JP2016526866A - 単電極摩擦式ナノ発電機、発電方法及び自己駆動の追跡装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(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。
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。
(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。
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。
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。
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)。
Claims (49)
- 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。 - 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。
- 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2に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 前記電極層及び前記摩擦層接触の表面は、導電材料であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項4に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項5に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。 - 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であることを特徴とする請求項5又は6に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至7のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項8に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項8に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至10のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至11のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 前記摩擦層及び/又は電極層は、軟質材料であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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、又はより大きいことを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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15に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至16のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至17のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至17のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至19のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。 - 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乃至20のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 2つ以上の前記弾性部材を有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。
- 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21又は22に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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乃至23のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。 - 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24に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。 - 前記第1の支持素子及び/又は第2の支持素子は、剛性材料であることを特徴とする請求項24又は25に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の支持素子及び/又は第2の支持素子は、平板構造であることを特徴とする請求項24乃至26のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の支持素子及び/又は第2の支持素子は、曲面構造であることを特徴とする請求項24乃至26のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の支持素子と第2の支持素子は、互いに平行することを特徴とする請求項24乃至28のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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24乃至28のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項1乃至23のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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31に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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31又は32に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項31乃至33のいずれか1項に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。 - 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ことを特徴とする請求項34に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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であることを特徴とする請求項34又は35に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。
- 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ことを特徴とする請求項34に記載の単電極摩擦式ナノ発電機。 - 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31乃至37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1乃至38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。
- 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39に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
- 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40に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
- 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41に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
- 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42に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
- 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39に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
- 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44に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
- 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、完全に同じであることを特徴とする請求項45に記載の単電極摩擦式ナノ発電機群。
- 請求項1乃至38のいずれか1項に記載の発電機、あるいは、請求項39乃至46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。 - 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47に記載の発電方法。
- 請求項1乃至38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。
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