JP2020519219A - 摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路及びエネルギー管理方法 - Google Patents
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Abstract
摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させた後、前記２つの電極層を瞬時的に導通して瞬間的パルス電流を生成するためのパルス電流制御スイッチと、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを蓄積するための中間エネルギー蓄積素子と、前記中間エネルギー蓄積素子から出力された電気エネルギーを蓄積するための目標エネルギー蓄積素子と、を含む、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路及びエネルギー管理方法。パルス電流制御スイッチを設けることにより、摩擦式ナノ発電機の出力電流が小さいデメリットを解消し、瞬時的パルス大電流を出力して、瞬時的出力電力を向上させ、また、エネルギー変換及び蓄積過程における媒体として誘導性特性を有する素子を設けることにより、摩擦式ナノ発電機TENGの効率的なエネルギー蓄積を実現する。【選択図】図８
Description
この開示は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する技術分野に関し、特に、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換できる摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路及び管理方法に関する。
機械的エネルギーは、広く存在するエネルギーの形であり、波、風エネルギー、各種の運動物体の運動エネルギー、及び歩き、走り、跳びのような人体運動等の形が含まれる。これらの機械的エネルギーは、広く存在しているが、毎々無視される一方で、これを利用できる効果的な収集手段がなく、無駄にされるのが現状です。
現在、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機が利用する原理は、主に、静電気誘導、電磁気誘導及び特殊材料の圧電性等がある。しかしながら、既に発明された静電気誘導発電機には、体積が大きく、適用性が狭い等のデメリットがあり、電磁気誘導発電機及び圧電発電機には、普通、構成が複雑であり、材料に対する要求が高く、コストが高い等のデメリットがある。摩擦式ナノ発電機は、最近発明された機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する新規的な方式である。しかし、摩擦式ナノ発電機には、出力電流及び出力電力が小さいというデメリットがあり、そのエネルギーの蓄積効率が相当低く、実用するのは難しかった。
この開示は、パルス電流制御スイッチにより、摩擦式ナノ発電機の出力を瞬時的大電力に変換する電気的パルスのエネルギー管理方法に関し、摩擦式ナノ発電機により生成された静電気エネルギーを効率的に蓄積することができ、電子デバイスのために継続的な電源を提供できる。
上記の目的を達成するために、この開示は、
摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させた後、前記２つの電極層を瞬時的に導通して瞬間的パルス電流を生成するためのパルス電流制御スイッチと、
前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを蓄積するための中間エネルギー蓄積素子と、
前記中間エネルギー蓄積素子から出力された電気エネルギーを蓄積するための目標エネルギー蓄積素子と、
を含む、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路を提供する。
摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させた後、前記２つの電極層を瞬時的に導通して瞬間的パルス電流を生成するためのパルス電流制御スイッチと、
前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを蓄積するための中間エネルギー蓄積素子と、
前記中間エネルギー蓄積素子から出力された電気エネルギーを蓄積するための目標エネルギー蓄積素子と、
を含む、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路を提供する。
好ましくは、前記パルス電流制御スイッチは、前記２つの電極層の間の電位差が最大になる時に、前記パルス電流制御スイッチがオンになる位置に設けられる。
好ましくは、２つの前記パルス電流制御スイッチを含み、個々の前記パルス電流制御スイッチは、個別に前記２つの電極層を瞬時的に導通するように制御し、
２つの前記パルス電流制御スイッチがそれぞれオンになる時、前記中間エネルギー蓄積素子の両端と前記２つの電極層との接続は反対である。
２つの前記パルス電流制御スイッチがそれぞれオンになる時、前記中間エネルギー蓄積素子の両端と前記２つの電極層との接続は反対である。
好ましくは、前記パルス電流制御スイッチは接触型スイッチであり、２つのコンタクターと２つの接触端とを含み、前記コンタクターと接触端とは、それぞれ前記摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分に設けられ、前記摩擦式ナノ発電機の相対的な運動に伴って同期的に相対運動し、２つの前記コンタクターは前記中間エネルギー蓄積素子に接続し、前記２つの接触端はそれぞれ前記２つの電極層に連通されており、前記２つのコンタクターと前記２つの接触端とが接触すると、前記接触型スイッチはオンになる。
好ましくは、２つの前記接触型スイッチを含み、２つの前記接触型スイッチは、前記２つのコンタクターを共用している。
好ましくは、前記中間エネルギー蓄積素子はインダクタンス素子である。
好ましくは、前記インダクタンス素子的インダクタンスの範囲は、１μH〜１００Hの間であり、１mH〜５０Hの間であることがより好ましく、１００mH〜２０Hの間であることがさらに好ましい。
好ましくは、前記目標エネルギー蓄積素子はキャパシタンス素子である。
好ましくは、前記キャパシタンス素子はダイオードに接続してから、前記中間エネルギー蓄積素子に並列接続される。
好ましくは、前記キャパシタンス素子のキャパシタンスの範囲は、１μF〜１００mFの間であり、１００μF〜５０mFの間であることがより好ましく、５００μF〜２０mFの間であることがさらに好ましい。
好ましくは、前記摩擦式ナノ発電機は、２つの電極層を含み、２つの相対的に運動する部分の基本的な運動モードは、垂直接触分離モード（CS）、平行スライドモード（LS）、１電極接触構成（SEC）、摩擦層自由移動構成（SFT）、又は、接触型摩擦層自由移動構成（CFT）である。
対応的に、この開示は、
摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させるステップと、
前記２つの電極層を導通して瞬間的パルス電流を生成し、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを中間エネルギー蓄積素子に蓄積するステップと、
前記中間エネルギー蓄積素子における電気エネルギーを目標エネルギー蓄積素子に伝送するステップと、
を含む、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法を提供する。
摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させるステップと、
前記２つの電極層を導通して瞬間的パルス電流を生成し、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを中間エネルギー蓄積素子に蓄積するステップと、
前記中間エネルギー蓄積素子における電気エネルギーを目標エネルギー蓄積素子に伝送するステップと、
を含む、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法を提供する。
好ましくは、前記摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分にパルス電流制御スイッチを設けることにより、前記２つの電極層を導通させて瞬間的パルス電流を生成することを実現する。
好ましくは、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーは、インダクタンス素子に蓄積される。
好ましくは、前記インダクタンス素子における電気エネルギーをキャパシタンス素子に伝送し、ダイオードを設けて電流方向を制御する。
この開示は、従来技術に比べて、以下の有益な効果を奏する。
１．エネルギーを蓄積するための媒体としてインダクター等の誘導性特性を有する素子を用いることで、エネルギーを摩擦式ナノ発電機からキャパシターや電池等のエネルギー蓄積素子に蓄積する蓄積効率を向上させる。
２．機械的スイッチにより、エネルギーの変換及び蓄積過程を触発することで、複雑なスイッチ制御回路を設ける必要がなく、使用コストを低下させ、応用範囲及び柔軟性を増大させる。
３．パルス電流制御スイッチを設けることにより、同様な摩擦式ナノ発電機を用いる場合に、出力電流及び出力電力を大幅に高めることができ、摩擦式ナノ発電機の大電流、大電力の用途への応用を広げている。
図面の図示により、この開示の上記及びその他の目的、特徴、ならびに利点は一層明らかになる。各図面において、同一の符号は同一の箇所を示す。実際のサイズに比例して図面を作成しておらず、この開示の趣旨を示すことに着目している。
以下、この開示の実施例の技術案について、この開示の実施例の図面を参照しながら明確に、且つ完全に記述する。記述された実施例はこの開示の一部の実施例のみであり、全ての実施例ではないことは言うまでもない。この開示の実施例に基づいて、当業者が進歩性に値する労働なしで得られた全ての他の実施例も、またこの開示の保護範囲に属する。
次に、この開示は模式図を参照して詳細に記述するが、この開示の実施例を詳細に記述する時、便宜のため、上記の模式図は例示的なものであり、この開示の保護範囲はこれらに制限されない。
この開示により提供される摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路の典型的な構成は、図１を参照すると、摩擦式ナノ発電機TENGの２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させた後、前記２つの電極層を瞬時的に導通して瞬間的パルス電流を生成するためのパルス電流制御スイッチと、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを蓄積するための中間エネルギー蓄積素子と、前記中間エネルギー蓄積素子から出力された電気エネルギーを蓄積するための目標エネルギー蓄積素子と、を含む。
パルス電流制御スイッチは、摩擦式ナノ発電機TENG自体の２つの相対的に運動する部分の移動により、パルス電流制御スイッチを「オフ」と「オン」との２つの異なる状態にして、電流の生成のための制御に用いられるようにし、パルス電流制御スイッチがオンになる時、２つの電極層の間で１つの瞬時的な大電流、大電力の電気的パルスを生成させる。
この開示のエネルギー管理回路は、パルス電流制御スイッチを設けることにより、摩擦式ナノ発電機の出力電流が小さいというデメリットを解消でき、瞬時的パルス大電流を出力して、瞬時的出力電力を向上させることができ、誘導性特性を有する中間エネルギー蓄積素子によりパルス大電流のエネルギーを電荷蓄積機能を有する目標エネルギー蓄積素子に伝送し、エネルギー変換及び蓄積過程における媒体として誘導性特性を有する素子を設けることにより、摩擦式ナノ発電機TENGの効率的なエネルギー蓄積を実現できる。
この開示により提供された摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路には、従来の摩擦ナノ発電の構成は全部適用でき、ここでは、５種類の基本的な構成又は運動モードを図２に示す。
５種類の基本的な構成は、垂直接触分離モード（CS）、平行スライドモード（LS）、１電極接触構成（SEC）、スライド型摩擦層自由移動構成（SFT）、及び接触型摩擦層自由移動構成（CFT）である。以下、各種類の模式摩擦ナノ発電機の典型的な構成について、図面を参照しながら具体的に説明する。
垂直接触分離モード（CS）の摩擦式ナノ発電機は、図２aを参照すると、２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層a２と摩擦層a２上に設けられた第１の電極層a１を含み、第２の部品は第２の電極層a３を含み、第１の部品と第２の部品とが相互に垂直的に接触、分離する相対的な運動をする時、第２の電極層a３は、他方の摩擦層としても作用し、摩擦層a２と相互に接触、分離し、摩擦層a２の材料は、第２の電極層a３の材料と異なっており、第１の電極層a１と第２の電極層a３とはパルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層a２と第２の電極層a３とが相互に分離して第１の電極層a１と第２の電極層a３との間の電位差（電荷量）が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層a１と第２の電極層a３から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される。
平行スライドモード（LS）の摩擦式ナノ発電機は、図２bを参照すると、２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層b２と摩擦層b２上に設けられた第１の電極層b１を含み、第２の部品は第２の電極層ｂ３を含み、第１の部品と第２の部品とが相互に平行にスライドする時、第２の電極層ｂ３は、他方の摩擦層としても作用し、摩擦層b２と相互にスライド摩擦し、摩擦層b２の材料は、第２の電極層ｂ３の材料と異なっており、第１の電極層b１と第２の電極層ｂ3とは摩擦式ナノ発電機の出力端であり、パルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層b２と第２の電極層ｂ３とが相互にスライド摩擦し、位置ずれされて第１の電極層b１と第２の電極層ｂ３との間の電位差（電荷量）が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層b１と第２の電極層ｂ３から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される。
１電極接触構成（SEC）の摩擦式ナノ発電機は、図２cを参照すると、２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層ｃ２を含み、第２の部品は、第１の電極層ｃ１と、第２の電極層または等電位ｃ３とを含み、摩擦層ｃ２と第２の部品の第１の電極層ｃ１とが相互に垂直的に接触、分離又は相対的なスライド運動をする時、摩擦層ｃ２の材料は第１の電極層ｃ１の材料と異なり、第１の電極層ｃ１と第２の電極層ｃ３とは摩擦式ナノ発電機の出力端であり、パルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層ｃ２と第２の電極層ｃ３とが相互にスライド摩擦し、位置ずれされて、第１の電極層ｃ１と第２の電極層ｃ３との間の電位差（電荷量）が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層ｃ１と第２の電極層ｃ３との間から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される。
スライド型摩擦層自由移動構成（SFT）の摩擦式ナノ発電機は、図２dを参照すると、２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層d２を含み、第２の部品は相互に離れている第１の電極層d１と第２の電極層d３とを含み、第１の部品と第２の部品とが相互にスライドする時、摩擦層d２は第１の電極層d１から第２の電極層d３にスライドし、第１の電極層d１と第２の電極層d３とは他方の摩擦層として作用し、摩擦層d２の材料は第１の電極層d１及び第２の電極層d３の材料と異なり、第１の電極層d１と第２の電極層d３とはパルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層d２が第１の電極層d１と第２の電極層d３との間でスライドする場合、第１の電極層d１と第２の電極層d３との間の電位差（電荷量）が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層d１と第２の電極層d３との間から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される。
接触型摩擦層自由移動構成（CFT）の摩擦式ナノ発電機は、図２eを参照すると、２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層e２を含み、第２の部品は相互に離れている第１の電極層e１と第２の電極層e３とを含み、摩擦層e２は第１の電極層e１と第２の電極層e３との間に設けられ、摩擦層e２は２つの電極層の間において運動して２つの電極層とそれぞれ相互に接触、分離し、第１の電極層e１又は第２の電極層e３は他方の摩擦層として作用し、摩擦層e２の材料は第１の電極層e１及び第２の電極層e３の材料と異なり、第１の電極層e１と第２の電極層e３とはパルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層e２が２つの電極層の間において運動して２つの電極層とそれぞれ相互に接触、分離して、第１の電極層e１と第２の電極層e３との間の電位差（電荷量）が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層e１と第２の電極層e３との間から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される。
スライド型摩擦層自由移動構成（SFT）と接触型摩擦層自由移動構成（CFT）とは、いずれも摩擦層自由移動モードの摩擦式ナノ発電機である。摩擦式ナノ発電機の４種類の動作モードについては、各種類のモードにおいて、対応する機械的触発条件に適応するために、異なる構成設計及び材料選択があることが、既に証明されている。
図２に示す５種類の構成の摩擦式ナノ発電機は、いずれもパルス電流制御スイッチと組み合わせて瞬時的パルス電流を生成でき、以下では、スライド型摩擦層自由移動構成（SFT）の摩擦式ナノ発電機を例にして、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路及びエネルギー管理方法を説明し、他の４種類の構成の摩擦式ナノ発電機もこれを参照できる。
本実施例において、パルス電流制御スイッチには接触型スイッチが用いられ、中間エネルギー蓄積素子にはインダクタンス素子が用いられ、目標エネルギー蓄積素子にはキャパシタンス素子が用いられている。他の実施例においては、別のスイッチとインダクタンス素子を選択してもよく、同じ機能を実現できればよく、この開示の保護範囲はこれらに限定されない。キャパシタンス素子はキャパシターや電池等の一般的な電気エネルギー蓄積素子であってもよい。
図３は、スライド型摩擦層自由移動構成（SFT）の摩擦式ナノ発電機TENGの典型的な構成であり、第１の基板４０１と、第１の基板４０１の下面に設けられた第１の摩擦層４０２と、第２の基板５０１と、第２の基板の上面に設けられた摩擦層としての第１及び第２の電極層５０２、５０３と、第１の接触型スイッチと第２の接触型スイッチとの２つの接触型スイッチと、を含み、第１の接触型スイッチは接触端１０１、２０１を含み、第２の接触型スイッチは接触端１０２、２０２を含み、２つのコンタクター３０１、３０２が２つのスイッチにより共用されており、２つのコンタクター３０１、３０２は、第１の基板の上面に接続されるとともに、第１の基板４０１に伴って運動でき、接触端１０１、１０２はいずれも第１の電極層５０２に連通されており、接触端２０１、２０２はいずれも第２の電極層５０３に連通されており、コンタクター３０１、３０２と接触端１０１、２０２または接触端１０２、２０２のうちいずれかの接触端とが接触すると、接触型スイッチはオンになり、接触型スイッチがオンになると、第１の電極層５０２と接触端１０１（又は１０２）は、コンタクター３０１、３０２の間及び第２の電極層５０３と接触端２０１（又は２０２）との間を通じて瞬間的パルス電気信号を出力する。
この開示において、２つの接触型スイッチの２つの接触端１０１、２０１及び１０２、２０２の摩擦式ナノ発電機への固定には、複数の形態があり、ここでは、特に限定されなく、２つの接触端の距離がコンタクター３０１、３０２を２つの接触端にそれぞれ接触させることができるという条件を満たせばよく、接触型スイッチの構成は、複数の選択があり、コンタクターはコンタクトシート又はピンであってもよく、接触端はコンタクトシート又はコンタクトポイントであってもよい。コンタクター３０１、３０２又は２つの接触端１０１、２０１（及び１０２、２０２）の材料は、金属又は合金から選択でき、前記金属は金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、クロム又はセレンから選ばれ、前記合金は、金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、クロム又はセレンからなる合金、ステインレスから選ばれる。
コンタクターと第１の基板とは１つの絶縁材により接続され、絶縁材は有機ガラスであってもよく、ホットメルトにより接着される。横方向の外力が第１の基板４０１に掛けられると、第１の基板は横方向に移動し、第１の摩擦層４０２の下面を第２の摩擦層５０２、５０３の上面においてスライドさせ、第１の基板が外力を受けない自然状態においては、図３に示すように、自然状態において、コンタクター３０１、３０２は第２の摩擦層の中間位置にあり、外力の作用により、第１の基板は第２の基板５０１に対して一方の側にスライドして、コンタクター３０１、３０２を接触端１０２、２０２に接触させると（図５に示す状態になる）、この時、接触型スイッチはオンになり、第１の電極層５０２と第２の電極層５０３とは連通され、中間エネルギー蓄積素子を接入し、第１の基板が第２の基板に対して他方の側にスライドして、コンタクター３０１、３０２を接触端１０１、２０１に接触させると（図７に示す状態になる）、この時、接触型スイッチはオンになり、第１の電極層５０２と第２の電極層５０３とは、再び連通される。第１の基板のスライド中において、コンタクター３０１、３０２は２つの接触端（第1の接触端１０１、２０１及び第２の接触端１０２、２０２）のいずれの接触端とも接触せず、第１の電極層５０２と第２の電極層５０３とを遮断し、この時、図４、図６に示すように、摩擦式ナノ発電機は断路状態にある。第１の基板のスライド中において、前記コンタクター３０１、３０２の移動可能な距離は上記の２つのスイッチの接触端１０１、２０１と１０２、２０２との間の設定距離より小さくない。好ましくは、前記接触型スイッチは、２つの電極層の間の電位差（電荷蓄積量）が最大になる時、前記接触型スイッチがオンになる位置に設けられる。この時、コンタクター３０１、３０２の移動可能な距離は接触端１０１、２０１と１０２、２０２との間の設定距離と等しい。つまり、第１の基板の下面と第２の基板の上面が右側で接触し揃えられると、コンタクター３０１、３０２は第１のスイッチの接触端１０１、２０１に接触し、第１の基板の下面と第２の基板の上面が左側で接触し揃えられると、コンタクター３０１、３０２は第２のスイッチの接触端１０２、２０２に接触する。２つのスイッチの接触端の間の設定距離は５０mm〜２００mmであってもよい。摩擦式ナノ発電機の第１の電極層５０２と接触型スイッチとの間（又は、第２の電極層５０３と接触型スイッチとの間）に、摩擦式ナノ発電機の出力端として給電が必要な負荷（中間エネルギー蓄積素子、例えば、インダクタンス素子）を接続して、図８に示すように、この開示のエネルギー管理回路を構成し、摩擦式ナノ発電機の２つの部分の往復運動過程において、摩擦式ナノ発電機の電気的出力は接触スイッチにより制御される。接触型スイッチがオフになると、摩擦式ナノ発電機は断路状態にあり、負荷には電流が流れなく、接触型スイッチがオンになる瞬間、摩擦式ナノ発電機は導通状態にあり、瞬時的な大電力出力を生成する。
上記のエネルギー管理回路において、コンタクターが自然状態にある時、回路は図８に示すように断路状態にあり、コンタクターが一方のスイッチの接触端に接触する時、図９に示すように、コンタクター３０１は接触端１０１に、及びコンタクター３０２は接触端２０１に同時に導通し、１つの瞬時的な大電流及び電力出力が生成されるとともに、インダクタンス素子４の存在により、接触型スイッチがオフされた後、インダクタンス素子４に蓄積されているエネルギーは徐々に放出され、図１０に示すように、ダイオード６を介してキャパシター５を充電し続けることができ、コンタクター３０１が接触端２０１に、及びコンタクター３０２が接触端２０２に同時に導通されると、図１１に示すように、上記の過程と同様な１つの瞬時的大電流及び電力出力が生成され、同様に、インダクターに蓄積されているエネルギーは徐々に放出され、図１２に示すように、ダイオード６を介してキャパシター５を充電し続けることができる。
２つの接触型スイッチのうち、個々の接触型スイッチは個別に摩擦式ナノ発電機７の２つの電極層５０２及び５０３を瞬時的に導通させるように制御し、２つの接触型スイッチがそれぞれオンになる時、中間エネルギー蓄積素子（インダクタンス素子４）の両端と２つの電極層５０２及び５０３の接続は反対となって、インダクタンス素子において生成する電流方向が同じように保証する。図９〜図１２において、矢印方向は電流方向を示す。
この開示の摩擦式ナノ発電機において、第１の摩擦層４０２と第２の摩擦層５０２、５０３とは、第１の摩擦層４０２の材料と第２の摩擦層５０２、５０３の材料とが、帯電列に差異があることを満たす必要がある。
第１の摩擦層４０２の材料は絶縁体材料又は半導体材料であってもよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサンのような通常の高分子重合物、ヒ素化ガリウム、リン化ガリウム等の材料であってもよい。第２の摩擦層５０２、５０３、即ち、２つの電極層は、一般的な導電材料を用いてもよく、例えば、金属の金、銀、白金、ITO等の導電材料が用いられる。
この開示において、第１の基板と第２の基板とは、第１の摩擦層と第１、第２の電極層を支持する部品であり、第１の基板の材料は、特別に限定されなく、導電体、絶縁体又は半導体であってもよく、例えば、アルミニウム板又はシリコンシートであってもよく、第２の基板の材料は絶縁体である必要がある。第１の基板と第２の基板とは、フレキシブル基板であってもよく、リジット基板であってもよく、例えば、ゴム板又はガラス板であってもよい。
支持及び固定の働きのみをする第１の基板４０１、第２の基板５０１及びスイッチハウジングは、その材料は特に限定されないが、絶縁材であることが好ましく、ガラス、有機ガラス、ポリエチレン板又はポリ塩化ビニール等の絶縁材を選択できる。
この開示の摩擦式ナノ発電機エネルギー管理回路は、構成が簡単であり、制作方法が簡単であり、材料が特に限定されなく、実際に使用する際に、簡単な固定及びパッキングを行うだけで、波、風エネルギー、機械的及び人体の運動等により生成された機械的エネルギーを収集するために用いられることができ、広い実際的な用途を持っている。
インダクタンス素子のインダクタンスLの範囲は、１μH〜１００Hの間であってもよく、１mH〜５０Hの間であることが好ましく、１００mH〜２０Hの間であることがより好ましい。キャパシタンス素子のキャパシタンスCの範囲は、１μF〜１００mFの間であってもよく、１００μF〜５０mFの間であることが好ましく、５００μF〜２０mFの間であることがより好ましい。
この開示において、接触型スイッチのコンタクター及び接触端はいずれもコンタクトシートを用いており、コンタクターのコンタクトシートが接触端のコンタクトシートに接触されると、接触型スイッチはオンになる。２つのコンタクトシートの間でより大きい接触面積で接触でき、接触型スイッチの接触抵抗を低下させることができ、大電流を出力する場合に適切に用いられる。図３の摩擦式ナノ発電機を参照すると、接触型スイッチのコンタクター３０１、３０２はコンタクトシートであり、２つのスイッチの接触端１０１、２０１及び１０２、２０２はコンタクトシートであり、かつ、スイッチハウジングに固定されており、コンタクトシートがいずれかのスイッチの接触端に接触されると、接触型スイッチはオンになり、第１の電極層５０２と第２の電極層５０３とは導通し、コンタクトシート３０１、３０２が第１のスイッチの接触端１０１、２０１及び第２のスイッチ的接触端１０２、２０２のうちのいずれかのコンタクトシートにも接触しない場合、第１の電極層５０２と第２の電極層５０３とは遮断される。
接触型スイッチは、コンタクトシートとコンタクターが接触する方式を採用してもよく、上記の例において２つの接触端をコンタクトポイントに変ることだけでよく、他の材料と構成とは、上記の実例と同様である。ここでは、説明を繰り返さない。ピンまたはコンタクトポイントを用いてコンタクトシートに接触する接触型スイッチは、より短時間で安定的な接触を実現でき、接触型スイッチの速度を高めることができるので、高周波数の出力に好適に用いられる。好ましくは、接触型スイッチのコンタクトシートは、弾性を持っており、コンタクトシートがコンタクトシート（又はピン、コンタクトポイント等）に接触すると、コンタクトシートは弾性変形し、コンタクターと接触端との間の良好な電気的接触を保証する。
対応的に、この開示は、
摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させるステップと、
前記２つの電極層を導通して瞬間的パルス電流を生成し、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを中間エネルギー蓄積素子に蓄積するステップと、
前記中間エネルギー蓄積素子における電気エネルギーを目標エネルギー蓄積素子に伝送するステップと、を含む摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法をさらに提供する。
摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させるステップと、
前記２つの電極層を導通して瞬間的パルス電流を生成し、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを中間エネルギー蓄積素子に蓄積するステップと、
前記中間エネルギー蓄積素子における電気エネルギーを目標エネルギー蓄積素子に伝送するステップと、を含む摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法をさらに提供する。
前記摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分に接触型スイッチのようなパルス電流制御スイッチを設けることにより、前記２つの電極層を導通させて瞬間的パルス電流を生成することを実現してもよい。
この開示の実施例において、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーはインダクタンス素子に蓄積されてもよい。
この開示の実施例において、前記インダクタンス素子における電気エネルギーをダイオードを介してキャパシタンス素子に伝送してもよい。図８を参照すると、キャパシタンス素子５とダイオード６とを接続してから、中間エネルギー蓄積素子であるインダクタンス素子４に並列接続する。
以下、１つの実例を例にして、パルス摩擦発電機の制作過程及びエネルギー蓄積効率テスト結果を説明する。
まず、有機ガラスを材料として、レーザダイシング法で第１の基板４０１、第２の基板５０１及びスイッチハウジングを加工する。第１の基板４０１の下面に、第１の摩擦層４０２として１つのPTFE（ポリテトラフルオロエチレン、Teflon）膜を張り付け、しかる後、マグネトロンスパッタリング法で、第２の基板５０１の上面に厚さ１００nmのAu膜を蒸着して第１の電極層５０２及び第２の電極層５０３とし、２つの電極層の間は、隙間により離れており、電極層５０２、５０３は第２の摩擦層としても機能する。６枚のCuシートをカットして、２つの接触型スイッチの２つのコンタクターと４つの接触端とし、第１の基板上に２つのCuシートを固定してコンタクター３０１、３０２とし、スイッチハウジング上に設定距離に従って残りの４つのCuシートを固定して２つの接触端とし、そのうち、2つの銅シートはコンタクトシート１０１、１０２としてワイヤを介して第１の電極層に連通し、他の２つの銅シートはコンタクトシート２０１、２０２としてワイヤを介して第２の電極層に連通する。第１の基板、第２の基板及びスイッチハウジングを図３に示された構成に従って接続し、組み立てて、外力が掛かっていない時、中間コンタクターは第２の基板の中間位置に位置し、第１の基板に外力が掛けられた時、PTFE膜の層は、電極層上において接触しながらスライドできる。図８の構成に従ってインダクター（２０H）とキャパシター（３３μC）とを接続する。
図１３は、エネルギー管理回路において、制作された摩擦式ナノ発電機のエネルギー蓄積効率（Energy ratio）が経時的に（Time（s））変化するグラフであり、時間の経過に伴って、蓄積効率は徐々に増加して緩やかになり、電圧１０Vに充電された時、合計の蓄積効率は４０％まで達し、電圧２４Vに充電された時、合計の蓄積効率は６０％まで達し、電圧４１Vに充電された時、合計の蓄積効率は７０％まで達し、微分蓄積効率は電圧が増大するにつれて増大し、２２Vより大きくなってからは、蓄積効率は７９％まで達する。
上記に示されたのはこの開示の望ましい実施例に過ぎなく、この開示を制限する主旨ではない。当業者なら、この開示の技術案の範囲を逸脱しなく、上記に記述された方法と技術的内容を利用してこの開示の技術案を変動、改良又は変更して均等の等価実施例にすることができる。従って、この開示の技術案の内容を逸脱していない内容、この開示の本質的な技術に従って以上の実施例に施した全ての変更、均等な変化及び改良もこの開示の技術案の保護範囲に属する。
上記のエネルギー管理回路において、コンタクターが自然状態にある時、回路は図８に示すように断路状態にあり、コンタクターが一方のスイッチの接触端に接触する時、図９に示すように、コンタクター３０１は接触端１０１に、及びコンタクター３０２は接触端２０１に同時に導通し、１つの瞬時的な大電流及び電力出力が生成されるとともに、インダクタンス素子４の存在により、接触型スイッチがオフされた後、インダクタンス素子４に蓄積されているエネルギーは徐々に放出され、図１０に示すように、ダイオード６を介してキャパシター５を充電し続けることができ、コンタクター３０１が接触端２０２に、及びコンタクター３０２が接触端１０２に同時に導通されると、図１１に示すように、上記の過程と同様な１つの瞬時的大電流及び電力出力が生成され、同様に、インダクターに蓄積されているエネルギーは徐々に放出され、図１２に示すように、ダイオード６を介してキャパシター５を充電し続けることができる。
Claims (21)
- 摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させた後、前記２つの電極層を瞬時的に導通して瞬間的パルス電流を生成するためのパルス電流制御スイッチと、
前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを蓄積するための中間エネルギー蓄積素子と、
前記中間エネルギー蓄積素子から出力された電気エネルギーを蓄積するための目標エネルギー蓄積素子と、
を含む、ことを特徴とする、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路。 - 前記パルス電流制御スイッチは、前記２つの電極層の間の電位差が最大になる時に、前記パルス電流制御スイッチがオンになる位置に設けられる、
ことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー管理回路。 - ２つの前記パルス電流制御スイッチを含み、個々の前記パルス電流制御スイッチは、個別に前記２つの電極層を瞬時的に導通するように制御し、
２つの前記パルス電流制御スイッチがそれぞれオンになる時、前記中間エネルギー蓄積素子の両端と前記２つの電極層との接続は反対である、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のエネルギー管理回路。 - 前記パルス電流制御スイッチは接触型スイッチであり、２つのコンタクターと２つの接触端とを含み、前記コンタクターと接触端とは、それぞれ前記摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分に設けられ、前記摩擦式ナノ発電機の相対的な運動に伴って同期的に相対運動し、２つの前記コンタクターは前記中間エネルギー蓄積素子に接続し、前記２つの接触端はそれぞれ前記２つの電極層に連通されており、前記２つのコンタクターと前記２つの接触端とが接触すると、前記接触型スイッチはオンになる、
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー管理回路。 - ２つの前記接触型スイッチを含み、２つの前記接触型スイッチは、前記２つのコンタクターを共用している、
ことを特徴とする、請求項４に記載のエネルギー管理回路。 - 前記中間エネルギー蓄積素子はインダクタンス素子である、
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー管理回路。 - 前記インダクタンス素子的インダクタンスの範囲は、１μH〜１００Hの間であり、１mH〜５０Hの間であることが好ましく、１００mH〜２０Hの間であることがより好ましい、
ことを特徴とする、請求項６に記載のエネルギー管理回路。 - 前記目標エネルギー蓄積素子はキャパシタンス素子である、
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のエネルギー管理回路。 - 前記キャパシタンス素子はダイオードに接続してから、前記中間エネルギー蓄積素子に並列接続される、
ことを特徴とする、請求項８に記載のエネルギー管理回路。 - 前記キャパシタンス素子のキャパシタンスの範囲は、１μF〜１００mFの間であり、１００μF〜５０mFの間であることが好ましく、５００μF〜２０mFの間であることがより好ましい、
ことを特徴とする、請求項８又は９に記載のエネルギー管理回路。 - 前記摩擦式ナノ発電機は、２つの電極層を含み、２つの相対的に運動する部分の基本的な運動モードは、垂直接触分離モード（CS）、平行スライドモード（LS）、１電極接触構成（SEC）、摩擦層自由移動構成（SFT）、又は、接触型摩擦層自由移動構成（CFT）である、
ことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のエネルギー管理回路。 - 前記垂直接触分離モード(CS)の摩擦式ナノ発電機は、
２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層と摩擦層上に設けられた第１の電極層を含み、第２の部品は第２の電極層を含み、第１の部品と第２の部品とが相互に垂直的に接触、分離する相対的な運動をする時、第２の電極層は、他方の摩擦層としても作用し、摩擦層と相互に接触、分離し、摩擦層の材料は、第２の電極層の材料と異なっており、第１の電極層と第２の電極層とはパルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層と第２の電極層とが相互に分離して第１の電極層と第２の電極層との間の電位差が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層と第２の電極層から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のエネルギー管理回路。 - 前記平行スライドモード（LS）の摩擦式ナノ発電機は、
２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層と摩擦層上に設けられた第１の電極層を含み、第２の部品は第２の電極層を含み、第１の部品と第２の部品とが相互に平行にスライドする時、第２の電極層は、他方の摩擦層としても作用し、摩擦層と相互にスライド摩擦し、摩擦層の材料は、第２の電極層の材料と異なっており、第１の電極層と第２の電極層とは摩擦式ナノ発電機の出力端であり、パルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層と第２の電極層とが相互にスライド摩擦し、位置ずれされて、第１の電極層と第２の電極層との間の電位差が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層と第２の電極層から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のエネルギー管理回路。 - 前記１電極接触構成（SEC）の摩擦式ナノ発電機は、
２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層を含み、第２の部品は、第１の電極層と、第２の電極層または等電位とを含み、摩擦層と第２の部品の第１の電極層とが相互に垂直的に接触、分離又は相対的なスライド運動をする時、摩擦層の材料は第１の電極層の材料と異なり、第１の電極層と第２の電極層とは摩擦式ナノ発電機の出力端であり、パルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層と第２の電極層とが相互にスライド摩擦し、位置ずれされて、第１の電極層と第２の電極層との間の電位差が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層と第２の電極層との間から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のエネルギー管理回路。 - 前記スライド型摩擦層自由移動構成（SFT）の摩擦式ナノ発電機は、
２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層を含み、第２の部品は相互に離れている第１の電極層と第２の電極層とを含み、第１の部品と第２の部品とが相互にスライドする時、摩擦層は第１の電極層から第２の電極層にスライドし、第１の電極層と第２の電極層とは他方の摩擦層として作用し、摩擦層の材料は第１の電極層及び第２の電極層の材料と異なり、第１の電極層と第２の電極層とはパルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層が第１の電極層と第２の電極層との間でスライドする場合、第１の電極層と第２の電極層との間の電位差が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層と第２の電極層との間から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のエネルギー管理回路。 - 前記接触型摩擦層自由移動構成（CFT）の摩擦式ナノ発電機は、
２つの相対的に運動する部品のうち、第１の部品は摩擦層を含み、第２の部品は相互に離れている第１の電極層と第２の電極層とを含み、摩擦層は第１の電極層と第２の電極層との間に設けられ、摩擦層は２つの電極層の間において運動して２つの電極層とそれぞれ相互に接触、分離し、第１の電極層又は第２の電極層は他方の摩擦層として作用し、摩擦層の材料は第１の電極層及び第２の電極層の材料と異なり、第１の電極層と第２の電極層とはパルス電流制御スイッチKに接続し、摩擦層が２つの電極層の間において運動して２つの電極層とそれぞれ相互に接触、分離して、第１の電極層と第２の電極層との間の電位差が最大になる時、パルス電流制御スイッチKはオンになり、第１の電極層と第２の電極層との間から中間エネルギー蓄積素子へ瞬間的パルス電流を出力する、ように構成される、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のエネルギー管理回路。 - 前記摩擦層と他方の摩擦層との材料は、帯電列に差異がある、
ことを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれかに記載のエネルギー管理回路。 - 摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分の移動により、摩擦式ナノ発電機の２つの電極層の間で誘導静電電荷を生成させるステップと、
前記２つの電極層を導通して瞬間的パルス電流を生成し、前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーを中間エネルギー蓄積素子に蓄積するステップと、
前記中間エネルギー蓄積素子における電気エネルギーを目標エネルギー蓄積素子に伝送するステップと、を含む、
ことを特徴とする、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法。 - 前記摩擦式ナノ発電機の２つの相対的に運動する部分にパルス電流制御スイッチを設けることにより、前記２つの電極層を導通させて瞬間的パルス電流を生成することを実現する、
ことを特徴とする、請求項１８に記載のエネルギー管理方法。 - 前記瞬間的パルス電流の電気エネルギーは、インダクタンス素子に蓄積される、
ことを特徴とする、請求項１８又は１９に記載のエネルギー管理方法。 - 前記インダクタンス素子における電気エネルギーをキャパシタンス素子に伝送し、ダイオードを設けて電流方向を制御する、
ことを特徴とする、請求項２０に記載のエネルギー管理方法。
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