグラフ（ｃ）である。 第三の実施形態の発電素子の他の変形例の外観を示す平面図（ａ）、印加される振動に対する各圧電素子の出力の極性を示す図（ｂ）である。 従来の発電素子の外観を示す斜視図（ａ）、圧電素子の構造を示す正面図（ｂ）である。 図１４の発電素子にＺ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ａ）、この発電素子が有する共振系のＺ軸方向の共振特性及び発電量を示すグラフ（ｂ）である。

以下、本発明の発電素子の第一の実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。この実施形態の発電素子２２は、図１（ａ）に示すように、可撓性を有した第１の板状構造体２４と、第１の板状構造体２４の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子２６と、可撓性を有した第２の板状構造体２８と、第２の板状構造体２８の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子３０と、第１の板状構造体２４を片持ち梁構造に支持する台座３２とを備えている。発電素子２２は、台座１４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体２４，２８は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

第１の板状構造体２４は、基端部が直接的に台座３２に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。第２の板状構造体２８は、第１の板状構造体２４の上方に位置し、基端部が第１の板状構造体２４の先端部に接続体３４を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、第２の板状構造体２８の先端部には、重錘体３６が設けられている。

第１及び第２の圧電素子２６，３０は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極層Ｇ、圧電材料層Ｐ及び上部電極層Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子２２には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体２４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体２４のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体２４の先端部に接続された物体の質量（接続体３４、第２の板状構造体２８及び重錘体３６の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体２８の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体２８のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（重錘体３６の質量）とを調節することによって設定される。

２つの共振系Re1，Re2の共振特性は、図２（ａ）のように表される。なお、図２（ａ）に示す第２の共振系Re2の共振特性は、第２の板状構造体２８の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、第１の共振系Re1との相互作用は含んでいない。

第１の共振系Re1の共振特性は、共振周波数frz1付近に、印加された振動に共鳴して振幅A1が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz1を中心とする半値幅hz1の周波数帯で、振幅A1がピーク値の1/2以上になっている。第２の共振系Re2の共振特性は、共振周波数frz2付近に、印加された振動に共鳴して振幅A2が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz2を中心とする半値幅hz2の周波数帯で、振幅A2がピーク値の1/2以上になっている。ここで特徴的なのは、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっている点である。

次に、発電素子２２にＺ軸方向の振動が印加されたときの動作を説明する。ここでは、説明を簡単化するため、第１及び第２の共振系Re1，Re2のＱ値を各々Qz1（>>1），Qz2（>>1）とし、Qz1とQZ2とが互いに等しく、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子２２に対して共振周波数frz1，frz2と同じ周波数の振動が印加された場合を考える。

台座３２に振動が印加されると、この振動が第１の共振系Re1に伝わり、図１（ｂ）に示すように、第１の板状構造体２４が厚み方向に撓み、第１の板状構造体２４の先端部に、台座３２が変位する加速度αのQz1倍の加速度（Qz1・α）が発生する。したがって、第１の圧電素子２６には、概算で、先端部と基端部の加速度の差（Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz1＝10とすれば、加速度（10α）に相当する電荷が発生することになる。

さらに、第１の板状構造体２４の先端部の振動が第２の共振系Re2に伝わり、第２の板状構造体２８が第１の板状構造体２４と逆向きに撓む。そして、第２の板状構造体２８の先端部に、第１の板状構造体２４の先端部が変位する加速度のQz2倍の加速度（Qz2・Qz1・α）が発生する。したがって、第２の圧電素子３０には、概算で、先端部と基端部の加速度の差（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz2＝Qz1＝10とすれば、加速度（100α）に相当する電荷が発生することになる。

このように、発電素子２２は、第１の共振系Re1で（Qz1・α）に相当する電荷を得ることができ、第２の共振系Re2では、（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷を得ることができ、これらを合計したものが電力として取り出される。

Qz2＝Qz1>>１と仮定すれば、第２の共振系Re2は、第１の共振系Re1よりも多くの電荷が発生するので、第２の共振系Re2の方が発電量が格段に多くなる（Qz2≠Qz1でも同様である）。例えば、上述した従来の発電素子１８の場合、共振系が１つだけなので、発電素子２２の第１の共振系Re1と同程度の発電しか行うことができない。これに対して、発電素子２２は、第２の共振系Re2の働きにより、従来の発電素子１８よりも格段に多くの発電を行うことができる。

なお、発電素子２２の重錘体３６は、第２の板状構造体２８の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。また、重錘体３６は、２つの共振系Re1,Re2の共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、２つの板状構造体２４，２８のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。また、第２の共振系Re2の発電量に対して第１の共振系Re1の発電量が無視できるほど小さければ第１の圧電素子２６を省略してもよく、一定以上の発電量を確保しつつ、製造プロセスを簡単化することができる。

ここまでは、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子２２に対して共振周波数frz1，frz2と同じ周波数の振動が印加されたときの動作を説明した。しかし、量産時は製造上のバラツキ等が生じるので、共振周波数frz1，frz2を正確に一致させることは難しい。そこで、発明者が実験やシミュレーションを行って検討した結果、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっていれば、図２（ｂ）に示すように、その重なっている周波数帯において、十分に高い発電量が得られることが分かった。

以上説明したように、発電素子２２は、互いに接続された２つの共振系Re1，Re2を有し、各共振特性の半値幅hz1，hz2の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のＱが非常に高くなる。したがって、半値幅hz1，hz2が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。

次に、第一の実施形態の発電素子２２の２つの変形例を説明する。ここで、発電素子２２と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。

１つ目の変形例である発電素子３８は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、構成部材は発電素子２２と同様であり、異なるのは、第２の板状構造体２８が第１の板状構造体２４の下方に配置されている点であり、これに伴い、第２の圧電素子３０が第２の板状構造体２８の下面側に設けられ、接続体３４が第１の板状構造体２４の先端部の下面側に設けられ、重錘体３６が第２の板状構造体２８の上面側に設けられている。

発電素子３８は、第１及び第２の共振系Re1，Re2の上下方向の配置が発電素子２２と逆になっているが、各共振系の共振特性は図２（ａ）に示すグラフと同様であり、発電性能も図２（ｂ）に示すグラフと同様である。したがって、発電素子３８においても、発電素子２２と同様の優れた効果を得ることができる。なお、発電素子３８の重錘体３６は、第２の板状構造体２８の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。

２つ目の変形例である発電素子４０は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、発電素子２２の構成から重錘体３６が削除され、新たに第３の板状構造体４２、第３の圧電素子４４、接続体４６及び重錘体４８が追加された構成になっている。

第３の板状構造体４２は、第２の板状構造体２８の上方に位置し、基端部が第２の板状構造体２８の先端部に接続体４６を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。そして、第３の板状構造体４２の先端部には、重錘体４８が設けられている。その他の構成は、発電素子２２と同様である。

上記の構造により、発電素子４０には３つの共振系Re1，Re2，Re3が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体２４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体２４のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体２４の先端部に接続された物体の質量（接続体３４、第２の板状構造体２８、接続体４６、第３の板状構造体４２及び重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体２８の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体２８のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（接続体４６、第３の板状構造体４２及び重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。

第３の共振系Re3は、第３の板状構造体４２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz3は、第３の板状構造体４２のＺ軸方向のバネ定数と、第３の板状構造体４２の先端部に接続された物体の質量（重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。なお、重錘体４８は共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、３つの板状構造体２４，２８，４２のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。

３つの共振系Re1，Re2，Re3の共振特性は、例えば図５（ａ）のように設定される。なお、図５（ａ）に示す第２の共振系Re2の共振特性は、第２の板状構造体２８の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。同様に、第３の共振系Re3の共振特性は、第３の板状構造体４２の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。

特徴的なのは、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部が第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なり、第２の共振系Re2の半値幅hz1の周波数帯の一部も第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。

発電素子４０は、各共振系の共振特性が図５（ａ）のように設定されているので、図５（ｂ）に示すように、上記と同様の多くの発電量を、２つの周波数帯で得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯が１つになり、発電量のピーク値はより高くなる。

次に、本発明の発電素子の第二の実施形態について、図６〜図８に基づいて説明する。この実施形態の発電素子５０は、図６（ａ）に示すように、可撓性を有した第１の板状構造体５２と、第１の板状構造体５２の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子５４と、可撓性を有した第２の板状構造体５６と、第２の板状構造体５６の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子５８と、可撓性を有した第３の板状構造体６０と、第３の板状構造体６０の変形に基づいて電荷を発生させる第３の圧電素子６２とを備えている。そして、第１の板状構造体５２を片持ち梁構造に支持する台座６４を備えている。発電素子５０は、台座６４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体５２，５６，６０は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

第１の板状構造体５２は、基端部が直接的に台座６４に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。第２及び第３の板状構造体５６，６０は、第１の板状構造体５２を間に挟むように、第１の板状構造体５２の側方に配置され、各基端部が第１の板状構造体５２の先端部に接続体６６を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、接続体６６の下面側に重錘体６８が設けられ、第２の板状構造体５６の先端部の下面側に重錘体７０が設けられ、第３の板状構造体６０の先端部の下面側に重錘体７２が設けられている。

したがって、台座６４にＺ軸方向の振動が印加され、第１の板状構造体５２が厚み方向に撓むと、図７（ａ）に示すように、第２の板状構造体５６は第１の板状構造体５２と逆向きに撓む。同様に、第１の板状構造体５２が厚み方向に撓むと、図７（ｂ）に示すように、第３の板状構造体６０は第１の板状構造体５２と逆向きに撓む。

第１、第２及び第３の圧電素子５４，５８，６２は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極層Ｇ、圧電材料層Ｐ及び上部電極層Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子５０には３つの共振系Re1，Re2，Re3が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体５２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体５２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体５２の先端部に接続された物体の質量（接続体６６、第２及び第３の板状構造体５６，６０、及び重錘体６８，７０，７２の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体５６の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体５６のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（重錘体７０の質量）とを調節することによって設定される。

第３の共振系Re3は、第３の板状構造体６０の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz3は、第３の板状構造体６０のＺ軸方向のバネ定数と、第３の板状構造体６０の先端部に接続された物体の質量（重錘体７２の質量）とを調節することによって設定される。なお、重錘体６８，７０，７２は共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、３つの板状構造体５２，５６，６０のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。

この３つの共振系Re1，Re2，Re3の共振特性は、例えば図８（ａ）のように設定される。特徴的なのは、第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部が第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なり、第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部も第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。

発電素子５０は、各共振系の共振特性が図８（ａ）のように設定されているので、図８（ｂ）に示すように、２つの周波数帯で多くの発電量を得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯は１つになるが、発電量のピーク値はもっと高くなる。

なお、先に説明した発電素子４０（図４）も３つの共振系を有しているが、発電素子４０の場合は、３つの共振系が順に直列に配置されているので、直接接続されていない２つの共振系Re1とRe3の間にも相互作用が生じる。これに対して、この発電素子５０は、第１及び第２の共振系Re1，Re2が直列で、第１及び第３の共振系Re1，Re2が直列であるが、第２及び第３の共振系Re2，Re3は直列になっていない。そのため、直接接続されていない２つの共振系Re2とRe3の間には相互作用がほとんど生じない。したがって、発電素子５０は、２台の発電素子２２（図１）を並列に使用するのとほぼ同様の動作を行う。

発電素子５０は、発電素子２２よりも多くの発電量を得ることができる。また、発電素子２２の場合は、板状構造体２４，２８が上下に重なるように配置されているので互いに接触しやすいが、発電素子５０は、板状構造体５２，５６，６０が上下方向に重ならないよう配置され、板状構造体５２，５６，６０が互いにぶつからない構造なので、板状構造体５２，５６，６０の最大撓み量を大きくすることができ、発電量をさらに増やすことができる。

次に、第二の実施形態の発電素子５０の一変形例である発電素子７４について、図９に基づいて説明する。ここで、発電素子５０と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。発電素子７４は、発電素子５０の構成から重錘体７０，７２が削除され、新たにＵ字状の重錘体７６が設けられた構成になっている。その他の構成は、発電素子５０と同様である。

重錘体７６は、重錘体７０，７２の先端部同士を横梁で連結して一体化させたような構形状である。したがって、板状構造体５６，６０の各先端部が重錘体７６を介して連結される形になり、２つの板状構造体５６，６０が協働して第２の板状構造体（１つの板状構造体）の役割をする。以下、２つの板状構造体５６，６０の特性を合成したものを第２の板状構造体５６ｘと称して説明する。

上記の構造により、発電素子７４には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体５２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体５２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体５２の先端部に接続された物体の質量（接続体６６、重錘体６８、第２の板状構造体５６ｘ及び重錘体７６の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体５６ｘの可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体５６ｘのＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体５６ｘの先端部に接続された物体の質量（重錘体７６の質量）とを調節することによって設定される。

各共振系の共振特性は、図２（ａ）に示す発電素子２２のグラフと同様である。したがって、発電素子７４も発電素子２２と同様の動作を行い、発電素子５０と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の発電素子の第三の実施形態について、図１０に基づいて説明する。この実施形態の発電素子７８は、可撓性を有した第１の板状構造体８０と、第１の板状構造体８０の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子８２と、可撓性を有した第２の板状構造体８４と、第２の板状構造体８４の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子８６と、第１の板状構造体８０を片持ち梁構造に支持する台座８８を備えている。発電素子７８は、台座８８が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体８０，８４は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

台座８８は、四角形の角筒状に形成され、他の部材を囲むように設けられている。第１の板状構造体８０は、基端部が直接的に台座８８の内壁に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。そして、第１の板状構造体８０の先端部には、四角形の枠板状に形成された接続体９０がＹ軸正方向に延設されている。

第２の板状構造体８４は、接続体９０の内側に位置し、基端部が接続体９０の内縁部（第１の板状構造体８０が接続されて部分に対向する一辺の内縁部）に接続されている。つまり、第２の板状構造体８４は、接続体９０を介して第１の板状構造体８０に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、接続体９０の下面側に、接続体９０と同じに大きさの角筒状に形成された重錘体９２が設けられ、第２の板状構造体８４の先端部の下面側に、重錘体９２に囲まれるように重錘体９４が設けられている。したがって、台座８８にＺ軸方向の振動が印加され、第１の板状構造体８０が厚み方向に撓むと、第２の板状構造体８４は、第１の板状構造体８０と逆向きに撓む。

第１及び第２の圧電素子８２，８６は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極層Ｇ、圧電材料層Ｐ及び上部電極層Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子７８には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体８０の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体８０のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体８０の先端部に接続された物体の質量（接続体９０、重錘体９２、第２の板状構造体８４及び重錘体９４の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体８４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体８４のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体８４の先端部に接続された物体の質量（重錘体９４の質量）とを調節することによって設定される。なお、重錘体９２，９４は共振特性調節用の部材であり、他の方法（例えば、２つの板状構造体８０．８４のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法）で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。

各共振系の共振特性は、図２（ａ）に示す発電素子２２のグラフと同様であり、発電素子７８においても、発電素子２２と同様の作用効果を得ることができる。さらに、発電素子７８では、台座８８に、重錘体９２が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせ、重錘体９２に、重錘体９４が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせることができるので、発電素子７８に強い衝撃が加わった時、第１及び第２の板状構造体８０，８４が破損するのを容易に保護することができる。また、第１の板状構造体８０の先端部と第２の板状構造体８４の根端部は、接続体９０の両端部（互いに離れた位置）に接続されているので、第２の共振系Re2により大きな加速度を作用させることができる。

次に、第三の実施形態の発電素子７８の２つの変形例を説明する。ここで、発電素子７８と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。

１つ目の変形例である発電素子９６は、図１１（ａ）に示すように、発電素子７８の第１の圧電素子８２を第１の圧電素子９８に置き換え、第２の圧電素子８６を第２の圧電素子１００に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子７８と同様である。

上記発電素子７８は、第１の圧電素子８２が１個の圧電素子で構成され、第２の圧電素子８６が１個の圧電素子で構成されており、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子９６は、第１の圧電素子９８が４個の圧電素子Ea1〜Ea4で構成され、第２の圧電素子１００が４個の圧電素子Eb1〜Eb4で構成されており、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換できるという特徴がある。

発電素子９６は、発電素子７８と基本構造が同じであり、図１０（ｂ）に示すように、重錘体９２，９４の重心が第１及び第２の板状構造体８０，８４の先端部よりも低い位置に偏っているので、重錘体９２，９４にＸＹの各軸方向の振動が作用すると、第１及び第２の板状構造体８０，８４に対して曲げモーメントが作用する。そして、第１及び第２の板状構造体８０，８４が変形し、図１１（ｂ）に示すように、８つの圧電素子Ea1〜Ea4，Eb1〜Eb4に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Ｚ軸方向の振動だけでなく、ＸＹの各軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。なお、図１１（ｂ）の中の「＋」「−」は、各圧電素子に発生する電荷の極性を相対的に表したものであり、「＋」と「−」をすべて逆に置き換えて表してもよい。

発電素子９６の第１の共振系Re1は、Ｚ軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Ｙ軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第２の共振系Re2は、Ｚ軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Ｙ軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。

Ｚ軸方向は、図１２（ａ）に示すように、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｘ軸方向も同様であり、図１２（ｂ）に示すように、半値幅hx2の周波数帯の一部が、半値幅hx1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｙ軸方向も同様であり、図１２（ｃ）に示すように、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

このように、発電素子９６によれば、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子７８より多くの発電量を得ることができる。

２つ目の変形例である発電素子１０２は、図１３（ａ）に示すように、発電素子７８の第１の圧電素子８２を第１の圧電素子１０４に置き換え、第２の圧電素子８６を第２の圧電素子１０６に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子７８と同様である。

上記発電素子７８は、第１の圧電素子８２が１個の圧電素子で構成され、第２の圧電素子８６が１個の圧電素子で構成されており、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子１０２は、第１の圧電素子１０４が２個の圧電素子Ea1，Ea2で構成され、第２の圧電素子１０６が２個の圧電素子Eb1，Eb2で構成されており、ＹＺの２軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができるという特徴がある。

上記のように、発電素子１０２の重錘体９２，９４にＹ軸方向の振動が作用すると、第１及び第２の板状構造体８０，８４に対して曲げモーメントが作用する。そして、第１及び第２の板状構造体８０，８４が変形し、図１３（ｂ）に示すように、４つの圧電素子Ea1，Ea2，Eb1，Eb2に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Ｚ軸方向の振動だけでなく、Ｙ軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。

発電素子１０２の第１の共振系Re1は、Ｚ軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Ｙ軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第２の共振系Re2は、Ｚ軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Ｙ軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。これは、発電素子９６と同様である。

Ｚ軸方向は、発電素子９６と同様に、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている(図１２（ａ）)。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｙ軸方向も、発電素子９６と同様に、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている（図１２（ｃ））。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

しかし、Ｘ軸方向の共振特性は特に重要ではなく、半値幅hx2の周波数帯が半値幅hx1の周波数帯に重なっていなくても構わない。発電素子１０２は、Ｘ軸方向の発電を行わない素子だからである。

発電素子１０２によれば、ＹＺの２軸方向の振動を効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子７８より多くの発電量を得ることができる。また、第１及び第２の共振系Re1，Re2の設計を行うとき、発電素子９６の場合は３方向の共振特性を考慮する必要があるが、発電素子１０２の場合は２方向だけを考慮すればよいので、発電素子１０２の方が設計が容易である。

なお、本発明の発電素子は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、図４に示す発電素子４０は、３個の板状構造体を直列に接続して合計３個の共振系を設けているが、直列に配置する板状構造体の数及び共振系の数をもっと増やすことによって、発電量を指数関数的に多くすることができる。この場合、上記実施形態と同様に、奇数番目の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように配置し、偶数番目の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように配置する点に留意する。また、第１〜第ｎの板状構造体を直列に配置した場合、第１〜第ｎの共振系が形成され、各共振系の半値幅の周波数帯が重なったとき、台座から最も離れている第ｎの共振系の発電量が最大になる。したがって、発電量を多くするためには、第ｎの共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要になるので、第ｎの共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系（できるだけ多くの共振系）の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。

図６に示す発電素子５０は、第１の板状構造体の先端部に他の板状構造体を２個接続し合計３個の共振系を設けているが、他の板状構造体の数をもっと増やして共振系の数をもっと増やすことによって、発電量をさらに多くすることができる。この場合、上記実施形態と同様に、第１の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように配置し、その他の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように配置する点に留意する。また、発電量を多くするためには、第１の共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要であり、第１の共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系（できるだけ多くの共振系）の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。

また、図６に示す発電素子５０は、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる構成であるが、第１及び第２の圧電素子８２，８６を、図１１に示す第１及び第２の圧電素子９８．１００のような構成に変更すれば、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。あるいは、第１及び第２の圧電素子８２，８６を、図１３に示す第１及び第２の圧電素子１０４，１０６のような構成に変更すれば、ＹＺの２軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。

その他、発電素子の製造プロセスは特に限定されず、個々の構造に合わせて自由に選択することができる。例えば、上記の発電素子５０，７４，７８，９６，１０２（図６、図９、図１０、図１１、図１３）は、複数の共振系がＸＹ平面に沿ってほぼ面一に並設される構成なので、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板等を用いたＭＥＭＳ技術を使用すれば、容易に製造することができる。また、圧電素子の具体的な構造は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１８の構造に限定されず、同様の機能を実現できる他の構造を用いてもよい。

２２，３８，４０，５０，７４，７８，９６，１０２ 発電素子
２４，５２，８０ 第１の板状構造体
２６，５４，８２，９８，１０４ 第１の圧電素子
２８，５６，５６ｘ，８４ 第２の板状構造体
３０，５８，８６，１００，１０６ 第２の圧電素子
３２，６４，８８ 台座
３４，４６，６６，９０ 接続体
３６，４８，６８，７０，７２，７６，９２，９４ 重錘体
４２，６０ 第３の板状構造体
４４，６２ 第３の圧電素子
frx1，fry1，frz1 共振周波数（第１の共振系）
frx2，fry2，frz2 共振周波数（第２の共振系）
frz3 共振周波数（第３の共振系）
hx1，hy1，hz1 半値幅（第１の共振系）
hx2，hy2，hz2 半値幅（第２の共振系）
hz3 半値幅（第３の共振系）
Re1 第１の共振系
Re2 第２の共振系
Re3 第３の共振系

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う発電素子に関する。

従来、図１４（ａ）に示すように、可撓性を有した板状構造体１０と、板状構造体１０の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子１２と、板状構造体１０の基端部を片持ち梁構造に支持する台座１４と、板状構造体１０の先端部に設けられた重錘体１６とで構成された発電素子１８があった。発電素子１８は、台座１４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、板状構造体１０は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

圧電素子１２は、例えば図１４（ｂ）に示すように、板状構造体１０の上面全体を覆う下部電極層Ｇ、下部電極層Ｇの上面全体を覆う圧電材料層Ｐ、圧電材料層Ｐの上面の特定の領域に設けた上部電極層Ｅとで構成され、実質的には上部電極層Ｅを設けた領域が圧電素子１２として動作する。

台座１４にＺ軸方向の振動が印加されると、図１５（ａ）に示すように、その振動が重錘体１６及び板状構造体１０に作用し、板状構造体１０が厚み方向に撓み、この変形に基づいて圧電素子１２に電荷が発生する。そして、圧電素子１２に発生した電荷が、圧電素子１２に接続されている図示しない整流平滑回路によって電力として取り出される。

発電素子１８は、板状構造体１０の可撓性に基づく１つの共振系（共振周波数frz）を有し、図１５（ｂ）に示すように、印加された振動の周波数fzが共振周波数frzに近いと、この振動に共鳴して板状構造体１０の振幅Ａが大きくなる。したがって、共振周波数frzを、印加される振動の周波数fz付近に設定し、かつ共振のＱ値を高くして振幅Ａのピーク値を高くすれば、発電素子１８の発電量を増やすことができる。

なお、共振周波数frzは、板状構造体１０のＺ軸方向のバネ定数と、重錘体１６の質量とを調節することによって設定することができ、例えば、バネ定数を大きくしたり重錘体１６の質量を小さくしたりすれば、共振周波数frzを高くすることができる。また、共振のＱ値は、振動を減衰させる成分を極力小さくする（例えば、真空状態にする）ことによって高くすることができる。

また、特許文献１には、上記発電素子１８と同様に、１つの共振系を有した圧電発電装置が開示されている。

国際公開第２０１２／１０５３６８号公報

従来の発電素子１８及び特許文献１の圧電発電装置は、共振系のＱ値を高くすれば発電量を増やすことができるが、物理的に限界があるため、印加される振動の周波数fzに対して共振周波数frzを正確に一致させたとしても、発電効率は低いものであった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、従来よりも発電量を格段に増やすことができ、しかもシンプルな構造の発電素子を提供することを目的とする。

本発明は、可撓性を有した第１及び第２の板状構造体と、前記第１の板状構造体を支持する台座と、前記第１及び第２の板状構造体の変形、又は前記第２の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記第１及び第２の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第２の板状構造体は、前記第２の板状構造体の基端部が前記第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記第２の板状構造体の基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第１の共振系が形成され、前記第２の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第２の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第２の共振系が形成され、前記第２の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第１の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

また、本発明は、可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は少なくとも前記第ｎの板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体（ｋａは偶数、２≦ｋａ≦ｎ）は、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの基端部が第（ｋａ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体（ｋｂは奇数、３≦ｋｂ≦ｎ）は、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの基端部が第（ｋｂ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第１の共振系が形成され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第ｋａの共振系が形成され、前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第ｋｂの共振系が形成され、前記ｎ個の板状構造体の各共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

また、本発明は、可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は前記第２〜第ｎの板状構造体の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体は、前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体の各基端部が前記第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体の基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、前記第１の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第１の共振系が形成され、前記第１の板状構造体以外の板状構造体の可撓性のバネ定数、及び前記第１の板状構造体以外の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により、前記第１の共振系以外の他の共振系が形成され、前記第１の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記他の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。

上記各発電素子は、特定の前記板状構造体の先端部に、重錘体が設けられている。

本発明の発電素子は、互いに接続された２個以上の共振系を有し、各共振特性の半値幅の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のＱを非常に高くすることができる。したがって、互いの半値幅が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。

本発明の発電素子の第一の実施形態の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子が有する第１及び第２の共振系のＺ軸方向の共振特性を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子の他の変形例の外観を示す斜視図（ａ）、Ｚ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ｂ）である。 図４に示す発電素子が有する第１〜第３の共振系のＺ軸方向の共振特性の一例を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 本発明の発電素子の第二の実施形態の外観を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、正面図（ｃ）である。 第二の実施形態の発電素子にＺ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ａ）、背面図（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子が有する第１〜第３の共振系のＺ軸方向の共振特性の一例を示すグラフ（ａ）、発電量を示すグラフ（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、右側面図（ｃ）である。 本発明の発電素子の第三の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面から見た部分断面図（ｂ）、底面図（ｃ）である。 第三の実施形態の発電素子の一変形例の外観を示す平面図（ａ）、印加される振動に対する各圧電素子の出力の極性を示す図（ｂ）である。 図１１（ａ）に示す発電素子が有する第一及び第二の共振系の共振特性を示すグラフであって、Ｚ軸方向のグラフ（ａ）、Ｘ軸方向のグラフ（ｂ）、Ｙ軸方向のグラフ（ｃ）である。 第三の実施形態の発電素子の他の変形例の外観を示す平面図（ａ）、印加される振動に対する各圧電素子の出力の極性を示す図（ｂ）である。 従来の発電素子の外観を示す斜視図（ａ）、圧電素子の構造を示す正面図（ｂ）である。 図１４の発電素子にＺ軸方向の振動が印加された時の動作を示す正面図（ａ）、この発電素子が有する共振系のＺ軸方向の共振特性及び発電量を示すグラフ（ｂ）である。

以下、本発明の発電素子の第一の実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。この実施形態の発電素子２２は、図１（ａ）に示すように、可撓性を有した第１の板状構造体２４と、第１の板状構造体２４の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子２６と、可撓性を有した第２の板状構造体２８と、第２の板状構造体２８の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子３０と、第１の板状構造体２４を片持ち梁構造に支持する台座３２とを備えている。発電素子２２は、台座１４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体２４，２８は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

第１の板状構造体２４は、基端部が直接的に台座３２に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。第２の板状構造体２８は、第１の板状構造体２４の上方に位置し、基端部が第１の板状構造体２４の先端部に接続体３４を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、第２の板状構造体２８の先端部には、重錘体３６が設けられている。

第１及び第２の圧電素子２６，３０は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極層Ｇ、圧電材料層Ｐ及び上部電極層Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子２２には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体２４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体２４のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体２４の先端部に接続された物体の質量（接続体３４、第２の板状構造体２８及び重錘体３６の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体２８の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体２８のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（重錘体３６の質量）とを調節することによって設定される。

２つの共振系Re1，Re2の共振特性は、図２（ａ）のように表される。なお、図２（ａ）に示す第２の共振系Re2の共振特性は、第２の板状構造体２８の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、第１の共振系Re1との相互作用は含んでいない。

第１の共振系Re1の共振特性は、共振周波数frz1付近に、印加された振動に共鳴して振幅A1が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz1を中心とする半値幅hz1の周波数帯で、振幅A1がピーク値の1/2以上になっている。第２の共振系Re2の共振特性は、共振周波数frz2付近に、印加された振動に共鳴して振幅A2が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz2を中心とする半値幅hz2の周波数帯で、振幅A2がピーク値の1/2以上になっている。ここで特徴的なのは、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっている点である。

次に、発電素子２２にＺ軸方向の振動が印加されたときの動作を説明する。ここでは、説明を簡単化するため、第１及び第２の共振系Re1，Re2のＱ値を各々Qz1（>>1），Qz2（>>1）とし、Qz1とQZ2とが互いに等しく、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子２２に対して共振周波数frz1，frz2と同じ周波数の振動が印加された場合を考える。

台座３２に振動が印加されると、この振動が第１の共振系Re1に伝わり、図１（ｂ）に示すように、第１の板状構造体２４が厚み方向に撓み、第１の板状構造体２４の先端部に、台座３２が変位する加速度αのQz1倍の加速度（Qz1・α）が発生する。したがって、第１の圧電素子２６には、概算で、先端部と基端部の加速度の差（Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz1＝10とすれば、加速度（10α）に相当する電荷が発生することになる。

さらに、第１の板状構造体２４の先端部の振動が第２の共振系Re2に伝わり、第２の板状構造体２８が第１の板状構造体２４と逆向きに撓む。そして、第２の板状構造体２８の先端部に、第１の板状構造体２４の先端部が変位する加速度のQz2倍の加速度（Qz2・Qz1・α）が発生する。したがって、第２の圧電素子３０には、概算で、先端部と基端部の加速度の差（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz2＝Qz1＝10とすれば、加速度（100α）に相当する電荷が発生することになる。

このように、発電素子２２は、第１の共振系Re1で（Qz1・α）に相当する電荷を得ることができ、第２の共振系Re2では、（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷を得ることができ、これらを合計したものが電力として取り出される。

Qz2＝Qz1>>１と仮定すれば、第２の共振系Re2は、第１の共振系Re1よりも多くの電荷が発生するので、第２の共振系Re2の方が発電量が格段に多くなる（Qz2≠Qz1でも同様である）。例えば、上述した従来の発電素子１８の場合、共振系が１つだけなので、発電素子２２の第１の共振系Re1と同程度の発電しか行うことができない。これに対して、発電素子２２は、第２の共振系Re2の働きにより、従来の発電素子１８よりも格段に多くの発電を行うことができる。

なお、発電素子２２の重錘体３６は、第２の板状構造体２８の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。また、第２の共振系Re2の発電量に対して第１の共振系Re1の発電量が無視できるほど小さければ第１の圧電素子２６を省略してもよく、一定以上の発電量を確保しつつ、製造プロセスを簡単化することができる。

ここまでは、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子２２に対して共振周波数frz1，frz2と同じ周波数の振動が印加されたときの動作を説明した。しかし、量産時は製造上のバラツキ等が生じるので、共振周波数frz1，frz2を正確に一致させることは難しい。そこで、発明者が実験やシミュレーションを行って検討した結果、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっていれば、図２（ｂ）に示すように、その重なっている周波数帯において、十分に高い発電量が得られることが分かった。

以上説明したように、発電素子２２は、互いに接続された２つの共振系Re1，Re2を有し、各共振特性の半値幅hz1，hz2の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のＱが非常に高くなる。したがって、半値幅hz1，hz2が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。

次に、第一の実施形態の発電素子２２の２つの変形例を説明する。ここで、発電素子２２と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。

１つ目の変形例である発電素子３８は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、構成部材は発電素子２２と同様であり、異なるのは、第２の板状構造体２８が第１の板状構造体２４の下方に配置されている点であり、これに伴い、第２の圧電素子３０が第２の板状構造体２８の下面側に設けられ、接続体３４が第１の板状構造体２４の先端部の下面側に設けられ、重錘体３６が第２の板状構造体２８の上面側に設けられている。

発電素子３８は、第１及び第２の共振系Re1，Re2の上下方向の配置が発電素子２２と逆になっているが、各共振系の共振特性は図２（ａ）に示すグラフと同様であり、発電性能も図２（ｂ）に示すグラフと同様である。したがって、発電素子３８においても、発電素子２２と同様の優れた効果を得ることができる。なお、発電素子３８の重錘体３６は、第２の板状構造体２８の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。

２つ目の変形例である発電素子４０は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、発電素子２２の構成から重錘体３６が削除され、新たに第３の板状構造体４２、第３の圧電素子４４、接続体４６及び重錘体４８が追加された構成になっている。

第３の板状構造体４２は、第２の板状構造体２８の上方に位置し、基端部が第２の板状構造体２８の先端部に接続体４６を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。そして、第３の板状構造体４２の先端部には、重錘体４８が設けられている。その他の構成は、発電素子２２と同様である。

上記の構造により、発電素子４０には３つの共振系Re1，Re2，Re3が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体２４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体２４のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体２４の先端部に接続された物体の質量（接続体３４、第２の板状構造体２８、接続体４６、第３の板状構造体４２及び重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体２８の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体２８のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（接続体４６、第３の板状構造体４２及び重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。

第３の共振系Re3は、第３の板状構造体４２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz3は、第３の板状構造体４２のＺ軸方向のバネ定数と、第３の板状構造体４２の先端部に接続された物体の質量（重錘体４８の質量）とを調節することによって設定される。

３つの共振系Re1，Re2，Re3の共振特性は、例えば図５（ａ）のように設定される。なお、図５（ａ）に示す第２の共振系Re2の共振特性は、第２の板状構造体２８の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。同様に、第３の共振系Re3の共振特性は、第３の板状構造体４２の基端部が台座３２に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。

特徴的なのは、第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部が第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なり、第２の共振系Re2の半値幅hz1の周波数帯の一部も第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。

発電素子４０は、各共振系の共振特性が図５（ａ）のように設定されているので、図５（ｂ）に示すように、上記と同様の多くの発電量を、２つの周波数帯で得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯が１つになり、発電量のピーク値はより高くなる。

次に、本発明の発電素子の第二の実施形態について、図６〜図８に基づいて説明する。この実施形態の発電素子５０は、図６（ａ）に示すように、可撓性を有した第１の板状構造体５２と、第１の板状構造体５２の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子５４と、可撓性を有した第２の板状構造体５６と、第２の板状構造体５６の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子５８と、可撓性を有した第３の板状構造体６０と、第３の板状構造体６０の変形に基づいて電荷を発生させる第３の圧電素子６２とを備えている。そして、第１の板状構造体５２を片持ち梁構造に支持する台座６４を備えている。発電素子５０は、台座６４が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体５２，５６，６０は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

第１の板状構造体５２は、基端部が直接的に台座６４に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。第２及び第３の板状構造体５６，６０は、第１の板状構造体５２を間に挟むように、第１の板状構造体５２の側方に配置され、各基端部が第１の板状構造体５２の先端部に接続体６６を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、接続体６６の下面側に重錘体６８が設けられ、第２の板状構造体５６の先端部の下面側に重錘体７０が設けられ、第３の板状構造体６０の先端部の下面側に重錘体７２が設けられている。

したがって、台座６４にＺ軸方向の振動が印加され、第１の板状構造体５２が厚み方向に撓むと、図７（ａ）に示すように、第２の板状構造体５６は第１の板状構造体５２と逆向きに撓む。同様に、第１の板状構造体５２が厚み方向に撓むと、図７（ｂ）に示すように、第３の板状構造体６０は第１の板状構造体５２と逆向きに撓む。

第１、第２及び第３の圧電素子５４，５８，６２は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極層Ｇ、圧電材料層Ｐ及び上部電極層Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子５０には３つの共振系Re1，Re2，Re3が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体５２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体５２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体５２の先端部に接続された物体の質量（接続体６６、第２及び第３の板状構造体５６，６０、及び重錘体６８，７０，７２の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体５６の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体５６のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体２８の先端部に接続された物体の質量（重錘体７０の質量）とを調節することによって設定される。

第３の共振系Re3は、第３の板状構造体６０の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz3は、第３の板状構造体６０のＺ軸方向のバネ定数と、第３の板状構造体６０の先端部に接続された物体の質量（重錘体７２の質量）とを調節することによって設定される。

この３つの共振系Re1，Re2，Re3の共振特性は、例えば図８（ａ）のように設定される。特徴的なのは、第２の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部が第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なり、第３の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部も第１の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。

発電素子５０は、各共振系の共振特性が図８（ａ）のように設定されているので、図８（ｂ）に示すように、２つの周波数帯で多くの発電量を得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯は１つになるが、発電量のピーク値はもっと高くなる。

なお、先に説明した発電素子４０（図４）も３つの共振系を有しているが、発電素子４０の場合は、３つの共振系が順に直列に配置されているので、直接接続されていない２つの共振系Re1とRe3の間にも相互作用が生じる。これに対して、この発電素子５０は、第１及び第２の共振系Re1，Re2が直列で、第１及び第３の共振系Re1，Re2が直列であるが、第２及び第３の共振系Re2，Re3は直列になっていない。そのため、直接接続されていない２つの共振系Re2とRe3の間には相互作用がほとんど生じない。したがって、発電素子５０は、２台の発電素子２２（図１）を並列に使用するのとほぼ同様の動作を行う。

発電素子５０は、発電素子２２よりも多くの発電量を得ることができる。また、発電素子２２の場合は、板状構造体２４，２８が上下に重なるように配置されているので互いに接触しやすいが、発電素子５０は、板状構造体５２，５６，６０が上下方向に重ならないよう配置され、板状構造体５２，５６，６０が互いにぶつからない構造なので、板状構造体５２，５６，６０の最大撓み量を大きくすることができ、発電量をさらに増やすことができる。

次に、第二の実施形態の発電素子５０の一変形例である発電素子７４について、図９に基づいて説明する。ここで、発電素子５０と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。発電素子７４は、発電素子５０の構成から重錘体７０，７２が削除され、新たにＵ字状の重錘体７６が設けられた構成になっている。その他の構成は、発電素子５０と同様である。

重錘体７６は、重錘体７０，７２の先端部同士を横梁で連結して一体化させたような構形状である。したがって、板状構造体５６，６０の各先端部が重錘体７６を介して連結される形になり、２つの板状構造体５６，６０が協働して第２の板状構造体（１つの板状構造体）の役割をする。以下、２つの板状構造体５６，６０の特性を合成したものを第２の板状構造体５６ｘと称して説明する。

上記の構造により、発電素子７４には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体５２の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体５２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体５２の先端部に接続された物体の質量（接続体６６、重錘体６８、第２の板状構造体５６ｘ及び重錘体７６の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体５６ｘの可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体５６ｘのＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体５６ｘの先端部に接続された物体の質量（重錘体７６の質量）とを調節することによって設定される。

各共振系の共振特性は、図２（ａ）に示す発電素子２２のグラフと同様である。したがって、発電素子７４も発電素子２２と同様の動作を行い、発電素子５０と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の発電素子の第三の実施形態について、図１０に基づいて説明する。この実施形態の発電素子７８は、可撓性を有した第１の板状構造体８０と、第１の板状構造体８０の変形に基づいて電荷を発生させる第１の圧電素子８２と、可撓性を有した第２の板状構造体８４と、第２の板状構造体８４の変形に基づいて電荷を発生させる第２の圧電素子８６と、第１の板状構造体８０を片持ち梁構造に支持する台座８８を備えている。発電素子７８は、台座８８が何らかの振動源２０に取り付けられて使用され、ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体８０，８４は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置される。

台座８８は、四角形の角筒状に形成され、他の部材を囲むように設けられている。第１の板状構造体８０は、基端部が直接的に台座８８の内壁に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。そして、第１の板状構造体８０の先端部には、四角形の枠板状に形成された接続体９０がＹ軸正方向に延設されている。

第２の板状構造体８４は、接続体９０の内側に位置し、基端部が接続体９０の内縁部（第１の板状構造体８０が接続されて部分に対向する一辺の内縁部）に接続されている。つまり、第２の板状構造体８４は、接続体９０を介して第１の板状構造体８０に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。その他、接続体９０の下面側に、接続体９０と同じに大きさの角筒状に形成された重錘体９２が設けられ、第２の板状構造体８４の先端部の下面側に、重錘体９２に囲まれるように重錘体９４が設けられている。したがって、台座８８にＺ軸方向の振動が印加され、第１の板状構造体８０が厚み方向に撓むと、第２の板状構造体８４は、第１の板状構造体８０と逆向きに撓む。

第１及び第２の圧電素子８２，８６は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１２と同様に、下部電極層Ｇ、圧電材料層Ｐ及び上部電極層Ｅにより各々構成されている。

上記の構造により、発電素子７８には２つの共振系Re1，Re2が形成される。第１の共振系Re1は、第１の板状構造体８０の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状構造体８０のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状構造体８０の先端部に接続された物体の質量（接続体９０、重錘体９２、第２の板状構造体８４及び重錘体９４の質量）とを調節することによって設定される。

第２の共振系Re2は、第２の板状構造体８４の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状構造体８４のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状構造体８４の先端部に接続された物体の質量（重錘体９４の質量）とを調節することによって設定される。

各共振系の共振特性は、図２（ａ）に示す発電素子２２のグラフと同様であり、発電素子７８においても、発電素子２２と同様の作用効果を得ることができる。さらに、発電素子７８では、台座８８に、重錘体９２が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせ、重錘体９２に、重錘体９４が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせることができるので、発電素子７８に強い衝撃が加わった時、第１及び第２の板状構造体８０，８４が破損するのを容易に保護することができる。また、第１の板状構造体８０の先端部と第２の板状構造体８４の根端部は、接続体９０の両端部（互いに離れた位置）に接続されているので、第２の共振系Re2により大きな加速度を作用させることができる。

次に、第三の実施形態の発電素子７８の２つの変形例を説明する。ここで、発電素子７８と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。

１つ目の変形例である発電素子９６は、図１１（ａ）に示すように、発電素子７８の第１の圧電素子８２を第１の圧電素子９８に置き換え、第２の圧電素子８６を第２の圧電素子１００に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子７８と同様である。

上記発電素子７８は、第１の圧電素子８２が１個の圧電素子で構成され、第２の圧電素子８６が１個の圧電素子で構成されており、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子９６は、第１の圧電素子９８が４個の圧電素子Ea1〜Ea4で構成され、第２の圧電素子１００が４個の圧電素子Eb1〜Eb4で構成されており、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換できるという特徴がある。

発電素子９６は、発電素子７８と基本構造が同じであり、図１０（ｂ）に示すように、重錘体９２，９４の重心が第１及び第２の板状構造体８０，８４の先端部よりも低い位置に偏っているので、重錘体９２，９４にＸＹの各軸方向の振動が作用すると、第１及び第２の板状構造体８０，８４に対して曲げモーメントが作用する。そして、第１及び第２の板状構造体８０，８４が変形し、図１１（ｂ）に示すように、８つの圧電素子Ea1〜Ea4，Eb1〜Eb4に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Ｚ軸方向の振動だけでなく、ＸＹの各軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。なお、図１１（ｂ）の中の「＋」「−」は、各圧電素子に発生する電荷の極性を相対的に表したものであり、「＋」と「−」をすべて逆に置き換えて表してもよい。

発電素子９６の第１の共振系Re1は、Ｚ軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Ｙ軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第２の共振系Re2は、Ｚ軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Ｙ軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。

Ｚ軸方向は、図１２（ａ）に示すように、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｘ軸方向も同様であり、図１２（ｂ）に示すように、半値幅hx2の周波数帯の一部が、半値幅hx1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｙ軸方向も同様であり、図１２（ｃ）に示すように、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

このように、発電素子９６によれば、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子７８より多くの発電量を得ることができる。

２つ目の変形例である発電素子１０２は、図１３（ａ）に示すように、発電素子７８の第１の圧電素子８２を第１の圧電素子１０４に置き換え、第２の圧電素子８６を第２の圧電素子１０６に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子７８と同様である。

上記発電素子７８は、第１の圧電素子８２が１個の圧電素子で構成され、第２の圧電素子８６が１個の圧電素子で構成されており、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子１０２は、第１の圧電素子１０４が２個の圧電素子Ea1，Ea2で構成され、第２の圧電素子１０６が２個の圧電素子Eb1，Eb2で構成されており、ＹＺの２軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができるという特徴がある。

上記のように、発電素子１０２の重錘体９２，９４にＹ軸方向の振動が作用すると、第１及び第２の板状構造体８０，８４に対して曲げモーメントが作用する。そして、第１及び第２の板状構造体８０，８４が変形し、図１３（ｂ）に示すように、４つの圧電素子Ea1，Ea2，Eb1，Eb2に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Ｚ軸方向の振動だけでなく、Ｙ軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。

発電素子１０２の第１の共振系Re1は、Ｚ軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Ｙ軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第２の共振系Re2は、Ｚ軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、Ｘ軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Ｙ軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。これは、発電素子９６と同様である。

Ｚ軸方向は、発電素子９６と同様に、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている(図１２（ａ）)。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

Ｙ軸方向も、発電素子９６と同様に、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている（図１２（ｃ））。したがって、２つの共振系Re1，Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。

しかし、Ｘ軸方向の共振特性は特に重要ではなく、半値幅hx2の周波数帯が半値幅hx1の周波数帯に重なっていなくても構わない。発電素子１０２は、Ｘ軸方向の発電を行わない素子だからである。

発電素子１０２によれば、ＹＺの２軸方向の振動を効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子７８より多くの発電量を得ることができる。また、第１及び第２の共振系Re1，Re2の設計を行うとき、発電素子９６の場合は３方向の共振特性を考慮する必要があるが、発電素子１０２の場合は２方向だけを考慮すればよいので、発電素子１０２の方が設計が容易である。

なお、本発明の発電素子は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、図４に示す発電素子４０は、３個の板状構造体を直列に接続して合計３個の共振系を設けているが、直列に配置する板状構造体の数及び共振系の数をもっと増やすことによって、発電量を指数関数的に多くすることができる。この場合、上記実施形態と同様に、奇数番目の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように配置し、偶数番目の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように配置する点に留意する。また、第１〜第ｎの板状構造体を直列に配置した場合、第１〜第ｎの共振系が形成され、各共振系の半値幅の周波数帯が重なったとき、台座から最も離れている第ｎの共振系の発電量が最大になる。したがって、発電量を多くするためには、第ｎの共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要になるので、第ｎの共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系（できるだけ多くの共振系）の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。

図６に示す発電素子５０は、第１の板状構造体の先端部に他の板状構造体を２個接続し合計３個の共振系を設けているが、他の板状構造体の数をもっと増やして共振系の数をもっと増やすことによって、発電量をさらに多くすることができる。この場合、上記実施形態と同様に、第１の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように配置し、その他の板状構造体は、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように配置する点に留意する。また、発電量を多くするためには、第１の共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要であり、第１の共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系（できるだけ多くの共振系）の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。

また、図６に示す発電素子５０は、Ｚ軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる構成であるが、第１及び第２の圧電素子８２，８６を、図１１に示す第１及び第２の圧電素子９８．１００のような構成に変更すれば、ＸＹＺの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。あるいは、第１及び第２の圧電素子８２，８６を、図１３に示す第１及び第２の圧電素子１０４，１０６のような構成に変更すれば、ＹＺの２軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。

その他、発電素子の製造プロセスは特に限定されず、個々の構造に合わせて自由に選択することができる。例えば、上記の発電素子５０，７４，７８，９６，１０２（図６、図９、図１０、図１１、図１３）は、複数の共振系がＸＹ平面に沿ってほぼ面一に並設される構成なので、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板等を用いたＭＥＭＳ技術を使用すれば、容易に製造することができる。また、圧電素子の具体的な構造は、図１４（ｂ）に示す圧電素子１８の構造に限定されず、同様の機能を実現できる他の構造を用いてもよい。

２２，３８，４０，５０，７４，７８，９６，１０２ 発電素子
２４，５２，８０ 第１の板状構造体
２６，５４，８２，９８，１０４ 第１の圧電素子
２８，５６，５６ｘ，８４ 第２の板状構造体
３０，５８，８６，１００，１０６ 第２の圧電素子
３２，６４，８８ 台座
３４，４６，６６，９０ 接続体
３６，４８，６８，７０，７２，７６，９２，９４ 重錘体
４２，６０ 第３の板状構造体
４４，６２ 第３の圧電素子
frx1，fry1，frz1 共振周波数（第１の共振系）
frx2，fry2，frz2 共振周波数（第２の共振系）
frz3 共振周波数（第３の共振系）
hx1，hy1，hz1 半値幅（第１の共振系）
hx2，hy2，hz2 半値幅（第２の共振系）
hz3 半値幅（第３の共振系）
Re1 第１の共振系
Re2 第２の共振系
Re3 第３の共振系

Claims (4)

1. 可撓性を有した第１及び第２の板状構造体と、前記第１の板状構造体を支持する台座と、前記第１及び第２の板状構造体の変形、又は前記第２の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、
   ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記第１及び第２の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、
   前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
   前記第２の板状構造体は、基端部が前記第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
   前記第２の板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第１の板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯と重なっていることを特徴とする発電素子。
2. 可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は少なくとも前記第ｎの板状構造体変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子と備え、
   ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、
   前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
   前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋａの板状構造体（ｋａは偶数、２≦ｋａ≦ｎ）は、基端部が第（ｋａ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
   前記ｎ個の板状構造体の中の第ｋｂの板状構造体（ｋｂは奇数、３≦ｋｂ≦ｎ）は、基端部が第（ｋｂ−１）の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
   前記第ｎの板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯と重なっていることを特徴とする発電素子。
3. 可撓性を有したｎ個の板状構造体（ｎは３以上の自然数）と、前記ｎ個の板状構造体の中の１つである第１の板状構造体を支持する台座と、前記ｎ個の板状構造体の変形、又は前記第２〜第ｎの板状構造体の板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、
   ＸＹＺ三次元座標系を定義したとき、前記ｎ個の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、
   前記第１の板状構造体は、基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
   前記第１の板状構造体以外の前記板状構造体は、各基端部が第１の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
   前記第１の板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の可撓性に基づいて形成される共振系の半値幅の周波数帯と重なっていることを特徴とする発電素子。
4. 特定の前記板状構造体の先端部に、重錘体が設けられている請求項１乃至３のいずれか記載の発電素子。

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