JP5509074B2 - 容量型電流発電機 - Google Patents

Description

本発明は、主として、携帯電話を開くことなど、デバイスの一部分のありがちな運動に応答して有用な量の電流を発生することができる、低価格の、小型で持ち運び可能な容量型電流発電機の設計および動作に関する。この発電機は、携帯電話、携帯情報端末、全地球測位システム、ＭＰ３プレーヤ、個人の医療デバイスおよび／または埋め込まれた医療デバイスなどの持ち運び可能な電子デバイスへの電力供給を支援するのに特に有効であるように意図される。この発電機は、動作させるのに充電を必要とするあらゆる小規模の小型デバイスに適用される可能性があり、上記に示された実施例に限定されるべきではないことを理解されたい。本発明の発電機は、０．１Ｗから４Ｗ台の平均電力消費および１０Ｗの最大電力消費のデバイスに供給するように意図されるが、より電力消費の大きいデバイスまたはより電力消費の小さいデバイスに供給することができる。

電子デバイス、特にデータ処理デバイスのコスト、サイズおよび性能の改善につれて、これらのデバイスはますます普及しており、将来、ほぼすべての人工製品で見られるようになると思われる。現在、大多数の持ち運び可能な規模の電子デバイスは、要求に応じて電力を蓄積し、かつ送出するのに、再充電可能なタイプまたは使い捨てタイプの化学電池に頼る。しかし、そのような化学電池またはバッテリーは時々交換する必要があり、再充電可能な電池の場合には、煩わしいことに頻繁な再充電も必要である。小さな電子デバイス用の、十分コンパクトなほとんどの形式の再充電可能な電池は、数日または数週間で見積もられる期間にわたって著しく自己放電し、時々使用されるデバイス用には適さない。

前述の小型電子デバイスの電力需要の少なくとも一部分を供給することができる可能性のあるエネルギー源に、人間の筋パワーがあることが既に指摘されている。歴史的に、手首を動かす日常の運動が、腕時計のばねを巻くのに用いられている。電気デバイス用の電池に蓄積するための電気を発生させるために、磁界を通って導体を移動させるのに類似の機構を用いようと努力している研究者もいる。

機械的運動から電荷を生成するための代替機構に、コンデンサ内で電界を生成し、次いで、導体を通って移動するように電荷を誘導するために、発電機の一部分の機械的動作によって電界を変化させるものがある。そのような静電容量型発電機の初期の実施例が、特許文献１に説明されている。ここで説明された発電機では、共通シャフトに２つの可変コンデンサが取り付けられる。各コンデンサの各極板は、ディスクのセグメントである。それぞれの可変コンデンサの一方の極板が回転子としてシャフトに取り付けられ、もう一方の極板が固定子として取り付けられる。それぞれのコンデンサは、シャフトが回転するとき各コンデンサの極板の間の距離が変化して両コンデンサのそれぞれの静電容量が逆位相で変化し、一方が最大値に上昇するとき他方が最小値に低下するように配置される。それぞれのコンデンサ極板は、負荷を介して導体によって電気的に接続される。最初に、コンデンサのうちの１つにプライミング電荷を与えなければならない。駆動軸を回転させるあらゆる機械的力が、充電されたコンデンサの静電容量を低下させる一方で充電されていないコンデンサの静電容量を上昇させ、したがって、電荷は、交番電流として両コンデンサ間に相互に流れることになる。交番電流の流れは、後で使用するために、化学的蓄積電池などのアキュムレータ上に電荷を誘導するのに用いることができる。

特許文献１に説明されたデバイスは、総合効率および体積効率が不十分であることに悩まされ、また、プライミング電荷がかなり短い時間で放電する点で重大な傷を受ける。疑念を回避するために、「体積効率」は、発電機によって出力された有効エネルギーを入力エネルギーと発電機の体積とに関係づける表現である。一旦放電すると、プライミング電荷を交換しなければならず、さもなければ発電機が全く作動しない。

特許文献２は、原理上は特許文献１に似て、やはり体積効率および総合効率が不十分であるものの、バッテリーなどの外部エネルギー源によって発電機のコンデンサ極板に静電気のプライミング電荷を与えるといった、いくぶん不十分な発案によってプライミング電荷の放電問題に対処するデバイスを開示している。

プライミング電荷の問題を回避するために、より最近の開発は、エレクトレットベースのデバイスに注目している。エレクトレットベースのデバイスの一実施例は、特許文献３に説明されている。そのようなデバイスは、エレクトレットが、生産プロセス中に与えられた静電荷を恒久に保存する材料から形成された素子であるという点で静電容量ベースのデバイスとは異なる。この電荷は、エレクトレットを離れることはできないが、２つの隣接する電極に対してエレクトレットを動かすことにより電荷の移動を誘起するのに用いられる。したがって、エレクトレットベースの発電機は、静電容量ベースの発電機の主要な欠点のうちの１つを克服する。残念ながら、エレクトレットはひどく高くつくので、ほとんどの用途にとって非経済的である。その上、エレクトレット発電機は、コンデンサベースの発電機に対して電荷密度がかなり劣り、その結果、エレクトレットベースの発電機は、同等の高い総合効率または体積効率を実現することができない。

米国特許第４，１２７，８０４号明細書 米国特許第４，８９７，５９２号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２０７３６９号明細書 ロシア特許出願第２００７１２７１２２／０６（０２９５９１）号明細書

本発明の第１の態様によれば、容量型発電回路は、伝動装置からの力に応答して電流を発生するように構成され、プライミング電荷回路は、静電容量が変化するように伝動装置と結合され、かつ容量型発電回路に電気的に接続されて、プライミング電荷を発生し容量型発電回路へ送出する、少なくとも２つのプライミングコンデンサを備えることを特徴とする、容量型電流発電機が提供される。

本発明の第２の態様によれば、可変誘電体によって分離された１対の導電層をそれぞれが備える少なくとも２つの可変コンデンサと、可変コンデンサのうちの一方の１枚のコンデンサ極板の導電層とコンデンサの他方の導電層との間に接続された電気エネルギー抽出デバイスと、外部供給源からの力に応答して、導電層の間が一定の距離で、各コンデンサの静電容量を、一方の静電容量が増加するとき他方の静電容量が減少するように変化させるために結合された伝動装置とを有し、それによって、コンデンサ上にプライミング電荷が蓄積されたとき、電気エネルギー抽出デバイスによってプライミング電荷が伝導されて電気エネルギーが抽出される発電機が提供される。

本発明の第３の態様によれば、それぞれが可動極板および固定子極板を備える少なくとも２つの可変コンデンサであって、各極板は極板の向かい合う面の間に存在する導電層および誘電体層を備え、コンデンサの各々の導電層のうちの１つは電気エネルギー抽出デバイスに電気的に接続され、各コンデンサは外部供給源からの原動力に応答して各コンデンサの可動極板を固定子極板に対して動かすことにより各コンデンサの静電容量を変化させる機械的伝動装置に結合される、可変コンデンサを有し、それによって、コンデンサ上にプライミング電荷が蓄積されたとき、電気エネルギー抽出デバイスによってプライミング電荷が伝導されて電気エネルギーが抽出される発電機であって、各コンデンサの層は、可動極板が固定子極板に対して動かされるとき、極板間の誘電体が変化して静電容量を変化させるような形状であることを特徴とする、発電機が提供される。

本発明の第４の態様によれば、力に応答して変えることができる誘電率を有する誘電体層によって分離され、その間の距離が一定であるように固定された１対の対向する導電層を備える可変コンデンサが、発電機用に提供される。

誘電体の誘電率を、少なくとも２つの重なる誘電体層を有することにより変化させることができ、これらの層は、層の向かい合う面にわたって配置された異なる誘電率の誘電体の領域からそれぞれが形成される。各極板上の高誘電率の領域が１つの位置で一致し、対向する極板上の高誘電率の領域と低誘電率の領域とがもう１つの位置で一致するように、一方の誘電体が他方に対して変位するように取り付けられる。したがって、誘電体の誘電率の総合的な値を高い値から低い値へ変化させることができ、このためコンデンサの静電容量を変化させることができる。誘電体層の相対運動は、誘電体を直線または回転に変位させることができる伝動装置によって容易に達成することができる。変位は、好ましくは、層に対して平行なものまたは接線に沿ったものである。好ましくは、変位は、コンデンサの体積を変化させることなく達成される。

コンデンサの静電容量は、静電容量の変化をもたらすために、同期して、かつ／または逆位相で変化させることができる。

機械的伝動装置は、例えば、使用するためにデバイスを開く筋肉活動が発電機を駆動するように、押しボタン、スライドカバーまたはフリップオープンカバー、蝶番または縮小可能な握りなどの持ち運び可能なデバイスの構造体に結合することができる。発電機は、他のデバイスへ電荷を送出するためのスタンドアローンのデバイスとして実装することができる。発電機は、着用者の徒歩行動から電力を回復するように、靴の中に実装することができる。

本発明の、その他の好ましくかつ任意選択である特徴は、従属請求項に記述されている。

次に、本発明によって構築された発電機の実施形態が、添付図面を参照しながら単なる実施例として説明される。

発電機回路およびプライミング回路を含む発電機の電気的接続を示す回路図である。 発電機の第１の実施形態を示す分解斜視図である。 図２Ａの発電機の一部を切り取った組立斜視図である。 第１の実施形態のさらなる内部詳細を示す、一部を切り取った別の斜視図である。 第１の実施形態の側面図である。 第１の実施形態の平面図である。 図２Ａの発電機の１つの可変コンデンサの固定子極板の、線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢで観察された概略平面図である。 図２Ａの発電機の１つの可変コンデンサの回転板の、線ＩＩＩＣ−ＩＩＩＣで観察された平面図である。 初期プライム状態（ｐｒｉｍｅｄ ｓｔａｔｅ）における第１の実施形態の発電機のセグメントを示す、図３Ａの線ＩＶ（Ａ）−ＩＶ（Ａ）上で矢印の方向に観察された概略側断面図である。 初期のプライム状態におけるコンデンサの充電状態を示す図４Ａの発電機の回路図である。 サイクル中の約９０度の充電変位位相における可変コンデンサのセグメントを示す図３Ａの線ＩＶ（Ａ）−ＩＶ（Ａ）での概略側断面図である。 図５Ａの充電変位位相におけるコンデンサの充電状態を示す回路図である。 充電変位位相の最後、すなわちプロセスサイクル中の１８０度における可変コンデンサのセグメントを示す、図３Ａの線ＩＶ（Ａ）−ＩＶ（Ａ）での概略側断面図である。 図６Ａのコンデンサの充電状態を示す回路図である。 プライミングコンデンサの初期状態を示す、上から見た発電機の斜視図である。 図７Ａの初期段階におけるプライミングコンデンサ回路の充電状態およびスイッチ状態を示す、発電機の回路図である。 図７Ａに関して、自己プライミング回路の動作における第２段階のスイッチングステップを示す図である。 図８Ａの自己プライミング回路の第２段階の充電状態を示す回路図である。 図７Ａに関して、第３段階におけるプライミングコンデンサを示す図である。 第３段階の充電状態を示す回路図である。 図７Ａに関して、第４段階を示す図である。 第４段階における自己プライミング回路の素子の充電状態およびスイッチング状態を示す回路図である。 蝶番構造内に設置された第１の実施形態の発電機を有する折りたたみ式携帯電話の斜視図である。 本発明の第２の実施形態で用いる代替形態のコンデンサ構造のセグメントを通る側断面図である。 本発明の第２の実施形態で用いる代替形態のコンデンサ構造のセグメントを通る側断面図である。 本発明の第３の実施形態のコンデンサ極板の平面図である。 図１３Ａのコンデンサ構造を用いた発電機の側面図である。 図１３Ａの線Ａ−Ａでの断面図である。 本発明の第４の可能な実施形態を示す図である。 本発明の第４の可能な実施形態を示す図である。 本発明の第４の可能な実施形態を示す図である。

図１は、本発明の発電機に関する電気回路図であり、これは、第１の可変コンデンサ１および第２の可変コンデンサ２から成る。図２Ａで最もよく分かるように、発電機は、駆動軸１８のまわりに同軸で取り付けられた３つのディスクＡ、ＢおよびＣから成る。

ディスクＢは、ディスクＡとディスクＢとの間に取り付けられて回転用の駆動軸１８に結合され、その一方で、上側ディスクＡおよび下側ディスクＣは、駆動軸およびディスクＢに対して回転しないように取り付けられる。

図２Ａから、各ディスクは、Ｇと印が付いた内側環状部と、Ｐと印が付いた外側環状部とに分割されることが分かる。リングＲは、両環状部を電気的に絶縁する。以下で説明されるように、内側領域は発電回路Ｇをもたらし、ディスクの外側の環状領域は自己プライミング回路Ｐをもたらす。

図３Ａは、図２Ａの組み立てた発電機を上から見た平面図である。ディスクＡの下面とディスクＢの上面とは同様である。

図３Ｂは、ディスクＣの上面の平面図を示す。図３Ｃは、図２Ａでは不明瞭なディスクＢの下面を示す。

図２Ａから図２Ｄで構造的に示されるように、また、図４Ａ、図５Ａおよび図６Ａでより機能的に示されるように、可変コンデンサ１、２は、それぞれ２枚の対向する環状極板を備える。第１のコンデンサ１は、対向する極板３および５を備え、第２のコンデンサ２は、対向する極板４および６を備える。図２のディスクＡ上に極板３が設けられ、ディスクＢ上に極板４および５が設けられ、ディスクＣ上に極板６が設けられる。対向する極板３、４、５、６のそれぞれは、導電体層９、１０、１１、１２から成り、また、誘電体層１３、１４、１３ａ、１４ａが導電層９、１０、１１、１２とそれぞれ互いに接合され、極板を分離しているギャップを電荷が横断するのを防止する一方で、依然として電界をある程度通す。

各誘電体層１３、１３ａ、１４、１４ａは、低い誘電体誘電率を有する領域１５（網掛けで示されている）と高い誘電体誘電率を有する領域１６（明るく見える）とに分割される。図３Ｂおよび図３Ｃから分かるように、高い誘電率の領域および低い誘電率の領域は、類似のサイズのセグメントとして、ディスク中心の近くの内側環状部から、ディスクのリムに向かって環状部へ放射状に広がる。極板４上の高い誘電率の領域および低い誘電率の領域は、すべてが図３Ｂに似ている他の極板３、５および６に対して回転されることが注目されよう。

可変コンデンサが誘電材料の向かい合う層を用いるので、層の最大の誘電体誘電率を、空気と比較して非常に高くすることができる。実際の値は選択した誘電体次第である。

極板３、４、５、６のそれぞれは、駆動軸１８によって与えられた伝動装置のまわりに同軸で取り付けられる。

各コンデンサ１、２の極板５、４のうちの１つを、固定子極板３、６のそれぞれに対して相対的に回転可能であるように駆動軸１８へ取り付けることにより、各コンデンサについてそれぞれ１つの回転板が与えられる。回転板４、５が回転するとき、各コンデンサ１、２の対向する極板の高誘電体誘電率の領域１５自体が、図４Ａのコンデンサ１で示されるように向かい合わせに、次いでコンデンサ２で示されるように隣接して、といったように交互に位置合わせすることが、この配置から容易に理解できる。コンデンサ１、２の回転板の位置合わせは、図４Ａに示されるように、一方の回転板が、その誘電体領域を完全に向かい合わせに位置合わせしたときに、他方は、その誘電体領域を完全に隣接するように位置合わせする。この配置の結果として、極板４、５が回転するとき、各コンデンサの導体層間の誘電体層の誘電率が、最大値から最小値へと周期的に変化する。類似の誘電体誘電率の領域が向かい合わせになったとき、誘電率の最大値が達成される。この配置によって、各コンデンサ１、２の静電容量が逆位相で変化する。

領域１５、１６の誘電率の差は、導電層上へ誘電率の異なる材料を堆積すること、または単一誘電体層に領域にわたって異なる処理を施して誘電特性の所望の変化を引き起こすことにより、達成することができる。したがって、コンデンサの極板は、適当な基板上へのプリントまたはプラズマ堆積などの既知のプロセスによって製作することができる。

スペーサまたはベアリング部材の１７ａ、１７ｂを、誘電体層の対向する面の間に設けることができる。

各固定子極板３、６の導電層１０、１１のそれぞれが、導体７、７ａを介してコンデンサの他方の回転板５、４の導電層９、１２と連絡する。したがって、極板３の導体層１１は導体７を介して回転板４の導電層１２と連絡し、その一方で、導電層９は導体６Ａを介して導電層１０と連絡する。

図４Ｂに示されるように、第１の発電機コンデンサ１に、この場合極板５が相対的にプラス荷電を達成するように電荷が加えられると、対向する極板３は、対応するマイナス荷電を達成する。駆動軸１８を回転させるようにトルクが与えられると、回転板３および４が回転して、それぞれの対向する極板の誘電体領域１５および１６の相対的位置合わせを変更する。その結果、コンデンサ１の静電容量は、その最大値から低下し、その一方でコンデンサ２の静電容量は、その最小値から増加する。その結果、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、電荷は、エネルギー抽出デバイス８によって、コンデンサ１から導体７ａを通ってコンデンサ２の方へ電流Ｉとして移動される。

エネルギー抽出デバイスは、負荷、例えば変圧器である。

エネルギー抽出デバイス８を通って電流が流れるとき、プライミング電荷Ｑを放電させることなく電気エネルギーが引き出され、次いで所望通りに用いることができる。例えば、このエネルギーは、化学電池または他の何らかの形式のアキュムレータを充電することができる。

このプロセスが継続されれば、図６Ａおよび図６Ｂに示された領域１５および１６の相対的な位置合わせは、第２のコンデンサ２上に最大の電荷が蓄積され、第１のコンデンサ１上に最小の電荷が蓄積されるところに達することが容易に理解されよう。これは、発電サイクル中の１８０度と見なすことができる。いずれの方向でも継続的に回転すれば、図４Ａおよび図４Ｂのコンデンサの位相状態の方へ電荷の伝達を逆転させ、導体７を通ってコンデンサ１に戻るように電荷を誘導し、その結果、エネルギー抽出デバイス８には交番電流が見えることになる。

第１のコンデンサの導電性プレート９と１１との間の距離または第２のコンデンサ２の導電性プレート１０と１２との間の距離を変更することなく、各コンデンサの静電容量が変化されることが理解されよう。可変誘電率を有する各コンデンサの導電性プレート間に誘電体層を用いると、コンデンサが高電圧で大量の電荷を蓄積することが可能になり、高エネルギー密度が可能になり、付随して類似のデバイスで従来可能であったものより相対的により高い発電性能が可能になる。誘電体層の向かい合う面を研磨し、それらの間の空隙となり得るギャップを最小限にすることにより、高い度合いへ体積効率を向上させることができる。
静電容量は、Ｃ＝Ｃ₀／［１＋ε（δ／ｄ）］である。
この式で、Ｃ₀は誘電体層間に空隙のない可変コンデンサの静電容量であり、εは誘電体誘電率であり、ｄは誘電体層の厚さであり、δは（ｔ−ｄ）（誘電体層間の空隙）に等しく、ｔは導電プレートの間のギャップの合計である。この式は、δ＜＜ｄの状況に当てはまる。この式から、静電容量の重大な低下をもたらさない許容できる空隙は、誘電体の厚さのε倍小さいものであるべきである。

１７は、回転子基板を指し、この上へ回転板４および５が形成され、また、回転板４と回転板５との間の電気的絶縁および構造的強度をもたらす。他の発電機素子のまわりに同様の絶縁および補強の部材を設けることができるが、不必要な複雑さを回避するために図示されていない。

このコンデンサの設計によって、高性能および高信頼度を示す一方で低価格の発電機の製造が可能になる。

いかなる形式のコンデンサベースの発電機にも、プライミング電荷が徐々に失われるという問題が生じる。この問題に対処するために、本発明の発電機には自己プライミング回路１０１が備わっており、これは、図１に示されたように、伝動装置１８によって伝達された運動の結果、発電機コンデンサ上にプライミング電荷を発生または回復する。回路１０１は、発電機コンデンサ１および２の設計と似た設計の２つの可変プライミングコンデンサ１０２、１０３から成る。自己プライミングコンデンサの構造図は図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃによって与えられる。図７Ａは、コンデンサ極板の位相位置合わせを示す。図７Ｂは、図７Ａおよび図７Ｂで示された第１段階での各素子の充電状態を示す回路図である。

プライミングコンデンサ１０２、１０３は、それぞれ１対の環状極板１０４、１０５、１０６、１０７から成る。固定子ディスクＣの外側の環状部上に極板１０７が設けられる。極板１０６と１０５とは、回転子ディスクＢ上と固定子ディスクＡ上の極板１０４上とに背中合わせの関係で設けられる。

各極板１０４、１０５、１０６、１０７は、それぞれの導電層１０４ａ、１０５ａ、１０６ａ、１０７ａから形成され、これらの導電層の上に、それぞれ誘電体層１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂ、１０６ｂが堆積されている。具体的には、プライミングコンデンサの導電層は、電気的絶縁リングＲによって、同一ディスク上で発電機コンデンサの導電層から分離される。プライミングコンデンサ１０２、１０３の誘電体層は、図３Ｂおよび図３Ｃならびに図８〜図１１から区別することができるように、極板が伝動軸１８によって変位されるとき同相で変化するように配置された、交番で放射状に広がる高誘電体誘電率の領域１１５（図中の網掛けのセグメント）と低誘電体誘電率の領域１１６（明るいセグメント）とに分離される。

スイッチシステム１０８は、極板１０４〜１０７の相対変位によって誘起される静電容量の変化と同期して駆動される。スイッチシステムは、それぞれ３つのスイッチＫ１、Ｋ２およびＫ３から成る。スイッチＫ１は、第１のプライミングコンデンサ１０２の極板１０４と第２のプライミングコンデンサ１０３の極板１０６との間を電気的に絶縁または連絡するように配置される。スイッチＫ２は、極板１０６を、第１のプライミングコンデンサ１０２の極板１０５に対して電気的に連絡または絶縁するように配置される。スイッチＫ３は、極板１０５を、第２のプライミングコンデンサ１０３の極板１０７に対して電気的に連絡または絶縁するように配置される。

自己プライミング回路は、発電機コンデンサ１、２上に残留電荷が少なくとも少量存在することに依存し得る。残留電荷は、プライミング電荷より、例えば１０％または１％または０．１％と、はるかに少量である。残留電荷の実際の値は、動作の条件ならびにプライミングコンデンサの構成次第である。これは、コンデンサを構成する材料を注意深く選択することによって保証することができる。好ましい材料は、誘電体誘電率が高いので、バリウムチタナート（Ｂａｒｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ）、バリウムストロンチウムニオバート（Ｂａｒｉｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）を含む。そのような材料は、少なくとも少量の電荷を無期限に保持する。

対向するコンデンサ極板が移動するとき、単に摩擦の作用によって少量の電荷を発生する他の誘電材料が存在する。摩擦は、対向する誘電体層の間に挟まれたスペーサ１０２ａ、１０３ａに、回転する誘電体を押しつける作用によって引き起こすことができる。これは、後述される自己プライミングプロセスを開始するのに十分足り得る。

図８Ａとともに解読されたときに図１に示されるように、残留電荷（Ｑ）は、極板１０４および１０７と連絡するように配置された発電機コンデンサ２上に存在するように示されている。初期状態では、スイッチＫ１、Ｋ２およびＫ３はすべて開いており、プライミングコンデンサ極板のどれにも電荷は存在しない。

図８Ａおよび図８Ｂは自己プライミングプロセスの第２段階を示しており、ここでは、回転子Ｂの回転によってスイッチＫ１およびＫ３が開いてＫ２が閉じ、残留電荷供給源が、当初はプライミングコンデンサ極板１０４および１０７と連絡して、それらの極板上の電荷をそれぞれ＋ｑおよび−ｑへ引き上げる。その結果、対向する極板１０５、１０６上に均等で反対の電荷が誘起される。この段階では、両方のコンデンサ１０２および１０３において、誘電体領域は最大の誘電率に位置合わせされることが注目されよう。発電機コンデンサの極板上の電荷は、＋（Ｑ−ｑ）および−（Ｑ−ｑ）へ変化する。

図９Ａおよび図９Ｂに示された第３段階では、スイッチがすべて開き、回転板１０４、１０６は、コンデンサ１０２、１０３間の誘電体層の誘電率を最小限にするように変位され、そのため発電機コンデンサ２上の電荷は＋Ｑおよび−Ｑに戻る。

図１０Ａおよび図１０Ｂによって示された第４段階では、スイッチＫ１およびＫ３が閉じ、Ｋ２が開いて、極板１０４と１０６とが連絡し、極板１０５と１０７とが連絡する一方で、誘電体層は位置合わせされたままであって最小の誘電率をもたらす。その結果、発電機コンデンサ２上の電荷がＱ＋ｑへ上昇する。自己プライミング回路を第１段階へ戻すことによって自己プライミングプロセスのステップを繰り返すと、Ｑが、自己プライミングの次のサイクルでＱ＋ｑに等しく設定されるという結果になり、これを、Ｑが発電機コンデンサ１、２の限界容量によって決定された最大値に到達するまで無限に繰り返すことができ、プライミング電荷を最大値へ増幅する。

図２および図３に示されるように、自己プライミング回路の設計は、発電機コンデンサを形成する同一構造のディスクの環状部上にプライミングコンデンサ極板１０４〜１０７を構成することにより、回転発電機で有利に実施することができる。

スイッチＫ１、Ｋ２、Ｋ３は、固定子ディスクに対するシャフトの回転で駆動されることになる固定子ディスクＡおよびＣの外面上に好適に設けることができる。あるいは、スイッチは、コンデンサとしては働かない回転子ディスクおよび固定子ディスクＡ、Ｂ、Ｃの一部分の中に、回転子ディスクと固定子ディスクとの相対的回転がプライミング回路のスイッチを駆動するように製作することができる。

発電機がコンデンサ極板を直線的に動かすように実施される場合、同一の効果を達成できることは、当業者にとって容易に明白であろう。

図１１に示されるように、ディスクＡ、Ｂ、Ｃおよび軸１８は、折りたたみ式携帯電話２１の一部分２１Ａ、２１Ｂを結合する蝶番構造の一部分を形成することができる。発電機のこの用途では、ディスクＡおよびＣを部分２１Ａに取り付けることができる一方で、ディスクＢを部分２１Ｂに取り付けることができ、したがって、電話が開かれるとき、ディスクＡおよびＣに対してディスクＢが回転する。折りたたみ式携帯電話を開く動作がディスクのいくつかの相対的回転を引き起こすように、固定子ディスクＡ、Ｃまたは回転子ディスクＢのうちの１つに伝動装置（明瞭さのために、図示されていない）を設けることができる。さらに、複数の発電機が蝶番構造をもたらすように、図１１に示されるように発電機を積み重ねることができる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、可変発電機またはプライミングコンデンサとして使用されるコンデンサ構造の第２の実施形態を示す。各コンデンサ１、２は同様であり、したがって１つだけが説明されることになる。このコンデンサは、第１の可動極板２０１および第２の静止極板２０２を備える。両極板のうちどちらが移動可能であるかということは単に設計選択上の問題であり、重要な特徴は、第１の実施形態のように、コンデンサ極板の向かい合う面と平行な面に存在する方向へ、コンデンサ極板が相対的に変位可能なことである。第１および第２の極板は、それぞれ導電層２０３、２０４を有する。導電性プレート２０３、２０４には、リブ構造２０７、２０８として成形され、隣接するトラフ２０９、２１０によって分離された突出部をもたらす向かい合う面２０５、２０６が備わっており、向かい合う面２０５、２０６のそれぞれの全体が、均一な厚さのバストロン（Ｂａｓｔｒｏｎ）の層でコーティングされて誘電体層をもたらす。この場合、バストロンは適当な材料の単なる一例である。リブ構造を、導電層２０３、２０４に固定された銅テープによって形成することができるが、製造では、より高度な生産技術を用いることができる。極板２０３、２０４は、リブ２０７とリブ２０８とが図１２Ａに示されるように向かい合わせに位置合わせされたとき、リブ２０７、２０８の近位端を分離するギャップができるだけ小さくなるように支持される。可動極板２０１が矢印Ａの方向に変位されるとき、これらの極板上の向かい合うリブ２０７、２０８は、図１２Ａに示された対向する位置合わせから図１２Ｂに示された隣接する位置合わせに移動する。これによって、極板間の誘電体の誘電率が変更され、そのためコンデンサの静電容量が最小値と最大値との間で変化する。極板２０１上のリブ構造を分離するトラフが、極板２０２上のリブを分離するトラフの幅の整数倍であることが注目されよう。この実施例では、整数は３である。

示された発電機の実施例は極板の相対的回転運動に依存し、効率および機構において特定の利点をもたらす。しかし、極板を相対的に相互に回転してまたは直線的に動かせることは本発明の範囲内にある。

コンデンサの製造は、レーザを用いた、層ずつの断続的レーザインパルスによるレーザ焼結、または１つの層の単一レーザインパルスによる１度のレーザ焼結により、好都合に実現することができる。スパッタリングを用いて、基板上に誘電体を堆積することができる。

図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態は、優先権出願である特許文献４に示されている。容量型電流発電機は、２つの電気的コンデンサ３０１、３０２のそれぞれが最小値と最大値の間で変化され得る静電容量を有するという条件下で、静電容量が交番する両コンデンサを備え、両コンデンサは電気回路によって接続され、両コンデンサは、一方のコンデンサが最小静電容量を有するとき、もう一方のコンデンサが最大静電容量を有するように逆位相で機械的に結合され、コンデンサが製造されるとき、コンデンサの電極に直流の電位が与えられる。

両コンデンサのそれぞれが、最外面を導電層でコーティングされた強誘電体極板３０３（エレクトレット）から形成される。対向面は、隆起部が相対変位の方向に対して垂直に配向される歯要素３０３を有する。両電極は、それらの長軸と平行な面内を移動し、互いから一定距離を保つように、一方が他方に対して前進移動または回転運動をすることができる。電気回路３０６は、充電の自励様式をもたらす要素を含み、発電機コンデンサ３０１、３０２にプライミング電荷を供給する。

一方の強誘電体極板（エレクトレット）が他方に関して回転するとき、歯要素は、一方が他方に関して変位される。極板間の空隙は、歯の隆起部が互いに向き合うときの最小値から、１つの極板の歯要素の隆起部がもう１つの極板の歯要素の空隙の上にあるときの最大値まで変化する。空隙のそのような変化によって、コンデンサの静電容量の変化、電極上での電位差の変化がもたらされる。この変化は、電圧計６によって表示される。強誘電体極板（エレクトレット）の回転は、電気エネルギーに変換される機械エネルギーの印加を必要とする。デバイスの最善の実施形態は、１回の機械的回転中に、歯車の変位のスパンに及ぶ歯要素の数に等しい頻度で、コンデンサが充電および再充電されるものである。

図１４は、発電機を多くの形状で構成することができるという本発明の利点を示している。この場合、発電機は２本の同心のチューブから形成される。発電機は、軸方向に離隔された２つの管状の発電機コンデンサ４０１、４０２を備える。これらは、軸方向に離隔された２つの管状の発電機コンデンサ極板４０４（そのうち１つだけが図示されている）をもたらすインナチューブから成る。４０６および４０３で示されたアウタチューブの一部分として、対向する発電機コンデンサ極板が設けられる。各極板は、リングＲによって隣接極板から電気的に絶縁される。

各内側極板４０４は導体の内層を備え、各外側極板は導体の最外層４０３ａ、４０６ａを備え、各インナチューブは誘電材料の最外層を有し、その一方で各アウタチューブには誘電材料の内層が備わっている。誘電材料の層は、暗い領域で表わされた低誘電率領域４１５と明るい領域で表わされた高誘電率領域４１６との、長手方向に伸びる領域に分割される。以前の実施形態と同様に、コンデンサのうちの１つの誘電体の層のうちの１つは、一方のチューブが他方に対して回転されるとき、一方のコンデンサの誘電体誘電率が上昇し、他方のコンデンサの誘電体誘電率が低下するように、オフセットされた領域を有する。

第１の実施形態を参照しながら説明された回路と同様の回路が、一方のチューブが次のチューブに対して回転されるとき、コンデンサに与えられた電荷が、それらの間で前後に進むように、説明された２つの発電機コンデンサを接続する。

外側導体層４０４ａ、内側導体層４０５ａによって与えられる類似のチューブラコンデンサによってプライミングコンデンサ４０２’、４０３がもたらされ、４０４ａ、４０５ａ上に、発電機の軸方向の端部で、それぞれ誘電体４０４、４０５の向かい合う層が設けられる。誘電材料の層には、長手方向に広がり、放射状に交番する、高誘電体誘電率の領域および低誘電体誘電率の領域が備わっている。プライミングコンデンサの以前の実施例と同様に、これらの領域は、その静電容量が同相で変化するように各プライミングコンデンサ内に同様に配置される。プライミングコンデンサ４０２’、４０３は、第１の実施形態に関して説明されたようにプライミング回路１０１で接続される。

Claims (21)

1. 容量型発電回路（Ｇ）は、伝動装置からの機械的力に応答して電流を発生するように構成され、
   プライミング電荷回路（Ｐ）は、第１の可変プライミングコンデンサおよび第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量を変化させるように前記伝動装置と機械的に結合され、且つ前記容量型発電回路（Ｇ）に電気的に接続され、前記機械的力に応答してプライミング電荷を発生し、前記容量型発電回路（Ｇ）へ送出する、第１の可変プライミングコンデンサおよび第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）、ならびに、前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサを前記伝動装置によって同期式で順次駆動されるように構成された配列のスイッチを含み、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量は、前記伝動装置による運動に応答して同相で変化するように構成され、前記スイッチ（Ｋ）は、前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサの極板間で開閉するように構成され、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最大になる前記伝動装置の第１の位置では、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０３）を直列接続するように前記スイッチを閉じ、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最小になる前記伝動装置の第２の位置への運動に応答して、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサのコンデンサ極板（１０４、１０５、１０６、１０７）を互いに他のものから絶縁するように前記スイッチを開き、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最小になる前記伝動装置（１８）による第３の位置へのさらなる運動に応答して、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０３）を並列接続するように前記スイッチを閉じることを特徴とする容量型電流発電機。
2. 前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）は、前記コンデンサ極板間の誘電体の誘電率を変化させることにより、それらの静電容量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の容量型電流発電機。
3. 前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２のコンデンサ（１０２、１０３）は、それぞれ向かい合わせに配置された誘電体層が各極板（１０４、１０５、１０６、１０７）に備わっている可動極板および固定子極板を有し、前記誘電体層は、高誘電体誘電率の領域（１５）および低誘電体誘電率の領域（１６）を有し、これらの領域は、一方の極板が他方に対して動くとき、それぞれの対向する誘電体層上の前記高誘電体誘電率の領域が一致し、前記低誘電体誘電率の領域が一致して前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサの前記静電容量を最大にし、また、前記伝動装置による変位で、
   前記低誘電体誘電率の領域（１５）が前記高誘電体誘電率の領域（１６）と一致して前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサの前記静電容量を最小にするように構成されることを特徴とする請求項２に記載の容量型電流発電機。
4. 前記容量型発電回路は、
   誘電体によって分離された１対の導電層（９、１０、１１、１２）をそれぞれが備える第１の可変コンデンサ（１）および第２の可変コンデンサ（２）と、
   前記第１の可変コンデンサの１枚のコンデンサ極板（５）の導電層（９）と前記第２の可変コンデンサの１枚のコンデンサ極板の導電層（１０）との間を電気的に連絡する電気エネルギー抽出デバイス（８）と、
   前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）に結合され、外部供給源からの機械的衝撃に応答して、前記導電層間の距離を変化させることなく、同期して前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサの静電容量（１、２）を逆位相で変化させる機械的伝動装置とを有し、それによって、
   前記前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）上にプライミング電荷が蓄積されたとき、前記電気エネルギー抽出デバイス（８）によって前記プライミング電荷が伝導されて電気エネルギーが抽出されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の容量型電流発電機。
5. 誘電体によって分離された１対の導電層（９、１０、１１、１２）をそれぞれが備える第１の可変コンデンサ（１）および第２の可変コンデンサ（２）と、
   前記第１の可変コンデンサと前記第２の可変コンデンサとが直列接続された直列回路と並列接続された電気エネルギー抽出デバイス（８）と、
   外部供給源からの機械的力に応答して、前記導電層間の距離を変化させることなく、一方の静電容量が増加するとき他方の静電容量が減少するように、前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサの静電容量（１、２）を変化させるために前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）に結合された機械的伝動装置（１８）と、
   第１の可変プライミングコンデンサおよび第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量を変化させるように前記機械的伝動装置と機械的に結合され、且つ前記第１の可変コンデンサに電気的に接続され、前記機械的力に応答してプライミング電荷を発生し、前記第１の可変コンデンサへ送出する、第１の可変プライミングコンデンサおよび第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）、および前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサを、前記機械的伝動装置によって同期式で順次駆動されるように構成された配列のスイッチを含むプライミング電荷回路（Ｐ）と、
   を備え、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の前記静電容量は、前記機械的伝動装置による運動に応答して同相で変化するように構成され、前記スイッチ（Ｋ）は、前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサの極板間で開閉するように構成され、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最大になる前記機械的伝動装置の第１の位置では、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０３）を前記第１の可変コンデンサに直列接続するように前記スイッチを閉じ、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最小になる前記機械的伝動装置の第２の位置への運動に応答して、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサのコンデンサ極板（１０４、１０５、１０６、１０７）を互いに他のものから絶縁するように前記スイッチを開き、
   前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最小になる前記機械的伝動装置（１８）による第３の位置へのさらなる運動に応答して、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０３）を前記第１の可変コンデンサに並列接続するように前記スイッチを閉じることにより、
   前記コンデンサ（１、２）上にプライミング電荷が蓄積されたとき、前記電気エネルギー抽出デバイス（８）によって前記プライミング電荷が伝導されて電気エネルギーが抽出されることを特徴とする容量型電流発電機。
6. 前記機械的伝動装置（１８）は、前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）の前記静電容量が前記誘電体誘電率と同相で変化するように、前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサの各コンデンサ（１、２）の前記導電層（９、１０、１１、１２）間の前記誘電体の前記誘電率を変化させることを特徴とする請求項５に記載の容量型電流発電機。
7. 各導電層（９、１０、１１、１２）は、それぞれの誘電体層（１３、１３ａ、１４、１４ａ）を支持してコンデンサ極板（３、４、５、６）を形成し、前記第１のコンデンサ（１）は１対の前記極板（３、５）から形成され、前記第２のコンデンサ（２）は前記極板（４、６）の第２の対から形成され、
   各誘電体層（１３、１３ａ、１４、１４ａ）は、高誘電率誘電体領域に比べて低い誘電率の誘電体の低誘電体領域（１６）によって分離された高誘電率の誘電体から形成された高誘電体領域（１５）を有し、
   前記コンデンサ（１、２）のそれぞれは、１対の前記極板（３、４、５、６）で形成され、前記誘電体層（１３、１３ａ、１４、１４ａ）は、前記導電層（９、１０、１１、１２）の間で対向する関係にあり、また、前記機械的伝動装置は、各コンデンサ（１、２）の前記誘電体層（１３、１３ａ、１４、１４ａ）のうちの１つを前記極板と平行な面内にある方向へ動かし、その結果、前記高誘電体領域（１５）と前記低誘電体領域（１６）との一致の変化が前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサの静電容量の変化をもたらすことを特徴とする請求項６に記載の容量型電流発電機。
8. 各コンデンサの前記極板のうちの１つは、各コンデンサの固定子極板（５、６）である他方に対して運動可能な可動極板（３、４）であり、前記機械的伝動装置は、前記固定子極板（５、６）のそれぞれの前記誘電体層（１１、１４）に対するそれぞれの前記可動極板（３、４）の前記誘電体層（１２、１３）の変位をもたらすために、前記可動極板（３、４）を変位させるように結合されることを特徴とする請求項７に記載の容量型電流発電機。
9. 前記発電機の可動極板（３、４）は、共通のアーマチュア上に背中合わせの関係で取り付けられることを特徴とする請求項８に記載の容量型電流発電機。
10. 前記対向する誘電体層（１１、１２、１３、１４）の対向面は、平坦であって、前記発電機のエネルギー密度を向上させることを特徴とする請求項７または８に記載の容量型電流発電機。
11. 前記対向面は、研磨されていることを特徴とする請求項１０に記載の容量型電流発電機。
12. 前記可動極板は、回転子であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の容量型電流発電機。
13. 前記極板（３、４、５、６）は、ディスクであることを特徴とする請求項１２に記載の容量型電流発電機。
14. 前記機械的伝動装置は、前記可動極板（３、４）を往復運動させることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載の容量型電流発電機。
15. 前記領域は、細長片であることを特徴とする請求項７ないし１４のいずれかに記載の容量型電流発電機。
16. 前記細長片は、放射状に広がることを特徴とする請求項１および請求項１５に記載の容量型電流発電機。
17. 第１の可変コンデンサ（１）および第２の可変コンデンサ（２）は、可動極板および固定子極板をそれぞれ備え、
    各極板は、前記極板の向かい合う面の間に存在する導電層（９、１０、１１、１２）および誘電体層を備え、
    それぞれの前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）の前記導電層（９、１２）のうちの１つは、電気エネルギー抽出デバイスを含む導体（７）を介して電気的に接続され、
    前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）は、外部供給源からの機械的原動力に応答して前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）の前記可動極板を前記固定子極板に対して動かすことにより前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサの静電容量（１、２）を変化させる、機械的伝動装置に結合され、
    プライミング電荷回路（Ｐ）は、第１の可変プライミングコンデンサおよび第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量を変化させるように前記機械的伝動装置と機械的に結合され、且つ前記第１の可変コンデンサに電気的に接続され、前記機械的力に応答してプライミング電荷を発生し、前記第１の可変コンデンサへ送出する、第１の可変プライミングコンデンサおよび第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）、ならびに、前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサを前記機械的伝動装置によって同期式で順次駆動されるように構成された配列のスイッチを含み、
    前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の前記静電容量は、前記機械的伝動装置による運動に応答して同相で変化するように構成され、前記スイッチ（Ｋ）は、前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサの極板間で開閉するように構成され、
    前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最大になる前記機械的伝動装置の第１の位置では、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０３）を前記第１の可変コンデンサに直列接続するように前記スイッチを閉じ、
    前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最小になる前記機械的伝動装置の第２の位置への運動に応答して、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサのコンデンサ極板（１０４、１０５、１０６、１０７）を互いに他のものから絶縁するように前記スイッチを開き、
    前記第１の可変プライミングコンデンサおよび前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０２、１０３）の静電容量が最小になる前記機械的伝動装置（１８）による第３の位置へのさらなる運動に応答して、前記第１の可変プライミングコンデンサ（１０２）および前記第２の可変プライミングコンデンサ（１０３）を前記第１の可変コンデンサに並列接続するように前記スイッチを閉じることそれによって、
    前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）上にプライミング電荷が蓄積されたとき、前記プライミング電荷が導体（７）を通って運搬されて、前記電気エネルギー抽出デバイスに電気エネルギーを抽出させ、前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサ（１、２）の前記導電層の前記向かい合う面は、前記可動極板が前記固定子極板に対して動かされるとき、前記極板間の前記誘電体が変化して前記第１の可変コンデンサおよび前記第２の可変コンデンサの静電容量を変化させるように成形されることを特徴とする容量型電流発電機。
18. 前記極板は、コルゲーションの形に成形されることを特徴とする請求項１７に記載の容量型電流発電機。
19. 前記コルゲーションは、長方形断面を有し、その結果、前記コルゲーションの対向するリブは、相対運動の方向において類似の幅の平坦な相補的対向面を示すことを特徴とする請求項１８に記載の容量型電流発電機。
20. 前記対向する極板の一方では、前記リブを分離するチャネルは各リブ幅に類似の幅を有し、前記対向する極板の他方では、前記リブを分離する前記チャネルは各リブの前記幅の整数倍の幅を有することを特徴とする請求項１９に記載の容量型電流発電機。
21. 前記誘電体は、強誘電体を含むことを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の容量型電流発電機。

Images