(57)【要約】【解決手段】ここでは、機械エネルギを変換する電気活性高分子トランスデューサを使用するシステム及び方法について記載載されている。ここに記載される海洋装置は、波の機械エネルギを、電気活性高分子トランスデューサへの入力に適した機械エネルギへ転換する機械エネルギ変換システムを利用する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋装置であって、
前記海洋装置が水中において浮揚する時に、その一部が水面レベルより上に位置するように前記海洋装置が構成される本体と、
前記水面レベルの変化により生じた機械エネルギを、機械エネルギ伝達システムによって調整された機械エネルギに変換するように構成された前記機械エネルギ伝達システムと、
前記機械エネルギ伝達システムの一部に適切に作用可能に結合され且つ前記機械エネルギ伝達システム内の前記調整機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成され、電気活性高分子と、前記電気活性高分子に結合された少なくとも二つの電極とを含む、電気活性高分子トランスデューサと、を備える海洋装置。
【請求項２】
前記機械エネルギ伝達システムは、前記水面レベルに相対的な前記本体の移動を引き起こす水面レベルの変化に応答して、前記本体と相対的に移動するように構成された、エネルギ貯蔵質量を含む、請求項１記載の海洋装置。
【請求項３】
前記エネルギ貯蔵質量は、直線軸線に滑動可能に結合され、前記電気活性高分子トランスデューサは、前記直線軸線に沿った前記エネルギ貯蔵質量の運動エネルギを使用して、電気エネルギを発生させるように構成される、請求項２記載の海洋装置。
【請求項４】
更に、前記エネルギ貯蔵質量に機械的に結合され且つ前記本体に機械的に結合されたバネを備える、請求項２記載の海洋装置。
【請求項５】
前記バネは、調整可能な剛性を含む、請求項４記載の海洋装置。
【請求項６】
前記電気活性高分子トランスデューサは、前記調整可能な剛性に寄与するように構成される、請求項５記載の海洋装置。
【請求項７】
前記バネは、前記海洋装置の共振周波数の約１ヘルツ以内で、前記機械エネルギ伝達システムに共振周波数を提供する剛性を含む、請求項５記載の海洋装置。
【請求項８】
更に、ａ）前記機械エネルギ伝達システムの前記一部に適切に作用可能に結合され且つ前記機械エネルギ伝達システム内の前記調整機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成されるか、或いはｂ）前記第一の電気活性高分子トランスデューサと共に含まれるフレームに適切に作用可能に結合され、第二の電気活性高分子と、前記第二の電気活性高分子に結合された少なくとも二つの電極とを含む、第二の電気活性高分子トランスデューサを備える、請求項１記載の海洋装置。
【請求項９】
更に、前記少なくとも二つの電極と電気的に連絡しており、前記電気活性高分子トランスデューサにおいて電気エネルギを追加又は除去するように設計又は構成された調節電子機器を備える、請求項１記載の海洋装置。
【請求項１０】
前記電気活性高分子は、誘電エラストマである、請求項４記載の海洋装置。
【請求項１１】
前記高分子は、約１００ＭＰ未満の弾性係数を有する、請求項４記載の海洋装置。
【請求項１２】
ブイであって、
前記ブイが水中において浮揚する時に、その一部が水面レベルより上に位置するように前記ブイが構成される本体と、
前記水面レベルの変化により生じた機械エネルギを、機械エネルギ伝達システムによって調整された機械エネルギに変換するように構成された前記機械エネルギ伝達システムと、
前記機械エネルギ伝達システムの一部に適切に作用可能に結合され且つ前記機械エネルギ伝達システム内の前記調整機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成され、電気活性高分子と、前記電気活性高分子に結合された少なくとも二つの電極とを含む、電気活性高分子トランスデューサと、
前記電気活性高分子トランスデューサにより発生された電気エネルギを使用することに適したライトと、を備えるブイ。
【請求項１３】
前記機械エネルギ伝達システム及び前記電気活性高分子トランスデューサは、前記ブイの配備後、前記ブイに追加されるように構成された内部空洞内に収容される、請求項１２記載のブイ。
【請求項１４】
前記機械エネルギ伝達システムは、前記水面レベルに相対的な前記本体の移動を引き起こす水面レベルの変化に応答して、前記本体と相対的に移動するように構成された、エネルギ貯蔵質量を含む、請求項１２記載のブイ。
【請求項１５】
更に、前記少なくとも二つの電極と電気的に連絡しており、前記電気活性高分子トランスデューサにおいて電気エネルギを追加又は除去するように設計又は構成された調節電子機器を備える、請求項１２記載のブイ。
【請求項１６】
前記調節電子機器は、少なくとも一つのインダクタを有し且つ前記電気活性高分子のストローク毎に前記電気活性高分子から電気エネルギを収穫するように構成された誘導性回路を含む、請求項１５記載のブイ。
【請求項１７】
前記調節電子機器は、少なくとも一つのキャパシタを有し且つ前記電気活性高分子のストローク毎に前記電気活性高分子から電気エネルギを収穫するように構成された容量性回路を含む、請求項１５記載のブイ。
【請求項１８】
前記調節電子機器は、前記電気活性高分子トランスデューサの剛性を制御するように構成される、請求項１５記載のブイ。
【請求項１９】
海洋装置であって、
前記海洋装置が水中において浮揚する時に、その一部が水面レベルより上に位置するように前記海洋装置が構成される本体と、
前記水面レベルの変化により生じた機械エネルギを、によって調整された機械エネルギに変換するように構成された前記機械エネルギ伝達システムと、
前記機械エネルギ伝達システムの一部に適切に作用可能に結合され且つ前記機械エネルギ伝達システム内の前記調整機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成され、電気活性高分子と、前記電気活性高分子に結合された少なくとも二つの電極と、を含む、電気活性高分子トランスデューサと、
前記少なくとも二つの電極と電気的に連絡しており、前記電気活性高分子トランスデューサにおいて電気エネルギを追加又は除去するように設計又は構成された調節電子機器と、を備える海洋装置。
【請求項２０】
前記調節電子機器は、電圧ステップアップ、電圧ステップダウン、及び充電制御の機能のうち一つを実行するように設計又は構成される、請求項１９記載の海洋装置。
【請求項２１】
前記調節電子機器は、少なくとも一つのインダクタを有し且つ前記電気活性高分子のストローク毎に前記電気活性高分子から電気エネルギを収穫するように構成された誘導性回路を含む、請求項１９記載の海洋装置。
【請求項２２】
更に、それぞれが前記電気活性高分子トランスデューサのストローク位置を示すように構成された一つ以上のスイッチを備える、請求項２１記載の海洋装置。
【請求項２３】
前記スイッチの一つは、前記電気活性高分子トランスデューサの極限ストローク位置を示すように構成される、請求項２２記載の海洋装置。
【請求項２４】
前記調節電子機器は、少なくとも一つのキャパシタを有し且つ前記電気活性高分子のストローク毎に前記電気活性高分子から電気エネルギを収穫するように構成された容量性回路を含む、請求項１９記載の海洋装置。
【請求項２５】
前記機械エネルギ伝達システムは、前記水面レベルに相対的な前記本体の移動を引き起こす水面レベルの変化に応答して、前記本体と相対的に移動するように構成された、エネルギ貯蔵質量を含む、請求項１９記載の海洋装置。
【請求項２６】
本体を含む海洋装置において電気エネルギを発生させる方法であって、
水上に浮揚する時に、前記本体の一部が水面レベルの上方に位置するように構成される前記海洋装置を浮揚させる工程と、
水面レベルの変化による機械エネルギを電気活性高分子トランスデューサへ伝達する工程と
電気活性高分子と、前記電気活性高分子に結合された少なくとも二個の電極とを含む前記電気活性高分子トランスデューサを使用して電気エネルギを発生させる工程と、を備える方法。
【請求項２７】
水面レベルの変化による前記機械エネルギを前記電気活性高分子トランスデューサへ伝達する工程は、前記水面レベルの変化に応答して、前記海洋装置本体と相対的にエネルギ貯蔵質量を移動させる工程を含む、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記電気活性化高分子トランスデューサは、前記エネルギ貯蔵質量の剛性に寄与するように構成される、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
更に、前記海洋装置の共振周波数の約１ヘルツ以内で、前記エネルギ貯蔵質量及びバネの共振周波数を提供するために、前記電気活性化高分子トランスデューサの剛性を変化させる工程を備える、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記エネルギ貯蔵質量は、前記水面レベルが変化する時、前記本体の変位方向とは反対の方向へ移動する、請求項２６記載の方法。
【請求項３１】
更に、前記伝達された機械エネルギを使用して、前記電気活性高分子トランスデューサを偏位させる工程を備える、請求項２６記載の方法。
【請求項３２】
更に、前記偏位の前に前記電気活性高分子トランスデューサに電気エネルギを追加する工程を備える、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記電気活性高分子トランスデューサを使用して電気エネルギを発生させる工程は、前記電気活性高分子トランスデューサが収縮する際に、前記電気活性高分子トランスデューサから電気エネルギを除去する工程を含む、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記電気活性高分子トランスデューサ除去した前記電気エネルギの合計は、一サイクルにおいて、前記電気活性高分子トランスデューサに追加した前記電気エネルギ合計よりも大きく、電気エネルギの正味量は、前記電気活性高分子トランスデューサから出力される、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
更に、前記電気活性高分子トランスデューサの一を検知する工程を備える、請求項２６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性高分子発電装置及び方法に関する。特に、本発明は、一つ以上の波に含まれる機械エネルギから電気エネルギを発生させるための電気活性高分子の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの海洋装置は電力を消費する。例えば、ブイは、常に内蔵電源に依存する内蔵点灯及び通信システムを含む。
【０００３】
現在、ブイのような遠隔海洋装置に電気エネルギを供給するために、電池が使用されている。非充電式の電池は、必然的にエネルギ切れとなるため、不便で費用のかかる電池の保守が必要となる。充電式電池は、充電用の電源を必要とする。
【０００４】
波は、継続的且つ豊富な機械エネルギ源を提供するものの、一貫性がなく予測が不可能な波エネルギを電気エネルギへの変換に利用することは、これまで困難だった。殆どの海洋装置は、機械エネルギから電気エネルギへの変換のために電気機械発電機を利用している。電気機械発電機は、一貫性のある回転入力に依存しており、ギアリングと、直線／回転機械的伝達システムとの使用が必要となる。こうした機械的伝達システムにより、海洋装置では、重量、損失、及び複雑性が大幅に増加する。遠隔海洋環境において波力を利用して電気エネルギを発生させる別の装置及び方法があれば、有益である。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、一つ以上の波に元々含まれている機械エネルギを電気エネルギに変換するために、電気活性高分子トランスデューサを使用するシステム及び方法を提供する。一実施形態において、本明細書に記載の海洋装置は、波の機械エネルギを、電気活性高分子トランスデューサへ入力するのに適した機械エネルギへ転換する機械エネルギ変換システムを利用する。
【０００６】
一態様において、本発明は、海洋装置に関する。海洋装置は、本体と、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子トランスデューサとを含む。海洋装置は、海洋装置を水中において浮揚させた時に、本体の一部が水面レベルの上方に位置するように構成される。機械エネルギ伝達システムは、水面レベルの変化により生じる機械エネルギを、機械エネルギ伝達システムにより調整された機械エネルギに変換するように構成される。電気活性高分子トランスデューサは、機械エネルギ伝達システムの一部に適切に作用可能に結合され、機械エネルギ伝達システム内の調整済み機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成される。電気活性高分子トランスデューサは、電気活性高分子と、電気活性高分子に結合された少なくとも二個の電極とを含む。
【０００７】
別の態様において、本発明は、ブイに関する。ブイは、本体と、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子トランスデューサと、電気活性高分子トランスデューサが発生させ電気エネルギを使用するのに適したライトとを含む。
【０００８】
更に別の態様において、本発明は、海洋装置に関する。海洋装置は、本体と、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子トランスデューサと、少なくとも二個の電極に電気的に連絡し、電気活性高分子トランスデューサからの電気エネルギを追加又は除去するように設計又は構成された調節電子機器とを含む。
【０００９】
更に別の態様において、本発明は、本体を含む海洋装置において電気エネルギを発生させる方法に関する。方法は、海洋装置を浮揚させるステップを含む。海洋装置は、海洋装置が水中において浮揚する時に、本体の一部が水面レベルの上方に位置するように構成される。方法は、更に、水面レベルの変化による機械エネルギを電気活性高分子トランスデューサへ伝達するステップを含む。方法は、更に、電気活性高分子トランスデューサを使用して電気エネルギを発生させるステップを含む。電気活性高分子トランスデューサは、電気活性高分子と、電気活性高分子に結合された少なくとも二個の電極とを含む。
【００１０】
本発明の上記その他の特徴及び利点は、以下の本発明の説明及び関連する各図において説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に示した幾つかの好適な実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解するために、多数の具体的な詳細について述べる。しかしながら、本発明は、こうした具体的な詳細の一部又は全部が無くとも実施し得ることは、当業者には自明であろう。また、周知の処理ステップ及び／又は構造は、本発明を不必要に曖昧にしないために詳細な説明を省略する。
序論
【００１２】
本開示では、電気エネルギを発生させる電気活性高分子トランスデューサを含む海洋装置を説明する。発電は、二段階のプロセスにおいて行われる。第一の段階では、変位量及び頻度が一貫しておらず予測不可能である場合が多い波の機械エネルギを、電気活性高分子トランスデューサによる機械／電気変換に適した調整機械エネルギへ変換する。一実施形態において、この機械的伝達では、波の機械エネルギを、一つ以上の公知の方向へのエネルギ貯蔵質量の運動へ転換し、例えば、エネルギ貯蔵質量を直線スライド部に沿って移動させる。別の実施形態において、線形移動機構は、海洋装置の二つの異なる部分の相対運動を結び付ける。例えば、波運動は、浮揚要素と反応板又は錨との間に相対運動を引き起こし、この相対的変位は、直線運動を入力として受け付ける発電機に適した限定及び抑制された機械入力の役割を果たす。第二の段階では、電気活性高分子トランスデューサは、調整機械エネルギを電気エネルギに変換する。機械エネルギは、必要に応じて、使用してよく、及び／又は後の使用のために貯蔵してよい。
【００１３】
図１及び２は、本発明の様々な実施形態による電気エネルギの生成の概略を示している。図１は、本発明の一実施形態による、波エネルギを収穫する方法の概略を示す。図２は、本発明の一実施形態による、簡略化した海洋装置１０を示す。
【００１４】
まず図１を参照すると、波２は、予測不可能な自然状態の機械エネルギを供給する。本明細書での使用において、波とは、水面レベルの変化を示す。「波エネルギ」とは、波における機械エネルギ、運動エネルギ、及び／又は位置エネルギを示す。波における機械エネルギを特徴付ける特性には、波高（頂点から谷の平均）、波周期、波方向、及び水深が含まれる。
【００１５】
海洋装置１０は、水中に配置される任意の装置又はシステムを示し、電気エネルギを消費又は伝送する。本明細書で説明する多くの海洋装置１０は、装置の少なくとも一部が水面レベルの上方に位置するように水上に浮揚する。以下、次の二種類の特定の海洋装置１０を詳しく説明する：ａ）内蔵点灯システムに電力を供給する発電機を含む航行ブイ、及びｂ）一般的な電気エネルギの生成用、例えば、配電網への供給用の浮揚発電機。
【００１６】
波は、特に洋上及び湾岸の環境において、大量のエネルギを提供するが、一貫性がないことから、エネルギの収穫は困難となる。浮揚海洋装置１０の水に対する移動１６は、方向（例えば、ある波での上昇運動、その後、次の波により変化する水面レベルに対する装置の角運動、その後、後続の波による異なる方向への角運動等）、運動量、波周期（又は周波数）等の点において、波によって大きく変化する、波の特性は、更に海洋環境により変化する。洋上環境の波は、一般に、周波数が低く、０．１乃至１．０Ｈｚの範囲であり、振幅が比較的高い（１メートルを超える波高が一般的）。
【００１７】
この入力エネルギの非一貫性を管理及び活用するために、海洋装置１０は、波の機械エネルギ（及び水面２に対する装置１０の不規則運動１６）を調整機械エネルギ１８に変換するように構成された機械エネルギ伝達システム１５を含む。一実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、波の機械エネルギの一部を、海洋装置の本体と相対的に移動する内部エネルギ貯蔵質量の機械エネルギに変換するように構成される。例えば、機械エネルギ伝達システム１５は、波力を伝達して、直線スライド部に滑動可能に結合されると共に、波力に応じて単一自由度のスライド部に沿って移動する質量の運動にする。これにより、波のエネルギは、海洋装置とエネルギ貯蔵質量との両方を移動させる状態となり、このうち後者を発電機２０への入力として使用する。別の実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、波力を伝達し、海洋装置の二部分の互いに対する運動にする。二部分は、波エネルギに応じて移動する別の部分と相対的に固定された状態にある海洋装置のフレームを含み得る。この相対運動は、発電機への制御入力の役割を果たす。
【００１８】
機械エネルギ伝達システム１５は、波の特性が大幅に変化する一定範囲の海洋状況において海洋装置１０が動作するのを可能にする。適切な海洋環境には、例えば、外海、湾、擁壁近くでの防波用途、湖、河川、及び三角州が含まれる。海洋装置１０は、波高が通常約０．５メートル乃至約１メートルで変化し、波周期が約一乃至約四秒で変化し、水深が約２メートル乃至約４０メートルで変化し得る湾内での使用に非常に適している。他の波の特性及び海洋条件も、ここでの使用に適しており、本発明は、特定の海洋環境又は波特性に限定されない。
【００１９】
電気活性高分子発電機２０は、抑制及び調整された機械エネルギを電気エネルギ２２に変換する。電気活性高分子トランスデューサは、洋上の波の動きに十分に適応できる大きな歪み能力を有し、僅かな可動部品による堅牢なエネルギ変換を可能にする。電気活性高分子トランスデューサは、低周波数又は可変速の機械入力に非常に適している。回転ではなく直線運動も、電気活性高分子トランスデューサに有利となる。したがって、電気活性高分子トランスデューサは、多くの海洋環境のように、機械入力が本質的に低周波数及び／又は可変速である場合、非常に有用である。
機械エネルギ変換システム
【００２０】
本節では、波の（運動及び／又は位置）機械エネルギを、その変位及びエネルギが公知の移動経路又は範囲に限定されており、一つ以上の電気活性高分子による電気エネルギの発生に利用可能な機械エネルギへ変換する、適切な機械エネルギ伝達システムを説明する。機械エネルギ伝達システムにより、海洋装置は、波運動及び入力エネルギが一貫しておらず予測不可能であっても、波の機械エネルギを繰り返し収穫することができる。一実施形態において、機械エネルギ伝達システムは、環境内にある海洋装置の外部の機械エネルギを、電気活性高分子発電機への入力用に構成された調整機械エネルギへ変換する。
【００２１】
一実施形態において、海洋装置１０はブイである。図３は、本発明の特定の実施形態によるブイ４０を示す。ブイ４０は、航行の目的で遠隔地において実現可能であり、発電システムを電力源とする一個以上のライト６３を含む。
【００２２】
図３は、二つの波高の例として、第一の波高４２及び第二の波高４４におけるブイ４０を示している。第一の波高４２は、波の谷間等、水面レベル６０の低い高さに対応し、一方、第二の波高４２は、波の頂点等、水面レベル６０の高い波高に対応する。ブイ４０は、本体５２と、光源６３と、自給式発電システム４６とを含む。
【００２３】
本体５２は、水面６０の上方に位置する塔５４と、少なくとも部分的に水面６０の下方に位置する基部５６とを含む。光源６３は、塔５４の最上部近くに取り付けられる。ブイ４０は、更に、浮揚を助け、光源６３又は本体５２の他の部分を水面６０より上方に保つために、浮揚カラー（又は他の浮揚デバイス）を含む。基部５６は、外劇に定められた内部空洞（図３に図示無し）を含む。
【００２４】
自給式発電システム４６は、機械エネルギ伝達システム１５と発電機とを含む。特定の実施形態において、自給式発電システム４６は、既存の又は僅かに修正した航行ブイ４０に配置するのに適している。この場合、自給式発電システム４６は、塔５４又は基部５６等、ブイ４０の本体５２に機械的に取り付け、ブイ４０の電気システムに電気的に結合され、光源６３を動作させる電力を供給する。別の実施形態において、自給式発電システム４６は、基部５６の内部空洞に配置される。図３に示したように、自給式ユニット４６は、塔５４のブイ上部構造に取り付けられ、ブイの製造又は配置から長時間経過後に、ブイに取り付け可能である。したがって、自給式ユニット４６は、既存のブイ設計に対する変更を最小限に抑える分離構造である。この実施形態により、新たなブイの設計及び購入を必要とせずに、既存のブイを局所発電に適応させることができる。その後、自給式発電システム４６により、電池交換の必要なく、長期間に渡るブイ４０の運用が可能となる。
【００２５】
図３は、更に、機械エネルギ伝達システム１５及び発電機を含む、自給式発電システム４６の特定の実施形態の拡大断面図を示している。機械エネルギ伝達システム１５は、水（及び水面レベル６０上のブイ４０の移動）の機械エネルギを、方向６２に沿ったエネルギ貯蔵エネルギ貯蔵質量６４の運動エネルギに変換する。一般に、本発明の機械エネルギ伝達システム１５は、波の機械エネルギを抑制して、機械エネルギの収穫に使用するか、或いは直接的又は間接的に電気活性高分子に結合する任意の機械システムを含み得る。一般に、これには、波の波運動、エネルギ、及び／又は力の少なくとも一部を、所定の一つ以上の自由度（例えば、直線、回転、その組み合わせ等）に従った質量の運動、エネルギ、及び／又は力に伝達することが含まれる。この伝達により、入力波エネルギの予測不可能性を減少され、機械エネルギは、質量の公知の方向への変位へと内部的に調整され、発電機による電気エネルギ変換が容易になる。本発明では、この目的に適した多数の設計及び機械システムが考えられる。ここでは幾つかの設計例を説明するが、しかしながら、一般に、本発明は、こうした設計に限定されない。特定の実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、図４を参照して更に詳細に説明する動吸振器を含む。
【００２６】
ブイ４０において、自給式ユニット４６内の機械エネルギ変換システム１５は、矢印６２により示したように、円筒穴又は軸線６６に沿って直線移動するように構成されたエネルギ貯蔵質量６４を含む。機械エネルギ変換システム１５は、軸線６６に沿ったエネルギ貯蔵質量６４の移動を使用して、ブイ４０内部で軸線６６に沿ったエネルギを発生させる。
【００２７】
一実施形態において、エネルギ貯蔵質量６４は、低周波の波に応答して電気エネルギの生成に十分な力を発生させるように構成されたプルーフマス、又は大きな重量である。質量６４の重量と、軸線６６に沿った移動距離は、設計上の選択事項であり、用途により変更し得る。エネルギ貯蔵質量６４の重量及び移動距離に影響を与え得る要素は、予想される波エネルギの量（波の振幅及び周波数）、海洋装置が必要とするエネルギの量、ブイ４０のサイズ、使用される電気エネルギ発生システム及びその要素呼び構成、プルーフマスの線形運動を電気エネルギに変換するエネルギトランスデューサ（電気エネルギ発生器）の有効剛性及び減衰特性等である。一実施形態において、エネルギ貯蔵質量６４は、約５ｋｇ乃至約３００ｋｇの質量を含む。軸線６６に沿った移動距離は、約０．２メートル乃至約４メートルが多くの用途に適している。他の質量サイズ及び移動距離も適切となる。特定の実施形態において、ブイ４０は、１００ｋｇを超える質量を含み、或いは１メートルより長い距離を移動して、海水を受ける洋上又は湾内で一般的な波の周波数において２５Ｗの電力を発生させる。質量サイズ又は移動距離の何れかは、ブイの安定性を高めるために、その寸法及びサイズに応じて制限し得る。
【００２８】
以下、更に詳細に説明するように、一つ以上の電気活性高分子デバイスは、エネルギ貯蔵質量６４に直接的又は間接的に取り付け、エネルギ貯蔵質量６４が軸線６６に沿って移動するのに従って伸縮させ得る。
【００２９】
光源６４は、上部光源６４ａ及び中央光源６４ｂを含む。何れの光源も、ハロゲンランプ、発光ダイオード、光出力の改善又は集束のために光の収集及び方向付けを行うプリズム、或いは他の任意の従来型光源及び／又は発光体を含み得る。
【００３０】
一実施形態において、海洋装置は、動吸振器（動吸収器）を使用してエネルギの収穫を向上させる。動吸振器は、減衰式又は非減衰式にしてよい。まず、図４Ａは、本発明の一実施形態による非減衰動吸振器８０として動作するように構成された機械エネルギ変換システム１５を示す。
【００３１】
図示したように、動吸振器８０は、主質量８２、吸収質量６４と、主剛性ｋ１と、吸収器剛性ｋ２とを含む。海洋装置において、主質量８２は、海洋装置（ブイ又は防波発電機の本体又はカバー）の質量を表し、吸収質量６４は、機械エネルギ変換システム１５のエネルギ貯蔵質量６４を表し、ｋ１は、海洋装置（ブイ又は防波発電機の本体又はカバー）の剛性を表し、ｋ１は、機械エネルギ変換システム１５の剛性（又は図３の軸線６６に沿った剛性）を表す。
【００３２】
図４Ａを参照すると、まず、吸収質量６４を取り付けていない状態では、波により生じた海洋装置と水との間の相対運動等の周期的な力８１は、非減衰主質量−バネ系８０に作用する。力の周波数が主質量８２及びｋ１の固有振動数と実質的に等しい時、質量８２の応答及び変位は、理論上は無限となる。これは、主質量８２の共振を意味する。
【００３３】
質量６４及びｋ２を含む吸収質量−バネ系又は「吸収器」を主質量８２に取り付け、吸収器の共振が主質量のものと実質的に一致するように調整した時、主質量８２の運動は、理論上、共振周波数においてゼロまで減少される。したがって、主質量８２のエネルギは、同調させた動吸収器により明らかに「吸収」される。理論上、この非減衰系では、吸収質量６４の運動は、何れかの振動体に減衰が生じなくとも、この共振周波数において有限である。これは、理論的には、一自由度系から二自由度系へ系が変化し、主質量８２（更に吸収器６４）の元々の共振周波数と何れも等しくない、二つの共振周波数を有するようになったためである。
【００３４】
一実施形態において、機械エネルギ変換システム１５は、海洋装置の固有振動数（装置が水に対して運動する周波数）で共振するように調整した動吸収器（例えば、図３の質量６４及び関連する剛性）を含む。特定の実施形態において、この共振周波数の一致により、海洋装置１０の共振周波数の約０．２ヘルツ以内である機械エネルギ変換システム１５の共振周波数が提供される。特定の実施形態において、この共振周波数の一致により、海洋装置１０の共振周波数の約０．２ヘルツ以内である機械エネルギ変換システム１５の共振周波数が提供される。この共振の一致により、機械エネルギ変換システム１５がもたらす電力発生用の運動及び収穫エネルギが増加する。加えて、動吸収器は海洋装置の運動及び移動を減少させるため、機械エネルギ変換システムは、更に、海洋装置１０を安定させる。安定化機能は、点灯位置が余り移動しないことが求められる航行ブイに有用である。
【００３５】
波周期が変化する場合に適した特定の実施形態において、本発明の海洋装置は、吸収器の共振周波数を能動的に調整する。これにより、機械エネルギ変換システム１５は、複数の共振周波数及び条件において動作及び適応する。一実施形態において、電気エネルギ発生システムは、動吸収器の同調のために調整可能な制御剛性を有する電気活性高分子を含む。電気活性高分子は、以下説明する。加えて、電気活性高分子の剛性の制御に関する詳細な説明は、出典を明記することでその開示内容全体を本願明細書の一部とする保有者共通の特許第６，８８２，０８６号に記載されている。
【００３６】
次に、図４Ｂを参照すると、現実的には、海洋装置１０は、何らかの減衰８６を含む。減衰８６は、海洋装置１０と、寄生エネルギ損失をもたらす周囲の水との相互作用を含む。図４Ｂは、本発明の一実施形態による減衰動吸収器８５として動作するように構成された機械エネルギ変換システム１５を示す。この場合、システム８５は、吸収質量６４に対する有効な減衰８８を含む。減衰８８には、電気エネルギ発生により生じる損失（言い換えると、機械から電気へ変換されたエネルギは事実上減衰となる）と、海洋装置１０における他の機械エネルギの損失とが含まれる。
【００３７】
減衰は、システム内に新たな共振周波数を形成する。更に、両質量８２及び６４に対する有限の量の減衰は、新たな共振周波数の何れかにおいて、質量８２及び６４の何れかの運動を減少させる。何れかの質量−バネ要素に減衰が存在する場合、主質量８２の反応は、理論上、対象周波数においてゼロにならなくなる場合が多い。
【００３８】
図３を再び参照すると、機械エネルギ変換システム１５が海洋装置１０の固有振動数に同調させた減衰動吸振器８５を含む場合、機械エネルギ変換システム１５は、ブイ４０及び／又は定着構造の運動を、ａ）（意図的な）電気エネルギ発生による寄生損失と、ｂ）（上述したような）同調させた固有振動数によるブイの運動の吸収体質量６４への変換との二種類の形で減少させる。このようにして、機械エネルギ変換システム１５は、ブイ４０の安定性を高める。動吸収器を備えたブイ４０の別の捉え方としては、通常はブイを動かす波エネルギの一部が、代わりに質量８２を動かし、電気エネルギを発生させる状態となる。
【００３９】
これまでの説明は、ブイと発電機器との線形集中定数モデルに基づく理論に裏付けられている。理論に拘束されることは望んでおらず、例えば、変化する有効質量（例えば、有効ブイ質量が随伴水を含む場合）と、（電力の発生又は寄生損失の変化による）非線形の時間変化減衰と、（集中ではなく）分散したブイ、プルーフマス、及び発電機の質量とによる非線形性が存在する状態でも、システムは有効に動作できることに留意されたい。更に、これまでは単一の運動軸線に沿って動作するシステムを説明してきたことにも留意されたい。ブイの上下への動きと回転方向への揺れとの両方により生じ得るような、二つ以上の運動方向で動作するシステムも設計可能である。
【００４０】
他の機械エネルギ変換システム１５及び海洋装置１０の設計も、ここでの使用に適している。例えば、機械エネルギ変換システム１５は、基部５６において水位線より下にあるブイ４０の構造と一体化させること、基部５６の底部から延びるステムと構造的に一体化させること、或いはブイの他の位置において、水位線の上方、水位線の下方、及びその組み合わせにおいて一体化させることが可能である。
【００４１】
図５Ａは、本発明の別の実施形態によるブイ１２０を示す。ブイ１２０は、ブイ本体１２２の上部の周囲に配置された複数の機械エネルギ変換システムを含む。機械エネルギ変換システムのそれぞれは、自給式ユニット４６に含まれ、ブイ１２０の質量の垂直中心から離れて位置する。図５Ａにおいて、ブイ１２０は、縦に並べた四つの自給式ユニット４６を含む。これより多い又は少ない自給式ユニット４６を使用してもよい。加えて、自給式ユニット４６と、その機械エネルギ変換システム１５とは、ブイの上部構造の別の位置に配置してもよく、これは、揺れその他の運動に応答するブイの動的性能に影響する。
【００４２】
この構成は、図３に示したようなブイの質量の垂直中心に沿って配置された単一の自給式ユニット４６とは異なり、水中のブイ１２０の上下の動きのみではなく、ブイ１２０のあらゆる角度の揺れ１６を取り込むことができる。純粋な垂直運動において、各自給式ユニット４６内の質量６４は、互いに同期して移動する。揺れの場合には、同期せずに移動する。更に、二つ以上の発電機を使用するか、或いは発電機が垂直運動に加えて揺れ運動に反応できるようにすることで、海洋装置１０は、全体の出力が増加する。
【００４３】
図５Ｂは、それぞれブイの垂直軸線に対して角度を成して並べた四つの自給式ユニット４６を含む。この配置は、各自給式ユニット４６が水平運動を更に効果的に取り込んで変換するのを助ける。それぞれ角度を成して並べた複数の自給式ユニット４６は、累積的に、ブイ１２０があらゆる水平方向の揺れ及び側方運動を取り込むのを可能にする。自給式ユニット４６に角度を付けることで、多自由度のエネルギ収穫を維持しながら、ブイのプロフィールに対する影響が低減される。急激な運動を更に効果的に収穫するために、水平に並べた付加的な自給式ユニット４６を追加してもよい。
【００４４】
各自給式ユニット４６において質量型動吸収器が使用される場合、この構成は、両方の運動モードでブイ１２０を安定させる役割も果たす。加えて、単一の自給式ユニット４６を複数使用することで、単一のユニットに対する依存を取り除き、一つが故障しても電気エネルギの発生を維持できる。
【００４５】
他の機械エネルギ伝達システムも使用し得る。別の実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、円筒等の第二の部分に沿って、或いは第二の部分内で直線移動する、ロッド又はプランジャ等の第一の部分を含む、線形移動機構を含む。二つの部分は、波エネルギを利用するために海洋装置の異なる部分に結合させ得る。通常、異なる部分では、波エネルギにより相対運動が生じ、機械エネルギ伝達システム１５は、直線の自由度に沿って相対運動を限定及び抑制する。電気活性高分子は、機械エネルギ伝達システム１５の二部分に結合し、二部分の相対運動を電気エネルギ変換に対する入力として使用する。
【００４６】
図６は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１３０を示す。
【００４７】
ブイ１３０は、自給式ユニット４６内のエネルギ貯蔵質量６４に取り付けられたケーブル１３２を含む。ケーブル１３２は、ステンレス鋼、鎖、又は耐摩耗性ロープ等、適切な剛性の材料を含み得る。図示したように、ケーブル１３２は、ブイ１３０を機械的に接地させ、遠くへ浮遊するのを防止する係留ケーブル１３６まで延びる。滑車１３４は、ブイ１３０の側面に設置され、ケーブルの移動を滑車の近くに留め、ブイ本体に対する回転力を減少させる。
【００４８】
一本以上のケーブル１３２がブイ１３０の移動により基部１３８に対して引っ張られた時（通常は、表面レベル１３９が上昇する際、又は波の最高点及び水面１３９の頂点において）、少なくとも一本のケーブル１３２は、質量６４を引き下げる。ブイ１２０の上下移動及び／又はブイ１２０の角度のある横揺れ１６により、一本以上のケーブル１３２は、直線軸線６６上で質量６６を繰り返し変位させる。エネルギ貯蔵質量６４の移動は、その後、電気エネルギに変換し得る。ケーブルが貯蔵質量６４に推進力を与えるようになるため、質量はサイズを小さくすることができる。場合によっては、要素６４は、単純に発電機要素の運動に対してケーブル１３２の運動を結合する取り付け点にしてもよい。
【００４９】
図７は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１４０を示す。この場合、機械エネルギ伝達システム１５は、システム１５内の質量６４（ここでも単純に取り付け点にし得る）を一つ以上の水ブレーキ１４２に間接的に取り付けるケーブル１３２を含む。滑車１４４は、ケーブル１３２をブイ１４０の本体から離した状態を保つ剛体部材を含む。各水ブレーキ１４２は、上方移動には抵抗するが、板の下方移動は可能にする役割を果たす一組の平板及びヒンジを含む（上方移動中は、ヒンジが上向きに閉じ、板の表面積を減少させるため、水の抵抗が小さくなる）。ここでの使用に適した水ブレーキ１４２は、カリフォルニア州レークウッドのＭａｇｍａ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓから市販されている。ヒンジ機構の代わりに、変形可能なカップ形状、又は剛体のカップ形状を使用した他のデバイスも水ブレーキとしての使用に適しており、市販されている。
【００５０】
表面レベル１３９が変化する際の水中のブイ１４０の移動により、水ブレーキ１４２と、ケーブルに取り付けた質量６４との間に相対運動が発生し、移動する質量６４を介して電気エネルギが発生する。一実施形態において、ブイ１４０での使用には、一乃至約六個の水ブレーキ１４２が適しており、各水ブレーキ１４２は、一乃至約四本のケーブルを含み得る。水ブレーキ１４２の板の枚数と、各板に対するケーブル１３２の本数とは、これ以外の数でも使用に適する。
【００５１】
図８は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１５０を示している。ブイ１５０は、水位１３９の下に沈み、ブイ１５０の底部と水ブレーキ１５２とに直接取り付けられた機械エネルギ伝達機構１５５を含む。この場合、水ブレーキ１５２は、ブイ１５０の上方及び下方移動の両方に抵抗する剛性板（継ぎ目無し）を含む。係留ケーブル１３６は、水ブレーキ１５２の底部に取り付ける。機構１５５は、この場合、基部１３８と相対的なブイ１５０の移動がブレーキ１５２により減速され、本体及び電気活性高分子２０にも結合された機械エネルギ伝達機構１５５内の構成要素（例えば、プランジャ）における正味の変位を発生させるように構成される。
【００５２】
図９は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１６０を示している。ブイ１６０は、同じく水位１３９の下に沈んでいるが、係留ケーブルシステム１３６に取り付けられた機械エネルギ伝達機構１６５を含む。水ブレーキ１５２は、ブイ１５０の上方及び下方移動の両方に抵抗する一枚以上の剛性板を含む。この場合、係留ケーブル１３６ａは、ａ）ブイ１６０及びｂ）機構１６５の最上部に取り付けられ、機構１６５は水ブレーキ１５２に、水ブレーキ１５２は第二の係留ケーブル１３６ｂに取り付けられる。水位１３９にあるブイの相対運動は、ケーブル１３６を引っ張り、発電機の入り口に取り付けた機構１６５内の機械的連結部を移動させる。
電気活性高分子発電
【００５３】
海洋装置１０は、機械エネルギを電気エネルギに変換する電気活性高分子トランスデューサを含む。電気活性高分子トランスデューサは、直線軸線に沿って移動する質量からの機械エネルギ等、直線及び／又は回転入力の両方を受領するのに特に適している。
【００５４】
図１０は、本発明の別の実施形態による海洋装置１０の概略図を示している。海洋装置１０は、電気活性高分子トランスデューサ２０と、収穫調節回路２０２と、電池２０４と、負荷２０６と、制御回路２０８とを含む。
【００５５】
電気活性高分子トランスデューサ２０は、発電機として使用されるように構成される。電気活性高分子は、電気エネルギと機械エネルギとを双方向で変換し得るが、本発明は、機械エネルギを電気エネルギに変換することに注目する。単一のユニットとして図示しているが、電気活性高分子トランスデューサ２０は、機械エネルギを電気エネルギに変換するように構成された複数の電気活性高分子トランスデューサを含み得る。
【００５６】
電気活性高分子トランスデューサ２０は、一つ以上の電気活性高分子をそれぞれが含む様々なデバイスにおいて構成し得る。以下、幾つかの適切な電気活性高分子トランスデューサの設計を更に詳細に説明する。
【００５７】
誘電エラストマは、適切な電気活性高分子の一種であり、柔軟電極間に配置された比較的軟質のゴム状高分子を含む。誘電エラストマトランスデューサは、構成と、その駆動回路とに応じて、アクチュエータモード、発電機モード、及び／又はセンサモードで動作し得る。誘電エラストマトランスデューサは、剛性も制御し得る。他の適切な電気活性高分子材料も以下に説明する。
【００５８】
電気活性高分子発電機デバイスからの電気エネルギの発生及び利用には、何らかのタイプの調節電子機器を利用し得る。例えば、少なくとも、電気活性高分子トランスデューサから電気エネルギを取り出すために、最低限の量の回路が必要となる。更に、別の例として、特定の種類の発電機デバイスにおいて発電の効率又は量を高めるため、或いは、利用する発電機デバイスにとって更に有用な値に出力電圧を変換するために、複雑性の度合いの異なる回路を使用し得る。
【００５９】
収穫調節回路２０２は、以下の一つ以上のタスクを実行するように構成された任意の回路を含む：エネルギの収穫、電圧の増加又は減少、ＡＣ及びＤＣ電力間の変換、電圧の平滑化、始動用電圧によるシステムの準備、電気負荷又は配電網に対する電力出力の調整、緊急停止、波の活動が低い時期に出力電力を提供するための発電機からのエネルギの貯蔵、故障状態の連絡（例えば、発電機が正常に動作していない場合）、及び予期しない又は予期される発電機の故障モードを補うためのシステムの適合化（例えば、幾つかの電気活性高分子デバイスのうち一つの予期しない損失、或いは正常な寿命による劣化の結果として予期される損失、）。場合によっては、収穫調節回路２０２は、動吸収器を得るための機械エネルギ変換システム１５の剛性の調整等、海洋装置１０の構成要素が変化する波条件に適応できるようにする回路及びソフトウェアを含む。回路２０２は、更に、選択された機械的伝達システム１５及び発電機２０に応じた未知の入力周波数及び振幅であっても、発電機２０からエネルギを効率的に収穫するように構成し得る。例えば、電気活性高分子は、調節回路２０２が管理する非線形の可変電気特性を取り入れてもよい。収穫調節回路２０２は、必要な場合、初始動用の小電圧を提供してもよい。
【００６０】
一実施形態において、収穫調節回路２０２は、入力機械周波数より高い周波数で、電気活性高分子トランスデューサ２０からエネルギを取り出す。これにより、収穫調節回路２０２は、電気活性高分子トランスデューサ２０の一定のストロークに対する幾つかの大きなパケットではなく、多数の小さなエネルギパケットを引き出すことができる。更に、低い引き出し周波数において発生し得る、回路の何れかのインダクタの飽和が回避される。特定の実施形態において、調節回路２０２は、入力機械周波数より三桁大きい周波数で、電気活性高分子トランスデューサ２０からエネルギを取り出す。別の特定の実施形態において、調節回路２０２は、１ｋＨｚより大きい周波数で、電気活性高分子トランスデューサ２０からエネルギを取り出す。
【００６１】
収穫調節回路２０２は、更に、海洋環境において使用されるように構成されたＬＲＣ回路を利用し得る。この場合、電気活性高分子トランスデューサ２０は、ＬＲＣ回路の電気容量に寄与する。電気活性高分子ＬＲＣ回路は、海洋用途向けに調整又は最適化し得る。例えば、電気活性高分子ＬＲＣ回路の時定数は、海洋環境において予期される入力波周波数に同調させ得る、或いは、インダクタンス及びＬＲＣ特性を、ＥＰＡＭ特性と一致し、電極及びインダクタの抵抗による損失を最小化するように選択できる。電気活性高分子ＬＲＣ回路に関する詳細な説明は、Ｒｏｎ．Ｐｅｌｒｉｎｅらを発明者として本発明と同日に提出した保有者共通の同時係属仮特許出願第６０／８９４，０１４号「電気活性高分子を使用したエネルギ収穫用のＬＲＣ回路」に記載されており、この特許出願は、出典を明記することでその開示内容全体を実質上本願明細書の一部とする。
【００６２】
センサ２０９は、電気活性高分子トランスデューサ２０の位置又は偏位状態を検出する。一実施形態において、センサ２０９は、電気活性高分子トランスデューサのストローク位置を示すようにそれぞれが構成された一つ以上のスイッチを含む。例えば、スイッチ２９０の一つは、電気活性高分子トランスデューサ２０の極限のストローク位置を示すように構成してよい。別の実施形態において、電気活性高分子トランスデューサの一つ以上の活性領域は、電気活性高分子の検知及び位置検出用に構成される。
【００６３】
電池２０４は、電気エネルギを後の使用のために格納する。したがって、従来の任意の市販電池等、充電式電池が使用に適している
【００６４】
負荷２０６は、一般に、電気エネルギを消費する任意のデバイス又はシステムを含む。航行ブイにおいて、通常、一つ以上のライト及び／又は通信リソースである。他のタイプのブイでは、例えば、センサ、コンピュータ、及び無線への電力供給にエネルギが必要となり得る。電気エネルギの収穫と配電網への提供とのために配備された海洋発電機は、エネルギ監視用、デバイスの状態監視用、及び／又は通信用のリソースを含み得る。
【００６５】
海洋装置１０は、更に、海洋装置１０の一つ以上の制御構成要素用に、ハードウェア及び／又はソフトウェアの任意の組み合わせを含む制御回路２０８を含み得る。例えば、制御回路２０８は、閃光灯２０６と充電式電池２０４との間で電力出力を管理し得る。制御回路２０８は、更に、海洋デバイス２００における電気エネルギの移動を制御するスイッチ２１０を調整する。一実施形態において、制御回路２０８は、プロセッサ及びメモリを含み、メモリは、プロセッサが本明細書に記載の電気エネルギ発生の方法を実行できるようにする命令を備えたソフトウェアを含む。
【００６６】
電気活性高分子トランスデューサは、通常、柔軟電極が結合された電気活性高分子を含む。発電モードにおいて、電気活性高分子トランスデューサは、高分子の一部の偏位に応答して電場の変化を引き起こすように準備された高分子を含む。電場の変化は、電場の方向における高分子の寸法の変化と共に、電圧の変化を発生させ、したがって、電気エネルギの変化を発生させる。
【００６７】
図１１Ａは、本発明の一実施形態による電気活性高分子トランスデューサ部分１００の上面斜視図を示す。トランスデューサ部１００は、電気エネルギと機械エネルギとの間で変換を行う電気活性高分子１０２を備える。一実施形態において、電気活性高分子は、に電極間の絶縁誘電体として機能する高分子を示す。上部及び底部電極１０４及び１０６は、電気活性高分子１０２の上面及び底面にそれぞれ取り付けられ高分子１０２の一部に渡る電圧差を提供する。高分子１０２において、高分子の機械的偏位と高分子の電場とは関連している。
【００６８】
図１１Ｂは、偏位を含むトランスデューサ部１００の上面斜視図を示す。一般に、偏位は、任意の変位、拡張、伸張、収縮、捩れ、直線又は範囲の引張、或いは高分子１０２の一部の他の任意の変形を示す。
【００６９】
作動に関して、電極１０４及び１０６に印加された、或いは電極１０４及び１０６が発生させた電圧差に対応する電場の変化は、高分子１０２内に機械的圧力を発生させる。この場合、電極１０４及び１０６が発生させた異電荷は、互いを引き付け、電極間に圧縮力と、高分子１０２の平面方向１０８及び１１０への拡張力とをもたらし、これにより高分子１０２は、電極１０４及び１０６管で圧縮され、平面方向１０８及び１１０に伸張する。したがって、図１１Ａに示したトランスデューサ部１００上の電極１０４及び１０６間への作動電圧差の印加により、トランスデューサ部１００は、図１１Ｂに示したような、より薄く面積の大きい形状へ変化する。このようにして、トランスデューサ部１００は、電気エネルギを機械エネルギに変換する。
【００７０】
図１１Ａ及び１１Ｂは、トランスデューサ部１００が機械エネルギを電気エネルギに変換する一方法を示すために使用し得る。例えば、機械的伝達システム１５がトランスデューサ部１００を、図１１Ｂに示したような、より薄く面積の大きい形状へ機械的に伸張させ、比較的小さな電圧差（膜を作動させて図１１Ｂの構造にするのに必要なもの未満）が電極１０４及び１０６間に印加された場合、外力が取り除かれた時、トランスデューサ部１００は、電極間で面積を収縮させ、図１１Ａのような形状になる。トランスデューサを伸張させることは、電極間において、例えば、電極間で方向１０８及び１１０により定められる平面において、より大きな正味面積を発生させるようにトランスデューサを偏位させることを示す。トランスデューサ部１００を伸張させると、比較的小さな電圧差が提供され、結果的に生じる静電気力は、伸張の弾性復元力との平衡を保つのに不十分となる。したがって、トランスデューサ部１００は、収縮して、厚さを増し、方向１０８及び１１０（電極間の厚さに垂直）により定められる平面において平面積が小さくなる。高分子１０２が厚さを増すと、電極１０４及び１０６と、対応する異電荷とは引き離されるため、電荷の電気エネルギ及び電圧が上昇する。更に、電極１０４及び１０６が小さな面積に収縮すると、各電極内の同電荷が圧縮され、電荷の電気エネルギ及び電圧が同じく上昇する。したがって、電極１０４及び１０６の異電荷により、図４Ｂに示したような形状から図４Ａに示したような形状への収縮は、電荷の電気エネルギを上昇させる。即ち、機械的偏位が電気エネルギに変換されており、トランスデューサ部１００は、発電機として機能している。弾性復元力に加え、機械的伝達による外力も、高分子が非伸張状態へ復帰するのを助けるために使用できる。
【００７１】
場合によっては、トランスデューサ部１００は、可変キャパシタとして電気的に説明し得る。電気容量は、図１１Ｂに示したものから図１１Ａに示したものへの形状変化により減少する。通常、電極１０４及び１０６間の電圧差は、収縮によって増加する。通常、これは、例えば、収縮プロセス中に付加的な電荷が電極１０４及び１０６において追加又は除去されなかった場合に該当する。電気エネルギＵの増加は、式Ｕ＝０．５Ｑ２／Ｃにより表され、ここでＱは、正電極の正電荷の量であり、Ｃは、高分子１０２と、そのジオメトリとの固有誘電特性に関連する可変電気容量である。Ｑが固定され、Ｃが減少する場合、電気エネルギＵは増加する。
【００７２】
電気エネルギ及び電圧の増加は、電極１０４及び１０６と電気的に連絡する適切なデバイス又は収穫回路２０２において回収又は使用できる。加えて、トランスデューサ部１００は、高分子を偏位させて機械エネルギを提供する機械的伝達システムに機械的に結合される。
【００７３】
トランスデューサ部１００は、収縮する際に、機械エネルギを電気エネルギに変換する。収穫回路２０２（図１０）は、トランスデューサ部１００が方向１０８及び１１０により定められた平面において完全に収縮した時に、電荷及びエネルギの一部又は全部を除去し得る。或いは、電荷及びエネルギの一部又は全部は、収縮中に除去できる。高分子内の電場圧力が増加し、機械的な弾性復元力と収縮中の外力との平衡に達すると、収縮は、完全な収縮前に停止し、弾性機械エネルギは、それ以上、電気エネルギに変換されなくなる。電荷と、貯蔵された電気エネルギの一部を取り除くことで、電場圧力は減少し、これにより、収縮の継続が可能となる。したがって、電荷の一部を取り除くことで、機械エネルギは、更に電気エネルギに変換され得る。発電機として動作する時のトランスデューサ部１００の正確な電気的挙動は、任意の電気的及び機械的負荷と、高分子１０２及び電極１０４及び１０６の固有特性に応じて決まる。
【００７４】
一部の場合において、電極１０４及び１０６は、高分子の総面積に対して、高分子の限定された部分を覆う。本明細書で使用する用語において、活性領域は、高分子材料１０２を含むトランスデューサの部分と、少なくとも二つの電極として定義される。活性領域を使用して機械エネルギを電気エネルギに変換する時、活性領域は、静電エネルギの変化を可能にするのに十分な偏位を有する高分子１０２の部分を含む。
【００７５】
本発明のトランスデューサ及び高分子は、特定のジオメトリ又は偏位に限定されない。例えば、高分子及び電極は、チューブ、ロール、複数の剛体構造間に取り付けて伸張させた高分子、湾曲又は複雑なジオメトリを含め、任意のジオメトリのフレーム全体に取り付けて伸張させた高分子、一つ以上の接合部を有するフレーム全体等を含む、任意のジオメトリ又は形状に形成し得る。トランスデューサの偏位は、一つ以上の方向での直線的な拡張及び圧縮、屈曲、高分子を巻いた時の軸方向の偏位、基板に設けた穴からの偏位等を含み得る。トランスデューサの偏位は、高分子に取り付けられたフレーム又は剛体構造により、高分子がどのように制約されるかに影響され得る。一実施形態では、延伸において高分子より剛性の高い可撓性材料をトランスデューサの片側に取り付けることで、高分子を作動させた時に屈曲を発生させる。別の実施形態において、平面から外れて偏位するトランスデューサを、ダイアフラムと呼ぶ。
【００７６】
一実施形態において、高分子１２は、柔軟性があり、エラスタンスに基づいて選択される。高分子１２の弾性係数は、約１００ＭＰａ未満が多くの実施形態に適している。特定の一実施形態において、電気活性高分子１２は、４０ＭＰａ未満の弾性係数を有する。別の特定の実施形態において、電気活性高分子１２は、比較的柔軟性が高く、１０ＭＰａ未満の弾性係数を有する。
【００７７】
適切な電気活性高分子は、変形により電場の変化が生じる、実質的に絶縁性の任意の高分子又はゴム（或いはその組み合わせ）を含む。好ましくは、高分子の変形は、広範囲の歪みに対して可逆性である。多数の弾性高分子が、この目的を果たし得る。場合によっては、高分子１０２は、市販の高分子を含む。これには、例えば、任意の市販されるシリコンエラストマ、ポリウレタン、ＰＶＤＦ共重合体、及び粘着性エラストマを含み得る。適切な市販ポリマの一つは、カリフォルニア州カーピンテリアのＮｕＳｉｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙが提供するＮｕＳｉｌ  ＣＦ１９−２１８６である。適切なシリコンエラストマの例は、デラウェア州ウィルミントンのＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇが提供するＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  ＨＳ３である。適切なフルオロシリコンは、デラウェア州ウィルミントンのＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇが提供するＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  ７３０である。適切なアクリルの例は、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社が提供する４９００ＶＨＢアクリルシリーズの何れかのアクリルを含む。
【００７８】
電気活性高分子１０２は、様々な厚さを有し得る。一実施形態において、高分子の厚さは、約１マイクロメートル乃至２ミリメートルの範囲にしてよい。高分子の厚さは、一方又は両方の平面方向で膜を伸張することで低減し得る。多くの場合、本発明の電気活性高分子は、薄膜として製造及び実現し得る。こうした薄膜に適した厚さは、２００マイクロメートル未満にしてよい。
【００７９】
これまでの説明は一般に誘電エラストマと呼ばれる電気活性高分子の一種に主に焦点を当ててきたが、本発明の電気活性高分子トランスデューサは、他の電気活性高分子も取り入れ得る。本発明の一部の実施形態で使用するのに適した、他の適切な電気活性高分子のクラスは、電歪高分子、ＰＶＤＦ等の圧電性高分子、及び伝導性電気活性高分子を含む。電歪高分子は、従来、電場の二乗に比例する固有の歪み応答特性を備えた高分子として説明される。導電性高分子は、電気を伝導可能な高分子である。伝導性高分子は、電気伝導性高分子と、イオン伝導性高分子とを含む。イオン高分子は、イオンを伝導可能な高分子であり、イオン移動性を高めるために湿潤である場合が多い。
【００８０】
一実施形態において、電気活性高分子１０２には、予歪を与える。高分子の予歪は、一つ以上の方向において、予歪後の一方向の寸法における、予歪前のその方向の寸法に対する変化として説明し得る。予歪は、高分子１０２の弾性変形を含み、例えば、高分子に張力が加わった状態で伸張させ、伸張中に一つ以上の縁部を固定することで形成される。一実施形態において、予歪は、高分子の絶縁耐力を高める。別の実施形態において、予歪は、弾性を有する。弾性の予歪を加えた高分子は、原則として、固定されず、元の状態に戻る。予歪は、剛体フレームを使用して境界において加えてよく、或いは、高分子の一部に対して局所的に実現してもよい。一実施形態において、予歪は、高分子１０２の一部全体に均一に加え、等方性予歪高分子を生成する。一例として、アクリル弾性高分子は、両平面方向に２００乃至４００パーセント伸張し得る。別の実施形態において、予歪は、高分子１０２の一部に対して様々な方向で不均等に加え、異方性予歪高分子を生成する。異方性予歪は、発電機モードにおいて機械エネルギから電気エネルギへ変換するトランスデューサの性能を改善し得る。高分子の絶縁破壊強度を高め、高分子に与えるべき電荷を増やすことに加え、高い予歪は、予歪の低い方向における機械−電気結合を向上させ得る。即ち、より多くの低予歪方向への機械的入力を、電気出力に変換できるため、発電機の効率が上昇する。本発明において使用するのに適した予歪は、出典を明記することで実質上本願明細書の一部とする、保有者共通の米国特許第７，０３４，４３２号において更に説明される。
【００８１】
電極１０４及び１０６は、柔軟であり、高分子１０２と共に形状を変化させる。一実施形態において、電極１０４及び１０６の一方は接地される。一般に、本発明において使用するのに適した電極は、電気活性高分子との間で適切な電圧を供給し、或いは電気エネルギを受領できるならば、任意の形状又は材料にしてよい。電圧は、一定でもよく、或いは経時的に変化してもよい。一実施形態において、電極は、高分子の表面に付着する。高分子に付着した電極は、好ましくは、高分子の変化する形状に追従及び一致する。これに対応して、本発明は、取り付けられた電気活性高分子の形状に一致する柔軟電極を含み得る。電極は、電気活性高分子の一部のみに付与してよく、そのジオメトリに応じて活性領域を定めてよい。
【００８２】
適切な電極材料は、カーボングリス又は銀グリス等の導電性グリスと、コロイド懸濁液と、カーボンフィブリル及びカーボンナノチューブ等の高アスペクト比導電材料と、イオン伝導材料の混合物とを含む。他の適切な材料は、グラファイトと、カーボンブラックと、コロイド懸濁液と、銀及び金を含む薄い金属と、銀充填及び炭素充填ゲル及び高分子と、イオン又は電気伝導高分子とを含む。特定の実施形態において、本発明において使用するのに適した電極は、ペンシルバニア州フィラデルフィアのＳｔｏｃｋｗｅｌｌ  Ｒｕｂｂｅｒ社が製造するＳｔｏｃｋｗｅｌｌ  ＲＴＶ６０−ＣＯＮのようなシリコンゴム中にカーボングリス８０％及びカーボンブラック２０％を含む。カーボングリスは、マサチューセッツ州フェアヘブンのＮｙｅ  Ｌｕｂｒｉｃａｎｔ社が提供するＮよＧｅｌ  ７５６Ｇ等のタイプである。導電性グリスは、ニューヨーク州ウォーターフォードのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃが製造するシリコンエラストマＲＴＶ１１８等のエラストマと混合して、ゲル状の導電性グリスを提供してもよい。別の適切な電極は、シリコンオイル結合剤と混合したＣａｂｏｔ  Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２Ｒ等、エレクトロニクス級のカーボンブラックを含む。本発明において使用するのに適した様々な種類の電極は、出典を明記することで本願明細書の一部とした、保有者共通の米国特許第７，０３４，４３２号に記載される。
【００８３】
一実施形態において、電気活性高分子トランスデューサは、複数の活性領域を含む。複数の活性領域は、単一の高分子に配置し得る。単一の高分子上に複数の活性領域を配置する能力により、多数のトランスデューサ構成が可能となる。
【００８４】
図１２は、電気活性高分子によりエネルギを収穫する説明用サイクル１５１及び１５３を示す。本発明では、機械エネルギ伝達システム１５により変換された波からの機械エネルギを使用して、電気活性高分子を偏位又は伸張させるか、或いは他の形で偏位させる。時間と共に、高分子は、無数の波及び水位の変化により、多数のサイクルで伸張及び弛緩させ得る。図１２は、機械エネルギを電気エネルギに変換するために電気活性高分子が伸張及び弛緩する理論上のサイクル１５１と、実際的なサイクル１５３とを示す。サイクル１５１及び１５３は、例示的な目的のみを有し、多数の異なる種類のサイクルを利用してよく、本発明は、図１２に示したサイクルに限定されない。
【００８５】
１において、電気活性高分子は、高分子に対する電場圧力がゼロ（サイクル１５１）又は殆ど無い（サイクル１５３）状態で伸張される。機械エネルギ伝達システム１５は、高分子を伸張する。２において、高分子に対する電場圧力は、何らかの最大値又は増加した値まで増加する。この機能を実行するのに必要な調節電子機器は、図１０を参照して説明した。理論上のサイクル１５１において、電場圧力の最大値は、高分子の破壊強度を変化させ得る環境と、寿命と、高分子との変化を考慮した、高分子の破壊強度を僅かに下回る。３において、電場圧力が最大又は上昇値に維持されている間に、高分子は弛緩する。ここでも、機械エネルギ伝達システム１５の移動が、高分子を弛緩させる。高分子が弛緩すると、高分子の電荷の電圧は増加する。より高い電圧が示すような、高分子における電荷の電気エネルギの増加は、収穫され、電気エネルギを発生させる。４において、電場圧力が減少すると共に、高分子は、更に又は完全に弛緩し、サイクルを反復し得る。例えば、サイクルは、質量の位置又は移動を検出するように構成されたセンサが感知されるような新たな直線ストローク（１、３）を、機械エネルギ伝達システム１５の質量が始める際に再び開始し得る。
【００８６】
実際的な考慮を行うと、現実的なサイクル１５３のエネルギ出力は、理論上の最大値１５１より低くなる。例えば、理論サイクルの極限は、高分子発電機の寿命を延ばすため、或いは回路を簡略化するために回避される場合がある。
【００８７】
電気エネルギは、サイクルの特定の時点で高分子に追加し、サイクルの他の部分で除去してよい。一般に、電気活性高分子発電機は、高分子に追加される総電気エネルギがサイクル中に高分子から除去される総電気エネルギ未満となるように設計される。更に、調節電子機器等の発電機の構成要素は、発電機から出力される電気エネルギの正味量が正になるように、電気的損失を最小限に抑えるべく設計される。
【００８８】
電気活性高分子デバイスの一部は、様々な剛性を提供するように構成し得る。上述したように、これにより、機械エネルギの収穫を増加させ、海洋装置１０の運動を低減し、海洋装置１０の安定性を高めるように、同吸収器を調整し得る。電気活性高分子トランスデューサを利用するシステムは、剛性の制御を行う幾つかの手法を提供する。一実施形態では、開ループ手法を使用して、電気活性高分子トランスデューサを利用するデバイスの剛性を制御し、これにより、センサフィードバック無しで所望の剛性性能をもたらす単純な設計を提供する。例えば、トランスデューサの電極と電気的に連絡する制御電子機器は、実質的に一定の電荷を電極に供給し得る。或いは、制御電子機器は、実質的に一定の電圧を電極に供給し得る。閉ループ剛性制御は、海洋装置の固有振動数に対して、同吸収器を適応的に−反応的且つリアルタイムに−調整するのに使用し得る。剛性／減衰制御を提供する回路の例は、保有者共通の特許第６，８８２，０８６号に記載される。
【００８９】
多数の電気活性高分子トランスデューサにおいて、動作電圧が高いと、一定の量の材料に対して生成可能なエネルギの量が増加する。１００ＭＶ／ｍ以上の高分子内の電場に対応して、電圧は、１００Ｖ乃至５ｋＶが一般的となる。低電圧から高電圧への上昇及び高電圧から低電圧への降下の両方のために、電気回路設計が開発されている。多くの基本的回路設計は、蛍光灯用の電圧変換回路等、他の用途から適応させたものであり、コストが低く、信頼性が高い。
【００９０】
電気活性高分子は、広範なトランスデューサ及びデバイスにおいて実現できる。デバイスの例には、ロール、直線運動デバイス、及びダイアフラムデバイスを含む。ロール等、こうしたトランスデューサの多くは、大量の電気活性高分子材料をコンパクトな形状にパッケージできる。特許第６，７８１，２８４号では、本明細書で使用する幾つかのトランスデューサ及びデバイスを説明している。
【００９１】
図１３Ａ及び１３Ｂは、本発明の特定の実施形態による、機械エネルギと電気エネルギとの変換を行う直線運動デバイス２３０を示す。直線運動デバイス２３０は、一方向２３５での機械的な並進を有する平面デバイスである。直線運動デバイス２３０は、幅２３４より大きな長さ２３３を有する電気活性高分子２３１を備える。特定の実施形態において、高分子２３１は、２：１の長さ対幅の比を有する。
【００９２】
高分子２３１は、長さ２３３に沿って、フレームの剛体部材２３２の対向する側に取り付けられる。剛体部材２３２は、高分子２３１より大きな剛性を有する。剛体部材２３２が提供する幾何学的な縁部制限により、高分子の長さ２３３に沿った方向２３６における変位が防止され、方向２３５における偏位が促進される。アクリル等、一部の誘電エラストマでは、所望の厚さ及び剛性にするために、高分子材料に予歪を与えることが望ましい。直線運動デバイス２３０は、方向２３５より大きな方向２３６における予歪等、異方性の予歪を高分子２３１が有する状態で実現され、これにより、高分子２３１は方向２３５より方向２３６において高い剛性を有し、方向２３５での大きな偏位が許容される。一例として、こうした配置は、異方性の予歪を有するアクリルに対して、少なくとも約２００パーセントの線形歪みを発生させる
【００９３】
直線運動デバイス２３０は、例えば、図３の自給式ユニット４６における直線スライド部６６に沿ったエネルギ貯蔵質量６４の運動を受領するのに適している。これにより、高分子２３１を伸張及び収縮させる際の質量６４の位置に応じて、電荷は、制御回路２０８又は収穫調節回路２０２（図１０）に追加されると共に除去される。
【００９４】
電気活性高分子は、限定空間において高分子の量を増加させるために巻いてもよい。図１４Ａ乃至１４Ｃは、本発明の特定の実施形態による、機械エネルギと電気エネルギとの変換に適したロール型電気活性高分子デバイス３２０を示す。図１４Ａは、デバイス２３０の側面図を示し、図１２４は、上端部から見たデバイス３２０の軸線方向の図を示し、図１４Ｃは、断面Ａ−Ａにおいて取り出したデバイス３２０の軸線方向の図を示す。デバイス３２０は、ロール型電気活性高分子３２２と、末端部３２７及び３２８と、バネ３２４とを備える。
【００９５】
図１４Ｃは、電気活性高分子３２２のロール層を示す。ロール型電気活性高分子は、（例えば、巻物状にしたポスタのように）それ自体を何度も巻いた、或いは別の物体（例えば、バネ３２４）に巻き付けた、電極付き又は電極無しの電気活性高分子を含み得る。単一の電気活性高分子層構造において、本発明のロール型電気活性高分子は、約２乃至２００層を有し得る。高分子３２２及びバネ３２４は、それぞれの最上部と底部との間で軸線方向の偏位が可能である。
【００９６】
末端部３２７及び３２８は、ロール型電気活性ポリマ３２２及びバネ３２４の反対端部に取り付けられる。末端部３２７は、ネジ又はネジ山付きボルトといったネジ部材によるネジ式の結合及び取り外し可能な機械的取り付けが可能な内ネジを含む内孔３２７ｃを有する。
【００９７】
上述したように、多くの電気活性高分子は、予歪を加えた時に性能が向上する。デバイス３２０のバネ３２４は、高分子３２２の外周と軸線方向との両方に予歪を発生させる力を提供する。バネ３２４は、高分子３２２を軸線方向で伸張させる反対軸線方向に外向きの力を提供する圧縮バネであり、高分子３２２を軸線方向で歪ませる。したがって、バネ３４は、高分子３２２が軸線方向に張った状態を保つ。
【００９８】
ロール型電気活性高分子デバイスは、コンパクトな電気活性高分子デバイス設計を可能にする。ロール型デバイスは、潜在的に高い電気活性高分子対構造重量比を提供し、
直線的な軸線方向の伸縮による作動、屈曲による作動、及び伸張と屈曲との両方を組み合わせた多自由度の作動等、多数の方法で作動するように構成できる。ロール型電気活性高分子は、図３の自給式ユニット４６における使用に適している。高分子は、電気貯蔵質量６４及び直線スライド部６６に巻き付けてよく、これにより、自給式ユニット４６に対して、多数の電気活性化高分子を有するコンパクトなフォームファクタが提供される。
【００９９】
他の電気活性高分子デバイスも、ここでの使用に適している。一般に、電気活性高分子トランスデューサは、特定のいかなるジオメトリ又は線形偏位にも限定されない。例えば、高分子及び電極は、チューブ、ロール、複数の剛体構造間に取り付けて伸張させたもの、湾曲又は複雑なジオメトリを含め、任意のジオメトリのフレーム全体に取り付けて伸張させたもの、一つ以上の接合部を有するフレーム全体等を含む、任意のジオメトリ又は形状に形成し得る。本発明によるトランスデューサの偏位は、一つ以上の方向での直線的な拡張及び圧縮、屈曲、高分子を巻いた時の軸方向の偏位、基板に設けた穴からの偏位等を含み得る。トランスデューサの偏位は、高分子に取り付けられたフレーム又は剛体構造により、高分子がどのように制約されるかに影響され得る。ここで使用するのに適した他の電気活性高分子デバイスは、出典を明記することでその開示内容全体を実質上本願明細書の一部とする、保有者共通の特許第６，５４５，３８４号に記載される。
【０１００】
一実施形態において、海洋装置１０は、カリフォルニア州メンロパークのＡｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ（ＡＭＩ）から入手可能なもの等、一つ以上の市販の電気活性化デバイスを使用する。特に、ＡＭＩは、ここでの使用に適したユニバーサルマッスルアクチュエータを提供する。ユニバーサルマッスルアクチュエータは、共通の中央プラットフォームに取り付けられた二つの対向するダイアフラムアクチュエータを含む。各ダイアフラムの狭い環状領域は、作動ストレスの多くを中央プラットフォームへ効果的に結合する。ユニバーサルマッスルアクチュエータは、様々なサイズで作成されている。ダイアフラムの層数も同様に変化する。アクチュエータとして開発されているが、ユニバーサルマッスルアクチュエータは、発電機としても動作し得る。発電機として利用されたユニバーサルマッスルアクチュエータは、必要なエネルギ出力を可能にする大きな直径を有し得る。
【０１０１】
電気活性高分子デバイスの集合は、機械的に連結して、共通の出力、例えば、力及び／又は変位を有する、より大きな発電機を形成し得る小さな電気活性高分子を集合の基本単位として使用することで、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換は、多数の個別要素を並列又は直列に接続することで、用途に応じて規模を変化させ得る。
【０１０２】
図５の部員異取り付けた発電機の設計では、電気活性高分子デバイス（群）に対して細長いフォームファクタを採用し得る。ロール型デバイス又はユニバーサルマッスルアクチュエータ等、縦に積み重ねた電気活性高分子デバイスは、こうした細長いフォームファクタを備えた適切な電気活性高分子デバイスの二種類のアプローチとなる。このアプローチは、電気活性高分子デバイスが係留ケーブルに沿って配置され且つシースにより保護される場合に、係留ケーブルにおいて使用するのにも適している
【０１０３】
海洋装置に含まれる電気活性高分子の量は、海洋装置の所望の電力の量に応じて決まる。一実施形態において、約１平方メートルの電気活性高分子膜が、所望の電力出力１ワット毎に使用される。したがって、通常の波周波数に対して、２５ワット発電機は、約２５ｍ2の電気活性高分子を利用する。例えば、図３の海洋装置４０が外径３０センチメートル、内径１０センチメートルのユニバーサルマッスルアクチュエータを使用する場合、各単層ユニバーサルマッスルアクチュエータは、約０．０６３ｍ2となる。これにより、２５ワットに対して、こうしたデバイスは合計約４００個となる。或いは、各ユニバーサルマッスルアクチュエータが１０層の電気活性高分子を含む場合、図３の海洋装置４０は、ＵＭＡデバイスを４０個のみ使用する。図５の海洋装置１２０の自給式ユニット４６四台による設計では、各ユニット４６が含むユニバーサルマッスルアクチュエータデバイスは１０個のみとなる。
【０１０４】
一実施形態において、海洋装置１０の電気活性高分子トランスデューサは、機械エネルギ伝達システム１５の質量のストローク毎に約５ジュール乃至約６０ジュールを発生させるように選択及び構成される。特定の実施形態において、発電機２０は、質量のストローク毎に約２０ジュール乃至約３０ジュールを発生させるように選択及び構成される。ストローク当たり２０ジュールは、一般的な湾内の波の周波数では、約５乃至１０ワットの電力に相当する。当然ながら、海洋装置１０の電気活性高分子トランスデューサのサイズは、使用される機械エネルギ伝達システム１５の数、各システム１５の質量（群）のサイズ、波のエネルギ量、波の周期、海洋装置１０の所望の電気エネルギ性能等により変化する。
【０１０５】
誘電エラストマによりエネルギ密度を高めるために、エネルギの発生は、通常、高電圧（１ｋＶ以上）で実行し得る。一実施形態において、電池を充電するために使用される電気活性高分子発電機システムは、例えば、ステップアップ及びステップダウン電圧変換を両方とも含む。
【０１０６】
図１５は、本発明の特定の実施形態による、ステップアップ及びステップダウン電圧変換を両方とも含む電力調節電子機器２０２に接続された一つ以上のトランスデューサ２０のブロック図である。電力調節電子機器２０２の回路により実行される機能には、１）電圧をトランスデューサ２０に加える時に使用し得る、ステップアップ回路６０２により実行される電圧のステップアップと、２）サイクルの特定の時点でのトランスデューサ２０における電荷の追加又は除去に使用し得る、充電制御回路６０４により実行される充電制御と、３）電気出力電圧を電気出力６１２に調整するために使用し得る、ステップダウン回路６０８により実行される電圧のステップダウンとが含まれる。電圧のステップダウン６０８により、トランスデューサ２０の出力を、電池６１０のような負荷６１４（例えば、ＬＥＤ）駆動回路に取り込むことが可能になる。特定の実施形態において、電圧のステップダウン６０８により、電圧は電池６１０（例えば、１２Ｖではなく１２．７Ｖ）を僅かに上回るレベルまで低減され、ダイオードを使用して電流及び電力の流れを制御できるようになる。
【０１０７】
本発明において説明した回路では、負荷６１４を駆動する多数の手法が考えられる。一実施形態において、電池６１０及び低電圧出力６１２は、負荷６１４に対して切り替えが行われる。したがって、出力６１２は、電池６１０及び／又は負荷６１４へ直接又は間接的に進み得る。インダクタ回路（例えば、図１８参照）での使用に適した別の駆動回路では、トランスデューサ２０の放電路に負荷６１４を配置する。これにより、電気負荷は、電圧が「浮動」する状態となる（即ち、高分子トランスデューサが充電−放電サイクルのどの部分にあるかに応じて電圧が変化するか、或いは、負荷の一方の端子を、接地等の電圧に固定し、残りの回路において電圧を浮動させることができる）。この方法は、一部の負荷に応用を不可能にする多少の制限を有するが、トランスデューサ２０により負荷を駆動するための単純且つ効率的な低コストの方法を提供する。充電中にも負荷に電力を供給可能であるため、例えば、充電及び放電中に退路が点滅する。一部の実施形態において、トランスデューサ２０からの電気エネルギは、インダクタを介したエネルギの移動と同時に負荷のために「全体から」取り出されるため、インダクタは、このエネルギを扱う必要が無く、サイズを小さくできる。多くのインダクタ回路において、インダクタは、電流の流れを制限し、負荷は、調節電子機器２０２から過剰な電力を引き出さない。負荷６１４をトランスデューサ２０の放電路に配置することで、直列の多数のＬＥＤといった負荷に電力を提供するステップダウン回路の必要性もなくなる。
【０１０８】
図示したように、電池６１０は、電気活性高分子２０に対して小さなバイアス電圧を提供するためにも使用される。ここでの使用に適した調節電子機器２０２の詳細な説明は、出典を明記することでその開示内容を本願明細書の一部とする保有者共通の特許第６，７６８，２４６号に記載されている。
【０１０９】
図１６Ａ及び１６Ｂは、本発明の特定の実施形態による、海洋装置において使用するのに適した二種類のサンプルステップダウン回路を示す図である。
【０１１０】
図１６Ａは、二個のトランジスタ６５２及び６５４を含む簡略化したトランスステップダウン回路６５０を示す。トランジスタ６５２は、接地を基準電位とする。トランジスタ６５４は浮動し、外部制御のため、スイッチ６５５との分離した結合を使用する。Ｖhighは、電気活性高分子の電圧を示し、Ｖout６１２は、出力電圧を示す。トランジスタスイッチ６５２及び６５４の制御切り替えにより、トランスの一次側が駆動され、トランスの二次側は、低電圧ＡＣ出力を提供し、低電圧ＡＣ出力は整流され、ＤＣ又は単一極性の定電圧出力Ｖout６１２が提供される。
【０１１１】
図１６Ｂは、簡略化したインダクタステップダウン回路６６０（或いはバック回路）を示す。高電圧トランジスタスイッチ６６２では電圧が浮動し、分離トランス６６４は、外部制御用のスイッチに結合する。ここでも、Ｖhighは、電気活性高分子の電圧を示し、Ｖout６１２は、出力電圧を示す。図示していない制御又はタイミング回路は、分離トランス６６４の一次側を脈動させる。トランスの二次側で結果的に生じた電圧により、トランジスタ６６２がオンになり、これにより、インダクタに電流を流すことができる。インダクタを介した電流の流れは、接地されたダイオードと共に、バック回路構成において定電圧出力Ｖout６１２を提供する。回路の左右にあるキャパシタは、電気負荷を平滑化するもので、多くの場合には省略できる。トランジスタスイッチ６６２は、ＥＰＡＭ及び負荷キャパシタ（左側のＶhighの近く）のエネルギが消耗した時、トランス６６４の二次電圧の自然減衰によりオフになり、或いは、トランジスタ６６２を明確にオフにするために、タイミング又は制御回路によりカウンタパルスが印加された時にオフになる。小量のエネルギが一秒間に何度も伝送される高周波スイッチでは、カウンタパルスが好ましいが、全てのエネルギを一つのパルスで効率的に伝送できる場合（即ち、インダクタ又はスイッチが電流を効率的に処理できる場合）、自然なスイッチオフで十分となり得る。
【０１１２】
一般に、インダクタステップダウン回路６６０の方が単純だが、トランスステップダウン回路６５０は、ステップダウン比が高く、より効率的になり得る。
【０１１３】
電気活性高分子発電機は、他の収穫調節回路２０２を利用してエネルギの回収を支援し得る。二種類の適切なエネルギ回収回路設計には、誘導性チャージポンプ回路と、容量性チャージポンプ回路とが含まれる。
【０１１４】
図１７Ａは、本発明の特定の実施形態による、容量性チャージポンプ収穫回路７００を示す。収穫回路７００は、比較的単純であり、スイッチングを必要とせず、広範な電気活性高分子の歪み（又は電気容量の変化による電圧利得）において良好に動作する。
【０１１５】
収穫回路７００は、１２Ｖ等の低電圧又は他の何らかの標準入力において回路を初期充電する入力電圧７０２を使用する。回路７００への初期充電後、電気活性高分子トランスデューサ２０は、電圧を高める。ダイオード７０４は、システムの充電の際に逆流を防止する。バッファキャパシタ７０６及び７０８は、高電圧エネルギを蓄積する。結合キャパシタ７１０及び７１２は、ＥＰＡＭからバッファキャパシタ７０６及び７０８へエネルギを伝送する。Ｒは、負荷と、収穫回路７００にとって有益な仕事とを表す。こうしたキャパシタの電気容量は、電気活性高分子の最大の電気容量より大きくなるように選択される。
【０１１６】
図１７Ｂにおいて別個に示したように、収穫回路７００は、複数の電気活性高分子トランスデューサ２０が回路７００において機能するのを可能にするために使用し得る反復ユニット７２０を含む。これにより、各電気活性高分子トランスデューサ２０からの貢献分が累積的に追加される。この場合、各反復ユニット７２０は、電気活性高分子２０に対する出力７２２と、結合キャパシタ７１０と、バッファキャパシタ７０８と、別の反復ユニット７２０への入力７２４と、前の反復ユニット７２０からの出力７２６（これが一連の反復ユニット７２０の最初である場合は接地）とを含む。
【０１１７】
図１８は、本発明の別の特定の実施形態による、誘導性チャージポンプ収穫回路７４０を示す。収穫回路７４０は、より効率的だが、スイッチングと、より高く一貫した電気活性高分子からの歪み入力とを利用する。
【０１１８】
誘導性回路７４０は、同様に、低電圧で回路を初期充電する入力電圧７０２を使用する。回路７００への初期充電後、電気活性高分子トランスデューサ２０は、回路７４０の電圧を高める。ダイオード７０４は、システムの充電の際に逆流を防止する。Ｒは、ここでも負荷と、収穫回路７００にとって有益な仕事とを表す。誘導性回路７４０は、更に、インダクタ７４６とバッファキャパシタ７４８とを含む。インダクタ７４６は、ＥＰＡＭの最大蓄積電気エネルギを扱うのに適したインダクタンスを含む。概して言えば、Ｔ１≪Ｔ２及びＴ３≪Ｔ４を理想的に達成するためにインダクタンスＬが選択され、ここでＴ１は、電極抵抗と電気活性高分子の電気容量とに基づくＲＣ時定数（ＥＰＡＭの自然減衰時間）であり、Ｔ２は、最小のＥＰＡＭ電気容量をＣとする、インダクタ容量回路のＬＣ時定数の１／２であり（概算として、Ｔ２＝π｛ＬＣ｝0.5）、Ｔ３は、最大の電気活性高分子電気容量をＣとするＬＣ時定数の１／２であり、Ｔ４＝Ｌ／Ｒｓであり、Ｒｓは、インダクタの抵抗、電極抵抗、ダイオード及びスイッチ（オン状態）による寄生抵抗を含む合計直列抵抗である。１ｍＨ乃至約１Ｈの範囲のインダクタンスは、多数の実施形態に適しており、通常、電気活性高分子の電気容量と相対的に選択される。
【０１１９】
動作中、スイッチ７４２は、伸張状態（高い電気容量）の電気活性高分子トランスデューサ２０を荷電するために短時間閉じる。荷電後、スイッチ７４２は再び開く。次に、スイッチ７４４は、収縮状態（低い電気容量）にある電気活性高分子トランスデューサ２０を放電させるために短時間閉じる。荷電後、スイッチ７４４は再び開く。
【０１２０】
誘導回路を使用する収穫調節回路２０２は、これにより、電気活性高分子の電圧をオン／オフに切り替える。このスイッチングは、機械的な接触により、或いは、例えば、制御信号を用いて、電気的に実行し得る。特定の実施形態において、機械的接触は、最大及び最小ストローク位置に準備され、こうした位置でのストローク状態を調節回路２０２へ自動的に知らせる。高電圧トランジスタによるスイッチングも適切である。電気活性高分子が極限位置となる時期を示すセンサも使用し得る。
【０１２１】
誘導性回路７４０は、電気活性高分子が大幅に伸縮する時に効率的に動作する。一つ以上の電気活性高分子が大きな歪み条件で動作するのを助けるように、様々な機械伝達体系及び／又は電気的タイミングを構成できる。例えば、機械エネルギ伝達システム１５は、低い剛性と、速い電気活性高分子の応答とを考慮して構成し得る。
【０１２２】
図１９Ａ及び１９Ｂは、本発明の特定の実施形態による、電気活性高分子発電機３５０で使用するように設計された、揺動質量３５２を有する機械エネルギ伝達システムを含む自給式ユニット３４０を示す図である。
【０１２３】
この場合、海洋装置の移動は、ピボット３５６を中心とした質量３５２の前後への揺動を発生させる。自給式ユニット３４０は、バネが追加される場合、倒立振り子又はオーバーセンタ機構を使用して負のバネ定数を提供する。電気活性高分子３５０は、質量３５２に取り付けられた振り子腕部３５４に結合し、質量３５２が揺動する際に電気活性高分子３５０が偏位するようになる。電気活性高分子３５０の偏位は、電気エネルギを発生させるのに使用される。更に、電気活性高分子３５０は、上述したような一部の実施形態における制御可能な剛性を含め、システムに剛性を提供する。
【０１２４】
自給式ユニット３４０は、水中の海洋装置１０の上下運動及び傾斜（又は揺れ）運動の両方を質量３５２の運動へ変換する。言い換えると、自給式ユニット３４０は、単一のデバイスにおいて、（垂直運動に加え）角運動及び側方運動を結合する手段を提供する。自給式ユニット３４０は、更に、低周波数の波環境において役立つ周波数の二重化を提供する（振り子が最上点を通過する時に電気活性高分子３５０は二度伸張及び弛緩する）。倒立振り子に取り付けた緩みケーブル３５８は、電気活性高分子３５０の速い拡張及び収縮を可能にする非線形バネを追加し、これにより、電気活性高分子における漏れ損失を低減する。周波数二重化により、単一の波サイクルにおいて、電気活性高分子３５０の拡張及び収縮を二サイクル発生させることができる。したがって、同じ電力出力を生成するのに必要な電気活性高分子材料の量が半分になる（或いは、同じ量の材料を、低い電圧又は歪みで動作させることができる）。
【０１２５】
電気活性高分子発電機が発生させた電気出力は、通常、高電圧である。高電圧の電気エネルギは、直接使用すること（閃光灯用等）、高電圧でキャパシタに蓄積すること、及び／又は、電池を充電することが可能である。発電回路は、高電圧を降下させる能力を有してもよい。「バック」回路として知られる単純な誘導性ステップダウン回路は、多くの場合の電圧降下に適している。
他の海洋装置
【０１２６】
本節では、機械エネルギ伝達システム１５及び電気活性高分子発電機２０が役立つ可能性のある他の海洋装置及び用途を説明する。
【０１２７】
こうした海洋装置の一つは、特に電気エネルギの発生用に配備された海洋発電機である海岸近くに位置する発電機では、波力を使用して、海岸近くに位置した設備にエネルギを供給できる。こうした設備は、護岸又は防波堤に配置された航行灯を含み得る。電気は、海岸近く又は島に位置した産業への供給にも使用できるため、電気を長距離に渡って、或いは水面を越えて、伝送する必要性が取り除かれる。波力は、燃料源を必要とせず、廃水を全く発生させないため、一般的なニーズのためにクリーンなエネルギを供給することにも使用できる。
【０１２８】
波力発電デバイスの位置は、機能が補完されるため、既存又は計画防波堤又は護岸の近くが有利である。波力デバイスは、護岸又は防波堤に当たる波を穏やかにする傾向がある。一部の波は反射されるため、防波堤又は護岸は、装置の波を増幅するのに役立つ場合がある。護岸又は防波堤は、発電装置の望ましい係留地点の役割を果たす場合もある。
【０１２９】
特定の一用途において、海洋装置は、海岸線の水深の深い領域、或いは酸水域の既存の防波堤又は同様の護岸構造の近くにおいて見られる大きな波の力を収穫する浮揚防波発電装置である。例えば日本の海岸線において、こうした波は、七乃至八秒周期の頂点から谷の平均波高が二メートルになる場合が頻繁にある。本明細書で説明した海洋発電機は、別の場所の既存又は特別に作成した護岸及び防波堤に隣接させて配置し得る。その位置のため、海洋発電機は、護岸又は防波堤を浸食から保護するのにも役立つ。
【０１３０】
発電機からの電気出力は、近くの護岸又は防波堤にある航行灯への電力供給に使用されるか、或いは、配電網への供給等の様々な一般的用途に使用し得る。配電網への供給において、海洋装置は、発生させた電気エネルギを浮揚海洋装置から配電網接続部へ移送するテザー又は他の形態の電気的連絡を含む。電力は、他の海洋又は航空航行支援への電力供給、近隣の建物向けの電力の生成、或いは更に遠隔地域への伝送用としても使用し得る。
【０１３１】
図２０乃至２１は、本発明の特定の実施形態による海洋装置４００を示す。図２０は、護岸４０４の前にあり、海洋装置４００の長軸に対して直角を成す到来波４０５ａを受けるように構成された海洋装置４００を示す。図２１Ａ及び２１Ｂは、本発明の特定の実施形態による、海洋装置４００の二つの回転位置に対する係留索４２０を有する海洋装置４００を示す。
【０１３２】
上述したように、ここで説明した多くの海洋装置は、電気エネルギ回収のために本体と相対的に移動するエネルギ貯蔵質量を含まない機械的伝達システムを有し得る、この場合。この場合、防波発電装置４００は、波力を使用して電気エネルギを発生させ、係留索４２０に結合された浮揚チャンバ４０２を含む機械エネルギ変換システムを有する。
【０１３３】
浮揚チャンバ４０２は、装置４００が少なくとも部分的には水上に浮揚するように構成される。浮揚チャンバ４０２は、波エネルギを一つ以上の公知の方向に沿った機械エネルギ、即ち、長軸（図２１Ａの紙面に対して垂直）を中心とした浮揚チャンバ４０２の回転に変換する。浮揚チャンバ４０２は、例えば、可膨張式のプラスチック、或いはコンクリート又はプラスチックで覆われた発泡体を含み得る。浮揚チャンバの外形は、波の運動、及び発電装置４００が浮揚する水の表面レベルの変化に反応する。この場合、浮揚チャンバ４０２は、軸線（図２０参照）に対して直角に移動する水面レベルの変化に反応する、図２１Ａに示した軸線方向のプロフィールを含む。したがって、到来波により、浮揚チャンバ４０２は、図２１Ａ及び２１Ｂに示したように、その長軸を中心に回転し、前後に傾く。
【０１３４】
係留索４２０は、浮揚チャンバ４０２の重心の両側において、浮揚チャンバ４０２の前部及び後部に取り付けられる。浮揚チャンバ４０２の軸線を中心とした回転により、係留索４２０は伸縮する（図２１Ａ及び２１Ｂ参照）。特定の実施形態において、係留索４２０は、係留索４２０の線形偏位を電気エネルギに変換する一つ以上の電気活性高分子発電機をそれぞれ含む。この場合、図２１Ａに示したように、係留索４２０は、電気活性高分子デバイスの底部に結合された剛体ケーブルを含み、電気活性高分子デバイスは、その上端部において、別の剛体ケーブル及び浮揚チャンバ４０２に結合する。ロール型電気活性高分子は、係留索４２０において使用するのに適している。連結した電気活性高分子も、連続して積み重ねて、長さを短くした電気活性高分子デバイスを提供し得る。この場合、ゴム又は金属製の密封蛇腹を係留索４２０に追加して、電気活性高分子デバイスを被覆、密封、及び保護してよい。
【０１３５】
各浮揚チャンバ４０２の両端部（図２０参照）の両側（図２１Ａ参照）において係留索４２０ａ及び４２０ｂを使用することで、電気活性高分子デバイスは、チャンバ４０２の数種類の運動（到来波４０５ａ及び横波４０５ｂの両方における高さの増加、揺れ、及び傾斜等）により伸縮可能となり、デバイス４００は、殆ど全ての波方向及び波表面レベルの変化により電力を発生させることができる。
【０１３６】
図２２Ａ及び２２Ｂは、本発明の別の特定の実施形態による、二つの回転位置にある海洋４００ｂを示す図である。海洋発電機４００ｂは、二つの内部空洞４３２及び４３４を分離した内部電気活性高分子４３０を含む。内部空洞４３２は、水等の液体４３６を含む。図示したような水の表面レベルの変化又は通過する波に応答した海洋装置４００ｂの回転は、海洋デバイス４００ｂを回転させると共に、ダイアフラム電気活性高分子４３０を断続的に押すように液体４３６をチャンバ４３２内で移動させ（図２２Ａ）、これにより高分子４３０を伸張させる。
【０１３７】
電気制御回路は、高分子４３０の偏位状態を監視し、ダイアフラム高分子４３０の偏位状態に応じて、高分子４３０において電流を追加及び除去する。特定の実施形態において、電気活性高分子４３０は、高分子４３０の偏位状態を検知する回路と通信する。電気活性高分子を使用した検知は、出典を明記することでその開示内容全体を実質上本願明細書の一部とする保有者共通の特許第６，８０９，４６２号に記載されている。
【０１３８】
海洋装置４００ｂの別の実施形態は、第二の空洞４３４に液体４３６を含む。これにより、液体４３６は、図２２Ｂに示した位置にある時に高分子４３０を押し、時計回り及び反時計回り両方向の海洋装置４００の回転運動について高分子４３０に電力が供給される。
【０１３９】
海洋装置４００ｂの別の実施形態において、内部空洞４３２及び４３４は、内部に液体を含んだ海洋装置４００ｂの内部空洞周囲に外部空洞を形成する。場合によっては、これにより、高分子に伝達される機械エネルギが二重化される（収穫される電気エネルギが二倍になる可能性がある）。
【０１４０】
海洋発電機４００は、電気活性高分子４３０及び係留索４２０を共に含む。これにより、装置４００は、装置の何らかの並進又は回転を含む、あらゆるチャンバ４０２の運動に対して電気エネルギの発生させることができる。これには、前方から、或いは反射され後方から、壁４０４に対して直角に移動する波４０５と、横波４０５ｂ（図２０）とを含む。
【０１４１】
図２３Ａ乃至２３Ｃは、本発明の別の実施形態による防波発電機システム４５０を示す。図２３Ａは、システム４５０の斜視図を示し、図２３Ｂは、システム４５０において使用される二つの隣接する発電機４５２の側面図であり、図２３Ｃは、システム４５０における発電機４５２間の相互接続の上面図を示す。
【０１４２】
まず図２３Ｂを参照すると、各発電機４５２は、フレーム４５４と、水ブレーキ４５６と、浮き４５７と、少なくとも一つの機械エネルギ伝達システム４５５とを含む。
【０１４３】
水ブレーキ４５６は、フレーム４５４の底部に取り付けられ、発電機が配備された時の水面レベル４５８より下に位置し、各発電機４５２の垂直運動に抵抗する。
【０１４４】
機械エネルギ伝達システム４５５ａは、フレーム４５４に対して垂直に整合させ、水ブレーキ４５６に対して機械的に結合する部分と、水面レベル４５８より上に位置するフレーム４５４の部分に機械的に結合する第二の部分とを含む。変化する水面レベル４５８は、機械エネルギ伝達システム４５５ａと、それに接続された発電機とにおいて、差動垂直運動を形成する。一実施形態において、機械エネルギ伝達システム４５５ａは、水ブレーキ４５６に機械的に結合し且つフレーム４５４と相対的に垂直に並進するするロッドを含む。この相対運動は、機械エネルギ伝達システム４５５に結合された発電機により電気エネルギを発生させるのに使用される。例えば、電気活性高分子の一部を機械エネルギ伝達システム４５５のロッドに結合させ、電気活性高分子の別の部分を、機械エネルギ伝達システム４５５の静止部分（フレーム４５４に対して静止）或いはフレーム４５４に結合する。特定の実施形態において、フレーム４５４は、金属又は剛性プラスチックを含み、水ブレーキ４５６は、例えば、被覆した発泡スチロール、金属、剛性高分子、グラスファイバ、又はセメントを含み得る。
【０１４５】
発電機システム４５０は、発電機４５２間の相対運動を収穫する。システム４５０内の発電機４５２は、図２３Ｃにおいて上面から図示した格子構造により結合される。格子構造は、コネクタ４６０の配列を含む。この場合、コネクタ４６０は、直線であり、二つの隣接する発電機４５２を結合しており、他の接続設計も使用に適する。格子構造内の一本以上の直線コネクタ４６０は、二つの隣接する発電機４５２に結合する機械エネルギ伝達システム４５５を含み、隣接する二つの発電機４５２間の相対運動により、機械エネルギ伝達システム４５５の二部分が相対運動により偏位するようになる。例えば、伝達システム４５５のロッド又は一方の端部は、第一の発電機４５２のフレーム４５４に機械的に結合し、伝達システム４５５のプランジャ又は他方の端部は、第二の隣接する発電機４５２のフレーム４５４に機械的に結合する。これにより、隣接発電機４５２間の相対的な横運動は、機械エネルギ伝達システム４５５において偏位を発生させ、この偏位は、電気エネルギの発生のために公知の偏位と共に収穫し得る。
【０１４６】
システム４５０の格子は、運動を取り込むのに適している。ａ）発電機４５２間の（例えば、水に対して水平な平面における）相対的な横運動と、ｂ）発電機４５２間の相対的な揺れ運動と、ｃ）発電機４５２間の相対的な垂直運動と、ｄ）それらの組み合わせとを介して、運動を取り込むのに適している。波の運動は一般に予測できないため、システム４５０の利点は、運動の方向に関係なく、波の三次元運動を収穫する点にあり、これにより、システムは、波運動の予測不可能性と個別の発電機４５２に対する影響とにかかわらず、波エネルギを収穫できる。
【０１４７】
システム４５０は、モジュール式である。このため、システム４５０は、特定の用途に合わせて、発電機４５２の数及び総電気出力を容易に増減可能である。図２３Ａは、発電機４５２の連続体を示しており、必要に応じて長さを延ばし、長い鎖を形成し得る。発電機４５２は、発電機４５２数台の幅と、発電機数台の長さとを有する、面積の広い「パッチ」が形成されるように反復させてもよい。システム４５０のサイズ及び形状は、局所的な地形及び波の状態に適応させてもよい。建生場、発電機４５２を追加することで、システム全体の慣性効果により機械エネルギ伝達システム４５５の反力が増加し、荒れた海洋環境において、より多くの電気エネルギを発生できる。
【０１４８】
一実施形態において、システム４５０は、余剰な発電機４５２数を含む。この余剰設計により、システム４５０は、ａ）一定の面積の海から、より多くのエネルギを回収すること、及び／又はｂ）エネルギの収穫は少なくなるが、一つ（以上）の発電機４５２の故障に対応する耐障害性を含むことが可能となる。
【０１４９】
システム４５０は、更に、初期配備後に拡張又は修理し得る。各発電機４５２の自給式ユニット４６及び他の多くの稼働部品は、水位線４５８より上に位置しており、容易に組み立て又は（交換を含む）点検が可能である。
【０１５０】
防波発電機４００及び４５０は、柔軟に配置し得る。既存の防波堤又は護岸４０４の前に配置することで、発電機４００は、反射された波を利用して応答性を高めることができる。防波発電機４００はモジュラ式であるため、必要な出力に応じて小さな単位又は大きな単位で動作可能であり、浮揚チャンバ４０２及び係留ケーブル４２０を連続して壁４０４に沿って追加して、様々な量の発電が可能となる。壁４０４に直角となる方向で、追加のラインを並列ラインに対して配置してもよい。システム４５０は、同様の数の係留オプションを有する。各水ブレーキ４５６は、海底又は防波堤に係留可能であり、或いは、僅かな水ブレーキのみを海底に係留することも可能である。
【０１５１】
本明細書で説明した機械エネルギ伝達システム及び発電機が役立つ可能性のある他の海洋装置は、航路の案内、波エネルギを減少させるように構成された波減衰機、浮揚障壁、又は任意の浮揚海洋装置を含む。
方法
【０１５２】
本発明は、更に、海洋装置において電気エネルギを発生させる方法に関する。図２４は、本発明の一実施形態による電気エネルギを発生させる方法５００を示す。
【０１５３】
方法５００は、海洋装置が水上に浮揚する時に本体の一部が水面レベルの上方に位置するように、海洋装置を水上に浮揚させることで開始される（５０２）。海洋装置は、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子発電機とを含む。一実施形態において、機械エネルギ伝達システム及び電気活性高分子発電機は、初期配備から長時間経過後に海洋装置に追加された自給式ユニットに含まれる。特定の実施形態において、海洋装置は、機械エネルギ伝達システム及び電気活性高分子発電機が製造中に追加された機械エネルギ伝達システム及び電気活性高分子発電機を備えたカスタムメイドである。海洋装置は、海洋装置が水中で浮揚する時に本体の一部が水面レベルの上方に位置するように構成される。
【０１５４】
機械エネルギ伝達システムは、水からの機械エネルギを電気活性高分子発電機へ伝達する（５０４）。これは、水面レベルが変化し、水面レベルの変化に応答して機械的伝達システムが海洋装置本体と相対的に移動した時に発生する。上述したように、移動部分は、水面レベルが変化した時に海尉用装置本体と相対的に移動するプルーフマス又はロッド（例えば、水中の水ブレーキに取り付けられたもの）を含み得る。例えば、海洋装置は、水面レベルが上昇した時、移動部分とは異なる速度で、或いは異なるレベルまで、上昇する。或いは、海洋装置は、水面レベルが変化した時に傾斜し、プルーフマス又はロッドにおいて本体と相対的な差動運動を発生させる。この意味での傾斜は、波により乱れる前の位置からのデバイスの任意の回転又は揺れを示す。
【０１５５】
エネルギ貯蔵質量又はロッドは、通常、エネルギ貯蔵質量又はロッドと海洋装置本体との間に自由度が存在することから、本体と相対的に移動する。一実施形態において、エネルギ貯蔵質量は、直線スライド又は回転結合等の単一の自由度に沿って移動する。別の実施形態において、エネルギ貯蔵質量に関連する剛性は、機械エネルギ伝達システムの共振周波数が海洋装置とほぼ等しくなるように設計及び構成される。この動的振動吸収は、エネルギ貯蔵質量の運動を増加させ、電気エネルギへの変換に利用可能な抑制機械エネルギの量を増加させる。別の特定の実施形態において、剛性は、制御回路により反応的且つリアルタイムに同調及び一致させ、海洋装置とほぼ等しい機械エネルギ伝達システムの共振周波数を提供する。
【０１５６】
別の実施形態において、エネルギ貯蔵質量は使用されない。代わりに、波により、電気活性高分子発電機の二端部間の変位を発生させる。この変位を使用して電気を発生させる。
【０１５７】
上述した機械エネルギ伝達システム及び発電機の多くは、波の間の水面レベルの変化における相違及び非一貫性に関係なく、波エネルギを取り込んで変換するのに適している。したがって、本発明は、変化する一貫性のない水面レベルの移動と、波の荒い状況で見られるような、特性の変化する波とを扱うのに適している。
【０１５８】
その後、電気活性高分子発電機と、移動部分及び海洋装置本体間の相対運動とを使用して、電気エネルギを発生させる（５０６）。電気エネルギは、即時使用、電圧の変換、及び／又は後の使用のための貯蔵が可能である。
【０１５９】
以上、本発明を幾つかの好適な実施形態により説明してきたが、簡潔にするため説明を省略した、本発明の範囲に含まれる変形例、置換例、及び等価物が存在する。例えば、幾つかの高分子材料及び形状より本発明を説明してきたが、本発明は、こうした材料及び形状に限定されない。したがって、本発明の範囲は、添付特許請求の範囲の各請求項を参照して判断されるべきである。
［関連出願の説明］
【０１６０】
本願は、米国特許法第１１９（ｅ）条に基づき、それぞれ出典を明記することでその開示内容全体を実質的に本願明細書の一部とする、ａ）Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅらを発明者とした２００６年５月６日提出の同時係属米国仮特許出願第６０／７９７，９７４号「電気活性高分子を使用した風力及び波力発電機」と、ｂ）Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅらを発明者とした２００６年１０月１８日提出の同時係属米国仮特許出願第６０／８５２，７１８号「電力発電」とに基づく優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明による、波エネルギを収穫する方法の概略を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、簡略化した海洋装置を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、二つの波高の例におけるブイを示す図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、動吸収器を含む機械エネルギ伝達システムを示す図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、動吸収器を含む機械エネルギ伝達システムを示す図である。
【図５Ａ】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図６】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図７】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図８】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図９】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による、海洋装置の概略図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による、偏位前後のトランスデューサの上面斜視図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態による、偏位前後のトランスデューサの上面斜視図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、電気活性高分子トランスデューサを利用した発電機からのエネルギの収穫サイクルの例を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の特定の実施形態による、機械エネルギ及び電気エネルギ間での変換を行う直線運動デバイスを示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の特定の実施形態による、機械エネルギ及び電気エネルギ間での変換を行う直線運動デバイスを示す図である。
【図１４Ａ】本発明の特定の実施形態による、機械／電気エネルギ変換に適したロール型電気活性高分子デバイスを示す図である。
【図１４Ｂ】本発明の特定の実施形態による、機械／電気エネルギ変換に適したロール型電気活性高分子デバイスを示す図である。
【図１４Ｃ】本発明の特定の実施形態による、機械／電気エネルギ変換に適したロール型電気活性高分子デバイスを示す図である。
【図１５】調節電子機器に接続されたトランスデューサを示すブロック図である。
【図１６Ａ】本発明の特定の実施形態による、海洋装置において使用するのに適した二種類のサンプルステップダウン回路を示す図である。
【図１６Ｂ】本発明の特定の実施形態による、海洋装置において使用するのに適した二種類のサンプルステップダウン回路を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の特定の実施形態による、容量性チャージポンプ収穫回路を示す図である。
【図１７Ｂ】本発明の特定の実施形態による、容量性チャージポンプ収穫回路を示す図である。
【図１８】本発明の別の特定の実施形態による、誘導性チャージポンプ収穫回路を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の特定の実施形態による、電気活性高分子発電機で使用するように設計された、揺動質量を有する機械エネルギ伝達システムを含む自給式ユニットを示す図である。
【図１９Ｂ】本発明の特定の実施形態による、電気活性高分子発電機で使用するように設計された、揺動質量を有する機械エネルギ伝達システムを含む自給式ユニットを示す図である。
【図２０】護岸の前にあり、海洋装置の軸線に対して直角を成す到来波を受けるように構成された海洋装置を示す図である。
【図２１Ａ】本発明の特定の実施形態による、二つの回転位置に係留索を有する海洋装置を示す図である。
【図２１Ｂ】本発明の特定の実施形態による、二つの回転位置に係留索を有する海洋装置を示す図である。
【図２２Ａ】本発明の別の特定の実施形態による、二つの回転位置にある海洋装置を示す図である。
【図２２Ｂ】本発明の別の特定の実施形態による、二つの回転位置にある海洋装置を示す図である。
【図２３Ａ】本発明の別の実施形態による、防波発電システムを示す図である。
【図２３Ｂ】本発明の別の実施形態による、防波発電システムを示す図である。
【図２３Ｃ】本発明の別の実施形態による、防波発電システムを示す図である。
【図２４】本発明の一実施形態による、電気エネルギを発生させる方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月27日(2009.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋装置であって、
前記海洋装置が浮揚する時に、その一部が水面レベルより上に位置するように前記海洋装置が構成される本体と、
前記水面レベルの変化に応答して前記水面レベルより上に位置する前記本体の前記一部と相対的に移動するように構成された移動部分を備えた機械エネルギ伝達システムであって、前記移動部分は、前記水面レベルの変化に応答して、前記本体と相対的に移動するように構成されたエネルギ貯蔵質量体を含む、機械エネルギ伝達システムと、
前記移動部分と、前記水面レベルより上に位置する前記本体の前記一部とに、機械的に結合され、前記移動部分の移動を使用して電気エネルギを発生させるように構成された発電機と、を備える海洋装置。
【請求項２】
前記本体は、前記水面レベルの変化が前記水面レベルに相対的な前記本体の移動を引き起こすように構成される、請求項１記載の海洋装置。
【請求項３】
更に、前記エネルギ貯蔵質量体に機械的に結合され且つ前記本体に機械的に結合されたバネを備える、請求項１記載の海洋装置。
【請求項４】
前記エネルギ貯蔵質量体は、前記水面レベルが変化する時、前記本体の変位方向とは実質的に反対方向へ変位するよう構成される、請求項４記載の海洋装置。
【請求項５】
更に、前記水面レベルの変化に応答して前記本体と相対的に移動するように構成された第二のエネルギ貯蔵質量体と、前記第二のエネルギ貯蔵質量体の運動エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成された第二の発電機と、を備える、請求項１ないし４のいずれかに記載の海洋装置。
【請求項６】
前記海洋装置は、浮揚電気エネルギ発生装置であり、前記浮揚電気エネルギ発生装置から電気エネルギを移送するように構成されたテザーを備える、請求項１記載の海洋装置。
【請求項７】
前記発電機は、前記機械エネルギ伝達システムの一部に適切に作用可能に結合され且つ前記機械エネルギ伝達システム内の前記調整機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成され、電気活性高分子と、前記電気活性高分子に結合された少なくとも二つの電極とを含む、電気活性高分子トランスデューサを備え、
前記海洋装置は、更に、
前記少なくとも二つの電極と電気的に連絡しており、前記電気活性高分子トランスデューサにおいて電気エネルギを追加又は除去するように設計又は構成された調節電子機器を備える、請求項１記載の海洋装置。
【請求項８】
前記電気活性高分子は、
約１００ＭＰａ未満の弾性係数を有し、調整可能な剛性を含むと共に、
前記海洋装置の共振周波数の約０．２ヘルツ以内で前記機械エネルギ伝達システムに共振周波数を提供する剛性を含むように適合されている、請求項７記載の海洋装置。
【請求項９】
前記エネルギ貯蔵質量体は、直線軸線に滑動可能に結合され、前記電気活性高分子トランスデューサは、前記直線軸線に沿った前記エネルギ貯蔵質量体の運動エネルギを使用して、電気エネルギを発生させるように構成される、請求項７記載の海洋装置。
【請求項１０】
本体と機械エネルギ伝達システムとを含む海洋装置において電気エネルギを発生させる方法であって、
水上に浮揚する時に、前記本体の一部が水面レベルの上方に位置するように前記海洋装置を浮揚させる工程と、
水面レベルの変化に応答して前記海洋装置の前記本体と相対的に前記機械エネルギ伝達システムの一部を移動させる工程と
前記機械エネルギ伝達システムの移動部分の移動を使用して電気エネルギを発生させる工程と、を備える方法。
【請求項１１】
前記移動部分は、エネルギ貯蔵質量体を備え、
前記機械エネルギ伝達システムは、前記エネルギ貯蔵質量体に結合され且つ前記本体に結合されたバネを備え、
前記方法は、更に、前記水面レベルの変化に応答して前記バネを圧縮する工程を備え、
前記エネルギ貯蔵質量体は、前記水面レベルが変化する時、前記本体の変位方向とは反対方向へ移動する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記発電機は、
前記機械エネルギ伝達システムの一部に適切に作用可能に結合され且つ前記機械エネルギ伝達システム内の前記調整機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成され、電気活性高分子と、前記電気活性高分子に結合された少なくとも二つの電極とを含む、電気活性高分子トランスデューサを備え、
前記電気活性高分子は、調整可能な剛性を含むと共に、前記海洋装置の共振周波数の約０．２ヘルツ以内で前記エネルギ貯蔵質量体および前記バネに共振周波数を提供する剛性を含む、請求項１０記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性高分子発電装置及び方法に関する。特に、本発明は、一つ以上の波に含まれる機械エネルギから電気エネルギを発生させるための電気活性高分子の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの海洋装置は電力を消費する。例えば、ブイは、常に内蔵電源に依存する内蔵点灯及び通信システムを含む。
【０００３】
現在、ブイのような遠隔海洋装置に電気エネルギを供給するために、電池が使用されている。非充電式の電池は、必然的にエネルギ切れとなるため、不便で費用のかかる電池の保守が必要となる。充電式電池は、充電用の電源を必要とする。
【０００４】
波は、継続的且つ豊富な機械エネルギ源を提供するものの、一貫性がなく予測が不可能な波エネルギを電気エネルギへの変換に利用することは、これまで困難だった。殆どの海洋装置は、機械エネルギから電気エネルギへの変換のために電気機械発電機を利用している。電気機械発電機は、一貫性のある回転入力に依存しており、ギアリングと、直線／回転機械的伝達システムとの使用が必要となる。こうした機械的伝達システムにより、海洋装置では、重量、損失、及び複雑性が大幅に増加する。遠隔海洋環境において波力を利用して電気エネルギを発生させる別の装置及び方法があれば、有益である。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、一つ以上の波に元々含まれている機械エネルギを電気エネルギに変換するために、電気活性高分子トランスデューサを使用するシステム及び方法を提供する。一実施形態において、本明細書に記載の海洋装置は、波の機械エネルギを、電気活性高分子トランスデューサへ入力するのに適した機械エネルギへ転換する機械エネルギ変換システムを利用する。
【０００６】
一態様において、本発明は、海洋装置に関する。海洋装置は、本体と、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子トランスデューサとを含む。海洋装置は、海洋装置を水中において浮揚させた時に、本体の一部が水面レベルの上方に位置するように構成される。機械エネルギ伝達システムは、水面レベルの変化により生じる機械エネルギを、機械エネルギ伝達システムにより調整された機械エネルギに変換するように構成される。電気活性高分子トランスデューサは、機械エネルギ伝達システムの一部に適切に作用可能に結合され、機械エネルギ伝達システム内の調整済み機械エネルギを使用して電気エネルギを発生させるように構成される。電気活性高分子トランスデューサは、電気活性高分子と、電気活性高分子に結合された少なくとも二個の電極とを含む。
【０００７】
別の態様において、本発明は、ブイに関する。ブイは、本体と、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子トランスデューサと、電気活性高分子トランスデューサが発生させ電気エネルギを使用するのに適したライトとを含む。
【０００８】
更に別の態様において、本発明は、海洋装置に関する。海洋装置は、本体と、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子トランスデューサと、少なくとも二個の電極に電気的に連絡し、電気活性高分子トランスデューサからの電気エネルギを追加又は除去するように設計又は構成された調節電子機器とを含む。
【０００９】
更に別の態様において、本発明は、本体を含む海洋装置において電気エネルギを発生させる方法に関する。方法は、海洋装置を浮揚させるステップを含む。海洋装置は、海洋装置が水中において浮揚する時に、本体の一部が水面レベルの上方に位置するように構成される。方法は、更に、水面レベルの変化による機械エネルギを電気活性高分子トランスデューサへ伝達するステップを含む。方法は、更に、電気活性高分子トランスデューサを使用して電気エネルギを発生させるステップを含む。電気活性高分子トランスデューサは、電気活性高分子と、電気活性高分子に結合された少なくとも二個の電極とを含む。
【００１０】
本発明の上記その他の特徴及び利点は、以下の本発明の説明及び関連する各図において説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に示した幾つかの好適な実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解するために、多数の具体的な詳細について述べる。しかしながら、本発明は、こうした具体的な詳細の一部又は全部が無くとも実施し得ることは、当業者には自明であろう。また、周知の処理ステップ及び／又は構造は、本発明を不必要に曖昧にしないために詳細な説明を省略する。
序論
【００１２】
本開示では、電気エネルギを発生させる電気活性高分子トランスデューサを含む海洋装置を説明する。発電は、二段階のプロセスにおいて行われる。第一の段階では、変位量及び頻度が一貫しておらず予測不可能である場合が多い波の機械エネルギを、電気活性高分子トランスデューサによる機械／電気変換に適した調整機械エネルギへ変換する。一実施形態において、この機械的伝達では、波の機械エネルギを、一つ以上の公知の方向へのエネルギ貯蔵質量体の運動へ転換し、例えば、エネルギ貯蔵質量体を直線スライド部に沿って移動させる。別の実施形態において、線形移動機構は、海洋装置の二つの異なる部分の相対運動を結び付ける。例えば、波運動は、浮揚要素と反応板又は錨との間に相対運動を引き起こし、この相対的変位は、直線運動を入力として受け付ける発電機に適した限定及び抑制された機械入力の役割を果たす。第二の段階では、電気活性高分子トランスデューサは、調整機械エネルギを電気エネルギに変換する。機械エネルギは、必要に応じて、使用してよく、及び／又は後の使用のために貯蔵してよい。
【００１３】
図１及び２は、本発明の様々な実施形態による電気エネルギの生成の概略を示している。図１は、本発明の一実施形態による、波エネルギを収穫する方法の概略を示す。図２は、本発明の一実施形態による、簡略化した海洋装置１０を示す。
【００１４】
まず図１を参照すると、波２は、予測不可能な自然状態の機械エネルギを供給する。本明細書での使用において、波とは、水面レベルの変化を示す。「波エネルギ」とは、波における機械エネルギ、運動エネルギ、及び／又は位置エネルギを示す。波における機械エネルギを特徴付ける特性には、波高（頂点から谷の平均）、波周期、波方向、及び水深が含まれる。
【００１５】
海洋装置１０は、水中に配置される任意の装置又はシステムを示し、電気エネルギを消費又は伝送する。本明細書で説明する多くの海洋装置１０は、装置の少なくとも一部が水面レベルの上方に位置するように水上に浮揚する。以下、次の二種類の特定の海洋装置１０を詳しく説明する：ａ）内蔵点灯システムに電力を供給する発電機を含む航行ブイ、及びｂ）一般的な電気エネルギの生成用、例えば、配電網への供給用の浮揚発電機。
【００１６】
波は、特に洋上及び湾岸の環境において、大量のエネルギを提供するが、一貫性がないことから、エネルギの収穫は困難となる。浮揚海洋装置１０の水に対する移動１６は、方向（例えば、ある波での上昇運動、その後、次の波により変化する水面レベルに対する装置の角運動、その後、後続の波による異なる方向への角運動等）、運動量、波周期（又は周波数）等の点において、波によって大きく変化する、波の特性は、更に海洋環境により変化する。洋上環境の波は、一般に、周波数が低く、０．１乃至１．０Ｈｚの範囲であり、振幅が比較的高い（１メートルを超える波高が一般的）。
【００１７】
この入力エネルギの非一貫性を管理及び活用するために、海洋装置１０は、波の機械エネルギ（及び水面２に対する装置１０の不規則運動１６）を調整機械エネルギ１８に変換するように構成された機械エネルギ伝達システム１５を含む。一実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、波の機械エネルギの一部を、海洋装置の本体と相対的に移動する内部エネルギ貯蔵質量体の機械エネルギに変換するように構成される。例えば、機械エネルギ伝達システム１５は、波力を伝達して、直線スライド部に滑動可能に結合されると共に、波力に応じて単一自由度のスライド部に沿って移動する質量体の運動にする。これにより、波のエネルギは、海洋装置とエネルギ貯蔵質量体との両方を移動させる状態となり、このうち後者を発電機２０への入力として使用する。別の実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、波力を伝達し、海洋装置の二部分の互いに対する運動にする。二部分は、波エネルギに応じて移動する別の部分と相対的に固定された状態にある海洋装置のフレームを含み得る。この相対運動は、発電機への制御入力の役割を果たす。
【００１８】
機械エネルギ伝達システム１５は、波の特性が大幅に変化する一定範囲の海洋状況において海洋装置１０が動作するのを可能にする。適切な海洋環境には、例えば、外海、湾、擁壁近くでの防波用途、湖、河川、及び三角州が含まれる。海洋装置１０は、波高が通常約０．５メートル乃至約１メートルで変化し、波周期が約一乃至約四秒で変化し、水深が約２メートル乃至約４０メートルで変化し得る湾内での使用に非常に適している。他の波の特性及び海洋条件も、ここでの使用に適しており、本発明は、特定の海洋環境又は波特性に限定されない。
【００１９】
電気活性高分子発電機２０は、抑制及び調整された機械エネルギを電気エネルギ２２に変換する。電気活性高分子トランスデューサは、洋上の波の動きに十分に適応できる大きな歪み能力を有し、僅かな可動部品による堅牢なエネルギ変換を可能にする。電気活性高分子トランスデューサは、低周波数又は可変速の機械入力に非常に適している。回転ではなく直線運動も、電気活性高分子トランスデューサに有利となる。したがって、電気活性高分子トランスデューサは、多くの海洋環境のように、機械入力が本質的に低周波数及び／又は可変速である場合、非常に有用である。
機械エネルギ変換システム
【００２０】
本節では、波の（運動及び／又は位置）機械エネルギを、その変位及びエネルギが公知の移動経路又は範囲に限定されており、一つ以上の電気活性高分子による電気エネルギの発生に利用可能な機械エネルギへ変換する、適切な機械エネルギ伝達システムを説明する。機械エネルギ伝達システムにより、海洋装置は、波運動及び入力エネルギが一貫しておらず予測不可能であっても、波の機械エネルギを繰り返し収穫することができる。一実施形態において、機械エネルギ伝達システムは、環境内にある海洋装置の外部の機械エネルギを、電気活性高分子発電機への入力用に構成された調整機械エネルギへ変換する。
【００２１】
一実施形態において、海洋装置１０はブイである。図３は、本発明の特定の実施形態によるブイ４０を示す。ブイ４０は、航行の目的で遠隔地において実現可能であり、発電システムを電力源とする一個以上のライト６３を含む。
【００２２】
図３は、二つの波高の例として、第一の波高４２及び第二の波高４４におけるブイ４０を示している。第一の波高４２は、波の谷間等、水面レベル６０の低い高さに対応し、一方、第二の波高４２は、波の頂点等、水面レベル６０の高い波高に対応する。ブイ４０は、本体５２と、光源６３と、自給式発電システム４６とを含む。
【００２３】
本体５２は、水面６０の上方に位置する塔５４と、少なくとも部分的に水面６０の下方に位置する基部５６とを含む。光源６３は、塔５４の最上部近くに取り付けられる。ブイ４０は、更に、浮揚を助け、光源６３又は本体５２の他の部分を水面６０より上方に保つために、浮揚カラー（又は他の浮揚デバイス）を含む。基部５６は、外劇に定められた内部空洞（図３に図示無し）を含む。
【００２４】
自給式発電システム４６は、機械エネルギ伝達システム１５と発電機とを含む。特定の実施形態において、自給式発電システム４６は、既存の又は僅かに修正した航行ブイ４０に配置するのに適している。この場合、自給式発電システム４６は、塔５４又は基部５６等、ブイ４０の本体５２に機械的に取り付け、ブイ４０の電気システムに電気的に結合され、光源６３を動作させる電力を供給する。別の実施形態において、自給式発電システム４６は、基部５６の内部空洞に配置される。図３に示したように、自給式ユニット４６は、塔５４のブイ上部構造に取り付けられ、ブイの製造又は配置から長時間経過後に、ブイに取り付け可能である。したがって、自給式ユニット４６は、既存のブイ設計に対する変更を最小限に抑える分離構造である。この実施形態により、新たなブイの設計及び購入を必要とせずに、既存のブイを局所発電に適応させることができる。その後、自給式発電システム４６により、電池交換の必要なく、長期間に渡るブイ４０の運用が可能となる。
【００２５】
図３は、更に、機械エネルギ伝達システム１５及び発電機を含む、自給式発電システム４６の特定の実施形態の拡大断面図を示している。機械エネルギ伝達システム１５は、水（及び水面レベル６０上のブイ４０の移動）の機械エネルギを、方向６２に沿ったエネルギ貯蔵エネルギ貯蔵質量体６４の運動エネルギに変換する。一般に、本発明の機械エネルギ伝達システム１５は、波の機械エネルギを抑制して、機械エネルギの収穫に使用するか、或いは直接的又は間接的に電気活性高分子に結合する任意の機械システムを含み得る。一般に、これには、波の波運動、エネルギ、及び／又は力の少なくとも一部を、所定の一つ以上の自由度（例えば、直線、回転、その組み合わせ等）に従った質量体の運動、エネルギ、及び／又は力に伝達することが含まれる。この伝達により、入力波エネルギの予測不可能性を減少され、機械エネルギは、質量体の公知の方向への変位へと内部的に調整され、発電機による電気エネルギ変換が容易になる。本発明では、この目的に適した多数の設計及び機械システムが考えられる。ここでは幾つかの設計例を説明するが、しかしながら、一般に、本発明は、こうした設計に限定されない。特定の実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、図４を参照して更に詳細に説明する動吸振器を含む。
【００２６】
ブイ４０において、自給式ユニット４６内の機械エネルギ変換システム１５は、矢印６２により示したように、円筒穴又は軸線６６に沿って直線移動するように構成されたエネルギ貯蔵質量体６４を含む。機械エネルギ変換システム１５は、軸線６６に沿ったエネルギ貯蔵質量体６４の移動を使用して、ブイ４０内部で軸線６６に沿ったエネルギを発生させる。
【００２７】
一実施形態において、エネルギ貯蔵質量体６４は、低周波の波に応答して電気エネルギの生成に十分な力を発生させるように構成されたプルーフマス、又は大きな重量である。質量体６４の重量と、軸線６６に沿った移動距離は、設計上の選択事項であり、用途により変更し得る。エネルギ貯蔵質量体６４の重量及び移動距離に影響を与え得る要素は、予想される波エネルギの量（波の振幅及び周波数）、海洋装置が必要とするエネルギの量、ブイ４０のサイズ、使用される電気エネルギ発生システム及びその要素呼び構成、プルーフマスの線形運動を電気エネルギに変換するエネルギトランスデューサ（電気エネルギ発生器）の有効剛性及び減衰特性等である。一実施形態において、エネルギ貯蔵質量体６４は、約５ｋｇ乃至約３００ｋｇの質量体を含む。軸線６６に沿った移動距離は、約０．２メートル乃至約４メートルが多くの用途に適している。他の質量体サイズ及び移動距離も適切となる。特定の実施形態において、ブイ４０は、１００ｋｇを超える質量体を含み、或いは１メートルより長い距離を移動して、海水を受ける洋上又は湾内で一般的な波の周波数において２５Ｗの電力を発生させる。質量体サイズ又は移動距離の何れかは、ブイの安定性を高めるために、その寸法及びサイズに応じて制限し得る。
【００２８】
以下、更に詳細に説明するように、一つ以上の電気活性高分子デバイスは、エネルギ貯蔵質量体６４に直接的又は間接的に取り付け、エネルギ貯蔵質量体６４が軸線６６に沿って移動するのに従って伸縮させ得る。
【００２９】
光源６４は、上部光源６４ａ及び中央光源６４ｂを含む。何れの光源も、ハロゲンランプ、発光ダイオード、光出力の改善又は集束のために光の収集及び方向付けを行うプリズム、或いは他の任意の従来型光源及び／又は発光体を含み得る。
【００３０】
一実施形態において、海洋装置は、動吸振器（動吸収器）を使用してエネルギの収穫を向上させる。動吸振器は、減衰式又は非減衰式にしてよい。まず、図４Ａは、本発明の一実施形態による非減衰動吸振器８０として動作するように構成された機械エネルギ変換システム１５を示す。
【００３１】
図示したように、動吸振器８０は、主質量体８２、吸収質量体６４と、主剛性ｋ１と、吸収器剛性ｋ２とを含む。海洋装置において、主質量体８２は、海洋装置（ブイ又は防波発電機の本体又はカバー）の質量体を表し、吸収質量体６４は、機械エネルギ変換システム１５のエネルギ貯蔵質量体６４を表し、ｋ１は、海洋装置（ブイ又は防波発電機の本体又はカバー）の剛性を表し、ｋ１は、機械エネルギ変換システム１５の剛性（又は図３の軸線６６に沿った剛性）を表す。
【００３２】
図４Ａを参照すると、まず、吸収質量体６４を取り付けていない状態では、波により生じた海洋装置と水との間の相対運動等の周期的な力８１は、非減衰主質量体−バネ系８０に作用する。力の周波数が主質量体８２及びｋ１の固有振動数と実質的に等しい時、質量体８２の応答及び変位は、理論上は無限となる。これは、主質量体８２の共振を意味する。
【００３３】
質量体６４及びｋ２を含む吸収質量体−バネ系又は「吸収器」を主質量体８２に取り付け、吸収器の共振が主質量体のものと実質的に一致するように調整した時、主質量体８２の運動は、理論上、共振周波数においてゼロまで減少される。したがって、主質量体８２のエネルギは、同調させた動吸収器により明らかに「吸収」される。理論上、この非減衰系では、吸収質量体６４の運動は、何れかの振動体に減衰が生じなくとも、この共振周波数において有限である。これは、理論的には、一自由度系から二自由度系へ系が変化し、主質量体８２（更に吸収器６４）の元々の共振周波数と何れも等しくない、二つの共振周波数を有するようになったためである。
【００３４】
一実施形態において、機械エネルギ変換システム１５は、海洋装置の固有振動数（装置が水に対して運動する周波数）で共振するように調整した動吸収器（例えば、図３の質量体６４及び関連する剛性）を含む。特定の実施形態において、この共振周波数の一致により、海洋装置１０の共振周波数の約０．２ヘルツ以内である機械エネルギ変換システム１５の共振周波数が提供される。特定の実施形態において、この共振周波数の一致により、海洋装置１０の共振周波数の約０．２ヘルツ以内である機械エネルギ変換システム１５の共振周波数が提供される。この共振の一致により、機械エネルギ変換システム１５がもたらす電力発生用の運動及び収穫エネルギが増加する。加えて、動吸収器は海洋装置の運動及び移動を減少させるため、機械エネルギ変換システムは、更に、海洋装置１０を安定させる。安定化機能は、点灯位置が余り移動しないことが求められる航行ブイに有用である。
【００３５】
波周期が変化する場合に適した特定の実施形態において、本発明の海洋装置は、吸収器の共振周波数を能動的に調整する。これにより、機械エネルギ変換システム１５は、複数の共振周波数及び条件において動作及び適応する。一実施形態において、電気エネルギ発生システムは、動吸収器の同調のために調整可能な制御剛性を有する電気活性高分子を含む。電気活性高分子は、以下説明する。加えて、電気活性高分子の剛性の制御に関する詳細な説明は、出典を明記することでその開示内容全体を本願明細書の一部とする保有者共通の特許第６，８８２，０８６号に記載されている。
【００３６】
次に、図４Ｂを参照すると、現実的には、海洋装置１０は、何らかの減衰８６を含む。減衰８６は、海洋装置１０と、寄生エネルギ損失をもたらす周囲の水との相互作用を含む。図４Ｂは、本発明の一実施形態による減衰動吸収器８５として動作するように構成された機械エネルギ変換システム１５を示す。この場合、システム８５は、吸収質量体６４に対する有効な減衰８８を含む。減衰８８には、電気エネルギ発生により生じる損失（言い換えると、機械から電気へ変換されたエネルギは事実上減衰となる）と、海洋装置１０における他の機械エネルギの損失とが含まれる。
【００３７】
減衰は、システム内に新たな共振周波数を形成する。更に、両質量体８２及び６４に対する有限の量の減衰は、新たな共振周波数の何れかにおいて、質量体８２及び６４の何れかの運動を減少させる。何れかの質量体−バネ要素に減衰が存在する場合、主質量体８２の反応は、理論上、対象周波数においてゼロにならなくなる場合が多い。
【００３８】
図３を再び参照すると、機械エネルギ変換システム１５が海洋装置１０の固有振動数に同調させた減衰動吸振器８５を含む場合、機械エネルギ変換システム１５は、ブイ４０及び／又は定着構造の運動を、ａ）（意図的な）電気エネルギ発生による寄生損失と、ｂ）（上述したような）同調させた固有振動数によるブイの運動の吸収体質量体６４への変換との二種類の形で減少させる。このようにして、機械エネルギ変換システム１５は、ブイ４０の安定性を高める。動吸収器を備えたブイ４０の別の捉え方としては、通常はブイを動かす波エネルギの一部が、代わりに質量体８２を動かし、電気エネルギを発生させる状態となる。
【００３９】
これまでの説明は、ブイと発電機器との線形集中定数モデルに基づく理論に裏付けられている。理論に拘束されることは望んでおらず、例えば、変化する有効質量（例えば、有効ブイ質量が随伴水を含む場合）と、（電力の発生又は寄生損失の変化による）非線形の時間変化減衰と、（集中ではなく）分散したブイ、プルーフマス、及び発電機の質量とによる非線形性が存在する状態でも、システムは有効に動作できることに留意されたい。更に、これまでは単一の運動軸線に沿って動作するシステムを説明してきたことにも留意されたい。ブイの上下への動きと回転方向への揺れとの両方により生じ得るような、二つ以上の運動方向で動作するシステムも設計可能である。
【００４０】
他の機械エネルギ変換システム１５及び海洋装置１０の設計も、ここでの使用に適している。例えば、機械エネルギ変換システム１５は、基部５６において水位線より下にあるブイ４０の構造と一体化させること、基部５６の底部から延びるステムと構造的に一体化させること、或いはブイの他の位置において、水位線の上方、水位線の下方、及びその組み合わせにおいて一体化させることが可能である。
【００４１】
図５Ａは、本発明の別の実施形態によるブイ１２０を示す。ブイ１２０は、ブイ本体１２２の上部の周囲に配置された複数の機械エネルギ変換システムを含む。機械エネルギ変換システムのそれぞれは、自給式ユニット４６に含まれ、ブイ１２０の質量体の垂直中心から離れて位置する。図５Ａにおいて、ブイ１２０は、縦に並べた四つの自給式ユニット４６を含む。これより多い又は少ない自給式ユニット４６を使用してもよい。加えて、自給式ユニット４６と、その機械エネルギ変換システム１５とは、ブイの上部構造の別の位置に配置してもよく、これは、揺れその他の運動に応答するブイの動的性能に影響する。
【００４２】
この構成は、図３に示したようなブイの質量体の垂直中心に沿って配置された単一の自給式ユニット４６とは異なり、水中のブイ１２０の上下の動きのみではなく、ブイ１２０のあらゆる角度の揺れ１６を取り込むことができる。純粋な垂直運動において、各自給式ユニット４６内の質量体６４は、互いに同期して移動する。揺れの場合には、同期せずに移動する。更に、二つ以上の発電機を使用するか、或いは発電機が垂直運動に加えて揺れ運動に反応できるようにすることで、海洋装置１０は、全体の出力が増加する。
【００４３】
図５Ｂは、それぞれブイの垂直軸線に対して角度を成して並べた四つの自給式ユニット４６を含む。この配置は、各自給式ユニット４６が水平運動を更に効果的に取り込んで変換するのを助ける。それぞれ角度を成して並べた複数の自給式ユニット４６は、累積的に、ブイ１２０があらゆる水平方向の揺れ及び側方運動を取り込むのを可能にする。自給式ユニット４６に角度を付けることで、多自由度のエネルギ収穫を維持しながら、ブイのプロフィールに対する影響が低減される。急激な運動を更に効果的に収穫するために、水平に並べた付加的な自給式ユニット４６を追加してもよい。
【００４４】
各自給式ユニット４６において質量型動吸収器が使用される場合、この構成は、両方の運動モードでブイ１２０を安定させる役割も果たす。加えて、単一の自給式ユニット４６を複数使用することで、単一のユニットに対する依存を取り除き、一つが故障しても電気エネルギの発生を維持できる。
【００４５】
他の機械エネルギ伝達システムも使用し得る。別の実施形態において、機械エネルギ伝達システム１５は、円筒等の第二の部分に沿って、或いは第二の部分内で直線移動する、ロッド又はプランジャ等の第一の部分を含む、線形移動機構を含む。二つの部分は、波エネルギを利用するために海洋装置の異なる部分に結合させ得る。通常、異なる部分では、波エネルギにより相対運動が生じ、機械エネルギ伝達システム１５は、直線の自由度に沿って相対運動を限定及び抑制する。電気活性高分子は、機械エネルギ伝達システム１５の二部分に結合し、二部分の相対運動を電気エネルギ変換に対する入力として使用する。
【００４６】
図６は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１３０を示す。
【００４７】
ブイ１３０は、自給式ユニット４６内のエネルギ貯蔵質量体６４に取り付けられたケーブル１３２を含む。ケーブル１３２は、ステンレス鋼、鎖、又は耐摩耗性ロープ等、適切な剛性の材料を含み得る。図示したように、ケーブル１３２は、ブイ１３０を機械的に接地させ、遠くへ浮遊するのを防止する係留ケーブル１３６まで延びる。滑車１３４は、ブイ１３０の側面に設置され、ケーブルの移動を滑車の近くに留め、ブイ本体に対する回転力を減少させる。
【００４８】
一本以上のケーブル１３２がブイ１３０の移動により基部１３８に対して引っ張られた時（通常は、表面レベル１３９が上昇する際、又は波の最高点及び水面１３９の頂点において）、少なくとも一本のケーブル１３２は、質量体６４を引き下げる。ブイ１２０の上下移動及び／又はブイ１２０の角度のある横揺れ１６により、一本以上のケーブル１３２は、直線軸線６６上で質量体６６を繰り返し変位させる。エネルギ貯蔵質量体６４の移動は、その後、電気エネルギに変換し得る。ケーブルが貯蔵質量体６４に推進力を与えるようになるため、質量体はサイズを小さくすることができる。場合によっては、要素６４は、単純に発電機要素の運動に対してケーブル１３２の運動を結合する取り付け点にしてもよい。
【００４９】
図７は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１４０を示す。この場合、機械エネルギ伝達システム１５は、システム１５内の質量体６４（ここでも単純に取り付け点にし得る）を一つ以上の水ブレーキ１４２に間接的に取り付けるケーブル１３２を含む。滑車１４４は、ケーブル１３２をブイ１４０の本体から離した状態を保つ剛体部材を含む。各水ブレーキ１４２は、上方移動には抵抗するが、板の下方移動は可能にする役割を果たす一組の平板及びヒンジを含む（上方移動中は、ヒンジが上向きに閉じ、板の表面積を減少させるため、水の抵抗が小さくなる）。ここでの使用に適した水ブレーキ１４２は、カリフォルニア州レークウッドのＭａｇｍａ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓから市販されている。ヒンジ機構の代わりに、変形可能なカップ形状、又は剛体のカップ形状を使用した他のデバイスも水ブレーキとしての使用に適しており、市販されている。
【００５０】
表面レベル１３９が変化する際の水中のブイ１４０の移動により、水ブレーキ１４２と、ケーブルに取り付けた質量体６４との間に相対運動が発生し、移動する質量体６４を介して電気エネルギが発生する。一実施形態において、ブイ１４０での使用には、一乃至約六個の水ブレーキ１４２が適しており、各水ブレーキ１４２は、一乃至約四本のケーブルを含み得る。水ブレーキ１４２の板の枚数と、各板に対するケーブル１３２の本数とは、これ以外の数でも使用に適する。
【００５１】
図８は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１５０を示している。ブイ１５０は、水位１３９の下に沈み、ブイ１５０の底部と水ブレーキ１５２とに直接取り付けられた機械エネルギ伝達機構１５５を含む。この場合、水ブレーキ１５２は、ブイ１５０の上方及び下方移動の両方に抵抗する剛性板（継ぎ目無し）を含む。係留ケーブル１３６は、水ブレーキ１５２の底部に取り付ける。機構１５５は、この場合、基部１３８と相対的なブイ１５０の移動がブレーキ１５２により減速され、本体及び電気活性高分子２０にも結合された機械エネルギ伝達機構１５５内の構成要素（例えば、プランジャ）における正味の変位を発生させるように構成される。
【００５２】
図９は、本発明の別の特定の実施形態によるブイ１６０を示している。ブイ１６０は、同じく水位１３９の下に沈んでいるが、係留ケーブルシステム１３６に取り付けられた機械エネルギ伝達機構１６５を含む。水ブレーキ１５２は、ブイ１５０の上方及び下方移動の両方に抵抗する一枚以上の剛性板を含む。この場合、係留ケーブル１３６ａは、ａ）ブイ１６０及びｂ）機構１６５の最上部に取り付けられ、機構１６５は水ブレーキ１５２に、水ブレーキ１５２は第二の係留ケーブル１３６ｂに取り付けられる。水位１３９にあるブイの相対運動は、ケーブル１３６を引っ張り、発電機の入り口に取り付けた機構１６５内の機械的連結部を移動させる。
電気活性高分子発電
【００５３】
海洋装置１０は、機械エネルギを電気エネルギに変換する電気活性高分子トランスデューサを含む。電気活性高分子トランスデューサは、直線軸線に沿って移動する質量体からの機械エネルギ等、直線及び／又は回転入力の両方を受領するのに特に適している。
【００５４】
図１０は、本発明の別の実施形態による海洋装置１０の概略図を示している。海洋装置１０は、電気活性高分子トランスデューサ２０と、収穫調節回路２０２と、電池２０４と、負荷２０６と、制御回路２０８とを含む。
【００５５】
電気活性高分子トランスデューサ２０は、発電機として使用されるように構成される。電気活性高分子は、電気エネルギと機械エネルギとを双方向で変換し得るが、本発明は、機械エネルギを電気エネルギに変換することに注目する。単一のユニットとして図示しているが、電気活性高分子トランスデューサ２０は、機械エネルギを電気エネルギに変換するように構成された複数の電気活性高分子トランスデューサを含み得る。
【００５６】
電気活性高分子トランスデューサ２０は、一つ以上の電気活性高分子をそれぞれが含む様々なデバイスにおいて構成し得る。以下、幾つかの適切な電気活性高分子トランスデューサの設計を更に詳細に説明する。
【００５７】
誘電エラストマは、適切な電気活性高分子の一種であり、柔軟電極間に配置された比較的軟質のゴム状高分子を含む。誘電エラストマトランスデューサは、構成と、その駆動回路とに応じて、アクチュエータモード、発電機モード、及び／又はセンサモードで動作し得る。誘電エラストマトランスデューサは、剛性も制御し得る。他の適切な電気活性高分子材料も以下に説明する。
【００５８】
電気活性高分子発電機デバイスからの電気エネルギの発生及び利用には、何らかのタイプの調節電子機器を利用し得る。例えば、少なくとも、電気活性高分子トランスデューサから電気エネルギを取り出すために、最低限の量の回路が必要となる。更に、別の例として、特定の種類の発電機デバイスにおいて発電の効率又は量を高めるため、或いは、利用する発電機デバイスにとって更に有用な値に出力電圧を変換するために、複雑性の度合いの異なる回路を使用し得る。
【００５９】
収穫調節回路２０２は、以下の一つ以上のタスクを実行するように構成された任意の回路を含む：エネルギの収穫、電圧の増加又は減少、ＡＣ及びＤＣ電力間の変換、電圧の平滑化、始動用電圧によるシステムの準備、電気負荷又は配電網に対する電力出力の調整、緊急停止、波の活動が低い時期に出力電力を提供するための発電機からのエネルギの貯蔵、故障状態の連絡（例えば、発電機が正常に動作していない場合）、及び予期しない又は予期される発電機の故障モードを補うためのシステムの適合化（例えば、幾つかの電気活性高分子デバイスのうち一つの予期しない損失、或いは正常な寿命による劣化の結果として予期される損失、）。場合によっては、収穫調節回路２０２は、動吸収器を得るための機械エネルギ変換システム１５の剛性の調整等、海洋装置１０の構成要素が変化する波条件に適応できるようにする回路及びソフトウェアを含む。回路２０２は、更に、選択された機械的伝達システム１５及び発電機２０に応じた未知の入力周波数及び振幅であっても、発電機２０からエネルギを効率的に収穫するように構成し得る。例えば、電気活性高分子は、調節回路２０２が管理する非線形の可変電気特性を取り入れてもよい。収穫調節回路２０２は、必要な場合、初始動用の小電圧を提供してもよい。
【００６０】
一実施形態において、収穫調節回路２０２は、入力機械周波数より高い周波数で、電気活性高分子トランスデューサ２０からエネルギを取り出す。これにより、収穫調節回路２０２は、電気活性高分子トランスデューサ２０の一定のストロークに対する幾つかの大きなパケットではなく、多数の小さなエネルギパケットを引き出すことができる。更に、低い引き出し周波数において発生し得る、回路の何れかのインダクタの飽和が回避される。特定の実施形態において、調節回路２０２は、入力機械周波数より三桁大きい周波数で、電気活性高分子トランスデューサ２０からエネルギを取り出す。別の特定の実施形態において、調節回路２０２は、１ｋＨｚより大きい周波数で、電気活性高分子トランスデューサ２０からエネルギを取り出す。
【００６１】
収穫調節回路２０２は、更に、海洋環境において使用されるように構成されたＬＲＣ回路を利用し得る。この場合、電気活性高分子トランスデューサ２０は、ＬＲＣ回路の電気容量に寄与する。電気活性高分子ＬＲＣ回路は、海洋用途向けに調整又は最適化し得る。例えば、電気活性高分子ＬＲＣ回路の時定数は、海洋環境において予期される入力波周波数に同調させ得る、或いは、インダクタンス及びＬＲＣ特性を、ＥＰＡＭ特性と一致し、電極及びインダクタの抵抗による損失を最小化するように選択できる。電気活性高分子ＬＲＣ回路に関する詳細な説明は、Ｒｏｎ．Ｐｅｌｒｉｎｅらを発明者として本発明と同日に提出した保有者共通の同時係属仮特許出願第６０／８９４，０１４号「電気活性高分子を使用したエネルギ収穫用のＬＲＣ回路」に記載されており、この特許出願は、出典を明記することでその開示内容全体を実質上本願明細書の一部とする。
【００６２】
センサ２０９は、電気活性高分子トランスデューサ２０の位置又は偏位状態を検出する。一実施形態において、センサ２０９は、電気活性高分子トランスデューサのストローク位置を示すようにそれぞれが構成された一つ以上のスイッチを含む。例えば、スイッチ２９０の一つは、電気活性高分子トランスデューサ２０の極限のストローク位置を示すように構成してよい。別の実施形態において、電気活性高分子トランスデューサの一つ以上の活性領域は、電気活性高分子の検知及び位置検出用に構成される。
【００６３】
電池２０４は、電気エネルギを後の使用のために格納する。したがって、従来の任意の市販電池等、充電式電池が使用に適している
【００６４】
負荷２０６は、一般に、電気エネルギを消費する任意のデバイス又はシステムを含む。航行ブイにおいて、通常、一つ以上のライト及び／又は通信リソースである。他のタイプのブイでは、例えば、センサ、コンピュータ、及び無線への電力供給にエネルギが必要となり得る。電気エネルギの収穫と配電網への提供とのために配備された海洋発電機は、エネルギ監視用、デバイスの状態監視用、及び／又は通信用のリソースを含み得る。
【００６５】
海洋装置１０は、更に、海洋装置１０の一つ以上の制御構成要素用に、ハードウェア及び／又はソフトウェアの任意の組み合わせを含む制御回路２０８を含み得る。例えば、制御回路２０８は、閃光灯２０６と充電式電池２０４との間で電力出力を管理し得る。制御回路２０８は、更に、海洋デバイス２００における電気エネルギの移動を制御するスイッチ２１０を調整する。一実施形態において、制御回路２０８は、プロセッサ及びメモリを含み、メモリは、プロセッサが本明細書に記載の電気エネルギ発生の方法を実行できるようにする命令を備えたソフトウェアを含む。
【００６６】
電気活性高分子トランスデューサは、通常、柔軟電極が結合された電気活性高分子を含む。発電モードにおいて、電気活性高分子トランスデューサは、高分子の一部の偏位に応答して電場の変化を引き起こすように準備された高分子を含む。電場の変化は、電場の方向における高分子の寸法の変化と共に、電圧の変化を発生させ、したがって、電気エネルギの変化を発生させる。
【００６７】
図１１Ａは、本発明の一実施形態による電気活性高分子トランスデューサ部分１００の上面斜視図を示す。トランスデューサ部１００は、電気エネルギと機械エネルギとの間で変換を行う電気活性高分子１０２を備える。一実施形態において、電気活性高分子は、に電極間の絶縁誘電体として機能する高分子を示す。上部及び底部電極１０４及び１０６は、電気活性高分子１０２の上面及び底面にそれぞれ取り付けられ高分子１０２の一部に渡る電圧差を提供する。高分子１０２において、高分子の機械的偏位と高分子の電場とは関連している。
【００６８】
図１１Ｂは、偏位を含むトランスデューサ部１００の上面斜視図を示す。一般に、偏位は、任意の変位、拡張、伸張、収縮、捩れ、直線又は範囲の引張、或いは高分子１０２の一部の他の任意の変形を示す。
【００６９】
作動に関して、電極１０４及び１０６に印加された、或いは電極１０４及び１０６が発生させた電圧差に対応する電場の変化は、高分子１０２内に機械的圧力を発生させる。この場合、電極１０４及び１０６が発生させた異電荷は、互いを引き付け、電極間に圧縮力と、高分子１０２の平面方向１０８及び１１０への拡張力とをもたらし、これにより高分子１０２は、電極１０４及び１０６管で圧縮され、平面方向１０８及び１１０に伸張する。したがって、図１１Ａに示したトランスデューサ部１００上の電極１０４及び１０６間への作動電圧差の印加により、トランスデューサ部１００は、図１１Ｂに示したような、より薄く面積の大きい形状へ変化する。このようにして、トランスデューサ部１００は、電気エネルギを機械エネルギに変換する。
【００７０】
図１１Ａ及び１１Ｂは、トランスデューサ部１００が機械エネルギを電気エネルギに変換する一方法を示すために使用し得る。例えば、機械的伝達システム１５がトランスデューサ部１００を、図１１Ｂに示したような、より薄く面積の大きい形状へ機械的に伸張させ、比較的小さな電圧差（膜を作動させて図１１Ｂの構造にするのに必要なもの未満）が電極１０４及び１０６間に印加された場合、外力が取り除かれた時、トランスデューサ部１００は、電極間で面積を収縮させ、図１１Ａのような形状になる。トランスデューサを伸張させることは、電極間において、例えば、電極間で方向１０８及び１１０により定められる平面において、より大きな正味面積を発生させるようにトランスデューサを偏位させることを示す。トランスデューサ部１００を伸張させると、比較的小さな電圧差が提供され、結果的に生じる静電気力は、伸張の弾性復元力との平衡を保つのに不十分となる。したがって、トランスデューサ部１００は、収縮して、厚さを増し、方向１０８及び１１０（電極間の厚さに垂直）により定められる平面において平面積が小さくなる。高分子１０２が厚さを増すと、電極１０４及び１０６と、対応する異電荷とは引き離されるため、電荷の電気エネルギ及び電圧が上昇する。更に、電極１０４及び１０６が小さな面積に収縮すると、各電極内の同電荷が圧縮され、電荷の電気エネルギ及び電圧が同じく上昇する。したがって、電極１０４及び１０６の異電荷により、図４Ｂに示したような形状から図４Ａに示したような形状への収縮は、電荷の電気エネルギを上昇させる。即ち、機械的偏位が電気エネルギに変換されており、トランスデューサ部１００は、発電機として機能している。弾性復元力に加え、機械的伝達による外力も、高分子が非伸張状態へ復帰するのを助けるために使用できる。
【００７１】
場合によっては、トランスデューサ部１００は、可変キャパシタとして電気的に説明し得る。電気容量は、図１１Ｂに示したものから図１１Ａに示したものへの形状変化により減少する。通常、電極１０４及び１０６間の電圧差は、収縮によって増加する。通常、これは、例えば、収縮プロセス中に付加的な電荷が電極１０４及び１０６において追加又は除去されなかった場合に該当する。電気エネルギＵの増加は、式Ｕ＝０．５Ｑ２／Ｃにより表され、ここでＱは、正電極の正電荷の量であり、Ｃは、高分子１０２と、そのジオメトリとの固有誘電特性に関連する可変電気容量である。Ｑが固定され、Ｃが減少する場合、電気エネルギＵは増加する。
【００７２】
電気エネルギ及び電圧の増加は、電極１０４及び１０６と電気的に連絡する適切なデバイス又は収穫回路２０２において回収又は使用できる。加えて、トランスデューサ部１００は、高分子を偏位させて機械エネルギを提供する機械的伝達システムに機械的に結合される。
【００７３】
トランスデューサ部１００は、収縮する際に、機械エネルギを電気エネルギに変換する。収穫回路２０２（図１０）は、トランスデューサ部１００が方向１０８及び１１０により定められた平面において完全に収縮した時に、電荷及びエネルギの一部又は全部を除去し得る。或いは、電荷及びエネルギの一部又は全部は、収縮中に除去できる。高分子内の電場圧力が増加し、機械的な弾性復元力と収縮中の外力との平衡に達すると、収縮は、完全な収縮前に停止し、弾性機械エネルギは、それ以上、電気エネルギに変換されなくなる。電荷と、貯蔵された電気エネルギの一部を取り除くことで、電場圧力は減少し、これにより、収縮の継続が可能となる。したがって、電荷の一部を取り除くことで、機械エネルギは、更に電気エネルギに変換され得る。発電機として動作する時のトランスデューサ部１００の正確な電気的挙動は、任意の電気的及び機械的負荷と、高分子１０２及び電極１０４及び１０６の固有特性に応じて決まる。
【００７４】
一部の場合において、電極１０４及び１０６は、高分子の総面積に対して、高分子の限定された部分を覆う。本明細書で使用する用語において、活性領域は、高分子材料１０２を含むトランスデューサの部分と、少なくとも二つの電極として定義される。活性領域を使用して機械エネルギを電気エネルギに変換する時、活性領域は、静電エネルギの変化を可能にするのに十分な偏位を有する高分子１０２の部分を含む。
【００７５】
本発明のトランスデューサ及び高分子は、特定のジオメトリ又は偏位に限定されない。例えば、高分子及び電極は、チューブ、ロール、複数の剛体構造間に取り付けて伸張させた高分子、湾曲又は複雑なジオメトリを含め、任意のジオメトリのフレーム全体に取り付けて伸張させた高分子、一つ以上の接合部を有するフレーム全体等を含む、任意のジオメトリ又は形状に形成し得る。トランスデューサの偏位は、一つ以上の方向での直線的な拡張及び圧縮、屈曲、高分子を巻いた時の軸方向の偏位、基板に設けた穴からの偏位等を含み得る。トランスデューサの偏位は、高分子に取り付けられたフレーム又は剛体構造により、高分子がどのように制約されるかに影響され得る。一実施形態では、延伸において高分子より剛性の高い可撓性材料をトランスデューサの片側に取り付けることで、高分子を作動させた時に屈曲を発生させる。別の実施形態において、平面から外れて偏位するトランスデューサを、ダイアフラムと呼ぶ。
【００７６】
一実施形態において、高分子１２は、柔軟性があり、エラスタンスに基づいて選択される。高分子１２の弾性係数は、約１００ＭＰａ未満が多くの実施形態に適している。特定の一実施形態において、電気活性高分子１２は、４０ＭＰａ未満の弾性係数を有する。別の特定の実施形態において、電気活性高分子１２は、比較的柔軟性が高く、１０ＭＰａ未満の弾性係数を有する。
【００７７】
適切な電気活性高分子は、変形により電場の変化が生じる、実質的に絶縁性の任意の高分子又はゴム（或いはその組み合わせ）を含む。好ましくは、高分子の変形は、広範囲の歪みに対して可逆性である。多数の弾性高分子が、この目的を果たし得る。場合によっては、高分子１０２は、市販の高分子を含む。これには、例えば、任意の市販されるシリコンエラストマ、ポリウレタン、ＰＶＤＦ共重合体、及び粘着性エラストマを含み得る。適切な市販ポリマの一つは、カリフォルニア州カーピンテリアのＮｕＳｉｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙが提供するＮｕＳｉｌ  ＣＦ１９−２１８６である。適切なシリコンエラストマの例は、デラウェア州ウィルミントンのＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇが提供するＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  ＨＳ３である。適切なフルオロシリコンは、デラウェア州ウィルミントンのＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇが提供するＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  ７３０である。適切なアクリルの例は、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社が提供する４９００ＶＨＢアクリルシリーズの何れかのアクリルを含む。
【００７８】
電気活性高分子１０２は、様々な厚さを有し得る。一実施形態において、高分子の厚さは、約１マイクロメートル乃至２ミリメートルの範囲にしてよい。高分子の厚さは、一方又は両方の平面方向で膜を伸張することで低減し得る。多くの場合、本発明の電気活性高分子は、薄膜として製造及び実現し得る。こうした薄膜に適した厚さは、２００マイクロメートル未満にしてよい。
【００７９】
これまでの説明は一般に誘電エラストマと呼ばれる電気活性高分子の一種に主に焦点を当ててきたが、本発明の電気活性高分子トランスデューサは、他の電気活性高分子も取り入れ得る。本発明の一部の実施形態で使用するのに適した、他の適切な電気活性高分子のクラスは、電歪高分子、ＰＶＤＦ等の圧電性高分子、及び伝導性電気活性高分子を含む。電歪高分子は、従来、電場の二乗に比例する固有の歪み応答特性を備えた高分子として説明される。導電性高分子は、電気を伝導可能な高分子である。伝導性高分子は、電気伝導性高分子と、イオン伝導性高分子とを含む。イオン高分子は、イオンを伝導可能な高分子であり、イオン移動性を高めるために湿潤である場合が多い。
【００８０】
一実施形態において、電気活性高分子１０２には、予歪を与える。高分子の予歪は、一つ以上の方向において、予歪後の一方向の寸法における、予歪前のその方向の寸法に対する変化として説明し得る。予歪は、高分子１０２の弾性変形を含み、例えば、高分子に張力が加わった状態で伸張させ、伸張中に一つ以上の縁部を固定することで形成される。一実施形態において、予歪は、高分子の絶縁耐力を高める。別の実施形態において、予歪は、弾性を有する。弾性の予歪を加えた高分子は、原則として、固定されず、元の状態に戻る。予歪は、剛体フレームを使用して境界において加えてよく、或いは、高分子の一部に対して局所的に実現してもよい。一実施形態において、予歪は、高分子１０２の一部全体に均一に加え、等方性予歪高分子を生成する。一例として、アクリル弾性高分子は、両平面方向に２００乃至４００パーセント伸張し得る。別の実施形態において、予歪は、高分子１０２の一部に対して様々な方向で不均等に加え、異方性予歪高分子を生成する。異方性予歪は、発電機モードにおいて機械エネルギから電気エネルギへ変換するトランスデューサの性能を改善し得る。高分子の絶縁破壊強度を高め、高分子に与えるべき電荷を増やすことに加え、高い予歪は、予歪の低い方向における機械−電気結合を向上させ得る。即ち、より多くの低予歪方向への機械的入力を、電気出力に変換できるため、発電機の効率が上昇する。本発明において使用するのに適した予歪は、出典を明記することで実質上本願明細書の一部とする、保有者共通の米国特許第７，０３４，４３２号において更に説明される。
【００８１】
電極１０４及び１０６は、柔軟であり、高分子１０２と共に形状を変化させる。一実施形態において、電極１０４及び１０６の一方は接地される。一般に、本発明において使用するのに適した電極は、電気活性高分子との間で適切な電圧を供給し、或いは電気エネルギを受領できるならば、任意の形状又は材料にしてよい。電圧は、一定でもよく、或いは経時的に変化してもよい。一実施形態において、電極は、高分子の表面に付着する。高分子に付着した電極は、好ましくは、高分子の変化する形状に追従及び一致する。これに対応して、本発明は、取り付けられた電気活性高分子の形状に一致する柔軟電極を含み得る。電極は、電気活性高分子の一部のみに付与してよく、そのジオメトリに応じて活性領域を定めてよい。
【００８２】
適切な電極材料は、カーボングリス又は銀グリス等の導電性グリスと、コロイド懸濁液と、カーボンフィブリル及びカーボンナノチューブ等の高アスペクト比導電材料と、イオン伝導材料の混合物とを含む。他の適切な材料は、グラファイトと、カーボンブラックと、コロイド懸濁液と、銀及び金を含む薄い金属と、銀充填及び炭素充填ゲル及び高分子と、イオン又は電気伝導高分子とを含む。特定の実施形態において、本発明において使用するのに適した電極は、ペンシルバニア州フィラデルフィアのＳｔｏｃｋｗｅｌｌ  Ｒｕｂｂｅｒ社が製造するＳｔｏｃｋｗｅｌｌ  ＲＴＶ６０−ＣＯＮのようなシリコンゴム中にカーボングリス８０％及びカーボンブラック２０％を含む。カーボングリスは、マサチューセッツ州フェアヘブンのＮｙｅ  Ｌｕｂｒｉｃａｎｔ社が提供するＮよＧｅｌ  ７５６Ｇ等のタイプである。導電性グリスは、ニューヨーク州ウォーターフォードのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃが製造するシリコンエラストマＲＴＶ１１８等のエラストマと混合して、ゲル状の導電性グリスを提供してもよい。別の適切な電極は、シリコンオイル結合剤と混合したＣａｂｏｔ  Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２Ｒ等、エレクトロニクス級のカーボンブラックを含む。本発明において使用するのに適した様々な種類の電極は、出典を明記することで本願明細書の一部とした、保有者共通の米国特許第７，０３４，４３２号に記載される。
【００８３】
一実施形態において、電気活性高分子トランスデューサは、複数の活性領域を含む。複数の活性領域は、単一の高分子に配置し得る。単一の高分子上に複数の活性領域を配置する能力により、多数のトランスデューサ構成が可能となる。
【００８４】
図１２は、電気活性高分子によりエネルギを収穫する説明用サイクル１５１及び１５３を示す。本発明では、機械エネルギ伝達システム１５により変換された波からの機械エネルギを使用して、電気活性高分子を偏位又は伸張させるか、或いは他の形で偏位させる。時間と共に、高分子は、無数の波及び水位の変化により、多数のサイクルで伸張及び弛緩させ得る。図１２は、機械エネルギを電気エネルギに変換するために電気活性高分子が伸張及び弛緩する理論上のサイクル１５１と、実際的なサイクル１５３とを示す。サイクル１５１及び１５３は、例示的な目的のみを有し、多数の異なる種類のサイクルを利用してよく、本発明は、図１２に示したサイクルに限定されない。
【００８５】
１において、電気活性高分子は、高分子に対する電場圧力がゼロ（サイクル１５１）又は殆ど無い（サイクル１５３）状態で伸張される。機械エネルギ伝達システム１５は、高分子を伸張する。２において、高分子に対する電場圧力は、何らかの最大値又は増加した値まで増加する。この機能を実行するのに必要な調節電子機器は、図１０を参照して説明した。理論上のサイクル１５１において、電場圧力の最大値は、高分子の破壊強度を変化させ得る環境と、寿命と、高分子との変化を考慮した、高分子の破壊強度を僅かに下回る。３において、電場圧力が最大又は上昇値に維持されている間に、高分子は弛緩する。ここでも、機械エネルギ伝達システム１５の移動が、高分子を弛緩させる。高分子が弛緩すると、高分子の電荷の電圧は増加する。より高い電圧が示すような、高分子における電荷の電気エネルギの増加は、収穫され、電気エネルギを発生させる。４において、電場圧力が減少すると共に、高分子は、更に又は完全に弛緩し、サイクルを反復し得る。例えば、サイクルは、質量体の位置又は移動を検出するように構成されたセンサが感知されるような新たな直線ストローク（１、３）を、機械エネルギ伝達システム１５の質量体が始める際に再び開始し得る。
【００８６】
実際的な考慮を行うと、現実的なサイクル１５３のエネルギ出力は、理論上の最大値１５１より低くなる。例えば、理論サイクルの極限は、高分子発電機の寿命を延ばすため、或いは回路を簡略化するために回避される場合がある。
【００８７】
電気エネルギは、サイクルの特定の時点で高分子に追加し、サイクルの他の部分で除去してよい。一般に、電気活性高分子発電機は、高分子に追加される総電気エネルギがサイクル中に高分子から除去される総電気エネルギ未満となるように設計される。更に、調節電子機器等の発電機の構成要素は、発電機から出力される電気エネルギの正味量が正になるように、電気的損失を最小限に抑えるべく設計される。
【００８８】
電気活性高分子デバイスの一部は、様々な剛性を提供するように構成し得る。上述したように、これにより、機械エネルギの収穫を増加させ、海洋装置１０の運動を低減し、海洋装置１０の安定性を高めるように、同吸収器を調整し得る。電気活性高分子トランスデューサを利用するシステムは、剛性の制御を行う幾つかの手法を提供する。一実施形態では、開ループ手法を使用して、電気活性高分子トランスデューサを利用するデバイスの剛性を制御し、これにより、センサフィードバック無しで所望の剛性性能をもたらす単純な設計を提供する。例えば、トランスデューサの電極と電気的に連絡する制御電子機器は、実質的に一定の電荷を電極に供給し得る。或いは、制御電子機器は、実質的に一定の電圧を電極に供給し得る。閉ループ剛性制御は、海洋装置の固有振動数に対して、同吸収器を適応的に−反応的且つリアルタイムに−調整するのに使用し得る。剛性／減衰制御を提供する回路の例は、保有者共通の特許第６，８８２，０８６号に記載される。
【００８９】
多数の電気活性高分子トランスデューサにおいて、動作電圧が高いと、一定の量の材料に対して生成可能なエネルギの量が増加する。１００ＭＶ／ｍ以上の高分子内の電場に対応して、電圧は、１００Ｖ乃至５ｋＶが一般的となる。低電圧から高電圧への上昇及び高電圧から低電圧への降下の両方のために、電気回路設計が開発されている。多くの基本的回路設計は、蛍光灯用の電圧変換回路等、他の用途から適応させたものであり、コストが低く、信頼性が高い。
【００９０】
電気活性高分子は、広範なトランスデューサ及びデバイスにおいて実現できる。デバイスの例には、ロール、直線運動デバイス、及びダイアフラムデバイスを含む。ロール等、こうしたトランスデューサの多くは、大量の電気活性高分子材料をコンパクトな形状にパッケージできる。特許第６，７８１，２８４号では、本明細書で使用する幾つかのトランスデューサ及びデバイスを説明している。
【００９１】
図１３Ａ及び１３Ｂは、本発明の特定の実施形態による、機械エネルギと電気エネルギとの変換を行う直線運動デバイス２３０を示す。直線運動デバイス２３０は、一方向２３５での機械的な並進を有する平面デバイスである。直線運動デバイス２３０は、幅２３４より大きな長さ２３３を有する電気活性高分子２３１を備える。特定の実施形態において、高分子２３１は、２：１の長さ対幅の比を有する。
【００９２】
高分子２３１は、長さ２３３に沿って、フレームの剛体部材２３２の対向する側に取り付けられる。剛体部材２３２は、高分子２３１より大きな剛性を有する。剛体部材２３２が提供する幾何学的な縁部制限により、高分子の長さ２３３に沿った方向２３６における変位が防止され、方向２３５における偏位が促進される。アクリル等、一部の誘電エラストマでは、所望の厚さ及び剛性にするために、高分子材料に予歪を与えることが望ましい。直線運動デバイス２３０は、方向２３５より大きな方向２３６における予歪等、異方性の予歪を高分子２３１が有する状態で実現され、これにより、高分子２３１は方向２３５より方向２３６において高い剛性を有し、方向２３５での大きな偏位が許容される。一例として、こうした配置は、異方性の予歪を有するアクリルに対して、少なくとも約２００パーセントの線形歪みを発生させる
【００９３】
直線運動デバイス２３０は、例えば、図３の自給式ユニット４６における直線スライド部６６に沿ったエネルギ貯蔵質量体６４の運動を受領するのに適している。これにより、高分子２３１を伸張及び収縮させる際の質量体６４の位置に応じて、電荷は、制御回路２０８又は収穫調節回路２０２（図１０）に追加されると共に除去される。
【００９４】
電気活性高分子は、限定空間において高分子の量を増加させるために巻いてもよい。図１４Ａ乃至１４Ｃは、本発明の特定の実施形態による、機械エネルギと電気エネルギとの変換に適したロール型電気活性高分子デバイス３２０を示す。図１４Ａは、デバイス２３０の側面図を示し、図１２４は、上端部から見たデバイス３２０の軸線方向の図を示し、図１４Ｃは、断面Ａ−Ａにおいて取り出したデバイス３２０の軸線方向の図を示す。デバイス３２０は、ロール型電気活性高分子３２２と、末端部３２７及び３２８と、バネ３２４とを備える。
【００９５】
図１４Ｃは、電気活性高分子３２２のロール層を示す。ロール型電気活性高分子は、（例えば、巻物状にしたポスタのように）それ自体を何度も巻いた、或いは別の物体（例えば、バネ３２４）に巻き付けた、電極付き又は電極無しの電気活性高分子を含み得る。単一の電気活性高分子層構造において、本発明のロール型電気活性高分子は、約２乃至２００層を有し得る。高分子３２２及びバネ３２４は、それぞれの最上部と底部との間で軸線方向の偏位が可能である。
【００９６】
末端部３２７及び３２８は、ロール型電気活性ポリマ３２２及びバネ３２４の反対端部に取り付けられる。末端部３２７は、ネジ又はネジ山付きボルトといったネジ部材によるネジ式の結合及び取り外し可能な機械的取り付けが可能な内ネジを含む内孔３２７ｃを有する。
【００９７】
上述したように、多くの電気活性高分子は、予歪を加えた時に性能が向上する。デバイス３２０のバネ３２４は、高分子３２２の外周と軸線方向との両方に予歪を発生させる力を提供する。バネ３２４は、高分子３２２を軸線方向で伸張させる反対軸線方向に外向きの力を提供する圧縮バネであり、高分子３２２を軸線方向で歪ませる。したがって、バネ３４は、高分子３２２が軸線方向に張った状態を保つ。
【００９８】
ロール型電気活性高分子デバイスは、コンパクトな電気活性高分子デバイス設計を可能にする。ロール型デバイスは、潜在的に高い電気活性高分子対構造重量比を提供し、
直線的な軸線方向の伸縮による作動、屈曲による作動、及び伸張と屈曲との両方を組み合わせた多自由度の作動等、多数の方法で作動するように構成できる。ロール型電気活性高分子は、図３の自給式ユニット４６における使用に適している。高分子は、電気貯蔵質量体６４及び直線スライド部６６に巻き付けてよく、これにより、自給式ユニット４６に対して、多数の電気活性化高分子を有するコンパクトなフォームファクタが提供される。
【００９９】
他の電気活性高分子デバイスも、ここでの使用に適している。一般に、電気活性高分子トランスデューサは、特定のいかなるジオメトリ又は線形偏位にも限定されない。例えば、高分子及び電極は、チューブ、ロール、複数の剛体構造間に取り付けて伸張させたもの、湾曲又は複雑なジオメトリを含め、任意のジオメトリのフレーム全体に取り付けて伸張させたもの、一つ以上の接合部を有するフレーム全体等を含む、任意のジオメトリ又は形状に形成し得る。本発明によるトランスデューサの偏位は、一つ以上の方向での直線的な拡張及び圧縮、屈曲、高分子を巻いた時の軸方向の偏位、基板に設けた穴からの偏位等を含み得る。トランスデューサの偏位は、高分子に取り付けられたフレーム又は剛体構造により、高分子がどのように制約されるかに影響され得る。ここで使用するのに適した他の電気活性高分子デバイスは、出典を明記することでその開示内容全体を実質上本願明細書の一部とする、保有者共通の特許第６，５４５，３８４号に記載される。
【０１００】
一実施形態において、海洋装置１０は、カリフォルニア州メンロパークのＡｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ（ＡＭＩ）から入手可能なもの等、一つ以上の市販の電気活性化デバイスを使用する。特に、ＡＭＩは、ここでの使用に適したユニバーサルマッスルアクチュエータを提供する。ユニバーサルマッスルアクチュエータは、共通の中央プラットフォームに取り付けられた二つの対向するダイアフラムアクチュエータを含む。各ダイアフラムの狭い環状領域は、作動ストレスの多くを中央プラットフォームへ効果的に結合する。ユニバーサルマッスルアクチュエータは、様々なサイズで作成されている。ダイアフラムの層数も同様に変化する。アクチュエータとして開発されているが、ユニバーサルマッスルアクチュエータは、発電機としても動作し得る。発電機として利用されたユニバーサルマッスルアクチュエータは、必要なエネルギ出力を可能にする大きな直径を有し得る。
【０１０１】
電気活性高分子デバイスの集合は、機械的に連結して、共通の出力、例えば、力及び／又は変位を有する、より大きな発電機を形成し得る小さな電気活性高分子を集合の基本単位として使用することで、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換は、多数の個別要素を並列又は直列に接続することで、用途に応じて規模を変化させ得る。
【０１０２】
図５の部員異取り付けた発電機の設計では、電気活性高分子デバイス（群）に対して細長いフォームファクタを採用し得る。ロール型デバイス又はユニバーサルマッスルアクチュエータ等、縦に積み重ねた電気活性高分子デバイスは、こうした細長いフォームファクタを備えた適切な電気活性高分子デバイスの二種類のアプローチとなる。このアプローチは、電気活性高分子デバイスが係留ケーブルに沿って配置され且つシースにより保護される場合に、係留ケーブルにおいて使用するのにも適している
【０１０３】
海洋装置に含まれる電気活性高分子の量は、海洋装置の所望の電力の量に応じて決まる。一実施形態において、約１平方メートルの電気活性高分子膜が、所望の電力出力１ワット毎に使用される。したがって、通常の波周波数に対して、２５ワット発電機は、約２５ｍ2の電気活性高分子を利用する。例えば、図３の海洋装置４０が外径３０センチメートル、内径１０センチメートルのユニバーサルマッスルアクチュエータを使用する場合、各単層ユニバーサルマッスルアクチュエータは、約０．０６３ｍ2となる。これにより、２５ワットに対して、こうしたデバイスは合計約４００個となる。或いは、各ユニバーサルマッスルアクチュエータが１０層の電気活性高分子を含む場合、図３の海洋装置４０は、ＵＭＡデバイスを４０個のみ使用する。図５の海洋装置１２０の自給式ユニット４６四台による設計では、各ユニット４６が含むユニバーサルマッスルアクチュエータデバイスは１０個のみとなる。
【０１０４】
一実施形態において、海洋装置１０の電気活性高分子トランスデューサは、機械エネルギ伝達システム１５の質量体のストローク毎に約５ジュール乃至約６０ジュールを発生させるように選択及び構成される。特定の実施形態において、発電機２０は、質量体のストローク毎に約２０ジュール乃至約３０ジュールを発生させるように選択及び構成される。ストローク当たり２０ジュールは、一般的な湾内の波の周波数では、約５乃至１０ワットの電力に相当する。当然ながら、海洋装置１０の電気活性高分子トランスデューサのサイズは、使用される機械エネルギ伝達システム１５の数、各システム１５の質量体（群）のサイズ、波のエネルギ量、波の周期、海洋装置１０の所望の電気エネルギ性能等により変化する。
【０１０５】
誘電エラストマによりエネルギ密度を高めるために、エネルギの発生は、通常、高電圧（１ｋＶ以上）で実行し得る。一実施形態において、電池を充電するために使用される電気活性高分子発電機システムは、例えば、ステップアップ及びステップダウン電圧変換を両方とも含む。
【０１０６】
図１５は、本発明の特定の実施形態による、ステップアップ及びステップダウン電圧変換を両方とも含む電力調節電子機器２０２に接続された一つ以上のトランスデューサ２０のブロック図である。電力調節電子機器２０２の回路により実行される機能には、１）電圧をトランスデューサ２０に加える時に使用し得る、ステップアップ回路６０２により実行される電圧のステップアップと、２）サイクルの特定の時点でのトランスデューサ２０における電荷の追加又は除去に使用し得る、充電制御回路６０４により実行される充電制御と、３）電気出力電圧を電気出力６１２に調整するために使用し得る、ステップダウン回路６０８により実行される電圧のステップダウンとが含まれる。電圧のステップダウン６０８により、トランスデューサ２０の出力を、電池６１０のような負荷６１４（例えば、ＬＥＤ）駆動回路に取り込むことが可能になる。特定の実施形態において、電圧のステップダウン６０８により、電圧は電池６１０（例えば、１２Ｖではなく１２．７Ｖ）を僅かに上回るレベルまで低減され、ダイオードを使用して電流及び電力の流れを制御できるようになる。
【０１０７】
本発明において説明した回路では、負荷６１４を駆動する多数の手法が考えられる。一実施形態において、電池６１０及び低電圧出力６１２は、負荷６１４に対して切り替えが行われる。したがって、出力６１２は、電池６１０及び／又は負荷６１４へ直接又は間接的に進み得る。インダクタ回路（例えば、図１８参照）での使用に適した別の駆動回路では、トランスデューサ２０の放電路に負荷６１４を配置する。これにより、電気負荷は、電圧が「浮動」する状態となる（即ち、高分子トランスデューサが充電−放電サイクルのどの部分にあるかに応じて電圧が変化するか、或いは、負荷の一方の端子を、接地等の電圧に固定し、残りの回路において電圧を浮動させることができる）。この方法は、一部の負荷に応用を不可能にする多少の制限を有するが、トランスデューサ２０により負荷を駆動するための単純且つ効率的な低コストの方法を提供する。充電中にも負荷に電力を供給可能であるため、例えば、充電及び放電中に退路が点滅する。一部の実施形態において、トランスデューサ２０からの電気エネルギは、インダクタを介したエネルギの移動と同時に負荷のために「全体から」取り出されるため、インダクタは、このエネルギを扱う必要が無く、サイズを小さくできる。多くのインダクタ回路において、インダクタは、電流の流れを制限し、負荷は、調節電子機器２０２から過剰な電力を引き出さない。負荷６１４をトランスデューサ２０の放電路に配置することで、直列の多数のＬＥＤといった負荷に電力を提供するステップダウン回路の必要性もなくなる。
【０１０８】
図示したように、電池６１０は、電気活性高分子２０に対して小さなバイアス電圧を提供するためにも使用される。ここでの使用に適した調節電子機器２０２の詳細な説明は、出典を明記することでその開示内容を本願明細書の一部とする保有者共通の特許第６，７６８，２４６号に記載されている。
【０１０９】
図１６Ａ及び１６Ｂは、本発明の特定の実施形態による、海洋装置において使用するのに適した二種類のサンプルステップダウン回路を示す図である。
【０１１０】
図１６Ａは、二個のトランジスタ６５２及び６５４を含む簡略化したトランスステップダウン回路６５０を示す。トランジスタ６５２は、接地を基準電位とする。トランジスタ６５４は浮動し、外部制御のため、スイッチ６５５との分離した結合を使用する。Ｖhighは、電気活性高分子の電圧を示し、Ｖout６１２は、出力電圧を示す。トランジスタスイッチ６５２及び６５４の制御切り替えにより、トランスの一次側が駆動され、トランスの二次側は、低電圧ＡＣ出力を提供し、低電圧ＡＣ出力は整流され、ＤＣ又は単一極性の定電圧出力Ｖout６１２が提供される。
【０１１１】
図１６Ｂは、簡略化したインダクタステップダウン回路６６０（或いはバック回路）を示す。高電圧トランジスタスイッチ６６２では電圧が浮動し、分離トランス６６４は、外部制御用のスイッチに結合する。ここでも、Ｖhighは、電気活性高分子の電圧を示し、Ｖout６１２は、出力電圧を示す。図示していない制御又はタイミング回路は、分離トランス６６４の一次側を脈動させる。トランスの二次側で結果的に生じた電圧により、トランジスタ６６２がオンになり、これにより、インダクタに電流を流すことができる。インダクタを介した電流の流れは、接地されたダイオードと共に、バック回路構成において定電圧出力Ｖout６１２を提供する。回路の左右にあるキャパシタは、電気負荷を平滑化するもので、多くの場合には省略できる。トランジスタスイッチ６６２は、ＥＰＡＭ及び負荷キャパシタ（左側のＶhighの近く）のエネルギが消耗した時、トランス６６４の二次電圧の自然減衰によりオフになり、或いは、トランジスタ６６２を明確にオフにするために、タイミング又は制御回路によりカウンタパルスが印加された時にオフになる。小量のエネルギが一秒間に何度も伝送される高周波スイッチでは、カウンタパルスが好ましいが、全てのエネルギを一つのパルスで効率的に伝送できる場合（即ち、インダクタ又はスイッチが電流を効率的に処理できる場合）、自然なスイッチオフで十分となり得る。
【０１１２】
一般に、インダクタステップダウン回路６６０の方が単純だが、トランスステップダウン回路６５０は、ステップダウン比が高く、より効率的になり得る。
【０１１３】
電気活性高分子発電機は、他の収穫調節回路２０２を利用してエネルギの回収を支援し得る。二種類の適切なエネルギ回収回路設計には、誘導性チャージポンプ回路と、容量性チャージポンプ回路とが含まれる。
【０１１４】
図１７Ａは、本発明の特定の実施形態による、容量性チャージポンプ収穫回路７００を示す。収穫回路７００は、比較的単純であり、スイッチングを必要とせず、広範な電気活性高分子の歪み（又は電気容量の変化による電圧利得）において良好に動作する。
【０１１５】
収穫回路７００は、１２Ｖ等の低電圧又は他の何らかの標準入力において回路を初期充電する入力電圧７０２を使用する。回路７００への初期充電後、電気活性高分子トランスデューサ２０は、電圧を高める。ダイオード７０４は、システムの充電の際に逆流を防止する。バッファキャパシタ７０６及び７０８は、高電圧エネルギを蓄積する。結合キャパシタ７１０及び７１２は、ＥＰＡＭからバッファキャパシタ７０６及び７０８へエネルギを伝送する。Ｒは、負荷と、収穫回路７００にとって有益な仕事とを表す。こうしたキャパシタの電気容量は、電気活性高分子の最大の電気容量より大きくなるように選択される。
【０１１６】
図１７Ｂにおいて別個に示したように、収穫回路７００は、複数の電気活性高分子トランスデューサ２０が回路７００において機能するのを可能にするために使用し得る反復ユニット７２０を含む。これにより、各電気活性高分子トランスデューサ２０からの貢献分が累積的に追加される。この場合、各反復ユニット７２０は、電気活性高分子２０に対する出力７２２と、結合キャパシタ７１０と、バッファキャパシタ７０８と、別の反復ユニット７２０への入力７２４と、前の反復ユニット７２０からの出力７２６（これが一連の反復ユニット７２０の最初である場合は接地）とを含む。
【０１１７】
図１８は、本発明の別の特定の実施形態による、誘導性チャージポンプ収穫回路７４０を示す。収穫回路７４０は、より効率的だが、スイッチングと、より高く一貫した電気活性高分子からの歪み入力とを利用する。
【０１１８】
誘導性回路７４０は、同様に、低電圧で回路を初期充電する入力電圧７０２を使用する。回路７００への初期充電後、電気活性高分子トランスデューサ２０は、回路７４０の電圧を高める。ダイオード７０４は、システムの充電の際に逆流を防止する。Ｒは、ここでも負荷と、収穫回路７００にとって有益な仕事とを表す。誘導性回路７４０は、更に、インダクタ７４６とバッファキャパシタ７４８とを含む。インダクタ７４６は、ＥＰＡＭの最大蓄積電気エネルギを扱うのに適したインダクタンスを含む。概して言えば、Ｔ１≪Ｔ２及びＴ３≪Ｔ４を理想的に達成するためにインダクタンスＬが選択され、ここでＴ１は、電極抵抗と電気活性高分子の電気容量とに基づくＲＣ時定数（ＥＰＡＭの自然減衰時間）であり、Ｔ２は、最小のＥＰＡＭ電気容量をＣとする、インダクタ容量回路のＬＣ時定数の１／２であり（概算として、Ｔ２＝π｛ＬＣ｝0. 5）、Ｔ３は、最大の電気活性高分子電気容量をＣとするＬＣ時定数の１／２であり、Ｔ４＝Ｌ／Ｒｓであり、Ｒｓは、インダクタの抵抗、電極抵抗、ダイオード及びスイッチ（オン状態）による寄生抵抗を含む合計直列抵抗である。１ｍＨ乃至約１Ｈの範囲のインダクタンスは、多数の実施形態に適しており、通常、電気活性高分子の電気容量と相対的に選択される。
【０１１９】
動作中、スイッチ７４２は、伸張状態（高い電気容量）の電気活性高分子トランスデューサ２０を荷電するために短時間閉じる。荷電後、スイッチ７４２は再び開く。次に、スイッチ７４４は、収縮状態（低い電気容量）にある電気活性高分子トランスデューサ２０を放電させるために短時間閉じる。荷電後、スイッチ７４４は再び開く。
【０１２０】
誘導回路を使用する収穫調節回路２０２は、これにより、電気活性高分子の電圧をオン／オフに切り替える。このスイッチングは、機械的な接触により、或いは、例えば、制御信号を用いて、電気的に実行し得る。特定の実施形態において、機械的接触は、最大及び最小ストローク位置に準備され、こうした位置でのストローク状態を調節回路２０２へ自動的に知らせる。高電圧トランジスタによるスイッチングも適切である。電気活性高分子が極限位置となる時期を示すセンサも使用し得る。
【０１２１】
誘導性回路７４０は、電気活性高分子が大幅に伸縮する時に効率的に動作する。一つ以上の電気活性高分子が大きな歪み条件で動作するのを助けるように、様々な機械伝達体系及び／又は電気的タイミングを構成できる。例えば、機械エネルギ伝達システム１５は、低い剛性と、速い電気活性高分子の応答とを考慮して構成し得る。
【０１２２】
図１９Ａ及び１９Ｂは、本発明の特定の実施形態による、電気活性高分子発電機３５０で使用するように設計された、揺動質量体３５２を有する機械エネルギ伝達システムを含む自給式ユニット３４０を示す図である。
【０１２３】
この場合、海洋装置の移動は、ピボット３５６を中心とした質量体３５２の前後への揺動を発生させる。自給式ユニット３４０は、バネが追加される場合、倒立振り子又はオーバーセンタ機構を使用して負のバネ定数を提供する。電気活性高分子３５０は、質量体３５２に取り付けられた振り子腕部３５４に結合し、質量体３５２が揺動する際に電気活性高分子３５０が偏位するようになる。電気活性高分子３５０の偏位は、電気エネルギを発生させるのに使用される。更に、電気活性高分子３５０は、上述したような一部の実施形態における制御可能な剛性を含め、システムに剛性を提供する。
【０１２４】
自給式ユニット３４０は、水中の海洋装置１０の上下運動及び傾斜（又は揺れ）運動の両方を質量体３５２の運動へ変換する。言い換えると、自給式ユニット３４０は、単一のデバイスにおいて、（垂直運動に加え）角運動及び側方運動を結合する手段を提供する。自給式ユニット３４０は、更に、低周波数の波環境において役立つ周波数の二重化を提供する（振り子が最上点を通過する時に電気活性高分子３５０は二度伸張及び弛緩する）。倒立振り子に取り付けた緩みケーブル３５８は、電気活性高分子３５０の速い拡張及び収縮を可能にする非線形バネを追加し、これにより、電気活性高分子における漏れ損失を低減する。周波数二重化により、単一の波サイクルにおいて、電気活性高分子３５０の拡張及び収縮を二サイクル発生させることができる。したがって、同じ電力出力を生成するのに必要な電気活性高分子材料の量が半分になる（或いは、同じ量の材料を、低い電圧又は歪みで動作させることができる）。
【０１２５】
電気活性高分子発電機が発生させた電気出力は、通常、高電圧である。高電圧の電気エネルギは、直接使用すること（閃光灯用等）、高電圧でキャパシタに蓄積すること、及び／又は、電池を充電することが可能である。発電回路は、高電圧を降下させる能力を有してもよい。「バック」回路として知られる単純な誘導性ステップダウン回路は、多くの場合の電圧降下に適している。
他の海洋装置
【０１２６】
本節では、機械エネルギ伝達システム１５及び電気活性高分子発電機２０が役立つ可能性のある他の海洋装置及び用途を説明する。
【０１２７】
こうした海洋装置の一つは、特に電気エネルギの発生用に配備された海洋発電機である海岸近くに位置する発電機では、波力を使用して、海岸近くに位置した設備にエネルギを供給できる。こうした設備は、護岸又は防波堤に配置された航行灯を含み得る。電気は、海岸近く又は島に位置した産業への供給にも使用できるため、電気を長距離に渡って、或いは水面を越えて、伝送する必要性が取り除かれる。波力は、燃料源を必要とせず、廃水を全く発生させないため、一般的なニーズのためにクリーンなエネルギを供給することにも使用できる。
【０１２８】
波力発電デバイスの位置は、機能が補完されるため、既存又は計画防波堤又は護岸の近くが有利である。波力デバイスは、護岸又は防波堤に当たる波を穏やかにする傾向がある。一部の波は反射されるため、防波堤又は護岸は、装置の波を増幅するのに役立つ場合がある。護岸又は防波堤は、発電装置の望ましい係留地点の役割を果たす場合もある。
【０１２９】
特定の一用途において、海洋装置は、海岸線の水深の深い領域、或いは酸水域の既存の防波堤又は同様の護岸構造の近くにおいて見られる大きな波の力を収穫する浮揚防波発電装置である。例えば日本の海岸線において、こうした波は、七乃至八秒周期の頂点から谷の平均波高が二メートルになる場合が頻繁にある。本明細書で説明した海洋発電機は、別の場所の既存又は特別に作成した護岸及び防波堤に隣接させて配置し得る。その位置のため、海洋発電機は、護岸又は防波堤を浸食から保護するのにも役立つ。
【０１３０】
発電機からの電気出力は、近くの護岸又は防波堤にある航行灯への電力供給に使用されるか、或いは、配電網への供給等の様々な一般的用途に使用し得る。配電網への供給において、海洋装置は、発生させた電気エネルギを浮揚海洋装置から配電網接続部へ移送するテザー又は他の形態の電気的連絡を含む。電力は、他の海洋又は航空航行支援への電力供給、近隣の建物向けの電力の生成、或いは更に遠隔地域への伝送用としても使用し得る。
【０１３１】
図２０乃至２１は、本発明の特定の実施形態による海洋装置４００を示す。図２０は、護岸４０４の前にあり、海洋装置４００の長軸に対して直角を成す到来波４０５ａを受けるように構成された海洋装置４００を示す。図２１Ａ及び２１Ｂは、本発明の特定の実施形態による、海洋装置４００の二つの回転位置に対する係留索４２０を有する海洋装置４００を示す。
【０１３２】
上述したように、ここで説明した多くの海洋装置は、電気エネルギ回収のために本体と相対的に移動するエネルギ貯蔵質量体を含まない機械的伝達システムを有し得る、この場合。この場合、防波発電装置４００は、波力を使用して電気エネルギを発生させ、係留索４２０に結合された浮揚チャンバ４０２を含む機械エネルギ変換システムを有する。
【０１３３】
浮揚チャンバ４０２は、装置４００が少なくとも部分的には水上に浮揚するように構成される。浮揚チャンバ４０２は、波エネルギを一つ以上の公知の方向に沿った機械エネルギ、即ち、長軸（図２１Ａの紙面に対して垂直）を中心とした浮揚チャンバ４０２の回転に変換する。浮揚チャンバ４０２は、例えば、可膨張式のプラスチック、或いはコンクリート又はプラスチックで覆われた発泡体を含み得る。浮揚チャンバの外形は、波の運動、及び発電装置４００が浮揚する水の表面レベルの変化に反応する。この場合、浮揚チャンバ４０２は、軸線（図２０参照）に対して直角に移動する水面レベルの変化に反応する、図２１Ａに示した軸線方向のプロフィールを含む。したがって、到来波により、浮揚チャンバ４０２は、図２１Ａ及び２１Ｂに示したように、その長軸を中心に回転し、前後に傾く。
【０１３４】
係留索４２０は、浮揚チャンバ４０２の重心の両側において、浮揚チャンバ４０２の前部及び後部に取り付けられる。浮揚チャンバ４０２の軸線を中心とした回転により、係留索４２０は伸縮する（図２１Ａ及び２１Ｂ参照）。特定の実施形態において、係留索４２０は、係留索４２０の線形偏位を電気エネルギに変換する一つ以上の電気活性高分子発電機をそれぞれ含む。この場合、図２１Ａに示したように、係留索４２０は、電気活性高分子デバイスの底部に結合された剛体ケーブルを含み、電気活性高分子デバイスは、その上端部において、別の剛体ケーブル及び浮揚チャンバ４０２に結合する。ロール型電気活性高分子は、係留索４２０において使用するのに適している。連結した電気活性高分子も、連続して積み重ねて、長さを短くした電気活性高分子デバイスを提供し得る。この場合、ゴム又は金属製の密封蛇腹を係留索４２０に追加して、電気活性高分子デバイスを被覆、密封、及び保護してよい。
【０１３５】
各浮揚チャンバ４０２の両端部（図２０参照）の両側（図２１Ａ参照）において係留索４２０ａ及び４２０ｂを使用することで、電気活性高分子デバイスは、チャンバ４０２の数種類の運動（到来波４０５ａ及び横波４０５ｂの両方における高さの増加、揺れ、及び傾斜等）により伸縮可能となり、デバイス４００は、殆ど全ての波方向及び波表面レベルの変化により電力を発生させることができる。
【０１３６】
図２２Ａ及び２２Ｂは、本発明の別の特定の実施形態による、二つの回転位置にある海洋４００ｂを示す図である。海洋発電機４００ｂは、二つの内部空洞４３２及び４３４を分離した内部電気活性高分子４３０を含む。内部空洞４３２は、水等の液体４３６を含む。図示したような水の表面レベルの変化又は通過する波に応答した海洋装置４００ｂの回転は、海洋デバイス４００ｂを回転させると共に、ダイアフラム電気活性高分子４３０を断続的に押すように液体４３６をチャンバ４３２内で移動させ（図２２Ａ）、これにより高分子４３０を伸張させる。
【０１３７】
電気制御回路は、高分子４３０の偏位状態を監視し、ダイアフラム高分子４３０の偏位状態に応じて、高分子４３０において電流を追加及び除去する。特定の実施形態において、電気活性高分子４３０は、高分子４３０の偏位状態を検知する回路と通信する。電気活性高分子を使用した検知は、出典を明記することでその開示内容全体を実質上本願明細書の一部とする保有者共通の特許第６，８０９，４６２号に記載されている。
【０１３８】
海洋装置４００ｂの別の実施形態は、第二の空洞４３４に液体４３６を含む。これにより、液体４３６は、図２２Ｂに示した位置にある時に高分子４３０を押し、時計回り及び反時計回り両方向の海洋装置４００の回転運動について高分子４３０に電力が供給される。
【０１３９】
海洋装置４００ｂの別の実施形態において、内部空洞４３２及び４３４は、内部に液体を含んだ海洋装置４００ｂの内部空洞周囲に外部空洞を形成する。場合によっては、これにより、高分子に伝達される機械エネルギが二重化される（収穫される電気エネルギが二倍になる可能性がある）。
【０１４０】
海洋発電機４００は、電気活性高分子４３０及び係留索４２０を共に含む。これにより、装置４００は、装置の何らかの並進又は回転を含む、あらゆるチャンバ４０２の運動に対して電気エネルギの発生させることができる。これには、前方から、或いは反射され後方から、壁４０４に対して直角に移動する波４０５と、横波４０５ｂ（図２０）とを含む。
【０１４１】
図２３Ａ乃至２３Ｃは、本発明の別の実施形態による防波発電機システム４５０を示す。図２３Ａは、システム４５０の斜視図を示し、図２３Ｂは、システム４５０において使用される二つの隣接する発電機４５２の側面図であり、図２３Ｃは、システム４５０における発電機４５２間の相互接続の上面図を示す。
【０１４２】
まず図２３Ｂを参照すると、各発電機４５２は、フレーム４５４と、水ブレーキ４５６と、浮き４５７と、少なくとも一つの機械エネルギ伝達システム４５５とを含む。
【０１４３】
水ブレーキ４５６は、フレーム４５４の底部に取り付けられ、発電機が配備された時の水面レベル４５８より下に位置し、各発電機４５２の垂直運動に抵抗する。
【０１４４】
機械エネルギ伝達システム４５５ａは、フレーム４５４に対して垂直に整合させ、水ブレーキ４５６に対して機械的に結合する部分と、水面レベル４５８より上に位置するフレーム４５４の部分に機械的に結合する第二の部分とを含む。変化する水面レベル４５８は、機械エネルギ伝達システム４５５ａと、それに接続された発電機とにおいて、差動垂直運動を形成する。一実施形態において、機械エネルギ伝達システム４５５ａは、水ブレーキ４５６に機械的に結合し且つフレーム４５４と相対的に垂直に並進するするロッドを含む。この相対運動は、機械エネルギ伝達システム４５５に結合された発電機により電気エネルギを発生させるのに使用される。例えば、電気活性高分子の一部を機械エネルギ伝達システム４５５のロッドに結合させ、電気活性高分子の別の部分を、機械エネルギ伝達システム４５５の静止部分（フレーム４５４に対して静止）或いはフレーム４５４に結合する。特定の実施形態において、フレーム４５４は、金属又は剛性プラスチックを含み、水ブレーキ４５６は、例えば、被覆した発泡スチロール、金属、剛性高分子、グラスファイバ、又はセメントを含み得る。
【０１４５】
発電機システム４５０は、発電機４５２間の相対運動を収穫する。システム４５０内の発電機４５２は、図２３Ｃにおいて上面から図示した格子構造により結合される。格子構造は、コネクタ４６０の配列を含む。この場合、コネクタ４６０は、直線であり、二つの隣接する発電機４５２を結合しており、他の接続設計も使用に適する。格子構造内の一本以上の直線コネクタ４６０は、二つの隣接する発電機４５２に結合する機械エネルギ伝達システム４５５を含み、隣接する二つの発電機４５２間の相対運動により、機械エネルギ伝達システム４５５の二部分が相対運動により偏位するようになる。例えば、伝達システム４５５のロッド又は一方の端部は、第一の発電機４５２のフレーム４５４に機械的に結合し、伝達システム４５５のプランジャ又は他方の端部は、第二の隣接する発電機４５２のフレーム４５４に機械的に結合する。これにより、隣接発電機４５２間の相対的な横運動は、機械エネルギ伝達システム４５５において偏位を発生させ、この偏位は、電気エネルギの発生のために公知の偏位と共に収穫し得る。
【０１４６】
システム４５０の格子は、運動を取り込むのに適している。ａ）発電機４５２間の（例えば、水に対して水平な平面における）相対的な横運動と、ｂ）発電機４５２間の相対的な揺れ運動と、ｃ）発電機４５２間の相対的な垂直運動と、ｄ）それらの組み合わせとを介して、運動を取り込むのに適している。波の運動は一般に予測できないため、システム４５０の利点は、運動の方向に関係なく、波の三次元運動を収穫する点にあり、これにより、システムは、波運動の予測不可能性と個別の発電機４５２に対する影響とにかかわらず、波エネルギを収穫できる。
【０１４７】
システム４５０は、モジュール式である。このため、システム４５０は、特定の用途に合わせて、発電機４５２の数及び総電気出力を容易に増減可能である。図２３Ａは、発電機４５２の連続体を示しており、必要に応じて長さを延ばし、長い鎖を形成し得る。発電機４５２は、発電機４５２数台の幅と、発電機数台の長さとを有する、面積の広い「パッチ」が形成されるように反復させてもよい。システム４５０のサイズ及び形状は、局所的な地形及び波の状態に適応させてもよい。建生場、発電機４５２を追加することで、システム全体の慣性効果により機械エネルギ伝達システム４５５の反力が増加し、荒れた海洋環境において、より多くの電気エネルギを発生できる。
【０１４８】
一実施形態において、システム４５０は、余剰な発電機４５２数を含む。この余剰設計により、システム４５０は、ａ）一定の面積の海から、より多くのエネルギを回収すること、及び／又はｂ）エネルギの収穫は少なくなるが、一つ（以上）の発電機４５２の故障に対応する耐障害性を含むことが可能となる。
【０１４９】
システム４５０は、更に、初期配備後に拡張又は修理し得る。各発電機４５２の自給式ユニット４６及び他の多くの稼働部品は、水位線４５８より上に位置しており、容易に組み立て又は（交換を含む）点検が可能である。
【０１５０】
防波発電機４００及び４５０は、柔軟に配置し得る。既存の防波堤又は護岸４０４の前に配置することで、発電機４００は、反射された波を利用して応答性を高めることができる。防波発電機４００はモジュラ式であるため、必要な出力に応じて小さな単位又は大きな単位で動作可能であり、浮揚チャンバ４０２及び係留ケーブル４２０を連続して壁４０４に沿って追加して、様々な量の発電が可能となる。壁４０４に直角となる方向で、追加のラインを並列ラインに対して配置してもよい。システム４５０は、同様の数の係留オプションを有する。各水ブレーキ４５６は、海底又は防波堤に係留可能であり、或いは、僅かな水ブレーキのみを海底に係留することも可能である。
【０１５１】
本明細書で説明した機械エネルギ伝達システム及び発電機が役立つ可能性のある他の海洋装置は、航路の案内、波エネルギを減少させるように構成された波減衰機、浮揚障壁、又は任意の浮揚海洋装置を含む。
方法
【０１５２】
本発明は、更に、海洋装置において電気エネルギを発生させる方法に関する。図２４は、本発明の一実施形態による電気エネルギを発生させる方法５００を示す。
【０１５３】
方法５００は、海洋装置が水上に浮揚する時に本体の一部が水面レベルの上方に位置するように、海洋装置を水上に浮揚させることで開始される（５０２）。海洋装置は、機械エネルギ伝達システムと、電気活性高分子発電機とを含む。一実施形態において、機械エネルギ伝達システム及び電気活性高分子発電機は、初期配備から長時間経過後に海洋装置に追加された自給式ユニットに含まれる。特定の実施形態において、海洋装置は、機械エネルギ伝達システム及び電気活性高分子発電機が製造中に追加された機械エネルギ伝達システム及び電気活性高分子発電機を備えたカスタムメイドである。海洋装置は、海洋装置が水中で浮揚する時に本体の一部が水面レベルの上方に位置するように構成される。
【０１５４】
機械エネルギ伝達システムは、水からの機械エネルギを電気活性高分子発電機へ伝達する（５０４）。これは、水面レベルが変化し、水面レベルの変化に応答して機械的伝達システムが海洋装置本体と相対的に移動した時に発生する。上述したように、移動部分は、水面レベルが変化した時に海尉用装置本体と相対的に移動するプルーフマス又はロッド（例えば、水中の水ブレーキに取り付けられたもの）を含み得る。例えば、海洋装置は、水面レベルが上昇した時、移動部分とは異なる速度で、或いは異なるレベルまで、上昇する。或いは、海洋装置は、水面レベルが変化した時に傾斜し、プルーフマス又はロッドにおいて本体と相対的な差動運動を発生させる。この意味での傾斜は、波により乱れる前の位置からのデバイスの任意の回転又は揺れを示す。
【０１５５】
エネルギ貯蔵質量体又はロッドは、通常、エネルギ貯蔵質量体又はロッドと海洋装置本体との間に自由度が存在することから、本体と相対的に移動する。一実施形態において、エネルギ貯蔵質量体は、直線スライド又は回転結合等の単一の自由度に沿って移動する。別の実施形態において、エネルギ貯蔵質量体に関連する剛性は、機械エネルギ伝達システムの共振周波数が海洋装置とほぼ等しくなるように設計及び構成される。この動的振動吸収は、エネルギ貯蔵質量体の運動を増加させ、電気エネルギへの変換に利用可能な抑制機械エネルギの量を増加させる。別の特定の実施形態において、剛性は、制御回路により反応的且つリアルタイムに同調及び一致させ、海洋装置とほぼ等しい機械エネルギ伝達システムの共振周波数を提供する。
【０１５６】
別の実施形態において、エネルギ貯蔵質量体は使用されない。代わりに、波により、電気活性高分子発電機の二端部間の変位を発生させる。この変位を使用して電気を発生させる。
【０１５７】
上述した機械エネルギ伝達システム及び発電機の多くは、波の間の水面レベルの変化における相違及び非一貫性に関係なく、波エネルギを取り込んで変換するのに適している。したがって、本発明は、変化する一貫性のない水面レベルの移動と、波の荒い状況で見られるような、特性の変化する波とを扱うのに適している。
【０１５８】
その後、電気活性高分子発電機と、移動部分及び海洋装置本体間の相対運動とを使用して、電気エネルギを発生させる（５０６）。電気エネルギは、即時使用、電圧の変換、及び／又は後の使用のための貯蔵が可能である。
【０１５９】
以上、本発明を幾つかの好適な実施形態により説明してきたが、簡潔にするため説明を省略した、本発明の範囲に含まれる変形例、置換例、及び等価物が存在する。例えば、幾つかの高分子材料及び形状より本発明を説明してきたが、本発明は、こうした材料及び形状に限定されない。したがって、本発明の範囲は、添付特許請求の範囲の各請求項を参照して判断されるべきである。
［関連出願の説明］
【０１６０】
本願は、米国特許法第１１９（ｅ）条に基づき、それぞれ出典を明記することでその開示内容全体を実質的に本願明細書の一部とする、ａ）Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅらを発明者とした２００６年５月６日提出の同時係属米国仮特許出願第６０／７９７，９７４号「電気活性高分子を使用した風力及び波力発電機」と、ｂ）Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅらを発明者とした２００６年１０月１８日提出の同時係属米国仮特許出願第６０／８５２，７１８号「電力発電」とに基づく優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明による、波エネルギを収穫する方法の概略を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、簡略化した海洋装置を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、二つの波高の例におけるブイを示す図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、動吸収器を含む機械エネルギ伝達システムを示す図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、動吸収器を含む機械エネルギ伝達システムを示す図である。
【図５Ａ】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図６】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図７】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図８】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図９】本発明の様々な実施形態による、海洋装置を示す図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による、海洋装置の概略図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による、偏位前後のトランスデューサの上面斜視図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態による、偏位前後のトランスデューサの上面斜視図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、電気活性高分子トランスデューサを利用した発電機からのエネルギの収穫サイクルの例を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の特定の実施形態による、機械エネルギ及び電気エネルギ間での変換を行う直線運動デバイスを示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の特定の実施形態による、機械エネルギ及び電気エネルギ間での変換を行う直線運動デバイスを示す図である。
【図１４Ａ】本発明の特定の実施形態による、機械／電気エネルギ変換に適したロール型電気活性高分子デバイスを示す図である。
【図１４Ｂ】本発明の特定の実施形態による、機械／電気エネルギ変換に適したロール型電気活性高分子デバイスを示す図である。
【図１４Ｃ】本発明の特定の実施形態による、機械／電気エネルギ変換に適したロール型電気活性高分子デバイスを示す図である。
【図１５】調節電子機器に接続されたトランスデューサを示すブロック図である。
【図１６Ａ】本発明の特定の実施形態による、海洋装置において使用するのに適した二種類のサンプルステップダウン回路を示す図である。
【図１６Ｂ】本発明の特定の実施形態による、海洋装置において使用するのに適した二種類のサンプルステップダウン回路を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の特定の実施形態による、容量性チャージポンプ収穫回路を示す図である。
【図１７Ｂ】本発明の特定の実施形態による、容量性チャージポンプ収穫回路を示す図である。
【図１８】本発明の別の特定の実施形態による、誘導性チャージポンプ収穫回路を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の特定の実施形態による、電気活性高分子発電機で使用するように設計された、揺動質量体を有する機械エネルギ伝達システムを含む自給式ユニットを示す図である。
【図１９Ｂ】本発明の特定の実施形態による、電気活性高分子発電機で使用するように設計された、揺動質量体を有する機械エネルギ伝達システムを含む自給式ユニットを示す図である。
【図２０】護岸の前にあり、海洋装置の軸線に対して直角を成す到来波を受けるように構成された海洋装置を示す図である。
【図２１Ａ】本発明の特定の実施形態による、二つの回転位置に係留索を有する海洋装置を示す図である。
【図２１Ｂ】本発明の特定の実施形態による、二つの回転位置に係留索を有する海洋装置を示す図である。
【図２２Ａ】本発明の別の特定の実施形態による、二つの回転位置にある海洋装置を示す図である。
【図２２Ｂ】本発明の別の特定の実施形態による、二つの回転位置にある海洋装置を示す図である。
【図２３Ａ】本発明の別の実施形態による、防波発電システムを示す図である。
【図２３Ｂ】本発明の別の実施形態による、防波発電システムを示す図である。
【図２３Ｃ】本発明の別の実施形態による、防波発電システムを示す図である。
【図２４】本発明の一実施形態による、電気エネルギを発生させる方法を示す図である。
【国際調査報告】
2009536709.tif 000040