JP6841447B2 - Power generation element - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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。 The present invention relates to a power generation element, and more particularly to a technique for generating power by converting vibration energy into electrical energy.

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。 In order to make effective use of limited resources, technologies for converting various forms of energy into electrical energy and extracting it have been proposed. One of them is a technique of converting vibration energy into electrical energy and extracting it. For example, in Patent Document 1 below, layered piezoelectric elements are laminated to form a piezoelectric element for power generation, and the piezoelectric element for power generation is subjected to an external force. A piezoelectric type power generation element that vibrates and generates power is disclosed. Further, Patent Document 2 discloses a power generation element having a MEMS (Micro Electro Mechanical System) structure using a silicon substrate.

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。 On the other hand, in Patent Document 3, a hammer head type structure in which the weight body is supported by a cantilever with one end fixed is used, and the weight body constituting the head portion is vibrated and arranged in the handle portion. A type of power generation element that generates power by a piezoelectric element for power generation is disclosed. Further, Patent Document 4 discloses a power generation element using this hammer head type structure and a piezoelectric element using a structure in which a weight body is supported by an L-shaped bent plate-shaped bridge portion. ..

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。 The basic principle of these power generation elements is that the vibration of the weight body causes the piezoelectric element to periodically bend, and the electric charge generated based on the stress applied to the piezoelectric element is taken out to the outside. If such a power generation element is mounted on, for example, an automobile, a train, a ship, or the like, it becomes possible to take out the vibration energy applied during transportation as electric energy. It can also be attached to a vibration source such as a refrigerator or air conditioner to generate electricity.

特開平10−243667号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-2436667 特開2011−152010号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-152010 米国特許公開第2013/0154439号公報U.S. Patent Publication No. 2013/0154439 WO2015/033621号公報WO2015 / 033621A

発電素子を、自動車、列車、船舶などの輸送機器に搭載して利用する場合、運行中にランダムな方向から力が加わることになる。したがって、このような輸送機器に搭載する発電素子では、重錘体が様々な方向に振動することを想定し、あらゆる方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換できるようにしておくのが、発電効率を向上させる上で好ましい。 When a power generation element is mounted on a transportation device such as an automobile, a train, or a ship and used, a force is applied from a random direction during operation. Therefore, in the power generation element mounted on such a transportation device, it is assumed that the weight body vibrates in various directions, and it is necessary to convert the vibration energy in all directions into electric energy to improve the power generation efficiency. It is preferable to improve it.

また、上述した特許文献3,4に開示されているような板状橋梁部を利用する発電素子では、構造を単純化してコスト低減を図ることができる利点が得られるが、板状橋梁部に十分な撓みを発生させ、発電効率を向上させるためには、板状橋梁部をできるだけ長く、薄くする必要性が生じる。このため、過度の振動が加わった場合に、板状橋梁部が損傷する可能性がある。 Further, in the power generation element using the plate-shaped bridge portion as disclosed in Patent Documents 3 and 4 described above, there is an advantage that the structure can be simplified and the cost can be reduced. In order to generate sufficient deflection and improve power generation efficiency, it is necessary to make the plate-shaped bridge portion as long and thin as possible. Therefore, when excessive vibration is applied, the plate-shaped bridge portion may be damaged.

そこで本発明は、単純な構造でありながら、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することにより、高い発電効率を得ることが可能であり、しかも過度の振動が加わった場合でも損傷を受けにくい発電素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has a simple structure, but it is possible to obtain high power generation efficiency by converting vibration energy containing various directional components into electric energy without waste, and excessive vibration is added. An object of the present invention is to provide a power generation element that is not easily damaged even in such a case.

(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、
第1の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
板状橋梁部の根端部を支持固定する台座と、
板状橋梁部の先端部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
重錘体が、板状橋梁部の長手方向軸に関して左脇に位置する左翼重錘部と、板状橋梁部の長手方向軸に関して右脇に位置する右翼重錘部と、を有しているようにしたものである。
(1) The first aspect of the present invention is in a power generation element that generates power by converting vibration energy into electrical energy.
A plate-shaped bridge that extends along the first longitudinal axis and has flexibility,
A pedestal that supports and fixes the root end of the plate-shaped bridge,
With a weight body directly or indirectly connected to the tip of the plate-shaped bridge,
Piezoelectric elements fixed in place where the surface of the plate-shaped bridge is stretched and deformed,
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated in the piezoelectric element and extracts electric power.
Provided
The weight body has a left wing weight portion located on the left side with respect to the longitudinal axis of the plate-shaped bridge portion and a right wing weight portion located on the right side with respect to the longitudinal axis of the plate-shaped bridge portion. It is something like that.

(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、
板状橋梁部の先端部に重錘体支持部を接続し、重錘体支持部の下面に重錘体を接続し、重錘体の重心が板状橋梁部の下方に位置するようにしたものである。
(2) A second aspect of the present invention is the power generation element according to the first aspect described above.
The weight body support part was connected to the tip of the plate-shaped bridge part, and the weight body was connected to the lower surface of the weight body support part so that the center of gravity of the weight body was located below the plate-shaped bridge part. It is a thing.

(3) 本発明の第3の態様は、上述した第2の態様に係る発電素子において、
重錘体支持部が、第1の長手方向軸に直交する第2の長手方向軸に沿って伸びる中央板状部を有し、板状橋梁部の先端部が中央板状部の中央近傍に接続されており、板状橋梁部および中央板状部によりT字状構造体が形成され、
左翼重錘部が中央板状部の左側の下面に接続されており、右翼重錘部が中央板状部の右側の下面に接続されているようにしたものである。
(3) A third aspect of the present invention is the power generation element according to the second aspect described above.
The weight body support portion has a central plate-shaped portion extending along a second longitudinal axis orthogonal to the first longitudinal axis, and the tip portion of the plate-shaped bridge portion is near the center of the central plate-shaped portion. It is connected, and a T-shaped structure is formed by the plate-shaped bridge part and the central plate-shaped part.
The left wing weight portion is connected to the lower surface on the left side of the central plate-shaped portion, and the right wing weight portion is connected to the lower surface on the right side of the central plate-shaped portion.

(4) 本発明の第4の態様は、上述した第2の態様に係る発電素子において、
重錘体支持部が、第1の長手方向軸に直交する第2の長手方向軸に沿って伸び、中央近傍が板状橋梁部の先端部に接続された中央板状部と、中央板状部の左側から板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側から板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を有し、
左翼重錘部が左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が右翼板状部の下面に接続されているようにしたものである。
(4) A fourth aspect of the present invention is the power generation element according to the second aspect described above.
The weight body support portion extends along the second longitudinal axis orthogonal to the first longitudinal axis, and the central vicinity is connected to the tip of the plate-shaped bridge portion, and the central plate-shaped portion and the central plate-shaped portion. It has a left wing plate-shaped portion extending from the left side of the portion to the left side of the plate-shaped bridge portion, and a right wing plate-shaped portion extending from the right side of the central plate-shaped portion to the right side of the plate-shaped bridge portion.
The left wing weight portion is connected to the lower surface of the left wing plate-shaped portion, and the right wing weight portion is connected to the lower surface of the right wing plate-shaped portion.

(5) 本発明の第5の態様は、上述した第3または第4の態様に係る発電素子において、
重錘体が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、中央重錘部が中央板状部の下面に接続されているようにしたものである。
(5) A fifth aspect of the present invention is the power generation element according to the third or fourth aspect described above.
The weight body has a central weight portion that connects the left wing weight portion and the right wing weight portion, and the central weight portion is connected to the lower surface of the central plate-shaped portion.

(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、
板状橋梁部の根端部に第1の長手方向軸に直交する第3の長手方向軸に沿って伸びる台座接続部を接続し、この台座接続部を台座に固定するようにしたものである。
(6) A sixth aspect of the present invention is the power generation element according to the first to fifth aspects described above.
A pedestal connecting portion extending along a third longitudinal axis orthogonal to the first longitudinal axis is connected to the root end of the plate-shaped bridge portion, and this pedestal connecting portion is fixed to the pedestal. ..

(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、
台座を、板状橋梁部および重錘体の周囲を取り囲む環状構造体によって構成し、発電素子に対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体の一部がこの環状構造体の一部に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the power generation element according to the first to sixth aspects described above.
The pedestal is composed of a plate-shaped bridge portion and an annular structure that surrounds the circumference of the weight body, and when an acceleration exceeding a predetermined magnitude is applied to the power generation element, a part of the weight body has this annular structure. It is designed to come into contact with a part of the body and limit further displacement.

(8) 本発明の第8の態様は、上述した第1〜第7の態様に係る発電素子において、
圧電素子が、板状橋梁部の先端部近傍の左側に配置された先端部左側圧電素子と、板状橋梁部の先端部近傍の右側に配置された先端部右側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の左側に配置された根端部左側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の右側に配置された根端部右側圧電素子と、を有するようにしたものである。
(8) An eighth aspect of the present invention is the power generation element according to the first to seventh aspects described above.
The piezoelectric element is the tip left side piezoelectric element arranged on the left side near the tip of the plate-shaped bridge, the tip right side piezoelectric element arranged on the right side near the tip of the plate-shaped bridge, and the plate-shaped bridge. It has a piezoelectric element on the left side of the root end located on the left side near the root end of the bridge and a piezoelectric element on the right side of the root end arranged on the right side near the root end of the plate-shaped bridge. ..

(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、
圧電素子を、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、によって構成し、圧電材料層として、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有する材料を用いるようにしたものである。
(9) A ninth aspect of the present invention is the power generation element according to the first to eighth aspects described above.
A plurality of piezoelectric elements are locally formed on the surface of the lower layer electrode formed in a layer on the surface of the plate-shaped bridge portion, the piezoelectric material layer formed in a layer on the surface of the lower layer electrode, and the surface of the piezoelectric material layer. It is composed of an upper layer electrode group composed of upper layer electrodes, and as a piezoelectric material layer, a material having a property of causing polarization in the thickness direction by the action of stress that expands and contracts in the layer direction is used.

(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を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の台座を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の重錘体が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
(10) A tenth aspect of the present invention is a power generation device configured by accommodating the power generation element according to the first to ninth aspects described above in the device housing.
The pedestal of the power generation element is fixed to the device housing, and when an external force that vibrates the device housing is applied, the weight body of the power generation element vibrates in the device housing due to the bending of the plate-shaped bridge portion, and the vibration is caused. The power taken out from the power generation circuit is output according to the above.

(11) 本発明の第11の態様は、上述した第1〜第9の態様に係る発電素子を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の重錘体を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is a power generation device configured by accommodating the power generation element according to the first to ninth aspects described above in the device housing.
The weight body of the power generation element is fixed to the device housing, and when an external force that vibrates the device housing is applied, the pedestal of the power generation element vibrates in the device housing due to the bending of the plate-shaped bridge portion, and the vibration is caused. The power taken out from the power generation circuit is output according to the above.

(12) 本発明の第12の態様は、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子において、
XY平面を水平面にとり、Z軸正方向を上方向、Z軸負方向を下方向にとった場合に、上から順に主発電第1層、主発電第2層、主発電第3層を積層した主発電構造体と、
主発電構造体の所定箇所を支持固定する台座と、
主発電構造体が発生させた電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
主発電第2層は、XY平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Y軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、主発電第3層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
重錘体支持部は、Y軸と交差しX軸に平行な軸であるX′軸上に配置された中央板状部を有し、
板状橋梁部は根端部から先端部へとY軸に沿って伸び、中央板状部はY軸と交差するようにX′軸に沿って伸び、中央板状部のY軸と交差する部分近傍に板状橋梁部の先端部が接続されており、板状橋梁部と中央板状部とのXY平面投影像はT字状をなし、
主発電第1層は、主発電第2層の板状橋梁部の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有し、
主発電第3層は、主発電第2層の重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
板状橋梁部の両脇について、X座標値が負となる側を左脇、X座標値が正となる側を右脇と定義したときに、主発電第3層は、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
台座は、板状橋梁部の根端部を支持固定し、
発電回路は、圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す回路であるようにしたものである。
(12) A twelfth aspect of the present invention is in a power generation element that generates power by converting vibration energy in each coordinate axis direction into electrical energy in the XYZ three-dimensional coordinate system.
When the XY plane is a horizontal plane and the Z-axis positive direction is upward and the Z-axis negative direction is downward, the main power generation first layer, main power generation second layer, and main power generation third layer are laminated in order from the top. Main power generation structure and
A pedestal that supports and fixes a predetermined location in the main power generation structure,
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated by the main power generation structure and extracts power.
Provided
The second main power generation layer is a flat plate-like layer arranged along a plane parallel to the XY plane, and supports a flexible plate-shaped bridge portion arranged on the Y axis and the third main power generation layer. With a weight body support for
The weight body support portion has a central plate-like portion arranged on the X'axis, which is an axis that intersects the Y axis and is parallel to the X axis.
The plate-shaped bridge extends from the root end to the tip along the Y-axis, the central plate-shaped part extends along the X'axis so as to intersect the Y-axis, and intersects the Y-axis of the central plate-shaped part. The tip of the plate-shaped bridge is connected near the part, and the XY plane projection image of the plate-shaped bridge and the central plate is T-shaped.
The first layer of the main power generation has a piezoelectric element formed so as to cover at least a part of the upper surface of the plate-shaped bridge portion of the second layer of the main power generation.
The third layer of the main power generation is connected to the lower surface of the weight body support portion of the second layer of the main power generation, and has a mass sufficient to cause the plate-shaped bridge portion to bend based on the applied acceleration. Functions as a weight
Regarding both sides of the plate-shaped bridge, when the side where the X coordinate value is negative is defined as the left side and the side where the X coordinate value is positive is defined as the right side, the third layer of the main power generation is the plate-shaped bridge part. It has a left wing weight part located on the left side and a right wing weight part located on the right side.
The pedestal supports and fixes the root end of the plate-shaped bridge,
The power generation circuit is a circuit that extracts electric power by rectifying the current generated based on the electric charge generated in the piezoelectric element.

(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、
主発電第2層の重錘体支持部が、中央板状部の左側からY軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側からY軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を更に有し、
左翼重錘部が左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が右翼板状部の下面に接続されているようにしたものである。
(13) A thirteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth aspect described above.
The weight body support part of the second layer of the main power generation extends from the left side of the central plate-shaped part to the left side of the plate-shaped bridge part along the direction parallel to the Y axis, and the right side of the central plate-shaped part. Further has a right wing plate-shaped portion extending to the right side of the plate-shaped bridge portion along a direction parallel to the Y-axis.
The left wing weight portion is connected to the lower surface of the left wing plate-shaped portion, and the right wing weight portion is connected to the lower surface of the right wing plate-shaped portion.

(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、
主発電第3層が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、中央重錘部が中央板状部の下面に接続されており、左翼重錘部、右翼重錘部および中央重錘部を有する重錘体のXY平面投影像が「コ」の字状をなすようにしたものである。
(14) A fourteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth or thirteenth aspect described above.
The third layer of the main power generation has a central weight portion that connects the left wing weight portion and the right wing weight portion, and the central weight portion is connected to the lower surface of the central plate-shaped portion. The XY plane projection image of the weight body having the right wing weight portion and the central weight portion is formed in a "U" shape.

(15) 本発明の第15の態様は、上述した第12〜第14の態様に係る発電素子において、
主発電第3層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方に位置するようにしたものである。
(15) A fifteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth to fourteenth aspects described above.
The center of gravity of the structure constituting the third layer of the main power generation is located below the plate-shaped bridge portion.

(16) 本発明の第16の態様は、上述した第12〜第15の態様に係る発電素子において、
主発電構造体が、YZ平面に関して面対称をなし、主発電第3層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方のYZ平面上に位置するようにしたものである。
(16) A sixteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth to fifteenth aspects described above.
The main power generation structure is plane-symmetrical with respect to the YZ plane, and the center of gravity of the structure constituting the main power generation third layer is located on the YZ plane below the plate-shaped bridge portion.

(17) 本発明の第17の態様は、上述した第12〜第16の態様に係る発電素子において、
主発電第1層のXY平面投影像と主発電第2層のXY平面投影像とが同一形状であり、主発電第1層の下面の全領域が主発電第2層の上面の全領域に接合されているようにしたものである。
(17) A seventeenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth to sixteenth aspects described above.
The XY plane projection image of the main power generation first layer and the XY plane projection image of the main power generation second layer have the same shape, and the entire area of the lower surface of the main power generation first layer becomes the entire area of the upper surface of the main power generation second layer. It is made to be joined.

(18) 本発明の第18の態様は、上述した第12〜第17の態様に係る発電素子において、
主発電第3層のX軸正方向の端部が重錘体支持部のX軸正方向の端部よりもX軸正方向に突き出しており、主発電第3層のX軸負方向の端部が重錘体支持部のX軸負方向の端部よりもX軸負方向に突き出しており、主発電第3層のY軸正方向の端部が重錘体支持部のY軸正方向の端部よりもY軸正方向に突き出しており、主発電第3層のY軸負方向の端部が重錘体支持部のY軸負方向の端部よりもY軸負方向に突き出しているようにしたものである。
(18) The eighteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth to seventeenth aspects described above.
The X-axis positive end of the main power generation third layer protrudes in the X-axis positive direction from the X-axis positive end of the weight body support, and the X-axis negative end of the main power generation third layer The portion protrudes in the negative direction of the X axis from the end of the weight support portion in the negative direction of the X axis, and the end of the third layer of the main power generation in the positive direction of the Y axis is in the positive direction of the Y axis of the weight body support portion. The end of the third layer of the main power generation in the negative direction of the Y axis protrudes in the negative direction of the Y axis from the end of the weight body support in the negative direction of the Y axis. It was made to be.

(19) 本発明の第19の態様は、上述した第12〜第18の態様に係る発電素子において、
主発電第1層が、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、を有する圧電素子を構成し、
圧電材料層が、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
発電回路が、上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出すようにしたものである。
(19) A nineteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth to eighteenth aspects described above.
The first layer of the main power generation is locally formed on the surface of the lower layer electrode formed in a layer on the surface of the plate-shaped bridge portion, the piezoelectric material layer formed in a layer on the surface of the lower layer electrode, and the surface of the piezoelectric material layer. A piezoelectric element having a group of upper layer electrodes composed of a plurality of upper layer electrodes is configured.
The piezoelectric material layer has the property of causing polarization in the thickness direction due to the action of stress that expands and contracts in the layer direction.
The power generation circuit rectifies the current generated based on the electric charge generated in the upper electrode and the lower electrode to extract electric power.

(20) 本発明の第20の態様は、上述した第19の態様に係る発電素子において、
上層電極群が、先端部左側上層電極と、先端部右側上層電極と、根端部左側上層電極と、根端部右側上層電極と、を有し、
先端部左側上層電極の主発電第2層上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のX座標値が負となる側に位置し、
先端部右側上層電極の主発電第2層上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のX座標値が正となる側に位置し、
根端部左側上層電極の主発電第2層上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のX座標値が負となる側に位置し、
根端部右側上層電極の主発電第2層上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のX座標値が正となる側に位置するようにしたものである。
(20) A twentieth aspect of the present invention is the power generation element according to the nineteenth aspect described above.
The upper layer electrode group has a tip left upper layer electrode, a tip right upper layer electrode, a root end left upper layer electrode, and a root end right upper layer electrode.
The projected image of the upper left upper electrode of the tip on the upper surface of the second layer of the main power generation extends in the direction parallel to the Y axis, and is located on the side where the X coordinate value near the tip of the plate-shaped bridge becomes negative.
The projected image of the upper right upper layer electrode on the right side of the tip extends in the direction parallel to the Y axis, and is located on the side where the X coordinate value near the tip of the plate-shaped bridge is positive.
The projected image of the upper electrode on the left side of the root end on the upper surface of the second layer of the main power generation extends in the direction parallel to the Y axis, and is located on the side where the X coordinate value near the root end of the plate-shaped bridge becomes negative.
The projected image of the upper electrode on the right side of the root end on the upper surface of the second layer of the main power generation extends in the direction parallel to the Y axis, and is located on the side where the X coordinate value near the root end of the plate-shaped bridge is positive. It is the one that was made.

(21) 本発明の第21の態様は、上述した第19または第20の態様に係る発電素子において、
発電回路が、容量素子と、各上層電極に発生した正電荷を容量素子の正極側へ導くために各上層電極から容量素子の正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子と、各上層電極に発生した負電荷を容量素子の負極側へ導くために容量素子の負極側から各上層電極へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子により平滑化して供給するようにしたものである。
(21) The 21st aspect of the present invention is the power generation element according to the 19th or 20th aspect described above.
The power generation circuit includes a capacitance element, a positive charge rectifying element whose forward direction is from each upper layer electrode toward the positive electrode side of the capacitance element in order to guide the positive charge generated in each upper layer electrode to the positive electrode side of the capacitance element. It has a negative charge rectifying element whose forward direction is from the negative electrode side of the capacitive element to each upper layer electrode in order to guide the negative charge generated in each upper layer electrode to the negative electrode side of the capacitive element, and converts from vibration energy. The generated electrical energy is smoothed by a capacitive element and supplied.

(22) 本発明の第22の態様は、上述した第19〜第21の態様に係る発電素子において、
主発電第1層の圧電材料層が圧電薄膜によって構成され、主発電第1層の上層電極および下層電極が金属層によって構成され、主発電第2層がシリコン基板によって構成され、主発電第3層が金属基板、セラミック基板、もしくはガラス基板によって構成されているようにしたものである。
(22) The 22nd aspect of the present invention is the power generation element according to the 19th to 21st aspects described above.
The piezoelectric material layer of the main power generation first layer is composed of a piezoelectric thin film, the upper and lower electrodes of the main power generation first layer are composed of a metal layer, the main power generation second layer is composed of a silicon substrate, and the main power generation third layer. The layer is made of a metal substrate, a ceramic substrate, or a glass substrate.

(23) 本発明の第23の態様は、上述した第12〜第22の態様に係る発電素子において、
台座が、XY平面に沿って主発電構造体を取り囲む環状構造体をなし、発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、主発電第3層が環状構造体の内面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
(23) The 23rd aspect of the present invention is the power generation element according to the 12th to 22nd aspects described above.
The pedestal forms an annular structure that surrounds the main power generation structure along the XY plane, and when a horizontal component of acceleration exceeding a predetermined magnitude acts on the power generation element, the main power generation third layer has an annular structure. It is designed to come into contact with the inner surface of the body and limit further displacement.

(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、
台座が、第1壁部、第2壁部、第3壁部、第4壁部なる4組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなし、
第1壁部は、主発電構造体に対してX軸負方向側に隣接配置され、YZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第2壁部は、主発電構造体に対してX軸正方向側に隣接配置され、YZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第3壁部は、主発電構造体に対してY軸正方向側に隣接配置され、XZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第4壁部は、主発電構造体に対してY軸負方向側に隣接配置され、XZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
板状橋梁部の根端部が、第4壁部に支持固定されているようにしたものである。
(24) The 24th aspect of the present invention is the power generation element according to the 23rd aspect described above.
The pedestal forms a rectangular rectangular structure having four sets of wall portions, that is, a first wall portion, a second wall portion, a third wall portion, and a fourth wall portion.
The first wall portion is arranged adjacent to the main power generation structure on the negative direction side of the X axis, and constitutes a wall surface along a plane parallel to the YZ plane.
The second wall portion is arranged adjacent to the main power generation structure on the positive direction side of the X axis, and constitutes a wall surface along a plane parallel to the YZ plane.
The third wall portion is arranged adjacent to the main power generation structure on the positive direction side of the Y axis, and constitutes a wall surface along a plane parallel to the XZ plane.
The fourth wall portion is arranged adjacent to the main power generation structure on the negative direction side of the Y axis, and constitutes a wall surface along a plane parallel to the XZ plane.
The root end of the plate-shaped bridge is supported and fixed to the fourth wall.

(25) 本発明の第25の態様は、上述した第23または第24の態様に係る発電素子において、
台座が、上から順に台座第1層、台座第2層、台座第3層を積層した積層構造体によって構成され、台座第1層は板状橋梁部の根端部近傍において主発電第1層に連なり、台座第2層は板状橋梁部の根端部において主発電第2層に連なるようにしたものである。
(25) The 25th aspect of the present invention is the power generation element according to the 23rd or 24th aspect described above.
The pedestal is composed of a laminated structure in which the pedestal 1st layer, the pedestal 2nd layer, and the pedestal 3rd layer are laminated in order from the top, and the pedestal 1st layer is the main power generation 1st layer near the root end of the plate-shaped bridge. The second layer of the pedestal is connected to the second layer of the main power generation at the root end of the plate-shaped bridge.

(26) 本発明の第26の態様は、上述した第23または第24の態様に係る発電素子において、
主発電第2層が、板状橋梁部の根端部に接続された台座接続部を更に有し、
台座接続部は、Y軸と交差しX軸に平行な所定の配置軸上に配置され、配置軸に沿って伸び、
台座の所定箇所の上面には、台座接続部を嵌合するための嵌合溝が形成されており、台座接続部が上記嵌合溝に嵌合した状態で固定されるようにしたものである。
(26) A twenty-sixth aspect of the present invention is the power generation element according to the 23rd or 24th aspect described above.
The second layer of the main power generation further has a pedestal connection portion connected to the root end portion of the plate-shaped bridge portion.
The pedestal connection is arranged on a predetermined arrangement axis that intersects the Y-axis and is parallel to the X-axis and extends along the arrangement axis.
A fitting groove for fitting the pedestal connection portion is formed on the upper surface of the predetermined portion of the pedestal, and the pedestal connection portion is fixed in a state of being fitted in the fitting groove. ..

(27) 本発明の第27の態様は、上述した第12〜第26の態様に係る発電素子を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の台座を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の主発電第3層が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
(27) A 27th aspect of the present invention is a power generation device configured by accommodating the power generation element according to the 12th to 26th aspects described above in the device housing.
The pedestal of the power generation element is fixed to the device housing so that when an external force that vibrates the device housing acts, the main power generation third layer of the power generation element vibrates in the device housing due to the bending of the plate-shaped bridge portion. The electric power taken out from the power generation circuit is output in response to the vibration.

(28) 本発明の第28の態様は、上述した第27の態様に係る発電装置において、
装置筐体が、発電素子を下方から支持固定するための土台基板と、発電素子の上方を覆う上蓋基板と、発電素子の周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
発電素子の台座の底面は発電素子の主発電第3層の底面より下方に位置し、台座の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と主発電第3層の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、発電素子の主発電第1層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主発電第1層の上面との間に上方空隙部が形成され、
発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、主発電構造体の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
(28) The 28th aspect of the present invention is the power generation device according to the 27th aspect described above.
The device housing is arranged so as to surround the base substrate for supporting and fixing the power generation element from below, the upper lid substrate that covers the upper part of the power generation element, and the periphery of the power generation element, and the side wall that connects the base substrate and the upper lid substrate. With a board,
The bottom surface of the pedestal of the power generation element is located below the bottom surface of the main power generation third layer of the power generation element, and the bottom surface of the pedestal is fixed to the upper surface of the base substrate. A lower gap is formed between the two
The upper lid substrate is located above the upper surface of the main power generation first layer of the power generation element, and an upper gap is formed between the lower surface of the upper lid substrate and the upper surface of the main power generation first layer.
When a vertical component of acceleration exceeding a predetermined magnitude acts on the power generation element, a part of the main power generation structure comes into contact with the upper surface of the base substrate or the lower surface of the upper lid substrate, and further displacement is restricted. It is made to be.

(29) 本発明の第29の態様は、上述した第12〜第26の態様に係る発電素子を装置筐体に収容することによって構成される発電装置において、
発電素子の主発電第3層を装置筐体に固定し、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、発電素子の台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路から取り出される電力を出力するようにしたものである。
(29) A 29th aspect of the present invention is a power generation device configured by accommodating the power generation element according to the 12th to 26th aspects described above in the device housing.
The main power generation third layer of the power generation element is fixed to the device housing so that the pedestal of the power generation element vibrates in the device housing due to the bending of the plate-shaped bridge portion when an external force that vibrates the device housing acts. The electric power taken out from the power generation circuit is output in response to the vibration.

(30) 本発明の第30の態様は、上述した第29の態様に係る発電装置において、
装置筐体が、発電素子を下方から支持固定するための土台基板と、発電素子の上方を覆う上蓋基板と、発電素子の周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
発電素子の台座の底面は発電素子の主発電第3層の底面より上方に位置し、主発電第3層の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と台座の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、発電素子の主発電第1層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主発電第1層の上面との間に上方空隙部が形成され、
発電素子に対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、台座の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
(30) A thirtieth aspect of the present invention is the power generation device according to the twenty-ninth aspect described above.
The device housing is arranged so as to surround the base substrate for supporting and fixing the power generation element from below, the upper lid substrate that covers the upper part of the power generation element, and the periphery of the power generation element, and the side wall that connects the base substrate and the upper lid substrate. With a board,
The bottom surface of the pedestal of the power generation element is located above the bottom surface of the third layer of the main power generation of the power generation element, and the bottom surface of the third layer of the main power generation is fixed to the upper surface of the base substrate. A lower gap is formed between the two
The upper lid substrate is located above the upper surface of the main power generation first layer of the power generation element, and an upper gap is formed between the lower surface of the upper lid substrate and the upper surface of the main power generation first layer.
When a vertical component of acceleration exceeding a predetermined magnitude acts on the power generation element, a part of the pedestal comes into contact with the upper surface of the base substrate or the lower surface of the upper lid substrate, and further displacement is restricted. It was done.

(31) 本発明の第31の態様は、上述した第1〜第9、第12〜第26の態様に係る発電素子から、発電回路を除いた要素により発電素子用構造体を構成するようにしたものである。 (31) In the 31st aspect of the present invention, the structure for the power generation element is configured by the elements excluding the power generation circuit from the power generation elements according to the 1st to 9th and 12th to 26th aspects described above. It was done.

本発明に係る発電素子では、可撓性を有する板状橋梁部の根端部を台座に固定し、先端部に重錘体を接続する片持ち梁構造が採用され、板状橋梁部に固定された圧電素子によって発電が行われる。しかも、重錘体は、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しているため、板状橋梁部に対して様々な方向に撓ませる外力を効率良く伝達することができる。また、左右の重錘体の変位を制限する部材を設けることにより、過度の振動が加わった場合にも、板状橋梁部の変位を制限することができるようになり、板状橋梁部の損傷を防ぐことができる。 In the power generation element according to the present invention, a cantilever structure is adopted in which the root end portion of a flexible plate-shaped bridge portion is fixed to a pedestal and a weight body is connected to the tip portion, and the plate-shaped bridge portion is fixed to the plate-shaped bridge portion. Power is generated by the generated piezoelectric element. Moreover, since the weight body has a left wing weight portion located on the left side of the plate-shaped bridge portion and a right wing weight portion located on the right side, the weight body has various directions with respect to the plate-shaped bridge portion. The external force to bend can be efficiently transmitted. In addition, by providing a member that limits the displacement of the left and right weight bodies, it becomes possible to limit the displacement of the plate-shaped bridge even when excessive vibration is applied, and the plate-shaped bridge is damaged. Can be prevented.

このように、本発明によれば、単純な構造でありながら、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することにより、高い発電効率を得ることが可能であり、しかも過度の振動が加わった場合でも損傷を受けにくい発電素子を実現できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain high power generation efficiency by converting vibration energy containing various directional components into electric energy without waste, even though it has a simple structure, and it is excessive. It is possible to realize a power generation element that is not easily damaged even when the vibration of the above is applied.

本発明の基本的実施形態に係る発電素子PGEの構成を示す斜視図(主発電構造体MGSを構成する3層部分を分離して示す)およびブロック図である。It is a perspective view which shows the structure of the power generation element PGE which concerns on the basic embodiment of this invention (the three-layer part which constitutes the main power generation structure MGS is shown separately) and the block diagram. 図1に示す主発電構造体MGSの主発電第1層100の上面図である。It is a top view of the main power generation first layer 100 of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの主発電第2層200の上面図である。It is a top view of the main power generation second layer 200 of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの主発電第3層300の上面図である。It is a top view of the main power generation third layer 300 of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの側面図である。It is a side view of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSを台座400に固定した状態を示す上面図である(ハッチングは各上層電極の形成領域および台座による固定状態を示すためのものであり、断面を示すものではない。括弧書きの符号は、下方に配置されている構成要素を示している。)。It is a top view which shows the state which the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 is fixed to a pedestal 400 (hatching is for showing the formation area of each upper layer electrode and the fixed state by a pedestal, and does not show the cross section. The numbers in parentheses indicate the components located below.) 図1に示す主発電構造体MGSを台座400に固定した状態を示す側断面図である(YZ平面で切断した断面を示す)。It is a side cross-sectional view which shows the state which the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 is fixed to a pedestal 400 (showing the cross section cut in the YZ plane). 図1に示す主発電構造体MGSにX軸正方向の力+Fxが作用したときの変形態様を示す上面図である。It is a top view which shows the deformation mode when the force + Fx in the positive direction of the X-axis is applied to the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSにY軸正方向の力+Fyが作用したときの変形態様を示す側断面図である(YZ平面で切断した断面を示す)。FIG. 5 is a side sectional view showing a deformation mode when a force + Fy in the positive direction of the Y axis is applied to the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 (showing a cross section cut in a YZ plane). 図1に示す主発電構造体MGSにZ軸正方向の力+Fzが作用したときの変形態様を示す側断面図である(YZ平面で切断した断面を示す)。It is a side cross-sectional view which shows the deformation mode when the force + Fz in the Z-axis positive direction is applied to the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 (shows the cross section cut in the YZ plane). 図1に示す主発電構造体MGSの重錘体に各座標軸正方向の力が作用したときに、橋梁部圧電層110の上層電極E1〜E4の位置に加わるY軸方向についての伸縮応力を示す表である。Shows the stretching stress in the Y-axis direction applied to the positions of the upper layer electrodes E1 to E4 of the bridge portion piezoelectric layer 110 when a force in the positive direction of each coordinate axis acts on the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. It is a table. 図1に示す主発電構造体MGSの重錘体に各座標軸正方向の力が作用したときに、上層電極E1〜E4に発生する電荷の極性を示す表である。It is a table which shows the polarity of the charge generated in the upper layer electrodes E1 to E4 when the force in the positive direction of each coordinate axis is applied to the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの重錘体にX軸正方向の力+Fxが作用したときに、圧電材料層105に発生するY軸方向応力を示す応力分布図である。6 is a stress distribution diagram showing the Y-axis stress generated in the piezoelectric material layer 105 when a force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the weight of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1. 図1に示す主発電構造体MGSの重錘体にY軸正方向の力+Fyが作用したときに、圧電材料層105に発生するY軸方向応力を示す応力分布図である。6 is a stress distribution diagram showing the Y-axis stress generated in the piezoelectric material layer 105 when a force + Fy in the positive Y-axis direction is applied to the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1. 図1に示す主発電構造体MGSの重錘体にZ軸正方向の力+Fzが作用したときに、圧電材料層105に発生するY軸方向応力を示す応力分布図である。It is a stress distribution diagram which shows the Y-axis direction stress generated in the piezoelectric material layer 105 when the Z-axis positive direction force + Fz is applied to the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す発電素子PGEの発電回路500の具体的な構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the specific structure of the power generation circuit 500 of the power generation element PGE shown in FIG. 台座400として、矩形状の環状構造体を用いた発電素子PGEを示す上面図である(発電回路は図示省略)。It is a top view which shows the power generation element PGE which used the rectangular annular structure as a pedestal 400 (the power generation circuit is not shown). 図17に示す発電素子PGEを切断線18−18に沿って切断した断面を示す正断面図である。FIG. 5 is a normal cross-sectional view showing a cross section of the power generation element PGE shown in FIG. 17 cut along a cutting line 18-18. 図17に示す発電素子PGEを切断線19−19に沿って切断した断面を示す側断面図である。FIG. 5 is a side sectional view showing a cross section of the power generation element PGE shown in FIG. 17 cut along a cutting line 19-19. 図17に示す発電素子PGEを切断線20−20に沿って切断した断面を示す側断面図である。FIG. 5 is a side sectional view showing a cross section of the power generation element PGE shown in FIG. 17 cut along the cutting line 20-20. 図17に示す発電素子PGEの主発電構造体MGSおよび台座400を構成する材料として用いられる積層材料ブロック1000の側断面図である。FIG. 6 is a side sectional view of a laminated material block 1000 used as a material constituting the main power generation structure MGS and the pedestal 400 of the power generation element PGE shown in FIG. 図17に示す発電素子PGEを装置筐体600に収容して構成される発電装置の側断面図である。It is a side sectional view of the power generation device configured by accommodating the power generation element PGE shown in FIG. 17 in the device housing 600. 図22に示す発電装置における重錘体と台座の役割を逆にした変形例に係る発電装置の側断面図である。FIG. 22 is a side sectional view of the power generation device according to a modified example in which the roles of the weight body and the pedestal are reversed in the power generation device shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの第1の変形例Aを示す上面図である(括弧書きの符号は、下方に配置されている主発電第2層200aの構成要素を示している。)。It is a top view which shows the 1st modification A of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 (the reference numerals in parentheses indicate the component of the main power generation second layer 200a arranged below). .. 図1に示す主発電構造体MGSの第2の変形例Bを示す上面図である(括弧書きの符号は、下方に配置されている主発電第2層200bの構成要素を示している。)。It is a top view which shows the 2nd modification B of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 (the reference numerals in parentheses indicate the component of the main power generation 2nd layer 200b arranged below). .. 図1に示す主発電構造体MGSの主発電第2層200における板状橋梁部210の両端の接続角度を示す上面図である。It is a top view which shows the connection angle of both ends of the plate-shaped bridge part 210 in the main power generation 2nd layer 200 of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの第3の変形例Cに係る主発電第2層200cを示す上面図である。It is a top view which shows the 2nd layer 200c of the main power generation which concerns on the 3rd modification C of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの第4の変形例Dに用いる主発電部品700dを示す上面図(図(a) )および正断面図(図(b) )である。図(a) において、括弧書きの符号は、各層の構成要素を示している。It is a top view (FIG. (A)) and a normal sectional view (FIG. (B)) which show the main power generation component 700d used for the 4th modification D of the main power generation structure MGS shown in FIG. In Figure (a), the numbers in parentheses indicate the components of each layer. 図1に示す主発電構造体MGSの第4の変形例Dに用いる重錘体300dを示す上面図である。It is a top view which shows the weight body 300d used for the 4th modification D of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図1に示す主発電構造体MGSの第4の変形例Dを固定するための台座400dを示す上面図である。It is a top view which shows the pedestal 400d for fixing the 4th modification D of the main power generation structure MGS shown in FIG. 図30に示す台座400dに、図28に示す主発電部品700dおよび図29に示す重錘体300dを取り付けた状態を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a state in which the main power generation component 700d shown in FIG. 28 and the weight body 300d shown in FIG. 29 are attached to the pedestal 400d shown in FIG.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment.

<<< §1. 基本的実施形態に係る発電素子の構造 >>>
図1は、本発明の基本的実施形態に係る発電素子PGE(Power Generating Elementの略)の構成を示す斜視図およびブロック図である。斜視図の部分に示されているように、この発電素子PGEは、第1層100、第2層200、第3層300を積層した3層構造体を有する。図1の斜視図では、説明の便宜上、これら3層をそれぞれ上下に分離した状態を示すが、実際には、第1層100の下面に第2層200の上面が固着され、第2層200の下面に第3層300の上面が固着されており、3層は相互に接合された構造体になる。
<<< §1. Structure of power generation element according to basic embodiment >>>
FIG. 1 is a perspective view and a block diagram showing a configuration of a power generation element PGE (abbreviation of Power Generating Element) according to a basic embodiment of the present invention. As shown in the perspective view, this power generation element PGE has a three-layer structure in which the first layer 100, the second layer 200, and the third layer 300 are laminated. The perspective view of FIG. 1 shows a state in which these three layers are separated into upper and lower layers for convenience of explanation, but in reality, the upper surface of the second layer 200 is fixed to the lower surface of the first layer 100, and the second layer 200 is fixed. The upper surface of the third layer 300 is fixed to the lower surface of the third layer 300, and the three layers form a structure joined to each other.

この3層構造体は、本発明に係る発電素子PGEにおいて、根源的な発電機能を果たす。そこで、本願では、この3層構造体を主発電構造体MGS(Main Generating Structureの略)と呼ぶことにし、第1層100を「主発電第1層」、第2層200を「主発電第2層」、第3層300を「主発電第3層」と呼ぶことにする。本発明に係る発電素子PGEは、この3層からなる主発電構造体MGSに、更に、台座400(図では、単なるシンボル記号で示す)および発電回路500(図では、ブロックで示す)を付加することにより構成される。 This three-layer structure fulfills a fundamental power generation function in the power generation element PGE according to the present invention. Therefore, in the present application, this three-layer structure is referred to as a main power generation structure MGS (abbreviation of Main Generating Structure), the first layer 100 is the "main power generation first layer", and the second layer 200 is the "main power generation first layer". The "second layer" and the third layer 300 will be referred to as the "main power generation third layer". The power generation element PGE according to the present invention further adds a pedestal 400 (indicated by a simple symbol symbol in the figure) and a power generation circuit 500 (indicated by a block in the figure) to the main power generation structure MGS composed of the three layers. It is composed of.

台座400は、主発電構造体MGSの一部分(図における右端面)を支持固定する役割を果たすが、その具体的な構造については§3で詳述する。なお、§3で述べるように、本発明の基本的実施形態の場合、台座400も、主発電構造体MGSと同様に3層構造を有するが、台座400を構成する各層については、それぞれ「台座第1層」、「台座第2層」、「台座第3層」と呼んで区別することにする。 The pedestal 400 plays a role of supporting and fixing a part (right end surface in the figure) of the main power generation structure MGS, and the specific structure thereof will be described in detail in §3. As described in §3, in the case of the basic embodiment of the present invention, the pedestal 400 also has a three-layer structure like the main power generation structure MGS, but each layer constituting the pedestal 400 is "pedestal". We will call them "first layer", "pedestal second layer", and "pedestal third layer" to distinguish them.

ここでは図1の斜視図に示すように、主発電第2層200の右端面の中央位置に原点Oを定義し、奥方向にX軸、左方向にY軸、上方向にZ軸をそれぞれとることにより、XYZ三次元直交座標系を定義する。本願の以下の説明では、図示のとおり、XY平面を水平面にとり、Z軸正方向を上方向、Z軸負方向を下方向にとることを前提として、各構成要素間の上下の関係を述べることにする。したがって、主発電構造体MGSは、上から順に主発電第1層100、主発電第2層200、主発電第3層300を積層した構造体ということになる。 Here, as shown in the perspective view of FIG. 1, the origin O is defined at the center position of the right end surface of the main power generation second layer 200, and the X axis is in the back direction, the Y axis is in the left direction, and the Z axis is in the upward direction. By taking, the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system is defined. In the following description of the present application, as shown in the drawing, the vertical relationship between each component will be described on the premise that the XY plane is a horizontal plane, the Z-axis positive direction is upward, and the Z-axis negative direction is downward. To. Therefore, the main power generation structure MGS is a structure in which the main power generation first layer 100, the main power generation second layer 200, and the main power generation third layer 300 are laminated in this order from the top.

本発明に係る発電素子PGEは、このようなXYZ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う機能を有している。なお、図示の座標系は、説明の便宜のために用いる一例であり、座標系の位置は、必ずしも図示の位置である必要はない。たとえば、原点Oは、主発電第2層200の右端面位置ではなく、主発電第2層200の重心位置などに定義してもかまわない。ただ、主発電第2層200の右端面は、台座400によって固定される部分であるため、ここでは説明の便宜上、この右端面の中央位置に原点Oを定義して以下の説明を行う。 The power generation element PGE according to the present invention has a function of generating power by converting vibration energy in each coordinate axis direction in such an XYZ three-dimensional coordinate system into electrical energy. The coordinate system shown in the figure is an example used for convenience of explanation, and the position of the coordinate system does not necessarily have to be the position shown in the figure. For example, the origin O may be defined not at the right end surface position of the main power generation second layer 200 but at the position of the center of gravity of the main power generation second layer 200. However, since the right end surface of the main power generation second layer 200 is a portion fixed by the pedestal 400, the origin O is defined at the center position of the right end surface here for convenience of explanation, and the following description will be given.

主発電第1層100は、平面形状が「E」の字状をした平板状の構造体であり、その主要部分は圧電材料層105によって構成されている。より具体的には、主発電第1層100は、圧電材料層105と、その上面の所定領域に形成された上層電極E1〜E4および下面の全領域に形成された下層電極E0、という3層構造体によって構成されている。ここで、圧電材料層105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。したがって、圧電材料層105の各部に応力が加わり、撓みが生じることになると、厚み方向に分極が生じ、上層電極E1〜E4および下層電極E0に電荷が発生することになる。 The main power generation first layer 100 is a flat plate-like structure having an "E" -shaped plane shape, and its main portion is composed of a piezoelectric material layer 105. More specifically, the main power generation first layer 100 consists of three layers: a piezoelectric material layer 105, upper layer electrodes E1 to E4 formed in a predetermined region on the upper surface thereof, and lower layer electrodes E0 formed in the entire lower surface region. It is composed of structures. Here, the piezoelectric material layer 105 has a property of causing polarization in the thickness direction by the action of stress that expands and contracts in the layer direction. Therefore, when stress is applied to each part of the piezoelectric material layer 105 and bending occurs, polarization occurs in the thickness direction, and electric charges are generated in the upper layer electrodes E1 to E4 and the lower layer electrodes E0.

下層電極E0が、圧電材料層105の下面全面に形成された1枚の共通電極になっているのに対し、各上層電極E1〜E4は、圧電材料層105の各所定領域に形成された局在電極になっているのは、作用する外力の方向によっては、圧電材料層105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)が異なり、発生電荷の極性が異なる可能性があるためである。 The lower layer electrodes E0 are one common electrode formed on the entire lower surface of the piezoelectric material layer 105, whereas the upper layer electrodes E1 to E4 are stations formed in each predetermined region of the piezoelectric material layer 105. Depending on the direction of the external force acting on the electrode, the direction of stress applied to each part of the piezoelectric material layer 105 (compression direction stress or extension direction stress) may differ, and the polarity of the generated charge may differ. Because there is.

発電回路500は、こうして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機能を有する。この発電素子PGEによって発電された電力は、発電回路500から外部へ供給されることになる。なお、図1では、図示の便宜上、発電回路500に対する配線として、上層電極E4および下層電極E0についての配線しか示されていないが、実際には、上層電極E2〜E4と発電回路500との間にも同様の配線がなされる。 The power generation circuit 500 has a function of rectifying the current generated based on the electric charge generated in this way and extracting electric power. The electric power generated by the power generation element PGE will be supplied to the outside from the power generation circuit 500. In FIG. 1, for convenience of illustration, only the wiring for the upper layer electrode E4 and the lower layer electrode E0 is shown as the wiring for the power generation circuit 500, but in reality, between the upper layer electrodes E2 to E4 and the power generation circuit 500. The same wiring is done for.

図2は、図1に示す主発電構造体MGSの主発電第1層100の上面図であり、X軸を図の右方向、Y軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。なお、図2に示すX軸,Y軸,原点Oは、実際には、この主発電第1層100の下方(主発電第2層200の内部)に位置している。上述したとおり、主発電第1層100は、「E」の字状をした圧電材料層105の上面に4枚の上層電極E1〜E4を形成し、下面に1枚の下層電極E0(図2には現れていない)を形成したものである。 FIG. 2 is a top view of the main power generation first layer 100 of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1, and is a two-dimensional plan view in which the X axis is in the right direction of the figure and the Y axis is in the upper direction of the figure. Has been done. The X-axis, Y-axis, and origin O shown in FIG. 2 are actually located below the main power generation first layer 100 (inside the main power generation second layer 200). As described above, in the main power generation first layer 100, four upper layer electrodes E1 to E4 are formed on the upper surface of the piezoelectric material layer 105 having an "E" shape, and one lower layer electrode E0 (FIG. 2) is formed on the lower surface. It does not appear in).

圧電材料層105は、実際には、「E」の字状をした1枚の板状一体構造体であるが、ここでは説明の便宜上、図示のような4つの部分110,120,130,140に分けて考えることにする。いずれの部分も、XY平面に平行な面に沿って配置された平板状の圧電材料層によって構成されている。 The piezoelectric material layer 105 is actually a single plate-shaped integrated structure having an "E" shape, but here, for convenience of explanation, four portions 110, 120, 130, 140 as shown in the figure. I will consider it separately. Each portion is composed of a flat plate-shaped piezoelectric material layer arranged along a plane parallel to the XY plane.

部分110は、Y軸に沿って伸びる橋梁構造を有する部分であり、ここでは橋梁部圧電層110と呼ぶことにする。この橋梁部圧電層110は、図示のとおり、Y軸に沿って原点Oから先端点T(Y軸上に定義された点)に至る区間に配置された部分ということになる。4枚の上層電極E1〜E4は、いずれもこの橋梁部圧電層110の上面に配置されている。なお、実際には、上層電極E1〜E4および下層電極E0には、発電回路500に対する配線がなされるが、ここでは、配線の図示は省略する。 The portion 110 is a portion having a bridge structure extending along the Y axis, and is referred to as a bridge portion piezoelectric layer 110 here. As shown in the figure, the bridge portion piezoelectric layer 110 is a portion arranged in a section from the origin O to the tip point T (point defined on the Y axis) along the Y axis. All of the four upper layer electrodes E1 to E4 are arranged on the upper surface of the bridge portion piezoelectric layer 110. Actually, the upper layer electrodes E1 to E4 and the lower layer electrodes E0 are wired to the power generation circuit 500, but the wiring is not shown here.

部分120は、X′軸(Y軸と交差しX軸に平行な軸)に沿って伸びる部分であり、その中央部分は、先端点Tの位置において橋梁部圧電層110に連なっている。ここでは、この部分120を中央圧電層と呼ぶことにする。橋梁部圧電層110と中央圧電層120とは、平面形状がT字状をなす構造体を構成する。 The portion 120 is a portion extending along the X'axis (an axis intersecting the Y axis and parallel to the X axis), and the central portion thereof is connected to the bridge portion piezoelectric layer 110 at the position of the tip point T. Here, this portion 120 will be referred to as a central piezoelectric layer. The bridge portion piezoelectric layer 110 and the central piezoelectric layer 120 form a structure having a T-shaped plane shape.

部分130は、中央圧電層120の左側から図の下方へと伸び、橋梁部圧電層110の左脇に配置された翼状部であり、ここでは、この部分130を左翼圧電層130と呼ぶことにする。一方、部分140は、中央圧電層120の右側から図の下方へと伸び、橋梁部圧電層110の右脇に配置された翼状部であり、ここでは、この部分140を右翼圧電層140と呼ぶことにする。 The portion 130 is a wing-shaped portion extending from the left side of the central piezoelectric layer 120 to the lower side of the drawing and arranged on the left side of the bridge portion piezoelectric layer 110. Here, this portion 130 will be referred to as a left wing piezoelectric layer 130. To do. On the other hand, the portion 140 is a wing-shaped portion extending from the right side of the central piezoelectric layer 120 to the lower side of the drawing and arranged on the right side of the bridge portion piezoelectric layer 110, and here, this portion 140 is referred to as a right wing piezoelectric layer 140. I will decide.

なお、本願では、説明の便宜上、図2に示すように、Y軸を縦方向に描いた上面図を念頭において左右を定義しているため、YZ平面に関してX座標値が負となる側を左側と呼び、Y軸に関してX座標値が正となる側を右側と呼んでいる。このような定義によれば、左翼圧電層130は橋梁部圧電層110の左脇に配置されており、右翼圧電層140は橋梁部圧電層110の右脇に配置されていることになる。もちろん、このような左右の定義は、YZ平面に関する相対的な位置関係を説明するための便宜上の定義であり、絶対的な意味をもつものではない。 In this application, for convenience of explanation, as shown in FIG. 2, since the left and right are defined with the top view in which the Y axis is drawn in the vertical direction in mind, the side where the X coordinate value is negative with respect to the YZ plane is on the left side. The side where the X coordinate value is positive with respect to the Y axis is called the right side. According to such a definition, the left wing piezoelectric layer 130 is arranged on the left side of the bridge portion piezoelectric layer 110, and the right wing piezoelectric layer 140 is arranged on the right side of the bridge portion piezoelectric layer 110. Of course, such a definition of left and right is a definition for convenience for explaining the relative positional relationship with respect to the YZ plane, and has no absolute meaning.

図2において、橋梁部圧電層110の図の下端(原点Oの近傍)は、左翼圧電層130の下端や右翼圧電層140の下端に比べて下方に伸びているが、これは、図1の斜視図に示されているように、主発電第2層の原点Oの近傍が台座400に接続されているためである。後述するように、台座400との接続端近傍には応力の集中が見られるため、この応力集中部分に上層電極E3,E4を配置すると、より効率的な発電が可能になる。 In FIG. 2, the lower end (near the origin O) of the bridge portion piezoelectric layer 110 extends downward with respect to the lower end of the left wing piezoelectric layer 130 and the lower end of the right wing piezoelectric layer 140, which is shown in FIG. This is because, as shown in the perspective view, the vicinity of the origin O of the second layer of the main power generation is connected to the pedestal 400. As will be described later, stress concentration is observed in the vicinity of the connection end with the pedestal 400. Therefore, if the upper layer electrodes E3 and E4 are arranged in this stress concentration portion, more efficient power generation becomes possible.

図3は、図1に示す主発電構造体MGSの主発電第2層200の上面図であり、やはりX軸を図の右方向、Y軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。この、図3に示すX軸,Y軸,原点Oは、実際には、この主発電第2層200の内部に埋もれた位置(厚み方向の中間位置)に配置されている。 FIG. 3 is a top view of the main power generation second layer 200 of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1, and is also a two-dimensional plan view in which the X axis is in the right direction of the figure and the Y axis is in the upper direction of the figure. It is shown. The X-axis, Y-axis, and origin O shown in FIG. 3 are actually arranged at positions buried inside the main power generation second layer 200 (intermediate position in the thickness direction).

この主発電第2層200も、「E」の字状をした板状構造体であり、ここに示す基本的実施形態の場合、図2に示す主発電第1層100のXY平面投影像と、図3に示す主発電第2層200のXY平面投影像とは同一形状であり、主発電第1層100の下面の全領域が主発電第2層200の上面の全領域に接合されている。したがって、主発電第2層200についても、主発電第1層100と同様に、4つの部分210,220,230,240を定義することができる。いずれの部分も、XY平面に平行な面に沿って配置された平板状の層によって構成されている。もちろん、実際には、この主発電第2層200は、「E」の字状をした1枚の板状一体構造体であり、上記4つの部分は、この板状一体構造体を、個々の区画に分けて説明するための便宜上のものである。 The main power generation second layer 200 is also a plate-shaped structure having an "E" shape, and in the case of the basic embodiment shown here, the XY plane projection image of the main power generation first layer 100 shown in FIG. , The XY plane projection image of the main power generation second layer 200 shown in FIG. 3 has the same shape, and the entire area of the lower surface of the main power generation first layer 100 is joined to the entire area of the upper surface of the main power generation second layer 200. There is. Therefore, as for the main power generation second layer 200, four portions 210, 220, 230, 240 can be defined as in the main power generation first layer 100. Each portion is composed of flat plate-like layers arranged along a plane parallel to the XY plane. Of course, in reality, the main power generation second layer 200 is a single plate-shaped integrated structure in the shape of an "E", and the above four parts are individual plate-shaped integrated structures. This is for convenience to explain by dividing into sections.

まず、部分210は、Y軸上に配置され、可撓性を有する橋梁構造を有する部分であり、ここでは、この部分210を板状橋梁部210と呼ぶことにする。この板状橋梁部210は、Y軸に沿って、原点Oから先端点T(Y軸上の1点)まで伸びる薄いビーム状の構造体であり、可撓性を有しているため、様々な方向に変形する性質を有している。ここでは、説明の便宜上、板状橋梁部210の原点Oの近傍を根端部と呼び、先端点Tの近傍を先端部と呼ぶことにする。板状橋梁部210は、根端部から先端部へとY軸に沿って伸びる細長い板状部材ということになる。 First, the portion 210 is a portion arranged on the Y-axis and having a flexible bridge structure, and here, this portion 210 will be referred to as a plate-shaped bridge portion 210. The plate-shaped bridge portion 210 is a thin beam-shaped structure extending from the origin O to the tip point T (one point on the Y-axis) along the Y-axis, and has various flexibility. It has the property of deforming in various directions. Here, for convenience of explanation, the vicinity of the origin O of the plate-shaped bridge portion 210 is referred to as a root end portion, and the vicinity of the tip point T is referred to as a tip portion. The plate-shaped bridge portion 210 is an elongated plate-shaped member extending along the Y-axis from the root end portion to the tip portion.

ここで、板状橋梁部210の根端部(原点O近傍)は、台座400(図3には示されていない)に接合されて支持固定される。したがって、台座400を装置筐体などに固定すれば、根端部は固定された状態になる。これに対して、板状橋梁部210の先端部(先端点T近傍)は、板状橋梁部210の変形の自由度の範囲内で変位可能な自由端になる。 Here, the root end portion (near the origin O) of the plate-shaped bridge portion 210 is joined to the pedestal 400 (not shown in FIG. 3) to be supported and fixed. Therefore, if the pedestal 400 is fixed to the device housing or the like, the root end portion is in a fixed state. On the other hand, the tip end portion (near the tip point T) of the plate-shaped bridge portion 210 is a free end that can be displaced within the range of the degree of freedom of deformation of the plate-shaped bridge portion 210.

図2に示す橋梁部圧電層110は、図3に示す板状橋梁部210の上面に固着される。後述するように、板状橋梁部210は、重錘体の振動により撓みを生じる性質を有し、当該撓みがその上面に固着された橋梁部圧電層110に伝達され、生じた応力に基づいて電荷が発生することになる。 The bridge portion piezoelectric layer 110 shown in FIG. 2 is fixed to the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210 shown in FIG. As will be described later, the plate-shaped bridge portion 210 has a property of causing bending due to vibration of the weight body, and the bending is transmitted to the bridge portion piezoelectric layer 110 fixed to the upper surface thereof, and based on the generated stress. An electric charge will be generated.

一方、部分220,230,240(主発電第2層200のうち、板状橋梁部210を除く部分)を一括して、ここでは、重錘体支持部と呼ぶことにする。この重錘体支持部は、図示のとおり、先端点Tにおいて板状橋梁部210に連なっている。この重錘体支持部の役割は、文字どおり、重錘体(主発電第3層300)を支持し、重錘体の振動を板状橋梁部210の先端部(先端点T近傍)に伝達することにある。ここに示す基本的実施形態の場合、重錘体支持部は、中央板状部220、左翼板状部230、右翼板状部240を有する「コ」の字状の部材である。 On the other hand, the portions 220, 230, 240 (the portion of the main power generation second layer 200 excluding the plate-shaped bridge portion 210) are collectively referred to as a weight body support portion here. As shown in the figure, the weight body support portion is connected to the plate-shaped bridge portion 210 at the tip point T. The role of this weight body support portion is to literally support the weight body (main power generation third layer 300) and transmit the vibration of the weight body to the tip portion (near the tip point T) of the plate-shaped bridge portion 210. There is. In the case of the basic embodiment shown here, the weight body support portion is a "U" -shaped member having a central plate-shaped portion 220, a left wing plate-shaped portion 230, and a right wing plate-shaped portion 240.

中央板状部220は、Y軸と交差しX軸に平行な軸であるX′軸上に配置された細長い板状部材であり、Y軸と交差するようにX′軸に沿って伸びている。そして、この中央板状部220の中央部分は、先端点Tの位置において板状橋梁部210の先端部に連なっている。すなわち、中央板状部220のY軸と交差する部分近傍に板状橋梁部210の先端部が接続されている。その結果、板状橋梁部210と中央板状部220とのXY平面投影像はT字状をなす。図2に示す中央圧電層120は、図3に示す中央板状部220の上面に固着される。 The central plate-shaped portion 220 is an elongated plate-shaped member arranged on the X'axis, which intersects the Y-axis and is parallel to the X-axis, and extends along the X'axis so as to intersect the Y-axis. There is. The central portion of the central plate-shaped portion 220 is connected to the tip portion of the plate-shaped bridge portion 210 at the position of the tip point T. That is, the tip of the plate-shaped bridge portion 210 is connected in the vicinity of the portion of the central plate-shaped portion 220 that intersects the Y-axis. As a result, the XY plane projection image of the plate-shaped bridge portion 210 and the central plate-shaped portion 220 has a T-shape. The central piezoelectric layer 120 shown in FIG. 2 is fixed to the upper surface of the central plate-shaped portion 220 shown in FIG.

一方、左翼板状部230は、中央板状部220の左側からY軸に平行な方向に沿って板状橋梁部210の左脇に伸びる板状部材であり、右翼板状部240は、中央板状部220の右側からY軸に平行な方向に沿って板状橋梁部210の右脇に伸びる板状部材である。図2に示す左翼圧電層130は、図3に示す左翼板状部230の上面に固着され、図2に示す右翼圧電層140は、図3に示す右翼板状部240の上面に固着される。 On the other hand, the left wing plate-shaped portion 230 is a plate-shaped member extending from the left side of the central plate-shaped portion 220 to the left side of the plate-shaped bridge portion 210 along the direction parallel to the Y-axis, and the right wing plate-shaped portion 240 is the center. It is a plate-shaped member extending from the right side of the plate-shaped portion 220 to the right side of the plate-shaped bridge portion 210 along a direction parallel to the Y axis. The left wing piezoelectric layer 130 shown in FIG. 2 is fixed to the upper surface of the left wing plate-shaped portion 230 shown in FIG. 3, and the right wing piezoelectric layer 140 shown in FIG. 2 is fixed to the upper surface of the right wing plate-shaped portion 240 shown in FIG. ..

図3において、板状橋梁部210の図の下端(根端部)は、左翼板状部230の下端や右翼板状部240の下端に比べて下方に伸びているが、これは、図1の斜視図に示されているように、板状橋梁部210の根端部(原点O近傍)を台座400に接続するためである。重錘体の振動によって板状橋梁部210に加わる応力は、根端部(台座400との接続端近傍)と先端部(中央板状部220との接続端近傍)に集中する。 In FIG. 3, the lower end (root end portion) of the plate-shaped bridge portion 210 is extended downward as compared with the lower end of the left wing plate-shaped portion 230 and the lower end of the right wing plate-shaped portion 240. This is to connect the root end portion (near the origin O) of the plate-shaped bridge portion 210 to the pedestal 400 as shown in the perspective view of. The stress applied to the plate-shaped bridge portion 210 due to the vibration of the weight body is concentrated at the root end portion (near the connection end with the pedestal 400) and the tip portion (near the connection end with the central plate-shaped portion 220).

図4は、図1に示す主発電構造体MGSの主発電第3層300の上面図であり、やはりX軸を図の右方向、Y軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。この、図4に示すX軸,Y軸,原点Oは、実際には、この主発電第3層300の上方に位置している。主発電第3層300は、図3に示す重錘体支持部220,230,240の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部210に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能する。この重錘体は、外部から加えられた加速度に基づく力の作用によって振動を生じ、板状橋梁部210に対して、時間的に変動する弾性変形を生じさせる役割を果たす。 FIG. 4 is a top view of the main power generation third layer 300 of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1, and is also a two-dimensional plan view in which the X axis is in the right direction of the figure and the Y axis is in the upper direction of the figure. It is shown. The X-axis, Y-axis, and origin O shown in FIG. 4 are actually located above the main power generation third layer 300. The main power generation third layer 300 is connected to the lower surfaces of the weight body support portions 220, 230, 240 shown in FIG. 3, and is sufficient to cause the plate-shaped bridge portion 210 to bend based on the applied acceleration. It functions as a weight body with mass. This weight body plays a role of causing vibration by the action of a force based on the acceleration applied from the outside, and causing elastic deformation that fluctuates with time with respect to the plate-shaped bridge portion 210.

ここに示す基本的実施形態の場合、主発電第3層300(重錘体)は、図4に示すとおり、中央重錘部320、左翼重錘部330、右翼重錘部340によって構成されている。中央重錘部320は、X′軸(Y軸と交差しX軸に平行な軸)に沿って伸びる細長い部分であり、左翼重錘部330と右翼重錘部340とを連結する役割を果たす。 In the case of the basic embodiment shown here, the main power generation third layer 300 (weight body) is composed of a central weight portion 320, a left wing weight portion 330, and a right wing weight portion 340 as shown in FIG. There is. The central weight portion 320 is an elongated portion extending along the X'axis (the axis intersecting the Y axis and parallel to the X axis), and serves to connect the left wing weight portion 330 and the right wing weight portion 340. ..

また、前述したように、板状橋梁部210の両脇について、X座標値が負となる側を左脇、X座標値が正となる側を右脇と定義すれば、左翼重錘部330は、中央重錘部320の左側からY軸に平行な方向に沿って板状橋梁部210の左脇に伸びる重錘体であり、右翼重錘部340は、中央重錘部320の右側からY軸に平行な方向に沿って板状橋梁部210の右脇に伸びる重錘体である。 Further, as described above, if the side where the X coordinate value is negative is defined as the left side and the side where the X coordinate value is positive is defined as the right side for both sides of the plate-shaped bridge portion 210, the left wing weight portion 330 Is a weight body extending from the left side of the central weight portion 320 to the left side of the plate-shaped bridge portion 210 along a direction parallel to the Y axis, and the right wing weight portion 340 is from the right side of the central weight portion 320. It is a weight body extending to the right side of the plate-shaped bridge portion 210 along a direction parallel to the Y axis.

図4に示す中央重錘部320は、図3に示す中央板状部220の下面に固着され、図4に示す左翼重錘部330は、図3に示す左翼板状部230の下面に固着され、図4に示す右翼重錘部340は、図3に示す右翼板状部240の下面に固着される。結局、左翼重錘部330、中央重錘部320、右翼重錘部340を有する重錘体のXY平面投影像は、「コ」の字状をなすことになる。なお、この主発電第3層300では、板状橋梁部210の直下の位置に空洞部310が形成されている。この空洞部310の存在により、板状橋梁部210は下方(Z軸負方向)への変位が可能になる。 The central weight portion 320 shown in FIG. 4 is fixed to the lower surface of the central plate-shaped portion 220 shown in FIG. 3, and the left wing weight portion 330 shown in FIG. 4 is fixed to the lower surface of the left wing plate-shaped portion 230 shown in FIG. The right wing weight portion 340 shown in FIG. 4 is fixed to the lower surface of the right wing plate-shaped portion 240 shown in FIG. After all, the XY plane projection image of the weight body having the left wing weight portion 330, the central weight portion 320, and the right wing weight portion 340 has a "U" shape. In the main power generation third layer 300, the hollow portion 310 is formed at a position directly below the plate-shaped bridge portion 210. The presence of the hollow portion 310 allows the plate-shaped bridge portion 210 to be displaced downward (in the negative direction of the Z axis).

実際には、この主発電第3層300は、「コ」の字状をした一体構造体であり、上記3つの部分は、この一体構造体を、個々の区画に分けて説明するための便宜上のものである。 Actually, the main power generation third layer 300 is an integrated structure having a "U" shape, and the above three parts are for convenience for explaining the integrated structure by dividing it into individual sections. belongs to.

図5は、図1に示す主発電構造体MGSの側面図である。前述したとおり、実際には、図1に示す主発電第1層100,主発電第2層200,主発電第3層300は、上下方向に積層した状態で相互に接合された3層構造体を構成する。各層の接合には、たとえば、接着剤を用いた接着を行えばよい(後述するように、印刷、蒸着、スパッタ等の方法で層形成を行うこともできる。)。図5は、このような積層状態にある主発電構造体MGSを、X軸負方向からX軸正方向に向かって観察したときの側面図である。したがって、座標系の原点Oは図の右端に位置し、図の紙面垂直奥方向がX軸正方向、図の左方向がY軸正方向、図の上方向がZ軸正方向になる。 FIG. 5 is a side view of the main power generation structure MGS shown in FIG. As described above, in reality, the main power generation first layer 100, the main power generation second layer 200, and the main power generation third layer 300 shown in FIG. 1 are a three-layer structure in which they are joined to each other in a vertically stacked state. To configure. For bonding each layer, for example, adhesion using an adhesive may be performed (as described later, layer formation may be performed by a method such as printing, thin film deposition, or sputtering). FIG. 5 is a side view of the main power generation structure MGS in such a laminated state when observed from the negative X-axis direction to the positive X-axis direction. Therefore, the origin O of the coordinate system is located at the right end of the figure, the vertical back direction of the paper surface of the figure is the positive direction of the X axis, the left direction of the figure is the positive direction of the Y axis, and the upper direction of the figure is the positive direction of the Z axis.

図5において、主発電第2層200の部分には、原点Oの近傍に板状橋梁部210の根端部が示されており、この板状橋梁部210の手前に位置する中央板状部220および左翼板状部230が観察される。この主発電第2層200の上方に位置する主発電第1層100の部分には、下層電極E0の上面に、橋梁部圧電層110,中央圧電層120,左翼圧電層130が観察され、更にその上面に、上層電極E1,E3が観察される(上層電極E2,E4は、その裏に隠れている)。また、主発電第2層200の下方に位置する主発電第3層300の部分としては、中央重錘部320および左翼重錘部330が観察される。図の右側に突出した橋梁部圧電層110および板状橋梁部210の右端部(原点O近傍)は、図示されていない台座400に固着されることになる。 In FIG. 5, in the portion of the second layer 200 of the main power generation, the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 is shown in the vicinity of the origin O, and the central plate-shaped portion located in front of the plate-shaped bridge portion 210. 220 and the left wing plate 230 are observed. In the portion of the main power generation first layer 100 located above the main power generation second layer 200, a bridge portion piezoelectric layer 110, a central piezoelectric layer 120, and a left wing piezoelectric layer 130 are observed on the upper surface of the lower electrode E0, and further. Upper layer electrodes E1 and E3 are observed on the upper surface thereof (upper layer electrodes E2 and E4 are hidden behind the upper layer electrodes E2 and E4). Further, as a portion of the main power generation third layer 300 located below the main power generation second layer 200, a central weight portion 320 and a left wing weight portion 330 are observed. The right end portion (near the origin O) of the bridge portion piezoelectric layer 110 and the plate-shaped bridge portion 210 projecting to the right side of the drawing will be fixed to a pedestal 400 (not shown).

図示のとおり、主発電第1層100は、主発電第2層200の上面を覆うように形成された圧電素子(圧電材料層105と上下の電極)を構成している。主発電第2層200の下方には、主発電第3層300(「コ」の字状をした重錘体)が接合されており、作用した加速度に基づいて重錘体が変位を生じると、主発電第2層200(特に、板状橋梁部210の部分)に撓みが生じ、その上面に形成されている主発電第1層100(特に、橋梁部圧電層110)の部分にも撓みが伝達され、各上層電極E1〜E4および下層電極E0に電荷が発生する。 As shown in the figure, the main power generation first layer 100 constitutes a piezoelectric element (piezoelectric material layer 105 and upper and lower electrodes) formed so as to cover the upper surface of the main power generation second layer 200. Below the second layer 200 of the main power generation, the third layer 300 of the main power generation (a "U-shaped weight body") is joined, and when the weight body is displaced based on the applied acceleration. , The second layer 200 of the main power generation (particularly, the portion of the plate-shaped bridge portion 210) is bent, and the portion of the first layer 100 of the main power generation (particularly, the piezoelectric layer 110 of the bridge portion) formed on the upper surface thereof is also bent. Is transmitted, and charges are generated in the upper electrode E1 to E4 and the lower electrode E0.

図6は、図1に示す主発電構造体MGSを台座400に固定した状態を示す上面図である。図におけるハッチングは各上層電極の形成領域および台座による固定状態を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、括弧書きの符号は、下方に配置されている構成要素を示している。ここで、橋梁部圧電層110の上面に配置された4枚の上層電極E1〜E4の平面形状に注目すると、いずれもY軸方向に伸びる細長い矩形状をした電極になっている。 FIG. 6 is a top view showing a state in which the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 is fixed to the pedestal 400. The hatching in the figure is for showing the formation region of each upper layer electrode and the fixed state by the pedestal, and does not show the cross section. In addition, the reference numerals in parentheses indicate the components arranged below. Here, paying attention to the planar shape of the four upper layer electrodes E1 to E4 arranged on the upper surface of the bridge portion piezoelectric layer 110, all of them are elongated rectangular electrodes extending in the Y-axis direction.

また、4枚の上層電極E1〜E4の配置に着目すると、上層電極E1,E2については、その上端が境界線H(橋梁部圧電層110と中央圧電層120との境界線)に揃う位置に配置され、上層電極E3,E4については、その下端が橋梁部圧電層110の下端に揃う位置(X軸に揃う位置)に配置されている。また、上層電極E1,E3は、橋梁部圧電層110の左側(X座標値が負となる位置)に配置され、上層電極E2,E4は、橋梁部圧電層110の右側(X座標値が正となる位置)に配置されている。 Focusing on the arrangement of the four upper layer electrodes E1 to E4, the upper ends of the upper layer electrodes E1 and E2 are aligned with the boundary line H (the boundary line between the bridge portion piezoelectric layer 110 and the central piezoelectric layer 120). The upper electrodes E3 and E4 are arranged at positions where their lower ends are aligned with the lower ends of the bridge piezoelectric layer 110 (positions aligned with the X-axis). Further, the upper layer electrodes E1 and E3 are arranged on the left side of the bridge portion piezoelectric layer 110 (position where the X coordinate value becomes negative), and the upper layer electrodes E2 and E4 are arranged on the right side of the bridge portion piezoelectric layer 110 (the X coordinate value is positive). (Position to be).

このような上層電極E1〜E4の形状および配置は、§2で述べるように、効率的な発電を行う上で好都合である。図6に示す「コ」の字状部分(中央圧電層120,左翼圧電層130,右翼圧電層140)の下方には、同じく「コ」の字状をした重錘体支持部(中央板状部220,左翼板状部230,右翼板状部240)および重錘体(主発電第3層:中央重錘部320,左翼重錘部330,右翼重錘部340)が接合されている。そして、当該重錘体の振動に基づく力が先端点Tの近傍に作用すると(後述する図7参照)、橋梁部圧電層110がその支持層である板状橋梁部210とともに撓みを生じることになり、当該撓みに応じて、各上層電極E1〜E4に電荷が発生することになる。図示の電極配置は、このような電荷発生を効率的に行うために適したものになっている(詳細は§2で述べる)。こうして、主発電構造体MGSが発生させた電荷に基づいて生じる電流は、発電回路500によって整流され、電力として取り出される。 Such a shape and arrangement of the upper layer electrodes E1 to E4 are convenient for efficient power generation as described in §2. Below the "U" -shaped portion (central piezoelectric layer 120, left wing piezoelectric layer 130, right wing piezoelectric layer 140) shown in FIG. 6, a "U" -shaped weight body support portion (central plate shape) is also formed. The portion 220, the left wing plate-shaped portion 230, the right wing plate-shaped portion 240) and the weight body (main power generation third layer: central weight portion 320, left wing weight portion 330, right wing weight portion 340) are joined. Then, when a force based on the vibration of the weight body acts in the vicinity of the tip point T (see FIG. 7 described later), the piezoelectric layer 110 of the bridge portion bends together with the plate-shaped bridge portion 210 which is the support layer thereof. Therefore, an electric charge is generated in each of the upper layer electrodes E1 to E4 according to the bending. The illustrated electrode arrangement is suitable for efficient charge generation (details will be described in §2). In this way, the current generated based on the electric charge generated by the main power generation structure MGS is rectified by the power generation circuit 500 and taken out as electric power.

図7は、図1に示す主発電構造体MGSを台座400に固定した状態を示す側断面図であり、図6に示す主発電構造体MGSを中央のYZ平面で切断した断面に相当する。 FIG. 7 is a side sectional view showing a state in which the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 is fixed to the pedestal 400, and corresponds to a cross section obtained by cutting the main power generation structure MGS shown in FIG. 6 in the central YZ plane.

この側断面図では、主発電第2層200の部分には、原点O(根端部)から先端点T(先端部)に至る板状橋梁部210と、中央板状部220の断面が示されている。また、主発電第1層100の部分には、橋梁部圧電層110および中央圧電層120と下層電極E0の断面および上層電極E2,E4の側面が示されている。 In this side sectional view, the cross section of the plate-shaped bridge portion 210 from the origin O (root end portion) to the tip point T (tip portion) and the central plate-shaped portion 220 are shown in the portion of the second layer 200 of the main power generation. Has been done. Further, in the portion of the main power generation first layer 100, the cross section of the bridge portion piezoelectric layer 110, the central piezoelectric layer 120, the lower layer electrode E0, and the side surfaces of the upper layer electrodes E2 and E4 are shown.

そして、主発電第3層300(重錘体)の部分には、中央重錘部320の断面および右翼重錘部340の側面が示されている。右翼重錘部340の手前には、空洞部310が形成されており、板状橋梁部210は、この空洞部310の存在により下方に変位することができる。 The cross section of the central weight portion 320 and the side surface of the right wing weight portion 340 are shown in the portion of the main power generation third layer 300 (weight body). A hollow portion 310 is formed in front of the right wing weight portion 340, and the plate-shaped bridge portion 210 can be displaced downward due to the presence of the hollow portion 310.

なお、図示の実施例の場合、板状橋梁部210の根端部と橋梁部圧電層110の根端部との双方が、台座400に接合され支持固定されているが、台座400に対しては、少なくとも板状橋梁部210の根端部が支持固定されていればよい。要するに、重錘体が、台座400に対して片持ち梁構造で支持されるようにし、板状橋梁部210を介して宙吊り状態になればよい。 In the case of the illustrated embodiment, both the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 and the root end portion of the bridge portion piezoelectric layer 110 are joined to the pedestal 400 and supported and fixed to the pedestal 400. It is sufficient that at least the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 is supported and fixed. In short, the weight body may be supported by the pedestal 400 with a cantilever structure, and may be suspended in the air via the plate-shaped bridge portion 210.

また、本願では、図面における各部の寸法比は、必ずしも実際の製品の寸法比どおりにはなっておらず、便宜上、実際の寸法比を無視して図面を描いている。そこで、図6および図7には、参考のため、各部の実寸法を符号d1〜d10で示した。これら実寸法d1〜d10の値は、MEMS構造の発電素子PGEを構成するのであれば、たとえば、次のような値に設定することができる。もちろん、以下の寸法例は、一実施例として提示したものであり、本発明を実施するにあたり、各部の寸法が下記の寸法値に限定されるものではない。 Further, in the present application, the dimensional ratio of each part in the drawing is not necessarily the same as the dimensional ratio of the actual product, and for convenience, the drawing is drawn ignoring the actual dimensional ratio. Therefore, in FIGS. 6 and 7, the actual dimensions of each part are indicated by reference numerals d1 to d10 for reference. The values of these actual dimensions d1 to d10 can be set to the following values, for example, if they constitute the power generation element PGE having a MEMS structure. Of course, the following dimensional examples are presented as one embodiment, and the dimensions of each part are not limited to the following dimensional values in carrying out the present invention.

d1=1000μm,d2=200μm,d3=800μm,d4=100μm,d5=50μm,d6=200μm,d7=70μm,d8(圧電材料層105の厚み)=2μm(実用上は2μm以上が好ましい),d9(主発電第2層200の厚み)=200μm,d10(主発電第3層300の厚み)=1000μm。下層電極E0および上層電極E1〜E4の厚みは0.01μm。 d1 = 1000 μm, d2 = 200 μm, d3 = 800 μm, d4 = 100 μm, d5 = 50 μm, d6 = 200 μm, d7 = 70 μm, d8 (thickness of piezoelectric material layer 105) = 2 μm (preferably 2 μm or more in practice), d9 (Thickness of main power generation second layer 200) = 200 μm, d10 (Thickness of main power generation third layer 300) = 1000 μm. The thickness of the lower layer electrodes E0 and the upper layer electrodes E1 to E4 is 0.01 μm.

なお、一般に、主発電構造体MGSの固有の構造に基づいて定まる重錘体の共振周波数が、外部から与えられる振動周波数に一致した場合に最も効率的な発電が可能になる。したがって、外部から与えられる振動の周波数が予め想定されている場合、主発電構造体MGSの構造設計の段階で、当該想定周波数に共振周波数が合致するような設計、すなわち、上述した各部の寸法を適切な値に設定した設計を行うのが好ましい。 In general, the most efficient power generation is possible when the resonance frequency of the weight body, which is determined based on the unique structure of the main power generation structure MGS, matches the vibration frequency given from the outside. Therefore, when the frequency of vibration given from the outside is assumed in advance, at the stage of structural design of the main power generation structure MGS, the design so that the resonance frequency matches the assumed frequency, that is, the dimensions of the above-mentioned parts are set. It is preferable to design with an appropriate value.

一般に、自動車、列車、船舶などの輸送機器やモータなどを利用した産業機器において発生する振動の周波数は、数Hz〜数100Hzの範囲であることが多く、特に、10Hz〜50Hzの範囲内の振動を発生するケースが多い。したがって、このような一般的な機器に搭載して発電を行うことを想定した場合、主発電構造体MGSの各座標軸方向の共振周波数が、10Hz〜50Hzの範囲内になるような設計を行うのが好ましい。 In general, the frequency of vibration generated in transportation equipment such as automobiles, trains, ships, and industrial equipment using motors is often in the range of several Hz to several hundred Hz, and in particular, vibration in the range of 10 Hz to 50 Hz. Is often generated. Therefore, assuming that it is mounted on such a general device to generate power, the design is made so that the resonance frequency in each coordinate axis direction of the main power generation structure MGS is within the range of 10 Hz to 50 Hz. Is preferable.

なお、上記説明では、便宜上、主発電第3層300の部分のみを重錘体と呼んでいるが、実際には、主発電構造体MGSの各構成要素のうち、橋梁部圧電層110および板状橋梁部210を除くすべての部分が全体として重錘体としての役割を果たし、先端点Tに変位を生じさせる機能を有している。たとえば、図6に示す中央圧電層120,左翼圧電層130,右翼圧電層140(主発電第1層100の構成要素)や、これらの下層に接合された中央板状部220,左翼板状部230,右翼板状部240(主発電第2層200の構成要素)も、先端点Tに変位を生じさせる役割に寄与するため、重錘体の一部として機能することになる。 In the above description, for convenience, only the portion of the main power generation third layer 300 is referred to as a weight body, but in reality, among the components of the main power generation structure MGS, the bridge portion piezoelectric layer 110 and the plate All parts except the bridge portion 210 play a role as a weight body as a whole, and have a function of causing displacement at the tip point T. For example, the central piezoelectric layer 120, the left wing piezoelectric layer 130, the right wing piezoelectric layer 140 (components of the main power generation first layer 100) shown in FIG. 6, and the central plate-shaped portion 220 and the left wing plate-shaped portion joined to these lower layers. The 230 and the right wing plate-shaped portion 240 (components of the second layer 200 of the main power generation) also contribute to the role of causing displacement at the tip point T, and thus also function as a part of the weight body.

ただ、図7に示すとおり、主発電第3層300の厚みは、主発電第1層100や主発電第2層200の厚みに比べて大きく設定されており、重錘体としての役割は、主として主発電第3層300が担うことになる。したがって、ここでは、便宜上、主発電第3層300の部分を重錘体と呼ぶことにする。 However, as shown in FIG. 7, the thickness of the main power generation third layer 300 is set to be larger than the thickness of the main power generation first layer 100 and the main power generation second layer 200, and the role as a weight body is The main power generation third layer 300 will be mainly responsible. Therefore, here, for convenience, the portion of the third layer 300 of the main power generation will be referred to as a weight body.

本発明に係る発電素子PGEの特徴は、主発電構造体MGSを構成する板状橋梁部210の左右両脇に重錘体が配置されるようにした点にある。すなわち、図1の斜視図を見れば明らかなように、本発明に係る発電素子PGEの重錘体は、XY平面への投影像を見れば明らかなように、少なくとも、板状橋梁部210の左脇に位置する左翼重錘部330と、板状橋梁部210の右脇に位置する右翼重錘部340と、を有している。このため、板状橋梁部210に対して様々な方向に撓ませる外力を効率良く伝達することができる。また、§3で詳述するように、この主発電構造体MGSの外側に、左翼重錘部330および右翼重錘部340の変位を制限する部材を設けることにより、過度の振動が加わった場合にも、板状橋梁部210の変位を制限することができるようになり、板状橋梁部の損傷を防ぐことができるようになる。 A feature of the power generation element PGE according to the present invention is that weight bodies are arranged on both the left and right sides of the plate-shaped bridge portion 210 constituting the main power generation structure MGS. That is, as is clear from the perspective view of FIG. 1, the weight body of the power generation element PGE according to the present invention is at least the plate-shaped bridge portion 210, as is clear from the projected image on the XY plane. It has a left wing weight portion 330 located on the left side and a right wing weight portion 340 located on the right side of the plate-shaped bridge portion 210. Therefore, it is possible to efficiently transmit an external force that bends the plate-shaped bridge portion 210 in various directions. Further, as described in detail in §3, when excessive vibration is applied by providing a member that limits the displacement of the left wing weight portion 330 and the right wing weight portion 340 on the outside of the main power generation structure MGS. In addition, the displacement of the plate-shaped bridge portion 210 can be limited, and damage to the plate-shaped bridge portion can be prevented.

また、ここに示す基本的実施形態では、板状橋梁部210を主発電第2層200によって構成し、重錘体をその下方に配置された主発電第3層300によって構成しているため、重錘体(主発電第3層を構成する構造体)の重心Gが、板状橋梁部210の下方に所定距離をおいて位置することになる。図6および図7には、この重錘体の重心Gをx印で示してある。このように、主発電構造体MGSとして、板状橋梁部210の下方に、所定距離をおいて重錘体の重心Gが配置される構造を採用すると、重錘体に作用する加速度の各座標軸方向成分に基づいて、板状橋梁部210を効率的に撓ませることができるようになり、効率的な発電が可能になる。特に、重心Gと板状橋梁部210の下面との間の距離は、できるだけ長くした方が、Y軸方向の加速度に対して板状橋梁部210の撓みを大きくする上で好ましい。 Further, in the basic embodiment shown here, since the plate-shaped bridge portion 210 is composed of the main power generation second layer 200 and the center of gravity is composed of the main power generation third layer 300 arranged below the main power generation second layer 200. The center of gravity G of the weight body (the structure constituting the third layer of the main power generation) is located below the plate-shaped bridge portion 210 at a predetermined distance. In FIGS. 6 and 7, the center of gravity G of the weight body is indicated by an x mark. In this way, if the main power generation structure MGS adopts a structure in which the center of gravity G of the weight body is arranged below the plate-shaped bridge portion 210 at a predetermined distance, each coordinate axis of the acceleration acting on the weight body is adopted. The plate-shaped bridge portion 210 can be efficiently bent based on the directional component, and efficient power generation becomes possible. In particular, it is preferable that the distance between the center of gravity G and the lower surface of the plate-shaped bridge portion 210 is as long as possible in order to increase the deflection of the plate-shaped bridge portion 210 with respect to the acceleration in the Y-axis direction.

ここに示す実施例の場合、主発電構造体MGSは、YZ平面に関して面対称な構造をなしているため、主発電第3層300を構成する構造体(重錘体)の重心が、板状橋梁部210の下方のYZ平面上に位置している。このような対称性をもった構造を採用すると、重錘体を各座標軸方向について安定して振動させることができるようになり、発電効率を高める上で好ましい。 In the case of the embodiment shown here, since the main power generation structure MGS has a structure symmetrical with respect to the YZ plane, the center of gravity of the structure (weight body) constituting the main power generation third layer 300 is plate-shaped. It is located on the YZ plane below the bridge portion 210. When a structure having such symmetry is adopted, the weight body can be stably vibrated in each coordinate axis direction, which is preferable in order to improve the power generation efficiency.

主発電構造体MGSを構成する各層の材料は、上述した各層としての機能を果たすことができる材質であれば、任意の材料を用いてかまわないが、ここでは、実用上好ましい材料の例をいくつか挙げておくことにする。 As the material of each layer constituting the main power generation structure MGS, any material may be used as long as it can fulfill the above-mentioned functions as each layer, but here, some examples of practically preferable materials may be used. I will list it.

まず、主発電第1層100は、外部から加えられた応力に基づいて電荷を発生させる圧電素子としての機能を果たすことができればよいので、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もった圧電材料層105の上下両面に、それぞれ電極が形成されていればよい。具体的には、圧電材料層105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E0〜E4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。 First, since the main power generation first layer 100 only needs to be able to function as a piezoelectric element that generates electric charges based on stress applied from the outside, it is polarized in the thickness direction by the action of stress that expands and contracts in the layer direction. It suffices that electrodes are formed on both the upper and lower surfaces of the piezoelectric material layer 105 having the property of being generated. Specifically, the piezoelectric material layer 105 can be formed of, for example, a piezoelectric thin film such as PZT (lead zirconate titanate) or KNN (sodium niobate). Alternatively, a bulk piezoelectric element may be used. The electrodes E0 to E4 may be made of any conductive material, but in practice, they may be made of a metal layer such as gold, platinum, aluminum, or copper.

一方、主発電第2層200は、主発電第1層100の支持基板として機能するとともに、板状橋梁部210の部分が可撓性を有する必要がある。このような用途に利用する材質としては、シリコンが最適である。したがって、ここで述べる実施例の場合、主発電第2層はシリコン基板によって構成されている。図7に示す例の場合、主発電第2層200の厚みd9は200μmであり、この程度の厚みをもったシリコンからなる板状橋梁部210は、発電を行うのに必要な十分な可撓性を有している。 On the other hand, the main power generation second layer 200 needs to function as a support substrate for the main power generation first layer 100, and the portion of the plate-shaped bridge portion 210 needs to have flexibility. Silicon is the most suitable material to be used for such applications. Therefore, in the case of the embodiment described here, the second layer of the main power generation is composed of a silicon substrate. In the case of the example shown in FIG. 7, the thickness d9 of the second layer 200 of the main power generation is 200 μm, and the plate-shaped bridge portion 210 made of silicon having such a thickness is sufficiently flexible to generate power. Has sex.

もちろん、主発電第2層200として金属基板を利用することも可能である。その場合は、金属基板の上層部分が下層電極E0としての役割を果たすので、この金属基板の上にスパッタ法やゾルゲル法によって圧電薄膜を成膜することにより、主発電第1層100となる圧電素子を形成することができる。あるいは、金属基板の上にバルク型の圧電材料を接着することも可能である。上層電極は、金属材料を印刷、蒸着、スパッタ等の方法で形成することができる。 Of course, it is also possible to use a metal substrate as the second layer 200 of the main power generation. In that case, since the upper layer portion of the metal substrate serves as the lower layer electrode E0, the piezoelectric thin film that becomes the main power generation first layer 100 is formed by forming a piezoelectric thin film on the metal substrate by the sputtering method or the sol-gel method. The element can be formed. Alternatively, a bulk piezoelectric material can be bonded onto the metal substrate. The upper layer electrode can be formed by printing, vapor deposition, sputtering, or the like on a metal material.

ただ、本願発明者は、現時点では、シリコン基板が主発電第2層200として最適な材料であると考えている。これは、一般に、現在の製造プロセスによって、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。また、主発電第2層200としてシリコン基板を用いるようにすれば、このシリコン基板上に形成した半導体素子を利用して発電回路500を構成することも可能になる。 However, the inventor of the present application considers that the silicon substrate is the most suitable material for the second layer 200 of the main power generation at present. In general, when comparing the case where the piezoelectric element is formed on the upper surface of the metal substrate and the case where the piezoelectric element is formed on the upper surface of the silicon substrate by the current manufacturing process, the piezoelectric element of the latter is compared with the piezoelectric constant of the former. This is because the constant value is about three times larger, and the power generation efficiency of the latter is overwhelmingly higher. It is considered that this is because when the piezoelectric element is formed on the upper surface of the silicon substrate, the orientation of the crystals of the piezoelectric element is aligned. Further, if a silicon substrate is used as the second layer 200 of the main power generation, the power generation circuit 500 can be configured by using the semiconductor element formed on the silicon substrate.

主発電第3層300は、重錘体として機能を果たす構成要素であるため、できるだけ比重の大きな材料を用いるのが好ましい。具体的には、SUS(鉄),銅,タングステンなどの金属基板、あるいは、セラミック基板もしくはガラス基板等を用いて構成すればよい。 Since the main power generation third layer 300 is a component that functions as a weight body, it is preferable to use a material having a specific gravity as large as possible. Specifically, it may be configured by using a metal substrate such as SUS (iron), copper, or tungsten, a ceramic substrate, a glass substrate, or the like.

<<< §2. 基本的実施形態に係る発電素子の発電動作 >>>
続いて、§1で述べた基本的実施形態に係る発電素子PGEの発電動作を説明する。既に述べたとおり、図1に示す発電素子PGEは、3層構造体からなる主発電構造体MGSに台座400および発電回路500を付加することにより構成され、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う機能を有している。
<<< §2. Power generation operation of power generation element according to the basic embodiment >>>
Subsequently, the power generation operation of the power generation element PGE according to the basic embodiment described in §1 will be described. As described above, the power generation element PGE shown in FIG. 1 is configured by adding a pedestal 400 and a power generation circuit 500 to the main power generation structure MGS composed of a three-layer structure, and is configured in each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system. It has a function to generate electricity by converting vibration energy into electrical energy.

そこで、ここでは、台座400の部分を走行中の自動車に固定し、この発電素子PGEに各座標軸方向の振動成分が加えられたときに、どのような原理で発電動作が行われるかについての説明を行うことにする。そのため、以下、XYZ三次元座標系が、台座400(すなわち、輸送機器)に固定された座標系であり、重錘体がこの座標系内で振動するものとして、この発電素子PGEの動作を説明する。 Therefore, here, the principle of power generation operation when the portion of the pedestal 400 is fixed to a moving automobile and a vibration component in each coordinate axis direction is added to the power generation element PGE will be described. To do. Therefore, the operation of this power generation element PGE will be described below assuming that the XYZ three-dimensional coordinate system is a coordinate system fixed to the pedestal 400 (that is, a transportation device) and the weight body vibrates in this coordinate system. To do.

図8は、図1に示す主発電構造体MGSの重錘体(主発電第3層300)にX軸正方向の力+Fxが作用したときの変形態様を示す上面図である。このような現象は、路面を走行中の自動車の振動により、台座400に対してX軸負方向の加速度−αxが作用した場合に生じる。すなわち、台座400に対して加速度−αxが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度+αxが作用することになる。その結果、XYZ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、X軸正方向(図の右方向)へ変位させる外力+Fxが作用する。 FIG. 8 is a top view showing a deformation mode when a force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the weight body (main power generation third layer 300) of the main power generation structure MGS shown in FIG. Such a phenomenon occurs when the acceleration −αx in the negative direction of the X-axis acts on the pedestal 400 due to the vibration of the automobile traveling on the road surface. That is, when the acceleration −αx acts on the pedestal 400, the acceleration + αx in the opposite direction acts on the weight body as an inertial force. As a result, in the XYZ three-dimensional coordinate system, an external force + Fx that displaces in the positive direction of the X axis (to the right in the figure) acts on the weight body as shown by the white arrow in the figure.

当該外力+Fxは、重錘体の重心Gおよび先端点Tを図の右方向へ変位させる力として作用するので、板状橋梁部210およびその上面に形成された橋梁部圧電層110の先端部は、重錘体とともに図の右方向へ変位する。一方、根端部(原点O近傍)は台座400に固定されているため、XYZ三次元座標系上では変位しない。その結果、板状橋梁部210およびその上面に形成された橋梁部圧電層110は、図示のように湾曲変形する。 Since the external force + Fx acts as a force that displaces the center of gravity G and the tip point T of the weight body to the right in the figure, the tip portion of the plate-shaped bridge portion 210 and the bridge portion piezoelectric layer 110 formed on the upper surface thereof , Displaces to the right in the figure with the weight. On the other hand, since the root end portion (near the origin O) is fixed to the pedestal 400, it does not displace on the XYZ three-dimensional coordinate system. As a result, the plate-shaped bridge portion 210 and the bridge portion piezoelectric layer 110 formed on the upper surface thereof are curved and deformed as shown in the drawing.

このような湾曲変形は、橋梁部圧電層110の4枚の上層電極E1〜E4の各配置位置について、Y軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層110の上層電極E1,E4の配置位置については、上下に向かい合う矢印対で示すように、Y軸方向についての圧縮応力が作用し(丸に「縮」の字で示す)、橋梁部圧電層110の上層電極E2,E3の配置位置については、上下に矢がついた両矢印で示すように、Y軸方向についての伸張応力が作用する(丸に「伸」の字で示す)。 Such bending deformation causes stretching stress as shown in the drawing with respect to each arrangement position of the four upper layer electrodes E1 to E4 of the bridge portion piezoelectric layer 110 in the direction along the Y axis. That is, with respect to the arrangement positions of the upper layer electrodes E1 and E4 of the bridge portion piezoelectric layer 110, compressive stress acts in the Y-axis direction as shown by the pair of arrows facing up and down (indicated by the letter "shrink" in a circle). As for the arrangement position of the upper layer electrodes E2 and E3 of the bridge portion piezoelectric layer 110, extensional stress acts in the Y-axis direction as shown by double-headed arrows with arrows at the top and bottom (in a circle with a "stretch" character). Show).

一方、台座400に対してX軸正方向の加速度+αxが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αxが作用することになる。その結果、XYZ三次元座標系において、重錘体には、図8とは逆に、X軸負方向(図の左方向)へ変位させる外力−Fxが作用する。この場合、各部の伸縮の態様は図8とは逆転したものになる。すなわち、橋梁部圧電層110の上層電極E1,E4の配置位置については伸張応力が作用し、橋梁部圧電層110の上層電極E2,E3の配置位置については圧縮応力が作用する。 On the other hand, when the acceleration in the positive direction of the X-axis + αx acts on the pedestal 400, the acceleration −αx in the opposite direction acts on the weight body as an inertial force. As a result, in the XYZ three-dimensional coordinate system, an external force −Fx that displaces in the negative direction of the X axis (to the left in the figure) acts on the weight body, contrary to FIG. In this case, the mode of expansion and contraction of each part is reversed from that of FIG. That is, tensile stress acts on the arrangement positions of the upper layer electrodes E1 and E4 of the bridge portion piezoelectric layer 110, and compressive stress acts on the arrangement positions of the upper layer electrodes E2 and E3 of the bridge portion piezoelectric layer 110.

図9は、図1に示す主発電構造体MGSの重錘体(主発電第3層300)にY軸正方向の力+Fyが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような現象は、路面を走行中の自動車の振動により、台座400に対してY軸負方向の加速度−αyが作用した場合に生じる。すなわち、台座400に対して加速度−αyが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度+αyが作用することになる。その結果、XYZ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Y軸正方向(図の左方向)へ変位させる外力+Fyが作用する。 FIG. 9 is a side sectional view showing a deformation mode when a force + Fy in the positive direction of the Y axis is applied to the weight body (main power generation third layer 300) of the main power generation structure MGS shown in FIG. Such a phenomenon occurs when the acceleration −αy in the negative direction of the Y axis acts on the pedestal 400 due to the vibration of the automobile traveling on the road surface. That is, when the acceleration −αy acts on the pedestal 400, the acceleration + αy in the opposite direction acts on the weight body as an inertial force. As a result, in the XYZ three-dimensional coordinate system, an external force + Fy that displaces the weight in the positive direction of the Y axis (to the left in the figure) acts on the weight body as shown by the white arrow in the figure.

当該外力+Fyは、重錘体の重心Gを図の左方向へ変位させる力として作用するが、重錘体は板状橋梁部210の先端点Tの近傍に接続されているため、重錘体は図9に示すように斜めに傾斜する(図9において、左側が上がり、右側が下がる)。したがって、板状橋梁部210およびその上面に形成された橋梁部圧電層110は、図9に示すように、上方に反るように湾曲変形する。 The external force + Fy acts as a force that displaces the center of gravity G of the weight body to the left in the figure. However, since the weight body is connected in the vicinity of the tip point T of the plate-shaped bridge portion 210, the weight body Tilts diagonally as shown in FIG. 9 (in FIG. 9, the left side goes up and the right side goes down). Therefore, as shown in FIG. 9, the plate-shaped bridge portion 210 and the bridge portion piezoelectric layer 110 formed on the upper surface thereof are curved and deformed so as to warp upward.

このような湾曲変形は、橋梁部圧電層110の4枚の上層電極E1〜E4の各配置位置について、Y軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層110の上面に形成された4枚の上層電極E1〜E4の配置位置のすべてについて、左右に向かい合う矢印対で示すように、Y軸方向についての圧縮応力が作用する(丸に「縮」の字で示す)。 Such bending deformation causes stretching stress as shown in the drawing with respect to each arrangement position of the four upper layer electrodes E1 to E4 of the bridge portion piezoelectric layer 110 in the direction along the Y axis. That is, compressive stresses in the Y-axis direction act on all of the arrangement positions of the four upper layer electrodes E1 to E4 formed on the upper surface of the piezoelectric layer 110 of the bridge portion, as indicated by a pair of arrows facing each other to the left and right (circle). (Indicated by the letter "shrink").

一方、台座400に対してY軸正方向の加速度+αyが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αyが作用することになる。その結果、XYZ三次元座標系において、重錘体には、図9とは逆に、Y軸負方向(図の右方向)へ変位させる外力−Fyが作用する。この場合、重錘体は図9とは逆の態様に傾斜し(左側が下がり、右側が上がる)、各部の伸縮の態様は図9とは逆転する。すなわち、橋梁部圧電層110の上面に形成された4枚の上層電極E1〜E4の配置位置のすべてについて、Y軸方向についての伸張応力が作用する。 On the other hand, when the acceleration + αy in the positive direction of the Y axis acts on the pedestal 400, the acceleration −αy in the reverse direction acts as an inertial force on the weight body. As a result, in the XYZ three-dimensional coordinate system, an external force −Fy that displaces the weight in the negative direction of the Y axis (to the right in the figure) acts on the weight body, contrary to FIG. In this case, the weight body is inclined in the opposite manner to that of FIG. 9 (the left side is lowered and the right side is raised), and the expansion and contraction mode of each part is reversed from that of FIG. That is, the extension stress in the Y-axis direction acts on all the arrangement positions of the four upper layer electrodes E1 to E4 formed on the upper surface of the bridge portion piezoelectric layer 110.

図10は、図1に示す主発電構造体MGSの重錘体(主発電第3層300)にZ軸正方向の力+Fzが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような現象は、路面を走行中の自動車の振動により、台座400に対してZ軸負方向の加速度−αzが作用した場合に生じる。すなわち、台座400に対して加速度−αzが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度+αzが作用することになる。その結果、XYZ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Z軸正方向(図の上方向)へ変位させる外力+Fzが作用する。 FIG. 10 is a side sectional view showing a deformation mode when a force + Fz in the positive direction of the Z axis is applied to the weight body (main power generation third layer 300) of the main power generation structure MGS shown in FIG. Such a phenomenon occurs when the Z-axis negative acceleration −αz acts on the pedestal 400 due to the vibration of the automobile traveling on the road surface. That is, when the acceleration −αz acts on the pedestal 400, the acceleration + αz in the opposite direction acts on the weight body as an inertial force. As a result, in the XYZ three-dimensional coordinate system, an external force + Fz that displaces the weight in the positive direction of the Z axis (upward in the figure) acts on the weight body as shown by the white arrow in the figure.

当該外力+Fzは、重錘体の重心Gを図の上方向へ変位させる力として作用するが、重錘体は板状橋梁部210の先端点Tの近傍に接続されているため、板状橋梁部210の先端部に対して図の上方へ変位させる力が加わることになる。一方、板状橋梁部210の根端部(原点O近傍)は台座400に固定されている。したがって、XYZ三次元座標系において、板状橋梁部210の根端部を固定状態にしたまま、先端部を上方に移動させる力が加わることになり、板状橋梁部210およびその上面に形成された橋梁部圧電層110は、図10に示すように湾曲変形する。 The external force + Fz acts as a force that displaces the center of gravity G of the weight body upward in the figure. However, since the weight body is connected in the vicinity of the tip point T of the plate-shaped bridge portion 210, the plate-shaped bridge A force that displaces the tip of the portion 210 upward in the figure is applied. On the other hand, the root end portion (near the origin O) of the plate-shaped bridge portion 210 is fixed to the pedestal 400. Therefore, in the XYZ three-dimensional coordinate system, a force is applied to move the tip portion upward while keeping the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 in a fixed state, and the plate-shaped bridge portion 210 is formed on the plate-shaped bridge portion 210 and its upper surface. The bridge portion piezoelectric layer 110 is curved and deformed as shown in FIG.

このような湾曲変形は、橋梁部圧電層110の4枚の上層電極E1〜E4の各配置位置について、Y軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層110の先端部に配置された上層電極E1,E2の位置については、左右に矢がついた両矢印で示すように、Y軸方向についての伸張応力が作用する(丸に「伸」の字で示す)。これに対して、橋梁部圧電層110の根端部に配置された上層電極E3,E4の位置については、左右に向かい合う矢印対で示すように、Y軸方向についての圧縮応力が作用する(丸に「縮」の字で示す)。 Such bending deformation causes stretching stress as shown in the drawing with respect to each arrangement position of the four upper layer electrodes E1 to E4 of the bridge portion piezoelectric layer 110 in the direction along the Y axis. That is, with respect to the positions of the upper layer electrodes E1 and E2 arranged at the tip of the piezoelectric layer 110 of the bridge portion, extensional stress in the Y-axis direction acts as indicated by double-headed arrows with arrows on the left and right (circled). (Indicated by the letter "Shin"). On the other hand, at the positions of the upper layer electrodes E3 and E4 arranged at the root end of the piezoelectric layer 110 of the bridge portion, compressive stress acts in the Y-axis direction as shown by the pair of arrows facing each other on the left and right (circle). (Indicated by the letter "shrink").

一方、台座400に対してZ軸正方向の加速度+αzが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αzが作用することになる。その結果、XYZ三次元座標系において、重錘体には、図10とは逆に、Z軸負方向(図の下方向)へ変位させる外力−Fzが作用する。この場合、重錘体は図の下方へと移動するので、各部の伸縮の態様は図10とは逆転する。すなわち、橋梁部圧電層110の上層電極E1,E2の配置位置については圧縮応力が作用し、橋梁部圧電層110の上層電極E3,E4の配置位置については伸張応力が作用する。 On the other hand, when the acceleration in the positive direction of the Z axis + αz acts on the pedestal 400, the acceleration −αz in the opposite direction acts on the weight body as an inertial force. As a result, in the XYZ three-dimensional coordinate system, an external force −Fz that displaces in the negative direction of the Z axis (downward in the figure) acts on the weight body, contrary to FIG. In this case, since the weight body moves to the lower part of the figure, the mode of expansion and contraction of each part is reversed from that of FIG. That is, compressive stress acts on the arrangement positions of the upper layer electrodes E1 and E2 of the bridge portion piezoelectric layer 110, and tensile stress acts on the arrangement positions of the upper layer electrodes E3 and E4 of the bridge portion piezoelectric layer 110.

図11は、図8〜図10の変形態様を踏まえて、図1に示す主発電構造体MGSの重錘体に各座標軸方向の力が作用したときに、橋梁部圧電層110の上層電極E1〜E4の位置に加わるY軸方向についての伸縮応力を示す表である。図は、各座標軸正方向の力+Fx,+Fy,+Fzが作用したときの伸縮応力を示す表であるが、各座標軸負方向の力−Fx,−Fy,−Fzが作用したときの伸縮応力は、この表における圧縮/伸張の関係を逆転させたものになる。 FIG. 11 shows the upper electrode E1 of the bridge portion piezoelectric layer 110 when a force in each coordinate axis direction is applied to the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 based on the deformation modes of FIGS. 8 to 10. It is a table which shows the stretching stress in the Y-axis direction applied to the position of ~ E4. The figure is a table showing the stretching stress when the force + Fx, + Fy, + Fz in the positive direction of each coordinate axis is applied, but the stretching stress when the force -Fx, -Fy, -Fz in the negative direction of each coordinate axis is applied is , The compression / decompression relationship in this table is reversed.

§1で述べたように、基本的実施形態に係る発電素子PGEでは、主発電第1層100が、主発電第2層200の表面に層状に形成された下層電極E0と、この下層電極E0の表面に層状に形成された圧電材料層105と、この圧電材料層105の表面に局在的に形成された複数の上層電極E1〜E4からなる上層電極群と、を有する圧電素子を構成しており、圧電材料層105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。 As described in §1, in the power generation element PGE according to the basic embodiment, the main power generation first layer 100 has a lower layer electrode E0 formed in a layer on the surface of the main power generation second layer 200 and the lower layer electrode E0. A piezoelectric element having a piezoelectric material layer 105 formed in layers on the surface of the piezoelectric material layer 105 and an upper layer electrode group composed of a plurality of upper layer electrodes E1 to E4 locally formed on the surface of the piezoelectric material layer 105 is configured. The piezoelectric material layer 105 has a property of causing polarization in the thickness direction by the action of stress that expands and contracts in the layer direction.

ここで、圧電材料層105として、層方向に伸張する応力が作用すると、上方に正電荷、下方に負電荷を発生させ、層方向に圧縮する応力が作用すると、上方に負電荷、下方に正電荷を発生させる分極特性を有するものを用いたとすると、重錘体に各座標軸正方向の力+Fx,+Fy,+Fzが作用したとき、上層電極E1〜E4に発生する電荷の極性は、図12の表のようになる。別言すれば、図12の表は、図11の表における「伸張」を「+」、「圧縮」を「−」に置き換えたものになっている。各座標軸負方向の力−Fx,−Fy,−Fzが作用したときの伸縮応力は、この表における+/−の関係を逆転させたものになる。 Here, as the piezoelectric material layer 105, when a stress extending in the layer direction acts, a positive charge is generated upward and a negative charge is generated downward, and when a stress compressing in the layer direction acts, a negative charge is generated upward and a positive charge is generated downward. Assuming that an electric charge is used, the polarity of the electric charge generated on the upper layer electrodes E1 to E4 when a force + Fx, + Fy, + Fz in the positive direction of each coordinate axis is applied to the weight body is shown in FIG. It looks like a table. In other words, in the table of FIG. 12, "expansion" is replaced with "+" and "compression" is replaced with "-" in the table of FIG. The tensile stress when the forces in the negative direction of each coordinate axis-Fx, -Fy, and -Fz act is the reverse of the +/- relationship in this table.

もちろん、圧電材料層105としては、層方向に伸張する応力が作用すると、上方に負電荷、下方に正電荷を発生させ、層方向に圧縮する応力が作用すると、上方に正電荷、下方に負電荷を発生させる分極特性を有するものを用いることも可能である。そのような分極特性を有する圧電材料層を用いた場合は、上述した場合に対して、+/−の関係が逆転することになる。また、バルク型の圧電素子を用いた場合は、個々の領域ごとに異なる分極特性をもった圧電素子を配置することが可能であり、個々の局在圧電素子P1〜P4にそれぞれ任意の分極特性をもたせるようにすることができる。 Of course, as the piezoelectric material layer 105, when a stress extending in the layer direction acts, a negative charge is generated upward and a positive charge is generated downward, and when a stress compressing in the layer direction acts, a positive charge is generated upward and a negative charge is generated downward. It is also possible to use one having a polarization property that generates an electric charge. When a piezoelectric material layer having such a polarization characteristic is used, the +/- relationship is reversed as compared with the case described above. Further, when a bulk type piezoelectric element is used, it is possible to arrange piezoelectric elements having different polarization characteristics in each region, and each localized piezoelectric element P1 to P4 has an arbitrary polarization characteristic. Can be made to have.

いずれにしても、発電回路500は、4枚の局在上層電極E1〜E4および1枚の共通下層電極E0に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流することにより、電力を取り出すことができる。 In any case, the power generation circuit 500 can extract electric power by rectifying the current generated based on the electric charge generated in the four localized upper layer electrodes E1 to E4 and the one common lower layer electrode E0.

図6の上面図に示すように、4枚の上層電極E1〜E4は、橋梁部圧電層110の上面のそれぞれ固有の位置に配置されている。ここでは、個々の配置位置に応じて、これら4枚の上層電極群を、先端部左側上層電極E1、先端部右側上層電極E2、根端部左側上層電極E3、根端部右側上層電極E4と、と呼ぶことにする。そうすると、先端部左側上層電極E1の主発電第2層200上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部210の先端部近傍のX座標値が負となる側に位置し、先端部右側上層電極E2の主発電第2層200上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部210の先端部近傍のX座標値が正となる側に位置し、根端部左側上層電極E3の主発電第2層200上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部210の根端部近傍のX座標値が負となる側に位置し、根端部右側上層電極E4の主発電第2層200上面への投影像は、Y軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部210の根端部近傍のX座標値が正となる側に位置する。 As shown in the top view of FIG. 6, the four upper layer electrodes E1 to E4 are arranged at unique positions on the upper surface of the bridge portion piezoelectric layer 110. Here, these four upper layer electrodes are grouped into the tip left upper layer electrode E1, the tip right upper electrode E2, the root end left upper electrode E3, and the root end right upper electrode E4 according to the individual arrangement positions. I will call it. Then, the projected image of the upper left upper layer electrode E1 on the tip end portion on the upper surface of the main power generation second layer 200 extends in the direction parallel to the Y axis, and the X coordinate value near the tip portion of the plate-shaped bridge portion 210 becomes negative. The projected image of the upper right upper layer electrode E2 on the right side of the tip on the upper surface of the second layer 200 of the main power generation extends in the direction parallel to the Y axis, and the X coordinate value near the tip of the plate-shaped bridge 210 becomes positive. The projected image of the upper layer electrode E3 on the left side of the root end on the upper surface of the main power generation second layer 200 extends in the direction parallel to the Y axis, and the X coordinate value near the root end of the plate-shaped bridge 210 is negative. The projected image of the upper layer electrode E4 on the right side of the root end on the upper surface of the main power generation second layer 200 extends in the direction parallel to the Y axis, and the X coordinate near the root end of the plate-shaped bridge portion 210. It is located on the side where the value is positive.

このような4枚の上層電極E1〜E4の固有の配置は、電荷発生を効率的に行うために適したものになっており、発電効率を高めるために効果的である。これは、重錘体に対していずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、これら4箇所の配置位置には、Y軸方向に関して大きな応力が発生するためである。これは、図13〜図15に示す応力分布図を見れば明らかである。これらの応力分布図は、§1で述べた実寸法を用いてコンピュータによるFEM(有限要素法)構造解析を行った結果を示すものであり、板状橋梁部210の根端部を固定した状態において、重錘体に特定の座標軸正方向の力が作用した場合に、圧電材料層105に発生するY軸方向応力の分布を示す図になっている。 Such a unique arrangement of the four upper layer electrodes E1 to E4 is suitable for efficiently generating electric charges, and is effective for increasing the power generation efficiency. This is because, when a force in any coordinate axis direction acts on the weight body, a large stress is generated in the Y-axis direction at these four arrangement positions. This is clear from the stress distribution diagrams shown in FIGS. 13 to 15. These stress distribution maps show the results of FEM (finite element method) structural analysis by computer using the actual dimensions described in §1, and the state where the root end of the plate-shaped bridge 210 is fixed. The figure shows the distribution of the stress in the Y-axis direction generated in the piezoelectric material layer 105 when a force in the positive direction of a specific coordinate axis acts on the weight body.

図13は、図1に示す主発電構造体MGSの重錘体にX軸正方向の力+Fxが作用したときに、圧電材料層105に発生するY軸方向応力を示す応力分布図である。この図では、基本的には、図8に示す伸縮態様に基づく応力分布が得られていることがわかる。4枚の上層電極E1〜E4の固有の配置は、このような応力分布図において、顕著な応力が発生する位置に対応している。 FIG. 13 is a stress distribution diagram showing the stress in the Y-axis direction generated in the piezoelectric material layer 105 when a force in the positive direction of the X-axis + Fx is applied to the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. In this figure, it can be seen that the stress distribution based on the expansion / contraction mode shown in FIG. 8 is basically obtained. The unique arrangement of the four upper layer electrodes E1 to E4 corresponds to the position where a remarkable stress is generated in such a stress distribution map.

図14は、図1に示す主発電構造体MGSの重錘体にY軸正方向の力+Fyが作用したときに、圧電材料層105に発生するY軸方向応力を示す応力分布図である。図9に示す変形態様を参照すればわかるとおり、力+Fyが作用した場合、橋梁部圧電層110のほぼ全領域にわたって、Y軸方向についての圧縮応力が作用することになる。このため、図14に示す応力分布図においても、橋梁部圧電層110のほぼ全領域にわたって強度の圧縮応力が発生することが示されている。4枚の上層電極E1〜E4の固有の配置は、このような応力分布図においても、顕著な応力が発生する位置に対応している。 FIG. 14 is a stress distribution diagram showing the Y-axis stress generated in the piezoelectric material layer 105 when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. As can be seen by referring to the deformation mode shown in FIG. 9, when the force + Fy acts, the compressive stress in the Y-axis direction acts over almost the entire region of the bridge piezoelectric layer 110. Therefore, also in the stress distribution diagram shown in FIG. 14, it is shown that strong compressive stress is generated over almost the entire region of the bridge piezoelectric layer 110. The unique arrangement of the four upper layer electrodes E1 to E4 corresponds to the position where a remarkable stress is generated even in such a stress distribution map.

図15は、図1に示す主発電構造体MGSの重錘体にZ軸正方向の力+Fzが作用したときに、圧電材料層105に発生するY軸方向応力を示す応力分布図である。この図では、基本的には、図10に示す伸縮態様に基づく応力分布が得られていることがわかる。4枚の上層電極E1〜E4の固有の配置は、このような応力分布図においても、顕著な応力が発生する位置に対応している。 FIG. 15 is a stress distribution diagram showing the Y-axis stress generated in the piezoelectric material layer 105 when a force + Fz in the Z-axis positive direction is applied to the weight body of the main power generation structure MGS shown in FIG. In this figure, it can be seen that the stress distribution based on the expansion / contraction mode shown in FIG. 10 is basically obtained. The unique arrangement of the four upper layer electrodes E1 to E4 corresponds to the position where a remarkable stress is generated even in such a stress distribution map.

このように、図13〜図15に示す応力分布図を見れば、図6に示す4枚の上層電極E1〜E4は、重錘体がいずれの方向に変位した場合にも応力が集中する領域に配置されており、発生電荷を効果的に収集できることがわかる。なお、これらの応力分布図を参照すれば、図6に示す上層電極E1,E2の図面における上端位置は、境界線Hよりも若干図の上方(Y軸正方向)に伸びていてもよいことがわかる。 As described above, looking at the stress distribution diagrams shown in FIGS. 13 to 15, the four upper layer electrodes E1 to E4 shown in FIG. 6 are regions in which stress is concentrated regardless of the direction in which the weight body is displaced. It can be seen that the generated charge can be effectively collected. In addition, referring to these stress distribution maps, the upper end positions in the drawings of the upper layer electrodes E1 and E2 shown in FIG. 6 may extend slightly above the boundary line H (in the positive direction of the Y axis). I understand.

以上、図13〜図15を参照して、重錘体に各座標軸正方向の力+Fx,+Fy,+Fzが作用した場合の応力分布を説明したが、各座標軸負方向の力−Fx,−Fy,−Fzが作用した場合の応力分布は、圧縮/伸張の分布を逆転させたものになる。結局、図6の上面図に示す4枚の上層電極E1〜E4は、重錘体に対していずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、Y軸方向に関して大きな応力が発生する位置に配置されていることになる。また、いずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、同一の電極に逆極性の電荷が発生することはない。すなわち、同一の電極において、逆極性の電荷が互いに打ち消し合うような現象は生じない。したがって、このような固有の電極配置を採用した発電素子PGEは、極めて効率的な発電を行うことが可能である。 With reference to FIGS. 13 to 15, the stress distribution when the force + Fx, + Fy, + Fz in the positive direction of each coordinate axis acts on the weight body has been described above, but the force −Fx, −Fy in the negative direction of each coordinate axis has been described. The stress distribution when , -Fz acts is the reverse of the compression / expansion distribution. After all, the four upper layer electrodes E1 to E4 shown in the top view of FIG. 6 are arranged at positions where a large stress is generated in the Y-axis direction regardless of which coordinate axis direction force is applied to the weight body. It will be done. Further, when a force in any coordinate axis direction is applied, an electric charge having opposite polarity is not generated in the same electrode. That is, in the same electrode, the phenomenon that the charges of opposite polarities cancel each other does not occur. Therefore, the power generation element PGE adopting such a unique electrode arrangement can generate extremely efficient power generation.

図16は、図1に示す発電素子PGEに用いる発電回路500の具体的な構成を示す回路図であり、圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す機能を有する。 FIG. 16 is a circuit diagram showing a specific configuration of the power generation circuit 500 used in the power generation element PGE shown in FIG. 1, and has a function of rectifying a current generated based on the electric charge generated in the piezoelectric element and extracting electric power.

図16において、先端部左側圧電素子P1は、図6に示す先端部左側上層電極E1と下層電極E0と、圧電材料層105のうち上層電極E1の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示し、先端部右側圧電素子P2は、図6に示す先端部右側上層電極E2と下層電極E0と、圧電材料層105のうち上層電極E2の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示す。 In FIG. 16, the tip left side piezoelectric element P1 is composed of a tip left upper electrode E1 and a lower electrode E0 shown in FIG. 6, and a portion of the piezoelectric material layer 105 located below the upper electrode E1. The piezoelectric element on the right side of the tip is shown, and the piezoelectric element P2 on the right side of the tip is composed of the upper right upper electrode E2 and the lower electrode E0 on the right side of the tip and a portion of the piezoelectric material layer 105 located below the upper electrode E2. The localized piezoelectric element is shown.

同様に、根端部左側圧電素子P3は、図6に示す根端部左側上層電極E3と下層電極E0と、圧電材料層105のうち上層電極E3の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示し、根端部右側圧電素子P4は、図6に示す根端部右側上層電極E4と下層電極E0と、圧電材料層105のうち上層電極E4の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示す。また、回路図上に白丸で示すE0は下層電極,E1〜E4は各上層電極に対応する。 Similarly, the root end left side piezoelectric element P3 is composed of a root end left upper layer electrode E3 and a lower layer electrode E0 shown in FIG. 6, and a portion of the piezoelectric material layer 105 located below the upper electrode E3. A localized piezoelectric element is shown, and the root end right side piezoelectric element P4 includes a root end right upper layer electrode E4 and a lower layer electrode E0, a portion of the piezoelectric material layer 105 located below the upper electrode E4, and a portion located below the upper electrode E4. The localized piezoelectric element composed of is shown. Further, E0 indicated by a white circle on the circuit diagram corresponds to the lower layer electrode, and E1 to E4 correspond to each upper layer electrode.

D1(+),D2(+),D3(+),D4(+)は整流素子(ダイオード)であり、それぞれ上層電極E1,E2,E3,E4に発生した正電荷を取り出す役割を果たす。また、D1(−),D2(−),D3(−),D4(−)も整流素子(ダイオード)であり、それぞれ上層電極E1,E2,E3,E4に発生した負電荷を取り出す役割を果たす。同様に、D0(+)は下層電極E0に発生した正電荷を取り出す役割を果たす整流素子(ダイオード)であり、D0(−)は下層電極E0に発生した負電荷を取り出す役割を果たす整流素子(ダイオード)である。 D1 (+), D2 (+), D3 (+), and D4 (+) are rectifying elements (diodes), and each of them plays a role of extracting positive charges generated in the upper layer electrodes E1, E2, E3, and E4. Further, D1 (-), D2 (-), D3 (-), and D4 (-) are also rectifying elements (diodes), and play a role of extracting negative charges generated in the upper layer electrodes E1, E2, E3, and E4, respectively. .. Similarly, D0 (+) is a rectifying element (diode) that plays a role of extracting the positive charge generated in the lower electrode E0, and D0 (-) is a rectifying element (a diode) that plays a role of extracting the negative charge generated in the lower electrode E0. It is a diode).

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、本発電素子PGE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。 On the other hand, Cf is a capacitance element (capacitor) for smoothing, and the positive charge taken out is supplied to the positive electrode terminal (upper terminal in the figure) and the negative charge taken out to the negative electrode terminal (lower terminal in the figure). Is supplied. The capacitive element Cf plays a role of smoothing the pulsating current based on the generated charge, and the impedance of the capacitive element Cf can be almost ignored when the vibration of the weight body is stable and steady. The ZL connected in parallel to the capacitance element Cf indicates the load of the device that receives the power generated by the power generation element PGE.

結局、この発電回路500は、平滑用の容量素子Cfと、各上層電極E1〜E4に発生した正電荷を容量素子Cfの正極側へ導くために各上層電極E1〜E4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D1(+),D2(+),D3(+),D4(+)と、各上層電極E1〜E4に発生した負電荷を容量素子Cfの負極側へ導くために容量素子Cfの負極側から各上層電極E1〜E4へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子D1(−),D2(−),D3(−),D4(−)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により平滑化して供給する機能を果たすことになる。 After all, in this power generation circuit 500, the positive electrode of the capacitance element Cf is guided from the capacitance element Cf for smoothing and the positive charge generated in each of the upper layer electrodes E1 to E4 to the positive electrode side of the capacitance element Cf. Positive charge rectifying elements D1 (+), D2 (+), D3 (+), D4 (+) whose forward direction is toward the side, and negative charges generated in each upper layer electrode E1 to E4 are capacitance elements Cf. Negative charge rectifying elements D1 (-), D2 (-), D3 (-), D4 (-), D2 (-), D4 (-), D4 (-), D2 (-), D3 (-), D4 ( -), And fulfills the function of smoothing and supplying the electrical energy converted from the vibration energy by the capacitive element Cf.

この回路図において、負荷ZLには、正電荷用整流素子D1(+),D2(+),D3(+),D4(+)で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子D1(−),D2(−),D3(−),D4(−)で取り出された負電荷とが供給されることになる。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各上層電極E1〜E4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。 In this circuit diagram, the load ZL includes the positive charge taken out by the positive charge rectifying elements D1 (+), D2 (+), D3 (+), and D4 (+), and the negative charge rectifying element D1 (-). ), D2 (−), D3 (−), and D4 (−) are supplied with the negative charges taken out. Therefore, in principle, the most efficient power generation is possible if the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated in the upper layer electrodes E1 to E4 are equal at each moment.

図6に示すとおり、基本的実施形態に係る主発電構造体MGSは、YZ平面に関して面対称となる対称構造をなす。このような対称構造を採用すれば、図8に示すように、重錘体がX軸方向に振動した場合は、対称位置に配置された一対の上層電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなり、効率的な発電が期待できる。また、上層電極E1,E2からなる先端部電極群と、上層電極E3,E4からなる根端部電極群と、の間にも、橋梁部圧電層110の長手方向の中央位置に関して対称性がある。したがって、図10に示すように、重錘体がZ軸方向に振動した場合にも、各上層電極E1〜E4に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなり、効率的な発電が期待できる。 As shown in FIG. 6, the main power generation structure MGS according to the basic embodiment has a symmetric structure that is plane symmetric with respect to the YZ plane. If such a symmetrical structure is adopted, as shown in FIG. 8, when the weight body vibrates in the X-axis direction, the total amount of positive charges and negative charges generated in the pair of upper layer electrodes arranged at symmetrical positions. The total amount of electricity is almost equal to that of, and efficient power generation can be expected. Further, there is symmetry between the tip electrode group consisting of the upper layer electrodes E1 and E2 and the root end electrode group consisting of the upper layer electrodes E3 and E4 with respect to the central position in the longitudinal direction of the bridge piezoelectric layer 110. .. Therefore, as shown in FIG. 10, even when the weight body vibrates in the Z-axis direction, the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated in the upper layer electrodes E1 to E4 are substantially equal, which is efficient. Power generation can be expected.

<<< §3. 変位制限構造および発電装置 >>>
図1に示す主発電構造体MGSにおいて、発電効率を高めるためには、板状橋梁部210は、できるだけ薄く、長くするのが好ましい。その第1の理由は、薄くて長い板状橋梁部210を用いれば、可撓性が高まるため、より大きな撓みが生じるようになるためである。板状橋梁部210に大きな撓みが生じれば、圧電材料層105にも大きな撓みが生じ、発電量が増加する。なお、板状橋梁部210の幅を細くすると、大きな撓みを生じさせるメリットは得られるが、圧電材料層105の面積が減少するため、発電量が低下するデメリットが生じてしまう。
<<< §3. Displacement limiting structure and power generator >>>
In the main power generation structure MGS shown in FIG. 1, in order to increase the power generation efficiency, it is preferable that the plate-shaped bridge portion 210 is as thin and long as possible. The first reason is that if a thin and long plate-shaped bridge portion 210 is used, the flexibility is increased and a larger amount of bending is generated. If a large amount of bending occurs in the plate-shaped bridge portion 210, a large amount of bending also occurs in the piezoelectric material layer 105, and the amount of power generation increases. If the width of the plate-shaped bridge portion 210 is narrowed, a merit of causing a large bending can be obtained, but a demerit of reducing the amount of power generation occurs because the area of the piezoelectric material layer 105 is reduced.

板状橋梁部210を薄く、長くする第2の理由は、適切な共振周波数が得られるようにするためである。前述したように、主発電構造体MGSの固有の構造に基づいて定まる重錘体の共振周波数は、発電素子の利用環境(輸送機器や産業機器など)における振動周波数に一致させるのが好ましく、実用上は、共振周波数が10Hz〜50Hzの範囲内になるような設計を行うのが好ましい。このような範囲内の共振周波数をもった主発電構造体MGSを設計するためには、板状橋梁部210を薄く、長くした方が有利である。 The second reason for making the plate-shaped bridge portion 210 thin and long is to obtain an appropriate resonance frequency. As described above, the resonance frequency of the weight body determined based on the unique structure of the main power generation structure MGS preferably matches the vibration frequency in the usage environment of the power generation element (transportation equipment, industrial equipment, etc.), and is practically used. The above is preferably designed so that the resonance frequency is in the range of 10 Hz to 50 Hz. In order to design the main power generation structure MGS having a resonance frequency within such a range, it is advantageous to make the plate-shaped bridge portion 210 thin and long.

このような事情により、本発明に係る発電素子PGEを設計する場合、板状橋梁部210を薄く、長くするのが好ましい。しかしながら、薄くて長い板状橋梁部210は、過度の外力が作用すると破損しやすい。たとえば、図8には、重錘体にX軸正方向の力+Fxが作用したときの主発電構造体MGSの変形態様が示されているが、過度の力+Fx(過度の加速度−αx)が作用すると、橋梁部圧電層110およびその下層の板状橋梁部210に過度の変形が生じて破損する可能性がある。 Under such circumstances, when designing the power generation element PGE according to the present invention, it is preferable to make the plate-shaped bridge portion 210 thin and long. However, the thin and long plate-shaped bridge portion 210 is liable to be damaged when an excessive external force is applied. For example, FIG. 8 shows a deformation mode of the main power generation structure MGS when a force + Fx in the positive direction of the X axis acts on the weight body, but an excessive force + Fx (excessive acceleration −αx) is present. When it acts, the piezoelectric layer 110 of the bridge portion and the plate-shaped bridge portion 210 of the lower layer thereof may be excessively deformed and damaged.

本発明で採用している主発電構造体MGSの場合、板状橋梁部210の過度の変位を抑制する変位制限構造を容易に付加することができる。それは、重錘体が、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しているためである。たとえば、図6に示す実施例の場合、左翼圧電層130の下方には左翼重錘部330が配置され、右翼圧電層140の下方には右翼重錘部340が配置されており、橋梁部圧電層110の下方に位置する板状橋梁部210が、左翼重錘部330および右翼重錘部340によって左右から保護された形態をとっている。 In the case of the main power generation structure MGS adopted in the present invention, a displacement limiting structure that suppresses excessive displacement of the plate-shaped bridge portion 210 can be easily added. This is because the weight body has a left wing weight portion located on the left side of the plate-shaped bridge portion and a right wing weight portion located on the right side. For example, in the case of the embodiment shown in FIG. 6, the left wing weight portion 330 is arranged below the left wing piezoelectric layer 130, the right wing weight portion 340 is arranged below the right wing piezoelectric layer 140, and the bridge portion piezoelectric. The plate-shaped bridge portion 210 located below the layer 110 is protected from the left and right by the left wing weight portion 330 and the right wing weight portion 340.

したがって、この図6に示す主発電構造体MGSの右側および左側に何らかの変位制限壁を設ければ、この変位制限壁によって重錘体の左右方向の変位を制限することができる。たとえば、図8の例のように、重錘体にX軸正方向の力+Fxが作用した場合、重錘体は右側の変位制限壁を超えて変位することはできない。同様に、重錘体にX軸負方向の力−Fxが作用した場合、重錘体は左側の変位制限壁を超えて変位することはできない。 Therefore, if some displacement limiting walls are provided on the right side and the left side of the main power generation structure MGS shown in FIG. 6, the displacement of the weight body in the left-right direction can be restricted by the displacement limiting walls. For example, as in the example of FIG. 8, when a force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the weight body, the weight body cannot be displaced beyond the displacement limiting wall on the right side. Similarly, when a force-Fx in the negative X-axis direction acts on the weight body, the weight body cannot be displaced beyond the displacement limiting wall on the left side.

また、図6に示す実施例の場合、中央圧電層120の下方には中央重錘部320が配置されているので、図の上方にも変位制限壁を設けておけば、重錘体にY軸正方向の力+Fyが作用した場合にも、重錘体は上方の変位制限壁を超えて変位することはできない。 Further, in the case of the embodiment shown in FIG. 6, since the central weight portion 320 is arranged below the central piezoelectric layer 120, if a displacement limiting wall is also provided above the figure, the weight body will be Y. Even when a force in the positive axial direction + Fy is applied, the weight body cannot be displaced beyond the upper displacement limiting wall.

結局、図6に示す実施例の場合、橋梁部圧電層110の下方に位置する板状橋梁部210が、「コ」の字型をした重錘体によって取り囲まれ、周囲から保護された状態になっているので、主発電構造体MGSの外側に何らかの変位制限壁を設ければ、重錘体の過度の変位を制限し、板状橋梁部210の破損を避けることが可能になる。板状橋梁部210は、「コ」の字型をした重錘体によって取り囲まれているため、変位制限壁に直接接触することはない。 After all, in the case of the embodiment shown in FIG. 6, the plate-shaped bridge portion 210 located below the bridge portion piezoelectric layer 110 is surrounded by a "U" -shaped weight body and is protected from the surroundings. Therefore, if some kind of displacement limiting wall is provided on the outside of the main power generation structure MGS, it is possible to limit the excessive displacement of the weight body and avoid damage to the plate-shaped bridge portion 210. Since the plate-shaped bridge portion 210 is surrounded by a "U" -shaped weight body, it does not come into direct contact with the displacement limiting wall.

変位制限壁としては、たとえば、この主発電構造体MGSを収容する装置筐体の内壁面を利用することが可能である。ただ、重錘体の外面と変位制限壁の内面との間の空隙寸法を適切な値(正常な発電動作に必要な範囲内で重錘体が自由運動を行い、過度の加速度が加わったときにのみ重錘体の変位を制御するのに適切な値)に設定する上では、専用の変位制限壁を設けるようにするのが好ましい。そこで、ここでは、台座400を変位制限壁として利用した実施形態を説明する。 As the displacement limiting wall, for example, the inner wall surface of the apparatus housing accommodating the main power generation structure MGS can be used. However, the clearance dimension between the outer surface of the weight body and the inner surface of the displacement limiting wall is set to an appropriate value (when the weight body freely moves within the range necessary for normal power generation operation and excessive acceleration is applied. In order to set the value (appropriate value for controlling the displacement of the weight body), it is preferable to provide a dedicated displacement limiting wall. Therefore, here, an embodiment in which the pedestal 400 is used as a displacement limiting wall will be described.

本発明に係る発電素子PGEでは、板状橋梁部210の根端部が台座400に固定される。たとえば、図1では、固定部を示す単なるシンボル記号として台座400が示されている。また、図6〜図10では、単なる固定面として台座400が示されている。実際、台座400は、板状橋梁部210の根端部を固定して、重錘体を宙吊り状態にする役割を果たすことができれば、どのような構造のものであってもかまわない。以下に述べる実施形態は、主発電構造体MGSを取り囲む環状構造体を、台座400として用い、当該環状構造体の内壁を変位制限壁として利用した例である。 In the power generation element PGE according to the present invention, the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 is fixed to the pedestal 400. For example, in FIG. 1, the pedestal 400 is shown as a mere symbol symbol indicating a fixed portion. Further, in FIGS. 6 to 10, the pedestal 400 is shown as a mere fixed surface. In fact, the pedestal 400 may have any structure as long as it can fix the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 and play a role of suspending the weight body in the air. The embodiment described below is an example in which the annular structure surrounding the main power generation structure MGS is used as the pedestal 400, and the inner wall of the annular structure is used as the displacement limiting wall.

図17は、台座400として矩形状の環状構造体を用いた発電素子PGEを示す上面図である(実際には、発電素子PGEから、発電回路500を除いた発電素子用構造体の部分のみが示されており、発電回路500は図示が省略されている)。図面中央に描かれている主発電構造体MGSは、§1および§2で述べた基本的実施形態に係る主発電構造体であり、その周囲に配置された矩形状の方環状構造体が台座400である。主発電構造体MGSと台座400とは、原点Oの位置で接合されている。 FIG. 17 is a top view showing a power generation element PGE using a rectangular annular structure as a pedestal 400 (actually, only a portion of the power generation element structure excluding the power generation circuit 500 from the power generation element PGE is shown. It is shown, and the power generation circuit 500 is not shown). The main power generation structure MGS drawn in the center of the drawing is the main power generation structure according to the basic embodiment described in §1 and §2, and a rectangular rectangular structure arranged around the main power generation structure is a pedestal. It is 400. The main power generation structure MGS and the pedestal 400 are joined at the position of the origin O.

台座400は、XY平面に沿って主発電構造体MGSを取り囲む環状構造体をなす。より具体的には、台座400は、第1壁部410、第2壁部420、第3壁部430、第4壁部440なる4組の壁部を有する矩形状の方環状構造体によって構成されている。ここで、第1壁部410は、主発電構造体MGSに対してX軸負方向側に隣接配置され、YZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第2壁部420は、主発電構造体MGSに対してX軸正方向側に隣接配置され、YZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第3壁部430は、主発電構造体MGSに対してY軸正方向側に隣接配置され、XZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第4壁部440は、主発電構造体MGSに対してY軸負方向側に隣接配置され、XZ平面に平行な平面に沿った壁面を構成している。そして、主発電構造体MGSの一部を構成する板状橋梁部210の根端部が、第4壁部440の内面に支持固定されている。 The pedestal 400 forms an annular structure that surrounds the main power generation structure MGS along the XY plane. More specifically, the pedestal 400 is composed of a rectangular rectangular structure having four sets of wall portions, that is, a first wall portion 410, a second wall portion 420, a third wall portion 430, and a fourth wall portion 440. Has been done. Here, the first wall portion 410 is arranged adjacent to the main power generation structure MGS on the negative direction side of the X axis to form a wall surface along a plane parallel to the YZ plane, and the second wall portion 420 is the main. It is arranged adjacent to the power generation structure MGS on the X-axis positive direction side, constitutes a wall surface along a plane parallel to the YZ plane, and the third wall portion 430 is in the Y-axis positive direction with respect to the main power generation structure MGS. It is arranged adjacent to the side and constitutes a wall surface along a plane parallel to the XZ plane, and the fourth wall portion 440 is arranged adjacent to the main power generation structure MGS on the negative direction side of the Y axis and is parallel to the XZ plane. It constitutes a wall surface along a plane. Then, the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 forming a part of the main power generation structure MGS is supported and fixed to the inner surface of the fourth wall portion 440.

このような構造を有する発電素子PGEに対して、所定の大きさを超える加速度の水平方向成分(XY平面に平行な成分)が作用した場合、重錘体(主発電第3層300)がこの環状構造体からなる台座400の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。図示のとおり、主発電構造体MGSの左側面と第1壁部410の内面との間には空隙寸法d11が確保されており、主発電構造体MGSの右側面と第2壁部420の内面との間には空隙寸法d12が確保されている。同様に、主発電構造体MGSの上側面と第3壁部430の内面との間には空隙寸法d13が確保されており、主発電構造体MGSの下側面と第4壁部440の内面との間には空隙寸法d14が確保されている。 When a horizontal component (a component parallel to the XY plane) of acceleration exceeding a predetermined magnitude acts on the power generation element PGE having such a structure, the weight body (main power generation third layer 300) becomes this. It comes into contact with the inner surface of the pedestal 400 made of an annular structure, and further displacement is restricted. As shown in the figure, a gap dimension d11 is secured between the left side surface of the main power generation structure MGS and the inner surface of the first wall portion 410, and the right side surface of the main power generation structure MGS and the inner surface of the second wall portion 420. A gap dimension d12 is secured between the two. Similarly, a gap dimension d13 is secured between the upper side surface of the main power generation structure MGS and the inner surface of the third wall portion 430, and the lower side surface of the main power generation structure MGS and the inner surface of the fourth wall portion 440. A gap dimension d14 is secured between them.

したがって、この発電素子PGEに過度の振動が加わり、重錘体にX軸方向の外力成分が作用しても、重錘体の変位は空隙寸法d11,d12の範囲内に制限され、重錘体にY軸方向の外力成分が作用しても、重錘体の変位は空隙寸法d13,d14の範囲内に制限される。このため、板状橋梁部210に生じる撓みの程度を制限することができ、板状橋梁部210の損傷を防ぐことができる。 Therefore, even if an excessive vibration is applied to the power generation element PGE and an external force component in the X-axis direction acts on the weight body, the displacement of the weight body is limited within the range of the void dimensions d11 and d12, and the weight body. Even if an external force component in the Y-axis direction acts on the weight, the displacement of the weight body is limited to the range of the void dimensions d13 and d14. Therefore, the degree of bending generated in the plate-shaped bridge portion 210 can be limited, and damage to the plate-shaped bridge portion 210 can be prevented.

主発電構造体MGSと台座400との構造上の関係は、図18〜図20に示す側断面図に詳細に示されている。図18は、図17に示す発電素子PGEを切断線18−18に沿って切った断面を示す正断面図である。主発電構造体MGSは、既に述べたとり、主発電第1層100,主発電第2層200,主発電第3層300を積層した3層構造体からなる。一方、台座400も、台座第1層401,台座第2層402,台座第3層403を積層した3層構造体からなる。 The structural relationship between the main power generation structure MGS and the pedestal 400 is shown in detail in the side sectional views shown in FIGS. 18 to 20. FIG. 18 is a normal cross-sectional view showing a cross section of the power generation element PGE shown in FIG. 17 cut along the cutting line 18-18. The main power generation structure MGS is composed of a three-layer structure in which the main power generation first layer 100, the main power generation second layer 200, and the main power generation third layer 300 are laminated, as described above. On the other hand, the pedestal 400 is also composed of a three-layer structure in which the pedestal first layer 401, the pedestal second layer 402, and the pedestal third layer 403 are laminated.

ここで、主発電第1層100と台座第1層401とは、Z軸に関して全く同じ位置に配置され、主発電第2層200と台座第2層402とは、やはりZ軸に関して全く同じ位置に配置されている。これに対して、主発電第3層300と台座第3層403とを比較すると、上面はZ軸に関して全く同じ位置に配置されているが、下面は、主発電第3層300の方が台座第3層403よりも若干上方に位置している。これは、重錘体(中央重錘部320,左翼重錘部330,右翼重錘部340)を台座400の底面より浮かして宙吊り状態にするためである。 Here, the main power generation first layer 100 and the pedestal first layer 401 are arranged at exactly the same positions with respect to the Z axis, and the main power generation second layer 200 and the pedestal second layer 402 are also arranged at exactly the same positions with respect to the Z axis. Is located in. On the other hand, when the main power generation third layer 300 and the pedestal third layer 403 are compared, the upper surface is arranged at exactly the same position with respect to the Z axis, but the lower surface of the main power generation third layer 300 is the pedestal. It is located slightly above the third layer 403. This is because the weight bodies (center weight portion 320, left wing weight portion 330, right wing weight portion 340) are suspended from the bottom surface of the pedestal 400.

図示のとおり、左翼重錘部330の外側面と第1壁部410の内面との間には空隙寸法d11が確保されており、右翼重錘部340の外側面と第2壁部420の内面との間には空隙寸法d12が確保されている。したがって、重錘体は、X軸方向に関して、これら空隙寸法d11,d12の範囲内で変位可能であるが、当該範囲を超える変位は制限される。この実施例では、d11=d12=20μmに設定している。 As shown in the figure, a gap dimension d11 is secured between the outer surface of the left wing weight portion 330 and the inner surface of the first wall portion 410, and the outer surface of the right wing weight portion 340 and the inner surface of the second wall portion 420. A gap dimension d12 is secured between the two. Therefore, the weight body can be displaced within the range of these gap dimensions d11 and d12 in the X-axis direction, but the displacement beyond the range is limited. In this embodiment, d11 = d12 = 20 μm is set.

図19は、図17に示す発電素子PGEを切断線19−19に沿って切った断面を示す側断面図であり、図20は、図17に示す発電素子PGEを切断線20−20に沿って切った断面を示す側断面図である。いずれの図にも、主発電構造体MGSおよび台座400が、3層構造体からなる点が明瞭に示されている。 FIG. 19 is a side sectional view showing a cross section of the power generation element PGE shown in FIG. 17 cut along the cutting line 19-19, and FIG. 20 is a side sectional view showing the cross section of the power generation element PGE shown in FIG. 17 along the cutting line 20-20. It is a side sectional view which shows the cross section which was cut. In each figure, it is clearly shown that the main power generation structure MGS and the pedestal 400 are composed of a three-layer structure.

図示のとおり、中央重錘部320の外側面と第3壁部430の内面との間には空隙寸法d13が確保されており、左翼重錘部330および右翼重錘部340の外側面と第4壁部440の内面との間には空隙寸法d14が確保されている。したがって、重錘体は、Y軸方向に関して、これら空隙寸法d13,d14の範囲内で変位可能であるが、当該範囲を超える変位は制限される。この実施例では、d13=d14=15μmに設定している。 As shown in the figure, a gap dimension d13 is secured between the outer surface of the central weight portion 320 and the inner surface of the third wall portion 430, and the outer surface and the first of the left wing weight portion 330 and the right wing weight portion 340. A gap dimension d14 is secured between the four wall portions 440 and the inner surface. Therefore, the weight body can be displaced within the range of these gap dimensions d13 and d14 in the Y-axis direction, but the displacement beyond the range is limited. In this embodiment, d13 = d14 = 15 μm is set.

ここで、主発電構造体MGSを、主発電第1層100,主発電第2層200,主発電第3層300の3層構造体によって構成する理由は、§2で述べた発電動作を行うためである。すなわち、主発電第2層200は、可撓性を有する板状橋梁部210を構成するための層であり、主発電第1層100は、板状橋梁部210に生じる撓みを検出するための圧電素子を構成するための層であり、主発電第3層300は、板状橋梁部210に外力を作用させる重錘体として機能するための層である。 Here, the reason why the main power generation structure MGS is composed of the three-layer structure of the main power generation first layer 100, the main power generation second layer 200, and the main power generation third layer 300 is that the power generation operation described in §2 is performed. Because. That is, the main power generation second layer 200 is a layer for forming the plate-shaped bridge portion 210 having flexibility, and the main power generation first layer 100 is for detecting the bending generated in the plate-shaped bridge portion 210. The layer for forming the piezoelectric element, and the main power generation third layer 300 is a layer for functioning as a weight body for applying an external force to the plate-shaped bridge portion 210.

これに対して、台座400は、板状橋梁部210の根端部を支持固定する固定部材としての役割と、重錘体の過度の変位を制限するための変位制限壁としての役割とを果たせば足りるので、機能上は、敢えて3層構造体にする必要はない。しかしながら、図18〜図20に示す実施例において、台座400を主発電構造体MGSと同様の3層構造体によって構成している理由は、専ら、製造プロセス上の便宜を図るためである。 On the other hand, the pedestal 400 can serve as a fixing member for supporting and fixing the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210 and as a displacement limiting wall for limiting excessive displacement of the weight body. Functionally, it is not necessary to dare to make it a three-layer structure because it is sufficient. However, in the examples shown in FIGS. 18 to 20, the reason why the pedestal 400 is composed of the same three-layer structure as the main power generation structure MGS is mainly for the convenience of the manufacturing process.

すなわち、図18に示す実施例の場合、台座400は、上から順に台座第1層401、台座第2層402、台座第3層403を積層した積層構造体によって構成されており、台座第1層401は板状橋梁部210の根端部近傍において主発電第1層100に連なり、台座第2層402は板状橋梁部210の根端部において主発電第2層200に連なっている。また、台座第3層403は、主発電第3層300に対して、物理的には離隔した構成要素になっているが、3層構造体の最下層であり、その上面の位置は同じになっている。 That is, in the case of the embodiment shown in FIG. 18, the pedestal 400 is composed of a laminated structure in which the pedestal first layer 401, the pedestal second layer 402, and the pedestal third layer 403 are laminated in this order from the top. The layer 401 is connected to the main power generation first layer 100 in the vicinity of the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210, and the pedestal second layer 402 is connected to the main power generation second layer 200 at the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210. Further, the pedestal third layer 403 is a component that is physically separated from the main power generation third layer 300, but is the lowest layer of the three-layer structure, and the position of the upper surface thereof is the same. It has become.

結局、図18に示す実施例の場合、台座第1層401と主発電第1層100とを同一の材料層から構成することができ、台座第2層402と主発電第2層200とを同一の材料層から構成することができ、台座第3層403と主発電第3層300とを同一の材料層から構成することができる。 After all, in the case of the embodiment shown in FIG. 18, the pedestal first layer 401 and the main power generation first layer 100 can be composed of the same material layer, and the pedestal second layer 402 and the main power generation second layer 200 can be formed. It can be composed of the same material layer, and the pedestal third layer 403 and the main power generation third layer 300 can be composed of the same material layer.

図21は、図18に示す発電素子PGEの主発電構造体MGSおよび台座400を構成する材料として用いられる積層材料ブロック1000の側断面図である。この積層材料ブロック1000は、上から順に、材料第1層1001、材料第2層1002、材料第3層1003を積層した3層からなる積層構造体である。図の破線は、台座400となるべき部分を示している。 FIG. 21 is a side sectional view of a laminated material block 1000 used as a material constituting the main power generation structure MGS and the pedestal 400 of the power generation element PGE shown in FIG. The laminated material block 1000 is a laminated structure composed of three layers in which the material first layer 1001, the material second layer 1002, and the material third layer 1003 are laminated in this order from the top. The broken line in the figure shows the part that should be the pedestal 400.

図21において、材料第1層1001は、主発電第1層100を構成することを意図した層であり、圧電材料層の上下両面に電極となる導電層を形成したものである。同様に、材料第2層1002は、主発電第2層200を構成することを意図した層であり、たとえば、板状橋梁部210を構成するのに適したシリコン基板によって構成することができる。そして、材料第3層1003は、主発電第3層300(重錘体)を構成することを意図した層であり、たとえば、SUS等の金属基板によって構成することができる。 In FIG. 21, the material first layer 1001 is a layer intended to form the main power generation first layer 100, and conductive layers serving as electrodes are formed on both upper and lower surfaces of the piezoelectric material layer. Similarly, the material second layer 1002 is a layer intended to form the main power generation second layer 200, and can be composed of, for example, a silicon substrate suitable for forming the plate-shaped bridge portion 210. The material third layer 1003 is a layer intended to form the main power generation third layer 300 (weight body), and can be made of, for example, a metal substrate such as SUS.

このような積層材料ブロック1000の各層に対して、それぞれ必要な加工(たとえば、エッチング加工)を施すことにより、図18〜図20に示す主発電構造体MGSと台座400とを同時進行で構成することができる。このため、製造工程を単純化して量産化を図ることができ、製造コストを低減することができるようになる。 By performing necessary processing (for example, etching processing) on each layer of such a laminated material block 1000, the main power generation structure MGS shown in FIGS. 18 to 20 and the pedestal 400 are simultaneously configured. be able to. Therefore, the manufacturing process can be simplified and mass production can be achieved, and the manufacturing cost can be reduced.

このように、図17に示す発電素子PGEでは、主発電構造体MGSを方環状構造体からなる台座400に収容したため、所定の大きさを超える加速度の水平方向成分(XY平面に平行な成分)が作用した場合、重錘体の変位を制限することが可能である。ここでは更に、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分(Z軸に平行な成分)が作用した場合にも、重錘体の変位を制限する実施例を述べる。 As described above, in the power generation element PGE shown in FIG. 17, since the main power generation structure MGS is housed in the pedestal 400 made of the square annular structure, the horizontal component of the acceleration exceeding a predetermined size (the component parallel to the XY plane). Is effective, it is possible to limit the displacement of the weight body. Further, an example will be described in which the displacement of the weight body is limited even when a vertical component (a component parallel to the Z axis) of acceleration exceeding a predetermined magnitude acts.

図22は、このような実施例を示す側断面図である。図示の実施例は、図17に示す発電素子PGEを、装置筐体600に収容したものであり、本願では、このように装置筐体600を含めた発電素子PGEを、便宜上、「発電装置」と呼ぶことにする。すなわち、ここで言う「発電装置」とは、これまで述べてきた発電素子PGE(主発電構造体MGS、台座400、発電回路500を有する素子)と、この発電素子PGEを収容する装置筐体600と、を備える装置ということになる。 FIG. 22 is a side sectional view showing such an embodiment. In the illustrated embodiment, the power generation element PGE shown in FIG. 17 is housed in the device housing 600. In the present application, the power generation element PGE including the device housing 600 is referred to as a “power generation device” for convenience. I will call it. That is, the "power generation device" referred to here is the power generation element PGE (element having the main power generation structure MGS, the pedestal 400, and the power generation circuit 500) and the device housing 600 accommodating the power generation element PGE. And, it will be a device equipped with.

図示のとおり、発電素子PGEの台座400は、装置筐体600に固定されており、装置筐体600を振動させる外力が作用すると、発電素子PGEの重錘体300(主発電第3層)は、板状橋梁部210の撓みによって装置筐体600内で振動する。図示されていない発電回路500は、当該振動によって発生した電力を取り出して外部に出力する処理を行う。 As shown in the figure, the pedestal 400 of the power generation element PGE is fixed to the device housing 600, and when an external force that vibrates the device housing 600 acts, the weight body 300 (main power generation third layer) of the power generation element PGE becomes. , The plate-shaped bridge portion 210 vibrates in the apparatus housing 600 due to the bending. The power generation circuit 500 (not shown) performs a process of taking out the electric power generated by the vibration and outputting it to the outside.

より具体的には、装置筐体600は、発電素子PGEを下方から支持固定するための土台基板610と、発電素子PGEの上方を覆う上蓋基板620と、発電素子PGEの周囲を囲うように配置され、土台基板610と上蓋基板620とを連結する側壁板630と、を有している。そして、発電素子PGEの台座400(各壁部410〜440)の底面は、発電素子PGEの重錘体(主発電第3層300:320,330,340)の底面より下方に位置し、台座400(各壁部410〜440)の底面は土台基板610の上面に固定されている。 More specifically, the apparatus housing 600 is arranged so as to surround the base substrate 610 for supporting and fixing the power generation element PGE from below, the upper lid substrate 620 that covers the upper part of the power generation element PGE, and the power generation element PGE. It has a side wall plate 630 that connects the base substrate 610 and the upper lid substrate 620. The bottom surface of the pedestal 400 (each wall portion 410 to 440) of the power generation element PGE is located below the bottom surface of the weight body (main power generation third layer 300: 320, 330, 340) of the power generation element PGE, and is a pedestal. The bottom surface of 400 (each wall portion 410 to 440) is fixed to the upper surface of the base substrate 610.

その結果、土台基板610の上面と重錘体(主発電第3層300:320,330,340)の底面との間に、空隙寸法d15を有する下方空隙部が形成されている。また、上蓋基板620は、発電素子PGEの主発電第1層100の上面より上方に位置し、上蓋基板620の下面と主発電第1層100の上面との間に、空隙寸法d16を有する上方空隙部が形成されている。この実施例では、d15=d16=10μmに設定している。 As a result, a lower gap portion having a gap dimension d15 is formed between the upper surface of the base substrate 610 and the bottom surface of the weight body (main power generation third layer 300: 320, 330, 340). Further, the upper lid substrate 620 is located above the upper surface of the main power generation first layer 100 of the power generation element PGE, and has a gap dimension d16 between the lower surface of the upper lid substrate 620 and the upper surface of the main power generation first layer 100. A gap is formed. In this embodiment, d15 = d16 = 10 μm is set.

したがって、発電素子PGEに対して、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合には、主発電構造体PGEの一部が土台基板610の上面もしくは上蓋基板620の下面に接触し、それ以上の変位が制限される。かくして、図22に示す発電装置によれば、XYZ三次元座標系において、X軸,Y軸,Z軸のいずれの方向を向いた過度の加速度が作用した場合にも、重錘体の変位を制限することが可能になり、板状橋梁部210の破損を防ぐことができる。 Therefore, when a vertical component of acceleration exceeding a predetermined magnitude acts on the power generation element PGE, a part of the main power generation structure PGE comes into contact with the upper surface of the base substrate 610 or the lower surface of the upper lid substrate 620. , Further displacement is restricted. Thus, according to the power generation device shown in FIG. 22, in the XYZ three-dimensional coordinate system, the displacement of the weight body is displaced even when an excessive acceleration directed in any of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions acts. It becomes possible to limit and prevent damage to the plate-shaped bridge portion 210.

図23は、図22に示す発電装置における重錘体と台座の役割を逆にした変形例に係る発電装置の側断面図である。この図23に示す発電装置も、発電素子PGE′と、この発電素子PGE′を収容する装置筐体600と、を備える装置であり、装置筐体600の部分は、図22に示す装置と全く同じである。ただ、図23に示す発電素子PGE′は、図22に示す発電素子PGEとは若干構造が異なっている。 FIG. 23 is a side sectional view of the power generation device according to a modified example in which the roles of the weight body and the pedestal are reversed in the power generation device shown in FIG. The power generation device shown in FIG. 23 is also a device including a power generation element PGE'and a device housing 600 accommodating the power generation element PGE', and the portion of the device housing 600 is completely the same as the device shown in FIG. It is the same. However, the power generation element PGE'shown in FIG. 23 has a slightly different structure from the power generation element PGE shown in FIG. 22.

この図23に示す発電装置の場合、発電素子PGE′の主発電第3層300′(320′,330′,340′)が装置筐体600に固定され、台座400′(410′,420′,430′,440′)が宙吊り状態になっている。このため、装置筐体600を振動させる外力が作用した場合、発電素子PGEの台座400′が板状橋梁部210の撓みによって装置筐体600内で振動する。図示されていない発電回路500は、当該振動によって発生した電力を取り出して外部に出力する処理を行う。 In the case of the power generation device shown in FIG. 23, the main power generation third layer 300'(320', 330', 340') of the power generation element PGE'is fixed to the device housing 600, and the pedestal 400'(410', 420'). , 430', 440') are suspended in the air. Therefore, when an external force that vibrates the device housing 600 acts, the pedestal 400'of the power generation element PGE vibrates in the device housing 600 due to the bending of the plate-shaped bridge portion 210. The power generation circuit 500 (not shown) performs a process of taking out the electric power generated by the vibration and outputting it to the outside.

より具体的には、装置筐体600は、発電素子PGE′を下方から支持固定するための土台基板610と、発電素子PGE′の上方を覆う上蓋基板620と、発電素子PGE′の周囲を囲うように配置され、土台基板610と上蓋基板620とを連結する側壁板630と、を有している。そして、発電素子PGE′の台座400′(410′,420′,430′,440′)の底面は、発電素子PGE′の主発電第3層300′(320′,330′,340′)の底面より上方に位置し、主発電第3層300′(320′,330′,340′)の底面は土台基板610の上面に固定されている。 More specifically, the apparatus housing 600 surrounds the base substrate 610 for supporting and fixing the power generation element PGE'from below, the upper lid substrate 620 covering the upper part of the power generation element PGE', and the power generation element PGE'. It has a side wall plate 630 that connects the base substrate 610 and the upper lid substrate 620. The bottom surface of the pedestal 400'(410', 420', 430', 440') of the power generation element PGE'is the main power generation third layer 300' (320', 330', 340') of the power generation element PGE'. It is located above the bottom surface, and the bottom surface of the main power generation third layer 300'(320', 330', 340') is fixed to the upper surface of the base substrate 610.

その結果、土台基板610の上面と台座400′(410′,420′,430′,440′)の底面との間に、空隙寸法d17を有する下方空隙部が形成されている。また、上蓋基板620は、発電素子PGE′の主発電第1層100の上面より上方に位置し、上蓋基板620の下面と主発電第1層100の上面との間に、空隙寸法d18を有する上方空隙部が形成されている。この実施例では、d17=d18=10μmに設定している。 As a result, a lower gap portion having a gap dimension d17 is formed between the upper surface of the base substrate 610 and the bottom surface of the pedestal 400'(410', 420', 430', 440'). Further, the upper lid substrate 620 is located above the upper surface of the main power generation first layer 100 of the power generation element PGE', and has a gap dimension d18 between the lower surface of the upper lid substrate 620 and the upper surface of the main power generation first layer 100. An upper gap is formed. In this embodiment, d17 = d18 = 10 μm is set.

したがって、発電素子PGE′に対して、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合には、主発電構造体PGE′の一部が土台基板610の上面もしくは上蓋基板620の下面に接触し、それ以上の変位が制限される。かくして、図23に示す発電装置の場合も、XYZ三次元座標系において、X軸,Y軸,Z軸のいずれの方向を向いた過度の加速度が作用しても、重錘体の変位を制限することが可能になり、板状橋梁部210の破損を防ぐことができる。以上、空隙寸法d11〜d18について具体的な寸法値を例示したが、もちろん、これらの空隙寸法d11〜d18の最適値は、図6および図7に示す各部の寸法値d1〜d10等に応じて定められるべきものである。 Therefore, when a vertical component of acceleration exceeding a predetermined magnitude acts on the power generation element PGE', a part of the main power generation structure PGE'is placed on the upper surface of the base substrate 610 or the lower surface of the upper lid substrate 620. Contact and further displacement is restricted. Thus, also in the case of the power generation device shown in FIG. 23, the displacement of the weight body is limited even if an excessive acceleration in any of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions acts in the XYZ three-dimensional coordinate system. This makes it possible to prevent damage to the plate-shaped bridge portion 210. As described above, specific dimensional values have been illustrated for the gap dimensions d11 to d18, but of course, the optimum values of the gap dimensions d11 to d18 depend on the dimensional values d1 to d10 of each part shown in FIGS. 6 and 7. It should be determined.

なお、図22に示す発電装置と図23に示す発電装置とについて、動作原理を比較すると、前者の場合、主発電第3層300(320,330,340)が、装置筐体600内に宙吊り状態となった重錘体として機能し、この重錘体の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のに対して、後者の場合、台座400′(410′,420′,430′,440′)が、装置筐体600内に宙吊り状態となった重錘体として機能し、この重錘体の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。なお、図23に示す発電装置の場合、原理上は、部材300′を台座と呼び、部材400′を重錘体と呼ぶべきであるが、図22に示す発電装置と対比する便宜上、ここでは部材300′を重錘体と呼び、部材400′を台座と呼んでいる。 Comparing the operating principles of the power generation device shown in FIG. 22 and the power generation device shown in FIG. 23, in the former case, the main power generation third layer 300 (320, 330, 340) is suspended in the device housing 600. It functions as a weight body in a state, and the vibration energy of this weight body is converted into electrical energy, whereas in the latter case, the pedestal 400'(410', 420', 430', 440') functions as a weight body suspended in the device housing 600, and the vibration energy of the weight body is converted into electrical energy. In the case of the power generation device shown in FIG. 23, in principle, the member 300'should be called a pedestal and the member 400'should be called a weight body. The member 300'is called a weight body, and the member 400' is called a pedestal.

一般論として、主発電第3層300,300′よりも、その外側を取り囲む台座400,400′の方が、より大きな質量をもった構造体にしやすい。たとえば、図17に示す例において、第1壁部410,第2壁部420,第3壁部430,第4壁部440の壁の厚みを厚くすれば、台座400の質量を増加させることは容易である。このように質量の大きな台座を重錘体として利用すれば、より大きな発電量を確保することができる。したがって、一般論としては、図22に示す構造よりも、図23に示す構造の方が、発電量を確保する上では好ましい。もちろん、図23に示す構造を採用した場合にも、台座400′の各座標軸方向への変位は制限されるので、板状橋梁部210の破損を防ぐ効果が得られることになる。 As a general rule, the pedestals 400, 400'surrounding the outside of the main power generation third layer 300, 300' are more likely to form a structure having a larger mass than the third layer 300, 300'. For example, in the example shown in FIG. 17, if the wall thickness of the first wall portion 410, the second wall portion 420, the third wall portion 430, and the fourth wall portion 440 is increased, the mass of the pedestal 400 can be increased. It's easy. If such a pedestal having a large mass is used as a weight body, a larger amount of power generation can be secured. Therefore, as a general theory, the structure shown in FIG. 23 is preferable to the structure shown in FIG. 22 in order to secure the amount of power generation. Of course, even when the structure shown in FIG. 23 is adopted, the displacement of the pedestal 400'in each coordinate axis direction is limited, so that the effect of preventing the plate-shaped bridge portion 210 from being damaged can be obtained.

<<< §4. 本発明の変形例 >>>
続いて、これまで述べてきた基本的実施形態に係る発電素子PGEについて、いくつかの変形例を述べておく。
<<< §4. Modifications of the present invention >>>
Next, some modifications of the power generation element PGE according to the basic embodiment described so far will be described.

<4−1.第1の変形例A:3層構造体の平面形状の変形例>
§1で述べた基本的実施形態に係る発電素子PGEを構成する主発電構造体MGSは、図1に示すように、主発電第1層100,主発電第2層200,主発電第3層300を積層させた3層構造体によって構成されている。これら3層の平面形状は、それぞれ図2〜図4に示されている。
<4-1. First Deformation Example A: Deformation Example of Planar Shape of Three-Layer Structure>
As shown in FIG. 1, the main power generation structure MGS constituting the power generation element PGE according to the basic embodiment described in §1 includes a main power generation first layer 100, a main power generation second layer 200, and a main power generation third layer. It is composed of a three-layer structure in which 300 are laminated. The planar shapes of these three layers are shown in FIGS. 2 to 4, respectively.

ここで、図2と図3とを比較すればわかるとおり、主発電第1層100の平面形状と主発電第2層200の平面形状とは全く同一であり、両者のXY平面投影像は重なることになる。これは、シリコン基板からなる主発電第2層200の上面の全領域に、圧電素子からなる主発電第1層100を形成する製造プロセスを採ったためである。 Here, as can be seen by comparing FIGS. 2 and 3, the planar shape of the main power generation first layer 100 and the planar shape of the main power generation second layer 200 are exactly the same, and the XY plane projection images of both overlap. It will be. This is because a manufacturing process is adopted in which the main power generation first layer 100 made of a piezoelectric element is formed in the entire region of the upper surface of the main power generation second layer 200 made of a silicon substrate.

もっとも、主発電第1層100(圧電素子)の役割は、主発電第2層200とともに撓みを生じさせ、この撓みに基づいて発電を行うことにあるので、原理的には、主発電第1層100(圧電素子)は、撓みが生じる板状橋梁部210の上面に形成されていれば足りる。図2に示す主発電第1層100は、橋梁部圧電層110,中央圧電層120,左翼圧電層130,右翼圧電層140の4つの部分によって構成されているが、原理的には、橋梁部圧電層110のみを設ければよく、より細かく言えば、橋梁部圧電層110のうち、上層電極E1〜E4が形成される領域にのみ形成されていればよい。 However, the role of the main power generation first layer 100 (piezoelectric element) is to cause bending together with the main power generation second layer 200 and to generate power based on this bending. Therefore, in principle, the main power generation first layer 100 (piezoelectric element) is used. It suffices that the layer 100 (piezoelectric element) is formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210 where bending occurs. The main power generation first layer 100 shown in FIG. 2 is composed of four parts: a bridge portion piezoelectric layer 110, a central piezoelectric layer 120, a left wing piezoelectric layer 130, and a right wing piezoelectric layer 140. In principle, the bridge portion Only the piezoelectric layer 110 may be provided, and more specifically, it may be formed only in the region of the bridge portion piezoelectric layer 110 where the upper layer electrodes E1 to E4 are formed.

要するに、主発電第1層100の平面形状と主発電第2層200の平面形状とは、必ずしも同一である必要はなく、主発電第1層100は、主発電第2層200の板状橋梁部210の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有していればよい。 In short, the planar shape of the main power generation first layer 100 and the planar shape of the main power generation second layer 200 do not necessarily have to be the same, and the main power generation first layer 100 is a plate-shaped bridge of the main power generation second layer 200. It suffices to have a piezoelectric element formed so as to cover at least a part of the upper surface of the portion 210.

一方、図3と図4とを比較すればわかるとおり、主発電第2層200の平面形状と主発電第3層300の平面形状とは、板状橋梁部210の部分を除いて同一になっている。すなわち、図3に示されている主発電第2層200の各部分を構成する中央板状部220,左翼板状部230,右翼板状部240の平面形状は、それぞれ図4に示されている主発電第3層300の各部分を構成する中央重錘部320,左翼重錘部330,右翼重錘部340の平面形状と同一である。平面形状における両者の相違は、図3に示されている主発電第2層200の板状橋梁部210に対応する部分が、図4に示されている主発電第3層300では、空洞部310になっている点だけである。 On the other hand, as can be seen by comparing FIGS. 3 and 4, the planar shape of the main power generation second layer 200 and the planar shape of the main power generation third layer 300 are the same except for the plate-shaped bridge portion 210. ing. That is, the planar shapes of the central plate-shaped portion 220, the left wing plate-shaped portion 230, and the right wing plate-shaped portion 240 constituting each portion of the main power generation second layer 200 shown in FIG. 3 are shown in FIG. 4, respectively. It has the same planar shape as the central weight portion 320, the left wing weight portion 330, and the right wing weight portion 340 constituting each part of the main power generation third layer 300. The difference between the two in the plan shape is that the portion corresponding to the plate-shaped bridge portion 210 of the main power generation second layer 200 shown in FIG. 3 is a hollow portion in the main power generation third layer 300 shown in FIG. Only the point that is 310.

このように、主発電第2層200の平面形状と主発電第3層300の平面形状とをほぼ同一にすれば、3層の平面形状の外形がほぼ同じになり、主発電構造体MGSの全体形状を単純化することができる。しかしながら、主発電第2層200の平面形状と主発電第3層300の平面形状とは、必ずしもほぼ同一にする必要はない。 In this way, if the planar shape of the main power generation second layer 200 and the planar shape of the main power generation third layer 300 are made substantially the same, the outer shapes of the planar shapes of the three layers are substantially the same, and the main power generation structure MGS The overall shape can be simplified. However, the planar shape of the main power generation second layer 200 and the planar shape of the main power generation third layer 300 do not necessarily have to be substantially the same.

図24は、図1に示す主発電構造体MGSの第1の変形例Aに係る主発電構造体MGSaを示す上面図である。この主発電構造体MGSaは、図1に示す主発電構造体MGSと同様に、主発電第1層100a,主発電第2層200a,主発電第3層300aの3層構造体によって構成されているが、各層の平面形状が異なっている。この第1の変形例Aでは、主発電第1層100aの平面形状と主発電第2層200aの平面形状とは同一であるが、これらと主発電第3層300aの平面形状とは大きく異なっている。 FIG. 24 is a top view showing the main power generation structure MGSa according to the first modification A of the main power generation structure MGS shown in FIG. Similar to the main power generation structure MGS shown in FIG. 1, the main power generation structure MGSa is composed of a three-layer structure consisting of a main power generation first layer 100a, a main power generation second layer 200a, and a main power generation third layer 300a. However, the planar shape of each layer is different. In this first modification A, the planar shape of the main power generation first layer 100a and the planar shape of the main power generation second layer 200a are the same, but these and the planar shape of the main power generation third layer 300a are significantly different. ing.

主発電第1層100aの各部と主発電第2層200aの各部は、それぞれ同一の平面形状を有している。図24は上面図であるため、主発電第2層200aは主発電第1層100aの下層に隠れ、図には現れていないが、括弧書きの符号により、主発電第1層100aの下方に重なって配置されている主発電第2層200aの各構成要素が示されている。図から明らかなように、主発電第3層300aの外周部は、主発電第1層100aや主発電第2層200aの外周部から大きく外側に張り出している。 Each part of the main power generation first layer 100a and each part of the main power generation second layer 200a have the same planar shape. Since FIG. 24 is a top view, the main power generation second layer 200a is hidden behind the main power generation first layer 100a and does not appear in the figure. Each component of the main power generation second layer 200a arranged so as to overlap is shown. As is clear from the figure, the outer peripheral portion of the main power generation third layer 300a projects largely outward from the outer peripheral portion of the main power generation first layer 100a and the main power generation second layer 200a.

具体的には、中央重錘部320aは、中央圧電層120aや中央板状部220aよりも外側に大きく張り出した構造を有する。また、左翼重錘部330aは、左翼圧電層130aや左翼板状部230aよりも外側に大きく張り出した構造を有し、右翼重錘部340aは、右翼圧電層140aや右翼板状部240aよりも外側に大きく張り出した構造を有する。 Specifically, the central weight portion 320a has a structure that projects larger outward than the central piezoelectric layer 120a and the central plate-shaped portion 220a. Further, the left wing weight portion 330a has a structure that projects larger than the left wing piezoelectric layer 130a and the left wing plate-shaped portion 230a, and the right wing weight portion 340a has a structure that is larger than the right wing piezoelectric layer 140a and the right wing plate-shaped portion 240a. It has a structure that overhangs greatly to the outside.

このような構造を有する主発電構造体MGSaも、YZ平面に関して面対称な構造をなしているため、主発電第3層300aを構成する構造体(重錘体)の重心Gaは、板状橋梁部210aの下方のYZ平面上に位置している。したがって、重錘体が各座標軸方向について安定して振動する点に変わりはない。 Since the main power generation structure MGSa having such a structure also has a plane-symmetrical structure with respect to the YZ plane, the center of gravity Ga of the structure (weight body) constituting the main power generation third layer 300a is a plate-shaped bridge. It is located on the YZ plane below the portion 210a. Therefore, there is no change in the point that the weight body vibrates stably in each coordinate axis direction.

このように、重錘体として機能する主発電第3層300a(中央重錘部320a,左翼重錘部330a,右翼重錘部340a)の外周部を、主発電第1層100aや主発電第2層200aの外周部から大きく外側に張り出させる構造を採用すると、過度の振動が加わった場合に、主発電第1層100aおよび主発電第2層200aを保護する機能を向上させることができる。 In this way, the outer peripheral portion of the main power generation third layer 300a (central weight portion 320a, left wing weight portion 330a, right wing weight portion 340a) that functions as a weight body is covered with the main power generation first layer 100a and the main power generation first layer. By adopting a structure that projects greatly outward from the outer peripheral portion of the two layers 200a, it is possible to improve the function of protecting the main power generation first layer 100a and the main power generation second layer 200a when excessive vibration is applied. ..

すなわち、図17に示す主発電構造体MGSの場合、最も損傷が生じやすい板状橋梁部210が、「コ」の字型の構造体によって囲われているため、過度の変位を生じさせる外力が加わっても、板状橋梁部210自体が台座400に接触することはない。しかしながら、図18を見れば明らかなように、主発電第1層100,主発電第2層200,主発電第3層300の外周面の位置は揃っているため、過度の変位を生じさせる外力が加わった場合、これら各層の外周部が台座400の内面に接触することになる。主発電第1層100および主発電第2層200は、主発電第3層300に比べて厚みが小さいため、台座400の内面に接触すると外周部に損傷が生じるおそれがある。 That is, in the case of the main power generation structure MGS shown in FIG. 17, since the plate-shaped bridge portion 210, which is most likely to be damaged, is surrounded by the “U” -shaped structure, an external force that causes excessive displacement is generated. Even if it is added, the plate-shaped bridge portion 210 itself does not come into contact with the pedestal 400. However, as is clear from FIG. 18, since the positions of the outer peripheral surfaces of the main power generation first layer 100, the main power generation second layer 200, and the main power generation third layer 300 are aligned, an external force that causes excessive displacement is generated. Is added, the outer peripheral portion of each of these layers comes into contact with the inner surface of the pedestal 400. Since the main power generation first layer 100 and the main power generation second layer 200 are smaller in thickness than the main power generation third layer 300, the outer peripheral portion may be damaged when they come into contact with the inner surface of the pedestal 400.

これに対して、図24に示す主発電構造体MGSaの場合、厚みの大きな主発電第3層300aの外周部を外側に張り出させる構造が採られているため、過度の変位を生じさせる外力が加わると、主発電第3層300aの外周部が台座400の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。したがって、厚みの小さな主発電第1層100aや主発電第2層200aの外周面が台座400の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止できる。 On the other hand, in the case of the main power generation structure MGSa shown in FIG. 24, since the structure is adopted in which the outer peripheral portion of the thick main power generation third layer 300a projects outward, an external force that causes excessive displacement is adopted. Is added, the outer peripheral portion of the main power generation third layer 300a comes into contact with the inner surface of the pedestal 400, and further displacement is restricted. Therefore, it is possible to prevent the outer peripheral surfaces of the main power generation first layer 100a and the main power generation second layer 200a having a small thickness from coming into contact with the inner surface of the pedestal 400, and it is possible to prevent damage to the outer peripheral portion.

なお、図24に示す主発電構造体MGSaでは、主発電第3層300aを図の上下左右すべての方向に張り出させているが、上記保護効果を得る上では、必ずしもすべての方向に張り出させる必要はない。すなわち、重錘体として機能する主発電第3層300aについて、その外周部の一部が台座400の内面に接触することにより、図の上下方向の変位および図の左右方向の変位を制限することができる構造になっていればよい。 In the main power generation structure MGSa shown in FIG. 24, the main power generation third layer 300a is projected in all directions in the vertical and horizontal directions in the figure, but in order to obtain the above protection effect, it is not necessarily projected in all directions. You don't have to let it. That is, with respect to the main power generation third layer 300a that functions as a weight body, a part of the outer peripheral portion thereof comes into contact with the inner surface of the pedestal 400 to limit the displacement in the vertical direction in the figure and the displacement in the horizontal direction in the figure. It suffices if the structure is such that

具体的には、主発電第3層300aのX軸正方向の端部が重錘体支持部(220a,230a,240a)のX軸正方向の端部よりもX軸正方向に突き出しており、主発電第3層300aのX軸負方向の端部が重錘体支持部(220a,230a,240a)のX軸負方向の端部よりもX軸負方向に突き出しており、主発電第3層300aのY軸正方向の端部が重錘体支持部(220a,230a,240a)のY軸正方向の端部よりもY軸正方向に突き出しており、主発電第3層300aのY軸負方向の端部が重錘体支持部(220a,230a,240a)のY軸負方向の端部よりもY軸負方向に突き出しているようにすればよい。 Specifically, the X-axis positive end of the main power generation third layer 300a protrudes in the X-axis positive direction from the X-axis positive end of the weight body support portions (220a, 230a, 240a). The end of the main power generation third layer 300a in the negative direction of the X axis protrudes in the negative direction of the X axis from the end of the weight body support portion (220a, 230a, 240a) in the negative direction of the X axis. The Y-axis positive end of the three layers 300a protrudes in the Y-axis positive direction from the Y-axis positive ends of the weight body support portions (220a, 230a, 240a), and the main power generation third layer 300a The end portion in the negative direction of the Y-axis may protrude in the negative direction of the Y-axis from the end portion in the negative direction of the Y-axis of the weight body support portions (220a, 230a, 240a).

<4−2.第2の変形例B:重錘体の分離構造>
これまで述べてきた基本的実施形態では、図4に示すとおり、重錘体として機能する主発電第3層300を、中央重錘部320,左翼重錘部330,右翼重錘部340の3つの部分によって構成していた(図24に示す第1の変形例Aも同様)。しかしながら、本発明では、重錘体として、板状橋梁部210の長手方向軸(Y軸)に関して、左脇に位置する左翼重錘部330と右脇に位置する右翼重錘部340と、を有する主発電構造体MGSを用いれば、必要な作用効果が得られる。別言すれば、本発明を実施するにあたり、左翼重錘部330と右翼重錘部340とを接続する中央重錘部320は必須のものではない。
<4-2. Second modification B: Separation structure of weight body>
In the basic embodiments described so far, as shown in FIG. 4, the main power generation third layer 300 that functions as a weight body is composed of a central weight portion 320, a left wing weight portion 330, and a right wing weight portion 340. It was composed of two parts (the same applies to the first modification A shown in FIG. 24). However, in the present invention, as the weight body, the left wing weight portion 330 located on the left side and the right wing weight portion 340 located on the right side with respect to the longitudinal axis (Y axis) of the plate-shaped bridge portion 210 are provided. If the main power generation structure MGS having the structure is used, the required effects can be obtained. In other words, in carrying out the present invention, the central weight portion 320 connecting the left wing weight portion 330 and the right wing weight portion 340 is not indispensable.

図25は、図1に示す主発電構造体MGSの第2の変形例Bを示す上面図である。図示の主発電構造体MGSbは、図1に示す主発電構造体MGSや図24に示す主発電構造体MGSaと同様に、主発電第1層100b,主発電第2層200b,主発電第3層300bの3層構造体によって構成されている。ここでも、括弧書きの符号は、下方に配置されている主発電第2層200bの構成要素を示している。図25に示す主発電第1層100b(110b,120b,130b,140b)は、図24に示す主発電第1層100a(110a,120a,130a,140a)と全く同一の構成要素であり、図25に示す主発電第2層200b(210b,220b,230b,240b)は、図24に示す主発電第2層200a(210a,220a,230a,240a)と全く同一の構成要素である。 FIG. 25 is a top view showing a second modification B of the main power generation structure MGS shown in FIG. The illustrated main power generation structure MGSb is the same as the main power generation structure MGS shown in FIG. 1 and the main power generation structure MGSa shown in FIG. 24, the main power generation first layer 100b, the main power generation second layer 200b, and the main power generation third. It is composed of a three-layer structure of layer 300b. Again, the reference numerals in parentheses indicate the components of the main power generation second layer 200b arranged below. The main power generation first layer 100b (110b, 120b, 130b, 140b) shown in FIG. 25 is exactly the same component as the main power generation first layer 100a (110a, 120a, 130a, 140a) shown in FIG. 24. The main power generation second layer 200b (210b, 220b, 230b, 240b) shown in 25 is exactly the same component as the main power generation second layer 200a (210a, 220a, 230a, 240a) shown in FIG. 24.

図24に示す主発電構造体MGSaと図25に示す主発電構造体MGSbとの相違点は、重錘体として機能する主発電第3層の構造部分のみである。すなわち、図24に示す主発電構造体MGSaの場合、主発電第3層300aは、中央重錘部320a,左翼重錘部330a,右翼重錘部340aの3つの部分からなる「コ」の字状の構造体であるが、図25に示す主発電構造体MGSbの場合、主発電第3層300bは、左翼重錘部330bおよび右翼重錘部340bの2つの部分からなる構造体であり、両者を接続する中央重錘部は設けられていない。 The difference between the main power generation structure MGSa shown in FIG. 24 and the main power generation structure MGSb shown in FIG. 25 is only the structural portion of the main power generation third layer that functions as a weight body. That is, in the case of the main power generation structure MGSa shown in FIG. 24, the main power generation third layer 300a has a “U” shape composed of three parts: a central weight portion 320a, a left wing weight portion 330a, and a right wing weight portion 340a. In the case of the main power generation structure MGSb shown in FIG. 25, the main power generation third layer 300b is a structure composed of two parts, a left wing weight portion 330b and a right wing weight portion 340b. The central weight portion connecting the two is not provided.

左翼重錘部330bは、左翼板状部230b(重錘体支持部)の下面に接合され、右翼重錘部340bは、右翼板状部240b(重錘体支持部)の下面に接合されており、重錘体に生じた変位は、支障なく板状橋梁部210bの先端部に伝達される。 The left wing weight portion 330b is joined to the lower surface of the left wing plate-shaped portion 230b (weight body support portion), and the right wing weight portion 340b is joined to the lower surface of the right wing plate-shaped portion 240b (weight body support portion). The displacement generated in the weight body is transmitted to the tip of the plate-shaped bridge portion 210b without any trouble.

このような構造を有する主発電構造体MGSbでは、重錘体が、左翼重錘部330bと右翼重錘部340bとの2つの部分に分離しているが、YZ平面に関して面対称な構造をなしているため、重錘体の重心Gbは、板状橋梁部210bの下方のYZ平面上に位置している。したがって、重錘体が各座標軸方向について安定して振動する点に変わりはない。 In the main power generation structure MGSb having such a structure, the weight body is separated into two parts, the left wing weight portion 330b and the right wing weight portion 340b, but the structure is plane-symmetric with respect to the YZ plane. Therefore, the center of gravity Gb of the weight body is located on the YZ plane below the plate-shaped bridge portion 210b. Therefore, there is no change in the point that the weight body vibrates stably in each coordinate axis direction.

また、図25に示す主発電構造体MGSbは、図24に示す主発電構造体MGSaと同様に、主発電第1層100bおよび主発電第2層200bの外周部に比べて、主発電第3層300bの外周部が外側に張り出す構造をとっているため、厚みの小さな主発電第1層100bや主発電第2層200bの外周面が台座400の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止する効果も得られる。 Further, the main power generation structure MGSb shown in FIG. 25, like the main power generation structure MGSa shown in FIG. 24, has a main power generation third as compared with the outer peripheral portions of the main power generation first layer 100b and the main power generation second layer 200b. Since the outer peripheral portion of the layer 300b has a structure that projects outward, it is possible to prevent the outer peripheral surfaces of the small main power generation first layer 100b and the main power generation second layer 200b from coming into contact with the inner surface of the pedestal 400. It is also possible to obtain the effect of preventing damage to the outer peripheral portion.

すなわち、図25において、右翼重錘部340bのX軸正方向の端部は、右翼板状部240b(重錘体支持部)のX軸正方向の端部よりもX軸正方向に突き出しており、左翼重錘部330bのX軸負方向の端部は、左翼板状部230b(重錘体支持部)のX軸負方向の端部よりもX軸負方向に突き出しており、左翼重錘部330bおよび右翼重錘部340bのY軸正方向の端部は、左翼板状部230bおよび右翼板状部240b(重錘体支持部)のY軸正方向の端部よりもY軸正方向に突き出しており、左翼重錘部330bおよび右翼重錘部340bのY軸負方向の端部は、左翼板状部230bおよび右翼板状部240b(重錘体支持部)のY軸負方向の端部よりもY軸負方向に突き出している。 That is, in FIG. 25, the end portion of the right wing weight portion 340b in the positive direction of the X axis protrudes in the positive direction of the X axis from the end portion of the right wing plate-shaped portion 240b (weight body support portion) in the positive direction of the X axis. The X-axis negative end of the left wing weight portion 330b protrudes in the X-axis negative direction from the X-axis negative end of the left wing plate-shaped portion 230b (weight body support portion), and the left wing weight. The Y-axis positive end of the weight portion 330b and the right wing weight portion 340b is more Y-axis positive than the Y-axis positive end of the left wing plate-shaped portion 230b and the right wing plate-shaped portion 240b (weight body support portion). It protrudes in the direction, and the ends of the left wing weight portion 330b and the right wing weight portion 340b in the negative direction of the Y axis are the Y-axis negative directions of the left wing plate-shaped portion 230b and the right wing plate-shaped portion 240b (weight body support portion). It protrudes from the end of the Y-axis in the negative direction.

したがって、重錘体に対して、図の上下方向もしくは図の左右方向に過度の変位を生じさせる外力が加わったとしても、常に、主発電第3層300b(重錘体)の外周部が台座400の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。このため、厚みの小さな主発電第1層100bや主発電第2層200bの外周面が台座400の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止できる。 Therefore, even if an external force that causes excessive displacement in the vertical direction in the figure or the horizontal direction in the figure is applied to the weight body, the outer peripheral portion of the main power generation third layer 300b (weight body) is always a pedestal. It contacts the inner surface of the 400 and further displacement is restricted. Therefore, it is possible to prevent the outer peripheral surfaces of the main power generation first layer 100b and the main power generation second layer 200b having a small thickness from coming into contact with the inner surface of the pedestal 400, and it is possible to prevent damage to the outer peripheral portion.

<4−3.第3の変形例C:板状橋梁部の接続角>
図26は、図1に示す主発電構造体MGSの主発電第2層200における板状橋梁部210の両端の接続角度を示す上面図である。図示のとおり、主発電第2層200は、板状橋梁部210、中央板状部220、左翼板状部230、右翼板状部240という4つの部分によって構成されている。
<4-3. Third modification C: Connection angle of plate-shaped bridge>
FIG. 26 is a top view showing the connection angles of both ends of the plate-shaped bridge portion 210 in the main power generation second layer 200 of the main power generation structure MGS shown in FIG. As shown in the figure, the main power generation second layer 200 is composed of four parts: a plate-shaped bridge portion 210, a central plate-shaped portion 220, a left wing plate-shaped portion 230, and a right wing plate-shaped portion 240.

ここで、板状橋梁部210は、発電動作に直接的に関与する撓みを生じる中枢部分であり、第1の長手方向軸L1(これまでの説明ではY軸)に沿って伸びる可撓性をもったビーム状の構造体である。これに対して、中央板状部220は、第1の長手方向軸L1に直交する第2の長手方向軸L2(これまでの説明ではX′軸)に沿って伸びる構造体であり、第1の長手方向軸L1に関して左右対称となる位置に配置されている。そして、板状橋梁部210の先端部は、先端点Tにおいて中央板状部220の中央側部に接続されており、両者はT字状の構造体をなす。 Here, the plate-shaped bridge portion 210 is a central portion that causes bending that is directly related to the power generation operation, and has flexibility that extends along the first longitudinal axis L1 (Y axis in the explanation so far). It is a beam-like structure. On the other hand, the central plate-shaped portion 220 is a structure extending along a second longitudinal axis L2 (X'axis in the explanation so far) orthogonal to the first longitudinal axis L1 and is a first structure. It is arranged at a position symmetrical with respect to the longitudinal axis L1 of. The tip of the plate-shaped bridge portion 210 is connected to the central side of the central plate-shaped portion 220 at the tip point T, and both form a T-shaped structure.

更に、中央板状部220の左側には左翼板状部230が接続され、右側には右翼板状部240が接続されており、主発電第2層200は、全体として平面形状が「E」の字状をした平板状の構造体を構成している。図の境界線H′は、これら各部の領域を相互に区分けするための境界線に相当する。 Further, the left wing plate-shaped portion 230 is connected to the left side of the central plate-shaped portion 220, and the right wing plate-shaped portion 240 is connected to the right side. It constitutes a flat plate-like structure in the shape of. The boundary line H'in the figure corresponds to the boundary line for separating the regions of each of these parts from each other.

このような主発電第2層200において、板状橋梁部210の先端部(先端点Tの近傍)における中央板状部220に対する接続状態に注目してみると、図示の接続角θ1,θ2は、いずれも90°になる。ここで、接続角θ1は、板状橋梁部210の左側辺と境界線H′とのなす角であり、接続角θ2は、板状橋梁部210の右側辺と境界線H′とのなす角である。このように、接続角θ1,θ2が90°になるのは、第1の長手方向軸L1および第2の長手方向軸L2が互いに直交し、かつ、長方形状の板状橋梁部210が第1の長手方向軸L1を中心軸として配置され、長方形状の中央板状部220が第2の長手方向軸L2を中心軸として配置されているためである。 In such a main power generation second layer 200, paying attention to the connection state with respect to the central plate-shaped portion 220 at the tip portion (near the tip point T) of the plate-shaped bridge portion 210, the connection angles θ1 and θ2 shown in the figure are , Both are 90 °. Here, the connection angle θ1 is the angle formed by the left side of the plate-shaped bridge portion 210 and the boundary line H', and the connection angle θ2 is the angle formed by the right side of the plate-shaped bridge portion 210 and the boundary line H'. Is. In this way, the connection angles θ1 and θ2 are 90 ° because the first longitudinal axis L1 and the second longitudinal axis L2 are orthogonal to each other and the rectangular plate-shaped bridge portion 210 is the first. This is because the longitudinal axis L1 of the above is arranged as the central axis, and the rectangular central plate-shaped portion 220 is arranged with the second longitudinal axis L2 as the central axis.

同様に、板状橋梁部210の根端部(原点Oの近傍)における台座400に対する接続状態に注目してみると、図示の接続角θ3,θ4は、いずれも90°になる。ここで、接続角θ3は、板状橋梁部210の左側辺と台座400の内側面とのなす角であり、接続角θ4は、板状橋梁部210の右側辺と台座400の内側面とのなす角である。このように、接続角θ3,θ4が90°になるのは、第1の長手方向軸L1が台座400の内側面に直交し、かつ、長方形状の板状橋梁部210が第1の長手方向軸L1を中心軸として配置されているためである。 Similarly, paying attention to the connection state with respect to the pedestal 400 at the root end portion (near the origin O) of the plate-shaped bridge portion 210, the connection angles θ3 and θ4 shown in the figure are both 90 °. Here, the connection angle θ3 is the angle formed by the left side of the plate-shaped bridge portion 210 and the inner surface of the pedestal 400, and the connection angle θ4 is the angle between the right side of the plate-shaped bridge portion 210 and the inner surface of the pedestal 400. It is a suspended angle. In this way, the connection angles θ3 and θ4 are 90 ° because the first longitudinal axis L1 is orthogonal to the inner surface of the pedestal 400 and the rectangular plate-shaped bridge portion 210 is in the first longitudinal direction. This is because the axis L1 is arranged as the central axis.

一方、図27は、図1に示す主発電構造体MGSの第3の変形例Cに係る主発電第2層200cを示す上面図である。この第3の変形例Cの場合も、主発電第2層200cは、板状橋梁部210c、中央板状部220c、左翼板状部230c、右翼板状部240cという4つの部分によって構成されているが、これら個々の部分の平面形状は長方形ではなく、変則的な図形になっている。また、板状橋梁部210cは、長手方向軸L1′に沿った方向に伸びる部材であるが、長手方向軸L1′は、台座400の内側面には直交していない。そのため、板状橋梁部210cの先端部についての接続角θ1,θ2および根端部についての接続角θ3,θ4は、90°にはなっていない。 On the other hand, FIG. 27 is a top view showing the main power generation second layer 200c according to the third modification C of the main power generation structure MGS shown in FIG. Also in the case of the third modification C, the main power generation second layer 200c is composed of four parts: a plate-shaped bridge portion 210c, a central plate-shaped portion 220c, a left wing plate-shaped portion 230c, and a right wing plate-shaped portion 240c. However, the plane shape of these individual parts is not a rectangle but an irregular figure. Further, the plate-shaped bridge portion 210c is a member extending in a direction along the longitudinal axis L1', but the longitudinal axis L1'is not orthogonal to the inner surface of the pedestal 400. Therefore, the connection angles θ1 and θ2 for the tip of the plate-shaped bridge portion 210c and the connection angles θ3 and θ4 for the root end are not 90 °.

このように、図27に示す第3の変形例Cに係る変則的な形状を有する主発電第2層200cを用いて本発明に係る発電素子を形成した場合にも、支障なく発電を行うことが可能である。すなわち、左翼板状部230cの下面に接合された左翼重錘部330cと、右翼板状部240cの下面に接合された右翼重錘部340cと、を有する重錘体を設ければ、当該重錘体の振動により、板状橋梁部210cに撓みが生じるので、その上面に設けた圧電素子により発電を行うことができる。 As described above, even when the power generation element according to the present invention is formed by using the main power generation second layer 200c having an irregular shape according to the third modification C shown in FIG. 27, power generation can be performed without any trouble. Is possible. That is, if a weight body having a left wing weight portion 330c joined to the lower surface of the left wing plate-shaped portion 230c and a right wing weight portion 340c joined to the lower surface of the right wing plate-shaped portion 240c is provided, the weight thereof. Since the plate-shaped bridge portion 210c is bent due to the vibration of the weight body, power can be generated by the piezoelectric element provided on the upper surface thereof.

したがって、本発明を実施する上で、板状橋梁部と中央板状部とは、必ずしも直交させる必要はなく、必ずしも両者によってT字状の構造体を構成する必要はない。たとえば、図27に示す変形例Cの場合、板状橋梁部210cと中央板状部220cは、Y字に近い形態をなしている。また、板状橋梁部は、必ずしも台座400の内側面に対して直交する形態で接続する必要はない。更に、主発電構造体の各層を構成する各部分の平面形状は、必ずしも長方形である必要はなく、任意の形状でかまわない。 Therefore, in carrying out the present invention, the plate-shaped bridge portion and the central plate-shaped portion do not necessarily have to be orthogonal to each other, and it is not always necessary for both to form a T-shaped structure. For example, in the case of the modified example C shown in FIG. 27, the plate-shaped bridge portion 210c and the central plate-shaped portion 220c have a shape close to a Y shape. Further, the plate-shaped bridge portion does not necessarily have to be connected in a form orthogonal to the inner surface surface of the pedestal 400. Further, the planar shape of each part constituting each layer of the main power generation structure does not necessarily have to be rectangular, and may be any shape.

しかしながら、実用上は、図26に示す例のように、主発電第2層200の各部を、平面が長方形となる部材によって構成し、板状橋梁部210を、台座400の内側面に直交する第1の長手方向軸L1が中心軸となるように配置し、中央板状部220を、第1の長手方向軸L1に直交する第2の長手方向軸L2が中心軸となるように配置し、板状橋梁部210と中央板状部220とが直交してT字状をなすようにするのが好ましい。このような構成を採ると、接続角θ1〜θ4がすべて90°となり、板状橋梁部210の先端部および根端部に応力を集中させることができるようになり(図13〜図15参照)、図6に示す位置に配置された4枚の上層電極E1〜E4に効率的に電荷を発生させることができる。 However, in practice, as shown in the example shown in FIG. 26, each part of the main power generation second layer 200 is composed of members having a rectangular plane, and the plate-shaped bridge part 210 is orthogonal to the inner surface of the pedestal 400. The first longitudinal axis L1 is arranged so as to be the central axis, and the central plate-shaped portion 220 is arranged so that the second longitudinal axis L2 orthogonal to the first longitudinal axis L1 is the central axis. It is preferable that the plate-shaped bridge portion 210 and the central plate-shaped portion 220 form a T-shape at right angles to each other. With such a configuration, the connection angles θ1 to θ4 are all 90 °, and stress can be concentrated on the tip and root ends of the plate-shaped bridge portion 210 (see FIGS. 13 to 15). , It is possible to efficiently generate electric charges on the four upper layer electrodes E1 to E4 arranged at the positions shown in FIG.

<4−4.第4の変形例D:独立した主発電部品>
図18に示す発電素子PGEは、主発電構造体MGSの部分と台座400の部分との双方を3層構造体によって構成したため、図21に示すような単一の積層材料ブロック1000を用意して、これに対してエッチングなどの加工処理を施すことにより製造することができるので、量産化に適していることは既に述べたとおりである。
<4-4. Fourth variant D: Independent main power generation component>
Since the power generation element PGE shown in FIG. 18 is composed of both the main power generation structure MGS portion and the pedestal 400 portion by a three-layer structure, a single laminated material block 1000 as shown in FIG. 21 is prepared. As already mentioned, it is suitable for mass production because it can be manufactured by subjecting it to processing such as etching.

ここで、主発電構造体MGSを構成する3層構造のうち、主発電第1層100としては、発電動作を行わせるために圧電素子を用いる必要がある。また、主発電第2層200としては、シリコン基板を用いるのが適しており、主発電第3層300としては、金属基板を用いるのが適している。これは、前述したとおり、圧電素子の支持層としてはシリコン基板が最適であり、共振周波数を10Hz〜50Hzの範囲にするためには、重錘体を金属基板によって構成するのが最適であるためである。 Here, among the three-layer structure constituting the main power generation structure MGS, as the main power generation first layer 100, it is necessary to use a piezoelectric element in order to perform power generation operation. Further, it is suitable to use a silicon substrate as the main power generation second layer 200, and it is suitable to use a metal substrate as the main power generation third layer 300. This is because, as described above, a silicon substrate is optimal as a support layer for the piezoelectric element, and in order to set the resonance frequency in the range of 10 Hz to 50 Hz, it is optimal to configure the weight body with a metal substrate. Is.

特に、量産性を考慮すると、図21に示す積層材料ブロック1000を用意する段階において、材料第2層1002をシリコン基板によって構成し、その上面に下層電極E0となるべき金属層を形成し、その上面に圧電材料層を成膜し、更にその上面に上層電極E1〜E4となるべき金属層を形成することにより、材料第1層1001を形成し、これを金属基板からなる材料第3層1003の上面に接合するのが好ましい。 In particular, in consideration of mass productivity, at the stage of preparing the laminated material block 1000 shown in FIG. 21, the material second layer 1002 is formed of a silicon substrate, and a metal layer to be the lower electrode E0 is formed on the upper surface thereof. A material first layer 1001 is formed by forming a piezoelectric material layer on the upper surface and further forming a metal layer to be the upper layer electrodes E1 to E4 on the upper surface thereof, and this is a material third layer 1003 made of a metal substrate. It is preferable to join to the upper surface of the.

しかしながら、現在のところ、シリコン基板上に圧電素子を形成する処理工程には、高度な設備が必要になり、多大なコストがかかる。実際、現在の技術では、シリコン基板上に圧電素子を形成する処理工程には、当該シリコン基板の材料価格の10倍以上の費用がかかる。したがって、図21に示す積層材料ブロック1000を利用して、図18に示す発電素子PGEを製造するプロセスは効率的に行うことができたとしても、積層材料ブロック1000の調達コストは比較的高価にならざるを得ない。 However, at present, the processing process for forming a piezoelectric element on a silicon substrate requires advanced equipment and requires a great deal of cost. In fact, with the current technology, the process of forming a piezoelectric element on a silicon substrate costs more than 10 times the material price of the silicon substrate. Therefore, even if the process of manufacturing the power generation element PGE shown in FIG. 18 can be efficiently performed by using the laminated material block 1000 shown in FIG. 21, the procurement cost of the laminated material block 1000 is relatively high. I have no choice but to become.

実際、発電素子PGEの発電機能に直接関与する圧電素子は、板状橋梁部210の上面に形成された部分のみであり、それ以外の領域に圧電素子を形成する必要はない。特に、台座400に形成された圧電素子は無駄であり、そもそも台座400にシリコン基板を用いる必要は全くない。そこでここでは、シリコン基板およびその上面に形成される圧電素子の平面的なサイズを大幅に削減し、製造コストの低減を図ることができる変形例を述べる。 In fact, the piezoelectric element that is directly involved in the power generation function of the power generation element PGE is only the portion formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210, and it is not necessary to form the piezoelectric element in other regions. In particular, the piezoelectric element formed on the pedestal 400 is useless, and it is not necessary to use a silicon substrate for the pedestal 400 in the first place. Therefore, here, a modified example capable of significantly reducing the planar size of the silicon substrate and the piezoelectric element formed on the upper surface thereof and reducing the manufacturing cost will be described.

図28は、図1に示す主発電構造体MGSの第4の変形例Dに用いる主発電部品700dを示す図であり、図28(a) はその上面図、図28(b) はこれを切断線b−bに沿って切断した正断面図である。図28(a) において、括弧書きの符号は、各層の構成要素を示している。ここで述べる第4の変形例Dは、原理的には、これまで述べてきた基本的実施形態と全く同じであるが、具体的な部品構成が若干異なっている。図28に示す主発電部品700dは、これまで述べてきた基本的実施形態における主発電構造体MGSから、重錘体の部分を除いた部品としての役割を果たす。 FIG. 28 is a diagram showing a main power generation component 700d used in the fourth modification D of the main power generation structure MGS shown in FIG. 1, FIG. 28 (a) is a top view thereof, and FIG. 28 (b) is a top view thereof. It is a regular cross-sectional view cut along the cutting line bb. In FIG. 28 (a), the reference numerals in parentheses indicate the components of each layer. The fourth modification D described here is, in principle, exactly the same as the basic embodiment described so far, but the specific component configuration is slightly different. The main power generation component 700d shown in FIG. 28 serves as a component excluding the weight body portion from the main power generation structure MGS in the basic embodiment described so far.

図28(a) の上面図に示されているように、主発電部品700dは、第1の長手方向軸L1に沿って伸びる第1部材710dと、第2の長手方向軸L2に沿って伸びる第2部材720dと、第3の長手方向軸L3に沿って伸びる第3部材730dと、によって構成されている。ここで、第1の長手方向軸L1,第2の長手方向軸L2,第3の長手方向軸L3は、いずれも同一の共通平面上に含まれ、第1の長手方向軸L1と第2の長手方向軸L2とは直交し、第1の長手方向軸L1と第3の長手方向軸L3とは直交する(第2の長手方向軸L2と第3の長手方向軸L3とは平行になる)。 As shown in the top view of FIG. 28 (a), the main power generation component 700d extends along the first longitudinal axis L1 and the first member 710d extending along the second longitudinal axis L2. It is composed of a second member 720d and a third member 730d extending along the third longitudinal axis L3. Here, the first longitudinal axis L1, the second longitudinal axis L2, and the third longitudinal axis L3 are all included in the same common plane, and the first longitudinal axis L1 and the second longitudinal axis L1 are included. It is orthogonal to the longitudinal axis L2, and the first longitudinal axis L1 and the third longitudinal axis L3 are orthogonal (the second longitudinal axis L2 and the third longitudinal axis L3 are parallel). ..

図28(b) の正断面図には、第1部材710dを切断線b−bに沿って切断した断面部分のみが示されている。図示のとおり、第1部材710dは、たとえば、シリコンからなる板状橋梁部712dの上面に、金属からなる下層電極E0を形成し、その上面に橋梁部圧電層711dを形成し、更にその上面の所定箇所に上層電極E1〜E4(図には、切断面に位置するE1,E2のみが現れている)を形成した構造を有しており、その層構造および各層の厚み寸法は、図7に示す実施例と同じである。したがって、この実施例の場合、第1部材710dの厚み寸法d19(板状橋梁部712dの下面から上層電極E1〜E4の上面までの寸法)は、4層の各厚みの和、すなわち、0.01+2.00+0.01+200.00=202.02μmになる。 In the normal cross-sectional view of FIG. 28 (b), only the cross-sectional portion obtained by cutting the first member 710d along the cutting line bb is shown. As shown in the figure, in the first member 710d, for example, a lower layer electrode E0 made of metal is formed on the upper surface of a plate-shaped bridge portion 712d made of silicon, a bridge portion piezoelectric layer 711d is formed on the upper surface thereof, and the upper surface thereof is further formed. It has a structure in which upper layer electrodes E1 to E4 (only E1 and E2 located on the cut surface appear in the figure) are formed at predetermined locations, and the layer structure and the thickness dimension of each layer are shown in FIG. It is the same as the example shown. Therefore, in the case of this embodiment, the thickness dimension d19 of the first member 710d (the dimension from the lower surface of the plate-shaped bridge portion 712d to the upper surface of the upper layer electrodes E1 to E4) is the sum of the thicknesses of the four layers, that is, 0. 01 + 2.00 + 0.01 + 200.00 = 202.02 μm.

図示は省略するが、第2部材720dおよび第3部材730dも同様の層構造を有している。すなわち、第2部材720dは、たとえば、シリコンからなる中央板状部722dの上面に、金属からなる下層電極E0を形成し、その上面に中央圧電層721dを形成した構造を有し、第3部材730dは、たとえば、シリコンからなる台座接続部732dの上面に、金属からなる下層電極E0を形成し、その上面に接続部圧電層731dを形成し、更にその上面の所定箇所にボンディングパッドB(図示の例では、5箇所に設けられている)を形成した構造を有している。 Although not shown, the second member 720d and the third member 730d also have a similar layer structure. That is, the second member 720d has a structure in which, for example, a lower layer electrode E0 made of metal is formed on the upper surface of a central plate-shaped portion 722d made of silicon, and a central piezoelectric layer 721d is formed on the upper surface thereof. In the 730d, for example, a lower layer electrode E0 made of metal is formed on the upper surface of a pedestal connecting portion 732d made of silicon, a connecting portion piezoelectric layer 731d is formed on the upper surface thereof, and a bonding pad B (not shown) is further formed at a predetermined position on the upper surface thereof. In the example of, it has a structure in which (provided at five places) is formed.

ここで、第3部材730dの厚みは、第1部材710dの厚みと同じ寸法d19である(ボンディングパッドBの厚みを上層電極E1〜E4の厚みと同じに設定したため)。一方、図示の実施例の場合、第2部材720dの上面には、上層電極E1〜E4やボンディングパッドBは形成されていない。そのため、第2部材720dの厚みは、寸法d19より若干小さくなる。なお、5組のボンディングパッドBと各電極E0〜E4との間には配線(図示省略)がなされている。各ボンディングパッドBに対しては、発電回路500からの配線がなされることになる。 Here, the thickness of the third member 730d is the same dimension d19 as the thickness of the first member 710d (because the thickness of the bonding pad B is set to be the same as the thickness of the upper layer electrodes E1 to E4). On the other hand, in the case of the illustrated embodiment, the upper layer electrodes E1 to E4 and the bonding pad B are not formed on the upper surface of the second member 720d. Therefore, the thickness of the second member 720d is slightly smaller than the dimension d19. Wiring (not shown) is provided between the five sets of bonding pads B and the electrodes E0 to E4. Wiring from the power generation circuit 500 is made to each bonding pad B.

この第4の変形例Dにおいても、4枚の上層電極E1〜E4は、第1部材710dの図の上端近傍の左右両脇位置と第1部材710dの図の下端近傍の左右両脇位置に形成されており、いずれも応力が集中する領域に配置されている。なお、図13〜図15に示す応力分布図を見れば、図28に示す上層電極E1,E2の図面における上端位置は、第1部材710dと第2部材720dとの境界線を越えて、若干図の上方(第2部材720dの領域)に伸びていてもよいことがわかる。同様に、図28に示す上層電極E3,E4の図面における下端位置は、第1部材710dと第3部材730dとの境界線を越えて、若干図の下方(第3部材730dの領域)に伸びていてもよいことがわかる。 Also in this fourth modification D, the four upper layer electrodes E1 to E4 are located at the left and right side positions near the upper end of the first member 710d and the left and right side positions near the lower end of the first member 710d. It is formed and all are arranged in the region where stress is concentrated. Looking at the stress distribution diagrams shown in FIGS. 13 to 15, the upper end positions in the drawings of the upper layer electrodes E1 and E2 shown in FIG. 28 slightly exceed the boundary line between the first member 710d and the second member 720d. It can be seen that it may extend upward in the figure (region of the second member 720d). Similarly, the lower end position in the drawings of the upper layer electrodes E3 and E4 shown in FIG. 28 extends slightly downward in the drawing (region of the third member 730d) beyond the boundary line between the first member 710d and the third member 730d. I understand that it is okay to have it.

一方、図29は、この第4の変形例Dに用いる重錘体300dを示す上面図である。この重錘体300dは、図4に示す重錘体300(主発電第3層)と同様に、金属,ガラス,セラミックスなどの材料によって構成され、中央重錘部320d,左翼重錘部330d,右翼重錘部340dという3つの部分を有する「コ」の字状の構成要素であり、空洞部310dを有する。もちろん、重錘体300dの厚みは、図28に示す第1部材710dに撓みを生じさせるための十分な質量が得られる寸法に設定される。図示の実施例の場合、中央重錘部320dの上面に長方形状の嵌合溝325dが形成されている。この嵌合溝325dは、後述するように、図28に示す主発電部品700dの第2部材720dを嵌合させて固定するためのものであり、その深さの寸法は、第2部材720dの厚み寸法よりも大きくなるように設定されている。 On the other hand, FIG. 29 is a top view showing the weight body 300d used in the fourth modification D. Similar to the weight body 300 (third layer of main power generation) shown in FIG. 4, the weight body 300d is made of a material such as metal, glass, or ceramics, and has a central weight portion 320d, a left wing weight portion 330d, and the like. It is a "U" -shaped component having three portions called a right wing weight portion 340d, and has a cavity portion 310d. Of course, the thickness of the weight body 300d is set to such a size that sufficient mass for causing the first member 710d shown in FIG. 28 to be bent can be obtained. In the case of the illustrated embodiment, a rectangular fitting groove 325d is formed on the upper surface of the central weight portion 320d. As will be described later, the fitting groove 325d is for fitting and fixing the second member 720d of the main power generation component 700d shown in FIG. 28, and the depth dimension thereof is the second member 720d. It is set to be larger than the thickness dimension.

図30は、この第4の変形例Dに用いる台座400dを示す上面図である。この台座400dは、図17に示す台座400と同様に、第1壁部410d,第2壁部420d,第3壁部430d,第4壁部440dを有する長方形状の構成要素である。ただ、台座400が図18に示すような3層構造体(主発電構造体MGSと同様の層構造をもつ)によって構成されていたのに対し、図30に示す台座400dは、そのような3層構造をもつ必要はなく、たとえば、金属などの材料からなる単層構造体でかまわない。これは、ここに示す第4の変形例Dの場合、台座400dが、図28に示す主発電部品700dとは全く別個独立したプロセスで製造されるためである。 FIG. 30 is a top view showing the pedestal 400d used in the fourth modification D. The pedestal 400d is a rectangular component having a first wall portion 410d, a second wall portion 420d, a third wall portion 430d, and a fourth wall portion 440d, similarly to the pedestal 400 shown in FIG. However, while the pedestal 400 was composed of a three-layer structure as shown in FIG. 18 (having a layer structure similar to that of the main power generation structure MGS), the pedestal 400d shown in FIG. 30 has such a 3 layer structure. It does not have to have a layered structure, and may be, for example, a single-layered structure made of a material such as metal. This is because, in the case of the fourth modification D shown here, the pedestal 400d is manufactured by a process completely separate from the main power generation component 700d shown in FIG. 28.

なお、図示の実施例の場合、第4壁部440dの上面中央部に、長方形上の嵌合溝445dが形成されている。この嵌合溝445dは、後述するように、図28に示す主発電部品700dの第3部材730dを嵌合させて固定するためのものであり、その深さの寸法は、第3部材730dの厚み寸法よりも大きくなるように設定されている。 In the case of the illustrated embodiment, a rectangular fitting groove 445d is formed in the center of the upper surface of the fourth wall portion 440d. As will be described later, the fitting groove 445d is for fitting and fixing the third member 730d of the main power generation component 700d shown in FIG. 28, and the depth dimension thereof is the third member 730d. It is set to be larger than the thickness dimension.

図31は、この第4の変形例Dに係る発電素子PGEdの全体構成を示す上面図である(ただし、発電回路500を除いた発電素子用構造体の部分のみが示され、発電回路500は図示されていない)。この発電素子PGEdは、図30に示す台座400dに、図28に示す主発電部品700dおよび図29に示す重錘体300dを取り付けることにより構成される。 FIG. 31 is a top view showing the overall configuration of the power generation element PGEd according to the fourth modification D (however, only the portion of the power generation element structure excluding the power generation circuit 500 is shown, and the power generation circuit 500 is shown. Not shown). The power generation element PGEd is configured by attaching the main power generation component 700d shown in FIG. 28 and the weight body 300d shown in FIG. 29 to the pedestal 400d shown in FIG.

具体的には、図28に示す主発電部品700dの第2部材720dを、図29に示す「コ」の字状の重錘体300dの中央重錘部320dに設けられた嵌合溝325dに嵌め込み、第2部材720dの下面を嵌合溝325dの底面に接着する。同様に、この主発電部品700dの第3部材730dを、図30に示す台座400dの第4壁部440dに設けられた嵌合溝445dに嵌め込み、第3部材730dの下面を嵌合溝445dの底面に接着する。そうすれば、図31に示す発電素子PGEdが完成する(実際には、図示されていない発電回路500とボンディングパッドBとの間に配線を行う必要がある。)。 Specifically, the second member 720d of the main power generation component 700d shown in FIG. 28 is placed in the fitting groove 325d provided in the central weight portion 320d of the "U" -shaped weight body 300d shown in FIG. 29. It is fitted and the lower surface of the second member 720d is adhered to the bottom surface of the fitting groove 325d. Similarly, the third member 730d of the main power generation component 700d is fitted into the fitting groove 445d provided in the fourth wall portion 440d of the pedestal 400d shown in FIG. 30, and the lower surface of the third member 730d is fitted into the fitting groove 445d. Adhere to the bottom. Then, the power generation element PGEd shown in FIG. 31 is completed (actually, it is necessary to wire between the power generation circuit 500 and the bonding pad B (not shown)).

結局、図31に示す発電素子PGEdも、矩形状の台座400dの内部に主発電構造体MGSdを収容した構成を採り、主発電構造体MGSdが3層構造体からなる点については、図17に示す基本的実施形態に係る発電素子PGEと同様である。ただ、図28に括弧書きの符号で示すとおり、主発電構造体MGSdを構成する主発電第2層が、板状橋梁部712dの根端部に接続された台座接続部732dを更に有している。この台座接続部732dは、第1の長手方向軸L1(基本的実施形態におけるY軸)と交差する第3の長手方向軸L3(基本的実施形態におけるX軸に平行な軸)を配置軸として、当該配置軸上に配置され、当該配置軸に沿って伸びる部材である。 After all, the power generation element PGEd shown in FIG. 31 also adopts a configuration in which the main power generation structure MGSd is housed inside the rectangular pedestal 400d, and the point that the main power generation structure MGSd is composed of a three-layer structure is shown in FIG. This is the same as the power generation element PGE according to the basic embodiment shown. However, as shown by the reference numerals in parentheses in FIG. 28, the main power generation second layer constituting the main power generation structure MGSd further has a pedestal connection portion 732d connected to the root end portion of the plate-shaped bridge portion 712d. There is. The pedestal connection portion 732d uses a third longitudinal axis L3 (axis parallel to the X axis in the basic embodiment) that intersects the first longitudinal axis L1 (Y axis in the basic embodiment) as an arrangement axis. , A member that is arranged on the arrangement axis and extends along the arrangement axis.

図29に示すとおり、重錘体300dの所定箇所の上面には、中央板状部722d(第2部材720d)を嵌合させてその下面を接着するための嵌合溝325dが形成されており、中央板状部722dが嵌合溝325dに嵌合した状態で固定される。同様に、図30に示すとおり、台座400dの所定箇所の上面には、台座接続部732d(第3部材730d)を嵌合させてその下面を接着するための嵌合溝445dが形成されており、台座接続部732dが嵌合溝445dに嵌合した状態で固定される。 As shown in FIG. 29, a fitting groove 325d for fitting the central plate-shaped portion 722d (second member 720d) and adhering the lower surface thereof is formed on the upper surface of the weight body 300d at a predetermined position. , The central plate-shaped portion 722d is fixed in a state of being fitted in the fitting groove 325d. Similarly, as shown in FIG. 30, a fitting groove 445d for fitting the pedestal connecting portion 732d (third member 730d) and adhering the lower surface thereof is formed on the upper surface of the predetermined portion of the pedestal 400d. , The pedestal connecting portion 732d is fixed in a state of being fitted in the fitting groove 445d.

なお、図31に示すとおり、ここに示す実施例の場合、嵌合溝325dの平面形状は第2部材720dの平面形状より若干大きくなるように設計されており、第2部材720dが嵌合溝325d内に余裕をもって嵌合する。一方、嵌合溝445dの平面形状は第3部材730dの平面形状に一致するように設計されており、第3部材730dが嵌合溝445d内にぴったり嵌合する形態になっている。もちろん、各嵌合溝325d,445dとそこに嵌合させる部材720d,730dとの平面形状の関係は、必ずしもこの実施例のようにする必要はない。いずれの場合も、溝内に余裕をもって嵌合させるように設計してもよいし、ぴったり嵌合させるように設計してもよい。 As shown in FIG. 31, in the case of the embodiment shown here, the planar shape of the fitting groove 325d is designed to be slightly larger than the planar shape of the second member 720d, and the second member 720d is the fitting groove. Fit within 325d with a margin. On the other hand, the planar shape of the fitting groove 445d is designed to match the planar shape of the third member 730d, and the third member 730d is fitted in the fitting groove 445d exactly. Of course, the relationship between the fitting grooves 325d and 445d and the members 720d and 730d to be fitted therein does not necessarily have to be the same as in this embodiment. In either case, it may be designed so that it fits in the groove with a margin, or it may be designed so that it fits snugly.

これに対して、各嵌合溝325d,445dの深さとそこに嵌合させる部材720d,730dの厚みとの関係は、前者の寸法の方が後者の寸法よりも大きくなるように、すなわち、嵌合溝が部材の厚みより深くなるように設計するのが好ましい。これは、主発電部品700dを破損から保護するための配慮である。主発電部品700dは、たとえば、シリコン基板,圧電素子層,電極を含む部品であるため、重錘体300dや台座400dに比べて破損しやすい部品である。そこで、部材720d,730dが、嵌合溝325d,445dの内部に完全に埋め込まれるようにすれば、主発電部品700dが何らかの別部材と接触して破損する可能性を低減することができる。 On the other hand, the relationship between the depth of each fitting groove 325d, 445d and the thickness of the members 720d, 730d to be fitted therein is such that the former dimension is larger than the latter dimension, that is, fitting. It is preferable to design the groove so that it is deeper than the thickness of the member. This is a consideration for protecting the main power generation component 700d from damage. Since the main power generation component 700d is a component including, for example, a silicon substrate, a piezoelectric element layer, and electrodes, it is a component that is more easily damaged than the weight body 300d and the pedestal 400d. Therefore, if the members 720d and 730d are completely embedded in the fitting grooves 325d and 445d, the possibility that the main power generation component 700d comes into contact with some other member and is damaged can be reduced.

図31に示す実施例の場合、嵌合溝325dの深さ寸法は、第2部材720dの厚み寸法よりも大きくなるように設定されているため、第2部材720dの上面は、中央重錘部320dの上面よりも下方(図の奥方向)に位置し、第2部材720dは重錘体300dの内部に完全に埋め込まれており、外部部材との接触から保護される状態になっている。同様に、嵌合溝445dの深さ寸法は、第3部材730dの厚み寸法よりも大きくなるように設定されているため、第3部材730dの上面(ボンディングパッドBを含めた上面)は、第4壁部440dの上面よりも下方(図の奥方向)に位置し、第3部材730dは台座400dの内部に完全に埋め込まれており、外部部材との接触から保護されている状態になっている。このような構成を採れば、過度の加速度が加わり、各部が大きく変位する事態が生じても、主発電部品700dが何らかの別部材と接触して破損することを防止できる。 In the case of the embodiment shown in FIG. 31, the depth dimension of the fitting groove 325d is set to be larger than the thickness dimension of the second member 720d, so that the upper surface of the second member 720d is the central weight portion. Located below the upper surface of 320d (in the back direction of the figure), the second member 720d is completely embedded inside the weight body 300d and is protected from contact with an external member. Similarly, since the depth dimension of the fitting groove 445d is set to be larger than the thickness dimension of the third member 730d, the upper surface of the third member 730d (the upper surface including the bonding pad B) is the first. Located below the upper surface of the 4 wall portion 440d (in the back direction of the figure), the third member 730d is completely embedded inside the pedestal 400d and is protected from contact with external members. There is. By adopting such a configuration, it is possible to prevent the main power generation component 700d from coming into contact with some other member and being damaged even if an excessive acceleration is applied and each part is greatly displaced.

この第4の変形例Dに係る発電素子PGEdの製造プロセスは、図17,図18に示す基本的実施形態に係る発電素子PGEの製造プロセスとは異なり、各部品を相互に接着して組み立てる工程が必要になるが、板状橋梁部712dに連なる層をシリコンによって構成した場合でも、シリコン層およびその上面の圧電素子は、図28に示す主発電部品700dの部分にのみ形成すれば足りる。したがって、シリコン基板およびその上面に形成される圧電素子の平面的なサイズを大幅に削減し、製造コストの低減を図ることができる。 The manufacturing process of the power generation element PGEd according to the fourth modification D is different from the manufacturing process of the power generation element PGE according to the basic embodiments shown in FIGS. 17 and 18, and the steps of assembling the parts by adhering them to each other. However, even when the layer connected to the plate-shaped bridge portion 712d is made of silicon, the silicon layer and the piezoelectric element on the upper surface thereof need only be formed in the portion of the main power generation component 700d shown in FIG. 28. Therefore, the planar size of the silicon substrate and the piezoelectric element formed on the upper surface thereof can be significantly reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

また、この第4の変形例Dの場合、図28に示すとおり、第1の長手方向軸L1に沿って配置された第1部材710d(板状橋梁部712d)と、第2の長手方向軸L2に沿って配置された第2部材720d(中央板状部722d)および第3の長手方向軸L3に沿って配置された第3部材730d(台座接続部732d)とは直交しているため、図26に示す接続角θ1〜θ4を90°にすることができる。したがって、板状橋梁部712dの両端部に効率的な応力を発生させ、発電効率を高めることができる。 Further, in the case of the fourth modification D, as shown in FIG. 28, the first member 710d (plate-shaped bridge portion 712d) arranged along the first longitudinal axis L1 and the second longitudinal axis Since the second member 720d (central plate-shaped portion 722d) arranged along L2 and the third member 730d (pedestal connecting portion 732d) arranged along the third longitudinal axis L3 are orthogonal to each other, The connection angles θ1 to θ4 shown in FIG. 26 can be set to 90 °. Therefore, efficient stress can be generated at both ends of the plate-shaped bridge portion 712d, and the power generation efficiency can be improved.

<<< §5. 本発明の基本概念 >>>
以上、§1〜§3において、本発明の基本的な実施形態を説明し、更に§4において、いくつかの変形例を述べた。もちろん、本発明の変形例は§4で述べた変形例に限定されるものではなく、同様の作用効果を奏することができる範囲で、この他にも様々な変形例を実施することが可能である。
<<< §5. Basic concept of the present invention >>>
As described above, the basic embodiments of the present invention have been described in §1 to §3, and some modifications have been described in §4. Of course, the modified examples of the present invention are not limited to the modified examples described in §4, and various other modified examples can be implemented as long as the same effects can be obtained. is there.

たとえば、これまで述べてきた基本的な実施形態や変形例では、主発電構造体MGSを3層構造体によって構成しているが、本発明を実施する上では、必ずしも3層構造体を用いる必要はない。たとえば、主発電第2層200と主発電第3層300と融合させ、板状橋梁部と重錘体とをシリコン基板等で一体に形成するようにしてもかまわない。もちろん、板状橋梁部と重錘体と台座とをシリコンなどの同一材料で一体形成することもできる。 For example, in the basic embodiments and modifications described so far, the main power generation structure MGS is composed of a three-layer structure, but in carrying out the present invention, it is not always necessary to use the three-layer structure. There is no. For example, the main power generation second layer 200 and the main power generation third layer 300 may be fused to integrally form the plate-shaped bridge portion and the weight body with a silicon substrate or the like. Of course, the plate-shaped bridge portion, the weight body, and the pedestal can be integrally formed of the same material such as silicon.

また、これまでの例では、重錘体を構成する主発電第3層300を、板状橋梁部より下方に配置しているが、板状橋梁部の下方から上方へと連なる重錘体を設けるようにしてもかまわない。 Further, in the examples so far, the main power generation third layer 300 constituting the weight body is arranged below the plate-shaped bridge portion, but the weight body connected from below to above the plate-shaped bridge portion is provided. It does not matter if it is provided.

ここでは、これまで述べてきた基本的な実施形態および種々の変形例を踏まえて、本発明の基本概念を総括しておく。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発電素子であって、図1に示すように、第1の長手方向軸Yに沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部210と、この板状橋梁部210の根端部を支持固定する台座400と、板状橋梁部210の先端部に直接もしくは間接的に接続された重錘体300と、板状橋梁部210の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子100と、この圧電素子100に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路500と、を備え、重錘体300が、板状橋梁部210の長手方向軸Yに関して左脇に位置する左翼重錘部330と、板状橋梁部210の長手方向軸Yに関して右脇に位置する右翼重錘部340と、を有していればよい。 Here, the basic concept of the present invention will be summarized based on the basic embodiments and various modifications described so far. The power generation element according to the present invention is a power generation element that generates power by converting vibrational energy into electrical energy, and as shown in FIG. 1, extends along a first longitudinal axis Y to increase flexibility. A plate-shaped bridge portion 210, a pedestal 400 that supports and fixes the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210, a weight body 300 directly or indirectly connected to the tip portion of the plate-shaped bridge portion 210, and a plate. A piezoelectric element 100 fixed at a predetermined position where the surface of the bridge portion 210 is stretched and deformed, and a power generation circuit 500 for rectifying a current generated based on the charge generated in the piezoelectric element 100 and extracting electric power are provided. The weight body 300 has a left wing weight portion 330 located on the left side with respect to the longitudinal axis Y of the plate-shaped bridge portion 210 and a right wing weight portion 340 located on the right side with respect to the longitudinal axis Y of the plate-shaped bridge portion 210. And, it suffices to have.

ただ、より効率的な発電を行う上では、板状橋梁部210の先端部に重錘体支持部220,230,240を接続し、その下面に重錘体300を接続するようにし、重錘体300の重心Gが板状橋梁部210の下方に位置しているようにするのが好ましい。 However, in order to generate more efficient power generation, the weight body support portions 220, 230, 240 are connected to the tip portion of the plate-shaped bridge portion 210, and the weight body 300 is connected to the lower surface thereof. It is preferable that the center of gravity G of the body 300 is located below the plate-shaped bridge portion 210.

特に、図1に示す基本的実施形態では、重錘体支持部として、第1の長手方向軸Yに直交する第2の長手方向軸X′に沿って伸びる中央板状部220が設けられており、板状橋梁部210の先端部を中央板状部220の中央近傍に接続し、板状橋梁部210および中央板状部220によりT字状構造体が形成されるようにしている。そして、左翼重錘部330を中央板状部220の左側の下面に接続し、右翼重錘部340を中央板状部220の右側の下面に接続する構造を採用している。 In particular, in the basic embodiment shown in FIG. 1, as a weight body support portion, a central plate-shaped portion 220 extending along a second longitudinal axis X'orthogonal to the first longitudinal axis Y is provided. The tip of the plate-shaped bridge portion 210 is connected to the vicinity of the center of the central plate-shaped portion 220 so that the plate-shaped bridge portion 210 and the central plate-shaped portion 220 form a T-shaped structure. A structure is adopted in which the left wing weight portion 330 is connected to the lower surface on the left side of the central plate-shaped portion 220, and the right wing weight portion 340 is connected to the lower surface on the right side of the central plate-shaped portion 220.

より具体的には、図1に示す基本的実施形態の場合、重錘体支持部を、第1の長手方向軸Yに直交する第2の長手方向軸X′に沿って伸び、中央近傍が板状橋梁部210の先端部に接続された中央板状部220と、この中央板状部220の左側から板状橋梁部210の左脇に伸びる左翼板状部230と、中央板状部210の右側から板状橋梁部210の右脇に伸びる右翼板状部240と、によって構成しており、左翼重錘部330を左翼板状部230の下面に接続し、右翼重錘部340を右翼板状部240の下面に接続する構造を採用している。また、重錘体300には、左翼重錘部330と右翼重錘部340とを連結する中央重錘部320を設け、この中央重錘部320を中央板状部220の下面に接続するようにしている。 More specifically, in the case of the basic embodiment shown in FIG. 1, the weight body support portion extends along the second longitudinal axis X ′ orthogonal to the first longitudinal axis Y, and the vicinity of the center is located. A central plate-shaped portion 220 connected to the tip of the plate-shaped bridge portion 210, a left wing plate-shaped portion 230 extending from the left side of the central plate-shaped portion 220 to the left side of the plate-shaped bridge portion 210, and a central plate-shaped portion 210. It is composed of a right wing plate-shaped portion 240 extending from the right side of the plate-shaped bridge portion 210 to the right side of the plate-shaped bridge portion 210, the left wing weight portion 330 is connected to the lower surface of the left wing plate-shaped portion 230, and the right wing weight portion 340 is connected to the right wing. A structure that connects to the lower surface of the plate-shaped portion 240 is adopted. Further, the weight body 300 is provided with a central weight portion 320 that connects the left wing weight portion 330 and the right wing weight portion 340, and the central weight portion 320 is connected to the lower surface of the central plate-shaped portion 220. I have to.

このような構成を採用すると、板状橋梁部210の周囲を重錘体300によって「コ」の字状に覆うような構造が実現でき、また、重錘体300の重心Gを板状橋梁部210の下方の所定位置に置くことができる。そのため、重錘体300の変位に基づいて板状橋梁部210を効率的に撓ませることができる。また、重錘体300の周囲に何らかの変位制限壁を設けるようにすれば、重錘体300に対して過度の変位を生じさせる外力が作用した場合にも、重錘体300の変位を制限し、板状橋梁部210の破損を防止することができる。 By adopting such a configuration, it is possible to realize a structure in which the circumference of the plate-shaped bridge portion 210 is covered by the weight body 300 in a "U" shape, and the center of gravity G of the weight body 300 is covered by the plate-shaped bridge portion. It can be placed in place below the 210. Therefore, the plate-shaped bridge portion 210 can be efficiently bent based on the displacement of the weight body 300. Further, if some kind of displacement limiting wall is provided around the weight body 300, the displacement of the weight body 300 is limited even when an external force that causes excessive displacement is applied to the weight body 300. , It is possible to prevent the plate-shaped bridge portion 210 from being damaged.

実用上は、台座400を重錘体300の変位を制限する変位制限壁として利用するのが好ましい。たとえば、図17に示す実施形態の場合、板状橋梁部210および重錘体300を有する主発電構造体MGSの周囲を取り囲む環状構造体をなす台座400を用いている。そうすることにより、発電素子PGEに対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体300の一部が環状構造体からなる台座400の一部に接触し、それ以上の変位を制限することができる。 Practically, it is preferable to use the pedestal 400 as a displacement limiting wall that limits the displacement of the weight body 300. For example, in the case of the embodiment shown in FIG. 17, a pedestal 400 forming an annular structure surrounding the periphery of the main power generation structure MGS having the plate-shaped bridge portion 210 and the weight body 300 is used. By doing so, when an acceleration exceeding a predetermined magnitude is applied to the power generation element PGE, a part of the weight body 300 comes into contact with a part of the pedestal 400 made of the annular structure, and the displacement is further increased. Can be restricted.

なお、図26に示すように、板状橋梁部210と中央板状部220とを直交させ、T字状構造体が形成されるようにすると、重錘体300に各座標軸方向の力が作用した場合、図13〜図15に示すように、板状橋梁部210の先端部の左右両側と根端部の左右両側とに応力集中が見られる。 As shown in FIG. 26, when the plate-shaped bridge portion 210 and the central plate-shaped portion 220 are orthogonal to each other to form a T-shaped structure, a force in each coordinate axis direction acts on the weight body 300. In this case, as shown in FIGS. 13 to 15, stress concentration is observed on both the left and right sides of the tip portion of the plate-shaped bridge portion 210 and on the left and right sides of the root end portion.

したがって、圧電素子としては、板状橋梁部210の先端部近傍の左側に配置された先端部左側圧電素子P1(上層電極E1の領域に形成される圧電素子)と、板状橋梁部210の先端部近傍の右側に配置された先端部右側圧電素子P2(上層電極E2の領域に形成される圧電素子)と、板状橋梁部210の根端部近傍の左側に配置された根端部左側圧電素子P3(上層電極E3の領域に形成される圧電素子)と、板状橋梁部210の根端部近傍の右側に配置された根端部右側圧電素子P4(上層電極E4の領域に形成される圧電素子)と、を設けるようにすると、効率的な発電が可能になる。 Therefore, as the piezoelectric element, the tip left side piezoelectric element P1 (piezoelectric element formed in the region of the upper layer electrode E1) arranged on the left side near the tip of the plate-shaped bridge portion 210 and the tip of the plate-shaped bridge portion 210. The tip right side piezoelectric element P2 (piezoelectric element formed in the region of the upper electrode E2) arranged on the right side near the portion and the root end left side piezoelectric element arranged on the left side near the root end portion of the plate-shaped bridge portion 210. The element P3 (piezoelectric element formed in the region of the upper electrode E3) and the right side piezoelectric element P4 (formed in the region of the upper electrode E4) arranged on the right side near the root end of the plate-shaped bridge portion 210. If a piezoelectric element) is provided, efficient power generation becomes possible.

また、圧電素子の具体的な構造は、図1に示されているように、板状橋梁部210の表面に層状に形成された下層電極E0と、下層電極E0の表面に層状に形成された圧電材料層105と、圧電材料層105の表面に局在的に形成された複数の上層電極E1〜E4からなる上層電極群と、を有する積層構造を採ればよい。ここで、圧電材料層105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する材料を用いればよい。 Further, as shown in FIG. 1, the specific structure of the piezoelectric element is formed into a layered lower layer electrode E0 formed on the surface of the plate-shaped bridge portion 210 and a layered layer on the surface of the lower layer electrode E0. A laminated structure having a piezoelectric material layer 105 and an upper layer electrode group composed of a plurality of upper layer electrodes E1 to E4 locally formed on the surface of the piezoelectric material layer 105 may be adopted. Here, as the piezoelectric material layer 105, a material having a property of causing polarization in the thickness direction by the action of stress that expands and contracts in the layer direction may be used.

なお、図1に示す実施例の場合、圧電素子(主発電第1層100)は、板状橋梁部210(主発電第2層200)の上面に形成されているが、圧電素子は必ずしも板状橋梁部210の上面に形成する必要はなく、側面や下面に形成することも可能である。もちろん、上面と側面の両方に形成したり、上面,側面,下面のすべてに形成してもかまわない。板状橋梁部210の撓みは、上面だけでなく、側面や下面にも応力を発生させるので、側面や下面に形成された圧電素子によっても発電は可能である。 In the case of the embodiment shown in FIG. 1, the piezoelectric element (main power generation first layer 100) is formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210 (main power generation second layer 200), but the piezoelectric element is not necessarily a plate. It is not necessary to form the bridge portion 210 on the upper surface, and it is possible to form the bridge portion 210 on the side surface or the lower surface. Of course, it may be formed on both the upper surface and the side surface, or may be formed on all of the upper surface, the side surface, and the lower surface. Since the bending of the plate-shaped bridge portion 210 generates stress not only on the upper surface but also on the side surface and the lower surface, power can be generated by the piezoelectric element formed on the side surface and the lower surface.

要するに、圧電素子は上面,側面,下面に関わらず、板状橋梁部210の表面に形成されていればよい。たとえば、板状橋梁部210の上面から側面へと連なるように下層電極E0を形成し、この下層電極E0の表面全域に圧電材料層105を形成し、この圧電材料層105の表面の所定箇所(板状橋梁部210の上方だけでなく側方も含めた所定箇所)に局在的に複数の上層電極を形成するようにすれば、板状橋梁部210の上面だけでなく側面にも圧電素子が形成されることになる。この場合、上面に形成された圧電素子だけでなく、側面に形成された圧電素子によっても発電が可能になる。 In short, the piezoelectric element may be formed on the surface of the plate-shaped bridge portion 210 regardless of the upper surface, the side surface, or the lower surface. For example, the lower layer electrode E0 is formed so as to be continuous from the upper surface to the side surface of the plate-shaped bridge portion 210, the piezoelectric material layer 105 is formed over the entire surface of the lower layer electrode E0, and a predetermined portion of the surface of the piezoelectric material layer 105 ( If a plurality of upper layer electrodes are locally formed not only on the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210 but also on the side surfaces), the piezoelectric element is formed not only on the upper surface but also on the side surface of the plate-shaped bridge portion 210. Will be formed. In this case, not only the piezoelectric element formed on the upper surface but also the piezoelectric element formed on the side surface enables power generation.

ただ、板状橋梁部210の上面だけでなく、側面や下面にも圧電素子を形成するためには、複雑な工程が必要になるため、製造コストは高騰せざるを得ない。したがって、実用上は、これまで述べてきた基本的実施形態やその変形例に示すように、板状橋梁部210の上面に圧電素子を設ける構造を採用し、コスト低減を図るのが好ましい。特に、図21に示すような積層材料ブロック1000を用意し、これに対して所定の加工処理を施す量産プロセスを採る場合、圧電素子は板状橋梁部210の上面に形成せざるを得ない。 However, in order to form the piezoelectric element not only on the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210 but also on the side surface and the lower surface, a complicated process is required, so that the manufacturing cost has to rise. Therefore, in practical use, it is preferable to adopt a structure in which the piezoelectric element is provided on the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210 to reduce the cost, as shown in the basic embodiments described above and the modified examples thereof. In particular, when the laminated material block 1000 as shown in FIG. 21 is prepared and a mass production process is adopted in which a predetermined processing process is applied to the laminated material block 1000, the piezoelectric element must be formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion 210.

なお、図22に示す例のように、発電素子PGEを装置筐体600内に収容して発電装置を構成する場合には、発電素子PGEの台座400を装置筐体600に固定し、装置筐体600を振動させる外力が作用したときに、発電素子PGEの重錘体300が板状橋梁部210の撓みによって装置筐体600内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路500から取り出される電力を出力する構成を採ればよい。 As in the example shown in FIG. 22, when the power generation element PGE is housed in the device housing 600 to form the power generation device, the pedestal 400 of the power generation element PGE is fixed to the device housing 600 and the device housing 600. When an external force that vibrates the body 600 is applied, the weight body 300 of the power generation element PGE vibrates in the apparatus housing 600 due to the bending of the plate-shaped bridge portion 210, and is taken out from the power generation circuit 500 in response to the vibration. The configuration may be adopted to output the generated power.

あるいは、図23に示す例のように、重錘体と台座の役割を逆転させる構成を採ることも可能である。この場合は、台座400′の底面よりも重錘体300′の底面の方が下方に位置する発電素子PGE′を用意し、この発電素子PGE′の重錘体300′を装置筐体600に固定し、装置筐体600を振動させる外力が作用したときに、発電素子PGE′の台座400′が板状橋梁部210の撓みによっ装置筐体600内で振動するようにし、当該振動に応じて発電回路500から取り出される電力を出力する構成を採ればよい。 Alternatively, as in the example shown in FIG. 23, it is possible to adopt a configuration in which the roles of the weight body and the pedestal are reversed. In this case, a power generation element PGE ′ whose bottom surface of the weight body 300 ′ is located below the bottom surface of the pedestal 400 ′ is prepared, and the weight body 300 ′ of this power generation element PGE ′ is attached to the device housing 600. When an external force that fixes and vibrates the device housing 600 is applied, the pedestal 400'of the power generation element PGE'vibrates in the device housing 600 due to the bending of the plate-shaped bridge portion 210, and responds to the vibration. A configuration may be adopted in which the electric power extracted from the power generation circuit 500 is output.

もちろん、図28〜図31に示す実施例のように、いくつかの個別部品を組み立てる方法により、発電素子PGEを構成することもできる。図28に示す主発電部品700dの場合、長手方向軸L1に沿って伸びる板状橋梁部712dの根端部に、この長手方向軸L1に直交する長手方向軸L3に沿って伸びる台座接続部732dが接続されており、この台座接続部732dを台座400dに固定することにより、組み立てを行うことができるようにしている。 Of course, the power generation element PGE can also be configured by a method of assembling some individual parts as in the embodiment shown in FIGS. 28 to 31. In the case of the main power generation component 700d shown in FIG. 28, the pedestal connecting portion 732d extending along the longitudinal axis L3 orthogonal to the longitudinal axis L1 at the root end of the plate-shaped bridge portion 712d extending along the longitudinal axis L1. Is connected, and by fixing the pedestal connecting portion 732d to the pedestal 400d, assembly can be performed.

100:主発電第1層
105:圧電材料層
110:橋梁部圧電層
120:中央圧電層
130:左翼圧電層
140:右翼圧電層
200:主発電第2層
210,210a,210b,210c:板状橋梁部
220,220a,220b,220c:中央板状部(重錘体支持部)
230,230a,230b,230c:左翼板状部(重錘体支持部)
240,240a,240b,240c:右翼板状部(重錘体支持部)
300,300d:主発電第3層(重錘体)
310,310d:空洞部
320,320a,320d:中央重錘部(重錘体)
325d:嵌合溝
330,330a,330b,330d:左翼重錘部(重錘体)
340,340a,340b,340d:右翼重錘部(重錘体)
400,400d:台座
401:台座第1層
402:台座第2層
403:台座第3層
410,410d:第1壁部
420,420d:第2壁部
430,430d:第3壁部
440,440d:第4壁部
445d:嵌合溝
500:発電回路
600:装置筐体
610:土台基板
620:上蓋基板
630:側壁板
700d:主発電部品
710d:第1部材
711d:橋梁部圧電層
712d:板状橋梁部
720d:第2部材
721d:中央圧電層
722d:中央板状部
730d:第3部材
731d:接続部圧電層
732d:台座接続部
1000:積層材料ブロック
1001:材料第1層
1002:材料第2層
1003:材料第3層
B:ボンディングパッド
Cf:平滑用容量素子(コンデンサ)
D0(+)〜D4(+):正電荷用整流素子(ダイオード)
D0(−)〜D4(−):負電荷用整流素子(ダイオード)
d1〜d10:各部の実寸法
d11〜d18:空隙寸法
d19:各部の実寸法
E0:下層電極
E1:先端部左側上層電極
E2:先端部右側上層電極
E3:根端部左側上層電極
E4:根端部右側上層電極
Fx:X軸方向の力
Fy:Y軸方向の力
Fz:Z軸方向の力
G,Ga,Gb:重錘体の重心
H,H′:各部分の境界線
L1,L2,L3:長手方向軸
L1′:長手方向軸
MGS:主発電構造体
MGSa:主発電構造体
MGSb:主発電構造体
MGSd:主発電構造体
O:XYZ三次元座標系の原点(根端部)
P1:先端部左側圧電素子
P2:先端部右側圧電素子
P3:根端部左側圧電素子
P4:根端部右側圧電素子
PGE,PGE′,PGEd:発電素子
T,T′:先端点(先端部)
X:XYZ三次元座標系の座標軸
X′:X軸に平行な軸
Y:XYZ三次元座標系の座標軸
Z:XYZ三次元座標系の座標軸
ZL:電力供給を受ける機器の負荷
θ1〜θ4:板状橋梁部の接続角
100: Main power generation first layer 105: Piezoelectric material layer 110: Bridge part piezoelectric layer 120: Central piezoelectric layer 130: Left wing piezoelectric layer 140: Right wing piezoelectric layer 200: Main power generation second layer 210, 210a, 210b, 210c: Plate-like Bridge portions 220, 220a, 220b, 220c: Central plate-shaped portion (weight body support portion)
230, 230a, 230b, 230c: Left wing plate-like part (weight body support part)
240, 240a, 240b, 240c: Right wing plate-like part (weight body support part)
300,300d: Main power generation third layer (weight body)
310, 310d: Cavity part 320, 320a, 320d: Central weight part (weight body)
325d: Fitting grooves 330, 330a, 330b, 330d: Left wing weight portion (weight body)
340, 340a, 340b, 340d: Right wing weight part (weight body)
400, 400d: Pedestal 401: Pedestal 1st layer 402: Pedestal 2nd layer 403: Pedestal 3rd layer 410, 410d: 1st wall portion 420, 420d: 2nd wall portion 430, 430d: 3rd wall portion 440, 440d : Fourth wall portion 445d: Fitting groove 500: Power generation circuit 600: Equipment housing 610: Base substrate 620: Top lid substrate 630: Side wall plate 700d: Main power generation component 710d: First member 711d: Bridge portion piezoelectric layer 712d: Plate Bridge part 720d: Second member 721d: Central piezoelectric layer 722d: Central plate-shaped part 730d: Third member 731d: Connection part Piezoelectric layer 732d: Pedestal connection part 1000: Laminated material block 1001: Material first layer 1002: Material first 2nd layer 1003: Material 3rd layer B: Bonding pad Cf: Smoothing piezoelectric element (capacitor)
D0 (+) to D4 (+): Positive charge rectifying element (diode)
D0 (-) to D4 (-): Negative charge rectifying element (diode)
d1 to d10: Actual dimensions of each part d11 to d18: Void size d19: Actual dimensions of each part E0: Lower layer electrode E1: Tip left upper layer electrode E2: Tip right upper layer electrode E3: Root end left upper layer electrode E4: Root end Right upper layer electrode Fx: Force in X-axis direction Fy: Force in Y-axis direction Fz: Force in Z-axis direction G, Ga, Gb: Center of gravity of weight body H, H': Boundary lines L1, L2 of each part L3: Longitudinal axis L1': Longitudinal axis MGS: Main power generation structure MGSa: Main power generation structure MGSb: Main power generation structure MGSd: Main power generation structure O: Origin (root end) of XYZ three-dimensional coordinate system
P1: Tip left side piezoelectric element P2: Tip right side piezoelectric element P3: Root end left piezoelectric element P4: Root end right piezoelectric element PGE, PGE', PGEd: Power generation element T, T': Tip point (tip)
X: XYZ three-dimensional coordinate system coordinate axis X': axis parallel to the X axis Y: XYZ three-dimensional coordinate system coordinate axis Z: XYZ three-dimensional coordinate system coordinate axis ZL: load of equipment receiving power θ1 to θ4: plate Connection angle of the bridge

Claims (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、 根端部から先端部へと長手方向軸に沿って伸び可撓性を有する板状橋梁部と、前記根端部に接続された台座接続部と、前記板状橋梁部の伸縮変形が生じる所定位置に固定された複数組の圧電素子と、を有する主発電部品を備え、
前記板状橋梁部の前記先端部は重錘体に直接もしくは間接的に接続されており、
前記台座接続部は、前記長手方向軸と交差する所定の配置軸上に配置され、前記配置軸に沿って伸びており、
前記複数組の圧電素子が、前記板状橋梁部の先端部近傍に配置された先端部圧電素子と、前記板状橋梁部の根端部近傍に配置された根端部圧電素子と、を有し、
前記各圧電素子は、前記板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、この下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、この圧電材料層の表面に層状に形成された上層電極と、を有し、前記圧電材料層として、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有する材料が用いられており、
前記重錘体が前記長手方向軸及び前記配置軸に直交する方向に所定の変位を生じたときに、前記先端部圧電素子の上層電極には第1極性の電荷が発生し、前記根端部圧電素子の上層電極には前記第1極性とは逆の第2極性の電荷が発生することを特徴とする発電素子。
A power generation element that generates electricity by converting vibrational energy into electrical energy, which extends from the root end to the tip along the longitudinal axis and has flexibility in a plate-shaped bridge portion and the root end portion. A main power generation component having a connected pedestal connection portion and a plurality of sets of piezoelectric elements fixed at predetermined positions where expansion and contraction deformation of the plate-shaped bridge portion occurs.
The tip of the plate-shaped bridge is directly or indirectly connected to the weight body.
The pedestal connection is arranged on a predetermined arrangement axis that intersects the longitudinal axis and extends along the arrangement axis.
The plurality of sets of piezoelectric elements include a tip piezoelectric element arranged near the tip of the plate-shaped bridge portion and a root end piezoelectric element arranged near the root end of the plate-shaped bridge portion. And
Each of the piezoelectric elements is formed into a layered lower layer electrode formed on the surface of the plate-shaped bridge portion, a piezoelectric material layer formed layered on the surface of the lower layer electrode, and a layered surface on the surface of the piezoelectric material layer. A material having an upper electrode and a piezoelectric material layer having a property of causing polarization in the thickness direction by the action of stress that expands and contracts in the layer direction is used.
When the weight body is displaced in a direction orthogonal to the longitudinal axis and the arrangement axis, a charge of the first polarity is generated in the upper electrode of the tip piezoelectric element, and the root end portion. A power generation element characterized in that an electric charge having a second polarity opposite to that of the first polarity is generated in the upper electrode of the piezoelectric element.
請求項1に記載の発電素子において、
前記重錘体が前記長手方向軸の方向に所定の変位を生じたときに、前記先端部圧電素子の上層電極と前記根端部圧電素子の上層電極には同一極性の電荷が発生することを特徴とする発電素子。
In the power generation element according to claim 1,
When the weight body is displaced in the direction of the longitudinal axis, charges of the same polarity are generated in the upper layer electrode of the tip end piezoelectric element and the upper layer electrode of the root end piezoelectric element. A characteristic power generation element.
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