JP6647498B2 - Power generation element - Google Patents
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Description
本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う発電素子に関する。 The present invention relates to a power generating element that generates electric power by converting mechanical vibration energy into electric energy.
従来、図14(a)に示すように、可撓性を有した板状構造体10と、板状構造体10の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子12と、板状構造体10の基端部を片持ち梁構造に支持する台座14と、板状構造体10の先端部に設けられた重錘体16とで構成された発電素子18があった。発電素子18は、台座14が何らかの振動源20に取り付けられて使用され、XYZ三次元座標系を定義したとき、板状構造体10は、その板面がXY平面に平行な面になるように配置される。
Conventionally, as shown in FIG. 14A, a plate-
圧電素子12は、例えば図14(b)に示すように、板状構造体10の上面全体を覆う下部電極層G、下部電極層Gの上面全体を覆う圧電材料層P、圧電材料層Pの上面の特定の領域に設けた上部電極層Eとで構成され、実質的には上部電極層Eを設けた領域が圧電素子12として動作する。
For example, as shown in FIG. 14B, the
台座14にZ軸方向の振動が印加されると、図15(a)に示すように、その振動が重錘体16及び板状構造体10に作用し、板状構造体10が厚み方向に撓み、この変形に基づいて圧電素子12に電荷が発生する。そして、圧電素子12に発生した電荷が、圧電素子12に接続されている図示しない整流平滑回路によって電力として取り出される。
When vibration in the Z-axis direction is applied to the
発電素子18は、板状構造体10の可撓性に基づく1つの共振系(共振周波数frz)を有し、図15(b)に示すように、印加された振動の周波数fzが共振周波数frzに近いと、この振動に共鳴して板状構造体10の振幅Aが大きくなる。したがって、共振周波数frzを、印加される振動の周波数fz付近に設定し、かつ共振のQ値を高くして振幅Aのピーク値を高くすれば、発電素子18の発電量を増やすことができる。
The
なお、共振周波数frzは、板状構造体10のZ軸方向のバネ定数と、重錘体16の質量とを調節することによって設定することができ、例えば、バネ定数を大きくしたり重錘体16の質量を小さくしたりすれば、共振周波数frzを高くすることができる。また、共振のQ値は、振動を減衰させる成分を極力小さくする(例えば、真空状態にする)ことによって高くすることができる。
The resonance frequency frz can be set by adjusting the spring constant in the Z-axis direction of the plate-
また、特許文献1には、上記発電素子18と同様に、1つの共振系を有した圧電発電装置が開示されている。
Patent Document 1 discloses a piezoelectric power generation device having one resonance system, similarly to the
従来の発電素子18及び特許文献1の圧電発電装置は、共振系のQ値を高くすれば発電量を増やすことができるが、物理的に限界があるため、印加される振動の周波数fzに対して共振周波数frzを正確に一致させたとしても、発電効率は低いものであった。
The conventional
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、従来よりも発電量を格段に増やすことができ、しかもシンプルな構造の発電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the background art described above, and has as its object to provide a power generation element having a simple structure that can significantly increase the amount of power generation as compared with the related art.
本発明は、可撓部を有した第1及び第2の板状構造体と、前記第1の板状構造体を支持する台座と、前記第1及び第2の板状構造体の中の少なくとも一方の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、XYZ三次元座標系を定義したとき、前記第1及び第2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の板状構造体は、自己の基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記第2の板状構造体は、自己の基端部が前記第1の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記第1の板状構造体の可撓部のバネ定数、及び前記第1の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第1の共振系が形成され、前記第2の板状構造体の可撓部のバネ定数、及び前記第2の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第2の共振系が形成され、前記第2の板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第1の板状構造体の可撓部のバネ定数と異なっており、前記第2の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第1の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。前記第2の板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第1の板状構造体の可撓部のバネ定数より小さい。あるいは、前記第2の板状構造体の可撓部は、前記第1の板状構造体の可撓部と比較して、長さ、幅及び撓み方向の厚みの中の少なくとも1つが異なっている The present invention provides a first and a second plate-like structure having a flexible portion, a pedestal supporting the first plate-like structure, and a first and a second plate-like structure in the first and the second plate-like structures. A piezoelectric element that generates an electric charge based on deformation of at least one of the flexible portions. When the XYZ three-dimensional coordinate system is defined, the first and second plate-like structures have an XY plane. The first plate-shaped structure is connected directly or indirectly to the pedestal at its base end, and the second plate-shaped structure is A base end is connected to a distal end of the first plate-like structure via a connector, and a spring constant of a flexible portion of the first plate-like structure, and a spring constant of the first plate-like structure. A first resonance system is formed by the mass of the object connected to the tip, and a spring constant of a flexible portion of the second plate-like structure and the second plate-like structure A second resonance system is formed by the mass of the object connected to the tip, and the spring constant of the flexible portion of the second plate-like structure is determined by the spring constant of the flexible portion of the first plate-like structure. The frequency element having a half-width of the second resonance system, which is different from the constant, is a power generating element in which all or a part of the frequency band overlaps with the half-width frequency band of the first resonance system. The spring constant of the flexible portion of the second plate-like structure is smaller than the spring constant of the flexible portion of the first plate-like structure. Alternatively, the flexible portion of the second plate-like structure differs from the flexible portion of the first plate-like structure in at least one of a length, a width, and a thickness in a bending direction. Is
また、本発明は、可撓部を有したn個の板状構造体(nは3以上の自然数)と、前記n個の板状構造体の中の1つである第1の板状構造体を支持する台座と、前記n個の板状構造体の可撓部の変形、又は少なくとも前記第nの板状構造体の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、XYZ三次元座標系を定義したとき、前記n個の板状構造体は、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の板状構造体は、自己の基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記n個の板状構造体の中の第kaの板状構造体(kaは偶数、2≦ka≦n)は、自己の基端部が第(ka−1)の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記n個の板状構造体の中の第kbの板状構造体(kbは奇数、3≦kb≦n)は、自己の基端部が第(kb−1)の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、前記第1の板状構造体の可撓部のバネ定数、及び前記第1の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第1の共振系が形成され、前記第kaの板状構造体の可撓部のバネ定数、及び前記第kaの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第kaの共振系が形成され、前記第kbの板状構造体の可撓部のバネ定数、及び前記第kbの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第kbの共振系が形成され、前記第kaの板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第(ka−1)の板状構造体の可撓部のバネ定数と異なり、前記第kbの板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第(kb−1)の板状構造体の可撓部のバネ定数と異なっており、前記n個の板状構造体の各共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。前記第kaの板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第(ka−1)の板状構造体の可撓部のバネ定数より小さく、前記第kbの板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第(kb−1)の板状構造体の可撓部のバネ定数より小さい。あるいは、前記第kaの板状構造体は、前記第(ka−1)の板状構造体と比較して、長さ、幅及び撓み方向の厚みの中の少なくとも1つが異なり、前記第kbの板状構造体は、前記第(kb−1)の板状構造体と比較して、長さ、厚み及び幅の中の少なくとも1つが異なっている。 Further, the present invention provides n plate-like structures having a flexible portion (n is a natural number of 3 or more) and a first plate-like structure which is one of the n plate-like structures. A pedestal for supporting a body, and a piezoelectric element that generates an electric charge based on deformation of the flexible portion of the n plate-shaped structures or at least deformation of the flexible portion of the n-th plate structure. , XYZ three-dimensional coordinate system is defined, the n plate-like structures are arranged such that their plate surfaces are parallel to the XY plane, and the first plate-like structure is The base end is directly or indirectly connected to the pedestal, and the ka-th plate-like structure (ka is an even number, 2 ≦ ka ≦ n) among the n plate-like structures is a base end of itself. The part is connected to the tip of the (ka-1) -th plate-like structure via a connector, and the kb-th plate-like structure (kb is an odd number, 3 ≦ k .Ltoreq.n), its base end is connected to the distal end of the (kb-1) th plate-like structure via a connector, and the spring constant of the flexible portion of the first plate-like structure is: And a mass of an object connected to the tip of the first plate-like structure forms a first resonance system, and a spring constant of a flexible portion of the ka-th plate-like structure; The ka-th resonance system is formed by the mass of the object connected to the tip of the plate-shaped structure, and the spring constant of the flexible portion of the kb-th plate-shaped structure and the kb-th plate-shaped structure The kb-th resonance system is formed by the mass of the object connected to the tip, and the spring constant of the flexible portion of the ka-th plate-like structure is the same as that of the (ka-1) -th plate-like structure. Unlike the spring constant of the flexible portion, the spring constant of the flexible portion of the kb-th plate-like structure is equal to the spring constant of the flexible portion of the (kb-1) -th plate-like structure. The frequency band of the half-width of each resonance system of the n plate-like structures is entirely or partially overlapped with the frequency band of the half-width of the resonance system of the other plate-like structures. Power generating element. The spring constant of the flexible portion of the ka-th plate-like structure is smaller than the spring constant of the flexible portion of the (ka-1) -th plate-like structure. The spring constant of the portion is smaller than the spring constant of the flexible portion of the (kb-1) -th plate-shaped structure. Alternatively, the ka-th plate-shaped structure differs from the (ka-1) -th plate-shaped structure in at least one of a length, a width, and a thickness in a bending direction. The plate-shaped structure is different from the (kb-1) -th plate-shaped structure in at least one of length, thickness, and width.
また、本発明は、可撓部を有したn個の板状構造体(nは3以上の自然数)と、前記n個の板状構造体の中の1つである第1の板状構造体を支持する台座と、前記n個の板状構造体の可撓部の変形、又は前記第2〜第nの板状構造体の板状構造体の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる圧電素子とを備え、XYZ三次元座標系を定義したとき、前記n個の板状構造体は、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の板状構造体は、自己の基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、前記第1の板状構造体以外の前記板状構造体は、自己の基端部が前記第1の板状構造体の先端部に接続体を介して各々接続され、前記第1の板状構造体の可撓部のバネ定数、及び前記第1の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第1の共振系が形成され、前記第1の板状構造体以外の板状構造体の可撓部のバネ定数、及び前記板状構造体の先端部に接続された物体の質量により、前記第1の共振系以外の他の共振系が形成され、前記第1の板状構造体以外の板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第1の板状構造体の可撓部のバネ定数と異なっており、前記第1の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記他の共振系の半値幅の周波数帯と重なっている発電素子である。前記第1の板状構造体以外の板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第1の板状構造体の可撓部のバネ定数より小さい。あるいは、前記第1の板状構造体以外の各板状構造体の可撓部は、前記第1の板状構造体の可撓部と比較して、長さ、幅及び撓み方向の厚みの中の少なくとも1つが異なっている。 Further, the present invention provides n plate-like structures having a flexible portion (n is a natural number of 3 or more) and a first plate-like structure which is one of the n plate-like structures. A base for supporting the body, and a charge based on the deformation of the flexible portion of the n plate-like structures or the deformation of the flexible portion of the plate-like structure of the second to n-th plate structures. When the XYZ three-dimensional coordinate system is defined, the n plate-like structures are arranged such that their plate surfaces are parallel to the XY plane, and the first plate The plate-shaped structure has its own base end directly or indirectly connected to the pedestal. The plate-shaped structure other than the first plate-shaped structure has its base end connected to the first plate. Each of which is connected to a distal end of the plate-like structure via a connector, and a spring constant of a flexible portion of the first plate-like structure, and an object connected to the distal end of the first plate-like structure. The first resonance system is formed by the quantity, and the spring constant of the flexible portion of the plate-shaped structure other than the first plate-shaped structure, and the mass of the object connected to the tip of the plate-shaped structure In addition, a resonance system other than the first resonance system is formed, and a spring constant of a flexible portion of the plate-shaped structure other than the first plate-shaped structure is set to be equal to that of the first plate-shaped structure. The power factor is different from the spring constant of the bending portion, and the whole or a part of the frequency band of the half width of the first resonance system overlaps with the frequency band of the half width of the other resonance system. . The spring constant of the flexible portion of the plate-shaped structure other than the first plate-shaped structure is smaller than the spring constant of the flexible portion of the first plate-shaped structure. Alternatively, the flexible portion of each of the plate-like structures other than the first plate-like structure has a length, a width, and a thickness in a bending direction that are different from those of the first plate-like structure. At least one of them is different.
上記各発電素子は、特定の前記板状構造体の先端部に、重錘体が設けられている。 In each of the power generating elements, a weight body is provided at the end of the specific plate-shaped structure.
本発明の発電素子は、互いに接続された2個以上の共振系を有し、各共振特性の半値幅の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のQを非常に高くすることができる。したがって、互いの半値幅が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。 Since the power generating element of the present invention has two or more resonance systems connected to each other and is set so that the frequency bands having the half-value widths of the respective resonance characteristics overlap each other, the interaction between the resonance systems causes Q of the typical resonance can be made very high. Therefore, it is possible to significantly increase the amount of power generation compared to the related art with respect to the vibration in the frequency band where the half widths of each other overlap. In addition, since the structure is simple, it can be easily manufactured using a general manufacturing process.
以下、本発明の発電素子の第一の実施形態について、図1、図2に基づいて説明する。この実施形態の発電素子22は、図1(a)に示すように、可撓部を有した第1の板状構造体24と、第1の板状構造体24の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる第1の圧電素子26と、可撓部を有した第2の板状構造体28と、第2の板状構造体28の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる第2の圧電素子30と、第1の板状構造体24を片持ち梁構造に支持する台座32とを備えている。発電素子22は、台座14が何らかの振動源20に取り付けられて使用され、XYZ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体24,28は、その板面がXY平面に平行な面になるように配置される。
Hereinafter, a first embodiment of a power generating element of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1A, the
第1の板状構造体24は、基端部が直接的に台座32に接続され、基端部から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いる。第2の板状構造体28は、第1の板状構造体24の上方に位置し、基端部が第1の板状構造体24の先端部に接続体34を介して接続され、基端部から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。その他、第2の板状構造体28の先端部には、重錘体36が設けられている。
The first plate-shaped
第1及び第2の圧電素子26,30は、図14(b)に示す圧電素子12と同様に、下部電極層G、圧電材料層P及び上部電極層Eにより各々構成されている。
The first and second
上記の構造により、発電素子22には2つの共振系Re1,Re2が形成される。第1の共振系Re1は、第1の板状構造体24の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz1は、第1の板状構造体24の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第1の板状構造体24の先端部に接続された物体の質量(接続体34、第2の板状構造体28及び重錘体36の質量)とを調節することによって設定される。
With the above structure, two resonance systems Re1 and Re2 are formed in the
第2の共振系Re2は、第2の板状構造体28の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz2は、第2の板状構造体28の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第2の板状構造体28の先端部に接続された物体の質量(重錘体36の質量)とを調節することによって設定される。
The second resonance system Re2 is a resonance system formed based on the flexibility of the second plate-
2つの共振系Re1,Re2の共振特性は、図2(a)のように表される。なお、図2(a)に示す第2の共振系Re2の共振特性は、第2の板状構造体28の基端部が台座32に直接接続された状態を想定しており、第1の共振系Re1との相互作用は含んでいない。
The resonance characteristics of the two resonance systems Re1 and Re2 are represented as shown in FIG. Note that the resonance characteristics of the second resonance system Re2 shown in FIG. 2A assume that the base end of the second plate-
第1の共振系Re1の共振特性は、共振周波数frz1付近に、印加された振動に共鳴して振幅A1が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz1を中心とする半値幅hz1の周波数帯で、振幅A1がピーク値の1/2以上になっている。第2の共振系Re2の共振特性は、共振周波数frz2付近に、印加された振動に共鳴して振幅A2が大きくなるピーキングが発生し、共振周波数frz2を中心とする半値幅hz2の周波数帯で、振幅A2がピーク値の1/2以上になっている。ここで特徴的なのは、第1の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第2の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっている点である。 The resonance characteristic of the first resonance system Re1 is that, near the resonance frequency frz1, peaking in which the amplitude A1 increases in resonance with the applied vibration occurs, and in a frequency band of a half width hz1 centered on the resonance frequency frz1, The amplitude A1 is half or more of the peak value. In the resonance characteristic of the second resonance system Re2, peaking in which the amplitude A2 increases in resonance with the applied vibration occurs near the resonance frequency frz2, and in a frequency band of a half width hz2 centered on the resonance frequency frz2, The amplitude A2 is half or more of the peak value. What is characteristic here is that a part of the frequency band of the half width hz1 of the first resonance system Re1 and a part of the frequency band of the half width hz2 of the second resonance system Re2 overlap each other.
次に、発電素子22にZ軸方向の振動が印加されたときの動作を説明する。ここでは、説明を簡単化するため、第1及び第2の共振系Re1,Re2のQ値を各々Qz1(>>1),Qz2(>>1)とし、Qz1とQZ2とが互いに等しく、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子22に対して共振周波数frz1,frz2と同じ周波数の振動が印加された場合を考える。
Next, an operation when vibration in the Z-axis direction is applied to the
台座32に振動が印加されると、この振動が第1の共振系Re1に伝わり、図1(b)に示すように、第1の板状構造体24の可撓部が厚み方向に撓み、第1の板状構造体24の先端部に、台座32が変位する加速度αのQz1倍の加速度(Qz1・α)が発生する。したがって、第1の圧電素子26には、概算で、先端部と基端部の加速度の差(Qz1・α)に相当する電荷が発生する。例えば、Qz1=10とすれば、加速度(10α)に相当する電荷が発生することになる。
When vibration is applied to the
さらに、第1の板状構造体24の先端部の振動が第2の共振系Re2に伝わり、第2の板状構造体28の可撓部が第1の板状構造体24と逆向きに撓む。そして、第2の板状構造体28の先端部に、第1の板状構造体24の先端部が変位する加速度のQz2倍の加速度(Qz2・Qz1・α)が発生する。したがって、第2の圧電素子30には、概算で、先端部と基端部の加速度の差(Qz2・Qz1・α)に相当する電荷が発生する。例えば、Qz2=Qz1=10とすれば、加速度(100α)に相当する電荷が発生することになる。
Further, the vibration of the tip portion of the first plate-shaped
このように、発電素子22は、第1の共振系Re1で(Qz1・α)に相当する電荷を得ることができ、第2の共振系Re2では、(Qz2・Qz1・α)に相当する電荷を得ることができ、これらを合計したものが電力として取り出される。
As described above, the
Qz2=Qz1>>1と仮定すれば、第2の共振系Re2は、第1の共振系Re1よりも多くの電荷が発生するので、第2の共振系Re2の方が発電量が格段に多くなる(Qz2≠Qz1でも同様である)。例えば、上述した従来の発電素子18の場合、共振系が1つだけなので、発電素子22の第1の共振系Re1と同程度の発電しか行うことができない。これに対して、発電素子22は、第2の共振系Re2の働きにより、従来の発電素子18よりも格段に多くの発電を行うことができる。
Assuming that Qz2 = Qz1 >> 1, more charges are generated in the second resonance system Re2 than in the first resonance system Re1, so that the second resonance system Re2 generates much more electric power. (The same applies to Qz2 ≠ Qz1). For example, in the case of the conventional
なお、発電素子22の重錘体36は、第2の板状構造体28の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。また、第2の共振系Re2の発電量に対して第1の共振系Re1の発電量が無視できるほど小さければ第1の圧電素子26を省略してもよく、一定以上の発電量を確保しつつ、製造プロセスを簡単化することができる。
The same operation is performed when the
ここまでは、共振周波数frz1とfrz2が互いに一致していると仮定し、発電素子22に対して共振周波数frz1,frz2と同じ周波数の振動が印加されたときの動作を説明した。しかし、量産時は製造上のバラツキ等が生じるので、共振周波数frz1,frz2を正確に一致させることは難しい。そこで、発明者が実験やシミュレーションを行って検討した結果、第1の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部と第2の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部とが互いに重なっていれば、図2(b)に示すように、その重なっている周波数帯において、十分に高い発電量が得られることが分かった。
Until now, it has been assumed that the resonance frequencies frz1 and frz2 coincide with each other, and the operation when the vibration having the same frequency as the resonance frequencies frz1 and frz2 is applied to the
以上説明したように、発電素子22は、互いに接続された2つの共振系Re1,Re2を有し、各共振特性の半値幅hz1,hz2の周波数帯が互いに重なるように設定されているので、共振系同士の相互作用により、総合的な共振のQが非常に高くなる。したがって、半値幅hz1,hz2が重なっている周波数帯の振動に対し、従来よりも発電量を格段に増やすことができる。しかも、構造がシンプルなので、一般的な製造プロセスを用いて容易に製造することができる。
As described above, the
次に、第一の実施形態の発電素子22の2つの変形例を説明する。ここで、発電素子22と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。
Next, two modified examples of the
1つ目の変形例である発電素子38は、図3(a)、(b)に示すように、構成部材は発電素子22と同様であり、異なるのは、第2の板状構造体28が第1の板状構造体24の下方に配置されている点であり、これに伴い、第2の圧電素子30が第2の板状構造体28の下面側に設けられ、接続体34が第1の板状構造体24の先端部の下面側に設けられ、重錘体36が第2の板状構造体28の上面側に設けられている。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
発電素子38は、第1及び第2の共振系Re1,Re2の上下方向の配置が発電素子22と逆になっているが、各共振系の共振特性は図2(a)に示すグラフと同様であり、発電性能も図2(b)に示すグラフと同様である。したがって、発電素子38においても、発電素子22と同様の優れた効果を得ることができる。なお、発電素子38の重錘体36は、第2の板状構造体28の下面側ではなく上面側に設けても同様の動作が行われる。
In the
2つ目の変形例である発電素子40は、図4(a)、(b)に示すように、発電素子22の構成から重錘体36が削除され、新たに第3の板状構造体42、第3の圧電素子44、接続体46及び重錘体48が追加された構成になっている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
第3の板状構造体42は、第2の板状構造体28の上方に位置し、基端部が第2の板状構造体28の先端部に接続体46を介して接続され、基端部から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いる。そして、第3の板状構造体42の先端部には、重錘体48が設けられている。その他の構成は、発電素子22と同様である。
The third plate-
上記の構造により、発電素子40には3つの共振系Re1,Re2,Re3が形成される。第1の共振系Re1は、第1の板状構造体24の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz1は、第1の板状構造体24の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第1の板状構造体24の先端部に接続された物体の質量(接続体34、第2の板状構造体28、接続体46、第3の板状構造体42及び重錘体48の質量)とを調節することによって設定される。
With the above structure, three resonance systems Re1, Re2, and Re3 are formed in the
第2の共振系Re2は、第2の板状構造体28の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz2は、第2の板状構造体28の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第2の板状構造体28の先端部に接続された物体の質量(接続体46、第3の板状構造体42及び重錘体48の質量)とを調節することによって設定される。
The second resonance system Re2 is a resonance system formed based on the flexibility of the second plate-
第3の共振系Re3は、第3の板状構造体42の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz3は、第3の板状構造体42の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第3の板状構造体42の先端部に接続された物体の質量(重錘体48の質量)とを調節することによって設定される。なお、重錘体48は共振特性調節用の部材であり、他の方法(例えば、3つの板状構造体24,28,42のヤング率や形状を変更してバネ定数を調節する方法)で共振特性の調節が可能であれば、省略することができる。
The third resonance system Re3 is a resonance system formed based on the flexibility of the third plate-
3つの共振系Re1,Re2,Re3の共振特性は、例えば図5(a)のように設定される。なお、図5(a)に示す第2の共振系Re2の共振特性は、第2の板状構造体28の基端部が台座32に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。同様に、第3の共振系Re3の共振特性は、第3の板状構造体42の基端部が台座32に直接接続された状態を想定しており、他の共振系との相互作用は含んでいない。
The resonance characteristics of the three resonance systems Re1, Re2, Re3 are set, for example, as shown in FIG. The resonance characteristics of the second resonance system Re2 shown in FIG. 5A assume a state in which the base end of the second plate-
特徴的なのは、第1の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部が第3の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なり、第2の共振系Re2の半値幅hz1の周波数帯の一部も第3の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。 Characteristically, a part of the frequency band of the half width hz1 of the first resonance system Re1 overlaps a part of the frequency band of the half width hz3 of the third resonance system Re3, and the half width hz1 of the second resonance system Re2. The point is that a part of the frequency band of the third resonance system Re3 also overlaps a part of the frequency band of the half width hz3 of the third resonance system Re3. Here, the frequency bands of the half widths hz2 and hz3 do not overlap.
発電素子40は、各共振系の共振特性が図5(a)のように設定されているので、図5(b)に示すように、上記と同様の多くの発電量を、2つの周波数帯で得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯が1つになり、発電量のピーク値はより高くなる。
Since the
次に、本発明の発電素子の第二の実施形態について、図6〜図8に基づいて説明する。この実施形態の発電素子50は、図6(a)に示すように、可撓部を有した第1の板状構造体52と、第1の板状構造体52の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる第1の圧電素子54と、可撓部を有した第2の板状構造体56と、第2の板状構造体56の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる第2の圧電素子58と、可撓部を有した第3の板状構造体60と、第3の板状構造体60の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる第3の圧電素子62とを備えている。そして、第1の板状構造体52を片持ち梁構造に支持する台座64を備えている。発電素子50は、台座64が何らかの振動源20に取り付けられて使用され、XYZ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体52,56,60は、その板面がXY平面に平行な面になるように配置される。
Next, a second embodiment of the power generating element of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 6A, the
第1の板状構造体52は、基端部が直接的に台座64に接続され、基端部から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いる。第2及び第3の板状構造体56,60は、第1の板状構造体52を間に挟むように、第1の板状構造体52の側方に配置され、各基端部が第1の板状構造体52の先端部に接続体66を介して接続され、基端部から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。その他、接続体66の下面側に重錘体68が設けられ、第2の板状構造体56の先端部の下面側に重錘体70が設けられ、第3の板状構造体60の先端部の下面側に重錘体72が設けられている。
The first plate-
したがって、台座64にZ軸方向の振動が印加され、第1の板状構造体52が厚み方向に撓むと、図7(a)に示すように、第2の板状構造体56は第1の板状構造体52と逆向きに撓む。同様に、第1の板状構造体52が厚み方向に撓むと、図7(b)に示すように、第3の板状構造体60は第1の板状構造体52と逆向きに撓む。
Therefore, when the vibration in the Z-axis direction is applied to the
第1、第2及び第3の圧電素子54,58,62は、図14(b)に示す圧電素子12と同様に、下部電極層G、圧電材料層P及び上部電極層Eにより各々構成されている。
The first, second, and third
上記の構造により、発電素子50には3つの共振系Re1,Re2,Re3が形成される。第1の共振系Re1は、第1の板状構造体52の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz1は、第1の板状構造体52の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第1の板状構造体52の先端部に接続された物体の質量(接続体66、第2及び第3の板状構造体56,60、及び重錘体68,70,72の質量)とを調節することによって設定される。
With the above structure, three resonance systems Re1, Re2, and Re3 are formed in the
第2の共振系Re2は、第2の板状構造体56の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz2は、第2の板状構造体56の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第2の板状構造体28の先端部に接続された物体の質量(重錘体70の質量)とを調節することによって設定される。
The second resonance system Re2 is a resonance system formed based on the flexibility of the second plate-
第3の共振系Re3は、第3の板状構造体60の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz3は、第3の板状構造体60の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第3の板状構造体60の先端部に接続された物体の質量(重錘体72の質量)とを調節することによって設定される。
The third resonance system Re3 is a resonance system formed based on the flexibility of the third plate-
この3つの共振系Re1,Re2,Re3の共振特性は、例えば図8(a)のように設定される。特徴的なのは、第2の共振系Re2の半値幅hz2の周波数帯の一部が第1の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なり、第3の共振系Re3の半値幅hz3の周波数帯の一部も第1の共振系Re1の半値幅hz1の周波数帯の一部に重なっている点である。ここでは、半値幅hz2とhz3の周波数帯は重なっていない。 The resonance characteristics of the three resonance systems Re1, Re2, Re3 are set, for example, as shown in FIG. Characteristically, a part of the frequency band of the half width hz2 of the second resonance system Re2 overlaps with a part of the frequency band of the half width hz1 of the first resonance system Re1, and the half width hz3 of the third resonance system Re3. Is also overlapped with a part of the frequency band having the half width hz1 of the first resonance system Re1. Here, the frequency bands of the half widths hz2 and hz3 do not overlap.
発電素子50は、各共振系の共振特性が図8(a)のように設定されているので、図8(b)に示すように、2つの周波数帯で多くの発電量を得ることができる。半値幅hz1とhz2の周波数帯を重なる設定にすることも可能であり、その場合、発電量がピークを示す周波数帯は1つになるが、発電量のピーク値はもっと高くなる。
In the
なお、先に説明した発電素子40(図4)も3つの共振系を有しているが、発電素子40の場合は、3つの共振系が順に直列に配置されているので、直接接続されていない2つの共振系Re1とRe3の間にも相互作用が生じる。これに対して、この発電素子50は、第1及び第2の共振系Re1,Re2が直列で、第1及び第3の共振系Re1,Re2が直列であるが、第2及び第3の共振系Re2,Re3は直列になっていない。そのため、直接接続されていない2つの共振系Re2とRe3の間には相互作用がほとんど生じない。したがって、発電素子50は、2台の発電素子22(図1)を並列に使用するのとほぼ同様の動作を行う。
Although the power generation element 40 (FIG. 4) described above also has three resonance systems, in the case of the
発電素子50は、発電素子22よりも多くの発電量を得ることができる。また、発電素子22の場合は、板状構造体24,28が上下に重なるように配置されているので互いに接触しやすいが、発電素子50は、板状構造体52,56,60が上下方向に重ならないよう配置され、板状構造体52,56,60が互いにぶつからない構造なので、板状構造体52,56,60の最大撓み量を大きくすることができ、発電量をさらに増やすことができる。
The
次に、第二の実施形態の発電素子50の一変形例である発電素子74について、図9に基づいて説明する。ここで、発電素子50と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。発電素子74は、発電素子50の構成から重錘体70,72が削除され、新たにU字状の重錘体76が設けられた構成になっている。その他の構成は、発電素子50と同様である。
Next, a
重錘体76は、重錘体70,72の先端部同士を横梁で連結して一体化させたような形状である。したがって、板状構造体56,60の各先端部が重錘体76を介して連結される形になり、2つの板状構造体56,60が協働して第2の板状構造体(1つの板状構造体)の役割をする。以下、2つの板状構造体56,60の特性を合成したものを第2の板状構造体56xと称して説明する。
The
上記の構造により、発電素子74には2つの共振系Re1,Re2が形成される。第1の共振系Re1は、第1の板状構造体52の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz1は、第1の板状構造体52の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第1の板状構造体52の先端部に接続された物体の質量(接続体66、重錘体68、第2の板状構造体56x及び重錘体76の質量)とを調節することによって設定される。
With the above structure, two resonance systems Re1 and Re2 are formed in the
第2の共振系Re2は、第2の板状構造体56xの可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz2は、第2の板状構造体56xの可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第2の板状構造体56xの先端部に接続された物体の質量(重錘体76の質量)とを調節することによって設定される。
The second resonance system Re2 is a resonance system formed based on the flexibility of the second plate-
各共振系の共振特性は、図2(a)に示す発電素子22のグラフと同様である。したがって、発電素子74も発電素子22と同様の動作を行い、発電素子50と同様の効果を得ることができる。
The resonance characteristic of each resonance system is the same as the graph of the
次に、本発明の発電素子の第三の実施形態について、図10に基づいて説明する。この実施形態の発電素子78は、可撓部を有した第1の板状構造体80と、第1の板状構造体80の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる第1の圧電素子82と、可撓部を有した第2の板状構造体84と、第2の板状構造体84の可撓部の変形に基づいて電荷を発生させる第2の圧電素子86と、第1の板状構造体80を片持ち梁構造に支持する台座88を備えている。発電素子78は、台座88が何らかの振動源20に取り付けられて使用され、XYZ三次元座標系を定義したとき、各板状構造体80,84は、その板面がXY平面に平行な面になるように配置される。
Next, a third embodiment of the power generating element of the present invention will be described with reference to FIG. The
台座88は、四角形の角筒状に形成され、他の部材を囲むように設けられている。第1の板状構造体80は、基端部が直接的に台座88の内壁に接続され、基端部から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いる。そして、第1の板状構造体80の先端部には、四角形の枠板状に形成された接続体90がY軸正方向に延設されている。
The
第2の板状構造体84は、接続体90の内側に位置し、基端部が接続体90の内縁部(第1の板状構造体80が接続されて部分に対向する一辺の内縁部)に接続されている。つまり、第2の板状構造体84は、接続体90を介して第1の板状構造体80に接続され、基端部から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。その他、接続体90の下面側に、接続体90と同じ大きさの角筒状に形成された重錘体92が設けられ、第2の板状構造体84の先端部の下面側に、重錘体92に囲まれるように重錘体94が設けられている。したがって、台座88にZ軸方向の振動が印加され、第1の板状構造体80が厚み方向に撓むと、第2の板状構造体84は、第1の板状構造体80と逆向きに撓む。
The second plate-shaped
第1及び第2の圧電素子82,86は、図14(b)に示す圧電素子12と同様に、下部電極層G、圧電材料層P及び上部電極層Eにより各々構成されている。
The first and second
上記の構造により、発電素子78には2つの共振系Re1,Re2が形成される。第1の共振系Re1は、第1の板状構造体80の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz1は、第1の板状構造体80の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第1の板状構造体80の先端部に接続された物体の質量(接続体90、重錘体92、第2の板状構造体84及び重錘体94の質量)を調節することによって設定される。
With the above structure, two resonance systems Re1 and Re2 are formed in the
第2の共振系Re2は、第2の板状構造体84の可撓性に基づいて形成される共振系であり、Z軸方向の共振周波数frz2は、第2の板状構造体84の可撓部のZ軸方向のバネ定数と、第2の板状構造体84の先端部に接続された物体の質量(重錘体94の質量)を調節することによって設定される。
The second resonance system Re2 is a resonance system formed based on the flexibility of the second plate-
各共振系の共振特性は、図2(a)に示す発電素子22のグラフと同様であり、発電素子78においても、発電素子22と同様の作用効果を得ることができる。さらに、発電素子78では、台座88に、重錘体92が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせ、重錘体92に、重錘体94が過剰に変位するのを防止するストッパの働きをさせることができるので、発電素子78に強い衝撃が加わった時、第1及び第2の板状構造体80,84が破損するのを容易に保護することができる。また、第1の板状構造体80の先端部と第2の板状構造体84の基端部は、接続体90の両端部(互いに離れた位置)に接続されているので、第2の共振系Re2により大きな加速度を作用させることができる。
The resonance characteristic of each resonance system is the same as the graph of the
次に、第三の実施形態の発電素子78の2つの変形例を説明する。ここで、発電素子78と同様の構成は同一の符号を付して説明を省略する。
Next, two modified examples of the
1つ目の変形例である発電素子96は、図11(a)に示すように、発電素子78の第1の圧電素子82を第1の圧電素子98に置き換え、第2の圧電素子86を第2の圧電素子100に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子78と同様である。
As shown in FIG. 11A, a
上記発電素子78は、第1の圧電素子82が1個の圧電素子で構成され、第2の圧電素子86が1個の圧電素子で構成されており、Z軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子96は、第1の圧電素子98が4個の圧電素子Ea1〜Ea4で構成され、第2の圧電素子100が4個の圧電素子Eb1〜Eb4で構成されており、XYZの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換できるという特徴がある。
In the
発電素子96は、発電素子78と基本構造が同じであり、図10(b)に示すように、重錘体92,94の重心が第1及び第2の板状構造体80,84の先端部よりも低い位置に偏っているので、重錘体92,94にXYの各軸方向の振動が作用すると、第1及び第2の板状構造体80,84に対して曲げモーメントが作用する。そして、第1及び第2の板状構造体80,84の可撓部が変形し、図11(b)に示すように、8つの圧電素子Ea1〜Ea4,Eb1〜Eb4に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Z軸方向の振動だけでなく、XYの各軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。なお、図11(b)の中の「+」「−」は、各圧電素子に発生する電荷の極性を相対的に表したものであり、「+」と「−」をすべて逆に置き換えて表してもよい。
The
発電素子96の第1の共振系Re1は、Z軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、X軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Y軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第2の共振系Re2は、Z軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、X軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Y軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。
The first resonance system Re1 of the
Z軸方向は、図12(a)に示すように、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、2つの共振系Re1,Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。 In the Z-axis direction, as shown in FIG. 12A, a part of the frequency band having the half width hz2 is set so as to overlap a part of the frequency band having the half width hz1. Therefore, a large amount of power generation can be obtained in the overlapping frequency band due to the interaction between the two resonance systems Re1 and Re2.
X軸方向も同様であり、図12(b)に示すように、半値幅hx2の周波数帯の一部が、半値幅hx1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、2つの共振系Re1,Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。 The same applies to the X-axis direction. As shown in FIG. 12B, a part of the frequency band having the half width hx2 is set so as to overlap a part of the frequency band having the half width hx1. Therefore, a large amount of power generation can be obtained in the overlapping frequency band due to the interaction between the two resonance systems Re1 and Re2.
Y軸方向も同様であり、図12(c)に示すように、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている。したがって、2つの共振系Re1,Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。 The same applies to the Y-axis direction. As shown in FIG. 12C, a part of the frequency band having the half width hy2 is set so as to overlap a part of the frequency band having the half width hy1. Therefore, a large amount of power generation can be obtained in the overlapping frequency band due to the interaction between the two resonance systems Re1 and Re2.
このように、発電素子96によれば、XYZの各軸方向の振動をすべて効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子78より多くの発電量を得ることができる。
As described above, according to the
2つ目の変形例である発電素子102は、図13(a)に示すように、発電素子78の第1の圧電素子82を第1の圧電素子104に置き換え、第2の圧電素子86を第2の圧電素子106に置き換えたものであり、その他の構成は発電素子78と同様である。
As shown in FIG. 13A, a
上記発電素子78は、第1の圧電素子82が1個の圧電素子で構成され、第2の圧電素子86が1個の圧電素子で構成されており、Z軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる。これに対して、この発電素子102は、第1の圧電素子104が2個の圧電素子Ea1,Ea2で構成され、第2の圧電素子106が2個の圧電素子Eb1,Eb2で構成されており、YZの2軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができるという特徴がある。
In the
上記のように、発電素子102の重錘体92,94にY軸方向の振動が作用すると、第1及び第2の板状構造体80,84に対して曲げモーメントが作用する。そして、第1及び第2の板状構造体80,84の可撓部が変形し、図13(b)に示すように、4つの圧電素子Ea1,Ea2,Eb1,Eb2に、正又は負電荷がそれぞれ発生する。したがって、Z軸方向の振動だけでなく、Y軸方向の振動も電気エネルギーに変換できる。
As described above, when the vibration in the Y-axis direction acts on the
発電素子102の第1の共振系Re1は、Z軸方向の共振周波数frz1及び半値幅hz1の他、X軸方向の共振周波数frx1及び半値幅hx1、Y軸方向の共振周波数fry1及び半値幅hy1を有している。同様に、第2の共振系Re2は、Z軸方向の共振周波数frz2及び半値幅hz2の他、X軸方向の共振周波数frx2及び半値幅hx2、Y軸方向の共振周波数fry2及び半値幅hy2を有している。これは、発電素子96と同様である。
The first resonance system Re1 of the
Z軸方向は、発電素子96と同様に、半値幅hz2の周波数帯の一部が、半値幅hz1の周波数帯の一部と重なるように設定されている(図12(a))。したがって、2つの共振系Re1,Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。
In the Z-axis direction, similarly to the
Y軸方向も、発電素子96と同様に、半値幅hy2の周波数帯の一部が、半値幅hy1の周波数帯の一部と重なるように設定されている(図12(c))。したがって、2つの共振系Re1,Re2の相互作用により、この重なっている周波数帯で多くの発電量を得ることができる。
In the Y-axis direction, similarly to the
しかし、X軸方向の共振特性は特に重要ではなく、半値幅hx2の周波数帯が半値幅hx1の周波数帯に重なっていなくても構わない。発電素子102は、X軸方向の発電を行わない素子だからである。
However, the resonance characteristics in the X-axis direction are not particularly important, and the frequency band of the half width hx2 does not have to overlap the frequency band of the half width hx1. This is because the
発電素子102によれば、YZの2軸方向の振動を効率よく電気エネルギーに変換することができるので、発電素子78より多くの発電量を得ることができる。また、第1及び第2の共振系Re1,Re2の設計を行うとき、発電素子96の場合は3方向の共振特性を考慮する必要があるが、発電素子102の場合は2方向だけを考慮すればよいので、発電素子102の方が設計が容易である。
According to the
なお、本発明の発電素子は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、図4に示す発電素子40は、3個の板状構造体を直列に接続して合計3個の共振系を設けているが、直列に配置する板状構造体の数及び共振系の数をもっと増やすことによって、発電量を指数関数的に多くすることができる。また、第1〜第nの板状構造体を直列に配置した場合、第1〜第nの共振系が形成され、各共振系の半値幅の周波数帯が重なったとき、台座から最も離れている第nの共振系の発電量が最大になる。したがって、発電量を多くするためには、第nの共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要になるので、第nの共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系(できるだけ多くの共振系)の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。
Note that the power generating element of the present invention is not limited to the above-described embodiment and modified examples. For example, the
図6に示す発電素子50は、第1の板状構造体の先端部に他の板状構造体を2個接続し合計3個の共振系を設けているが、他の板状構造体の数をもっと増やして共振系の数をもっと増やすことによって、発電量をさらに多くすることができる。また、発電量を多くするためには、第1の共振系と他の共振系との間に相互作用が生じることが重要であり、第1の共振系の半値幅の周波数帯が他の共振系(できるだけ多くの共振系)の半値幅の周波数帯と重なるように設定するとよい。
The
また、図6に示す発電素子50は、Z軸方向の振動だけを電気エネルギーに変換することができる構成であるが、第1及び第2の圧電素子82,86を、図11に示す第1及び第2の圧電素子98.100のような構成に変更すれば、XYZの各軸方向の振動をすべて電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。あるいは、第1及び第2の圧電素子82,86を、図13に示す第1及び第2の圧電素子104,106のような構成に変更すれば、YZの2軸方向の振動を電気エネルギーに変換することができ、発電量をさらに多くすることができる。
The
その他、発電素子の製造プロセスは特に限定されず、個々の構造に合わせて自由に選択することができる。例えば、上記の発電素子50,74,78,96,102(図6、図9、図10、図11、図13)は、複数の共振系がXY平面に沿ってほぼ面一に並設される構成なので、Si基板やSOI基板等を用いたMEMS技術を使用すれば、容易に製造することができる。また、圧電素子の具体的な構造は、図14(b)に示す圧電素子18の構造に限定されず、同様の機能を実現できる他の構造を用いてもよい。
In addition, the manufacturing process of the power generation element is not particularly limited, and can be freely selected in accordance with each structure. For example, in the above-described
22,38,40,50,74,78,96,102 発電素子
24,52,80 第1の板状構造体
26,54,82,98,104 第1の圧電素子
28,56,56x,84 第2の板状構造体
30,58,86,100,106 第2の圧電素子
32,64,88 台座
34,46,66,90 接続体
36,48,68,70,72,76,92,94 重錘体
42,60 第3の板状構造体
44,62 第3の圧電素子
frx1,fry1,frz1 共振周波数(第1の共振系)
frx2,fry2,frz2 共振周波数(第2の共振系)
frz3 共振周波数(第3の共振系)
hx1,hy1,hz1 半値幅(第1の共振系)
hx2,hy2,hz2 半値幅(第2の共振系)
hz3 半値幅(第3の共振系)
Re1 第1の共振系
Re2 第2の共振系
Re3 第3の共振系
22, 38, 40, 50, 74, 78, 96, 102
frx1, fry1, frz1 resonance frequency (first resonance system)
frx2, fry2, frz2 resonance frequency (second resonance system)
frz3 resonance frequency (third resonance system)
hx1, hy1, hz1 half width (first resonance system)
hx2, hy2, hz2 half width (second resonance system)
hz3 Half width (third resonance system)
Re1 First resonance system
Re2 Second resonance system
Re3 Third resonance system
Claims (9)
前記第1の板状構造体は、自己の基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、
前記第2の板状構造体は、自己の基端部が前記第1の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、
前記第1の板状構造体の可撓部、及び前記第1の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第1の共振系が形成され、
前記第2の板状構造体の可撓部、及び前記第2の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第2の共振系が形成され、
前記第2の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記第1の共振系の半値幅の周波数帯と重なっていることを特徴とする発電素子。 First and second plate-like structures having a flexible portion, a pedestal supporting the first plate-like structure, and at least one of the first and second plate-like structures. A piezoelectric element that generates an electric charge based on the deformation of the flexible portion, and a weight provided at the tip of the specific plate-shaped structure,
The first plate-shaped structure has its own base end directly or indirectly connected to the pedestal,
The second plate-shaped structure has its own base end connected to the front end of the first plate-shaped structure via a connector,
A first resonance system is formed by a flexible portion of the first plate-shaped structure and a mass of an object connected to a distal end of the first plate-shaped structure;
A second resonance system is formed by a flexible portion of the second plate-shaped structure and a mass of an object connected to a tip of the second plate-shaped structure;
The power generation element according to claim 1, wherein a half-width frequency band of the second resonance system entirely or partially overlaps a half-width frequency band of the first resonance system.
前記第1の板状構造体は、自己の基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、
前記n個の板状構造体の中の第kaの板状構造体(kaは偶数、2≦ka≦n)は、自己の基端部が第(ka−1)の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、
前記n個の板状構造体の中の第kbの板状構造体(kbは奇数、3≦kb≦n)は、自己の基端部が第(kb−1)の板状構造体の先端部に接続体を介して接続され、
前記第1の板状構造体の可撓部、及び前記第1の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第1の共振系が形成され、
前記第kaの板状構造体の可撓部、及び前記第kaの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第kaの共振系が形成され、
前記第kbの板状構造体の可撓部、及び前記第kbの板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第kbの共振系が形成され、
前記n個の板状構造体の各共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、他の前記板状構造体の共振系の半値幅の周波数帯と重なっていることを特徴とする発電素子。 N plate-like structures having a flexible portion (n is a natural number of 3 or more), and a pedestal supporting a first plate-like structure that is one of the n plate-like structures A piezoelectric element that generates an electric charge based on deformation of a flexible portion of the n plate-like structures, or at least deformation of a flexible portion of the n-th plate structure, and a specific plate-like structure And a weight provided at the tip of the
The first plate-shaped structure has its own base end directly or indirectly connected to the pedestal,
Among the n plate-like structures, the ka-th plate-like structure (ka is an even number, 2 ≦ ka ≦ n) has a base end of the (ka−1) -th plate-like structure. Connected to the unit via a connector,
The kb-th plate-like structure (kb is an odd number, 3 ≦ kb ≦ n) among the n plate-like structures is a base end of the (kb-1) -th plate-like structure. Connected to the unit via a connector,
A first resonance system is formed by a flexible portion of the first plate-shaped structure and a mass of an object connected to a distal end of the first plate-shaped structure;
The ka-th resonance system is formed by the flexible portion of the ka-th plate-shaped structure and the mass of the object connected to the tip of the ka-th plate-shaped structure,
The kb-th resonance system is formed by the flexible portion of the kb-th plate-like structure and the mass of the object connected to the tip of the kb-th plate-like structure,
A half-width frequency band of each resonance system of the n plate-like structures is entirely or partially overlapped with a half-width frequency band of another resonance system of the plate-like structures. Power generating element.
前記第kbの板状構造体の可撓部のバネ定数は、前記第(kb−1)の板状構造体の可撓部のバネ定数より小さい請求項4記載の発電素子。 A spring constant of the ka-th plate-shaped structure is smaller than a spring constant of the (ka-1) -th plate-shaped structure;
The power generating element according to claim 4, wherein a spring constant of a flexible portion of the kb-th plate-shaped structure is smaller than a spring constant of a flexible portion of the (kb-1) -th plate-shaped structure.
前記第kbの板状構造体は、前記第(kb−1)の板状構造体と比較して、長さ、厚み及び幅の中の少なくとも1つが異なっている請求項4記載の発電素子。 The ka-th plate-shaped structure is different from the (ka-1) -th plate-shaped structure in at least one of a length, a width, and a thickness in a bending direction,
The power generation element according to claim 4, wherein the kb-th plate-shaped structure is different from the (kb-1) -th plate-shaped structure in at least one of length, thickness, and width.
前記第1の板状構造体は、自己の基端部が直接又は間接的に前記台座に接続され、
前記第1の板状構造体以外の前記板状構造体は、自己の基端部が前記第1の板状構造体の先端部に接続体を介して各々接続され、
前記第1の板状構造体の可撓部、及び前記第1の板状構造体の先端部に接続された物体の質量により第1の共振系が形成され、
前記第1の板状構造体以外の板状構造体の可撓部、及び前記板状構造体の先端部に接続された物体の質量により、前記第1の共振系以外の他の共振系が形成され、
前記第1の共振系の半値幅の周波数帯は、その全部又は一部が、前記他の共振系の半値幅の周波数帯と重なっていることを特徴とする発電素子。 N plate-like structures having a flexible portion (n is a natural number of 3 or more), and a pedestal supporting a first plate-like structure that is one of the n plate-like structures A piezoelectric element that generates an electric charge based on the deformation of the flexible portion of the n plate-shaped structures or the deformation of the flexible portion of the plate-shaped structure of the second to n-th plate structures; A weight provided at the tip of the specific plate-like structure,
The first plate-shaped structure has its own base end directly or indirectly connected to the pedestal,
The plate-like structures other than the first plate-like structure have their own base ends connected to the distal end of the first plate-like structure via a connector, respectively.
A first resonance system is formed by a flexible portion of the first plate-shaped structure and a mass of an object connected to a distal end of the first plate-shaped structure;
Due to the flexible portion of the plate-like structure other than the first plate-like structure and the mass of the object connected to the tip of the plate-like structure, a resonance system other than the first resonance system is formed. Formed,
The power generating element according to claim 1, wherein a half-width frequency band of the first resonance system entirely or partially overlaps a half-width frequency band of the another resonance system.
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