发电元件、发电装置与结构体的制作方法

本发明涉及发电元件，并且具体地，涉及通过将振动能转换为电能的发电技术。

背景技术：

为了获得有限资源的高效使用，已提出通过转换各种类型的能量取出电能的技术。一种技术是通过转换振动能取出电能的技术。例如，下面给出的专利文献1公开了压电型发电元件，其中，层状压电元件被层压以形成发电用压电元件，以及外力被用于引起发电用压电元件振动，从而发电。此外，专利文献2公开了具有使用硅基板的MEMS(微机电系统)结构的发电元件。

另一方面，专利文献3公开了一种类型的发电元件，其中，用于通过悬臂梁支撑重锤体的锤头状结构体被用于引起构成头部的重锤体振动，其中，该悬臂梁的一端被固定，从而通过使用布置在柄部的发电用压电元件来发电。此外，专利文献4公开了使用用于通过板状桥梁部支撑重锤体的结构体的压电元件以及使用锤头状结构体的发电元件，该板状桥梁部被弯曲成L字母形状。

这些发电元件的基本原理是通过重锤体的振动向压电元件施加周期性挠曲，从而取出基于施加于压电元件的应力所生成的外部电荷。发电元件被安装在例如汽车、火车和轮船上，通过该发电元件可以取出在运输期间所施加的振动能作为电能。此外，发电元件被附接至振动源，诸如冷藏器和空调器，从而使得其可以发电。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公布No.H10-243667A

专利文献2：日本专利公布No.2011-152010A

专利文献3：美国专利公布No.2013/0154439A

专利文献4：WO2015/033621

技术实现要素：

本发明待解决的问题

在发电元件通过被安装在运输设备，诸如汽车、火车和轮船而被使用的情况下，在行进过程中随机在不同方向施加力。因此，在安装在运输设备上的发电元件中，设想重锤体在不同方向振动，使得在所有方向的振动能可以被转换为电能，从而提高发电效率是优选的。

此外，还可以提供这样的优点，即在上述专利文献3和4中公开的使用板状桥梁部的发电元件在结构上进行简化以降低成本。然而，为了足够的挠曲被施加于板状桥梁部，从而提高发电效率，也必需使板状桥梁部尽可能长和薄。因此，板状桥梁部在施加过大的振动时会被损坏。

因此，本发明的目的是提供结构简单但是能通过将包含各个方向分量的振动能没有浪费地转换为电能以获得高发电效率的发电元件，并且该发电元件甚至在被施加过大的振动的情况下也不大可能被损坏。

解决问题的手段

(1)本发明的第一特征在于通过将振动能转换为电能来发电的发电元件，该发电元件包括：

板状桥梁部，沿第一纵向轴线延伸并具有柔性；

台座，支撑并固定该板状桥梁部的根端部；

重锤体，直接或间接连接到该板状桥梁部的前端部；

压电元件，被固定在产生伸张/收缩变形的板状桥梁部的表面上的预定位置；以及

发电电路，其整流基于在压电元件所生成的电荷所产生的电流并取出电力；其中

重锤体设置有左手侧重锤体部，其相对于纵向轴线被定位在板状桥梁部的左手侧；以及右手侧重锤体部，其相对于纵向轴线被定位在板状桥梁部的右手侧。

(2)本发明的第二特征在于根据第一特征的发电元件，其中

重锤体支撑部被连接到板状桥梁部的前端部，重锤体被连接到该重锤体支撑部的下表面，以及该重锤体的重心被定位在板状桥梁部的下面。

(3)本发明的第三特征在于根据第二特征的发电元件，其中

重锤体支撑部设置有沿正交于第一纵向轴线的第二纵向轴线延伸的中央板状部，该板状桥梁部的前端部被连接到该中央板状部的中心附近，“T”字母形结构体由该板状桥梁部和中央板状部形成；以及

左手侧重锤体部被连接到中央板状部的左侧下表面，以及右手侧重锤体部被连接到该中央板状部的右侧下表面。

(4)本发明的第四特征在于根据第二特征的发电元件，其中

重锤体支撑部设置有：中央板状部，沿正交于第一纵向轴线的第二纵向轴线延伸，中心附近连接到板状桥梁部的前端部；左手侧板状部，从该中央板状部的左侧延伸到该板状桥梁部的左手侧，以及右手侧板状部，从该中央板状部的右侧延伸到该板状桥梁部的右手侧；以及

左手侧重锤体部被连接到左手侧板状部的下表面，以及右手侧重锤体部被连接到右手侧板状部的下表面。

(5)本发明的第五特征在于根据第三或第四特征的发电元件，其中

重锤体设置有将左手侧重锤体部与右手侧重锤体部耦接的中央重锤体部，以及该中央重锤体部被连接到该中央板状部的下表面。

(6)本发明的第六特征在于根据第一至第五特征中的任一者的发电元件，其中

沿正交于第一纵向轴线的第三纵向轴线延伸的台座连接部被连接到板状桥梁部的根端部，并且该台座连接部被固定到该台座。

(7)本发明的第七特征在于根据第一至第六特征中的任一者的发电元件，其中

台座给出环绕板状桥梁部和重锤体的周边的环状结构体，并且在超出预定大小的加速度被施加于发电元件的情况下，该重锤体的一部分接触该环状结构体的一部分，从而限制进一步的位移。

(8)本发明的第八特征在于根据第一至第七特征中的任一者的发电元件，其中

压电元件设置有：被布置在板状桥梁部的前端部附近左侧上的前端部左侧压电元件、被布置在该板状桥梁部的前端部附近右侧上的前端部右侧压电元件、被布置在板状桥梁部的根端部附近左侧上的根端部左侧压电元件、以及被布置在板状桥梁部的根端部附近右侧上的根端部右侧压电元件。

(9)本发明的第九特征在于根据第一至第八特征中的任一者的发电元件，其中

压电元件设置有：以层状方式在板状桥梁部的表面上形成的下层电极、以层状方式在下层电极的表面上形成的压电材料层、以及在该压电材料层的表面上局部形成的由多个上层电极组成的上层电极组，通过施加在层方向伸张和收缩的应力，该压电材料层有可能在厚度方向极化。

(10)本发明的第十特征在于包括根据第一至第九特征中的任一者的发电元件并且另外包括容纳该发电元件的装置框体的发电装置，其中

该发电元件的台座被固定到装置框体，并且在施加振动该装置框体的外力时，该发电元件的重锤体通过板状桥梁部的挠曲而在该装置框体内进行振动，从而输出根据振动从该发电电路所取出的电力。

(11)本发明的第十一特征在于包括根据第一至第九特征中的任一者的发电元件并且另外包括容纳该发电元件的装置框体的发电装置，其中

该发电元件的重锤体被固定到装置框体，并且在施加振动该装置框体的外力时，该发电元件的台座通过板状桥梁部的挠曲而在该装置框体内进行振动，从而输出根据振动从该发电电路所取出的电力。

(12)本发明的第十二特征在于：通过将在XYZ三维坐标系中的每个坐标轴的方向的振动能转换为电能来发电的发电元件，该发电元件包括：

主发电结构，其中，主发电第一层、主发电第二层和主发电第三层按顺序从上面层压，其中，XY平面被置于水平表面上，Z轴的正方向被置于向上方向，以及Z轴的负方向被置于向下方向；

支撑并固定主发电结构的预定部位的台座；以及

发电电路，其整流基于由主发电结构所生成的电荷所产生的电流并取出电力；其中

该主发电第二层为平板状层，其沿平行于XY平面的表面布置并设置有：被布置在Y轴上以及具有柔性的板状桥梁部和支撑主发电第三层的重锤体支撑部；

该重锤体支撑部设置有被布置在X'轴上的中央板状部，该X'轴为正交于Y轴并平行于X轴的轴；

板状桥梁部沿Y轴从根端部延伸到前端部，中央板状部沿X'轴延伸以便与Y轴交叉，板状桥梁部的前端部被连接到该中央板状部的与Y轴相交部分的附近，以及该板状桥梁部和中央板状部在XY平面上的投影图像呈现“T”字母形状；

主发电第一层设置有经形成以覆盖主发电第二层的板状桥梁部的上表面的至少一部分的压电元件；

主发电第三层被连接到主发电第二层的重锤体支撑部的下表面，其执行作为具有足够质量的重锤体的功能，重锤体基于所施加的加速度在板状桥梁部引起挠曲；

以X坐标值为负的侧被限定为左手侧以及X坐标值为正的侧被限定为右手侧的方式定义板状桥梁部的两侧时，主发电第三层设置有被定位在板状桥梁部的左手侧上的左手侧重锤体部和被定位在该板状桥梁部的右手侧上的右手侧重锤体部；

台座支撑并固定该板状桥梁部的根端部；以及

发电电路为整流基于在压电元件所生成的电荷所产生的电流并取出电力的电路。

(13)本发明的第十三特征在于根据第十二特征的发电元件，其中

主发电第二层的重锤体支撑部额外设置有沿平行于Y轴的方向从中央板状部的左侧延伸到板状桥梁部的左手侧的左手侧板状部以及沿平行于Y轴的方向从中央板状部的右侧延伸到板状桥梁部的右手侧的右手侧板状部；以及

左手侧重锤体部被连接到左手侧板状部的下表面，以及右手侧重锤体部被连接到右手侧板状部的下表面。

(14)本发明的第十四特征在于根据第十二或十三特征的发电元件，其中

主发电第三层设置有将左手侧重锤体部与右手侧重锤体部耦接的中央重锤体部，该中央重锤体部被连接到该中央板状部的下表面，以及具有左手侧重锤体部、右手侧重锤体部和中央重锤体部的重锤体在XY平面上的投影图像呈现“U”字母形状。

(15)本发明的第十五特征在于根据第十二至第十四特征中的任一者的发电元件，其中

构成主发电第三层的结构体的重心被定位在板状桥梁部的下面。

(16)本发明的第十六特征在于根据第十二至第十五特征中的任一者的发电元件，其中

主发电结构给出相对于YZ面对称的平面，以及构成主发电第三层的结构体的重心被定位在低于板状桥梁部下面的YZ面上。

(17)本发明的第十七特征在于根据第十二至第十六特征中的任一者的发电元件，其中

主发电第一层在XY平面上的投影图像在形状上等同于主发电第二层在XY平面上的投影图像，以及主发电第一层的下表面的整个领域与主发电第二层的上表面的整个领域接合。

(18)本发明的第十八特征在于根据第十二至第十七特征中的任一者的发电元件，其中

在X轴的正方向的主发电第三层的端部在X轴的正方向比重锤体支撑部在X轴的正方向的端部伸出更大的范围，在X轴的负方向的主发电第三层的端部在X轴的负方向比重锤体支撑部在X轴的负方向的端部伸出更大的范围，在Y轴的正方向的主发电第三层的端部在Y轴的正方向比重锤体支撑部在Y轴的正方向的端部伸出更大的范围，以及在Y轴的负方向的主发电第三层的端部在Y轴的负方向比重锤体支撑部在Y轴的负方向的端部伸出更大的范围。

(19)本发明的第十九特征在于根据第十二至第十八特征中的任一者的发电元件，其中

主发电第一层构成压电元件，其设置有：以层状方式在板状桥梁部的表面上形成的下层电极、以层状方式在下层电极的表面上形成的压电材料层、以及由在该压电材料层的表面上局部形成的多个上层电极组成的上层电极组；

通过在层方向伸张和收缩的应力，该压电材料层有可能在厚度方向极化；以及

发电电路整流基于在上层电极和下层电极所生成的电荷所产生的电流并取出电力。

(20)本发明的第二十特征在于根据第十九特征的发电元件，其中

上层电极组设置有前端部左侧上层电极、前端部右侧上层电极、根端部左侧上层电极和根端部右侧上层电极；

前端部左侧上层电极在主发电第二层的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部的前端部附近的X坐标值为负的侧上；

前端部右侧上层电极在主发电第二层的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部的前端部的附近的X坐标值为正的侧上；

根端部左侧上层电极在主发电第二层的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部的根端部的附近的X坐标值为负的侧上；以及

根端部右侧上层电极在主发电第二层的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部的根端部的附近的X坐标值为正的侧上。

(21)本发明的第二十一特征在于根据第十九或第二十特征的发电元件，其中

发电电路设置有：电容元件；

正电荷整流元件，其中，从上层电极的每一者到该电容元件的正电极的方向作为正方向给出，以便将在上层电极的每一者所生成的正电荷引导到该电容元件的正电极；

负电荷整流元件，其中，从电容元件的负电极到上层电极的每一者的方向作为正方向给出，以便将在上层电极的每一者所生成的负电荷引导到该电容元件的负电极；以及

通过使用电容元件进行平滑化，发电电路供应从振动能转换的电能。

(22)本发明的第二十二特征在于根据第十九至第二十一特征中的任一者的发电元件，其中

主发电第一层的压电材料层用压电薄膜构成，主发电第一层的上层电极和下层电极用金属层构成，主发电第二层用硅基板构成，以及主发电第三层用金属基板、陶瓷基板或玻璃基板构成。

(23)本发明的第二十三特征在于根据第十二至第二十二特征中的任一者的发电元件，其中

台座给出沿XY平面环绕主发电结构的环状结构体，并且在超出预定大小的加速度的水平方向分量被施加于发电元件时，主发电第三层接触环状结构体的内表面，从而限制进一步位移。

(24)本发明的第二十四特征在于根据第二十三特征的发电元件，其中

台座给出具有四组壁部的矩形框状结构体，该四组壁部由第一壁部、第二壁部、第三壁部和第四壁部组成；

第一壁部相对于主发电结构邻近布置在X轴的负方向，以沿平行于YZ面的平面构成壁表面；

第二壁部相对于主发电结构邻近布置在X轴的正方向，以沿平行于YZ面的平面构成壁表面；

第三壁部相对于主发电结构邻近布置在Y轴的正方向，以沿平行于XZ面的平面构成壁表面；

第四壁部相对于主发电结构邻近布置在Y轴的负方向，以沿平行于XZ面的平面构成壁表面；并且

板状桥梁部的基部得到支撑并被固定到第四壁部。

(25)本发明的第二十五特征在于根据第二十三或第二十四特征的发电元件，其中

台座用层压结构体构成，其中，台座第一层、台座第二层和台座第三层按顺序从上面层压，台座第一层在板状桥梁部的根端部附近延伸到主发电第一层，以及台座第二层在板状桥梁部的根端部延伸到主发电第二层。

(26)本发明的第二十六特征在于根据第二十三或第二十四特征的发电元件，其中

主发电第二层额外设置有被连接到板状桥梁部的根端部的台座连接部，以及该台座连接部被布置在正交于Y轴且平行于X轴的预定布置轴上并且沿该布置轴延伸；以及

用于嵌合台座连接部的嵌合凹槽在该台座的上表面上的预定部位形成，并且该台座连接部以被嵌合到该嵌合凹槽中的状态来固定。

(27)本发明的第二十七特征在于发电装置，该发电装置包括根据第十二至第二十六特征中的任一者的发电元件，并且另外包括容纳该发电元件的装置框体，其中

该发电元件的台座被固定到装置框体，并且在施加引起该装置框体的振动的外力时，通过板状桥梁部的挠曲，该发电元件的主发电第三层在该装置框体内进行振动，从而输出根据振动从发电电路取出的电力。

(28)本发明的第二十八特征在于根据第二十七特征的发电装置，其中

该装置框体设置有：基底基板，其从下面支撑并固定发电元件；上盖基板覆盖在该发电元件上面；以及侧壁板，其被布置成以环绕该发电元件并将该基底基板与该上盖基板耦接；

发电元件的台座的底表面被定位在该发电元件的主发电第三层的底表面下面，该台座的底表面被固定到基底基板的上表面，以及在该基底基板的上表面和该主发电第三层的底表面之间形成下方间隙部；

上盖基板被定位在发电元件的主发电第一层的上表面上方，在该上盖基板的下表面和该主发电第一层的上表面之间形成上方间隙部；并且

在超出预定大小的加速度的垂直方向分量被施加于发电元件时，主发电结构的一部分接触基底基板的上表面或上盖基板的下表面，从而限制进一步的位移。

(29)本发明的第二十九特征在于发电装置，该发电装置包括根据第十二至第二十六特征中的任一者的发电元件，并且另外包括容纳该发电元件的装置框体，其中

该发电元件的主发电第三层被固定到装置框体，并且在施加使装置框体振动的外力时，通过板状桥梁部的挠曲，该发电元件的台座在该装置框体内进行振动，从而从发电电路输出根据振动输出的电力。

(30)本发明的第三十特征在于根据第二十九特征的发电装置，其中

该装置框体设置有：基底基板，其从下面支撑并固定发电元件；上盖基板，覆盖在该发电元件上面；以及侧壁板，其被布置成以环绕该发电元件的周边并将该基底基板与该上盖基板耦接；

发电元件的台座的底表面被定位在该发电元件的主发电第三层的底表面上面，该主发电第三层的底表面被固定到基底基板的上表面，以及在该基底基板的上表面和该台座的底表面之间形成下方间隙部；

上盖基板被定位在发电元件的主发电第一层的上表面上方，以及在该上盖基板的下表面和该主发电第一层的上表面之间形成上方间隙部；并且

在超出预定大小的加速度的垂直方向分量被施加于发电元件时，台座的一部分接触基底基板的上表面或上盖基板的下表面，从而限制进一步的位移。

(31)本发明的第三十一特征在于一种结构体，用于从根据第一至第九特征和第十二至第二十六特征中的任一者的发电元件去除发电电路的发电元件。

本发明的效果

根据本发明的发电元件采用此悬臂梁结构，其柔性板状桥梁部的根端部被固定到台座以及重锤体被连接到其前端部，以及电力通过被固定到该板状桥梁部的压电元件生成。此外，由于重锤体设置有被定位在板状桥梁部的左手侧上的左手侧重锤体部和被定位在该板状桥梁部的右手侧上的右手侧重锤体部，因此能够高效传递允许板状桥梁部在不同方向挠曲的外力。另外，设置了限制重锤体在两侧位移的构件，因此使得即使在施加过大的振动时，也可以限制板状桥梁部的位移，并防止损坏该板状桥梁部。

如上所述，根据本发明，可以实现一种发电元件，该发电元件结构简单但是能通过将包含不同方向分量的振动能无浪费地转换为电能而获得高发电效率，并且即使在被施加过大的振动的情况下也不大可能被损坏。

附图说明

图1涉及示出根据本发明的基本实施例的发电元件PGE的构成的透视图(单独示出构成主发电结构MGS的三层部分)及其框图。

图2为在图1中示出的主发电结构MGS的主发电第一层100的顶视图。

图3为在图1中示出的主发电结构MGS的主发电第二层200的顶视图。

图4为在图1中示出的主发电结构MGS的主发电第三层300的顶视图。

图5为在图1中示出的主发电结构MGS的侧视图。

图6为示出在图1中给出的主发电结构MGS被固定到台座400的状态的顶视图(给出的阴影线用于指示形成上层电极的每个域和被固定到台座的状态但不是用于指示横截面。在括号中的附图标号指示在下面布置的构成元件)。

图7为示出在图1中给出的主发电结构MGS被固定到台座400的状态的侧面剖视图(指示沿YZ面切断的横截面)。

图8为示出在X轴的正方向的力+Fx被施加到在图1中给出的主发电结构MGS时的变形模式的顶视图。

图9为示出在Y轴的正方向的力+Fy被施加到在图1中给出的主发电结构MGS时的变形模式的侧面剖视图。

图10为示出在Z轴的正方向的力+Fz被施加到在图1中给出的主发电结构MGS时的变形模式的侧面剖视图。

图11为示出在各坐标轴的正方向的力被施加到在图1中给出的主发电结构MGS的重锤体时，在Y轴的方向被施加到桥梁部压电层110的上层电极E1至E4的位置的伸张/收缩应力的表格。

图12为示出在各坐标轴的正方向的力被施加到在图1中给出的主发电结构MGS的重锤体时，在上层电极E1至E4中的每者中生成的电荷的极性的表格。

图13为示出在X轴的正方向的力+Fx被施加到在图1中给出的主发电结构MGS的重锤体时，在压电材料层105上产生的在Y轴的方向上的应力的应力分布图。

图14为示出在Y轴的正方向的力+Fy被施加到在图1中给出的主发电结构MGS的重锤体时，在压电材料层105上产生的在Y轴的方向上的应力的应力分布图。

图15为示出在Z轴的正方向的力+Fz被施加到在图1中给出的主发电结构MGS的重锤体时，在压电材料层105上产生的在Y轴的方向上的应力的应力分布图。

图16为示出在图1中给出的发电元件PGE的发电电路500的特定构成的电路图。

图17为示出发电元件PGE的顶视图，其中，矩形环状结构体被用作台座400(未示出发电电路)。

图18为示出在图17中给出的发电元件PGE沿切割线18-18切割的横截面的前视剖视图。

图19为示出在图17中给出的发电元件PGE沿切割线19-19切割的横截面的侧面剖视图。

图20为示出在图17中给出的发电元件PGE沿切割线20-20切割的横截面的侧面剖视图。

图21为用作构成在图17中示出的发电元件PGE的主发电结构MGS和台座400的材料的层压材料块1000的侧面剖视图。

图22为通过将在图17中示出的发电元件PGE容纳在装置框体600中而构成的发电装置的侧面剖视图。

图23为根据变形例的发电装置的侧面剖视图，其中，在图22中示出的发电装置的重锤体的作用和台座的作用颠倒。

图24为示出在图1中给出的主发电结构MGS的第一变形例A的顶视图(在括号中的附图标号指示在下面布置的主发电第二层200a的构成元件)。

图25为示出在图1中给出的主发电结构MGS的第二变形例B的顶视图(在括号中的附图标号指示在下面布置的主发电第二层200b的构成元件)。

图26为示出在图1中给出的主发电结构MGS的主发电第二层200中的板状桥梁部210的两端的连接角度的顶视图。

图27为示出根据在图1中给出的主发电结构MGS的第三变形例C的主发电第二层200c的顶视图。

图28涉及顶视图(图28中的(a))和前视剖视图(图28中的(b))，各个图示出用于在图1中给出的主发电结构MGS的第四变形例D中的主发电部件700d。在图28中的(a)中，在括号中的附图标号指示各个层的构成元件。

图29为示出用在图1中给出的主发电结构MGS的第四变形例D中的重锤体300d的顶视图。

图30为示出用于固定在图1中给出的主发电结构MGS的第四变形例D的台座400d的顶视图。

图31为示出在图28中示出的主发电部件700d和在图29中示出的重锤体300d被附接到在图30中示出的台座400d的状态的顶视图。

具体实施方式

在下文中，将参考所示的实施例来描述本发明。

<<<第1章.根据基本实施例的发电元件的结构>>>

图1涉及各自示出根据本发明的基本实施例的发电元件PGE(发电元件的英文缩写)的构成的透视图和框图。如透视图所示，发电元件PGE设置有三层结构体，其中，第一层100、第二层200和第三层300被层压。在图1的透视图中，为了方便描述，示出了三层中的每层在垂直方向被分开的状态。然而，在实践中，第二层200的上表面被牢固附接到第一层100的下表面，以及第三层300的上表面被牢固附接到第二层200的下表面，通过此方式，这三个层作为彼此接合的结构体而给出。

三层结构体在根据本发明的发电元件PGE中执行发电的基本功能。因此，在本申请中，三层结构体被称为主发电结构MGS(主发电结构的英文缩写)，以及第一层100、第二层200和第三层300分别被称为“主发电第一层”、“主发电第二层”和“主发电第三层”。根据本发明的发电元件PGE通过向由三层组成的主发电结构MGS添加台座400(附图中简单用符号指示)和发电电路500(在附图中用方框指示)。

台座400起支撑和固定主发电结构MGS的一部分(附图中的右端面)的作用，其具体结构将在第3章中详述。应注意，如将在第3章所述，在本发明的基本实施例的情况下，台座400也设置有三层结构，如同主发电结构MGS。为了区别，构成台座400的各层分别被称为“台座第一层”、“台座第二层”和“台座第三层”。

在这里，如图1的透视图所示，原点O被定义为在主发电第二层200的右端面上的中心位置，以及X轴、Y轴和Z轴被分别置于深度方向、左侧方向和向上方向，从而定义XYZ三维正交坐标系。在本申请的下面描述中，将描述在XY平面被置于水平面上、Z轴的正方向被置于向上方向以及Z轴的负方向被置于向下方向的条件下，各个构成元件间的垂直关系，如图所示。因此，主发电结构MGS为主发电第一层100、主发电第二层200和主发电第三层300按顺序从上面层压的结构体。

根据本发明的发电元件PGE具有将在上述XYZ三维坐标系中的每个坐标轴的方向上的振动能转换为电能来发电的功能。应注意，为了方便描述，所示的坐标系为一个示例并且该坐标系不一定被置于所示的部位。例如，原点O不被置于主发电第二层200的右端面上，而是可被限定在主发电第二层200的重心的位置。然而，主发电第二层200的右端面为被台座400固定的部分。因此，在这里，为了方便描述，原点O被定义在右端面的中心位置，从而给出下面的描述。

主发电第一层100为平板状结构体，其平面形状形成为“E”字母形状，并且其主要部分用压电材料层105构成。更具体地，主发电第一层100用三层结构体构成，该三层结构体由压电材料层105、在其上表面的预定领域中形成的上层电极E1至E4和在其下表面的整个领域中形成的下层电极E0组成。在这里，通过施加在层方向伸张和收缩的应力，压电材料层105有可能在厚度方向极化(polarize)。因此，在应力被施加于压电材料层105的各个部分以引起挠曲时，在厚度方向发生极化，通过该极化，电荷在上层电极E1至E4和下层电极E0上生成。

然而，下层电极E0为在压电材料层105的整个下表面上形成的单个公共电极，上层电极E1至E4中的每者为在压电材料层105的每个预定领域形成的局部电极。这是由于这一事实：施加于压电材料层105的每个部分的应力(无论是压缩方向应力还是伸张方向应力)根据所施加的外力的方向而在方向上不同，由此待生成的电荷可极性不同。

发电电路500具有整流基于所生成的电荷所产生的电流并取出电力的功能。通过发电元件PGE所生成的电力将从发电电路500向外面供应。在图中，为了便于说明，作为发电电路500的布线，仅示出到上层电极E4和下层电极E0的布线。在实施过程中，也给出在上层电极E2至E4与发电电路500之间的类似布线。

图2为在图1中示出的主发电结构MGS的主发电第一层100的顶视图，并且该图为X轴被置于附图的右侧方向中以及Y轴被置于附图的向上方向的二维平面视图。应注意，在图2中示出的X轴、Y轴和原点O实际上被置于主发电第一层100的下面(即，在主发电第二层200内部)。如上所述，主发电第一层100使得四个上层电极E1至E4以“E”字母形状在压电材料层105的上表面上形成，并且一个下层电极E0(未在图2中出现)在其下表面上形成。

在实施过程中，压电材料层105为“E”字母形状的单个板状一体结构。然而，在这里，为了方便描述，其被划分为四个部分110、120、130和140，如图所示。每个部分用沿平行于XY平面的表面布置的平板状压电材料层构成。

部分110为具有沿Y轴延伸的桥梁结构的部分，并且，在这里，该部分被称为桥梁部压电层110。如图所示，桥梁部压电层110为沿Y轴从原点O到前端点T(在Y轴上定义的点)的区间布置的部分。四个上层电极E1至E4中的每者被布置在桥梁部压电层110的上表面上。应注意，在实施过程中，给出在发电电路500和上层电极E1至E4以及下层电极E0之间的布线，但是布线未在这里示出。

部分120为沿X’轴(与Y轴正交并平行于X轴的轴)延伸的部分，并且其中心部分在前端点T的位置延续至桥梁部压电层110。在这里，部分120被称为中央压电层。桥梁部压电层110和中央压电层120构成结构体，其平面形状以T字母形状形成。

部分130为在图中从中央压电层120的左侧向下延伸的翼状部分并被布置在桥梁部压电层110的左手侧上。在这里，该部分130被称为左手侧压电层130。另一方面，部分140为在图中从中央压电层120的右侧向下延伸的翼状部分并被布置在桥梁部压电层110的右手侧上。在这里，该部分140被称为右手侧压电层140。

应注意，在本申请中，为了便于描述，如图2所示，考虑Y轴在纵向方向绘出的顶视图定义右侧和左侧。因此，X坐标值相对于YZ面为负的一侧被称为左侧，而X坐标值相对于Y轴为正的一侧被称为右侧。根据上述定义，左手侧压电层130被布置在桥梁部压电层110的左手侧上，而右手侧压电层140被布置在桥梁部压电层110的右手侧上。当然，所给出的右侧和左侧的上述定义仅用于描述与YZ面的相对位置关系并不具有绝对的含义。

在图2中，与左手侧压电层130的下端和右手侧压电层140的下端相比，在图中的桥梁部压电层110的下端(原点O附近)延伸到下面。这是因为，如图1的透视图所示，在主发电第二层200上的原点O附近被连接到台座400。如将在下面描述，应力将集中在与台座400的连接端附近。因此，上层电极E3和E4被布置在应力集中部分，电力可以藉此以更高效率生成。

图3为在图1中示出的主发电结构MGS的主发电第二层200的顶视图。这也是X轴被置于图中的右侧方向以及Y轴被置于图中的向上方向的二维平面图。在图3中示出的X轴、Y轴和原点O实际上被布置在嵌入在主发电第二层200中的位置(被定位在厚度方向的中间)。

主发电第二层200也为形成“E”字母形状的板状结构体。在这里所示的基本实施例的情况下，在图2中示出的主发电第一层100在XY平面上的投影图像在形状上等同于在图3中示出的主发电第二层200在XY平面上的投影图像。主发电第一层100的下表面的整个领域与主发电第二层200的上表面的整个领域接合。因此，主发电第二层200也可以被定义为四个部分210、220、230、240，如同主发电第一层100。每个部分用沿平行于XY平面的表面布置的平板状层构成。当然，在实施过程中，主发电第二层200为以“E”字母形状形成的单个板状一体结构体，并且仅为了方便描述板状一体结构体，通过划分为各个区间来提供上述四个部分。

首先，部分210为被布置在Y轴上并设置有柔性桥梁结构的部分。在这里，部分210被称为板状桥梁部210。板状桥梁部210为沿Y轴从原点O向上到前端点T(Y轴上的一个点)延伸的薄梁状结构体。该部分为柔性的，并因此有可能在各个方向变形。在这里，为了方便描述，板状桥梁部210的原点O附近被称为根端部，而前端点T的附近被称为前端部。板状桥梁部210为沿Y轴从根端部向前端部延伸的窄板状构件。

在这里，板状桥梁部210的根端部(原点O附近)通过与台座400(未在图3中示出)接合而得到支撑并被固定。在台座400被固定到装置框体或类似物时，根端部也被保持固定。相反，板状桥梁部210的前端部(前端点T附近)为可以在板状桥梁部210的变形自由度内进行位移的自由端。

在图2中示出的桥梁部压电层110被稳固地附接到在图3中示出的板状桥梁部210的上表面上。如将要在下面描述的，板状桥梁部210有可能通过重锤体的振动来挠曲。挠曲被传动到被稳固地附接到其上表面上的桥梁部压电层110，电荷藉此基于由此引起的应力而生成。

另一方面，部分220、230、240(排除主发电第二层200的板状桥梁部210的部分)被统称为重锤体支撑部。如图所示，重锤体支撑部在前端点T延续到板状桥梁部210。重锤体支撑部的作用在字面上是支撑重锤体(主发电第三层300)，从而向板状桥梁部210的前端部(前端点T附近)传递重锤体的振动。在这里示出的基本实施例的情况下，重锤体支撑部为“U”字母形构件，其具有中央板状部220、左手侧板状部230和右手侧板状部240。

中央板状部220为窄的板状构件，其被布置在与Y轴正交并平行于X轴的X’轴上，并且沿X’轴延伸以便与Y轴交叉。接着，中央板状部220的中心部分在前端点T的位置延续到板状桥梁部210的前端部。即，板状桥梁部210的前端部被连接到与中央板状部220的Y轴交叉的一部分的附近。结果，板状桥梁部210和中央板状部220在XY平面上的投影图像呈现T字母形状。在图2中示出的中央压电层120被稳固地附接到在图3中示出的中央板状部220的上表面上。

另一方面，左手侧板状部230为沿平行于Y轴的方向从中央板状部220的左侧向板状桥梁部210的左手侧延伸的板状构件。右手侧板状部240为沿平行于Y轴的方向从中央板状部220的右手侧向板状桥梁部210的右手侧延伸的板状构件。在图2中示出的左手侧压电层130被稳固地附接到在图3中示出的左手侧板状部230的上表面上，以及在图2中示出的右上侧压电层140被稳固地附接到在图3中示出的右上侧板状部240的上表面上。

在图3中，与左手侧板状部230的下端或右手侧板状部240的下端相比，在图中的板状桥梁部210的下端(根端部)延伸到下面。这是因为，如图1的透视图所示，板状桥梁部210的根端部(原点O附近)被连接到台座400。通过重锤体的振动施加于板状桥梁部210的应力将集中在根端部(与台座400间的连接端附近)和前端部(与中央板状部220间的连接端附近)。

图4为在图1中示出的主发电结构MGS的主发电第三层300的顶视图，并且该图也为X轴被置于附图的右侧方向中以及Y轴被置于附图的向上方向的二维平面视图。在图4中示出的X轴、Y轴和原点O实际上被定位在主发电第三层300的上面。主发电第三层300被连接到在图3中示出的重锤体支撑部220、230、240的下表面，起基于所施加的加速度在板状桥梁部210引起挠曲的具有足够质量的重锤体的功能。重锤体通过基于从外面施加的加速度的力引起振动，从而起在板状桥梁部210引起在时间上变化的弹性变形的作用。

在本文所示的基本实施例的情况下，主发电第三层300(重锤体)用中央重锤体部320、左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340构成，如图4所示。中央重锤体部320为沿X’轴(与Y轴相交叉并平行于X轴)延伸的窄部，其起将左手侧重锤体部330与右手侧重锤体部340连接的作用。

此外，如上所述，关于板状桥梁部210的两侧，X坐标值为负的侧被定义为左手侧，而X坐标值为正的侧被定义为右手侧。在此情况下，左手侧重锤体部330为沿平行于Y轴的方向从中央重锤体部320的左侧向板状桥梁部210的左手侧延伸的重锤体，以及右手侧重锤体部340为沿平行于Y轴的方向从中央重锤体部320的右侧向板状桥梁部210的右手侧延伸的重锤体。

在图4中示出的中央重锤体部320被稳固地附接到在图3中示出的中央板状部220的下表面上。在图4中示出的左手侧重锤体部330被稳固地附接到在图3中示出的左手侧板状部230的下表面上。在图4中示出的右手侧重锤体部340被稳固地附接到在图3中示出的右手侧板状部240的下表面上。结果，具有左手侧重锤体部330、中央重锤体部320和右手侧重锤体部340的重锤体在XY平面上的投影图像呈现“U”字母形状。应注意，在主发电第三层300中，空洞部310形成在板状桥梁部210正下方的位置。由于空洞部310的存在，板状桥梁部210能够进行向下位移(在Z轴的负方向)。

在实施过程中，主发电第三层300为形成“U”字母形状的一体结构体。为了便于描述一体结构体，上述的三个部分被划分为各个区间。

图5为在图1中示出的主发电结构MGS的侧视图。如上所述，在实施过程中，在图1中示出的主发电第一层100、主发电第二层200和主发电第三层300构成三层结构体，该三层结构体在垂直方向上被层压的状态下，彼此接合。每个层可通过粘附例如通过使用粘合剂来接合(如将要在下面描述的，这些层可以通过诸如印刷、气相沉积和溅射的方法来形成)。图5为在从X轴的负方向向X轴的正方向观察分层主发电结构MGS时获得的侧视图。因此，坐标系的原点O被定位在图中的右端、垂直于图中的页面表面的深度方向为X轴的正方向，在图中的左侧方向为Y轴的正方向，以及在图中的向上方向为Z轴的正方向。

在图5中，板状桥梁部210的根端部被指示在主发电第二层200的部分的原点O附近。可以观察到被定位在板状桥梁部210前面的中央板状部220和左手侧板状部230。在被定位在主发电第二层200上面的主发电第一层100的部分，可以观察到在下层电极E0的上表面上的桥梁部压电层110、中央压电层120和左手侧压电层130。在其进一步的上表面上，可以观察到上层电极E1、E3(上层电极E2、E4被隐藏在其后)。此外，作为被定位在主发电第二层200下面的主发电第三层300的部分，可以观察到中央重锤体部320和左手侧重锤体部330。在图中的右手侧伸出的桥梁部压电层110和板状桥梁部210中的每者的右端部(原点O附近)被稳固地附接到在图中未示出的台座400。

如图所示，主发电第一层100构成压电元件(压电材料层105和上下电极)，其形成为覆盖主发电第二层200的上表面。主发电第三层300(形成“U”字母形状的重锤体)在下面与主发电第二层200接合。在重锤体基于已施加的加速度进行位移时，主发电第二层200(具体地，板状桥梁部210的部分)挠曲，并且该挠曲被传递到在其上表面上形成的主发电第一层100的部分(具体地，桥梁部压电层110)，通过该挠曲，电荷在上层电极E1至E4和下层电极E0形成。

图6为示出在图1中示出的主发电结构MGS被固定到台座400的状态的顶视图。在图中给出的阴影线指示形成各个上层电极所在的领域及被固定到台座400的状态，并且不是指示横截面。此外，在括号中的附图标号指示在下面布置的构成元件。在这里，在注意到被布置在桥梁部电极层110的上表面上的四个上层电极E1至E4中的每者的平面形状时，它们中的每者作为在Y轴方向延伸的窄的和矩形电极给出。

此外，在注意到四个上层电极E1至E4的布置时，上层电极E1、E2的上端被布置在以与边界线H对齐的位置(桥梁部压电层110和中央压电层120之间的边界线)，以及上层电极E3、E4的下端被布置在以与桥梁部压电层110的下端对齐的位置(以与X轴对齐的位置)。此外，上层电极E1、E3被布置在桥梁部压电层110的左侧上(X坐标值为负的位置)，而上层电极E2、E4被布置在桥梁部压电层110的右侧上(X坐标值为正的位置)。

如在第二章中所述，上层电极E1至E4的所述形状和布置在高效发电时是有利的。在图6中，在“U”字母形状(中央压电层120、左手侧压电层130和右手侧压电层140)的部分下，接合了重锤体支撑部(中央板状部220、左手侧板状部230、右手侧板状部240)和重锤体(主发电第三层，即，中央重锤体部320、左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340)，它们中的每者也以“U”字母形状形成。在基于重锤体的振动的力被施加于前端点T附近时，(参考将在下面描述的图7)，桥梁部压电层110与为其支撑层的板状桥梁部210一起经受挠曲，根据挠曲，电荷藉此在上层电极E1至E4中的每者生成。在图中示出的电极的布置适合有效生成电荷(细节将在第二章中描述)。如上所述，基于由主发电结构MGS所生成的电荷所产生的电流被发电电路500整流并输出为电力。

图7为示出在图1中示出的主发电结构MGS被固定到台座400的状态的侧面剖视图。该附图对应于在图6中示出的主发电结构MGS在中心沿YZ面切割的横截面。

在该侧面剖视图中，在主发电第二层200的部分，示出从原点O(根端部)到前端点T(前端部)的板状桥梁部210和中央板状部220的横截面。此外，在主发电第一层100的部分，示出桥梁部压电层110、中央压电层120和下层电极E0的横截面以及上层电极E2、E4的侧面。

接着，在主发电第三层300的部分(重锤体)，示出中央重锤体部320的横截面和右手侧重锤体部340的侧面。空洞部310在右手侧重锤体部340的前面形成，以及由于空洞部310的存在，板状桥梁部210能够进行向下位移。

在图中示出的示例的情况下，板状桥梁部210的根端部和桥梁部压电层110的根端部两者与台座400接合以便得到支撑和固定。然而，至少板状桥梁部210的根端部可从台座400得到支撑和固定。简而言之，重锤体可相对于台座400被悬臂梁结构支撑并且处于经由板状桥梁部210悬挂的状态。

此外，在本申请中，在图中的每个部分的尺寸比与实际产品的尺寸比不一定一致。为了便于描述，在忽视实际尺寸比的情况下绘制附图。因此，在图6和图7中，各个部分的实际尺寸用附图标号d1至d10指示以供参考。d1至d10实际尺寸的值可被设定为例如下面的值，只要构成带有MEMS结构的发电元件PGE即可。当然，下面的尺寸仅作为一个示例提供，以及在实施本发明时各个部分的尺寸不应仅限于在下面给出的尺寸值。

d1＝1000um，d2＝200um，d3＝800um，d4＝100um，d5＝50um，d6＝200um，d7＝70um，d8(压电材料层105的厚度)＝2um(实际上，优选2um以上)，d9(主发电第二层200的厚度)＝200um，d10(主发电第三层300的厚度)＝1000um。下层电极E0和上层电极E1至E4的厚度为0.01um。

应注意，一般来讲，电力可以在以下情况以最高效率生成，其中，由主发电结构MGS的特定结构确定的重锤体的共振频率与从外面施加的振动的频率匹配。因此，在从外面施加的振动的频率事先假定的情况下，在结构设计的阶段，主发电结构MGS被设计成使得共振频率与所假定的频率匹配，即，MGS被设计成使得上述部分的尺寸被设定为适当的值是优选的。

一般来讲，在诸如汽车、火车和轮船的运输设备或使用例如电机的工业设备中发生的振动的频率通常为从几赫兹到几百赫兹的范围内。在大多数情况下，振动具体在从10Hz到50Hz的范围内产生。因此，设想被安装在通用设备上以发电的情况下，主发电结构MGS被设计为使得在每个坐标轴的方向的共振频率在从10Hz到50Hz的范围内是优选的。

应注意，为了便于上面的描述，只有主发电第三层300的部分被称为重锤体。然而，在实施过程中，主发电结构MGS的各个构成元件中的，排除桥梁部压电层110和板状桥梁部210外的所有部件在整体上起重锤体的作用，从而执行在前端点T引起位移的功能。例如，与其下层接合的在图6中示出的中央压电层120、左手侧压电层130和右手侧压电层140(主发电第一层100的构成元件)以及中央板状部220、左手侧板状部230和右手侧板状部240(主发电第二层200的构成元件)也有助于在前端点T引起位移的作用。因此，它们执行作为重锤体的一部分的作用。

然而，如图7所示，主发电第三层300的厚度被设定为大于主发电第一层100的厚度或主发电第二层200的厚度，以及重锤体的作用主要通过主发电第三层300来承担。因此，在这里，为了便于描述，主发电第三层300的部分被称为重锤体。

根据本发明的发电元件PGE的特征在于，重锤体被横向布置在构成主发电结构MGS的板状桥梁部210的两侧。即，从图1的透视图显而易见的是，根据本发明的发电元件PGE的重锤体至少设置有被定位在板状桥梁部210的左手侧上的左手侧重锤体部330和被定位在板状桥梁部210的右手侧上的右手侧重锤体部340，这从XY平面上的投影图像看是明显的。因此，在各方向在板状桥梁部210引起挠曲的外力可以被高效传递。此外，如将在第3章中描述的，限制左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340的位移的构件被安装在主发电结构MGS的外面。由此，板状桥梁部210可以被限制位移，甚至在施加过大的振动时，从而使得可以防止损坏板状桥梁部。

此外，在这里所示的基本实施例中，板状桥梁部210用主发电第二层200构成，以及重锤体用被布置在其下面的主发电第三层300构成。因此，重锤体(构成主发电第三层的结构体)的重心G以预定距离被定位在板状桥梁部210的下面。在图6和图7中，重锤体的重心G用x标记指示。如上所述，作为主发电结构MGS，采用重锤体的重心G以预定距离被布置在板状桥梁部210下面的结构，通过该结构，基于施加于重锤体的加速度的各个坐标轴的方向分量，板状桥梁部210可以被高效挠曲以实现高效的发电。具体地，优选的是，在重心G和板状桥梁部210的下表面之间的距离被制成尽可能长，以便板状桥梁部210将相对于Y轴的方向的加速度在更大程度上挠曲。

在这里示出的示例的情况下，主发电结构MGS被构造成给出相对于YZ面对称的平面。因此，构成主发电第三层300的结构体(重锤体)的重心被定位在板状桥梁部210的下面的YZ面上。采用对称结构允许重锤体在每个坐标轴的方向稳定地振动，并在提高发电效率方面是优选的。

构成主发电结构MGS的各个层的材料可包含任何材料，只要该材料能够执行上述层中的每者的功能。在这里，给出实际上有利的材料的若干示例。

首先，主发电第一层100可能够执行基于从外面施加的应力生成电荷的压电元件的功能。因此，各个电极可在压电材料层105的两个表面上垂直形成，该压电材料层能够通过施加在层方向伸张和收缩的应力在厚度方向极化。具体地，压电材料层105可以用压电薄膜，例如PZT(锆钛酸铅)和KNN(铌酸钠钾)构成。另选地，可使用整体式(bulk-type)压电元件。电极E0至E4中的每者可用任何材料构成，只要该材料为导电材料。电极可实际上用金属层，诸如金、铂、铝或铜构成。

另一方面，主发电第二层200需要执行主发电第一层100的支撑基板的功能，并且板状桥梁部210的部分也需要为柔性的。硅为用于上述应用的最佳材料。因此，在这里所述示例的情况下，主发电第二层用硅基板构成。在图7中示出的示例的情况下，主发电第二层200的厚度d9为200um。由具有上述厚度的硅制成的板状桥梁部210具有发电所需的足够柔性(挠性)。

当然，可以使用金属基板作为主发电第二层200。在该实例中，金属基板的上层部分起下层电极E0的作用。因此，通过溅射或溶胶-凝胶法，压电薄膜形成在金属基板上，从而使得可以形成压电元件作为主发电第一层100。另选地，允许整体式压电材料粘合到金属基板上。通过金属材料经受印刷、气相沉积或溅射的方法，可以形成上层电极。

然而，本申请的发明人认为硅基板目前为作为主发电第二层200的最佳材料。这是因为，一般来讲，在压电元件通过现有生产工艺在金属基板的上表面上形成的情况和压电元件通过现有生产工艺在硅基板的上表面上形成的情况之间进行比较的情况下，后者的压电常数是前者的压电常数的大约三倍，并且后者的发电效率要高得多。这可能是由于这一事实：在硅基板的上表面上形成压电元件的变形导致压电元件的结晶的一致取向。此外，在硅基板被用作主发电第二层200时，也可以通过使用在硅基板上形成的半导体元件来构成发电电路500。

由于主发电第三层300为执行重锤体的功能的构成，尽可能多地使用大比重的材料为优选的。具体地，可通过使用金属基板，诸如SUS(铁)、铜和钨或通过使用陶瓷基板或玻璃基板来构成该层。

<<<第2章.根据基本实施例的发电元件的发电动作>>>

接下来，将描述根据在第1章中描述的基本实施例的发电元件PGE的发电动作。如已描述的，在图1中示出的发电元件PGE通过向主发电结构MGS添加台座400和发电电路500来构成，该主发电结构MGS由三层结构体组成，具有通过将在XYZ三维坐标系中的每个坐标轴的方向的振动能转换为电能的功能。

因此，在这里，将描述在台座400的部分被固定到行驶中的汽车时执行的发电动作和各坐标轴的方向的振动分量被添加到发电元件PGE的各种原理。因此，在下文中，将描述在假设XYZ三维坐标系为被固定到台座400(即，运输设备)的坐标系并且重锤体在该坐标系内进行振动时，发电元件PGE的动作。

图8为示出在X轴的正方向的力+Fx被施加到在图1中示出的主发电结构MGS的重锤体(主发电第三层300)时的变形模式的顶视图。当通过行驶在路面上的汽车的振动，在X轴的负方向的加速度-ax被施加于台座400时，该现象将发生在。即，在加速度-ax被施加于台座400时，反方向的加速度+ax作为惯性力被施加于重锤体。结果，在XYZ三维坐标系中，引起在X轴的正方向(在图中的右侧方向)的位移的外力+Fx被施加于重锤体，如图中的空箭头所指示。

外力+Fx作为允许重锤体的重心G和前端点T沿图中的右侧方向进行位移的力被施加。因此，板状桥梁部210的前端部和在其上表面上形成的桥梁部压电层110的前端部连同重锤体一起向图中的右侧方向进行位移。另一方面，由于其根端部(原点O附近)被固定到台座400，在XYZ三维坐标系上将不进行位移。结果，板状桥梁部210和在其上表面上形成的桥梁部压电层110进行如图所示的弯曲变形。

上述的弯曲变形产生如图所示的在桥梁部压电层110上的四个上层电极E1至E4中的每者的布置位置沿Y轴的方向的伸张/收缩应力。即，在Y轴方向的收缩应力被施加于桥梁部压电层110上的上层电极E1和E4中的每者的布置位置，如彼此垂直面对的一对箭头所指示(由封闭在圆中的指“收缩”的字符C指示)。再者，在Y轴方向的伸张应力被施加于桥梁部压电层110上的上层电极E2和E3中的每者的布置位置，如箭头在垂直方向给出的双向箭头所指示(由封闭在圆中的指“伸张”的字符E指示)。

另一方面，在X轴的正方向的加速度+ax被施加于台座400的情况下，反方向的加速度-ax作为惯性力被施加于重锤体。结果，在XYZ三维坐标系中，引起向X轴的负方向(在图中的左侧方向)的位移的外力-Fx被施加于重锤体，这与图8所示的情况相反。在此情况下，在每个部分的伸张/收缩的模式与图8中给出的模式相反。即，伸张应力被施加于在桥梁部压电层110上的上层电极E1和E4中的每者的布置位置，而收缩应力被施加于在桥梁部压电层110上的上层电极E2和E3的布置位置。

图9为示出在Y轴的正方向的力+Fy被施加到在图1中示出的主发电结构MGS的重锤体(主发电第三层300)时的变形模式的侧面剖视图。该现象发生在Y轴的负方向的加速度-ay因行驶在路面上的汽车的振动被施加于台座400的情况下。即，在加速度-ay被施加于台座400时，反方向的加速度+ay作为惯性力被施加于重锤体。因此，在XYZ三维坐标系中，引起沿Y轴的正方向(在图中的左侧方向)的位移的外力+Fy被施加于重锤体，如图中的虚箭头所指示。

外力+Fy作为允许重锤体的重心G在图中的左侧方向进行位移的力被施加。由于重锤体被连接到在板状桥梁部210的前端点T附近，重锤体倾斜如图9所示(在图9中，左侧上升和右侧下降)。因此，板状桥梁部210和在其上表面上形成的桥梁部压电层110进行弯曲变形以向上翘曲，如图9所示。

因此，弯曲变形将产生如图所示的关于桥梁部压电层110上的四个上层电极E1至E4中的每者的布置位置的沿Y轴的方向的伸张/收缩应力。即，在Y轴方向的收缩应力被施加于在桥梁部压电层110的上表面上形成的四个上层电极E1至E4的所有布置位置，如彼此横向面对的一对箭头所指示(由封闭在圆中的指“收缩”的字符C指示。

另一方面，在Y轴的正方向的加速度+ay被施加于台座400的情况下，反方向的加速度-ay作为惯性力被施加于重锤体。结果，在XYZ三维坐标系中，引起在Y轴的负方向(在图中的右侧方向)的位移的外力-Fy被施加于重锤体，这与图9所示的情况相反。在此情况下，重锤体以与图9所示的模式相反的模式倾斜(左侧下降以及右侧上升)，以及在每个部分的伸张/收缩的模式与图9所示的模式相反。即，在Y轴方向的伸张应力被施加于在桥梁部压电层110的上表面上形成的四个上层电极E1至E4的所有布置位置。

图10为示出在Z轴的正方向的力+Fz被施加到在图1中示出的主发电结构MGS的重锤体(主发电第三层300)时的变形模式的侧面剖视图。该现象发生在Z轴的负方向的加速度-az因行驶在路面上的汽车的振动被施加于台座400的情况下。即，在加速度-az被施加于台座400时，反方向的加速度+az作为惯性力被施加于重锤体。因此，在XYZ三维坐标系中，引起在Z轴的正方向(在图中的向上方向)的位移的外力+Fz被施加于重锤体，如图中的虚箭头所指示。

外力+Fz作为允许重锤体的重心G在图中的向上方向进行位移的力被施加。由于重锤体被连接到板状桥梁部210的前端点T附近，引起在图中的向上位移的力被施加于板状桥梁部210的前端部。另一方面，板状桥梁部210的根端部(原点O附近)被固定到台座400。因此，在XYZ三维坐标系中，在板状桥梁部210的根端部保持固定的状态下，允许前端部向上移动的力被施加。由此，板状桥梁部210和在其上表面上形成的桥梁部压电层110进行弯曲变形以向上翘曲，如图10所示。

因此，弯曲变形将在桥梁部压电层110上的四个上层电极E1至E4中的每者的布置位置产生如图所示的沿Y轴的方向的伸张/收缩应力。即，在Y轴方向的伸张应力被施加于在桥梁部压电层110的前端部布置的上层电极E1和E2的位置，如箭头在横向方向给出的双向箭头所指示(由封闭在圆中的指“伸张”的字符E指示)。相反，在Y轴方向的收缩应力被施加于在桥梁部压电层110的根端部布置的上层电极E3和E4的位置，如彼此横向面对的一对箭头所指示(由封闭在圆中的指“收缩”的字符C指示)。

另一方面，在Z轴的正方向的加速度+az被施加于台座400的情况下，反方向的加速度-az作为惯性力被施加于重锤体。因此，在XYZ三维坐标系中，引起在Z轴的负方向(在图中的向下方向)的位移的外力-Fz被施加于重锤体，这与图10所示的情况相反。在此情况下，由于重锤体在图中向下面移动，在每个部分的伸张/收缩的模式与图10所示的模式相反。即，收缩应力被施加于在桥梁部压电层110上的上层电极E1和E2中的每者的布置位置，而伸张应力被施加于在桥梁部压电层110上的上层电极E3和E4中的每者的布置位置。

图11为示出在各个坐标轴的方向的力被施加到在图1中示出的主发电结构MGS的重锤体时，基于在图8至图10中给出的变形模式，在Y轴的方向被施加到桥梁部压电层110的上层电极E1至E4的位置的伸张/收缩应力的表格。该图为示出施加各个坐标轴的正方向力+Fx、+Fy、+Fz时的伸张/收缩应力的表格。施加在各个坐标轴的负方向力-Fx、-Fy、-Fz时的伸张/收缩应力使得在该表格中的收缩/伸张关系颠倒。

如第1章所述，在根据基本实施例的发电元件PGE中，主发电第一层100构成压电元件，该压电元件具有在主发电第二层200的表面上形成的下层电极E0、以层状方式在下层电极E0的表面上形成的压电材料层105和由在压电材料层105的表面上局部形成的多个上层电极E1至E4组成的上层电极组。通过施加在层方向伸张和收缩的应力，压电材料层105有可能在厚度方向极化。

在这里，假设作为压电材料层105，使用了具有以下极化特性的这种层，其中，在施加在层方向伸张的应力时，正电荷在上面生成以及负电荷在下面生成，以及在施加在层方向收缩的应力时，负电荷在上面生成以及正电荷在下面生成。基于该假设，在力+Fx、+Fy、+Fz沿每个坐标轴的正方向被施加于重锤体时，在上层电极E1至E4上生成的电荷的极性如图12的表格所示。换句话说，图12的表格使得在图11的表格中的“伸张”和“收缩”分别用“+”和“-”替换。在每个坐标轴的负方向施加力-Fx、-Fy、-Fz时的伸张/收缩应力使得在该表格中的+/-关系颠倒。

当然，作为压电材料层105，也可以使用具有以下极化特性的这种层，其中，在施加在层方向伸张的应力时，负电荷在上面生成以及正电荷在下面生成，以及在施加在层方向收缩的应力时，正电荷在上面生成以及负电荷在下面生成。在使用具有上述极化特性的压电材料层的情况下，上述情况下+/-之间的关系颠倒。此外，在使用整体式压电元件的情况下，可以布置在每个领域中具有的极化特性不同的压电元件。任何给定的极化特性可以被给予局部化的压电元件P1至P4中的每者。

在任何情况下，发电电路500整流从在四个局部化上层电极E1至E4和一个共用下层电极E0生成的电荷所产生的电流，从而使得可以输出电力。

如图6的顶视图所示，四个上层电极E1至E4被布置在桥梁部压电层110的上表面上的各个特定位置。在这里，根据各个布置位置，一组的四个上层电极被称为前端部左侧上层电极E1、前端部右侧上层电极E2、根端部左侧上层电极E3和根端部右侧上层电极E4。接着，前端部左侧上层电极E1在主发电第二层200的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部的前端部附近的X坐标值为负的一侧上。前端部右侧上层电极E2在主发电第二层200的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部210的前端部附近的X坐标值为正的一侧上。根端部左侧上层电极E3在主发电第二层200的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部210的根端部附近的X坐标值为负的一侧上。根端部右侧上层电极E4在主发电第二层200的上表面上的投影图像在平行于Y轴的方向延伸并被定位在板状桥梁部210的根端部附近的X坐标值为正的一侧上。

这四个上层电极E1至E4的特定布置适合高效生成电荷并且也适合有效提高发电效率。这是因为，在任何坐标轴的方向的力被施加于重锤体的情况下，在这四个布置位置生成在Y轴方向的更大应力。这从图13至图15所示的应力分布图是显而易见的。这些应力分布图示出通过计算机使用在第1章中描述的实际尺寸，通过FEM(有限元法)结构分析获得的结果。这些图为在板状桥梁部210的根端部被固定的状态下，在特定坐标轴的正方向的力被施加于重锤体的情况下，示出的发生在压电材料层105上的在Y轴的方向的应力分布的图。

图13为示出在X轴的正方向的力+Fx被施加到在图1中示出的主发电结构MGS的重锤体时，在压电材料层105上产生的在Y轴的方向上的应力的应力分布图。从该图可以明显看出，原则上获得基于在图8中示出的伸张/收缩的模式的应力分布。四个上层电极E1至E4的特定布置对应于将在应力分布图中产生明显应力的位置。

图14为示出在Y轴的正方向的力+Fy被施加到在图1中示出的主发电结构MGS的重锤体时，在压电材料层105上产生的在Y轴的方向上的应力的应力分布图。通过参考在图9中示出的变形模式，显而易见的是，在施加力+Fy时，在Y轴方向的收缩力基本上被施加于桥梁部压电层110的整个领域。因此，图14的应力分布图也指示强收缩应力基本上发生在桥梁部压电层110的整个领域中。四个上层电极E1至E4的特定布置对应于也将在此应力分布图中发生明显应力的位置。

图15为示出在Z轴的正方向的力+Fz被施加到在图1中示出的主发电结构MGS的重锤体时，在压电材料层105上产生的在Y轴的方向上的应力的应力分布图。从该图可以明显看出，原则上获得基于在图10中示出的伸张/收缩的模式的应力分布。四个上层电极E1至E4的特定布置对应于也将在此应力分布图中发生明显应力的位置。

如上所述，从图13至图15的应力分布图显而易见的是，在重锤体在任何方向位移的情况下，在图6中示出的四个上层电极E1至E4被布置在应力集中令域中，从而使得可以有效聚集已生成的电荷。应注意，通过参考应力分布图，显而易见的是，在图6中的上层电极E1和E2中的每者的上端位置可从边界线H向上延伸到一定程度(在Y轴的正方向)。

上面通过参考图13至图15，已给出在每个坐标轴的正方向的力+Fx、+Fy、+Fz被施加于重锤体的情况下的应力分布的描述。在每个坐标轴的负方向的力-Fx、-Fy、-Fz被施加的情况下的应力分布，使得收缩/伸张的分布颠倒。结果，在图6的顶视图中示出的四个上层电极E1至E4被布置在以下这样的位置，在任何坐标轴的方向的力被施加于重锤体的情况下，在Y轴的方向产生更大应力。此外，即使施加沿任何坐标轴方向的力的情况下，也没有在相同电极产生相反极性的电荷的可能。

即，将不发生相反极性的电荷将在相同电极彼此抵消的此类现象。因此，采用上述特定电极布置的发电元件PGE能够以极高的效率发电。

图16为示出用于在图1中示出的发电元件PGE的发电电路500的特定构成的电路图，其具有整流基于在压电元件所生成的电荷所产生的电流并输出该电流的功能。

在图16中，前端部左侧压电元件P1表示局部化压电元件，其用前端部左侧上层电极E1、下层电极E0和压电材料层105中的被定位在上层电极E1下面的部分构成，如图6所示。前端部右侧压电元件P2表示局部化压电元件，其用前端部右侧上层电极E2、下层电极E0和压电材料层105中的被定位在上层电极E2下面的部分构成，如图6所示。

同样，根端部左侧压电元件P3表示局部化压电元件，其用根端部左侧上层电极E3、下层电极E0和压电材料层105中的被定位在上层电极E3下面的部分构成，如图6所示。根端部右侧压电元件P4表示局部化压电元件，其用根端部右侧上层电极E4、下层电极E0和压电材料层105中的被定位在上层电极E4下面的部分构成，如图6所示。此外，用电路图上的白圈指示的E0和E1至E4分别对应于下层电极和各上层电极。

D1(+)、D2(+)、D3(+)和D4(+)为整流元件(二极管)，每个整流元件起取出分别在上层电极E1、E2、E3和E4所生成的正电荷的作用。D1(-)、D2(-)、D3(-)和D4(-)也为整流元件(二极管)，每个整流元件起取出分别在上层电极E1、E2、E3和E4所生成的负电荷的作用。同样，D0(+)为整流元件(二极管)，其起取出在下层电极E0所生成的正电荷的作用。D0(-)为整流元件(二极管)，其起取出在下层电极E0所生成的负电荷的作用。

另一方面，Cf为平滑用电容元件(电容器)，其中，取出的正电荷被供应给其正电极端子(图中的上端)以及取出的负电荷被供应给其负电极端子(图中的下端)。电容元件Cf起平滑化基于所生成的电荷的脉动电流的作用。在重锤体为振动稳定时的静止时间，电容元件Cf的阻抗可以基本上被忽略。与电容元件Cf并联的ZL表示由发电元件PGE所生成的电力所供应的设备的负载。

结果，发电电路500设置有平滑用电容元件Cf、用于正电荷的整流元件D1(+)、D2(+)、D3(+)、D4(+)，其中，从上层电极E1至E4中的每者到电容元件Cf的正电极的方向作为正方向给出，以便将在相应上层电极E1至E4所生成的正电荷引导至电容元件Cf的正电极，以及设置有用于负电荷的整流元件D1(-)、D2(-)、D3(-)、D4(-)，其中，从电容元件Cf的负电极到相应上层电极E1至E4的方向作为正方向给出，以便将在相应上层电极E1至E4所生成的负电荷引导至电容元件Cf的负电极，从而由电容元件Cf执行平滑化从振动能转换的电能并供应该电能的功能。

在电路图中，由用于正电荷的整流元件D1(+)、D2(+)、D3(+)、D4(+)取出的正电荷和由用于负电荷的整流元件D1(-)、D2(-)、D3(-)、D4(-)取出的负电荷被供应给负载ZL。因此，原则上，在各个时刻，在上层电极E1至E4中的每者所生成的正电荷的总量等于其负电荷的总量，因此使得可以以最高效率生成电力。

如图6所示，根据基本实施例的主发电结构MGS被对称结构化，以便给出相对于YZ面的平面对称性。如图8所示，采用对称结构，通过该对称结构，在重锤体在X轴的方向进行振动的情况下，在对称位置布置的一对上层电极所生成的正电荷和负电荷在总量上几乎是相等的，从而可以预期高效的发电。还可以发现，在由上层电极E1、E2组成的前端部电极组和由上层电极E3、E4组成的根端部电极组之间的纵向方向上，相对于桥梁部压电层110的中心位置是对称的。因此，如图10所示，在重锤体也在Z轴的方向振动的情况下，在各个上层电极E1至E4所生成的正电荷和负电荷在总量上几乎是相等的，从而可以预期高效的发电。

<<<第3章.位移限制结构和发电装置>>>

为了提高在图1中示出的主发电结构MGS发电效率，板状桥梁部210被制成尽可能薄和长是可取的。第一原因在于使用薄和长的板状桥梁部210能够增加柔韧性，从而引起更大的挠曲。在更大挠曲被施加于板状桥梁部210的情况下，压电材料层105也能够经受更大挠曲以增加发电。应注意，在板状桥梁部210被制成宽度很窄的情况下，提供了引起更大挠曲的优点。然而，压电材料层105的面积减小，从而产生降低发电的缺点。

板状桥梁部210制成的薄和长的第二原因在于获得适当的共振频率。如上所述，由主发电结构MGS的特定结构确定的重锤体的共振频率优选与使用发电元件的环境的振动频率匹配(诸如运输设备和工业设备)。实际上，主发电结构MGS被设计成使得共振频率在10Hz至50Hz的范围内是优选的。为了设计具有上述共振频率的范围的主发电结构MGS，板状桥梁部210被制作的更薄和更长是优选的。

由于上述的原因，在设计根据本发明的发电元件PGE的情况下，板状桥梁部210被制作成薄和长的是优选的。然而，在施加过大的外力时，薄和长的板状桥梁部210容易断裂。例如，图8示出在X轴的正方向的力+Fx被施加于重锤体时的主发电结构MGS的变形模式。在施加过大的力+Fx(过大的加速度-ax)时，板状压电层110和是其下层的板状桥梁部210经受过大的变形并且可能断裂。

抑制板状桥梁部210的过大位移的位移限制结构可以很容易添加到在本发明中采用的主发电结构MGS。这是因为重锤体设置有被定位在板状桥梁部的左手侧上的左手侧重锤体部和被定位在该板状桥梁部的右手侧上的右手侧重锤体部。例如，在图6中示出的示例的情况下，设置有左手侧重锤体部330被布置在左手侧压电层130下面、右手侧重锤体部340被布置在右手侧压电层140下面的此类模式，通过该模式，被定位在桥梁部压电层110下面的板状桥梁部210由左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340横向保护。

因此，特定的位移限制壁被设置在图6中示出的主发电结构MGS的右侧和左侧这两者上，从而使得可以通过使用该位移限制壁来限制重锤体在横向方向的位移。例如，如图8的示例所示，在X轴的正方向的力+Fx被施加于重锤体的情况下，该重锤体不能超出在右侧上的位移限制壁来位移。同样，在X轴的负方向的力-Fx被施加于重锤体的情况下，该重锤体不能超出在左侧上的位移限制壁来位移。

此外，在图6中示出的示例的情况下，中央重锤体部320被布置在中央压电层120的下面。因此，位移限制壁也设置在图中的上面，在Y轴的正方向的力+Fy被施加于重锤体的情况下，该重锤体不能超出被定位在上面的位移限制壁来位移。

结果，在图6中示出的示例的情况下，被定位在板状桥梁部110下面的板状桥梁部210被“U”字母形重锤体环绕并且其周边受到保护。因此，特定的位移限制壁被设置在主发电结构MGS的外面，从而使得其可以限制重锤体的过大位移并避免破坏板状桥梁部210。由于板状桥梁部210被“U”字母形重锤体环绕，其不直接接触位移限制壁。

作为位移限制壁，其可以使用例如装置框体的内壁表面，该装置框体容纳柱发电结构MGS。然而，提供专用位移限制壁，使得在重锤体的外表面和该位移限制壁的内表面之间的间隙尺寸被设定为适当的值(适当的值，在该值，重锤体在正常发电动作所需的范围内自由移动并且仅在施加过大的加速度时限制该重锤体位移)。因此，在这里，将描述台座400被用作位移限制壁的实施例。

在根据本发明的发电元件PGE中，板状桥梁部210的根端部被固定到台座400。例如，在图1中，台座400仅被指示为表示固定部分的符号。此外，在图6至图10中，台座400仅被指示为固定表面。在实施过程中，台座400可以任何方式被结构化，只要其能够起固定板状桥梁部210的根端部使得重锤体被保持悬挂的作用。下面给出的实施例为环绕主发电结构MGS的环状结构体被用作台座400以及该环状结构体的内壁被用作位移限制壁的示例。

图17为示出矩形环状结构体被用作台座400的发电元件PGE的顶视图(在实施过程中，示出的仅为用于从发电元件PGE排除发电电路500的发电元件的结构体的一部分，以及发电电路500未示出)。在图的中心绘出的主发电结构MGS为根据在第1章和第2章中描述的基本实施例的主发电结构，以及台座400为被布置在该主发电结构的周边设置的矩形框状结构体。主发电结构MGS在原点O的位置与台座400接合。

台座400作为沿XY平面环绕主发电结构MGS的环状结构体给出。更具体地，台座400用具有四组壁部的矩形框状结构体构成，该四组壁部由第一壁部410、第二壁部420、第三壁部430和第四壁部440组成。在这里，第一壁部410相对于主发电结构MGS在X轴的负方向相邻布置以沿平行于YZ面的平面构成壁表面，第二壁部420相对于主发电结构MGS在X轴的正方向相邻布置以沿平行于YZ面的平面构成壁表面，第三壁部430相对于主发电结构MGS在Y轴的正方向相邻布置以沿平行于XZ面的平面构成壁表面，以及第四壁部440相对于主发电结构MGS在Y轴的负方向相邻布置以沿平行于XZ面的平面构成壁表面。接着，构成主发电结构MGS的一部分的板状桥梁部210的根端部受第四壁部440的内表面支撑并被固定到该内表面。

在超出预定大小的加速度的水平方向分量(平行于XY平面的分量)被施加于如此构造的发电元件PGE的情况下，重锤体(主发电第三层300)与组成环状结构体的台座400的内表面接触，从而限制进一步的位移。如图所示，在主发电结构MGS的左侧表面和第一壁部410的内表面之间确保间隙尺寸d11，以及在主发电结构MGS的右侧表面和第二壁部420的内表面之间确保间隙尺寸d12。同样，在主发电结构MGS的上侧表面和第三壁部430的内表面之间确保间隙尺寸d13，以及在主发电结构MGS的下侧表面和第四壁部440的内表面之间确保间隙尺寸d14。

因此，即使过大的振动被添加到发电元件PGE以向重锤体给予X轴方向的外力分量，该重锤体仅在间隙尺寸d11、d12的范围内进行位移。并且即使在Y轴方向的外力分量被施加于重锤体，该重锤体仅在间隙尺寸d13、d14的范围内进行位移。因此，可以限制在板状桥梁部210发生的挠曲的程度并防止板状桥梁部210被损坏。

在主发电结构MGS和台座400之间的结构化关系在图18至图20中所示的侧面剖视图中详述。图18为示出在图17中示出的发电元件PGE沿切割线18-18切割的横截面的前视剖视图。如早前所述，主发电结构MGS由三层结构体组成，其中，主发电第一层100、主发电第二层200和主发电第三层300被层压。另一方面，台座400也由三层结构体组成，其中，台座第一层401、台座第二层402和台座第三层403被层压。

在这里，主发电第一层100和台座第一层401关于Z轴被精确地布置在相同位置，以及主发电第二层200和台座第二层402关于Z轴也被精确地布置在相同位置。相反，在主发电第三层300与台座第三层403相比时，虽然其上表面关于Z轴被精确地布置在的相同位置，但是与台座第三层403的位置相比，主表面第三层300的下表面被布置成稍微在上。这是由于重锤体(中央重锤体部320、左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340)被保持从台座400的底表面漂浮(afloated)并悬挂这一事实。

如图所示，在左手侧重锤体部330的外侧表面和第一壁部410的内表面之间确保间隙尺寸d11，以及在右手侧重锤体部340的外侧表面和第二壁部420的内表面之间确保间隙尺寸d12。因此，重锤体能够在间隙尺寸d11和d12的范围内在X轴的方向进行位移，但是被限制超出该范围的位移。在该示例中，d11等于d12，两者中的每者被设定为20um。

图19为示出在图17中示出的发电元件PGE沿切割线19-19切割的横截面的侧面剖视图。图20为示出在图17中示出的发电元件PGE沿切割线20-20切割的横截面的侧面剖视图。在该图中，清晰指示主发电结构MGS和台座400中的每者由三层结构体组成。

如图所示，在中央重锤体部320的外侧表面和第三壁部430的内表面之间确保间隙尺寸d13，以及在左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340的外侧表面与第四壁部440的内表面之间确保间隙尺寸d14。因此，重锤体能够在这些间隙尺寸d13和d14的范围内在Y轴的方向进行位移，但是被限制超出该范围位移。在该示例中，d13等于d14，两者中的每者被设定为15um。

在这里，主发电结构MGS用三层结构体构成，其中，该结构体由主发电第一层100、主发电第二层200和主发电第三层300组成的原因在于执行在第2章中描述的发电动作。即，主发电第二层200为用于构成柔性板状桥梁部210的层，主发电第一层100为用于构成检测发生在板状桥梁部210的挠曲的压电元件的层，以及主发电第三层300为用于执行向板状桥梁部210施加外力的重锤体的功能的层。

相反，台座400应足以起用于支撑并固定板状桥梁部210的根端部的固定构件的作用和用于限制重锤体的过大位移的位移限制壁的作用。因此，就其功能而言，台座400没有必要被制成三层结构体。然而，在图18至图20中示出的示例中，如同主发电结构MGS，用三层结构体构成台座400的原因仅在于有利于生产工艺。

即，在图18中示出的示例的情况下，台座400用层压结构体构成，其中，台座第一层401、台座第二层402和台座第三层403从上面按顺序被层压。台座第一层401在板状桥梁部210的根端部附近延续到主发电第一层100，以及台座第二层402在板状桥梁部210的根端部延续到主发电第二层200。此外，台座第三层403为与主发电第三层300物理隔开，但是其上表面被定位在相同位置的三层结构体的最下层的构成元件。

结果，在图18中示出的示例的情况下，台座第一层401和主发电第一层100可以用相同材料层构成。台座第二层402和主发电第二层200可以用相同材料层构成。并且，台座第三层403和主发电第三层300也可以用相同材料层构成。

图21为用作构成在图18中示出的发电元件PGE的主发电结构MGS和台座400的材料的层压材料块1000的侧面剖视图。层压材料块1000为三层层压结构体，其中，材料第一层1001、材料第二层1002和材料第三层1003按顺序从上面层压。在图中的虚线指示充当台座400的部分。

在图21中，材料第一层1001为旨在构成主发电第一层100的层，并且其中，作为电极给出的导电层在压电材料层的上和下表面上形成。同样，材料第二层1002为旨在构成主发电第二层200的层，并且可以用例如适于构成板状桥梁部210的硅基板构成。接着，材料第三层1003为旨在构成主发电第三层300(重锤体)的层，并且可以用例如金属基板诸如SUS构成。

层压材料块1000的每层经受相应必要的处理工艺(例如，蚀刻处理)，在图18至图20中示出的主发电结构MGS和台座400可以籍此在同一时间构成。因此，生产步骤可以被简化以实现批量生产并且也降低生产成本。

如上所述，在图17中示出的发电元件PGE中，主发电结构MGS被容纳在台座400中，该台座由矩形框状结构体组成。因此，可以限制在施加超出预定大小的加速度的水平方向分量(平行于XY平面的分量)的情况下的重锤体的位移。在这里，也将描述限制在施加超出预定大小的加速度的垂直方向分量(平行于Z轴的分量)的情况下的重锤体的位移的示例。

图22为示出上述示例的侧面剖视图。在图中示出的示例使得在图17中示出的发电元件PGE被容纳在装置框体600中。在本申请中，为了方便描述，包括装置框体600的发电元件PGE被称为“发电装置”。即，本文所述的“发电装置”为配备有上述的发电元件PGE(具有主发电结构MGS、台座400和发电电路500)和容纳发电元件PGE的装置框体600的装置。

如图所示，发电元件PGE的台座400被固定到装置框体600。在施加允许装置框体600振动的外力时，由于板状桥梁部210的挠曲，发电元件PGE的重锤体300(主发电第三层)在装置框体600中进行振动。未示出的发电电路500执行取出通过振动所生成的电力并向外面输出电力的处理。

更具体地，装置框体600设置有基底基板610，其用于从下面支撑并固定发电元件PGE，覆盖在该发电元件PGE上部的上盖基板620，以及侧壁板630，其被布置成以环绕该发电元件PGE的周边并将该基底基板610与该上盖基板620耦接。接着，发电元件PGE的台座400的底表面(各个壁部410至440)比发电元件PGE的重锤体(主发电第三层300，即320、330、340)的底表面定位在更下面。台座400的底表面(各个壁部410至440)被固定到基底基板610的上表面。

结果，在基底基板610的上表面和重锤体(主发电第三层300，即320、330、340)的底表面之间形成下方间隙部，其具有间隙尺寸d15。此外，上盖基板620被定位在比发电元件PGE的主发电第一层100的上表面的更上面，以及在上盖基板620的下表面和主发电第一层100的上表面之间形成上方间隙部，其具有间隙尺寸d16。在该示例中，d15等于d16，两者中的每者被设定为10um。

因此，在超出预定大小的加速度的垂直方向分量被施加于发电元件PGE的情况下，主发电结构PGE的一部分接触基底基板610的上表面或上盖基板620的下表面，从而限制进一步的位移。因此，根据在图22中示出的发电装置，在XYZ三维坐标系中，即使在X轴、Y轴或Z轴的任一方向施加过大加速度的情况下，也能够限制重锤体的位移并防止板状桥梁部210被损坏。

图23为根据变形例的发电装置的侧面剖视图，其中，在图22中示出的发电装置的重锤体的作用与台座的作用颠倒。在图23中示出的发电装置也为配备有发电元件PGE’和容纳发电元件PGE’的装置框体600的装置。装置框体600的部分恰好等同于在图22中示出的装置。然而，在图23中示出的发电元件PGE’在结构上与在图22中示出的发电元件PGE稍有不同。

在图23中示出的发电装置的情况下，发电元件PGE’的主发电第三层300’(320’、330’、340’)被固定到装置框体600，并且台座400’(410’、420’、430’、440’)保持悬浮。因此，在施加允许装置框体600振动的外力时，通过板状桥梁部210的挠曲，发电元件PGE的台座400’在装置框体600中进行振动。未示出的发电电路500执行取出通过振动所生成的电力并向外面输出电力的处理。

更具体地，装置框体600设置有基底基板610，其用于从下面支撑并固定发电元件PGE’，覆盖在该发电元件PGE’上部的上盖基板620，以及侧壁板630，其被布置成环绕该发电元件PGE’的周边并将该基底基板610与该上盖基板620耦接。接着，发电元件PGE’的台座400’(410’、420’、430’、440’)的底表面被定位在比发电元件PGE’的主发电第三层300’(320’、330’、340’)的底表面更在上，以及主发电第三层300’(320’、330’、340’)的底表面被固定到基底基板610的上表面。

结果，在基底基板610的上表面和台座400'(410'、420'、430'、440')的底表面之间形成下方间隙部，其具有间隙尺寸d17。此外，上盖基板620被定位在比发电元件PGE'的主发电第一层100的上表面更在上，以及在上盖基板620的下表面和主发电第一层100的上表面之间形成上方间隙部，其具有间隙尺寸d18。在该示例中，d17等于d18，两者中的每者被设定为10um。

因此，在超出预定大小的加速度的垂直方向分量被施加于发电元件PGE’的情况下，主发电结构PGE’的一部分接触基底基板610的上表面或上盖基板620的下表面，从而限制进一步的位移。因此，也在图23中示出的发电装置的情况下，在XYZ三维坐标系中，如果在X轴、Y轴或Z轴的任一方向施加过大加速度，可以限制重锤体的位移并防止板状桥梁部210被损坏。如上所述，特定尺寸值的示例相对于间隙尺寸d11至d18所示。当然，这些间隙尺寸d11至d18的最佳值应根据在图6和图7中示出的各个部分的尺寸值d1至d10等来确定。

在图22中示出的发电装置与在图23中示出的发电装置就其工作原理进行比较。在前者的情况下，主发电第三层300(320、330、340)执行作为重锤体的功能，该重锤体被保持悬浮在装置框体600中并且该重锤体的振动能被转换为电能。在后者的情况下，台座400'(410'、420'、430'、440')执行作为重锤体的功能，该重锤体被保持悬浮在装置框体600中并且该重锤体的振动能被转换为电能。应注意，在图23中示出的发电装置的情况下，原则上，构件300’被称为台座，以及构件400’被称为重锤体。然而，为了便于比较在图22中示出的发电装置，在这里，构件300’被称为重锤体以及构件400’被称为台座。

总体而言，与主发电第三层300、300’相比，环绕该主发电第三层的台座400、400’可以很容易被制成具有更大质量的结构体。例如，在图17中示出的示例中，第一壁部410、第二壁部420、第三壁部430和第四壁部440的壁厚增加，台座400可以很容易籍此增加其质量。质量大的台座被用作重锤体，从而使得可以确保发电更多。因此，总体而言，在图23中示出的结构在确保发电方面比在图22中示出的结构是更优选的。当然，即使在采用在图23中示出的结构的情况下，台座400’在每个坐标轴的方向位移被限制，从而获得防止板状桥梁部210损坏的效果。

<<<第4章.本发明的变形例>>>

接下来，将描述根据在上述基本实施例的发电元件PGE的若干变形例。

<4-1第一变形例A：三层结构体的平面形状变形例>

根据在第1章中描述的基本实施例的构成发电元件PGE的主发电结构MGS用三层结构体构成，其中，主发电第一层100、主发电第二层200和主发电第三层300被层压，如图1所示。三层的平面形状分别在图2至图4中示出。

在这里，从图2和图3之间的比较显而易见的是，主发电第一层100的平面形状精确等同于主发电第二层200的平面形状，并且它们在XY平面上的投影图像是重叠的。这是因为采用了包括压电元件的主发电第一层100形成在由硅基板制成的主发电第二层200的上表面的整个领域上。

然而，主发电第一层100(压电元件)的作用是连同主发电第二层200引起挠曲，从而生成基于该挠曲的电力。因此，原则上，只要主发电第一层100(压电元件)在发生挠曲的板状桥梁部210的上表面上形成，主发电第一层就应是足够的。在图2中示出的主发电第一层100用桥梁部压电层110、中央压电层120、左手侧压电层130和右手侧压电层140的四个部分构成。原则上，可只安装桥梁部压电层110。更详细地，仅在可形成上层电极E1至E4的领域上足以形成桥梁部压电层110。

简而言之，主发电第一层100的平面形状不必等同于主发电第二层200的平面形状。主发电第一层100可仅设置有经形成以覆盖主发电第二层200的板状桥梁部210的上表面的至少一部分的压电元件。

另一方面，从图3和图4之间的比较显而易见的是，主发电第二层200的平面形状等同于主发电第三层300的平面形状，除了板状桥梁部210的部分之外。即，构成在图3中示出的主发电第二层200的各个部分的中央板状部220、左手侧板状部230和右手侧板状部240的平面形状分别等同于构成在图4中示出的主发电第三层300的各个部分的中央重锤体部320、左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340的平面形状。它们的平面形状不同之处仅在于，对应于在图3中示出的主发电第二层200的板状桥梁部210的部分作为在图4中示出的主发电第三层300的空洞部310给出。

如上所述，主发电第二层200的平面形状几乎等同于主发电第三层300的平面形状，籍此使得该三个层几乎等同于外平面形状。因此，可以简化主发电结构MGS的整个形状。然而，不必使得主发电第二层200的平面形状几乎等同于主发电第三层300的平面形状。

图24为示出根据在图1中示出的主发电结构MGS的第一变形例A的主发电结构MGSa的顶视图。主发电结构MGSa用三层结构体构成，如同在图1中示出的主发电结构MGS，该结构体由主发电第一层100a、主发电第二层200a和主发电第三层300a组成，但是每层的平面形状是不同的。在第一变形例A中，主发电第一层100a的平面形状等同于主发电第二层200a，但是它们与主发电第三层300a的平面形状有很大不同。

主发电第一层100a的各个部分和主发电第二层200a的各个部分在平面形状上分别是等同的。由于图24为顶视图，主发电第二层200a被掩盖在主发电第一层100a的下层后面，并且未在图中出现。然而，在括号中的附图标号指示被设置成叠加在主发电第一层100a下面的主发电第二层200a的各个构成元件。从附图显而易见的是，主发电第三层300a的外周从主发电第一层100a的外周和主发电第二层200a的外周向外面伸出很大一部分。

具体地，中央重锤体部320a被构造成比中央压电层120a和中央板状部220a伸出更大范围。左手侧重锤体部330a也被构造成比左手侧压电层130a和左手侧板状部230a伸出更大范围。此外，右手侧重锤体部340a也被构造成比右手侧压电层140a和右手侧板状部240a伸出更大范围。

由此构造的主发电结构MGS也被构造成以给出相对于YZ面对称的平面。因此，构成主发电第三层300a的结构体(重锤体)的重心Ga被定位YZ面上的在板状桥梁部210a的下面。因此，重锤体在每个坐标轴的方向进行稳定的振动，这与在前的情况相同。

如上所述，采用此结构，即，执行重锤体的功能的主发电第三层300a(中央重锤体部320a、左手侧重锤体部330a和右手侧重锤体部340a)的外周被允许从主发电第一层100a的外周和主发电第二层200a的外周向外面伸出更大的范围，由此在施加过大振动时，可以增强保护主发电第一层100a和主发电第二层200a的功能。

即，在图17中示出的主发电结构MGS的情况下，最有可能被损坏的板状桥梁部210被“U”字母形的结构体环绕。因此，即使在施加引起过大位移的外力的情况下，板状桥梁部210自身也不可能接触台座400。然而，从图18显而易见的是，主发电第一层100、主发电第二层200和主发电第三层300的外周表面彼此对齐。因此，在施加引起过大位移的外力的情况下，这些层中的每者的外周接触台座400的内表面。由于主发电第一层100和主发电第二层200在厚度上比主发电第三层300更薄，因此在与台座400的内表面接触时，存在其外周会被损坏的危险。

相反，在图24中示出的主发电结构MGSa的情况下，采用厚度更厚的主发电第三层300a的外周被允许伸出到外面的此结构。因此，在施加引起过大位移的外力的情况下，主发电第三层300a的外周接触台座400的内表面，从而限制进一步的位移。因此，可以防止厚度更薄的主发电第一层100a和主发电第二层200a的外周表面接触台座400的内表面并且也防止该外周被损坏。

在图24中示出的主发电结构MGSa中，主发电第三层300a被允许在图中的所有方向(垂直和横向方向)伸出。然而，该层没有必要在所有方向伸出以便获得上述的保护效果。即，可设置有执行重锤体的功能的主发电第三层300a的外周被部分引入接触台座400的内表面的结构，从而使得可以限制在图中的垂直位移和横向位移。

具体地，在X轴的正方向的主发电第三层300a的端部可在X轴的正方向比重锤体支撑部(220a、230a、240a)的端部在X轴的正方向伸出更大的范围。在X轴的负方向的主发电第三层300a的端部可在X轴的负方向比重锤体支撑部(220a、230a、240a)的端部在X轴的负方向伸出更大的范围。在Y轴的正方向的主发电第三层300a的端部可在Y轴的正方向比重锤体支撑部(220a、230a、240a)的端部在Y轴的正方向伸出更大的范围。在Y轴的负方向的主发电第三层300a的端部可在Y轴的负方向比重锤体支撑部(220a、230a、240a)的端部在Y轴的负方向伸出更大的范围。

<4-2第二变形例B：重锤体的分离结构>

在上述的基本实施例中，如图4所示，执行重锤体的功能的主发电第三层300用中央重锤体部320、左手侧重锤体部330和右手侧重锤体部340的三个部分构成(如同在图24中示出的第一变形例A)。然而，在本发明中，作为重锤体，使用了以下主发电结构MGS，其设置有相对于在纵向轴(Y轴)的板状桥梁部210，被定位在左手侧上的左手侧重锤体部330和被定位在右手侧上的右手侧重锤体部340，籍此可以获得必要的作用效果。换句话说，将左手侧重锤体部330与右手侧重锤体部340连接的中央重锤体部320对于实施本发明基本上是没有必要的。

图25为示出在图1中示出的主发电结构MGS的第二变形例B的顶视图。如同在图1中示出的主发电结构MGS和在图24中示出的主发电结构MGSa，在该图中示出的主发电结构MGSb用三层结构体构成，该结构体由主发电第一层100b、主发电第二层200b和主发电第三层300b组成。而且，在这里，在括号中的附图标号指示在下面布置的主发电第二层200b的构成。在图25中示出的主发电第一层100b(110b、120b、130b、140b)在构成上恰好等同于在图24中示出的主发电第一层100a(110a、120a、130a、140a)。在图25中示出的主发电第二层200b(210b、220b、230b、240b)在构成上恰好等同于在图24中示出的主发电第二层200a(210a、220a、230a、240a)。

在图24中示出的主发电结构MGSa不同于在图25中示出的主发电结构MGSb仅在于执行重锤体的功能的主发电第三层的结构部分。即，在图24中示出的主发电结构MGSa的情况下，主发电第三层300a为“U”字母形结构体，该结构体由中央重锤体部320a、左手侧重锤体部330a和右手侧重锤体部340a的三个部分组成。在图25中示出的主发电结构MGSb的情况下，主发电第三层300b为由左手侧重锤体部330b和右手侧重锤体部340b的两个部分组成的结构体，并且没有设置用于连接它们的中央重锤体部。

左手侧重锤体部330b与左手侧板状部230b的下表面(重锤体支撑部)接合，以及右手侧重锤体部340b与右手侧板状部240b的下表面(重锤体支撑部)接合。对重锤体引起的位移被平稳传递给板状桥梁部210b的前端部。

在上述构造的主发电结构MGSb中，重锤体被划分为左手侧重锤体部330b和右手侧重锤体部340b这两个部分。由于重锤体被结构化以给出相对于YZ面为对称的平面，该重锤体的重心Gb被定位在板状桥梁部210b的下面的YZ面上。因此，重锤体在每个坐标轴的方向进行稳定的振动，这与在前的情况相同。

此外，在图25中示出的主发电结构MGSb被结构化，使得主发电第三层300b的外周比主发电第一层100b和主发电第二层200b的外周伸出更大的范围，如同在图24中示出的主发电结构MGSa。因此，可以防止厚度更薄的主发电第一层100b和主发电第二层200b的外周表面接触台座400的内表面并且也获得防止该外周被损坏的效果。

即，在图25中，在X轴的正方向的右手侧重锤体部340b的端部在X轴的正方向比右手侧板状部240b的端部(重锤体支撑部)在X轴的正方向伸出更大的范围。在X轴的负方向的左手侧重锤体部330b的端部在X轴的负方向比左手侧板状部230b的端部(重锤体支撑部)在X轴的负方向伸出更大的范围。在Y轴的正方向的左手侧重锤体部330b和右手侧重锤体部340b的端部在Y轴的正方向比左手侧板状部230b和右手侧板状部240b的端部(重锤体支撑部)在Y轴的正方向伸出更大的范围。在Y轴的负方向的左手侧重锤体部330b和右手侧重锤体部340b的端部在Y轴的负方向比左手侧板状部230b和右手侧板状部240b的端部(重锤体支撑部)在Y轴的负方向伸出更大的范围。

因此，即使引起在图中的垂直方向或横向方向的过大位移的外力被施加于重锤体，主发电第三层300b(重锤体)的外周时常接触台座400的内表面，从而限制进一步的位移。因此，可以防止厚度更薄的主发电第一层100b和主发电第二层200b的外周表面接触台座400的内表面并且也防止该外周被损坏。

<4-3第三变形例C：在板状桥梁部的连接角度>

图26为示出在图1中示出的主发电结构MGS的主发电第二层200上的板状桥梁部210的两端的连接角度的顶视图。如图所示，主发电第二层200用板状桥梁部210、中央板状部220、左手侧板状部230和右手侧板状部240的四个部分构成。

在这里，板状桥梁部210为引起直接涉及发电动作的挠曲的基本部分和沿第一纵向轴线L1(上述给出的Y轴)延伸的柔性梁状结构体。相反，中央板状部220为沿与第一纵向轴线L1正交的第二纵向轴线L2(上述给出的X’轴)延伸并且被布置在以相对于第一纵向轴线L1对称的位置的结构体。接着，板状桥梁部210的前端部在前端点T被连接到中央板状部220的中心。它们两者给出T字母形结构体。

此外，左手侧板状部230被连接到中央板状部220的左手侧，以及右手侧板状部240被连接到其右侧。主发电第二层200构成平板状结构体，其整体形状以“E”字母形状形成。在图中的边界线H’对应于彼此为单独领域的边界线。

在主发电第二层200中，注意板状桥梁部210的前端部(前端点T的附近)与中央板状部220的连接状态。在图中的两个连接角度θ1、θ2为90度。在这里，连接角度θ1为由板状桥梁部210的左侧的边与边界线H’形成的角度，而连接角度θ2为由板状桥梁部210的右侧的边与边界线H’形成的角度。如上所述，这些连接角度θ1、θ2为90度，原因在于第一纵向轴线L1和第二纵向轴线L2彼此正交，并且还在于形状为长方形的板状桥梁部210被布置成使得第一纵向轴线L1作为中心轴线给出，以及形状为长方形的中央板状部220被布置成使得第二纵向轴线L2作为中心轴线给出。

同样，注意板状桥梁部210的根端部(原点O附近)与台座400的连接状态。在图中示出的两个连接角度θ3、θ4为90度。在这里，连接角度θ3为由板状桥梁部210的左侧上的边和台座400的内侧表面形成的角度。连接角度θ4为由板状桥梁部210的右侧上的边和台座400的内侧表面形成的角度。如上所述，连接角度θ3、θ4为90度，原因在于第一纵向轴线L1与台座400的内侧表面正交，并且还在于形状为长方形的板状桥梁部210被布置成使得第一纵向轴线L1作为中心轴线给出。

另一方面，图27为示出根据在图1中示出的主发电结构MGS的第三变形例C的主发电第二层200c的顶视图。在第三变形例C的情况下，主发电第二层200c用板状桥梁部210c、中央板状部220c、左手侧板状部230c和右手侧板状部240c的四个部分构成。每个部分的平面形状不是长方形而是不规则的形状。此外，板状桥梁部210c为在沿纵向轴线L1’的方向延伸的构件，而纵向轴线L1’不与台座400的内侧表面正交。因此，在板状桥梁部210c的前端部的连接角度θ1、θ2或在其根端部的连接角度θ3、θ4不是90度。

如上所述，即使在根据本发明的发电元件通过使用具有根据在图27中示出的第三变形例C的不规则形状的主发电第二层200c来形成的情况下，可以平稳地发电。即，提供具有与左手侧板状部230c的下表面接合的左手侧重锤体部330c和与右手侧板状部240c的下表面接合的右上侧重锤体部340c的重锤体，板状桥梁部210c将藉此通过该重锤体的振动挠曲。因此，可以通过安装在其上表面上的压电元件来发电。

因此，在实施本发明时，板状桥梁部没有必要被制成与中央板状部正交，或没有必要用这些部分构成T字母形结构体。例如，在图27中示出的变形例C的情况下，类似于Y字母形状的模式由板状桥梁部210c和中央板状部220c形成。此外，板状桥梁部210c没有必要以正交的模式与台座400的内侧表面连接。另外，构成主发电结构的各层的每个部分的平面形状不必形状为长方形而是可以任何给出的形状形成。

然而，在实施过程中，如图26的示例所示，主发电第二层200的每个部分用具有长方形平面的构件构成，板状桥梁部210被布置成使得与台座40导电内侧表面正交的第一纵向轴线L1作为中心轴线给出，中央板状部220被布置成使得与第一纵向轴线L1正交的第二纵向轴线L2作为中心轴线给出，并且板状桥梁部210与中央板状部220正交以给出T字母形状。采用上述构成，所有连接角度θ1至θ4由此为90度。因此，可以在板状桥梁部210的前端部和根端部(参考图13至图15)聚积应力并在布置在图6中示出的位置的四个上层电极E1至E4处高效生成电荷。

<4-4第四变形例D：独立的主发电部件>

由于在图18中示出的发电元件PGE已被构造成使得主发电结构MGS的部分和台座400的部分两者由三层结构体组成，提供在图21中示出的单个层压材料块1000并且该单个层压材料块经受蚀刻处理工艺等，从而使得可以制成发电元件PGE。如上所述，此发电元件PGE适合大批量生产。

在这里，构成主发电结构MGS的三层结构中，主发电第一层100需要使用用于获得发电动作的压电元件。此外，对于主发电第二层200，使用硅基板是合适的，并且使用金属基板适合用于主发电第三层300。这是由于这一事实：如上所述，硅基板作为用于支撑压电元件的层是最佳的，以及为了将共振频率保持在10Hz至50Hz的范围内，重锤体最佳利用金属基板构成。

具体地，考虑到批量生产，优选的是：在提供如图21所示的层压材料块1000的阶段，材料第二层1002用硅基板构成，充当下层电极E0的金属层在其上表面上形成、压电材料层的膜进一步形成在其上表面上以及充当上层电极E1至E4的金属层又进一步形成在其上表面上，从而形成材料第一层1001，并且材料第一层与由金属基板组成的材料第三层1003的上表面接合。

然而，此时，用于在硅基板上形成压电元件的工艺步骤需要复杂的设施和需要更高的成本。在实施过程中，根据现有技术，用于在硅基板上形成压电元件的工艺步骤相比硅基板的材料成本，需要10倍以上的支出。因此，虽然在图21中示出的层压材料块1000可被用于执行高效生产在图18中示出的发电元件PGE的工艺，但是不可避免的是，购买层压材料块1000的成本应是相对高的。

在实施过程中，直接涉及发电元件PGE的发电功能的压电元件为仅在板状桥梁部210的上表面上形成的部件，并且没有必要在其它领域形成压电元件。具体地，在台座400上形成的压电元件是无用的。起初，发现完全没有必要在台座400中使用硅基板。因此，在这里，将描述硅基板和在其上表面上形成的压电元件的平面尺寸大为减小的变形例，从而获得生产成本下降。

图28中的(a)和(b)为示出用在图1中示出的主发电结构MGS的第四变形例D中的主发电部件700d的视图。图28中的(a)为其顶视图，以及图28中的(b)为主发电部件沿切割线b-b切割的前视剖视图。在图28中的(a)中，在括号中的附图标号指示各个层的构成。在本文描述的第四变形例D原则上精确地等同于上述的基本实施例，但是在部件的具体构成上稍有不同。在图28中示出的主发电部件700d起重锤体的部分从上述的基本实施例的主发电结构MGS去除后的部件的作用。

如图28中的(a)的顶视图所示，主发电部件700d用沿第一纵向轴线L1延伸的第一构件710d、沿第二纵向轴线L2延伸的第二构件720d以及沿第三纵向轴线L3延伸的第三构件730d构成。在这里，第一纵向轴线L1、第二纵向轴线L2和第三纵向轴线L3全部被包含在相同的公共平面上。第一纵向轴线L1与第二纵向轴线L2正交，以及第一纵向轴线L1与第三纵向轴线L3正交(第二纵向轴线L2与第三纵向轴线L3平行)。

在图28中的(b)的前视剖视图中，仅指示第一构件710d沿切割线b-b切割的横截面。如图所示，第一构件710d被结构化使得，例如由金属组成的下层电极E0在由硅组成的板状桥梁部712d的上表面上形成，桥梁部压电层711d在下层电极E0的上表面上形成以及上层电极E1至E4(在图中，仅出现被定位在横截面上的E1和E2)进一步形成在其上表面上的预定位置。其层结构和各个层的厚度尺寸与在图7中示出的示例的相同。因此，在本示例的情况下，第一构件710d的厚度尺寸d19(从板状桥梁部712d的下表面到上层电极E1至E4中的每者的上表面的尺寸)为四个层的每个厚度的总和，即，0.01+2.00+0.01+200.00＝202.02um。

虽然未在图中示出，第二构件720d和第三构件730d在层结构上也是类似的。即，第二构件720d被结构化使得，例如由金属组成的下层电极E0在由硅组成的中央板状部722d的上表面上形成以及中央压电层721d在其上表面上形成。并且，第三构件730d被结构化使得，例如由金属组成的下层电极E0在由硅组成的台座连接部732d的上表面上形成，连接部压电层731d在其上表面上形成以及焊盘(bonding pad)B进一步在其上表面上的预定部位(安装在图中的五个部位)形成。

在这里，第三构件730d的厚度与第一构件710d的厚度，即尺寸d19(这是因为焊盘B的厚度被设定等于上层电极E1至E4中的每者的厚度)相同。另一方面，在图中示出的示例的情况下，上层电极E1至E4和焊盘B均不形成在第二构件720d的上表面上。因此，第二构件720d的厚度稍小于尺寸d19。应注意，在五组的焊盘B和电极E0至E4中的每者之间给出布线(未示出)。给出来自发电电路500的布线至每个焊盘B。

同样在第四变形例D中，四个上层电极E1至E4在图中的第一构件710d的上端附近的两侧位置横向形成，并且在图中的第一构件710d的下端附近的两侧位置横向形成，以及它们中的每者被布置在应力集中领域中。从在图13至图15中示出的应力分布图显而易见的是，在图中的图28中的(a)中示出的上层电极E1、E2中的每者的上端位置可延伸超出在第一构件710d与第二构件720d之间的边界线并稍微在图的上面(第二构件720d的领域)。同样，在图中的图28中的(a)中示出的上层电极E3、E4中的每者的下端位置可延伸超出在第一构件710d和第三构件730d之间的边界线并稍微在图的下面(第三构件730d的领域)。

另一方面，图29为示出用在第四变形例D中的重锤体300d的顶视图。如同图4中示出的重锤体300(主发电第三层)，重锤体300d用诸如金属、玻璃或陶瓷的材料构成。“U”字母形的构成在于具有中央重锤体部320d、左手侧重锤体部330d和右手侧重锤体部340d的三个部分并设置有空洞部310d。当然，重锤体300d的厚度被设定为提供足以在图28中的(a)中示出的第一构件710d引起挠曲的质量的尺寸。在图中示出的示例的情况下，长方形的嵌合凹槽325d在中央重锤体部320d的上表面上形成。如下所述，在图28中的(a)中示出的主发电部件700d的第二构件720d被嵌合到嵌合凹槽325d中并被固定。其深度尺寸被设定为大于第二构件720d的厚度尺寸。

图30为示出用在第四变形例D中的台座400d的顶视图。如同在图17中示出的台座400，台座400d为长方形构成，其具有第一壁部410d、第二壁部420d、第三壁部430d和第四壁部440d。台座400用在图18中示出的三层结构体(具有如同主发电结构MGS的分层结构)构成。然而，在图30中示出的台座400d不必具有三层结构并且可用由诸如金属的材料组成的单层结构体形成。这是因为在本文所示的第四变形例D的情况下，台座400d通过完全不同于在图28中示出的主发电部件700d的独立工艺制成。

在图中示出的示例的情况下，长方形的嵌合凹槽445d在第四壁部440d的上表面的中心形成。如下所述，嵌合凹槽445d使得在28中示出的主发电部件700d的第三构件730d被嵌合和固定。其深度尺寸被设定为大于第三构件730d的厚度尺寸。

图31为示出第四变形例D的发电元件PGEd的整个构成的顶视图(然而，所指示的仅为用于发电元件的结构体，发电电路500从该发电元件被去除并且发电电路500未示出)。发电元件PGEd通过将在图28中示出的主发电部件700d和在图29中示出的重锤体300d附接到在图30中示出的台座400d来构成。

具体地，在图28中示出的主发电部件700d的第二构件720d被嵌合到设置在图29中示出的“U”字母形重锤体300d的中央重锤体部320d的嵌合凹槽325d中，以及第二构件720d的下表面被允许粘合到嵌合凹槽325d的底表面。同样，主发电部件700d的第三构件730d被嵌合到设置在图30中示出的台座400d的第四壁部440d的嵌合凹槽445d中，以及第三构件730d的下表面被允许粘合到嵌合凹槽445d的底表面。因此，完成在图31中示出的发电元件PGEd(在实施过程中，在发电电路500和未在图中示出的焊盘B之间需要布线)。

结果，在图31中示出的发电元件PGEd也被构造成使得主发电结构MGSd被容纳在矩形台座400d中，以及主发电结构MGSd由三层结构体组成，这与在图17中示出的根据基本实施例的发电元件PGE相同。然而，如图28中的括号中的附图标号所示，构成主发电结构MGSd的主发电第二层另外设置有连接到板状桥梁部712d的根端部的台座连接部732d。在与第一纵向轴线L1(在基本实施例中的Y轴)正交的第三纵向轴线L3(平行于基本实施例的X轴)作为布置轴线给出，台座连接部732d为被布置在该布置轴线上并沿该布置轴线延伸的构件。

如图29所示，用于嵌合中央板状部722d(第二构件720d)以实现其下表面的粘合的嵌合凹槽325d形成在重锤体300d的预定部位的上表面上，并且中央板状部722d由此被固定为被嵌合到嵌合凹槽325d中的状态。同样，如图30所示，用于嵌合台座连接部732d(第三构件730d)以实现其下表面的粘合的嵌合凹槽445d形成在台座400d的预定部位的上表面上，并且台座连接部732d从而被固定为被嵌合到嵌合凹槽445d中的状态。

应注意，如图31所示，在本文示出的示例的情况下，嵌合凹槽325d的平面形状被设计为比第二构件720d的平面形状稍大，并且第二构件720d可以被允许嵌合到嵌合凹槽325d中。另一方面，嵌合凹槽445d的平面形状被设计为与第三构件730d的平面形状一致并且以第三构件730d可以被紧贴嵌合到嵌合凹槽445d中的方式形成。当然，在相应嵌合凹槽325d、445d和被嵌合到其中的构件720d、730d之间的平面形状关系没有必要与该示例的平面形状关系相同。在任何情况下，它们可被设计成允许被嵌合到凹槽中或它们可被设计成被紧贴嵌合到该凹槽中。

相反，关于相应嵌合凹槽325d、445d的深度和被嵌合到其中的构件720d、730d的厚度之间的关系，优选之处在于，其被设计成使得前者的尺寸大于后者，即，嵌合凹槽比该构件的厚度更深。这是因为考虑到保护主发电部件700d以便不被损坏。由于主发电部件700d为包括例如硅基板、压电元件层和电极的部件，因此，其比重锤体300d和台座400d更容易损坏。因此，构件720d、730d被完全嵌入在嵌合凹槽325d、445d中，因此使得可以降低主发电部件700d因与某些其它构件接触而损坏的可能性。

在图31中示出的示例的情况下，嵌合凹槽325d被设计成使得其深度尺寸大于第二构件720d的厚度尺寸。因此，第二构件720d的上表面被定位在重锤体部320d的上表面的下面(在图中的深度方向)，以及第二构件720d被完全嵌入在重锤体300d中，以便其处于受保护不与外部构件接触的状态。

同样，嵌合凹槽445d被设计成使得其深度尺寸大于第三构件730d的厚度尺寸。因此，第三构件730d的上表面(包括焊盘B的上表面)被定位在第四壁部440d的上表面的下面(在图中的深度方向)，以及第三构件730d被完全嵌入在台座400d中，以便其处于受保护而不与外部构件接触的状态。采用上述的构成，从而使得即使在施加过大加速度引起各个部分的更大位移的情况下，也可以防止主发电部件700d与其它构件接触而造成的损坏。

根据第四变形例D的发电元件PGEd的生产工艺不同于在图17和18中示出的基本实施例的发电元件PGE的生产工艺，并且需要用于实现各个部分的相互粘合并组装它们的步骤。即使在延续到板状桥梁部712d的层用硅构成的情况下，硅层和在其上表面上的压电元件仅在图28中示出的主发电部件700d的部分形成就足够了。因此，可以大大降低硅基板和在其上表面上形成的压电元件的平面尺寸并降低生产成本。

此外，在第四变形例D的情况下，如图28所示，沿第一纵向轴线L1布置的第一构件710d(板状桥梁部712d)与沿第二纵向轴线L2布置的第二构件720d(中央板状部722d)和沿第三纵向轴线L3布置的第三构件730d(台座连接部732d)正交。因此，在图26中示出的连接角度θ1至θ4能够为90度。因此，可以在板状桥梁部712d的两端生成有效的应力并提高发电效率。

<<<第5章.本发明的基本原理>>>

上面已经在第1章至第3章中描述了本发明的基本实施例和在第4章中描述了一些变形例。当然，本发明的变形例不应局限于在第4章中描述的这些变形例，并且其它各种变形例可以在提供类似工作效果的范围内实现。

例如，在上述的基本实施例和变形例中，主发电结构MGS用三层结构体构成。然而，在执行本发明时，没有必要总是使用三层结构体。例如，主发电第二层200可与主发电第三层300融合，以及板状桥梁部可通过使用硅基板等与重锤体一体化。当然，板状桥梁部、重锤体和台座可以通过使用相同的材料诸如硅来一体化形成。

此外，在上述的示例中，构成重锤体的主发电第三层300被布置在板状桥梁部的下面。然而，可设置从板状桥梁部下面延伸到上面的重锤体。

在本文中，基于上述的基本实施例和各种变形例，应概括出本发明的基本原理。根据本发明的发电元件为通过将振动能转换为电能而发电的发电元件。如图1所示，发电元件可为使得其设置有沿第一纵向轴Y延伸并具有柔性的板状桥梁部210、支撑并固定板状桥梁部210的根端部的台座400、直接或间接连接到板状桥梁部210的前端部的重锤体300、被固定在板状桥梁部210的表面上的预定位置的压电元件100和整流基于在压电元件100所生成的电荷所产生的电流并输出电力的发电电路500，其中，在该板状桥梁部的表面上发生伸张/收缩变形，重锤体300具有相对于纵向轴Y被定位在板状桥梁部210的左手侧的左手侧重锤体部330和相对于纵向轴Y被定位在板状桥梁部210的右手侧的右手侧重锤体部340。

然而，优选的是，为了更高效地发电，重锤体支撑部220、230、240被连接到板状桥梁部210的前端部，重锤体300被连接到其下表面，以及重锤体300的重心G被定位在板状桥梁部210的下面。

具体地，在图1中示出的基本实施例中，设置有作为重锤体支撑部的中央板状部220，其沿与第一纵向轴Y正交的第二纵向轴X’延伸，将板状桥梁部210的前端部与中央板状部220的中心附近连接，从而由板状桥梁部210和中央板状部220形成T字母形结构体。接着，采用这种结构使得左手侧重锤体部330被连接到中央板状部220的左下表面，以及右手侧重锤体部340被连接到中央板状部220的右下表面。

更具体地，在图1中示出的基本实施例的情况下，采用的这种结构使得重锤体支撑部用中央板状部220、左手侧板状部230和右手侧板状部240构成，其中，该中央板状部沿与第一纵向轴Y正交的第二纵向轴X’延伸并且其中心附近被连接到板状桥梁部210的前端部，该左手侧板状部从中央板状部220的左侧向板状桥梁部210的左手侧延伸，该右手侧板状部240从中央板状部220的右侧向板状桥梁部210的右手侧延伸，左手侧重锤体部330连接至左手侧板状部230的下表面，并且右手侧重锤体部340连接至右手侧板状部240的下表面。此外，用于将左手侧重锤体部330与右手侧重锤体部340耦接的中央重锤体部320被设置在重锤体300上，以及中央重锤体部320被连接到中央板状部220的下表面。

采用上述的构成以实现用重锤体300覆盖板状桥梁部210的周边以给出“U”字母形状的结构。并且，重锤体300的重心G可以被设置在板状桥梁部210的下面的预定位置。因此，板状桥梁部210可以基于重锤体300的位移被有效挠曲。此外，如果某些位移限制壁被安装在重锤体300周围，即使在向重锤体300施加引起过大位移的外力的情况下，可以籍此限制重锤体300的位移并防止板状桥梁部210损坏。

在实施过程中，台座400被用作用于限制重锤体300的位移的位移限制壁是优选的。例如，在图17中示出的实施例的情况下，使用了矩形框状结构体的台座400，其环绕具有板状桥梁部210和重锤体300的主发电结构MGS的外周。从而在向发电元件PGE施加超出预定大小的加速度的情况下，重锤体300的一部分接触由环状结构体组成的台座400的一部分，从而使得可以限制进一步的位移。

如图26所示，板状桥梁部210被制成使得与中央板状部220正交，从而形成T字母形结构体。接着，如图13至图15所示，发现其中各个坐标轴的方向上的力被施加于重锤体300的情况下，应力横向地在板状桥梁部210的前端部两侧上和横向位于其根端部两侧上的聚集。

因此，作为压电元件，设置有被布置在板状桥梁部210的前端部附近的左侧上的前端部左侧压电元件P1(在上层电极E1的领域中形成的压电元件)、被布置在板状桥梁部210的前端部附近的右侧上的前端部右侧压电元件P2(在上层电极E2的领域中形成的压电元件)、被布置在板状桥梁部210的根端部附近的左侧上的根端部左侧压电元件P3(在上层电极E3的领域中形成的压电元件)和被布置在板状桥梁部210的根端部附近的右侧上的根端部右侧压电元件P4(在上层电极E4的领域中形成的压电元件)，从而使得可以高效地发电。

此外，如图1所示，压电元件可被具体构成给出层压结构，该结构设置有以分层的方式在板状桥梁部210的表面上形成的下层电极E0、以分层的方式在下层电极E0的表面上形成的压电材料层105和在压电材料层105的表面上局部形成的由多个上层电极E1至E4组成的上层电极组。在本文中，压电材料层105通过使用在施加在层方向经历伸张/收缩的应力时，有可能在厚度方向极化的材料形成。

在图1中示出的示例的情况下，压电元件(主发电第一层100)在板状桥梁部210(主发电第二层200)的上表面上形成。然而，压电元件不必形成在板状桥梁部210的上表面上并且可在其侧表面或下表面上形成。当然，压电元件可在上表面和侧表面两者上形成或在全部的上表面、侧表面和下表面上形成。板状桥梁部210的挠曲应不仅引起在上表面上而且引起在侧表面和下表面上的应力。因此，也可以通过使用在侧表面和下表面上形成的压电元件来发电。

简而言之，压电元件可在板状桥梁部210的表面上形成，而不管是在上表面、侧表面还是下表面上形成。例如，下层电极E0经形成以便从板状桥梁部210的上表面延续到其侧表面，压电材料层105在下层电极E0的所有表面上面形成，以及多个上层电极在压电材料层105的表面上的预定部位局部形成(不仅在板状桥梁部210的上面而且在包含其侧面区域的预定部位)，籍此，压电元件不仅在板状桥梁部210的上表面上形成，而且在其侧表面上形成。在此实例中，电力不仅可以通过在上表面上形成的压电元件而且可以通过在侧表面上形成的压电元件来生成。

然而，压电元件不仅在板状桥梁部210的上表面上，而且在其侧表面和下表面上形成需要复杂的步骤，因此，不可避免产生增加的生产成本。因此，如上述的基本实施例和变形例所示，在实施过程中，所采用的结构使得压电元件被安装在板状桥梁部210的上表面上从而降低成本是优选的。在实施过程中，采用批量生产工艺，其中如图21所示，提供层压材料块1000并使其经受预定处理工艺，并且压电元件可以在板状桥梁部210的上表面上形成。

在图22中示出的示例中，在发电元件PGE被容纳在装置框体600中以构成发电装置的情况下，可采用发电元件PGE的台座400被固定到装置框体600的构成，并且在施加振动装置框体600的外力时，通过板状桥梁部210的挠曲，发电元件PGE的重锤体300在装置框体600中进行振动，从而从发电电路500输出根据该振动取出的电力。

另选地，如图23的示例所示，可以采用重锤体的作用和台座的作用颠倒的构成。在此实例中，可采用以下这种构成：设置一种发电元件PGE'，其中，重锤体300'的底表面被定位在台座400'的底表面下面，发电元件PGE'的重锤体300'被固定到装置框体600，并且在施加振动装置框体600的外力时，通过板状桥梁部210的挠曲，发电元件PGE'的台座400'在装置框体600中进行振动，从而从发电电路500输出根据该振动取出的电力。

当然，如同在图28至图31中示出的示例，发电元件PGE可以通过用于组装一些个别部件的方法来构成。在图28中示出的主发电部件700d的情况下，沿正交于纵向轴线L1的纵向轴线L3延伸的台座连接部732d被连接到沿纵向轴线L1延伸的板状桥梁部712d的根端部，以及台座连接部732d被固定到台座400d，可以籍此组装上述部件。