WO2010061916A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2010061916A1 PCT/JP2009/070036 JP2009070036W WO2010061916A1 WO 2010061916 A1 WO2010061916 A1 WO 2010061916A1 JP 2009070036 W JP2009070036 W JP 2009070036W WO 2010061916 A1 WO2010061916 A1 WO 2010061916A1
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WO
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power generation
piezoelectric element
pressing
pressing member
support member
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PCT/JP2009/070036
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French (fr)
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佐藤　敏彦
三昭 小林
じゅん 深見
吉村　健一
和洋 石川
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Kyocera Corp
JR East Consultants Co
East Japan Railway Co
Original Assignee
Kyocera Corp
JR East Consultants Co
East Japan Railway Co
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C9/00—Special pavings; Pavings for special parts of roads or airfields
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/08—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for recovering energy derived from swinging, rolling, pitching or like movements, e.g. from the vibrations of a machine
    • F03G7/081—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for recovering energy derived from swinging, rolling, pitching or like movements, e.g. from the vibrations of a machine recovering energy from moving road or rail vehicles, e.g. collecting vehicle vibrations in the vehicle tyres or shock absorbers
    • F03G7/083—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for recovering energy derived from swinging, rolling, pitching or like movements, e.g. from the vibrations of a machine recovering energy from moving road or rail vehicles, e.g. collecting vehicle vibrations in the vehicle tyres or shock absorbers using devices on streets or on rails
    • F03G7/087—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for recovering energy derived from swinging, rolling, pitching or like movements, e.g. from the vibrations of a machine recovering energy from moving road or rail vehicles, e.g. collecting vehicle vibrations in the vehicle tyres or shock absorbers using devices on streets or on rails magnetic or electromagnetic devices, e.g. linear electric generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/308—Membrane type

Definitions

  • the present invention relates to a power generation member having a function of generating power using pressure energy generated when a person walks or vibration energy generated when a car or a train travels, and a power generation apparatus and a power generation system using the power generation member. is there.
  • clean energy that does not involve CO 2 emissions includes the energy of pressure generated when people walk on floors and stairs of public facilities such as stations and airports, department stores, and roads, bridges, parking lots or railroad tracks
  • a power generation system that generates electric power by taking out the voltage generated by distorting piezoelectric ceramics by using vibration energy generated when a train or the like travels has attracted attention.
  • This power generation system includes a power generation device using a power generation member including piezoelectric ceramics, and some examples of such power generation members, power generation devices, and power generation systems are proposed in Patent Documents 1 to 3. .
  • Patent Document 1 a piezoelectric member is provided in a passage through which a moving object including a person, a vehicle, or a train passes, and electric power generated by pressure applied to the piezoelectric member by passing the moving object on the piezoelectric member is generated.
  • a power generation system to be taken out has been proposed. According to this, it is possible to configure a power generation system in existing facilities such as a station premises, and the power supply source is the movement of people and vehicles themselves, which can generate power very efficiently. Is.
  • Patent Document 2 proposes a power generation device in which a pressing power generation element is disposed on the floor of the staircase and the floor around the elevator and the pressing power generation element is connected to a charging device. According to this, it is possible to generate power by stepping on the pressing power generation element when going up and down the stairs, and there is almost no failure even when used for a long time. It can be done.
  • Patent Document 3 proposes a floor board material having a structure in which piezoelectric ceramics are sandwiched between electrodes in a building floor board material, and having a power generation function by an external load pressure.
  • FIG. 16 is a perspective view of a piezoelectric element in which metal electrodes are attached to both ends of a piezoelectric ceramic material described in Patent Document 3.
  • FIG. 17 shows the floor board material provided with the piezoelectric element described in Patent Document 3, (a) is an exploded view of the basic structure, and (b) is a cross-sectional view of the floor board material.
  • metal electrodes 22 are formed on both ends of a piezoelectric ceramic 21 processed into a cylindrical shape by vapor deposition or the like.
  • the floor board material 20 is electrically connected to the metal electrode 22 by fitting the piezoelectric elements 23 into the plurality of holes of the support material 24 having high electrical characteristics.
  • the upper and lower sides are sandwiched between metal plates 25 so as to be conductive, and the upper and lower sides are sandwiched between floor plate materials 26 that are normally used, and these are in close contact with each other.
  • Patent Document 1 is an epoch-making power generation system that does not require the construction of a dedicated facility based on the property that a piezoelectric member can be used for power generation, in order to take out a high voltage.
  • the configuration of the piezoelectric member and the efficient power generation method have not been sufficiently disclosed.
  • the power generation device described in Patent Document 2 can also generate power by stepping on the pressure power generation element with a foot, although it is a power generation device that can effectively use energy, there is a method for pressing the pressure power generation element. It has not been fully studied, and high power has not always been obtained.
  • the floor board material 20 described in Patent Document 3 specifically shows a method of generating power by taking out a voltage
  • the piezoelectric ceramic 21 is cylindrical, the pressure applied by the person's weight or the like is applied to the floor board. Even if it was transmitted to the piezoelectric element 23 via the material 26 and the metal plate 25, the piezoelectric ceramic 21 could not be sufficiently distorted, and high power could not be obtained.
  • the present invention has been devised to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a power generation member with high power generation, a power generation device using the power generation device, and a power generation system.
  • the power generation member of the present invention includes a piezoelectric element in which electrodes are formed on both main surfaces of a plate-like piezoelectric ceramic, a pressing member that presses the piezoelectric element from one main surface side, and the piezoelectric element on the other main surface side. And a supporting member that supports the peripheral portion of the piezoelectric element, and the pressing member presses the piezoelectric element with a flat pressing surface inside the supporting member. It is characterized by doing.
  • the power generation member of the present invention includes a piezoelectric element having electrodes formed on both main surfaces of a plate-like piezoelectric ceramic, a pressing member that presses the piezoelectric element from one main surface side, and the piezoelectric element on the other main surface.
  • the power generation member of the present invention includes a piezoelectric element having electrodes formed on both main surfaces of a plate-like piezoelectric ceramic, a pressing member that presses the piezoelectric element from one main surface side, and the piezoelectric element on the other main surface.
  • the power generation member is provided with a support member supported on the side, and the shape in plan view is a triangle shape, a quadrangular shape, a hexagonal shape, or an octagonal shape.
  • the power generation member of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the pressing member is made of a material having a hardness lower than that of the support member.
  • the power generating member of the present invention is characterized in that, in any one of the configurations described above, the piezoelectric ceramic is made of lead zirconate titanate.
  • the power generating member of the present invention is characterized in that, in any one of the above-described configurations, the piezoelectric ceramic contains potassium niobate, sodium, and lithium as main components, and includes calcium titanate and bismuth ferrate. .
  • a plurality of power generation members of the present invention having any one of the above configurations are arranged in a plane, and each of the pressing members is held by a plate-like first cover member, The support member is held by a plate-like second cover member.
  • the power generator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the pressing member is formed integrally with the first cover member.
  • the power generator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the support member is formed integrally with the second cover member.
  • the power generation system of the present invention is characterized by comprising the power generation device of the present invention having any one of the above configurations and a DC / AC converter connected through a circuit including a diode and a capacitor. is there.
  • the power generation system of the present invention is characterized in that the power generation device of the present invention having any one of the above configurations is arranged below the floor, stairs, road, bridge, parking lot, or track.
  • a piezoelectric element in which electrodes are formed on both main surfaces of a plate-like piezoelectric ceramic, a pressing member that presses the piezoelectric element from one main surface side, and the piezoelectric element on the other main surface side And a supporting member that supports the peripheral portion of the piezoelectric element, and the pressing member presses the piezoelectric element with a flat pressing surface inside the supporting member. Ceramics can be sufficiently bent and large strain can be obtained, and cancellation of generated charges can be reduced, so that high power can be obtained efficiently.
  • the piezoelectric element in which electrodes are formed on both main surfaces of the plate-shaped piezoelectric ceramic, the pressing member that presses the piezoelectric element from one main surface side, and the piezoelectric element on the other main surface A power generation member comprising a support member supported on the side, the support member supports a peripheral portion of the piezoelectric element, and the pressing member presses the piezoelectric element with an annular pressing surface inside the support member. Piezoelectric ceramics can be sufficiently bent to obtain large strains, and canceling of generated charges can be reduced, so that high power can be obtained efficiently.
  • the weight of the pressing member can be reduced as compared with a planar pressing member, and the pressing member itself can be an annular member. Since it can reduce, the weight reduction of the electric power generating apparatus arrange
  • Power generation member comprising a support member supported on the side, and since the shape in plan view is triangular, quadrangular, hexagonal or octagonal, there is almost no wasted space between the power generation members Since a plurality of power generating members can be arranged closely in a plane in the state, high power can be obtained efficiently.
  • the pressing member when the pressing member is made of a material whose hardness is lower than that of the support member, a large pressure energy generated when a person walks or a large vibration energy generated when a vehicle or the like travels generates a power generation member. Even in this case, the pressing member absorbs and relaxes energy due to large pressure and vibration, and the supporting member can be supported while suppressing excessive deformation of the piezoelectric element, so that the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric element is broken. Can be suppressed.
  • the piezoelectric ceramic is made of lead zirconate titanate
  • the ferroelectricity which is one of the characteristics affecting the power generation amount, is high, so that higher power can be obtained.
  • the piezoelectric ceramic is composed mainly of potassium niobate / sodium / lithium and contains calcium titanate and bismuth ferrate
  • a discontinuous portion referred to as a secondary phase transition that is transformed from a low-temperature side ferroelectric phase to a high-temperature side ferroelectric phase due to the temperature change rate of the resonance frequency and the piezoelectric constant g33 is less likely to occur. Can be stabilized.
  • the lead-free composition can be obtained, an environment-friendly power generation member can be obtained.
  • a plurality of power generation members of the present invention are arranged in a plane, each pressing member is held by a plate-like first cover member, and each supporting member is a plate.
  • the second cover member is held in the shape, power can be generated by efficiently using pressure energy generated when a person walks or vibration energy generated when a vehicle or the like travels.
  • the pressing member and the supporting member are respectively held by the first cover member and the second cover member, and energy due to pressure and vibration is not transmitted to a specific power generating member but is distributed and transmitted to a plurality of power generating members. Therefore, the power generation member is less likely to be damaged and can be used over a long period of time.
  • the pressing member when the pressing member is formed integrally with the first cover member, the pressing member and the first cover member are not simply in contact but formed integrally. Therefore, the relative positional relationship between the piezoelectric element and the pressing member does not change.
  • the power generation using the energy of the pressure generated when the person walks or the vibration energy generated when the vehicle travels is repeated. However, since the adhesion does not peel off and the coupling member such as a screw does not loosen, high power can be obtained efficiently over a long period of time.
  • the relative positional relationship between the piezoelectric element and the support member does not change. Can be obtained efficiently over a long period of time. Further, since the support member and the second cover member are integrally formed, the joining or joining process can be reduced.
  • the power generation device of the present invention when the power generation device of the present invention and a DC / AC converter connected via a circuit including a diode and a capacitor are provided, pressure energy generated when a person walks
  • the piezoelectric element is formed by a pressing member having a flat pressing surface held by the first cover member, a pressing member having an annular pressing surface, and eventually an annular pressing member, by vibration energy generated when the vehicle travels. Since the supporting member pressed and held by the second cover member supports the peripheral portion of the piezoelectric element, the piezoelectric ceramic is sufficiently bent and distorted, and the voltage generated by this distortion passes through the diode to the capacitor.
  • the power generation device provided in the power generation system of the present invention, if the shape of the power generation device in plan view is triangular, quadrangular, hexagonal, or octagonal, there is a useless space between the power generation devices of that shape. Since a plurality of power generators can be arranged closely in a plane with almost no state, high power can be obtained efficiently. Note that the plurality of power generation devices at this time do not have to have the same shape in plan view, and may be power generation devices having different shapes as long as they can be combined and closely arranged in a planar shape. Is.
  • the power generation device of the present invention when the power generation device of the present invention is disposed below the floor, stairs, road, bridge, parking lot or track, the energy of pressure generated when a person walks or Since electric power can be generated using vibration energy generated when the vehicle or the like travels, it is effective as an energy saving measure, and a clean power generation system that does not involve CO2 emission can be achieved.
  • FIG. 1 An example of an embodiment of a power generation member of the present invention is shown, (a) is a perspective view, and (b) is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in (a). Further, (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • FIG. 1 Another example of the embodiment of the power generation member of the present invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view taken along line B-B 'in (a). Further, (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • FIG. 1 Another example of the embodiment of the power generation member of the present invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is a sectional view taken along line C-C 'in (a). Further, (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • An example of an embodiment of a power generation member of the present invention is shown, (a) is a perspective view, and (b) is a sectional view taken along line D-D 'in (a). Moreover, (c) is a sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by an annular pressing member having an annular pressing surface.
  • (a) is a perspective view
  • (b) is sectional drawing in the E-E 'line in (a).
  • (c) is a sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by an annular pressing member having an annular pressing surface.
  • FIG. 1 is a perspective view
  • FIG. 1 is a perspective view
  • FIG. 1 is a perspective view
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line F-F 'in (a).
  • (c) is a sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by an annular pressing member having an annular pressing surface.
  • FIG. 1 Another example of the embodiment of the power generation member of the present invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view taken along line G-G 'in (a). Further, (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • the other example of embodiment of the electric power generation member of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is sectional drawing in the H-H 'line
  • FIG. 1 An example of arrangement
  • positioning of the electric power generation member of this invention is shown, (a) is a triangle-shaped combination, (b) is a square-shaped combination, (c) is a combination of a hexagonal shape and a triangular shape, and (d) is an octagonal shape. It is a schematic diagram of the combination with a square shape.
  • An example of embodiment of the electric power generating apparatus using the electric power generation member of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is an enlarged view of the V section in (a), (c) is (b) 2 is a cross-sectional view taken along line JJ ′ in FIG.
  • the other example of embodiment of the electric power generating apparatus using the electric power generation member of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is an enlarged view of the W section in (a), (c) is It is sectional drawing in the KK 'line
  • the other example of embodiment of the electric power generating apparatus using the electric power generation member of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is an enlarged view of the X section in (a), (c) is It is sectional drawing in the LL 'line in (b).
  • the other example of embodiment of the electric power generating apparatus using the electric power generation member of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is an enlarged view of the Y section in (a), (c) is It is sectional drawing in the MM 'line in (b). It is a schematic block diagram which shows an example of embodiment of the electric power generation system using the electric power generating apparatus of this invention. It is a schematic block diagram which shows the other example of embodiment of the electric power generation system using the electric power generating apparatus of this invention. It is a perspective view of the piezoelectric element which attached the metal electrode to the both ends of the conventional piezoelectric ceramic material.
  • the floor board raw material provided with the conventional piezoelectric element is shown, (a) is an exploded view of basic structure, (b) is sectional drawing of a floor board raw material.
  • Power generation member 2 Piezoelectric element 2a: Electrode 2b: Piezoelectric ceramics 2c: Electrode 3: Press member 4: Support member 5: Holding member 6: Power generation device 7: First cover member 8: Second cover member 9: Power generation system 10a, 10b: Diode 11: Capacitor 12: DC / AC converter
  • FIG. 1A is a perspective view
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
  • (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • the power generation member 1 of the example shown in FIG. 1 includes a piezoelectric element 2 having electrodes 2a and 2c formed on both main surfaces of a plate-like piezoelectric ceramic 2b, and a pressing member 3 that presses the piezoelectric element 2 from one main surface side.
  • the power generation member 1 includes a support member 4 that supports the piezoelectric element 2 on the other main surface side.
  • the piezoelectric ceramic 2b constituting the piezoelectric element 2 is a ceramic having a circular and plate-like piezoelectricity.
  • PZT lead zirconate titanate
  • PT lead titanate
  • BT barium titanate
  • a bismuth (Bi) layered compound, a tungsten bronze compound, or a compound having a perovskite structure such as a niobium (Nb) acid alkali compound may be used.
  • the electrode 2a is a circular layered electrode formed on one main surface of the piezoelectric ceramic 2b
  • the electrode 2c is a circular plate electrode formed on the other main surface of the piezoelectric ceramic 2b.
  • the electrode 2c is a circular plate-like electrode, it can have a function of holding the piezoelectric ceramic 2b on which the electrode 2a is formed.
  • the material of the electrodes 2a and 2c it is preferable to form at least one selected from gold, silver, copper, brass and palladium having high electrical conductivity.
  • the pressing member 3 presses the piezoelectric element 2 so that the piezoelectric element 2 does not break, and the support member 4 must support the piezoelectric element 2 so that the piezoelectric element 2 does not break.
  • What is necessary is just to form from the material which has, for example, at least 1 sort (s) chosen from austenitic stainless steels, such as SUS303, SUS304, SUS316, aluminum alloys, such as 3000 series, 5000 series, rubber
  • the shape of the pressing surface of the pressing member 3 is a flat shape. If the shape of the pressing surface of the pressing member 3 is hemispherical or curved, a negative strain is generated at the center of the pressed piezoelectric ceramic 2b, and the sign of the strain is reversed as it proceeds in the radial direction from the center toward the outer periphery. However, a positive strain is generated on the outer periphery of the piezoelectric ceramic 2b, and the charge generated due to the presence of the positive and negative strains is canceled, and the voltage that can be taken out becomes small. On the other hand, if the shape of the pressing surface of the pressing member 3 is a flat shape, the position where the sign of strain is reversed shifts to the outer peripheral side, and the cancellation of the generated charges can be reduced.
  • the support member 4 supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2, and the support member 4 can sufficiently deflect the piezoelectric ceramic 2 b by supporting the peripheral portion of the piezoelectric element 2. As a result, a large strain can be obtained.
  • the support member 4 supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2, and the pressing member 3 is the power generation member 1 that presses the piezoelectric element 2 with a flat pressing surface inside the supporting member 4.
  • the piezoelectric ceramic 2b is sufficiently bent by the energy of pressure generated when walking or the vibration energy generated when a car travels, so that a large strain can be obtained and the generated charges. Therefore, high power can be obtained efficiently.
  • FIG. 2 shows another example of the embodiment of the power generating member of the present invention
  • (a) is a perspective view
  • (b) is a cross-sectional view taken along line B-B ′ in (a).
  • (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • the pressing surface of the pressing member 3 can be widened.
  • the power generation member 1 has a configuration in which the main surface of the piezoelectric element 2 is a flat surface and the pressing surface of the pressing member 3 is widened, the sign of strain is reversed as compared with the power generation member 1 of the example shown in FIG. The position to be shifted is shifted to the outer peripheral side, and the cancellation of generated charges can be reduced.
  • FIG. 3A and 3B show another example of the embodiment of the power generation member of the present invention, in which FIG. 3A is a perspective view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line C-C ′ in FIG. Further, (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • a piezoelectric element 2 in which layered electrodes 2a and 2c are formed on both principal surfaces of a plate-like piezoelectric ceramic 2b, a holding member 5 that holds the piezoelectric element 2, and a piezoelectric element.
  • a pressing member 3 that presses 2 from one main surface side, and a support member 4 that supports the piezoelectric element 2 on the other main surface side. As such a configuration, it is also possible to generate power by taking out a voltage.
  • the holding member 5 is formed of one selected from gold, silver, copper, brass, palladium, SUS (stainless steel), phosphor bronze, titanium copper, oxygen-free copper, tough pitch copper, and phosphorus deoxidized copper having high electrical conductivity. It is preferable to do.
  • FIG. 4A and 4B show an example of an embodiment of the power generation member of the present invention, in which FIG. 4A is a perspective view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line D-D ′ in FIG. Moreover, (c) is a sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by an annular pressing member having an annular pressing surface.
  • the configuration of the power generation member 1 other than that the pressing surface of the pressing member 3 is annular and the pressing member 3 itself is annular is the content described with reference to FIG. Because of this, duplicate description is omitted.
  • the support member 4 supports the periphery of the piezoelectric element 2, and the pressing member 3 presses the piezoelectric element 2 inside the support member 4 with an annular pressing surface.
  • the piezoelectric ceramic 2b is sufficiently bent by the energy of the pressure generated when a person walks or the vibration energy generated when a car or the like travels. Large distortion can be obtained, and cancellation of generated charges can be reduced, so that high power can be obtained efficiently.
  • the pressing surface of the pressing member 3 is annular, the vicinity of the center of the piezoelectric element 2 is not pressed, and the outer peripheral side of the piezoelectric element 2 is pressed. It is possible to reduce the cancellation of the electric charges generated by shifting to the outer peripheral side of the piezoelectric element 2.
  • the annular pressing surface of the pressing member 3 may be anything that does not press the vicinity of the center of the piezoelectric element 2 and presses the piezoelectric element 2 inside the support member 4.
  • the pressing surface of the pressing member 3 constituting the power generation member 1 is annular, the weight can be reduced as compared with a planar pressing surface, and as a result, the pressing member 3 is annular, thereby providing one power generation member. Since the weight of 1 can be reduced, it is possible to reduce the weight of the power generation apparatus in which a plurality of power generation members 1 are arranged in a plane. Furthermore, since the power generation device can be reduced in weight, the burden of carrying the power generation device can be reduced.
  • the pressing member 3 having an annular pressing surface is not limited to the entire pressing member 3 having an annular shape as in this example, and has a concave portion in the central portion on the pressing surface side. In this case, it is possible to reduce the weight of at least the concave portion.
  • FIG. 5 shows another example of the embodiment of the power generating member of the present invention
  • (a) is a perspective view
  • (b) is a cross-sectional view taken along the line E-E 'in (a).
  • (c) is a sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by an annular pressing member having an annular pressing surface.
  • the electrode 2a is formed so that the main surface of the piezoelectric element 2 is a flat surface without a step, so that the annular pressing member 3 that is a pressing member 3 having an annular pressing surface. It is possible to shift the pressing position by increasing the diameter to the outer peripheral side of the piezoelectric element 2. In this way, by shifting the position where the main surface of the piezoelectric element 2 is flat and the diameter of the pressing surface of the annular pressing member 3 having the annular pressing surface is increased toward the outer peripheral side of the piezoelectric element 2, Compared with the power generation member 1 of the example shown in FIG. 4, the position where the sign of the strain is reversed shifts to the outer peripheral side, so that cancellation of generated charges can be reduced.
  • FIG. 6A and 6B show another example of the embodiment of the power generation member of the present invention.
  • FIG. 6A is a perspective view
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line F-F ′ in FIG.
  • (c) is a sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by an annular pressing member having an annular pressing surface.
  • a piezoelectric element 2 in which layered electrodes 2a and 2c are formed on both principal surfaces of a plate-like piezoelectric ceramic 2b, a holding member 5 that holds the piezoelectric element 2, and a piezoelectric element.
  • An annular pressing member 3 which is a pressing member 3 having an annular pressing surface for pressing 2 from one main surface side, and a support member 4 which supports the piezoelectric element 2 on the other main surface side. As such a configuration, it is also possible to generate power by taking out a voltage.
  • the holding member 5 is formed of one selected from gold, silver, copper, brass, palladium, SUS (stainless steel), phosphor bronze, titanium copper, oxygen-free copper, tough pitch copper, and phosphorus deoxidized copper having high electrical conductivity. It is preferable to do.
  • the outer shape of the pressing member 3, the piezoelectric element 2, the holding member 5 and the supporting member 4 when viewed in plan is circular. Although the example which combined these was shown, the combination of the following shapes may be sufficient.
  • FIG. 7A and 7B show another example of the embodiment of the power generation member of the present invention, in which FIG. 7A is a perspective view, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line G-G ′ in FIG. Further, (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • the shape of the pressing member 3 is circular when viewed in plan, and the shape of the piezoelectric element 2 and the holding member 5 is rectangular when viewed in plan.
  • the shape of the piezoelectric element 2 in plan view is a polygonal shape such as a quadrangle
  • the shape of each corner portion indicated by a broken-line circle in FIG. 7A of the piezoelectric ceramic 2b constituting the piezoelectric element 2 in particular. Is preferably arcuate in plan view, that is, the corners are preferably rounded.
  • FIG. 8A and 8B show still another example of the embodiment of the power generation member of the present invention.
  • FIG. 8A is a perspective view
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line H-H ′ in FIG.
  • (c) is a cross-sectional view showing a state where the piezoelectric element is pressed by the pressing member.
  • the shape of the pressing member 3, the piezoelectric element 2, and the holding member 5 is a quadrilateral shape in plan view.
  • the pressing member 3, the piezoelectric element 2 and the holding member 5 have the same shape when viewed in plan, the positioning of the respective members is facilitated, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the applied pressure and generated stress can be easily distributed symmetrically in plan view, which can improve the efficiency by suppressing the bias of power generation, and can improve the durability by suppressing the occurrence of partial destruction. it can.
  • the shape of these members may be triangular, hexagonal or octagonal, or a combination of these shapes.
  • FIG. 9 shows an example of the arrangement of the power generation members of the present invention, where (a) is a combination of triangular shapes, (b) is a combination of rectangular shapes, and (c) is a hexagonal shape. (D) is a schematic diagram of a combination of an octagonal shape and a quadrangular shape.
  • the holding member 5, the piezoelectric element 2 and the pressing member 3 are shown only in the upper left power generation member 1 in each of the schematic diagrams (a) to (d), and the description of the others is omitted.
  • the shape of the power generation member 1 of the present invention is preferably triangular, quadrangular, hexagonal, or octagonal in plan view.
  • the shape of the power generation member 1 according to the present invention in plan view corresponds to the shape of the holding member 5 that is the portion having the largest outer shape when viewed in plan in the example illustrated in FIG. 9.
  • the electrode 2c is a plate-like electrode and the electrode 2c has a function of holding the piezoelectric ceramic 2b on which the electrode 2a is formed, like the power generation member 1 shown in FIG. 1 or FIG. This corresponds to the shape of the electrode 2c.
  • the shape of the power generation member 1 may be a triangular combination or a quadrangular combination when viewed in plan, or FIGS. 9C and 9D. If the shape of the power generation member 1 is a combination of a hexagonal shape and a triangular shape or a combination of an octagonal shape and a quadrangular shape in plan view, as shown in the schematic diagram of FIG. Since a plurality of power generating members 1 can be arranged closely in a plane in a state where there is almost no space, high power can be obtained efficiently.
  • the pressing member 3 is a material having a hardness lower than that of the support member 4. If the pressing member 3 is a material whose hardness is lower than that of the support member 4, a large pressure or vibration energy is generated in the power generation member 1 due to a large pressure energy generated when a person walks or a large vibration energy generated when a car or the like travels. Even if it is applied, the pressing member 3 absorbs and relaxes a large pressure or vibration energy, and the supporting member 4 can support the piezoelectric element 2 by suppressing excessive deformation of the piezoelectric element 2. It is possible to suppress the ceramic 2b from cracking.
  • the pressing member 3 is made of at least one selected from rubber, resin, carbon nanotube and carbon fiber material
  • the supporting member 4 is austenitic stainless steel such as SUS303, SUS304, SUS316, 3000 series, 5000 series.
  • a combination of at least one selected from metals such as aluminum alloys is preferred.
  • the difference in hardness according to ISO 7619-2004 between the pressing member 3 and the supporting member 4 is preferably A5 / 15 / S or more. It is.
  • the piezoelectric ceramic 2b is preferably made of lead zirconate titanate. This is because lead zirconate titanate has high ferroelectricity, which is one of the characteristics affecting the amount of power generation, and higher power can be obtained when the piezoelectric ceramic 2b is made of lead zirconate titanate.
  • the composition formula is represented by PbZrO 3 —PbTiO 3 —Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 .
  • the main component is bismuth (Bi) and iron (Fe) in terms of BiFeO 3 in a range of 5% by mass to 15% by mass, another example being a composition formula of Pb 1-x- y Sr x Ba y is represented by (Zn 1/3 Sb 2/3) a ( Ni 1/2 Te 1/2) b Zr c Ti 1-a-b-c O 3, x, y, a, b , C have a molar ratio of 0 ⁇ x ⁇ 0.12, 0 ⁇ y ⁇ 0.12, 0 ⁇ x + y, 0.05 ⁇ a ⁇ 0.12, 0 ⁇ b ⁇ 0.015 and 0.43 ⁇ c ⁇ 0.52 to 100 parts by weight of the component which satisfies consists equimolar ratio PbO and Nb
  • the O 5 to 0.2-1.2 parts by weight containing principal component comprising a total of ceramics containing magnesium (Mg) in a range of less than 0.6 mol%
  • a material piezoelectric constant d 33 is large, as an example, a composition formula Pb 1-x-y Sr x Ba y (Zn 1/3 Sb 2/3) a Zr b Ti 1-a-b
  • the molar ratio represented by O 3 and represented by x, y, a, b is 0 ⁇ x ⁇ 0.14, 0 ⁇ y ⁇ 0.14, 0.04 ⁇ x + y, 0.01 ⁇ a ⁇ 0.12, and It is preferable that the ceramic satisfies 0.43 ⁇ b ⁇ 0.58.
  • x, y, a, the molar ratio shown in b is in this range, the can be given by repeated load extremely small attenuation factor of the piezoelectric constant d 33.
  • the piezoelectric ceramic 2b is preferably composed of potassium niobate, sodium, and lithium as main components, and calcium titanate and bismuth ferrate.
  • Piezoelectric ceramic 2b is a main component of potassium sodium-lithium niobate, when containing calcium titanate and bismuth ferrite, the resonance frequency in the temperature range of -40 ⁇ + 0.99 ° C., the temperature of the anti-resonance frequency and piezoelectric constant g 33
  • a discontinuous portion called a second-order phase transition caused by phase change from a low-temperature ferroelectric phase to a high-temperature ferroelectric phase is less likely to occur due to the rate of change, so that the piezoelectric characteristics can be stabilized.
  • the main component in the piezoelectric ceramic 2b is a component that occupies 50% by mass or more out of 100% by mass of all the components constituting the piezoelectric ceramic 2b.
  • FIG. 10 shows an example of an embodiment of a power generation device using the power generation member of the present invention
  • (a) is a perspective view
  • (b) is an enlarged view of a V portion in (a)
  • (c ) Is a cross-sectional view taken along line JJ ′ in FIG.
  • each pressing member 3 is held by a plate-like first cover member 7, and each support member 4 is a plate.
  • the second cover member 8 is held in a shape.
  • the pressing member 3 and the support member 4 are preferably held or joined to the first cover member 7 and the second cover member 8 by using a joining member such as an adhesive or a screw, respectively.
  • the pressing member 3 and the support member 4 are held by the first cover member 7 and the second cover member 8, and a plurality of power generation members 1 of the present invention having high power generation are provided.
  • a plurality of power generation members 1 of the present invention having high power generation are provided.
  • the pressing member 3 and the support member 4 are held by the first cover member 7 and the second cover member 8, respectively, and vibration energy is not transmitted to the specific power generation member 1, but is distributed to the plurality of power generation members 1. Therefore, the power generation member 1 is less likely to be damaged and can be used for a long period of time.
  • the power generation member 1 of the present invention constituting the power generation device 6 of the present invention has a triangular shape, a quadrangular shape, a hexagonal shape, or an octagonal shape when viewed in plan
  • a plurality of power generation members 1 are formed by combining them.
  • the power generation device 6 composed of a plurality of power generation members 1 can also have various shapes such as a triangular shape, a quadrangular shape, a hexagonal shape, and an octagonal shape in plan view. They can be arranged closely in a plane.
  • FIG. 11 shows another example of the embodiment of the power generation device using the power generation member of the present invention, (a) is a perspective view, (b) is an enlarged view of the W portion in (a), (C) is a sectional view taken along line KK ′ in (b).
  • the power generation device 6 of the example shown in FIG. 11 has a quadrangular shape in plan view, such as the pressing member 3 and the piezoelectric element 2 constituting the power generation member 1, and a plurality of the power generation members 1 are arranged closely in a plane.
  • each pressing member 3 is held by a plate-like first cover member 7, and each support member 4 is held by a plate-like second cover member 8.
  • the first and second cover members 7 and 8 have a quadrangular shape in plan view, but the shape of the power generation member 1 in plan view is triangular, quadrangular, hexagonal, octagonal, or a combination thereof. By doing so, it is possible to arrange a plurality of power generation members 1 in a state where there is almost no wasted space between the power generation members 1, so that high power can be obtained efficiently,
  • the power generation device 6 can have various shapes.
  • FIG. 12 shows another example of the embodiment of the power generation device using the power generation member of the present invention, (a) is a perspective view, (b) is an enlarged view of a portion X in (a), (C) is a sectional view taken along line LL ′ in (b).
  • the pressing member 3 is formed integrally with the first cover member 7, and the pressing member 3 and the first cover member 7 are not simply in contact but integrated. Since it is formed, the relative positional relationship between the piezoelectric element 2 and the pressing member 3 does not change.
  • power generation using pressure energy generated when a person walks or vibration energy generated when a vehicle or the like travels. Even if the process is repeated, the adhesion is not peeled off and the coupling member such as a screw is not loosened, so that high power can be efficiently obtained over a long period of time.
  • FIG. 13 shows another example of the embodiment of the power generation device using the power generation member of the present invention, (a) is a perspective view, (b) is an enlarged view of the Y part in (a), (C) is a sectional view taken along line MM ′ in (b).
  • the support member 4 is formed integrally with the second cover member 8, and the support member 4 and the second cover member 8 are not simply in contact but integrated with each other. Since it is formed, the relative positional relationship between the piezoelectric element 2 and the support member 4 does not change. Further, compared with the case where the support member 4 and the first cover member 7 are joined or coupled, power generation using pressure energy generated when a person walks or vibration energy generated when a vehicle or the like travels. Even if the process is repeated, the adhesion is not peeled off and the coupling member such as a screw is not loosened, so that high power can be efficiently obtained over a long period of time. Furthermore, since the support member 4 and the second cover member 8 are integrally formed, the joining or joining process can be reduced.
  • the power generation device 6 includes the pressing member 3 formed integrally with the first cover member 7, the support member 4 formed integrally with the second cover member 8, and the piezoelectric element 2, A similar effect can be obtained, which is preferable. Furthermore, in the example shown in FIGS. 12 and 13, the first cover member 7 and the second cover member 8 formed integrally with the individual pressing members 3 and the support members 4 are shown. It is also preferable to form it integrally with the support member 4.
  • 14 and 15 are schematic configuration diagrams showing an example of an embodiment of a power generation system using the power generation device of the present invention.
  • the power generation system 9 of the example shown in FIGS. 14 and 15 is a power generation system including the power generation device 6 of the present invention and a DC / AC conversion device 12 connected via a circuit including diodes 10 a and 10 b and a capacitor 11.
  • 14 shows that the pressing member 3 of the power generation member 1 constituting the power generation device 6 of the present invention has a flat pressing surface
  • FIG. 15 has an annular pressing surface. The pressing member 3 is shown.
  • the pressing member 3 having a flat pressing surface held by the first cover member 7 by the energy of pressure generated when a person walks or the vibration energy generated when a vehicle or the like travels.
  • the pressing member 3 having an annular pressing surface presses the piezoelectric element 2, and the supporting member 4 held by the second cover member 8 supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2, so that the piezoelectric ceramic 2 b is distorted.
  • the voltage generated by this distortion is accumulated as a charge in the capacitor 11 through the diode 10a.
  • condenser 11 can be taken out through the diode 10b, can be converted into an alternating current with the direct current alternating current converter 12, and can be taken out as electric power.
  • the electric power generation system 9 of this invention by which the electric power generating apparatus 6 of this invention is arrange
  • the power generation device 6 of the present invention provided in the power generation system 9 of the present invention has a shape between the power generation devices 6 as long as the shape of the power generation device 6 in a plan view is a triangle shape, a quadrangular shape, a hexagonal shape, or an octagonal shape. Since a plurality of power generators 6 can be arranged closely in a plane in a state where there is almost no wasted space, high power can be obtained efficiently. Furthermore, it is possible to make the power generation system 9 excellent in decorativeness by changing the color of the first cover member 7 or combining the power generation devices 6 having various shapes.
  • the piezoelectric ceramic 2b is made of lead zirconate titanate
  • lead oxide (Pb 3 O 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), strontium carbonate (SrCO 3 ), barium carbonate (BaCO 3 ), zinc oxide (ZnO), antimony oxide (Sb) 2 O 3 ), nickel oxide (NiO), and tellurium oxide (TeO 2 ) powders are weighed and mixed to prepare raw materials.
  • the mixed raw materials are placed in a ball mill together with water as a solvent, and mixed and pulverized for 20 hours or more 30 A slurry is obtained by performing for less than an hour.
  • balls containing zirconia as a main component may be used.
  • lead oxide (PbO) and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) may be weighed and mixed as needed.
  • calcined powder is obtained by calcining in an air atmosphere at a temperature of 850 ° C. to 900 ° C. and a holding time of 1 hour to 3 hours.
  • a predetermined amount of magnesium carbonate (MgCO 3 ) powder is added to the obtained calcined powder so that the magnesium (Mg) content is 0.6 mol% or less, and pulverized, mixed, and mixed.
  • MgCO 3 magnesium carbonate
  • a slurry is prepared from the mixed powder, and a molded body having a predetermined shape such as a disk, triangle, square, hexagon or octagon is obtained by a tape molding method or an extrusion molding method, or from the mixed powder.
  • Granules may be produced from the produced slurry by a spray drying method, and a molded body having a predetermined shape may be formed by a dry pressure molding method. By firing this molded body at 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower in an air atmosphere or an oxygen atmosphere, a piezoelectric ceramic 2b which is a sintered body can be obtained.
  • the obtained slurry is dehydrated and dried, and then calcined in an air atmosphere at a temperature of 850 ° C. or higher and 900 ° C. or lower and a holding time of 1 hour or longer and 3 hours or shorter, whereby the composition formula is PbZrO 3 ⁇
  • a calcined powder mainly containing a component represented by PbTiO 3 —Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 is obtained.
  • a predetermined amount of each powder of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) is added to the obtained calcined powder and mixed to obtain a mixed powder. From this mixed powder, a slurry is obtained.
  • the piezoelectric ceramic 2b is composed mainly of potassium niobate / sodium / lithium and contains calcium titanate and bismuth ironate
  • potassium carbonate (K 2 CO 3 ) sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (
  • Each powder of TiO 2 ) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) is weighed and mixed to prepare a raw material for preparation.
  • the piezoelectric ceramic 2b for example, the composition formula is a (1-a-b) ( K x Na y Li 1-x-y) NbO 3 + aCaTiO 3 + bBiFeO 3, x, y, a, b, What is necessary is just to weigh so that the molar ratio of c satisfies 0 ⁇ a ⁇ 0.16, 0 ⁇ b ⁇ 0.1, 0 ⁇ x ⁇ 0.19, and 0.79 ⁇ y ⁇ 1.
  • this blended raw material is put in a ball mill together with 2-propanol (isopropanol) as a solvent, and mixed and pulverized for 15 hours to 25 hours to obtain a slurry.
  • 2-propanol isopropanol
  • balls containing zirconia as a main component may be used.
  • the obtained slurry is dehydrated and dried, it is calcined at 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower for 3 hours in the air atmosphere to obtain a calcined powder. Thereafter, the calcined powder is pulverized again with a ball mill, and a binder such as polyvinyl alcohol (PVA) is added to the calcined powder to form a slurry, which is dried by a spray drying method to form granules.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the obtained granule is formed into a predetermined shape by a dry pressure molding method at a pressure of 200 MPa, and the obtained shaped body is degreased as necessary, and then, for example, 1000 ° C. in an air atmosphere.
  • the piezoelectric ceramic 2b can be obtained by firing at 1250 ° C. or lower.
  • a paste made of at least one selected from gold, silver, copper and palladium, for example, having high electrical conductivity is applied to one main surface of the piezoelectric ceramic 2b obtained by any of the above-described manufacturing methods by screen printing or dipping.
  • the electrode 2a is formed by applying by a known method such as a method and applying heat treatment.
  • a plate-like body made of brass is bonded to the other main surface of the piezoelectric ceramic 2b with an adhesive such as an epoxy adhesive to form the electrode 2c, and then in silicon oil having a temperature of 70 ° C. or higher and 90 ° C. or lower.
  • a paste made of at least one selected from, for example, gold, silver, copper, and palladium, having high electrical conductivity is applied to both main surfaces of the piezoelectric ceramic 2b obtained by any one of the above-described manufacturing methods.
  • the electrodes 2a and 2c are formed by applying by a known method such as the method, the electrodes 2a and 2c are formed and then in a silicon oil having a temperature of 70 ° C. or higher and 90 ° C. or lower in a range of 10 to 30 minutes and 3 kV / mm to 7 kV Polarization treatment may be performed by applying a DC electric field of / mm or less so that the electrode 2c is negative and the electrode 2a is positive.
  • the piezoelectric element 2 shown in FIG. 3, FIG. 6, FIG. 7 or FIG. 8 is bonded to the holding member 5 made of brass having high electrical conductivity with an acrylic resin adhesive. Obtainable.
  • the piezoelectric element 2 obtained by any of the above-mentioned methods, the supporting member 4 that supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2, and the pressing member 3 that presses with a flat pressing surface inside the supporting member 4 or an annular shape
  • the power generation member 1 of the present invention can be obtained by disposing the pressing member 3 pressed by the pressing surface at a predetermined position.
  • each pressing member 3 is held by a plate-like first cover member 7
  • each supporting member 4 is a plate-like second cover.
  • the shape of the first and second cover members 7 and 8 in plan view is triangular, quadrangular, hexagonal or octagonal
  • the shape in plan view is triangular, quadrangular, hexagonal or octagonal This can be dealt with by producing and combining the shape of the power generation member 1.
  • the power generation system 9 of the present invention can be obtained by connecting the DC / AC converter 12 to the power generation apparatus 6 of the present invention via a circuit including the diodes 10a and 10b and the capacitor 11.
  • layered electrodes 2a made of silver as a main component were formed on both main surfaces of a piezoelectric ceramic 2b made of disc-shaped lead zirconate titanate having a diameter of 25 mm and a thickness of 0.25 mm.
  • a DC electric field of 5 kV / mm is applied for 30 minutes in 90 ° C. silicone oil, and polarization treatment is performed so that the electrode 2c becomes negative and the electrode 2a becomes positive.
  • the diameter is 35 mm and the thickness is 0.
  • a piezoelectric element 2 shown in FIG. 1 was formed by bonding an electrode 2c, which is a circular plate electrode made of 3 mm brass, using an acrylic resin adhesive.
  • a pressing member for pressing one main surface side of the piezoelectric element 2 a pressing member having a spherical pressing surface and a pressing member 3 having a flat and annular pressing surface were prepared.
  • a support member to be supported on the other main surface side of the piezoelectric element 2 a support member that supports the entire surface of the piezoelectric element 2 and a support member 4 that supports the periphery of the piezoelectric element 2 were prepared.
  • a power generation member having a combination shown in Table 1 was produced by the piezoelectric element 2 and the prepared pressing member and support member, and a circuit was formed by connecting a resistance of 1 M ⁇ in parallel to the power generation member.
  • the pressing member is attached to a precision universal testing machine (manufactured by Shimadzu Corporation, Autograph (registered trademark) AGS-J), presses the piezoelectric element 2 at a speed of 100 mm / min, and is applied to the piezoelectric element 2 every 0.05 seconds.
  • the load was measured with this precision universal testing machine.
  • the voltage between the resistors and the resistance value were detected with a digital electrometer (R8252 manufactured by Advantest) every 0.05 seconds.
  • the amount of electric power in each time is calculated from the voltage and resistance value detected from when the load is applied to 40 N, the value obtained by adding the values is the total electric energy, and the pressing surface is planar.
  • the support member supported on the other main surface side of the piezoelectric element 2 is a combination of support members that support the entire surface of the piezoelectric element 2.
  • the relative value when the total power amount of 1 is 1 is shown. The results are shown in Table 1.
  • the pressing surface of the pressing member is flat, and the sample No. 2 in which the supporting member supports the entire surface of the piezoelectric element 2 is obtained.
  • the power generating member 1 could not sufficiently bend the piezoelectric ceramic 2b because the supporting member supported the entire surface of the piezoelectric element 2, and the total amount of electric power obtained with small distortion was small.
  • the support member 4 supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2, so Although it was able to bend more than 1, a negative strain was generated at the center of the pressed piezoelectric ceramic 2b, whereas the sign of the strain was reversed as it progressed in the radial direction from the center toward the outer periphery. A positive strain is generated on the outer periphery of the ceramic 2b, and the charge generated by the presence of the positive and negative strains is offset. The total power amount is 10 times that of 1.
  • the pressing surface of the pressing member 3 is flat, and the support member 4 supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2 Sample No. which is an embodiment of the present invention.
  • the support member 4 supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2 and the pressing member 3 presses the piezoelectric element 2 with a flat pressing surface inside the supporting member 4, the piezoelectric ceramic 2 b is sufficiently bent. Since the position where the sign of the strain is reversed is shifted to the outer peripheral side, the cancellation of the charges generated can be reduced. A total power amount 100 times that of 1 could be obtained.
  • the supporting member 4 supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2, and the pressing surface of the pressing member 3 that presses the piezoelectric element 2 inside the supporting member 4 is annular.
  • the piezoelectric ceramic 2b is sufficiently bent and greatly distorted, and it is possible to reduce the cancellation of charges generated by shifting the position where the sign of the strain is reversed to the outer peripheral side. A total power amount 100 times that of 1 could be obtained.
  • a piezoelectric element 2 shown in FIGS. 1 and 4 was produced in the same manner as in Example 1.
  • the supporting member 4 that supports the periphery of the piezoelectric element 2 shown in FIG. 1 and the pressing member 3 that presses the piezoelectric element 2 with a flat pressing surface inside the supporting member 4 are made of materials having different hardnesses.
  • the support member 4 that annularly supports the peripheral portion of the piezoelectric element 2 shown in FIG. 4 and the pressing member 3 that has an annular pressing surface that presses the piezoelectric element 2 inside the support member 4 are made of materials having different hardnesses. Made.
  • the power generation member 1 having a combination shown in Table 2 is produced, and the thickness t from the electrode 2a to the electrode 2c shown in FIG. Measured with a dial gauge. Thereafter, a 1 M ⁇ resistor was connected in parallel to the power generation member 1 to form a circuit.
  • the pressing member 3 is attached to a precision universal testing machine (Autograph (registered trademark) AGS-J, manufactured by Shimadzu Corporation), and the piezoelectric element 2 is pressed at a speed of 200 mm / min in order to apply a sudden load.
  • the load applied to the piezoelectric element 2 every 0.05 seconds was measured with this precision universal testing machine.
  • the voltage between the resistors and the resistance value were detected with a digital electrometer (R8252 manufactured by Advantest) every 0.05 seconds.
  • the period from when the load is applied to 40N is taken as one cycle, the electric energy at each time is calculated from the voltage and the resistance value detected during the one cycle, and the total value is calculated as the total electric energy P. It was set to 1 .
  • the measurement of the thickness t of the electrode 2a measured with a dial gauge to the electrode 2c before placing a load and t the measured value of the thickness t of from 50 cycles after the end of the electrode 2a to the electrode 2c t 50 .
  • the hardness of the pressing member 3 is lower than the hardness Hs of the supporting member 4. 6 and 9, since the thickness increase rate ⁇ t and the total power decrease rate ⁇ P were very small, the pressing member 3 had a hardness lower than that of the support member 4, which caused a sudden load on the piezoelectric element 2. It was also found that the impact associated with this load was absorbed by the pressing member 3 and alleviated, and the support member 4 could be supported while suppressing excessive deformation.
  • a piezoelectric element 2 shown in FIGS. 1 and 4 was produced in the same manner as in Example 1.
  • a pressing member 3 that presses the piezoelectric element 2 with an annular pressing surface that presses the piezoelectric element 2 inside the support member 4 A first cover member 7 holding the pressing member 3 and a pressing member 3 formed integrally with the first cover member 7 were prepared.
  • a support member 4 that supports the periphery of the piezoelectric element 2, a second cover member 8 that holds the support member 4, and a support member 4 that is formed integrally with the second cover member 8 were prepared. Then, using these members, power generation apparatuses 6 having combinations shown in Table 3 were produced, and a circuit was formed by connecting each power generation member 1 with a resistance of 10 M ⁇ in parallel.
  • Table 3 shows that the pressing member 3 is bonded to the first cover member 7 and the support member 4 is bonded and held to the second cover member 8 as “separate”. Further, the pressing member 3 formed integrally with the first cover member 7 and the support member 4 formed integrally with the second cover member 8 are shown as “integrated” in Table 3.
  • the piezoelectric element 2 is pressed at a speed of 100 mm / min through the first cover member 7 and the pressing member 3.
  • the load applied to the piezoelectric element 2 was measured every 0.05 seconds.
  • the voltage between the resistors and the resistance value were detected with a digital electrometer (R8252 manufactured by Advantest) every 0.05 seconds.
  • the period from when the load is applied to 80 N is taken as one cycle, and the electric energy at each time is calculated from the voltage and resistance value detected during this one cycle. It was set to 1 .
  • the sample No. 1 in which the pressing member 3 and the supporting member 4 are formed integrally with the first cover member 7 and the second cover member 8 is formed. 14 and 18, the reduction rate ⁇ P of the total electric energy is very small. From these results, the pressing member 3 presses the piezoelectric element 2 without being displaced, and the support member 4 supports the piezoelectric element 2 to improve the efficiency. In order to obtain electric power well, it has been found that the pressing member 3 and the supporting member 4 are preferably formed integrally with the first cover member 7 and the second cover member 8, respectively.
  • a plurality of piezoelectric elements 2 having a circular shape, a triangular shape, a quadrangular shape, a hexagonal shape, and an octagonal shape in plan view were produced.
  • a second cover member 8 in which a support member 4 for supporting the portion is integrally formed.
  • the power generation member 1 having a circular shape, a triangular shape, a quadrangular shape, a hexagonal shape, and an octagonal shape in plan view is produced, and FIGS. 13 and 9A to 9D are used.
  • a power generation device 6 was produced as an arrangement shown. In addition, it produced so that it might become equal about the area of the electric power generating apparatus 6, and connected the resistance of 10Mohm to each electric power generation member 1 in parallel, and formed the circuit.
  • the sample No. 1 in which the shape of the power generation member 1 when viewed in plan is a circle is shown.
  • the power generation member 1 having a triangular shape when viewed in plan is arranged as shown in FIG. 20
  • a sample No. 1 in which the power generation member 1 having a square shape when viewed in plan is arranged as shown in FIG. 21.
  • the power generation member 1 having a hexagonal shape and a triangular shape in plan view is arranged as shown in FIG. 22
  • the power generation member 1 having an octagonal shape and a quadrangular shape when viewed in plan is arranged as shown in FIG.
  • the total power amount of 23 was large.
  • the shape of the power generation member 1 in plan view is triangular, quadrangular, hexagonal, or octagonal, a plurality of power generation members 1 are provided with almost no wasted space between the power generation members 1. It can be arranged closely in a plane shape, and the amount of power generation increases, which proves preferable.

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Abstract

　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。　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。

Description

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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
特開２００６－１９７７０４号公報 特開平１１－３５３９１３号公報 特開平５－３９６６１号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。
　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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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。

Claims (11)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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