JP6010700B2 - 発電素子 - Google Patents
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Description
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され、
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、
上層電極群は、右脇電極および左脇電極なる2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、
板状橋梁部に、長手方向軸に沿った中心線を定義したときに、右脇電極は、中心線の一方の脇に配置されており、左脇電極は、中心線の他方の脇に配置されているようにしたものである。
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、
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。
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、
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。
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、
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。
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、右脇電極および左脇電極なる2種類の上層電極を有するようにしたものである。
上層電極群が、右脇電極および左脇電極に更に中央電極を加えた合計3種類の上層電極を有し、
これら上層電極のそれぞれは、板状橋梁部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、
中央電極は、板状橋梁部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。
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。
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。
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。
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、右脇電極および左脇電極なる3種類の上層電極を有するようにしたものである。
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重錘体が直接もしくは間接的に接続されており、
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され、
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、
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の右脇電極および第1の左脇電極なる2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の板状橋梁部に、第1の長手方向軸に沿った第1の中心線を定義したときに、第1の右脇電極は、第1の中心線の一方の脇に配置されており、第1の左脇電極は、第1の中心線の他方の脇に配置されており、
第2の上層電極群は、第2の右脇電極および第2の左脇電極なる2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の板状橋梁部に、第2の長手方向軸に沿った第2の中心線を定義したときに、第2の右脇電極は、第2の中心線の一方の脇に配置されており、第2の左脇電極は、第2の中心線の他方の脇に配置されているようにしたものである。
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。
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。
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「U」の字状になるようなUの字状構造体をなし、このU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。
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ようにしたものである。
固定部と重錘体との役割を逆転させ、上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、上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、上記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、上記環状構造体が、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。
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。
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。
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したものである。
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。
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。
固定部と重錘体との役割を逆転させ、上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、上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、上記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、上記環状構造体が、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。
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。
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。
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。
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の根端部側電極群および第2の先端部側電極群のそれぞれが、右脇電極および左脇電極なる2種類の上層電極を有するようにしたものである。
第1の上層電極群が、第1の右脇電極および第1の左脇電極に更に第1の中央電極を加えた合計3種類の上層電極を有し、
第1の上層電極群を構成する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の上層電極群が、第2の右脇電極および第2の左脇電極に更に第2の中央電極を加えた合計3種類の上層電極を有し、
第2の上層電極群を構成する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。
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。
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いるようにしたものである。
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いるようにしたものである。
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の根端部側電極群および第2の先端部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極および左脇電極なる3種類の上層電極を有するようにしたものである。
可撓性を有する第1の板状橋梁部および可撓性を有する第2の板状橋梁部と、
第1の板状橋梁部の先端部および第2の板状橋梁部の先端部の双方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の板状橋梁部の根端部および第2の板状橋梁部の根端部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、
第1の板状橋梁部の根端部と第2の板状橋梁部の根端部とは、固定部の同一の起点部分に接続されており、
第1の板状橋梁部の先端部近傍部分はX軸に平行な方向に伸びており、第1の板状橋梁部の根端部近傍部分はY軸に平行な方向に伸びており、第1の板状橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、
第2の板状橋梁部の先端部近傍部分はY軸に平行な方向に伸びており、第2の板状橋梁部の根端部近傍部分はX軸に平行な方向に伸びており、第2の板状橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、
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され、
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、
上層電極群は、第1の板状橋梁部の先端部近傍部分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の先端部側上層電極群と、第1の板状橋梁部の根端部近傍部分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の根端部側上層電極群と、第2の板状橋梁部の先端部近傍部分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の先端部側上層電極群と、第2の板状橋梁部の根端部近傍部分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の根端部側上層電極群と、を有しており、
第1の先端部側上層電極群は、第1の先端部側右脇電極および第1の先端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、X軸方向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の板状橋梁部の先端部近傍部分にX軸に平行な第1の先端部側中心線を定義したときに、第1の先端部側右脇電極は第1の先端部側中心線の一方の脇に配置されており、第1の先端部側左脇電極は第1の先端部側中心線の他方の脇に配置されており、
第1の根端部側上層電極群は、第1の根端部側右脇電極および第1の根端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、Y軸方向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の板状橋梁部の根端部近傍部分にY軸に平行な第1の根端部側中心線を定義したときに、第1の根端部側右脇電極は第1の根端部側中心線の一方の脇に配置されており、第1の根端部側左脇電極は第1の根端部側中心線の他方の脇に配置されており、
第2の先端部側上層電極群は、第2の先端部側右脇電極および第2の先端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、Y軸方向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の板状橋梁部の先端部近傍部分にY軸に平行な第2の先端部側中心線を定義したときに、第2の先端部側右脇電極は第2の先端部側中心線の一方の脇に配置されており、第2の先端部側左脇電極は第2の先端部側中心線の他方の脇に配置されており、
第2の根端部側上層電極群は、第2の根端部側右脇電極および第2の根端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、X軸方向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の板状橋梁部の根端部近傍部分にX軸に平行な第2の根端部側中心線を定義したときに、第2の根端部側右脇電極は第2の根端部側中心線の一方の脇に配置されており、第2の根端部側左脇電極は第2の根端部側中心線の他方の脇に配置されているようにしたものである。
第1の板状橋梁部の先端部および第2の板状橋梁部の先端部の双方に接続された中間接続部を有し、重錘体が中間接続部に接続されており、
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、中間接続部および重錘体は、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。
中間接続部が、第1の板状橋梁部の先端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部と第2の板状橋梁部の先端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部とを有し、
固定部が、第1の板状橋梁部の根端部の側面よりも左右両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左右両側に突き出した庇構造部とを有するようにしたものである。
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おり、かつ、第1の板状橋梁部と第2の板状橋梁部とによって周囲を囲まれた領域内に重錘体が配置されているようにしたものである。
固定部と重錘体との役割を逆転させ、上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、上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、上記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、上記環状構造体が、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。
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の先端部側右脇電極、第1の先端部側左脇電極、第1の根端部側右脇電極、第1の根端部側左脇電極が、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の先端部側右脇電極、第2の先端部側左脇電極、第2の根端部側右脇電極、第2の根端部側左脇電極が、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。
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の先端部側右脇電極、第1の先端部側左脇電極、第1の根端部側右脇電極、第1の根端部側左脇電極が、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の先端部側右脇電極、第2の先端部側左脇電極、第2の根端部側右脇電極、第2の根端部側左脇電極が、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。
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の先端部側右脇電極、第1の先端部側左脇電極、第1の根端部側右脇電極、第1の根端部側左脇電極が、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の先端部側右脇電極、第2の先端部側左脇電極、第2の根端部側右脇電極、第2の根端部側左脇電極が、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。
固定部に、重錘体に向けた方向に突出するストッパ突起を設け、
重錘体に、ストッパ突起の先端部を収容するストッパ溝を設け、
ストッパ突起の先端部の外面とストッパ溝の内面と間に所定の空隙部を維持しつつ、ストッパ突起の先端部とストッパ溝とを嵌合状態にしたものである。
XYZ三次元座標系として、X軸,Y軸,Z軸が相互に直交する三次元直交座標系を用いるようにしたものである。
XYZ三次元座標系として、少なくともX軸とY軸とが直交しない三次元非直交座標系を用いるようにしたものである。
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。
所定の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する橋梁部と、
橋梁部の一端に接続された重錘体と、
橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
橋梁部の他端を装置筐体に固定する固定部と、
橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、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され、
圧電素子は、橋梁部の表面の、上記振動に基づいて伸縮変形が生じる位置であって上記長手方向軸に沿った中心線から外れる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生するようにしたものである。
第1の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第1の橋梁部と、
第1の橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、第2の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第2の橋梁部と、
第2の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の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
第1の橋梁部の一端を装置筐体に固定する固定部と、
第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
固定部は、第1の橋梁部の根端部を装置筐体に固定し、第1の橋梁部の先端部は第2の橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第2の橋梁部の先端部に重錘体が直接もしくは間接的に接続されており、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の橋梁部および第2の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され、
圧電素子は、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の、上記振動に基づいて伸縮変形が生じる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生するようにしたものである。
可撓性を有する第1の橋梁部および可撓性を有する第2の橋梁部と、
第1の橋梁部の先端部および第2の橋梁部の先端部の双方に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
第1の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
第1の橋梁部の根端部および第2の橋梁部の根端部を装置筐体に固定する固定部と、
第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
第1の橋梁部の根端部と第2の橋梁部の根端部とは、固定部の同一の起点部分に接続されており、第1の橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、第2の橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の橋梁部および第2の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され、
圧電素子は、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の、上記振動に基づいて伸縮変形が生じる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生するようにしたものである。
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。
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ようにしたものである。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
図3に示す実施例も図6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。
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。
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。
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。
§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。
§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。
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(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(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。
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。
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。
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。
最後に、これまで述べてきた種々の実施形態や変形例に関する更なる変形例をいくつか述べておく。
これまで述べてきた実施形態では、各板状橋梁部の先端部近傍および根端部近傍に、中央電極、右脇電極、左脇電極という3種類の上層電極を配置していた。いずれの上層電極も、板状橋梁部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いる。ここで、中央電極は、板状橋梁部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。
前述したとおり、本発明に係る発電素子の基本構造体(固定部,板状橋梁部,重錘体)は、シリコン基板によって構成することができる。ただ、板状橋梁部は、可撓性を有する厚みに設計する必要があり、十分な剛性をもたせることはできない。このため、大きな振動が加わることにより重錘体が過度に変位すると、板状橋梁部の両端部などに破損が生じやすい。したがって、実用上は、重錘体の過度の変位を制限するための制御構造を設けておくのが好ましい。
図31は、図18に示す第2の実施形態の更に別な変形例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)。図示のとおり、この変形例に係る基本構造体100Pは、図18に示す例と同様に、環状構造体110Pを固定部として用いている。この環状構造体110Pは、左辺110P1,下辺110P2,右辺110P3,上辺110P4という4辺をもった矩形枠状の構造体であるが、図18に示す例との大きな相違は、その左下に、起点部分110P5が設けられており、この起点部分110P5から伸びる2本のアームによって重錘体150Pが支持される構造が採用されている点である。以下、このように2本のアームによって重錘体を支持する構造を両腕支持式と呼ぶことにする。
最後に、これまで種々の実施形態やその変形例として述べてきた本発明の基本概念を、基本構造部の形態が異なる発電素子ごとにまとめておく。
この発明は、所定の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する橋梁部と、この橋梁部の一端に接続された重錘体と、橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、橋梁部の他端を装置筐体に固定する固定部と、橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、この圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、を備え、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の発明である。
この発明は、第1の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第1の橋梁部と、この第1の橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、第2の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第2の橋梁部と、この第2の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の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、第1の橋梁部の一端を装置筐体に固定する固定部と、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、この圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、を備え、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の発明である。
この発明は、可撓性を有する第1の橋梁部および可撓性を有する第2の橋梁部と、第1の橋梁部の先端部および第2の橋梁部の先端部の双方に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、第1の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、第1の橋梁部の根端部および第2の橋梁部の根端部を装置筐体に固定する固定部と、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、この圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、を備え、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の発明である。
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
70:固定部
80:板状橋梁部
100,100A〜100R:基本構造体
110,110AB〜110GH:固定部用板状部材
110I〜110R: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
110N1〜110N4:環状構造体の各辺
110P1〜110P4:環状構造体の各辺
110P5:起点部分
110Q1〜110Q4:環状構造体の各辺
110R1〜110R4:環状構造体の各辺
110N5,110N6:ストッパ突起
110Q5:起点部分
110Q6,110Q7:ストッパ突起
120,120A〜120Q:第1の板状橋梁部
120J:第2の板状橋梁部
121P:先端部近傍部分
121R:第1板状先端側橋梁部
122P:中間部分
122R:第1板状根端側橋梁部
123P:根端部近傍部分
125,125I,125J,125K:中間接続部
130,130A〜130Q:第2の板状橋梁部
130J:第1の板状橋梁部
135K:中間接続部
130P:第2の板状橋梁部130P
131P:先端部近傍部分
131R:第2板状先端側橋梁部
132P:中間部分
132R:第2板状根端側橋梁部
133P:根端部近傍部分
140,140I:重錘接続部
140J:固定端接続部
140K:第3の板状橋梁部
140N:重錘接続部
140P〜140R:中間接続部
145K:中間接続部
150,150A〜150R:重錘体
150J:板状固定部
150K:第4の板状橋梁部
150L:補助重錘体
150NS:ストッパ溝
150QS:ストッパ溝
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
E1:右脇電極
E2:中央電極
E3:左脇電極
E10:右脇電極
E20:左脇電極
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
Ex11:第1の先端部側右脇電極
Ex12:第1の先端部側左脇電極
Ex13:第2の根端部側右脇電極
Ex14: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
Ey11:第1の根端部側右脇電極
Ey12:第1の根端部側左脇電極
Ey13:第2の先端部側右脇電極
Ey14:第2の先端部側左脇電極
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
L:長手方向軸
L0:固定部用長手方向軸
L1:第1の先端部側中心線
L2:第1の根端部側中心線
L3:第2の先端部側中心線
L4:第2の根端部側中心線
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
W:対称軸W(Y軸を45°傾斜させた軸)
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
α11〜α24:庇構造部
Claims (11)
- 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、
所定の基準平面上で交差する第1の軸および第2の軸を定義したときに、
前記第1の軸に沿って根端部から先端部へと伸びる第1の部材と、
前記第1の部材の前記先端部に接続され、前記第2の軸に沿って伸びる第2の部材と、
前記第2の部材に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
前記第1の部材、前記第2の部材および前記重錘体を収容する装置筐体と、
前記第1の部材の前記根端部を前記装置筐体に固定する固定部と、
少なくとも前記第1の部材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、
少なくとも前記第1の部材は可撓性を有しており、前記重錘体は、前記第1の部材および前記第2の部材を介して前記固定部に繋がっており、
前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、少なくとも前記第1の部材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、前記第1の部材の先端部近傍に配置された先端部側右脇電極および先端部側左脇電極と、前記第1の部材の根端部近傍に配置された根端部側右脇電極および根端部側左脇電極と、を有し、これら上層電極のそれぞれは、前記第1の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の部材に、前記第1の軸に沿った中心線と、この中心線に関して右脇と左脇とを定義したときに、前記先端部側右脇電極は、前記中心線の右脇に配置されており、前記先端部側左脇電極は、前記中心線の左脇に配置されており、前記根端部側右脇電極は、前記中心線の右脇に配置されており、前記根端部側左脇電極は、前記中心線の左脇に配置されており、
前記第1の部材の前記根端部に位置し前記第1の軸に直交する第1の平面と、前記第1の部材の前記先端部に位置し前記第1の軸に直交する第2の平面と、を定義したときに、前記重錘体の重心点が前記第1の平面と前記第2の平面との間に挟まれた位置に配置されていることを特徴とする発電素子。 - 請求項1に記載の発電素子において、
第1の軸および第2の軸が基準平面上で直交する軸であり、
第1の部材の先端部と第2の部材の側部とが接続され、この接続部分近傍において、第1の部材と第2の部材とがT字状をなすことを特徴とする発電素子。 - 請求項1または2に記載の発電素子において、
固定部が、基準平面に沿って配置された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の部材、第2の部材および重錘体が配置されており、
前記環状構造体の内側面と前記第1の部材の対向面との距離および前記環状構造体の内側面と前記第2の部材の対向面との距離が、前記重錘体に対して、前記第1の部材もしくは前記第2の部材が破損するような過度の加速度が加わった場合でも、各部の過度の変位を制限して前記破損を避けることができる距離に設定されており、前記環状構造体が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を特徴とする発電素子。 - 請求項3に記載の発電素子において、
環状構造体の内側面と重錘体との距離が、前記重錘体に対して、前記第1の部材もしくは前記第2の部材が破損するような過度の加速度が加わった場合でも、各部の過度の変位を制限して前記破損を避けることができる距離に設定されていることを特徴とする発電素子。 - 請求項1〜4のいずれか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固定用部材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錘用部材を固定部として機能させるために、前記錘用部材の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、前記固定用部材が、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。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の発電素子において、
下層電極が第1の部材の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
上層電極群が、第1の部材の上面に前記下層電極および前記圧電素子を介して局在的に形成された上層電極を有することを特徴とする発電素子。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の発電素子において、
下層電極が第1の部材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、
上層電極群が、第1の部材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た上層電極を有することを特徴とする発電素子。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の発電素子において、
下層電極が第1の部材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、
上層電極群が、第1の部材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た上層電極を有することを特徴とする発電素子。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の発電素子において、
下層電極が、すべての上層電極に対向する1枚の共通電極によって構成されていることを特徴とする発電素子。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の発電素子において、
第1の部材および第2の部材が、同一の板状部材を加工することによって得られる一体構造体によって構成されていることを特徴とする発電素子。 - 請求項1〜10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。
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