JP5434305B2 - 発電マット - Google Patents
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1.多数の繊維体からなり、該繊維体上を水平方向に移動する歩行者の靴底との間の摩擦により静電気を発生させる発電部と、該発電部の表面又は内部にはしご形状、網目状又はシート状に配設され、前記繊維体と絡めるように設けられる導電材を具備し、該導電材により前記静電気を収集して負荷に供給する集電部材と、前記発電部の一端側、両側及び周囲のいずれかに配置され、前記歩行者の靴底が接触したときに該歩行者が帯電している静電気を除去する除電部と、を備えることを特徴とする発電マット。
2.前記発電部又は前記除電部の外側に、前記歩行者の靴底に接触して水分や塵を取り除く洗浄部を備える上記1.記載の発電マット。
3.前記集電部材には収集した前記静電気を蓄電する蓄電器が接続される上記1.又は2.に記載の発電マット。
10.前記蓄電器には発光手段制御装置が接続されると共に、前記発光手段制御装置には発光手段が接続される上記3.記載の発電マット。
また、歩行者に帯電した静電気を除去する除電部を備えているので、移動体が例えば歩行者である場合、歩行者に残存している静電気を除電部で除電することができる。これによって歩行者が発電マットを通過した後に、ドアノブ等の導電体に手を接触したときに歩行者が帯電している静電気が流れて、電気ショックを受けることを防止したり、火花が発生して可燃物に引火することを防止したりすることができる。
更に、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。本発電マットは従来の赤外線センサ等とは異なる条件、即ち静電気を発生させる移動体の検知を行うことができるため、素足と靴との区別を行ったり、台車等の検出を行ったりすることができる。
更に、集電部材が発電部の表面に設けられている場合は、発電部の表面に集電部材を載置する構成であるため、構造を簡易なものとし、発電マットの製造を容易にすることができる。また、集電部材が発電部の内部に設けられている場合は、移動体と集電部材とが直接接触することがないので集電部材の損傷を抑制することができる。
また、集電部材がはしご形状、網目状及びシート状とするので、効率的に静電気の収集を行うことができる。
また、発電部又は前記除電部の外側に、歩行者の靴底に接触して水分や塵を取り除く洗浄部を備える場合は、歩行者が発電部に移動する前に歩行者の靴底の水分や塵を取り除くことができるようになる。これにより、発電部での静電気の発生効率を高めて発電効果を向上することができる。また、同時に靴底の汚れを洗浄できるので、足拭きマットとしての効果を付加することができる。
更に、集電部材に収集した静電気を蓄電する蓄電器が接続される場合は、電力の供給を安定化させることができ、且つ蓄電により非発電時でも電力を負荷に供給したりすることができるため、発電源として汎用性を高めることができる。また、蓄電器に発光手段制御装置が接続されると共に、発光手段制御装置に発光手段が接続される場合は、蓄電器に蓄電された電荷を利用して安定した発光を実現できると同時に、発光手段制御装置により発光を制御して歩行者あるいは管理者に対して適宜発光することができるようになる。
また、集電部材に収集した静電気により発光する発光手段が接続される場合は、発電部での発電と同時に発光するようになるので、移動体の位置を検出するセンサを使用することなく、足下の照明灯として用いることができる。
本発明に係る発電マットは、水平方向に移動する移動体との間の摩擦により静電気を発生させる発電部と、発電部に設けられると共に静電気を収集して負荷に供給する導電材を具備する集電部材と、発電部よりも移動体の移動方向下流側に配置されると共に、移動体が帯電している静電気を除去する除電部と、を備えるものである。
上記「移動体」は、発電マットの上を水平方向に移動することによって、発電部と接触し、そのときの発電部との摩擦によって静電気を発生させるものである限り、その種類、大きさ及び数量等は特に問わない。移動体としては、例えば歩行者とすることができ、この場合、歩行者の靴底と発電部との間の摩擦により静電気が発生する。また、貨物の運搬車(例えば台車を挙げることができる。)等の車両でもよい。この場合、運搬車の車輪と発電部との間の摩擦により静電気が発生する。
繊維体の形状は、摩擦及び電荷移動の高効率化のために表面積が大きいもの、例えばマイクロ繊維や異形状繊維が好ましく、またこれらをフィラメントや撚り糸状としたり、あるいはパイル状としてもよい。また、発電部の基材は、柔軟性を備え、歩行動作に対する耐久性を有する絶縁材料であることが好ましく、例えばゴム製とすることができる。
更に、集電部材には、発電部で収集した静電気を蓄電する蓄電器が接続されるようにしたり、この蓄電器に発光手段のオンオフを制御する発光手段制御装置を接続し、この発光手段制御装置に発光手段を接続したりするようにできる。また、これら蓄電器や発光手段制御装置を設けずに、静電気により発光する発光手段が集電部材に直接接続されるようにできる。蓄電器としては、例えばキャパシタ及び二次電池を用いることを挙げることができる。
上記「発光手段」は、消費電力が少ない光源が好ましく、例えばネオン管及び発光ダイオードを挙げることができる。発光手段がネオン管である場合は、耐電圧が高いため発光手段を静電気の高電圧から保護する回路を省略することができ、また、集電部材からの電流の方向によらず発光させることができる。更に、発光手段が発光ダイオードである場合は、低電流で高輝度の発光を実現することができる。
除電部の材質としては、導電性を有しながら歩行動作に対する耐久性を備えたものが好ましく、例えば金属糸を織り込んだ繊維とすることができる。
また、除電部の配置としては、例えば移動体の移動方向が一方向のみである場合は、除電部は、移動体の移動方向下流側に位置する一端側のみに配置されるようにしたり、移動体の移動方向が対向する二方向である場合は、除電部は発電部を中心に移動方向の両側にそれぞれ配置されるようにしたり、あるいは移動体の移動方向が全方向である場合は、除電部は発電部の周囲に配置されるようにできる。
一方、発電部の移動体の移動方向上流側に洗浄部を備えるようにできる。上記「洗浄部」は、移動体の底部に接触して水分や塵を取り除くものである限り、その種類、大きさ、数量等は特に問わない。洗浄部の材質としては、一般的な玄関マット材とすることができ、例えばポリオレフィンやPVC等とすることができる。更に、この洗浄部は基材から容易に取り外し可能なものにすることができる。
また、洗浄部の配置としては、例えば移動体の移動方向が一方向のみである場合は、洗浄部は移動体の移動方向上流側に位置する1箇所のみに配置されるようにしたり、移動体の移動方向が対向する二方向である場合は、洗浄部は発電部を中心に除電部の外側にそれぞれ配置されるようにしたり、あるいは移動体の移動方向が全方向である場合は、除電部は発電部を中心に除電部の周囲に配置されるようにできる。この場合は、移動体がどの方向に移動しても発電部を通過した後に除電部に移動するので、任意の方向に移動する移動体の除電を確実に行うことができる。
更に、移動体の移動方向は一方向のみであると共に、洗浄部が1箇所のみに配置される場合は、必要最低限の設備に抑えることができる。また、移動体の移動方向は対向する二方向であると共に、洗浄部は発電部を中心に除電部の外側にそれぞれ配置される場合は、移動体が二方向のうちいずれの方向に移動しても洗浄部を通過してから発電部に移動するので、発電効率を確実に向上することができる。更に、移動体の移動方向は全方向であると共に、除電部は発電部を中心に除電部の周囲に配置される場合は、移動体がどの方向に移動しても洗浄部を通過した後に発電部に移動するので、発電効率を確実に向上することができる。
本実施例に係る発電マット1は、図1及び図2に示すように、移動体2との間で摩擦により静電気を発生させる発電部3と、該発電部3に設けられる集電部材4と、発電部3を中心に移動体2の移動方向の両側にそれぞれ配置される除電部5と、発電部3を中心に除電部5の外側にそれぞれ配置される洗浄部6と、集電部材4に接続された蓄電器13と、蓄電器13に接続された発光手段制御装置14と、発光手段制御装置14に接続された発光手段7と、を備えている。
発電部3は、基材8と繊維体9とから成る。基材8は絶縁体である天然ゴム製であり、除電部5及び洗浄部6と共通の基盤としている。繊維体9はウール製のフィラメントであり、基材8の上部表面に植設されている。ここで、繊維体9を構成するウールと靴底10を構成するウレタンゴムとでは帯電列はウールの方がプラス側になるので、両者を摩擦させると繊維体9がプラス側、靴底10がマイナス側に帯電する(図3(B)参照)。
集電部材4は、図1に示すように、導電材である金属製のワイヤをはしご形状に形成すると共に、図2(A)に示すように、発電部3の表面、即ち繊維体9に絡めて設けられ、繊維体9に発生した静電気を収集する。集電部材4は発電部3の全面に設けられていると共に、全体が分断されずに接続されている。
除電部5は導電材を織り込んだ樹脂製繊維であり、配線12により接地されている。これにより、除電部5は移動体2に帯電した静電気を除去する。
洗浄部6はポリオレフィン製で、一般的な玄関マットと同様に移動体2の靴底10に接触して水分や塵を取り除く。この洗浄部6は基材8から容易に取り外し可能としている。
蓄電器13は集電部材4により収集された電荷を蓄電するものであり、キャパシタとしている。発光手段制御装置14は、発光手段7の発光を制御するものとしている。また、発光手段7は耐電圧が高く、小電流でも点灯するネオン管としている。更に、発光手段7の一端が発光手段制御装置14に接続され、他端が接地されている。
次に、上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、移動体2である歩行者が発電マット1の一端側から他端側に通過する場合について説明する。
次いで、移動体2は更に進んで発電部3を踏み付ける。発電部3では、左右の靴底10を発電部3に設置した状態から一方の靴底10を上げると、繊維体9と靴底10との摩擦により、繊維体9がプラス側に、靴底10がマイナス側に帯電する。そして、繊維体9に帯電した正電荷が集電部材4で収集され、蓄電器13に供給されて蓄電される。蓄電された電荷は、発光手段制御装置14により適宜制御しながら発光手段7に供給され、発光手段7を発光させる。
このように、移動体2の歩行による靴の上げ下げにより発電部3において静電気が発生し、これを集電部材4により収集して蓄電器13及び発光手段制御装置14を介して発光手段7を発光させることができる。
その後、移動体2は更に進み、発電部3に隣接する除電部5を踏み付ける。その時点で移動体2が帯電していた場合は、その電荷が靴底10から除電部5に逃れ、配線12を介して大地に流れて除電される。移動体2は更に除電部5に隣接する洗浄部6を踏み付け、再度靴底10の水分や塵が取り除かれる。
本実施例の発電マット1によると、移動体2との間で摩擦により静電気を発生させる発電部3と、静電気を収集する導電材から成る集電部材4と、を備えているので、移動体2の移動により発生した静電気を効率よく収集することができる。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。しかも、マット自体の柔軟性を通常のマットと同様に維持することができるので、運搬性や収納性を犠牲にすることがない。
また、発電部3は多数の繊維体9を備えるので、移動体2と繊維体9との間の摩擦により効果的に静電気を発生させることができる。そして、集電部材4ははしご形状で発電部3の表面に設けられるので、集電部材4として必要最低限の設備に抑えることができる。
また、集電部材4には蓄電器13及び発光手段制御装置14を介して発光手段7が接続されているので、安定した電力を適宜制御しつつ発光手段7に供給することができる。
また、移動体2に帯電した静電気を除去する除電部5を備えているので、移動体2である歩行者は発電部3で自ら帯電した静電気を直後に除電部5で除電することができる。これにより、移動体2が発電部3を通過した後に例えばドアノブに接触しても放電衝撃を受けることを防止できる。しかも、除電部5は発電部3を中心に移動方向の両側にそれぞれ配置されるので、移動体2が対向する二方向のうちいずれの方向に移動しても発電部3を通過した後に除電部5に移動するようになる。よって、移動体2の除電を確実に行うことができる。
更に、除電部5に隣接して洗浄部6が配置されているので、移動体2が発電部3に移動する前に移動体2の靴底10の水分や塵を取り除くことができるようになる。これにより、発電部3での静電気の発生効率を高めて発電効果を向上することができる。同時に、靴底10の汚れを洗浄できるので、足拭きマットとしての効果を付加することができる。また、洗浄部6は基材8に対して取り外し可能なので、洗浄部6が汚れた場合に取り外して洗浄部6自体を洗浄することができる。しかも、洗浄部6は発電部3を中心に除電部5の外側にそれぞれ配置されているので、移動体2が対向する二方向のうちいずれの方向に移動しても洗浄部6を通過してから発電部3に移動するようになり、発電効率を確実に向上することができる。
また、上記実施例では、集電部材4の形状としてはしご形状を採用したが、これに限定されず、例えば、図6に示すように網目状としてもよい。この場合、集電効率を更に高めることができる。また、集電部材4は発電部3の表面の繊維体9に絡めて設置するようにしたが、これに限定されず、発電部3の基材に内蔵して繊維体9の静電気を集電するようにしてもよい。あるいは、集電部材4はワイヤから成るものに限定されず、例えば導電性シートを利用した多孔シート状のものにしてもよい。このような集電部材を用いた場合、繊維体がシートの孔から突き出し、移動体と接触する。
また、上記実施例では集電部材4は発電部3の全面に設けられていると共に、全体が分断されずに接続されるようにしたが、これに限定されず、例えば発電部3が長い場合に集電部材4を適宜分断して複数個所で静電気の収集を行うようにしてもよい。この場合、歩行者の歩いている場所に応じて発光手段7を発光させることができるようになる。
また、上記実施例では、発光手段7としてネオン管を採用したが、これに限定されず、例えば発光ダイオードや蛍光灯等の他の発光部品としてもよい。また、発光手段7を接続することに限定されず、センサやその他の電気部品を接続してもよい。例えば、センサを接続した場合、移動体2が発電部3に乗っていることを検出して、例えば自動ドアを開けたり照明を点灯したりするような制御に利用することができる。あるいは、複数の集電部材4を有すると共に各集電部材4センサを接続した場合は、歩行者の乗っている位置を検出することができる。
また、上記実施例では、集電部材4と発光手段7との間に蓄電器13及び発光手段制御装置14を介在させたが、これに限定されず、集電部材4と発光手段7とを直接接続するようにしてもよい。この場合、部品点数を減らして構成を簡素化することができる。
続いてこの靴底10を下げて繊維体9に接する程度に接近すると、靴底10の負電荷が集電部材4により収集され、発光手段7を発光させる(同図(D))。このときは発光手段7における電流の方向は接地側から集電部材4側に逆転する。更に靴底10を下げて発電部3を踏み付けるに伴い、靴底10の負電荷は徐々に減少する(同図(E))。
このように、移動体2の歩行による靴の上げ下げにより発電部3において静電気が発生し、これを集電部材4により収集することで発光手段7を発光させることができる。これにより、発電部3での発電と同時に発光するようになる。よって、移動体2の位置を検出するセンサを使用することなく、移動体2が発電部3に存在するときに発光するシステムを最低限の設備で構築することができる。また、発光手段7がネオン管であるので、集電部材4からの電流の方向によらず発光させることができる。
ここで、図3に示す実施例では、発光手段7としてネオン管を採用したが、これに限定されず、例えば、図8に示すように、発光ダイオードとしてもよい。この場合、同図に示すように、極性を反対にした複数の発光ダイオードを設置することにより、発電部3で発生した静電気の方向によっていずれかの発光ダイオードが発光するようになる。
図7に示すように、発電部3と、集電部材4と、集電部材4に接続した電流計11と、電流計11に接続した発光手段7と、を備えた発電マット1において、足踏みをすることにより発電を行った。発電部3としては、ウールの生地を採用した。床面としては、エポキシ系塗料を塗布したコンクリートと、除電対策を施したカーペット上に置いたダンボールと、の2種類を採用した。集電部材4としては、直径0.3mmの銅線を100mmピッチで平行に配置し、一端同士を接続して形成した。また、図7(B)に示すように、集電部材4の銅線を発電部3の繊維体9に対して50mmごとに絡ませた(図中、符号12で示す箇所)。発光手段7としてはネオン管を採用した。足踏みする足にはウレタンゴム製の底を有する合成皮革製の靴を履いた。
その結果、いずれの床においても発光手段7が発光した。電流計11による検出値は約20mAであった。
図8に示すように、発電部3と、集電部材4と、集電部材4に接続した発光手段7と、を備えた発電マット1において、足踏みをすることにより発電を行った。発電部3、集電部材4、床面は実施例1と同様とした。発光手段7としては、互いに極性を反対にして接続した2つの発光ダイオードを採用した。
その結果、足踏みに合わせて発光ダイオードが交互に発光した。また、100回の足踏み後に非接触静電気測定装置により各部の大地に対する電位を測定した結果、靴底10の表面で−2.0kV、発電部3の表面で+1.2kVであった。
Claims (4)
- 多数の繊維体からなり、該繊維体上を水平方向に移動する歩行者の靴底との間の摩擦により静電気を発生させる発電部と、
該発電部の表面又は内部にはしご形状、網目状又はシート状に配設され、前記繊維体と絡めるように設けられる導電材を具備し、該導電材により前記静電気を収集して負荷に供給する集電部材と、
前記発電部の一端側、両側及び周囲のいずれかに配置され、前記歩行者の靴底が接触したときに該歩行者が帯電している静電気を除去する除電部と、を備えることを特徴とする発電マット。 - 前記発電部又は前記除電部の外側に、前記歩行者の靴底に接触して水分や塵を取り除く洗浄部を備える請求項1記載の発電マット。
- 前記集電部材には収集した前記静電気を蓄電する蓄電器が接続される請求項1又は2に記載の発電マット。
- 前記蓄電器には発光手段制御装置が接続されると共に、前記発光手段制御装置には発光手段が接続される請求項3記載の発電マット。
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