JP2012010564A - 発電マット - Google Patents
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Abstract
【課題】人が発電マット上を歩行する際の動きにより帯電させ、帯電した電荷を収集することにより給電することができる発電マットを提供する。
【解決手段】本発電マット1は、シート状の誘電体4と、誘電体の一方の面に固定して積層される固定電極3と、誘電体の固定電極と反対の面側に誘電体に対する間隔を相対的に変位可能に設けられると共に、固定電極との間に負荷が接続される変位電極5と、変位電極と誘電体との間に設けられると共に、変位電極と誘電体とを接触させる外力があるときは変位電極と誘電体とを接触した状態に変位させて接触帯電を発生させ、外力がないときは変位電極と誘電体とを離隔した状態に変位させて剥離帯電を発生させる変位手段7と、を備えた発電マットであって、固定電極及び変位電極の材質は、固定電極の電気陰性度から変位電極の電気陰性度を引いた値が−0.5以上となるものであることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】本発電マット1は、シート状の誘電体4と、誘電体の一方の面に固定して積層される固定電極3と、誘電体の固定電極と反対の面側に誘電体に対する間隔を相対的に変位可能に設けられると共に、固定電極との間に負荷が接続される変位電極5と、変位電極と誘電体との間に設けられると共に、変位電極と誘電体とを接触させる外力があるときは変位電極と誘電体とを接触した状態に変位させて接触帯電を発生させ、外力がないときは変位電極と誘電体とを離隔した状態に変位させて剥離帯電を発生させる変位手段7と、を備えた発電マットであって、固定電極及び変位電極の材質は、固定電極の電気陰性度から変位電極の電気陰性度を引いた値が−0.5以上となるものであることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、人の歩行等により発電を行う発電マットに関する。更に詳しくは、人が発電マット上を歩行する際の動きにより帯電させ、帯電した電荷を収集することにより給電することができる発電マットに関する。本発電マットは、配設場所近辺の照明や各種センサの電源として用いる等、各種負荷の電源として用いることができる。
従来より、床面にシート状の発電装置を設置して通行人の歩行により発電を行うシステムが開発されている。例えば、シート状の圧電素子を階段に配置すると共に、前記圧電素子を階段の照明装置に接続したシステムが知られている(特許文献1を参照。)。このシステムでは、通行人が階段を昇降する際に、踏みつけられた圧電素子が発電して照明装置を点灯させることができる。また、シート状の圧電素子を駅構内の通路、例えば改札等に設置することで、通行人の移動により圧電素子が発電し、この電力を取り出して利用するシステムが知られている(特許文献2を参照。)。
しかし、上述したいずれの発電システムも圧電素子を利用して発電を行っているが、歩行する面の全面に小さな圧電素子を敷き詰める必要があるため、各圧電素子を配線する必要がある等煩雑であるという問題がある。また、圧電素子は高価である。更に、圧電素子に対して長期間にわたって繰り返し外圧が加わることにより、圧電素子の電極が剥離する等の劣化を起こして発電量の低下を招くことがある。
本発明は、前記現状に鑑みてなされたものであり、人の歩行等による動きにより帯電させ、帯電した電荷を収集することにより給電することができ、簡易な構造で安価であって、且つ長期的使用でも劣化が少ない発電マットを提供することを目的とする。
前記問題点を解決するために、本第1発明の発電マットは、シート状の誘電体と、前記誘電体の一方の面に固定して積層される固定電極と、前記誘電体の前記固定電極と反対の面側に前記誘電体に対する間隔を相対的に変位可能に設けられると共に、前記固定電極との間に負荷が接続される変位電極と、前記変位電極と前記誘電体との間に設けられると共に、前記変位電極と前記誘電体とを接触させる外力があるときは前記変位電極と前記誘電体とを接触した状態に変位させて接触帯電を発生させ、前記外力がないときは前記変位電極と前記誘電体とを離隔した状態に変位させて剥離帯電を発生させる変位手段と、を備えた発電マットであって、前記固定電極及び前記変位電極の材質は、前記固定電極の電気陰性度から前記変位電極の電気陰性度を引いた値が−0.5以上となるものであることを要旨とする。
本第2発明の発電マットは、上記第1発明において前記固定電極の材質が、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれる1種であり、且つ前記変位電極の材質は、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれる1種(但し前記固定電極及び前記変位電極がスズである場合を除く)であることを要旨とする。
本第3発明の発電マットは、上記第1発明又は上記第2発明において前記固定電極及び前記変位電極の少なくとも一方の材質が亜鉛であることを要旨とする。
本第4発明の発電マットは、上記第1発明又は上記第2発明において前記変位電極の材質がスズ(但し前記固定電極がスズである場合を除く)であることを要旨とする。
本第2発明の発電マットは、上記第1発明において前記固定電極の材質が、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれる1種であり、且つ前記変位電極の材質は、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれる1種(但し前記固定電極及び前記変位電極がスズである場合を除く)であることを要旨とする。
本第3発明の発電マットは、上記第1発明又は上記第2発明において前記固定電極及び前記変位電極の少なくとも一方の材質が亜鉛であることを要旨とする。
本第4発明の発電マットは、上記第1発明又は上記第2発明において前記変位電極の材質がスズ(但し前記固定電極がスズである場合を除く)であることを要旨とする。
本発明の発電マットによれば、固定電極、変位電極及び誘電体を備え、変位手段により変位電極及び誘電体の間隔が接触した状態と離隔した状態とに変位すると共に、固定電極の電気陰性度から変位電極の電気陰性度を引いた値(電気陰性度差)が−0.5以上となるものとすることによって、接触帯電及び剥離帯電により生じる発電量を、前記値が−0.5より小さいときよりも、大きなものとすることができるので、発生した静電気を固定電極及び変位電極から収集して大きな電力を負荷に給電することができる。
このように前記電気陰性度差を−0.5以上としたのは、各電極の材質の選択によって接触帯電及び剥離帯電の発電量が変化するが、一方の発電量を上げると他方の発電量が下がる傾向にある。一方、接触帯電の発電量よりも剥離帯電の発電量が大きいため、各電極の材質の選択によって剥離帯電の発電量を接触帯電よりも高くすることによって全体としての発電量を高めることができるからである。また、剥離帯電の発電量を極端に高くしようとしても、全体としての発電量が下がる場合がある。このため、前記電気陰性度差を−0.5以上とすることで、接触帯電及び剥離帯電の発電量がバランス良く高いものとすることができると考えられる。
このように前記電気陰性度差を−0.5以上としたのは、各電極の材質の選択によって接触帯電及び剥離帯電の発電量が変化するが、一方の発電量を上げると他方の発電量が下がる傾向にある。一方、接触帯電の発電量よりも剥離帯電の発電量が大きいため、各電極の材質の選択によって剥離帯電の発電量を接触帯電よりも高くすることによって全体としての発電量を高めることができるからである。また、剥離帯電の発電量を極端に高くしようとしても、全体としての発電量が下がる場合がある。このため、前記電気陰性度差を−0.5以上とすることで、接触帯電及び剥離帯電の発電量がバランス良く高いものとすることができると考えられる。
また、従来の圧電素子を利用した発電マットのように、小さな素子を多数敷き詰めず全面を1つの素子としても損失がないため、構造を極めて簡素化することができ、安価な発電マットを得ることができるようになる。更に、従来の圧電素子のように誘電体に電極が電気的に接続されていなくても、近接していれば帯電するため、長期的の使用でも劣化しにくく、発電効率が落ちることを抑制できる。
また、固定電極及び変位電極の材質を、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群からそれぞれ1種を選択する場合(各電極がスズとスズの組み合わせを除く)は、特に発電量を高くすることができ、大きな電力を負荷に給電することができる。
更に、固定電極及び変位電極の少なくとも一方が亜鉛である場合は、特に発電量を高くすることができ、大きな電力を負荷に給電することができる。
また、変位電極のみがスズである場合(固定電極がスズの場合を除く)は、特に発電量を高くすることができ、大きな電力を負荷に給電することができる。
更に、固定電極及び変位電極の少なくとも一方が亜鉛である場合は、特に発電量を高くすることができ、大きな電力を負荷に給電することができる。
また、変位電極のみがスズである場合(固定電極がスズの場合を除く)は、特に発電量を高くすることができ、大きな電力を負荷に給電することができる。
以下、図1〜19を参照しながら本発明の発電マットを詳しく説明する。
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
本発明に係る発電マットは、シート状の誘電体と、誘電体に固定して積層される固定電極と、誘電体の固定電極と反対側に誘電体に対して変位可能に設けられると共に、固定電極との間に負荷が接続される変位電極と、変位電極と誘電体とを接触した状態と離隔した状態とに変位させる変位手段と、を備えると共に、固定電極及び変位電極の材質は、固定電極の電気陰性度から変位電極の電気陰性度を引いた値(以下、電気陰性度差と略す)が−0.5以上(但し固定電極及び変位電極がスズである場合を除く)となることを特徴とする。
前記「誘電体」は、シート状であって、固定電極と、変位電極との間に挟持され、変位電極との間で接触帯電及び剥離帯電を発生するものである限り、その形状、材質、数量等は特に問わない。例えば、誘電体の厚みは、誘電体の強度及び踏みつけの感触等を勘案して適宜選択することができる。また、誘電体の材質としては、任意に選択することができ、この例として、シリコーンゴム、フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、セラミック、樹脂フィルム積層体等とすることができる。このうちシリコーンゴムは、密着性を高めることができるため、実質の誘電率を高めることができ好ましい。
上記「接触帯電」とは、誘電体と変位電極との間隔が狭くなる又は接触することにより、変位電極及び固定電極との間に電位差が生じることをいう。
上記「剥離帯電」とは、誘電体と変位電極が接触した状態からその間隔が広くなることにより、変位電極及び固定電極との間に電位差が生じることをいう。
接触帯電及び剥離帯電は、同じ変位量であっても誘電体と変位電極との間隔が狭いとき程、帯電量が大きくなる。また、一般的には、剥離帯電の方が接触帯電よりも発電量が大きい。
尚、接触帯電及び剥離帯電における誘電体と変位電極との間隔は全体が均等に変化してもよいし、部分的に変化しても良い。
前記「誘電体」は、シート状であって、固定電極と、変位電極との間に挟持され、変位電極との間で接触帯電及び剥離帯電を発生するものである限り、その形状、材質、数量等は特に問わない。例えば、誘電体の厚みは、誘電体の強度及び踏みつけの感触等を勘案して適宜選択することができる。また、誘電体の材質としては、任意に選択することができ、この例として、シリコーンゴム、フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、セラミック、樹脂フィルム積層体等とすることができる。このうちシリコーンゴムは、密着性を高めることができるため、実質の誘電率を高めることができ好ましい。
上記「接触帯電」とは、誘電体と変位電極との間隔が狭くなる又は接触することにより、変位電極及び固定電極との間に電位差が生じることをいう。
上記「剥離帯電」とは、誘電体と変位電極が接触した状態からその間隔が広くなることにより、変位電極及び固定電極との間に電位差が生じることをいう。
接触帯電及び剥離帯電は、同じ変位量であっても誘電体と変位電極との間隔が狭いとき程、帯電量が大きくなる。また、一般的には、剥離帯電の方が接触帯電よりも発電量が大きい。
尚、接触帯電及び剥離帯電における誘電体と変位電極との間隔は全体が均等に変化してもよいし、部分的に変化しても良い。
前記「固定電極」は、誘電体に固定して積層されると共に変位電極との間で負荷を接続され、尚且つ固定電極と変位電極との電気陰性度差が−0.5以上となる材質である限り、その形状、構造、数量等は特に問わない。例えば、材質としてカーボン、並びに亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタン等の金属からなる群から1種を選択することができる。また、金属についてはこれらの合金の金属板、並びにこれらの箔状体等とすることができる。
前記「変位電極」は、誘電体の固定電極と反対側に誘電体に対して変位可能に設けられると共に、固定電極との間に負荷が接続され、尚且つ固定電極と変位電極との電気陰性度差が−0.5以上となる材質である限り、固定電極と同様にその形状、構造、数量等は特に問わない。例えば、材質としてカーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタン等の金属からなる群から1種を選択することができる。
また、固定電極と変位電極との電気陰性度差が−0.5以上となる固定電極及び変位電極の材質の組み合わせの具体例としては、例えば、固定電極及び変位電極の材質がいずれもカーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム又はチタンである場合、表1に示した組み合わせを例示することができる。更に、電気陰性度差が−0.5未満となる前記群の組み合わせを表2に示す。また、これらの各材質の電気陰性度を表3に示す。尚、表1中の各組み合わせの発電量は、後述する実施例の(4)材質の組み合わせの違いによる発電量の変化の測定による方法により計測した値である。
表1に示すように、固定電極及び変位電極の材質を、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群からそれぞれ1種を選択した組み合わせ(但し固定電極及び変位電極が共にスズである場合を除く。)の発電量は1622μWs以上であり、電気陰性度差が−0.5未満の表2に示す組み合わせの発電量(平均値が944μWs)より、概ね大きな値を示すことが分かる。
また、電気陰性度差が0.11以上である場合は、発電量が1641μWs以上であり、更に好ましいものとすることができる。更に、電気陰性度差が0.31以上である場合は、発電量が2290μWs以上であり、特に好ましいものとすることができる。
このように、電気陰性度差が−0.5以上(より好ましくは0.11以上、特に好ましくは0.31以上)の発電量が好ましいのは、接触帯電の発電量よりも剥離帯電の発電量が大きいため、各電極の材質の選択によって剥離帯電の発電量を接触帯電よりも高くすることによって全体としての発電量を高めることができるからである。また、剥離帯電の発電量を極端に高くしようとしても、全体としての発電量が下がる場合がある。このため、前記電気陰性度差とすることで、接触帯電及び剥離帯電の発電量がバランス良く高いものとすることができると考えられる。
また、電気陰性度差が0.11以上である場合は、発電量が1641μWs以上であり、更に好ましいものとすることができる。更に、電気陰性度差が0.31以上である場合は、発電量が2290μWs以上であり、特に好ましいものとすることができる。
このように、電気陰性度差が−0.5以上(より好ましくは0.11以上、特に好ましくは0.31以上)の発電量が好ましいのは、接触帯電の発電量よりも剥離帯電の発電量が大きいため、各電極の材質の選択によって剥離帯電の発電量を接触帯電よりも高くすることによって全体としての発電量を高めることができるからである。また、剥離帯電の発電量を極端に高くしようとしても、全体としての発電量が下がる場合がある。このため、前記電気陰性度差とすることで、接触帯電及び剥離帯電の発電量がバランス良く高いものとすることができると考えられる。
更に、固定電極及び変位電極の少なくとも一方の材質が亜鉛である場合においても、発電量を高くすることができる。固定電極及び変位電極の少なくとも一方の材質が亜鉛であり、他方の電極の材質を、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群からそれぞれ1種を選択した組み合わせを表4に示す。尚、表4中の各組み合わせの発電量は、表1と同じく後述する実施例による方法により計測した値である。また、固定電極が亜鉛であり、変位電極がカーボンである組み合わせは、電気陰性度差が−0.5未満であるため除く。
表4に示すように、固定電極及び変位電極の少なくとも一方の材質が亜鉛とした場合は、発電量が1995μWs以上であり、特に好ましいものとすることができる。
また、変位電極の材質がスズである場合(但し、固定電極がスズの場合を除く)においても、発電量を高くすることができる。変位電極の材質がスズであり、固定電極の材質を、カーボン、亜鉛、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群からそれぞれ1種を選択した組み合わせを表5に示す。尚、表5中の各組み合わせの発電量は、表1及び4と同じく後述する実施例による方法により計測した値である。
また、変位電極の材質がスズである場合(但し、固定電極がスズの場合を除く)においても、発電量を高くすることができる。変位電極の材質がスズであり、固定電極の材質を、カーボン、亜鉛、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群からそれぞれ1種を選択した組み合わせを表5に示す。尚、表5中の各組み合わせの発電量は、表1及び4と同じく後述する実施例による方法により計測した値である。
表5に示すように、変位電極の材質がスズである場合は、発電量が1732μWs以上であり、特に好ましいものとすることができる。
また、固定電極の材質がカーボンである場合においても、発電量を高くすることができる。固定電極の材質がカーボンであり、固定電極の材質を、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄及びアルミニウムからなる群からそれぞれ1種を選択した組み合わせを表5に示す。尚、表5中の各組み合わせの発電量は、表1及び4と同じく後述する実施例による方法により計測した値である。また、カーボンとチタンの組み合わせは、電気陰性度差が−0.5未満であるため除く。
また、固定電極の材質がカーボンである場合においても、発電量を高くすることができる。固定電極の材質がカーボンであり、固定電極の材質を、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄及びアルミニウムからなる群からそれぞれ1種を選択した組み合わせを表5に示す。尚、表5中の各組み合わせの発電量は、表1及び4と同じく後述する実施例による方法により計測した値である。また、カーボンとチタンの組み合わせは、電気陰性度差が−0.5未満であるため除く。
表6に示すように、固定電極の材質がカーボンである場合は、発電量が2218μWs以上であり、特に好ましいものとすることができる。
尚、固定電極及び変位電極の一方又は両方に、カーペット又は絶縁体を積層する場合は、これらの誘電体側の面に蒸着した箔状の金属を固定電極及び変位電極とすることができる。この場合は、発電マットの薄型化及び軽量化を図ることができる。即ち、従来のように厚くて硬い圧電素子を使用する場合に比べて、マット自体が厚くなったり柔軟性が失われてしまったりすることを防止することができるので、歩行時の感触の変化を抑制し、且つ運搬性や収納性を犠牲にすることがない。更に、カーペットの裏面に箔を蒸着することで、一体形成が可能となるので、部品点数を削減して発電マットの作成を容易にすることができる。
更に、固定電極と変位電極の上下関係は、例えば、変位電極を上側とすることができるが、逆に変位電極が下側でもよい。
尚、固定電極及び変位電極の一方又は両方に、カーペット又は絶縁体を積層する場合は、これらの誘電体側の面に蒸着した箔状の金属を固定電極及び変位電極とすることができる。この場合は、発電マットの薄型化及び軽量化を図ることができる。即ち、従来のように厚くて硬い圧電素子を使用する場合に比べて、マット自体が厚くなったり柔軟性が失われてしまったりすることを防止することができるので、歩行時の感触の変化を抑制し、且つ運搬性や収納性を犠牲にすることがない。更に、カーペットの裏面に箔を蒸着することで、一体形成が可能となるので、部品点数を削減して発電マットの作成を容易にすることができる。
更に、固定電極と変位電極の上下関係は、例えば、変位電極を上側とすることができるが、逆に変位電極が下側でもよい。
前記「変位手段」は、変位電極と誘電体との間に設けられると共に、変位電極と誘電体とを接触させる外力があるときは変位電極と誘電体とを接触した状態に変位させて接触帯電を発生させ、外力がないときは変位電極と誘電体とを離隔した状態に変位させて剥離帯電を発生させる限り、その形状、構造、材質、数量等は特に問わない。
このような変位手段として例えば、弾性体から成るチューブであって、踏みつけられたときに該変位手段が変形することにより変位するようにできる。この場合は、変位量を大きく取ることができるので、発電量を大きくすることができる。あるいは、変位手段としては、例えば、コイルばねとすることができる。
このような変位手段として例えば、弾性体から成るチューブであって、踏みつけられたときに該変位手段が変形することにより変位するようにできる。この場合は、変位量を大きく取ることができるので、発電量を大きくすることができる。あるいは、変位手段としては、例えば、コイルばねとすることができる。
更に、変位電極として例えば、金属製で中央部が突出するよう湾曲した板材から成り、変位手段は、変位電極であって、踏みつけられたときに該変位電極の湾曲部分が変形することにより変位するようにできる。即ち、この場合は、変位手段は変位電極により兼用される。また、この場合は、変位電極自体の撓みを用いて変位することができるため、構造を簡単にすることができる。即ち、変位手段として別個の部材は不要であり、簡易な構造とすることができる。しかも、変位量を大きく取ることができるので、発電量を大きくすることができる。あるいは、変位電極としては、例えば、平坦な板材であるようにでき、この場合は、変位手段としては、例えば、変位電極を誘電体に対して接触した状態と離れた状態とに変位可能に支持するコイルばねとすることができる。
更には、例えば、変位電極は誘電体側の面に多数の凹凸部が形成されており、誘電体は弾性体から成り、変位手段は凹凸部及び誘電体であって、踏みつけられたときに該誘電体が変形することにより変位するようにできる。あるいは、例えば、誘電体は弾性体から成り且つ変位電極側の面に多数の凹凸部が形成されており、変位手段は誘電体であって、踏みつけられたときに該誘電体の凹凸部が平坦化するように変形することにより変位するようにできる。これらのような「凹凸部」は、踏みつけにより変形して平坦になる形状、又は、凹凸部に対向する部材が踏みつけにより凹凸部と密着するように変形することができればよく、任意に選択することができる。これらの場合は、発電マットを全体として平坦にすることができるので、見栄えを損ねることがない。更に、誘電体が変位する場合は、変位手段として別個の部材は不要であり、簡易な構造とすることができる。しかも、変位電極を薄く、例えば箔状にすることができるので、発電マット全体を薄くして見栄えを向上することができる。
前記「負荷」は、固定電極及び変位電極の間に接続され、静電気の給電を受けるものである限り、その形状、構造、材質、数量等は特に問わない。負荷としては、例えば、LEDやバルブ等の発光装置とすることができる。また、負荷を、発電マットを踏んだか否かを検出するセンサとして利用することもできる。
更に、発電マットの上面にカーペットを備えるようにできる。この場合は、一般的な足拭きマットと同様に歩行者の靴底に接触して水分や塵を取り除くことができ、更にはマットとしての意匠性を高めることができる。また、発電マットの底面に絶縁体を備えるようにできる。この場合は、床面との絶縁を確保することができるので、収集すべき静電気の逃げを防止して発電効率を向上することができる。
更に、発電マットの上面にカーペットを備えるようにできる。この場合は、一般的な足拭きマットと同様に歩行者の靴底に接触して水分や塵を取り除くことができ、更にはマットとしての意匠性を高めることができる。また、発電マットの底面に絶縁体を備えるようにできる。この場合は、床面との絶縁を確保することができるので、収集すべき静電気の逃げを防止して発電効率を向上することができる。
以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。
(1)発電マットの構成
本実施例に係る発電マット1は、図1に示すように、下から、絶縁体2と、固定電極3と、誘電体4と、誘電体4に対して変位可能に設けられる変位電極5と、カーペット6と、を積層して形成されて成り、変位電極5と誘電体4とを接触した状態と離隔した状態とに変位させる変位手段7と、固定電極3及び変位電極5の間に接続される負荷8と、を備えるものである。この発電マット1は、絶縁体2を底面として床面9に設置されている。
(1)発電マットの構成
本実施例に係る発電マット1は、図1に示すように、下から、絶縁体2と、固定電極3と、誘電体4と、誘電体4に対して変位可能に設けられる変位電極5と、カーペット6と、を積層して形成されて成り、変位電極5と誘電体4とを接触した状態と離隔した状態とに変位させる変位手段7と、固定電極3及び変位電極5の間に接続される負荷8と、を備えるものである。この発電マット1は、絶縁体2を底面として床面9に設置されている。
固定電極3は、カーボン製の平坦な板材としている。変位電極5は、亜鉛製の平坦な板材としている。即ち、固定電極3と変位電極4との電気陰性度差は0.9となる。変位手段7は、シリコーンゴム製のチューブとしている。
誘電体4は、シリコーンゴム製のシートから成ると共に、変位手段7を設けるための溝4aを備えている。溝4aの深さは変位手段7の半径程度とし、変位手段7の上側半分が上方に突出するものとする。また、溝4aの配置形状は、四角形状としている。
カーペット6は、ゴム製の基材と、これに植設されたウール製の繊維体とから成る。絶縁体2は、ゴム板としている。絶縁体2と固定電極3と誘電体4とは、接着剤により接着されている。
負荷8は、極性を反対にして並列に接続した一対のLED10,11としている。ここでは、変位電極5に接続された側から固定電極3に接続された側に電流が流れる際に発光する方を第1LED10とし、固定電極3に接続された側から変位電極5に接続された側に電流が流れる際に発光する方を第2LED11としている。
誘電体4は、シリコーンゴム製のシートから成ると共に、変位手段7を設けるための溝4aを備えている。溝4aの深さは変位手段7の半径程度とし、変位手段7の上側半分が上方に突出するものとする。また、溝4aの配置形状は、四角形状としている。
カーペット6は、ゴム製の基材と、これに植設されたウール製の繊維体とから成る。絶縁体2は、ゴム板としている。絶縁体2と固定電極3と誘電体4とは、接着剤により接着されている。
負荷8は、極性を反対にして並列に接続した一対のLED10,11としている。ここでは、変位電極5に接続された側から固定電極3に接続された側に電流が流れる際に発光する方を第1LED10とし、固定電極3に接続された側から変位電極5に接続された側に電流が流れる際に発光する方を第2LED11としている。
(2)発電マットの作用
次に、前記構成の発電マット1の作用について説明する。ここでは、靴12を履いた歩行者が発電マット1の上を歩行した場合について説明する。
図1(B)に示すように歩行者が発電マット1を踏み込むと、変位手段7が弾性変形されて、変位電極5と誘電体4との間隔が狭くなり、図1(C)に示すように最後には接触する。この変位に伴って、変位電極5の電子が固定電極3側に移動して接触面では変位電極5がプラス側に、固定電極3がマイナス側に帯電する接触帯電が発生し、第1LED10が発光する。
そして、発電マット1から靴12を上げると、図1(D)に示すように変位手段7が元の形状に復元して、変位電極5と誘電体4とが離隔する。この変位に伴って、固定電極3の電子が変位電極5側に移動して変位電極5がマイナス側に、固定電極3がプラス側に帯電する剥離帯電が発生し、第2LED11が発光する。
このように、図1(C)、(E)に示すように発電マット1を踏み込んだときには、固定電極3から変位電極5に電流が流れて第1LED10が発光し、一方、図1(D)に示すように発電マット1から靴12を上げたときには、変位電極5から固定電極3に電流が流れて第2LED11が発光するため、これを繰り返すことにより、各LED10,11が交互に発光されるようになる。
次に、前記構成の発電マット1の作用について説明する。ここでは、靴12を履いた歩行者が発電マット1の上を歩行した場合について説明する。
図1(B)に示すように歩行者が発電マット1を踏み込むと、変位手段7が弾性変形されて、変位電極5と誘電体4との間隔が狭くなり、図1(C)に示すように最後には接触する。この変位に伴って、変位電極5の電子が固定電極3側に移動して接触面では変位電極5がプラス側に、固定電極3がマイナス側に帯電する接触帯電が発生し、第1LED10が発光する。
そして、発電マット1から靴12を上げると、図1(D)に示すように変位手段7が元の形状に復元して、変位電極5と誘電体4とが離隔する。この変位に伴って、固定電極3の電子が変位電極5側に移動して変位電極5がマイナス側に、固定電極3がプラス側に帯電する剥離帯電が発生し、第2LED11が発光する。
このように、図1(C)、(E)に示すように発電マット1を踏み込んだときには、固定電極3から変位電極5に電流が流れて第1LED10が発光し、一方、図1(D)に示すように発電マット1から靴12を上げたときには、変位電極5から固定電極3に電流が流れて第2LED11が発光するため、これを繰り返すことにより、各LED10,11が交互に発光されるようになる。
(3)実施例の効果
本実施例の発電マット1によると、変位電極5及び誘電体4を備え、変位手段7によりこれらが接触した状態と離隔した状態とに変位し、これらの間で接触帯電及び剥離帯電を発生するので、これにより発生した静電気を収集して負荷8に対して給電することができる。これにより、従来の圧電素子を利用した発電マット1に比べて構造を極めて簡素化することができ、安価な発電マット1を得ることができるようになる。また、従来の圧電素子のような発電部品を使用していないので、長期的の使用でも劣化して発電効率が落ちることを抑制できる。
また、固定電極3はカーボン製であると共に変位電極5は亜鉛製であるので、固定電極3と変位電極4との電気陰性度差は0.9となることから、電極として任意の材質を選択する場合に比べて、大きな電力を負荷に給電することができる。
そして、変位手段7がシリコーンゴムから成るチューブであるので、変位量を大きく取ることができ、発電量を大きくすることができる。
また、上面にカーペット6を備えているので、一般的な足拭きマットと同様に歩行者の靴底に接触して水分や塵を取り除くことができ、更にはマットとしての意匠性を高めることができる。更に、底面に絶縁体2を備えているので、床面9との絶縁を確保することができ、収集すべき静電気の逃げを防止して発電効率を向上することができる。
本実施例の発電マット1によると、変位電極5及び誘電体4を備え、変位手段7によりこれらが接触した状態と離隔した状態とに変位し、これらの間で接触帯電及び剥離帯電を発生するので、これにより発生した静電気を収集して負荷8に対して給電することができる。これにより、従来の圧電素子を利用した発電マット1に比べて構造を極めて簡素化することができ、安価な発電マット1を得ることができるようになる。また、従来の圧電素子のような発電部品を使用していないので、長期的の使用でも劣化して発電効率が落ちることを抑制できる。
また、固定電極3はカーボン製であると共に変位電極5は亜鉛製であるので、固定電極3と変位電極4との電気陰性度差は0.9となることから、電極として任意の材質を選択する場合に比べて、大きな電力を負荷に給電することができる。
そして、変位手段7がシリコーンゴムから成るチューブであるので、変位量を大きく取ることができ、発電量を大きくすることができる。
また、上面にカーペット6を備えているので、一般的な足拭きマットと同様に歩行者の靴底に接触して水分や塵を取り除くことができ、更にはマットとしての意匠性を高めることができる。更に、底面に絶縁体2を備えているので、床面9との絶縁を確保することができ、収集すべき静電気の逃げを防止して発電効率を向上することができる。
(4)材質の組み合わせの違いによる発電量の変化の測定
固定電極3及び変位電極5の各材質の組み合わせの発電量を測定した。
図9に示すように、下からスペーサ13と、タイル14と、固定電極3と、誘電体4と、を積層して成る下部材15と、変位電極5と、タイル16と、スペーサ17と、真鍮板18と、を積層して成る上部材19と、該上部材19を固定した荷重計20と、を備えた発電マット実験装置21を利用して、上部材を下部材に30回往復動させることにより発電を行い、負荷8としてLED10,11の代わりに計測器を用いて電圧値及び電流値を測定して発電量を算出した。
各電極3,5としては、カーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム、チタンを選択し、これら8種類の材質をそれぞれ固定電極3及び変位電極5として、合計64通りの計測を行った。各電極3,5の大きさ及び形状は、縦100mm、横100mm、厚さ1mmの平板とした。
誘電体4としては、縦100mm、横100mm、厚さ3mmのシリコーンゴム(タイガースポリマー株式会社製、SR−50)を採用した。タイル14,16としては、INAX製、SP−100/21−Jを採用した。スペーサ13,17としては、直径12mm、高さ20mmの四フッ化エチレン樹脂を採用した。真鍮板18としては、縦100mm、横100mm、厚さ5mmの平板を採用した。荷重計20としては、圧縮荷重計測用手動スタンド(株式会社イマダ製、SV−1)及びフォースゲージ(株式会社イマダ製、デジタルフォースゲージZP−1000N)を採用した。計測器としては、電圧電流計測装置(株式会社エーディーシー製、デジタルエレクトロメーター8240)を採用した。
算出した発電量を縦軸に、各電極3,5の材質の電気陰性度の差を横軸にしてグラフ化した結果を図10〜17に示す(電気陰性度差が−0.5以上のものについての具体的数値は表1を参照)。各図に示すように、電気陰性度差が−0.5以上である場合に発電量の向上が認められた。即ち、電気陰性度差が−0.5以上の場合の発電量の平均値は3275.4[μWs]であるのに対し、電気陰性度差が−0.5未満の場合の発電量の平均値は944.4[μWs]であった。
従って、固定電極3と変位電極4との電気陰性度差が−0.5以上である場合に、大きな発電効果があることが確認された。
また、固定電極3及び変位電極5の少なくとも一方が亜鉛製である場合の結果を図18に示す(具体的数値は表5を参照)。更に、変位電極5のみがスズ製である結果を図19に示す(具体的数値は表6を参照)。固定電極3及び変位電極5の少なくとも一方が亜鉛製である場合は、発電量の平均値は4147.6[μWs]であった。変位電極5のみがスズ製である場合は、3745.3[μWs]であった。従って、これらの場合、発電量が特に大きいことが確認された。
固定電極3及び変位電極5の各材質の組み合わせの発電量を測定した。
図9に示すように、下からスペーサ13と、タイル14と、固定電極3と、誘電体4と、を積層して成る下部材15と、変位電極5と、タイル16と、スペーサ17と、真鍮板18と、を積層して成る上部材19と、該上部材19を固定した荷重計20と、を備えた発電マット実験装置21を利用して、上部材を下部材に30回往復動させることにより発電を行い、負荷8としてLED10,11の代わりに計測器を用いて電圧値及び電流値を測定して発電量を算出した。
各電極3,5としては、カーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム、チタンを選択し、これら8種類の材質をそれぞれ固定電極3及び変位電極5として、合計64通りの計測を行った。各電極3,5の大きさ及び形状は、縦100mm、横100mm、厚さ1mmの平板とした。
誘電体4としては、縦100mm、横100mm、厚さ3mmのシリコーンゴム(タイガースポリマー株式会社製、SR−50)を採用した。タイル14,16としては、INAX製、SP−100/21−Jを採用した。スペーサ13,17としては、直径12mm、高さ20mmの四フッ化エチレン樹脂を採用した。真鍮板18としては、縦100mm、横100mm、厚さ5mmの平板を採用した。荷重計20としては、圧縮荷重計測用手動スタンド(株式会社イマダ製、SV−1)及びフォースゲージ(株式会社イマダ製、デジタルフォースゲージZP−1000N)を採用した。計測器としては、電圧電流計測装置(株式会社エーディーシー製、デジタルエレクトロメーター8240)を採用した。
算出した発電量を縦軸に、各電極3,5の材質の電気陰性度の差を横軸にしてグラフ化した結果を図10〜17に示す(電気陰性度差が−0.5以上のものについての具体的数値は表1を参照)。各図に示すように、電気陰性度差が−0.5以上である場合に発電量の向上が認められた。即ち、電気陰性度差が−0.5以上の場合の発電量の平均値は3275.4[μWs]であるのに対し、電気陰性度差が−0.5未満の場合の発電量の平均値は944.4[μWs]であった。
従って、固定電極3と変位電極4との電気陰性度差が−0.5以上である場合に、大きな発電効果があることが確認された。
また、固定電極3及び変位電極5の少なくとも一方が亜鉛製である場合の結果を図18に示す(具体的数値は表5を参照)。更に、変位電極5のみがスズ製である結果を図19に示す(具体的数値は表6を参照)。固定電極3及び変位電極5の少なくとも一方が亜鉛製である場合は、発電量の平均値は4147.6[μWs]であった。変位電極5のみがスズ製である場合は、3745.3[μWs]であった。従って、これらの場合、発電量が特に大きいことが確認された。
尚、本発明においては、前記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、前記実施例では、歩行の踏圧による発電を行ったがこれに限られず、台車や自動車等の車両の走行による車輪の踏圧等によって発電しても良い。
また、固定電極3はカーボン製であると共に変位電極5は亜鉛製としたが、これに限定されず、図10〜12に示すように他の材質の組み合わせであってもよい。また、図10〜12に示す材質は例示であって、これ以外でも固定電極3と変位電極4との電気陰性度差が−0.5以上となる範囲で適宜選択可能である。
更に、前記実施例では、変位手段7はシリコーンゴム製のチューブとしたが、これに限定されず、例えば、図4に示すように、変位手段7として変位電極5を誘電体4に対して接触した状態(図4(B))と離れた状態(図4(A))とに変位可能に支持するコイルばねを採用することができる。
また、前記実施例では、変位手段7はシリコーンゴム製のチューブとしたが、これに限定されず、変位手段7を変位電極5と兼用することもできる。即ち、図2に示すように、変位電極5を中央部が上方に突出するよう湾曲した金属板とすることができる。変位電極5は面に垂直な方向に弾性変形可能とする。変位電極5は、変位電極5と誘電体4とを接触させる上方からの外力があるときは、図2(C)に示すように弾性変形して平坦化し、変位電極5と誘電体4とが接触した状態に変位され、これらの間に接触帯電を発生させる。また、変位電極5は、上方からの外力がないときは、図2(D)に示すように元の湾曲した形状に復元して変位電極5と誘電体4との平均間隔が広くなる状態に変位され、これらの間に剥離帯電を発生させる。この場合、変位電極5が変形することにより変位するので、変位量を大きく取ることができ、発電量を大きくすることができる。しかも、変位手段7として別個の部材は不要であり、簡易な構造とすることができる。尚、変位電極の中央部の突出方向は、図3に示すように下方としてもよい。
また、固定電極3はカーボン製であると共に変位電極5は亜鉛製としたが、これに限定されず、図10〜12に示すように他の材質の組み合わせであってもよい。また、図10〜12に示す材質は例示であって、これ以外でも固定電極3と変位電極4との電気陰性度差が−0.5以上となる範囲で適宜選択可能である。
更に、前記実施例では、変位手段7はシリコーンゴム製のチューブとしたが、これに限定されず、例えば、図4に示すように、変位手段7として変位電極5を誘電体4に対して接触した状態(図4(B))と離れた状態(図4(A))とに変位可能に支持するコイルばねを採用することができる。
また、前記実施例では、変位手段7はシリコーンゴム製のチューブとしたが、これに限定されず、変位手段7を変位電極5と兼用することもできる。即ち、図2に示すように、変位電極5を中央部が上方に突出するよう湾曲した金属板とすることができる。変位電極5は面に垂直な方向に弾性変形可能とする。変位電極5は、変位電極5と誘電体4とを接触させる上方からの外力があるときは、図2(C)に示すように弾性変形して平坦化し、変位電極5と誘電体4とが接触した状態に変位され、これらの間に接触帯電を発生させる。また、変位電極5は、上方からの外力がないときは、図2(D)に示すように元の湾曲した形状に復元して変位電極5と誘電体4との平均間隔が広くなる状態に変位され、これらの間に剥離帯電を発生させる。この場合、変位電極5が変形することにより変位するので、変位量を大きく取ることができ、発電量を大きくすることができる。しかも、変位手段7として別個の部材は不要であり、簡易な構造とすることができる。尚、変位電極の中央部の突出方向は、図3に示すように下方としてもよい。
また、前記実施例では、変位手段7はシリコーンゴム製のチューブとしたが、これに限定されず、誘電体4が変形して変位手段7を兼用するようにしてもよい。例えば、図5に示すように、誘電体4は弾性体から成り変位電極5側の面に多数の凹凸部が形成されていると共に、変位手段7は凹凸部であるようにできる。この場合、発電マット1が踏まれることにより、変位電極5が誘電体4の凹凸部を押し込み、誘電体4が弾性変形して、両者が面接触する(図5(B))。また、発電マット1から靴が上げられると、誘電体4が元の形状に復元して、変位電極5が誘電体4から持ち上げられて両者は離隔して点接触となる(図5(A))。この構成によると、電極を薄く、例えば、箔状にすることができるので、カーペット6の裏面に蒸着したアルミ等の薄膜から成るようにできる。よって、発電マット1の薄型化及び軽量化をすることができる。即ち、従来のように厚くて硬い圧電素子を使用する場合に比べて、マット自体が厚くなったり柔軟性が失われたりしまうことを防止することができるので、歩行時の感触の変化を抑制し、且つ運搬性や収納性を犠牲にすることがない。また、カーペット6と変位電極5との一体形成が可能となるので、部品点数を削減して発電マット1の作成を容易にすることができる。
また、前記実施例では、変位手段7はシリコーンゴム製のチューブとしたが、これに限定されず、例えば、図6に示すように、変位電極5は誘電体4側の面に多数の凹凸部が形成されていると共に、誘電体4は弾性体から成り、且つ変位手段7は凹凸部及び誘電体4であるようにすることができる。この場合、発電マット1が踏まれることにより、変位電極5の凹凸部が誘電体4に食い込み、誘電体4が弾性変形して、両者が面接触する(図6(B))。また、発電マット1から靴が上げられると、誘電体4が元の形状に復元して、変位電極5の凹凸部が誘電体4から持ち上げられて両者は離隔して点接触となる(図6(A))。この構成によると、発電マット1を全体として平坦にすることができるので、見栄えを損ねることがない。
また、前記実施例では、発電マット1は、下から、絶縁体2と、固定電極3と、誘電体4と、変位手段7と、変位電極5と、カーペット6と、を積層して成るようにしたが、これに限定されず、例えば、図7に示すように、下から、絶縁体2と、変位電極5と、変位手段7と、誘電体4と、固定電極3と、カーペット6と、を積層して成るようにしてもよい。あるいは、図8に示すように、下から、絶縁体2と、変位手段7を兼用した変位電極5と、誘電体4と、固定電極3と、カーペット6と、を積層して成るようにしてもよい。
また、前記実施例では、発電マット1は、絶縁体2と、固定電極3と、誘電体4と、変位手段7と、変位電極5と、カーペット6と、を積層して成るようにしたが、これに限定されず、最低限、変位電極5と、誘電体4と、変位手段7と、固定電極3と、があれば発電は可能であるので、絶縁体2とカーペット6はなくてもよい。
また、前記実施例では、発電マット1は、絶縁体2と、固定電極3と、誘電体4と、変位手段7と、変位電極5と、カーペット6と、を積層して成るようにしたが、これに限定されず、最低限、変位電極5と、誘電体4と、変位手段7と、固定電極3と、があれば発電は可能であるので、絶縁体2とカーペット6はなくてもよい。
更に、前記実施例では、負荷8は、極性を反対にして並列に接続した一対LED10,11としたが、これに限定されず、例えば、バルブあるいは蓄電器としたり、更には発電マット1を踏んだか否かを検出するセンサとしたりしてもよい。
また、前記実施例では、固定電極3は平板としたが、これに限定されず、例えば、金属製の場合は箔としてもよい。この場合、隣接する絶縁体2あるいはカーペット6に蒸着した薄膜とできるので、一体形成が可能となり、部品点数を削減して発電マット1の作成を容易にすることができる。あるいは、固定電極3としては、網目状やはしご状に組んだワイヤとしてもよい。この場合、発電マット1の薄型化及び軽量化をすることができる。
また、前記実施例では、固定電極3は平板としたが、これに限定されず、例えば、金属製の場合は箔としてもよい。この場合、隣接する絶縁体2あるいはカーペット6に蒸着した薄膜とできるので、一体形成が可能となり、部品点数を削減して発電マット1の作成を容易にすることができる。あるいは、固定電極3としては、網目状やはしご状に組んだワイヤとしてもよい。この場合、発電マット1の薄型化及び軽量化をすることができる。
本発電マットは、歩行者が歩行することで発電を行い、配設場所近辺の照明や各種センサの電源として用いる等、各種電力の供給源として用いる技術として利用される。特に、静電気を利用して発電を行う技術として好適に利用される。更に、歩行者や台車等の移動体を検出するためのセンサとして用いることもできる。
1;発電マット、2;絶縁体、3;固定電極、4;誘電体、5;変位電極、6;カーペット、7;変位手段、8;負荷、9;床面、10;第1LED、11;第2LED。
Claims (4)
- シート状の誘電体と、
前記誘電体の一方の面に固定して積層される固定電極と、
前記誘電体の前記固定電極と反対の面側に前記誘電体に対する間隔を相対的に変位可能に設けられると共に、前記固定電極との間に負荷が接続される変位電極と、
前記変位電極と前記誘電体との間に設けられると共に、前記変位電極と前記誘電体とを接触させる外力があるときは前記変位電極と前記誘電体とを接触した状態に変位させて接触帯電を発生させ、前記外力がないときは前記変位電極と前記誘電体とを離隔した状態に変位させて剥離帯電を発生させる変位手段と、
を備えた発電マットであって、
前記固定電極及び前記変位電極の材質は、前記固定電極の電気陰性度から前記変位電極の電気陰性度を引いた値が−0.5以上となるものであることを特徴とする発電マット。 - 前記固定電極の材質は、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれる1種であり、且つ前記変位電極の材質は、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれる1種(但し前記固定電極及び前記変位電極がスズである場合を除く)である請求項1記載の発電マット。
- 前記固定電極及び前記変位電極の少なくとも一方の材質が亜鉛である請求項1又は2記載の発電マット。
- 前記変位電極の材質がスズ(但し前記固定電極がスズである場合を除く)である請求項1又は2記載の発電マット。
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