JP6274546B1 - 発電素子 - Google Patents

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Abstract

可撓性をもつ第１属性の板状構造体（１１１）の根端部は台座（３１０）に固定され、先端部は異属間接続体（１１２）に接続される。可撓性をもつ第２属性の板状構造体（１１３，１１４）の根端部は、異属間接続体（１１２）に接続され、先端部は自由端になる。異属間接続体（１１２）の下面および第２属性の板状構造体（１１３，１１４）の先端部の下面には、重錘体（２１１，２１２，２１３）が接続される。台座（３１０）に振動エネルギーを加えると、重錘体（２１１，２１２，２１３）が振動し、各板状構造体（１１１，１１３，１１４）が変形する。この変形エネルギーを圧電素子などの電荷発生素子（４００）で取り出して発電する。第１属性の板状構造体（１１１）はＹ軸正方向に伸び、第２属性の板状構造体（１１３，１１４）はＹ軸負方向に伸びているため、同一軸に沿って共振周波数の異なる複数の共振系が混在し、発電可能な周波数帯域が広がる。【選択図】図３

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。
一方、特許文献３には、一端を固定した片持ち梁によって重錘体を支持するハンマーヘッド型の構造体を用い、ヘッド部分を構成する重錘体を振動させ、柄の部分に配置された発電用圧電素子によって発電を行うタイプの発電素子が開示されている。また、特許文献４には、このハンマーヘッド型の構造体を用いる発電素子とともに、Ｌ字型に屈曲した板状橋梁部によって重錘体を支持する構造体を用いた圧電素子が開示されている。
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 米国特許公開第２０１３／０１５４４３９号公報 ＷＯ２０１５／０３３６２１号公報
上述した例のように、外部から与えられる振動エネルギーによって重錘体を振動させ、この重錘体の振動によって生じる機械的変形を電気エネルギーに変換する発電素子の場合、発電効率を高めるためには、重錘体をできるだけ効率よく振動させることが重要である。しかしながら、一般に、機械的な共振系には、その構造に応じて固有の共振周波数が定められており、外部から与えられる振動エネルギーの周波数が当該共振周波数に近いと、重錘体を効率よく振動させることができるが、当該共振周波数から離れていると、重錘体を十分に振動させることができない。
上述した各特許文献に記載されているようなＭＥＭＳ構造の発電素子の場合、機械的構造部分の材料として、シリコンや金属が用いられることが多い。このような材料を用いた共振系の周波数特性は、一般に、共振周波数におけるピーク値（Ｑ値）は高いが、半値幅は狭くなる傾向にある。これは、発電素子を実環境で利用した場合、外部環境から与えられる振動の周波数が、当該発電素子に固有の共振周波数に近い場合には効率的な発電を行うことができるが、共振周波数から外れている場合には十分な発電効率が得られないことを意味する。
通常、発電素子を設計する際には、実利用環境において外部から与えられるであろう振動の周波数を想定し、この想定周波数に共振周波数が一致するような工夫がなされる。しかしながら、実際の利用環境では、様々な周波数をもった振動が混在し、単一の周波数をもった振動が加わるわけではない。このため、特定の振動周波数を想定して発電素子を設計しても、実利用環境下では、想定外の周波数を含んだ振動が加えられるケースも少なくない。また、シリコンや金属からなる構造部分の共振周波数は、外部応力や温度によっても変動するため、設計時の想定どおりの周波数をもった振動が与えられたとしても、必ずしも効率的な発電が行われるとは限らない。
そこで本発明は、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行う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、
可撓性を有する第１属性の板状構造体と、可撓性を有する第２属性の板状構造体と、第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを相互に接続する異属間接続体と、第１属性の板状構造体を支持する台座と、を有する基本構造部と、
基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
を設け、
ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、
第１属性の板状構造体は、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２属性の板状構造体は、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
基本構造部に、更に、可撓性を有する第３属性の板状構造体と、この第３属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを相互に接続する第２の異属間接続体と、を設け、
第２属性の板状構造体の先端部は、第２の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、
第３属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、根端部が第２の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
基本構造部に、更に、可撓性を有する第３属性の板状構造体〜第ｎ属性の板状構造体（但し、ｎは、ｎ≧４を満たす任意の自然数）と、第ｉ属性の板状構造体と第（ｉ−１）属性の板状構造体（但し、ｉは、３≦ｉ≦ｎを満たす各自然数）とを接続する第（ｉ−１）の異属間接続体と、を設け、
第ｉ属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、根端部が第（ｉ−１）の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が第ｉの異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されるか、もしくは、自由端となっており、根端部から先端部へ向かう方向が、ｉが奇数の場合はＹ軸正方向、ｉが偶数の場合は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〜第３の態様に係る発電素子において、
同一属性をもち、互いに平行になるように並列配置された複数の板状構造体を設け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、
同一属性をもち、同属間接続体を介して直列配置された複数の板状構造体を設けるようにしたものである。
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る発電素子において、
異属間接続体もしくは同属間接続体またはその双方が、ＹＺ平面に直交する方向に伸びた直交部を有し、Ｙ軸に平行な方向に伸びた板状構造体の根端部もしくは先端部が直交部の側面の所定箇所に接続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１〜第６の態様に係る発電素子において、
最先端の板状構造体の先端部に最先端部接続体が接続され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、
同一属性をもち、互いに平行になるように並列配置された複数の板状構造体の先端部を相互に接続する最先端部接続体が設けられてい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１〜第８の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、ＸＹ平面に平行な板面をもった主基板を有し、板状構造体および異属間接続体、ならびに、同属間接続体を有する場合には同属間接続体、最先端部接続体を有する場合には最先端部接続体が、主基板の一部分によって構成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１〜第９の態様に係る発電素子において、 基本構造部が、板状構造体の所定箇所、異属間接続体の所定箇所、同属間接続体の所定箇所、最先端部接続体の所定箇所のうちの少なくとも１カ所に接続された重錘体を有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いて、
ＹＺ平面に直交する方向に伸びた直交部と、この直交部からＹ軸に平行な方向に伸びた正側翼状部および負側翼状部と、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなすＵ字状板状部材によって、異属間接続体、同属間接続体および最先端部接続体の少なくとも一部を構成し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
直交部は、正側空間と負側空間を跨る位置に配置され、正側翼状部は正側空間に配置され、負側翼状部は負側空間に配置されており、直交部の下方、正側翼状部の下方、負側翼状部の下方のすべてに跨るような重錘体が配置されてい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１〜第１１の態様に係る発電素子において、
第１属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第１の共振系と、第２属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第２の共振系と、について、第１の共振系のバネ定数と第２の共振系のバネ定数とが異なるように設定したものである。
(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、
台座を固定した状態において、異属間接続体に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに異属間接続体の上記作用方向に生じる変位をｄ１とし、ｋ１＝Ｆ／ｄ１なる式で与えられる値ｋ１を第１の共振系のバネ定数として定義し、
異属間接続体を固定した状態において、第２属性の板状構造体の振動端に対して上記作用方向に力Ｆを加えたときに振動端の上記作用方向に生じる変位をｄ２とし、ｋ２＝Ｆ／ｄ２なる式で与えられる値ｋ２を第２の共振系のバネ定数として定義したものである。
(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、
基本構造部に含まれる複数の板状構造体のうち、少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータを異ならせることにより、第１の共振系のバネ定数と第２の共振系のバネ定数とが異なるように設定したものである。
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ中央板状構造体と、第２属性をもつ正側板状構造体および負側板状構造体と、中央板状構造体と正側板状構造体および負側板状構造体とを接続する異属間接続体と、中央板状構造体を支持する台座と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
中央板状構造体は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、 正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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１５の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、更に、異属間接続体に接続された第１の重錘体と、正側板状構造体の先端部に接続された第２の重錘体と、負側板状構造体の先端部に接続された第３の重錘体と、のうちの少なくとも１つを有す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１５の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、更に、異属間接続体に接続された第１の重錘体と、正側板状構造体の先端部下面と負側板状構造体の先端部下面とを連結する第２の重錘体と、を有し、
第２の重錘体が、中央板状構造体の下方もしくはこの中央板状構造体の根端部を台座に支持するための支持部材の下方を、中央板状構造体もしくは支持部材に対して所定の距離を維持しつつ跨ぐように、Ｕ字状構造を有してい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１の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ正側板状構造体および負側板状構造体と、第２属性をもつ中央板状構造体と、正側板状構造体および負側板状構造体と中央板状構造体とを接続する異属間接続体と、正側板状構造体および負側板状構造体を支持する台座と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
中央板状構造体は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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１８の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、更に、異属間接続体に接続された第１の重錘体と、中央板状構造体の先端部に接続された第２の重錘体と、のうちの少なくとも１つを有す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１の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と、第２属性をもつ第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体とを接続する異属間接続体と、第１の正側板状構造体および第２の負側板状構造体を支持する台座と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
第１の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第１の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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２０の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、更に、異属間接続体に接続された第１の重錘体と、第２の正側板状構造体の先端部に接続された第２の重錘体と、第２の負側板状構造体の先端部に接続された第３の重錘体と、のうちの少なくとも１つ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２０の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第２の正側板状構造体の先端部および第２の負側板状構造体の先端部の双方に接続された最先端部接続体を更に有し、かつ、異属間接続体に接続された第１の重錘体と、最先端部接続体に接続された第２の重錘体と、のうちの少なくとも１つを有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１の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と、第２属性をもつ第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と、第３属性をもつ中央板状構造体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体とを接続する第１の異属間接続体と、第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と中央板状構造体とを接続する第２の異属間接続体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体を支持する台座と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
第１の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が第１の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第１の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が第１の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が第１の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が第２の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が第１の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が第２の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
中央板状構造体は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が第２の異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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ようにしたものである。
(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第２３の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、更に、第１の異属間接続体に接続された第１の重錘体と、第２の異属間接続体に接続された第２の重錘体と、中央板状構造体の先端部に接続された第３の重錘体と、のうちの少なくとも１つを有す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１の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ第１の中央板状構造体、正側板状構造体、負側板状構造体と、第２属性をもつ第２の中央板状構造体と、第１の中央板状構造体と正側板状構造体および負側板状構造体とを接続する同属間接続体と、正側板状構造体および負側板状構造体と第２の中央板状構造体とを接続する異属間接続体と、第１の中央板状構造体を支持する台座と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
第１の中央板状構造体は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が同属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が同属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が同属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の中央板状構造体は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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２５の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、更に、同属間接続体に接続された第１の重錘体と、異属間接続体に接続された第２の重錘体と、第２の中央板状構造体の先端部に接続された第３の重錘体と、のうちの少なくとも１つ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の態様に係る発電素子において、
第１の重錘体と第２の重錘体と第３の重錘体とをすべて有し、
第２の中央板状構造体の先端部に接続された最先端部接続体を更に有し、
同属間接続体が、ＹＺ平面に直交する方向に伸びた直交部と、この直交部からＹ軸負方向に伸びた正側翼状部および負側翼状部と、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成され、
最先端部接続体が、ＹＺ平面に直交する方向に伸びた直交部と、この直交部からＹ軸正方向に伸びた正側翼状部および負側翼状部と、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成され、
第１の重錘体が同属間接続体の直交部、正側翼状部、負側翼状部のすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成され、
第３の重錘体が最先端部接続体の直交部、正側翼状部、負側翼状部のすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されているようにしたものである。
(28) 本発明の第２８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、
可撓性を有する第１属性の板状構造体と、可撓性を有する第２属性の板状構造体と、第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを相互に接続する異属間接続体と、第１属性の板状構造体を支持する台座と、を有する基本構造部と、
基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
を設け、
ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、
第１属性の板状構造体は、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、少なくともその一部分に、根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る第１属性のＹ軸経路部を含んでおり、
第２属性の板状構造体は、根端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、少なくともその一部分に、根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る第２属性のＹ軸経路部を含んでいるようにしたものである。
(29) 本発明の第２９の態様は、上述した第２８の態様に係る発電素子において、
同一属性をもち、互いに並列配置された複数の板状構造体を設けるようにしたものである。
(30) 本発明の第３０の態様は、上述した第２８または第２９の態様に係る発電素子において、
最先端の板状構造体の先端部に最先端部接続体を接続するようにしたものである。
(31) 本発明の第３１の態様は、上述した第３０の態様に係る発電素子において、
同一属性をもち、互いに並列配置された複数の板状構造体の先端部を相互に接続する最先端部接続体を設けるようにしたものである。
(32) 本発明の第３２の態様は、上述した第２８〜第３１の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、ＸＹ平面に平行な板面をもった主基板を有し、板状構造体および異属間接続体、ならびに、最先端部接続体を有する場合には最先端部接続体が、主基板の一部分によって構成されているようにしたものである。
(33) 本発明の第３３の態様は、上述した第２８〜第３２の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、板状構造体の所定箇所、異属間接続体の所定箇所、最先端部接続体の所定箇所のうちの少なくとも１カ所に接続された重錘体を有するようにしたものである。
(34) 本発明の第３４の態様は、上述した第２８の態様に係る発電素子において、
第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体の一方もしくは双方が、Ｘ軸に平行な方向に伸びるＸ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びるＹ軸経路部と、を含み、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなすＬ字状部分を有しているようにしたものである。
(35) 本発明の第３５の態様は、上述した第３４の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と、第２属性をもつ第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体とを接続する異属間接続体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体を支持する台座と、第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体の先端部を相互に接続する最先端部接続体と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
第１の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第１の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向に伸びる正側Ｘ軸経路部とＹ軸に平行な方向に伸びる正側Ｙ軸経路部とを有し、正側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、正側Ｘ軸経路部の先端部は正側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、正側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の正側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなし、
第２の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向に伸びる負側Ｘ軸経路部とＹ軸に平行な方向に伸びる負側Ｙ軸経路部とを有し、負側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、負側Ｘ軸経路部の先端部は負側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、負側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の負側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなすようにしたものである。
(36) 本発明の第３６の態様は、上述した第３４の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と、第２属性をもつ第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体とを接続する異属間接続体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体を支持する台座と、第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体の先端部を相互に接続する最先端部接続体と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
第１の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向に伸びる第１の正側Ｙ軸経路部とＸ軸に平行な方向に伸びる第１の正側Ｘ軸経路部とを有し、第１の正側Ｙ軸経路部の根端部は、台座に直接もしくは間接的に接続されており、第１の正側Ｙ軸経路部の先端部は、第１の正側Ｘ軸経路部の根端部に接続されており、第１の正側Ｘ軸経路部の先端部は異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第１の正側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなし、
第１の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向に伸びる第１の負側Ｙ軸経路部とＸ軸に平行な方向に伸びる第１の負側Ｘ軸経路部とを有し、第１の負側Ｙ軸経路部の根端部は、台座に直接もしくは間接的に接続されており、第１の負側Ｙ軸経路部の先端部は、第１の正側Ｘ軸経路部の根端部に接続されており、第１の負側Ｘ軸経路部の先端部は異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第１の負側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなし、
第２の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向に伸びる第２の正側Ｘ軸経路部とＹ軸に平行な方向に伸びる第２の正側Ｙ軸経路部とを有し、第２の正側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の正側Ｘ軸経路部の先端部は第２の正側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、第２の正側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の正側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなし、
第２の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向に伸びる第２の負側Ｘ軸経路部とＹ軸に平行な方向に伸びる第２の負側Ｙ軸経路部とを有し、第２の負側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の負側Ｘ軸経路部の先端部は第２の負側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、第２の負側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の負側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなすようにしたものである。
(37) 本発明の第３７の態様は、上述した第２８の態様に係る発電素子において、
第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体の一方もしくは双方が、Ｘ軸に平行な方向に伸びるＸ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びるＹ軸経路部と、Ｘ軸経路部とＹ軸経路部とを湾曲した経路をもって接続する湾曲接続部と、を含み、ＸＹ平面への投影像がＪ字状の形状をなすＪ字状部分を有しているようにしたものである。
(38) 本発明の第３８の態様は、上述した第３７の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と、第２属性をもつ第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体とを接続する異属間接続体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体を支持する台座と、第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体の先端部を相互に接続する最先端部接続体と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
第１の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第１の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向に伸びる正側Ｘ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びる正側Ｙ軸経路部と、正側Ｘ軸経路部と正側Ｙ軸経路部とを湾曲した経路をもって接続する正側湾曲接続部と、を含み、正側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、正側Ｘ軸経路部の先端部は正側湾曲接続部によって正側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、正側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の正側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＪ字状の形状をなし、
第２の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向に伸びる負側Ｘ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びる負側Ｙ軸経路部と、負側Ｘ軸経路部と負側Ｙ軸経路部とを湾曲した経路をもって接続する負側湾曲接続部と、を含み、負側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、負側Ｘ軸経路部の先端部は負側湾曲接続部によって負側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、負側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の負側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＪ字状の形状をなすようにしたものである。
(39) 本発明の第３９の態様は、上述した第２８の態様に係る発電素子において、
第２属性の板状構造体が、Ｙ軸に平行な方向に伸びる根端側経路部と、Ｘ軸に平行な方向に伸びる中継経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びる先端側経路部と、を含み、根端部から先端部に向かって、根端側経路部、中継経路部、先端側経路部を順に連結することにより、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなすＵ字状部分を有しているようにしたものである。
(40) 本発明の第４０の態様は、上述した第３９の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性をもつ第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と、第２属性をもつ第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体とを接続する異属間接続体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体を支持する台座と、第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体の先端部を相互に接続する最先端部接続体と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、
第１の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第１の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向に伸びる正側根端側経路部と、Ｘ軸に平行な方向に伸びる正側中継経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びる正側先端側経路部と、を含み、正側根端側経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、正側根端側経路部の先端部は、正側中継経路部の根端部に接続されており、正側中継経路部の先端部は、正側先端側経路部の根端部に接続されており、正側先端側経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の正側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなし、
第２の負側板状構造体は、負側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向に伸びる負側根端側経路部と、Ｘ軸に平行な方向に伸びる負側中継経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びる負側先端側経路部と、を含み、負側根端側経路部の根端部は、異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、負側根端側経路部の先端部は、負側中継経路部の根端部に接続されており、負側中継経路部の先端部は、負側先端側経路部の根端部に接続されており、負側先端側経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の負側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなすようにしたものである。
(41) 本発明の第４１の態様は、上述した第３５、３６、３８、４０の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、更に、異属間接続体に接続された第１の重錘体および最先端部接続体に接続された第２の重錘体のうちの少なくとも１つを有するようにしたものである。
(42) 本発明の第４２の態様は、上述した第１〜第４１の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、ＹＺ平面に関して面対称をなす構造体によって構成されているようにしたものである。
(43) 本発明の第４３の態様は、上述した第１〜第４２の態様に係る発電素子の構成要素となる基本構造部を単独の部品として提供するようにしたものである。
(44) 本発明の第４４の態様は、上述した第１０〜１４、１６、１７、１９、２１、２２、２４、２６、２７、３９の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１属性の板状構造体の振動端に接続された重錘体と、第２属性の板状構造体の振動端に接続された重錘体と、を有しており、これら２種類の重錘体の共振周波数付近のスペクトルピーク波形が相互に一部重複するように、各重錘体の共振周波数が隣接するように設定したものである。
(45) 本発明の第４５の態様は、上述した第１０〜１４、１６、１７、１９、２１、２２、２４、２６、２７、３９の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、シリコン活性層と酸化シリコン層とシリコンベース層とをこの順に積層させた３層構造を有するＳＯＩ基板を用いて構成されており、
板状構造体および異属間接続体、ならびに、同属間接続体を有する場合には同属間接続体、最先端部接続体を有する場合には最先端部接続体が、シリコン活性層の単層構造体もしくはシリコン活性層と酸化シリコン層との２層構造体によって構成され、
重錘体が、酸化シリコン層とシリコンベース層との２層構造体もしくはシリコンベース層の単層構造体によって構成され、
台座が、シリコン活性層と酸化シリコン層とシリコンベース層との３層構造体によって構成されているようにしたものである。
(46) 本発明の第４６の態様は、上述した第１０〜１４、１６、１７、１９、２１、２２、２４、２６、２７、３９の態様に係る発電素子において、
基本構造部を収容するための装置筐体を更に設け、
台座は装置筐体に固定されるか、もしくは、装置筐体の一部として組み込まれており、 装置筐体の内面と、板状構造体および重錘体の外面との間には、所定の空間が確保されており、
装置筐体に加えられた外部振動の大きさが所定の基準レベル以下である場合には、外部振動に応じて、板状構造体および重錘体が上記空間内で振動し、
外部振動の大きさが所定の基準レベルを超えた場合には、外部振動に応じて、板状構造体および重錘体が装置筐体の内面に接触して、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
(47) 本発明の第４７の態様は、上述した第１〜第４６の態様に係る発電素子において、
電荷発生素子が、板状構造体の変形を生じる部分に形成された圧電素子を有するようにしたものである。
(48) 本発明の第４８の態様は、上述した第４７の態様に係る発電素子において、
圧電素子が、板状構造体の上面に形成された下部電極層と、この下部電極層の上面に形成され、応力に基づいて電荷を発生させる圧電材料層と、この圧電材料層の上面に形成された上部電極層と、を有し、下部電極層および上部電極層にそれぞれ所定極性の電荷が供給されるようにしたものである。
(49) 本発明の第４９の態様は、上述した第４８の態様に係る発電素子において、
板状構造体の上面に共通下部電極層が形成され、この共通下部電極層の上面に共通圧電材料層が形成され、この共通圧電材料層の上面の異なる箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層が形成され、板状構造体が特定の変形を生じた時点において、各個別上部電極層には、それぞれ圧電材料層から同一極性の電荷が供給されるようにしたものである。
(50) 本発明の第５０の態様は、上述した第４９の態様に係る発電素子において、
板状構造体の上面の中心に、Ｙ軸に平行な方向に伸びる中心軸を定義したときに、根端部側の中心軸の両脇と先端部側の中心軸の両脇とに、それぞれ個別上部電極層が配置されているようにしたものである。
(51) 本発明の第５１の態様は、上述した第４９または第５０の態様に係る発電素子において、
圧電素子に発生した電荷に基づいて、共通下部電極層と各個別上部電極層との間に生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路を更に設けたものである。
(52) 本発明の第５２の態様は、上述した第５１の態様に係る発電素子において、
発電回路が、容量素子と、各個別上部電極層に発生した正電荷を容量素子の正極側へ導くために各個別上部電極層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、各個別上部電極層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個別上部電極層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。
(53) 本発明の第５３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、
可撓性を有する複数の板状構造体と、板状構造体を相互に接続する１つもしくは複数の中間接続体と、板状構造体を支持する台座と、を有する基本構造部と、
基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
を設け、
個々の板状構造体は直接、もしくは、中間接続体および他の板状構造体を介して間接的に、台座に接続されており、板状構造体および中間接続体の集合体によって台座を根とする樹状構造が形成されており、
台座から樹状構造の末端に至る経路を辿ったときに、当該経路に、途中で複数の経路に分岐する分岐部、もしくは、途中で複数の経路が合流する合流部が含まれているようにしたものである。
(54) 本発明の第５４の態様は、上述した第５３の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と、第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体と第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体とを接続する中間接続体と、第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体を支持する台座と、第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体の先端部を相互に接続する最先端部接続体と、を有し、
ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義したときに、第１の正側板状構造体および第２の正側板状構造体は、正側空間に配置されており、第１の負側板状構造体および第２の負側板状構造体は、負側空間に配置されているようにしたものである。
(55) 本発明の第５５の態様は、上述した第５４の態様に係る発電素子において、
第１の正側板状構造体および第１の負側板状構造体は、根端部が台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が中間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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、
第２の正側板状構造体および第２の負側板状構造体は、根端部が中間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、根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ようにしたものである。
(56) 本発明の第５６の態様は、上述した第５４の態様に係る発電素子において、
第１の正側板状構造体は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる第１の正側Ｙ軸経路部とＸ軸に平行な方向に伸びる第１の正側Ｘ軸経路部とを有し、第１の正側Ｙ軸経路部の根端部は、台座に直接もしくは間接的に接続されており、第１の正側Ｙ軸経路部の先端部は、第１の正側Ｘ軸経路部の根端部に接続されており、第１の正側Ｘ軸経路部の先端部は中間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第１の正側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなし、
第１の負側板状構造体は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる第１の負側Ｙ軸経路部とＸ軸に平行な方向に伸びる第１の負側Ｘ軸経路部とを有し、第１の負側Ｙ軸経路部の根端部は、台座に直接もしくは間接的に接続されており、第１の負側Ｙ軸経路部の先端部は、第１の負側Ｘ軸経路部の根端部に接続されており、第１の負側Ｘ軸経路部の先端部は中間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第１の負側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなし、
第２の正側板状構造体は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる第２の正側Ｙ軸経路部とＸ軸に平行な方向に伸びる第２の正側Ｘ軸経路部とを有し、第２の正側Ｙ軸経路部の根端部は、中間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の正側Ｙ軸経路部の先端部は、第２の正側Ｘ軸経路部の根端部に接続されており、第２の正側Ｘ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の正側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなし、
第２の負側板状構造体は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる第２の負側Ｙ軸経路部とＸ軸に平行な方向に伸びる第２の負側Ｘ軸経路部とを有し、第２の負側Ｙ軸経路部の根端部は、中間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の負側Ｙ軸経路部の先端部は、第２の負側Ｘ軸経路部の根端部に接続されており、第２の負側Ｘ軸経路部の先端部は、最先端部接続体に直接もしくは間接的に接続されており、第２の負側板状構造体は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなすようにしたものである。
(57) 本発明の第５７の態様は、上述した第５３〜第５６の態様に係る発電素子において、
基本構造部が、所定箇所に接続された重錘体を更に有するようにしたものである。
(58) 本発明の第５８の態様は、上述した第５３〜第５７の態様に係る発電素子において、
電荷発生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を更に設けるようにしたものである。
本発明に係る発電素子によれば、Ｙ軸正方向に伸びる第１属性の板状構造体と、Ｙ軸負方向に伸びる第２属性の板状構造体とが、異属間接続体を介して接続された構造になるため、同一軸に沿って共振周波数の異なる複数の共振系が混在する構造を実現することができる。このため、従来例に比べて、発電可能な周波数帯域を広げることができ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことができるようになる。
また、別なアプローチとして、本発明では、板状構造体および中間接続体の集合体によって台座を根とする樹状構造が形成された発電素子を構成することもできる。この場合、台座からこの樹状構造の末端に至る経路を辿ったときに、当該経路に、途中で複数の経路に分岐する分岐部、もしくは、途中で複数の経路が合流する合流部が含まれているようにすれば、やはり、発電可能な周波数帯域を広げることができ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことができるようになる。
図１は、従来から提案されている一般的な発電素子の基本構造部を示す斜視図である。 図２は、図１に示す基本構造部の台座３００対して、外部から様々な周波数の振動エネルギーを与えたときの、重錘体２００（先端点Ｔ）の振幅Ａを示すグラフである。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る発電素子１０００を示す斜視図（一部はブロック図）である。 図４(a) は、図３に示す発電素子１０００の基本構造部の上面図、図４(b) は、その側面図である。 図５は、図３に示す発電素子１０００の基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図である。 図６は、図４(a) に示す発電素子１０００の基本構造部を切断線６−６に沿って切断した側断面図である。 図７は、図３に示す発電素子１０００の基本構造部に含まれている２通りの共振系を示す概念図である。 図８は、一般的な板状構造体の共振モードのいくつかの例を示す模式図であり、水平線を基準位置としたときの板状構造体の変形態様が示されている。 図９は、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系において、重錘体２００の共振周波数ｆｒを調整するための具体的な方法をまとめた表である。 図１０は、図３に示す発電素子１０００の基本構造部について、コンピュータシミュレーションを行った結果として得られた各共振系の端点Ｔ１，Ｔ３の振動の周波数特性を示すグラフである。 図１１は、図３に示す発電素子１０００の全体としての発電量の周波数特性を示すグラフである。 図１２(a) ，図１２(b) は、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２に対して調整を行った状態の周波数特性を示すグラフである。 図１３は、図３に示す発電素子１０００の変形例に係る発電素子１００１の基本構造部の上面図である（電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略）。 図１４は、図１３に示す発電素子１００１の基本構造部を切断線１４−１４に沿って切断した正断面図である。 図１５(a) は、図３に示す発電素子１０００の別な変形例に係る発電素子１００２の上面図、図１５(b) は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である（発電回路５００の図示は省略。なお、上面図のハッチングは、電荷発生素子４００を構成する上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。） 図１６(a) および(b) は、図１５に示す発電素子１００２の各部の寸法を示す図である。 図１７は、図３に示す発電素子１０００の更に別な変形例に係る発電素子１００３の上面図である（発電回路５００の図示は省略。ハッチングは、電荷発生素子４００を構成する個別上部電極層Ｅ１０，Ｅ２５〜Ｅ３６の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図１８は、一般的な板状構造体２０の上面に形成された電荷発生素子を構成する個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４の好ましい配置を示す上面図である（ハッチングは、個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図１９は、図１５に示す発電素子１００２に用いる発電回路５００の具体的な構成を示す回路図である。 図２０(a) は、図３に示す発電素子１０００を装置筐体３１０Ａに収容した形態を有する装置筐体付きの発電素子１５００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）、図２０(b) は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である（電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略）。 図２１は、本発明の第２の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子２０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２２は、本発明の第３の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子３０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２３は、本発明の第４の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子４０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２４は、本発明の第５の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子５０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２５は、本発明の第６の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子６０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２６は、本発明の第７の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子７０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２７は、図２６に示す第７の実施形態の変形例に係る装置筐体付きの発電素子７０００Ａの平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２８は、図２６に示す第７の実施形態の別な変形例に係る装置筐体付きの発電素子７０００Ｂの平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図２９は、図２６に示す第７の実施形態の第１の負側板状構造体１７１の上面に形成する上部電極層のバリエーションを示す平面図である（ハッチングは、領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図３０は、図２６に示す第７の実施形態の第２の負側板状構造体１７４の上面に形成する上部電極層のバリエーションを示す平面図である（ハッチングは、領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図３１は、本発明の第８の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子８０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図３２(a) ，(b) ，(c) は、本発明に係る発電素子の好ましい製造プロセスの一例を示す側断面図である。 図３３は、図３２(c) に示す発電素子１５００Ｂを外装パッケージ１７００に収容した例を示す側断面図である。 図３４は、図３２に示すプロセスの変形例を示す側断面図である。 図３５は、図３４に示す変形例に係るプロセスよって、図２５に示す発電素子６０００を製造する工程を示す上面図である（ハッチングは、各部の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図３６は、本発明の第９の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子９０００の平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。 図３７は、図３６に示す第９の実施形態の変形例に係る装置筐体付きの発電素子９０００Ａの平断面図（ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図）である（発電回路５００の図示は省略。なお、一部のハッチングは、電荷発生素子を構成する上部電極層の形状パターンや重錘体の接合領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
＜＜＜ §１． 従来提案されている発電素子 ＞＞＞
はじめに、説明の便宜上、板状構造体に取り付けた重錘体を振動させて発電を行うタイプの従来の発電素子の基本構造を簡単に説明しておく。図１は、従来から提案されている一般的な発電素子の基本構造部を示す斜視図である。前掲の特許文献４（ＷＯ２０１５／０３３６２１号公報）にも、図１に示すような基本構造をもった発電素子が開示されている。
図示のとおり、この基本構造部は、板状構造体１００と、板状構造体１００の先端部に取り付けられた重錘体２００と、板状構造体１００の根端部を固定する台座３００とを有している。台座３００は、何らかの振動源に取り付けられ、この振動源から供給される振動エネルギーが電気エネルギーに変換されることになる。板状構造体１００は、台座３００によって固定された根端部から自由端となる先端部へと伸びる長さＬ、幅ｗ、厚みｔの細長い板であり、重錘体２００はこの板による片持ち梁構造で支持されている。しかも、板状構造体１００は可撓性を有しているため、台座３００に振動が加えられると、重錘体２００が振動を生じる。その結果、板状構造体１００には、周期的に撓みが生じることになる。
図示は省略するが、板状構造体１００の表面には、圧電素子などの電荷発生素子が貼り付けられており、板状構造体１００の変形に基づいて電荷が発生する。したがって、この電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して出力する発電回路を設けておけば、発生した電荷を電力として取り出すことができる。電荷を効率的に取り出すための圧電素子の配置については、前掲の特許文献４等に開示されているため、ここでは説明は省略する。
なお、本願では、この基本構造部の構成および変形態様を説明する便宜上、図示のようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。このような座標系上では、板状構造体１００は、ＸＹ平面に平行な板面（上面および下面）をもち、Ｙ軸に沿って根端部から先端部へと伸びる細長い板ということになる。図示の例では、板状構造体１００の上面の中心位置にＹ軸が位置している。ここでは、このＹ軸を基準軸と呼び、板状構造体１００の原点Ｏ側を根端部と呼び、Ｙ軸上の先端点Ｔ側を先端部と呼ぶことにする。したがって、板状構造体１００は、基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状の部材ということになり、重錘体２００は、その先端部の下面に接合されていることになる。
通常、外部の振動源から台座３００に伝わる振動エネルギーには、Ｘ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分が含まれている。したがって、重錘体２００には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各方向に変位させる力が加わる。ただ、重錘体２００は、図示のような形状を有する板状構造体１００によって支持されているため、「変位のしやすさ」は個々の方向ごとに異なる。これは、図の原点Ｏの位置（根端部）を固定した状態において、先端点Ｔ（先端部）に対して各座標軸方向への力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを作用させた場合、板状構造体１００のバネ定数が各座標軸方向によって異なるためであり、一般的には、Ｚ軸方向が最も変位しやすい方向になる。
もちろん、板状構造体１００は可撓性を有しているため、Ｙ軸方向に関する伸縮や反りにより重錘体２００をＹ軸方向に変位させることもできるし、Ｘ軸方向への変形により重錘体２００をＸ軸方向に変位させることもできる。ただ、ここでは、台座３００に対して、Ｚ軸方向への振動エネルギーが加えられ、重錘体２００がＺ軸方向に振動する場合を代表例として考えてみよう。
一般に、共振系は、その系に固有の共振周波数ｆｒを有しており、外部から与えられた振動の周波数ｆが、この共振周波数ｆｒに近い程、与えられた振動に共鳴して大きな振幅Ａが生じることになる。図２は、図１に示す基本構造部の台座３００対して、外部から様々な周波数の振動エネルギーを与えたときの、重錘体２００（先端点Ｔ）の振幅Ａを示すグラフである。横軸に周波数ｆ、縦軸に振幅Ａをとると、図示のとおり、所定の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐが現れる（図では、便宜上、このピーク波形Ｐ以外の部分をフラットな直線で示すが、実際には、この部分は完全な直線になるわけではない）。
もちろん、板状構造体１００のバネ定数は、座標軸方向ごとに異なるため、重錘体２００の共振周波数ｆｒの値も、座標軸方向ごとに異なる。図２のグラフは、重錘体２００が特定の座標軸方向（ここでは、Ｚ軸方向）に振動する場合を示すものであり、共振周波数ｆｒは、当該座標軸方向に関する振動についての共振周波数を示している。また、後述するように、板状構造体１００には、その節点の数に応じて複数の共振モードが存在し、個々の共振モードごとにそれぞれ共振周波数が異なる。そこで、ここでは、１次共振モードで振動している場合を考えることにする。
結局、図１に示す基本構造部を１つの共振系として把握した場合、重錘体２００をＺ軸方向に１次共振モードで効率良く振動させるには、台座３００を共振周波数ｆｒで振動させればよい。別言すれば、この発電素子に効率的な発電をさせるためには、外部から共振周波数ｆｒの振動エネルギーを与える必要があり、与える振動エネルギーの周波数が共振周波数ｆｒから外れると、発電効率は低下する。
一方、量産に適したＭＥＭＳ技術を利用した発電素子には、その材料としてシリコンや金属が用いられることが多いが、このような材料を用いた共振系では、図２のグラフにおけるピーク波形Ｐのピーク値（Ｑ値）は高いが、半値幅ｈは狭くなる傾向にある。このため、図１に例示するような従来の発電素子の場合、外部環境から与えられる振動の周波数が、共振周波数ｆｒに近い場合には効率的な発電を行うことができるが、共振周波数ｆｒから外れている場合には、その発電効率は急激に低下することになる。
したがって、従来から、実利用環境において外部から与えられるであろう振動の周波数を想定し、この想定周波数に共振周波数を一致させるような設計が行われている。しかしながら、既に問題点として指摘したとおり、実際の利用環境では、様々な周波数をもった振動が混在しており、単一の周波数をもった振動が加わるわけではない。このため、想定外の周波数を含んだ振動が加えられるケースも少なくない。また、シリコンや金属からなる構造部分の共振周波数は、外部応力や温度によっても変動するため、設計時の想定どおりの周波数をもった振動が与えられたとしても、必ずしも効率的な発電が行われるとは限らない。
このように、図１に例示するような従来の発電素子には、発電可能な周波数帯域が狭く、実利用環境によっては、必ずしも十分効率的な発電を行うことができないという問題がある。本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能な発電素子を提供することを目的とする。
＜＜＜ §２． 第１の実施形態の構成 ＞＞＞
ここでは、本発明の第１の実施形態の構成を説明する。図３は、この第１の実施形態に係る発電素子１０００を示す斜視図（一部はブロック図）である。図示のとおり、この発電素子１０００は、主基板１１０、重錘体群２１０、台座３１０、電荷発生素子４００、発電回路５００を備えている。ここでは、主基板１１０、重錘体群２１０、台座３１０によって構成される物理的な構成部分を基本構造部と呼ぶことにする。図３では、この基本構造部が斜視図として示されており、電荷発生素子４００および発電回路５００はブロック図として示されている。この発電素子１０００の特徴は、斜視図として示す基本構造部の固有の構造にある。以下、この固有の構造についての説明を行う。
ここでも、§１と同様に、図示のようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、Ｙ軸を基準軸と呼ぶことにする。この発電素子１０００においても、図１に示す従来の発電素子と同様に、板状構造体による片持ち梁によって重錘体を支持する構造が採用されており、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が行われる。
主基板１１０は、平面形状がＥ字状をした板状の構造体であり、図示のとおり、中央板状構造体１１１、異属間接続体１１２、負側板状構造体１１３、正側板状構造体１１４の４つの部分によって構成される。異属間接続体１１２は、後述するように、異なる属性をもつ板状構造体を相互に接続する役割を果たす。負側板状構造体１１３は、Ｘ座標値が負の領域に配置された構成要素であり、正側板状構造体１１４は、Ｘ座標値が正の領域に配置された構成要素である。
なお、ここでは便宜上、主基板１１０を上記４つの部分に分けて説明するが、主基板１１０は、あくまでも一体となった１枚のＥ字状基板であり、上記４つの部分は、この１枚のＥ字状基板において、特定の役割を担う部分ということになる。主基板１１０は可撓性をもった部材を構成できる材質であれば、どのような材料を用いて構成してもかまわないが、実用上は、シリコンや金属によって構成するのが好ましい。
一方、重錘体群２１０は、図示のとおり、３組の重錘体２１１，２１２，２１３によって構成され、それぞれ主基板１１０の下面の所定箇所に接続されている。具体的には、重錘体２１１は、異属間接続体１１２の下面に接続されており、重錘体２１２は、負側板状構造体１１３の先端部（図の左側端部）の下面に接続されており、重錘体２１３は、正側板状構造体１１４の先端部（図の左側端部）の下面に接続されている。これら各重錘体２１１，２１２，２１３は、振動を生じさせるのに十分な質量を有する材料であれば、どのような材料を用いて構成してもかまわないが、十分な質量を確保する上では、ＳＵＳ（鉄），銅，タングステンなどの金属、あるいは、シリコン、セラミックもしくはガラス等を用いるのが好ましい。
そして、台座３１０は、中央板状構造体１１１の根端部（図の左側端部）を支持固定する構成要素である。後述するように、実際には、この台座３１０は発電素子１０００の装置筐体に固定され、振動源からの振動エネルギーを中央板状構造体１１１に伝達する役割を果たす。図３には、直方体のブロック状をした台座３１０が描かれているが、台座３１０は、中央板状構造体１１１を支持固定することができるものであれば、どのような形状のものでも、どのような材料を用いて構成したものでもかまわない。
異属間接続体１１２およびその下面に接続された重錘体２１１は、Ｙ軸に沿って伸びる中央板状構造体１１１によって、台座３１０に対して片持ち梁構造で支持されている。中央板状構造体１１１は、可撓性を有しているため、外力が作用すると撓みを生じ、原点Ｏに対して端点Ｔ１は変位する。したがって、台座３１０に対して振動エネルギーが加えられると、中央板状構造体１１１は周期的な撓みを生じ、重錘体２１１は振動する。後述するように、このような振動は、第１の共振系Ｉの振動になる。
一方、重錘体２１２は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる負側板状構造体１１３によって、異属間接続体１１２に対して片持ち梁構造で支持されている。負側板状構造体１１３のうち、少なくとも重錘体２１２が接続されていない部分は可撓性を有しているため、外力が作用すると撓みを生じ、端点Ｔ２に対して端点Ｔ３は変位する（この例の場合、重錘体２１２が接続されている部分には、有意な撓みは生じない）。したがって、異属間接続体１１２に対して振動エネルギーが加えられると、負側板状構造体１１３は周期的な撓みを生じ、重錘体２１２は振動する。後述するように、このような振動は、第２の共振系IIの振動になる。
同様に、重錘体２１３は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる正側板状構造体１１４によって、異属間接続体１１２に対して片持ち梁構造で支持されている。正側板状構造体１１４のうち、少なくとも重錘体２１３が接続されていない部分は可撓性を有しているため、外力が作用すると撓みを生じ、端点Ｔ４に対して端点Ｔ５は変位する（この例の場合、重錘体２１３が接続されている部分には、有意な撓みは生じない）。したがって、異属間接続体１１２に対して振動エネルギーが加えられると、正側板状構造体１１４は周期的な撓みを生じ、重錘体２１３は振動する。この振動は、やはり第２の共振系IIの振動になる。
このように、第１の共振系Ｉの基点となる原点Ｏは台座３１０に固定されているため、第１の共振系Ｉの振動端Ｔ１は、原点Ｏを基準にして振動することになる。これに対して、第２の共振系IIの基点となる端点Ｔ２，Ｔ４は、端点Ｔ１の振動に応じて振動することになり、第２の共振系IIの振動端Ｔ３，Ｔ５は、振動中の端点Ｔ２，Ｔ４を基準にして振動することになる。別言すれば、この基本構造部は、第１の共振系Ｉと第２の共振系IIとを入れ子状にした複雑な合成振動系を構成していることになる。後述するように、このような複雑な合成振動系を構成することにより、発電可能な周波数帯域を広げるという本発明の目的が達成されることになる。
図３にブロック図として描かれている電荷発生素子４００は、これら板状構造体１１１，１１３，１１４の変形に基づいて電荷を発生させる構成要素（たとえば、圧電素子）であり、ブロック図として描かれている発電回路５００は、電荷発生素子４００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構成要素である。この電荷発生素子４００および発電回路５００の構成や動作については、§５で説明する。
図４(a) は、図３に示す発電素子１０００の基本構造部の上面図、図４(b) は、その側面図である。本願では、図示のとおり、ＸＹ平面を水平面にとったＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義する。上述したように、基本構造部は、主基板１１０、重錘体群２１０、台座３１０によって構成される。ここで、主基板１１０は、図示のとおり、Ｙ軸上に配置された中央板状構造体１１１と、負側空間に配置された負側板状構造体１１３と、正側空間に配置された正側板状構造体１１４と、異属間接続体１１２と、を有するＥ字状の基板である。
異属間接続体１１２は、Ｘ軸方向に伸びた板状の構成要素であり、中央板状構造体１１１と負側板状構造体１１３とを接続する機能と、中央板状構造体１１１と正側板状構造体１１４とを接続する機能を有している。３組の板状構造体１１１，１１３，１１４は、いずれもＹ軸方向に伸びた板状の構成要素であり、異属間接続体１１２に接続されている。
ただ、台座３１０に接続されているのは、中央板状構造体１１１の左端部のみである。
本願では、各板状構造体の両端部分のうち、台座３１０への接続経路上において、台座３１０に近い方を根端部と呼び、台座３１０から遠い方を先端部と呼ぶことにする。たとえば、中央板状構造体１１１の場合、図の左の方が右よりも台座３１０に近いため、左端側が根端部、右端側が先端部ということになる。これに対して、負側板状構造体１１３および正側板状構造体１１４の場合は、空間的な位置関係に着目すると、図の左の方が右よりも台座３１０に近い。しかしながら、台座３１０への接続経路を考えると、端点Ｔ３は、Ｔ３−Ｔ２−Ｔ１−Ｏという経路で台座３１０に接続されており、端点Ｔ５は、Ｔ５−Ｔ４−Ｔ１−Ｏという経路で台座３１０に接続されている。したがって、当該接続経路上においては、図の右の方が左よりも台座３１０に近いため、右端側が根端部、左端側が先端部ということになる。
そして、ここでは、説明の便宜上、各板状構造体に対して、２つの属性のいずれかを与えることにする。第１属性は、根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板状構造体に対して与えられる属性であり、図示の例の場合、中央板状構造体１１１が第１属性の板状構造体ということになる。これに対して、第２属性は、根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板状構造体に対して与えられる属性であり、図示の例の場合、負側板状構造体１１３および正側板状構造体１１４が第２属性の板状構造体ということになる。
要するに、図４(a) に示す実施例の場合、第１属性をもつ中央板状構造体１１１は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が台座３１０に接続されており、先端部が異属間接続体１１２に接続されており、根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。また、第２属性をもつ負側板状構造体１１３は、負側空間に配置されており、根端部が異属間接続体１１２に接続されており、根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、同じく第２属性をもつ正側板状構造体１１４は、正側空間に配置されており、根端部が異属間接続体１１２に接続されており、根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。
異属間接続体１１２は、第１属性をもつ板状構造体と第２属性をもつ板状構造体とを相互に接続する役割を果たし、文字どおり、「異なる属性をもった板状構造体を相互に接続する構成要素」である。第１属性をもつ板状構造体と第２属性をもつ板状構造体とは、根端部から先端部へ向かう方向が逆転した関係になっているため、台座３１０から伸びる片持ち梁構造の経路（図４(a) の例の場合、Ｏ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ３を経る経路や、Ｏ−Ｔ１−Ｔ４−Ｔ５を経る経路）は、異属間接続体１１２において折り返すことになり、異属間接続体１１２は折り返し点としての役割を果たすことになる。
主基板１１０の下面には、３組の重錘体２１１，２１２，２１３が接続されている。図４(a) では、これら重錘体の輪郭の一部が破線で描かれている。重錘体２１１は、異属間接続体１１２と同一の平面形状を有する直方体状の構造物であり、異属間接続体１１２の下面に接続されている。一方、重錘体２１２は、負側板状構造体１１３の先端部の下面に接続された正方形の平面形状を有する直方体状の構造物であり、重錘体２１３は、正側板状構造体１１４の先端部の下面に接続された正方形の平面形状を有する直方体状の構造物である。
これら各重錘体の構造は、図４(b) に示す側面図や、図５および図６に示す側断面図に明瞭に現れている。図４(b) は、図４(a) に示す基本構造部を図４(a) の下方側から観察した状態を示す側面図である。また、図５は、図４(a) に示す基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図であり、図６は、図４(a) に示す基本構造部を切断線６−６に沿って切断した側断面図である。これらの図からわかるように、各重錘体２１１，２１２，２１３の底面の位置は、台座３１０の底面の位置よりも若干上方に設定されている。これは、台座３１０の底面を装置筐体に固定したときに、装置筐体と各重錘体２１１，２１２，２１３の底面との間に若干の空間が維持されるようにするための配慮である。各重錘体２１１，２１２，２１３は、この空間を利用して装置筐体内で振動することになる。
＜＜＜ §３． 複数の共振系をもつ基本構造部の特徴 ＞＞＞
§２では、発電素子１０００の基本構造部に、複数の共振系が含まれており、全体として、複雑な合成振動系が構成されることを簡単に説明した。ここでは、これら複数の共振系の具体的な振動態様の特徴とその共振周波数について、より詳しい説明を行うことにする。
図４(a) に示す基本構造部において、重錘体２１１は、中央板状構造体１１１による片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されており、台座３１０から重錘体２１１に至る経路は、原点Ｏから端点Ｔ１に至る経路になる。これに対して、重錘体２１２は、中央板状構造体１１１，異属間接続体１１２，負側板状構造体１１３による片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されており、台座３１０から重錘体２１２に至る経路は、Ｏ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ３を辿る経路になる。同様に、重錘体２１３は、中央板状構造体１１１，異属間接続体１１２，正側板状構造体１１４による片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されており、台座３１０から重錘体２１３に至る経路は、Ｏ−Ｔ１−Ｔ４−Ｔ５を辿る経路になる。
このように、３組の重錘体２１１，２１２，２１３は、いずれも片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されているが、片持ち梁構造の経路が異なるため、それぞれ別個の共振系が構成されることになる。図７は、この基本構造部に含まれている２通りの共振系を示す概念図である。
図７(a) は、第１属性をもつ中央板状構造体１１１の変形に起因して振動を生じる第１の共振系Ｉを示す。この図では、中央板状構造体１１１の根端部に位置する原点Ｏを固定した状態において、先端部に位置する端点Ｔ１が変位する様子が示されている。ここでは、この共振系を、１本の線からなる可撓性をもった板状構造体１１１と、端点Ｔ１に位置する質点ｍと、によって構成される単純なモデルとして考える。図の実線は、静止状態の系を示し、破線は振動状態の系を示す。振動状態では、板状構造体１１１が破線で示すように変形し、端点Ｔ１は、静止状態の位置Ｔ１（０）から、上方位置Ｔ１（＋）まで変位したり、下方位置Ｔ１（−）まで変位したりする動作を繰り返す。
図４(a) に示すように、端点Ｔ１には、異属間接続体１１２、負側板状構造体１１３、正側板状構造体１１４、重錘体２１１，２１２，２１３の合計荷重が加わることになり、中央板状構造体１１１は、これらの荷重を支持する役割を果たしている。したがって、図７(a) のモデルにおける質点ｍは、構成要素２１１，２１２，２１３，１１２，１１３，１１４の全体の質量をもつ点ということになる。
図１に示す従来の発電素子の基本構造部は、図７(a) に示す共振系Ｉについて、板状構造体１１１を板状構造体１００によって具現化し、質点ｍを重錘体２００によって具現化したものに相当する。このような共振系は、図２のグラフに示すような周波数特性を有しており、その振幅Ａは、所定の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐを有している。図７(a) に示す共振系Ｉの場合、その共振周波数ｆｒ１の値は、板状構造体１１１のバネ定数と質点ｍの質量（構成要素２１１，２１２，２１３，１１２，１１３，１１４の全体の質量）によって定まるので、これらの値を調整することにより、共振周波数ｆｒ１の値を調整することが可能である。
一方、図７(b) は、第２属性をもつ負側板状構造体１１３の変形に起因して振動を生じる第２の共振系IIを示す（正側板状構造体１１４の変形に起因して振動を生じる共振系も同じである）。この図では、負側板状構造体１１３の根端部に位置する端点Ｔ２を固定した状態において、先端部に位置する端点Ｔ３が変位する様子が示されている。ここでも、この共振系を、１本の線からなる可撓性をもった板状構造体１１３と、端点Ｔ３に位置する質点ｍと、によって構成される単純なモデルとして考える。やはり実線は、静止状態の系を示し、破線は振動状態の系を示す。振動状態では、板状構造体１１３が破線で示すように変形し、端点Ｔ３は、静止状態の位置Ｔ３（０）から、上方位置Ｔ３（＋）まで変位したり、下方位置Ｔ３（−）まで変位したりする動作を繰り返す。
図４(a) に示すように、端点Ｔ３には、重錘体２１２の荷重が加わることになり、負側板状構造体１１３は、当該荷重を支持する役割を果たす。したがって、図７(b) のモデルにおける質点ｍは、重錘体２１２の質量をもつ点ということになる。この図７(b) に示す共振系IIの場合、その共振周波数ｆｒ２の値は、板状構造体１１３のバネ定数と質点ｍの質量（重錘体２１２の質量）によって定まるので、これらの値を調整することにより、共振周波数ｆｒ２の値を調整することが可能である。
もっとも、図４に示す基本構造部の場合、図７(b) のモデルにおいて固定点として示されている端点Ｔ２は、図７(a) のモデルにおいて変位点として示されている端点Ｔ１に接続されている。このため、実際には、端点Ｔ２は固定点ではなく、端点Ｔ１とともに振動する点になり、第２の共振系IIは、それ全体が第１の共振系Ｉによって振動させられる系になる。したがって、図４に示す基本構造部は、第１の共振系Ｉと第２の共振系IIとを入れ子状にした複雑な合成振動系を構成している。
図７(c) は、このような合成振動系を単純なモデルとして示す図であり、図７(a) に示す第１の共振系Ｉの端点Ｔ１の位置に、図７(b) に示す第２の共振系IIを接ぎ木した形態をとる。実際には、第２の共振系IIとしては、負側板状構造体１１３についての系と正側板状構造体１１４についての系との２組が組み込まれることになる。したがって、この合成振動系には、中央板状構造体１１１についての共振系Ｉ、負側板状構造体１１３について共振系II、正側板状構造体１１４について共振系IIが含まれている。ここで、２組の共振系IIは、その全体が、端点Ｔ１に接続された「共振系Ｉの重り」として機能するため、共振系Ｉは、２組の共振系IIをそっくり含んだ系ということになる。
図７(c) は、端点Ｔ１が上方位置Ｔ１（＋）に変位し、端点T３が所定位置Ｔ３（ｂ）に変位した状態を示している。ここで、位置Ｔ３（ｂ）は、図７(b) に示す端点Ｔ３の位置に応じて定まる。上述したとおり、共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１は、板状構造体１１１のバネ定数とその質点ｍの質量（端点Ｔ１に加わる荷重）によって定まり、共振系IIの共振周波数ｆｒ２は、板状構造体１１３もしくは１１４のバネ定数とその質点ｍの質量（端点Ｔ３もしくはＴ５に加わる荷重）によって定まる。したがって、これらの値を調整することにより、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２の値を調整することができる。ただ、共振系IIは、全体が共振系Ｉの重りとして機能するため、共振系IIに対して施した調整は、共振系Ｉに対しても影響を与えることになる。
なお、図７に実線もしくは破線で示す各板状構造体の変形態様は、各共振系が１次共振モードで共振している状態を示すものであるが、実際には、より高次の共振モードで振動する場合もある。
図８は、一般的な板状構造体の共振モードのいくつかの例を示す模式図であり、水平線を基準位置としたときの板状構造体の変形態様が示されている。図の曲線が板状構造体を示しており、左端（根端部）が固定され、右端（先端部）が自由端となっている。図には、各変形状態において、板状構造体の上面に作用する応力の方向を矢印で示した。具体的には、白い矢印は上面に「長手方向に伸びる応力」が作用することを示し、黒い矢印は上面に「長手方向に縮む応力」が作用することを示している。
図８(a) は１次共振モードの変形態様を示しており、全体的に上方に凸となるなだらかな曲線が描かれている。このような変形状態では、板状構造体の上面にはその長手方向に伸びる応力が作用する（白い矢印参照）。なお、板状構造体の下面には、逆に、長手方向に縮む応力が作用するが、ここでは、上面の伸縮のみに着目する。
一方、図８(b) は２次共振モードの変形態様を示しており、根端部近傍では下方に凸となるなだらかな曲線になるが、その先は、上方に凸となるなだらかな曲線になる。その結果、板状構造体の根端部上面には長手方向に縮む応力が作用し（黒い矢印参照）、その先の上面には長手方向に伸びる応力が作用する（白い矢印参照）。同様に、図８(c) は３次共振モードの変形態様を示しており、曲線はより複雑な形状をなし、部分的に縮む応力（黒い矢印参照）や、伸びる応力（白い矢印参照）が作用する。図示は省略するが、４次以上の共振モードでは、板状構造体の変形態様は更に複雑になる。
この図８に示す各共振モードは、図１に例示するような単純な共振系における板状構造体１００についてのものであり、周波数特性のグラフ上には、共振モードの次数に応じた共振周波数のピークが現れ、一般に、共振モードの次数が高くなるほど、ピーク位置はより周波数の高い方にシフトする。
もちろん、この単純な共振系における共振モードを、図７(c) に示すような合成振動系にそのまま当てはめることはできないが、いずれにしても、図３に示す各板状構造体１１１，１１３，１１４の変形態様は、外部環境から与えられる振動の周波数に応じて様々に変化し、各部に加わる応力の方向も変化することになる。実際には、図３に示す各板状構造体１１１，１１３，１１４は、いずれも複数の共振モードで振動し、共振周波数のピークが複数箇所に現れることになるが、各板状構造体の表面に生じる応力は、図８(a) に示す１次共振モードによる変形態様において最も大きくなり、この１次共振モードによる振動が発電に最も寄与する。したがって、以下、各板状構造体が１次共振モードにより振動するものとして、本発明の作用効果の説明を行う。
＜＜＜ §４． 共振周波数の調整 ＞＞＞
本発明の目的は、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能な発電素子を提供することにある。そのため、本発明では、図３に示す実施例のように、複数の共振系を含む合成振動系として振る舞う基本構造部を採用している。上述したとおり、個々の共振系には、それぞれ固有の共振周波数ｆｒが存在し、各共振周波数ｆｒは、板状構造体のバネ定数と重りの質量によって定まる。したがって、各板状構造体のバネ定数と重りの質量を調整すれば、個々の共振系の共振周波数ｆｒを周波数軸上の所望の方向にシフトさせることができ、発電可能な周波数帯域を広げることができる。これが本発明の基本原理である。
図９は、図１に示すような単一の重錘体２００を有する単純な共振系において、重錘体２００の共振周波数ｆｒを調整するための具体的な方法をまとめた表である。この表に示されている具体的な調整方法は、板状構造体１００の形状や材質を変える方法（板状構造体１００のバネ定数を変える方法）と、重錘体２００の質量を変える方法とに大別される。
前者としては、図１に示す板状構造体１００について、厚みｔ（Ｚ軸方向の寸法）を変える方法、幅ｗ（Ｘ軸方向の寸法）を変える方法、長さＬ（Ｙ軸方向の寸法）を変える方法、材質（ヤング率Ｅ）を変える方法が挙げられている。まず、板状構造体１００の厚みｔを薄くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、厚みｔを厚くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。同様に、板状構造体１００の幅ｗを狭くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、幅ｗを広くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。そして、板状構造体１００の長さＬ（共振系の長さ）を長くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、長さＬを短くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。最後に、板状構造体１００の材質を柔らかくすれば（ヤング率Ｅを小さくすれば）共振周波数ｆｒは低くなり、材質を硬くすれば（ヤング率Ｅを大きくすれば）共振周波数ｆｒは高くなる。
一方、後者は、重錘体の質量ｍを変える方法であり、具体的には、サイズを変える方法と材質（比重）を変える方法とがある。いずれの場合も、質量ｍを大きくすると（重くすると）共振周波数ｆｒは低くなり、質量ｍを小さくすると（軽くすると）共振周波数ｆｒは高くなる。
この図９の表に示す調整方法は、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系を前提としたものであるが、その基本原理は、複数の重錘体を有する図３に示す基本構造部にも適用することができる。
板状構造体の形状や材質を変える前者の方法では、変更対象として、厚みｔ、幅ｗ、長さＬ、材質（ヤング率Ｅ）という４つのパラメータが存在するが、もちろん、これら４つのパラメータを組み合わせて変更するようにしてもかまわない。この４つのパラメータを変えることは、共振系のバネ定数を変えることに他ならない。もちろん、共振周波数をシフトさせる方法には、重錘体の質量ｍを変える方法もあるので、板状構造体の形状や材質を変える前者の方法と、重錘体の質量ｍを変える後者の方法と、を組み合わせて利用することもできる。
続いて、図３に示す発電素子１０００の全体の発電量に関する周波数特性について説明する。図１０は、図３に示す発電素子１０００の基本構造部について、コンピュータシミュレーションを行った結果として得られた各共振系の振動点となる端点Ｔ１，Ｔ３の振動の周波数特性を示すグラフである。グラフの横軸は、この発電素子１０００に外部から与える振動（この例では、Ｚ軸方向の振動）の周波数ｆを示し、グラフの縦軸は、当該外部振動に基づいて励振する端点Ｔ１もしくは端点Ｔ３の振幅Ａを示している。
具体的には、図１０(a) は、第１の共振系Ｉの振動点となる端点Ｔ１についての振幅Ａを示す周波数特性であり、周波数値ｆｒ１の位置に大きなピーク波形Ｐ１１が現れており、周波数値ｆｒ２の位置に小さなピーク波形Ｐ１２が現れている。一方、図１０(b) は、第２の共振系IIの振動点となる端点Ｔ３についての振幅Ａを示す周波数特性であり、周波数値ｆｒ２の位置に大きなピーク波形Ｐ２２が現れており、周波数値ｆｒ１の位置に小さなピーク波形Ｐ２１が現れている。
ここで、周波数値ｆｒ１は、第１の共振系Ｉに固有の１次共振モードでの共振周波数であり、周波数値ｆｒ２は、第２の共振系IIに固有の１次共振モードでの共振周波数である。図３の基本構造部において、各板状構造体１１１，１１３，１１４は、厚みｔは同一であるが、幅ｗおよび長さＬは若干相違する。具体的には、図４(a) に示すとおり、第１の共振系Ｉを構成する板状構造体１１１は、第２の共振系IIを構成する板状構造体１１３，１１４に比べて、幅ｗは狭く、長さＬは長い。したがって、図９の表を参照すると、第１の共振系Ｉを構成する板状構造体１１１の方が、第２の共振系IIを構成する板状構造体１１３，１１４よりもバネ定数ｋが小さくなり、板状構造体のバネ定数の比較に関する限り、第１の共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１の方が、第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ２よりも低くなる。
一方、第１の共振系Ｉの重りの質量ｍは、図７(a) に示すとおり、構成要素２１１，２１２，２１３，１１２，１１３，１１４の全体の質量になる。これに対して、第２の共振系IIの重りの質量ｍは、図７(b) に示すとおり、重錘体２１２の質量になる。したがって、第１の共振系Ｉの重りの方が、第２の共振系IIの重りよりも重くなるので、図９の表を参照すると、重りの重さに関しても、やはり第１の共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１の方が、第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ２よりも低くなる。
結局、図３の基本構造部の場合、共振周波数ｆｒ１の方が、共振周波数ｆｒ２よりも低くなる。図１０(a) ，(b) に示すグラフは、このような理論的な解析結果に合致する周波数特性を示している。
したがって、図３に示す台座３１０に対して外部から振動を与え、この外部振動の周波数ｆを低い方から徐々に上げてゆくと、次のような現象が見られることになる。まず、与える外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ１に達したときに、図１０(a) のピーク波形Ｐ１１に示すとおり、端点Ｔ１の振幅Ａが急激に増大する。これは、端点Ｔ１の振動に関与する第１の共振系Ｉがその固有の共振周波数ｆｒ１に達したためである。このとき、第２の共振系IIについては、まだ固有の共振周波数ｆｒ２に達していないため、本来であれば、端点Ｔ３の振幅Ａは極めて小さくなるはずである。
しかしながら、実際には、第１の共振系Ｉと第２の共振系IIとは、図７(c) に示すような入れ子状をなしており、両者は物理的にも接続されているため、振動に関して相互に影響を及ぼすことになる。すなわち、外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ１に達し、端点Ｔ１の振幅Ａがピーク波形Ｐ１１に示すように急増すると、その影響を受け、端点Ｔ３の振幅Ａも増加する。図１０(b) に示す小さなピーク波形Ｐ２１は、このような影響を受けて発生したピーク波形である。要するに、端点Ｔ１の共振周波数ｆｒ１に相当する周波数をもった外部振動が与えられると、端点Ｔ１の振幅が急増するだけでなく、その影響で、端点Ｔ３の振幅も増加する現象が生じる。
続いて、外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ２に達した場合を考えると、図１０(b) のピーク波形Ｐ２２に示すとおり、端点Ｔ３の振幅Ａが急激に増大する。これは、端点Ｔ３の振動に関与する第２の共振系IIがその固有の共振周波数ｆｒ２に達したためである。
このとき、その影響を受け、端点Ｔ１の振幅Ａも増加する。図１０(a) に示す小さなピーク波形Ｐ１２は、このような影響を受けて発生したピーク波形である。要するに、端点Ｔ３の共振周波数ｆｒ２に相当する周波数をもった外部振動が与えられると、端点Ｔ３の振幅が急増するだけでなく、その影響で、端点Ｔ１の振幅も増加する現象が生じる。
なお、図１０(b) は、端点Ｔ３（負側板状構造体１１３の先端点）の振動の周波数特性を示すものであるが、端点Ｔ５（正側板状構造体１１４の先端点）の振動の周波数特性も全く同じものになる。
結局、図３に示す発電素子１０００の台座３１０に対して、共振周波数ｆｒ１をもつ外部振動が加えられたときには、重錘体２１１には図１０(a) のピーク波形Ｐ１１に示すような振幅Ａをもった振動が生じ、重錘体２１２，２１３には図１０(b) のピーク波形Ｐ２１に示すような振幅Ａをもった振動が生じることになる。また、共振周波数ｆｒ２をもつ外部振動が加えられたときには、重錘体２１１には図１０(a) のピーク波形Ｐ１２に示すような振幅Ａをもった振動が生じ、重錘体２１２，２１３には図１０(b) のピーク波形Ｐ２２に示すような振幅Ａをもった振動が生じることになる。
そこで、中央板状構造体１１１，負側板状構造体１１３，正側板状構造体１１４の変形に基づいて電荷発生素子４００が発生させた電荷を発電回路５００によって整流して取り出すようにすれば、発電素子１０００全体としての発電量の周波数特性は、図１１のグラフに示すようになる。すなわち、第１の共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１の位置に発電量の第１ピーク波形Ｐ１（半値幅ｈ１）が得られ、第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ２の位置に発電量の第２ピーク波形Ｐ２（半値幅ｈ２）が得られる。なお、図１１では、便宜上、２つのピーク波形Ｐ１，Ｐ２の高さや幅を同一に描いているが、実際には、個々のピーク波形Ｐ１，Ｐ２の高さや幅は、図３に示す基本構造部の各部の寸法や材質などの条件によって定まることになる。
この図１１の縦軸に示す発電量は、あくまでも発電素子１０００全体としての総発電量であるから、図１１に示す第１ピーク波形Ｐ１には、第１の共振系Ｉを構成する中央板状構造体１１１の変形に基づく発電量だけでなく、第２の共振系IIを構成する負側板状構造体１１３および正側板状構造体１１４の変形に基づく発電量も含まれている。第２ピーク波形Ｐ２も同様に、各板状構造体１１１，１１３，１１４の変形に基づく総発電量を示すものである。
図１に示す従来の発電素子の場合、図２のグラフに示す共振周波数ｆｒ近傍の周波数をもった外部振動が与えられたときにのみ効率的な発電が行われることになり、発電可能な周波数帯域は、その半値幅ｈ程度の狭いものにならざるを得ない。これに対して、図３に示す本発明に係る発電素子１０００の場合、図１１のグラフに示すとおり、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２の位置にそれぞれピーク波形Ｐ１，Ｐ２が得られるため、これら共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２近傍の周波数をもった外部振動が与えられたときに効率的な発電が可能になり、発電可能な周波数帯域を、図示の周波数帯域Ｒ１程度にまで広げることが可能になる。
もちろん、図示の周波数帯域Ｒ１は、周波数ｆｒ１〜ｆｒ２の範囲をすべてカバーする連続した帯域ではなく、いわば「歯抜け状態」の帯域である。したがって、ｆｒ１〜ｆｒ２の範囲の周波数をもった外部振動のすべてについて効率的な発電が行われるわけではないが、図２のグラフに示す従来の発電素子の発電特性に比べれば、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られることになる。
前述したとおり、図３に示す発電素子１０００の基本構造部では、第１属性をもつ板状構造体１１１と第２属性をもつ板状構造体１１３，１１４とが、異属間接続体１１２によって接続されており、しかも第１属性をもつ板状構造体と第２属性をもつ板状構造体とは、根端部から先端部へ向かう方向が逆転した関係になっている。このため、すべての板状構造体は、同じ基準軸Ｙに沿った方向に伸びているが、異属間接続体１１２において折り返す構造になっているため、基本構造部全体を、比較的コンパクトな空間に収容することができ、発電素子全体として小型化を図ることができる。
しかも、上記構造により、同じ基準軸Ｙに沿った方向に伸びる複数の板状構造体によって、入れ子状になった合成振動系を形成することができるので、図１１の周波数特性に示すように、比較的大きな発電量のピークＰ１，Ｐ２を複数箇所に設けることができるようになり、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られることになる。これが、本発明の重要な作用効果である。
その上、本発明に係る発電素子を設計する際には、複数の共振系についてのバネ定数や重りの質量を変更することにより、発電量のピークＰ１，Ｐ２の位置をシフトさせることが可能である。
上述したとおり、図２に示す従来装置のグラフと図１１に示す本発明に係る装置のグラフとを比較すると、後者では、ピーク波形が２組に増えたため、発電可能な周波数帯域は、図示の周波数帯域Ｒ１程度にまで広がっている。したがって、この発電素子１０００の実利用環境において外部から与えられるであろう振動が、図示する周波数帯域Ｒ１内の周波数成分を含んだ振動であろうと想定される場合には、図１１に示す周波数特性は、非常に好ましいと言える。特に、実利用環境における外部振動の主たる周波数成分が、ｆｒ１，ｆｒ２であるような場合は、図１１に示す周波数特性は、正に理想的な特性になる。
しかしながら、想定される外部振動の周波数成分が、より広い範囲に分布している場合は、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１（第１の共振系Ｉの共振周波数）をより低くなるように左側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２（第２の共振系IIの共振周波数）をより高くなるように右側にシフトさせる調整を行うのが好ましい。図１２(a) は、このような調整を行った結果を示すグラフである。ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１はｆｒ１（−）に調整され、ピーク波形Ｐ１は左側にシフトしてピーク波形Ｐ１′となっている。また、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２はｆｒ２（＋）に調整され、ピーク波形Ｐ２は右側にシフトしてピーク波形Ｐ２′となっている。
その結果、図１２(a) のグラフの場合、全体の周波数帯域がＲ２に広がっている。もちろん、この周波数帯域はＲ２は、周波数ｆｒ１（−）〜ｆｒ２（＋）の範囲をすべてカバーする連続した帯域ではなく、「歯抜け状態」の帯域であるが、周波数ｆｒ１（−）〜ｆｒ２（＋）の範囲の周波数成分を含む外部振動が与えられた場合には、好ましい周波数特性を示すことになる。特に、主たる周波数成分が、ｆｒ１（−），ｆｒ２（＋）であるような場合は、図１２(a) に示す周波数特性は理想的な特性になる。
逆に、想定される外部振動の周波数成分が、より狭い範囲に分布している場合は、図１１に示す周波数特性において、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１をより高くなるように右側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２をより低くなるように左側にシフトさせる調整を行うのが好ましい。図１２(b) は、このような調整を行った結果を示すグラフである。ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１はｆｒ１（＋）に調整され、ピーク波形Ｐ１は右側にシフトする。また、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２はｆｒ２（−）に調整され、ピーク波形Ｐ２は左側にシフトする。その結果、２つのピーク波形は融合し、半値幅ｈ１，ｈ２よりも広い半値幅ｈｈをもった融合ピーク波形ＰＰが形成されている。
この図１２(b) のグラフの場合、全体の周波数帯域はＲ３になり、図１１のグラフの周波数帯域Ｒ１よりは狭くなっているが、融合ピーク波形ＰＰが形成されているため、周波数帯域Ｒ３は、周波数ｆｒ１（＋）〜ｆｒ２（−）の範囲をすべてカバーする連続した帯域になる。したがって、周波数ｆｒ１（＋）〜ｆｒ２（−）の近傍の周波数成分を含む外部振動が与えられた場合には、図１２(b) に示す周波数特性は理想的な特性になる。
この図１２(b) のグラフに示すような周波数特性をもった発電素子の場合、その基本構造部が、第１属性の板状構造体１１１の振動端に接続された重錘体２１１と、第２属性の板状構造体１１３，１１４の振動端に接続された重錘体２１２，２１３と、を有しており、これら２種類の重錘体の共振周波数付近のスペクトルピーク波形が相互に一部重複するように、各重錘体の共振周波数が隣接するように設定されていることになる。このように、複数のスペクトルピーク波形を隣接させるような設計を行うと、より幅の広い融合ピーク波形ＰＰを形成することができるので、広く、かつ、連続した周波数帯域にわたって効率的な発電が可能になる。
実用上は、実利用環境で発生する外部振動の周波数成分を考慮して、適切な周波数特性をもつ発電素子を設計するのが好ましい。そのためには、第１の共振系Ｉおよび第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２をそれぞれ所望の方向にシフトする調整が必要になる。もちろん、想定される外部振動の周波数成分が全体的に高い場合や、全体的に低い場合は、周波数帯域自体を周波数軸ｆに沿って左右に移動させるような調整も必要になる。
各共振系の共振周波数ｆｒを調整するには、図９の表に示したとおり、板状構造体を調整する方法（バネ定数を調整する方法）と、重錘体の質量を調整する方法がある。バネ定数を調整する方法を採る場合は、第１属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第１の共振系Ｉと、第２属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第２の共振系IIと、について、第１の共振系Ｉのバネ定数ｋ１と第２の共振系IIのバネ定数ｋ２とが異なるように設定すればよい。このような設定を行えば、少なくとも２組の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を異なる値に設定することができ、単一の共振周波数をもつ共振系に比べて、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られる。
ここで、第１の共振系Ｉのバネ定数ｋ１は、図７(a) に示すように、点Ｏ（台座）を固定した状態において、端点Ｔ１（異属間接続体１１２）に対して所定の作用方向（たとえば、図示の例はＺ軸方向）に力Ｆを加えたときに、端点Ｔ１の当該作用方向に生じる変位をｄ１として、ｋ１＝Ｆ／ｄ１なる式で与えられる値ｋ１として定義することができる。
同様に、第２の共振系IIのバネ定数ｋ２は、図７(b) に示すように、端点Ｔ２（異属間接続体１１２）を固定した状態において、端点Ｔ３もしくはＴ５（第２属性の板状構造体１１３もしくは１１４の振動端）に対して上記作用方向に力Ｆを加えたときに、端点Ｔ３もしくはＴ５の当該作用方向に生じる変位をｄ２として、ｋ２＝Ｆ／ｄ２なる式で与えられる値ｋ２として定義することができる。
実際には、バネ定数は、変位の方向に応じて異なるため、個々の方向ごとに別個のバネ定数が定義される。たとえば、図７(a) ，(b) に示す例のように、力ＦをＺ軸方向に加えたときに生じる変位ｄ１，ｄ２に基づいて算出されるバネ定数は、Ｚ軸方向に関するバネ定数ということになる。したがって、実用上は、実利用環境で発生すると想定される外部振動の代表的な振動方向に関するバネ定数を考慮して設計を行うようにすればよい。
バネ定数に影響を与えるパラメータは、図９の表に示すように、板状構造体の厚み、幅、長さ、材質という４つのパラメータである。したがって、２組の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を異なる値に設定して、発電可能な周波数帯域を広げる効果を得るには、基本構造部に含まれる複数の板状構造体のうち、少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータを異ならせることにより、第１の共振系のバネ定数と第２の共振系のバネ定数とが異なるように設定すればよい。
もちろん、重錘体の質量を変えることにより、共振周波数を調整することもできる。また、重錘体の位置を変えることにより（これは、板状構造体の長さを変えることと等価である）、共振周波数を調整することもできる。
図１３は、図３に示す発電素子１０００の変形例に係る発電素子１００１の基本構造部の上面図であり、図１４は、この図１３に示す発電素子１００１の基本構造部を切断線１４−１４に沿って切断した正断面図である。図３に示す発電素子１０００と図１３に示す発電素子１００１との違いは、前者における一対の重錘体２１２，２１３が、後者では単一の重錘体２１５に置き換えられている点と、前者における中央板状構造体１１１が、後者では根端部側構造体１１１ａと先端部側構造体１１１ｂとによって構成されている点である。
すなわち、この発電素子１００１の基本構造部は、異属間接続体１１２の下面に接続された第１の重錘体２１１と、負側板状構造体１１３の先端部下面と正側板状構造体１１４の先端部下面とを連結する第２の重錘体２１５と、を有している。図１３に示す第１の重錘体２１１は、図３に示す第１の重錘体２１１と全く同じものである。一方、第２の重錘体２１５は、図１４の断面図に示すとおり、根端部側構造体１１１ａの下方を、根端部側構造体１１１ａに対して所定の距離を維持しつつ跨ぐように、Ｕ字状構造を有している。
したがって、第２の重錘体２１５は、所定の許容範囲内であれば、根端部側構造体１１１ａに接触することなしに自由に変位することができ、第２の共振系IIの重りとしての役割を果たすことができる。この重錘体２１５は、根端部側構造体１１１ａの下方を跨ぐ構造部分を有しているため、その質量は、図３に示す発電素子１０００の重錘体２１２，２１３の合計質量よりも大きくなり、より効率的な発電が期待できる。もちろん、重錘体２１５は、負側板状構造体１１３の先端部上面と正側板状構造体１１４の先端部上面とを連結する構造とし、根端部側構造体１１１ａの上方を跨ぐようにしてもかまわない。
なお、この発電素子１００１では、発電素子１０００における中央板状構造体１１１の代わりに、根端部側構造体１１１ａと先端部側構造体１１１ｂとを結合した構造体が用いられているが、これは、根端部側構造体１１１ａにストッパーとしての役割を担わせるためである。図１４の正断面図に示されているとおり、先端部側構造体１１１ｂは、板状構造体１１３および１１４と同じ厚みを有する可撓性をもった板状構造体であり、発電素子１０００における中央板状構造体１１１と同等の機能を果たす構成要素である。一方、根端部側構造体１１１ａは、先端部側構造体１１１ｂよりも大きな厚みを有しており、より剛性の高い構造体になっている。この根端部側構造体１１１ａは、先端部側構造体１１１ｂ（中央板状構造体）の根端部を台座３１０に支持するための支持部材としての機能を果たす。
この発電素子１００１では、外部から与えられる振動によって、先端部側構造体１１１ｂや板状構造体１１３，１１４に撓みが生じて、重錘体２１５が変位を生じた場合でも、根端部側構造体１１１ａ（支持部材）は台座３１０に固定されたまま、ほぼ静止状態を維持することになる。このため、過度の加速度が加わった場合でも、重錘体２１５が根端部側構造体１１１ａに接触することにより、重錘体２１５の過度の変位は制限されることになり、厚みの薄い構造体１１１ｂ，１１３，１１４の部分に破損が生じることを防ぐことができる。もちろん、ストッパーとしての機能が不要な場合は、根端部側構造体１１１ａと先端部側構造体１１１ｂとを結合した構造体を用いる代わりに、図３に示す中央板状構造体１１１をそのまま用いればよい。
このように、本発明では、図９の表に示す任意のパラメータを変更することにより、所望の周波数特性をもった発電素子を設計することが可能である。ただ、基本構造部に含まれている２組の共振系Ｉ，IIは、図７(c) に示すように入れ子状の関係になっているので、一方の共振系のパラメータの変更が、他方の共振系のパラメータに影響を及ぼす可能性がある。たとえば、図３に示す基本構造部において、第２の共振系IIを構成する負側板状構造体１１３や正側板状構造体１１４の厚み、幅、長さなどを変えると、これらの質量にも変化が生じることになるので、結果的に、第１の共振系Ｉの重りの質量が変化することになる。
別言すれば、第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ２を調整する意図で、負側板状構造体１１３や正側板状構造体１１４の厚み、幅、長さなどを変える設計を行うと、第１の共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１も変動してしまうことになる。このため、所望の周波数特性をもつ発電素子を設計するには、コンピュータによるシミュレーションを利用して、設計変更後の周波数特性を求め、その結果に基づいて更なる設計変更を行う、という作業を繰り返すようにするのが好ましい。
＜＜＜ §５． 電荷発生素子および発電回路 ＞＞＞
図３に示す発電素子１０００では、電荷発生素子４００および発電回路５００をブロック図として示したが、ここでは、これらについての具体的な実施例を述べる。まず、電荷発生素子４００についての説明を行う。前述したとおり、台座３１０に外部振動が加わると、各板状構造体１１１，１１３，１１４が撓んで変形することにより、各重錘体２１１，２１２，２１３が振動する。電荷発生素子４００は、各板状構造体１１１，１１３，１１４の変形に基づいて電荷を発生させる構成要素である。
電荷発生素子４００としては、たとえば、エレクトレットなどを用いることも可能であるが、図３に示す基本構造部については、層状の圧電素子を各板状構造体１１１，１１３，１１４の表面に形成するのが好ましい。以下に述べる実施例は、電荷発生素子４００として圧電素子を用いた例であり、下部電極層、圧電材料層、上部電極層の３層構造によって圧電素子を構成している。
図１５(a) は、図３に示す基本構造部に、電荷発生素子４００として圧電素子を形成することにより得られる発電素子１００２の上面図であり、図１５(b) はこれをＹＺ平面で切断した側断面図である（発電回路５００の図示は省略）。別言すれば、図４(a) ，図４(b) に示す基本構造部に圧電素子４００を付加した状態が、図１５(a) ，図１５(b) に示されている。圧電素子４００の３層構造は、図１５(b) の側断面図に、中央板状構造体１１１の上面に形成された層として明瞭に示されている。
図１５(b) に示すとおり、圧電素子４００は、各板状構造体１１１，１１３，１１４の上面に形成された下部電極層４１０と、この下部電極層４１０の上面に形成され、応力に基づいて電荷を発生させる圧電材料層４２０と、この圧電材料層４２０の上面に形成された上部電極層４３０と、を有し、下部電極層４１０および上部電極層４３０にそれぞれ所定極性の電荷を供給する機能を有している。
なお、圧電素子４００による発電は、実際には、各板状構造体１１１，１１３，１１４の変形を生じる部分（重錘体が接合されていない部分）において行われるため、理論的には、この変形が生じる部分にのみ圧電素子４００を形成しておけば十分である。ただ、ここに示す実施例の場合、製造プロセスを簡略化するため、下部電極層４１０および圧電材料層４２０については、Ｅ字状をした主基板１１０（中央板状構造体１１１，異属間接続体１１２，負側板状構造体１１３，正側板状構造体１１４）の上面全面に形成し、上部電極層４３０のみ、それぞれ所定箇所に局在化して配置されるように形成している。
図１５(a) の上面図にハッチングを施して示す矩形図形Ｅ１１〜Ｅ３４は、局在化して配置された個々の個別上部電極層を示している（上面図のハッチングは、これら個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。）。
この基本構造部を上方から見ると、図１５(a) に示すとおり、Ｅ字状をした圧電材料層４２０の上面に、１２枚の個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４が配置されている状態が観察できる。Ｅ字状をした圧電材料層４２０の下には、同じくＥ字状をした下部電極層４１０が配置され、更にその下には、同じくＥ字状をした主基板１１０が配置されている。図１５(b) は、この基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図であるため、中央板状構造体１１１上に形成された個別上部電極層Ｅ１１，Ｅ１３が現れており、その奥に、負側板状構造体１１３上に形成された個別上部電極層Ｅ２３の一部が現れている。
結局、図１５に示す実施例の場合、各板状構造体１１１，１１３，１１４を含むＥ字状をした主基板１１０の上面全面に共通下部電極層４１０が形成され、この共通下部電極層４１０の上面に共通圧電材料層４２０が形成され、この共通圧電材料層４２０の上面の異なる箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４が形成されている。
図１６(a) および(b) は、図１５に示す発電素子１００２の各部の寸法を示すための参考図であり、図１６(a) は上面図、図１６(b) は側面図である。図１６(a) に示す各部の寸法は次のとおりである。ｄ１＝０．５ｍｍ、ｄ２＝０．８ｍｍ、ｄ３＝０．２ｍｍ、ｄ４＝０．３ｍｍ、ｄ５＝０．５ｍｍ、ｄ６＝１．０ｍｍ、ｄ７＝０．３ｍｍ、ｄ８＝０．２ｍｍ、ｄ９＝０．３ｍｍ、ｄ１０＝１．０ｍｍ、ｄ１１＝０．４ｍｍ。一方、図１６(b) に示す各部の寸法は次のとおりである。ｔ１＝５２５μｍ、ｔ２＝１５μｍ、ｔ３＝０．０５μｍ、ｔ４＝２μｍ、ｔ５＝０．０５μｍ。もちろん、これらの各寸法値は、本発明の実施例に係る発電素子１００２の実寸を一例として示すものであり、本発明は、これらの寸法値によって何ら限定されるものではない。
圧電材料層４２０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。具体的には、圧電材料層４２０は、たとえば、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）などの圧電薄膜によって構成することができる。あるいは、バルク型圧電素子を用いるようにしてもかまわない。各電極層４１０，４３０は、導電性材料であれば、どのような材料で構成してもかまわないが、実用上は、たとえば、金、白金、アルミニウム、銅などの金属層によって構成すればよい。
なお、電荷発生素子４００として上述したような圧電素子を用いる場合は、主基板１１０としてシリコン基板を用いるのが最適である。これは、一般に、現在の製造プロセスをよって、金属基板の上面に圧電素子を形成した場合と、シリコン基板の上面に圧電素子を形成した場合とを比較すると、前者の圧電定数に比べて後者の圧電定数の方が３倍程度大きな値になり、後者の方の発電効率が圧倒的に高くなるためである。これは、シリコン基板の上面に圧電素子を形成すると、圧電素子の結晶の配向が揃うためと考えられる。
台座３１０に外部振動が与えられると、主基板１１０の撓みにより圧電材料層４２０の各部に応力が加わる。その結果、圧電材料層４２０の厚み方向に分極が生じ、上部電極層４３０および下部電極層４１０に電荷が発生する。別言すれば、圧電素子４００は、外部振動に基づいて、下部電極層４１０および上部電極層４３０にそれぞれ所定極性の電荷を供給する機能を果たす。図には示されていないが、各電極層と発電回路５００との間には配線が施されており、圧電素子４００が発生させた電荷は発電回路５００によって電力として取り出されることになる。
もちろん、板状構造体１１１，１１３，１１４に形成する個別上部電極層の形状および配置は、必ずしも図１５(a) の上面図に示す例に限定されるわけではない。たとえば、図１７は、図３に示す発電素子１０００の更に別な変形例に係る発電素子１００３の上面図である（発電回路５００の図示は省略）。この上面図においても、ハッチングは、電荷発生素子４００を構成する個別上部電極層の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。
図１７に示す例の場合、中央板状構造体１１１の上面には、ほぼ全領域にわたるように単一の個別上部電極層Ｅ１０が形成されており、負側板状構造体１１３の上面には、その中心を通る長手方向軸Ｌ１の両脇に、それぞれ個別上部電極層Ｅ２５，Ｅ２６が形成されており、正側板状構造体１１４の上面には、その根端部側に個別上部電極層Ｅ３５が、その先端部側に個別上部電極層Ｅ３６が、それぞれ形成されている。
もちろん、個別上部電極層の配置として、この図１７に示すような電極配置を採用した発電素子１００３でも、発電を行うことは可能であるが、発電効率は、図１５(a) に示すような電極配置を採用した発電素子１００２の方が良好になる。これは、図１５(a) に示す個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４の配置が、各板状構造体１１１，１１３，１１４が特定の変形を生じた時点において、個々の個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４ごとに、それぞれ圧電材料層４２０から同一極性の電荷が供給されるように配慮されているためである。
図１８は、台座１０に左端が固定された一般的な板状構造体２０についての、個別上部電極層の好ましい配置を示す上面図である。図示のとおり、板状構造体２０の右端には重錘体３０が接続されており、この重錘体３０は、板状構造体２０を用いた片持ち梁構造によって台座１０に対して支持されていることになる。なお、図示は省略するが、実際には、板状構造体２０の上面全面には下部電極層が形成され、その上面全面には圧電材料層が形成され、図示された４枚の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４は、この圧電材料層の上面に形成されている。図のハッチングは、個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。
この図１８に示す配置例の特徴は、板状構造体２０の上面の中心に、Ｙ軸に平行な方向に伸びる中心軸を定義したときに、根端部側の中心軸の両脇と先端部側の中心軸の両脇とに、それぞれ個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４が配置されている点である。具体的には、図示の例の場合、Ｙ軸を中心軸として、根端部側（図の左側）の中心軸の両脇には、個別上部電極層Ｅ１，Ｅ２が配置されており、先端部側（図の右側）の中心軸の両脇には、個別上部電極層Ｅ３，Ｅ４が配置されている。
一般に、１つの板状構造体２０について、このような４組の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４を配置すると、板状構造体２０が特定の変形を生じた時点において、各個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４には、それぞれ圧電材料層から同一極性の電荷が供給される。
たとえば、台座１０を固定した状態において、重錘体３０がＺ軸方向（図１８の紙面に垂直な方向）に１次共振モード（図８(a) 参照）で振動したとすると、ある瞬間において、電極Ｅ１，Ｅ２が配置されている根端部側の上面の領域には圧縮方向応力か、伸張方向応力かのいずれかが作用し、電極Ｅ３，Ｅ４が配置されている先端部側の上面の領域にはこれと逆の応力が作用する。一方、重錘体３０がＹ軸方向に１次共振モードで振動したとすると、ある瞬間において、板状構造体２０の上面の全領域には、圧縮方向応力か、伸張方向応力かのいずれかが作用する。また、重錘体３０がＸ軸方向に１次共振モードで振動したとすると、ある瞬間において、電極Ｅ１，Ｅ４が配置されている上面の領域には圧縮方向応力か、伸張方向応力かのいずれかが作用し、電極Ｅ２，Ｅ３が配置されている上面の領域にはこれと逆の応力が作用する。
したがって、少なくとも１次共振モードでの振動を想定した場合、重錘体３０がどの方向に振動しようとも、各個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４には、ある時点において、それぞれ同一極性の電荷が供給される。たとえば、ある時点において、個別上部電極層Ｅ１に供給される電荷の極性は、正もしくは負のいずれか一方のみであり、同一時点で個別上部電極層Ｅ１内のある部分には正電荷、別なある部分には負電荷が供給されるようなことはない。
個別上部電極層Ｅ２〜Ｅ４についても同様である。
このように、ある１つの個別上部電極層について、ある時点では必ず同一極性の電荷が供給されることは、発電効率を向上させる上で重要である。たとえば、図１７に示す実施例の場合、中央板状構造体１１１の上面には、単一の上部電極層Ｅ１０のみが形成されているが、このような構成では、Ｘ軸方向もしくはZ軸方向に振動させた場合、同一時点において、同一の上部電極層Ｅ１０に正負両極性の電荷が同時に供給されることになる。すなわち、同一の導電体上に逆極性の電荷が発生して、互いに打ち消しあって消滅してしまい、発電ロスを生じることになる。図１７に示す上部電極層Ｅ２５，Ｅ２６の構成や、上部電極層Ｅ３５，Ｅ３６の構成も同様である。
このような理由から、実用上は、図１８に示す例のように、１つの板状構造体２０に電気的に独立した４組の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４を形成するのが好ましい。図１５(a) に示す個別上部電極層の配置は、各板状構造体１１１，１１３，１１４のすべてについて、図１８に示す４組の電極配置を採用したものである。すなわち、中央板状構造体１１１の上面には、Ｙ軸を中心軸として、根端部側の中心軸の両脇に電極層Ｅ１１，Ｅ１２が配置され、先端部側の中心軸の両脇に電極層Ｅ１３，Ｅ１４が配置されている。また、負側板状構造体１１３の上面には、Ｙ軸に平行な長手方向軸Ｌ１を中心軸として、根端部側の中心軸の両脇に電極層Ｅ２１，Ｅ２２が配置され、先端部側の中心軸の両脇に電極層Ｅ２３，Ｅ２４が配置されている。同様に、正側板状構造体１１４の上面には、Ｙ軸に平行な長手方向軸Ｌ２を中心軸として、根端部側の中心軸の両脇に電極層Ｅ３１，Ｅ３２が配置され、先端部側の中心軸の両脇に電極層Ｅ３３，Ｅ３４が配置されている。
なお、図１８に示す例において、板状構造体２０に発生する応力は、台座１０や重錘体３０との接続箇所の直前部分に最も集中する傾向があるので、上部電極層Ｅ１，Ｅ２の左端は台座１０との境界位置まで伸ばすのが好ましく、上部電極層Ｅ３，Ｅ４の右端は重錘体３０との境界位置まで伸ばすのが好ましい。図１５(a) に示す各個別上部電極層も、このような境界位置まで端部を伸ばす構成を採用している。
図１８に示す４組の上部電極層Ｅ１〜Ｅ４には、いずれも、ある時点では必ず同一極性の電荷が供給されることになるが、各上部電極層から取り出される電荷の極性は、時々刻々と変化する。これは、板状構造体２０が振動すると、圧電材料層の各部に加わる応力の向き（圧縮方向応力か、伸張方向応力か）が変化し、それに応じて、発生電荷の極性が変化するためである。したがって、図１５(a) に示す発電素子１００２において、１２組の各個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４に発生した電荷を取り出して電力として利用するためには、発電回路５００によって、発生した電荷に基づいて生じる電流を整流する必要がある。
図１９は、このような整流機能を有する発電回路５００の具体的な構成を示す回路図である。図１９において、左側に示されているＰ１１〜Ｐ３４は、それぞれ図１５(a) に示す個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４の下方に位置する圧電材料層４２０の一部分である。そして、Ｐ１１〜Ｐ３４の左側に描かれた線は、共通の下部電極層４１０に相当し、Ｐ１１〜Ｐ３４の右側に描かれた線は、それぞれ個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４に相当する。
この回路図において、Ｄ１１（＋）〜Ｄ３４（＋）は整流素子（ダイオード）であり、それぞれ個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４に発生した正電荷を取り出す役割を果たす。また、Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−）も整流素子（ダイオード）であり、それぞれ個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４に発生した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。この容量素子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、この発電素子１００２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。また、容量素子Ｃｆの両端子と下部電極層４１０との間には、整流素子（ダイオード）として、互いに逆方向を向いたＤ４１，Ｄ４２が接続されている。
結局、発電回路５００は、容量素子Ｃｆと、各個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４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個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４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（＋）〜Ｄ３４（＋）と、各個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４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の負極側から各個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−）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。
この回路図において、負荷ＺＬには、正電荷用整流素子Ｄ１１（＋）〜Ｄ３４（＋）で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−）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、各個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４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。
したがって、実用上、発電素子１００２の基本構造部は、図４(a) に示すとおり、ＹＺ平面に関して面対称となる対称構造にするのが好ましい。また、中央板状構造体１１１の上面に形成する電極層Ｅ１１〜Ｅ１４は、ＹＺ平面に関して面対称となる対称構造にするのが好ましく、負側板状構造体１１３の上面に形成する電極層Ｅ２１〜Ｅ２４は、長手方向軸Ｌ１を含みＺ軸に平行な平面に関して面対称となる対称構造にするのが好ましく、正側板状構造体１１４の上面に形成する電極層Ｅ３１〜Ｅ３４は、長手方向軸Ｌ２を含みＺ軸に平行な平面に関して面対称となる対称構造にするのが好ましい。
＜＜＜ §６． 基本構造部を装置筐体に収容した実施例 ＞＞＞
ここでは、発電素子を装置筐体に収容した実施例を説明する。図２０(a) は、図３に示す発電素子１０００を装置筐体３１０Ａに収容した形態を有する装置筐体付きの発電素子１５００の平断面図、図２０(b) は側断面図である。
図示された装置筐体３１０Ａは、図３に示す発電素子１０００の基本構造部を収容するのに適した直方体をなす構造体であり、図２０(a) の平断面図に示されている側板３１１〜３１４と、図２０(b) の側断面図に示されている天板３１５および底板３１６を有する。図２０(a) は、この発電素子１５００を、ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した断面図であり、図２０(b) は、この発電素子１５００を、ＹＺ平面で切断した断面図である。なお、実際には、主基板１１０の上面には、圧電素子などの電荷発生素子４００が設けられており、更に、いずれかの場所に、発生した電荷を電力として取り出すための発電回路５００も設けられているが、図２０では、これら電荷発生素子４００および発電回路５００についての図示は省略する。
この実施例の場合、図３に示す台座３１０は、装置筐体３１０Ａの一部として組み込まれており、図示の側板３１１が図３に示す台座３１０としての機能を果たす。もちろん、台座３１０を装置筐体３１０Ａとは別個に残しておき、図３に示す基本構造部をそっくり装置筐体３１０Ａの中に収容し、台座３１０を装置筐体３１０Ａの中に固定するようにしてもよい（たとえば、台座３１０の底面を底板３１６の上面に接合すればよい）。
図示のとおり、装置筐体３１０Ａの内面と、各板状構造体１１１，１１３，１１４および各重錘体２１１，２１２，２１３の外面との間には、所定の空間が確保されており、装置筐体３１０Ａに加えられた外部振動の大きさが所定の基準レベル以下である場合には、加えられた外部振動に応じて、各板状構造体１１１，１１３，１１４および各重錘体２１１，２１２，２１３が、確保されている空間内で振動し、発電が行われる。ところが、装置筐体３１０Ａに加えられた外部振動の大きさが、上記基準レベルを超えた場合には、加えられた外部振動に応じて、各板状構造体１１１，１１３，１１４および各重錘体２１１，２１２，２１３のいずれかの箇所（場合によっては、主基板１１０の上面に形成された電荷発生素子４００）が装置筐体３１０Ａの内面に接触して、それ以上の変位が制限される。
もちろん、発電効率を高める、という観点からは、各板状構造体１１１，１１３，１１４や各重錘体２１１，２１２，２１３の変位は制御するべきではない。一般的には、大きな変位が生じれば、板状構造体は大きく撓み、圧電素子などの電荷発生素子４００は、より大きな電荷を発生することができる。しかしながら、板状構造体に対して、その弾性限界を超えるような過度の変位が生じると、板状構造体が破損する可能性があり、発電素子として機能しなくなるおそれがある。そこで、実用上は、板状構造体が破損するような過度の変位が生じないように、装置筐体３１０Ａの内面と、板状構造体および重錘体の外面との間の空隙寸法を所定の基準値に設定し、基準レベルを超えた外部振動が加えれらた場合には、板状構造体および重錘体が装置筐体３１０Ａの内面に接触し、それ以上の変位が生じないようにしておくのが好ましい。
＜＜＜ §７． 第２〜第８の実施形態 ＞＞＞
＜７−１． 第１の実施形態との相違＞
続いて、これまで述べてきた第１の実施形態の変形例として、第２〜第８の実施形態を個別に説明する。これらの実施形態は、第１の実施形態に係る発電素子１０００における基本構造部の形態、特に、板状構造体の数や相互の接続関係を変えたものであり、いずれも、§６で述べたように、装置筐体に収容した実施例として示すことにする。
なお、これら第２〜第８の実施形態に係る発電素子の基本動作は、これまで述べてきた第１の実施形態に係る発電素子の動作とほぼ同じであるため、個別の実施形態についての詳しい動作説明は省略する。
以下の説明で用いる図２１〜図２８および図３１は、第２〜第８の実施形態に係る発電素子を、ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した平断面図であり、発電回路５００の図示は省略する。また、個々の板状構造体について、図１８に示す４組の電極配置を採用した圧電素子を電荷発生素子４００として用いた例を示す（一部に例外あり）。なお、これらの図において、装置筐体の部分（台座として機能する部分も含む）に施された粗い斜線ハッチングは、当該部分が断面部分であることを示している。一方、主基板の部分（板状構造体および各接続体）については、細かな斜線ハッチングは、個々の個別上部電極層の形成領域を示すものであり、ドットハッチングは、主基板の下面に重錘体が接合されている領域を示すものであり、いずれも断面を示すものではない。
また、以下の説明においても、ＸＹ平面を水平面にとり、ＹＺ平面で仕切られる空間のうち、正のＸ座標値を有する空間を正側空間、負のＸ座標値を有する空間を負側空間と定義することにし、ＹＺ平面上に配置された板状構造体を中央板状構造体と呼び、正側空間に配置された板状構造体を正側板状構造体と呼び、負側空間に配置された板状構造体を負側板状構造体と呼ぶことにする。
＜７−２． 第２の実施形態＞
図２１は、本発明の第２の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子２０００の平断面図である。この例の場合、平面がＥ字状をした主基板１２０は、第１属性をもつ負側板状構造体１２１および正側板状構造体１２２と、異属間接続体１２３と、第２属性をもつ中央板状構造体１２４と、によって構成されている。異属間接続体１２３は、第１属性をもつ負側板状構造体１２１および正側板状構造体１２２と、第２属性をもつ中央板状構造体１２４とを接続する役割を果たす。基本構造部は、この主基板１２０と、装置筐体３２０に側板の一部として組み込まれた台座３２１と、２組の重錘体２２１，２２２と、によって構成されている。そして、台座３２１は、根端点Ｑ１およびＱ２において、負側板状構造体１２１および正側板状構造体１２２を支持する役割を果たす。
ここで、負側板状構造体１２１は、負側空間に配置されており、根端部が台座３２１の根端点Ｑ１に接続されており、先端部が異属間接続体１２３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。また、正側板状構造体１２２は、正側空間に配置されており、根端部が台座の根端点Ｑ２に接続されており、先端部が異属間接続体１２３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。
一方、中央板状構造体１２４は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が異属間接続体１２３に接続されており、根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第２属性をもつ板状構造体である。そして、第１の重錘体２２１は、異属間接続体１２３の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体であり、第２の重錘体２２２は、中央板状構造体１２４の先端部下面の領域（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体である。
図３に示す第１の実施形態では、第１属性をもつ板状構造体として、中央板状構造体１１１が１本だけ設けられ、第２属性をもつ板状構造体として、負側板状構造体１１３および正側板状構造体１１４の２本が設けられていたが、図２１に示す第２の実施形態では、逆に、第１属性をもつ板状構造体として、負側板状構造体１２１および正側板状構造体１２２の２本が設けられ、第２属性をもつ板状構造体として、中央板状構造体１２４が１本だけ設けられている。
両実施形態ともに、合計３本の板状構造体を有し、合計１２組の個別上部電極層を用いて電力が取り出される点に変わりはないが、図２１に示す第２の実施形態の場合、主基板１２０と台座３２１との間の接続が、根端点Ｑ１，Ｑ２の２箇所において行われているため、装置筐体３２０に設けられた発電回路５００（図示省略）と各個別上部電極層との間の配線を、根端点Ｑ１の近傍と根端点Ｑ２の近傍との２箇所において行うことが可能になり、配線の取り回しが容易になるという利点が得られる。
＜７−３． 第３の実施形態＞
図２２は、本発明の第３の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子３０００の平断面図である。この例の場合、主基板１３０は、第１属性をもつ第１の負側板状構造体１３１および第１の正側板状構造体１３２と、異属間接続体１３３と、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１３４および第２の正側板状構造体１３５と、最先端部接続体１３６と、によって構成されている。異属間接続体１３３は、第１属性をもつ第１の負側板状構造体１３１および第１の正側板状構造体１３２と、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１３４および第２の正側板状構造体１３５とを接続する役割を果たす。また、最先端部接続体１３６は、第２の負側板状構造体１３４の先端部および第２の正側板状構造体１３５の先端部の双方に接続された部材である。
基本構造部は、この主基板１３０と、装置筐体３３０に側板の一部として組み込まれた台座３３１と、２組の重錘体２３１，２３２と、によって構成されている。そして、台座３３１は、根端点Ｑ１およびＱ２において、第１の負側板状構造体１３１および第１の正側板状構造体１３２を支持する役割を果たす。
ここで、第１の負側板状構造体１３１は、負側空間に配置されており、根端部が台座３３１の根端点Ｑ１に接続されており、先端部が異属間接続体１３３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。また、第１の正側板状構造体１３２は、正側空間に配置されており、根端部が台座の根端点Ｑ２に接続されており、先端部が異属間接続体１３３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。
一方、第２の負側板状構造体１３４は、負側空間に配置されており、根端部が異属間接続体１３３に接続されており、先端部が最先端部接続体１３６に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ３の方向）に伸びている第２属性をもつ板状構造体である。また、第２の正側板状構造体１３５は、正側空間に配置されており、根端部が異属間接続体１３３に接続されており、先端部が最先端部接続体１３６に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ４の方向）に伸びている第２属性をもつ板状構造体である。
そして、第１の重錘体２３１は、異属間接続体１３３の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体であり、第２の重錘体２３２は、最先端部接続体１３６の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体である。
図２１に示す第２の実施形態では、第２属性をもつ板状構造体として、中央板状構造体１２４が１本だけ設けられていたが、図２２に示す第３の実施形態では、第２属性をもつ板状構造体として、第２の負側板状構造体１３４および第２の正側板状構造体１３５の２本が設けられている。このため、板状構造体の数は４本に増え、合計１６組の個別上部電極層を用いて電力が取り出される。このため、Ｘ軸方向の幅が若干広がることになるが、より大きな電力を生成することができる。もちろん、この第３の実施形態の場合も、主基板１３０と台座３３１との間の接続が、根端点Ｑ１，Ｑ２の２箇所において行われているため、図示しない発電回路５００への配線の取り回しが容易になるという利点が得られる。
なお、最先端部接続体１３６を設けない構成にすることも可能である。この場合、第２の負側板状構造体１３４の先端部下面に第２の重錘体を接続し、第２の正側板状構造体１３５の先端部下面に第３の重錘体を接続するようにし、異属間接続体１３３の下面に接続された第１の重錘体２３１と合わせて、合計３組の重錘体をばらばらに設けるようにすればよい。
＜７−４． 第４の実施形態＞
図２３は、本発明の第４の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子４０００の平断面図である。図２２に示す発電素子３０００と図２３に示す発電素子４０００との本質的な違いは、後者では、中央板状構造体１４７および最先端部接続体１４８が追加されている点である。この中央板状構造体１４７は、これまでの各実施形態には見られなかった第３属性の板状構造体である。この第４の実施形態の重要な特徴は、第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体に加えて、更に、第３属性の板状構造体が設けられている点である。
この例の場合、主基板１４０は、第１属性をもつ第１の負側板状構造体１４１および第１の正側板状構造体１４２と、第１の異属間接続体１４３と、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１４４および第２の正側板状構造体１４５と、第２の異属間接続体１４６と、第３属性をもつ中央板状構造体１４７と、最先端部接続体１４８と、によって構成されている。最先端部接続体１４８は、中央板状構造体１４７の先端部に接続された部材である。ここで、第１の異属間接続体１４３は、第１属性をもつ第１の負側板状構造体１４１および第１の正側板状構造体１４２と、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１４４および第２の正側板状構造体１４５と、を接続する役割を果たす。また、第２の異属間接続体１４６は、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１４４および第２の正側板状構造体１４５と、第３属性をもつ中央板状構造体１４７と、を接続する役割を果たす。
別言すれば、第１の異属間接続体１４３は、第１属性をもつ板状構造体と第２属性をもつ板状構造体とを相互に接続し、板状構造体の第１の折り返し点としての役割を果たす。
同様に、第２の異属間接続体１４６は、第２属性をもつ板状構造体と第３属性をもつ板状構造体とを相互に接続し、板状構造体の第２の折り返し点としての役割を果たす。このように、この第４の実施形態では、板状構造体が第１の折り返し点で折り返され、更に、第２の折り返し点でも折り返されることになる。
基本構造部は、この主基板１４０と、装置筐体３４０に側板の一部として組み込まれた台座３４１と、３組の重錘体２４１，２４２，２４３と、によって構成されている。そして、台座３４１は、根端点Ｑ１およびＱ２において、第１の負側板状構造体１４１および第１の正側板状構造体１４２を支持する役割を果たす。
ここで、第１の負側板状構造体１４１は、負側空間に配置されており、根端部が台座３４１の根端点Ｑ１に接続されており、先端部が第１の異属間接続体１４３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。また、第１の正側板状構造体１４２は、正側空間に配置されており、根端部が台座の根端点Ｑ２に接続されており、先端部が第１の異属間接続体１４３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。
一方、第２の負側板状構造体１４４は、負側空間に配置されており、根端部が第１の異属間接続体１４３に接続されており、先端部が第２の異属間接続体１４６に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ３の方向）に伸びている第２属性をもつ板状構造体である。また、第２の正側板状構造体１４５は、正側空間に配置されており、根端部が第１の異属間接続体１４３に接続されており、先端部が第２の異属間接続体１４６に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ４の方向）に伸びている第２属性をもつ板状構造体である。
そして、中央板状構造体１４７は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が第２の異属間接続体１４６に接続されており、根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３属性をもつ板状構造体であり、最先端部接続体１４８は、この中央板状構造体１４７の先端部に接続された部材である。
また、第１の重錘体２４１は、第１の異属間接続体１４３の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体であり、第２の重錘体２４２は、第２の異属間接続体１４６の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体であり、第３の重錘体２４３は、最先端部接続体１４８の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体である。
この第４の実施形態では、前述の第３の実施形態と同様に合計１６組の個別上部電極層を用いて電力が取り出される。また、主基板１４０と台座３４１との間の接続が、根端点Ｑ１，Ｑ２の２箇所において行われているため、図示しない発電回路５００への配線の取り回しが容易になるという利点が得られる。更に、この第４の実施形態の基本構造部では、第１属性をもつ板状構造体の振動に基づく第１の共振系と、第２属性をもつ板状構造体の振動に基づく第２の共振系と、第３属性をもつ板状構造体の振動に基づく第３の共振系と、を含んだ、より複雑な合成振動系が構成されることになる。
なお、最先端部接続体１４８を設けない構成にすることも可能である。この場合、中央板状構造体１４７の先端部下面に第３の重錘体を接続するようにすればよい。ただ、図示のように、中央板状構造体１４７よりも幅の広い最先端部接続体１４８を設け、その下面に第３の重錘体２４３を接続するようにすれば、第３の重錘体２４３として、より質量の大きな重錘体を形成することが可能になり、より大きな振動を生じさせることが可能になる。また、図示の例では、中央板状構造体１４７の上面には個別上部電極層（圧電素子）を設けていないが、発電効率を更に高めるには、中央板状構造体１４７の上面にも個別上部電極層（圧電素子）を設け、電力を取り出すようにすればよい。
＜７−５． 第５の実施形態＞
図２４は、本発明の第５の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子５０００の平断面図である。この第５の実施形態の重要な特徴は、同一属性の板状構造体が直列配置されている点である。これまで述べてきた実施形態では、いずれも、同一属性の板状構造体は並列配置されており、直列配置されているものはない。ここでは、まず、この点について確認してみよう。
まず、図３に示す第１の実施形態に係る発電素子１０００の場合、第２属性の板状構造体として、負側板状構造体１１３と正側板状構造体１１４とが設けられているが、これらはいずれも根端部が異属間接続体１１２に接続されており、並列に配置されている。また、図２１に示す第２の実施形態に係る発電素子２０００の場合、第１属性の板状構造体として、負側板状構造体１２１と正側板状構造体１２２とが設けられているが、これらはいずれも根端部が台座３２１に接続されており、並列に配置されている。
一方、図２２に示す第３の実施形態に係る発電素子３０００の場合、第１属性の板状構造体として、負側板状構造体１３１と正側板状構造体１３２とが設けられているが、これらはいずれも根端部が台座３３１に接続されており、並列に配置されている。また、第２属性の板状構造体として、負側板状構造体１３４と正側板状構造体１３５とが設けられているが、これらはいずれも根端部が異属間接続体１３３に接続されており、並列に配置されている。図２３に示す第４の実施形態に係る発電素子４０００も同様である。
ところが、図２４に示す第５の実施形態に係る発電素子５０００の場合、合計４本の板状構造体が設けられており、そのうち、３本の板状構造体１５１，１５３，１５４は、いずれも根端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となる第１属性の板状構造体であり、根端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となる第２属性の板状構造体は、板状構造体１５６のみである。ここで、板状構造体１５３と１５４とは並列配置の関係になっているが、板状構造体１５１と１５３は直列配置された関係になっており、板状構造体１５１と１５４も直列配置された関係になっている。その結果、部材１５２は、同じ第１属性の板状構造体を接続する役割を果たすことになる。そこで、ここでは、この部材１５２を同属間接続体と呼ぶことにする。
したがって、この例の場合、主基板１５０は、第１属性をもつ第１の中央板状構造体１５１と、同属間接続体１５２と、同じく第１属性をもつ負側板状構造体１５３および正側板状構造体１５４と、異属間接続体１５５と、第２属性をもつ第２の中央板状構造体１５６と、最先端部接続体１５７と、によって構成されている。最先端部接続体１５７は、第２の中央板状構造体１５６の先端部に接続された部材である。
ここで、同属間接続体１５２は、第１属性をもつ第１の中央板状構造体１５１と、同じく第１属性をもつ負側板状構造体１５３および正側板状構造体１５４と、を接続する役割を果たす。これに対して、異属間接続体１５５は、第１属性をもつ負側板状構造体１５３および正側板状構造体１５４と、第２属性をもつ第２の中央板状構造体１５６と、を接続する役割を果たす。このように、異属間接続体１５５が、第１属性をもつ板状構造体と第２属性をもつ板状構造体とを相互に接続し、板状構造体の折り返し点として機能するのに対して、同属間接続体１５２は、同じ第１属性をもつ板状構造体を直列接続する中継地点として機能することになる。
基本構造部は、この主基板１５０と、装置筐体３５０に側板の一部として組み込まれた台座３５１と、３組の重錘体２５１，２５２，２５３と、によって構成されている。台座３５１は、原点Ｏにおいて、第１の中央板状構造体１５１を支持する役割を果たす。
ここで、第１の中央板状構造体１５１は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が台座３５１に接続されており、先端部が同属間接続体１５２に接続されており、根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１属性をもつ板状構造体である。また、負側板状構造体１５３は、負側空間に配置されており、根端部が同属間接続体１５２に接続されており、先端部が異属間接続体１５５に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。同様に、正側板状構造体１５４は、負側空間に配置されており、根端部が同属間接続体１５２に接続されており、先端部が異属間接続体１５５に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。
一方、第２の中央板状構造体１５６は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が異属間接続体１５５に接続されており、根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第２属性をもつ板状構造体であり、最先端部接続体１５７は、この第２の中央板状構造体１５６の先端部に接続された部材である。
また、第１の重錘体２５１は、同属間接続体１５２の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体であり、第２の重錘体２５２は、異属間接続体１５５の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体であり、第３の重錘体２５３は、最先端部接続体１５７の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された重錘体である。
この第５の実施形態には、次の３通りの共振系が含まれている。第１の共振系は、第１の中央板状構造体１５１の撓みに基づいて振動を生じさせる系であり、図において同属間接続体１５２およびその右側に接続された構成要素すべてが、この第１の共振系の重りとして機能することになる。第２の共振系は、負側板状構造体１５３および正側板状構造体１５４の撓みに基づいて振動を生じさせる系であり、図において異属間接続体１５５およびその左側中央部分に接続された構成要素すべてが、この第２の共振系の重りとして機能することになる。そして、第３の共振系は、第２の中央板状構造体１５６の撓みに基づいて振動を生じさせる系であり、その先端部に接続された構成要素が、この第３の共振系の重りとして機能することになる。
なお、最先端部接続体１５７を設けない構成にすることも可能である。この場合、第２の中央板状構造体１５６の先端部下面に第３の重錘体を接続するようにすればよい。ただ、図示のように、第２の中央板状構造体１５６よりも幅の広い最先端部接続体１５７を設け、その下面に第３の重錘体２５３を接続するようにすれば、第３の重錘体２５３として、より質量の大きな重錘体を形成することが可能になり、より大きな振動を生じさせることが可能になる。
図示の例では、第２の中央板状構造体１５６の上面には個別上部電極層（圧電素子）を設けていないため、この第５の実施形態では、合計１２組の個別上部電極層を用いて電力が取り出される。もちろん、発電効率を更に高めるには、第２の中央板状構造体１５６の上面にも個別上部電極層（圧電素子）を設け、電力を取り出すようにすればよい。
＜７−６． 第６の実施形態＞
図２５は、本発明の第６の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子６０００の平断面図である。この第６の実施形態は、上述した第５の実施形態における重錘体の形状を若干変更した変形例というべきものであり、各板状構造体の接続関係は、第５の実施形態と全く同じである。ただ、第１の重錘体と第３の重錘体の質量を大きくする変更を行っているため、同属間接続体と最先端部接続体の平面形状がＵ字状に変更されている。
具体的には、この例の場合、主基板１６０は、第１属性をもつ第１の中央板状構造体１６１と、同属間接続体１６２と、同じく第１属性をもつ負側板状構造体１６３および正側板状構造体１６４と、異属間接続体１６５と、第２属性をもつ第２の中央板状構造体１６６と、最先端部接続体１６７と、によって構成されている。最先端部接続体１６７は、第２の中央板状構造体１６６の先端部に接続された部材である。
ここで、同属間接続体１６２は、第１属性をもつ第１の中央板状構造体１６１と、同じく第１属性をもつ負側板状構造体１６３および正側板状構造体１６４と、を接続する役割を果たす。これに対して、異属間接続体１６５は、第１属性をもつ負側板状構造体１６３および正側板状構造体１６４と、第２属性をもつ第２の中央板状構造体１６６と、を接続する役割を果たす。
基本構造部は、この主基板１６０と、装置筐体３６０に側板の一部として組み込まれた台座３６１と、３組の重錘体２６１，２６２，２６３と、によって構成されている。台座３６１は、原点Ｏにおいて、第１の中央板状構造体１６１を支持する役割を果たす。
ここで、第１の中央板状構造体１６１は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が台座３６１に接続されており、先端部が同属間接続体１６２に接続されており、根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１属性をもつ板状構造体である。また、負側板状構造体１６３は、負側空間に配置されており、根端部が同属間接続体１６２に接続されており、先端部が異属間接続体１６５に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。同様に、正側板状構造体１６４は、負側空間に配置されており、根端部が同属間接続体１６２に接続されており、先端部が異属間接続体１６５に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。
一方、第２の中央板状構造体１６６は、ＹＺ平面上に配置されており、根端部が異属間接続体１６５に接続されており、根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第２属性をもつ板状構造体であり、最先端部接続体１６７は、この第２の中央板状構造体１６６の先端部に接続された部材である。
この第６の実施形態の特徴は、同属間接続体１６２および最先端部接続体１６７の平面形状がＵ字状をなし、これらの下面に接続される第１の重錘体２６１および第３の重錘体２６３の平面形状もＵ字状をなす点である。
具体的には、同属間接続体１６２は、図示のとおり、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１６２Ｒと、この直交部１６２ＲからＹ軸負方向に伸びた負側翼状部１６２Ｎおよび正側翼状部１６２Ｐと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第１の重錘体２６１は、同属間接続体１６２の直交部１６２Ｒ、負側翼状部１６２Ｎ、正側翼状部１６２Ｐ、のすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、同属間接続体１６２の平面形状と第１の重錘体２６１の平面形状とは同一であり、第１の重錘体２６１は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
一方、最先端部接続体１６７は、図示のとおり、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１６７Ｒと、この直交部１６７ＲからＹ軸正方向に伸びた負側翼状部１６７Ｎおよび正側翼状部１６７Ｐと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第３の重錘体２６３は、最先端部接続体１６７の直交部１６７Ｒ、負側翼状部１６７Ｎ、正側翼状部１６７Ｐ、のすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。
図示の実施例の場合、最先端部接続体１６７の平面形状と第３の重錘体２６３の平面形状とは同一であり、第３の重錘体２６３は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。なお、第２の重錘体２６２は、異属間接続体１６５の下面（図にドットハッチングを施して示す領域）に接続された、平面が矩形状の重錘体である。
この第６の実施形態における各部材の接続関係は、上述した第５の実施形態と全く同じであり、動作原理も全く同じになる。ただ、第１の重錘体２６１と第３の重錘体２６３の平面形状がＵ字状になっているため、第５の実施形態に比べて、これら重錘体の質量を大きくすることができ、発電効率をより向上させる利点が得られる。もちろん、第２の中央板状構造体１６６の上面にも個別上部電極層（圧電素子）を設け、電力を取り出すようにしてもよい。
ここで、第１の重錘体２６１と第３の重錘体２６３の平面形状をＵ字状とし、第２の重錘体２６２の平面形状を矩形状にしているのは、装置筐体３６０内の空間をできるだけ有効利用して、装置全体の小型化を図るためである。すなわち、第１の重錘体２６１については、第１の中央板状構造体１６１の両脇に生じる空間を利用して負側翼状部１６２Ｎおよび正側翼状部１６２Ｐを配置することができるため、空間の有効利用を図りつつ、質量を増加することができる。同様に、第３の重錘体２６３については、第２の中央板状構造体１６６の両脇に生じる空間を利用して負側翼状部１６７Ｎおよび正側翼状部１６７Ｐを配置することができるため、やはり空間の有効利用を図りつつ、質量を増加することができる。
このように、第６の実施形態に係る発電素子６０００は、第１の重錘体２６１と第３の重錘体２６３の質量を十分に大きくすることが可能なため、特に、３軸発電に適した性能を発揮することができる。一般に、冷蔵庫やエアコンなど、モータを含む振動源の場合、特定の座標軸方向の振動成分が主になるため、１軸発電に適した構造（特定の座標軸方向にのみ振動しやすい構造）をもつ発電素子でも有用であるが、自動車、列車、船舶などの乗り物では、様々な方向の振動成分を含んだ振動エネルギーが加えられるため、３軸発電に適した構造（座標軸ＸＹＺのいずれの方向にも振動しやすい構造）をもつ発電素子を用いるのが好ましい。
図２５に示す発電素子６０００は、第１の重錘体２６１および第３の重錘体２６３の質量が大きいため、Ｘ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分のいずれを含んだ振動エネルギーが外部から加えられた場合にも、各重錘体を十分な振幅で振動させることができ、３軸発電に適した性能を発揮することができる。
＜７−７． 第７の実施形態＞
図２６は、本発明の第７の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子７０００の平断面図である。この第７の実施形態は、一見したところ、上述した第６の実施形態に類似した外形を有している。すなわち、図２５における第１属性をもつ第１の中央板状構造体１６１を一対の板状構造体１７１，１７２に置き換え、図２５における第２属性をもつ第２の中央板状構造体１６６を一対の板状構造体１７４，１７５に置き換えた形態をとる。ただ、構造上の特徴という観点では、図２６に示す発電素子７０００は、図２２に示す発電素子３０００と同類である。
具体的には、この例の場合、主基板１７０は、第１属性をもつ第１の負側板状構造体１７１および第１の正側板状構造体１７２と、異属間接続体１７３と、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１７４および第２の正側板状構造体１７５と、最先端部接続体１７６と、によって構成されている。最先端部接続体１７６は、第２の負側板状構造体１７４および第２の正側板状構造体１７５の先端部に接続された部材である。
基本構造部は、この主基板１７０と、装置筐体３７０に側板の一部として組み込まれた台座３７１と、２組の重錘体２７１，２７２と、によって構成されている。台座３７１は、原点Ｏ付近において、第１の負側板状構造体１７１および第１の正側板状構造体１７２を支持する役割を果たす。
第１の負側板状構造体１７１は、負側空間に配置された板状構造体であり、根端部が台座３７１に接続されており、先端部が異属間接続体１７３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。同様に、第１の正側板状構造体１７２は、正側空間に配置された板状構造体であり、根端部が台座３７１に接続されており、先端部が異属間接続体１７３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。
一方、異属間接続体１７３は、これまでの実施例とは若干異なる形状を有している。すなわち、この図２６に示す実施例の場合、異属間接続体１７３は、ドットハッチングが施された連続領域を占める平面形状を有しており、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１７３Ｒと、直交部１７３ＲからＹ軸負方向に伸びた負側翼状部１７３Ｎおよび正側翼状部１７３Ｐと、直交部１７３ＲからＹ軸正方向に伸びた負側腕状部１７３ＮＮおよび正側腕状部１７３ＰＰと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＨ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第１の重錘体２７１は、異属間接続体１７３の直交部１７３Ｒ、負側翼状部１７３Ｎ、正側翼状部１７３Ｐ、負側腕状部１７３ＮＮ、正側腕状部１７３ＰＰのすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＨ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、異属間接続体１７３の平面形状と第１の重錘体２７１の平面形状とは同一であり、第１の重錘体２７１は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
このように、図２６に示す第７の実施形態に係る発電素子７０００の場合、負側腕状部１７３ＮＮおよび正側腕状部１７３ＰＰは、可撓性を有しておらず、板状構造体として機能するわけではなく、異属間接続体１７３の一部として機能することになる。そして、負側腕状部１７３ＮＮの先端部には、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１７４の根端部が接続され、正側腕状部１７３ＰＰの先端部には、第２属性をもつ第２の正側板状構造体１７５の根端部が接続されている。したがって、異属間接続体１７３は、第１の負側板状構造体１７１および第１の正側板状構造体１７２と、第２の負側板状構造体１７４および第２の正側板状構造体１７５と、を接続する役割を果たす。
一方、最先端部接続体１７６は、第２の負側板状構造体１７４の先端部と第２の正側板状構造体１７５の先端部とを相互に接続する役割を果たす。図示のとおり、最先端部接続体１７６は、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１７６Ｒと、この直交部１７６ＲからＹ軸正方向に伸びた負側翼状部１７６Ｎおよび正側翼状部１７６Ｐと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第２の重錘体２７２は、最先端部接続体１７６の直交部１７６Ｒ、負側翼状部１７６Ｎ、正側翼状部１７６Ｐ、のすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、最先端部接続体１７６の平面形状と第２の重錘体２７２の平面形状とは同一であり、第２の重錘体２７２は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
この発電素子７０００の重要な特徴は、第２の負側板状構造体１７４および第２の正側板状構造体１７５が、Ｘ軸に平行な方向に伸びるＸ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びるＹ軸経路部と、を含み、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす点である。
たとえば、負側空間に配置された第２の負側板状構造体１７４は、Ｘ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ３′の方向）に伸びる負側Ｘ軸経路部１７４ＸとＹ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ３の方向）に伸びる負側Ｙ軸経路部１７４Ｙとを有しており、負側Ｘ軸経路部１７４Ｘの根端部は、異属間接続体１７３に接続されており、負側Ｘ軸経路部１７４Ｘの先端部は負側Ｙ軸経路部１７４Ｙの根端部に接続されており、負側Ｙ軸経路部１７４Ｙの先端部は、最先端部接続体１７６に接続されている。したがって、第２の負側板状構造体１７４は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。
同様に、正側空間に配置された第２の正側板状構造体１７５は、Ｘ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ４′の方向）に伸びる正側Ｘ軸経路部１７５ＸとＹ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ４の方向）に伸びる正側Ｙ軸経路部１７５Ｙとを有しており、正側Ｘ軸経路部１７５Ｘの根端部は、異属間接続体１７３に接続されており、正側Ｘ軸経路部１７５Ｘの先端部は正側Ｙ軸経路部１７５Ｙの根端部に接続されており、正側Ｙ軸経路部１７５Ｙの先端部は、最先端部接続体１７６に接続されている。したがって、第２の正側板状構造体１７５は、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。
上述したとおり、図２６に示す発電素子７０００の構造上の特徴は、図２２に示す発電素子３０００と同じであり、いずれも、台座からの位相幾何学的な接続関係は、第１属性をもつ一対の板状構造体、異属間接続体、第２属性をもつ一対の板状構造体、最先端部接続体という順になる。ただ、発電素子７０００の場合、第２属性をもつ一対の板状構造体１７４，１７５の平面形状をＬ字状にしたため、各部分の配置の自由度をより向上させることができ、装置筐体３７０内の空間をできるだけ有効利用して、装置全体の小型化を図ることが可能になる。
この発電素子７０００の場合、第１属性をもつ一対の板状構造体１７１，１７２は、根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（長手方向軸Ｌ１，Ｌ２の方向）に伸びる直線状の板状構造体になっているのに対して、第２属性をもつ一対の板状構造体１７４，１７５は、Ｌ字状の構造体であるため、これまで述べてきた実施形態における、第２属性をもつ板状構造体とは若干異なる特徴をもつ構成要素になっている。ただ、その一部分に、根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（長手方向軸Ｌ３，Ｌ４の方向）に伸びるＹ軸経路部１７４Ｙ，１７５Ｙを含んでいる。そのため、この発電素子７０００も、これまで述べてきた種々の実施形態と同様に、特定方向の振動に関する共振周波数の調整を行うことができ、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能な発電素子を提供するという本発明に特有の作用効果を奏することができる。
図２７は、図２６に示す発電素子７０００の第１の変形例に係る発電素子７０００Ａの平断面図である。図２６に示す発電素子７０００と図２７に示す発電素子７０００Ａとの相違点は、前者における第１属性をもつ一対の板状構造体１７１，１７２が、後者では第１属性をもつ一対の板状構造体１７１Ａ，１７２Ａに置き換えられている点だけである。
すなわち、図２７に示す発電素子７０００Ａの場合、第１属性をもつ一対の板状構造体１７１Ａ，１７２Ａは、平面がＬ字状をした板状構造体になっている。
図示のとおり、第１の負側板状構造体１７１Ａは、負側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びる第１の負側Ｙ軸経路部１７１ＹとＸ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ１′の方向）に伸びる第１の負側Ｘ軸経路部１７１Ｘとを有し、第１の負側Ｙ軸経路部１７１Ｙの根端部は、台座３７１に接続されており、第１の負側Ｙ軸経路部１７１Ｙの先端部は、第１の正側Ｘ軸経路部１７１Ｘの根端部に接続されており、第１の負側Ｘ軸経路部１７１Ｘの先端部は異属間接続体１７３に接続されている。その結果、第１の負側板状構造体１７１Ａは、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。
同様に、第１の正側板状構造体１７２Ａは、正側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びる第１の正側Ｙ軸経路部１７２ＹとＸ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ２′の方向）に伸びる第１の正側Ｘ軸経路部１７２Ｘとを有し、第１の正側Ｙ軸経路部１７２Ｙの根端部は、台座３７１に接続されており、第１の正側Ｙ軸経路部１７２Ｙの先端部は、第１の正側Ｘ軸経路部１７２Ｘの根端部に接続されており、第１の正側Ｘ軸経路部１７２Ｘの先端部は異属間接続体１７３に接続されている。その結果、第１の正側板状構造体１７２Ａは、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。
結局、この発電素子７０００Ａの場合、４本の板状構造体１７１Ａ，１７２Ａ，１７４，１７５は、いずれもＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなしているが、その一部分に、根端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向もしくは負方向となるようにＹ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ１〜Ｌ４の方向）に伸びるＹ軸経路部を含んでいる。このため、この発電素子７０００Ａも、特定方向の振動に関する共振周波数の調整を行うことができる。
図２８は、図２６に示す発電素子７０００の第２の変形例に係る発電素子７０００Ｂの平断面図である。図２６に示す発電素子７０００と図２８に示す発電素子７０００Ｂとの相違点は、前者における第２属性をもつ一対のＬ字状板状構造体１７４，１７５が、後者では第２属性をもつ一対のＪ字状板状構造体１７４Ｃ，１７５Ｃに置き換えられている点だけである。
図示のとおり、第２の負側板状構造体１７４Ｃは、負側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ３′の方向）に伸びる負側Ｘ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ３の方向）に伸びる負側Ｙ軸経路部と、負側Ｘ軸経路部と負側Ｙ軸経路部とを湾曲した経路をもって接続する負側湾曲接続部と、を含んでおり、ＸＹ平面への投影像がＪ字状の形状をなす板状構造体である。ここで、負側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体１７３に接続されており、負側Ｘ軸経路部の先端部は負側湾曲接続部によって負側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、負側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体１７６に接続されている。
同様に、第２の正側板状構造体１７５Ｃは、正側空間に配置されており、Ｘ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ４′の方向）に伸びる正側Ｘ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ４の方向）に伸びる正側Ｙ軸経路部と、正側Ｘ軸経路部と正側Ｙ軸経路部とを湾曲した経路をもって接続する正側湾曲接続部と、を含んでおり、ＸＹ平面への投影像がＪ字状の形状をなす板状構造体である。ここで、正側Ｘ軸経路部の根端部は、異属間接続体１７３に接続されており、正側Ｘ軸経路部の先端部は正側湾曲接続部によって正側Ｙ軸経路部の根端部に接続されており、正側Ｙ軸経路部の先端部は、最先端部接続体１７６に接続されている。
このように、第２の負側板状構造体１７４Ｃおよび第２の正側板状構造体１７５Ｃは、いずれもＸＹ平面への投影像がＪ字状の形状をなしているが、その一部分に、根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（長手方向軸Ｌ３，Ｌ４の方向）に伸びるＹ軸経路部を含んでいる。このため、この発電素子７０００Ｂも、特定方向の振動に関する共振周波数の調整を行うことができる。
なお、図２８に示す実施例の場合、第１の負側板状構造体１７１、第１の正側板状構造体１７２、第２の負側板状構造体１７４Ｃの上面には、それぞれ４組の個別上部電極層が設けられているが、第２の正側板状構造体１７５Ｃの上面には、１組のＪ字状をした上部電極層のみが設けられている。これは、各板状構造体の上面に配置する上部電極層のバリエーションの一例を示すための配慮である。図１７に示す発電素子１００３にも、上部電極層の配置に関するバリエーションをいくつか示したが、図２６〜図２８に示す第７の実施形態に係る発電素子７０００，７０００Ａ，７０００Ｂについても、このようなバリエーションを適用することが可能である。
たとえば、第１の負側板状構造体１７１の上面に形成する上部電極層として、これまでの例では、図２９(a) に示すように、４組の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４を配置した例を述べてきたが、図２９(b) に示すように、単一の上部電極層Ｅ１０を配置するようにしてもかまわない。Ｌ字状もしくはＪ字状をなす板状構造体の上面に配置する上部電極層についても同様である。たとえば、図２７に示すＬ字状の板状構造体１７４については、図３０(a) に示すような４組の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４を配置した例が示されているが、図３０(b) に示すように単一の上部電極層Ｅ１０を配置してもよいし、図３０(c) に示すように合計８組の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ８を配置してもよい。
既に述べたとおり、同一時点において、同一の上部電極層に正負両極性の電荷が同時に供給されると、互いに打ち消しあって消滅してしまい、発電ロスを生じることになる。したがって、発電効率を向上させる上では、ある１つの個別上部電極層について、ある時点では必ず同一極性の電荷が供給されるようにすることが重要である。ただ、上部電極層の数を増やせば増やすほど、製造工程におけるパターニングや配線の手間がかかることになり、製造コストが高騰する。
したがって、実際には、個々の製品となる発電素子の実利用環境を想定して、個々の製品ごとに、上部電極層の適切な配置を決定するのが好ましい。たとえば、Ｌ字状の板状構造体１７４の上面全体に伸長応力もしくは圧縮応力が作用するような実利用環境を想定している場合は、図３０(b) に示す例のように、単一の上部電極層Ｅ１０を配置する構成を採用し、コスト低減を図るのが好ましい。
＜７−８． 第８の実施形態＞
図３１は、本発明の第８の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子８０００の平断面図である。この第８の実施形態は、一見したところ、上述した第７の実施形態に類似した外形を有しているが、第２属性をもつ板状構造体として、Ｌ字状の板状構造体ではなく、Ｕ字状の板状構造体を採用した点に特徴がある。やはり、台座からの位相幾何学的な接続関係は、第１属性をもつ一対の板状構造体１８１，１８２、異属間接続体１８３、第２属性をもつ一対の板状構造体１８４，１８５、最先端部接続体１８６という順になる。
具体的には、この図３１に示す第８の実施形態の場合、主基板１８０は、第１属性をもつ第１の負側板状構造体１８１および第１の正側板状構造体１８２と、第２属性をもつ第２の負側板状構造体１８４および第２の正側板状構造体１８５と、第１の負側板状構造体１８１および第１の正側板状構造体１８２と第２の負側板状構造体１８４および第２の正側板状構造体１８５とを接続する異属間接続体１８３と、第２の負側板状構造体１８４の先端部および第２の正側板状構造体１８５の先端部を相互に接続する最先端部接続体１８６と、によって構成されている。
基本構造部は、この主基板１８０と、装置筐体３８０に側板の一部として組み込まれた台座３８１と、２組の重錘体２８１，２８２と、によって構成されている。台座３８１は、原点Ｏ付近において、第１の負側板状構造体１８１および第１の正側板状構造体１８２を支持する役割を果たす。
第１の負側板状構造体１８１は、負側空間に配置された板状構造体であり、根端部が台座３８１に接続されており、先端部が異属間接続体１８３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。同様に、第１の正側板状構造体１８２は、正側空間に配置された板状構造体であり、根端部が台座３８１に接続されており、先端部が異属間接続体１８３に接続されており、根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（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びている第１属性をもつ板状構造体である。
異属間接続体１８３は、図示のとおり、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部と、この直交部からＹ軸負方向に伸びた負側翼状部および正側翼状部と、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第１の重錘体２８１は、異属間接続体１８３の全領域の下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、異属間接続体１８３の平面形状と第１の重錘体２８１の平面形状とは同一であり、第１の重錘体２８１は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
一方、第２の負側板状構造体１８４は、負側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ３の方向）に伸びる負側根端側経路部１８４Ａと、Ｘ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ５の方向）に伸びる負側中継経路部１８４Ｂと、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ７の方向）に伸びる負側先端側経路部１８４Ｃと、を含んでおり、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす。ここで、負側根端側経路部１８４Ａの根端部は、異属間接続体１８３に接続されており、負側根端側経路部１８４Ａの先端部は、負側中継経路部１８４Ｂの根端部に接続されており、負側中継経路部１８４Ｂの先端部は、負側先端側経路部１８４Ｃの根端部に接続されており、負側先端側経路部１８４Ｃの先端部は、最先端部接続体１８６に接続されている。
また、第２の正側板状構造体１８５は、正側空間に配置されており、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ４の方向）に伸びる正側根端側経路部１８５Ａと、Ｘ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ６の方向）に伸びる正側中継経路部１８５Ｂと、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ８の方向）に伸びる正側先端側経路部１８５Ｃと、を含んでおり、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす。ここで、正側根端側経路部１８５Ａの根端部は、異属間接続体１８３に接続されており、正側根端側経路部１８５Ａの先端部は、正側中継経路部１８５Ｂの根端部に接続されており、正側中継経路部１８５Ｂの先端部は、正側先端側経路部１８５Ｃの根端部に接続されており、正側先端側経路部１８５Ｃの先端部は、最先端部接続体１８６に接続されている。
最先端部接続体１８６は、第２の負側板状構造体１８４の先端部と第２の正側板状構造体１８５の先端部とを相互に接続する役割を果たす。図示のとおり、最先端部接続体１８６は、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部と、この直交部からＹ軸正方向に伸びた負側翼状部および正側翼状部と、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第２の重錘体２８２は、最先端部接続体１８６の全領域の下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、最先端部接続体１８６の平面形状と第２の重錘体２８２の平面形状とは同一であり、第２の重錘体２８２は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
この発電素子８０００の場合、第１属性をもつ一対の板状構造体１８１，１８２は、根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（長手方向軸Ｌ１，Ｌ２の方向）に伸びる直線状の板状構造体になっているのに対して、第２属性をもつ一対の板状構造体１８４，１８５は、Ｕ字状の構造体であるため、これまで述べてきた実施形態における、第２属性をもつ板状構造体とは若干異なる特徴をもつ構成要素になっている。ただ、その一部分に、根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（長手方向軸Ｌ７，Ｌ８の方向）に伸びるＹ軸経路部１８４Ｃ，１８５Ｃを含んでいる。そのため、この発電素子８０００も、これまで述べてきた種々の実施形態と同様に、特定方向の振動に関する共振周波数の調整を行うことができ、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能な発電素子を提供するという本発明に特有の作用効果を奏することができる。
＜＜＜ §８． 本発明の基本的な特徴 ＞＞＞
これまで、本発明に係る発電素子をいくつかの実施形態に基づいて説明してきたが、ここでは、これらの実施形態の総括として、本発明の基本的な特徴を述べておく。
本発明は、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の発明であって、発電可能な周波数帯域を広げるという作用効果を奏するものである。本発明に係る発電素子の基本構成要素は、物理的な振動系を構成する基本構造部、この基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子である。なお、発電自体は、電荷発生素子が備わっていれば可能であるが、電力を効率的に取り出すために、実用上は、更に、電荷発生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を付加するのが好ましい。
基本構造部は、可撓性を有する複数の板状構造体と、異属間接続体と、台座と、重錘体と、を備えており、板状構造体としては、少なくとも第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体との２種類が含まれている。異属間接続体は、第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを相互に接続する役割を果たす。また、台座は、第１属性の板状構造体を支持する役割を果たす。ここで、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置されている。
第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体との相違は、根端部から先端部へ向かう方向にある。前述したとおり、本願では、複数の板状構造体が接続された構造において、台座への接続経路を考えた場合に、当該接続経路上において、台座に近い方を根端部と呼び、台座から遠い方を先端部と呼んでいる。そうすると、第１属性の板状構造体は、根端部が台座に接続されており、先端部が異属間接続体に接続されており、根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た板状の部材ということができる。同様に、第２属性の板状構造体は、根端部が異属間接続体に接続されており、根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た板状の部材ということができる。
また、異属間接続体は、伸びる向きが逆の板状構造体を相互に接続する役割を果たすため、板状構造体の折り返し点として機能する。このように、本発明では、第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とが、異属間接続体を経て折り返す構造を採用しているため、各板状構造体がいずれもＹ軸に平行な方向に伸びる板状の部材によって構成されているにもかかわらず、装置全体のＹ軸方向の寸法を抑制することができ、全体的に小型化を図ることができる。
基本構造部に含まれている重錘体は、板状構造体の撓みによって振動するが、図７(c) に示すモデルのように、この基本構造部は、第１属性の板状構造体の撓みに基づく第１の共振系Ｉと第２属性の板状構造体の撓みに基づく第２の共振系IIとを含む合成振動系を構成することになる。このため、各共振系の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を調整することにより、発電可能な周波数帯域を広げる設計が可能になる。
このように、これまで述べてきた実施形態に係る発電素子には、第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とが必須構成要素として設けられているが、更に、第３属性の板状構造体を付加することもできる。具体的には、§７−４で述べた第４の実施形態に係る発電素子４０００（図２３参照）には、第３属性の板状構造体が付加されている。
すなわち、この発電素子４０００の場合、基本構造部が、更に、可撓性を有する第３属性の板状構造体（中央板状構造体１４７）と、この第３属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを相互に接続する第２の異属間接続体１４６と、を備えている。そして、第２属性の板状構造体（第２の負側板状構造体１４４と第２の正側板状構造体１４５）の先端部は、第２の異属間接続体１４６に接続されている。第３属性の板状構造体（中央板状構造体１４７）は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、根端部が第２の異属間接続体１４６に接続されており、根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。
このように、第３属性の板状構造体を付加する場合、第３属性の板状構造体の伸びる方向は、第２属性の板状構造体の伸びる方向と逆方向（別言すれば、第１属性の板状構造体の伸びる方向と同方向）になるようにする。そうすれば、各板状構造体について、台座から最先端部（片持ち梁を構成する樹構造の末端）への接続経路を考えた場合、第１属性の板状構造体から第２属性の板状構造体へと移行する際に、折り返しによる向き反転が生じ、更に、第２属性の板状構造体から第３属性の板状構造体へと移行する際に、折り返しによる向き反転が生じることになる。
このような折り返し構造は、第４属性以降の板状構造体を付加する場合も同様である。
すなわち、第４属性以降の板状構造体を付加した実施形態の構成を一般論として説明すれば、基本構造部が、更に、可撓性を有する第３属性の板状構造体〜第ｎ属性の板状構造体（但し、ｎは、ｎ≧４を満たす任意の自然数）と、第ｉ属性の板状構造体と第（ｉ−１）属性の板状構造体（但し、ｉは、３≦ｉ≦ｎを満たす各自然数）とを接続する第（ｉ−１）の異属間接続体と、を備えていることになる。ここで、第ｉ属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、根端部が第（ｉ−１）の異属間接続体に接続されており、先端部が第ｉの異属間接続体に接続されるか、もしくは、自由端となっており、根端部から先端部へ向かう方向が、ｉが奇数の場合はＹ軸正方向、ｉが偶数の場合は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
たとえば、ｎ＝４に設定した場合、基本構造部が、更に、可撓性を有する第３属性の板状構造体と第４属性の板状構造体と、第３属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを接続する第２の異属間接続体と、第４属性の板状構造体と第３属性の板状構造体とを接続する第３の異属間接続体と、を備えていることになる。
ここで、第３属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、根端部が第２の異属間接続体に接続されており、先端部が第３の異属間接続体に接続されており、根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。また、第４属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、根端部が第３の異属間接続体に接続されており、先端部が自由端となっており、根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。
なお、同一属性をもつ板状構造体は、必要に応じて複数本設けることが可能である。この場合、同一属性をもつ複数本の板状構造体は、互いに平行になるように並列配置することもできるし、同属間接続体を介して直列配置することもできる。たとえば、§７−５で述べた第５の実施形態に係る発電素子５０００（図２４参照）には、第１属性の板状構造体として、３本の板状構造体１５１，１５３，１５４が設けられているが、板状構造体１５３，１５４は相互に配列配置され、これらと板状構造体１５１とは同属間接続体１５２を介して直列配置されている。
一般に、複数の板状構造体を設け、各板状構造体にそれぞれ電荷発生素子を設けるようにすれば、それだけ発電効率を向上させることができるが、板状構造体を配置するための占有面積が大きくなるため、装置全体は大型化する。この場合、複数の板状構造体を並列配置すると、装置のＸ軸方向の寸法が大きくなり、複数の板状構造体を直列配置すると、装置のＹ軸方向の寸法が大きくなる。したがって、実用上は、装置全体のサイズや形状を考慮して、複数の板状構造体をどのように配置するか決定すればよい。
異属間接続体や同属間接続体としては、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部を有する板状部材を用いるのが好ましい。そうすれば、Ｙ軸に平行な方向に伸びた板状構造体の根端部もしくは先端部を、この直交部の側面の所定箇所に接続することができ、同一属性をもつ板状構造体を複数本設ける場合にも柔軟に対応することができる。
発電素子の発電効率を向上させるには、重錘体の質量を増やすことも有効である。そのための一手法として、最先端の板状構造体の先端部に最先端部接続体を接続し、その下面に重錘体を接続する方法を採用することができる。たとえば、図２２に示す最先端部接続体１３６、図２３に示す最先端部接続体１４８、図２４に示す最先端部接続体１５７、図２５に示す最先端部接続体１６７は、その下面に接続される重錘体の質量を増やす役割を果たしている。特に、図２２に示す最先端部接続体１３６は、同一属性をもち、互いに平行になるように並列配置された複数の板状構造体１３４，１３５の先端部を相互に接続する部材であり、その下面に接続された重錘体２３２の質量を大幅に増す効果を生み出している。
また、図２５に示す発電素子６０００では、同属間接続体１６２と最先端部接続体１６７の平面形状をＵ字状とし、その下面に接続される重錘体２６１，２６３の質量を増加させている。本発明を実施するにあたり、異属間接続体、同属間接続体および最先端部接続体の少なくとも一部の部材を、ＹＺ平面に直交する方向に伸びた直交部と、この直交部からＹ軸に平行な方向に伸びた正側翼状部および負側翼状部と、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなすＵ字状板状部材によって構成するようにすれば、その下面に接続される重錘体の質量を増加させる効果が得られる。すなわち、このＵ字状板状部材の直交部は、正側空間と負側空間を跨る位置に配置され、正側翼状部は正側空間に配置され、負側翼状部は負側空間に配置されているため、直交部の下方、正側翼状部の下方、負側翼状部の下方のすべてに跨るような大きな質量をもった重錘体を配置することができる。
なお、§７−７で述べた第７の実施形態の例や§７−８で述べた第８の実施形態の例に示されているとおり、本発明に係る発電素子の構成要素となる板状構造体は、必ずしもＹ軸に平行な方向に伸びた直線状のビームである必要はなく、Ｌ字状、Ｊ字状、Ｕ字状のビームであってもかまわない。
要するに、本発明に用いる第１属性の板状構造体は、根端部が台座に接続されており、先端部が異属間接続体に接続されており、少なくともその一部分に、根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る第１属性のＹ軸経路部を含んでいればよい。同様に、本発明に用いる第２属性の板状構造体は、根端部が異属間接続体に接続されており、少なくともその一部分に、根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る第２属性のＹ軸経路部を含んでいればよい。
図２６に示す発電素子７０００は、第２属性の板状構造体１７４，１７５を、Ｘ軸に平行な方向に伸びるＸ軸経路部１７４Ｘ，１７５Ｘと、Ｙ軸に平行な方向に伸びるＹ軸経路部１７４Ｙ，１７５Ｙと、を含むＬ字状のビームによって構成した例である。もちろん、第１属性の板状構造体１７１，１７２を、Ｌ字状のビームによって構成することも可能であり、図２７に示す発電素子７０００Ａは、４組の板状構造体すべてをＬ字状のビームによって構成した例である。
要するに、本発明を実施するにあたっては、第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体の一方もしくは双方を、Ｘ軸に平行な方向に伸びるＸ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びるＹ軸経路部と、を含み、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなすＬ字状部分を有するビームによって構成することができる。
また、図２８に示す発電素子７０００Ｂのように、第１属性の板状構造体および第２属性の板状構造体の一方もしくは双方を、Ｘ軸に平行な方向に伸びるＸ軸経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びるＹ軸経路部と、Ｘ軸経路部とＹ軸経路部とを湾曲した経路をもって接続する湾曲接続部と、を含み、ＸＹ平面への投影像がＪ字状の形状をなすＪ字状部分を有するビームによって構成することもできる。
更に、図３１に示す発電素子８０００のように、第２属性の板状構造体１８４，１８５を、Ｙ軸に平行な方向に伸びる根端側経路部と、Ｘ軸に平行な方向に伸びる中継経路部と、Ｙ軸に平行な方向に伸びる先端側経路部と、を含み、根端部から先端部に向かって、根端側経路部、中継経路部、先端側経路部を順に連結することにより、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなすＵ字状部分を有するビームによって構成することもできる。
なお、本発明に係る発電素子に用いる基本構造部は、ＸＹ平面に平行な板面をもった１枚の主基板を利用して構成するのが好ましい。図３に示す発電素子１０００の基本構造部は、主基板１１０に重錘体群２１０と台座３１０とを接合することによって構成されており、各板状構造体１１１，１１３，１１４および異属間接続体１１２は、この主基板１１０の一部分によって構成されている。もちろん、同属間接続体を有する場合には同属間接続体、最先端部接続体を有する場合には最先端部接続体も、この主基板の一部分によって構成することができる。
また、本発明に係る発電素子に用いる基本構造部は、ＹＺ平面に関して面対称をなす構造体によって構成するのが好ましい。これまで述べてきた第１〜第８の実施形態の基本構造部は、いずれもＹＺ平面に関して面対称な構造を有している。基本構造部がＹＺ平面に関して面対称であれば、これに付加する圧電素子などの電荷発生素子もＹＺ平面に関して面対称となるように配置することができ、個々の瞬間において、各電荷発生素子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ことができ、ロスのない効率的な発電が可能になる。
＜＜＜ §９． 本発明のその他の変形例 ＞＞＞
ここでは、これまで述べてきた種々の実施形態について、更にいくつかの変形例を述べる。
まず、複数の板状構造体の相互の接続関係は、これまで述べた第１〜第８の実施形態に示す例に限定されるものではなく、この他にも種々の接続関係を採用することができる。
もちろん、同一属性の板状構造体の数には制限がなく、任意の数の板状構造体を並列配置し、また、任意の数の板状構造体を直列配置してもかまわない。
また、これまで述べた第１〜第８の実施形態に示す例において、直接接続されている２組の部材の間に、更に別な部材を介挿することにより、上記２組の部材が間接的に接続されるようにしてもかまわない。たとえば、図３に示す第１の実施形態では、中央板状構造体１１１の根端部が台座３１０に直接接続されているが、両者の間に何らかの別な部材（複数の部材でもよい）を介挿し、中央板状構造体１１１の根端部と台座３１０とが間接的に接続されるようにしてもかまわない。
第１〜第８の実施形態では、板状構造体の撓みが生じる主要部分に圧電素子を配置しているが、どの部分に圧電素子を配置するかは、個々の発電素子を設計する際に適宜決定可能な事項であり、必ずしも図示した実施形態どおりの配置を採用する必要はない。もちろん、発電効率を向上させる上では、板状構造体の撓みが生じるすべての部分に圧電素子を配置するのが好ましい。たとえば、図２３の板状構造体１４７、図２４の板状構造体１５６、図２５の板状構造体１６６にも圧電素子を配置すれば、発電効率を更に向上させることができる。また、板状構造体の下面側に圧電素子を配置すれば、発電効率を更に向上させることができる。ただ、圧電素子の数を増やすと、それだけ配線も増やす必要があり、製造コストの高騰は避けられない。
もちろん、重錘体の数や大きさも発電効率を左右する重要なパラメータになる。一般的には、板状構造体の所定箇所、異属間接続体の所定箇所、同属間接続体の所定箇所、最先端部接続体の所定箇所のいずれかに重錘体を接続する構成にすればよい。これまで述べた実施形態では、２箇所もしくは３箇所に重錘体を設けているが、４箇所以上に設けるようにしてもよいし、１箇所のみに設けるようにしてもよい。また、これまで述べた実施形態では、主基板の下面に重錘体を接合する構成をとっているが、主基板の上面や側面に重錘体を接合してもかまわない。重錘体の形状や大きさも任意である。
一般的には、重錘体の数や大きさを増やすほど、板状構造体に、より大きな撓みを生じさせることができるので、発電効率を向上させることができる。ただ、板状構造体に重錘体を接合すると、板状構造体の接合部分は可撓性が失われることになるので、できるだけ各接続体に重錘体を接合する構造を採用するのが好ましい。
なお、本発明を実施するにあたり、重錘体は必ずしも設ける必要はない。たとえば、図３に示す発電素子１０００には、３組の重錘体２１１，２１２，２１３が設けられているが、これらの重錘体群２１０を取り去ったとしても、発電は可能である。これは、板状構造体１１１，１１３，１１４や異属間接続体１１２が、それぞれ自分自身の質量を有しており、重りとして機能するためである。したがって、図３に示す発電素子１０００から重錘体群２１０を取り去ったとしても、Ｅ字状の主基板１１０のみで合成振動系としての機能を果たすことができ、本発明の作用効果を得ることができる。第２〜第８の実施形態についても同様に、すべての重錘体を取り去ることが可能である。
一般に、１枚の板状構造体を振動させる系の場合、板状構造体のみからなる構造よりも、重錘体を付加した構造の方が振幅を大きくとることができる。したがって、１枚の板状構造体のみを備える発電素子の場合、できるだけ質量の大きな重錘体を付加する方が発電効率を向上させることができる。しかしながら、材質を変えずに重錘体の質量を大きくするには、重錘体のサイズを大きくする必要があり、当該重錘体が振動するスペースを確保する必要が生じ、装置全体は大型化することになる。
これに対して、重錘体を設けない構造を採用した場合、板状構造体の振動は、その自重に相当する質量に起因して生じることになるので、重錘体を設けた場合に比べて振幅は低下せざるを得ない。しかしながら、板状構造体の振動スペースのみを確保しておけばよいので、装置全体の省スペース化を図ることができる。より大きな発電量が必要な場合は、多数の板状構造体を密集して配置した構造を採用することができる。重錘体を設ける必要がないため、極めて高い密度で多数の板状構造体を縦横に並べて配置することが可能になる。
たとえば、図３に示すＥ字状の主基板１１０のみであれば、相互にわずかな隙間を維持させながら多数を積層させることにより、小さな空間に充填することができる。もちろん、板状構造体の形状を変えることにより、各共振系の共振周波数を調整することができるので、発電可能な周波数帯域を広げるという本発明の作用効果も得られる。したがって、重錘体を全く設けない発電素子も、工業製品として十分に利用価値のあるものである。
＜＜＜ §１０． 発電素子の製造プロセス ＞＞＞
ここでは、本発明の発電素子を量産する上で好ましい製造プロセスの一例を述べる。もちろん、本発明の発電素子は、その各部分が、これまで述べてきた固有の役割を果たすことができれば、どのようなプロセスで製造してもかまわないが、ここでは、基本構造部を量産するのに適した製造プロセスを説明する。ここで述べる製造プロセスの特徴は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて基本構造部を形成する点にある。
まず、図３２(a) に示すようなＳＯＩ基板１８００を用意する。このＳＯＩ基板１８００は、シリコン活性層１８０１と酸化シリコン層１８０２とシリコンベース層１８０３とをこの順に積層させた３層構造を有する基板であり、様々な半導体デバイスを製造するための材料として市販されている。図示の例の場合、シリコン活性層１８０１の厚みはｔ１１＝１５μｍ、酸化シリコン層１８０２の厚みはｔ１２＝１μｍ、シリコンベース層１８０３の厚みはｔ１３＝６２５μｍである。
もちろん、各部の厚みは任意の寸法でかまわないが、シリコン活性層１８０１は板状構造体を構成する層になるので、厚みｔ１１は、板状構造体として用いた場合に必要な可撓性が得られる厚みになるようにする。これに対して、シリコンベース層１８０３は、重錘体および台座を構成する層になるので、厚みｔ１３は、重錘体として十分な質量が確保でき、台座として十分な剛性が確保できる厚みになるようにする。
図３２(b) は、図３２(a) に示すＳＯＩ基板１８００を用いて、図２０に示す装置筐体付きの発電素子１５００に準じた構造を有する発電素子１５００Ａを製造した例を示す側断面図であり、発電素子１５００ＡをＹＺ平面で切断した断面を示している（電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略）。したがって、図３２(b) に示す基本構成は、図２０(b) に示す基本構成に準じたものになる。
具体的には、図３２(b) には、中央板状構造体１１１に異属間接続体１１２が連なり、異属間接続体１１２の下面に重錘体２１１が接合された状態が示されている。また、奥には、重錘体２１２が位置する状態も示されている。左右両端には、装置筐体の側壁３１１，３１３が位置し、奥には装置筐体の側壁３１２が位置している。装置筐体の側壁３１４は手前に位置するため、図には現れていない。装置筐体の側壁３１１は台座としての役割を果たし、原点Ｏにおいて、中央板状構造体１１１の根端部を支持している。もちろん、中央板状構造体１１１の奥には、負側板状構造体１１３が位置し、中央板状構造体１１１の手前には、正側板状構造体１１４が位置する。
結局、この発電素子１５００Ａの場合、各板状構造体１１１，１１３，１１４および異属間接続体１１２が、図３２(a) に示すシリコン活性層１８０１の単層構造体によって構成され、各重錘体２１１，２１２，２１３が、図３２(a) に示す酸化シリコン層１８０２とシリコンベース層１８０３との２層構造体によって構成され、台座３１１（装置筐体の側板３１１〜３１４）が、図３２(a) に示すシリコン活性層１８０１と酸化シリコン層１８０２とシリコンベース層１８０３との３層構造体によって構成されている。なお、各重錘体２１１，２１２，２１３については、下方に変位するための空間を確保するため、その底面が、台座３１１（装置筐体の側板３１１〜３１４）の底面よりも上方に位置するように加工が施されている。
この図３２(b) に示す構造を有する発電素子１５００Ａの基本構造部は、図３２(a) に示すＳＯＩ基板１８００をエッチング処理することにより製造することが可能である。たとえば、ＳＯＩ基板１８００の上面側からのエッチングにより、シリコン活性層１８０１をＥ字状に加工すれば、図３に示す主基板１１０に相当するＥ字状部材を形成することができる。このとき、酸化シリコン層１８０２をエッチングストッパとして利用することができる。また、ＳＯＩ基板１８００の下面側からのエッチングにより、台座３１１（装置筐体の側板３１１〜３１４）や各重錘体２１１，２１２，２１３を残す加工を行うことができる。このときも、酸化シリコン層１８０２をエッチングストッパとして利用することができる。最後に、酸化シリコン層１８０２の不要部分を別なエッチング方法で除去すれば、図３２(b) に示す構造が得られる。
なお、酸化シリコン層１８０２の厚みが小さい場合には、酸化シリコン層１８０２を除去せずにそのまま残しておいてもかまわない。すなわち、図３２(a) に示す厚みｔ１１＋ｔ１２が、板状構造体として用いた場合に必要な可撓性が得られる厚みになっていれば、酸化シリコン層１８０２を板状橋梁部の一部として残しておいても問題はない。この場合、各板状構造体１１１，１１３，１１４および異属間接続体１１２は、図３２(a) に示すシリコン活性層１８０１と酸化シリコン層１８０２との２層構造体によって構成され、各重錘体２１１，２１２，２１３は、図３２(a) に示すシリコンベース層１８０３の単層構造体によって構成されることになる。
以上、図３２(a) に示すＳＯＩ基板１８００を用いて、図２０に示す装置筐体付きの発電素子１５００に準じた構造を有する発電素子１５００Ａを製造する例を示したが、他の実施形態に係る発電素子も同様のプロセスで製造可能である。たとえば、図２４に示すように、同属間接続体１５２や最先端部接続体１５７を有する実施形態の場合には、板状構造体、異属間接続体、同属間接続体、最先端部接続体をシリコン活性層１８０１の単層構造体もしくはシリコン活性層１８０１と酸化シリコン層１８０２との２層構造体によって構成すればよい。
なお、図３２(b) に示す発電素子１５００Ａには、図２０に示す発電素子１５００における装置筐体の天板３１５や底板３１６が設けられていないが、必要に応じて、装置筐体の天板や底板となる部材を付加するようにすればよい。図３２(c) に示す構造を有する発電素子１５００Ｂは、装置筐体の天板や底板となる部材を付加することを前提としたものであり、各重錘体２１１Ａ，２１２Ａ，２１３Ａ（図には現れていない）の底面は、台座３１１（装置筐体の側板３１１〜３１４）の底面と同じ位置にある。これは、装置筐体の底板に溝を形成して、各重錘体の下方への変位空間を確保することを想定しているためである。
図３３は、図３２(c) に示す発電素子１５００Ｂを外装パッケージ１７００に収容した例を示す側断面図である。発電素子１５００Ｂの上面には、装置筐体の天板１６０１が接合され、発電素子１５００Ｂの下面には、装置筐体の底板１６０２が接合されている。ここで、装置筐体の天板１６０１の下面には、図に破線で示すように、上部溝１６０３が形成されており、板状構造体１１１，１１３，１１４や異属間接続体１１２が上方に変位するための上方空間が確保されている。また、装置筐体の底板１６０２の上面には、図に破線で示すように、下部溝１６０４が形成されており、各重錘体２１１Ａ，２１２Ａ，２１３Ａが下方に変位するための下方空間が確保されている。装置筐体の天板１６０１や底板１６０２は、たとえば、ガラスやシリコン基板によって構成すればよい。
この例の場合、発電素子１５００Ｂ，天板１６０１，底板１６０２からなる装置全体が、外装パッケージ１７００内に収容されている。図示されていないが、発電回路５００は、この外装パッケージ１７００側に設けられている。そのため、発電素子１５００Ｂ側に設けられたボンディングパッドＢ１と外装パッケージ１７００側に設けられたボンディングパッドＢ２との間に、ボンディングワイヤＷが接続され、相互の配線が施されている（実際は、配線に必要な数だけ、ボンディングワイヤＷが接続される）。外装パッケージ１７００の内部空間は空洞にしておいてもよいが、樹脂などを充填してもよい。
図３４は、図３２に示すプロセスの変形例を示す側断面図であり、図３２(b) に示す構造体から各重錘体２１１，２１２，２１３を除去した構造を示す。別言すれば、ＳＯＩ基板１８００に対する下面側からのエッチングを行う際に、台座３１１（装置筐体の側板３１１〜３１４）のみを残すようにしたものである。この変形例では、各重錘体は、ＳＯＩ基板１８００の一部ではなく、全く別の材料で構成される。すなわち、下面側からのエッチング後に（図では、酸化シリコン層１８０２を除去しているが、酸化シリコン層１８０２は残しておいてもよい）、図に破線で示す位置に各重錘体２１１Ｂ，２１２Ｂ，２１３Ｂ（図には現れていない）を接合すればよい。各重錘体２１１Ｂ，２１２Ｂ，２１３Ｂの材質は、どのようなものでもかまわないが、実用上は、できるだけ質量を大きくするため、鉄系やタングステンなどの金属を用いるのが好ましい。
図３５は、図３４に示す変形例に係るプロセスよって、図２５に示す発電素子６０００を製造する工程を示す上面図である（ハッチングは、各部の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。すなわち、この図３５は、図２５に示す発電素子６０００の同属間接続体１６２の近傍を示す拡大上面図であり、ドットハッチングを施した領域は、Ｕ字状の同属間接続体１６２を示す。この例の場合、同属間接続体１６２の下面に、Ｕ字状の重錘体２６１が接合されている。
ただ、Ｕ字状の重錘体２６１は、Ｕ字状の同属間接続体１６２よりも、若干サイズが大きくなるように設計されており、同属間接続体１６２の下面に接合した状態において、外側部分の一部が同属間接続体１６２の輪郭から食み出すことになる。Ｕ字状の重錘体２６１のうち、図に斜線ハッチングを施した部分は、この食み出し部分である。上述したとおり、このＵ字状の重錘体２６１は、鉄系やタングステンなどの金属を用いて形成した別部材であり、接着剤などを用いて同属間接続体１６２の下面に接合すればよい。
このような食み出し部分を設けるようにすると、次の２つの利点が得られる。第１の利点は、外部から過度の振動エネルギーが加えられた場合、この食み出し部分が装置筐体の内面に接触して、それ以上の変位を抑えることができるので、脆弱性をもったシリコン活性層から構成される板状構造体１６１や同属間接続体１６２などに損傷が生じることを防止することができる点である。重錘体２６１を金属によって構成しておけば、重錘体２６１自体が破損することはほとんどない。第２の利点は、重錘体２６１を同属間接続体１６２の下面に接合する作業を行う際に、上方から重錘体２６１の輪郭を目視確認できるようになる点である。図３５に示されているとおり、重錘体２６１は、その一部が同属間接続体１６２から食み出しているため、両者の位置関係を目視確認でき、正確な接合作業を行うことができる。他の重錘体２６２，２６３についても、同様である。
＜＜＜ §１１． 本発明の別な特徴 ＞＞＞
§８で説明したとおり、第１〜第８の実施形態に共通した特徴は、第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを異属間接続体によって接続した折り返し構造を採用している点にあり、このような特徴により、装置全体の寸法を抑制しつつ、発電可能な周波数帯域を広げるという作用効果が得られることになる。
ここでは、第１〜第８の実施形態に共通した別な特徴について考え、この別な特徴をもつ発電素子として本発明を把握してみよう。この別な特徴の根本概念は、板状構造体からなる経路が途中で分岐したり合流したりする構造にある。以下、この根本概念を具体的に説明する。
ここで述べる発明は、これまで説明してきた発明と同様に、合成振動系を構成する基本構造部と、この基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、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に係るものである。実用上は、更に、電荷発生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を設けるのが好ましい。
ここで、基本構造部は、可撓性を有する複数の板状構造体と、板状構造体を相互に接続する１つもしくは複数の中間接続体と、板状構造体を支持する台座と、を有している。また、必要に応じて、所定箇所に接続された重錘体を付加することもできる。
そして、重要な特徴は、個々の板状構造体が、直接、もしくは、中間接続体および他の板状構造体を介して間接的に、台座に接続されており、板状構造体および中間接続体の集合体によって、台座を根とする樹状構造（枝葉末節にゆくに従って枝の分岐が生じる構造だけでなく、枝が合流する構造も含む）が形成されており、台座からこの樹状構造の末端に至る経路を辿ったときに、当該経路に、途中で複数の経路に分岐する分岐部、もしくは、途中で複数の経路が合流する合流部が含まれている点である。
たとえば、図３に示す第１の実施形態に係る発電素子１０００の場合、台座側の原点Ｏから樹状構造の末端となる端点Ｔ３および端点Ｔ５に至る経路を辿ると、異属間接続体１１２において分岐する分岐部が含まれている。また、図２１に示す第２の実施形態に係る発電素子２０００の場合、台座側の根端点Ｑ１，Ｑ２から樹状構造の末端となる中央板状構造体１２４の先端部に至る経路を辿ると、異属間接続体１２３において合流する合流部が含まれている。そして、図２２に示す第３の実施形態に係る発電素子３０００の場合、台座側の根端点Ｑ１，Ｑ２から樹状構造の末端となる最先端部接続体１３６に至る経路を辿ると、異属間接続体１３３において合流および分岐する合流分岐部が含まれている。
同様に、図２３に示す第４の実施形態に係る発電素子４０００の場合、台座側の根端点Ｑ１，Ｑ２から樹状構造の末端となる最先端部接続体１４８に至る経路を辿ると、異属間接続体１４３において合流および分岐する合流分岐部と、異属間接続体１４６において合流する合流部と、が含まれている。また、図２４に示す第５の実施形態に係る発電素子５０００の場合、台座側の原点Ｏから樹状構造の末端となる最先端部接続体１５７に至る経路を辿ると、同属間接続体１５２において分岐する分岐部と、異属間接続体１５５において合流する合流部と、が含まれている。そして、図２５に示す第６の実施形態に係る発電素子６０００の場合、台座側の原点Ｏから樹状構造の末端となる最先端部接続体１６７に至る経路を辿ると、同属間接続体１６２において分岐する分岐部と、異属間接続体１６５において合流する合流部と、が含まれている。図２６〜図２８に示す第７の実施形態や、図３１に示す第８の実施形態の場合も同様である。
このように、板状構造体および中間接続体の集合体によって樹状構造を形成すると、台座から樹状構造の末端に至る経路により片持ち梁構造が形成され、全体として振動系が構成される。しかも、台座から樹状構造の末端に至る経路に分岐部や合流部を設けるようにすると、個々の板状構造体に基づいて形成される共振系が複雑に絡み合った合成振動系が構成されることになり、各共振系の共振周波数を調整することにより、発電可能な周波数帯域を広げるという本発明の作用効果を得ることができる。そこで最後に、「板状構造体からなる経路が途中で分岐したり合流したりする構造」という広い根本概念で本発明を把握した場合の別な実施形態を示しておく。
なお、以下の説明で用いる図３６，図３７は、第９の実施形態に係る発電素子を、ＸＹ平面に平行な、ＸＹ平面よりわずか上方に位置する平面で切断した平断面図であり、発電回路５００の図示は省略する。また、個々の板状構造体について、図１８もしくは図３０(a) に示す４組の電極配置を採用した圧電素子を電荷発生素子４００として用いた例を示す。これらの図において、装置筐体の部分（台座として機能する部分も含む）に施された粗い斜線ハッチングは、当該部分が断面部分であることを示している。一方、主基板の部分（板状構造体および各接続体）については、細かな斜線ハッチングは、個々の個別上部電極層の形成領域を示すものであり、ドットハッチングは、主基板の下面に重錘体が接合されている領域を示すものであり、いずれも断面を示すものではない。
図３６は、本発明の第９の実施形態に係る装置筐体付きの発電素子９０００の平断面図である。この例の場合、主基板１９０は、負側空間に配置された第１の負側板状構造体１９１と、正側空間に配置された第１の正側板状構造体１９２と、中間接続体１９３と、負側空間に配置された第２の負側板状構造体１９４と、正側空間に配置された第２の正側板状構造体１９５と、最先端部接続体１９６と、によって構成されている。そして、基本構造部は、この主基板１９０と、装置筐体３９０に側板の一部として組み込まれた台座３９１と、２組の重錘体２９１，２９２と、によって構成されている。
台座３９１は、原点Ｏ付近において、第１の負側板状構造体１９１および第１の正側板状構造体１９２を支持する役割を果たす。また、中間接続体１９３は、第１の負側板状構造体１９１および第１の正側板状構造体１９２と、第２の負側板状構造体１９４および第２の正側板状構造体１９５と、を接続する役割を果たし、最先端部接続体１９６は、第２の負側板状構造体１９４の先端部および第２の正側板状構造体１９５の先端部を相互に接続する役割を果たす。
より具体的には、第１の負側板状構造体１９１および第１の正側板状構造体１９２は、いずれも根端部が台座３９１に接続されており、先端部が中間接続体１９３に接続されており、根端部から先端部へ向かう方向（長手方向軸Ｌ１，Ｌ２の方向）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。また、第２の負側板状構造体１９４および第２の正側板状構造体１９５は、いずれも根端部が中間接続体１９３に接続されており、先端部が最先端部接続体１９６に接続されており、根端部から先端部へ向かう方向（長手方向軸Ｌ１，Ｌ２の方向）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。
中間接続体１９３は、ドットハッチングが施された連続領域を占める平面形状を有しており、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１９３Ｒと、直交部１９３ＲからＹ軸負方向に伸びた負側翼状部１９３Ｎおよび正側翼状部１９３Ｐと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第１の重錘体２９１は、中間接続体１９３の直交部１９３Ｒ、負側翼状部１９３Ｎ、正側翼状部１９３Ｐのすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、中間接続体１９３の平面形状と第１の重錘体２９１の平面形状とは同一であり、第１の重錘体２９１は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
同様に、最先端部接続体１９６は、ドットハッチングが施された連続領域を占める平面形状を有しており、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１９６Ｒと、直交部１９６ＲからＹ軸負方向に伸びた負側翼状部１９６Ｎおよび正側翼状部１９６Ｐと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第２の重錘体２９２は、最先端部接続体１９６の直交部１９６Ｒ、負側翼状部１９６Ｎ、正側翼状部１９６Ｐのすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、最先端部接続体１９６の平面形状と第２の重錘体２９２の平面形状とは同一であり、第２の重錘体２９２は、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
この図３６に示す発電素子９０００の場合、４組の板状構造体１９１，１９２，１９４，１９５は、いずれも根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された板状構造体であり、これまで述べてきた第１属性の板状構造体に相当する。別言すれば、発電素子９０００の場合、４組の板状構造体１９１，１９２，１９４，１９５は、いずれも同一属性の板状構造体ということになる。
これまで第１〜第８の実施形態として述べた発電素子の場合、「第１属性の板状構造体と第２属性の板状構造体とを異属間接続体によって接続した折り返し構造」を採用しているが、図３６に示す第９の実施形態に係る発電素子９０００では、そのような「折り返し構造」は採用されていない。しかしながら、この発電素子９０００でも、「板状構造体からなる経路が途中で分岐したり合流したりする構造」という広い根本概念は採用されている。
すなわち、台座３９１上の原点Ｏから樹状構造の末端である先端点Ｔに至る経路に着目すると、当該経路上には、分岐部や合流部が設けられ、個々の板状構造体に基づいて形成される共振系が複雑に絡み合った合成振動系が構成されている。すなわち、原点Ｏから先端点Ｔに至る上記経路を辿ると、まず板状構造体１９１，１９２に沿った２組の経路に分岐し、これらが中間接続体１９３において一旦合流し、再び板状構造体１９４，１９５に沿った２組の経路に分岐し、これらが最先端部接続体１９６において再度合流するという樹状構造が形成されている。しかも、４組の板状構造体１９１，１９２，１９４，１９５は、いずれもＹ軸に平行な方向に沿って伸びているため、各共振系の共振周波数を調整することにより、発電可能な周波数帯域を広げるという本発明の作用効果を得ることができる。
図３７は、図３６に示す発電素子９０００の変形例に係る発電素子９０００Ａの平断面図である。図３６に示す発電素子９０００と図３７に示す発電素子９０００Ａとの相違点は、後者では、前者における４組の板状構造体１９１，１９２，１９４，１９５の代わりに、Ｌ字状をなす４組の板状構造体１９１Ａ，１９２Ａ，１９４Ａ，１９５Ａが用いられている点である。§７−７では、第７の実施形態として、Ｌ字状のビームからなる板状構造体を用いた例を示したが、図３７に示す発電素子９０００Ａの場合、４組の板状構造体１９１Ａ，１９２Ａ，１９４Ａ，１９５Ａは、いずれもＬ字状のビームによって構成されている。
そのため、図３７の装置筐体３９０Ａは、図３６の装置筐体３９０よりも、Ｘ軸方向の幅が若干広くなっている。また、図３７の中間接続体１９３Ａおよび最先端部接続体１９６Ａは、図３６の中間接続体１９３および最先端部接続体１９６よりも、Ｘ軸方向の幅が若干広くなっている。
図３６に示す例と同様に、中間接続体１９３Ａは、ドットハッチングが施された連続領域を占める平面形状を有しており、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１９３ＡＲと、直交部１９３ＡＲからＹ軸負方向に伸びた負側翼状部１９３ＡＮおよび正側翼状部１９３ＡＰと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第１の重錘体２９１Ａは、中間接続体１９３Ａの直交部１９３ＡＲ、負側翼状部１９３ＡＮ、正側翼状部１９３ＡＰのすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、中間接続体１９３Ａの平面形状と第１の重錘体２９１Ａの平面形状とは同一であり、第１の重錘体２９１Ａは、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
同様に、最先端部接続体１９６Ａは、ドットハッチングが施された連続領域を占める平面形状を有しており、ＹＺ平面に直交する方向（Ｘ軸に平行な方向）に伸びた直交部１９６ＡＲと、直交部１９６ＡＲからＹ軸負方向に伸びた負側翼状部１９６ＡＮおよび正側翼状部１９６ＡＰと、を有し、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす板状部材によって構成されている。そして、第２の重錘体２９２Ａは、最先端部接続体１９６Ａの直交部１９６ＡＲ、負側翼状部１９６ＡＮ、正側翼状部１９６ＡＰのすべての下面に接続され、ＸＹ平面への投影像がＵ字状の形状をなす構造体によって構成されている。図示の実施例の場合、最先端部接続体１９６Ａの平面形状と第２の重錘体２９２Ａの平面形状とは同一であり、第２の重錘体２９２Ａは、図にドットハッチングが施された領域を占める構造体になる。
一方、第１の負側板状構造体１９１Ａは、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びる第１の負側Ｙ軸経路部１９１ＡＹとＸ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ３の方向）に伸びる第１の負側Ｘ軸経路部１９１ＡＸとを有し、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。ここで、第１の負側Ｙ軸経路部１９１ＡＹの根端部は、台座３９１Ａに接続されており、第１の負側Ｙ軸経路部１９１ＡＹの先端部は、第１の負側Ｘ軸経路部１９１ＡＸの根端部に接続されており、第１の負側Ｘ軸経路部１９１ＡＸの先端部は中間接続体１９３Ａの負側翼状部１９３ＡＮに接続されている。
また、第１の正側板状構造体１９２Ａは、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びる第１の正側Ｙ軸経路部１９２ＡＹとＸ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ４の方向）に伸びる第１の正側Ｘ軸経路部１９２ＡＸとを有し、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。ここで、第１の正側Ｙ軸経路部１９２ＡＹの根端部は、台座３９１Ａに接続されており、第１の正側Ｙ軸経路部１９２ＡＹの先端部は、第１の正側Ｘ軸経路部１９２ＡＸの根端部に接続されており、第１の正側Ｘ軸経路部１９２ＡＸの先端部は中間接続体１９３Ａの正側翼状部１９３ＡＰに接続されている。
そして、第２の負側板状構造体１９４Ａは、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ１の方向）に伸びる第２の負側Ｙ軸経路部１９４ＡＹとＸ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ５の方向）に伸びる第２の負側Ｘ軸経路部１９４ＡＸとを有し、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。ここで、第２の負側Ｙ軸経路部１９４ＡＹの根端部は、中間接続体１９３Ａの直交部１９３ＡＲに接続されており、第２の負側Ｙ軸経路部１９４ＡＹの先端部は、第２の負側Ｘ軸経路部１９４ＡＸの根端部に接続されており、第２の負側Ｘ軸経路部１９４ＡＸの先端部は、最先端部接続体１９６Ａの負側翼状部１９６ＡＮに接続されている。
最後に、第２の正側板状構造体１９５Ａは、Ｙ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ２の方向）に伸びる第２の正側Ｙ軸経路部１９５ＡＹとＸ軸に平行な方向（長手方向軸Ｌ６の方向）に伸びる第２の正側Ｘ軸経路部１９５ＡＸとを有し、ＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなす。ここで、第２の正側Ｙ軸経路部１９５ＡＹの根端部は、中間接続体１９３Ａの直交部１９３ＡＲに接続されており、第２の正側Ｙ軸経路部１９５ＡＹの先端部は、第２の正側Ｘ軸経路部１９５ＡＸの根端部に接続されており、第２の正側Ｘ軸経路部１９５ＡＸの先端部は、最先端部接続体１９６Ａの正側翼状部１９６ＡＰに接続されている。
この発電素子９０００Ａの場合、４本の板状構造体１９１Ａ，１９２Ａ，１９４Ａ，１９５Ａは、いずれもＸＹ平面への投影像がＬ字状の形状をなしているが、その一部分に、根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（長手方向軸Ｌ１，Ｌ２の方向）に伸びるＹ軸経路部を含んでいる。このため、この発電素子９０００Ａも、特定方向の振動に関する共振周波数の調整を行うことができる。
なお、§９で述べた種々の変形例は、この§１１で述べた第９の実施形態にも同様に適用可能である。
本発明に係る発電素子は、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技術に広く利用することができる。その基本原理は、重錘体の振動により板状構造体に撓みを生じさせ、当該撓みに応じて電荷発生素子に生じる電荷を外部に取り出す、というものであるので、自動車、列車、船舶などの乗り物や、冷蔵庫、エアコンといった振動源に取り付けることにより、通常は無駄に消費してしまう振動エネルギーを、電気エネルギーとして有効利用することが可能になる。また、属性が異なる板状構造体を設けることにより、共振周波数の異なる複数の共振系を混在させ、発電可能な周波数帯域を広げることができるので、実利用環境の振動周波数に適した効率的な発電が可能な発電素子を設計することができる。

Claims (15)

  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、
    可撓性を有する第１属性の板状構造体（１７１，１７２）と、可撓性を有する第２属性の板状構造体（１７４，１７５）と、前記第１属性の板状構造体（１７１，１７２）と前記第２属性の板状構造体（１７４，１７５）とを相互に接続する異属間接続体（１７３）と、前記第１属性の板状構造体（１７１，１７２）を支持する台座（３７１）と、を有する基本構造部と、
    前記基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子（４００）と、
    を備え、
    ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、前記第１属性の板状構造体（１７１，１７２）および前記第２属性の板状構造体（１７４，１７５）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属性の板状構造体（１７１，１７２）は、根端部が前記台座（３７１）に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が前記異属間接続体（１７３）に直接もしくは間接的に接続されており、少なくともその一部分に、根端部から先端部へ向かう方向がＹ軸に平行な方向に伸びる第１属性の経路部を含んでおり、
    前記第２属性の板状構造体（１７４，１７５）は、根端部が前記異属間接続体（１７３）に直接もしくは間接的に接続されており、少なくともその一部分に、根端部から先端部へ向かう方向が前記第１属性の経路部と異なる方向に伸びる第２属性の経路部を含み、
    最先端の板状構造体（１７４，１７５）の先端部に最先端部接続体（１７６）が接続され、
    前記基本構造部が、前記異属間接続体（１７３）に接続された第１の重錘体（２７１）と、前記最先端部接続体（１７６）に接続された第２の重錘体（２７１，２７２）と、を有することを特徴とする発電素子。
  2. 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、
    可撓性を有する第１属性の板状構造体（１７１，１７２）と、可撓性を有する第２属性の板状構造体（１７４，１７５）と、前記第１属性の板状構造体（１７１，１７２）と前記第２属性の板状構造体（１７４，１７５）とを相互に接続する異属間接続体（１７３）と、前記第１属性の板状構造体（１７１，１７２）を支持する台座（３７１）と、を有する基本構造部と、
    前記基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子（４００）と、
    を備え、
    ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、前記第１属性の板状構造体（１７１，１７２）および前記第２属性の板状構造体（１７４，１７５）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属性の板状構造体（１７１，１７２）は、根端部が前記台座（３７１）に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が前記異属間接続体（１７３）に直接もしくは間接的に接続されており、少なくともその一部分に、根端部から先端部へ向かう方向がＹ軸に平行な方向に伸びる第１属性のＹ軸経路部を含んでおり、
    前記第２属性の板状構造体（１７４，１７５）は、根端部が前記異属間接続体（１７３）に直接もしくは間接的に接続されており、少なくともその一部分に、根端部から先端部へ向かう方向がＹ軸に平行な方向に伸びる第２属性のＹ軸経路部を含み、
    最先端の板状構造体（１７４，１７５）の先端部に最先端部接続体（１７６）が接続され、
    前記基本構造部が、前記異属間接続体（１７３）に接続された第１の重錘体（２７１）と、前記最先端部接続体（１７６）に接続された第２の重錘体（２７１，２７２）と、を有することを特徴とする発電素子。
  3. 請求項１または２に記載の発電素子において、
    同一属性をもち、互いに並列配置された複数の板状構造体（１７１，１７２；１７４，１７５）を有することを特徴とする発電素子。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発電素子において、
    同一属性をもち、互いに並列配置された複数の板状構造体（１７４，１７５）の先端部を相互に接続する最先端部接続体（１７６）が設けら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、
    基本構造部が、ＸＹ平面に平行な板面をもった主基板（１７０）を有し、板状構造体（１７１，１７２，１７４，１７５）および異属間接続体（１７３）、ならびに、最先端部接続体を有する場合には最先端部接続体が、前記主基板（１７０）の一部分によって構成されていることを特徴とする発電素子。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発電素子において、
    第１の重錘体（２７１）が、第１の属性の板状構造体（１７１，１７２）の両側に配置された翼状部（１７３Ｐ、１７３Ｎ）を有することを特徴とする発電素子。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の発電素子において、
    第２の重錘体（２７２）が、第２の属性の板状構造体（１７４，１７５）の両側に配置された翼状部（１７６Ｐ、１７６Ｎ）を有することを特徴とする発電素子。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の発電素子において、
    電荷発生素子（４００）が、板状構造体の変形を生じる部分に形成された圧電素子を有し、
    板状構造体（１７１，１７２，１７４，１７５）の上面に共通下部電極層（４１０）が形成され、
    共通下部電極層（４１０）の上面に共通圧電材料層（４２０）が形成され、
    第１の板状構造体（１７１，１７２）における共通圧電材料層（４２０）の上面の異なる箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層が形成され、
    第２の板状構造体（１７４，１７５）における共通圧電材料層（４２０）の上面の異なる位置にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層が形成されていることを特徴とする発電素子。
  9. 請求項８に記載の発電素子において、
    第１の板状構造体（１７１，１７２）における複数の個別上部電極層は、Ｙ軸方向に配列されていることを特徴とする発電素子。
  10. 請求項８または９に記載の発電素子において、
    第１属性の板状構造体（１７１，１７２）における複数の個別上部電極層は、Ｘ軸方向に配列されていることを特徴とする発電素子。
  11. 請求項８〜１０のいずれかに記載の発電素子において、
    第２属性の板状構造体（１７４，１７５）における複数の個別上部電極層は、Ｙ軸方向に配列されていることを特徴とする発電素子。
  12. 請求項８〜１１のいずれかに記載の発電素子において、
    第２属性の板状構造体（１７４，１７５）における複数の個別上部電極層は、Ｘ軸方向に配列されていることを特徴とする発電素子。
  13. 請求項８に記載の発電素子において、
    板状構造体（１７１，１７２，１７４，１７５）の上面の中心に、Ｙ軸に平行な方向に伸びる中心軸（Ｙ）を定義したときに、根端部側の前記中心軸（Ｙ）の両脇と先端部側の前記中心軸（Ｙ）の両脇とに、それぞれ個別上部電極層（Ｅ１〜Ｅ４）が配置されていることを特徴とする発電素子。
  14. 請求項８〜１３のいずれかに記載の発電素子において、
    圧電素子（４００）に発生した電荷に基づいて、共通下部電極層と各個別上部電極層との間に生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路（５００）を更に備えることを特徴とする発電素子。
  15. 請求項１４に記載の発電素子において、
    発電回路（５００）が、容量素子（Ｃｆ）と、各個別上部電極層（Ｅ１１〜Ｅ３４）に発生した正電荷を前記容量素子（Ｃｆ）の正極側へ導くために各個別上部電極層（Ｅ１１〜Ｅ３４）から前記容量素子（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（＋）〜Ｄ３４（＋））と、各個別上部電極層（Ｅ１１〜Ｅ３４）に発生した負電荷を前記容量素子（Ｃｆ）の負極側へ導くために前記容量素子（Ｃｆ）の負極側から各個別上部電極層（Ｅ１１〜Ｅ３４）へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子（Ｄ１１（−）〜Ｄ３４（−））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（Ｃｆ）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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