JP2018530301A - エネルギ変換システム及び方法 - Google Patents

Abstract

エネルギ変換システムは、運動に応じて電力を発生する発電機を有し、発電機は、エネルギ発生モードにおいてエネルギを発生する第１の要素及び第２の要素を有する。いくつかの例では、これらは、エネルギ変換システムが、第１の要素及び第２の要素が駆動機構によって接触させられる（例えば）断続的帯電モードと、第１の要素及び第２の要素が非接触であるエネルギ発生モードとを有するように、駆動機構によって互いに接触及び非接触にさせられることができる。第１の要素及び第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置は、発電機の出力電力又は電圧の変動を減少させるようにエネルギ発生モード中に制御される。このシステムは、より一定の電力又は電圧発生を実現するようにエネルギ発生モード中に発電機の要素の物理的位置又は運動を制御する。これは、必要な電力変換回路が簡略化されることを可能にする。

Description

本発明は、機械的エネルギを電気的エネルギに変換するためのエネルギ変換システム、及びエネルギ変換の方法に関する。

機械的エネルギを電気エネルギに変換することができ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である。摩擦電気効果（triboelectric effect）（摩擦帯電（triboelectric charging）としても知られる）は、材料が摩擦によって異なる材料と接触した後に帯電する接触誘起帯電である。摩擦電気発電（Triboelectric generation）は、摩擦電気効果を静電誘導と結合させる方法によって、機械的エネルギを電気エネルギに変換することに基づく。歩行、ランダムな身体の動き、風が吹くこと、振動又は海洋波のようなソースから、そうでなければ無駄になる機械的エネルギを捕えることによって、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に電力を供給するために摩擦電気発電を利用することが提案されている（例えば、非特許文献１を参照されたい）。

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）傾向に応じて様々な材料をランク付けする列（series）に基づいている。この列は、例えば非特許文献２に開示されている。静電気を生成するための材料の最良の組み合わせは、正電荷リストからのものと負電荷リストからのもの（例えば、銅に対するＰＴＦＥ、又はアルミニウムに対するＦＥＰ）である。毛皮でガラスをこすること又は髪を櫛でとかすことは、摩擦電気の日々の生活からのよく知られている例である。

その最も単純な形態では、摩擦電気発電機（triboelectric generator）はしたがって、異種材料の２つのシートを使用し、一方は電子供与体であり、他方は電子受容体である。材料が接触しているとき、電子はある材料から他の材料に交換される。これは単純に摩擦電気効果である。シートがその後分離される場合、（異なる極性の）各シートは、電荷を保持し、それらの間のギャップによって絶縁される。電気的負荷が２つの表面の外縁に配置された電極間に接続される場合、横方向又は垂直方向のいずれかの任意のさらなるシートの変位は、それに応じて２つの電極間の電流を誘導する。これは単純に静電誘導の例である。２つのプレートのそれぞれの電荷中心間の距離が増加するにつれて、負荷を介した電気的吸引がギャップを横切る静電吸引力を克服し始めるので、ギャップを横切る２つの間の吸引電界は弱まり、２つの外側電極間の増加した電位差をもたらす。

その最も単純な形態では、摩擦電気発電機はしたがって、異種材料の２つのシートを使用し、一方は電子供与体であり、他方は電子受容体である。材料の１つ又は複数は絶縁体であり得る。他の可能な材料は、半導体材料、例えば、自然酸化物層を含むシリコンを含んでもよい。材料が接触させられる場合、電子はある材料から他の材料に交換される。これは単純に摩擦電気効果である。シートがその後分離される場合、（異なる極性の）各シートは、電荷を保持し、それらの間のギャップによって絶縁され、電位が蓄積される。電気的負荷が２つの材料表面の裏側に配置された電極間に接続されている場合、横方向又は垂直方向のいずれかのさらなるシートの任意の変位は、それに応じて２つの電極間に電流を誘導する。これは単純に静電誘導の例である。２つのプレートのそれぞれの電荷中心間の距離が増加するにつれて、負荷を介した電気的吸引力がギャップを横切る静電吸引力を克服し始めるので、ギャップを横切る２つの間の吸引電界は弱まり、２つの外側電極間の増加した電位差をもたらす。

この方法では、摩擦電気発生器は、接触帯電（摩擦帯電）と静電誘導の２つの主な物理的機構の間の結合を介して機械的エネルギを電気エネルギに変換する。

プレートの電荷中心間の相互分離を周期的に増減することにより、電流がそれに応じてプレート間を行き来するように誘導されることができ、それによって負荷を横切る交流電流を発生させる。電力出力は、ミクロンスケールのパターンをポリマーシートにつけることによって増加させることができる。パターニングは、接触面積を効果的に増加させ、それによって電荷移動の有効性を高める。

最近、非特許文献３に開示されているように、この効果を利用する発電（エネルギハーベスティング（energy harvesting））及び電力変換のための新興材料技術が開発されている。この効果に基づいて、いわゆる摩擦電気ナノ発電機（“ＴＥＮＧ”）又は摩擦電気発電機（“ＴＥＧ”）のいくつかのデバイス構成が開発されている。

２０１２年の最初の報告以来、ＴＥＧの出力電力密度は大幅に向上している。体積電力密度は１立方メートル当たり４００キロワット超に達し、〜６０％の効率が実証されている（同上）。高出力性能に加えて、ＴＥＧ技術は、低製造コスト、高信頼性と堅牢性、及び低環境負荷のような多数の他の利点を持っている。

ＴＥＧは、発電機、すなわち、例えば振動、風、水、ランダムな体動又はさらに機械的に利用可能な動力から電気への変換からのエネルギハーベスティングとして使用されることができる。発生した電圧は電力信号である。

ＴＥＧは、大きく４つの主な動作上のクラスに分類される。

第１の動作モードは、垂直接触分離モードであり、ここでは、２つ以上のプレートが、加えられた力によって周期的に接触又は非接触にされる。これは、例えば、ユーザが歩くときにユーザによって加えられる圧力がプレートを接触させるのに利用される靴において使用され得る。そのようなデバイスの一例は、非特許文献４に記載されている。ここで、デバイスは、ジグザグ形状の基板上に形成された多層構造を含む。デバイスは、接触帯電による表面電荷移動に基づいて動作する。構造体に圧力が加えられるとき、ジグザグ形状は異なる層の間に接触が形成されるように圧縮され、圧力が解放されるとき接触は解除される。得られたエネルギは、例えばモバイル携帯機器の充電に使用される。

第２の動作モードは、線形スライドモードであり、プレートが、それらの間の重なり面積を変化させるために、互いに対して横方向にスライドするように仕向けられる。プレート全体に電位差が生じ、全体の重なり面積の変化率に比例した瞬間的な大きさを有する。繰り返しプレートを相互に重ならせたり離させたりすることによって、交流電流が、プレート間に接続された負荷を横切って確立されることができる。

エネルギが摺動運動から収穫されることを可能にする設計は、非特許文献５に開示されている。独立可動層（freestanding movable layer）が一対の静止電極の間をスライドする。可動層は、静止電極と接触しないように（すなわち、静止電極の上に小さい間隔で）配置されてもよく、又は摺動接触してもよい。

第３の動作モードは、１つの表面が、例えば接地され、例えば床の道路であり、負荷が、この第１の表面とグランドとの間に接続されている単一電極モードである（例えば非特許文献６を参照）。第１の表面に電気的に接続されていない第２の表面は、第１の表面と接触させられ、それを摩擦帯電させる。次に、第２の表面が第１の表面から離れて動かされると、第１の表面の過剰電荷がグランドに駆動され、負荷を横切る電流を供給する。したがって、（単一層上の）単一の電極のみが、この動作モードでは出力電流を供給するために使用される。

第４の動作モードは、電気的接続がなされていない任意の移動物体からエネルギを得るように設計された独立摩擦電気層（freestanding triboelectric layer）モードである。この物体は、例えば、通過する車、通過する列車、又は靴である。（再び、非特許文献３を参照）。

接触帯電に基づく二重アーチ形状構成のような、摩擦電気発電機のさらなる設計がなおある。圧力が、アーチ層の間で接触するようにアーチを閉じさせ、圧力が解放されるとアーチは開いた形状に戻る。周囲の振動からエネルギを取り込むための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。

開発されているリニアスライディングモードＴＥＧの１つの特定のサブセットは、接触（すなわち、連続的な摩擦帯電及び静電誘導）又は非接触モード（すなわち、最初の接触帯電後の静電誘導のみ）の両方で動作できる回転ディスクＴＥＧである。回転ディスクＴＥＧは、典型的には、それぞれが離間した円のセクタ（セグメント）のセットとして形成された少なくとも１つのロータと１つのステータとからなる。セクタは、２つのディスクが互いに対して回転するとき、重なり合い、次いで分離する。上述のように、電流が、２つの横方向に摺動する−反対に帯電した−層の間に誘導され、重なり領域の変化率に比例した大きさを伴う。ロータの連続的に離間した各セクタは、所与のステータセクタと重なり合い、その後離れていくので、電流が、２つのセクタプレートの間で、プレートが重なりを増加させるとき、最初に第１の方向に、次いで、プレートが重なりを減少させるとき、反対方向に、誘導される。

セグメント化構造のディスクＴＥＧの初期のバージョンの限界（非特許文献７）は、回転及び静止摩擦電気層が、金属電極の付着（deposition）及び電気リードとの接続を必要とし、回転部分の不便な動作につながることである。

回転ディスク上の独立摩擦電気層とともに、固定ディスク上に付着されたパターン化電極の両方のグループを有するディスクＴＥＧは、非特許文献８に開示されるように、これらの課題を解決することができる。

このような構造では、回転部分の電極付着又は電気的接続が不要であり、エネルギハーベスタの動作設備を大幅に向上させることができる。

回転ディスクＴＥＧ、及び実際には大概の線形スライディングモードＴＥＧは、接触モード及び非接触モードの両方で動作することができる。接触がプレートを摩擦帯電させるために望まれる（最初とその後の両方で、漏れを打ち消すために）が、（それによって電気エネルギが生成される）静電誘導プロセス自体は、プレート間の接触を必要としないが、（例えば、約０．５ｍｍの）小さいプレート分離で良好に動作する。

プレートが連続的に帯電され、したがって、漏れなどによって失われた電荷の連続的な補充（replacement）によって、ある理論的な最大電荷容量（バイプレートシステムの静電容量によって規定される）に連続的に維持されるので、プレートが連続的な摩擦接触状態に維持される接触モードでの動作は、より高い電力出力をもたらす。プレート上に維持されることができる電荷が大きくなるほど、当然のことながら、より大きな電荷密度は、プレート内の電子間のより大きな静電力を含むので、発生することができる静電誘導出力は大きくなる。

しかしながら、接触モードでの動作は、余分な騒音の発生及び表面の摩耗によるデバイス材料の劣化を含む、様々な困難をもたらす。

出願人は、発電機の動作モードが、その間にプレートが摩擦帯電される接触モードと、その間にエネルギが静電誘導によって生成（又は変換）される非接触モードとの間で（例えば断続的に）切り替えられ得る摩擦電気発電のためのシステムを提案している（しかし未公開）。コントローラは、プレートの検出された表面電荷状態に依存して接触フェーズ及び非接触フェーズのタイミング及び／又は持続時間を制御することができる（又は、代替的には、この方法で２つのフェーズを制御するのに使用するための情報を出力することができる）。プレート上の電荷が特定の閾値を下回るとき、例えば、コントローラは、プレートを接触させるように駆動機構を制御し、それによって接触モード（又は帯電モードフェーズ）を開始することができる。プレート上の電荷が再び特定の閾値を超えると、例えば、コントローラは、２つのプレートを分離させるようにドライバを制御し、非接触（又はエネルギ発生）モードを開始することができる。このプロセスは、プレートの帯電状態に応じて、プレート間の周期的に作られてその後断たれる接触を伴って、連続的に繰り返されることができる。

回転ディスク発電機のような線形スライディング摩擦電気発電機の欠点は、発生する平均電力が時間とともに変化するという事実である。これらの変動の原因は次のとおりである：
発電機が接触帯電モードで動作するときのロータ及びステータの表面が摩耗する。装置の寿命を減少させることに加えて、このモードで長期間動作するとき、発電機の電力レベルは低下する。
ロータに保持された電荷が漏れることがある。したがって、非接触静電誘導モードで動作するとき、電力レベルは時間とともに減少する。

典型的には、発電機は負荷に電力を供給する。この負荷は、例えば、バッテリ、キャパシタ、センサ、又は電子回路であることができる。ほとんどの場合、負荷に印加される信号の電力レベルは一定でなければならない。大きい電力レベル変動は、負荷が正しく動作することを妨げ得る。例えば、大き過ぎる電力レベルが適用されることができ、これは、負荷に対する安全性の問題を生じさせる可能性がある。一方、電力レベルは、最小必要レベルより小さくてもよい。この状況では、発電機に接続される電子回路は、例えば、機能を停止することもあり得る。

解決策は、可変電力信号を、負荷に印加することができる一定の電力信号に変換する電力変換回路を実装することである。しかし、そのような実装は、システムの複雑さ、サイズ及びコストを増加させ、したがって望ましくない。さらに、電力変換ステージはある電力レベルを消費し、これは、電力変換ステージがより複雑になる必要があるほど大きくなる。これは、場合によっては、システムの効率を無視できないレベルに減少させることがあり得る。

上述のように、摩擦電気材料の周期的であるが一時的な短い接触を用いて発電機を動作させることにより、静電誘導モード中に発生する電力レベルの減少は、短時間の間、接触帯電モードで発電機を動作させることによって補償される。しかし、このアプローチは、継時的に一定の電力レベルを提供しない。

したがって、電力変換ステージが単純化され得るように、より一定の電力出力を提供することができる発電又は電力変換方法が望まれている。上記のような摩擦電気発電機においてこの一定の出力電力の必要性があるが、非接触静電発電機においても必要性があることに留意されたい。例えば、完全に非接触モードで動作する発電機は、静電誘導に基づいて電力を生成するが、接触帯電プロセスがないので、摩擦電気効果の使用はない。したがって、本発明は、摩擦電気発電機に限定されない。

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本発明は、特許請求の範囲によって規定される。

本発明の態様によれば、エネルギ変換システムが提供され：
運動に応じて電力を発生する発電機であって、発電するように互いに対して動かされる第１及び第２の要素を有する、発電機と；
発電機の出力電力又は電圧の変動を減らすようにエネルギ発生モード中に、第１及び第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置を制御する駆動機構と；
を有する。

このシステムは、より一定の電力発生を実現するために、エネルギ発生モードの間に発電機の要素の物理的位置又は運動を制御する。これは、必要な電力変換回路が単純化されることを可能にする。相対的な位置は、線形相対シフト又は回転（角度）相対シフトを実施することによって変更されることができる。角度シフトは、ロータ又はステータの主平面（general plane）と平行な軸の周りにあり得る。

駆動機構は、エネルギ発生モード中に一定の出力電力を維持するように適合されるコントローラを有し得る。

いくつかの例では、第１及び第２の要素は、互いに接触させられるとともに非接触にさせられる（brought into and out of contact）ことができ、駆動機構は、第１及び第２の要素を接触させるとともに非接触にさせるようにさらに構成され、エネルギ変換システムは、第１及び第２の要素が駆動機構によって接触させられる（例えば断続的な）帯電（充電）（charging）モードと、第１及び第２の要素が非接触であるエネルギ発生モードとを有する。

これは、摩擦電気発電器に適している。接触モードの使用は、増大した発電能力を提供するとともに摩擦電気効果を利用する。

駆動機構は、エネルギ発生モードの間に電力又は電圧を制御するように適合されるコントローラを有し得る。この方法では、例えば、発電機の電力出力に関するフィードバック情報に基づいて、例えば、一定の出力電力を維持する駆動機構の能動制御がある。発電機出力の電圧、又は電流、又は電流及び電圧の測定値が、フィードバックパラメータとして使用され得る。

一組の例では、駆動機構は、エネルギ発生モードの間、第１の要素と第２の要素との間の間隔を変更し得る。発生する電力は、要素間の間隔に依存する。間隔の減少は、増加した電力発生をもたらすことができる。従って、間隔は、電荷漏れを補償するために、エネルギ発生モード中に経時的に減少され得る。

駆動機構は、電気活性ポリマーアクチュエータを有し得る。代替的には、駆動機構は、圧力制御システム、例えば、空気スラスト軸受を有し得る。これらは、要素間の間隔を能動的に制御するための２つの可能な選択肢であるが、他のアクチュエータが代わりに使用されることもできる。

例えば、他のメカトロニクス作動要素が、非限定的な例として、ステッパモータ、モータ駆動ネジ、制御電磁石、あるいは油圧若しくは空気圧シャッタ又はバルブを含み得る。

コントローラは、エネルギ発生モード中に第１の要素と第２の要素との間の間隔をゼロに減少させるように適合されることができ、それにより帯電モードの移行を実現する。この方法では、間隔は、エネルギ発生モードの間にゼロまで漸減され、その時点で帯電モードが実行される。

他の一組の例では、駆動機構は、エネルギ発生モードの間に第１の要素と第２の要素との間の傾斜角度を変え得る。これは分離を変更する別の方法を提供し、これは実装がより簡単であり得る。第１及び第２の要素は、対応する表面で互いに対向することができ、表面の一方又は両方は非平面である。これは、表面が、磨耗及び／又は摩擦を減らすために、漸進的に一緒にされることができることを意味する。

第１及び第２の要素は、互いに対して回転可能な第１及び第２のディスク要素を有することができ、システムは、第１の要素と第２の要素との間に相対運動を発生させるモータをさらに有する。発電機は、その結果、被駆動回転速度による回転ディスク発電機である。駆動機構は、その結果、モータを駆動し、それによってエネルギ発生モード中に第１の要素と第２の要素との間の相対回転速度を制御するように適合されるコントローラを有し得る。

この場合、システムは、エネルギを得るのではなくエネルギを変換するために使用され得る。モータが駆動され、エネルギ変換システムによって実現される機械的結合がある。結合部分は電気エネルギを発生させる。これは、構成要素間の電気的結合の必要性を回避し、それにもかかわらず、内部エネルギ源の必要なしに分離した構成要素（isolated component）における電気エネルギ発生を可能にする。

コントローラは、第１の要素と第２の要素との間の一定の分離を伴うエネルギ発生モード中に、第１の要素と第２の要素との間の相対回転速度を制御するように適合され得る。この速度の変化は、電荷漏れを補償する。

相対回転速度は、例えば増加され得る。他の例では、出力電力は、例えば分離距離を増加させることによって、減少される必要があり得る。

駆動機構は、第１の要素及び／又は第２の要素に協調して（co-operatively）結合される１つ又は複数の螺旋パターン層要素（spiral-patterned layer elements）を有することができ、螺旋パターン層要素は、相対回転速度が第１の要素と第２の要素との間の間隔を決定するように、回転に応じて、第１の要素と第２の要素との間に流体力学的揚力（ここで、「流体力学的」は概して流体力学、すなわち、気体及び液体の流動動力学、を指す）を発生させるためのものである。要素が互いに対して回転するとき、螺旋パターンは、２つの間に流体力学的揚力を誘起し、力の大きさは相対回転速度に関連する。ディスクが、例えば、ある小さな弾性の内向きの付勢（elastic inward bias）にさらされる場合、回転速度の増加は、プレート間の分離の比例した増加をもたらす。ディスクのその後の減速は、結果的にディスク要素間の間隔の狭小化をもたらす。

この方法では、要素の間の分離は、相対回転速度を制御することによって、間接的に制御され得る。この場合、コントローラは、エネルギ発生モード中に、第１の要素と第２の要素との間の相対回転速度を減少させ、それによって、第１の要素と第２の要素との間の分離を減少させるように適合され得る。この間隔の減少は電荷漏れを補償する。

上記の例は、要素の相対的な位置又は運動の能動的な制御を利用している。受動的アプローチが代わりに採用されてもよく、そこでは制御はエネルギハーベスティングシステムの外部刺激に依存する。

例えば、駆動機構は、この場合も同様に、第１の要素及び／又は第２の要素に協調して結合される、１つ又は複数の螺旋パターン層要素を有することができ、螺旋パターン層要素は、相対回転速度が第１の要素と第２の要素との間の間隔を決定するように、回転に応じて、第１の要素と第２の要素との間に流体力学的揚力を発生させるためのものである。相対回転速度は、外部入力力に依存する。

モータユニットは必要ない。プレート間の分離はこの場合も同様に相対回転速度に依存するが、発電機の主モータドライバは、風力タービン又は水力タービンなどの外部機械ソースを有する。この方法では、より一定の出力電力が、より遅い回転が発電を増加させるように要素を互いに接近させ且つより速い回転が要素をさらに離すという点で、自動的に得られる。

追加のメカトロニクス構成要素が、例えば、抵抗を提供することによって必要に応じて外部供給ソースの効果を制限又は抑制するために追加的に利用され得る。

この方法では、速度は、最大（機械的抵抗が外部モータソースに印加されない場合）と最小（最大抵抗力がモータソースに印加される場合）との間で変化し得る。

システムは、第１の要素及び／又は第２の要素の表面帯電の状態に依存するパラメータを検出するセンサと、例えば発電機の出力電圧に基づいて、第１の要素及び／又は第２の要素の表面帯電の状態に依存して帯電モードのタイミング及び／又は持続時間を制御するコントローラと、を有し得る。

２つのフェーズ（接触及び非接触）のタイミングは、例えば、プレートの間の全接触時間を最小にしながら、特定の所望の出力容量の実現のために、特定の最小プレート電荷の維持を確実にするように、最適化され得る。この方法では、出力負荷が所望の最小レベルを下回らないことを確実にしながら、ノイズ及び表面摩耗が最小化され得る。

コントローラは、発電機の出力負荷電圧を受信するための比較回路を有し得る。プレートの表面電荷が摩擦帯電プロセス後の（非接触フェーズ）期間に漏れるとき、発電機の出力電力及び出力電圧は低下する。したがって、表面帯電の状態は、時間に応じて出力電圧又は出力電力のいずれかを監視することによって評価され得る。したがって、実施形態では、比較回路が、瞬時出力電力をある基準値と比較し、例えば、それに応じて出力信号を生成するように、使用され得る。

本発明の別の態様による例は、エネルギ変換方法を提供し：
発電機を動作させるステップを含み、前記発電機は、運動に応じて電力を発生させるとともに、第１及び第２の要素を有し、発電機を動作させるステップは：
発電機の出力電力又は電圧の変動を減少させるように、エネルギ発生モード中に、第１の要素及び第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置を制御するステップを含む。

この方法は：
要素が接触している帯電モードと、第１及び第２の要素が非接触であるエネルギ発生モードとを（例えば、交互に）実現するように、（例えば断続的に）第１及び第２の要素を接触させるとともに非接触にさせるステップを含み得る。

これは、摩擦電気発電機に適している。

この方法は、エネルギ発生モード中に一定の出力電力又は電圧を維持するステップを含み得る。

この方法は：
エネルギ発生モード中に第１の要素と第２の要素との間の間隔を変更する、例えば減少させるステップ；又は
第１の要素と第２の要素との間の相対回転を発生させ、エネルギ発生モード中に、第１の要素と第２の要素との間の相対回転速度を一定の分離で制御するステップ；又は
第１の要素と第２の要素との間の相対回転を発生させ、相対回転に応じて流体力学的揚力を発生させるステップであって、方法は、それによって第１の要素と第２の要素との間の分離を制御するように、エネルギ発生モード中に第１の要素と第２の要素との間の相対回転速度を制御するステップを含む、ステップ；又は
エネルギ発生モード中に第１の要素と第２要素との間の相対的な角度方向の変化を発生させるステップ；又は
エネルギ発生モード中に第１の要素と第２の要素との間の横方向の相対位置の変化を発生させるステップ；
を含み得る。

上述の相対回転速度は、出力電力の必要とされる制御に応じて増減され得る。

本発明の例が次に添付の図面を参照して詳細に説明される。

例示の回転ディスク摩擦電気発電機に関するピーク電力出力とプレート分離との間の関係を示すグラフを示す。 第１の例示の摩擦電気エネルギ変換システムのブロック図を示す。 発電機においてプレート分離をどのように制御するかの一例を示す。 第２の例示の摩擦電気エネルギ変換システムのブロック図を示す。 第３の例示の摩擦電気エネルギ変換システムのブロック図を示す。 流体力学的空気スラスト軸受を有する例示の自己調整回転ディスクＴＥＧのための例示の螺旋パターンを示す。 第４の例示の摩擦電気エネルギ変換システムのブロック図を示す。 ロータ及びステータ構成を制御するための第１の代替の方法を示す。 ロータ及びステータ構成を制御するための第２の代替の方法を示す。 ロータ及びステータ構成を制御するための第３の代替の方法を示す。 ロータ及びステータ構成を制御するための第４の代替の方法を示す。 ロータ及びステータ構成を制御するための第５の代替の方法を示す。 ロータ及びステータ構成を制御するための第６の代替の方法を示す。

本発明は、運動に応じて電力を発生させる摩擦電気発電機を有する摩擦電気エネルギ変換システムを提供し、前記発電機は、エネルギ発生モードにおいてエネルギを発生する第１及び第２の要素を有する。いくつかの例では、これらは、エネルギ変換システムが、第１及び第２の要素が駆動機構によって接触させられる（例えば）断続的帯電モードと、第１及び第２の要素が非接触であるエネルギ発生モードとを有するように、駆動機構によって互いに接触及び非接触にさせられることができる。第１及び第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向きは、摩擦電気発電機の出力電力の変動を減少させるようにエネルギ発生モード中に制御される。このシステムは、より一定の電力又は電圧発生を実現するようにエネルギ発生モード中に発電機の要素の物理的位置又は運動を制御する。これは、必要な電力変換回路が簡略化されることを可能にする。

摩擦電気発電機は、非接触モードで動作することができるが、摩擦帯電のために密接な接触も利用する場合には、より高い電力出力を提供する。しかし、接触モードで動作させることは、ノイズ及び装置寿命（表面摩耗）に関する問題をもたらす。

本発明は、非接触モードでのみ動作する装置、又は接触帯電を含む装置に適用されることができる。接触帯電が所望される場合、周期的であるが一時的な摩擦電気材料の短い接触が可能にされ得る。非接触モードの使用は、ノイズ、摩擦及び装置寿命に関する問題を克服する。

プレート分離距離は発生する摩擦電気電圧及び電力出力に大きな影響を及ぼすので、回転ディスク発電機の回転ディスクのような発電機要素間の間隔は特に重要である。

図１では、ＰＴＦＥロータを有する例示的な回転プレートＴＥＧに関する、ｍｍでのプレート分離（ｘ軸１０）とｍＷでのピーク出力（ｙ軸１２）との間の測定された関係を示すグラフが示されている。上述したように、プレートが接触しているとき（すなわちゼロのプレート分離）、出力は最大であり、約０．５ｍＷの図１について測定された例示のロータのピーク出力に達する。プレート分離が増加するにつれて、ピーク電力出力は非常に急激に低下し、わずか０．５ｍｍの分離が約８０％の出力低下をもたらし、ピーク電力はわずか０．１ｍＷに低下する。２ｍｍの分離では、電力出力はほぼゼロにまで低下している。

装置の寿命の間、出力発生曲線は矢印１４で示すように左にシフトする。これは、同じ電力出力Ｐを達成するために、矢印１６で示すように、低減されたギャップサイズが必要であることを意味する。

駆動される負荷に応じて、出力電力は一定に保たれるべき最も重要なパラメータであり得る、あるいは出力電圧又は出力電流が一定に保たれるべき最も重要なパラメータであり得ることに留意されたい。

一例における本発明は、より安定した電力、電圧出力、又は電流出力を提供するように、ギャップ制御を利用する。しかし、同じ目的を達成するために、相対速度又は他の相対位置パラメータのような他のパラメータが制御されてもよい。

図２は、このシステムの一つの例示の構成のブロック図を示す。この例では、回転ディスクＴＥＧ２４の形態の摩擦電気発電機が例示目的のために示されているが、当業者であれば、構成が他の種類の摩擦電気発電機（前のセクションで論じられたような）に同様に適用され得ることが理解されよう。発電機は、ロータ２６及びステータ２８の形態の発電機要素を有する。ＴＥＧ２４のロータ２６は、機械式駆動装置３０の機械的出力に動作可能に結合される。機械式駆動装置は、システムによって電気エネルギに変換されることになる、運動エネルギ又はモータエネルギの入力源を提供する。

いくつかの特定の例では、回転ディスクＴＥＧが使用されることができ、ステータ２８は、一連の配置された（導電性の）電極を有し、一方、ロータ２６は、誘電（非金属）材料の独立層を有する。さらに、（非特許文献８で論じられているように）、このような構造では、発電機の運転設備を劇的に改善する、回転部品のための電極付着又は電気接続の必要性はない。

機械式駆動装置３０は、いくつかの実施形態では、例えば、風力又は水力駆動タービン、振動エネルギソース、又は運動の事象（motor events）の人間駆動ソースのような、「外部」ソースを含み得る。この場合、システム２２はエネルギハーベスティングシステムとして機能し、そうでなければ失われた外部発生エネルギが捕捉されて電気エネルギソースに変換される。しかし、代替実施形態によれば、機械式駆動装置は、例えばモータユニットのような、システム自体の「内部」のソースを有し得る。この場合、システム２２はエネルギ変換機能を単に提供し得る。

ＴＥＧ２４の一方又は両方のプレート２６、２８に動作可能に結合されるのは、摩擦電気発電機の出力電力、電圧又は電流の変動を減少させるように、エネルギ発生モード中に第１及び第２の要素間の間隔を制御する駆動機構３４である。これはコントローラ３６によって制御される。

本発明は、エネルギ発生中の摩擦電気発電機の構成の制御に関する。しかし、周期的接触帯電のための発電要素（例えば、ロータ及びステータ）の間の分離の制御も図２を参照して詳細に説明される。

ＴＥＧ装置２４の電気出力４０にはシュミットトリガ回路４２があり、その出力はＶ_ｏｕｔ端子４４、並びにリレースイッチ４６の信号入力に接続されている。シュミットトリガ回路４２は、リレースイッチ４６及びコントローラ３６と協働して、プレート接触及び非接触フェーズのタイミング及び持続時間を制御する、システム２２のためのコントローラとして機能する。

接触モードと非接触モードとの間のプレートの移動は、発電機出力電圧４０に応じてシュミットトリガ回路４２によって制御される。例えば、シュミットトリガ回路は、発電機出力電圧／電力の初期レベルを評価し、出力電力／電圧の低下を監視し、十分な表面電荷が失われ、新しい摩擦帯電フェーズの開始を必要とすることを示すために、その出力を高出力から低出力に切り替えるように適合される。これに応じて、シュミットトリガ回路出力４２に関連して、リレー４６が、対応して切り換えられ得る。コントローラ３６は、ＴＥＧプレート２６、２８を接触モード位置に動かすように駆動機構３４をトリガすることによって、リレー４６の切り替えに応答する。

さらに、一旦摩擦帯電プロセスがトリガされると、制御エレクトロニクスはさらに、プレートが帯電するときの出力電圧／電力の増加を監視し、十分な表面電荷が獲得され、新しいエネルギ発生（非接触）モードフェーズの開始が可能であることを示すために出力を切り替えるように適合され得る。これに応じて、リレー４６は対応して切り換えられ得る。その後、コントローラは、ＴＥＧプレート２６、２８を非接触モード（発電モード）位置に動かすように駆動機構３４をトリガすることによってリレー４６の切り替えに応答する。

非限定的な例として、シュミットトリガ回路は、上記の例によれば、以下の出力を発生させるように適合され得る：

第１の状態（Ｖ_ｏｕｔ＝０）は接触モードを開始し、第２の状態（Ｖ_ｏｕｔ＝１）は非接触モードを開始する。

第１の例では、コントローラは、ある規定された範囲内に−帯電中に到達するときに帯電が終了されることをトリガするある規定された最大値と発電中に到達するとき帯電が開始されることをトリガするある規定された最小値との間に−プレート上の電荷を本質的に維持するように駆動機構３４を制御する。その結果、電力出力は同様に、ある値の範囲内に−帯電が最大であるときの最大値と帯電が最小であるときの最小値との間に−維持される。プレート間の接触は、閾値帯電範囲を維持するのに必要な最小限にのみ制限される。

本発明によれば、より平坦な出力電力又は電圧プロファイルを生成する制御もある。

この第１の例では、電力制御は、ロータ２６とステータ２８との間の分離を使用して実施される。多くの用途は固定されたレベルの電力（又は電圧、又は電流）を必要とする。電力変換エレクトロニクスを単純化するために、回転ディスクＴＥＧは、ロータとステータとの間の分離ギャップを制御することによって、固定された電力（又は電圧、又は電流）レベルを発生する。

出力信号は、負荷に直接印加されてもよいし、さらなる信号処理回路を通って印加されてもよい。

第１のフェーズでは、ロータ２６はステータ２８と接触している。ロータとステータとの間の接触帯電（摩擦帯電）によって電気が発生する。

ロータとステータとの間の分離ギャップはその後、ＴＥＧが規定された電力レベル又は電圧レベル（図１のＰ）を発生するようにある値（例えば、図１のｄ０）に固定される。電気は、この状態において、静電誘導によって発生する。

使用中、表面電荷は電荷漏れにより徐々に失われる。発生した電力（又は電圧）を一定に維持するために、ロータとステータとの間の分離ギャップは、例えば図１のｄ１に減少する。

分離ギャップがゼロに達する（すなわち、ロータとステータとの間に接触がある）とき、サイクルは第１のフェーズに戻る。電気は、この状況では、接触帯電によって発生する。

これらのサイクルの多くの後、ロータ及びステータの表面は、周期的な接触帯電の結果として磨耗する。（接触モードのときに）発生することができる最大電力が特定の値以下である場合、例えば発電曲線が曲線１８にシフトした場合、表面が、清掃される、修復される必要があること、又はＴＥＧが交換される必要があることの表示がユーザになされることができる。

このアプローチは、電荷漏れに起因する時間の経過に伴う電力の減少に限定されない。プレート分離の動的制御はまた、外部外乱が発電機に加えられるときに一定の出力電力（又は電圧）を維持するためにも使用され得る。

駆動機構３４には様々な可能性が存在する。いくつかの例では、単純なステッパモータが、異なる相対位置間のプレートの運動を作動させるために用いられ得る。例えば、駆動機構３４は、２つのプレート２６、２８の一方だけに動作可能に結合されるステッパモータを有し得る。他方のプレートは、固定された絶対（軸方向）位置に維持され、プレート間の分離は、プレートの第１のものに取り付けられたステッパモータを、その様々なステップの間で動かすことを通じて、作動される。接触モード位置及び非接触モード位置は、モータの多数のステップによって分離される。

別の例では、駆動機構は、モータ駆動スクリューを有し得る。ここでは、ねじ付きロッド（スピンドル）が、ロータ、ステータ又はその両方に螺合される。プレート分離の調節は、この構成では、プレートをスピンドルの周りで回転させ、それによって回転運動をロッドに対する直線運動に変換するように、駆動機構の一部を利用することによって達成され得る。例えば、細かいねじ山のピッチは、プレートの位置決めの非常に精密な調整を容易にする。位置決定フィードバックが、例えば、スピンドル上の光学シャフトエンコーダによって達成されることができる。

別の例では、制御された電磁石が、ロータ２６及びステータ２８を一緒に引っ張るように用いられ得る。電磁石の電流を監視することは、この場合、フィードバック及び制御機構の一部を形成し得る。アルミニウムのような非磁性材料でできたロータの場合、永久磁石が、渦電流によって発生するディスク間の引っ張り力のために、使用されることができる。分離距離は、その後、発電機の回転速度によって調整されることができる。しかし、回転速度がＴＥＧにおいて一定に保たれる必要がある場合、又は回転速度がシステムによって制御されない実施形態（例えば、機械式駆動装置３０が外部ソースである場合）では、制御可能な電磁石が使用され得る。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、プレート間の分離は、ＥＡＰ（電気活性ポリマー）材料、及び／又はＳＭＭ（形状記憶材料）又は機械的作動が可能な任意の他の応答性材料（responsive material）の層を利用するアクチュエータによってもたらされ得る。

図３は、ロータ２６とステータ２８との間の分離距離が、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）アクチュエータ４８のようなアクチュエータによって制御される例を示す。ＥＡＰアクチュエータ４８は、ロータに対するステータの位置を制御する。ＴＥＧの出力電力（又は電圧、又は電流）が減少するとき、ＥＡＰアクチュエータは、ステータが出力パワーを一定に維持するためにロータの近くに動かされるように、（反対側は固定された機械的支持部に接触しているので）膨張し、ステータを押すように制御される。一方、ＴＥＧの出力電力（又は電圧）が増加するとき、ＥＡＰアクチュエータは、ステータが出力電力を一定に維持するためにロータから離れるように、収縮するように制御される。

いくつかの実施形態では、プレート分離機構は、バネ付勢（spring-loaded）「バルブ」を有し、プレートは、（例えばバネによって）一緒に弾性的に圧縮され、加圧された空気は、ロータとステータとの間に供給され、それによって、供給された空気の圧力に比例する又はそうでなければ依存する距離を有するプレート間の分離を提供する。バネによってもたらされる反力は、空気の供給が停止又は減少すると接触モードを誘発するための自動逆転機構として使用することができる。この実施形態又は他の実施形態によれば、例えば油圧式又は空気圧式に制御される、シャッタ又はバルブが、供給される空気の流量（flow rate）（したがって供給圧力）を制御するように使用され得る。

図４は、往復スライドＴＥＧ５２と協同して加圧空気圧駆動機構（pressurized air pneumatic drive mechanism）５０を有する１つの例示の装置を示す。空気圧駆動機構は、ＴＥＧのプレートの間に加圧空気を噴射し、それによって、（例えば、ばね、あるいは重力によって提供される）ある抵抗する圧縮力に対するプレートの相対分離を支持するスラスト軸受を提供する。この例によれば、プレート間の横方向のスライド運動は、ＴＥＧ５２の上部（スライド）プレートに協調して結合される風力タービン又は水力タービンを有する外部機械式駆動装置５６によって生成される。図２の例でのように、シュミットトリガ回路４２は、ＴＥＧ出力電圧４０の値に応じて接触及び非接触モードフェーズのタイミング及び持続時間を制御し、例えば、帯電（接触）モードが開始されることになるとき低出力に、発電（非接触）モードが開始されることになるとき高出力に切り替える。これらの高および低出力は、対応する出力を発生させるようにリレー４６をトリガし、これに応じて、コントローラ５４は、高圧（非接触モード）と低圧（接触モード）との間でＴＥＧのプレート間の噴射空気の圧力／流量を変えるように空気圧駆動機構５０を制御する。

この装置のいくつかの例では、空気圧駆動装置５０は空気の流量を制御し、したがって空気圧バルブを介して非接触モードと接触モードとを切り替える。

プレート間の分離を支持するためのベアリングを提供するための空気の使用は、これが、プレートを操作するためにプレートとの緊密な機械的接触を形成する部品の必要性を回避するので、特に望ましいことがある。これは、不必要な磨耗又は材料の歪みを回避又は低減し、ＴＥＧデバイス及び／又はドライバ構成要素の寿命及び／又は効率を増加させ得る。さらに、このような空気スラスト軸受は、装置全体の機械部品の数を減らし、潜在的な故障の原因を排除し得る。また、ジョイント／部品間の機械的接続に起因する摩擦抵抗がほとんどないので、空気スラスト軸受はよりエネルギ効率が良くなり得る。

上記の２つの例は、プレート分離を制御することに基づいている。出力電力又は電圧は、ロータ及びステータの相対回転速度を調整することによって同様に制御され得る。

図５は例を示す。機械式駆動装置３０はモータを有し、モータ速度はコントローラ３６によって制御される。

ＴＥＧは、駆動されるロータからステータに電力を伝達するために使用されており、ロータの回転速度を制御することが可能である。一定の出力電力又は電圧を達成するために分離距離が制御される前述の実施形態とは異なり、モータの回転速度は、この実施形態では、電力又は電圧出力が一定のままであることを確実にするように調整される。例えば、ロータの帯電状態が低下するとき、（電力は、回転速度に比例して変化するので）回転速度は、一定の電力出力を維持するように増加されることができる。あるいは、分離距離の変化が例えば摩耗の結果として生じる場合、図１を参照して説明される出力の変化は、回転速度を増加又は減少させることによって（少なくとも部分的に）補償されることができる。

動作のシーケンスは、その他の点では上記の通りである。回転速度はある点まで上昇し、その点に到達すると、それは接触帯電ステップが実行されることになることを示す指標として使用されることができる。従って、速度制御はまた、ゼロへの分離距離の減少が上記の第１の例の接触帯電モードをトリガするために使用されるのと同じ方法で、接触帯電モードをトリガすることもできる。

両方の例では、出力電力、出力電圧、又は出力電流が（電気出力４０から）測定される。測定された電圧又は電力が目標電圧、電流、又は電力を下回る場合、分離距離は減らされる、又は速度が増加される。測定された電圧、電流、又は電力が目標電圧、電流又は電力を上回る場合、分離距離が増加される、又は速度が減らされる。ヒステリシスが、フィードバック制御の安定した動作を保証するために使用され得る。ヒステリシスが小さいほど、出力電力（又は電圧、又は電流）の変動は小さくなる。

間接的に分離距離を制御する別の方法は、流体力学的揚力のソースを発生させるようにプレート自体の運動を使用する自己調整スラスト軸受を使用することである。この例によれば、螺旋パターンが、プレートが回転するとき、パターンが、プレートの間の空間に加圧空気の膜を生成し、プレートを押し離すよう作用するように、回転ディスクＴＥＧのプレートの内向き（inward-facing）表面に設けられる。

図６は、ＴＥＧのプレートに設けられ得る螺旋パターンの一例を示し、ｘ（６０）及びｙ（６２）軸はそれぞれ、ｍｍ単位の幅及び高さ測定値を表す。螺旋パターンは、ステータ、ロータ、又はその両方の上に刻印され（imprinted）得る（又は、彫られ、レーザ加工され、又は当業者に理解されるような他の適切な手段によって形成され得る）。

発生する流体力学的力の大きさは、回転速度に関係しているので、より速く回転するプレートはより大きい力の大きさを引き起こす。プレートは、例えば、プレート速度の増加及び減少−したがって揚力−が、プレート分離の安定した増加及び減少をもたらすように、プレートを一緒に押す、ある（小さい）内向きの付勢力にさらされ得る。この場合、ＴＥＧプレート自体の運動は、プレート分離の内向き及び外向き調整を直接的に駆動する。プレート分離は、このようにして非常に正確に制御されることができる。

このアプローチは、図５に示すシステムによって実施されることができ、機械式駆動装置は、相対速度を制御することによって間接的にプレート分離を実現するように制御されるモータ３０の形態である。

この例では、コントローラ３６が、ＴＥＧの出力電力（又は電圧、又は電流）がある閾値より小さいことを検出するとき、それは、その回転速度を低下させるために制御信号をモータに送る。ＴＥＧは螺旋溝構造を組み込んでいるので、ロータとステータとの間の分離距離の減少をもたらし、これはＴＥＧの出力電力（又は電圧）を増加させる。プレート分離の減少の効果は、速度の減少よりも優勢である。特に、出力電力は回転速度に線形に比例するが、出力電力は、分離距離をわずかに減少させることによって大幅に増加することができる。

コントローラ３６が、出力電力（又は電圧、又は電流）がある値を上回って増加することを検出する場合、それは、その回転速度を増加させるためにモータに制御を送信する。この動作は、ロータとステータとの間の分離距離の増加をもたらし、ＴＥＧの出力電力（又は電圧）を減少させる。

油圧軸受（hydraulic bearing）を使用する別の例では、図４の例のように、機械的運動のソースが、例えば風又は水のような「外部」の機械的ソースによって代わりに提供され得る。

この場合、プレートの速度は「ソース」で制御されることができない。

図７に示す最も簡単な実施では、機械式駆動装置３０は全く制御されず、油圧軸受の動作は受動的である。したがって、ロータの回転速度は制御することがより困難である。この実施形態では、ロータの回転速度は、電力出力の（線形的な）変化をもたらすだけでなく、ギャップの分離を制御することをさらに可能にする−回転速度が増加するにつれてギャップは増大する。この効果の組み合わせは、速度の増加に起因する電力の増加が、螺旋溝軸受によって発生するギャップの増加によって補償されるので、回転速度が変化する場合に、より一定の出力を維持するのに役立つ。

この最も基本的な装置は、周期的な接触帯電の制御を可能とせず、低電力非接触アプローチに使用され得る。しかし、プレートの分離は、例えば、それによって回転速度を制限するように外部入力に対して何らかの機械的抵抗を提供する１つ又は複数の追加の作動要素の使用によりさらに制御され得る。最大速度は、この場合、依然として外部ソースによって決定されるが、このソースの機械的出力に選択的に抵抗を加えることによって、ＴＥＧへのエネルギ伝達の速度が制御されることができる。この方法では、出力電力は、より正確に制御され得るが、周期的接触帯電モードも実施され得る。

上記の例では、平行分離距離及び／又は相対回転速度が制御される。

発電要素間の結合に影響を及ぼすために、相対的な向きの変更を実施する様々な代替方法がある。

図８は、ロータ２６とステータ２８との間の軸方向のミスアライメント（位置ずれ）（misalignment）が正確に制御される例を示す。上部の画像は、共通の中心軸を共有するロータ及びステータの完全なアライメント（位置合わせ）（alignment）を示し、下部の画像は、中心軸が互いにずらされていることを意味する横方向の位置ずれを示す。

回転ＴＥＧの出力電力は、この方法では、ステータとロータとの間の軸方向アライメント（axial alignment）を調整することによって制御される。一例では、ロータ２６は、回転軸に固定され、外力によって駆動される。ステータは、移動可能であり、例えば、ステータ／ロータの中心間の水平距離が正確に調整されるように、例えばスライドプラットフォームに取り付けられる。そのような意図的なアライメントの不一致は、出力電力を低下させ、正確な出力電力管理及びフィードバックを可能にする。

もちろん、ロータ及びステータの一方又は両方が調節可能な位置を有する、他の構成も可能である。

最大出力電力が必要とされるとき、ステータ／ロータ面は、同心に整列されるように戻る。より少ない電力が発電される必要がある場合、ステータはロータから離れてスライドし、ステータとロータの中心間の距離を増加させ、出力電力を減少させる。

さらなる例は、図９に示すように、ステータ２８とロータ２６との間の傾斜角を利用する。ロータ２６は、回転軸に固定され、外力によって駆動される。ステータ２８は、ステータ／ロータ面の間の角度が正確に調整されることができるように、傾動プラットフォーム上に取り付けられる。このような傾斜角は、正確な出力電力管理及びフィードバックを可能にする。最大出力電力が必要とされるとき、ステータ／ロータ面は平行になるように整列される。より少ない電力が発電される必要がある場合、ステータは、ロータから離れて傾けられることができ、したがって、ステータ／ロータ面の間の角度を増加させ、出力電力を減少させる。

ここでも、ロータとステータの一方又は両方が調整可能な傾斜を有する、他の構成が可能である。

回転ＴＥＧ（ロータ及びステータからなる）の出力電力は、したがって、ステータとロータとの間の傾斜角によって制御される。傾動運動は、任意の適切な方向（例えば、ｘ軸周り及び／又はｙ軸周り、ｘ軸及びｙ軸は共に固定されたロータの平面を画定する）で適用され得る。

この実施形態の利点は、傾動によって、制御された間隔がプレート間で実現される場合より相対位置をより正確に固定することが可能であることである。さらに、傾動は、ロータ及びステータの端部のみでの接触をもたらす。これは、電極構造がロータ／ステータの端部まで伸びないように選択される場合に、この場合、動作中（接触モードが使用されるとき以外）に装置のアクティブ領域の磨耗がないので、特に有利であることができる。端部だけが磨耗するが、それらは機能的に非アクティブである。

図１０は、電力制御が図９を参照して説明した傾斜角制御と組み合わせて凸状ロータ又はステータを使用することによって達成される例を示す。

図１０は、凸状に湾曲したステータ２８（下から見て凸状であり、上から見て凹状である）を示している。ロータが代わりに湾曲されるとともにステータが平坦であってもよく、あるいは両方が湾曲されてもよい。回転ＴＥＧの出力電力は、この場合も同様に、ステータとロータとの間の傾斜角によって制御される。ロータは、回転軸に固定され、外力によって駆動される。図９の例のように、ステータは、正確な出力電力管理及びフィードバックを提供するように、傾動プラットフォームに取り付けられる。

ステータとロータとの接触点又は近接触点は、傾動が生じる軸を変えることによって、シフトされることができる。ステータ表面に沿って接触点を周期的に移動させることは、平坦なステータと比較して、帯電モード中のより少ない摩耗及び／又は減少した摩擦をもたらす。

接触点は、全ステータ表面を完全に帯電させるようにステータのいたる所に動かされることができる一方、平らなステータ及びロータ構成は接触すると直ちに帯電を開始するので、湾曲した構成はまた、非帯電状態から完全帯電状態への滑らかな移行を可能にする。

図１１は、図８を参照して説明した軸方向のずれと、凸／凹ロータ及びステータ設計とを組み合わせる例を示す。出力電力は、ステータとロータとの間の軸方向アライメントを調整することによって制御される。上記の例のように、最大出力電力が必要な場合、ステータとロータの面は同心に整列される。より少ない電力が発電される必要がある場合、ステータはロータの中心から離れてスライドされ、したがって、ステータとロータの中心間の距離を増大させ、出力電力を減少させる。スライドは、直線的であってもよいが、位置ずれは代わりにステータの軸外回転（off-axis rotation）によって誘発されてもよい。

したがって、ミスアライメントは、横方向のミスアライメント又は軸方向のミスアライメントであるように制御され得ることが分かる。

別の例は、電力制御のためのボールジョイントロータ及びステータ設計を利用する。ボールジョイントは、一方が他方に対して回転可能であり、２つの間の制御可能な角度を有するボール及びソケットとして実施されるロータ及びステータを有する。

図１２（ａ）は、ボール及びソケットジョイントを示し、ロータ２６が、ステータ２８のソケット部に収容されるボールジョイント部で実現されている。それは、角度αだけ離れたロータ２６の２つの可能な角度位置を示している。

ロータ及びステータに関連する発電部品の注意深い設計（形状、面積及び／又は材料選択）によって、傾斜角度αに基づいて出力を変更することが可能である。分離距離はまた、“Ａ”で示される点の位置を調整することに基づいて制御され得る。

ロータ及びステータの半径は、１つの値に限定される必要はない。湾曲した楕円形のような複数の半径を持つ形状が、異なる出力信号を得るために使用されることができる。

ステータはまた、ロータとステータとの間の境界面を調整するように回転可能であってもよい。図１２（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、異なる可能なボール設計を示し、全ては、半径“ｒ”、面積“ａ”及び高さ“ｈ”を有する、球の部分に基づく。しかし、アプローチはボール又は半球に限定されない。楕円ベースの３Ｄ形状を使用してもよい。

最後の例は、図１３に示すような二重壁シリンダを使用することであり、一方はロータ２６として機能し、他方はステータ２８として機能する。直線相対調整（シリンダ軸に平行）は、図１３に“Ａ”で示される、シリンダの間の重なりに影響を及ぼす。このアプローチは、シリンダジの幾何学的形状に限定されるものではなく、円錐形、先細り形、及び弾丸形（円筒プラス半球）の幾何学的形状に基づくものであってもよい。相対位置Ａを調整することにより、接触面積又は重なり面積は、異なる出力信号を得るために変更されることができる。

上記の例から、出力電力は以下を変化させることによって調整されることができることがわかる：
相対位置調整に基づいて、２次元又は３次元のロータ及びステータの表面形状の間の重なりの程度；
均一な間隔の調整（すなわち、直線位置調整）又は相対的な向きの調整、例えば、不均一な間隔の形状を変化させる傾斜角（すなわち、配向調整）に基づいて、２次元又は３次元のロータ及びステータの表面形状の間の間隔の量；
ロータとステータの相対回転速度。

位置調整は、軸方向アライメント制御を提供するように、ロータ若しくはステータの平面内に、又はロータ若しくはステータの主平面（general plane）内（非平坦ステータ又はロータに関して）にあり得る、あるいは、間隔調整を提供するうように平面に垂直であり得る。

周期的接触帯電モードを利用する上記の例では、発電機の出力電圧の変化は、
接触（帯電）モード及び非接触（発電）モードフェーズのタイミング及び／又は持続時間を決定するために、使用される。また、コントローラが、プレート間の接触がいつ確立されたか及び接触が確立されているかどうかを決定することが望ましい場合もある。この情報は、プレートの分離を機械的に制御する駆動機構にリアルタイムのフィードバックを提供するために利用され得る。センサ要素はまた、接触がＴＥＧ２４のプレートの間でいつなされたか、及び接触がなされたかどうかを決定するために使用されてもよい。

分離ギャップが制御される上記の例では、分離距離は、連続的に調整されることができ、第１（最大）の分離距離と最終的なプレート接触状態との間で滑らかに移行する。他の例では、コントローラは、分離値の離散セットの１つの間でプレートを移動させるように適合されることができ、これらの値は、全範囲の値にわたって均一又は不均一な間隔を規定する。

いくつかの実施形態では、接触フェーズ及び非接触フェーズのタイミング及び／又は持続時間の制御は、ユーザ入力コマンドに応じて又はそれに依存して実行され得る。この場合、コントローラは、異なるモードのタイミング及び／又は持続時間を手動で制御するのに使用するために、プレートの帯電状態のような、システムのパラメータに関する情報を出力するように適合され得る。この出力情報は、例えば、提供されたディスプレイユニットを介して、又はスピーカ要素を介して、視覚的に又は音響的にユーザに伝達されてもよい。これは、代替的には、一例として、振動制御ハンドル又はジョイスティックを介して、触覚的に伝達されてもよい。ダイレクトユーザ−マシンインタラクションは、例えば一体型ジョイスティックのような、１つ又は複数のユーザフィードバック要素を介して可能にされてもよく、例えば、帯電状態又は発電機の他のパラメータに関する「ライブ」情報がユーザに中継されてもよく、ユーザがシステムを制御するための入力制御コマンドを提供する際に直接応答することを可能にする。

１つ又は複数の実施形態によれば、システムは、完全に「手動」の摩擦帯電及び発電機能を提供することができ、帯電及び非帯電モードフェーズのタイミング及び／又は持続時間は、様々なユーザ入力／出力要素を介してユーザによって制御され得る。接触及び非接触モードフェーズのタイミング及び／又は持続時間の制御は、ユーザ入力コマンドに応じて手動で選択可能に提供されることができるが、プレート分離のメカトロにクス又は他の制御／駆動は自動化されることができる。したがって、コントローラは、特定の専用ユーザ入力コマンドに応じて、帯電モード又は非帯電モードのいずれかへの開始又は移行を自動的に制御するように適合されてもよい。

上述の摩擦電気エネルギ変換システムの実施形態の用途は極めて多数である。特に、専用の電源、又はデバイスの主電源への電源ラインを提供する必要なしに、デバイス内の小再構成要素に電力を供給するための小さな電流ソースを生成する能力は非常に貴重である。通常動作の過程で、モータエネルギソースを生成するか又は他の方法でそれにアクセスする装置は、局所的に配置されたＴＥＧ発電機を介して電流又は／及び電圧を１つ又は複数の構成部品に供給することができる。

非限定的な例として、例えばシェーバ又は（手動又は電子）歯ブラシのような特定のパーソナルハンドヘルドケアデバイスは、これらのデバイス内の１つ又は複数の構成要素に電力を供給するために、本発明の摩擦電気システムを利用することができる。例えば、電動歯ブラシの特定の用途においては、歯ブラシが、ブラシのヘッドの中又はヘッドの周りに取り付けられた１つ又は複数のセンサを有することが有利であり得る。この場合、ヘッドケーシングが故障し、ワイヤが露出するか、さもなければ、ユーザの口の部分と導電接触すると、ユーザ帯電の結果としての危険性を招く可能性があるので、ブラシヘッドが歯ブラシの主電池源からの電圧を供給されることは望ましくない。この場合、本発明によるＴＥＧ変換システムは、ヘッド内に有利に組み込まれることができ、それによってヘッド内の１つ又は複数のセンサを駆動するのに必要な小さいレベルの電圧を発生するように、（歯ブラシ装置の主モータによって引き起こされる）歯ブラシヘッドの運動から運動エネルギを収穫する。

上述の駆動システム及び方法の例示的な実施形態は、特に、回転ディスク及び往復スライドプレート摩擦電気発電機に関して説明されている。しかし、これらの特定の例は、純粋に説明的且つ例示的なものとして理解されるべきであり、記載された方法及びシステムが全てのタイプの摩擦電気発電機に適用可能であることが当業者には理解されるであろう。

本発明は、以下の実施形態により概して要約されることができる：

［実施形態］
１． エネルギ変換システムであって：
運動に応じて電力を発生する発電機（２４）であって、発電するように互いに対して動かされる第１の要素（２６）及び第２の要素（２８）を有する、発電機と；
前記発電機の出力電力、又は電圧、又は電流の変動を減らすようにエネルギ発生モード中に、前記第１及び前記第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置を制御する駆動機構と；を有する。

２． 前記駆動機構は、前記エネルギ発生モード中に、一定の出力電力、又は電圧、又は電流を維持するように適合されるコントローラを有する、
実施形態１に記載のシステム。

３． 前記第１の要素（２６）及び前記第２の要素（２８）は互いに接触及び非接触にさせられることができ、前記駆動機構はさらに、前記第１の要素（２６）及び前記第２の要素（２８）を接触及び非接触にさせるためのものであり、前記エネルギ変換システムは、前記第１の要素及び前記第２の要素が前記駆動機構によって接触させられる断続的帯電モードと、前記第１の要素及び前記第２の要素が非接触であるエネルギ発生モードとを有する、
実施形態１又は２に記載のシステム。

前記駆動機構は、前記エネルギ発生モード中に、前記第１の要素と前記第２の要素との間の間隔を変更するように、例えば、減らすように適合されるコントローラを有する、
実施形態１乃至３のいずれかに記載のシステム。

５． 前記駆動機構は：
電気活性ポリマーアクチュエータを有する；又は
圧力制御システムを有し、前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔は、空気スラスト軸受によって制御される、
実施形態４に記載のシステム。

６． 前記コントローラは、前記エネルギ発生モード中に前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔をゼロに減少させるように適合され、それにより帯電モードの移行を実現する、
実施形態４又は５に記載のシステム。

７． 前記駆動機構は、前記エネルギ発生モード中に前記第１の要素と前記第２の要素との間の傾斜角度を変えるように適合されるコントローラを有する、
実施形態１乃至３のいずれか１つに記載のシステム。

８． 前記第１の要素及び前記第２の要素は、対応する表面で互いに対向し、前記表面の一方又は両方は非平面である、
実施形態７に記載のシステム。

９． 前記第１の要素（２６）及び前記第２の要素（２８）は、互いに対して回転可能な第１のディスク要素及び第２のディスク要素を有し、前記システムは、前記第１の要素（２６）と前記第２の要素（２８）との間に相対運動を発生させるモータをさらに有し、前記駆動機構は、前記モータを駆動し、それによって前記エネルギ発生モード中に前記第１の要素と前記第２の要素との間の相対回転速度を制御するように適合されるコントローラを有する、
実施形態１乃至８のいずれか１つに記載のシステム。

１０． 前記コントローラは、前記第１の要素と前記第２の要素との間の一定の分離を伴う前記エネルギ発生モード中に、前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記相対回転速度を制御するように適合される、
実施形態９に記載のシステム。

１１． 前記駆動機構は、前記第１の要素（２６）及び／又は前記第２の要素（２８）に協調して結合される、１つ又は複数の螺旋パターン層要素を有し、前記螺旋パターン層要素は、前記相対回転速度が前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔を決定するように、回転に応じて、前記第１の要素と前記第２の要素との間に揚力を発生させるためのものである、
実施形態９に記載のシステム。

１２． 前記コントローラは、前記エネルギ発生モード中に、前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記相対回転速度を制御し、それによって前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記分離を制御するように適合される、
実施形態に記載のシステム。

１３． 前記駆動機構は、前記第１の要素（２６）及び／又は前記第２の要素（２８）に協調して結合される、１つ又は複数の螺旋パターン層要素を有し、前記パターン層要素は、前記相対回転速度が前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔を決定するように、回転に応じて、前記第１の要素と前記第２の要素との間に揚力を発生させるためのものであり、前記相対回転速度は、外部入力力に依存する、
実施形態１に記載のシステム。

１４． 前記第１の要素及び／又は前記第２の要素の表面帯電の状態に依存するパラメータを検出するセンサと、例えば前記発電機の出力電圧に基づいて、前記第１の要素及び／又は前記第２の要素の前記表面帯電の状態に依存して前記帯電モードのタイミング及び／又は持続時間を制御するコントローラと、をさらに有する、
実施形態１乃至１３のいずれか１つに記載のシステム。

１５． エネルギ変換方法であって：
発電機（２４、５２）を動作させるステップを含み、前記発電機は、運動に応じて電力を発生させるとともに、電力を発生させるように互いに対して動かされる第１の要素（２６）及び第２の要素（２８）を有し、前記発電機を動作させるステップは：
前記発電機の出力電力又は電圧の変動を減少させるように、エネルギ発生モード中に、前記第１の要素及び前記第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置を制御するステップを含み、
前記方法は、オプションで、前記要素が接触している帯電モードと、前記第１の要素及び前記第２の要素が非接触である前記エネルギ発生モードとを交互に実現するように、前記第１の要素（２６）及び前記第２の要素（２８）を接触及び非接触に断続的にさせるステップをさらに含む。

さらに特定の実施形態が、添付の特許請求の範囲に開示されるとともに請求項に記載される。

本発明は、運動に応じて電力を発生する発電機を有するエネルギ変換システムとして簡単に要約することができ、発電機は、エネルギ発生モードでエネルギを発生する第１の要素及び第２の要素を有する。いくつかの例では、これらは、エネルギ変換システムが、第１の要素及び第２の要素が駆動機構によって接触される断続的帯電モードと、第１の要素及び第２の要素が非接触であるエネルギ発生モードとを有するように、駆動機構によって互いに接触及び非接触にされることができる。第１の要素及び第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置が、発電機の出力電力又は電圧の変動を減少させるようにエネルギ発生モード中に制御される。このシステムは、より一定の電力又は電圧発生を実現するために、エネルギ発生モード中の発電機の要素の物理的位置又は運動を制御する。これは、必要な電力変換回路が簡素化されることを可能にする。

開示された実施形態及び特許請求の範囲に対する他の変更は、図面、説明、及び添付の特許請求の範囲の研究から、開示された実施形態及び請求項に記載された発明を実施する際に当業者によって理解され達成され得る。特許請求の範囲において、「有する、含む（comprising）」という単語は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. エネルギ変換システムであって：
   運動に応じて電力を発生する発電機であって、発電するように互いに対して動かされる第１の要素及び第２の要素を有する、発電機と；
   前記発電機の出力電力、又は電圧、又は電流の変動を減らすようにエネルギ発生モード中に、前記第１の要素及び前記第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置を制御する駆動機構と；を有し、
   前記駆動機構は、前記エネルギ発生モード中に、一定の出力電力、又は電圧、又は電流を維持するように適合されるコントローラを有し、
   前記駆動機構はさらに、前記第１の要素及び前記第２の要素を、互いに接触及び非接触にさせるためのものであり、
   前記エネルギ変換システムは、前記第１の要素及び前記第２の要素が前記駆動機構によって接触させられる帯電モードと、前記第１の要素及び前記第２の要素が非接触であるエネルギ発生モードとを有する、
   エネルギ変換システム。
2. 前記駆動機構は、前記エネルギ発生モード中に、前記第１の要素と前記第２の要素との間の間隔を変更するように、例えば、減らすように適合されるコントローラを有する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記駆動機構は：
   電気活性ポリマーアクチュエータを有する；又は
   圧力制御システムを有し、前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔は、空気スラスト軸受によって制御される、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記コントローラは、前記エネルギ発生モード中に前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔をゼロに減少させるように適合され、それにより帯電モードの移行を実現する、
   請求項２又は３に記載のシステム。
5. 前記駆動機構は、前記エネルギ発生モード中に前記第１の要素と前記第２の要素との間の傾斜角度を変えるように適合されるコントローラを有する、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１の要素及び前記第２の要素は、対応する表面で互いに対向し、前記表面の一方又は両方は非平面である、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１の要素及び前記第２の要素は、互いに対して回転可能な第１のディスク要素及び第２のディスク要素を有し、前記システムは、前記第１の要素と前記第２の要素との間に相対運動を発生させるモータをさらに有し、前記駆動機構は、前記モータを駆動し、それによって前記エネルギ発生モード中に前記第１の要素と前記第２の要素との間の相対回転速度を制御するように適合されるコントローラを有する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記コントローラは、前記第１の要素と前記第２の要素との間の一定の分離を伴う前記エネルギ発生モード中に、前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記相対回転速度を制御するように適合される、
   請求項７に記載のシステム。
9. 前記駆動機構は、前記第１の要素及び／又は前記第２の要素に協調して結合される、１つ又は複数の螺旋パターン層要素を有し、前記螺旋パターン層要素は、前記相対回転速度が前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔を決定するように、回転に応じて、前記第１の要素と前記第２の要素との間に揚力を発生させるためのものである、
   請求項７に記載のシステム。
10. 前記コントローラは、前記エネルギ発生モード中に、前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記相対回転速度を制御し、それによって前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記分離を制御するように適合される、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記駆動機構は、前記第１の要素及び／又は前記第２の要素に協調して結合される、１つ又は複数の螺旋パターン層要素を有し、前記パターン層要素は、相対回転速度が前記第１の要素と前記第２の要素との間の前記間隔を決定するように、回転に応じて、前記第１の要素と前記第２の要素との間に揚力を発生させるためのものであり、前記相対回転速度は、外部入力力に依存する、
    請求項１に記載のシステム。
12. 前記第１の要素及び／又は前記第２の要素の表面帯電の状態に依存するパラメータを検出するセンサと、例えば前記発電機の出力電圧に基づいて、前記第１の要素及び／又は前記第２の要素の前記表面帯電の状態に依存して前記帯電モードのタイミング及び／又は持続時間を制御するコントローラと、をさらに有する、
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. エネルギ変換方法であって：
    発電機を動作させるステップを含み、前記発電機は、運動に応じて電力を発生させるとともに、電力を発生させるように互いに対して動かされる第１の要素及び第２の要素を有し、前記発電機を動作させるステップは：
    前記発電機の出力電力又は電圧の変動を減少させるように、エネルギ発生モード中に、前記第１の要素及び前記第２の要素の相対速度、間の間隔、又は相対的な向き若しくは位置を制御するステップを含み、
    前記方法は、オプションで、前記要素が接触している帯電モードと、前記第１の要素及び前記第２の要素が非接触である前記エネルギ発生モードとを実現するように、前記第１の要素及び前記第２の要素を接触させるとともに非接触にさせるステップをさらに含む、
    方法。

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