(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電誘起によるセンサであって、
被検体の移動をセンシングするセンシング部品を含み、
前記センシング部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層と第２の電極層とは間隔を置いて設置され、かつ互いに電気的に接続されており、
前記被検体は前記センシング部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記被検体に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成され、
前記被検体は、前記第１の電極層と接触して分離し、あるいは、互いにスライド摩擦することによって、接触面積を変化させて帯電させ、
分離層を更に含み、前記分離層は、前記センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層を分離し、両者を分離させて所定の相対位置を保持し、
前記分離層の材料は絶縁体材料であり、
前記センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層は、いずれも前記分離層に嵌め込まれ、少なくとも第１の電極層の上面が前記分離層に露出し、
あるいは、前記分離層は、前記第１の電極層及び／又は第２の電極層を全て被覆し、
あるいは、前記分離層及び前記センシング部品の２つの電極層は積層するように設置され、センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層はそれぞれ分離層の上下面に設置されることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記第１の電極層の、被検体と互いに接触可能な表面の形状及びサイズは一致していることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記センシング部品の第１の電極層と被検体とが互いにスライドする表面は、スムーズで平滑な表面であり、又は、凹凸構造の非平坦な表面であることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１の電極層の表面の凹凸構造は、周期的な凹凸構造であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
静電誘起によるセンサであって、
被検体の移動をセンシングするセンシング部品を含み、
前記センシング部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層と第２の電極層とは間隔を置いて設置され、かつ互いに電気的に接続されており、
前記被検体は前記センシング部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記被検体に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成され、
前記センシング部品が摩擦層を更に含み、前記センシング部品の第１の電極層の前記被検体に向う面が前記摩擦層の下面に貼り付けられ、
前記被検体は、前記摩擦層と接触して分離し、又は互いにスライド摩擦することによって、接触面積を変化させて帯電させ、
分離層を更に含み、前記分離層は、前記センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層を分離し、両者を分離させて所定の相対位置を保持し、
前記分離層の材料は絶縁体材料であり、
前記センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層は、いずれも前記分離層に嵌め込まれ、少なくとも第１の電極層の上面が前記分離層に露出し、
あるいは、前記分離層は、前記第１の電極層及び／又は第２の電極層を全て被覆し、
あるいは、前記分離層及び前記センシング部品の２つの電極層は積層するように設置され、センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層はそれぞれ分離層の上下面に設置されることを特徴とするセンサ。
【請求項６】
前記摩擦層の材料は、絶縁材料又は半導体であり、前記摩擦層の厚さ範囲は、１０ｎｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記摩擦層と被検体とが互いにスライドする表面は、スムーズで平滑な表面であり、又は、凹凸構造の非平坦な表面であることを特徴とする請求項５又は６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記摩擦層の被検体と接触可能な表面の一部又は全部にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が分布され、あるいは、前記摩擦層の被検体と接触可能な表面に対して化学的変性処理を施すことを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
【請求項９】
前記絶縁材料は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリイミド、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルムアルデヒド、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、ポリウレタンエラストマー、スチレンプロピレンコーポリマー、スチレンブタジエンコーポリマー、人造繊維、ポリメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、フェノール樹脂、クロロプレンゴム、ブタジエンプロピレンコーポリマー、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリエチレンビスフェノールカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、液晶高分子ポリマー、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル及びパリレン、羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、綿及びその織物、ポリウレタンエラストマー、木材、硬化ゴム、アセテートという材料の１種又は複数種であることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記第１の電極層及び第２の電極層の材料は金属または酸化インジウム・スズＩＴＯ、ＦＴＯ又は導電高分子材料であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記第１の電極層及び／又は第２の電極層はフレキシブル材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記第１の電極層、第２の電極層及び／又は摩擦層はフレキシブル材料であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記分離層はフレキシブル材料であることを特徴とする請求項１又は５に記載のセンサ。
【請求項１４】
静電誘起によるセンシング方法であって、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のセンサを適用し、
前記被検体が第１の電極層に対して移動し、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、第１の電極層に誘起された、被検体に帯電する電荷の電荷量を変化させるステップと、
前記第１の電極層と第２の電極層との間に電荷流れを発生して電流を形成するステップと、を含み、
前記被検体が第１の電極層に対して移動することは、被検体と第１の電極層との表面が接触して分離し、被検体を帯電させることであり、
あるいは、前記被検体が第１の電極層に対して移動することは、被検体と第１の電極層との表面が互いにスライド摩擦し、スライド過程において接触面積を変化させ、被検体の表面を帯電させることであることを特徴とするセンシング方法。
【請求項１５】
静電誘起による発電機であって、前記発電機は第１の部品及び第２の部品を含み、
前記第２の部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層及び第２の電極層は間隔を置いて設置され、かつ電気的に接続されており、
前記第１の部品は前記第２の部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記第１の部品に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成され、
前記第１の部品は、前記第２の部品の第１の電極層と接触して分離し、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させ、
あるいは、前記第１の部品は、前記第２の部品の第１の電極層と互いにスライド摩擦し、摩擦過程において接触面積を変化させ、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させ、
分離層を更に含み、前記分離層は、前記第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層を分離し、両者を分離させて所定の相対位置を保持し、
前記分離層の材料は絶縁体材料であり、
前記第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層は、いずれも前記分離層に嵌め込まれ、少なくとも第１の電極層の上面が前記分離層に露出し、
あるいは、前記分離層は、前記第１の電極層及び／又は第２の電極層を全て被覆し、
あるいは、前記分離層及び前記第２の部品の２つの電極層は積層するように設置され、第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層はそれぞれ分離層の上下面に設置されることを特徴とする発電機。
【請求項１６】
前記第１の部品の、前記第１の電極層と互いに接触可能な表面の形状及びサイズは一致していることを特徴とする請求項１５に記載の発電機。
【請求項１７】
前記第１の部品と第２の部品の第１の電極層とが互いにスライドする表面は全てスムーズで平滑な表面であり、又は、全て凹凸構造の非平坦な表面であることを特徴とする請求項１５に記載の発電機。
【請求項１８】
前記第１の部品の、前記第１の電極層と接触可能な表面の材料は、絶縁材料又は半導体材料であることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１９】
前記第１の部品の、第１の電極層の表面における投影サイズ及び形状は、第１の電極層のサイズ及び形状に一致していることを特徴とする請求項１５に記載の発電機。
【請求項２０】
前記第１の部品は、エレクトレット材料であることを特徴とする請求項１９に記載の発電機。
【請求項２１】
静電誘起による発電機であって、前記発電機は第１の部品及び第２の部品を含み、前記第２の部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層及び第２の電極層は間隔を置いて設置され、かつ電気的に接続されており、
前記第１の部品は前記第２の部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記第１の部品に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成され、
前記第２の部品が摩擦層を更に含み、前記第２の部品の第１の電極層の前記被検体に向う面は前記摩擦層の下面に貼り付けられ、
分離層を更に含み、前記分離層は、前記第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層を分離し、両者を分離させて所定の相対位置を保持し、
前記分離層の材料は絶縁体材料であり、
前記第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層は、いずれも前記分離層に嵌め込まれ、少なくとも第１の電極層の上面が前記分離層に露出し、
あるいは、前記分離層は、前記第１の電極層及び／又は第２の電極層を全て被覆し、
あるいは、前記分離層及び前記第２の部品の２つの電極層は積層するように設置され、第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層はそれぞれ分離層の上下面に設置されることを特徴とする発電機。
【請求項２２】
前記摩擦層の材料は絶縁材料又は半導体であり、前記摩擦層の厚さ範囲は、１０ｎｍ〜５ｃｍであることを特徴とする請求項２１に記載の発電機。
【請求項２３】
前記第１の部品は、前記摩擦層の上面と接触して分離し、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させ、
あるいは、前記第１の部品は、前記摩擦層の上面と互いにスライド摩擦し、摩擦過程において接触面積を変化させ、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の発電機。
【請求項２４】
前記第１の部品の、摩擦層と互いにスライドする表面は全てスムーズで平滑な表面であり、又は、全て凹凸構造の非平坦な表面であることを特徴とする請求項２３に記載の発電機。
【請求項２５】
前記第１の部品の、前記摩擦層と互いに接触可能な２つの表面の材料は絶縁材料、半導体又は導体材料であり、前記第１の部品の、前記摩擦層と互いに接触可能な２つの表面の材料に電極配列のばらつきがあることを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項２６】
前記第１の部品の、第１の電極層の表面における投影サイズ及び形状は、第１の電極層のサイズ及び形状に一致していることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の発電機。
【請求項２７】
前記第１の部品は、エレクトレット材料であることを特徴とする請求項２６に記載の発電機。
【請求項２８】
前記第１の電極層及び第２の電極層の材料は、金属または酸化インジウム・スズＩＴＯ、ＦＴＯ又は導電高分子材料であることを特徴とする請求項１５乃至２７のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項２９】
前記第１の部品、第１の電極層及び／又は第２の電極層はフレキシブル材料であることを特徴とする請求項１５乃至２０のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項３０】
前記第１の部品、第１の電極層、第２の電極層及び／又は摩擦層はフレキシブル材料であることを特徴とする請求項２１乃至２７のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項３１】
静電誘起による発電方法であって、請求項１５〜３０のいずれか１項に記載の発電機を適用し、
前記第１の部品が第１の電極層に対して移動し、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記第１の部品に帯電する電荷の電荷量を変化させるステップと、
前記第１の電極層と第２の電極層との間に電荷流れを発生して電流を形成するステップと、を含み、
前記第１の部品が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、第１の部品と第１の電極層との表面が接触して分離し、第１の部品を帯電させることであり、
あるいは、前記第１の部品が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、第１の部品と第１の電極層の表面とが互いにスライド摩擦し、スライド過程において接触面積を変化させ、第１の部品の表面を帯電させることであることを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に、静電誘起によって物体の移動を探知するセンサ及びセンシング方法に関する。本発明は、該当する発電機にも関し、特に、静電誘起によって力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電子技術及び材料技術の高速発展に伴って、複数の機能を有すると共に高度に集積化された新しいマイクロ電子機器が、多く開発され、各分野で広く適用されている。
【０００３】
帯電又は非帯電の物体の移動に対するセンシングについて、例えば、レーザセンシングなどの複数のセンシング方法があるが、従来のセンシング方法は、いずれもマイクロセンサに合わせる電源を提供して、センサの動作を駆動する必要がある。一般的には、これらのマイクロセンサの電源は、いずれも電池から直接に又は間接に取得されるものである。電池は、体積が大きくて、質量が重いだけでなく、含有する有毒の化学物質が環境及び人体にも潜在的に危害を及ぼす。センサ電源の制限により、該当するセンシング方法の応用範囲も狭くて、悪環境の条件に適用されることができず、長期に独立して動作することも困難である。そして、ランダムな作業需要に対して、センサに電源を長時間に投入する必要があり、エネルギー節約の要求を満たしていない。
【０００４】
そして、これらのマイクロ電子機器に合わせる電源システムに対する検討は、相対的に遅れている。一般的には、これらのマイクロ電子機器の電源は、全て直接に又は間接に電池から給電されている。電池は、体積が大きくて、質量が重いだけでなく、含有する有毒の化学物質が環境及び人体にも潜在的に危害を及ぼす。若し、自然界に普遍的に存在する動き、振動などの力学的エネルギーを利用できれば、マイクロ電子機器に電源を提供する可能性がある。
【０００５】
現在、発明された摩擦式ナノ発電機は、自然界に普遍的に存在する動き、振動などの力学的エネルギーをマイクロ電子機器に適用できる需要に効果的に変換することができる。現在の記事された全ての摩擦式ナノ発電機の典型的な構造は、いずれも互いに接触・分離可能な２つの摩擦層を必要としている。２つの摩擦層が互いに接触し又は分離する過程において、摩擦層に設けられる２つの電極層によって、パルス電気信号を外部回路に出力する。このような構造の摩擦式発電機において、摩擦層により、他方の電極層に対する一方の電極層の距離が変化しており、このような構造により、摩擦式発電機と外部回路との接続が困難となると共に、摩擦式発電機の出力性能を保証するために、２つの摩擦層材料が接触し又は摩擦する必要がある。このため、発電機の耐久性及び安定性を保証することができない。これらの制限要素は、摩擦式発電機の普及・応用を大きく妨げる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一面は、構造が簡単であり、静電誘起によるセンサを提供し、電源を設置する必要がなく、静電誘起原理によって、物体の移動を自動的に誘導することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を実現するために、本発明は、静電誘起によるセンサであって、被検体の移動をセンシングするセンシング部品を含み、前記センシング部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層と第２の電極層とは間隔を置いて設置され、かつ互いに電気的に接続されており、前記被検体は前記センシング部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記被検体に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成され、前記被検体は、予め帯電し、あるいは、センサとの接触・分離によって前記被検体を帯電させるセンサを提供する。
【０００８】
好ましくは、前記被検体は、前記第１の電極層と接触して分離し、あるいは、互いにスライド摩擦することによって、接触面積を変化させて帯電させる。
【０００９】
好ましくは、前記第１の電極層の、被検体と互いに接触可能な表面の形状及びサイズは一致している。
【００１０】
好ましくは、前記センシング部品の第１の電極層と被検体とが互いにスライドする表面は、スムーズで平滑な表面であってもよく、凹凸構造の非平坦な表面であってもよい。
【００１１】
好ましくは、前記第１の電極層の表面の凹凸構造は、周期的な凹凸構造である。
【００１２】
好ましくは、前記第１の電極層の被検体と接触可能な表面の一部又は全部にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が分布され、あるいは、前記第１の電極層の被検体と接触可能な表面に対して化学的変性処理を施す。
【００１３】
上記目的を実現するために、本発明は、静電誘起によるセンサであって、被検体の移動をセンシングするセンシング部品を含み、前記センシング部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層と第２の電極層とは間隔を置いて設置され、かつ互いに電気的に接続されており、前記被検体は前記センシング部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記被検体に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成され、前記センシング部品が摩擦層を更に含み、前記センシング部品の第１の電極層の前記被検体に向う面が前記摩擦層の下面に貼り付けられ、前記被検体は、前記摩擦層と接触して分離し、又は互いにスライド摩擦することによって、接触面積を変化させて帯電させるセンサを提供する。
【００１４】
好ましくは、前記摩擦層の材料は絶縁材料又は半導体であり、前記摩擦層の厚さ範囲は、１０ｎｍ〜５ｍｍである。
【００１５】
好ましくは、前記摩擦層の、前記被検体と互いに接触可能な表面の形状及びサイズは一致している。
【００１６】
好ましくは、前記摩擦層と被検体とが互いにスライドする表面は、スムーズで平滑な表面であってもよく、凹凸構造の非平坦な表面であってもよい。
【００１７】
好ましくは、前記摩擦層の被検体と接触可能な表面の一部又は全部にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が分布され、あるいは、前記摩擦層の被検体と接触可能な表面に対して化学的変性処理を施す。
【００１８】
好ましくは、前記被検体は、前記センシング部品と接触しなく、前記被検体は帯電物体である。
【００１９】
好ましくは、分離層を更に含み、前記分離層は、前記センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層を分離し、両者を分離させて所定の相対位置を保持する。
【００２０】
好ましくは、前記分離層の材料は絶縁体材料である。
【００２１】
好ましくは、前記センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層は、いずれも前記分離層に嵌め込まれ、少なくとも第１の電極層の上面が前記分離層に露出し、
あるいは、前記分離層は、前記第１の電極層及び／又は第２の電極層を全て被覆し、
あるいは、前記分離層及び前記センシング部品の２つの電極層は積層するように設置され、センシング部品の第１の電極層及び第２の電極層はそれぞれ分離層の上下面に設置される。
【００２２】
好ましくは、前記絶縁材料は以下の材料の１種又は複数種であることができる：ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリイミド、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルムアルデヒド、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、ポリウレタンエラストマー、スチレンプロピレンコーポリマー、スチレンブタジエンコーポリマー、人造繊維、ポリメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、フェノール樹脂、クロロプレンゴム、ブタジエンプロピレンコーポリマー、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリエチレンビスフェノールカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、液晶高分子ポリマー、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル及びパリレン、羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、綿及びその織物、ポリウレタンエラストマー、木材、硬化ゴム、アセテート。
【００２３】
好ましくは、前記半導体材料は以下の材料の１種又は複数種であることができる：ケイ素、ゲルマニウム、第ＩＩＩ及び第Ｖ族化合物、第ＩＩ及び第ＶＩ族化合物、ＩＩＩ-Ｖ族化合物及びＩＩ-ＶＩ族化合物からなる固溶体、非晶質のガラス半導体、有機半導体、非導電性の酸化物、及び複雑な酸化物半導体。
【００２４】
好ましくは、前記第１の電極層及び第２の電極層の材料は金属または酸化インジウム・スズＩＴＯ、ＦＴＯ又は導電高分子材料である。
【００２５】
好ましくは、前記第１の電極層及び／又は第２の電極層はフレキシブル材料である。
【００２６】
好ましくは、前記第１の電極層、第２の電極層及び／又は摩擦層はフレキシブル材料である。
【００２７】
好ましくは、前記分離層はフレキシブル材料である。
【００２８】
相応的には、本発明は、静電誘起によるセンシング方法を提供し、上記いずれか１項に記載のセンサを適用し、前記被検体が第１の電極層に対して移動し、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、第１の電極層に誘起された、被検体に帯電する電荷の電荷量を変化させるステップと、前記第１の電極層と第２の電極層との間に電荷流れを発生して電流を形成するステップと、を含む。
【００２９】
好ましくは、前記被検体が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、被検体と第１の電極層との表面が接触して分離し、被検体を帯電させることであり、あるいは、前記被検体が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、被検体と第１の電極層との表面が互いにスライド摩擦し、スライド過程に接触面積を変化させ、被検体の表面を帯電させることであり、あるいは、前記被検体が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、被検体が第１の電極層に対して移動し、常に第１の電極層と接触しなく、前記被検体自身が帯電することである。
【００３０】
本発明の他面は、構造が簡単であり、静電誘起による摩擦式発電機を提供し、環境における普通な力学的エネルギーを電気的エネルギーへ変換することができる。
【００３１】
上記目的を実現するために、本発明は、静電誘起による発電機であって、前記発電機は第１の部品及び第２の部品を含み、前記第２の部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層及び第２の電極層は間隔を置いて設置され、かつ電気的に接続されており、前記第１の部品は前記第２の部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記第１の部品に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成される発電機を提供する。
【００３２】
好ましくは、前記第１の部品は、前記第２の部品の第１の電極層と接触して分離し、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させ、あるいは、前記第１の部品は、前記第２の部品の第１の電極層と互いにスライド摩擦し、摩擦過程において接触面積を変化させ、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させ、あるいは、第１の電極層と接触する前に、前記第１の部品は予め帯電している。
【００３３】
好ましくは、前記第１の部品の、前記第１の電極層と互いに接触可能な表面の形状及びサイズは一致している。
【００３４】
好ましくは、前記第１の部品と第２の部品の第１の電極層とが互いにスライドする表面は全てスムーズで平滑な表面であってもよく、全て凹凸構造の非平坦な表面であってもよい。
【００３５】
好ましくは、前記第１の部品と第１の電極層とが互いに接触可能な２つの表面のうちの少なくとも１つの表面に、物理又は化学的変性処理を施す。
【００３６】
好ましくは、前記第１の部品の、前記第１の電極層と接触可能な表面の材料は、絶縁材料又は半導体材料である。
【００３７】
好ましくは、前記第１の部品は前記第２の部品のいずれかの電極層に接触しなく、前記第１の部品は帯電物体である。
【００３８】
好ましくは、前記第１の部品の、第１の電極層の表面における投影サイズ及び形状は、第１の電極層のサイズ及び形状に一致している。
【００３９】
好ましくは、前記第１の部品は、エレクトレット材料である。
【００４０】
上記目的を実現するために、本発明は、静電誘起による発電機であって、前記発電機は第１の部品及び第２の部品を含み、前記第２の部品は、１つの第１の電極層と、１つの第２の電極層とからなり、前記第１の電極層及び第２の電極層は間隔を置いて設置され、かつ電気的に接続されており、前記第１の部品は前記第２の部品の第１の電極層に対して移動する時、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記第１の部品に帯電する電荷の電荷量を変化させ、静電誘起の作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流は形成され、前記第２の部品が摩擦層を更に含み、前記第２の部品の第１の電極層の前記被検体に向う面は前記摩擦層の下面に貼り付けられる発電機を提供する。
【００４１】
好ましくは、前記摩擦層の材料は絶縁材料又は半導体であり、前記摩擦層の厚さ範囲は、１０ｎｍ〜５ｃｍである。
【００４２】
好ましくは、前記第１の部品は、前記摩擦層の上面と接触して分離し、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させ、あるいは、前記第１の部品は、前記摩擦層の上面と互いにスライド摩擦し、摩擦過程において接触面積を変化させ、第１の部品を第２の部品の第１の電極層に対して移動させ、前記第１の部品の表面を帯電させる。
【００４３】
好ましくは、前記第１の部品の、前記摩擦層と互いに接触可能な表面の形状及びサイズは一致している。
【００４４】
好ましくは、前記第１の部品の、摩擦層と互いにスライドする表面は全てスムーズで平滑な表面であってもよく、全て凹凸構造の非平坦な表面であってもよい。
【００４５】
好ましくは、前記第１の部品と第１の電極層とが互いに接触可能な２つの表面のうちの少なくとも１つの表面に、物理又は化学的変性処理を施す。
【００４６】
好ましくは、前記第１の部品の、前記摩擦層と互いに接触可能な２つの表面の材料は絶縁材料、半導体又は導体材料であり、前記第１の部品の、前記摩擦層と互いに接触可能な２つの表面の材料に電極配列のばらつきがある。
【００４７】
好ましくは、前記第１の部品は、前記摩擦層及び第２の部品と接触しなく、前記第１の部品は帯電物体である。
【００４８】
好ましくは、前記第１の部品の、第１の電極層の表面における投影サイズ及び形状は、第１の電極層のサイズ及び形状に一致している。
【００４９】
好ましくは、前記第１の部品は、エレクトレット材料である。
【００５０】
好ましくは、分離層を更に含み、前記分離層は、前記第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層を分離し、両者を分離させて所定の相対位置を保持する。
【００５１】
好ましくは、前記分離層の材料は絶縁体材料である。
【００５２】
好ましくは、前記第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層はいずれも前記分離層に嵌め込まれ、少なくとも第１の電極層の上面が前記分離層に露出し、あるいは、前記分離層は、前記第１の電極層及び／又は第２の電極層を全て被覆し、あるいは、前記分離層及び前記第２の部品の２つの電極層は、積層するように設置され、第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層はそれぞれ分離層の上下面に設置される。
【００５３】
好ましくは、前記絶縁材料は以下の材料の１種又は複数種である：ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリイミド、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルムアルデヒド、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、ポリウレタンエラストマー、スチレンプロピレンコーポリマー、スチレンブタジエンコーポリマー、人造繊維、ポリメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、フェノール樹脂、クロロプレンゴム、ブタジエンプロピレンコーポリマー、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリエチレンビスフェノールカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、液晶高分子ポリマー、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル及びパリレン、羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、綿及びその織物、ポリウレタンエラストマー、木材、硬化ゴム、アセテート。
【００５４】
好ましくは、前記半導体材料は以下の材料の１種又は複数種である：ケイ素、ゲルマニウム、第ＩＩＩ及び第Ｖ族化合物、第ＩＩ及び第ＶＩ族化合物、ＩＩＩ-Ｖ族化合物及びＩＩ-ＶＩ族化合物からなる固溶体、非晶質のガラス半導体、有機半導体、非導電性の酸化物、及び複雑な酸化物半導体。
【００５５】
好ましくは、物理的変性を施した前記表面の一部又は全部にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造アレイが分布される。
【００５６】
好ましくは、化学的変性を施した前記表面の全部又は一部に、ナノメートル、ミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が分布され、前記微小構造は、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子、ナノ棒、ナノ花、ナノ溝、ミクロン溝、ナノコーン、ミクロンコーン、ナノボール及びミクロンボール構造、及び前記構造から形成されるアレイから選択される。
【００５７】
好ましくは、前記第１の電極層及び第２の電極層の材料は、金属または酸化インジウム・スズＩＴＯ、ＦＴＯ又は導電高分子材料である。
【００５８】
好ましくは、前記第１の部品、第１の電極層及び／又は第２の電極層はフレキシブル材料である。
【００５９】
好ましくは、前記第１の部品、第１の電極層、第２の電極層及び／又は摩擦層はフレキシブル材料である。
【００６０】
好ましくは、前記分離層はフレキシブル材料である。
【００６１】
相応的には、本発明は、静電誘起による発電方法を更に提供し、上記いずれか１項に記載の発電機を適用し、前記第１の部品が第１の電極層に対して移動し、前記第１の電極層のみが該被検体との静電誘起が生じ、前記第１の電極層に誘起された、前記第１の部品に帯電する電荷の電荷量を変化させるステップと、前記第１の電極層と第２の電極層との間に電荷流れを発生して電流を形成するステップと、を含む。
【００６２】
好ましくは、前記第１の部品が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、第１の部品と第１の電極層との表面が接触して分離し、第１の部品を帯電させることであり、あるいは、前記第１の部品が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、第１の部品と第１の電極層の表面とが互いにスライド摩擦し、スライド過程に接触面積を変化させ、第１の部品の表面を帯電させることであり、あるいは、前記第１の部品が第１の電極層に対して移動することは、具体的に、第１の部品が第１の電極層に対して移動し、常に第１の電極層と接触しなく、前記第１の部品が帯電することである。
【発明の効果】
【００６３】
従来技術と比べて、本発明は、以下の有益な効果を有する。
１、本発明に提供されるセンサにおいて、被検体と、センシング部品の第１の電極層又は第１の電極層に貼り付けられる摩擦層の表面とが互いに接触摩擦し、あるいはスライド摩擦し、被検体の表面を帯電させ、そして、被検体が第１の電極層又は摩擦層に対して接触・分離し、又はスライド摩擦するという２つの相対動きモードにおいて、第１の電極層における、被検体に帯電する電荷の電位を変化させ、センシング部品の２つの電極層間に電荷が流れ、電流を形成する。あるいは、被検体自身が帯電し、センシング部品のいずれの部分にも接触せずに、第１の電極層との相対位置が変化し、静電誘起の作用によって、電荷がセンシング部品の２つの電極層間に流れ、電流を形成してもよい。したがって、被検体が第１の電極層又は摩擦層に対して動く際に、センシング部品の２つの電極層が探知される動きを追跡する必要がなく、２つの電極層間の距離又は相対位置は、外部回路が接続される便宜性又は動作環境などの条件に応じて便宜に設置されることができる。本発明のセンサの使用範囲が広く、センサに外接電源を提供するという従来技術の欠陥を克服し、特に、電池の交換が不便である状況に対して、本発明のセンサは長期に、安定に動作することができる。
２、被検体は、半導体、絶縁体、さらに、導体であってもよく、被検体とセンシング部品との接触表面に、例えば、第１の電極層又は摩擦層に、材料表面の電子の取り込む能力のばらつきがあれば、被検体とセンシング部品とが接触して分離し、あるいは、相対的にスライド摩擦する際に、センサは、被検体の移動をセンシングすることができる。自身が帯電する被検体について、センシング部品の第１の電極層における、被検体が帯電する電荷の電位が変化すれば、センサは、その移動をセンシングする。したがって、本発明に提供されるセンサの適用範囲が広くて、異なる材料の被検体に適宜する。
３、センサの第１の電極層に摩擦層を設置し、センシング過程において、第１の電極層が被検体と直接に接触しなく、互いにスライドしなくて、センシング部品における電極層の磨耗を避け、センサの使用の耐久性を大きく向上させる。
４、センサに分離層を含んでもよく、シート状の２つの電極層をそれぞれ分離層の上下面に設け、このような複数層の構造により、センサの構造がコンパクトになると共に、他の部品と集積しやすい。
５、本発明の発電機において、第１の部品と、第２の部品の電極層又は第１の電極層に貼り付けられる摩擦層の表面とが互いに接触摩擦し、あるいはスライド摩擦し、第１の部品の表面を帯電させ、そして、第１の部品が第１の電極層に対して接触・分離し、又はスライド摩擦するという２つの相対動きモードにおいて、第１の電極層における、第１の部品に帯電する電荷の電位を変化させ、第２の部品の２つの電極層間に電荷が流れ、電流を形成する。あるいは、第１の部品自身が帯電し、第２の部品のいずれの電極層にも接触せずに、第１の電極層との相対位置が変化し、静電誘起の作用によって、電荷が第２の部品の２つの電極層間に流れ、電流を形成する。したがって、第１の部品が第１の電極層又は摩擦層に対して動く際に、第２の部品の２つの電極層が第１の部品の動きを追跡する必要がなく、２つの電極層間の距離又は相対位置は、外部回路が接続される便宜性又は動作環境などの条件に応じて便宜に設置されることができる。本発明の発電機の使用範囲が広く、日常生活における普通な力学的エネルギーを便利に電気的エネルギーへ変換することができる。
６、第２の部品の第１の電極層に摩擦層を設置し、発電過程において、第１の部品が第１の電極層に直接に接触しなく、互いにスライドしなく、第２の部品における電極層の磨耗を避け、発電機の使用の耐久性を大きく向上させる。
７、第１の部品に電極層を設置する必要がないため、第１の部品の構造に対して特別な要求がなく、発電機の作製過程を簡単化し、発電機の作製コストを効果的に低減することができる。
８、発電機に分離層を含んでもよく、シート状の２つの電極層をそれぞれ分離層の上下面に設け、このような複数層の構造により、発電機の構造がコンパクトになると共に、他の部品と集積しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
添付される図面によって、本発明の上記の目的及びその他の目的、特徴並びに利点は、より明らかになろう。図面において、同じ符号は、同じ部分を示す。実際のサイズに基づいて等比例的に拡大または縮小したものではなく、本発明の主旨を示すのにその目的がある。なお、本明細書には、特定値を含むパラメーターの例示が提供できるが、パラメーターは相応的な値と確実に同じである必要がなく、納得可能な誤差範囲又は設計約束内に相応的な値に近づいてもよい。また、以下の実施例に言及される、例えば「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」などの方向用語は、図面を参照する方向のみである。したがって、使用される方向用語は、本発明を説明するものであり、本発明を制限しない。
【図１】図１は、静電誘起によるセンサ又は発電機の実施例１の典型的な構造を示す模式図である。
【図２】図２は、被検体と実施例１のセンサとの接触・分離によるセンシングを示す模式図であり、本発明のセンサ又は発電機の実施例１の原理を示す模式図である。
【図３】図３は、被検体と実施例１のセンサとのスライド摩擦によるセンシングを示す模式図であり、本発明の発電機の実施例２の構造及び発電原理を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明のセンサの実施例１における第１の電極層と被検体との接触表面が凹凸構造であることを示す模式図であり、本発明の発電機の実施例２における第１の部品と第１の電極層との接触表面が凹凸構造であることを示す模式図である。
【図５】図５は、被検体と実施例１のセンサが接触せずに、電荷中心とセンサとの距離が変化してセンシングすることを示す模式図であり、本発明の発電機の実施例３の構造を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の発電機の実施例３の発電原理を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明のセンサ又は発電機の実施例４の構造及び発電原理を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明のセンサ又は発電機が分離層を含む構造を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明のセンサ又は発電機が分離層を含む構造を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明のセンサ又は発電機が分離層を含む構造を示す模式図である。
【図１１】図１１は、具体的なセンサ又は発電機の出力電圧の測定スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
以下、本発明の図面を参照しながら、本発明の実施例の技術案を明らかに説明する。もちろん、説明する実施例は、本発明の一部の実施例に過ぎず、全ての実施例ではない。本発明の実施例に基づいて、進歩性に値する労働なしに取得した全ての実施例も、本発明の保護範囲に含まれる。
【００６６】
次に、本発明に関して、模式図を参照しながら詳細に説明するが、本発明の実施例を詳細に説明するとき、前記模式図は説明の便宜上の例示に過ぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。
【００６７】
物体の移動に関する従来のセンサは、いずれも電池等の電源を必要としている。そして、センサに電源を提供することは、センサの応用に対して沢山の要求があり、悪環境の条件に適用されることができず、長期に独立して動作することも困難である。従来の摩擦式ナノ発電機の典型的な構造は、２つの摩擦層が互いに接触し又は分離する過程において、摩擦層に設けられる２つの電極層によって、パルス電気信号を外部回路に出力し、発電過程において、他方の電極層に対する一方の電極層の距離が変化しており、発電機の電極の接続が困難となると共に、摩擦式発電機の出力性能を保証するために、２つの摩擦層材料が接触し又は摩擦する必要があり、発電機の耐久性及び安定性を保証することができない。
【００６８】
本発明一形態は、静電誘起によるセンサを提供する。技術案は、以下の通りである：帯電被検体がセンシング部品の一方の導電素子に対して移動し、当該導電素子がセンシング部品の他方の導電素子に電気的に接続しており、被検体に帯電する電荷の当該導電素子における電位を変化させ、静電誘起作用によって、２つの導電素子間に電荷が流れ、２つの導電素子間に接続される負荷又は検出装置に電流が流れる。センサの動作過程において、被検体は、センシング部品の導電素子に直接に接触してもよく、互いにスライド摩擦を行い、又は、周期的に接触・分離してもよい。被検体は、センシング部品の導電素子に接触しなく、両者間の距離のみを変化させてもよい。このようなモードでは、被検体自身が帯電する必要があり、距離を変化させる過程において、被検体が帯電する電荷の導電素子における電位が変化する。本発明のセンサは、複数の動作モードを有してもよく、被検体の異なる動き方式のエネルギー収集に適応でき、広い適用範囲を有している。
【００６９】
本発明の別の形態は、静電誘起による発電機を提供する。技術案は、以下の通りである：帯電する第１の部品が一方の導電素子に対して移動し、当該導電素子が他方の導電素子に電気的に接続しており、第１の部品に帯電する電荷の当該導電素子における電位を変化させ、静電誘起作用によって、２つの導電素子間に電荷が流れ、２つの導電素子間に接続される負荷に電流が流れる。発電機の動作過程において、第１の部品は、導電素子に直接に接触してもよく、互いにスライド摩擦を行い、又は、周期的に接触・分離してもよい。第１の部品は、導電素子に接触しなく、両者間の距離のみを変化させてもよい。このようなモードでは、第１の部品自身が帯電する必要がある。本発明の発電機は、複数のモードを有することができ、第１の部品の異なる動き方式のエネルギー収集に適応でき、広い適用範囲を有している。
【００７０】
以下、図面を組み合わせて、本発明の静電誘起によるセンサ及び発電機の具体的な構造を詳細に説明する。
【００７１】
実施例１：
本実施例に提供される静電誘起センサの典型的な構造は、図１を参照して、被検体１の移動をセンシングするためのセンシング部品を含む。その中、センシング部品は、第１の電極層２と、それと協働する第２の電極層３からなり、第１の電極層２と第２の電極層３とは分けて設けられ、かつ電気的に接続されており、被検体１は、センシング部品の第１の電極層２に接触してから分離することができ、図１の矢印に示すように、被検体１の動きによって、被検体１に帯電する電荷の第１の電極層２における電位を変化させ、静電誘起作用によって、電荷は第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流を形成する。第１の電極層２と第２の電極層３との間には、検出装置４を接続し、センシング部品における電流を検出することができ、あるいは、負荷を接続し、センサが発生する電気的エネルギーによって負荷に給電することもできる。
【００７２】
上記原理によって発電機を作製することもできる。当該発電機は、上記センサの被検体を自身に含まれる部品とし、即ち、当該発電機は、第１の部品１及び第２の部品を含む。その中、第２の部品は、第１の電極層２と、それと協働する第２の電極層３からなり、第１の電極層２と第２の電極層３とは分けて設けられ、かつ電気的に接続されており、第１の部品１は、第２の部品の第１の電極層２に接触してから分離することができ、図１の矢印に示すように、第１の部品１の動きによって、第１の部品１に帯電する電荷の第１の電極層２における電位を変化させ、静電誘起作用によって、電荷は第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流を形成する。第１の電極層２と第２の電極層３との間には、検出装置４を接続し、発電機の電流を検出することができ、あるいは、負荷を接続し、発電機が負荷に対する給電を実現することもできる。
【００７３】
第１の部品１が帯電しない場合、第１の部品１が絶縁体又は半導体材料であり、第１の電極層２が導電材料であることを例として、発電機の動作原理を具体的に説明する。説明すべきであるのは、以下の通りである：本発明のセンサが発電機と類似する構造を有するため、発電機の動作原理がセンサにも同様に適用することができ、ここでは贅言しない。
【００７４】
図２を参照して、第１の部品１と第２の部品における第１の電極層２とは表面が接触する場合、両者の表面電子を取り込む・奪われる能力が異なるため、第１の電極層２は電子が奪われやすいが、第１の部品１の表面は電子を取り込みやすい。図２ａを参照し、両者の表面に同量、逆符号の電荷を発生している。第１の部品１と第１の電極層２とが分離した後に、図１ｂを参照し、第１の電極層２の正電荷に対する第１の部品１の表面に帯電する負電荷の束縛が弱くなり、静電誘起作用によって、第１の電極層２における正電荷は第２の電極層３に向かって流れ、第１の電極層２から第２の電極層３への電流を形成する。第１の部品１と第１の電極層２との距離が十分に遠い場合、第１の部品１の表面に帯電する負電荷が第１の電極層２の電荷に影響しないため、図２cを参照し、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電流が発生しない。表面に負電荷が帯電する第１の部品１が第１の電極層２に近づく場合、静電誘起作用によって、第１の電極層２における正電荷に対する第１の部品１の表面における負電荷の吸引が強くなり、第２の電極層３における正電荷は第１の電極層２に向かって流れ、図２ｄを参照し、図１ｂにおける電子の流れ方向とは逆であり、第２の電極層３から第１の電極層２への電流を形成している。第１の部品１が第１の電極層２の表面に再び接触するまでに、両者の表面における電荷が同量で、逆符号であり、図１ａを参照し、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電荷が流れない。第１の部品１が第２の部品の第１の電極層２に周期的に接触・分離する場合、第２の部品に第１の電極層２と第２の電極層３との間のパルス交流電流信号が発生する。
【００７５】
上記過程によれば、上記構造がセンサである場合、被検体としての第１の部品１とセンシング部品における第１の電極層２とが接触・分離した後に、外接電源が必要とされておらず、センサのセンシング部品は、非帯電の被検体とされる第１の部品１の移動を探知することができる。被検体としての第１の部品１とセンサのセンシング部品とが複数回接触・分離すれば、センシング部品に複数のパルス交流電流信号が発生する。
【００７６】
本実施例において、第１の部品１は、第１の電極層に接触する前に帯電してもよい。第１の部品が帯電する場合、第１の電極層に接触するとき、第１の部品が帯電する電荷は、第１の部品と第１の電極層との間に分布し直す。異なる材料の電荷束縛能力が異なるため、２つの接触面に電荷密度のばらつきがある。両者が互いに分離した後に、第１の部品１に一定の電荷が帯電し、第１の部品１と第１の電極層２との距離が変化する場合、静電誘起作用によって、第１の電極層と第２の電極層との間に電荷流れが形成され、電流が検出装置から出力される。第１の部品１が帯電する電荷は、充電等の他の方式によって取得されることができ、電荷の取得手段は、本発明のセンサの検出過程及び発電機の発電過程に影響を与えなく、本発明のセンサ又は発電機に対する制限ではない。
【００７７】
本実施例において、第２の部品における２つの電極層について、１つの電極層が第１の部品１と静電作用を発生すればよく、２つの電極層の位置は互いに入れ替えることができる。第１の電極層２と第２の電極層３との材料は同じであっでもよく、異なってもよい。第１の電極層２又は第２の電極層３の材料は、金属、酸化インジウム・スズ又は有機物導体から選択されることができる。本分野によく使用される金属は、金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、クロム又はセレン及びこれらの金属からなる合金を含み、有機物導体は、一般的に、導電高分子であり、ポリピロール、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタロシアニン系化合物、ポリアニリン及び／又はポリチオフェンを含む。
【００７８】
センサ又は発電機の発電原理から分かるように、第１の部品１の表面に帯電する電荷の数量は、センサまたは発電機が動作するキーポイントである。好ましくは、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面間の電子の取り込む・奪われる能力の相違が大きいほど、第１の部品１の表面に帯電する電荷が多くなる。好ましくは、第１の部品１と第１の電極層２とが接触する表面の材料は、絶縁体材料である。絶縁体材料において、ポリマー絶縁材料であることが好ましい。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリイミド、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルムアルデヒド、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、ポリウレタンエラストマー、スチレンプロピレンコーポリマー、スチレンブタジエンコーポリマー、人造繊維、ポリメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、フェノール樹脂、クロロプレンゴム、ブタジエンプロピレンコーポリマー、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリエチレンビスフェノールカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、液晶高分子ポリマー、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、及び、パリレン等を選択することができる。
【００７９】
なお、他の絶縁材料は第１の部品１と第１の電極層２とが接触する表面材料とされてもよい。例えば、よく見られる羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、綿及びその織物、ポリウレタンエラストマー、木材、硬化ゴム、アセテート等であってもよい。
【００８０】
第１の電極層は導電材料である。半導体材料と導電材料とは電子の取り込む・奪われる能力が異なっている。このため、第１の部品の第１の電極層に接触可能な表面の材料は、半導体であってもよく、ケイ素、ゲルマニウム、例えばヒ化ガリウム、リン化ガリウムなどの第ＩＩＩ及び第Ｖ族化合物と、例えば硫化クロム、硫化亜鉛などの第ＩＩ及び第ＶＩ族化合物と、例えばガリウム-アルミニウム-ヒ素、ガリウム-ヒ素-リンなどのＩＩＩ-Ｖ族化合物及びＩＩ-ＶＩ族化合物からなる固溶体を含む。上記結晶半導体以外、非結晶のガラス半導体、有機半導体等もある。非導電酸化物、半導体酸化物及び複雑酸化物も摩擦電気的特性を有しており、摩擦過程に表面電荷を形成することができる。したがって、本発明の第１の部品の材料とされることができる。例えば、マンガン、クロム、鉄、銅の酸化物であってもよく、シリカ、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、酸化銅、酸化亜鉛、ＢｉＯ２和Ｙ２Ｏ３も含む。
【００８１】
紙幅の限界の原因で、第１の部品１と第１の電極層２とが接触する表面の全ての材料を全て挙げることができない。ここでは、参照として、いくつかの具体的な材料を挙げる。もちろん、これらの具体的な材料は、本発明の保護範囲を限定する要素ではない。当業者は、発明の示唆の元で、これらの材料の摩擦電気的特性に基づいて、類似する他の材料を容易に選択することができるだろう。
【００８２】
センサ又は発電機において、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面のみは、センサの発電機の出力性能に影響を与える。第１の部品１の、第１の電極層２に接触可能な表面を上記の摩擦材料に限定すればよく、第１の部品１の他の部分を限定しない。したがって、第１の部品１は、全体的に均一材料であってもよく、複数層の構造又はコア・シェル構造であってもよい。
【００８３】
試験から分かるように、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面の材料間の電子の取り込む・奪われる能力の相違が大きいほど、第１の部品１の表面に帯電する電荷量が多くなり、センサまたは発電機から出力される電気信号が強くなる。したがって、上記材料に基づき、簡単な比較試験によって、適宜な材料を、第１の部品１と第１の電極層２とが接触する表面の材料とし、最適な電気信号出力性能を取得することができる。
【００８４】
なお、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する２つの表面は、硬質材料であってもよく、フレキシブル材料であってもよい。材料の硬さは、センサ又は発電機の発電性能に著しい影響を与えないが、本発明のセンサ又は発電機の適用範囲を拡大することができる。
【００８５】
センサまたは発電機の動作過程において、第１の部品１の表面に帯電する電荷の数量がセンサ又は発電機の出力性能に影響を与える以外、第１の部品１と第２の部品の第１の電極層２とが分離する距離もセンサ又は発電機の出力性能に影響を与える。分離距離が大きいほど、センサ又は発電機の出力信号が強くなる。研究過程に分かるように、分離距離がデバイスのサイズより大きい場合、特に、第１の部品１又は第１の電極層２が互いに接触する表面の最大長さより大きい場合に、センサ又は発電機の出力信号に対する分離距離の変化の影響は大きくない。好ましくは、第１の部品１と第１の電極層２との分離距離は１μｍより大きく、より好ましくは、１μｍ〜１０ｃｍであり、さらに好ましくは、１ｍｍ〜２ｃｍである。
【００８６】
本発明に記載の「表面の最大長さ」とは、表面の各方向における最大長さである。例えば、長方形の長辺の長さ又は円形表面の直径長さであり、不規則表面について、具体的な測定によって表面の最大長さを特定することもできる。
【００８７】
実施例におけるセンサ又は発電機については、第２の部品に対する第１の部品１の相対動きは複数の方式によって実現することができる。例えば、第２の部品を固定し、特に、第２の部品における第１の電極層２を固定し、第１の部品１を往復運動の部品に固定して、往復運動の部品により、センサ又は発電機の第１の部品１が往復運動を行い、第２の部品に対する第１の部品１の接触・分離を実現する。他の実施例において、第１の部品１と第１の電極層２との間に弾性接続部品を設けて、第１の部品１が第１の電極層２に近づいたり、離れたりする往復運動を行う目的を実現することもできる。上記目的を実現する技術手段は複数種類があり、距離を制御する本分野における常用な部品を採用することができる。例えば、第１の部品１と第１の電極層２との間に絶縁バネ等の部品を接続することができる。用いられるバネが第１の部品１と第１の電極層２との間の相対動きを制限しないことに注意すべきである。なお、本発明のセンサについて、被検体としての第１の部品は、例えば、走行する人の靴底などの自由に動いている物体であってもよい。本発明の発電機について、第１の部品１は、自由に動いている物体であってもよく、第１の電極層に周期的に接触・分離することができ、あるいは、第１の部品１を他の動き物体に固定して他の製品に組み合わせて用いられてもよく、他の製品の動きにより、第１の部品１と第１の電極層２とが相対的に動き、発電機の発電を実現する。
【００８８】
本実施例において、第１の部品１は、第２の部品に対して独立して動いている物体であり、それに電極層が接続されていない。このため、第１の部品の厚さ、サイズ及び形状が特に限定されていない。第１の部品１と第１の電極層２とが接触する際に帯電する表面電荷量を向上させるために、第１の部品１は、全体として、ブロック、平板、シート又はフィルムであってもよい。好ましくは、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面の形状及びサイズは相当しており、同じであることが好ましい。これにより、第１の部品１と第１の電極層２の表面とが接触する際における接触面積を最大にし、第１の部品１の表面電荷量を向上させる目的を実現し、センサの動作性能又は発電機の出力性能を向上させることができる。
【００８９】
本発明において、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面は、平面であってもよく、曲面であってもよい。第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面はいずれも曲面であり、互いの接触を同様に実現することができる。好ましくは、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面が同時に平面又は曲面構造であり、これにより、両者の接触過程に接触面積が最大である時点が出現することを保証する。好ましくは、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面は、例えば、曲率が同じであり、かつ面積が同じである曲面、という形状が相補である曲面である。これにより、互いに接触する際に、第１の部品１と第１の電極層２とが互いに接触する表面が完全に接触することを保証する。
【００９０】
本発明のセンサにおいて、被検体としての第１の部品１の形状によれば、第１の電極層２と被検体１とが接触する表面の形状を柔軟に選択することができ、平面であってもよく、曲面であってもよい。被検体１と第１の電極層２とが互いに接触する表面はいずれも曲面であり、互いの接触を同様に実現することができる。好ましくは、被検体１と第１の電極層２とが互いに接触する表面が同時に平面又は曲面構造であり、これにより、両者の接触過程に接触面積が最大である時点が出現することを保証する。好ましくは、被検体１と第１の電極層２とが互いに接触する表面は、例えば、曲率が同じであり、かつ面積が同じである曲面、という形状が相補である曲面である。これにより、互いに接触する際に、被検体１と第１の電極層２とが互いに接触する表面が完全に接触することを保証する。
【００９１】
本発明のセンサにおいて、上記被検体とセンシング部品の第１の電極層との接触・分離の動作モード以外、センシング部品と被検体とがスライド摩擦を行う動作モードもある。センシングの動作過程については、図３を参照し、被検体１１の下面と第１の電極層２の上面とが互いに接触摩擦することを例として、説明の便宜上、ここでは、被検体１１の下面と第１の電極層２上面との形状及びサイズを同じにするが、実際には第１の電極層３の上面と被検体１１の下面との形状及び面積を厳格に限定しなく、同じであってもよく、異なってもよい。初期状態において、被検体１１の下面と第１の電極層２の上面とは、接触してもよく、接触しなくてもよい。外力Ｆ作用によって接触した後に（図３ａ参照）、第１の電極層２の上面と被検体１１の下面との材料に電極配列のばらつきがあるため、両者間に電子の取り込む・奪われる能力のばらつきがある。被検体１１の下面の電子取り込む・奪われる能力が強いが第１の電極層２の上面に電子が奪われやすいことを例として、被検体１１の下面と第１の電極層２の上面とが接触する際に、表面電荷が移動し、第１の電極層２の上面が正電荷を帯電し、被検体１１の下面が負電荷を帯電し（図３ａに示すように）、２つの電荷の電量が同じであるため、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電位差がなく、電荷が流れない。外力Ｆ（センシング部品に対する被検体の動きを駆動する力）の作用によって、被検体１１下面と第１の電極層２上面とが相対的にスライドして接触面積を変化させた（低減させた）後に、第１の電極層２の上面と被検体１１下面との間の電荷のバランスを破壊し、第１の電極層２における正電荷に対する被検体１１における負電荷の束縛作用が低減し、電子は第２の電極層３から第１の電極層２へ流れ、図３ｂに示すように、例えば電流計という第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される検出装置４に、電流が流れる。図３ｃに示すように、外力作用によって、被検体１１の下面と第１の電極層２の上面とが完全に分離し、被検体１１の下面に帯電する負電荷の、第１の電極層２における電荷に対する排斥が足りなく、第１の電極層２と第２の電極層３との間の電荷が流れなく、検出装置４は電流を検出することができない。図３ｄに示すように、逆方向の外力Ｆにより、被検体１１の下面と第１の電極層２の上面とが相対的にスライドし、接触面積を変化（増大）させ、第１の電極層２における正電荷に対する被検体１１における負電荷の排斥作用によって、電子は、第１の電極層２から第２の電極層３へ流れ、第１の電極層２と第２の電極層３との間の接触装置４に、電流が流れる。被検体１１の下面と第１の電極層２の上面とが完全に接触した後に、被検体１１の下面と第１の電極層２の上面との正電荷・負電荷はバランスに達しており、この場合、電子は第１の電極層２と第２の電極層３との間に流れていない。図３ａに示すように、第１の電極層２と第２の電極層３との間の検出装置４に電流信号が観察されることができない。図３ａ〜図３ｄの過程に従って往復に行って、第１の電極層３と第２の電極層４との間にパルス電流を形成する。被検体１１が第１の電極層に対する単一方向の動きのみを有する場合、互いに接触・摩擦する面積が変化すれば、検出装置３に電流が検出されることができる。
【００９２】
第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触スライド可能な表面は、平面であってもよく、曲面であってもよい。好ましくは、第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触スライド可能な表面形状はマッチングしており、第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触スライド可能な表面形状及びサイズは相当しており、同じであることが好ましい。互いにスライドする過程において、接触面積が最大である時点がある。例えば、第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触スライド可能な表面は、曲率が同じである弧面である。
【００９３】
第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触する表面がスムーズで平滑な表面である場合、第１の電極層２と被検体１１との相対スライドの空間が大きい必要がある。そして、第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触する表面のサイズのばらつきが大きい場合、第１の電極層２と被検体１１とが互いにスライド摩擦する過程に接触面積を変化させ電気信号を発生する要求を満たすために、大きいスライド距離が必要である。したがって、被検体１１の下面が非平坦な表面である場合について、本発明のセンサにおいて、第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触可能な表面は、非平坦な表面であってもよく、第１の電極層２と被検体１１とが互いにスライドする際に、２つの表面は完全に接触しなく、図４を参照して、第１の電極層２と被検体１１とが互いに接触可能な表面はいずれも凹凸構造の非平坦な表面であり、外力作用によって第１の電極層２と被検体１１とが相対的にスライドする場合、小さいスライド距離だけで大きい接触面積を変化させ、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される検出装置４に電流が流れる。本実施例において、被検体１１と第１の電極層とが互いに接触可能な表面におけるいずれかの表面が小さい場合に用いられることができ、互いに接触する２つの表面を非平坦な表面にし、外力作用によって、第１の電極層２と被検体１１とが接触する表面が互いに摩擦する際に、小さい移動範囲だけで摩擦面積の変化を満たすことができ、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーにし、被検体移動に対するセンシングを行う。
【００９４】
好ましくは、第１の電極層２と被検体１１とが接触する表面の凹凸構造は周期的な凹凸構造であり、選択可能な周期的な凹凸構造は、等間隔で平行に配列されるテープ構造、碁盤構造などの周期的な構造がある。
【００９５】
本実施例のセンサにおいて、第１の電極層の被検体１１と接触可能な表面に対して物理または化学的変性処理を行うこともできる。物理的変性は具体的に以下のようなものである：表面にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が部分的又は全部的に分布され、第１の電極層２と被検体１１との間の接触面積を増加させ、被検体の表面に帯電する電荷量を増大することができる。前記微小構造は、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子、ナノ棒、ナノ花、ナノ溝、ミクロン溝、ナノコーン、ミクロンコーン、ナノボール及びミクロンボール構造、及び前記構造から形成されるアレイであることが好ましく、特に、ナノワイヤ、ナノチューブ又はナノ棒からなるナノアレイは、フォトエッチング法、プラズマエッチング法などの方法によって作製される線状、立方体、又は四角錐形状のアレイであってもよく、アレイの各セルのサイズは、ナノ〜ミクロンレベルであり、具体的なマイクロナノ構造のセルのサイズ、形状は、本発明の範囲を制限すべきではない。ナノ材料の修飾又は塗布層によって当該目的を実現することもできる。第１の電極層の表面に対して化学的変性を施して、接触する瞬間の電荷の移動量を更に向上させることもできる。これにより、接触電荷の密度及び発電機の出力パワーを向上させることができる。化学的変性は、以下の２つの方法に分けられる。
【００９６】
１つの方法としては、互いに接触する第１の電極層２及び被検体１１の材料に対して、２つの材料の極性に基づいて、第１の電極層２の材料の極性が正であれば、材料の表面に電子を奪われやすい官能基（即ち、強い電子供与基）を導入し、あるいは、第１の電極層２の材料の極性が負であれば、材料の表面に、電子を取込みやすい官能基（即ち、強い電子吸引基）を導入することで、互いに接触し又はスライドする時の電荷の移動量を向上し、被検体の表面に帯電する電荷の密度及びセンシング感度を向上させる方法である。強い電子供与基は、アミノ基、ハイドロキシ、アルコキシル基などを含む。強い電子吸引基は、アシル基、カルボキシル基、ニトロ基、スルホン酸基などを含む。官能基の導入は、プラズマの表面変化などの普通の方法を使用することができる。例えば、酸素と窒素の混合ガスを、所定のパワーでプラズマを形成させることにより、アミノ基を摩擦層を構成する材料の表面へ導入してもよい。
【００９７】
もう１つの方法としては、極性が正である材料の表面に正の電荷を導入し、極性が負である材料の表面に負の電荷を導入する方法である。具体的には、化学結合によって実現することができる。例えば、ポリジメチルシロキサンＰＤＭＳ摩擦層の表面に、ゾル・ゲル法（ｓｏｌ−ｇｅｌ）により、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を修飾して負の電荷を帯電させる。金薄膜層上において、金−硫の結合により、表面に臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）が含有される金ナノ粒子を修飾する。臭化セチルトリメチルアンモニウムが陽イオンであるため、材料全体は正に帯電する。当業者は、選択される材料が電子を取込む性質及び電子を奪われる性質並びに表面化学結合の種類に基づいて、適合する修飾材料を選択し結合させて、本発明の目的を達成することができる。したがって、このような変形も本発明の保護範囲内に属する。
【００９８】
本実施例のセンサについて、被検体とセンシング部品とが接触・分離し、あるいは、互いにスライドするという動作モード以外、被検体自身に帯電する場合、被検体は、センシング部品の第１の電極層２に対して移動することができ、動き過程において、被検体は、センシング部品のいずれかの電極層に接触しない。図６の矢印に示すように、被検体１２が予め負電荷を帯電するように設定し、特に、被検体１２の第１の電極層２に対面する表面が負電荷を帯電する。被検体１２が第１の電極層２に近づく場合、被検体１２と第１の電極層２との間の静電誘起により、被検体１２に帯電する負電荷が第１の電極層２における負電荷に対して排斥作用を有するため、図６ａを参照し、センシング部品の第１の電極層２と第２の電極層３との間に電荷の流れを形成し、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される検出装置４は、第２の電極層３から第１の電極層２への電流を検出することができる。図６ｂを参照し、被検体１２が第１の電極層から離れる場合、第１の電極層２における負電荷に対する被検体１２に帯電する負電荷の排斥作用が低減し、センシング部品の第１の電極層２と第２の電極層３との間に逆方向の電荷流れが形成され、第１の電極層と第２の電極層との間に接続される検出装置４は、第１の電極層２から第２の電極層３への電流を検出することができる。図６に示すセンシング動作過程に、被検体１２は第１の電極層に対して鉛直方向に動き、その動作原理は、被検体１２と第１の電極層２とが対向する表面間の距離が変わらない（即ち、被検体１２が第１の電極層に平行する方向に沿って動く）状況にも適用されることができる。なお、このような動作モードにおいて、センシング部品が帯電してもよく、帯電しなくてもよい。センシング部品の２つの電極層自身が帯電しても、被検体１２が第１の電極層に対して移動する場合、被検体１２の表面に帯電する電荷が第１の電極層に発生する電位も変化し、電流は第１の電極層と第２の電極層との間に流れる。
【００９９】
被検体１２に帯電する電荷は、センシング部品以外の他の物体との摩擦によって取得されてもよく、動作前にセンシング部品との摩擦によって取得されてもよく、充電などの他の方式によって取得されてもよい。電荷の取得手段は、本発明のセンシング過程に対して影響を与えなく、本発明のセンサに対する制限ではない。
【０１００】
被検体１２と第１の電極層２とが対向する表面間の距離が変化する動き方式について、第１の電極層２と被検体１２との間の最小距離範囲は、被検体１２に対向する第１の電極層２の表面の最大長さの０.０１倍であり、最大距離範囲は、被検体１２に対向する第１の電極層２の表面の最大長さの１０倍である。
【０１０１】
被検体１２と第１の電極層３とが対向する表面間の距離が変化しない動き方式について、被検体１２と第１の電極層２との間の距離範囲は、被検体１２に対向する第１の電極層２の表面の最大長さの０.１〜１０倍である。本実施例において、被検体１２と第１の電極層とが対向する表面の形状及びサイズが相当することが好ましく、同じであることがより好ましい。これにより、被検体１２の移動を保証する。静電誘起作用によって、被検体１２の電荷に基づいて第１の電極層２と第２の電極層３との間の電荷流れを発生させる。
【０１０２】
実際な静電誘起によるセンサについて、被検体が第１の電極層に対して移動し、上記した３つの相対移動の組み合わせであってもよく、被検体が第１の電極層に対して単一の動き方式で動くことに限定しない。
【０１０３】
実施例２：
本実施例に提供される静電誘起発電機の典型的な構造について、同様に図３を参照する。発電機は、第１の部品１１及び第２の部品を含む。その中、第２の部品は、実施例１と同じであり、１つの第１の電極層２と、それと協働する１つの第２の電極層３とからなる。第１の電極層２と第２の電極層３とが間隔を置いて設けられ、かつ電気的に接続される。外力Ｆの作用によって、第１の部品１１の表面と第２の部品の第１の電極層２とが互いに接触してスライド摩擦を発生する。そして、スライド過程に接触面積が変化し、第１の電極層２に対する第１の部品１１のスライドにより、第１の部品１１に帯電する電荷の第１の電極層２における電位が変化し、静電誘起作用によって、電荷が第１の電極層と第２の電極層との間に流れ、電流を形成する。第１の電極層２と第２の電極層３との間に検出装置４を接続すると、発電機の電流を検出することができ、あるいは、負荷を接続して発電機から負荷に対する電力供給を実現することができる。
【０１０４】
以下、図面を参照して、本実施例の発電機の動作原理を詳細に説明する。第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面とが互いに接触摩擦することを例とする。説明の便宜上、ここでは、第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面との形状及びサイズが同じであるように設定するが、実際に、第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面との形状及び面積を厳格に制限しなく、同じであってもよく、異なってもよい。図３を参照して、発電機の動作原理は、以下の通りである。初期状態において、第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面とが接触してもよく、接触しなくてもよい。外力Ｆの作用によって接触した後に（図３ａを参照する）、第１の電極層２の上面と第１の部品１１の下面との材料に電極配列ばらつきがあるため、両者間に電子の取り込む・奪われる能力が異なっている。第１の部品１１の下面における電子の取り込む・奪われる能力が強いが第１の電極層２の上面に電子が奪われやすいことを例として、第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面とが接触する際に、表面電荷の移動が発生し、第１の電極層２の上面が正電荷を帯電し、第１の部品１１の下面が負電荷を帯電する（図３ａに示すように）。２つの電荷の電量が同じであるため、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電位差がなく、電荷が流れない。外力Ｆの作用によって、第１の部品１１の下面は第１の電極層２の上面に対してスライドし、接触面積を変化（減少）させた後に、第１の電極層２の上面と第１の部品１１の下面における電荷のバランスを破壊し、第１の電極層２における正電荷に対する第１の部品１１における負電荷の束縛作用は低減する。したがって、電子は第２の電極層３から第１の電極層２へ流れ、図３ｂに示すように、電流は、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される負荷または電流計４に流れる。外力作用によって、第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面とが完全に分離した場合、図３ｃに示すように、第１の電極層２における電荷に対する第１の部品１１の下面に帯電する負電荷の排斥は、第１の電極層２と第２の電極層３との間の電荷流れを引き起こしなく、電子は負荷または電流計４に流れない。逆方向の外力Ｆによって第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面とが相対的にスライドし、接触面積を変化（増大）させる場合、図３ｄに示すように、第１の電極層２における正電荷に対する第１の部品１１における負電荷の排斥作用によって、電子は第１の電極層２から第２の電極層３へ流れ、電流は第１の電極層２と第２の電極層３との間の負荷または電流計４に流れる。第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面とが完全に接触した後に、第１の部品１１の下面と第１の電極層２の上面との正電荷・負電荷がバランスに達することになり、この場合、電子は第１の電極層２と第２の電極層３との間に流れなく、図３ａに示すように、第１の電極層２と第２の電極層３との間の電流計または負荷４に電流信号が観察されることができない。図３ａ〜図３ｄの過程に従って往復に行って、第１の電極層２と第２の電極層３との間にパルス電流を形成する。
【０１０５】
本実施例において、発電機の各部分の材料及び構造が実施例１と同じであるため、ここでは贅言しない。
【０１０６】
第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触してスライドする表面は、平面であってもよく、曲面であってもよい。好ましくは、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触してスライドする表面の形状がマッチングし、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触してスライドする表面の形状及びサイズが相当しており、同じであることがより好ましい。互いにスライドする過程に、接触面積が最大である時点がある。例えば、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触してスライドする表面は、曲率が同じである弧面である。
【０１０７】
第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触する表面がスムーズで平滑な表面である場合、第１の部品１１と第１の電極層２との相対スライドの空間が大きい必要がある。そして、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触する表面のサイズのばらつきが大きい場合、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いにスライド摩擦する過程に接触面積を変化させる要求を満たすことができない。したがって、本発明の発電機において、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触可能な表面は、非平坦な表面であってもよい。第１の部品１１と第１の電極層２とが互いにスライドする際に、２つの表面が非完全に接触し、図４を参照し、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触する表面はいずれも凹凸構造の非平坦な表面である。外力作用によって、第１の部品１１と第１の電極層２とが相対的にスライドする場合、小さいスライド距離だけで大きい接触面積の変化を発生することができ、電流は、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される負荷４に流れる。本実施例において、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触可能な表面のいずれかの表面が比較的に小さい場合に適用されることができる。互いに接触する２つの表面を非平坦な表面にし、外力作用によって、第１の部品１１と第１の電極層２との接触表面が互いに摩擦する際に、小さい移動範囲で摩擦面積の変化を満たすことができ、これにより、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。
【０１０８】
好ましくは、第１の部品１１と第１の電極層２とが互いに接触可能な表面の凹凸構造は周期的な凹凸構造であり、選択可能な周期的な凹凸構造は、等間隔で平行に配列されるテープ構造、碁盤構造等の周期的な構造である。
【０１０９】
本実施例及び第１の実施例の発電機において、第１の部品と第１の電極層と接触可能な２つの表面に対して物理または化学的変性処理を行うこともできる。物理変性は具体的に以下のようなものである：表面にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が部分的又は全部的に分布され、第１の部品と第１の電極層との間の接触面積を増加させ、第１の部品の表面に帯電する電荷量を増大することができる。前記微小構造は、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子、ナノ棒、ナノ花、ナノ溝、ミクロン溝、ナノコーン、ミクロンコーン、ナノボール及びミクロンボール構造、及び前記構造から形成されるアレイであることが好ましい。く、特に、ナノワイヤ、ナノチューブ又はナノ棒からなるナノアレイは、フォトエッチング法、プラズマエッチング法などの方法によって作製される線状、立方体、又は四角錐形状のアレイであってもよく、アレイの各セルのサイズは、ナノ〜ミクロンレベルであり、具体的なマイクロナノ構造のセルのサイズ、形状は、本発明の範囲を制限すべきではない。ナノ材料の修飾又は塗布層によって当該目的を実現することもできる。互いに接触する第１の部品及び／又は第１の電極層の表面に対して化学的変性を施して、接触する瞬間の電荷の移動量を更に向上させることもできる。これにより、接触電荷の密度及び発電機の出力パワーを向上させることができる。化学的変性は、以下の２つの方法に分けられる。
【０１１０】
１つの方法としては、互いに接触する第１の部品及び第１の電極層の材料に対して、極性が正である材料の表面に電子を奪われやすい官能基（即ち、強い電子供与基）を導入し、あるいは、極性が負である材料の表面に、電子を取込みやすい官能基（即ち、強い電子吸引基）を導入することで、互いに接触し又はスライドする時の電荷の移動量を向上し、第１の部品の表面に帯電する電荷の密度及びセンシング感度を向上させる方法である。強い電子供与基は、アミノ基、ハイドロキシ、アルコキシル基などを含む。強い電子吸引基は、アシル基、カルボキシル基、ニトロ基、スルホン酸基などを含む。官能基の導入は、プラズマの表面変化などの普通の方法を使用することができる。例えば、酸素と窒素の混合ガスを、所定のパワーでプラズマを形成させることにより、アミノ基を摩擦層を構成する材料の表面へ導入してもよい。
【０１１１】
もう１つの方法としては、極性が正である材料の表面に正の電荷を導入し、極性が負である材料の表面に負の電荷を導入する方法である。具体的には、化学結合によって実現することができる。例えば、ポリジメチルシロキサンＰＤＭＳ摩擦層の表面に、ゾル・ゲル法（ｓｏｌ−ｇｅｌ）により、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を修飾して負の電荷を帯電させる。金薄膜層上において、金−硫の結合により、表面に臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）が含有される金ナノ粒子を修飾する。臭化セチルトリメチルアンモニウムが陽イオンであるため、材料全体は正に帯電する。当業者は、選択される材料が電子を取込む性質及び電子を奪われる性質並びに表面化学結合の種類に基づいて、適合する修飾材料を選択し結合させて、本発明の目的を達成することができる。したがって、このような変形も本発明の保護範囲内に属する。
【０１１２】
実施例１及び実施例２の発電機について、第１の部品はいずれも第２の部品に対して独立して動く物体であり、発電機が電気信号を出力するための電極を第１の部品に設ける必要がなく、電気的に接続される２つの電極はいずれも第２の部品に設けられる。実際な適用環境に基づいて２つの電極層を固定し、その距離または相対位置を、外部回路に接続される便宜性または動作環境などの条件に基づいて設置することができ、発電機の動作過程における電極層の移動による問題を考慮する必要がない。これにより、発電機の１つの電極が動いている第１の部品と常に一緒に移動するという従来技術の欠陥を避けている。
【０１１３】
実施例３：
本実施例に提供される発電機の典型的な構造については、図５を参照する。発電機は、第１の部品１２及び第２の部品を含む。その中、第２の部品は、１つの第１の電極層２と、それと協働する１つの第２の電極層３とからなり、第１の電極層２と第２の電極層３とは間隔を置いて設けられ、かつ電気的に接続されている。第１の部品１自身が帯電しており、第２の部品の第１の電極層２に対して移動することができる。動き過程に第１の部品と第２の部品のいずれかの電極層とが接触しなく、図５の矢印に示すように、第１の部品１２の動きにより、第１の電極層２における第１の部品１２に帯電する電荷の電位が変化し、静電誘起の作用によって、電荷は第１の電極層２と第２の電極層３との間に流れ、電流を形成する。第１の電極層２と第２の電極層３との間に検出装置４を接続して、発電機の電流を検出することができ、あるいは、負荷を接続して発電機から負荷への電力供給を実現することができる。
【０１１４】
本実施例における発電機の動作過程は、実施例１のセンサに類似しており、同様に図６を参照し、第１の部品１２が負電荷を帯電するように設定し、特に、第１の電極層２に対向する第１の部品１２の表面が負電荷を帯電し、第１の部品１２が第１の電極層２に近づく場合、第１の部品と第１の電極層との間の静電誘起により、第１の部品１２に帯電する負電荷は、第１の電極層２における負電荷に対して排斥作用を有し、第２の部品の第１の電極層２と第２の電極層３との間に電荷流れが形成され、図６ａを参照し、第１の電極層と第２の電極層との間に接続される検出装置４は、第２の電極層３から第１の電極層２への電流を検出することができる。第１の部品１２が第１の電極層から離れる場合、第１の電極層２における負電荷に対する第１の部品１２に帯電する負電荷の排斥作用が低減し、図６ｂを参照し、第２の部品の第１の電極層２と第２の電極層３との間に逆方向の電荷流れが形成され、第１の電極層と第２の電極層との間に接続される検出装置４は、第１の電極層２から第２の電極層３への電流を検出することができる。図６に示す発電機において、第１の部品１２は第１の電極層に対して鉛直方向に動き、その発電原理は、第１の部品１２と第１の電極層２とが対向する表面間の距離が変わらない（即ち、第１の部品１２は、第１の電極層に平行する方向に沿って動く）状況にも適用されることができる。
【０１１５】
なお、本実施例において、第２の部品は、帯電してもよく、帯電しなくてもよい。第２の部品の２つの電極層自身が帯電しても、第１の部品１２が第１の電極層に対して移動する場合、第１の部品１２の表面に帯電する電荷が第１の電極層に発生する電位も変化し、電流は第１の電極層と第２の電極層との間に流れる。
【０１１６】
第１の部品１２に帯電する電荷は、発電機以外の他の物体との摩擦によって取得されてもよく、動作前に発電機自身の第２の部品との摩擦によって取得されてもよく、充電などの他の方式によって取得されてもよい。電荷の取得手段は、本発明の発電過程に対して影響を与えなく、本発明の発電機に対する制限ではない。
【０１１７】
第１の部品１２と第１の電極層２とが対向する表面間の距離が変化する動き方式について、第１の部品１２と第１の電極層２との間の最小距離範囲は、第１の電極層２に対向する第１の部品１２の表面の最大長さの０.０１倍であり、最大距離範囲は、第１の電極層２に対向する第１の部品１２の表面の最大長さの１０倍である。
【０１１８】
第１の部品１２と第１の電極層２とが対向する表面間の距離が変化しない動き方式について、第１の部品１２と第１の電極層２との間の距離範囲は、第１の電極層２に対向する第１の部品１２の表面の最大長さの０.１〜１０倍である。本実施例において、第１の部品が第１の電極層の表面に投影する投影形状及びサイズと第１の電極層の形状及びサイズとが相当することが好ましく、同じであることがより好ましい。これにより、第１の部品１２の移動を保証し、静電誘起の作用によって、第１の部品１２の電荷で第１の電極層２と第２の電極層３との間に電荷を流せることができる。
【０１１９】
本実施例の発電機が非接触モードで長期に、安定に動作させ、摩擦によって静電荷を補充する必要がなくするために、第１の電極層２に対して移動する第１の部品１２は、良好な静電荷保持能力を有する必要がある。したがって、絶縁体材料及び半導体材料から選択されることができ、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレンプロピレン、石英、パーフルオロ環状ポリマーなどの静電荷を「擬似永久」に保持できるエレクトレット材料であることが好ましい。このように、第１の部品１２は、摩擦作用又は他の方式によって静電荷を帯電し、長く保持することができる。その中、絶縁体は常用な有機ポリマー材料及び天然材料から選択されることができ、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリイミド、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルムアルデヒド、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、ポリウレタンエラストマー、スチレンプロピレンコーポリマー、スチレン-アクリロニトリルコーポリマー、スチレン-ブタジエンコーポリマー、ポリアミドナイロン１１、ポリアミドナイロン６６、羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、人造繊維、棉及びその織物、木材、硬化ゴム、ポリメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタンエラストマー、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、フェノール樹脂、クロロプレンゴム、ブタジエンプロピレンコーポリマー、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリエチレンビスフェノールカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、液晶高分子ポリマー、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、アセテート、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、及び、パリレンＣ、パリレンＮ、パリレンＤ、パリレンＨＴ又はパリレンＡＦ４を含むパリレンを含む。
【０１２０】
常用な半導体は、ケイ素、ゲルマニウム、例えばヒ化ガリウム、リン化ガリウムなどの第ＩＩＩ及び第Ｖ族化合物と、例えば硫化クロム、硫化亜鉛などの第ＩＩ及び第ＶＩ族化合物と、例えばガリウム-アルミニウム-ヒ素、ガリウム-ヒ素-リンなどのＩＩＩ-Ｖ族化合物及びＩＩ-ＶＩ族化合物からなる固溶体を含む。上記結晶半導体以外、非晶質のガラス半導体、有機半導体等も含む。例えば、マンガン、クロム、鉄又は銅の酸化物、酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、酸化銅、酸化亜鉛、ＢｉＯ２、及び、Ｙ２Ｏ３のような、非導電酸化物、半導体酸化物和複雑酸化物も本発明の第１の部品１０の帯電表面とされることができる。
【０１２１】
第１の部品１２の裏面に金属電極が堆積する必要がないため、その厚さに対して特別な要求がない。体材料であってもよく、フィルム材料であってもよい。これにより、本発明の発電機の適用範囲が大きく拡大される。例えば、薄層状の第１の部品１２を移動物体に貼り付け、第１の部品１２と第２の部品との相対動きを制御することができる。
【０１２２】
第２の部品における２つの電極層の材料や構造などは、いずれも第１の実施例及び第２の実施例と同じであってもよく、ここでは贅言しない。
【０１２３】
静電誘起による実際な発電機について、第１の部品は第１の電極層に対して移動するが、上記した３つの相対移動の組合せであってもよく、第１の部品が第１の電極層に対して単一の動き方式で移動することに限られない。
【０１２４】
実施例４：
上記した３つの実施例のセンサ又は発電機において、いずれも摩擦層を含んでもよい。センシング部品（又は、発電機の第２の部品）の第１の電極層を摩擦層の下面に貼り付け、第１の電極層が他の物体と直接に接触しなく、センサ又は発電機の第２の部品を保護することができる。センサ又は発電機の摩擦層は、帯電してもよく、帯電しなくてもよい。摩擦層と第１の電極層との相対位置が変化しないため、帯電する第１の部品が第１の電極層に対して移動する際に、摩擦層は第２の部品における第１の電極層と第２の電極層との間の電荷の移動に影響を与えない。
【０１２５】
本実施例において、センサ又は発電機の典型的な構造については、図７を参照する。センサ又は発電機は第１の部品１３を含み、第２の部品は、第１の電極層２と第２の電極層３とが電気的に接続して成り、摩擦層５は第１の電極層２の上面に設けられ、摩擦層５の上面は第１の部品１３に対向する。その中、第２の部品（又は、センシング部品）は、前記実施例と同じであってもよい。第１の部品１３と摩擦層５の上面とは相対的に動くように接触・分離し、第１の部品１３と第１の電極層との距離を変化させてもよく、第１の部品１３と摩擦層の上面とはスライド摩擦し、接触面積を変化させてもよく、第１の部品１３自身は帯電し、第１の電極層に対する移動過程に常に摩擦層と接触しなくてもよい。
【０１２６】
以下、第１の部品１３が摩擦層の上面と接触・分離可能な動きモードで、摩擦層を含むセンサ又は発電機の動作原理を説明する。第１の部品１３の下面と摩擦層５の上面との材料が異なるようにし、両者の材料に電極配列のばらつきがある。以下、図７の構造を例として本実施例のセンサ又は発電機の動作原理を詳細に説明する。初期状態において、第１の部品１３と摩擦層５とは接触しない（図７ａを参照する）。摩擦層５の上面と第１の部品１３の下面との材料に電極配列のばらつきがあるため、両者間に電子の取り込む能力が異なっている。摩擦層５の上面の電子の取り込む能力が強いが第１の部品１３の下面に電子が奪われやすいことを例として、第１の部品１３（又は、被検体）の下面と摩擦層５の上面とが接触する際に表面電荷が移動し、摩擦層５の上面が負電荷を帯電し、第１の部品１３の下面が正電荷を帯電し（図７ｂに示すように）、２つの電荷の電量が同じであるため、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電位差がなく、電荷が流れない。外力作用によって、第１の部品１３と摩擦層５の上面とが分離し（図７ｃに示すように）、摩擦層５及び第１の電極層２からなる全体に残りの負電荷があり、第１の部品１３の下面に正電荷があり、第１の部品１３と摩擦層５との距離が増大することに伴って、第１の電極層２における負電荷に対する第１の部品１３の上面における負電荷の静電排斥が大きくなり、第１の電極層２における電子は、外部回路を介して第２の電極層３へ流れる。このため、電流は、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される電流計又は負荷４に流れる。第１の部品１３と摩擦層５の上面との間の距離が初期位置に戻るときに、第１の部品１３と摩擦層５の上面との間の距離が最大となり、摩擦層５、第１の電極層２及び第２の電極層３に帯電する全ての負電荷と第１の部品１３の下面における正電荷とがバランスに達することになり、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電流が発生しない（図７ｄに示すように）。第１の部品１３が再びに摩擦層５に近づくとき、第１の部品１と摩擦層５の上面との間の間隔が小さくなるため、第１の電極層２における正電荷に対する第１の部品１３の下面における正電荷の静電排斥作用が増強し、電子は、外部回路を介して第２の電極層３から第１の電極層２へ流れ、外部回路に第１回目の方向と逆となる瞬時電流が発生する（図７ｅに示すように）。外力によって第１の部品１３と摩擦層５の上面とが接触した後に、上記した図７ｂ〜図７ｅの状況を繰り返す。第１の部品１３と摩擦層５とが繰り返して接触・分離し、第１の電極層２と第２の電極層３との間に交流パルス電流を形成する。
【０１２７】
図７に示すセンサ又は発電機の動作原理から分かるように、摩擦層５が第１の部品１３と接触して分離した後に、その表面が負電荷を帯電し、それらの負電荷はずっと保留され、第１の部品１３が第１の電極層２に対して離れたり、近づいたりする際に、摩擦層５の表面に帯電する電荷は、第１の電極層２と第２の電極層３との間の電荷流れに影響を与えない。
【０１２８】
同様な原理に基づいて、第１の部品が摩擦層の上面とスライド摩擦し、接触面積を変化させる状況について、摩擦層の存在はセンサ又は発電機の動作にも影響を与えない。このような状況において、実施例２に類似し、第１の部品の下面と摩擦層の上面との形状及びサイズが相当することが好ましく、同じであることがより好ましい。第１の部品と摩擦層とが互いにスライドする表面はスムーズで平滑な表面であることができ、もちろん、第１の部品の下面が図４における凹凸構造に作製される場合に対して、相応的には、摩擦層の上面も凹凸構造の表面に作製される。
【０１２９】
実施例３における第１の部品と第２の部品の電極層とが接触しない状況について、本実施例において、第１の部品と摩擦層とは接触しなくてもよい。そして、第２の部品（即ち、第１の電極層又は第２の電極層）にも接触しない。摩擦層と第１の電極層との相対位置が固定であるため、摩擦層の存在は、第２の部品における第１の電極層と第２の電極層との間の電荷移動に影響を与えなく、帯電する第１の部品と摩擦層とが接触しないように制御すればよい。
【０１３０】
第１の部品と摩擦層とが互いに接触・分離し、あるいは、互いにスライドする場合について、適宜な摩擦層材料を選択する。第１の部品については、実施例１に言及される絶縁体材料及び半導体材料以外、例えば、金属または酸化インジウム・スズＩＴＯという導電材料であってもよい。常用な金属は、金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、クロム又はセレン、及びこれらの金属からなる合金を含む。第１の部品と摩擦層とが互いに接触可能な２つの表面の材料に摩擦電極配列のばらつきがあればよい。両者が互いに接触する際に表面に電荷を形成し、互いに分離する際に電荷が材料の表面に依然として保留されている。同様に、摩擦層の上面も物理又は化学的変性によって、摩擦層と第１の部品とが接触する際に第１の部品の表面により多くの電荷を発生させる。
【０１３１】
第１の部品が帯電し、第１の電極層に対して移動する過程に常に摩擦層と接触しない場合について、摩擦層５と第１の電極層とが相対的に動かないため、摩擦層の表面が帯電するか否かに問わず、第２の部品における第１の電極層と第２の電極層との電荷流れに影響を与えない。第１の部品自身に帯電する電荷は、センサ又は発電機以外の他の物体との摩擦によって取得されてもよく、動作前にセンサ又は発電機自身の摩擦層との摩擦によって取得されてもよく、充電等の他の方式によって取得されてもよい。
【０１３２】
摩擦層の材料は非導電材料であってもよく、絶縁材料であることが好ましい。実施例１における第１の部品の選択可能な材料から選択することができる。摩擦層の存在により、第１の電極層２をよく保護することができるため、その表面サイズ及び形状が少なくとも第１の電極層２を完全に覆うことが好ましい。好ましくは、摩擦層は、第２の電極層３を覆ってもよい。しかしながら、摩擦層が第１の部品１３と第２の部品との間の鉛直分離距離を増大するため、その厚さが厚すぎることはいけなく、シート状又はフィルム状であることが好ましく、一般的には、１０ｎｍ〜５ｃｍであり、１００ｎｍ〜５ｍｍであることが好ましく、１μｍ〜５００μｍであることがより好ましい。
【０１３３】
第１の電極層２がセンサ又は発電機の電極層であるため、従来のマグネトロンスパッタ、蒸着及び印刷プリント等技術によって摩擦層の下面に第１の電極層を作製することが好ましい。もちろん、例えば、ＣｕやＡｌ箔という厚い第１の電極層２によって、その表面に摩擦層５の材料を作製し、第１の電極層２と摩擦層５との接触設置を実現してもよい。
【０１３４】
摩擦層は、個別構造であってもよく、例えば、分離する２つの部分からなり、そのうちの１つの部分は第１の電極層２の表面を覆い、別の部分は第２の電極層３の表面を覆う。摩擦層の具体的な構造及び形状は、センサ又は発電機における第１の電極層の需要に応じて設置されてもよく、センサ又は発電機の動作に影響せずに第１の電極層を磨耗から保護する。
【０１３５】
本発明の全ての実施例において、第１の部品、第２の部品及び摩擦層はいずれも硬質材料又はフレキシブル材料であってもよい。材料の硬さが、両者間のスライド摩擦又は接触摩擦の効果に影響を与えないため、第１の電極層又は第１の部品の表面を平面にする必要があれば、他の部品の支持によって実現することもできる。
【０１３６】
実施例５：
本発明に提供されるセンサ又は発電機は、分離層を含んでもよく、第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層を分離し、両者間に間隔を置いて所定の相対位置を保持し、そして、第２の部品と他の部品とを絶縁して分離させてもよい。
【０１３７】
図８を参照し、第２の部品の第１の電極層２及び第２の電極層３はいずれも分離層６に嵌め込まれ、第１の電極層２と第２の電極層３とを分離して設置し、かつ相対位置が固定している。そして、少なくとも第１の電極層２の上面に分離層６が露出している。第２の電極層３の上面に分離層６が露出してもよく、露出しなくてもよい。第１の電極層２と第２の電極層３とは、導線又は導電フィルムによって電気的に接続されることができる。
【０１３８】
他の実施例において、分離層は、第１の電極層２及び／又は第２の電極層３を完全に被覆してもよく、図９を参照し、第１の電極層２及び第２の電極層３の全ての表面は、分離層６１によって被覆される。このような構造のセンサ又は発電機については、第１の電極層２の上面に覆われる分離層６１は、実施例４における摩擦層としても機能している。第１の電極層２と第２の電極層３とは、導線又は導電フィルムによって電気的に接続されることができる。
【０１３９】
他の実施例において、分離層及び第２の部品の２つの電極層は、積層するように設置されてもよく、図１０を参照し、第２の部品の第１の電極層２及び第２の電極層３はそれぞれ分離層６２の上下面に設けられ、複数層の構造を形成し、第１の電極層２と第２の電極層３とは導線又は導電フィルムによって電気的に接続されることができる。本実施例において、好ましくは、第１の電極層２、第２の電極層３及び分離層６２はいずれも薄層構造であり、センサ又は発電機全体の構造を小さくし、機器を小型化することができる。前記複数層の構造は、第１の電極層２の上面に摩擦層５を設けてもよく、それによって、第１の電極層を保護するとともに、第１の部品１と接触して分離し、あるいは、互いにスライド摩擦して、第１の部品１の表面を帯電させることができる。なお、前記複数層の構造は、第２の電極層の下面に設けられる保護層７を含んでもよく、第２の電極層を保護する。このような複数層の構造は、常用な半導体機器の作製工程によって作製されることができる。
【０１４０】
図１０の複数層の構造において、第１の電極層２及び第２の電極層３はいずれも導電フィルムであってもよく、フィルムの厚さは、１０ｎｍ〜５ｍｍであってもよく、１００ｎｍ〜５００μｍであることが好ましい。第１の電極層２及び第２の電極層３が金属フィルム層であることが好ましく、従来のマグネトロンスパッタ、蒸着及び印刷プリント等の技術によって分離層６２の上下面に作製することができる。厚さが厚い第１の電極層２及び第２の電極層３に対して、接着などの方式によって分離層６２の上下面に設置することができる。
【０１４１】
分離層及び保護層の材料が絶縁材料又は半導体材料であることが好ましく、本発明において、分離層及び保護層は、センサ又は発電機の動作過程に参与しないため、材料の選択範囲が広く、例えば、有機物絶縁体材料ＰＤＭＳ、ゴム又はガラス板等の従来の絶縁材料及び半導体材料はいずれも選択されることができる。具体的な材料は、実施例１に例示される第１の部品が採用可能な絶縁材料及び半導体から選択されてもよい。
【０１４２】
分離層及び保護層は、硬質材料であってもよく、フレキシブル構造であってもよい。第１の電極層２、第２の電極層３、分離層６、摩擦層５及び保護層７がいずれもフレキシブル構造であるセンサ又は発電機に対して、センサ又は発電機を１つのフレキシブルとして、他のフレキシブル部品と組み合わせて使用してもよい。フレキシブル材料によって作製されるセンサ又は発電機の長所は、以下の通りである：柔軟で軽い摩擦表面が僅かな外力作用を受けて変形し、このような変形により、２つの摩擦材料層（第１の部品１及び第１の電極層２又は摩擦層５）が相対的に変位し、スライド摩擦によって電気信号を外部へ出力する。フレキシブル材料の使用により、本発明のセンサ又は発電機は、生物及び医学分野に広く適用されることができる。使用過程において、超薄くて柔軟な、弾性の有する材料及び／又は高分子材料をベースとして、パッケージを行い、便宜に使用し強度を向上させる。もちろん、本発明に開示される全ての構造は、相応的な超柔軟で、弾性の有する材料によって作製されることができ、これにより、フレキシブルのセンサ又は発電機を形成する。
【０１４３】
本発明において、第１の電極層２と第２の電極層３とが電気的に接続する限り、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電流が発生し、第１の電極層２は直接に負荷によって第２の電極層３に電気的に接続することができ、前記負荷は簡単な抵抗（例えば、照明設備）であってもよく、複雑な回路（例えば、複数の電子素子が直列／並列に接続される回路）であってもよい。ここでは特に限定しておらず、第１の電極層２と第２の電極層３とを電気的に接続すればよい。
【０１４４】
実施例６：
相応的には、本発明は、上記のいずれかのセンサに適用されるセンシング方法を提供し、上記のいずれかの発電機を適用する発電方法を更に提供する。
第１の部品１が第１の電極層２に対して移動し、第１の電極層２における、第１の部品１に帯電する電荷の電位を変化させるステップと、
第１の電極層２と第２の電極層との間に電荷の流れを発生して電流を形成するステップと、を含む。
【０１４５】
第１の部品１が第１の電極層２に対して移動することは、第１の部品１と第１の電極層２との表面が接触して分離し、第１の部品１を帯電させることであってもよい。第１の部品１と第１の電極層２とが互いに離れたり、近づいたりする過程において、第１の電極層２における、第１の部品１に帯電する電荷の電位を変化させ、第１の部品１と第１の電極層２との間の静電誘起により、電流は、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される負荷等に流れる。
【０１４６】
第１の部品１が第１の電極層２に対して移動することは、第１の部品１と第１の電極層２との表面が互いにスライド摩擦し、スライド過程に接触面積を変化させ、第１の部品１の表面を帯電させることであってもよい。第１の部品１と第１の電極層２とが互いにスライドする過程において、第１の電極層２における、第１の部品１に帯電する電荷の電位を変化させ、第１の部品１と第１の電極層２との間の静電誘起により、電流は、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される負荷等に流れる。
【０１４７】
第１の部品１が第１の電極層２に対して移動することは、第１の部品１が第１の電極層２に対して移動し、常に第１の電極層２に接触しなく、第１の部品１自身が帯電することであってもよい。第１の部品１が第１の電極層２に対して移動する過程において、第１の電極層２における、第１の部品１に帯電する電荷の電位を変化させ、第１の部品１と第１の電極層２との間の静電誘起により、電流は、第１の電極層２と第２の電極層３との間に接続される負荷等に流れる。第１の部品に帯電する電荷は、第１の電極層と互いに接触して分離することによって帯電されてもよく、他の方式によって帯電されてもよい。
【０１４８】
その中、前記第１の部品、第２の部品の第１の電極層及び第２の電極層の材料及び構造は、本発明に記載したセンサ又は発電機における各部分の材料及び構造であってもよく、ここでは贅言しない。
【０１４９】
実施例７：
長さ１０ｃｍ×幅１０ｃｍ×厚さ１ｍｍであるポリメチルメタクリレートシートを切断してベースとし、ポリイミドシートの一面に銅フィルムを堆積して第１の電極層とし、他面に銅フィルムを堆積して第２の電極層とし、銅導線によって銅フィルムを接続して電圧計を接続し、第１の電極層の表面に長さ１０ｃｍ×幅１０ｃｍ×厚さ７５μｍであるポリテトラフルオロエチレンフィルムを接着して摩擦層とし、第２の電極層の表面に長さ１０ｃｍ×幅１０ｃｍ×厚さ５０μｍであるナイロンフィルムを接着して保護層とし、ポリテトラフルオロエチレンフィルムを上方に向けて地面に置き、靴底を周期的に接触して分離し、２つの銅フィルムに接続される電圧計から相応的に変化する電気信号が出力され、図１１を参照し、電圧計によって分かるように、２つの銅フィルム間の電圧信号の最大値は約６５０Ｖであり、これにより、センサは、移動している物体に対してセンシングすることができ、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換して物体移動のセンシングを行い、センサに対して外部電源を提供する必要がない。発電機として、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換して発電することができる。
【０１５０】
実施例８：
実施例５における静電誘起による発電機の構造に基づいて、本実施例は、具体的な発電機の作製過程を提供する。レーザによって、長さ１０ｃｍ×幅２ｃｍ×厚さ１.５９ｍｍである有機ガラスを切断して発電機の分離層とする。マグネトロンスパッタの方法によって、分離層の上面に１μｍのアルミニウムフィルムを堆積して第１の電極層とし、下面に長さ１０ｃｍ×幅２ｃｍ×厚さ２５μｍであるアルミニウム箔を貼り付けて第２の電極層とし、第１の電極層と第２の電極層との間にはＬＥＤランプによって電気的に接続されている。長さ１０ｃｍ×幅２ｃｍ×厚さ５０μｍであるポリテトラフルオロエチレンフィルムの上面にポリテトラフルオロエチレンのナノワイヤ被覆層を作製して摩擦層とし、導電ガムによって上記ポリテトラフルオロエチレンフィルムの下面を第１の電極層の上面に接続する。長さ１０ｃｍ×幅２ｃｍ×厚さ２ｍｍであるアルミニウムシートを第１の部品とし、アルミニウムシートの表面とポリテトラフルオロエチレンフィルムの表面とが互いに重なり合って置かれ、外力の作用によって、アルミニウムシートはポリテトラフルオロエチレンフィルムに対してスライドし、接触面積を変化させ、第１の電極層と第２の電極層との間に接続されるＬＥＤランプを点灯する。これにより、発電機は、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換して発電することができる。
【０１５１】
以上の記載は、本発明の最適的な実施例に過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者は、本発明の技術範囲を逸脱しない範囲で、上記に開示された方法及び技術内容に基づいて、本発明の技術案に対して、いろいろ可能な変更及び改進を行ってもよいし、また、同等に変化した等価実施例に変更してもよい。したがって、本発明の技術案の内容を逸脱しない限り、本発明の技術に基づいて実質的に以上の実施例に対する全ても簡単な修正、等価変化及び改進は、全て本発明の技術案が保護する範囲内に属する。
【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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