(57)【要約】  システムは、電力を発生するための発電機と、発電機の出力電圧を降圧するためのスイッチトキャパシタコンバータとを含むシステムを提供する。スイッチトキャパシタコンバータは、キャパシタのバンクとスイッチ装置とを含む。コントローラは、発電機からのフィードバック信号に基づいてスイッチを制御するために使用される。これにより、スイッチトキャパシタコンバータの自動制御が可能になり、それにより制御回路全体が簡略化され、効率が向上する。
2019500834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的駆動に応じて電力を発生する発電機と、
前記発電機の出力を電力変換するスイッチトキャパシタ電力変換機であって、複数のキャパシタのバンクとスイッチ装置とを有する、スイッチトキャパシタ電力変換機と、
前記スイッチ装置を制御するコントローラであって、前記発電機からのフィードバック信号に基づいて、複数のスイッチを制御して、前記複数のキャパシタのバンクの構成を、直列構成から並列構成に変化させる、
システム。
【請求項２】
前記発電機は摩擦電気発電機を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記発電機は直接的に動きに応じて前記フィードバック信号を生成する、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記発電機は前記フィードバック信号を生成するフォトダイオードなどの電荷結合素子を有する、
請求項１ないし３いずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記発電機は、前記発電機の一部の機械的な動きに応じて前記フィードバック信号を生成する信号発生機を有する、
請求項１乃至３いずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記発電機は圧電素子または焦電素子などの機械的電荷結合素子を有する、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記発電機は、センサによって検出された磁気結合に応じて前記フィードバック信号を生成する信号発生機を有する、
請求項１乃至３いずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記発電機は、回転子と固定子とを備える回転ディスク摩擦電気発電機を備え、前記フィードバック信号を生成するための回転子及び／又は固定子パターンが設けられている、
請求項１乃至３いずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記回転子または固定子は、各々が半径方向セグメントを含む複数の発生電極のリングであって、異なるセグメントが互いに絶縁されたものと、フィードバック信号を生成する電荷生成制御電極のセットとを含む、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電荷生成制御電極は生成電極の周囲に配置される、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記電荷生成制御電極は隣接する半径方向セグメントの間に配置される、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
エネルギー生成または変換方法であって、
発電機が、機械的駆動に応じて電力を発生することと、
複数のキャパシタのバンクとスイッチ装置とを有するスイッチトキャパシタ電力変換機が、前記発電機の出力を電力変換することと、
前記発電機からのフィードバック信号に基づき、前記スイッチ装置を制御して、前記複数のキャパシタのバンクの構成を、直列構成から並列構成に変更することとを含む、
方法。
【請求項１３】
直接的に動きに応じてフィードバック信号を生成することを含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
フォトダイオードなどの電荷結合デバイス、
前記発電機の一部の機械的な動きに応じて信号を生成する信号生成器、
磁気カップリングを検知するセンサ、または
回転ディスク摩擦電気発電機の回転子及び／又は固定子パターン
が、前記フィードバック信号を生成することを含む、
請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
回転ディスク摩擦発電機の回転子および／または固定子パターンが、前記フィードバック信号を生成することであって、前記回転子または固定子は、各々が半径方向セグメントを含む複数の発生電極のリングであって、異なるセグメントは互いに分離されているものと、フィードバック信号を生成するための電荷生成制御電極のセットとを有する、ことを含む、
請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する電気エネルギー発生機と、エネルギー発生方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
かかるシステムは、機械的エネルギーが電気的エネルギーに変換されるものであるが、その一例は摩擦電気エネルギー発生システムである。摩擦電気効果（摩擦帯電とも呼ばれる）は、接触誘導帯電であり、物質が摩擦により異なる物質と接触したときに帯電するものである。摩擦電気発生は、摩擦電気効果を静電誘導と結合させる方法によって、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することに基づく。提案によると、摩擦電気発生を利用して、歩行、ランダムな身体の動き、風、振動、海洋の波などの源からの、ともすれば無駄にされている機械的エネルギーを捕捉することにより、センサやスマートフォンなどの携帯式ウェアラブルデバイスに電力供給する。例えば、非特許文献１を参照されたい。
【０００３】
摩擦電気効果は、電子を獲得する（負に帯電する）または電子を喪失する（正に帯電する）傾向に応じて様々な材料をランク付けするシリーズに基づいている。このシリーズは、例えば非特許文献２に開示されている。静電気を発生するための材料の最良の組み合わせは、正電荷リストからのものと負電荷リストからのものである（例えば、銅に対してＰＴＦＥ、またはアルミニウムに対してＦＥＰ）。毛皮でガラスを磨くこと、毛髪を櫛でとかすことは、日常生活でよく知られている摩擦電気の例である。
【０００４】
それゆえ、最も単純な形態では、摩擦電気発生機は、異種材料の２枚のシートを使用する。一方は電子供与体であり、他方は電子受容体である。一以上の材料は絶縁体であってもよい。可能性のある他の材料は、半導体材料、例えば、自然酸化物層を含むシリコンであり得る。材料が接触すると、電子が一方の材料から他方の材料へ交換される。分かりやすく言うと、これが摩擦電気効果である。シートが分離されると、各シートは、（異なる極性の）電荷を保持し、それらの間のギャップによって絶縁され、電位が蓄積される。２つの材料表面の裏側に配置された電極間に電気的負荷が接続されると、シートがさらに変位すると、横方向で垂直方向でも、２つの電極間に電流が生じる。これは静電誘導の単なる一例である。２つのプレートのそれぞれの電荷中心間の距離が大きくなるにつれて、ギャップをわたる２つのプレート間の引き合う電場は弱まり、２つの外部電極間の電位差が大きくなる。負荷を介した電荷の引力が、ギャップをわたる静電引力に打ち勝ち始めるからである。
【０００５】
このようにして、摩擦電気発生器は、２つの主要な物理的機構、すなわち接触帯電（摩擦帯電）および静電誘導間の結合を通じて、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００６】
プレートの荷電中心間の相互分離を周期的に増減することにより、それに応じて電流が誘導され、プレート間を流れ、負荷に交流電流が発生する。摩擦電気発生機はチャージポンプ（ｃｈａｒｇｅ  ｐｕｍｐｓ）と見なすことができる。
【０００７】
パワー出力はポリマーシートにミクロンスケールのパターンを適用することにより増大させ得る。パターン化により、有効に接触面積が増大し、それゆえ電荷移動の有効性が増加する。
【０００８】
近年、発電（エネルギー収穫）及び電力変換のための材料技術が開発されているが、これは非特許文献３に開示されているように、この効果を用いている。この効果に基づいて、いわゆる摩擦電気発生機（ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ、「ＴＥＧ」）の複数の装置構成が開発されている。
【０００９】
彼らの２０１２年の最初の報告以降、ＴＥＧの出力電力密度は大幅に向上している。体積電力密度は１立方メートルあたり４００キロワット以上に達し、効率が約６０％のものがデモンストレーションされている（同文献参照）。高出力性能に加えて、ＴＥＧ技術には他の利点がある。低生産コスト、高信頼性と高ロバスト性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）、及び低環境影響などである。
【００１０】
ＴＥＧは発電機として使用でき、すなわち、振動、風、水、ランダムな体動、あるいは機械的に利用可能な力の変換から電気へのエネルギー収穫として使用できる。発電電圧はパワー信号である。
【００１１】
ＴＥＧは大まかに４つの主要動作クラスに分割できる。
【００１２】
第１の動作モードは、垂直接触分離モード（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃｏｎｔａｃｔ−ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ）であり、二以上のプレートが印加力によって周期的に接触または非接触にされる。これは例えば靴で使用でき、歩くユーザにより作用する圧力を利用して、プレートを接触させるものである。かかる装置の一例は、非特許文献４に記載されている。ここで、この装置はジグザグ形状のサブストレート上に形成された多層構造を含む。この装置は、接触耐電による表面電荷移動に基づき動作する。この構造に圧力がかかると、ジグザグ形状が圧縮され、異なる層が接触し、圧力がなくなると接触が解放される。収穫されたエネルギーは、例えば、携帯装置の充電に用いられる。
【００１３】
第２の動作モードは、線形スライディングモードであり、プレートが互いに対して横方向にスライドしてそれらの間の重なり領域を変化させる。プレート全体に、瞬間的に、全体の重なり面積の変化率に比例した大きさを有する電位差が生じる。プレートを相互に重なり合ったり離したりすることを繰り返すことにより、プレート間に接続された負荷に交流電流を流すことができる。
【００１４】
スライド運動からエネルギーを収穫できるデザインは、非特許文献５に開示されている。独立した可動層が一対の静的電極の間をスライドする。可動層は静電電極と接触しないように（すなわち、静電電極上に小さな隙間があるように）構成されてもよく、スライド接触してもよい。
【００１５】
第３の動作モードは単一電極モードであり、１つの面が、例えばフロアロード（ｆｌｏｏｒ  ｒｏａｄ）に接地され、この第１の面と接地との間に負荷が接続される。（例えば、非特許文献６を参照）。第２の表面−これは第１の表面に電気的に接続されていない−は、第１の表面と接触し、それを摩擦帯電させる。次に、第２の表面が第１の表面から移動して離れると、第１の面の過剰電荷が接地に送られ、負荷に電流が流れる。したがって、この動作モードでは（単一層上の）単一の電極のみが使用され、出力電流が供給される。
【００１６】
第４の動作モードは、フリースタンディング摩擦帯電層モードであり、これは、電気的接続がなされていない任意の移動物体からエネルギーを収穫するように設計されている。このオブジェクトは、例えば、通り過ぎる車、通り過ぎる列車、または靴などである（再び、非特許文献３を参照されたい）。
【００１７】
開発されたリニアスライディングモードＴＥＧのサブセットは、回転ディスクＴＥＧである。これは、接触モード（すなわち、連続的な摩擦帯電および静電誘導）または非接触モード（すなわち、最初の接触帯電後の静電誘導のみ）の両方で動作し得る。回転ディスクＴＥＧは、一般的には、それぞれが一組の離間した円形セクタ（セグメント）として形成される少なくとも１つの回転子と１つの固定子とからなる。セクタは、２つのディスクが互いに対して回転するにつれ、重なり合い、次いで離れる。上述のように、２つの横方向にスライドする−反対に帯電した−層の間に電流が誘導され、その大きさは重なり面積の変化率に比例する。回転子の連続的に間隔を置いて配置された各セクタが、固定子セクタと重なり合ったり離れたりするので、プレートが重なり合うにつれ、最初に第１方向に、２つのセクタプレート間に電流が誘導され、プレートの重なりが減少するにつれ、反対の方向に電流が誘導される。
【００１８】
初期のセグメント構造ディスク型ＴＥＧの限界（非特許文献７参照）は、回転及び静止の摩擦電気レイヤが金属電極のデポジションと電気的リードの接続を必要とし、回転部分の動作が不便であった。さらに、効率的な発電を実現するためには密接な接触が不可欠であり、材料の摩耗、摩耗粒子、出力の不安定性、および一般的に限定されたＴＥＧの寿命をもたらす。
【００１９】
回転ディスク上の自立した摩擦電気層とともに、固定ディスク上に付加されたパターン電極の両方のグループを有するディスクＴＥＧは、これらの問題を解決できる（非特許文献８参照）。
【００２０】
このような構造であれば、回転部の電極デポジションや電気的接続が不要となり、エネルギーハーベスタ（ｅｎｅｒｇｙ  ｈａｒｖｅｓｔｅｒ）の動作設備を大幅に改善させることができる。
【００２１】
ＴＥＧは有望ですが、ＴＥＧの出力電力をマイクロコントローラなどのエレクトロニクスを含む実用的なアプリケーションのために電圧および電流のレベルに変換する必要がある場合には問題がある。ＴＥＧによって生成される低電力レベルでは、効率的な電力変換段階を有することが重要である。
【００２２】
数百ボルトの範囲にあるＴＥＧ電圧を１０Ｖ以下などの低電圧に変換するパワー変換段が必要である。このような低電力レベルをスイッチトモード電源（ＳＭＰＳ）により変換することは、高インダクタンス値が必要となり、あまり現実的ではない。さらに、コントローラに必要な電源電流は、通常、ＴＥＧにより発生されるのと同じ範囲である。この場合、ＳＭＰＳコンバータに電力供給するため、一般的には外部電源が必要である。この状況は、予想通り好ましくない。その理由は、コンバータの電力消費がＴＥＧによって発生される電力と同じオーダーの大きさだからであり、これによりシステムの電力変換効率は低下する。
【００２３】
ＴＥＧアプリケーションにＳＭＰＳコンバータを使用することのもう１つの欠点は、これらのコンバータの駆動信号を生成することが難しいことである。ＳＭＰＳコンバータの駆動信号は、例えば、そのＴＥＧの生成された出力信号に同期させなければならない。ＴＥＧは時間とともに高速に変化する信号を生成することができるため、この同期は容易ではない。
【００２４】
スイッチトキャパシタコンバータは、例えば、電力コンバータとして実施することができる。このようなコンバータはインダクタンスを必要としないが、その駆動信号はＴＥＧによって生成された信号と正しく同期する必要がある。このような同期化は、電力出力の制御のため、または機能性の検出のためのフィードバックのようなその他の態様にとっても重要であるが、簡単ではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】Ｗａｎｇ，  Ｓｉｈｏｎｇ，  Ｌｏｎｇ  Ｌｉｎ，  ａｎｄ  Ｚｈｏｎｇ  Ｌｉｎ  Ｗａｎｇ著「Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ  ａｓ  ｓｅｌｆ−ｐｏｗｅｒｅｄ  ａｃｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｏｒｓ」（Ｎａｎｏ  Ｅｎｅｒｇｙ  １１  （２０１５）：  ４３６−４６２）
【非特許文献２】Ａ．Ｆ．  Ｄｉａｚ  ａｎｄ  Ｒ．Ｍ．  Ｆｅｌｉｘ−Ｎａｖａｒｒｏ，「Ａ  ｓｅｍｉ−ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  ｔｒｉｂｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓｅｒｉｅｓ  ｆｏｒ  ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ：  ｔｈｅ  ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ  ６２  （２００４）  ２７７-２９０）
【非特許文献３】Ｗａｎｇ，  Ｚ．  Ｌ．著「Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ  ａｓ  ｎｅｗ  ｅｎｅｒｇｙ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ｓｅｌｆ−ｐｏｗｅｒｅｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  ａｓ  ａｃｔｉｖｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｎｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｓｅｎｓｏｒｓ」（ＡＣＳ  ｎａｎｏ  ７．１１  （２０１３）：  ９５３３−９５５７）
【非特許文献４】Ｐｅｎｇ  Ｂａｉ  ｅｔ．  ａｌ．著「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄ  Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  ｆｒｏｍ  Ｈｕｍａｎ  Ｍｏｔｉｏｎｓ」（ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  ２０１３  ７（４），  ｐｐ３７１３−３７１９）
【非特許文献５】「Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｌａｙｅｒ−Ｂａｓｅｄ  Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｅｎｅｒｇｙ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｍｏｖｉｎｇ  Ｏｂｊｅｃｔ  ｏｆ  Ｈｕｍａｎ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｃｏｎｔａｃｔ  ａｎｄ  Ｎｏｎ−Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｍｏｄｅｓ」（Ａｄｖ．  Ｍａｔｅｒ．  ２０１４，  ２６，  ２８１８−２８２４）
【非特許文献６】Ｙａｎｇ，  Ｙａ，  ｅｔ  ａｌ．著「Ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ｂａｓｅｄ  ｓｌｉｄｉｎｇ  ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｓｅｌｆ−ｐｏｗｅｒｅｄ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｖｅｃｔｏｒ  ｓｅｎｓｏｒ  ｓｙｓｔｅｍ」（ＡＣＳ  ｎａｎｏ  ７．８  （２０１３）：  ７３４２−７３５１）
【非特許文献７】Ｌｏｎｇ  Ｌｉｎ  ｅｔ  ａｌ．著「Ｓｅｇｍｅｎｔａｌｌｙ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｄｉｓｃ  Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ」（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．，  ２０１３，  １３  （６），  ｐｐ．  ２９１６-２９２３）
【非特許文献８】Ｌｏｎｇ  Ｌｉｎ  ｅｔ  ａｌ．著「Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ  Ｆｒｅｅ−Ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｄｉｓｃ  Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ａｓ  ａ  Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ  ａｎｄ  Ｓｅｌｆ−Ｐｏｗｅｒｅｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｅｎｓｏｒ」（ＡＣＳ  Ａｐｐｌ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，  ２０１４，  ６  （４），  ｐｐ．  ３０３１-３０３８）
【発明の概要】
【００２６】
本発明は請求項に記載されている。
【００２７】
本発明の他の一態様による例は、機械的駆動に応じて電力を発生する発電機と、前記発電機の出力を電力変換するスイッチトキャパシタ電力変換機であって、複数のキャパシタのバンクとスイッチ装置とを有する、スイッチトキャパシタ電力変換機と、前記スイッチ装置を制御するコントローラであって、前記発電機からのフィードバック信号に基づいて前記スイッチを制御するように構成されるコントローラとを有する。
【００２８】
このようにして、発電機はフィードバック信号を生成し、この信号を用いて、例えば、大きな電力損失無く入力電力をダウンコンバートする、入力電圧を変換するスイッチトキャパシタコンバータを制御する。しかしながら、そのような自己同期化は、例えば、フィードバック、センシング、通信をより効率的に行う必要があるその他のシステムでは有利である。フィードバック信号のセットが存在してもよい。
【００２９】
フィードバック信号は、好ましくは、直接的に動きに応じて生成される。これは、フィードバック信号が出力電圧または電力の信号処理に基づいて生成されないことを意味し、したがってフィードバック信号を生成するために大きな電力消費を必要としないことを意味する。
【００３０】
発電機は、摩擦発電機（ＴＥＧ）を含むことができる。一例として、ＴＥＧ可動部品（固定子および／または回転子）の余分なパターンを、スイッチトキャパシタコンバータのためのフィードバック制御信号の生成に使用することができる。したがって、生成された電源または発生した電圧を検出して同期させる必要はない。
【００３１】
前記発電機は前記フィードバック信号を生成するフォトダイオードなどの電荷結合素子を有してもよい。発電による電荷の生成を用いて直接的にフィードバック信号を生成する。
【００３２】
前記発電機は、前記発電機の一部の機械的な動きに応じて前記フィードバック信号を生成する信号発生機を有してもよい。このように発電機の部品の動きを用いて、フィードバック信号を直接的に生成する。この場合、前記発電機は、例えば、圧電素子または焦電素子などの機械的電荷結合素子を有してもよい。
【００３３】
前記発電機は、センサによって検出された磁気結合に応じて前記フィードバック信号を生成する信号発生機を有してもよい。
【００３４】
一組の例では、前記発電機は、回転子と固定子とを備える回転ディスク摩擦電気発電機を備え、前記フィードバック信号を生成するための回転子及び／又は固定子パターンが設けられている。
【００３５】
これには、必要なフィードバック信号を生成する追加的なハードウェアや回路は必要ない。
【００３６】
前記回転子または固定子は、例えば、各々が半径方向セグメントを含む複数の発生電極のリングであって、異なるセグメントが互いに絶縁されたものと、フィードバック信号を生成する電荷生成制御電極のセットとを含んでもよい。
【００３７】
一例では、前記電荷生成制御電極は前記生成電極の周囲に配置される。
【００３８】
他の例では、電荷生成制御電極は隣接する半径方向セグメントの間に配置される。
【００３９】
本発明の他の態様による例は、エネルギー生成または変換方法を提供する。該方法は、発電機が、機械的駆動に応じて電力を発生することと、複数のキャパシタのバンクとスイッチ装置とを有するスイッチトキャパシタ電力変換機が、前記発電機の出力を電力変換することと、前記発電機からのフィードバック信号に基づいて前記スイッチ構成を制御することとを含む。
【００４０】
フィードバック信号は、例えば、直接的に動きに応じて生成されてもよい。これなら、スイッチトキャパシタコンバータを制御する複雑な回路の必要性はない。
【００４１】
フィードバック信号は下記を用いて生成されてもよい：フォトダイオードなどの電荷結合デバイス、前記発電機の一部の機械的な動きに応じて信号を生成する信号生成器、磁気カップリングを検知するセンサ、または回転ディスク摩擦電気発電機の回転子及び／又は固定子パターン。
【００４２】
フィードバック信号は、回転ディスク摩擦発電機の回転子および／または固定子パターンが、前記フィードバック信号を生成されてもよく、前記回転子または固定子は、各々が半径方向セグメントを含む複数の発生電極のリングであって、異なるセグメントは互いに分離されているものと、フィードバック信号を生成するための電荷生成制御電極のセットとを有してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
添付した図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【図１】摩擦電気発電機およびスイッチトキャパシタ電力コンバータを含むシステムを示す。
【図２】図１のスイッチトキャパシタ電力コンバータの入力および出力を示す図である。
【図３】摩擦発電機用の既知の回転子または固定子の設計を示す図である。
【図４】摩擦発電機用の既知の回転子または固定子の設計の第１の例を示す図である。
【図５】摩擦発電機用の回転子または固定子の設計の第２の例を示す図である。
【図６】電力制御回路を有する回転ディスク型摩擦電気発電機を示す図である。
【図７】スイッチトキャパシタ電力コンバータを自動的にタイミングするステッピングモードの摩擦発電機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明は、電力を発生するための発電機と、発電機の出力電圧を降圧するためのスイッチトキャパシタコンバータとを含むシステムを提供する。スイッチトキャパシタコンバータは、キャパシタのバンクとスイッチ装置とを含む。コントローラは、発電機からのフィードバック信号に基づいてスイッチを制御するために使用される。これにより、スイッチトキャパシタコンバータの自動制御が可能になり、それにより制御回路全体が簡略化され、効率が向上する。
【００４５】
上述したように、スイッチトキャパシタ電力コンバータは、パワーハーベスティングアプリケーション（ｐｏｗｅｒ  ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）にとって重要である。スイッチトキャパシタバンク（ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ｂａｎｋ  ｏｆ  ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ）を使用する直列から並列への変換は、例えば摩擦電気発生機のようなエネルギーハーベスティングアプリケーションの出力から高出力電圧を効率的に低減する１つの方法を提供する。
【００４６】
図１は、負荷１２に電力を供給するスイッチトキャパシタ変換回路１０を示す。摩擦電気発生機１４は入力電力を供給し、これは、フルブリッジ整流器１６によって整流され、バッファキャパシタ１８によって平滑化されてから、スイッチトコンバータキャパシタ回路１０に入力として供給される。
【００４７】
摩擦電気発生器１４は、既知の設計のものであり、例えば、運動強度に応じた大きさの交流電圧波形を生成する。摩擦発電機は、第１の発電素子セットと第２の発生素子セット間の相対的な電荷が、物理的接触の断続的な期間によって確立され、維持され、その間に各セットの素子に逆電荷が蓄積される（摩擦帯電プロセス）との特徴を有する。発電素子は摩擦電気的に活性な（「摩擦電気系」の一部を形成する）材料で構成されている。
【００４８】
固定子（ｓｔａｔｏｒ）は、一連の配置された（導電性の）電極を備えることができ、回転子（ｒｏｔａｔｏｒ）は、誘電体材料の独立層を備え、誘電体材料は金属または非金属であり得る。また、（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｎ  ｅｔ  ａｌ．著「Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ  Ｆｒｅｅ−Ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｄｉｓｃ  Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ａｓ  ａ  Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ  ａｎｄ  Ｓｅｌｆ−Ｐｏｗｅｒｅｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｅｎｓｏｒ」（ＡＣＳ  Ａｐｐｌ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，  ２０１４，  ６  （４），  ｐｐ．  ３０３１-３０３８）に説明されているように、）かかる構造により、回転部分の電極デポジションや電気的接続が必要なくなり、これにより発電機の動作容易性が大きく改善される。もちろん、回転子と固定子の設計は逆にしてもよい。
【００４９】
あるいは、回転子と固定子と両方が電極装置を有しても良い。
【００５０】
図１は、フルブリッジ整流器を示しているが、他の例では、ハーフブリッジ整流器を使用してもよく、あるいは、発電機１がＤＣ出力を供給してもよい。上述したように、摩擦電気発生機の様々な設計を説明した。
【００５１】
スイッチトキャパシタ回路１０は、隣接する各対の間にダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３を有する４つのキャパシタＣ１ないしＣ４の直列接続を含む。直列チェーンは、ハイ信号線２０とロー信号線２２との間に延在している。ハイ信号線２０は、バッファキャパシタ１８のハイ端子と負荷１２のハイ端子とに接続されている。ロー信号線２２は、第１のスイッチＳ１を介して、バッファキャパシタのロー端子に接続される。
【００５２】
第１のスイッチセットＳ２、Ｓ３、Ｓ４が設けられ、各スイッチは直列チェーン内のダイオードとその次のキャパシタに係っている（ａｃｒｏｓｓ）。第２のスイッチセットＳ５、Ｓ６、Ｓ７が設けられ、各スイッチはキャパシタとそれに続くダイオードに係っている。したがって、第１および第２のセットのスイッチは互い違いになる。第１のスイッチセットＳ２、Ｓ３、Ｓ４により、すべての下位キャパシタ端子が一緒に接続され、第２のスイッチセットＳ５、Ｓ６、Ｓ７により、すべての上位キャパシタ端子が一緒に接続される。
【００５３】
出力スイッチＳ８は、ロー信号線２２と、負荷１２のロー端子との間にある。
【００５４】
最大電圧がバッファキャパシタ１８にかかると、第１のスイッチＳ１は閉じられ（導通状態になり）、スイッチＳ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７およびＳ８は開かれる（非導通状態になる）。したがって、負荷はスイッチトキャパシタ回路１０から絶縁される。
【００５５】
短時間に、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は直列に充電される。
【００５６】
キャパシタが充電されると、スイッチＳ１が開き（非導通モード）、スイッチトキャパシタ回路１０が入力から切り離される。
【００５７】
次に、両セットのスイッチＳ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７が閉じられ（導通）、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の並列構成が得られる。
【００５８】
結果として、入力電圧は、キャパシタの数に等しい４分の１に分割され、一方、電荷はＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４の合計並列容量に等しい４倍になる。
【００５９】
この直後に、スイッチＳ８が閉じられる（導通モード）。キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、負荷１２によって規定される出力キャパシタに放電する。この出力キャパシタは、スイッチトキャパシタコンバータの出力キャパシタとして機能する。スイッチトキャパシタコンバータの一部として出力キャパシタが存在してもよく、駆動される負荷の一部のみであってもよい。もちろん、キャパシタとスイッチの数を増やすことによってより、より高い変換率を得ることが可能である。
【００６０】
図２は、図１の電力変換回路のシミュレーション結果を示す。プロット３０は、摩擦電気発生機１４からの出力電圧を示し、プロット３２は、負荷に供給される出力電圧を示す。
【００６１】
一般的なスイッチトキャパシタコンバータのトポロジは周知である。他の回路実装も周知である。
【００６２】
本発明は、ＴＥＧによって生成された電圧の関数としてスイッチを制御するための制御信号の生成に関する。
【００６３】
スイッチは、キャパシタが完全に充電されたとき、直列モードから並列モードに切り替える必要がある。これは、発電機によって供給される電流の機能である。したがって、使用電流を示す発電機からの信号は、スイッチの制御の基礎を形成することができる。しかし、詳細な信号解析に頼るのではなく、発電機に関連する運動から直接得られる信号、例えば回転周波数またはパルス状の機械的運動の期間を使用することができる。
【００６４】
回転ディスク型ＴＥＧについての第１の例を説明する。ＴＥＧは、対向する表面を有する回転子および固定子を有する。図３は、回転子および／または固定子ディスク要素のパターンを示し、これは、表面部分の形式で、ディスク要素３６の円周方向に分離された扇形領域３８を形成する。図示されたパターンは、例示のみのためのものであり、言うまでもなく、セクタ領域３８のスペーシング、配置、または構成は異ならない。
【００６５】
回転子が回転すると、回転子の表面部分３８と、固定子の対応する部分との相対的な回転により出力電流が発生する。
【００６６】
前述のように、回転ディスクＴＥＧは、リニアスライディングモードＴＥＧのサブセットであり、相互に回転するディスク要素の対向する表面上に形成された摩擦帯電的に活性な材料の離散した円形セクタを連続的に重ね合わせ、分離することにより、電力が発生される。上述のように、２つの横方向にスライドする−反対に帯電した−層の間に電荷が誘導され、その大きさは重なり面積の変化率に比例する。回転子の連続的に間隔を置いて配置された各セクタが、固定子セクタと重なり合ったり離れたりするので、（付加があると）プレートが重なり合うにつれ、最初に第１方向に、２つのセクタプレート間に電流が誘導され、プレートの重なりが減少するにつれ、反対の方向に電流が誘導される。その結果、とりわけ摩擦電気表面部分の表面積および材料組成に関連するピーク振幅を有し、とりわけディスク間の相対的回転速度と、摩擦帯電表面部分のパターンの相対的な間隔又はピッチに関連する周波数を有する交流が得られる。
【００６７】
本発明のシステムの第１の例は、図４に示した回転子及び／又は固定子の修正パターンを用いる。
【００６８】
発生機領域３８の同じパターンが、発生機領域３８の外側周縁部の周りに付加的制御電極４０ａ、４０ｂ、４０ｃとともに示されている。制御電極は、スイッチトキャパシタコンバータ１０のスイッチングパターンがＴＥＧの出力電圧と同期されるように、設計されている。これは、発電電極に対する制御電極の最適な配置に基づく、同期された制御信号の自動的生成があることを意味する。このように、パワー変換は、特別な検出及び制御回路を必要とせずに、最適化できる。
【００６９】
異なる制御電極があり、図示した例では３セットあり、異なるスイッチは独立して制御され得る。例えば、図４の構成によれば、３つの異なるスイッチ制御信号が生成され得る。これらは、タイミングは異なるが周波数は同じであってもよく、または、例えば一セットに、田のセットと異なる数の電極を有する、または制御電極のサイズが異なることにより、周波数が異なってもよい。
【００７０】
例のうちの一セットにおいて、スイッチトキャパシタコンバータで使われるスイッチＳ１ないしＳ８は、電荷レベルに応じて電気的に制御され、電荷制御デバイスが使われるようにしてもよい。
【００７１】
適切な閾値電荷が蓄積されると、スイッチングが行われる。例えば、トランジスタをスイッチに接続して、ゲートに十分な電荷が蓄積されたときにスイッチすることができる。例えば、制御電極によって生成される電荷は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチを制御するために直接使用されてもよい。電荷は、回転速度に応じた率で蓄積される。スイッチは一般的にはトランジスタであるが、ＭＥＭＳスイッチのような他の電荷制御スイッチ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｓｗｉｔｃｈ）を使用することもできる。
【００７２】
スイッチング装置に供給される電荷は、様々な異なる手法によって生成されてもよい。
【００７３】
図４の例は、ＴＥＧ上の追加の回転子および／または固定子パターンに基づいている。これらは、小型発電機として機能し、自動化された方法でスイッチを制御するのに十分なだけの電荷を生成する。しかし、所望の制御信号を生成するための他の手法もある。
【００７４】
第１の代替的なアプローチは、フォトダイオードのような電荷結合素子を使用することである。これを用いて光出力を生成することができる。スイッチＳ１〜Ｓ８は、光に敏感であり、例えばフォトトランジスタとして実施される。この場合、回転子および／または固定子は、パルス光をフォトトランジスタに供給するために、遮光および光通過セグメントを使用してもよく、その結果、ＴＥＧの物理的回転に応じて、電荷がフォトトランジスタ上に再び蓄積される。あるいは、フォトダイオードは、ＴＥＧ回転に応じて直接的にパルス光出力を生成することができる。
【００７５】
第２の代替的アプローチは、例えばタッピングモード装置の場合に、ＴＥＧの一部分の機械的動作を利用することである。この場合、圧電デバイスまたは焦電デバイスなどの機械的電荷結合デバイスを使用して、周期的な動きに応じて電荷を生成する。ここでも、電荷発生率は、発電機を駆動する機械的入力の変化率の関数である。例えば、圧電材料は、タッピングモードＴＥＧの片側に実装することができる。ＴＥＧの２つの部分の間で接触するたびに、圧電材料は電気信号を生成する。この信号を制御信号として使用できる。
【００７６】
第３の代替的なアプローチは、永久磁石と、コイルや磁気抵抗センサのような磁気検出装置とのような磁気的に結合された構成を使用することである。小さな永久磁石が例えば回転子上に配置され、対応する磁気検出デバイスが固定子上に配置される場合、この検出デバイスは、磁石がその上を通過するたびに制御信号を生成する。
【００７７】
図５は、制御電極５０が電力電極３８の各対の間に配置される代替的な構成（例えば回転子用）を示す。制御電極は互いに接続されて１つの電極を形成してもよい。回転子が固定子に対して回転するにつれて、固定子セグメントが電力電極の上を通過しようとする直前に、スイッチドキャパシタコンバータに制御信号が供給される。
【００７８】
したがって、コンバータは、ＴＥＧの出力信号と再び同期化される。制御電極５０の数および位置は適宜選択することができる。
【００７９】
図４および図５の例は回転式ＴＥＧ装置に関するものであるが、等価な自己タイミングおよび同期手法をスライディングモードＴＥＧに好適に適用することができる。
【００８０】
上述の自己同期手法は、電力変換ステージの同期化にのみ限定されない。ＴＥＧのパワー出力を制御するためのフィードバックなどの他の側面の制御にも使用できる。
【００８１】
図６は、このシステムの一構成例を示すブロック図である。
【００８２】
摩擦電気発生機１４を、回転ディスクＴＥＧの形で再び示すが、当業者には言うまでもなく、この構成は、他の種類の摩擦電気発生機に同様に適用することができる。
【００８３】
発生機は、回転子６０及び固定子６２の形態の発電要素を有する。ＴＥＧ１４の回転子６０は、機械的駆動装置６４例えばモータの機械的出力に動作可能に結合されている。機械的駆動装置６４は、運動エネルギーまたはモータエネルギーの入力源を提供し、これらのエネルギーは、システムによって電気エネルギーに変換される。駆動装置はコントローラ６６によって制御される。
【００８４】
機械的駆動装置６４は、いくつかの実施形態では、例えば、風力または水力駆動のタービン、振動エネルギー源、または人間が駆動するモータ事象発生源のような外部源を含み得る。この場合、システムはエネルギー「ハーベスティング（ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）」システムとして機能し、ともすれば失われていた外部発生エネルギーが捕捉されて電気エネルギー源に変換される。
【００８５】
代替的な実施形態によれば、図６に示すように、機械的駆動装置６４は、例えばモータユニットのようなシステム自体の内部にある供給源を含む。この場合、システムは単純にエネルギー変換機能を提供することができる。
【００８６】
制御信号７０は、フィードバック信号として提供され、上述のようにフィードバック信号である。
【００８７】
コントローラ６６は、コントローラ６６への入力として所望の電圧または電力を考慮して、モータ６４を制御するための出力信号７２（Ｖｉｎ／Ｐｉｎ）を生成する。次いで、回転ディスク型ＴＥＧの出力電力および／または電圧を、例えば、出力信号７２に基づいて回転子の回転速度を制御することによって、一定に維持することができる。ＴＥＧ制御電極の出力信号は、回転子の回転速度に比例する周波数を有するので、この情報は、回転子の回転速度、従ってＴＥＧの出力電力を制御するコントローラ６６へのフィードバック信号として使用することもできる。特に、この情報は、ＴＥＧによって供給される電圧および電力を表す。
【００８８】
図７では、タッピングモード型ＴＥＧを考える。この場合、ＴＥＧの第１の可動部分６０ａは、一般的には、ＴＥＧの第２の固定部分６０ｂに対して前後に移動する。ＴＥＧの機械的動作は、上記の教示を使用して電力コンバータのための駆動信号として使用することができる。
【００８９】
この状況では、スイッチトキャパシタコンバータに通常実装されるＭＯＳＦＥＴスイッチをＭＥＭＳスイッチに置き換えることができる。ＭＥＭＳスイッチのゲートは、結合８０によって示されるように、第１の部分６０ａと機械的に接続されてもよい。次に、電力変換機は、ＴＥＧによって生成された信号と自動的に同期される。
【００９０】
摩擦電気発生機の様々な例を説明した。かかる発生機は接触モードでも非接触モードを有する。本発明は、他のタイプの発電機にも適用し得る。
【００９１】
摩擦電気ベースの発電装置のいくつかの一般的な例は、リニアスライディングモードＴＥＧのサブセットである回転ディスク摩擦発電機を含む。他のタイプは、垂直接触分離モード（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃｏｎｔａｃｔ−ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ）で動作する装置あり、二以上のプレートが印加力によって周期的に接触または非接触にされる。
【００９２】
他のタイプの発電機には、誘導発電機または非同期発電機が含まれる。これらは、電磁誘導モータの原理を利用して電力を生成する既知の交流（ＡＣ）発電機である。誘導発電機は、同期速度より速く回転子を機械的に回転させることによって動作する。誘導発電機は、比較的簡単な制御でエネルギーを回復することができるアプリケーションではよく知られている。
【００９３】
誘導発電機は、様々な回転子速度で有用な電力を発生する能力のために、風力タービンおよびいくつかのマイクロ水力発電設備でしばしば使用される。しかし、一般的には、電磁誘導発電機は、非常に小さい電力および低コストの用途には適しておらず、代替案は静電誘導である。これにより、構造が簡単になり、比較的低速で高い出力電圧が得られる。有望な領域は、半永久的な電荷を有する誘電体材料であるエレクトレット（ｅｌｅｃｔｒｅｔ）による静電誘導の使用である。
【００９４】
エレクトレットベースの発電機は、関連する作業電極に対するエレクトレットの位置に基づいて電荷の流れを生成する。エレクトレットは、作業電極上に反対電荷を誘導し、作業電極に対するエレクトレットの位置の変化は、電荷の移動、したがって出力電流を生成する。
【００９５】
本発明は、スイッチトキャパシタ電力コンバータが関心のあるときはいつでも、これらの様々な発電技術に適用することができる。
【００９６】
請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。請求項において、「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（「ａ」又は「ａｎ」）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。
【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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【国際調査報告】
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