JP7099774B2 - 内蔵されるｕ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、接触式摩擦発電エネルギーハーベスターに関し、特に、内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置に関する。

振動は、私たちの日常生活に、一番よく見られる機械的運動の一つであり、人間の運動、バスの運転や橋の振動などに存在している。環境における機械的振動からエネルギーを収集して電子機器に充電することは、健康監視、インフラのモニタリング、及び環境保護や公共セキュリティ監視などに広く適用され得る。現在に、振動エネルギーの収集は、主に、圧電効果、電磁誘導効果、静電効果及び磁気制御効果に基づいており、これらの稼働モードはいずれも機器がその共振周波数及び極めて狭い範囲のみに効果的に稼働できる。しかしながら、環境における振動は、周波数スペクトルの分布が一般的に広く、さらに、時間とともに変化することも多く、これらの要因により、従来の稼働モードでは環境における振動エネルギーを効果よく収集できなくなる。そして、低周波数範囲及び広い周波数範囲でも効果良く稼働できる静電発電装置は、比較的良い適用の見通しが存在している。

本発明が解決しようとする課題は、内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置を提供することであり、当該装置は、小型化、加工しやすく、出力電圧が高く、エネルギー変換率が比較的高いなどの利点を有している。

本発明は、技術課題を解決するための技術手段は、以下の通りである。
振動エネルギーを収集し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する、内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置であって、
当該摩擦発電装置は、菱形フレームを備え、菱形フレームの四つの側壁がヒンジ部によってヒンジ接続され、前記菱形フレームの四つの内壁のそれぞれに、一つずつのコンロッドがヒンジ接続され、隣接する二本のコンロッドの末端に第一支持板の両端がヒンジ接続されてＵ字状支持部を構成し、対向する残りの二本のコンロッドの末端に第二支持板の両端がヒンジ接続されてＵ字状支持部を構成し、Ｕ字状支持部の内部に押し柱及び中空管を有し、中空管が支持板に垂直に固定され、中空管内には、ばねを有し、前記押し柱は、一端がヒンジ部に固定され、他端が中空管に挿入され、支持板には、金属導体層及び誘電体材料層が順に設けられ、二つの支持板上の誘電体材料層の極性が反対であり、菱形フレームが折り畳まれる場合に、二つの支持板上の誘電体材料層が接触して摩擦電荷が発生し、押し柱が中空管におけるばねを圧縮し、次に、菱形フレームがばねによる反対の力により開かれて、二層の誘電体材料が分離され、それにより摩擦電荷により誘導電界を発生してポテンシャル差を形成し、このようにして、接触式摩擦発電手段は、振動による機械エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする発電装置。

さらに、前記押し柱は、押し柱が構造が折り畳まれる場合に曲がらないことを満たすために、剛性材料で製造される。

さらに、発電装置には、菱形フレームがそれが位置する平面内でのみ運動するように制限するための、一つのハウジングをさらに含む。

さらに、当該静電発電装置は、電気エネルギーの転送回路をさらに含み、転送回路は、ワイヤと蓄電装置を含み、金属導体層は、ワイヤを介して蓄電装置に接続されて蓄電池に充電する。

さらに、前記菱形フレームとＵ字状支持部は、ゴム板で製造される。

さらに、前記中空管の末端は、押し柱が中空管から離脱することを防止するためのリミット構造を有する。

さらに、中空管がＵ字状支持部の支持板に固定して接続されると共に、押し柱と常に接触し、且つ押し柱が中空管を摺動できることを保証する必要がある。それにより理想的な加圧効果を達成し，より大きな出力電圧を得る。

本発明による有益な効果は、以下の通りである。
振動による接触式の静電気エネルギーハーベスターは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、他の外部電子機器に電力を提供することが可能である。本発明は、従来の振動によるエネルギーハーベスターに比べると、耐用年数が長く、他の加工プロセスと集積し易く、出力電圧がより高く、エネルギー変換率が高いなどの利点を有している。

係る内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置の構成図である。 振動条件における係る内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置の初期運動状態の模式図である。 振動条件における係る内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置について、その誘電体材料層が完全に接触する運動状態の模式図である。 中空管の末端におけるリミット構造の模式図である。

以下には、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施の形態をより詳しく説明する。

図１に示すような内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置は、振動エネルギーを収集することに用いられており、当該摩擦発電装置は、菱形フレーム１を備え、菱形フレーム１の四つの側壁がヒンジ部７によってヒンジ接続され、前記菱形フレーム１の四つの内壁のそれぞれに、一つずつのコンロッドがヒンジ接続され、隣接する二本のコンロッドの末端に第一支持板の両端がヒンジ接続されてＵ字状支持部２を構成し、対向する残りの二本のコンロッドの末端に第二支持板の両端がヒンジ接続されてＵ字状支持部２を構成し、Ｕ字状支持部２の内部に押し柱６及び中空管５を有し、中空管５が支持板に垂直に固定され、中空管５内には、ばね４を有し、前記押し柱６は、一端がヒンジ部７に固定され、他端が中空管５に挿入され、支持板には、金属導体層及び誘電体材料層３が順に設けられ、二つの支持板上の誘電体材料層の極性が反対であり、菱形フレーム１が折り畳まれる場合に、二つの支持板上の誘電体材料層３が接触して摩擦電荷が発生し、押し柱６が中空管５におけるばね４を圧縮し、次に、菱形フレーム１がばねによる反対の力により開かれて、二層の誘電体材料が分離され、それにより摩擦電荷により誘導電界を発生してポテンシャル差を形成する。このようにして、接触式摩擦発電手段は、振動による機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。

前記押し柱６は、押し柱が構造が折り畳まれる場合に曲がらないことを満たすために、剛性材料で製造される。

発電装置には、菱形フレーム１がそれが位置する平面内でのみ運動するように制限するための、一つのハウジングをさらに含む。ハウジングは、通常に、菱形フレーム１の厚さに応じて、カスタマイズされる。

当分野における通常の技術的手段としては、当該静電発電装置は、電気エネルギーの転送回路をさらに含み、転送回路は、ワイヤと蓄電装置を含み、金属導体層は、ワイヤを介して蓄電装置に接続されて蓄電池に充電する。

前記菱形フレーム１とＵ字状支持部２は、ゴム板で製造される。前記中空管５の末端は、リミット構造を有し、図４に示されるように、中空管５からの押し柱６の離脱を防止するように、同時階段構造のリミット形式を採用する。

本発明における組立型の接触式摩擦発電は、その原理が以下の通りである。

図１に示される発電装置における単一の発電手段の断面図を例に挙げると、環境から装置への負荷方向は、水平方向又は鉛直方向となる。初期状態では、図２に示されるように、上側と下側における誘電体材料層３同士が分離される。図３に示されるように、エネルギーハーベスターは、環境負荷作用で、ある時点に、慣性の作用により上側と下側における誘電体材料層３が接触し、それにより接触して摩擦電荷を発生する。次に、手段は、ばねによる反対の力により、誘電体材料層３を分離させ、この過程において、上側と下側に位置する誘電体材料層３上の極性が反対である摩擦電荷により、誘導電界が発生し、ポテンシャル差が形成され、外部回路に接続されると、金属導体層間に電荷の移動が生じることにより、電流が発生することになる。

そのうち、単一の接触式摩擦発電手段について、静止状態にあると、上側と下側における誘電体材料層３の間の距離が最大となり、振動条件で、上側と下側における誘電体材料層３の間隔が振動に伴い変化し、ｙ（ｔ）がｔ時点における上側と下側の誘電体材料層間の距離である。接触式摩擦発電装置が稼働する際には、ｙ（ｔ）が最大から０まで変化する。二つの誘電体材料が接触する（つまりｙ（ｔ）＝０）場合、極板が充電され、誘電体材料を被覆する二つの極板の表面は、反対する静電荷を取得し、それらは等しい電荷密度σ（接触摩擦による電荷密度）を有する。また、二つの誘電体材料が分離されると、電荷が外部付加回路を介して電流を生じる。負荷抵抗をＲとすると、キルヒホッフの法則からの支配方程式は、以下のとおりである。

ただし、電荷量Ｑと誘導容量Ｃはいずれもｙ（ｔ）と該関数関係が存在し、この一次微分方程式の境界条件がＱ（ｔ＝０）＝Ｑ（Ｔ＝０）＝０となる。これにより、単一の摩擦発電手段の出力電圧Ｖ（ｔ）を得ることができる。

実験により、出力性能について、通常のＵ字状支持部なしの菱形発電装置とこのＵ字状支持部付きの菱形発電装置を比較する。この実験では、同一の機械的振動源により、二つの部材に、外部からの力をかけ、この機械的振動源は、１．５Ｈｚのの周期的な外部からの力を提供する。しかも、二つの発電装置の外部抵抗はいずれも１００メガオームであり、両者のコンタクトプレート（基板、金属電極層及び誘電体材料層からなる）の面積がいずれも５＊５ｃｍとなる。実験の際には通常の菱形発電装置による出力電圧が４６Ｖだけであるが、Ｕ字状支持部付きの発電装置による出力電圧が６２Ｖである。その出力電圧のサイズは、３５％増加した。

１ 菱形フレーム
２ Ｕ字状支持部
３ 誘電体材料層
４ ばね
５ 中空管
６ 押し柱
７ ヒンジ部
ｙ（ｔ） ｔ時点における上側と下側の誘電体材料層間の距離

Claims (6)

1. 振動エネルギーを収集し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する、内蔵されるＵ字状支持部による菱形構造の摩擦発電装置であって、
   当該摩擦発電装置は、菱形フレーム（１）を備え、菱形フレーム（１）の四つの側壁がヒンジ部（７）によってヒンジ接続され、前記菱形フレーム（１）の四つの内壁のそれぞれに、一つずつのコンロッドがヒンジ接続され、隣接する二本のコンロッドの末端に第一支持板の両端がヒンジ接続されてＵ字状支持部（２）を構成し、対向する残りの二本のコンロッドの末端に第二支持板の両端がヒンジ接続されてＵ字状支持部（２）を構成し、Ｕ字状支持部（２）の内部に押し柱（６）及び中空管（５）を有し、中空管（５）が支持板に垂直に固定され、中空管（５）内には、ばね（４）を有し、前記押し柱（６）は、一端がヒンジ部（７）に固定され、他端が中空管（５）に挿入され、支持板には、金属導体層及び誘電体材料層（３）が順に設けられ、二つの支持板上の誘電体材料層の極性が反対であり、菱形フレーム（１）が折り畳まれる場合に、二つの支持板上の誘電体材料層（３）が接触して摩擦電荷が発生し、押し柱（６）が中空管（５）におけるばね（４）を圧縮し、次に、菱形フレーム（１）がばねによる反対の力により開かれて、二層の誘電体材料が分離され、それにより摩擦電荷により誘導電界を発生してポテンシャル差を形成し、このようにして、接触式摩擦発電手段を構成して、振動による機械エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする発電装置。
2. 前記押し柱（６）は、押し柱が構造が折り畳まれる場合に曲がらないことを満たすために、剛性材料で製造されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 菱形フレーム（１）がそれが位置する平面内でのみ運動するように制限するための、一つのハウジングをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
4. 当該摩擦発電装置は、電気エネルギーの転送回路をさらに含み、転送回路は、ワイヤと蓄電装置を含み、金属導体層は、ワイヤを介して蓄電装置に接続されて蓄電池に充電することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
5. 前記菱形フレーム（１）とＵ字状支持部（２）は、ゴム板で製造されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
6. 前記中空管（５）の末端は、押し柱（６）が中空管（５）から離脱することを防止するためのリミット構造を有することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

Images