(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
・接続された負荷回路へ電荷を伝送および再分配するための、１つまたは複数の可動シャトル（２）および装置シャトルノード（ＤＳＮ）（１２３）と、
・電荷の量が、任意の方向へのシャトル（２）の運動およびＤＴＥの電場内の振幅によって、またはシャトル（２）と装置上部電極ノード（ＤＴＥＮ）（１１３）との接触によって影響を受けて、電荷を回路へと伝送および再分配する、装置上部電極（ＤＴＥ）（１）と、
・電荷の量が、任意の方向へのシャトル（２）の運動およびＤＢＥの電場内の振幅によって、またはシャトル（２）と装置下部電極ノード（ＤＢＥＮ）（１３３）との接触によって影響を受けて、電荷を回路へと伝送および再分配する、装置下部電極（ＤＢＥ）（３）とから構成される充電シャトル装置（ＣＳＤ）（０）が主エネルギー変換装置として使用されており、
シャトル（２）が移動して、オーム伝導のために電極（１、３）のうちの一方と接触するためまたは電気伝導のために電極（１、３）に十分に近づくために、十分な振幅でＣＳＤ（０）が曝される、周期的または非周期的運動の効果を有しており；シャトル（２）および接触した電極（装置上部電極（１）または装置下部電極（３）のうちの一方）上の電荷がその接触電位に基づいて影響を受けて再分配され、これにより、装置上部電極ノード（１１３）および装置下部電極ノード（１３３）である装置の関連するノードの出力でＡＣ波形を生じ、電極（１、３）のうちの一方またはシャトル（２）において電荷の再分配が起こる度にこのサイクルが再び起こり；シャトル（２）、装置上部電極（ＤＴＥ）（１）、および装置下部電極（ＤＢＥ）（３）のうち少なくとも２つが、異なる接触電位を有する材料から構成される
ことを特徴とする、金属間の固有電圧差を使用したエネルギー採取方法。
【請求項２】
・接続された負荷回路へ電荷を伝送および再分配するための、１つまたは複数の可動シャトル（２）および装置シャトルノード（ＤＳＮ）（１２３）と、
・電荷の量が、任意の方向へのシャトル（２）の運動およびＤＴＥの電場内の振幅によって、またはシャトル（２）と装置上部電極ノード（ＤＴＥＮ）（１１３）との接触によって影響を受けて、電荷を回路へと伝送および再分配する、装置上部電極（ＤＴＥ）（１）と、
・電荷の量が、任意の方向へのシャトル（２）の運動およびＤＢＥの電場内の振幅によって、またはシャトル（２）と装置下部電極ノード（ＤＢＥＮ）（１３３）との接触によって影響を受けて、電荷を回路へと伝送および再分配する、装置下部電極（ＤＢＥ）（３）と
を備えており、
・充電シャトル装置（０）の設計により、装置上部電極（１）、シャトル（２）および装置下部電極（３）が同時に電気接触して充電シャトル装置のこれら３つの要素間で短絡が生じることが防止され、
・複数個の充電シャトル装置の出力ノードを並列に接続することができ、並列接続のための追加の装置を必要とせずに単一のエネルギー変換装置として使用することができる
ことを特徴とする、請求項１の方法を主に充電シャトル装置（０）として使用した装置。
【請求項３】
シャトル（２）および両方の電極（１、３）が可変性空隙コンデンサのプレートとして作用し、シャトルの運動が両方の電極（１、３）での電荷の再分配を生じ、ノード（１１３、１３３）の出力でＡＣ波形を引き起こす、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
電荷を装置上部電極（１）と装置下部電極（３）との間で移動させるために、シャトル（２）があらかじめ決定されたまたは決定されていない経路で動作を行うようにそれを束縛することができる、請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
シャトル（２）の動作を制限するためにシャトル（２）をばねおよび制動器を用いて束縛する、またはいかなる束縛もなしに自由に動かすことができる、請求項２から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
振動運動が充電シャトル装置（０）によって運動エネルギー源として使用される、請求項２から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
回転運動が充電シャトル装置（０）によって運動エネルギー源として使用される、請求項２から５のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
シャトル（２）の運動が周期的または非周期的であることができる、請求項２から７のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属間接合部の固有電圧を使用して、装置の幅広い稼働範囲内のランダムな周波数、速度、位相および振幅を有する振動または回転から変動する電圧／電流を生成する、機械から電気へのエネルギー変換装置を記載する。さらに、本発明の稼働原理は多くの類似装置の直接配線を可能にし、上述のような振動または回転の特徴の差による影響を受けずに採取されたエネルギーの直接増加をもたらす。
【背景技術】
【０００２】
独立型構造を用いたエネルギーの生成は、充電式電池を備えた監視装置および移動機器などの多くの新興の応用に伴って魅力的な主題である。装置にエネルギーを供給し、これらを嵩張るワイヤが電力を伝送しない自己動力形とすることにより、可搬性、隠密性、および実行可能の容易性が可能となる。これらの態様は、充電式電池を備えた無線センサ／アクチュエータノードの応用、医療移植片、携帯性監視ツール、および低出力メカトロニクスの応用において重大である。
【０００３】
エネルギー採取の定義は、上記言及した応用のために、媒体中に存在する熱、光、振動、および運動などの既存のエネルギー型を、通常は電気エネルギーである別のエネルギー型へと変換することである。エネルギー採取は、携帯型および／または埋め込み型の装置または遠隔監視システム内に存在する電池の充電、交換、またはさらには使用の必要性を克服するために行われる。エネルギー採取モジュールを必要とする応用の１つは、無線センサノード（ＷＳＮ）を使用して温度、湿度、および振動などの環境条件を監視することである。ＷＳＮに電力供給するために振動エネルギーを採取してそれを電気エネルギーへと変換することは、エネルギー採取器の応用の一例であり、記載する発明によって可能にすることができる。
【０００４】
振動エネルギー採取は、通常は電磁気装置、圧電装置、および容量装置を用いて実施される。電磁気振動エネルギー採取器には磁石およびコイルが使用される。磁石およびコイルの互いに対する運動が磁束変化を誘導し、この磁束変化に対抗するために復元電圧がコイルを横断して発生する。電気負荷の存在下では、この電圧が電流、ひいては電力を与える。
【０００５】
圧電装置は、電気分極の変化に伴って応力／ひずみの変化に応答する、圧電結晶の固有の相互変換の態様を用いて電気機械エネルギー変換を達成する。これらの装置が振動を受けた際、圧電結晶の端子を横断して変動電圧が生成され、これは、場合によっては基本整流の後に電気負荷を駆動するために使用することができる。残念ながら、高品質の圧電結晶は多くの場合は高価な材料から作製されており、これは広域配備における重要な欠点である。特許公開番号ＵＳ７６８７９７７号は、圧電性材料を使用した微小電気機械エネルギー採取器に関する。
【０００６】
別の周知の振動採取器は容量装置を活用する。電極の一方または双方の動きに伴ってその値が変化するコンデンサは、機械エネルギーを電気エネルギーへと変換させるために使用されている。しかし、これらの装置は事前に充電しておく必要があり、設計の複雑さおよび実装の費用を増加させる。さらに、これらの装置の非常に高い出力インピーダンスが、整流電子機器の設計に相当な課題を与える。特許公開番号ＵＳ２０１０／０２９５４１３Ａ１号は、基板上に組み込まれており、機械的接触なしに磁石を使用して移動構造に連結された容量性エネルギー変換器装置を記載している。
【０００７】
エネルギー変換の別の方法では、磁歪材料の間に配置された圧電性または電気活性の高分子材料を用いる。移動磁石の変化する磁場に曝された際、磁歪材料は圧電性材料中で応力／ひずみを誘導し、これは立ち代って電気エネルギーを生成する。この方法は電磁気技法に類似しているが、コイルの排除は利点とみなすことができる。特許出願番号ＵＳ  ６９８４９０２号は、磁歪材料の機械エネルギーを電力へと変換することに基づくエネルギー採取方法に関する。
【０００８】
振動エネルギーを採取する別の特許請求されている方法は容量型採取器の使用を含み、様々な材料から作製される可変コンデンサ電極に依存する［１］（Ｋｕｅｈｎｅ，Ｉ、Ｆｒｅｙ，Ａ．、Ｍａｒｉｎｋｏｖｉｃ，Ｄ、Ｅｃｋｓｔｅｉｎ，Ｇ．、Ｓｅｉｄｅｌ，Ｈ．、２００７）。この文書中では、電極の接触電位差の使用は、容量性採取器において一般的に使用されている外部電圧供給の必要性を排除することが特許請求されている。プレートの移動が電荷または電圧の変化を引き起こし、その結果エネルギー生成がもたらされる。この装置は理論上および模擬実験では作動することが示されているが、引用文献中に実験結果は提示されていない。提示された模擬実験では、この装置は高周波数（１Ｋｈｚ）で振動させている。したがって、多くの場合は広帯域および低周波数（<１００Ｈｚ）の振動に対する応答を要求する、現実の状況下での振動から電気エネルギーへの変換の一般的な要件には取り組んでいない。さらに、並列で接続された異なる装置の非同期振動が個々の装置の出力の相殺を引き起こす可能性があるため、Ｋｕｅｈｎｅらによって言及された装置は、類似の装置の直接配線（すなわち並列接続）による電力スケーリングを達成することができない場合がある。
【０００９】
エネルギー採取の異なる原理は、環境振動の結果として起こる衝突を使用することによって電気エネルギーを生成することである［２］（Ｂｕ  Ｌ．、Ｗｕ  Ｘ．、Ｌｉｕ  Ｌ、２０１０）。衝突および接触はどちらも広帯域の稼働を与えることができる非線形過程であるため、この稼働原理は理論的には低周波数および高周波数のどちらでも作動することができる。
【００１０】
着用可能なエネルギー採取器は、振動からのエネルギー変換器装置の最近の応用の１つである。一例［３］（Ｐｏｓｔ  Ｅ．Ｒ．およびＷａａｌ  Ｋ．）は、摩擦電気の原理を使用して、接触および摩擦に基づく様々な材料の帯電から電気エネルギーを生成する。
【００１１】
ナノスケール電荷転送装置が特許出願ＵＳ２０１００２６４９９８  Ａ１号に記載されており、ここで電荷転送は印加バイアス電圧の存在下で基板の音響振動に応答して発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
多数のエネルギー採取方法および装置が存在するが、直接配線による電力スケーリング、広帯域の稼働、低費用、広域にわたる容易な設置などの、本発明が標的とする要件を満たす装置を見つけることは困難である。利用可能なエネルギー採取器がエネルギー要件に対処することができない場合、課題を解決するために３つの手法を提案することができる。解決策の１つは、既存の装置およびその生産の新規かつ改良バージョンの設計の研究開発を行うことである。研究開発は非常に高額かつ時間のかかる手順であるため、この解決策はすべての状況に適用するには困難である。別の可能な解決策は、所要の電力および装置体積の仕様を満たすエネルギー採取装置について詳細な市場調査を行うことである。しかし、追求する仕様が最新技術の限界に近いものである場合は、そのような装置は非常に高価であるか、または市場でまったく入手可能でない可能性がある。電力および性能の要求を達成するための３つ目の解決策は、いくつかのエネルギー採取器の出力を併合することである。理論的には、一部のエネルギー採取器型では同一装置の出力を接続することが可能であり得るが、生産上の不完全性が原因で（完璧に同一である製品は現実的には生産できないため）、この手法では所望の性能は得られない。言い換えれば、２つの異なる採取器の装置の電気出力の位相および振幅応答は、全く同じ振動特徴に曝した場合でも、全く同じにすることはできない。電磁気採取器の直接配線に対する課題が、振動エネルギー採取の機械的周波数アップコンバージョンを使用した微小スケール装置に関する論文中に言及されている［４］（Ｓａｒｉ，Ｉ．、Ｂａｌｋａｎ，Ｔ．、Ｋｕｌａｈ，Ｈ、２０１０）。容量性振動採取器の一部の型の出力は、組み込まれたスイッチを介して配線することができるが、この種の採取器はダミー電圧源なしに稼働することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の主な前提は、複数の装置の直接配線を支援して装置数に伴った最終電力出力のスケーリングを可能にしつつ、広帯域の機械エネルギーから電気エネルギーへの変換を行うための、金属間接合部の固有電圧差を使用したエネルギー採取方法およびその器具を提供することである。
【００１４】
現在の技術を超える本発明の利点は、以下のように要約することができる。
・装置の製造費用がより低い。
・採取器の単純な構造により、より容易なメンテナンスの状況が与えられる。
・様々な種類の構成要素または装置をその間に必要とせずに、所望のエネルギーレベルを達成するために採取器の出力を直接配線でスケーリングすることができる。
・エネルギー生産をより広範囲の周波数で行うことができる。様々な稼働周波数についてスケーリングを行うことができる（すなわち、すべての配線された装置が異なる振動周波数で作動することができる）。
・採取器の弾性設計により、装置を広範囲の動作特徴のために調整する状況が与えられる。
・装置を様々な動作の種類、たとえば回転運動または線形振動に適用させることができる。
・本発明に関するエネルギー採取器は、ダミーエネルギー源または起動用事前充電の必要性を排除する。
【００１５】
金属間接合部の固有電圧差を使用したエネルギー採取方法およびその器具をより良好に理解するために提示した図面の名称を以下に列挙する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】充電シャトル装置の主な配置図を示す図である。
【図２】充電シャトル装置の電気機械等価回路を示す図である。
【図３】充電シャトル装置の出力の直接配線を示す図である。
【図４】直接配線の前および後の、２つのＣＳＤの出力での非定常波形を示す図である。
【図５】シャトル電極と同じ材料から作製された点状の上部電極を備えた、本発明の特別な事例の記号図である。
【図６】シャトル電極と同じ材料から作製された点状の上部電極を備えた、本発明の特別な事例主な配置図である。
【図７】シャトル電極と同じ材料から作製された点状の上部電極を備えた充電シャトル装置の二乗平均電力対振動周波数特徴を示す図である。
【図８】シャトル電極と同じ材料から作製された点状の上部電極を備えた、特別な事例の電気機械等価回路を示す図である。
【図９】自由に動かすことができる充電シャトル装置の概略図である。
【図１０】自由に動かすことができる充電シャトル装置の好ましい幾何学を示す図である。
【図１１】絶縁スペーサーによって分離されている複数の自由に動かすことができるシャトルを備えた充電シャトル装置を示す図である。
【図１２】複数の自由に動かすことができるシャトルを備えた充電シャトル装置の二乗平均電力対振動周波数特徴を示す図である。
【図１３】本発明の主原理を使用した、回転運動を電気エネルギーへと変換するために複数の回転シャトルを備えた充電シャトル装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の説明中で言及する数字は、以下に対応する。
０．充電シャトル装置（ＣＳＤ）
１．装置上部電極（ＤＴＥ）
１１１．装置上部電極のばね係数
１１２．装置上部電極の粘性減衰係数
１１３．装置上部電極ノード（ＤＴＥＮ）
２．シャトル
１２１．シャトルのばね係数
１２２．シャトルの粘性減衰係数
１２３．装置シャトルノード（ＤＳＮ）
３．装置下部電極（ＤＢＥ）
１３１．装置下部電極のばね係数
１３２．装置下部電極の粘性減衰係数
１３３．装置下部電極ノード（ＤＢＥＮ）
４．並列接続された抵抗器およびコンデンサとしてモデリングされた電気負荷
５．絶縁体
ａ．シャトルと装置上部電極との間の静電容量
ｂ．シャトルと装置下部電極との間の静電容量
ｃ．装置上部電極とシャトルとの間の変動する抵抗
ｄ．装置下部電極とシャトルとの間の変動する抵抗
ｅ．装置下部電極の接触電位
ｆ．装置上部電極の接触電位
ｇ．シャトルの接触電位
【００１８】
本発明によれば、エネルギー変換の主な要素である図１に示す充電シャトル装置（ＣＳＤ）（０）は主に以下からなる。
・接続された負荷回路へ電荷を伝送および再分配するための、１つまたは複数の可動シャトル（２）および装置シャトルノード（ＤＳＮ）（１２３）と、
・電荷の量が、任意の方向へのシャトル（２）の運動およびＤＴＥの電場内の振幅によって、またはシャトル（２）と装置上部電極ノード（ＤＴＥＮ）（１１３）との接触によって影響を受けて、電荷を回路へと伝送および再分配する、装置上部電極（ＤＴＥ）（１）と、
・電荷の量が、任意の方向へのシャトル（２）の運動およびＤＢＥの電場内の振幅によって、またはシャトル（２）と装置下部電極ノード（ＤＢＥＮ）（１３３）との接触によって影響を受けて、電荷を回路へと伝送および再分配する、装置下部電極（ＤＢＥ）（３）。
【００１９】
充電シャトル装置（０）の主な稼働原理は、２つの材料が接触した際の表面の帯電および互いに近接している２つの材料の接触電位差に基づく容量性充電である。
【００２０】
充電シャトル装置（０）の主なエネルギー変換の機序は、ＤＴＥ（１）、ＤＢＥ（３）、およびシャトル（複数可）（２）の接触電位の相違が原因のオーム接触またはトンネリングによる、それらの充電を含む。ＣＳＤ（０）が曝された周期的または非周期的運動が原因で、シャトル（２）が、オーム伝導のために電極（１、３）のうちの一方と接触するために十分な長さの距離、またはトンネリングのために電極（１、３）に十分に近づく距離を移動した場合、シャトル（２）および接触した電極（ＤＴＥ（１）または（ＤＢＥ）（３））上の電荷はその接触電位およびその瞬間電圧に基づいて再分配され、その実効電荷が変化する。その後、充電されたシャトル（２）は、跳ね返りおよび継続中の振動のどちらにも応答して、接触した電極（ＤＴＥ（１）またはＤＢＥ（３））の表面から離れて他方の電極（ＤＴＥ（１）または（ＤＢＥ）（３））へと移動し始める。シャトルが他方の電極（ＤＴＥ（１）または（ＤＢＥ）（３））に達した後、伝導またはトンネリングが起こり、最初に接触した電極から伝送された電荷の一部が、２番目に接触した電極およびシャトル上に、その瞬間電圧の値および接触電位差に基づいて再度再分配される。電極間を往復するシャトルの反復サイクルは、周期的なものまたは非周期的なものどちらでも、充電シャトル装置（０）の出力でＡＣ波形を与え、これを電気エネルギーの利用に使用することができる。
【００２１】
動作の振幅が、電極（ＤＴＥ（１）またはＤＢＥ（３））のうちの一方とシャトル（２）との間の接触を引き起こすために十分でない場合でも、電極の接触電位差によってセルフバイアスがかかっている変動間隙およびその関連する可変静電容量が原因で電荷の再分配が常に存在するため、ＣＳＤ（０）は依然として運動から電気エネルギーを生成することができる。ＤＢＥ（３）およびＤＴＥ（１）内にシャトル（２）が配置された際に２つの間隙が形成される。シャトル（２）とＤＢＥ（３）との間の間隙をｇ０と表示する一方で、シャトル（２）とＤＴＥ（１）との間の間隙をｇ１と表示する。シャトル（２）の動作の振幅が十分に大きくない場合でも、電気接続された電極内での電荷の再分配は依然として起こることができる。シャトル（２）の上部およびＤＴＥ（１）は可変性空隙コンデンサ（ａ）（Ｃｇ，ｓ１）と同様に作用する一方で、シャトル（２）の下部およびＤＢＥ（３）は別の可変性空隙コンデンサ（ｂ）（Ｃｇ，ｓ０）と同様に作用する。これらの要素間の間隙の変化は電極（１、３）での電荷の再分配を引き起こし、電気的利用ための負荷抵抗器およびコンデンサ（４）の端子を横断したＡＣ波形を生成する。
【００２２】
図２は、ＣＳＤ（０）の電気機械等価回路の簡略図を示し、Ｖｂｏｔはゼロと仮定する参照電圧とみなす。装置上部電極とシャトル（ｃ）との間の可変抵抗および装置下部電極とシャトル（ｄ）との間の変動する抵抗は、電極（１、３）に対するシャトルの位置に応じて変化するシャトル（２）と電極（１、３）との間の抵抗をモデリングする。また、ＣＳＤ（０）の電気機械等価回路内での荷電の流れをモデリングするために使用する装置下部電極の接触電位（ｅ）、装置上部電極の接触電位（ｆ）、およびシャトルの接触電位（ｇ）も図２に示す。電気機械エネルギー変換は上述のように電荷の再分配を介して起こり、標的の応用の電力源として使用する装置上部電極ノード（ＤＴＥＮ）（１１３）、装置シャトルノード（ＤＳＮ）（１２３）、および装置下部電極ノード（ＤＢＥＮ）（１３３）のうちの任意の２つの間に交流（ＡＣ）波形が現れる。設計目的のためにＤＳＮ（１２３）を回路から除外することができ、これは、この電極への電気接続は現実での応用では困難であり得るためである。ＤＳＮ（１２３）の放棄は本発明の作動原理にいかなる変化ももたらさない。
【００２３】
本発明の基礎を形成するシャトル（２）および２つの電極（１、３）はどちらも、一般性のために図１中でばね質量システムを用いてモデリングされている。実際には、ＤＴＥ（１）およびＤＢＥ（３）は、ＣＳＤ（０）が振動する間の電極の変形／動作を可能にするために、弾性クッション上に配置し得る。この場合、装置上部電極のばね係数（１１１）、装置上部電極の粘性減衰係数（１１２）、装置下部電極のばね係数（１０５）および装置下部電極の粘性減衰係数（１０６）はゼロでない値を有するべきである。ＤＴＥ（１）およびＤＢＥ（３）がＣＳＤ（０）のキャプシュレーションに対して動かないことが必要である場合、電極（１、３）は強固かつ静止していると仮定されるため、上述の係数（１１１、１０５）の値は無限大となる。
【００２４】
シャトル（２）の運動は、動作の方程式の係数を用いてモデリングすることができる。シャトル（２）の運動の振幅、速度または加速を制限または制御することが所望される場合は、システムに制動器を適用するべきである。シャトル（２）の動作はシャトルのばね係数（１２２）および粘性減衰係数（１２１）を使用してモデリングすることができる。シャトル（２）を空間内で自由に動かすことが所望される場合は、係数（１２１、１２２）の値の限界はゼロに近づくが、これらの項の完全な消滅は実際には不可能である。
【００２５】
多数のＣＳＤ（０）を、接続されていない独立した様式で広域に配備する場合、そのそれぞれが、そのそれぞれの位置の振動振幅、周波数、位相、方向によって駆動されて電気を生成する。これにより、それぞれの装置の出力から電力が提供されるが、多くの場合、これらの装置すべてからの出力を単一の出力へと併合することが必要である。図３に示す複数のＣＳＤ（０）の直接配線（並列接続）を使用して、そのシャトル（２）、ＤＢＥ（３）、ＤＴＥ（１）が電力併合のために設計および製造されている複数のＣＳＤ（０）の出力を併合することができる。ここで、ＣＳＤのＤＴＥＮ（１１３）およびＤＢＥＮ（１３３）は、異なるＣＳＤ間で一緒に配線されて単一の大域ＤＢＥＮおよび単一の大域ＤＴＥＮを与え、これを横断したスケーリングされた電気出力電力が利用可能である。直接配線の前および後に２つのＣＳＤの出力（０）において起こるであろう非定常波形を図４に定性的に例示し、これは縮尺通りに図示されていない。個々のＣＳＤ（０）によって見られる出力静電容量の増加が原因で、併合されたシステムの直接配線後の出力振幅は直接配線前の出力の和に等しくない。しかし、時間領域において、波形の形状は２つの波形を加算した場合に起こるであろうものに類似している。
【００２６】
多数の充電シャトル装置の出力ノードを並列に接続することができ、また、並列接続のために追加の装置を必要とせずに単一のエネルギー変換装置として使用することができる。１つの稼働機序では、この並列接続は時間領域におけるそれぞれの装置の出力の直接の和をもたらし、したがって、周波数および位相の相違が原因で異なる装置の波形が互いに平均化または相殺される危険性は絶対的にない。
【００２７】
本発明の特別な構成の実験プロトタイプの記号および模式図をそれぞれ図５および図６に示す。この構成では、ＣＳＤ（０）は機械動作採取器として作動する。この応用において、媒体の振動が運動エネルギー源であり、そのＤＢＥ（３）およびＤＴＥ（１）は強固であるように選択され、シャトルのばね係数（１２１）およびシャトルの粘性減衰係数（１２３）はゼロでない値を有すると仮定する。図６に例示する実施形態は、シャトル電極と同じ材料から作製された点状の上部電極を備えている。この特別な事例における、変換された電気的ＲＭＳ電力に対する振動の周波数の効果を示す実験測定結果を図７に示す。ここで、２つの異なる装置からの２つの異なる振動振幅での４つの特徴がプロットされている。シャトル（２）、ＤＢＥ（３）およびＤＴＥ（１）がすべて同じ材料から作製されている装置は、２つの異なる振動振幅で有意な電気出力を与えない。しかし、上部および下部電極が異なる材料から作製されている装置は、振動振幅および周波数の適正な選択に対して有意な出力を与える。記載した装置の態様から予想されたように、このことは本発明の稼働における接触電位の主要な役割を示している。
【００２８】
図８は、シャトル電極と同じ材料から作製された点状の上部電極を備えた上記ＣＳＤの特別な事例で使用される電気機械等価回路を例示する。図１の一般的な事例と同様、シャトルが、いずれの電極（３、１）とも機械的に接触せずに、または電極（３、１）のうちの一方のみと接触することによってＤＢＥ（３）とＤＴＥ（１）との間を移動する場合でも、ＡＣ波形は依然として装置上部電極ノード（ＤＴＥＮ）（１１３）、装置シャトルノード（ＤＳＮ）（１２３）、および装置下部電極ノード（ＤＢＥＮ）（１３３）のうちの任意の２つの電気ノードを横断して発生することができる。
【００２９】
ＤＴＥ（１）およびＤＢＥ（３）が強固であるように選択され、シャトル（２）が自由に動くことが許可される、本発明の別の構成を図９に示す。これは、シャトルが導電性球である図１０のＣＳＤ配置図でも同様である。これらの構成のどちらにおいても、シャトルのばね係数（１２１）および粘性減衰係数（１２３）はゼロである（または無視できるほど著しく小さい）と仮定することができる。この構成では、単純性および信頼性測定のためにＤＳＮ（１２３）を回路から除外している。しかし、ＣＳＤ（０）の稼働原理は図１に示した基本配置図のものと同じである。振動の振幅が、シャトル（２）がＤＢＥ（３）またはＤＴＥ（１）と機械的に接触するために十分に大きくない場合は、既に言及した可変性空隙コンデンサがシャトルの運動に伴って電気機械エネルギー変換を与える。振動が、シャトル（２）がＤＴＥ（１）またはＤＢＥ（３）のうちの一方と接触するために十分に大きい場合は、上述した現象と同じ電荷転送が起こる。その後、シャトルの連続的なストロークに伴って、ＤＴＥＮ（１１３）およびＤＢＥＮ（１３３）を横断してＡＣ波形を観察することができる。
【００３０】
図１０の構成は、シャトル（複数可）を装置に配置するために機械的支持またはばね構造が必要ないため、微小スケールの応用において有利である。さらに、微小製作技術は非常に小さな構造を大量に制作することを可能にするため（バッチ製作）、多数のシャトルを用いて言及したＣＳＤ（０）構成を容易に製作することができる。
【００３１】
バッチ製作は、生成される出力電力を増加させるために多数のＣＳＤの出力を容易に直接配線することを可能にする。この事例を例示する特別な構成を図１１に提示し、巨大かつ一体成形のＤＴＥ（１）およびＤＢＥ（３）に複数のシャトル（２）を装備させることができる。これは、図３に示すＣＳＤ（０）の直接配線とは見かけが異なるが、装置の稼働原理は全く同じである。絶縁体（５）はシャトル（２）が互いに衝突することを防ぐ。図１２は、増加および減少する周波数の関数としての装置内の様々な数のシャトル構造体について、そのようなＣＳＤ（０）の特別な事例のプロトタイプから得られた時間平均電力を示す。複数のＣＳＤ（０）の直接配線に基づいて、シャトル数の増加に伴った出力電力の増加が予想される。
【００３２】
ＣＳＤ（０）の直接配線は、微小スケール構造を有する電力変換器の開発に重要である。ある応用に必要な電力が単一のエネルギー採取器によって提供されるエネルギーよりも大きい場合、出力を直接併合する能力が、要求される電力を達成するために重要な場合がある。本発明のＣＳＤ（０）は、エネルギーの損失を導入し、装置の費用および体積を増加させ得る追加の構成要素を全く必要とせずに、複数個のエネルギー採取ユニットの出力を合わせる能力を与える。ＤＴＥＮ（１１３）、ＤＳＮ（１２３）およびＤＢＥＮ（１３３）からなるＣＳＤ（０）の３つのノード構造は、共通の出力ノード（１１３、１３３）間の電気的短絡をすべて回避する。この態様は、異なるＣＳＤ（０）のすべてのＤＴＥＮ（１１３）を１つの大域ＤＴＥＮとして直接配線し、かつすべてのＤＢＥＮ（１３３）を１つの大域ＤＢＥＮとして直接配線することで、ＣＳＤ（０）の電力拡張を可能にする。この場合、大域のＤＴＥＮおよびＤＢＥＮノードは電力スケーリングされたＣＳＤ（０）装置の出力として役割を果たす。言い換えれば、複数のＣＳＤ（０）の出力を並列に接続して電力を増加させることができる。図３に例示されている直接配線は、ＣＳＤ（０）の固有の３つのノード構造およびシャトル（２）が上部および下部電極と同時に接触することができないというその設計原理を用いて可能である。
【００３３】
ＣＳＤ（０）の運動エネルギー源が、ＣＳＤ（０）が設置されている別の構造の回転運動に由来する場合に有用である、本発明の別の構成を図１３に模式的に示す。ここで、シャトル（２）は電極（１、３）と接触するために回転動作を行い、これによりこれらはＤＴＥ（１）およびＤＢＥ（３）にわたって電荷を伝送および再分配して、回転運動エネルギーを電気エネルギーへと変換する。この設定を正しく作動させるためには、１つまたは複数のシャトル（２）を絶縁体（５）に取り付ける。この絶縁体構造（５）は、時計回りおよび反時計回りの回転のどちらにおいてもシャトル（２）がＤＴＥ（１）およびＤＢＥ（３）と順番に接触することを確実にするための中心軸として作動する。絶縁体（５）はシャトル間の電荷転送を許可しない。ＣＳＤのこの回転エネルギー採取の実施形態では、本発明の上述のエネルギー変換機序を観察することができる。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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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１３】
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【図４】
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【図７】
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【図１２】
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