(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦層及び電極層を含み、
前記電極層は、数量が１個であり、前記摩擦層に対向して配置され、
前記電極層は、同電位源に電気的に接続され、
前記摩擦層と電極層との少なくとも一部の表面は、外力によって接触・分離可能であり、同時に、前記電極層及び前記同電位源によって電気信号を出力し、
前記摩擦層と前記電極層との間に帯電列の相違が存在し、
前記分離の過程において、前記摩擦層と電極層表面とが互いに接触する部分の最大分離間隔は、両者の接触面の長さ及び幅のサイズとの比がいずれも１より大きい又は１に等しいことを特徴とする単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項２】
前記摩擦層は、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、塩化ポリエーテル、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン弾性スポンジ、ポリビニルブチラール、ナイロン、ポリアクリロニトリル及びポリジフェノールカーボネートから選択される１種又は複数種の組合せであることを特徴とする請求項１に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項３】
前記摩擦層は、前記電極層の表面に対向し、及び／又は、前記電極層は、前記摩擦層の表面に対向し、その全部又は一部にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項４】
前記摩擦層は、前記電極層の表面に対向し、及び／又は、前記電極層は、前記摩擦層の表面に対向し、化学的変性によって、両者の帯電列が負である表面に、電子を取込みやすい官能基を導入し、及び／又は、両者の帯電列が正である表面に、電子を失いやすい官能基を導入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項５】
前記摩擦層及び／又は電極層は、硬質材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項６】
前記最大分離間隔と前記接触面の長さとの比、及び、前記最大間隔と前記接触面の幅との比は、いずれも１〜１００であることを特徴とする請求項１に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項７】
前記同電位源は、接地することによって提供されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項８】
負荷を更に含み、前記電極層は、前記負荷によって前記同電位源に電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項９】
前記電気的な接続は、電力供給の必要がある外部回路によって実現されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１０】
外力作用がない場合、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が分離し、外力によって、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が接触し、あるいは、
外力がない場合、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が接触し、外力によって、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が分離することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１１】
弾性部材を更に含み、前記弾性部材によって、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が外力なしで分離又は接触の状態を保持することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１２】
２つ以上の前記弾性部材を有し、
前記弾性部材は、引張弾性又は湾曲変形弾性を有することを特徴とする請求項１１に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１３】
第１の支持素子を更に含み、前記第１の支持素子は、前記摩擦層の前記電極層から離反する表面に固定され、及び／又は、
第２の支持素子を更に含み、前記第２の支持素子は、前記電極層の前記摩擦層から離反する表面に固定されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１４】
前記弾性部材の一端は、前記第１の支持素子に固定され、且つ、前記摩擦層を囲んで設置され、及び／又は、
前記弾性部材の他端は、前記第２の支持素子に固定され、且つ、前記電極層を囲んで設置されることを特徴とする請求項１３に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１５】
前記第１の支持素子及び／又は第２の支持素子は、平板構造又は曲面構造であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１６】
前記第１の支持素子と第２の支持素子は、互いに平行し、又は、
前記第１の支持素子は、第２の支持素子の一端と交差することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１７】
前記摩擦層と電極層とは、対向してキャビティーを形成し、前記摩擦層及び／又は電極層は、キャビティーから離反して外部へ突出する曲面であり、外力が施されるとき、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が互いに接触し、外力がなくなった後に原状に回復し、
前記電極層及び／又は前記摩擦層は、弾性湾曲変形の特性を有することを特徴とする請求項１〜１２に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１８】
前記電極層と前記摩擦層は、エッジによって接続されることを特徴とする請求項１７に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項１９】
前記摩擦層は、キャビティーから離反して外部へ突出する曲面であり、
前記電極層は、平面であり、
前記電極層のサイズは、前記摩擦層のサイズより小さいことを特徴とする請求項１８に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の発電機が２つ以上並列に接続されて形成され、各発電機から出力される電気信号が個別に監視され、又は一括に監視されることを特徴とする単電極摩擦式ナノ発電機群。
【請求項２１】
２以上の前記発電機は、縦方向に重ね合わせて前記発電機群を形成することを特徴とする請求項２０に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
【請求項２２】
隣接する２つの前記発電機間は、絶縁隔離層によって固定されて接続されることを特徴とする請求項２１に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
【請求項２３】
隣接する２つの前記発電機は、１つの前記電極層を共用することを特徴とする請求項２１に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
【請求項２４】
共用される前記電極層は、この２つの発電機の前記摩擦層と比べて、同じ電子取込み・失いの傾向を有することを特徴とする請求項２３に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
【請求項２５】
２つ以上の前記発電機は、並列に配置されることによって前記発電機群を形成することを特徴とする請求項２０に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
【請求項２６】
全ての発電機は、１つの電極層を共用し、全ての前記摩擦層は、共用される前記電極層の同一側に位置していることを特徴とする請求項２５に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
【請求項２７】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の発電機、あるいは、請求項２０〜２６のいずれか１項に記載の発電機群を使用し、
（１）前記摩擦層を提供するステップと、
（２）前記電極層を提供するステップと、
（３）前記電極層と同電位源とを電気的に接続するステップと、
（４）外力を施して、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面間に少なくとも１つの接触・分離周期を形成するステップと、
（５）ステップ（４）の過程において、前記電極層及び前記同電位源によって電気信号を出力するステップと、を含むことを特徴とする発電方法。
【請求項２８】
ステップ（４）に施されるのは、方向が周期的に反転し、あるいは、大きさが周期的に変化する継続外力であることを特徴とする請求項２７に記載の発電方法。
【請求項２９】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の発電機を２以上含み、各前記発電機の前記摩擦層又は前記電極層は、上方に向けて被追跡物体の走行表面に設置され、前記電極層と前記摩擦層とは、被追跡物体の圧力によって少なくとも一部の表面が接触し、被追跡物体が離れた後に原状に回復し、各発電機から出力される電気信号は独立して監視されることを特徴とする単電極摩擦式ナノ発電機に基づく追跡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦式ナノ発電機に関し、特に、単電極摩擦式ナノ発電機、発電機群、発電方法及びこの発電機に基づく自己駆動の追跡装置。
【背景技術】
【０００２】
摩擦式ナノ発電機の動作原理は、異なる摩擦電気的特性を有する２種類の材料間の相互接触・分離に基づいて発電することである。しかしながら、現在の記事された摩擦式ナノ発電機は、全て２つの電極層を必要とし、その少なくとも一方の電極層は、導電金属を摩擦薄膜材料の表面に堆積することによって形成されることを必要とし、この２つの電極層によって外部への電力出力を実現する。このような発電機は、金属の堆積によって作製コストが高く、一方、摩擦材料の厚さが一定範囲内であることを必要とする。これらの制限要素は、摩擦式ナノ発電機の普及・応用を大きく妨げる。
【０００３】
追跡システムは、安全監視、ＨＭＩ（ヒューマンインタフェース）及び医療科学方面に広い適用の展望を有し、一般的な追跡システムは、時間及び位置の情報を提供することによって物体移動に対する追跡及び位置決めを実現する。従来の追跡システムは、主に光学、磁力学及び力学のセンサネットワークに基づいて追跡を実現し、外部の電力供給は、これらのセンサに対して必要不可欠なものである。大量の電力消耗により、従来の追跡システムは、未来のエネルギー危機に広く適用され難い。自己駆動の追跡システムの発展は、これらの機器の長期及び安定な動作を解決するキーポイントである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の上記技術的な不備を克服するために、本発明は、構造が簡単であり、コストが安価である単電極摩擦式ナノ発電機、発電機群、発電方法及び当該発電機に基づく自己駆動の追跡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達するために、本発明は、摩擦層及び電極層を含み、前記電極層は、数量が１個であり、前記摩擦層に対向して配置され、前記電極層は、同電位源に電気的に接続され、前記摩擦層と電極層との少なくとも一部の表面は、外力によって接触・分離可能であり、同時に、前記電極層及び前記同電位源によって電気信号を出力することを特徴とする単電極摩擦式ナノ発電機を提供する。
【０００６】
好ましくは、前記摩擦層と前記電極層との間に帯電列の相違が存在する。
【０００７】
好ましくは、前記摩擦層は、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、塩化ポリエーテル、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン弾性スポンジ、ポリビニルブチラール、ナイロン、ポリアクリロニトリル及びポリジフェノールカーボネートから選択される１種又は複数種の組合せである。
【０００８】
好ましくは、前記電極層及び前記摩擦層接触の表面は、導電材料である。
【０００９】
好ましくは、前記電極層は、金属、酸化インジウム・スズ、有機物導体又はドープ半導体から選択される導電材料である。
【００１０】
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、ポリアニリン及びポリチオフェンを含む導電高分子である。
【００１１】
好ましくは、前記電極層は、金属薄膜又はフェライト相材料であり、その中、薄膜の厚さは１０ｎｍ〜５ｍｍである。
【００１２】
好ましくは、前記摩擦層は、前記電極層の表面に対向し、及び／又は、前記電極層は、前記摩擦層の表面に対向し、その全部又は一部にミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が配置される。
【００１３】
好ましくは、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。
【００１４】
好ましくは、前記摩擦層は、前記電極層の表面に対向し、及び／又は、前記電極層は、前記摩擦層の表面に対向し、ナノ材料の修飾又は塗布層がある。
【００１５】
好ましくは、前記摩擦層は、前記電極層の表面に対向し、及び／又は、前記電極層は、前記摩擦層の表面に対向し、化学的変性によって、両者の帯電列が負である表面に、電子を取込みやすい官能基を導入し、及び／又は、両者の帯電列が正である表面に、電子を失いやすい官能基を導入する。
【００１６】
好ましくは、前記摩擦層及び／又は電極層は、硬質材料である。
【００１７】
好ましくは、前記摩擦層及び／又は電極層は、軟質材料である。
【００１８】
好ましくは、前記の摩擦層及び電極層は、サイズ及び形状が同じであり、かつ、両者は対向して配置される。
【００１９】
好ましくは、前記分離の過程において、前記摩擦層と電極層表面とが互いに接触する部分の最大分離間隔は、両者の接触面の長さ及び幅のサイズと比較可能であり、又はより大きい。
【００２０】
好ましくは、前記最大分離間隔と前記接触面の長さとの比、及び、前記最大間隔と前記接触面の幅との比はいずれも１〜１００である。
【００２１】
好ましくは、前記同電位源は、接地することによって提供される。
【００２２】
好ましくは、負荷を更に含み、前記電極層は、前記負荷によって前記同電位源に電気的に接続される。
【００２３】
好ましくは、前記電気的な接続は、電力供給の必要がある外部回路によって実現される。
【００２４】
好ましくは、外力作用がない場合、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が分離又は接触し、外力によって、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が接触又は分離する。
【００２５】
好ましくは、弾性部材を更に含み、前記弾性部材によって、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が外力なしで分離又は接触の状態を保持する。
【００２６】
好ましくは、２つ以上の前記弾性部材を有する。
【００２７】
好ましくは、前記弾性部材は、引張弾性又は湾曲変形弾性を有する。
【００２８】
好ましくは、第１の支持素子を更に含み、前記第１の支持素子は、前記摩擦層の前記電極層から離反する表面に固定され、及び／又は、第２の支持素子を更に含み、前記第２の支持素子は、前記電極層の前記摩擦層から離反する表面に固定される。
【００２９】
好ましくは、前記弾性部材の一端は、前記第１の支持素子に固定され、且つ、前記摩擦層を囲んで設置され、及び／又は、前記弾性部材の他端は、前記第２の支持素子に固定され、且つ、前記電極層を囲んで設置される。
【００３０】
好ましくは、前記第１の支持素子及び／又は第２の支持素子は、剛性材料である。
【００３１】
好ましくは、前記第１の支持素子及び／又は第２の支持素子は、平板構造である。
【００３２】
好ましくは、前記第１の支持素子及び／又は第２の支持素子は、曲面構造である。
【００３３】
好ましくは、前記第１の支持素子と第２の支持素子は、互いに平行する。
【００３４】
好ましくは、前記第１の支持素子は、第２の支持素子の一端と交差する。
【００３５】
好ましくは、前記摩擦層と電極層とは、対向してキャビティーを形成し、前記摩擦層及び／又は電極層は、キャビティーから離反して外部へ突出する曲面であり、外力が施されるとき、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面が互いに接触し、外力がなくなった後に原状に回復する。
【００３６】
好ましくは、前記電極層と前記摩擦層は、エッジによって接続される。
【００３７】
好ましくは、前記電極層及び／又は前記摩擦層は、弾性湾曲変形の特性を有する。
【００３８】
好ましくは、前記摩擦層は、突出方向の外側に第１の弾性ベースを貼り合わせ、及び／又は、前記電極層は、突出方向の外側に第２の弾性ベースを貼り合せる。
【００３９】
好ましくは、前記第１の弾性ベース及び第２の弾性ベースは、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート及びポリスチレンから選択される。
【００４０】
好ましくは、前記第１の弾性ベース及び第２の弾性ベースの厚さは、５０μｍ〜１０ｍｍである。
【００４１】
好ましくは、前記第１の弾性ベースと前記摩擦層との熱膨張係数が異なり、両者を貼り合せてから全体が前記第１の弾性ベースに突出し、及び／又は、前記第２の弾性ベースと前記電極層との熱膨張係数が異なり、両者を貼り合せてから全体が前記第２の弾性ベースに突出する。
【００４２】
好ましくは、前記摩擦層は、キャビティーから離反して外部へ突出する曲面であり、前記電極層は、平面であり、前記電極層のサイズは、前記摩擦層のサイズより小さい。
【００４３】
本発明は、前記したいずれか１つの単電極発電機が２つ以上並列に接続されて形成され、各発電機から出力される電気信号が個別に監視され、又は一括に監視されることを特徴とする単電極摩擦式ナノ発電機群を更に提供する。
【００４４】
好ましくは、２以上の前記発電機は、縦方向に重ね合わせて前記発電機群を形成する。
【００４５】
好ましくは、隣接する２つの前記発電機間は、絶縁隔離層によって固定されて接続される。
【００４６】
好ましくは、隣接する２つの前記発電機は、１つの前記電極層を共用する。
【００４７】
好ましくは、共用される前記電極層は、この２つの発電機の前記摩擦層と比べて、同じ電子取込み・失いの傾向を有する。
【００４８】
好ましくは、共用される前記電極層は、前記第２の支持素子及びその外部に貼り合せて導電薄層から構成される。
【００４９】
好ましくは、２つ以上の前記発電機は、並列に配置されることによって前記発電機群を形成する。
【００５０】
好ましくは、全ての発電機は、１つの電極層を共用し、全ての前記摩擦層は、共用される前記電極層の同一側に位置している。
【００５１】
好ましくは、２つ以上の前記発電機は、少なくとも一部が異なり、あるいは、完全に同じである。
【００５２】
本発明は、本発明に開示されたいずれかの発電機または発電機群を使用し、
（１）前記摩擦層を提供するステップと、
（２）前記電極層を提供するステップと、
（３）前記電極層と同電位源とを電気的に接続するステップと、
（４）外力を施して、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面間に少なくとも１つの接触・分離周期を形成するステップと、
（５）ステップ（４）の過程において、前記電極層及び前記同電位源によって電気信号を出力するステップと、を含むことを特徴とする発電方法を更に提供する。
【００５３】
好ましくは、ステップ（４）において、前記摩擦層と前記電極層とは完全に接触する。
【００５４】
好ましくは、ステップ（４）に施されるのは、方向が周期的に反転し、あるいは、大きさが周期的に変化する継続外力である。
【００５５】
本発明は、前記したいずれか１つの発電機を２以上含み、各前記発電機の前記摩擦層又は前記電極層は、上方に向けて被追跡物体の走行表面に設置され、前記電極層と前記摩擦層とは、被追跡物体の圧力によって少なくとも一部の表面が接触し、被追跡物体が離れた後に原状に回復し、各発電機から出力される電気信号は独立して監視されることを特徴とする単電極摩擦式ナノ発電機に基づく追跡装置を更に提供する。
【発明の効果】
【００５６】
従来技術と比べて、本発明の単電極摩擦式ナノ発電機は、以下の利点を有する。
１、初めて単電極に基づく摩擦式ナノ発電機を作製した。摩擦電気ポリマー材料及び導電材料のみを使用すれば、ナノ発電機を作製でき、摩擦電気ポリマー材料の表面に金属電極層をメッキする必要がなく、作製コストを大きく低減した。
２、初めて単端が接地することによって摩擦式ナノ発電機の電気信号の出力を実現した。使用過程における回路の接続を十分に簡単化し、その適用範囲を明らかに拡張した。
３、初めて摩擦式発電機アレイによって自己駆動の追跡システムを作製した。該システムは、被探知物体と環境との交互によって、物体移動経路に対する有効的な探知を実現した。該システムは、外部の電力供給ユニットを必要としておらず、主に物体の移動過程に触発した摩擦式発電機から発する信号に基づいて、物体に対する探知を実現する。
【００５７】
添付される図面によって、本発明の上述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。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の単電極摩擦式発電機の典型的な構造を示す模式図である。
【図２】本発明の単電極摩擦式発電機を示す動作原理図である。
【図３】本発明の単電極摩擦式発電機の典型的な構造を示す模式図である。
【図４（ａ）−４（ｂ）】本発明の単電極摩擦式発電機の典型的な構造を示す模式図である。
【図５】本発明の単電極摩擦式発電機の典型的な構造を示す模式図である。
【図６】本発明の単電極摩擦式発電機の弾性部材の典型的な実装構造を示す模式図である。
【図７】本発明の単電極摩擦式発電機の弾性部材の典型的な実装構造を示す模式図である。
【図８】本発明の単電極摩擦式発電機に支持素子が含まれる典型的な構造を示す模式図である。
【図９】本発明の単電極摩擦式発電機に支持素子が含まれる典型的な構造を示す模式図である。
【図１０】本発明の単電極摩擦式発電機に支持素子が含まれる典型的な構造を示す  模式図である。
【図１１（ａ）−１１（ｂ）】本発明の単電極摩擦式発電機に支持素子が含まれる典型的な構造を示す模式図である。
【図１２（ａ）−１２（ｃ）】本発明の単電極摩擦式発電機の典型的な構造を示す模式図である。
【図１３】本発明の単電極摩擦式発電機群の典型的な構造を示す模式図である。
【図１４】本発明の単電極摩擦式発電機群の典型的な構造を示す模式図である。
【図１５】本発明の単電極摩擦式発電機群の典型的な構造を示す模式図である。
【図１６】本発明の単電極摩擦式発電機群の典型的な構造を示す模式図である。
【図１７】本発明の単電極摩擦式発電機群の典型的な構造を示す模式図である。
【図１８】本発明の単電極摩擦式発電機に基づく追跡システムの典型的な構造を示す模式図である。
【図１９】本発明の実施例２の短絡電流出力図である。
【図２０】本発明の実施例３の追跡システムの回路接続図である。
【図２１】本発明の実施例３の動作時の信号採集図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下、本発明の図面を参照しながら、本発明の実施例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。
【００６０】
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。
【００６１】
本発明に記載の「接地」とは、大量の電荷を提供し又は受け可能な物体に接続されることを意味する。その「地」は、いずれかの電位が慣例的に零とされる大地又は導電物質、例えば、艦船又は搬送工具の金属ケースなどである。
【００６２】
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種類の材料が互いに摩擦する瞬間に、摩擦する面において、負電荷が、帯電列における極性が比較的に正になる材料の表面から、帯電列における極性が比較的に負になる材料の表面に移動することを意味する。例えば、高分子材料ポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ）が金属材料アルミニウム箔と接触するとき、アルミニウム箔が正に帯電し、すなわち、電子の取込み能力が弱く、高分子材料ポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ）が負に帯電し、すなわち、電子の取込み能力が強い。今まで、まだ電荷の移動の仕組みを完全に解釈できる統一の理論がなかった。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あり、２種類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。
【００６３】
本発明に記載の「接触電荷」とは、帯電列において極性に差異がある２種類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。
【００６４】
本発明の発電機の方向は、摩擦層と電極層とが上下関係を呈する場合に縦方向であり、即ち、摩擦層が上方であり、電極層が下方であり、あるいは、摩擦層が下方であり、電極層が上方であり、この２つの配置状態は全て本発明に記載の縦方向に属する。
【００６５】
図１は本発明の単電極摩擦式ナノ発電機の典型的な構造を示している。摩擦層１０及び電極層２０を含み、電極層２０は外部回路３０によって同電位を提供するグランドに接続され、摩擦層１０と電極層２０とは対向して配置され、両者間は弾性部材４０によって一定の間隔を保持し、外力の作用によって摩擦層１０と電極層２０との少なくとも一部の表面には接触・分離の循環を発生させ、外部回路３０に電極を供給する。
【００６６】
以下、説明の便宜上、図１の典型的な構造に基づいて本発明の原理、各部材の選択原則及び材料範囲を説明するが、もちろん、これらの内容は図１に示す実施例に限られず、本発明に開示される全ての技術案に適用されることができる。
【００６７】
本発明の発電機の動作原理は図２を参照して説明される。摩擦層１０と電極層２０の帯電列が異なり、両者間に電子の取込み能力の相違があるため（ここでは、摩擦層１０の電子の取込み能力が弱いことを例とする）、圧縮力Ｆが発電機に作用されて摩擦層１０と電極層２０の表面の接触を駆動するとき、摩擦層１０表面が正電荷を帯電し、電極層２０の表面が負電荷を帯電する；圧縮応力が緩和された後に、弾性部材４０は摩擦層１０と電極層２０を分離させ、摩擦層１０と電極層２０との間の表面電荷のバランスを破壊し、このバランスを回復するために、電子は外部回路３０を介して電極層２０からグランドへ流れ、電気信号を外部へ出力する；摩擦層１０と電極層２０との間隔が最大となるとき、両者間の表面電荷が改めてバランスになり、電子が流れない；圧縮応力Ｆが改めて発電機に作用されるとき、弾性部材４０が圧縮され、摩擦層１０の表面が電極層２０の表面に近づき、両者の表面電荷のバランスが改めて破壊され、これにより、電子が外部回路３０を介してグランドから電極層２０へ流れ、電流を外部へ出力する。摩擦層１０と電極層２０とが完全に接触した後に、表面の接触電荷がバランスになり、電子が一定方向の流れを停止し、外部回路３０には電流の出力が観察されることができない。
【００６８】
上記の発電原理から分かるように、摩擦層１０と電極層２０との間の帯電列の相違は、出力可能な電気信号を発生するキーポイントであり、以下のポリマー材料は、いずれも本発明の摩擦層１０に適用されることができ、且つ、電子の取込み能力が、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の並べ順に強くなる。紙幅の関係で、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する。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帯電の特性に基づいて、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。
【００６９】
試験によって分かるように、摩擦層１０の材料と電極層２０の材料との電子の取込み能力の相違が大きいほど、ナノ発電機から出力される電気信号が強くなる。したがって、上記に挙げられた順序に基づき、簡単な比較試験を組み合わせて、適宜なポリマー材料を摩擦層１０とし、最適な電気信号の出力性能を取得することができる。
【００７０】
発電機において、電極層２０は、発電のための摩擦表面を提供するとともに、電極の作用も奏する。表面電荷からなる電界がアンバランスであるとき、外部回路３０によって電子を伝送する。したがって、電極層２０と摩擦層１０が接触する表面が導電材料から構成され、あるいは、全体が全て導電材料から構成される必要がある。前記導電材料は、金属、酸化インジウム・スズ、有機物導体、又は、ドープ半導体から選択されてもよく、電極層２０は、平板、薄片又は薄膜であってもよい。その中、薄膜の厚さ選択可能な範囲は１０ｎｍ〜５ｍｍで、５０ｎｍ〜１ｍｍであることが好ましく、１００ｎｍ〜５００μｍであることがより好ましい。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。
【００７１】
本発明の発電機の出力性能を出力するために、前記摩擦層１０の電極層２０に対向する表面、及び／又は、前記電極層２０の摩擦層１０に対向する表面に、ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）又はサブミクロン（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）レベルの微小構造が配置されており、摩擦層１０と電極層２０との有効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。この微小構造は、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。
【００７２】
ナノアレイを形成する方法は、物理方法以外に、例えばフォトエッチング法、化学エッチング法及びイオンエッチング法などの化学方法も含み、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。それ以外、互いに接触する摩擦層１０及び／又は導電層２０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つの方法に分かられる。
【００７３】
１つの方法としては、互いに接触する摩擦層１０及び導電層２０に対して、帯電列が相対的に正である材料の表面に、電子を失いやすい官能基（即ち、強い電子供与基）を導入、又は、帯電列が相対的に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。
【００７４】
もう１つの方法としては、極性が正である摩擦層を構成する材料の表面に正の電荷を導入し、極性が負である摩擦層を構成す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、摩擦層全体は正に帯電する。当業者は、摩擦層の材料が電子を取込む性質及び電子を失う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。
【００７５】
本発明において、摩擦層１０及び導電層２０が必ず硬質材料であることを限定することではなく、軟質材料であってもよい。材料の硬度は、両者間のスライド摩擦の効果に影響を与えない。摩擦面が平面を維持すれば、他の部材の支持によって実現してもよい。したがって、当業者は、実際な状況に応じて摩擦層１０及び電極層２０の材料の硬度を選択することができる。
【００７６】
図１に示す摩擦層１０と電極層２０とのサイズ及び形状が同じであり、両者が対向して配置され、外力の作用によって摩擦層１０と電極層２０が完全に接触するが、これは、単に好ましい方式である。実際には、摩擦層１０と電極層２０との間に一部の表面に接触・分離の循環が発生されば、発電機が正常に動作することができる。したがって、摩擦層１０と電極層２０との形状及びサイズは完全に同じである必要がなく、両者の相対位置は完全に対向することに限られず、当業者は、実際な使用環境に応じて自由に選択することができる。
【００７７】
試験において、発明者は以下のことを発見している。摩擦層１０と電極層２０との表面が互いに接触する部分の最大分離間隔ｄが両者の接触面の長さ及び幅Ｄのサイズと比較可能であり、又は、さらに大きい場合（図３を参照し、同図には両者の接触面の長さのみが示され、幅が示されないが、幅のサイズもｄと比較することができる）、発電機の出力性能がよい。当該最大分離間隔ｄと前記長さ及び幅Ｄとの比がいずれも１〜１００であることが好ましく、もちろん、当該比がより大きくてもよく、理論的な電気信号の出力性能がよりよくなる。しかしながら、機器加工の難しさを考慮すべきである。したがって、実際に適用する時、この原則に基づいて、よりよい発電性能を達成するように、摩擦層１０及び電極層２０のサイズ及び相対位置を調整することができる。
【００７８】
同電位源に電気的に接続することは、本発明の発電機が正常に動作するキーポイントであり、当該同電位源は、接地によって提供されてもよいし、外部の補償回路によって提供されてもよい。前記電気的な接続は、電力供給の必要がある外部回路３０によって直接に実現されてもよいし、発電機の内部に負荷を設置することによって実現されてもよい（不図示）。すなわち、電極層２０は該負荷によって同電位源に電気的に接続され、電力供給の必要がある外部回路３０は、該負荷に並列に又は直列に接続されることによって電気信号を受ける。
【００７９】
弾性部材４０の作用は、外力と協力して摩擦層１０と電極層２０との接触・分離の循環を実現することである。したがって、若し、発電機に施される外力自身は、方向が周期的に変化し、摩擦層１０と電極層２０との接触・分離の循環を実現できるものであれば、弾性部材４０は必要不可欠な部材ではない。例えば、図３に示す実施形態のように、周期的な外力Ｆは、コネクタ４０１によって摩擦層１０の往復運動を駆動し、これにより、摩擦層１０と電極層２０が周期的に接触・分離すれば、発電機は正常に動作することができる。しかしながら、施される外力自身のみによって発電機が正常に動作できない場合、弾性部材４０の協力が必要である。例えば、図１に示す実施形態のように、該弾性部材４０の両端は、それぞれ摩擦層１０と電極層２０が対向する表面に固定され、両者の少なくとも一部の表面は、外力なしで分離状態を保持するとともに、外力によって圧縮され、摩擦層１０又は電極層２０の湾曲変形によって接触する。摩擦層１０と電極層２０との接触効果をさらに改善するために、弾性部材４０の固定位置をさらに調整してもよい。例えば、図４に示す実施形態のように、弾性部材４０の一端は、摩擦層１０の電極層２０に対向する表面に固定され、他側は、電極層２０の支持物に固定され、図４（ａ）が参照され、あるいは、一端は、電極層２０の摩擦層１０に対向する表面に固定され、他端は、摩擦層１０の支持物に固定され、図４（ｂ）が参照される。この２つの固定方式は、いずれも圧力によって、弾性部材４０が圧縮され、摩擦層１０と電極層２０との表面が完全に接触し、圧力がなくなるときに摩擦層１０と電極層２０が分けられることを実現できるとともに、弾性部材４０自身の厚さによって摩擦層１０と電極層２０との接触効果に影響を与える問題を避けることができる。施される外力が引っ張り力であり、圧力ではない場合に、図５に示す実施形態を採用してもよい。このような方式において、弾性部材４０の存在により、引っ張り力がなくなるときに摩擦層１０と電極層２０が改めて接触することを保証し、摩擦層１０と電極層２０との接触・分離の循環を完成することができる。その中、支持部材５０は、電極層２０を支持する。弾性部材４０は、摩擦層１０及び／又は電極層２０のエッジに均一に配置されてもよいし、摩擦層１０及び／又は電極層２０の中間に配置されてもよい。例えば、図６に示す実施形態のように、弾性部材４０は、電極層２０の中間に位置する。もちろん、電極層２０及び／又は摩擦層１０のサイズが大きければ、複数のこのような弾性部材４０が接触面の中間に配置されてもよい。
【００８０】
弾性部材４０は、本分野の弾性を提供可能な常用な部材であり、例えばバネ、ゴム、ポリウレタンエラストマー、スポンジなどの縦方向の引張弾性を提供可能な部材であってもよいし、例えば金属薄片及び熱可塑性弾性体薄片などの弾性湾曲変形を有する部材であってもよい。図７に示す実施形態のように、両端がそれぞれ摩擦層１０及び電極層２０に固定される弾性薄片４０２を弾性部材として使用しても、該弾性薄片４０２が弾性湾曲変形を発生できる特性を有するため、外部圧力を受けした後に変形し、摩擦層１０と電極層２０とが互いに接触し、外力がなくなった後に、その自身の弾性により、摩擦層１０と電極層２０とが分離する。該弾性薄片４０２の厚さ、形状及びサイズは、実際な状況、総合機械強度及び弾性に応じて選択されてもよい。このような選択は、いずれも当業者が容易に行える常用な選択である。
【００８１】
弾性部材４０の数量は、実際な需要に応じて定められてもよい。摩擦層１０及び電極層２０のサイズが大きければ、必要とする弾性部材４０も多い。一方、両者のサイズが小さければ、弾性部材４０の数量に対する需要も低減し、２つ以上であることが好ましい。
【００８２】
図８は本発明の発電機の他の典型的な実施形態を示し、摩擦層１０及び電極層２０を含み、電極層２０は外部回路３０によって同電位を提供するグランドに接続され、摩擦層１０と電極層２０とは、対向して配置され、両者間は、弾性部材４０によって一定の間隔を保持し、かつ、外力によって少なくとも一部の摩擦層１０と電極層２０とは、接触・分離の循環を発生でき、そして、電極層２０及び同電位源によって電気信号を外部回路３０へ出力する。発電機の機械強度を保証するために、電極層２０の摩擦層１０から離反する表面に第１の支持素子５０が固定され、摩擦層１０の電極層２０から離反する表面に第２の支持素子６０が固定され、弾性部材４０の両端は、それぞれ第１の支持素子５０の下面及び第２の支持素子６０の上面に固定される。
【００８３】
第１の支持素子５０及び第２の支持素子６０は、剛性であってもよいし、弾性を有してもよい。支持作用を奏すればよい。材料は、例えばプラスチック板又はシリコンウエハーなどの絶縁材料又は半導体材料を選択してもよい。その形状及びサイズは自由に選択されてもよく、摩擦層１０及び電極層２０の形状及びサイズに合わせて選択されることが好ましい。厚さは異なる材料及び要求に応じて選択されてもよい。
【００８４】
第１の支持素子５０及び第２の支持素子６０は同時に使用されてもよいし、その１つのみが使用されてもよい。図９に示す実施形態のように、電極層２０は、一定の機械強度を有する金属薄板を採用し、厚さが比較的に小さい摩擦層１０を第１の支持素子５０の下面に貼り合わせ、弾性部材４０が摩擦層１０の周囲を囲み、一端は、第１の支持素子５０の下面に固定され、他端は、電極層２０の上面に固定される。
【００８５】
第１の支持素子５０及び第２の支持素子６０は、平板式であってもよいし、他の形状であってもよく、支持作用を奏すればよい。例えば、図１０に示す実施形態のように、第１の支持素子５０は、傘形状みたいな構造を有し、それが摩擦層１０に対して提供する支持表面は、曲面であり、外力を伝送する作用も奏することができ、第２の支持素子６０は、同じ曲面構造を有する部材であり、第１の支持素子５０と平行に配置される。これによれば、第１の支持素子５０及び第２の支持素子６０は、互いに協力して２つの曲面の接触摩擦表面を形成し、このような摩擦表面は、発電機の正常な動作に影響を与えなく、かつ、曲面の構造により、それがより多い動作環境に適用されることができる。
【００８６】
第１の支持素子５０及び第２の支持素子６０は、互いに平行に配置てもよく、一定の角度をなしてもよい。例えば、図１１に示す実施形態のように、該実施形態の第１の支持素子が第２の支持素子の一端に交差し、一体に作製されることが好ましいため、１つの部材と見なすことができ、ここでは、第１の支持素子５０と総称する。図１１（ａ）に示す実施形態において、第１の支持素子５０自身は、一定の弾性を有し、外力なしでＶ字形の構造を保持することができ、摩擦層１０及び電極層２０をそれぞれ該第１の支持素子５０の２つの対向する内側面に貼り合わせ、その中、電極層２０は、回路３０を介してグランドに電気的に接続される。外力が施されるとき、第１の支持素子５０が圧縮され、それに貼り合わせた摩擦層１０と電極層２０の表面を接触させ、外力がなくなった後に、第１の支持素子５０自身の弾性により、発電機全体がＶ字形構造を回復し、摩擦層１０と電極層２０とが分離し、発電循環を形成する。
【００８７】
第１の支持素子５０自身の弾性が足りない場合、Ｖ字形構造の開口端に弾性部材４０を実装してもよく、図１１（b）を参照し、外力がなくなった後に、摩擦層１０と電極層２０とが速く分離することができる。このような構造により、発電機の使用寿命を延長し、第１の支持素子５０自身の材料弾性に対する要求を低減することができる。
【００８８】
図１２は本発明の発電機の他の典型的な実施形態を示す。対向して配置される摩擦層１０および電極層２０を含む。両者はエッジによって接続され、中間にキャビティーを形成し、摩擦層１０および電極層２０は、いずれもキャビティーから離反して外部へ突出する曲面であり、外力が施されるとき、摩擦層１０と電極層２０との少なくとも一部の表面が互いに接触し、外力がなくなった後に原状に回復し、図１２（ａ）を参照し、電極層２０および同電位を提供するグランドによって電気信号を外部回路３０へ出力する。
【００８９】
実施形態の各組成部材は、上記図１〜１１の実施形態に限定される条件を有するとともに、摩擦層１０及び／又は電極層２０は、弾性湾曲変形の特性を具備する必要もあり、これにより、外力がなくなった後に原状を速く回復し、発電機が正常に動作することができる。このような弾性の取得は、例えば自身が弾性を有するゴム又はポリウレタンエラストマーなどの材料の選択によって実現されてもよいし、例えば電極層が金属厚板でなく、金属薄片を使用するなどの構造の調整によって実現されてもよい。これらの方式はいずれも本分野の常用な選択であり、ここでは贅言しない。
【００９０】
若し、摩擦層１０及び電極層２０自身が弾性湾曲変形の特性を具備しなければ、弾性ベースの使用によって発電機の正常動作を保証する必要があり、例えば、図１２（b）に示す実施形態のように、摩擦層１０及び電極層２０の突出方向の外側面に第１の弾性ベース７０及び第２の弾性ベース８０を貼り合わせる。この２つのベースは、弾性湾曲変形特性を有する材料からなり、絶縁体又は半導体であってもよい。好ましくは、第１の弾性ベース７０及び第２の弾性ベース８０は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート及びポリスチレンから選択されるものである。弾性ベースの厚さは、ベースの弾性に対する要求を満たすことを基準として、５０μｍ〜１０ｍｍで、１００μｍ〜５ｍｍであることが好ましく、１２７μｍ〜１ｍｍであることがより好ましい。第１の弾性ベース７０及び第２の弾性ベース８０は、例えば、シリカなどの熱膨張係数が摩擦層１０及び電極層２０と異なる材料であってもよく、両者の熱膨張係数が異なるため、特に大きく異なっている材料が貼り合わせるとき、全体が湾曲状態になり、すなわち、第１の弾性ベース７０と摩擦層１０とを貼り合わせた後に、全体が第１の弾性ベース７０側に突出し、第２の弾性ベース８０と電極層２０とを貼り合わせた後に、全体が第２の弾性ベース８０側に突出する。
【００９１】
摩擦層１０と電極層２０とのエッジの接続は、例えば、絶縁接着剤によって接着すること、両面テープによって貼り付けること、クリップによって固定することなどの本分野の常用な接続方式を採用することができる。
【００９２】
このような典型的な実施形態において、摩擦層１０及び電極層２０は同時に曲面であってもよく、２つの曲面が同じサイズ及び形状を有することが好ましい。摩擦層１０と電極層２０の１つが曲面であってもよく、図１２（ｃ）に示すように、電極層２０のサイズが摩擦層１０のサイズより小さいことが好ましい。
【００９３】
上記のように、本発明に設計された複数種の単電極摩擦式ナノ発電機の典型的な構造が提供され、当業者は、これらの構造を基礎として簡単に変形し、異なる動作環境に適用可能な発電機を取得することができる。しかしながら、このような変形はいずれも本発明に開示される基礎思想に基づいて完成されるものであり、本発明が保護する範囲に属する。
【００９４】
発電機の機械エネルギーに対する利用効率を向上し、電気信号の出力強度を増強するために、本発明に開示される上記単電極摩擦式ナノ発電機を２以上組み合わせ、発電機群を形成することができ、そして、各発電機の接続方式を調整し、並列に接続される発電機から出力される電気信号を個別に又は一括に監視し、異なる需要を満たすことができる。ここで説明すべきであるのは以下の通りである：下記の発電機群に係る発電機は全て本発明の前記発電機であり、各部材は前記に詳細に説明されるため、以下、発電機群の全体構造、各発電機の接続関係及び特殊要求を有する部材のみに対して説明し、発電機における特殊要求を有しない他の部材については、別に説明しなく、前記の説明を基準とする。
【００９５】
図１３は本発明の発電機群の典型的な実施形態であり、２つの図９に示すナノ発電機を含む。両者を簡単に縦方向に重ね合わせて２つの電極層２０の中間に絶縁隔離層６０を増加し、各発電機ユニットの電気信号を個別に収集する。その中、絶縁隔離層６０は、例えば、プラスチック板、ゴムシートという絶縁隔離の作用を奏する材料であればよく、そのサイズ及び形状は、全て需要に応じて選択されてもよい。
【００９６】
このような実施形態は、圧力Ｆが発電機群に作用するとき、２つの発電機の動作を同時に駆動することができ、機械エネルギーに対する利用率が明らかに向上されている。もちろん、外力の大きさに基づいて重ね合わせた発電機の数量を調整することができ、外力が大きいほど、数量が多く、これにより、全ての発電機の正常動作を有効的に駆動できることを基準とする。重ね合わせた各発電機ユニットが同じであってもよく、異なってもよい。各発電機ユニットに接続される外部回路３０が異なる電力供給の需要を有する場合に対して、異なる発電機ユニットを採用することにより、この課題をよりよく解決することができる。強い出力電気信号を必要とする場合に対して、該発電機ユニットの摩擦層１０と電極層２０との分離距離を増加してもよい。高い感度を必要とする場合に対して、相応的な発電機セルの摩擦層１０と電極層２０との接触表面を処理してもよく、例えば、接触表面を増加するようにナノ構造を形成するなど。
【００９７】
同様な目的を達成するために、図１４に示す組込方式を採用してもよい。この実施形態において、絶縁隔離層６０を省略し、２つの発電機が１つの第１の支持素子５０を共用し、力の伝送における効率が高く、コストも低減できるが、構造組合せの調整の自由度がよくない。
【００９８】
図１５は並列に接続される発電機群を示す。各発電機ユニットは、摩擦層１０と、摩擦層１０に対向し分離して配置される電極層２０と、摩擦層１０の上面に貼り合わせた第１の支持素子５０と、第１の支持素子５０と電極層２０との間に位置する弾性部材４０から構成され、その中、弾性部材４０の一端は、第１の支持素子５０の表面に固定され、他端は、電極層２０の表面に固定され、複数の弾性部材４０は、摩擦層１０を囲んで均一に配置される。上下に隣接する２つの発電機ユニットは、１つの電極層２０を共用し、該電極層２０及び同電位を提供するグランドによって電気信号を外部回路３０へ出力する。該発電機群の各発電機ユニットが同時に動作すれば、電極層２０を共用する２つの隣接する発電機が以下の条件を満たすことを確保すべきである：共用される電極層２０は、２つの摩擦層１０と比べて、同じ電子取込み・失いの傾向を有し、即ち、共用される電極層２０が、１つの発電機の摩擦層１０と比べて、電子をより失いやすければ、別の発電機の摩擦層と比べて、電子をより失いやすい傾向を有する。これにより、電極層２０が２つの摩擦層１０と摩擦する過程における形成される表面電荷は互いに相殺しない。しかしながら、若し、発電機群の２つの発電機ユニットが同時に動作しなく、作成されるときに重ね合わせ、電極層２０を共用するだけであれば、発電機ユニットの摩擦層１０及び電極層２０の材料選択に対してこのように制限しない。
【００９９】
コストを低減し、重量を低減するために、図１５に示す発電機群を以下のように改善してもよい。軽い板状の材料を第２の支持素子２０とし、その外表面に導電薄層を貼り合わせて共用される電極層２０とし、具体的な構造は、図１６を参照する。
【０１００】
図１３〜図１６は全て縦方向に重ね合わせた組合せ方式を示す。これによって形成される発電機群は同期動作をより実現しやすいが、外力を受ける面積が限られるため、外力の安定性に対する要求が強い。外力の印加位置が常に変化すれば、その発電効果に影響を与える。外力の印加位置が変化する可能性がある状況を適応するために、並列に配置される方式によって発電機組を形成することができ、具体的には図１７に示す構造を参照することができる：該発電機群は、複数の発電機ユニットが同一平面に配置されて形成され、各発電機ユニットの摩擦層１０は、いずれも弾性湾曲の変形特性を有する材料から形成される弓形であり、両端が電極層２０の表面に固定されることによって、全ての発電機ユニットは、１つの電極層２０を共用し、全ての摩擦層１０は、該共用電極層２０の同一側に位置しており、電極層２０は、リード線によって、一端が接地する外部回路３０と共に回路を形成する。
【０１０１】
該実施形態において、摩擦層１０は、弾性湾曲の変形を発生できる弓形であるが、これは、例示的な物のみであり、実際には、本発明の図１〜１１に示す全ての発電機も類似な方法によって組み合わせて発電機群を形成し、同じ効果を奏することができる。該発電機群を構成する各発電機ユニットの摩擦層１０は、同じであってもよく、異なってもよい。全ての摩擦層１０が同じである場合、発電機群のいずれかの発電機ユニットが同じ外力の作用を受けた後に、同じ電気信号を出力し、外力が複数の発電機ユニットに同時に作用されるとき、出力される電気信号は累積される。これによって、外力の作用範囲、あるいは、外力源と発電機との接触面積を推定することができる。このような特性によって、該発電機群を接触面積に対する探知に適用することができる。各発電機ユニットの摩擦層１０が異なる場合、同じ外力が異なる発電機ユニットに個別に作用されると、異なる電気信号を出力し、すなわち、発電機群から出力される電気信号は、外力の座標情報を反映することができる。このような特性に基づいて、外力の作用経路を追跡することができる。異なる大きさの外力に対して、同じ発電機から出力される電気信号の数値が変化し、発明者は、発電機に施される圧力の大きさが電気信号の出力と比例することを発見したため、本発明の発電機群を圧力分布に対する観測にも適用することができる。
【０１０２】
もちろん、電極層２０を共用しない複数の発電機ユニットを並列に配置すれば、面積探知及び経路追跡の機能も実現することができるが、各発電機ユニットを個別に観測する必要があり、そして、経路追跡の機能を実現するために、各観測機器が反映する経路情報が事前的に関連される必要がある。このような実施形態の長所は、外力印加源と発電機との接触面積及び移動経路を同時に、便宜に、直観的に観測することができる。該原理によって、本発明は、いずれかの前記発電機を２個以上含む追跡システムをさらに提供する（図１８参照）。各発電機の摩擦層１０又は電極層２０は、上方に向いて被追跡物体の走行表面に設けられ、電極層２０及び摩擦層１０は、被追跡物体の圧力によって少なくとも一部の表面が接触し、被追跡物体から離れた後に原状に回復し、各発電機から出力される電気信号は独立して監視され、各監視回路（符号は３０１、３０２、……３０９と記載される）の一端は、いずれも接地され、各発電機から出力される信号を同時に採集する。物体が追跡システムに移動するとき、異なる発電機が順に物体と接触し、発生する圧縮力によって、異なる摩擦式発電機が信号を外部へ出力し、これらの信号を分析することによって、物体の追跡システムにおける具体的な移動経路を分かることができる。
【０１０３】
前記説明によって、本発明は、新たな発電方法を開示していることを明らかに分かることができる。この発電方法は、本発明に開示されるいずれかの発電機又は発電機群を使用し、
（１）前記摩擦層を提供するステップと、
（２）前記電極層を提供するステップと、
（３）前記電極層と同電位源とを電気的に接続するステップと、
（４）外力を施して、前記摩擦層と前記電極層との少なくとも一部の表面間に少なくとも１つの接触・分離周期を形成するステップと、
（５）ステップ（４）の過程において、前記電極層及び前記同電位源によって電気信号を出力するステップと、を含むことを特徴とする。
【０１０４】
好ましくは、ステップ（４）において、前記摩擦層と前記電極層とは完全に接触する。
【０１０５】
好ましくは、ステップ（４）に施されるのは、方向が周期的に反転し、あるいは、大きさが周期的に変化する継続外力である。
【０１０６】
［実施例１:単電極摩擦式ナノ発電機の作製］
レーザによって、長さ３ｃｍ×幅３ｃｍ×厚さ１.５９ｍｍである有機ガラスを切断して第２の支持素子とし、アルミニウム箔によって有機ガラス板全体を完全に覆う。長さ７ｃｍ×幅３ｃｍ×厚さ２５μｍであるナイロン薄膜と長さ７ｃｍ×幅３ｃｍ×厚さ１２７μｍであるポリイミドとをテープによって貼り合わせる。ナイロンは、表面がアルバニウム箔に向かい、その両端がテープによって有機ガラスに固定される。銅リード線によってアルバニウム箔を接続するとともに、抵抗に接続し、抵抗の他端が接地される。ポリイミド薄膜が良好な弾性を有するため、圧力がない場合に、ナイロン薄膜とアルバニウム箔とが完全に分離されることを確保することができる。圧縮されるとき、二層の薄膜は接触してよい。発電機の柔性外膜に外力を施し、例えば、軽く押す。電圧計に相応的な電気信号の出力があるため、機械エネルギーを電気エネルギーに変化して発電することができることが分る。
【０１０７】
［実施例２:単電極摩擦式発電機群の作製］
レーザによって、長さ１０ｃｍ×幅１０ｃｍ×厚さ１.５９ｍｍである有機ガラス板を切断して第２の支持素子とし、その上に２ｃｍ×２ｃｍ×０.５ｍｍであるＣｕ膜を２シート作製する。各Ｃｕ膜の周囲に４個の１ｍｍ厚さの高弾性のスポンジブロックが均一に接着されて弾性部材とされ、２シートの３ｃｍ×３ｃｍ×１ｍｍであるポリエステル薄片を別に摩擦層とされ、第２の支持素子における２つの銅膜にそれぞれ対向し、高弾性のスポンジの他端をその下面に接着し、これにより、図９に示すものに類似する構造を形成する。各Ｃｕ膜は、いずれもリード線と一端が接地する抵抗とが接続され、２つの発電機を有する発電機群を構成し、その構造は図１８に示す実施形態に類似する。高弾性のスポンジによって、圧力がない場合に、ポリエステル薄片とＣｕ膜とが完全に分離されることを確保することができる。圧縮されるとき、両者の対向する表面は接触できるため、該発電機群は正常に動作することができる。
【０１０８】
図１９は本発電機群の動作時の電流出力図である。その中、左側及び中間の図は、発電機群の１つの発電機に外力を施すときの電流出力の状況であり、右側の図は、２つの発電機が同時に動作するときの電流出力の状況である。それから分かるように、発電機群の形態を形成することによって発電効率を明らかに向上することができる。
【０１０９】
［実施例３:単電極摩擦式発電機追跡システムの作製］
実施例１の方法によって１６個の同じサイズの摩擦式発電機が作製され、４×４のマトリックスに従って配列されて、発電機群全体の回路接続は、図２０に示すようなものとなる。物体が該追跡システムに移動するとき、物体と摩擦式発電機との接触により、発電機が圧縮され、電気信号を外部へ出力する。これらの信号を採集することによって、物体の移動経路に対する探知を実現することができる。該システムは、摩擦発電機を直接にトリガーセンサとし、外部の電力供給を必要としておらず、エネルギーを効果的に節約し、長期に安定して動作することができる。圧電機を圧縮して得られるデータが画像には、第７番目の発電機であることを明らかに表示することができる（図２１）。
【０１１０】
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（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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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（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１２（ｃ）】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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