(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦層と、
前記摩擦層の第１の面に接触するように構成された第１の導電層であって、前記第１の導電層のみが等電位に電気的に接続されている第１の導電層と、
第２の面が前記摩擦層の第１の面に対向する第２の導電層と、を備え、
前記摩擦層の第１の面と前記第２の導電層の第２の面が相対的にスライドして摩擦すると共に、摩擦面積がスライド途中で変化する場合、前記第１の導電層と前記等電位との間には、電気信号が出力され、前記摩擦層の第１の面が前記摩擦層の第２の面の反対側にあり、
前記第１の導電層が前記第２の導電層に電気的に接続されていないことを特徴とするスライド摩擦式発電機。
【請求項２】
前記第１の導電層は、電力供給が必要である周辺回路を介して、グランド又は等電位回路に接続されており、又は、
前記第１の導電層は、負荷を介して、等電位に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項３】
前記第２の導電層の第２の面は、前記摩擦層の第１の面に接触するように設けられており、又は、
外力を受けていない場合、前記第２の導電層は、前記摩擦層に接触しなく、外力を受けた場合、前記第２の導電層の第２の面は、前記摩擦層の第１の面に接触することを特徴とする請求項１又は２に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項４】
前記摩擦層の第１の面の材料は、絶縁体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項５】
前記絶縁体材料は、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン弾性スポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、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、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレンから選択されることを特徴とする請求項４に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項６】
前記摩擦層の厚さは、１００ｎｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項７】
前記第２の導電層の第２の面の材料は、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を特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項８】
前記第２の導電層は、薄膜材料からなり、その厚さが１０ｎｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項９】
前記第２の導電層の第２の面及び／又は摩擦層の第１の面の一部又は全部に、ナノメートル、ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）又はサブミクロン（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）レベルの微小構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が配置され、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の構造、および前記構造から形成されたアレイであり、あるいは、ナノ材料の修飾又は塗布層であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１０】
前記第２の導電層の第２の面及び／又は摩擦層の第１の面は、化学的変性が施されており、
帯電列でプラスになりやすい材料の表面に、電子が奪われやすい官能基を導入し、又は、帯電列でマイナスになりやすい材料の表面に、電子を取込みやすい官能基を導入し、
あるいは、極性が正である表面に、正の電荷を導入し、極性が負である表面に、負の電荷を導入することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１１】
前記第２の導電層の第２の面は、平面又は曲面であり、及び／又は、前記摩擦層の第１の面は、平面又は曲面であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１２】
前記第２の導電層の第２の面と前記摩擦層の第１の面は、相補の表面であることを特徴とする請求項１１に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１３】
前記摩擦層の第１の面は、凹凸の非平坦な表面であり、前記第２の導電層の第２の面は、凹凸の非平坦な表面であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１４】
前記第２の導電層及び／又は摩擦層は、可撓性材料または硬質材料からなり、及び／又は、
前記第２の導電層及び／又は摩擦層は、弾性材料からなることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１５】
前記第１の導電層の第２の面が設けられている第１の基板、及び／又は、
前記第２の導電層の第１の面が設けられている第２の基板を更に含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１６】
前記摩擦層は複数の摩擦ユニットからなり、前記複数の摩擦ユニットの第１の面は、前記摩擦層の第１の面を形成していることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１７】
前記第２の導電層の第２の面は、隣り合う２つの摩擦ユニットの第１の面に同時に接触、摩擦しないことを特徴とする請求項１６に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１８】
前記摩擦ユニットは、長尺状又は正方形ブロック状であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項１９】
前記複数の摩擦ユニットは、予め設定されたパターンに従って配列されていることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項２０】
前記第１の導電層は、複数の第１の導電ユニットからなり、前記複数の第１の導電ユニットは、前記複数の摩擦ユニットと一対一に対応しており、各前記第１の導電ユニットは、等電位に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項２１】
前記第２の導電層は、複数の第２の導電ユニットからなり、前記複数の第２の導電ユニットの第２の面は、前記第２の導電層の第２の面を形成していることを特徴とする請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項２２】
複数の前記第２の導電ユニットの第２の面は、同一の平面に位置しており、複数の前記摩擦ユニットの第１の面は、同一の平面に位置しており、
又は、
複数の前記第２の導電ユニットの第２の面、及び複数の前記摩擦ユニットの第１の面は、同一の曲面に属することを特徴とする請求項２１に記載のスライド摩擦式発電機。
【請求項２３】
請求項２０に記載のスライド摩擦式発電機を含むベクトル変位センサであって、
各前記導電ユニットと等電位との間には、前記電気信号を検出するための検出装置が接続されており、
前記第２の導電層の第２の面と前記摩擦ユニットの第１の面がスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、前記電気信号を検出した検出装置の位置に応じて、前記第２の導電層の位置を確定し、あるいは、電気信号を順次に検出した検出装置の位置に応じて、前記第２の導電層のスライド距離、スライド方向又はスライド速度を確定することを特徴とするベクトル変位センサ。
【請求項２４】
前記検出装置は、電流又は電圧を検出する装置であり、前記電気信号は、電流又は電圧の信号であり、あるいは、
前記検出装置は、発光素子又は発声素子であり、前記電気信号を検出すると、光信号又は音声信号を出力することを特徴とする請求項２３に記載のベクトル変位センサ。
【請求項２５】
各前記電極ユニットと等電位との間には、前記検出装置に並列又は直列に接続された分圧抵抗を更に含むことを特徴とする請求項２３又は２４に記載のベクトル変位センサ。
【請求項２６】
第１の面に、負荷を介して等電位に接続されている第１の導電層が設けられている摩擦層を準備するステップと、
第２の導電層と前記摩擦層の第１の面が相対的にスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、電流が前記負荷を流すステップと、を含む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、発電機に関し、特に、力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換するスライド摩擦式発電機、発電方法及び当該スライド摩擦式発電機を利用するベクトル変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
スライド摩擦電気発電機は、２種の異なる摩擦帯電材料間の摩擦によって表面電荷の移動を発生することで動作する。しかしながら、今まで報道された全てのスライド摩擦式発電機は、いずれも導電金属を摩擦電気薄膜材料の表面に堆積させて電極層とすることで、外部へ電気的エネルギーを出力する。このようなスライド摩擦式発電機は、その構造が複雑であるため、作製コストが増加してしまう。それに、従来のスライド摩擦式発電機は、発生された電気的エネルギーを出力するには、２つの電極層が必要である。そのため、従来のスライド摩擦式発電機は、構造自身がその発展及び実用を大きく妨害している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、構造が簡単で、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換可能な単電極式のスライド摩擦式発電機を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を実現するために、本発明は、
摩擦層と、
前記摩擦層の下面に接触して設けられ、等電位に電気的に接続されている第１の導電層と、
前記摩擦層の上に設けられ、下面が前記摩擦層の上面に対向するように配置されている第２の導電層と、を備え、
前記摩擦層の上面と前記第２の導電層の下面が相対的にスライドして摩擦すると共に、摩擦面積がスライド途中で変化する場合、前記第１の導電層と前記等電位との間には、電気信号が出力されるスライド摩擦式発電機を提供する。
【０００５】
好ましくは、前記摩擦層の上面の材料と前記第２の導電層の下面の材料は、帯電列上で並びの順番に差異がある。
【０００６】
好ましくは、前記第１の導電層は、電力供給が必要である周辺回路を介して、グランド又は等電位回路に接続されている。
【０００７】
好ましくは、前記第１の導電層は、負荷を介して、等電位に電気的に接続されている。
【０００８】
好ましくは、前記第２の導電層の下面は、前記摩擦層の上面に接触するように設けられている。
【０００９】
好ましくは、外力を受けていない場合、前記第２の導電層は、前記摩擦層に接触しなく、外力を受けた場合、前記第２の導電層の下面は、前記摩擦層の上面に接触する。
【００１０】
好ましくは、前記摩擦層の上面の材料は、絶縁体から選択される。
【００１１】
好ましくは、前記絶縁体材料は、ポリマー材料から選択される。
【００１２】
好ましくは、前記ポリマー材料は、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン弾性スポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、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、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレンから選択される。
【００１３】
好ましくは、前記摩擦層の厚さは、１００ｎｍ〜５ｍｍである。
【００１４】
好ましくは、前記第２の導電層の下面の材料は、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。
【００１５】
好ましくは、前記金属は、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から選択され、前記有機物導体は、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から選択される。
【００１６】
好ましくは、前記第２の導電層は、薄膜材料からなる。
【００１７】
好ましくは、前記第２の導電層の厚さは、１０ｎｍ〜５ｍｍである。
【００１８】
好ましくは、前記第２の導電層の下面及び／又は摩擦層の上面の一部又は全部に、ナノメートル、ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）又はサブミクロン（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）レベルの微小構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が配置され、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の構造、および前記構造から形成されたアレイであり、あるいは、ナノ材料の修飾又は塗布層である。
【００１９】
好ましくは、前記第２の導電層の下面及び／又は摩擦層の上面は、化学的変性が施されている。
【００２０】
好ましくは、帯電列でプラスになりやすい材料の表面に、電子が奪われやすい官能基を導入し、あるいは、帯電列でマイナスになりやすい材料の表面に、電子を取込みやすい官能基を導入する。
【００２１】
好ましくは、極性が正である表面に、正の電荷を導入し、極性が負である表面に、負の電荷を導入する。
【００２２】
好ましくは、前記第２の導電層の下面は、平面又は曲面であり、及び／又は、前記摩擦層の上面は、平面又は曲面である。
【００２３】
好ましくは、前記第２の導電層の下面と前記摩擦層の上面は、相補の表面である。
【００２４】
好ましくは、前記摩擦層の上面は、凹凸の非平坦な表面であり、前記第２の導電層の下面は、凹凸の非平坦な表面である。
【００２５】
好ましくは、前記第２の導電層及び／又は摩擦層は、可撓性材料または硬質材料からなる。
【００２６】
好ましくは、前記第２の導電層及び／又は摩擦層は、弾性材料からなる。
【００２７】
好ましくは、前記第１の導電層の下面が設けられている第１の基板、及び／又は、前記第２の導電層の上面が設けられている第２の基板を更に含む。
【００２８】
好ましくは、前記摩擦層は複数の摩擦ユニットからなり、前記複数の摩擦ユニットの上面は、前記摩擦層の上面を形成している。
【００２９】
好ましくは、前記第２の導電層の下面は、隣り合う２つの摩擦ユニットの上面に同時に接触、摩擦しない。
【００３０】
好ましくは、前記摩擦ユニットは、長尺状又は正方形ブロック状である。
【００３１】
好ましくは、前記複数の摩擦ユニットは、予め設定されたパターンに従って配列されている。
【００３２】
好ましくは、前記第１の導電層は、複数の第１の導電ユニットからなり、前記複数の第１の導電ユニットは、前記複数の摩擦ユニットと一対一に対応しており、各前記第１の導電ユニットは、等電位に電気的に接続されている。
【００３３】
好ましくは、前記第２の導電層は、複数の第２の導電ユニットからなり、前記複数の第２の導電ユニットの下面は、前記第２の導電層の下面を形成している。
【００３４】
好ましくは、複数の前記第２の導電ユニットの下面は、同一の平面に位置しており、複数の前記摩擦ユニットの上面は、同一の平面に位置している。
【００３５】
好ましくは、複数の前記第２の導電ユニットの下面、及び複数の前記摩擦ユニットの上面は、同一の曲面に属する。
【００３６】
また、本発明は、
前記のスライド摩擦式発電機を含むベクトル変位センサであって、
各前記導電ユニットと等電位との間には、前記電気信号を検出するための検出装置が接続されており、
前記第２の導電層の下面と前記摩擦ユニットの上面がスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、前記電気信号を検出した検出装置の位置に応じて、前記第２の導電層の位置を確定し、あるいは、電気信号を順次に検出した検出装置の位置に応じて、前記第２の導電層のスライド距離、スライド方向又はスライド速度を確定するベクトル変位センサを更に提供する。
【００３７】
好ましくは、前記検出装置は、電流又は電圧を検出する装置であり、前記電気信号は、電流又は電圧の信号であり、あるいは、前記検出装置は、発光素子又は発声素子であり、前記電気信号を検出すると、光信号又は音声信号を出力する。
【００３８】
好ましくは、各前記電極ユニットと等電位との間には、前記検出装置に並列又は直列に接続された分圧抵抗を更に含む。
【００３９】
好ましくは、前記スライド摩擦式発電機は、１６個の摩擦ユニットを含み、前記１６個の摩擦ユニットは、４個ずつグループ化されて４つの方向に配置されて「十」字構造を形成し、各グループにおいて、４個の摩擦ユニットは、平行に等間隔に配列されている。
【００４０】
好ましくは、前記１６個の摩擦ユニットは、幅が１０ｍｍで、長さが２.５ｃｍである長尺状のポリテトラフルオロエチレン薄膜であり、前記ポリテトラフルオロエチレン薄膜間の距離は２ｍｍである。
【００４１】
また、本発明は、
下面に、負荷を介して等電位に接続されている第１の導電層が設けられている摩擦層を準備するステップと、
第２の導電層と前記摩擦層の上面が相対的にスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、電流が前記負荷を流すステップと、を含む発電方法を更に提供する。
【発明の効果】
【００４２】
従来技術に比べて、本発明は、以下の効果を有する。
【００４３】
１、単電極に基づくスライド摩擦式発電機が初めて作製され、表面に第１の導電層が設けられた摩擦層材料及び第２の導電層材料（例えば、ポリマー及び金属材料）のみを必要とし、第１の導電層材料を等電位に電気的に接続すればよい。摩擦層材料と第２の導電層材料のスライド摩擦によって、外部へ電気的エネルギーを出力することができる。本発明のスライド摩擦式発電機は、構造が簡単である単電極のスライド摩擦式発電機である。
【００４４】
２、本発明のスライド摩擦式発電機において、第１の導電層（又は第１の導電ユニット）は、等電位への電気的接続が要るが、第２の導電層は、いずれの接続も要らない。第２の導電層と摩擦層間のスライド式摩擦及び摩擦途中における摩擦面積の変化を確保できれば、第１の導電層（又は第１の導電ユニット）と等電位との間に接続されている負荷に電力を供給することができる。このように設計された発電機は、移動体に広く適用されて、移動途中における相互的な摩擦を電気的エネルギーに変換することができる。例えば、自動車のタイヤとグランド間の摩擦によって発生される力学的エネルギーの収集、または、タッチパネル等の分野に適用することができる。
【００４５】
３、本発明のスライド摩擦式発電機の各部は、可撓性材料又は弾性材料から形成可能であるため、可撓性のデバイスと組み合わせて使用することができる。
【００４６】
４、本発明は、スライド摩擦式発電機によるベクトル変位センサであるセルフ駆動センサを提供している。つまり、摩擦層が複数の摩擦ユニットからなる発電機を用いて、第２の導電層が摩擦ユニット上をスライド又は移動すると、摩擦ユニットに対応する第１の導電ユニットと等電位との間に接続されている検出装置は、電気信号を検出することができるため、センサに電源を供給する必要がない。即ち、主に、物体の移動途中に順次にトリガーされる摩擦ユニットと第２の導電層間のスライド式摩擦によって発生される電気信号で、移動体の移動方向、移動距離及び移動速度を追跡することができ、物体に対する位置決めを実現することができる。本発明のベクトル変位センサは、電源の供給を別途に要らないため、タッチパネルのような小型デバイスに適用することができるだけでなく、電源の交換が不便である環境に特に適合する。
【００４７】
５、本発明のスライド摩擦式発電機、スライド摩擦式発電機によるベクトル変位センサは、摩擦層又は摩擦ユニットの材料が絶縁材料であり、材料の選択範囲が広く、環境にやさしい材料を選択すれば、幅広く敷設することができ、応用範囲が広いエネルギーの収集装置である。
【００４８】
添付される図面によって、本発明の上述した目的及びその他の目的、特徴並びにメリットは、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ことにその目的がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明のスライド摩擦式発電機の典型的な構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明のスライド摩擦式発電機の発電原理を示す模式図である。
【図３】図３は、第１の導電層の下面が第１の基板に設けられ、第２の導電層の上面が第２の基板に設けられた発電機の構造を示す模式図である。
【図４】図４は、摩擦層の上面及び第２の導電層の下面が湾曲した表面である発電機の構造を示す模式図である。
【図５】図５は、摩擦層の上面及び第２の導電層の下面が凹凸の非平坦な表面である発電機の構造を示す模式図である。
【図６】図６は、摩擦層が複数の摩擦ユニットからなる発電機の発電工程を示す模式図である。
【図７】図７は、摩擦層が複数の摩擦ユニットからなり、第１の導電層が複数の第１の導電ユニットからなる発電機の発電工程を示す模式図である。
【図８】図８は、第２の導電層が複数の第２の導電ユニットからなる発電機の構造を示す模式図である。
【図９】図９は、複数の第２の導電ユニットの下面及び複数の摩擦ユニットの上面が同一曲面に属する発電機の構造を示す模式図である。
【図１０】図１０は、ベクトル変位センサの一具体的な実施例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の図面を参照しながら、実施例を詳細に説明する。勿論、以下に説明する実施例は、本発明の一部の実施例に過ぎず、全ての実施例ではない。本発明の実施例によって、進歩性に値する労働なしに取得した全ての実施例は、本発明の保護範囲に属する。
【００５１】
次に、本発明に関して、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の実施例を詳細に説明するとき使用される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。
【００５２】
従来のスライド摩擦式発電機は、２種の摩擦帯電材料の摩擦によって表面電荷の移動を発生することで、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ものであった。このような発電機は、構造が複雑で、発生された電気的エネルギーを出力するために２つの電極層が要求であるので、摩擦式発電機の適用が制限された。本発明は、単電極式のスライド摩擦式発電機であって、帯電列上で並びの順番に差異がある導電材料と摩擦帯電材料との摩擦によって表面電荷を発生し、摩擦帯電材料の電極層を等電位に電気的に接続することによって、電極層と等電位間に接続されている負荷または周辺回路に電力を供給するスライド摩擦式発電機を提供する。
【００５３】
本発明に記載の「帯電列」とは、材料の電荷に対する吸引の程度に応じて並べた序列であり、２種の材料が互いに摩擦する瞬間、摩擦する面において、負の電荷が、帯電列におけるプラスになりやすい材料の表面から、帯電列におけるマイナスになりやすい材料の表面に移動することを意味する。例えば、高分子材料であるポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ)が金属材料であるアルミニウム箔に接触すると、アルミニウム箔は、プラスに帯電する。即ち、電子の取込み能力が弱い。そして、高分子材料であるポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ)は、マイナスに帯電する。即ち、電子の取込み能力が強い。ポリマーナイロンがアルミニウム箔に接触すると、ポリマーナイロンの表面は、プラスに帯電する。即ち、電子の取込み能力が弱い。そして、アルミニウム箔は、マイナスに帯電する。即ち、電子の取込み能力が強い。今まで、まだ電荷移動の仕組みを完璧に解釈できる理論がなかった。一般的に、このような電荷の移動は、材料の表面の仕事関数に係り、電子またはイオンの接触面での移動により電荷の移動を実現する。帯電列は、経験に基づいて統計した結果で、２種の材料がこの列において遠く離れるほど、接触するときに発生する電荷の正負性が当該列と一致する確率が大きくなる。そして、実際の結果は、材料表面の粗さ、環境の湿度及び相対摩擦の有無などの複数の要因に影響される。
【００５４】
本発明に記載の「接触電荷」とは、帯電列において並びの順番に差異がある２種の材料が接触摩擦して離間した後その表面が有する電荷を意味する。一般的に、このような電荷は、材料の表面のみに分布され、分布の最大の深さは、約１０ｎｍである。接触電荷の符号は、正味電荷（ｎｅｔ  ｃｈａｒｇｅ）の符号である。即ち、正の接触電荷を持つ材料の表面の一部の領域には、負の電荷の集まり領域がある可能性があるが、表面の正味電荷全体の符号は、正である。
【００５５】
以下、図面を参照しながら、本発明のスライド摩擦式発電機を実施するための形態を詳細に説明する。
【００５６】
本実施例のスライド摩擦式発電機の典型的な構造は、図１を参照する。発電機は、摩擦層１００と、摩擦層１００の下面に接触して設けられ、等電位４００に電気的に接続されている第１の導電層２００と、摩擦層１００の上に設けられ、下面が摩擦層１００の上面と対向するように設けられている第２の導電層３００とを含み、摩擦層１００の上面と第２の導電層３００の下面が相対的にスライド摩擦を行うとともに、摩擦面積がスライド途中において変化する場合、第１の導電層２００と等電位４００との間に電気信号が出力される。第１の導電層２００と等電位４００との間に負荷又は電力供給が必要である周辺回路５００が接続される場合、電流は、負荷又は周辺回路５００を流す。第１の導電層２００は、摩擦層の下面に設けられる電極層であり、本発明の発電機の電極である。
【００５７】
摩擦層１００と第２の導電層２００を構成する材料が、帯電列での並びの順番に差異があるため、外力の作用によって相互に摩擦すると共に、接触する面積が変化する場合、電極層２００と等電位３００との間に接続されている負荷又は周辺回路４００に電流を提供することができる。以下、図１の構造を例として、本発明の発電機の動作原理、発電機の各部の構造、材料などの情報を詳細に説明する。
【００５８】
図２を参照すると、本発明の発電機の動作原理は、以下の通りである。摩擦層１００と第２の導電層３００を構成する材料が、帯電列での並びの順番に差異があるため、両者の電子に対する取込み能力には差異がある。例えば、摩擦層１００の電子に対する取込み能力が強く、第２の導電層３００が電子を失いやすいと設定した場合、第２の導電層３００の下面が摩擦層１００の上面に接触すると、図２のａに示すように、摩擦層１００の上面はマイナスに帯電し、第２の導電層３００はプラスに帯電する。外力Ｆの作用で、摩擦層１００と第２の導電層３００を相対的にスライドさせて、接触面積を変化させると、摩擦層１００と第２の導電層３００の表面電荷のバランスが破壊される。すると、図２のｂに示すように、摩擦層１００における余裕な負の電荷が第１の導電層２００における電子を反発するため、電子は、第１の導電層２００から等電位４００へ移動し、電流は、第１の導電層２００と等電位との間に接続されている負荷又は周辺回路を流すことになる。図２のｃに示すように、摩擦層１００と第２の導電層２００を完全に分離させると、摩擦層１００と第１の電極層２００との全体の正負の電荷はバランスを取り、電子の移動はなくなって、第２の導電層３００の下面に正の電荷はなくなる。逆方向の外力Ｆを作用して、摩擦層１００と第２の導電層２００を相対的にスライドさせ、摩擦層１００の上面と第２の導電層３００の下面を相互に摩擦させて、接触面積を変化させると、図２のｄに示すように、第２の導電層３００における正の電荷が第１の導電層２００における正の電荷を反発するため、電子は、等電位４００から第１の導電層２００へ移動し、第１の導電層２００と等電位との間に接続されている負荷又は周辺回路に電流を出力することになる。図２のａに示すように、摩擦層１００と第２の導電層３００が完全に接触すると、摩擦層１００と第２の導電層２００との正負の電荷はバランスを取り、周辺回路への電子の移動はなくなる。すると、第１の導電層２００と等電位との間には、電流が出力されない。このように繰り返すことで、交流パルス電流を形成することができる。
【００５９】
２種の摩擦帯電材料を摩擦させることで電気信号を発生して出力する従来の発電機は、摩擦帯電材料の表面に電極層を堆積させることで、２種の摩擦帯電材料が相互に摩擦して材料の表面電荷のアンバランスを起きて起電力を発生する時に、２つの電極層によって電荷を伝送する。そのため、本発明のスライド摩擦式発電機は、従来のスライド摩擦式発電機に比べて、摩擦層の下面に第１の導電層（即ち、電極層）を設け、別の摩擦材料層として、導電材料（即ち、第２の導電層）から選択され、第１の導電層を１つの等電位（グランド又は等電位）に電気的に接続し、第１の導電層と等電位との間に負荷又は周辺回路を接続した点がその区別である。発電機から発生された電気的エネルギーの出力は、第１の導電層と第２の導電層との間に行われる必要がない。本発明の発電機は、作製工程を簡単化しただけではなく、幅広く適用することができる、力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換するスライド摩擦式発電機である。
【００６０】
上述した発電原理によれば、摩擦層１００及び第２の導電層３００の帯電列での並び順次は、出力可能な電気信号を発生するポイントである。本発明において、摩擦層は絶縁体材料からなり、第２の導電層の下面又は全部は導電材料からなることが好ましい。摩擦層の絶縁体材料として、ポリマー絶縁材料を選択することが好ましい。ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン弾性スポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、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、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン（PDMS）、ポリテトラフルオロエチレンは、いずれも本発明の摩擦層１００に適用可能なもので、電子に対する取込み能力が上記した順でだんだん強くなる。幅の関係で、使用可能な全ての材料を例示することができないため、ここでは、参照として、いくつかの具体的なポリマー材料を例示した。勿論、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、発明の示唆で、これらの材料の摩擦帯電の特性に応じて、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。
【００６１】
発明者は、試験を通じて、摩擦層１００の材料と第２の電極層３００の下面の材料の電子に対する取込み能力の差異が大きいほど、スライド摩擦式発電機から出力される電気信号が強くなることを発見した。そのため、上記に挙げられた順次に基づき、簡単な比較試験を組み合わせると、適宜なポリマー材料を摩擦層１００として、電気信号の最適な出力性能を取得することができる。
【００６２】
第２の導電層３００は、発電機において、摩擦層１００と摩擦する摩擦表面として機能するが、電極層として機能しない。このため、第２の導電層３００は、全体が導電材料で構成されてもよく、その下面の一薄層が導電材料で構成されてもよい。例えば、第２の導電層３００として、絶縁体材料の表面に導電薄膜が作製されている。第２の導電層２００は、平板、薄片又は薄膜であってもよい。薄膜の場合、厚さの選択可能な範囲は、１０ｎｍ〜５ｍｍであり、１００ｎｍ〜５００μｍであることが好ましい。金属薄膜層は、従来のマグネトロンスパッタリングや蒸着、印刷等の技術によって形成される。
【００６３】
摩擦層１００の厚さは、本発明の実施に対して顕著な影響がない。本発明は、摩擦層が薄膜であることが好ましく、厚さが１００ｎｍ〜５ｍｍであることが好ましく、１μｍ〜２ｍｍであることが望ましく、１０μｍ〜８００μｍであることがより望ましく、２０μｍ〜５００μｍであることが更に望ましい。これらの厚さは、本発明の全ての技術案に適用される。摩擦層１００の下面に設けられる第１の導電層２００は、本発明発電機の電極層である。摩擦層１００の表面電荷から構成される電界がアンバランスである場合、摩擦層１００の電荷がバランスを取るように、第１の導電層２００は、負荷又は電力供給が必要である周辺回路を介して、電子を等電位４００と伝送する。第１の電極層２００又は第２の電極層３００に選択される導電材料は、金属、酸化インジウム・スズ又は有機物導体から選択されてもよい。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があり、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。第１の電極層２００が電極層であり、摩擦層１００によく接触する必要があるため、従来のマグネトロンスパッタリングや蒸着、印刷等の技術によって、摩擦層の下面に第１の電極層を作製してもよい。勿論、例えば、Ｃｕ又はＡｌ箔という比較的に厚い第１の電極層１００を採用して、その表面に摩擦層材料を作製し、第１の電極層と摩擦層の良好な接触を実現してもよい。
【００６４】
図３を参照すると、第１の導電層２００及び摩擦層１００の厚さが比較的に薄い発電機について、発電機の強度を増強させるように、第１の電極層２００の下面に第１の基板６００を設けることができる。同様に、第２の導電層３００の厚さが比較的に薄い（例えば、導電薄膜材料を採用する）場合について、第２の導電層３００の機械強度を増強させるように、第２の導電層３００の上面に第２の基板７００を設けることもできる。第１の基板と第１の導電層の結合、第２の基板と第２の導電層の結合は、例えば、貼着という常用な方法を採用してもよく、または、従来のマグネトロンスパッタリングや蒸着、印刷等の技術を採用し、基板の表面に導電材料層を作製してもよい。勿論、第１の導電層又は第２の導電層の厚さが比較的に大きい場合に対して、発電機は、第１の基板又は第２の基板を含むことができる。この場合、導電層を基板に設けることで、導電層を支持したり、第１の導電層又は第２の導電層を他の部品から分離したりする。
【００６５】
第１の基板６００及び第２の基板７００の材料の選択には、特別な限定がなく、導体や絶縁体、半導体であってもよい。例えば、アルミニウム板やシリコンシートであっても構わない。第１の基板６００及び第２の基板７００は、可撓性基板であってもよく、硬質基板であってもよい。例えば、ゴムやガラスのプレートがある。
【００６６】
発電機の出力性能を向上するために、前記摩擦層１００の上面、及び／又は、前記第２の導電層３００の下面に、ナノメートル、ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）又はサブミクロン（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）レベルの微小構造を、全体又は一部に配置することで、摩擦層１００と第２の導電層３００間の有効な接触面積を増加させ、両者の表面電荷の密度を向上させることが好ましい。当該微小構造は、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、及び前記の構造から形成されるアレイであることが好ましい。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によって形成された線状、立方体、又は四角錐の形状のアレイであってもよい。アレイにおける各セルのサイズは、ナノ−ミクロンレベルであるが、具体的なマイクロナノ構造のセルのサイズ、形状は、本発明の範囲を限定するものではない。摩擦層１００の上面及び／又は第２の導電層３００の下面に、ナノ材料を修飾したり塗布層を覆ったりして、表面の微小構造を取得してもよい。
【００６７】
上記した摩擦層（又は第２の導電層）の表面に対して物理的変化を行う以外に、摩擦層１００及び／又は第２の導電層３００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つの方法に分かれる。
【００６８】
１つの方法としては、互いに摩擦する摩擦層１００及び第２の導電層３００について、帯電列上でプラスになりやすい材料の表面に、電子が奪われやすい官能基（即ち、強い電子供与基）を導入、又は、帯電列上でマイナスになりやすい材料の表面に、電子を取り込みやすい官能基（即ち、強い電子求引基）を導入することで、互いにスライドする時の電荷の移動量を向上し、摩擦電荷の密度及び発電機の出力パワー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。強い電子求引基は、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、所定のパワーの下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。
【００６９】
もう１つの方法としては、互いに摩擦する摩擦層１００及び第２の導電層３００について、帯電列上でプラスになりやすい材料の表面に正の電荷を導入し、帯電列上でマイナスになりやすい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、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、摩擦層全体は、プラスに帯電する。当業者は、摩擦層又は電極層の材料が電子を取り込む性質及び電子が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。
【００７０】
本発明において、前記第１の導電層２００が等電位４００に電気的に接続されていることは、本発明のポイントである。当該等電位４００は、大量の電荷を提供可能な、グランド又は等電位回路である。「電気的に接続」ということは、第１の導電層２００が負荷又は電力供給が必要である周辺回路を介して等電位に接続される場合も含む。第２の導電層と摩擦層が互いに摩擦して、第２の導電層の表面と摩擦層の表面全体の電荷バランスが破壊される。等電位４００における電荷は、負荷又は周辺回路を通じて第１の導電層に伝送される。即ち、前記電気信号が、前記負荷又は電力供給が必要である周辺回路に印加される。本発明において、第１の導電層２００は、負荷を介して等電位に直接に接続されてもよく、電力供給が必要である周辺回路を介して等電位に電気的に接続されてもよい。そして、負荷と周辺回路は、第１の導電層２００と等電位４００との間に並列に接続されている。前記周辺回路は、簡単な抵抗であってもよく、複雑な回路であってもよい。等電位と電極層が電気的に接続され且つ抵抗がゼロでなければよい。ここでは、特に限定しない。前記の電力供給が必要である周辺回路は、照明装置などの電気デバイスであってもよい。
【００７１】
本発明の発電機において、摩擦層１００又は第２の導電層３００は、可撓性材料であってもよく、硬質材料であってもよい。これは、材料の硬度は、両者間のスライド式摩擦の効果に影響がないからである。摩擦する面を平面に保持する必要があれば、例えば、図３の基板が追加された実施例のように、他の部材の支持によって実現すればよい。したがって、当業者は、実際の状況に応じて、摩擦層１００及び第２の導電層３００の材料の硬度を選択することができる。可撓性材料から形成された発電機を採用すると、柔らかくて軽い摩擦層又は第２の導電層が小さな外力の作用でも変形する利点があるが、このような変形は、摩擦する２つの層（摩擦層１００及び第２の導電層２００）の相対的な変位を起こし、スライド式摩擦によって電気信号を外部に出力することができる。可撓性材料を使用することで、本発明のナノ発電機を、生物及び医学の分野まで広く適用することができる。実際の使用において、柔軟で弾性を有する超薄型の高分子材料、及び／又は透明でもよい高分子材料を、ベースとして、便利に使用するように封止することで、強度を向上させることもできる。勿論、本発明に開示された構造全体を、柔軟で弾性を有する材料で構成することで、可撓性のナノ発電機を形成してもよい。なお、第１の導電層２００は、可撓性材料であり、発電機全体を可撓性機器にしてもよい。
【００７２】
本発明の発電機の最も典型的な構造は、摩擦層１００の上面と、第２の導電層３００の下面を、対向させて接触するように設けたことである。これによって、両者は、外力の印加を問わず、常に面の接触を保持することができる。外力の作用によって、摩擦層１００と第２の導電層３００は、接触した面に接する相対的なスライド式摩擦を発生する。摩擦層１００の上面及び第２の導電層３００の下面のサイズ、相対的な変位量を制御することによって、相対的なスライド式摩擦途中での摩擦面積の変化を容易に実現することができる。
【００７３】
本発明の他の実施例は、外力の作用を受けていない場合、摩擦層１００と第２の導電層３００は接触せず、外力の作用を受けた場合、摩擦層１００の上面と第２の導電層３００の下面が接触して、接触する面に接する相対的なスライド式摩擦を発生するように構成されてもよい。つまり、外力の作用を受けていない場合、摩擦層１００と第２の導電層３００が完全に離間していてもよい。このような設計は、間欠の発電に適合し、摩擦している途中に、接触摩擦が存在すると共に、スライド式摩擦も存在する。この目的を実現するための技術手段は複数あるが、距離を制御する本分野の慣用部材を採用することができる。例えば、第１の導電層２００の下面と第２の導電層３００の上面に、絶縁バネ等の部材をそれぞれ接続してもよい。ただ、用いられるバネは、摩擦層１００と第２の導電層２００間の相対的スライドを制限してはいけない。このような設計を持つ発電機は、他の製品と組み合わせて使用することができる。例えば、摩擦層１００と第２の導電層２００を、他の製品の分離されている２つの部材にそれぞれ接続し、欠的な接触（又は、近づき）及び相対的スライドによって、発電機を動作させて、間欠的に発電させることができる。
【００７４】
本発明において、摩擦層１００の上面又は第２の導電層３００の下面は、平面であってもよく（図１及び図３を参照）、曲面であってもよい。曲面の摩擦層１００の下面又は電極層２００の上面は、同様に相対的なスライド式摩擦を実現することができる。摩擦層の下面及び導電層の上面は、両者間の緊密な接触を保証するために、共に平面又は曲面であることが好ましい。図４を参照すると、摩擦層１１０全体は、弧状であり、特に、摩擦層１１０の上面が弧状である。そして、第２の導電層３１０全体は、弧状であり、特に、第２の導電層３１０の下面が弧状である。摩擦層１１０の下面に設けられる第１の導電層２１０は、負荷又は周辺回路５１０によってグランドに接続され、外力Ｆの作用で、摩擦層１１０の上面及び第２の導電層３１０の下面が接触する面に接する相対的なスライド式摩擦を発生すると、電流は、第１の導電層２１０とグランドとの間に接続される負荷５１０を流す。摩擦層１１０の上面と第２の導電層３１０の下面が、形状が相補する、例えば曲率が同じ曲面であることが好ましい。これによって、第２の導電層３１０と摩擦層１１０との接触面積が最大になることを保証することができる。外力Ｆの作用によって、摩擦層１１０の上面と第２の導電層３１０の下面が接触する面に接する相対的なスライド式摩擦を発生すると、大きい出力電流を発生することができる。
【００７５】
図１及び図４に示す実施例において、摩擦層の上面及び第２の導電層の下面は、いずれも平滑で平坦な表面である。しかし、この場合、摩擦層と第２の導電層とが相対的にスライドするスペースが大きい必要があり、摩擦層と第２の導電層のサイズ差が大きくなると、摩擦層と第２の導電層が相互に摩擦する途中の接触面積を変化させるという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、摩擦層の上面及び第２の導電層の下面は、平坦でない表面に形成されてもよく、摩擦層と電極層が互いにスライドするときに、摩擦層の下面と電極層の上面が完璧に接触していなくてもよい。図５を参照すると、摩擦層１２０の上面は、凹凸の非平坦な表面であり、第２の導電層３２０の下面も、凹凸の非平坦な表面である。そして、摩擦層１２０の下面に設けられる第１の導電層２２０は、負荷５２０によって等電位４２０に接続されている。摩擦層１２０と第２の導電層２２０が外力Ｆの作用で、相対的なスライド式摩擦を発生し、接触面積が変化すると、パルス電流は、第１の導電層２２０と等電位４２０との間に接続される負荷５２０に流れる。本実施例は、摩擦層の上面又は第２の導電層の下面が小さい場合にも適用される。摩擦層の上面及び第２の導電層の下面が平坦でない表面に構成されると、外力の作用で摩擦層の上面と第２の導電層の下面が互いに摩擦するときの接触面積の変化を満たすことができる。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。
【００７６】
本発明において、摩擦層の上面と第２の導電層の下面のサイズが相当することが好ましい。これによって、互いにスライドする途中に、接触面積が最大になる状況が出現するように保証することができる。摩擦層の上面と第２の導電層の下面の面積及び形状が、完全に同様であることがより好ましい。
【００７７】
本発明の他の実施例において、摩擦層は、複数の摩擦ユニットで構成されてもよい。複数の摩擦ユニットは、それらの上面が共に摩擦層の上面を形成している。前記摩擦ユニットの上面と前記第２の導電層の下面が相対的にスライドすると共に、摩擦面積がスライド途中に変化すると、前記第１の導電層と前記等電位との間に電気信号が出力される。その中、前記摩擦ユニットの下面は、第１の導電層に設けられる。図６を参照すると、摩擦層は、摩擦ユニット１３１、１３２、１３３及び１３４からなり、摩擦ユニット１３１、１３２、１３３及び４３４は、それらの上面が共に電極層の上面を構成し、それらの下面は、第１の導電層２３０に設けられ、第１の導電層２３０は、抵抗５３０を介してグランドに接続される。第２の導電層３３０のサイズは、摩擦ユニットのサイズより小さくてもよいし、大きくてもよい。第２の導電層の下面が隣接する２つの摩擦ユニットの上面に同時に接触して摩擦しないほうが好ましい。ここで、第２の導電層３３０のサイズが摩擦ユニットのサイズに相当することを例として発電機の動作工程を説明する。図６のａ〜図６のｅを参照すると、初期状態の場合、第２の導電層３３０の下面は、摩擦ユニット１３１の上面（即ち、摩擦層の上面）と接触して相対的にスライドすることができるが、摩擦ユニット１３２、１３３、１３４とは接触していない。摩擦層の材料と第２の導電層の材料の帯電列上での並びの順番が異なるため、図６のａに示すように、第２の導電層３３０の下面はプラスに帯電し、摩擦ユニット１３１の上面はマイナスに帯電する。外力Ｆの作用で、第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３１に対して右にスライドして第２の導電層３３０と摩擦ユニット１３１との接触面積が変化した場合、電子は、第１の導電層２３０からグランドへ移動し、図６のｂに示すように、電流は、第１の導電層２３０とグランドとの間に接続される抵抗５３０に流れ、第１の導電層とグランドとの間に接続される検出装置がパルス電気信号を検出できれば、図６のｃに示すように、第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３１を完全に離して続いてスライドすると、電流は、抵抗５３０に流れない。第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３１に対して続いて右にスライドして摩擦すると、第２の導電層の下面が摩擦ユニット１３２の上面に接触すると共に、摩擦ユニット１３２の上面との接触面積が最大となる場合、図６のｄに示すように、第２の導電層３３０の下面はプラスに帯電し、摩擦ユニット１３２の上面はマイナスに帯電する。第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３２に対して続いて右にスライドして摩擦し、第２の導電層３３０と摩擦ユニット１３２との接触面積が変化した場合、図６のｅに示すように、電子は、第１の導電層２３０からグランドに流れる。電流は再びに、第１の導電層２３０とグランドとの間に接続される抵抗５３０に流れる。第２の導電層３３０が続いて右に移動すると、上記工程を繰り返す。したがって、抵抗に、パルス電流が形成することができる。このような構造を有する発電機は、摩擦層が固定され、移動する物体に第２の導電層が設けられて発電を行う場合に適合する。例えば、複数の摩擦ユニットが道路に設けられ、全ての摩擦ユニットの下面を第１の導電層に設けて、第１の導電層は、負荷等を介して等電位に接続され、第２の導電層は車両に設けられる。車両の走行途中に、第２の導電層は、摩擦ユニットに対してスライドして摩擦を発生することで、負荷などに電気信号を供給することができる。本実施例の発電機は、タッチの位置決め及び移動の検知のためにタッチパネルに応用されてもよい。
【００７８】
上記実施例において、摩擦ユニットの形状には限定がない。複数の摩擦ユニットは、形状及びサイズが同じように構成されることが好ましい。例えば、全てが長尺状又は正方形のブロック状に構成されることが好ましい。複数の摩擦ユニットは、配列に対して限定がないが、予め設定されたパターンに従って配列されることが好ましい。予め設定されたパターンは、実際の必要に応じて、例えば、正方形、矩形、ループ、「十」字形などがある。例えば、「十」字形の４つの方向に沿って配列されることができる。他の実施例において、前記摩擦層の下面が、隣り合う２つの摩擦ユニットの上面に同時に接触して摩擦しないことが好ましい。
【００７９】
本発明の発電機において、第１の導電層は、複数の第１の導電ユニットで構成されてもよい。前記複数の第１の導電ユニットは、前記複数の摩擦ユニットと一対一に対応しており、即ち、各摩擦ユニットの下面にはいずれも第１の導電ユニットが接触して設けられている。各前記第１の導電ユニットは、等電位に電気的に接続されている。以下、具体的な実施例を組み合わせて発電機の動作工程を説明する。図７を参照すると、第１の導電層は、第１の導電ユニット２３１、２３２、２３３及び２３４からなり、摩擦層を構成する摩擦ユニット１３１、１３２、１３３及び１３４と一対一に対応しており、各第１の導電ユニットは、抵抗５３０を介してグランドに接続されている。各第１の導電ユニットと抵抗との間に出力端部Ａ１、Ａ２、Ａ３及びＡ４を引き出しても良い。前記出力端部は、検出装置を接続して、対応の第１の導電ユニットとグランドとの間に電気信号があるか否かを検出する。初期状態の場合、第２の導電層３３０の下面は、摩擦ユニット１３１の上面と接触して相対的にスライドすることができるが、摩擦ユニット１３２、１３３及び１３４とは接触していない。摩擦層の材料と第２の導電層の材料の帯電列上での並びの順番が異なるため、図７ａに示すように、第２の導電層３３０の下面はプラスに帯電し、摩擦ユニット１３１の上面はマイナスに帯電する。外力Ｆの作用で、第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３１に対して右にスライドして第２の導電層３３０と摩擦ユニット１３１との接触面積が変化した場合、電子は、第１の導電ユニット２３１からグランドへ流れ、図７ｂ図に示すように、電流は、第１の導電ユニット２３１とグランドとの間に接続される抵抗５３０に流れ、第１の導電ユニット２３１とグランドとの間に引き出された出力端部Ａ１に接続される検出装置は、パルス電気信号を検出することができる。図７ｃに示すように、第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３１を完全に離して続いてスライドすると、電流は、抵抗５３０に流れない。第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３１に対して続いて右にスライドして摩擦すると、第２の導電層３３０の下面が摩擦ユニット１３２の上面に接触するとともに、スライド途中に第２の導電層３３０の下面がプラスに帯電し、摩擦ユニット１３２の上面がマイナスに帯電すると、第２の導電層３３０の下面と摩擦ユニット１３２の上面との接触面積が最大となるまで、第２の導電層３３０の下面の正の電荷と摩擦ユニット１３２の上面の負の電荷とが互いにバランスするため、図７ｄに示すように、摩擦ユニット１３２の下面に設けられる第１の導電ユニット２３２とグランドとの間に、電荷が流れない。第２の導電層３３０が摩擦ユニット１３２に対して続いて右にスライドして摩擦し、第２の導電層３３０と摩擦ユニット１３２との接触面積が変化した場合、図７ｂに類似するように、静電誘起のため、第１の導電ユニット２３２に正の電荷があり、電流は、第１の導電ユニット２３２とグランドとの間に接続される抵抗５３０に流れ、電流の流れ方向は、第１の導電ユニット２３２からグランドへ流れている。本実施例において、基板６３０半導体であってもよいし、絶縁体であってもよいが、有機ガラス等のような絶縁基板が好ましい。このような構造を有する発電機は、摩擦層が固定され、移動する物体に第２の導電層が設けられて発電を行う場合に適合する。例えば、複数の摩擦ユニット及び摩擦ユニットの下面に設けられる第１の導電ユニットが道路に設けられ、各第１の導電ユニットが負荷等を介して等電位に接続され、第２の導電層は車両に設けられる。車両の走行途中に、第２の導電層は、摩擦ユニットに対してスライドして摩擦を発生することで、負荷などに電気信号を供給することができる。本実施例の発電機は、タッチの位置決め及び移動の検知のためにタッチパネルに応用されてもよい。
【００８０】
上記実施例において、摩擦ユニットの形状には限定がない。複数の摩擦ユニットが、形状及びサイズが同じように構成されることが好ましい。例えば、全部長尺状又は正方形のブロック状に構成されることが好ましい。複数の摩擦ユニットは、配列に対して限定がないが、予め設定されたパターンに従って配列されることが好ましい。予め設定されたパターンは、実際の必要に応じて、例えば、正方形、矩形、ループ、「十」字形などがある。例えば、「十」字形の４つの方向に沿って配列されることができる。他の実施例において、前記第２の導電層の下面が、隣り合う２つの摩擦ユニットの上面に同時に接触して摩擦しないことが好ましい。
【００８１】
同様な原理に基づいて、本実施例において、第２の導電層が複数の第２の導電ユニットからなってもよい。複数の第２の導電ユニットの下面は第２の導電層の下面を形成し、摩擦ユニットの上面は、第２の導電ユニットの下面と接触して設けられて相対的にスライドし、第１の導電層が全体であり、複数の摩擦ユニットの下面に接触して設けられてもよいし、複数の第１の導電ユニットからなり、複数の第１の導電ユニットが摩擦ユニットと一対一に対応して各摩擦ユニットの下面に接触して設けられてもよい。第１の導電層又は各第１の導電ユニットは、抵抗を介してグランドに接続され、その動作原理が図６又は図７に類似するため、ここでは詳細に説明しない。図８を参照すると、摩擦層は複数の摩擦ユニット１３１、１３２、１３３及び１３４からなり、複数の摩擦ユニットは第１の導電層２３０に設けられ、複数の摩擦ユニットの上面は摩擦層の上面を形成している。第２の導電層は複数の第２の導電ユニット３３１、３３２、３３３及び３３４からなり、複数の第２の導電ユニットの下面は第２の導電層の下面を形成し、複数の第２の導電ユニットの上面は第２の基板７３０に設けられる。第２の基板７３０は、複数の第２の導電ユニットを支持して、第２の導電層の下面と摩擦層の上面とを接触して相対的にスライドさせる。このような構造を有する発電機には、複数の発電機ユニットからなる発電機組を形成している。第２の基板７３０により、複数の第２の導電ユニットと複数の摩擦ユニットが相対的なスライドを発生するとき、電流は、第１の導電層２３０とグランドとの間に接続される抵抗５３０に流れる。実際には、複数の第２の導電ユニット及び複数の摩擦ユニット間の距離を調節することによって、できるだけ多い摩擦ユニットと第２の導電ユニットが相対的なスライド摩擦を発生し、接触面積を最大にすることができる。
【００８２】
図８は、複数の第２の導電ユニットからなる第２の導電層の下面が平面であり、複数の摩擦ユニットからなる摩擦層の上面が平面である場合のみを示す。実際には、第２の基板７３０及び第１の導電層２３０を他の構造にして、複数の第２の導電ユニットの下面が曲面（例えば、円柱面、角柱面等）に位置すると共に、複数の摩擦ユニットの上面が同一の曲面に位置し、即ち、複数の第２の導電ユニットの下面及び複数の摩擦ユニットの上面が全て同一の曲面に属してもよい。以下、複数の第２の導電ユニットの下面が円柱面に位置することを例として、本実施例の発電機の構造を説明する。図９を参照すると、これは発電機断面の模式図である。第２の基板７３０は円柱体であり、複数の第２の導電ユニット３３１、３３２、３３３及び３３４は、第２の基板７３０の円柱面に均一に分布され、複数の第２の導電ユニットの下面（即ち、第２の基板７３０から離れる表面）も同一の円柱面に位置している。第１の導電層２３０は、円筒状の構造から構成されており、複数の摩擦ユニット１３１、１３２、１３３及び１３４の下面は、円筒状の第１の導電層２３０の内面に接触して設けられ、複数の摩擦ユニットの上面も複数の第２の導電ユニットの下面が位置する円柱面にある。第１の導電層２３０は、抵抗５３０を介してグランドに電気的に接続されている。このような構造を有する発電機は、複数の第２の導電ユニットの下面及び複数の摩擦ユニットの上面が全て同一の円柱面に位置している。第１の導電層２３０による複数の摩擦ユニットと第２の基板７３０による複数の第２の導電ユニットが矢印方向に沿ってスライド摩擦を発生し、摩擦面積が変化したとき、交流電流は、抵抗５３０に流れる。出力端部を抵抗の両端から引き出して負荷に接続すれば、電力を負荷に供給することができる。
【００８３】
複数の摩擦ユニットからなる摩擦層による発電機は、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換できる以外に、移動体のスライド位置又はスライド距離などの検知にも応用できる。実用において、複数の摩擦ユニットからなる摩擦層を静止（あるいは、相対的に静止）表面とし、第２の導電層を移動体とし、各摩擦ユニットの下面に１つ第１の導電ユニットが接触して設けられ、各第１の導電ユニットは、測定機器を介してグランドに接続される。移動体が摩擦層の表面をスライドして、摩擦ユニットと第２の導電層との相対的な摩擦を発生させて、接触面積を変化させると、第１の導電ユニットに接続されている測定機器は、電気信号を検出することができる。これによって、移動体の位置を決定することができる。なお、時間軸で隣り合う２つの測定機器の測定信号に基づいて、移動体の移動方向を決定することもできる。図７を参照すると、各第１の導電ユニットと抵抗５３０との間に出力端部（Ａ１、Ａ２、Ａ３及びＡ４）を引き出して接触装置を接続している。移動体３３０（即ち、第２の導電層）は、サイズが比較的に小さいため、移動体３３０が１つの摩擦ユニットにしか接触できない。移動体３３０が摩擦ユニット１３１と接触したが相対的なスライドがない場合、出力端部Ａ１で電気信号を検出することができない（図７ａに示すように）、移動体３３０が、摩擦ユニットに対して右にスライドして接触面積を変化させると、出力端部Ａ１は、電気信号を検出することができる（図７ｂに示すように）、移動体が摩擦ユニット１３１を完全に離すと、出力端部Ａ１は、電気信号を検出できなくなる。移動体３３０が、引き続いて右にスライドして、摩擦ユニット１３２との接触面積が最大となり、接触面積が変化した場合、移動体と摩擦ユニット１３２との接触面積がまた変化しないまで、出力端部Ａ２で電気信号を検出することができる。出力端部Ａ１及びＡ２に接続される検出装置の検出信号に対応する摩擦ユニットの位置に基づいて、移動体のスライド位置、スライド方向及びスライド距離を決定することができる。したがって、本発明のスライド摩擦式発電機は、物体の移動方向及び変位距離を正確に決定することができ、移動体を検知するベクトル変位センサとしても機能する。
【００８４】
変位センサは、ポテンショメーターによって、機械的変位を、それと線形関係又は任意の関数関係を呈する抵抗又は電圧に変換して出力するものである。ベクトル変位センサは、変位センサに基づいて発展されたもので、物体の移動方向を決定できるだけでなく、物体の移動位置を決定することもできる。従来のベクトル変位センサは、主に抵抗変化型及び磁気歪み型のセンサによって変位に対する精確な位置決めを実現している。これらのセンサは、外部からの電源の供給に依頼するため、悪い環境で使用される場合、メンテナンスが不便になる欠点がる。そして、迫り来るエネルギー危機にも対応すること、困難である。本発明の発電機によるベクトル変位センサは、外部からの電源の供給が要らないセルフ駆動の変位センサであるため、構造が簡単で、作製コストも低く、外部からの電源の供給に対する依頼を元から解決でき、長期に安定に動作させることができる。
【００８５】
具体的には、上記したスライド摩擦式発電機の動作原理によれば、本発明は、ベクトル変位センサを提供しており、上記した複数の摩擦ユニットからなる摩擦層と、複数の第１の導電ユニットからなる第１の導電層のスライド摩擦式発電機を含む。その中、各前記摩擦ユニットの下面は前記第１の導電ユニットに接触して設けられ、各前記第１の導電ユニットと等電位との間に検出装置が接続されている。前記検出装置は、前記電気信号を検出する。前記摩擦層の上面と前記第２の導電層の下面がスライド摩擦を発生し、摩擦面積が変化した場合、前記電気信号を検出した検出装置の位置に基づいて、前記第２の導電層の位置を決定でき、あるいは、電気信号を前後に検出した検出装置の位置に基づいて、前記第２の導電層のスライド距離、スライド方向又はスライド速度を決定することができる。前記複数の摩擦ユニット及びそれに対応する第１の導電ユニットは、基板の表面に配列され、複数の摩擦ユニットを固定することができる。各第１の導電ユニットと等電位との間に、検出装置が夫々接続されている。電流が第１の導電ユニットと等電位との間に流れると、第１の導電ユニットが摩擦ユニットと一対一に対応するため、検出装置は、電流信号を発生した摩擦ユニットの位置を記録することができる。相応的には、第２の導電層とスライド摩擦する摩擦ユニットの位置を決定し、第２の導電層の位置を決定することができる。第２の導電層が２つの摩擦ユニットとスライド摩擦すると、電気信号を検出した検出装置が相応的に２つがある。電気信号を前後に検出した検出装置の位置、距離及び時間に基づいて、第２の導電層の移動距離、移動方向及び移動速度を決定し、移動体（第２の導電層）の変位に対する誘起を実現することができる。複数の検出装置は、各検出装置と摩擦ユニットとの位置の対応関係が予め設定された検出システムを形成してもよい。
【００８６】
本発明のベクトル変位センサにおいて、検出装置は、電流が前記第１の導電ユニットと前記等電位の間を流すときに出力される電流又は電圧の信号を検出するための装置である。他の実施例において、検出装置は、ブザー又はＬＥＤライド等のように通電すると音声や光などの信号を発生する発光素子又は発声素子であってもよい。発光素子又は発声素子は、前記電気信号を受信したときに、光信号又は音声信号を出力する。
【００８７】
本発明のベクトル変位センサは、コンピューター処理システムに接続されてもよい。前記コンピューターシステムは、各検出装置と複数の摩擦ユニットの対応位置関係、及び、各検出装置が電気信号を検出する時の時間を記録し、記録されたこれらの情報に基づいて、前記摩擦層のスライド距離、スライド方向又はスライド速度を便利に算出することができる。
【００８８】
なお、本発明のベクトル変位センサにおいて、各第１の導電ユニットと等電位との間に分圧抵抗が含まれてもよい。分圧抵抗は、第１の導電ユニットと等電位間の電流又は電圧を調節することができる。具体的に、分圧抵抗は、検出装置に並列又は直列に接続される。
【００８９】
具体的に、各第１の導電ユニットをそれぞれ分圧抵抗を介して同一の等電位（例えば、グランド）に接続し、各第１の導電ユニットと分圧抵抗間に検出装置を接続してもよい。移動体に設けられた第２の導電層の下面と摩擦ユニットの上面がスライドして摩擦を発生し、摩擦面積に変化があると、検出装置が第１の導電ユニット及び摩擦ユニットと一対一に対応するため、前記検出装置は、検出された検出信号に応じて、移動体の位置を誘導することができる。
【００９０】
相応的には、本発明は、発電方法であって、
負荷を介して等電位に接続される第１の導電層が設けられる摩擦層を提供するステップと、
第２の導電層と前記摩擦層の上面が相対的にスライドして摩擦を発生させて、摩擦面積を変化させると、電流が前記負荷を流すステップと、を含む発電方法を提供する。
その中、前記摩擦層の材料と第２の導電層の材料は、帯電列上で並びの順番に差異がある。摩擦層、第１の導電層及び第２の導電層の材料及び構造は、上述した発電機の摩擦層、第１の導電層及び第２の導電層と同じ材料及び構造を採用することができるため、ここでは説明を省略する。
【００９１】
実施例一：スライド摩擦式発電機の作製
長さ１０ｃｍ×幅５ｃｍ×厚さ１００μｍであるポリジメチルシロキサン薄膜を切断して部材の摩擦層とし、ポリジメチルシロキサン薄膜の下面に金膜を堆積して第１の導電層とし、銅リード線を介して金膜に接続すると共に、抵抗に接続する。抵抗の他端はグランドに接続されている。テープによって、長さ１０ｃｍ×幅５ｃｍ×厚さ２５μｍであるアルミニウム箔を、同じサイズの有機ガラス材料の基板に固定し、該アルミニウム箔は第２の導電層であり。アルミニウム箔をポリジメチルシロキサン薄膜に対応して、接触して配置する。外力の作用によって、ポリジメチルシロキサンとアルミニウム箔が相対的にスライドして摩擦面積に変化があると、抵抗の両端に接続された電圧計に相応する電気信号が出力されるが、これは、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できることを証明する。
【００９２】
実施例二：スライド摩擦式発電機によるベクトル変位センサの作製
レーザによって、長さ１０ｃｍ×幅１０ｃｍ×厚さ１.５９ｍｍである有機ガラスを切断して発電機によるセンサの基板材料とする。マグネトロンスパッタリング法によって、第１の導電ユニットとして、基板の上面にアルミニウム電極長尺を１６個形成する。第１の導電ユニットの幅は、１０ｍｍで、長さは、３ｃｍで、第１の導電ユニット間の距離は、２ｍｍである。１６個の第１の導電ユニットについて、４個ずつ１つのグループとし、４つの方向に配置して「十」字構造を形成する。図１０に示すように、各グループ内の４つの第１の導電ユニットは、平行に等間隔に配列されている。導電テープによって、各第１の導電ユニットにポリテトラフルオロエチレン薄膜を貼り付けて摩擦ユニットとし、摩擦ユニットの幅は、１０ｍｍで、長さは、２.５ｃｍで、厚さは２００μｍである。隣接する摩擦ユニット間の距離は、２ｍｍであり、１６個の摩擦ユニットも４個ずつ１つのグループとし、４つの方向に配置して「十」字構造を形成する。各グループ内の４つの摩擦ユニットは、平行に等間隔に配列されている。銅リード線によって、各第１の導電ユニットを接続して分圧抵抗Ｒに接続する。分圧抵抗の他端は、グランドに接続される。図１１を参照すると、各第１の導電ユニットと分圧抵抗との間から、電気信号の収集に用いられる出力端部０１…１５、１６が引き出されている。１６個の出力端部は、それぞれ検出装置に接続されているが、検出装置によって、１６個の第１の導電ユニットの出力信号に対するリアルタイムの収集を実現する。第２の導電層として、長さ２ｃｍ×幅２ｃｍ×厚さ１ｍｍであるアルミニウムチップを切断して、複数の電極長尺のパターン間の空いたスペースに対向するように配置する。第２の導電層が任意の方向に沿ってスライドするとき、ポリテトラフルオロエチレン摩擦ユニットと相対的にスライドして摩擦を発生させて、接触面積を変化させることになる。すると、出力端部から電気信号を出力することになる。なお、第２の導電層を含む物体がセンサの上を移動するとき、異なる摩擦ユニットが順次に第２の導電層と接触するため、異なる第１の導電ユニットからそれぞれ電気信号を出力することになる。これらの信号を解析することによって、物体がどの方向に沿って移動するか、及び移動の位置を取得することができる。
【００９３】
以上のように、出力端部部からの信号に対する収集によって、物体の移動方向及び位置に対する位置決めを実現することができる。該ベクトル変位センサは、直接に単電極式のスライド摩擦式発電機をトリガーセンサとして使用するため、外部からの電源の供給が要らない。そのため、エネルギーを効果的に節約し、長期に安定に動作することができる。なお、本発明のベクトル変位センサは、必要に応じて、複数の摩擦ユニットを任意の形状に設計されてもよいし、広い領域に渡って設置されてもよい。よって、野外などの電源の使用が不便である環境で便利に適用することができる。
【００９４】
以上の記載は、本発明の最適的な実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。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、いろんな変更及び改進を行ってもよいし、等価の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以上の実施例に対して実質的に施した簡単な修正、等価変化及び改進は、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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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