JP2012249367A

JP2012249367A - 発電マット

Info

Publication number: JP2012249367A
Application number: JP2011117422A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Mukai; 浩章向
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】人の歩行等による小さな振動ストロークにより発電することができ、簡素な構造で設置が容易な発電マットを提供する。
【解決手段】本発電マット１は、径方向に弾性変形可能な管状の誘電体２と、誘電体の管内に誘電体の内周面と間隙を空けて挿通されている線状の第１電極３と、シート状に構成された第２電極４と、を備え、誘電体はその長手方向に第２電極のシート面に載置され、外圧によって誘電体が弾性変形することにより第１電極と第２電極との間で発電する。このような発電マットは、表面の浮き等が生じない。また、発電のために細い管径の誘電体を変形させればよいので、大きな変形のストロークを必要としない。これらによって、人が歩き易い発電マットとすることができる。更に、第２電極は導電糸を織り込んだ織布とすることができ、誘電体は織布に縫い止め又は織り込めたりすることができる。
【選択図】図２

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、その電荷を収集することにより負荷に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等、各種負荷の電源として用いることができる。

従来、人や物が移動するときに床面に加わる重力の変化を利用して発電する発電マットが知られている。例えば、円筒状容器中に１組の磁石と、その磁界中を貫通する電線とを備え、外部からの圧力による容器の変形に応じて移動する電線の起電力を利用した圧力式発電器が開示されている（特許文献１を参照）。
また、住宅の夜間照明を行う常夜灯等の省エネルギー対策として、階段の踏み板や昇降口周辺の床に圧電素子等の押圧発電素子を設け、その押圧発電素子を足で踏みつけることにより発電する発電装置が知られている（特許文献２を参照）。
その他、圧電素子を発電に利用する発明として、人、車両、又は列車を含む移動物体が通過する通路に圧電部材を設置し、そ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で生じた電力を取り出す発電システムが知られている（特許文献３を参照）。

特開平１０−３２３００７号公報特開平１１−３５３９１３号公報特開２００６−１９７７０４号公報

しかし、特許文献１に開示された圧力式発電器を敷き詰めた発電マットでは、容器を変形させるために大きなストロークを必要とするという問題があり、又磁石その他の部材を用いる構造が複雑であるばかりでなく重量も嵩むという問題もある。また、特許文献２や３に開示されているような圧電素子を利用した発電システムの場合には、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、発電マットを構成するためには高価な圧電素子を多数用いなければならない上、各圧電素子の配線が煩雑であるという問題がある。
更に、上記従来の発電マット等は板状の圧電部材等を並べる構造であるため、床面に配設した場合に床面との均一な密着性を得ることが容易でなく、浮き等が生じて歩行者が躓くおそれもある。また、床面にカーペットを敷く場合には、カーペットの下に発電構造を設けなければならず、簡単に発電マットを構成することが難しいという問題がある。

本発明は、前記現状に鑑みてなされたものであり、人の歩行等による小さな振動ストロークにより発電することができ、簡素な構造で設置が容易な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、径方向に弾性変形可能な管状の誘電体と、前記誘電体の管内に該誘電体の内周面と間隙を空けて挿通されている線状の第１電極と、シート状に構成された第２電極と、を備え、前記誘電体はその長手方向に前記第２電極のシート面に載置され、外圧によって前記誘電体が径方向に弾性変形することにより前記第１電極と前記第２電極との間で発電す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、前記第２電極は導電糸を織り込んだ織布であり、前記誘電体は該織布に縫い止められ又は織り込まれていることを要旨とする。
本第３発明の発電マットは、上記第２発明において、前記導電糸は炭素繊維であり、前記誘電体はシリコーンであり、前記第１電極は亜鉛であることを要旨とする。

本発明の発電マットによれば、径方向に弾性変形可能な管状の誘電体と、その誘電体の管内に誘電体の内周面と間隙を空けて挿通されている線状の第１電極と、シート状に構成された第２電極と、を備え、前記誘電体はその長手方向に前記第２電極のシート面に載置されているため、人が誘電体を踏みつけて圧力が加わったときには、誘電体が径方向に圧縮変形して第１電極が誘電体の内周面に接触し、圧力がなくなったときには誘電体が元の形状に復元して第１電極が誘電体の内周面から離隔する。誘電体の外周面は第２電極と常時接触しているため、誘電体と第１電極との接触及び離隔に伴って電荷が移動し、第１電極と第２電極との間で発電することができる。
本発電マットは、管状に形成された誘電体、第１電極となる導体線、及びシート状に構成された第２電極という少ない部材を用いた極めて簡素な構造とすることができる。多数の圧電素子等を用いず、１つの第１電極と１つの第２電極によって全面を構成することができるため、電気的配線を極めて簡単にすることができ、製造も容易である。
また、硬い部材を敷き詰める従来の構造と比べて、厚さを薄くすることができ、発電マット全体を床面に密着させることが容易になり、配設及び取扱が簡単になる。
更に、表面の浮き等が生じない。また、発電のために細い管径の誘電体を変形させればよいので、大きな変形のストロークを必要としない。これらによって、人が歩き易い発電マットとすることができる。

前記第２電極は導電糸を織り込んだ織布であり、前記誘電体は該織布に縫い止められ又は織り込まれている場合は、織布に導電糸を織り込んでシート状の第２電極を容易に製造することができ、その織布と誘電体とを一体に製織することができる。また、柔軟性に富み、軽量な発電マットを実現することができ、カーペットのように敷設することができる。また、発電マットをより薄型とすることができるため、開き戸の下側など、厚いマットを設置することが困難な場所であっても本発電マットを配設することができる。

前記導電糸は炭素繊維であり、前記誘電体はシリコーンであり、前記第１電極は亜鉛である場合は、誘電体と第１電極との接触及び離隔に伴って生じる発電量を大きなものとすることができる。

本実施形態に係る発電マットを示す平面図である。図１におけるＡ−Ａ’断面の一部を拡大して表わした発電マットの部分断面図である。本実施形態に係る発電マットを構成する誘電体及び第１電極の長手方向の断面図である。上方から下方へ加圧されている状態の発電マットを表わした図２と同様の部分断面図である。上方から下方へ加圧されている状態の誘電体及び第１電極を表わした図３と同様の断面図である。曲がった第１電極が誘電体の管内に挿通されている状態を表わす図３と同様の断面図である。

以下、図１〜６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。

（１）発電マットの構成
図１〜３に例示するように、本発明に係る発電マット１は、管状の誘電体２と、誘電体２の管内に挿通されている線状の第１電極３と、シート状に構成された第２電極４と、を備える。
前記誘電体２は、径方向に弾性変形可能な中空の管状体であって、その外周面が長手方向に第２電極４と常時接触するように、第２電極４のシート面に載置される。誘電体２は、その管内に挿通されている第１電極３との接触及び離隔によって帯電した電荷を第１電極３及び第２電極４との間で授受できるものである限り、材料や寸法、数量等は特に問わない。誘電体２の材料として、例えば、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、樹脂フィルム積層体等を挙げることができる。このうち管状のシリコーンゴムは、弾性変形したときに接触する内周面と第１電極３との密着性、及び外周面と第２電極４との密着性を高めることができるため好ましい。
誘電体２の外径及び肉厚は、誘電体の強度や固さの他、使用する第１電極３の外径との関係、本発電マットを踏みつけたときの感触等を勘案して適宜選択することができる。

前記第１電極３は誘電体２の管内に、誘電体２の内周面と間隙を空けて挿通可能な太さの線状導体である。発電マット１で発生した電力は、第１電極３と第２電極４との間に取り出される。第１電極３の材料として、例えば、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム、チタン等の金属からなる群のうちの１種を選択することができる。上記いずれかの金属の合金であってもよい。また、第１電極３の材料は、第２電極４の材料との関係で、発電量を大きくすることができる組合せとすることが好ましい。例えば、第２電極４としてカーボンを用いる場合、第１電極３の材料を亜鉛とすることができる。

誘電体２及び第１電極３は、発電マット１上の位置に関わらず歩行による圧力を受けることができるよう配設されることが好ましい。そのため、例えば、図１に示すように発電マット１上で長尺の誘電体２及び第１電極３を折り返すように配設することができる。また、複数の誘電体２及び第１電極３を並行して配設しても良い。
また、誘電体２の中空部分及び第１電極３の断面形状は、任意に選択することができ、真円、楕円、任意角数の多角形等を例示することができる。これらのうち、加圧方向に扁平な楕円等とすると、誘電体２が外力により変形したときに誘電体２の内周面との接触面積を大きくすることができるため好ましい。
誘電体２が外力を受けていないときには、誘電体２の内周面と第１電極３の外周との間隙が均一であること、すなわち誘電体２の径方向の中心軸に沿って第１電極３が挿通されることが好ましい。このため、誘電体２の管内に補助的な支持構造が設けられてもよい。

前記第２電極４は、シート状に構成され、そのシート表面上に載置される誘電体２の外周面と接触可能に構成される導体である。第２電極４の材料として、例えば、カーボン、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム、チタン等の金属からなる群のうちの１種を選択することができる。上記いずれかの金属の合金であってもよい。また、第２電極４の材料は、第１電極３の材料との関係で、発電量を大きくすることができる組合せとすることが好ましい。例えば、第２電極４としてカーボンを使用し、第１電極３の材料を亜鉛とすることができる。その他、第２電極４と第１電極３の材料の組合せとして、カーボンとスズ、カーボンと銅、スズと亜鉛、ニッケルと亜鉛等が挙げられる。
第２電極４の寸法や数量は特に限定されず、１つの発電マット１が複数の第２電極４を備えて構成されてもよい。

第２電極４をシート状に構成するためには、上記金属材料を板状又は箔状に形成して用いることができる。好ましくは、発電マット１の加工性や取扱性、意匠性を向上するために、織布を用いて第２電極４をシート状に構成することができる。その場合、導電糸を織り込んだ織布、又は導電性繊維を用いた不織布等を用いることができる。導電糸又は導電性繊維の材料には前記金属材料を使用すればよく、例えば、図２に示すように、炭素繊維からなる導電糸４１を織り込んで第２電極４とすることができる。これによって、誘電体２の帯電量を大きくすることができる。また、第２電極４として導電糸を織り込んだ織布に誘電体２を導電糸４２等により縫い止めたり、その織布に誘電体２を織り込んだりすることができる。このようにすることで、第２電極４の面上に長尺の誘電体２を係止して両者の接触を確実にすることができ、誘電体２を載置した第２電極４を一体として製織することも可能となる。

尚、第２電極４に取り付けられる誘電体２は、図２においては第２電極４の上面側に設けられているが、第２電極４の下面側に設けられていてもよい。
また、発電マットの上面にはカーペット等の敷物を被せることができる。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、発電マットの底面側に絶縁体を備え、床面との絶縁を確保することにより、電荷の洩れを防止して発電効率を向上することができる。

第１電極３と第２電極４の間に、発電された電力の供給を受ける負荷８が接続される。負荷８の内容や構成は問わず、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、発電マット１の出力を、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。

（２）発電マットの動作
図２は、歩行等による外力が加わっていないときの発電マット１の部分断面を示している。第２電極４は、導電糸４１を織り込んだ織布によって構成されている。また、誘電体２は導電糸４２により織布に縫い止められている。図３は、この状態における誘電体２及び第１電極３の長手方向の断面を示す。
また、図４は、歩行等によって上方から発電マット１が踏まれたとき、その圧力Ｐによって、発電マット１の踏まれた部分の誘電体２が径方向に押し潰された状態を示している。図５は、この状態における誘電体２及び第１電極３の長手方向の断面を示す。

発電マット１が上方から圧力Ｐを受けると、図４に表わすように、管状の誘電体２が径方向に圧縮変形して、その内周面の上部及び下部が第１電極３と接触した状態（以下、接触状態とする。）となる。この接触状態で誘電体２は帯電（以下、接触帯電とする。）しているため、誘電体２の内周面と外周面との間には電位差が発生する。
次に、上方から圧力Ｐがなくなると、誘電体２が弾性により径方向に復元されて、図２に表わすように、誘電体２の内周面と第１電極３とは離隔した状態（以下、離隔状態とする。）となる。この離隔状態で誘電体２は上記接触帯電とは逆の極性に帯電（以下、剥離帯電とする。）するため、誘電体２の内周面と外周面との間には上記とは逆方向の電位差が発生している。一般的には、上記剥離帯電の方が上記接触帯電よりも帯電量が大きくなる。
上記により、外力により誘電体２が圧縮変形されて離隔状態から接触状態に変化するとき、及び外力が除かれて接触状態から離隔状態に変化するときには、第１電極３と第２電極４との間には電位差が生じることとなる。このときの電力を外部に接続された負荷８に供給することができる。

尚、図６に示すように、誘電体２の管内で第１電極３が曲がっており、外部から圧力が加わっていないときに第１電極３と誘電体２の内周面とが一部で接触している場合もある。このような場合であっても、接触部位で他の部位の電荷が失われることはなく、外力が加わったときに図５に例示するように第１電極３と誘電体２の内周面とが全体に接触するため、発電が可能である。

（３）具体例
図１に示した発電マット１の具体的な実施例について説明する。
誘電体２としてシリコーンゴム製の管材を使用する。第１電極３は、その誘電体２の内径よりも小さな外径の亜鉛製の線材を用いる。第２電極４は、炭素繊維製の導電糸４１を織り込んだ織布からなる導電性シートである。第１電極３が挿通された誘電体２は、第２電極４の端部で反対方向に折り曲げることを繰り返すことで、第２電極４の略全面にわたり配設されている。更に、図２に示すように、誘電体２は、第２電極４に炭素繊維からなる導電糸４２により縫い止められている。
第１電極３と第２電極４との間に負荷８が接続される。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。第１電極３側から第２電極４側に電流が流れる際に第１ＬＥＤ１０が発光し、第２電極４側から第１電極３側に電流が流れる際に第２ＬＥＤ１１が発光する。

前記構成の発電マット１の上を、靴を履いた歩行者が歩いた場合、歩行者が発電マット１を踏み込むと、誘電体２が図４における上下方向の径方向に弾性変形により圧縮変形して扁平となり、第１電極３と誘電体２との間隔が狭くなり、最後には接触する。この変位に伴って電荷移動が生じ、誘電体２の第１電極３側がプラスに、第２電極４側がマイナスに帯電する接触帯電が発生して第１ＬＥＤ１０が発光する。
そして、発電マット１から靴を上げると、図２に示すように誘電体２が元の形状に復元して、第１電極３の外周面と誘電体２の内周面とが離隔する。この変位に伴って電荷移動が生じ、誘電体２の第１電極３側がマイナスに、第２電極４側がプラスに帯電する剥離帯電が発生して第２ＬＥＤ１１が発光する。
このように、発電マット１を踏み込んだときには、第２電極４から第１電極３に電流が流れて第１ＬＥＤ１０が発光し、一方、発電マット１から靴１２を上げたときには、第１電極３から第２電極４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。

上記具体例の構成により、２つの誘電体及び第１電極の組合せについて実験を行った。
使用した誘電体２及び第１電極３は以下の実験例１及び２のとおりであり、図１に示した第２電極４の１００ｍｍ角の範囲４０に２６本が並行するように配設固定した。第２電極４として、縦及び横が１２０ｍｍのアクリル繊維を高温焼成した炭素繊維製の導電糸からなる導電性シートを用いた。
[1]実験例１
誘電体；シリコーンチューブ、外径１．０ｍｍ、内径０．５ｍｍ。
第１電極；亜鉛線、外径０．４ｍｍ。
[2]実験例２
誘電体；シリコーンチューブ、外径３．０ｍｍ、内径２．０ｍｍ。
第１電極；亜鉛線、外径１．０ｍｍ。

各構成の発電マット１に対して上方から変位幅（ストローク）８ｍｍ程度で繰り返し荷重（約２００Ｎ）を加えたところ、実験例２の発電量は実験例１に対して数倍大きいことが分かった。実験例１と実験例２とでは、誘電体２の外径及び内径、第１電極３の外径が異なる。誘電体２が変形していないときに、その管内の中心に第１電極３が通されているとすると、誘電体２の内周面と第１電極３の外周との間隙は、実験例１では０．０５ｍｍ、実験例２では０．５ｍｍとなる。このような試験によって、発電される電力量を最も大きくするように誘電体２及び第１電極３の寸法を設定することが可能である。

尚、本発明においては、前記実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施形態とすることができる。
例えば、前記実施形態では歩行の踏圧による発電を行う例を挙げたが、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することができる。また、第２電極４として炭素繊維を使用し、第１電極３として亜鉛を使用した例を挙げたが、これに限定されず、他の材料の組合せであってもよい。

また、実施形態においては誘電体２の中空部分及び第１電極３の断面形状は真円であったが、これに限られず、例えば楕円形状等とすることもできる。
また、前記実施形態では負荷８として一対のＬＥＤを接続したが、これに限定されず、負荷としてバルブや蓄電器を接続してもよいし、発電マット１を踏んだか否かを検出するセンサとして発電マット１の出力を用いてもよい。

本発電マットは、人の歩行や台車の移動等によって発電を行い、配設場所近辺の照明や各種センサの電源等、各種電力の供給源として利用される。

１；発電マット、２；誘電体、３；第１電極、４；第２電極、４１、４２；導電糸、８；負荷、９；床面、１０；第１ＬＥＤ、１１；第２ＬＥＤ。

Claims

径方向に弾性変形可能な管状の誘電体と、
前記誘電体の管内に該誘電体の内周面と間隙を空けて挿通されている線状の第１電極と、
シート状に構成された第２電極と、
を備え、
前記誘電体はその長手方向に前記第２電極のシート面に載置され、
外圧によって前記誘電体が径方向に弾性変形することにより前記第１電極と前記第２電極との間で発電することを特徴とする発電マット。
前記第２電極は導電糸を織り込んだ織布であり、前記誘電体は該織布に縫い止められ又は織り込まれている請求項１記載の発電マット。
前記導電糸は炭素繊維であり、
前記誘電体はシリコーンであり、
前記第１電極は亜鉛である請求項２記載の発電マット。