JP5529328B1 - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換して発電効率を高める。
【解決手段】装置筐体２００に固定された板状部材１１０から、第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０が「コ」の字型に伸び、先端に重錘体１５０が接続された片持ち梁構造体が形成される。その上面には、共通の下層電極Ｅ００、層状の圧電素子３００、個別の上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４が形成される。中心線Ｌｘ，Ｌｙ上に配置された上層電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４は、重錘体１５０のＺ軸方向の振動による撓みで圧電素子３００に生じた電荷を取り出す。中心線Ｌｘの両脇に配置された上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４および中心線Ｌｙの両脇に配置された上層電極Ｅｙ１〜Ｅｙ４は、重錘体１５０のＸ軸方向およびＹ軸方向の振動による撓みで圧電素子３００に生じた電荷を取り出す。
【選択図】図１０

Description

本発明は、発電素子に関し、特に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う技術に関する。

限られた資源を有効利用するために、様々な形態のエネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す技術が提案されている。振動エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す技術もそのひとつであり、たとえば、下記の特許文献１には、層状の圧電素子を積層して発電用圧電素子を形成し、この発電用圧電素子を外力によって振動させて発電を行う圧電型の発電素子が開示されている。また、特許文献２には、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）構造の発電素子が開示されている。

これらの発電素子の基本原理は、重錘体の振動により圧電素子に周期的な撓みを生じさせ、圧電素子に加わる応力に基づいて生じる電荷を外部に取り出す、というものである。このような発電素子を、たとえば、自動車、列車、船舶などに搭載しておけば、輸送中に加わる振動エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことが可能になる。また、冷蔵庫やエアコンといった振動源に取り付けて発電を行うことも可能である。

特開平１０−２４３６６７号公報 特開２０１１−１５２０１０号公報

従来提案されている一般的な発電素子は、一端を固定した片持ち梁によって重錘体を支持する構造を採り、この重錘体の上下振動によって橋梁部に周期的な撓みを生じさせ、この撓みを圧電素子に伝達して電荷を発生させる方式を採用している。このような方式では、重錘体を上下方向に振動させる振動エネルギーしか利用できないため、十分な発電効率を得ることは困難である。

たとえば、自動車、列車、船舶などの輸送機器では、運行中にランダムな方向から力が加わるため、このような輸送機器に搭載された発電素子の場合、重錘体の振動には様々な方向成分が含まれることになる。ところが上述した従来の発電素子では、これらの振動エネルギーのうち、特定の１軸方向成分しか変換に利用することができないため、電気エネルギーへの変換効率が悪く、発電効率を向上させることは困難である。

そこで本発明は、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することにより、高い発電効率を得ることが可能な発電素子を提供することを目的とする。

(1) 本発明の第１の態様は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子において、
所定の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
板状橋梁部の一端に接続された重錘体と、
板状橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
板状橋梁部の他端を装置筐体に固定する固定部と、
板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と
圧電素子の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、
上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、板状橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成し、
圧電素子が、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有するようにし、
上層電極群は、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
中央電極は、板状橋梁部の上面側の、長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、右脇電極は、中央電極の一方の脇に配置されており、左脇電極は、中央電極の他方の脇に配置されているようにしたものである。

(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
中央電極、右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。

(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
中央電極が、板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。

(4) 本発明の第４の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
中央電極が、板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。

(5) 本発明の第５の態様は、上述した第１〜第４の態様に係る発電素子において、
上層電極群が、板状橋梁部の重錘体との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群と、板状橋梁部の固定部との接続部分近傍に配置された固定部側電極群とを有し、
重錘体側電極群および固定部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極を有するようにしたものである。

(6) 本発明の第６の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子において、
Ｙ軸に平行な第１の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第１の板状橋梁部と、
第１の板状橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、Ｘ軸に平行な第２の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第２の板状橋梁部と、
第２の板状橋梁部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
第１の板状橋梁部、第２の板状橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
第１の板状橋梁部の一端を装置筐体に固定する固定部と、
第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と
圧電素子の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、
上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
固定部は、第１の板状橋梁部の根端部を装置筐体に固定し、第１の板状橋梁部の先端部は第２の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第２の板状橋梁部の先端部に直接もしくは間接的に重錘体が接続されるようにし、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で各座標軸方向に振動するように構成し、
圧電素子が、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有するようにし、
上層電極群は、第１の板状橋梁部の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第１の上層電極群と、第２の板状橋梁部の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第２の上層電極群と、を有しており、
第１の上層電極群は、第１の中央電極、第１の右脇電極、第１の左脇電極なる３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第１の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
第１の中央電極は、第１の板状橋梁部の上面側の、第１の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、第１の右脇電極は、第１の中央電極の一方の脇に配置されており、第１の左脇電極は、第１の中央電極の他方の脇に配置されており、
第２の上層電極群は、第２の中央電極、第２の右脇電極、第２の左脇電極なる３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第２の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
第２の中央電極は、第２の板状橋梁部の上面側の、第２の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、第２の右脇電極は、第２の中央電極の一方の脇に配置されており、第２の左脇電極は、第２の中央電極の他方の脇に配置されているようにしたものである。

(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る発電素子において、
第１の板状橋梁部と第２の板状橋梁部とがＬ字状に配置されるように、第１の板状橋梁部の先端部と第２の板状橋梁部の根端部とが中間接続部を介して接続されており、
第２の板状橋梁部の脇に重錘体が配置されるように、第２の板状橋梁部の先端部と重錘体の隅部とが重錘接続部を介して接続されており、
固定部の下面は装置筐体の底板の上面に固定されており、第１の板状橋梁部、第２の板状橋梁部および重錘体は、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になっているようにしたものである。

(8) 本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る発電素子において、
中間接続部が、第１の板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部と第２の板状橋梁部の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部とを有し、
重錘接続部が、第２の板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにしたものである。

(9) 本発明の第９の態様は、上述した第７または第８の態様に係る発電素子において、
固定部を、Ｘ軸に平行な固定部用長手方向軸に沿って伸びる固定部用板状部材によって構成し、この固定部用板状部材の一端に第１の板状橋梁部の根端部が固定されているようにし、
固定部用板状部材、第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部によって構成される構造体が、ＸＹ平面上への投影像が「コ」の字状になるようなコの字状構造体をなし、このコの字状構造体によって囲まれた内部領域に板状の重錘体が配置されているようにしたものである。

(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第７または第８の態様に係る発電素子において、
固定部を、環状構造体によって構成し、この環状構造体によって囲まれた内部領域に第１の板状橋梁部、第２の板状橋梁部および重錘体を配置するようにしたものである。

(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第１０の態様に係る発電素子における固定部と重錘体との役割を逆転させ、発電素子において固定部として機能していた環状構造体を重錘体として機能させ、発電素子において重錘体として機能していた板状体を固定部として機能させるために、板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、環状構造体が、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにしたものである。

(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第６の態様に係る発電素子において、
第２の板状橋梁部と重錘体との間に、第３の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部（但し、Ｋ≧３）を設け、
第ｉの板状橋梁部（但し、１≦ｉ≦Ｋ−１）の先端部が第（ｉ＋１）の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第Ｋの板状橋梁部の先端部が重錘体に直接もしくは間接的に接続されており、
第ｊの板状橋梁部（但し、１≦ｊ≦Ｋ）は、ｊが奇数の場合はＹ軸に平行な第ｊの長手方向軸に沿って伸び、ｊが偶数の場合はＸ軸に平行な第ｊの長手方向軸に沿って伸びているようにしたものである。

(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第１２の態様に係る発電素子において、
第ｉの板状橋梁部（但し、１≦ｉ≦Ｋ−１）の先端部と第（ｉ＋１）の板状橋梁部の根端部とが第ｉの中間接続部を介して接続されており、第Ｋの板状橋梁部の先端部と重錘体とが重錘接続部を介して接続されており、
第ｉの中間接続部が、第ｉの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有し、重錘接続部が、第Ｋの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにしたものである。

(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１２または第１３の態様に係る発電素子において、
第１の板状橋梁部の根端部から第Ｋの板状橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、重錘体が渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置されているようにしたものである。

(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１２〜第１４の態様に係る発電素子において、
第３の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部の表面にも、下層電極、圧電素子、上層電極群を設け、発電回路が、これら上層電極および下層電極に発生した電荷からも電力を取り出すようにしたものである。

(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１２〜第１５の態様に係る発電素子において、
固定部が、環状構造体によって構成されており、この環状構造体によって囲まれた内部領域に第１の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部および重錘体が配置されているようにしたものである。

(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１６の態様に係る発電素子において、固定部と重錘体との役割を逆転させ、発電素子において固定部として機能していた環状構造体を重錘体として機能させ、発電素子において重錘体として機能していた板状体を固定部として機能させるために、板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、環状構造体が、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにしたものである。

(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第６〜第１７の態様に係る発電素子において、
下層電極が第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
第１の中央電極、第１の右脇電極および第１の左脇電極が、第１の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第２の中央電極、第２の右脇電極および第２の左脇電極が、第２の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。

(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第６〜第１７の態様に係る発電素子において、
下層電極が第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第１の中央電極が、第１の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第１の右脇電極および第１の左脇電極が、第１の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第２の中央電極が、第２の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第２の右脇電極および第２の左脇電極が、第２の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。

(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第６〜第１７の態様に係る発電素子において、
下層電極が第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第１の中央電極が、第１の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第１の右脇電極および第１の左脇電極が、第１の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第２の中央電極が、第２の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第２の右脇電極および第２の左脇電極が、第２の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。

(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第６〜第２０の態様に係る発電素子において、
第１の上層電極群が、第１の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第１の根端部側電極群と、第１の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第１の先端部側電極群とを有し、
第２の上層電極群が、第２の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第２の根端部側電極群と、第２の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第２の先端部側電極群とを有し、
第１の根端部側電極群、第１の先端部側電極群、第２の根端部側電極群、第２の先端部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極を有するようにしたものである。

(22) 本発明の第２２の態様は、上述した第１〜第２１の態様に係る発電素子において、
発電回路が、容量素子と、各上層電極に発生した正電荷を容量素子の正極側へ導くために各上層電極から容量素子の正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子と、各上層電極に発生した負電荷を容量素子の負極側へ導くために容量素子の負極側から各上層電極へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子により平滑化して供給するようにしたものである。

(23) 本発明の第２３の態様は、上述した第６〜第２１の態様に係る発電素子を複数組用意して組み合わせ、個々の発電素子によって取り出された電力を外部に供給する発電装置を構成したものである。

(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第２３の態様に係る発電装置において、
一部の発電素子におけるＸ軸方向もしくはＹ軸方向またはその双方が、別な一部の発電素子におけるこれらの方向と異なる向きに配置されているようにしたものである。

(25) 本発明の第２５の態様は、上述した第２４の態様に係る発電装置において、
４組の発電素子を組み合わせ、第１の発電素子のＸ軸方向およびＹ軸方向を基準としたときに、第２の発電素子はＹ軸方向が逆転する向きに配置され、第３の発電素子はＸ軸方向が逆転する向きに配置され、第４の発電素子はＸ軸方向およびＹ軸方向の双方が逆転する向きに配置されているようにしたものである。

(26) 本発明の第２６の態様は、上述した第２３〜第２５の態様に係る発電装置において、
複数の発電素子の重錘体が、それぞれ異なる共振周波数を有するようにしたものである。

(27) 本発明の第２７の態様は、上述した第２６の態様に係る発電装置において、
重錘体のＸＹ平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Ｚ軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の質量が異なるようにしたものである。

(28) 本発明の第２８の態様は、上述した第２６または第２７の態様に係る発電装置において、
複数の発電素子の第１の板状橋梁部もしくは第２の板状橋梁部またはその双方について、ＸＹ平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Ｚ軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の共振周波数が異なるようにしたものである。

本発明に係る発電素子では、片持ち梁を構成する板状橋梁部に層状の圧電素子が形成され、その表面に、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極が局在的に形成される。ここで、中央電極は、板状橋梁部の上面側の、長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されているため、板状橋梁部の垂直方向の撓みに応じて効率的に電荷を生成することができる。一方、右脇電極および左脇電極は、中央電極の両脇に配置されているため、板状橋梁部の水平方向の撓みに応じて効率的に電荷を生成することができる。このため、垂直方向および水平方向の両方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することができ、高い発電効率を得ることが可能になる。

また、ＸＹＺ三次元座標系において、Ｙ軸に平行な方向に沿って配置された第１の板状橋梁部と、Ｘ軸に平行な方向に沿って配置された第２の板状橋梁部とを用いる実施形態によれば、第１および第２の板状橋梁部に形成された右脇電極および左脇電極によってＸ軸方向およびＹ軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、更に、第１および第２の板状橋梁部に形成された中央電極によってＺ軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。このため、ＸＹＺ三次元座標系における全座標軸方向の成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することができ、更に高い発電効率を得ることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る発電素子を構成する基本構造体の平面図（図(a) ）および側面図（図(b) ）である。 図１に示す基本構造体の重錘体３０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じたときの状態を示す平面図（図(a) ）およびＺ軸正方向の変位Δｚ（＋）を生じたときの状態を示す側面図（図(b) ）である。 本発明の第１の実施形態に係る発電素子の平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。 図３に示す発電素子の重錘体３０に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３に生じる電荷の極性を示す表である。 図３に示す発電素子に用いられている発電回路６０の具体的な構成を示す回路図である。 図３に示す発電素子の変形例を示す平面図である。 図６に示す発電素子の重錘体３０に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３に生じる電荷の極性を示す表である。 本発明に係る発電素子における上層電極の配置態様のバリエーションを示す正断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る発電素子を構成する基本構造体１００の平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。 本発明の第２の実施形態に係る発電素子の平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。 図９に示す基本構造体１００の重錘体１５０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じたときの各上層電極形成位置の伸縮状態を示す平面図である。 図９に示す基本構造体１００の重錘体１５０がＹ軸正方向の変位Δｙ（＋）を生じたときの各上層電極形成位置の伸縮状態を示す平面図である。 図９に示す基本構造体１００の重錘体１５０がＺ軸正方向の変位Δｚ（＋）を生じたときの各上層電極形成位置の伸縮状態を示す平面図である。 図１０に示す発電素子の重錘体１５０に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４に生じる電荷の極性を示す表である。 図１０に示す発電素子に用いられている発電回路５００の具体的な構成を示す回路図である。 図１０に示す発電素子を４組用いた発電装置の基本構造体の構造を示す平面図である。 図１６に示す発電装置の変形例に係る発電装置の基本構造体の構造を示す平面図である。 図１０に示す発電素子の変形例に係る発電素子の基本構造体の構造を示す平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。 図１０に示す発電素子の基本構造体（図(a) ）および図１８に示す発電素子の基本構造体（図(b) ）について、重錘体１５０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。 図１０に示す発電素子の基本構造体（図(a) ）および図１８に示す発電素子の基本構造体（図(b) ）について、重錘体１５０がＹ軸正方向の変位Δｙ（＋）を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。 図１０に示す発電素子の基本構造体（図(a) ）および図１８に示す発電素子の基本構造体（図(b) ）について、重錘体１５０がＺ軸正方向の変位Δｚ（＋）を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。 図１８に示す発電素子の変形例に係る発電素子の基本構造体の構造を示す平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。 図１８に示す発電素子の別な変形例に係る発電素子の基本構造体の構造を示す平面図である。 図１８に示す発電素子の更に別な変形例に係る発電素子の基本構造体の構造を示す平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。 図２２に示す発電素子の変形例に係る発電素子の基本構造体の構造を示す平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。

＜＜＜ §１． 第１の実施形態（２軸発電型） ＞＞＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発電素子を構成する基本構造体の平面図（上段の図(a) ）および側面図（下段の図(b) ）である。図１(a) に示すとおり、この基本構造体は、固定部１０、板状橋梁部２０、重錘体３０によって構成されている。図１(b) の側面図には、この固定部１０の下面が、装置筐体の底板４０の上面に固定されている状態が示されている。なお、ここでは便宜上、装置筐体については詳細な図示は省略し、図１(b) において、底板４０の一部分をハッチングを施して示すにとどめるが、実際には、この基本構造体の全体を収容するような装置筐体が設けられる。

板状橋梁部２０は、図の左端が固定部１０によって固定されており、右端には重錘体３０が接続されている。この板状橋梁部２０は片持ち梁として機能し、重錘体３０を装置筐体の底板４０の上方に宙吊り状態に保持する役割を果たす。以下、板状橋梁部２０の固定部１０側の端（図の左端）を根端部と呼び、重錘体３０側の端（図の右端）を先端部と呼ぶことにする。

この板状橋梁部２０は、可撓性を有しているため、外力の作用により撓みが生じる。このため、外部から装置筐体に振動が加えられると、この振動エネルギーによって重錘体３０に力が加わり、この力は板状橋梁部２０の先端部に作用する。板状橋梁部２０の根端部は固定されているため、板状橋梁部２０には撓みが生じ、重錘体３０が装置筐体内で振動することになる。

ここでは、振動方向を説明する便宜上、装置筐体が静止した状態において、重錘体３０の重心位置に原点Ｏをとり、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。すなわち、図１(a) の平面図においては、図の下方にＸ軸、図の右方にＹ軸、紙面垂直上方にＺ軸を定義する。図１(b) の側面図においては、図の上方にＺ軸、図の右方にＹ軸、紙面垂直上方にＸ軸がそれぞれ定義されることになる。本願における以降の各図においても、同様の方向に各座標軸を定義することにする。

また、説明の便宜上、上述した三次元座標系のＸＹ平面が水平面となり、Ｚ軸が鉛直軸となるような向きに、装置筐体が振動源（たとえば、車両）に取り付けられているものとしよう。したがって、本願において、基本構造体に関して、一般に「上」と言った場合はＺ軸正方向を意味し、一般に「下」と言った場合はＺ軸負方向を意味する（もちろん、「図の上方」や「図の下方」と言った場合は、当該図における上方や下方を意味する）。

図２(a) は、図１に示す基本構造体において、固定部１０の位置を基準として、重錘体３０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じたときの変形状態を示す平面図である。このような変位は、重錘体３０に対してＸ軸正方向の加速度が作用したときに生じることになる。重錘体３０は図の下方に変位するため、板状橋梁部２０の図における上辺側はＹ軸方向に関して伸び、板状橋梁部２０の図における下辺側はＹ軸方向に関して縮むことになる。別言すれば、図に破線で示す中心線より図における上側部分はＹ軸方向に関して伸び、図における下側部分はＹ軸方向に関して縮むことになる。

図２(a) は、Ｘ軸正方向の変位Δｘ（＋）が生じたときの状態であるが、Ｘ軸負方向の変位Δｘ（−）が生じたときときは、重錘体３０は図の上方に変位することになり、板状橋梁部２０の各部の伸縮状態は図２(a) に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体に対して、Ｘ軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体の形状は、図２(a) に示す状態とその反転状態とを交互に繰り返しながら変形し、重錘体３０は装置筐体内でＸ軸方向（水平方向）に振動することになる。

一方、図２(b) は、図１に示す基本構造体において、固定部１０の位置を基準として、重錘体３０がＺ軸正方向の変位Δｚ（＋）を生じたときの変形状態を示す側面図である。このような変位は、重錘体３０に対してＺ軸正方向の加速度が作用したときに生じることになる。重錘体３０は図の上方に変位するため、板状橋梁部２０の図における上面側はＹ軸方向に関して縮み、板状橋梁部２０の図における下面側はＹ軸方向に関して伸びることになる。別言すれば、板状橋梁部２０の上層部分はＹ軸方向に関して縮み、下層部分はＹ軸方向に関して伸びることになる。

図２(b) は、Ｚ軸正方向の変位Δｚ（＋）が生じたときの状態であるが、Ｚ軸負方向の変位Δｚ（−）が生じたときときは、重錘体３０は図の下方に変位することになり、板状橋梁部２０の各部の伸縮状態は図２(b) に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体に対して、Ｚ軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体の形状は、図２(b) に示す状態とその反転状態とを交互に繰り返しながら変形し、重錘体３０は装置筐体内でＺ軸方向（上下方向）に振動することになる。

なお、ここでは、Ｙ軸方向の変位Δｙ（＋），Δｙ（−）が生じたときの変形状態の図示は省略する。もちろん、重錘体３０に対してＹ軸方向の加速度が作用すると、板状橋梁部２０は全体的にＹ軸方向に伸びたり、あるいは縮んだりし、重錘体３０はＹ軸方向に変位することになる。ただ、加えられる振動エネルギーの量が同じ場合、Ｙ軸方向の変位Δｙ（＋），Δｙ（−）の量は、Ｘ軸方向の変位Δｘ（＋），Δｘ（−）の量やＺ軸方向の変位Δｚ（＋），Δｚ（−）の量に比べて小さい。すなわち、Ｙ軸方向の振動エネルギーによって生じる板状橋梁部２０の伸縮の量は、Ｘ軸もしくはＺ軸方向の振動エネルギーによって生じる板状橋梁部２０の伸縮の量に比べて小さい。

これは、重錘体３０のＸ軸方向の振動やＺ軸方向の振動が、図２(a) ，(b) に示すように、板状橋梁部２０を所定方向に曲げる変形動作によって行われるのに対し、Ｙ軸方向の振動は、板状橋梁部２０を全体的に引き伸ばしたり圧縮したりする変形動作によって行われるため、機械的な変形効率が低いためと考えられる。

このような理由から、この第１の実施形態に係る発電素子は、重錘体３０のＸ軸方向の振動やＺ軸方向の振動に基づいて発電を行う２軸発電型の素子として設計されており、Ｙ軸方向の振動については考慮していない。もちろん、実際には、Ｙ軸方向の振動エネルギーが加わった場合にも発電は可能であるが、その発電効率は、Ｘ軸やＺ軸方向の振動エネルギーが加わった場合に比べてかなり低いものになる。

なお、ここに示す実施例の場合、固定部１０、板状橋梁部２０、重錘体３０からなる基本構造体は、いずれもシリコン基板から切り出した一体構造体によって構成している。この実施例の場合、板状橋梁部２０はＸ軸方向の幅が１ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが４ｍｍ、Ｚ軸方向の厚みが０．５ｍｍ程度のビーム構造を有している。また、重錘体３０は、Ｘ軸方向の幅が５ｍｍ、Ｙ軸方向の幅が３ｍｍ、Ｚ軸方向の厚みが０．５ｍｍ、固定部１０は、Ｘ軸方向の幅が５ｍｍ、Ｙ軸方向の幅が２ｍｍ、Ｚ軸方向の厚みが１ｍｍである。

もちろん、各部の寸法は任意に設定することができる。要するに、板状橋梁部２０は、図２に示すような変形が可能な可撓性を有するのに適した寸法に設定すればよく、重錘体３０は、外部からの振動エネルギーによって板状橋梁部２０に図２に示すような変形を生じさせるのに十分な質量を有する寸法に設定すればよく、固定部１０は、この基本構造体全体を装置筐体の底板４０に堅固に固着できる寸法に設定すればよい。

なお、図２(b) に示すように、固定部１０の厚みは、板状橋梁部２０および重錘体３０の厚みよりも大きく設定し、重錘体３０が装置筐体内で宙吊り状態となり、上下方向に振動できる空間が確保されるようにする。前述したように、この基本構造体は、装置筐体内に収容されることになるが、装置筐体の内壁面（たとえば、図２(b) に示す底板４０の上面）と重錘体３０との間の空隙寸法を所定値に設定し、装置筐体の内壁面が重錘体３０の過度の変位を制限する制御部材として機能するようにするのが好ましい。そうすれば、重錘体３０に過度の加速度（板状橋梁部２０が破損するような加速度）が加わった場合でも、重錘体３０の過度の変位を制限することができ、板状橋梁部２０が破損する事態を避けることができる。但し、空隙寸法が狭すぎると、エアーダンピングの影響を受け、発電効率が低下するので注意を要する。

以上、図１および図２を参照しながら、第１の実施形態に係る発電素子の構成要素となる基本構造体の構造および変形動作を説明したが、発電素子は、この基本構造体に、更に、いくつかの要素を付加することにより構成される。

図３(a) は、この第１の実施形態に係る発電素子の平面図、図３(b) は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図３(b) の側断面図に示すとおり、図１(b) に示す基本構造体（固定部１０，板状橋梁部２０，重錘体３０）の上面には、全面にわたって層状の下層電極Ｅ０が形成され、更にその上面には、全面にわたって層状の圧電素子５０が形成されている。そして、この圧電素子５０の上面には、局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群が形成されている。

ここに示す実施例の場合、上層電極群は、図３(a) に示すとおり、６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３（図におけるハッチングは、電極形成領域を明瞭に示すために付したものであり、断面を示すものではない）によって構成されている。図３(b) の側断面図では、このうち、ＹＺ切断面に位置する上層電極Ｅ１２，Ｅ２２のみが現れている。なお、図３(a) は、この発電素子を上方から見た平面図であるため、基本構造体の全面を覆う圧電素子５０が見えていることになるが、便宜上、この図３(a) には、固定部１０，板状橋梁部２０，重錘体３０の位置を括弧書きの符号で示してある。

ここでは、図３(a) に示されている６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３のうち、重錘体３０側に形成された３枚の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３を重錘体側電極群と呼び、固定部１０側に形成された３枚の電極Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３を固定部側電極群と呼ぶことにする。更に、重錘体側電極群については、中央に配置された電極Ｅ１２を中央電極、その両脇に配置された電極Ｅ１１，Ｅ１３をそれぞれ右脇電極，左脇電極と呼ぶことにする。同様に、固定部側電極群についても、中央に配置された電極Ｅ２２を中央電極、その両脇に配置された電極Ｅ２１，Ｅ２３をそれぞれ右脇電極，左脇電極と呼ぶことにする。

なお、本願における「右脇」，「左脇」なる文言は、中央電極の両脇に配置された一対の電極を相互に区別するために用いているものであり、便宜上、板状橋梁部の上面をその根端部側から見た場合の左右を意味している。もちろん、板状橋梁部の上面をその先端部側から見ると左右は逆転することになるが、本願では、常に板状橋梁部の上面を根端部側から見た場合の左右を基準として、「右脇」，「左脇」なる文言を用いることにする。

ここに示す実施例の場合、基本構造体（固定部１０，板状橋梁部２０，重錘体３０）は、シリコン基板によって構成されている。また、下層電極Ｅ０や上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３としては、金属などの一般的な導電材料を用いて形成すればよい。ここに示す実施例の場合、厚み３００ｎｍ程度の薄膜状の金属層（チタン膜と白金膜との二層からなる金属層）により下層電極Ｅ０および上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３を形成している。一方、圧電素子５０としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）などを薄膜状にしたものを用いればよい。ここに示す実施例の場合、厚み２μｍ程度の薄膜状の圧電素子を形成している。

図３(b) に示すとおり、この発電素子には、更に、発電回路６０が備わっている。図３(b) では、この発電回路６０を単なるブロックで示すが、具体的な回路図は後述する。図示のとおり、この発電回路６０と、下層電極Ｅ０および６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３との間には配線が施されており、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３で発生した電荷は、この配線を介して発電回路６０によって取り出される。実際には、各配線は、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３とともに、圧電素子５０の上面に形成された導電性パターンによって形成することができる。また、基本構造体をシリコン基板によって構成した場合、発電回路６０は、このシリコン基板上（たとえば、固定部１０の部分）に形成することが可能である。

なお、図３では、装置筐体の図示は省略されているが（図３(b) に示す底板４０が装置筐体の一部を構成することになる）、実際には、図３(b) に示されている構造体全体は、図示されていない装置筐体内に収容されている。

結局、この第１の実施形態に係る発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う機能をもった発電素子であり、所定の長手方向軸（図示の例の場合はＹ軸）に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部２０と、この板状橋梁部２０の一端（先端部）に接続された重錘体３０と、板状橋梁部２０および重錘体３０を収容する装置筐体と、板状橋梁部２０の他端（根端部）を装置筐体（図示の例の場合は底板４０の上面）に固定する固定部１０と、板状橋梁部２０の表面に層状に形成された下層電極Ｅ０と、この下層電極Ｅ０の表面に層状に形成された圧電素子５０と、この圧電素子５０の表面に局在的に形成された複数の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３からなる上層電極群と、上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３および下層電極Ｅ０に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路６０と、を備えていることになる。

前述したとおり、このような構造をもった発電素子では、装置筐体を振動させる外力が作用すると、板状橋梁部２０の撓みにより重錘体３０が装置筐体内で振動する。そして、この板状橋梁部２０の撓みは、圧電素子５０に伝達され、圧電素子５０にも同様の撓みが生じることになる。ここで、圧電素子５０は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有しているため、その上面および下面に電荷が発生することになる。発生した電荷は上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３および下層電極Ｅ０から取り出される。

ここに示す実施例の場合、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、逆に、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる圧電素子５０を用いている。もちろん、圧電素子によっては、これと全く逆の分極特性を有するものもあり、本発明に係る発電素子には、いずれの分極特性を有する圧電素子を用いてもかまわない。

続いて、この発電素子の具体的な発電動作をみてみよう。図３(a) に示す実施例の場合、上層電極群は、板状橋梁部２０の重錘体３０との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群Ｅ１１〜Ｅ１３と、板状橋梁部２０の固定部１０との接続部分近傍に配置された固定部側電極群Ｅ２１〜Ｅ２３とに分けられる。そして、重錘体側電極群は、中央電極Ｅ１２、右脇電極Ｅ１１、左脇電極Ｅ１３という３種類の電極によって構成され、固定部側電極群も、中央電極Ｅ２２、右脇電極Ｅ２１、左脇電極Ｅ２３という３種類の電極によって構成されている。

この６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３は、いずれも板状橋梁部２０の長手方向軸（Ｙ軸）に沿って伸びるように配置され、圧電素子５０を挟んで下層電極Ｅ０の所定領域に対向している。別言すれば、下層電極Ｅ０および圧電素子５０は共通であるが、６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３は、それぞれ局在的に個別に配置されているため、６個の個別の発電体がそれぞれ特定の位置に配置されていることになる。

ここで、中央電極Ｅ１２，Ｅ２２は、板状橋梁部２０の上面側の、長手方向軸（Ｙ軸）に沿った中心線の位置（Ｙ軸を圧電素子５０の上面まで平行移動した線の位置）に配置されており、重錘体３０がＺ軸方向に振動しているときに効率的に電荷を取り出すことを意図して設けられた電極である。

また、右脇電極Ｅ１１は、中央電極Ｅ１２の一方の脇（根端部側から見たときに右脇）に配置されており、左脇電極Ｅ１３は、中央電極Ｅ１２の他方の脇（根端部側から見たときに左脇）に配置されている。同様に、右脇電極Ｅ２１は、中央電極Ｅ２２の一方の脇（根端部側から見たときに右脇）に配置されており、左脇電極Ｅ２３は、中央電極Ｅ２２の他方の脇（根端部側から見たときに左脇）に配置されている。これらの各脇電極は、重錘体３０がＸ軸方向に振動しているときに効率的に電荷を取り出すことを意図して設けられた電極である。

図４は、図３に示す発電素子において、下層電極Ｅ０を共通電極として、重錘体３０に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３および下層電極Ｅ０に生じる電荷の極性を示す表である。表における符号「＋」は正電荷の発生を示し、符号「−」は負電荷の発生を示している。また、符号「０」は、電荷の発生が全くないか、もしくは、符号「＋」や符号「−」で示す場合に比べて少量の電荷しか発生しない状態を示している。実用上、符号「０」に相当する欄における発生電荷は有意な量ではないため、以下の説明では無視することにする。

重錘体３０に各座標軸方向の変位が生じると、板状橋梁部２０に図２(a) ，(b) に示すような撓みが生じる。一方、圧電素子５０は、上述したとおり、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる分極特性を有している。これらの点を踏まえれば、図４に示す表が得られることは容易に理解できよう。

たとえば、Ｘ軸正方向の変位Δｘ（＋）が生じたときは、図２(a) に示すような変形が生じるため、右脇電極Ｅ１１，Ｅ２１の直下の圧電素子は長手方向に縮み、右脇電極Ｅ１１，Ｅ２１には負電荷が発生する。一方、左脇電極Ｅ１３，Ｅ２３の直下の圧電素子は長手方向に伸び、左脇電極Ｅ１３，Ｅ２３には正電荷が発生する。このとき、中心線上に配置されている中央電極Ｅ１２，Ｅ２２の直下の圧電素子は、その半身が伸び半身が縮むため、発生電荷は相殺され、中央電極Ｅ１２，Ｅ２２に電荷は発生しない。これに対して、下層電極Ｅ０には、各上層電極Ｅ１１，Ｅ１３，Ｅ２１，Ｅ２３に発生した電荷と逆極性の電荷が発生することになるが、これら各上層電極の発生電荷の総和は０になるため、下層電極Ｅ０の発生電荷も０になる。

また、Ｚ軸正方向の変位Δｚ（＋）が生じたときは、図２(b) に示すような変形が生じるため、６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３の直下のすべての圧電素子は長手方向に縮み、すべての上層電極に負電荷が発生する。これに対して、下層電極Ｅ０には、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３に発生した電荷（負電荷）の総和に等しい逆極性の電荷（正電荷）が発生することになる。図４の表において、変位Δｚ（＋）の行の下層電極Ｅ０の欄に記されている「＋＋＋＋＋＋」なる符号は、このような状態を示すものである。

一方、Ｙ軸正方向の変位Δｙ（＋）が生じたときは、６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３の直下のすべての圧電素子は長手方向に伸びるため、すべての上層電極に正電荷が生じる。ただ、前述したとおり、重錘体３０に対してＹ軸方向の加速度が作用したときのＹ軸方向の変位Δｙ（＋）の量は、Ｘ軸方向の加速度が作用したときのＸ軸方向の変位Δｘ（＋）の量やＺ軸方向の加速度が作用したときのＺ軸方向の変位Δｚ（＋）の量に比べると小さいため、正電荷の発生量も僅かなものになる。そこで、図４の表では、Δｙ（＋）の欄すべてに符号「０」を記し、有意な発電が行われないことを示してある。

なお、図４の表は、重錘体３０に対して、各座標軸の正方向への変位Δｘ（＋），Δｙ（＋），Δｚ（＋）が生じたときの各上層電極の発生電荷を示すものであるが、各座標軸の負方向への変位Δｘ（−），Δｙ（−），Δｚ（−）が生じたときは、図４の表の符号を逆転させた結果が得られる。通常、外部から振動エネルギーが与えられると、重錘体３０は装置筐体内で振動することになるので、当該振動の周期に同期して、図４に示す表の符号は反転し、また、電荷の発生量も周期的に増減することになる。

実際には、外部から与えられる振動エネルギーは、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向成分を有するものになるので、重錘体３０の変位は、Δｘ（±），Δｙ（±），Δｚ（±）を合成したものになり、しかも時々刻々と変化してゆくことになる。このため、たとえば、変位Δｘ（＋）とΔｚ（＋）とが同時に生じると、図４の表に示すとおり、上層電極Ｅ１３やＥ２３には、正電荷と負電荷との双方が発生することになり、上層電極Ｅ１３やＥ２３に発生した一部の電荷は相殺されてしまい、有効に取り出すことはできない。

このように、重錘体３０の振動形態によっては、必ずしも１００％効率的な発電が行われるわけではないが、全体としてみれば、重錘体３０のＸ軸方向の振動エネルギーとＺ軸方向の振動エネルギーとの双方を取り出して発電が可能になる。このように、重錘体３０の振動エネルギーのうち、２軸方向成分を利用した発電が可能になる点が、本発明の第１の実施形態に係る発電素子の特徴であり、そのような特徴により、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換し、高い発電効率を得る、という目的が達成されることになる。

発電回路６０は、これら上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３および下層電極Ｅ０に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す役割を果たす。ここに示す実施例の場合、下層電極Ｅ０は共通電極として基準電位を確保する機能を果たすことになるので、実際は、上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３から流れ出る電流と、上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３に流れ込む電流とを別個に集めて蓄電を行えばよい。

図５は、図３に示す発電素子に用いられている発電回路６０の具体的な構成を示す回路図である。ここで、Ｐ１１〜Ｐ２３は、圧電素子５０の一部分を示しており、それぞれ上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３の直下に位置する部分に相当する。また、回路図上に白丸で示すＥ０は下層電極，Ｅ１１〜Ｅ２３は上層電極に対応する。Ｄ１１（＋）〜Ｄ１３（−）は、整流素子（ダイオード）であり、符号（＋）が付された各整流素子は、各上層電極に発生した正電荷を取り出す役割を果たし、符号（−）が付された各整流素子は、各上層電極に発生した負電荷を取り出す役割を果たす。同様に、Ｄ０（＋）およびＤ０（−）も、整流素子（ダイオード）であり、下層電極Ｅ０に発生した正および負電荷を取り出す役割を果たす。

一方、Ｃｆは平滑用の容量素子（コンデンサ）であり、その正極端子（図の上方端子）には取り出された正電荷が供給され、負極端子（図の下方端子）には取り出された負電荷が供給される。上述したとおり、重錘体３０の振動により発生する電荷の量は振動に応じた周期で増減するため、各整流素子を流れる電流は脈流になる。容量素子Ｃｆは、この脈流を平滑化する役割を果たす。重錘体３０の振動が安定した定常時には、容量素子Ｃｆのインピーダンスはほとんど無視しうる。

容量素子Ｃｆに並列接続されているＺＬは、本発電素子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。発電効率を向上させるためには、負荷ＺＬのインピーダンスと圧電素子５０の内部インピーダンスとを整合させておくのが好ましい。したがって、電力供給を受ける機器が予め想定されている場合は、当該機器の負荷ＺＬのインピーダンスに整合した内部インピーダンスをもつ圧電素子を採用して本発電素子の設計を行うようにするのが好ましい。

結局、発電回路６０は、容量素子Ｃｆと、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３に発生した正電荷を容量素子Ｃｆの正極側へ導くために各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３から容量素子Ｃｆの正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子Ｄ１１（＋）〜Ｄ２３（＋）と、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３に発生した負電荷を容量素子Ｃｆの負極側へ導くために容量素子Ｃｆの負極側から各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ２３（−）と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子Ｃｆにより平滑化して負荷ＺＬに供給する機能を果たすことになる。

なお、図５の回路図を見ればわかるように、負荷ＺＬには、正電荷用整流素子Ｄ１１（＋）〜Ｄ１３（＋）で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ１３（−）で取り出された負電荷とが供給されることになる。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなるようにすれば、最も効率的な発電が可能になる。別言すれば、ある瞬間において発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが不均衡な場合、両者の等しい分だけが負荷ＺＬで電力として利用される。

もちろん、実際には、圧電素子で発生した電荷は平滑用容量素子Ｃｆに一時的に蓄積されるので、実際に行われる発電動作の挙動は、瞬時の現象ではなく、時間平均をとった現象として捉えるべきものになり、正確な解析を行うには複雑なパラメータ設定が必要になる。ただ、一般論としては、個々の瞬間において、各上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３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るのが、効率的な発電を行う上で好ましい。

ここに示す実施例の場合、図３に示す上層電極において、右脇電極Ｅ１１と左脇電極Ｅ１３は、ＹＺ平面に関して面対称をなし、同様に、右脇電極Ｅ２１と左脇電極Ｅ２３は、ＹＺ平面に関して面対称をなしている。このような対称構造を採用すれば、重錘体３０がＸ軸方向に振動した場合、これら４枚の上層電極に関しては、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなることを意味する。右脇電極と左脇電極という一対の電極を中央電極の両脇に配置するメリットは、このように、Ｘ軸方向の振動に関しては、正電荷の総量と負電荷の総量とを等しくする効果が得られる点にある。

最後にもうひとつ、外部から与えられる振動に基づいて効率的な発電を行うための条件を挙げておく。それは、重錘体３０の共振周波数を外部から与えられる振動周波数と一致させることである。一般に、振動系には、その固有の構造に応じて一義的に定まる共振周波数が存在し、外部から与えられる振動の周波数が当該共振周波数に一致していると、振動子を最も効率的に振動させることができるようになり、その振幅も最大になる。したがって、外部から与えられる振動の周波数が予め想定されている場合（たとえば、特定の車両に搭載して用いることが予め定まっており、当該車両から加えられる周波数が既知である場合）、発電素子の構造設計の段階で、当該周波数に共振周波数が合致するような設計を行うのが好ましい。

＜＜＜ §２． 第１の実施形態の変形例 ＞＞＞
ここでは、§１で述べた第１の実施形態に係る２軸発電型の発電素子の変形例をいくつか述べておく。

＜２−１ 上層電極の数の変形例＞
図６は、図３に示す発電素子の変形例を示す平面図である。両者の相違は上層電極の数およびその長さのみである。すなわち、図３に示す発電素子の場合、前述したとおり、合計６組の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３が形成されていたのに対して、図６に示す発電素子の場合、合計３組の上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３のみが形成されている。その他の構造についての相違はないため、図６の変形例についての詳細な構造説明は省略する（もちろん、発電回路は図５に示すものの代わりに、３組の上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３に対して整流素子を接続して電力を取り出すものを用いることになる）。

ここで、図３に示す発電素子の場合、上層電極群は、板状橋梁部２０の重錘体３０との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群Ｅ１１〜Ｅ１３と、板状橋梁部２０の固定部１０との接続部分近傍に配置された固定部側電極群Ｅ２１〜Ｅ２３とによって構成されており、その長手方向（Ｙ軸方向）に関する長さは、接続部分近傍に配置するのに必要な長さに設定されている。これに対して、図６に示す変形例における３組の上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３は、図３に示す例における重錘体側電極群Ｅ１１〜Ｅ１３と固定部側電極群Ｅ２１〜Ｅ２３とをそれぞれ相手側方向に伸ばして連結し融合したものに相当する。このため、上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３は、板状橋梁部２０と同じ長さを有している。

図７は、図６に示す発電素子の重錘体３０に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３に生じる電荷の極性を示す表である。図３に示す発電素子について図４の表が得られることを考えれば、図６に示す発電素子について図７の表が得られることは、容易に理解できよう。したがって、図６に示す発電素子についても、図５に示す回路に準じた発電回路を用意しておけば、各上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３に発生した電荷を電力として取り出すことができる。

実際には、重錘体３０が図２(a) に示すようにＸ軸方向に振動した場合や図２(b) に示すようにＺ軸方向に振動した場合、板状橋梁部２０に生じる長手方向（Ｙ軸方向）に関する伸縮応力は、図２に「伸」や「縮」の文字が記載されている部分、すなわち、重錘体３０との接続部分近傍および固定部１０との接続部分近傍に集中することになる。図３に示す実施例は、これらの応力集中部にのみ上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３を配置した例であり、最も効率的な電極配置を行った例ということになる。これに対して、図６に示す実施例は、応力が集中しない部分も含めた全域にわたって上層電極を配置した例であり、単位電極面積に対する発電量は必ずしも効率的なものになっていないが、電極数を低減することが可能になる。

いずれの実施例も、上層電極は、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の電極によって構成されており、§１で述べたとおり、重錘体３０のＺ軸方向に関する振動エネルギーとＸ軸方向に関する振動エネルギーに基づく発電が可能になり、しかもＸ軸方向に関する振動に関しては、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ均衡に保つ効果が得られる。

＜２−２ 上層電極を側面配置する変形例＞
図３に示す実施例も図５に示す実施例も、いずれも下層電極Ｅ０が板状橋梁部２０の上面に形成され、圧電素子５０がこの下層電極Ｅ０の上面に形成され、更に、中央電極、右脇電極および左脇電極という３種類の上層電極が、板状橋梁部２０の上面に下層電極Ｅ０および圧電素子５０を介して形成されているが、上層電極のうち、右脇電極および左脇電極については、その全部もしくは一部を、板状橋梁部２０の側面に下層電極Ｅ０および圧電素子５０を介して形成するようにしてもよい。

図８は、本発明に係る発電素子における上層電極の配置態様のバリエーションを示す正断面図である。図８(a) は、図３に示す実施例の板状橋梁部２０を、図の切断線８−８に沿って切った断面を示す正断面図である。図示のとおり、板状橋梁部２０の上面に下層電極Ｅ０および圧電素子５０が積層され、更にその上面に、３種類の上層電極Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３が配置されている。したがって、圧電素子５０の分極現象は、図の上下方向に生じることになる。図５に示す実施例の上層電極の配置も同様である。

これに対して、図８(b) に示す実施例は、右脇電極および左脇電極を側面に配置したものである。すなわち、この実施例では、下層電極Ｅ０Ｂが板状橋梁部２０の上面とともに側面にも形成され、圧電素子５０Ｂがこの下層電極Ｅ０Ｂの表面に形成されている。すなわち、正断面図において、下層電極Ｅ０Ｂも圧電素子５０Ｂも「コ」の字型の形状をなし、板状橋梁部２０の上面から左右両側面にかけて一体形成されている。そして、上層電極群を構成する３種類の電極の配置は、中央電極Ｅ２２Ｂが、板状橋梁部２０の上面に下層電極Ｅ０Ｂおよび圧電素子５０Ｂを介して形成されている点に変わりはないが、右脇電極Ｅ２１Ｂおよび左脇電極Ｅ２３Ｂは、板状橋梁部２０の側面に下層電極Ｅ０Ｂおよび圧電素子５０Ｂを介して形成されている。図８(b) には、固定部側電極群Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２３Ｂのみが示されているが、重錘体側電極群Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１３Ｂの配置も同様である。

この場合、圧電素子５０Ｂの各部分は、その厚み方向に分極現象を生じることになるので、板状橋梁部２０の上面に形成された部分については図の上下方向に分極現象が生じ、板状橋梁部２０の側面に形成された部分については図の左右方向に分極現象が生じる。したがって、板状橋梁部２０の各部に生じた応力により、６枚の上層電極Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１３Ｂ，Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２３Ｂのいずれにも所定極性の電荷が発生することになる。図２(a) に示す板状橋梁部２０の各部の伸縮状態は、その側面においても変わりはないので、結局、図５に示す発電回路６０と同様の回路を用意しておけば、発生した電荷に基づく電力の取り出しが可能である。

図８(a) に示す実施例に比べて、図８(b) に示す実施例は、各上層電極の面積が広くなるため、上層電極群に発生する電荷の量も多くなる。したがって、前者に比べて後者の方が、発電効率は高まるが、後者の場合、板状橋梁部２０の上面だけでなく側面にも下層電極、圧電素子、上層電極を形成する必要があるため、製造コストは高騰することになる。

一方、図８(c) に示す実施例は、右脇電極および左脇電極を、上面から側面にかけて連続するように配置したものである。この実施例でも、図８(b) に示す実施例と同様に、下層電極Ｅ０Ｃが板状橋梁部２０の上面とともに側面にも形成され、圧電素子５０Ｃがこの下層電極Ｅ０Ｃの表面に形成されている。したがって、正断面図において、下層電極Ｅ０Ｃおよび圧電素子５０Ｃは「コ」の字型の形状をなし、板状橋梁部２０の上面から左右両側面にかけて一体形成されている。

ここで、上層電極群を構成する３種類の電極の配置は、中央電極Ｅ２２Ｃが、板状橋梁部２０の上面に下層電極Ｅ０Ｃおよび圧電素子５０Ｃを介して形成されている点に変わりはないが、右脇電極Ｅ２１Ｃおよび左脇電極Ｅ２３Ｃは、板状橋梁部２０の上面から側面にかけて下層電極Ｅ０Ｃおよび圧電素子５０Ｃを介して形成されている。図８(c) には、固定部側電極群Ｅ２１Ｃ〜Ｅ２３Ｃのみが示されているが、重錘体側電極群Ｅ１１Ｃ〜Ｅ１３Ｃの配置も同様である。

上述したとおり、圧電素子５０Ｂの各部分は、その厚み方向に分極現象を生じることになるので、図８(c) に示す実施例の場合も、板状橋梁部２０の各部に生じた応力により、６枚の上層電極Ｅ１１Ｃ〜Ｅ１３Ｃ，Ｅ２１Ｃ〜Ｅ２３Ｃのいずれにも所定極性の電荷が発生することになり、図５に示す発電回路６０と同様の回路を用意しておけば、発生した電荷に基づく電力の取り出しが可能である。

図８(b) に示す実施例に比べて、図８(c) に示す実施例では、右脇電極および左脇電極の面積を更に広く確保することができるため、上層電極群に発生する電荷の量もそれだけ多くなり、発電効率を更に高めることができる。ただ、右脇電極および左脇電極を、上面から側面にかけて形成する必要があるため、製造コストは更に高騰することになる。

もちろん、図８(a) 〜図８(c) に示す実施例における上層電極の配置形態を部分ごとに組み合わせることも可能である。図８(d) は、右半分については図８(b) に示す配置形態を採用し、左半分については図８(c) に示す配置形態を採用したものである。また、この実施例では、圧電素子を一体構造とせずに２つの部分５１Ｄ，５２Ｄに分けて形成している。

具体的には、この図８(d) に示す実施例では、下層電極Ｅ０Ｄが板状橋梁部２０の上面とともに側面にも形成され、その表面に、圧電素子５１Ｄ，５２Ｄが形成されている。圧電素子５１Ｄは、下層電極Ｅ０Ｄの右側面を覆う位置に形成され、圧電素子５２Ｄは、下層電極Ｅ０Ｄの上面および左側面を覆う位置に形成されている。そして、上層電極群を構成する３種類の電極の配置は、中央電極Ｅ２２Ｄが、板状橋梁部２０の上面に下層電極Ｅ０Ｄおよび圧電素子５２Ｄを介して形成されおり、右脇電極Ｅ２１Ｄは、板状橋梁部２０の右側面に下層電極Ｅ０Ｄおよび圧電素子５１Ｄを介して形成されており、左脇電極Ｅ２３Ｄは、板状橋梁部２０の上面から側面にかけて下層電極Ｅ０Ｄおよび圧電素子５２Ｄを介して形成されている。

このように、右脇電極および左脇電極は、必ずしも左右対称となるようにする必要はないが、Ｘ軸方向に関する振動に関して発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ均衡に保つためには、図８(a) 〜(c) に示す実施例のように、左右対称となるようにするのが好ましい。

また、圧電素子は、必ずしも一体構造にする必要はなく、図８(d) に示すように、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわないが、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。同様に、下層電極も、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわないが、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。

以上、図３に示す実施例（正断面図が図８(a) に相当）についてのバリエーションとして、図８(b) 〜(d) の実施例を述べたが、もちろん、図５に示す実施例についても同様のバリエーションが可能である。また、後述する第２の実施形態についても、上層電極の配置態様に関して、同様のバリエーションが可能である。

＜＜＜ §３． 第２の実施形態（３軸発電型） ＞＞＞
続いて、本発明の第２の実施形態を説明する。§１で述べた第１の実施形態は、重錘体３０に作用したＸ軸方向の振動エネルギーとＺ軸方向の振動エネルギーとを電気エネルギーに変換することにより発電を行う２軸発電型の発電素子であるが、ここで述べる第２の実施形態は、更に、Ｙ軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する機能をもった３軸発電型の発電素子である。

もちろん、第１の実施形態の場合も、Ｙ軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することは可能であるが、前述したとおり、その変換効率は非常に低く、Ｘ軸もしくはＺ軸方向の振動エネルギーの変換効率に比べると無視しうる程度のものである。ここで述べる第２の実施形態は、基本的に、第１の実施形態における板状橋梁部を２組用意し、これらを互いに直交する方向に組み合わせることにより、重錘体がＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向に振動した場合でも、その振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できるようにしたものである。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る発電素子を構成する基本構造体１００の平面図（上段の図(a) ）および側断面図（下段の図(b) ）である。図９(a) に示すとおり、この基本構造体１００は、固定部用板状部材１１０、第１の板状橋梁部１２０、中間接続部１２５、第２の板状橋梁部１３０、重錘接続部１４０、重錘体１５０という各部分を有している渦巻型の構造体である。

ここでは、振動方向を説明する便宜上、重錘体１５０が静止している状態において、この重錘体１５０の重心位置に原点Ｏをとり、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。すなわち、図９(a) の平面図においては、図の下方にＸ軸、図の右方にＹ軸、紙面垂直上方にＺ軸を定義する。図９(b) の側断面図においては、図の上方にＺ軸、図の右方にＹ軸、紙面垂直上方にＸ軸がそれぞれ定義されることになる。図９(b) の側断面図は、図９(a) の平面図に示されている基本構造体１００を、ＹＺ平面で切断した図に相当する。なお、図９(a) では図示が省略されているが、実際には、この基本構造体１００は、装置筐体内に収容される。図９(b) には、この装置筐体の一部をなす底板２００が描かれており、固定部用板状部材１１０の下面が底板２００の上面に固着されている状態が示されている。

固定部用板状部材１１０は、第１の実施形態における固定部１０と同等の機能を果たし、第１の板状橋梁部１２０の根端部（図の左端）を装置筐体の底板２００に固定する構成要素である。一方、第１の板状橋梁部１２０の先端部（図の右端）には、中間接続部１２５を介して、第２の板状橋梁部１３０の根端部が接続され、第２の板状橋梁部１３０の先端部には、重錘接続部１４０を介して重錘体１５０が接続されている。重錘体１５０は、図９(a) に示すとおり、振動子として機能する十分な質量をもった矩形状の構造体であり、渦巻き状に配置された構成要素１１０，１２０，１２５，１３０，１４０によって支持された状態になっている。

図９(b) には、第１の板状橋梁部１２０および中間接続部１２５は現れていないが、第１の板状橋梁部１２０、中間接続部１２５、第２の板状橋梁部１３０、重錘接続部１４０、重錘体１５０は、いずれも同じ厚み（Ｚ軸方向の寸法）を有している。これに対して、固定部用板状部材１１０は、下方に余分な厚み部分を有している。このため、図９(b) に示すように、固定部用板状部材１１０の下面を底板２００の上面に固定した状態において、第１の板状橋梁部１２０、中間接続部１２５、第２の板状橋梁部１３０、重錘接続部１４０、重錘体１５０は、いずれも底板２００の上面から浮き上がった状態となり、重錘体１５０は宙吊り状態に保持される。

ここで、少なくとも第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０は、可撓性を有しているため、外力の作用により撓みが生じる。このため、外部から装置筐体に振動が加えられると、この振動エネルギーによって重錘体１５０に力が加わり、重錘体１５０が装置筐体内で振動することになる。たとえば、装置筐体を、ＸＹ平面が水平面となり、Ｚ軸が鉛直軸となるような向きに、車両等の振動源に取り付ければ、振動源から加わる垂直方向および水平方向の振動により、重錘体１５０に対して、ＸＹＺ各座標軸方向の振動エネルギーが加えられることになる。

結局、図９に示す基本構造体１００は、それぞれ可撓性をもった第１の板状橋梁部１２０と第２の板状橋梁部１３０とがＬ字状に配置されるように、第１の板状橋梁部１２０の先端部と第２の板状橋梁部１３０の根端部とが中間接続部１２５を介して接続され、更に、第２の板状橋梁部１３０の脇に重錘体１５０が配置されるように、第２の板状橋梁部１３０の先端部と重錘体１５０の隅部とが重錘接続部１４０を介して接続された構造を有している。しかも、第１の板状橋梁部１２０の根端部は、固定部として機能する固定部用板状部材１１０によって装置筐体の底板２００の上面に固定されているため、第１の板状橋梁部１２０、第２の板状橋梁部１３０および重錘体１５０は、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板２００の上方に浮いた宙吊り状態になっている。

特に、図９に示す基本構造体１００では、固定部が、Ｘ軸に平行な固定部用長手方向軸Ｌ０に沿って伸びる固定部用板状部材１１０によって構成され、この固定部用板状部材１１０の一端に第１の板状橋梁部１２０の根端部が固定されている。しかも、第１の板状橋梁部１２０は、Ｙ軸に平行な第１の長手方向軸Ｌｙを中心としてＹ軸方向に伸びるように配置され、第２の板状橋梁部１３０は、Ｘ軸に平行な第２の長手方向軸Ｌｘを中心としてＸ軸方向に伸びるように配置されている。このため、固定部用板状部材１１０、第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０によって構成される構造体が、ＸＹ平面上への投影像が「コ」の字状になるようなコの字状構造体をなし、このコの字状構造体によって囲まれた内部領域に板状の重錘体１５０が配置された構造になっている。

このような基本構造体１００は、量産化に適した構造を有している。すなわち、図９(a) の平面図を見ればわかるとおり、この基本構造体１００は、平面的には、矩形の板状部材に「コ」の字状の空隙部Ｖをエッチングなどによって形成し、全体的に渦巻き型の構造体を作成する工程により量産可能である。

たとえば、ここに示す実施例は、一辺５ｍｍ角のシリコン基板を用意し、０．３ｍｍ程度の幅をもった溝をエッチングにより形成することにより「コ」の字状の空隙部Ｖを形成し、０．５ｍｍ程度の幅をもった「コ」の字状の構造体により、固定部用板状部材１１０、第１の板状橋梁部１２０、中間接続部１２５、第２の板状橋梁部１３０、重錘接続部１４０を形成したものである。また、各部の厚みに関しては、第１の板状橋梁部１２０、中間接続部１２５、第２の板状橋梁部１３０、重錘接続部１４０、重錘体１５０については、厚みを０．５ｍｍとし、固定部用板状部材１１０については、厚みを１ｍｍとした。

もちろん、各部の寸法は任意に設定することができる。要するに、第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０は、重錘体１５０がある程度の振幅をもって各座標軸方向に振動可能になるような可撓性を有する寸法に設定すればよく、重錘体１５０は、外部からの振動エネルギーによって発電に必要な振動を生じるのに十分な質量を有する寸法に設定すればよく、固定部用板状部材１１０は、この基本構造体１００全体を装置筐体の底板２００に堅固に固着できる寸法に設定すればよい。

以上、図９を参照しながら、第２の実施形態に係る発電素子の構成要素となる基本構造体１００の構造を説明したが、発電素子は、この基本構造体１００に、更に、いくつかの要素を付加することにより構成される。

図１０(a) は、この第２の実施形態に係る発電素子の平面図（装置筐体については図示を省略した）、図１０(b) は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である（装置筐体も図示した）。図１０(b) に示すとおり、基本構造体１００の上面には、全面にわたって層状の下層電極Ｅ００が形成され、更にその上面には、全面にわたって層状の圧電素子３００が形成されている。そして、この圧電素子３００の上面には、局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群が形成されている（図１０(b) は、ＹＺ平面での断面図であるので、切断面の奥に配置されている３枚の上層電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｚ１のみが図に現れている）。

下層電極や上層電極としては、第１の実施形態と同様に、金属などの一般的な導電材料を用いて形成すればよい。ここに示す実施例の場合、厚み３００ｎｍ程度の薄膜状の金属層（チタン膜と白金膜との二層からなる金属層）により下層電極Ｅ００および上層電極群を形成している。また、圧電素子３００としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）などを厚み２μｍ程度の薄膜状にしたものを用いている。

図１０(b) に示されているとおり、この実施例の場合、底板２００とカバー４００とによって装置筐体が構成され、基本構造体１００は、この装置筐体内に収容されている。上述したとおり、基本構造体１００は、固定部用板状部材１１０によって、底板２００の上面に固定されており、重錘体１５０は、装置筐体内で宙吊り状態になっている。カバー４００は、天板４１０と側板４２０とによって構成され、重錘体１５０は、このカバー４００の内部空間内で変位し、振動することになる。

なお、重錘体１５０の上面と天板４１０の下面との距離、重錘体１５０の下面と底板２００の上面との距離を、適切な寸法に設定しておけば、天板４１０および底板２００をストッパ部材として機能させることができる。すなわち、装置筐体の内壁面が重錘体１５０の過度の変位を制限する制御部材として機能するので、重錘体１５０に過度の加速度（各板状橋梁部１２０，１３０が破損するような加速度）が加わった場合でも、重錘体１５０の過度の変位を制限することができ、板状橋梁部１２０，１３０が破損する事態を避けることができる。但し、天板４１０と重錘体１５０との空隙寸法や、底板２００と重錘体１５０との空隙寸法が狭すぎると、エアーダンピングの影響を受け、発電効率が低下するので注意を要する。

ここに示す実施例の場合、上層電極群は、図１０(a) に示すとおり、１２枚の上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４（図におけるハッチングは、電極形成領域を明瞭に示すために付したものであり、断面を示すものではない）によって構成されている。なお、図１０(a) は、この発電素子を上方から見た平面図であるため、基本構造体の全面を覆う圧電素子３００が見えていることになるが、便宜上、この図１０(a) には、固定部用板状部材１１０，第１の板状橋梁部１２０，第２の板状橋梁部１３０，重錘接続部１４０，重錘体１５０の位置を括弧書きの符号で示してある。

第１の板状橋梁部１２０の上方に配置されている６枚の上層電極の役割は、基本的には、図３に示す板状橋梁部２０の上方に配置されている６枚の上層電極の役割と同じである。同様に、第２の板状橋梁部１３０の上方に配置されている６枚の上層電極の役割も、基本的には、図３に示す板状橋梁部２０の上方に配置されている６枚の上層電極の役割と同じである。

ここで、符号ｘを含んだ４枚の上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４（第２の板状橋梁部１３０上に第２の長手方向軸Ｌｘに沿って伸びるように配置された左右の脇電極）と、符号ｙを含んだ４枚の上層電極Ｅｙ１〜Ｅｙ４（第１の板状橋梁部１２０上に第１の長手方向軸Ｌｙに沿って伸びるように配置された左右の脇電極）は、主として、重錘体１５０の水平方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の振動エネルギーに基づいて発生する電荷を取り出す役割を果たすために設けられた電極であり、符号ｚを含んだ４枚の上層電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４（第１の板状橋梁部１２０の第１の長手方向軸Ｌｙ上および第２の板状橋梁部１３０の第２の長手方向軸Ｌｘ上に配置された中央電極）は、主として、重錘体１５０の垂直方向（Ｚ軸方向）の振動エネルギーに基づいて発生する電荷を取り出す役割を果たすために設けられた電極である。

ここでは、図１０(a) に示されている１２枚の上層電極のうち、第１の板状橋梁部１２０の先端部に形成された３枚の電極を、それぞれ第１の先端部側右脇電極Ｅｙ１，第１の先端部側中央電極Ｅｚ３，第１の先端部側左脇電極Ｅｙ２と呼び、第１の板状橋梁部１２０の根端部に形成された３枚の電極を、それぞれ第１の根端部側右脇電極Ｅｙ３，第１の根端部側中央電極Ｅｚ４，第１の根端部側左脇電極Ｅｙ４と呼び、第２の板状橋梁部１３０の先端部に形成された３枚の電極を、それぞれ第２の先端部側右脇電極Ｅｘ１，第２の先端部側中央電極Ｅｚ１，第２の先端部側左脇電極Ｅｘ２と呼び、第２の板状橋梁部１３０の根端部に形成された３枚の電極を、それぞれ第２の根端部側右脇電極Ｅｘ３，第２の根端部側中央電極Ｅｚ２，第２の根端部側左脇電極Ｅｘ４と呼ぶことにする。

ここでも、「右脇」，「左脇」なる文言は、各板状橋梁部１２０，１３０の上面をその根端部側から見た場合の左右を意味するものである。中央電極Ｅｚ３，Ｅｚ４は、第１の板状橋梁部１２０の中心線をなす第１の長手方向軸Ｌｙ（Ｙ軸に平行な中心軸）上に配置されており、左右の脇電極Ｅｙ１〜Ｅｙ４は、その左右両脇に第１の長手方向軸Ｌｙに関して対称をなすように配置されている。同様に、中央電極Ｅｚ１，Ｅｚ２は、第２の板状橋梁部１３０の中心線をなす第２の長手方向軸Ｌｘ（Ｘ軸に平行な中心軸）上に配置されており、左右の脇電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４は、その左右両脇に第２の長手方向軸Ｌｘに関して対称をなすように配置されている。

図１０(b) に示すとおり、この発電素子には、更に、発電回路５００が備わっている。図１０(b) では、この発電回路５００を単なるブロックで示すが、具体的な回路図は後述する。図示のとおり、この発電回路５００と、下層電極Ｅ００および１２枚の上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４との間には配線が施されており、各上層電極で発生した電荷は、この配線を介して発電回路５００によって取り出される。実際には、各配線は、各上層電極とともに、圧電素子３００の上面に形成された導電性パターンによって形成することができる。また、基本構造体をシリコン基板によって構成した場合、発電回路５００は、このシリコン基板上（たとえば、固定部用板状部材１１０の部分）に形成することが可能である。

結局、この第２の実施形態に係る発電素子は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であり、Ｙ軸に平行な第１の長手方向軸Ｌｙに沿って伸び、可撓性を有する第１の板状橋梁部１２０と、この第１の板状橋梁部１２０に（中間接続部１２５を介して）接続され、Ｘ軸に平行な第２の長手方向軸Ｌｘに沿って伸び、可撓性を有する第２の板状橋梁部１３０と、この第２の板状橋梁部１３０に（重錘接続部１４０を介して）接続された重錘体１５０と、第１の板状橋梁部１２０、第２の板状橋梁部１３０および重錘体１５０を収容する装置筐体４００と、第１の板状橋梁部１２０の一端を装置筐体４００に固定する固定部（固定部用板状部材１１０）と、第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０の表面に層状に形成された下層電極Ｅ００と、この下層電極Ｅ００の表面に層状に形成された圧電素子３００と、この圧電素子３００の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４と、各上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路５００と、を備えていることになる。

前述したとおり、このような構造をもった発電素子では、装置筐体４００を振動させる外力が作用すると、各板状橋梁部１２０，１３０の撓みにより重錘体１５０が装置筐体４００内で振動する。そして、この各板状橋梁部１２０，１３０の撓みは、圧電素子３００に伝達され、圧電素子３００にも同様の撓みが生じる。圧電素子３００は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有しているため、その上面および下面に電荷が発生し、発生した電荷は上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４および下層電極Ｅ００から取り出される。

ここに示す実施例の場合、§１で述べた実施例と同様に、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、逆に、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる圧電素子３００を用いている。もちろん、この第２の実施形態の場合も、どのような分極特性を有する圧電素子を用いてもかまわない。

続いて、この発電素子の具体的な発電動作をみてみよう。図１１は、図９に示す基本構造体１００の重錘体１５０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じたときの各上層電極形成位置の伸縮状態を示す平面図である。同様に、図１２は、Ｙ軸正方向の変位Δｙ（＋）を生じたときの伸縮状態を示す平面図、図１３は、Ｚ軸正方向の変位Δｚ（＋）を生じたときの伸縮状態を示す平面図である。このような変位は、重錘体１５０に対して各座標軸の正方向の加速度が作用したときに生じることになり、当該変位により、各板状橋梁部１２０，１３０は撓みを生じて、基本構造体１００は変形する。ただ、図１１〜図１３では、図示の便宜上、基本構造体１００の変位状態の描写は省略し、各上層電極形成位置の伸縮状態を矢印で示す（両端に矢が付された矢印は伸びる状態、互いに向かい合う一対の矢印は縮む状態を示している）。

重錘体１５０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じた場合、図１１に示すとおり、渦巻き状の基本構造体１００の外側に配置された第２の先端部側右脇電極Ｅｘ１，第２の根端部側右脇電極Ｅｘ３，第１の先端部側右脇電極Ｅｙ１には、いずれも長手方向に伸びる応力が作用するが、第１の根端部側右脇電極Ｅｙ３には、長手方向に縮む応力が作用する。一方、渦巻き状の基本構造体１００の内側に配置された第２の先端部側左脇電極Ｅｘ２，第２の根端部側左脇電極Ｅｘ４，第１の先端部側左脇電極Ｅｙ２には、いずれも長手方向に縮む応力が作用するが、第１の根端部側左脇電極Ｅｙ４には、長手方向に伸びる応力が作用する。

第１の根端部側右脇電極Ｅｙ３は、渦巻き状の基本構造体１００の外側に位置する電極であるにもかかわらず、他の外側に位置する右脇電極Ｅｘ１，Ｅｘ３，Ｅｙ１とは伸縮状態が逆転し、第１の根端部側右脇電極Ｅｙ４は、渦巻き状の基本構造体１００の内側に位置する電極であるにもかかわらず、他の内側に位置する左脇電極Ｅｘ２，Ｅｘ４，Ｅｙ２とは伸縮状態が逆転している。この第１の板状橋梁部１２０の根端部おいて伸縮逆転が生じる理由を説明するには、複雑な理論展開が必要になるため、ここでは説明を省略するが、本願発明者は、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーションを実行することにより、図示のような伸縮応力が発生することを確認している（後述する図１９参照）。

なお、中心線上に配置された４枚の中央電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４については、右半分と左半分とでわずかな逆の応力が作用することになるので、全体としては応力が均衡して伸縮は生じないものと考えることができる。

図１１は、Ｘ軸正方向の変位Δｘ（＋）が生じたときの状態であるが、Ｘ軸負方向の変位Δｘ（−）が生じたときときは、重錘体１５０は逆方向に変位することになり、各部の伸縮状態は図１１に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体４００に対して、Ｘ軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体１００の各部には、図１１に示す伸縮状態とその反転状態とが交互に繰り返し生じることになる。

一方、重錘体１５０がＹ軸正方向の変位Δｙ（＋）を生じた場合、図１２に示すとおり、渦巻き状の基本構造体１００の外側に配置された第２の根端部側右脇電極Ｅｘ３，第１の先端部側右脇電極Ｅｙ１，第１の根端部側右脇電極Ｅｙ３には、いずれも長手方向に縮む応力が作用するが、第２の先端部側右脇電極Ｅｘ１には、長手方向に伸びる応力が作用する。一方、渦巻き状の基本構造体１００の内側に配置された第２の根端部側左脇電極Ｅｘ４，第１の先端部側左脇電極Ｅｙ２，第１の根端部側左脇電極Ｅｙ４には、いずれも長手方向に伸びる応力が作用するが、第２の先端部側左脇電極Ｅｘ２には、長手方向に縮む応力が作用する。

第２の先端部側右脇電極Ｅｘ１は、渦巻き状の基本構造体１００の外側に位置する電極であるにもかかわらず、他の外側に位置する右脇電極Ｅｘ３，Ｅｙ１，Ｅｙ３とは伸縮状態が逆転し、第２の先端部側左脇電極Ｅｘ２は、渦巻き状の基本構造体１００の内側に位置する電極であるにもかかわらず、他の内側に位置する左脇電極Ｅｘ４，Ｅｙ２，Ｅｙ４とは伸縮状態が逆転している。この第２の板状橋梁部１３０の先端部おいて伸縮逆転が生じる理由を説明するには、複雑な理論展開が必要になるため、ここでは説明を省略するが、本願発明者は、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーションを実行することにより、図示のような伸縮応力が発生することを確認している（後述する図２０参照）。

この場合も、中心線上に配置された４枚の中央電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４については、右半分と左半分とでわずかな逆の応力が作用することになるので、全体としては応力が均衡して伸縮は生じないものと考えることができる。

図１２は、Ｙ軸正方向の変位Δｙ（＋）が生じたときの状態であるが、Ｙ軸負方向の変位Δｙ（−）が生じたときときは、重錘体１５０は逆方向に変位することになり、各部の伸縮状態は図１２に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体４００に対して、Ｙ軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体１００の各部には、図１２に示す伸縮状態とその反転状態とが交互に繰り返し生じることになる。

最後に、重錘体１５０がＺ軸正方向の変位Δｚ（＋）を生じた場合は、図１３に示すとおり、第１の板状橋梁部１２０の先端部側の３枚の電極Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ３および第２の板状橋梁部１３０の先端部側の３枚の電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｚ１には、長手方向に伸びる応力が作用するが、第１の板状橋梁部１２０の根端部側の３枚の電極Ｅｙ３，Ｅｙ４，Ｅｚ４および第２の板状橋梁部１３０の根端部側の３枚の電極Ｅｘ３，Ｅｘ４，Ｅｚ２には、長手方向に縮む応力が作用する。このような応力が作用する理由についての詳細な説明は省略するが、本願発明者は、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーションを実行することにより、図示のような伸縮応力が発生することを確認している（後述する図２１参照）。

図１３は、Ｚ軸正方向の変位Δｚ（＋）が生じたときの状態であるが、Ｚ軸負方向の変位Δｚ（−）が生じたときときは、重錘体１５０は逆方向に変位することになり、各部の伸縮状態は図１３に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体４００に対して、Ｚ軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体１００の各部には、図１３に示す伸縮状態とその反転状態とが交互に繰り返し生じることになる。

図１４は、図１０に示す発電素子において、下層電極Ｅ００を基準電位にして、重錘体１５０に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４に生じる電荷の極性を示す表である。表における符号「＋」は正電荷の発生を示し、符号「−」は負電荷の発生を示している。また、符号「０」は、電荷の発生が全くないか、もしくは、符号「＋」や符号「−」で示す場合に比べて少量の電荷しか発生しない状態を示している。実用上、符号「０」に相当する欄における発生電荷は有意な量ではないため、以下の説明では無視することにする。

上述したとおり、重錘体１５０に各座標軸方向の変位が生じると、各板状橋梁部１２０，１３０の各部には、図１１〜図１３に示すような伸縮応力が加わることになる。一方、圧電素子３００は、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる分極特性を有している。これらの点を踏まえれば、図１４に示す表が得られることは容易に理解できよう。

たとえば、図１４の第１行目の「変位Δｘ（＋）」の各欄の結果は、図１１に示す伸縮分布において、伸びる部分の上層電極欄に「＋」、縮む部分の上層電極欄に「−」、全体としては伸縮が生じない部分の上層電極欄に「０」を記したものである。同様に、第２行目の「変位Δｙ（＋）」の各欄の結果は、図１２に示す伸縮分布に応じたものになっており、第３行目の「変位Δｚ（＋）」の各欄の結果は、図１３に示す伸縮分布に応じたものになっている。

この図１４の表は、重錘体１５０に対して、各座標軸の正方向への変位Δｘ（＋），Δｙ（＋），Δｚ（＋）が生じたときの各上層電極の発生電荷を示すものであるが、各座標軸の負方向への変位Δｘ（−），Δｙ（−），Δｚ（−）が生じたときは、図１４の表の符号を逆転させた結果が得られる。通常、外部から振動エネルギーが与えられると、重錘体１５０は装置筐体４００内で振動することになるので、当該振動の周期に同期して、図１４に示す表の符号は反転し、また、電荷の発生量も周期的に増減することになる。

実際には、外部から与えられる振動エネルギーは、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向成分を有するものになるので、重錘体１５０の変位は、Δｘ（±），Δｙ（±），Δｚ（±）を合成したものになり、しかも時々刻々と変化してゆくことになる。このため、たとえば、変位Δｘ（＋）とΔｙ（＋）とが同時に生じたり、変位Δｘ（＋）とΔｚ（＋）とが同時に生じたりすると、図１４の表に示すとおり、上層電極Ｅｘ３やＥｙ２には、正電荷と負電荷との双方が発生することになり、一部の電荷は相殺されてしまい、有効に取り出すことはできない。

このように、重錘体１５０の振動形態によっては、必ずしも１００％効率的な発電が行われるわけではないが、全体としてみれば、重錘体１５０のＸ軸方向の振動エネルギー、Ｙ軸方向の振動エネルギー、Ｚ軸方向の振動エネルギーという３軸方向のエネルギーを取り出して発電が可能になる。このように、重錘体１５０の３軸すべての振動エネルギーを利用した発電が可能になる点が、本発明の第２の実施形態に係る発電素子の特徴であり、そのような特徴により、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換し、高い発電効率を得る、という目的が達成されることになる。

発電回路５００は、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４および下層電極Ｅ００に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す役割を果たす。ここに示す実施例の場合、下層電極Ｅ００は共通電極として基準電位を確保する機能を果たすことになるので、実際は、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４から流れ出る電流と、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４に流れ込む電流とを別個に集めて蓄電を行えばよい。

図１５は、図１０に示す発電素子に用いられている発電回路５００の具体的な構成を示す回路図である。基本的な回路構成は、図５に示す発電回路６０と同様である。すなわち、Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４，Ｐｚ１〜Ｐｚ４は、圧電素子３００の一部分を示しており、それぞれ上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４の直下に位置する部分に相当する。また、回路図上に白丸で示すＥ００は下層電極，Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４は上層電極に対応する。

Ｄｘ１（＋）〜Ｄｚ３４（−）は、整流素子（ダイオード）であり、符号（＋）が付された各整流素子は、各上層電極に発生した正電荷を取り出す役割を果たし、符号（−）が付された各整流素子は、各上層電極に発生した負電荷を取り出す役割を果たす。

なお、上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４には、それぞれ独立した正負一対の整流素子Ｄｘ１（＋），Ｄｘ１（−）等が接続されているのに対して、上層電極Ｅｚ１，Ｅｚ３には、両者に共通した正負一対の整流素子Ｄｚ１３（＋），Ｄｚ１３（−）が接続され、上層電極Ｅｚ２，Ｅｚ４には、両者に共通した正負一対の整流素子Ｄｚ２４（＋），Ｄｚ２４（−）が接続されている。これは、図１４の表を見ればわかるとおり、上層電極Ｅｚ１，Ｅｚ３には常に同じ極性の電荷しか発生することがなく、上層電極Ｅｚ２，Ｅｚ４にも常に同じ極性の電荷しか発生することがないため、それぞれ共通した整流素子を利用できるためである。

一方、Ｃｆは平滑用の容量素子（コンデンサ）であり、その正極端子（図の上方端子）には取り出された正電荷が供給され、負極端子（図の下方端子）には取り出された負電荷が供給される。図５に示す発電回路６０と同様に、容量素子Ｃｆは、発生電荷に基づく脈流を平滑化する役割を果たし、重錘体１５０の振動が安定した定常時には、容量素子Ｃｆのインピーダンスはほとんど無視しうる。なお、図５に示す発電回路６０では、下層電極Ｅ０に発生した電荷を取り出すために、整流素子Ｄ０（＋）およびＤ０（−）を用いているが、図１５に示す発電回路５００では、容量素子Ｃｆの両端子を、抵抗素子Ｒｄ１，Ｒｄ２を介して下層電極Ｅ００に接続する構成を採用している。このような構成でも、上下両層電極に発生した電荷の取り出しが可能である。

ここでも、容量素子Ｃｆに並列接続されているＺＬは、本発電素子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。抵抗素子Ｒｄ１，Ｒｄ２の抵抗値は、この負荷ＺＬのインピーダンスに比べて十分に大きくなるように設定する。図５に示す発電回路６０と同様に、発電効率を向上させるためには、負荷ＺＬのインピーダンスと圧電素子３００の内部インピーダンスとを整合させておくのが好ましい。したがって、電力供給を受ける機器が予め想定されている場合は、当該機器の負荷ＺＬのインピーダンスに整合した内部インピーダンスをもつ圧電素子を採用して本発電素子の設計を行うようにするのが好ましい。

結局、発電回路５００は、容量素子Ｃｆと、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４に発生した正電荷を容量素子Ｃｆの正極側へ導くために各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４から容量素子Ｃｆの正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子Ｄｘ１（＋）〜Ｄｚ３４（＋）と、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４に発生した負電荷を容量素子Ｃｆの負極側へ導くために容量素子Ｃｆの負極側から各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子Ｄｘ１（−）〜Ｄｚ３４（−）と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子Ｃｆにより平滑化して負荷ＺＬに供給する機能を果たすことになる。

なお、この図１５に示す回路においても、負荷ＺＬには、正電荷用整流素子Ｄｘ１（＋）〜Ｄｚ２４（＋）で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子Ｄｘ１（−）〜Ｄｚ２４（−）で取り出された負電荷とが供給されることになる。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各上層電極Ｅｘ１〜Ｅｚ４に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなるようにすれば、最も効率的な発電が可能になる。

前述したとおり、図１０に示す上層電極のうち、左右の脇電極はいずれも長手方向軸ＬｘもしくはＬｙを中心軸として対称となるように配置されている。このような対称構造を採用すれば、重錘体１５０がＸ軸方向に振動した場合は、図１１に示すように、同一箇所に配置された一対の左右脇電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなる。同様に、重錘体１５０がＹ軸方向に振動した場合も、図１２に示すように、同一箇所に配置された一対の左右脇電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなる。このように、右脇電極と左脇電極という一対の電極を中央電極の両脇に配置するメリットは、Ｘ軸方向の振動およびＹ軸方向の振動に関しては、正電荷の総量と負電荷の総量とを等しくする効果が得られる点にある。

もちろん、この第２の実施形態においても、基本構造体１００の固有の構造に基づいて定まる重錘体１５０の共振周波数が、外部から与えられる振動周波数に一致した場合に最も効率的な発電が可能になる。したがって、外部から与えられる振動の周波数が予め想定されている場合、基本構造体１００の構造設計の段階で、当該周波数に共振周波数が合致するような設計を行うのが好ましい。

＜＜＜ §４． 第２の実施形態を利用した発電装置 ＞＞＞
ここでは、§３で述べた第２の実施形態に係る発電素子（図１０に示す素子）を複数組用意することにより、更に効率的な発電を可能にする実施形態を述べる。なお、本願では、用語として区別する便宜上、§１で述べた第１の実施形態、§２で述べたその変形例、§３で述べた第２の実施形態に示す１組の装置を「発電素子」と呼び、この「発電素子」を複数組用い、個々の発電素子によって取り出された電力を外部に供給する機能をもった装置を「発電装置」と呼ぶことにする。

図１６は、図１０に示す発電素子を４組用いた発電装置の基本構造体１０００の構造を示す平面図である（平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示す）。この基本構造体１０００は、４組の基本構造体１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄを融合させたものである。個々の基本構造体１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄは、いずれも図９に示す基本構造体１００と同等の構造をなし、それぞれ固定部用板状部材１１０，第１の板状橋梁部１２０，第２の板状橋梁部１３０，重錘体１５０の各部を有している。

図１６では、基本構造体１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄの各部についても、それぞれ符号の末尾にＡ〜Ｄを付して示してある。たとえば、基本構造体１００Ａは、固定部用板状部材１１０Ａ，第１の板状橋梁部１２０Ａ，第２の板状橋梁部１３０Ａ，重錘体１５０Ａの各部を有している。ただ、図の上下に隣接する基本構造体については、一対の固定部用板状部材１１０を融合した構造としている。このため、基本構造体１００Ａの固定部用板状部材１１０Ａと基本構造体１００Ｂの固定部用板状部材１１０Ｂとは、実際には融合して１つの固定部用板状部材１１０ＡＢを構成しており、同様に、基本構造体１００Ｃの固定部用板状部材１１０Ｃと基本構造体１００Ｄの固定部用板状部材１１０Ｄとは、実際には融合して１つの固定部用板状部材１１０ＣＤを構成している。

もちろん、実際の発電装置は、図１６に示す基本構造体１０００に、更に、下層電極、圧電素子、上層電極、発電回路を付加することによって実現される。具体的には、たとえば、この基本構造体１０００の上面全面に共通の下層電極を形成し、その上面全面に共通の圧電素子を形成し、更にその上面の所定箇所に局在的に複数の個別上層電極を形成すればよい（もちろん、下層電極や圧電素子を部分ごとに独立した構成にしてもかまわない）。

ここで、発電回路については、４組の発電素子を融合した回路とし、４組の発電素子から取り出した発生電荷をまとめて出力できるようにすればよい。具体的には、図１５に示す発電回路５００において、整流素子は個々の発電素子の上層電極にそれぞれ接続するようにするが、容量素子Ｃｆについては、４組の発電素子について共通するものを１つ設けるようにし、すべての発電素子から得られた電力エネルギーをここに蓄積できるようにする。また、４組の発電素子の下層電極Ｅ００は相互に接続して、同電位となるようにしておく。もちろん、抵抗素子Ｒｄ１，Ｒｄ２も、４組の発電素子で共通のものを用いればよい。

図１０に示す１組の発電素子は、１２枚の上層電極から集めた電荷に基づいて発電を行うことになるが、これを４組用いて構成される発電装置は、合計４８枚の上層電極から集めた電荷に基づいて発電を行うことができる。

なお、複数組の発電素子を組み合わせて発電装置を構成する際には、一部の発電素子におけるＸ軸方向もしくはＹ軸方向またはその双方が、別な一部の発電素子におけるこれらの方向と異なる向きに配置されているようにするのが好ましい。そのような配置を採用すれば、個々の瞬間において、各上層電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ等しくする効果が得られ、より効率的な発電が可能になる。

たとえば、図１６に示す基本構造体１０００の場合、図に個々の基本構造体１００Ａ〜１００Ｄについての座標軸（図９に示す基本構造体１００として定義されたＸ軸およびＹ軸）が描かれているが、それぞれ向きの組み合わせが異なっていることがわかる。

すなわち、基本構造体１００Ａは、図９に示す基本構造体１００を反時計回りに９０°回転させたものに対応し、この基本構造体１００Ａを基準にすると、基本構造体１００Ｂは、図の上下方向に関する鏡像体になっている。また、図の左半分に示されている基本構造体１００Ａ，Ｂを基準にすると、図の右半分に示されている基本構造体１００Ｃ，Ｄは、図の左右方向に関する鏡像体になっている。

結局、図１６に示す基本構造体１０００を用いて構成された発電装置は、４組の発電素子を有し、第１の発電素子（基本構造体１００Ａを用いた素子）のＸ軸方向およびＹ軸方向を基準としたときに、第２の発電素子（基本構造体１００Ｂを用いた素子）はＹ軸方向が逆転する向きに配置され、第３の発電素子（基本構造体１００Ｄを用いた素子）はＸ軸方向が逆転する向きに配置され、第４の発電素子（基本構造体１００Ｃを用いた素子）はＸ軸方向およびＹ軸方向の双方が逆転する向きに配置されていることになる。結果的に、第１の発電素子および第４の発電素子のＺ軸方向は、紙面垂直上方に向かう方向になるのに対して、第２の発電素子および第３の発電素子のＺ軸方向は、紙面垂直下方に向かう方向になる。

このように、４組の発電素子について相補的な配置を採用して発電装置を構成しておけば、ある特定方向に加速度が作用して、各発電素子の重錘体が当該特定方向に変位した場合でも、個々の発電素子について定義された座標系の向きが異なるため、各座標系に関する変位方向は相補的なものになる。このため、ある１つの発電素子の特定の上層電極に正電荷が生成された場合、別な１つの発電素子の対応する上層電極には負電荷が生成されることになる。したがって、４組の発電素子全体として見れば、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とを等しくする効果が得られることになる。

ところで、既に述べたとおり、外部から与えられる振動に基づいて効率的な発電を行うためには、重錘体１５０の共振周波数を外部から与えられる振動周波数と一致させるのが好ましい。したがって、本発明に係る発電素子を、たとえば、特定の車両に搭載して用いることが予め定まっており、当該車両から加えられる周波数ｆが既知である場合には、基本構造体１００の構造設計を行う段階で、重錘体１５０の共振周波数が当該車両から加えられる周波数ｆに合致するような設計を行っておくのが好ましい。

しかしながら、本発明に係る発電素子を一般的な汎用品として提供する場合には、そのような専用品としての設計を行うことはできないので、最も一般的と考えられる振動周波数ｆを定め、共振周波数が当該周波数ｆに一致するような設計を行わざるを得ない。実際の利用環境においては、この共振周波数ｆに近い周波数をもった振動が加えられれば効率的な発電が可能であるが、外部振動の周波数が共振周波数ｆから離れれば離れるほど、発電効率が低下することは否めない。

そこで、幅広い振動周波数に対応した発電を可能にするためには、上述したように、複数組の発電素子を組み合わせて発電装置を構成するようにし、かつ、複数の発電素子の重錘体が、それぞれ異なる共振周波数を有するようなアプローチを採用することが可能である。

発電素子ごとに共振周波数を変える具体的な方法のひとつは、それぞれの重錘体の質量を変えることである。図１７は、図１６に示す発電装置の変形例に係る発電装置の基本構造体の構造を示す平面図である（平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示す）。この変形例では、４組の発電素子の各重錘体の質量に、その平面的な面積を変えることによりバリエーションをもたせている。

この図１７に示す基本構造体２０００は、４組の基本構造体１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈを融合させたものである。個々の基本構造体１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈは、いずれも基本的には図９に示す基本構造体１００と同等の構造をなすので、ここではその各部についても、それぞれ符号１１０，１２０，１３０，１５０の末尾にＥ〜Ｈを付して示してある（図１６に示す例と同様に、固定部用板状部材１１０ＥＦおよび１１０ＧＨは共用になっている）。

図１６に示す基本構造体１０００の場合、４組の基本構造体の各重錘体１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ，１５０Ｄの大きさ（質量）は同じであるが、図１７に示す基本構造体２０００の場合、４組の基本構造体の各重錘体１５０Ｅ，１５０Ｆ，１５０Ｇ，１５０Ｈの大きさ（質量）は、１５０Ｅ＞１５０Ｆ＞１５０Ｇ＞１５０Ｈの順に小さくなっている。具体的には、各重錘体１５０Ｅ，１５０Ｆ，１５０Ｇ，１５０Ｈは、いずれも同じ厚みをもった板状部材であるが、図１７に示すとおり、ＸＹ平面への投影像の面積は互いに異なるように設定されており、それぞれの質量は異なる。

もちろん、各重錘体の厚み（Ｚ軸方向の寸法）を変えることにより、それぞれの質量を変えるようにしてもかまわない。要するに、重錘体のＸＹ平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Ｚ軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の質量が異なるようにすればよい。

重錘体の共振周波数は、その質量に応じて異なる。したがって、重錘体１５０Ｅ，１５０Ｆ，１５０Ｇ，１５０Ｈの質量をそれぞれｍＥ，ｍＦ，ｍＧ，ｍＨとすれば（図１７の例の場合は、ｍＥ＞ｍＦ＞ｍＧ＞ｍＨ）、その共振周波数ｆＥ，ｆＦ，ｆＧ，ｆＨはそれぞれ異なることになる。

発電素子ごとに重錘体の共振周波数を変える別な方法は、それぞれの板状橋梁部の構造を変えることである。具体的には、複数の発電素子の第１の板状橋梁部もしくは第２の板状橋梁部またはその双方について、ＸＹ平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Ｚ軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うようにすればよい。そのような設定を行っても、重錘体１５０Ｅ，１５０Ｆ，１５０Ｇ，１５０Ｈの共振周波数ｆＥ，ｆＦ，ｆＧ，ｆＨをそれぞれ異ならせることができる。

このように、４組の発電素子の各重錘体の共振周波数をそれぞれ異ならせると、幅広い振動周波数に対応した発電が可能になる。たとえば、上例の場合、４通りの共振周波数ｆＥ，ｆＦ，ｆＧ，ｆＨが設定されるため、外部から与えられる振動の周波数がこれらのうちのいずれかに近接していれば、当該近接周波数を共振周波数とする発電素子に関しては効率的な発電が期待できる。

もちろん、特定の車両に搭載して利用することが予め決まっており、当該車両から加えられる周波数ｆが既知である場合は、４組の発電素子の各重錘体の共振周波数をいずれもｆに設定するのが最も好ましい。しかしながら、一般的な汎用品として提供する発電装置の場合は、どのような振動環境で利用されるかを特定することはできない。その場合は、最も一般的と考えられる振動周波数の予想範囲を設定し、当該予想範囲内に４通りの共振周波数ｆＥ，ｆＦ，ｆＧ，ｆＨが分布するように、各発電素子の基本構造体を設計すればよい。

＜＜＜ §５． 第２の実施形態の変形例 ＞＞＞
ここでは、§３で述べた第２の実施形態に係る３軸発電型の発電素子の変形例をいくつか述べておく。

＜５−１ 上層電極の数の変形例＞
§２−１では、図３に示す２軸発電型の発電素子における６枚の上層電極Ｅ１１〜Ｅ２３の代わりに、図６に示すような３枚の上層電極Ｅ３１〜Ｅ３３を用いる変形例を示した。このように、上層電極の数を変える変形例は、図１０に示す３軸発電型の発電素子についても可能である。

具体的には、図１０(a) において、第１の板状橋梁部１２０に形成されている６枚の上層電極のうち、第１の長手方向軸Ｌｙ上に配置されている一対の中央電極Ｅｚ３，Ｅｚ４を細長い１本の中央電極に融合し、その右脇に配置されている一対の右脇電極Ｅｙ１，Ｅｙ３を細長い１本の右脇電極に融合し、左脇に配置されている一対の左脇電極Ｅｙ２，Ｅｙ４を細長い１本の左脇電極に融合すればよい。そうすれば、第１の板状橋梁部１２０には、図６に示す変形例の板状橋梁部２０に形成されている上層電極と同様に、Ｙ軸に平行な方向に伸びる３本の細長い上層電極が配置されることになる。同じように、図１０(a) において、第２の板状橋梁部１３０に形成されている６枚の上層電極についても、Ｘ軸に平行な方向に伸びる３本の細長い上層電極に置き換えることができる。

結局、このような変形例では、上層電極の数は６枚にまで減らされることになるが、基本構造体１００の構成に変わりはない。すなわち、この変形例における基本構造体１００においても、固定部として機能する固定部用板状部材１１０により、第１の板状橋梁部１２０の根端部が装置筐体の底板２００に固定され、第１の板状橋梁部１２０の先端部は第２の板状橋梁部１３０の根端部に接続され、第２の板状橋梁部１３０の先端部には重錘体１５０が接続されることになり、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０の撓みにより重錘体１５０が装置筐体内で各座標軸方向に振動する点は、図１０に示す発電素子と全く同じである。

しかも、圧電素子３００は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有しており、上層電極群の構成は、第１の板状橋梁部１２０の表面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成された第１の上層電極群と、第２の板状橋梁部１３０の表面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成された第２の上層電極群と、を有している点も、図１０に示す発電素子と全く同じである。

ここで、第１の板状橋梁部１２０に形成された第１の上層電極群は、第１の中央電極（図１０(a) に示す電極Ｅｚ３とＥｚ４を融合させたもの）、第１の右脇電極（図１０(a) に示す電極Ｅｙ１とＥｙ３を融合させたもの）、第１の左脇電極（図１０(a) に示す電極Ｅｙ２とＥｙ４を融合させたもの）、という３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第１の長手方向軸Ｌｙに沿って伸びるように配置され、圧電素子３００を挟んで下層電極Ｅ００の所定領域に対向しており、第１の中央電極は、第１の板状橋梁部１２０の上面側の、第１の長手方向軸Ｌｙに沿った中心線の位置に配置されており、第１の右脇電極は、第１の中央電極の一方の脇に配置されており、第１の左脇電極は、第１の中央電極の他方の脇に配置されていることになる。

また、第２の板状橋梁部１３０に形成された第２の上層電極群は、第２の中央電極（図１０(a) に示す電極Ｅｚ１とＥｚ２を融合させたもの）、第２の右脇電極（図１０(a) に示す電極Ｅｘ１とＥｘ３を融合させたもの）、第２の左脇電極（図１０(a) に示す電極Ｅｘ２とＥｘ４を融合させたもの）、という３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第２の長手方向軸Ｌｘに沿って伸びるように配置され、圧電素子３００を挟んで下層電極Ｅ００の所定領域に対向しており、第２の中央電極は、第２の板状橋梁部１３０の上面側の、第２の長手方向軸Ｌｘに沿った中心線の位置に配置されており、第２の右脇電極は、第２の中央電極の一方の脇に配置されており、第２の左脇電極は、第２の中央電極の他方の脇に配置されていることになる。

このように、図１０に示す３軸発電型の発電素子における１２枚の上層電極を融合して、６枚の上層電極に置き換えた変形例においても、上層電極は、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の電極によって構成されているため、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に関する振動に関しては、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ均衡に保つ効果が得られる。

もっとも、実用上は、図１０に示すように１２枚の上層電極を用いる実施例を採用する方が、上述した６枚の上層電極を用いる変形例を採用するよりも好ましい。これは、前者の方が後者に比べて高い発電効率が得られるためである。以下にその理由を説明する。

図１０に示す１２枚の上層電極を用いる実施例では、互いに直交するようにＬ字型に配置された２組の板状橋梁部１２０，１３０が用いられている。これら板状橋梁部１２０，１３０は、いずれも単体として捉えれば、図３に示す板状橋梁部２０と同等の構成をなし、上面側に配置された６枚の上層電極を有する。しかしながら、重錘体が変位したときに各部に生じる伸縮応力の挙動は若干異なってくる。

すなわち、図３に示す板状橋梁部２０の場合、重錘体３０がＸ軸正方向に変位すると、図２(a) に示すように、板状橋梁部２０の左脇（図の上方側）は、固定部１０側も重錘体３０側も伸びており、板状橋梁部２０の右脇（図の下方側）は、固定部１０側も重錘体３０側も縮んでいる。このように、板状橋梁部２０の同じ側面の伸縮状態が、固定部１０側と重錘体３０側とで同じであるため、図３(a) に示す一対の右脇電極Ｅ１１，Ｅ２１を融合して、図６に示す右脇電極Ｅ３１に置き換え、図３(a) に示す一対の左脇電極Ｅ１３，Ｅ２３を融合して、図６に示す左脇電極Ｅ３３に置き換えても、融合対象となる一対の電極の発生電荷の極性が同じであるため、電荷が相殺されて消滅することはない。

ところが、図１０に示す２組の板状橋梁部１２０，１３０の場合、重錘体１５０がＸ軸正方向に変位すると、図１１に示すように、第１の板状橋梁部１２０の右脇に配置された第１の先端部側右脇電極Ｅｙ１および第１の根端部側右脇電極Ｅｙ３は、互いに伸縮状態が逆転している。このため、両者を融合して細長い１本の電極に置き換えてしまうと、異なる極性の電荷による相互相殺が起こってしまう。第１の板状橋梁部１２０の左脇に配置された第１の先端部側左脇電極Ｅｙ２および第１の根端部側左脇電極Ｅｙ４についても同様である。

また、図１０に示す２組の板状橋梁部１２０，１３０の場合、重錘体１５０がＹ軸正方向に変位すると、図１２に示すように、第２の板状橋梁部１３０の右脇に配置された第２の先端部側右脇電極Ｅｘ１および第２の根端部側右脇電極Ｅｘ３は、互いに伸縮状態が逆転している。このため、両者を融合して細長い１本の電極に置き換えてしまうと、異なる極性の電荷による相互相殺が起こってしまう。第２の板状橋梁部１３０の左脇に配置された第２の先端部側左脇電極Ｅｘ２および第２の根端部側左脇電極Ｅｘ４についても同様である。

このような点から、実用上は、図１０(a) に示す実施例のように、合計１２枚の電気的に独立した上層電極を配置し、第１の上層電極群を、第１の板状橋梁部１２０の根端部近傍に配置された第１の根端部側電極群（Ｅｙ３，Ｅｙ４，Ｅｚ４）と、第１の板状橋梁部１２０の先端部近傍に配置された第１の先端部側電極群（Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ３）とによって構成し、第２の上層電極群を、第２の板状橋梁部１３０の根端部近傍に配置された第２の根端部側電極群（Ｅｘ３，Ｅｘ４，Ｅｚ２）と、第２の板状橋梁部１３０の先端部近傍に配置された第２の先端部側電極群（Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｚ１）とによって構成し、第１の根端部側電極群、第１の先端部側電極群、第２の根端部側電極群、第２の先端部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極を有するようにするのが好ましい。

このように、図１０に示す３軸発電型の発電素子の動作挙動は、図３に示す２軸発電型の発電素子の動作挙動とは若干異なっており、図３に示す板状橋梁部２０を単に２本組み合わせたものではない。すなわち、図１１および図１２に示すように、重錘体のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位に対して、板状橋梁部の同じ脇側であるのに、伸縮態様が逆転する部分が存在する。

また、図３に示す２軸発電型の発電素子では、Ｙ軸方向の振動エネルギーが加わった場合、Ｘ軸方向もしくはＺ軸方向の振動エネルギーが加わった場合に比べて、発電効率は極めて小さくなってしまうが（前述したとおり、Ｙ軸方向の振動は、板状橋梁部２０を全体的に引き伸ばしたり圧縮したりする変形動作によって行われるため、機械的な変形効率が低いためと考えられる）、図１０に示す３軸発電型の発電素子では、図１１および図１２に示すとおり、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向の振動エネルギーが加わった場合、いずれの場合も、８枚の上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４のすべてから、十分な効率で電荷の抽出が可能になる。

このような点から、図１０に示す１２枚の上層電極を用いる３軸発電型の発電素子は、非常に発電効率の高い発電素子ということができる。

＜５−２ 上層電極を側面配置する変形例＞
§２−２では、図８を参照しながら、図３に示す第１の実施形態に係る発電素子における上層電極の配置態様のバリエーションを説明した。これらのバリエーションは、図１０に示す第２の実施形態に係る発電素子についても同様に適用可能である。

図１０(b) の側断面図には、第２の板状橋梁部１３０の上面に下層電極Ｅ００を配置し、その上面に圧電素子３００を配置し、その上面に右脇電極Ｅｘ１，中央電極Ｅｚ１，左脇電極Ｅｘ２を配置した実施例が示されている。この実施例は、図８(a) に示すバリエーションを採用したものである。

すなわち、この実施例では、下層電極Ｅ００が第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０の上面に形成され（実際には、下層電極Ｅ００は、基本構造体１００の上面全面に形成されている）、圧電素子３００がこの下層電極Ｅ００の上面に形成されている。そして、更に、第１の中央電極Ｅｚ３，Ｅｚ４、第１の右脇電極Ｅｙ１，Ｅｙ３および第１の左脇電極Ｅｙ２，Ｅｙ４が、第１の板状橋梁部１２０の上面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成されており、第２の中央電極Ｅｚ１，Ｅｚ２、第２の右脇電極Ｅｘ１，Ｅｘ３および第２の左脇電極Ｅｘ２，Ｅｘ４が、第２の板状橋梁部１３０の上面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成されている。

これに対して、図８(b) に示すバリエーションを採用した場合は、下層電極Ｅ００を第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０の上面とともに側面にも形成するようにし、圧電素子３００をこの下層電極Ｅ００の表面に形成するようにする。そして、第１の中央電極Ｅｚ３，Ｅｚ４を、第１の板状橋梁部１２０の上面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成し、第１の右脇電極Ｅｙ１，Ｅｙ３および第１の左脇電極Ｅｙ２，Ｅｙ４を、第１の板状橋梁部１２０の側面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成すればよい。同様に、第２の中央電極Ｅｚ１，Ｅｚ２を、第２の板状橋梁部１３０の上面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成し、第２の右脇電極Ｅｘ１，Ｅｘ３および第２の左脇電極Ｅｘ２，Ｅｘ４を、第２の板状橋梁部１３０の側面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成すればよい。

一方、図８(c) に示すバリエーションを採用した場合は、下層電極Ｅ００を第１の板状橋梁部１２０および第２の板状橋梁部１３０の上面とともに側面にも形成するようにし、圧電素子３００を、この下層電極Ｅ００の表面に形成するようにする。そして、第１の中央電極Ｅｚ３，Ｅｚ４を、第１の板状橋梁部１２０の上面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成し、第１の右脇電極Ｅｙ１，Ｅｙ３および第１の左脇電極Ｅｙ２，Ｅｙ４を、第１の板状橋梁部１２０の上面から側面にかけて下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成すればよい。同様に、第２の中央電極Ｅｚ１，Ｅｚ２を、第２の板状橋梁部１３０の上面に下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成し、第２の右脇電極Ｅｘ１，Ｅｘ３および第２の左脇電極Ｅｘ２，Ｅｘ４を、第２の板状橋梁部１３０の上面から側面にかけて下層電極Ｅ００および圧電素子３００を介して形成すればよい。

もちろん、この第２の実施形態に係る発電素子について、図８(a) 〜図８(c) に示す実施例における上層電極の配置形態を部分ごとに組み合わせることも可能であり、たとえば、図８(d) に例示するような形態を採用することも可能である。

また、圧電素子３００は、必ずしも一体構造にする必要はなく、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわない。ただ、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。同様に、下層電極Ｅ００も、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわないが、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。

＜５−３ 環状構造体からなる固定部＞
ここでは、§３で述べた図１０に示す変形例として、固定部を環状構造体によって構成した例を述べる。図１８は、この変形例に係る発電装置の基本構造体１００Ｉの構造を示す平面図およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。図１８(a) は平面図であるが、平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示し、１２枚の上層電極の位置を矩形で示す。

図１０に示す実施例では、第１の板状橋梁部１２０の一端を装置筐体の底板２００に固定する固定部として、Ｘ軸に平行な長手方向軸Ｌ０に沿って伸びる固定部用板状部材１１０を用いていた。これに対して、図１８に示す変形例では、環状構造体１１０Ｉを固定部として用いている。この環状構造体１１０Ｉは、図示のとおり、左辺１１０Ｉ１，下辺１１０Ｉ２，右辺１１０Ｉ３，上辺１１０Ｉ４という４辺をもった矩形枠状の構造体であり、図１８(b) に示すように、その下面全面が装置筐体の底板２００Ｉの上面に固着されている。

一方、環状構造体１１０Ｉの左辺１１０Ｉ１の図の下端近傍には、第１の板状橋梁部１２０Ｉの根端部が接続されている。そして、この第１の板状橋梁部１２０Ｉの先端部は、中間接続部１２５Ｉを介して、第２の板状橋梁部１３０Ｉの根端部に接続されており、第２の板状橋梁部１３０Ｉの先端部は重錘接続部１４０Ｉを介して重錘体１５０Ｉに接続されている。結局、この変形例の場合、固定部が、環状構造体１１０Ｉによって構成されており、この環状構造体１１０Ｉによって囲まれた内部領域に、第１の板状橋梁部１２０Ｉ、第２の板状橋梁部１３０Ｉおよび重錘体１５０Ｉが配置された構造となっている。

このように、第１の板状橋梁部１２０Ｉ、第２の板状橋梁部１３０Ｉ、重錘体１５０Ｉの周囲を、環状構造体１１０Ｉが所定距離を維持して取り囲む構造を採用すると、環状構造体１１０Ｉが、第１の板状橋梁部１２０Ｉ、第２の板状橋梁部１３０Ｉ、重錘体１５０Ｉの過剰な変位を制御するストッパ部材としての役割を果たすことになる。すなわち、重錘体１５０に過度の加速度（各板状橋梁部１２０Ｉ，１３０Ｉが破損するような加速度）が加わった場合でも、各部の過度の変位を制限することができるので、板状橋梁部１２０Ｉ，１３０Ｉが破損する事態を避けることができる。

＜５−４ 庇構造部の付加＞
図１８に示す変形例のもう一つの特徴は、中間接続部１２５Ｉが、第１の板状橋梁部１２０Ｉの先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部α１と第２の板状橋梁部１３０Ｉの根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部α２とを有し、重錘接続部１４０Ｉが、第２の板状橋梁部１３０Ｉの先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部α３を有する点である。なお、これら庇構造部α１，α２，α３を設けたため、環状構造体１１０Ｉの内側部分には、これら庇構造部α１，α２，α３に対応した位置に凹部が形成されている。

本願発明者は、図示のような庇構造部α１，α２，α３を設けた構造を採用すると、発電素子の発電効率を更に向上させることができることを発見した。これは、この庇構造部α１，α２，α３を設けた構造を採用すると、各上層電極の形成位置における伸縮応力を更に高めることができるためである。これを、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーション結果に基づいて示そう。

図１９(a) は、図１０に示す発電素子の基本構造体について、重錘体１５０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じたときの各板状橋梁部１２０，１３０に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。一方、図１９(b) は、図１８に示す発電素子（庇構造部α１，α２，α３を設けた構造を採用する素子）の基本構造体について、重錘体１５０がＸ軸正方向の変位Δｘ（＋）を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。いずれの分布図も、所定の変位量が生じたときに、中程度の伸張応力、強い伸張応力、中程度の収縮応力、強い収縮応力が作用する領域に、それぞれ固有のハッチングを施して示したものである（各図右上の凡例参照）。

同様に、図２０は、図１０に示す発電素子の基本構造体（図(a) ）および図１８に示す発電素子の基本構造体（図(b) ）について、重錘体１５０がＹ軸正方向の変位Δｙ（＋）を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図であり、図２１は、図１０に示す発電素子の基本構造体（図(a) ）および図１８に示す発電素子の基本構造体（図(b) ）について、重錘体１５０がＺ軸正方向の変位Δｚ（＋）を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。

図１９(a) ，(b) および図２０(a) ，(b) の応力分布図を参照すると、重錘体１５０が、Ｘ軸方向やＹ軸方向に変位したときには、左右の脇電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４の形成位置に比較的大きな伸縮応力が発生していることがわかる。一方、図２１(a) ，(b) の応力分布図を参照すると、重錘体１５０がＺ軸方向に変位したときには、すべての上層電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４，Ｅｚ１〜Ｅｚ４の形成位置に比較的大きな伸縮応力が発生していることがわかる。したがって、図１０に示す１２枚の上層電極の配置が理想的な配置になっていることが理解できよう。

しかも、図１９〜図２１において、上段の図(a) と下段の図(b) とを比較すると、概して、下段の図(b) に示す応力分布図の方が比較的大きな伸縮応力が発生していることがわかる。これは、図１８(a) に示すように、庇構造部α１，α２，α３を設けた構造を採用すると、第１の板状橋梁部１２０Ｉの根端部および先端部ならびに第２の板状橋梁部１３０Ｉの根端部および先端部に効率的に応力を集中させることができ、発電素子の発電効率を更に向上させることができることを意味する。したがって、実用上は、図１８(a) に示すように、庇構造部α１，α２，α３を設けた構造を採用するのが好ましい。

＜５−５ 環状重錘体＞
続いて、重錘体を外側に設け、環状構造とした変形例を述べておく。この変形例は、図１８に示した変形例における固定部（環状構造体１１０Ｉ）と重錘体（１５０Ｉ）との役割を逆転させたものである。すなわち、図１８に示した変形例において固定部として機能していた環状構造体１１０Ｉを重錘体として機能させ、重錘体１５０Ｉとして機能していた板状体を固定部として機能させるようにしたものである。そのためには、図１８において重錘体１５０Ｉとして機能していた板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、図１８において固定部として機能していた環状構造体１１０Ｉが、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにすればよい。

図２２に、このような役割を逆転させた変形例に係る発電素子の基本構造体１００Ｊの構造を示す平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）を示す。それぞれ上段に図(a) として示す平面図だけを比較すると、図１８に示す基本構造体１００Ｉと図２２に示す基本構造体１００Ｊとは、全く同じ構造のように見えるが、下段に図(b) として示す側断面図を比較すると、両者の構造の違いがよく理解できよう。

図２２に示す基本構造体１００Ｊの場合、中央に配置された板状の部材１５０Ｊが板状固定部となり、他の部分に比べて厚みが大きい部分になる。そして、この板状固定部１５０Ｊの下面が、装置筐体の底板２００Ｊの上面に固着される。一方、図２２(a) に示すように、この板状固定部１５０Ｊの右上隅部には、固定端接続部１４０Ｊを介して、第１の板状橋梁部１３０Ｊの根端部（図の上端）が接続されている。また、この第１の板状橋梁部１３０Ｊの先端部（図の下端）には、中間接続部１２５Ｊを介して、第２の板状橋梁部１２０Ｊの根端部（図の右端）が接続されており、更に、この第２の板状橋梁部１２０Ｊの先端部（図の左端）には、環状重錘体１１０Ｊが接続されている。

環状重錘体１１０Ｊは、図２２(a) に示すとおり、左辺１１０Ｊ１，下辺１１０Ｊ２，右辺１１０Ｊ３，上辺１１０Ｊ４という４辺をもった矩形枠状の構造体であり、図２２(b) に示すように、装置筐体の底板２００Ｊの上方に浮いた状態となるように宙吊りになっている。

これまで述べてきた実施例では、重錘体が基本構造体の内側位置に配置されていたが、図２２に示す変形例の場合、環状重錘体１１０Ｊが基本構造体１００Ｊの外側位置に配置されることになる。このように外側に環状重錘体を配置する構造を採ると、一般的に、重錘体の質量を大きく確保することが容易になるので、重錘体の質量を大きくして発電効率を高める上では有利である。

＜５−６ 渦巻状の構造体＞
ここでは、板状橋梁部の数を更に増やし、渦巻状の構造体を構成した変形例を述べておく。図２３は、この変形例に係る発電装置の基本構造体１００Ｋの構造を示す平面図である。この図においても、平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示し、２４枚の上層電極の位置を矩形で示す。この変形例は、図１８に示す変形例における重錘接続部１４０Ｉの代わりに、第３の板状橋梁部１４０Ｋ，中間接続部１４５Ｋ，第４の板状橋梁部１５０Ｋ，重錘接続部１６０Ｋを介して重錘体１７０Ｋを支持する構造が採用されている。

具体的には、図示のとおり、左辺１１０Ｋ１，下辺１１０Ｋ２，右辺１１０Ｋ３，上辺１１０Ｋ４という４辺をもった矩形枠状の環状構造体１１０Ｋが固定部として用いられており、その下面全面が装置筐体の底板の上面に固着されている。一方、環状構造体１１０Ｋの左辺１１０Ｋ１の図の下端近傍には、第１の板状橋梁部１２０Ｋの根端部が接続されている。そして、この第１の板状橋梁部１２０Ｋの先端部は、中間接続部１２５Ｋを介して、第２の板状橋梁部１３０Ｋの根端部に接続されており、第２の板状橋梁部１３０Ｋの先端部は中間接続部１３５Ｋを介して第３の板状橋梁部１４０Ｋの根端部に接続されており、第３の板状橋梁部１４０Ｋの先端部は中間接続部１４５Ｋを介して第４の板状橋梁部１５０Ｋの根端部に接続されており、第４の板状橋梁部１５０Ｋの先端部は重錘接続部１６０Ｋを介して重錘体１７０Ｋに接続されている。

結局、この変形例の場合、固定部が、環状構造体１１０Ｋによって構成されており、この環状構造体１１０Ｋによって囲まれた内部領域に、第１の板状橋梁部１２０Ｋ、第２の板状橋梁部１３０Ｋ、第３の板状橋梁部１４０Ｋ、第４の板状橋梁部１５０Ｋ、重錘体１７０Ｋが配置された構造となっている。ここで、第１の板状橋梁部１２０Ｋおよび第３の板状橋梁部１４０Ｋは、Ｙ軸に平行な第１および第３の長手方向軸に沿って伸びており、第２の板状橋梁部１３０Ｋおよび第４の板状橋梁部１５０Ｋは、Ｘ軸に平行な第２および第４の長手方向軸に沿って伸びている。かくして、重錘体１７０Ｋは、４本の板状橋梁部１２０Ｋ，１３０Ｋ，１４０Ｋ，１５０Ｋを渦巻状に連結させて構成される構造体によって支持されることになる。

この４本の板状橋梁部１２０Ｋ，１３０Ｋ，１４０Ｋ，１５０Ｋの上面に下層電極を形成し、その上面に圧電素子を配置し、更にその上面の所定箇所に局在的に上層電極群を設ける点は、これまでの実施例と同様である。図示の例の場合、４本の板状橋梁部１２０Ｋ，１３０Ｋ，１４０Ｋ，１５０Ｋのそれぞれについて、根端部および先端部に３枚の上層電極を配置しており、合計２４枚の上層電極が形成されている。

これまで述べてきた実施例よりも構造が複雑になるが、この変形例では、発電回路が、合計２４枚の上層電極および共通の下層電極に発生した電荷から電力を取り出すことができるため、発電効率を向上させることができる。

図２３には、４本の板状橋梁部１２０Ｋ，１３０Ｋ，１４０Ｋ，１５０Ｋを設ける例を示したが、もちろん、３本の板状橋梁部１２０Ｋ，１３０Ｋ，１４０Ｋのみを設けて、第３の板状橋梁部１４０Ｋの先端部に、直接もしくは間接的に重錘体を接続するようにしてもかまわない。また、５本以上の板状橋梁部を連結した先に重錘体を接続するようにしてもかまわない。

一般論として述べれば、基本的な実施例として述べた第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部を有する構造体において、第２の板状橋梁部と重錘体との間に、更に、第３の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部を設け、合計Ｋ本の板状橋梁部を連結した先に重錘体を接続するようにしてもかまわない（但し、Ｋ≧３）。このとき、第ｉの板状橋梁部（但し、１≦ｉ≦Ｋ−１）の先端部が第（ｉ＋１）の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第Ｋの板状橋梁部の先端部が重錘体に直接もしくは間接的に接続されており、第ｊの板状橋梁部（但し、１≦ｊ≦Ｋ）は、ｊが奇数の場合はＹ軸に平行な第ｊの長手方向軸に沿って伸び、ｊが偶数の場合はＸ軸に平行な第ｊの長手方向軸に沿って伸びているようにする。

また、第１の板状橋梁部の根端部から第Ｋの板状橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、重錘体がこの渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置されているようにすれば、図２３に示す例のように、限られた空間内に効率的にＫ本の板状橋梁部と重錘体とを配置することができるようになる。図２３に示す例は、上述の一般論において、Ｋ＝４に設定した例ということになる。

この図２３に示す例のように、固定部を環状構造体１１０Ｋによって構成し、この環状構造体１１０Ｋによって囲まれた内部領域に第１の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部および重錘体が配置されている構成を採れば、すべての構造を環状構造体１１０Ｋ内に効率的に収容することができる。

このような構造体を利用し、第３の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部の表面にも、下層電極、圧電素子、上層電極群を設けるようにすれば、発電回路は、これら上層電極および下層電極に発生した電荷からも電力を取り出すことができ、発電効率を向上させることができる。

なお、図２３に示す変形例においても、各中間接続部１２５Ｋ，１３５Ｋ，１４５Ｋおよび重錘接続部１６０Ｋが、各板状橋梁部１２０Ｋ，１３０Ｋ，１４０Ｋおよび１５０Ｋの先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有する構造を採っているため、各上層電極の形成位置における伸縮応力を高める効果が得られる。

すなわち、一般論で述べれば、第ｉの板状橋梁部（但し、１≦ｉ≦Ｋ−１）の先端部と第（ｉ＋１）の板状橋梁部の根端部とが第ｉの中間接続部を介して接続されており、第Ｋの板状橋梁部の先端部と重錘体とが重錘接続部を介して接続されている構造を採用した場合、第ｉの中間接続部が、第ｉの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有し、重錘接続部が、第Ｋの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにすれば、各上層電極の形成位置における伸縮応力を高める効果が得られ、より効率的な発電を行うことが可能になる。

もちろん、この図２３に示す変形例においても、§５−５で述べた変形例と同様に、環状構造体１１０Ｋを重錘体として用い、重錘体１７０Ｋを固定部として用い、役割を逆転させることも可能である。

＜５−７ 補助重錘体の付加＞
最後に、重錘体の質量を調整するための工夫を施した変形例を述べておく。既に述べたとおり、外部から与えられる振動に基づいて効率的な発電を行う上では、重錘体の共振周波数を外部から与えられる振動周波数に一致させておくのが好ましい。たとえば、特定の車両に搭載して用いるための専用の発電素子の場合は、構造設計の段階から、当該車両から加えられる周波数に共振周波数が合致するような設計を行うのが好ましい。発電素子の共振周波数を変えるには、重錘体の質量を調整する方法を採るのが最も簡単である。ここでは、個々の発電素子の重錘体の質量を調整するために、補助重錘体を付加する実施例を述べておく。

図２４は、図１８に示す発電素子の基本構造体１００Ｉに補助重錘体１５０Ｌを付加することにより、重錘体全体の質量を調整した変形例を示す平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。図２４(a) の平面図に示すとおり、この変形例に係る基本構造体１００Ｌを上方から見たときの構造は、図１８(a) に示す基本構造体１００Ｉの構造と全く同じであり、ここでは、各部に図１８(a) に示す基本構造体１００Ｉの各部と同じ符号を付して示してある。

一方、図２４(b) の側断面図を見ればわかるとおり、この変形例に係る基本構造体１００Ｌでは、重錘体１５０Ｉの下面に補助重錘体１５０Ｌが固着されており、重錘体１５０Ｉと補助重錘体１５０Ｌとの集合体が、この基本構造体１００Ｌにおける重錘体として機能することになる。別言すれば、補助重錘体１５０Ｌを付加することにより、この基本構造体１００Ｌにおける重錘体の質量を増加させ、共振周波数を下げることが可能になる。補助重錘体１５０Ｌの質量は、材質（比重）や寸法（Ｚ軸方向の厚みやＸＹ平面への投影像の面積）を変えることにより調整することが可能であるので、補助重錘体１５０Ｌの材質や寸法を適宜決めてやれば、この基本構造体１００Ｌの共振周波数を任意の値に調整することが可能になる。

このように、補助重錘体を付加して共振周波数を調整する方法は、もちろん、これまで述べてきたいずれの実施例についても適用可能である。図２５は、図２２に示す発電素子の基本構造体に補助重錘体１１０Ｍ１〜１１０Ｍ４を付加することにより、重錘体全体の質量を調整した変形例を示す平面図（図(a) ）およびこれをＹＺ平面で切断した側断面図（図(b) ）である。図２５(a) の平面図に示すとおり、この変形例に係る基本構造体１００Ｍを上方から見たときの構造は、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｊの構造と全く同じであり、ここでは、各部に図２２(a) に示す基本構造体１００Ｊの各部と同じ符号を付して示してある。

この図２５に示す実施例の場合、中央の板状部材１５０Ｊが装置筐体に固定された固定部となり、周囲の環状構造体１１０Ｊ（４辺１１０Ｊ１〜１１０Ｊ４からなる矩形状の枠）が重錘体として機能する。ここでは、この環状構造体１１０Ｊの下面に補助重錘体を固着することにより質量を増加させている。すなわち、図２５(b) の側断面図を見ればわかるとおり、この変形例に係る基本構造体１００Ｍでは、環状構造体の各辺１１０Ｊ１〜１１０Ｊ４の下面に、それぞれ補助重錘体１１０Ｍ１〜１１０Ｍ４が固着されており、環状重錘体１１０Ｊと補助重錘体１１０Ｍ１〜１１０Ｍ４との集合体が、この基本構造体１００Ｍにおける重錘体として機能することになる。したがって、やはり重錘体の質量を増加させ、共振周波数を下げることが可能になる。

図示の例の場合、環状重錘体１１０Ｊの４辺１１０Ｊ１〜１１０Ｊ４のすべてに補助重錘体１１０Ｍ１〜１１０Ｍ４を設けているが、特定の辺の下面のみに補助重錘体を設けるようにしてもかまわない。ただ、重錘体全体の重心を原点Ｏの近傍に位置させ、バランスよい安定した振動を行わせる上では、図示の例のように、４辺１１０Ｊ１〜１１０Ｊ４のすべてに均等に補助重錘体を付加するのが好ましい。補助重錘体の質量の調整は、Ｚ軸方向の厚みを変えることにより行うことができる。

補助重錘体としては、様々な材料のものを用いることができるので、質量調整の必要性に応じて適切な材料を選択することが可能である。たとえば、微調整を行う必要がある場合は、アルミニウムやガラスなど、比重の小さな材料を利用すればよいし、大幅に質量を増加させる必要がある場合は、タングステンなど、比重の大きな材料を利用すればよい。

実用上は、図１８に示す基本構造体１００Ｉや図２２に示す基本構造体１００Ｊを用いて、最も一般的な利用環境に適した標準的な共振周波数を有する汎用製品を量産しておき、この汎用製品に、それぞれ適切な質量をもった補助重錘体を付加して、図２４に示す基本構造体１００Ｌや図２５に示す基本構造体１００Ｍを構成して、個々の利用環境に最適な共振周波数をもったオーダーメイド製品を提供するようにすればよい。そうすれば、汎用製品の量産化によりコストダウンを図りつつ、個々の利用環境に最適なオーダーメイド製品を提供することができる。

なお、図２４および図２５に示す例では、いずれも元の重錘体の下面に補助重錘体を設けた例を示したが、補助重錘体は元の重錘体の上面や側面に設けることも可能である。ただ、補助重錘体を元の重錘体の下面に設けるようにすれば、装置筐体の底板との間に形成された空間内に収容することができるので、省スペース化を図る上では、図示の例のように、元の重錘体の下面に設けるのが好ましい。

以上、重錘体に補助重錘体を付加し、共振周波数を利用環境の周波数に合わせることにより発電効率を向上させる方法を示したが、非共振で利用する場合であっても、補助重錘体を付加することにより重錘体全体の質量が増加することになるので、やはり発電効率を向上させる効果が得られる。

１０：固定部
２０：板状橋梁部
３０：重錘体
４０：装置筐体の底板
５０，５０Ｂ，５０Ｃ：圧電素子
５１Ｄ，５２Ｄ：圧電素子
６０：発電回路
１００，１００Ａ〜１００Ｍ：基本構造体
１１０，１１０ＡＢ〜１１０ＧＨ：固定部用板状部材
１１０Ｉ，１１０Ｋ：環状構造体
１１０Ｉ１〜１１０Ｉ４：環状構造体の各辺
１１０Ｊ：環状重錘体
１１０Ｊ１〜１１０Ｊ４：環状重錘体の各辺
１１０Ｋ：環状構造体
１１０Ｋ１〜１１０Ｋ４：環状構造体の各辺
１１０Ｍ１〜１１０Ｍ４：補助重錘体
１２０，１２０Ａ〜１２０Ｋ：第１の板状橋梁部
１２０Ｊ：第２の板状橋梁部
１２５，１２５Ｉ，１２５Ｊ，１２５Ｋ：中間接続部
１３０，１３０Ａ〜１３０Ｋ：第２の板状橋梁部
１３０Ｊ：第１の板状橋梁部
１３５Ｋ：中間接続部
１４０，１４０Ｉ：重錘接続部
１４０Ｊ：固定端接続部
１４０Ｋ：第３の板状橋梁部
１４５Ｋ：中間接続部
１５０，１５０Ａ〜１５０Ｉ：重錘体
１５０Ｊ：板状固定部
１５０Ｋ：第４の板状橋梁部
１５０Ｌ：補助重錘体
１６０Ｋ：重錘接続部
１７０Ｋ：重錘体
２００，２００Ｉ，２００Ｊ：装置筐体の底板
３００：圧電素子
４００：装置筐体のカバー
４１０：装置筐体の天板
４２０：装置筐体の側板
５００：発電回路
１０００：発電装置の基本構造体
２０００：発電装置の基本構造体
Ｃｆ：容量素子（コンデンサ）
Ｄ１１（＋）〜Ｄ１３（＋）：正電荷用整流素子（ダイオード）
Ｄ１１（−）〜Ｄ１３（−）：負電荷用整流素子（ダイオード）
Ｄ０（＋），Ｄｘ１（＋）〜Ｄｚ２４（＋）：正電荷用整流素子（ダイオード）
Ｄ０（−），Ｄｘ１（−）〜Ｄｚ２４（−）：負電荷用整流素子（ダイオード）
Ｅ０，Ｅ０Ｂ，Ｅ０Ｃ，Ｅ０Ｄ，Ｅ００：下層電極
Ｅ１１：重錘体側の右脇電極
Ｅ１２：重錘体側の中央電極
Ｅ１３：重錘体側の左脇電極
Ｅ２１，Ｅ２１Ｂ，Ｅ２１Ｃ，Ｅ２１Ｄ：固定部側の右脇電極
Ｅ２２，Ｅ２２Ｂ，Ｅ２２Ｃ，Ｅ２２Ｄ：固定部側の中央電極
Ｅ２３，Ｅ２３Ｂ，Ｅ２３Ｃ，Ｅ２３Ｄ：固定部側の左脇電極
Ｅ３１：右脇電極
Ｅ３２：中央電極
Ｅ３３：左脇電極
Ｅｘ１：第２の先端部側右脇電極
Ｅｘ２：第２の先端部側左脇電極
Ｅｘ３：第２の根端部側右脇電極
Ｅｘ４：第２の根端部側左脇電極
Ｅｙ１：第１の先端部側右脇電極
Ｅｙ２：第１の先端部側左脇電極
Ｅｙ３：第１の根端部側右脇電極
Ｅｙ４：第１の根端部側左脇電極
Ｅｚ１：第２の先端部側中央電極
Ｅｚ２：第２の根端部側中央電極
Ｅｚ３：第１の先端部側中央電極
Ｅｚ４：第１の根端部側中央電極
Ｌ０：固定部用長手方向軸
Ｌｘ：第２の長手方向軸（中心線）
Ｌｙ：第１の長手方向軸（中心線）
Ｏ：三次元座標系の原点
Ｐ１１〜Ｐ２３：圧電素子５０の各部分
Ｐｘ１〜Ｐｚ４：圧電素子３００の各部分
Ｒｄ１，Ｒｄ２：抵抗素子
Ｖ：空隙部
Ｘ：三次元座標系の座標軸
Δｘ（＋）：Ｘ軸正方向の変位
Ｙ：三次元座標系の座標軸
Δｙ（＋）：Ｙ軸正方向の変位
Ｚ：三次元座標系の座標軸
Δｚ（＋）：Ｚ軸正方向の変位
ＺＬ：負荷
α１〜α３：庇構造部

Claims (28)

1. 振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であって、
   所定の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
   前記板状橋梁部の一端に接続された重錘体と、
   前記板状橋梁部および前記重錘体を収容する装置筐体と、
   前記板状橋梁部の他端を前記装置筐体に固定する固定部と、
   前記板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
   前記下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と
   前記圧電素子の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、
   前記上層電極および前記下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
   を備え、
   前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、前記板状橋梁部の撓みにより前記重錘体が前記装置筐体内で振動するように構成され、
   前記圧電素子は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
   前記上層電極群は、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、前記長手方向軸に沿って伸びるように配置され、前記圧電素子を挟んで前記下層電極の所定領域に対向しており、
   前記中央電極は、前記板状橋梁部の上面側の、前記長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、前記右脇電極は、前記中央電極の一方の脇に配置されており、前記左脇電極は、前記中央電極の他方の脇に配置されていることを特徴とする発電素子。
2. 請求項１に記載の発電素子において、
   下層電極が板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
   中央電極、右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されていることを特徴とする発電素子。
3. 請求項１に記載の発電素子において、
   下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
   中央電極が、板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
   右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の側面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されていることを特徴とする発電素子。
4. 請求項１に記載の発電素子において、
   下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
   中央電極が、板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
   右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面から側面にかけて前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されていることを特徴とする発電素子。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の発電素子において、
   上層電極群が、板状橋梁部の重錘体との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群と、板状橋梁部の固定部との接続部分近傍に配置された固定部側電極群とを有し、
   前記重錘体側電極群および前記固定部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極を有することを特徴とする発電素子。
6. ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であって、
   Ｙ軸に平行な第１の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第１の板状橋梁部と、
   前記第１の板状橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、Ｘ軸に平行な第２の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第２の板状橋梁部と、
   前記第２の板状橋梁部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
   前記第１の板状橋梁部、前記第２の板状橋梁部および前記重錘体を収容する装置筐体と、
   前記第１の板状橋梁部の一端を前記装置筐体に固定する固定部と、
   前記第１の板状橋梁部および前記第２の板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
   前記下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と
   前記圧電素子の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、
   前記上層電極および前記下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
   を備え、
   前記固定部は、前記第１の板状橋梁部の根端部を前記装置筐体に固定し、前記第１の板状橋梁部の先端部は前記第２の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、前記第２の板状橋梁部の先端部に前記重錘体が直接もしくは間接的に接続されており、
   前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、前記第１の板状橋梁部および前記第２の板状橋梁部の撓みにより前記重錘体が前記装置筐体内で各座標軸方向に振動するように構成され、
   前記圧電素子は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
   前記上層電極群は、前記第１の板状橋梁部の表面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成された第１の上層電極群と、前記第２の板状橋梁部の表面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成された第２の上層電極群と、を有しており、
   前記第１の上層電極群は、第１の中央電極、第１の右脇電極、第１の左脇電極なる３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、前記第１の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、前記圧電素子を挟んで前記下層電極の所定領域に対向しており、
   前記第１の中央電極は、前記第１の板状橋梁部の上面側の、前記第１の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、前記第１の右脇電極は、前記第１の中央電極の一方の脇に配置されており、前記第１の左脇電極は、前記第１の中央電極の他方の脇に配置されており、
   前記第２の上層電極群は、第２の中央電極、第２の右脇電極、第２の左脇電極なる３種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、前記第２の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、前記圧電素子を挟んで前記下層電極の所定領域に対向しており、
   前記第２の中央電極は、前記第２の板状橋梁部の上面側の、前記第２の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、前記第２の右脇電極は、前記第２の中央電極の一方の脇に配置されており、前記第２の左脇電極は、前記第２の中央電極の他方の脇に配置されていることを特徴とする発電素子。
7. 請求項６に記載の発電素子において、
   第１の板状橋梁部と第２の板状橋梁部とがＬ字状に配置されるように、第１の板状橋梁部の先端部と第２の板状橋梁部の根端部とが中間接続部を介して接続されており、
   第２の板状橋梁部の脇に重錘体が配置されるように、第２の板状橋梁部の先端部と重錘体の隅部とが重錘接続部を介して接続されており、
   固定部の下面は装置筐体の底板の上面に固定されており、前記第１の板状橋梁部、前記第２の板状橋梁部および前記重錘体は、外力が作用しない状態において、前記装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になっていることを特徴とする発電素子。
8. 請求項７に記載の発電素子において、
   中間接続部が、第１の板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部と第２の板状橋梁部の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部とを有し、
   重錘接続部が、第２の板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有することを特徴とする発電素子。
9. 請求項７または８に記載の発電素子において、
   固定部が、Ｘ軸に平行な固定部用長手方向軸に沿って伸びる固定部用板状部材によって構成され、この固定部用板状部材の一端に第１の板状橋梁部の根端部が固定されており、
   固定部用板状部材、第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部によって構成される構造体が、ＸＹ平面上への投影像が「コ」の字状になるようなコの字状構造体をなし、このコの字状構造体によって囲まれた内部領域に板状の重錘体が配置されていることを特徴とする発電素子。
10. 請求項７または８に記載の発電素子において、
    固定部が、環状構造体によって構成されており、この環状構造体によって囲まれた内部領域に第１の板状橋梁部、第２の板状橋梁部および重錘体が配置されていることを特徴とする発電素子。
11. 請求項１０に記載の発電素子における固定部と重錘体との役割を逆転させ、前記発電素子において固定部として機能していた環状構造体を重錘体として機能させ、前記発電素子において重錘体として機能していた板状体を固定部として機能させるために、前記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、前記環状構造体が、外力が作用しない状態において、前記装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにしたことを特徴とする発電素子。
12. 請求項６に記載の発電素子において、
    第２の板状橋梁部と重錘体との間に、第３の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部（但し、Ｋ≧３）を設け、
    第ｉの板状橋梁部（但し、１≦ｉ≦Ｋ−１）の先端部が第（ｉ＋１）の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第Ｋの板状橋梁部の先端部が重錘体に直接もしくは間接的に接続されており、
    第ｊの板状橋梁部（但し、１≦ｊ≦Ｋ）は、ｊが奇数の場合はＹ軸に平行な第ｊの長手方向軸に沿って伸び、ｊが偶数の場合はＸ軸に平行な第ｊの長手方向軸に沿って伸びていることを特徴とする発電素子。
13. 請求項１２に記載の発電素子において、
    第ｉの板状橋梁部（但し、１≦ｉ≦Ｋ−１）の先端部と第（ｉ＋１）の板状橋梁部の根端部とが第ｉの中間接続部を介して接続されており、第Ｋの板状橋梁部の先端部と重錘体とが重錘接続部を介して接続されており、
    前記第ｉの中間接続部が、前記第ｉの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有し、前記重錘接続部が、前記第Ｋの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有することを特徴とする発電素子。
14. 請求項１２または１３に記載の発電素子において、
    第１の板状橋梁部の根端部から第Ｋの板状橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、重錘体が前記渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置されていることを特徴とする発電素子。
15. 請求項１２〜１４のいずれかに記載の発電素子において、
    第３の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部の表面にも、下層電極、圧電素子、上層電極群を設け、発電回路が、これら上層電極および下層電極に発生した電荷からも電力を取り出すことを特徴とする発電素子。
16. 請求項１２〜１５のいずれかに記載の発電素子において、
    固定部が、環状構造体によって構成されており、この環状構造体によって囲まれた内部領域に第１の板状橋梁部〜第Ｋの板状橋梁部および重錘体が配置されていることを特徴とする発電素子。
17. 請求項１６に記載の発電素子における固定部と重錘体との役割を逆転させ、前記発電素子において固定部として機能していた環状構造体を重錘体として機能させ、前記発電素子において重錘体として機能していた板状体を固定部として機能させるために、前記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、前記環状構造体が、外力が作用しない状態において、前記装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにしたことを特徴とする発電素子。
18. 請求項６〜１７のいずれかに記載の発電素子において、
    下層電極が第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
    第１の中央電極、第１の右脇電極および第１の左脇電極が、第１の板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
    第２の中央電極、第２の右脇電極および第２の左脇電極が、第２の板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されていることを特徴とする発電素子。
19. 請求項６〜１７のいずれかに記載の発電素子において、
    下層電極が第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
    第１の中央電極が、第１の板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
    第１の右脇電極および第１の左脇電極が、第１の板状橋梁部の側面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
    第２の中央電極が、第２の板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
    第２の右脇電極および第２の左脇電極が、第２の板状橋梁部の側面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されていることを特徴とする発電素子。
20. 請求項６〜１７のいずれかに記載の発電素子において、
    下層電極が第１の板状橋梁部および第２の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
    第１の中央電極が、第１の板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
    第１の右脇電極および第１の左脇電極が、第１の板状橋梁部の上面から側面にかけて前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
    第２の中央電極が、第２の板状橋梁部の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されており、
    第２の右脇電極および第２の左脇電極が、第２の板状橋梁部の上面から側面にかけて前記下層電極および前記圧電素子を介して形成されていることを特徴とする発電素子。
21. 請求項６〜２０のいずれかに記載の発電素子において、
    第１の上層電極群が、第１の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第１の根端部側電極群と、第１の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第１の先端部側電極群とを有し、
    第２の上層電極群が、第２の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第２の根端部側電極群と、第２の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第２の先端部側電極群とを有し、
    前記第１の根端部側電極群、前記第１の先端部側電極群、前記第２の根端部側電極群、前記第２の先端部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極、左脇電極なる３種類の上層電極を有することを特徴とする発電素子。
22. 請求項１〜２１のいずれかに記載の発電素子において、
    発電回路が、容量素子と、各上層電極に発生した正電荷を前記容量素子の正極側へ導くために各上層電極から前記容量素子の正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子と、各上層電極に発生した負電荷を前記容量素子の負極側へ導くために前記容量素子の負極側から各上層電極へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを前記容量素子により平滑化して供給することを特徴とする発電素子。
23. 請求項６〜２１のいずれかに記載の発電素子を複数組備え、個々の発電素子によって取り出された電力を外部に供給する発電装置。
24. 請求項２３に記載の発電装置において、
    一部の発電素子におけるＸ軸方向もしくはＹ軸方向またはその双方が、別な一部の発電素子におけるこれらの方向と異なる向きに配置されていることを特徴とする発電装置。
25. 請求項２４に記載の発電装置において、
    ４組の発電素子を有し、第１の発電素子のＸ軸方向およびＹ軸方向を基準としたときに、第２の発電素子はＹ軸方向が逆転する向きに配置され、第３の発電素子はＸ軸方向が逆転する向きに配置され、第４の発電素子はＸ軸方向およびＹ軸方向の双方が逆転する向きに配置されていることを特徴とする発電装置。
26. 請求項２３〜２５のいずれかに記載の発電装置において、
    複数の発電素子の重錘体が、それぞれ異なる共振周波数を有することを特徴とする発電装置。
27. 請求項２６に記載の発電装置において、
    重錘体のＸＹ平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Ｚ軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の質量が異なるようにしたことを特徴とする発電装置。
28. 請求項２６または２７に記載の発電装置において、
    複数の発電素子の第１の板状橋梁部もしくは第２の板状橋梁部またはその双方について、ＸＹ平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Ｚ軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の共振周波数が異なるようにしたことを特徴とする発電装置。

Images