JP6403059B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、人等の移動体が通過する通路に設置される圧電体板を有し、移動体が圧電体板の上を通過することにより圧電体板で発生した電気を出力する発電装置に関する。

近年、圧電素子により構成され板状に形成された圧電体板を用いた発電装置が各種提案されている。例えば、人や車両等の移動体が通過する通路に圧電体板を設置し、その圧電体板の上を移動体が通過することにより圧電体板で生じた電気を出力するように構成された発電装置が提案されている（非特許文献１等参照）。

特開２０１１−２５０５２０号公報 特開２０１３−１４６１８０号公報 特開２０１１−１５３４６９号公報

小林三昭、林寛子、武藤佳恭著、"エネルギー・ハーベスティングの最新動向（床発電システム）"、［ｏｎｌｉｎｅ］、株式会社シーエムシー出版、［平成２５年１１月２９日検索］、インターネット〈URL:http://www.neuro.sfc.keio.ac.jp/publications/pdf/cmc.pdf〉

従来の発電装置を用いる場合、人等の移動体の通過により発生した電気を使って電波で信号を送信し、自動ドア等を開閉したり、離れた場所に設置された警報装置を作動させたりする用途において、発電量が制約されていた。このため、電波の到達距離や送信できる情報が限られており、発電量のより多い発電装置が求められていた。本発明の目的は、発電量のより多い発電装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、圧電体板と、前記圧電体板を支持する支持部材と、前記圧電体板に関して前記支持部材とは反対の側から、前記支持部材の方向へ圧電体板を押圧する押圧部材と、を備え、前記押圧部材は、一部押圧部と他部押圧部とを有し、前記圧電体板が第１の状態の形状を有しているときの第１の位置と、前記一部押圧部が前記圧電体板の一部を押圧して、前記圧電体板を第１の状態の形状に対して変形された第２の状態の形状とする第２の位置と、前記圧電体板が前記第２の状態の形状に変形しているときに、前記他部押圧部が前記圧電体板の一部以外の部分を押圧して、前記圧電体板を第３の形状とする第３の位置と、の間で移動可能である発電装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記支持部材は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、前記一部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板の一部を押圧する一部押圧面を有し、前記他部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、前記圧電体板の一部以外の部分を押圧する他部押圧面を有し、前記一部押圧部の前記一部押圧面は、前記押圧部材が前記第１の位置にあるときに、前記他部押圧面よりも前記圧電体板に近い位置にあることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記一部押圧部を構成する弾性部材は、前記他部押圧部を構成する弾性部材よりも柔らかいことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記支持部材は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、前記一部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板の一部を押圧する一部押圧面を有し、前記他部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、前記圧電体板の一部以外の部分を押圧する他部押圧面を有し、前記一部押圧部を構成する弾性部材は、前記他部押圧部を構成する弾性部材よりも硬く、前記一部押圧部の前記一部押圧面は、前記押圧部材が前記第１の位置にあるときに、前記他部押圧面と面一の位置関係を有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれかにおいて、前記一部押圧面と前記他部押圧面との間には、少なくとも前記一部押圧部の一部を収容可能な一部押圧部収容空間が形成されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記一部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に対向する前記一部押圧部の一端部に対する他端部は、一部固定部材に固定され、前記一部押圧部を固定する前記一部固定部材の部分は、前記圧電体板から離間する方向へ窪み、前記一部押圧部を収容可能な一部押圧部収容凹部を有することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記圧電体板の一部は、前記圧電体板の中央部であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかにおいて、前記圧電体板は、整流回路に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、発電量のより多い発電装置を提供することができる。

本発明による実施形態１の発電装置１の発電床１０から上板１６及び第３緩衝材１５を取り除いた様子を示す概略平面図である。 発電床１０が踏まれる前の状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。 発電床１０が踏まれ始めたときの状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。 発電床１０が更に踏み込まれたときの状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。 本発明による実施形態１の発電装置１を示す回路図である。 本発明による実施形態２の発電装置１Ａにより発生した電気の電圧を示すグラフである。 本発明による実施形態３の発電装置の第２緩衝材１４Ｂ及び第３緩衝材１５Ｂを示す拡大概略断面図である。 本発明による実施形態４の発電装置の発電床が踏まれる前の第２緩衝材１４の様子を示す拡大概略断面図である。 本発明による実施形態４の発電装置の発電床が踏まれたときの第２緩衝材１４の様子を示す拡大概略断面図である。 本発明による実施形態５の発電装置の発電床が踏まれる前の状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。 本発明による実施形態５の発電装置により発生した電気の電圧を示すグラフである。

以下、本発明に係る発電装置の実施形態について説明する。まず、実施形態１について説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明による実施形態１の発電装置１の発電床１０から上板１６及び第３緩衝材１５を取り除いた様子を示す概略平面図である。図２は、発電床１０が踏まれる前の状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。図３は、発電床１０が踏まれ始めたときの状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。図４は、発電床１０が更に踏み込まれたときの状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。図５は、本発明による実施形態１の発電装置１を示す回路図である。

ここで、説明の便宜上、後述の下板１７から上板１６へと向かう方向を上方向Ｄ１１と定義し、その反対の方向を下方向Ｄ１２と定義し、これらを上下方向Ｄ１と定義する。

図１〜図４に示すように、実施形態１の発電装置１は、圧電体板１１１と、金属板１１２と、支持部材としての第１緩衝材１３と、一部押圧部としての第２緩衝材１４と、他部押圧部としての第３緩衝材１５と、上板１６と、下板１７と、電極（図示せず）と、を有する発電床１０と、金属板１１２及び電極（図示せず）に電気的に接続された整流回路２０と（図５参照）、蓄電装置３０（図５参照）とを備えている。第２緩衝材１４及び第３緩衝材１５は、押圧部材を構成する。

圧電体板１１１は、円板状に形成された圧電素子により構成されている。圧電体板１１１には、いわゆる長辺方向伸び振動、厚み方向振動、径方向振動、縦振動、厚みすべり振動等が作用することにより発電する。圧電体板１１１の直径は、２５．３ｍｍ程度であり、厚さは、０．５３ｍｍ程度である。

金属板１１２は、円板形状を有しており、例えば、真鍮等により構成されている。金属板１１２は、圧電体板１１１と同軸的な位置関係で配置される。金属板１１２上に圧電体板１１１が接着されて固定され、電気的に接続されている。金属板１１２の直径は、３５．０ｍｍ程度であり、厚さは、０．３ｍｍ程度である。このような金属板１１２に固定された圧電体板１１１（以下「被固定圧電体板１１」と言う）としては、例えば、村田製作所製造の圧電振動板７ＢＢ−３５−３等が用いられる。被固定圧電体板１１は、発電床１０（自動ドアのマット）の大きさに適した複数個設けられて敷き詰められており、これらは全て電気的に並列接続されている。

第１緩衝材１３は、弾性変形可能な弾性部材、例えば、圧電体板１１１に平行に配置された板状のプレーンゴム等により構成されている。第１緩衝材１３の厚さは、２．２ｍｍ程度である。第１緩衝材１３上には、被固定圧電体板１１が載置される。従って、第１緩衝材１３は、圧電体板１１１及び金属板１１２を支持するが、圧電体板１１１が押圧されたときに、金属板１１２と一体で、圧電体板１１１に長辺方向伸び振動や厚み方向振動等が作用することを許容する。

第２緩衝材１４は、第３緩衝材１５を構成する弾性部材よりも柔らかい、弾性変形可能な弾性部材により構成されており、例えば、シリコンゴムにより構成された環状のバイトン（登録商標）Ｏリング等により構成される。第２緩衝材１４の軸方向、即ち、上下方向Ｄ１における高さは、１．２ｍｍ程度である。第２緩衝材１４は、圧電体板１１１の軸心と同軸的な位置関係で、第２緩衝材１４の下端が圧電体板１１１の一部としての圧電体板１１１の上面の中央部１１４に当接するように配置される。また、第２緩衝材１４の上端は、上板１６の下面に当接している。従って、上板１６が下方へ押圧されたときには、一部押圧面１４１としての第２緩衝材１４の下端面は、圧電体板１１１の上面の中央部１１４を押圧する。これにより、圧電体板１１１は、上板１６が下方へ押圧されていないときの圧電体板１１１の第１の状態の形状に対して変形された第２の状態の形状とされる。

第３緩衝材１５は、弾性変形可能な弾性部材により構成されており、例えば、圧電体板１１１に平行に配置された板状のプレーンゴム等により構成されている。第３緩衝材１５の厚さは、２．２ｍｍ程度である。第３緩衝材１５の上端は、上板１６の下面に当接して固定されている。他部押圧面１５１としての第３緩衝材１５の下端面は、圧電体板１１１の一部以外の部分としての、圧電体板１１１の上面の中央部１１４以外の部分（以下、「圧電体板上面他部分１１５」と言う。）に当接可能である。また、第２緩衝材１４の一部押圧面１４１は、押圧部材が後述の第１の位置にあるときに、第３緩衝材１５の他部押圧面１５１よりも圧電体板１１１に近い位置、即ち、下方向Ｄ１２の位置にある。従って、圧電体板１１１が第２の状態の形状に変形しているときに、上板１６が更に下方へ押圧されることにより、第３緩衝材１５は、圧電体板上面他部分１１５を広い面積において同時に下方へ押圧する。これにより、圧電体板１１１は、圧電体板１１１の第２の状態の形状に対して、圧電体板１１１がより板状に近い形状に戻された状態の第３の状態の形状とされる。

第２緩衝材１４及び第３緩衝材１５により構成される押圧部材は、圧電体板１１１が図２に示す第１の状態の形状を有しているときには、第１の位置にある。また、押圧部材は、圧電体板１１１が図３に示す第２の状態の形状を有しているときには、第２の位置にある。また、押圧部材は、圧電体板１１１が図４に示す第３の状態の形状を有しているときには、第３の位置にある。このように、第２緩衝材１４及び第３緩衝材１５により構成される押圧部材は、第１の位置、第２の位置、第３の位置の間で移動可能である。押圧部材は、第１の位置から第３の位置へと移動することにより、圧電体板１１１に関して第１緩衝材１３とは反対の側である上側から、第１緩衝材１３の方向である下方向Ｄ１２へ、圧電体板１１１を押圧する。

上板１６は、第１緩衝材１３〜第２緩衝材１４よりは硬質ではあるが、人の体重が下方へ向かって作用したときには弾性変形可能な、板状の弾性部材により構成されており、例えば、アクリル板により構成されている。上板１６の厚さは３ｍｍ程度である。上板１６は、複数設けられた被固定圧電体板１１の全てを上側から覆っており、第２緩衝材１４及び第３緩衝材１５に接着されて固定されている。下板１７は、上板１６と同一の材質の、弾性変形可能な板状の弾性部材により構成されており、例えば、アクリル板により構成されている。下板１７の厚さは３ｍｍ程度である。下板１７は、複数設けられた被固定圧電体板１１の全てを下側から覆っており、第１緩衝材１３に接着されて固定されている。

図５に示すように、圧電体板１１１は、導線により整流回路２０に電気的に接続されている。具体的には、圧電体板１１１の下面は、金属板１１２を介して導線に電気的に接続されている。また、圧電体板１１１の上面は、電極（図示せず）を介して導線に電気的に接続されている。これらの導線、電極は、４つのダイオード２１により構成される整流回路２０を通して、電気的に蓄電装置３０に接続されている。ダイオード２１としては、例えば、ＲＯＨＭ社製のショットキーダイオードＲＢ７２１Ｑ−４０Ｔ−７７が用いられる。また、蓄電装置３０としては、例えば、１９．４μファラッドの容量のコンデンサが用いられる。なお、説明の便宜上、図１〜図４においては、導線や電極の図示を省略している。

次に、上記発電装置１の動作について説明する。発電床１０において人が上板１６を踏んでいないときには、図２に示すように、第２緩衝材１４及び第３緩衝材１５により構成される押圧部材は、第１の位置にある。このときには、圧電体板１１１は、下方向Ｄ１２へ押圧されておらず、第１の状態の形状である平板状を有している。次に、人が上板１６を踏み始めたときには、図３に示すように押圧部材は、第２の位置にある。第２緩衝材１４の一部押圧面１４１の方は、第３緩衝材１５の他部押圧面１５１よりも下方向Ｄ１２に位置しており、一部押圧部が下方向Ｄ１２へ突出しているため、このときには、第１押圧部のみによって圧電体板１１１の上面の中央部１１４が下方向Ｄ１２へ押圧される。このとき、圧電体板１１１及び金属板１１２を支持する第１緩衝材１３は、弾性変形可能であるため、図３に示すように、圧電体板１１１の中央部１１４は、下方向Ｄ１２へ深く沈み込むように変形し、圧電体板１１１は、第２の状態の形状を有する。この際、圧電体板１１１には、いわゆる長辺方向伸び振動が作用し、圧電体板１１１は発電する。

更に、人が上板１６を踏み込み続けると、図４に示すように押圧部材は、第３の位置にある。第３緩衝材１５の他部押圧面１５１は、圧電体板上面他部分１１５に当接する。このとき、第２緩衝材１４は、第３緩衝材１５よりも柔らかいため、第２緩衝材１４による圧電体板１１１の中央部１１４の下方向Ｄ１２への沈み込みの変形は、それ以上進まなくなる。これに対して第３緩衝材１５は、圧電体板上面他部分１１５の全体を下方向Ｄ１２へ同時に押圧することにより、図４に示すように、圧電体板１１１は、第２の状態の形状よりも、より板状に近い、第３の状態の形状を有する。

このように、第２状態の形状から変形されて、圧電体板１１１が板状に戻されて第３の状態の形状となる際には、圧電体板１１１は、第１状態の形状から第２の状態の形状へ変形したときの極性とは逆の極性の電気を発生する。しかし、圧電体板１１１には、整流回路２０が電気的に接続されているため、圧電体板１１１で発生した電気は、第１状態の形状から第２の状態の形状へ変形したときの極性と同一の極性に整流され、蓄電装置３０に蓄電される。また、圧電体板１１１が板状に戻され、更にその状態で全体が下方向Ｄ１２へ押圧されて第３の状態の形状とされているときには、圧電体板１１１には、いわゆる厚み方向振動が作用し、圧電体板１１１は発電する。なお、圧電体板１１１の第３の形状は、「板状」と説明したが、完全に平坦な板状という意味ではない。第２の状態の形状と比較すると、第３の形状の方が、完全に平坦な板状により近い、という程度の意味であり、完全に平坦な板状と比較して若干変形されている場合も含むことを意味する。

上述した実施形態１の発電装置１によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、発電装置１は、圧電体板１１１と、圧電体板１１１を支持する支持部材としての第１緩衝材１３と、圧電体板１１１に関して第２緩衝材１４とは反対の側から、第２緩衝材１４の方向へ圧電体板１１１を押圧する押圧部材を備える。押圧部材は、一部押圧部としての第２緩衝材１４と、他部押圧部としての第３緩衝材１５とを有し、圧電体板１１１が第１の状態の形状を有しているときの第１の位置と、第２緩衝材１４が圧電体板１１１の一部としての中央部１１４を押圧して、圧電体板１１１を第１の状態の形状に対して変形された第２の状態の形状とする第２の位置と、圧電体板１１１が第２の状態の形状に変形しているときに、第３緩衝材１５が圧電体板１１１の一部以外の部分としての圧電体板上面他部分１１５を押圧して、圧電体板１１１を第３の形状とする第３の位置と、の間で移動可能である。

上記構成により、発電床１０を人が一回踏み込む際に、圧電体板１１１を第１の状態の形状から第２の状態の形状へ変形させ、その後、第３の状態の形状へ変形させることができる。この際、圧電体板１１１が第１の状態の形状から第２の状態の形状へ変形するときに、圧電体板１１１には、長辺方向伸び振動が作用する。更に、圧電体板１１１が第２の状態の形状から第３の状態の形状へ変形するときに、圧電体板１１１には、長辺方向伸び振動が作用し、その後に、厚み方向振動が作用する。このため、従来の発電装置１と比較して、非常に高い電圧、及び、多量の電荷を得ることができる。この結果、人等の移動体の通過により発生した電気を使って電波で信号を送信し、自動ドア等を開閉したり、離れた場所に設置された警報装置を作動させたりする用途において、電波の到達距離をより長くすることができ、また、電波によって、より様々な情報を送信することができる。

また、支持部材としての第１緩衝材１３は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、圧電体板１１１に平行に配置された板状を有する。第２緩衝材１４は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、圧電体板１１１の一部を押圧する一部押圧面１４１を有する。第３緩衝材１５は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、圧電体板１１１に平行に配置された板状を有し、圧電体板１１１の一部以外の部分を押圧する他部押圧面１５１を有する。一部押圧部としての第２緩衝材１４の一部押圧面１４１は、押圧部材が第１の位置にあるときに、他部押圧面１５１よりも圧電体板１１１に近い位置にある。

上記構成により、簡単な構成の発電装置１において、発電床１０を人が一回踏み込む際に、圧電体板１１１を第１の状態の形状から第２の状態の形状へ変形させ、その後、第３の状態の形状へ変形させることができる。

また、一部押圧部としての第２緩衝材１４を構成する弾性部材は、他部押圧部としての第３緩衝材１５を構成する弾性部材よりも柔らかい。この構成により、第２緩衝材１４が十分に圧縮された後に、第３緩衝材１５により圧電体板上面他部分１１５を押圧することができ、圧電体板１１１を第２の状態の形状から第３の状態の形状へと変形させることができる。

また、圧電体板１１１の一部は、圧電体板１１１の中央部１１４である。この構成により、圧電体板１１１を第１の状態の形状から第２の状態の形状へと大きく変形させることにより、圧電体板１１１に、十分な長辺方向伸び振動を作用させることができる。

また、圧電体板１１１は、整流回路２０に電気的に接続されている。この構成により、圧電体板１１１が第２の状態の形状から第３の状態の形状へと変形する際に、圧電体板１１１が第１の状態の形状から第２の状態の形状へと変形するときとは反対の極性の電気が発生するが、その発生した電気を逆の極性の電気に整流することができる。

（実施形態２）
次に、本発明に係る発電装置の実施形態２について説明する。実施形態２では、第３緩衝材１５は設けられておらず、上板１６が他部押圧部を構成する点において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態１と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。図６は、本発明による実施形態２の発電装置１Ａにより発生した電気の電圧を示すグラフである。

発電装置においては、第３緩衝材１５は設けられていない。このため、押圧部材は、第２緩衝材１４と上板１６により構成され、上板１６は、他部押圧部を構成する。上板１６の下面は、他部押圧面を構成する。人が上板１６を踏み始め、押圧部材が第２の位置にあり、更に、人が上板１６を踏み込み続けると、押圧部材は、第３の位置へ移動する。この際、上板１６の下面は、圧電体板上面他部分１１５に当接する。これにより、上板１６の下面が、圧電体板上面他部分１１５の全体を下方向Ｄ１２へ同時に押圧することにより、圧電体板１１１は、第２の状態の形状よりも、より板状に近い、第３の状態の形状を有することになる。

また、発電装置において被固定圧電体板１１は、１４個設けられており、４つの被固定圧電体板１１が一列に並べられ電気的に並列接続されたセットが、平行に２列に並べられた２セットと、３つの被固定圧電体板１１が一列に並べられ電気的に並列接続されたセットが、平行に２列に並べられた２セットと、の計４セットで、発電床１０が構成されている。これら４つのセットは、整流回路２０に電気的に接続されている。これら４つのセットにおいて発生した電気は、整流回路２０において、それぞれのセット毎に独立して整流される。

次に、発電装置を用いて、本発明の効果を試す試験を行った。試験においては、発電装置を実施例２とし、実施例２から第１緩衝材１３及び第２緩衝材１４を取り除いたものを比較例１とし、実施例２から第１緩衝材１３を取り除いたものを比較例２とした。そして、体重略６０ｋｇの成人男子が、「片足で発電床１０を踏み、その後に発電床１０を踏んでいる足を発電床１０から離す」ことを１０回繰り返し行い、発電を行った。試験結果は、図６、表１、及び、表２に示すとおりである。

例えば、図６における実施形態２のグラフにおいては、時間が経つにつれて、電圧が０Ｖから３Ｖ近辺まで急激に高くなる。この間は、発電床１０を１回踏むことにより電圧が急激に変化している。その後一旦、３Ｖ近辺で電位の変化が少なくなる。次に、発電床１０を踏んでいる足を発電床１０から離すことにより、電圧が３Ｖ近辺から５Ｖ近辺まで、急激に高くなる。その後、コンデンサの２つの電極がショートさせられることにより、電圧は０Ｖになる。この一連の動作が、１０回繰り返され、最後に一回発電床１０が踏まれて試験が終了している。比較例１、比較例２においても、実施形態２とは電圧の値の違いはあるものの、同様に電圧の昇降が繰り返されている。

図６、表１、及び、表２に示すように、比較例１では、発電された電気の電圧は、１Ｖ（ボルト）弱であり、平均で０．７３６Ｖである。また、発電量は１４．２８μＣ（クーロン）であり、圧電体板１１１の１個あたりの発電量は、１．０２μＣである。このことから、比較例１では、圧電体板１１１が変形しにくく、長辺方向伸び振動等が発生しにくいことが分かる。また、比較例２では、発電された電気の電圧は、比較例１と比較して２倍程度であり、平均で１．７４７Ｖである。また、発電量は３３．８９μＣであり、圧電体板１１１の１個あたりの発電量は、２．４２μＣである。このことから、比較例２では、第１緩衝材１３の弾性変形により、比較例１よりも圧電体板１１１に長辺方向伸び振動が生じやすくなっていることが分かる。

これらに対して、実施例２では、発電された電気の電圧は、５Ｖ弱であり、平均で４．５３２Ｖである。また、発電量は８７．９２μＣであり、圧電体板１１１の１個あたりの発電量は、６．２８μＣである。この値は、比較例１と比較して６倍以上である。比較例２と比較しても２〜３倍程度である。このことから、実施例２では、長辺方向伸び振動及び厚み方向振動が確実に生じて、高い電圧を得ることができ、また、大量の電荷を発生可能であることが分かる。

（実施形態３）
次に、本発明に係る発電装置の実施形態３について説明する。実施形態３では、一部押圧面１４１Ｂと他部押圧面１５１Ｂとの位置関係が異なる点と、一部押圧部としての第２緩衝材１４Ｂと他部押圧部としての第３緩衝材１５Ｂとの硬さの関係が異なる点と、において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態１と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。図７は、本発明による実施形態３の発電装置の第２緩衝材１４Ｂ及び第３緩衝材１５Ｂを示す拡大概略断面図である。

第２緩衝材１４Ｂを構成する弾性部材は、第３緩衝材１５Ｂを構成する弾性部材よりも硬い。また、第３緩衝材１５Ｂを構成する弾性部材は、第２の位置から第３の位置へ移動する際に、圧電体板上面他部分１１５に当接して圧電体板上面他部分１１５を下方向Ｄ１２へ押圧することにより上下方向Ｄ１において圧縮される。この圧縮により、既に圧縮されている第２緩衝材１４Ｂと同程度の硬さになるような材質の弾性部材が、第３緩衝材１５Ｂとして用いられている。また、一部押圧部の一部押圧面１４１Ｂは、押圧部材が第１の位置にあるときに、図７に示すように、他部押圧面１５１Ｂと面一の位置関係を有する。

このような構成により、圧電体板１１１の上面の中央部１１４（図２等参照）と、圧電体板上面他部分１１５（図２等参照）とは、押圧部材が第１から第２の位置へ移動するときに、同時に押圧され始めるが、圧電体板上面他部分１１５よりも中央部１１４の方が下方向Ｄ１２へ押圧され、圧電体板１１１の中央部１１４は、下方向Ｄ１２へ深く沈み込むように変形し、圧電体板１１１は、第２の状態の形状を有することになる。

（実施形態４）
次に、本発明に係る発電装置の実施形態４について説明する。実施形態４では、上板１６Ｃは一部押圧部収容凹部１６１Ｃを有する点において、実施形態２とは異なる。これ以外の点については、実施形態２と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。図８は、本発明による実施形態４の発電装置の発電床が踏まれる前の第２緩衝材１４の様子を示す拡大概略断面図である。図９は、本発明による実施形態４の発電装置の発電床が踏まれたときの第２緩衝材１４の様子を示す拡大概略断面図である。

圧電体板１１１に対向する一部押圧部としての第２緩衝材１４の一端部（下端部）に対する他端部（上端部）は、一部固定部材としての上板１６Ｃに固定されている。第２緩衝材１４を固定する上板１６Ｃの部分は、一部押圧部収容凹部１６１Ｃを有している。一部押圧部収容凹部１６１Ｃは、上板１６Ｃの下面において、圧電体板１１１から離間する方向である上方向Ｄ１１へ窪んでいる。一部押圧部収容凹部１６１Ｃの大きさは、第２緩衝材１４及び上板１６Ｃにより構成された押圧部材が第３の位置にあるときに、一部押圧部としての第２緩衝材１４の全体が収容されて一部押圧部収容凹部１６１Ｃが埋まる程度である。

このような構成により、押圧部材が第３の位置にあるときに、圧縮された第２緩衝材１４を一部押圧部収容凹部１６１Ｃに収容することができ、上板１６Ｃ及び一部押圧部収容凹部１６１Ｃに収容された第２緩衝材１４により、圧電体板１１１を下方向Ｄ１２へ押圧して、圧電体板１１１を板状に近い第３の状態の形状とすることができる。

（実施形態５）
次に、本発明に係る発電装置の実施形態５について説明する。実施形態５では、一部押圧面１４１Ｄと他部押圧面１５１Ｄとの間には、一部押圧部としての第２緩衝材１４Ｄの一部を収容可能な一部押圧部収容空間１６１Ｄが形成されている点において、実施形態１とは異なる。また、他部押圧部は、第３緩衝材１５Ｄの部分であって、環状の部分１５３Ｄにより構成され、他部押圧面１５１Ｄは、当該環状の部分１５３Ｄの下面により構成されている点において、実施形態１とは異なる。また、第２緩衝材１４Ｄ、第３緩衝材１５Ｄ等の寸法や材質等が、実施形態１における第２緩衝材１４、第３緩衝材１５の寸法や材質等とは異なる。これ以外の点については、実施形態１と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。
図１０は、本発明による実施形態５の発電装置の発電床が踏まれる前の状態の圧電体板１１１の様子を示す拡大概略断面図である。図１１は、本発明による実施形態５の発電装置により発生した電気の電圧を示すグラフである。

図１０に示すように、第２緩衝材１４Ｄの近傍に位置する第３緩衝材１５Ｄの部分は、上下方向Ｄ１における厚さが薄く構成されており、この部分１５５Ｄの下面は、第３緩衝材１５Ｄの下面であってこの部分以外の部分１５３Ｄの下面（他部押圧面１５１Ｄ）に対して、上方に位置している。このため、一部押圧面１４１Ｄと他部押圧面１５１Ｄとの間には、一部押圧部収容空間１６１Ｄが形成されており、一部押圧面１４１Ｄと他部押圧面１５１Ｄとは、離間した位置関係を有している。一部押圧部収容空間１６１Ｄは、上下方向Ｄ１に直交する平面では、第２緩衝材１４Ｄを取り巻くように、第２緩衝材１４Ｄの周囲に環状に形成されている。第３緩衝材１５Ｄの部分であって、上下方向Ｄ１に直交する平面では、一部押圧部収容空間１６１Ｄよりも一部押圧部収容空間１６１Ｄの半径方向外側の部分１５３Ｄは、他部押圧部を構成し、一部押圧部収容空間１６１Ｄを取り巻くように、板状の環状を有して、第２緩衝材１４Ｄに対して同軸的な位置関係で配置されている。

第２緩衝材１４Ｄの軸方向、即ち、上下方向Ｄ１における高さは、５ｍｍ程度である。第２緩衝材１４Ｄの直径は、１５ｍｍ程度である。第２緩衝材１４Ｄは、例えば、篠田ゴム株式会社製のＮＲ黒セルスポンジ等により構成されている。第２緩衝材１４Ｄの硬度は、ＪＩＳ Ｋ７３１２に対応する測定器（Ｃ型）による測定値で２２〜２４程度である。

第３緩衝材１５Ｄの環状の部分１５３Ｄの内径は、３０ｍｍ程度であり、第３緩衝材１５Ｄの環状の部分１５３Ｄの外径は、３５ｍｍ程度である。また、第３緩衝材１５Ｄの環状の部分１５３Ｄの軸方向、即ち、上下方向Ｄ１における高さは、１．２５ｍｍ程度である。第３緩衝材１５Ｄの部分であって、第３緩衝材１５Ｄの環状の部分と第２緩衝材１４Ｄとの間の部分１５５Ｄの軸方向、即ち、上下方向Ｄ１における高さは、０．９５ｍｍ以下である。第３緩衝材１５Ｄは、黒セルスポンジよりも硬いゴムにより構成されている。また、第１緩衝材１３の硬度は、ＪＩＳ Ｋ７３１２に対応する測定器（Ｃ型）による測定値で５程度である。

次に、上記発電装置のうちの１つの圧電体板１１１から得られる電圧を測定して、本発明の効果を試す試験を行った。試験においては、発電装置を構成する１つの圧電体板１１１と、１つの金属板１１２と、第１緩衝材１３と、１つの第２緩衝材１４Ｄと、１つの第３緩衝材１５Ｄと、上板１６と、下板１７と、により構成される１ユニットを実施例５とした。

また、実施例５から第３緩衝材１５Ｄを取り除いたものを比較例３とした。また、実施例５の第３緩衝材１５Ｄの環状の部分１５３Ｄよりも厚さの薄い環状の部分を有する第３緩衝材を用いたものを比較例４、比較例５とした。比較例４における第３緩衝材の環状の部分の軸方向、即ち、上下方向Ｄ１における高さは、０．８８ｍｍ程度である。比較例５における第３緩衝材の環状の部分の軸方向、即ち、上下方向Ｄ１における高さは、０．９５ｍｍ程度である。

試験では、上記１ユニット（実施例５、比較例３、比較例４、比較例５）を、第２緩衝材１４Ｄの軸方向において２５ｍｍ／秒の速度で、２０３Ｎ程度の押圧力で１回押圧した。これにより、第２緩衝材及び第３緩衝材により構成される押圧部材を、第１の位置から第２の位置を経て、第３の位置とさせた。その際に、圧電体板１１１から出力される電圧を測定した。この電圧の値は、圧電体板１１１から直接的に出力された電圧の値であり、前述の実施形態２のように、蓄電装置３０（コンデンサ）の端子間の電圧を測定した値とは異なる。試験結果は、図１１に示すとおりである。

図１１において実線で示すように、実施例５の場合には、正の電圧である３０Ｖを超える電圧と負の電圧である−４０Ｖを超える電圧との両方を測定することができた。実施例５において、得られた電力は２００μＪであり、得られた電荷量は３．５μＣである。このため、第１実施形態の整流回路２０を接続することにより、正の電圧と負の電圧との両方を、有効利用することができることが分かる。

これに対して、比較例３の場合には、正の電圧を測定することができたが、負の電圧を測定することはできなかった。また、比較例４、及び、比較例５の場合には、正の電圧と負の電圧とを測定することができたが、正の電圧に対して負の電圧の絶対値は小さく、十分な負の電圧を得ることはできていない。この結果から、第２緩衝材１４Ｄによって圧電体板１１１が押圧された後に、第３緩衝材１５Ｄの他部押圧部としての環状の部分１５３Ｄの他部押圧面１５１Ｄによって圧電体板１１１が押圧されなければ、圧電体板１１１が負の電圧を出力することはなく、また、第２緩衝材１４Ｄによって圧電体板１１１が押圧された後に、第３緩衝材１５Ｄの他部押圧部としての環状の部分１５３Ｄの他部押圧面１５１Ｄによって、十分に、圧電体板１１１が押圧されなければ、圧電体板１１１が負の電圧を十分に出力することはできないことが分かる。

上述した実施形態５の発電装置１によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、一部押圧面１４１Ｄと他部押圧面１５１Ｄとの間には、一部押圧部としての第２緩衝材１４Ｄ一部を収容可能な一部押圧部収容空間１６１Ｄが形成されている。このため、押圧力により弾性変形した第２緩衝材１４Ｄ一部が一部押圧部収容空間１６１Ｄに、容易に入り込むことにより収容される。この結果、第２緩衝材１４Ｄが十分に弾性変形することができ、第３緩衝材１５Ｄによって、確実且つ十分に、圧電体板１１１を押圧することができる。

（変形形態）
本発明に係る発電装置は、上述した実施形態１〜４の内容に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能である。

例えば、圧電床の構成、各構成の寸法や数、整流回路への圧電体板の電気的な接続、蓄電装置の構成等は、本実施形態の構成に限定されない。また、圧電床を構成する材質についても、本実施形態に記載の材質に限定されない。例えば、第２緩衝材１４、１４Ｂは、圧電体板１１１の上面の中央部１１４に対して当接し押圧したが、中央部１１４に限定されない。また、第２緩衝材１４、１４Ｂは、１つの圧電体板１１１に対して１つ設けられていたが、１つに限定されず、複数設けられていて、複数箇所を押圧してもよい。また、第２緩衝材の大きさや形状は、本実施形態の第２緩衝材１４、１４Ｂの大きさや形状に限定されない。

また、圧電体板１１１の下方に、圧電体板１１１を変形しやすくするための空間を形成してもよい。例えば、圧電体板１１１の下方に位置する第１緩衝材１３の部分に、上下方向に貫通する貫通孔を形成したり、更に、その下方に位置する下板１７の部分に、下方へ窪んだ凹部を形成したりしてもよい。

また、実施形態４では、押圧力により弾性変形した第２緩衝材１４Ｄ一部が一部押圧部収容空間１６１Ｄに入り込んだが、これに限定されない。一部押圧部収容空間には、少なくとも一部押圧部の一部を収容可能であればよい。従って、押圧力により弾性変形した第３緩衝材１５Ｄ一部が一部押圧部収容空間１６１Ｄに入り込んでもよい。

１：発電装置、１３：第１緩衝材（支持部材）、１４、１４Ｂ、１４Ｄ：第２緩衝材（押圧部材、一部押圧部）、１５、１５Ｄ：第３緩衝材（押圧部材、他部押圧部）、１６、１６Ｃ：上板（押圧部材、他部押圧部）、１１４：中央部、１１５：圧電体板上面他部分、１４１、１４１Ｄ：一部押圧面、１５１、１５１Ｄ：他部押圧面、１５３Ｄ：環状の部分（一部押圧部）、１６１Ｃ：一部押圧部収容凹部、１６１Ｄ：一部押圧部収容空間、

Claims (8)

1. 圧電体板と、
   前記圧電体板を支持する支持部材と、
   前記圧電体板に関して前記支持部材とは反対の側から、前記支持部材の方向へ圧電体板を押圧する押圧部材と、を備え、
   前記押圧部材は、一部押圧部と他部押圧部とを有し、前記圧電体板が第１の状態の形状を有しているときの第１の位置と、前記一部押圧部が前記圧電体板の一部を押圧して、前記圧電体板を第１の状態の形状に対して変形された第２の状態の形状とする第２の位置と、前記圧電体板が前記第２の状態の形状に変形しているときに、前記他部押圧部が前記圧電体板の一部以外の部分を押圧して、前記圧電体板を第３の形状とする第３の位置と、の間で移動可能である発電装置。
2. 前記支持部材は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、
   前記一部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板の一部を押圧する一部押圧面を有し、
   前記他部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、前記圧電体板の一部以外の部分を押圧する他部押圧面を有し、
   前記一部押圧部の前記一部押圧面は、前記押圧部材が前記第１の位置にあるときに、前記他部押圧面よりも前記圧電体板に近い位置にある請求項１に記載の発電装置。
3. 前記一部押圧部を構成する弾性部材は、前記他部押圧部を構成する弾性部材よりも柔らかい請求項２に記載の発電装置。
4. 前記支持部材は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、
   前記一部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板の一部を押圧する一部押圧面を有し、
   前記他部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、前記圧電体板に平行に配置された板状を有し、前記圧電体板の一部以外の部分を押圧する他部押圧面を有し、
   前記一部押圧部を構成する弾性部材は、前記他部押圧部を構成する弾性部材よりも硬く、
   前記一部押圧部の前記一部押圧面は、前記押圧部材が前記第１の位置にあるときに、前記他部押圧面と面一の位置関係を有する請求項１に記載の発電装置。
5. 前記一部押圧面と前記他部押圧面との間には、少なくとも前記一部押圧部の一部を収容可能な一部押圧部収容空間が形成されている請求項２〜請求項４のいずれかに記載の発電装置。
6. 前記一部押圧部は、弾性変形可能な弾性部材により構成され、
   前記圧電体板に対向する前記一部押圧部の一端部に対する他端部は、一部固定部材に固定され、
   前記一部押圧部を固定する前記一部固定部材の部分は、前記圧電体板から離間する方向へ窪み、前記一部押圧部を収容可能な一部押圧部収容凹部を有する請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発電装置。
7. 前記圧電体板の一部は、前記圧電体板の中央部である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の発電装置。
8. 前記圧電体板は、整流回路に電気的に接続されている請求項１〜請求項７のいずれかに記載の発電装置。

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