(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の発生構成を有する電力発生器を有する電力発生装置であって：
各発生構成は出力電圧及び／又は電流を発生するように構成され、各発生構成は少なくとも第１の発生要素及び第２の発生要素を利用し、発生要素の少なくとも一方は摩擦電気により帯電する状態を有するように構成され、前記第１及び第２の発生要素は、結果的な出力電圧及び／又は電流を発生するために、互いに対して回転及び接触することが可能であるように構成され、前記出力電圧及び／又は電流は、前記第１及び第２の発生要素の間の分離距離に依存し、
前記電力発生器は、合成された電気出力信号を前記電力発生器から発生するために、前記第１及び第２の発生構成の前記出力電圧及び／又は電流を合成するように構成される合成ユニットを更に有し、
前記第１及び第２の発生構成は、前記第１の発生構成についての発生要素の間の分離距離の増加及び減少のうちの一方が、前記第２の発生構成についての発生要素の間の分離距離の関連する増加及び減少のうちの他方となるように、且つ前記摩擦電気を交互に発生するように協調するように構成される、電力発生装置。
【請求項２】
前記電力発生器は、第１、第２及び第３の発生部材を有し、少なくとも前記第３の発生部材は、前記第１及び第２の発生部材に対して可動であるように構成され、
前記第１の発生部材は前記第１の発生構成についての前記第１の発生要素を構成し、前記第２の発生部材は前記第２の発生構成についての前記第１の発生要素を構成し、前記第３の発生部材は前記第１の発生構成及び前記第２の発生構成双方についての前記第２の発生要素を構成している、請求項１に記載の電力発生装置。
【請求項３】
前記第３の発生部材は、前記第１及び第２の発生部材の間に配置され、両者の間を通る軸に沿って可動であるように構成される、請求項２に記載の電力発生装置。
【請求項４】
前記軸に沿う前記第３の発生部材の位置は、外力の印加に応じて制御される、請求項３に記載の電力発生装置。
【請求項５】
前記第３の発生部材は、前記軸の方向に沿って変位可能なキャリアに結合され、それにより、前記第１及び第２の発生部材の間で軸に沿う前記第３の発生部材の運動を許容する、請求項３又は４に記載の電力発生装置。
【請求項６】
前記キャリアの変位は、軸に沿う一方向に付勢されたスプリングである、請求項５に記載の電力発生装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の発生構成各々の発生要素各々が、１つ以上の帯電可能な表面領域の各自のセットを有する、請求項１ないし６のうちの何れか一項に記載の電力発生装置。
【請求項８】
前記第１、第２及び第３の発生部材は個々のディスク要素を有し、１つ以上の出力電圧及び／又は電流を発生するために、前記第３の発生部材が前記第１及び第２の発生部材に対して又はその逆に対して可動である、請求項２ないし７のうちの何れか一項に記載の電力発生装置。
【請求項９】
前記電力発生装置はコントローラ・ユニットを更に有し、前記コントローラ・ユニットは、前記第１及び第２の発生部材の間を通る軸に沿って前記第３の発生部材の位置を制御するように構成される、請求項３ないし８のうち何れか一項に記載の電力発生装置。
【請求項１０】
前記コントローラ・ユニットは、前記第３の発生部材を、前記第１及び第２の発生部材の間で循環的に往復運動させるように構成される、請求項９に記載の電力発生装置。
【請求項１１】
前記コントローラ・ユニットは、前記第３の発生部材と前記第１及び／又は第２の発生部材との間の間欠的な接触の期間を誘発し、それにより、前記第１及び／又は第２の発生構成の前記第１及び第２の発生要素の間の接触を誘発するように構成されている、請求項９又は１０に記載の電力発生装置。
【請求項１２】
前記電力発生装置は、摩擦電気による電力発電機である、請求項１ないし１１のうち何れか一項に記載の電力発生装置。
【請求項１３】
前記合成ユニットは、２つの発生構成の前記出力電圧及び／又は電流を合計する、請求項１ないし１２のうちの何れか一項に記載の電力発生装置。
【請求項１４】
第１及び第２の発生構成を有する電力発生器を作動させるステップを有する電力発生方法であって：
各発生構成は出力電圧及び／又は電流を発生するように構成され、各発生構成は少なくとも第１の発生要素及び第２の発生要素を利用し、発生要素の少なくとも一方は摩擦電気により帯電する状態を有するように構成され、前記第１及び第２の発生要素は、結果的な出力電圧及び／又は電流を発生するために、互いに対して回転及び接触することが可能であるように構成され、前記出力電圧及び／又は電流は、前記第１及び第２の発生要素の間の分離距離に依存し、
前記第１及び第２の発生構成は、前記第１の発生構成についての発生要素の間の分離距離の増加及び減少のうちの一方が、前記第２の発生構成についての発生要素の間の分離距離の関連する増加及び減少のうちの他方となるように、且つ前記摩擦電気を交互に発生するように協調するように構成され、
当該電力発生方法は：
前記第１及び第２の発生構成の各々により使用される前記第１及び第２の発生要素の間の相対的な動きを誘発し、それにより、前記第１及び第２の発生構成の各々から、各自の結果的な出力電圧及び／又は電流を生成するステップ；及び
結果的な合成された電気出力信号を前記電力発生器から発生するために、前記第１及び第２の発生構成の前記出力電圧及び／又は電流を合成するステップ；
を有する、電力発生方法。
【請求項１５】
前記電力発生器は、第１、第２及び第３の発生部材を有し、少なくとも前記第３の発生部材は、前記第１及び第２の発生部材に対して可動であるように構成され、
前記第１の発生部材は前記第１の発生構成についての前記第１の発生要素を構成し、前記第２の発生部材は前記第２の発生構成についての前記第１の発生要素を構成し、前記第３の発生部材は前記第１の発生構成及び前記第２の発生構成双方についての前記第２の発生要素を構成し、
前記電力発生方法は：
前記第１及び第２の発生部材の間で循環的に往復運動するように、前記第１及び第２の発生部材に対する前記第３の発生部材の位置を制御するステップ；
を更に有する、請求項１４に記載の電力発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力生成デバイス及び方法に関連し；特に、機械エネルギを電気エネルギに変換するように構成されるデバイス及び方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
小規模機械エネルギ源の有用な電気エネルギ形式へのハーベスティング(The  harvesting)又は変換は、最近、非常に注目されている分野であって1つの技術分野として急速に著しく発展している分野である。
【０００３】
特に、非常に注目されている分野は、摩擦電気エネルギ生成(triboelectric  energy  generation)によるものである。(摩擦帯電としても知られている)摩擦電気効果は、或る材料が、異なる材料と摩擦して接触した後に帯電するようになる接触誘導帯電(a  contact-induced  electrification)である。摩擦電気の生成は、摩擦電気効果と静電誘導とを結合する方法により、機械エネルギを電気エネルギに変換することに基づいている。歩行、ランダムな身体運動、風の吹き付け、振動又は海洋波のようなソースから、捕獲しなければ捨てられてしまう機械エネルギを捕獲することにより、摩擦電気の生成を活用し、センサーやスマートフォンのようなウェアラブル・デバイスに給電することが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
【０００４】
その最も簡易な形式では、摩擦電気発電機は、一方が電子のドナーであり他方が電子のアクセプタである異なる材料の2つのシートを利用する。1つ以上の材料は絶縁体であるとすることが可能である。他の可能な材料は、例えば、自然酸化物層(a  native  oxide  layer)を有するシリコンのような半導体材料を含んでも良い。それらの材料が接触させられると、一方の材料から他方の材料へ電子が交換され、その電子交換は、2つの材料に関する逆向きの変化を含む。これは、摩擦電気効果である。
【０００５】
その後、それらのシートが分離されると、各シートは、それらの間の隙間を隔てて孤立させられた(異なる極性の)電荷を保持し、電位が生成される。2つの材料表面に電極が配置されており且つそれらの間に電気的な負荷が接続されているならば、横向き又は垂直方向へのシートの何らかの更なる変位は、それに応じて、2つの電極間に電流を誘導することになる。これは静電誘導の簡易な例である。2つのプレート各自の電荷中心間の距離が増加すると、隙間を介するプレート間の誘因電場(the  attractive  electric  field)は弱まり、2つの外部電極間に増大した電位差をもたらし、負荷による電荷の電気的な引きつけが、隙間を介する静電引力を超え始める。
【０００６】
このように、摩擦電気発電機は、接触帯電(摩擦帯電)及び静電誘導という2つの主要な物理機構どうしの結合により、機械エネルギを電気エネルギに変換する。
【０００７】
プレートの電荷中心の間の相互の隔たりを循環的に増加及び減少させることにより、それに応じて、電流は、プレート間で行き来して流れるように誘導されることが可能であり、それにより、負荷を介して交流を生成する。
【０００８】
最近、その効果を利用する電力生成(エネルギ・ハーベスティング)及び電力変換に関する新たな材料技術が開発されている(例えば、非特許文献2参照)。この効果に基づいて、いわゆる摩擦電気発電機(triboelectric  generators：TEGs)又は摩擦電気ナノ発電機(triboelectric  nanogenerators：TENGs)という幾つかのデバイス構成が開発されている。摩擦電気ナノ発電機は、摩擦電気発電機の1つのサブセットを為し、発電機プレートの或る特定の表面特性によって特徴付けられる。
【０００９】
2012年のそれらの最初の報告以来、TEGsの出力電力密度は著しく改善されている。体積電力密度は、立方メートル当たり400キロワット以上に到達し、且つ、〜60％という効率が紹介されている(同文献)。高出力パフォーマンスに加えて、TEG技術は、低製造コスト、高信頼性、高ロバスト性、及び低環境インパクトのような他の多くの利点をもたらす。
【００１０】
TEGは電気的な電力発電機として使用されて良く、即ち、例えば、振動、風、水、ランダムな身体の動きからのエネルギ収穫、或いは、機械的に利用可能なパワーの電気への変換にさえ利用されて良い。
【００１１】
TEGsは4つの主要な動作クラスに広く分けられて良い。
【００１２】
第1動作モードはバーティカル接触分離モードであり、印加される力によって、2つ以上のプレートが循環的に接触又は非接触にさせられる。これは靴に利用されても良く、例えば、ユーザーが踏み出した場合にユーザーにより及ぼされる圧力が、プレートを接触(状態)にするために使用される。そのようなデバイスの一例については、非特許文献3に記載されている。ここで、デバイスは、ジグザグ形状の基板に形成される複数の層構造を有する。デバイスは、接触の摩擦に起因する表面電荷輸送に基づいて動作する。その構造に圧力が印加されると、ジグザグ形状が圧縮されて異なる層の間に接触を生じさせ、圧力が解放されると接触も解放される。収穫されたエネルギは、例えば、モバイル・ポータブル・デバイスの充電に使用されても良い。
【００１３】
第2動作モードは線形スライド・モードであり、プレートが、それらの間のオーバーラップする領域を変化させるために、互いに横向きにスライドされるように誘導される。プレート間に電位差が誘発され、その電位差は、オーバーラップする領域全体の変化率に比例する瞬時的な大きさを有する。反復的にプレートを互いにオーバーラップ及び非オーバーラップ状態にすることにより、プレート間に接続された負荷に、交流が確立される。
【００１４】
開発されている線形スライド・モードTEGsの或る特定の一部のものは、接触(即ち、連続的な摩擦帯電及び静電誘導)又は非接触モード(即ち、初期の接触の帯電語の静電誘導のみ)の双方で動作することが可能な回転ディスクTEGsである。回転ディスクTEGsは一般に少なくとも1つの回転子及び1つの固定子から構成され、それら各々は1組の離間した円形セクタ(セグメント)として形成される。2つのディスクが互いに相対的に回転する場合に、セクタはオーバーラップしてその後に離れる。上述したように、オーバーラップの領域の変化率に比例する大きさで、2つの横向きにスライドする−逆帯電する−層の間に、電流が誘発される。回転子の連続的に離間したセクタが、所与の固定子セクタとオーバーラップしてその後に非オーバーラップになる場合に、2つのセクタ・プレート間に電流が誘発され、プレートがオーバーラップを増やす場合に初めは第1方向に流れ、次に、プレートがオーバーラップを減らす場合に逆向きに流れる。
【００１５】
スライドする動きからエネルギを取り出すことが可能な設計については、非特許文献4に記載されている。独立した可動な層が一対の固定電極間でスライドする。可動な層は、固定電極と接触しないように構成されても良いし(即ち、固定電極の上に僅かな間隔を設ける)、或いは、スライドしながら接触させても良い。
【００１６】
第3動作モードは、1つの表面が例えば床通路に接地され、第1表面と接地との間に負荷が接続されるシングル電極モードである(例えば、非特許文献5参照)。第1の表面に電気的には接続されない第2の表面が、第1表面と接触させられ、それを摩擦帯電させる。第2表面はその後に第1表面から離れるように動かされ、第1表面上の過剰な電荷はグランドに追い出され、負荷を介する電流を供給する。この動作モードでは、出力電流を提供するために、(単独の層における)単独の電極しか使用されない。
【００１７】
第4動作モードは、電気的な接続は形成されていない任意の移動物体からエネルギを収穫するように設計される独立した摩擦電気層モードである。この物体は、例えば、通過する車両、通過する列車、靴であっても良い(例えば、上記の非特許文献2参照)。
【００１８】
接触帯電に基づく二重アーチ状構成のような摩擦電気発電機の更に別の設計例も存在する。ある圧力が、アーチ層間で接触を形成するほどアーチを接近させ、圧力が解放されると、アーチは開放形状に戻る。周囲の振動からエネルギを収穫するハーモニック共振器として形成される摩擦電気発電機も提案されている。
【００１９】
上述したように、回転ディスクTEGsや、実に線形スライド・モードTEGsは一般に、接触モード及び非接触モードの双方で動作することが可能である。(初期に及び以後は漏洩に対処するために)プレートを摩擦帯電させるために接触が望まれるが、静電誘導プロセス自体は(そのプロセスによって電気エネルギが生成される)、プレート間に接触を必要とせず、(例えば、訳0.5mmのような)僅かなプレートの隔たりとともに良好に動作する(例えば、非特許文献6参照)。
【００２０】
接触モードでの動作(その場合、プレートは継続的な摩擦接触状態に維持される)は、より高い電力出力をもたらす結果となり、なぜなら、プレートは連続的にチャージされるからであり、従って、漏洩などにより失われた電荷の継続的な補填により、何らかの理論的な最大表面電荷密度に継続的に維持されるからである。しかしながら、接触モードでの動作は様々な、過剰なノイズの生成や、表面の摩耗によるデバイス材料(従ってデバイスの寿命)の劣化を含む問題を招く。従って、多くの場合、必要な場合に摩擦帯電のためにプレート間に間欠的にしか接触を誘導せず、その後は非接触モードで動作し、ノイズ、摩擦及びデバイス寿命に関する上記の問題を克服することが好ましい。
【００２１】
しかしながら、そのような二重動作モード(such  bi-mode  operation)は新たな問題を招き、その問題は、静電誘導の間における発電機プレート間の分離距離は、生成される電気出力の電圧及び電力振幅に非常に強い影響を有するという事実に起因する。その結果、プレートの間欠的な充電は、接触配置及び分離配置の間で頻繁な再配置を必要とし、間欠的な充電は、発電機の動作の過程で非一様な電力及び電圧出力という結果を招く。各々の摩擦帯電フェーズの初めは、プレートが互いに近接しているので、電力出力の一時的又は一過性の増加を招き、非接触モードへのそれぞれの復帰は、電力出力の同様な減少を招く。電気部品を駆動するために発電機を使用する場合、出力のそのような非一様性は明らかに理想的でない。
【００２２】
一例として、図1のグラフは、PTFE回転子を有する例示的な回転プレートTEGに関し、mm単位のプレート間隔(x軸10)とmW単位のピーク電力出力(y軸12)との間の測定された関係を表現する。上述したように、プレートが接触している場合(即ち、プレート間隔がゼロ)、電力出力は最大であり、図1の測定される例示的な回転子に関し、約0.5mWというピーク出力に達している。プレート間隔が増加するにつれて、ピーク電力出力は急激に落ち込み、僅か0.5mmの間隔がほぼ80％の出力低下を招き、ピーク電力は僅か0.1mWに落ち込んでいる。特定の回転ディスクTEGデバイス・タイプに関し、2mmという間隔では、電力出力はほぼゼロに地込んでいる。
【００２３】
同様に、図2は、同じTEG具体例に関し、mm単位のプレート間隔(x軸16)と、V単位の出力電圧のピーク・トゥ・ピーク振幅(y軸18)との間の関係を示す。再び、プレート間隔の増加に応じて急激な減少が観察され、1mmの間隔は、約75％のピーク・トゥ・ピーク電圧の減少を招く(〜140Vから〜35Vまで減少)。
【００２４】
プレート分離距離とピーク電力出力との間のこの強固な関係は、図1及び図2のグラフにより表現される例示的な摩擦電気発電機に対してのみ成り立つのではなく、静電誘導の類似する原理に従って電力を生成する全ての様々な電気発電機について成り立つ。プレート間の分離距離における僅かな変動は、生成される電力出力の揺らぎを招き、プレート間の分離距離における僅かな変動は、TEGのプレートを充電する場合のような意図的に誘導される変化による場合だけでなく、(例えば、平坦性、粗さ等のような)デバイスのアセンブリ・エラーや製造イントレランスに起因する外部環境の影響やミスアライメント等の場合にも生じ得る。
【００２５】
従って、これらの原理に従って動作するエネルギ生成(又は電力変換)デバイスであって、生成される電力出力が、移動するプレート要素間の分離距離に決定的には依存しないように構成されるデバイスを提供するニーズが存在する。
【発明の概要】
【００２６】
本発明は特許請求の範囲により規定される。
【００２７】
本発明の一側面によれば、電力発生装置が提供され、本装置は：
第1及び第2の発生構成を有する電力は発生器を有し、各発生構成は出力電圧及び/又は電流を発生するように構成され、各発生構成は少なくとも第1の発生要素及び第2の発生要素を利用し、発生要素の少なくとも一方は帯電する状態を有するように構成され、各発生要素は、結果的な出力電圧及び/又は電流を発生するために、互いに対して可動であるように構成され、出力電圧及び/又は電流は、前記第1及び第2の発生要素の間の分離距離に依存し、
第1及び第2の発生構成は、第1の発生構成の発生要素の間の分離距離の増加が、第2の発生構成の発生要素の間の分離距離の関連する減少となり且つ逆も行われるように協調するように構成され、
電力発生器は、合成された電気出力信号を電力発生器から発生するために、第1及び第2の発生構成の出力電圧及び/又は電流を合成するように構成される合成ユニットを更に有する。
【００２８】
本発明の実施形態は、従って、少なくとも2つの異なる発生構成を有する電力発生器を提供し、各発生構成は帯電した発生要素の相対的な動きにより別個の電流及び/又は電圧の出力を生成するように構成され、発生要素は何らかの分離距離(ゼロ又は非ゼロであって良い)を有する。発生構成は、各自の要素間の分離距離が相反的に関連付けられる形式で協調するように構成され：一方の増加が他方の関連する増加をもたらす。
【００２９】
これら2つの出力を合成することにより、単独の電流又は電力の出力が提供され、その出力の振幅は、2つの発生構成のうち何れかの要素の間の分離距離の何らかの変化又は変動に実質的に依存しない。このように、2つの独立した電圧の合成された寄与は、電圧変動を補償し、プレートの分離距離によらず及び構成される要素の互いの位置によらず、相対的に一定の出力となるように加算される。
【００３０】
本発明の文脈では、発生要素(a  generating  element)は、電力の発生に使用するための、デバイスの要素、部品又は構成要素を意味するように理解されるべき点に留意を要する。発生要素は、一例では、単独の電極又は表面部分のような単独の孤立した部分を有しても良いし、或いは、別の例では、電極のパターン又はグループ、或いは、表面部分のような、部分の集まり、配列又はアセンブリを有していても良く、デバイス内で電力発生に使用するための集合的なユニットを形成しても良い。
【００３１】
更に、一例では、第1及び第2の発生構成は、それぞれ、各自専用に使用される第1及び第2の発生要素の別個のペアを含んでいても良く、或いは代替的に、第1及び第2の発生要素のうち共通のペアのうち一方又は双方を共有しても良い。
【００３２】
一例では、2つより多い発生構成が提供されても良い。
【００３３】
実施形態の或る例示的なセットによれば、電力発生器は、第1、第2及び第3の発生部材を有し、少なくとも第3の発生部材は、第1及び第2の発生部材に対して可動であるように構成され、
第1の発生部材は第1の発生構成の第1の発生要素を構成し、第2の発生部材は第2の発生構成の第1の発生要素を構成し、第3の発生部材は第1の発生構成及び第2の発生構成双方の前記第2の発生要素を構成している。
【００３４】
これらの実施形態では、3つの発生部材が提供され、第1及び第3の発生部材は第1の発生構成を提供するように静電的にカップリングし、第2及び第3の発生部材は第2の発生構成を提供するように静電的にカップリングしている。
【００３５】
一例では、発生部材は発生器プレートを有しても良く、発生器プレートは1つ以上の表面に配置される発生要素を有する。
【００３６】
第3の発生部材は、第1及び第2の発生部材の間に配置され、両者の間を通る軸に沿って可動であるように構成されても良い。
【００３７】
この場合、第1の発生構成の第1又は第2の発生要素は、第3の発生部材の一方の側に配置され、第2の発生構成の第1又は第2の発生要素は、第3の発生部材の別の側に配置される。第3の発生部材の動きは、第1及び第2の発生構成の発生要素の各自のペアの間で相対的な動きを誘発する。
【００３８】
更に、この構成によれば、第1及び第2の発生部材に対する第3の発生部材の変位は、本来的に、両者の間で相反的であり：一方に接近する動きは、他方から遠ざかる。
【００３９】
一例では、軸に沿う第3の発生部材の位置は、外力の印加に応じて制御されても良い(例えば、図5/6におけるベアリングの遊びを利用する)。
【００４０】
第3の発生部材は、軸の方向に沿って変位可能なキャリアに結合されても良く、、それにより、第1及び第2の発生部材の間で軸に沿う第3の発生部材の運動を許容する。キャリアは、例えば、シャフト、ロッド、スピンドル又はその他の支持手段を有しても良い。
【００４１】
キャリアは、第1及び第2の発生部材の間を通る軸に整合するように構成される縦軸を有しても良い。或る特定の例では、キャリアは、縦軸の方向に沿う力の印加が、第1及び第2の発生部材の間を通る軸に沿う第3の発生部材の変位を誘発することが可能であるように、構成及び適合されていても良い。
【００４２】
キャリアの変位は、軸に沿う或る方向で付勢されたスプリングであっても良い。このように、1つ以上の具体例によれば、その方向でキャリアに印加される(例えば、変位を誘発する)何らかの外力は、弾性的に抵抗されても良い。更に、スプリング・バイアスは、場合によっては、第1又は第2の発生部材の何れかの方向で第3の発生部材を押し出すように構成されても良い。
【００４３】
1つ以上の実施形態によれば、第1及び第2の発生構成各々の発生要素各々が、1つ又は複数の帯電可能な表面領域の各自のセットを有しても良い。
【００４４】
或る具体例のセットでは、第1、第2及び第3の発生部材は個々のディスク要素を有し、第3の発生部材は、1つ以上の出力電圧及び/又は電流を発生するために、第1及び第2の発生部材に対して可動であり、又はその逆も可能である。
【００４５】
電力発生装置はコントローラ・ユニットを更に有しても良く、コントローラ・ユニットは、第1及び第2の発生部材の間を通る軸に沿って第3の発生部材の位置を制御するように構成される。
【００４６】
コントローラ・ユニットは、第3の発生部材と第1及び/又は第2の発生部材との間の間欠的な接触の期間を誘発し、それにより、第1及び/又は第2の発生構成の第1及び第2の発生要素の間の接触を誘発するように構成されていても良い。
【００４７】
或る特定の具体例のセットによれば、コントローラ・ユニットは、第3の発生部材を、第1及び第2の発生部材の間で循環的に往復運動させるように構成されても良い。
【００４８】
これは、例えば、電力発生装置が摩擦電気による電力発電機である場合に、摩擦帯電の間欠的な期間を促すかもしれない。
【００４９】
電力発生器が摩擦電気の電力発生器である場合、コントローラ・ユニットは、電力発生器のプレートの摩擦帯電の間欠期間を誘発及び制御するために有利に利用されて良い。
【００５０】
合成ユニットは、2つの発生構成の出力電圧及び/又は電流を合計するように構成されても良い。
【００５１】
本発明の別の側面による具体例は、電力発生方法を提供し、本方法は：
第1及び第2の発生構成を有する電力発生器を作動させるステップを有し、各発生構成は出力電圧及び/又は電流を発生するように構成され、各発生構成は少なくとも第1の発生要素及び第2の発生要素を利用し、発生要素の少なくとも一方は帯電する状態を有するように構成され、各発生要素は、結果的な出力電圧及び/又は電流を発生するために、互いに対して可動であるように構成され、出力電圧及び/又は電流は、第1及び第2の発生要素の間の分離距離に依存し、
第1及び第2の発生構成は、第1の発生構成の発生要素の間の分離距離の増加が、第2の発生構成の発生要素の間の分離距離の関連する減少となり且つ逆も行われるように協調するように構成され、
当該電力発生方法は：
第1及び第2の発生構成の各々により使用される第1及び第2の発生要素の間の相対的な動きを誘発し、それにより、第1及び第2の発生構成の各々から、各自の結果的な出力電圧及び/又は電流を生成するステップ；及び
合成された電気出力信号を前記電力発生器から発生するために、第1及び第2の発生構成の出力電圧及び/又は電流を合成するステップを有する。
【００５２】
提案される発明では、この合成された電気出力は、双方の構成の発生要素の間の僅かな分離距離にわたって自己規制された一定の出力(a  self-regulated  constant  output)を提供する。
【００５３】
一例では、電力発生器は、第1、第2及び第3の発生部材を有しても良く、少なくとも第3の発生部材は、第1及び第2の発生部材に対して可動であるように構成され、
第1の発生部材は第1の発生構成の第1の発生要素を構成し、第2の発生部材は第2の発生構成の第1の発生要素を構成し、第3の発生部材は第1の発生構成及び第2の発生構成双方の第2の発生要素を構成し、
電力発生方法は：
第1及び第2の発生部材の間で循環的に往復運動するように、第1及び第2の発生部材に対する第3の発生部材の位置を制御するステップを更に有する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
本発明の具体例が添付図面に関連して詳細に説明される。
【図１】例示的な回転ディスク摩擦電気発電機に関し、ピーク電力出力とプレート間隔との間の関係をグラフで示す図。
【図２】例示的な回転ディスク摩擦電気発電機に関し、ピーク・トゥ・ピーク出力電圧とプレート間隔との間の関係をグラフで示す図。
【図３】第1具体例の発電機デバイスを概略的に示す図。
【図４】第1具体例のデバイスの異なる発生構成についてのプレート分離距離の関数として、電圧出力の概略的な表現を示す図。
【図５ａ】第2具体例の発電機デバイスを概略的に示す図。
【図５ｂ】第2具体例の発電機デバイスを概略的に示す図。
【図６ａ】第2具体例の発電機デバイスを組み込む電気剃刀デバイスを概略的に示す図。
【図６ｂ】第2具体例の発電機デバイスを組み込む電気剃刀デバイスを概略的に示す図。
【図７】第3具体例の発電機デバイスを概略的に示す図。
【図８】第3具体例のデバイスの異なる発生構成についてのプレート分離距離の関数として、電圧出力を表現するグラフを示す図。
【図９】第4具体例の発電機デバイスを概略的に示す図。
【図１０】第5具体例の発電機デバイスを概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明は、少なくとも2つの発生構成を有する電力生成デバイスを提供し、各発生構成は、2つの同様に又は別様にチャージされる発生構成の相対的な動きにより、電圧を出力するように構成され、発生要素は或る分離距離を有する(分離距離は、ゼロであっても良いし、非ゼロであっても良い)。その発生構成は、各自の要素間の分離距離が相反的に(reciprocally)関連するような形式(一方での増加が他方での関連する減少を招く形式)で協調するように構成される。これら2つの信号出力を合成することにより、単独の電流又は電圧出力がデバイスにより提供され、その出力の振幅は、2つの配置何れの要素間の分離距離の如何なる変化や変動にも実質的に依存しない。
【００５６】
上述したように、静電誘導に基づく発電機(例えば、TEG発電機)により生成される出力の電圧又はピーク電力は、2つの相対的に動くプレート要素間の分離距離に強く関連付けられる。従って、この分離距離の如何なる変動も、生成される出力の揺らぎを生じさせる。本発明の実施形態は或るソリューションを提供し、これにより、2つの異なる発生構成の出力が、単独の信号又は電力出力を形成するように合成され、その2つの配置は、分離距離が相反的に関連付けられるように機械的に構成される。2つの独立した電圧及び/又は電流の合成された寄与は、従って、合計後に、発電機プレート分離距離の変動に応じて変化しない(又は最小限にしか変化しない)比較的一定の値になる。
【００５７】
或る特定のセットの実施形態によれば、電力発生構成は、1つ以上の摩擦電気電力発電機により構成される又はそれを構成する。これらは次の事項で特徴付けられる：相反する電荷が各セットの要素で(摩擦帯電のプロセスで)高められる、物理的な接触の間欠的な期間を利用することにより、各々の発生構成の第1及び第2セットの発生要素間の相対的な電荷が設定及び維持される。これらの実施形態は、発生要素が、摩擦電気的にアクティブである材料により構成されることを要する(その材料は、「帯電列(triboelectric  series)」の一部を為す)。
【００５８】
以下、摩擦電気に基づく発電機配置を組み込む様々な例示的な実施形態が、本発明の原理の一例により特に詳細に説明される。しかしながら、これらの具体例により説明される概念は、摩擦電気に基づくシステムに関する特定のアプリケーションに限定されず、即ち、任意の分野の特定の電力発電機配置に適用されて良いことが、理解されるべきである。そのような発電機は、一般に、2つ以上の帯電される要素の相対的な動きにより動作する任意の電力発電機を含み、例えば、静電誘導により電力を生成するが相互に動く要素の摩擦帯電によっては動作しない誘導ベースの発電機、エレクトレット材料ベースの発電機、或いは、表面電荷が輸送される又は表面電荷が外部電荷ソースから活性化される発電機(例えば、電荷銃(a  charge  gun))を含む。それぞれ説明される実施形態において、提供される摩擦電気ベースの発電機は、既存の従来技術のデバイスを上回る、説明される配置により享受される主要な利点を損なうことなく、多種多様な発電機により等しく適切に置換されて良いことが、理解されるべきである。
【００５９】
図3は本発明の実施形態による簡易な第1具体例のデバイスを示す。デバイスは、トリプル・プレート回転ディスクTEG構成を有し、第1ディスク・プレート22と、第2ディスク・プレート24と、第3ディスク・プレート26とを含み、これらは全て三者をともに関連付ける中心軸28に設けられている。第3ディスク・プレート26は、第1ディスク・プレート22及び第2ディスク・プレート24の間に配置され、第1及び第2ディスク・プレート間で軸28の長さ方向に沿って可動であるように構成される。図示の特定の具体例では、第1及び第2プレートは、第1及び第2TEG固定子プレートを有し、第3プレートはTEG回転子プレートを有する。しかしながら、代替例ではそうではなく、第1及び第2プレートが2つの回転子プレートを有し、第3プレートが単独の固定子プレートを有していても良いことが、理解されるべきである。
【００６０】
第1プレート22及び第3プレート26は、各自の対向する表面に配置される、摩擦電気の材料部分又は摩擦電気の電極(図示せず)の協調する配置又はパターンを有し、これらのプレートは第1発生構成の第1発生要素及び第2発生要素を形成する。第2プレート24及び第3プレート26も、反対側の表面に配置される、摩擦電気の材料部分又は摩擦電気の電極(図示せず)の協調する配置又はパターンを有し、これらのプレートは第2発生構成の第1発生要素及び第2発生要素を形成する。従って、回転子プレート26は、2組の摩擦電気材料セクション(又は摩擦電気電極)を有し；主要平坦面の各々に1つ配置される。
【００６１】
回転子ディスク26の回転の際に、第1固定子プレート22の電極パターンに対する相対的な動きは、第1電圧V1を有する第1出力信号を生成する。と同時に、第2固定子プレート24の電極パターンに対する相対的な動きは、第2電圧V2の第2出力信号を生成する。合成ユニット34は、2つのコンポーネント出力信号V1及びV2の合計に等しい電圧V3を有する第3結果出力信号を生成するように、2つの出力信号を合成(又は合計)する。出力電圧の場合と同じ原理が出力電流に適用されても良い点に留意を要する。
【００６２】
回転子プレート26が軸28に沿って行きつ戻りつ動く場合に、第1固定子22及び第2固定子24までの各自の分離距離は相反的に変化し、一方の増加は他方の正確に等しい減少の結果をもたらす。分離距離のこれらの変化は、生成される出力電圧V1及びV2の同程度に相反的に変化する結果となる。
【００６３】
図4は、軸28に沿う回転子プレート26の変位の関数として、電圧出力Vの変動を示すグラフを示す。合成ユニットにより生成される結果の合成された出力V3も示されている。図から分かるように、合成された出力は、配置の幅全体にわたって完全には一様でなく、むしろ、回転子が第1固定子22から遠ざかるにつれて下降し、2つの固定子の間の中点での低い値に到達し、その後、回転子が第2固定子24に近付くにつれて再び上昇している。(例えば、適切な材料及び回転子セグメント数を選択することにより)適切に設計される場合、小さな分離距離の変化に対して一定の電力出力が達成されることが可能である。実際の値は電力生成モードで約0.5-1mmであり、これは、本願で説明される発電機の動作時間のうち95％より多くを為すことが予想される。
【００６４】
合成された出力は、多くの場合、完全には一様でないが、それにもかかわらず、例えば第1又は第2発生構成の何れか自体の出力と比較して、一様性の顕著な改善を示す。特に、合成された出力信号V3は、第1固定子22及び第2固定子24の間の隔たり全体に対して対称的に変動する出力であって、ゼロ値付近に尾を引く地点は無い出力を提供する。その結果、合成された信号は、外部電気コンポーネントを駆動するために非常に信頼性の高い出力を提供し、その理由は、駆動出力が著しく低いレベルに落ち込むこと無く、意図的に又は背景若しくは環境要因に応じて、プレートの隔たりが変化しても良いからである(著しく低いレベルとは、例えば、もはや所与のコンポーネントを駆動することができず、コンポーネントの不履行を招くようなレベルである)。
【００６５】
自己補正電力出力(self-compensating  power  output)を有するそのようなTEGデバイスは、従来の回転ディスクTEG構成を超える幾つもの実用上の利点を有する。特に、生成される電力(又は電圧)は、例えば、アセンブリ・エラー又は製造イントレランス(例えば、平坦性、粗さ)に起因する回転子と固定子との不整合に対して顕著には敏感でない。TEGデバイス構成は、「より大きな」回転子と固定子との分離距離の変動に対して(電力出力に関して)よりロバスト性が高く、従って、発電機のプレートは、結果の電力出力を低下させること無く、十分に広い範囲で変化させることが可能である。
【００６６】
(本発明の実施形態のように)自己補正出力電力を有するTEGでは、電力出力を最大化するために又は一定の(又はほぼ一定の)出力電力を達成するために、追加的な複雑な制御エレクトロニクスを必要とせず：トリプル・プレート・デバイスは、専ら機械的なソリューションを表現し、そのソリューションは最低限の追加的な電力変換エレクトロニクスとともに実現されて良い。更に、非接触モードでデバイスを動作させ、周期的又は間欠的な何れかの摩擦帯電を、何れかの発電機表面に螺旋溝パターンを必要とすること無く開始することが可能である。また、TEGの動作中に、回転子又は固定子の相対的な動きを許容することが可能である。実際には、そのような相対的な動きは、しばしば、ベアリングの遊びに起因して生じる。このベアリングの遊びを利用して、摩擦帯電を保証することが可能である。
【００６７】
本構成は、出力電圧又は電力の著しい揺らぎ無しに、間欠的な接触モードでデバイスが作動させられることを許容する。デバイスの出力が著しく低レベルに落ち込むこと無く、摩擦帯電のために、第1固定子22又は第2固定子24の何れかに接触するように、回転子26は軸28に沿って動かされて良い。
【００６８】
以下、図3の簡易なデバイス例により具現化される原理に従ってそれぞれ動作する自己補正発電機デバイスのいくつもの特定の実施形態が詳細に説明される。
【００６９】
これらの実施形態の第1セットによれば、トリプル・プレートTEGデバイスは2つの固定子と1つの回転子とを有するように提供され、この場合において、固定子は、機械的なベアリングにより構成され、或いは、機械的なベアリングの表面に刻まれる。両者の間で可動に配置される回転子は、外的な機械的な入力の1つ以上のソースに対するキャリア(carrier)を利用することによって結合される。これらの入力は、可変であって非一様であっても良く、それにより、2つの固定子に対する回転子のより大きなランダムな又は不規則な動きが誘発される。この準ランダムな外力は、固定子の一方又は双方に(間欠的な時点で)回転子を押し付けるような例で有利に利用されても良く、それにより、両者の間で摩擦帯電を誘発する。デバイスの自己補正の性質は、固定子と回転子との分離距離の結果的な不安定な変動が、第2発電機配置により提供される電力自己規制に起因して、デバイスにより生成される電力出力の振幅に著しくは影響しないことを意味する。そのような動作モードでは、外的な機械的な入力は、摩擦帯電のフェーズを誘導するためにいっそう効率的に利用されるかもしれないが、デバイスの電気出力の結果的な劣化を被らない。
【００７０】
説明の一例として、図5a及び5bはそのような実施形態の簡易な第1具体例を示す。デバイスは、第1ベアリング42及び第2ベアリング44を有し、ベアリングは、それぞれ、摩擦電気の電極又は摩擦電気の材料部分の刻印されたパターンを、各自の下位及び上位表面に有する。刻印された電極パターンを有するベアリングは、効果的な第1及び第2固定子プレート要素を提供する。第1ベアリング42の最上部を通じて垂直に延びる軸又はシャフト46にマウントされるものは、回転子要素48であり、シャフト46は、2つの固定子ベアリング42，44の間のスペースに回転子を配置している。シャフトは、縦軸の方向に沿う或る程度の運動自由度を有するように、構成される。特に、シャフトは、その上端に印加される荷重力54の印加に応じて動くように構成されて良い。シャフトの荷重は、シャフトが、それに応じて僅かに下方にシフトすることを引き起こし、シャフトに取り付けられた回転子要素48をそのように動かす。こうして、第1ベアリング42及び第2ベアリング44に対する回転子48の位置は変更される。
【００７１】
更に、軸46に設けられた圧縮スプリング52は、機械的な引き戻し機構(a  mechanical  retraction  mechanism)を提供する。スプリングは、シャフトの外的な荷重が存在しない場合に、回転子48が第1ベアリング42の表面に対して静止して保持されるように、シャフト46の縦軸に沿って、或る大きさの力を印加する。この例では、回転子48及び第1ベアリング(又は固定子要素)42の摩擦帯電が後に続く。シャフト46の端部に荷重力を印加すると(図5b参照)、スプリング52に対して「仕事(work)」が行われ、シャフト46は、配置40の中心を通じて下方に配置される。これは、結合されている回転子要素48を、第1ベアリング42との接触から遠ざかるように押し出し、十分に大きな荷重力が印加される場合、第2ベアリング44との接触に向かう以後の配置を誘導する。以後、回転子要素と第2ベアリング(又は回転子要素)44との間で摩擦帯電が誘導される。
【００７２】
第1及び第2ベアリング42，44の各々と回転子48との間の相対的な回転は、それぞれ、V1及びV2のラベルが付された各自の電圧出力を生成する。これらの出力は、2つのコンポーネント信号の総和により形成される単独の結果的な信号を提供し、その結果的な信号は、固定子42，44に対する回転子48の特定の位置によらず、電力及び電圧の観点から実質的に同様である。
【００７３】
図5aに示されるように、回転子48が第1ベアリング42に近接して動く場合、電圧V1は増加する一方、それに比例する形式で電圧V2は減少する。その結果、両者からの合成された出力(V1+V2)は、比較的一定のままである。図5bに示されるように、回転子48が第2ベアリング44に近接するように近付く場合、電圧V1は減少する一方、それに比例する形式で電圧V2は増加する。再び、比較的一定の合成された出力(V1+V2)をもたらす結果となる。
【００７４】
シャフト46の特定の自由度を精密にチューニングし、適切なスプリング定数を有するスプリング62を提供することにより、プレート要素の間欠的な摩擦帯電が保証されても良い。シャフトが、可変で非一様な機械的荷重のソース(a  source)に機械的に結合される場合、その外力は、プレート要素の頻繁な(不規則な)間欠的な摩擦帯電を誘導するために使用されて良い。
【００７５】
このTEG構成40は、例えば、TEGが小さな空間内に組み込まれる必要がある場合であって、アセンブリ中のアライメント・エラーが生じやすい場合に、特に有用なアプリケーションであることが分かる。
【００７６】
例えば、特定のアプリケーションの1つは、電気剃刀デバイス又はその他の任意の(携帯)デバイス内に提供されるエネルギ収穫又は変換システムのようなものであり、そのデバイスは、スプリング支持ベアリング及び軸を有する機能的な機械駆動ユニット(例えば、シェーバー内のカッター・ユニット)を有するものである。そのような実施形態の一例が図6a及び6bに例示として示されている。
【００７７】
図5a及び5bのデバイスは、シェーバー・ユニット60のボディ62内に取り付けられ、ベアリング・シャフト46はその上端部でシェーバー・ヘッド要素64に機械的に結合され、ヘッド要素は、回転カッター及び保護メタル・キャップ(それら双方の断面が66により示されている)及び専用の「輪郭追従ユニット(contour-following  unit)」を有する。シャフト46は、その下端部で、シャフトを回転させるシェーバー・モーター・ユニット68に結合され、それにより、回転カッター要素66及び結合されたTEG回転プレート48の双方の回転を誘導する。
【００７８】
輪郭追従ユニットは、ユーザーの皮膚の表面にわたって動かされる場合に、少なくとも上下方向に変位するように構成され、ユーザーの顔の輪郭に最良に合致するようにカッターの配置又は位置を調整し、それにより、より効果的及び/又はより心地良いカット処理(改善されたひげ剃りの密着性)を提供する。ヘッド要素64のこれらの上方及び下方への変位は、第1ベアリング42及び第2ベアリング44(又は固定子)の間で回転子48を上下に押すように、本実施形態の具体例で使用され、これにより、本発明で説明されるように、それら2つ(固定子)に対して断続的な接触(即ち、摩擦帯電)の期間を誘発するとともに、自己規制電力出力(a  self-regulating  power  output)をもたらす。
【００７９】
図6a及び6bにより特定のアプリケーション例が説明されているが、様々な機械的な入力がデバイスにより使用されて良いことに留意を要する(シェーバー・ヘッド・ユニット64の変位は、直線タイプの運動を含んでいるが、別の例では、捕獲される入力は、例えば回転(例えば、風又は水による回転)、例えば屈曲、例えばスライドさせることを含む任意の種類の機械的な入力を含んで良い)。
【００８０】
更に、図5a及び5b(並びに図6a及び6b)の特定の例では、デバイスは回転ベアリングを利用する回転ディスク・タイプの発電機構成の組み合わせを含んでいるが、別の例では、例えばタッピング・モードTEGsを含む他の様々なTEG構成及びベアリングが(例えば、スライディング・ベアリングを利用して)代替的に使用されて良い。
【００８１】
改善された信号一様性自己補正電力出力(an  improved  signal  uniformity,  self-compensating  power  output)を提供するために、タッピング・モード(又は垂直接触分離モード)のTEG構成の組み合わせを組み込むそのような実施形態の一例が、図7に例示的に示されている。提案されるデバイス72は、第1固定プレート要素74と第2固定プレート要素76とを有し、固定プレート要素は、それぞれ、摩擦電気の電極又は摩擦電気の材料部分の刻印されたパターンを、各自の下位及び上位表面に有する。第1プレート要素74の最上部を通じて垂直に延びる軸又はシャフト46の一方端に取り付けられるものは、可動プレート要素78であり、シャフト46は、2つの固定プレート74，76の間のスペースに可動プレートを配置している。可動プレート要素78は、固定子プレートに対する可動プレートの動きに応じて第1及び第2出力電圧(V1及びV2)を生成するために、上位表面80及び下位表面82に、摩擦電気の材料部分又は摩擦電気の電極の各自のパターンを有し、そのパターンは、第1固定プレート74及び第2固定プレート76に設けられるパターンにそれぞれ結合するように構成及び適合されている。
【００８２】
シャフト46の上方端への荷重力54の印加は、第2固定プレート要素76へのの方向における可動プレート78の変位を誘導する。反対方向の力の印加又は(不図示の)スプリグにより生成される復元力の利用は、第1プレート要素74への方向における可動プレート78の結果的な変位を誘導する。或るケースでは、下方への外力の印加に対して抵抗し、及び、何らかの下方へのバイアスが除去されると、可動プレートの復帰上昇運動を促すために、スプリング要素が追加的に包含されても良い。
【００８３】
可動プレート78と固定プレート74，76との間の相対的な(直線的な)動きは、それら各自の電極配置において電圧又は電流を誘発し、第1固定プレート74と可動プレート78との間に第1出力電圧V1を生成し、第2固定プレート76と可動プレート78との間に第2出力電圧V2を生成する。上記の例と同様に、動作中(負荷抵抗に依存して、又は、開放回路又は短絡回路の状態で動作する場合に)、2つの信号は、合計された1つの結果的な出力信号V3を為すように合成され、その出力信号は、固定プレート74，76の何れかに対する可動プレート78の位置によらず、実質的に一定/一様のままである。
【００８４】
図8は、第1静止プレート要素74に対する可動プレート要素78の変位xの関数として、V1及びV2の変化を示すグラフを示す。図から理解されるように、このタッピング・モードTEGの具体例の場合、合成される電圧出力信号V3は、配置における可動プレートの全ての位置に関し、実質的に均一のままである。初期表面電荷が蓄積された後、プレートが引き離されると、電圧が生成される。回転ディスクTEGs(図3-4，5-6，9-10)と比較すると、オープン回路状態では、中心可動プレート要素78が第1固定プレート要素74及び第2固定プレート要素76を反復的に接触する場合に、この例では理論的に一定の電圧が全ての分離距離にわたって達成されることが可能である。
【００８５】
更に、シャフト46の直線的な運動は、プレート要素間で間欠的な摩擦帯電フェーズを誘導する例の中で更に利用される。荷重力54がシャフト46を介して下方に印加され、可動プレート要素78の下方変位を誘発すると、この動きは、静電誘導により出力信号V1，V2を生成するために利用されるだけでなく、この動きは、可動プレート78を第2固定プレート要素76と接触させるようにも作用し、それにより、2つのプレート76，78の表面に帯電する2電極の摩擦帯電を引き起こす。同様に、反対方向の可動プレート78の動きは、可動プレートを第1固定プレート要素74と接触させ、このプレート要素の摩擦帯電を誘発する。
【００８６】
上記の特定の実施形態の各々は、間欠的なランダムな摩擦帯電イベントを提供するために、準ランダムな非一様で外的な機械的な入力を利用又は活用することで特徴付けられる。所与の任意の時点におけるプレート要素間の分離距離は、デバイスの要素の直接的な制御の下にはない外力の影響により決定される。
【００８７】
実施形態の第2セットによれば、自己補正電力出力のためにトリプル・プレートTEGデバイスが提供され、様々なプレート間の隔たりは、専用の機械制御コンポーネントを利用して精密に制御される。これらの実施形態は、一例では、第1及び第2固定子要素の間で前後する回転子要素の連続的及び周期的な(又は循環的な)運動を許容する。そのような構成は、プレートの摩擦帯電(例えば、より均一な及び一定の形態)、及び、デバイスから生成される合成出力電圧及び/又は電流の双方に対する更に確実な制御を提供する。
【００８８】
図9には、そのような実施形態による第1具体例のデバイスが示されている。デバイス90は、単独の回転子プレート92と、2つの固定子プレート94，96とを有するトリプル・プレート回転ディスクTEG構成を有し、回転子プレートは、2つの固定子の間に配置され、及び、3つ全てのプレートの中心を通る回転軸98に結合されている。第1固定子94及び第2固定子96は、回転子ディスク92の回転を駆動するために、軸98の回転を許容する回転ベアリング102，104を有する。軸98は、ねじ棒(a  threaded  rod)又はスピンドルを有し、ねじ棒又はスピンドルの回転は、TEG構成の一端に設けられるステッパ・モーター106により(かさ歯車108を介して)駆動される。ステッパ・モーター106及び軸98は、ステッパ・モーターによる軸の回転が、長手軸の方向に沿う軸の円滑な直線的な変位を誘導し、(例えば、台形ねじのような)ロッドの精密な回転は、この変位の範囲にわたるモーターによる精密な制御を許容する。モーターの回転方向を反転させることにより、変位方向が変化させられても良い。
【００８９】
モーター106が駆動される場合に、軸に結合される回転子92は、軸98の回転に応じて回転するだけでなく、軸の直線的な変位と協調することによっても直線的に変位する。従って、モーター106が駆動される場合、回転子要素92は、第1固定子94及び第2固定子96の間の軸である長手軸の方向に沿って連続的な形式で変位させられる(又はその逆も可能である)。この構成は、回転子と固定子との間の隔たり、及び、生成される電力出力の規制を、回転子及び固定子の分離距離に応じて精密に制御することを許容する。
【００９０】
特に、回転子92は継続的に往復運動し、周期的に交互に固定子94，96の各々に接触する。例えば、モーター電流の極性を変えることにより、この往復運動は制御されることが可能であり、モーターの運動方向は、回転子が第1又は第2固定子に触れて摩擦帯電を生じさせると逆転される。トルク・センサー110、距離センサー及び/又は端部切り替え停止部が提供されても良く、これらは、回転子92が「左」又は「右」端部位置に到達したことを判定するために使用される。
【００９１】
ステッパ・モーター106は、一例では、(不図示の)コントローラ・ユニットにより制御されても良い。コントローラ・ユニットは、例えば、自動的に制御命令を実行するように構成される回路又はプロセッサを有しても良い。代替的に、制御ユニットは、回転子の位置の直接的なユーザー制御を許容するように、ユーザー制御要素を組み込んでも良い。
【００９２】
回転子プレートの回転に応じてそれぞれ第1及び第2固定子により生成される電気出力V1及びV2は、単独の合計された出力信号V3を形成するために、合成ユニット34を利用することにより合成され、出力信号は、2つの固定子に対する回転子の特定の位置によらず実質的に一定のままである。
【００９３】
合成ユニット34は、一例では、2つの別々の電力変換回路を有しても良く、それぞれが異なる回転子の出力に接続される。これら2つの回路の出力は、その後、同じ単独の負荷(例えば、キャパシタ)に接続されても良い。従って、負荷は双方の変換回路から電力を受信する。
【００９４】
この例の回転ディスクTEGは、各々の固定子に2つの交互電極アレイ・パターンを有する点に留意を要する。そのような構成は、出力電圧及び/又は電流が、回転子及び固定子の電極間ではなく、固定子のみの交互電極にわたって生成されることを許容する。こうして、回転子の配線が回避されても良い。しかしながら、他の例では、回転子及び固定子プレート間で電流が生成され、それに応じて回転子に対して配線が提供されても良いことが、理解されるべきである。
【００９５】
図9の例では、デバイスは2つの固定子プレートと単独の回転子プレートとを有しているが、代替例では、むしろ2つの回転子プレートと単独の固定子プレートとが提供されても良い。そのような実施形態の一例が図10に示されている。ここで、第1回転子プレート120及び第2回転子プレート122はその構成の各端部に提供され、中心ネジ式軸98に結合され、その軸は、軸の一方端に提供される駆動モーター124により2つの回転子の回転を駆動する。単独の固定子126は、ネジ式軸98に取り付けられるように提供され、直下を通るスライディング・ガイド・ベアリング128に固定される。
【００９６】
スライディング・ガイド・ベアリング128は、固定子126の回転を妨げるが、軸98の方向に沿う直線的な動きを許容する。固定子126は軸98にネジ式に結合される。これにより、固定子の回転は抑制されるので、軸の任意の回転は、軸の長さ方向に沿う固定子の「ねじ進行(threading)」を包含し、従って、モーター124が駆動されている方向に依存して、2つの回転子要素120，122間の固定子の前後の変位を包含する。
【００９７】
従って、図9の例と同様に、モーター124が駆動させられると、固定子要素126は、第1回転子120及び第2回転子122の間で、軸98の長手軸の方向に沿って連続的な形式で配置される(又はその逆も可能である)。この構成は、回転子及び固定子の間の隔たりにわたる精密な制御を許容する。
【００９８】
再び、この仕組みは、固定子126が連続的に往復運動し、周期的に、回転子120，122の各々に交互に接触することを許容する。モーター電流の極性を変えることにより、この往復運動は制御され、固定子の運動方向は、固定子が第1又は第2回転子に触れて摩擦帯電を生じさせると逆転される。トルク・センサー110、距離センサー及び/又は端部切り替え停止部が提供されても良く、これらは、固定子126が「左」又は「右」端部位置に到達したことを判定するために使用される。
【００９９】
上述した例の各々において、特に、3つの発電機プレートを有する構成が提供され；1つのプレートは他の2つの間に可動に配置される。しかしながら、そのような構成は、本発明の概念にとって本質的ではなく、別の代替的な構成が考慮されても良い。例えば、実施形態において、それぞれ発電する構成が、専用の発電機プレートの別個のペアを利用しても良い。これらの2つの構成のプレート分離距離の間の相反的な関係は、例えば自動制御エレクトロニクスにより制御される、直接的な機械的なメカニズム、或いは、1つ以上の形式の機械的な規制の何れかにより実現されて良い。直接的な機械的なメカニズムは、例えば、第1プレート部材の動きが第2プレート部材の相反的な動きを含むように構成される1つ以上の歯車機構を含んでも良い。
【０１００】
この発明の実施形態は、有利なことに、広範囲に及ぶ特定のアプリケーションで実現されて良く、アプリケーションは、特に、機械エネルギが収穫又は変換されて良い可動部分(ギア、シャフト、ベアリング)を含む任意の製品又はデバイスにおけるものを包含する。特に、これらは、非限定的な例示として、携帯用パーソナル・ケア・デバイス(例えば、電気剃刀、歯ブラシ、スキン・ケア・デバイス)、台所用途、フロア・ケア製品(例えば、掃除機、床面研磨機)、研磨装置、更に大きな医療デバイス(例えば、X線管ベアリング、又は、CTスキャナ・ガントリ)、或いは、回転するバルブを含んでも良い。
【０１０１】
開示される実施形態に対する他の変形例は、添付の特許請求の範囲、明細書及び図面を学ぶことにより、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解及び把握されることが可能である。特許請求の範囲において、「有する(comprising)」という言葉は、他の要素又はステップを排除しておらず、「或る(“a”  or  “an”)」という不定冠詞的な語は複数個を排除していない。或る複数の事項が相互に異なる従属請求項で引用されているという唯それだけの事実は、これらの事項の組み合わせが有利に利用できないことを意味するものではない。特許請求の範囲における如何なる参照符号も(存在する場合)、範囲を限定するように解釈されるべきでない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０１０２】
【非特許文献１】Wang,  Sihong,  Long  Lin,  and  Zhong  Lin  Wang.  "Triboelectric  nanogenerators  as  self-powered  active  sensors." Nano  Energy 11  (2015):  436-462
【非特許文献２】Wang,  Z.  L,.  "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３】"Integrated  Multilayered  Triboelectric  Nanogenerator  for  Harvesting  Biomechanical  Energy  from  Human  Motions"  of  Peng  Bai  et.  al.  in  ACS  Nano  2013  7(4),  pp3713-3719
【非特許文献４】"Freestanding  Triboelectric-Layer-Based  Nanogenerators  for  Harvesting  Energy  from  a  Moving  Object  of  Human  Motion  in  Contact  and  Non-Contact  Modes"  in  Adv.  Mater.  2014,  26,  2818-2824
【非特許文献５】Yang,  Ya,  et  al.  "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６】Long  Lin  et  al.,  Segmentally  Structured  Disk  Triboelectric  Nanogenerator  for  Harvesting  Rotational  Mechanical  Energy,  Nano  Letters,  2013,  13  (6),  2916-2923
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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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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