(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を生成するための電力生成器を有するシステムであって、前記電力生成器は、
少なくとも一方が電荷を含むように構成される第１要素および第２要素を有し、前記第１要素および第２要素は互いに対して回転可能に構成され、それにより、前記第１要素および第２要素の少なくとも一方が電荷を含むときに電力を生成し、
前記システムはさらに、
前記第１要素と前記第２要素との間の距離を、前記第１要素と前記第２要素との間の相対回転速度に依存して前記距離が制御されるように、制御するように構成された機構を有する、システム。
【請求項２】
前記第１要素と前記第２要素の少なくとも一方の平面が、前記相対回転速度に応じて前記第１要素と前記第２要素との間に流体力学的力を生成するための溝を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記溝が、前記第１要素及び前記第２要素の回転中心に向けて内向きに曲がる、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記溝が螺旋パターンを持つ、請求項２または請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記溝が、前記回転中心から測定された半径方向の距離の関数として増加する断面積を有する、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１要素または前記第２要素が、２つ以上の半径方向に延在する溝を有し、前記溝の各々が、前記第１要素と前記第２要素との間の回転中心から測定された半径方向の距離の関数として減少する深さを持つ、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
各々の半径方向に延在する溝内に配置される少なくとも１つの半径方向に可動の質量要素を有する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記溝が少なくとも部分的に、それぞれの要素の前記平面の摩擦電気的に活性の材料部分を区切る、請求項２から請求項７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記平面が、第１環状領域および第２環状領域を有し、前記第１環状領域が溝のパターンを有し、前記第２環状領域が複数の摩擦電気的に活性の表面領域を有する、請求項２から請求項７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
少なくとも１つの前記要素が、半径方向に間隔を置いた回転子ブレード要素を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記回転子ブレードがプロペラ・ブレードまたは翼型ブレードを有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ブレードが、摩擦電気材料の１つ以上の層を有する、請求項１０または請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
電力を生成するための電力生成器を提供するステップであって、前記電力生成器が、少なくとも一方が電荷を含む第１要素および第２要素を有し、前記第１要素および第２要素は互いに対して回転可能に構成され、それにより、前記第１要素および第２要素の少なくとも一方が電荷を含むときに電力を生成する、ステップ、
前記第１要素および前記第２要素を互いに対して回転させるステップ、
前記第１要素と前記第２要素との間の相対回転速度を制御することにより、前記第１要素と前記第２要素との間の距離を制御するステップ、
を有する方法。
【請求項１４】
前記第１要素および前記第２要素を回転させるステップが、前記電力生成器の出力電圧の関数である相対回転速度で回転させることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記相対回転速度が、前記第１要素および前記第２要素を、前記要素が相互に接触する充電フェーズと前記要素が相互に接触しない電力生成フェーズとの間で周期的に遷移させるように制御される、請求項１３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ための電気エネルギー生成器およびエネルギー生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができるそのようなシステムの一例は、摩擦電気エネルギー生成システムである。摩擦帯電効果（摩擦帯電とも呼ばれる）は、摩擦によって異なる材料と接触した後に材料が帯電した接触誘起帯電である。摩擦電気生成は、摩擦帯電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いている。歩行、ランダムな身体の動き、吹いている風、振動または海洋波などの、さもなければ無駄になる機械的エネルギーを捕捉することによって、センサおよびスマートフォンなどのモバイルウェアラブルデバイスに電力を供給するために摩擦電気生成を利用することが提案されている。例えば、Wang, Sihong, Long Lin, and Zhong Lin Wang. "Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors." Nano Energy 11 (2015): 436-462)を参照。
【０００３】
摩擦帯電効果は、電子を獲得する（負に帯電する）または電子を失う（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序列に基づいている。この序列は、例えば、A.F. Diaz and R.M. Felix-Navarro, A semi-quantitative triboelectric series for polymeric materials: the influence of chemical structure and properties, Journal of Electrostatics 62 (2004) 277-290に開示されている。静電気を発生させる材料の最良の組み合わせは、正帯電リストからのものと負帯電リストからのものである（例えば、銅に対するポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、またはアルミニウムに対するフッ素化エチレンプロピレン（FEP））。毛皮を使ってガラスをこすること、または、毛髪を櫛でこすることは、摩擦電気の日々の生活からよく知られている例である。
【０００４】
その最も単純な形態では、摩擦電気生成器は、異種材料の2枚のシートを使用し、一方は電子供与体であり、他方は電子受容体である。1つ以上の材料は絶縁体であってもよい。他の考え得る材料は、半導体材料、例えば、自然酸化物層を含むシリコンを含むことができる。材料が接触されると、電子が一方の材料から他方の材料へと交換される。これは単に摩擦帯電効果である。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隔離され、電位が蓄積される。電気的負荷が2つの材料表面の裏側に堆積/配置された電極の間に接続されている場合、横方向または垂直方向のいずれかのさらなるシート変位も、応答として2つの電極間に電流を誘発する。これは単に静電誘導の例である。2つのプレートのそれぞれの電荷中心間の距離が増加するにつれて、ギャップを横切る2つの間の誘引電界が弱まり、負荷を介する電荷の電気的引力がギャップを横切る静電引力に打ち勝つようになり始めて、2つの外部電極間の電位差が増大する。
【０００５】
このようにして、摩擦電気生成器は、接触帯電（摩擦帯電）と静電誘導の2つの主な物理的メカニズム間の結合を介して機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００６】
プレートの電荷中心間の相互分離を循環的に増減することによって、電流が応答してプレート間を行き来するように誘導され、それによって負荷に交流電流が発生する。したがって、摩擦電気生成装置はチャージポンプと考えられることができる。
【０００７】
ミクロンスケールのパターンをポリマーシートに適用することによって、パワー出力を増加させることができる。パターニングは、接触面積を効果的に増加させ、それによって電荷移動の有効性を高める。
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に開示されているように、近年、この効果を利用した発電（エネルギーハーベスティング）および電力変換のための新素材技術が開発された。この効果に基づいて、いわゆる摩擦電気ナノ発電機（TENG）のいくつかの装置構成が開発されている。
【０００８】
2012年の最初の報告以来、TENGの出力密度は大幅に向上している。体積出力密度は1立方メートル当たり400キロワット以上に達し、約60％の効率が実証されている（同上）。高出力性能に加えて、TENG技術には、低製造コスト、高信頼性と堅牢性、低環境負荷など、他にも数多くの利点がある。
TENGは、発電機、すなわち、たとえば振動、風、水、またはランダムな体動からのエネルギー収穫として、あるいは機械的に利用可能なパワーの電気への変換として、使用されることができる。生成された電圧は電力信号である。
TENGは、4つの主な動作クラスに大別することができ、そのうちの1つは、いわゆるリニアスライディングモードで動作し、帯電プレートは、それらの間の重なり領域を変更するために互いに対して横方向にスライドするように誘導される。合計の重なり面積の変化率に比例した瞬間的な大きさを有する電位差がプレートを横切って誘起される。繰り返しプレートを相互に重なり合わせたり合わせなかったりすることにより、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。
【０００９】
開発されたリニアスライディングモードTENGの1つの特定のサブセットは接触モード（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）の両方で操作できる回転ディスクTENGである。回転ディスクTENGは、典型的には、各々が間隔をあけた円セクタ（セグメント）のセットとして形成された少なくとも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相対的に回転するときに重なり、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、重なり合う面積の変化率に比例した大きさで、電流が誘導される。連続的に間隔を置いて配置された回転子の各セクタが所与の固定子のセクタと重なり合って離れると、2つのセクタプレートの間に電流が誘導され、プレートの重なりが増加すると、最初に第1の方向に電流が誘導され、そしてプレートの重なりが減少すると、反対方向に電流が誘導される。
【００１０】
セグメント化された構造のディスクTENGの初期バージョン(Long Lin et al., Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy, Nano Lett., 2013, 13 (6), pp 2916-2923)の限界は、回転および固定摩擦電気層が、金属電極の堆積および電気リードとの接続を必要とし、回転部分の不便な動作につながることである。さらに、効率的な発電を達成するためには密接な接触が不可欠であり、材料の摩耗、摩耗粉、出力の不安定性、およびTENGの一般的に限られた寿命につながる。
【００１１】
Long Lin et al., Noncontact Free-Rotating Disk Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), pp 3031-3038に開示されているように、回転ディスク上の独立した摩擦電気層と共に、固定ディスク上に取り付けられたパターン電極の両方のグループを有するディスクTENGは、これらの問題を解決することができる。
【００１２】
このような構造であれば、回転部の電極堆積や電気的接続が不要となり、エネルギーハーベスタの動作設備を飛躍的に向上させることができる。
【００１３】
回転ディスクTENG、および一般的にはリニアスライディングモードTENGは、接触モードおよび非接触モードの両方で動作することができる。（最初と、リークを打ち消すためにその後の両方で）プレートを摩擦帯電させるために接触が望まれるが、（電気エネルギーが生成される）静電誘導プロセス自体は、プレート間の接触を必要とせず、（例えば約0.5mmの）小さなプレート間隔で良好に動作する。
【００１４】
プレートが連続的な摩擦接触状態に維持される接触モードで動作すると、プレートが連続的に充電され、それゆえ、漏れ等により失われた電荷の連続的な交換によって、（バイプレート（bi-plate）システムの静電容量によって規定される）何らかの理論上の最大充電容量に絶えず維持されるので、より高い出力が得られる。当然のことながら、より大きな電荷密度は、プレート内の電子間のより大きな静電力を誘発するので、プレート上に維持され得る電荷が大きいほど、生成され得る静電誘導出力はより大きくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
接触モードで摩擦発電機を動作させることは、過度のノイズ生成、および、表面摩耗による装置材料の劣化を含む様々な困難をもたらす。
【００１６】
したがって、理想的には、発電機は、必要に応じてプレート上に電荷を補充するために、断続的にのみ接触モードで動作され、静電誘導によって電気エネルギーが生成される非接触モードで残りの時間を動作させることが本発明者らによって実現された。
【００１７】
このようなバイモード動作を実現するには、接触モードと非接触モードとの間の移行を制御し、プレート間のギャップ高さを正確に制御する機構が2つの重要な課題である。さらに、ギャップ高さの正確な制御は、例えば、静電誘導プロセス中のプレート離間距離が発生電圧および電力出力に大きな影響を与えるため、摩擦発電機のみならずすべての誘導発電機の重要な問題である。誘導発電機のプレート間の離間距離を注意深く制御する能力は、バイモード動作で使用することが意図されていない場合でも、非常に有利である。
【００１８】
説明のために、図1は、PTFE回転子を含む例示的な回転プレートTENGのmm単位のプレート間隔（x軸10）とmW単位のピーク出力（y軸12）との間の測定された関係を示すグラフを示す。上述したように、プレートが接触している（すなわちプレートの間隔がゼロの）ときには電力出力が最大であり、図1について測定された例示的な回転子の約0.5mWのピーク出力に達する。プレート間隔が増加するにつれて、ピーク電力出力は極端かつ急激に低下し、わずか0.5mmの分離が約80％の出力低下をもたらし、ピーク電力はわずか0.1mWに低下する。特定の回転ディスクTENG装置タイプでは、2mmの間隔で、出力がほぼゼロにまで低下した。
【００１９】
同様に、図2は、mm単位のプレート間隔（x軸16）と出力電圧Vのピーク間振幅（y軸18）との間の関係を、同じ例示的なTENGについて示す。やはり、プレート間隔の増加に応じて急激な低下が観察され、0.5mmのギャップは約75％の（約140Vから35Vへの）ピーク間電圧の低下を招く。
【００２０】
プレート離間距離とピーク電力出力との間のこの強い関係は、図1および図2のグラフによって表される例示的なTENG発電器だけでなく、静電誘導の同様の原理に従って電力を生成するすべての種類の発電機にも当てはまる。従って、バイモード動作TENGの接触モードと非接触モードとの間の移行を安定して管理するためだけでなく、より一般的には、誘導発電機（TENGを含む）の電力出力および/または電圧出力を効率的に管理、制御または調整するために、プレートギャップ距離を高精度に制御することができることが望ましい。
【００２１】
さらに、このような発電機を小型民生用電子機器に容易に組み込むためには、プレートの間隔を制御するための機構が、理想的には重く複雑なメカトロニクス作動要素を必要とせず、可能な限りコンパクトで効率的で簡単であることが望ましい。
【００２２】
従って、電力を発生するために相互に回転する帯電要素を含む発電機システムが望ましく、このシステムは、前記相互に回転する要素間の離間距離を正確に制御するための単純でコンパクトで効率的な駆動機構をさらに備え、そして、装置に著しい体積、重量または操作の複雑さを加えることなくそれを行う。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、独立請求項に定義された装置および方法を用いて前述の問題に対処する方法を提供することを目的とする。
【００２４】
従属請求項は、変形例の有利な実施形態を提供する。
【００２５】
従って、本発明によれば、システムが提供され、当該システムは、電力を生成するための発電機であって、
少なくとも一方が電荷を含むように構成された第1要素および第2要素を有し、前記第1および第2要素は互いに対して回転可能であり、それによって、第1要素および第2要素の少なくとも一方が電荷を含むときに、電力を生成するようにさらに構成される、発電機を有し、前記システムはさらに、
前記第1要素と前記第2要素との間の距離を、当該距離が前記第1要素と前記第2要素との間の相対的な回転速度に応じて制御されるように、制御するように構成された機構を有する。
【００２６】
したがって、本発明の実施形態は、プレート間隔を正確に制御するための関連する駆動機構を有する相互に回転する帯電プレート発電機を提供する。要素間の距離を制御することは、要素間の分離を誘発または生成すること、要素間の所与の間隔を維持すること、および/または要素間の分離の程度を変化させることを含むことができる。機構によって制御される第1要素と第2要素との間の距離は、要素の相互回転軸に平行な方向に沿った離間距離である。例えば、要素が互いに面する平面を有する平面回転要素を含む場合、制御距離は、表面法線方向の一方または両方に平行な方向に沿った距離である。
【００２７】
要素は、特定の例によれば、例えば、回転ディスク摩擦発電機の円形ディスクプレート、非摩擦電気誘導発電機の円形ディスクプレート、または、非誘導発電機の円形ディスクプレートのような、円板要素を含むことができる。しかしながら、他の例によれば、要素は、異なる形状の発電プレートを含んでいてもよいし、平面プレート状の要素を全く含んでいなくてもよく、発電要素に関しては、以下の説明において「ディスク」または「プレート」に対する言及は、これらの実施形態または他の実施形態に関して限定的とみなされるべきではない。
【００２８】
離間距離は、要素の相対回転速度に依存して制御されるので、実施形態は、プレート間隔を制御および調整するための単純かつ内在的な機構を提供し、プレートの速度自体が、回転要素間のギャップの高さを変化させるための制御パラメータを提供する。
【００２９】
特定の例によれば、回転要素自体は、回転に応答して要素間に揚力などの分離力を自然に生成する固有の特徴または特性を有するように提供されてもよい。このようにして、要素の回転自体が、要素を分離状態で支持することができる（固体または流体）ベアリングを自然に提供することができる。さらに、前記ベアリングは、要素の回転速度に比例した大きさの要素間の分離を提供し、それによって、要素の分離の程度を正確に制御するための単純かつ内在的な機構を提供する。
【００３０】
さらに、本発明の特定の実施形態は、相互に回転する要素間の離間距離（回転子-固定子離間距離）を管理することに関して少なくとも部分的に自己調整する発電機を可能にすることができる。これは、要素間の離間距離が、発電機自体の固有の動作パラメータ（すなわち、相対回転速度）に依存して制御されるという事実のために生じる。発電機の回転速度自体がどのように制御され、調整されるかに応じて、離間距離の自己調整はいくつかの可能な方式のいずれかに従って動作することができる。
【００３１】
単なる1つの非限定的な例として、プレートの回転速度は、例えば、発電機の出力電圧に比例するように制御されてもよい。この特定のケースでは、出力電圧が低下し始めると、プレートの離間距離が狭くなり始め、出力電圧が増加すると離間距離が広がる。自己調整のこのスキームは、例えば、上述した種類のバイモードTENGの充電および非充電のフェーズを管理する際に有利であり得る。
【００３２】
実施形態は、発電機が自己調整モードで動作することを可能にするが、これは必須ではない。本発明の実施形態は、例えば、素子間の相対回転速度を手動で制御することによって、素子分離に関して手動で調整される発電機を提供することができる。
【００３３】
駆動機構は、いくつかの場合にはプレート（すなわち要素）構造自体に一体化され、プレートの移動を作動させるための外部メカトロニクスを必要とせずにプレート分離を正確に制御し、そのようなシステムおよび要素が典型的に被る可能性がある追加の体積、費用および操作の複雑さを回避する。
【００３４】
例えば、1つ以上の実施形態によれば、第1要素および第2要素の少なくとも一方の平坦な表面は、相対回転速度に応じて第1要素と第2要素との間に流体力学的力を発生させるための溝を含むことができる。溝によって形成されるパターンにより、流体内で互いに対して要素が回転すると、流体中でポンプ作用が発生して、相対回転速度に関係する大きさの力で要素が押し離される。要素が、例えば要素を互いに向かって押す、ある小さな予荷重を受ける場合、回転速度の増加は要素間の分離の比例した（またはさもなければ関連する）増加をもたらす。要素のその後の減速は結果的にプレート間の間隔の狭小化をもたらす。
【００３５】
溝は、例えば、螺旋パターンを形成するために、例えば、第1および第2要素の回転中心に向かって内向きに湾曲することができる。したがって、これらの実施形態により、自身の回転が発電機のプレートを分離した状態で支持するのに必要な流体力学的圧力（揚力）を発生させる自己発生ベアリングである、一体化された螺旋溝スラストベアリング（SGB）を有する発電機が提供される。
【００３６】
溝は、回転中心から測定される半径方向距離の関数として増加する断面積を有することができる。溝の内向きの曲率は、回転時に、例えばガスが内向きに押し込まれ、結果的に流体力学的圧力が上昇することを意味する。この圧力は、対向するプレートの表面に力を発生させ、したがって、2つのプレートの間に揚力を提供する。
【００３７】
1つまたは複数の代替実施形態によれば、第1要素または第2要素は、2つ以上の半径方向に延びる溝を含むことができ、その各々は、第1要素と第2要素との間の回転中心から測定される半径方向距離の関数として減少する深さを有する。これらの実施形態の範囲内で、半径方向に延びる各溝内に配置された少なくとも1つの半径方向に移動可能な質量要素がさらに設けられてもよい。
【００３８】
プレートが回転すると、半径方向に移動可能な質量要素は、遠心力がそれらに作用するため、応答して半径方向外側に強制される。溝は、端に向かって狭くなる深さを有するので、質量要素は、外側に移動するときに、プレートを押し離すように作用する。さらに、溝はプレートの中心とその端との間で連続的に狭くなるので、増加する遠心力によって質量要素がさらに遠ざけられると、より大きな回転速度はプレート分離の程度を大きくする。
【００３９】
したがって、この構成は、要素の構造内に一体化された質量遠心レギュレータを提供し、回転速度に比例した大きさの要素間の分離を誘導するように作用する。
【００４０】
上記の実施形態のいずれかによれば、提供された溝は、それぞれの要素の平面の摩擦電気的に活性な材料部分を少なくとも部分的に画定することができる。上述したように、回転ディスク摩擦発電機は、摩擦材料の間隔を置いて配置された領域を連続的に重ね合わせ、次いで分離することによって電力を発生させる。本発明の特定の実施例によれば、溝は、摩擦電気的に活性な材料の隣接する領域部分の間に自然な間隔を提供するために利用され得る。
【００４１】
本発明の特定の実施例では、第1要素および第2要素の少なくとも一方の平坦な表面は、第1および第2環状領域を含み、第1環状領域は溝のパターンを有し、第2環状領域は、摩擦電気的に活性な表面領域を有する。これらの例によれば、要素は、摩擦発電機内での使用に適したプレートを提供し、溝のパターンは、プレートのエネルギー生成に使用される領域とは別の領域に設けられる。例えば、ディスク形状要素の外側リングの周りに摩擦電気材料の間隔をあけた（部分的な）セクタが形成されることができ、一方、前記ディスクの中央領域は、揚力を発生させるための溝（場合によっては質量要素）専用である。
【００４２】
本発明の別の一組の実施形態によれば、要素の少なくとも1つは、半径方向に離間した回転子ブレード要素を含む。特に、回転子ブレードは、例えば、プロペラブレードまたは翼形状の（翼型）ブレードを含むことができる。これらの場合、翼形状の上面と下面との間に生じる圧力差に起因して、回転に応じて揚力が発生する。ブレードは、特定の例では、例えば、摩擦電気材料の1つ以上の層を含むことができ、回転子ブレードの間隔と一致するように配置された摩擦電気材料領域をも含む、対向するディスク要素上でのブレードの回転は、標準的な回転ディスクTENGのよく知られた静電効果をもたらす。
【００４３】
本発明のさらなる態様によれば、方法が提供され、当該方法は、
電力を生成するための電力生成器を提供するステップであって、当該電力生成器が、少なくとも一方が電荷を含むように構成された第1要素および第2要素であって、互いに対して回転可能であり、それによって、第1要素および第2要素の少なくとも一方が電荷を含むときに、電力を生成するようにさらに構成される第1要素および第2要素を有するステップと、
前記第1要素と前記第2要素を互いに対して回転させるステップと、
記第1の要素と前記第2の要素との間の相対回転速度を制御することによって、前記第1要素と前記第2要素との間の距離を制御するステップと、を有する。
【００４４】
上述したように、分離距離の、回転速度に対する固有の依存性は、後者を変更することによって前者が制御されるので、前記分離距離に関して発電機動作の部分的自己調整モードが可能になり、発電機自体の「内部」パラメータが調整スキームの基礎を提供する。
【００４５】
これの1つの例示的な実施形態によれば、第1の要素および第2の要素を回転させることは、電力生成器の出力電圧の関数である相対回転速度で回転することを含む。そのような方法は、例えば、前のセクションで説明した種類のバイモードTENGの充電フェーズおよび非充電フェーズを管理する際に有利であり得る。
【００４６】
本発明の実施形態はまた、要素間の相対的な回転速度を手動で制御することによって、要素分離の「手動」調整を可能にする。ここでもまた、回転ディスク摩擦電気発生器の特定の例に関して、一方または両方のプレートの充電レベルを管理する際に、回転速度の手動制御も有利に採用され得る。
【００４７】
例えば、いくつかの例によれば、回転の相対速度は、要素が相互に接触している充電フェーズと、要素が相互に接触していない発電フェーズとの間で第1要素と第2要素を周期的に遷移させるように制御することができる。したがって、ここでは、2つの比較的安定したモードが交互に使用され、2つの間を移行するために利用される統合された駆動機構が用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【図１】例示的な回転ディスク摩擦電気発生器のピーク電力出力とプレート分離との間の関係を示すグラフ。
【図２】例示的な回転ディスク摩擦電気発生器のピーク-ピーク出力電圧とプレート分離との間の関係を示すグラフ。
【図３】螺旋溝スラスト・ベアリングの第1の例示的な溝パターニングを示す図。
【図４】螺旋溝スラスト・ベアリングの第2の例示的な溝パターニングを示す図。
【図５】螺旋溝スラスト・ベアリングの第3の例示的な溝パターニングを示す図。
【図６】螺旋溝パターニングを含む回転ディスク要素の第1の例を示す図。
【図７】第1の例示的な螺旋状溝ベアリングの、様々な回転速度での、プレート分離の関数としての耐荷重能力を示すグラフ。
【図８】第2の例示的な螺旋状溝ベアリングの、様々な回転速度での、プレート分離の関数としての耐荷重能力を示すグラフ。
【図９】螺旋状溝パターニングを含む回転ディスク要素の第2の例を示す図。
【図１０】螺旋状溝パターニングを含む回転ディスク要素の第3の例を示す図。
【図１１】螺旋状溝パターニングを含む回転ディスク要素の第3の例を示す図。
【図１２】螺旋状溝パターニングを含む回転ディスク要素の第4の例を示す図。
【図１３】半径方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含む回転ディスクの一例を示す図。
【図１４】発電機回転ディスクに含まれ得る翼型ロータブレードの例を示す図。
【図１５ａ】回転子-固定子分離を制御するための一体化された遠心レギュレータ・ベアリングを有する回転ディスクジェネレータの一例を示す図。
【図１５ｂ】回転子-固定子分離を制御するための一体化された遠心レギュレータ・ベアリングを有する回転ディスクジェネレータの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本発明は、互いに帯電し、相互に回転するプレート要素を備える発電機と、プレート間の分離距離を正確に制御するための一体化された駆動機構とを有する、エネルギー生成システムを提供する。駆動機構は、回転速度の関数として変化する分離を提供し、したがって装置の自然な動作の中に分離制御を同化する。実施形態は、流体力学的流体（液体または気体）ベアリングおよび遠心レギュレータ固体ベアリングの両方の自己生成ベアリングを含むプレートを提供し、ベアリングは、プレートの回転速度が増加するにつれて増加する大きさのプレート間に支持力を提供する。実施形態は、回転子-固定子分離の管理およびプレートの充電レベルに関する自己調節TENGを可能にし、プレート回転の駆動速度は発電機の出力電圧と連動する。摩擦電気発生の方法も提供される。
【００５０】
上記で説明したように、本発明は、2つ以上の相互に帯電した要素の相互回転によって動作する電力発生器を備え、当該要素が可変の相対的な分離を必要とするかそれから利益を得る、任意のシステムに広く関係する。本発明が有利に適用され得る発電機の1つの特定のクラスは、摩擦電気発生器、特に回転ディスク摩擦電気発生器であり、上記のように、発電機電力および/または電圧出力の効率的な管理と、（一部ではあるがすべてではないクラスにおいて）接触動作モードと非接触動作モードとの間の移行の効率的かつ安定した実施との両方のための正確な調整が可能である回転子-固定子ギャップから利益を得ることができる。本発明の概念の例示として、様々な実施形態が以下に概説され、ここでは、特にTENG装置およびシステム内での本発明の実施の詳細な実施例が説明される。しかしながら、各ケースにおいて、TENG発生器およびシステムへの適用は、純粋に例示的であり、本発明の全体的な範囲を限定するものではなく、多数の他の有利な適用が存在することが理解されるべきである。単なる１つのクラスの例として、静電誘導によって電力を生成するが、相互に回転するプレートの摩擦帯電を介して動作するのではない誘導発電機は、例えば電力または電圧出力を効率的に管理するために本発明の実施形態を利用することができる。本発明は、発電機の他の例、特に相互に充電された要素の相互回転によって動作する任意の例に適用されることができる。
【００５１】
第1の単純なグループの実施形態によれば、回転要素自体が、回転に応答して要素間に揚力などの分離力を自然に生成する固有の特徴または特性を有するように提供されてもよい。このようにして、回転プレート自体の構造に一体化された駆動機構が提供され、その回転は自然に（固体または流体の）ベアリングを提供し、それによって要素が分離状態で支持され得る。
【００５２】
特に、相互に回転する荷重の間に比較的低摩擦のベアリングサポートを提供する、いわゆる自己発生スラスト・ベアリングの様々な可能な実施例が存在する。ベアリング自体の回転は、プレートを分離した状態に保つのに必要な支持力を生成し、ベアリングの回転速度を制御することによって、分離の程度を正確に制御することができる。
【００５３】
第1の例として、本発明の1つ以上の実施形態によって、回転ディスク要素を有する回転ディスクTENGのような回転ディスク発電機を提供することができ、回転ディスク要素の1つまたは複数は、回転に応じて垂直の流体力学的揚力を生成する目的で湾曲したインタリーブ溝のパターンを含む。したがって、これらの例によって、ディスク要素の1つまたは複数に組み入れられた、いわゆる螺旋溝スラストベアリング（SGB）を備えるTENGまたは他の発電機が提供される。
【００５４】
螺旋溝スラスト・ベアリングは、自己作動式の「非接触」流体ベアリングであり、（潤滑流体内での）それ自身の回転が、発電機のプレートを分離状態に支持するのに必要な圧力を高める。ベアリングは、いわゆる「ウェッジ・ポンプ」動作によってプレート表面を分離して維持するために必要な圧力を発生させる。螺旋パターンは、ベアリングの部分が互いに対して回転されると、溝および隆起の螺旋状パターンがパターン化されたベアリング表面の中心に向かって潤滑流体を押しやり、全体的な圧力の上昇を引き起こすようなパターンである。十分な回転速度でのこの圧力上昇は、ベアリングの対向面に対して力を加え、両者を押し離す。
【００５５】
このようなベアリング・システムでは、回転開始時と停止時にベアリング面が接触するが、回転の間は表面間にギャップがあり、ギャップの寸法はベアリングの設計、回転速度、流体媒体の粘度ベアリング荷重に依存する。接触から始まり、回転は、空気または他の流体を載荷媒体として、流体力学的揚力を引き起こす。プレート間に誘起されるギャップは非常に小さくてもよいので、対向するプレート上の電極間の静電結合は、デバイス動作（非接触）モードにおいてかなりの電力出力を生成するのに十分大きい。
【００５６】
生成される流体力学的力の大きさは回転速度に関係しているので、より速く回転するプレートはより大きな力を誘発する。プレートは、例えば、プレート速度（ひいては揚力）の増加及び減少がプレート分離における安定した増加及び減少をもたらすような、ある程度の（小さな）内向き予荷重力（又はバイアス）を受けてもよい。この場合、発電機プレート自体の動きは、プレートの分離の内向きおよび外向きの調整を直接的に駆動する。
【００５７】
このような非接触式エアベアリングは、回転子-固定子間のギャップ高さの非常に正確な制御を可能にし、従って、発電機出力電圧の注意深い調整を可能にするために使用されることができ、例えば出力の大きな変動を避けることができる。さらに、このタイプのベアリングは、表面摩擦力を大幅に低減し、潜在的な騒音の発生も大幅に低減し、例えば、特別な騒音防止システムまたは構造を必要としない製品またはアプリケーション内で回転ディスクTENGを使用することが可能になる。さらに、（流体力学的圧力がベアリング自体の回転によって生成される）ベアリングの「自己作用」特性は、ポンプ/真空要素などにより体積を増加させてしまう伝統的な加圧ガスまたは液体溶液を使用せずに非接触流体ベアリングの利点を提供できることを意味する。
【００５８】
このようなベアリングは一般的に「螺旋溝」ベアリングと呼ばれるが、流体力学的効果を発生させるために使用されることができる、ヘリングボーン及びV溝パターンを含む（但しそれらに限定されない）、様々な可能な特定のパターニングが実際には存在する。
【００５９】
このようなパターンの少数のサンプルが、図3〜図6に例として示されている。図3は、自己生成流体ベアリング機能を提供するために発電器に実装されることができる標準的なスパイラルパターニングの例を示し、x（22）およびy（24）軸は、パターンの幅および長さの寸法（mm）を表す。この例（図3）では、パターンは、例えば回転ディスクTENGに含まれ得るディスク要素のような円形ディスク要素に適用されるものとして示される。溝は、ディスクの中央開口部に向かって内側に湾曲し、それによって、「ポンピング」プロセスの開始時または終了時に、流体が引っ張られるかまたは追い出される。溝は、中心に向かって内側に湾曲するにつれて狭くなる。（図3において時計回りの方向に）回転すると、流体は溝に沿って、より広い外側の領域から、より狭い内側の領域に向かって、強制的に押し込まれ、結果的に流体力学的圧力が上昇する。この圧力は、対向するプレートの表面に力を及ぼし、したがって、2つのプレートの間に揚力を提供する。
【００６０】
このパターンの若干の変形例が図4に示されており（ここでも、x（22）およびy（24）軸はパターンの幅および長さ寸法をmmで表す）、このパターンは「スパイラルヘリングボーン」配置を含み、搬送ディスクの外側領域は、インタリーブされた「V」字型溝の循環パターンを含み、それぞれがディスクの中心に向かって内側に螺旋状に尾を引く。ここでもまた、溝は、ディスクの中央領域に近づくにつれて狭くなる。この設計によれば、「収束点」の二次リングがV字形の頂点によって提供され、（反時計回りの方向における）回転時に、流体楔がVの両方の突起から形成され、合流地点における圧力の上昇、およびその結果としての垂直な揚力が生じる。
【００６１】
図5は、円状に一連のV字形34がディスク要素32の外周縁の周りに形成されている別のパターン構成を示している。図4の例の「ヘリングボーン」Vと同様に、（時計回り方向の）ディスクの回転は、Vの頂点で流体の蓄積を誘発し、空気は両方の「突起」から中央の合流地点へと強制される。これは、ディスクの表面に対して垂直に放出される力の生成を引き起こし、これにより、2つの対向するディスク要素を互いに離間して保持する力が生成される。
【００６２】
図6には、摩擦電気生成器の回転ディスク32内の例示的な螺旋状溝パターンの可能な実装の概略図が示されている。交互の第1の材料領域36と第2の材料領域38とのパターンを横切って、ディスク32の平坦な表面内に交互配置の螺旋状の溝35が形成される。いくつかの例によれば、交互の第1の材料領域36および第2の材料領域38は、交互の摩擦電気的に活性な材料領域および摩擦電気的に不活性な材料領域からなることができる。他の例によれば、例えば電気的に絶縁された金属電極のパターンを形成するように、第1および第2の領域の両方が摩擦電気的に活性な材料からなることができる。金属電極は、例えば、それぞれ同じ摩擦電気的に活性な材料からなることができ、または、領域36および38は、異なる摩擦電気的に活性な材料からなることができる。溝は、摩擦電気発生器のロータディスク要素上またはステータディスク要素上に形成されることができる。
【００６３】
非限定的な例として、（任意の例示的実施形態による）溝パターンは、金属化されたアクリル層への（例えば、レーザー加工またはエッチングによる）インプリントによってディスク要素の表面に形成されてもよい。これは、例えば、回転セクタ36,38のインプリントと協働して行われてもよい。あるいは、溝は、金属化に先立ってアクリルに予備成形されてもよい。当業者によって理解されるように、パターンを形成するための他の方法もまた使用され得る。
【００６４】
スラスト・ベアリングの荷重担持能力は、溝自体の様々な特性、螺旋のサイズ及びピッチ、並びに、載荷媒体の流体特性（例えば、粘度）に依存する。図7および図8は、それぞれ図3および図4の2つの例示的な螺旋状ベアリング・パターンの種々の回転速度におけるプレート分離44（μm単位）の関数としての耐荷重能力42（mN）を示すグラフである。両方の例について、ベアリングは、内半径2.5mmおよび外半径20mmのディスクに提供された。
【００６５】
図7は、18.3μPa・sの動的粘度を有する空気中で動作する、図3の螺旋状ベアリング・パターンを有するプレートについてのプレート分離44（μm単位）の関数としての耐荷重能力42（mN）を示す。試験された特定のベアリングは、それぞれが15μmの深さ、ならびに、±15°の溝角度αおよび溝-リッジ比が1のリッジ幅を有する、30個の溝のパターンを含んでいた。
【００６６】
図7において、6つの曲線46〜56は、徐々に増加するプレートの回転速度に対応するプレートの荷重支持能力を示す。曲線46は角周波数500rpm、曲線48は周波数1000rpm、曲線50は1500rpm、曲線52は2000rpm、曲線54は2500rpm、曲線56は3000rpmに対応する。3000rpmおよび375mNの負荷では、20μmの回転子-固定子分離（すなわち、揚力）が期待できる。同じ負荷の場合、500rpmでは12μmの間隔が予想される。
【００６７】
図8は、ここでも18.3μPa・sの動的粘度を有する空気中で動作する、図4のヘリングボーン/螺旋パターン・ベアリングを有するプレートについてプレート分離44（μm単位）の関数としての耐荷重能力42（mN）を示す。試験したベアリングは、それぞれが15μmの深さ、ならびに、±15°の溝角度αおよび溝-リッジ比が1のリッジ幅を有する、30個の溝のパターンを含んでいた。ヘリンボーンV字の頂点の環状配置は、14.25mmの半径を有する。
【００６８】
図8において、6つの曲線62〜72は、前のグラフの曲線46〜56と同じプレート回転速度の進行に対応する。特に、曲線62は500rpmの角周波数、曲線64は1000rpm、曲線66は1500rpm、曲線68は2000rpm、曲線70は2500rpmおよび曲線72は3000rpmに対応する。図3の螺旋状のベアリング・パターンと比較して、ヘリンボーン・ベアリングの荷重担持能力は、所与の分離距離および回転速度に対して、ほぼ半分の大きさである。3000rpmの回転速度において、20μmの揚力44を得るためには、荷重は約180mNを超えてはならない。
【００６９】
いくつかの例によれば、螺旋スラスト・ベアリングを形成する溝は、摩擦電気発生器（図9）内で実施されるべきディスク要素の表面上の隣接する摩擦電気セグメント間の区切りを与えるために使用されてもよい。上述したように、回転ディスクTENGは、対向するディスクの表面上に形成された摩擦材料（セグメント）の離間した領域の連続した摩擦帯電、重なりおよび分離によって動作する。したがって、いくつかの例では、ベアリングの流体力学的ポンプ作用を促進する（主要機能）溝は、隣接する摩擦電気材料表面部分（電極アレイパターンの分離トレンチ）の間の自然な間隔を提供する二次機能のために有利に利用されることができる。これらの場合、図6の例とは異なり、溝は、TENGディスク自体の摩擦電気パターニングに効率的に一体化される。したがって、プレート分離制御を容易にするための駆動機構、および摩擦電気エネルギーを発生させるために必要な電極構成（ピックアップ電極アレイ）は、単一の単純なディスク要素構造内に合併される。
【００７０】
図9は、螺旋又はヘリンボーンの溝が絶縁ライン（又はトレンチ）76を形成するTENGディスク要素32の一例を示しており、それによってディスクを2つの交互の電極部分のアレイパターンに分割する：第1の（連続する）摩擦電気材料部分78にはその中に一連の間隔をおいて配置された孤立した摩擦電気材料部分80が配列されている。絶縁された領域は、図6に示すような、より典型的な回転ディスクTENG設計の交互の円セグメント間の絶縁ラインと同じように作用する。
【００７１】
図10は、ディスクの発電機構の一部として第2の役割を果たす螺旋状の溝86を含むディスク要素32の第2の例を示している。この場合、ヘリングボーンパターン84自体が2つの交互の電極のうちの一方を形成し、第2の電極は分離領域86によって形成される。この場合、パターン84の溝は単に異なる電極領域を分離するのではなく、むしろ領域自体のセットのうちの一方を含む。
【００７２】
別の例（図11および図12）によれば、螺旋溝ベアリングは、摩擦電気的に活性な電極部分に対してTENGディスク要素の別個の領域に設けられ、電気要素とプレート分離駆動要素とは意図的に互いに分離されている。
【００７３】
図11はそのような構成の一例を示す。この例によれば、ディスク要素32は、外側環状領域92および内側領域94を含む。内方に湾曲した溝96の環状に配列されたアレイが、外側環状領域92の周りに形成され、内側領域94の周囲で終わっている。内側領域は、第1の材料領域98と第2の材料領域100の交互のパターンを含む。いくつかの例によれば、ディスク要素32は、回転ディスクTENGの回転子要素を含むことができ、その場合、第1および第2の材料領域のパターンは、バッファ領域100によって分離された、離間した摩擦電気的に活性の円セクタ98のパターンを含むことができる。他の例によれば、ディスク要素32は、回転ディスクTENGの固定子ディスク要素を含むことができ、この場合、交互の材料領域は、（例えば、電気的に絶縁された）摩擦電気的に活性な電極の単純な円形配置パターンを含むことができる。ある場合には、材料領域98および100は、同じ摩擦電気的に活性な材料からなることができるが、他の場合には、異なる摩擦電気的に活性な材料からなることができる。これらの各ケースでは、対応する（対向する）ディスク要素は、離間した電極セクタまたは離間した摩擦電気材料セクタによって形成された内側領域と、相補的な螺旋状のベアリング・パターンまたはディスク32のパターンがプレート間に揚力を発生させるために流体力学的な力を及ぼすことができる単純な平面のいずれかを含む外側領域とを持つ、同様の構成を含むことができる。
【００７４】
図12は、同様の配置例を示しているが、内側領域94が螺旋溝パターン104を含み、外側環状領域92が離間した第1の材料領域98および第2の材料領域100を含む。上記のように、ディスク要素32がTENG装置のロータディスクを含む場合、これらの領域は、バッファ領域100によって分離された離間した摩擦電気的に活性な円セクタ98のパターンを含むことができる。ディスク要素がTENG装置の固定子ディスク要素を含む場合、これらの領域は、代わりに、（例えば、電気的に絶縁された）摩擦電気的に活性な電極の円形配置パターンを含むことができる。各場合におけるTENGの対向するディスク要素は、対向するディスクの外側領域の電極部分102が互いに連続して通過するときに静電誘導によってエネルギーが生成されるように、摩擦電気表面部分または電極の補完的なパターンを有して提供されてもよい。
【００７５】
上述した螺旋溝ベアリング機構は、TENGのような回転ディスク発電機におけるプレート分離を制御する目的で本発明の実施形態に組み込むことができる自己作用ベアリング機構の一組の例に過ぎない。さらなる一組の例によれば、1つまたは複数のディスク要素は、回転時にディスクがプロペラ、ロータまたはタービンと同様に機能するように、半径方向に間隔を置いて配置された複数のロータブレード要素を含むことができる。図13は、そのような実施形態による例示的なディスク要素を示す。この場合、ディスク要素32の構造は、半径方向に配置されたロータブレード要素110から完全に形成される。回転すると、ブレード110は、ステータとロータとの間に圧力を誘導して、揚力を誘起する。発電機内の対向する共役ディスク要素は、平面ディスク要素を含むことができ、それによって、プロペラ形要素32の回転によって生成された垂直力がプレート間分離力を提供するように作用する平坦面を提供する。
【００７６】
回転ブレードの間隔と一致して離間した摩擦電気材料領域を有する対向するディスク要素上でのブレードの回転が、標準的な回転ディスクTENGと同様の摩擦電気生成プロセスを引き起こすように、ブレード要素110は、例えば、「裏面」表面部分に配置された摩擦電気材料の1つ以上の層を含むことができる。
【００７７】
特定の例では、ロータブレードは、図13に示すようなプロペラブレードを含むことができ、または例えば翼型（エアロフォイル）ブレードを含むことができる。図14は、例示的なTENG装置のディスク要素によって構成され得る翼型ロータブレードの一例を示す。このような場合には、翼型ブレードの上面と下面との間に生じる圧力差に起因して、回転に応じて揚力が発生する。対向する（固定子）ディスク112は、ロータの揚力が作用する（例えば、垂直に固定された）平面を提供してもよい。
【００７８】
これらの例の変形例によれば、「ほぼ飛行」効果は、いわゆる「スレッジ」アプローチによって実施形態で達成され、ここで、回転子ブレード要素は、飛行機の翼、スキーまたはウォータースキーのように成形され、それによって回転速度が増加するにつれて揚力を与える。
【００７９】
なお、当業者であれば、任意の気体の代わりに、任意の非導電性流体が上記の提案された実施形態において潤滑剤として作用することができることを理解するであろう。
【００８０】
他の実施形態では、自己作用/自己制御ベアリングは、流体力学的効果ではなく、固体の原理に基づいて動作する発電機のプレートに組み込むことができる。図15aおよび図15bは、そのような実施形態の一例を示し、回転速度の関数である大きさに応じてジェネレータプレートの浮上量の変更を達成するために、質量遠心レギュレータの原理が適用される。ロータ要素122は、ディスクの中心からの半径方向の距離の関数として線形に減少する深さをそれぞれ有する2つ以上の半径方向に延びる溝124を含む。溝は、ロータの本体を通って延びるチャネルを形成し、その底部で固定子126の平坦な表面によって境界が定められる。各チャネル内には、チャネルの長さに沿って自由に回転し、回転子と固定子との間に挟まれた球状の質量要素128が配置され、チャネル124の上壁面および下壁面は、球体の表面上の点と連続的に摩擦接触するように保持される。
【００８１】
回転子122が回転すると、質量要素128は、固定子126の表面に対して中心軸130を中心に公転し、その結果、正の半径方向（すなわち、ディスクの端部に向かって外側に）に作用する遠心力を受ける。球状塊はチャネル124の半径方向の範囲に沿って回転自由度を有するので、この力は、応答してチャネルに沿って外側に転がるように塊を誘導する。チャネル124は、半径方向へ線形に減少する高さを有するので、チャネルに沿った球の変位は、固定子をわずかに上に持ち上げ、この垂直方向の変位は、回転球によって構造的に支持される。より大きな回転速度は、質量要素のより大きな外向きの変位、ひいてはプレート間のより大きな分離高さ134を誘発する。
【００８２】
チャネル124の傾斜は、当然、半径方向内向きの「復元力」を球状要素128に印加し、半径方向内向きの「復元力」は、対抗する半径方向の力がない場合には、球体を軸130に向かって内側に押す。したがって、プレートの回転が減速し、質量要素に及ぼされる遠心力の大きさが減少すると、チャネル124の傾斜屋根によってもたらされる対抗する内向きの「復元力」は、球128を関連する量だけ内側に戻して変位させるように作用する。したがって、球の半径方向の変位（したがってプレートの分離134）は、プレートの回転速度に直接関係しており、システムは完全に自己復元的である。
【００８３】
特定の変形例では、チャネル124は、実際には、半径方向の拡張の関数として減少する高さを有する連続的な円形の「チャンバ」を含むことができる。この場合、複数の球状の質量要素は、中心回転軸130を囲んで、前記チャンバ内で円をなして配置されてもよい。
【００８４】
図15aおよび図15bの例では、提供される質量要素128は球形であるが、代替例では、質量要素は、非限定的な例として、長円形、楕円形、円筒形、葉巻形などの、任意の数の形状または形態の1つをとることができる。上述した特定の実施形態の質量要素は、半径方向に可動でなければならず、場合によっては回転を含み、他の場合には滑りを含むことができる。
【００８５】
本発明の更なる態様によれば、電力を発生させるために上記の実施形態の1つ以上を動作させる方法、及びプレートの間の相対回転速度を制御することによってプレート間の分離距離を制御する方法が提供される。特に、発電機プレート間の分離距離を調整するために本発明の実施形態を使用することに関して、2つの広い動作アプローチが可能である。
【００８６】
第1のアプローチによれば、駆動機構は、プレートを「手動で」分離するのを制御するのに利用することができる。すなわち、ディスクの回転速度は、いくつかの（場合によっては）予め定められたプログラムまたはスキームに従って特定の時間に特定の離隔距離を生じさせ、または維持するために、例えば1つまたは複数の専用制御回路によって、またはソフトウェアによって、（発電機に対する）外部から制御される。この場合の本発明の実施形態は、発電機の動作中にプレート分離距離を高い精度で駆動し維持するための非常に有効でコンパクトで統合された機構を提供する。
【００８７】
しかしながら、第2のアプローチによれば、本発明の実施形態は、発電要素間の分離距離の少なくとも部分的な自己調整を実施するために利用されることができ、すなわち、プレート間の離隔距離は、発電機自体のパラメータに従って、内部的に調整され、制御される。距離を制御するための特定の予め定められたスキームが発電機に適用されるのではなく、むしろ、発電機自体の1つまたは複数の動作（例えば）パラメータに応じて要素の相対回転速度が変化するように、発電機が適応される。
【００８８】
これが特に実施されるかもしれない多くの考えられる構成がある。しかし、1つの特定の例によれば、回転速度が発電機の出力電力または電圧に依存するように発電機を適合させることができる。そのような方法は、例えば、前のセクションで説明した種類のバイモードTENGの充電フェーズと非充電フェーズを管理する際に有利であり得る。この場合、プレート上の電荷が漏れると、非接触動作フェーズの間、発電機の出力電圧（または電力）が低下し、それに応じて回転速度が関連する程度まで低下する。その結果、プレート間の分離が狭くなる。電荷がますます少なくなると、プレートは、最終的に摩擦接触するまで接近していき、摩擦接触するとプレートの帯電が開始される。プレートが充電されると、出力電圧は再び急速に上昇し、それに応答して、プレートは（相対的に）加速されて高速になる。この速度の増加は再びプレート間の分離を誘発し、非接触エネルギー発生が再開することができる。
【００８９】
回転ディスクTENGのバイモード動作は、本発明の実施形態によるプレート分離調整の1つ以上の「手動」モードによって有利に管理されてもよい。例えば、特定の実施例によって、固定分離充電（非接触）フェーズと発電（接触）フェーズとの間でプレートを周期的に移行させるように相対回転速度を変化させるために、例えば外部コントローラ回路またはコンピュータモジュールを利用することができる。この例によれば、発電機の動作パラメータ（出力電圧など）に比例してプレート回転速度が連続的に低下することはなく、むしろ発電フェーズを通して比較的一定に保持されてもよく、例えば、プレートの帯電状態が或る低い閾値に達したときにだけ減少される。したがって、2つの比較的安定したモードが断続的に交互に行われ、2つの間を移行するために利用される統合されたドライバ機構が用いられる。
【００９０】
本発明の任意の実施形態によれば、発電機は、1つまたは複数の手動の「ユーザ制御」モードに従って動作することができ、分離距離は、1つまたは複数のユーザ入力コマンドに応じて制御される。実施形態は、自己調整モードと1つ以上の「手動」モードとの間で「切り替え可能」である発電機を可能にすることができる。実施形態は、上述した自己調整モードと手動間欠充電モードとの間で切り替え可能なTENGを提供することができる。
【００９１】
上記の実施形態の1つまたは複数によれば、プレートの回転を駆動するために専用モータが設けられてもよい。このようにして、回転速度は「ソースで」直接制御されることができる。しかしながら、他の実施形態では、例えば、風力または水力タービン、ならびに運動量の振動源、および/またはユーザの身体運動を含む、モータエネルギーの「外部」ソースを代わりに使用することができる。これらの場合、ディスクの回転速度はソースでは制御できないが、駆動速度を所望のレベルまで低下させるように、供給される回転負荷にいくらかの中間抵抗を適用することによって制御されることができる。この場合、最大速度は依然としてモータソースによって決定されるが、このソースの機械的出力に選択的に抵抗を加えることによって、発電機へのエネルギー伝達の速度を制御することができる。
【００９２】
ディスクの（互いに対する）相対回転が問題である。したがって、上述の設計は、回転子または固定子に適用されることができる。どちらが回転子であり、どちらが固定子であるかは任意である。
【００９３】
TENGは、大きく4つの主要な動作クラスに分けられる。本発明は、多くのタイプのTENGに使用されることができる。
【００９４】
第1の動作モードは、垂直接触分離モードであり、2つ以上のプレートが、印加される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、ユーザがステップを踏むことで加えた圧力がプレートを接触させるのに利用される靴において使用され得る。そのような装置の一例は、文献"Integrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions" of Peng Bai et. al. in ACS Nano 2013 7(4), pp3713-3719.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上に形成された多層構造を含む。この装置は接触帯電による表面電荷移動に基づいて動作する。構造体に圧力が加えられると、ジグザグ形状が圧縮されて異なる層の間に接触が生じ、圧力が解放されると接触が解除される。収穫されたエネルギーは、例えば、移動携帯用機器の充電に使用される。
【００９５】
1つの動作モードは、線形スライディングモードであり、プレートは、それらの間の重なり領域を変更するために互いに対して横方向にスライドするように誘導される。合計の重なり面積の変化率に比例した瞬間的な大きさを有する電位差がプレートを横切って誘起される。繰り返しプレートを相互に重なり合わせたり合わせなかったりすることにより、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。
【００９６】
エネルギーを滑り運動から収穫することを可能にする設計が、論文"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.に開示されている。独立した可動層は、一対の静電電極間を摺動する。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間隔で）配置されてもよく、または摺動接触してもよい。
【００９７】
第3の動作モードは、一方の面が例えば接地された、例えば床面のような単一電極モードであり、この第1の面と接地との間に負荷が接続されている(Yang, Ya, et al. "Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor system."ACS nano 7.8 (2013): 7342-7351.を参照)。第1の表面に電気的に接続されていない第2の表面は、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の表面から離れるように移動すると、第1の表面の過剰電荷が接地に駆動され、負荷に電流が流れる。したがって、出力電流を供給するために、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る。
【００９８】
第4の動作モードは、電気的接続がなされていない任意の移動する物体からエネルギーを収穫するように設計された自立型摩擦電気層モードである。この物体は、通過する車、通過する列車または靴などである（"Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors."ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557を再び参照）。
【００９９】
開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、クレームされた発明を実施する上での当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「含む（comprising）」という単語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」または「an」は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲における参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【要約】
本発明は、相互に回転するプレート状の帯電した要素を備える発電機と、プレート間の分離距離を正確に制御するための一体化された駆動機構を有するエネルギー発生システムを提供する。駆動機構は、回転速度の関数として変化する分離を提供し、したがって装置の自然な動作の中に分離制御を同化する。実施形態は、自己生成ベアリング、流体力学的気体及び流体ベアリング並びに遠心レギュレータ固体ベアリングの両方を含むプレートを提供し、ベアリングは、プレートの回転速度が増加するにつれて増大する大きさのプレート間支持力を提供する。エネルギー発生の方法も提供される。【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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