発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システム
【課題】 発電力の高い発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システムを提供する。
【解決手段】 板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を一方主面側から押圧する押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えてなる発電部材１であって、支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３は圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する発電部材１である。人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによって、圧電セラミックス２ｂが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに、発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【解決手段】 板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を一方主面側から押圧する押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えてなる発電部材１であって、支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３は圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する発電部材１である。人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによって、圧電セラミックス２ｂが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに、発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車や電車の走行の際に生じる振動エネルギーを利用して発電する機能を有する発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２の排出を伴わないクリーンエネルギーとして、駅，空港などの公共施設やデパートなどの床，階段を人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーまたは道路，橋，駐車場もしくは線路を車や電車等が走行する際に生じる振動エネルギーを利用して、圧電セラミックスをひずませることにより発生した電圧を取り出して発電する発電システムが注目されている。
【０００３】
この発電システムは、圧電セラミックスを備える発電部材を用いた発電装置から構成されており、このような発電部材，発電装置および発電システムについて、いくつかの例が特許文献１〜３に提案されている。
【０００４】
特許文献１では、人，車両，または列車を含む移動物体が通過する通路に設置された圧電部材を備え、この圧電部材上を移動物体が通過することにより圧電部材にかかる圧力によって生じた電力を取り出す発電システムが提案されている。これによれば、駅構内等の既存の設備中に発電システムを構成することができ、電力の供給源は、人や車両の移動そのものであり、極めて効率的に電力を発生させることができるというものである。
【０００５】
また、特許文献２では、階段の踏み板および昇降口周辺の床に押圧発電素子を配置し、該押圧発電素子を充電装置と接続した発電装置が提案されている。これによれば、階段の上り下りの際に押圧発電素子を足で踏みつけることにより発電することができるとともに、長時間使用しても故障がほとんど発生しないため、実用上メンテナンスフリーの発電装置とすることができるというものである。
【０００６】
また、特許文献３では、建築用床板素材において圧電セラミックスを電極で挟んだ構造を有し、外部の加重圧力による発電機能を有する床板素材が提案されている。図１６は、特許文献３に記載されている圧電セラミックス材料の両端に金属電極を取り付けた圧電素子の斜視図である。また、図１７は、特許文献３に記載されている圧電素子を備えた床板素材を示す、（ａ）は基本構造の分解図であり、（ｂ）は床板素材の断面図である。
【０００７】
図１６に示す圧電素子２３は、円柱状に加工された圧電セラミックス２１の両端に蒸着等により金属電極２２が形成されている。そして、床板素材２０は、図１７（ａ）に床板素材２０の基本構造を示すように、電気的特性の高い支持材料２４の複数の孔に圧電素子２３を嵌め込み、金属電極２２と電気的に導通があるように上下を金属板２５で挟み、さらに、その上下を通常使用される床板材料２６で挟んでこれらが密着されている。そして、図１７（ｂ）の床板素材２０の断面図に示すように、この床板素材２０に人の体重等により圧力が加わると、圧電素子２３に圧力が伝わり、その両端に電圧が発生し、発生した電圧は上下の金属板２５を通して外部に取り出される。この床板素材２０を階段や廊下に敷設することにより、廊下の照明やエレベーターやエスカレーターの補助電力を供給することができるので、省エネルギーに寄与する建築材料となるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１９７７０４号公報
【特許文献２】特開平１１−３５３９１３号公報
【特許文献３】特開平５−３９６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の発電システムは、圧電部材を発電に用いることができるという性質に基づき、専用の施設の建設を必要としない画期的な発電システムではあるものの、高い電圧を取り出すための圧電部材の構成や効率的な発電方法について十分に開示されたものではなかった。
【００１０】
また、特許文献２に記載の発電装置も、押圧発電素子を足で踏みつけることにより発電することができるので、エネルギーを有効に利用することができる発電装置ではあるものの、押圧発電素子の押圧方法が充分に検討されたものではなく、必ずしも高い電力を得られるものではなかった。
【００１１】
また、特許文献３に記載の床板素材２０は、電圧を取り出して発電する方法が具体的に示されてはいるものの、圧電セラミックス２１が円柱状であるため、人の体重等により加わる圧力が床板材料２６および金属板２５を介して圧電素子２３に伝わったとしても、圧電セラミックス２１が十分にひずむことができず、高い電力を得られるものではなかった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、発電力の高い発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の発電部材は、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で平面状の押圧面により押圧することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の発電部材は、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で環状の押圧面により押圧することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の発電部材は、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の発電部材は、上記構成において、前記押圧部材は、前記支持部材より硬度が低い材料からなることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の発電部材は、上記いずれかの構成において、前記圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の発電部材は、上記いずれかの構成において、前記圧電セラミックスは、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むことを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の発電装置は、上記いずれかの構成の本発明の発電部材が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの前記押圧部材が板状の第１のカバー部材により保持され、それぞれの前記支持部材が板状の第２のカバー部材により保持されていることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の発電装置は、上記構成において、前記押圧部材が前記第１のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の発電装置は、上記構成において、前記支持部材が前記第２のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の発電システムは、上記いずれかの構成の本発明の発電装置と、ダイオードおよびコンデンサを含む回路を介して接続された直流交流変換装置とを備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の発電システムは、上記いずれかの構成の本発明の発電装置が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の発電部材によれば、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、支持部材は圧電素子の周辺部を支持し、押圧部材は圧電素子を支持部材の内側で平面状の押圧面により押圧することから、圧電セラミックスが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００２５】
また、本発明の発電部材によれば、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、支持部材は圧電素子の周辺部を支持し、押圧部材は圧電素子を支持部材の内側で環状の押圧面により押圧することから、圧電セラミックスが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。また、押圧部材の押圧面が環状であることにより、押圧面が平面状の押圧部材よりも重量を低減でき、押圧部材自体を環状の部材とすることもできることから１個の発電部材の重量を低減できるので、複数個の発電部材を面状に並べて配置される発電装置の軽量化を図ることができる。さらに、発電装置を軽量化できることによって、運搬作業の負担を軽減することができる。
【００２６】
また、本発明の発電部材によれば、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることから、発電部材同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電部材を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００２７】
また、本発明の発電部材によれば、押圧部材が支持部材より硬度が低い材料からなるときには、人の歩行の際に生じる大きな圧力エネルギーや車等の走行の際に生じる大きな振動エネルギーが発電部材にかかっても、押圧部材は大きな圧力や振動によるエネルギーを吸収して緩和し、支持部材は圧電素子の過度の変形を抑制して支持することができるので、圧電素子を構成する圧電セラミックスが割れるのを抑制することができる。
【００２８】
また、本発明の発電部材によれば、圧電セラミックスがチタン酸ジルコン酸鉛からなるときには、発電量に影響する特性の一つである強誘電性が高いので、より高い電力を得ることができる。
【００２９】
また、本発明の発電部材によれば、圧電セラミックスがニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むときには、−４０〜＋１５０℃の温度範囲における共振周波数，反共振周波数および圧電定数ｇ３３の温度変化率に起因する、低温側の強誘電相から高温側の強誘電相に相変態する第２次相転移といわれる不連続部が発生しにくくなるため、圧電特性を安定させることができる。併せて、鉛を含まない組成とすることができるため、環境に優しい発電部材とすることができる。
【００３０】
また、本発明の発電装置によれば、本発明の発電部材が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの押圧部材が板状の第１のカバー部材により保持され、それぞれの支持部材が板状の第２のカバー部材により保持されているときには、人の歩行の際に生じる圧力エネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーを効率よく利用して発電することができる。また、押圧部材および支持部材は、それぞれ第１のカバー部材および第２のカバー部材により保持されて、圧力や振動によるエネルギーが特定の発電部材に伝わるのではなく複数の発電部材に分散して伝わるので、発電部材は損傷しにくくなり、長期間にわたって使用することができる。
【００３１】
また、本発明の発電装置によれば、押圧部材が第１のカバー部材と一体に形成されているときには、押圧部材と第１のカバー部材とが単に接しているのではなく一体に形成されているので、圧電素子と押圧部材との相対的な位置関係が変わることはない。また、押圧部材と第１のカバー部材とが接合あるいは結合されているときと比べて、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用した発電を繰り返しても、接着が剥がれたりネジ等の結合部材が緩んだりすることがないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。
【００３２】
また、本発明の発電装置によれば、支持部材が前記第２のカバー部材と一体に形成されているときには、圧電素子と支持部材との相対的な位置関係が変わることはないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。また、支持部材と第２のカバー部材とが一体に形成されていることにより、接合または結合工程を削減することができる。
【００３３】
また、本発明の発電システムによれば、本発明の発電装置と、ダイオードおよびコンデンサを含む回路を介して接続された直流交流変換装置とを備えているときには、人の歩行の際に生じる圧力エネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーによって、第１のカバー部材により保持された平面状の押圧面を有する押圧部材や環状の押圧面を有する押圧部材、ひいては環状の押圧部材で圧電素子が押圧され、第２のカバー部材により保持された支持部材は圧電素子の周辺部を支持しているので、圧電セラミックスが十分に撓んでひずみ、このひずみにより発生した電圧は、ダイオードを通ってコンデンサに電荷として蓄積され、この蓄積された電荷を取り出し、直流交流変換装置によって交流電流に変換することによって、電力として用いることができる。また、本発明の発電システムに備えられる発電装置において、発電装置の平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であれば、その形状の発電装置同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電装置を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。なお、このときの複数個の発電装置は、平面視した形状が全て同じ形状である必要はなく、組み合わせて面状に密に並べて配置することができれば、異なる形状の発電装置であってもよいものである。
【００３４】
また、本発明の発電システムによれば、本発明の発電装置が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されているときには、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用して発電することができるので、省エネルギー対策として有効であるとともに、ＣＯ２排出を伴わないクリーンな発電システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図２】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図３】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図４】本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図５】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図６】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図７】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＧ−Ｇ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図８】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＨ−Ｈ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図９】本発明の発電部材の配置の一例を示す、（ａ）は三角形状の組み合わせ，（ｂ）は四角形状の組み合わせ，（ｃ）は六角形状と三角形状との組み合わせ，（ｄ）は八角形状と四角形状との組み合わせの模式図である。
【図１０】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＶ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＪ−Ｊ’線での断面図である。
【図１１】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＷ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＫ−Ｋ’線での断面図である。
【図１２】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＬ−Ｌ’線での断面図である。
【図１３】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＹ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＭ−Ｍ’線での断面図である。
【図１４】本発明の発電装置を用いた発電システムの実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【図１５】本発明の発電装置を用いた発電システムの実施の形態の他の例を示す概略構成図である。
【図１６】従来の圧電セラミック材料の両端に金属電極を取り付けた圧電素子の斜視図である。
【図１７】従来の圧電素子を備えた床板素材を示す、（ａ）は基本構造の分解図であり、（ｂ）は床板素材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システムの実施の形態の例について説明する。
図１は、本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００３７】
図１に示す例の発電部材１は、板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を一方主面側から押圧する押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えてなる発電部材１である。
【００３８】
この圧電素子２を構成する圧電セラミックス２ｂは、円形で板状の圧電性を示すセラミックスであり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸鉛（ＰＴ），チタン酸バリウム（ＢＴ），ビスマス（Ｂｉ）層状化合物，タングステンブロンズ化合物またはニオブ（Ｎｂ）酸アルカリ化合物等のペロブスカイト構造を示す化合物のいずれかで形成すればよい。
【００３９】
また、電極２ａは、圧電セラミックス２ｂの一方主面に形成された円形の層状電極であり、電極２ｃは、圧電セラミックス２ｂの他方主面に形成された円形の板状電極である。このように、電極２ｃが円形の板状電極であることにより、電極２ａが形成された圧電セラミックス２ｂを保持する機能を有することもできる。この電極２ａ，２ｃの材料としては、電気伝導性の高い金，銀，銅，黄銅およびパラジウムから選ばれる少なくとも１種から形成することが好適である。
【００４０】
また、押圧部材３は、圧電素子２が壊れないように圧電素子２を押圧し、支持部材４は、圧電素子２が壊れないように圧電素子２を支持しなければならないため、可撓性を有する材料、例えば、ＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼、３０００系，５０００系等のアルミニウム合金、ゴム、樹脂、カーボンナノチューブおよび炭素繊維系材料から選ばれる少なくとも１種から形成すればよい。
【００４１】
なお、押圧部材３の押圧面の形状は、平面状であることが重要である。押圧部材３の押圧面の形状が半球状や曲面状であれば、押圧された圧電セラミックス２ｂの中心では負のひずみが生じ、中心から外周へと向かう径方向に進むにつれて、ひずみの符号が反転し、圧電セラミックス２ｂの外周では正のひずみが生じることとなり、正負のひずみの存在によって発生する電荷の相殺が生じて、取り出せる電圧が小さくなる。これに対し、押圧部材３の押圧面の形状が平面状であれば、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。
【００４２】
また、支持部材４は、圧電素子２の周辺部を支持していることが重要であり、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持することにより、圧電セラミックス２ｂを十分に撓ませることができるので、大きなひずみを得ることができる。このように、支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３は圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する発電部材１であることにより、人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによって、図１（ｃ）に示すように、圧電セラミックス２ｂが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００４３】
図２は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００４４】
図２に示す例の発電部材１は、圧電素子２の主面が段差なく平面となるように電極２ａを形成してあるので、押圧部材３の押圧面を広げることができる。このように、圧電素子２の主面を平面とし、押圧部材３の押圧面を広げた構成の発電部材１であることによって、図１に示す例の発電部材１よりも、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。
【００４５】
図３は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００４６】
図３に示す例の発電部材１は、板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に層状の電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を保持する保持部材５と、圧電素子２を一方主面側から押圧する押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えている。このような構成として、電圧を取り出して発電させることも可能である。
【００４７】
保持部材５は、電気伝導性の高い金，銀，銅，黄銅，パラジウム，ＳＵＳ（ステンレス鋼），りん青銅，チタン銅，無酸素銅，タフピッチ銅およびりん脱酸銅から選ばれる１種で形成することが好適である。
【００４８】
図４は、本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００４９】
図４に示す例の発電部材１は、押圧部材３の押圧面が環状であり、ひいては押圧部材３自体が環状であること以外の発電部材１の構成等については図１を用いて説明した内容と同じであるため、重複する説明は省略する。図４（ａ）および（ｂ）に示す例のように、支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３が圧電素子２を支持部材４の内側で環状の押圧面により押圧する発電部材１であることにより、人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによって、図４（ｃ）に示すように、圧電セラミックス２ｂが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに、発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００５０】
ところで、押圧面の形状が半球状や曲面状である押圧部材３を用いて圧電素子２の中心近傍を押圧すれば、押圧された圧電セラミックス２ｂの中心では負のひずみが生じ、中心から外周へと向かう径方向に進むにつれて、ひずみの符号が反転し、圧電セラミックス２ｂの外周では正のひずみが生じることとなり、正負のひずみの存在によって発生する電荷の相殺が生じて、取り出せる電圧が小さくなる。これに対し、押圧部材３の押圧面が環状であれば、圧電素子２の中心近傍が押圧されることはなく、圧電素子２の外周側が押圧されることとなり、ひずみの符号の反転する位置が圧電素子２の外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。なお、押圧部材３の環状の押圧面については、圧電素子２の中心近傍を押圧せず、圧電素子２を支持部材４の内側で押圧するものであればよい。
【００５１】
また、発電部材１を構成する押圧部材３の押圧面が環状であれば押圧面が平面状のものに比べて重量を低減でき、ひいては押圧部材３が環状であることにより、１個の発電部材１の重量を低減できるので、発電部材１を複数個面状に並べて配置される発電装置の軽量化を図ることができる。さらに、発電装置を軽量化できることによって、発電装置の運搬作業の負担を軽減することができる。環状の押圧面を有する押圧部材３としては、本例のように押圧部材３の全体が環状となっているものに限られるものではなく、押圧面側の中央部に凹部を有して押圧面が環状となっているものであってもよいものであり、その場合にも少なくとも凹部の分について軽量化を図ることができる。
【００５２】
図５は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００５３】
図５に示す例の発電部材１は、圧電素子２の主面が段差なく平面となるように電極２ａを形成してあるので、環状の押圧面を有する押圧部材３である環状の押圧部材３の径を大きくして押圧する位置をより圧電素子２の外周側へとずらすことができる。このように、圧電素子２の主面を平面とし、環状の押圧面を有する環状の押圧部材３について押圧面の径を大きくして押圧する位置を圧電素子２の外周側へとずらすことによって、図４に示す例の発電部材１よりも、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。
【００５４】
図６は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００５５】
図６に示す例の発電部材１は、板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に層状の電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を保持する保持部材５と、圧電素子２を一方主面側から押圧する環状の押圧面を有する押圧部材３である環状の押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えている。このような構成として、電圧を取り出して発電させることも可能である。保持部材５は、電気伝導性の高い金，銀，銅，黄銅，パラジウム，ＳＵＳ（ステンレス鋼），リン青銅，チタン銅，無酸素銅，タフピッチ銅およびりん脱酸銅から選ばれる１種から形成することが好適である。
【００５６】
なお、本発明の実施の形態の例である図１〜図６に示す例においては、押圧部材３，圧電素子２，保持部材５および支持部材４を平面視したときの外形の形状が円形状のものを組み合わせた例を示したが、以下の形状の組み合わせであってもよい。
【００５７】
図７は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＧ−Ｇ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００５８】
図７に示す例の発電部材１は、押圧部材３の形状が平面視して円形状であり、圧電素子２および保持部材５の形状が平面視してそれぞれ四角形状である。
【００５９】
なお、圧電素子２の平面視した形状を四角形状などの多角形状としたときには、特に圧電素子２を構成する圧電セラミックス２ｂの図７（ａ）中に破線の円で示した各角部の形状が平面視して円弧状となっている、すなわち角部が丸められていることが好ましい。これにより、発電部材１の上を人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによる応力の局部的な集中を緩和させて、圧電セラミックス２ｂや保持部材５の破損を抑制することができる。
【００６０】
図８は、本発明の発電部材の実施の形態のさらに他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＨ−Ｈ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００６１】
図８に示す例の発電部材１は、押圧部材３，圧電素子２および保持部材５の形状が平面視して四角形状のものを組み合わせた例である。
【００６２】
このように、押圧部材３，圧電素子２および保持部材５を平面視したときの形状が同じであれば、それぞれの部材の位置合わせが容易となり、製造コストの低減を図ることができる。また、加わる圧力や生じる応力を平面視して対称な分布としやすく、発電の偏りを抑制して効率を向上させることができ、部分的な破壊の発生を抑制して耐久性を向上させることもできる。なお、この他にも、これらの部材の形状が、三角形状，六角形状または八角形状であったり、これらの形状のものの組み合わせであったりしてもよいことはいうまでもない。
【００６３】
図９は、本発明の発電部材の配置の一例を示す、（ａ）は形状が三角形状のものの組み合わせ，（ｂ）は形状が四角形状のものの組み合わせ，（ｃ）は形状が六角形状のものと三角形状のものとの組み合わせ，（ｄ）は形状が八角形状のものと四角形状のものとの組み合わせの模式図である。
【００６４】
なお、図９においては、（ａ）〜（ｄ）の各模式図の左上の発電部材１にのみ、保持部材５，圧電素子２および押圧部材３を示し、他については、記載を省略している。そして、図９（ａ）〜（ｄ）の模式図に示すように、本発明の発電部材１の形状は平面視して三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることが好ましい。
【００６５】
ここで、本発明における発電部材１の平面視した形状とは、図９に示す例においては平面視したときの外形の形状が最も大きい部位となる保持部材５の形状が該当し、保持部材５を有していない図１や図２に示す発電部材１のように、電極２ｃが板状電極であり、電極２ｃが電極２ａの形成された圧電セラミックス２ｂを保持する機能を有しているときには、電極２ｃの形状が該当する。
【００６６】
そして、図９（ａ），（ｂ）の模式図に示すように、発電部材１の形状が平面視して三角形状の組み合わせや四角形状の組み合わせであったり、図９（ｃ），（ｄ）の模式図に示すように、発電部材１の形状が平面視して六角形状と三角形状との組み合わせや八角形状と四角形状との組み合わせであったりすれば、発電部材１同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電部材１を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００６７】
また、本発明の発電部材１によれば、押圧部材３は、支持部材４より硬度が低い材料であることが望ましい。押圧部材３が支持部材４より硬度が低い材料であれば、人の歩行の際に生じる大きな圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる大きな振動エネルギーによって大きな圧力または振動エネルギーが発電部材１にかかったとしても、押圧部材３は大きな圧力または振動エネルギーを吸収して緩和し、支持部材４は圧電素子２の過度の変形を抑制して支持することができるので、圧電素子２を構成する圧電セラミックス２ｂが割れるのを抑制することができる。
【００６８】
具体的には、押圧部材３がゴム，樹脂，カーボンナノチューブおよび炭素繊維系材料から選ばれる少なくとも１種からなり、支持部材４がＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼や３０００系，５０００系等のアルミニウム合金等の金属から選ばれる少なくとも１種からなる組み合わせが好適である。また、押圧部材３および支持部材４がともにゴムからなる場合には、押圧部材３および支持部材４間のＩＳＯ ７６１９−２００４に準拠する硬度の差は、Ａ５／１５／Ｓ以上であることが好適である。
【００６９】
また、本発明の発電部材１によれば、圧電セラミックス２ｂはチタン酸ジルコン酸鉛からなることが好適である。チタン酸ジルコン酸鉛は、発電量に影響する特性の一つである強誘電性が高く、圧電セラミックス２ｂがチタン酸ジルコン酸鉛からなるときには、より高い電力を得ることができるからである。
【００７０】
強誘電特性の高いチタン酸ジルコン酸鉛としては、特に、圧電定数ｄ３１が大きい材料、一例として、組成式がＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３ −Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３で表される成分を主成分とし、ビスマス（Ｂｉ）および鉄（Ｆｅ）をＢｉＦｅＯ３に換算して５質量％以上１５質量％以下の範囲で含むセラミックス、他の例として組成式がＰｂ１−ｘ−ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒｃＴｉ１−ａ−ｂ−ｃＯ３で表され、ｘ，ｙ，ａ，ｂ，ｃのモル比が、０≦ｘ≦０．１２，０≦ｙ≦０．１２，０＜ｘ＋ｙ，０．０５≦ａ≦０．１２，０≦ｂ≦０．０１５および０．４３≦ｃ≦０．５２を満足する成分１００質量部に、等モル比からなるＰｂＯおよびＮｂ２Ｏ５を合計で０．２〜１．２質量部含有してなる主成分に対し、マグネシウム（Ｍｇ）を０．６モル％未満の範囲で含むセラミックス、さらに他の例として組成式が（Ｐｂ（１−ｘ）Ａｘ）ｚ（Ｚｒ（１−ｙ）Ｔｉｙ）Ｏ３で表され、ＡはＢａ、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも１種からなり、ｘ，ｙ，ｚのモル比が０．０１≦ｘ≦０．１０，０．４３≦ｙ≦０．５０，０．９８≦ｚ≦１．０７を満足する成分１００質量部に、ＮｂをＮｂ２Ｏ５として０．０５〜２質量部およびＺｎをＺｎＯとして０．０１〜０．５質量部含むセラミックスであることが好適である。
【００７１】
また、圧電定数ｄ３３が大きい材料であってもよく、一例として、組成式がＰｂ１―ｘ−ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａＺｒｂＴｉ１−ａ−ｂＯ３で表され、ｘ，ｙ，ａ，ｂで示すモル比が０≦ｘ≦０．１４，０≦ｙ≦０．１４，０．０４≦ｘ＋ｙ，０．０１≦ａ≦０．１２および０．４３≦ｂ≦０．５８を満足するセラミックスであることが好適である。ｘ，ｙ，ａ，ｂで示すモル比がこの範囲にあると、荷重を繰り返して与えても圧電定数ｄ３３の減衰率を極めて小さくすることができるからである。
【００７２】
また、本発明の発電部材１によれば、圧電セラミックス２ｂは、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含む組成とすることが好適である。圧電セラミックス２ｂが、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むときには、−４０〜＋１５０℃の温度範囲における共振周波数，反共振周波数および圧電定数ｇ３３の温度変化率に起因する、低温側の強誘電相から高温側の強誘電相に相変態する第２次相転移といわれる不連続部が発生しにくくなるため、圧電特性を安定させることができる。併せて、鉛を含まない組成とすることができるため、環境に優しい発電部材１とすることができる。
なお、圧電セラミックス２ｂにおける主成分とは、圧電セラミックス２ｂを構成する全成分１００質量％のうち、５０質量％以上を占める成分である。
【００７３】
図１０は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＶ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＪ−Ｊ’線での断面図である。
【００７４】
図１０に示す例の発電装置６は、発電部材１が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの押圧部材３が板状の第１のカバー部材７により保持され、それぞれ支持部材４が板状の第２のカバー部材８により保持されている。なお、押圧部材３および支持部材４の保持は、それぞれ第１のカバー部材７，第２のカバー部材８に接着剤またはネジ等の結合部材を用いて、接合または結合されていることが好ましい。
【００７５】
図１０に示す例の発電装置６は、第１のカバー部材７および第２のカバー部材８により押圧部材３および支持部材４が保持され、発電力の高い本発明の発電部材１が複数個面状に並べて配置されていることにより、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる圧力のエネルギーや振動エネルギーを効率よく利用して発電することができる。また、押圧部材３および支持部材４は、それぞれ第１のカバー部材７および第２のカバー部材８により保持されて、振動エネルギーが特定の発電部材１に伝わるのではなく複数の発電部材１に分散して伝わるので、発電部材１は損傷しにくくなり、長期間にわたって使用することができる。
【００７６】
また、本発明の発電装置６を構成する本発明の発電部材１が、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であるときには、それらを組み合わせて発電部材１を複数個面状に密に並べて配置することができるので、発電装置６の上を通行する人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる圧力のエネルギーや振動エネルギーを効率よく利用して発電することができる。また、複数個の発電部材１からなる発電装置６についても、平面視した形状を三角形状，四角形状，六角形状または八角形状など様々な形状とすることができ、同様にそれらを組み合わせて複数個面状に密に並べて配置することができる。
【００７７】
図１１は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＷ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＫ−Ｋ’線での断面図である。
【００７８】
図１１に示す例の発電装置６は、発電部材１を構成する押圧部材３，圧電素子２などの平面視した形状が四角形状であり、それら発電部材１が複数個面状に密に並べて配置されて、それぞれの押圧部材３が板状の第１のカバー部材７により保持され、それぞれ支持部材４が板状の第２のカバー部材８により保持されている。なお、第１および第２のカバー部材７，８は平面視した形状が四角形状であるが、発電部材１の平面視した形状を三角形状，四角形状，六角形状もしくは八角形状、またはこれらの組み合わせとすることによって、発電部材１同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で複数個面状に密に並べて発電部材１を配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができるとともに、発電装置６を様々な形状とすることができる。
【００７９】
図１２は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＬ−Ｌ’線での断面図である。
【００８０】
図１２に示す例の発電装置６では、押圧部材３が第１のカバー部材７と一体に形成されており、押圧部材３と第１のカバー部材７とが単に接しているのではなく一体に形成されているので、圧電素子２と押圧部材３との相対的な位置関係が変わることはない。また、押圧部材３と第１のカバー部材７とが接合あるいは結合されているときと比べて、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用した発電を繰り返しても、接着が剥がれたりネジ等の結合部材が緩んだりすることがないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。
【００８１】
図１３は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＹ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＭ−Ｍ’線での断面図である。
【００８２】
図１３に示す例の発電装置６では、支持部材４が第２のカバー部材８と一体に形成されており、支持部材４と第２のカバー部材８とが単に接しているのではなく一体に形成されているので、圧電素子２と支持部材４との相対的な位置関係が変わることはない。また、支持部材４と第１のカバー部材７とが接合あるいは結合されているときと比べて、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用した発電を繰り返しても、接着が剥がれたりネジ等の結合部材が緩んだりすることがないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。さらに、支持部材４と第２のカバー部材８とが一体に形成されていることにより、接合または結合工程を削減することができる。
【００８３】
また、第１のカバー部材７と一体に形成された押圧部材３と、第２のカバー部材８と一体に形成された支持部材４と、圧電素子２とからなる発電装置６であれば、上記同様の効果を得ることができて好適である。さらに、図１２，１３に示す例においては、個々の押圧部材３および支持部材４と一体に形成された第１のカバー部材７および第２のカバー部材８を示したが、複数の押圧部材３および支持部材４と一体に形成しても好適である。
【００８４】
図１４および図１５は、本発明の発電装置を用いた発電システムの実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【００８５】
図１４および図１５に示す例の発電システム９は、本発明の発電装置６と、ダイオード１０ａ，１０ｂおよびコンデンサ１１を含む回路を介して接続された直流交流変換装置１２とを備えた発電システムである。なお、図１４には、本発明の発電装置６を構成する発電部材１の押圧部材３が平面状の押圧面を有しているものを示し、図１５には、環状の押圧面を有している押圧部材３を示している。
【００８６】
この発電システム９では、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーによって、第１のカバー部材７により保持された平面状の押圧面を有する押圧部材３や環状の押圧面を有する押圧部材３が圧電素子２を押圧し、第２のカバー部材８により保持された支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持していることによって、圧電セラミックス２ｂがひずみ、このひずみにより発生した電圧は、ダイオード１０ａを通ってコンデンサ１１に電荷として蓄積される。そして、ダイオード１０ｂを通してコンデンサ１１に蓄積された電荷を取り出して、直流交流変換装置１２によって交流電流に変換し、電力として取り出すことができる。
【００８７】
そして、本発明の発電装置６が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されている本発明の発電システム９であれば、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用して発電することができるので、省エネルギー対策として有効であるとともに、ＣＯ２排出を伴わないクリーンな発電システムとすることができる。
【００８８】
また、本発明の発電システム９に備えられる本発明の発電装置６は、発電装置６の平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であれば、発電装置６同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電装置６を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。さらに、第１のカバー部材７の色を異ならせたり、様々な形状の発電装置６を組み合わせたりすることによって、装飾性の優れた発電システム９とすることもできる。
【００８９】
次に、本発明の発電部材の製造方法の一例を説明する。
まず、圧電セラミックス２ｂがチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の例について説明する。出発原料として酸化鉛（Ｐｂ３Ｏ４），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２），酸化チタン（ＴｉＯ２），炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３），炭酸バリウム（ＢａＣＯ３），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３），酸化ニッケル（ＮｉＯ）および酸化テルル（ＴｅＯ２）の各粉末を秤量混合して調合原料とし、この調合原料を溶媒である水とともにボールミルに入れて、混合粉砕を２０時間以上３０時間以下行なってスラリーを得る。なお、ボールミルの混合粉砕では、ジルコニアを主成分とするボールを用いればよい。また、出発原料には、必要に応じて上記出発原料に加え、酸化鉛（ＰｂＯ）および酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ５）を秤量混合して用いてもよい。
【００９０】
そして、得られたスラリーを脱水し乾燥させた後に、大気雰囲気中で温度を８５０℃以上９００℃以下とし、保持時間を１時間以上３時間以下として仮焼することにより仮焼粉体を得る。次に、得られた仮焼粉体に対してマグネシウム（Ｍｇ）の含有量が０．６モル％以下となるように、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）の粉末を所定量加えて粉砕混合して混合粉体を得る。この混合粉体からスラリーを作製してテープ成形法もしくは押出成形法にて円板状，三角形状，四角形状，六角形状または八角形状などの所定形状の成形体を得るか、または混合粉体から作製したスラリーを噴霧乾燥法により顆粒を作製し、乾式加圧成形法にて所定形状の成形体を形成すればよい。この成形体を大気雰囲気中または酸素雰囲気中にて１１００℃以上１３００℃以下で焼成することによって、焼結体である圧電セラミックス２ｂを得ることができる。
【００９１】
そして、得られたスラリーを脱水し乾燥させた後に、大気雰囲気中で温度を８５０℃以上９００℃以下とし、保持時間を１時間以上３時間以下として仮焼することにより、組成式がＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３ −Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３で表される成分を主成分とする仮焼粉体を得る。次に、得られた仮焼粉体に酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の各粉末を所定量加えて混合して混合粉体とし、この混合粉体からスラリーを作製してテープ成形法もしくは押出成形法にて所定形状の成形体を得るか、または混合粉体から作製したスラリーを噴霧乾燥法により顆粒を作製し、乾式加圧成形法にて所定形状の成形体を形成すればよい。この成形体を大気雰囲気中または酸素雰囲気中にて１０００℃以上１１００℃以下で焼成することによって、圧電セラミックス２ｂを得ることができる。
【００９２】
さらに、圧電セラミックス２ｂがニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含む場合について説明する。出発原料として、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３），炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３），炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３），炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３），酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５），酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の各粉末を秤量混合して調合原料とする。ここで、圧電セラミックス２ｂは、例えば、組成式が（１−ａ−ｂ）（ＫｘＮａｙＬｉ１−ｘ−ｙ）ＮｂＯ３＋ａＣａＴｉＯ３＋ｂＢｉＦｅＯ３であって、ｘ，ｙ，ａ，ｂ，ｃのモル比が、０＜ａ≦０．１６，０＜ｂ≦０．１，０≦ｘ≦０．１９，および０．７９＜ｙ＜１を満足するように秤量すればよい。
【００９３】
次に、この調合原料を溶媒である２−プロパノール（イソプロパノール）とともにボールミルに入れて、混合粉砕を１５時間以上２５時間以下行なってスラリーを得る。なお、ボールミルの混合粉砕では、ジルコニアを主成分とするボールを用いればよい。
【００９４】
そして、得られたスラリーを脱水し乾燥させた後に、大気雰囲気中にて９００℃以上１０００℃以下で３時間仮焼し、仮焼粉体とする。その後、この仮焼粉体を再度ボールミルで粉砕し、この仮焼粉体にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等のバインダを添加してスラリーとし、噴霧乾燥法により乾燥させて顆粒とする。
【００９５】
次に、得られた顆粒を乾式加圧成形法により２００ＭＰａの圧力で、所定形状の成形体を作製し、得られた成形体を必要に応じて脱脂した後、大気雰囲気中にて例えば１０００℃以上１２５０℃以下で焼成することによって、圧電セラミックス２ｂを得ることができる。
【００９６】
そして、上述のいずれかの製造方法で得られた圧電セラミックス２ｂの一方主面に電気伝導性の高い、例えば金，銀，銅およびパラジウムから選ばれる少なくとも１種からなるペーストをスクリーン印刷法，ディッピング法などの周知の方法により塗布し、加熱処理を施して電極２ａを形成する。次に、圧電セラミックス２ｂの他方主面に黄銅からなる板状体を例えばエポキシ系接着剤等の接着剤により接着して電極２ｃを形成した後、温度が７０℃以上９０℃以下のシリコンオイル中にて１０分以上３０分以下で３ｋＶ／ｍｍ以上７ｋＶ／ｍｍ以下の直流電界を印加して、電極２ｃがマイナス、電極２ａがプラスとなるように分極処理を施すことにより、図１，図２，図４または図５に示す例の圧電素子２を得ることができる。
【００９７】
あるいは、上述のいずれかの製造方法で得られた圧電セラミックス２ｂの両主面に電気伝導性の高い、例えば金，銀，銅およびパラジウムから選ばれる少なくとも１種からなるペーストをスクリーン印刷法，ディッピング法などの周知の方法により塗布し、加熱処理を施して電極２ａ，２ｃを形成した後、温度が７０℃以上９０℃以下のシリコンオイル中にて１０分以上３０分以下で３ｋＶ／ｍｍ以上７ｋＶ／ｍｍ以下の直流電界を印加して、電極２ｃがマイナス、電極２ａがプラスとなるように分極処理を施してもよい。分極処理を施した後、高い電気伝導性を有する黄銅からなる保持部材５にアクリル樹脂系接着剤で接着することにより、図３，図６，図７または図８に示す例の圧電素子２を得ることができる。
【００９８】
そして、上述のいずれかの方法で得られた圧電素子２と、圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４と、支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３または環状の押圧面により押圧する押圧部材３とを所定の位置に配置することで、本発明の発電部材１を得ることができる。
【００９９】
また、本発明の発電部材１を複数個面状に並べて配置し、それぞれの押圧部材３を板状の第１のカバー部材７により保持し、それぞれの支持部材４を板状の第２のカバー部材８により保持することで、本発明の発電装置６を得ることができる。
【０１００】
なお、第１および第２のカバー部材７，８を平面視した形状が、三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であるときには、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状の発電部材１を作製して組み合わせることによって対応することができる。
【０１０１】
また、本発明の発電装置６に、ダイオード１０ａ，１０ｂおよびコンデンサ１１を含む回路を介して直流交流変換装置１２を接続することで、本発明の発電システム９を得ることができる。
【０１０２】
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【０１０３】
まず、直径が２５ｍｍで厚さが０．２５ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電セラミックス２ｂの両主面に、主成分が銀からなる層状の電極２ａを形成した。次に、９０℃のシリコンオイル中で５ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０分間印加して、電極２ｃがマイナスとなり、電極２ａがプラスとなるように分極処理を施し、直径が３５ｍｍで厚さが０．３ｍｍの黄銅からなる円形の板状電極である電極２ｃにアクリル樹脂系接着剤を用いて接着し、図１に示す圧電素子２を形成した。
【０１０４】
次に、圧電素子２の一方主面側を押圧する押圧部材として、押圧面が球面状の押圧部材と、押圧面が平面状および環状の押圧部材３とを用意した。また、圧電素子２の他方主面側で支持する支持部材として、圧電素子２の全面を支持する支持部材と圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４とを用意した。次に、圧電素子２と、用意した押圧部材および支持部材とにより、表１に示す組み合わせの発電部材を作製し、この発電部材に１ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１０５】
そして、押圧部材を精密万能試験機（島津製作所製 オートグラフ（登録商標）ＡＧＳ−Ｊ）に取り付け、１００ｍｍ／分の速度で圧電素子２を押圧し、０．０５秒毎に圧電素子２にかかる荷重をこの精密万能試験機で測定した。また、同時に抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、荷重がかかってから４０Ｎになるまでに検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量とし、押圧面が平面状であり、圧電素子２の他方主面側で支持する支持部材が圧電素子２の全面を支持する支持部材の組み合わせの発電部材である試料Ｎｏ．１の総電力量を１としたときの相対値で示した。結果を表１に示す。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】
表１に示す結果からわかるように、押圧部材の押圧面が平面状であり、支持部材が圧電素子２の全面を支持している試料Ｎｏ．１の発電部材は、支持部材が圧電素子２の全面を支持しているため圧電セラミックス２ｂを十分に撓ませることができず、ひずみが小さく得られた総電力量が少なかった。
【０１０８】
また、押圧部材の押圧面が球面状であり、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持している試料Ｎｏ．２の発電部材は、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持しているので、試料Ｎｏ．１よりも撓ませることができたものの、押圧された圧電セラミックス２ｂの中心では負のひずみが生じているのに対し、中心から外周へと向かう径方向に進むにつれてひずみの符号が反転し、圧電セラミックス２ｂの外周では正のひずみが生じており、正負のひずみの存在によって発生する電荷の相殺が生じたため、試料Ｎｏ．１の１０倍の総電力量に止まった。
【０１０９】
これに対し、押圧部材３の押圧面が平面状であり、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持している本発明の実施例である試料Ｎｏ．３は、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３が圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧しているので、圧電セラミックス２ｂは十分に撓んで大きくひずむとともに、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、試料Ｎｏ．１の１００倍の総電力量を得ることができた。
【０１１０】
また、本発明の実施例である試料Ｎｏ.４は、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持し、圧電素子２を支持部材４の内側で押圧する押圧部材３の押圧面が環状であることにより、圧電セラミックス２ｂは十分に撓んで大きくひずむとともに、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、試料Ｎｏ．１の１００倍の総電力量を得ることができた。
【実施例２】
【０１１１】
まず、実施例１と同様の方法で、図１および図４に示す圧電素子２を作製した。次に、図１に示す圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４および圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３を、異なる硬度の材料を用いて作製した。また、図４に示す圧電素子２の周辺部を環状に支持する支持部材４および圧電素子２を支持部材４の内側で押圧する環状の押圧面を有する押圧部材３を、異なる硬度の材料を用いて作製した。次に、支持部材４および押圧部材３の硬度をそれぞれＨｓ，Ｈｐとして、その大小関係を表２に示す組み合わせの発電部材１を作製し、図１に示す電極２ａから電極２ｃまでの厚みｔをダイヤルゲージで測定した。その後、発電部材１に１ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１１２】
そして、押圧部材３を精密万能試験機（島津製作所製 オートグラフ（登録商標）ＡＧＳ−Ｊ）に取り付け、急激な負荷がかかった状態にするため、２００ｍｍ／分の速度で圧電素子２を押圧し、０．０５秒毎に圧電素子２にかかる荷重をこの精密万能試験機で測定した。また、同時に抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、荷重がかかってから４０Ｎになるまでを１サイクルとし、この１サイクル中に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ１とした。荷重が４０Ｎになった後、荷重を取り除き、再度荷重をかけて４０Ｎになるまでというサイクルを５０サイクル実施し、５０サイクル目に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ５０とした。そして、１サイクル目の総電力量Ｐ１に対する５０サイクル目の総電力量Ｐ５０の減少率ΔＰ（＝（Ｐ１−Ｐ５０）／Ｐ１×１００）（％）を算出し、その値を表２に示した。
【０１１３】
また、荷重をかける前にダイヤルゲージを用いて測定した電極２ａから電極２ｃまでの厚みｔの測定値をｔ０とし、５０サイクル終了後の電極２ａから電極２ｃまでの厚みｔの測定値をｔ５０とした。そして、荷重をかける前と５０サイクル終了後との厚みｔの増加率Δｔ（＝（ｔ５０−ｔ０）／ｔ０×１００）（％）を算出し、その値を表２に示した。この増加率Δｔが大きければ、圧電素子２の塑性変形が大きく、厚みの増加率Δｔが小さければ、圧電素子２の塑性変形が小さいことを意味する。
【０１１４】
【表２】
【０１１５】
表２に示す結果からわかるように、押圧部材３の硬度Ｈｐが支持部材４の硬度Ｈｓより低い試料Ｎｏ．６，９は、厚みの増加率Δｔおよび総電力量の減少率ΔＰが非常に小さかったことから、押圧部材３が支持部材４より硬度が低いことにより、圧電素子２に急激な負荷がかかっても、この負荷に伴う衝撃を押圧部材３が吸収して緩和し、支持部材４が過度の変形を抑制して支持できることがわかった。
【実施例３】
【０１１６】
まず、実施例１と同様の方法で、図１および図４に示す圧電素子２を作製した。次に、圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３と、圧電素子２を支持部材４の内側で押圧する環状の押圧面により押圧する押圧部材３と、押圧部材３を保持する第１のカバー部材７と、第１のカバー部材７と一体に形成された押圧部材３とを用意した。また、圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４と、支持部材４を保持する第２のカバー部材８と、第２のカバー部材８と一体に形成された支持部材４とを用意した。そして、これらの部材を用いて、表３に示す組み合わせの発電装置６を作製し、各々の発電部材１に１０ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１１７】
なお、押圧部材３が第１のカバー部材７に、支持部材４が第２のカバー部材８に接着により接合されて保持されているものは、「別々」と表３に示した。また、第１のカバー部材７と一体に形成された押圧部材３、第２のカバー部材８と一体に形成された支持部材４は、「一体」と表３に示した。
【０１１８】
そして、精密万能試験機（島津製作所製 オートグラフ（登録商標）ＡＧＳ−Ｊ）を用いて、第１のカバー部材７および押圧部材３を介して１００ｍｍ／分の速度で圧電素子２を押圧し、０．０５秒毎に圧電素子２にかかる荷重を測定した。また、同時に抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、荷重がかかってから８０Ｎになるまでを１サイクルとし、この１サイクル中に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ１とした。荷重が８０Ｎになった後、荷重を取り除き、再度荷重をかけて８０Ｎになるまでのサイクルを５０サイクル実施し、５０サイクル目に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ５０とした。そして、１サイクル目の総電力量Ｐ１に対する５０サイクル目の総電力量Ｐ５０の減少率ΔＰ（＝（Ｐ１−Ｐ５０）／Ｐ１×１００）（％）を算出し、その値を表３に示した。
【０１１９】
【表３】
【０１２０】
表３に示す結果からわかるように、押圧部材３が第１のカバー部材７に、支持部材４が第２のカバー部材８に接着により接合されて保持されている試料Ｎｏ．１１，１５に比べて、押圧部材３もしくは支持部材４のいずれかが一体に形成されている試料Ｎｏ．１２，１３，１６，１７は、総電力量の減少率ΔＰが小さかった。また、試料Ｎｏ．１２と試料Ｎｏ．１３とを比べると、押圧部材３が第１のカバー部材７と一体に形成されている試料Ｎｏ．１２の方が、位置ずれすることなく圧電素子２を押圧したので、総電力量の減少率ΔＰが小さかった。同様にして、試料Ｎｏ．１６と試料Ｎｏ．１７とを比べると、押圧部材３が第１のカバー部材７と一体に形成されている試料Ｎｏ．１６の方が、位置ずれすることなく圧電素子２を押圧したので、総電力量の減少率ΔＰが小さかった。
【０１２１】
さらに、押圧部材３および支持部材４が第１のカバー部材７および第２のカバー部材８と一体に形成されている試料Ｎｏ．１４，１８は、総電力量の減少率ΔＰが非常に小さく、これらの結果から、位置ずれすることなく押圧部材３が圧電素子２を押圧し、支持部材４が圧電素子２を支持して効率よく電力を得るには、押圧部材３および支持部材４がそれぞれ第１のカバー部材７および第２のカバー部材８と一体に形成することが好適であることがわかった。
【実施例４】
【０１２２】
まず、平面視した形状が円形状，三角形状，四角形状，六角形状および八角形状である圧電素子２を複数作製した。次に、圧電素子２を支持部材４の内側で圧電素子２と同一形状で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３が一体に形成された第１のカバー部材７と、圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４が一体に形成された第２のカバー部材８とを用意した。次に、これらの部材を用いて、平面視した形状が円形状，三角形状，四角形状，六角形状および八角形状の発電部材１を作製し、図１３および図９（ａ）〜（ｄ）に示す配置として発電装置６を作製した。なお、発電装置６の面積については等しくなるように作製し、各々の発電部材１に１０ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１２３】
そして、体重が６５kgの人が１１２歩／分の速度で歩いて、発電装置６を１歩踏むことによって、押圧部材３が一体に形成された第１のカバー部材７を介して圧電素子２を押圧したときの抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、１歩中に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量とし、平面視したときの圧電素子２および押圧部材３の形状が円形状である試料Ｎｏ．１９の図１３に示す発電装置６の総電力量を１としたときの相対値で示した。結果を表４に示す。
【０１２４】
【表４】
【０１２５】
表４に示す結果からわかるように、平面視したときの発電部材１の形状が円形状である試料Ｎｏ．１９に比べて、平面視したときの形状が三角形状である発電部材１を図９（ａ）に示すように配置した試料Ｎｏ．２０，平面視したときの形状が四角形状である発電部材１を図９（ｂ）に示すように配置した試料Ｎｏ．21，平面視したときの形状が六角形状および三角形状の発電部材１を図９（ｃ）に示すように配置した試料Ｎｏ．２２，平面視したときの形状が八角形状および四角形状である発電部材１を図９（ｄ）に示すように配置した試料Ｎｏ．２３の総電力量は、いずれも大きかった。これらの結果から、発電部材１の平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であれば、発電部材１同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電部材１を複数個面状に密に並べて配置することができ、発電量が大きくなるため、好適であることがわかった。
【符号の説明】
【０１２６】
１：発電部材
２：圧電素子
２ａ：電極
２ｂ：圧電セラミックス
２ｃ：電極
３：押圧部材
４：支持部材
５：保持部材
６：発電装置
７：第１のカバー部材
８：第２のカバー部材
９：発電システム
１０ａ，１０ｂ：ダイオード
１１：コンデンサ
１２：直流交流変換装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車や電車の走行の際に生じる振動エネルギーを利用して発電する機能を有する発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２の排出を伴わないクリーンエネルギーとして、駅，空港などの公共施設やデパートなどの床，階段を人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーまたは道路，橋，駐車場もしくは線路を車や電車等が走行する際に生じる振動エネルギーを利用して、圧電セラミックスをひずませることにより発生した電圧を取り出して発電する発電システムが注目されている。
【０００３】
この発電システムは、圧電セラミックスを備える発電部材を用いた発電装置から構成されており、このような発電部材，発電装置および発電システムについて、いくつかの例が特許文献１〜３に提案されている。
【０００４】
特許文献１では、人，車両，または列車を含む移動物体が通過する通路に設置された圧電部材を備え、この圧電部材上を移動物体が通過することにより圧電部材にかかる圧力によって生じた電力を取り出す発電システムが提案されている。これによれば、駅構内等の既存の設備中に発電システムを構成することができ、電力の供給源は、人や車両の移動そのものであり、極めて効率的に電力を発生させることができるというものである。
【０００５】
また、特許文献２では、階段の踏み板および昇降口周辺の床に押圧発電素子を配置し、該押圧発電素子を充電装置と接続した発電装置が提案されている。これによれば、階段の上り下りの際に押圧発電素子を足で踏みつけることにより発電することができるとともに、長時間使用しても故障がほとんど発生しないため、実用上メンテナンスフリーの発電装置とすることができるというものである。
【０００６】
また、特許文献３では、建築用床板素材において圧電セラミックスを電極で挟んだ構造を有し、外部の加重圧力による発電機能を有する床板素材が提案されている。図１６は、特許文献３に記載されている圧電セラミックス材料の両端に金属電極を取り付けた圧電素子の斜視図である。また、図１７は、特許文献３に記載されている圧電素子を備えた床板素材を示す、（ａ）は基本構造の分解図であり、（ｂ）は床板素材の断面図である。
【０００７】
図１６に示す圧電素子２３は、円柱状に加工された圧電セラミックス２１の両端に蒸着等により金属電極２２が形成されている。そして、床板素材２０は、図１７（ａ）に床板素材２０の基本構造を示すように、電気的特性の高い支持材料２４の複数の孔に圧電素子２３を嵌め込み、金属電極２２と電気的に導通があるように上下を金属板２５で挟み、さらに、その上下を通常使用される床板材料２６で挟んでこれらが密着されている。そして、図１７（ｂ）の床板素材２０の断面図に示すように、この床板素材２０に人の体重等により圧力が加わると、圧電素子２３に圧力が伝わり、その両端に電圧が発生し、発生した電圧は上下の金属板２５を通して外部に取り出される。この床板素材２０を階段や廊下に敷設することにより、廊下の照明やエレベーターやエスカレーターの補助電力を供給することができるので、省エネルギーに寄与する建築材料となるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１９７７０４号公報
【特許文献２】特開平１１−３５３９１３号公報
【特許文献３】特開平５−３９６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の発電システムは、圧電部材を発電に用いることができるという性質に基づき、専用の施設の建設を必要としない画期的な発電システムではあるものの、高い電圧を取り出すための圧電部材の構成や効率的な発電方法について十分に開示されたものではなかった。
【００１０】
また、特許文献２に記載の発電装置も、押圧発電素子を足で踏みつけることにより発電することができるので、エネルギーを有効に利用することができる発電装置ではあるものの、押圧発電素子の押圧方法が充分に検討されたものではなく、必ずしも高い電力を得られるものではなかった。
【００１１】
また、特許文献３に記載の床板素材２０は、電圧を取り出して発電する方法が具体的に示されてはいるものの、圧電セラミックス２１が円柱状であるため、人の体重等により加わる圧力が床板材料２６および金属板２５を介して圧電素子２３に伝わったとしても、圧電セラミックス２１が十分にひずむことができず、高い電力を得られるものではなかった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、発電力の高い発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の発電部材は、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で平面状の押圧面により押圧することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の発電部材は、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で環状の押圧面により押圧することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の発電部材は、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の発電部材は、上記構成において、前記押圧部材は、前記支持部材より硬度が低い材料からなることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の発電部材は、上記いずれかの構成において、前記圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の発電部材は、上記いずれかの構成において、前記圧電セラミックスは、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むことを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の発電装置は、上記いずれかの構成の本発明の発電部材が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの前記押圧部材が板状の第１のカバー部材により保持され、それぞれの前記支持部材が板状の第２のカバー部材により保持されていることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の発電装置は、上記構成において、前記押圧部材が前記第１のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の発電装置は、上記構成において、前記支持部材が前記第２のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の発電システムは、上記いずれかの構成の本発明の発電装置と、ダイオードおよびコンデンサを含む回路を介して接続された直流交流変換装置とを備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の発電システムは、上記いずれかの構成の本発明の発電装置が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の発電部材によれば、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、支持部材は圧電素子の周辺部を支持し、押圧部材は圧電素子を支持部材の内側で平面状の押圧面により押圧することから、圧電セラミックスが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００２５】
また、本発明の発電部材によれば、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、支持部材は圧電素子の周辺部を支持し、押圧部材は圧電素子を支持部材の内側で環状の押圧面により押圧することから、圧電セラミックスが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。また、押圧部材の押圧面が環状であることにより、押圧面が平面状の押圧部材よりも重量を低減でき、押圧部材自体を環状の部材とすることもできることから１個の発電部材の重量を低減できるので、複数個の発電部材を面状に並べて配置される発電装置の軽量化を図ることができる。さらに、発電装置を軽量化できることによって、運搬作業の負担を軽減することができる。
【００２６】
また、本発明の発電部材によれば、板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることから、発電部材同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電部材を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００２７】
また、本発明の発電部材によれば、押圧部材が支持部材より硬度が低い材料からなるときには、人の歩行の際に生じる大きな圧力エネルギーや車等の走行の際に生じる大きな振動エネルギーが発電部材にかかっても、押圧部材は大きな圧力や振動によるエネルギーを吸収して緩和し、支持部材は圧電素子の過度の変形を抑制して支持することができるので、圧電素子を構成する圧電セラミックスが割れるのを抑制することができる。
【００２８】
また、本発明の発電部材によれば、圧電セラミックスがチタン酸ジルコン酸鉛からなるときには、発電量に影響する特性の一つである強誘電性が高いので、より高い電力を得ることができる。
【００２９】
また、本発明の発電部材によれば、圧電セラミックスがニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むときには、−４０〜＋１５０℃の温度範囲における共振周波数，反共振周波数および圧電定数ｇ３３の温度変化率に起因する、低温側の強誘電相から高温側の強誘電相に相変態する第２次相転移といわれる不連続部が発生しにくくなるため、圧電特性を安定させることができる。併せて、鉛を含まない組成とすることができるため、環境に優しい発電部材とすることができる。
【００３０】
また、本発明の発電装置によれば、本発明の発電部材が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの押圧部材が板状の第１のカバー部材により保持され、それぞれの支持部材が板状の第２のカバー部材により保持されているときには、人の歩行の際に生じる圧力エネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーを効率よく利用して発電することができる。また、押圧部材および支持部材は、それぞれ第１のカバー部材および第２のカバー部材により保持されて、圧力や振動によるエネルギーが特定の発電部材に伝わるのではなく複数の発電部材に分散して伝わるので、発電部材は損傷しにくくなり、長期間にわたって使用することができる。
【００３１】
また、本発明の発電装置によれば、押圧部材が第１のカバー部材と一体に形成されているときには、押圧部材と第１のカバー部材とが単に接しているのではなく一体に形成されているので、圧電素子と押圧部材との相対的な位置関係が変わることはない。また、押圧部材と第１のカバー部材とが接合あるいは結合されているときと比べて、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用した発電を繰り返しても、接着が剥がれたりネジ等の結合部材が緩んだりすることがないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。
【００３２】
また、本発明の発電装置によれば、支持部材が前記第２のカバー部材と一体に形成されているときには、圧電素子と支持部材との相対的な位置関係が変わることはないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。また、支持部材と第２のカバー部材とが一体に形成されていることにより、接合または結合工程を削減することができる。
【００３３】
また、本発明の発電システムによれば、本発明の発電装置と、ダイオードおよびコンデンサを含む回路を介して接続された直流交流変換装置とを備えているときには、人の歩行の際に生じる圧力エネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーによって、第１のカバー部材により保持された平面状の押圧面を有する押圧部材や環状の押圧面を有する押圧部材、ひいては環状の押圧部材で圧電素子が押圧され、第２のカバー部材により保持された支持部材は圧電素子の周辺部を支持しているので、圧電セラミックスが十分に撓んでひずみ、このひずみにより発生した電圧は、ダイオードを通ってコンデンサに電荷として蓄積され、この蓄積された電荷を取り出し、直流交流変換装置によって交流電流に変換することによって、電力として用いることができる。また、本発明の発電システムに備えられる発電装置において、発電装置の平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であれば、その形状の発電装置同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電装置を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。なお、このときの複数個の発電装置は、平面視した形状が全て同じ形状である必要はなく、組み合わせて面状に密に並べて配置することができれば、異なる形状の発電装置であってもよいものである。
【００３４】
また、本発明の発電システムによれば、本発明の発電装置が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されているときには、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用して発電することができるので、省エネルギー対策として有効であるとともに、ＣＯ２排出を伴わないクリーンな発電システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図２】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図３】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図４】本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図５】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図６】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図７】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＧ−Ｇ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図８】本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＨ−Ｈ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【図９】本発明の発電部材の配置の一例を示す、（ａ）は三角形状の組み合わせ，（ｂ）は四角形状の組み合わせ，（ｃ）は六角形状と三角形状との組み合わせ，（ｄ）は八角形状と四角形状との組み合わせの模式図である。
【図１０】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＶ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＪ−Ｊ’線での断面図である。
【図１１】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＷ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＫ−Ｋ’線での断面図である。
【図１２】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＬ−Ｌ’線での断面図である。
【図１３】本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＹ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＭ−Ｍ’線での断面図である。
【図１４】本発明の発電装置を用いた発電システムの実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【図１５】本発明の発電装置を用いた発電システムの実施の形態の他の例を示す概略構成図である。
【図１６】従来の圧電セラミック材料の両端に金属電極を取り付けた圧電素子の斜視図である。
【図１７】従来の圧電素子を備えた床板素材を示す、（ａ）は基本構造の分解図であり、（ｂ）は床板素材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の発電部材およびこれを用いた発電装置ならびに発電システムの実施の形態の例について説明する。
図１は、本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００３７】
図１に示す例の発電部材１は、板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を一方主面側から押圧する押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えてなる発電部材１である。
【００３８】
この圧電素子２を構成する圧電セラミックス２ｂは、円形で板状の圧電性を示すセラミックスであり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸鉛（ＰＴ），チタン酸バリウム（ＢＴ），ビスマス（Ｂｉ）層状化合物，タングステンブロンズ化合物またはニオブ（Ｎｂ）酸アルカリ化合物等のペロブスカイト構造を示す化合物のいずれかで形成すればよい。
【００３９】
また、電極２ａは、圧電セラミックス２ｂの一方主面に形成された円形の層状電極であり、電極２ｃは、圧電セラミックス２ｂの他方主面に形成された円形の板状電極である。このように、電極２ｃが円形の板状電極であることにより、電極２ａが形成された圧電セラミックス２ｂを保持する機能を有することもできる。この電極２ａ，２ｃの材料としては、電気伝導性の高い金，銀，銅，黄銅およびパラジウムから選ばれる少なくとも１種から形成することが好適である。
【００４０】
また、押圧部材３は、圧電素子２が壊れないように圧電素子２を押圧し、支持部材４は、圧電素子２が壊れないように圧電素子２を支持しなければならないため、可撓性を有する材料、例えば、ＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼、３０００系，５０００系等のアルミニウム合金、ゴム、樹脂、カーボンナノチューブおよび炭素繊維系材料から選ばれる少なくとも１種から形成すればよい。
【００４１】
なお、押圧部材３の押圧面の形状は、平面状であることが重要である。押圧部材３の押圧面の形状が半球状や曲面状であれば、押圧された圧電セラミックス２ｂの中心では負のひずみが生じ、中心から外周へと向かう径方向に進むにつれて、ひずみの符号が反転し、圧電セラミックス２ｂの外周では正のひずみが生じることとなり、正負のひずみの存在によって発生する電荷の相殺が生じて、取り出せる電圧が小さくなる。これに対し、押圧部材３の押圧面の形状が平面状であれば、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。
【００４２】
また、支持部材４は、圧電素子２の周辺部を支持していることが重要であり、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持することにより、圧電セラミックス２ｂを十分に撓ませることができるので、大きなひずみを得ることができる。このように、支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３は圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する発電部材１であることにより、人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによって、図１（ｃ）に示すように、圧電セラミックス２ｂが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００４３】
図２は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００４４】
図２に示す例の発電部材１は、圧電素子２の主面が段差なく平面となるように電極２ａを形成してあるので、押圧部材３の押圧面を広げることができる。このように、圧電素子２の主面を平面とし、押圧部材３の押圧面を広げた構成の発電部材１であることによって、図１に示す例の発電部材１よりも、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。
【００４５】
図３は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００４６】
図３に示す例の発電部材１は、板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に層状の電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を保持する保持部材５と、圧電素子２を一方主面側から押圧する押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えている。このような構成として、電圧を取り出して発電させることも可能である。
【００４７】
保持部材５は、電気伝導性の高い金，銀，銅，黄銅，パラジウム，ＳＵＳ（ステンレス鋼），りん青銅，チタン銅，無酸素銅，タフピッチ銅およびりん脱酸銅から選ばれる１種で形成することが好適である。
【００４８】
図４は、本発明の発電部材の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００４９】
図４に示す例の発電部材１は、押圧部材３の押圧面が環状であり、ひいては押圧部材３自体が環状であること以外の発電部材１の構成等については図１を用いて説明した内容と同じであるため、重複する説明は省略する。図４（ａ）および（ｂ）に示す例のように、支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３が圧電素子２を支持部材４の内側で環状の押圧面により押圧する発電部材１であることにより、人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによって、図４（ｃ）に示すように、圧電セラミックス２ｂが十分に撓み、大きなひずみを得ることができるとともに、発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００５０】
ところで、押圧面の形状が半球状や曲面状である押圧部材３を用いて圧電素子２の中心近傍を押圧すれば、押圧された圧電セラミックス２ｂの中心では負のひずみが生じ、中心から外周へと向かう径方向に進むにつれて、ひずみの符号が反転し、圧電セラミックス２ｂの外周では正のひずみが生じることとなり、正負のひずみの存在によって発生する電荷の相殺が生じて、取り出せる電圧が小さくなる。これに対し、押圧部材３の押圧面が環状であれば、圧電素子２の中心近傍が押圧されることはなく、圧電素子２の外周側が押圧されることとなり、ひずみの符号の反転する位置が圧電素子２の外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。なお、押圧部材３の環状の押圧面については、圧電素子２の中心近傍を押圧せず、圧電素子２を支持部材４の内側で押圧するものであればよい。
【００５１】
また、発電部材１を構成する押圧部材３の押圧面が環状であれば押圧面が平面状のものに比べて重量を低減でき、ひいては押圧部材３が環状であることにより、１個の発電部材１の重量を低減できるので、発電部材１を複数個面状に並べて配置される発電装置の軽量化を図ることができる。さらに、発電装置を軽量化できることによって、発電装置の運搬作業の負担を軽減することができる。環状の押圧面を有する押圧部材３としては、本例のように押圧部材３の全体が環状となっているものに限られるものではなく、押圧面側の中央部に凹部を有して押圧面が環状となっているものであってもよいものであり、その場合にも少なくとも凹部の分について軽量化を図ることができる。
【００５２】
図５は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００５３】
図５に示す例の発電部材１は、圧電素子２の主面が段差なく平面となるように電極２ａを形成してあるので、環状の押圧面を有する押圧部材３である環状の押圧部材３の径を大きくして押圧する位置をより圧電素子２の外周側へとずらすことができる。このように、圧電素子２の主面を平面とし、環状の押圧面を有する環状の押圧部材３について押圧面の径を大きくして押圧する位置を圧電素子２の外周側へとずらすことによって、図４に示す例の発電部材１よりも、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて、発生する電荷の相殺を少なくすることができる。
【００５４】
図６は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ’線での断面図である。また、（ｃ）は環状の押圧面を有する環状の押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００５５】
図６に示す例の発電部材１は、板状の圧電セラミックス２ｂの両主面に層状の電極２ａ，２ｃが形成された圧電素子２と、圧電素子２を保持する保持部材５と、圧電素子２を一方主面側から押圧する環状の押圧面を有する押圧部材３である環状の押圧部材３と、圧電素子２を他方主面側で支持する支持部材４とを備えている。このような構成として、電圧を取り出して発電させることも可能である。保持部材５は、電気伝導性の高い金，銀，銅，黄銅，パラジウム，ＳＵＳ（ステンレス鋼），リン青銅，チタン銅，無酸素銅，タフピッチ銅およびりん脱酸銅から選ばれる１種から形成することが好適である。
【００５６】
なお、本発明の実施の形態の例である図１〜図６に示す例においては、押圧部材３，圧電素子２，保持部材５および支持部材４を平面視したときの外形の形状が円形状のものを組み合わせた例を示したが、以下の形状の組み合わせであってもよい。
【００５７】
図７は、本発明の発電部材の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＧ−Ｇ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００５８】
図７に示す例の発電部材１は、押圧部材３の形状が平面視して円形状であり、圧電素子２および保持部材５の形状が平面視してそれぞれ四角形状である。
【００５９】
なお、圧電素子２の平面視した形状を四角形状などの多角形状としたときには、特に圧電素子２を構成する圧電セラミックス２ｂの図７（ａ）中に破線の円で示した各角部の形状が平面視して円弧状となっている、すなわち角部が丸められていることが好ましい。これにより、発電部材１の上を人が歩行する際に生じる圧力のエネルギーや車等が走行する際に生じる振動エネルギーによる応力の局部的な集中を緩和させて、圧電セラミックス２ｂや保持部材５の破損を抑制することができる。
【００６０】
図８は、本発明の発電部材の実施の形態のさらに他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＨ−Ｈ’線での断面図である。また、（ｃ）は押圧部材によって圧電素子が押圧されている状態の断面図である。
【００６１】
図８に示す例の発電部材１は、押圧部材３，圧電素子２および保持部材５の形状が平面視して四角形状のものを組み合わせた例である。
【００６２】
このように、押圧部材３，圧電素子２および保持部材５を平面視したときの形状が同じであれば、それぞれの部材の位置合わせが容易となり、製造コストの低減を図ることができる。また、加わる圧力や生じる応力を平面視して対称な分布としやすく、発電の偏りを抑制して効率を向上させることができ、部分的な破壊の発生を抑制して耐久性を向上させることもできる。なお、この他にも、これらの部材の形状が、三角形状，六角形状または八角形状であったり、これらの形状のものの組み合わせであったりしてもよいことはいうまでもない。
【００６３】
図９は、本発明の発電部材の配置の一例を示す、（ａ）は形状が三角形状のものの組み合わせ，（ｂ）は形状が四角形状のものの組み合わせ，（ｃ）は形状が六角形状のものと三角形状のものとの組み合わせ，（ｄ）は形状が八角形状のものと四角形状のものとの組み合わせの模式図である。
【００６４】
なお、図９においては、（ａ）〜（ｄ）の各模式図の左上の発電部材１にのみ、保持部材５，圧電素子２および押圧部材３を示し、他については、記載を省略している。そして、図９（ａ）〜（ｄ）の模式図に示すように、本発明の発電部材１の形状は平面視して三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることが好ましい。
【００６５】
ここで、本発明における発電部材１の平面視した形状とは、図９に示す例においては平面視したときの外形の形状が最も大きい部位となる保持部材５の形状が該当し、保持部材５を有していない図１や図２に示す発電部材１のように、電極２ｃが板状電極であり、電極２ｃが電極２ａの形成された圧電セラミックス２ｂを保持する機能を有しているときには、電極２ｃの形状が該当する。
【００６６】
そして、図９（ａ），（ｂ）の模式図に示すように、発電部材１の形状が平面視して三角形状の組み合わせや四角形状の組み合わせであったり、図９（ｃ），（ｄ）の模式図に示すように、発電部材１の形状が平面視して六角形状と三角形状との組み合わせや八角形状と四角形状との組み合わせであったりすれば、発電部材１同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電部材１を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。
【００６７】
また、本発明の発電部材１によれば、押圧部材３は、支持部材４より硬度が低い材料であることが望ましい。押圧部材３が支持部材４より硬度が低い材料であれば、人の歩行の際に生じる大きな圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる大きな振動エネルギーによって大きな圧力または振動エネルギーが発電部材１にかかったとしても、押圧部材３は大きな圧力または振動エネルギーを吸収して緩和し、支持部材４は圧電素子２の過度の変形を抑制して支持することができるので、圧電素子２を構成する圧電セラミックス２ｂが割れるのを抑制することができる。
【００６８】
具体的には、押圧部材３がゴム，樹脂，カーボンナノチューブおよび炭素繊維系材料から選ばれる少なくとも１種からなり、支持部材４がＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼や３０００系，５０００系等のアルミニウム合金等の金属から選ばれる少なくとも１種からなる組み合わせが好適である。また、押圧部材３および支持部材４がともにゴムからなる場合には、押圧部材３および支持部材４間のＩＳＯ ７６１９−２００４に準拠する硬度の差は、Ａ５／１５／Ｓ以上であることが好適である。
【００６９】
また、本発明の発電部材１によれば、圧電セラミックス２ｂはチタン酸ジルコン酸鉛からなることが好適である。チタン酸ジルコン酸鉛は、発電量に影響する特性の一つである強誘電性が高く、圧電セラミックス２ｂがチタン酸ジルコン酸鉛からなるときには、より高い電力を得ることができるからである。
【００７０】
強誘電特性の高いチタン酸ジルコン酸鉛としては、特に、圧電定数ｄ３１が大きい材料、一例として、組成式がＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３ −Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３で表される成分を主成分とし、ビスマス（Ｂｉ）および鉄（Ｆｅ）をＢｉＦｅＯ３に換算して５質量％以上１５質量％以下の範囲で含むセラミックス、他の例として組成式がＰｂ１−ｘ−ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒｃＴｉ１−ａ−ｂ−ｃＯ３で表され、ｘ，ｙ，ａ，ｂ，ｃのモル比が、０≦ｘ≦０．１２，０≦ｙ≦０．１２，０＜ｘ＋ｙ，０．０５≦ａ≦０．１２，０≦ｂ≦０．０１５および０．４３≦ｃ≦０．５２を満足する成分１００質量部に、等モル比からなるＰｂＯおよびＮｂ２Ｏ５を合計で０．２〜１．２質量部含有してなる主成分に対し、マグネシウム（Ｍｇ）を０．６モル％未満の範囲で含むセラミックス、さらに他の例として組成式が（Ｐｂ（１−ｘ）Ａｘ）ｚ（Ｚｒ（１−ｙ）Ｔｉｙ）Ｏ３で表され、ＡはＢａ、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも１種からなり、ｘ，ｙ，ｚのモル比が０．０１≦ｘ≦０．１０，０．４３≦ｙ≦０．５０，０．９８≦ｚ≦１．０７を満足する成分１００質量部に、ＮｂをＮｂ２Ｏ５として０．０５〜２質量部およびＺｎをＺｎＯとして０．０１〜０．５質量部含むセラミックスであることが好適である。
【００７１】
また、圧電定数ｄ３３が大きい材料であってもよく、一例として、組成式がＰｂ１―ｘ−ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａＺｒｂＴｉ１−ａ−ｂＯ３で表され、ｘ，ｙ，ａ，ｂで示すモル比が０≦ｘ≦０．１４，０≦ｙ≦０．１４，０．０４≦ｘ＋ｙ，０．０１≦ａ≦０．１２および０．４３≦ｂ≦０．５８を満足するセラミックスであることが好適である。ｘ，ｙ，ａ，ｂで示すモル比がこの範囲にあると、荷重を繰り返して与えても圧電定数ｄ３３の減衰率を極めて小さくすることができるからである。
【００７２】
また、本発明の発電部材１によれば、圧電セラミックス２ｂは、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含む組成とすることが好適である。圧電セラミックス２ｂが、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むときには、−４０〜＋１５０℃の温度範囲における共振周波数，反共振周波数および圧電定数ｇ３３の温度変化率に起因する、低温側の強誘電相から高温側の強誘電相に相変態する第２次相転移といわれる不連続部が発生しにくくなるため、圧電特性を安定させることができる。併せて、鉛を含まない組成とすることができるため、環境に優しい発電部材１とすることができる。
なお、圧電セラミックス２ｂにおける主成分とは、圧電セラミックス２ｂを構成する全成分１００質量％のうち、５０質量％以上を占める成分である。
【００７３】
図１０は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＶ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＪ−Ｊ’線での断面図である。
【００７４】
図１０に示す例の発電装置６は、発電部材１が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの押圧部材３が板状の第１のカバー部材７により保持され、それぞれ支持部材４が板状の第２のカバー部材８により保持されている。なお、押圧部材３および支持部材４の保持は、それぞれ第１のカバー部材７，第２のカバー部材８に接着剤またはネジ等の結合部材を用いて、接合または結合されていることが好ましい。
【００７５】
図１０に示す例の発電装置６は、第１のカバー部材７および第２のカバー部材８により押圧部材３および支持部材４が保持され、発電力の高い本発明の発電部材１が複数個面状に並べて配置されていることにより、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる圧力のエネルギーや振動エネルギーを効率よく利用して発電することができる。また、押圧部材３および支持部材４は、それぞれ第１のカバー部材７および第２のカバー部材８により保持されて、振動エネルギーが特定の発電部材１に伝わるのではなく複数の発電部材１に分散して伝わるので、発電部材１は損傷しにくくなり、長期間にわたって使用することができる。
【００７６】
また、本発明の発電装置６を構成する本発明の発電部材１が、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であるときには、それらを組み合わせて発電部材１を複数個面状に密に並べて配置することができるので、発電装置６の上を通行する人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる圧力のエネルギーや振動エネルギーを効率よく利用して発電することができる。また、複数個の発電部材１からなる発電装置６についても、平面視した形状を三角形状，四角形状，六角形状または八角形状など様々な形状とすることができ、同様にそれらを組み合わせて複数個面状に密に並べて配置することができる。
【００７７】
図１１は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＷ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＫ−Ｋ’線での断面図である。
【００７８】
図１１に示す例の発電装置６は、発電部材１を構成する押圧部材３，圧電素子２などの平面視した形状が四角形状であり、それら発電部材１が複数個面状に密に並べて配置されて、それぞれの押圧部材３が板状の第１のカバー部材７により保持され、それぞれ支持部材４が板状の第２のカバー部材８により保持されている。なお、第１および第２のカバー部材７，８は平面視した形状が四角形状であるが、発電部材１の平面視した形状を三角形状，四角形状，六角形状もしくは八角形状、またはこれらの組み合わせとすることによって、発電部材１同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で複数個面状に密に並べて発電部材１を配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができるとともに、発電装置６を様々な形状とすることができる。
【００７９】
図１２は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＬ−Ｌ’線での断面図である。
【００８０】
図１２に示す例の発電装置６では、押圧部材３が第１のカバー部材７と一体に形成されており、押圧部材３と第１のカバー部材７とが単に接しているのではなく一体に形成されているので、圧電素子２と押圧部材３との相対的な位置関係が変わることはない。また、押圧部材３と第１のカバー部材７とが接合あるいは結合されているときと比べて、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用した発電を繰り返しても、接着が剥がれたりネジ等の結合部材が緩んだりすることがないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。
【００８１】
図１３は、本発明の発電部材を用いた発電装置の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＹ部の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＭ−Ｍ’線での断面図である。
【００８２】
図１３に示す例の発電装置６では、支持部材４が第２のカバー部材８と一体に形成されており、支持部材４と第２のカバー部材８とが単に接しているのではなく一体に形成されているので、圧電素子２と支持部材４との相対的な位置関係が変わることはない。また、支持部材４と第１のカバー部材７とが接合あるいは結合されているときと比べて、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用した発電を繰り返しても、接着が剥がれたりネジ等の結合部材が緩んだりすることがないので、高い電力を効率よく長期間にわたって得ることができる。さらに、支持部材４と第２のカバー部材８とが一体に形成されていることにより、接合または結合工程を削減することができる。
【００８３】
また、第１のカバー部材７と一体に形成された押圧部材３と、第２のカバー部材８と一体に形成された支持部材４と、圧電素子２とからなる発電装置６であれば、上記同様の効果を得ることができて好適である。さらに、図１２，１３に示す例においては、個々の押圧部材３および支持部材４と一体に形成された第１のカバー部材７および第２のカバー部材８を示したが、複数の押圧部材３および支持部材４と一体に形成しても好適である。
【００８４】
図１４および図１５は、本発明の発電装置を用いた発電システムの実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【００８５】
図１４および図１５に示す例の発電システム９は、本発明の発電装置６と、ダイオード１０ａ，１０ｂおよびコンデンサ１１を含む回路を介して接続された直流交流変換装置１２とを備えた発電システムである。なお、図１４には、本発明の発電装置６を構成する発電部材１の押圧部材３が平面状の押圧面を有しているものを示し、図１５には、環状の押圧面を有している押圧部材３を示している。
【００８６】
この発電システム９では、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーや車等の走行の際に生じる振動エネルギーによって、第１のカバー部材７により保持された平面状の押圧面を有する押圧部材３や環状の押圧面を有する押圧部材３が圧電素子２を押圧し、第２のカバー部材８により保持された支持部材４は圧電素子２の周辺部を支持していることによって、圧電セラミックス２ｂがひずみ、このひずみにより発生した電圧は、ダイオード１０ａを通ってコンデンサ１１に電荷として蓄積される。そして、ダイオード１０ｂを通してコンデンサ１１に蓄積された電荷を取り出して、直流交流変換装置１２によって交流電流に変換し、電力として取り出すことができる。
【００８７】
そして、本発明の発電装置６が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されている本発明の発電システム９であれば、人の歩行の際に生じる圧力のエネルギーまたは車等の走行の際に生じる振動エネルギーを利用して発電することができるので、省エネルギー対策として有効であるとともに、ＣＯ２排出を伴わないクリーンな発電システムとすることができる。
【００８８】
また、本発明の発電システム９に備えられる本発明の発電装置６は、発電装置６の平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であれば、発電装置６同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電装置６を複数個面状に密に並べて配置することができるので、高い電力を効率よく得ることができる。さらに、第１のカバー部材７の色を異ならせたり、様々な形状の発電装置６を組み合わせたりすることによって、装飾性の優れた発電システム９とすることもできる。
【００８９】
次に、本発明の発電部材の製造方法の一例を説明する。
まず、圧電セラミックス２ｂがチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の例について説明する。出発原料として酸化鉛（Ｐｂ３Ｏ４），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２），酸化チタン（ＴｉＯ２），炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３），炭酸バリウム（ＢａＣＯ３），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３），酸化ニッケル（ＮｉＯ）および酸化テルル（ＴｅＯ２）の各粉末を秤量混合して調合原料とし、この調合原料を溶媒である水とともにボールミルに入れて、混合粉砕を２０時間以上３０時間以下行なってスラリーを得る。なお、ボールミルの混合粉砕では、ジルコニアを主成分とするボールを用いればよい。また、出発原料には、必要に応じて上記出発原料に加え、酸化鉛（ＰｂＯ）および酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ５）を秤量混合して用いてもよい。
【００９０】
そして、得られたスラリーを脱水し乾燥させた後に、大気雰囲気中で温度を８５０℃以上９００℃以下とし、保持時間を１時間以上３時間以下として仮焼することにより仮焼粉体を得る。次に、得られた仮焼粉体に対してマグネシウム（Ｍｇ）の含有量が０．６モル％以下となるように、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）の粉末を所定量加えて粉砕混合して混合粉体を得る。この混合粉体からスラリーを作製してテープ成形法もしくは押出成形法にて円板状，三角形状，四角形状，六角形状または八角形状などの所定形状の成形体を得るか、または混合粉体から作製したスラリーを噴霧乾燥法により顆粒を作製し、乾式加圧成形法にて所定形状の成形体を形成すればよい。この成形体を大気雰囲気中または酸素雰囲気中にて１１００℃以上１３００℃以下で焼成することによって、焼結体である圧電セラミックス２ｂを得ることができる。
【００９１】
そして、得られたスラリーを脱水し乾燥させた後に、大気雰囲気中で温度を８５０℃以上９００℃以下とし、保持時間を１時間以上３時間以下として仮焼することにより、組成式がＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３ −Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３で表される成分を主成分とする仮焼粉体を得る。次に、得られた仮焼粉体に酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の各粉末を所定量加えて混合して混合粉体とし、この混合粉体からスラリーを作製してテープ成形法もしくは押出成形法にて所定形状の成形体を得るか、または混合粉体から作製したスラリーを噴霧乾燥法により顆粒を作製し、乾式加圧成形法にて所定形状の成形体を形成すればよい。この成形体を大気雰囲気中または酸素雰囲気中にて１０００℃以上１１００℃以下で焼成することによって、圧電セラミックス２ｂを得ることができる。
【００９２】
さらに、圧電セラミックス２ｂがニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含む場合について説明する。出発原料として、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３），炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３），炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３），炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３），酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５），酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の各粉末を秤量混合して調合原料とする。ここで、圧電セラミックス２ｂは、例えば、組成式が（１−ａ−ｂ）（ＫｘＮａｙＬｉ１−ｘ−ｙ）ＮｂＯ３＋ａＣａＴｉＯ３＋ｂＢｉＦｅＯ３であって、ｘ，ｙ，ａ，ｂ，ｃのモル比が、０＜ａ≦０．１６，０＜ｂ≦０．１，０≦ｘ≦０．１９，および０．７９＜ｙ＜１を満足するように秤量すればよい。
【００９３】
次に、この調合原料を溶媒である２−プロパノール（イソプロパノール）とともにボールミルに入れて、混合粉砕を１５時間以上２５時間以下行なってスラリーを得る。なお、ボールミルの混合粉砕では、ジルコニアを主成分とするボールを用いればよい。
【００９４】
そして、得られたスラリーを脱水し乾燥させた後に、大気雰囲気中にて９００℃以上１０００℃以下で３時間仮焼し、仮焼粉体とする。その後、この仮焼粉体を再度ボールミルで粉砕し、この仮焼粉体にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等のバインダを添加してスラリーとし、噴霧乾燥法により乾燥させて顆粒とする。
【００９５】
次に、得られた顆粒を乾式加圧成形法により２００ＭＰａの圧力で、所定形状の成形体を作製し、得られた成形体を必要に応じて脱脂した後、大気雰囲気中にて例えば１０００℃以上１２５０℃以下で焼成することによって、圧電セラミックス２ｂを得ることができる。
【００９６】
そして、上述のいずれかの製造方法で得られた圧電セラミックス２ｂの一方主面に電気伝導性の高い、例えば金，銀，銅およびパラジウムから選ばれる少なくとも１種からなるペーストをスクリーン印刷法，ディッピング法などの周知の方法により塗布し、加熱処理を施して電極２ａを形成する。次に、圧電セラミックス２ｂの他方主面に黄銅からなる板状体を例えばエポキシ系接着剤等の接着剤により接着して電極２ｃを形成した後、温度が７０℃以上９０℃以下のシリコンオイル中にて１０分以上３０分以下で３ｋＶ／ｍｍ以上７ｋＶ／ｍｍ以下の直流電界を印加して、電極２ｃがマイナス、電極２ａがプラスとなるように分極処理を施すことにより、図１，図２，図４または図５に示す例の圧電素子２を得ることができる。
【００９７】
あるいは、上述のいずれかの製造方法で得られた圧電セラミックス２ｂの両主面に電気伝導性の高い、例えば金，銀，銅およびパラジウムから選ばれる少なくとも１種からなるペーストをスクリーン印刷法，ディッピング法などの周知の方法により塗布し、加熱処理を施して電極２ａ，２ｃを形成した後、温度が７０℃以上９０℃以下のシリコンオイル中にて１０分以上３０分以下で３ｋＶ／ｍｍ以上７ｋＶ／ｍｍ以下の直流電界を印加して、電極２ｃがマイナス、電極２ａがプラスとなるように分極処理を施してもよい。分極処理を施した後、高い電気伝導性を有する黄銅からなる保持部材５にアクリル樹脂系接着剤で接着することにより、図３，図６，図７または図８に示す例の圧電素子２を得ることができる。
【００９８】
そして、上述のいずれかの方法で得られた圧電素子２と、圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４と、支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３または環状の押圧面により押圧する押圧部材３とを所定の位置に配置することで、本発明の発電部材１を得ることができる。
【００９９】
また、本発明の発電部材１を複数個面状に並べて配置し、それぞれの押圧部材３を板状の第１のカバー部材７により保持し、それぞれの支持部材４を板状の第２のカバー部材８により保持することで、本発明の発電装置６を得ることができる。
【０１００】
なお、第１および第２のカバー部材７，８を平面視した形状が、三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であるときには、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状の発電部材１を作製して組み合わせることによって対応することができる。
【０１０１】
また、本発明の発電装置６に、ダイオード１０ａ，１０ｂおよびコンデンサ１１を含む回路を介して直流交流変換装置１２を接続することで、本発明の発電システム９を得ることができる。
【０１０２】
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【０１０３】
まず、直径が２５ｍｍで厚さが０．２５ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電セラミックス２ｂの両主面に、主成分が銀からなる層状の電極２ａを形成した。次に、９０℃のシリコンオイル中で５ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０分間印加して、電極２ｃがマイナスとなり、電極２ａがプラスとなるように分極処理を施し、直径が３５ｍｍで厚さが０．３ｍｍの黄銅からなる円形の板状電極である電極２ｃにアクリル樹脂系接着剤を用いて接着し、図１に示す圧電素子２を形成した。
【０１０４】
次に、圧電素子２の一方主面側を押圧する押圧部材として、押圧面が球面状の押圧部材と、押圧面が平面状および環状の押圧部材３とを用意した。また、圧電素子２の他方主面側で支持する支持部材として、圧電素子２の全面を支持する支持部材と圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４とを用意した。次に、圧電素子２と、用意した押圧部材および支持部材とにより、表１に示す組み合わせの発電部材を作製し、この発電部材に１ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１０５】
そして、押圧部材を精密万能試験機（島津製作所製 オートグラフ（登録商標）ＡＧＳ−Ｊ）に取り付け、１００ｍｍ／分の速度で圧電素子２を押圧し、０．０５秒毎に圧電素子２にかかる荷重をこの精密万能試験機で測定した。また、同時に抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、荷重がかかってから４０Ｎになるまでに検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量とし、押圧面が平面状であり、圧電素子２の他方主面側で支持する支持部材が圧電素子２の全面を支持する支持部材の組み合わせの発電部材である試料Ｎｏ．１の総電力量を１としたときの相対値で示した。結果を表１に示す。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】
表１に示す結果からわかるように、押圧部材の押圧面が平面状であり、支持部材が圧電素子２の全面を支持している試料Ｎｏ．１の発電部材は、支持部材が圧電素子２の全面を支持しているため圧電セラミックス２ｂを十分に撓ませることができず、ひずみが小さく得られた総電力量が少なかった。
【０１０８】
また、押圧部材の押圧面が球面状であり、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持している試料Ｎｏ．２の発電部材は、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持しているので、試料Ｎｏ．１よりも撓ませることができたものの、押圧された圧電セラミックス２ｂの中心では負のひずみが生じているのに対し、中心から外周へと向かう径方向に進むにつれてひずみの符号が反転し、圧電セラミックス２ｂの外周では正のひずみが生じており、正負のひずみの存在によって発生する電荷の相殺が生じたため、試料Ｎｏ．１の１０倍の総電力量に止まった。
【０１０９】
これに対し、押圧部材３の押圧面が平面状であり、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持している本発明の実施例である試料Ｎｏ．３は、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持し、押圧部材３が圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧しているので、圧電セラミックス２ｂは十分に撓んで大きくひずむとともに、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、試料Ｎｏ．１の１００倍の総電力量を得ることができた。
【０１１０】
また、本発明の実施例である試料Ｎｏ.４は、支持部材４が圧電素子２の周辺部を支持し、圧電素子２を支持部材４の内側で押圧する押圧部材３の押圧面が環状であることにより、圧電セラミックス２ｂは十分に撓んで大きくひずむとともに、ひずみの符号の反転する位置が外周側へとずれて発生する電荷の相殺を少なくすることができるので、試料Ｎｏ．１の１００倍の総電力量を得ることができた。
【実施例２】
【０１１１】
まず、実施例１と同様の方法で、図１および図４に示す圧電素子２を作製した。次に、図１に示す圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４および圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３を、異なる硬度の材料を用いて作製した。また、図４に示す圧電素子２の周辺部を環状に支持する支持部材４および圧電素子２を支持部材４の内側で押圧する環状の押圧面を有する押圧部材３を、異なる硬度の材料を用いて作製した。次に、支持部材４および押圧部材３の硬度をそれぞれＨｓ，Ｈｐとして、その大小関係を表２に示す組み合わせの発電部材１を作製し、図１に示す電極２ａから電極２ｃまでの厚みｔをダイヤルゲージで測定した。その後、発電部材１に１ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１１２】
そして、押圧部材３を精密万能試験機（島津製作所製 オートグラフ（登録商標）ＡＧＳ−Ｊ）に取り付け、急激な負荷がかかった状態にするため、２００ｍｍ／分の速度で圧電素子２を押圧し、０．０５秒毎に圧電素子２にかかる荷重をこの精密万能試験機で測定した。また、同時に抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、荷重がかかってから４０Ｎになるまでを１サイクルとし、この１サイクル中に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ１とした。荷重が４０Ｎになった後、荷重を取り除き、再度荷重をかけて４０Ｎになるまでというサイクルを５０サイクル実施し、５０サイクル目に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ５０とした。そして、１サイクル目の総電力量Ｐ１に対する５０サイクル目の総電力量Ｐ５０の減少率ΔＰ（＝（Ｐ１−Ｐ５０）／Ｐ１×１００）（％）を算出し、その値を表２に示した。
【０１１３】
また、荷重をかける前にダイヤルゲージを用いて測定した電極２ａから電極２ｃまでの厚みｔの測定値をｔ０とし、５０サイクル終了後の電極２ａから電極２ｃまでの厚みｔの測定値をｔ５０とした。そして、荷重をかける前と５０サイクル終了後との厚みｔの増加率Δｔ（＝（ｔ５０−ｔ０）／ｔ０×１００）（％）を算出し、その値を表２に示した。この増加率Δｔが大きければ、圧電素子２の塑性変形が大きく、厚みの増加率Δｔが小さければ、圧電素子２の塑性変形が小さいことを意味する。
【０１１４】
【表２】
【０１１５】
表２に示す結果からわかるように、押圧部材３の硬度Ｈｐが支持部材４の硬度Ｈｓより低い試料Ｎｏ．６，９は、厚みの増加率Δｔおよび総電力量の減少率ΔＰが非常に小さかったことから、押圧部材３が支持部材４より硬度が低いことにより、圧電素子２に急激な負荷がかかっても、この負荷に伴う衝撃を押圧部材３が吸収して緩和し、支持部材４が過度の変形を抑制して支持できることがわかった。
【実施例３】
【０１１６】
まず、実施例１と同様の方法で、図１および図４に示す圧電素子２を作製した。次に、圧電素子２を支持部材４の内側で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３と、圧電素子２を支持部材４の内側で押圧する環状の押圧面により押圧する押圧部材３と、押圧部材３を保持する第１のカバー部材７と、第１のカバー部材７と一体に形成された押圧部材３とを用意した。また、圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４と、支持部材４を保持する第２のカバー部材８と、第２のカバー部材８と一体に形成された支持部材４とを用意した。そして、これらの部材を用いて、表３に示す組み合わせの発電装置６を作製し、各々の発電部材１に１０ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１１７】
なお、押圧部材３が第１のカバー部材７に、支持部材４が第２のカバー部材８に接着により接合されて保持されているものは、「別々」と表３に示した。また、第１のカバー部材７と一体に形成された押圧部材３、第２のカバー部材８と一体に形成された支持部材４は、「一体」と表３に示した。
【０１１８】
そして、精密万能試験機（島津製作所製 オートグラフ（登録商標）ＡＧＳ−Ｊ）を用いて、第１のカバー部材７および押圧部材３を介して１００ｍｍ／分の速度で圧電素子２を押圧し、０．０５秒毎に圧電素子２にかかる荷重を測定した。また、同時に抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、荷重がかかってから８０Ｎになるまでを１サイクルとし、この１サイクル中に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ１とした。荷重が８０Ｎになった後、荷重を取り除き、再度荷重をかけて８０Ｎになるまでのサイクルを５０サイクル実施し、５０サイクル目に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量Ｐ５０とした。そして、１サイクル目の総電力量Ｐ１に対する５０サイクル目の総電力量Ｐ５０の減少率ΔＰ（＝（Ｐ１−Ｐ５０）／Ｐ１×１００）（％）を算出し、その値を表３に示した。
【０１１９】
【表３】
【０１２０】
表３に示す結果からわかるように、押圧部材３が第１のカバー部材７に、支持部材４が第２のカバー部材８に接着により接合されて保持されている試料Ｎｏ．１１，１５に比べて、押圧部材３もしくは支持部材４のいずれかが一体に形成されている試料Ｎｏ．１２，１３，１６，１７は、総電力量の減少率ΔＰが小さかった。また、試料Ｎｏ．１２と試料Ｎｏ．１３とを比べると、押圧部材３が第１のカバー部材７と一体に形成されている試料Ｎｏ．１２の方が、位置ずれすることなく圧電素子２を押圧したので、総電力量の減少率ΔＰが小さかった。同様にして、試料Ｎｏ．１６と試料Ｎｏ．１７とを比べると、押圧部材３が第１のカバー部材７と一体に形成されている試料Ｎｏ．１６の方が、位置ずれすることなく圧電素子２を押圧したので、総電力量の減少率ΔＰが小さかった。
【０１２１】
さらに、押圧部材３および支持部材４が第１のカバー部材７および第２のカバー部材８と一体に形成されている試料Ｎｏ．１４，１８は、総電力量の減少率ΔＰが非常に小さく、これらの結果から、位置ずれすることなく押圧部材３が圧電素子２を押圧し、支持部材４が圧電素子２を支持して効率よく電力を得るには、押圧部材３および支持部材４がそれぞれ第１のカバー部材７および第２のカバー部材８と一体に形成することが好適であることがわかった。
【実施例４】
【０１２２】
まず、平面視した形状が円形状，三角形状，四角形状，六角形状および八角形状である圧電素子２を複数作製した。次に、圧電素子２を支持部材４の内側で圧電素子２と同一形状で平面状の押圧面により押圧する押圧部材３が一体に形成された第１のカバー部材７と、圧電素子２の周辺部を支持する支持部材４が一体に形成された第２のカバー部材８とを用意した。次に、これらの部材を用いて、平面視した形状が円形状，三角形状，四角形状，六角形状および八角形状の発電部材１を作製し、図１３および図９（ａ）〜（ｄ）に示す配置として発電装置６を作製した。なお、発電装置６の面積については等しくなるように作製し、各々の発電部材１に１０ＭΩの抵抗を並列に繋いで回路を形成した。
【０１２３】
そして、体重が６５kgの人が１１２歩／分の速度で歩いて、発電装置６を１歩踏むことによって、押圧部材３が一体に形成された第１のカバー部材７を介して圧電素子２を押圧したときの抵抗間の電圧および抵抗値を、０．０５秒毎にデジタルエレクトロメータ（アドバンテスト製 Ｒ８２５２）にて検出した。そして、１歩中に検出された電圧と抵抗値とにより各時間における電力量を計算し、その値を合計した値を総電力量とし、平面視したときの圧電素子２および押圧部材３の形状が円形状である試料Ｎｏ．１９の図１３に示す発電装置６の総電力量を１としたときの相対値で示した。結果を表４に示す。
【０１２４】
【表４】
【０１２５】
表４に示す結果からわかるように、平面視したときの発電部材１の形状が円形状である試料Ｎｏ．１９に比べて、平面視したときの形状が三角形状である発電部材１を図９（ａ）に示すように配置した試料Ｎｏ．２０，平面視したときの形状が四角形状である発電部材１を図９（ｂ）に示すように配置した試料Ｎｏ．21，平面視したときの形状が六角形状および三角形状の発電部材１を図９（ｃ）に示すように配置した試料Ｎｏ．２２，平面視したときの形状が八角形状および四角形状である発電部材１を図９（ｄ）に示すように配置した試料Ｎｏ．２３の総電力量は、いずれも大きかった。これらの結果から、発電部材１の平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であれば、発電部材１同士の間に無駄な空間がほとんどない状態で発電部材１を複数個面状に密に並べて配置することができ、発電量が大きくなるため、好適であることがわかった。
【符号の説明】
【０１２６】
１：発電部材
２：圧電素子
２ａ：電極
２ｂ：圧電セラミックス
２ｃ：電極
３：押圧部材
４：支持部材
５：保持部材
６：発電装置
７：第１のカバー部材
８：第２のカバー部材
９：発電システム
１０ａ，１０ｂ：ダイオード
１１：コンデンサ
１２：直流交流変換装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で平面状の押圧面により押圧することを特徴とする発電部材。
【請求項２】
板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で環状の押圧面により押圧することを特徴とする発電部材。
【請求項３】
板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることを特徴とする発電部材。
【請求項４】
前記押圧部材は、前記支持部材より硬度が低い材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発電部材。
【請求項５】
前記圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発電部材。
【請求項６】
前記圧電セラミックスは、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発電部材。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の前記発電部材が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの前記押圧部材が板状の第１のカバー部材により保持され、それぞれの前記支持部材が板状の第２のカバー部材により保持されていることを特徴とする発電装置。
【請求項８】
前記押圧部材が前記第１のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】
前記支持部材が前記第２のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の発電装置。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の発電装置と、ダイオードおよびコンデンサを含む回路を介して接続された直流交流変換装置とを備えていることを特徴とする発電システム。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の発電装置が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されていることを特徴とする発電システム。
【請求項１】
板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で平面状の押圧面により押圧することを特徴とする発電部材。
【請求項２】
板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、前記支持部材は前記圧電素子の周辺部を支持し、前記押圧部材は前記圧電素子を前記支持部材の内側で環状の押圧面により押圧することを特徴とする発電部材。
【請求項３】
板状の圧電セラミックスの両主面に電極が形成された圧電素子と、該圧電素子を一方主面側から押圧する押圧部材と、前記圧電素子を他方主面側で支持する支持部材とを備えてなる発電部材であって、平面視した形状が三角形状，四角形状，六角形状または八角形状であることを特徴とする発電部材。
【請求項４】
前記押圧部材は、前記支持部材より硬度が低い材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発電部材。
【請求項５】
前記圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発電部材。
【請求項６】
前記圧電セラミックスは、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、チタン酸カルシウムおよび鉄酸ビスマスを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発電部材。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の前記発電部材が複数個面状に並べて配置されて、それぞれの前記押圧部材が板状の第１のカバー部材により保持され、それぞれの前記支持部材が板状の第２のカバー部材により保持されていることを特徴とする発電装置。
【請求項８】
前記押圧部材が前記第１のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】
前記支持部材が前記第２のカバー部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の発電装置。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の発電装置と、ダイオードおよびコンデンサを含む回路を介して接続された直流交流変換装置とを備えていることを特徴とする発電システム。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の発電装置が床，階段，道路，橋，駐車場または線路の下側に配置されていることを特徴とする発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１５３７７７（Ｐ２０１０−１５３７７７Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８６５３２（Ｐ２００９−１８６５３２）
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）「平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構エネルギー使用合理化技術戦略的開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願」
【出願人】（０００２２１６１６）東日本旅客鉄道株式会社 (833)
【出願人】（５９２１４５２６８）ジェイアール東日本コンサルタンツ株式会社 (53)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）「平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構エネルギー使用合理化技術戦略的開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願」
【出願人】（０００２２１６１６）東日本旅客鉄道株式会社 (833)
【出願人】（５９２１４５２６８）ジェイアール東日本コンサルタンツ株式会社 (53)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
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