JP6987414B2 - Power generation element - Google Patents
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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
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 periodic bending of the piezoelectric element, 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 extract the vibration energy applied during transportation as electric energy. It can also be attached to a vibration source such as a refrigerator or an air conditioner to generate electricity.
従来提案されている一般的な発電素子は、一端を固定した片持ち梁によって重錘体を支持する構造を採り、この重錘体の上下振動によって橋梁部に周期的な撓みを生じさせ、この撓みを圧電素子に伝達して電荷を発生させる方式を採用している。このような方式では、重錘体を上下方向に振動させる振動エネルギーしか利用できないため、十分な発電効率を得ることは困難である。 The general power generation element proposed conventionally adopts a structure in which the weight body is supported by a cantilever with one end fixed, and the vertical vibration of the weight body causes periodic bending of the bridge portion. A method is adopted in which the deflection is transmitted to the piezoelectric element to generate an electric charge. In such a method, it is difficult to obtain sufficient power generation efficiency because only vibration energy that vibrates the weight body in the vertical direction can be used.
たとえば、自動車、列車、船舶などの輸送機器では、運行中にランダムな方向から力が加わるため、このような輸送機器に搭載された発電素子の場合、重錘体の振動には様々な方向成分が含まれることになる。ところが上述した従来の発電素子では、これらの振動エネルギーのうち、特定の1軸方向成分しか変換に利用することができないため、電気エネルギーへの変換効率が悪く、発電効率を向上させることは困難である。 For example, in transportation equipment such as automobiles, trains, and ships, forces are applied from random directions during operation, so in the case of power generation elements mounted on such transportation equipment, various directional components are added to the vibration of the weight body. Will be included. However, in the above-mentioned conventional power generation element, since only a specific uniaxial direction component can be used for conversion among these vibration energies, the conversion efficiency to electric energy is poor, and it is difficult to improve the power generation efficiency. be.
そこで本発明は、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することにより、高い発電効率を得ることが可能な発電素子を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a power generation element capable of obtaining high power generation efficiency by converting vibration energy including various directional components into electric energy without waste.
(1) 本発明の第1の態様は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子において、
所定の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
板状橋梁部の一端に接続された重錘体と、
板状橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
板状橋梁部の他端を装置筐体に固定する固定部と、
板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と
圧電素子の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、
上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、板状橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成され、
圧電素子は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
上層電極群は、右脇電極および左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
板状橋梁部に、長手方向軸に沿った中心線を定義したときに、右脇電極は、中心線の一方の脇に配置されており、左脇電極は、中心線の他方の脇に配置されているようにしたものである。
(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 a predetermined longitudinal axis and has flexibility,
A weight body connected to one end of the plate-shaped bridge,
A device housing that houses a plate-shaped bridge and a weight body,
A fixing part that fixes the other end of the plate-shaped bridge part to the device housing,
The lower layer electrodes formed in layers on the surface of the plate-shaped bridge,
A group of upper layer electrodes consisting of a piezoelectric element formed in layers on the surface of the lower layer electrode and a plurality of upper layer electrodes locally formed on the surface of the piezoelectric element.
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated in the upper and lower electrodes and extracts power.
And
When an external force that vibrates the device housing is applied, the weight body is configured to vibrate inside the device housing due to the bending of the plate-shaped bridge.
Piezoelectric elements have the property of causing polarization in the thickness direction due to the action of stress that expands and contracts in the layer direction.
The upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a right side electrode and a left side electrode, and each of these upper layer electrodes is arranged so as to extend along the longitudinal axis, and a predetermined lower layer electrode sandwiches a piezoelectric element. Facing the area,
When the center line along the longitudinal axis is defined for the plate-shaped bridge, the right armpit electrode is placed on one side of the center line, and the left armpit electrode is placed on the other side of the center line. It is what was done.
(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、 右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(2) The second aspect of the present invention is the power generation element according to the first aspect described above.
The lower layer electrode is formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion, the piezoelectric element is formed on the upper surface of the lower layer electrode, and the right side electrode and the left side electrode are formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element. It is what was done.
(3) 本発明の第3の態様は、上述した第1の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(3) A third aspect of the present invention is the power generation element according to the first aspect described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface as well as the upper surface of the plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of this lower layer electrode.
The right armpit electrode and the left armpit electrode are formed on the side surface of the plate-shaped bridge portion via a lower layer electrode and a piezoelectric element.
(4) 本発明の第4の態様は、上述した第1の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(4) The fourth aspect of the present invention is the power generation element according to the first aspect described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface as well as the upper surface of the plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of this lower layer electrode.
The right armpit electrode and the left armpit electrode are formed from the upper surface to the side surface of the plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(5) 本発明の第5の態様は、上述した第1〜第4の態様に係る発電素子において、
上層電極群が、板状橋梁部の重錘体との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群と、板状橋梁部の固定部との接続部分近傍に配置された固定部側電極群とを有し、
重錘体側電極群および固定部側電極群のそれぞれが、右脇電極および左脇電極なる2種類の上層電極を有するようにしたものである。
(5) A fifth aspect of the present invention is the power generation element according to the first to fourth aspects described above.
The upper layer electrode group is a group of electrodes on the weight body side arranged in the vicinity of the connection portion of the plate-shaped bridge portion with the weight body, and a group of electrodes on the fixed portion side arranged in the vicinity of the connection portion between the fixed portion of the plate-shaped bridge portion. And have
Each of the weight body side electrode group and the fixed portion side electrode group has two types of upper layer electrodes, a right armpit electrode and a left armpit electrode.
(6) 本発明の第6の態様は、上述した第1の態様に係る発電素子において、
上層電極群が、右脇電極および左脇電極に更に中央電極を加えた合計3種類の上層電極を有し、
これら上層電極のそれぞれは、板状橋梁部の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
中央電極は、板状橋梁部の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、右脇電極は、中央電極の一方の脇に配置されており、左脇電極は、中央電極の他方の脇に配置されているようにしたものである。
(6) A sixth aspect of the present invention is the power generation element according to the first aspect described above.
The upper layer electrode group has a total of three types of upper layer electrodes, which are the right armpit electrode and the left armpit electrode plus the central electrode.
Each of these upper layer electrodes is arranged so as to extend along the longitudinal axis of the plate-shaped bridge portion, and faces a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween.
The center electrode is located at the position of the center line along the longitudinal axis of the plate-shaped bridge, the right armpit electrode is located on one side of the center electrode, and the left armpit electrode is the center electrode. It is designed to be placed on the side of the other side.
(7) 本発明の第7の態様は、上述した第6の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、 中央電極、右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the power generation element according to the sixth aspect described above.
The lower layer electrode is formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion, the piezoelectric element is formed on the upper surface of the lower layer electrode, and the center electrode, the right side electrode and the left side electrode form the lower layer electrode and the piezoelectric element on the upper surface of the plate-shaped bridge portion. It is made to be formed through.
(8) 本発明の第8の態様は、上述した第6の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
中央電極が、板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(8) The eighth aspect of the present invention is the power generation element according to the sixth aspect described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface as well as the upper surface of the plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of this lower layer electrode.
The central electrode is formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The right armpit electrode and the left armpit electrode are formed on the side surface of the plate-shaped bridge portion via a lower layer electrode and a piezoelectric element.
(9) 本発明の第9の態様は、上述した第6の態様に係る発電素子において、
下層電極が板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
中央電極が、板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
右脇電極および左脇電極が、板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(9) A ninth aspect of the present invention is the power generation element according to the sixth aspect described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface as well as the upper surface of the plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of this lower layer electrode.
The central electrode is formed on the upper surface of the plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The right armpit electrode and the left armpit electrode are formed from the upper surface to the side surface of the plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(10) 本発明の第10の態様は、上述した第6〜第9の態様に係る発電素子において、 上層電極群が、板状橋梁部の重錘体との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群と、板状橋梁部の固定部との接続部分近傍に配置された固定部側電極群とを有し、
重錘体側電極群および固定部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極および左脇電極なる3種類の上層電極を有するようにしたものである。
(10) In the tenth aspect of the present invention, in the power generation element according to the sixth to ninth aspects described above, the upper layer electrode group is arranged in the vicinity of the connection portion of the plate-shaped bridge portion with the weight body. It has a group of electrodes on the weight side and a group of electrodes on the fixed portion arranged in the vicinity of the connecting portion with the fixed portion of the plate-shaped bridge portion.
Each of the weight body side electrode group and the fixed portion side electrode group has three types of upper layer electrodes, a center electrode, a right armpit electrode, and a left armpit electrode.
(11) 本発明の第11の態様は、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子において、
Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第1の板状橋梁部と、
第1の板状橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第2の板状橋梁部と、
第2の板状橋梁部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
第1の板状橋梁部、第2の板状橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
第1の板状橋梁部の一端を装置筐体に固定する固定部と、
第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と
圧電素子の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、
上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
固定部は、第1の板状橋梁部の根端部を装置筐体に固定し、第1の板状橋梁部の先端部は第2の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第2の板状橋梁部の先端部に重錘体が直接もしくは間接的に接続されており、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で各座標軸方向に振動するように構成され、
圧電素子は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
上層電極群は、第1の板状橋梁部の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第1の上層電極群と、第2の板状橋梁部の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第2の上層電極群と、を有しており、
第1の上層電極群は、第1の右脇電極および第1の左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第1の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
第1の板状橋梁部に、第1の長手方向軸に沿った第1の中心線を定義したときに、第1の右脇電極は、第1の中心線の一方の脇に配置されており、第1の左脇電極は、第1の中心線の他方の脇に配置されており、
第2の上層電極群は、第2の右脇電極および第2の左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第2の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
第2の板状橋梁部に、第2の長手方向軸に沿った第2の中心線を定義したときに、第2の右脇電極は、第2の中心線の一方の脇に配置されており、第2の左脇電極は、第2の中心線の他方の脇に配置されているようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is 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.
A first plate-shaped bridge portion extending along a first longitudinal axis parallel to the Y axis and having flexibility, and a first plate-shaped bridge portion.
A second plate-shaped bridge that is directly or indirectly connected to the first plate-shaped bridge and extends along a second longitudinal axis parallel to the X-axis and has flexibility.
With a weight body directly or indirectly connected to the second plate-shaped bridge,
A device housing for accommodating a first plate-shaped bridge portion, a second plate-shaped bridge portion, and a weight body,
A fixing part that fixes one end of the first plate-shaped bridge part to the device housing,
The lower layer electrodes formed in layers on the surfaces of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and
A group of upper layer electrodes consisting of a piezoelectric element formed in layers on the surface of the lower layer electrode and a plurality of upper layer electrodes locally formed on the surface of the piezoelectric element.
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated in the upper and lower electrodes and extracts power.
And
In the fixing portion, the root end portion of the first plate-shaped bridge portion is fixed to the device housing, and the tip portion of the first plate-shaped bridge portion is directly or indirectly connected to the root end portion of the second plate-shaped bridge portion. The weight is directly or indirectly connected to the tip of the second plate-shaped bridge.
When an external force that vibrates the device housing is applied, the weight body is configured to vibrate in each coordinate axis direction in the device housing due to the bending of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion.
Piezoelectric elements have the property of causing polarization in the thickness direction due to the action of stress that expands and contracts in the layer direction.
The upper layer electrode group includes a first upper layer electrode group formed on the surface of the first plate-shaped bridge portion via a lower layer electrode and a piezoelectric element, and a lower layer electrode and a piezoelectric element on the surface of the second plate-shaped bridge portion. It has a second upper layer electrode group, which is formed through the electrode.
The first upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a first right side electrode and a first left side electrode, and each of these upper layer electrodes extends along the first longitudinal axis. Arranged, facing a predetermined area of the lower electrode with the piezoelectric element in between,
When the first center line along the first longitudinal axis is defined in the first plate-shaped bridge portion, the first right armpit electrode is arranged on one side of the first center line. The first left armpit electrode is located on the other side of the first centerline.
The second upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a second right side electrode and a second left side electrode, and each of these upper layer electrodes extends along the second longitudinal axis. Arranged, facing a predetermined area of the lower electrode with the piezoelectric element in between,
When the second center line along the second longitudinal axis is defined in the second plate-shaped bridge portion, the second right armpit electrode is arranged on one side of the second center line. The second left armpit electrode is arranged on the other side of the second center line.
(12) 本発明の第12の態様は、上述した第11の態様に係る発電素子において、
第1の板状橋梁部と第2の板状橋梁部とがL字状に配置されるように、第1の板状橋梁部の先端部と第2の板状橋梁部の根端部とが中間接続部を介して接続されており、
第2の板状橋梁部の脇に重錘体が配置されるように、第2の板状橋梁部の先端部と重錘体の隅部とが重錘接続部を介して接続されており、
固定部の下面は装置筐体の底板の上面に固定されており、第1の板状橋梁部、第2の板状橋梁部および重錘体は、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になっているようにしたものである。
(12) The twelfth aspect of the present invention is the power generation element according to the eleventh aspect described above.
The tip of the first plate-shaped bridge and the root end of the second plate-shaped bridge so that the first plate-shaped bridge and the second plate-shaped bridge are arranged in an L shape. Is connected via an intermediate connection,
The tip of the second plate-shaped bridge and the corner of the weight are connected via the weight connection so that the weight is placed beside the second plate-shaped bridge. ,
The lower surface of the fixing portion is fixed to the upper surface of the bottom plate of the device housing, and the first plate-shaped bridge portion, the second plate-shaped bridge portion, and the weight body are in a state where no external force acts on the device housing. It is designed to be suspended above the bottom plate.
(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、
中間接続部が、第1の板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部と第2の板状橋梁部の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部とを有し、
重錘接続部が、第2の板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにしたものである。
(13) The thirteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth aspect described above.
The eaves structure portion in which the intermediate connection portion protrudes outward from the side surface of the tip portion of the first plate-shaped bridge portion and the eaves structure portion protruding outward from the side surface of the root end portion of the second plate-shaped bridge portion. Have,
The weight connecting portion has an eaves structure portion protruding outward from the side surface of the tip end portion of the second plate-shaped bridge 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、
固定部が、X軸に平行な固定部用長手方向軸に沿って伸びる固定部用板状部材によって構成され、この固定部用板状部材の一端に第1の板状橋梁部の根端部が固定されており、 固定部用板状部材、第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部によって構成される構造体が、XY平面上への投影像が「U」の字状になるようなUの字状構造体をなし、このUの字状構造体によって囲まれた内部領域に板状の重錘体が配置されているようにしたものである。
(14) The fourteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth or thirteenth aspect described above.
The fixing portion is composed of a plate-shaped member for the fixing portion extending along the longitudinal axis for the fixing portion parallel to the X axis, and the root end portion of the first plate-shaped bridge portion is formed at one end of the plate-shaped member for the fixing portion. Is fixed, and the structure composed of the plate-shaped member for the fixing portion, the first plate-shaped bridge portion, and the second plate-shaped bridge portion has a "U" -shaped projection image on the XY plane. A U-shaped structure is formed so that a plate-shaped weight body is arranged in an internal region surrounded by the U-shaped structure.
(15) 本発明の第15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、
固定部が、環状構造体によって構成されており、この環状構造体によって囲まれた内部領域に第1の板状橋梁部、第2の板状橋梁部および重錘体が配置されているようにしたものである。
(15) The fifteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the twelfth or thirteenth aspect described above.
The fixing portion is composed of an annular structure, and the first plate-shaped bridge portion, the second plate-shaped bridge portion, and the weight body are arranged in the internal region surrounded by the annular structure. It was done.
(16) 本発明の第16の態様は、上述した第15の態様に係る発電素子において、
固定部と重錘体との役割を逆転させ、上記発電素子において固定部として機能していた環状構造体を重錘体として機能させ、上記発電素子において重錘体として機能していた板状体を固定部として機能させるために、上記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、上記環状構造体が、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにしたものである。
(16) The sixteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the fifteenth aspect described above.
The role of the fixed portion and the weight body is reversed, the annular structure that was functioning as the fixed portion in the power generation element is made to function as the weight body, and the plate-like body that is functioning as the weight body in the power generation element. The lower surface of the plate-shaped body was fixed to the upper surface of the bottom plate of the device housing, and the annular structure floated above the bottom plate of the device housing in a state where no external force was applied. It is designed to be suspended in the air.
(17) 本発明の第17の態様は、上述した第11の態様に係る発電素子において、
第2の板状橋梁部と重錘体との間に、第3の板状橋梁部〜第Kの板状橋梁部(但し、K≧3)を設け、
第iの板状橋梁部(但し、1≦i≦K−1)の先端部が第(i+1)の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第Kの板状橋梁部の先端部が重錘体に直接もしくは間接的に接続されており、
第jの板状橋梁部(但し、1≦j≦K)は、jが奇数の場合はY軸に平行な第jの長手方向軸に沿って伸び、jが偶数の場合はX軸に平行な第jの長手方向軸に沿って伸びているようにしたものである。
(17) The seventeenth aspect of the present invention is the power generation element according to the eleventh aspect described above.
A third plate-shaped bridge portion to a K-th plate-shaped bridge portion (however, K ≧ 3) is provided between the second plate-shaped bridge portion and the weight body.
The tip of the i-th plate-shaped bridge (however, 1 ≦ i ≦ K-1) is directly or indirectly connected to the root end of the (i + 1) plate-shaped bridge, and the K-plate-shaped bridge is connected. The tip of the part is directly or indirectly connected to the weight body,
The j-th plate-shaped bridge portion (however, 1 ≦ j ≦ K) extends along the longitudinal axis of j parallel to the Y axis when j is odd, and parallel to the X axis when j is even. It is made to extend along the longitudinal axis of the j-th.
(18) 本発明の第18の態様は、上述した第17の態様に係る発電素子において、
第iの板状橋梁部(但し、1≦i≦K−1)の先端部と第(i+1)の板状橋梁部の根端部とが第iの中間接続部を介して接続されており、第Kの板状橋梁部の先端部と重錘体とが重錘接続部を介して接続されており、
第iの中間接続部が、第iの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有し、重錘接続部が、第Kの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにしたものである。
(18) The eighteenth aspect of the present invention is the power generation element according to the seventeenth aspect described above.
The tip of the i-th plate-shaped bridge (however, 1 ≦ i ≦ K-1) and the root end of the (i + 1) plate-shaped bridge are connected via the intermediate connection of the i. , The tip of the K-th plate-shaped bridge and the weight body are connected via the weight connection part.
The i-th intermediate connection portion has an eaves structure portion protruding outward from the side surface of the tip portion of the plate-shaped bridge portion of the i-th plate-shaped bridge portion, and the weight connecting portion is the tip portion of the plate-shaped bridge portion of the K-th plate-shaped bridge portion. It has an eaves structure that protrudes outward from the side surface.
(19) 本発明の第19の態様は、上述した第17または第18の態様に係る発電素子において、
第1の板状橋梁部の根端部から第Kの板状橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、重錘体がこの渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置されているようにしたものである。
(19) The 19th aspect of the present invention is the power generation element according to the 17th or 18th aspect described above.
The structure from the root end of the first plate-shaped bridge to the tip of the K plate-shaped bridge forms a spiral path, and the weight body is the center surrounded by this spiral path. It is designed to be placed in a position.
(20) 本発明の第20の態様は、上述した第17〜第19の態様に係る発電素子において、
第3の板状橋梁部〜第Kの板状橋梁部の表面にも、下層電極、圧電素子、上層電極群を設け、発電回路が、これら上層電極および下層電極に発生した電荷からも電力を取り出すようにしたものである。
(20) A twentieth aspect of the present invention is the power generation element according to the above-mentioned 17th to 19th aspects.
A lower layer electrode, a piezoelectric element, and a group of upper layer electrodes are also provided on the surfaces of the third plate-shaped bridge portion to the Kth plate-shaped bridge portion, and the power generation circuit also generates electric power from the charges generated in these upper layer electrodes and lower layer electrodes. I tried to take it out.
(21) 本発明の第21の態様は、上述した第17〜第20の態様に係る発電素子において、
固定部が、環状構造体によって構成されており、この環状構造体によって囲まれた内部領域に第1の板状橋梁部〜第Kの板状橋梁部および重錘体が配置されているようにしたものである。
(21) The 21st aspect of the present invention is the power generation element according to the 17th to 20th aspects described above.
The fixed portion is composed of an annular structure, and the first plate-shaped bridge portion to the K plate-shaped bridge portion and the weight body are arranged in the internal region surrounded by the annular structure. It was done.
(22) 本発明の第22の態様は、上述した第21の態様に係る発電素子において、
固定部と重錘体との役割を逆転させ、上記発電素子において固定部として機能していた環状構造体を重錘体として機能させ、上記発電素子において重錘体として機能していた板状体を固定部として機能させるために、上記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、上記環状構造体が、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにしたものである。
(22) The 22nd aspect of the present invention is the power generation element according to the 21st aspect described above.
The role of the fixed portion and the weight body is reversed, the annular structure that was functioning as the fixed portion in the power generation element is made to function as the weight body, and the plate-like body that is functioning as the weight body in the power generation element. The lower surface of the plate-shaped body was fixed to the upper surface of the bottom plate of the device housing, and the annular structure floated above the bottom plate of the device housing in a state where no external force was applied. It is designed to be suspended in the air.
(23) 本発明の第23の態様は、上述した第11〜第22の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
第1の右脇電極および第1の左脇電極が、第1の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の右脇電極および第2の左脇電極が、第2の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(23) The 23rd aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 22nd aspects described above.
The lower layer electrode is formed on the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and the piezoelectric element is formed on the upper surface of the lower layer electrode.
The first right armpit electrode and the first left armpit electrode are formed on the upper surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second right armpit electrode and the second left armpit electrode are formed on the upper surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(24) 本発明の第24の態様は、上述した第11〜第22の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第1の右脇電極および第1の左脇電極が、第1の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の右脇電極および第2の左脇電極が、第2の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(24) The 24th aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 22nd aspects described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of the lower layer electrode.
The first right armpit electrode and the first left armpit electrode are formed on the side surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second right armpit electrode and the second left armpit electrode are formed on the side surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(25) 本発明の第25の態様は、上述した第11〜第22の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第1の右脇電極および第1の左脇電極が、第1の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の右脇電極および第2の左脇電極が、第2の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(25) The 25th aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 22nd aspects described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of the lower layer electrode.
The first right armpit electrode and the first left armpit electrode are formed from the upper surface to the side surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second right armpit electrode and the second left armpit electrode are formed from the upper surface to the side surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(26) 本発明の第26の態様は、上述した第11〜第25の態様に係る発電素子において、
第1の上層電極群が、第1の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第1の根端部側電極群と、第1の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第1の先端部側電極群とを有し、
第2の上層電極群が、第2の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第2の根端部側電極群と、第2の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第2の先端部側電極群とを有し、
第1の根端部側電極群、第1の先端部側電極群、第2の根端部側電極群および第2の先端部側電極群のそれぞれが、右脇電極および左脇電極なる2種類の上層電極を有するようにしたものである。
(26) The 26th aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 25th aspects described above.
The first upper layer electrode group was arranged in the vicinity of the first root end side electrode group arranged near the root end portion of the first plate-shaped bridge portion and the tip portion of the first plate-shaped bridge portion. It has a first tip side electrode group and
The second upper layer electrode group was arranged in the vicinity of the tip portion of the second plate-shaped bridge portion and the second root end portion side electrode group arranged in the vicinity of the root end portion of the second plate-shaped bridge portion. It has a second tip side electrode group and
The first root end side electrode group, the first tip side electrode group, the second root end side electrode group, and the second tip side electrode group are the right side electrode and the left side electrode, respectively. It is designed to have a kind of upper layer electrode.
(27) 本発明の第27の態様は、上述した第11〜第22の態様に係る発電素子において、
第1の上層電極群が、第1の右脇電極および第1の左脇電極に更に第1の中央電極を加えた合計3種類の上層電極を有し、
第1の上層電極群を構成する上層電極のそれぞれは、第1の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
第1の中央電極は、第1の板状橋梁部の第1の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、第1の右脇電極は、第1の中央電極の一方の脇に配置されており、第1の左脇電極は、第1の中央電極の他方の脇に配置されており、
第2の上層電極群が、第2の右脇電極および第2の左脇電極に更に第2の中央電極を加えた合計3種類の上層電極を有し、
第2の上層電極群を構成する上層電極のそれぞれは、第2の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、
第2の中央電極は、第2の板状橋梁部の第2の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、第2の右脇電極は、第2の中央電極の一方の脇に配置されており、第2の左脇電極は、第2の中央電極の他方の脇に配置されているようにしたものである。
(27) The 27th aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 22nd aspects described above.
The first upper layer electrode group has a total of three types of upper layer electrodes, which are the first right armpit electrode and the first left armpit electrode plus the first central electrode.
Each of the upper layer electrodes constituting the first upper layer electrode group is arranged so as to extend along the first longitudinal axis, and faces a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween.
The first central electrode is arranged at the position of the center line along the first longitudinal axis of the first plate-shaped bridge portion, and the first right armpit electrode is one of the first central electrodes. It is located on the side and the first left armpit electrode is located on the other side of the first center electrode.
The second upper layer electrode group has a total of three types of upper layer electrodes, which are the second right armpit electrode and the second left armpit electrode plus the second central electrode.
Each of the upper layer electrodes constituting the second upper layer electrode group is arranged so as to extend along the second longitudinal axis, and faces a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween.
The second central electrode is arranged at the position of the center line along the second longitudinal axis of the second plate-shaped bridge portion, and the second right armpit electrode is one of the second central electrodes. It is arranged on the side, and the second left armpit electrode is arranged so as to be arranged on the other side of the second center electrode.
(28) 本発明の第28の態様は、上述した第27の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
第1の中央電極、第1の右脇電極および第1の左脇電極が、第1の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の中央電極、第2の右脇電極および第2の左脇電極が、第2の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(28) The 28th aspect of the present invention is the power generation element according to the 27th aspect described above.
The lower layer electrode is formed on the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and the piezoelectric element is formed on the upper surface of the lower layer electrode.
The first center electrode, the first right armpit electrode, and the first left armpit electrode are formed on the upper surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second center electrode, the second right armpit electrode, and the second left armpit electrode are formed on the upper surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(29) 本発明の第29の態様は、上述した第27の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第1の右脇電極および第1の左脇電極が、第1の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第1の中央電極が、第1の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の右脇電極および第2の左脇電極が、第2の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の中央電極が、第2の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(29) The 29th aspect of the present invention is the power generation element according to the 27th aspect described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of the lower layer electrode.
The first right armpit electrode and the first left armpit electrode are formed on the side surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The first central electrode is formed on the upper surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second right armpit electrode and the second left armpit electrode are formed on the side surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second central electrode is formed on the upper surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(30) 本発明の第30の態様は、上述した第27の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第1の右脇電極および第1の左脇電極が、第1の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第1の中央電極が、第1の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の右脇電極および第2の左脇電極が、第2の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の中央電極が、第2の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(30) The thirtieth aspect of the present invention is the power generation element according to the twenty-seventh aspect described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of the lower layer electrode.
The first right armpit electrode and the first left armpit electrode are formed from the upper surface to the side surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The first central electrode is formed on the upper surface of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second right armpit electrode and the second left armpit electrode are formed from the upper surface to the side surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second central electrode is formed on the upper surface of the second plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
(31) 本発明の第31の態様は、上述した第27〜第30の態様に係る発電素子において、
第1の上層電極群が、第1の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第1の根端部側電極群と、第1の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第1の先端部側電極群とを有し、
第2の上層電極群が、第2の板状橋梁部の根端部近傍に配置された第2の根端部側電極群と、第2の板状橋梁部の先端部近傍に配置された第2の先端部側電極群とを有し、
第1の根端部側電極群、第1の先端部側電極群、第2の根端部側電極群および第2の先端部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極および左脇電極なる3種類の上層電極を有するようにしたものである。
(31) The 31st aspect of the present invention is the power generation element according to the 27th to 30th aspects described above.
The first upper layer electrode group was arranged in the vicinity of the first root end side electrode group arranged near the root end portion of the first plate-shaped bridge portion and the tip portion of the first plate-shaped bridge portion. It has a first tip side electrode group and
The second upper layer electrode group was arranged in the vicinity of the tip portion of the second plate-shaped bridge portion and the second root end portion side electrode group arranged in the vicinity of the root end portion of the second plate-shaped bridge portion. It has a second tip side electrode group and
The first root end side electrode group, the first tip side electrode group, the second root end side electrode group, and the second tip side electrode group are the center electrode, the right side electrode, and the left side, respectively. It has three types of upper layer electrodes, which are electrodes.
(32) 本発明の第32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、
可撓性を有する第1の板状橋梁部および可撓性を有する第2の板状橋梁部と、
第1の板状橋梁部の先端部および第2の板状橋梁部の先端部の双方に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
第1の板状橋梁部、第2の板状橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
第1の板状橋梁部の根端部および第2の板状橋梁部の根端部を装置筐体に固定する固定部と、
第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と、
圧電素子の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、
上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
第1の板状橋梁部の根端部と第2の板状橋梁部の根端部とは、固定部の同一の起点部分に接続されており、
第1の板状橋梁部の先端部近傍部分はX軸に平行な方向に伸びており、第1の板状橋梁部の根端部近傍部分はY軸に平行な方向に伸びており、第1の板状橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、
第2の板状橋梁部の先端部近傍部分はY軸に平行な方向に伸びており、第2の板状橋梁部の根端部近傍部分はX軸に平行な方向に伸びており、第2の板状橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で各座標軸方向に振動するように構成され、
圧電素子は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
上層電極群は、第1の板状橋梁部の先端部近傍部分の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第1の先端部側上層電極群と、第1の板状橋梁部の根端部近傍部分の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第1の根端部側上層電極群と、第2の板状橋梁部の先端部近傍部分の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第2の先端部側上層電極群と、第2の板状橋梁部の根端部近傍部分の表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第2の根端部側上層電極群と、を有しており、
第1の先端部側上層電極群は、第1の先端部側右脇電極および第1の先端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、X軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第1の板状橋梁部の先端部近傍部分にX軸に平行な第1の先端部側中心線を定義したときに、第1の先端部側右脇電極は第1の先端部側中心線の一方の脇に配置されており、第1の先端部側左脇電極は第1の先端部側中心線の他方の脇に配置されており、
第1の根端部側上層電極群は、第1の根端部側右脇電極および第1の根端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、Y軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第1の板状橋梁部の根端部近傍部分にY軸に平行な第1の根端部側中心線を定義したときに、第1の根端部側右脇電極は第1の根端部側中心線の一方の脇に配置されており、第1の根端部側左脇電極は第1の根端部側中心線の他方の脇に配置されており、
第2の先端部側上層電極群は、第2の先端部側右脇電極および第2の先端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、Y軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第2の板状橋梁部の先端部近傍部分にY軸に平行な第2の先端部側中心線を定義したときに、第2の先端部側右脇電極は第2の先端部側中心線の一方の脇に配置されており、第2の先端部側左脇電極は第2の先端部側中心線の他方の脇に配置されており、
第2の根端部側上層電極群は、第2の根端部側右脇電極および第2の根端部側左脇電極なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、X軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第2の板状橋梁部の根端部近傍部分にX軸に平行な第2の根端部側中心線を定義したときに、第2の根端部側右脇電極は第2の根端部側中心線の一方の脇に配置されており、第2の根端部側左脇電極は第2の根端部側中心線の他方の脇に配置されているようにしたものである。
(32) A 32nd 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.
A first plate-shaped bridge portion having flexibility and a second plate-shaped bridge portion having flexibility,
A weight body directly or indirectly connected to both the tip of the first plate-shaped bridge and the tip of the second plate-shaped bridge,
A device housing for accommodating a first plate-shaped bridge portion, a second plate-shaped bridge portion, and a weight body,
A fixing portion for fixing the root end portion of the first plate-shaped bridge portion and the root end portion of the second plate-shaped bridge portion to the device housing, and
The lower layer electrodes formed in layers on the surfaces of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and
Piezoelectric elements formed in layers on the surface of the lower electrode,
A group of upper layer electrodes consisting of a plurality of upper layer electrodes locally formed on the surface of the piezoelectric element,
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated in the upper and lower electrodes and extracts power.
And
The root end of the first plate-shaped bridge and the root end of the second plate-shaped bridge are connected to the same starting point of the fixed portion.
The portion near the tip of the first plate-shaped bridge extends in the direction parallel to the X axis, and the portion near the root end of the first plate-shaped bridge extends in the direction parallel to the Y axis. The intermediate portion between the portion near the tip portion and the portion near the root end portion of the plate-shaped
The portion near the tip of the second plate-shaped bridge extends in the direction parallel to the Y axis, and the portion near the root end of the second plate-shaped bridge extends in the direction parallel to the X axis. The intermediate portion between the portion near the tip portion and the portion near the root end portion of the plate-shaped bridge portion of 2 is curved or bent.
When an external force that vibrates the device housing is applied, the weight body is configured to vibrate in each coordinate axis direction in the device housing due to the bending of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion.
Piezoelectric elements have the property of causing polarization in the thickness direction due to the action of stress that expands and contracts in the layer direction.
The upper layer electrode group includes the first tip side upper layer electrode group formed on the surface of the vicinity of the tip portion of the first plate-shaped bridge portion via the lower layer electrode and the piezoelectric element, and the first plate-shaped bridge portion. The first root end side upper layer electrode group formed on the surface near the root end via the lower electrode and the piezoelectric element, and the lower layer electrode and piezoelectric on the surface near the tip of the second plate-shaped bridge. The second tip side upper layer electrode group formed via the element and the second root end formed via the lower layer electrode and the piezoelectric element on the surface of the portion near the root end of the second plate-shaped bridge portion. It has a group of upper layer electrodes on the part side, and
The first tip side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a first tip side right side electrode and a first tip side left side electrode, and each of these upper layer electrodes is in the X-axis direction. The center of the first tip side parallel to the X-axis in the vicinity of the tip of the first plate-shaped bridge, which is arranged so as to extend along the When the line is defined, the first tip side right side electrode is arranged on one side of the first tip side center line, and the first tip side left side electrode is the first tip side. It is located on the other side of the side center line and
The first root end side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a first root end side right side electrode and a first root end side left side electrode, and each of these upper layer electrodes is The first plate-like bridge is arranged so as to extend along the Y-axis direction, faces a predetermined region of the lower electrode with a piezoelectric element sandwiched between the electrodes, and is parallel to the Y-axis in the vicinity of the root end of the first plate-shaped bridge portion. When the root end side center line is defined, the first root end side right side electrode is located on one side of the first root end side center line, and the first root end side left side. The side electrode is located on the other side of the first root end side center line.
The second tip side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a second tip side right side electrode and a second tip side left side electrode, and each of these upper layer electrodes is in the Y-axis direction. The center of the second tip side parallel to the Y axis in the vicinity of the tip of the second plate-shaped bridge, which is arranged so as to extend along the When the line is defined, the second tip side right side electrode is located on one side of the second tip side center line, and the second tip side left side electrode is the second tip side. It is located on the other side of the side center line and
The second root end side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a second root end side right side electrode and a second root end side left side electrode, and each of these upper layer electrodes is A second plate-like bridge that is arranged so as to extend along the X-axis direction, faces a predetermined region of the lower electrode with a piezoelectric element in between, and is parallel to the X-axis in a portion near the root end of the second plate-shaped bridge portion. When the root end side center line is defined, the second root end side right side electrode is located on one side of the second root end side center line, and the second root end side left side. The side electrode is arranged on the other side of the second root end side center line.
(33) 本発明の第33の態様は、上述した第32の態様に係る発電素子において、
第1の板状橋梁部の先端部および第2の板状橋梁部の先端部の双方に接続された中間接続部を有し、重錘体が中間接続部に接続されており、
固定部の下面は装置筐体の底板の上面に固定されており、第1の板状橋梁部、第2の板状橋梁部、中間接続部および重錘体は、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になっているようにしたものである。
(33) The 33rd aspect of the present invention is the power generation element according to the 32nd aspect described above.
It has an intermediate connection portion connected to both the tip portion of the first plate-shaped bridge portion and the tip portion of the second plate-shaped bridge portion, and the weight body is connected to the intermediate connection portion.
The lower surface of the fixing portion is fixed to the upper surface of the bottom plate of the apparatus housing, and the first plate-shaped bridge portion, the second plate-shaped bridge portion, the intermediate connecting portion, and the weight body are in a state where no external force acts. It is designed to be suspended in the air above the bottom plate of the device housing.
(34) 本発明の第34の態様は、上述した第33の態様に係る発電素子において、
中間接続部が、第1の板状橋梁部の先端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部と第2の板状橋梁部の先端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部とを有し、
固定部が、第1の板状橋梁部の根端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部と第2の板状橋梁部の根端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部とを有するようにしたものである。
(34) The 34th aspect of the present invention is the power generation element according to the 33rd aspect described above.
The eaves structure portion in which the intermediate connection portion protrudes to the left and right sides from the side surface of the tip portion of the first plate-shaped bridge portion and the eaves structure portion protruding to the left and right sides from the side surface of the tip portion of the second plate-shaped bridge portion. And have
The eaves structure in which the fixed portion protrudes to the left and right sides from the side surface of the root end portion of the first plate-shaped bridge portion and the eaves structure protruding to the left and right sides from the side surface of the root end portion of the second plate-shaped bridge portion. It is designed to have a part.
(35) 本発明の第35の態様は、上述した第32〜第34の態様に係る発電素子において、
固定部が、環状構造体によって構成されており、この環状構造体によって囲まれた内部領域に第1の板状橋梁部、第2の板状橋梁部および重錘体が配置されており、かつ、第1の板状橋梁部と第2の板状橋梁部とによって周囲を囲まれた領域内に重錘体が配置されているようにしたものである。
(35) The 35th aspect of the present invention is the power generation element according to the 32nd to 34th aspects described above.
The fixing portion is composed of an annular structure, and a first plate-shaped bridge portion, a second plate-shaped bridge portion and a weight body are arranged in an internal region surrounded by the annular structure, and , The weight body is arranged in the area surrounded by the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion.
(36) 本発明の第36の態様は、上述した第35の態様に係る発電素子において、
固定部と重錘体との役割を逆転させ、上記発電素子において固定部として機能していた環状構造体を重錘体として機能させ、上記発電素子において重錘体として機能していた板状体を固定部として機能させるために、上記板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、上記環状構造体が、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにしたものである。
(36) The 36th aspect of the present invention is the power generation element according to the 35th aspect described above.
The role of the fixed portion and the weight body is reversed, the annular structure that was functioning as the fixed portion in the power generation element is made to function as the weight body, and the plate-like body that is functioning as the weight body in the power generation element. The lower surface of the plate-shaped body was fixed to the upper surface of the bottom plate of the device housing, and the annular structure floated above the bottom plate of the device housing in a state where no external force was applied. It is designed to be suspended in the air.
(37) 本発明の第37の態様は、上述した第32〜第36の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面に形成され、圧電素子がこの下層電極の上面に形成され、
第1の先端部側右脇電極、第1の先端部側左脇電極、第1の根端部側右脇電極、第1の根端部側左脇電極が、第1の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の先端部側右脇電極、第2の先端部側左脇電極、第2の根端部側右脇電極、第2の根端部側左脇電極が、第2の板状橋梁部の上面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(37) The 37th aspect of the present invention is the power generation element according to the 32nd to 36th aspects described above.
The lower layer electrode is formed on the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and the piezoelectric element is formed on the upper surface of the lower layer electrode.
The first tip side right armpit electrode, the first tip side left armpit electrode, the first root end side right armpit electrode, and the first root end side left armpit electrode are the first plate-shaped bridge portion. It is formed on the upper surface of the armpit via a lower layer electrode and a piezoelectric element.
The second tip side right armpit electrode, the second tip side left armpit electrode, the second root end side right armpit electrode, and the second root end side left armpit electrode are the second plate-shaped bridge portion. It is formed on the upper surface of the armpit via a lower layer electrode and a piezoelectric element.
(38) 本発明の第38の態様は、上述した第32〜第36の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第1の先端部側右脇電極、第1の先端部側左脇電極、第1の根端部側右脇電極、第1の根端部側左脇電極が、第1の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の先端部側右脇電極、第2の先端部側左脇電極、第2の根端部側右脇電極、第2の根端部側左脇電極が、第2の板状橋梁部の側面に下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(38) The 38th aspect of the present invention is the power generation element according to the 32nd to 36th aspects described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of the lower layer electrode.
The first tip side right armpit electrode, the first tip side left armpit electrode, the first root end side right armpit electrode, and the first root end side left armpit electrode are the first plate-shaped bridge portion. It is formed on the side surface of the armpit via a lower layer electrode and a piezoelectric element.
The second tip side right armpit electrode, the second tip side left armpit electrode, the second root end side right armpit electrode, and the second root end side left armpit electrode are the second plate-shaped bridge portion. It is formed on the side surface of the armpit via a lower layer electrode and a piezoelectric element.
(39) 本発明の第39の態様は、上述した第32〜第36の態様に係る発電素子において、
下層電極が第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部の上面とともに側面にも形成され、圧電素子がこの下層電極の表面に形成され、
第1の先端部側右脇電極、第1の先端部側左脇電極、第1の根端部側右脇電極、第1の根端部側左脇電極が、第1の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されており、
第2の先端部側右脇電極、第2の先端部側左脇電極、第2の根端部側右脇電極、第2の根端部側左脇電極が、第2の板状橋梁部の上面から側面にかけて下層電極および圧電素子を介して形成されているようにしたものである。
(39) The 39th aspect of the present invention is the power generation element according to the 32nd to 36th aspects described above.
A lower layer electrode is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion, and a piezoelectric element is formed on the surface of the lower layer electrode.
The first tip side right armpit electrode, the first tip side left armpit electrode, the first root end side right armpit electrode, and the first root end side left armpit electrode are the first plate-shaped bridge portion. It is formed from the upper surface to the side surface via the lower layer electrode and the piezoelectric element.
The second tip side right armpit electrode, the second tip side left armpit electrode, the second root end side right armpit electrode, and the second root end side left armpit electrode are the second plate-shaped bridge portion. It is formed from the upper surface to the side surface via a lower layer electrode and a piezoelectric element.
(40) 本発明の第40の態様は、上述した第11〜第39の態様に係る発電素子において、
固定部に、重錘体に向けた方向に突出するストッパ突起を設け、
重錘体に、ストッパ突起の先端部を収容するストッパ溝を設け、
ストッパ突起の先端部の外面とストッパ溝の内面と間に所定の空隙部を維持しつつ、ストッパ突起の先端部とストッパ溝とを嵌合状態にしたものである。
(40) The 40th aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 39th aspects described above.
The fixed part is provided with a stopper protrusion that protrudes in the direction toward the weight body.
The weight body is provided with a stopper groove for accommodating the tip of the stopper protrusion.
While maintaining a predetermined gap between the outer surface of the tip of the stopper protrusion and the inner surface of the stopper groove, the tip of the stopper protrusion and the stopper groove are in a fitted state.
(41) 本発明の第41の態様は、上述した第11〜第40の態様に係る発電素子において、
XYZ三次元座標系として、X軸,Y軸,Z軸が相互に直交する三次元直交座標系を用いるようにしたものである。
(41) The 41st aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 40th aspects described above.
As the XYZ three-dimensional coordinate system, a three-dimensional Cartesian coordinate system in which the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are orthogonal to each other is used.
(42) 本発明の第42の態様は、上述した第11〜第40の態様に係る発電素子において、
XYZ三次元座標系として、少なくともX軸とY軸とが直交しない三次元非直交座標系を用いるようにしたものである。
(42) The 42nd aspect of the present invention is the power generation element according to the 11th to 40th aspects described above.
As the XYZ three-dimensional coordinate system, at least a three-dimensional non-orthogonal coordinate system in which the X-axis and the Y-axis are not orthogonal to each other is used.
(43) 本発明の第43の態様は、上述した第1〜第42の態様に係る発電素子において、
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。
(43) The 43rd aspect of the present invention is the power generation element according to the 1st to 42nd aspects described above.
The power generation circuit has a capacitive element, a positive charge rectifying element whose forward direction is from each upper layer electrode toward the positive electrode side of the capacitive element in order to guide the positive charge generated in each upper layer electrode to the positive electrode side of the capacitive element. It has a negative charge rectifying element whose forward direction is from the negative electrode side of the capacitive element toward 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.
(44) 本発明の第44の態様は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子において、
所定の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する橋梁部と、
橋梁部の一端に接続された重錘体と、
橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
橋梁部の他端を装置筐体に固定する固定部と、
橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、 を設け、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成され、
圧電素子は、橋梁部の表面の、上記振動に基づいて伸縮変形が生じる位置であって上記長手方向軸に沿った中心線から外れる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生するようにしたものである。
(44) A 44th aspect of the present invention is in a power generation element that generates power by converting vibration energy into electrical energy.
A flexible bridge that extends along a predetermined longitudinal axis,
A weight body connected to one end of the bridge,
A device housing that houses the bridge and weight,
A fixing part that fixes the other end of the bridge part to the device housing,
Piezoelectric elements fixed in place on the surface of the bridge,
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated in the piezoelectric element and extracts electric power is provided.
When an external force that vibrates the device housing is applied, the weight is configured to vibrate inside the device housing due to the bending of the bridge.
The piezoelectric element is arranged on the surface of the bridge at a position where expansion and contraction deformation occurs based on the vibration and is off the center line along the longitudinal axis, and charges are generated based on this expansion and contraction deformation. I tried to do it.
(45) 本発明の第45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、可撓性を有する第1の橋梁部と、
第1の橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、第2の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第2の橋梁部と、
第2の橋梁部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
第1の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
第1の橋梁部の一端を装置筐体に固定する固定部と、
第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、 を設け、
固定部は、第1の橋梁部の根端部を装置筐体に固定し、第1の橋梁部の先端部は第2の橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第2の橋梁部の先端部に重錘体が直接もしくは間接的に接続されており、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の橋梁部および第2の橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成され、
圧電素子は、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の、上記振動に基づいて伸縮変形が生じる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生するようにしたものである。
(45) A 45th aspect of the present invention is in a power generation element that generates power by converting vibration energy into electrical energy.
A first bridge section that extends along the first longitudinal axis and has flexibility,
A second bridge portion that is directly or indirectly connected to the first bridge portion, extends along a second longitudinal axis, and has flexibility.
With a weight body directly or indirectly connected to the second bridge part,
A device housing for accommodating a first bridge portion, a second bridge portion, and a weight body, and
A fixing part that fixes one end of the first bridge part to the device housing,
Piezoelectric elements fixed in place on the surfaces of the first bridge and the second bridge,
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated in the piezoelectric element and extracts electric power is provided.
In the fixing portion, the root end portion of the first bridge portion is fixed to the device housing, and the tip portion of the first bridge portion is directly or indirectly connected to the root end portion of the second bridge portion, and the second The weight body is directly or indirectly connected to the tip of the bridge part of the bridge.
When an external force that vibrates the device housing is applied, the weight body is configured to vibrate in the device housing due to the bending of the first bridge portion and the second bridge portion.
The piezoelectric element is arranged on the surfaces of the first bridge portion and the second bridge portion at positions where expansion and contraction deformation occurs based on the vibration, and charges are generated based on the expansion and contraction deformation. be.
(46) 本発明の第46の態様は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子において、
可撓性を有する第1の橋梁部および可撓性を有する第2の橋梁部と、
第1の橋梁部の先端部および第2の橋梁部の先端部の双方に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
第1の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、
第1の橋梁部の根端部および第2の橋梁部の根端部を装置筐体に固定する固定部と、
第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、
圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、 を設け、
第1の橋梁部の根端部と第2の橋梁部の根端部とは、固定部の同一の起点部分に接続されており、第1の橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、第2の橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、
装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の橋梁部および第2の橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成され、
圧電素子は、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の、上記振動に基づいて伸縮変形が生じる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生するようにしたものである。
(46) A 46th aspect of the present invention is in a power generation element that generates power by converting vibration energy into electrical energy.
A first bridge portion having flexibility and a second bridge portion having flexibility,
A weight body directly or indirectly connected to both the tip of the first bridge and the tip of the second bridge,
A device housing for accommodating a first bridge portion, a second bridge portion, and a weight body, and
A fixing portion for fixing the root end portion of the first bridge portion and the root end portion of the second bridge portion to the device housing, and a fixing portion.
Piezoelectric elements fixed in place on the surfaces of the first bridge and the second bridge,
A power generation circuit that rectifies the current generated based on the electric charge generated in the piezoelectric element and extracts electric power is provided.
The root end of the first bridge portion and the root end portion of the second bridge portion are connected to the same starting point portion of the fixed portion, and the vicinity of the tip portion and the vicinity of the root end portion of the first bridge portion. The intermediate portion between the portions is curved or bent, and the intermediate portion between the portion near the tip of the second bridge portion and the portion near the root end is curved or bent.
When an external force that vibrates the device housing is applied, the weight body is configured to vibrate in the device housing due to the bending of the first bridge portion and the second bridge portion.
The piezoelectric element is arranged on the surfaces of the first bridge portion and the second bridge portion at positions where expansion and contraction deformation occurs based on the vibration, and charges are generated based on the expansion and contraction deformation. be.
(47) 本発明の第47の態様は、上述した第41の態様に係る発電素子を複数組設けて、個々の発電素子によって取り出された電力を外部に供給する発電装置を構成したものである。 (47) The 47th aspect of the present invention constitutes a power generation device in which a plurality of sets of power generation elements according to the 41st aspect described above are provided and the electric power taken out by each power generation element is supplied to the outside. ..
(48) 本発明の第48の態様は、上述した第47の態様に係る発電装置において、
一部の発電素子におけるX軸方向もしくはY軸方向またはその双方が、別な一部の発電素子におけるこれらの方向と異なる向きに配置されているようにしたものである。
(48) The 48th aspect of the present invention is the power generation device according to the 47th aspect described above.
The X-axis direction, the Y-axis direction, or both of some power generation elements are arranged in a direction different from these directions in another part of the power generation element.
(49) 本発明の第49の態様は、上述した第48の態様に係る発電装置において、
4組の発電素子を有し、第1の発電素子のX軸方向およびY軸方向を基準としたときに、第2の発電素子はY軸方向が逆転する向きに配置され、第3の発電素子はX軸方向が逆転する向きに配置され、第4の発電素子はX軸方向およびY軸方向の双方が逆転する向きに配置されているようにしたものである。
(49) The 49th aspect of the present invention is the power generation device according to the 48th aspect described above.
Having four sets of power generation elements, the second power generation element is arranged in a direction in which the Y-axis direction is reversed when the X-axis direction and the Y-axis direction of the first power generation element are used as a reference, and the third power generation element is generated. The elements are arranged in a direction in which the X-axis direction is reversed, and the fourth power generation element is arranged in a direction in which both the X-axis direction and the Y-axis direction are reversed.
(50) 本発明の第50の態様は、上述した第47〜第49の態様に係る発電装置において、
複数の発電素子の重錘体が、それぞれ異なる共振周波数を有するようにしたものである。
(50) The 50th aspect of the present invention is the power generation device according to the 47th to 49th aspects described above.
The weights of the plurality of power generation elements have different resonance frequencies.
(51) 本発明の第51の態様は、上述した第50の態様に係る発電装置において、
重錘体のXY平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Z軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の質量が異なるようにしたものである。
(51) The 51st aspect of the present invention is the power generation device according to the 50th aspect described above.
By setting the areas of the projected images of the weights on the XY plane to be different from each other, the thicknesses in the Z-axis direction to be different from each other, or both of them, a plurality of power generation elements can be generated. The mass of the weight body is different.
(52) 本発明の第52の態様は、上述した第50または第51の態様に係る発電装置において、
複数の発電素子の第1の板状橋梁部もしくは第2の板状橋梁部またはその双方について、XY平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Z軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の共振周波数が異なるようにしたものである。
(52) The 52nd aspect of the present invention is the power generation device according to the 50th or 51st aspect described above.
For the first plate-shaped bridge portion and / or the second plate-shaped bridge portion of the plurality of power generation elements, the areas of the projected images on the XY plane are set to be different from each other, or the thicknesses in the Z-axis direction are different from each other. By setting such as, or by setting both of them, the resonance frequencies of the weights of the plurality of power generation elements are made different.
本発明に係る発電素子では、片持ち梁を構成する板状橋梁部の一端を固定し、他端に重錘体を接続した構造を採り、板状橋梁部の垂直方向の振動エネルギーとともに水平方向の振動エネルギーを利用することができるようにしたため、振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することができ、高い発電効率を得ることが可能になる。 The power generation element according to the present invention adopts a structure in which one end of a plate-shaped bridge portion constituting a cantilever is fixed and a weight body is connected to the other end, and the plate-shaped bridge portion is subjected to horizontal vibration energy and horizontal direction. Since the vibration energy of the above can be used, the vibration energy can be converted into electric energy without waste, and high power generation efficiency can be obtained.
特に、本発明に係る発電素子の基本的な実施形態では、片持ち梁を構成する板状橋梁部に層状の圧電素子が形成され、その表面に、中央電極、右脇電極、左脇電極なる3種類の上層電極のいくつかが局在的に形成される。ここで、中央電極は、板状橋梁部の上面側の、長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されているため、板状橋梁部の垂直方向の撓みに応じて効率的に電荷を生成することができる。一方、右脇電極および左脇電極は、中央電極の両脇に配置されているため、板状橋梁部の垂直方向の撓みに応じて効率的に電荷を生成することができ、かつ、板状橋梁部の水平方向の撓みに応じて効率的に電荷を生成することができる。このため、垂直方向および水平方向の両方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することができ、高い発電効率を得ることが可能になる。 In particular, in the basic embodiment of the power generation element according to the present invention, a layered piezoelectric element is formed on a plate-shaped bridge portion constituting a cantilever, and a center electrode, a right side electrode, and a left side electrode are formed on the surface thereof. Some of the three types of upper layer electrodes are locally formed. Here, since the central electrode is arranged at the position of the center line along the longitudinal axis on the upper surface side of the plate-shaped bridge portion, the electric charge is efficiently applied according to the vertical deflection of the plate-shaped bridge portion. Can be generated. On the other hand, since the right side electrode and the left side electrode are arranged on both sides of the central electrode, electric charges can be efficiently generated according to the vertical deflection of the plate-shaped bridge portion, and the plate-shaped bridge is formed. Charges can be efficiently generated according to the horizontal deflection of the bridge portion. Therefore, vibration energy including both vertical and horizontal components can be converted into electrical energy without waste, and high power generation efficiency can be obtained.
また、XYZ三次元座標系において、Y軸に平行な方向に沿って配置された第1の板状橋梁部と、X軸に平行な方向に沿って配置された第2の板状橋梁部とを用いる実施形態によれば、第1および第2の板状橋梁部に形成された右脇電極および左脇電極によってX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、更に、第1および第2の板状橋梁部に形成された中央電極を設ければ、Z軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。このため、XYZ三次元座標系における全座標軸方向の成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することができ、更に高い発電効率を得ることが可能になる。 Further, in the XYZ three-dimensional coordinate system, a first plate-shaped bridge portion arranged along the direction parallel to the Y axis and a second plate-shaped bridge portion arranged along the direction parallel to the X axis. According to the embodiment using, the vibration energy in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction is converted into electric energy by the right side electrode and the left side electrode formed in the first and second plate-shaped bridge portions. Further, if the central electrodes formed on the first and second plate-shaped bridge portions are provided, the vibration energy in the Z-axis direction can be converted into electric energy. Therefore, the vibration energy including the components in all the coordinate axis directions in the XYZ three-dimensional coordinate system can be converted into electric energy without waste, and higher power generation efficiency can be obtained.
<<< §1. 第1の実施形態(2軸発電型) >>>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る発電素子を構成する基本構造体の平面図(上段の図(a) )および側面図(下段の図(b) )である。図1(a) に示すとおり、この基本構造体は、固定部10、板状橋梁部20、重錘体30によって構成されている。図1(b) の側面図には、この固定部10の下面が、装置筐体の底板40の上面に固定されている状態が示されている。なお、ここでは便宜上、装置筐体については詳細な図示は省略し、図1(b) において、底板40の一部分をハッチングを施して示すにとどめるが、実際には、この基本構造体の全体を収容するような装置筐体が設けられる。
<<< §1. First Embodiment (2-axis power generation type) >>>
FIG. 1 is a plan view (upper view (a)) and a side view (lower view (b)) of a basic structure constituting the power generation element according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 (a), this basic structure is composed of a fixing
板状橋梁部20は、図の左端が固定部10によって固定されており、右端には重錘体30が接続されている。この板状橋梁部20は片持ち梁として機能し、重錘体30を装置筐体の底板40の上方に宙吊り状態に保持する役割を果たす。以下、板状橋梁部20の固定部10側の端(図の左端)を根端部と呼び、重錘体30側の端(図の右端)を先端部と呼ぶことにする。
The left end of the plate-shaped
この板状橋梁部20は、可撓性を有しているため、外力の作用により撓みが生じる。このため、外部から装置筐体に振動が加えられると、この振動エネルギーによって重錘体30に力が加わり、この力は板状橋梁部20の先端部に作用する。板状橋梁部20の根端部は固定されているため、板状橋梁部20には撓みが生じ、重錘体30が装置筐体内で振動することになる。
Since the plate-shaped
ここでは、振動方向を説明する便宜上、装置筐体が静止した状態において、重錘体30の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。すなわち、図1(a) の平面図においては、図の下方にX軸、図の右方にY軸、紙面垂直上方にZ軸を定義する。図1(b) の側面図においては、図の上方にZ軸、図の右方にY軸、紙面垂直上方にX軸がそれぞれ定義されることになる。本願における以降の各図においても、同様の方向に各座標軸を定義することにする。
Here, for convenience of explaining the vibration direction, the origin O is set at the position of the center of gravity of the
また、説明の便宜上、上述した三次元座標系のXY平面が水平面となり、Z軸が鉛直軸となるような向きに、装置筐体が振動源(たとえば、車両)に取り付けられているものとしよう。したがって、本願において、基本構造体に関して、一般に「上」と言った場合はZ軸正方向を意味し、一般に「下」と言った場合はZ軸負方向を意味する(もちろん、「図の上方」や「図の下方」と言った場合は、当該図における上方や下方を意味する)。 Further, for convenience of explanation, it is assumed that the device housing is attached to a vibration source (for example, a vehicle) so that the XY plane of the above-mentioned three-dimensional coordinate system becomes a horizontal plane and the Z axis becomes a vertical axis. .. Therefore, in the present application, with respect to the basic structure, the term "up" generally means the Z-axis positive direction, and the term "down" generally means the Z-axis negative direction (of course, "upper part of the figure"). "And" the bottom of the figure "means the top and bottom of the figure).
図2(a) は、図1に示す基本構造体において、固定部10の位置を基準として、重錘体30がX軸正方向の変位Δx(+)を生じたときの変形状態を示す平面図である。このような変位は、重錘体30に対してX軸正方向の加速度が作用したときに生じることになる。重錘体30は図の下方に変位するため、板状橋梁部20の図における上辺側はY軸方向に関して伸び、板状橋梁部20の図における下辺側はY軸方向に関して縮むことになる。別言すれば、図に破線で示す中心線より図における上側部分はY軸方向に関して伸び、図における下側部分はY軸方向に関して縮むことになる。本願の図では、便宜上、伸びる部分に符号「+」、縮む部分に符号「−」を小さな円の中に記述して示すことにする。
FIG. 2A is a plane showing a deformed state when the
図2(a) は、X軸正方向の変位Δx(+)が生じたときの状態であるが、X軸負方向の変位Δx(−)が生じたときときは、重錘体30は図の上方に変位することになり、板状橋梁部20の各部の伸縮状態は図2(a) に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体に対して、X軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体の形状は、図2(a) に示す状態とその反転状態とを交互に繰り返しながら変形し、重錘体30は装置筐体内でX軸方向(水平方向)に振動することになる。
FIG. 2A shows a state when a displacement Δx (+) in the positive direction of the X-axis occurs, but when a displacement Δx (−) in the negative direction of the X-axis occurs, the
一方、図2(b) は、図1に示す基本構造体において、固定部10の位置を基準として、重錘体30がZ軸正方向の変位Δz(+)を生じたときの変形状態を示す側面図である。このような変位は、重錘体30に対してZ軸正方向の加速度が作用したときに生じることになる。重錘体30は図の上方に変位するため、板状橋梁部20の図における上面側はY軸方向に関して縮み、板状橋梁部20の図における下面側はY軸方向に関して伸びることになる。別言すれば、板状橋梁部20の上層部分はY軸方向に関して縮み、下層部分はY軸方向に関して伸びることになる。
On the other hand, FIG. 2B shows the deformed state of the basic structure shown in FIG. 1 when the
図2(b) は、Z軸正方向の変位Δz(+)が生じたときの状態であるが、Z軸負方向の変位Δz(−)が生じたときときは、重錘体30は図の下方に変位することになり、板状橋梁部20の各部の伸縮状態は図2(b) に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体に対して、Z軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体の形状は、図2(b) に示す状態とその反転状態とを交互に繰り返しながら変形し、重錘体30は装置筐体内でZ軸方向(上下方向)に振動することになる。
FIG. 2B shows a state when a displacement Δz (+) in the positive direction of the Z axis occurs, but when a displacement Δz (−) in the negative direction of the Z axis occurs, the
なお、ここでは、Y軸方向の変位Δy(+),Δy(−)が生じたときの変形状態の図示は省略する。もちろん、重錘体30に対してY軸方向の加速度が作用すると、板状橋梁部20は全体的にY軸方向に伸びたり、あるいは縮んだりし、重錘体30はY軸方向に変位することになる。ただ、加えられる振動エネルギーの量が同じ場合、Y軸方向の変位Δy(+),Δy(−)の量は、X軸方向の変位Δx(+),Δx(−)の量やZ軸方向の変位Δz(+),Δz(−)の量に比べて小さい。すなわち、Y軸方向の振動エネルギーによって生じる板状橋梁部20の伸縮の量は、X軸もしくはZ軸方向の振動エネルギーによって生じる板状橋梁部20の伸縮の量に比べて小さい。
Here, the illustration of the deformed state when the displacements Δy (+) and Δy (−) in the Y-axis direction occur is omitted. Of course, when the acceleration in the Y-axis direction acts on the
これは、重錘体30のX軸方向の振動やZ軸方向の振動が、図2(a) ,(b) に示すように、板状橋梁部20を所定方向に曲げる変形動作によって行われるのに対し、Y軸方向の振動は、板状橋梁部20を全体的に引き伸ばしたり圧縮したりする変形動作によって行われるため、機械的な変形効率が低いためと考えられる。
This is performed by the deformation operation in which the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Z-axis direction of the
このような理由から、この第1の実施形態に係る発電素子は、重錘体30のX軸方向の振動やZ軸方向の振動に基づいて発電を行う2軸発電型の素子として設計されており、Y軸方向の振動については考慮していない。もちろん、実際には、Y軸方向の振動エネルギーが加わった場合にも発電は可能であるが、その発電効率は、X軸やZ軸方向の振動エネルギーが加わった場合に比べてかなり低いものになる。
For this reason, the power generation element according to the first embodiment is designed as a two-axis power generation type element that generates power based on the vibration of the
なお、ここに示す実施例の場合、固定部10、板状橋梁部20、重錘体30からなる基本構造体は、いずれもシリコン基板から切り出した一体構造体によって構成している。この実施例の場合、板状橋梁部20はX軸方向の幅が1mm、Y軸方向の長さが4mm、Z軸方向の厚みが0.5mm程度のビーム構造を有している。また、重錘体30は、X軸方向の幅が5mm、Y軸方向の幅が3mm、Z軸方向の厚みが0.5mm、固定部10は、X軸方向の幅が5mm、Y軸方向の幅が2mm、Z軸方向の厚みが1mmである。
In the case of the embodiment shown here, the basic structure including the fixed
もちろん、各部の寸法は任意に設定することができる。要するに、板状橋梁部20は、図2に示すような変形が可能な可撓性を有するのに適した寸法に設定すればよく、重錘体30は、外部からの振動エネルギーによって板状橋梁部20に図2に示すような変形を生じさせるのに十分な質量を有する寸法に設定すればよく、固定部10は、この基本構造体全体を装置筐体の底板40に堅固に固着できる寸法に設定すればよい。
Of course, the dimensions of each part can be set arbitrarily. In short, the plate-shaped
なお、図2(b) に示すように、固定部10の厚みは、板状橋梁部20および重錘体30の厚みよりも大きく設定し、重錘体30が装置筐体内で宙吊り状態となり、上下方向に振動できる空間が確保されるようにする。前述したように、この基本構造体は、装置筐体内に収容されることになるが、装置筐体の内壁面(たとえば、図2(b) に示す底板40の上面)と重錘体30との間の空隙寸法を所定値に設定し、装置筐体の内壁面が重錘体30の過度の変位を制限する制御部材として機能するようにするのが好ましい。そうすれば、重錘体30に過度の加速度(板状橋梁部20が破損するような加速度)が加わった場合でも、重錘体30の過度の変位を制限することができ、板状橋梁部20が破損する事態を避けることができる。但し、空隙寸法が狭すぎると、エアーダンピングの影響を受け、発電効率が低下するので注意を要する。
As shown in FIG. 2B, the thickness of the fixing
以上、図1および図2を参照しながら、第1の実施形態に係る発電素子の構成要素となる基本構造体の構造および変形動作を説明したが、発電素子は、この基本構造体に、更に、いくつかの要素を付加することにより構成される。 Although the structure and deformation operation of the basic structure which is a component of the power generation element according to the first embodiment have been described above with reference to FIGS. 1 and 2, the power generation element is further added to this basic structure. , Consists of adding some elements.
図3(a) は、この第1の実施形態に係る発電素子の平面図、図3(b) は、これをYZ平面で切断した側断面図である。図3(b) の側断面図に示すとおり、図1(b) に示す基本構造体(固定部10,板状橋梁部20,重錘体30)の上面には、全面にわたって層状の下層電極E0が形成され、更にその上面には、全面にわたって層状の圧電素子50が形成されている。そして、この圧電素子50の上面には、局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群が形成されている。
FIG. 3A is a plan view of the power generation element according to the first embodiment, and FIG. 3B is a side sectional view of the power generation element cut along a YZ plane. As shown in the side sectional view of FIG. 3 (b), the upper surface of the basic structure (fixed
ここに示す実施例の場合、上層電極群は、図3(a) に示すとおり、6枚の上層電極E11〜E23(図におけるハッチングは、電極形成領域を明瞭に示すために付したものであり、断面を示すものではない)によって構成されている。図3(b) の側断面図では、このうち、YZ切断面に位置する上層電極E12,E22のみが現れている。なお、図3(a) は、この発電素子を上方から見た平面図であるため、基本構造体の全面を覆う圧電素子50が見えていることになるが、便宜上、この図3(a) には、固定部10,板状橋梁部20,重錘体30の位置を破線の引き出し線を用いた符号で示してある。
In the case of the examples shown here, as shown in FIG. 3A, the upper layer electrodes are 6 upper layer electrodes E11 to E23 (hatching in the figure is attached to clearly show the electrode forming region. , Does not indicate a cross section). In the side sectional view of FIG. 3B, only the upper layer electrodes E12 and E22 located on the YZ cut surface appear. Since FIG. 3A is a plan view of the power generation element viewed from above, the
ここでは、図3(a) に示されている6枚の上層電極E11〜E23のうち、重錘体30側に形成された3枚の電極E11,E12,E13を重錘体側電極群と呼び、固定部10側に形成された3枚の電極E21,E22,E23を固定部側電極群と呼ぶことにする。更に、重錘体側電極群については、中央に配置された電極E12を中央電極、その両脇に配置された電極E11,E13をそれぞれ右脇電極,左脇電極と呼ぶことにする。同様に、固定部側電極群についても、中央に配置された電極E22を中央電極、その両脇に配置された電極E21,E23をそれぞれ右脇電極,左脇電極と呼ぶことにする。
Here, of the six upper layer electrodes E11 to E23 shown in FIG. 3A, the three electrodes E11, E12, and E13 formed on the
なお、本願における「右脇」,「左脇」なる文言は、中央電極の両脇に配置された一対の電極を相互に区別するために用いているものであり、便宜上、板状橋梁部の上面をその根端部側から見た場合の左右を意味している。もちろん、板状橋梁部の上面をその先端部側から見ると左右は逆転することになるが、本願では、常に板状橋梁部の上面を根端部側から見た場合の左右を基準として、「右脇」,「左脇」なる文言を用いることにする。 The terms "right armpit" and "left armpit" in the present application are used to distinguish the pair of electrodes arranged on both sides of the central electrode from each other, and for convenience, the plate-shaped bridge portion. It means the left and right when the upper surface is viewed from the root end side. Of course, when the upper surface of the plate-shaped bridge is viewed from the tip side, the left and right sides are reversed, but in the present application, the left and right when the upper surface of the plate-shaped bridge is viewed from the root end side are always used as a reference. We will use the words "right armpit" and "left armpit".
ここに示す実施例の場合、基本構造体(固定部10,板状橋梁部20,重錘体30)は、シリコン基板によって構成されている。また、下層電極E0や上層電極E11〜E23としては、金属などの一般的な導電材料を用いて形成すればよい。ここに示す実施例の場合、厚み300nm程度の薄膜状の金属層(チタン膜と白金膜との二層からなる金属層)により下層電極E0および上層電極E11〜E23を形成している。一方、圧電素子50としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やKNN(ニオブ酸カリウムナトリウム)などを薄膜状にしたものを用いればよい。ここに示す実施例の場合、厚み2μm程度の薄膜状の圧電素子を形成している。
In the case of the embodiment shown here, the basic structure (fixing
図3(b) に示すとおり、この発電素子には、更に、発電回路60が備わっている。図3(b) では、この発電回路60を単なるブロックで示すが、具体的な回路図は後述する。図示のとおり、この発電回路60と、下層電極E0および6枚の上層電極E11〜E23との間には配線が施されており、各上層電極E11〜E23で発生した電荷は、この配線を介して発電回路60によって取り出される。実際には、各配線は、各上層電極E11〜E23とともに、圧電素子50の上面に形成された導電性パターンによって形成することができる。また、基本構造体をシリコン基板によって構成した場合、発電回路60は、このシリコン基板上(たとえば、固定部10の部分)に形成することが可能である。
As shown in FIG. 3B, this power generation element is further provided with a
なお、図3では、装置筐体の図示は省略されているが(図3(b) に示す底板40が装置筐体の一部を構成することになる)、実際には、図3(b) に示されている構造体全体は、図示されていない装置筐体内に収容されている。
Although the device housing is not shown in FIG. 3 (the
結局、この第1の実施形態に係る発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う機能をもった発電素子であり、所定の長手方向軸(図示の例の場合はY軸)に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部20と、この板状橋梁部20の一端(先端部)に接続された重錘体30と、板状橋梁部20および重錘体30を収容する装置筐体と、板状橋梁部20の他端(根端部)を装置筐体(図示の例の場合は底板40の上面)に固定する固定部10と、板状橋梁部20の表面に層状に形成された下層電極E0と、この下層電極E0の表面に層状に形成された圧電素子50と、この圧電素子50の表面に局在的に形成された複数の上層電極E11〜E23からなる上層電極群と、上層電極E11〜E23および下層電極E0に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路60と、を備えていることになる。
After all, the power generation element according to the first embodiment is a power generation element having a function of generating power by converting vibration energy into electric energy, and is a predetermined longitudinal axis (Y axis in the case of the illustrated example). ), A flexible plate-shaped
前述したとおり、このような構造をもった発電素子では、装置筐体を振動させる外力が作用すると、板状橋梁部20の撓みにより重錘体30が装置筐体内で振動する。そして、この板状橋梁部20の撓みは、圧電素子50に伝達され、圧電素子50にも同様の撓みが生じることになる。ここで、圧電素子50は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有しているため、その上面および下面に電荷が発生することになる。発生した電荷は上層電極E11〜E23および下層電極E0から取り出される。
As described above, in the power generation element having such a structure, when an external force that vibrates the device housing acts, the
ここに示す実施例の場合、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、逆に、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる圧電素子50を用いている。もちろん、圧電素子によっては、これと全く逆の分極特性を有するものもあり、本発明に係る発電素子には、いずれの分極特性を有する圧電素子を用いてもかまわない。
In the case of the embodiment shown here, when a stress extending in the layer direction acts, a positive charge is generated on the upper surface side and a negative charge is generated on the lower surface side, and conversely, when a stress contracting in the layer direction acts, a negative charge and a lower surface are generated on the upper surface side. A
続いて、この発電素子の具体的な発電動作をみてみよう。図3(a) に示す実施例の場合、上層電極群は、板状橋梁部20の重錘体30との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群E11〜E13と、板状橋梁部20の固定部10との接続部分近傍に配置された固定部側電極群E21〜E23とに分けられる。そして、重錘体側電極群は、中央電極E12、右脇電極E11、左脇電極E13という3種類の電極によって構成され、固定部側電極群も、中央電極E22、右脇電極E21、左脇電極E23という3種類の電極によって構成されている。
Next, let's look at the specific power generation operation of this power generation element. In the case of the embodiment shown in FIG. 3A, the upper layer electrode group includes the weight body side electrode groups E11 to E13 arranged in the vicinity of the connection portion of the plate-shaped
この6枚の上層電極E11〜E23は、いずれも板状橋梁部20の長手方向軸(Y軸)に沿って伸びるように配置され、圧電素子50を挟んで下層電極E0の所定領域に対向している。別言すれば、下層電極E0および圧電素子50は共通であるが、6枚の上層電極E11〜E23は、それぞれ局在的に個別に配置されているため、6個の個別の発電体がそれぞれ特定の位置に配置されていることになる。
All of the six upper layer electrodes E11 to E23 are arranged so as to extend along the longitudinal axis (Y axis) of the plate-shaped
ここで、中央電極E12,E22は、板状橋梁部20の上面側の、長手方向軸(Y軸)に沿った中心線の位置(Y軸を圧電素子50の上面まで平行移動した線の位置)に配置されており、重錘体30がZ軸方向に振動しているときに効率的に電荷を取り出すことを意図して設けられた電極である。
Here, the center electrodes E12 and E22 are located on the upper surface side of the plate-shaped
また、右脇電極E11は、中央電極E12の一方の脇(根端部側から見たときに右脇)に配置されており、左脇電極E13は、中央電極E12の他方の脇(根端部側から見たときに左脇)に配置されている。同様に、右脇電極E21は、中央電極E22の一方の脇(根端部側から見たときに右脇)に配置されており、左脇電極E23は、中央電極E22の他方の脇(根端部側から見たときに左脇)に配置されている。これらの各脇電極は、重錘体30がX軸方向に振動しているときに効率的に電荷を取り出すことを意図して設けられた電極である。
Further, the right armpit electrode E11 is arranged on one side of the center electrode E12 (right side when viewed from the root end side), and the left armpit electrode E13 is located on the other side of the center electrode E12 (root end). It is located on the left side when viewed from the part side). Similarly, the right armpit electrode E21 is arranged on one side of the center electrode E22 (right side when viewed from the root end side), and the left armpit electrode E23 is located on the other side of the center electrode E22 (root). It is located on the left side when viewed from the end side). Each of these side electrodes is an electrode provided with the intention of efficiently extracting electric charge when the
図4は、図3に示す発電素子において、下層電極E0を共通電極として、重錘体30に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極E11〜E23および下層電極E0に生じる電荷の極性を示す表である。表における符号「+」は正電荷の発生を示し、符号「−」は負電荷の発生を示している。また、符号「0」は、電荷の発生が全くないか、もしくは、符号「+」や符号「−」で示す場合に比べて少量の電荷しか発生しない状態を示している。実用上、符号「0」に相当する欄における発生電荷は有意な量ではないため、以下の説明では無視することにする。
In FIG. 4, in the power generation element shown in FIG. 3, when the lower layer electrode E0 is used as a common electrode and the
重錘体30に各座標軸方向の変位が生じると、板状橋梁部20に図2(a) ,(b) に示すような撓みが生じる。一方、圧電素子50は、上述したとおり、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる分極特性を有している。これらの点を踏まえれば、図4に示す表が得られることは容易に理解できよう。
When the
たとえば、X軸正方向の変位Δx(+)が生じたときは、図2(a) に示すような変形が生じるため、右脇電極E11,E21の直下の圧電素子は長手方向に縮み、右脇電極E11,E21には負電荷が発生する。一方、左脇電極E13,E23の直下の圧電素子は長手方向に伸び、左脇電極E13,E23には正電荷が発生する。このとき、中心線上に配置されている中央電極E12,E22の直下の圧電素子は、その半身が伸び半身が縮むため、発生電荷は相殺され、中央電極E12,E22に電荷は発生しない。これに対して、下層電極E0には、各上層電極E11,E13,E21,E23に発生した電荷と逆極性の電荷が発生することになるが、これら各上層電極の発生電荷の総和は0になるため、下層電極E0の発生電荷も0になる。 For example, when a displacement Δx (+) in the positive direction of the X-axis occurs, the deformation as shown in FIG. Negative charges are generated in the side electrodes E11 and E21. On the other hand, the piezoelectric element directly below the left armpit electrodes E13 and E23 extends in the longitudinal direction, and positive charges are generated in the left armpit electrodes E13 and E23. At this time, since the piezoelectric element directly below the center electrodes E12 and E22 arranged on the center line extends and the half body contracts, the generated charges are canceled and no charges are generated in the center electrodes E12 and E22. On the other hand, in the lower layer electrode E0, a charge having the opposite polarity to the charge generated in each upper layer electrode E11, E13, E21, E23 is generated, but the total of the generated charges in each upper layer electrode is 0. Therefore, the generated charge of the lower layer electrode E0 also becomes 0.
また、Z軸正方向の変位Δz(+)が生じたときは、図2(b) に示すような変形が生じるため、6枚の上層電極E11〜E23の直下のすべての圧電素子は長手方向に縮み、すべての上層電極に負電荷が発生する。これに対して、下層電極E0には、各上層電極E11〜E23に発生した電荷(負電荷)の総和に等しい逆極性の電荷(正電荷)が発生することになる。図4の表において、変位Δz(+)の行の下層電極E0の欄に記されている「++++++」なる符号は、このような状態を示すものである。 Further, when the displacement Δz (+) in the positive direction of the Z axis occurs, the deformation as shown in FIG. 2B occurs, so that all the piezoelectric elements directly under the six upper layer electrodes E11 to E23 are in the longitudinal direction. Shrinks to generate a negative charge on all upper electrodes. On the other hand, in the lower layer electrode E0, a charge (positive charge) having the opposite polarity equal to the sum of the charges (negative charge) generated in each of the upper layer electrodes E11 to E23 is generated. In the table of FIG. 4, the reference numeral “++++++” written in the column of the lower layer electrode E0 in the row of the displacement Δz (+) indicates such a state.
一方、Y軸正方向の変位Δy(+)が生じたときは、6枚の上層電極E11〜E23の直下のすべての圧電素子は長手方向に伸びるため、すべての上層電極に正電荷が生じる。ただ、前述したとおり、重錘体30に対してY軸方向の加速度が作用したときのY軸方向の変位Δy(+)の量は、X軸方向の加速度が作用したときのX軸方向の変位Δx(+)の量やZ軸方向の加速度が作用したときのZ軸方向の変位Δz(+)の量に比べると小さいため、正電荷の発生量も僅かなものになる。そこで、図4の表では、Δy(+)の欄すべてに符号「0」を記し、有意な発電が行われないことを示してある。
On the other hand, when the displacement Δy (+) in the positive direction of the Y-axis occurs, all the piezoelectric elements directly under the six upper layer electrodes E11 to E23 extend in the longitudinal direction, so that positive charges are generated in all the upper layer electrodes. However, as described above, the amount of displacement Δy (+) in the Y-axis direction when the acceleration in the Y-axis direction acts on the
なお、図4の表は、重錘体30に対して、各座標軸の正方向への変位Δx(+),Δy(+),Δz(+)が生じたときの各上層電極の発生電荷を示すものであるが、各座標軸の負方向への変位Δx(−),Δy(−),Δz(−)が生じたときは、図4の表の符号を逆転させた結果が得られる。通常、外部から振動エネルギーが与えられると、重錘体30は装置筐体内で振動することになるので、当該振動の周期に同期して、図4に示す表の符号は反転し、また、電荷の発生量も周期的に増減することになる。
In addition, the table of FIG. 4 shows the electric charge generated by each upper layer electrode when the positive displacement Δx (+), Δy (+), Δz (+) of each coordinate axis occurs with respect to the
実際には、外部から与えられる振動エネルギーは、XYZ三次元座標系における各座標軸方向成分を有するものになるので、重錘体30の変位は、Δx(±),Δy(±),Δz(±)を合成したものになり、しかも時々刻々と変化してゆくことになる。このため、たとえば、変位Δx(+)とΔz(+)とが同時に生じると、図4の表に示すとおり、上層電極E13やE23には、正電荷と負電荷との双方が発生することになり、上層電極E13やE23に発生した一部の電荷は相殺されてしまい、有効に取り出すことはできない。
In reality, the vibration energy given from the outside has each coordinate axis direction component in the XYZ three-dimensional coordinate system, so that the displacement of the
このように、重錘体30の振動形態によっては、必ずしも100%効率的な発電が行われるわけではないが、全体としてみれば、重錘体30のX軸方向の振動エネルギーとZ軸方向の振動エネルギーとの双方を取り出して発電が可能になる。このように、重錘体30の振動エネルギーのうち、2軸方向成分を利用した発電が可能になる点が、本発明の第1の実施形態に係る発電素子の特徴であり、そのような特徴により、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換し、高い発電効率を得る、という目的が達成されることになる。
As described above, depending on the vibration form of the
発電回路60は、これら上層電極E11〜E23および下層電極E0に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す役割を果たす。ここに示す実施例の場合、下層電極E0は共通電極として基準電位を確保する機能を果たすことになるので、実際は、上層電極E11〜E23から流れ出る電流と、上層電極E11〜E23に流れ込む電流とを別個に集めて蓄電を行えばよい。
The
図5は、図3に示す発電素子に用いられている発電回路60の具体的な構成を示す回路図である。ここで、P11〜P23は、圧電素子50の一部分を示しており、それぞれ上層電極E11〜E23の直下に位置する部分に相当する。また、回路図上に白丸で示すE0は下層電極,E11〜E23は上層電極に対応する。D11(+)〜D13(−)は、整流素子(ダイオード)であり、符号(+)が付された各整流素子は、各上層電極に発生した正電荷を取り出す役割を果たし、符号(−)が付された各整流素子は、各上層電極に発生した負電荷を取り出す役割を果たす。同様に、D0(+)およびD0(−)も、整流素子(ダイオード)であり、下層電極E0に発生した正および負電荷を取り出す役割を果たす。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a specific configuration of the
一方、Cfは平滑用の容量素子(コンデンサ)であり、その正極端子(図の上方端子)には取り出された正電荷が供給され、負極端子(図の下方端子)には取り出された負電荷が供給される。上述したとおり、重錘体30の振動により発生する電荷の量は振動に応じた周期で増減するため、各整流素子を流れる電流は脈流になる。容量素子Cfは、この脈流を平滑化する役割を果たす。重錘体30の振動が安定した定常時には、容量素子Cfのインピーダンスはほとんど無視しうる。
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. As described above, since the amount of electric charge generated by the vibration of the
容量素子Cfに並列接続されているZLは、本発電素子によって発電された電力の供給を受ける機器の負荷を示している。発電効率を向上させるためには、負荷ZLのインピーダンスと圧電素子50の内部インピーダンスとを整合させておくのが好ましい。したがって、電力供給を受ける機器が予め想定されている場合は、当該機器の負荷ZLのインピーダンスに整合した内部インピーダンスをもつ圧電素子を採用して本発電素子の設計を行うようにするのが好ましい。
The ZL connected in parallel to the capacitive element Cf indicates the load of the device that receives the power generated by the present power generation element. In order to improve the power generation efficiency, it is preferable to match the impedance of the load ZL with the internal impedance of the
結局、発電回路60は、容量素子Cfと、各上層電極E11〜E23に発生した正電荷を容量素子Cfの正極側へ導くために各上層電極E11〜E23から容量素子Cfの正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子D11(+)〜D23(+)と、各上層電極E11〜E23に発生した負電荷を容量素子Cfの負極側へ導くために容量素子Cfの負極側から各上層電極E11〜E23へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子D11(−)〜D23(−)と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子Cfにより平滑化して負荷ZLに供給する機能を果たすことになる。
After all, the
なお、図5の回路図を見ればわかるように、負荷ZLには、正電荷用整流素子D11(+)〜D13(+)で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子D11(−)〜D13(−)で取り出された負電荷とが供給されることになる。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各上層電極E11〜E23に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなるようにすれば、最も効率的な発電が可能になる。別言すれば、ある瞬間において発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが不均衡な場合、両者の等しい分だけが負荷ZLで電力として利用される。 As can be seen from the circuit diagram of FIG. 5, the load ZL includes the positive charge taken out by the positive charge rectifying elements D11 (+) to D13 (+) and the negative charge rectifying element D11 (−). The negative charge taken out by ~ D13 (−) will be supplied. 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 E11 to E23 are equal to each other at each moment. In other words, when the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated at a certain moment are unbalanced, only the equal amount of both is used as electric power in the load ZL.
もちろん、実際には、圧電素子で発生した電荷は平滑用容量素子Cfに一時的に蓄積されるので、実際に行われる発電動作の挙動は、瞬時の現象ではなく、時間平均をとった現象として捉えるべきものになり、正確な解析を行うには複雑なパラメータ設定が必要になる。ただ、一般論としては、個々の瞬間において、各上層電極E11〜E23に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなるようにするのが、効率的な発電を行う上で好ましい。 Of course, in reality, the electric charge generated by the piezoelectric element is temporarily accumulated in the smoothing capacitance element Cf, so that the behavior of the power generation operation actually performed is not an instantaneous phenomenon but a phenomenon obtained by taking a time average. It is something that should be captured, and complicated parameter settings are required for accurate analysis. However, as a general theory, it is preferable to make the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated in each upper layer electrode E11 to E23 equal at each moment in order to perform efficient power generation.
ここに示す実施例の場合、図3に示す上層電極において、右脇電極E11と左脇電極E13は、YZ平面に関して面対称をなし、同様に、右脇電極E21と左脇電極E23は、YZ平面に関して面対称をなしている。このような対称構造を採用すれば、重錘体30がX軸方向に振動した場合、これら4枚の上層電極に関しては、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなることを意味する。右脇電極と左脇電極という一対の電極を中央電極の両脇に配置するメリットは、このように、X軸方向の振動に関しては、正電荷の総量と負電荷の総量とを等しくする効果が得られる点にある。
In the case of the embodiment shown here, in the upper layer electrode shown in FIG. 3, the right side electrode E11 and the left side electrode E13 are plane-symmetrical with respect to the YZ plane, and similarly, the right side electrode E21 and the left side electrode E23 are YZ. It is plane symmetric with respect to the plane. If such a symmetric structure is adopted, it means that when the
最後にもうひとつ、外部から与えられる振動に基づいて効率的な発電を行うための条件を挙げておく。それは、重錘体30の共振周波数を外部から与えられる振動周波数と一致させることである。一般に、振動系には、その固有の構造に応じて一義的に定まる共振周波数が存在し、外部から与えられる振動の周波数が当該共振周波数に一致していると、振動子を最も効率的に振動させることができるようになり、その振幅も最大になる。したがって、外部から与えられる振動の周波数が予め想定されている場合(たとえば、特定の車両に搭載して用いることが予め定まっており、当該車両から加えられる周波数が既知である場合)、発電素子の構造設計の段階で、当該周波数に共振周波数が合致するような設計を行うのが好ましい。
Finally, I would like to mention another condition for efficient power generation based on vibrations given from the outside. That is, the resonance frequency of the
<<< §2. 第1の実施形態の変形例 >>>
ここでは、§1で述べた第1の実施形態に係る2軸発電型の発電素子の変形例をいくつか述べておく。
<<< §2. Modification example of the first embodiment >>>
Here, some modifications of the two-axis power generation type power generation element according to the first embodiment described in §1 will be described.
<2−1 上層電極の数の変形例>
図6は、図3に示す発電素子の変形例を示す平面図である。両者の相違は上層電極の数およびその長さのみである。すなわち、図3に示す発電素子の場合、前述したとおり、合計6組の上層電極E11〜E23が形成されていたのに対して、図6に示す発電素子の場合、合計3組の上層電極E31〜E33のみが形成されている。その他の構造についての相違はないため、図6の変形例についての詳細な構造説明は省略する(もちろん、発電回路は図5に示すものの代わりに、3組の上層電極E31〜E33に対して整流素子を接続して電力を取り出すものを用いることになる)。
<2-1 Deformation example of the number of upper layer electrodes>
FIG. 6 is a plan view showing a modified example of the power generation element shown in FIG. The only difference between the two is the number of upper electrodes and their length. That is, in the case of the power generation element shown in FIG. 3, a total of 6 sets of upper layer electrodes E11 to E23 were formed as described above, whereas in the case of the power generation element shown in FIG. 6, a total of 3 sets of upper layer electrodes E31 were formed. ~ Only E33 is formed. Since there is no difference in other structures, a detailed structural description of the modification of FIG. 6 is omitted (of course, the power generation circuit is rectified with respect to the three sets of upper layer electrodes E31 to E33 instead of those shown in FIG. The one that connects the elements and takes out the power will be used).
ここで、図3に示す発電素子の場合、上層電極群は、板状橋梁部20の重錘体30との接続部分近傍に配置された重錘体側電極群E11〜E13と、板状橋梁部20の固定部10との接続部分近傍に配置された固定部側電極群E21〜E23とによって構成されており、その長手方向(Y軸方向)に関する長さは、接続部分近傍に配置するのに必要な長さに設定されている。これに対して、図6に示す変形例における3組の上層電極E31〜E33は、図3に示す例における重錘体側電極群E11〜E13と固定部側電極群E21〜E23とをそれぞれ相手側方向に伸ばして連結し融合したものに相当する。このため、上層電極E31〜E33は、板状橋梁部20と同じ長さを有している。
Here, in the case of the power generation element shown in FIG. 3, the upper layer electrode group includes the weight body side electrode groups E11 to E13 arranged in the vicinity of the connection portion of the plate-shaped
図7は、図6に示す発電素子の重錘体30に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極E31〜E33に生じる電荷の極性を示す表である。図3に示す発電素子について図4の表が得られることを考えれば、図6に示す発電素子について図7の表が得られることは、容易に理解できよう。したがって、図6に示す発電素子についても、図5に示す回路に準じた発電回路を用意しておけば、各上層電極E31〜E33に発生した電荷を電力として取り出すことができる。
FIG. 7 is a table showing the polarities of charges generated in the upper layer electrodes E31 to E33 when the
実際には、重錘体30が図2(a) に示すようにX軸方向に振動した場合や図2(b) に示すようにZ軸方向に振動した場合、板状橋梁部20に生じる長手方向(Y軸方向)に関する伸縮応力は、図2に「+」や「−」を付した円形記号が記載されている部分、すなわち、重錘体30との接続部分近傍および固定部10との接続部分近傍に集中することになる。図3に示す実施例は、これらの応力集中部にのみ上層電極E11〜E23を配置した例であり、最も効率的な電極配置を行った例ということになる。これに対して、図6に示す実施例は、応力が集中しない部分も含めた全域にわたって上層電極を配置した例であり、単位電極面積に対する発電量は必ずしも効率的なものになっていないが、電極数を低減することが可能になる。
Actually, when the
いずれの実施例も、上層電極は、中央電極、右脇電極、左脇電極なる3種類の電極によって構成されており、§1で述べたとおり、重錘体30のZ軸方向に関する振動エネルギーとX軸方向に関する振動エネルギーに基づく発電が可能になり、しかもX軸方向に関する振動に関しては、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ均衡に保つ効果が得られる。
In each embodiment, the upper layer electrode is composed of three types of electrodes, a center electrode, a right side electrode, and a left side electrode, and as described in §1, the vibration energy in the Z-axis direction of the
<2−2 上層電極を側面配置する変形例>
図3に示す実施例も図6に示す実施例も、いずれも下層電極E0が板状橋梁部20の上面に形成され、圧電素子50がこの下層電極E0の上面に形成され、更に、中央電極、右脇電極および左脇電極という3種類の上層電極が、板状橋梁部20の上面に下層電極E0および圧電素子50を介して形成されているが、上層電極のうち、右脇電極および左脇電極については、その全部もしくは一部を、板状橋梁部20の側面に下層電極E0および圧電素子50を介して形成するようにしてもよい。
<2-2 Modification example in which the upper layer electrode is arranged on the side surface>
In both the embodiment shown in FIG. 3 and the embodiment shown in FIG. 6, the lower layer electrode E0 is formed on the upper surface of the plate-shaped
図8は、本発明に係る発電素子における上層電極の配置態様のバリエーションを示す正断面図である。図8(a) は、図3に示す実施例の板状橋梁部20を、図の切断線8−8に沿って切った断面を示す正断面図である。図示のとおり、板状橋梁部20の上面に下層電極E0および圧電素子50が積層され、更にその上面に、3種類の上層電極E21,E22,E23が配置されている。したがって、圧電素子50の分極現象は、図の上下方向に生じることになる。図6に示す実施例の上層電極の配置も同様である。
FIG. 8 is a normal cross-sectional view showing variations in the arrangement mode of the upper layer electrodes in the power generation element according to the present invention. FIG. 8A is a normal cross-sectional view showing a cross section of the plate-shaped
これに対して、図8(b) に示す実施例は、右脇電極および左脇電極を側面に配置したものである。すなわち、この実施例では、下層電極E0Bが板状橋梁部20の上面とともに側面にも形成され、圧電素子50Bがこの下層電極E0Bの表面に形成されている。すなわち、正断面図において、下層電極E0Bも圧電素子50Bも「U」の字型の形状をなし、板状橋梁部20の上面から左右両側面にかけて一体形成されている。そして、上層電極群を構成する3種類の電極の配置は、中央電極E22Bが、板状橋梁部20の上面に下層電極E0Bおよび圧電素子50Bを介して形成されている点に変わりはないが、右脇電極E21Bおよび左脇電極E23Bは、板状橋梁部20の側面に下層電極E0Bおよび圧電素子50Bを介して形成されている。図8(b) には、固定部側電極群E21B〜E23Bのみが示されているが、重錘体側電極群E11B〜E13Bの配置も同様である。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 8B, the right armpit electrode and the left armpit electrode are arranged on the side surface. That is, in this embodiment, the lower layer electrode E0B is formed on the side surface together with the upper surface of the plate-shaped
この場合、圧電素子50Bの各部分は、その厚み方向に分極現象を生じることになるので、板状橋梁部20の上面に形成された部分については図の上下方向に分極現象が生じ、板状橋梁部20の側面に形成された部分については図の左右方向に分極現象が生じる。したがって、板状橋梁部20の各部に生じた応力により、6枚の上層電極E11B〜E13B,E21B〜E23Bのいずれにも所定極性の電荷が発生することになる。図2(a) に示す板状橋梁部20の各部の伸縮状態は、その側面においても変わりはないので、結局、図5に示す発電回路60と同様の回路を用意しておけば、発生した電荷に基づく電力の取り出しが可能である。
In this case, since each portion of the
図8(a) に示す実施例に比べて、図8(b) に示す実施例は、各上層電極の面積が広くなるため、上層電極群に発生する電荷の量も多くなる。したがって、前者に比べて後者の方が、発電効率は高まるが、後者の場合、板状橋梁部20の上面だけでなく側面にも下層電極、圧電素子、上層電極を形成する必要があるため、製造コストは高騰することになる。
Compared with the embodiment shown in FIG. 8 (a), in the embodiment shown in FIG. 8 (b), the area of each upper layer electrode is larger, so that the amount of charge generated in the upper layer electrode group is also larger. Therefore, the power generation efficiency of the latter is higher than that of the former, but in the latter case, it is necessary to form the lower layer electrode, the piezoelectric element, and the upper layer electrode not only on the upper surface but also on the side surface of the plate-shaped
一方、図8(c) に示す実施例は、右脇電極および左脇電極を、上面から側面にかけて連続するように配置したものである。この実施例でも、図8(b) に示す実施例と同様に、下層電極E0Cが板状橋梁部20の上面とともに側面にも形成され、圧電素子50Cがこの下層電極E0Cの表面に形成されている。したがって、正断面図において、下層電極E0Cおよび圧電素子50Cは「U」の字型の形状をなし、板状橋梁部20の上面から左右両側面にかけて一体形成されている。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 8 (c), the right armpit electrode and the left armpit electrode are arranged so as to be continuous from the upper surface to the side surface. In this embodiment as well, as in the embodiment shown in FIG. 8B, the lower layer electrode E0C is formed on the side surface together with the upper surface of the plate-shaped
ここで、上層電極群を構成する3種類の電極の配置は、中央電極E22Cが、板状橋梁部20の上面に下層電極E0Cおよび圧電素子50Cを介して形成されている点に変わりはないが、右脇電極E21Cおよび左脇電極E23Cは、板状橋梁部20の上面から側面にかけて下層電極E0Cおよび圧電素子50Cを介して形成されている。図8(c) には、固定部側電極群E21C〜E23Cのみが示されているが、重錘体側電極群E11C〜E13Cの配置も同様である。
Here, the arrangement of the three types of electrodes constituting the upper layer electrode group is the same in that the central electrode E22C is formed on the upper surface of the plate-shaped
上述したとおり、圧電素子50Bの各部分は、その厚み方向に分極現象を生じることになるので、図8(c) に示す実施例の場合も、板状橋梁部20の各部に生じた応力により、6枚の上層電極E11C〜E13C,E21C〜E23Cのいずれにも所定極性の電荷が発生することになり、図5に示す発電回路60と同様の回路を用意しておけば、発生した電荷に基づく電力の取り出しが可能である。
As described above, each portion of the
図8(b) に示す実施例に比べて、図8(c) に示す実施例では、右脇電極および左脇電極の面積を更に広く確保することができるため、上層電極群に発生する電荷の量もそれだけ多くなり、発電効率を更に高めることができる。ただ、右脇電極および左脇電極を、上面から側面にかけて形成する必要があるため、製造コストは更に高騰することになる。 Compared to the embodiment shown in FIG. 8 (b), in the embodiment shown in FIG. 8 (c), the area of the right armpit electrode and the left armpit electrode can be further secured, so that the electric charge generated in the upper electrode group can be secured. The amount of electricity can be increased accordingly, and the power generation efficiency can be further improved. However, since it is necessary to form the right armpit electrode and the left armpit electrode from the upper surface to the side surface, the manufacturing cost will further increase.
もちろん、図8(a) 〜図8(c) に示す実施例における上層電極の配置形態を部分ごとに組み合わせることも可能である。図8(d) は、右半分については図8(b) に示す配置形態を採用し、左半分については図8(c) に示す配置形態を採用したものである。また、この実施例では、圧電素子を一体構造とせずに2つの部分51D,52Dに分けて形成している。
Of course, it is also possible to combine the arrangement forms of the upper layer electrodes in the examples shown in FIGS. 8 (a) to 8 (c) for each part. In FIG. 8 (d), the arrangement form shown in FIG. 8 (b) is adopted for the right half, and the arrangement form shown in FIG. 8 (c) is adopted for the left half. Further, in this embodiment, the piezoelectric element is not formed as an integral structure but is divided into two
具体的には、この図8(d) に示す実施例では、下層電極E0Dが板状橋梁部20の上面とともに側面にも形成され、その表面に、圧電素子51D,52Dが形成されている。圧電素子51Dは、下層電極E0Dの右側面を覆う位置に形成され、圧電素子52Dは、下層電極E0Dの上面および左側面を覆う位置に形成されている。そして、上層電極群を構成する3種類の電極の配置は、中央電極E22Dが、板状橋梁部20の上面に下層電極E0Dおよび圧電素子52Dを介して形成されおり、右脇電極E21Dは、板状橋梁部20の右側面に下層電極E0Dおよび圧電素子51Dを介して形成されており、左脇電極E23Dは、板状橋梁部20の上面から側面にかけて下層電極E0Dおよび圧電素子52Dを介して形成されている。
Specifically, in the embodiment shown in FIG. 8 (d), the lower layer electrode E0D is formed on the side surface together with the upper surface of the plate-shaped
このように、右脇電極および左脇電極は、必ずしも左右対称となるようにする必要はないが、X軸方向に関する振動に関して発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ均衡に保つためには、図8(a) 〜(c) に示す実施例のように、左右対称となるようにするのが好ましい。 In this way, the right side electrode and the left side electrode do not necessarily have to be symmetrical, but in order to keep the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated in relation to the vibration in the X-axis direction as balanced as possible. 8 (a) to 8 (c) are preferably shown in the example, and it is preferable to make them symmetrical.
また、圧電素子は、必ずしも一体構造にする必要はなく、図8(d) に示すように、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわないが、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。同様に、下層電極も、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわないが、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。 Further, the piezoelectric element does not necessarily have to have an integral structure, and as shown in FIG. 8 (d), a separate and independent piezoelectric element may be arranged at a position corresponding to each upper layer electrode, but it is practical. Above, the manufacturing process is easier if the structure is integrated. Similarly, the lower layer electrodes may be arranged separately and independently at the positions corresponding to the upper layer electrodes, but in practice, the manufacturing process becomes easier if the integrated structure is used.
以上、図3に示す実施例(正断面図が図8(a) に相当)についてのバリエーションとして、図8(b) 〜(d) の実施例を述べたが、もちろん、図6に示す実施例についても同様のバリエーションが可能である。また、後述する第2の実施形態についても、上層電極の配置態様に関して、同様のバリエーションが可能である。 As a variation of the embodiment shown in FIG. 3 (the normal cross-sectional view corresponds to FIG. 8 (a)), the examples of FIGS. 8 (b) to 8 (d) have been described, but of course, the embodiment shown in FIG. Similar variations are possible for the example. Further, in the second embodiment described later, the same variation is possible with respect to the arrangement mode of the upper layer electrodes.
<<< §3. 第2の実施形態(3軸発電型) >>>
続いて、本発明の第2の実施形態を説明する。§1で述べた第1の実施形態は、重錘体30に作用したX軸方向の振動エネルギーとZ軸方向の振動エネルギーとを電気エネルギーに変換することにより発電を行う2軸発電型の発電素子であるが、ここで述べる第2の実施形態は、更に、Y軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する機能をもった3軸発電型の発電素子である。
<<< §3. Second embodiment (3-axis power generation type) >>>
Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described. The first embodiment described in §1 is a two-axis power generation type power generation in which power is generated by converting the vibration energy in the X-axis direction and the vibration energy in the Z-axis direction acting on the
もちろん、第1の実施形態の場合も、Y軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することは可能であるが、前述したとおり、その変換効率は非常に低く、X軸もしくはZ軸方向の振動エネルギーの変換効率に比べると無視しうる程度のものである。ここで述べる第2の実施形態は、基本的に、第1の実施形態における板状橋梁部を2組用意し、これらを互いに直交する方向に組み合わせることにより、重錘体がX軸,Y軸,Z軸のいずれの方向に振動した場合でも、その振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できるようにしたものである。 Of course, also in the case of the first embodiment, it is possible to convert the vibration energy in the Y-axis direction into electrical energy, but as described above, the conversion efficiency is very low, and the vibration in the X-axis or Z-axis direction. It is negligible compared to the energy conversion efficiency. In the second embodiment described here, basically, two sets of plate-shaped bridge portions in the first embodiment are prepared, and by combining these in the directions orthogonal to each other, the weight body has an X-axis and a Y-axis. , The vibration energy can be efficiently converted into electrical energy regardless of the direction of the Z-axis.
図9は、本発明の第2の実施形態に係る発電素子を構成する基本構造体100の平面図(上段の図(a) )および側断面図(下段の図(b) )である。図9(a) に示すとおり、この基本構造体100は、固定部用板状部材110、第1の板状橋梁部120、中間接続部125、第2の板状橋梁部130、重錘接続部140、重錘体150という各部分を有している渦巻型の構造体である。
FIG. 9 is a plan view (upper view (a)) and a side sectional view (lower view (b)) of the
ここでは、振動方向を説明する便宜上、重錘体150が静止している状態において、この重錘体150の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。すなわち、図9(a) の平面図においては、図の下方にX軸、図の右方にY軸、紙面垂直上方にZ軸を定義する。図9(b) の側断面図においては、図の上方にZ軸、図の右方にY軸、紙面垂直上方にX軸がそれぞれ定義されることになる。図9(b) の側断面図は、図9(a) の平面図に示されている基本構造体100を、YZ平面で切断した図に相当する。なお、図9(a) では図示が省略されているが、実際には、この基本構造体100は、装置筐体内に収容される。図9(b) には、この装置筐体の一部をなす底板200が描かれており、固定部用板状部材110の下面が底板200の上面に固着されている状態が示されている。
Here, for convenience of explaining the vibration direction, the origin O is set at the position of the center of gravity of the
固定部用板状部材110は、第1の実施形態における固定部10と同等の機能を果たし、第1の板状橋梁部120の根端部(図の左端)を装置筐体の底板200に固定する構成要素である。一方、第1の板状橋梁部120の先端部(図の右端)には、中間接続部125を介して、第2の板状橋梁部130の根端部が接続され、第2の板状橋梁部130の先端部には、重錘接続部140を介して重錘体150が接続されている。重錘体150は、図9(a) に示すとおり、振動子として機能する十分な質量をもった矩形状の構造体であり、渦巻き状に配置された構成要素110,120,125,130,140によって支持された状態になっている。
The plate-shaped
図9(b) には、第1の板状橋梁部120および中間接続部125は現れていないが、第1の板状橋梁部120、中間接続部125、第2の板状橋梁部130、重錘接続部140、重錘体150は、いずれも同じ厚み(Z軸方向の寸法)を有している。これに対して、固定部用板状部材110は、下方に余分な厚み部分を有している。このため、図9(b) に示すように、固定部用板状部材110の下面を底板200の上面に固定した状態において、第1の板状橋梁部120、中間接続部125、第2の板状橋梁部130、重錘接続部140、重錘体150は、いずれも底板200の上面から浮き上がった状態となり、重錘体150は宙吊り状態に保持される。
Although the first plate-shaped
ここで、少なくとも第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130は、可撓性を有しているため、外力の作用により撓みが生じる。このため、外部から装置筐体に振動が加えられると、この振動エネルギーによって重錘体150に力が加わり、重錘体150が装置筐体内で振動することになる。たとえば、装置筐体を、XY平面が水平面となり、Z軸が鉛直軸となるような向きに、車両等の振動源に取り付ければ、振動源から加わる垂直方向および水平方向の振動により、重錘体150に対して、XYZ各座標軸方向の振動エネルギーが加えられることになる。
Here, since at least the first plate-shaped
結局、図9に示す基本構造体100は、それぞれ可撓性をもった第1の板状橋梁部120と第2の板状橋梁部130とがL字状に配置されるように、第1の板状橋梁部120の先端部と第2の板状橋梁部130の根端部とが中間接続部125を介して接続され、更に、第2の板状橋梁部130の脇に重錘体150が配置されるように、第2の板状橋梁部130の先端部と重錘体150の隅部とが重錘接続部140を介して接続された構造を有している。しかも、第1の板状橋梁部120の根端部は、固定部として機能する固定部用板状部材110によって装置筐体の底板200の上面に固定されているため、第1の板状橋梁部120、第2の板状橋梁部130および重錘体150は、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板200の上方に浮いた宙吊り状態になっている。
After all, in the
特に、図9に示す基本構造体100では、固定部が、X軸に平行な固定部用長手方向軸L0に沿って伸びる固定部用板状部材110によって構成され、この固定部用板状部材110の一端に第1の板状橋梁部120の根端部が固定されている。しかも、第1の板状橋梁部120は、Y軸に平行な第1の長手方向軸Lyを中心としてY軸方向に伸びるように配置され、第2の板状橋梁部130は、X軸に平行な第2の長手方向軸Lxを中心としてX軸方向に伸びるように配置されている。このため、固定部用板状部材110、第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130によって構成される構造体が、XY平面上への投影像が「U」の字状になるようなUの字状構造体をなし、このUの字状構造体によって囲まれた内部領域に板状の重錘体150が配置された構造になっている。
In particular, in the
このような基本構造体100は、量産化に適した構造を有している。すなわち、図9(a) の平面図を見ればわかるとおり、この基本構造体100は、平面的には、矩形の板状部材に「U」の字状の空隙部Vをエッチングなどによって形成し、全体的に渦巻き型の構造体を作成する工程により量産可能である。
Such a
たとえば、ここに示す実施例は、一辺5mm角のシリコン基板を用意し、0.3mm程度の幅をもった溝をエッチングにより形成することにより「U」の字状の空隙部Vを形成し、0.5mm程度の幅をもった「U」の字状の構造体により、固定部用板状部材110、第1の板状橋梁部120、中間接続部125、第2の板状橋梁部130、重錘接続部140を形成したものである。また、各部の厚みに関しては、第1の板状橋梁部120、中間接続部125、第2の板状橋梁部130、重錘接続部140、重錘体150については、厚みを0.5mmとし、固定部用板状部材110については、厚みを1mmとした。
For example, in the embodiment shown here, a silicon substrate having a side of 5 mm square is prepared, and a groove having a width of about 0.3 mm is formed by etching to form a “U” -shaped gap portion V. With a "U" -shaped structure having a width of about 0.5 mm, a plate-shaped
もちろん、各部の寸法は任意に設定することができる。要するに、第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130は、重錘体150がある程度の振幅をもって各座標軸方向に振動可能になるような可撓性を有する寸法に設定すればよく、重錘体150は、外部からの振動エネルギーによって発電に必要な振動を生じるのに十分な質量を有する寸法に設定すればよく、固定部用板状部材110は、この基本構造体100全体を装置筐体の底板200に堅固に固着できる寸法に設定すればよい。
Of course, the dimensions of each part can be set arbitrarily. In short, if the first plate-shaped
以上、図9を参照しながら、第2の実施形態に係る発電素子の構成要素となる基本構造体100の構造を説明したが、発電素子は、この基本構造体100に、更に、いくつかの要素を付加することにより構成される。
As described above, the structure of the
図10(a) は、この第2の実施形態に係る発電素子の平面図(装置筐体については図示を省略した)、図10(b) は、これをYZ平面で切断した側断面図である(装置筐体も図示した)。図10(b) に示すとおり、基本構造体100の上面には、全面にわたって層状の下層電極E00が形成され、更にその上面には、全面にわたって層状の圧電素子300が形成されている。そして、この圧電素子300の上面には、局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群が形成されている(図10(b) は、YZ平面での断面図であるので、切断面の奥に配置されている3枚の上層電極Ex1,Ex2,Ez1のみが図に現れている)。
FIG. 10 (a) is a plan view of the power generation element according to the second embodiment (not shown for the apparatus housing), and FIG. 10 (b) is a side sectional view of the power generation element cut along a YZ plane. There is (the device housing is also shown). As shown in FIG. 10B, a layered lower layer electrode E00 is formed on the entire upper surface of the
下層電極や上層電極としては、第1の実施形態と同様に、金属などの一般的な導電材料を用いて形成すればよい。ここに示す実施例の場合、厚み300nm程度の薄膜状の金属層(チタン膜と白金膜との二層からなる金属層)により下層電極E00および上層電極群を形成している。また、圧電素子300としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やKNN(ニオブ酸カリウムナトリウム)などを厚み2μm程度の薄膜状にしたものを用いている。
The lower layer electrode and the upper layer electrode may be formed by using a general conductive material such as metal, as in the first embodiment. In the case of the example shown here, the lower layer electrode E00 and the upper layer electrode group are formed by a thin film-like metal layer having a thickness of about 300 nm (a metal layer composed of two layers of a titanium film and a platinum film). Further, as the
図10(b) に示されているとおり、この実施例の場合、底板200とカバー400とによって装置筐体が構成され、基本構造体100は、この装置筐体内に収容されている。上述したとおり、基本構造体100は、固定部用板状部材110によって、底板200の上面に固定されており、重錘体150は、装置筐体内で宙吊り状態になっている。カバー400は、天板410と側板420とによって構成され、重錘体150は、このカバー400の内部空間内で変位し、振動することになる。
As shown in FIG. 10B, in the case of this embodiment, the device housing is composed of the
なお、重錘体150の上面と天板410の下面との距離、重錘体150の下面と底板200の上面との距離を、適切な寸法に設定しておけば、天板410および底板200をストッパ部材として機能させることができる。すなわち、装置筐体の内壁面が重錘体150の過度の変位を制限する制御部材として機能するので、重錘体150に過度の加速度(各板状橋梁部120,130が破損するような加速度)が加わった場合でも、重錘体150の過度の変位を制限することができ、板状橋梁部120,130が破損する事態を避けることができる。但し、天板410と重錘体150との空隙寸法や、底板200と重錘体150との空隙寸法が狭すぎると、エアーダンピングの影響を受け、発電効率が低下するので注意を要する。
If the distance between the upper surface of the
ここに示す実施例の場合、上層電極群は、図10(a) に示すとおり、12枚の上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4(図におけるハッチングは、電極形成領域を明瞭に示すために付したものであり、断面を示すものではない)によって構成されている。なお、図10(a) は、この発電素子を上方から見た平面図であるため、基本構造体の全面を覆う圧電素子300が見えていることになるが、便宜上、この図10(a) には、固定部用板状部材110,第1の板状橋梁部120,第2の板状橋梁部130,重錘接続部140,重錘体150の位置を破線の引き出し線を用いた符号で示してある。
In the case of the example shown here, as shown in FIG. 10 (a), the upper layer electrode group has 12 upper layer electrodes Ex1 to Ex4, Ey1 to Ey4, Ez1 to Ez4 (hatching in the figure clearly defines the electrode forming region. It is attached for the purpose of showing, and does not show the cross section). Since FIG. 10 (a) is a plan view of the power generation element viewed from above, the
第1の板状橋梁部120の上方に配置されている6枚の上層電極の役割は、基本的には、図3に示す板状橋梁部20の上方に配置されている6枚の上層電極の役割と同じである。同様に、第2の板状橋梁部130の上方に配置されている6枚の上層電極の役割も、基本的には、図3に示す板状橋梁部20の上方に配置されている6枚の上層電極の役割と同じである。
The role of the six upper layer electrodes arranged above the first plate-shaped
ここで、符号xを含んだ4枚の上層電極Ex1〜Ex4(第2の板状橋梁部130上に第2の長手方向軸Lxに沿って伸びるように配置された左右の脇電極)と、符号yを含んだ4枚の上層電極Ey1〜Ey4(第1の板状橋梁部120上に第1の長手方向軸Lyに沿って伸びるように配置された左右の脇電極)は、主として、重錘体150の水平方向(X軸およびY軸方向)の振動エネルギーに基づいて発生する電荷を取り出す役割を果たすために設けられた電極であり、符号zを含んだ4枚の上層電極Ez1〜Ez4(第1の板状橋梁部120の第1の長手方向軸Ly上および第2の板状橋梁部130の第2の長手方向軸Lx上に配置された中央電極)は、主として、重錘体150の垂直方向(Z軸方向)の振動エネルギーに基づいて発生する電荷を取り出す役割を果たすために設けられた電極である。
Here, four upper layer electrodes Ex1 to Ex4 (left and right side electrodes arranged so as to extend along the second longitudinal axis Lx on the second plate-shaped bridge portion 130) including the reference numeral x, and The four upper layer electrodes Ey1 to Ey4 (left and right side electrodes arranged so as to extend along the first longitudinal axis Ly on the first plate-shaped bridge portion 120) containing the reference numeral y are mainly heavy. It is an electrode provided to play a role of extracting the charge generated based on the vibration energy in the horizontal direction (X-axis and Y-axis directions) of the
ここでは、図10(a) に示されている12枚の上層電極のうち、第1の板状橋梁部120の先端部に形成された3枚の電極を、それぞれ第1の先端部側右脇電極Ey1,第1の先端部側中央電極Ez3,第1の先端部側左脇電極Ey2と呼び、第1の板状橋梁部120の根端部に形成された3枚の電極を、それぞれ第1の根端部側右脇電極Ey3,第1の根端部側中央電極Ez4,第1の根端部側左脇電極Ey4と呼び、第2の板状橋梁部130の先端部に形成された3枚の電極を、それぞれ第2の先端部側右脇電極Ex1,第2の先端部側中央電極Ez1,第2の先端部側左脇電極Ex2と呼び、第2の板状橋梁部130の根端部に形成された3枚の電極を、それぞれ第2の根端部側右脇電極Ex3,第2の根端部側中央電極Ez2,第2の根端部側左脇電極Ex4と呼ぶことにする。
Here, of the 12 upper layer electrodes shown in FIG. 10 (a), the three electrodes formed at the tip of the first plate-shaped
ここでも、「右脇」,「左脇」なる文言は、各板状橋梁部120,130の上面をその根端部側から見た場合の左右を意味するものである。中央電極Ez3,Ez4は、第1の板状橋梁部120の中心線をなす第1の長手方向軸Ly(Y軸に平行な中心軸)上に配置されており、左右の脇電極Ey1〜Ey4は、その左右両脇に第1の長手方向軸Lyに関して対称をなすように配置されている。同様に、中央電極Ez1,Ez2は、第2の板状橋梁部130の中心線をなす第2の長手方向軸Lx(X軸に平行な中心軸)上に配置されており、左右の脇電極Ex1〜Ex4は、その左右両脇に第2の長手方向軸Lxに関して対称をなすように配置されている。
Here, too, the terms "right armpit" and "left armpit" mean the left and right sides of the upper surfaces of the plate-shaped
図10(b) に示すとおり、この発電素子には、更に、発電回路500が備わっている。図10(b) では、この発電回路500を単なるブロックで示すが、具体的な回路図は後述する。図示のとおり、この発電回路500と、下層電極E00および12枚の上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4との間には配線が施されており、各上層電極で発生した電荷は、この配線を介して発電回路500によって取り出される。実際には、各配線は、各上層電極とともに、圧電素子300の上面に形成された導電性パターンによって形成することができる。また、基本構造体をシリコン基板によって構成した場合、発電回路500は、このシリコン基板上(たとえば、固定部用板状部材110の部分)に形成することが可能である。
As shown in FIG. 10B, this power generation element is further provided with a
結局、この第2の実施形態に係る発電素子は、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であり、Y軸に平行な第1の長手方向軸Lyに沿って伸び、可撓性を有する第1の板状橋梁部120と、この第1の板状橋梁部120に(中間接続部125を介して)接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸Lxに沿って伸び、可撓性を有する第2の板状橋梁部130と、この第2の板状橋梁部130に(重錘接続部140を介して)接続された重錘体150と、第1の板状橋梁部120、第2の板状橋梁部130および重錘体150を収容する装置筐体400と、第1の板状橋梁部120の一端を装置筐体400に固定する固定部(固定部用板状部材110)と、第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130の表面に層状に形成された下層電極E00と、この下層電極E00の表面に層状に形成された圧電素子300と、この圧電素子300の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4と、各上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路500と、を備えていることになる。
After all, the power generation element according to the second embodiment is a power generation element that generates power by converting vibrational energy in each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system into electrical energy, and is a first power generation element parallel to the Y axis. A first plate-shaped
前述したとおり、このような構造をもった発電素子では、装置筐体400を振動させる外力が作用すると、各板状橋梁部120,130の撓みにより重錘体150が装置筐体400内で振動する。そして、この各板状橋梁部120,130の撓みは、圧電素子300に伝達され、圧電素子300にも同様の撓みが生じる。圧電素子300は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有しているため、その上面および下面に電荷が発生し、発生した電荷は上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4および下層電極E00から取り出される。
As described above, in the power generation element having such a structure, when an external force that vibrates the
ここに示す実施例の場合、§1で述べた実施例と同様に、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、逆に、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる圧電素子300を用いている。もちろん、この第2の実施形態の場合も、どのような分極特性を有する圧電素子を用いてもかまわない。
In the case of the embodiment shown here, as in the embodiment described in §1, when the stress extending in the layer direction acts, a positive charge is generated on the upper surface side and a negative charge is generated on the lower surface side, and conversely, the stress contracting in the layer direction is generated. A
続いて、この発電素子の具体的な発電動作をみてみよう。図11は、図9に示す基本構造体100の重錘体150がX軸正方向の変位Δx(+)を生じたときの各上層電極形成位置の伸縮状態を示す平面図である。同様に、図12は、Y軸正方向の変位Δy(+)を生じたときの伸縮状態を示す平面図、図13は、Z軸正方向の変位Δz(+)を生じたときの伸縮状態を示す平面図である。このような変位は、重錘体150に対して各座標軸の正方向の加速度が作用したときに生じることになり、当該変位により、各板状橋梁部120,130は撓みを生じて、基本構造体100は変形する。ただ、図11〜図13では、図示の便宜上、基本構造体100の変位状態の描写は省略し、各上層電極形成位置の伸縮状態を矢印で示す(両端に矢が付された矢印は伸びる状態、互いに向かい合う一対の矢印は縮む状態を示している)。
Next, let's look at the specific power generation operation of this power generation element. FIG. 11 is a plan view showing a stretched state of each upper layer electrode forming position when the
重錘体150がX軸正方向の変位Δx(+)を生じた場合、図11に示すとおり、渦巻き状の基本構造体100の外側に配置された第2の先端部側右脇電極Ex1,第2の根端部側右脇電極Ex3,第1の先端部側右脇電極Ey1には、いずれも長手方向に伸びる応力が作用するが、第1の根端部側右脇電極Ey3には、長手方向に縮む応力が作用する。一方、渦巻き状の基本構造体100の内側に配置された第2の先端部側左脇電極Ex2,第2の根端部側左脇電極Ex4,第1の先端部側左脇電極Ey2には、いずれも長手方向に縮む応力が作用するが、第1の根端部側左脇電極Ey4には、長手方向に伸びる応力が作用する。
When the
第1の根端部側右脇電極Ey3は、渦巻き状の基本構造体100の外側に位置する電極であるにもかかわらず、他の外側に位置する右脇電極Ex1,Ex3,Ey1とは伸縮状態が逆転し、第1の根端部側右脇電極Ey4は、渦巻き状の基本構造体100の内側に位置する電極であるにもかかわらず、他の内側に位置する左脇電極Ex2,Ex4,Ey2とは伸縮状態が逆転している。この第1の板状橋梁部120の根端部おいて伸縮逆転が生じる理由を説明するには、複雑な理論展開が必要になるため、ここでは説明を省略するが、本願発明者は、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーションを実行することにより、図示のような伸縮応力が発生することを確認している(後述する図19参照)。
Although the first root end side right side electrode Ey3 is an electrode located on the outside of the spiral
なお、中心線上に配置された4枚の中央電極Ez1〜Ez4については、右半分と左半分とでわずかな逆の応力が作用することになるので、全体としては応力が均衡して伸縮は生じないものと考えることができる。 As for the four central electrodes Ez1 to Ez4 arranged on the center line, a slight opposite stress acts on the right half and the left half, so that the stress is balanced as a whole and expansion and contraction occurs. It can be considered that there is no such thing.
図11は、X軸正方向の変位Δx(+)が生じたときの状態であるが、X軸負方向の変位Δx(−)が生じたときときは、重錘体150は逆方向に変位することになり、各部の伸縮状態は図11に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体400に対して、X軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体100の各部には、図11に示す伸縮状態とその反転状態とが交互に繰り返し生じることになる。
FIG. 11 shows a state when the displacement Δx (+) in the positive direction of the X axis occurs, but when the displacement Δx (−) in the negative direction of the X axis occurs, the
一方、重錘体150がY軸正方向の変位Δy(+)を生じた場合、図12に示すとおり、渦巻き状の基本構造体100の外側に配置された第2の根端部側右脇電極Ex3,第1の先端部側右脇電極Ey1,第1の根端部側右脇電極Ey3には、いずれも長手方向に縮む応力が作用するが、第2の先端部側右脇電極Ex1には、長手方向に伸びる応力が作用する。一方、渦巻き状の基本構造体100の内側に配置された第2の根端部側左脇電極Ex4,第1の先端部側左脇電極Ey2,第1の根端部側左脇電極Ey4には、いずれも長手方向に伸びる応力が作用するが、第2の先端部側左脇電極Ex2には、長手方向に縮む応力が作用する。
On the other hand, when the
第2の先端部側右脇電極Ex1は、渦巻き状の基本構造体100の外側に位置する電極であるにもかかわらず、他の外側に位置する右脇電極Ex3,Ey1,Ey3とは伸縮状態が逆転し、第2の先端部側左脇電極Ex2は、渦巻き状の基本構造体100の内側に位置する電極であるにもかかわらず、他の内側に位置する左脇電極Ex4,Ey2,Ey4とは伸縮状態が逆転している。この第2の板状橋梁部130の先端部おいて伸縮逆転が生じる理由を説明するには、複雑な理論展開が必要になるため、ここでは説明を省略するが、本願発明者は、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーションを実行することにより、図示のような伸縮応力が発生することを確認している(後述する図20参照)。
Although the second tip-side right armpit electrode Ex1 is an electrode located outside the spiral
この場合も、中心線上に配置された4枚の中央電極Ez1〜Ez4については、右半分と左半分とでわずかな逆の応力が作用することになるので、全体としては応力が均衡して伸縮は生じないものと考えることができる。 In this case as well, with respect to the four central electrodes Ez1 to Ez4 arranged on the center line, a slight opposite stress acts on the right half and the left half, so that the stress balances and expands and contracts as a whole. Can be considered not to occur.
図12は、Y軸正方向の変位Δy(+)が生じたときの状態であるが、Y軸負方向の変位Δy(−)が生じたときときは、重錘体150は逆方向に変位することになり、各部の伸縮状態は図12に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体400に対して、Y軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体100の各部には、図12に示す伸縮状態とその反転状態とが交互に繰り返し生じることになる。
FIG. 12 shows a state when a displacement Δy (+) in the positive direction of the Y axis occurs, but when a displacement Δy (−) in the negative direction of the Y axis occurs, the
最後に、重錘体150がZ軸正方向の変位Δz(+)を生じた場合は、図13に示すとおり、第1の板状橋梁部120の先端部側の3枚の電極Ey1,Ey2,Ez3および第2の板状橋梁部130の先端部側の3枚の電極Ex1,Ex2,Ez1には、長手方向に伸びる応力が作用するが、第1の板状橋梁部120の根端部側の3枚の電極Ey3,Ey4,Ez4および第2の板状橋梁部130の根端部側の3枚の電極Ex3,Ex4,Ez2には、長手方向に縮む応力が作用する。このような応力が作用する理由についての詳細な説明は省略するが、本願発明者は、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーションを実行することにより、図示のような伸縮応力が発生することを確認している(後述する図21参照)。
Finally, when the
図13は、Z軸正方向の変位Δz(+)が生じたときの状態であるが、Z軸負方向の変位Δz(−)が生じたときときは、重錘体150は逆方向に変位することになり、各部の伸縮状態は図13に示す状態を反転したものになる。したがって、装置筐体400に対して、Z軸方向の振動成分をもった振動エネルギーが加わると、基本構造体100の各部には、図13に示す伸縮状態とその反転状態とが交互に繰り返し生じることになる。
FIG. 13 shows a state when a displacement Δz (+) in the positive direction of the Z axis occurs, but when a displacement Δz (−) in the negative direction of the Z axis occurs, the
図14は、図10に示す発電素子において、下層電極E00を基準電位にして、重錘体150に各座標軸方向の変位が生じたときに、各上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4に生じる電荷の極性を示す表である。表における符号「+」は正電荷の発生を示し、符号「−」は負電荷の発生を示している。また、符号「0」は、電荷の発生が全くないか、もしくは、符号「+」や符号「−」で示す場合に比べて少量の電荷しか発生しない状態を示している。実用上、符号「0」に相当する欄における発生電荷は有意な量ではないため、以下の説明では無視することにする。
In FIG. 14, in the power generation element shown in FIG. 10, when the lower layer electrode E00 is used as a reference potential and the
上述したとおり、重錘体150に各座標軸方向の変位が生じると、各板状橋梁部120,130の各部には、図11〜図13に示すような伸縮応力が加わることになる。一方、圧電素子300は、層方向に伸ばす応力が作用すると、上面側に正電荷、下面側に負電荷が生じ、層方向に縮める応力が作用すると、上面側に負電荷、下面側に正電荷が生じる分極特性を有している。これらの点を踏まえれば、図14に示す表が得られることは容易に理解できよう。
As described above, when the
たとえば、図14の第1行目の「変位Δx(+)」の各欄の結果は、図11に示す伸縮分布において、伸びる部分の上層電極欄に「+」、縮む部分の上層電極欄に「−」、全体としては伸縮が生じない部分の上層電極欄に「0」を記したものである。同様に、第2行目の「変位Δy(+)」の各欄の結果は、図12に示す伸縮分布に応じたものになっており、第3行目の「変位Δz(+)」の各欄の結果は、図13に示す伸縮分布に応じたものになっている。 For example, the result of each column of "displacement Δx (+)" in the first row of FIG. 14 is "+" in the upper electrode column of the extending portion and the upper electrode column of the contracting portion in the expansion / contraction distribution shown in FIG. "-", "0" is marked in the upper electrode column of the portion where expansion and contraction does not occur as a whole. Similarly, the results in each column of "displacement Δy (+)" in the second row correspond to the expansion / contraction distribution shown in FIG. 12, and the "displacement Δz (+)" in the third row. The results in each column correspond to the expansion and contraction distribution shown in FIG.
この図14の表は、重錘体150に対して、各座標軸の正方向への変位Δx(+),Δy(+),Δz(+)が生じたときの各上層電極の発生電荷を示すものであるが、各座標軸の負方向への変位Δx(−),Δy(−),Δz(−)が生じたときは、図14の表の符号を逆転させた結果が得られる。通常、外部から振動エネルギーが与えられると、重錘体150は装置筐体400内で振動することになるので、当該振動の周期に同期して、図14に示す表の符号は反転し、また、電荷の発生量も周期的に増減することになる。
The table of FIG. 14 shows the electric charges generated by each upper layer electrode when the positive displacements Δx (+), Δy (+), and Δz (+) of each coordinate axis occur with respect to the
実際には、外部から与えられる振動エネルギーは、XYZ三次元座標系における各座標軸方向成分を有するものになるので、重錘体150の変位は、Δx(±),Δy(±),Δz(±)を合成したものになり、しかも時々刻々と変化してゆくことになる。このため、たとえば、変位Δx(+)とΔy(+)とが同時に生じたり、変位Δx(+)とΔz(+)とが同時に生じたりすると、図14の表に示すとおり、上層電極Ex3やEy2には、正電荷と負電荷との双方が発生することになり、一部の電荷は相殺されてしまい、有効に取り出すことはできない。
In reality, the vibration energy given from the outside has each coordinate axis direction component in the XYZ three-dimensional coordinate system, so that the displacement of the
このように、重錘体150の振動形態によっては、必ずしも100%効率的な発電が行われるわけではないが、全体としてみれば、重錘体150のX軸方向の振動エネルギー、Y軸方向の振動エネルギー、Z軸方向の振動エネルギーという3軸方向のエネルギーを取り出して発電が可能になる。このように、重錘体150の3軸すべての振動エネルギーを利用した発電が可能になる点が、本発明の第2の実施形態に係る発電素子の特徴であり、そのような特徴により、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換し、高い発電効率を得る、という目的が達成されることになる。
As described above, depending on the vibration form of the
発電回路500は、各上層電極Ex1〜Ez4および下層電極E00に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す役割を果たす。ここに示す実施例の場合、下層電極E00は共通電極として基準電位を確保する機能を果たすことになるので、実際は、各上層電極Ex1〜Ez4から流れ出る電流と、各上層電極Ex1〜Ez4に流れ込む電流とを別個に集めて蓄電を行えばよい。
The
図15は、図10に示す発電素子に用いられている発電回路500の具体的な構成を示す回路図である。基本的な回路構成は、図5に示す発電回路60と同様である。すなわち、Px1〜Px4,Py1〜Py4,Pz1〜Pz4は、圧電素子300の一部分を示しており、それぞれ上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4の直下に位置する部分に相当する。また、回路図上に白丸で示すE00は下層電極,Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4は上層電極に対応する。
FIG. 15 is a circuit diagram showing a specific configuration of the
Dx1(+)〜Dz24(−)は、整流素子(ダイオード)であり、符号(+)が付された各整流素子は、各上層電極に発生した正電荷を取り出す役割を果たし、符号(−)が付された各整流素子は、各上層電極に発生した負電荷を取り出す役割を果たす。 Dx1 (+) to Dz24 (-) are rectifying elements (diodes), and each rectifying element with a reference numeral (+) plays a role of extracting the positive charge generated in each upper layer electrode, and the reference numeral (-) is used. Each rectifying element marked with is responsible for extracting the negative charge generated in each upper layer electrode.
なお、上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4には、それぞれ独立した正負一対の整流素子Dx1(+),Dx1(−)等が接続されているのに対して、上層電極Ez1,Ez3には、両者に共通した正負一対の整流素子Dz13(+),Dz13(−)が接続され、上層電極Ez2,Ez4には、両者に共通した正負一対の整流素子Dz24(+),Dz24(−)が接続されている。これは、図14の表を見ればわかるとおり、上層電極Ez1,Ez3には常に同じ極性の電荷しか発生することがなく、上層電極Ez2,Ez4にも常に同じ極性の電荷しか発生することがないため、それぞれ共通した整流素子を利用できるためである。 A pair of independent positive and negative rectifying elements Dx1 (+), Dx1 (-) and the like are connected to the upper layer electrodes Ex1 to Ex4 and Ey1 to Ey4, whereas the upper layer electrodes Ez1 and Ez3 are connected to each other. A pair of positive and negative rectifying elements Dz13 (+) and Dz13 (-) common to both are connected, and a pair of positive and negative rectifying elements Dz24 (+) and Dz24 (-) common to both are connected to the upper layer electrodes Ez2 and Ez4. Has been done. As can be seen from the table of FIG. 14, this is because the upper layer electrodes Ez1 and Ez3 always generate only the charge of the same polarity, and the upper layer electrodes Ez2 and Ez4 always generate only the charge of the same polarity. Therefore, a common rectifying element can be used.
一方、Cfは平滑用の容量素子(コンデンサ)であり、その正極端子(図の上方端子)には取り出された正電荷が供給され、負極端子(図の下方端子)には取り出された負電荷が供給される。図5に示す発電回路60と同様に、容量素子Cfは、発生電荷に基づく脈流を平滑化する役割を果たし、重錘体150の振動が安定した定常時には、容量素子Cfのインピーダンスはほとんど無視しうる。なお、図5に示す発電回路60では、下層電極E0に発生した電荷を取り出すために、整流素子D0(+)およびD0(−)を用いているが、図15に示す発電回路500では、容量素子Cfの両端子を、抵抗素子Rd1,Rd2を介して下層電極E00に接続する構成を採用している。このような構成でも、上下両層電極に発生した電荷の取り出しが可能である。
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. Similar to the
ここでも、容量素子Cfに並列接続されているZLは、本発電素子によって発電された電力の供給を受ける機器の負荷を示している。抵抗素子Rd1,Rd2の抵抗値は、この負荷ZLのインピーダンスに比べて十分に大きくなるように設定する。図5に示す発電回路60と同様に、発電効率を向上させるためには、負荷ZLのインピーダンスと圧電素子300の内部インピーダンスとを整合させておくのが好ましい。したがって、電力供給を受ける機器が予め想定されている場合は、当該機器の負荷ZLのインピーダンスに整合した内部インピーダンスをもつ圧電素子を採用して本発電素子の設計を行うようにするのが好ましい。
Here, too, the ZL connected in parallel to the capacitive element Cf indicates the load of the device that receives the power generated by the present power generation element. The resistance values of the resistance elements Rd1 and Rd2 are set so as to be sufficiently larger than the impedance of the load ZL. Similar to the
結局、発電回路500は、容量素子Cfと、各上層電極Ex1〜Ez4に発生した正電荷を容量素子Cfの正極側へ導くために各上層電極Ex1〜Ez4から容量素子Cfの正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子Dx1(+)〜Dz24(+)と、各上層電極Ex1〜Ez4に発生した負電荷を容量素子Cfの負極側へ導くために容量素子Cfの負極側から各上層電極Ex1〜Ez4へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子Dx1(−)〜Dz24(+)と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子Cfにより平滑化して負荷ZLに供給する機能を果たすことになる。
After all, in the
なお、この図15に示す回路においても、負荷ZLには、正電荷用整流素子Dx1(+)〜Dz24(+)で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子Dx1(−)〜Dz24(−)で取り出された負電荷とが供給されることになる。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各上層電極Ex1〜Ez4に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなるようにすれば、最も効率的な発電が可能になる。 Also in the circuit shown in FIG. 15, the load ZL includes the positive charge taken out by the positive charge rectifying elements Dx1 (+) to Dz24 (+) and the negative charge rectifying elements Dx1 (−) to Dz24 ( The negative charge taken out in-) will be supplied. Therefore, in principle, the most efficient power generation can be achieved by making the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated in each upper layer electrode Ex1 to Ez4 equal at each moment.
前述したとおり、図10に示す上層電極のうち、左右の脇電極はいずれも長手方向軸LxもしくはLyを中心軸として対称となるように配置されている。このような対称構造を採用すれば、重錘体150がX軸方向に振動した場合は、図11に示すように、同一箇所に配置された一対の左右脇電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなる。同様に、重錘体150がY軸方向に振動した場合も、図12に示すように、同一箇所に配置された一対の左右脇電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とがほぼ等しくなる。このように、右脇電極と左脇電極という一対の電極を中央電極の両脇に配置するメリットは、X軸方向の振動およびY軸方向の振動に関しては、正電荷の総量と負電荷の総量とを等しくする効果が得られる点にある。
As described above, among the upper layer electrodes shown in FIG. 10, the left and right side electrodes are all arranged symmetrically with the longitudinal axis Lx or Ly as the central axis. If such a symmetrical structure is adopted, when the
もちろん、この第2の実施形態においても、基本構造体100の固有の構造に基づいて定まる重錘体150の共振周波数が、外部から与えられる振動周波数に一致した場合に最も効率的な発電が可能になる。したがって、外部から与えられる振動の周波数が予め想定されている場合、基本構造体100の構造設計の段階で、当該周波数に共振周波数が合致するような設計を行うのが好ましい。
Of course, also in this second embodiment, the most efficient power generation is possible when the resonance frequency of the
<<< §4. 第2の実施形態を利用した発電装置 >>>
ここでは、§3で述べた第2の実施形態に係る発電素子(図10に示す素子)を複数組用意することにより、更に効率的な発電を可能にする実施形態を述べる。なお、本願では、用語として区別する便宜上、§1で述べた第1の実施形態、§2で述べたその変形例、§3で述べた第2の実施形態に示す1組の装置を「発電素子」と呼び、この「発電素子」を複数組用い、個々の発電素子によって取り出された電力を外部に供給する機能をもった装置を「発電装置」と呼ぶことにする。
<<< §4. Power generation device using the second embodiment >>>
Here, an embodiment that enables more efficient power generation by preparing a plurality of sets of power generation elements (elements shown in FIG. 10) according to the second embodiment described in §3 will be described. In the present application, for convenience of distinguishing as terms, the set of devices shown in the first embodiment described in §1, the modified example described in §2, and the second embodiment described in §3 is referred to as "power generation." A device that uses a plurality of sets of these "power generation elements" and has a function of supplying electric power extracted by each power generation element to the outside is called a "power generation device".
図16は、図10に示す発電素子を4組用いた発電装置の基本構造体1000の構造を示す平面図である(平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示す)。この基本構造体1000は、4組の基本構造体100A,100B,100C,100Dを融合させたものである。個々の基本構造体100A,100B,100C,100Dは、いずれも図9に示す基本構造体100と同等の構造をなし、それぞれ固定部用板状部材110,第1の板状橋梁部120,第2の板状橋梁部130,重錘体150の各部を有している。
FIG. 16 is a plan view showing the structure of the
図16では、基本構造体100A,100B,100C,100Dの各部についても、それぞれ符号の末尾にA〜Dを付して示してある。たとえば、基本構造体100Aは、固定部用板状部材110A,第1の板状橋梁部120A,第2の板状橋梁部130A,重錘体150Aの各部を有している。ただ、図の上下に隣接する基本構造体については、一対の固定部用板状部材110を融合した構造としている。このため、基本構造体100Aの固定部用板状部材110Aと基本構造体100Bの固定部用板状部材110Bとは、実際には融合して1つの固定部用板状部材110ABを構成しており、同様に、基本構造体100Cの固定部用板状部材110Cと基本構造体100Dの固定部用板状部材110Dとは、実際には融合して1つの固定部用板状部材110CDを構成している。
In FIG. 16, each part of the
もちろん、実際の発電装置は、図16に示す基本構造体1000に、更に、下層電極、圧電素子、上層電極、発電回路を付加することによって実現される。具体的には、たとえば、この基本構造体1000の上面全面に共通の下層電極を形成し、その上面全面に共通の圧電素子を形成し、更にその上面の所定箇所に局在的に複数の個別上層電極を形成すればよい(もちろん、下層電極や圧電素子を部分ごとに独立した構成にしてもかまわない)。
Of course, the actual power generation device is realized by further adding a lower layer electrode, a piezoelectric element, an upper layer electrode, and a power generation circuit to the
ここで、発電回路については、4組の発電素子を融合した回路とし、4組の発電素子から取り出した発生電荷をまとめて出力できるようにすればよい。具体的には、図15に示す発電回路500において、整流素子は個々の発電素子の上層電極にそれぞれ接続するようにするが、容量素子Cfについては、4組の発電素子について共通するものを1つ設けるようにし、すべての発電素子から得られた電力エネルギーをここに蓄積できるようにする。また、4組の発電素子の下層電極E00は相互に接続して、同電位となるようにしておく。もちろん、抵抗素子Rd1,Rd2も、4組の発電素子で共通のものを用いればよい。
Here, the power generation circuit may be a circuit in which four sets of power generation elements are fused so that the generated charges taken out from the four sets of power generation elements can be collectively output. Specifically, in the
図10に示す1組の発電素子は、12枚の上層電極から集めた電荷に基づいて発電を行うことになるが、これを4組用いて構成される発電装置は、合計48枚の上層電極から集めた電荷に基づいて発電を行うことができる。 One set of power generation elements shown in FIG. 10 generates electric power based on the electric charge collected from the 12 upper layer electrodes, and the power generation device configured by using 4 sets of the electric charges has a total of 48 upper layer electrodes. It is possible to generate electricity based on the electric charge collected from.
なお、複数組の発電素子を組み合わせて発電装置を構成する際には、一部の発電素子におけるX軸方向もしくはY軸方向またはその双方が、別な一部の発電素子におけるこれらの方向と異なる向きに配置されているようにするのが好ましい。そのような配置を採用すれば、個々の瞬間において、各上層電極に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ等しくする効果が得られ、より効率的な発電が可能になる。 When a power generation device is configured by combining a plurality of sets of power generation elements, the X-axis direction, the Y-axis direction, or both of some power generation elements are different from these directions in another part of the power generation elements. It is preferable that they are arranged in an orientation. If such an arrangement is adopted, the effect of making the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated in each upper layer electrode as equal as possible at each moment can be obtained, and more efficient power generation becomes possible.
たとえば、図16に示す基本構造体1000の場合、図に個々の基本構造体100A〜100Dについての座標軸(図9に示す基本構造体100として定義されたX軸およびY軸)が描かれているが、それぞれ向きの組み合わせが異なっていることがわかる。
For example, in the case of the
すなわち、基本構造体100Aは、図9に示す基本構造体100を反時計回りに90°回転させたものに対応し、この基本構造体100Aを基準にすると、基本構造体100Bは、図の上下方向に関する鏡像体になっている。また、図の左半分に示されている基本構造体100A,Bを基準にすると、図の右半分に示されている基本構造体100C,Dは、図の左右方向に関する鏡像体になっている。
That is, the
結局、図16に示す基本構造体1000を用いて構成された発電装置は、4組の発電素子を有し、第1の発電素子(基本構造体100Aを用いた素子)のX軸方向およびY軸方向を基準としたときに、第2の発電素子(基本構造体100Bを用いた素子)はY軸方向が逆転する向きに配置され、第3の発電素子(基本構造体100Dを用いた素子)はX軸方向が逆転する向きに配置され、第4の発電素子(基本構造体100Cを用いた素子)はX軸方向およびY軸方向の双方が逆転する向きに配置されていることになる。結果的に、第1の発電素子および第4の発電素子のZ軸方向は、紙面垂直上方に向かう方向になるのに対して、第2の発電素子および第3の発電素子のZ軸方向は、紙面垂直下方に向かう方向になる。
After all, the power generation device configured by using the
このように、4組の発電素子について相補的な配置を採用して発電装置を構成しておけば、ある特定方向に加速度が作用して、各発電素子の重錘体が当該特定方向に変位した場合でも、個々の発電素子について定義された座標系の向きが異なるため、各座標系に関する変位方向は相補的なものになる。このため、ある1つの発電素子の特定の上層電極に正電荷が生成された場合、別な1つの発電素子の対応する上層電極には負電荷が生成されることになる。したがって、4組の発電素子全体として見れば、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とを等しくする効果が得られることになる。 In this way, if the power generation device is configured by adopting a complementary arrangement for the four sets of power generation elements, acceleration acts in a specific direction and the weight of each power generation element is displaced in the specific direction. Even in this case, since the orientations of the coordinate systems defined for each power generation element are different, the displacement directions for each coordinate system are complementary. Therefore, when a positive charge is generated in a specific upper layer electrode of one power generation element, a negative charge is generated in the corresponding upper layer electrode of another power generation element. Therefore, when viewed as a whole of the four sets of power generation elements, the effect of equalizing the total amount of generated positive charges and the total amount of negative charges can be obtained.
ところで、既に述べたとおり、外部から与えられる振動に基づいて効率的な発電を行うためには、重錘体150の共振周波数を外部から与えられる振動周波数と一致させるのが好ましい。したがって、本発明に係る発電素子を、たとえば、特定の車両に搭載して用いることが予め定まっており、当該車両から加えられる周波数fが既知である場合には、基本構造体100の構造設計を行う段階で、重錘体150の共振周波数が当該車両から加えられる周波数fに合致するような設計を行っておくのが好ましい。
By the way, as already described, in order to efficiently generate power based on the vibration given from the outside, it is preferable to match the resonance frequency of the
しかしながら、本発明に係る発電素子を一般的な汎用品として提供する場合には、そのような専用品としての設計を行うことはできないので、最も一般的と考えられる振動周波数fを定め、共振周波数が当該周波数fに一致するような設計を行わざるを得ない。実際の利用環境においては、この共振周波数fに近い周波数をもった振動が加えられれば効率的な発電が可能であるが、外部振動の周波数が共振周波数fから離れれば離れるほど、発電効率が低下することは否めない。 However, when the power generation element according to the present invention is provided as a general-purpose product, it cannot be designed as such a dedicated product. Therefore, the vibration frequency f considered to be the most common is determined, and the resonance frequency is determined. Must be designed to match the frequency f. In an actual usage environment, efficient power generation is possible if vibration with a frequency close to this resonance frequency f is applied, but the farther the external vibration frequency is from the resonance frequency f, the lower the power generation efficiency. It is undeniable to do.
そこで、幅広い振動周波数に対応した発電を可能にするためには、上述したように、複数組の発電素子を組み合わせて発電装置を構成するようにし、かつ、複数の発電素子の重錘体が、それぞれ異なる共振周波数を有するようなアプローチを採用することが可能である。 Therefore, in order to enable power generation corresponding to a wide range of vibration frequencies, as described above, a plurality of sets of power generation elements are combined to form a power generation device, and a weight body of the plurality of power generation elements is used. It is possible to adopt an approach in which each has a different resonance frequency.
発電素子ごとに共振周波数を変える具体的な方法のひとつは、それぞれの重錘体の質量を変えることである。図17は、図16に示す発電装置の変形例に係る発電装置の基本構造体の構造を示す平面図である(平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示す)。この変形例では、4組の発電素子の各重錘体の質量に、その平面的な面積を変えることによりバリエーションをもたせている。 One of the concrete methods of changing the resonance frequency for each power generation element is to change the mass of each weight body. FIG. 17 is a plan view showing the structure of the basic structure of the power generation device according to the modified example of the power generation device shown in FIG. 16 (in order to clearly show the plan shape, the inner portion of the structure is hatched). .. In this modification, the mass of each weight of the four sets of power generation elements is varied by changing the planar area thereof.
この図17に示す基本構造体2000は、4組の基本構造体100E,100F,100G,100Hを融合させたものである。個々の基本構造体100E,100F,100G,100Hは、いずれも基本的には図9に示す基本構造体100と同等の構造をなすので、ここではその各部についても、それぞれ符号110,120,130,150の末尾にE〜Hを付して示してある(図16に示す例と同様に、固定部用板状部材110EFおよび110GHは共用になっている)。
The
図16に示す基本構造体1000の場合、4組の基本構造体の各重錘体150A,150B,150C,150Dの大きさ(質量)は同じであるが、図17に示す基本構造体2000の場合、4組の基本構造体の各重錘体150E,150F,150G,150Hの大きさ(質量)は、150E>150F>150G>150Hの順に小さくなっている。具体的には、各重錘体150E,150F,150G,150Hは、いずれも同じ厚みをもった板状部材であるが、図17に示すとおり、XY平面への投影像の面積は互いに異なるように設定されており、それぞれの質量は異なる。
In the case of the
もちろん、各重錘体の厚み(Z軸方向の寸法)を変えることにより、それぞれの質量を変えるようにしてもかまわない。要するに、重錘体のXY平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Z軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うことにより、複数の発電素子の重錘体の質量が異なるようにすればよい。 Of course, the mass of each weight may be changed by changing the thickness (dimension in the Z-axis direction) of each weight. In short, a plurality of weight bodies are set so that the areas of the projected images on the XY plane are different from each other, the thicknesses in the Z-axis direction are set to be different from each other, or both are set. The masses of the weights of the power generation elements may be different.
重錘体の共振周波数は、その質量に応じて異なる。したがって、重錘体150E,150F,150G,150Hの質量をそれぞれmE,mF,mG,mHとすれば(図17の例の場合は、mE>mF>mG>mH)、その共振周波数fE,fF,fG,fHはそれぞれ異なることになる。
The resonance frequency of the weight depends on its mass. Therefore, if the masses of the
発電素子ごとに重錘体の共振周波数を変える別な方法は、それぞれの板状橋梁部の構造を変えることである。具体的には、複数の発電素子の第1の板状橋梁部もしくは第2の板状橋梁部またはその双方について、XY平面への投影像の面積が互いに異なるように設定するか、Z軸方向に関する厚みが互いに異なるように設定するか、または、その双方の設定を行うようにすればよい。そのような設定を行っても、重錘体150E,150F,150G,150Hの共振周波数fE,fF,fG,fHをそれぞれ異ならせることができる。
Another method of changing the resonance frequency of the weight for each power generation element is to change the structure of each plate-shaped bridge portion. Specifically, the areas of the projected images on the XY plane are set so as to be different from each other for the first plate-shaped bridge portion, the second plate-shaped bridge portion, or both of the plurality of power generation elements, or in the Z-axis direction. The thicknesses may be set so as to be different from each other, or both may be set. Even with such a setting, the resonance frequencies fE, fF, fG, and fH of the
このように、4組の発電素子の各重錘体の共振周波数をそれぞれ異ならせると、幅広い振動周波数に対応した発電が可能になる。たとえば、上例の場合、4通りの共振周波数fE,fF,fG,fHが設定されるため、外部から与えられる振動の周波数がこれらのうちのいずれかに近接していれば、当該近接周波数を共振周波数とする発電素子に関しては効率的な発電が期待できる。 In this way, if the resonance frequencies of the weights of the four sets of power generation elements are different from each other, it is possible to generate power corresponding to a wide range of vibration frequencies. For example, in the case of the above example, four resonance frequencies fE, fF, fG, and fH are set, so if the frequency of vibration given from the outside is close to any of these, the proximity frequency is set. Efficient power generation can be expected for the power generation element that uses the resonance frequency.
もちろん、特定の車両に搭載して利用することが予め決まっており、当該車両から加えられる周波数fが既知である場合は、4組の発電素子の各重錘体の共振周波数をいずれもfに設定するのが最も好ましい。しかしながら、一般的な汎用品として提供する発電装置の場合は、どのような振動環境で利用されるかを特定することはできない。その場合は、最も一般的と考えられる振動周波数の予想範囲を設定し、当該予想範囲内に4通りの共振周波数fE,fF,fG,fHが分布するように、各発電素子の基本構造体を設計すればよい。 Of course, if it is predetermined to be mounted on a specific vehicle and used, and the frequency f applied from the vehicle is known, the resonance frequency of each weight of each of the four sets of power generation elements is set to f. It is most preferable to set it. However, in the case of a power generation device provided as a general-purpose product, it is not possible to specify what kind of vibration environment it will be used in. In that case, set the predicted range of the vibration frequency that is considered to be the most common, and set the basic structure of each power generation element so that the four resonance frequencies fE, fF, fG, and fH are distributed within the predicted range. You can design it.
<<< §5. 第2の実施形態の変形例 >>>
ここでは、§3で述べた第2の実施形態に係る3軸発電型の発電素子の変形例をいくつか述べておく。
<<< §5. Modification example of the second embodiment >>>
Here, some modifications of the 3-axis power generation type power generation element according to the second embodiment described in §3 will be described.
<5−1 上層電極の数の変形例>
§2−1では、図3に示す2軸発電型の発電素子における6枚の上層電極E11〜E23の代わりに、図6に示すような3枚の上層電極E31〜E33を用いる変形例を示した。このように、上層電極の数を変える変形例は、図10に示す3軸発電型の発電素子についても可能である。
<5-1 Deformation example of the number of upper layer electrodes>
§2-1 shows a modified example in which three upper layer electrodes E31 to E33 as shown in FIG. 6 are used instead of the six upper layer electrodes E11 to E23 in the two-axis power generation type power generation element shown in FIG. rice field. As described above, a modification for changing the number of upper layer electrodes is also possible for the 3-axis power generation type power generation element shown in FIG.
具体的には、図10(a) において、第1の板状橋梁部120に形成されている6枚の上層電極のうち、第1の長手方向軸Ly上に配置されている一対の中央電極Ez3,Ez4を細長い1本の中央電極に融合し、その右脇に配置されている一対の右脇電極Ey1,Ey3を細長い1本の右脇電極に融合し、左脇に配置されている一対の左脇電極Ey2,Ey4を細長い1本の左脇電極に融合すればよい。そうすれば、第1の板状橋梁部120には、図6に示す変形例の板状橋梁部20に形成されている上層電極と同様に、Y軸に平行な方向に伸びる3本の細長い上層電極が配置されることになる。同じように、図10(a) において、第2の板状橋梁部130に形成されている6枚の上層電極についても、X軸に平行な方向に伸びる3本の細長い上層電極に置き換えることができる。
Specifically, in FIG. 10A, a pair of central electrodes arranged on the first longitudinal axis Ly among the six upper layer electrodes formed on the first plate-shaped
結局、このような変形例では、上層電極の数は6枚にまで減らされることになるが、基本構造体100の構成に変わりはない。すなわち、この変形例における基本構造体100においても、固定部として機能する固定部用板状部材110により、第1の板状橋梁部120の根端部が装置筐体の底板200に固定され、第1の板状橋梁部120の先端部は第2の板状橋梁部130の根端部に接続され、第2の板状橋梁部130の先端部には重錘体150が接続されることになり、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130の撓みにより重錘体150が装置筐体内で各座標軸方向に振動する点は、図10に示す発電素子と全く同じである。
After all, in such a modification, the number of upper layer electrodes is reduced to six, but the configuration of the
しかも、圧電素子300は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有しており、上層電極群の構成は、第1の板状橋梁部120の表面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成された第1の上層電極群と、第2の板状橋梁部130の表面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成された第2の上層電極群と、を有している点も、図10に示す発電素子と全く同じである。
Moreover, the
ここで、第1の板状橋梁部120に形成された第1の上層電極群は、第1の中央電極(図10(a) に示す電極Ez3とEz4を融合させたもの)、第1の右脇電極(図10(a) に示す電極Ey1とEy3を融合させたもの)、第1の左脇電極(図10(a) に示す電極Ey2とEy4を融合させたもの)、という3種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第1の長手方向軸Lyに沿って伸びるように配置され、圧電素子300を挟んで下層電極E00の所定領域に対向しており、第1の中央電極は、第1の板状橋梁部120の上面側の、第1の長手方向軸Lyに沿った中心線の位置に配置されており、第1の右脇電極は、第1の中央電極の一方の脇に配置されており、第1の左脇電極は、第1の中央電極の他方の脇に配置されていることになる。
Here, the first upper layer electrode group formed on the first plate-shaped
また、第2の板状橋梁部130に形成された第2の上層電極群は、第2の中央電極(図10(a) に示す電極Ez1とEz2を融合させたもの)、第2の右脇電極(図10(a) に示す電極Ex1とEx3を融合させたもの)、第2の左脇電極(図10(a) に示す電極Ex2とEx4を融合させたもの)、という3種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、第2の長手方向軸Lxに沿って伸びるように配置され、圧電素子300を挟んで下層電極E00の所定領域に対向しており、第2の中央電極は、第2の板状橋梁部130の上面側の、第2の長手方向軸Lxに沿った中心線の位置に配置されており、第2の右脇電極は、第2の中央電極の一方の脇に配置されており、第2の左脇電極は、第2の中央電極の他方の脇に配置されていることになる。
Further, the second upper layer electrode group formed on the second plate-shaped
このように、図10に示す3軸発電型の発電素子における12枚の上層電極を融合して、6枚の上層電極に置き換えた変形例においても、上層電極は、中央電極、右脇電極、左脇電極なる3種類の電極によって構成されているため、X軸方向もしくはY軸方向に関する振動に関しては、発生する正電荷の総量と負電荷の総量とをできるだけ均衡に保つ効果が得られる。 In this way, even in the modified example in which the 12 upper layer electrodes in the 3-axis power generation type power generation element shown in FIG. 10 are fused and replaced with the 6 upper layer electrodes, the upper layer electrodes are the center electrode, the right side electrode, and the right side electrode. Since it is composed of three types of electrodes, which are the left side electrodes, it is possible to obtain the effect of keeping the total amount of positive charges and the total amount of negative charges generated as balanced as possible with respect to vibrations in the X-axis direction or the Y-axis direction.
もっとも、実用上は、図10に示すように12枚の上層電極を用いる実施例を採用する方が、上述した6枚の上層電極を用いる変形例を採用するよりも好ましい。これは、前者の方が後者に比べて高い発電効率が得られるためである。以下にその理由を説明する。 However, in practice, it is preferable to adopt an example using 12 upper layer electrodes as shown in FIG. 10 than to adopt a modification using the above-mentioned 6 upper layer electrodes. This is because the former can obtain higher power generation efficiency than the latter. The reason will be explained below.
図10に示す12枚の上層電極を用いる実施例では、互いに直交するようにL字型に配置された2組の板状橋梁部120,130が用いられている。これら板状橋梁部120,130は、いずれも単体として捉えれば、図3に示す板状橋梁部20と同等の構成をなし、上面側に配置された6枚の上層電極を有する。しかしながら、重錘体が変位したときに各部に生じる伸縮応力の挙動は若干異なってくる。
In the embodiment using the twelve upper layer electrodes shown in FIG. 10, two sets of plate-shaped
すなわち、図3に示す板状橋梁部20の場合、重錘体30がX軸正方向に変位すると、図2(a) に示すように、板状橋梁部20の左脇(図の上方側)は、固定部10側も重錘体30側も伸びており、板状橋梁部20の右脇(図の下方側)は、固定部10側も重錘体30側も縮んでいる。このように、板状橋梁部20の同じ側面の伸縮状態が、固定部10側と重錘体30側とで同じであるため、図3(a) に示す一対の右脇電極E11,E21を融合して、図6に示す右脇電極E31に置き換え、図3(a) に示す一対の左脇電極E13,E23を融合して、図6に示す左脇電極E33に置き換えても、融合対象となる一対の電極の発生電荷の極性が同じであるため、電荷が相殺されて消滅することはない。
That is, in the case of the plate-shaped
ところが、図10に示す2組の板状橋梁部120,130の場合、重錘体150がX軸正方向に変位すると、図11に示すように、第1の板状橋梁部120の右脇に配置された第1の先端部側右脇電極Ey1および第1の根端部側右脇電極Ey3は、互いに伸縮状態が逆転している。このため、両者を融合して細長い1本の電極に置き換えてしまうと、異なる極性の電荷による相互相殺が起こってしまう。第1の板状橋梁部120の左脇に配置された第1の先端部側左脇電極Ey2および第1の根端部側左脇電極Ey4についても同様である。
However, in the case of the two sets of plate-shaped
また、図10に示す2組の板状橋梁部120,130の場合、重錘体150がY軸正方向に変位すると、図12に示すように、第2の板状橋梁部130の右脇に配置された第2の先端部側右脇電極Ex1および第2の根端部側右脇電極Ex3は、互いに伸縮状態が逆転している。このため、両者を融合して細長い1本の電極に置き換えてしまうと、異なる極性の電荷による相互相殺が起こってしまう。第2の板状橋梁部130の左脇に配置された第2の先端部側左脇電極Ex2および第2の根端部側左脇電極Ex4についても同様である。
Further, in the case of the two sets of plate-shaped
このような点から、実用上は、図10(a) に示す実施例のように、合計12枚の電気的に独立した上層電極を配置し、第1の上層電極群を、第1の板状橋梁部120の根端部近傍に配置された第1の根端部側電極群(Ey3,Ey4,Ez4)と、第1の板状橋梁部120の先端部近傍に配置された第1の先端部側電極群(Ey1,Ey2,Ez3)とによって構成し、第2の上層電極群を、第2の板状橋梁部130の根端部近傍に配置された第2の根端部側電極群(Ex3,Ex4,Ez2)と、第2の板状橋梁部130の先端部近傍に配置された第2の先端部側電極群(Ex1,Ex2,Ez1)とによって構成し、第1の根端部側電極群、第1の先端部側電極群、第2の根端部側電極群、第2の先端部側電極群のそれぞれが、中央電極、右脇電極、左脇電極なる3種類の上層電極を有するようにするのが好ましい。
From such a point, practically, as shown in the embodiment shown in FIG. 10 (a), a total of 12 electrically independent upper layer electrodes are arranged, and the first upper layer electrode group is used as the first plate. The first root end side electrode group (Ey3, Ey4, Ez4) arranged near the root end portion of the shaped
このように、図10に示す3軸発電型の発電素子の動作挙動は、図3に示す2軸発電型の発電素子の動作挙動とは若干異なっており、図3に示す板状橋梁部20を単に2本組み合わせたものではない。すなわち、図11および図12に示すように、重錘体のX軸方向およびY軸方向の変位に対して、板状橋梁部の同じ脇側であるのに、伸縮態様が逆転する部分が存在する。
As described above, the operating behavior of the 3-axis power generation type power generation element shown in FIG. 10 is slightly different from the operating behavior of the 2-axis power generation type power generation element shown in FIG. 3, and the plate-shaped
また、図3に示す2軸発電型の発電素子では、Y軸方向の振動エネルギーが加わった場合、X軸方向もしくはZ軸方向の振動エネルギーが加わった場合に比べて、発電効率は極めて小さくなってしまうが(前述したとおり、Y軸方向の振動は、板状橋梁部20を全体的に引き伸ばしたり圧縮したりする変形動作によって行われるため、機械的な変形効率が低いためと考えられる)、図10に示す3軸発電型の発電素子では、図11および図12に示すとおり、X軸方向もしくはY軸方向の振動エネルギーが加わった場合、いずれの場合も、8枚の上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4のすべてから、十分な効率で電荷の抽出が可能になる。
Further, in the two-axis power generation type power generation element shown in FIG. 3, the power generation efficiency becomes extremely small when the vibration energy in the Y-axis direction is applied, as compared with the case where the vibration energy in the X-axis direction or the Z-axis direction is applied. (As described above, the vibration in the Y-axis direction is performed by the deformation operation of stretching or compressing the plate-shaped
このような点から、図10に示す12枚の上層電極を用いる3軸発電型の発電素子は、非常に発電効率の高い発電素子ということができる。 From this point of view, the 3-axis power generation type power generation element using the 12 upper layer electrodes shown in FIG. 10 can be said to be a power generation element having extremely high power generation efficiency.
<5−2 上層電極を側面配置する変形例>
§2−2では、図8を参照しながら、図3に示す第1の実施形態に係る発電素子における上層電極の配置態様のバリエーションを説明した。これらのバリエーションは、図10に示す第2の実施形態に係る発電素子についても同様に適用可能である。
<5-2 Deformation example in which the upper layer electrode is arranged on the side surface>
In §2-2, variations in the arrangement mode of the upper layer electrodes in the power generation element according to the first embodiment shown in FIG. 3 have been described with reference to FIG. These variations can be similarly applied to the power generation element according to the second embodiment shown in FIG.
図10(b) の側断面図には、第2の板状橋梁部130の上面に下層電極E00を配置し、その上面に圧電素子300を配置し、その上面に右脇電極Ex1,中央電極Ez1,左脇電極Ex2を配置した実施例が示されている。この実施例は、図8(a) に示すバリエーションを採用したものである。
In the side sectional view of FIG. 10B, the lower layer electrode E00 is arranged on the upper surface of the second plate-shaped
すなわち、この実施例では、下層電極E00が第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130の上面に形成され(実際には、下層電極E00は、基本構造体100の上面全面に形成されている)、圧電素子300がこの下層電極E00の上面に形成されている。そして、更に、第1の中央電極Ez3,Ez4、第1の右脇電極Ey1,Ey3および第1の左脇電極Ey2,Ey4が、第1の板状橋梁部120の上面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成されており、第2の中央電極Ez1,Ez2、第2の右脇電極Ex1,Ex3および第2の左脇電極Ex2,Ex4が、第2の板状橋梁部130の上面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成されている。
That is, in this embodiment, the lower layer electrode E00 is formed on the upper surface of the first plate-shaped
これに対して、図8(b) に示すバリエーションを採用した場合は、下層電極E00を第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130の上面とともに側面にも形成するようにし、圧電素子300をこの下層電極E00の表面に形成するようにする。そして、第1の中央電極Ez3,Ez4を、第1の板状橋梁部120の上面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成し、第1の右脇電極Ey1,Ey3および第1の左脇電極Ey2,Ey4を、第1の板状橋梁部120の側面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成すればよい。同様に、第2の中央電極Ez1,Ez2を、第2の板状橋梁部130の上面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成し、第2の右脇電極Ex1,Ex3および第2の左脇電極Ex2,Ex4を、第2の板状橋梁部130の側面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成すればよい。
On the other hand, when the variation shown in FIG. 8B is adopted, the lower layer electrode E00 is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped
一方、図8(c) に示すバリエーションを採用した場合は、下層電極E00を第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130の上面とともに側面にも形成するようにし、圧電素子300を、この下層電極E00の表面に形成するようにする。そして、第1の中央電極Ez3,Ez4を、第1の板状橋梁部120の上面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成し、第1の右脇電極Ey1,Ey3および第1の左脇電極Ey2,Ey4を、第1の板状橋梁部120の上面から側面にかけて下層電極E00および圧電素子300を介して形成すればよい。同様に、第2の中央電極Ez1,Ez2を、第2の板状橋梁部130の上面に下層電極E00および圧電素子300を介して形成し、第2の右脇電極Ex1,Ex3および第2の左脇電極Ex2,Ex4を、第2の板状橋梁部130の上面から側面にかけて下層電極E00および圧電素子300を介して形成すればよい。
On the other hand, when the variation shown in FIG. 8C is adopted, the lower layer electrode E00 is formed on the side surface together with the upper surface of the first plate-shaped
もちろん、この第2の実施形態に係る発電素子について、図8(a) 〜図8(c) に示す実施例における上層電極の配置形態を部分ごとに組み合わせることも可能であり、たとえば、図8(d) に例示するような形態を採用することも可能である。 Of course, with respect to the power generation element according to the second embodiment, it is also possible to combine the arrangement forms of the upper layer electrodes in the examples shown in FIGS. 8 (a) to 8 (c) for each part, for example, FIG. It is also possible to adopt the form illustrated in (d).
また、圧電素子300は、必ずしも一体構造にする必要はなく、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわない。ただ、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。同様に、下層電極E00も、各上層電極に応じた位置にそれぞれ別個独立したものを配置するようにしてもかまわないが、実用上は、一体構造とした方が製造プロセスは容易になる。
Further, the
<5−3 環状構造体からなる固定部>
ここでは、§3で述べた図10に示す変形例として、固定部を環状構造体によって構成した例を述べる。図18は、この変形例に係る発電装置の基本構造体100Iの構造を示す平面図(図(a) )およびこれをYZ平面で切断した側断面図(図(b) )である。図18(a) は平面図であるが、平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示し、12枚の上層電極の位置を矩形で示す。
<Fixed portion consisting of 5-3 annular structure>
Here, as a modification shown in FIG. 10 described in §3, an example in which the fixed portion is configured by an annular structure will be described. FIG. 18 is a plan view (FIG. (A)) showing the structure of the basic structure 100I of the power generation device according to this modified example, and a side sectional view (FIG. (B)) obtained by cutting the basic structure 100I in the YZ plane. FIG. 18A is a plan view, but in order to clearly show the plan shape, the inner portion of the structure is hatched, and the positions of the 12 upper layer electrodes are shown in a rectangular shape.
図10に示す実施例では、第1の板状橋梁部120の一端を装置筐体の底板200に固定する固定部として、X軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸びる固定部用板状部材110を用いていた。これに対して、図18に示す変形例では、環状構造体110Iを固定部として用いている。この環状構造体110Iは、図示のとおり、左辺110I1,下辺110I2,右辺110I3,上辺110I4という4辺をもった矩形枠状の構造体であり、図18(b) に示すように、その下面全面が装置筐体の底板200Iの上面に固着されている。
In the embodiment shown in FIG. 10, as a fixing portion for fixing one end of the first plate-shaped
一方、環状構造体110Iの左辺110I1の図の下端近傍には、第1の板状橋梁部120Iの根端部が接続されている。そして、この第1の板状橋梁部120Iの先端部は、中間接続部125Iを介して、第2の板状橋梁部130Iの根端部に接続されており、第2の板状橋梁部130Iの先端部は重錘接続部140Iを介して重錘体150Iに接続されている。結局、この変形例の場合、固定部が、環状構造体110Iによって構成されており、この環状構造体110Iによって囲まれた内部領域に、第1の板状橋梁部120I、第2の板状橋梁部130Iおよび重錘体150Iが配置された構造となっている。
On the other hand, the root end portion of the first plate-shaped bridge portion 120I is connected to the vicinity of the lower end of the figure of the left side 110I1 of the
このように、第1の板状橋梁部120I、第2の板状橋梁部130I、重錘体150Iの周囲を、環状構造体110Iが所定距離を維持して取り囲む構造を採用すると、環状構造体110Iが、第1の板状橋梁部120I、第2の板状橋梁部130I、重錘体150Iの過剰な変位を制御するストッパ部材としての役割を果たすことになる。すなわち、重錘体150Iに過度の加速度(各板状橋梁部120I,130Iが破損するような加速度)が加わった場合でも、各部の過度の変位を制限することができるので、板状橋梁部120I,130Iが破損する事態を避けることができる。
As described above, when the
<5−4 庇構造部の付加>
図18に示す変形例のもう一つの特徴は、中間接続部125Iが、第1の板状橋梁部120Iの先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部α1と第2の板状橋梁部130Iの根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部α2とを有し、重錘接続部140Iが、第2の板状橋梁部130Iの先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部α3を有する点である。なお、これら庇構造部α1,α2,α3を設けたため、環状構造体110Iの内側部分には、これら庇構造部α1,α2,α3に対応した位置に凹部が形成されている。
<Addition of 5-4 eaves structure>
Another feature of the modified example shown in FIG. 18 is the eaves structure portion α1 and the second plate-shaped bridge portion in which the intermediate connecting portion 125I protrudes outward from the side surface of the tip portion of the first plate-shaped bridge portion 120I. The eaves structure portion α2 having an eaves structure portion α2 protruding outward from the side surface of the root end portion of the 130I, and the weight connecting portion 140I protruding outward from the side surface of the tip portion of the second plate-shaped
本願発明者は、図示のような庇構造部α1,α2,α3を設けた構造を採用すると、発電素子の発電効率を更に向上させることができることを発見した。これは、この庇構造部α1,α2,α3を設けた構造を採用すると、各上層電極の形成位置における伸縮応力を更に高めることができるためである。これを、コンピュータを用いた構造力学上のシミュレーション結果に基づいて示そう。 The inventor of the present application has discovered that the power generation efficiency of a power generation element can be further improved by adopting a structure provided with eaves structure portions α1, α2, and α3 as shown in the figure. This is because the stretching stress at the formation position of each upper layer electrode can be further increased by adopting the structure provided with the eaves structure portions α1, α2, α3. Let us show this based on the results of structural mechanics simulations using a computer.
図19(a) は、図10に示す発電素子の基本構造体について、重錘体150がX軸正方向の変位Δx(+)を生じたときの各板状橋梁部120,130に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。一方、図19(b) は、図18に示す発電素子(庇構造部α1,α2,α3を設けた構造を採用する素子)の基本構造体について、重錘体150がX軸正方向の変位Δx(+)を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。いずれの分布図も、所定の変位量が生じたときに、中程度の伸張応力、強い伸張応力、中程度の収縮応力、強い収縮応力が作用する領域に、それぞれ固有のハッチングを施して示したものである(各図右上の凡例参照)。
FIG. 19A shows the stress generated in each of the plate-shaped
同様に、図20は、図10に示す発電素子の基本構造体(図(a) )および図18に示す発電素子の基本構造体(図(b) )について、重錘体150がY軸正方向の変位Δy(+)を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図であり、図21は、図10に示す発電素子の基本構造体(図(a) )および図18に示す発電素子の基本構造体(図(b) )について、重錘体150がZ軸正方向の変位Δz(+)を生じたときの各板状橋梁部に生じる応力の大きさを示す応力分布図である。
Similarly, in FIG. 20, with respect to the basic structure of the power generation element shown in FIG. 10 (FIG. (a)) and the basic structure of the power generation element shown in FIG. 18 (FIG. (b)), the
図19(a) ,(b) および図20(a) ,(b) の応力分布図を参照すると、重錘体150が、X軸方向やY軸方向に変位したときには、左右の脇電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4の形成位置に比較的大きな伸縮応力が発生していることがわかる。一方、図21(a) ,(b) の応力分布図を参照すると、重錘体150がZ軸方向に変位したときには、すべての上層電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4,Ez1〜Ez4の形成位置に比較的大きな伸縮応力が発生していることがわかる。したがって、図10に示す12枚の上層電極の配置が理想的な配置になっていることが理解できよう。
With reference to the stress distribution diagrams of FIGS. 19 (a) and 19 (b) and FIGS. 20 (a) and 20 (b), when the
しかも、図19〜図21において、上段の図(a) と下段の図(b) とを比較すると、概して、下段の図(b) に示す応力分布図の方が比較的大きな伸縮応力が発生していることがわかる。これは、図18(a) に示すように、庇構造部α1,α2,α3を設けた構造を採用すると、第1の板状橋梁部120Iの根端部および先端部ならびに第2の板状橋梁部130Iの根端部および先端部に効率的に応力を集中させることができ、発電素子の発電効率を更に向上させることができることを意味する。したがって、実用上は、図18(a) に示すように、庇構造部α1,α2,α3を設けた構造を採用するのが好ましい。
Moreover, when comparing the upper figure (a) and the lower figure (b) in FIGS. 19 to 21, the stress distribution map shown in the lower figure (b) generally generates a relatively large stretching stress. You can see that it is doing. As shown in FIG. 18A, when the structure provided with the eaves structure portions α1, α2, α3 is adopted, the root end portion and the tip portion of the first plate-shaped bridge portion 120I and the second plate-shaped portion are adopted. This means that stress can be efficiently concentrated on the root end portion and the tip end portion of the
<5−5 環状重錘体>
続いて、重錘体を外側に設け、環状構造とした変形例を述べておく。この変形例は、図18に示した変形例における固定部(環状構造体110I)と重錘体(150I)との役割を逆転させたものである。すなわち、図18に示した変形例において固定部として機能していた環状構造体110Iを重錘体として機能させ、重錘体150Iとして機能していた板状体を固定部として機能させるようにしたものである。そのためには、図18において重錘体150Iとして機能していた板状体の下面を装置筐体の底板の上面に固定し、図18において固定部として機能していた環状構造体110Iが、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにすればよい。
<5-5 annular weight>
Next, a modified example in which a weight body is provided on the outside to form an annular structure will be described. In this modification, the roles of the fixed portion (
図22に、このような役割を逆転させた変形例に係る発電素子の基本構造体100Jの構造を示す平面図(図(a) )およびこれをYZ平面で切断した側断面図(図(b) )を示す。それぞれ上段に図(a) として示す平面図だけを比較すると、図18に示す基本構造体100Iと図22に示す基本構造体100Jとは、全く同じ構造のように見えるが、下段に図(b) として示す側断面図を比較すると、両者の構造の違いがよく理解できよう。 FIG. 22 shows a plan view (FIG. (A)) showing the structure of the basic structure 100J of the power generation element according to the modified example in which such a role is reversed, and a side sectional view (FIG. (b)) obtained by cutting the basic structure 100J in the YZ plane. )) Is shown. Comparing only the plan views shown in the upper part as FIG. (A), the basic structure 100I shown in FIG. 18 and the basic structure 100J shown in FIG. 22 seem to have exactly the same structure, but the lower part shows the figure (b). ), You can understand the difference between the two structures.
図22に示す基本構造体100Jの場合、中央に配置された板状の部材150Jが板状固定部となり、他の部分に比べて厚みが大きい部分になる。そして、この板状固定部150Jの下面が、装置筐体の底板200Jの上面に固着される。一方、図22(a) に示すように、この板状固定部150Jの右上隅部には、固定端接続部140Jを介して、第1の板状橋梁部130Jの根端部(図の上端)が接続されている。また、この第1の板状橋梁部130Jの先端部(図の下端)には、中間接続部125Jを介して、第2の板状橋梁部120Jの根端部(図の右端)が接続されており、更に、この第2の板状橋梁部120Jの先端部(図の左端)には、環状重錘体110Jが接続されている。
In the case of the basic structure 100J shown in FIG. 22, the plate-shaped
環状重錘体110Jは、図22(a) に示すとおり、左辺110J1,下辺110J2,右辺110J3,上辺110J4という4辺をもった矩形枠状の構造体であり、図22(b) に示すように、装置筐体の底板200Jの上方に浮いた状態となるように宙吊りになっている。
As shown in FIG. 22A, the
これまで述べてきた実施例では、重錘体が基本構造体の内側位置に配置されていたが、図22に示す変形例の場合、環状重錘体110Jが基本構造体100Jの外側位置に配置されることになる。このように外側に環状重錘体を配置する構造を採ると、一般的に、重錘体の質量を大きく確保することが容易になるので、重錘体の質量を大きくして発電効率を高める上では有利である。
In the embodiments described so far, the weight body is arranged at the inner position of the basic structure, but in the modified example shown in FIG. 22, the
<5−6 渦巻状の構造体>
ここでは、板状橋梁部の数を更に増やし、渦巻状の構造体を構成した変形例を述べておく。図23は、この変形例に係る発電装置の基本構造体100Kの構造を示す平面図である。この図においても、平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示し、24枚の上層電極の位置を矩形で示す。この変形例は、図18に示す変形例における重錘接続部140Iの代わりに、第3の板状橋梁部140K,中間接続部145K,第4の板状橋梁部150K,重錘接続部160Kを介して重錘体170Kを支持する構造が採用されている。
<5-6 spiral structure>
Here, a modified example in which the number of plate-shaped bridges is further increased to form a spiral structure will be described. FIG. 23 is a plan view showing the structure of the
具体的には、図示のとおり、左辺110K1,下辺110K2,右辺110K3,上辺110K4という4辺をもった矩形枠状の環状構造体110Kが固定部として用いられており、その下面全面が装置筐体の底板の上面に固着されている。一方、環状構造体110Kの左辺110K1の図の下端近傍には、第1の板状橋梁部120Kの根端部が接続されている。そして、この第1の板状橋梁部120Kの先端部は、中間接続部125Kを介して、第2の板状橋梁部130Kの根端部に接続されており、第2の板状橋梁部130Kの先端部は中間接続部135Kを介して第3の板状橋梁部140Kの根端部に接続されており、第3の板状橋梁部140Kの先端部は中間接続部145Kを介して第4の板状橋梁部150Kの根端部に接続されており、第4の板状橋梁部150Kの先端部は重錘接続部160Kを介して重錘体170Kに接続されている。
Specifically, as shown in the figure, a rectangular frame-shaped
結局、この変形例の場合、固定部が、環状構造体110Kによって構成されており、この環状構造体110Kによって囲まれた内部領域に、第1の板状橋梁部120K、第2の板状橋梁部130K、第3の板状橋梁部140K、第4の板状橋梁部150K、重錘体170Kが配置された構造となっている。ここで、第1の板状橋梁部120Kおよび第3の板状橋梁部140Kは、Y軸に平行な第1および第3の長手方向軸に沿って伸びており、第2の板状橋梁部130Kおよび第4の板状橋梁部150Kは、X軸に平行な第2および第4の長手方向軸に沿って伸びている。かくして、重錘体170Kは、4本の板状橋梁部120K,130K,140K,150Kを渦巻状に連結させて構成される構造体によって支持されることになる。
After all, in the case of this modification, the fixed portion is composed of the
この4本の板状橋梁部120K,130K,140K,150Kの上面に下層電極を形成し、その上面に圧電素子を配置し、更にその上面の所定箇所に局在的に上層電極群を設ける点は、これまでの実施例と同様である。図示の例の場合、4本の板状橋梁部120K,130K,140K,150Kのそれぞれについて、根端部および先端部に3枚の上層電極を配置しており、合計24枚の上層電極が形成されている。
A point in which a lower layer electrode is formed on the upper surfaces of these four plate-shaped
これまで述べてきた実施例よりも構造が複雑になるが、この変形例では、発電回路が、合計24枚の上層電極および共通の下層電極に発生した電荷から電力を取り出すことができるため、発電効率を向上させることができる。 Although the structure is more complicated than that of the above-described embodiment, in this modification, the power generation circuit can extract power from the charges generated in the total of 24 upper-layer electrodes and the common lower-layer electrode, so that power can be generated. Efficiency can be improved.
図23には、4本の板状橋梁部120K,130K,140K,150Kを設ける例を示したが、もちろん、3本の板状橋梁部120K,130K,140Kのみを設けて、第3の板状橋梁部140Kの先端部に、直接もしくは間接的に重錘体を接続するようにしてもかまわない。また、5本以上の板状橋梁部を連結した先に重錘体を接続するようにしてもかまわない。
FIG. 23 shows an example in which four plate-shaped
一般論として述べれば、基本的な実施例として述べた第1の板状橋梁部および第2の板状橋梁部を有する構造体において、第2の板状橋梁部と重錘体との間に、更に、第3の板状橋梁部〜第Kの板状橋梁部を設け、合計K本の板状橋梁部を連結した先に重錘体を接続するようにしてもかまわない(但し、K≧3)。このとき、第iの板状橋梁部(但し、1≦i≦K−1)の先端部が第(i+1)の板状橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第Kの板状橋梁部の先端部が重錘体に直接もしくは間接的に接続されており、第jの板状橋梁部(但し、1≦j≦K)は、jが奇数の場合はY軸に平行な第jの長手方向軸に沿って伸び、jが偶数の場合はX軸に平行な第jの長手方向軸に沿って伸びているようにする。 Generally speaking, in the structure having the first plate-shaped bridge portion and the second plate-shaped bridge portion described as the basic embodiment, between the second plate-shaped bridge portion and the weight body. Further, a third plate-shaped bridge portion to a K-th plate-shaped bridge portion may be provided, and a weight body may be connected to the end where a total of K plate-shaped bridge portions are connected (however, K). ≧ 3). At this time, the tip of the i-th plate-shaped bridge portion (however, 1 ≦ i ≦ K-1) is directly or indirectly connected to the root end portion of the (i + 1) plate-shaped bridge portion, and the K-th plate-shaped bridge portion is connected. The tip of the plate-shaped bridge is directly or indirectly connected to the weight body, and the j-th plate-shaped bridge (however, 1 ≦ j ≦ K) is parallel to the Y axis when j is an odd number. It extends along the longitudinal axis of the jth, and if j is an even number, it extends along the longitudinal axis of the jth parallel to the X axis.
また、第1の板状橋梁部の根端部から第Kの板状橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、重錘体がこの渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置されているようにすれば、図23に示す例のように、限られた空間内に効率的にK本の板状橋梁部と重錘体とを配置することができるようになる。図23に示す例は、上述の一般論において、K=4に設定した例ということになる。 Further, the structure from the root end of the first plate-shaped bridge to the tip of the K-th plate-shaped bridge forms a spiral path, and the weight body is surrounded by this spiral path. If they are arranged at the center position, K plate-shaped bridges and weights can be efficiently arranged in a limited space as shown in the example shown in FIG. 23. become. The example shown in FIG. 23 is an example in which K = 4 is set in the above general theory.
この図23に示す例のように、固定部を環状構造体110Kによって構成し、この環状構造体110Kによって囲まれた内部領域に第1の板状橋梁部〜第Kの板状橋梁部および重錘体が配置されている構成を採れば、すべての構造を環状構造体110K内に効率的に収容することができる。
As shown in the example shown in FIG. 23, the fixed portion is configured by the
このような構造体を利用し、第3の板状橋梁部〜第Kの板状橋梁部の表面にも、下層電極、圧電素子、上層電極群を設けるようにすれば、発電回路は、これら上層電極および下層電極に発生した電荷からも電力を取り出すことができ、発電効率を向上させることができる。 If such a structure is used and a lower layer electrode, a piezoelectric element, and an upper layer electrode group are provided on the surface of the third plate-shaped bridge portion to the K-th plate-shaped bridge portion, the power generation circuit can be configured with these. Electricity can also be extracted from the charges generated in the upper and lower electrodes, and the power generation efficiency can be improved.
なお、図23に示す変形例においても、各中間接続部125K,135K,145Kおよび重錘接続部160Kが、各板状橋梁部120K,130K,140Kおよび150Kの先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有する構造を採っているため、各上層電極の形成位置における伸縮応力を高める効果が得られる。
Also in the modified example shown in FIG. 23, the
すなわち、一般論で述べれば、第iの板状橋梁部(但し、1≦i≦K−1)の先端部と第(i+1)の板状橋梁部の根端部とが第iの中間接続部を介して接続されており、第Kの板状橋梁部の先端部と重錘体とが重錘接続部を介して接続されている構造を採用した場合、第iの中間接続部が、第iの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有し、重錘接続部が、第Kの板状橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにすれば、各上層電極の形成位置における伸縮応力を高める効果が得られ、より効率的な発電を行うことが可能になる。 That is, in general terms, the tip of the i-th plate-shaped bridge (however, 1 ≦ i ≦ K-1) and the root end of the (i + 1) plate-shaped bridge are the intermediate connections of the i. When a structure is adopted in which the tip of the plate-shaped bridge portion of the Kth plate and the weight body are connected via the weight connection portion, the intermediate connection portion of the i-th is connected via the portion. It has an eaves structure that protrudes outward from the side surface of the tip of the plate-shaped bridge of the i-th, and the weight connection portion of the eaves that protrudes outward from the side of the tip of the plate-shaped bridge of K. If the structure is provided, the effect of increasing the stretching stress at the formation position of each upper layer electrode can be obtained, and more efficient power generation can be performed.
もちろん、この図23に示す変形例においても、§5−5で述べた変形例と同様に、環状構造体110Kを重錘体として用い、重錘体170Kを固定部として用い、役割を逆転させることも可能である。
Of course, also in the modified example shown in FIG. 23, the
<5−7 補助重錘体の付加>
最後に、重錘体の質量を調整するための工夫を施した変形例を述べておく。既に述べたとおり、外部から与えられる振動に基づいて効率的な発電を行う上では、重錘体の共振周波数を外部から与えられる振動周波数に一致させておくのが好ましい。たとえば、特定の車両に搭載して用いるための専用の発電素子の場合は、構造設計の段階から、当該車両から加えられる周波数に共振周波数が合致するような設計を行うのが好ましい。発電素子の共振周波数を変えるには、重錘体の質量を調整する方法を採るのが最も簡単である。ここでは、個々の発電素子の重錘体の質量を調整するために、補助重錘体を付加する実施例を述べておく。
<Addition of 5-7 auxiliary weight>
Finally, a modified example of a device for adjusting the mass of the weight body will be described. As already described, in order to efficiently generate power based on the vibration given from the outside, it is preferable to match the resonance frequency of the weight body with the vibration frequency given from the outside. For example, in the case of a dedicated power generation element to be mounted on a specific vehicle and used, it is preferable to design so that the resonance frequency matches the frequency applied from the vehicle from the structural design stage. The easiest way to change the resonance frequency of the power generation element is to adjust the mass of the weight. Here, an embodiment in which an auxiliary weight body is added in order to adjust the mass of the weight body of each power generation element will be described.
図24は、図18に示す発電素子の基本構造体100Iに補助重錘体150Lを付加することにより、重錘体全体の質量を調整した変形例を示す平面図(図(a) )およびこれをYZ平面で切断した側断面図(図(b) )である。図24(a) の平面図に示すとおり、この変形例に係る基本構造体100Lを上方から見たときの構造は、図18(a) に示す基本構造体100Iの構造と全く同じであり、ここでは、各部に図18(a) に示す基本構造体100Iの各部と同じ符号を付して示してある。
FIG. 24 is a plan view (FIG. (A)) showing a modified example in which the mass of the entire weight body is adjusted by adding the
一方、図24(b) の側断面図を見ればわかるとおり、この変形例に係る基本構造体100Lでは、重錘体150Iの下面に補助重錘体150Lが固着されており、重錘体150Iと補助重錘体150Lとの集合体が、この基本構造体100Lにおける重錘体として機能することになる。別言すれば、補助重錘体150Lを付加することにより、この基本構造体100Lにおける重錘体の質量を増加させ、共振周波数を下げることが可能になる。補助重錘体150Lの質量は、材質(比重)や寸法(Z軸方向の厚みやXY平面への投影像の面積)を変えることにより調整することが可能であるので、補助重錘体150Lの材質や寸法を適宜決めてやれば、この基本構造体100Lの共振周波数を任意の値に調整することが可能になる。
On the other hand, as can be seen from the side sectional view of FIG. 24 (b), in the basic structure 100L according to this modification, the
このように、補助重錘体を付加して共振周波数を調整する方法は、もちろん、これまで述べてきたいずれの実施例についても適用可能である。図25は、図22に示す発電素子の基本構造体に補助重錘体110M1〜110M4を付加することにより、重錘体全体の質量を調整した変形例を示す平面図(図(a) )およびこれをYZ平面で切断した側断面図(図(b) )である。図25(a) の平面図に示すとおり、この変形例に係る基本構造体100Mを上方から見たときの構造は、図22(a) に示す基本構造体100Jの構造と全く同じであり、ここでは、各部に図22(a) に示す基本構造体100Jの各部と同じ符号を付して示してある。 As described above, the method of adding the auxiliary weight body to adjust the resonance frequency is, of course, applicable to any of the embodiments described so far. 25 is a plan view (FIG. (A)) showing a modified example in which the mass of the entire weight body is adjusted by adding the auxiliary weight bodies 110M1 to 110M4 to the basic structure of the power generation element shown in FIG. 22. It is a side sectional view (FIG. (b)) cut from this in the YZ plane. As shown in the plan view of FIG. 25 (a), the structure of the basic structure 100M according to this modification when viewed from above is exactly the same as the structure of the basic structure 100J shown in FIG. 22 (a). Here, each part is shown with the same reference numerals as each part of the basic structure 100J shown in FIG. 22 (a).
この図25に示す実施例の場合、中央の板状部材150Jが装置筐体に固定された固定部となり、周囲の環状構造体110J(4辺110J1〜110J4からなる矩形状の枠)が重錘体として機能する。ここでは、この環状構造体110Jの下面に補助重錘体を固着することにより質量を増加させている。すなわち、図25(b) の側断面図を見ればわかるとおり、この変形例に係る基本構造体100Mでは、環状構造体の各辺110J1〜110J4の下面に、それぞれ補助重錘体110M1〜110M4が固着されており、環状重錘体110Jと補助重錘体110M1〜110M4との集合体が、この基本構造体100Mにおける重錘体として機能することになる。したがって、やはり重錘体の質量を増加させ、共振周波数を下げることが可能になる。
In the case of the embodiment shown in FIG. 25, the central plate-shaped
図示の例の場合、環状重錘体110Jの4辺110J1〜110J4のすべてに補助重錘体110M1〜110M4を設けているが、特定の辺の下面のみに補助重錘体を設けるようにしてもかまわない。ただ、重錘体全体の重心を原点Oの近傍に位置させ、バランスよい安定した振動を行わせる上では、図示の例のように、4辺110J1〜110J4のすべてに均等に補助重錘体を付加するのが好ましい。補助重錘体の質量の調整は、Z軸方向の厚みを変えることにより行うことができる。
In the case of the illustrated example, the auxiliary weight bodies 110M1 to 110M4 are provided on all four sides 110J1 to 110J4 of the
補助重錘体としては、様々な材料のものを用いることができるので、質量調整の必要性に応じて適切な材料を選択することが可能である。たとえば、微調整を行う必要がある場合は、アルミニウムやガラスなど、比重の小さな材料を利用すればよいし、大幅に質量を増加させる必要がある場合は、タングステンなど、比重の大きな材料を利用すればよい。 Since various materials can be used as the auxiliary weight, it is possible to select an appropriate material according to the need for mass adjustment. For example, if you need to make fine adjustments, use a material with a low specific density such as aluminum or glass, and if you need to increase the mass significantly, use a material with a high specific density such as tungsten. Just do it.
実用上は、図18に示す基本構造体100Iや図22に示す基本構造体100Jを用いて、最も一般的な利用環境に適した標準的な共振周波数を有する汎用製品を量産しておき、この汎用製品に、それぞれ適切な質量をもった補助重錘体を付加して、図24に示す基本構造体100Lや図25に示す基本構造体100Mを構成して、個々の利用環境に最適な共振周波数をもったオーダーメイド製品を提供するようにすればよい。そうすれば、汎用製品の量産化によりコストダウンを図りつつ、個々の利用環境に最適なオーダーメイド製品を提供することができる。 In practice, the basic structure 100I shown in FIG. 18 and the basic structure 100J shown in FIG. 22 are used to mass-produce general-purpose products having a standard resonance frequency suitable for the most general usage environment. Auxiliary weights having appropriate masses are added to general-purpose products to form the basic structure 100L shown in FIG. 24 and the basic structure 100M shown in FIG. 25, and the optimum resonance for each usage environment is formed. It suffices to provide a custom-made product with a frequency. By doing so, it is possible to provide custom-made products that are optimal for each usage environment while reducing costs by mass-producing general-purpose products.
なお、図24および図25に示す例では、いずれも元の重錘体の下面に補助重錘体を設けた例を示したが、補助重錘体は元の重錘体の上面や側面に設けることも可能である。ただ、補助重錘体を元の重錘体の下面に設けるようにすれば、装置筐体の底板との間に形成された空間内に収容することができるので、省スペース化を図る上では、図示の例のように、元の重錘体の下面に設けるのが好ましい。 In the examples shown in FIGS. 24 and 25, an example in which the auxiliary weight body is provided on the lower surface of the original weight body is shown, but the auxiliary weight body is provided on the upper surface or the side surface of the original weight body. It is also possible to provide it. However, if the auxiliary weight body is provided on the lower surface of the original weight body, it can be accommodated in the space formed between the auxiliary weight body and the bottom plate of the device housing, so that space can be saved. , It is preferable to provide it on the lower surface of the original weight body as shown in the illustrated example.
以上、重錘体に補助重錘体を付加し、共振周波数を利用環境の周波数に合わせることにより発電効率を向上させる方法を示したが、非共振で利用する場合であっても、補助重錘体を付加することにより重錘体全体の質量が増加することになるので、やはり発電効率を向上させる効果が得られる。 The method of improving the power generation efficiency by adding an auxiliary weight body to the weight body and adjusting the resonance frequency to the frequency of the usage environment has been shown above. Since the mass of the entire weight body is increased by adding the body, the effect of improving the power generation efficiency can also be obtained.
<<< §6. その他の変形例 >>>
最後に、これまで述べてきた種々の実施形態や変形例に関する更なる変形例をいくつか述べておく。
<<< §6. Other variants >>>
Finally, some further modifications relating to the various embodiments and modifications described so far will be described.
<6−1 上層電極の配置に関する変形例>
これまで述べてきた実施形態では、各板状橋梁部の先端部近傍および根端部近傍に、中央電極、右脇電極、左脇電極という3種類の上層電極を配置していた。いずれの上層電極も、板状橋梁部の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向している。ここで、中央電極は、板状橋梁部の長手方向軸に沿った中心線の位置に配置されており、右脇電極は、中央電極の一方の脇に配置されており、左脇電極は、中央電極の他方の脇に配置されている。
<6-1 Modification example regarding arrangement of upper layer electrodes>
In the embodiments described so far, three types of upper layer electrodes, a central electrode, a right armpit electrode, and a left armpit electrode, are arranged in the vicinity of the tip portion and the root end portion of each plate-shaped bridge portion. Each of the upper layer electrodes is arranged so as to extend along the longitudinal axis of the plate-shaped bridge portion, and faces a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween. Here, the central electrode is arranged at the position of the center line along the longitudinal axis of the plate-shaped bridge portion, the right armpit electrode is arranged on one side of the central electrode, and the left armpit electrode is It is located beside the other side of the central electrode.
このような3種類の上層電極を配置しておけば、各座標軸方向の変位に基づいて、図4,図7,図14の表に示すような極性の電荷が発生することになり、様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。もっとも、本発明を実施するにあたり、必ずしも中央電極、右脇電極、左脇電極という3種類の上層電極を配置する必要はなく、これらのいくつかを省略することも可能である。そのような変形例を以下に述べる。 If such three types of upper layer electrodes are arranged, charges having the polarities shown in the tables of FIGS. 4, 7, and 14 will be generated based on the displacement in each coordinate axis direction, and various types of charges will be generated. Vibration energy including directional components can be efficiently converted into electrical energy. However, in carrying out the present invention, it is not always necessary to arrange three types of upper layer electrodes, a central electrode, a right armpit electrode, and a left armpit electrode, and some of these may be omitted. An example of such a modification is described below.
図26は、図3に示す実施形態における中央電極E12,E22を省略した変形例を示す平面図である。中央電極が省略されている点以外は、図3に示す実施形態と全く同じである。図3に示す中央電極E12,E22は、板状橋梁部20の長手方向軸(Y軸)に沿った中心線の位置に配置されており、図4の表に示すとおり、専ら、重錘体30のZ軸方向の振動に基づく発電に利用される電極である。ただ、この表に示されているとおり、重錘体30のZ軸方向の振動に基づく発電は、左右の脇電極E11,E13,E21,E23を利用して行うことも可能である(図4の表のΔz(+)の欄には、いずれの電極についても「−」符号が記載されており、すべての電極について電荷が発生することが示されている)。
FIG. 26 is a plan view showing a modified example in which the central electrodes E12 and E22 are omitted in the embodiment shown in FIG. It is exactly the same as the embodiment shown in FIG. 3, except that the central electrode is omitted. The central electrodes E12 and E22 shown in FIG. 3 are arranged at the position of the center line along the longitudinal axis (Y axis) of the plate-shaped
したがって、図26に示す変形例のように、中央電極を省略し、左右の脇電極E11,E13,E21,E23のみを設けた場合にも、X軸方向の振動エネルギーおよびZ軸方向の振動エネルギーの双方を電気エネルギーに変換することが可能である。この変形例に用いる発電回路としては、図5に示す発電回路60から、部分圧電素子P12,P22、中央電極E12,E22、整流素子D12(+),D12(−)を省略したものを用いればよい。
Therefore, even when the central electrode is omitted and only the left and right side electrodes E11, E13, E21, and E23 are provided as in the modified example shown in FIG. 26, the vibration energy in the X-axis direction and the vibration energy in the Z-axis direction are provided. It is possible to convert both of them into electrical energy. As the power generation circuit used in this modification, if the partial piezoelectric elements P12, P22, the center electrodes E12, E22, and the rectifying elements D12 (+), D12 (-) are omitted from the
図27は、図6に示す実施形態における中央電極を省略した変形例を示す平面図である。この変形例も、中央電極が省略されている点以外は、図6に示す実施形態と全く同じである。図6に示す中央電極E32は、板状橋梁部20の長手方向軸(Y軸)に沿った中心線の位置に配置されており、図7の表に示すとおり、専ら、重錘体30のZ軸方向の振動に基づく発電に利用される電極である。ただ、この表に示されているとおり、重錘体30のZ軸方向の振動に基づく発電は、左右の脇電極E31,E33を利用して行うことも可能である(図7の表のΔz(+)の欄には、いずれの電極についても「−」符号が記載されており、すべての電極について電荷が発生することが示されている)。
FIG. 27 is a plan view showing a modified example in which the central electrode is omitted in the embodiment shown in FIG. This modification is also exactly the same as the embodiment shown in FIG. 6, except that the central electrode is omitted. The central electrode E32 shown in FIG. 6 is arranged at the position of the center line along the longitudinal axis (Y axis) of the plate-shaped
したがって、図27に示す変形例のように、中央電極を省略し、左右の脇電極E31,E33のみを設けた場合にも、X軸方向の振動エネルギーおよびZ軸方向の振動エネルギーの双方を電気エネルギーに変換することが可能である。この変形例に用いる発電回路としては、左右の脇電極E31,E33に発生した電荷に基づいて生じる電流を、整流素子によって整流する回路を用いればよい。 Therefore, even when the central electrode is omitted and only the left and right side electrodes E31 and E33 are provided as in the modified example shown in FIG. 27, both the vibration energy in the X-axis direction and the vibration energy in the Z-axis direction are electrically operated. It can be converted into energy. As the power generation circuit used in this modification, a circuit that rectifies the current generated based on the electric charges generated in the left and right side electrodes E31 and E33 by a rectifying element may be used.
要するに、図26および図27に示す変形例は、§1で第1の実施形態として述べた2軸発電型の発電素子において、上層電極群として、右脇電極および左脇電極なる2種類の上層電極のみを配置し、中央電極を省略した例ということになる。右脇電極および左脇電極は、板状橋梁部の長手方向軸に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向している。そして、この長手方向軸に沿った中心線を定義したときに、右脇電極は、中心線の一方の脇に配置されており、左脇電極は、中心線の他方の脇に配置されていることになる。 In short, the modification shown in FIGS. 26 and 27 is the two types of upper layers, the right side electrode and the left side electrode, as the upper layer electrode group in the two-axis power generation type power generation element described as the first embodiment in §1. This is an example in which only the electrodes are arranged and the central electrode is omitted. The right armpit electrode and the left armpit electrode are arranged so as to extend along the longitudinal axis of the plate-shaped bridge portion, and face a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween. Then, when the center line along the longitudinal axis is defined, the right armpit electrode is arranged on one side of the center line, and the left armpit electrode is arranged on the other side of the center line. It will be.
図28は、図10に示す実施形態における中央電極Ez1〜Ez4を省略した変形例を示す平面図である。中央電極が省略されている点以外は、図10に示す実施形態と全く同じである。図10に示す中央電極Ez1〜Ez4は、第1の板状橋梁部120もしくは第2の板状橋梁部130の長手方向軸に沿った中心線(LyもしくはLx)の位置に配置されており、図14の表に示すとおり、専ら、重錘体150のZ軸方向の振動に基づく発電に利用される電極である。ただ、この表に示されているとおり、重錘体150のZ軸方向の振動に基づく発電は、左右の脇電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4を利用して行うことも可能である(図14の表のΔz(+)の欄には、いずれの電極についても「+」もしくは「−」符号が記載されており、すべての電極について電荷が発生することが示されている)。
FIG. 28 is a plan view showing a modified example in which the central electrodes Ez1 to Ez4 are omitted in the embodiment shown in FIG. It is exactly the same as the embodiment shown in FIG. 10, except that the central electrode is omitted. The central electrodes Ez1 to Ez4 shown in FIG. 10 are arranged at positions of the center line (Ly or Lx) along the longitudinal axis of the first plate-shaped
したがって、図28に示す変形例のように、中央電極を省略し、左右の脇電極Ex1〜Ex4,Ey1〜Ey4のみを設けた場合にも、X軸,Y軸,Z軸の3軸方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。この変形例に用いる発電回路としては、図15に示す発電回路500から、部分圧電素子Pz1〜Pz4、中央電極Ez1〜Ez4、整流素子Dz13(+),Dz13(−),Dz24(+),Dz24(−)を省略したものを用いればよい。要するに、図28に示す変形例は、§3で第2の実施形態として述べた3軸発電型の発電素子について、次のような変更を施した例になる。
Therefore, as in the modified example shown in FIG. 28, even when the central electrode is omitted and only the left and right side electrodes Ex1 to Ex4 and Ey1 to Ey4 are provided, the X-axis, Y-axis, and Z-axis are in the three-axis directions. It is possible to convert vibration energy into electrical energy. The power generation circuit used in this modification includes the partial piezoelectric elements Pz1 to Pz4, the center electrodes Ez1 to Ez4, the rectifying elements Dz13 (+), Dz13 (-), Dz24 (+), and Dz24 from the
まず、第1の上層電極群としては、第1の右脇電極および第1の左脇電極なる2種類の上層電極のみを配置し、第1の中央電極は省略されている。ここで、第1の右脇電極および第1の左脇電極は、第1の板状橋梁部の第1の長手方向軸Lyに沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向している。そして、この長手方向軸Lyに沿った第1の中心線を定義したときに、第1の右脇電極は、第1の中心線の一方の脇に配置されており、第1の左脇電極は、第1の中心線の他方の脇に配置されていることになる。 First, as the first upper layer electrode group, only two types of upper layer electrodes, the first right armpit electrode and the first left armpit electrode, are arranged, and the first center electrode is omitted. Here, the first right armpit electrode and the first left armpit electrode are arranged so as to extend along the first longitudinal axis Ly of the first plate-shaped bridge portion, and the lower layer electrodes sandwich the piezoelectric element. Facing a predetermined area. Then, when the first center line along the longitudinal axis Ly is defined, the first right armpit electrode is arranged on one side of the first center line, and the first left armpit electrode is arranged. Will be located on the other side of the first centerline.
一方、第2の上層電極群としては、第2の右脇電極および第2の左脇電極なる2種類の上層電極のみを配置し、第2の中央電極は省略されている。ここで、第2の右脇電極および第2の左脇電極は、第2の板状橋梁部の第2の長手方向軸Lxに沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向している。そして、この長手方向軸Lxに沿った第2の中心線を定義したときに、第2の右脇電極は、第2の中心線の一方の脇に配置されており、第2の左脇電極は、第2の中心線の他方の脇に配置されていることになる。 On the other hand, as the second upper layer electrode group, only two types of upper layer electrodes, the second right armpit electrode and the second left armpit electrode, are arranged, and the second center electrode is omitted. Here, the second right armpit electrode and the second left armpit electrode are arranged so as to extend along the second longitudinal axis Lx of the second plate-shaped bridge portion, and the lower layer electrodes sandwich the piezoelectric element. Facing a predetermined area. Then, when the second center line along the longitudinal axis Lx is defined, the second right armpit electrode is arranged on one side of the second center line, and the second left armpit electrode is arranged. Will be located on the other side of the second centerline.
図29は、一般論として、固定部70に対して板状橋梁部80が接続されている場合に、その根端部近傍に、右脇電極E1、中央電極E2、左脇電極E3という3種類の上層電極を形成した例(図(a) )と、右脇電極E10、左脇電極E20という2種類の上層電極を形成した例(図(b) )とを対比して示す平面図である。
In FIG. 29, as a general theory, when the plate-shaped
図29(a) に示す3組の上層電極は、いずれも板状橋梁部80の長手方向軸Lに沿って伸びるように配置されているが、この長手方向軸Lを板状橋梁部80の長手方向に関する中心線とした場合、中央電極E2は中心線L上に配置され、右脇電極E1はその一方の脇に(固定部70側から見たときの右脇に)配置され、左脇電極E3はその他方の脇に(固定部70側から見たときの左脇に)配置されている。しかも、図示の例の場合、3種類の上層電極の配置パターンは、中心線Lに関して線対称になっている。
The three sets of upper-layer electrodes shown in FIG. 29 (a) are all arranged so as to extend along the longitudinal axis L of the plate-shaped
このような配置パターンを採用すると、中心線L上に配置された中央電極E2については、重錘体が紙面に垂直な方向に変位した場合には電荷が発生するが、紙面に平行な方向に変位した場合には有意な電荷は発生しない。これに対して、中心線Lの両脇(中心線Lから外れる位置)に配置された右脇電極E1および左脇電極E3については、重錘体が紙面に垂直な方向に変位した場合にも、紙面に平行な方向(具体的には、中心軸Lに直交する方向)に変位した場合にも、有意な電荷が発生する。 When such an arrangement pattern is adopted, the central electrode E2 arranged on the center line L generates an electric charge when the weight body is displaced in the direction perpendicular to the paper surface, but in the direction parallel to the paper surface. No significant charge is generated when displaced. On the other hand, with respect to the right side electrode E1 and the left side electrode E3 arranged on both sides of the center line L (positions deviating from the center line L), even when the weight body is displaced in the direction perpendicular to the paper surface. Even when displaced in a direction parallel to the paper surface (specifically, a direction orthogonal to the central axis L), a significant charge is generated.
このため、右脇電極E1、中央電極E2、左脇電極E3という3種類の上層電極を形成した場合でも、中央電極E2を省略し、右脇電極E1および左脇電極E3という2種類の上層電極のみを用いた場合でも、重錘体の紙面に垂直な方向に関する振動エネルギーおよび紙面に平行な方向に関する振動エネルギーの双方を電気エネルギーに変換することができる点に変わりはない。 Therefore, even when three types of upper layer electrodes, the right side electrode E1, the center electrode E2, and the left side electrode E3, are formed, the center electrode E2 is omitted and the two types of upper layer electrodes, the right side electrode E1 and the left side electrode E3, are formed. Even when only the weight is used, both the vibration energy in the direction perpendicular to the paper surface and the vibration energy in the direction parallel to the paper surface can be converted into electrical energy.
図26〜図28に示す変形例は、このような観点に基づいて中央電極を省略した実施例ということができる。なお、図26〜図28には、単に中央電極を削除した変形例を示したが、実用上、中央電極を省略する変形例を実施する際には、右脇電極および左脇電極の面積を広げ、発生する電荷量を増やすようにするのが好ましい。図29(b) は、図29(a) に示す例において、中央電極E2を削除するとともに、右脇電極E1および左脇電極E3の幅を広げ、それぞれ右脇電極E10および左脇電極E20としたものである。 The modified examples shown in FIGS. 26 to 28 can be said to be examples in which the central electrode is omitted based on such a viewpoint. Although FIGS. 26 to 28 show a modified example in which the central electrode is simply deleted, in practice, when implementing a modified example in which the central electrode is omitted, the areas of the right side electrode and the left side electrode are used. It is preferable to spread it and increase the amount of electric charge generated. In FIG. 29 (b), in the example shown in FIG. 29 (a), the central electrode E2 is deleted, the widths of the right armpit electrode E1 and the left armpit electrode E3 are widened, and the right armpit electrode E10 and the left armpit electrode E20 are shown. It was done.
図29(b) に示す右脇電極E10および左脇電極E20の電荷発生の態様は、それぞれ図29(a) に示す右脇電極E1および左脇電極E3の電荷発生の態様と同じであるが、発生電荷量は面積の増加により増加する。もっとも、重錘体が中心軸Lに直交する方向に変位した場合に各部に生じる応力は、中心軸Lに近くなるほど小さくなるので、発生電荷量は面積に比例して増加するわけではない。もちろん、右脇電極E10および左脇電極E20は、図8(b) に示す各脇電極E21B,E23Bのように板状橋梁部の側面に設けるようにしてもよいし、図8(c) に示す各脇電極E21C,E23Cのように板状橋梁部の上面から側面にかけて設けるようにしてもよい。 The charge generation mode of the right side electrode E10 and the left side electrode E20 shown in FIG. 29 (b) is the same as the charge generation mode of the right side electrode E1 and the left side electrode E3 shown in FIG. 29 (a), respectively. , The amount of generated charge increases as the area increases. However, since the stress generated in each part when the weight body is displaced in the direction orthogonal to the central axis L becomes smaller as it gets closer to the central axis L, the amount of generated charge does not increase in proportion to the area. Of course, the right armpit electrode E10 and the left armpit electrode E20 may be provided on the side surface of the plate-shaped bridge portion as in the respective armpit electrodes E21B and E23B shown in FIG. 8 (b), or in FIG. 8 (c). Like the side electrodes E21C and E23C shown, they may be provided from the upper surface to the side surface of the plate-shaped bridge portion.
以上、図26〜図29を参照しながら、板状橋梁部の中心線を挟んでその両脇に右脇電極および左脇電極を配置する例を述べたが、発電素子としての機能を果たす上では、必ずしも右脇電極および左脇電極の双方を配置する必要はない。たとえば、図26に示す変形例に示されている4枚の上層電極のいずれか1枚のみを用いても2軸の振動についての発電は可能であり、図28に示す変形例に示されている8枚の上層電極のいずれか1枚のみを用いても3軸の振動についての発電は可能である。ただ、実用上は、発電効率をできるだけ向上させる上で、各板状橋梁部の根端部近傍および先端部近傍に、右脇電極および左脇電極の2種類を配置するか、あるいは、中央電極、右脇電極、左脇電極の3種類を配置するのが好ましい。 As mentioned above, with reference to FIGS. 26 to 29, an example in which the right armpit electrode and the left armpit electrode are arranged on both sides of the center line of the plate-shaped bridge portion has been described, but in addition to fulfilling the function as a power generation element. Then, it is not always necessary to arrange both the right armpit electrode and the left armpit electrode. For example, it is possible to generate electricity for biaxial vibration by using only one of the four upper layer electrodes shown in the modified example shown in FIG. 26, which is shown in the modified example shown in FIG. 28. Even if only one of the eight upper layer electrodes is used, it is possible to generate electricity for the vibration of the three axes. However, in practice, in order to improve the power generation efficiency as much as possible, two types of right armpit electrodes and left armpit electrodes are arranged near the root end and the tip of each plate-shaped bridge, or the center electrode is placed. , Right armpit electrode and left armpit electrode are preferably arranged.
<6−2 ストッパ構造を設ける変形例>
前述したとおり、本発明に係る発電素子の基本構造体(固定部,板状橋梁部,重錘体)は、シリコン基板によって構成することができる。ただ、板状橋梁部は、可撓性を有する厚みに設計する必要があり、十分な剛性をもたせることはできない。このため、大きな振動が加わることにより重錘体が過度に変位すると、板状橋梁部の両端部などに破損が生じやすい。したがって、実用上は、重錘体の過度の変位を制限するための制御構造を設けておくのが好ましい。
<6-2 Modification example of providing a stopper structure>
As described above, the basic structure (fixed portion, plate-shaped bridge portion, weight body) of the power generation element according to the present invention can be configured by a silicon substrate. However, the plate-shaped bridge portion needs to be designed to have a thickness having flexibility, and cannot have sufficient rigidity. Therefore, if the weight body is excessively displaced due to the application of large vibrations, damage is likely to occur at both ends of the plate-shaped bridge portion. Therefore, in practice, it is preferable to provide a control structure for limiting the excessive displacement of the weight body.
図30は、図18に示す基本構造体にストッパ構造を採用した変形例を示す平面図である(平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示す)。図示のとおり、この変形例に係る基本構造体100Nは、図18に示す例と同様に、環状構造体110Nを固定部として用いている。この環状構造体110Nは、左辺110N1,下辺110N2,右辺110N3,上辺110N4という4辺をもった矩形枠状の構造体であり、その下面全面が装置筐体の底板の上面に固着されている。
FIG. 30 is a plan view showing a modified example in which a stopper structure is adopted for the basic structure shown in FIG. 18 (in order to clearly show the plan shape, a portion inside the structure is hatched). As shown in the figure, the basic structure 100N according to this modification uses the
また、環状構造体110Nの左辺110N1の図の下端近傍には、第1の板状橋梁部120Nの根端部が接続されている。そして、この第1の板状橋梁部120Nの先端部は第2の板状橋梁部130Nの根端部に接続されており、第2の板状橋梁部130Nの先端部は重錘接続部140Nを介して重錘体150Nに接続されている。
Further, the root end portion of the first plate-shaped
この図30に示す変形例の特徴は、固定部110Nに、重錘体150Nに向けた方向に突出するストッパ突起110N5,110N6を設け、重錘体150Nに、このストッパ突起の先端部を収容するストッパ溝150NSを設けた点にある。
The feature of the modification shown in FIG. 30 is that the fixing
より具体的に説明すれば、図示の例の場合、環状構造体(固定部)110Nの左辺110N1の中央付近から、重錘体150Nの方に向けて、ストッパ突起幹部110N5が突出しており、このストッパ突起幹部110N5の先端には、ストッパ突起頭部110N6が取り付けられている。ここで、ストッパ突起幹部110N5とストッパ突起頭部110N6とからなるハンマー型の構造体が、ストッパ突起であり、このストッパ突起の先端部を収容することができるように、重錘体150N側には、ストッパ溝150NSが形成されている。ストッパ突起の先端部とストッパ溝150NSとは、図示のように嵌合状態になっているが、両者は密着嵌合しているわけではなく、重錘体150Nに何ら外力が作用していない状態において、ストッパ突起の先端部の外面とストッパ溝150NSの内面との間に所定の空隙部が維持されるようになっている。
More specifically, in the case of the illustrated example, the stopper protrusion trunk portion 110N5 protrudes from the vicinity of the center of the left side 110N1 of the annular structure (fixed portion) 110N toward the
ストッパ突起が固定部110Nに固定された状態であるのに対して、重錘体150Nは外力の作用により変位を生じることになるので、重錘体150Nが大きく変位すると、ストッパ突起の先端部の外面がストッパ溝150NSの内面に接触し、それ以上の変位が抑制されることになる。別言すれば、重錘体150Nの変位は、ストッパ突起の先端部の外面とストッパ溝150NSの内面との間に確保された空隙部の寸法の範囲内に抑制されることになる。したがって、重錘体150Nに過度の加速度(各板状橋梁部120N,130Nが破損するような加速度)が加わった場合でも、各部の過度の変位を制限することができるので、板状橋梁部120N,130Nが破損する事態を避けることができる。
While the stopper protrusion is fixed to the fixed
なお、図18に示す例では、合計12枚の上層電極の位置が示されていたが、図30に示す例には、合計8枚の上層電極の位置しか示されていない。これは、§6−1で述べた上層電極の配置に関する変形例を採用したためである。したがって、第1の板状橋梁部120Nの先端部近傍には、第1の先端部側右脇電極Ey1および第1の先端部側左脇電極Ey2が設けられ、第1の板状橋梁部120Nの根端部近傍には、第1の根端部側右脇電極Ey3および第1の根端部側左脇電極Ey4が設けられている。同様に、第2の板状橋梁部130Nの先端部近傍には、第2の先端部側右脇電極Ex1および第2の先端部側左脇電極Ex2が設けられ、第2の板状橋梁部130Nの根端部近傍には、第2の根端部側右脇電極Ex3および第2の根端部側左脇電極Ex4が設けられている。もちろん、更に中央電極を加えて、合計12枚の上層電極を配置してもかまわない。
In the example shown in FIG. 18, the positions of a total of 12 upper layer electrodes were shown, but in the example shown in FIG. 30, only the positions of a total of 8 upper layer electrodes are shown. This is because the modification regarding the arrangement of the upper layer electrodes described in §6-1 was adopted. Therefore, in the vicinity of the tip of the first plate-shaped
<6−3 両腕支持式を採用した変形例>
図31は、図18に示す第2の実施形態の更に別な変形例を示す平面図である(平面形状を明確に示すため、構造体内部の部分にハッチングを施して示す)。図示のとおり、この変形例に係る基本構造体100Pは、図18に示す例と同様に、環状構造体110Pを固定部として用いている。この環状構造体110Pは、左辺110P1,下辺110P2,右辺110P3,上辺110P4という4辺をもった矩形枠状の構造体であるが、図18に示す例との大きな相違は、その左下に、起点部分110P5が設けられており、この起点部分110P5から伸びる2本のアームによって重錘体150Pが支持される構造が採用されている点である。以下、このように2本のアームによって重錘体を支持する構造を両腕支持式と呼ぶことにする。
<6-3 Deformation example using both arms support type>
FIG. 31 is a plan view showing still another modification of the second embodiment shown in FIG. 18 (in order to clearly show the plan shape, a portion inside the structure is hatched). As shown in the figure, the
図示のとおり、この両腕支持式の基本構造体は、第1のアームとして、可撓性を有する第1の板状橋梁部120Pを有し、第2のアームとして、可撓性を有する第2の板状橋梁部130Pを有している。重錘体150Pは、この第1の板状橋梁部120Pの先端部および第2の板状橋梁部130Pの先端部の双方に直接もしくは間接的に接続されるようにする。
As shown in the figure, this double-arm support type basic structure has a flexible first plate-shaped
図示の例の場合、第1の板状橋梁部120Pの先端部および第2の板状橋梁部130Pの先端部の双方は、中間接続部140Pに接続されており、重錘体150Pは、この中間接続部140Pに接続されている。別言すれば、重錘体150Pは、中間接続部140Pを介して、第1の板状橋梁部120Pの先端部および第2の板状橋梁部130Pの先端部の双方に間接的に接続されている。
In the case of the illustrated example, both the tip portion of the first plate-shaped
起点部分110P5を含む環状構造体110Pは固定部として機能し、その下面全面が装置筐体の底板の上面に固着されている。一方、第1の板状橋梁部120P,第2の板状橋梁部130P,中間接続部140P,重錘体150Pは、下面が環状構造体110Pの下面より上方に位置しており、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた状態になっている。すなわち、第1の板状橋梁部120P,第2の板状橋梁部130P,中間接続部140P,重錘体150Pは、起点部分110P5において宙吊りに支持された状態で装置筐体に収容されている。第1の板状橋梁部120Pの根端部と、第2の板状橋梁部130Pの根端部とは、固定部として機能する起点部分110P5を介して装置筐体に固定されている。
The
この基本構造体100Pを用いた発電素子における層状電極や圧電素子の構成は、図18に示す実施例と同様である。すなわち、第1の板状橋梁部120Pおよび第2の板状橋梁部130Pの表面には層状の下層電極が形成され、この下層電極の表面には層状の圧電素子が形成され、この圧電素子の表面には局在的に複数の上層電極が形成される。また、上層電極および下層電極に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路を用いる点も同様である。
The configuration of the layered electrode and the piezoelectric element in the power generation element using the
この発電素子に対して、装置筐体を振動させる外力が作用すると、第1の板状橋梁部120Pおよび第2の板状橋梁部130Pの撓みにより重錘体150Pが装置筐体内で各座標軸方向に振動する。圧電素子は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有しているため、図18に示す実施例と同様に、発電回路によって電力を取り出すことができる。
When an external force that vibrates the device housing acts on this power generation element, the
この両腕支持式では、第1の板状橋梁部120Pの根端部と第2の板状橋梁部130Pの根端部とが、環状構造体110P(固定部)の同一の起点部分110P5に接続されているため、重錘体150Pが固定部に対して片持ち梁の形式で支持された構造になり、重錘体150Pを効率的に振動させることができる。しかも、板状橋梁部が2本に増えるため、圧電素子による発生電荷を増やすメリットも得られる。
In this double-arm support type, the root end portion of the first plate-shaped
図31に示す例では、X軸方向の振動成分およびY軸方向の振動成分に基づいて効率的な発電が可能になるように、基本構造体の形状が定められている。すなわち、この例の場合、第1の板状橋梁部120Pの先端部近傍部分121PはX軸に平行な方向に伸びており、第1の板状橋梁部120Pの根端部近傍部分123PはY軸に平行な方向に伸びている。そして、先端部近傍部分121Pと根端部近傍部分123Pとの間の中間部分122Pは曲線を描いて湾曲している。同様に、第2の板状橋梁部130Pの先端部近傍部分131PはY軸に平行な方向に伸びており、第2の板状橋梁部130Pの根端部近傍部分133PはX軸に平行な方向に伸びている。そして、先端部近傍部分131Pと根端部近傍部分133Pとの間の中間部分132Pは曲線を描いて湾曲している。
In the example shown in FIG. 31, the shape of the basic structure is determined so that efficient power generation is possible based on the vibration component in the X-axis direction and the vibration component in the Y-axis direction. That is, in the case of this example, the portion near the
この図31に示す例では、§6−1で述べた上層電極の配置に関する変形例(中央電極を省略し、中央線の両脇に右脇電極と左脇電極とを配置する例)を採用した場合の合計8枚の上層電極の位置が示されている。 In the example shown in FIG. 31, a modified example relating to the arrangement of the upper layer electrodes described in §6-1 (an example in which the center electrode is omitted and the right armpit electrode and the left armpit electrode are arranged on both sides of the center line) is adopted. The positions of a total of eight upper-layer electrodes are shown.
すなわち、上層電極群は、第1の板状橋梁部120Pの先端部近傍部分121Pの表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第1の先端部側上層電極群Ex11,Ex12と、第1の板状橋梁部120Pの根端部近傍部分123Pの表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第1の根端部側上層電極群Ey11,Ey12と、第2の板状橋梁部130Pの先端部近傍部分131Pの表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第2の先端部側上層電極群Ey13,Ey14と、第2の板状橋梁部130Pの根端部近傍部分133Pの表面に下層電極および圧電素子を介して形成された第2の根端部側上層電極群Ex13,Ex14と、によって構成されることになる。
That is, the upper layer electrodes are the first tip side upper electrode groups Ex11 and Ex12 formed on the surface of the
ここで、第1の先端部側上層電極群は、第1の先端部側右脇電極Ex11および第1の先端部側左脇電極Ex12なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、X軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第1の板状橋梁部120Pの先端部近傍部分121PにX軸に平行な第1の先端部側中心線L1を定義したときに、第1の先端部側右脇電極Ex11は第1の先端部側中心線L1の一方の脇に配置されており、第1の先端部側左脇電極Ex12は第1の先端部側中心線L1の他方の脇に配置されている。
Here, the first tip side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a first tip side right side electrode Ex11 and a first tip side left side electrode Ex12, and each of these upper layer electrodes. Is arranged so as to extend along the X-axis direction, faces a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween, and is parallel to the X-axis with the tip
また、第1の根端部側上層電極群は、第1の根端部側右脇電極Ey11および第1の根端部側左脇電極Ey12なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、Y軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第1の板状橋梁部120Pの根端部近傍部分にY軸に平行な第1の根端部側中心線L2を定義したときに、第1の根端部側右脇電極Ey11は第1の根端部側中心線L2の一方の脇に配置されており、第1の根端部側左脇電極Ey12は第1の根端部側中心線L2の他方の脇に配置されている。
Further, the first root end side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, the first root end side right side electrode Ey11 and the first root end side left side electrode Ey12, and these upper layer electrodes. Each of the above is arranged so as to extend along the Y-axis direction, faces a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween, and is located on the Y-axis in the vicinity of the root end of the first plate-shaped
そして、第2の先端部側上層電極群は、第2の先端部側右脇電極Ey13および第2の先端部側左脇電極Ey14なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、Y軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第2の板状橋梁部130Pの先端部近傍部分131PにY軸に平行な第2の先端部側中心線L3を定義したときに、第2の先端部側右脇電極Ey13は第2の先端部側中心線L3の一方の脇に配置されており、第2の先端部側左脇電極Ey14は第2の先端部側中心線L3の他方の脇に配置されている。
The second tip side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a second tip side right side electrode Ey13 and a second tip side left side electrode Ey14, and each of these upper layer electrodes has. , Arranged so as to extend along the Y-axis direction, facing a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween, and parallel to the Y-
最後に、第2の根端部側上層電極群は、第2の根端部側右脇電極Ex13および第2の根端部側左脇電極Ex14なる2種類の上層電極を有し、これら上層電極のそれぞれは、X軸方向に沿って伸びるように配置され、圧電素子を挟んで下層電極の所定領域に対向しており、第2の板状橋梁部130Pの根端部近傍部分133PにX軸に平行な第2の根端部側中心線L4を定義したときに、第2の根端部側右脇電極Ex13は第2の根端部側中心線L4の一方の脇に配置されており、第2の根端部側左脇電極Ex14は第2の根端部側中心線L4の他方の脇に配置されている。
Finally, the second root end side upper layer electrode group has two types of upper layer electrodes, a second root end side right side electrode Ex13 and a second root end side left side electrode Ex14, and these upper layers. Each of the electrodes is arranged so as to extend along the X-axis direction, faces a predetermined region of the lower layer electrode with the piezoelectric element interposed therebetween, and X is formed in the portion near the root end of the second plate-shaped
もちろん、中央電極を省略せずに、合計12枚の上層電極を形成することも可能である。その場合は、第1の先端部側右脇電極Ex11および第1の先端部側左脇電極Ex12の間に第1の先端部側中央電極を設け、第1の根端部側右脇電極Ey11および第1の根端部側左脇電極Ey12の間に第1の根端部側中央電極を設け、第2の先端部側右脇電極Ey13および第2の先端部側左脇電極Ey14の間に第2の先端部側中央電極を設け、第2の根端部側右脇電極Ex13および第2の根端部側左脇電極Ex14の間に第2の根端部側中央電極を設ければよい。 Of course, it is also possible to form a total of 12 upper layer electrodes without omitting the central electrode. In that case, a first tip side center electrode is provided between the first tip side right side electrode Ex11 and the first tip side left side electrode Ex12, and the first root end side right side electrode Ey11 is provided. A first root end side central electrode is provided between the first root end side left side electrode Ey12, and between the second tip side right side electrode Ey13 and the second tip side left side electrode Ey14. Is provided with a second tip-side central electrode, and a second root-end-side central electrode is provided between the second root-end-side right side electrode Ex13 and the second root-end-side left-side electrode Ex14. Just do it.
なお、この図31に示す実施例においても、各板状橋梁部120P,130Pの先端部および根端部に応力を集中させるため、中間接続部140Pに庇構造部を形成している。すなわち、中間接続部140Pには、第1の板状橋梁部120Pの先端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部α11,α12と、第2の板状橋梁部P130Pの先端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部α13,α14とが設けられている。
Also in the embodiment shown in FIG. 31, an eaves structure portion is formed in the intermediate connecting
固定部として機能する起点部分110P5にも、同様に庇構造部が形成されている。すなわち、起点部分110P5には、第1の板状橋梁部120Pの根端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部α21,α22と第2の板状橋梁部130Pの根端部の側面よりも左右両側に突き出した庇構造部α23,α24とが設けられている。
The eaves structure portion is also formed in the starting point portion 110P5 that functions as the fixing portion. That is, on the starting point portion 110P5, the side surfaces of the eaves structure portions α21, α22 and the root end portion of the second plate-shaped
この図31に示す例のように、固定部を環状構造体110Pによって構成し、この環状構造体110Pによって囲まれた内部領域に第1の板状橋梁部120P、第2の板状橋梁部130Pおよび重錘体150Pを配置し、かつ、第1の板状橋梁部120Pと第2の板状橋梁部130Pとを湾曲構造として、両者によって周囲を囲まれた領域内に重錘体150Pを配置する形態を採ると、平面的に各部材を効率的に収容することができ、しかも環状構造体110Pをそのまま装置筐体の一部として利用することができる。
As shown in the example shown in FIG. 31, the fixed portion is configured by the
なお、この図31に配置が示されている第1の板状橋梁部120P上の各上層電極Ex11,Ex12,Ey11,Ey12の発生電荷の特性は、図10に示す実施例における各上層電極Ex1,Ex2,Ey3,Ey4の発生電荷の特性(図14の表参照)と同様である。また、図31に示す実施例の平面形状は、図の対称軸W(Y軸を45°傾斜させた軸)に関して線対称となっているので、第2の板状橋梁部130P上に形成される各上層電極の発生電荷の特性は、第1の板状橋梁部120P上に形成される各上層電極の発生電荷の特性に対して、対称軸Wについて線対称の特性になる。
The characteristics of the generated charges of the upper layer electrodes Ex11, Ex12, Ey11, and Ey12 on the first plate-shaped
もちろん、この図31に示す実施例においても、固定部と重錘体との役割を逆転させ、固定部として機能していた環状構造体110Pを重錘体として機能させ、重錘体として機能していた板状体150Pを固定部として機能させるために、板状体150Pの下面を装置筐体の底板の上面に固定し、環状構造体110Pが、外力が作用しない状態において、装置筐体の底板の上方に浮いた宙吊り状態になるようにする態様を採ることも可能である。
Of course, also in the embodiment shown in FIG. 31, the roles of the fixed portion and the weight body are reversed, and the
また、各右脇電極および各左脇電極は、図8(b) に示す各脇電極E21B,E23Bのように板状橋梁部の側面に設けるようにしてもよいし、図8(c) に示す各脇電極E21C,E23Cのように板状橋梁部の上面から側面にかけて設けるようにしてもよい。 Further, each right armpit electrode and each left armpit electrode may be provided on the side surface of the plate-shaped bridge portion as in the case of the armpit electrodes E21B and E23B shown in FIG. 8 (b), and in FIG. 8 (c). Like the side electrodes E21C and E23C shown, they may be provided from the upper surface to the side surface of the plate-shaped bridge portion.
図32は、図31に示す基本構造体に§6−2で述べたストッパ構造を採用した変形例を示す平面図である。この変形例に係る基本構造体100Qの基本構造は、図31に示す基本構造体100Pと同じである。すなわち、固定部として機能する環状構造体110Qは、左辺110Q1,下辺110Q2,右辺110Q3,上辺110Q4という4辺をもった矩形枠状の構造体であり、その下面全面が装置筐体の底板の上面に固着されている。
FIG. 32 is a plan view showing a modified example in which the stopper structure described in §6-2 is adopted for the basic structure shown in FIG. 31. The basic structure of the
また、環状構造体110Qの左下に、起点部分110Q5が設けられており、この起点部分110Q5から伸びる第1の板状橋梁部120Qと第2の板状橋梁部130Qとによって中間接続部140Qが支持され、この中間接続部140Qに重錘体150Qが接続されている。
Further, a starting point portion 110Q5 is provided at the lower left of the
この図32に示す変形例の特徴は、固定部110Qに、重錘体150Qに向けた方向に突出するストッパ突起110Q6,110Q7を設け、重錘体150Qに、このストッパ突起の先端部を収容するストッパ溝150QSを設けた点にある。
The feature of the modification shown in FIG. 32 is that the fixing
より具体的に説明すれば、図示の例の場合、環状構造体(固定部)110Qの起点部分110Q5から、重錘体150Qの方に向けて、ストッパ突起幹部110Q6が突出しており、このストッパ突起幹部110Q6の先端には、ストッパ突起頭部110Q7が取り付けられている。ここで、ストッパ突起幹部110Q6とストッパ突起頭部110Q7とからなるハンマー型の構造体が、ストッパ突起であり、このストッパ突起の先端部を収容することができるように、重錘体150Q側には、ストッパ溝150QSが形成されている。ストッパ突起の先端部とストッパ溝150QSとは、図示のように嵌合状態になっているが、両者は密着嵌合しているわけではなく、重錘体150Qに何ら外力が作用していない状態において、ストッパ突起の先端部の外面とストッパ溝150QSの内面と間に所定の空隙部が維持されるようになっている。
More specifically, in the case of the illustrated example, the stopper protrusion trunk portion 110Q6 protrudes from the starting point portion 110Q5 of the annular structure (fixed portion) 110Q toward the
このようなストッパ構造により、重錘体150Qに過度の加速度(各板状橋梁部120Q,130Qが破損するような加速度)が加わった場合でも、各部の過度の変位を制限することができるので、板状橋梁部120Q,130Qが破損する事態を避けることができる点は、既に§6−2で述べたとおりである。
With such a stopper structure, even when an excessive acceleration (acceleration that damages each of the plate-shaped
なお、この図32に示す変形例では、環状構造体110Qの形状にも若干の修正を加えている。すなわち、環状構造体110Qの内側の形状を、第1の板状橋梁部120Q、第2の板状橋梁部130Q、中間接続部140Qの外側形状に合わせた形状とし、両者間の空隙が所定寸法に設定されている。この所定寸法は、重錘体150Qに過度の加速度が作用したときに、第1の板状橋梁部120Q、第2の板状橋梁部130Q、中間接続部140Qの外側面が環状構造体110Qの内側面に接触することにより、各部の過度の変位を制限するのに適切な値に設定されている。
In the modified example shown in FIG. 32, the shape of the
したがって、この図32に示す変形例には、ストッパ突起による変位制御機能と、環状構造体110Qの内側面による変位制御機能との両方が備わっており、これら変位制御機能により、重錘体150Qに過度の加速度が加わった場合でも、板状橋梁部120Q,130Qを破損から保護することができる。
Therefore, the modified example shown in FIG. 32 is provided with both a displacement control function by the stopper protrusion and a displacement control function by the inner surface of the
図33は、図31に示す基本構造体100Pの別な変形例を示す平面図である。この図33に示す基本構造体100Rも、固定部を左辺110R1,下辺110R2,右辺110R3,上辺110R4という4辺をもった矩形枠状の環状構造体110Rによって構成し、その内部領域に2本のアーム部を設け、中間接続部140Rを介して重錘体150Rを支持する点については、図31に示す例と同様である。両者の違いは、2本のアーム部の構造にある。
FIG. 33 is a plan view showing another modification of the
図31に示す例の場合、中間部分において曲線を描いて湾曲している第1板状橋梁部120Pと第2板状橋梁部130Pによって2本のアームが構成されていたが、図33に示す例の場合、中間部分において直角に屈曲しているL字状板状橋梁部によって2本のアームが構成されている。すなわち、第1のアームは、X軸に平行な方向に伸びた第1板状先端側橋梁部121Rと、Y軸に平行な方向に伸びた第1板状根端側橋梁部122RとをL字型に組み合わせた構造をなし、第2のアームは、Y軸に平行な方向に伸びた第2板状先端側橋梁部131Rと、X軸に平行な方向に伸びた第2板状根端側橋梁部132RとをL字型に組み合わせた構造をなす。
In the case of the example shown in FIG. 31, two arms are composed of the first plate-shaped
また、図31には、各アームの両端位置に配置された合計8枚の上層電極の位置が示されていたが、図33には、第1板状先端側橋梁部121Rの両端位置、第1板状根端側橋梁部122Rの両端位置、第2板状先端側橋梁部131Rの両端位置、第2板状根端側橋梁部132Rの両端位置にそれぞれ2枚ずつ(右脇電極と左脇電極)配置された、合計16枚の上層電極の位置が示されている。これは、アームの中間部分を直角に屈曲させたため、この屈曲部分近傍にも応力が集中するためである。もちろん、個々の位置に更に中央電極を配置し、合計24枚の上層電極を設けるようにしてもよい。なお、各上層電極の発生電荷の特性は、図10に示す実施例の各上層電極の発生電荷の特性(図14の表参照)に準じたものになるため、ここでは詳しい説明は省略する。 Further, FIG. 31 shows the positions of a total of eight upper layer electrodes arranged at both ends of each arm, but FIG. 33 shows the positions of both ends of the first plate-shaped tip side bridge portion 121R. Two pieces each at both ends of the 1-plate-shaped root end side bridge portion 122R, at both ends of the 2nd plate-shaped tip side bridge portion 131R, and at both ends of the 2nd plate-shaped root end side bridge portion 132R (right side electrode and left). The positions of a total of 16 upper-layer electrodes arranged (armpit electrodes) are shown. This is because the middle portion of the arm is bent at a right angle, so that stress is concentrated in the vicinity of this bent portion. Of course, a central electrode may be further arranged at each position, and a total of 24 upper layer electrodes may be provided. Since the characteristics of the generated charge of each upper layer electrode are based on the characteristics of the generated charge of each upper layer electrode of the embodiment shown in FIG. 10 (see the table of FIG. 14), detailed description thereof will be omitted here.
<<< §7. 本発明の基本概念 >>>
最後に、これまで種々の実施形態やその変形例として述べてきた本発明の基本概念を、基本構造部の形態が異なる発電素子ごとにまとめておく。
<<< §7. Basic concept of the present invention >>>
Finally, the basic concepts of the present invention, which have been described as various embodiments and modifications thereof, are summarized for each power generation element having a different form of the basic structural portion.
(1) §1,§2において第1の実施形態として述べた発明(2軸発電型)
この発明は、所定の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する橋梁部と、この橋梁部の一端に接続された重錘体と、橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、橋梁部の他端を装置筐体に固定する固定部と、橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、この圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、を備え、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子の発明である。
(1) The invention described as the first embodiment in §1 and §2 (two-axis power generation type).
The present invention includes a bridge portion extending along a predetermined longitudinal axis and having flexibility, a weight body connected to one end of the bridge portion, and a device housing for accommodating the bridge portion and the weight body. , A fixing part that fixes the other end of the bridge part to the device housing, a piezoelectric element fixed at a predetermined position on the surface of the bridge part, and a current generated based on the electric charge generated in this piezoelectric element is rectified to generate electric power. It is an invention of a power generation element which is provided with a power generation circuit for taking out and generates power by converting vibration energy into electric energy.
この発電素子は、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成され、圧電素子は、橋梁部の表面の、重錘体の振動に基づいて伸縮変形が生じる位置であって上記長手方向軸に沿った中心線から外れる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生する性質を有している。前述したとおり、中心線から外れる位置に配置された圧電素子は、重錘体の垂直方向の振動エネルギーと水平方向の振動エネルギーとの双方を電気エネルギーに変換する機能を有しており、2軸発電型が可能になる。 This power generation element is configured so that the weight body vibrates in the device housing due to the bending of the bridge portion when an external force that vibrates the device housing is applied, and the piezoelectric element is a weight on the surface of the bridge portion. It is located at a position where expansion and contraction deformation occurs based on the vibration of the body and is located at a position deviating from the center line along the longitudinal axis, and has a property of generating electric charge based on this expansion and contraction deformation. As described above, the piezoelectric element arranged at a position off the center line has a function of converting both the vertical vibration energy and the horizontal vibration energy of the weight body into electrical energy, and has two axes. Power generation type becomes possible.
(2) §3,§5において第2の実施形態として述べた発明(3軸発電型)
この発明は、第1の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第1の橋梁部と、この第1の橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、第2の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する第2の橋梁部と、この第2の橋梁部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、第1の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、第1の橋梁部の一端を装置筐体に固定する固定部と、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、この圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、を備え、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子の発明である。
(2) The invention described as the second embodiment in §3, §5 (3-axis power generation type).
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is directly or indirectly connected to a first bridge portion extending along a first longitudinal axis and having flexibility, directly or indirectly to the first bridge portion, and along a second longitudinal axis. A second bridge portion that is stretchable and flexible, a weight body that is directly or indirectly connected to the second bridge portion, and a first bridge portion, a second bridge portion, and a weight body. A device housing for accommodating the bridge, a fixing portion for fixing one end of the first bridge portion to the device housing, and a piezoelectric element fixed at a predetermined position on the surface of the first bridge portion and the second bridge portion. It is an invention of a power generation element which includes a power generation circuit for rectifying a current generated based on a charge generated in the piezoelectric element and extracting power, and generates power by converting vibration energy into electric energy.
この発電素子において、固定部は、第1の橋梁部の根端部を装置筐体に固定し、第1の橋梁部の先端部は第2の橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、第2の橋梁部の先端部には重錘体が直接もしくは間接的に接続されている。そして、この発電素子は、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の橋梁部および第2の橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成され、圧電素子は、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の、重錘体の振動に基づいて伸縮変形が生じる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生する性質を有している。効率的な3軸発電を行うためには、少なくとも一部の圧電素子は、各板状橋梁部の長手方向軸に沿った中心線から外れる位置に配置するのが好ましい。 In this power generation element, the fixing portion fixes the root end portion of the first bridge portion to the device housing, and the tip portion of the first bridge portion is directly or indirectly connected to the root end portion of the second bridge portion. It is connected, and a weight body is directly or indirectly connected to the tip of the second bridge portion. The power generation element is configured so that the weight body vibrates in the device housing due to the bending of the first bridge portion and the second bridge portion when an external force that vibrates the device housing acts. The element is arranged on the surface of the first bridge portion and the second bridge portion at a position where expansion and contraction deformation occurs based on the vibration of the weight body, and has a property of generating electric charge based on this expansion and contraction deformation. is doing. In order to perform efficient three-axis power generation, it is preferable that at least a part of the piezoelectric elements are arranged at a position deviating from the center line along the longitudinal axis of each plate-shaped bridge portion.
(3) §6−3において第2の実施形態の変形例として述べた発明(両腕支持式)
この発明は、可撓性を有する第1の橋梁部および可撓性を有する第2の橋梁部と、第1の橋梁部の先端部および第2の橋梁部の先端部の双方に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、第1の橋梁部、第2の橋梁部および重錘体を収容する装置筐体と、第1の橋梁部の根端部および第2の橋梁部の根端部を装置筐体に固定する固定部と、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の所定位置に固定された圧電素子と、この圧電素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、を備え、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子の発明である。
(3) The invention described as a modification of the second embodiment in §6-3 (both arm support type).
The present invention directly or indirectly to both the flexible first bridge and the flexible second bridge, and the tip of the first bridge and the tip of the second bridge. The weight body connected to the bridge, the device housing for accommodating the first bridge portion, the second bridge portion and the weight body, and the root end portion of the first bridge portion and the root of the second bridge portion. A fixed portion that fixes the end portion to the device housing, a piezoelectric element fixed at a predetermined position on the surface of the first bridge portion and the second bridge portion, and a current generated based on the charge generated in the piezoelectric element. It is an invention of a power generation element that includes a power generation circuit that rectifies and extracts power, and generates power by converting vibration energy into electric energy.
この発電素子において、第1の橋梁部の根端部と第2の橋梁部の根端部とは、固定部の同一の起点部分に接続されており、第1の橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲しており、第2の橋梁部の先端部近傍部分と根端部近傍部分との間の中間部分は湾曲もしくは屈曲している。そして、この発電素子は、装置筐体を振動させる外力が作用したときに、第1の橋梁部および第2の橋梁部の撓みにより重錘体が装置筐体内で振動するように構成され、圧電素子は、第1の橋梁部および第2の橋梁部の表面の、重錘体の振動に基づいて伸縮変形が生じる位置に配置されており、この伸縮変形に基づいて電荷を発生する性質を有している。第1の橋梁部および第2の橋梁部は中間部分で湾曲もしくは屈曲しているため、先端部近傍部分および根端部近傍部分に多様な応力が発生し、様々な方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する上で効果的である。効率的な3軸発電を行うためには、少なくとも一部の圧電素子は、各板状橋梁部の長手方向軸に沿った中心線から外れる位置に配置するのが好ましい。 In this power generation element, the root end portion of the first bridge portion and the root end portion of the second bridge portion are connected to the same starting point portion of the fixed portion, and the portion near the tip portion of the first bridge portion. The intermediate portion between the bridge and the portion near the root end is curved or bent, and the intermediate portion between the portion near the tip of the second bridge portion and the portion near the root end is curved or bent. The power generation element is configured so that the weight body vibrates in the device housing due to the bending of the first bridge portion and the second bridge portion when an external force that vibrates the device housing acts. The element is arranged on the surface of the first bridge portion and the second bridge portion at a position where expansion and contraction deformation occurs based on the vibration of the weight body, and has a property of generating electric charge based on this expansion and contraction deformation. is doing. Since the first bridge portion and the second bridge portion are curved or bent in the intermediate portion, various stresses are generated in the portion near the tip portion and the portion near the root end portion, and the vibration energy in various directions is converted into electrical energy. It is effective in converting to. In order to perform efficient three-axis power generation, it is preferable that at least a part of the piezoelectric elements are arranged at a position deviating from the center line along the longitudinal axis of each plate-shaped bridge portion.
(4) 本願明細書のこれまでの記載および図面では、便宜上、XYZ三次元座標系を用いて各部の構造、形状、配置を説明してきた。そして、これらのXYZ三次元座標系は、X軸,Y軸,Z軸が相互に直交する三次元直交座標系を前提としたものである。 (4) In the description and drawings of the present specification so far, the structure, shape, and arrangement of each part have been described using the XYZ three-dimensional coordinate system for convenience. These XYZ three-dimensional coordinate systems are premised on a three-dimensional Cartesian coordinate system in which the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are orthogonal to each other.
しかしながら、本発明を実施するにあたり、これまでの説明で用いられてきたXYZ三次元座標系は、必ずしもX軸,Y軸,Z軸が相互に直交する三次元直交座標系である必要はなく、三次元非直交座標系を用いた設計を行うことも可能である。ここでいう三次元非直交座標系とは、少なくともX軸とY軸とが直交しない三次元座標系を意味するものである。たとえば、X軸とY軸とが直交しない任意の角度で交わる座標軸として定義され、Z軸がこれらX軸とY軸との双方に直交する軸として定義された座標系を三次元座標系として用いた設計を行うことが可能である。 However, in carrying out the present invention, the XYZ three-dimensional coordinate system used in the above description does not necessarily have to be a three-dimensional Cartesian coordinate system in which the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are orthogonal to each other. It is also possible to design using a three-dimensional non-Cartesian coordinate system. The three-dimensional non-orthogonal coordinate system referred to here means a three-dimensional coordinate system in which at least the X-axis and the Y-axis are not orthogonal to each other. For example, a coordinate system defined as a coordinate axis where the X-axis and the Y-axis intersect at an arbitrary angle that is not orthogonal to each other and the Z-axis is defined as an axis orthogonal to both the X-axis and the Y-axis is used as a three-dimensional coordinate system. It is possible to make the original design.
これまで三次元直交座標系を用いて説明してきた実施例は、三次元直交座標系の各座標軸方向に作用する振動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換する機能を有しており、また、製造プロセスが簡単になるという特徴を有しているが、本発明の基本概念は、上述したとおりであり、当該基本概念を具現化して得られる発電素子としては、各橋梁部の長手方向軸は任意の向きであってかまわない。たとえば、図31に示す基本構造体の場合、各中心軸L1〜L4が、三次元直交座標系におけるX軸もしくはY軸に平行になるように、各橋梁部の先端部近傍部分および根端部近傍部分の向きを設定しているが、各中心軸L1〜L4の向きは、それぞれバラバラの向きであってもかまわない。 The examples described so far using the three-dimensional Cartesian coordinate system have a function of efficiently converting the vibration energy acting in each coordinate axis direction of the three-dimensional Cartesian coordinate system into electrical energy, and are manufactured. Although it has a feature that the process is simplified, the basic concept of the present invention is as described above, and the longitudinal axis of each bridge portion is arbitrary as a power generation element obtained by embodying the basic concept. It doesn't matter if it is in the direction of. For example, in the case of the basic structure shown in FIG. 31, the vicinity of the tip and the root of each bridge so that the central axes L1 to L4 are parallel to the X-axis or the Y-axis in the three-dimensional Cartesian coordinate system. Although the orientation of the vicinity portion is set, the orientations of the central axes L1 to L4 may be different orientations.
もちろん、特定の方向を向いた振動環境で利用されることが予めわかっているような場合であれば、当該振動環境に最適な設計を行うのが好ましい。たとえば、図1に示す発電素子は、三次元直交座標系におけるX軸方向の振動エネルギーおよびZ軸方向の振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換するのに最適であり、図10に示す発電素子は、三次元直交座標系における各座標軸方向の振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換するのに最適である。 Of course, if it is known in advance that the product will be used in a vibration environment facing a specific direction, it is preferable to perform an optimum design for the vibration environment. For example, the power generation element shown in FIG. 1 is optimal for efficiently converting vibration energy in the X-axis direction and vibration energy in the Z-axis direction into electrical energy in a three-dimensional Cartesian coordinate system, and the power generation element shown in FIG. Is optimal for efficiently converting vibrational energy in each coordinate axis direction into electrical energy in a three-dimensional Cartesian coordinate system.
しかしながら、実用上、発電素子が実装される環境における振動方向を正確に把握することは困難であり、汎用の発電素子としては、各橋梁部の長手方向軸を任意の向きに設定し、この橋梁部の任意の箇所(発電効率を向上させる上では、応力が集中する箇所が好ましい)に任意の数(発電効率を向上させる上では、できるだけ多い方が好ましい)の圧電素子を配置すれば足りる。個々の圧電素子にどのような極性の電荷が発生したとしても、発電回路によって整流して電力を取り出せば何ら支障は生じない。 However, in practice, it is difficult to accurately grasp the vibration direction in the environment where the power generation element is mounted. For a general-purpose power generation element, the longitudinal axis of each bridge is set to an arbitrary direction, and this bridge is used. It suffices to arrange an arbitrary number of piezoelectric elements (preferably as many as possible in order to improve power generation efficiency) at any place (preferably a place where stress is concentrated in order to improve power generation efficiency). No matter what polarity of charge is generated in each piezoelectric element, no problem will occur if the electric power is rectified by the power generation circuit and the electric power is taken out.
図34は、図10に示す発電素子における直交座標系を非直交座標系に変更し、中央電極Ez1〜Ez4を省略した変形例を示す平面図である。便宜上、図34に示す変形例の各部には、図10に示す実施例と同じ符号を用いて示してある。同一符号が付された構成要素の機能は基本的には同一であるが、図34に示す変形例の場合、非直交座標系が用いられているため、X軸とY軸とは直交していない(Z軸は紙面垂直方向である)。そのため、Y軸に平行な軸として定義される第1の長手方向軸LyおよびX軸に平行な軸として定義される第2の長手方向軸Lxは相互に直交する軸にはならず、第1の板状橋梁部120および第2の板状橋梁部130の配置も斜めになる。また、重錘体150も台形状の板状部材になっている。このように、基本構造体の形状はいびつなものになっているが、発電素子としての基本機能には何ら支障は生じない。
FIG. 34 is a plan view showing a modified example in which the Cartesian coordinate system in the power generation element shown in FIG. 10 is changed to a non-Orthogonal coordinate system and the central electrodes Ez1 to Ez4 are omitted. For convenience, each part of the modification shown in FIG. 34 is shown using the same reference numerals as those of the embodiment shown in FIG. The functions of the components with the same reference numerals are basically the same, but in the case of the modification shown in FIG. 34, since a non-Cartesian coordinate system is used, the X-axis and the Y-axis are orthogonal to each other. No (Z-axis is perpendicular to the paper). Therefore, the first longitudinal axis Ly defined as an axis parallel to the Y axis and the second longitudinal axis Lx defined as an axis parallel to the X axis do not become axes orthogonal to each other, and the first The arrangement of the plate-shaped
(5) これまで様々な実施形態やその変形例を示してきたが、これらの実施形態や変形例は、自由に組み合わせて利用することができる。本願明細書および図面には、一部の組み合わせに係る実施例のみしか開示されていないが、相互に矛盾が生じない限り、これらを任意に組み合わせて本発明を実施することができる。 (5) Various embodiments and modifications thereof have been shown so far, but these embodiments and modifications can be freely combined and used. Although only some combinations of Examples are disclosed in the specification and drawings of the present application, the present invention can be carried out in any combination thereof as long as they do not conflict with each other.
本発明に係る発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う技術に広く利用することができる。その基本原理は、重錘体の振動により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、というものであるので、自動車、列車、船舶などの乗り物や、冷蔵庫、エアコンといった振動源に取り付けることにより、通常は無駄に消費してしまう振動エネルギーを、電気エネルギーとして有効利用することが可能になる。 The power generation element according to the present invention can be widely used in a technique for generating power by converting vibration energy into electrical energy. The basic principle is that the vibration of the weight body causes periodic bending of the piezoelectric element, and the electric charge generated based on the stress applied to the piezoelectric element is taken out to the outside. Therefore, automobiles, trains, ships, etc. By attaching it to a vibration source such as a vehicle, refrigerator, or air conditioner, it becomes possible to effectively use the vibration energy that is normally wasted as electrical energy.
10:固定部
20:板状橋梁部
30:重錘体
40:装置筐体の底板
50,50B,50C:圧電素子
51D,52D:圧電素子
60:発電回路
70:固定部
80:板状橋梁部
100,100A〜100R:基本構造体
110,110AB〜110GH:固定部用板状部材
110I〜110R:環状構造体
110I1〜110I4:環状構造体の各辺
110J:環状重錘体
110J1〜110J4:環状重錘体の各辺
110K:環状構造体
110K1〜110K4:環状構造体の各辺
110M1〜110M4:補助重錘体
110N1〜110N4:環状構造体の各辺
110P1〜110P4:環状構造体の各辺
110P5:起点部分
110Q1〜110Q4:環状構造体の各辺
110R1〜110R4:環状構造体の各辺
110N5,110N6:ストッパ突起
110Q5:起点部分
110Q6,110Q7:ストッパ突起
120,120A〜120Q:第1の板状橋梁部
120J:第2の板状橋梁部
121P:先端部近傍部分
121R:第1板状先端側橋梁部
122P:中間部分
122R:第1板状根端側橋梁部
123P:根端部近傍部分
125,125I,125J,125K:中間接続部
130,130A〜130Q:第2の板状橋梁部
130J:第1の板状橋梁部
135K:中間接続部
130P:第2の板状橋梁部130P
131P:先端部近傍部分
131R:第2板状先端側橋梁部
132P:中間部分
132R:第2板状根端側橋梁部
133P:根端部近傍部分
140,140I:重錘接続部
140J:固定端接続部
140K:第3の板状橋梁部
140N:重錘接続部
140P〜140R:中間接続部
145K:中間接続部
150,150A〜150R:重錘体
150J:板状固定部
150K:第4の板状橋梁部
150L:補助重錘体
150NS:ストッパ溝
150QS:ストッパ溝
160K:重錘接続部
170K:重錘体
200,200I,200J:装置筐体の底板
300:圧電素子
400:装置筐体のカバー
410:装置筐体の天板
420:装置筐体の側板
500:発電回路
1000:発電装置の基本構造体
2000:発電装置の基本構造体
Cf:容量素子(コンデンサ)
D11(+)〜D13(+):正電荷用整流素子(ダイオード)
D11(−)〜D13(−):負電荷用整流素子(ダイオード)
D0(+),Dx1(+)〜Dz24(+):正電荷用整流素子(ダイオード)
D0(−),Dx1(−)〜Dz24(−):負電荷用整流素子(ダイオード)
E0,E0B,E0C,E0D,E00:下層電極
E1:右脇電極
E2:中央電極
E3:左脇電極
E10:右脇電極
E20:左脇電極
E11:重錘体側の右脇電極
E12:重錘体側の中央電極
E13:重錘体側の左脇電極
E21,E21B,E21C,E21D:固定部側の右脇電極
E22,E22B,E22C,E22D:固定部側の中央電極
E23,E23B,E23C,E23D:固定部側の左脇電極
E31:右脇電極
E32:中央電極
E33:左脇電極
Ex1:第2の先端部側右脇電極
Ex2:第2の先端部側左脇電極
Ex3:第2の根端部側右脇電極
Ex4:第2の根端部側左脇電極
Ex11:第1の先端部側右脇電極
Ex12:第1の先端部側左脇電極
Ex13:第2の根端部側右脇電極
Ex14:第2の根端部側左脇電極
Ey1:第1の先端部側右脇電極
Ey2:第1の先端部側左脇電極
Ey3:第1の根端部側右脇電極
Ey4:第1の根端部側左脇電極
Ey11:第1の根端部側右脇電極
Ey12:第1の根端部側左脇電極
Ey13:第2の先端部側右脇電極
Ey14:第2の先端部側左脇電極
Ez1:第2の先端部側中央電極
Ez2:第2の根端部側中央電極
Ez3:第1の先端部側中央電極
Ez4:第1の根端部側中央電極
L:長手方向軸
L0:固定部用長手方向軸
L1:第1の先端部側中心線
L2:第1の根端部側中心線
L3:第2の先端部側中心線
L4:第2の根端部側中心線
Lx:第2の長手方向軸(中心線)
Ly:第1の長手方向軸(中心線)
O:三次元座標系の原点
P11〜P23:圧電素子50の各部分
Px1〜Pz4:圧電素子300の各部分
Rd1,Rd2:抵抗素子
V:空隙部
W:対称軸W(Y軸を45°傾斜させた軸)
X:三次元座標系の座標軸
Δx(+):X軸正方向の変位
Y:三次元座標系の座標軸
Δy(+):Y軸正方向の変位
Z:三次元座標系の座標軸
Δz(+):Z軸正方向の変位
ZL:負荷
α1〜α3:庇構造部
α11〜α24:庇構造部
10: Fixed part 20: Plate-shaped bridge part 30: Weight body 40: Bottom plate 50, 50B, 50C of device housing: Piezoelectric element 51D, 52D: Piezoelectric element 60: Power generation circuit 70: Fixed part 80: Plate-shaped bridge part 100, 100A to 100R: Basic structure 110, 110AB to 110GH: Plate-shaped member for fixing portion 110I to 110R: Circular structure 110I1 to 110I4: Each side of the annular structure 110J: Circular weight body 110J1 to 110J4: Circular weight Each side of the weight 110K: Annular structure 110K1 to 110K4: Each side of the annular structure 110M1 to 110M4: Auxiliary weights 110N1 to 110N4: Each side of the annular structure 110P1 to 110P4: Each side of the annular structure 110P5: Starting point portion 110Q1 to 110Q4: Each side of the annular structure 110R1 to 110R4: Each side of the annular structure 110N5, 110N6: Stopper protrusion 110Q5: Starting point portion 110Q6, 110Q7: Stopper protrusion 120, 120A to 120Q: First plate-shaped bridge Part 120J: Second plate-shaped bridge part 121P: Tip-near part 121R: First plate-shaped tip-side bridge part 122P: Intermediate part 122R: First plate-shaped root-end-side bridge part 123P: Root-end-near part 125, 125I, 125J, 125K: Intermediate connection part 130, 130A to 130Q: Second plate-shaped bridge part 130J: First plate-shaped bridge part 135K: Intermediate connection part 130P: Second plate-shaped bridge part 130P
131P: Tip portion near portion 131R: Second plate-shaped tip side bridge portion 132P: Intermediate portion 132R: Second plate-shaped root end
D11 (+) to D13 (+): Positive charge rectifying element (diode)
D11 (-) to D13 (-): Negative charge rectifying element (diode)
D0 (+), Dx1 (+) to Dz24 (+): Positive charge rectifying element (diode)
D0 (-), Dx1 (-) to Dz24 (-): Negative charge rectifying element (diode)
E0, E0B, E0C, E0D, E00: Lower layer electrode E1: Right side electrode E2: Center electrode E3: Left side electrode E10: Right side electrode E20: Left side electrode E11: Right side electrode E12 on the weight body side: Weight body side Center electrode E13: Left side electrode E21, E21B, E21C, E21D on the weight body side: Right side electrode E22, E22B, E22C, E22D on the fixed part side: Center electrode E23, E23B, E23C, E23D on the fixed part side: Fixed Left side electrode E31 on the part side: Right side electrode E32: Center electrode E33: Left side electrode Ex1: Second tip side right side electrode Ex2: Second tip side left side electrode Ex3: Second root end Side right side electrode Ex4: Second root end side left side electrode Ex11: First tip side right side electrode Ex12: First tip side left side electrode Ex13: Second root end side right side electrode Ex14: Second root end side left side electrode Ey1: First tip side right side electrode Ey2: First tip side left side electrode Ey3: First root end side right side electrode Ey4: First Root end side left side electrode Ey11: 1st root end side right side electrode Ey12: 1st root end side left side electrode Ey13: 2nd tip side right side electrode Ey14: 2nd tip Side left side electrode Ez1: Second tip side center electrode Ez2: Second root end side center electrode Ez3: First tip side center electrode Ez4: First root end side center electrode L: Longitudinal direction Axis L0: Longitudinal axis for fixed portion L1: First tip side center line L2: First root end side center line L3: Second tip side center line L4: Second root end side center Line Lx: Second longitudinal axis (center line)
Ly: 1st longitudinal axis (center line)
O: Origins of the three-dimensional coordinate system P11 to P23: Each part of the
X: Coordinate axis Δx (+) of the three-dimensional coordinate system: Displacement in the positive direction of the X axis Y: Coordinate axis Δy (+) of the three-dimensional coordinate system: Displacement in the positive direction of the Y axis Z: Coordinate axis Δz (+) of the three-dimensional coordinate system : Displacement in the positive direction of the Z axis ZL: Load α1 to α3: Eaves structure α11 to α24: Eaves structure
Claims (3)
XY平面に沿って配置され、Y軸に平行な長手方向軸に沿って根端部から先端部へと伸びる板状橋梁部と、
前記板状橋梁部の先端部に接続された重錘体と、
前記板状橋梁部および前記重錘体を収容する装置筐体と、
前記板状橋梁部の根端部を前記装置筐体に固定する固定部と、
前記板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、
前記下層電極の表面に層状に形成された圧電素子と、
前記圧電素子の表面の、前記下層電極に対向した位置に形成された上層電極と、
を備え、
前記板状橋梁部は可撓性を有しており、前記装置筐体を振動させる外力が作用したときに、前記板状橋梁部の撓みにより前記重錘体が前記装置筐体内でZ軸方向だけでなくX軸方向にも振動するように構成され、
前記固定部は、前記板状橋梁部の根端部を前記装置筐体に固定し、前記板状橋梁部の先端部に前記重錘体が接続されており、
前記圧電素子は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
前記上層電極は、Y軸方向に伸びる前記板状橋梁部の中心線上に前記板状橋梁部の根端部から先端部にわたって配置されており、前記重錘体に+Z軸方向の変位が生じたときに前記上層電極に第1極性の電荷が発生し、かつ前記重錘体に−Z軸方向の変位が生じたときに前記上層電極に前記第1極性と逆の極性の第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 vibration energy in at least one axial direction into electrical energy in each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system.
A plate-shaped bridge that is arranged along the XY plane and extends from the root end to the tip along the longitudinal axis parallel to the Y axis.
A weight body connected to the tip of the plate-shaped bridge and
A device housing for accommodating the plate-shaped bridge portion and the weight body, and
A fixing portion for fixing the root end portion of the plate-shaped bridge portion to the device housing, and a fixing portion.
The lower layer electrodes formed in layers on the surface of the plate-shaped bridge, and
Piezoelectric elements formed in layers on the surface of the lower electrode,
The upper layer electrode formed on the surface of the piezoelectric element at a position facing the lower layer electrode and the upper layer electrode.
Equipped with
The plate-shaped bridge portion has flexibility, and when an external force that vibrates the device housing is applied, the weight body is moved in the Z-axis direction in the device housing due to the bending of the plate-shaped bridge portion. Not only is it configured to vibrate in the X-axis direction,
In the fixing portion, the root end portion of the plate-shaped bridge portion is fixed to the device housing, and the weight body is connected to the tip end portion of the plate-shaped bridge portion.
The piezoelectric element has a property of causing polarization in the thickness direction by the action of stress that expands and contracts in the layer direction.
The upper layer electrodes are arranged on the center line of the plate-shaped bridge portion extending in the Y-axis direction from the root end portion to the tip portion of the plate-shaped bridge portion, and the weight body is displaced in the + Z-axis direction. Occasionally, when the upper electrode is charged with the first polarity and the weight is displaced in the −Z axis direction, the upper electrode is charged with the second polarity opposite to the first polarity. A power generation element characterized by the occurrence of.
前記圧電素子の表面の、前記下層電極に対向した位置に形成され、前記上層電極と並走するように前記板状橋梁部の根端部から先端部にわたって配置された第2の上層電極をさらに備え、
前記重錘体に+X軸方向の変位が生じたときに前記第2の上層電極に前記第1極性の電荷が発生し、かつ前記重錘体に−X軸方向の変位が生じたときに前記第2の上層電極に前記第2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,
A second upper layer electrode formed on the surface of the piezoelectric element at a position facing the lower layer electrode and arranged from the root end portion to the tip end portion of the plate-shaped bridge portion so as to run parallel to the upper layer electrode is further provided. Prepare,
When the second upper electrode is charged with the first polarity when the weight body is displaced in the + X-axis direction, and when the weight body is displaced in the −X-axis direction, the charge is generated. A power generation element characterized in that a charge of the second polarity is generated in a second upper layer electrode.
前記圧電素子の表面の、前記下層電極に対向した位置に形成され、前記上層電極を挟んで前記第2の上層電極の反対側に前記上層電極および前記第2の上層電極と並走するように前記板状橋梁部の根端部から先端部にわたって配置された第3の上層電極をさらに備え、
前記重錘体に+X軸方向の変位が生じたときに前記第3の上層電極に前記第2極性の電荷が発生し、かつ前記重錘体に−X軸方向の変位が生じたときに前記第3の上層電極に前記第1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 2,
It is formed on the surface of the piezoelectric element at a position facing the lower layer electrode, and runs parallel to the upper layer electrode and the second upper layer electrode on the opposite side of the second upper layer electrode with the upper layer electrode interposed therebetween. Further, a third upper layer electrode arranged from the root end portion to the tip end portion of the plate-shaped bridge portion is further provided.
When the third upper electrode is charged with the second polarity when the weight body is displaced in the + X-axis direction, and when the weight body is displaced in the −X-axis direction, the charge is generated. A power generation element characterized in that a charge of the first polarity is generated in a third upper layer electrode.
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