JP6380944B1 - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発電に寄与する板状可撓体の変形量を一定以下に抑えつつ、高効率発電及び広周波数帯域発電を容易に実現できる発電素子を提供する。【解決手段】板面がＸＹ平面と平行な第１及び第２の板状可撓体１２，１４と、第１の板状可撓体１２の基端部を支持する台座１６とを備える。第１の板状可撓体１２の先端部及び第２の板状可撓体１４の基端部に接続された第１の重錘体１８を備える。第２の板状可撓体１４の先端部に接続された第２の重錘体２０を備える。第１及び第２の板状可撓体１２，１４に配置された圧電素子２２を備える。第１の重錘体１８は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、第１の板状可撓体１２及び台座１６によって片持ち梁構造に支持される。第２の板状可撓体１４は、第２梁部材１４(1)と１４(2)により構成され、第２の重錘体２０は、第２の板状可撓体１４及び第１の重錘体１８によって両持ち梁構造に支持される。【選択図】図１

Description

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

従来、特許文献１の図２４に開示されているように、互いに直交するＸＹＺ軸から成るＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行に配置された第１の板状可撓体（１５１）及び第２の板状可撓体（１５６）と、第１の板状可撓体の基端部を支持する台座と、第１の板状可撓体の先端部及び第２の板状可撓体の基端部に接続された第１の重錘体と、第２の板状可撓体の先端部に接続された第２の重錘体と、第１及び第２の板状可撓体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備えた発電素子があった。第１の重錘体は、第１の板状可撓体及び台座によって片持ち梁構造に支持され、第２の重錘体は、第２の板状可撓体及び第１の重錘体によって片持ち梁構造に支持されている。圧電素子は、Ｘ、Ｙ及びＺの３軸方向の振動を受けて発電できるように、第１及び第２の板状可撓体の表面の複数の箇所に配置されている。

この発電素子には、第１の板状可撓体の可撓性に基づいて形成される第１の振動系（共振系）と第２の板状可撓体の可撓性に基づいて形成される第２の振動系（共振系）とが形成され、各振動系の共振周波数を近づけることによって、発電可能な周波数帯域を広くすることができる。

特許第６１８７９５７号公報

特許文献１の図２４に示された発電素子は、上記のような優れた特徴を有しているが、さらに発電効率を向上させることが求められている。発電効率を向上させるためには、発電素子に振動が加わった時、板状可撓体がもっと大きく変形するようにすればよい。

その一方で、変形量が大きくなり過ぎると、板状可撓体にストレスが蓄積して破損しやすくなる。また、この種の発電素子は、外部から過大な衝撃が加わった時に重錘体の最大変位量を制限する保護用のストッパ部材を設けるのが一般的であり、例えば特許文献１の図２４の発電素子では、枠体状の台座や第１の重錘体等がストッパ部材の働きをしている。しかしながら、通常の振動が加わった状態（通常の使用状態）で既に板状可撓体の変形量が大きいと、当然、重錘体も大きく変位しているため、保護用のストッパ部材は、重錘体からかなり離れた位置にしか設けることができず、衝撃を受けた時に適切に保護するのが難しくなる。したがって、振動が加わった時の板状可撓体の変形量は一定以下に抑えなければならない。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、発電に寄与する板状可撓体の変形量を一定以下に抑えつつ、高効率発電及び広周波数帯域発電を容易に実現できる発電素子を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体と、前記第１の板状可撓体の基端部を支持する台座と、前記第１の板状可撓体の先端部及び前記第２の板状可撓体の基端部に接続された第１の重錘体と、前記第２の板状可撓体の先端部に接続された第２の重錘体と、前記第１及び第２の板状可撓体の変形、又は前記第２の板状可撓体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、前記第１の重錘体は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第２の重錘体を収容し、外周部が前記第１の板状可撓体の先端部に接続され、前記第１の板状可撓体及び前記台座によって片持ち梁構造に支持され、前記第２の板状可撓体は、板状に形成された複数の第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続されて、複数の前記第２梁部材により、前記第２の重錘体を両端固定梁の支持構造である両持ち梁構造に支持し、前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第２の重錘体は、前記複数の第２梁部材が変形することによって、Ｚ軸方向に移動する発電素子である。

この場合、前記第２梁部材は、自己の長さ方向の軸が、前記第２の重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されていてもよい（請求項２記載の発明）。

請求項３記載の発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体と、前記第１の板状可撓体の基端部を支持する台座と、前記第１の板状可撓体の先端部及び前記第２の板状可撓体の基端部に接続された第１の重錘体と、前記第２の板状可撓体の先端部に接続された第２の重錘体と、前記第１及び第２の板状可撓体の変形又は前記第２の板状可撓体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、前記台座は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第１及び第２の重錘体を収容し、前記第１の板状可撓体は、板状に形成された複数の第１梁部材により構成され、前記第１梁部材は、基端部が前記台座の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第１の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続され、自己の長さ方向の軸が、前記第１の重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されて、複数の前記第１梁部材により、前記第１の重錘体を両端固定梁の支持構造である両持ち梁構造に支持し、前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第１の重錘体は、前記複数の第１梁部材が変形することによって、Ｚ軸方向に移動する発電素子である。

この場合、前記第１の重錘体は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第２の重錘体を収容し、外周部が前記第１の板状可撓体の先端部に接続され、前記第２の板状可撓体は、板状に形成された複数の第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続されて、複数の前記第２梁部材により、前記第２の重錘体を両端固定梁の支持構造である両持ち梁構造に支持し、前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第２の重錘体は、前記複数の第２梁部材が変形することによって、Ｚ軸方向に移動する構成にすることができる（請求項４記載の発明）。また、前記第２梁部材は、自己の長さ方向の軸が、前記第２の重錘体のＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されていてもよい（請求項５記載の発明）。

また、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体と、前記第１の板状可撓体の基端部を支持する台座と、前記第１の板状可撓体の先端部及び前記第２の板状可撓体の基端部に接続された第１の重錘体と、前記第２の板状可撓体の先端部に接続された第２の重錘体と、前記第１及び第２の板状可撓体の変形、又は前記第２の板状可撓体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、前記第１の板状可撓体は、互いに逆向きに屈曲したＬ字形に形成された２つの第１梁部材により構成され、前記第１梁部材は、基端部が前記台座の互いに近接した位置に各々接続され、先端部が前記第１の重錘体の側端部の互いに近接した位置に各々接続され、前記２つの第１梁部材で囲んだ内側に前記第２の重錘体を収容している発電素子である。

この場合、前記第２の板状可撓体は、互いに逆向きに屈曲したＬ字形に形成された２つの第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の互いに近接した位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の互いに近接した位置に各々接続され、前記２つの第２梁部材で囲んだ内側に前記第２の重錘体を収容している構成にすることができる（請求項７記載の発明）。

あるいは、前記第１の重錘体は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第２の重錘体を収容し、外周部が前記第１の板状可撓体の先端部に接続され、前記第２の板状可撓体は、板状に形成された複数の第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続され、前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第２の重錘体は、前記複数の第２梁部材が変形することによってＺ軸方向に移動する構成にしてもよい（請求項８記載の発明）。さらに、前記第２梁部材は、自己の長さ方向の軸が、前記第２の重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されている構成にしてもよい。

また、上記の各請求項に記載された発明において、前記第２の板状可撓体及び前記第２の重錘体が複数組設けられている構成にすることができる（請求項１０記載の発明）。この場合、前記第２の板状可撓体の可撓性に基づいて形成される振動系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第１の板状可撓体の可撓性に基づいて形成される振動系の半値幅の周波数帯と重なっている構成にしてもよい（請求項１１記載の発明）。

また、上記の各請求項に記載された発明において、圧電素子は、前記第２の前記板状可撓体の表面、又は前記第１及び第２の板状可撓体の表面に順に積層された下層電極、圧電材料、及び上層電極により形成され、前記圧電材料は、面内方向に伸縮する応力が作用したとき、厚み方向に分極を生じる性質を有している構成にすることが好ましく（請求項１２記載の発明）、前記圧電素子が複数設けられ、前記各圧電素子に発生した電荷に基づいて流れる電流を整流し、これらを合成して電力と取り出す発電回路が設けられていることが好ましい（請求項１３記載の発明）。

この場合、前記圧電素子の数と配置は、前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力が前記発電回路から出力されるように設定することができる（請求項１４記載の発明）。また、前記第１の重錘体の重心位置は、前記第１の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、前記第２の重錘体の重心位置は、前記第２の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、前記複数の圧電素子の数及び配置は、前記台座にＸ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力が前記発電回路から出力されるように設定することができる（請求項１５記載の発明）。また、前記第１の重錘体の重心位置は、前記第１の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、前記第２の重錘体の重心位置は、前記第２の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、前記複数の圧電素子の数及び配置は、前記台座にＹ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力が前記発電回路から出力されるように設定することができる（請求項１６記載の発明）。

本発明の発電素子は、複数の板状可撓体と重錘体とを組み合わせた独特な構造を有しているので、発電素子に振動が加わった時の板状可撓体の変形量を容易に調節することができる。したがって、発電効率を向上させるという課題と、板状可撓体の変形量を一定以下に抑えるという課題を、発電素子の用途や仕様に応じてバランスよく達成することができる。また、外形も非常にコンパクトにできる。

また、本発明の発電素子は複数の振動系を有しているので、各振動系の共振周波数を相互に合わせることによって、発電効率を従来よりも格段に高くすることができる。また、各振動系の共振周波数を相互にずらすことによって、広周波数帯域発電も行うことができる。

本発明の発電素子の第一の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 図１のＡ１−Ａ１断面の図（ａ）、Ａ２−Ａ２断面の図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子を構成する第１基板及び圧電素子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 梁部材に支持された重錘体にＺ軸方向の振動が加わった時に梁部材の表層部に発生する応力分布を示す概念図であって、片持ち梁構造の場合の図（ａ）、両持ち梁構造の場合の図（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子が備える発電回路を示す回路図である。 第一の実施形態の発電素子が有する２つの振動系に設定された共振特性（Ｚ軸方向）の一例を示すグラフ（ａ）、発電特性を示すグラフ（ｂ）である。 第一の実施形態の発電素子が有する２つの振動系に設定された共振特性（Ｚ軸方向）の他の例を示すグラフ（ａ）、発電特性を示すグラフ（ｂ）である。 発電素子にＺ軸方向の振動が加わった時の動作を示す模式図であって、第一の実施形態の発電素子における第１及び第２の板状可撓体の変位量を示す図（ａ）、従来の発電素子における第１及び第２の板状可撓体の変位量を示す図（ｂ）である。 梁部材に支持された重錘体にＸ軸方向の振動が加わった時に梁部材の表層部に発生する応力分布を示す概念図であって、片持ち梁構造の場合の図（ａ）、両持ち梁構造の場合の図（ｂ）である。 梁部材に支持された重錘体にＹ軸方向の振動が加わった時に梁部材の表層部に発生する応力分布を示す概念図であって、片持ち梁構造の場合の図（ａ）、両持ち梁構造の場合の図（ｂ）である。 本発明の発電素子の第二の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 図１１のＢ１−Ｂ１断面の図（ａ）、Ｂ２−Ｂ２断面の図（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子を構成する第１基板及び圧電素子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子が有する３つの振動系に設定された共振特性（Ｚ軸方向）の一例を示すグラフ（ａ）、発電特性を示すグラフ（ｂ）である。 第二の実施形態の発電素子が有する３つの振動系に設定された共振特性（Ｚ軸方向）の他の例を示すグラフ（ａ）、発電特性を示すグラフ（ｂ）である。 本発明の発電素子の第三の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 図１６のＣ１−Ｃ１断面の図（ａ）、Ｃ２−Ｃ２断面の図（ｂ）である。 第三の実施形態の発電素子を構成する第１基板及び圧電素子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 本発明の発電素子の第四の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 図１９のＤ１−Ｄ１断面の図（ａ）、Ｄ２−Ｄ２断面の図（ｂ）である。 第四の実施形態の発電素子を構成する第１基板及び圧電素子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 本発明の発電素子の第五の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 図２２のＥ１−Ｅ１断面の図（ａ）、Ｅ２−Ｅ２断面の図（ｂ）である。 第五の実施形態の発電素子を構成する第１基板及び圧電素子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 本発明の発電素子の第六の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 図２５のＥ１−Ｅ１断面の図（ａ）、Ｅ２−Ｅ２断面の図（ｂ）である。 第六の実施形態の発電素子を構成する第１基板及び圧電素子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 本発明の発電素子の第七の実施形態の外観を示す平面図である。 第七の実施形態の発電素子が有する４つの振動系に設定された共振特性（Ｚ軸方向）の一例を示すグラフ（ａ）、発電特性を示すグラフ（ｂ）である。

以下、本発明の発電素子の第一の実施形態について、図１〜図１０に基づいて説明する。この実施形態の発電素子１０は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の振動を受けて発電を行う素子であり、図１、図２に示すように、ＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体１２，１４と、第１の板状可撓体１２の基端部を支持する台座１６と、第１の板状可撓体１２の先端部及び第２の板状可撓体１４の基端部に接続された第１の重錘体１８と、第２の板状可撓体１４の先端部に接続された第２の重錘体２０とを備えている。さらに第１及び第２の板状可撓体１２，１４の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子２２と、発電回路２４（図１、図２では省略してある）とを備えている。発電素子１０を振動源に取り付けて使用する時は、例えば、台座１６の下端部が振動源の上面（ＸＹ平面と平行な面）に固定される。

圧電素子２２と発電回路２４以外の部分は、いわゆるＭＥＭＳ技術を使用して製造され、Ｓｉ基板又はＳＯＩ基板等で成る第１基板Ｋ１及び第２基板Ｋ２を互いに貼り合わせ、研磨、エッチング、切断等の加工を行うことによって形成されている。

第１の板状可撓体１２は、薄い第１基板Ｋ１の一部として形成され、１つの梁部材（第１梁部材）により構成されている。第１の板状可撓体１２は、基端部が台座１６に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸正方向で、長さ方向の軸が第１の重錘体１８の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。

第２の板状可撓体１４は、薄い第１基板Ｋ１により設けられ、２つの梁部材である第２梁部材１４(1)，１４(2)により構成されている。第２梁部材１４(1)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。第２梁部材１４(2)は、基端部が第１の重錘体１８の別の位置に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。

台座１６は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、矩形の枠体状に形成され、その中心軸がＺ軸と平行に配置されている。そして、台座１６の内周部から第１の板状可撓体１２が内向きに伸び、台座１６の内側に第１及び第２の重錘体１８，２０が隙間を空けて収容されている。

第１の重錘体１８は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、矩形の枠体状に形成され、その中心軸がＺ軸と平行に配置されている。第１の重錘体１８の重心位置は、第１の板状可撓体１２に対してＺ軸負方向にずれており、第１の重錘体１８の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第１の重錘体１８の外周部から第１の板状可撓体１２が外向きに伸び、内周部から第２梁部材１４(1)，１４(2)が内向きに伸び、第１の重錘体１８の内側に第２の重錘体２０が隙間を空けて収容されている。

第２の重錘体２０は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、略四角形に形成されている。第２の重錘体２０の重心位置は、第２の板状可撓体１４に対してＺ軸負方向にずれており、第２の重錘体２０の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第２の重錘体２０の外周部から第２梁部材１４(1)，１４(2)が外向きに伸びている。

以上の構成により、第１の重錘体１８は、第１の板状可撓体１２及び台座１６によって片持ち梁構造に支持される。また、第２の重錘体２０は、第２の板状可撓体１４（第２梁部材１４(1)，１４(2)）及び第１の重錘体１８によって支持され、台座１６にＺ軸方向の加速度が作用した時、第１の重錘体１８の第1基板Ｋ１表面をＸＹ平面として、これに直交するＺ軸方向に移動する。このとき、第２の重錘体２０の第１基板Ｋ１表面は、第１の重錘体１８の第1基板Ｋ１表面に対して平行に移動する。

なお、本願発明でのＺ軸方向は、梁の支持平面である第１基板Ｋ１表面に対して直交する方向を言うものとする。従って、片持ち梁である第１の板状可撓体１２の先端側に支持された第１の重錘体１８は、第１の板状可撓体１２の撓みにより、第１の重錘体１８の第１基板Ｋ１表面がＹ軸回りのＸ軸方向に僅かに揺動し、第１の重錘体１８の第１基板Ｋ１表面と直交するＺ軸方向が僅かに変化するが、本願発明においては影響しないので、無視するものとする。また、第２の重錘体２０の両端固定梁の支持構造を両持ち梁構造と称する。

圧電素子２２は、図３（ｂ）に示すように、第１基板Ｋ１の上面全体を覆う下部電極Ｇ、下部電極Ｇの上面全体を覆う圧電材料Ｐ、圧電材料Ｐの上面の特定の領域に設けた上部電極Ｅによって構成されている。圧電材料Ｐは、面内方向に伸縮する応力が作用したとき、厚み方向に分極を生じる性質を有し、上部電極Ｅが設けられた領域が圧電素子２２として動作する。発電素子１０の場合、第１及び第２の板状可撓体１２，１４の上面の５箇所に上部電極Ｅが配置され、合計５つの圧電素子２２(1)〜２２(5)が設けられている。

片持ち梁構造の場合、図４（ａ）の模式図に示すように、梁部材Ｈの先端部に取り付けられた重錘ＷにＺ軸負方向の加速度が生じ力Ｆｚが作用すると、梁部材Ｈが厚み方向に撓み、梁部材Ｈの表層のほぼ全ての領域（エリアAR1）に圧縮応力が発生する。反対に、重錘体ＷにＺ軸正方向の加速度が生じ力−Ｆｚが作用すると、梁部材Ｈの表層のほぼ全ての領域（エリアAR1）に引張り応力が発生する。

両持ち梁構造の場合、図４（ｂ）の模式図に示すように、２つの梁部材Ｈａ，Ｈｂの先端部に取り付けられた重錘体ＷにＺ軸負方向の加速度が生じ力Ｆｚが作用すると、梁部材Ｈａが厚み方向に撓み、梁部材Ｈａの表層には、重錘体Ｗに近い約半分の領域（エリアAR2）に引張り応力が発生し、重錘体Ｗから離れた約半分の領域（エリアAR3）に圧縮応力が発生する。同様に、梁部材Ｈｂも厚み方向に撓み、梁部材Ｈｂの表層には、重錘体Ｗに近い約半分の領域（エリアAR4）に引張り応力が発生し、重錘体Ｗから離れた約半分の領域（エリアAR5）に圧縮応力が発生する。逆に、重錘体ＷにＺ軸正方向の加速度が生じ力Ｆｚが作用したときは、各領域の伸縮の方向が反転する。

このように、両持ち梁構造は、片持ち梁構造とは異なり、各梁部材の内部の応力分布が一様にはならない。圧電素子は、応力の方向が異なる領域に跨るように配置すると発生電荷が相殺されて発電できなくなるので、応力分布が一様な領域毎に設ける必要がある。そこで、発電素子１０の場合、片持ち梁構造の第１の板状可撓体１２には、第１の板状可撓体１２のエリアAR1に相当する領域に圧電素子２２(1)が配置されている。また、両持ち梁構造の第２の板状可撓体１４には、第２梁部材１４(1)のエリアAR2とAR3に相当する領域に圧電素子２２(2)と２２(3)が各々配置され、第２梁部材１４(2)のエリアAR4とAR5に相当する領域に圧電素子２２(4)と２２(5)が各々配置されている。

発電回路２４は、圧電素子２２(1)〜２２(5)に発生した電荷に基づいて流れる電流を整流し、これらを合成して電力を取り出す回路であり、図５に示すように、複数のダイオードで構成された全波整流回路２４ａと、全波整流回路２４ａの出力を平滑する平滑コンデンサ２４ｂとで構成され、平滑コンデンサ２４ｂの両端に接続された負荷Ｌｏに向けて電力を出力する。つまり、圧電素子２２(1)〜２２(5)に発電回路２４を接続することによって、台座１６にＺ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力を取り出すことができる。

次に、発電素子１０のＺ軸方向の共振特性について説明する。上記の構造により、発電素子１０には２つの振動系Re1，Re2が形成される。第１の振動系Re1は、第１の板状可撓体１２の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状可撓体１２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状可撓体１２の先端部に接続された物体の質量（第１の重錘体１８、第２の板状可撓体１４及び第２の重錘体２０の質量）とを調節することによって設定される。

第２の振動系Re2は、第２の板状可撓体１４の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状可撓体１４（第２梁部材１４(1)，１４(2)）のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状可撓体１４の先端部に接続された物体の質量（第２の重錘体２０の質量）とを調節することによって設定される。

各振動系Re1，Re2のＺ軸方向の共振特性は、例えば図６（ａ）のように設定することができる。なお、図６（ａ）に示す第２の振動系Re2の共振特性は、第２の板状可撓体１４の基端部が台座１６に直接接続された状態を仮想したものであり、第１の振動系Re1との相互作用は含んでいない。

第１の振動系Re1の共振特性は、共振周波数frz1付近に、台座１６に作用した振動に共鳴して振幅A1が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz1を中心とする半値幅hz1の周波数帯で、振幅A1がピーク値の1/2以上になっている。第２の振動系Re2の共振特性は、共振周波数frz2付近にピーキングが発生し、共振周波数frz2を中心とする半値幅hz2の周波数帯で、振幅A2がピーク値の1/2以上になっている。ここでは、共振周波数frz1とfrz2を意図的にずらしてあり、半値幅hz1の周波数帯と半値幅hz2の周波数帯は重なっていない。

台座１６にＺ軸方向の振動が加わると、この振動が第１の振動系Re1に伝わり、図６（ｂ）に示すように、共振周波数frz1付近の周波数帯で発電量が大きくなる。また、この振動が第２の振動系Re2にも伝わり、共振周波数frz2付近の周波数帯でも発電量が大きくなる。したがって、周波数frz1〜frz2付近に跨る広い周波数帯で所定の発電量を得ることができる。

また、各振動系Re1，Re2のＺ軸方向の共振特性は、図７（ａ）に示すように、共振周波数frz1とfrz2をほぼ同じ値に設定することも可能である。ほぼ同じ値とは、半値幅hz1の周波数帯と半値幅hz2の周波数帯が互いに重なる程度に近い値であることを言う。

例えば、第１及び第２の振動系Re1，Re2のＱ値をQz1，Qz2（Qz1＝QZ2>>1）、共振周波数frz1＝frz2とし、台座１６に共振周波数frz1，frz2と同じ周波数の振動が加わったときの動作を考える。台座１６にこの振動が加わると、この振動が第１の振動系Re1に伝わり、第１の板状可撓体１２が厚み方向に撓み、第１の重錘体１８に、台座１６が変位する加速度αのQz1倍の加速度（Qz1・α）が発生する。したがって、圧電素子２０(1)には、概算で、第１の板状可撓体１２の先端部と基端部の加速度の差（Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz1＝10とすれば、加速度（10α）に相当する電荷が発生することになる。

さらに、第１の重錘体１８の振動が第２の振動系Re2に伝わり、第２の板状可撓体１４（第２梁部材１４(1)，１４(2)）が厚み方向に撓む。そして、第２の重錘体２０に、第１の重錘体１８が変位する加速度のQz2倍の加速度（Qz2・Qz1・α）が発生する。したがって、圧電素子２２(4)〜２２(5)３０には、概算で、第２の板状可撓体１４の先端部と基端部の加速度の差（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷が発生する。例えば、Qz2＝Qz1＝10とすれば、加速度（100α）に相当する電荷が発生することになる。

このように、第１の振動系Re1で（Qz1・α）に相当する電荷が発生し、第２の振動系Re2では（Qz2・Qz1・α）に相当する電荷が発生し、これらを合算することによって非常高い発電量を得ることができる。

なお、発電量を高くするには、共振周波数frz1とfrz2を一致させることが好ましいが、量産時は製造上のバラツキ等が生じるので、これらを正確に一致させることは難しい。そこで、発明者が実験やシミュレーションを行って検討した結果、第１の振動系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第２の振動系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっていれば、その重なっている周波数帯において、十分に高い発電量が得られることが分かった。つまり、振動系Re1，Re2の共振周波数frz1とfrz2をほぼ同じ値に設定することによって、図７（ｂ）に示すように、半値幅hz1とhz2が重なる周波数帯で非常に高い発電量を得ることができる。

次に、発電素子１０の第２の板状可撓体１４の変形量について考える。図８（ａ）は、発電素子１０を模式的に描いたものであり、図８（ｂ）は、従来の発電素子２６（特許文献１の図２４の発電素子のような構造）を模式的に描いたものである。２つの発電素子１０と２６とを比較すると、第１の重錘体１８が第１の可撓体１２によって片持ち梁構造に支持されている部分は同様であるが、発電素子１０は、第２の重錘体２０が第２の板状可撓体１４（１４(1)，１４(2)）によって両持ち梁構造に支持され、発電素子２６は、第２の重錘体２０が第２の板状可撓体２７によって片持ち梁構造に支持されているという違いがある。

上記のように、２つの振動系の共振周波数frz1，frz2をほぼ同じ値に設定すると、第２の板状可撓体の変形量が格段に大きくなる。一般に、同じ加速度が重錘体に作用した場合、重錘体の変位量は、片持ち梁構造の方が両持ち梁構造よりも相対的に大きくなる。そのため、従来の発電素子２６の場合、第２の板状可撓体２７が片持ち梁構造なので、第２の板状可撓体２７の変形量が大きくなり過ぎるおそれがあり、第２の板状可撓体２７に疲労が蓄積して破損しやすくなり、製品寿命が短くなってしまう可能性がある。また、ストッパ部材の設計（例えば、ストッパ部材の働きをする第１の重錘体１８等の設計）が難しくなる。

これに対して、発電素子１０は、第２の板状可撓体１４が両持ち梁構造なので、第２梁部材１４(1)，１４(2)の変形量が相対的に抑えられ、第２梁部材１４(1)，１４(2)に加わるストレスを軽減することができる。なお、両持ち梁構造の場合、各梁部材の変形量が小さくなるので、片持ち梁構造よりも発電量がやや低下するが、２つの梁部材に各々発電素子２２を設けることによって、一定以上の発電量は確保することができる。

以上説明したように、発電素子１０は、第１及び第２の板状可撓体１２，１４と第１及び第２の重錘体１８，２０とを組み合わせた独特な構造を有しているので、発電素子１０に振動が加わった時の各板状可撓体１２，１４の変形量を容易に調節することができる。したがって、発電効率を向上させるという課題と、板状可撓体の変形量を一定以下に抑えるという課題を、発電素子の用途や仕様に応じてバランスよく達成することができる。また、外形も非常にコンパクトにできる。

また、発電素子１０は２つの振動系Re1，Re2を有しているので、振動系Re1，Re2の共振周波数frz1とfrz2を合わせることによって、発電効率を従来よりも格段に高くすることができ、共振周波数frz1とfrz2をずらすことによって、従来と同様の広周波数帯域発電も行うことができる。

次に、発電素子１０の変形例について説明する。上述した発電素子１０は、Ｚ軸方向の発電を行う素子であり、Ｚ軸方向の加速度が作用した時の第１及び第２の板状可撓体１２，１４の応力分布を考慮して、５つの圧電素子２２が設けられている（２２(1)〜２２(5)）。この圧電素子２２の数及び配置を変更することによって、Ｘ軸方向の発電も可能になる。

片持ち梁構造の場合、図９（ａ）の模式図に示すように、梁部材Ｈの先端部に取り付けられた重錘ＷにＸ軸負方向の加速度が生じ力Ｆｘが作用すると、重錘体Ｗの重心位置が梁部材Ｈよりも低い位置にあるため梁部材Ｈが厚み方向に撓み、梁部材Ｈには、表層のほぼ全ての領域（エリアAR1）に圧縮応力が発生する。反対に、重錘体ＷにＸ軸正方向の加速度が生じ力−Ｆｘが作用すると、梁部材Ｈの表層のほぼ全ての領域（エリアAR1）に引張り応力が発生する。また、両持ち梁構造の場合、図９（ｂ）の模式図に示すように、梁部材Ｈの先端部に取り付けられた重錘ＷにＸ軸負方向の加速度が生じ力Ｆｘが作用すると、重錘体Ｗの重心位置が梁部材Ｈよりも低い位置にあるため梁部材Ｈａ，Ｈｂが各々厚み方向に撓み、梁部材Ｈａの表層の応力分布がエリアAR2，AR3に区分され、梁部材Ｈｂの表層の応力分布がエリアAR4，AR5に区分される。

したがって、片持ち梁構造の第１の板状可撓体１２は、エリアAR1に相当する領域に圧電素子２２(1)を配置し、両持ち梁構造の第２の板状可撓体１４（第２梁部材１４(1)，１４(2)）は、AR2〜AR5に相当する領域に圧電素子２２(2)〜２２(5)を各々配置し、各圧電素子に図５の発電回路２４を接続することによって、Ｘ軸及びＺ軸方向の発電が可能になる。

発電素子１０の第１の振動系Re1は、Ｚ軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他に、Ｘ軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1を有しており、第２の振動系Re2は、Ｚ軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他に、Ｘ軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2を有している。したがって、Ｚ軸方向の発電と同様に、２つの振動系の共振周波数frx1，frx2を相互に合わせることによって、Ｘ軸方向の発電効率を格段に高くすることができ、共振周波数frx1，frx2を相互にずらすことによって、Ｘ軸方向の広周波数帯域発電も行うことができる。

また、圧電素子２２の数及び配置を変更することによって、Ｙ軸方向の発電も可能になる。片持ち梁構造の場合、図１０（ａ）の模式図に示すように、梁部材Ｈの先端部に取り付けられた重錘ＷにＹ軸正方向の加速度が作用すると、重錘体Ｗの重心位置が梁部材Ｈよりも低い位置にあるため梁部材Ｈが厚み方向に撓み、梁部材Ｈの表層の応力分布がエリアAR1、AR2に区分される。また、両持ち梁構造の場合、図１０（ｂ）の模式図に示すように、梁部材Ｈの先端部に取り付けられた重錘ＷにＹ軸負方向の加速度が生じ力Ｆｙが作用すると、梁部材Ｈａ，Ｈｂが各々幅方向に撓み、梁部材Ｈａの表層の応力分布がエリアAR3〜AR6に区分され、梁部材Ｈｂの表層の応力分布がエリアAR7〜AR10に区分される。

したがって、片持ち梁構造の第１の板状可撓体１２は、エリアAR1、AR2に相当する領域に圧電素子２２(1)，２２(2)を各々配置し、両持ち梁構造の第２の板状可撓体１４（第２梁部材１４(1)，１４(2)）は、AR3〜AR10に相当する領域に圧電素子２２(3)〜２２(10)を各々配置し、各圧電素子に図５の発電回路２４を接続することによって、Ｙ軸、Ｘ軸及びＺ軸方向の発電が可能になる。

発電素子１０の第１の振動系Re1は、Ｙ軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hry1を有し、第２の振動系Re2は、Ｙ軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。したがって、Ｘ軸及びＺ軸方向の発電と同様に、２つの振動系の共振周波数fry1，fry2を相互に合わせることによって、Ｙ軸方向の発電効率を格段に高くすることができ、共振周波数fry1，fry2を相互にずらすことによって、Ｙ軸方向の広周波数帯域発電も行うことができる。

次に、本発明の発電素子の第二の実施形態について、図１１〜図１５に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の発電素子２８は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の振動を受けて発電を行う素子であり、図１１、図１２に示すように、ＸＹ平面に平行に配置された第１の板状可撓体１２と、第２の板状可撓体３０，３２と、第１の板状可撓体１２の基端部を支持する台座１６と、第１の板状可撓体１２の先端部及び第２の板状可撓体３０，３２の基端部に接続された第１の重錘体１８と、第２の板状可撓体３０の先端部に接続された第２の重錘体３４と、第２の板状可撓体３２の先端部に接続された第２の重錘体３６とを備えている。さらに第１及び第２の板状可撓体１２，３０，３２の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子２２と、発電回路２４（図１１、図１２では省略してある）とを備えている。発電素子２８を振動源に取り付けて使用する時は、例えば、台座１６の下端部が振動源の上面（ＸＹ平面と平行な面）に固定される。

圧電素子２２と発電回路２４以外の部分は、いわゆるＭＥＭＳ技術を使用して製造され、Ｓｉ基板又はＳＯＩ基板等で成る第１基板Ｋ１及び第２基板Ｋ２を互いに貼り合わせ、研磨、エッチング、切断等の加工を行うことによって形成されている。

第１の板状可撓体１２は、薄い第１基板Ｋ１の一部として形成され、１つの梁部材（第１梁部材）により構成されている。第１の板状可撓体１２は、基端部が台座１６に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸正方向で、長さ方向の軸が第１の重錘体１８の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。

第２の板状可撓体３０は、薄い第１基板Ｋ１により設けられ、２つの梁部材である第２梁部材３０(1)，３０(2)により構成されている。第２梁部材３０(1)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸負方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体３４の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。第２梁部材３０(2)は、基端部が第１の重錘体１８の別の位置に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸正方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体３４の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。

第２の板状可撓体３２は、薄い第１基板Ｋ１により設けられ、２つの梁部材である第２梁部材３２(1)，３２(2)により構成されている。第２梁部材３２(1)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸負方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体３６の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。第２梁部材３２(2)は、基端部が第１の重錘体１８の別の位置に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸正方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体３６の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されている。

台座１６は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、矩形の枠体状に形成され、その中心軸がＺ軸と平行に配置されている。そして、台座１６の内周部から第１の板状可撓体１２が内向きに伸び、台座１６の内側に第１及び第２の重錘体１８，３４，３６が隙間を空けて収容されている。

第１の重錘体１８は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、矩形の枠体状に形成され、その中心軸がＺ軸と平行に配置されている。第１の重錘体１８の重心位置は、第１の板状可撓体１２に対してＺ軸負方向にずれており、第１の重錘体１８の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第１の重錘体１８の外周部から第１の板状可撓体１２が外向きに伸び、内周部から第２梁部材３０(1)，３０(2)，３２(1)，３２(2)が内向きに伸び、第１の重錘体１８の内側に第２の重錘体３４，３６が隙間を空けて収容されている。

第２の重錘体３４は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、略四角形に形成されている。第２の重錘体３４の重心位置は、第２の板状可撓体３０に対してＺ軸負方向にずれており、第２の重錘体３４の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第２の重錘体３４の外周部から第２梁部材３０(1)，３０(2)が外向きに伸びている。

第２の重錘体３６は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、略四角形に形成されている。第２の重錘体３６の重心位置は、第２の板状可撓体３２に対してＺ軸負方向にずれており、第２の重錘体３６の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第２の重錘体３６の外周部から第２梁部材３２(1)，３２(2)が外向きに伸びている。

以上の構成により、第１の重錘体１８は、第１の板状可撓体１２及び台座１６によって片持ち梁構造に支持される。また、第２の重錘体３４は、第２の板状可撓体３０（第２梁部材３０(1)，３０(2)）及び第１の重錘体１８によって支持され、台座１６にＺ軸方向の加速度が作用した時、第２の重錘体３４はＺ軸方向に移動する。同様に、第２の重錘体３６は、第２の板状可撓体３２（第２梁部材３２(1)，３２(2)）及び第１の重錘体１８によって支持され、台座１６にＺ軸方向に加速度が作用した時、第２の重錘体３６はＺ軸方向に移動する。つまり、第２の重錘体３４と３６は、各々両持ち梁構造に支持される。

圧電素子２２は、図１３（ｂ）に示すように、第１基板Ｋ１の上面全体を覆う下部電極Ｇ、下部電極Ｇの上面全体を覆う圧電材料Ｐ、圧電材料Ｐの上面の特定の領域に設けた上部電極Ｅによって構成されている。圧電材料Ｐは、面内方向に伸縮する応力が作用したとき、厚み方向に分極を生じる性質を有し、上部電極Ｅが設けられた領域が圧電素子２２として動作する。発電素子２８の場合、第１及び第２の板状可撓体１２，３０，３２の上面の９箇所に上部電極Ｅが配置され、合計９つの圧電素子２２(1)〜２２(9)が設けられている。

先に説明したように、重錘体にＺ軸方向の加速度が作用した時、梁部材の表層に発生する応力分布は、片持ち梁構造の場合は図４（ａ）のようになり、両持ち梁構造の場合は図４（ｂ）のようになる。そこで、発電素子２８の場合、片持ち梁構造の第１の板状可撓体１２には、第１の板状可撓体１２のエリアAR1に相当する領域に、圧電素子２２(1)が配置されている。また、両持ち梁構造の第２の板状可撓体３０には、第２梁部材３０(1)のエリアAR2とAR3に相当する領域に圧電素子２２(2)と２２(3)が各々配置され、第２梁部材３０(2)のエリアAR4とAR5に相当する領域に圧電素子２２(4)と２２(5)が各々配置されている。同様に、両持ち梁構造の第２の板状可撓体３２には、第２梁部材３２(1)のエリアAR2とAR3に相当する領域に圧電素子２２(6)と２２(7)が各々配置され、第２梁部材３２(2)のエリアAR4とAR5に相当する領域に圧電素子２２(8)と２２(9)が各々配置されている。

発電回路２４は、図５に示すように、各圧電素子２２に発生した電荷に基づいて流れる電流を整流し、これらを合成して電力を取り出す回路である。したがって、圧電素子２２(1)〜２２(9)に発電回路２４を接続することによって、台座１６にＺ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力を取り出すことができる。

次に、発電素子２８のＺ軸方向の共振特性について説明する。上記の構造により、発電素子２８には３つの振動系Re1，Re2,Re3が形成される。第１の振動系Re1は、第１の板状可撓体１２の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状可撓体１２のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状可撓体１２の先端部に接続された物体の質量（第１の重錘体１８、第２の板状可撓体３０，３２及び第２の重錘体３４，３６の質量）とを調節することによって設定される。

第２の振動系Re2は、第２の板状可撓体３０の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状可撓体３０（第２梁部材３０(1)，３０(2)）のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状可撓体３０の先端部に接続された物体の質量（第２の重錘体３４の質量）とを調節することによって設定される。

第３の振動系Re3は、第２の板状可撓体３２の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz3は、第２の板状可撓体３２（第２梁部材３２(1)，３２(2)）のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状可撓体３２の先端部に接続された物体の質量（第２の重錘体３６の質量）とを調節することによって設定される。

各振動系Re1，Re2，Re3のＺ軸方向の共振特性は、例えば図１４（ａ）のように設定することができる。なお、図１４（ａ）に示す第２の振動系Re2の共振特性は、第２の板状可撓体３０の基端部が台座１６に直接接続された状態を仮想したものであり、第１の振動系Re1との相互作用は含んでいない。同様に、第３の振動系Re3の共振特性は、第２の板状可撓体３２の基端部が台座１６に直接接続された状態を仮想したものであり、第１の振動系Re1との相互作用は含んでいない。

第１の振動系Re1の共振特性は、共振周波数frz1付近に、台座１６に作用した振動に共鳴して振幅A1が大きくなるピーキングが発生し、第２及び第３の振動系Re2，Re3の共振特性は、共振周波数frz2，frz3付近に各々ピーキングが発生している。ここでは、３つの共振周波数frz1とfrz2とfrz3は意図的にずらしてあり、各半値幅hz1，hz2，hz3の周波数帯は相互に重なっていない。

台座１６にＺ軸方向の振動が加わると、この振動が第１の振動系Re1に伝わり、図１４（ｂ）に示すように、共振周波数frz1付近の周波数帯で発電量が大きくなる。また、この振動が第２及び第３の振動系Re2，Re3にも伝わり、共振周波数frz2，frz3付近の周波数帯でも発電量が大きくなる。したがって、周波数frz1〜frz3付近に跨る広い周波数帯で所定の発電量を得ることができる。

また、各振動系Re1，Re2のＺ軸方向の共振特性は、図１５（ａ）に示すように、共振周波数frz1，frz2，frz3をほぼ同じ値に設定することも可能である。ここでは、半値幅hz2の周波数帯の一部が半値幅hz2の周波数帯の一部に重なり、Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部も半値幅hz1の周波数帯の一部に重なるように設定されている。半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。このように設定することによって、図１５（ｂ）に示すように、半値幅hz1とhz2とが重なる周波数帯、及び半値幅hz1とhz3とが重なる周波数帯で、非常に高い発電量を得ることができる。

上記の発電素子１０は、第２の板状可撓体及び第２の重錘体を１組だけ備えているのに対し、発電素子２８は、第２の板状可撓体及び第２の重錘体を２組備えているという特徴がある。第１板状可撓体と第２の板状可撓体とが互いに平行か直角かの違いは、発電特性にはあまり影響しない。

発電素子２８の場合、第２の重錘体３４，３６が各々小形なので、これを支持する第２梁部材の変形量は、発電素子１０の梁部材よりよりも相対的に小さくなり、第２梁部材に加わるストレスを軽減することができる。また、ストッパ部材による保護も容易になる。なお、発電素子２８は、発電素子１０よりも発電量がやや低下するが、第２の梁部材３０(1)，３０(2)，３２(1)，３２(2)に各々発電素子２２を設けることによって、一定以上の発電量は確保することができる。

以上説明したように、発電素子２８は、第１及び第２の板状可撓体１２，３０，３２と第１及び第２の重錘体３４，３６とを組み合わせた独特な構造を有しているので、発電素子２８に振動が加わったときの各板状可撓体１２，３０，３２の変形量を容易に調節することができる。したがって、上記発電素子１０と同様に、発電効率を向上させるという課題と、板状可撓体の変形量を一定以下に抑えるという課題を、発電素子の用途や仕様に応じてバランスよく達成することができる。また、外形も非常にコンパクトにできる。

さらに、３つの振動系Re1，Re2，Re3を有しているので、共振周波数frz1，frz2，frz3をずらすことによって、発電素子１０以上の広周波数帯域発電が可能になる。また、先に説明した要領で圧電素子２２の数及び配置を変更することによって、３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）の発電を行うことも可能になる。

次に、本発明の発電素子の第三の実施形態について、図１６〜図１８に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の発電素子３８は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の振動を受けて発電を行う素子であり、図１６、図１７に示すように、ＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体４０，４２と、第１の板状可撓体４０の基端部を支持する台座１６と、第１の板状可撓体４０の先端部及び第２の板状可撓体４２の基端部に接続された第１の重錘体１８と、第２の板状可撓体４２の先端部に接続された第２の重錘体２０とを備えている。さらに第１及び第２の板状可撓体４０，４２の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子２２と、発電回路２４（図１６、図１７では省略してある）とを備えている。発電素子３８を振動源に取り付けて使用する時は、例えば、台座１６の下端部が振動源の上面（ＸＹ平面と平行な面）に固定される。

圧電素子２２と発電回路２４以外の部分は、いわゆるＭＥＭＳ技術を使用して製造され、Ｓｉ基板又はＳＯＩ基板等で成る第１基板Ｋ１及び第２基板Ｋ２を互いに貼り合わせ、研磨、エッチング、切断等の加工を行うことによって形成されている。

第１の板状可撓体４０は、薄い第１基板Ｋ１の一部として形成され、４つの梁部材である第１梁部材４０(1)〜４０(4)により構成されている。第１梁部材４０(1)は、基端部が台座１６に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向で、長さ方向の軸が、第１の重錘体１８の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第１の重錘体１８の外周部（第１梁部材４０(2)の基端部に近い位置）に連続している。第１梁部材４０(2)は、基端部が台座１６に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸正方向で、長さ方向の軸が、第１の重錘体１８の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第１の重錘体１８の外周部（第１梁部材４０(3)の基端部に近い位置）に連続している。第１梁部材４０(3)は、基端部が台座１６に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向で、長さ方向の軸が、第１の重錘体１８の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第１の重錘体１８の外周部（第１梁部材４０(4)の基端部に近い位置）に連続している。第１梁部材４０(4)は、基端部が台座１６に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸負方向で、長さ方向の軸が、第１の重錘体１８の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第１の重錘体１８の外周部（第１梁部材４０(1)の基端部に近い位置）に連続している。

第２の板状可撓体４２は、薄い第１基板Ｋ１の一部として形成され、４つの梁部材である第２梁部材４２(1)〜４２(4)により構成されている。第２梁部材４２(1)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向で、長さ方向の軸が、第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第２の重錘体２０の外周部（第２梁部材４２(2)の基端部に近い位置）に連続している。第２梁部材４２(2)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸正方向で、長さ方向の軸が、第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第２の重錘体２０の外周部（第２梁部材４２(3)の基端部に近い位置）に連続している。第２梁部材４２(3)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向で、長さ方向の軸が、第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第２の重錘体２０の外周部（第２梁部材４２(4)の基端部に近い位置）に連続している。第２梁部材４２(4)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸負方向で、長さ方向の軸が、第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように配置され、先端部が第２の重錘体２０の外周部（第２梁部材４２(1)の基端部に近い位置）に連続している。

台座１６は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、矩形の枠体状に形成され、その中心軸がＺ軸と平行に配置されている。そして、台座１６の内周部から第１の板状可撓体４０が内向きに伸び、台座１６の内側に第１及び第２の重錘体１８，２０が隙間を空けて収容されている。

第１の重錘体１８は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、矩形の枠体状に形成され、その中心軸がＺ軸と平行に配置されている。第１の重錘体１８の重心位置は、第１の板状可撓体４０に対してＺ軸負方向にずれており、第１の重錘体１８の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第１の重錘体１８の外周部から第１梁部材４０(1)〜４０(4)が外向きに伸び、内周部から第２梁部材４２(1)〜４２(4)が内向きに伸び、第１の重錘体１８の内側に第２の重錘体２０が隙間を空けて収容されている。

第２の重錘体２０は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、略四角形に形成されている。第２の重錘体２０の重心位置は、第２の板状可撓体４２に対してＺ軸負方向にずれており、第２の重錘体２０の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第２の重錘体２０の外周部から第２梁部材４２(1)〜４２(4)が外向きに伸びている。

以上の構成により、第１の重錘体１８は、第１の板状可撓体４０（第１梁部材４０(1)〜４０(2)）及び台座１６によって外周部がほぼ均等に支持され、台座１６にＺ軸方向の加速度が作用した時、第１の重錘体１８はＺ軸方向に移動する。したがって、第１の重錘体１８は、４つの梁部材によって両持ち梁構造に支持されている。

同様に、第２の重錘体２０は、第２の板状可撓体４２（第２梁部材４２(1)〜４２(2)）及び第１の重錘体１８によって外周部がほぼ均等に支持され、台座１６にＺ軸方向に加速度が作用した時、第２の重錘体２０はＺ軸方向に移動する。つまり、第２の重錘体２０も、４つの梁部材によって両持ち梁構造に支持されている。

圧電素子２２は、図１８（ｂ）に示すように、第１基板Ｋ１の上面全体を覆う下部電極Ｇ、下部電極Ｇの上面全体を覆う圧電材料Ｐ、圧電材料Ｐの上面の特定の領域に設けた上部電極Ｅによって構成されている。圧電材料Ｐは、面内方向に伸縮する応力が作用したとき、厚み方向に分極を生じる性質を有し、上部電極Ｅが設けられた領域が圧電素子２２として動作する。発電素子３８の場合、第１及び第２の板状可撓体４０，４２の上面の１６箇所に上部電極Ｅが配置され、合計１６個の圧電素子２２(1)〜２２(16)が設けられている。

先に説明したように、重錘体にＺ軸方向の加速度が作用した時、梁部材の表層に発生する応力分布は、両持ち梁構造の場合、図４（ｂ）のようになる。そこで、発電素子３８の場合、両持ち梁構造の第１の板状可撓体４０には、第１梁部材４０(1)のエリアAR2とAR3に相当する領域に圧電素子２２(1)と２２(2)が各々配置され、第１梁部材４０(2)のエリアAR2とAR3に相当する領域に圧電素子２２(3)と２２(4)が各々配置され、第１梁部材４０(3)のエリアAR4とAR5に相当する領域に圧電素子２２(5)と２２(6)が各々配置され、第１梁部材４０(4)のエリアAR4とAR5に相当する領域に圧電素子２２(7)と２２(8)が各々配置されている。

同様に、両持ち梁構造の第２の板状可撓体４２には、第２梁部材４２(1)のエリアAR2とAR3に相当する領域に圧電素子２２(9)と２２(10)が各々配置され、第２梁部材４２(2)のエリアAR2とAR3に相当する領域に圧電素子２２(11)と２２(12)が各々配置され、第２梁部材４２(3)のエリアAR4とAR5に相当する領域に圧電素子２２(13)と２２(14)が各々配置され、第２梁部材４２(4)のエリアAR4とAR5に相当する領域に圧電素子２２(15)と２２(16)が各々配置されている。

発電回路２４は、図５に示すように、各圧電素子２２に発生した電荷に基づいて流れる電流を整流し、これらを合成して電力を取り出す回路である。したがって、圧電素子２２(1)〜２２(16)に発電回路２４を接続することによって、台座１６にＺ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力を取り出すことができる。

次に、発電素子３８のＺ軸方向の共振特性について説明する。上記の構造により、発電素子３８には２つの振動系Re1，Re2が形成される。第１の振動系Re1は、第１の板状可撓体４０の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状可撓体４０（第１梁部材４０(1)〜４０(4)）のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状可撓体４０の先端部に接続された物体の質量（第１の重錘体１８、第２の板状可撓体４２及び第２の重錘体２０の質量）とを調節することによって設定される。

第２の振動系Re2は、第２の板状可撓体４２の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状可撓体４２（第２梁部材４２(1)〜４２(4)）のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状可撓体４２の先端部に接続された物体の質量（第２の重錘体２０の質量）とを調節することによって設定される。

各振動系Re1，Re2のＺ軸方向の共振特性は、例えば図６（ａ）のように設定することによって、図６（ｂ）に示すように、周波数frz1〜frz2付近に跨る広い周波数帯で所定の発電量を得ることができる。また、図７（ａ）のように設定することによって、図７（ｂ）に示すように、半値幅hz1とhz2とが重なる周波数帯で、非常に高い発電量を得ることができる。

上記の発電素子１０の両持ち梁構造（第２の振動系Re2）は、梁部材の数が２つであり、各梁部材の長さ方向の軸が重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置されているので、各梁部材の長さが短い。

これに対して、発電素子３８の両持ち梁構造（第１及び第２の振動系Re1，Re2）は、梁部材の数が４つであり、各梁部材の長さ方向の軸が重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差せず、重錘体の周囲を囲むように配置されているので、各梁部材の長さが長いという特徴がある。また、各梁部材の長さは、各梁部材の先端部を重錘体の外周部の異なる位置に連続させれば、容易に変更することができる。

梁部材の数が多いという特徴は、一定の加速度が作用した時、各梁部材の変位量が相対的に小さくなる方向に作用する。反対に、梁部材が長いという特徴は、一定の加速度が作用した時、各梁部材の変位量が相対的に大きくなる方向に作用し、その大きくなる度合いは、各梁部材の長さを変更することによって容易に調節することができる。したがって、発電素子３８の両持ち梁構造の方が、各梁部材の変位量を最適化するためのパラメータの数が多い。

以上説明したように、発電素子３８は、第１及び第２の板状可撓体４０，４２と第１及び第２の重錘体１８，２０とを組み合わせた独特な構造を有しているので、設計の自由度が非常に高く、発電素子３８に振動が加わったときの各板状可撓体４０，４２の変形量をきめ細かく調節することができる。したがって、発電効率を向上させるという課題と、板状可撓体の変形量を一定以下に抑えるという課題を、発電素子の用途や仕様に応じてバランスよく達成することができる。また、外形も非常にコンパクトにできる。さらに、先に説明した要領で圧電素子２２の数及び配置を変更することによって、３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）の発電を行うことも可能になる。

なお、発電素子３８の場合、第１の振動系Re1は、第１梁部材４０(2)と４０(4)を省略した場合でも、第１梁部材４０(1)と４０(3)によって両持ち梁構造が成立し、第１梁部材４０(1)と４０(3)を省略した場合でも、第１梁部材４０(2)と４０(4)によって両持ち梁構造が成立するので、上記と同様の動作を行うことができる。また、第２の振動系Re2についても同様であり、第２梁部材４２(2)と４２(4)を省略した場合でも、第２梁部材４２(1)と４２(3)によって両持ち梁構造が成立し、第２梁部材４２(1)と４２(3)を省略した場合でも、第２梁部材４２(2)と４２(4)によって両持ち梁構造が成立するので、同様の上記と動作を行うことができる。

次に、本発明の発電素子の第四の実施形態について、図１９〜図２１に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の発電素子４４は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の振動を受けて発電を行う素子であり、上記発電素子３８（図１６〜図１８）の構成の一部を変更したものである。

発電素子４４は、発電素子３８とほぼ同じ構造の台座１６、第１の板状可撓体４０（第１梁部材４０(1)〜４０(4)）及び第１の重錘体１８を備えている。つまり、発電素子４４の第１の振動系Re1は、発電素子３８の振動系Re1と同様の両持ち梁構造に形成されている。

発電素子４４の第２の振動系Re2は、新規な第２の板状可撓体４６で第２の重錘体２０を支持している。第２の板状可撓体４６は、薄い第１基板Ｋ１の一部として形成され、４つの梁部材である第２梁部材４６(1)〜４６(4)により構成されている。第２梁部材４６(1)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸正方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置され、先端部が第２の重錘体２０に連続している。第２梁部材４６(2)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸正方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置され、先端部が第２の重錘体２０に連続している。第２梁部材４６(3)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＸ軸負方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置され、先端部が第２の重錘体２０に連続している。第２梁部材４６(4)は、基端部が第１の重錘体１８に連続し、基端部から先端部へ向かう方向がＹ軸負方向で、長さ方向の軸が第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置され、先端部が第２の重錘体２０に連続している。

発電素子４４の圧電素子２２は、図２１に示すように、１６個の圧電素子２２(1)〜２２(16)により構成され、上記発電素子３８の圧電素子２２(1)〜２２(16)と同様の考え方で、第１及び第２の板状可撓体４０，４６の上面に配置されている。

その他、発電素子４４の場合、第１の重錘体１８の４つの端部（第１梁部材４０(1)〜４０(4)の各先端部が連続している端部）に、第１基板Ｋ１を短く延長することによって、４つの庇部４８(1)〜４８(4)が設けられているという特徴がある。庇部４８(1)は、第１梁部材４０(1)の、第１の重錘部との境界に近い部分の応力分布を適正化する働きをする。また、庇部４８(1)を設けることによって、圧電素子２２(1)の上部電極Ｅの配置が容易になる。その他の庇部４８(2)〜４８(4)についても同様である。

発電素子４４は、上記発電素子３８と同様に、設計の自由度が非常に高く、一定の加速度が加わったときの各板状可撓体４０，４６の変形量をきめ細かく調節することができる。したがって、発電効率を向上させるという課題と、板状可撓体の変形量を一定以下に抑えるという課題を、発電素子の用途や仕様に応じてバランスよく達成することができる。また、発電素子３８と同じ要領で圧電素子２２の数及び配置を変更することによって、３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）の発電を行うことも可能になる。

なお、先に説明した発電素子３８の第２の振動系Re2は、各梁部材の長さ方向の軸が、第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差せず、第２の重錘体２０の周囲を囲むように配置されているので、各梁部材の長さを、第２の重錘体２０の１辺と同程度の長さにすることができる。これに対して、発電素子４４の第２の振動系Re2は、各梁部材の長さ方向の軸が、第２の重錘体２０の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差するように配置しているので、各梁部材の長さは、第２の重錘体２０の１辺の長さの1/3〜2/5程度に制限される。したがって、第２の振動系Reの発電量を高くしたいときは、発電素子３８の方が有利である。

しかしながら、発電素子４４は、第２の重錘体２０の外周部に対して非常に近い位置にストッパ部材（第１の重錘体１８）を配置できるので、衝撃に対する保護が容易になるという利点がある。

次に、本発明の発電素子の第五の実施形態について、図２２〜図２４に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の発電素子５０は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の振動を受けて発電を行う素子であり、上記発電素子２８の構成の一部を変更したものである。

発電素子５０は、図２２、図２３に示すように、発電素子３８とほぼ同じ構造の台座１６、第１の板状可撓体４０（第１梁部材４０(1)〜４０(4)）及び第１の重錘体１８を備え、第１の振動系Re1が、発電素子３８と同様の両持ち梁構造に形成されている。

また、発電素子５０は、発電素子２８の第２の板状可撓体３０及び第２の重錘体３４とほぼ同じ構造の第２の板状可撓体５２（第２梁部材５２(1)，５２(2)）及び第２の重錘体５６を備え、第２の振動系Re2が両持ち梁構造に形成されている。また、発電素子２８の第３の板状可撓体３２及び第２の重錘体３６とほぼ同じ構造の第２の板状可撓体５４（第２梁部材５４(1)，５４(2)）及び第２の重錘体５８を備え、第３の振動系Re3が両持ち梁構造に形成されている。

つまり、発電素子５０は、上述の発電素子２８の第１の共振系Re1を、発電素子３８の第１の共振系Re1に置き換えたような構成になっている。第２の板状可撓体の方向がＸ軸に対して平行か直角かという違いはあるが、発電特性にはあまり影響しない。

発電素子５０の圧電素子２２は、図２４に示すように、１６個の圧電素子２２(1)〜２２(16)により構成され、図４（ａ）、（ｂ）に示す応力分布を考慮して、第１及び第２の板状可撓体４０，５２，５４の上面に配置されている。

各振動系Re1，Re2，Re3のＺ軸方向の共振特性は、例えば図１４（ａ）のように設定することによって、図１４（ｂ）に示すように、周波数frz1〜frz3付近に跨る広い周波数帯で所定の発電量を得ることができる。また、図１５（ａ）のように設定することによって、図１５（ｂ）に示すように、半値幅hz1，hz2，hz3が重なる周波数帯で、非常に高い発電量を得ることができる。

上記発電素子２８は、第１の振動系Re1が片持ち梁構造なので、第１の重錘体１８の変位量が大きくなり、特に共振周波数frz1，frz2，frz3をほぼ同じ値に設定した場合、第２の板状可撓体５２，５４の変形量も非常に大きくなる。

これに対して、発電素子５０は、第１の振動系Re1が、上記発電素子３８と同様の両持ち梁構造なので、第１の板状可撓体４０の変形量を小さくすることができ、その結果、発電素子５０の第２の板状可撓体５２，５４の変形量も小さくなり、第２梁部材５２(1)，５２(2)，５４(1)，５４(2)に加わるストレスを容易に軽減することができる。

以上説明したように、発電素子５０によれば、上記発電素子２８と同様の機能を実現することができる。しかも、設計の自由度が非常に高く、発電素子５０に振動が加わったときの各板状可撓体４０，５２，５４の変形量をきめ細かく調節することができるので、発電効率を向上させるという課題と、板状可撓体の変形量を一定以下に抑えるという課題を、発電素子の用途や仕様に応じてバランスよく達成することができる。また、先に説明した要領で圧電素子２２の数及び配置を変更することによって、３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）の発電を行うことも可能になる。

次に、本発明の発電素子の第六の実施形態について、図２５〜図２７に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の発電素子６０は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の振動を受けて発電を行う素子であり、図２５、図２６に示すように、ＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体６２，６４と、第１の板状可撓体６２の基端部を支持する台座１６と、第１の板状可撓体６２の先端部及び第２の板状可撓体６４の基端部に接続された第１の重錘体６６と、第２の板状可撓体６４の先端部に接続された第２の重錘体６８とを備えている。さらに第１及び第２の板状可撓体６２，６４の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子２２と、発電回路２４（図２５、図２７では省略してある）とを備えている。発電素子６０を振動源に取り付けて使用する時は、例えば、台座１６の下端部が振動源の上面（ＸＹ平面と平行な面）に固定される。

圧電素子２２と発電回路２４以外の部分は、いわゆるＭＥＭＳ技術を使用して製造され、Ｓｉ基板又はＳＯＩ基板等で成る第１基板Ｋ１及び第２基板Ｋ２を互いに貼り合わせ、研磨、エッチング、切断等の加工を行うことによって形成されている。

第１の板状可撓体６２は、薄い第１基板Ｋ１の一部として形成され、２つの梁部材である第１梁部材６２(1)，６２(2)により構成されている。第１梁部材６２(1)，６２(2)は、互いに逆向きに屈曲したＬ字形に形成され、基端部が台座１６の互いに近接した位置に各々連続し、先端部が第１の重錘体６６の側端部の互いに近接した位置に各々連続し、第１梁部材６２(1)と６２(2)で囲んだ内側に第２の重錘体６８を収容している。

第２の板状可撓体６４は、薄い第１基板Ｋ１により設けられ、２つの梁部材である第２梁部材６４(1)，６４(2)により構成されている。第２梁部材６４(1)，６４(2)は、互いに逆向きに屈曲したＬ字形に形成され、第２梁部材６４(1)が第１梁部材６２(1)の内側にほぼ平行に配置され、第２梁部材６４(2)が第１梁部材６２(2)の内側に略平行になるように配置されている。そして、基端部が第１の重錘体６６の互いに近接した位置に各々連続し、先端部が第２の重錘体６８の側端部の互いに近接した位置に各々連続し、第２梁部材６４(1)と６４(2)で囲んだ内側に第２の重錘体６８を収容している。

台座１６は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、矩形の枠体状に形成され、その中心軸がＺ軸と平行に配置されている。そして、台座１６の内周部から第１の板状可撓体６２が内向きに伸び、台座１６の内側に第１及び第２の重錘体６６，６８が隙間を空けて収容されている。

第１の重錘体６６は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、小形の略四角形に形成されている。第１の重錘体６６の重心位置は、第１の板状可撓体６２に対してＺ軸負方向にずれており、第１の重錘体６６の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第１の重錘体６６の、第２の重錘体６８側の側端部から、第１梁部材６２(1)，６２(2)及び第２梁部材６４(1)，６４(2)が伸びている。

第２の重錘体２０は、薄い第１基板Ｋ１と厚い第２基板Ｋ２とが重なっている部分に設けられ、第１の重錘体６６よりも少し大きい略四角形に形成されている。第２の重錘体６８の重心位置は、第２の板状可撓体６４に対してＺ軸負方向にずれており、第２の重錘体６８の下面は、台座１６の下面よりも高い位置にある。そして、第２の重錘体６８の、第１の重錘体６６と反対側の側端部から、第２梁部材６４(1)，６４(2)が伸びている。

以上の構成により、第１の重錘体６６は、第１の板状可撓体６２（第１梁部材６２(1)，６２(2)）及び台座１６によって片持ち梁構造に支持される。同様に、第２の重錘体６８は、第２の板状可撓体６４（第２梁部材６４(1)，６４(2)）及び第１の重錘体６６によって片持ち梁構造に支持される。

圧電素子２２は、図２７（ｂ）に示すように、第１基板Ｋ１の上面全体を覆う下部電極Ｇ、下部電極Ｇの上面全体を覆う圧電材料Ｐ、圧電材料Ｐの上面の特定の領域に設けた上部電極Ｅによって構成されている。圧電材料Ｐは、面内方向に伸縮する応力が作用したとき、厚み方向に分極を生じる性質を有し、上部電極Ｅが設けられた領域が圧電素子２２として動作する。発電素子６０の場合、第１及び第２の板状可撓体６２，６４の上面の４箇所に上部電極Ｅが配置され、合計４つの圧電素子２２(1)〜２２(4)が設けられている。

先に説明したように、重錘体にＺ軸方向の加速度が作用した時、梁部材の表層に発生する応力分布は、片持ち梁構造の場合は図４（ａ）のようになる。梁部材がＬ字状に屈曲していても同様である。そこで、発電素子６０の場合、片持ち梁構造の第１の板状可撓体６２には、第１梁部材６２(1)と６２(2)のエリアAR1に相当する領域に圧電素子２２(1)，２２(2)が各々配置され、片持ち梁構造の第２の板状可撓体６４にも、第２梁部材６４(1)と６４(2)のエリアAR1に相当する領域に圧電素子２２(3)，２２(4)が各々配置されている。

発電回路２４は、図５に示すように、各圧電素子２２に発生した電荷に基づいて流れる電流を整流し、これらを合成して電力を取り出す回路である。したがって、圧電素子２２(1)〜２２(4)に発電回路２４を接続することによって、台座１６にＺ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力を取り出すことができる。

次に、発電素子６０のＺ軸方向の共振特性について説明する。上記の構造により、発電素子６０には２つの振動系Re1，Re2が形成される。第１の振動系Re1は、第１の板状可撓体６２の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz1は、第１の板状可撓体６２（第１梁部材６２(1)，６２(2)）のＺ軸方向のバネ定数と、第１の板状可撓体６２の先端部に接続された物体の質量（第１の重錘体６６、第２の板状可撓体６４及び第２の重錘体６８の質量）とを調節することによって設定される。

第２の振動系Re2は、第２の板状可撓体６４の可撓性に基づいて形成される振動系であり、Ｚ軸方向の共振周波数frz2は、第２の板状可撓体６４（第２梁部材６４(1)，６４(2)）のＺ軸方向のバネ定数と、第２の板状可撓体６４の先端部に接続された物体の質量（第２の重錘体６８の質量）とを調節することによって設定される。

各振動系Re1，Re2のＺ軸方向の共振特性は、例えば図６（ａ）のように設定することによって、図６（ｂ）に示すように、周波数frz1〜frz2付近に跨る広い周波数帯で所定の発電量を得ることができる。また、図７（ａ）のように設定することによって、図７（ｂ）に示すように、半値幅hz1とhz2とが重なる周波数帯で、非常に高い発電量を得ることができる。

上記の発電素子１０，３８，４４は、発電素子６０と同様に２つの振動系Re1，Re2を備えているが、少なくとも一方の振動系が両持ち梁構造なので、発電量がある程度制限される。これに対して、発電素子６０は、２つの振動系が共に片持ち梁構造なので、非常に高い発電量を得ることができる。また、第１梁部材６２(1)，６２(2)及び第２梁部材６４(1)，６４(2)がＬ字形に屈曲した形状であり、各梁部材を非常に長くできるという特徴があり、その分、各梁部材の変形量が大きくなり、各振動系Re1，Re2の発電量をさらに高くすることができる。

なお、片持ち梁構造の場合、板状可撓体の変形量が大きくなり、板状可撓体に加わるストレスが大きくなり過ぎるおそれがある。しかし、発電素子６０の場合、第１の板状可撓体６２が、互いに並列に配置された２つの梁部材（第１梁部材６２(1)，６２(2)）により構成されているので、その分、第１の板状可撓体６２の変形量が一定以下に抑えられる。同様に、第２の板状可撓体６４が、互いに並列に配置された２つの梁部材（第２梁部材６４(1)，６４(2)）により構成されているので、その分、第２の板状可撓体６４の変形量も一定以下に抑えられる。

以上説明したように、発電素子６０は、第１及び第２の板状可撓体６２，６４と第１及び第２の重錘体６６，６８とを組み合わせた独特な構造を有しているので、発電素子６０に振動が加わった時の各板状可撓体６２，６４の変形量を容易に調節することができる。したがって、上記発電素子１０，３８，４４と同様に、発電効率を向上させるという課題と、板状可撓体の変形量を一定以下に抑えるという課題を、発電素子の用途や仕様に応じてバランスよく達成することができる。また、外形も非常にコンパクトにできる。さらに、先に説明した要領で圧電素子２２の数及び配置を変更することによって、３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）の発電を行うことも可能になる。
次に、本発明の発電素子の第七の実施形態について、図２８、図２９に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の発電素子７０は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の振動を受けて発電を行う素子であり、２台の発電素子１０（図１〜図７）を組み合わせて１台の発電素子にしたものである。具体的には、図２８に示すように、２台の台座１６を縦に並べて一体化した形状の台座７２が設けられ、台座７２を利用して２つの発電素子部１０ａ，１０ｂが設けられている。発電素子部１０ａ，１０ｂの各構成は、上記発電素子１０と同様である。

発電素子７０には、４つの振動系Re1〜Re4が形成される。第１及び第２の振動系Re1，Re2は、発電素子部１０ａが有する２つの振動系であり、第３及び第４の振動系Re3，Re4は、発電素子部１０ｂが有する２つの振動系である。

各振動系Re1〜Re4のＺ軸方向の共振特性は、例えば図２９（ａ）のように設定することができる。なお、図２９（ａ）に示す第２の振動系Re2の共振特性は、第２の板状可撓体３０の基端部が台座７２に直接接続された状態を仮想したものであり、第１の振動系Re1，との相互作用は含んでいない。同様に、第４の振動系Re3の共振特性は、第２の板状可撓体３０の基端部が台座７２に直接接続された状態を仮想したものであり、第３の振動系Re3との相互作用は含んでいない。

ここでは、共振周波数frz1とfrz2がほぼ同じ値に設定され、第２の振動系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部が第１の振動系Re1の半値幅hz2の周波数帯の一部に重なっている。同様に、共振周波数frz3とfrz3がほぼ同じ値に設定され、第２の振動系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部が第１の振動系Re1の半値幅hz2の周波数帯の一部に重なっている。共振周波数frz1，frz2とfrz3，frz4は意図的にずらしてあり、半値幅hz1，hz2とhz3，hz4の周波数帯は相互に重なっていない。

発電素子７０は、共振周波数frz1とfrz2がほぼ同じ値に設定されているので、半値幅hz1とhz2とが重なる周波数帯で非常に高い発電量を得ることができる。さらに、共振周波数frz3とfrz4がほぼ同じ値に設定されているので、半値幅hz1とhz2とが重なる周波数帯でも非常に高い発電量を得ることができる。つまり、図２９（ｂ）に示すように、異なる２つの周波数帯で、非常に高い発電量を得ることができる。

図２９（ａ）に示す共振周波数の設定は適宜変更することができ、例えば、共振周波数frz1，frz2とfrz3，frz4とをもっと近い値に設定すれば、周波数frz1〜frz4付近に跨る広い周波数帯で所定の高い発電量を得ることができる。また、４つの共振周波数frz1〜frz4をほぼ同じ値に設定すれば、半値幅hz1〜hz4が重なる周波数帯で非常に高い発電量を得ることができる。

なお、本発明の発電素子は、上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。上記実施形態が有する個々の振動系の構造は、それぞれ、（ａ）片持ち梁構造で梁部材が短い、（ｂ）片持ち梁構造で梁部材が長い、（ｃ）２つ以上の梁部材で片持ち梁構造が構成されている、（ｄ）両持ち梁構造で梁部材が短い、（ｅ）両持ち梁構造で梁部材が長い、（ｆ）両持ち梁構造が３つ以上の梁部材で構成されている、等の特徴を有しており、上記の発電素子１０，２８，３８，４４，５０，６０，７０は、（ａ）〜（ｆ）のどれかに該当する振動系を適宜組み合わせることによって、梁部材の変形量を適切な値に調節している。組み合わせ方は、上記実施形態の組み合わせに限定されず、発電素子の用途や仕様に合わせて自由に変更することができる。また、上記実施形態では、１つの発電素子に設ける振動系の数が２〜４つであるが、５つ以上の振動系を設けてもよい。

その他、発電素子の製造プロセスは、ＭＥＭＳ技術を用いたプロセスに限定されず、個々の構造に合わせて自由に変更することができる。また、圧電素子の構造は、圧電素子２２の構造（図３（ｂ）等に示す構造）に限定されず、同様の機能を実現できる他の構造に変更してもよい。

１０，２８，３８，４４，５０，６０，７０ 発電素子
１２，４０，６２ 第１の板状可撓体
４０(1)〜４０(4)，６２(1)，６２(2) 第１梁部材
１４，２７，３０，３２，４２，４６，５２，５４，６４ 第２の板状可撓体
１４(1)，１４(2)，３０(1)，３０(2)，３２(1)，３２(2)，４２(1)〜４２(4)，４６(1)〜４６(4)，５２(1)，５２(2)，５４(1)，５４(2)，６４(1)，６４(2) 第２梁部材
１６，７２ 台座
１８，６６第１の重錘体
２０，３４，３６，５６，５８，６８ 第２の重錘体
２２，２２(1)〜２２(16) 圧電素子
２４ 発電回路
frx1，fry1，frz1 Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の共振周波数（第１の振動系）
frx2，fry2，frz2 Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の共振周波数（第２の振動系）
frx3，fry3，frz3 Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の共振周波数（第３の振動系）
hx1，hy1，hz1 Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の半値幅（第１の振動系）
hx2，hy2，hz2 Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の半値幅（第２の振動系）
hx3，hy3，hz3 Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の半値幅（第２の振動系）
Re1 第１の振動系
Re2 第２の振動系
Re3 第３の振動系
Ｅ 上部電極
Ｇ 下部電極
Ｐ 圧電材料

Claims (16)

1. ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体と、前記第１の板状可撓体の基端部を支持する台座と、前記第１の板状可撓体の先端部及び前記第２の板状可撓体の基端部に接続された第１の重錘体と、前記第２の板状可撓体の先端部に接続された第２の重錘体と、前記第１及び第２の板状可撓体の変形、又は前記第２の板状可撓体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、
   前記第１の重錘体は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第２の重錘体を収容し、外周部が前記第１の板状可撓体の先端部に接続され、前記第１の板状可撓体及び前記台座によって片持ち梁構造に支持され、
   前記第２の板状可撓体は、板状に形成された複数の第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続されて、複数の前記第２梁部材により、前記第２の重錘体を両端固定梁の支持構造である両持ち梁構造に支持し、
   前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第２の重錘体は、前記複数の第２梁部材が変形することによって、Ｚ軸方向に移動することを特徴とする発電素子。
2. 前記第２梁部材は、自己の長さ方向の軸が、前記第２の重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されている請求項１記載の発電素子。
3. ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体と、前記第１の板状可撓体の基端部を支持する台座と、前記第１の板状可撓体の先端部及び前記第２の板状可撓体の基端部に接続された第１の重錘体と、前記第２の板状可撓体の先端部に接続された第２の重錘体と、前記第１及び第２の板状可撓体の変形、又は前記第２の板状可撓体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、
   前記台座は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第１及び第２の重錘体を収容し、
   前記第１の板状可撓体は、板状に形成された複数の第１梁部材により構成され、前記第１梁部材は、基端部が前記台座の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第１の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続され、自己の長さ方向の軸が、前記第１の重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されて、複数の前記第１梁部材により、前記第１の重錘体を両端固定梁の支持構造である両持ち梁構造に支持し、
   前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第１の重錘体は、前記複数の第１梁部材が変形することによって、Ｚ軸方向に移動することを特徴とする発電素子。
4. 前記第１の重錘体は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第２の重錘体を収容し、外周部が前記第１の板状可撓体の先端部に接続され、
   前記第２の板状可撓体は、板状に形成された複数の第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続されて、複数の前記第２梁部材により、前記第２の重錘体を両端固定梁の支持構造である両持ち梁構造に支持し、
   前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第２の重錘体は、前記複数の第２梁部材が変形することによって、Ｚ軸方向に移動する請求項３記載の発電素子。
5. 前記第２梁部材は、自己の長さ方向の軸が、前記第２の重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されている請求項４記載の発電素子。
6. ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行に配置された第１及び第２の板状可撓体と、前記第１の板状可撓体の基端部を支持する台座と、前記第１の板状可撓体の先端部及び前記第２の板状可撓体の基端部に接続された第１の重錘体と、前記第２の板状可撓体の先端部に接続された第２の重錘体と、前記第１及び第２の板状可撓体の変形、又は前記第２の板状可撓体の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、
   前記第１の板状可撓体は、互いに逆向きに屈曲したＬ字形に形成された２つの第１梁部材により構成され、前記第１梁部材は、基端部が前記台座の互いに近接した位置に各々接続され、先端部が前記第１の重錘体の側端部の互いに近接した位置に各々接続され、前記２つの第１梁部材で囲んだ内側に前記第２の重錘体を収容していることを特徴とする発電素子。
7. 前記第２の板状可撓体は、互いに逆向きに屈曲したＬ字形に形成された２つの第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の互いに近接した位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の互いに近接した位置に各々接続され、前記２つの第２梁部材で囲んだ内側に前記第２の重錘体を収容している請求項６記載の発電素子。
8. 前記第１の重錘体は、中心軸がＺ軸と平行な枠体状に形成され、その内側に前記第２の重錘体を収容し、外周部が前記第１の板状可撓体の先端部に接続され、
   前記第２の板状可撓体は、板状に形成された複数の第２梁部材により構成され、前記第２梁部材は、基端部が前記第１の重錘体の内周部の異なる位置に各々接続され、先端部が前記第２の重錘体の側端部の異なる位置に各々接続され、
   前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、前記第２の重錘体は、前記複数の第２梁部材が変形することによってＺ軸方向に移動する請求項６記載の発電素子。
9. 前記第２梁部材は、自己の長さ方向の軸が、前記第２の重錘体の中心を通るＺ軸方向の中心軸と交差しないように各々配置されている請求項８記載の発電素子。
10. 前記第２の板状可撓体及び前記第２の重錘体が複数組設けられている請求項１乃至９のいずれか記載の発電素子。
11. 前記第２の板状可撓体の可撓性に基づいて形成される振動系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第１の板状可撓体の可撓性に基づいて形成される振動系の半値幅の周波数帯と重なっている請求項１乃至１０のいずれか記載の発電素子。
12. 前記圧電素子は、前記第２の前記板状可撓体の表面、又は前記第１及び第２の板状可撓体の表面に順に積層された下層電極、圧電材料、及び上層電極により形成され、
    前記圧電材料は、面内方向に伸縮する応力が作用したとき、厚み方向に分極を生じる性質を有している請求項１，３又は６記載の発電素子。
13. 前記圧電素子が複数設けられ、前記各圧電素子に発生した電荷に基づいて流れる電流を整流し、これらを合成して電力と取り出す発電回路が設けられている請求項１２記載の発電素子。
14. 前記圧電素子の数と配置は、前記台座にＺ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力が前記発電回路から出力されるように設定されている請求項１３記載の発電素子。
15. 前記第１の重錘体の重心位置は、前記第１の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、
    前記第２の重錘体の重心位置は、前記第２の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、
    前記複数の圧電素子の数及び配置は、前記台座にＸ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力が前記発電回路から出力されるように設定されている請求項１３又は１４記載の発電素子。
16. 前記第１の重錘体の重心位置は、前記第１の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、
    前記第２の重錘体の重心位置は、前記第２の板状可撓体に対してＺ軸方向にずれており、
    前記複数の圧電素子の数及び配置は、前記台座にＹ軸方向の加速度が作用した時、この加速度に応じた電力が前記発電回路から出力されるように設定されている請求項１３乃至１４のいずれか記載の発電素子。

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