(57)【要約】  摩擦電気エネルギ発生機(1)は第1発生要素(8)及び第2発生要素(10)を有する。第1発生要素は第1摩擦電気材料(9)を有し、第2発生要素は第2摩擦電気材料(13)を有する。第1発生要素に対する第2発生要素の動きは、摩擦電気効果の結果として出力電圧をもたらす。ストッパ(7)は、第2発生要素は所望の角度でしか回転しないように、第2発生要素の回転を制限するように構成される。（選択図）図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転振動運動から電気エネルギを生成するように構成される摩擦電気エネルギ発生機であって：
第1摩擦電気材料を有する第1発生要素；
第2摩擦電気材料を有する第2発生要素であって、出力電圧を生成するために、前記第1発生要素に対して回転軸の周りで振動するように構成される第2発生要素；
前記第1発生要素に対する前記第2発生要素の回転を制限するように構成されるストッパ；
前記第1発生要素を含む固定子；及び
前記第2発生要素を含む回転子であって、前記回転子及び前記固定子は同心状であり、前記回転子は共通軸の回りに回転するように構成され、前記ストッパは前記共通軸の回りの前記回転子の回転を制限するように構成される、回転子；
を有する摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項２】
前記回転子は、前記共通軸から外方に突出する複数のフィンを有し、前記ストッパは前記フィンの動きを制限するように構成される、請求項1に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項３】
少なくとも1つのフィンは第1発生要素を構成し、前記固定子は使用中に前記第1発生要素に適合するように構成される第2発生要素を有する、請求項2に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項４】
前記ストッパは、0度ないし360度の角度範囲内で回転するように前記回転子を制限するように構成される、請求項1ないし3のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項５】
前記ストッパは前記固定子により実現される、請求項1ないし4のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項６】
使用中に前記第2発生要素に接触するように構成される前記ストッパの表面は、前記第1摩擦電気材料を備えている、請求項5に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項７】
前記回転子は相互に噛み合う部材を有し、前記ストッパは第1の相互に噛み合う部材を受けるように形成されている、請求項1ないし6のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項８】
前記第1発生要素は前記第1摩擦電気材料に取り付けられる第1電極を有し、前記第2発生要素は前記第2摩擦電気材料に取り付けられる第2電極を有する、請求項1ないし7のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システム及びエネルギ変換方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
機械エネルギが電気エネルギに変換されるそのようなシステムの一例は、摩擦電気エネルギ生成システム(a  triboelectric  energy  generation  system)である。摩擦電気効果(摩擦帯電としても言及される)は、ある材料が異なる材料と摩擦して接触した後に、その材料が電気的に帯電するようになる接触誘発帯電(a  contact-induced  electrification)である。摩擦電気の発生は、摩擦電気効果を静電誘導に結び付ける方法により、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、風の流れ、振動又は海洋波のようなソースから、別段の工夫がなければ浪費されている機械エネルギを捕獲することにより、センサ及びスマートフォンのようなウェアラブル・デバイスを給電するために、摩擦電気の発生を活用することが提案されている(例えば、次の文献を参照されたい：Wang,  Sihong,  Long  Lin,  and  Zhong  Lin  Wang.  "Triboelectric  nanogenerators  as  self-powered  active  sensors"  Nano  Energy  11  (2015):  436-462)。
【０００３】
摩擦電気効果は、電子を獲得する(負に帯電する)又は電子を失う(正に帯電する)材料の傾向に従って様々な材料をランク付けする系列(a  series)に基づいている。この系列については例えば次の文献に開示されている：  A.F.  Diaz  and  R.M.  Felix-Navarro,  a  semi-quantitative  tribo-electric  series  for  polymeric  materials:  the  influence  of  chemical  structure  and  properties,  Journal  of  Electrostatics  62  (2004)  277-290。静電気を生成す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、PTFEと銅、FEPとアルミニウム)。毛皮でガラスを擦る或いは髪を櫛で梳くことは、摩擦電気についての日常生活からの良く知られた例である。
【０００４】
最も簡易な形態において、摩擦電気の発電機は非類似の材料の2つのシートを利用しており、一方は電子のドナーであり、他方は電子のアクセプタである。これらの材料が接触すると、一方の材料から他方の材料へ電子が流される。これは簡易な摩擦電気効果である。その後これらのシートが分離されると、それらの間に隙間を空けて隔てられる各シートは(異なる極性の)電荷を保持する。2つの表面の外端部に配置される電極間に電気的な負荷が接続される場合、横向きであれ縦向きであれシートの何らかの更なる変位は、それに応じて2つの電極間の電流に誘発する。これは摩擦電気誘導の単なる一例である。2つのプレート各自の帯電中心間の距離が増えるにつれて、ギャップを隔てた両者の間の引き付ける電界は弱まり、2つの外端部の電極間の電位の増進をもたらし、その理由は、負荷による電荷の電気的な引きつけが、ギャップを介する静電引力を上回り始めるからである。
【０００５】
最も簡易な形態において、摩擦電気の発電機は非類似の材料の2つのシートを利用しており、一方は電子のドナーであり、他方は電子のアクセプタである。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を有するシリコンを含んでも良い。これらの材料が接触すると、一方の材料から他方の材料へ電子が流される。これは簡易な摩擦電気効果である。その後これらのシートが分離されると、それらの間に隙間を空けて隔てられる各シートは(異なる極性の)電荷を保持し、電位が蓄積される。2つの表面の外端部に配置される電極間に電気的な負荷が接続される場合、横向きであれ縦向きであれシートの何らかの更なる変位は、それに応じて2つの電極間の電流に誘発する。これは摩擦電気誘導の単なる一例である。2つのプレート各自の帯電中心間の距離が増えるにつれて、ギャップを隔てた両者の間の引き付ける電界は弱まり、2つの外端部の電極間の電位の増進をもたらし、その理由は、負荷による電荷の電気的な引きつけが、ギャップを介する静電引力を上回り始めるからである。
【０００６】
このように、摩擦電気の発電機は、接触帯電(摩擦帯電)及び静電誘導という2つの主要な物理的なしくみを結び付けることにより、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間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、それに応じてプレート間で行きつ戻りつ流れる電流が誘発され、負荷を介する交流を生成することが可能である。ポリマー・シートにミクロン・スケールのパターンを適用することにより、電力出力は増やされることが可能である。パターニングは接触面積を効果的に増やし、それにより、電荷転送の有効性を増やす。
【０００８】
最近、電力生成(エネルギ・ハーベスティング)及び電力変換のための新たな材料技術が開発されており、その技術はこの効果を活用しており、例えば次の文献に開示されている：  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。この効果に基づいて、いわゆる摩擦電気ナノ発電機(triboelectric  nanogenerators：TENG)又は摩擦電気発電機(triboelectric  generators：TEG)という幾つかのデバイス構成が開発されている。
【０００９】
2012年の最初の報告以来、TEGsの出力電力密度は大幅に改善されている。体積電力密度(The  volume  power  density)は立方メートル当たり400キロワットを超えるに至り、〜60％の効率が報告されている(同文献)。高出力パフォーマンスに加えて、TEG技術は、低い製造コスト、高い信頼性及びロバスト性、及び低い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は電力発生機として使用されても良く、即ち、例えば振動、風、水、ランダムな身体運動からのエネルギー・ハーベスティング、或いは、機械的に利用可能なパワーの電気への変換として利用されて良い。生成された電圧は電力信号となる。
【００１１】
TEGは大まかに4つの主要な動作クラスに分けられても良い。
【００１２】
第1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、循環的に接触又は非接触状態にされる。これは例えば靴で使用されても良く、それらが踏まれる場合にユーザにより加えられる圧力が、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は、次の文献に記載されている："Integrated  Multilayered  Triboelectric  Nanogenerator  for  Harvesting  Biomechanical  Energy  from  Human  Motions"  of  Peng  Bai  et.  al.  in  ACS  Nano  2013  7(4),  pp.  3713-3719。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、接触帯電に起因する表面電荷転送に基づいて動作する。その構造に圧力が印加される場合、様々な層の間で接触を形成するようにジグザグ形状が圧縮され、圧力が解放されると接触は解放される。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動作モードはリニア・スライディング・モードであり、プレートは、それらが重なる面積を変化させるために、互いに横向きにスライドするように誘導される。重なる面積全体の変化率に比例する大きさを有する電位差が、プレート間に誘発される。反復的にプレートを互いにオーバーラップさせる及びさせない状態にすることにより、プレート間に接続される負荷に交流が確立される。
【００１４】
横滑り運動からエネルギが収穫される設計例については次の文献に開示されている："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。独立した可動な層が、一対の固定的な電極間でスライドする。可動な層は、静的な電極と接触しないように構成されても良く(即ち、静的な電極上で僅かな隙間を形成しても良く)、或いは、接触しながら横滑りしても良い。
【００１５】
第3動作モードは単一電極モードであり、例えば、一方の表面が(例えば、床の通路に)接地されており、負荷はその第1表面とグランドとの間に接続される(この点については、次の文献を参照されたい：Yang,  Ya,  et  al.  "Single-electrode-based  sliding  triboelectric  nanogenerator  for  self-powered  displacement  vector  sensor  system.",  ACS  nano  7.8  (2013):  7342-7351)。第1表面に電気的に接続されない第2表面は、第1表面と接触状態にさせられ、それを摩擦帯電させる。第2表面が第1表面から離れるように動かされるにつれて、第1表面中の過剰な電荷がグランドの方に駆り立てられ、負荷を介する電流を提供する。従って、(単層で)単一の電極のみが、出力電流を提供するためにこの動作モードで使用される。
【００１６】
第4動作モードは独立摩擦電気層モード(a  freestanding  triboelectric  layer  mode)であり、この動作モードは、電気的なコネクションが形成されていない任意の動く対象物からエネルギを収穫するように設計される。この対象物は、例えば、通過する車両、通過する列車、又は靴であっても良い(この点についても、例えば次の文献を参照されたい：“Triboelectric  nanogenerators  as  new  energy  technology  for  self-powered  systems  and  as  active  mechanical  and  chemical  sensors."  ACS  nano  7.11  (2013):  9533-9557)。
【００１７】
接触帯電に基づく二重アーチ型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。圧力は、アーチ層の間で接触を為すようにアーチを近接させ、圧力が解放されると、アーチはオープン形状に戻る。周辺の振動からエネルギを捕捉するために高調波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。
【００１８】
開発されているリニア・スライディング・モードTEGsの或る特定の部分集合は、回転ディスクTEGsであり、回転ディスクTEGsは接触モード(即ち、連続的な摩擦電気及び静電誘導)又は非接触モード(即ち、初期の接触帯電の後に静電誘導のみ)の双方で動作させられることが可能である。回転ディスクTEGsは、典型的には、少なくとも1つの回転子及び1つの固定子から成り、それら各々は一組の隔てられた円形セクタ(セグメント)として形成される。セクタはオーバーラップしており、2つのディスクが互いに対して回転すると分離する。上述したように、逆極性に帯電した2つの横滑りする層の間で、オーバーラップする面積の変化率に比例する大きさを有する電流が誘発される。回転子の連続的に隔てられる各セクタが所与の固定子セクタに対してオーバーラップしたりしなかったりすると、2つのセクタ・プレート間に、最初プレートがオーバーラップを増やすにつれて第1方向に、そしてプレートがオーバーラップを減らすにつれて反対方向に、電流が誘発される。
【００１９】
セグメント状に構成されたディスクTEGsの初期バージョンの限界は(この点については、例えば次の文献を参照されたい：Long  Lin  et  al.,  Segmentally  Structured  Disk  Triboelectric  Nanogenerator  for  Harvesting  Rotational  Mechanical  Energy,  Nano  Lett.,  2013,  13  (6),  pp.  2916-2923)、回転及び固定摩擦電気層が、電気リードとのコネクション及び金属電極の堆積を必要とすることであり、これは回転部分に不都合な処理を招く。
【００２０】
回転ディスク上に独立摩擦電気層を一緒に有する、固定ディスクに取り付けられるパターニングされた電極の双方のグループを有するディスクTEGは、これらの問題を解決することが可能であり、この点については次の文献に開示されている：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。
【００２１】
そのような構造では、回転部分に関して電極の堆積又は電気接続の必要性は無く、エネルギ収穫の運転施設を劇的に改善する。
【００２２】
回転ディスクTEGs及び実際上リニア・スライディング・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させられることが可能である。接触はプレートを摩擦帯電させるために(初期及び以後の双方で、漏れを妨げるために)望ましいが、(電気エネルギが生成されることによる)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。
【００２３】
プレート間に摩擦が生じるようにプレートが継続的な接触状態に維持される接触モードでの動作は、プレートが継続的に充電されるので、より高い電力出力をもたらす結果となり、従って、リーク等により失われた電荷の継続的な補充により、(2プレート・システムの容量により規定される)何らかの理論上の最大電荷容量に継続的に維持される。プレートで維持されることが可能な電荷が多いほど、生成されることが可能な静電誘導出力は大きくなり、なぜなら通常、より大きな電荷密度は、プレート中の電子間に、より強い静電気力を誘発するからである。
【００２４】
従来の回転するTEGは連続性を当てにしており、その回転は通常高速であり、固定子要素近辺における回転子要素の完全な360度回転である。これらのデバイスは、ほんの僅かな振動する回転運動が加わると、不十分にしか動作せず；従って、この種の機械運動からエネルギを収穫することは困難になる。かくて、小さな角度の振動から、最適な電力出力を生成するTEGデバイスを求める要請が存在する。
【発明の概要】
【００２５】
本発明は特許請求の範囲によって規定される。
【００２６】
本発明の一側面に従う実施例によれば、回転振動運動から電気エネルギを生成するように構成される摩擦電気エネルギ発生機が提供され、摩擦電気エネルギ発生機は：
第1摩擦電気材料を有する第1発生要素；
第2摩擦電気材料を有する第2発生要素であって、出力電圧を生成するために、第1発生要素に対して回転軸の周りで振動するように構成される第2発生要素；
第1発生要素に対する第2発生要素の回転を制限するように構成されるストッパ；
第1発生要素を含む固定子；及び
第2発生要素を含む回転子であって、回転子及び固定子は同心状であり、回転子は共通軸の回りに回転するように構成され、ストッパは共通軸の回りの回転子の回転を制限するように構成される、回転子を有する。
【００２７】
摩擦電気エネルギ発生機は、第1発生要素及び第2発生要素を有し、第1発生要素及び第2発生要素は、第1及び第2発生要素間の相対的な動きが出力電圧を生成するように構成されている。相対的な動きは、第1及び第2摩擦電気材料の間の隔たりの変化、或いは、第1及び第2摩擦電気材料の重なる面積の変化をもたらすかもしれない。
【００２８】
第1及び第2発生要素を外部回路に接続することにより、使用中、摩擦電気エネルギ発生機は外部回路を給電するように使用されることが可能である。第1及び第2摩擦電気材料は類似していない摩擦電気材料である(一方は電子のドナーであり、他方は電子のアクセプタである)。第1及び第2摩擦電気材料の間の接触は、第1及び第2発生要素内で電荷の蓄積を引き起こし、それにより、第1及び第2発生要素は逆極性に帯電するようになる。第1発生要素に対する第2発生要素の動きは、摩擦電気効果及び静電誘導の組み合わせの結果として、出力電圧をもたらす。
【００２９】
使用中に、第2発生要素が回転している間に、第1発生要素は静止している。第2発生要素は、第1発生要素に対して初期位置から或る角度を経て回転し、その後、初期位置へ回転して戻る。こうして、第2発生要素は回転振動を実行し、第1コンフィギュレーションと第2コンフィギュレーションとの間で動く。ストッパは、第2発生要素の回転を制限するように構成され、それにより、第2発生要素は、所望の角度範囲を経て、最大回転角までしか回転しない。
【００３０】
摩擦電気エネルギ発生機が外部回路に接続される場合、固定子に対する回転子の回転は、電子による交流を生じさせる。ストッパは、共通軸の回りの回転子の回転を、所定の角度範囲に制限する。
【００３１】
更に、回転運動を特定の角度範囲に制限することにより、ストッパは、例えばラトリング・ノイズ(rattling  noises)のような不要な周波数を除去することが可能なエネルギ発生回転ダンパー(an  energy  generating  rotational  damper)を提供する。ストッパは、回転子の回転を、角度変位の或る最大レベルに制限するように構成される。最大角は、固定子に対する回転子の最大許容回転角である。
【００３２】
回転軸は固定的であっても良いし、或いは、例えば転がる動きを許容するように可動であっても良い点に留意を要する。回転軸は、小さな直線的な軸方向運動で動いても良く；それは特に非接触モードで動作するため(その場合、第1及び第2摩擦電気材料は互いに接触していない)或いは周期的な再帯電のために有用である。
【００３３】
エネルギ発生機は入力ソースから機械的なエネルギを受ける。エネルギの入力ソースは、例えば震えるような振動方式で動く。従来の回転する摩擦電気発生機は、振動する運動を電気エネルギに変換する際に非効率的であった。
【００３４】
実施形態では、第2発生要素の動きを制限することにより、小さな動きからの効率的な電力生成が可能になり、なぜなら、接触する持続時間、或いは第1及び第2摩擦電気材料がオーバーラップする持続時間が、最大化されるからである。
【００３５】
実施形態では、改善された摩擦電気帯電及び電力生成のために、増大させた接触又はオーバーラップ領域を提供する。
【００３６】
摩擦電気エネルギ発生機は、小さな周期的な回転運動を電気に変換する場合に特に効果的である。例えば、発生機は、連続的に反復される完全な360度回転ではなく、360度未満の角度運動に関して最適化される。従って、摩擦電気エネルギ発生機は、小さな振幅で振動する入力ソースから電気を生成するために使用されることが可能である。例えば、発生機は、60度以下あるいは15度以下の角度の動きとともに使用する際に最適化される。
【００３７】
摩擦電気エネルギ発生機は、更に：
第1発生要素を有する固定子；及び
第2発生要素を含む回転子であって、回転子及び固定子は同心状であり、回転子は共通軸の回りに回転するように構成され、ストッパは共通軸の回りの回転子の回転を制限するように構成される、回転子を有しても良い。
【００３８】
摩擦電気エネルギ発生機が外部回路に接続される場合、固定子に対する回転子の回転は、電子による交流を生じさせる。ストッパは、共通軸回りの回転子の回転を、所望の角度範囲に制限する。
【００３９】
更に、回転運動を特定の角度範囲に制限することにより、ストッパは、例えばラトリング・ノイズのような不要な周波数を除去することが可能なエネルギ発生回転ダンパーを提供する。ストッパは、回転子の回転を、角度変位の或る最大レベルに制限するように構成される。最大角は、固定子に対する回転子の最大許容回転角である。
【００４０】
回転子は、共通軸から外方に突出する1つ又は複数のフィンを有しても良く、ストッパはフィンの動きを制限するように構成されても良い。フィンは回転子の中心点から放射状に突出しても良い。フィンの動きを制限することにより、回転子は、所望の角度範囲外で軸回りに回転することから防止される。
【００４１】
少なくとも1つのフィンは第2発生要素を構成しても良く、固定子は、使用中に第2発生要素と整合するように配置される第1発生要素を構成しても良い。1つ又は各々のフィンは第2発生要素を実現しても良い。各フィンは第2摩擦電気材料を備えた部分を有しても良く、その部分は、使用中に第1摩擦電気材料を有する固定子の領域とオーバーラップするように構成される。複数のフィンを有する例では、複数のフィンは第1及び第2摩擦電気材料の双方を備えても良く、固定子も第1及び第2摩擦電気材料の双方を備えても良い。例えば、或るフィンが第1摩擦電気材料を備え、次の隣接するフィンが第2摩擦電気材料を備え、それにより、複数のフィンが第1及び第2摩擦電気材料を交互に備えても良い。固定子は、フィンの側の第1及び第2摩擦電気材料の配置に対応する配置で、第1及び第2摩擦電気材料を交互に備えていても良い。
【００４２】
ストッパは、0度ないし360度、0ないし180度、0ないし120度、0ないし90度、0ないし60度、0ないし45度、0ないし30度、0ないし15度、0ないし10度、0ないし5度、或いは、0ないし1度のような角度範囲内で回転するように、回転子を制限するように構成されても良い。ストッパは、回転子の運動を制限するように構成される複数のストッパ部分を有しても良い。複数のストッパ部分は或る角度を規定しても良く、その角度を通じて回転子のフィンは自由に回転できる。ストッパ部分は、回転子の動きを、ストッパ部分の位置により規定される角度範囲に制限するように、放射状に構成されても良い。
【００４３】
ストッパは固定子により実現されても良い。例えば、ストッパは複数の突出部により又は壁により設けられても良い。
【００４４】
使用中に第2発生要素と接触するように構成されるストッパの表面は、第1摩擦電気材料を備えていても良い。回転子は、第2発生要素及びストッパが互いに接触するまで、ストッパに向かって回転させられても良い。この時点において、摩擦電気エネルギ発生機が外部回路に接続されている場合、第1及び第2摩擦電気材料の激突(impact)は、電気信号を生成する。回転子がストッパから遠ざかるように動く場合、第1及び第2摩擦電気材料の間の隔たりは増加し、最初の電気信号とは逆極性の別の電気信号を生成する。
【００４５】
回転子は第1揺動部材(a  first  locking  member)を有しても良く、ストッパは第1揺動部材を受けるように形成されていても良い。
【００４６】
第1揺動部材は第2発生要素を構成しても良い。ストッパは第1発生要素を構成しても良い。揺動部材は、ストッパの形状と相補的に形成される複数の突出部を有しても良い。こうして、第1及び第2発生要素間の有効な最大オーバーラップ領域が増やされても良い。かくて、電力発生効率が最適化されても良い。
【００４７】
第1発生要素は第1摩擦電気材料に取り付けられる第1電極を有し、第2発生要素は第2摩擦電気材料に取り付けられる第2電極を有しても良い。
【００４８】
第1摩擦電気材料及び第2摩擦電気材料が互いに接触する場合、各々の材料は、他方の材料と逆極性の電荷を蓄積する。第1及び第2摩擦電気材料の間の相対的な動きは、対応する電極における静電誘導を生じさせる。
【００４９】
本発明の別の側面によれば、摩擦電気エネルギ発生機が提供され、その摩擦電気エネルギ発生機は：
第1発生要素；及び
中心軸を有する第2発生要素；
を有し、第2発生要素は：
中心軸の第1の側にある第1部分；及び
第1の側と反対側の中心軸の第2の側にある第2部分；
を有し、第2発生要素は、第1部分が第1発生要素に接触する第1ポジションから、第2部分が第1発生要素に接触する第2ポジションへ、中心軸周りに振動するように構成される。
【００５０】
第1及び第2発生要素は摩擦電気材料を有する。第2部分は揺動運動を実行するように構成されても良く、それにより、第1部分が第1発生要素と接触する場合に、第2部分が第1発生要素から離れ、及びその逆動作が行われる。第1部分が第1発生要素と接触する場合に、第1及び第2摩擦電気材料は摩擦帯電させられるようになる。と同時に、第1部分が第1発生要素に向かって動くにつれて、第2部分はそこから遠ざかるように動き、それにより、第2部分と第1発生要素との間に電位差が蓄積される。同様に、第2部分が第1発生要素と接触する場合、電荷が蓄積される(第2部分は摩擦帯電させられる)。第2部分が第1発生要素の方に向かって動くにつれて、第1部分はそこから遠ざかり、それにより、第1部分と第1発生要素との間に電位差が蓄積される。
【００５１】
第1部分及び第2部分は、使用中に第1摩擦電気材料と接触するように構成される帯電表面(a  charging  surface)を有しても良い。
【００５２】
使用中に、第1摩擦電気材料と接触する部分の帯電表面により包囲される角度(the  angle  subtended  by  the  charging  surface)が180度以下、好ましくは90度以下であるように、第2発生要素は構成されてもよい。
【００５３】
第1部分は、第1発生要素の表面に直面するように構成される第1帯電表面を有しても良く、使用中に、第1帯電表面及び第1発生要素の対向する表面により囲まれる角度は、180度以下、好ましくは90度以下であっても良い。
【００５４】
第2部分は、第1発生要素の表面に直面するように構成される第2帯電表面を有しても良く、使用中に、第1帯電表面及び第1発生要素の対向する表面により囲まれる角度は、180度以下、好ましくは90度以下であっても良い。
【００５５】
第2発生要素は中心軸の回りに回転するように構成されても良い。例えば、第2発生要素は、第1発生要素に垂直な軸の回りに回転しても良い。従って、摩擦電気エネルギ発生機は、転がる運動だけでなく揺動する運動をも実行して良い。こうして製品の寿命は延長され、なぜなら、第1及び第2摩擦電気材料のうち異なる部分が、第2発生要素の転がり方に依存して互いに接触するからである。
【００５６】
第1発生要素は第1電極を有し、第2発生要素は第2電極を有しても良い。
【００５７】
第1発生要素は第1電極及び第2電極を有しても良い。
【００５８】
摩擦電気エネルギ発生機は、ストッパを更に有しても良く、第2発生要素は、第1ポジション及び第2ポジションでストッパに接触する。
【００５９】
第1及び第2ポジションにおける第2発生要素の回転角は、45度未満である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
本発明の具体例は添付図面に関連して詳細に説明される：
【図１】第1具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図２】第2具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図３】第3具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図４】第4具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図５】第5具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図６Ａ】第6具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図６Ｂ】第7具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図７】第8具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図８】第9具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【図９】第10具体例による摩擦電気エネルギ発生機を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
本発明は、第1発生要素及び第2発生要素を有する摩擦電気発生機を提供する。第1発生要素は第1摩擦電気材料を有し、第2発生要素は第1摩擦電気材料と異なる第2摩擦電気材料を有する。第1発生要素に対する第2発生要素の動きは、摩擦電気効果及び静電誘導の結合の結果として、出力電圧及び出力電流をもたらす。従って、環境中の機械的な外乱に応じた第2発生要素の振動は、電気を生成するために利用されることが可能である。摩擦電気エネルギ発生機は、第2発生要素の回転を制限するように構成されるストッパを含み、それにより、第2発生要素はストッパの位置により決定される特定の角度の間でしか回転しない。摩擦電気エネルギ発生機は、小さな周期的な回転運動からのエネルギ発生を最大化及び/又は最適化するように構成される。
【００６２】
図1は、固定子3と回転子5とを有する摩擦電気エネルギ発生機1の具体例を示す。回転子5は固定子3の空洞の中で同心状に配置され、回転子5は(破線で示される)共通軸の回りに回転するように構成されている。固定子3は複数の突出部を有し、複数の突出部は固定子3の周辺から固定子の中心部へ向かって延びる。ストッパ7を実現することに加えて、突出部は第1発生要素8を実現し、なぜなら、固定子のベース(又は基礎の部分)に対して垂直な突出部の側面は、第1摩擦電気材料9で被覆されるからである。第2発生要素10は、複数のフィン11を有する回転子5により提供される。フィン11は、回転子5の中心部から外側に発散し、連続する突出部同士の間で延びるように配置される。このように、回転子が、ストッパ7の部分に当たる前に所望の角度しか回転できないように、回転子5及び固定子3が構成される。各フィン11の側面は、第2摩擦電気材料で被覆される。使用の際、フィン11は、フィン11の何れかの側で第1発生要素8を実現する突出部同士の間で振動する。フィン11がストッパ7に合うと、第1摩擦電気材料9及び第2摩擦電気材料13は互いに接触し、電気信号を生成する。
【００６３】
回転子及び固定子の双方は、摩擦電気材料の下方又は後方に配置される電極配置を有しても良い。固定子3は第1摩擦電気材料9の下方又は後方に配置される第1電極を有しても良く、回転子5は第2摩擦電気材料13の下方又は後方に配置される第2電極を有しても良い。
【００６４】
代替的に、固定子は一連の配置された(導電性)電極を有する一方、回転子は金属又は非金属であっても良い独立した誘電体材料層を有していても良い。更に、(Long  Lin  et  al.,  Noncontact  Free-Rotating  disc  Triboelectric  Nanogenerator  as  a  Sustainable  Energy  Harvester  and  Self-Powered  Mechanical  Sensor.  ACS  Appl.  Mater.  Interfaces,  2014,  6  (4),  pp.  3031-3038に記載されているように)、そのような構造により、回転部分に対する電極配置又は電気接続の必要性は無くなり、発電機の動作設備を劇的に改善する。当然に、回転子及び固定子のデザインは逆にされても良い。
【００６５】
フィン11がストッパ7から離れて戻るように動く場合、第1及び第2摩擦電気材料の間の距離は増える。これは、別の電気信号を誘発し、別の電気信号は激突信号(the  impact  signal)と比較して逆の極性を有する。以後の回転振動により、摩擦電気発電機1は、交流の電気信号を生成する。
【００６６】
突出部は、くさび形に形成され、回転子5のフィン11の形状と相補的であり、それにより、第1摩擦電気材料9と第2摩擦電気材料13との間でオーバーラップする面積は最大化される。
【００６７】
ストッパ7の側面及び回転子のフィン11の双方は、摩擦電気材料を備えている。従って、フィン11の一方の側が、第2摩擦電気材料13を備えたストッパ7の表面に接触する場合、フィン11の他方の側は対応するストッパ表面から最大距離の位置にある。
【００６８】
デバイスは完全な円形を形成し、その円形は(複数の)ストッパにより(複数の)セクタに区分けされている。図示の例は6つの回転子フィン11を有し、それら各々は約35度の運動範囲を有する。従ってストッパは約25度にわたって延びており、それにより、各ストッパ及びストッパ間の間隔は60度になるが、完全な円の周囲に配置されるフィンはそれより多くても少なくても良い。回転子の回転角自由度は、ストッパ要素及びフィンの個数を変えることにより増減させられて良い。
【００６９】
振動する第2発生要素がストッパを打つ場合に電圧が生成されるように、ストッパは構成されても良く、その電圧は、電力変換を同期させるための同期用のトリガ信号として使用されることが可能である。こうして電力変換がより効率的に実行されても良い。
【００７０】
図2は摩擦電気エネルギ発生機1の別の例を示し、この発電機も同心状に配置される固定子3と回転子5とを有する。回転子5は固定子3の内側に設けられ、固定子の外壁がストッパ7を提供している。第1摩擦電気材料9を備えた外壁セクションは第1発生要素8を実現する。固定子3は第1摩擦電気材料9の下方又は後方に配置される第1電極を有する。回転子5は第2発生要素10を実現する2つのフィン11を有する。フィン11は、第2摩擦電気材料13を備えたフィン表面の第1ペアが第1摩擦電気材料9を備えた固定子3の外壁に接触する第1形態と、第2摩擦電気材料13を備えたフィン表面の第2ペアが第1摩擦電気材料9を備えた外壁の部分に接触する第2形態との間で(破線で示される)共通軸の回りに回転する。回転子5は第2摩擦電気材料13の下方又は後方に配置される第2電極を有する。
【００７１】
このデザインは全体的に蝶ネクタイ形状を有し、直径方向に対向する唯2つのフィン11が存在し、それら各々は区域(a  chamber)内に収容される。フィンは、ストッパ7により形成される空洞の角度広がりのうち半分未満の角度のみを占めても良い。
【００７２】
図3は回転子ながら振動する摩擦電気エネルギ発生機を示し、第1摩擦電気材料9の1つ上のセグメントが、回転子5直下の固定子3のベースに設けられている。固定子3は、第1摩擦電気材料9の下方又は後方に配置される第1電極を有する。回転子5は複数のフィン11を有する。第2摩擦電気材料13は、固定子3のベースに直面する、フィンの下方表面に設けられている。くさび形のストッパ7は、固定子3のベースから上方に突出し、固定子の表面の周辺端部から固定子3の中心部へ向かって延びる。回転子5がストッパ7の間で回転する場合に、第2摩擦電気材料13が設けられたフィン11の下方表面と、固定子3のベースに設けられた第1摩擦電気材料9のセグメントとが、オーバーラップしたりしなかったりする。回転子5は第2摩擦電気材料13の下方又は後方に配置される第2電極を有する。回転子の連続的に間隔を置いて配置された各セクタが、所与の固定子セクタとオーバーラップしたりしなかったりすると、2つのセクタ・プレート間に電流が、最初はプレートがオーバーラップを増やす場合に第1方向に、そしてプレートがオーバーラップを減らす場合に逆方向に誘発される。
【００７３】
回転子5は、第1摩擦電気材料9と物理的な接触を為すように構成されることが可能であり、或いは、或る空気の隙間の分だけ固定子のベースから隔てられることも可能である。この例では、摩擦電気エネルギ発生機1は交流電気信号を生成し、交流電気信号は、ストッパ7の連続したパーツ間における、固定子3のベース上の摩擦電気セグメントの個数、及び回転子の振動周波数に依存する。
【００７４】
(ストッパ7のペアの間で)各々の固定子の区域について唯1つの固定子電極が存在しても良い。固定子電極は、角度領域のうち半分未満のみを占めても良く、それにより、回転子は、完全にオーバーラップする固定子電極の状態と全くオーバーラップしない状態との間で運動する。代替的に、図示されるように、各々の区域に間隔を空けた固定子電極のセットが存在しても良い。何れの場合でも、固定子電極は、回転子フィン電極のサイズ及び形状に対応していても良い。
【００７５】
図4は、回転子3の外縁周囲に延びる外側筐体壁とともに回転しながら振動する摩擦電気エネルギ発生機1を示す。第1摩擦電気材料9のセグメントが、固定子3の中央部に直面する外壁の内側表面に配置されている。回転子5は、複数のフィン11を有し、フィンの半径方向の外方先端は、第2摩擦電気材料13で被覆されている。回転子5は、固定子に接触し、第1摩擦電気材料9のセグメントに沿ってスライドするように構成されても良いし、或いは、代替例では空気のギャップの分だけセグメントから隔てられるように構成されても良い。摩擦電気エネルギ発生機1は、ストッパ7の連続したパーツ間における摩擦電気セグメントの個数、及び振動周波数に依存して、交流電気信号を生成する。
【００７６】
図5も、回転子5及び固定子3を有する摩擦電気エネルギ発生機1を示す。この例では、回転子5及び固定子3は、特定の角度回転で共に適合するように構成されている。回転子5は、回転子の中心から半径方向に(又は放射状に)延びる複数のフィン11を有する。フィン11は、弓状に噛み合う部材14を有し、その部材は固定子3と噛み合うように形成されている。即ち、回転子は一群の放射状の幹部(a  set  of  radial  trunks)11を有すると考えられ、その幹部から一群の円周方向の枝14が延びている。固定子3は複数の同心状の突出部を有し、その突出部は放射状のフィン11に当たることによりストッパ7を提供する。例えば、枝(又はブランチ)はフィン11の両側から突出しても良い。突出部は、噛み合う部材14の形状を補うように形成され、それにより、ストッパ7及び相互に噛み合う部材14が一緒にされた場合に、それらが互いにつながるようにする。ストッパ7を実現する突出部の表面は第1摩擦電気材料9を備え、相互に噛み合う部材の外側表面は第2摩擦電気材料13を備える。固定子3は第1摩擦電気材料9の下方又は後方に配置される第1電極を有し、回転子5は第2摩擦電気材料13の下方又は後方に配置される第2電極を有する。その材料は湾曲した表面に提供される。回転子及び固定子が噛み合わせられる場合、一群の同心状の接触領域が規定される。回転子の角度運動の範囲は、例えば、回転子及び固定子を完全に噛み合わせ、及び、回転子を固定子から完全に解放する程度に十分なものである。
【００７７】
使用中に、回転子5が第1方向に回転させられると、第2摩擦電気材料を有するフィンの表面と、第2摩擦電気材料を実装するストッパ突出部の表面とが一緒になり、それにより、オーバーラップの領域が増加させられる。回転子5が第1方向とは反対の第2方向に回転させられると、フィン及びストッパ突出部は互いから離れるように動かされ、それにより、第1及び第2摩擦電気材料の間のオーバーラップ領域は減少させられる。この形態を提供することにより、回転子及び固定子の間でより広く効果的な摩擦電気表面領域が可能になる。回転子5は、固定子に物理的に接触し、摩擦電気セグメントに沿って滑るように構成されることが可能であり、或いは、空気のギャップの分だけセグメントから隔てられることも可能である。
【００７８】
回転子を双方向に交互に回転させることにより、振動する頻度の周波数に依存する交流電気信号が生成される。発電機の出力電力は、第1及び第2摩擦電気材料がそれぞれ設けられる突出部及びかみ合わせ部材14のペアの数、及び、振動周波数に依存する。
【００７９】
各々の回転子の区域は、2つ以上の弓状パーツ(two  or  more  arcuate  parts)14を有しても良い。図5では3つの例が示されているが、オーバーラップする領域を増やすために更に存在しても良い。例えば、2ないし10個の弓状の同心状部分と、ストッパとして機能する対応する個数の弓状固定子部分とが存在しても良い。回転子のブランチはフレキシブルであっても良く；ブランチは柔軟性のある材料から構成されても良いし、或いは薄い構造を有していても良く、例えば、ブランチが薄箔(thin  foil)を有し、ブランチをフレキシブルにしても良い。
【００８０】
図3、図4、図5の全体的に円形のデザインは、図2の方法による一対の対向する区域のみを備えるように修正されてもよいことに留意を要する。これは、何らかの設計にとって有益であるかもしれない様々な形状因子を提供する。
【００８１】
上記の例は、固定された軸の回りの回転子及び固定子間の回転に基づいている。このことは唯一の選択肢ではない。
【００８２】
図6Aは、一実施形態による摩擦電気エネルギ発生機1の別の例を示す。摩擦電気エネルギ発生機1は、ベース部分と中心軸の両側に設けられる2つの側壁とを有する第1発生要素8と、第2摩擦電気材料の円形本体を有する第2発生要素10とを有する。第1発生要素は第1摩擦電気材料を有する。第1発生要素8の側壁は、第2発生要素10の動きを制限するストッパ7を提供し、それにより、例えば60度未満であるような所望の角度だけしか回転しないようにする。
【００８３】
回転は移動する軸の回りでなされるので、回転は並進によって達成され、第2発生要素10(回転子と考えられても良い)は回転する運動を実行する。回転の角度範囲は、第1発生要素の半径と電極の幅とに依存する。この形態は、例えば45度未満の回転運動に使用されて良い。或る実施形態では、第2発生要素の直径(d)は、電極の幅(w)に等しくても良い。他の実施形態において、第2発生要素の直径は、W≦d≦1.5Wの範囲内にある。
【００８４】
特に、第2発生要素10は、第1発生要素8の側壁の間で転がるように構成される。第2発生要素は、好ましくは、表面上の電荷の等しい分布を促すために導電性含む。第1形態では、第2摩擦電気材料の第1部分が第1発生要素8の第1側壁に接触している(上段の図)。第2形態では、第2摩擦電気材料の第2部分が第1発生要素8の第2側壁に接触している(中段の図)。第2発生要素は、第1及び第2形態の間で振動する。平衡状態では(下段の図)、第2発生要素の一部分のみが第1発生要素と接触しているが、第2形態では、第2発生要素の2つのセクションが第1発生要素に接触している。
【００８５】
第1電極15は第1発生要素8の第1側面に設けられ、第2電極16は第1側面とは反対側の、第1発生要素8の第2側面に設けられる。
【００８６】
一方の電極は、電力生成システムを同期させるために使用されることも可能である。例えば、スイッチングされるキャパシタ・コンバータは、電力コンバータとして実現されることが可能である。そのようなコンバータは如何なるインダクタも必要としないが、それらの駆動信号は、依然として、TEGsにより生成される信号に正確に同期されている必要がある。この場合、電力発生機の出力電圧をダウンコンバートするために、発生機は、スイッチト・キャパシタ・コンバータ(a  switched  capacitor  converter)とともに使用されても良い。スイッチト・キャパシタ・コンバータは、キャパシタのバンクとスイッチ構成とを有する。コントローラは、電力発生機からのフィードバック信号に基づいてスイッチを制御するために使用される。このように、電力発生機はフィードバック信号を生成し、フィードバック信号は、大幅な電力損失無しに、例えば入力電圧をダウンコンバートするような入力電圧の変換のために、スイッチト・キャパシタ・コンバータを制御するように使用される。フィードバック信号は、動きに応じて直接的に生成される。これは、フィードバック信号が出力電圧又は電力の信号処理に基づいて生成されることを意味し、従って、フィードバック信号を生成するために著しい電力消費を必要としない。これは、スイッチト・キャパシタ・コンバータの自動制御を提供し、これにより、全体的な制御回路を簡易化し、効率を改善する。例えば、自己同期制御電力出力のような電力変換以外の他のアプリケーションに、自己同期(Self-synchronization)が使用されても良い。TEG制御電極の出力信号は、回転子の回転速度に比例する周波数を有するので、この情報は、振動する電荷発生要素の回転速度及び従ってTEGの出力電力を制御するように構成されるコントローラに対するフィードバック信号として使用されることが可能である。
【００８７】
図6Bは、電力発生システムの同期を促進するために、追加的な制御電極15’、16’が各側に設けられる構成を示す。スイッチト・キャパシタ・コンバータのスイッチング・パターンがTEGの出力電圧に同期するように、同期電極は設計される。これは、電力発生電極に対する制御電極の最適配置に基づいて、同期制御信号の自動生成が存在することを意味する。このように、電力変換は、特殊な検出及び制御回路を必要とすることなく最適化されることが可能である。
【００８８】
図7は摩擦電気エネルギ発生機1の一例を示し、その発生機は、例えば小さな揺れ動く角度αを有する動きのような小さな振動運動から出力電圧を提供するように設計されており、そのような場合、sin(α)=αが成り立つ。例えば、揺動運動(the  rocking  movements)は15度以下の揺動角度を有しても良い。摩擦電気エネルギ発生機1は、第1摩擦電気材料9及び第1電極15を有する第1発生要素8と、第2摩擦電気材料13及び第2電極16を有する第2発生要素10とを有する。第2発生要素10は、揺動運動の際に中心軸の回りに振動するように構成され；第1部分17と第2部分19とを有し、第1及び第2部分は、平衡状態の位置(中段の図)における第2発生要素の中心を通る軸の両側に配置されている。各部分の外側表面は、振動の極限において第1摩擦材料と接触し、帯電表面20を規定するように構成される。第2発生要素13は、第1ポジション(上段の図)から平衡状態の位置(中段の図)を経て第２ポジション(下段の図)へ、中心軸の周りで振動するように構成される。第１ポジションでは、第1部分が第1発生要素と接触している。
【００８９】
使用中に、摩擦電気エネルギ発生機は揺動運動を実行し、それにより、振動の極限位置において、第1及び第2部分のうち何れかが第1発生要素8と接触状態になる。第1部分が第1発生要素8と接触する場合、第1部分に備わる第2摩擦電気材料13が第1摩擦電気材料9と接触する。第2部分が第1発生要素8と接触する場合、第2部分に備わる第2摩擦電気材料13が第1摩擦電気材料9と接触する。第1及び第2部分のうち一方が第1発生要素に向かって移動している時、第1及び第2部分のうち他方は遠ざかるように移動している。第2発生要素の一部分が摩擦により帯電されつつある場合に、第2発生要素の他の部分と第1発生要素との間に電位差が蓄積されるように、発生機は設計されている。これは開放回路電圧であり、次式のように、キャパシタンスが減少するにつれて増加する：
C=εA/d
i.e.  V=Q/C=σd/ε
ここで、Cはキャパシタンスであり、εは誘電定数であり、σは表面電荷密度であり、Vは電圧であり、Qは電荷であり、Aは第1発生要素と第2発生要素の第1又は第2部分との間の接触面積であり、dは第1発生要素と第2発生要素の第1又は第2部分との間の垂直分離距離である。
【００９０】
第1及び第2発生要素8，10のうち比較的僅かな部分しか互いに接触しないので、デバイスの耐久性及び寿命が改善される。
【００９１】
中段の図は、平衡状態の位置にある摩擦電気エネルギ発生機1を示す。第1及び第2発生要素は、発生要素の一部分であって平衡状態の位置において第1及び第2発生要素の他方に接触する一部分が、摩擦電気材料を備えておらず、平衡状態の位置において第2摩擦電気材料は第1摩擦電気材料と接触しないように、設計されても良い。
【００９２】
下段の図は、第2ポジションにおける摩擦電気エネルギ発生機を示す。第2発生要素10の第2部分が、第1発生要素8の第1摩擦電気材料9に接触している。
【００９３】
図8は、図7のデバイスと同様に(即ち、「揺動モード」で)動作するように設計される摩擦電気エネルギ発生機1を示す。しかしながら、この例では、第1発生要素8は、第1摩擦電気材料9の同じ側に配置される2つの電極15、16を有する。
【００９４】
図9は、傾斜運動(a  tilting  motion)で振動するように構成される摩擦電気エネルギ発生機1を示す。再び、摩擦電気エネルギ発生機は、sin(α)=αという条件を満たす傾斜角(α)に関して特に最適化されていても良い。上段の図は摩擦電気エネルギ発生機の傾斜運動を示し、中段の図は第1及び第2発生要素8，10の配置を示し、下段の図は摩擦電気エネルギ発生機1の正面図を示す。
【００９５】
上段の図に示されるように、第1発生要素8は第1電極15を備えた第1摩擦電気材料9を有し、第2発生要素10は第2電極16を備えた第2摩擦電気材料13を有する。第2発生要素10は、第1発生要素8に対して振動する又は振れるように構成される。第1発生要素8に対する第2発生要素10の動きは、発生要素間に電位差を蓄積させる。
【００９６】
中段の図に示されるように、第1発生要素8は、第2発生要素10に対して最大角度(α)まで傾斜するように構成される。この例では、傾斜角は好ましくは10度未満である。
【００９７】
下段の図に示されるように、第2発生要素10は、第1発生要素に対して垂直な軸の回りに回転し、この動作は製品寿命及び耐性を増進する。
【００９８】
従って、図6ないし10は次のような摩擦電気エネルギ発生機に要約されることが可能であり、その摩擦電気エネルギ発生機は：
第1発生要素；及び
中心軸を有する第2発生要素；
を有し、第2発生要素は：
中心軸の第1の側にある第1部分；及び
第1の側と反対側の、中心軸の第2の側にある第2部分；
を有し、第2発生要素は、第1部分が第1発生要素に接触する第1ポジションから、第2部分が第1発生要素に接触する第2ポジションへ、中心軸の周りで振動するように構成されている。
【００９９】
変形例として、第1部分及び第2部分は、使用中に第1摩擦電気材料と接触するように構成される帯電表面(20)を有する。
【０１００】
また、使用中に、第1摩擦電気材料と接触する部分の帯電表面により包囲される角度が180度以下、好ましくは90度以下であるように、第2発生要素は構成されることが可能である。
【０１０１】
第2発生要素は中心軸の回りに回転するように構成されることが可能である。
【０１０２】
第1発生要素は第1電極を有することが可能であり、第2発生要素は第2電極を有することが可能であり、或いは、第1発生要素は第1電極及び第2電極を有する。
【０１０３】
ストッパが使用されることが可能であり、第2発生要素は第1ポジション及び第2ポジションでストッパと接触し、第1及び第2ポジションの間の第2発生要素の回転角は例えば45度未満である。
【０１０４】
全ての例に関し、小さな動きを制御する様々な駆動方式が使用されて良い。例えば、接触モード(その期間内では、発生機の要素が帯電状態を誘発するように接触状態にされる)と、非接触モード(その期間内では、発生機のプレートが互いに分離され、電気エネルギは静電誘導により生成される)との間で、TEGは周期的に交替するように制御されても良い。接触及び非接触モードのタイミング及び持続時間は、コントローラにより又はユーザのコマンドにより、発生機の要素の帯電状態に依存して制御されて良い。このようにして、表面電化が所定のレベル未満に落ち込み、再充電が必要な場合に限り、要素は接触状態に至るように制御される。従って、要素間の接触時間は最小化され、それにより、被るノイズ及び表面の摩耗を最小化する一方、それでも所与の望まれる閾値電力出力を維持する。
【０１０５】
自己同期電力発生は、図6Bにより示される例に関連して説明され、上記の例の何れとともに利用されても良いことが、理解されるであろう。
【０１０６】
上記の全ての例は、小さな振幅を有する小さな往復運動に関連するデザインであり、例えば、小さな振幅及び好ましくは小さな周波数を有する回転する、転がる、傾斜する又は振れる振動する運動に関するデザインであることが、理解されるであろう。
【０１０７】
例えば、図1ないし図5の例では、電極間の角度間隔は、回転角以下であっても良い。こうして、回転子及び固定子電極間で完全なオーバーラップ/非オーバーラップが達成される際に、電力出力が増やされる。
【０１０８】
具体例において、第1及び第2発生要素は、典型的には、電荷が捕捉されることを可能にする電極を含む又はその電極に取り付けられている。
【０１０９】
固定子は円形でなくても良い。円形ではなく、固定子は、正方形、四角形、楕円などを含む任意の他の形状であっても良い。
【０１１０】
図6A及び6Bに関し、第2発生要素はシリンダ(a  cylinder)を有しても良い。シリンダは中空であっても良いし又は中空でなくても良い。
【０１１１】
第1及び第2発生要素は第2摩擦電気材料によるものであっても良いし、或いは、第2摩擦電気材料でコーティングされていても良い。
【０１１２】
開示される実施形態に対する他の変形は、明細書、特許請求の範囲及び図面から、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使用できないことを示してはいない。
【０１１３】
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。
【図１】
2018538777.tif 000003
【図２】
2018538777.tif 000004
【図３】
2018538777.tif 000005
【図４】
2018538777.tif 000006
【図５】
2018538777.tif 000007
【図６Ａ】
2018538777.tif 000008
【図６Ｂ】
2018538777.tif 000009
【図７】
2018538777.tif 000010
【図８】
2018538777.tif 000011
【図９】
2018538777.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月26日(2018.6.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転振動運動から電気エネルギを生成するように構成され、固定子を有する摩擦電気エネルギ発生機であって、前記固定子は：
第1摩擦電気材料とストッパとを有する第1発生要素；
第2摩擦電気材料を有する第2発生要素であって、出力電圧を生成するために、前記第1発生要素に対して回転軸の周りで振動するように構成される第2発生要素；
を有し、前記ストッパは、前記第1発生要素に対する前記第2発生要素の回転を制限するように構成され；
前記摩擦電気エネルギ発生機は、前記第2発生要素を含む回転子を更に有し、前記回転子及び前記固定子は同心状であり、前記回転子は共通軸の回りに回転するように構成され、前記ストッパは前記共通軸の回りの前記回転子の回転を制限するように構成される、摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項２】
前記回転子は、前記共通軸から外方に突出する複数のフィンを有し、前記ストッパは前記フィンの動きを制限するように構成される、請求項1に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項３】
少なくとも1つのフィンは第1発生要素を構成し、前記固定子は前記第1発生要素に適合するように構成される第2発生要素を有する、請求項2に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項４】
前記ストッパは、0度ないし360度の角度範囲内で回転するように前記回転子を制限するように構成される、請求項1ないし3のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項５】
前記ストッパは前記固定子により実現される、請求項1ないし4のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項６】
使用中に前記第2発生要素に接触するように構成される前記ストッパの表面は、前記第1摩擦電気材料を備えている、請求項5に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項７】
前記回転子は相互に噛み合う部材を有し、前記ストッパは第1の相互に噛み合う部材を受けるように形成されている、請求項1ないし6のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【請求項８】
前記第1発生要素は前記第1摩擦電気材料に取り付けられる第1電極を有し、前記第2発生要素は前記第2摩擦電気材料に取り付けられる第2電極を有する、請求項1ないし7のうち何れか一項に記載の摩擦電気エネルギ発生機。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
本発明の一側面に従う実施例によれば、請求項1に記載の摩擦電気エネルギ発生機が提供される。
【国際調査報告】
2018538777.tif 000013
2018538777.tif 000014