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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】6241981
(24)【登録日】2017年11月17日
(45)【発行日】2017年12月6日
(54)【発明の名称】発電素子
(51)【国際特許分類】
H02N 2/18 20060101AFI20171127BHJP
H01L 41/053 20060101ALI20171127BHJP
H01L 41/113 20060101ALI20171127BHJP
【ＦＩ】
H02N2/18
H01L41/053
H01L41/113
【請求項の数】32
【全頁数】52
(21)【出願番号】特願2017-540298(P2017-540298)
(86)(22)【出願日】2016年6月1日
(86)【国際出願番号】JP2016066978
【審査請求日】2017年8月8日
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】511071234
【氏名又は名称】株式会社トライフォース・マネジメント
(74)【代理人】
【識別番号】100091982
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 浩之
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100082991
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 泰和
(74)【代理人】
【識別番号】100105153
【弁理士】
【氏名又は名称】朝倉 悟
(74)【代理人】
【識別番号】100103263
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 康
(74)【代理人】
【識別番号】100152205
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 昌司
(72)【発明者】
【氏名】岡 田 和 廣
(72)【発明者】
【氏名】岡 田 美 穂
【審査官】
小林 紀和
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１５−１９４３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１１−３４１８３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−２９８８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−２４３８２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−３３５０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第2015/0145376（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
英国特許出願公開第2464482（ＧＢ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｎ ２／１８
Ｈ０１Ｌ ４１／０５３
Ｈ０１Ｌ ４１／１１３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であって、
所定の基準軸（Ｙ）に沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体（１１０；１２０；１３０；１４０；１５０；１６０；１７０；１８０；１９０）と、
前記板状構造体の所定箇所に接合された複数の重錘体（２１１，２１２，２１３；２１４，２１５，２１６；２２１，２２２，２２３；２３１，２３２，２３３；２４１，２４２，２４３；２５１，２５２，２５３；２６１，２６２，２６３；２７１，２７２，２７３；２８１，２８２，２８３；２９１，２９２，２９３）と、
前記板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子（４００）と、
前記板状構造体の前記根端部を固定する台座（３００；３１０；３５０）と、
前記電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路（５００）と、
を備え、
前記複数の重錘体は、前記基準軸に沿って所定間隔をあけて並べて配置されており、
前記基準軸（Ｙ）を中心軸として、左側と右側を定義したときに、前記複数の重錘体のうち１つもしくは複数の重錘体（２１４，２１５，２１６；２３１，２３２，２３３）が、板状構造体（１１０；１３０）に接合された中央接合部（２１４Ｃ，２１５Ｃ，２１６Ｃ）と、前記中央接合部の左側に接続された左翼状部（２１４Ｌ，２１５Ｌ，２１６Ｌ）と、前記中央接合部の右側に接続された右翼状部（２１４Ｒ，２１５Ｒ，２１６Ｒ）と、を有することを特徴とする発電素子（１０００；１０２０；１０３０；１０４０；１０５０；１０６０；１０７０；１０８０；１０９０）。
所定の基準軸（Ｙ）に沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体（１１０；１２０；１３０；１４０；１５０；１６０；１７０；１８０；１９０）と、
前記板状構造体の所定箇所に接合された複数の重錘体（２１１，２１２，２１３；２１４，２１５，２１６；２２１，２２２，２２３；２３１，２３２，２３３；２４１，２４２，２４３；２５１，２５２，２５３；２６１，２６２，２６３；２７１，２７２，２７３；２８１，２８２，２８３；２９１，２９２，２９３）と、
前記板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子（４００）と、
前記板状構造体の前記根端部を固定する台座（３００；３１０；３５０）と、
前記電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路（５００）と、
を備え、
前記複数の重錘体は、前記基準軸に沿って所定間隔をあけて並べて配置されており、
前記基準軸（Ｙ）を中心軸として、左側と右側を定義したときに、前記複数の重錘体のうち１つもしくは複数の重錘体（２１４，２１５，２１６；２３１，２３２，２３３）が、板状構造体（１１０；１３０）に接合された中央接合部（２１４Ｃ，２１５Ｃ，２１６Ｃ）と、前記中央接合部の左側に接続された左翼状部（２１４Ｌ，２１５Ｌ，２１６Ｌ）と、前記中央接合部の右側に接続された右翼状部（２１４Ｒ，２１５Ｒ，２１６Ｒ）と、を有することを特徴とする発電素子（１０００；１０２０；１０３０；１０４０；１０５０；１０６０；１０７０；１０８０；１０９０）。
【請求項2】
請求項１に記載の発電素子において、
板状構造体（１１０；１２０；１３０；１４０；１５０；１６０；１７０；１８０；１９０）のうち、台座（３００；３１０；３５０）とこれに隣接して配置された重錘体（２１１；２１４；２２１；２３１；２４１；２５１；２６１；２７１；２８１；２９１）とを接続する部分、および、互いに隣接して配置された一対の重錘体（２１１，２１２，２１３；２１４，２１５，２１６；２２１，２２２，２２３；２３１，２３２，２３３；２４１，２４２，２４３；２５１，２５２，２５３；２６１，２６２，２６３；２７１，２７２，２７３；２８１，２８２，２８３；２９１，２９２，２９３）を相互に接続する部分を、それぞれ板状接続部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）と呼んだときに、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータが異なっていることを特徴とする発電素子。
板状構造体（１１０；１２０；１３０；１４０；１５０；１６０；１７０；１８０；１９０）のうち、台座（３００；３１０；３５０）とこれに隣接して配置された重錘体（２１１；２１４；２２１；２３１；２４１；２５１；２６１；２７１；２８１；２９１）とを接続する部分、および、互いに隣接して配置された一対の重錘体（２１１，２１２，２１３；２１４，２１５，２１６；２２１，２２２，２２３；２３１，２３２，２３３；２４１，２４２，２４３；２５１，２５２，２５３；２６１，２６２，２６３；２７１，２７２，２７３；２８１，２８２，２８３；２９１，２９２，２９３）を相互に接続する部分を、それぞれ板状接続部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）と呼んだときに、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータが異なっていることを特徴とする発電素子。
【請求項3】
請求項２に記載の発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、厚みが単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子（１０００；１０１０；１０５０；１０９０）。
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、厚みが単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子（１０００；１０１０；１０５０；１０９０）。
【請求項4】
請求項２または３に記載の発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、幅が単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子（１０２０；１０３０；１０６０）。
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、幅が単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子（１０２０；１０３０；１０６０）。
【請求項5】
請求項２〜４のいずれかに記載の発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、長さが単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子（１０４０）。
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、長さが単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子（１０４０）。
【請求項6】
請求項２〜５のいずれかに記載の発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、当該板状接続部を構成する材質のヤング率が単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子。
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ１）から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部（Ｊ３）にゆくに従って、当該板状接続部を構成する材質のヤング率が単調減少もしくは単調増加してゆくことを特徴とする発電素子。
【請求項7】
請求項１に記載の発電素子において、
板状構造体（１１０；１２０；１３０；１４０；１５０；１６０；１７０；１８０；１９０）のうち、台座（３００；３１０；３５０）とこれに隣接して配置された重錘体とを接続する部分、および、互いに隣接して配置された一対の重錘体を相互に接続する部分を、それぞれ板状接続部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）と呼んだときに、これら板状接続部の少なくとも２組のバネ定数が異なるようにしたことを特徴とする発電素子。
板状構造体（１１０；１２０；１３０；１４０；１５０；１６０；１７０；１８０；１９０）のうち、台座（３００；３１０；３５０）とこれに隣接して配置された重錘体とを接続する部分、および、互いに隣接して配置された一対の重錘体を相互に接続する部分を、それぞれ板状接続部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）と呼んだときに、これら板状接続部の少なくとも２組のバネ定数が異なるようにしたことを特徴とする発電素子。
【請求項8】
請求項７に記載の発電素子において、
各板状接続部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、前記根端側端部を固定した状態において、前記先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに前記先端側端部の前記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該板状接続部のバネ定数として用いることを特徴とする発電素子。
各板状接続部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、前記根端側端部を固定した状態において、前記先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに前記先端側端部の前記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該板状接続部のバネ定数として用いることを特徴とする発電素子。
【請求項9】
請求項１に記載の発電素子において、
板状構造体（１１０；１５０；１９０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ厚みが異なっており、
複数の重錘体（２１１，２１２，２１３；２１４，２１５，２１６；２５１，２５２，２５３；２９１，２９２，２９３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０００；１０１０；１０５０；１０９０）。
板状構造体（１１０；１５０；１９０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ厚みが異なっており、
複数の重錘体（２１１，２１２，２１３；２１４，２１５，２１６；２５１，２５２，２５３；２９１，２９２，２９３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０００；１０１０；１０５０；１０９０）。
【請求項10】
請求項１に記載の発電素子において、
板状構造体（１２０；１３０；１６０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ幅が異なっており、
複数の重錘体（２２１，２２２，２２３；２３１，２３２，２３３；２６１，２６２，２６３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０２０；１０３０；１０６０）。
板状構造体（１２０；１３０；１６０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ幅が異なっており、
複数の重錘体（２２１，２２２，２２３；２３１，２３２，２３３；２６１，２６２，２６３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０２０；１０３０；１０６０）。
【請求項11】
請求項１に記載の発電素子において、
板状構造体（１４０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ長さが異なっており、
複数の重錘体（２４１，２４２，２４３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０４０）。
板状構造体（１４０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ長さが異なっており、
複数の重錘体（２４１，２４２，２４３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０４０）。
【請求項12】
請求項１に記載の発電素子において、
板状構造体（１８０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ材質が異なっており、
複数の重錘体（２８１，２８２，２８３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０８０）。
板状構造体（１８０）が、基準軸（Ｙ）に沿って並んだ複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ材質が異なっており、
複数の重錘体（２８１，２８２，２８３）が、それぞれ異なる区画パートに接合されていることを特徴とする発電素子（１０８０）。
【請求項13】
請求項１に記載の発電素子において、
基準軸（Ｙ）に沿って厚みが徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体（１５０）の厚み方向の切断面が台形状をなすことを特徴とする発電素子（１０５０）。
基準軸（Ｙ）に沿って厚みが徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体（１５０）の厚み方向の切断面が台形状をなすことを特徴とする発電素子（１０５０）。
【請求項14】
請求項１に記載の発電素子において、
基準軸（Ｙ）に沿って幅が徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体（１６０）の平面形状が台形状をなすことを特徴とする発電素子（１０６０）。
基準軸（Ｙ）に沿って幅が徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体（１６０）の平面形状が台形状をなすことを特徴とする発電素子（１０６０）。
【請求項15】
請求項１〜１４のいずれかに記載の発電素子において、
複数の重錘体のうちの少なくとも２組の質量が互いに異なることを特徴とする発電素子（１０００；１０１０；１０２０；１０３０；１０５０；１０６０；１０７０；１０９０）。
複数の重錘体のうちの少なくとも２組の質量が互いに異なることを特徴とする発電素子（１０００；１０１０；１０２０；１０３０；１０５０；１０６０；１０７０；１０９０）。
【請求項16】
請求項１〜１５のいずれかに記載の発電素子において、
個々の重錘体の共振周波数付近のスペクトルピーク波形（Ｐ１′，Ｐ２′）が相互に一部重複するように、各重錘体の共振周波数（ｆｒ１（−），ｆｒ２（＋））が隣接するように設定されていることを特徴とする発電素子。
個々の重錘体の共振周波数付近のスペクトルピーク波形（Ｐ１′，Ｐ２′）が相互に一部重複するように、各重錘体の共振周波数（ｆｒ１（−），ｆｒ２（＋））が隣接するように設定されていることを特徴とする発電素子。
【請求項17】
請求項１〜１６のいずれかに記載の発電素子において、
左翼状部（２１４Ｌ，２１５Ｌ，２１６Ｌ）および右翼状部（２１４Ｒ，２１５Ｒ，２１６Ｒ）が基準軸（Ｙ）に沿った同一方向に伸び、中央接合部（２１４Ｃ，２１５Ｃ，２１６Ｃ）、左翼状部、右翼状部によって構成される重錘体（２１４，２１５，２１６；２３１，２３２，２３３）が、Ｕ字状をなすことを特徴とする発電素子（１０１０；１０３０）。
左翼状部（２１４Ｌ，２１５Ｌ，２１６Ｌ）および右翼状部（２１４Ｒ，２１５Ｒ，２１６Ｒ）が基準軸（Ｙ）に沿った同一方向に伸び、中央接合部（２１４Ｃ，２１５Ｃ，２１６Ｃ）、左翼状部、右翼状部によって構成される重錘体（２１４，２１５，２１６；２３１，２３２，２３３）が、Ｕ字状をなすことを特徴とする発電素子（１０１０；１０３０）。
【請求項18】
請求項１〜１７のいずれかに記載の発電素子において、
電荷発生素子（４００）が、板状構造体（１１０）の変形を生じる部分に接合された圧電素子を有することを特徴とする発電素子。
電荷発生素子（４００）が、板状構造体（１１０）の変形を生じる部分に接合された圧電素子を有することを特徴とする発電素子。
【請求項19】
請求項１８に記載の発電素子において、
圧電素子（４００）が、板状構造体（１１０）の表面に形成された下部電極層（４１０）と、この下部電極層の上面に形成され、応力に基づいて電荷を発生させる圧電材料層（４２０）と、この圧電材料層の上面に形成された上部電極層（４３０）と、を有し、前記下部電極層および前記上部電極層にそれぞれ所定極性の電荷を供給することを特徴とする発電素子。
圧電素子（４００）が、板状構造体（１１０）の表面に形成された下部電極層（４１０）と、この下部電極層の上面に形成され、応力に基づいて電荷を発生させる圧電材料層（４２０）と、この圧電材料層の上面に形成された上部電極層（４３０）と、を有し、前記下部電極層および前記上部電極層にそれぞれ所定極性の電荷を供給することを特徴とする発電素子。
【請求項20】
請求項１９に記載の発電素子において、
前記上部電極層（４３０）は、複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）にわたって形成された単一の電極層であることを特徴とする発電素子。
前記上部電極層（４３０）は、複数の区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）にわたって形成された単一の電極層であることを特徴とする発電素子。
【請求項21】
請求項１９に記載の発電素子において、
板状構造体（１１０）の表面に共通下部電極層（４１０）が形成され、この共通下部電極層の上面に共通圧電材料層（４２０）が形成され、この共通圧電材料層の上面の異なる箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層（４３１，４３２，４３３）が形成され、前記板状構造体（１１０）が特定の変形を生じた時点において、各個別上部電極層には、それぞれ圧電材料層から同一極性の電荷が供給されることを特徴とする発電素子。
板状構造体（１１０）の表面に共通下部電極層（４１０）が形成され、この共通下部電極層の上面に共通圧電材料層（４２０）が形成され、この共通圧電材料層の上面の異なる箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層（４３１，４３２，４３３）が形成され、前記板状構造体（１１０）が特定の変形を生じた時点において、各個別上部電極層には、それぞれ圧電材料層から同一極性の電荷が供給されることを特徴とする発電素子。
【請求項22】
請求項２１に記載の発電素子において、
前記個別上部電極層は、根端部側の個別上部電極層（４３１ａ）と、先端部側の個別上部電極層（４３１ｂ）とに分割されていることを特徴とする発電素子。
前記個別上部電極層は、根端部側の個別上部電極層（４３１ａ）と、先端部側の個別上部電極層（４３１ｂ）とに分割されていることを特徴とする発電素子。
【請求項23】
請求項２１に記載の発電素子において、
前記個別上部電極層は、左脇個別上部電極層（４３０Ｌ）と、右脇個別上部電極層（４３０Ｒ）とに分割されていることを特徴とする発電素子。
前記個別上部電極層は、左脇個別上部電極層（４３０Ｌ）と、右脇個別上部電極層（４３０Ｒ）とに分割されていることを特徴とする発電素子。
【請求項24】
請求項２１に記載の発電素子において、
前記個別上部電極層は、根端部側の左脇個別上部電極層（４３１Ｌａ）と、先端部側の左脇個別上部電極層（４３１Ｌｂ）と、根端部側の右脇個別上部電極層（４３１Ｒａ）と、先端部側の右脇個別上部電極層（４３１Ｒｂ）とに分割されていることを特徴とする発電素子。
前記個別上部電極層は、根端部側の左脇個別上部電極層（４３１Ｌａ）と、先端部側の左脇個別上部電極層（４３１Ｌｂ）と、根端部側の右脇個別上部電極層（４３１Ｒａ）と、先端部側の右脇個別上部電極層（４３１Ｒｂ）とに分割されていることを特徴とする発電素子。
【請求項25】
請求項２１に記載の発電素子において、
発電回路（５００）が、容量素子（Ｃｆ）と、各個別上部電極層（４３１，４３２，４３３）に発生した正電荷を前記容量素子の正極側へ導くために各個別上部電極層から前記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（Ｄ１（＋）〜Ｄ３（＋））と、各個別上部電極層に発生した負電荷を前記容量素子の負極側へ導くために前記容量素子の負極側から各個別上部電極層へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子（Ｄ１（−）〜Ｄ３（−））と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを前記容量素子により平滑化して供給することを特徴とする発電素子。
発電回路（５００）が、容量素子（Ｃｆ）と、各個別上部電極層（４３１，４３２，４３３）に発生した正電荷を前記容量素子の正極側へ導くために各個別上部電極層から前記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（Ｄ１（＋）〜Ｄ３（＋））と、各個別上部電極層に発生した負電荷を前記容量素子の負極側へ導くために前記容量素子の負極側から各個別上部電極層へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子（Ｄ１（−）〜Ｄ３（−））と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを前記容量素子により平滑化して供給することを特徴とする発電素子。
【請求項26】
請求項１〜２５のいずれかに記載の発電素子において、
板状構造体（１３０）およびこれに接合された重錘体（２３１，２３２，２３３）を収容するための装置筐体（６００）を更に有し、
台座（６１０）は前記装置筐体（６００）に固定されるか、もしくは、前記装置筐体の一部として組み込まれており、
前記装置筐体の内面と、前記板状構造体および前記重錘体の外面との間には、所定の空間（ＳＰ）が確保されており、
前記装置筐体に加えられた外部振動の大きさが所定の基準レベル以下である場合には、前記外部振動に応じて、前記板状構造体および前記重錘体が前記空間内で振動し、
前記外部振動の大きさが前記所定の基準レベルを超えた場合には、前記外部振動に応じて、前記板状構造体および前記重錘体が前記装置筐体の内面に接触して、それ以上の変位が制限されることを特徴とする発電素子（１０３０）。
板状構造体（１３０）およびこれに接合された重錘体（２３１，２３２，２３３）を収容するための装置筐体（６００）を更に有し、
台座（６１０）は前記装置筐体（６００）に固定されるか、もしくは、前記装置筐体の一部として組み込まれており、
前記装置筐体の内面と、前記板状構造体および前記重錘体の外面との間には、所定の空間（ＳＰ）が確保されており、
前記装置筐体に加えられた外部振動の大きさが所定の基準レベル以下である場合には、前記外部振動に応じて、前記板状構造体および前記重錘体が前記空間内で振動し、
前記外部振動の大きさが前記所定の基準レベルを超えた場合には、前記外部振動に応じて、前記板状構造体および前記重錘体が前記装置筐体の内面に接触して、それ以上の変位が制限されることを特徴とする発電素子（１０３０）。
【請求項27】
請求項１〜２５のいずれかに記載の発電素子の構成要素となる、板状構造体と、複数の重錘体と、電荷発生素子と、を備えた発電素子用構造体。
【請求項28】
請求項２７に記載の発電素子用構造体を２組と、台座（３５０）と、発電回路（５００）と、を備えた発電素子（１５００）であって、
第１の発電素子用構造体の基準軸（Ｙ）と第２の発電素子用構造体の基準軸（Ｖ）とは直交しており、前記第１の発電素子用構造体の根端部は前記台座によって固定され、前記第１の発電素子用構造体の先端部は前記第２の発電素子用構造体の根端部に接続されており、
前記第２の発電素子用構造体の先端部は、前記第１の発電素子用構造体および前記第２の発電素子用構造体を介して、前記台座によって片持ち梁構造によって支持されており、
前記発電回路は、前記第１の発電素子用構造体の電荷発生素子および前記第２の発電素子用構造体の電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出すことを特徴とする発電素子。
第１の発電素子用構造体の基準軸（Ｙ）と第２の発電素子用構造体の基準軸（Ｖ）とは直交しており、前記第１の発電素子用構造体の根端部は前記台座によって固定され、前記第１の発電素子用構造体の先端部は前記第２の発電素子用構造体の根端部に接続されており、
前記第２の発電素子用構造体の先端部は、前記第１の発電素子用構造体および前記第２の発電素子用構造体を介して、前記台座によって片持ち梁構造によって支持されており、
前記発電回路は、前記第１の発電素子用構造体の電荷発生素子および前記第２の発電素子用構造体の電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出すことを特徴とする発電素子。
【請求項29】
振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であって、
所定の基準軸（Ｙ）に沿って根端部から先端部へと伸び、振動が加わると変形を生じる変形構造体（７１０；７２０）と、
前記変形構造体の前記根端部を固定する台座（３００；３１０）と、
前記変形構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子（４００）と、
前記電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路（５００）と、
を備え、
前記変形構造体は、前記基準軸に沿って所定間隔をあけて並べて配置された複数の重錘部（Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３；Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３）と、前記台座とこれに隣接して配置された重錘部との間および互いに隣接して配置された一対の重錘部の間を相互に接続する可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）と、を有し、
前記基準軸（Ｙ）を中心軸として、左側と右側を定義したときに、前記複数の重錘体のうち１つもしくは複数の重錘体（２１４，２１５，２１６；２３１，２３２，２３３）が、板状構造体（１１０；１３０）に接合された中央接合部（２１４Ｃ，２１５Ｃ，２１６Ｃ）と、前記中央接合部の左側に接続された左翼状部（２１４Ｌ，２１５Ｌ，２１６Ｌ）と、前記中央接合部の右側に接続された右翼状部（２１４Ｒ，２１５Ｒ，２１６Ｒ）と、を有することを特徴とする発電素子（１１００；１２００）。
所定の基準軸（Ｙ）に沿って根端部から先端部へと伸び、振動が加わると変形を生じる変形構造体（７１０；７２０）と、
前記変形構造体の前記根端部を固定する台座（３００；３１０）と、
前記変形構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子（４００）と、
前記電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路（５００）と、
を備え、
前記変形構造体は、前記基準軸に沿って所定間隔をあけて並べて配置された複数の重錘部（Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３；Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３）と、前記台座とこれに隣接して配置された重錘部との間および互いに隣接して配置された一対の重錘部の間を相互に接続する可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）と、を有し、
前記基準軸（Ｙ）を中心軸として、左側と右側を定義したときに、前記複数の重錘体のうち１つもしくは複数の重錘体（２１４，２１５，２１６；２３１，２３２，２３３）が、板状構造体（１１０；１３０）に接合された中央接合部（２１４Ｃ，２１５Ｃ，２１６Ｃ）と、前記中央接合部の左側に接続された左翼状部（２１４Ｌ，２１５Ｌ，２１６Ｌ）と、前記中央接合部の右側に接続された右翼状部（２１４Ｒ，２１５Ｒ，２１６Ｒ）と、を有することを特徴とする発電素子（１１００；１２００）。
【請求項30】
請求項２９に記載の発電素子において、
変形構造体（７１０；７２０）に含まれている可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）の中の少なくとも２組のバネ定数が異なるようにしたことを特徴とする発電素子。
変形構造体（７１０；７２０）に含まれている可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）の中の少なくとも２組のバネ定数が異なるようにしたことを特徴とする発電素子。
【請求項31】
請求項３０に記載の発電素子において、
各可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、前記根端側端部を固定した状態において、前記先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに前記先端側端部の前記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該可撓性接続部のバネ定数として用いることを特徴とする発電素子。
各可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、前記根端側端部を固定した状態において、前記先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに前記先端側端部の前記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該可撓性接続部のバネ定数として用いることを特徴とする発電素子。
【請求項32】
請求項２９に記載の発電素子において、
各可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）がそれぞれ板状をなす板状接続部によって構成され、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータが異なることを特徴とする発電素子。
各可撓性接続部（Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３；Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３）がそれぞれ板状をなす板状接続部によって構成され、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータが異なることを特徴とする発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。【背景技術】
【0002】
限られた資源を有効利用するために、様々な形態のエネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す技術が提案されている。振動エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す技術もそのひとつであり、たとえば、下記の特許文献１には、層状の圧電素子を積層して発電用圧電素子を形成し、この発電用圧電素子を外力によって振動させて発電を行う圧電型の発電素子が開示されている。また、特許文献２には、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）構造の発電素子が開示されている。一方、特許文献３には、一端を固定した片持ち梁によって重錘体を支持するハンマーヘッド型の構造体を用い、ヘッド部分を構成する重錘体を振動させ、柄の部分に配置された発電用圧電素子によって発電を行うタイプの発電素子が開示されている。また、特許文献４には、このハンマーヘッド型の構造体を用いる発電素子とともに、Ｌ字型に屈曲した板状橋梁部によって重錘体を支持する構造体を用いた圧電素子が開示されている。
これらの発電素子の基本原理は、重錘体の振動により圧電素子に周期的な撓みを生じさせ、圧電素子に加わる応力に基づいて生じる電荷を外部に取り出す、というものである。このような発電素子を、たとえば、自動車、列車、船舶などに搭載しておけば、輸送中に加わる振動エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことが可能になる。また、冷蔵庫やエアコンといった振動源に取り付けて発電を行うことも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平１０−２４３６６７号公報
【特許文献2】特開２０１１−１５２０１０号公報
【特許文献3】米国特許公開第２０１３／０１５４４３９号公報
【特許文献4】ＷＯ２０１５／０３３６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述した例のように、外部から与えられる振動エネルギーによって重錘体を振動させ、この重錘体の振動によって生じる機械的変形を電気エネルギーに変換する発電素子の場合、発電効率を高めるためには、重錘体をできるだけ効率よく振動させることが重要である。しかしながら、一般に、機械的な共振系には、その構造に応じて固有の共振周波数が定められており、外部から与えられる振動エネルギーの周波数が当該共振周波数に近いと、重錘体を効率よく振動させることができるが、当該共振周波数から離れていると、重錘体を十分に振動させることができない。上述した各特許文献に記載されているようなＭＥＭＳ構造の発電素子の場合、機械的構造部分の材料として、シリコンや金属が用いられることが多い。このような材料を用いた共振系の周波数特性は、一般に、共振周波数におけるピーク値（Ｑ値）は高いが、半値幅は狭くなる傾向にある。これは、発電素子を実環境で利用した場合、外部環境から与えられる振動の周波数が、当該発電素子に固有の共振周波数に近い場合には効率的な発電を行うことができるが、共振周波数から外れている場合には十分な発電効率が得られないことを意味する。
通常、発電素子を設計する際には、実利用環境において外部から与えられるであろう振動の周波数を想定し、この想定周波数に共振周波数が一致するような工夫がなされる。しかしながら、実際の利用環境では、様々な周波数をもった振動が混在し、単一の周波数をもった振動が加わるわけではない。このため、特定の振動周波数を想定して発電素子を設計しても、実利用環境下では、想定外の周波数を含んだ振動が加えられるケースも少なくない。また、シリコンや金属からなる構造部分の共振周波数は、外部応力や温度によっても変動するため、設計時の想定どおりの周波数をもった振動が与えられたとしても、必ずしも効率的な発電が行われるとは限らない。
そこで本発明は、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能な発電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
（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、所定の基準軸に沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体と、
板状構造体の所定箇所に接合された複数の重錘体と、
板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
板状構造体の根端部を固定する台座と、
電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
複数の重錘体が、基準軸に沿って所定間隔をあけて並べて配置されているようにしたものである。
（２） 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
板状構造体のうち、台座とこれに隣接して配置された重錘体とを接続する部分、および、互いに隣接して配置された一対の重錘体を相互に接続する部分を、それぞれ板状接続部と呼んだときに、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータが異なっているようにしたものである。
（３） 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部にゆくに従って、厚みが単調減少もしくは単調増加してゆくようにしたものである。
（４） 本発明の第４の態様は、上述した第２または第３の態様に係る発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部にゆくに従って、幅が単調減少もしくは単調増加してゆくようにしたものである。
（５） 本発明の第５の態様は、上述した第２〜第４の態様に係る発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部にゆくに従って、長さが単調減少もしくは単調増加してゆくようにしたものである。
（６） 本発明の第６の態様は、上述した第２〜第５の態様に係る発電素子において、
最も根端部に近い位置に配置された板状接続部から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部にゆくに従って、当該板状接続部を構成する材質のヤング率が単調減少もしくは単調増加してゆくようにしたものである。
（７） 本発明の第７の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
板状構造体のうち、台座とこれに隣接して配置された重錘体とを接続する部分、および、互いに隣接して配置された一対の重錘体を相互に接続する部分を、それぞれ板状接続部と呼んだときに、これら板状接続部の少なくとも２組のバネ定数が異なるようにしたものである。
（８） 本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る発電素子において、
各板状接続部について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、根端側端部を固定した状態において、先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに先端側端部の前記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該板状接続部のバネ定数として用いるようにしたものである。
（９） 本発明の第９の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
板状構造体が、基準軸に沿って並んだ複数の区画パートに分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ厚みが異なっており、
複数の重錘体が、それぞれ異なる区画パートに接合されているようにしたものである。
（１０） 本発明の第１０の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
板状構造体が、基準軸に沿って並んだ複数の区画パートに分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ幅が異なっており、
複数の重錘体が、それぞれ異なる区画パートに接合されているようにしたものである。
（１１） 本発明の第１１の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
板状構造体が、基準軸に沿って並んだ複数の区画パートに分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ長さが異なっており、
複数の重錘体が、それぞれ異なる区画パートに椄合されているようにしたものである。
（１２） 本発明の第１２の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
板状構造体が、基準軸に沿って並んだ複数の区画パートに分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ材質が異なっており、
複数の重錘体が、それぞれ異なる区画パートに接合されているようにしたものである。
（１３） 本発明の第１３の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
基準軸に沿って厚みが徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体の厚み方向の切断面が台形状をなすようにしたものである。
（１４） 本発明の第１４の態様は、上述した第１の態様に係る発電素子において、
基準軸に沿って幅が徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体の平面形状が台形状をなすようにしたものである。
（１５） 本発明の第１５の態様は、上述した第１〜第１４の態様に係る発電素子において、
複数の重錘体のうちの少なくとも２組の質量が互いに異なるようにしたものである。
（１６） 本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る発電素子において、
個々の重錘体の共振周波数付近のスペクトルピーク波形が相互に一部重複するように、各重錘体の共振周波数を隣接するように設定したものである。
（１７） 本発明の第１７の態様は、上述した第１〜第１６の態様に係る発電素子において、
基準軸を中心軸として、左側と右側を定義したときに、１つもしくは複数の重錘体が、板状構造体に接合された中央接合部と、中央接合部の左側に接続された左翼状部と、中央接合部の右側に接続された右翼状部と、を有するようにしたものである。
（１８） 本発明の第１８の態様は、上述した第１７の態様に係る発電素子において、
左翼状部および右翼状部が基準軸に沿った同一方向に伸び、中央接合部、左翼状部、右翼状部によって構成される重錘体が、Ｕ字状をなすようにしたものである。
（１９） 本発明の第１９の態様は、上述した第１〜第１８の態様に係る発電素子において、
電荷発生素子が、板状構造体の変形を生じる部分に接合された圧電素子を有するようにしたものである。
（２０） 本発明の第２０の態様は、上述した第１〜第１９の態様に係る発電素子において、
圧電素子が、板状構造体の表面に形成された下部電極層と、この下部電極層の上面に形成され、応力に基づいて電荷を発生させる圧電材料層と、この圧電材料層の上面に形成された上部電極層と、を有し、下部電極層および上部電極層にそれぞれ所定極性の電荷を供給するようにしたものである。
（２１） 本発明の第２１の態様は、上述した第２０の態様に係る発電素子において、
板状構造体の表面に共通下部電極層が形成され、この共通下部電極層の上面に共通圧電材料層が形成され、この共通圧電材料層の上面の異なる箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層が形成され、板状構造体が特定の変形を生じた時点において、各個別上部電極層には、それぞれ圧電材料層から同一極性の電荷が供給されるようにしたものである。
（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、
発電回路が、容量素子と、各個別上部電極層に発生した正電荷を容量素子の正極側へ導くために各個別上部電極層から容量素子の正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子と、各個別上部電極層に発生した負電荷を容量素子の負極側へ導くために容量素子の負極側から各個別上部電極層へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子により平滑化して供給するようにしたものである。
（２３） 本発明の第２３の態様は、上述した第１〜第２２の態様に係る発電素子において、
板状構造体およびこれに接合された重錘体を収容するための装置筐体を更に有し、
台座は装置筐体に固定されるか、もしくは、装置筐体の一部として組み込まれており、
装置筐体の内面と、板状構造体および重錘体の外面との間には、所定の空間が確保されており、
装置筐体に加えられた外部振動の大きさが所定の基準レベル以下である場合には、外部振動に応じて、板状構造体および重錘体が前記空間内で振動し、
外部振動の大きさが所定の基準レベルを超えた場合には、外部振動に応じて、板状構造体および重錘体が装置筐体の内面に接触して、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
（２４） 本発明の第２４の態様は、上述した第１〜第２２の態様に係る発電素子の構成要素となる、板状構造体と、複数の重錘体と、電荷発生素子と、によって、発電素子用構造体を構成するようにしたものである。
（２５） 本発明の第２５の態様は、上述した第２４の態様に係る発電素子用構造体を２組と、台座と、発電回路と、によって発電素子を構成し、
第１の発電素子用構造体の基準軸と第２の発電素子用構造体の基準軸とは直交しており、第１の発電素子用構造体の根端部は台座によって固定され、第１の発電素子用構造体の先端部は第２の発電素子用構造体の根端部に接続されており、
第２の発電素子用構造体の先端部は、第１の発電素子用構造体および第２の発電素子用構造体を介して、台座によって片持ち梁構造によって支持されており、
発電回路は、第１の発電素子用構造体の電荷発生素子および第２の発電素子用構造体の電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出すようにしたものである。
（２６） 本発明の第２６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、
所定の基準軸に沿って根端部から先端部へと伸び、振動が加わると変形を生じる変形構造体と、
変形構造体の根端部を固定する台座と、
変形構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
変形構造体が、基準軸に沿って所定間隔をあけて並べて配置された複数の重錘部と、台座とこれに隣接して配置された重錘部との間および互いに隣接して配置された一対の重錘部の間を相互に接続する可撓性接続部と、を有するようにしたものである。
（２７） 本発明の第２７の態様は、上述した第２６の態様に係る発電素子において、
変形構造体に含まれている可撓性接続部の中の少なくとも２組のバネ定数が異なるようにしたものである。
（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、
各可撓性接続部について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、根端側端部を固定した状態において、先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに先端側端部の前記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該可撓性接続部のバネ定数として用いるようにしたものである。
（２９） 本発明の第２９の態様は、上述した第２６の態様に係る発電素子において、
各可撓性接続部がそれぞれ板状をなす板状接続部によって構成され、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータが異なるようにしたものである。
（３０） 本発明の第３０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、
所定の基準軸に沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体と、
板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
板状構造体の根端部を固定する台座と、
電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
板状構造体が、基準軸に沿って並んだ複数の区画パートに分割されており、個々の区画パートごとに、厚みもしくは幅またはその双方が異なるようにしたものである。
（３１） 本発明の第３１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、
所定の基準軸に沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体と、
板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
板状構造体の根端部を固定する台座と、
電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
基準軸に沿って厚みが徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体の厚み方向の切断面が台形状をなすようにしたものである。
（３２） 本発明の第３２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、
所定の基準軸に沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体と、
板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、
板状構造体の根端部を固定する台座と、
電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路と、
を設け、
基準軸に沿って幅が徐々に減少もしくは増加するように、板状構造体の平面形状が台形状をなすようにしたものである。
（３３） 本発明の第３３の態様は、上述した第３０〜第３２の態様に係る発電素子において、
板状構造体の先端部近傍に接合された重錘体を更に有するようにしたものである。
【発明の効果】
【0006】
本発明の第１の実施形態に係る発電素子によれば、可撓性を有する板状構造体に、所定間隔をあけて複数の重錘体を並べて配置するようにしたため、単一の重錘体を用いる従来例に比べて、発電可能な周波数帯域を広げることができ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことができるようになる。本発明の第２の実施形態に係る発電素子によれば、可撓性を有する板状構造体の厚みもしくは幅またはその双方が部分ごとに異なるようにしたため、第１の実施形態と同様に、従来例に比べて、発電可能な周波数帯域を広げることができ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図１は、従来から提案されている一般的な発電素子の基本構造体を示す斜視図である。図２は、図１に示す基本構造体の台座３００対して、外部から様々な周波数の振動エネルギーを与えたときの、重錘体２００（先端点Ｔ）の振幅Ａを示すグラフである。
図３は、本発明の第１の実施形態の典型例となる発電素子１０００を示す斜視図（一部はブロック図）である。
図４（ａ）は、図３に示す発電素子１０００の基本構造体の上面図、図４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である（電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略）。
図５は、図４に示す発電素子１０００の基本構造体について、コンピュータシミュレーションを行った結果として得られた各区画端点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の振動の周波数特性を示すグラフである。
図６は、図３に示す発電素子１０００の全体としての発電量の周波数特性を示すグラフである。
図７（ａ），図７（ｂ）は、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ３に対して調整を行った状態の周波数特性を示すグラフである。
図８（ａ）は、図３に示す発電素子１０００の基本構造体に、電荷発生素子４００として圧電素子を形成した状態を示す上面図であり、図８（ｂ）はこれをＹＺ平面で切断した側断面図である（発電回路５００の図示は省略）。
図９は、本発明に係る発電素子に用いる発電回路５００の具体的な構成を示す回路図である。
図１０は、一般的な板状構造体の共振モードのいくつかの例を示す模式図であり、水平線を基準位置としたときの板状構造体の変形態様が示されている。
図１１は、図３に示す発電素子１０００のバリエーションを示す上面図である。
図１２（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１に係る発電素子１０１０の基本構造体の上面図、図１２（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図１３（ａ）および（ｂ）は、図１２に示す発電素子１０１０の各部の寸法を示す図である。
図１４（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例２に係る発電素子１０２０の基本構造体の上面図、図１４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図１５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例３に係る発電素子１０３０の基本構造体をＸＹ平面よりわずか上に位置する平面で切断した横断面図、図１５（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図１６（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例４に係る発電素子１０４０の基本構造体の上面図、図１６（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図１７（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例５に係る発電素子１０５０の基本構造体の上面図、図１７（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図１８（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例６に係る発電素子１０６０の基本構造体の上面図、図１８（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図１９（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例７に係る発電素子１０７０の基本構造体の上面図、図１９（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図２０（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例８に係る発電素子１０８０の基本構造体の上面図、図２０（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図２１は、本発明の第１の実施形態の変形例９に係る発電素子１０９０の基本構造体をＹＺ平面で切断した側断面図である。
図２２は、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系において、重錘体２００の共振周波数ｆｒを調整するための具体的な方法をまとめた表である。
図２３は、本発明の第１の実施形態に係る発電素子における共振周波数の調整方法の基本概念を示す図であり、
図２４（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１０に係る発電素子１１００の基本構造体の上面図、図２４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図２５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１１に係る発電素子１２００の基本構造体の上面図、図２５（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図２６は、本発明の第１の実施形態の変形例１２に係る発電素子１５００の上面図（一部はブロック図）である。
図２７（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例１に係る発電素子２０００の基本構造体の上面図、図２７（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図２８（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例２に係る発電素子２０２０の基本構造体の上面図、図２８（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図２９（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例３に係る発電素子２０５０の基本構造体の上面図、図２９（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図３０（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例４に係る発電素子２０６０の基本構造体の上面図、図３０（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図３１（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例５に係る発電素子２１００の基本構造体の上面図、図３１（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図３２（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例６に係る発電素子２１２０の基本構造体の上面図、図３２（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図３３（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例７に係る発電素子２１５０の基本構造体の上面図、図３３（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
図３４（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例８に係る発電素子２１６０の基本構造体の上面図、図３４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。＜＜＜ §１． 従来提案されている発電素子 ＞＞＞
はじめに、説明の便宜上、板状構造体に取り付けた重錘体を振動させて発電を行うタイプの従来の発電素子の基本構造を簡単に説明しておく。図１は、従来から提案されている一般的な発電素子の基本構造体を示す斜視図である。前掲の特許文献４（ＷＯ２０１５／０３３６２１号公報）にも、図１に示すような基本構造をもった発電素子が開示されている。
図示のとおり、この基本構造体は、板状構造体１００と、板状構造体１００の先端部に取り付けられた重錘体２００と、板状構造体１００の根端部を固定する台座３００とを有している。台座３００は、何らかの振動源に取り付けられ、この振動源から供給される振動エネルギーが電気エネルギーに変換されることになる。板状構造体１００は、台座３００によって固定された根端部から自由端となる先端部へと伸びる長さＬ、幅ｗ、厚みｔの細長い板であり、重錘体２００はこの板による片持ち梁構造で支持されている。しかも、板状構造体１００は可撓性を有しているため、台座３００に振動が加えられると、重錘体２００が振動を生じる。その結果、板状構造体１００には、周期的に撓みが生じることになる。
図示は省略するが、板状構造体１００の表面には、圧電素子などの電荷発生素子が貼り付けられており、板状構造体１００の変形に基づいて電荷が発生する。したがって、この電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して出力する発電回路を設けておけば、発生した電荷を電力として取り出すことができる。電荷を効率的に取り出すための圧電素子の配置については、前掲の特許文献４等に開示されているため、ここでは説明は省略する。
なお、本願では、この基本構造体の構成および変形態様を説明する便宜上、図示のようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。このような座標系上では、板状構造体１００は、ＸＹ平面に平行な主面（上面および下面）をもち、Ｙ軸に沿って根端部から先端部へと伸びる細長い板ということになる。図示の例では、板状構造体１００の上面の中心位置にＹ軸が位置している。ここでは、このＹ軸を基準軸と呼び、板状構造体１００の原点Ｏ側を根端部と呼び、Ｙ軸上の先端点Ｔ側を先端部と呼ぶことにする。したがって、板状構造体１００は、基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状の部材ということになり、重錘体２００は、その先端部の下面に接合されていることになる。
通常、外部の振動源から台座３００に伝わる振動エネルギーには、Ｘ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分が含まれている。したがって、重錘体２００には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各方向に変位させる力が加わる。ただ、重錘体２００は、図示のような形状を有する板状構造体１００によって支持されているため、「変位のしやすさ」は個々の方向ごとに異なる。これは、図の原点Ｏの位置（根端部）を固定した状態において、先端点Ｔ（先端部）に対して各座標軸方向への力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを作用させた場合、板状構造体１００のバネ定数が各座標軸方向によって異なるためであり、一般的には、Ｚ軸方向が最も変位しやすい方向になる。
もちろん、板状構造体１００は可撓性を有しているため、Ｙ軸方向に関する伸縮や反りにより重錘体２００をＹ軸方向に変位させることもできるし、Ｘ軸方向への変形により重錘体２００をＸ軸方向に変位させることもできる。ただ、ここでは、台座３００に対して、Ｚ軸方向への振動エネルギーが加えられ、重錘体２００がＺ軸方向に振動する場合を代表例として考えてみよう。
一般に、共振系は、その系に固有の共振周波数ｆｒを有しており、外部から与えられた振動の周波数ｆが、この共振周波数ｆｒに近い程、与えられた振動に共鳴して大きな振幅Ａが生じることになる。図２は、図１に示す基本構造体の台座３００対して、外部から様々な周波数の振動エネルギーを与えたときの、重錘体２００（先端点Ｔ）の振幅Ａを示すグラフである。横軸に周波数ｆ、縦軸に振幅Ａをとると、図示のとおり、所定の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐが現れる（図では、便宜上、このピーク波形Ｐ以外の部分をフラットな直線で示すが、実際には、この部分は完全な直線になるわけではない）。
もちろん、板状構造体１００のバネ定数は、座標軸方向ごとに異なるため、重錘体２００の共振周波数ｆｒの値も、座標軸方向ごとに異なる。図２のグラフは、重錘体２００が特定の座標軸方向（ここでは、Ｚ軸方向）に振動する場合を示すものであり、共振周波数ｆｒは、当該座標軸方向に関する振動についての共振周波数を示している。また、後述するように、板状構造体１００には、その節点の数に応じて複数の共振モードが存在し、個々の共振モードごとにそれぞれ共振周波数が異なる。そこで、ここでは、１次共振モードで振動している場合を考えることにする。
結局、図１に示す基本構造体を１つの共振系として把握した場合、重錘体２００をＺ軸方向に１次共振モードで効率良く振動させるには、台座３００を共振周波数ｆｒで振動させればよい。別言すれば、この発電素子に効率的な発電をさせるためには、外部から共振周波数ｆｒの振動エネルギーを与える必要があり、与える振動エネルギーの周波数が共振周波数ｆｒから外れると、発電効率は低下する。
一方、量産に適したＭＥＭＳ技術を利用した発電素子には、その材料としてシリコンや金属が用いられることが多いが、このような材料を用いた共振系では、図２のグラフにおけるピーク波形Ｐのピーク値（Ｑ値）は高いが、半値幅ｈは狭くなる傾向にある。このため、図１に例示するような従来の発電素子の場合、外部環境から与えられる振動の周波数が、共振周波数ｆｒに近い場合には効率的な発電を行うことができるが、共振周波数ｆｒから外れている場合には、その発電効率は急激に低下することになる。
したがって、従来から、実利用環境において外部から与えられるであろう振動の周波数を想定し、この想定周波数に共振周波数を一致させるような設計が行われている。しかしながら、既に問題点として指摘したとおり、実際の利用環境では、様々な周波数をもった振動が混在しており、単一の周波数をもった振動が加わるわけではない。このため、想定外の周波数を含んだ振動が加えられるケースも少なくない。また、シリコンや金属からなる構造部分の共振周波数は、外部応力や温度によっても変動するため、設計時の想定どおりの周波数をもった振動が与えられたとしても、必ずしも効率的な発電が行われるとは限らない。
このように、図１に例示するような従来の発電素子には、発電可能な周波数帯域が狭く、実利用環境によっては、必ずしも十分効率的な発電を行うことができないという問題がある。本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能な発電素子を提供することを目的とする。
＜＜＜ §２． 本発明の第１の実施形態の基本原理 ＞＞＞
ここでは、本発明の第１の実施形態の基本原理を説明する。図３は、この第１の実施形態の典型例となる発電素子１０００を示す斜視図（一部はブロック図）である。図示のとおり、この発電素子１０００は、板状構造体１１０、３組の重錘体２１１，２１２，２１３、台座３００、電荷発生素子４００、発電回路５００を備えている。図３では、板状構造体１１０、３組の重錘体２１１，２１２，２１３、台座３００によって構成される基本構造体の部分を斜視図で示し、電荷発生素子４００および発電回路５００の部分をブロック図で示してある。この§２では、主に、図に斜視図で示す基本構造体の部分についての説明を行い、図にブロック図で示す電荷発生素子４００および発電回路５００の部分については、§３で詳述する。
ここでも、§１と同様に、図示のようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、Ｙ軸を基準軸と呼ぶことにする。この発電素子１０００においても、図１に示す従来の発電素子と同様に、板状構造体による片持ち梁によって重錘体を支持する構造が採用されており、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電が行われる。
したがって、基本構造体は、所定の基準軸Ｙに沿って根端部（原点Ｏの近傍）から先端部（先端点Ｔの近傍）へと伸び、可撓性を有する板状構造体１１０と、この板状構造体１１０の所定箇所に接合された重錘体２１１，２１２，２１３と、板状構造体１１０の根端部を固定する台座３００と、を有している。ブロック図として描かれている電荷発生素子４００は、この板状構造体１１０の変形に基づいて電荷を発生させる構成要素（たとえば、圧電素子）であり、ブロック図として描かれている発電回路５００は、電荷発生素子４００に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す構成要素である。
図３に示す発電素子１０００の重要な特徴は、板状構造体１１０の所定箇所に複数の重錘体２１１，２１２，２１３が接合されており、各重錘体２１１，２１２，２１３が、基準軸Ｙに沿って所定間隔をあけて並べて配置されている点である。図１に示す従来装置の場合、板状構造体１００の先端部に単一の重錘体２００を接合した構造を採用しているため、基本構造体は、全体として単一の共振系を構成することになるが、図３に示す発電素子１０００の場合、３組の重錘体２１１，２１２，２１３が、基準軸Ｙに沿って所定間隔をあけて配置されているため、各重錘体の接合位置に着目して共振系を把握すれば、合計３組の共振系が入れ子状に融合した複雑な系になる。
なお、ここでは、３組の重錘体を設けた実施例を示すが、本発明の第１の実施形態では、基準軸Ｙに沿って根端部（原点Ｏの近傍）から先端部（先端点Ｔの近傍）へと伸びる細長い板からなる板状構造体１１０に、基準軸Ｙに沿って所定間隔をあけて、複数Ｎ個の重錘体（Ｎ≧２）が配置されていればよく、重錘体の数が２個以上であれば、「発電可能な周波数帯域を広げる」という本発明の作用効果が得られる。
板状構造体１１０は可撓性をもった板状部材を構成できる材質であれば、どのような材料を用いて構成してもかまわないが、実用上は、シリコンや金属によって構成するのが好ましい。また、重錘体２１１，２１２，２１３は、共振系を構成するのに十分な質量を有する材料であれば、どのような材料を用いて構成してもかまわないが、十分な質量を確保する上では、ＳＵＳ（鉄），銅，タングステンなどの金属、あるいは、シリコン、セラミックもしくはガラス等を用いるのが好ましい。台座３００は、板状構造体１１０を支持固定することができる材料であれば、どのような材料を用いて構成してもかまわない。製造コストを低減させる上では、市販のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用して、そのシリコン層によって板状構造体１１０を構成するようにするとよい。
図３に示す発電素子１０００のもうひとつの特徴は、板状構造体１１０の厚みが均一ではなく、個々の区画ごとに厚みが異なっている点である。ここでは、説明の便宜上、板状構造体１１０を、基準軸Ｙに沿って、根端部側から先端部側に向けて、３つの区画に分けることにし、各区画に所属する部分をそれぞれ区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３と呼ぶことにする。図示のとおり、区画パートＳ１は、台座３００に固定されている根端部から第１の重錘体２１１の接合部分に至るまでの部分であり、区画パートＳ２は、区画パートＳ１の右端から第２の重錘体２１２の接合部分に至るまでの部分であり、区画パートＳ３は、区画パートＳ２の右端から先端部に至るまでの部分である。
このように、板状構造体１１０を３つの区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に分けた場合、その幅ｗはいずれも同じであるが、その厚みは、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の順に徐々に薄くなってゆく。すなわち、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の厚みをそれぞれｔ１，ｔ２，ｔ３とすれば、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３である。図示の例は、板状構造体１１０の上面をＸＹ平面に含まれる平面とし、下面の位置を個々の区画パートごとに変えることにより厚みを変えるようにしているが、逆に、板状構造体１１０の下面をＸＹ平面に平行な平面とし、上面の位置を個々の区画パートごとに変えるようにしてもかまわない。
図４（ａ）は、図３に示す発電素子１０００の基本構造体の上面図、図４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。発電素子１０００の構成要素である電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略されている。図４（ａ），図４（ｂ）には、板状構造体１１０が基準軸Ｙに沿って３つの区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に分けられ、個々の区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３ごとに厚みが異なる点が明瞭に示されている。
図示の例の場合、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の平面形状を同一の矩形として、各重錘体２１１，２１２，２１３が基準軸Ｙに沿って等間隔に配置されるようにしているが、各重錘体２１１，２１２，２１３は、必ずしも等間隔に配置する必要はない。また、図示の例の場合、各重錘体２１１，２１２，２１３の底面の位置を揃えたため、各重錘体２１１，２１２，２１３のＺ軸方向の寸法は、それぞれで若干異なり、質量もそれぞれで若干異なっている（重錘体２１１，２１２，２１３の順に質量は大きくなっている）が、必ずしもこのようにする必要はなく、質量が同じになるようにしてもよいし、逆に、重錘体２１１，２１２，２１３の順に質量が小さくなるようにしてもよい。
ここでは、図４（ａ），（ｂ）に示す板状構造体１１０において、台座３００とこれに隣接して配置された重錘体２１１を接続する部分（区画パートＳ１のうち、重錘体２１１が接合されていない部分）を板状接続部Ｊ１と呼び、互いに隣接して配置された一対の重錘体２１１，２１２を相互に接続する部分（区画パートＳ２のうち、重錘体２１２が接合されていない部分）を板状接続部Ｊ２と呼び、互いに隣接して配置された一対の重錘体２１２，２１３を相互に接続する部分（区画パートＳ３のうち、重錘体２１３が接合されていない部分）を板状接続部Ｊ３と呼ぶことにする。
これら板状接続部Ｊ１〜Ｊ３は、重錘体２１１，２１２，２１３が接合されていない領域なので、板状構造体１１０として可撓性を有する材料を用い、厚みｔ１，ｔ２，ｔ３として可撓性が得られる適切な値を設定すれば、外力が作用した場合、これら板状接続部Ｊ１〜Ｊ３は弾性変形して撓みを生じることになる。逆に、板状構造体１１０の領域のうち、重錘体２１１，２１２，２１３が接合されている領域は、実質的に撓みが生じない領域として機能する。結局、図４に示されている基本構造体は、台座３００，可撓性を有する板状接続部Ｊ１，重錘体２１１（およびその上方に位置する板状構造体１１０の部分領域），可撓性を有する板状接続部Ｊ２，重錘体２１２（およびその上方に位置する板状構造体１１０の部分領域），可撓性を有する板状接続部Ｊ３，重錘体２１３（およびその上方に位置する板状構造体１１０の部分領域）という順序で接続された構造体ということになる。
上述したとおり、図１に示す単一の重錘体２００を有する基本構造体は、単一の共振系を構成するが、図３に示す３組の重錘体２１１，２１２，２１３を有する基本構造体は、３組の共振系が入れ子状に融合した複雑な系として把握することができる。このような複雑な系について正確な振動解析を行うためには、様々なパラメータを設定した複雑な計算が必要になるが、ここでは、この系の振動に関する大まかな挙動を把握するため、図４に示すような区画端点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を定義し、これら区画端点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の振動形態を考えてみる。ここで、区画端点Ｔ１は区画パートＳ１の先端部側の境界と基準軸Ｙとの交点、区画端点Ｔ２は区画パートＳ２の先端部側の境界と基準軸Ｙとの交点、区画端点Ｔ３は区画パートＳ３の先端部側の境界と基準軸Ｙとの交点である。
具体的には、図４に示す基本構造体の台座３００に対して、種々の周波数をもったＺ軸方向の振動エネルギーを加えることにより、板状構造体１１０が１次共振モードで振動する、という前提で、各区画端点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の振動の周波数特性（Ｚ軸方向の振幅）を考えてみよう。各区画端点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の振動は、実質的に各重錘体２１１，２１２，２１３の振動と等価になる。
図５は、本願発明者がこのような前提で行ったコンピュータシミュレーションの結果を概念化したグラフであり、各区画端点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の振動の周波数特性が示されている。図５（ａ）は、区画端点Ｔ１についての周波数特性であり、周波数値ｆｒ１の位置に大きなピーク波形Ｐ１１が現れており、周波数値ｆｒ２，ｆｒ３の位置に小さなピーク波形Ｐ１２，Ｐ１３が現れている。同様に、図５（ｂ）は、区画端点Ｔ２についての周波数特性であり、周波数値ｆｒ２の位置に大きなピーク波形Ｐ２２が現れており、周波数値ｆｒ１，ｆｒ３の位置に小さなピーク波形Ｐ２１，Ｐ２３が現れている。そして、図５（ｃ）は、区画端点Ｔ３についての周波数特性であり、周波数値ｆｒ３の位置に大きなピーク波形Ｐ３３が現れており、周波数値ｆｒ１，ｆｒ２の位置に小さなピーク波形Ｐ３１，Ｐ３２が現れている。
ここで、周波数値ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３は、それぞれ区画端点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の振動（各重錘体２１１，２１２，２１３の振動）に関する共振系に固有の１次共振モードでの共振周波数である。図５（ａ）〜図５（ｃ）を見ればわかるとおり、各共振周波数の大小関係は、ｆｒ１＞ｆｒ２＞ｆｒ３になっており、板状構造体１１０の根端部に近い区画端点（重錘体）ほど共振周波数は高く、先端部に近い区画端点ほど共振周波数は低くなる、という結果が得られている。
一般に、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系の場合、板状構造体１００の長さＬと重錘体２００の共振周波数ｆｒとの関係は、長さＬが長いほど共振周波数ｆｒは低くなり、長さＬが短いほど共振周波数ｆｒは高くなる。このような基本原理を図４に示す基本構造体の複雑な共振系に適用すれば、上述したｆｒ１＞ｆｒ２＞ｆｒ３なる関係が得られることは、理にかなっている。
すなわち、図４（ｂ）の下段に示すとおり、区画端点Ｔ１の振幅に関与する第１の共振系の長さＬ１は、点Ｏから点Ｔ１までの距離であり、区画端点Ｔ２の振幅に関与する第２の共振系の長さＬ２は、点Ｏから点Ｔ２までの距離であり、区画端点Ｔ３の振幅に関与する第３の共振系の長さＬ３は、点Ｏから点Ｔ３までの距離であり、３組の共振系の長さの大小関係は、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３になる。したがって、各共振系の長さのみに着目すれば、最も短い長さＬ１をもつ第１の共振系（区画端点Ｔ１の振動）の共振周波数ｆｒ１が最も高くなり、最も長い長さＬ３をもつ第３の共振系（区画端点Ｔ３の振動）の共振周波数ｆｒ３が最も低くなる（実際には、後述するように、板状構造体１１０の厚みや幅、そして重錘体の質量によっても、共振周波数の値は変わる）。
したがって、台座３００に対して外部から振動を与え、この外部振動の周波数ｆを低い方から徐々に上げてゆくと、次のような現象が見られることになる。まず、与える外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ３に達したときに、図５（ｃ）のピーク波形Ｐ３３に示すとおり、区間端点Ｔ３の振幅Ａが急激に増大する。これは、区画端点Ｔ３の振幅に関与する第３の共振系がその固有の共振周波数ｆｒ３に達したためである。このとき、第１の共振系や第２の共振系については、まだ固有の共振周波数に達していないため、本来であれば、区間端点Ｔ１，Ｔ２の振幅Ａは極めて小さくなるはずである。
ところが、３組の共振系は、いずれも基準軸Ｙに沿って伸びる板状構造体１１０と、この基準軸Ｙに沿って配置された重錘体２１１，２１２，２１３によって構成され、しかも相互に入れ子状になっている。このため、これら３組の共振系は、板状構造体１１０を介して相互に影響を及ぼす。すなわち、外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ３に達し、区間端点Ｔ３の振幅Ａがピーク波形Ｐ３３に示すように急増すると、その影響を受け、区間端点Ｔ１，Ｔ２の振幅Ａも増加する。図５（ａ）に示すピーク波形Ｐ１３および図５（ｂ）に示すピーク波形Ｐ２３は、このような影響を受けて発生したピーク波形である。要するに、区間端点Ｔ３の共振周波数ｆｒ３に相当する周波数をもった外部振動が与えられると、区間端点Ｔ３の振幅が急増するだけでなく、その影響で、区間端点Ｔ１，Ｔ２の振幅も増加する現象が生じる。
続いて、外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ２に達した場合を考えると、図５（ｂ）のピーク波形Ｐ２２に示すとおり、区間端点Ｔ２の振幅Ａが急激に増大する。これは、区画端点Ｔ２の振幅に関与する第２の共振系がその固有の共振周波数ｆｒ２に達したためである。このとき、その影響を受け、区間端点Ｔ１，Ｔ３の振幅Ａも増加する。図５（ａ）に示すピーク波形Ｐ１２および図５（ｃ）に示すピーク波形Ｐ３２は、このような影響を受けて発生したピーク波形である。要するに、区間端点Ｔ２の共振周波数ｆｒ２に相当する周波数をもった外部振動が与えられると、区間端点Ｔ２の振幅が急増するだけでなく、その影響で、区間端点Ｔ１，Ｔ３の振幅も増加する現象が生じる。
最後に、外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ１に達した場合を考えると、図５（ａ）のピーク波形Ｐ１１に示すとおり、区間端点Ｔ１の振幅Ａが急激に増大する。これは、区画端点Ｔ１の振幅に関与する第１の共振系がその固有の共振周波数ｆｒ１に達したためである。このとき、その影響を受け、区間端点Ｔ２，Ｔ３の振幅Ａも増加する。図５（ｂ）に示すピーク波形Ｐ２１および図５（ｃ）に示すピーク波形Ｐ３１は、このような影響を受けて発生したピーク波形である。要するに、区間端点Ｔ１の共振周波数ｆｒ１に相当する周波数をもった外部振動が与えられると、区間端点Ｔ１の振幅が急増するだけでなく、その影響で、区間端点Ｔ２，Ｔ３の振幅も増加する現象が生じる。
結局、図３に示す発電素子１０００の台座３００に対して、共振周波数ｆｒ３をもつ外部振動が加えられたとき、重錘体２１１，２１２，２１３には、それぞれ図５（ａ）〜（ｃ）のピーク波形Ｐ１３，Ｐ２３，Ｐ３３に示すような振幅Ａをもった振動が生じ、共振周波数ｆｒ２をもつ外部振動が加えられたとき、重錘体２１１，２１２，２１３には、それぞれ図５（ａ）〜（ｃ）のピーク波形Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ３２に示すような振幅Ａをもった振動が生じ、共振周波数ｆｒ１をもつ外部振動が加えられたとき、重錘体２１１，２１２，２１３には、それぞれ図５（ａ）〜（ｃ）のピーク波形Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ３１に示すような振幅Ａをもった振動が生じることになる。
そこで、板状構造体１１０の変形に基づいて電荷発生素子４００が発生させた電荷を発電回路５００によって整流して取り出すようにすれば、発電素子１０００全体としての発電量の周波数特性は、図６のグラフに示すようになる。すなわち、第１の重錘体２１１をもった第１の共振系の共振周波数ｆｒ１の位置に発電量の第１ピーク波形Ｐ１が得られ、第２の重錘体２１２をもった第２の共振系の共振周波数ｆｒ２の位置に発電量の第２ピーク波形Ｐ２が得られ、第３の重錘体２１３をもった第３の共振系の共振周波数ｆｒ３の位置に発電量の第３ピーク波形Ｐ３が得られる。なお、図６では、便宜上、３つのピーク波形Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の高さや幅を同一に描いているが、実際には、個々のピーク波形Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の高さや幅は、図３に示す基本構造体の各部の寸法や材質などの条件によって定まることになる。
図１に示す従来の発電素子の場合、図２のグラフに示す共振周波数ｆｒ近傍の周波数をもった外部振動が与えられたときにのみ効率的な発電が行われることになり、発電可能な周波数帯域は、その半値幅ｈ程度の狭いものにならざるを得ない。これに対して、図３に示す本発明の第１の実施形態に係る発電素子の場合、図６のグラフに示すとおり、共振周波数ｆｒ３，ｆｒ２，ｆｒ１の位置にそれぞれピーク波形Ｐ３，Ｐ２，Ｐ１が得られるため、これら共振周波数ｆｒ３，ｆｒ２，ｆｒ１近傍の周波数をもった外部振動が与えられたときに効率的な発電が可能になり、発電可能な周波数帯域を、図示の周波数帯域Ｒ１程度にまで広げることが可能になる。
もちろん、図示の周波数帯域Ｒ１は、周波数ｆｒ３〜ｆｒ１の範囲をすべてカバーする連続した帯域ではなく、いわば「歯抜け状態」の帯域である。したがって、ｆｒ３〜ｆｒ１の範囲の周波数をもった外部振動のすべてについて効率的な発電が行われるわけではないが、図２のグラフに示す従来の発電素子の発電特性に比べれば、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られることになる。
前述したとおり、本発明の第１の実施形態に係る発電素子の最も重要な特徴は、所定の基準軸Ｙに沿って伸びる板状構造体１１０の所定箇所に、複数の重錘体２１１，２１２，２１３を所定間隔をあけて並べて配置した点にある。一般に、所定の基準軸Ｙに沿って複数Ｎ個の重錘体を配置すると、Ｎ個のピーク波形をもった発電量の周波数特性が得られるようになり、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られる。これが、本発明の第１の実施形態の最も重要な特徴である。
一方、図３に示す発電素子１０００には、もうひとつの特徴、すなわち、板状構造体１１０の厚みが均一ではなく、個々の区画ごとに厚みが異なっている、という付加的な特徴が備わっている。ここでは、この付加的な特徴のメリットを説明する。
図２に示す従来装置のグラフと図６に示す本発明に係る装置のグラフとを比較すると、後者では、ピーク波形が３組に増えたため、発電可能な周波数帯域は、図示の周波数帯域Ｒ１程度にまで広がっている。したがって、この発電素子１０００の実利用環境において外部から与えられるであろう振動が、図示する周波数帯域Ｒ１内の周波数成分を含んだ振動であろうと想定される場合には、図６に示す周波数特性は、非常に好ましいと言える。特に、実利用環境における外部振動の主たる周波数成分が、ｆｒ３，ｆｒ２，ｆｒ１であるような場合は、図６に示す周波数特性は、正に理想的な特性になる。
しかしながら、想定される外部振動の周波数成分が、より広い範囲に分布している場合は、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１（重錘体２１１を含む共振系の共振周波数）をより高くなるように右側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ３の共振周波数ｆｒ３（重錘体２１３を含む共振系の共振周波数）をより低くなるように左側にシフトさせる調整を行うのが好ましい。図７（ａ）は、このような調整を行った結果を示すグラフである。ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１はｆｒ１（＋）に調整され、ピーク波形Ｐ１は右側にシフトしてピーク波形Ｐ１’となっている。また、ピーク波形Ｐ３の共振周波数ｆｒ３はｆｒ３（−）に調整され、ピーク波形Ｐ３は左側にシフトしてピーク波形Ｐ３’となっている。
その結果、図７（ａ）のグラフの場合、全体の周波数帯域がＲ２に広がっている。もちろん、この周波数帯域はＲ２は、周波数ｆｒ３（−）〜ｆｒ１（＋）の範囲をすべてカバーする連続した帯域ではなく、「歯抜け状態」の帯域であるが、周波数ｆｒ３（−）〜ｆｒ１（＋）の範囲の周波数成分を含む外部振動が与えられた場合には、好ましい周波数特性を示すことになる。特に、主たる周波数成分が、ｆｒ３（−），ｆｒ２，ｆｒ１（＋）であるような場合は、図７（ａ）に示す周波数特性は理想的な特性になる。
逆に、想定される外部振動の周波数成分が、より狭い範囲に分布している場合は、図６に示す周波数特性において、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１をより低くなるように左側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ３の共振周波数ｆｒ３をより高くなるように右側にシフトさせる調整を行うのが好ましい。図７（ｂ）は、このような調整を行った結果を示すグラフである。ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１はｆｒ１（−）に調整され、ピーク波形Ｐ１は左側にシフトする。また、ピーク波形Ｐ３の共振周波数ｆｒ３はｆｒ３（＋）に調整され、ピーク波形Ｐ３は右側にシフトする。その結果、３つのピーク波形は融合し、より広い半値幅ｈｈをもった融合ピーク波形ＰＰが形成されている。
この図７（ｂ）のグラフの場合、全体の周波数帯域はＲ３になり、図６のグラフの周波数帯域Ｒ１よりは狭くなっているが、融合ピーク波形ＰＰが形成されているため、周波数帯域はＲ３は、周波数ｆｒ３（＋）〜ｆｒ１（−）の範囲をすべてカバーする連続した帯域になる。したがって、周波数ｆｒ２を中心とした周波数帯域Ｒ３の範囲内の周波数成分を含む外部振動が与えられた場合には、図７（ｂ）に示す周波数特性は理想的な特性になる。
このように、実利用環境で発生する外部振動の周波数成分を考慮して、適切な周波数特性をもつ発電素子を設計するには、各重錘体２１１，２１２，２１３を含むそれぞれの共振系の共振周波数をシフトする調整が必要になる。もちろん、想定される外部振動の周波数成分が全体的に高い場合や、全体的に低い場合は、周波数帯域自体を周波数軸ｆに沿って左右に移動させるような調整も必要になる。上述した、板状構造体１１０の厚みを個々の区画ごとに変えるという付加的な特徴は、このような調整を行うための工夫に他ならない。
上述したとおり、図１に示す単一の重錘体２００を有する共振系の場合、板状構造体１００の長さに関しては、長さＬが長いほど共振周波数ｆｒは低くなり、長さＬが短いほど共振周波数ｆｒは高くなる、という性質がある。一方、板状構造体１００の厚みｔ（Ｚ軸方向の寸法）に関しては、厚みｔが厚いほど共振周波数ｆｒは高くなり、厚みｔが薄いほど共振周波数ｆｒは低くなる、という性質がある。このように、板状構造体１００の厚みを変えることにより、共振周波数ｆｒの値を調整することができる。
このような基本原理は、図４に示す基本構造体にも適用でき、板状構造体１１０を薄くすると共振周波数を下げることができ、板状構造体１１０を厚くすると共振周波数を上げることができる。図４に示す例の場合、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の厚みをそれぞれｔ１，ｔ２，ｔ３とすれば、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３のような設定がなされている。このような設定を行うと、板状構造体１１０を均一の厚みをもった板で構成した場合（ｔ１＝ｔ２＝ｔ３とした場合）と比べて、区画端点Ｔ３の共振周波数ｆｒ３は下がり、区画端点Ｔ１の共振周波数ｆｒ１は上がることになる。これは、図７（ａ）に示すように、３つのピーク波形の分布範囲を広げ、より広い周波数帯域Ｒ２を確保するための設定に相当する。
＜＜＜ §３． 電荷発生素子および発電回路 ＞＞＞
図３に示す発電素子１０００では、電荷発生素子４００および発電回路５００をブロック図として示したが、ここでは、これらについての具体的な実施例を述べる。まず、電荷発生素子４００についての説明を行う。前述したとおり、台座３００に外部振動が加わると、板状構造体１１０が撓んで変形することにより、各重錘体２１１，２１２，２１３が振動する。電荷発生素子４００は、板状構造体１１０の変形に基づいて電荷を発生させる構成要素である。
電荷発生素子４００としては、たとえば、エレクトレットなどを用いることも可能であるが、図３に示す基本構造体については、層状の圧電素子を板状構造体１１０の表面に形成するのが好ましい。以下に述べる実施例は、この電荷発生素子４００として圧電素子を用いた例であり、下部電極層、圧電材料層、上部電極層の３層構造によって圧電素子を構成している。
図８（ａ）は、図３に示す発電素子１０００の基本構造体に、電荷発生素子４００として圧電素子を形成した状態を示す上面図であり、図８（ｂ）はこれをＹＺ平面で切断した側断面図である（発電回路５００の図示は省略）。別言すれば、図４（ａ），図４（ｂ）に示す基本構造体に圧電素子４００を付加した状態が、図８（ａ），図８（ｂ）に示されている。圧電素子４００の３層構造は、図８（ｂ）の側断面図に明瞭に示されている。すなわち、圧電素子４００は、板状構造体１１０の表面に形成された下部電極層４１０と、この下部電極層４１０の上面に形成され、応力に基づいて電荷を発生させる圧電材料層４２０と、この圧電材料層４２０の上面に形成された上部電極層４３０（実際には、３枚の個別上部電極層４３１，４３２，４３３）と、によって構成されている。
圧電材料層４２０は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有している。具体的には、圧電材料層４２０は、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）などの圧電薄膜によって構成することができる。あるいは、バルク型圧電素子を用いるようにしてもかまわない。各電極４１０，４３０は、導電性材料であれば、どのような材料で構成してもかまわないが、実用上は、たとえば、金、白金、アルミニウム、銅などの金属層によって構成すればよい。
なお、電荷発生素子４００として上述したような圧電素子を用いる場合は、板状構造体１１０としてシリコン基板を用いるのが最適である。これは、一般に、現在の製造プロセスをよって、金属基板の上面に圧電素子を形成した場合と、シリコン基板の上面に圧電素子を形成した場合とを比較すると、前者の圧電定数に比べて後者の圧電定数の方が３倍程度大きな値になり、後者の方の発電効率が圧倒的に高くなるためである。これは、シリコン基板の上面に圧電素子を形成すると、圧電素子の結晶の配向が揃うためと考えられる。
台座３００に外部振動が与えられると、板状構造体１１０の撓みにより圧電材料層４２０の各部に応力が加わる。その結果、圧電材料層４２０の厚み方向に分極が生じ、上部電極層４３０および下部電極層４１０に電荷が発生する。別言すれば、圧電素子４００は、外部振動に基づいて、下部電極層４１０および上部電極層４３０にそれぞれ所定極性の電荷を供給する機能を果たす。図には示されていないが、各電極層と発電回路５００との間には配線が施されており、圧電素子４００が発生させた電荷は発電回路５００によって電力として取り出されることになる。
図８（ｂ）の側断面図に示されているとおり、下部電極層４１０および圧電材料層４２０は、板状構造体１１０の上面全面に形成されているのに対して、上部電極層４３０は、３枚の個別上部電極層４３１，４３２，４３３によって構成されている。これは、電荷発生素子４００として機能する圧電素子は、板状構造体１１０の変形を生じる部分に接合されていれば十分であるためである。図８（ａ）の上面図に示すとおり、板状構造体１１０、下部電極層４１０、圧電材料層４２０の平面形状は全く同じであり、上方から観察すると、板状構造体１１０および下部電極層４１０（図では、符合を括弧書きで示した）は、圧電材料層４２０の下方に隠れた状態になっている。
結局、下部電極層４１０および圧電材料層４２０は、全区画パートＳ１〜Ｓ３にわたって形成された共通層としての役割を果たすが、個別上部電極層４３１，４３２，４３３は、それぞれ区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に配置された個別の電極層としての役割を果たすことになる。その結果、圧電素子としては、各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ独立した素子が配置されていることになる。個別上部電極層４３１，４３２，４３３の占有領域は、板状構造体１１０が撓みを生じる領域、すなわち、重錘体２１１，２１２，２１３が接合されていない領域になっている。このような配置を採用すれば、圧電材料層４２０に生じた電荷を効率的に取り出すことが可能になる。
もっとも、各電極層から取り出される電荷の極性は、時々刻々と変化する。これは、板状構造体１１０が振動すると、圧電材料層４２０の各部に加わる応力の向き（圧縮方向応力か、伸張方向応力か）が変化し、それに応じて、発生電荷の極性が変化するためである。したがって、各電極層に発生した電荷を取り出して電力として利用するためには、発電回路５００によって、発生した電荷に基づいて生じる電流を整流する必要がある。
図９は、このような整流機能を有する発電回路５００の具体的な構成を示す回路図である。図９において、左側に示されている符合「４１０，４２０，４３１，４３２，４３３」は、それぞれ図８に示す下部電極層４１０，圧電材料層４２０，個別上部電極層４３１，４３２，４３３であり、個別上部電極層４３１，４３２，４３３に発生した電荷および下部電極層４１０に発生した電荷に基づいて生じる電流が、整流素子（ダイオード）によって整流されることになる。
この回路図において、Ｄ１（＋），Ｄ２（＋），Ｄ３（＋）は整流素子（ダイオード）であり、それぞれ個別上部電極層４３１，４３２，４３３に発生した正電荷を取り出す役割を果たす。また、Ｄ１（−），Ｄ２（−），Ｄ３（−）も整流素子（ダイオード）であり、それぞれ個別上部電極層４３１，４３２，４３３に発生した負電荷を取り出す役割を果たす。同様に、Ｄ０（＋）は下部電極層４１０に発生した正電荷を取り出す役割を果たす整流素子（ダイオード）であり、Ｄ０（−）は下部電極層４１０に発生した負電荷を取り出す役割を果たす整流素子（ダイオード）である。
一方、Ｃｆは平滑用の容量素子（コンデンサ）であり、その正極端子（図の上方端子）には取り出された正電荷が供給され、負極端子（図の下方端子）には取り出された負電荷が供給される。この容量素子Ｃｆは、発生電荷に基づく脈流を平滑化する役割を果たし、重錘体の振動が安定した定常時には、容量素子Ｃｆのインピーダンスはほとんど無視しうる。容量素子Ｃｆに並列接続されているＺＬは、この発電素子１０００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。
結局、この発電回路５００は、平滑用の容量素子Ｃｆと、各個別上部電極層４３１，４３２，４３３に発生した正電荷を容量素子Ｃｆの正極側へ導くために各個別上部電極層４３１，４３２，４３３から容量素子Ｃｆの正極側へ向かう方向を順方向とする正電荷用整流素子Ｄ１（＋），Ｄ２（＋），Ｄ３（＋）と、各個別上部電極層４３１，４３２，４３３に発生した負電荷を容量素子Ｃｆの負極側へ導くために容量素子Ｃｆの負極側から各個別上部電極層４３１，４３２，４３３へ向かう方向を順方向とする負電荷用整流素子Ｄ１（−），Ｄ２（−），Ｄ３（−）と、を有し、振動エネルギーから変換された電気エネルギーを容量素子Ｃｆにより平滑化して供給する機能を果たすことになる。
この回路図において、負荷ＺＬには、正電荷用整流素子Ｄ１（＋），Ｄ２（＋），Ｄ３（＋）で取り出された正電荷と、負電荷用整流素子Ｄ１（−），Ｄ２（−），Ｄ３（−）で取り出された負電荷とが供給されることになる。したがって、原理的には、個々の瞬間において、各個別上部電極層４３１，４３２，４３３に発生する正電荷の総量と負電荷の総量とが等しくなるようにすれば、最も効率的な発電が可能になる。したがって、実用上、発電素子１０００の構造部分は、図８に示すとおり、ＹＺ平面に関して面対称となる対称構造にするのが好ましい。
なお、図８には、図３に示す発電素子１０００についての代表的な圧電素子の配置を例示したが、実際には、その用途に応じて、個々の圧電素子を最適な位置に配置するようにするのが好ましい。一般に、細長い板状構造体には、その節点の数に応じて複数の共振モードが定義されており、個々の共振モードごとにそれぞれ共振周波数が異なる。これまで述べてきた例は、板状構造体１１０が１次共振モードで振動している代表的な例であるが、実際には、板状構造体１１０は、より高次の共振モードで振動することもある。
図１０は、一般的な板状構造体の共振モードのいくつかの例を示す模式図であり、水平線を基準位置としたときの板状構造体の変形態様が示されている。図の曲線が板状構造体を示しており、左端（根端部）が固定され、右端（先端部）が自由端となっている。図には、各変形状態において、板状構造体の上面に作用する応力の方向を矢印で示した。具体的には、白い矢印は上面に「長手方向に伸びる応力」が作用することを示し、黒い矢印は上面に「長手方向に縮む応力」が作用することを示している。
図１０（ａ）は１次共振モードの変形態様を示しており、全体的に上方に凸となるなだらかな曲線が描かれている。このような変形状態では、板状構造体の上面にはその長手方向に伸びる応力が作用する（白い矢印参照）。なお、板状構造体の下面には、逆に、長手方向に縮む応力が作用するが、ここでは、上面の伸縮のみに着目する。
一方、図１０（ｂ）は２次共振モードの変形態様を示しており、根端部近傍では下方に凸となるなだらかな曲線になるが、その先は、上方に凸となるなだらかな曲線になる。その結果、板状構造体の根端部上面には長手方向に縮む応力が作用し（黒い矢印参照）、その先の上面には長手方向に伸びる応力が作用する（白い矢印参照）。同様に、図１０（ｃ）は３次共振モードの変形態様を示しており、曲線はより複雑な形状をなし、部分的に縮む応力（黒い矢印参照）や、伸びる応力（白い矢印参照）が作用する。図示は省略するが、４次以上の共振モードでは、板状構造体の変形態様は更に複雑になる。
この図１０に示す共振モードは、図１に例示するような単純な共振系における板状構造体１００についてのものであり、一般に、共振モードの次数が高くなるほど、共振周波数も高くなる。この単純な共振系における共振モードを、図３に示す板状構造体１１０の場合にそのまま当てはめることはできないが、いずれにしても、図３に示す板状構造体１１０の変形態様は、外部環境から与えられる振動の周波数に応じて様々に変化し、各部に加わる応力の方向も変化することになる。
ここで留意すべき点は、電荷発生素子４００として圧電素子を用いた場合、発生電荷の極性が、応力の方向に基づいて逆転する点である。たとえば、伸びる応力（図１０の白矢印）が加わったときに、上部電極層４３０に正電荷、下部電極層４１０に負電荷を発生させる分極特性をもつ圧電材料層４２０を用いた場合、逆に、縮む応力（図１０の黒矢印）が加わると、発生電荷の極性も逆転することになる。このような点を考慮すると、上部電極層４３０は、できるだけ細かい個別上部電極層に分けて構成するのが好ましい。
図１１は、図３に示す発電素子１０００のバリエーションを示す上面図であり、それぞれ上部電極層４３０の構成が若干異なっている。すなわち、発電素子１０００では、図８（ａ）に示すように、各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ個別上部電極層４３１，４３２，４３３を配置しているが、図１１（ａ）に示す発電素子１００１では、単一の上部電極層４３０のみを設けている。もちろん、単一の上部電極層４３０のみを設けた発電素子１００１は構造が単純になるが、共振モードによっては、同一の上部電極層４３０に逆極性の電荷が発生して、互いに打ち消しあって消滅してしまい、発電ロスを生じる可能性がある。たとえば、図１０（ａ）に示す１次共振モードで振動している場合は、全領域にわたって同極性の電荷が発生するので問題はないが、図１０（ｂ）に示す２次共振モードや図１０（ｃ）に示す３次共振モードで振動している場合は、上部電極層４３０において逆極性の電荷が混在し、発電ロスを生じることになる。
一方、図１１（ｂ）に示す発電素子１００２は、図８（ａ）に示す発電素子１０００における個別上部電極層４３１，４３２，４３３を、更に、根端部側と先端部側とに分割した例である。すなわち、区画パートＳ１には、根端部側の個別上部電極層４３１ａと先端部側の個別上部電極層４３１ｂとが設けられている。これらの電極は別個独立した電極であるため、それぞれに逆極性の電荷が発生したとしても、それぞれ別個の整流素子を通して利用すれば、発電ロスは生じない。したがって、同じ区画パートＳ１において、根端部側と先端部側とで伸縮態様の逆転が生じるような共振モードで振動した場合でも、問題は生じない。区画パートＳ２，Ｓ３についても同様である。
以上、板状構造体１１０の共振モードに応じて、各部の発生電荷の極性が様々に変化する可能性がある説明を行ったが、実は、発生電荷の極性は、振動方向によっても変化することになる。これまで、台座３００に対してＺ軸方向への振動エネルギーが加えられ、各重錘体２１１，２１２，２１３がＺ軸方向に振動している代表的な場合について説明したが、実利用環境では、必ずしもＺ軸方向の振動エネルギーのみが与えられるわけではなく、Ｘ軸方向やＹ軸方向の振動エネルギーも与えられることになる。図３に示す板状構造体１１０は、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向やＹ軸方向にも撓むことができ、各重錘体２１１，２１２，２１３は、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向やＹ軸方向にも振動可能である。
たとえば、図３に示す発電素子１０００の台座３００に、Ｘ軸方向の振動エネルギーが与えられたとすると、各重錘体２１１，２１２，２１３は、ＸＹ平面に沿ってＺ軸を中心軸とした揺動運動を行うことになる。ここで、板状構造体１１０について、Ｙ軸を中心軸として左側に位置する左脇部分（負のＸ座標値をもつ領域部分）と、右側に位置する右脇部分（正のＸ座標値をもつ領域部分）と、を定義すると、上記揺動運動を行っている状態では、左脇部分と右脇部分との伸縮関係は逆になる。したがって、図１１（ａ）に示す発電素子１００１のように、単一の上部電極層４３０のみしか設けられていない場合、左脇部分で発生した電荷と右脇部分で発生した電荷とは逆極性になるので、発電ロスが生じることになる。
図１１（ｃ）に示す発電素子１００３は、このような問題に対処可能な電極配置を採用した例であり、図１１（ａ）に示す発電素子１００１における単一の上部電極層４３０を、左脇個別上部電極層４３０Ｌと右脇個別上部電極層４３０Ｒとに分割した例である。これらの電極は別個独立した電極であるため、それぞれに逆極性の電荷が発生したとしても、それぞれ別個の整流素子を通して利用すれば、発電ロスは生じない。
図１１（ｄ）に示す発電素子１００４は、図１１（ｂ）に示す発電素子１００２の電極配置の特徴と図１１（ｃ）に示す発電素子１００３の電極配置の特徴とを組み合わせた例である。たとえば、区画パートＳ１には、根端部側の左脇個別上部電極層４３１Ｌａ、先端部側の左脇個別上部電極層４３１Ｌｂ、根端部側の右脇個別上部電極層４３１Ｒａ、先端部側の左脇個別上部電極層４３１Ｒｂが設けられている。これらの電極は別個独立した電極であるため、それぞれに逆極性の電荷が発生したとしても、それぞれ別個の整流素子を通して利用すれば、発電ロスは生じない。したがって、外部振動として様々な方向成分をもった振動エネルギーが与えられ、板状構造体１１０が様々な共振モードで振動した場合であっても、発電ロスを抑えて効率的な発電を行うことができる。
要するに、板状構造体１１０の表面に共通下部電極層４１０を形成し、この共通下部電極層４１０の上面に共通圧電材料層４２０を形成し、更に、この共通圧電材料層４２０の上面の異なる箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の個別上部電極層を形成する構成を採用する場合は、板状構造体１１０が特定の変形（実利用環境で想定される特定方向への振動が加えられた場合の変形）を生じた時点において、各個別上部電極層に、それぞれ圧電材料層４２０から同一極性の電荷が供給されるように、各個別上部電極層の構成および配置を工夫すればよい。
もっとも、図１１（ａ）に示す単一の上部電極層４３０を有する発電素子１００１に比べると、図１１（ｄ）に示す１２枚の個別上部電極層を有する発電素子１００４は、構造が複雑になり、配線工程も複雑になるため、製造コストの高騰を招くことになる。したがって、たとえば、外部から与えられる振動エネルギーとして、Ｚ軸方向成分のみを想定し、板状構造体１１０の共振モードとして１次共振モードのみを想定すればよい用途の場合は、図１１（ａ）に示す発電素子１００１を用いれば十分である。
＜＜＜ §４． 第１の実施形態の変形例１（Ｕ字状重錘体） ＞＞＞
ここでは、本発明に係る発電素子に適した、より好ましい重錘体の構造について述べる。図３に示す第１の実施形態に係る発電素子１０００では、基準軸Ｙに沿って並んで配置された３組の重錘体２１１，２１２，２１３が用いられている。これらの重錘体はいずれも直方体形状をしており、その上面が板状構造体１１０の下面に接合されている。与えられた振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換する上では、重錘体の質量はできるだけ大きい方が好ましい。そのためには、ＳＵＳ（鉄），銅，タングステン，シリコン、セラミック，ガラスなど、比重の大きな材料を用いて重錘体を構成するともに、その体積をできるだけ大きくするのが好ましい。
もっとも、本発明の第１の実施形態を実施する上では、複数の重錘体を、基準軸Ｙに沿って所定間隔をあけて並べて配置する、という条件が必要である。既に述べたとおり、このような条件を満たすことにより、それぞれ異なる共振周波数をもつ複数の重錘体の振動が、板状構造体１１０を介して相互に影響を与え、発電可能な周波数帯域を広げるという効果が得られることになる。
このような観点から重錘体の好ましい構造を探求した結果、本願発明者は、上記条件を満たしつつ、個々の重錘体について十分な体積を確保することができる理想的な構造の着想に至った。この§４では、この理想的な重錘体の構造について説明する。
図１２（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１に係る発電素子１０１０の基本構造体の上面図であり、図１２（ｂ）はこれをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子１０１０は、図３に示す発電素子１０００の３組の重錘体２１１，２１２，２１３を、より好ましい構造を有する３組の重錘体２１４，２１５，２１６に置き換えたものに相当する。なお、説明の便宜上、電荷発生素子（圧電素子）４００および発電回路５００の図示は省略する。また、この図１２に示す発電素子１０１０における板状構造体１１０および台座３００の構造は、図３に示す発電素子１０００における板状構造体１１０および台座３００の構造と同一であるため、以下、３組の重錘体２１４，２１５，２１６の構造についての説明のみを行うことにする。
ここでも、基準軸Ｙを中心軸として、左側と右側を定義する。具体的には、説明の便宜上、負のＸ座標値をもつ側を左側と呼び、正のＸ座標値をもつ側を右側と呼ぶことにする。そうすると、区画パートＳ１に設けられた重錘体２１４は、板状構造体１１０の下面に接合された中央接合部２１４Ｃと、中央接合部２１４Ｃの左側に接続された左翼状部２１４Ｌと、中央接合部２１４Ｃの右側に接続された右翼状部２１４Ｒと、を有している。しかも、左翼状部２１４Ｌおよび右翼状部２１４Ｒは、基準軸Ｙに沿った同一方向に伸び、中央接合部２１４Ｃ、左翼状部２１４Ｌ、右翼状部２１４Ｒによって構成される重錘体が、Ｕ字状をなしている。
特に、図示の例の場合、中央接合部２１４Ｃの上面全面が板状構造体１１０の下面に接合されており、平面的に見た場合、左翼状部２１４Ｌは板状構造体１１０の左側輪郭線から左外側に突き出してＹ軸負方向（根端部側）に伸びており、右翼状部２１４Ｒは板状構造体１１０の右側輪郭線から右外側に突き出してＹ軸負方向（根端部側）に伸びている。もちろん、左翼状部２１４Ｌおよび右翼状部２１４Ｒは、板状構造体１１０の左右の輪郭線から外側に突き出してＹ軸正方向（先端部側）に伸びるような構造でもかまわないが、図示の例のように、中央接合部２１４Ｃを区画パートＳ１の先端部側に接合した場合は、Ｙ軸負方向（根端部側）に伸びるような構造を採用した方が、スペースを有効活用できるために好ましい。
同様に、重錘体２１５は、中央接合部２１５Ｃ、左翼状部２１５Ｌ、右翼状部２１５Ｒを有するＵ字状構造体であり、重錘体２１６は、中央接合部２１６Ｃ、左翼状部２１６Ｌ、右翼状部２１６Ｒを有するＵ字状構造体である。図示の例は、３組の重錘体をすべてＵ字状構造体としているが、もちろん、一部のみをＵ字状構造体としてもよい。また、図示の例は、３組の重錘体の平面形状が同一になっているが、必要に応じて（たとえば、後述するように、質量を調整するために）、各重錘体の形状や寸法を異らせるようにしてもかまわない。
このように、重錘体をＵ字状構造体によって構成すると、板状構造体１１０に対しては、各中央接合部２１４Ｃ，２１５Ｃ，２１６Ｃの部分が接合されるため、複数の重錘体が、基準軸Ｙに沿って所定間隔をあけて並べて配置されている、という条件を満足することができる。しかも、Ｕ字状構造体全体の質量が振動に関与する重錘体の質量になるため、重錘体の質量をできるだけ大きくし、発電効率を向上させる、という効果が得られる。また、Ｕ字状構造を採用しているため、スペースを有効活用でき、発電素子全体の外形寸法を抑制させることができる。
参考のため、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す発電素子１０１０の各部の寸法を、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に例示しておく。もちろん、図１３に示された寸法は、本願発明者が試作した発電素子１０１０の実寸法を一例として示すものであり、本発明を実施するにあたって、各部の寸法は、図１３に示す寸法に何ら制限を受けるものではない。
＜＜＜ §５． 第１の実施形態の変形例２（幅による調整） ＞＞＞
続いて、図３に示す第１の実施形態に係る発電素子１０００の別な変形例の１つを説明する。図３に示す発電素子１０００の板状構造体１１０は、図示のとおり、基準軸Ｙに沿って並んだ複数の区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に分割されており、個々の区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３ごとに、それぞれ厚みが異なっている（それぞれ異なる厚みｔ１，ｔ２，ｔ３が設定されている。）。しかも、複数の重錘体２１１，２１２，２１３が、それぞれ異なる区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の下面に接合されている。
既に述べたとおり、図４に示されている基本構造体は、台座３００，板状接続部Ｊ１，重錘体２１１，板状接続部Ｊ２，重錘体２１２，板状接続部Ｊ３，重錘体２１３という順序で各構成要素が接続された構造体である。そして、図示の例の場合、板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の厚みは、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３に設定されており、最も根端部に近い位置に配置された板状接続部Ｊ１から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部Ｊ３にゆくに従って、厚みが単調減少してゆく設定がなされている。このように、各板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の厚みを変える理由は、§２で図６および図７を用いて説明したとおり、各重錘体２１１，２１２，２１３の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３をその用途に応じて調整するためである。
各板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の厚み増減させると、それぞれ共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３をシフトさせることができるので、用途に応じた周波数特性をもつ発電素子を自由に設計することが可能になる。特に、根端部側から先端部側にゆくに従って、厚みを単調減少させるような設計や、逆に、単調増加させるような設計を行えば、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３の分布範囲を広げたり、あるいは、狭めたりするような系統的な調整が可能になる。
工業製品としての発電素子は、通常、特定の用途向けの製品として市場に提供されることになるので、個々の用途に応じた周波数特性をもつ発電素子を設計することは非常に重要である。このため、発電素子の設計時に、各板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の厚みｔ１，ｔ２，ｔ３を増減させることにより、各重錘体２１１，２１２，２１３の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３を適切な値に調整することは非常に重要になる。ただ、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３の調整は、必ずしも各板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の厚みｔ１，ｔ２，ｔ３の調整によって行う必要はなく、別なパラメータの調整によって行うことも可能である。そのようなパラメータの１つは、各板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の幅ｗ１，ｗ２，ｗ３である。
この§５では、これまで述べてきた第１の実施形態の変形例２として、板状構造体の各部の幅を変えることにより、各重錘体の共振周波数の調整を行う例を説明する。図１４（ａ）は、変形例１に係る発電素子１０２０の基本構造体の上面図、図１４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。なお、発電素子１０２０の構成要素である電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略されているが、実際には、図示されている基本構造体には、たとえば、図８に例示したように、電荷発生素子４００としての圧電素子が形成され、発電回路５００により電力が取り出されることになる。また、板状構造体１２０の幅広になった根端部を固定するため、台座３１０としては、これまでの台座３００に比べて若干幅の広いものが用いられている。
図１４（ａ），図１４（ｂ）に示すとおり、この変形例の場合も、板状構造体１２０は基準軸Ｙに沿って３つの区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に分けられる。そこで、ここでも、個々の区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３のうち、重錘体２２１，２２２，２２３が接合されていない部分を板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３と呼ぶことにする。この変形例の特徴は、３つの区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３について、板状構造体１２０の厚みｔは同一であるが、幅ｗが異なっている点である。
すなわち、図１４（ａ）に示すとおり、板状構造体１２０は基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸びる板状の部材であり、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の平面形状はいずれも矩形状をしており、その長さｙ（Ｙ軸方向の寸法）および厚みｔ（Ｚ軸方向の寸法）は同一であるものの、幅ｗ（Ｘ軸方向の寸法）がそれぞれ異なっている。具体的には、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の幅（板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の幅）は、それぞれｗ１，ｗ２，ｗ３となっており、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３なる関係になっている。
一般に、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系の場合、板状構造体１００の幅ｗと重錘体２００の共振周波数ｆｒとの関係は、幅ｗが狭いほど共振周波数ｆｒは低くなり、幅ｗが広いほど共振周波数ｆｒは高くなる。したがって、図１４に示す変形例のように、板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の幅が、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３となるようにし、最も根端部に近い位置に配置された板状接続部Ｊ１から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部Ｊ３にゆくに従って、幅が単調減少してゆく設定を行えば、先端部に近い位置に接合された重錘体の共振周波数を低減させる調整効果が得られることになる。
要するに、図４に示す実施例では、板状構造体１１０の厚みを、根端部側から先端部側にゆくに従って単調減少させる設計（逆に、単調増加させる設計でもよい）を行っていたのに対して、図１４に示す変形例では、板状構造体１２０の幅を、根端部側から先端部側にゆくに従って単調減少させる設計（逆に、単調増加させる設計でもよい）を行うことになる。いずれの例でも、各重錘体の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３をその用途に応じて調整することが可能になる。
なお、図１４に示す変形例の場合、重錘体２２１，２２２，２２３の幅も増減させる構成を採用しているため、重錘体２２１，２２２，２２３の質量も根端部側から先端部側にゆくに従って単調減少することになる。もちろん、各重錘体２２１，２２２，２２３の幅を同一にし、質量を同一にしてもかまわない。なお、各重錘体の質量を変化させると、各重錘体の共振周波数が変化するため、各重錘体の質量により共振周波数の調整を行うこともできるが、このような調整方法については後述する（実際、図１４に示す例の場合、板状構造体１２０の幅による共振周波数の調整効果と、各重錘体の質量の違いによる共振周波数の調整効果と、の相乗効果によって最終的な調整がなされる。）。
もちろん、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の幅（板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の幅）は、必ずしも根端部側から先端部側にゆくに従って単調減少もしくは単調増加する構成にする必要はない。要するに、板状構造体１２０が、基準軸Ｙに沿って並んだ複数の区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に分割されており、個々の区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３ごとに、それぞれ幅ｗ１，ｗ２，ｗ３が異なっているようにし、複数の重錘体２２１，２２２，２２３が、それぞれ異なる区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に接合されているようにすれば、共振周波数の調整を行うことができる。
＜＜＜ §６． 第１の実施形態の変形例３（装置筐体への収容） ＞＞＞
ここでは、これまで述べてきた発電素子の基本構造体を装置筐体に収容した変形例を述べる。本発明に係る発電素子は、振動を生じる板状構造体を有しているため、使用中に何らかの異物が板状構造体に接触することがないように、全体を装置筐体に収容するのが好ましい。ここでは、過度の外部振動が加わった場合に、基本構造体を破損から保護することが可能な制御部材としての機能を備えた装置筐体を例示する。
図１５（ａ）は、図１４に示す変形例２に係る発電素子１０２０を装置筐体６００に収容することにより構成される発電素子１０３０を示す横断面図、図１５（ｂ）はその側断面図である。図１５（ａ）に示す横断面図は、この発電素子１０３０をＸＹ平面よりわずか上に位置する平面で切断した図であり、図１５（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した図である。
なお、図１５において、装置筐体６００に収容されている基本構造体は、図１４に示す変形例２に係る発電素子１０２０そのものではなく、３組の重錘体２２１，２２２，２２３を、Ｕ字状重錘体２３１，２３２，２３３に置き換えたものである。図１５に示す板状構造体１３０は、図１４に示す板状構造体１２０と全く同等のものであり、異なる幅ｗ１，ｗ２，ｗ３をもった区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３によって構成されている。ただ、各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の下面には、それぞれＵ字状重錘体２３１，２３２，２３３が接合されている。このＵ字状重錘体２３１，２３２，２３３の構造については、既に§４で説明したため、ここでは詳しい説明は省略するが、いずれも中央接合部、左翼状部、右翼状部を有しており、中央接合部の上面が板状構造体１３０の下面に接合され、左翼状部および右翼状部が、板状構造体１３０の輪郭線から左右外側へと突き出す構造を有している。
また、§３で述べたように、実際には、板状構造体１３０の上面には、圧電素子などの電荷発生素子４００が設けられており、発生した電荷を電力として取り出すための発電回路５００も設けられているが、図１５では、これらの構成要素４００，５００についての図示は省略する。
装置筐体６００は、この基本構造体（板状構造体１３０およびこれに接合された重錘体２３１，２３２，２３３）を収容する直方体をなし、図１５（ａ）の横断面図に示されているとおり、台座壁部６１０、左側壁部６２０、対向壁部６３０、右側壁部６４０を有し、更に、図１５（ｂ）の側断面図に示されているとおり、上方壁部６５０、下方壁部６６０を有している。結局、この基本構造体は、前後左右上下の６方向に配置された各壁部６１０〜６６０によって囲われた空間内に収容されている。
しかも、台座壁部６１０は、これまで述べてきた例における台座３１０として機能し、板状構造体１３０の根端部は、この台座壁部６１０に固定されている。要するに、台座３１０が装置筐体６００の一部として組み込まれてしまっていることになる。もちろん、これまで述べてきた例のように、板状構造体１３０の根端部を台座３１０によって固定し、この台座３１０を装置筐体６００の内面に固定するようにしてもかまわない。
ここに示す発電素子１０３０の特徴は、装置筐体６００の内面と、板状構造体１３０および重錘体２３１，２３２，２３３の外面との間に、所定の空間ＳＰが確保されている点である。空間ＳＰは、基本構造体の前後左右上下の６方向に設けられており、板状構造体１３０および重錘体２３１，２３２，２３３は、この空間ＳＰの範囲内で自由に変位することができる。したがって、装置筐体６００に加えられた外部振動の大きさが所定の基準レベル以下である場合には、この外部振動に応じて、板状構造体１３０および重錘体２３１，２３２，２３３は、この空間ＳＰ内で振動して発電を行うことができる。ところが、外部振動の大きさがこの所定の基準レベルを超えた場合には、外部振動に応じて、板状構造体１３０および重錘体２３１，２３２，２３３が装置筐体６００の内面に接触し、それ以上の変位が制限されることになる。
もちろん、発電効率を高める、という観点からは、板状構造体１３０および重錘体２３１，２３２，２３３の変位は制御するべきではない。一般的には、大きな変位が生じれば、板状構造体１３０は大きく撓み、圧電素子などの電荷発生素子４００は、より大きな電荷を発生することができる。しかしながら、板状構造体１３０に対して、その弾性限界を超えるような過度の変位が生じると、板状構造体１３０が破損する可能性があり、発電素子１０３０として機能しなくなるおそれがある。そこで、実用上は、板状構造体１３０が破損するような過度の変位が生じないように、装置筐体６００の内面と、板状構造体１３０および重錘体２３１，２３２，２３３の外面との間の空隙寸法を所定の基準値に設定し、基準レベルを超えた外部振動が加えれらた場合には、板状構造体１３０および重錘体２３１，２３２，２３３が装置筐体６００の内面に接触し、それ以上の変位が生じないようにしておくのが好ましい。
＜＜＜ §７． 第１の実施形態のその他の変形例 ＞＞＞
続いて、図３に示す第１の実施形態に係る発電素子１０００についての更にいくつかの変形例を述べておく。
＜７−１．各区画パートの長さによる共振周波数の調整＞
§２では、本発明の第１の実施形態として、板状構造体１１０の各区画パートＳ１〜Ｓ３の厚みｔ（Ｚ軸方向の寸法）を変えることにより、各重錘体の共振周波数の調整を行う例を説明し（図４参照）、§５では、その変形例として、板状構造体１２０の各区画パートＳ１〜Ｓ３の幅ｗ（Ｘ軸方向の寸法）を変えることにより、各重錘体の共振周波数の調整を行う例を説明した（図１４参照）。ここでは、更に別な変形例として、板状構造体１４０の各区画パートＳ１〜Ｓ３の長さｙ（Ｙ軸方向の寸法）を変えることにより、各重錘体の共振周波数の調整を行う例を、図１６を参照しながら説明する。
図１６（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例４に係る発電素子１０４０の基本構造体の上面図、図１６（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。この発電素子１０４０の場合、板状構造体１４０の厚みｔおよび幅ｗは一定であるが、各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の長さが、それぞれｙ１，ｙ２，ｙ３と異なっている。図示の例の場合、ｙ１＜ｙ２＜ｙ３となっており、根端部側から先端部側にゆくに従って、各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の長さは単調増加している。
要するに、この変形例４の場合、板状構造体１４０が、基準軸Ｙに沿って並んだ複数の区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に分割されており、個々の区画パートごとに、それぞれ長さｙ１，ｙ２，ｙ３が異なっており、複数の重錘体２４１，２４２，２４３が、それぞれ異なる区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３に接合されていることになる。その結果、各重錘体２４１，２４２，２４３の配置は等間隔ではなくなり、板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の長さも、Ｊ１＜Ｊ２＜Ｊ３というように、最も根端部に近い位置に配置された板状接続部から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部にゆくに従って、長さが単調増加することになる（逆に、単調減少するような配置をとることも可能である）。
各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の長さｙ１，ｙ２，ｙ３は、各重錘体２４１，２４２，２４３についての共振系の長さにそのまま対応するものではないが、重錘体２４１の共振系の長さＬ１は、Ｌ１＝ｙ１であり、重錘体２４２の共振系の長さＬ２は、Ｌ２＝ｙ１＋ｙ２であり、重錘体２４３の共振系の長さＬ３は、Ｌ３＝ｙ１＋ｙ２＋ｙ３であるため、結局、各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の長さｙ１，ｙ２，ｙ３は、各共振系の長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３を決定するパラメータになる。
既に述べたとおり、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系の場合、板状構造体１００の長さＬと重錘体２００の共振周波数ｆｒとの関係は、長さＬが長いほど共振周波数ｆｒは低くなり、長さＬが短いほど共振周波数ｆｒは高くなる。したがって、図１６に示す変形例のように、各区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の長さｙ１，ｙ２，ｙ３を適切に設定すれば、各重錘体２４１，２４２，２４３の共振周波数をそれぞれシフトさせる調整を行うことが可能になる。特に、根端部側から先端部側にゆくに従って、各区画パートや各板状接続部の長さを単調減少あるいは単調増加させるような設計を行えば、共振周波数の分布範囲を広げたり、あるいは、狭めたりするような系統的な調整が可能になる。
＜７−２．厚みを連続的に変化させる変形例＞
図４に示す第１の実施形態に係る発電素子１０００では、板状構造体１１０の各区画パートＳ１〜Ｓ３の厚みｔを変化させる例を示した。すなわち、図４（ｂ）に示されているように、板状構造体１１０の厚みは、ｔ１，ｔ２，ｔ３と段階的に変化している。ここでは、厚みｔを連続的に変化させる変形例を説明する。
図１７（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例５に係る発電素子１０５０の基本構造体の上面図、図１７（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。この発電素子１０５０の場合、図１７（ａ）に示すように、板状構造体１５０の幅ｗは一定であるが、図１７（ｂ）に示すように、板状構造体１５０の厚みｔは、基準軸Ｙに沿って徐々に減少してゆき、厚み方向の切断面が台形状をなす構造になっている。このため、板状構造体１５０の底面は傾斜面を構成し、重錘体２５１，２５２，２５３は、この傾斜面に接合されている。
もちろん、図１７に示す例とは逆に、板状構造体１５０の厚みｔが、基準軸Ｙに沿って徐々に増加してゆくような構成を採用することも可能である。この図１７に示す変形例５に係る発電素子１０５０も、個々の区画パートＳ１〜Ｓ３ごとに、それぞれ厚みが異なるという点においては、図４に示す発電素子１０００と同じであるため、各重錘体２５１，２５２，２５３の共振周波数をそれぞれシフトさせる調整を行うことが可能になる。すなわち、厚みｔの増減率を調整することにより、各共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる。
＜７−３．幅を連続的に変化させる変形例＞
図１４に示す変形例２に係る発電素子１０２０では、板状構造体１２０の各区画パートＳ１〜Ｓ３の幅ｗを変化させる例を示した。すなわち、図１４（ａ）に示されているように、板状構造体１２０の幅は、ｗ１，ｗ２，ｗ３と段階的に変化している。ここでは、幅ｗを連続的に変化させる変形例を説明する。
図１８（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例６に係る発電素子１０６０の基本構造体の上面図、図１８（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。この発電素子１０６０の場合、図１８（ｂ）に示すように、板状構造体１６０の厚みｔは一定であるが、図１８（ａ）に示すように、板状構造体１６０の幅ｗは、基準軸Ｙに沿って徐々に減少してゆき、平面形状が台形状をなす構造になっている。このため、板状構造体１６０の左右の輪郭線は傾斜し、重錘体２６１，２６２，２６３の平面形状も台形になっている（重錘体２６１，２６２，２６３の平面形状は、必ずしも台形にする必要はない。）。なお、板状構造体１６０の幅広になった根端部を固定するため、台座３１０としては、図１７に示す台座３００に比べて若干幅の広いものが用いられている。
もちろん、図１８に示す例とは逆に、板状構造体１６０の幅ｗが、基準軸Ｙに沿って徐々に増加してゆくような構成を採用することも可能である。この図１８に示す変形例６に係る発電素子１０６０も、個々の区画パートＳ１〜Ｓ３ごとに、それぞれ幅が異なるという点においては、図１４に示す発電素子１０２０と同じであるため、各重錘体２６１，２６２，２６３の共振周波数をそれぞれ増減させる調整を行うことが可能になる。すなわち、幅ｗの増減率を調整することにより、各共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる。なお、図１８に示す例では、各重錘体２６１，２６２，２６３は幅が異なり、質量も異なっているため、次に述べるように、重錘体の質量の違いに基づく共振周波数の調整効果も得られる。
＜７−４．重錘体の質量を変化させる変形例＞
これまで述べてきた例は、板状構造体の構造や各重錘体の配置を変えることにより、各重錘体の共振周波数を調整するという手法を採用したものであるが、各重錘体の共振周波数は、重錘体自身の質量を変えることによっても調整可能である。ここでは、そのような変形例を述べる。
図１９（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例７に係る発電素子１０７０の基本構造体の上面図、図１９（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。この発電素子１０７０の場合、板状構造体１７０の幅ｗおよび厚みｔは一定であるが、各重錘体２７１，２７２，２７３のサイズが異なり、その結果、質量が異なっている。すなわち、重錘体２７１は、幅（Ｘ軸方向の寸法）および高さ（Ｚ軸方向の寸法）は小さく、その質量は３組の重錘体の中で最も小さくなる。一方、重錘体２７２は幅も高さも中程度で、質量は中程度になる。そして、重錘体２７３は幅も高さも大きく、その質量は３組の重錘体の中で最も大きくなる。
一般に、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系の場合、重錘体２００の質量ｍと共振周波数ｆｒとの関係は、質量ｍが大きいほど共振周波数ｆｒは低くなり、質量ｍが小さいほど共振周波数ｆｒは高くなる。したがって、複数の重錘体を用いることを前提とした本発明の第１の実施形態に係る発電素子の場合、複数の重錘体のうちの少なくとも２組の質量が互いに異なるようにすることにより、各共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる。
＜７−５．各部の材質を変える変形例＞
次に、基本構造体の各部の材質を変えることにより、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行う例を述べておく。図２０（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例８に係る発電素子１０８０の基本構造体の上面図、図２０（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。この発電素子１０８０の場合、板状構造体１８０の幅ｗおよび厚みｔは一定であり、各重錘体２７１，２７２，２７３の形状やサイズも同一であり、その配置も等間隔である。すなわち、区画パートＳ１〜Ｓ３の幾何学的構造は同一であり、板状接続部Ｊ１〜Ｊ３の長さはすべて等しい。
このように、幾何学的には統一性を有する基本構造体であっても、各部の材質を変えることにより、各共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる。たとえば、図２０に示す変形例８の場合、板状構造体１８０は、基準軸Ｙに沿って並んだ複数の区画パートＳ１〜Ｓ３に分割されており、複数の重錘体２８１，２８２，２８３が、それぞれ異なる区画パートＳ１〜Ｓ３に接合されている。そこで、個々の区画パートＳ１〜Ｓ３ごとに、それぞれ異なる材質を用いて構成するようにすれば、各重錘体２８１，２８２，２８３の共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる。
具体的には、区画パートＳ１〜Ｓ３について、それぞれヤング率Ｅが異なる材質を用いるようにすればよい。ヤング率Ｅは歪みと応力の比例定数であり、ヤング率Ｅが小さいほど柔らかく撓みやすい性質を示し、ヤング率Ｅが大きいほど硬く撓みにくい性質を示している。たとえば、同じ金属であっても、アルミニウムのヤング率はＥ＝７０程度、チタンのヤング率はＥ＝１０７程度、鋼のヤング率はＥ＝２１０程度、タングステンのヤング率はＥ＝３４５程度、とされている。
一般に、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系の場合、板状構造体１００を構成する材質のヤング率Ｅと共振周波数ｆｒとの関係は、ヤング率Ｅが小さいほど（柔らかい材質ほど）共振周波数ｆｒは低くなり、ヤング率Ｅが大きいほど（硬い材質ほど）共振周波数ｆｒは高くなる。したがって、図２０（ｂ）に示す例において、区画パートＳ１〜Ｓ３をそれぞれヤング率Ｅの異なる金属で構成すれば、板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３のバネ定数が相互に異なるようになり、各重錘体２８１，２８２，２８３の共振周波数をシフトさせる調整が可能になる。
たとえば、最も根端部に近い位置に配置された板状接続部Ｊ１から、最も先端部に近い位置に配置された板状接続部Ｊ３にゆくに従って、当該板状接続部を構成する材質のヤング率が単調減少もしくは単調増加してゆくようにすれば、各重錘体２８１，２８２，２８３の共振周波数の分布範囲を広げたり、あるいは、狭めたりするような系統的な調整が可能になる。
また、各重錘体２８１，２８２，２８３の材質を変えることにより、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行うことも可能である。§７−４では、重錘体の質量を変化させることにより、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行う変形例７を述べた。この変形例７では、重錘体のサイズを変えることにより質量を変化させているが、重錘体の材質を変えることにより質量を変化させることも可能である。たとえば、図２０（ｂ）に示す例において、各重錘体２８１，２８２，２８３を、それぞれ比重の異なる別々の材質によって構成するようにすれば、共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる。
＜７−６．重錘体の接合位置を変える変形例＞
最後に、重錘体の接合位置を変える変形例を述べておく。図２１は、本発明の第１の実施形態の変形例９に係る発電素子１０９０の基本構造体をＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。
図２１に示す発電素子１０９０は、図４に示す発電素子１０００における各重錘体２１１，２１２，２１３の板状構造体１１０に対する接合位置を若干変更したものである。したがって、図２１に示す板状構造体１９０は、図４に示す板状構造体１１０と同一の構成要素であり、図２１に示す各重錘体２９１，２９２，２９３は、図４に示す各重錘体２１１，２１２，２１３と同一の構成要素である。これまで述べてきた種々の例では、各重錘体を板状構造体の下面に接合する際に、それぞれ対応する区画パートの最も先端部寄りの位置に配置しているが、各重錘体は、必ずしも対応する区画パートの最も先端部寄りの位置に配置する必要はなく、当該区画パート内の任意の位置に配置してかまわない。
図２１に示す変形例９では、重錘体２９１，２９２，２９３は、それぞれ対応する区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３内の任意の位置に配置されている。その結果、重錘体２９１，２９２，２９３についての各共振系の長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、図４に示す各共振系の長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３と若干異なっている。このように、共振系の長さを変えることにより、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる点は既に述べたとおりである。
＜＜＜ §８． 共振周波数の調整方法のまとめ ＞＞＞
これまで、複数の重錘体を有する基本構造体において、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整方法をいくつか述べてきた。§２で述べたとおり、本発明の第１の実施形態の最も重要な特徴は、所定の基準軸Ｙに沿って伸びる１本の板状構造体に、所定間隔をあけて複数の重錘体を接合する点である。このような構成により、重錘体の数に応じた複数のピーク波形をもった周波数特性が得られ、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られることは、既に§２で説明したとおりである。
したがって、本発明の第１の実施形態を実施する上で、各重錘体の共振周波数を調整するための何らかの工夫（板状構造体の各部の厚みや幅を変えたり、重錘体の質量を変えたりする工夫）は、必ずしも必要なものではない。別言すれば、図２０に示す発電素子１０８０において、各部の材質をすべて同一にした実施形態を採用することも可能である。
しかしながら、前述したとおり、工業製品としての発電素子は、通常、特定の用途向けの製品として市場に提供されることになるので、実用上は、個々の用途に応じた周波数特性をもつ発電素子を設計することが重要になる。そのためには、これまで述べてきた様々な工夫により、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整が必要になる。
たとえば、図６のグラフに示すような３つのピーク波形Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を有する周波数特性（発電可能な周波数帯域Ｒ１）が得られている状態において、周波数帯域をＲ２まで広げたい場合には、§２で述べたように、ピーク波形Ｐ１を示す共振系（重錘体２１１を含む系）の共振周波数ｆｒ１を右側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ３を示す共振系（重錘体２１３を含む系）の共振周波数ｆｒ３を左側にシフトさせて、図７（ａ）のグラフに示すような周波数特性を得る調整が必要になる。逆に、周波数帯域をＲ３まで狭めて、図７（ｂ）のグラフに示すような融合ピーク波形ＰＰを得たい場合には、ピーク波形Ｐ１を示す共振系の共振周波数ｆｒ１を左側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ３を示す共振系の共振周波数ｆｒ３を右側にシフトさせる調整が必要になる。
これまで、このような調整方法として、様々な工夫を述べてきた。図２２に示す表は、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系において、重錘体２００の共振周波数ｆｒを調整するための具体的な方法をまとめたものである。この表に示されている具体的な調整方法は、板状構造体１００の形状や材質を変える方法と、重錘体２００の質量を変える方法とに大別される。
前者としては、厚みｔ（Ｚ軸方向の寸法）を変える方法、幅ｗ（Ｘ軸方向の寸法）を変える方法、長さＬ（Ｙ軸方向の寸法）を変える方法、材質（ヤング率Ｅ）を変える方法が挙げられている。まず、板状構造体１００の厚みｔを薄くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、厚みｔを厚くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。同様に、板状構造体１００の幅ｗを狭くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、幅ｗを広くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。そして、板状構造体１００の長さＬ（共振系の長さ）を長くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、長さＬを短くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。最後に、板状構造体１００の材質を柔らかくすれば（ヤング率Ｅを小さくすれば）共振周波数ｆｒは低くなり、材質を硬くすれば（ヤング率Ｅを大きくすれば）共振周波数ｆｒは高くなる。
一方、後者は、重錘体の質量ｍを変える方法であり、具体的には、サイズを変える方法と材質（比重）を変える方法とがある。いずれの場合も、質量ｍを大きくすると（重くすると）共振周波数ｆｒは低くなり、質量ｍを小さくすると（軽くすると）共振周波数ｆｒは高くなる。
この図２２の表に示す調整方法は、図１に示すような単一の重錘体２００を有する共振系を前提としたものであるが、その基本原理は、複数の重錘体を有する本発明の第１の実施形態に適用することができる。具体的な適用方法は、これまでの実施例や変形例として述べたとおりである。
板状構造体の形状や材質を変える前者の方法では、変更対象として、厚みｔ、幅ｗ、長さＬ（板状接続部の長さｙ）、材質（ヤング率Ｅ）という４つのパラメータが存在するが、もちろん、これら４つのパラメータを組み合わせて変更するようにしてもかまわない。要するに、板状構造体のうち、台座とこれに隣接して配置された重錘体とを接続する部分、および、互いに隣接して配置された一対の重錘体を相互に接続する部分を、それぞれ板状接続部と呼んだときに、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータが異なるような構成にすれば、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行うことができる。
この４つのパラメータを変えることは、共振系のバネ定数を変えることに他ならない。したがって、これらのパラメータにより各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整方法を採用した発電素子は、「複数の板状接続部のうち、少なくとも２組の板状接続部のバネ定数が異なる」という固有の特徴を有していることになる。
より具体的には、各板状接続部について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、根端側端部を固定した状態において、先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに先端側端部の上記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該板状接続部のバネ定数と定義し、各板状接続部のバネ定数が異なるような板状構造体を設計すれば、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行うことができるようになる。
たとえば、図４に示す発電素子１０００の場合、板状構造体１１０には、その部分要素として、３組の板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３が含まれている。これら板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の厚みは、それぞれｔ１，ｔ２，ｔ３であり、互いに異なっているためバネ定数も互いに異なったものになる。
具体的には、板状接続部Ｊ１のバネ定数ｋ１は、根端側端部Ｏを固定した状態において、先端側端部Ｔ１に対して所定の作用方向（たとえば、Ｚ軸方向）に力Ｆを加えたときに、先端側端部Ｔ１の上記作用方向（Ｚ軸方向）に生じる変位をｄ１として、ｋ１＝Ｆ／ｄ１なる式で与えられることになる。同様に、板状接続部Ｊ２のバネ定数ｋ２は、根端側端部Ｔ１を固定した状態において、先端側端部Ｔ２に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに、先端側端部Ｔ２の上記作用方向に生じる変位をｄ２として、ｋ２＝Ｆ／ｄ２なる式で与えられることになる。また、板状接続部Ｊ３のバネ定数ｋ３は、根端側端部Ｔ２を固定した状態において、先端側端部Ｔ３に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに、先端側端部Ｔ３の上記作用方向に生じる変位をｄ３として、ｋ３＝Ｆ／ｄ３なる式で与えられることになる。
板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は、それぞれ厚みが異なるため、上記各式で定義されるバネ定数ｋ１，ｋ２，ｋ３は互いに異なった値になる。このように、板状接続部の厚みｔは、バネ定数を決定するパラメータの１つであり、個々の板状接続部ごとに、それぞれ厚みｔを変えることにより、バネ定数ｋを変えることができ、その結果、各重錘体の共振周波数を調整することができるようになる。同様に、板状接続部の幅ｗ、長さｙ、材質（ヤング率Ｅ）も、バネ定数ｋを決定するパラメータの１つであり、個々の板状接続部ごとに、それぞれ幅ｗ、長さｙ、材質（ヤング率Ｅ）を変えることにより、バネ定数ｋを変えることができ、その結果、各重錘体の共振周波数を調整することができるようになる。
図１に示すような板状構造体１００と単一の重錘体２００とを有する単純な共振系の場合、そのバネ定数は、図２２の表に記載したとおり、板状構造体１００の厚みｔ、幅ｗ、長さｙ、材質（ヤング率Ｅ）によって定まり、バネ定数ｋを小さくすれば（バネを柔らかくすれば）、共振周波数ｆｒは低くなり、バネ定数ｋを大きくすれば（バネを硬くすれば）、共振周波数ｆｒは高くなる。したがって、板状構造体の厚みｔ、幅ｗ、長さｙ、材質（ヤング率Ｅ）を変えることにより重錘体の共振周波数をシフトさせる方法は、結局、共振系のバネ定数を変えることにより共振周波数を調整する方法ということになる。
もちろん、各重錘体の共振周波数をシフトさせる方法には、その質量ｍを変える方法もあるので、板状構造体の形状や材質を変える前者の方法と、重錘体の質量ｍを変える後者の方法と、を組み合わせて利用することもできる。結局、実用上は、図２２の表に示されているパラメータの中から、１つもしくは複数のパラメータを選択し、共振系ごとに選択したパラメータの値を変える設定を行うことにより、各共振系の共振周波数を所定方向にシフトする調整を行うことが可能になる。
図２３は、このような調整方法の基本概念を示す図であり、上段には２組の重錘体を備えた発電素子の基本構造体をＹＺ平面で切断した側断面図（断面を示すハッチングは省略）が示されており、下段には各共振系の周波数特性が示されている。図２３の上段に示すとおり、この発電素子の基本構造体は、板状構造体１０と、その下面に接合された２組の重錘体２１，２２と、板状構造体１０の根端部を固定する台座３０と、を備えている。ここでは、説明の便宜上、板状構造体１０を根端部側部分１１と先端部側部分１２とに分けて考えることにする。
このように２組の重錘体２１，２２を有する基本構造体には、各重錘体に対応して２組の共振系が含まれる。第１の共振系Ｑ１は、根端部側部分１１が片持ち梁として機能する系であり、その長さはＬ１になる。そして、この長さＬ１の位置に、重錘体２１，先端部側部分１２，重錘体２２の合計質量に相当する質点が存在する力学系として取り扱われる。これに対して、第２の共振系Ｑ２は、板状構造体１０全体が片持ち梁として機能する系であり、その長さはＬ２になる。そして、この長さＬ２の位置に、重錘体２２の質量に相当する質点が存在する力学系として取り扱われる。
このように、第１の共振系Ｑ１と第２の共振系Ｑ２とは入れ子式になっているため、これらの挙動を正確に解析するには、複雑な演算が必要になる。別言すれば、図１に示すような単一の重錘体のみを有する共振系を２組並列配置した、という単純な取り扱いをすることはできない。ただ、各共振系の共振周波数を変動させる要因となるパラメータが、図２２の表に示されているパラメータになる点は共通するので、共振周波数をシフトさせる調整は、この図２２の表の内容にしたがって行うことができる。
ここでは、図２３の上段に示す基本構造体において、根端部側部分１１と先端部側部分１２とが、同じ厚み、同じ幅、同じ長さを有しており、重錘体２１と重錘体２２とが、同じサイズ、同じ質量を有しているものとしよう。そして、この上段に示す基本構造体における第１の共振系Ｑ１の共振周波数が、下段のグラフに示すｆｒ１であり、第２の共振系Ｑ２の共振周波数が、下段のグラフに示すｆｒ２であり、それぞれピーク波形Ｐ１，Ｐ２に示すような周波数特性（各重錘体２１，２２の振幅Ａ）が得られるものとしよう。図２２の表に示すとおり、一般に、長さＬが長い共振系ほど共振周波数ｆｒは低くなるので、図２３に示す例の場合、長さＬ２を有する第２の共振系Ｑ２についての共振周波数ｆｒ２は低域側、長さＬ１を有する第１の共振系Ｑ１についての共振周波数ｆｒ１は高域側に位置している。
ここで、共振周波数ｆｒ１（ピーク波形Ｐ１）を左右にシフトさせたい場合は、第１の共振系Ｑ１に対して図２２の表を適用させた調整を行えばよく、共振周波数ｆｒ２（ピーク波形Ｐ２）を左右にシフトさせたい場合は、第２の共振系Ｑ２に対して図２２の表を適用させた調整を行えばよい。もっとも、２組の共振系Ｑ１，Ｑ２は、入れ子式になっているため、一方についてのパラメータを変更すると、他方についてのパラメータも多少影響を受けることになる。したがって、図１に示すような単純な共振系に比べると、思惑通りの調整ができないケースもあるが、実用上は、コンピュータシミュレーションによる試行錯誤を行うことにより、所望の周波数特性が得られるような最終調整が可能である。
たとえば、図２３の下段のグラフに示すように、ピーク波形Ｐ１を左側にシフトしてピーク波形Ｐ１’（破線のグラフ）とし、ピーク波形Ｐ２を右側にシフトしてピーク波形Ｐ２’（破線のグラフ）とすれば、２組のピーク波形Ｐ１’，Ｐ２’が相互に一部重複することになり、発電量を示す周波数特性グラフ上では、２組のピーク波形Ｐ１’，Ｐ２’を融合させた融合ピーク波形ＰＰが形成される（図７（ｂ）参照）。このように、個々の重錘体の共振周波数付近のスペクトルピーク波形が相互に一部重複するように、各重錘体の共振周波数が隣接するように設定すると、半値幅の広い融合ピーク波形ＰＰが得られるため、当該半値幅に含まれる周波数成分を多く含む外部振動を想定した発電素子では、発電効率を向上させることができる。
このような融合ピーク波形ＰＰを形成させるには、第１の共振系Ｑ１の共振周波数ｆｒ１を下げてｆｒ１（−）とし、第２の共振系Ｑ２の共振周波数ｆｒ２を上げてｆｒ２（＋）とする調整を行えばよい。たとえば、図２２の表を参照すると、重錘体２１のサイズを大きくして質量を大きくし、重錘体２２のサイズを小さくして質量を小さくすれば、そのような調整が可能なことがわかる。もちろん、重錘体２２の質量は、共振系Ｑ２の質点の質量だけでなく、共振系Ｑ１の質点の質量にも寄与するので、重錘体２２の質量を小さくすると、共振系Ｑ１に対しても質点の質量を小さくする影響を与えることになるが、その影響を十分に打ち消すことができる程度に、重錘体２１の質量を大きくすれば、共振系Ｑ２の質点の質量を小さくしつつ、共振系Ｑ１の質点の質量を大きくすることが可能であり、上述した調整を行うことが可能になる。
以上、図２２の表に示されている「重錘体の質量」というパラメータを用いた調整方法を述べたが、もちろん、その他のパラメータを用いた調整も同様に行うことができるし、必要に応じて、複数のパラメータを組み合わせて調整を行うこともできる。たとえば、図１４に示す例の場合、板状構造体１２０の幅というパラメータと、各重錘体２２１，２２２，２２３の質量というパラメータと、を組み合わせた調整が行われることになる。前者のパラメータは、図７（ａ）に示すように、周波数帯域を広げる調整効果を有し（先端部ほど幅が狭くなっているため）、後者のパラメータは、図７（ｂ）に示すように、周波数帯域を狭める調整効果を有している（先端部ほど重錘体が軽くなっているため）。したがって、最終的な周波数帯域は、両パラメータのバランスによって決定されることになる。
また、場合によっては、上記調整によって、融合ピーク波形ＰＰが形成されたものの、当該波形の帯域が実利用環境で想定される外部周波数帯域とずれているような場合は、融合ピーク波形ＰＰ全体を高域側もしくは低域側にシフトする調整が必要になる。このような場合には、複数のパラメータを使い分けた調整を行うと便利である。たとえば、上述したように、「重錘体の質量」というパラメータを用いた調整を行うことにより融合ピーク波形ＰＰを形成するようにし、「板状構造体の厚み」という別なパラメータを用いた調整を行うことにより、融合ピーク波形ＰＰ全体を所定方向にシフトさせる、というような方法を採ることが可能である。
＜＜＜ §９． 基本構造体の別な構成形態 ＞＞＞
これまで述べてきた発電素子の基本構造体は、可撓性を有する板状構造体と、板状構造体に接合された複数の重錘体と、板状構造体の根端部を固定する台座と、を有していた。ここでは、この基本構造体の別な構成方法を述べる。
図２４（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１０に係る発電素子１１００の基本構造体の上面図、図２４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。この発電素子１１００は、実質的には、図４に示す発電素子１０００と同等のものであり、両者の外形形状は同一である。ただ、基本構造体の構成形態が若干異なっている。
すなわち、図４に示す発電素子１０００の場合、板状構造体１１０と、３組の重錘体２１１，２１２，２１３と、台座３００と、によって基本構造体が構成されており、板状構造体１１０の下面の所定位置に３組の重錘体２１１，２１２，２１３を接合する構造を採用している。これに対して、図２４に示す発電素子１１００の場合、基本構造体は、台座３００と変形構造体７１０とによって構成されている。
ここで、変形構造体７１０は、所定の基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸び、振動が加わると変形を生じる構成要素であり、台座３００は、この変形構造体７１０の根端部を固定する構成要素である。図示のとおり、変形構造体７１０は、基準軸Ｙに沿って所定間隔をあけて並べて配置された３組の重錘部Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３と、台座３００とこれに隣接して配置された重錘部Ｗ１１との間を相互に接続する可撓性接続部Ｊ１１と、互いに隣接して配置された一対の重錘部Ｗ１１，Ｗ１２の間を相互に接続する可撓性接続部Ｊ１２と、互いに隣接して配置された一対の重錘部Ｗ１２，Ｗ１３の間を相互に接続する可撓性接続部Ｊ１３と、を有している。
このように、図２４に示す変形構造体７１０と図４に示す板状構造体１１０とは、内部構造に関しては相違しているが、図２４に示す可撓性接続部Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３は、図４に示す板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に対応し、外部から振動エネルギーが与えられると撓みを生じることになる。したがって、この発電素子１１００においても、重錘部Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３に関してそれぞれ別個の共振系が形成されることになり、図４に示す発電素子１０００と同等の発電機能が得られる。
図２４（ａ）に示すように、各可撓性接続部Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３は、同一の幅ｗを有しているが、図２４（ｂ）に示すように、各可撓性接続部Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３の厚みは、それぞれｔ１，ｔ２，ｔ３という異なる値に設定されている。これにより、各共振系の共振周波数の調整が行われる点は、既に述べたとおりである。この発電素子１１００の発電動作も、図４に示す発電素子１０００の発電動作と同じであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
一方、図２５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１１に係る発電素子１２００の基本構造体の上面図、図２５（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。ここでも、電荷発生素子４００および発電回路５００の図示は省略する。この発電素子１２００は、実質的には、図１４に示す発電素子１０２０と同等のものであり、両者の外形形状は同一である。ただ、基本構造体の構成形態が若干異なっている。
すなわち、図１４に示す発電素子１０２０の場合、板状構造体１２０と、３組の重錘体２２１，２２２，２２３と、台座３１０と、によって基本構造体が構成されており、板状構造体１２０の下面の所定位置に３組の重錘体２２１，２２２，２２３を接合する構造を採用している。これに対して、図２５に示す発電素子１２００の場合、基本構造体は、台座３１０と変形構造体７２０とによって構成されている。
ここで、変形構造体７２０は、所定の基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸び、振動が加わると変形を生じる構成要素であり、台座３１０は、この変形構造体７２０の根端部を固定する構成要素である。図示のとおり、変形構造体７２０は、基準軸Ｙに沿って所定間隔をあけて並べて配置された３組の重錘部Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３と、台座３１０とこれに隣接して配置された重錘部Ｗ２１との間を相互に接続する可撓性接続部Ｊ２１と、互いに隣接して配置された一対の重錘部Ｗ２１，Ｗ２２の間を相互に接続する可撓性接続部Ｊ２１と、互いに隣接して配置された一対の重錘部Ｗ２２，Ｗ２３の間を相互に接続する可撓性接続部Ｊ２３と、を有している。
このように、図２５に示す変形構造体７２０と図１４に示す板状構造体１２０とは、内部構造に関しては相違しているが、図２５に示す可撓性接続部Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３は、図１４に示す板状接続部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に対応し、外部から振動エネルギーが与えられると撓みを生じることになる。したがって、この発電素子１２００においても、重錘部Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３に関してそれぞれ別個の共振系が形成されることになり、図１４に示す発電素子１０２０と同等の発電機能が得られる。
図２５（ｂ）に示すように、各可撓性接続部Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３は、同一の厚みｔを有しているが、図２５（ａ）に示すように、各可撓性接続部Ｊ２１，Ｊ２２，Ｊ２３の幅は、それぞれｗ１，ｗ２，ｗ３という異なる値に設定されている。これにより、各共振系の共振周波数の調整が行われる点は、既に述べたとおりである。この発電素子１２００の発電動作も、図１４に示す発電素子１０２０の発電動作と同じであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
結局、図２４に示す変形例１０や図２５に示す変形例１１は、基本的には、これまで述べてきた本発明の第１の実施形態の範疇に入る発電素子ということになるが、構成要素の組み合わせ方を若干変えたものということができる。
要するに、この§９で述べる発電素子は、これまで述べてきた各実施例と同様に、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発電素子であり、所定の基準軸に沿って根端部から先端部へと伸び、振動が加わると変形を生じる変形構造体と、この変形構造体の根端部を固定する台座と、変形構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子（ここでは、図示や説明は省略）と、この電荷発生素子に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路（ここでは、図示や説明は省略）と、を備えていることになる。
そして、変形構造体は、基準軸に沿って所定間隔をあけて並べて配置された複数の重錘部と、台座とこれに隣接して配置された重錘部との間および互いに隣接して配置された一対の重錘部の間を相互に接続する可撓性接続部と、を有している。
このような構成をもった発電素子について、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行うには、これまで述べてきた各実施例と同様に、変形構造体に含まれている可撓性接続部の中の少なくとも２組のバネ定数が異なるような設定を行えばよい。この場合、各可撓性接続部について、根端部に近い側の端部を根端側端部、先端部に近い側の端部を先端側端部とし、根端側端部を固定した状態において、先端側端部に対して所定の作用方向に力Ｆを加えたときに先端側端部の前記作用方向に生じる変位をｄとしたときに、ｋ＝Ｆ／ｄなる式で与えられる値ｋを、当該可撓性接続部のバネ定数として用いるようにすればよい。
図２４や図２５に示す例は、各可撓性接続部Ｊ１１〜Ｊ２３を、それぞれ板状をなす板状接続部によって構成した例である。このように可撓性接続部Ｊ１１〜Ｊ２３を板状接続部によって構成した場合、これら板状接続部の少なくとも２組に関して、厚み、幅、長さ、材質の４つのパラメータのうちの１つのパラメータもしくは複数のパラメータを異ならせる設定を行えば、各重錘体の共振周波数をシフトさせる調整を行うことが可能になる。
もちろん、各可撓性接続部Ｊ１１〜Ｊ２３は、必ずしも板状の部材によって構成する必要はなく、可撓性をもった部材であれば、どのような部材によって可撓性接続部を構成してもかまわない。たとえば、コイル状のバネによって可撓性接続部Ｊ１１〜Ｊ２３を構成してもよい。
＜＜＜ §１０． ２組の発電素子用構造体を直交配置した変形例 ＞＞＞
ここでは、これまで述べてきた本発明の第１の実施形態に係る発電素子に用いられる２組の「発電素子用構造体」を直交配置した変形例１２を述べる。ここで、「発電素子用構造体」とは、これまで述べてきた様々な実施例に係る発電素子において、板状構造体と、複数の重錘体と、電荷発生素子と、を備えた部分を言う（台座や発電回路は含まない）。たとえば、図３に示す発電素子１０００の場合、板状構造体１１０と、重錘体２１１，２１２，２１３と、電荷発生素子４００と、を備えた部分が「発電素子用構造体」ということになる。同様に、図１４に示す発電素子１０２０の場合、板状構造体１２０と、重錘体２２１，２２２，２２３と、図示されていない電荷発生素子４００と、を備えた部分が「発電素子用構造体」ということになる。
この「発電素子用構造体」の特徴は、所定の基準軸に沿って伸びる板状構造体に複数の重錘体が接合されており、板状構造体の変形に基づいて電荷発生素子が電荷を発生させる点である。この§１０で述べる変形例１２は、このような「発電素子用構造体」を２組と、台座と、発電回路と、を備えた発電素子ということになる。
図２６は、この変形例１２に係る発電素子１５００の基本構造体の上面図であり、これまで述べてきたＸＹＺ三次元座標系の各座標軸の他に、新たにＶ軸（Ｘ軸に平行で逆向きの軸）が追加されている。この発電素子１５００は、図１４に示す発電素子１０２０についての「発電素子用構造体」（すなわち、板状構造体１２０、重錘体２２１，２２２，２２３、電荷発生素子４００）を２組用意して、基準軸が直交するように組み合わせ、更に、台座３５０と発電回路５００を付加することにより構成される。
なお、図２６では、２組の「発電素子用構造体」のうち、第１の発電素子用構造体の各構成要素には、図１４において対応する構成要素の符号末尾にＹを付して示すことにし、第２の発電素子用構造体の各構成要素には、図１４において対応する構成要素の符号末尾にＶを付して示すことにする。これは、第１の発電素子用構造体がＹ軸を基準軸として配置され、第２の発電素子用構造体がＶ軸を基準軸として配置されているためである。
図示のとおり、第１の発電素子用構造体は、Ｙ軸を基準軸として、図の水平方向に伸びる板状構造体１２０Ｙと、その下面に接合された重錘体２２１Ｙ，２２２Ｙ，２２３Ｙと、板状構造体１２０Ｙの上面に設けられた電荷発生素子４００Ｙ（図では、板状構造体１２０Ｙの上面ではなく、ブロック図として示されている）とを有している。ここで、板状構造体１２０Ｙは、幅ｗ１を有し重錘体２２１Ｙが接合された区画パートＳ１Ｙと、幅ｗ２を有し重錘体２２２Ｙが接合された区画パートＳ２Ｙと、幅ｗ３を有し重錘体２２３Ｙが接合された区画パートＳ３Ｙと、を有しており、根端部は台座３５０によって固定されている。
一方、第２の発電素子用構造体は、Ｖ軸を基準軸として、図の垂直方向に伸びる板状構造体１２０Ｖと、その下面に接合された重錘体２２１Ｖ，２２２Ｖ，２２３Ｖと、板状構造体１２０Ｖの上面に設けられた電荷発生素子４００Ｖ（図では、板状構造体１２０Ｖの上面ではなく、ブロック図として示されている）とを有している。ここで、板状構造体１２０Ｖは、幅ｗ１を有し重錘体２２１Ｖが接合された区画パートＳ１Ｖと、幅ｗ２を有し重錘体２２２Ｖが接合された区画パートＳ２Ｖと、幅ｗ３を有し重錘体２２３Ｖが接合された区画パートＳ３Ｖと、を有しており、根端部は第１の発電素子用構造体の先端部に接合されている。
図示のとおり、第１の発電素子用構造体の基準軸Ｙと第２の発電素子用構造体の基準軸Ｖとは直交している。また、第１の発電素子用構造体の根端部（板状構造体１２０Ｙの根端部）は台座３５０によって固定され、第１の発電素子用構造体の先端部（板状構造体１２０Ｙの先端部）は第２の発電素子用構造体の根端部（板状構造体１２０Ｖの根端部）に接続されているため、第２の発電素子用構造体の先端部（板状構造体１２０Ｖの先端部）は、第１の発電素子用構造体および第２の発電素子用構造体を介して、台座３５０によって片持ち梁構造によって支持された状態になっている。
また、図にブロック図として示されている発電回路５００は、第１の発電素子用構造体の電荷発生素子４００Ｙおよび第２の発電素子用構造体の電荷発生素子４００Ｖ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。
図１４に示す発電素子１０２０は、基準軸Ｙに沿って伸びる板状構造体１２０と、その下面に接合された３組の重錘体２２１，２２２，２２３を有しており、Ｚ軸方向の振動やＹ軸方向の振動に対する発電効率は高いが、Ｘ軸方向の振動に対する発電効率はそれほど高くない。これに対して、図２６に示す発電素子１５００の場合、互いに直交するように配置された２組の発電素子用構造体を有しているため、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向の振動に対しても良好な発電効率が得られる。すなわち、基準軸Ｙ方向に伸びる第１の発電素子用構造体は、Ｚ軸方向の振動やＹ軸方向の振動に対する発電効率は高いが、Ｘ軸方向の振動に対する発電効率はそれほど高くない。一方、基準軸Ｖ方向（Ｘ軸方向）に伸びる第２の発電素子用構造体は、Ｚ軸方向の振動やＸ軸方向の振動に対する発電効率は高いが、Ｙ軸方向の振動に対する発電効率はそれほど高くない。その結果、全体として、３軸方向の振動エネルギーについて、良好な発電効率が得られることになる。
＜＜＜ §１１． 本発明の第２の実施形態 ＞＞＞
これまで、本発明の第１の実施形態に係る発電素子を、様々な実施例や変形例を示しながら説明した。この第１の実施形態に係る発電素子の重要な特徴は、所定の基準軸に沿って伸びる板状構造体に複数の重錘体を設けた点にある。すなわち、複数の重錘体を基準軸に沿って並べて配置することにより、入れ子式になった複数の共振系を構成することができ、周波数軸上に複数の共振周波数のピーク波形が形成されることになる。その結果、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になるという効果が得られる点は、既に述べたとおりである。また、板状構造体の形状や材質、重錘体の配置やサイズなどを変えることにより、共振周波数のピーク波形の位置を周波数軸上でシフトし、発電可能な周波数帯域を調整することができる点も、既に述べたとおりである。
本願発明者は、このような本発明の第１の実施形態に係る発電素子に関して、種々の実験を繰り返した結果、次のような２つの事実を確認することができた。まず、第１の事実は、板状構造体の形状に特定の工夫を施した場合、単一の重錘体のみを設けた場合でも、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られる点である。この第１の事実を利用した発電素子は、以下の＜§１１−１＞において、本発明の第２の実施形態の実施例１〜４として述べる。そして、第２の事実は、板状構造体の形状に特定の工夫を施した場合、重錘体を全く設けない場合でも、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られる点である。この第２の事実を利用した発電素子は、以下の＜§１１−２＞において、本発明の第２の実施形態の実施例５〜８として述べる。
＜１１−１．単一の重錘体のみを設けた実施例＞
図２７（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例１に係る発電素子２０００の基本構造体の上面図、図２７（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２０００は、図４に示す発電素子１０００から、重錘体２１１，２１２を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２１１，２１２の有無だけである。すなわち、図２７に示す発電素子２０００は、根端部が台座３００に固定された板状構造体１１０の先端部の下面に単一の重錘体２１３を接合した基本構造体を有している（電荷発生素子４００および発電回路５００は図示省略）。なお、重錘体２１３は必ずしも先端部に接合する必要はない。
板状構造体１１０は、既に述べたとおり、幅ｗは均一であるが、３つの区画パートＳ１〜Ｓ３を有しており、それぞれ異なる厚みｔ１，ｔ２，ｔ３を有している。図２７の発電素子２０００を図１に示す従来の発電素子と比べると、相違点は、板状構造体が複数の区画パートに分割されており、個々の区画パートごとに厚みが異なる、という点だけであるが、当該相違により発電効率を向上させることができる。
§１では、図１に示す従来の発電素子の場合、図２に示すように、固有の共振周波数ｆｒの位置に半値幅ｈをもったピーク波形Ｐを有する周波数特性が得られることを述べた。本願発明者が、図２７の発電素子２０００について周波数特性を調べたところ、図２のグラフのように、固有の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐが現れる点に変わりはないが、ピーク波形Ｐの半値幅ｈがより大きくなる現象が確認できた。
現時点では、個々の区画パートＳ１〜Ｓ３ごとに厚みが異なる板状構造体１１０を採用することにより、ピーク波形Ｐの半値幅ｈが広がる理由についての詳細な解析はなされていないが、このような構造を採用すると、１つの系内に共振条件が異なる複数の要素が存在することになり、これらが融合して１つの共振系が構成されるためではないかと考えられる。要するに、１つの系内の共振条件が多重化されることにより、ピーク波形Ｐの幅が広がったものと思われる。
いずれにしても、図２７の発電素子２０００の構造を採用すれば、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られる。
一方、図２８（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例２に係る発電素子２０２０の基本構造体の上面図、図２８（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２０２０は、図１４に示す発電素子１０２０から、重錘体２２１，２２２を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２２１，２２２の有無だけである。すなわち、図２８に示す発電素子２０２０は、根端部が台座３１０に固定された板状構造体１２０の先端部の下面に単一の重錘体２２３を接合した基本構造体を有している（電荷発生素子４００および発電回路５００は図示省略）。なお、重錘体２２３は必ずしも先端部に接合する必要はない。
板状構造体１２０は、既に述べたとおり、厚みｔは均一であるが、３つの区画パートＳ１〜Ｓ３を有しており、それぞれ異なる幅ｗ１，ｗ２，ｗ３を有している。図２８の発電素子２０２０を図１に示す従来の発電素子と比べると、相違点は、板状構造体が複数の区画パートに分割されており、個々の区画パートごとに幅が異なる、という点だけであるが、当該相違により発電効率を向上させることができる。
すなわち、本願発明者が、図２８の発電素子２０２０について周波数特性を調べたところ、図２のグラフのように、固有の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐが現れる点に変わりはないが、ピーク波形Ｐの半値幅ｈが、従来装置よりも大きくなる現象が確認できた。その理由は、厚みｔを変えるのと同様に、幅ｗを変えることにより、１つの系内に共振条件が異なる複数の要素が存在することになり、これらが融合して１つの共振系が構成されるためではないかと考えられる。やはり、１つの系内の共振条件が多重化されることにより、ピーク波形Ｐの幅が広がったものと思われる。
いずれにしても、図２８の発電素子２０２０の構造を採用すれば、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られる。
このように、図２７に示す発電素子２０００や図２８に示す発電素子２０２０は、いずれも、所定の基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体１１０，１２０と、板状構造体の根端部を固定する台座３００，３１０と、板状構造体の先端部近傍に接合された１つの重錘体２１３，２２３と、板状構造体の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子４００と、電荷発生素子４００に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路５００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という点では、図１に示す従来の発電素子と同じである。
しかしながら、板状構造体１１０，１２０が、基準軸Ｙに沿って並んだ複数の区画パートＳ１〜Ｓ３に分割されており、個々の区画パートごとに、厚みｔもしくは幅ｗが異なるという特徴を有しており、当該特徴により、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られることになる。もちろん、板状構造体の個々の区画パートごとに、厚みｔおよび幅ｗの双方が異なる構造を採用してもよい。
なお、前述の＜§７−２＞では、図１７を参照しながら、第１の実施形態について、板状構造体の厚みを連続的に変化させる変形例を説明した。ここで述べる第２の実施形態の場合も、厚みを連続的に変化させる実施例を採用することが可能である。
図２９（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例３に係る発電素子２０５０の基本構造体の上面図、図２９（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２０５０は、図１７に示す発電素子１０５０から、重錘体２５１，２５２を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２５１，２５２の有無だけである。すなわち、図２９に示す発電素子２０５０は、根端部が台座３００に固定された板状構造体１５０の先端部の下面に単一の重錘体２５３を接合した基本構造体を有している（電荷発生素子４００および発電回路５００は図示省略）。なお、重錘体２５３は必ずしも先端部に接合する必要はない。
板状構造体１５０は、既に述べたとおり、幅ｗは均一であるが、厚みｔが基準軸Ｙに沿って徐々に減少するように、厚み方向の切断面が台形状をなす構造を有している。図２９の発電素子２０５０を図１に示す従来の発電素子と比べると、相違点は、板状構造体の厚みｔが均一か、徐々に減少してゆくか、という点だけであるが、当該相違により発電効率を向上させることができる。
すなわち、本願発明者が、図２９の発電素子２０５０について周波数特性を調べたところ、図２のグラフのように、固有の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐが現れる点に変わりはないが、ピーク波形Ｐの半値幅ｈが、従来装置よりも大きくなる現象が確認できた。その理由は、厚みｔが徐々に変化することにより、１つの系内の共振条件が基準軸Ｙに沿って徐々に変化してゆき、全体の共振系としてみると、より幅の広いピーク波形Ｐが形成されることになるためではないかと考えられる。
いずれにしても、図２９の発電素子２０５０の構造を採用すれば、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られる。
このように、図２９に示す発電素子２０５０は、所定の基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体１５０と、板状構造体１５０の根端部を固定する台座３００と、板状構造体１５０の先端部近傍に接合された１つの重錘体２５３と、板状構造体１５０の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子４００と、電荷発生素子４００に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路５００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という点では、図１に示す従来の発電素子と同じである。
しかしながら、板状構造体１５０が、基準軸Ｙに沿って厚みｔが徐々に減少するように、厚み方向の切断面が台形状をなすという特徴を有しており、当該特徴により、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られることになる。これは、前述したように、１つの系内の共振条件が多重化されることにより、ピーク波形Ｐの幅を広げる効果が得られたためと考えられる。なお、板状構造体１５０は、基準軸Ｙに沿って厚みｔが徐々に増加するように、厚み方向の切断面が図２９（ｂ）とは左右が逆向きの台形状をなすようにしてもかまわない。
また、前述の＜§７−３＞では、図１８を参照しながら、第１の実施形態について、板状構造体の幅を連続的に変化させる変形例を説明した。ここで述べる第２の実施形態の場合も、幅を連続的に変化させる実施例を採用することが可能である。
図３０（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例４に係る発電素子２０６０の基本構造体の上面図、図３０（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２０６０は、図１８に示す発電素子１０６０から、重錘体２６１，２６２を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２６１，２６２の有無だけである。すなわち、図３０に示す発電素子２０６０は、根端部が台座３１０に固定された板状構造体１６０の先端部の下面に単一の重錘体２６３を接合した基本構造体を有している（電荷発生素子４００および発電回路５００は図示省略）。なお、重錘体２６３は必ずしも先端部に接合する必要はない。
板状構造体１６０は、既に述べたとおり、厚みｔは均一であるが、幅ｗが基準軸Ｙに沿って徐々に減少するように、平面形状が台形状をなす構造を有している。図３０の発電素子２０６０を図１に示す従来の発電素子と比べると、相違点は、板状構造体の幅ｗが均一か、徐々に減少してゆくか、という点だけであるが、当該相違により発電効率を向上させることができる。
すなわち、本願発明者が、図３０の発電素子２０６０について周波数特性を調べたところ、図２のグラフのように、固有の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐが現れる点に変わりはないが、ピーク波形Ｐの半値幅ｈが、従来装置よりも大きくなる現象が確認できた。その理由は、幅ｗが徐々に変化することにより、１つの系内の共振条件が基準軸Ｙに沿って徐々に変化してゆき、全体の共振系としてみると、より幅の広いピーク波形Ｐが形成されることになるためではないかと考えられる。
いずれにしても、図３０の発電素子２０６０の構造を採用すれば、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られる。
このように、図３０に示す発電素子２０６０は、所定の基準軸Ｙに沿って根端部から先端部へと伸び、可撓性を有する板状構造体１６０と、板状構造体１６０の根端部を固定する台座３１０と、板状構造体１６０の先端部近傍に接合された１つの重錘体２６３と、板状構造体１６０の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子４００と、電荷発生素子４００に発生した電荷に基づいて生じる電流を整流して電力を取り出す発電回路５００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という点では、図１に示す従来の発電素子と同じである。
しかしながら、板状構造体１６０が、基準軸Ｙに沿って幅ｗが徐々に減少するように、平面形状が台形状をなすという特徴を有しており、当該特徴により、発電可能な周波数帯域を広げ、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる、という作用効果が得られることになる。これは、前述したように、１つの系内の共振条件が多重化されることにより、ピーク波形Ｐの幅を広げる効果が得られたためと考えられる。なお、板状構造体１６０は、基準軸Ｙに沿って幅ｗが徐々に増加するように、平面形状が図３０（ａ）とは左右が逆向きの台形状をなすようにしてもかまわない。
もちろん、図２９に示す板状構造体１５０の特徴と図３０に示す板状構造体１６０の特徴とを組み合わせて、基準軸Ｙに沿って厚みが徐々に減少もしくは増加するように、厚み方向の切断面が台形状をなし、かつ、基準軸Ｙに沿って幅が徐々に減少もしくは増加するように、平面形状が台形状をなすような板状構造体を用いることも可能である。また、実施例１〜４（図２７〜図３０参照）として述べた特徴を、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わせることも可能である。たとえば、厚みｔに関しては、図２７（ｂ）に示す実施例１の構造を採用し、幅ｗに関しては、図３０（ａ）に示す実施例４の構造を採用するような組み合わせも可能である。板状構造体の形状を変えることにより、共振系の共振周波数ｆｒを周波数軸上で所望の方向に所望の量だけシフトさせる設計も可能である。
＜１１−２．重錘体を設けない実施例＞
上述した＜§１１−１＞では、本発明の第２の実施形態の実施例１〜４として、形状に特定の工夫を施した板状構造体の先端部近傍に、単一の重錘体を接合した構造を有する発電素子を説明した。本願発明者は、これら実施例１〜４から重錘体を除去した形態、すなわち、特定の工夫を施した板状構造体の根端部を台座によって固定した基本構造体を有する発電素子についての周波数特性を調べる実験を行った。その結果、単純な矩形状の板状構造体（厚みｔおよび幅ｗが均一の板状構造体）を振動させた場合に比べ、特定の工夫を施した板状構造体（厚みｔおよび幅ｗが部分ごとに変化する板状構造体）を振動させた場合の方が、周波数特性を示すピーク波形Ｐの幅が広がる現象を確認することができた。
以下に示す実施例５〜８は、このような観点からなされた発明に係るものであり、重錘体を設けず、板状構造体のみに生じる振動エネルギーを利用して発電を行う発電素子に関するものである。
まず、図３１（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例５に係る発電素子２１００の基本構造体の上面図、図３１（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２１００は、図２７に示す発電素子２０００から、重錘体２１３を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２１３の有無だけである。すなわち、図３１に示す発電素子２１００は、板状構造体１１０と、その根端部を固定する台座３００と、図示されていない電荷発生素子４００および発電回路５００によって構成されている。ここで、板状構造体１１０は、既に述べたとおり、幅ｗは均一であるが、３つの区画パートＳ１〜Ｓ３を有しており、それぞれ異なる厚みｔ１，ｔ２，ｔ３を有するという特徴を有している。
次の図３２（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例６に係る発電素子２１２０の基本構造体の上面図、図３２（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２１２０は、図２８に示す発電素子２０２０から、重錘体２２３を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２２３の有無だけである。すなわち、図３２に示す発電素子２１２０は、板状構造体１２０と、その根端部を固定する台座３１０と、図示されていない電荷発生素子４００および発電回路５００によって構成されている。ここで、板状構造体１２０は、既に述べたとおり、厚みｔは均一であるが、３つの区画パートＳ１〜Ｓ３を有しており、それぞれ異なる幅ｗ１，ｗ２，ｗ３を有するという特徴を有している。
続く図３３（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例７に係る発電素子２１５０の基本構造体の上面図、図３３（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２１５０は、図２９に示す発電素子２０５０から、重錘体２５３を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２５３の有無だけである。すなわち、図３３に示す発電素子２１５０は、板状構造体１５０と、その根端部を固定する台座３００と、図示されていない電荷発生素子４００および発電回路５００によって構成されている。ここで、板状構造体１５０は、既に述べたとおり、幅ｗは均一であるが、厚みｔが基準軸Ｙに沿って厚みが徐々に減少もしくは増加するように、厚み方向の切断面が台形状をなすという特徴を有している。
最後に示す図３４（ａ）は、本発明の第２の実施形態の実施例８に係る発電素子２１６０の基本構造体の上面図、図３４（ｂ）は、これをＹＺ平面で切断した側断面図である。図示の発電素子２１６０は、図３０に示す発電素子２０６０から、重錘体２６３を除去したものであり、両者の相違は、重錘体２６３の有無だけである。すなわち、図３４に示す発電素子２１６０は、板状構造体１６０と、その根端部を固定する台座３１０と、図示されていない電荷発生素子４００および発電回路５００によって構成されている。ここで、板状構造体１６０は、既に述べたとおり、厚みｔは均一であるが、幅ｗが基準軸Ｙに沿って厚みが徐々に減少もしくは増加するように、平面形状が台形状をなすという特徴を有している。
本願発明者が、本願第２の実施形態の実施例５〜８に係る発電素子２１００，２１２０，２１５０，２１６０（図３１〜図３４参照）のそれぞれについての周波数特性と、図１に示す従来の発電素子から重錘体２００を除去したもの（台座３００と板状構造体１００のみを有する発電素子）の周波数特性とを調べたところ、いずれも、図２のグラフのように、固有の共振周波数ｆｒの位置にピーク波形Ｐが現れる点に変わりはないが、本発明の実施例５〜８に係る発電素子の方が従来装置に比べて、ピーク波形Ｐの半値幅ｈが、大きくなる現象が確認できた。その理由は、厚みｔや幅ｗの段階的な変化もしくは連続的な変化により、１つの系内の共振条件が多重化し、全体の共振系としてみると、より幅の広いピーク波形Ｐが形成されることになるためではないかと考えられる。
もちろん、実施例５〜８（図３１〜図３４参照）として述べた特徴を、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わせることも可能である。たとえば、厚みｔに関しては、図３１（ｂ）に示す実施例５の構造を採用し、幅ｗに関しては、図３４（ａ）に示す実施例８の構造を採用するような組み合わせも可能である。
一般に、１枚の板状構造体を振動させる系の場合、板状構造体のみからなる構造よりも、重錘体を付加した構造の方が振幅を大きくとることができる。したがって、１枚の板状構造体のみを備える発電素子の場合、できるだけ質量の大きな重錘体を付加する方が発電効率を向上させることができる。しかしながら、一般に、重錘体の質量を大きくするには、重錘体のサイズを大きくする必要があり、当該重錘体が振動するスペースを確保する必要があるため、装置全体は大型化することになる。
これに対して、重錘体を設けない構造を採用した場合、板状構造体の振動は、その自重に相当する質量に起因して生じることになるので、重錘体を設けた場合に比べて振幅は低下せざるを得ない。しかしながら、板状構造体の振動スペースのみを確保しておけばよいので、装置全体の省スペース化を図ることができる。より大きな発電量が必要な場合は、多数の板状構造体を密集して配置した構造を採用することができる。重錘体を設ける必要がないため、極めて高い密度で多数の板状構造体を縦横に並べて配置することが可能になる。したがって、重錘体を全く設けない発電素子も、工業製品として十分に利用価値のあるものである。
特に、図３１〜図３４に実施例５〜８として示したように、形状に特定の工夫を施した板状構造体を利用した発電素子は、発電可能な周波数帯域が広がるため、様々な利用環境において効率的な発電を行うことが可能になる。もちろん、板状構造体の形状を変えることにより、共振系の共振周波数ｆｒを周波数軸上で所望の方向に所望の量だけシフトさせる設計も可能である。
＜１１−３．ピーク波形の半値幅を更に広げる構造＞
これまで、本発明の第２の実施形態の実施例１〜４として、図２７〜図３０のような単一の重錘体のみを設けた実施例を示し、実施例５〜８として、図３１〜図３４のような重錘体を設けない実施例を示した。いずれの実施例の場合も、図１に示す従来構造の発電素子と同様に、固有の共振周波数ｆｒの位置に半値幅ｈをもったピーク波形Ｐを有する周波数特性が得られ（図２のグラフ参照）、しかも従来構造の発電素子に比べてピーク波形Ｐの半値幅ｈがより広がる現象が確認できた。
このような現象が生じるのは、板状構造体の厚みもしくは幅を部分ごとに変える構造を採用すると、同一の系内において共振条件を左右する異なる部分要素が融合して共振条件が多重化されるためと考えられる。現段階では、この多重化の詳細な態様についての解析はなされていないが、本願発明者が、コンピュータシミュレーションによって大まかな傾向を調べたところ、次のような結果が得られた。
まず、図２７に示す実施例１に対して、厚みｔの増減関係を逆転させた実施例１’を考えてみた。実施例１の場合、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の厚みｔ１，ｔ２，ｔ３の大小関係は、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３になっているが、実施例１’では、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３と逆転しており、先端部へゆく程、厚みが増加する構造になっている。ここで、実施例１と実施例１’とについて、周波数特性グラフ上でのピーク波形Ｐの半値幅ｈを比較してみたところ、実施例１よりも実施例１’の方が半値幅ｈが大きくなる結果が得られた。図３１に示す実施例５と、厚みｔの増減関係を逆転させた実施例５’についても、全く同様の結果が得られた。
次に、図２８に示す実施例２に対して、幅ｗの増減関係を逆転させた実施例２’を考えてみた。実施例２の場合、区画パートＳ１，Ｓ２，Ｓ３の幅ｗ１，ｗ２，ｗ３の大小関係は、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３になっているが、実施例２’では、ｗ１＜ｗ２＜ｗ３と逆転しており、先端部へゆく程、幅が増加する構造になっている。ここでも、実施例２と実施例２’とについて、周波数特性グラフ上でのピーク波形Ｐの半値幅ｈを比較してみたところ、実施例２よりも実施例２’の方が半値幅ｈが大きくなる結果が得られた。図３２に示す実施例６と、幅ｗの増減関係を逆転させた実施例６’についても、全く同様の結果が得られた。
また、図２９に示す実施例３に対して、厚みｔの増減関係を逆転させた実施例３’についても同様の実験を行ってみた。すなわち、実施例３の場合、根端部から先端部へゆくほど、厚みｔが単調減少してゆく構造を有しているが、実施例３’の場合、根端部から先端部へゆくほど、厚みｔが単調増加してゆく構造を有している。ここでも、実施例３と実施例３’とについて、周波数特性グラフ上でのピーク波形Ｐの半値幅ｈを比較してみたところ、実施例３よりも実施例３’の方が半値幅ｈが大きくなる結果が得られた。図３３に示す実施例７と、厚みｔの増減関係を逆転させた実施例７’についても、全く同様の結果が得られた。
最後に、図３０に示す実施例４に対して、幅ｗの増減関係を逆転させた実施例４’についても同様の実験を行ってみた。すなわち、実施例４の場合、根端部から先端部へゆくほど、幅ｗが単調減少してゆく構造を有しているが、実施例４’の場合、根端部から先端部へゆくほど、幅ｗが単調増加してゆく構造を有している。ここでも、実施例４と実施例４’とについて、周波数特性グラフ上でのピーク波形Ｐの半値幅ｈを比較してみたところ、実施例４よりも実施例４’の方が半値幅ｈが大きくなる結果が得られた。図３４に示す実施例８と、幅ｗの増減関係を逆転させた実施例８’についても、全く同様の結果が得られた。
以上の結果から、単一の重錘体のみを設けた実施例の場合も、重錘体を設けない実施例の場合も、板状構造体の厚みもしくは幅を、根端部から先端部に向かって減少（段階的減少でもよいし、連続的減少でもよい）させてゆく構造を採用するよりも、根端部から先端部に向かって増加（段階的増加でもよいし、連続的増加でもよい）させてゆく構造を採用した方が、周波数特性グラフ上に現れるピーク波形Ｐの半値幅ｈはより大きくなる、という傾向があることがわかる。
したがって、図２７〜図３４に示す実施例１〜８の周波数特性よりも、更にピーク波形Ｐの半値幅ｈを広げたい場合には、厚みや幅の増減関係を逆転させた実施例１’〜８’を採用すればよいことになる。
【産業上の利用可能性】
【0009】
本発明に係る発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う技術に広く利用することができる。その基本原理は、重錘体の振動により板状構造体に撓みを生じさせ、当該撓みに応じて電荷発生素子に生じる電荷を外部に取り出す、というものであるので、自動車、列車、船舶などの乗り物や、冷蔵庫、エアコンといった振動源に取り付けることにより、通常は無駄に消費してしまう振動エネルギーを、電気エネルギーとして有効利用することが可能になる。また、板状構造体や重錘体に関する様々なパラメータを変化させることにより、発電可能な周波数帯域を広げたり、周波数軸上でシフトさせたりする調整を行うことができるため、実利用環境の振動周波数に適した効率的な発電が可能な発電素子を設計することができる。【要約】
可撓性を有する板状構造体（１１０）が、基準軸（Ｙ）に沿って根端部（Ｏ）から先端部（Ｔ）へと伸び、根端部（Ｏ）は台座（３００）に固定される。板状構造体（１１０）には、３つの区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）が設けられており、それぞれの下面に重錘体（２１１，２１２，２１３）が接合される。３つの区画パート（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は、それぞれ厚み（ｔ１，ｔ２，ｔ３）が異なり、その結果、バネ定数が異なる。台座（３００）に外部からの振動エネルギーを加えると、各重錘体（２１１，２１２，２１３）が振動し、板状構造体（１１０）に撓みが生じる。板状構造体（１１０）に圧電素子などの電荷発生素子（４００）を貼り付けておけば、撓み応力によって電荷が発生する。区画パートごとにバネ定数が異なる板状構造体（１１０）に複数の重錘体（２１１，２１２，２１３）を設けることにより、発電可能な周波数帯域が広がる。