特許 6884377 発電回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6884377

(24)【登録日】2021年5月14日

(45)【発行日】2021年6月9日

(54)【発明の名称】発電回路

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/18 20060101AFI20210531BHJP

   H02N 1/00 20060101ALI20210531BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20210531BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/18

   H02N1/00

   H02J7/00 A

【請求項の数】21

【全頁数】42

(21)【出願番号】特願2017-61324(P2017-61324)

(22)【出願日】2017年3月27日

(65)【公開番号】特開2018-164382(P2018-164382A)

(43)【公開日】2018年10月18日

【審査請求日】2020年1月22日

(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】100199255

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 大幸

(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２０１６−１２７６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５２００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１７８２４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１１８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５４５２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７２２０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／１８

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｎ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二次電池を充電するための発電回路であって、
発電素子と、
前記発電素子に接続され、前記発電素子の発電により生じる電流を整流する整流部と、 前記整流部に接続され、前記発電素子の発電により生じる電圧を昇圧させる電圧制御部と、
前記電圧制御部と前記二次電池との間に配置され、前記電圧制御部と前記二次電池との接続を選択的に遮断する遮断部と、を備え、
前記整流部、前記電圧制御部、及び、前記遮断部は、前記二次電池または外部の電源から提供される電力によって駆動され、
前記整流部は、整流を行うための閾値電圧が０．８Ｖ以下であり、
前記遮断部は、前記電圧制御部によって昇圧された電圧が前記二次電池を充電するために必要な電圧を下回っている場合に、前記電圧制御部と前記二次電池との接続を遮断し、
前記発電素子と前記二次電池とを接続するバイパス回路を更に備え、
前記バイパス回路は、
前記発電素子の発電により生じる電流を整流する整流素子と、
前記整流素子に接続され、前記整流素子と前記二次電池とを選択的に遮断する第２遮断部と、を有し、
前記二次電池の蓄電量が所定の値未満であるとき、前記第２遮断部は、前記発電素子と前記二次電池との接続を維持し、
前記二次電池の蓄電量が前記所定の値以上であるとき、前記第２遮断部は、前記発電素子と前記二次電池との接続を遮断することを特徴とする発電回路。

【請求項2】

二次電池を充電するための発電回路であって、
発電素子と、
前記発電素子に接続され、前記発電素子の発電により生じる電流を整流する整流部と、 前記整流部に接続され、前記発電素子の発電により生じる電圧を昇圧させる電圧制御部と、
前記電圧制御部と前記二次電池との間に配置され、前記電圧制御部と前記二次電池との接続を選択的に遮断する遮断部と、を備え、
前記整流部、前記電圧制御部、及び、前記遮断部は、前記二次電池または外部の電源から提供される電力によって駆動され、
前記整流部は、整流を行うための閾値電圧が０．８Ｖ以下であり、
前記遮断部は、前記電圧制御部によって昇圧された電圧が前記二次電池を充電するために必要な電圧を下回っている場合に、前記電圧制御部と前記二次電池との接続を遮断し、
前記発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である
ことを特徴とする発電回路。

【請求項3】

前記発電素子は、
可撓性を有する第１属性の板状構造体と、可撓性を有する第２属性の板状構造体と、前記第１属性の板状構造体と前記第２属性の板状構造体とを相互に接続する異属間接続体と、前記第１属性の板状構造体を支持する台座と、を有する基本構造部と、
前記基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、を備え、
ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、前記第１属性の板状構造体および前記第２属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、
前記第１属性の板状構造体は、根端部が前記台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が前記異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、前記根端部から前記先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
前記第２属性の板状構造体は、根端部が前記異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、当該根端部から前記先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている
ことを特徴とする請求項２に記載の発電回路。

【請求項4】

前記第２属性の板状構造体は、互いに平行になるように並列配置された複数の板状構造体を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の発電回路。

【請求項5】

前記基本構造部は、前記第１及び第２属性の板状構造体の所定箇所、及び、前記異属間接続体の所定箇所、のうちの少なくとも１カ所に接続された重錘体を有する
ことを特徴とする請求項３または４に記載の発電回路。

【請求項6】

前記第１属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第１の共振系と、前記第２属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第２の共振系と、において、前記第１の共振系のバネ定数が前記第２の共振系のバネ定数と異なるように設定されている
ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の発電回路。

【請求項7】

前記基本構造部は、前記第１属性の板状構造体の先端部に接続された重錘体と、前記第２属性の板状構造体の先端部に接続された重錘体と、を有しており、これら２種類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している
ことを特徴とする請求項５または６に記載の発電回路。

【請求項8】

前記電荷発生素子は、前記第１及び第２属性の板状構造体の変形を生じる部分に形成された圧電素子を有する
ことを特徴とする請求項３乃至７のいずれか一項に記載の発電回路。

【請求項9】

前記圧電素子は、前記第１属性の板状構造体の上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、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
ことを特徴とする請求項８に記載の発電回路。

【請求項10】

前記第１属性の板状構造体には、その上面に共通下部電極層が設けられ、
前記共通下部電極層には、その上面に共通圧電材料層が設けられ、
前記共通圧電材料層は、そ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設けられ、
前記第１属性の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、それぞれ前記共通圧電材料層から同一極性の電荷が供給される
ことを特徴とする請求項９に記載の発電回路。

【請求項11】

前記第１属性の板状構造体には、その上面の中心にＹ軸と平行な方向に伸びる中心軸線を定義したときに、根端部側の前記中心軸線の両脇と先端部側の前記中心軸線の両脇とにそれぞれ配置された個別上部電極層が設けられている
ことを特徴とする請求項１０に記載の発電回路。

【請求項12】

前記発電素子は、変位部材と、固定部材と、弾性変形体と、を有し、
前記変位部材は、前記弾性変形体を介して前記固定部材に接続されており、
前記変位部材および前記固定部材のうち、一方の表面にはエレクトレット材料層が形成され、他方の表面には前記エレクトレット材料層に対向する対向電極層が形成され、
前記エレクトレット材料層および前記対向電極層は、所定の基準平面に平行になるように配置され、
前記発電素子に振動エネルギーが与えられたときに、前記弾性変形体が変形することにより、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の層間距離が変動するように、前記変位部材が前記固定部材に対して変位する
ことを特徴とする請求項２に記載の発電回路。

【請求項13】

前記固定部材に対して固定されたＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記変位部材がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のうち少なくとも２軸の方向に変位可能となるように、前記変位部材と前記固定部材とが前記弾性変形体によって接続されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の発電回路。

【請求項14】

前記固定部材に対して固定されたＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記変位部材がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての方向に変位可能となるように、前記変位部材と前記固定部材とが前記弾性変形体によって接続されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の発電回路。

【請求項15】

前記変位部材は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する板状構造体を含み、
前記固定部材は、前記板状構造体を取り囲むように配置された枠状構造体を含む
ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の発電回路。

【請求項16】

変位を生じていない状態における前記変位部材の中心位置に原点が配置されるように前記ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
前記板状構造体は、Ｘ軸の正領域と直交する第１の変位外面と、Ｘ軸の負領域と直交する第２の変位外面と、を有し、
前記枠状構造体は、Ｘ軸の正領域と直交し前記第１の変位外面に対向する第１の固定内面と、Ｘ軸の負領域と直交し前記第２の変位外面に対向する第２の固定内面と、を有することを特徴とする請求項１５に記載の発電回路。

【請求項17】

前記第１の変位外面には、Ｘ軸正方向に突出した第１の変位凸部が設けられ、
前記第２の変位外面には、Ｘ軸負方向に突出した第２の変位凸部が設けられており、
前記第１の固定内面の、前記第１の変位凸部に対向する位置には、Ｘ軸負方向に突出した第１の固定凸部が設けられ、
前記第２の固定内面の、前記第２の変位凸部に対向する位置には、Ｘ軸正方向に突出した第２の固定凸部が設けられ、
前記第１の変位凸部の頂面と前記第１の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第１のエレクトレット材料層が形成されており、他方には第１の対向電極層が形成されており、
前記第２の変位凸部の頂面と前記第２の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第２のエレクトレット材料層が形成されており、他方には第２の対向電極層が形成されている
ことを特徴とする請求項１６に記載の発電回路。

【請求項18】

前記板状構造体は、矩形状をなし、その４つの角部の各々に変位支持点が設けられ、
前記枠状構造体は、前記板状構造体を取り囲む矩形状をなし、その４つの内側角部の各々に固定支持点が設けられ、
前記各変位支持点と前記各固定支持点とは、１対１に対応し、対応する変位支持点と固定支持点とがそれぞれ個別の弾性変形体によって接続されている
ことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の発電回路。

【請求項19】

前記板状構造体の上面もしくは下面、またはその両面に、重錘体が接合されている
ことを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか一項に記載の発電回路。

【請求項20】

前記板状構造体は、ＸＹ平面に平行な上面及び下面を有する矩形の第１板状構造体と、Ｚ軸方向から見て前記第１板状構造体を取り囲む矩形の枠状の第２板状構造体と、を有し、
前記第１板状構造体は、その４つの内側角部の各々に第２変位支持点が設けられ、
前記第２板状構造体は、その４つの角部の各々に第２固定支持点が設けられ、
前記各第２変位支持点と前記各第２固定支持点とは、１対１に対応し、対応する第２変位支持点と第２固定支持点とがそれぞれ個別の第２弾性変形体によって接続されている
ことを特徴とする請求項１８に記載の発電回路。

【請求項21】

前記第１板状構造体及び前記第２板状構造体の少なくとも一方の上面もしくは下面、またはその両面に、重錘体が接合されている
ことを特徴とする請求項２０に記載の発電回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二次電池を充電するための発電回路に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、二次電池が使用されている大きな市場の一つに、スマートフォン市場が挙げられる。スマートフォンには、駆動用の電力源として、リチウムイオン電池等の二次電池が採用されている。この二次電池は、電力が十分に蓄電されていれば、スマートフォンのシステムを正常に動作させるが、当該二次電池の蓄電量が減少して電圧が所定の値以下になると、システムはダウンしてしまう。この場合、二次電池は、外部電源によって充電される必要がある。

【0003】

このような二次電池に対して、例えば、特許文献１に記載されるような振動によって発電を行う振動発電素子を含む発電回路を接続し、当該発電回路で発電される電気エネルギー（電力）を二次電池に供給することができれば、システム（スマートフォン）は、より長い時間にわたって作動することができる。

【0004】

以下、振動発電素子を用いた発電回路の従来例について具体的に説明する。図１は、従来の発電回路１１１０の一例を示すブロック図である。図１に示すように、発電回路１１１０は、発電素子１１１１と、発電素子１１１１に接続され、当該発電素子１１１１の発電によって生じる交流電流を直流電流に整流する整流部１１１２と、整流部１１１２に接続されたコンデンサＣ及びダイオード１１１３と、を有している。駆動対象のシステムは、コンデンサＣ及びダイオード１１１３に接続されている。

【0005】

このような発電回路１１１０においては、発電素子１１１１よる発電によって生じた電気エネルギーは、交流電流及び交流電圧を伴う。この電気エネルギーは、発電素子１１１１の下流に接続された整流部１１１２（ダイオードブリッジ）によって交流電流が直流電流に整流された後で、コンデンサＣに蓄電される。コンデンサＣに蓄電された電力は、ダイオード１１１３を介してシステムＳに提供される。

【0006】

このような発電回路１１１０においては、発電素子１１１１の発電によって生じる電圧が整流部１１１２（ダイオードブリッジ）の閾値電圧（約０．６Ｖ）以上に達しないと、コンデンサＣに充電を行うことができない。すなわち、発電素子１１１１の発電によって生じる電圧がダイオードの閾値電圧に達していないときには、発電された電気エネルギーがコンデンサＣに供給されないため、発電素子１１１１によって発電された電気エネルギーが無駄になってしまう。

【0007】

このような問題を解消するために、図２に示される発電回路１１２０が提案されている。図２は、従来の発電回路１１２０の他の例を示すブロック図である。

【0008】

発電回路１１２０は、発電素子１１２１と、発電素子１１２１に接続され、当該発電素子１１２１の発電によって生じる交流電流を直流電流に整流する整流部１１２２と、整流部１１２２に接続され、発電素子１１２１の発電によって生じる電圧を昇圧させる電圧制御部１１２３と、を備えている。二次電池Ｂは、電圧制御部１１２３に接続されるようになっていて、電圧制御部１１２３によって昇圧された電圧が当該二次電池Ｂに提供されるようになっている。更に、整流部１１２２及び電圧制御部１１２３は、所定の配線１６ａ、１６ｂによって二次電池Ｂと接続されており、当該整流部１１２２及び電圧制御部１１２３を駆動させるための電力が二次電池Ｂから供給されるようになっている。整流部１１２２は、能動素子（ＯＰアンプ等）を用いた整流回路であり、その閾値電圧は実質的に０Ｖとなっている。電圧制御部１１２３は、整流部１１２２の下流において、発電素子１１２１の発電によって生じた電圧を昇圧させるためのものである。

【0009】

このような発電回路１１２０においては、整流部１１２２の閾値電圧が略０Ｖであるため、発電素子１２１による発電が無駄になるようなケースは減少することになる。しかしながら、この方法では、電圧制御部１１２３によって昇圧された電圧値がキャパシターや二次電池Ｂを充電するために必要とされる所定の電圧値に達していれば、キャパシターや二次電池Ｂに充電をすることができるが、当該所定の電圧値に達していなければ、キャパシターの放電や二次電池Ｂの破損を招く虞があり、問題である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開平１０−２４３６６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、以上のような事情に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、キャパシターの放電や二次電池の破損を招くことが無い発電回路を提供することである。このような発電回路を採用することにより、安全で最適な発電システムを構築することができる。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明による発電回路は、二次電池を充電するためのものであって、
発電素子と、
前記発電素子に接続され、前記発電素子の発電により生じる電流を整流する整流部と、
前記整流部に接続され、前記発電素子の発電により生じる電圧を昇圧させる電圧制御部と、
前記電圧制御部と前記二次電池との間に配置され、前記電圧制御部と前記二次電池との接続を選択的に遮断する遮断部と、を備え、
前記整流部、前記電圧制御部、及び、前記遮断部は、前記二次電池または外部の電源から提供される電力によって駆動され、
前記整流部は、整流を行うための閾値電圧が０．８Ｖ以下であり、
前記遮断部は、前記電圧制御部によって昇圧された電圧が前記二次電池を充電するために必要な電圧を下回っている場合に、前記電圧制御部と前記二次電池との接続を遮断する。

【0013】

本発明によれば、昇圧された電圧の値に基づいて、電圧制御部と二次電池との接続が選択的に遮断されるようになっている。このため、キャパシターの放電や二次電池の破損を招くことが無い発電回路を提供することができる。したがって、本発明による発電回路を採用することにより、安全で最適な発電システムを構築することができる。

【0014】

前記発電素子と前記二次電池とを接続するバイパス回路を更に備え、
前記バイパス回路は、
前記発電素子の発電により生じる電流を整流する整流素子と、
前記整流素子に接続され、前記整流素子と前記二次電池とを選択的に遮断する第２遮断部と、を有し、
前記二次電池の蓄電量が所定の値未満であるとき、前記第２遮断部は前記発電素子と前記二次電池との接続を遮断し、
前記二次電池の蓄電量が前記所定の値以上であるとき、前記第２遮断部は、前記発電素子と前記二次電池との接続を維持するようになっていて良い。

【0015】

二次電池の蓄電量が所定の値未満であるときとは、例えば、二次電池の蓄電量が整流部、電圧制御部、及び、遮断部を駆動させることが可能な値に達していないときである。したがって、この例においては、二次電池の蓄電量が所定の値以上であるときとは、二次電池の蓄電量が整流部、電圧制御部、及び、遮断部を駆動させることが可能な値に達しているときを意味する。

【0016】

この場合、二次電池の蓄電量が整流部、電圧制御部、及び、遮断部を駆動させることが可能な値に達していないときにも、発電素子を振動させることによって、バイパス回路を介して二次電池を充電することができる。このようなバイパス回路を用いた二次電池の充電によって蓄電量が前記所定の値に達すれば、当該二次電池は、外部電源による電力の供給を受けることなく、整流部、電圧制御部、及び、遮断部を駆動させることができる。

【0017】

前記発電素子は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であって良い。この場合、発電回路は、当該発電回路が採用されたスマートフォン等を持ち運ぶ際に生じる振動や、周囲の音（エアコンの運転によって生じる音等）によって引き起こされる振動等を、効果的に電気エネルギーに変換することができる。

【0018】

以上のような振動によって発電を行う発電素子としては次のようなものが採用可能である。すなわち、前記発電素子は、
可撓性を有する第１属性の板状構造体と、可撓性を有する第２属性の板状構造体と、前記第１属性の板状構造体と前記第２属性の板状構造体とを相互に接続する異属間接続体と、前記第１属性の板状構造体を支持する台座と、を有する基本構造部と、
前記基本構造部の変形に基づいて電荷を発生させる電荷発生素子と、を備え、
ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、前記第１属性の板状構造体および前記第２属性の板状構造体は、その板面がＸＹ平面に平行な面になるように配置され、
前記第１属性の板状構造体は、根端部が前記台座に直接もしくは間接的に接続されており、先端部が前記異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、前記根端部から前記先端部へ向かう方向がＹ軸正方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びており、
前記第２属性の板状構造体は、根端部が前記異属間接続体に直接もしくは間接的に接続されており、当該根端部から前記先端部へ向かう方向がＹ軸負方向となるように、Ｙ軸に平行な方向に伸びている。

【0019】

この場合、発電素子は、Ｙ軸正方向に伸びる第１属性の板状構造体と、Ｙ軸負方向に伸びる第２属性の板状構造体とが、異属間接続体を介して接続された構造を有するため、同一軸に沿って共振周波数の異なる複数の共振系が混在する構造を実現することができる。すなわち、発電素子の共振周波数を複数設定することができるため、発電素子が使用される環境において頻繁に生じることが想定される周波数が複数ある場合であっても、それら複数の周波数を効率的に利用した発電を行うように、発電素子を調整することができる。

【0020】

このような発電素子において、前記第２属性の板状構造体は、互いに平行になるように並列配置された複数の板状構造体を有していて良い。この場合、発電素子の小型化、薄型化を実現することができる。

【0021】

前記基本構造部は、前記第１及び第２属性の板状構造体の所定箇所、及び、前記異属間接続体の所定箇所、のうちの少なくとも１カ所に接続された重錘体を有していて良い。

【0022】

この場合、重錘体を適宜に配置することによって、当該重錘体を含む基本構造部の共振周波数を所望に調整することができ、発電回路が使用される環境において頻繁に発生する振動のエネルギーを、効率的に電気エネルギーに変換することができる。

【0023】

前記第１属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第１の共振系と、前記第２属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第２の共振系と、において、前記第１の共振系のバネ定数が前記第２の共振系のバネ定数と異なるように設定されていて良い。この場合、発電素子の共振系の共振周波数を高い自由度で調整することができる。

【0024】

前記基本構造部は、前記第１属性の板状構造体の先端部に接続された重錘体と、前記第２属性の板状構造体の先端部に接続された重錘体と、を有しており、これら２種類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していて良い。

【0025】

この場合、従来例に比べて、効率的な発電が可能な周波数帯域を拡大することができるため、一定の周波数帯域の振動が与えられる環境において最適な発電回路を提供することができる。

【0026】

前記電荷発生素子は、前記第１及び第２属性の板状構造体の変形を生じる部分に形成された圧電素子を有していて良い。

【0027】

前記圧電素子は、前記第１属性の板状構造体の上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、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ようになっていて良い。この場合、第１及び第２属性の板状構造体の変形に伴って当該板状構造体に生じる応力を利用した発電を行うことができる。

【0028】

前記第１属性の板状構造体には、その上面に共通下部電極層が設けられ、
前記共通下部電極層には、その上面に共通圧電材料層が設けられ、
前記共通圧電材料層は、そ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設けられ、
前記第１属性の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、それぞれ前記共通圧電材料層から同一極性の電荷が供給されるようになっていて良い。

【0029】

特には、前記第１属性の板状構造体には、その上面の中心にＹ軸と平行な方向に伸びる中心軸線を定義したときに、根端部側の前記中心軸線の両脇と先端部側の前記中心軸線の両脇とにそれぞれ配置された個別上部電極層が設けられている。

【0030】

この場合、基本構造部に与えられた振動のＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の振動成分の全てを、効果的に発電エネルギーに変換することができる。

【0031】

あるいは、振動によって発電を行う発電素子として、次のようなものも採用可能である。すなわち、変位部材と、固定部材と、弾性変形体と、を有し、
前記変位部材は、前記弾性変形体を介して前記固定部材に接続されており、
前記変位部材および前記固定部材のうち、一方の表面にはエレクトレット材料層が形成され、他方の表面には前記エレクトレット材料層に対向する対向電極層が形成され、
前記エレクトレット材料層および前記対向電極層は、所定の基準平面に平行になるように配置され、
前記発電素子に振動エネルギーが与えられたときに、前記弾性変形体が変形することにより、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の層間距離が変動するように、前記変位部材が前記固定部材に対して変位するようになっている。

【0032】

このような発電素子は、前記固定部材に対して固定されたＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記変位部材がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のうち少なくとも２軸の方向に変位可能となるように、前記変位部材と前記固定部材とが前記弾性変形体によって接続されていて良い。この場合、基本構造部に対して与えられる振動のＸ，Ｙ，Ｚの２軸方向の成分を利用して発電を行うことが可能な発電素子を提供することができる。

【0033】

あるいは、このような発電素子は、前記固定部材に対して固定されたＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記変位部材がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての方向に変位可能となるように、前記変位部材と前記固定部材とが前記弾性変形体によって接続されていて良い。

【0034】

この場合、基本構造部に対して与えられる振動のＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の全ての成分を利用して発電を行うことが可能な発電素子を提供することができる。

【0035】

前記変位部材は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する板状構造体を含み、
前記固定部材は、前記板状構造体を取り囲むように配置された枠状構造体を含んでいて良い。

【0036】

この場合、発電素子の小型化、薄型化を実現することができる。

【0037】

変位を生じていない状態における前記変位部材の中心位置に原点が配置されるように前記ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
前記板状構造体は、Ｘ軸の正領域と直交する第１の変位外面と、Ｘ軸の負領域と直交する第２の変位外面と、を有し、
前記枠状構造体は、Ｘ軸の正領域と直交し前記第１の変位外面に対向する第１の固定内面と、Ｘ軸の負領域と直交し前記第２の変位外面に対向する第２の固定内面と、を有していて良い。

【0038】

特には、前記第１の変位外面には、Ｘ軸正方向に突出した第１の変位凸部が設けられ、
前記第２の変位外面には、Ｘ軸負方向に突出した第２の変位凸部が設けられており、
前記第１の固定内面の、前記第１の変位凸部に対向する位置には、Ｘ軸負方向に突出した第１の固定凸部が設けられ、
前記第２の固定内面の、前記第２の変位凸部に対向する位置には、Ｘ軸正方向に突出した第２の固定凸部が設けられ、
前記第１の変位凸部の頂面と前記第１の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第１のエレクトレット材料層が形成されており、他方には第１の対向電極層が形成されており、
前記第２の変位凸部の頂面と前記第２の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第２のエレクトレット材料層が形成されており、他方には第２の対向電極層が形成されていて良い。

【0039】

この場合、エレクトレット材料層と対向電極層との対向部位を複数個設けることができるため、発電を効率的に行うことができる。

【0040】

前記板状構造体は、矩形状をなし、その４つの角部の各々に変位支持点が設けられ、
前記枠状構造体は、前記板状構造体を取り囲む矩形状をなし、その４つの内側角部の各々に固定支持点が設けられ、
前記各変位支持点と前記各固定支持点とは、１対１に対応し、対応する変位支持点と固定支持点とがそれぞれ個別の弾性変形体によって接続されていて良い。

【0041】

この場合、薄型でありながらＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の振動に対応することが可能な発電素子を提供することができる。

【0042】

前記板状構造体の上面もしくは下面、またはその両面に、重錘体が接合されていて良い。この場合、重錘体を含む板状構造体の質量を調整することが容易である。このため、発電回路が使用される環境において頻繁に発生する振動の周波数と、重錐体を含む板状構造体の共振周波数と、が一致するように当該重錘体の質量を調整することにより、振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。

【0043】

前記板状構造体は、ＸＹ平面に平行な上面及び下面を有する矩形の第１板状構造体と、Ｚ軸方向から見て前記第１板状構造体を取り囲む矩形の枠状の第２板状構造体と、を有し、
前記第１板状構造体は、その４つの内側角部の各々に第２変位支持点が設けられ、
前記第２板状構造体は、その４つの角部の各々に第２固定支持点が設けられ、
前記各第２変位支持点と前記各第２固定支持点とは、１対１に対応し、対応する第２変位支持点と第２固定支持点とがそれぞれ個別の第２弾性変形体によって接続されていて良い。

【0044】

この場合、板状構造体が２つの共振周波数を有するように構成されるため、発電回路が使用される環境において２つの帯域の振動が頻繁に発生する場合にも、効率的な発電を行うことができる。

【0045】

この場合、前記第１板状構造体及び前記第２板状構造体の少なくとも一方の上面もしくは下面、またはその両面に、重錘体が接合されていて良い。この場合、２つの共振周波数を所望に調整することが容易である。

【図面の簡単な説明】

【0046】

【図1】従来の発電回路の一例を示すブロック図である。

【図2】従来の発電回路の他の例を示すブロック図である。

【図3】本発明の第１の実施の形態による発電回路を示すブロック図である。

【図4】本発明の第２の実施の形態による発電回路を示すブロック図である。

【図5】図３及び図４に示す発電回路に採用可能な発電素子の一例を示す斜視図（一部はブロック図）である。

【図6】図６（ａ）は、図５に示す発電素子の基本構造部の上面図であり、図６（ｂ） は、その側面図である。

【図7】図６（ａ）に示す基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図である。

【図8】図６（ａ）に示す基本構造部を切断線８−８に沿って切断した側断面図である。

【図9】図６（ａ）に示す基本構造部に含まれている２通りの共振系を示す概念図である。図９（ａ）は、第１属性をもつ中央板状構造体の変形に起因して振動を生じる第１の共振系Ｉを示し、図９（ｂ）は、第２属性をもつ板状構造体の変形に起因して振動を生じる第２の共振系IIを示している。図９（ｃ）は、２つの共振系の合成振動系を単純なモデルとして示す図である。

【図10】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る。図１０（ａ）は１次共振モードの変形態様を示しており、図１０（ｂ）は２次共振モードの変形態様を示しており、図１０（ｃ） は３次共振モードの変形態様を示している。

【図11】片持ち梁の自由端に単一の重錘体を取り付けた単純な共振系において、重錘体の共振周波数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12】図５に示す発電素子の基本構造部について、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共振系の振動点となる端点Ｔ１，Ｔ３の振動の周波数特性を示すグラフである。図１２（ａ）は、第１の共振系Ｉの振動点となる端点Ｔ１についての振幅Ａを示す周波数特性であり、図１２（ｂ）は、第２の共振系IIの振動点となる端点Ｔ３についての振幅Ａを示す周波数特性である。

【図13】図５に示す発電素子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14】図５に示す発電素子全体としての発電量の周波数特性を調整した結果を示すグラフである。図１４（ａ）は、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１（第１の共振系Ｉの共振周波数）をより低くなるように左側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２（第２の共振系IIの共振周波数）をより高くなるように右側にシフトさせる調整を行った結果を示すグラフであり、図１４（ｂ）は、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１をより高くなるように右側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２をより低くなるように左側にシフトさせる調整を行った結果を示すグラフである。

【図15】図１５（ａ）は、図５に示す基本構造部に圧電素子を形成することにより得られる発電素子の上面図であり、図１５（ｂ）はこれをＹＺ平面で切断した側断面図である（発電回路の図示は省略されている）。

【図16】台座に一端（左端）が固定された一般的な板状構造体についての、個別上部電極層の好ましい配置を示す上面図である。

【図17】エレクトレット発電素子の発電原理を説明するための図である。

【図18】３軸発電が可能なエレクトレット発電素子の一例を示す概略図である。

【図19】３軸発電が可能なエレクトレット発電素子の他の例を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0047】

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

【0048】

＜＜＜ §１． 第１の実施の形態による発電回路 ＞＞＞
図３は、本発明の第１の実施の形態による発電回路１０を示すブロック図である。

【0049】

発電回路１０は、スマートフォン等の電子機器に搭載される二次電池Ｂを充電するためのものであって、発電素子１１と、発電素子１１に接続され、発電素子１１の発電により生じる電流を整流する整流部１２と、整流部１２に接続され、発電素子１１の発電により生じる電圧を昇圧させる電圧制御部１３と、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの間に配置されており、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続を選択的に遮断する遮断部１４と、を備えている。図３に示すように、整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４は、配線１６ａ、１６ｂ及び１６ｃによって、それぞれ二次電池Ｂに接続され、当該二次電池Ｂから提供される電力によって駆動するようになっている。更に、二次電池Ｂは、外部電源Ｅに選択的に接続可能である。このことにより、二次電池Ｂが外部電源Ｅによって充電され得ると共に、整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４が電源Ｅから提供される電力によっても駆動するようになっている。

【0050】

発電素子１１は、様々なタイプの素子が採用され得るが、ここでは、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が採用されている。これは、スマートフォン等の携行型の電子機器においては、携行時に振動が生じることから、この振動を発電に利用することができれば効率的である、という考えに基づいている。発電素子１１の具体的な構成については後に詳述する。

【0051】

整流部１２は、能動素子（ＯＰアンプ等）を利用した回路構成を有している。これにより、整流を行うための閾値電圧が実質的に０Ｖとなっている。もちろん、閾値電圧は、０Ｖでなくても良いが、発電された電気エネルギーを有効に活用するという観点から、好ましい閾値電圧は、０．８Ｖ以下であり、より好ましくは０．３Ｖ以下であり、更に好ましくは０．１Ｖ以下である。

【0052】

遮断部１４は、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続を選択的に遮断する機能を有している。この遮断部１４の存在によって、電流が二次電池Ｂから電圧制御部１３に向かって流れることが防止されるようになっている。図３に示すように、遮断部１４は、電圧制御部１３による昇圧後の電圧が二次電池Ｂを充電するために必要な電圧に達しているか否かを判定する電圧判定部１４ａと、この電圧判定部１４ａの判定結果に基づいて、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続を選択的に遮断する遮断制御部１４ｂと、を有している。具体的には、電圧判定部１４ａは、二次電池Ｂを充電するために必要な電圧値を記憶しており、この電圧値と電圧制御部１３による昇圧後の電圧値とを比較するようになっている。遮断制御部１４ｂは、電圧判定部１４ａによる判定結果が、昇圧後の電圧が二次電池Ｂを充電するために必要な電圧に達しているというものであれば、電圧制御部１３と二次電池Ｂとを接続し、その一方で、電圧判定部１４ａによる判定結果が、昇圧後の電圧が二次電池Ｂを充電するために必要な電圧に達していないというものであれば、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続を遮断するようになっている。

【0053】

次に、本実施の形態による発電回路１０の作用について説明する。

【0054】

まず、発電回路１０が充電対象の二次電池Ｂに接続される。初期状態において、発電回路１０の遮断部１４は、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続を遮断していない（接続状態を維持している）ものとする。

【0055】

発電素子１１が振動発電素子である場合、当該発電素子１１に振動が与えられると、当該振動の振動エネルギーが電気エネルギーに変換されることにより、発電が行われる。振動発電素子による発電は、交流発電である。発電原理の詳細については、後述の発電素子を説明する節において詳述する。発電素子１１によって発電された電気エネルギー（電力）により、整流部１２に対して、交流電流と交流電圧とが供給される。

【0056】

発電素子１１の発電により生じた交流電流は、整流部１２によって直流電流に整流される。これは、二次電池Ｂを充電するためには直流電流が必要だからである。本実施の形態の整流部１２は、前述したように、能動素子の作用によって、整流を行うための閾値電圧が実質的に０Ｖに設定されているため、発電素子１１の発電によって生じた電圧の大きさによらずに整流が行われる。

【0057】

次に、発電によって生じた電気エネルギーは、電圧制御部１３によって、電圧が昇圧させられる。

【0058】

その後、遮断部１４の電圧判定部１４ａは、電圧制御部１３による昇圧後の電圧が二次電池Ｂを充電するために必要な電圧に達しているか否かを判定する。この判定の結果が、昇圧後の電圧が二次電池Ｂを充電するために必要な電圧に達していないというものであれば、電圧判定部１４ａは、遮断制御部１４ｂに対して、この判定結果に対応する第１信号を発信する。遮断制御部１４ｂは、この第１信号を受信することにより、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続を遮断（切断）する。これにより、二次電池Ｂから電圧制御部１３に向かって電流が逆流することが回避される。一方、電圧判定部１４ａによる判定の結果が、昇圧後の電圧が二次電池Ｂを充電するために必要な電圧に達しているというものであれば、電圧判定部１４ａは、遮断制御部１４ｂに対して、この判定結果に対応する第２信号を発信する。遮断制御部１４ｂは、この第２信号を受信することにより、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続状態を維持する。これにより、発電素子１１から二次電池Ｂに向かって電気エネルギーが提供されるため、二次電池Ｂが破損することなく適正に充電される。

【0059】

以上のような本実施の形態による発電回路１０によれば、昇圧された電圧の値に基づいて、電圧制御部１３と二次電池Ｂとの接続が選択的に遮断されるようになっている。このため、二次電池Ｂの破損を招くことが無い発電回路１０を提供することができる。したがって、本発明による発電回路１０を採用することにより、安全で最適な発電システムを構築することができる。

【0060】

＜＜＜ §２． 第２の実施の形態による発電回路 ＞＞＞
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態による発電回路２０を説明する。

【0061】

図４に示すように、発電回路２０は、第１の実施の形態による発電回路１０（図３参照）と略同様の構成を有しているが、発電素子１１と二次電池Ｂとを接続するバイパス回路２１有している点で、先の発電回路１０とは異なっている。バイパス回路２１は、発電素子１１の発電により生じる交流電流を直流電流に整流する整流素子２２と、整流素子２２に接続され、整流素子２２と二次電池Ｂとを選択的に遮断する第２遮断部２３（２３ａ及び２３ｂ）と、を有している。整流素子２２は、整流部１２と同様に、発電素子１１の発電により生じる交流電流を、二次電池Ｂの充電が可能な直流電流に変換（整流）する機能を有している。

【0062】

図４に示すように、第２遮断部２３は、二次電池Ｂの蓄電量を検知し、当該蓄電量が所定の値に達しているか否かを判定する蓄電量判定部２３ａと、この蓄電量判定部２３ａの判定結果に基づいて、発電素子１１と二次電池Ｂとの接続を選択的に遮断する遮断制御部２３ｂと、を有している。ここでは、所定の値とは、二次電池Ｂが整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させることが可能な蓄電量の値を意味している。具体的には、蓄電量判定部２３ａは、整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量を記憶しており、この蓄電量と二次電池Ｂの実際の蓄電量とを比較するようになっている。遮断制御部２３ｂは、蓄電量判定部２３ａによる判定結果が、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量に達しているというものであれば、バイパス回路２１を切断するようになっている。遮断制御部２３ｂは、蓄電量判定部２３ａから信号の入力が無い場合には、常時バイパス回路２１を接続するようになっている。従って、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量に達しているという判定結果が蓄電量判定部２３ａから得られていないときには、常時バイパス回路２１が接続されることになる。なお、遮断制御部２３ｂは、電力源がなくてもノーマル・オンとなっている任意の素子を採用することができる。例えば、ノーマル・クローズのリレーでも良い。

【0063】

次に、以上のような発電回路２０の作用について説明する。

【0064】

この発電回路２０の発電素子１１、整流部１２、電圧制御部１３及び遮断部１４の作用については、第１の実施の形態による発電回路１０の作用と同じである。したがって、ここでは、発電回路１０と共通する構成部分の作用についての説明は省略し、本実施の形態において新たに導入されたバイパス回路２１の作用についてのみ詳細に説明する。このバイパス回路２１は、初期状態において、発電素子１１と二次電池Ｂとの接続が維持されているものとする。

【0065】

蓄電量判定部２３ａは、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量に達しているか否かを判定する。この判定に当たっては、二次電池Ｂの実際の蓄電量と蓄電量判定部２３ａに記憶された蓄電量とが比較される。この判定結果（比較結果）が、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量に達しているというものであれば、蓄電量判定部２３ａは、遮断制御部２３ｂに対して信号を発信する。遮断制御部２３ｂは、この信号を受信すると、バイパス回路２１の接続を遮断する。

【0066】

二次電池Ｂからシステム（スマートフォン等の電子機器）に対して電力が供給されるにつれて、当該二次電池Ｂの蓄電量は減少する。そして、蓄電量判定部２３ａによる判定結果が、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量に達していないというものになれば、蓄電量判定部２３ａは、遮断制御部２３ｂに対して発信していた前記信号を停止する。これにより、遮断制御部２３ｂは、遮断されていたバイパス回路２１を再び接続する（初期状態に復帰する）。前述したように、第２遮断部２３としてノーマル・クローズのリレーを採用することができる。このリレーは、電源が無くても遮断制御部２３ｂの接続状態を維持することができるので、本実施例に適するデバイスの１つである。バイパス回路２１によって発電素子１１と二次電池Ｂとが接続されている状態では、整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４が駆動していない。このため、この状態では、発電素子の発電による電気エネルギーを二次電池Ｂに効率的に充電することができない。

【0067】

ところで、図４から明らかなように、バイパス回路２１は、発電素子１１の発電による電気エネルギーを二次電池Ｂに直接的に供給するための回路である。換言すると、発電素子１１、整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４をこの順序で経由して二次電池Ｂへと至るルート（図４において太枠で囲まれたルート）とは異なり、バイパス回路２１には電圧制御部１３に相当する構成要素が存在していない。このため、発電素子１１の発電による電気エネルギーを、バイパス回路２１を経由して二次電池Ｂに供給するためには、一定以上の電圧を伴った発電を行う必要がある。このような回路構成に鑑み、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量に達していないときには、発電素子１１によって、二次電池Ｂの充電を行うことが可能な程度の発電を行うことにより、二次電池Ｂが適正に充電され、ひいては、再び、当該二次電池Ｂが整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させることができるようになる。

【0068】

したがって、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させるために必要な蓄電量に達していないときには、例えば発電回路２０が搭載された電子機器を振るなどして、発電素子１１に対して比較的大きな振動を与えればよい。このとき、発電素子１１は、二次電池Ｂの充電を行うことが可能な程度の電圧を伴う電気エネルギーを発電する。発電により生じた電気エネルギーは、整流素子２２によって、交流電流から直流電流に整流された後に、二次電池Ｂに供給される。二次電池Ｂは、当該電気エネルギーの供給により、適正に充電される。

【0069】

そして、二次電池Ｂの蓄電量が整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させることが可能な蓄電量に達すると、再び、蓄電量判定部２３ａが遮断制御部２３ｂに対して信号を発信する。これにより、遮断制御部２３ｂは、当該信号に基づいて、発電素子１１と二次電池Ｂとの接続を遮断（切断）する。これにより、発電回路２０が初期状態に復帰される。このときの発電回路２０は、第１の実施の形態による発電回路１０と実質的に同じ回路構成となる。

【0070】

以上のような本実施の形態の発電回路２０によれば、二次電池Ｂが整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させることが可能な程度に充電されていない場合であっても、発電素子１１を振動させることによって二次電池Ｂに充電を行うことができる。このようなバイパス回路２１を用いた二次電池Ｂの充電によって、当該二次電池Ｂは、再び、整流部１２、電圧制御部１３、及び、遮断部１４を駆動させることができるようになる。バイパス回路２１を経由した発電経路よりも、整流部１２、電圧制御部１３、遮断部１４を経由した発電経路の方が効率的な発電を行うことができるため、再び効率的な二次電池Ｂの充電を行うことができる。

【0071】

＜＜＜ §３． 発電素子の具体例１ ＞＞＞
＜ ３−１． 構成＞
次に、上述した発電回路１０、２０に採用可能な発電素子１１の一例について説明する。図５は、そのような発電素子１１を示す斜視図（一部はブロック図）である。また、図６（ａ）は、図５に示す発電素子１１の基本構造部の上面図であり、図６（ｂ） は、その側面図である。図７は、図６（ａ）に示す基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図であり、図８は、図６（ａ）に示す基本構造部を切断線８−８に沿って切断した側断面図である。

【0072】

図５乃至図８に示すように、この発電素子１１は、主基板１１０、重錘体群２１０、台座３１０及び電荷発生素子４００を備えている。発電素子１１は、電荷発生素子４００を介して発電回路１０、２０に接続されるようになっている。ここでは、主基板１１０、重錘体群２１０、台座３１０によって構成される物理的な構成部分を基本構造部と呼ぶことにする。図５では、この基本構造部が斜視図として示されており、電荷発生素子４００、および、発電素子１１を除く発電回路１０、２０がブロック図として示されている。発電素子１１は、基本構造部と電荷発生素子４００とで構成されている。この発電素子１１の特徴は、斜視図として示す基本構造部の固有の構造にある。以下、この固有の構造についての説明を行う。

【0073】

まず、図５乃至図８に示すような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１１では、板状構造体である主基板１１０による片持ち梁によって重錘体群２１０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ようになっている。

【0074】

主基板１１０は、平面形状がＥ字状をした板状の構造体であり、図示のとおり、中央板状構造体１１１、異属間接続体１１２、負側板状構造体１１３、正側板状構造体１１４の４つの部分によって構成される。異属間接続体１１２は、後述するように、異なる属性をもつ板状構造体を相互に接続する役割を果たす。負側板状構造体１１３は、Ｘ座標値が負の領域に配置された構成要素であり、正側板状構造体１１４は、Ｘ座標値が正の領域に配置された構成要素である。なお、ここでは便宜上、主基板１１０を上記４つの部分に分けて説明するが、主基板１１０は、あくまでも一体となった１枚のＥ字状基板であり、上記４つの部分は、この１枚のＥ字状基板において、特定の役割を担う部分ということになる。

【0075】

主基板１１０は可撓性をもった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。

【0076】

一方、重錘体群２１０は、図示のとおり、３組の重錘体２１１，２１２，２１３によって構成され、それぞれ主基板１１０の下面の所定箇所に接続されている。具体的には、重錘体２１１は、異属間接続体１１２の下面に接続されており、重錘体２１２は、負側板状構造体１１３の先端部（図の左側端部）の下面に接続されており、重錘体２１３は、正側板状構造体１１４の先端部（図の左側端部）の下面に接続されている。これら各重錘体２１１，２１２，２１３は、振動を生じさせ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。

【0077】

特に図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、本実施の形態では、重錘体２１１は、Ｚ軸方向から見て、負側板状構造体１１３及び正側板状構造体１１４の各根端部において、Ｙ軸方向の厚みが他の領域よりも小さくなっている。

【0078】

そして、台座３１０は、中央板状構造体１１１の根端部（図の左側端部）を支持固定する構成要素である。実際には、この台座３１０は発電素子１１の装置筐体に固定され、振動源からの振動エネルギーを中央板状構造体１１１に伝達する役割を果たす。図５には、直方体のブロック状をした台座３１０が描かれているが、台座３１０は、中央板状構造体１１１を支持固定することができるものであれば、どのような形状のものでも、どのような材料を用いて構成したものでもかまわない。

【0079】

本願では、各板状構造体１１１〜１１３の両端部分のうち、台座３１０への接続経路上において、台座３１０に近い方を根端部と呼び、台座３１０から遠い方を先端部と呼ぶことにする。たとえば、中央板状構造体１１１の場合、図の左の方が右よりも台座３１０に近いため、左端側が根端部、右端側が先端部ということになる。これに対して、負側板状構造体１１３および正側板状構造体１１４の場合は、空間的な位置関係に着目すると、図の左の方が右よりも台座３１０に近い。しかしながら、台座３１０への接続経路を考えると、端点Ｔ３は、Ｔ３−Ｔ２−Ｔ１−Ｏという経路で台座３１０に接続されており、端点Ｔ５は、Ｔ５−Ｔ４−Ｔ１−Ｏという経路で台座３１０に接続されている。したがって、当該接続経路上においては、図の右の方が左よりも台座３１０に近いため、右端側が根端部、左端側が先端部ということになる。

【0080】

異属間接続体１１２およびその下面に接続された重錘体２１１は、Ｙ軸に沿って伸びる中央板状構造体１１１によって、台座３１０に対して片持ち梁構造で支持されている。中央板状構造体１１１は、可撓性を有しているため、外力が作用すると撓みを生じ、原点Ｏに対して端点Ｔ１は変位する。したがって、台座３１０に対して振動エネルギーが加えられると、中央板状構造体１１１は周期的な撓みを生じ、重錘体２１１は振動する。後述するように、このような振動は、第１の共振系Ｉの振動になる。

【0081】

一方、重錘体２１２は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる負側板状構造体１１３によって、異属間接続体１１２に対して片持ち梁構造で支持されている。負側板状構造体１１３のうち、少なくとも重錘体２１２が接続されていない部分は可撓性を有しているため、外力が作用すると撓みを生じ、端点Ｔ２に対して端点Ｔ３は変位する（この例の場合、重錘体２１２が接続されている部分には、有意な撓みは生じない）。したがって、異属間接続体１１２に対して振動エネルギーが加えられると、負側板状構造体１１３は周期的な撓みを生じ、重錘体２１２は振動する。後述するように、このような振動は、第２の共振系IIの振動になる。

【0082】

同様に、重錘体２１３は、Ｙ軸に平行な方向に伸びる正側板状構造体１１４によって、異属間接続体１１２に対して片持ち梁構造で支持されている。正側板状構造体１１４のうち、少なくとも重錘体２１３が接続されていない部分は可撓性を有しているため、外力が作用すると撓みを生じ、端点Ｔ４に対して端点Ｔ５は変位する（この例の場合、重錘体２１３が接続されている部分には、有意な撓みは生じない）。したがって、異属間接続体１１２に対して振動エネルギーが加えられると、正側板状構造体１１４は周期的な撓みを生じ、重錘体２１３は振動する。この振動は、やはり第２の共振系IIの振動になる。

【0083】

このように、第１の共振系Ｉの基点となる原点Ｏは台座３１０に固定されているため、第１の共振系Ｉの振動端Ｔ１は、原点Ｏを基準にして振動することになる。これに対して、第２の共振系IIの基点となる端点Ｔ２，Ｔ４は、端点Ｔ１の振動に応じて振動することになり、第２の共振系IIの振動端Ｔ３，Ｔ５は、振動中の端点Ｔ２，Ｔ４を基準にして振動することになる。別言すれば、この基本構造部は、第１の共振系Ｉと第２の共振系IIとを入れ子状にした複雑な合成振動系を構成していることになる。後述するように、このような複雑な合成振動系を構成することにより、発電可能な周波数帯域を広げることが可能となる。

【0084】

また、図６（ｂ）乃至図８に示すように、各重錘体２１１，２１２，２１３の底面の位置は、台座３１０の底面の位置よりも若干上方に設定されている。これは、台座３１０の底面を装置筐体に固定したときに、装置筐体と各重錘体２１１，２１２，２１３の底面との間に若干の空間が維持されるようにするための配慮である。各重錘体２１１，２１２，２１３は、この空間を利用して装置筐体内で振動することになる。

【0085】

図５にブロック図として描かれている電荷発生素子４００は、これら板状構造体１１１，１１３，１１４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）である。この電荷発生素子４００の構成や動作については、後述の３−４．で説明する。

【0086】

＜ ３−２． 複数の共振系をもつ基本構造部の特徴＞
３−１．では、発電素子１１の基本構造部に、複数の共振系が含まれており、全体として、複雑な合成振動系が構成されることを簡単に説明した。ここでは、これら複数の共振系の具体的な振動態様の特徴とその共振周波数について、より詳しい説明を行うことにする。

【0087】

図６（ａ）に示す基本構造部において、重錘体２１１は、中央板状構造体１１１による片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されており、台座３１０から重錘体２１１に至る経路は、原点Ｏから端点Ｔ１に至る経路になる。これに対して、重錘体２１２は、中央板状構造体１１１，異属間接続体１１２，負側板状構造体１１３による片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されており、台座３１０から重錘体２１２に至る経路は、Ｏ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ３を辿る経路になる。同様に、重錘体２１３は、中央板状構造体１１１，異属間接続体１１２，正側板状構造体１１４による片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されており、台座３１０から重錘体２１３に至る経路は、Ｏ−Ｔ１−Ｔ４−Ｔ５を辿る経路になる。

【0088】

このように、３組の重錘体２１１，２１２，２１３は、いずれも片持ち梁構造で台座３１０に対して支持されているが、片持ち梁構造の経路が異なるため、それぞれ別個の共振系が構成されることになる。図９は、この基本構造部に含まれている２通りの共振系を示す概念図である。

【0089】

図９（ａ）は、第１属性をもつ中央板状構造体１１１の変形に起因して振動を生じる第１の共振系Ｉを示す。この図では、中央板状構造体１１１の根端部に位置する原点Ｏを固定した状態において、先端部に位置する端点Ｔ１が変位する様子が示されている。ここでは、この共振系を、１本の線からなる可撓性をもった板状構造体１１１と、端点Ｔ１に位置する質点ｍと、によって構成される単純なモデルとして考える。図の実線は、静止状態の系を示し、破線は振動状態の系を示す。振動状態では、板状構造体１１１が破線で示すように変形し、端点Ｔ１は、静止状態の位置Ｔ１（０）から、上方位置Ｔ１（＋）まで変位したり、下方位置Ｔ１（−）まで変位したりする動作を繰り返す。

【0090】

図６（ａ）に示すように、端点Ｔ１には、異属間接続体１１２、負側板状構造体１１３、正側板状構造体１１４、重錘体２１１，２１２，２１３の合計荷重が加わることになり、中央板状構造体１１１は、これらの荷重を支持する役割を果たしている。したがって、図９（ａ）のモデルにおける質点ｍは、構成要素２１１，２１２，２１３，１１２，１１３，１１４の全体の質量をもつ点ということになる。

【0091】

図９（ｂ）は、第２属性をもつ負側板状構造体１１３の変形に起因して振動を生じる第２の共振系IIを示す（正側板状構造体１１４の変形に起因して振動を生じる共振系も同じである）。この図では、負側板状構造体１１３の根端部に位置する端点Ｔ２を固定した状態において、先端部に位置する端点Ｔ３が変位する様子が示されている。ここでも、この共振系を、１本の線からなる可撓性をもった板状構造体１１３と、端点Ｔ３に位置する質点ｍと、によって構成される単純なモデルとして考える。やはり実線は、静止状態の系を示し、破線は振動状態の系を示す。振動状態では、板状構造体１１３が破線で示すように変形し、端点Ｔ３は、静止状態の位置Ｔ３（０）から、上方位置Ｔ３（＋）まで変位したり、下方位置Ｔ３（−）まで変位したりする動作を繰り返す。

【0092】

図６（ａ）に示すように、端点Ｔ３には、重錘体２１２の荷重が加わることになり、負側板状構造体１１３は、当該荷重を支持する役割を果たす。したがって、図９（ｂ）のモデルにおける質点ｍは、重錘体２１２の質量をもつ点ということになる。この図９（ｂ）に示す共振系IIの場合、その共振周波数ｆｒ２の値は、板状構造体１１３のバネ定数と質点ｍの質量（重錘体２１２の質量）によって定まるので、これらの値を調整することにより、共振周波数ｆｒ２の値を調整することが可能である。

【0093】

もっとも、図６に示す基本構造部の場合、図９（ｂ）のモデルにおいて固定点として示されている端点Ｔ２は、図９（ａ）のモデルにおいて変位点として示されている端点Ｔ１に接続されている。このため、実際には、端点Ｔ２は固定点ではなく、端点Ｔ１とともに振動する点になり、第２の共振系IIは、それ全体が第１の共振系Ｉによって振動させられる系になる。したがって、図６に示す基本構造部は、第１の共振系Ｉと第２の共振系IIとを入れ子状にした複雑な合成振動系を構成している。

【0094】

図９（ｃ）は、このような合成振動系を単純なモデルとして示す図であり、図９（ａ）に示す第１の共振系Ｉの端点Ｔ１の位置に、図９（ｂ）に示す第２の共振系IIを接ぎ木した形態をとる。実際には、第２の共振系IIとしては、負側板状構造体１１３についての系と正側板状構造体１１４についての系との２組が組み込まれることになる。したがって、この合成振動系には、中央板状構造体１１１についての共振系Ｉ、負側板状構造体１１３について共振系II、正側板状構造体１１４について共振系IIが含まれている。ここで、２組の共振系IIは、その全体が、端点Ｔ１に接続された「共振系Ｉの重り」として機能するため、共振系Ｉは、２組の共振系IIをそっくり含んだ系ということになる。

【0095】

図９（ｃ）は、端点Ｔ１が上方位置Ｔ１（＋）に変位し、端点T３が所定位置Ｔ３（ｂ）に変位した状態を示している。ここで、位置Ｔ３（ｂ）は、図９（ｂ）に示す端点Ｔ３の位置に応じて定まる。上述したとおり、共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１は、板状構造体１１１のバネ定数とその質点ｍの質量（端点Ｔ１に加わる荷重）によって定まり、共振系IIの共振周波数ｆｒ２は、板状構造体１１３もしくは１１４のバネ定数とその質点ｍの質量（端点Ｔ３もしくはＴ５に加わる荷重）によって定まる。したがって、これらの値を調整することにより、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２の値を調整することができる。ただ、共振系IIは、全体が共振系Ｉの重りとして機能するため、共振系IIに対して施した調整は、共振系Ｉに対しても影響を与えることになる。

【0096】

なお、図９に実線もしくは破線で示す各板状構造体の変形態様は、各共振系が１次共振モードで共振している状態を示すものであるが、実際には、より高次の共振モードで振動する場合もある。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

この図１０に示す各共振モードは、片持ち梁型の単純な共振系における板状構造体についてのものであり、周波数特性のグラフ上には、共振モードの次数に応じた共振周波数のピークが現れ、一般に、共振モードの次数が高くなるほど、ピーク位置はより周波数の高い方にシフトする。

【0101】

もちろん、この単純な共振系における共振モードを、図９（ｃ）に示すような合成振動系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５に示す各板状構造体１１１，１１３，１１４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。実際には、図５に示す各板状構造体１１１，１１３，１１４は、いずれも複数の共振モードで振動し、共振周波数のピークが複数箇所に現れることになるが、各板状構造体の表面に生じる応力は、図１０（ａ）に示す１次共振モードによる変形態様において最も大きくなり、この１次共振モードによる振動が発電に最も寄与する。したがって、以下、各板状構造体が１次共振モードにより振動するものとして、本発明の作用効果の説明を行う。

【0102】

＜ ３−３． 共振周波数の調整 ＞
上述したとおり、個々の共振系には、それぞれ固有の共振周波数ｆｒが存在し、各共振周波数ｆｒは、板状構造体のバネ定数と重りの質量によって定まる。したがって、各板状構造体のバネ定数と重りの質量を調整すれば、個々の共振系の共振周波数ｆｒを周波数軸上の所望の方向にシフトさせることができ、発電可能な周波数帯域を広げることができる。

【0103】

図１１は、片持ち梁の自由端に重錘体を取り付けた単純な共振系において、重錘体の共振周波数ｆｒを調整するための具体的な方法をまとめた表である。この表に示されている具体的な調整方法は、板状構造体の形状や材質を変える方法（板状構造体のバネ定数を変える方法）と、重錘体の質量を変える方法とに大別される。

【0104】

前者としては、板状構造体について、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。

【0105】

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。

【0106】

この図１１の表に示す調整方法は、前述したような単純な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図５に示す基本構造部にも適用することができる。

【0107】

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、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。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。もちろん、共振周波数をシフトさせる方法には、重錘体の質量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。

【0108】

続いて、図５に示す発電素子１１の全体の発電量に関する周波数特性について説明する。図１２は、図５に示す発電素子１１の基本構造部について、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共振系の振動点となる端点Ｔ１，Ｔ３の振動の周波数特性を示すグラフである。グラフの横軸は、この発電素子１１に外部から与える振動（この例では、Ｚ軸方向の振動）の周波数ｆを示し、グラフの縦軸は、当該外部振動に基づいて励振する端点Ｔ１もしくは端点Ｔ３の振幅Ａを示している。

【0109】

具体的には、図１２（ａ）は、第１の共振系Ｉの振動点となる端点Ｔ１についての振幅Ａを示す周波数特性であり、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の位置に小さなピーク波形Ｐ１２が現れている。一方、図１２（ｂ）は、第２の共振系IIの振動点となる端点Ｔ３についての振幅Ａを示す周波数特性であり、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の位置に小さなピーク波形Ｐ２１が現れている。

【0110】

ここで、周波数値ｆｒ１は、第１の共振系Ｉに固有の１次共振モードでの共振周波数であり、周波数値ｆｒ２は、第２の共振系IIに固有の１次共振モードでの共振周波数である。図５の基本構造部において、各板状構造体１１１，１１３，１１４は、厚みｔは同一であるが、幅ｗおよび長さＬは若干相違する。具体的には、図６（ａ）に示すとおり、第１の共振系Ｉを構成する板状構造体１１１は、第２の共振系IIを構成する板状構造体１１３，１１４に比べて、幅ｗは狭く、長さＬは長い。したがって、図１１の表を参照すると、第１の共振系Ｉを構成する板状構造体１１１の方が、第２の共振系IIを構成する板状構造体１１３，１１４よりもバネ定数ｋが小さくなり、板状構造体のバネ定数の比較に関する限り、第１の共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１の方が、第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ２よりも低くなる。

【0111】

一方、第１の共振系Ｉの重りの質量ｍは、図９（ａ）に示すとおり、構成要素２１１，２１２，２１３，１１２，１１３，１１４の全体の質量になる。これに対して、第２の共振系IIの重りの質量ｍは、図９（ｂ）に示すとおり、重錘体２１２の質量になる。したがって、第１の共振系Ｉの重りの方が、第２の共振系IIの重りよりも重くなるので、図１１の表を参照すると、重りの重さに関しても、やはり第１の共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１の方が、第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ２よりも低くなる。

【0112】

結局、図５の基本構造部の場合、共振周波数ｆｒ１の方が、共振周波数ｆｒ２よりも低くなる。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すグラフは、このような理論的な解析結果に合致する周波数特性を示している。

【0113】

したがって、図５に示す台座３１０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ｆｒ１に達したときに、図１２（ａ）のピーク波形Ｐ１１に示すとおり、端点Ｔ１の振幅Ａが急激に増大する。これは、端点Ｔ１の振動に関与する第１の共振系Ｉ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、第２の共振系IIについては、まだ固有の共振周波数ｆｒ２に達していないため、本来であれば、端点Ｔ３の振幅Ａは極めて小さくなるはずである。

【0114】

しかしながら、実際には、第１の共振系Ｉと第２の共振系IIとは、図９（ｃ）に示すような入れ子状をなしており、両者は物理的にも接続されているため、振動に関して相互に影響を及ぼすことになる。すなわち、外部振動の周波数ｆが共振周波数ｆｒ１に達し、端点Ｔ１の振幅Ａがピーク波形Ｐ１１に示すように急増すると、その影響を受け、端点Ｔ３の振幅Ａも増加する。図１２（ｂ）に示す小さなピーク波形Ｐ２１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、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、端点Ｔ１の振幅が急増するだけでなく、その影響で、端点Ｔ３の振幅も増加する現象が生じる。

【0115】

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１２（ｂ）のピーク波形Ｐ２２に示すとおり、端点Ｔ３の振幅Ａが急激に増大する。これは、端点Ｔ３の振動に関与する第２の共振系II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、端点Ｔ１の振幅Ａも増加する。図１２（ａ）に示す小さなピーク波形Ｐ１２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、端点Ｔ３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、端点Ｔ３の振幅が急増するだけでなく、その影響で、端点Ｔ１の振幅も増加する現象が生じる。

【0116】

なお、図１２（ｂ）は、端点Ｔ３（負側板状構造体１１３の先端点）の振動の周波数特性を示すものであるが、端点Ｔ５（正側板状構造体１１４の先端点）の振動の周波数特性も全く同じものになる。

【0117】

結局、図５に示す発電素子１１の台座３１０に対して、共振周波数ｆｒ１をもつ外部振動が加えられたときには、重錘体２１１には図１２（ａ）のピーク波形Ｐ１１に示すような振幅Ａをもった振動が生じ、重錘体２１２，２１３には図１２（ｂ）のピーク波形Ｐ２１に示すような振幅Ａをもった振動が生じることになる。また、共振周波数ｆｒ２をもつ外部振動が加えられたときには、重錘体２１１には図１２（ａ）のピーク波形Ｐ１２に示すような振幅Ａをもった振動が生じ、重錘体２１２，２１３には図１２（ｂ）のピーク波形Ｐ２２に示すような振幅Ａをもった振動が生じることになる。

【0118】

そこで、中央板状構造体１１１，負側板状構造体１１３，正側板状構造体１１４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１０，２０によって整流して取り出すようにすれば、発電素子１１全体としての発電量の周波数特性は、図１３のグラフに示すようになる。すなわち、第１の共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１の位置に発電量の第１ピーク波形Ｐ１（半値幅ｈ１）が得られ、第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ２の位置に発電量の第２ピーク波形Ｐ２（半値幅ｈ２）が得られる。なお、図１３では、便宜上、２つのピーク波形Ｐ１，Ｐ２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の高さや幅は、図５に示す基本構造部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。

【0119】

この図１３の縦軸に示す発電量は、あくまでも発電素子１１全体としての総発電量であるから、図１３に示す第１ピーク波形Ｐ１には、第１の共振系Ｉを構成する中央板状構造体１１１の変形に基づく発電量だけでなく、第２の共振系IIを構成する負側板状構造体１１３および正側板状構造体１１４の変形に基づく発電量も含まれている。第２ピーク波形Ｐ２も同様に、各板状構造体１１１，１１３，１１４の変形に基づく総発電量を示すものである。

【0120】

片持ち梁型の単純な板状構造体を採用した発電素子の場合、ピーク波形は１つしか存在しない。このため、当該ピーク波形に対応する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、その半値幅程度の狭いものにならざるを得ない。これに対して、図５に示す本発明に係る発電素子１１の場合、図１３のグラフに示すとおり、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２の位置にそれぞれピーク波形Ｐ１，Ｐ２が得られるため、これら共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２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。

【0121】

もちろん、図示の周波数帯域Ｒ１は、周波数ｆｒ１〜ｆｒ２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、ｆｒ１〜ｆｒ２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、周波数特性が単一のピークのみを有する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。

【0122】

前述したとおり、図５に示す発電素子１１の基本構造部では、第１属性をもつ板状構造体１１１と第２属性をもつ板状構造体１１３，１１４とが、異属間接続体１１２によって接続されており、しかも第１属性をもつ板状構造体１１１と第２属性をもつ板状構造体１１３，１１４とは、根端部から先端部へ向かう方向が逆転した関係になっている。このため、すべての板状構造体は、同じ基準軸Ｙに沿った方向に伸びているが、異属間接続体１１２において折り返す構造になっているため、基本構造部全体を、比較的コンパクトな空間に収容することができ、発電素子全体として小型化を図ることができる。

【0123】

しかも、上記構造により、同じ基準軸Ｙに沿った方向に伸びる複数の板状構造体によって、入れ子状になった合成振動系を形成することができるので、図１３の周波数特性に示すように、比較的大きな発電量のピークＰ１，Ｐ２を複数箇所に設けることができるようになり、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られることになる。これが、本発明の重要な作用効果である。

【0124】

その上、発電素子１１を設計する際には、複数の共振系についてのバネ定数や重りの質量を変更することにより、発電量のピークＰ１，Ｐ２の位置をシフトさせることが可能である。

【0125】

発電素子１１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１３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、ｆｒ１，ｆｒ２であるような場合は、図１３に示す周波数特性は、正に理想的な特性になる。

【0126】

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（第１の共振系Ｉの共振周波数）をより低くなるように左側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２（第２の共振系IIの共振周波数）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１４（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は左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Ｐ２の共振周波数ｆｒ２はｆｒ２（＋）に調整され、ピーク波形Ｐ２は右側にシフトしてピーク波形Ｐ２′となっている。

【0127】

その結果、図１４（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Ｒ２は、周波数ｆｒ１（−）〜ｆｒ２（＋）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ｆｒ１（−）〜ｆｒ２（＋）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、ｆｒ１（−），ｆｒ２（＋）であるような場合は、図１４（ａ）に示す周波数特性は理想的な特性になる。

【0128】

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１３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をより高くなるように右側にシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２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１４（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は右側にシフトする。また、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２はｆｒ２（−）に調整され、ピーク波形Ｐ２は左側にシフトする。その結果、２つのピーク波形は融合し、半値幅ｈ１，ｈ２よりも広い半値幅ｈｈをもった融合ピーク波形ＰＰが形成されている。

【0129】

この図１４（ｂ）のグラフの場合、全体の周波数帯域はＲ３になり、図１３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Ｒ３は、周波数ｆｒ１（＋）〜ｆｒ２（−）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ｆｒ１（＋）〜ｆｒ２（−）の近傍の周波数成分を含む外部振動が与えられた場合には、図１４（ｂ）に示す周波数特性は理想的な特性になる。

【0130】

実用上は、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のが好ましい。そのためには、第１の共振系Ｉおよび第２の共振系IIの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２をそれぞれ所望の方向に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。

【0131】

各共振系の共振周波数ｆｒを調整するには、図１１の表に示したとおり、板状構造体を調整する方法（バネ定数を調整する方法）と、重錘体の質量を調整する方法がある。バネ定数を調整する方法を採る場合は、第１属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第１の共振系Ｉと、第２属性の板状構造体の変形に起因して振動を生じる第２の共振系IIと、について、第１の共振系Ｉのバネ定数ｋ１と第２の共振系IIのバネ定数ｋ２とが異なるように設定すればよい。このような設定を行えば、少なくとも２組の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を異なる値に設定することができ、単一の共振周波数をもつ共振系に比べて、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られる。

【0132】

ここで、第１の共振系Ｉのバネ定数ｋ１は、図９（ａ）に示すように、点Ｏ（台座）を固定した状態において、端点Ｔ１（異属間接続体１１２）に対して所定の作用方向（たとえば、図示の例はＺ軸方向）に力Ｆを加えたときに、端点Ｔ１の当該作用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値ｋ１として定義することができる。

【0133】

同様に、第２の共振系IIのバネ定数ｋ２は、図９（ｂ）に示すように、端点Ｔ２（異属間接続体１１２）を固定した状態において、端点Ｔ３もしくはＴ５（第２属性の板状構造体１１３もしくは１１４の振動端）に対して上記作用方向に力Ｆを加えたときに、端点Ｔ３もしくはＴ５の当該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値ｋ２として定義することができる。

【0134】

実際には、バネ定数は、変位の方向に応じて異なるため、個々の方向ごとに別個のバネ定数が定義される。たとえば、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す例のように、力ＦをＺ軸方向に加えたときに生じる変位ｄ１，ｄ２に基づいて算出されるバネ定数は、Ｚ軸方向に関するバネ定数ということになる。したがって、実用上は、実利用環境で発生すると想定される外部振動の代表的な振動方向に関するバネ定数を考慮して設計を行うようにすればよい。

【0135】

バネ定数に影響を与えるパラメータは、図１１の表に示すように、板状構造体の厚み、幅、長さ、材質という４つのパラメータである。したがって、２組の共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を異なる値に設定して、発電可能な周波数帯域を広げる効果を得るには、基本構造部に含まれる複数の板状構造体のうち、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ことにより、第１の共振系のバネ定数と第２の共振系のバネ定数とが異なるように設定すればよい。

【0136】

もちろん、重錘体の質量を変えることにより、共振周波数を調整することもできる。また、重錘体の位置を変えることにより（これは、板状構造体の長さを変えることと等価である）、共振周波数を調整することもできる。

【0137】

＜ ３−４． 電荷発生素子 ＞
次に、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３１０に外部振動が加わると、各板状構造体１１１，１１３，１１４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、各板状構造体１１１，１１３，１１４の変形に基づいて電荷を発生させる構成要素である。図５に示す基本構造部においては、層状の圧電素子が各板状構造体１１１，１１３，１１４の表面に形成されている。圧電素子は、下部電極層、圧電材料層、上部電極層の３層構造によって構成されている。

【0138】

図１５（ａ）は、図３に示す基本構造部に、電荷発生素子４００として圧電素子を形成することにより得られる発電素子１１の上面図であり、図１５（ｂ）はこれをＹＺ平面で切断した側断面図である（発電回路１０，２０の図示は省略）。別言すれば、図６（ａ），図６（ｂ）に示す基本構造部に圧電素子４００を付加した状態が、図１５（ａ），図１５（ｂ）に示されている。

【0139】

図１５（ｂ）に示すとおり、圧電素子４００は、各板状構造体１１１，１１３，１１４の上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と、による３層構造を有し、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有している。

【0140】

なお、圧電素子４００による発電は、実際には、各板状構造体１１１，１１３，１１４の変形を生じる部分（重錘体が接合されていない部分）において行われるため、理論的には、この変形が生じる部分にのみ圧電素子４００を形成しておけば十分である。ただ、ここに示す実施例の場合、製造プロセスを簡略化するため、下部電極層４１０および圧電材料層４２０については、Ｅ字状をした主基板１１０（中央板状構造体１１１，異属間接続体１１２，負側板状構造体１１３，正側板状構造体１１４）の上面全面に形成し、上部電極層４３０のみ、それぞれ所定箇所に局在化して配置されるように形成している。

【0141】

図１５（ａ）の上面図にハッチングを施して示す矩形図形Ｅ１１〜Ｅ３４は、局在化して配置された個々の個別上部電極層を示している（上面図のハッチングは、これら個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。）。

【0142】

図示されるように、本実施の形態では、各板状変形体の上面に配置された各４つの個別上部電極層のうち、Ｙ軸正側に配置されている各２つの個別上部電極層のＹ軸正側の端縁部の位置が異なっている。具体的には、中央板状構造体１１１の上面に配置されている当該２つの個別上部電極層のＹ軸正側の端縁部よりも、負側板状構造体１１３及び正側板状構造体１１４の上面に配置されている当該２つの個別上部電極層のＹ軸正側の端縁部の方が、よりＹ軸正方向の側（図１５（ａ）における右側）に位置している。これは、Ｚ軸方向から見たときに、異属間接続体１１２の下面に接続された重錘体２１１のＹ軸負側の端縁部の位置が、中央板状構造体１１１の先端部近傍と、負側板状構造体１１３及び正側板状構造体１１４の各根端部近傍とで、異なっていることによる。

【0143】

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。各電極層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。

【0144】

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、主基板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によって、金属基板の上面に圧電素子を形成した場合と、シリコン基板の上面に圧電素子を形成した場合とを比較すると、前者の圧電定数に比べて後者の圧電定数の方が３倍程度大きな値になり、後者の方の発電効率が圧倒的に高くなるためである。これは、シリコン基板の上面に圧電素子を形成すると、圧電素子の結晶の配向が揃うためと考えられる。

【0145】

台座３１０に外部振動が与えられると、主基板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１０，２０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１０，２０に提供されるようになっている。

【0146】

もちろん、板状構造体１１１，１１３，１１４に形成する個別上部電極層の形状および配置は、必ずしも図１５（ａ）の上面図に示す例に限定されるわけではない。

【0147】

図１６は、台座１００に左端が固定された一般的な板状構造体２００についての、個別上部電極層の好ましい配置を示す上面図である。図示のとおり、板状構造体２００の右端には重錘体３００が接続されており、この重錘体３００は、板状構造体２００を用いた片持ち梁構造によって台座１００に対して支持されていることになる。なお、図示は省略するが、実際には、板状構造体２００の上面全面には下部電極層が形成され、その上面全面には圧電材料層が形成され、図示された４枚の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４は、この圧電材料層の上面に形成されている。図のハッチングは、個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４の形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。

【0148】

この図１６に示す配置例の特徴は、板状構造体２００の上面の中心に、Ｙ軸に平行な方向に伸びる中心軸を定義したときに、根端部側の中心軸の両脇と先端部側の中心軸の両脇とに、それぞれ個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４が配置されている点である。具体的には、図示の例の場合、Ｙ軸を中心軸として、根端部側（図の左側）の中心軸の両脇には、個別上部電極層Ｅ１，Ｅ２が配置されており、先端部側（図の右側）の中心軸の両脇には、個別上部電極層Ｅ３，Ｅ４が配置されている。

【0149】

一般に、１つの板状構造体２００について、このような４組の個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４を配置すると、板状構造体２００が特定の変形を生じた時点において、各個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４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。

【0150】

たとえば、台座１００を固定した状態において、重錘体３００がＺ軸方向（図１６の紙面に垂直な方向）に１次共振モード（図１０（ａ） 参照）で振動したとすると、ある瞬間において、電極Ｅ１，Ｅ２が配置されている根端部側の上面の領域には圧縮方向応力か、伸張方向応力かのいずれかが作用し、電極Ｅ３，Ｅ４が配置されている先端部側の上面の領域にはこれと逆の応力が作用する。一方、重錘体３００がＹ軸方向に１次共振モードで振動したとすると、ある瞬間において、板状構造体２００の上面の全領域には、圧縮方向応力か、伸張方向応力かのいずれかが作用する。また、重錘体３００がＸ軸方向に１次共振モードで振動したとすると、ある瞬間において、電極Ｅ１，Ｅ４が配置されている上面の領域には圧縮方向応力か、伸張方向応力かのいずれかが作用し、電極Ｅ２，Ｅ３が配置されている上面の領域にはこれと逆の応力が作用する。

【0151】

したがって、少なくとも１次共振モードでの振動を想定した場合、重錘体３００がどの方向に振動しようとも、各個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４には、ある時点において、それぞれ同一極性の電荷が供給される。たとえば、ある時点において、個別上部電極層Ｅ１に供給される電荷の極性は、正もしくは負のいずれか一方のみであり、同一時点で個別上部電極層Ｅ１内のある部分には正電荷、別なある部分には負電荷が供給されるようなことはない。個別上部電極層Ｅ２〜Ｅ４についても同様である。

【0152】

図１６に示す例において、板状構造体２００に発生する応力は、台座１００や重錘体３００との接続箇所の直前部分に最も集中する傾向があるので、上部電極層Ｅ１，Ｅ２の左端は台座１００との境界位置まで伸ばすのが好ましく、上部電極層Ｅ３，Ｅ４の右端は重錘体３００との境界位置まで伸ばすのが好ましい。図１５（ａ）に示す各個別上部電極層も、このような境界位置まで端部を伸ばす構成を採用している。

【0153】

図１６に示す４組の上部電極層Ｅ１〜Ｅ４には、いずれも、ある時点では必ず同一極性の電荷が供給されることになるが、各上部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２００が振動すると、圧電材料層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。このような変化にも拘わらず、発電回路１０、２０の整流部１２によって発電により生じた電流が適宜整流されるため、４組の各個別上部電極層Ｅ１〜Ｅ４あるいは１２組の各個別上部電極層Ｅ１１〜Ｅ３４に発生した電荷を取り出して二次電池Ｂの充電のために有効に利用されることになる。

【0154】

＜＜＜ §４． 発電素子の具体例２ ＞＞＞
＜ ４−１． エレクトレット発電素子の発電原理＞
上述した発電回路１０、２０に採用可能な発電素子１１の次なる例として、エレクトレット発電素子１１ｅをとりあげる。

【0155】

はじめに、図１７を参照して、エレクトレット発電素子１１ｅの発電原理について説明する。図１７は、エレクトレット発電素子の発電原理を説明するための図であり、図１７（ａ）は、エレクトレット発電素子１１ｅの初期状態を示す図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のエレクトレット発電素子１１ｅにおいて、変位部材４０がＸ軸方向に沿って固定部材５０から離間するように相対移動した状態を示す図であり、図１７（ｃ）は、図１７（ａ）のエレクトレット発電素子１１ｅにおいて、変位部材４０がＸ軸方向に沿って固定部材５０に近接するように相対移動した状態を示す図である。

【0156】

図１７（ａ）に示すように、エレクトレット発電素子１１ｅは、変位部材４０と、変位部材４０に対して所定の間隔を空けて配置された固定部材５０と、変位部材４０及び固定部材５０をＸ軸方向（図１７における左右方向）に沿って相対移動可能に接続する弾性変形体６０と、を備えている。

【0157】

以下、各構成要素について具体的に説明する。図１７に示すように、変位部材４０は、可動基板層４３と、可動基板層４３上に形成されたエレクトレット電極層４１と、エレクトレット電極層４１上に形成されたエレクトレット材料層４２と、を有している。図示されるように、可動基板層４３、エレクトレット電極層４１及びエレクトレット材料層４２は、Ｘ軸正方向に向かって（図１７における左から右に向かって）この順序で積層されている。また、固定部材５０は、固定基板層５２と、固定基板層５２上に形成された対向電極層５１と、を有している。固定基板層５２及び対向電極層５１は、Ｘ軸負方向に向かってこの順序で積層されている。そして、固定基板層５２のＸ軸正側の面が取付面（取付壁）５５に固定されている。

【0158】

ここでは、図１７に示すように、変位部材４０及び固定部材５０を構成する各層は、それぞれ均一の厚さ（Ｘ軸方向の寸法）を有しており、Ｘ軸に垂直な平面と平行に広がっている。換言すれば、エレクトレット材料層４２および対向電極層５１は、Ｘ軸に垂直な基準平面Ｓと平行になるように配置されている。更に、明確には図示されていないが、変位部材４０及び固定部材５０を構成する各層は、Ｘ軸方向から見て、同一の形状であり、且つ、エレクトレット電極層４１及びエレクトレット材料層４２を基準平面Ｓに投影した正射影投影像と、対向電極層５１を基準平面Ｓに投影した正射影投影像とが、ぴったりと一致している。また、図１７（ａ）に示すように、初期状態において、変位部材４０のエレクトレット材料層４２と固定部材５０の対向電極層５１との離間距離がｄ１に設定されている。更に、これら２層は、基準面Ｓから互いに等距離で配置されている。

【0159】

図１７に示すように、弾性変形体６０は、変位部材４０の可動基板層４３と固定部材５０の固定基板層５２とを接続している。この弾性変形体６０は、変位部材４０が固定部材５０に対してＸ軸方向に相対移動（近接及び離間）することを許容するが、Ｘ軸方向とは異なる方向への相対移動は許容しないような態様で、弾性変形するようになっている。

【0160】

エレクトレット材料層４２は、正電荷が蓄積されたエレクトレット材料から構成されている。正電荷は、図１７において、丸で囲まれた「＋」の記号で示されている。この正電荷の存在によって、対向電極層５１には、静電誘導により負電荷（電子）が発生することになる。負電荷は、図１７において、丸で囲まれた「−」の記号で示されている。エレクトレット材料としては、公知の高分子電荷保持材料（ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等）、無機電荷保持材料（シリコン酸化物、シリコン窒化物等）を用いることが可能である。一方、対向電極層５１は、例えば、金またはアルミニウム等の導体から構成されている。

【0161】

次に、エレクトレット発電素子１１ｅの作用について説明する。

【0162】

本実施の形態によるエレクトレット発電素子１１ｅとの対比のため、まず、従来のエレクトレット発電素子の発電原理を簡単に説明する。従来のエレクトレット発電素子は、エレクトレット材料層４２及び対向電極層５１が、Ｘ軸に垂直な方向、すなわち各層の広がり方向に相対移動することによって、発電が行われていた。つまり、エレクトレット材料層４２及び対向電極層５１がＸ軸に垂直な方向に相対移動すると、エレクトレット材料層４２を基準平面Ｓに投影した正射影投影像と対向電極層５１を基準平面Ｓに投影した正射影投影像と、が重なる領域の面積が変化（増大ないし減少）する。ここで、エレクトレット材料層４２及び対向電極層５１によって１組のコンデンサが構成されているとみなすと、この相対移動によって、当該コンデンサの静電容量値が変動することになる。従来のエレクトレット発電素子においては、この変化に基づいて当該コンデンサの静電容量値が変動することを利用して、発電を行っていた。

【0163】

これに対し、図１７に示すエレクトレット発電素子１１ｅは、振動が与えられることで変位部材４０が固定部材５０に対してＸ軸方向に相対移動することによって、発電が行われる。

【0164】

より詳しくは、エレクトレット発電素子１１ｅにＸ軸方向の振動成分を含む振動が与えられると、弾性変形体６０の存在によって、Ｘ軸方向において、固定部材５０に対する変位部材４０の相対位置が変化する。換言すれば、弾性変形体６０は、振動エネルギーが与えられることによって、固定部材５０に対して変位部材４０がＸ軸方向に相対移動することを許容するように、弾性変形する。これにより、図１７（ｂ）及び図１７（ｃ）に示すように、変位部材４０のエレクトレット材料層４２と固定部材５０の対向電極層５１との離間距離が変動する。このような離間距離の変動によって、次のようにして発電が行われる。

【0165】

すなわち、一例として、図１７（ｂ）に示すように、変位部材４０が固定部材５０に対してＸ軸負方向（図１７における左方向）に相対移動し、変位部材４０のエレクトレット材料層４２と固定部材５０の対向電極層５１との離間距離がｄ１（図１７（ａ）参照）からｄ２（＞ｄ１）に増大した場合を想定する。このとき、対向電極層５１に誘導される負電荷は、初期状態と比較して減少する（図１７（ｂ）においては、丸で囲まれた「＋」の記号が図１７（ａ）よりも１つ少なく描かれている）。次に、変位部材４０が固定部材５０に対してＸ軸正方向（図１７における右方向）に相対移動し、変位部材４０のエレクトレット材料層４２と固定部材５０の対向電極層５１との離間距離がｄ１（図１７（ａ）参照）からｄ３（＜ｄ１）に減少した場合を想定する。このとき、対向電極層５１に誘導される負電荷は、初期状態と比較して増加する（図１７（ｃ）においては、丸で囲まれた「＋」の記号が図１７（ａ）よりも１つ多く描かれている）。

【0166】

上記の現象、すなわち、エレクトレット材料層４２と対向電極層５１との間の離間距離が変化することにより対向電極層５１に誘導される電荷量が変化するという現象は、本件発明者によって初めて得られた知見である。このような現象は、エレクトレット材料層４２と対向電極層５１から構成されるコンデンサの静電容量が変化することによって発現すると推察される。すなわち、エレクトレット材料層４２と対向電極層５１との間の離間距離がｄ１からｄ２（＞ｄ１）に増大すると静電容量が減少するため、対向電極層５１に蓄積される負電荷が減少し、反対に、離間距離がｄ１からｄ３（＜ｄ１）に減少すると静電容量が増加するため、対向電極層５１に蓄積される電子が増加する、という特性に起因して、対向電極層５１に誘導される電荷量が変化するものと推察される。

【0167】

ところで、従来のエレクトレット発電素子では、エレクトレット材料層４２と対向電極層５１とが基準平面Ｓと平行な方向に相対移動することによって、対向電極層５１に誘導される電荷量が変化することは、知られていた。しかしながら、本件発明者の知見によれば、エレクトレット材料層４２と対向電極層５１とが基準平面Ｓの法線方向に相対移動することによっても、対向電極層５１に誘導される電荷量が変化することが明らかになった。したがって、エレクトレット発電素子１１ｅにおいては、エレクトレット材料層４２と対向電極層５１とが基準平面Ｓの法線方向に相対移動することに起因する電荷量の変化を利用することによって、従来のエレクトレット発電素子と同様に発電が行われるのである。

【0168】

＜ ４−２． エレクトレット発電素子による３軸発電の実施例＞
４−１．では、エレクトレット発電素子１１ｅによって、１軸方向（Ｘ軸方向）の振動による振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電原理について説明した。このような発電を、前述した、エレクトレット発電素子による従来の発電、すなわち基準平面Ｓと平行な方向の振動成分を利用した発電と組み合わせることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系におけるすべての軸方向に沿った振動成分を利用して効率的な発電を行うことが可能なエレクトレット発電素子１１１ｅを構成することができる。このようなエレクトレット発電素子１１ｅの一例を、図１８を参照して以下に説明する。

【0169】

図１８は、ＸＹＺ三次元直交座標系における３軸方向の振動によって発電が可能なエレクトレット発電素子１１１ｅの概略上面図である。エレクトレット発電素子１１１ｅは、本発明による発電回路１０、２０の発電素子１１として利用することができる。

【0170】

エレクトレット発電素子１１１ｅは、図１８に示すように、ＸＹＺ三次元直交座標系に対して固定された枠状構造体８０と、枠状構造体８０に対して変位可能な板状構造体７０と、板状構造体７０及び枠状構造体８０を接続する４つの弾性変形体９１〜９４と、を備えている。

【0171】

板状構造体７０は、Ｚ軸方向から見て、矩形の形状であり、当該矩形を構成する４辺に対応する各側面には、少なくとも１つの凸部が形成されている（図１８（ａ）参照）。更に、板状構造体７０は、その中心位置に原点Ｏが配置されるようにＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面７０ｅおよび下面７０ｆを有している（図１８（ｂ）参照）。

【0172】

枠状構造体８０は、Ｚ軸方向から見て、板状構造体７０を取り囲むように配置されている。ここでは、Ｚ軸方向から見て、板状構造体７０の矩形の形状を構成する４辺に対応する４つの側面のうち、正のＸ軸と交わる側面を第１変位外面７０ａとし、負のＸ軸と交わる側面を第２変位外面７０ｂとする。

【0173】

図１８（ａ）に示すように、第１変位外面７０ａには、Ｘ軸正方向に突出した第１変位凸部７１が設けられ、第２変位外面７０ｂには、Ｘ軸負方向に突出した第２変位凸部７２が設けられている。図１８（ａ）に示す例では、各変位凸部７１、７２は、それぞれ３つずつ設けられているが、これには限られず、任意の数の変位凸部が設けられていて良い。

【0174】

枠状構造体８０は、Ｚ軸方向から見て矩形の枠状の部材であり、当該矩形を構成する４片に対応する各内側面には、少なくとも１つの凸部が形成されている（図１８（ａ）参照）。ここでは、正のＸ軸と交わる内側面を第１固定内面８０ａとし、負のＸ軸と交わる内側面を第２固定内面８０ｂとする。すなわち、第１固定内面８０ａは、Ｘ座標が正である領域において板状構造体７０の第１変位外面７０ａに対向しており、第２固定内面８０ｂは、Ｘ座標が負である領域において板状構造体７０の第２変位外面７０ｂに対向している。

【0175】

第１固定内面８０ａのうち、第１変位凸部７１に対向する位置には、Ｘ軸負方向に突出した第１固定凸部８１が設けられており、第２固定内面８０ｂのうち、第２変位凸部７２に対向する位置には、Ｘ軸正方向に突出した第２固定凸部８２が設けられている。図１８（ａ）に示す例では、固定凸部８１、８２はそれぞれ３つずつ設けられているが、これに限定されるものではなく、各変位凸部７１、７２と同数の第１及び第２固定凸部が設けられれば良い。

【0176】

第１変位凸部７１の頂面（Ｘ軸正側の面）及び第１固定凸部８１の頂面（Ｘ軸負側の面）は、共にＹＺ平面と平行である。これらの頂面のうち、一方の頂面には、エレクトレット電極層（不図示）を介して第１エレクトレット材料層７５が形成されており、他方の頂面には、第１対向電極層８５が形成されている。本実施形態では、図１８に示すように、第１変位凸部７１の頂面に第１エレクトレット材料層７５が形成され、第１固定凸部８１の頂面を含む第１固定内面８０ａの表面に第１対向電極層８５が形成されている。第１対向電極層８５は、枠状構造体８０上に形成された配線を介して第１パッドＰ１に電気的に接続されている。

【0177】

同様に、第２変位凸部７２の頂面（Ｘ軸負側の面）及び第２固定凸部８２の頂面（Ｘ軸正側の面）は、共にＹＺ平面と平行である。これらの頂面のうち、一方の頂面には、エレクトレット電極層（不図示）を介して第２エレクトレット材料層７６が形成されており、他方の頂面には、第２対向電極層８６が形成されている。本実施形態では、図１８に示すように、第２変位凸部７２の頂面に第２エレクトレット材料層７６が形成され、第２固定凸部８２の頂面を含む第２固定内面８０ｂの表面に第２対向電極層８６が形成されている。第２対向電極層８６は、枠状構造体８０上に形成された配線を介して第２パッドＰ２に電気的に接続されている。もちろん、エレクトレット材料層７５は、第１及び第２変位外面７０ａ、７０ｂの全面にわたって形成されてもよい（図１８（ａ）のハッチングは、パッドＰ１、Ｐ２、エレクトレット材料層４２、対向電極層５１、５２を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。）。

【0178】

図１８に示す例では、第１変位凸部７１の頂面に形成された第１エレクトレット材料層７５と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分とは、Ｘ軸方向から見て互いに同一の形状を有している。更に、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像とは、ぴったりと一致している。同様に、第２変位凸部７２の頂面に形成された第２エレクトレット材料層７６と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分とは、Ｘ軸方向から見て互いに同一の形状を有している。更に、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像とは、ぴったりと一致している。

【0179】

第１及び第２エレクトレット材料層７５、７６と第１及び第２変位外面７０ａ、７０ｂとの間に配置されたエレクトレット電極層（不図示）は、後述される弾性変形体９１〜９４上に形成された配線を介して、発電回路１０、２０に接続されるようになっている。

【0180】

図１８に示すエレクトレット発電素子１１１ｅでは、板状構造体７０がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての方向に変位可能となるように、板状構造体７０と枠状構造体８０とが４本の弾性変形体９１〜９４によって接続されている。具体的には、図１８（ａ）に示すように、弾性変形体９１〜９４は、それぞれの一端が枠状構造体８０の内側角部に規定された固定支持点ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４に固定され、それぞれの他端が板状構造体７０の角部に規定された変位支持点ａ１，ａ２，ａ３，ａ４に固定されている。換言すれば、板状構造体７０の４つの角部に各１つずつ設けられた合計４つの変位支持点ａ１，ａ２，ａ３，ａ４と枠状構造体８０の４つの内側角部に各１つずつ設けられた合計４つの固定支持点ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４とは、１対１に対応しており、対応する変位支持点と固定支持点とがそれぞれ個別の弾性変形体９１，９２，９３，９４によって接続されている。各弾性変形体９１〜９４は、図１８（ｂ）に示すように、板状構造体７０の厚みおよび枠状構造体８０の厚みよりも小さな厚みを有する細長い線状の構造体によって構成されている。

【0181】

図１８に示すエレクトレット発電素子１１１ｅは、単一の質量としての板状構造体７０が弾性変形体９１〜９４を介して枠状構造体８０に支持された構成であることから、板状構造体７０の振動は、単一の共振周波数ｆｒを有している。この共振周波数ｆｒは、板状構造体７０の質量と、弾性変形体９１〜９４のバネ定数とによって決定される。もちろん、板状構造体７０は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向へ移動することから、バネ定数は、着目する振動方向に応じた合成バネ定数として定義されることになる。

【0182】

また、図示されていないが、板状構造体７０には重錘体が取り付けられている。この重錐体は、板状構造体７０の共振周波数を調整するために必要に応じて設けられて良い。

【0183】

次に、エレクトレット発電素子１１１ｅの作用について説明する。

【0184】

図１８に示すエレクトレット発電素子１１１ｅは、振動が与えられると、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の振動成分に応じて変位部材４０が固定部材５０に対して各軸方向に相対移動することによって、発電が行われる。より詳しくは、エレクトレット発電素子１１１ｅに振動が与えられると、その振動の各軸方向の成分に応じて弾性変形体９１〜９４が弾性変形し、枠状構造体８０に対する板状構造体７０の各軸方向における相対位置が変化する。換言すれば、弾性変形体９１〜９４は、与えられた振動によって板状構造体７０が枠状構造体８０に対して各軸方向に相対移動（振動）することを許容するように、弾性変形する。このことによって、第１及び第２対向電極層８５、８６から電荷が取り出され、発電が行われるのである。

【0185】

具体的には、次のようにして発電が行われる。すなわち、例えば、与えられた振動に起因してＸ軸正方向（図１８（ａ）における右方向）の力＋Ｆｘが板状構造体７０に作用すると、弾性変形体９１〜９４がそれぞれ弾性変形することによって、当該板状構造体７０はＸ軸正方向に移動する。ここでは、簡単のため、枠状構造体８０がＸＹＺ三次元直交座標系に対して固定されていて、振動によってＸＹＺ三次元直交座標系に対して移動する構成要素は板状構造体７０のみであるものとして説明を行う。板状構造体７０がＸ軸正方向に移動することにより、第１変位凸部７１の頂面に設けられた第１エレクトレット材料層７５と第１固定凸部８１の頂面に設けられた第１対向電極層８５との離間距離が減少し、その一方で、第２変位凸部７２の頂面に設けられた第２エレクトレット材料層７６と第２固定凸部８２の頂面に設けられた第２対向電極層８６との離間距離が増大する。この結果、第１対向電極層８５に誘導される負電荷は増加し、第２対向電極層に誘導される負電荷は減少する。このような負電荷の挙動は、上記４−１．において説明した通りである。これにより、第１パッドＰ１から第１対向電極層８５に負電荷が吸収され、第２パッドＰ２から外部に負電荷が取り出される。

【0186】

その後、弾性変形体９１〜９４の弾性力によって、板状構造体７０はＸ軸負方向（図１８（ａ）における左方向）へ移動し始める。この移動によって、第１変位凸部７１の頂面に設けられた第１エレクトレット材料層７５と第１固定凸部８１の頂面に設けられた第１対向電極層８５との離間距離が増大し、その一方で、第２変位凸部７２の頂面に設けられた第２エレクトレット材料層７６と第２固定凸部８２の頂面に設けられた第２対向電極層８６との離間距離が減少する。この結果、第１対向電極層８５に誘導される負電荷は減少し、第２対向電極層８６に誘導される負電荷は増大する。これにより、第２パッドＰ２から第２対向電極層８６に負電荷が吸収され、第１パッドＰ１から外部に負電荷が取り出される。以後、これらの一連の往復移動（振動）による発電が繰り返される。

【0187】

なお、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが板状構造体７０に作用した場合には、当該板状構造体７０に生じる振動が、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘ作用した場合に生じる振動とは位相が１８０°だけずれることになるが、実質的には、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合と同様の発電が行われる。

【0188】

次に、Ｙ軸正方向（図１８（ａ）における上方向）の力＋Ｆｙが板状構造体７０に作用した場合の発電原理について説明する。この場合、弾性変形体９１〜９４がそれぞれ弾性変形することによって、当該板状構造体７０はＹ軸正方向に移動する。この移動により、従来のエレクトレット発電素子と同様に、発電が行われる。すなわち、板状構造体７０の移動に伴って、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積が減少する。このことは、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の関係についても当てはまる。これらのことにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が減少し、すなわち第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から外部に負電荷が取り出される。

【0189】

その後、弾性変形体９１〜９４の弾性力によって、板状構造体７０はＹ軸負方向（図１８（ａ）における下方向）へ移動し始める。この移動によって、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、及び、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、が共に増大する。この増大は、板状構造体７０が初期位置に復帰するまで継続する。これにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が増大するため、第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から負電荷が第１及び第２対向電極層８５、８６に吸収される。

【0190】

そして、板状構造体７０がその初期位置を超えてＹ軸負方向へ更に移動すると、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、及び、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、が共に減少に転じる。これらのことにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が減少するため、第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から外部に取り出される。

【0191】

その後、弾性変形体９１〜９４の弾性力によって、板状構造体７０は、再びＹ軸正方向へ移動し始める。この移動によって、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、及び、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、が共に増大する。これらのことにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が増大するため、第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から負電荷が第１及び第２対向電極層８５、８６に吸収される。

【0192】

以後、これらの一連の往復移動（振動）による発電が繰り返される。なお、Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが板状構造体７０に作用した場合には、当該板状構造体７０に生じる振動が、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合に生じる振動とは位相が１８０°だけずれるのみであり、実質的には、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合と同様の発電が行われる。

【0193】

次に、Ｚ軸正方向（図１８（ａ）における手前方向）の力＋Ｆｚが板状構造体７０に作用した場合の発電原理について説明する。ここでも、前述したＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合と略同様の原理による発電が行われる。まず、弾性変形体９１〜９４がそれぞれ弾性変形することによって、当該板状構造体７０はＺ軸正方向に移動する。板状構造体７０の移動に伴って、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積が減少する。このことは、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の関係についても当てはまる。これらのことにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が減少し、すなわち第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から負電荷が外部に取り出される。

【0194】

そして、弾性変形体９１〜９４の弾性力によって、板状構造体７０はＺ軸負方向（図１８（ａ）における奥行き方向）へ移動し始める。この移動によって、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、及び、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、が共に増大する。この増大は、板状構造体７０が初期位置に復帰するまで継続する。これらのことにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が増大するため、第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から負電荷が第１及び第２対向電極層８５、８６に吸収される。

【0195】

その後、板状構造体７０が更にＺ軸負方向に移動すると、再び、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、及び、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、が共に減少に転じる。これらのことにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が減少するため、第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から負電荷が外部に取り出される。

【0196】

その後、弾性変形体９１〜９４の弾性力によって、板状構造体７０は、再びＺ軸正方向へ移動し始める。この移動によって、第１エレクトレット材料層７５をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第１対向電極層８５のうち第１固定凸部８１の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、及び、第２エレクトレット材料層７６をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、第２対向電極層８６のうち第２固定凸部８２の頂面に形成された部分をＹＺ平面に投影した正射影投影像と、の重なり合う領域の面積、が共に増大する。これらのことにより、第１及び第２対向電極層８５、８６に蓄積される負電荷が増大するため、第１及び第２パッドＰ１、Ｐ２から負電荷が第１及び第２対向電極層８５、８６に吸収される。

【0197】

以後、これらの一連の往復移動（振動）による発電が繰り返される。もちろん、エレクトレット発電素子１１１ｅが実際に利用される環境下では、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の振動が混在し、更に、振幅及び振動方向が時間の経過に伴って様々に変化するものと想定される。このため、エレクトレット発電素子１１１ｅにおいては、上述した各軸方向の振動モデルが組み合わさって、発電が行われることになる。

【0198】

また、前述したように、エレクトレット発電素子１１１ｅは、単一の共振周波数ｆｒを有していることから、次のような振動特性を呈する。すなわち、与えられる振動の周波数が、これら共振周波数ｆｒに達すると、板状構造体７０の振幅が急激に増大する。このとき、第１及び第２対向電極層８５、８６に対する第１及び第２エレクトレット材料層７５、７６の相対移動量が増大し、これに伴って、発電量も増大する。このため、共振周波数ｆｒを、エレクトレット発電素子２１１ｅが使用される環境において頻繁に発生することが想定される振動の周波数に応じて決定することにより、効率的な発電が行われる。

【0199】

＜ ４−３． エレクトレット発電素子による３軸発電の変形例＞
次に、図１９を参照して、エレクトレット発電素子２１１ｅによる３軸発電の変形例について説明する。図１９は、３軸発電が可能なエレクトレット発電素子２１１ｅに関し、図１８とは異なる例を示す概略上面図である。

【0200】

図１９に示すように、エレクトレット発電素子２１１ｅは、板状構造体２７０の構成において図１８に示すエレクトレット発電素子１１１ｅと異なっている。具体的には、板状構造体２７０は、ＸＹ平面に平行な上面及び下面を有する矩形の第１板状構造体２７１と、Ｚ軸方向から見て第１板状構造体２７１を取り囲む矩形の枠状の第２板状構造体２７２と、第１板状構造体２７１及び第２板状構造体２７２を接続する弾性変形体２９１〜２９４と、を有している。具体的には、図１９に示すように、第１板状構造体２７１は、その４頂点に対応する４箇所に各１つの変位支持点ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４が設けられている。更に、第２板状構造体２７２は、その４頂点近傍の４箇所に各１つの固定支持点ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４が設けられている。各変位支持点ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４と各固定支持点ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４とは、１対１に対応し、対応する変位支持点ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４と固定支持点ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４とが、それぞれ個別の弾性変形体２９１〜２９４によって接続されている。更に、図示されていないが、第１板状構造体２７１と第２板状構造体２７２に別体の重錘体を取り付けても良い。ここでは、第１板状構造体２７１及び第２板状構造体２７２が、その自重によって重錘体の機能を兼ねている。

【0201】

以上のような構成により、板状構造体２７０を構成する第１板状構造体２７１及び第２板状構造体２７２をひとまとまりの重錘体と見なすことにより、当該ひとまとまりの重錘体の振動を、第１の共振系Ｉの振動として捉えることができる。一方、第２板状構造体２７２の振動は、第１の共振系Ｉとは異なる第２の共振系ＩＩの振動として捉えることができる。

【0202】

もっとも、第２板状構造体２７２を支持している第１板状構造体２７１は、ＸＹＺ三次元直交座標系に対して変位（振動）する部材であるため、第２の共振系ＩＩは、それ全体が第１の共振系Ｉによって振動させられる系になる。従って、図１９に示すエレクトレット発電素子２１１ｅは、第１の共振系Ｉと第２の共振系ＩＩとを入れ子状にした複雑な合成振動系を構成している。この結果、上記３−２．において詳述したように、このような合成振動系は、共振周波数のピークを２つ（ｆｒ１及びｆｒ２（＞ｆｒ１））有することになる。したがって、この合成振動系の周波数特性のグラフを図示すると、例えば図１３に示すような概形となる。但し、図１３の縦軸の「発電量」は「振幅」に読み替えるものとする。

【0203】

もちろん、上記３−３．において詳述したように、第１板状構造体２７１及び／または第２板状構造体２７２に取り付けられている重錘体の質量を調整することにより、あるいは、第１板状構造体２７１及び第２板状構造体２７２を接続する弾性変形体２９１〜２９４のバネ定数、並びに／または、第１板状構造体２７１及び枠状構造体８０を接続する弾性変形体９１〜９４のバネ定数、を調整することにより、周波数帯域（図１３におけるＲ１）を所望に調整することができる。その他の構成は、図１８に示すエレクトレット発電素子１１１ｅと同様であるため、対応する構成要素には図１９において同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0204】

次に、エレクトレット発電素子２１１ｅの作用について説明する。

【0205】

図１９に示すエレクトレット発電素子２１１ｅは、図１８に示すエレクトレット発電素子１１１ｅと同様に、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の振動に起因して変位部材４０（板状構造体２７０）が固定部材５０（枠状構造体８０）に対して各軸方向に相対移動することによって、発電が行われる。その発電原理は、上述した図１８に示すエレクトレット発電素子１１１ｅの発電原理と同様であるため、ここではその詳細な説明は省略する。

【0206】

一方で、図１９に示すエレクトレット発電素子２１１ｅは、共振周波数のピークを２つ（ｆｒ１及びｆｒ２（＞ｆｒ１））有していることから、次のような振動特性を示す。すなわち、エレクトレット発電素子２１１ｅに対して、ある振動が与えられると、板状構造体２７０が、枠状構造体８０に対して振動（相対移動）することから、当該振動の振幅及び周波数に応じた発電が行われる。そして、与えられる振動の周波数が、これら２つの共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２のいずれかに達すると、板状構造体２７０（第１板状構造体２７１及び第２板状構造体２７２）の振幅が急激に増大する。すなわち、第１及び第２対向電極層８５、８６に対する第１及び第２エレクトレット材料層７５、７６の相対移動量が増大し、これに伴って、発電量も増大する。振動の周波数と発電量との関係は、概略的には図１３と同様である。

【0207】

エレクトレット発電素子２１１ｅに対して与えられる振動の周波数と、得られる発電量と、の関係が図１４（ａ）に示すようなグラフで表される場合には、すなわち、共振周波数ｆｒ１のピーク波形の裾野と共振周波数ｆｒ２のピーク波形の裾野とが重なり合っていない場合には、エレクトレット発電素子２１１ｅに対して与えられる振動の周波数が共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２の近傍である場合においてのみ、効率的な発電が行われる。なお、「近傍」とは、大まかには、共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２のピーク波形の半値幅（図１４（ａ）におけるｈ１、ｈ２）の範囲内を意味する。

【0208】

一方、エレクトレット発電素子２１１ｅに対して与えられる振動の周波数と、得られる発電量と、の関係が図１４（ｂ）に示すようなグラフで表される場合には、すなわち、共振周波数ｆｒ１のピーク波形の裾野と共振周波数ｆｒ２のピーク波形の裾野とが重なり合っていて、半値幅ｈ１，ｈ２よりも広い半値幅ｈｈをもった融合ピーク波形ＰＰが形成されている場合には、エレクトレット発電素子２１１ｅに対して与えられる振動の周波数がおよそ当該半値幅ｈｈの範囲内であれば、その全域に亘って効率的な発電が行われる。

【0209】

もちろん、２つの共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２は、上記３−３．で説明したように、エレクトレット発電素子２１１ｅが使用される環境において頻繁に発生することが想定される振動の周波数に応じて適宜決定されて良い。

【符号の説明】

【0210】

１０ 発電回路
１１ 発電素子
１１ｅ エレクトレット発電素子
１２ 整流部
１３ 電圧制御部
１４ 遮断部
１４ａ 電圧判定部
１４ｂ 遮断制御部
１６ａ、１６ｂ 配線
２０ 発電回路
２１ バイパス回路
２２ 整流素子
２３ 第２遮断部
２３ａ 蓄電量判定部
２３ｂ 遮断制御部
４０ 変位部材
４１ エレクトレット電極層
４２ エレクトレット材料層
４３ 可動基板層
５０ 固定部材
５１ 対向電極層
５２ 固定基板層
５５ 取付面（取付壁）
６０ 弾性変形体
７０ 板状構造体
７０ａ 第１変位外面
７０ｂ 第２変位外面
７０ｅ 上面
７０ｆ 下面
７１ 第１変位凸部
７２ 第２変位凸部
７５ 第１エレクトレット材料層
７６ 第２エレクトレット材料層
８０ 枠状構造体
８０ａ 第１固定内面
８０ｂ 第２固定内面
８１ 第１固定凸部
８２ 第２固定凸部
８５ 第１対向電極層
８６ 第２対向電極層
９１〜９４ 弾性変形体
１００ 台座
１１０ 主基板
１１１ 板状構造体
１１１ 中央板状構造体
１１１ｅ エレクトレット発電素子
１１２ 異属間接続体
１１３ 負側板状構造体
１１４ 正側板状構造体
２００ 板状構造体
２１０ 重錘体群
２１１ｅ エレクトレット発電素子
２１２ 重錘体
２１３ 重錘体
２７０ 板状構造体
２７１ 第１板状構造体
２７２ 第２板状構造体
２９１〜２９４ 弾性変形体
３００ 重錘体
３１０ 台座
４００ 電荷発生素子
４１０ 下部電極層
４２０ 圧電材料層
４３０ 上部電極層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】