CN105245128B - 一种基于摩擦发电的移动充电组件、充电外壳和充电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够有效利用人体日常活动过程中产生的机械能为用电器件进行充电的充电组件、基于该充电组件的充电外壳和充电器。由于采用了互补的插齿电极和相互匹配设计的滑动摩擦块与弹性连接件，本发明出色地解决了日常活动所产生的机械能频率和强度低、难以回收的问题，而且将这些充电组件集成在一个外壳或充电器中，更方便携带和使用，具有非常广阔的应用前景。

Description

一种基于摩擦发电的移动充电组件、充电外壳和充电器

技术领域

本发明涉及一种能够利用人体日常活动所产生的机械能对电器进行充电的组件，特别是一种基于摩擦发电的、可移动的充电组件，以及使用该组件的直接充电外壳和电池充电器。

背景技术

随着技术的发展，越来越多的移动智能设备被开发出来并被广泛使用。然而，由于智能移动设备功能的迅速增加，电池供电量不足的问题也日益凸显。传统大功率电池在体积和重量上的不足难以适应设备移动化和可穿戴化的需求，同时目前所用电池含有的有毒化学物质对环境和人体存在着潜在的危害。因此，开发出能将人体日常活动所产生的机械能转化为电能并直接给设备进行充电的技术具有极其重要的意义。

从2012年开始，将摩擦效应和静电效应巧妙耦合的摩擦发电技术发展迅速，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。但是，现有的摩擦发电机普遍存在着输出功率较小的缺陷，普遍无法给用电器件直接供电。为了提高输出功率，一种常用的方法是利用圆盘结构将高速旋转的动能转化为电能，但是这种方式不利于收集人体日常活动中所产生的低频能量，而且圆盘式发电机的面积相对较大，不便与移动电子设备进行集成。因此，如果能够设计一种可以高效收集低频机械能、并与移动电子设备良好集成的摩擦充电组件，将对摩擦发电技术的广泛应用具有极其重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的是设计一种基于摩擦发电技术的充电组件，结合该组件制备的、可直接应用在移动设备上的充电外壳和可独立给电池进行充电的充电器，实现利用人体的日常活动为移动设备有效充电的目的。

为此，本发明提出一种基于摩擦发电技术的充电组件，包括外壳、设置在所述外壳内表面的两个形状互补的插齿状电极、一个能交替覆盖两个电极的滑动摩擦块、连接滑动摩擦块与外壳的弹性连接件和电信号输出模块。通过对滑动摩擦块和弹性结构的匹配设计，该充电组件可以实现对低频机械能的有效收集；通过嵌入输出模块，可以实现对用电器件的直接供电。在工作时，滑动摩擦块相对于两个电极发生位移，并交替与两个电极接触，在此过程中，滑动摩擦块表面所带有的摩擦净电荷将随其一起移动，而使得电极间的感应电势差发生周期性变化，并通过电极向外输出电信号。

将该组件与现有移动设备的外壳进行集成，可以得到具有充电功能的设备外壳，实现通过人体的日常活动给移动设备补充电量的目的。而且，本发明还提供了两种充电模式：一种是利用人体日常活动的低频机械能自动充电；另一种是在急需快速充电时，可以手动高频充电。为了使这两种模式更好地工作，还设计了空隙间距调节结构，

将本发明的充电组件进行适当的封装还可以制备给电池独立充电的充电器，以适应不同用电器件的供电需要。同时，利用封装的表面作为另一组滑动发电单元可以有效地提高电信号的输出性能。

基于上述思路，本发明首先提供一种基于摩擦发电的充电组件，包括第一外壳、第一电极模块、滑动摩擦块、连接所述滑动摩擦块与所述外壳的弹性连接件和电信号输出模块；所述第一外壳包括一个平板；所述第一电极模块设置在所述平板的表面之上，包括第一插齿电极和第二插齿电极，所述第一插齿电极和第二插齿电极均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿之间绝缘隔离；所述滑动摩擦块的下表面与所述第一插齿电极和第二插齿电极上表面的材料具有不同的摩擦电性质；所述滑动摩擦块的质量m满足条件：其中m的单位为kg，k为所述弹性连接件的劲度系数，单位为N/m；所述电信号输出模块的两个输入端分别与所述第一插齿电极和第二插齿电极相连。

优选地，包括2个以上的所述第一电极模块和2个以上的所述滑动摩擦块，并且形成层叠结构；

优选地，所述第一插齿电极的条状插齿和第二插齿电极的条状插齿在材料、形状和尺寸上一致；

优选地，所述滑动摩擦块为若干条状单元所构成的阵列结构，并且所述滑动摩擦块的条状单元与所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿在接触表面上的形状和尺寸上一致；

优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿数量相等，并且所述滑动摩擦块条状单元的数量为所述条状插齿数量的1/4到3/4；

优选地，所述条状单元和所述条状插齿的延伸方向平行；

优选地，还包括第二外壳，所述第二外壳全部或部分的内表面设置有第二电极模块，所述第二电极模块由第三插齿电极和与之配合的第四插齿电极构成，所述第三插齿电极和第四插齿电极均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，所述第三插齿电极和第四插齿电极的条状插齿之间绝缘隔离；所述第一外壳朝向第二外壳，使所述第一电极模块和第二电极模块面对面间隔设置，所述滑动摩擦块位于两个电极模块之间；所述第三插齿电极和第四插齿电极分别与所述电信号输出模块的两个输入端电连接，并与所述第一插齿电极和第二插齿电极的输入形成并联关系；

优选地，所述第一电极模块所在的内表面与所述第二电极模块所在的内表面之间的间距可调；

优选地，所述间距可以调整的范围为h～h+10mm，其中h为所述滑动摩擦块的厚度；

优选地，还包括间距调整部件，用于改变所述第一电极模块所在的内表面与所述第二电极模块所在的内表面之间的间距；

优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极分别与所述第三插齿电极和第四插齿电极的形状、尺寸和/或材料相同；

优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿延伸方向与所述第三插齿电极和第四插齿电极的条状插齿延伸方向平行；

优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿延伸方向与所述第三插齿电极和第四插齿电极的条状插齿延伸方向垂直；

优选地，所述滑动摩擦块为正交的条状单元构成的方格阵列结构，其中所述条状单元的宽度和与其平行的条状插齿的宽度相同；

优选地，所述滑动摩擦块与所述第一电极模块和/或第二电极模块的接触面积分别小于所述第一电极模块和/或第二电极模块的上表面积；

优选地，所述滑动摩擦块的厚度为1μm-10mm；

优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极之间，和/或，所述第三插齿电极和第四插齿电极之间，通过空隙形成绝缘隔离；

优选地，所述第一外壳还包括沿平板四周设置的侧壁，与所述平板共同形成一个凹腔；

优选地，所述弹性连接件有2个以上，分别连接在所述滑动摩擦块的角或边上；

优选地，所述弹性连接件为线圈半径小于3mm的立体弹簧，或者是二维平面结构的弹簧；

优选地，所述电信号输出模块包括整流单元和变压单元；

优选地，所述变压单元包括1μF-500μF的电容；

优选地，所述第一电极模块的厚度为10nm-1mm；

优选地，还包括介质层，所述介质层贴合在所述第一电极模块的上表面，和/或，贴合在所述第二电极模块的上表面，所述滑动摩擦块与所述介质层的上表面发生滑动摩擦，并且对所述第一插齿电极和第二插齿电极，和/或第三插齿电极和第四插齿电极形成交替覆盖，并且所述介质层与所述滑动摩擦块表面材料的摩擦电性质不同；

优选地，所述介质层的厚度为10nm-1mm；

优选地，还包括手动锚点，所述手动锚点固定在所述滑动摩擦块上，用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动；

优选地，所述手动锚点有两个，分别设置在所述滑动摩擦块相对的两个侧面上；

优选地，所述手动锚点具有收起和打开两种模式，其中打开模式用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动，并且在收起模式下不影响所述滑动摩擦块的自由滑动；

本发明还提供一种基于前述充电组件的充电外壳，能够直接作为用电器件的外壳使用，其特征在于所述第二外壳的形状和尺寸与所述用电器件匹配并能直接组装在所述用电器件上；

优选地，包括手动锚点，所述手动锚点固定在所述滑动摩擦块上，用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动；

优选地，所述手动锚点具有打开和收起两种模式，其中打开模式用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动，在收起模式下不影响所述滑动摩擦块的自由滑动；

优选地，还包括间距调整部件，用于改变所述第一电极模块所在的内表面与所述第二电极模块所在的内表面之间的间距；

优选地，所述手动锚点与所述间距调整部件之间联动设置，使得所述手动锚点的打开与所述间距的增大是同时进行的，而所述手动锚点的关闭与所述间距的减小是同时进行的。

本发明还提供一种基于上述充电组件的充电器，用于给可充电电池进行充电，其特征在于：还包括设置在所述第一外壳和第二外壳之外的封装外壳，所述封装外壳能够固定所述可充电电池，所述电信号输出端的输出端口位于所述封装外壳之上，能够与所述可充电电池电连接。

有益效果

本发明提供的基于摩擦发电的充电组件和充电器最为突出的优点是，通过滑动摩擦块和弹性结构性能的匹配设计、结合插齿电极的结构，实现了对人体日常活动过程中产生机械能的高效收集，并且将整流和变压单元同时集成在电信号输出模块中，使得整个充电器成为一个整体，具备了体积小、便于携带等优势。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按照实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是本发明基于摩擦发电技术的充电组件的外形结构示意图；

图2是本发明充电组件的一种典型结构示意图；

图3是本发明充电组件中第一电极模块和滑动摩擦块的典型结构示意图；

图4是本发明充电组件的另一种典型结构示意图；

图5是本发明充电组件的另一种典型结构示意图；

图6是图5所示充电组件的工作原理示意图；

图7是本发明充电组件的另一种典型结构示意图；

图8是本发明第一电极模块、第二电极模块和滑动摩擦块的典型结构示意图；

图9是本发明第一电极模块、第二电极模块和滑动摩擦块的另一种典型结构示意图；

图10是本发明充电组件的另一种典型结构示意图；

图11是本发明充电外壳的一种典型结构的外形示意图；

图12是本发明充电外壳的一种典型结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

第一种典型实施方式

图1-图3为本发明基于摩擦发电技术的充电组件的一种典型结构示意图，其中图1为充电组件的整体结构示意图，图2是横截面示意图，图3为第一电极模块和滑动摩擦块的俯视图。结合图1-图3对本发明充电组件的一种典型结构进行说明，该充电组件包括第一外壳1、第一电极模块2、滑动摩擦块4、连接滑动摩擦块4与第一外壳1的弹性连接件5和电信号输出模块9；第一外壳1具有一个平板101和沿平板四周设置的侧壁102，从而形成一个凹腔；第一电极模块2设置在平板101的内表面之上，包括第一插齿电极201和第二插齿电极202，第一插齿电极201和第二插齿电极202均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，第一插齿电极201和第二插齿电极202的条状插齿之间绝缘隔离；滑动摩擦块4的下表面与第一插齿电极201和第二插齿电极202上表面的材料具有不同的摩擦电性质。

本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。

该发电机在工作时，滑动摩擦块4在与两个插齿电极重合的位置之间来回移动，其下表面分别与两个插齿电极交替发生滑动摩擦，导致滑动摩擦块4的下表面和两个插齿电极的表面带有电性相反的电荷。当滑动摩擦块4从一个电极的插齿单元向另一个电极的插齿单元滑动时，它表面所带的电荷将随着滑动摩擦块4一起移动，从而吸引电极上的异号电荷通过外接待充电电器构成的回路在两个插齿电极之间发生转移，导致电流向待充电器件输出，这就是本发明充电组件的工作原理。

第一外壳1用于给整个充电组件提供支撑，可以采用一些常规的电子设备外壳材料，例如ABS塑料等。为了形成对组件的支撑，第一外壳1必须有至少一个平板101，虽然图1中该平板101为长方形，但实际应用中对其形状并没有特别的限制，圆形、椭圆形以及不规则图形均可。其尺寸也是可以随需要而调整的。侧壁102的设置是为了对各部件形成更好的保护以及更方便弹性连接件的连接，但是它并不是第一外壳1必备的部件。很多情况下没有侧壁102也完全可以实现本发明的目的。

第一电极模块2是本充电组件的重要部件，承担了电流的产生和向外输送的作用，包括互相配合并且绝缘设置的两个电极：第一插齿电极201和第二插齿电极202。本发明采用两个插齿状电极在同一平面内互补设置，同时配合具有条状单元的滑动摩擦块4，能够最大限度的对机械能进行回收。为了使各插齿电极所输出的电流叠加，两个插齿电极均需要在一端形成电连接，以形成多组发电机并联的电路结构。本发明的第一插齿电极201和第二插齿电极202形状必须互补，即二者的插齿结构能够互相嵌合，优选两个插齿电极的形状和尺寸相同，以方便产业制造。插齿单元的尺寸并没有具体要求，一般来说单位面积上的插齿单元数量越多，对机械能的回收效率越高，但是在实际应用过程中应考虑输出需要和制造成本。优选第一插齿电极201和第二插齿电极202的条状插齿数量相等。

虽然图中所示的插齿单元截面为矩形，但这并不是本发明所限定的形状，在实际使用过程中可以根据需要对插齿单元的截面形状进行调整，例如可以是波浪形、顶角非直角的平行四边形，甚至是不规则图形等。只要保证两个插齿电极的形状互补即可。为了进一步提高发电效率，优选两个插齿电极的形状与滑块的形状一致，能够完全重叠。

第一插齿电极201和第二插齿电极202之间虽然互补设置，但是必须绝缘。这种绝缘可以通过在二者之间保持适当空隙来实现，也可以用绝缘材料进行隔离。例如通过印刷电路技术精确控制微小尺寸的电极之间的空隙，或者通过刻蚀或沉积技术在绝缘材料中形成导电的插齿图形。

插齿电极的选材范围很广，只要是能够作为电极的导电材料均可，例如金属、导电的非金属材料、有机导体等。其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体。插齿电极的厚度可以根据需求来确定，对于使用空间较小的情况而言，较薄的厚度无疑具有优势；而对于使用空间没有限制的情况，稍大的厚度可以提供更好的机械强度和寿命。一般而言，插齿电极的厚度可以为10nm-1mm，优选100nm-100μm。

滑动摩擦块4是本发明的另一个重要部件，用于与第一电极模块2配合形成摩擦电荷并驱动电子向外输出。本实施方式中滑动摩擦块4直接与第一电极模块2的表面发生滑动摩擦，因此其表面需要具有与第一电极模块不同的摩擦电特性，一般可以选择绝缘材料和半导体材料，常用的有机聚合物均可。为了提高摩擦电荷的密度，还可以在材料的表面形成微米或纳米级的图案或涂层。这些材料以及其表面改性的方法在很多专利文献和文章中均有报道，是摩擦发电领域的常规材料和方法，在此不再赘述。

但是，本发明发现，除了摩擦电特性之外，滑动摩擦块4的质量对于本发明的充电组件有很明显的影响。本发明充电组件所希望回收的目标是人在日常生活中所附带产生的机械能，这些机械能具有低频、低强度的特点。一般的能量回收系统对于这样的机械能回收效率都很低。而本发明通过对滑动摩擦块、弹性连接件进行协同设计，很好的解决了这一难题。本发明发现当滑动摩擦块4的质量满足如下关系时，能够实现的对低频机械能的高效收集：

其中m为滑动摩擦块4的质量，其单位为kg，k为所使用的弹性连接件5的劲度系数，单位为N/m。

滑动摩擦块4的尺寸和图案需要与第一插齿电极201和第二插齿电极202匹配。一般而言，对于插齿状的电极，滑动摩擦块4最好为具有条状单元阵列的结构，而且优选条状单元与第一插齿电极201和第二插齿电极202的条状插齿在接触表面上的形状和尺寸一致。为了进一步优化输出性能，条状单元的延伸方向与插齿电极的条状插齿的延伸方向平行设置，以使二者的摩擦面积最大化。滑动摩擦块4与第一电极模块的接触面积一般小于第一电极模块2的上表面积，因此条状单元的数量一般少于条状插齿的数量，优选条状单元的数量为一个电极所包含的条状插齿数量的1/4-3/4，更优选为1/3-2/3，更优选为1/2。

弹性连接件5的作用是与滑动摩擦块4配合收集机械能，并将其高效的转化为滑动摩擦块4与第一电极模块2之间的滑动动能。本领域常用的弹性连接件，例如各种弹簧、弹性纤维均可使用，但是正如前面所述，无论使用何种部件，其劲度系数最好都要满足关系式(1)，已实现对低频机械能的有效吸收。因为本发明的充电组件可以直接用于电子设备中，所以为了满足空间的要求，弹性连接件5优选使用线圈半径小于3mm的小型弹簧，或者二维平面弹簧。

弹性连接件5的两端分别连接滑动摩擦块4和第一外壳1，具体的连接位置没有特别限定，一般可以连接在滑动摩擦块4的边或角上，在第一外壳1的侧壁102和平板101上连接均可。弹性连接件5的数量可以根据滑动摩擦块4和第一外壳1的形状、以及滑动摩擦块4的质量来确定，没有特殊限定。

电信号输出模块9承担着收集并输出电信号的功能，一般包括电信号输入端901和电信号输出端902。其中，2个电信号输入端分别与第一插齿电极和第二插齿电极相连，2个电信号输出端902待带充电器件相连。因为基于摩擦发电所输出的为交流脉冲电信号，所以为了能够直接给待充电器件充电，电信号输出模块9中一般还包括整流单元和变压单元。其中整流单元可以使用现有技术中常规的整流元件，例如整流桥等。变压单元只要能够实现降压功能即可，可以包含电容，其电容量优选1μF-500μF，更优选10μF-100μF。

电信号输出模块9可以位于第一外壳1所覆盖的范围内，也可位于第一外壳1之外，只要方便安装和使用即可。

第二种典型实施方式

图4为本发明充电组件的另一种典型结构，其主要部件均与图1-3所示的实施方式相同，唯一的区别在于还包括2个位于滑动摩擦块4的相对侧面上的手动锚点6。该手动锚点6的设置方便了手动驱动滑动摩擦块4发生强制滑动，以便在紧急情况下能够快速充电。

该手动锚点6固定在滑动摩擦块4上，具体位置没有限定，可以是滑动摩擦块4的侧面，也可以是上下表面，还可以固定在顶角或棱边处，只要能满足在外力的驱动下可以带动滑动摩擦块4发生滑动即可。手动锚点6的数量也不一定限制为2个，1个或2个以上均可。

优选手动锚点6具有打开和收起两种模式，其中打开模式用于手动驱动滑动摩擦块4的滑动，在收起模式下不会影响滑动摩擦块4的自由滑动。可以采用的方式是可折叠式设计或者可推拉式设计等，使得手动锚点6在打开模式下具有更容易被手驱动的结构，例如相对于外壳更为突出，或者是形状更容易被手握住等。

第三种典型实施方式

图5为本发明充电组件的另一种典型结构，其主要结构均与图1-3所示的实施方式相同，唯一的区别仅在于还包括介质层3，该介质层3贴合在第一电极模块2的上表面，代替第一电极模块2直接与滑动摩擦块4发生摩擦，所形成的摩擦电荷通过与第一电极模块2之间的静电感应效应而发生作用，促成电流的向外输出。

这种充电组件的工作原理可以简单介绍如下(参见图6)：当滑动摩擦块4在介质层3表面滑动时，在互相接触的两个表面上将会因为摩擦而产生极性相反的电荷，并达到平衡状态。由于滑动摩擦块4的面积较小，因此其上的电荷密度要高于介电层3上的电荷密度。当滑动摩擦块4位于第一插齿电极201所对应的介质层3之上时，第一插齿电极201与滑动摩擦块4带电性相反的电荷，第二插齿电极201与滑动摩擦块4带电性相同的电荷(以负电荷为例)；当滑动摩擦块4向第二插齿电极202滑动时，第一插齿电极201上的正电荷向第二插齿电极202转移，使得第一插齿电极201和第二插齿电极202间有电流流过，直至完全中和；滑动摩擦块4继续向第二插齿电极202方向滑动，并最终到达第二插齿电极202，由于静电感应，第二插齿电极202与滑动摩擦块4带电性相反的电荷，第一插齿电极201与滑动摩擦块4带相同的电荷；此后，随着滑动摩擦块4的移动，第一插齿电极201与第二插齿电极202间将继续保持电荷的交替反复转移，不断形成电流向外输送。

介质层3的存在可以对第一电极模块2形成很好的保护作用，其材料的选择也比较宽泛，本领域常规的介电材料均可用，例如绝缘材料，优选有机聚合物。当介质层3与滑动摩擦块4相比摩擦电性质差别较大时，更有利于提高电信号输出性能。因此在使用介质层3时，滑动摩擦块4的选材范围得到了拓展，从绝缘材料和半导体材料扩展为还可以选择导体材料，例如金属或导电有机物等。由于金属一般具有更高的密度，所以这种实施方式对于需要滑动摩擦块4的质量较大而体积较小时更为有利。介质层3厚度一般没有特别限制，优选10nm-1mm，更优选10nm-100μm。

介质层3可以直接放置在第一电极模块2的表面上，也可以通过粘合剂或其他固定件进行固定，还可以直接在介质层3的下表面直接制备第一电极模块2。

介质层40可以为分立结构，例如由2个分离的部分组成，其中一个部分覆盖于第一插齿电极201的表面，另一个部分覆盖于第二插齿电极202的表面；也可以为一体结构，同时覆盖于两个插齿电极的上表面。

第四种典型实施方式

图7为本发明充电组件的另一种典型结构，其中的主要部分与第一实施方式相同，即包括第一外壳1、第一电极模块2、滑动摩擦块4、连接滑动摩擦块4与第一外壳1的弹性连接件5和电信号输出模块9；第一外壳1具有一个平板101；第一电极模块2设置在平板101的表面之上，包括第一插齿电极201和第二插齿电极202，第一插齿电极201和第二插齿电极202均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，第一插齿电极201和第二插齿电极202的条状插齿之间绝缘隔离；滑动摩擦块4的下表面与第一插齿电极201和第二插齿电极202上表面的材料具有不同的摩擦电性质；除此之外，还包括第二外壳8，第二外壳8全部或部分的内表面设置有第二电极模块7，第二电极模块7由第三插齿电极701和与之配合的第四插齿电极702构成，第三插齿电极701和第四插齿电极702均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，第三插齿电极701和第四插齿电极702的条状插齿之间绝缘隔离；第一外壳1朝向第二外壳8，使得第一电极模块2和第二电极模块7面对面间隔设置，滑动摩擦块4位于两个电极模块之间；第三插齿电极701和第四插齿电极702分别与电信号输出模块9的两个输入端901电连接，并与第一插齿电极201和第二插齿电极202的输入形成并联关系。

从上面的结构可以看出，本实施方式中使用了2组电极模块同时与滑动摩擦块4发生作用，并且将两组电极模块的输出信号进行并联，使充电组件的输出得到了明显提高。第二电极模块7的作用与第一电极模块2完全相同，采用的结构也一致，即由两个插齿电极互补构成，第三插齿电极701和第四插齿电极702的选材范围及结构设置规则都与前述的第一插齿电极201和第二插齿电极202相同，此处不再赘述。并不限定在同一充电组件中两个电极模块的插齿电极完全一致，为了制作方便，优选第三插齿电极701和第四插齿电极702分别与第一插齿电极201和第二插齿电极202的形状、尺寸和/或材料都相同。

两个电极模块中条状插齿的延伸方向可以互相平行，也可以形成一定角度。第一种情况(参见图8)：第三插齿电极701和第四插齿电极702的条状插齿延伸方向与第一插齿电极201和第二插齿电极202的条状插齿延伸方向平行。此时，优选滑动摩擦块4的条状单元延伸方向与条状插齿的延伸方向也平行，这样可以使滑动摩擦块4与两个电极模块的滑动摩擦面积最大化。第二种情况(参见图9)：第三插齿电极701和第四插齿电极702的条状插齿延伸方向与第一插齿电极201和第二插齿电极202的条状插齿延伸方向垂直，这种情况下为了提高滑动摩擦块4与两个电极模块的摩擦效率，优选将滑动摩擦块4设置成由正交的条状单元构成的方格阵列结构，其中条状单元的宽度和与其平行的条状插齿的宽度相同。

同前述的第三实施方式类似，本实施方式中第一电极模块2和/或第二电极模块7的表面也可以覆盖有介质层3，用以保护相应的电极模块。并且，在两个电极模块表面覆盖的介质层3在材料选择上可以相同也可以不同，优选两个介质层的材料相同，这样对于滑动摩擦块4的上下表面材质要求一致，加工更为简单。

第二外壳8的作用也是支撑和保护，其选材范围与第一外壳1的相同，其外形和尺寸可以根据需要进行调整，既可以与第一外壳1相同也可以不同，既可以比第一外壳1大，也可以比第一外壳1小。第一外壳1和第二外壳8之间优选相对固定，以便滑动摩擦块4能够很好的与两个电极模块进行滑动摩擦。固定的方式可以是通过连接件直接将两个外壳固定，也可以借助使用的环境使二者之间实现相对固定。

第一外壳1和第二外壳8之间应具有一定的空隙，使得滑动摩擦块4能够被容纳在该间隙中并且可以自由的滑动。因此，两个外壳之间的空隙优选大于或等于滑动摩擦块4的厚度。

第五种典型实施方式

图10为本发明充电组件的另一种典型结构，其主要结构均与前述的第四种实施方式相同，唯一的区别仅在于还包括间距调整部件10，用于调整第一电极模块2和第二电极模块7之间的空隙间距。这样的结构能够满足在非手动模式下，第一外壳1和第二外壳8之间的空隙较大，使得滑动摩擦块4能够自由的运动，能够将微小的机械能转变为电能；而在手动模式下，两个外壳之间的空隙较小，优选恰好等于滑动摩擦块4的厚度，这样能够提高滑动摩擦块4与两个电极模块的摩擦效率。一般而言该间距可以调整的范围为h～h+10mm，其中h为所述滑动摩擦块的厚度。

间距调整部件10的作用是调控第一电极模块2所在的内表面与第二电极模块7所在的内表面之间的间距。如果该功能可以通过其他途径实现，例如通过使用环境的变化，或者通过手动锚点6的开关来完成，那么该间距调整部件10是可以省略的。如果不能省略，该间距调整部件10最好与手动锚点6联动设置，使得手动锚点6的打开与所述间距的增大是同时进行的，而手动锚点6的关闭与所述间距的减小是同时进行的，方便使用者的操作。

第六种典型实施方式

本发明还提供一种基于前述充电组件的充电外壳，能够直接作为用电器件的外壳使用。为了实现该目的，可以使用前述的任意一种充电组件，并将其配合上第二外壳8使用，其中第二外壳8的形状和尺寸被设置成与相应的用电器件匹配并能直接组装在该用电器件上即可(参见图11)。两个外壳之间可以形成封闭的空腔，也可以形成开放的空隙，这并不影响本发明的实现。

为了能够使该充电外壳更适于使用需要，优选包括固定在滑动摩擦块4上的手动锚点6，用于手动驱动滑动摩擦块4的滑动。如前所述，手动锚点6具有打开和收起两种模式，其中打开模式用于手动驱动滑动摩擦块4的滑动，在收起模式下不影响滑动摩擦块4的自由滑动。为了方便使用，还可以包括间距调整部件10，以适应手动驱动和日常自行收集机械能两种模式，手动锚点6与间距调整部件10之间联动设置，使得手动锚点6的打开与间距的增大是同时进行的，而手动锚点6的关闭与间距的减小是同时进行的。实现这一目的的常规部件有很多，因此本发明对该部件的各种具体结构并不做限定，只要功能相同即可。

图12是同时包含手动锚点6和间距调整部件10的充电外壳示意图，其中图(a)是侧视图，图(b)为后视图。整个充电外壳由第一外壳1、第一电极模块2、第二外壳8、第二电极模块7，以及在第一电极模块2和第二电极模块7表面覆盖的介质层3、弹性连接件5、电信号输出模块9(图中未示出)、手动锚点6和间距调整部件10构成，其中第二外壳8具有与用电器件0相匹配的形状和尺寸，使得整个充电外壳可以通过第二外壳8固定在用电器件0之上，该用电器件0可以与普通的用电器件一样正常使用。

第七种典型实施方式

由于充电外壳具有一定的型号限定性，需要为每种电器配备一个专用的充电外壳，可能会引起使用的不变。为此，本发明还提供一种基于前述充电组件的充电器，用于给可充电电池进行充电。这样，无论何种用电器件，只要其使用的是可充电电池，本发明的充电器均可以为其进行充电。为了实现该目的，使用前述同时包含第一外壳1和第二外壳8的充电组件，在此基础上还包括设置在第一外壳1和第二外壳8之外的封装外壳，该封装外壳能够固定可充电电池，电信号输出端的输出端口902位于封装外壳之上，能够与可充电电池电连接。该实施方式主要是使用了能够固定可充电电池的封装外壳，该封装外壳可以按照不同电池的型号来制作，也可以采用现有的可以容纳不同型号电池的万能充电器的结构，这些都是本领域的常规方法，本发明在此不做过多说明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (33)

1.一种基于摩擦发电的充电组件，其特征在于，包括第一外壳、第一电极模块、滑动摩擦块、连接所述滑动摩擦块与所述外壳的弹性连接件和电信号输出模块；所述第一外壳包括一个平板；所述第一电极模块设置在所述平板的表面之上，包括第一插齿电极和第二插齿电极，所述第一插齿电极和第二插齿电极均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿之间绝缘隔离；所述滑动摩擦块的下表面与所述第一插齿电极和第二插齿电极上表面的材料具有不同的摩擦电性质；所述滑动摩擦块的质量m满足条件：其中m的单位为kg，k为所述弹性连接件的劲度系数，单位为N/m；所述电信号输出模块的两个输入端分别与所述第一插齿电极和第二插齿电极相连。

2.如权利要求1所述的充电组件，其特征在于，包括2个以上的所述第一电极模块和2个以上的所述滑动摩擦块，并且形成层叠结构。

3.如权利要求1所述的充电组件，其特征在于，所述第一插齿电极的条状插齿和第二插齿电极的条状插齿在材料、形状和尺寸上一致。

4.如权利要求1所述的充电组件，其特征在于，所述滑动摩擦块为若干条状单元所构成的阵列结构，并且所述滑动摩擦块的条状单元与所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿在接触表面上的形状和尺寸上一致。

5.如权利要求4所述的充电组件，其特征在于，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿数量相等，并且所述滑动摩擦块条状单元的数量为所述条状插齿数量的1/4到3/4。

6.如权利要求4所述的充电组件，其特征在于，所述条状单元和所述条状插齿的延伸方向平行。

7.如权利要求1-6任一项所述的充电组件，其特征在于，还包括第二外壳，所述第二外壳全部或部分的内表面设置有第二电极模块，所述第二电极模块由第三插齿电极和与之配合的第四插齿电极构成，所述第三插齿电极和第四插齿电极均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，所述第三插齿电极和第四插齿电极的条状插齿之间绝缘隔离；所述第一外壳朝向第二外壳，使所述第一电极模块和第二电极模块面对面间隔设置，所述滑动摩擦块位于两个电极模块之间；所述第三插齿电极和第四插齿电极分别与所述电信号输出模块的两个输入端电连接，并与所述第一插齿电极和第二插齿电极的输入形成并联关系。

8.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，所述第一电极模块所在的内表面与所述第二电极模块所在的内表面之间的间距可调。

9.如权利要求8所述的充电组件，其特征在于，所述间距可以调整的范围为h～h+10mm，其中h为所述滑动摩擦块的厚度。

10.如权利要求8所述的充电组件，其特征在于，还包括间距调整部件，用于改变所述第一电极模块所在的内表面与所述第二电极模块所在的内表面之间的间距。

11.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，所述第一插齿电极和第二插齿电极分别与所述第三插齿电极和第四插齿电极的形状、尺寸和/或材料相同。

12.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿延伸方向与所述第三插齿电极和第四插齿电极的条状插齿延伸方向平行。

13.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿延伸方向与所述第三插齿电极和第四插齿电极的条状插齿延伸方向垂直。

14.如权利要求13所述的充电组件，其特征在于，所述滑动摩擦块为正交的条状单元构成的方格阵列结构，其中所述条状单元的宽度和与其平行的条状插齿的宽度相同。

15.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，所述滑动摩擦块与所述第一电极模块和/或第二电极模块的接触面积分别小于所述第一电极模块和/或第二电极模块的上表面积。

16.如权利要求15所述的充电组件，其特征在于，所述滑动摩擦块的厚度为1μm-10mm。

17.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，所述第一插齿电极和第二插齿电极之间，和/或，所述第三插齿电极和第四插齿电极之间，通过空隙形成绝缘隔离。

18.如权利要求1所述的充电组件，其特征在于，所述第一外壳还包括沿平板四周设置的侧壁，与所述平板共同形成一个凹腔。

19.如权利要求1所述的充电组件，其特征在于，所述弹性连接件有2个以上，分别连接在所述滑动摩擦块的角或边上。

20.如权利要求19所述的充电组件，其特征在于，所述弹性连接件为线圈半径小于3mm的立体弹簧，或者是二维平面结构的弹簧。

21.如权利要求1所述的充电组件，其特征在于，所述电信号输出模块包括整流单元和变压单元。

22.如权利要求21所述的充电组件，其特征在于，所述变压单元包括1μF-500μF的电容。

23.如权利要求1所述的充电组件，其特征在于，所述第一电极模块的厚度为10nm-1mm。

24.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，还包括介质层，所述介质层贴合在所述第一电极模块的上表面，和/或，贴合在所述第二电极模块的上表面，所述滑动摩擦块与所述介质层的上表面发生滑动摩擦，并且对所述第一插齿电极和第二插齿电极，和/或第三插齿电极和第四插齿电极形成交替覆盖，并且所述介质层与所述滑动摩擦块表面材料的摩擦电性质不同。

25.如权利要求24所述的充电组件，其特征在于，所述介质层的厚度为10nm-1mm。

26.如权利要求7所述的充电组件，其特征在于，还包括手动锚点，所述手动锚点固定在所述滑动摩擦块上，用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动。

27.如权利要求26所述的充电组件，其特征在于，所述手动锚点有两个，分别设置在所述滑动摩擦块相对的两个侧面上。

28.如权利要求26所述的充电组件，其特征在于，所述手动锚点具有收起和打开两种模式，其中打开模式用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动，并且在收起模式下不影响所述滑动摩擦块的自由滑动。

29.一种基于权利要求7-14及26-28中任一项所述充电组件的充电外壳，能够直接作为用电器件的外壳使用，其特征在于所述第二外壳的形状和尺寸与所述用电器件匹配并能直接组装在所述用电器件上。

30.如权利要求29所述的充电外壳，其特征在于，包括手动锚点，所述手动锚点固定在所述滑动摩擦块上，用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动。

31.如权利要求30所述的充电外壳，其特征在于，所述手动锚点具有打开和收起两种模式，其中打开模式用于手动驱动所述滑动摩擦块的滑动，在收起模式下不影响所述滑动摩擦块的自由滑动。

32.如权利要求31所述的充电外壳，其特征在于，还包括间距调整部件，用于改变所述第一电极模块所在的内表面与所述第二电极模块所在的内表面之间的间距。

33.如权利要求32所述的充电外壳，其特征在于，所述手动锚点与所述间距调整部件之间联动设置，使得所述手动锚点的打开与所述间距的增大是同时进行的，而所述手动锚点的关闭与所述间距的减小是同时进行的。