一种基于摩擦发电的移动充电组件、充电外壳和充电器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能够利用人体日常活动所产生的机械能对电器进行充电的组件， 特别是一种基于摩擦发电的、可移动的充电组件，以及使用该组件的直接充电外壳和电池 充电器。
【背景技术】
[0002] 随着技术的发展，越来越多的移动智能设备被开发出来并被广泛使用。然而，由于 智能移动设备功能的迅速增加，电池供电量不足的问题也日益凸显。传统大功率电池在体 积和重量上的不足难以适应设备移动化和可穿戴化的需求，同时目前所用电池含有的有毒 化学物质对环境和人体存在着潜在的危害。因此，开发出能将人体日常活动所产生的机械 能转化为电能并直接给设备进行充电的技术具有极其重要的意义。
[0003] 从2012年开始，将摩擦效应和静电效应巧妙耦合的摩擦发电技术发展迅速，为机 械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。但是，现有的摩擦发电 机普遍存在着输出功率较小的缺陷，普遍无法给用电器件直接供电。为了提高输出功率，一 种常用的方法是利用圆盘结构将高速旋转的动能转化为电能，但是这种方式不利于收集人 体日常活动中所产生的低频能量，而且圆盘式发电机的面积相对较大，不便与移动电子设 备进行集成。因此，如果能够设计一种可以高效收集低频机械能、并与移动电子设备良好集 成的摩擦充电组件，将对摩擦发电技术的广泛应用具有极其重要的意义。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的是设计一种基于摩擦发 电技术的充电组件，结合该组件制备的、可直接应用在移动设备上的充电外壳和可独立给 电池进行充电的充电器，实现利用人体的日常活动为移动设备有效充电的目的。
[0005] 为此，本发明提出一种基于摩擦发电技术的充电组件，包括外壳、设置在所述外壳 内表面的两个形状互补的插齿状电极、一个能交替覆盖两个电极的滑动摩擦块、连接滑动 摩擦块与外壳的弹性连接件和电信号输出模块。通过对滑动摩擦块和弹性结构的匹配设 计，该充电组件可以实现对低频机械能的有效收集；通过嵌入输出模块，可以实现对用电器 件的直接供电。在工作时，滑动摩擦块相对于两个电极发生位移，并交替与两个电极接触， 在此过程中，滑动摩擦块表面所带有的摩擦净电荷将随其一起移动，而使得电极间的感应 电势差发生周期性变化，并通过电极向外输出电信号。
[0006] 将该组件与现有移动设备的外壳进行集成，可以得到具有充电功能的设备外壳， 实现通过人体的日常活动给移动设备补充电量的目的。而且，本发明还提供了两种充电模 式：一种是利用人体日常活动的低频机械能自动充电；另一种是在急需快速充电时，可以 手动高频充电。为了使这两种模式更好地工作，还设计了空隙间距调节结构，
[0007] 将本发明的充电组件进行适当的封装还可以制备给电池独立充电的充电器，以适 应不同用电器件的供电需要。同时，利用封装的表面作为另一组滑动发电单元可以有效地 提高电信号的输出性能。
[0008] 基于上述思路，本发明首先提供一种基于摩擦发电的充电组件，包括第一外壳、第 一电极模块、滑动摩擦块、连接所述滑动摩擦块与所述外壳的弹性连接件和电信号输出模 块；所述第一外壳包括一个平板；所述第一电极模块设置在所述平板的表面之上，包括第 一插齿电极和第二插齿电极，所述第一插齿电极和第二插齿电极均为条状插齿结构，并且 每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设 置在同一平面上，第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿之间绝缘隔离；所述滑动摩擦 块的下表面与所述第一插齿电极和第二插齿电极上表面的材料具有不同的摩擦电性质；所 述滑动摩擦块的质量m满足条件：
其中m的单位为kg，k为所述弹性连接件 的劲度系数，单位为N/m ;所述电信号输出模块的两个输入端分别与所述第一插齿电极和 第二插齿电极相连。
[0009] 优选地，包括2个以上的所述第一电极模块和2个以上的所述滑动摩擦块，并且形 成层叠结构；
[0010] 优选地，所述第一插齿电极的条状插齿和第二插齿电极的条状插齿在材料、形状 和尺寸上一致；
[0011] 优选地，所述滑动摩擦块为若干条状单元所构成的阵列结构，并且所述滑动摩擦 块的条状单元与所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿在接触表面上的形状和尺 寸上一致；
[0012] 优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿数量相等，并且所述滑动 摩擦块条状单元的数量为所述条状插齿数量的1/4到3/4 ;
[0013] 优选地，所述条状单元和所述条状插齿的延伸方向平行；
[0014] 优选地，还包括第二外壳，所述第二外壳全部或部分的内表面设置有第二电极模 块，所述第二电极模块由第三插齿电极和与之配合的第四插齿电极构成，所述第三插齿电 极和第四插齿电极均为条状插齿结构，并且每个所述插齿电极在所有条状插齿的一端形成 电连接，所述两个插齿电极通过插齿互补设置在同一平面上，所述第三插齿电极和第四插 齿电极的条状插齿之间绝缘隔离；所述第一外壳朝向第二外壳，使所述第一电极模块和第 二电极模块面对面间隔设置，所述滑动摩擦块位于两个电极模块之间；所述第三插齿电极 和第四插齿电极分别与所述电信号输出模块的两个输入端电连接，并与所述第一插齿电极 和第二插齿电极的输入形成并联关系；
[0015] 优选地，所述第一电极模块所在的内表面与所述第二电极模块所在的内表面之间 的间距可调；
[0016] 优选地，所述间距可以调整的范围为h~h+10mm，其中h为所述滑动摩擦块的厚 度；
[0017] 优选地，还包括间距调整部件，用于改变所述第一电极模块所在的内表面与所述 第二电极模块所在的内表面之间的间距；
[0018] 优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极分别与所述第三插齿电极和第四插齿 电极的形状、尺寸和/或材料相同；
[0019] 优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿延伸方向与所述第三插齿 电极和第四插齿电极的条状插齿延伸方向平行；
[0020] 优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极的条状插齿延伸方向与所述第三插齿 电极和第四插齿电极的条状插齿延伸方向垂直；
[0021 ] 优选地，所述滑动摩擦块为正交的条状单元构成的方格阵列结构，其中所述条状 单元的宽度和与其平行的条状插齿的宽度相同；
[0022] 优选地，所述滑动摩擦块与所述第一电极模块和/或第二电极模块的接触面积分 别小于所述第一电极模块和/或第二电极模块的上表面积；
[0023] 优选地，所述滑动摩擦块的厚度为1 μ ;
[0024] 优选地，所述第一插齿电极和第二插齿电极之间，和/或，所述第三插齿电极和第 四插齿电极之间，通过空隙形成绝缘隔离；
[0025] 优选地，所述第一外壳还包括沿平板四周设置的侧壁，与所述平板共同形成一个 凹腔；
[0026] 优选地，所述弹性连接件有2个以上，分别连接在所述滑动摩擦块的角或边上；
[0027] 优选地，所述弹性连接件为线圈半径小于3mm的立体弹簧，或者是二维平面结构 的弹負' ;
[0028] 优选地，所述电信号输出模块包括整流单元和变压单元；
[0029] 优选地，所述变压单元包括1 μ F-500 μ F的电容；
[0030] 优选地，所述第一电极模块的厚度为IOnm-Imm ;
[0031] 优选地，还包括介质层，所述介质层贴合在所述第一电极模块的上表面，和/或， 贴合在所述第二电极模块的上表面，所述滑动摩擦块与所述介质层的上表面发生滑动摩 擦，并且对所述第一插齿电极和第二插齿电极，和/或第三插齿电极和第四插齿电极形成 交替覆盖，并且所述介质层与所述滑动摩擦块表面材料的摩擦电性质不同；
[0032] 优选地，所述介质层的厚度为IOnm-Imm ;
[0033] 优选地,还包括手动锚点，所述手动锚点固定在所述滑动摩擦块上,用于手动驱动 所述滑动摩擦块的滑动