JP6343665B2 - スライド摩擦式発電機、発電方法及びベクトル変位センサ - Google Patents
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Description
摩擦層と、等電位に電気的に接続されている電極層と、を含み、
前記摩擦層を、その下面が、前記電極層の上面に対向するように配置し、
前記電極層の上面と前記摩擦層の下面が外力によって相対的にスライドすると共に、摩擦面積がスライド途中で変化すると、前記電極層と前記等電位との間に電気信号を出力するスライド摩擦式発電機を提供する。
前記電極層の下面は、平面又は曲面である。
各前記サブ電極と等電位との間に電気信号を検出するための検出装置を接続し、
前記摩擦層の下面と前記サブ電極の上面がスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、前記電気信号を検出した検出装置の位置に応じて、前記摩擦層の位置を決定することができ、あるいは、電気信号を順次に検出した検出装置の位置に応じて、前記摩擦層のスライド距離、スライド方向又はスライド速度を決定することができるベクトル変位センサを提供する。
あるいは、前記検出装置は、発光素子又は発声素子であり、前記電気信号を検出すると、光信号又は音声信号を出力する。
負荷によって等電位に接続される電極層を準備するステップと、
摩擦層と前記電極層が相対にスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、電流が前記負荷を流すステップと、を含む発電方法を更に提供する。
1、本発明のスライド摩擦式発電機は、単電極であるため、1種の摩擦帯電材料及び1種の導電材料(例えば、ポリマー及び金属材料)のみを必要とし、導電材料を等電位に電気的に接続すればよい。そのため、摩擦帯電材料の表面に金属材料をメッキする必要がない。摩擦帯電材料と導電材料間の接触及び離間によって、外部へ電気的エネルギーを出力することができる。本発明は、発電機の構造を簡単化すると共に、厚さの大きい摩擦層の使用も可能であり、また発電機の使用寿命を延長することができる。
添付される図面によって、本発明の上述した目的及びその他の目的、特徴並びにメリットは、より明らかになろう。図面において、同じ符号は、同じ部分を示す。実際のサイズに基づいて等比例的に拡大または縮小したものではなく、本発明の主旨を示すことにその目的がある。
負荷によって等電位に接続される電極層を準備するステップと、
摩擦層と前記電極層が相対的にスライドして摩擦を発生させて、摩擦面積を変化させると、電流が前記負荷を流すステップと、を含む発電方法を提供する。
長さ10cm×幅5cm×厚み1mmであるポリテトラフルオロエチレンを切断して摩擦層の材料層とする。そして、テープによって、長さ10cm×幅5cm×厚み25μmであるアルミニウム箔を、同じサイズの有機ガラス材料の基板に固定し、銅のリード線によって接続して抵抗に接続する。抵抗の他端を、グランドに接続する。切断されたポリテトラフルオロエチレンをアルミニウム箔の表面に配置する。外力の作用によって、ポリテトラフルオロエチレンとアルミニウム箔が相対的にスライドして摩擦面積に変化があると、抵抗の両端に接続された電圧計に相応する電気信号が出力されるが、これは、外力の力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換して発電できることを証明する。
レーザによって、長さ10cm×幅10cm×厚み1.59mmである有機ガラスを切断して発電機によるセンサの基板材料とする。マグネトロンスパッタリング法によって、サブ電極として、基板の上面にアルミニウム電極長尺を16個形成する。サブ電極の幅は、10mmで、長さは、3cmで、電極長尺間の距離は、2mmである。16個のサブ電極について、4個ずつ1つのグループとし、4つの方向に配置して「十」字構造を形成する。図9に示すように、各グループ内の4つのサブ電極は、平行に等間隔に配列されている。銅のリード線によって、各アルミニウム電極長尺を接続して分圧抵抗Rに接続する。分圧抵抗の他端は、グランドに接続される。図10のように、各電極長尺と分圧抵抗との間から、電気信号の収集に用いられる出力端部01、……、15、16が引き出されている。16個の出力端部は、それぞれ検出装置に接続されているが、検出装置によって、16個のサブ電極の出力信号に対するリアルタイムの収集を実現する。摩擦層として、長さ2cm×幅2cm×厚み1mmであるポリテトラフルオロエチレンを切断して、複数の電極長尺のパターン間の空いたスペースに対向するように配置する。ポリテトラフルオロエチレン材料が任意の方向に沿ってスライドするとき、電極長尺と相対的にスライドして摩擦を発生させて、接触面積を変化させることになる。すると、出力端部から電気信号を出力することになる。なお、摩擦層を含む物体がセンサの上を移動するとき、異なるサブ電極が順次に摩擦層と接触するため、異なるサブ電極からそれぞれ電気信号を出力することになる。これらの信号を解析することによって、物体がどの方向に沿って移動するか、及び移動の位置を取得することができる。図11は、ある方向に沿って10mmをスライドした場合に得られたデータを示した例であるが、中心領域上方の第1番目のサブ電極と物体に設けられた摩擦層が接触したことを表示している。
Claims (23)
- 摩擦層と、等電位に電気的に接続されている電極層と、を含み、
前記摩擦層を、その下面が、前記電極層の上面に対向するように配置し、
前記電極層の上面と前記摩擦層の下面が、外力によって接触して相対的にスライドすると共に、摩擦面積がスライド途中で変化すると、前記電極層と前記等電位との間に電気信号を出力し、
前記摩擦層の下面の材料と前記電極層の上面の材料は、帯電列上で並びの順番に差異があり、
前記電極層は、複数のサブ電極からなり、
各前記サブ電極は、等電位に電気的に接続されており、
前記複数のサブ電極の上面は、前記電極層の上面を形成し、
前記サブ電極の上面と前記摩擦層の下面が、外力の作用によって相対的にスライドすると共に、摩擦面積がスライド途中に変化すると、前記サブ電極と前記等電位との間に電気信号を出力する
ことを特徴とするスライド摩擦式発電機。 - 前記電極層は、負荷によって、グランド又は等電位回路に接続され、あるいは、負荷に並列に接続された周辺回路によって、等電位に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記電極層の上面は、前記摩擦層の下面に接触するように設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載のスライド摩擦式発電機。
- 外力を受けていない場合、前記電極層は、前記摩擦層に接触しなく、外力を受けた場合、前記電極層の上面は、前記摩擦層の下面に接触することを特徴とする請求項1又は2に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記摩擦層の下面の材料は、絶縁体から選択されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記絶縁体は、ポリマー材料から選択され、
前記ポリマー材料は、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、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、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレンから選択されることを特徴とする請求項5に記載のスライド摩擦式発電機。 - 前記摩擦層の厚さは、1mmより大きいことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記電極層の上面の材料は、金属、酸化インジウム・スズ又は有機物導体から選択されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記電極層の上面及び/又は摩擦層の下面の一部又は全部に、ナノメートル、ミクロン(micron)又はサブミクロン(sub−micron)レベルの微小構造(microstructure)が配置され、
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、又は当該構造から形成されたアレイであり、あるいは、
前記微小構造は、ナノ材料の修飾又は塗布層であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。 - 前記電極層の上面及び/又は摩擦層の下面は、化学的変性が施されており、
前記電極層の上面及び/又は摩擦層の下面において、帯電列でプラスになりやすい材料の表面に、電子が奪われやすい官能基を導入し、あるいは、帯電列でマイナスになりやすい材料の表面に、電子を取込みやすい官能基を導入し、あるいは、
前記電極層の上面及び/又は摩擦層の下面において、帯電列でプラスになりやすい摩擦層の材料の表面に、正の電荷を導入し、帯電列でマイナスになりやすい摩擦層の材料の表面に、負の電荷を導入することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。 - 前記電極層の上面は、平面又は曲面であり、及び/又は、
前記電極層の下面は、平面又は曲面であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。 - 前記電極層の上面と前記摩擦層の下面は、相補の表面であることを特徴とする請求項11に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記摩擦層の下面は、凹凸の非平坦な表面であり、前記電極層の上面は、凹凸の非平坦な表面であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記電極層及び/又は摩擦層は、軟質材料または硬質材料からなり、あるいは、
前記電極層及び/又は摩擦層は、弾性材料からなることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。 - 基板を更に含み、
前記電極層は、前記基板に設けられていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。 - 前記摩擦層の下面は、隣り合う2つのサブ電極の上面に同時に接触して摩擦することができないことを特徴とする請求項1に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記サブ電極は、長尺状又は正方形尺状であることを特徴とする請求項1又は16に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記複数のサブ電極は、予め設定されたパターンに従って配列されていることを特徴とする請求項1、16又は17に記載のスライド摩擦式発電機。
- 前記摩擦層は、複数の摩擦ユニットからなり、
前記複数の摩擦ユニットの下面は、前記摩擦層の下面を形成することを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機。 - 請求項1又は16乃至18のいずれか1項に記載のスライド摩擦式発電機を含み、
各前記サブ電極と等電位との間に電気信号を検出するための検出装置を接続し、
前記摩擦層の下面と前記サブ電極の上面がスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、前記電気信号を検出した検出装置の位置に応じて、前記摩擦層の位置を決定し、あるいは、電気信号を順次に検出した検出装置の位置に応じて、前記摩擦層のスライド距離、スライド方向又はスライド速度を決定することを特徴するベクトル変位センサ。 - 前記検出装置は、電流又は電圧を検出する装置であり、前記電気信号は、電流又は電圧の信号であり、あるいは、
前記検出装置は、発光素子又は発声素子であり、前記電気信号を検出すると、光信号又は音声信号を出力することを特徴とする請求項20に記載のベクトル変位センサ。 - 各前記サブ電極と等電位との間に、前記検出装置に並列又は直列に接続された分圧抵抗を更に含むことを特徴とする請求項20又は21に記載のベクトル変位センサ。
- 負荷によって等電位に接続される電極層を準備するステップと、
摩擦層と前記電極層が相対にスライド式摩擦を行うと共に、摩擦面積が変化すると、電流が前記負荷を流すステップと、を含み、
前記電極層は、複数のサブ電極からなり、
各前記サブ電極は、等電位に電気的に接続されており、
前記複数のサブ電極の上面は、前記電極層の上面を形成し、
前記サブ電極の上面と前記摩擦層の下面が、外力の作用によって相対的にスライドすると共に、摩擦面積がスライド途中に変化すると、前記サブ電極と前記等電位との間に電気信号を出力する
ことを特徴とする発電方法。
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