JP6445166B2 - 摩擦発電機システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦発電システム及び方法に関する。

摩擦電気効果は、材料が異なる材料と接触した後に摩擦によって帯電する接触誘起帯電に基づく。この電荷の流れを利用して、歩行、風の流れ、振動、又は海洋波等のエネルギー源からの無駄になりかねない機械的エネルギーを捕捉することにより、センサ及びスマートフォン等のモバイル機器に給電することが提案されている。電源としての使用の域を越えて、摩擦電気効果は、外部電源なしのセンシング用に提案されている。発電機は、摂動を受けた場合に電流を発生するため、流量、急激な動き、又は雨滴の変化の測定に使用可能である。

摩擦電気効果は、電子の獲得（負に帯電）又は電子の喪失（正に帯電）の傾向に応じて様々な材料をランク付けする系統に基づく。この系統は、例えばＡ．Ｆ．Ｄｉａｚ及びＲ．Ｍ．Ｆｅｌｉｘ−Ｎａｖａｒｒｏによる「Ａ ｓｅｍｉ−ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｔｒｉｂｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｒｉｅｓ ｆｏｒ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ：ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ ６２（２００４）２７７〜２９０ページに開示されている。静電気を生成する最良の材料組み合わせは、正電荷リストからの材料と負電荷リストからの材料との組み合わせである（例えば、銅に対するＰＴＦＥ又はアルミニウムに対するＦＥＰ）。ガラスを毛皮で擦ること又は髪にくしを通すことは、日常の生活からよく知られた摩擦電気の例である。

このように、摩擦発電機は、その最も単純な形態において、一方に電子供与体及び他方には電子受容体という２枚の異種材料を使用する。材料が接触している場合は、電子が一方の材料から他方へと流れる。その後、２枚が分離されると、両者間の間隙により隔離された電荷が一方に保持される。その後、２つの表面の外側縁部に配置された２つの電極に電気負荷が接続されると、小さな電流が流れて電荷が均一になる。

このプロセスを連続して繰り返すことにより、交流を生成可能である。この技法の変形例においては、分離前に材料（最も一般的には、安価な可撓性ポリマー）を一緒に擦り合わせた場合に電流が発生する。また、ＤＣ電流を発生する発電機も提案されている。体積出力密度は、５０％を超える効率で４００キロワット／立法メートル超に達する場合がある。

ポリマーシートにミクロンスケールのパターンを適用することにより、出力を増大可能である。パターン化によって、接触面積が効果的に大きくなるため、電荷移動の有効性が増す。

近年、Ｗａｎｇ．Ｚ．Ｌによる「Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ａｓ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｓｅｌｆ−Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ａｓ Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ」、ＡＣＳ Ｎａｎｏ：１３１０１４０９１７２２００５．ｄｏｉ：１０．１０２１／ｎｎ４０４６１４ｚ、２０１３に開示されているように、この効果を利用する発電（環境発電）及びセンシングのための新たな材料技術が開発されている。

この効果に基づいて、いわゆる摩擦発電機（「ＴＥＧ」）の複数の機器構成が開発されている。接触モードで動作する機器もあれば、摩擦モードで動作する機器もある。

靴のインソールからの発電専用に開発された１つの構成がある。これは、ユーザの歩みで発電し、この発電出力は、例えばモバイル携帯機器の充電に用いられる場合がある。この機器は、ジグザグ形状の基板上に形成された多層構造を備える。この機器は、接触帯電による表面電荷移動に基づいて動作する。構造に圧力が印加されると、ジグザグ形状の圧縮によって異なる層が接触し、圧力解放時に接触も解放される。Ｐｅｎｇ Ｂａｉらによる論文「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ Ｈｕｍａｎ Ｍｏｔｉｏｓｎ」、ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１３ ７（４）、３７１３〜３７１９ページに詳細が見られる。

ＴＥＧは、接触・非接触動作モードを用いる代わりに、摺動モードで動作可能である。摺動運動による環境発電を可能にする設計が論文「Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｌａｙｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ａ Ｍｏｖｉｎｇ Ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｄ Ｎｏｎ−Ｃｏｎｔａｃｔ Ｍｏｄｅｓ」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２０１４、２６、２８１８〜２８２４ページに開示されている。自立可動層は、一対の固定電極間で摺動する。可動層は、固定電極と接触しないように（すなわち、固定電極上にわずかな間隔を空けて）配置されていてもよいし、摺動接触していてもよい。

開発済みの別の構成として、接触又は非接触モードのいずれでも動作可能な回転ディスクＴＥＧがある。回転ディスクＴＥＧは通常、それぞれ離隔扇形の集合として形成された少なくとも１つの回転子及び１つの固定子から成る。扇形は重なっているが、２つのディスクが互いに回転した場合に分離する。このような回転ディスク摩擦発電機においては、接触帯電（摩擦帯電）と回転静電誘導（近隣電荷の影響による電荷の再分配に起因する平面内電荷分離）との結合という２つの主要な物理メカニズムの組み合わせによって発電が生じる。

分割構造ディスクＴＥＧの初期バージョンの限界として、回転及び静止摩擦電気層には、金属電極の堆積及び導線との接続が必要なため、回転部の動作が不自由であった。さらに、効率的な発電の実現には密接な接触が必須であり、結果として材料の損耗、粒子の摩耗、出力の不安定化、及びＴＥＧの一般的に限られた寿命等が考えられる。

Ｌｏｎｇ Ｌｉｎらによる「Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ Ｆｒｅｅ−Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｄｉｓｋ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｓ ａ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ ａｎｄ Ｓｅｌｆ−Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＡＣＳ Ａｐｐｌ．Ｍａｔｅｒ．Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ、２０１４、６（４）、３０３１〜３０３８ページに開示されているように、回転ディスク上の自立摩擦電気層と併せて、静止ディスク上に取り付けられたパターン化電極の両グループを備えたディスクＴＥＧにより、これらの問題を解決可能である。

このような構造により、回転部について、電極の堆積も電気的接続も不要となるため、環境発電機の運転設備が劇的に改善される。さらに、この新たな発電メカニズムの固有の特徴のため、性能の損失がほとんどなく、優れた耐久性で、最初の接触帯電後の摩擦なしに、非接触自由回転ディスク摩擦ナノ発電機（ＦＲＤ−ＴＥＧ）を動作可能である。これは、表面摩擦電荷が何時間にもわたって絶縁体表面に保持されるためである。

さらには、接触帯電に基づく二重アーチ形状構成等、摩擦発電機の別の設計が存在する。圧力によりアーチが接近してアーチ層が接触するが、圧力が解放されると、アーチが開放形状に戻る。また、環境振動からエネルギーを捕捉するハーモニック共振器として形成された摩擦ナノ発電機も提案されている。

ＴＥＧは、例えば最大６７０Ｗ／ｍ^２の面積出力密度レベルの摩擦電気を発生可能である。

ＴＥＭＧ機器は、多くの異なる設計があり、それぞれが特定の動作モードに適合されていることが明らかとなるであろう。いくつかの例を上に概説・言及している。一般的には、４つの異なる一般的な動作モードが識別可能である。

第１のモードは、垂直接触・分離モードであり、印加力によって、２つ以上のプレートが接触・分離する。これは、ユーザの歩みによって印加された圧力による接触を用いて、靴に使用可能である。上に説明・言及したジグザグ形状の構成は、その一例である。

第２のモードは、直線摺動モードであり、プレートが互いに摺動して、重畳面積が変化する。上で論じた回転ディスクＴＥＧは、その一例である。これは、波動環境発電システムに使用可能である。

第３のモードは、単電極モードであり、例えば１つの表面が床又は路面に接地され、動きが影響するのは１つの層だけである。

第４のモードは、自立摩擦電気層モードであり、電気的接続がなされない任意の移動物体から環境発電するように設計されている。この物体は、通過する車、通過する列車、又は靴であってもよい。

摩擦発電機は、適用された運動に応じて、非常に簡単に発電するように設計されている。運動の性質が発生電圧又は電流に影響を及ぼし、エネルギーを吸収する最適な負荷は、運動に応じて変動することになる。

本発明者らは、摩擦発電機の１つの問題として、この発電のカオス的性質により、負荷に供給される電力の最適化や、さらには最大化においても望ましい発電側と負荷との間の負荷整合を図るのが難しいことを認識した。したがって、発電に用いられる運動によって決まる発生電力の変動性にも関わらず、摩擦発電機から得られる電力を最適化することや、さらには最大化することも求められている。

本発明の目的は、この電力伝達の問題の少なくとも一部を解決することにある。

本発明は、独立請求項によって規定される。従属請求項は、有利な実施形態を提供する。

本発明によれば、
動きに応じて発電する摩擦発電機と、
摩擦発電機からの電力を変換して負荷に印加する電力変換器と、
電力変換器を制御する制御装置であり、摩擦発電機の出力に応じて経時的に電力変換器が摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように電力変換器を制御して、出力電力を制御するように構成された、制御装置と、
を備え、
制御装置が、摩擦発電機の発電の１パルスに対応する時間において、電力変換器が摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように電力変換器を制御するように構成された、摩擦発電機システムが提供される。

この手法は、摩擦発電機出力と電力変換器との間のインピーダンス整合を改善することによって、負荷への電力伝達を改善するのに使用可能である。出力電力は、例えば最大出力電力となるように制御可能であるが、全電力伝達から意図的に抑制されるように電力を制御することも可能である。このため、より一般的には、例えば負荷の特性を考慮に入れて、出力電力が最適制御される。インピーダンスの制御により、例えば電力変換器の制御によって所望の変換率を実現するのみならず、所望の電力伝達特性を実現する。

本発明の最も基本的な定義において、負荷は、発電機システムの一部でも発電方法の一部でもない。ただし、システム又は方法の発電機部の一部としては可能である。

特に、本発明は、摩擦発電機により生成された信号の電気的処理に関する。本発明は、任意特定の摩擦発電機構成には依拠せず、任意の構成に適用可能である。摩擦発電機としては、既知の設計が可能であり、例えば、動きの強度に応じた大きさの交流電圧波形を生成する。本明細書においては、本発明と併用可能な摩擦発電機の様々な設計を上記するとともに以下に論じる。

入力インピーダンスの制御を実施する方法を用いて、多くの異なる種類の電力変換器が動作するようになっていてもよい。例えば、ブーストコンバータは、そのオン時間に関して、概ね抵抗性のＩ−Ｖ曲線を有する。オン時間を調整することにより、電力変換器がエネルギー源に与えるインピーダンスを実時間で調整可能である。また、多くの異なる電力変換トポロジによって、何らかのインピーダンス制御方法が可能である。摩擦電気用途に向けた課題として、エネルギー供給サイクル中の正しいインピーダンスの選択による出力電力の最大化が挙げられる。

電力変換器は、スイッチモード電力変換器を含んでいてもよい。そして、スイッチサイクルの制御により、インピーダンス制御を実施可能である。電力変換器は、例えばブーストコンバータを含んでいてもよい。

制御装置は、摩擦発電機の発電の１パルスに対応する時間において、電力変換器が摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように電力変換器を制御するように構成されている。このように、発電の個々のパルスにおいて所望の形状を有するインピーダンス関数が生成される。なお、摩擦発電機は一般的に、このような電力パルスを供給する。

第１の組の例においては、発電に用いられる動きを検出する動きセンサが設けられていてもよく、制御装置は、動きセンサの出力に応じて、電力変換器を制御するように構成されている。動き（例えば、変位、速度、又は加速度の大きさであってもよい）を検知することによって、発電信号の性質を推測可能であり、ここから、発電機に与えるのに最も適したインピーダンスを導出可能である。

例えば、動きの種類及び関連するインピーダンス関数のデータベースが設けられていてもよく、制御装置は、動きセンサの出力に基づいて、動きの種類を選択するように構成されている。このように、検知された動きは、特定の動作カテゴリに含まれるものとして解釈されるようになっていてもよく、その後、時間に関するインピーダンス関数を選択可能である。或いは、動きの種類のいかなるカテゴリ化もなく、動きの速度、加速度、又は変位を直接、対応するインピーダンス値にマッピング可能である。

第２の組の例において、制御装置は、発生した電力を解析して動きの種類を決定するようにしてもよく、この場合もシステムは、動きの種類及び関連するインピーダンス関数のデータベースをさらに備える。

この場合は、検知した動きから推定するのではなく、発生した電力の解析によって、信号の性質を決定する。一例として、制御装置は、発生した電力のパルスの最初の電圧及び／又は電流プロファイルを解析して、動きの種類を決定するように構成されていてもよい。

例えば、発生した電力のパルスの最初の電圧及び／又は電流の変化率の解析によって、動きの種類を決定するようにしてもよい。

別の組の例においては、電力点追跡システムの使用により、電力変換器の入力インピーダンスを変調するとともに電力伝達を監視して、適当な電力変換器入力インピーダンスを決定するようにしてもよい。

このシステムは、靴又は床を用いた発電システムを備えていてもよく、ユーザが歩みの圧力をシステムに印加することによって発電する。ユーザの歩みは、十分な力（例えば、５００Ｎ）を与えるため、これを用いることにより、例えば照明の給電又はモバイル携帯機器の給電若しくは充電に十分な量の出力電力を発生可能である。

制御装置は、例えば歩みの周波数を検出し、その歩みの周波数に応じたインピーダンス設定モードを適用するように構成されていてもよい。

また、本発明によれば、
摩擦発電機を用いることにより、動きに応じて電力を発生するステップと、
摩擦発電機からの電力を変換して負荷への印加に適合させるステップと、
摩擦発電機の発電の１パルスに対応する時間において、摩擦発電機の出力に応じて経時的に電力変換器が摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように電力変換器を制御して、出力電力を制御するステップと、
を含む、摩擦発電方法が提供される。

発電に用いられる動きが検出されるようになっていてもよく、その後、検出された動きに応じて、電力変換器が制御される。そして、動きの種類が決定され、動きの種類から関連するインピーダンス関数へのマッピングが実行されるようになっていてもよい。或いは、電力変換器の入力インピーダンスの変調及び電力伝達の監視によって、適当な電力変換器入力インピーダンスを決定するようにしてもよい。これは、電力点追跡を実施する。

以下、添付の模式的な図面を参照して、本発明の例を詳しく説明する。

摩擦発電機システムの第１の例を示した図である。 摩擦発電機システムの第２の例を示した図である。 摩擦発電機システムの第３の例を示した図である。 ２つの異なる動きの種類と関連するインピーダンス関数との間のマッピングを示した図である。 摩擦発電機システムの第４の例を示した図である。 摩擦発電方法を示した図である。

本発明は、電力変換器を用いることにより、摩擦発電機の出力に応じて、摩擦発電機と負荷との間のインピーダンスを制御可能な摩擦発電機システムを提供する。これにより、摩擦発電機により生成された出力が経時的に不規則で変動し得る場合であっても、電力伝達を改善可能である。

図１は、インピーダンスを制御するブーストコンバータに基づいた考え得る摩擦発電機システムの第１の例を示している。

このシステムは、動きに応じて発電する摩擦発電機１を備える。

摩擦発電機は、既知の設計のものであり、例えば、動きの強度に応じた大きさの交流電圧波形を生成する。摩擦発電機の様々な設計については、上に論じた。特に、本発明は、摩擦発電機により生成された信号の電気的処理に関する。本発明は、任意の特定の摩擦発電機構成には依拠せず、任意の構成に適用可能である。特に、すべての摩擦発電機は、事実上パルス化され、一般的には振幅が経時的に明確な正弦波でない出力を供給する。

電力変換器２は、摩擦発電機１からの電力を変換して負荷３に印加する。電力変換器２の制御には制御装置４が用いられ、制御装置は、摩擦発電機１の出力に応じて電力変換器２が摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように電力変換器を制御するように構成されている。

電力変換器２は、制御装置４の制御下で、摩擦発電機１に与える所要インピーダンスレベルに応じた電圧ブーストを行うＤＣ−ＤＣブーストコンバータ１２に整流電圧を供給するフルブリッジダイオード整流器１０を備える。ブーストコンバータの出力は、負荷３に供給される。他の例においては、ハーフブリッジ整流器が用いられるようになっていてもよいし、或いは、発電機１がＤＣ出力を供給するようにしてもよい。

ブーストコンバータは、入力と第１の（フライバック）ダイオード２２のアノードとの間にインダクタ２０を備え、第１のダイオード２２のカソードは、第１の出力端子２３に接続されている。トランジスタ２４は、第１のダイオード２２のアノードと第２の出力端子２６との間に接続された制御スイッチとして機能する。トランジスタ２４は、制御装置４がスイッチングする。図１には、負荷３全体に接続された平滑化キャパシタ２８も示している。

トランジスタ２４のスイッチングにより、知られている様態でブーストコンバータの動作が制御される。特に、デューティサイクルの変動によって、電圧ブースト係数が制御される。また、デューティサイクルによって、ブーストコンバータ１２の入力インピーダンスが変動するが、本発明は、出力電圧の制御ではなく、電力変換器２の入力インピーダンスの制御を主目的として、電力変換器の制御を利用する。

したがって、制御装置４は、所望の入力インピーダンスを示す制御信号２９を所要デューティサイクルに変換して、トランジスタ２４に印加するように機能する。

電力変換器２と摩擦発電機１との間のインピーダンス整合により、負荷への電力伝達を最大化可能である。

ブーストコンバータは、例えば負荷（又は、追加の蓄積キャパシタ）の静電容量により安定電圧に保持された出力に電流を供給するように設計されている。少なくとも摩擦発電のパルスの持続時間のスケールでは、出力電圧が一定を維持する。特に、出力静電容量は、給電サイクルでの供給よりも実質的に多くのエネルギーを保持することになり、出力電圧を概ね安定させる。

この回路を使用することによって、様々に考え得る異なる負荷に電力を供給することができる。例として、機器又はＬＥＤ照明の主制御ユニット（「ＭＣＵ」）等の小さな回路が挙げられる。

電力変換器の種類は、入力と出力間の適当な変換率に合わせて選択する。所与の電力変換器設定（オン周期Ｔ＿ｏｎ又はデューティサイクル等）で大きな出力静電容量に蓄積された安定出力電圧を用いて、ある範囲の入力電圧を変換可能であるものの、これらはすべて、異なる出力電流として負荷に供給されることになる。

図１に示す種類のブーストコンバータの入力インピーダンスは、Ｒ＿ｉｎ＝２Ｌ／ｔ_ｏｎとして、入力時間オンに関する。

Ｌはインダクタンスであり、ｔ_ｏｎは主制御トランジスタのオン周期である。パラメータｔ_ｏｎは、ブーストコンバータの代表的な制御変数である。インピーダンスは、入力静電容量に起因する何らかの遅延を伴って、変換サイクルごとに効果的に制御可能である。

変換器の１０サイクル後のインピーダンスを実質的に異なるものとするのは、一般的に容易に実現可能であるため、１００ｋＨｚで動作する通常のブーストコンバータは、極めて容易に、１０ｋＨｚ又は０．１ｍｓごとに新たなインピーダンスを有し得る。

これは、個々の発電パルスにおいて順応するインピーダンスプロファイルを生成可能であることを意味する。例えば、床の上を歩くことによる衝撃の持続時間は、０．１ｓ前後が考えられる。これにより、サイクル周波数が１００ｋＨｚである電力変換器に基づき、１つの発電パルスにおいて１０００回のインピーダンス調整が可能である。このように、電力パルス発生において順応する所望のインピーダンスプロファイルを生成可能である。波に追従する運動（より長いパルス持続時間）及び通過する車による圧縮（より短いパルス持続時間）等、他の用途にも同じことが当てはまる。

通常、インピーダンスレベルは、発電パルスにおいて、少なくとも１０回以上、好ましくは少なくとも２０回制御される。このように、本質的にアナログのインピーダンス関数が生成される。発電パルスの持続時間は通常、１ｍｓ（例えば、車が５０ｍ／ｓで５ｃｍ進む時間）〜１０ｓ（例えば、水の波の周期）である。

摩擦電気エネルギーの発生に用いられる機械的な動きの性質によって、最適な電力変換器の種類及び詳細のほか、インピーダンス関数の解像度、並びにインピーダンス関数の生成手法が決まることになる。以下の例から理解されるように、インピーダンス関数は、動きの性質に応じて完全に実時間で生成されるようになっていてもよい。或いは、動きの性質を用いて、一組の過去に決定されたインピーダンス関数のうちの１つを選択する。

他の種類の電力変換器トポロジでも、変換器設定の関数として、それぞれの入力インピーダンスを調整する。

図１の例では、ブーストコンバータを利用する。ただし、より一般的に、バック又はバックブーストコンバータ等のスイッチモードコンバータにも同じ手法を利用可能である。

図１に示すように、電力変換器の制御には、制御信号２９を使用する。この制御信号は、摩擦発電機の出力によって決まる。これは、いくつかの異なる手法で取得可能である。

第１の例を図２に示しており、摩擦発電機が発電に使用する運動の検出には、センサ３０が用いられる。センサ出力は、制御装置４への入力である制御信号２９として機能するため、これを用いることにより、電力変換器が正しいインピーダンスで動作するように調節する。制御装置４は、動きの速度又は変位の所望インピーダンス値に対する直接的関係を実施するようにしてもよい。或いは、一組の所定の（時間に関する）インピーダンス関数のうちの１つを選択するようにしてもよい。

このため、制御装置４は、動きの種類及び関連するインピーダンス関数のデータベース３２を具備していてもよい。検知された動きは、例えば特定の動作カテゴリに含まれるものとして解釈されるようになっていてもよく、その後、時間に関するインピーダンス関数を選択可能である。

制御装置４は、動きセンサを用いる代わりに、摩擦発電機から出力された信号の特性から動きの種類を導出するようにしてもよい。この手法を図３に示す。図２との差異として、動きセンサの代わりに、電気信号解析器４０が設けられている。これは、摩擦発電機１から出力された電圧、電流、又は電力を追跡するようにしてもよい。

図３には、データベース３２の動作についても模式的に示している。データベースの入力値Ｅ１〜Ｅ４を示している。

各入力は、例えば最初の電圧変化率の特定範囲の値又は発電パルスの開始後に特定の電圧に達するのに要する時間の特定範囲の値を表す。

そして、入力により、いくつかの特徴的運動のいずれが発電の原因となっているかが決まる。

例えば、摩擦発電機を有する機器を落とすと、ｄＶ／ｄｔの値が非常に高くなる一方、押した場合はｄＶ／ｄｔが小さな値となる。そして、決定された特性の使用により、どのインピーダンスプロファイルを使用するかを選択する。このような４つのインピーダンスプロファイルを示しているが、それぞれ、時間（ｘ軸）に対するインピーダンス（ｙ軸）の関数を含む。インピーダンスプロファイルの目的は、動きにより抽出されるエネルギーの最適化である。ａ軸上の合計時間は、摩擦発電機が供給するエネルギーの１パルスの持続時間に対応し、これがひいては周期的な物理運動の１パルスに対応する。制御装置は、所望のインピーダンスプロファイルを対応するデューティサイクル関数に変換した後、電力変換器の主トランジスタに印加可能である。当然のことながら、電圧プロファイルの代わりに、電流又は電力プロファイルを用いて、所望のインピーダンス関数を選択するようにしてもよい。

図４は、異なる動きの種類に応じて摩擦発電機から予想される考え得る電圧対時間関数の２つの例を示している。

図４（ａ）は、大きくて急激な圧力が摩擦発電機に印加された場合に生成される電圧波形を示している。これは、最初の電圧変化率が大きい点に特徴がある。これは、対応するインピーダンス関数に変換される。これは、電圧関数の形状と一致する可能性があるものの、電力変換器の制御によって実際に実施し得るインピーダンス関数を表すように適応されている。

図４（ｂ）は、より小さくてより遅い圧力変化が摩擦発電機に印加された場合に生成される電圧波形を示している。これは、最初の電圧変化率が小さい点に特徴がある。これについても、対応するインピーダンス関数に変換される。

最適なインピーダンス関数を決定する別の手法は、電力点追跡を使用することである。この手法を図５に示す。図２との差異として、動きセンサの代わりに、電力点追跡システム５０が設けられている。

電力点追跡は、太陽電池に印加される負荷抵抗の制御により電力を最大化するものとして知られている。同じ手法を摩擦発電機の出力に適用して、電力変換器が与える適当な負荷を決定することができる。

システム５０は、制御装置４との組み合わせにより、電力変換器の入力インピーダンスを変調するとともに電力伝達を監視して、適当な電力変換器入力インピーダンスを決定する。

例えば、変換器の入力インピーダンスは、正弦波又は方形波で変調されるようになっていてもよい。最大電力を生じるインピーダンス値の使用により、適用すべきインピーダンスレベルを決定することができる。

電力伝達は、摩擦発電機の出力ひいては変換器入力の監視によって測定されるようになっていてもよい。基本レベルにおいては、考え得る最大電力すなわちＩ×Ｖが望ましい。これは、入力（Ｉ_ｉｎ＊Ｖ_ｉｎ）又は出力（Ｉ_ｏｕｔ＊Ｖ_ｏｕｔ）での測定も可能であり、特定の変換器により特有の計算が実行されるようになっていてもよい。簡単なシステムでは、ｔ_ｏｎ（変換器の制御パラメータ）を変化させて、Ｉ_ｉｎ＊Ｖ_ｉｎの最大値を探索するようにしてもよい。より複雑なルーチンも可能である。

発電する動作が特に高速な場合、ｔ_ｏｎの値は、過去に観測されたパターンで経時的に変化して（例えば、後続のサイクルに異なるｔ_ｏｎ値）、より高い出力電力となる可能性がある。そして、これにより、インピーダンス調整をすべて導出する実時間処理の必要性が回避される。その後、このパターンが変化するようになっていてもよい。

システムの考えられる用途の一例は、靴又は床を用いた発電システムの一部として考えられ、ユーザが歩みの圧力をシステムに印加することによって発電する。

この種のシステムに使用可能な摩擦発電機の種類の一例は、上に論じ、言及した通りである。一般的に、靴又は床を用いたシステムは、接触、非接触サイクル用に設計された発電機とともに動作することになる。サイクルの接触の部分は、歩みの圧力によって誘起される。この種のシステムは、ダンスホール又はクラブにおいて、例えば照明用の発電に使用可能である。摩擦発電は、圧力が高いほど効果的であるため、靴の中又はカーペット、マット、又はラグの下での使用は、発電システムの効果的な用途である。

上記説明の通り、このシステムは、異なる種類の運動に対して、１つ又は複数のルックアップテーブルを具備していてもよい。靴又は床を用いた摩擦発電システムの場合、予想される負荷プロファイル（及び、対応するインピーダンスプロファイル）は、例えば歩行と関連付けられたプロファイルがデフォルトとなり得る。これが支配的な負荷状況となるためである。

ただし、ユーザが別のモード（走行、ダンス等）に移行して、一般的には例えば少なくとも数分、長期にわたってこの新しいモードを維持することになる状況もあり得る。この場合は、例えば２歩以上の新たな運動が検出された場合に、モードのシフトが誘起される可能性がある。異なるモードは、異なるインピーダンス関数プロファイルを備えた異なるルックアップテーブルと関連付けられていてもよい。

また、インピーダンスプロファイルは、歩みの周波数を考慮して選択されるようになっていてもよい。一般的に、歩みの速度は、走行時よりも歩行時に低い。このため、システムは、歩みの周波数に応じてモードを調整することを学習するようにしてもよい。これは、靴を用いたシステムにおいて最も良く作用することになる。発電システムは、各々が場合により異なる挙動を示す異なるユーザ間で共有可能な一般了領域よりも個々のユーザと関連付けられているためである。

また、モードの選定は、位相情報及び対応するパターン認識に依存していてもよい。一般的に、歩みの速度は、歩行時及び走行時に極めて規則的であるものの、位相はダンス時に変化する（例えば、クイックステップのダンスの場合、スロー、クイック、クイック、スロー等）。このため、システムは、歩みのパターンに応じてモードを調整することを学習するようにしてもよい。クイックステップの場合、システムは潜在的に、ルックアップテーブル入力「Ｑｕｉｃｋ」（足のより高速な衝撃が予想される）からルックアップテーブル入力「Ｓｌｏｗ」（足のより軽い衝撃が予想される）へと２ペースごとに切り替わることになる。

この場合も、１人のユーザの挙動が追跡される靴を用いたシステムにおいて、最も良く作用することになる。

図６は、上述の考え得る様々なシステム設計により実施可能な摩擦発電方法を示している。この方法は、ステップ６０において、摩擦発電機を用いることにより、動きに応じて電力を発生することを含む。ステップ６２においては、摩擦発電機からの電力を変換して負荷に印加し、ステップ６４においては、摩擦発電機の出力に応じて電力変換器が摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように電力変換器を制御する。

上記説明の通り、本発明では、摩擦発電機からのエネルギーパルスの形状を補償する。１つの一般的な手法としては、電力点追跡を十分急速に与えて、パルスの形状に追従する。別の一般的な手法としては、異なる種類の運動に対応する異なるパルス形状に関する情報のデータベースを格納する。後者の場合は、運動の種類が検出又は推定された後、対応する情報がデータベースから得られる。そして、この情報の使用により、エネルギー受け取りパルス時のインピーダンスを制御する。

これら２つの手法は、例えばパターンが格納されたデータベースを有する一方、電力点追跡を同様に実装することにより、これらパターンの再スケーリング又は電力点追跡に基づく付加的な制御の重ね合わせによって、組み合わせ可能である。

当業者であれば、図面、開示内容、及び添付の特許請求の範囲の検討によって、開示の実施形態の他の変形例を理解し、特許請求される発明の実施に際して実現可能である。特許請求の範囲において、単語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外するものではない。相互に異なる従属請求項に特定の手段が列挙されているという事実だけでは、これら手段の組み合わせを都合良く使用できない、ということにならない。特許請求の範囲におけるいかなる参照記号も、その範囲を制限するものと解釈されるべきではない。

要約すると、本発明は、電力変換器を用いることにより、摩擦発電機の出力に応じて、摩擦発電機と負荷との間のインピーダンスを制御可能な摩擦発電機システムに関する。これにより、摩擦発電機により生成された出力が経時的に不規則で変動し得る場合であっても、発電機から負荷への電力伝達を改善可能である。

Claims (16)

1. 負荷に出力電力を提供するための摩擦発電機システムであって、前記摩擦発電機システムは、
   動きに応じて電力出力を発生する摩擦発電機と、
   前記摩擦発電機からの前記電力出力を前記負荷への印加のための出力電力に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を制御する制御装置と、
   発電に用いられる前記動きを検出する動きセンサと、
   を備え、
   前記制御装置は、前記動きセンサの出力に応じて、前記摩擦発電機の前記電力出力に依存して経時的に前記電力変換器が前記摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように当該電力変換器を制御することによって、前記出力電力を制御し、
   前記制御装置は、前記摩擦発電機の発電の１パルスに対応する時間において、前記電力変換器が当該摩擦発電機に与える前記インピーダンスを変化させるように当該電力変換器を制御する、摩擦発電機システム。
2. 前記電力変換器は、スイッチモード電力変換器を含む、請求項１に記載の摩擦発電機システム。
3. 前記動きの種類及び関連するインピーダンス関数のデータベースをさらに備え、前記制御装置は、前記動きセンサの出力に基づいて、前記動きの種類を選択する、請求項１に記載の摩擦発電機システム。
4. 前記電力変換器の入力インピーダンスを変調するとともに電力伝達を監視して、適当な前記電力変換器の前記入力インピーダンスを決定するための電力点追跡システムをさらに備える、請求項１に記載の摩擦発電機システム。
5. ユーザが歩みの圧力を靴又は床を用いた発電システムに印加することによって発電する、当該靴又は床を用いた発電システムをさらに備える、請求項１に記載の摩擦発電機システム。
6. 前記制御装置は、前記歩みの周波数を検出し、当該歩みの周波数に依存したインピーダンス設定モードを適用する、請求項５に記載の摩擦発電機システム。
7. 摩擦発電機を用いて、動きに応じて電力出力を発生するステップと、
   電力変換器を用いて、前記摩擦発電機からの前記電力出力を負荷への印加のための出力電力に変換するステップと、
   前記電力出力の発生に用いられる前記動きを検出するステップと、
   検出された前記動きに応じて、前記摩擦発電機の発電の１パルスに対応する時間において、当該摩擦発電機の前記電力出力に依存して経時的に前記電力変換器が当該摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように当該電力変換器を制御することによって、前記出力電力を制御するステップと、
   を含む、摩擦発電方法。
8. 前記動きの種類を検出し、前記動きの種類から関連するインピーダンス関数へマッピングするステップを含む、請求項７に記載の摩擦発電方法。
9. 前記電力変換器の入力インピーダンスを変調するとともに電力伝達を監視して、適当な前記電力変換器の前記入力インピーダンスを決定するステップをさらに含む、請求項７に記載の摩擦発電方法。
10. 負荷に出力電力を提供するための摩擦発電機システムであって、前記摩擦発電機システムは、
    動きに応じて電力出力を発生する摩擦発電機と、
    前記摩擦発電機からの前記電力出力を前記負荷への印加のための出力電力に変換する電力変換器と、
    前記電力変換器を制御する制御装置と、
    前記動きの種類及び関連するインピーダンス関数のデータベースと、
    を備え、
    前記制御装置は、パラメータに基づいて、前記動きの種類を選択し、
    前記制御装置は、選択された前記動きの種類及び関連するインピーダンス関数に基づいて、経時的に前記電力変換器が前記摩擦発電機に与えるインピーダンスを変化させるように当該電力変換器を制御することによって、前記出力電力を制御し、
    前記制御装置は、前記摩擦発電機の発電の１パルスに対応する時間において、前記電力変換器が当該摩擦発電機に与える前記インピーダンスを変化させるように当該電力変換器を制御する、摩擦発電機システム。
11. 前記制御装置はさらに、発生した電力を解析し、前記パラメータは、前記発生した電力である、請求項１０に記載の摩擦発電機システム。
12. 前記制御装置は、前記動きの種類を決定するために、前記発生した電力のパルスの最初の電圧及び／又は電流のプロファイルを解析する、請求項１１に記載の摩擦発電機システム。
13. 前記制御装置は、前記動きの種類を決定するために、前記発生した電力のパルスの最初の電圧及び／又は電流の変化率を解析する、請求項１２に記載の摩擦発電機システム。
14. 発電に用いられる前記動きを検出する動きセンサをさらに備え、前記パラメータは、センサの出力である、請求項１０に記載の摩擦発電機システム。
15. 前記電力変換器の入力インピーダンスを変調するとともに電力伝達を監視して、適当な前記電力変換器の前記入力インピーダンスを決定するための電力点追跡システムをさらに備える、請求項１０に記載の摩擦発電機システム。
16. ユーザが歩みの圧力を靴又は床を用いた発電システムに印加することによって発電する、当該靴又は床を用いた発電システムをさらに備える、請求項１０に記載の摩擦発電機システム。

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