床装置およびこれに用いられる床パネル
【課題】人に違和感を与えずに発電効率を十分に高めることができる床装置およびこれに用いられる床パネルを提供する。
【解決手段】床装置は、床材１と、床材１の振動によって発電する発電装置２と、発電装置２の発電によって充電する蓄電池３２を含む蓄電装置３とを備える。発電装置２は、圧電素子よりなる圧電体５１および圧電体５１より面積が広く圧電体５１に同心状に設けられた振動板５２を有する圧電振動子５と、振動板５２と結合して圧電振動子５の周囲に設けられた薄厚部材６と、薄厚部材６の外周部で薄厚部材６を支持し、床材１に接して設けられた支持部材８とを含む。発電装置２は、支持部材８を介して床材１の振動が薄厚部材６および圧電振動子５に伝達して圧電振動子５が変形することによって発電する。薄厚部材６は、外周方向に山部６２２および谷部６２１の少なくともいずれかを含むコルゲーション６２が環状に形成されている。
【解決手段】床装置は、床材１と、床材１の振動によって発電する発電装置２と、発電装置２の発電によって充電する蓄電池３２を含む蓄電装置３とを備える。発電装置２は、圧電素子よりなる圧電体５１および圧電体５１より面積が広く圧電体５１に同心状に設けられた振動板５２を有する圧電振動子５と、振動板５２と結合して圧電振動子５の周囲に設けられた薄厚部材６と、薄厚部材６の外周部で薄厚部材６を支持し、床材１に接して設けられた支持部材８とを含む。発電装置２は、支持部材８を介して床材１の振動が薄厚部材６および圧電振動子５に伝達して圧電振動子５が変形することによって発電する。薄厚部材６は、外周方向に山部６２２および谷部６２１の少なくともいずれかを含むコルゲーション６２が環状に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機能を有する床装置およびこれに用いられる床パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から家庭内の電力は電力会社から供給されているが、最近は温室効果ガスを排出しない太陽光発電パネルを取り付けて、自前で電力を賄う家が多くなってきている。
【０００３】
ところが、太陽光発電は、太陽光エネルギーを直接電力に変換するため、発電量が天候に左右され、夜間に発電することはできない。また、大掛かりな太陽光発電パネルを屋根の上に取り付けるため、家のデザインの邪魔になり、美観を大きく損なうという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決する手段として、特許文献１には、圧力によって発電する発電装置が開示されている。特許文献１に記載された発電装置は、圧電素子と振動板とが接合された構造を有し、圧電素子の中心が軸に支えられ、振動板の周囲が他の軸に支えられている。振動板を支えている軸は、圧力が直接加わる緩衝板に接合されている。この発電装置は、緩衝板に圧力が加わると、てこの原理を利用して圧電素子を変形させることによって、発電することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５４７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の発電装置では、圧電素子の変形が小さいため、圧電素子の変形によって発生する発電の効率を十分に高めることができない、という問題があった。
【０００７】
また、特許文献１に記載された従来の発電装置では、てこの原理を利用して圧電素子を変形させるため、緩衝板を沈み込ませる必要があった。このため、住宅などの床に設置されると、歩くたびに住人に違和感を与えることになる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みて為され、本発明の目的は、人に違和感を与えずに発電効率を十分に高めることができる床装置およびこれに用いられる床パネルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の床装置は、床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置と、前記発電装置の発電によって充電する蓄電池を含む蓄電装置とを備え、前記発電装置は、圧電素子よりなる圧電体および前記圧電体より面積が広く当該圧電体に同心状に設けられた振動板を有する圧電振動子と、前記振動板と結合して前記圧電振動子の周囲に設けられた薄厚部材と、前記薄厚部材の外周部で当該薄厚部材を支持し、前記床材に接して設けられた支持部材とを含み、前記支持部材を介して前記床材の振動が前記薄厚部材および前記圧電振動子に伝達して前記圧電振動子が変形することによって発電し、前記薄厚部材は、外周方向に山部および谷部の少なくともいずれかを含むコルゲーションが環状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この床装置において、前記蓄電装置は、前記圧電振動子の変形によって発生した交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電池に供給するＡＣ／ＤＣコンバータを含むことが好ましい。
【００１１】
この床装置において、１つの前記床材に対して前記発電装置が複数設けられていることが好ましい。
【００１２】
この床装置において、前記薄厚部材は、前記圧電振動子と前記薄厚部材とからなる振動体が共振するときの定在波の腹になる位置に前記コルゲーションが形成されていることが好ましい。
【００１３】
この床装置において、前記支持部材は、互いに嵌め合った状態で位置固定される第１の支持体および第２の支持体を有し、前記第１の支持体および前記第２の支持体が位置固定されたときに当該第１の支持体および当該第２の支持体が嵌め合う部位で前記薄厚部材の外周部を挟持して当該薄厚部材を支持することが好ましい。
【００１４】
この床装置において、前記薄厚部材は、前記圧電振動子の振動方向に突出して前記第１の支持体および前記第２の支持体に挟持されることが好ましい。
【００１５】
本発明の床パネルは、前記床装置に用いられる床パネルであって、床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置とを備え、前記床材の内部には空洞が形成され、前記発電装置は、前記床材の前記空洞に内蔵されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、薄厚部材にコルゲーションが形成されることによって、床材の振動で圧電振動子の変位を高くすることができるので、人に違和感を与えずに発電量を多くすることができ、発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係る床装置の構成を示す概略図である。
【図２】同上に係る床装置の外観斜視図である。
【図３】同上に係る圧電振動子の構成図である。
【図４】同上に係る圧電振動子および薄厚部材であって、（ａ）は固着前の分解斜視図、（ｂ）は固着後の斜視図である。
【図５】同上に係る薄厚部材の製造方法を時系列に示す図である。
【図６】同上に係る振動体を発音体として用いた場合の音圧レベル特性を示す図である。
【図７】同上に係る薄厚部材の変形例であって、（ａ）はコルゲーションとして谷部、山部が形成されている場合の断面図、（ｂ）はコルゲーションとして山部、谷部が形成されている場合の断面図、（ｃ）はコルゲーションとして谷部のみが形成されている場合の断面図、（ｄ）はコルゲーションとして山部のみが形成されている場合の断面図である。
【図８】同上に係る圧電振動子および薄厚部材の変形例であって、固着前の分解斜視図である。
【図９】実施形態２に係る床装置のコルゲーションの位置を説明する図である。
【図１０】同上に係る床装置の振動体の変位を示す図である。
【図１１】実施形態３に係る床装置の要部を示す図である。
【図１２】同上に係る振動体を発音体として用いた場合の音圧レベル特性を示す図である。
【図１３】実施形態４に係る床装置の要部であって、（ａ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合う前の断面図、（ｂ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合った状態の断面図である。
【図１４】実施形態５に係る床装置の要部であって、（ａ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合う前の断面図、（ｂ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合った状態の断面図である。
【図１５】実施形態６に係る床装置に用いられる床パネルであって、（ａ）は床材の内部を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の実施形態１〜６では、発電機能を有する床装置について説明する。各実施形態の床装置は、例えば住宅などに取り付けられて用いられる。取り付けられる場所としては、例えば居間または廊下などがある。また、各実施形態の床装置は、ベランダなどで子供が遊ぶためのフロアパネルとして用いることもできる。
【００１９】
（実施形態１）
実施形態１に係る床装置は、図１に示すように、床材１と、床材１の振動によって発電する複数（図示例では２つ）の発電装置２，２と、各発電装置２の発電によって充電する蓄電池３２を有する蓄電装置３とを備えている。床材１と発電装置２とで床パネルを構成する。
【００２０】
床材１は、図２に示すように、厚さ１ｍｍ〜３ｍｍ程度の木材をそれぞれ木目が互いに直交するように重ね、熱と圧力とをかけて接着されて形成された積層合板である。床材１の表面には、厚み数百μｍの化粧板（木目調）が貼り付けられ、塗装されている。
【００２１】
図１に示す発電装置２は、振動体４と、弾性体７と、支持部材８とを備えている。振動体４は、圧電振動子５と薄厚部材６とからなる。
【００２２】
圧電振動子５は、圧電体５１と振動板５２とが積層されたユニモルフ構造である。図３に示すように、圧電体５１および振動板５２は、ともに円板形状である。
【００２３】
圧電体５１は、圧電効果を有する圧電素子（ピエゾ素子）からなる。圧電素子としては、例えば厚さが０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、lead zirconium titanate）が用いられている。チタン酸ジルコン酸鉛は、三元系金属酸化物であるチタン酸鉛とジルコン酸鉛の混晶である。本実施形態で用いられるチタン酸ジルコン酸鉛の密度は、８．０×１０３ｋｇ／ｃｍ３である。
【００２４】
振動板５２は、圧電体５１より直径が長くて面積が大きく、例えば厚さが０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の真鍮である。本実施形態で用いられる真鍮の密度は、８．４×１０３ｋｇ／ｃｍ３以上８．５×１０３ｋｇ／ｃｍ３以下の範囲である。圧電体５１の厚さと振動板５２の厚さは同等であることが好ましい。振動板５２は、例えばエポキシ接着剤などによって、圧電体５１と同心状に圧電体５１の表面に接着される。
【００２５】
なお、振動板５２は、例えば厚さが０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の４２アロイ（ニッケルを４２％含む鉄ニッケル系合金）であってもよい。４２アロイの密度は、８．１５×１０３ｋｇ／ｃｍ３である。
【００２６】
圧電体５１の表面には、厚さが２μｍ程度の銀によって電極が設けられている。図４（ｂ）に示すように、圧電体５１の電極にはリード線５３が接続され、振動板５２にはリード線５４が接続されている。リード線５３，５４には、蓄電装置３と電気的に接続するためのコネクタ５５が接続されている。圧電体５１の電極とリード線５３との接続および振動板５２とリード線５４との接続には、例えば鉛フリーはんだがそれぞれ用いられる。圧電体５１および振動板５２が振動すると、圧電体５１の歪みによって、圧電振動子５に電圧が発生する。つまり、圧電振動子５は、圧電体５１の変形によって発電する。
【００２７】
薄厚部材６は、図４（ａ）に示すように、ドーナツ形状（環状）に形成された樹脂フィルム（プラスチックフィルム）である。樹脂フィルムとしては、例えばＰＥＩ（ポリエーテルイミド）やＰＣ（ポリカボネイト）、ＰＥＮ（ポリエーテルナフタレード）などの熱可塑性樹脂が用いられている。薄厚部材６の厚さは、７５μｍ以上１８８μｍ以下の範囲が好ましい。薄厚部材６の内周部には、図１に示すような段差形状部６１が形成されている。段差形状部６１の内径は、圧電振動子５を周囲から嵌合することができる大きさである。薄厚部材６は、段差形状部６１で圧電振動子５と嵌合した状態で、例えばシリコーン接着剤やエポキシ接着剤などによって、圧電振動子５（振動板５２）に接着される。これにより、薄厚部材６は、図４（ｂ）に示すように、振動板５２と結合して、圧電振動子５の周囲に設けられる。上記のように薄厚部材６に段差形状部６１が形成されていることによって、圧電振動子５が薄厚部材６に確実に取り付けられ、取付位置も一定にすることができる。
【００２８】
薄厚部材６には、図１に示すように、外周方向に複数（図示例では３つ）の谷部６２１，６２１，６２１および複数（図示例では２つ）の山部６２２，６２２を含むコルゲーション６２が環状に形成されている。薄厚部材６は、コルゲーション６２によって外周方向に伸縮する蛇腹構造であり、圧電振動子５を弾性的に保持する。コルゲーション６２としては、谷部６２１と山部６２２が交互に形成されていてもよいし、谷部６２１のみが連続して形成されていてもよいし、山部６２２のみが連続して形成されていてもよい。薄厚部材６がコルゲーション６２を有する構成のほうが、薄厚部材６がコルゲーション６２を有しない構成よりも、圧電振動子５の振動を大きくすることができるので、発電効率を高めることができる。
【００２９】
薄厚部材６の製造方法について一例を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、厚さが一定の樹脂フィルム９１を金型９２とゴム材９３との間に置き、金型９２を所定の温度に加熱する。金型９２はコルゲーション６２の形状に加工されている。その後、図５（ｂ）に示すように、樹脂フィルム９１を挟んで金型９２をゴム材９３に押圧する。その後、図５（ｃ）に示すように、金型９２を開いて樹脂フィルム９１を取り外す。樹脂フィルム９１には、金型９２の形状にしたがってコルゲーション６２が形成される。このようにコルゲーション６２が形成された樹脂フィルム９１が薄厚部材６となる。なお、上述の薄厚部材６の製造方法において、金型９２を加熱するのではなく、樹脂フィルム９１を加熱してもよい。また、上述の薄厚部材６の製造方法において、ゴム材９３に代えて、圧縮空気であってもよい。
【００３０】
なお、薄厚部材６は、樹脂フィルム９１に代えて、木材パルプを原材料とする紙であってもよいし、コウゾ、ミツマタ、竹などの非木材植物を原材料とする紙であってもよい。また、薄厚部材６は、不織布であってもよいし、不織布に接着剤を含浸して剛性を持たせた材料であってもよい。さらに、薄厚部材６は、ポリエステルにウレタンコートを施した材料であってもよいし、チタンやアルミニウムなどであってもよい。
【００３１】
図１に示す弾性体７は、例えば熱可塑性エラストマまたはポリウレタンフォームなどによって環状に形成された部材である。弾性体７は、後述の前面側支持体８１と薄厚部材６との間に設けられている。
【００３２】
支持部材８は、互いに嵌め合った状態で位置固定される前面側支持体８１および後面側支持体８２を備え、薄厚部材６の周囲に設けられている。前面側支持体８１は第１の支持体としての機能を有し、後面側支持体８２は第２の支持体としての機能を有している。
【００３３】
前面側支持体８１は、熱可塑性材料によって円筒状に形成された部材である。例えば、前面側支持体８１には難燃性ＡＢＳ樹脂が用いられている。前面側支持体８１は、床材１に接触して固定されて設けられている。前面側支持体８１は、弾性体７と同時成形（二色成形、ダブルモールド）によって形成される。これにより、前面側支持体８１の後面（挟持面）８１１に弾性体７が設けられる。
【００３４】
後面側支持体８２は、熱可塑性材料によって円筒状に形成された部材である。例えば、後面側支持体８２には難燃性ＡＢＳ樹脂が用いられている。後面側支持体８２の前面（挟持面）８２１には、凹所が形成されている。
【００３５】
上記のような構造の前面側支持体８１および後面側支持体８２に対して、後面側支持体８２の挟持面８２１に薄厚部材６の外周部が載置される。その後、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、前面側支持体８１の挟持面８１１と後面側支持体８２の挟持面８２１とが対向し、前面側支持体８１の挟持面８１１が後面側支持体８２の凹所に入り込むことによって、互いに嵌め合う。その後、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、互いに嵌め合った状態で位置固定される。前面側支持体８１および後面側支持体８２は、嵌め合った状態で位置固定されたときに前面側支持体８１および後面側支持体８２が嵌め合う部位で薄厚部材６の外周部を挟持して薄厚部材６を支持する。これにより、薄厚部材６が支持部材８に確実に取り付けられるので、支持部材８からの振動を薄厚部材６に伝達することができる。
【００３６】
なお、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６を挟持した状態で接着剤によって接着固定されてもよい。接着剤としては、粘性の低いシリコーン接着剤や可視光硬化性樹脂が用いられる。
【００３７】
このような構成の発電装置２は、支持部材８を介して床材１の振動が薄厚部材６および圧電振動子５に伝達して圧電振動子５が変形することによって発電する。
【００３８】
蓄電装置３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１と、蓄電池３２とを備え、蓄電池３２の充放電制御機能を有している。
【００３９】
ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、圧電振動子５の変形により発生した交流電圧（交流電力）を直流電圧（直流電力）に変換して蓄電池３２に供給する。床材１への振動は一定ではないから、圧電振動子５の振動ばらつきが大きくなる。つまり、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１の入力電圧は変動が大きくなる。このため、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、出力電圧の大きさを一定になるように調整している。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、充電に適した電圧を蓄電池３２に供給する。
【００４０】
蓄電池３２は、例えばニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池または鉛蓄電池などであり、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１で変換された直流電圧（直流電力）によって充電する。
【００４１】
次に、本実施形態に係る床装置の動作について図１を用いて説明する。まず、床装置の上を人が歩いた場合に、床材１が振動する。床材１の振動は、支持部材８に伝達され、さらに薄厚部材６に伝達される。薄厚部材６は、床材１に連動して振動する。薄厚部材６の振動は、圧電振動子５に伝達される。発電装置２は、圧電振動子５の振動により、発電する。その後、蓄電装置３において、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１が交流電圧を直流電圧に変換し、蓄電池３２が充電する。
【００４２】
上記の動作において、薄厚部材６にコルゲーション６２が形成されているので、薄厚部材６の振動が大きくなる。それに伴い、圧電振動子５の振動も大きくなる。その結果、発電装置２での発電効率を高めることができる。
【００４３】
図６は、本実施形態の振動体４を発音体として用いた場合の音圧レベル特性（図６の（１））を示す。振動体４の変位量と音圧レベルとには相関があり、音圧レベルが高くなるほど変位量も大きくなる。図６には、比較例として、薄厚部材にコルゲーションが形成されていない振動体（比較例１）の音圧レベル特性（図６の（２））と、薄厚部材６のない振動体（比較例２）の音圧レベル特性（図６の（３））とが示されている。本実施形態の振動体４は、直径３５ｍｍの圧電振動子５にドーナツ形状の薄厚部材６が接着されて直径５０ｍｍとした構成である。比較例１は、直径３５ｍｍの圧電振動子に、コルゲーションのない薄厚部材が接着されて直径５０ｍｍとした構成である。比較例２は、直径５０ｍｍの圧電振動子のみである。図６の音圧レベル特性は、これらの振動体に４０Ｖｐ−ｐの電圧を印加して、振動体から１ｍ前方の位置における音圧レベルを測定した結果である。本実施形態の振動体４は、図６（ｂ）に示すように、比較例１および比較例２に比べて、最大（３次共振付近）の音圧レベルが高くなっている。
【００４４】
これにより、本実施形態の振動体４の変位量は比較例１および比較例２よりも大きいといえるから、本実施形態の発電装置２では、発電量を多くすることができる。
【００４５】
以上の説明より、本実施形態の床装置では、圧電振動子５の周囲に設けられた薄厚部材６にコルゲーション６２が形成されることによって、薄厚部材６も反曲して圧電振動子５の変形（振動）を大きくすることができる。これにより、発電量を多くすることができ、発電効率を高めることができる。
【００４６】
本実施形態のように居室内での人の移動によって生じる振動を利用して発電する方式は、天候に左右されず、かつ、床材１の表面側から発電装置２が見えないので、デザイン性を損なうこともない。したがって、居住者が意識することなく、発電装置２で発電させることができる。
【００４７】
また、本実施形態の床装置によれば、圧電振動子５の変形によって発生した交流電圧を直流電圧に変換することによって、蓄電池３２への蓄電を容易に行うことができる。
【００４８】
さらに、本実施形態の床装置によれば、複数の圧電振動子５，５の各々の変形によって発生した電荷の合計を蓄電池３２に蓄電させることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００４９】
なお、本実施形態のコルゲーション６２としては、図７（ａ）（ｂ）に示すように谷部６２１と山部６２２の両方が形成されていてもよいし、図７（ｃ）に示すように谷部６２１のみが形成されていてもよいし、図７（ｄ）に示すように山部６２２のみが形成されていてもよい。
【００５０】
本実施形態の変形例として、薄厚部材６は、図８に示すように、円板状に形成された樹脂フィルム（円形樹脂フィルム）であってよい。本変形例においても、本実施形態と同様に、薄厚部材６は、振動板５２と結合して圧電振動子５の周囲に設けられる（図４（ｂ）参照）。
【００５１】
また、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６の外周部全体を挟持して薄厚部材６を支持するのではなく、薄厚部材６の外周部の一部を挟持して薄厚部材６を支持してもよい。例えば、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６の中心を挟んで対向する位置（２点）で薄厚部材６の外周部を挟持してもよいし、薄厚部材６の外周方向において１２０°ごとに離れた位置（３点）で薄厚部材６の外周部を挟持してもよい。また、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６の外周方向において９０°ごとに離れた位置（４点）で薄厚部材６の外周部を挟持してもよい。この場合、弾性体７としては、環状に形成された部材ではなく、挟持位置の大きさに応じた部材を用いればよい。なお、前面側支持体８１および後面側支持体８２が薄厚部材６を挟持する位置の数は、２点〜４点に限定されず、５点以上であってもよい。
【００５２】
本実施形態の変形例として、弾性体７は、前面側支持体８１と薄厚部材６との間ではなく、後面側支持体８２と薄厚部材６との間に設けられていてもよい。本変形例の床装置は、後面側支持体８２と弾性体７とが熱可塑性材料であって同時成形されることによって、後面側支持体８２と弾性体７とを一体にした構造を実現することができる。
【００５３】
また、弾性体７は、前面側支持体８１と薄厚部材６との間と、後面側支持体８２と薄厚部材６との間との両方に設けられていてもよい。つまり、床装置に２つの弾性体７が設けられていてもよい。この場合、前面側支持体８１と後面側支持体８２と弾性体７とが熱可塑性材料であって、前面側支持体８１と一方の弾性体７とが同時成形され、後面側支持体８２と他方の弾性体７とが同時成形される。これにより、前面側支持体８１と一方の弾性体７とを一体にした構造および後面側支持体８２と他方の弾性体７とを一体にした構造を実現することができる。
【００５４】
（実施形態２）
実施形態２に係る床装置は、薄厚部材６において、後述するような特定の位置にコルゲーション６２が形成されている点で、実施形態１に係る床装置と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
本実施形態の薄厚部材６は、図９に示すように、振動体４が共振するときの定在波の腹になる位置にコルゲーション６２が形成されている。なお、実施形態１の薄厚部材６と同様の機能については説明を省略する。
【００５６】
図１０は、振動体４の３次共振付近の周波数の振動に対して、薄厚部材６において腹になる位置にコルゲーション６２が形成されている場合（図１０の実線）と、薄厚部材６において腹以外の位置にコルゲーション６２が形成されている場合（図１０の破線）との変位特性を示す。
【００５７】
図９の変位特性では、薄厚部材６において腹になる位置にコルゲーション６２が形成されている場合のほうが、薄厚部材６の変位が大きいだけではなく、圧電振動子５の変位も大きくなっている。
【００５８】
以上、本実施形態の床装置によれば、振動体４が共振するときの定在波の腹になる位置にコルゲーション６２が形成されていることによって、圧電振動子５の変位をさらに大きくすることができるので、圧電効率をさらに高めることができる。
【００５９】
（実施形態３）
実施形態３に係る床装置は、図１１に示すように前面側支持体８１および後面側支持体８２の挟持面８１１，８２１がテーパ状に形成されている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
本実施形態の前面側支持体８１の挟持面８１１と後面側支持体８２の挟持面８２１は、傾斜してテーパ状に形成されている。つまり、前面側支持体８１および後面側支持体８２には、前面側支持体８１および後面側支持体８２が嵌め合う部位に、薄厚部材６の外周側から中心側に向けて傾斜する挟持面８１１，８２１が形成されている。水平面からの傾斜角（テーパ角）θ１は２°〜１０°が好ましい。さらに好ましい範囲は２°〜４°である。
【００６１】
本実施形態の薄厚部材６は、図１１の上方向に突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持される。つまり、薄厚部材６は、前面側支持体８１のテーパ状の挟持面８１１および後面側支持体８２のテーパ状の挟持面８２１で弾性体７とともに挟持されるので、外周側から中心側に向けて傾斜するいわゆるコーン型の形状になる。本実施形態では、薄厚部材６は、振動板５２において圧電体５１が設けられた面とは反対面の方向（図１１の上方向）へ突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持される。
【００６２】
図１２は、本実施形態の振動体４を発音体として用いた場合の音圧レベル特性を示す。振動体４の変位量と音圧レベルとには相関があり、音圧レベルが高くなるほど変位量も大きくなる。図１２には、傾斜角θ１が２°の場合（図１２の（１））と４°の場合（図１２の（２））と８°の場合（図１２の（３））とが示されているとともに、比較例として、薄厚部材６が傾斜していない場合（図１２の（４））とが示されている。本実施形態の振動体４は、直径３５ｍｍの圧電振動子５にドーナツ形状の薄厚部材６が接着されて直径５０ｍｍとした構成である。図１２の音圧レベル特性は、これらの振動体に４０Ｖｐ−ｐの電圧を印加して、振動体から１ｍ前方の位置における音圧レベルを測定した結果である。図１２より、薄厚部材６が傾斜しているほうが、薄厚部材６が傾斜していない場合に比べて、低周波領域での音圧レベルが高くなっている。
【００６３】
これにより、薄厚部材６が傾斜している振動体４の変位量は、薄厚部材６が傾斜していない振動体４よりも大きいといえるから、本実施形態の発電装置２では、発電量をさらに多くすることができる。
【００６４】
以上の説明より、本実施形態の床装置は、前面側支持体８１および後面側支持体８２にテーパ状の挟持面８１１，８２１が形成されることによって、薄厚部材６をコーン型の形状にすることができる。これにより、薄厚部材６が平面である場合に比べて、圧電振動子５の振動をさらに大きくすることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００６５】
（実施形態４）
実施形態４に係る床装置は、図１３に示すように薄厚部材６が突部６３，６４を備えている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
本実施形態の薄厚部材６は、前面側支持体８１および後面側支持体８２で挟持される部位に突部６３，６４を備えている。突部６３は、前面側支持体８１と対向する面（図１３の上面）に設けられ、突部６４は、後面側支持体８２と対向する面（図１３の下面）に設けられている。突部６３，６４は、薄厚部材６の他の部分と同じ材料である。なお、実施形態１の薄厚部材６（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００６７】
突部６３の先端面は薄厚部材６の内側の面６５に対して傾斜し、突部６４の先端面は薄厚部材６の内側の面６６に対して傾斜している。これにより、薄厚部材６は、前面側支持体８１および後面側支持体８２で挟持されたときに、外周側から中心側に向けて傾斜するいわゆるコーン型の形状になる。水平面からの傾斜角θ２は２°〜１０°が好ましい。さらに好ましい範囲は２°〜４°である。つまり、本実施形態の薄厚部材６は、振動板５２において圧電体５１が設けられた面とは反対面の方向（図１３の上方向）へ突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持されている。
【００６８】
以上の説明より、本実施形態の床装置は、先端面が内側の面６５，６６に対して傾斜する突部６３，６４を薄厚部材６に備え、突部６３，６４が設けられた部位を前面側支持体８１および後面側支持体８２が挟持することによって、薄厚部材６をコーン型の形状にすることができる。これにより、薄厚部材６が平面である場合に比べて、圧電振動子５の振動をさらに大きくすることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００６９】
（実施形態５）
実施形態５に係る床装置は、図１４に示すように前面側支持体８１および後面側支持体８２の挟持面８１１，８２１が凹凸に形成されている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
本実施形態の前面側支持体８１の挟持面８１１と後面側支持体８２の挟持面８２１は、互いに重ならない位置に凸部８１２，８２２が形成されている。つまり、薄厚部材６が外周側から中心側に向けて傾斜するように、前面側支持体８１および後面側支持体８２の嵌め合う部位は、薄厚部材６の中心と外周部とを結ぶ方向において、互いに異なる凹凸に形成されている。凸部８１２，８２２は、エラストマによって形成された部材である。後面側支持体８２の凸部８２２のほうが前面側支持体８１の凸部８１２に比べて内側に形成されることによって、薄厚部材６を上方（図１４（ｂ）の上方）に突出させることができる。
【００７１】
本実施形態の薄厚部材６は、前面側支持体８１の凸部８１２および後面側支持体８２の凸部８２２によって、前面側支持体８１と後面側支持体８２とで挟持された場合に外周側から中心側に向けて傾斜するいわゆるコーン型の形状になる。水平面からの傾斜角θ３は２°〜１０°が好ましい。さらに好ましい範囲は２°〜４°である。つまり、本実施形態の薄厚部材６は、振動板５２において圧電体５１が設けられた面とは反対面の方向（図１４（ｂ）の上方向）へ突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持されている。なお、実施形態１の薄厚部材６と同様の機能については説明を省略する。
【００７２】
以上の説明より、本実施形態の床装置は、凸部８１２が形成された挟持面８１１と凸部８２２が形成された挟持面８２１とで薄厚部材６を挟持することによって、薄厚部材６をコーン型の形状にすることができる。これにより、薄厚部材６が平面である場合に比べて、圧電振動子５の振動をさらに大きくすることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００７３】
なお、実施形態３〜５の弾性体７は、前面側支持体８１と薄厚部材６との間ではなく、後面側支持体８２と薄厚部材６との間に設けられていてもよい。
【００７４】
（実施形態６）
実施形態６に係る床装置は、図１５に示すように床材１に発電装置２が内蔵されている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図１５は、床パネル（床材１、発電装置２）のみを図示し、蓄電装置３（図１参照）の図示を省略している。
【００７５】
本実施形態の床材１の内部には、図１５（ａ）に示すように、芯枠１１および複数の小角材１２，１２によって空洞１３が形成されている。なお、実施形態１の床材１（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の発電装置２は、図１５（ｂ）に示すように、床材１の空洞１３に内蔵されている。なお、実施形態１の発電装置２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７７】
以上、本実施形態の床装置によれば、デザイン性を損なわずに設置することができるので、圧電効率をさらに高めることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 床材
１３ 空洞
２ 発電装置
３ 蓄電装置
３１ ＡＣ／ＤＣコンバータ
３２ 蓄電池
４ 振動体
５ 圧電振動子
５１ 圧電体
５２ 振動板
６ 薄厚部材
６２ コルゲーション
６２１ 谷部
６２２ 山部
８ 支持部材
８１ 前面側支持体（第１の支持体）
８２ 後面側支持体（第２の支持体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機能を有する床装置およびこれに用いられる床パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から家庭内の電力は電力会社から供給されているが、最近は温室効果ガスを排出しない太陽光発電パネルを取り付けて、自前で電力を賄う家が多くなってきている。
【０００３】
ところが、太陽光発電は、太陽光エネルギーを直接電力に変換するため、発電量が天候に左右され、夜間に発電することはできない。また、大掛かりな太陽光発電パネルを屋根の上に取り付けるため、家のデザインの邪魔になり、美観を大きく損なうという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決する手段として、特許文献１には、圧力によって発電する発電装置が開示されている。特許文献１に記載された発電装置は、圧電素子と振動板とが接合された構造を有し、圧電素子の中心が軸に支えられ、振動板の周囲が他の軸に支えられている。振動板を支えている軸は、圧力が直接加わる緩衝板に接合されている。この発電装置は、緩衝板に圧力が加わると、てこの原理を利用して圧電素子を変形させることによって、発電することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５４７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の発電装置では、圧電素子の変形が小さいため、圧電素子の変形によって発生する発電の効率を十分に高めることができない、という問題があった。
【０００７】
また、特許文献１に記載された従来の発電装置では、てこの原理を利用して圧電素子を変形させるため、緩衝板を沈み込ませる必要があった。このため、住宅などの床に設置されると、歩くたびに住人に違和感を与えることになる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みて為され、本発明の目的は、人に違和感を与えずに発電効率を十分に高めることができる床装置およびこれに用いられる床パネルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の床装置は、床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置と、前記発電装置の発電によって充電する蓄電池を含む蓄電装置とを備え、前記発電装置は、圧電素子よりなる圧電体および前記圧電体より面積が広く当該圧電体に同心状に設けられた振動板を有する圧電振動子と、前記振動板と結合して前記圧電振動子の周囲に設けられた薄厚部材と、前記薄厚部材の外周部で当該薄厚部材を支持し、前記床材に接して設けられた支持部材とを含み、前記支持部材を介して前記床材の振動が前記薄厚部材および前記圧電振動子に伝達して前記圧電振動子が変形することによって発電し、前記薄厚部材は、外周方向に山部および谷部の少なくともいずれかを含むコルゲーションが環状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この床装置において、前記蓄電装置は、前記圧電振動子の変形によって発生した交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電池に供給するＡＣ／ＤＣコンバータを含むことが好ましい。
【００１１】
この床装置において、１つの前記床材に対して前記発電装置が複数設けられていることが好ましい。
【００１２】
この床装置において、前記薄厚部材は、前記圧電振動子と前記薄厚部材とからなる振動体が共振するときの定在波の腹になる位置に前記コルゲーションが形成されていることが好ましい。
【００１３】
この床装置において、前記支持部材は、互いに嵌め合った状態で位置固定される第１の支持体および第２の支持体を有し、前記第１の支持体および前記第２の支持体が位置固定されたときに当該第１の支持体および当該第２の支持体が嵌め合う部位で前記薄厚部材の外周部を挟持して当該薄厚部材を支持することが好ましい。
【００１４】
この床装置において、前記薄厚部材は、前記圧電振動子の振動方向に突出して前記第１の支持体および前記第２の支持体に挟持されることが好ましい。
【００１５】
本発明の床パネルは、前記床装置に用いられる床パネルであって、床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置とを備え、前記床材の内部には空洞が形成され、前記発電装置は、前記床材の前記空洞に内蔵されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、薄厚部材にコルゲーションが形成されることによって、床材の振動で圧電振動子の変位を高くすることができるので、人に違和感を与えずに発電量を多くすることができ、発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係る床装置の構成を示す概略図である。
【図２】同上に係る床装置の外観斜視図である。
【図３】同上に係る圧電振動子の構成図である。
【図４】同上に係る圧電振動子および薄厚部材であって、（ａ）は固着前の分解斜視図、（ｂ）は固着後の斜視図である。
【図５】同上に係る薄厚部材の製造方法を時系列に示す図である。
【図６】同上に係る振動体を発音体として用いた場合の音圧レベル特性を示す図である。
【図７】同上に係る薄厚部材の変形例であって、（ａ）はコルゲーションとして谷部、山部が形成されている場合の断面図、（ｂ）はコルゲーションとして山部、谷部が形成されている場合の断面図、（ｃ）はコルゲーションとして谷部のみが形成されている場合の断面図、（ｄ）はコルゲーションとして山部のみが形成されている場合の断面図である。
【図８】同上に係る圧電振動子および薄厚部材の変形例であって、固着前の分解斜視図である。
【図９】実施形態２に係る床装置のコルゲーションの位置を説明する図である。
【図１０】同上に係る床装置の振動体の変位を示す図である。
【図１１】実施形態３に係る床装置の要部を示す図である。
【図１２】同上に係る振動体を発音体として用いた場合の音圧レベル特性を示す図である。
【図１３】実施形態４に係る床装置の要部であって、（ａ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合う前の断面図、（ｂ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合った状態の断面図である。
【図１４】実施形態５に係る床装置の要部であって、（ａ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合う前の断面図、（ｂ）は前面側支持体と後面側支持体とが嵌め合った状態の断面図である。
【図１５】実施形態６に係る床装置に用いられる床パネルであって、（ａ）は床材の内部を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の実施形態１〜６では、発電機能を有する床装置について説明する。各実施形態の床装置は、例えば住宅などに取り付けられて用いられる。取り付けられる場所としては、例えば居間または廊下などがある。また、各実施形態の床装置は、ベランダなどで子供が遊ぶためのフロアパネルとして用いることもできる。
【００１９】
（実施形態１）
実施形態１に係る床装置は、図１に示すように、床材１と、床材１の振動によって発電する複数（図示例では２つ）の発電装置２，２と、各発電装置２の発電によって充電する蓄電池３２を有する蓄電装置３とを備えている。床材１と発電装置２とで床パネルを構成する。
【００２０】
床材１は、図２に示すように、厚さ１ｍｍ〜３ｍｍ程度の木材をそれぞれ木目が互いに直交するように重ね、熱と圧力とをかけて接着されて形成された積層合板である。床材１の表面には、厚み数百μｍの化粧板（木目調）が貼り付けられ、塗装されている。
【００２１】
図１に示す発電装置２は、振動体４と、弾性体７と、支持部材８とを備えている。振動体４は、圧電振動子５と薄厚部材６とからなる。
【００２２】
圧電振動子５は、圧電体５１と振動板５２とが積層されたユニモルフ構造である。図３に示すように、圧電体５１および振動板５２は、ともに円板形状である。
【００２３】
圧電体５１は、圧電効果を有する圧電素子（ピエゾ素子）からなる。圧電素子としては、例えば厚さが０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、lead zirconium titanate）が用いられている。チタン酸ジルコン酸鉛は、三元系金属酸化物であるチタン酸鉛とジルコン酸鉛の混晶である。本実施形態で用いられるチタン酸ジルコン酸鉛の密度は、８．０×１０３ｋｇ／ｃｍ３である。
【００２４】
振動板５２は、圧電体５１より直径が長くて面積が大きく、例えば厚さが０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の真鍮である。本実施形態で用いられる真鍮の密度は、８．４×１０３ｋｇ／ｃｍ３以上８．５×１０３ｋｇ／ｃｍ３以下の範囲である。圧電体５１の厚さと振動板５２の厚さは同等であることが好ましい。振動板５２は、例えばエポキシ接着剤などによって、圧電体５１と同心状に圧電体５１の表面に接着される。
【００２５】
なお、振動板５２は、例えば厚さが０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の４２アロイ（ニッケルを４２％含む鉄ニッケル系合金）であってもよい。４２アロイの密度は、８．１５×１０３ｋｇ／ｃｍ３である。
【００２６】
圧電体５１の表面には、厚さが２μｍ程度の銀によって電極が設けられている。図４（ｂ）に示すように、圧電体５１の電極にはリード線５３が接続され、振動板５２にはリード線５４が接続されている。リード線５３，５４には、蓄電装置３と電気的に接続するためのコネクタ５５が接続されている。圧電体５１の電極とリード線５３との接続および振動板５２とリード線５４との接続には、例えば鉛フリーはんだがそれぞれ用いられる。圧電体５１および振動板５２が振動すると、圧電体５１の歪みによって、圧電振動子５に電圧が発生する。つまり、圧電振動子５は、圧電体５１の変形によって発電する。
【００２７】
薄厚部材６は、図４（ａ）に示すように、ドーナツ形状（環状）に形成された樹脂フィルム（プラスチックフィルム）である。樹脂フィルムとしては、例えばＰＥＩ（ポリエーテルイミド）やＰＣ（ポリカボネイト）、ＰＥＮ（ポリエーテルナフタレード）などの熱可塑性樹脂が用いられている。薄厚部材６の厚さは、７５μｍ以上１８８μｍ以下の範囲が好ましい。薄厚部材６の内周部には、図１に示すような段差形状部６１が形成されている。段差形状部６１の内径は、圧電振動子５を周囲から嵌合することができる大きさである。薄厚部材６は、段差形状部６１で圧電振動子５と嵌合した状態で、例えばシリコーン接着剤やエポキシ接着剤などによって、圧電振動子５（振動板５２）に接着される。これにより、薄厚部材６は、図４（ｂ）に示すように、振動板５２と結合して、圧電振動子５の周囲に設けられる。上記のように薄厚部材６に段差形状部６１が形成されていることによって、圧電振動子５が薄厚部材６に確実に取り付けられ、取付位置も一定にすることができる。
【００２８】
薄厚部材６には、図１に示すように、外周方向に複数（図示例では３つ）の谷部６２１，６２１，６２１および複数（図示例では２つ）の山部６２２，６２２を含むコルゲーション６２が環状に形成されている。薄厚部材６は、コルゲーション６２によって外周方向に伸縮する蛇腹構造であり、圧電振動子５を弾性的に保持する。コルゲーション６２としては、谷部６２１と山部６２２が交互に形成されていてもよいし、谷部６２１のみが連続して形成されていてもよいし、山部６２２のみが連続して形成されていてもよい。薄厚部材６がコルゲーション６２を有する構成のほうが、薄厚部材６がコルゲーション６２を有しない構成よりも、圧電振動子５の振動を大きくすることができるので、発電効率を高めることができる。
【００２９】
薄厚部材６の製造方法について一例を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、厚さが一定の樹脂フィルム９１を金型９２とゴム材９３との間に置き、金型９２を所定の温度に加熱する。金型９２はコルゲーション６２の形状に加工されている。その後、図５（ｂ）に示すように、樹脂フィルム９１を挟んで金型９２をゴム材９３に押圧する。その後、図５（ｃ）に示すように、金型９２を開いて樹脂フィルム９１を取り外す。樹脂フィルム９１には、金型９２の形状にしたがってコルゲーション６２が形成される。このようにコルゲーション６２が形成された樹脂フィルム９１が薄厚部材６となる。なお、上述の薄厚部材６の製造方法において、金型９２を加熱するのではなく、樹脂フィルム９１を加熱してもよい。また、上述の薄厚部材６の製造方法において、ゴム材９３に代えて、圧縮空気であってもよい。
【００３０】
なお、薄厚部材６は、樹脂フィルム９１に代えて、木材パルプを原材料とする紙であってもよいし、コウゾ、ミツマタ、竹などの非木材植物を原材料とする紙であってもよい。また、薄厚部材６は、不織布であってもよいし、不織布に接着剤を含浸して剛性を持たせた材料であってもよい。さらに、薄厚部材６は、ポリエステルにウレタンコートを施した材料であってもよいし、チタンやアルミニウムなどであってもよい。
【００３１】
図１に示す弾性体７は、例えば熱可塑性エラストマまたはポリウレタンフォームなどによって環状に形成された部材である。弾性体７は、後述の前面側支持体８１と薄厚部材６との間に設けられている。
【００３２】
支持部材８は、互いに嵌め合った状態で位置固定される前面側支持体８１および後面側支持体８２を備え、薄厚部材６の周囲に設けられている。前面側支持体８１は第１の支持体としての機能を有し、後面側支持体８２は第２の支持体としての機能を有している。
【００３３】
前面側支持体８１は、熱可塑性材料によって円筒状に形成された部材である。例えば、前面側支持体８１には難燃性ＡＢＳ樹脂が用いられている。前面側支持体８１は、床材１に接触して固定されて設けられている。前面側支持体８１は、弾性体７と同時成形（二色成形、ダブルモールド）によって形成される。これにより、前面側支持体８１の後面（挟持面）８１１に弾性体７が設けられる。
【００３４】
後面側支持体８２は、熱可塑性材料によって円筒状に形成された部材である。例えば、後面側支持体８２には難燃性ＡＢＳ樹脂が用いられている。後面側支持体８２の前面（挟持面）８２１には、凹所が形成されている。
【００３５】
上記のような構造の前面側支持体８１および後面側支持体８２に対して、後面側支持体８２の挟持面８２１に薄厚部材６の外周部が載置される。その後、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、前面側支持体８１の挟持面８１１と後面側支持体８２の挟持面８２１とが対向し、前面側支持体８１の挟持面８１１が後面側支持体８２の凹所に入り込むことによって、互いに嵌め合う。その後、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、互いに嵌め合った状態で位置固定される。前面側支持体８１および後面側支持体８２は、嵌め合った状態で位置固定されたときに前面側支持体８１および後面側支持体８２が嵌め合う部位で薄厚部材６の外周部を挟持して薄厚部材６を支持する。これにより、薄厚部材６が支持部材８に確実に取り付けられるので、支持部材８からの振動を薄厚部材６に伝達することができる。
【００３６】
なお、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６を挟持した状態で接着剤によって接着固定されてもよい。接着剤としては、粘性の低いシリコーン接着剤や可視光硬化性樹脂が用いられる。
【００３７】
このような構成の発電装置２は、支持部材８を介して床材１の振動が薄厚部材６および圧電振動子５に伝達して圧電振動子５が変形することによって発電する。
【００３８】
蓄電装置３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１と、蓄電池３２とを備え、蓄電池３２の充放電制御機能を有している。
【００３９】
ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、圧電振動子５の変形により発生した交流電圧（交流電力）を直流電圧（直流電力）に変換して蓄電池３２に供給する。床材１への振動は一定ではないから、圧電振動子５の振動ばらつきが大きくなる。つまり、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１の入力電圧は変動が大きくなる。このため、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、出力電圧の大きさを一定になるように調整している。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、充電に適した電圧を蓄電池３２に供給する。
【００４０】
蓄電池３２は、例えばニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池または鉛蓄電池などであり、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１で変換された直流電圧（直流電力）によって充電する。
【００４１】
次に、本実施形態に係る床装置の動作について図１を用いて説明する。まず、床装置の上を人が歩いた場合に、床材１が振動する。床材１の振動は、支持部材８に伝達され、さらに薄厚部材６に伝達される。薄厚部材６は、床材１に連動して振動する。薄厚部材６の振動は、圧電振動子５に伝達される。発電装置２は、圧電振動子５の振動により、発電する。その後、蓄電装置３において、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１が交流電圧を直流電圧に変換し、蓄電池３２が充電する。
【００４２】
上記の動作において、薄厚部材６にコルゲーション６２が形成されているので、薄厚部材６の振動が大きくなる。それに伴い、圧電振動子５の振動も大きくなる。その結果、発電装置２での発電効率を高めることができる。
【００４３】
図６は、本実施形態の振動体４を発音体として用いた場合の音圧レベル特性（図６の（１））を示す。振動体４の変位量と音圧レベルとには相関があり、音圧レベルが高くなるほど変位量も大きくなる。図６には、比較例として、薄厚部材にコルゲーションが形成されていない振動体（比較例１）の音圧レベル特性（図６の（２））と、薄厚部材６のない振動体（比較例２）の音圧レベル特性（図６の（３））とが示されている。本実施形態の振動体４は、直径３５ｍｍの圧電振動子５にドーナツ形状の薄厚部材６が接着されて直径５０ｍｍとした構成である。比較例１は、直径３５ｍｍの圧電振動子に、コルゲーションのない薄厚部材が接着されて直径５０ｍｍとした構成である。比較例２は、直径５０ｍｍの圧電振動子のみである。図６の音圧レベル特性は、これらの振動体に４０Ｖｐ−ｐの電圧を印加して、振動体から１ｍ前方の位置における音圧レベルを測定した結果である。本実施形態の振動体４は、図６（ｂ）に示すように、比較例１および比較例２に比べて、最大（３次共振付近）の音圧レベルが高くなっている。
【００４４】
これにより、本実施形態の振動体４の変位量は比較例１および比較例２よりも大きいといえるから、本実施形態の発電装置２では、発電量を多くすることができる。
【００４５】
以上の説明より、本実施形態の床装置では、圧電振動子５の周囲に設けられた薄厚部材６にコルゲーション６２が形成されることによって、薄厚部材６も反曲して圧電振動子５の変形（振動）を大きくすることができる。これにより、発電量を多くすることができ、発電効率を高めることができる。
【００４６】
本実施形態のように居室内での人の移動によって生じる振動を利用して発電する方式は、天候に左右されず、かつ、床材１の表面側から発電装置２が見えないので、デザイン性を損なうこともない。したがって、居住者が意識することなく、発電装置２で発電させることができる。
【００４７】
また、本実施形態の床装置によれば、圧電振動子５の変形によって発生した交流電圧を直流電圧に変換することによって、蓄電池３２への蓄電を容易に行うことができる。
【００４８】
さらに、本実施形態の床装置によれば、複数の圧電振動子５，５の各々の変形によって発生した電荷の合計を蓄電池３２に蓄電させることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００４９】
なお、本実施形態のコルゲーション６２としては、図７（ａ）（ｂ）に示すように谷部６２１と山部６２２の両方が形成されていてもよいし、図７（ｃ）に示すように谷部６２１のみが形成されていてもよいし、図７（ｄ）に示すように山部６２２のみが形成されていてもよい。
【００５０】
本実施形態の変形例として、薄厚部材６は、図８に示すように、円板状に形成された樹脂フィルム（円形樹脂フィルム）であってよい。本変形例においても、本実施形態と同様に、薄厚部材６は、振動板５２と結合して圧電振動子５の周囲に設けられる（図４（ｂ）参照）。
【００５１】
また、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６の外周部全体を挟持して薄厚部材６を支持するのではなく、薄厚部材６の外周部の一部を挟持して薄厚部材６を支持してもよい。例えば、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６の中心を挟んで対向する位置（２点）で薄厚部材６の外周部を挟持してもよいし、薄厚部材６の外周方向において１２０°ごとに離れた位置（３点）で薄厚部材６の外周部を挟持してもよい。また、前面側支持体８１および後面側支持体８２は、薄厚部材６の外周方向において９０°ごとに離れた位置（４点）で薄厚部材６の外周部を挟持してもよい。この場合、弾性体７としては、環状に形成された部材ではなく、挟持位置の大きさに応じた部材を用いればよい。なお、前面側支持体８１および後面側支持体８２が薄厚部材６を挟持する位置の数は、２点〜４点に限定されず、５点以上であってもよい。
【００５２】
本実施形態の変形例として、弾性体７は、前面側支持体８１と薄厚部材６との間ではなく、後面側支持体８２と薄厚部材６との間に設けられていてもよい。本変形例の床装置は、後面側支持体８２と弾性体７とが熱可塑性材料であって同時成形されることによって、後面側支持体８２と弾性体７とを一体にした構造を実現することができる。
【００５３】
また、弾性体７は、前面側支持体８１と薄厚部材６との間と、後面側支持体８２と薄厚部材６との間との両方に設けられていてもよい。つまり、床装置に２つの弾性体７が設けられていてもよい。この場合、前面側支持体８１と後面側支持体８２と弾性体７とが熱可塑性材料であって、前面側支持体８１と一方の弾性体７とが同時成形され、後面側支持体８２と他方の弾性体７とが同時成形される。これにより、前面側支持体８１と一方の弾性体７とを一体にした構造および後面側支持体８２と他方の弾性体７とを一体にした構造を実現することができる。
【００５４】
（実施形態２）
実施形態２に係る床装置は、薄厚部材６において、後述するような特定の位置にコルゲーション６２が形成されている点で、実施形態１に係る床装置と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
本実施形態の薄厚部材６は、図９に示すように、振動体４が共振するときの定在波の腹になる位置にコルゲーション６２が形成されている。なお、実施形態１の薄厚部材６と同様の機能については説明を省略する。
【００５６】
図１０は、振動体４の３次共振付近の周波数の振動に対して、薄厚部材６において腹になる位置にコルゲーション６２が形成されている場合（図１０の実線）と、薄厚部材６において腹以外の位置にコルゲーション６２が形成されている場合（図１０の破線）との変位特性を示す。
【００５７】
図９の変位特性では、薄厚部材６において腹になる位置にコルゲーション６２が形成されている場合のほうが、薄厚部材６の変位が大きいだけではなく、圧電振動子５の変位も大きくなっている。
【００５８】
以上、本実施形態の床装置によれば、振動体４が共振するときの定在波の腹になる位置にコルゲーション６２が形成されていることによって、圧電振動子５の変位をさらに大きくすることができるので、圧電効率をさらに高めることができる。
【００５９】
（実施形態３）
実施形態３に係る床装置は、図１１に示すように前面側支持体８１および後面側支持体８２の挟持面８１１，８２１がテーパ状に形成されている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
本実施形態の前面側支持体８１の挟持面８１１と後面側支持体８２の挟持面８２１は、傾斜してテーパ状に形成されている。つまり、前面側支持体８１および後面側支持体８２には、前面側支持体８１および後面側支持体８２が嵌め合う部位に、薄厚部材６の外周側から中心側に向けて傾斜する挟持面８１１，８２１が形成されている。水平面からの傾斜角（テーパ角）θ１は２°〜１０°が好ましい。さらに好ましい範囲は２°〜４°である。
【００６１】
本実施形態の薄厚部材６は、図１１の上方向に突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持される。つまり、薄厚部材６は、前面側支持体８１のテーパ状の挟持面８１１および後面側支持体８２のテーパ状の挟持面８２１で弾性体７とともに挟持されるので、外周側から中心側に向けて傾斜するいわゆるコーン型の形状になる。本実施形態では、薄厚部材６は、振動板５２において圧電体５１が設けられた面とは反対面の方向（図１１の上方向）へ突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持される。
【００６２】
図１２は、本実施形態の振動体４を発音体として用いた場合の音圧レベル特性を示す。振動体４の変位量と音圧レベルとには相関があり、音圧レベルが高くなるほど変位量も大きくなる。図１２には、傾斜角θ１が２°の場合（図１２の（１））と４°の場合（図１２の（２））と８°の場合（図１２の（３））とが示されているとともに、比較例として、薄厚部材６が傾斜していない場合（図１２の（４））とが示されている。本実施形態の振動体４は、直径３５ｍｍの圧電振動子５にドーナツ形状の薄厚部材６が接着されて直径５０ｍｍとした構成である。図１２の音圧レベル特性は、これらの振動体に４０Ｖｐ−ｐの電圧を印加して、振動体から１ｍ前方の位置における音圧レベルを測定した結果である。図１２より、薄厚部材６が傾斜しているほうが、薄厚部材６が傾斜していない場合に比べて、低周波領域での音圧レベルが高くなっている。
【００６３】
これにより、薄厚部材６が傾斜している振動体４の変位量は、薄厚部材６が傾斜していない振動体４よりも大きいといえるから、本実施形態の発電装置２では、発電量をさらに多くすることができる。
【００６４】
以上の説明より、本実施形態の床装置は、前面側支持体８１および後面側支持体８２にテーパ状の挟持面８１１，８２１が形成されることによって、薄厚部材６をコーン型の形状にすることができる。これにより、薄厚部材６が平面である場合に比べて、圧電振動子５の振動をさらに大きくすることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００６５】
（実施形態４）
実施形態４に係る床装置は、図１３に示すように薄厚部材６が突部６３，６４を備えている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
本実施形態の薄厚部材６は、前面側支持体８１および後面側支持体８２で挟持される部位に突部６３，６４を備えている。突部６３は、前面側支持体８１と対向する面（図１３の上面）に設けられ、突部６４は、後面側支持体８２と対向する面（図１３の下面）に設けられている。突部６３，６４は、薄厚部材６の他の部分と同じ材料である。なお、実施形態１の薄厚部材６（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００６７】
突部６３の先端面は薄厚部材６の内側の面６５に対して傾斜し、突部６４の先端面は薄厚部材６の内側の面６６に対して傾斜している。これにより、薄厚部材６は、前面側支持体８１および後面側支持体８２で挟持されたときに、外周側から中心側に向けて傾斜するいわゆるコーン型の形状になる。水平面からの傾斜角θ２は２°〜１０°が好ましい。さらに好ましい範囲は２°〜４°である。つまり、本実施形態の薄厚部材６は、振動板５２において圧電体５１が設けられた面とは反対面の方向（図１３の上方向）へ突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持されている。
【００６８】
以上の説明より、本実施形態の床装置は、先端面が内側の面６５，６６に対して傾斜する突部６３，６４を薄厚部材６に備え、突部６３，６４が設けられた部位を前面側支持体８１および後面側支持体８２が挟持することによって、薄厚部材６をコーン型の形状にすることができる。これにより、薄厚部材６が平面である場合に比べて、圧電振動子５の振動をさらに大きくすることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００６９】
（実施形態５）
実施形態５に係る床装置は、図１４に示すように前面側支持体８１および後面側支持体８２の挟持面８１１，８２１が凹凸に形成されている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
本実施形態の前面側支持体８１の挟持面８１１と後面側支持体８２の挟持面８２１は、互いに重ならない位置に凸部８１２，８２２が形成されている。つまり、薄厚部材６が外周側から中心側に向けて傾斜するように、前面側支持体８１および後面側支持体８２の嵌め合う部位は、薄厚部材６の中心と外周部とを結ぶ方向において、互いに異なる凹凸に形成されている。凸部８１２，８２２は、エラストマによって形成された部材である。後面側支持体８２の凸部８２２のほうが前面側支持体８１の凸部８１２に比べて内側に形成されることによって、薄厚部材６を上方（図１４（ｂ）の上方）に突出させることができる。
【００７１】
本実施形態の薄厚部材６は、前面側支持体８１の凸部８１２および後面側支持体８２の凸部８２２によって、前面側支持体８１と後面側支持体８２とで挟持された場合に外周側から中心側に向けて傾斜するいわゆるコーン型の形状になる。水平面からの傾斜角θ３は２°〜１０°が好ましい。さらに好ましい範囲は２°〜４°である。つまり、本実施形態の薄厚部材６は、振動板５２において圧電体５１が設けられた面とは反対面の方向（図１４（ｂ）の上方向）へ突出して前面側支持体８１および後面側支持体８２に挟持されている。なお、実施形態１の薄厚部材６と同様の機能については説明を省略する。
【００７２】
以上の説明より、本実施形態の床装置は、凸部８１２が形成された挟持面８１１と凸部８２２が形成された挟持面８２１とで薄厚部材６を挟持することによって、薄厚部材６をコーン型の形状にすることができる。これにより、薄厚部材６が平面である場合に比べて、圧電振動子５の振動をさらに大きくすることができるので、発電効率をさらに高めることができる。
【００７３】
なお、実施形態３〜５の弾性体７は、前面側支持体８１と薄厚部材６との間ではなく、後面側支持体８２と薄厚部材６との間に設けられていてもよい。
【００７４】
（実施形態６）
実施形態６に係る床装置は、図１５に示すように床材１に発電装置２が内蔵されている点で、実施形態１に係る床装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の床装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図１５は、床パネル（床材１、発電装置２）のみを図示し、蓄電装置３（図１参照）の図示を省略している。
【００７５】
本実施形態の床材１の内部には、図１５（ａ）に示すように、芯枠１１および複数の小角材１２，１２によって空洞１３が形成されている。なお、実施形態１の床材１（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の発電装置２は、図１５（ｂ）に示すように、床材１の空洞１３に内蔵されている。なお、実施形態１の発電装置２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７７】
以上、本実施形態の床装置によれば、デザイン性を損なわずに設置することができるので、圧電効率をさらに高めることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 床材
１３ 空洞
２ 発電装置
３ 蓄電装置
３１ ＡＣ／ＤＣコンバータ
３２ 蓄電池
４ 振動体
５ 圧電振動子
５１ 圧電体
５２ 振動板
６ 薄厚部材
６２ コルゲーション
６２１ 谷部
６２２ 山部
８ 支持部材
８１ 前面側支持体（第１の支持体）
８２ 後面側支持体（第２の支持体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置と、前記発電装置の発電によって充電する蓄電池を含む蓄電装置とを備え、
前記発電装置は、
圧電素子よりなる圧電体および前記圧電体より面積が広く当該圧電体に同心状に設けられた振動板を有する圧電振動子と、
前記振動板と結合して前記圧電振動子の周囲に設けられた薄厚部材と、
前記薄厚部材の外周部で当該薄厚部材を支持し、前記床材に接して設けられた支持部材とを含み、
前記支持部材を介して前記床材の振動が前記薄厚部材および前記圧電振動子に伝達して前記圧電振動子が変形することによって発電し、
前記薄厚部材は、外周方向に山部および谷部の少なくともいずれかを含むコルゲーションが環状に形成されている
ことを特徴とする床装置。
【請求項２】
前記蓄電装置は、前記圧電振動子の変形によって発生した交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電池に供給するＡＣ／ＤＣコンバータを含むことを特徴とする請求項１記載の床装置。
【請求項３】
１つの前記床材に対して前記発電装置が複数設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の床装置。
【請求項４】
前記薄厚部材は、前記圧電振動子と前記薄厚部材とからなる振動体が共振するときの定在波の腹になる位置に前記コルゲーションが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の床装置。
【請求項５】
前記支持部材は、互いに嵌め合った状態で位置固定される第１の支持体および第２の支持体を有し、前記第１の支持体および前記第２の支持体が位置固定されたときに当該第１の支持体および当該第２の支持体が嵌め合う部位で前記薄厚部材の外周部を挟持して当該薄厚部材を支持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の床装置。
【請求項６】
前記薄厚部材は、前記圧電振動子の振動方向に突出して前記第１の支持体および前記第２の支持体に挟持されることを特徴とする請求項５記載の床装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の床装置に用いられる床パネルであって、
床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置とを備え、
前記床材の内部には空洞が形成され、
前記発電装置は、前記床材の前記空洞に内蔵される
ことを特徴とする床パネル。
【請求項１】
床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置と、前記発電装置の発電によって充電する蓄電池を含む蓄電装置とを備え、
前記発電装置は、
圧電素子よりなる圧電体および前記圧電体より面積が広く当該圧電体に同心状に設けられた振動板を有する圧電振動子と、
前記振動板と結合して前記圧電振動子の周囲に設けられた薄厚部材と、
前記薄厚部材の外周部で当該薄厚部材を支持し、前記床材に接して設けられた支持部材とを含み、
前記支持部材を介して前記床材の振動が前記薄厚部材および前記圧電振動子に伝達して前記圧電振動子が変形することによって発電し、
前記薄厚部材は、外周方向に山部および谷部の少なくともいずれかを含むコルゲーションが環状に形成されている
ことを特徴とする床装置。
【請求項２】
前記蓄電装置は、前記圧電振動子の変形によって発生した交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電池に供給するＡＣ／ＤＣコンバータを含むことを特徴とする請求項１記載の床装置。
【請求項３】
１つの前記床材に対して前記発電装置が複数設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の床装置。
【請求項４】
前記薄厚部材は、前記圧電振動子と前記薄厚部材とからなる振動体が共振するときの定在波の腹になる位置に前記コルゲーションが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の床装置。
【請求項５】
前記支持部材は、互いに嵌め合った状態で位置固定される第１の支持体および第２の支持体を有し、前記第１の支持体および前記第２の支持体が位置固定されたときに当該第１の支持体および当該第２の支持体が嵌め合う部位で前記薄厚部材の外周部を挟持して当該薄厚部材を支持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の床装置。
【請求項６】
前記薄厚部材は、前記圧電振動子の振動方向に突出して前記第１の支持体および前記第２の支持体に挟持されることを特徴とする請求項５記載の床装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の床装置に用いられる床パネルであって、
床材と、前記床材の振動によって発電する発電装置とを備え、
前記床材の内部には空洞が形成され、
前記発電装置は、前記床材の前記空洞に内蔵される
ことを特徴とする床パネル。
【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】
【公開番号】特開２０１２−２２８０６９（Ｐ２０１２−２２８０６９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９３４４６（Ｐ２０１１−９３４４６）
【出願日】平成２３年４月１９日（２０１１．４．１９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１９日（２０１１．４．１９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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