(57)【要約】【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
2012010564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３５３９１３号公報
【特許文献２】特開２００６−１９７７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例に係る発電マットを示す中央縦断面側面図であり、（Ａ）は何もしていない状態、（Ｂ）は靴底が接触した状態、（Ｃ）は踏み込んで変位電極が誘電体に接触した状態、（Ｄ）は足を上げて変位電極が誘電体から離隔した状態、（Ｅ）は再び踏み込んで変位電極が誘電体に接触した状態である。
【図２】変位電極が金属製で上方に湾曲した発電マットの実施例を示す中央縦断面側面図であり、（Ａ）は何もしていない状態、（Ｂ）は靴底が接触した状態、（Ｃ）は踏み込んで変位電極が誘電体に接触した状態、（Ｄ）は足を上げて変位電極が誘電体から離隔した状態、（Ｅ）は再び踏み込んで変位電極が誘電体に接触した状態である。
【図３】変位電極が金属製で下方に湾曲した発電マットの実施例を示す中央縦断面側面図である。
【図４】変位手段がコイルばねである発電マットの実施例を示す中央縦断面側面図であり、（Ａ）は何もしていない状態、（Ｂ）は踏み込んで変位電極が誘電体に接触した状態である。
【図５】誘電体に凹凸部を設けた発電マットの実施例を示す中央縦断面側面図であり、（Ａ）は何もしていない状態、（Ｂ）は踏み込んで変位電極が誘電体に接触した状態である。
【図６】変位電極に凹凸部を設けた発電マットの実施例を示す中央縦断面側面図であり、（Ａ）は何もしていない状態、（Ｂ）は踏み込んで変位電極が誘電体に接触した状態である。
【図７】変位電極を誘電体及び変位手段の下方に設けた発電マットの実施例を示す中央縦断面側面図である。
【図８】湾曲した変位電極を誘電体の下方に設けた発電マットの実施例を示す中央縦断面側面図である。
【図９】実施例で用いた発電マット実験装置を示す概略図である。
【図１０】固定電極としてカーボン、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１１】固定電極としてスズ、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１２】固定電極としてニッケル、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１３】固定電極として銅、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１４】固定電極として鉄、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１５】固定電極として亜鉛、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１６】固定電極としてアルミニウム、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１７】固定電極としてチタン、変位電極としてカーボン、スズ、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、アルミニウム又はチタンを選択した場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１８】固定電極及び変位電極として、少なくとも一方を亜鉛とした場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【図１９】変位電極のみをスズとした場合の電気陰性度の差と発電量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
【表１】
2012010564.tif 000003
【００１７】
【表２】
2012010564.tif 000004
【００１８】
【表３】
2012010564.tif 000005
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
【表４】
2012010564.tif 000006
【００２２】
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。
【００２３】
【表５】
2012010564.tif 000007
【００２４】
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。
【００２５】
【表６】
2012010564.tif 000008
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【実施例】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
（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。
【００３５】
（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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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