(57)【要約】【課題】動植物や構造物からの様々な動きの運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが可能な電場応答性高分子を用いた発電デバイスを提供する。【解決手段】２つの柔軟な電極３４０によって挟まれたエラストマー膜３２０から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子を用いたを発電デバイス３００において、電場応答性高分子が、弾性を有する養生シート３８０に張力を加えた状態で貼着されていることにより上記の課題を解決する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、
前記電場応答性高分子が、弾性を有する養生シートに張力を加えた状態で貼着されていることを特徴とする電場応答性高分子を用いた発電デバイス。
【請求項２】
前記電場応答性高分子が、２枚の養生シートにより挟持されていることを特徴とする請求項１に記載の電場応答性高分子を用いた発電デバイス。
【請求項３】
前記電場応答性高分子が、正極が内側で重なるように２枚積層されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電場応答性高分子を用いた発電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電エラストマーを主成分とする電場応答性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）に関するものであって、さらに詳しくは、動植物または構造物からの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する電場応答性高分子を用いた発電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータに焦点を当てたものがほとんどであった。この誘電エラストマーは、強い電場の中に置くと、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。これは、クーロン力によるものである。
【０００３】
したがって、誘電エラストマーを帯電した２枚の柔軟な電極間に挟むことによって、ゴムのような弾性を持つコンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボットなどのアクチュエータとして用いることが注目を集めている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
一方、本発明者らは、この素材が発電においても顕著な性能を有するという新規な着想を得て、鋭意研究開発を行ったところ、発電機や太陽電池などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても利用可能な発電装置の開発に成功した（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７８１２８４号明細書
【特許文献２】米国特許第６８８２０８６号明細書
【特許文献３】特開２００８−１４１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の電場応答性高分子を用いた発電装置は、支持フレームに電場応答性高分子を固定して、電場応答性高分子の中心を電場応答性高分子に対して垂直方向に変位させることにより起電力を得ていた。そのため、動植物や構造物からの様々な動きの運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが困難であった。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、動植物や構造物からの様々な動きの運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが可能な電場応答性高分子を用いた発電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
まず、本請求項１に係る発明は、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、前記電場応答性高分子が、弾性を有する養生シートに張力を加えた状態で貼着されていることによって、前記課題を解決するものである。
【０００９】
そして、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、前記電場応答性高分子が、２枚の養生シートにより挟持されていることによって、前記課題をさらに解決したものである。
【００１０】
また、本請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、前記電場応答性高分子が、正極が内側で重なるように２枚積層されていることによって、前記課題をさらに解決したものである。
【００１１】
ここで、本発明における電場応答性高分子とは、誘電エラストマーを主たる構成要素として電歪効果によって機械的変形から起電力を得たり、逆に電位差を与えることにより機械的な駆動力が得られるエレクトロアクティブポリマー（ＥＡＰ）の総称を意味しており、例えば、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発されたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしたＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で市販されているものなどがある。
【発明の効果】
【００１２】
本請求項１に係る発明によれば、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、電場応答性高分子が、弾性を有する養生シートに張力を加えた状態で貼着されていることによって、電場応答性高分子を支持する支持フレームを必要としないので、様々な場所に設置することができ、発電デバイスの使用上の自由度が格段に向上する。
【００１３】
また、電場応答性高分子はある程度以上の張力が加わって初めて起電力を生じるが、本請求項１に係る発明によれば、電場応答性高分子が養生シートに張力を加えた状態で貼着されているので、小さな張力でも起電力を得ることができ発電効率が向上する。
【００１４】
次に、本請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、電場応答性高分子が、２枚の養生シートにより挟持されていることにより、電場応答性高分子を外気から遮断して保持できるので、発電デバイスの耐久性が向上する。
【００１５】
さらに、本請求項３に係る発明によれば、請求項１又は請求項２に係る電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、電場応答性高分子が、正極が内側で重なるように２枚積層されていることにより、電場応答性高分子が並列接続されるので、発電容量を２倍にすることができる。しかも、電場応答性高分子の外側の面が全て負極になるので、感電事故を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の単層構造の電場応答性高分子の斜視図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】従来の多層構造の電場応答性高分子の断面図。
【図４】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの正面図。
【図５】本発明の単層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの断面図。
【図６】本発明の多層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの断面図。
【図７】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの初期状態の斜視図。
【図８】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの駆動状態の斜視図。
【図９】本発明のロール形状の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの斜視図。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線における断面図。
【図１１】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例１の斜視図。
【図１２】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例２の斜視図。
【図１３】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例３の斜視図。
【図１４】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例４の斜視図。
【図１５】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例５の斜視図。
【図１６】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例６の斜視図。
【図１７】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例７の斜視図。
【図１８】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例８の斜視図。
【図１９】本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの実施例９の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスは、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子を用いた発電デバイスにおいて、電場応答性高分子が、弾性を有する養生シートに張力を加えた状態で貼着されているものであって、動植物や構造物からの様々な動きの運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが可能なものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。
【００１８】
なお、電場応答性高分子から起電力を得るための具体的な回路構成については、前述した特許文献３に詳述しているので、ここでは説明を割愛する。
【００１９】
まず、従来の電場応答性高分子を用いた発電デバイスを図１乃至図３に基づいて説明する。
【００２０】
ここで、図１は、従来の単層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図であり、図３は、従来の多層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの断面図である。
【００２１】
まず、従来の単層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスについて説明する。従来の単層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイス１００は、図１及び図２に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜１２０の両面に、カーボンブラックを主体とした伸張性のある電極１４０を接合している。さらに、この電極１４０に銅やアルミなどからなる金属製の外部引出電極１６０を接合している。
【００２２】
このような構成の発電デバイス１００を長手方向に伸張収縮させることにより、２つの外部引出電極１６０間に起電力を得ることができる。
【００２３】
次に、従来の多層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスについて説明する。従来の多層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイス２００は、図３に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜２２０の両面に、カーボンブラックを主体とした伸張性のある電極２４０を接合している。そして、２枚のエラストマー膜２２０の電極２４０同士を重ねて、２枚のエラストマー膜２２０を接合する。
【００２４】
このような構成の発電デバイス２００を長手方向に伸張収縮させることにより、外側の外部引出電極２６２と中央の外部引出電極２６４との間に起電力を得ることができる。
【００２５】
次に、本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの一実施形態を図４乃至図８に基づいて説明する。
【００２６】
ここで、図４は、本発明の単層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの正面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線における断面図であり、図６は、本発明の多層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの断面図であり、図７は、本発明の発電デバイスが初期状態にあるときの斜視図であり、図８は、本発明の発電デバイスが駆動状態にある時の斜視図である。
【００２７】
まず、本発明の単層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスについて説明する。本発明の単層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイス３００は、図４及び図５に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜３２０の両面に、カーボンブラックを主体とした伸張性のある電極３４０を接合している。さらに、この電極３４０が張力を加えられた状態でシリコンやアクリルなどのエラストマーである養生シート３８０に貼着されている。養生シート３８０は、電場応答性高分子を両面から挟持するように設けられている。そして、電極３４０の両端に銅やアルミなどからなる金属製の外部引出電極３６０を接合している。さらに、養生シート３８０の長手方向両端はプラスチックなどからなる電極固定部３９０により固定されている。
【００２８】
このような構成の発電デバイス３００を長手方向に伸張収縮させることにより、２つの外部引出電極３６０間に起電力を得ることができる。
【００２９】
次に、本発明の多層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイスについて説明する。本発明の多層構造の電場応答性高分子を用いた発電デバイス４００は、図６に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜４２０の両面に、カーボンブラックを主体とした伸張性のある電極４４０を接着している。そして、２枚のエラストマー膜４２０の電極４４０同士を重ねて、２枚のエラストマー膜４２０を接合する。さらに、この電極４４０が張力を加えられた状態でシリコンやアクリルなどのエラストマーである養生シート４８０に貼着されている。養生シート４８０は、電場応答性高分子を両面から挟持するように設けられている。そして、電極４４０の両端に銅やアルミなどからなる金属製の外部引出電極４６２、４６４を接合している。さらに、養生シート４８０の長手方向両端はプラスチックなどからなる電極固定部４９０により固定されている。
【００３０】
このような構成の発電デバイス４００を長手方向に伸張収縮させることにより、外側の外部引出電極４６２と中央の外部引出電極４６４との間に起電力を得ることができる。
【００３１】
次に、前述した本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの起動方法について、図７及び図８に基づいて説明する。
【００３２】
本発明の発電デバイス５００を起動するには、図７に示すように、２つの外部引出電極５６０間に、バイアス電圧を印加するとともに起電力を昇圧して負荷に供給するように構成された電気回路Ｃが接続される。
【００３３】
そして、図８に示すように、電極固定部５９０を掴んで電場応答性高分子を伸張収縮させることにより、起電力が得られる。
【００３４】
前述した実施形態の電場応答性高分子を用いた発電デバイスは、柔軟なエラストマーを主体とした養生シートに電場応答性高分子を貼着させた構成を有し、動植物又は構造物などの屈曲運動などを利用して電場応答性高分子を伸張させることで発電する発電デバイスである。電場応答性高分子を用いた発電の場合、電極部には特性上、高電圧が帯電するため、動植物に装着する際には電場応答性高分子を絶縁体で覆う必要があるが、その際、電場応答性高分子の発電動作において、電場応答性高分子の伸張動作の妨げにならないような素材、構造にする必要がある。
【００３５】
従来ではプラスティックなどのモールド素材で電場応答性高分子を固定する必要があり、また、その際に電場応答性高分子をある程度伸張状態にして固定する必要があった。一方、本発明による電場応答性高分子を用いた発電デバイスでは、電場応答性高分子を固定する養生シートをモールド素材として用いることで、軽量かつ柔軟な構造を構成することができる。アクリルやシリコンなどのエラストマーで電極部を覆うことにより、動植物に装着した場合でも、運動の妨げにならない構造としかつ効率的に運動エネルギーを電気エネルギーに変換できる構造としている。
【００３６】
前述した構造では、電場応答性高分子の基材となる部分にアクリルやシリコンなどのエラストマーを用いており、基材部分の両面にカーボンブラックを主体とした電極を塗布することで電場応答性高分子を構成する。また、その際に外部に電極を取り出すために、銅、銀、金などの導電素材をエラストマー両面に配置した電極に配設し、外部引出電極とする。電場応答性高分子の電極構成後、電極部に養生シートを設ける。この養生シートとなる材料は、電場応答性高分子を構成した際に用いた基材部と同素材を用いることで、電場応答性高分子の伸張動作を妨げることなく、円滑な動作が可能である。また、使用温度範囲によっては、シリコンベースのエラストマーを使用することも効果的である。
【００３７】
次に、本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの別の実施形態を図９及び図１０に基づいて説明する。
【００３８】
ここで、図９は、本発明のロール形状の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの斜視図であり、図１０は、図９のＸ−Ｘ線における断面図である。
【００３９】
本発明のロール形状の電場応答性高分子を用いた発電デバイスについて説明する。本発明のロール形状の電場応答性高分子を用いた発電デバイス６００は、図９及び図１０に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜６２０の両面に、カーボンブラックを主体とした伸張性のある電極６４０を接合している。さらに、この電極６４０が張力を加えられた状態でシリコンやアクリルなどのエラストマーである養生シート６８０に貼着されている。養生シート６８０は、電場応答性高分子を両面から挟持するように設けられている。そして、電極６４０の両端に銅やアルミなどからなる金属製の外部引出電極６６０を接合している。さらに、このように構成された電場応答性高分子をロール状にすることによってロール形状の発電デバイスを構成する。
【００４０】
発電デバイスをロール形状とすることで、発電時における変形方向の阻害がなくなるため、植物など、特に樹木に装着することにより効果的に発電が可能である。発電に必要な樹木の運動源は風である。枝や幹の成長によりその方向性は異なるが、微風時でも、樹木は揺らいでいる特徴を利用し、揺らぎ時の方向性を持たない動作に対して特に有効的に発電ができる。その理由として、従来の風力発電は回転運動から電気エネルギーに変換するなど、風車を利用して風を回転運動に変換する方式が大部分を占めているが、その際、必ずある一定量の風量が無くてはならない。しかし、本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスの場合、樹木などの揺らぎなどによる運動エネルギーを直接電気エネルギーに変換することが可能であるため、数多く配置することが可能なことや、主材料がエラストマーであることから、例えば、果物などの樹木に電場応答性高分子を配置することで、枝折れなどが軽減される。従来の風力発電のように、自然環境を崩して設置するのではなく、そのままの自然状態を維持したまま発電デバイスを搭載することができるため、環境に優しく、景観を損ねることなく発電デバイスの設置が可能である。
【００４１】
以下、本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスによる発電事例について図１１乃至図１９に基づき説明する。なお、図１１乃至図１９において、符号Ｅで示した部材が電場応答性高分子を用いた発電デバイスである。
【実施例１】
【００４２】
図１１は、犬などのペットの足や首輪、胴体からの伸張運動を利用した発電例である。発電したエネルギーは、ＬＥＤなどの夜間散歩用の明かりの補助や、ペットの行方不明時の捜索に利用するＧＰＳ発信器やその通信機器用電源として利用することができる。
【実施例２】
【００４３】
図１２は、人間の足の関節の屈曲運動を利用した発電例である。発電したエネルギーは、ＬＥＤなどの夜間散歩用の明かりの補助や、携帯機器などの補助電源として利用することができる。
【実施例３】
【００４４】
図１３は、人間の腕の関節の屈曲運動を利用した発電例である。発電したエネルギーは、ＬＥＤなどの夜間散歩用の明かりの補助や、携帯機器などの補助電源として利用することができる。
【実施例４】
【００４５】
図１４は、鳥類などの動態の運動エネルギーを利用した発電例である。発電したエネルギーは、体調管理情報や給餌情報などを送信する通信機器用電源や生息管理を行う通信機器用電源に利用することができる。
【実施例５】
【００４６】
図１５は、樹木の枝や幹にシート状又はロール状の電場応答性高分子を用いた発電デバイスを設置した発電例である。森や林などの樹木の枝や幹の揺らぎや揺れを利用して発電を行うことで、従来では森林を伐採して発電所を建設するなど大規模な土木工事を行う必要があったが、本発電デバイスを大規模に配置することで、樹木などの伐採をすることが無く完全にクリーンな発電所を得ることが可能である。また、果物などの樹木が、台風などの強風で枝折れすることの予防が可能であり、また発電した電気エネルギーは、農薬散布や散水時の電源補助にも利用可能である。
【実施例６】
【００４７】
図１６は、ビルなどの構造物に本発明の発電デバイスを配置した発電例である。ビルなどの高層建造物などの揺らぎ及び振動を利用して発電を行う。発電した電気エネルギーは、ビルなどのバックアップ用補助電源や使用電力の一部補助として利用することができる。
【実施例７】
【００４８】
図１７は、橋脚に本発明の発電デバイスを配置した発電例である。橋脚の揺らぎ及び振動を利用して発電を行う。発電した電気エネルギーは、橋脚の電灯及び表示板などの電源として利用することができる。
【実施例８】
【００４９】
図１８は、航空機や鉄道などの機体の膨張、収縮を利用した発電例である。航空機や鉄道の機体に本発明の発電デバイスを配置し、気圧の変化に伴う機体の膨張、収縮を利用して発電を行う。発電した電気エネルギーは、航空機や鉄道内のバックアップ用補助電源や使用電力の一部補助として利用することができる。
【実施例９】
【００５０】
図１９は、自動車の振動を利用した発電例である。自動車のサスペンション機構に本発明の発電デバイスを配置し、自動車の振動を利用して発電を行う。発電した電気エネルギーは、自動車内の使用電力の一部補助として利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように本発明の電場応答性高分子を用いた発電デバイスは、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、遅いストロークで発電するさまざまな条件下及びさまざまな分野で利用可能である発電手段を提供するものであって、波力、水力、風力などの自然エネルギーによる発電をはじめ、例えば、電気・電子機器制御用ワイヤレスリモコンの電源スイッチ一体型電源、電気・電子機器の操作に伴う運動エネルギーによる発電装置、携帯電子機器に接続されたストラップの形状変化を利用した発電装置、樹木の幹や枝の揺れを利用した発電装置、排ガスなどの気体圧力を用いた発電装置、排水などの水圧を用いた発電装置、乗り物が走行する時に生じる振動や衝撃により発電する装置、非常用電源として人力によって発電する装置、トンネル内などの狭い空間で生じる圧力変化により発電する装置、衣類に設置することにより人や動物の動きで発電する装置など、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。
【符号の説明】
【００５２】
１００、２００、３００、４００、５００、６００、Ｅ  ・・・  発電デバイス
１２０、２２０、３２０、４２０、６２０  ・・・  エラストマー膜
１４０、２４０、３４０、４４０  ・・・  電極
１６０、２６２、２６４、３６０、４６２、４６４、５６０、６６０  ・・・  外部引出電極
３８０、４８０、６８０  ・・・  養生シート
３９０、４９０、５９０  ・・・  電極固定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010263750.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2010263750.tif 000017
【図１６】
2010263750.tif 000018
【図１７】
2010263750.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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