【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は駅などの公共施設やデ
パートなど人通りの多い建物における階段や床または道
路に設置し、階段の昇り降りや歩行による人の体重によ
る加重または道路を走行する車による加重を利用して発
電させる機能を有するセラミック複合材料を用いた床板
素材を提供するものである。この床板素材を用いた階段
や廊下を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でき、省エネルギー
に寄与する建築材料となる。
【０００２】
【従来の技術】圧電セラミック材料を利用した製品には
もっとも一般的なものとしてライターの着火装置があ
る。この装置はレバーを引くとハンマーがセラミック圧
電素子を打ち、その素子から出る電圧で空間放電現象を
引き起こしガスに着火させるようにしたものである。ま
た、逆にセラミック圧電素子に電圧を加えて素子に応力
歪を生じさせその歪を外部にとりだすことにより微少変
位運動を行なうようにした装置も開発されている。しか
し、省エネルギーに寄与するような機器にセラミック圧
電素子が応用された例は少ない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】圧電セラミック材料を
どのような形状でどのような大きさに加工するかが課題
となる。さらに、床板素材として組み合わせたとき圧電
セラミックによる起電圧を外部に取り出せる電極構造を
工夫する必要がある。また、複数個の圧電セラミック床
板素材から発生する電力を安全かつ効率良く蓄積する方
式を提供する必要がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段および作用】この発明はセ
ラミック圧電材料（ＢａＴｉＯ３やＰｂＴｉＯ３などの
チタン酸塩）に圧力を加えると、その材料の原子間隔に
歪が生じその結果発生する分極による電位を外部にとり
出して利用しようとするものである。発生する電圧は一
般的なデーターでは単位面積当たり１グラムに対して１
μＶとされている。この電圧は圧電セラミック材料の面
積と厚さを調整することで人の体重による加重変化に対
して１Ｖ程度まで上げることができる。平均的な床板素
材単体の面積は約９００ｃｍ２（３０ｃｍ×３０ｃｍ）
である。この面積に如何に圧電セラミック材料を紐み込
むかを述べる。組み込み方法には２つの方法がある。一
つは小さな圧電セラミック材料を複数個配置する方法で
ある。他方は床板素材の面積全体を一つの圧電セラミッ
ク材料で構成する方法である。以下順に図を用いてそれ
ぞれの構成方法を説明する。
【図１】に小さなセラミック材料を複数個使用して一つ
の床板素材を構成する場合のセラミック材料の基本加工
形状を示す。圧電セラミック材料を図に示すように例え
ば円柱状に加工する。そして、圧電セラミック材料１の
両端に蒸着等により金属電極２を取り付ける。このよう
に加工した圧電セラミック素子を
【図２】に示すように、電気的絶縁性の高い支持材料３
に穴を開けてその穴に圧電セラミック素子をはめ込む。
上下に金属板４を置き、金属電極２と金属板４が電気的
に導通があるようにする。さらにその上下に通常の床板
に使用する材料５を密着させる。このような構成にした
圧電セラミック床板の断面図を
【図３】に示す。床板材料５に圧力が加わるとその圧力
は圧電セラミック材料に伝わりその両端に電圧が発生す
る。発生した電圧は上下の金属板４を通して外部に取り
出すことができる。このような方式では圧電セラミック
素子が一部破壊してもその部分だけ素子を交換すれば容
易に修復が可能である。他方、圧電セラミック単体で一
つの床板素材を構成するような形状に加工する場合も考
えられる。
【図４】に示すように、圧電セラミック材料を床板素材
としての寸法（例えば３０ｃｍ×３０ｃｍ）に加工し、
その上下に蒸着等により金属電極７を取り付ける。この
ように加工した素子を
【図３】の場合と同様に上下に金属板を置き外部に電圧
を取り出せるようにする。上述した何れの方法で床板素
材を構成しても人の体重など外部からの加重変化によっ
て圧電セラミックから電圧を発生させることができる。
発生する起電圧は一つの床板素材当たり数ボルト程度が
望ましいが、何らかの原因により極めて高い圧力が加わ
った場合は大きな電圧が発生し危険である。このような
危険要因に対処するために上下の金属板４の間にバリス
タダイオードや定電圧ダイオードを挿入しておき、一定
の電圧以上が金属板４の間に発生しないようにする。金
属板４の間での放電による火花を防止するためにもこの
ダイオードは機能する。さらに、圧電セラミック素子を
金属板で挟んだ構造は基本的にコンデンサーとしても機
能しており、雑音の原因となるようなスパイク状の電圧
は自動的にセラミック素子自身で吸収される。このよう
な機能を有する圧電セラミック床板素材を比較的広い面
積に複数個並べ、電圧を取り出すための金属板４を全て
並列に接続しておけば、何れかの床板が踏まれるとその
圧力による電圧を取り出すことができる。取り出せる電
力は床板を踏む頻度と面積に比例して大きくなる。発生
する電圧を逐次蓄積するようにし、蓄積した電荷を外部
で電力として使用できるように変換装置を取り付ける。
【０００５】
【発明の実施例】以下に、この発明を応用した実施例を
図を用いて詳しく説明する。圧電セラミックを用いた床
板素材は広い面積に渡って複数個敷設する必要がある。
このためには発生する電圧を取り出すための金属板４が
隣り合う床板素材との間で電気的導通を保って接触して
いる必要がある。このような機構を実現するために
【図５】に示すような構造の金属製の箱状金属電極を作
る。箱状金属電極８は薄い金属で図に示すような形状に
加工する。箱の深さは通常の床材料５がちょうど入る深
さにする。また箱状金属電極の周囲には箱の内部から外
に向かって押し出すことにより成形した板バネ状の電極
９を取り付ける。この電極９は圧電セラミックを用いた
床板素材を並べて敷設する際、隣り合う箱状金属電極８
をバネ力で押すことによりそれぞれの床板素材との導通
を保つことができる。
【図６】にこの箱状金属電極８を用いた場合の圧電セラ
ミック床板素材の本体１０と断面図を示す。この実施例
では複数個の小さな圧電セラミック材料を用いる場合の
例を示している。バリスタダイオードまたは定電圧ダイ
オード１１は過大な電圧が上下の電圧箱８の間に生じる
のを防ぐための機能を有する。次に、圧電セラミック床
板素材を複数個配置した場合の電圧の取り出し方法の例
について説明する。
【図７】に圧電セラミック床板素材４個を１列に配置し
た場合の電気回路を間略化して示す。圧電セラミック床
板素材の下側の電極１２（箱状金属電極８の下側）は接
地しアース電位とする。一方、上側の電極１３（箱状金
属電極８の上側）はダイオード１４のアノード側に接続
する。ダイオード１４のカソードはコンデンサー１５に
入る。このように接続することにより電極１２と電極１
３の間に生じる電圧でダイオードの順方向電圧（約１
Ｖ）を越える電圧はコンデンサー１５に電荷として蓄積
される。コンデンサー１５に蓄積された電荷はダイオー
ド１６を通して取り出し、既存の直流交流変換装置を通
して交流電流に変換して商用電源装置に接続する。この
実施例では床板素材の数は４個で直線状に配置している
が、床板素材の数を増やして面状に配置しても電圧の取
り出し方法は同じである。また、
【図８】に示すように上側の電極１３を接地してアース
電位とすることも可能である。このような構成にするこ
とにより、人が歩く側の電極がアース電位となり、床面
に生じる不要な電位はアースされる。さらに、発電によ
る電圧変化分は下の電極１２で取り出すことになり安全
性も高い。ただし、この場合は図に示すようにダイオー
ドの方向は
【図７】と比較して逆に接続される。
【図９】に圧電セラミック床板素材を階段に設置した場
合の実施例を示す。各段に設置した圧電セラミック床板
素材の横端に出た電極１２および電極１３より電線を引
き出し、電極１３側にはダイオードを通した後、コンデ
ンサー１５および直流交流変換装置１７の入った電源装
置１８に接続する。また、電極１２側の電線も電源装置
１８に接続する。電源装置１８からの交流出力１９は商
用電源の補助電源等に利用する。蓄電装置を含む電源装
置１８およびダイオード１４、電線等は階段の内部に設
置することができ、階段下の空間を有効に利用できる。
【０００６】
【発明の効果】この発明は圧電セラミック材料を利用し
て発電機能を有する床板素材を提供するものである。こ
の圧電セラミック床板素材は駅などの公共施設やデパー
トなど人通りの多い建物の階段に設置し、階段の昇り降
りによる人の体重による加重を利用して発電させる機能
を有している。この床板素材を用いた階段や廊下を敷設
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でき、省エネルギーに寄与する建
築材料となる。また、道路にこの床板素材を敷設すれば
車の走行による加重変化により発電させることができ、
街路燈の補助電源として有効に利用できる。図で示した
実施例では正方形型の床板素材を示したが、この形状は
他にも６角形など広い面を敷詰めるのに都合がよい形状
であればいかなる形状のものでも発電機能を有する圧電
セラミック床板素材を作ることができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is installed on stairs, floors or roads in public buildings such as stations and in buildings with a large number of people such as department stores. Provided is a floorboard material using a ceramic composite material having a function of generating electric power by using the weight of a person or the weight of a vehicle traveling on a road. By laying stairs and corridors using this floorboard material, lighting in the corridors and auxiliary power for elevators and escalators can be supplied, and it becomes a building material that contributes to energy conservation. 2. Description of the Related Art A lighter ignition device is the most common product using a piezoelectric ceramic material. In this device, when a lever is pulled, a hammer hits a ceramic piezoelectric element, and a voltage emitted from the element causes a space discharge phenomenon to ignite gas. On the contrary, a device has been developed in which a voltage is applied to the ceramic piezoelectric element to generate stress strain in the element and the strain is taken out to perform a minute displacement motion. However, there are few examples where the ceramic piezoelectric element is applied to a device that contributes to energy saving. [0003] The problem is what kind of shape and size the piezoelectric ceramic material should be processed into. Furthermore, it is necessary to devise an electrode structure that can take out the electromotive force generated by the piezoelectric ceramics when combined as a floor board material. In addition, it is necessary to provide a method for safely and efficiently storing electric power generated from a plurality of piezoelectric ceramic floor board materials. In the present invention, when pressure is applied to a ceramic piezoelectric material (titanate such as BaTiO 3 or PbTiO 3 ), the atomic spacing of the material is distorted, which results. The electric potential due to the polarized light is taken out and used. In general data, the voltage generated is 1 for 1 gram per unit area.
It is said to be μV. This voltage can be increased up to about 1 V with respect to the weight change due to the weight of the person by adjusting the area and thickness of the piezoelectric ceramic material. Average floorboard material area is about 900 cm 2 (30 cm x 30 cm)
Is. How to tie the piezoelectric ceramic material into this area will be described. There are two methods of installation. One is a method of arranging a plurality of small piezoelectric ceramic materials. The other is a method in which the entire area of the floor board material is composed of one piezoelectric ceramic material. The respective configuration methods will be described below in order with reference to the drawings. FIG. 1 shows a basic processing shape of a ceramic material when a plurality of small ceramic materials are used to form one floor board material. The piezoelectric ceramic material is processed into, for example, a cylindrical shape as shown in the figure. Then, the metal electrodes 2 are attached to both ends of the piezoelectric ceramic material 1 by vapor deposition or the like. As shown in FIG. 2, the piezoelectric ceramic element processed as described above is used as a supporting material 3 having a high electrical insulation property.
Make a hole in the hole and insert the piezoelectric ceramic element into the hole.
The metal plates 4 are placed on the upper and lower sides so that the metal electrode 2 and the metal plate 4 are electrically connected. Further, the material 5 used for a normal floorboard is closely attached to the upper and lower sides thereof. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the piezoelectric ceramic floorboard having such a structure. When pressure is applied to the floor plate material 5, the pressure is transmitted to the piezoelectric ceramic material and a voltage is generated across the piezoelectric ceramic material. The generated voltage can be taken out to the outside through the upper and lower metal plates 4. In such a system, even if the piezoelectric ceramic element is partially destroyed, it can be easily repaired by replacing the element only. On the other hand, it may be considered that the piezoelectric ceramic alone is processed into a shape that constitutes one floor board material. As shown in FIG. 4, the piezoelectric ceramic material is processed into a size (for example, 30 cm × 30 cm) as a floor board material,
The metal electrodes 7 are attached on the upper and lower sides by vapor deposition or the like. As in the case of FIG. 3, the thus processed element is provided with metal plates on the top and bottom so that the voltage can be taken out to the outside. Even if the floorboard material is constructed by any of the above-mentioned methods, it is possible to generate a voltage from the piezoelectric ceramic according to an external weight change such as the weight of a person.
The generated electromotive force is preferably about several volts per floor board material, but if extremely high pressure is applied for some reason, a large voltage will be generated, which is dangerous. In order to deal with such a risk factor, a varistor diode or a constant voltage diode is inserted between the upper and lower metal plates 4 so that no voltage higher than a certain voltage is generated between the metal plates 4. This diode also functions to prevent sparks due to discharge between the metal plates 4. Furthermore, the structure in which the piezoelectric ceramic element is sandwiched between metal plates basically also functions as a capacitor, and spike-like voltage that causes noise is automatically absorbed by the ceramic element itself. If a plurality of piezoelectric ceramic floor plate materials having such a function are arranged in a relatively large area and all metal plates 4 for taking out a voltage are connected in parallel, when one of the floor plates is stepped on, the voltage due to the pressure is applied. Can be taken out. The power that can be taken out increases in proportion to the frequency of stepping on the floorboard and the area. The generated voltage is sequentially accumulated, and a converter is attached so that the accumulated charges can be used as electric power outside. Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. It is necessary to lay a plurality of floor board materials using piezoelectric ceramics over a large area.
For this purpose, it is necessary that the metal plate 4 for taking out the generated voltage is in contact with the adjacent floor plate material while maintaining electrical continuity. In order to realize such a mechanism, a metal box-shaped metal electrode having a structure shown in FIG. 5 is made. The box-shaped metal electrode 8 is made of a thin metal and processed into the shape shown in the figure. The depth of the box should be such that the normal flooring material 5 is just inside. Further, a plate spring-shaped electrode 9 formed by extruding from the inside of the box to the outside is attached around the box-shaped metal electrode. The electrodes 9 are box-shaped metal electrodes 8 that are adjacent to each other when laying floor plate materials using piezoelectric ceramics side by side.
By pushing with a spring force, it is possible to maintain continuity with each floorboard material. FIG. 6 shows a main body 10 and a sectional view of a piezoelectric ceramic floor board material when the box-shaped metal electrode 8 is used. In this embodiment, an example of using a plurality of small piezoelectric ceramic materials is shown. The varistor diode or the constant voltage diode 11 has a function of preventing an excessive voltage from being generated between the upper and lower voltage boxes 8. Next, an example of a method of extracting a voltage when a plurality of piezoelectric ceramic floor board materials are arranged will be described. FIG. 7 shows a simplified electric circuit when four piezoelectric ceramic floor board materials are arranged in a row. The lower electrode 12 (the lower side of the box-shaped metal electrode 8) of the piezoelectric ceramic floor board material is grounded to have a ground potential. On the other hand, the upper electrode 13 (upper side of the box-shaped metal electrode 8) is connected to the anode side of the diode 14. The cathode of diode 14 enters capacitor 15. By connecting in this way, the electrode 12 and the electrode 1
The forward voltage of the diode (approx. 1
The voltage exceeding V) is stored as a charge in the capacitor 15. The electric charge accumulated in the capacitor 15 is taken out through the diode 16, converted into an alternating current through an existing direct current alternating current converter, and connected to a commercial power supply device. In this embodiment, the number of floor plate materials is four and they are arranged linearly, but the method of extracting the voltage is the same even if the number of floor plate materials is increased and arranged in a plane. Further, as shown in FIG. 8, the upper electrode 13 can be grounded to have the ground potential. With such a configuration, the electrode on the side where the person walks becomes the ground potential, and the unnecessary potential generated on the floor surface is grounded. Further, the voltage change due to the power generation is taken out by the lower electrode 12, and the safety is high. However, in this case, as shown in the figure, the direction of the diode is connected in the opposite direction to that in FIG. FIG. 9 shows an example in which a piezoelectric ceramic floor board material is installed on a staircase. Electric wires are drawn from the electrodes 12 and 13 at the lateral ends of the piezoelectric ceramic floor plate material installed in each stage, and a diode is passed through the electrode 13 side, and then a power supply device 18 including a capacitor 15 and a DC / AC converter 17 Connect to. The electric wire on the electrode 12 side is also connected to the power supply device 18. The AC output 19 from the power supply device 18 is used as an auxiliary power supply for a commercial power supply. The power supply device 18 including the power storage device, the diode 14, the electric wire, and the like can be installed inside the stairs, and the space under the stairs can be effectively used. The present invention provides a floor board material having a power generating function using a piezoelectric ceramic material. This piezoelectric ceramic floor board material is installed on the stairs of a public building such as a station or a department store with a large number of people, and has a function of generating electricity by using the weight of a person ascending and descending the stairs. By laying stairs and corridors using this floorboard material, lighting in the corridors and auxiliary power for elevators and escalators can be supplied, and it becomes a building material that contributes to energy conservation. Also, by laying this floorboard material on the road, it is possible to generate power by changing the weight due to the running of the car,
It can be effectively used as an auxiliary power source for street lights. Although the square type floorboard material is shown in the embodiment shown in the drawings, any other shape such as a hexagonal shape which is convenient for laying a wide surface can be used as a piezoelectric material having a power generating function. Ceramic floorboard material can be made.
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧電セラミック材料の加工形状
【図２】 圧電セラミック床板素材の基本構造
【図３】 圧電セラミック床板素材の基本構造断面図
【図４】 圧電セラミック材料の加工形状
【図５】 圧電セラミック床板素材の電極構造
【図６】 圧電セラミック床板素材実施例
【図７】 蓄電回路と圧電セラミック床板素材の負電位
接地設置例
【図８】 蓄電回路と圧電セラミック床板素材の正電位
接地設置例
【図９】 簡略化した圧電セラミック床板素材の階段設
置例
【符号の説明】
１ 円柱状小型圧電セラミック材料
２ 金属電極
３ 圧電セラミック材料支持板
４ 金属板
５ 従来の床板素材
６ 大面積形状圧電セラミック材料
７ 金属電極
８ 箱状金属電極
９ バネ電極
１０ 圧電セラミック床板素材本体
１１ バリスタダイオードまたは定電圧ダイオード
１２ 電極（箱状電極８の下側）
１３ 電極（箱状電極８の上側）
１４ ダイオード
１５ コンデンサー
１６ ダイオード
１７ 直流交流変換装置
１８ 蓄電装置を含む電源装置
１９ 交流出力[Brief description of drawings] [Fig. 1] Processing shape of piezoelectric ceramic material [Fig. 2] Basic structure of piezoelectric ceramic floor board material [Fig. 3] Basic structure of piezoelectric ceramic floor board material [Fig. 4] Processing of piezoelectric ceramic material Shape [Fig. 5] Electrode structure of piezoceramic floorboard material [Fig. 6] Example of piezoceramic floorboard material [Fig. 7] Negative potential grounding installation example of storage circuit and piezoceramic floorboard material [Fig. 8] Storage circuit and piezoceramic floorboard material Positive potential grounding installation example of [Fig. 9] Stairs installation example of simplified piezoelectric ceramic floor board material [Explanation of reference numerals] 1 Cylindrical small piezoelectric ceramic material 2 Metal electrode 3 Piezoelectric ceramic material support plate 4 Metal plate 5 Conventional floor board material 6 Large Area Shape Piezoelectric Ceramic Material 7 Metal Electrode 8 Box-shaped Metal Electrode 9 Spring Electrode 10 Piezoelectric Ceramic Floor Board Material Body 11 Varistor Diode or Constant Current Piezoelectric diode 12 Electrode (lower side of box-shaped electrode 8) 13 Electrode (upper side of box-shaped electrode 8) 14 Diode 15 Capacitor 16 Diode 17 DC / AC converter 18 Power supply device 19 including power storage device AC output