WO2020235208A1 - 振動発電素子 - Google Patents

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WO2020235208A1
WO2020235208A1 PCT/JP2020/012823 JP2020012823W WO2020235208A1 WO 2020235208 A1 WO2020235208 A1 WO 2020235208A1 JP 2020012823 W JP2020012823 W JP 2020012823W WO 2020235208 A1 WO2020235208 A1 WO 2020235208A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cantilever
weight
power generation
generation element
vibration power
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/012823
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
藤井　隆満
高見 新川
Original Assignee
富士フイルム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士フイルム株式会社 filed Critical 富士フイルム株式会社
Priority to JP2021520080A priority Critical patent/JP7277576B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Definitions

  • the present invention relates to a vibration power generation element.
  • vibration power generation devices that use vibration power generation elements that convert vibration energy into electrical energy have been attracting attention in fields such as energy harvesting.
  • the vibration power generation element converts vibration given from the environment to an oscillator such as a cantilever into electricity by, for example, a piezoelectric element.
  • an oscillator such as a cantilever into electricity by, for example, a piezoelectric element.
  • the vibration power generation element is applied to a wearable device, it is necessary to manufacture a device having a resonance frequency of 10 Hz or less because the movement of a person is as small as several Hz.
  • Patent Document 2 proposes a vibration power generation element having a weight portion and a plurality of spring portions connected to the weight portion and having a resonance frequency of several tens of Hz.
  • the vibration power generation element of Patent Document 2 has a resonance frequency having a large peak gain in a frequency range of about 10 Hz to 50 Hz.
  • the shape of the spring portion is complicated and the productivity is low, and it is still difficult to realize a resonance frequency of 10 Hz or less.
  • the impact weight collides with the cantilever to displace the cantilever, and the strain generated in the piezoelectric element at the time of this displacement is taken out as electric power.
  • the resonance frequency of the cantilever is 100 Hz or more
  • the rigid body collides with the cantilever due to a pulse-like external force of 10 Hz or less, so that the cantilever is displaced and power is generated. Therefore, the element substantially corresponds to a frequency of 10 Hz or less.
  • Non-Patent Document 1 a method of causing an impact weight to collide with a cantilever to displace the cantilever and then resonating the cantilever to obtain power generation by resonance in addition to the displacement at the time of collision is studied. By using the resonance of the cantilever, the amount of power generation can be increased.
  • the present inventors have stated that in an impact type vibration power generation element in which a rigid body collides with a cantilever, sufficient power generation efficiency may not be improved depending on the collision site of the rigid body (impact weight) with the cantilever. I found it. In particular, it has been found that when the shape of the conventional impact weight is a sphere, it may not be possible to sufficiently improve the power generation efficiency.
  • an object of the present invention is to improve the power generation efficiency in an impact type vibration power generation element capable of generating power even with an external force of several Hz.
  • a vibration power generation element including a weight that collides with a portion on the fixed end side of the cantilever and separates from the cantilever after the collision. The portion where the weight collides displaces the cantilever due to the collision and applies an external force of one pulse.
  • a vibration power generation element that is a part where the weight collides with the cantilever once, and after the collision, the weight does not collide with the cantilever until the external force of the next pulse is applied to the weight separated from the cantilever.
  • ⁇ 2> Described in ⁇ 1>, wherein the length of the weight in the length direction of the cantilever is shorter than the length of the cantilever, and the portion where the weight collides is a position less than 1/2 of the length of the weight from the fixed end of the cantilever.
  • Vibration power generation element is the distance from the fixed end to the free end of the cantilever.
  • ⁇ 3> The vibration power generation element according to ⁇ 1> or ⁇ 2>, wherein a protrusion is provided at a portion of the cantilever.
  • ⁇ 4> The vibration power generation element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 3>, wherein the weight is provided with a protrusion, and the protrusion collides with a portion of the cantilever.
  • ⁇ 5> The vibration power generation element according to ⁇ 4>, wherein the weight has a protrusion on a part of a main part having a rectangular parallelepiped shape.
  • ⁇ 6> The vibration power generation element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 4>, wherein a guide portion for guiding a weight to a portion is formed in a space inside the housing.
  • ⁇ 7> The vibration power generation element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 6>, wherein a lubricant is applied to at least one of the inside of the housing and the weight.
  • ⁇ 8> The vibration power generation element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 7>, wherein the housing is vacuum-packaged.
  • ⁇ 9> The vibration power generation element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 8>, wherein the weight is made of a material containing tungsten.
  • ⁇ 10> The vibration power generation element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 9>, wherein the resonance frequency of the cantilever is 50 Hz or more and 5 kHz or less.
  • the power generation efficiency can be improved in the impact type vibration power generation element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. It is a perspective view of a pedestal. It is an enlarged view of a part of a vibration power generation element. It is a perspective view of the weight of the vibration power generation element. It is a figure for demonstrating the external force acting on a weight. It is a figure which shows the process in which a weight collides with a cantilever and resonance occurs in a weight. It is a figure which shows the time change of the displacement of the tip of a cantilever after a weight collides with a cantilever. It is a figure for demonstrating the power generation pattern 1 with a low power generation amount.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. It is a perspective view of the vibration power generation element of the 2nd Embodiment arranged in a housing. It is a figure which shows the time change of the output voltage of Example 1. It is a figure which shows the time change of the output voltage of the comparative example 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of the vibration power generation element 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1
  • FIG. 3 is a perspective view of the pedestal
  • FIG. 4 is an enlarged view of a part of the vibration power generation element 1 shown in FIG.
  • the film thickness and their ratios of each layer are appropriately changed and drawn, and do not necessarily reflect the actual film thickness and ratio (the same applies to the following drawings).
  • the vibration power generation element 1 of the present embodiment includes a pedestal 10, a cantilever 20 having a piezoelectric element 22, and a cantilever member 12 having a frame 27 to which one end of the cantilever 20 is connected. , A weight 30, and a circuit board 40 provided with wiring and a circuit for extracting electric power from the piezoelectric element 22.
  • the pedestal 10 is provided with a first recess 15 and a second recess 16 accommodating a weight 30 at the bottom of the first recess 15 on one surface thereof.
  • the material of the pedestal 10 is not particularly limited, but can be formed of, for example, silicon or stainless steel.
  • the second recess 16 accommodates the weight 30 in a state where no external force acts on the weight 30.
  • the side wall 16a of the second recess 16 functions as a guide portion that guides the weight 30 to a predetermined portion P of the cantilever 20, which will be described later, when an external force acts on the weight 30 and the weight 30 moves toward the cantilever 20. To do.
  • the cantilever member 12 is formed by laminating a lower electrode 24, a piezoelectric film 25, and an upper electrode 26 on one surface of one thin plate, and then subjected to MEMS (Micro Electro Mechanical System) processing to connect one end to the frame 27.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • the cantilever 20 is formed.
  • the cantilever member 12 is fixed on the pedestal 10 so that the base of the cantilever 20 is aligned with one side wall 16a constituting the second recess 16 and the cantilever 20 covers the first recess 15.
  • the housing 13 is composed of the frame 27 of the cantilever member 12 and the pedestal 10.
  • a space 14 that allows displacement of the cantilever 20 is formed by the cantilever 20 and the first recess 15 and the second recess 16 of the pedestal 10 on which the cantilever 20 faces.
  • Root portion fixed to the pedestal 10 of the cantilever 20 That end e 1 as a cantilever 20, (hereinafter, also referred to as a fixed end e 1.) Fixed end to function as a. That is, the cantilever 20 has one end e 1 forms a space 14 in the housing 13 is fixed to the housing 13. Second recess 16 is located at the fixed end e 1 side of the cantilever 20.
  • the material of the cantilever member 12 is not particularly limited, but can be formed of, for example, stainless steel.
  • the resonance frequency of the cantilever 20 is preferably 50 Hz or more and 5 kHz or less.
  • the resonance frequency can be appropriately adjusted depending on the material and shape of the base material 21 of the cantilever 20.
  • the resonance frequency may be adjusted by increasing the thickness of the tip of the cantilever 20 (hereinafter, also referred to as the free end e 2 ) or by providing a weight on the free end e 2 side.
  • the cantilever 20 includes a base material 21 and a piezoelectric element 22 in which a lower electrode 24, a piezoelectric film 25, and an upper electrode 26 are laminated on one surface of the base material 21.
  • “lower part” and “upper part” do not mean top and bottom.
  • the pair of electrodes provided with the piezoelectric film interposed therebetween one electrode arranged on the base material 21 side is referred to as a lower electrode, and the other electrode is simply referred to as an upper electrode.
  • the piezoelectric element 22 converts the strain generated in the piezoelectric film 25 by the vibration of the cantilever 20 into an electric signal.
  • the piezoelectric element 22, but provided over the entire one surface of the cantilever 20, may be provided only in the region including the fixed end e 1 the most distortion occurs when the cantilever 20 is displaced .
  • the piezoelectric element 22 may be provided not only on one side of the cantilever 20 but also on both sides.
  • the thickness of the lower electrode 24 and the upper electrode 26 is not particularly limited, but is preferably 50 nm or more and 300 nm or less, for example, about 200 nm.
  • the thickness of the piezoelectric film 25 is not particularly limited as long as it is 10 ⁇ m or less, and is usually 1 ⁇ m or more, for example, 1 to 5 ⁇ m.
  • the method for forming the lower electrode 24, the upper electrode 26, and the piezoelectric film 25 is not particularly limited, but the vapor deposition method is preferable, and the sputtering method is particularly preferable.
  • piezoelectric film 25 examples include those containing one or more types of perovskite-type oxides (P) represented by the following formulas.
  • General formula A a B b O c (P) (In the formula, A: an element of A site, at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, La, Sr, Bi, Li, Na, Ca, Cd, Mg, and K.
  • B Element of B site, from Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and Ni.
  • O Oxygen atom.
  • Examples of the perobskite type oxide represented by the above general formula include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate tit, lead zirconate titanate, lead zirconate titanate lanthanate, and lead zirconate titanate magnesium niobate.
  • Lead-containing compounds such as lead zirconate titanate titanate, lead zirconate titanate zinc niobate, and their mixed crystal systems; barium niobate, strontium barium niobate, sodium niobate, potassium niobate, niobate.
  • Lead-free compounds such as sodium, potassium niobate, lithium niobate, and bismas ferrite, and mixed crystal systems thereof can be mentioned.
  • the weight 30 is an impact weight that collides with the cantilever 20 and causes distortion in the cantilever 20.
  • the weight 30 is housed in the second recess 16 and is arranged away from the cantilever 20 in a state where no external force acts. Further, when an external force is applied, the weight 30 moves toward the cantilever 20 and collides with the cantilever 20, gives energy to the cantilever 20, and then separates from the cantilever 20. At this time, the shape and arrangement of the weight 30 are configured so that the weight 30 collides with the predetermined portion P of the cantilever 20.
  • FIG. 5 shows a perspective view of the weight 30 of the present embodiment.
  • the weight 30 has a shape in which a bar-shaped protrusion 31 is provided in a part of a main portion of a rectangular parallelepiped shape.
  • the weight 30 has a protrusion 31 and a rectangular parallelepiped which is a main part.
  • the rectangular parallelepiped includes a substantially rectangular parallelepiped in which the vertices and sides are chamfered.
  • the length A of the weight 30 is shorter than the length L of the cantilever 20.
  • the length of the weight 30 is the length in the direction of being arranged so as to coincide with the length direction of the cantilever 20, and in this example, it is the length of one side of the rectangular parallelepiped.
  • Projection 31 is provided from one end to the fixed end e 1 side of the cantilever 20 at a distance A1 ⁇ A / 2.
  • the weight 30 moves toward the cantilever 20 when an external force is applied, and the protrusion 31 collides with the cantilever 20.
  • the weight 30 collides with the cantilever 20 again until the next pulse is applied after the weight 30 first collides and is reflected by the external force of one pulse. It is set in a position where it will not collide.
  • the fixed end of the cantilever 20 the center of the length L of the cantilever 20 means the side of the region close to the fixed end e 1.
  • the material of the weight 30 is not particularly limited, but it is preferably composed of a material having a relatively heavy specific gravity such as stainless steel, iron, and copper from the viewpoint of increasing impact energy, and a material containing tungsten such as tungsten carbide is particularly preferable.
  • the circuit board 40 is provided with an AC / DC converter 42 or the like for extracting electric power from the piezoelectric element 22. Wiring is connected to the circuit board 40 by wire bonding from the electrode pad connected to the lower electrode 24 of the piezoelectric element 22 and the electrode pad connected to the upper electrode 26, respectively.
  • the axis of the cantilever perpendicular to the surface facing the weight is defined as the Z axis
  • the direction from the weight to the cantilever along the Z axis is defined as the + Z direction.
  • v be the velocity component of the weight in the Z-axis direction.
  • the velocity v of the weight becomes positive, moves toward the cantilever 20, and collides with the cantilever 20.
  • the "external force acting on the weight” means a force applied to the weight whose component in the + Z direction is F 0 or more, and gives the weight a speed of movement in the cantilever direction.
  • the external force that cannot be applied is not included in the external force acting on the weight.
  • Examples of the external force applied to the vibration power generation element 1 include periodic vibrations such as sine waves, square waves, sawtooth waves, and triangular waves, and periodic or aperiodic vibrations associated with movements such as walking and running of a person. Be done. For example, when a periodic force such as a square wave (A), a sawtooth wave (B), or a sine wave (C) as shown in FIG. 6 is applied to the weight in the + Z direction, a threshold value is applied.
  • the part shown by the solid line in each waveform, which is applied with an intensity of value F 0 or more, is the “external force acting on the weight” applied at regular time intervals (1 / f).
  • f is a frequency, for example, several Hz to several hundred Hz.
  • one external force acting on the weight is referred to as one pulse external force.
  • the time interval between the external force of one pulse received by the weight and the external force of the next pulse is not limited to the periodic one as shown in FIG. 6, and may be random.
  • an external force of one pulse acts on the weight 30, the velocity v of the weight 30 becomes positive, moves in the + Z direction and collides with the cantilever 20, and the weight 30 moves in the ⁇ Z direction. It reflects and the cantilever 20 is largely displaced in the + Z direction to generate electricity.
  • the power generation generated at this time is referred to as impact power generation.
  • the weight 30 separates from the cantilever 20, and the cantilever 20 starts resonance that continuously vibrates at the resonance frequency, and power is generated along with this resonance.
  • resonance power generation power generation by this resonance.
  • step ST1 The process of power generation in the vibration power generation element 1 will be described with reference to FIG. 7.
  • a force F of F 0 or more is applied to the weight 30 in the + Z direction (step ST1).
  • the weight 30 moves toward the cantilever 20 at a speed of v> 0 (step ST2).
  • the weight 30 collides with the portion P of the cantilever 20 and is reflected in the ⁇ Z direction.
  • the velocity v of the weight 30 reverses from positive to negative (step ST3).
  • the cantilever 20 is given collision energy and is largely displaced in the + Z direction, and then resonates (step ST4).
  • the Z-direction position of the portion P of the cantilever 20 is displaced with time, but the position of the portion P does not catch up with the ⁇ Z-direction position of the weight 30 at any time when the position P moves in the ⁇ Z direction, and the weight 30 again. There is no collision. After that, steps ST1 to ST4 are repeated by applying the force F of the next pulse.
  • the waveform shown by A in FIG. 8 shows the time displacement of the tip (free end) of the cantilever 20 due to the external force of one pulse obtained by the simulation.
  • the weight 30 moves toward the cantilever 20 at a positive speed v due to the action of an external force, and the weight 30 collides with the portion P of the cantilever 20, causing distortion in the cantilever 20 and generally.
  • Resonance starts from the position of the maximum displacement of the cantilever 20.
  • the amplitude of the resonance after that is attenuated according to the Q value (loss coefficient), but the amplitude at the start of resonance is large and the resonance continues until the next pulse due to an external force is applied, resulting in a very large amount of power generation. can get.
  • the output voltage proportional to the amount of strain generated in the piezoelectric element 22 is proportional to the amount of displacement of the tip (free end) of the cantilever 20, so that the time change of the output voltage is taken as an example, A in FIG. It behaves in the same way as the waveform shown in.
  • the portion P with which the weight 30 collides depends on the material and shape of the cantilever 20, and can be obtained by simulation.
  • the cantilever when the cantilever has a PZT film having a thickness of 3 ⁇ m formed on a stainless steel substrate having a length of 5 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 44 ⁇ m and a weight of 0.11 g, it is predetermined.
  • the site is a region 0.8 to 1.3 mm from the fixed end. That is, the position of the predetermined portion from the fixed end is a region of 0.16 L to 0.26 L with respect to the length L of the cantilever.
  • the cantilever when the weight collides with the cantilever, the cantilever is displaced and the weight is reflected by the cantilever, after which the cantilever resonates without re-collision with the weight.
  • the waveform shown by A in FIG. 8 is a simulation result when the weight is made to collide with the position 1.2 mm from the fixed end under this condition.
  • the present inventors have found that the amount of power generation varies greatly depending on the position of the weight colliding with the cantilever. Then, it was clarified that the amount of power generation greatly differs depending on the collision position of the weight with the cantilever due to the positional relationship between the weight and the cantilever at the start of resonance. There are the following two patterns in the mechanism that a sufficient amount of power generation cannot be obtained when the weight collides with the tip of the cantilever, that is, the position on the free end side.
  • a force F of F 0 or more is applied to the weight 130 in the + Z direction (step ST11).
  • the weight 130 moves toward the cantilever 20 at a speed of v> 0 (step ST12).
  • Weight 30 impinges on the site P 1 of the cantilever 20, are reflected in the -Z direction.
  • the steps up to this point are the same as steps ST1 to ST3 of the present embodiment described above.
  • the velocity v of the weight 30 changes from positive to almost 0. (Step ST13).
  • the cantilever 20 is greatly distorted in the + Z direction, while the speed of the weight 30 becomes negative, and the weight 30 moves in the ⁇ Z direction (step ST14).
  • step ST15 when the cantilever 20 returns in the ⁇ Z direction, it collides with the weight 130 moving in the ⁇ Z direction again (step ST15).
  • Resonance of the cantilever 20 because the weight 130 collided again starts from a position away from the cantilever 20, the amplitude of the portion P 1 at resonance is smaller than that in amplitude due to initial impact (step ST16).
  • steps ST11 to ST16 are repeated by applying the force F of the next pulse.
  • the waveform shown by B in FIG. 8 shows the time displacement of the tip (free end) of the cantilever 20 due to the external force of one pulse in this pattern obtained by simulation.
  • the weight 130 collides with the cantilever 20 twice due to an external force of one pulse, and after the second collision, resonance is started when the weight 130 is separated from the cantilever 20, so that the amplitude at the start of resonance Is significantly smaller than the amplitude at the time of the first collision. Since the amplitude at the start of resonance is small, as a result, the total amount of power generation is significantly smaller than that of the above embodiment.
  • the cantilever has a PZT film having a thickness of 3 ⁇ m formed on a stainless steel substrate having a length of 5 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 44 ⁇ m and a weight of 0.11 g
  • the fixed end is fixed.
  • the above pattern occurs in the region from 1.4 mm to 1.6 mm. That is, when the weight collides with the cantilever, the cantilever is displaced in the Z direction, the speed of the weight becomes almost 0, and the weight stops. If the element is installed so that the cantilever is vertically above and the weight is vertically below, the weight then freely falls. Then, when the cantilever returns in the ⁇ Z direction, it re-collides with the weight. Due to this re-collision, the amplitude of resonance is significantly reduced.
  • the waveform shown in FIG. 8B is a simulation result when the weight is made to collide with the position 1.5 mm from the fixed end under this condition.
  • a force F of F 0 or more is applied to the weight 130 in the + Z direction (step ST21).
  • the weight 130 moves toward the cantilever 20 at a speed of v> 0 (step ST22).
  • Weight 130 collides with the portion P 2 of the cantilever 20 the weight 130 is moved from the collision position that has collided with the cantilever remain in contact with the cantilever 20 + Z direction (step ST23), after which the cantilever 20 is the maximum displacement (step ST24) ,
  • the cantilever 20 and the weight 130 both start to move in the ⁇ Z direction (step ST25), and the weight 130 separates from the cantilever 20 at a position advanced to some extent.
  • step ST26 since the resonance of the cantilever 20 starts from a position where the weight 130 is separated from the cantilever 20, the resonance amplitude becomes small (step ST26). As a result, the amount of power generated by resonant power generation is reduced. After that, steps ST21 to ST26 are repeated by applying the force F of the next pulse.
  • FIG. 11 shows the time displacement of the tip (free end) of the cantilever 20 due to the external force of one pulse in this pattern obtained by the simulation.
  • FIG. 11 shows three types of results with different conditions. In each case, the maximum peak is the displacement that occurs at the time of collision, and then the resonance starts at the time indicated by the arrow. In this collision pattern, the contact time between the two after the weight 130 collides with the cantilever 20 becomes long, and resonance starts when the weight 130 separates from the cantilever 20, so that the amplitude is the amplitude at the time of the first collision. It is much smaller than that. Since the amplitude at the start of resonance is small, the amount of power generation is small as a result.
  • the cantilever has a PZT film having a thickness of 3 ⁇ m formed on a stainless steel substrate having a length of 5 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 44 ⁇ m and a weight of 0.11 g, from the fixed end.
  • the above pattern occurs. That is, when the weight collides with the cantilever, the cantilever is displaced in the Z direction, and the weight does not separate from the cantilever and moves in the Z direction together with the cantilever. Then, when the cantilever returns, it moves with the cantilever and then separates from the cantilever.
  • the waveforms shown by C, D, and E in FIG. 11 are simulation results when the weights collide with the positions of 3 mm, 4 mm, and 4.8 mm from the fixed end under this condition, respectively.
  • the contact time of the weight with the cantilever becomes long, or the weight hits the cantilever multiple times with respect to one external force, and the resonance starts.
  • the amplitude of the cantilever is reduced, and the resonance power generation may not be sufficiently obtained.
  • the cantilever functions as if it were a hard wall, so that the cantilever does not displace, resulting in no power generation. That is, the weight that collides with the base of the cantilever at the velocity v is reflected at the velocity ⁇ v due to the reaction of the cantilever.
  • the mass of the weight is m
  • the kinetic energy of the mass at the time of collision is represented by mv 2/2 is maintained as it is. That is, no energy is given to the cantilever. Therefore, the cantilever does not displace and does not generate electricity.
  • the cantilever has a PZT film having a thickness of 3 ⁇ m formed on a stainless steel substrate having a length of 5 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 44 ⁇ m and a weight of 0.11 g, from the fixed end. In the region of 0.7 mm or less, the above pattern occurs and the weight is completely reflected, so that the cantilever does not move.
  • the cantilever 20 is displaced by the collision of the weight 30, and the weight 30 moves together with the cantilever 20 after the weight 30 collides with the external force of one pulse. It is configured so that the weight 30 collides with the cantilever 20 at a position where it is reflected by the cantilever 20 and separated from the cantilever 20 until the next pulse is applied. Therefore, it resonates from the maximum displacement position due to the first collision. In this way, since resonance is started with a large amplitude, a large amount of power generation can be obtained.
  • the present inventors have found that in a cantilever capable of generating a relatively large strain, the predetermined portion is on the fixed end side of the radius of a conventionally used sphere.
  • the weight 30 of the present embodiment has a non-spherical shape and includes a protrusion 31 that collides with the portion P on the fixed end side.
  • the weight 30 can collide with the portion P on the fixed end side of the cantilever 20 from the radial position of the sphere having the same weight.
  • the length of the rectangular parallelepiped which is the main part of the weight 30 and the diameter of the sphere are the same, the volume of the rectangular parallelepiped can be made larger than that of the sphere, so that a large collision energy can be generated.
  • FIG. 12 a case where a sphere (made of stainless steel) having a diameter of 3 mm is used as the impact weight 130 with respect to the cantilever 120 having a length of 5 mm provided on the pedestal 110 is examined. did.
  • the impact weight 130 is a sphere, it is not possible in reality to make the sphere collide with a position less than 1.5 mm from the fixed end of the cantilever 120.
  • the present inventors have confirmed that the power generation performance is almost the same as that of the sample having a uniform thickness of 44 ⁇ m, and the power generation performance depends on the plate thickness of the collision portion.
  • the collision position shown on the horizontal axis of FIG. 13 is the distance from the fixed end to the collision site, and the vertical axis indicates the generated voltage.
  • the position of 1.5 mm is the position on the most solid end side where a sphere with a diameter of 3 mm can collide.
  • the power generation voltage around the radial position of the sphere of 1.5 mm is very small, which is 1/3 or less of the peak power generation voltage. It is considered that the amplitude is reduced due to the re-collision of the weight around 1.5 mm. The thinner the thickness, that is, the lower the rigidity, the higher the maximum generated voltage.
  • the optimum position of collision depends on the rigidity of the cantilever, so it is necessary to obtain and set it appropriately by simulation.
  • the rigidity is low to some extent.
  • the collision site of the cantilever that does not move integrally and does not re-collide is very close to the fixed end. It is in the area close to.
  • Sufficient power generation efficiency cannot be obtained with the sphere having a diameter of 3 mm in this example.
  • a weight having protrusions as the non-sphere as described in the above embodiment it is possible to realize a collision with a predetermined portion.
  • the shape of the weight is not limited to that shown in FIG. 5 having a bar-shaped protrusion on a part of the rectangular parallelepiped, and may be a shape that collides with the above-mentioned part P of the cantilever 20 when an external force is applied.
  • a weight 32 having a columnar protrusion 33 erected on a part of a rectangular parallelepiped may be used.
  • the shape of the main part is not limited to a rectangular parallelepiped.
  • a polygonal prism-shaped weight 34 such as a triangular prism may be used, and the sides 35 formed by adjacent side surfaces may function as protrusions that collide with the cantilever 20.
  • the vibration power generation element of the present disclosure includes a weight, a pedestal having a recess for accommodating the weight, and a cantilever provided with a piezoelectric element and one end fixed to the pedestal, and the recess is a weight when an external force acts. Contains this weight so that it collides with the fixed end side of the cantilever, and the fixed end side is the part that displaces the cantilever, and the weight receives one pulse of external force and collides with the cantilever once. This is the part where this weight does not collide with the cantilever until the external force of the next pulse is applied when it is separated from the rear cantilever.
  • FIG. 16 shows a design modification example 1 of the vibration power generation element of the first embodiment.
  • the protrusion 28 is provided on the portion P of the surface of the cantilever 20 on the weight side, and a spherical weight 38 is provided instead of the rectangular parallelepiped weight 30.
  • the weight 38 does not have a protrusion.
  • the lubricant 18 is applied to the side wall of the second recess 16 as shown in FIG.
  • the lubricant 18 can reduce the friction when the weight moves, so that the collision energy can be increased.
  • the larger the collision energy the larger the distortion at the time of collision and the larger the amplitude of resonance, so that the amount of power generation can be increased as a result.
  • the same effect can be obtained even if the lubricant 18 is applied to the weight 38.
  • FIG. 17 shows a design change example 2 of the vibration power generation element of the first embodiment.
  • the surface of the pedestal 10 to which the cantilever 20 is fixed has a slope, and the cantilever 20 is provided diagonally toward the free end side in a direction away from the pedestal 10.
  • the cantilever 20 may be provided non-parallel to the bottom surface of the second recess 16.
  • the weight 30 itself may tilt and move, but even in such a case, if the cantilever 20 is provided at an angle so as to be farther from the pedestal toward the free end side, the cantilever 20 It is possible to prevent the weight from colliding with the free end side of the predetermined portion P of the above.
  • FIG. 18 is a perspective view of the vibration power generation element 2 of the second embodiment
  • FIG. 19 shows a sectional view taken along line BB of FIG.
  • the vibration power generation element 2 of the second embodiment is different from the vibration power generation element 1 of the first embodiment in the size of the pedestal and the arrangement of the circuit board.
  • the pedestal 10A has only one surface on which the cantilever member 12 and the circuit board 40 of the pedestal 10 of the first embodiment are provided only in the region where the cantilever member 12 is provided.
  • the circuit board 40A is provided on the side surface of the pedestal 10A. By providing the circuit board 40A on the side surface of the pedestal in this way, the size of the vibration power generation element 2 can be significantly reduced.
  • the vibration power generation element 2 is arranged inside the second housing 50, and the inside of the second housing 50 is evacuated. That is, the housing composed of the frame 27 of the cantilever member 12 and the pedestal 10A is vacuum-packaged by the second housing 50. If the vibration power generation element is arranged in a vacuum, there is no resistance due to air when the weight moves and when the cantilever vibrates, so that it is possible to suppress a decrease in the collision energy of the weight, and resonance occurs. It is possible to suppress a decrease in the amplitude of. Therefore, the amount of power generation can be increased.
  • Example 1 The vibration power generation element of Example 1 was manufactured as follows. A lower electrode is formed on a SUS430, 88 ⁇ m substrate, a PZT film which is a piezoelectric film is formed 3 ⁇ m on the substrate, and after the upper electrode is formed, MEMS processing is performed to form a cantilever having a size of 5 mm ⁇ 5 mm. The root was fixed to the pedestal. The pedestal is partially provided with a counterbore portion (second recess) so that an impact weight can be set. A weight was installed in the counterbore. The weight was provided with a protrusion at a position 1.0 mm from one side of one surface of the main part of the cube shape.
  • This protrusion will collide with a position approximately 1.0 mm from the fixed end of the cantilever. Since the counterbore portion is formed in a size having some play with respect to the weight size, the weight collision position of the cantilever is about 1.0 mm.
  • a weight having a protrusion on a cube (27 mm 3 ) having a side of 3 mm was used. It consisted of a stainless steel material with a density of 7.7 ⁇ 10 -3 g / mm 3 and weighed 0.21 g.
  • Comparative Example 1 As the vibration power generation element of Comparative Example 1, a sphere having a diameter of 3 mm was used as the impact weight in Example 1.
  • the sphere used in Comparative Example 1 is a weight made of the same stainless steel material as in Example 1, and weighs 0.11 g. Since the impact weight is a sphere with a diameter of 3 mm, the sphere will collide with a position about 1.5 mm from the fixed end of the cantilever.
  • Example 1 ⁇ Experimental method>
  • the weight collides with the cantilever at a periodic frequency of 20 Hz and is output from the piezoelectric element.
  • the voltage was observed.
  • an experiment was conducted in which a vibration power generation element was installed so that the positional relationship between the cantilever and the weight was such that the cantilever was vertically above and the weight was vertically below. The obtained data are shown in FIGS. 21 and 22, respectively.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents output voltage.
  • the output voltage is standardized to compare the behavior of time changes.
  • the elements of Example 1 and Comparative Example 1 actually have different electrode pad sizes and different absolute values of maximum output voltage.
  • the cantilever when the weight collides with the cantilever, the cantilever is greatly distorted and a voltage is output. The voltage at this time is a value of about 1.7. After that, the weight separates from the cantilever and the weight falls.
  • FIG. 21 it is shown that the cantilever attenuates while vibrating at the resonance frequency (about 1 kHz) of the system from the initial strain. That is, after the initial distortion occurs, it resonates at the resonance frequency and is attenuated by the amount of attenuation corresponding to the Q value (loss coefficient). The output voltage is smoothly attenuated from about 1.7.
  • the cantilever is greatly distorted by the collision of the impact weight due to the external force of one pulse, so that a large output voltage is obtained at the time of collision, and then resonance occurs.
  • the output voltage is gradually reduced. This is repeated every time an external force of one pulse is applied.
  • the initial value of the voltage obtained by resonant power generation is about the same as the voltage during collision power generation.
  • the output voltage due to the resonance gradually decreases, but does not decrease sharply.
  • the initial value of the voltage obtained by resonant power generation is about the same as the voltage during collision power generation. Power generation due to initial distortion and resonance is repeated by an external force applied periodically, and since the initial value of the voltage in resonance power generation is as high as the voltage at the time of collision power generation, a large amount of power generation can be obtained.
  • the cantilever is greatly distorted by the collision of the impact weight due to the external force of one pulse, so that a large output voltage can be obtained at the time of collision. It is equivalent to the first embodiment.
  • the output voltage drops sharply, and the output voltage drops further gradually from the sharply dropped output voltage. This is repeated every time an external force of one pulse is applied.
  • the output voltage at the time of resonance is remarkably lowered because the position of the cantilever at the start of resonance starts from a position with less distortion than in the embodiment. Since the output voltage at resonance is significantly lower than that of the first embodiment, the resulting power generation amount is significantly lower than that of the first embodiment.
  • Example 1 As described above, it is clear that when the collision power generation at the time of collision is the same, the amount of power generation can be significantly improved in Example 1 as compared with Comparative Example 1.

Landscapes

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

Abstract

インパクト型の振動発電素子において、発電効率を向上させる。圧電素子を備え、一端が筐体に固定されて筐体内に空間を形成するカンチレバーと、空間内のカンチレバーから離間した位置に配置され、かつ外力が作用した際に、カンチレバーに向かって移動してカンチレバーの固定端側の部位に衝突し、衝突後にカンチレバーから離間する錘と、を含む振動発電素子において、錘が衝突する部位を、１パルスの外力を受けて錘がカンチレバーに一度衝突し、衝突の後、カンチレバーから離間する錘に、次のパルスの外力が加わるまで、錘がカンチレバーに衝突しない部位に設定する。

Description

振動発電素子
　本発明は、振動発電素子に関する。
　近年、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電素子を用いた振動発電装置は、環境発電などの分野で注目されている。振動発電素子は、カンチレバーなどの振動子に環境から与えられる振動を、例えば、圧電素子によって電気に変換する。振動発電素子において発電性能を向上させるため、一般的には振動子の共振周波数を環境から与えられる振動の周波数と一致させて性能を高めることが望ましい。
　振動発電素子をウエアラブルデバイスへの適用を想定した場合、人の動きなどは数Ｈｚと小さいため、１０Ｈｚ以下の共振周波数を有するデバイスを作製する必要がある。
　圧電素子を備えた振動発電素子において共振周波数を低下させるために、カンチレバーの先端に錘を形成するなどの試みがなされている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、錘を形成すると素子サイズが大きくなるというデメリットがある。また、共振周波数を下げるためにカンチレバーに錘を備えたとしても共振周波数を１００Ｈｚ以下にすることは困難である。カンチレバーの長さを長くすること、あるいは、カンチレバーの厚みを薄くすることで共振周波数を下げることは可能であるが、素子サイズが大きくなったり、剛性が著しく下がり、破壊されやすくなったりするという問題が生じる。そのため、カンチレバーの先端に錘を備えた構成によっても数Ｈｚの共振周波数を有するデバイスの実現は困難である。
　特許文献２には、錘部と錘部に接続された複数のスプリング部を備えた、数１０Ｈｚの共振周波数を有する振動発電素子が提案されている。特許文献２の振動発電素子は、１０Ｈｚ～５０Ｈｚ程度の周波数範囲で、大きなピークのゲインを有する共振周波数を有する。しかしながら、特許文献２の振動発電素子は、スプリング部の形状が複雑なものとなり生産性が低く、また、１０Ｈｚ以下の共振周波数を実現することはやはり難しい。
　一方で、振動発電素子のカンチレバーの共振周波数を低くするのではなく、カンチレバーに剛体（インパクト錘）を衝突させることでカンチレバーを変位させて発電させるインパクト型の発電素子が検討されている（例えば、特許文献３および非特許文献１など参照。）
特開２０１４－７７９８号公報 特開２０１７－９３１１８号公報 特開２０１４－３９４０５号公報
Le Van Minh et.al. "Lead-Free (K,Na)NbO3Impact-Induced-Oscillation Microenergy Harvester" JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 24, NO. 6, DECEMBER 2015
　特許文献３に記載の発電素子においては、インパクト錘をカンチレバーに衝突させてカンチレバーを変位させ、この変位の際に圧電素子に生じる歪を電力として取出す。この方式であればカンチレバーの共振周波数が１００Ｈｚ以上あっても、１０Ｈｚ以下のパルス的な外力により剛体がカンチレバーに衝突することで、カンチレバーの変位が生じ発電する。そのため、実質的には１０Ｈｚ以下の周波数に対応した素子となる。しかし、特許文献３の発電素子においては、錘をカンチレバーに衝突させた後、カンチレバーを共振させることは検討しておらず、発電効率が低い。一方、非特許文献１では、インパクト錘をカンチレバーに衝突させてカンチレバーを変位させた後、カンチレバーを共振させ、衝突時の変位に加え、共振による発電を得る方法が検討されている。カンチレバーの共振を用いることにより、発電量を増加させることができる。
　しかしながら、本発明者らは、剛体をカンチレバーに衝突させるインパクト型の振動発電素子において、剛体（インパクト錘）のカンチレバーへの衝突部位によっては、十分な発電効率の向上が図れない場合があることを見出した。特に、従来のインパクト錘の形状が球の場合には、十分な発電効率の向上を図れない場合があることを見出した。
　本発明は上記事情に鑑み、数Ｈｚの外力によっても発電可能なインパクト型の振動発電素子において、発電効率を向上させることを目的とする。
　上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞
　圧電素子を備え、一端が筐体に固定されて筐体内に空間を形成するカンチレバーと、空間内のカンチレバーから離間した位置に配置され、かつ外力が作用した際に、カンチレバーに向かって移動してカンチレバーの固定端側の部位に衝突し、衝突後にカンチレバーから離間する錘と、を含む振動発電素子であって、錘が衝突する部位は、衝突によりカンチレバーを変位させ、かつ、１パルスの外力を受けて錘がカンチレバーに一度衝突し、その衝突の後、カンチレバーから離間する錘に、次のパルスの外力が加わるまで、錘がカンチレバーに衝突しない部位である振動発電素子。
＜２＞
　カンチレバーの長さ方向の前記錘の長さが、カンチレバーの長さより短く、錘が衝突する部位が、カンチレバーの固定端から、錘の長さの１／２未満の位置である＜１＞に記載の振動発電素子。
　ここで、カンチレバーの長さとはカンチレバーの固定端から自由端までの距離である。
＜３＞
　カンチレバーの部位に突起が設けられている＜１＞または＜２＞に記載の振動発電素子。
＜４＞
　錘は突起を備え、その突起がカンチレバーの部位に衝突する＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の振動発電素子。
＜５＞
　錘が直方体形状の主要部の一部に突起を備えている＜４＞に記載の振動発電素子。
＜６＞
　筐体内の空間に、錘を部位に導くガイド部が形成されている＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の振動発電素子。
＜７＞
　筐体内および錘の少なくとも一方に潤滑剤が塗布されている＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の振動発電素子。
＜８＞
　筐体が真空パッケージされている＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の振動発電素子。
＜９＞
　錘がタングステンを含む材料からなる＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の振動発電素子。
＜１０＞
　カンチレバーの共振周波数が５０Ｈｚ以上５ｋＨｚ以下である＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の振動発電素子。
　本開示の振動発電素子によれば、インパクト型の振動発電素子において、発電効率を向上させることができる。
第１の実施形態の振動発電素子を示す斜視図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 台座の斜視図である。 振動発電素子の一部の拡大図である。 振動発電素子の錘の斜視図である。 錘に作用する外力を説明するための図である。 錘がカンチレバーに衝突して錘に共振が生じる工程を示す図である。 錘がカンチレバーに衝突した後のカンチレバー先端の変位の時間変化を示す図である。 発電量が低い発電パターン１を説明するための図である。 発電量が低い発電パターン２を説明するための図である。 錘がカンチレバーに衝突した後のカンチレバー先端の変位の時間変化を示す図である。 シミュレーションに用いた振動発電素子の概略構成を示す図である。 カンチレバーの衝突位置と共振時発電電圧との関係を示す図である。 設計変更例の錘を示す斜視図である。 設計変更例の錘を示す斜視図である。 設計変更例１の振動発電素子の一部を示す断面図である。 設計変更例２の振動発電素子の一部を示す断面図である 第２の実施形態の振動発電素子を示す斜視図である 図１８のＢ－Ｂ線断面図である。 筐体内に配置された第２の実施形態の振動発電素子の斜視図である。 実施例１の出力電圧の時間変化を示す図である。 比較例１の出力電圧の時間変化を示す図である。
　以下、図面を参照して本開示の振動発電素子の実施の形態について説明する。
「第１の実施形態の振動発電素子」
　図１は、本発明の第１の実施形態の振動発電素子１の斜視図である。図２は図１のＡ－Ａ線断面図、図３は台座の斜視図、図４は図２に示す振動発電素子１の一部を拡大して示した図である。図面において視認容易のため、各層の膜厚やそれらの比率は、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率を反映したものではない（以下の図面においても同様とする。）。
　図１～図４に示すように、本実施形態の振動発電素子１は、台座１０と、圧電素子２２を備えたカンチレバー２０およびカンチレバー２０の一端が接続された枠２７を備えたカンチレバー部材１２と、錘３０と、圧電素子２２から電力を取り出すための配線および回路を備えた回路基板４０とを有する。
　台座１０は、図３に示すように、その一面に、第１の凹部１５と、その第１の凹部１５の底部に錘３０を収容する第２の凹部１６とを備えている。台座１０の材料は特に限定されないが、例えば、シリコンあるいはステンレス鋼などで形成することができる。第２の凹部１６は、錘３０に外力が作用しない状態で錘３０を収容する。また、第２の凹部１６の側壁１６ａは、錘３０に外力が作用し、錘３０がカンチレバー２０側に移動する際に、錘３０をカンチレバー２０の後述する所定の部位Ｐに導くガイド部として機能する。
　カンチレバー部材１２は、例えば、一枚の薄板の一面に、下部電極２４、圧電膜２５および上部電極２６を積層形成した後に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）加工を施して、枠２７に一端が接続されたカンチレバー２０を形成したものである。カンチレバー部材１２は台座１０上に、カンチレバー２０の根元を第２の凹部１６を構成する１つの側壁１６ａと一致させ、カンチレバー２０が第１の凹部１５を覆うように固定されている。カンチレバー部材１２の枠２７と台座１０とにより筐体１３が構成される。カンチレバー２０と、カンチレバー２０が対向する台座１０の第１の凹部１５及び第２の凹部１６とによって、カンチレバー２０の変位を許容する空間１４が形成されている。カンチレバー２０の台座１０に固定された根元部がカンチレバー２０としての一端ｅ１すなわち、固定端（以下において、固定端ｅ１ともいう。）として機能する。すなわち、カンチレバー２０は、一端ｅ１が筐体１３に固定されてその筐体１３内に空間１４を形成する。第２の凹部１６は、カンチレバー２０の固定端ｅ１側に位置する。
　カンチレバー部材１２の材料は特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼などで形成することができる。カンチレバー２０の共振周波数は、５０Ｈｚ以上５ｋＨｚ以下であることが好ましい。共振周波数は、カンチレバー２０の基材２１の材質および形状によって適宜調整することができる。カンチレバー２０の先端（以下において、自由端ｅ２ともいう。）側の厚みを厚くしたり、自由端ｅ２側に錘を備えたりすることによって共振周波数を調整してもよい。
　図４に示すように、カンチレバー２０は、基材２１と、その基材２１の一面に下部電極２４、圧電膜２５および上部電極２６が積層されてなる圧電素子２２とを備えている。ここで、「下部」および「上部」は天地を意味するものではない。圧電膜を挟んで設けられる一対の電極に関し、基材２１側に配置される一方の電極を下部電極、他方の電極を上部電極と称しているに過ぎない。
　圧電素子２２は、カンチレバー２０の振動によって圧電膜２５に生じる歪を電気信号に変換する。本例において、圧電素子２２は、カンチレバー２０の片面の全域に亘って備えられているが、カンチレバー２０が変位する際に最も歪が生じる固定端ｅ１を含む領域にのみ備えられていてもよい。また、圧電素子２２はカンチレバー２０の片面のみならず、両面に備えられていてもよい。
　下部電極２４および上部電極２６の厚みには特に制限はないが、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、例えば２００ｎｍ程度である。圧電膜２５の厚みは１０μｍ以下であれば特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば、１～５μｍである。下部電極２４、上部電極２６および圧電膜２５の成膜方法は、特に限定されないが、気相成長法であることが好ましく、特にはスパッタ法によって成膜することが好ましい。
　下部電極２４、上部電極２６および圧電膜２５は公知の材料を適宜用いることができる。圧電膜２５としては、例えば、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
　一般式ＡａＢｂＯｃ　　　　　（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＫからなる群より選ばれた少なとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素原子。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
　上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、およびこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、およびこれらの混晶系が挙げられる。
　錘３０は、カンチレバー２０に衝突させカンチレバー２０に歪を生じさせるインパクト錘である。錘３０は、第２の凹部１６に収容され、外力が作用しない状態でカンチレバー２０から離間して配置されている。また、錘３０は、外力が作用した際に、カンチレバー２０に向かって移動してカンチレバー２０に衝突し、カンチレバー２０にエネルギーを与えた後、カンチレバー２０から離間する。このとき、錘３０がカンチレバー２０の所定の部位Ｐに衝突するように、錘３０の形状および配置が構成されている。
　図５に本実施形態の錘３０の斜視図を示す。錘３０は直方体形状の主要部の一部にバー状の突起３１を備えた形状である。錘３０は、突起３１と、主要部である直方体とを有する。なお、ここで直方体には、頂点および辺の面取りがなされた略直方体を含む。錘３０の長さＡはカンチレバー２０の長さＬよりも短い。ここで錘３０の長さは、カンチレバー２０の長さ方向に一致して配置される方向の長さであり、本例においては、直方体の一辺の長さである。突起３１は、カンチレバー２０の固定端ｅ１側となる一端から距離Ａ１＜Ａ／２の位置に設けられている。錘３０は外力が作用した際にカンチレバー２０に向かって移動し、突起３１がカンチレバー２０に衝突する。この突起３１が衝突するカンチレバー２０の固定端側の部位Ｐは、１パルスの外力が作用して錘３０が最初に衝突し反射した後、次のパルスが加わるまで、錘３０が再度カンチレバー２０に衝突することがない位置に設定されている。錘３０が衝突するカンチレバー２０の部位Ｐの詳細については後述する。ここで、カンチレバー２０の固定端側とは、カンチレバー２０の長さＬの中心よりも固定端ｅ１に近い側の領域をいう。
　錘３０の材料は特に制限されないが、衝撃エネルギーを増加させる観点からステンレス鋼、鉄、銅など比較的比重が重い材料から構成されていることが好ましく、タングステンカーバイドなどタングステンを含む材料が特に好ましい。
　回路基板４０は、圧電素子２２から電力を取り出すため交流／直流コンバータ４２などを備えている。圧電素子２２の下部電極２４に接続された電極パッド、上部電極２６に接続された電極パッドからそれぞれワイヤボンディングにより回路基板４０に配線が接続されている。
　本明細書において、説明を容易にするため、カンチレバーの、錘に対向する面に垂直な軸（面の垂線）をＺ軸、Ｚ軸に沿って錘からカンチレバーへ向かう向きを＋Ｚ方向と定義する。錘のＺ軸方向の速度成分をｖとし、ｖが正の時、錘は＋Ｚ方向へ移動し、ｖが負の時、錘は－Ｚ方向に移動する。振動発電素子１に外力が加わり、錘に対して、＋Ｚ方向にしきい値Ｆ０以上の力が加わった場合に、錘の速度ｖは正となり、カンチレバー２０に向かって移動し、カンチレバー２０に衝突する。そこで、本明細書において、「錘に作用する外力」とは、錘に対して加わる、＋Ｚ方向の成分がＦ０以上である力をいい、錘に対してカンチレバー方向へ移動する速度を与えることができない外力は、錘に作用する外力に含まれないこととする。
　振動発電素子１に加えられる外力としては、正弦波、矩形波、のこぎり波、三角波などの周期的な振動、および人の歩行、走行などの動作に伴う周期的あるいは非周期的な振動などが挙げられる。例えば、錘に対して、＋Ｚ方向に、図６に示すような矩形波（Ａ）、のこぎり波（Ｂ）、正弦波（Ｃ）のような周期的な力が加えられている場合、しきい値Ｆ０以上の強度で加えられる、各波形において実線で示す部分が一定の時間間隔（１/ｆ）で加えられる「錘に作用する外力」である。ここで、ｆは周波数であり、例えば、数Ｈｚ～数１００Ｈｚである。
　本明細書において、錘に作用する１回の外力を１パルスの外力という。錘が受ける１パルスの外力と次のパルスの外力との時間間隔は、図６に示すような周期的なものに限らず、ランダムなものであってもよい。
　本実施形態の振動発電素子１によれば、１パルスの外力が錘３０に作用して錘３０の速度ｖが正となり＋Ｚ方向に移動してカンチレバー２０に衝突し、錘３０は－Ｚ方向に反射し、カンチレバー２０が＋Ｚ方向に大きく変位することにより発電する。なお、以下において、この時に生じる発電をインパクト発電という。そして、衝突後に錘３０がカンチレバー２０から離れ、カンチレバー２０が共振周波数で持続的に振動する共振を開始し、この共振に伴って発電する。以下において、この共振による発電を共振発電という。
　振動発電素子１における発電の工程を、図７を参照して説明する。
　錘３０がカンチレバー２０と離間した状態で、錘３０に対して＋Ｚ方向にＦ０以上の力Ｆが加わる（ステップＳＴ１）。これによって、錘３０はｖ＞０の速度でカンチレバー２０に向かって移動する（ステップＳＴ２）。錘３０はカンチレバー２０の部位Ｐに衝突し、－Ｚ方向に反射される。このとき、錘３０の速度ｖは正から負へと反転する（ステップＳＴ３）。カンチレバー２０は衝突エネルギーが与えられて＋Ｚ方向に大きく変位し、その後、共振する（ステップＳＴ４）。カンチレバー２０の部位ＰのＺ方向位置は時間的に変位するが、部位Ｐの位置が－Ｚ方向に移動するいずれの時刻においても錘３０の－Ｚ方向位置に追いつくことはなく、錘３０に再度衝突することはない。その後、次のパルスの力Ｆが加えられることによって、ステップＳＴ１～ＳＴ４が繰り返される。図８のＡで示す波形が、シミュレーションによって得られた、１パルスの外力によるカンチレバー２０の先端（自由端）の時間変位を示す。
　本振動発電素子１においては、外力の作用により錘３０が正の速度ｖでカンチレバー２０に向かって移動し、カンチレバー２０の部位Ｐに錘３０が衝突することにより、カンチレバー２０に歪が生じ、概ねカンチレバー２０の最大変位の位置から共振が開始する。その後の共振の振幅は、Ｑ値（損失係数）に対応して減衰するが、共振開始の振幅が大きく、外力による次のパルスが加わるまで共振が持続するため、結果として非常に大きな発電量が得られる。本振動発電素子１において、圧電素子２２に生じる歪量に比例する出力電圧は、カンチレバー２０の先端（自由端）の変位量に比例するため、出力電圧の時間変化は例として、図８のＡで示す波形と同様の振る舞いをする。
　本開示において錘３０が衝突する部位Ｐは、カンチレバー２０の材質および形状などに依存し、シミュレーションにより求めることができる。
　例えば、カンチレバーが、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、および厚み４４μｍであるステンレス鋼基材上に３μｍ厚のＰＺＴ膜が形成されたものであり、錘の重さが０．１１ｇである場合、所定の部位は、固定端から０．８～１．３ｍｍの領域である。すなわち、所定の部位は固定端からの位置が、カンチレバーの長さＬに対して、０．１６Ｌ～０．２６Ｌの領域である。この領域であれば、錘がカンチレバーに衝突すると、カンチレバーは変位し、かつ、錘はカンチレバーで反射され、その後にカンチレバーが錘に再衝突を生じることなく共振する。なお、図８のＡで示す波形は、この条件において固定端から１．２ｍｍの位置に錘を衝突させた場合のシミュレーション結果である。
　錘をカンチレバーに衝突させて発電を生じさせるインパクト型の発電素子において、本発明者らは、カンチレバーへの錘の衝突位置によって、発電量が大きく異なることを見出した。そして、カンチレバーへの錘の衝突位置によって、発電量が大きく異なるのは、共振開始時の錘とカンチレバーとの位置関係によることを明らかにした。カンチレバーの所定の位置よりも先端、すなわち自由端側の位置で錘が衝突した場合に、十分な発電量が得られないメカニズムには以下の２つのパターンがある。
　一つ目のパターンとして、１パルスの外力によって錘がカンチレバーに最初に衝突した後、再度衝突することによりカンチレバーの共振運動が妨げられる系について図９を参照して説明する。
　錘１３０がカンチレバー２０と離間した状態で、錘１３０に対して＋Ｚ方向にＦ０以上の力Ｆが加わる（ステップＳＴ１１）。これによって、錘１３０にはｖ＞０の速度で錘１３０はカンチレバー２０に向かって移動する（ステップＳＴ１２）。錘３０はカンチレバー２０の部位Ｐ１に衝突し、－Ｚ方向に反射される。ここまでの工程は上述の本実施形態のステップＳＴ１～ＳＴ３と同様である。このとき、錘３０の速度ｖは正からほぼ０となる。（ステップＳＴ１３）。その後、カンチレバー２０は＋Ｚ方向に大きく歪む一方、錘３０の速度は負となり、錘３０は－Ｚ方向に移動する（ステップＳＴ１４）。その後、カンチレバー２０が－Ｚ方向に戻ってくる際に、－Ｚ方向に移動する錘１３０に再度衝突する（ステップＳＴ１５）。カンチレバー２０の共振は、再度衝突した錘１３０がカンチレバー２０と離れる位置から開始されるため、共振時の部位Ｐ１の振幅は、最初の衝突による振幅と比較して小さくなる（ステップＳＴ１６）。その結果として共振発電による発電量が小さくなる。その後、次のパルスの力Ｆが加えられることによって、ステップＳＴ１１～ＳＴ１６が繰り返される。図８のＢで示す波形が、シミュレーションによって得られた、このパターンにおける１パルスの外力によるカンチレバー２０の先端（自由端）の時間変位を示す。
　この衝突パターンでは、１パルスの外力によって錘１３０がカンチレバー２０に２回衝突し、２回目の衝突の後、錘１３０がカンチレバー２０から離間した時点から共振が開始されるため、共振開始時の振幅が１回目の衝突時の振幅と比較して大幅に小さいものとなる。共振開始時の振幅が小さいために、結果として全体としての発電量が上記の本実施形態の場合と比較して著しく小さい。
　例えば、カンチレバーが、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、および厚み４４μｍであるステンレス鋼基材上に３μｍ厚のＰＺＴ膜が形成されたものであり、錘の重さが０．１１ｇである場合、固定端から１．４ｍｍ～１．６ｍｍ付近の領域では、上記のパターンが生じる。すなわち、錘がカンチレバーに衝突すると、カンチレバーはＺ方向に変位する一方、錘は速度がほぼ０になり、錘は停止する。なお、カンチレバーが鉛直上方、錘が鉛直下方となるように素子が設置されている場合には、錘はその後自由落下する。そして、カンチレバーが－Ｚ方向に戻ってきた際に、錘に再衝突する。この再衝突により、共振の振幅は大幅に低下する。なお、図８のＢで示す波形は、この条件において固定端から１．５ｍｍの位置に錘を衝突させた場合のシミュレーション結果である。
　二つ目のパターンとして、１パルスの外力によって錘がカンチレバーに最初に衝突した後、カンチレバーと接触したままの状態が長くなるために、カンチレバーの共振開始の変位が小さい系について図１０を参照して説明する。このようなパターンは、カンチレバーが柔らかく、すなわち共振周波数が低い場合に生じる。
　錘１３０がカンチレバー２０と離間した状態で、錘１３０に対して＋Ｚ方向にＦ０以上の力Ｆが加わる（ステップＳＴ２１）。これによって、錘１３０にはｖ＞０の速度で錘１３０はカンチレバー２０に向かって移動する（ステップＳＴ２２）。錘１３０はカンチレバー２０の部位Ｐ２に衝突し、錘１３０はカンチレバーと衝突した衝突位置からカンチレバー２０に接触したまま＋Ｚ方向に移動し（ステップＳＴ２３）、カンチレバー２０が最大変位した後（ステップＳＴ２４）、カンチレバー２０と錘１３０が共に－Ｚ方向に動き出し（ステップＳＴ２５）、ある程度進んだ位置で錘１３０がカンチレバー２０から離れる。この場合、錘１３０がカンチレバー２０と離れた位置からカンチレバー２０の共振が開始するため、共振の振幅は小さくなる（ステップＳＴ２６）。その結果として共振発電による発電量が小さくなる。その後、次のパルスの力Ｆが加えられることによって、ステップＳＴ２１～ＳＴ２６が繰り返される。
　図１１に、シミュレーションによって得られた、このパターンにおける１パルスの外力によるカンチレバー２０の先端（自由端）の時間変位を示す。図１１においては、条件が異なる３種類の結果を示している。いずれの場合も最大ピークは衝突時に生じる変位であり、その後、矢印で示す時点から共振が開始されている。この衝突パターンでは、錘１３０がカンチレバー２０に衝突してからの両者の接触時間が長くなり、錘１３０がカンチレバー２０から離れた時点から共振が開始するため、振幅が１回目の衝突時の振幅と比較して大幅に小さくなる。共振開始時の振幅が小さいため、結果として発電量が小さい。
　例えば、カンチレバーが、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、および厚み４４μｍであるステンレス鋼基材上に３μｍ厚のＰＺＴ膜が形成されたものであり、錘の重さ０．１１ｇである場合、固定端から２．２ｍｍ～４．８ｍｍの領域では、上記のパターンが生じる。すなわち、錘がカンチレバーに衝突すると、カンチレバーはＺ方向に変位し、錘はカンチレバーから離れずカンチレバーと共にＺ方向に移動する。その後、カンチレバーが戻ってくる際にカンチレバーと共に移動し、その後、カンチレバーから離れる。カンチレバーの振動は錘がカンチレバーから離れた時点から生じるため、共振の振幅は大幅に低下する。なお、図１１のＣ，Ｄ，Ｅで示す波形は、それぞれこの条件において固定端から３ｍｍ，４ｍｍ，４．８ｍｍの位置に錘を衝突させた場合のシミュレーション結果である。
　以上のように、インパクト錘をカンチレバーに衝突させる振動発電において、錘のカンチレバーとの接触時間が長くなってしまう、あるいは、１回の外力に対して錘が複数回カンチレバーに当たるなどによって、共振開始時の振幅が低下してしまい、共振発電が十分得られない場合がある。
　さらに、カンチレバーの所定の位置よりも根元、すなわち固定端側の位置で錘が衝突した場合において、十分な発電量が得られないメカニズムについて説明する。
　錘がカンチレバーの根元に衝突した場合、カンチレバーがあたかも硬い壁のように機能するために、カンチレバーは変位を生じず、結果として発電が得られない。すなわち、速度ｖでカンチレバーの根元に衝突した錘は、カンチレバーによる反作用を受けて速度－ｖで反射される。この場合、錘の質量をｍとすると、ｍｖ２／２で表される衝突時の錘の運動エネルギーは、そのまま保たれている。すなわち、カンチレバーにはエネルギーが与えられていない。したがって、カンチレバーは変位せず、発電もしない。
　例えば、カンチレバーが、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、および厚み４４μｍであるステンレス鋼基材上に３μｍ厚のＰＺＴ膜が形成されたものであり、錘の重さ０．１１ｇである場合、固定端から０．７ｍｍ以下の領域では、上記のパターンが生じ、錘が完全反射するため、カンチレバーが動かない。
　しかし、既述の通り、本開示においては、錘３０の衝突によりカンチレバー２０が変位し、かつ、錘３０が、１パルスの外力が作用して錘３０が衝突した後、カンチレバー２０と共に移動することなく、カンチレバー２０で反射してカンチレバー２０から離間する位置であって、次のパルスが加わるまで、錘３０が再度カンチレバー２０に衝突することがない位置に衝突するように構成されている。したがって、最初の衝突による最大変位位置から共振する。このように、大きい振幅で共振を開始するため、大きな発電量を得ることができる。
　従来、インパクト型の発電素子において、インパクト錘としては、球が用いられていた（特許文献３、非特許文献１参照）。カンチレバーに対して十分な衝突エネルギーを与えるためには、ある程度の質量を有する錘を用いる必要があるため、球はある程度の大きさを有する必要がある。一方で、球をインパクト錘として用いた場合、カンチレバーの、球の半径よりも固定端側の位置に球を衝突させることはできない。そのため、従来は、錘として用いた球の半径よりも固定端側となる位置へ衝突させることは検討されていなかった。
　本発明者らは、比較的大きな歪を生じさせることができるカンチレバーにおいて、上記所定の部位は、従来用いられていた球の半径よりも固定端側にあることを見出した。しかし、錘として球を用いた場合、その半径よりも固定端側の部位に衝突させることはできない。一方、本実施形態の錘３０は非球形状であり、固定端側の部位Ｐと衝突する突起３１を備えている。錘３０を非球として、突起３１を備えた形状とすることで、同等の重さの球の半径位置よりもカンチレバー２０の固定端側の部位Ｐに錘３０を衝突させることができる。また、錘３０の主要部である直方体の長さと球の直径が同等である場合、直方体とすることで球よりも体積を大きくできるため、大きな衝突エネルギーを生じさせることができる。
　具体的には、図１２に模式的に示すように、台座１１０に備えられた５ｍｍ長さのカンチレバー１２０に対して、直径３ｍｍの球（ステンレス鋼製）をインパクト錘１３０として用いた場合について検討した。インパクト錘１３０が球である場合、カンチレバー１２０の固定端から１．５ｍｍ未満の位置に球を衝突させることは現実にはできない。しかしシミュレーションであれば、より固定端側に直径３ｍｍの球の衝突と同等の衝突を生じた場合についても計算可能である。５ｍｍ長さで厚みｔが異なる４つのカンチレバー（ｔ＝２９μｍ、４４μｍ、６０μｍ、８８μｍ）について、固定端からの衝突位置を変化させた場合の共振時発電電圧をシミュレーションにより求めた結果を図１３に示す。なお、ｔ＝２９μｍ、６０μｍ、および８８μｍのサンプルは、一様な厚みを有する。一方、厚みｔ＝４４μｍとして示したサンプルは、長さ方向中央から固定端側２．５ｍｍの厚みを４４μｍとし、中央から自由端側２．５ｍｍの厚みを８８μｍとしたサンプルである。但し、厚み４４μｍの一様な厚みを有するサンプルと発電性能はほとんど変わらず、発電性能は衝突部分の板厚に依存することを本発明者らは確認した。
　図１３の横軸に示す衝突位置は、固定端から衝突部位までの距離であり、縦軸は発電電圧を示す。１．５ｍｍの位置が直径３ｍｍの球で衝突可能な最も固体端側の位置である。図１３に示すように、ｔ＝２９μｍ、４４μｍ、６０μｍのサンプルでは、球の半径よりも固定端側の部位においてより高い発電電圧を得ることができることが明らかになった。特にｔ＝２９μｍ、４４μｍのサンプルについては、球の半径位置１．５ｍｍ辺りでの発電電圧はピークの発電電圧の１/３以下と非常に小さい。１．５ｍｍ辺りでは錘の再衝突による振幅の減少が生じていると考えられる。なお、厚みが薄いほど、すなわち、剛性が低いほど最大の発電電圧が高かった。
　図１３に示すように、衝突の最適位置はカンチレバーの剛性に依存するため、シミュレーションによって適宜求めて設定する必要がある。しかし、大きな発電量を得るためには、ある程度剛性が低い方が好ましく、その場合には、錘が一体的に移動することなく、かつ、再衝突をしないカンチレバーの衝突部位は、固定端に非常に近い領域にある。本例の直径３ｍｍの球では十分な発電効率を得ることができない。しかし、上記実施形態で説明したような非球として、突起を備えた錘を用いることで、所定の部位への衝突を実現することができる。
　錘の形状は直方体の一部にバー状の突起を備えた図５に示すものに限らず、外力が作用した際に、カンチレバー２０の上記部位Ｐに衝突するような形状であればよい。例えば、図１４に示すように、直方体の一部に円柱状の突起３３が立設されて構成された錘３２を用いてもよい。また、主要部の形状も直方体に限らない。例えば、図１５に示すように、三角柱などの多角柱形状の錘３４を用い、隣り合う側面同士がなす辺３５をカンチレバー２０に衝突させる突起として機能させてもよい。
　上記においては、錘３０に突起３１を備えることで、カンチレバー２０の所定の部位Ｐに衝突させるように構成した例を説明したが、カンチレバー２０の所定の部位Ｐに突起を設けてもよい。
　本開示の振動発電素子は、錘と、この錘を収容する凹部を有する台座と、圧電素子を備え一端が台座に固定されたカンチレバーと、を有し、凹部は、外力が作用した場合に錘がカンチレバーの固定端側の部位に衝突するようにこの錘を収容し、固定端側の部位は、カンチレバーを変位させる部位であり、かつ、錘が１パルスの外力をうけてカンチレバーに一度衝突した後カンチレバーから離間するときに、次のパルスの外力が加わるまでこの錘がカンチレバーに衝突しない部位である。
　図１６は第１の実施形態の振動発電素子の設計変更例１を示す。本設計変更例１では、カンチレバー２０の錘側の面の部位Ｐに突起２８が設けられており、直方体の錘３０に代えて、球状の錘３８を備えている。錘３８は突起を備えていない。
　このようにカンチレバー２０の部位Ｐに突起２８を設けておくことによって、錘に突起を備えなくても、部位Ｐに衝撃を与えることができる。
　なお、カンチレバー２０に突起２８を備えている場合であっても、錘は球に限らず、非球状であってもよい。
　なお、第１の実施形態の振動発電素子１およびその設計変更例１においては、図１６に示すように、第２の凹部１６の側壁に潤滑剤１８が塗布されていることが好ましい。潤滑剤１８により、錘が移動する際の摩擦を小さくすることができるので、衝突エネルギーを増加させることができる。衝突エネルギーが大きいほど、衝突時の歪を大きくすることができ、共振の振幅を大きくすることができるので、結果として発電量を増加させることができる。潤滑剤１８が錘３８に塗布されていても同様の効果を得ることができる。
　図１７は第１の実施形態の振動発電素子の設計変更例２を示す。本設計変更例２では、カンチレバー２０が固定される台座１０の面が勾配を有しており、カンチレバー２０が、その自由端側ほど台座１０から遠ざかる方向に斜めに備えられている。このように、カンチレバー２０は第２の凹部１６の底面に対して非平行に設けられていてもよい。外力の方向によっては、錘３０自体が傾いて移動する場合も生じるが、そのような場合においても、カンチレバー２０を自由端側ほど台座から遠ざかる位置となるように斜めに備えていれば、カンチレバー２０の所定の部位Ｐよりも自由端側に錘が衝突することを防止できる。
　図１８は、第２の実施形態の振動発電素子２の斜視図であり、図１９は図１８のＢ－Ｂ線断面図を示す。この第２の実施形態の振動発電素子２は、第１実施形態の振動発電素子１とは台座のサイズおよび回路基板の配置が異なる。本実施形態において、台座１０Ａは、第１の実施形態の台座１０のカンチレバー部材１２および回路基板４０が設けられていた一面が、カンチレバー部材１２が備えられる領域のみとなっている。そして、回路基板４０Ａは台座１０Ａの側面に備えられている。このように回路基板４０Ａを台座の側面に備えることにより、振動発電素子２の大きさを大幅に小さくすることができる。
　また、図２０に示すように、振動発電素子２は第２の筐体５０の内部に配置され、第２の筐体５０内が真空とされていることが好ましい。つまり、カンチレバー部材１２の枠２７と台座１０Ａにより構成される筐体が、第２の筐体５０により真空パッケージされている。振動発電素子が、真空中に配置されていれば、錘が移動する際および、カンチレバーが振動する際の空気による抵抗がないため、錘の衝突エネルギーの低下を抑制することができ、また、共振の振幅の低下を抑制することができる。したがって、発電量を増加させることができる。
　本発明の実施例および比較例について説明する。
　［実施例１］
　実施例１の振動発電素子を以下のようにして作製した。
　ＳＵＳ４３０、８８μｍ基板上に下部電極を形成し、その上に圧電膜であるＰＺＴ膜を３μｍ形成し、上部電極を形成した後に、ＭＥＭＳ加工を施し、５ｍｍ×５ｍｍサイズのカンチレバーを形成し、カンチレバーの根元を台座に固定した。台座にはインパクト錘がセットできるように一部にザグリ部（第２の凹部）が設けられている。ザグリ部に錘を設置した。なお、錘には、立方体形状の主要部の一面の、一辺から１．０ｍｍ位置に突起を設けた。この突起がカンチレバーの固定端部から約１．０ｍｍの位置に衝突することとなる。ザグリ部は錘サイズに対して若干の遊びを有するサイズで形成されていることから、カンチレバーの錘衝突位置は約１．０ｍｍとなる。
　インパクト錘として、１辺３ｍｍの立方体（２７ｍｍ３）に突起を備えた錘を用いた。密度７．７×１０－３ｇ／ｍｍ３であるステンレス鋼材料からなり、重さは０．２１ｇであった。
　［比較例１］
　比較例１の振動発電素子は、実施例１において、インパクト錘として、直径３ｍｍの球を用いたものとした。比較例１で用いた球は、実施例１と同じステンレス鋼材料からなる錘であり、重さは０．１１ｇである。インパクト錘が直径３ｍｍの球であるから、球はカンチレバーの固定端から約１．５ｍｍの位置に衝突することとなる。
＜実験方法＞
　実施例１および比較例１のそれぞれの振動発電素子に対して、加振機を用いて２０Ｈｚの周期的な振動を与えることで、錘をカンチレバーに２０Ｈｚ周期で衝突させ、圧電素子から出力される電圧を観測した。ここでは、カンチレバーと錘との位置関係が、カンチレバーが鉛直上方、錘が鉛直下方となるように振動発電素子を設置して実験を行った。得られたデータを図２１および図２２にそれぞれ示す。
　なお、図２１および図２２において、横軸は時間、縦軸は出力電圧である。時間変化の振る舞いを比較するために出力電圧は規格化している。実施例１と比較例１の素子は、実際には電極パッドのサイズが異なり、最大出力電圧の絶対値が異なっている。
　図２１に示す実施例１の場合、錘がカンチレバーに衝突すると、カンチレバーが大きく歪み、電圧が出力される。この時の電圧は約１．７の値である。その後、錘はカンチレバーから離間し、錘は落下する。図２１において、カンチレバーは初期の歪から、系の共振周波数（約１ｋＨｚ）で振動しながら減衰していくことが示されている。すなわち初期の歪が生じた後は共振周波数にて共振し、Ｑ値（損失係数）に対応する減衰量で減衰していく。出力電圧は約１．７からなめらかに減衰している。
　実施例１の振動発電素子についての図２１に示す出力電圧の時間変化によれば、１パルスの外力によるインパクト錘の衝突によりカンチレバーが大きく歪むため、衝突時に大きな出力電圧が得られ、その後、共振による出力電圧は徐々に低下する。１パルスの外力が加わるたびにこれが繰り返されている。共振発電によって得られる電圧の初期値は衝突発電時の電圧と同程度である。実施例１の素子においては、錘の衝突による初期歪によるインパクト発電後、共振による出力電圧は徐々に減少するが、急激に低下することはない。共振発電によって得られる電圧の初期値は衝突発電時の電圧と同程度である。周期的に加わる外力によって初期歪と共振による発電が繰り返されており、共振発電における電圧の初期値が衝突発電時の電圧と同程度と高いため、大きな発電量を得ることができる。
　一方、比較例１の振動発電素子についての図２２に示す出力電圧の時間変化によれば、１パルスの外力によるインパクト錘の衝突によりカンチレバーが大きく歪むため、衝突時に大きな出力電圧が得られる点は実施例１と同等である。しかし、衝突発電が生じた後、急激に出力電圧が低下し、その急激に低下した出力電圧からさらに徐々に低下している。１パルスの外力が加わるたびにこれが繰り返されている。比較例１において、共振時の出力電圧が著しく低下しているのは、共振開始時のカンチレバーの位置が実施例よりも歪みの少ない位置からスタートしているためと考えられる。共振時の出力電圧が実施例１と比較して大幅に低いため、結果として得られる発電量は、実施例１の発電量と比較して大幅に低いものとなる。
　以上の通り、衝突時の衝突発電が同等であった場合には、実施例１は比較例１と比較して、発電量を大幅に向上できることが明らかである。
　１，２　振動発電素子
　１０　　台座
　１２　　カンチレバー部材
　１３　　筐体
　１４　　空間
　１５　　第１の凹部
　１６　　第２の凹部
　１６ａ　　第２の凹部の側壁
　１８　　潤滑剤
　２０　　カンチレバー
　２１　　カンチレバー基材
　２２　　圧電素子
　２４　　下部電極
　２５　　圧電膜
　２６　　上部電極
　２７　　枠
　２８　　突起
　３０，３２，３４，　　錘
　３１，３３，３５　　突起
　４０，４０Ａ　　回路基板
　４２　　ＡＣ／ＤＣコンバータ
　５０　　第２の筐体
　１１０　　台座
　１２０　　カンチレバー
　１３０　　錘

Claims (10)

  1. 　圧電素子を備え、一端が筐体に固定されて前記筐体内に空間を形成するカンチレバーと、
    　前記空間内の前記カンチレバーから離間した位置に配置され、かつ外力が作用した際に、前記カンチレバーに向かって移動して前記カンチレバーの固定端側の部位に衝突し、衝突後に前記カンチレバーから離間する錘と、
    　を含む振動発電素子であって、
    　前記錘が衝突する前記部位は、該衝突により前記カンチレバーを変位させ、かつ、１パルスの外力を受けて前記錘が前記カンチレバーに一度衝突し、該衝突の後、前記カンチレバーから離間する前記錘に、次のパルスの外力が加わるまで、前記錘が前記カンチレバーに衝突しない部位である振動発電素子。
  2. 　前記カンチレバーの長さ方向の前記錘の長さが、前記カンチレバーの長さより短く、　前記錘が衝突する前記部位が、前記カンチレバーの前記固定端から、前記錘の長さの１／２未満の位置である請求項１に記載の振動発電素子。
  3. 　前記カンチレバーの前記部位に突起が設けられている請求項１または２に記載の振動発電素子。
  4. 　前記錘は突起を備え、該突起が前記カンチレバーの前記部位に衝突する請求項１から３のいずれか１項に記載の振動発電素子。
  5. 　前記錘が直方体形状の主要部の一部に前記突起を備えている請求項４に記載の振動発電素子。
  6. 　前記筐体内の前記空間に、前記錘を前記部位に導くガイド部が形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載の振動発電素子。
  7. 　前記筐体内および前記錘の少なくとも一方に潤滑剤が塗布されている請求項１から６のいずれか１項に記載の振動発電素子。
  8. 　前記筐体が真空パッケージされている請求項１から７のいずれか１項に記載の振動発電素子。
  9. 　前記錘がタングステンを含む材料からなる請求項１から８のいずれか１項に記載の振動発電素子。
  10. 　前記カンチレバーの共振周波数が５０Ｈｚ以上５ｋＨｚ以下である請求項１から９のいずれか１項に記載の振動発電素子。
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