(57)【要約】【解決手段】機械エネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される平衡多相型エネルギー変換装置が開示される。エネルギー変換装置は、複数のトランスデューサを備えるものでもよい。複数のトランスデューサは、各々、誘電エラストマーモジュールを備え、誘電エラストマーモジュールは、少なくとも第１の電極と第２の電極との間に配置される少なくとも１つの誘電エラストマーフィルム層を備える。伝達連結機構は、機械エネルギー源に連結され、複数のトランスデューサに動作可能に取り付けられる。伝達連結は、伝達連結機構に作用する機械エネルギーに応じて、複数のトランスデューサを周期的に歪ませ、緩和させる。伝達連結機構は、仕事サイクルを備える。複数のトランスデューサは、受動的歪みエネルギーの合計が一定になるように、仕事サイクル内で、均等に割り振られた位置に配置される。【選択図】図１４
2014531188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械エネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される平衡多相型エネルギー変換装置であって、
各々誘電エラストマーモジュールを備える複数のトランスデューサであって、前記誘電エラストマーモジュールが、少なくとも第１の電極と第２の電極との間に配置される少なくとも１つの誘電エラストマーフィルム層を備える、複数のトランスデューサと、
前記機械エネルギー源に連結されて、前記複数のトランスデューサに動作可能に取り付けられるように構成された伝達連結機構であって、当該伝達連結機構に作用する機械エネルギーに応じて前記複数のトランスデューサを周期的に歪ませ、緩和させる伝達連結機構と
を備え、前記伝達連結機構は仕事サイクルを備え、前記複数のトランスデューサは、受動的歪みエネルギーの合計が一定になるように、前記仕事サイクル内で均等に割り振られた位置に配置される
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
前記複数のトランスデューサは、第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとを備え、
前記第１及び第２のトランスデューサは、前記仕事サイクルにおける対称点に配置された
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
前記複数のトランスデューサは、第３のトランスデューサと第４のトランスデューサと第５のトランスデューサと第６のトランスデューサとを備え、
前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６のトランスデューサは、前記仕事サイクルに沿って均等に割り振られて配置された
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項４】
請求項３記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
前記最初の６つのトランスデューサと共に、前記仕事サイクルに沿って、均等に割り振られて配置される少なくとも１対の別のトランスデューサを備えた平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項５】
前記伝達連結機構は、回転運動を往復運動に変換する請求項１から請求項３のいずれか一項記載の平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項６】
前記伝達連結機構は、一対の対向型逆回転発電機要素を備えた請求項５記載の平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項７】
請求項６記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
前記伝達連結機構はシャフトを備え、
前記一対の対向型逆回転発電機要素は、第１のスワッシュプレートと第２のスワッシュプレートとを備え、前記第１及び第２のスワッシュプレートは、前記第１及び第２のスワッシュプレート上に形成される１つまたは複数のジョイントを規定し、前記第１及び第２のスワッシュプレートは、前記シャフトに動作可能に連結された
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項８】
前記第１及び第２のスワッシュプレートは、前記シャフトの軸からオフセットされている請求項７記載の平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項９】
請求項７記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
さらに、前記第１のスワッシュプレートにおける第１のジョイントに動作可能に連結される第１の端部を有する第１のハンガープレートと、
前記第２のスワッシュプレートにおける第１のジョイントに動作可能に連結される第１の端部を有する第２のハンガープレートと、を備え、
前記第１及び第２のハンガープレートは、前記第１のトランスデューサに連結されると共に、前記第１及び第２のスワッシュプレート上にそれぞれ配置される前記第１のジョイントに動作可能に連結され、
さらに、前記第１のスワッシュプレートにおける第２のジョイントに動作可能に連結される第１の端部を有する第３のハンガープレートと、
前記第２のスワッシュプレートにおける第２のジョイントに動作可能に連結される第１の端部を有する第４のハンガープレートと、を備え、
前記第３及び第４のハンガープレートは、前記第２のトランスデューサに連結されると共に、前記第１及び第２のスワッシュプレート上にそれぞれ配置される前記第２のジョイントに動作可能に連結された
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１０】
前記１つ又は複数のジョイントは、ボールジョイントを備えた請求項７から請求項９のいずれか一項記載の平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１１】
前記１つ又は複数のジョイントは、ユニバーサルジョイントを備えた請求項７から請求項９のいずれか一項記載の平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１２】
前記伝達連結機構は、正弦カムを備えた請求項５記載の平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
前記正弦カムは、
第１のシャフトプレートと第２のシャフトプレートであって、第１の複数の孔を有する第１のシャフトプレートと、第２の複数の孔を有する第２のシャフトプレートと、
第１の端部と第２の端部とを有する少なくとも１つのカムシャフトであって、前記第１のシャフトプレートと前記第２のシャフトプレートとの間に動作可能に配置され、前記第１の複数の孔の１つと前記第２の複数の孔の一つを通って伸びる少なくとも１つのカムシャフトと、
を備えた平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
さらに、前記少なくとも１つのカムシャフトの前記第１の端部上に配置される第１の取付部と、
第１の取付ブロックと、を備え、
前記第１のトランスデューサは、前記第１の取付部と前記第１の取付ブロックとの間に連結された
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
さらに、前記少なくとも１つのカムシャフトの前記第２の端部上に配置される第２の取付部と、
第２の取付ブロックと、を備え、
前記第２のトランスデューサは、前記第２の取付部と前記第２の取付ブロックとの間に連結された
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれか一項記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
さらに、前記少なくとも第１及び第２の電極に連結される調整回路であって、前記誘電エラストマーフィルムが歪み状態にある場合に、前記誘電エラストマーフィルムに電荷を印加するように構成され、前記誘電エラストマーフィルムが前記歪み状態から前記緩和状態に移行すると、前記誘電エラストマーフィルムから外されるように構成され、また、前記誘電エラストマーフィルムが緩和状態になると、前記誘電エラストマーフィルムから電荷を取り出すように構成される調整回路を備えた
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１７】
請求項１から請求項１６のいずれか一項記載の平衡多相型エネルギー変換装置であって、
前記誘電エラストマーモジュールは、複数の誘電エラストマーフィルム要素を備え、前記複数の誘電エラストマーフィルム要素は、各層に形成される複数のフレーム要素と複数の電極との間に積層された
平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１８】
さらに、前記フレーム要素の少なくとも１つ上に配置されて、前記調整回路を前記複数の電極に連結させるバス電極を備えた請求項１７記載の平衡多相型エネルギー変換装置。
【請求項１９】
機械エネルギー源から平衡多相エネルギーを生成する方法であって、
第１の誘電エラストマーフィルムと第２の誘電エラストマーフィルムとを仕事サイクルにおける対点に配置する工程と、
受動的歪みエネルギーの合計が一定に保たれるように、機械エネルギー源を用いて、前記仕事サイクルの所定の最大歪みまで前記第１及び第２の誘電エラストマーフィルムを交互に歪ませて、緩和させる工程と、
前記第１又は第２の誘電エラストマーフィルムが前記仕事サイクルの前記所定の最大歪みに到達した際に、歪み制御部によって、モニタリングを行う工程と、
前記第１及び第２の誘電エラストマーフィルムが前記仕事サイクルの前記最大歪みに到達した際に、電荷制御部によって、前記第１及び第２の誘電エラストマーフィルムに電荷を移送する工程と、
前記第１及び第２の誘電エラストマーが前記仕事サイクルの所定の最小歪みに到達した際に、前記電荷制御部によって、前記第１及び第２の誘導エラストマー上の電荷を取り出す工程と
を備える方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法であって、
さらに、前記電荷制御部によって、エネルギー蓄積部から電荷を取り出す工程と、
前記第１及び第２の誘電エラストマーフィルムが前記仕事サイクルの前記最大歪みに到達した際に、前記エネルギー蓄積部から取り出した電荷を前記第１及び第２の誘電エラストマーフィルムに移送する工程と
を備える方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法であって、さらに、
電圧モニタまたは歪みモニタの少なくとも１つにより、前記第１及び第２の誘電エラストマーフィルム上の電圧条件または歪み条件の少なくとも１つを求める工程と、
前記制御部に電圧または歪みの測定結果の少なくとも１つを提供する工程と
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願のクロスリファランス］
本出願は、「誘電エラストマー発電機用平衡多相型発電機（BALANCED MULTI-PHASE GENERATOR FOR DIELECTRIC ELASTOMER GENERATORS）」の名称で２０１１年１０月２１日に出願された米国仮特許出願No. 61/549,798に対して、35U.S.C.119(e)に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
本開示は、一般的に、エネルギー変換装置に関する。より詳しくは、本出願は、効率よく機械エネルギーを電気エネルギーに変換する多相配置で構成される電気活性ポリマーアレイに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、ロールジェネレータ等の発電機のような電気活性ポリマーエネルギー変換装置は、発電を行うために高レベルの無効機械動力を必要とする。単一の電気活性ポリマーエネルギー発生器では、機械動力のわずか１５％しか電力に変換できない。カリフォルニア州メンローパークのSRI Internationalは、この変換率を約３０％まで向上させた２相システムを開発したと報じられている。しかしながら、このようなシステムは、全体のシステム効率が８０％を超えるように十分に向上させることはできない。
【０００４】
さらに、電気活性ポリマーは、一般的に発電に高電圧電子回路を必要とする。一部の用途では、単純性が重要であるが、信頼性を犠牲にすることはできない。単純な高電圧電気回路には、一般的に、機能性と保護性とが必要とされる。基本的な電気活性ポリマー発電回路は、プライミング用低電圧源と接続ダイオードと電気活性ポリマー発電機と第２の接続ダイオードと高電圧集電装置とから構成される。しかし、このような回路は、本開示に従う電気活性ポリマー発電機に要求されるような多くのエネルギーをサイクル毎に効果的に得ることができず、かなり高いプライミング電圧源が必要となる。
【０００５】
波エネルギー及び風力エネルギーは毎年何千メガワット時の電気を供給可能な再生可能な資源である。このエネルギーのごく一部を得るだけで、大きな動力源になり得る。たとえば、電気活性ポリマー型発電意を用いるような新しい概念が、多くの課題を解決する助けになると思われる。
【０００６】
本開示は、電気活性ポリマーを用いる改良型エネルギー変換器を提供する。本開示は、従来技術に比べて、効率、信頼性及び全体の性能の観点から、改良された電気活性ポリマー型エネルギー変換器の様々な実施形態を提供する。
【発明の概要】
【０００７】
本開示は、電気活性ポリマー型エネルギー変換装置を提供する。一つの実施形態において、エネルギー変換装置は、機械エネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される。エネルギー変換装置は、複数のトランスデューサを備えるものでもよい。複数のトランスデューサは、各々、誘電エラストマーモジュールを備え、誘電エラストマーモジュールは、少なくとも第１の電極と第２の電極との間に配置される少なくとも１つの誘電エラストマーフィルム層を備える。伝達連結機構は、機械エネルギー源に連結され、複数のトランスデューサに動作可能に取り付けられる。伝達連結は、伝達連結機構に作用する機械エネルギーに応じて複数のトランスデューサを周期的に歪ませ、緩和させる。伝達連結機構は、仕事サイクルを備える。複数のトランスデューサは、受動的歪みエネルギーの合計が一定になるように、仕事サイクル内で均等に割り振られた位置に配置される。
【０００８】
本発明の上記及び他の効果や利点は、以下に記載する「発明を実施するための形態」から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明を説明するが、これは例示を目的としたものであって、何ら本発明を限定するものではない。
【００１０】
【図１】機械エネルギー源から電気を得るために利用可能なエネルギー変換装置を示すブロック図。
【図２】一種の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いてエネルギーを変換するサイクルを示す説明図。
【図３Ａ】一実施形態におけるトランスデューサ部を示す上面斜視図。
【図３Ｂ】電場の変化に応じて撓むトランスデューサ部を示す上面斜視図。
【図４Ａ】誘電エラストマーフィルム等の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いて機械エネルギーを変換するための電気活性ポリマー発電機の１サイクルの一部を示す説明図。
【図４Ｂ】誘電エラストマーフィルム等の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いて機械エネルギーを変換するための電気活性ポリマー発電機の１サイクルの一部を示す説明図。
【図４Ｃ】誘電エラストマーフィルム等の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いて機械エネルギーを変換するための電気活性ポリマー発電機の１サイクルの一部を示す説明図。
【図４Ｄ】誘電エラストマーフィルム等の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いて機械エネルギーを変換するための電気活性ポリマー発電機の１サイクルの一部を示す説明図。
【図４Ｅ】誘電エラストマーフィルム等の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いて機械エネルギーを変換するための電気活性ポリマー発電機の１サイクルの一部を示す説明図。
【図４Ｆ】誘電エラストマーフィルム等の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いて機械エネルギーを変換するための電気活性ポリマー発電機の１サイクルの一部を示す説明図。
【図５】単純な発電回路の一実施形態を示す説明図。
【図６】電気活性ポリマー発電機における一定電荷サイクルのエネルギー対伸張比を表示するグラフ。
【図７】マイクロコントローラ電子回路を用いる電気活性ポリマー発電機による環境発電制御システムの一実施形態を示すブロック図。
【図８】電気活性ポリマー発電機用の高効率エネルギー移動回路の一実施形態を示すブロック図。
【図９】第１及び第２のスワッシュプレートを備える平衡多相型発電機の一実施形態を示す説明図。
【図１０Ａ】第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとを備える平衡多相型発電機の一実施形態を示す説明図。
【図１０Ｂ】第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとを備える平衡多相型発電機の一実施形態を示す説明図。
【図１１】平衡多相型発電機の伝達連結機構を示す自由体図。
【図１２】オフセットされたスワッシュプレートを備える平衡多相型発電機の伝達連結機構を示す自由体図。
【図１３】６つのトランスデューサ部を備える平衡多相型発電機の一実施形態を示す説明図。
【図１４】正弦カムを備える平衡多相型発電機の一実施形態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される電気活性ポリマー型エネルギー変換装置及び電気活性ポリマー型アレイの実施形態を説明する前に、開示される実施形態は、その適用又は利用において、添付の図面及び以下の記載における各部の構造や構成の詳細に何ら限定されるものではないことを明記しておく。開示される実施形態は、他の実施形態や変形例や変更例においても実現又は具現化可能であり、様々な方法で実施または実行可能である。さらに、特に明記しない限り、本明細書で用いられる用語及び表現は、実施形態を説明するために、例示を目的として、また、便宜上選択されたものであり、実施形態を特定の開示に何ら限定するものではない。また、開示される実施形態、実施形態の表現及び実施例のいずれか１つ又は複数は、開示される実施形態、実施形態の表現及び実施例の他のいずれか１つ又は複数と自由に組み合わせることが可能である。したがって、一つの実施形態に開示される要素と別の実施形態に開示される要素とを組み合わせたものも、本開示の範囲及び特許請求の範囲内であると考えられる。
【００１２】
様々な実施形態において、本開示は、電気エネルギーと機械エネルギーとを双方向に変換するために利用可能な電気活性ポリマー型エネルギー変換装置を提供する。「電気活性ポリマー」、「誘電エラストマー」及び／又は「エラストマー誘電体」という用語は、本開示において、同じ意味で用いることが可能である。一実施形態において、本開示は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される電気活性ポリマーフィルムを用いる１つ又は複数のトランスデューサを備える発電機を提供する。別の実施形態において、本開示は、機械エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するように多相構造で構成される電気活性ポリマーフィルムを用いるトランスデューサ・アレイを提供する。また別の実施形態において、本開示は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される電気活性ポリマーフィルム・アレイを用いるトランスデューサ用のエネルギー伝達及び環境発電回路並びに技術を提供する。これら及びその他の具体的な実施形態を以下に記載する。
【００１３】
本出願は、「電気活性ポリマーエネルギー変換器（ELECTROACTIVE POLYMER ENERGY CONVERTER）」の名称で２０１２年３月９日に出願されたＰＣＴ特許出願番号PCT/US12/28406の発明の主題に関係するものであり、参照することによって、その内容全体が本出願に組み込まれる。本出願は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する電気活性ポリマーフィルムを用いる１つ又は複数のトランスデューサを備える発電機の種々の態様、及び、機械エネルギーを電気エネルギーにより効率よく変換する電気回路技術を提供する。一つの実施形態において、発電機モジュールは、カリフォルニア州サニーベールのArtifical Muscle, Inc. (AMI)から市販されている集積誘電エラストマー素子を含む電気活性ポリマートランスデューサを備える。このような発電機を、ここでは、電気活性ポリマー発電機モジュールとも称する。この電気活性ポリマー発電機モジュールは、たとえば、機械エネルギー‐電気エネルギー変換等のエネルギー変換技術を実施するのに適した特性を有する。この電気活性ポリマー発電機モジュールは、２つの電極層の間に誘電エラストマーフィルムを挟持させた伸縮性弾性材料を備える。機械動力を加えて電気活性ポリマー発電機モジュールを歪ませる（伸張させる）ことによって、電極間の誘電エラストマーフィルムの静電容量（キャパシタンス）を変化させる。シード（種）として印可されていた電荷は、フィルムを歪ませると、フィルム電圧を高い値に上昇させ、上昇した電圧を、電気活性ポリマー発電機モジュールの緩和時に集電することが可能である。電気活性ポリマー発電機モジュールは、ダイレクトドライブ（直接駆動）の用途に適しており、拡張性、信頼性及び効率に優れている。
【００１４】
電気活性ポリマー発電機の様々な態様を提供することに加えて、本開示は、発電機の効率を高めるために電気活性ポリマー発電機モジュールと共に利用可能な調整（コンディショニング）用の電子技術ロジック及び回路並びに技術を提供する。以下、これらの技術をそれぞれ別々に説明する。
【００１５】
発電機は、機械エネルギー源に接続され、機械エネルギーの一部を変換して、発電機の１つ又は複数のトランスデューサ部を駆動する１つ又は複数の伝達機構を備えるものでもよい。トランスデューサは、発電機に電気的に接続される調整電子回路と連動して、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。一般的な機械エネルギー源の例としては、静止水、移動水、潮汐、波、風力、太陽、地熱等が挙げられる。
【００１６】
電気活性ポリマーを用いて機械動力から電力を得る基本的な機構は、機械動力に応じて誘電エラストマーが周期的に伸縮を繰り返す際の容量変化である。有用な発電機となるためには、電気活性ポリマー発電機は、緩和・収縮した状態から伸張した状態で少なくとも３倍から４倍の容量変化を生じるものであればよい。電気活性ポリマー発電機に適した性能、効率及び信頼性に寄与する因子としては、誘電体、電極、機械的構成、電子機器、エネルギー密度及びエネルギー効率が挙げられる。
【００１７】
電気活性ポリマーエネルギー変換装置
図１は、機械エネルギー源１０２から電気を得るために利用可能なエネルギー変換装置１００（発電機１００）を示すブロック図である。機械エネルギー源１０２は、１つ又は複数の伝達連結機構１０４を介して、発電機１００に入力可能である。入力された機械エネルギーを、調整電子回路１０８と連動する、１つ又は複数の電気活性ポリマートランスデューサ１０６を用いて、電気エネルギーに変換することができる。また、機械エネルギーの一部を用いて、さらに機械仕事を行うこともできる。調整電子回路１０８は、得られた電気エネルギー１１０を伝達して、電気エネルギーとして出力させるものでもよい。一部の実施形態において、発電機１００を逆に作動させて、電気活性ポリマートランスデューサ１０６に電力を印可することにより機械仕事を行うものでもよい。
【００１８】
発電に用いられる機械エネルギーは、数多くのエネルギー源から供給可能である。たとえば、機械エネルギー源１０２は、静止水、移動水、潮汐、波、風力、太陽、地熱等の環境要因から得られるものでもよい。環境エネルギー源を、水や空気等の作動流体によりトランスデューサに１０６に移して、機械仕事又は機械エネルギーを発生させるようにしてもよい。１つ又は複数の本開示の電気活性ポリマートランスデューサを用いて、機械エネルギーを取り込んで、電気１０に変換するものでもよい。作動流体の選択や発電機１００の他の構成要素は、発電機の動作環境（たとえば、業務用、住居用、地上用、海上用、携帯型、非携帯型等）、発電機の大きさ、コスト要件、耐久性要件、効率要件、電源の温度及び出力要件等の発電機１００の１つ以上の動作及び設計パラメータに影響を受けるものでもよい。
【００１９】
一つの実施形態において、機械エネルギーを利用してこれを電気エネルギーに変換する水力発電所のように、発電機１００を駆動する機械エネルギーを静止水または移動水由来のものとしてもよい。このような機械エネルギー源１０２の主な構成要素は、ダムと、貯水池と、導水路と、伝達連結機構１０４と、１つ又は複数の電気活性ポリマートランスデューサ１０６と、調整電子回路１０８と、変圧器と、パイプラインと、を備えるものでもよい。ダムは、水の位置エネルギーと運動エネルギーの両方の機械エネルギーを効率よく利用するシステムである。ダムは、自然の高低差を利用して、川などの水域上に建設されるものでもよい。機械エネルギーは、穀物の製粉に用いられるもの等、移動水由来のものでもよい。
【００２０】
別の実施形態において、発電機１００を駆動する機械エネルギーは、潮汐由来のものでもよい。海洋の潮汐は、２種類の異なるエネルギーを発生させる。太陽の熱からの熱エネルギーと波と潮汐の動きによる機械エネルギーである。機械エネルギーは、潮汐の動きを利用するものである。潮汐による機械エネルギー源１０２の構成要素は、機械エネルギーを捕獲する機構と、伝達連結機構１０４と、１つ又は複数の電気活性ポリマートランスデューサ１０６と、調整電子回路１０８と、を備え、機械エネルギーを電気に変換するものでもよい。これは、たとえば、ブイ、エネルギー堰（せき）及び水車等を用いることにより実現されるものでもよい。
【００２１】
風車や風力タービンは、再生可能な風力エネルギーを用いて、機械エネルギーを発生させる。風車は、羽根の回転によって生じる運動エネルギーを回転機械エネルギーに変換するという原理で働く。伝達連結機構１０４は、１つ又は複数の電気活性ポリマートランスデューサ１０６と調整電子回路１０８に回転機械エネルギーを連結させて、機械エネルギーを電気に変換する。風車は、通常、風速が毎時５〜１５．５マイル（８〜２５キロメートル）の山岳地帯や沿岸地域に設置される。本開示の発電機１００は、１つ又は複数の電気活性ポリマートランスデューサ１０６と調整電子回路１０８とを用いて、風力を利用して発電を行う。風力タービンには、垂直軸風力タービンと水平軸風力タービンの２種類がある。
【００２２】
当然のことながら、上述した機械エネルギー源の例は包括的なものではなく、熱エネルギー源等他のエネルギー源を利用して、１つ又は複数の電気活性ポリマートランスデューサ１０６と調整電子回路１０８を駆動し、発電するようにしてもよい。熱エネルギーは、太陽エネルギー、地熱エネルギー、内燃、外燃、廃熱等様々な熱源から発生可能である。熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、これを利用して、発電機１００内に設置される１つ又は複数のトランスデューサ１０６を駆動するようにしてもよい。
【００２３】
図２は、一種の電気活性ポリマーフィルムを備えるエネルギー変換装置を用いて、エネルギーを変換するサイクル２００を示す。縦軸は、Ｅ2 に比例する電場を示し、横軸は歪みを示す。エネルギー変換装置を機械−電気発電機として作動させると、機械エネルギーが電気に変換される。一般に、機械エネルギー源を用いて、電気活性ポリマーフィルムを、ある程度、撓ませる又は伸張させる。本開示のエネルギー変換装置を利用して、機械仕事を行わせることもできる。この場合には、電気エネルギーを用いて、電気活性ポリマーフィルムを撓ませる。撓み過程で電気活性ポリマーフィルムによって実行される機械仕事を用いて、機械的プロセスを行う。電気活性ポリマーフィルムの伸張と緩和を何度も繰り返すことによって、長時間にわたって電気エネルギーを発生させたり、熱的仕事を行うようにしてもよい。
【００２４】
図２に、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する電気活性ポリマーフィルムの伸張−緩和の１サイクル２００を示す。ただし、このサイクルは、例示に過ぎない。本開示のエネルギー変換装置は、様々な異なる種類のサイクルを採用可能であり、図２に示すサイクルにエネルギー変換装置は限定されるものではない。２０２において、ポリマーにかかる電場圧力がゼロの状態で、電気活性ポリマーフィルムが伸張する。この伸張は、エネルギー変換装置に入力される外部エネルギー源により発生する機械動力がフィルムに加えられた結果生じるものでもよい。たとえば、機械的プロセスによって電気活性フィルムを撓ませるようにしてもよい。２０４において、ポリマーフィルムにかかる電場圧力が所定の最大値まで増大する。図５、図７及び図８を参照して、この機能を実行するのに必要な調整電子回路を説明する。この例では、電場圧力の最大値は、電気活性ポリマーの電気破壊強度よりほんの少し下の値である。破壊強度は、経時変化し、その変化率は、以下のものに限定されるわけではないが、１）エネルギー変換装置が用いられている環境、２）エネルギー変換装置の作動履歴、及び、３）エネルギー変換装置に用いられているポリマーの種類、に影響を受けることがあり得る。
【００２５】
２０６において、電場圧力を最大値付近で維持した状態で、電気活性ポリマーが緩和する。緩和プロセスは、電気活性フィルムを緩和可能な電気活性ポリマーの弾性復元性に対応するものでもよい。電気活性ポリマーが緩和すると、電気活性ポリマーフィルム上の電荷によりフィルム間の電圧が増大する。電圧の上昇で示される電気活性ポリマーフィルム上の荷電された電気エネルギーの増大は、電気エネルギーを発電することで回収される。２０８において、電場圧力がゼロに減少して、電気活性ポリマーフィルムが完全に緩和し、再び、サイクルを繰り返すことができるようになる。たとえば、回転機械動力及びカム機構を用いて、電気活性ポリマーフィルムを伸張及び緩和させることによって、サイクルを開始させるものでもよい。
【００２６】
本開示の装置における電気エネルギーと機械エネルギーとの間の変換は、電気活性ポリマー誘電エラストマー等の電気活性ポリマーの１つ又は複数の活性領域によるエネルギー変換に基づくものである。電気活性ポリマーは、電気エネルギーにより駆動される際に撓む。電気エネルギーを機械エネルギーに変換する際の電気活性ポリマーの性能を例示する目的で、一実施形態におけるトランスデューサ部３００の上面斜視図を図３Ａに示す。トランスデューサ部３００は、電気エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行う電気活性ポリマー３０２を備える。一つの実施形態において、電気活性ポリマーは、２つの電極間の絶縁誘電体として作用し、２つの電極間の電圧差によって撓むポリマーを意味する。電気活性ポリマー３０２の上面と底面とにそれぞれ上面電極３０４と底面電極３０６とを取り付けて、ポリマー３０２の部分を挟んで電位差を生じさせる。ポリマー３０２は、上面電極３０４と底面電極３０６とによる電場の変化によって撓む。電極３０４及び３０６による電場の変化に応じたトランスデューサ部３００の撓みを、作動と称する。ポリマー３０２の大きさが変化する際に、撓みを利用して機械仕事を発生させることができる。
【００２７】
図３Ｂは、電場の変化に応じて撓むトランスデューサ部３００の上面斜視図を示す。一般に、撓みは、ポリマー３０２の部分の変位、伸張、収縮、ねじれ、線形歪み又は領域歪みやその他の変形を意味する。電極３０４及び３０６に加えられた又は電極３０４及び３０６による電圧差に対応する電場の変化により、ポリマー３０２内に機械的圧力が生じる。この場合、電極３０４及び３０６により生じた異なる電荷が互いに引き合って、電極３０４と３０６との間に圧縮力を与える一方で、ポリマー３０２に対しては平面方向３０８及び３１０への伸張力を与える。この結果、ポリマー３０２は、電極３０４と３０６との間で圧縮される一方で、平面方向３０８及び３１０に伸張される。
【００２８】
電極３０４及び３０６は、ポリマー３０２の全面積ではなく、ポリマー３０２の一部のみを被覆するものでもよい。これによって、ポリマー３０２の端部周辺の電気破壊を防ぐことができる。あるいは、ポリマーの一部又は複数の部分が撓むようにカスタマイズすることが可能になる。本明細書において用いられる「活性領域」という用語は、ポリマー材３０２と少なくとも２つの電極を備えるトランスデューサ部を意味する。活性領域を用いて電気エネルギーを機械エネルギーに変換する場合、活性領域は、撓みを生じさせるのに十分な静電気力を有するポリマー３０２の部分を備える。活性領域を用いて機械エネルギーを電気エネルギーに変換する場合、活性領域は、静電エネルギーに変化を生じさせるのに十分な撓みを有するポリマー３０２の部分を備える。後述するように、本発明のポリマーは、複数の活性領域を備えるものでもよい。また、ポリマー３０２の活性領域の外側部分は、活性領域が撓む際に活性領域に対して外部バネ力として作用するものでもよい。すなわち、活性領域の外側のポリマー部分は、収縮又は伸張することにより活性領域の撓みに耐えるものでもよい。電圧差と誘導電荷とを除去することにより、逆の効果が生じる。
【００２９】
電極３０４及び３０６は、柔軟で、ポリマー３０２と共に形状が変化する。ポリマー３０２と電極３０４、３０６の構造により、撓みを伴うポリマー３０２の応答が向上する。すなわち、トランスデューサ部３００が撓むと、ポリマー３０２の圧縮により電極３０４と３０６の反対の電荷が近づき、ポリマー３０２の伸張により各電極内で同じ電荷が離れる。一つの実施形態において、電極３０４と３０６のいずれか一方が接地される。
【００３０】
一般に、撓みを生じさせる静電気力と機械動力とが釣り合うまで、トランスデューサ部３００は、撓み続ける。機械動力には、ポリマー３０２の材料の弾性復元力や、電極３０４及び３０６のコンプライアンス（柔軟性）、及びトランスデューサ部３００に連結される装置及び／又は負荷による外部抵抗が含まれる。電圧印加の結果であるトランスデューサ部３００の撓みは、ポリマー３０２の誘電率やポリマー３０２の厚み等、数多くの他の因子に影響を受ける得る。
【００３１】
本開示の電気活性ポリマーは、いずれの方向にも撓むことが可能である。電極３０４と３０６との間に電圧を印加した後、ポリマー３０２は、平面方向３０８及び３１０の両方に広がる（伸張する）。ポリマー３０２は、非圧縮性のものでもよい。すなわち、応力を加えても実質的に一定の体積を維持するものでもよい。非圧縮性ポリマー３０２の場合には、平面方向３０８及び３１０へ伸張される結果として、ポリマー３０２の厚みが減少する。ただし、本発明は非圧縮性ポリマーに限定されるものではなく、ポリマー３０２の撓みは、このような単純な関係に従うものではない。
【００３２】
図３Ａに示すトランスデューサ部３００の電極３０４と３０６との間に比較的大きな電圧差がかかることにより、トランスデューサ部３００は、図３Ｂに示すような薄く広い面積の形状に変化する。このように、トランスデューサ部３００は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。一方、トランスデューサ部３００を用いて、双方向的に、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することも可能である。
【００３３】
図３Ａ及び図３Ｂを参照して、トランスデューサ部３００が機械エネルギーを電気エネルギーに変換する様子を説明する。たとえば、トランスデューサ部３００が外力によって図３Ｂに示すような薄く広い面積の形状に機械的に伸長され、（図３Ｂの構造にフィルムを作動させるのに必要な電圧差未満の）比較的小さな電圧差が電極３０４と３０６との間にかかる場合には、外力が除去されると、トランスデューサ部３００は電極間の領域で図３Ａに示すような形状に収縮する。トランスデューサが伸張することにより、トランスデューサ３００は元々の静止位置から撓み、通常は、電極間の正味の面積、たとえば、電極間の方向３０８及び３１０により規定される平面における面積が増大する。静止位置は、外部からの電気的又は機械的な入力がない状態でのトランスデューサ部３００の位置を意味し、ポリマー内に予歪みが存在する状態でもよい。トランスデューサ部３００が伸長すると、比較的小さな電圧差がかかり、結果として生じた静電気力は、伸張の弾性復元力と釣り合うのに十分なものではない。そのため、トランスデューサ部３００は収縮して、厚みが増大し、（方向３１２における電極間の厚みに直交する）方向３０８及び３１０により規定される平面における平面面積が減少する。ポリマー３１２の厚みが増大すると、電極３０４と３０６とが離れ、各電極に対応する異なる電荷も離れる。この結果、電荷の電気エネルギーと電圧とが増大する。さらに、電極３０４及び３０６が小さな面積に収縮すると、各電極内で同じ電荷の密度が増大し、電荷の電気エネルギーと電圧とが増大する。したがって、電極３０４及び３０６における異なる電荷によって、図３Ｂに示すような形状から図３Ａに示すような形状に収縮することにより電荷の電気エネルギーが増大する。すなわち、機械的な撓みが電気エネルギーに変換され、トランスデューサ部３００が発電機として機能する。
【００３４】
トランスデューサ部３００を可変コンデンサーとして電気的な側面から説明する。図３Ｂに示す形状から図３Ａに示す形状に形状変化すると、静電容量が減少する。通常、電極３０４と３０６との間の電圧差は、収縮により増大する。これは、収縮過程の間に電極３０４及び３０６からの電荷の増減がなければ、成立する。電気エネルギーＵの増大は、式  Ｕ＝０．５Ｑ2／Ｃ  として表わすことができる。ここで、Ｑは正極上の正電荷量を示し、Ｃはポリマー３０２の固有誘電特性及びその形状に関係する可変静電容量を示す。蓄えられた電荷Ｑが一定で、撓みによって可変静電容量Ｃが減少すれば、電気エネルギーＵは増大する。増大した電気エネルギーと電圧を、電極３０４及び３０６と電気的に連通する適当な装置又は電子回路で回収又は利用するようにしてもよい。さらに、トランスデューサ部３００は、ポリマーを撓ませ機械エネルギーを与える機械入力に機械的に連結されるものでもよい。
【００３５】
トランスデューサ部３００は、収縮時に、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。方向３０８及び３１０で規定される平面においてトランスデューサ部３００が完全に収縮した際に、電荷およびエネルギーの一部またはすべてを取り出すことができる。あるいは、収縮時に電荷およびエネルギーの一部またはすべてを取り出すことができる。収縮時にポリマー３０２の電場圧力が上昇して、機械的弾性復元力及び外部負荷と釣り合うと、完全に収縮する前に収縮が止まり、弾性機械エネルギーは電気エネルギーに変換されなくなる。電荷及び蓄積された電気エネルギーの一部を取り出すことによって、電場圧力が低下し、収縮を続けることが可能になる。したがって、電荷の一部を取り出すことによって、さらに、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。発電機として作動する際のトランスデューサ部３００の実際の電気的挙動は、電気的負荷及び機械的負荷並びにポリマー３０２及び電極３０４，３０６の固有の特性によって決まる。
【００３６】
一つの実施形態において、電気活性ポリマー３０２は、予歪みされるものでもよい。１つ又は複数の方向に関して、ポリマーの予歪みは、ある方向における予歪み前の寸法に対する、同方向における予歪み後の寸法の変化として説明できる。予歪みは、ポリマーの弾性変形を含むものでもよく、たとえば、ポリマーが張力によって伸張し、伸張される際に１つまたは複数の端部が固定されることによって、予歪みが形成されるものでもよい。多くのポリマーにおいて、予歪みによって、電気エネルギーと機械エネルギーとの間の変換が向上する。機械的反応の向上により、電気活性ポリマーに対してより大きな機械仕事、たとえば、より大きな撓み及び作動圧力、が可能になる。一つの実施形態において、予歪みによって、ポリマー３０２の耐電圧が向上する。別の実施形態において、予歪みは弾性的な予歪みである。作動後、弾性的に予歪みされたポリマーは、原理的に、固定されておらず、元の状態に戻ることが可能である。剛性フレームを用いて予歪みを境界にかけることが可能であり、また、ポリマーの一部を局所的に予歪みさせることも可能である。
【００３７】
一つの実施形態において、ポリマー３０２の一部に対して均一に予歪みを与えて、等方性予歪みポリマーを形成するようにしてもよい。たとえば、アクリル系エラストマー性ポリマーを両方の平面方向に対して２００〜４００パーセント伸張させるようにしてもよい。別の実施形態において、ポリマー３０２の一部に対して異なる方向に不均一に予歪みを与えて、異方性予歪みポリマーを形成するようにしてもよい。たとえば、シリコンフィルムを１つの平面方向に対して０〜１０パーセント伸張させる一方で、別の平面方向に対して１０〜１００％伸張させるようにしてもよい。この場合、ポリマー３０２は、作動時に、別の方向と比較して、１つの方向に、より大きく撓む。理論に縛られることを望むものではないが、本開示者は、１つの方向にポリマーを予歪みさせることによって、予歪み方向へのポリマーの剛性が増大すると推測している。それに応じて、ポリマーは、高予歪み方向への剛性が比較的高くなる一方で、低予歪み方向に対する柔軟性が高まり、作動時において低予歪み方向により大きく撓む。一つの実施形態において、トランスデューサ部３００の方向３１０における予歪みを高くすることによって、これと垂直な方向３０８への撓みを増大させることができる。たとえば、トランスデューサ部３００として用いられるアクリル系エラストマー性ポリマーは、方向３０８に３００パーセント伸張し、これと垂直な方向３１０に５００パーセント伸張可能である。ポリマーの予歪み量は、ポリマー材料と所定用途で求められるポリマー性能とに基づいて決まるものでもよい。
【００３８】
異方性予歪みによって、発電機モードにおいて機械エネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサ部３００の性能を向上させることができる。ポリマーの絶縁破壊強度の増大とポリマー上の電荷の増加に加えて、高い予歪みをかけることによって、低予歪み方向における機械−電気連結を向上させることができる。すなわち、低予歪み方向への機械的入力の大部分を電気的出力に変換でき、発電機の効率を高めることができる。
【００３９】
図４Ａないし図４Ｆは、誘電エラストマーフィルム等の電気活性ポリマーフィルム４０２を備えるエネルギー変換装置を用いて機械エネルギーを変換する電気活性ポリマー発電機４００の１サイクルを説明する図である。サイクルと共にグラフを表示するが、グラフの縦軸は電場（電圧）に対応し、横軸は歪み速度（λ）に対応し、機械動力−電力変換サイクルを示す。伸縮性電極４０４、４０６が電気活性ポリマーフィルム４０２上に形成される。誘電エラストマーフィルム４０２が緩和している場合に、電気活性ポリマーフィルム４０２に蓄えられた電荷４０８は第１のレベルにある。次に、電気活性ポリマーフィルム４０２及び伸縮性電極４０４、４０６を、任意の適当な機械仕事により方向４１０に伸張させる。この時点で、電荷４０８は第１のレベルのままである。図４Ｂに示すように、電気活性ポリマー発電機４００は伸張された状態である。電気活性ポリマーフィルム４０２及び伸縮性電極４０４、４０６は、伸張時に静電容量を変化させる。一つの態様において、伸張された状態で、伸縮性電極４０４及び４０６は近づいて、静電容量を増加させる。電気活性ポリマーフィルム４０２及び伸縮性電極４０４、４０６が伸張された状態にある場合に、図４Ｃに示すように、電極４０４、４０６を直流（ＤＣ）バッテリー等のエネルギー源４１２に連結して、電気活性ポリマーフィルム４０２にバイアス電圧を印加し、電荷４０８をより高電圧にする。図４Ｄに示すように、エネルギー源が除去され、電気活性ポリマーフィルム４０２は、高電圧に帯電した状態に維持される。図４Ｅに示すように、電気活性ポリマーフィルム４０２及び伸縮性電極４０４、４０６を方向４１４に緩和させると、電気活性ポリマーフィルム４０２及び伸縮性電極４０４、４０６は収縮して離れる。この結果、電気活性ポリマーフィルム４０２の静電容量が下がり、電圧がより高い値に上昇する。図４Ｆに示すように、電気活性ポリマーフィルム４０２及び伸縮性電極４０４、４０６が緩和状態に戻ると、電極４０４、４０６に負荷４１６を連結して、蓄えられた電圧（すなわち電荷）を負荷４１６に供給することによって、電気活性ポリマーフィルム４０２を放電させる。電気活性ポリマー発電機４００の入力時に印加される機械仕事に従って、このサイクルが繰り返される。
【００４０】
図４Ａ〜図４Ｆに示したように、電気活性ポリマーフィルム４０２がアクチュエータとして用いられるものであろうと、あるいは、電気活性ポリマー発電機４００として用いられるものであろうと、電気活性ポリマーフィルム４０２は、両側に伸縮性電極４０４、４０６が形成された高誘電率エラストマーフィルムを基本構造とする。アクチュエータモードにおいて、電気活性ポリマー４０２に電圧が印加されると、２つの電極４０４と４０６上の異なる電荷からの静電気力の影響によって、ポリマーは、厚さ方向に圧縮されると共に、平面面積方向に伸長する。発電機モードは、基本的に、アクチュエータモードの逆である。電気活性ポリマーフィルム４０２を伸張させるように電気活性ポリマーフィルム４０２に機械エネルギー４１０を印加すると、厚さ方向への圧縮と表面積の伸張が生じる。この時点で、電気活性ポリマーフィルム４０２に電圧４１２を印加すると、印加された電気エネルギー４１２がポリマー４０２上に電荷４０８として蓄えられる。４１４のように機械エネルギーが減少すると、電気活性ポリマーフィルム４０２の弾性復元力が作用して、元の厚みに戻り、平面面積を減少させる。この機械的変化を源として、電極層４０４と４０６との間の電位差が増大して、静電エネルギーが増加する。
【００４１】
電気活性ポリマー発電機のエネルギー密度
アクリル系電気活性ポリマーフィルム４０２を材料として用いた電気活性ポリマー発電機４００におけるエネルギー密度は、（作動サイクル毎に）０．４ジュール／グラムであった。０．４ジュール／グラムのエネルギー密度を得るためには、調整電子回路を用いて、電気活性ポリマー発電機４００の全発電サイクルを最適化する必要がある。一つの実施形態において、マイクロコンピュータを用いた電子回路及びロジックを採用するものでもよい。１００ワットより大きな電力レベルにおいて、調整用子回路は、電気活性ポリマー発電機４００の利点を活用することができる。
【００４２】
電磁発電機とは異なり、電気活性ポリマー発電機４００は、出力に比例して大きくなる。たとえば、発電機の出力を１０倍にするためには、少なくとも１０倍の材料が必要となる。電磁発電機の場合はこれと異なる。電磁発電機は、出力を増加させる場合に、２つの大きな利点を有する。第１に、重量と容積とが、出力に比例して増加しないことである。１０キロワットの発電機の質量は、１キロワットの発電機の質量の約３倍に過ぎない。上述したように、電気活性ポリマー発電機４００が約１００キロワットになるまでに電力密度が１桁高くなり、高出力において、ひけを取らない。第２に、電磁発電機の出力を増大させると、効率も向上することである。多くの高出力発電機では、９７％を超える効率を有する。
【００４３】
電気活性ポリマー発電機４００は、以下の基準を満たす場合に、電磁発電機に勝る利点がある。
【００４４】
電気活性ポリマー発電機４００は、力が大きく速度が低い場合に有効である。機械動力は、力に速度を掛けたものと等しい。電磁発電機は、高速の機械動力（特に回転力）に適している。標準的な商用電源（米国では６０ヘルツ、ヨーロッパや他の場所では５０ヘルツ）では、１８００ｒｐｍ（毎秒３０回転）の回転速度が通常用いられる。一般的な３馬力（２２３８ワット）の電磁発電機では、ロータの表面速度は、毎秒約１５〜２０メートルである。これに対して、０．３ヘルツにおける１メートルの高さの海洋波の最大速度は毎秒０．９メートルに過ぎないが、非常に大きな力を発生させることができる。風力発電も通常低速である。多くの風力タービンは、約３０ｒｐｍで回転するため、電磁発電機に接続するためには、変速機を用いて、この回転速度を（１５００ｒｐｍまで）５０倍に高める必要がある。これに対して、適切な電気活性ポリマー発電機４００は、風力タービンのメインシャフトに直接連結して、電力を作り出すことが可能である。
【００４５】
さらに、電気活性ポリマー発電機４００は、２〜１０ｋＶｄｃの範囲の安定化高電圧ＤＣ電力系統に接続する場合に有効である。電気活性ポリマー発電機４００の発電方法により、電気活性ポリマー発電機４００は、高電圧ＤＣ電力系統に適している。回転式電磁発電機は、通常、６００ボルト未満の電圧を発生させて、交流波形を生じる。これを高電圧ＤＣ電源に変換するためには、変圧器／整流器セットを用いる必要があるか、あるいは、他の種類の高出力インバータ電子回路が必要となる。これに対して、電気活性ポリマー発電機４００は、最小限の電子回路で高電圧ＤＣ電力系統に直接接続可能である。これによる当然の結果として、電気活性ポリマー発電機４００は、高電圧ＤＣ電源を大部分の低電力電子機器型の用途に適した低電圧電源に変換するための変換電子回路を必要とする。
【００４６】
また、自己起動型電気活性ポリマー発電機４００は、標準的な商用電源が使えない遠隔地で有用である。この基準で競合する技術は、太陽光発電、電磁発電機を用いる風力発電及び電磁発電機を用いる水力発電である。これらのうち２つ（風力及び太陽光）は、動力源が予測不可能であるという問題を共有している。したがって、システムを自己起動型にするか、あるいは、動力源が使えない期間を賄うために十分な量の蓄電装置（通常、バッテリー）を備える必要がある。
【００４７】
通常の発電の場合、信頼性は、最も重要な側面の一つである。電磁発電は、１００年以上にわたって用いられてきた。この間に、電磁発電機は、耐用年数が３０年を超えるという信頼性を実証してきた。さらに、電磁発電機は、ミリワットからメガワットの出力範囲で作られてきた。
【００４８】
風力発電用途では、電気活性ポリマー発電機４００は、用途に関係する環境条件に対処できるものでなければならない。場所によって温度や湿度の要件は変化する（たとえば、デンマークに設置された風力発電機と比べて、中央カリフォルニアのアルタモント・パスに設置された風力発電機は温度変化が少ない）。自然に対する基本的な防御を想定して防雨構造とすることが考えられるが、高電圧ＤＣ電源の性質上、電気活性ポリマー発電機４００及び関連する電子回路に対して更なる予防装置が必要となるであろう。多くの高電圧電子システムでは、高電圧部品に引き寄せられて溜まった埃を除去するために、定期的なメンテナンスが必要である。不要な粒子が堆積するのを防ぐために、密閉構造にするか、他の手段を講じる必要がある（高電圧ＤＣ導体は、基本的に、電気集塵機として作用するため、埃やその他の空中浮遊粒子を集める）。
【００４９】
誘電材料及び電極材料
当然のことながら、複数の複合材料を用いて、電気活性ポリマートランスデューサを実現可能である。機械−電気エネルギートランスデューサとして用いられる複合材料に関しては、複合材料は移動可能なものでなければならず、移動するためには、柔らかく非圧縮性の誘電層をどこかに用いる必要がある。したがって、このような複合材料は、少なくとも以下の３種類の材料を備える必要がある。（１）負荷を支持し、トランスデューサが連結させる電気的素子及び機械的素子の剛性に適合する、硬い剛性構造層。（２）複合材料の外部からの機械的負荷により、及び、複合材料を制御するために印加される内部電場により変形可能な、柔らかく低弾性の非圧縮性誘電エラストマー層。（３）誘電エラストマーが膨張可能な圧縮性気体、液体又は発泡多孔体（たとえば、発泡体やエアロゲル）。これらやその他の複合材料に関しては、２０１１年１０月１０日に「薄い自己回復型導体層で被覆された加工剛性絶縁体から構成された複合電極とこのような電極を内蔵する誘電エラストマートランスデューサ（COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED, RIGID INSULATOR COVERED WITH THIN, SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS, AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS INCORPORATING SUCH ELECTRODES）」の名称で出願された米国仮特許出願番号61/545,295に記載されており、参照することによって、その内容全体が本出願に組み込まれる。
【００５０】
電気活性ポリマー発電機用の電子回路
当然のことながら、本明細書に記載する実施形態は、態様の例示に過ぎず、記載した実施形態と矛盾しない様々な他の態様で、機能要素、論理ブロック、プログラムモジュール及び回路要素を実現可能である。さらに、このような機能要素、論理ブロック、プログラムモジュール及び回路要素により実行される操作を、所定の態様において、組み合わせる、及び／又は、分割することも可能であり、構成要素やプログラムモジュールの数を増減して実行することも可能である。本出願の記載により当業者には自明のことであるが、本明細書に記載及び図示した個々の実施形態は、各々、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、他の実施形態のうちの任意の実施形態の特徴から容易に分割可能な又は組み合わせ可能な個別の構成要素や特徴を有する。本明細書に記載したいずれの方法も、記載した順序で実行することも、あるいは、論理的に可能な任意の他の順序で実行することも可能である。
【００５１】
電気活性ポリマー発電機用の電子回路は、かなり単純なものからかなり複雑なものまで多岐にわたる。電気活性ポリマー発電機の最適な性能を実現するためには、高機能の電子回路が必要になるが、非常に単純な回路トポロジーを用いて適度な性能を実現することができる。さらに、用途に特化された詳細に合わせて、電子回路およびその複雑度を選択することができる。用途は、固定ストローク及び固定周波数のものから可変ストローク及び可変周波数のものまで多岐にわたる。これらのパラメータ及びその他を考慮して、特定用途に最適な電子回路の種類を決めればよい。
【００５２】
電気活性ポリマー発電機用の電子回路は、制御レベル電子回路と出力レベル電子回路の２つのグループに分類できる。制御レベル電子回路は、技術的に見て実現可能であり、コストと消費電力の観点から評価する必要があるのみである。出力レベル電子回路も実現可能であるが、最適設計を実現し、低コストと高効率を両立させることは非常に難しい。
【００５３】
図５に、単純な発電回路８００の一実施形態を示す。回路８００の利点は、その単純さにある。（機械動力が入力されている場合には）発電機を起動するために、（約９ボルトという）小さな開始電圧を必要とするのみである。各高電圧ダイオードＤ１（８０８）及びＤ２（８１０）を介して電気活性発電機８０２に対する高電圧の入出力を制御するための制御レベル制御機器は不要である。回路８００の出力側のツェナーダイオード８０４によって、受動的な電圧調整が可能である。回路８００は、高電圧ＤＣ電源を作り出すことが可能であり、約０．０４〜０．０６ジュール／グラムのエネルギー密度レベルで電気活性ポリマー発電機８０２を作動させる。回路８００は、少量の発電を行い、電気活性ポリマー発電機８０２が技術的に見て実現可能であることを示すのに適している。
【００５４】
一つの実施形態において、回路８００は、簡単な回路構成のままで、電荷移動技術を利用して、電気活性ポリマー発電機８０２の機械サイクル毎のエネルギー移動を最大にする。また、非常に低い電圧８０６（たとえば、９ボルト）で回路８００を自給式にできる。さらに、回路８００は、可動周波数及び可動ストロークでの作動も可能である。様々な実施形態において、回路８００は、単純な電子回路（すなわち、制御シーケンスが不要な電子回路）でサイクル毎のエネルギー移動を最大にし、可動周波数及び可動ストロークの用途で作動させ、発電機要素に対する簡易の過電圧保護を実現可能である。
【００５５】
電気活性ポリマー発電機において高出力レベルと高エネルギー密度を実現するためには、より高機能の制御レベル電子回路と出力レベル電子回路の両方が必要になる。発電機の用途の種類に応じて、これらの電子回路は異なる。固定ストロークで狭い周波数の用途（たとえば、水車）では非常に単純な電子回路しか必要ではなく、一方、可変ストロークで可変周波数の用途では非常に高度な電子回路が必要になる。非常に高度な電子回路が必要になる場合を考えると、制御レベル電子回路は、各電気活性ポリマー発電機の瞬間的な静電容量を検知し、それが増加しているのか減少しているのかを判定する能力を有する。電子回路は、電気活性ポリマーフィルムに電荷を与えるべきか、電気活性ポリマーフィルムから電荷を取り出すべきか、あるいは、単純に何もしないかを判断する。
【００５６】
一例として、波力発電が挙げられる。波の運動量が小さいときや波の運動がゼロのときには、発電機を低出力の非発電モード（電子工学では通常SLEEPモードと称する）にする。波の運動量が閾値を超えたことが検出されると、システムは、発電機をネットワークにつなぎ（WAKE UPモード）、発電を開始する。波の運動量が所定レベル以下に減少した場合には、電気活性発電機を再びシャットダウンして、次に波の運動が活発化する期間まで待機する。個々の判断基準は、用途に応じて決定されるが、このように高度な制御レベル電子回路は、実質的にあらゆる発電機用途で有用である（すなわち、多岐にわたる発電機用途をほんのいくつかの制御レベル設計で網羅できる）。
【００５７】
出力レベル電子回路は、電気活性発電機の最大出力で駆動される。広範囲の出力レベルで同じ回路トポロジーを利用可能であるが、構成要素の大きさや定格を変える必要がある。電気活性ポリマー発電機の出力レンジは、１０ワットから最大１００キロワット（あるいは、それ以上）にわたる。出力レベルの増大に伴って、温度管理の複雑性が問題となり、真剣に取り組む必要がある（これは、あらゆる発電方法で共通する）。
【００５８】
電荷エネルギー変換モデルの保存
図３Ａ〜図３Ｂ及び図４Ａ〜図４Ｆを参照して上述したように、電気活性ポリマー（誘電エラストマー）発電機の基本を理解するのに有益な３種類の機械エネルギー−電気エネルギー変換プロセスがある。これら３種類のプロセスには、いずれも、簡単な４つの工程からなるプロセスが含まれる。第１の工程で、緩和された誘電エラストマーを準備し、機械エネルギーを用いて、エラストマーを所定の伸張状態まで伸張させる。第２の工程で、電気活性ポリマーの電極に電荷を与える。第３の工程で、エラストマーを機械的に緩和させて、機械的弾性エネルギーを静電エネルギーに変換する。第４の工程で、電気活性発電機から電気エネルギーを取り出すことによって、機械−電気変換による電気エネルギーを「集電」する。
【００５９】
第２及び第３工程の際に、設計者は、一定電荷、一定電場、又は一定電圧の間で選択を行うことができる。これらの方法では、それぞれ、異なる制御回路トポロジーが必要となる。単純に実現可能なトポロジーの１つが一定電荷を用いる方法であり、このサイクルを以下で説明する。
【００６０】
この解析のために、固定ストローク及び固定周波数のシステムを仮定する。ここでは、可変ストローク及び可変周波数のシステムは説明しないが、このようなシステムも、本開示の範囲内である。さらに、実際の電気活性ポリマー発電機のサイクルを説明するために、標準的なパラメータ値を用いる。たとえば、解析では、緩和した状態の１メートル×１メートル×１００ミクロンの厚みの電気活性ポリマー発電機と、非常に柔軟性の高い導体電極を仮定する。以下のパラメータ群（ε0=8.854 pF/m, εr=5.0, μ1=0.3 MPa, α1=2, λmax=2.0 and Vmax=5 kV）を用いて、標準的なサイクルを構築する。エネルギー対伸縮平面のグラフ表示で解析を行う。このような実例を用いるアプローチにより、エネルギー収支の概念を視覚化することができる。
【００６１】
サイクルの第１部分で、電気活性ポリマー発電機は、１からλmaxに伸張し、電気活性ポリマーフィルムに弾性エネルギーを蓄える。次に、電荷（Ｖseed）を電気活性発電機に印加する。この電圧値は、以下のように最大伸張に応じて決まる。Vseed=Vmax/(λmax)2 （ただし、この値は、せん断モード解析の場合にのみ適用される）。電気エネルギーが印加されると、電気活性ポリマーフィルムに蓄えられた弾性エネルギーに電気エネルギーが加えられる。この時点で、シード（種）となる電荷源が発電機から分離され、発電機の電極に対する電荷の入出力ができなくなる（したがって、一定電荷サイクル）。次に、電気活性発電機を再び緩和させて、弾性エネルギーが電気エネルギーに変換される平衡条件に戻る。最後に、電気エネルギーを発電機から取り出して、サイクルが繰り返し可能な状態となる。
【００６２】
図６は、電気活性ポリマー発電機における一定電荷サイクルのエネルギー対伸張比のグラフ表示１０００を示す。縦軸はエネルギー（ジュール）を、横軸は伸張比を示す。図６に示す曲線グラフを参照して、プロセスを詳細に説明する。弾性エネルギーを式（１７）で示した（これは、Ａ点からＢ点に移動するステップ１に対応する）。外部機械源を用いて、誘電エラストマーフィルムに弾性エネルギーを蓄えている弾性発電機を伸張させる。前の段落で規定したシード電圧に基づいて電荷を加える（これは、Ｂ点からＣ点に移動するステップ２に対応する）。この時点で、外部機械源は、誘電エラストマーの緩和を開始し、誘電エラストマーを緩和位置に戻す。発電機に電荷が印加されなければ、外部機械源が発電機に入力したエネルギーすべてが外部機械源に戻る。一方、発電機に電荷が印加されれば、弾性エネルギーの一部が電気エネルギーに変換され、残りが外部機械源に戻る。ステップ３において、電気活性ポリマー発電機は、（システムエネルギーが最小値に達する）平衡位置Ｄに戻る。ここで電気エネルギーを取り出すと、システム内の総電気エネルギーが増大する（Ｄ点からＡ点へのステップ４）
【００６３】
この基本的な一定電荷サイクルエネルギー変換器は、エネルギー密度計算の根拠となる。この解析は、システム損失を含まず、理想的な条件下でサイクル毎のエネルギーを求める。また、シード（種）となる電気エネルギーを加える前に誘電エラストマーに印加するべき大きな弾性エネルギーを注意深く検討する必要がある。この例では、電気エネルギーに対する機械弾性エネルギーの比は、約１０：１であり、システム効果が大きい。誘電体の係数が１０倍大きくなるように選択すると、電気エネルギーに対する弾性エネルギーの比は１００倍になる。これは、非常に不均等なシステムになり、避けるべきである。この機械エネルギーを処理するために機械的構造（テザー、フレーム等）を構築する必要があるため、このように大きな比は、コストの増加につながる。
【００６４】
誘電体におけるリーク電流による損失
図６を参照して説明した一定電荷サイクルに戻り、電気活性ポリマー発電機に対して電荷の入出力がないと仮定する。誘電体を通して１つの電極から他の電極への電荷移動が可能な場合には、一定電荷サイクルはもはや有効ではなく、電荷の移動によりかなりのエネルギー損失が生じる。この損失が大きすぎると、電気活性ポリマー発電機は、電気エネルギーを作り出さず、単に誘電体を加熱するに過ぎない。発電サイクル中における１つの電極から他の電極への望ましくない電荷移動を、一般的に、リーク電流と称する。リーク電流に対するシステム全体の感度は、多くの異なるパラメータによって決まる。重要なパラメータの１つは、サイクル時間であり、機械的周波数が高ければ高いほど、より大きなリーク電流が許容される。
【００６５】
電気活性ポリマー発電機（たとえば、ＥＡＰ発電機又は誘電エラストマー（ＤＰ）発電機）は様々な作動構成で実現可能である。一つの実施形態において、制御電子回路がこのような構成を占める。機械的入力の観点から、入力は固定ストローク、固定周波数（たとえば、河川の水力発電）から可変ストローク、可変周波数（波動エネルギー）まで多岐にわたる。また、異なる種類の変換サイクル、すなわち、一定電荷、一定電場及び一定電圧、（並びに、サイクル毎に最大エネルギーで作動しないことによるこれらのサブセット）が存在する。用途ごとに、最適な制御要件の組み合わせがある。以下に用途の例を説明する。
【００６６】
季節変動がなく、電力系統に連結される河川水源
大量の電気を継続的に発電し、電力会社がこのように発電した電気を買い上げてくれることが目標である。機械動力としての流れは、（水源が十分にある場合には）、ペルトン水車やその他同様な高効率のコンバータに用いられる（河川の水源が十分でない場合には、別の種類のコンバータが必要になる）。一つの実施形態において、水源の連続出力を処理して、電力系統に電力を絶え間なく送るように、電気活性ポリマー発電機を設計するようにしてもよい（この場合には、無限の負荷と考えられる）。ここで、システム設計は、最も簡単な制御を必要とする固定周波数及び固定ストロークとするものでもよい。制御システムは、最大出力で作動し、故障時（内部発電機が故障した場合、あるいは、外部システムが故障した場合。すなわち、水源が堆積物で塞がれた、落雷で電力系統が機能しない等の場合）にシャットダウンする。
【００６７】
（太陽発電機、風力発電機及びバックアップのジーゼル発電機と組み合わせて）たとえば、魚釣りが楽しめる遠隔行楽地に電力を供給するための、エネルギー貯蔵装置に連結される波源
入力される機械動力は、周波数及びストロークが変動する。また、負荷が最小値から最大値まで変動する。この場合、制御システムは、複合的な波源要件及び負荷要件に適合し、最適化するものでなければならない。さらに、故障条件や超過条件を考慮して制御する必要がある。たとえば、嵐により設計最大値を超える波が発生する場合には、最も安全な構成として、システムをシャットダウンする必要がある。
【００６８】
図７は、マイクロコントローラ電子回路１８０２を用いる電気活性ポリマー発電機による環境発電制御システム１８００の一実施形態を示すブロック図である。一つの実施形態において、制御システム１８００は、様々な動作条件にわたって、電気活性ポリマー発電機１８０４の性能を最適化して最大限に引き出す。制御システム１８００を用いて、たとえば、電気活性ポリマー型のダンパーシステムを制御するようにしてもよい。一つの実施形態において、制御システム１８００は、電気活性ポリマー発電機１８０４のエネルギー密度を最大にする。複合制御により、１桁以上、電気活性ポリマー発電機１８０４のエネルギー密度を向上することができる。高効率エネルギー移動回路は、入力出力制御変数の複雑なプロセスを制御して、電気活性ポリマー発電機１８０４の性能を最大限に引き出す。
【００６９】
一つの実施形態において、電気活性ポリマー発電機１８０４を機械的入力を用いてこれを電気的出力に変換する。一つの一般的な実施形態において、基本的な電気活性ポリマー発電機サイクルは、発電機１８０４の電気活性ポリマー部を伸張させることによって機械的入力を弾性歪みエネルギーに変換する工程と、発電機の「シード（種）」として機能するように、少量の電荷を加える工程と、弾性歪みを緩和させて機械エネルギーを電気エネルギーに変換する工程と、最後に、電気エネルギーを取り出すことによりサイクルを完了させる工程と、を備える。電気活性ポリマー発電機１８０４への機械入力は、固定ストローク、固定周波数（たとえば、水力タービン）から可変ストローク、可変周波数（たとえば、波力）へと多岐にわたるものでもよい。それぞれの場合の最適なサイクルは、（水力タービンの場合のように）終始一貫したものでもよいし、（波力の場合のように）絶えず変動するものでもよい。これらの変化に適応するために、電気活性ポリマー発電機の制御システムは、入力変数を評価して、性能を最適化するように出力制御を変更する。制御システムに対する最小限の入力変数は、発電機の歪みと発電機の電圧である。最小限の出力制御変数は、発電機の充電速度と発電機の放電速度である。制御システムは、これらの制御変数及び所定の規則群を用いて、電気活性ポリマー発電機の性能を最適化する。
【００７０】
図７に示す実施形態において、制御システム１８００は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ回路を含む制御部１８０２を備える。制御部１８０２は、充電制御部１８０６と、放電制御部１８０１と、エネルギー貯蔵部１８０８と、に連結され、発電機１８０４の充電速度と放電速度とを制御する。電圧モニタ１８１２及び歪みモニタ１８１４からの発電機フィードバック変数を制御部１８０２に供給する。
【００７１】
一つの実施形態において、充電制御部１８０６は、所定量の電荷（及びエネルギー）で静電容量を充電するのに適した高電圧高出力回路である。適したトポロジーが２つあり、１つは（参照することにより本明細書に組み込まれる米国特許No.6,359,420に記載の）エネルギー調整充電回路であり、もう１つは（フライバック型、フォワード型等の）定電流コンバータである。多くの電気活性ポリマー発電機では、コストと性能のために電気抵抗を犠牲にせざるをえないため、電気活性ポリマー発電機１８０４の等価直列抵抗はかなり高いと推測される。充電の（及び放電の）際の抵抗加熱損を最小にするためには、（所定量の充電に対して）最低の電流量を最長の時間用いる必要がある。充電制御部１８０６は、エネルギー貯蔵部１８０８からエネルギーを取り出して、１サイクルの最大歪みで、電気活性ポリマー発電機１８０４の誘電エラストマーフィルムに、取り出したエネルギーを伝達する。システム全体の種類に応じて、電荷、エネルギー又は電圧を制御する（複合システムではこれらを組み合わせたものが望ましい）。
【００７２】
一つの実施形態において、エネルギー貯蔵部１８０８の構成は、制御システム１８００の要件によって決まる。（たとえば、電力系統に接続される場合には）コンデンサバンクや（オフグリッドのリモートサイトの場合には）バッテリバンクやこれらの組み合わせが例示される。エネルギー貯蔵部１８０８の主な目的は、各機械サイクルの開始時に、最初のシード（種）となる電気エネルギーを提供し、電気活性ポリマー発電機１８０４を充電することである。
【００７３】
充電制御部１８０６と同様に、一つの実施形態において、放電制御部１８１０は、機械サイクルの歪みが最小値に達した時に、電気活性ポリマー発電機１８０４から電気エネルギーを取り出すように機能する。一つの実施形態において、フライバック型コンバータは、３種類の変換サイクル（一定電荷、一定電圧及び一定電場）すべてに対して制御可能であるため、最も用途が広いと考えられるが、他のコンバータトポロジーを用いるようにしてもよい。多くの場合、エラストマーに入力される機械エネルギー量を最大にするためには、機械的サイクルの伸張フェーズでは、電気活性ポリマー発電機１８０４上に印加される電圧がゼロである（及び電荷がゼロである）ことが望ましい。制御システム１８００の電子回路が、電気活性ポリマー発電機１８０４から充電制御部１８１０がいつエネルギーを取り出すべきかを判定する。
【００７４】
一つの実施形態において、電圧モニタ１８１２は、電気活性ポリマー発電機い１８０４上の電圧を求めるのに用いられる非常に高インピーダンスの分圧器である。帯域幅は、少なくともＤＣ〜１ｋＨｚであり、通常の変換サイクルの１％未満、好ましくは０．１％未満に損失を防ぐことができるようにインピーダンスを高くする必要がある。
【００７５】
一つの実施形態において、歪みモニタ１８１４は、固定ストロークであろうと可変ストロークであろうと、電気活性ポリマー発電機１８０４の歪み条件を制御部１８０２に与える。固定ストロークシステムの場合には、シャフトエンコーダで簡単に実現可能であるが、可変ストロークシステムの場合には、静電容量のモニタリングに電気活性ポリマー発電機１８０４内部の小断面が必要となるかもしれない。これは、小断面が電気活性ポリマー発電機１８０４の全体の歪みを表わしているという仮定に基づくものである。単純なシステムでは、最大歪みによりシステムの充電サイクルが開始され、最小歪みによりシステムの放電サイクルが開始される。可変ストロークシステムでは、歪みモニタ１８１４を用いて、変換サイクルをいつ開始するべきか、また、いつ開始するべきではないかを判定することができる。たとえば、波が十分に大きくなく、電気活性ポリマー発電機１８０４の歪みが１０〜２０％に過ぎない場合、制御システム１８００は、何もするべきではないと判断し、後に、歪みが５０％に達した時に、制御部１８０２は変換プロセスを開始する。
【００７６】
上述したように、電気活性ポリマーを用いる環境発電機は、損失を最小限に抑えるために高導電性電極（又は導体）を用いる従来の発電機とは異なり、高い電極抵抗を有する場合がある。たとえば、回転式電磁発電機は、柔軟性のある導体を用いる必要がないため、導体として同又はアルミニウム線を用いる。電気活性ポリマー発電機の高い電極抵抗は、通常、機械的コンプライアンスという付加的な電極要件によるものである。電極は導電性を有するとともに、同時に柔軟性を持つものでなければならないため、電気伝導度と機械的コンプライアンスとの間で電極設計トレードオフが行われる。高伝導性の電極（たとえば、銀）は非常に堅く、大きな機械的動きは不可能である。一方、伝導性の低い電極（たとえば、印刷した導電性インク）は、柔軟で機械的な動きは可能であるが、抵抗性があり、電気活性ポリマー発電機を充電又は放電する際に電気的損失が生じる。
【００７７】
図８を参照して説明する単純化した電子回路は、低い電極電流で作動させることにより、電極損失を最小限に抑える。このように単純化した電極活性ポリマー発電機の電子回路は、高電気抵抗用に構成されているが、機械‐電気変換能力が最適化されておらず、最適化されたコンバータ電子回路と比較して、エネルギー効率がかなり低い。単純な電子回路で通常グラム当たり０．０４〜０．０６ジュールであるのに対して、複合電子回路ではグラム当たり０．４〜０．６ジュールである。
【００７８】
図８は、電気活性ポリマー発電機１９０４用の高効率エネルギー移動回路１９００の一実施形態を示すブロック図である。図８において、高効率エネルギー移動回路１９００は、充電コンバータ電子回路１９０６及び放電コンバータ電子回路１９０８を介して電気活性ポリマー発電機１９０４に連結される制御電子回路１９０２を備える。電流制御信号１９１２を用いて、充電コンバータ電子回路１９０６及び放電コンバータ電子回路１９０８を制御する。歪み測定電子回路１９１０は、電気活性ポリマー発電機１９０４に連結され、制御電子回路１９０２に信号を供給する。この構成の１つの利点は、電気活性ポリマー発電機１９０４における電気的損失が制御され、全体の変換効率及び性能を最大限に引き出すことである。
【００７９】
一つの実施形態において、ここで説明する電気活性ポリマー発電機１９０４は、発電機１９０４を充電又は放電する際の電極損失を最小限に抑えるように電荷移動が制御されている。様々な実施形態において、電荷移動を制御するいくつかの方法を実施可能である。たとえば、同期並列コンバータを用いて、充電コンバータ電子回路１９０６における充電を行い、連続降圧型コンバータを用いて、放電コンバータ電子回路１９０８における放電を行うようにしてもよい。一つの実施形態において、充電コンバータ電子回路１９０６及び放電コンバータ電子回路１９０８の電子技術及びロジックを用いて、電極損失を許容レベルまで削減するような度合に充電電流又は放電電流を制限する。この方法は、電極抵抗の予期せぬ変化をもたらし、電気系統の動作条件に対する影響を限定的なものにする。発電機１９０４の静電容量と、発電機１９０４の等価電極抵抗の両方が機械的歪みと共に変動する。電気活性ポリマー発電機１９０４の充電及び放電時の電気的損失を制御するために、以下の基準に従って電流が制限される。
【００８０】
【数１】
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【００８１】
一つの実施形態において、電極抵抗に応じて、高電極抵抗の充電電流と放電電流を有する電気活性ポリマー発電機を制御する。そうでなければ、過剰な損失により、充電器全体の効率が低下することになる。
【００８２】
多相平衡型電気活性ポリマー発電機
以上、電気活性ポリマー発電機及びその構成要素のいくつかの実施形態を一般的に説明してきたが、以下では、約３０％以上の機械‐電気変換効率を有する電気活性ポリマー発電機の実施形態を説明する。一部の実施形態において、様々な実施形態に従う技術を利用して、約８０％以上の変換効率を達成することも可能である。たとえば、一つの実施形態において、電気活性発電機の単一要素を複数アレイに構成することによって、機械‐電気無効電力効率が８０％を超えるようにすることができる。電気活性ポリマー発電機のこのような構成を、たとえば、多相発電機と称する。多相（マルチフェーズ又はポリフェーズ）電力変換の基本的な概念は、近年の３相電力分配システムの根拠となるものであるが、この概念は、後述するように、電気活性ポリマー発電機には適用されない。電気活性ポリマー発電機に関する記載はあるが、多相電気活性ポリマー発電機に関する記載はほとんどない。特に、最適化された電気活性ポリマー発電機は、１／２サイクルしか発電されないが、電磁発電機のように両方向性ではないため、最低でも６相が必要となる。したがって、電磁発電機の最低最適相数が３であるのに対して、電気活性ポリマー発電機の最低最適相数は６である。ただし、実施形態はこれに限定されるものではなく、７相以上の発電機を含む２相以上の発電機が本開示の範囲内に含まれると考えられる。
【００８３】
誘電エラストマー発電機用の平衡多相型発電機
ここで説明する誘電エラストマー発電機において、機械動力を電力に変換する仕事サイクルの一部として、エラストマーフィルムは交互に伸張と緩和を繰り返す。エラストマーフィルムを伸張及び緩和するのに必要な機械動力は、電気エネルギーに変換される動力よりも大きなものでもよい。フィルムに蓄積されるピーク機械エネルギーは、通常、電気に変換されるエネルギーの約１０倍である。一つの実施形態において、システム内に蓄積される受動歪みエネルギーの合計が一定になるように仕事サイクル内の異なる位置に配置される弾性体間で無効機械エネルギーを分配する平衡多相型発電機により、機械‐電気変換効率が増大する。平衡多相型発電機では、システムは、好適な休止位置を持たないため、円滑な操作のために、重いフライホイール（弾み車）やプルーフマス（試験質量）を必要としない。
【００８４】
一つの実施形態において、平衡多相型発電機は、回転運動を、複数のトランスデューサを伸張及び緩和させる往復運動に変換する伝達連結機構を備えるものでもよい。各トランスデューサは、誘電エラストマー部を備える。複数のトランスデューサは、伝達連結機構の仕事サイクルに沿って均等に割り振られて配置される。一つの実施形態において、複数のトランスデューサは、仕事サイクルの対点に配置される第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとを備えるものでもよい。別の実施形態において、複数のトランスデューサは、６つの誘電体を備え、各誘電体が仕事サイクルにおける等間隔の位置に配置されるようにしてもよい。当業者には自明のことであるが、任意の数の等間隔に配置された誘電体を用いることができる。任意の数の等間隔に配置された誘電体を用いることができるが、最適化された電気活性ポリマー発電機は、１／２サイクルしか発電されないが電磁発電機のように両方向性ではないため、最低でも６相が必要となる。したがって、電気活性ポリマー発電機の最小最適相数は６である。ただし、実施形態はこれに限定されるものではなく、２相以上の発電機が本開示の範囲内に含まれると考えられる。
【００８５】
一つの実施形態において、伝達連結機構は、機械エネルギー源に連結されて、複数のトランスデューサに動作可能に取り付けられるように構成される。伝達連結機構は、伝達連結機構に作用する機械エネルギー源に応じて複数のトランスデューサを周期的に歪ませ、緩和させるものでもよい。伝達連結機構は、仕事サイクルを備え、伝達連結機構の仕事サイクルに沿って均等に割り振られた位置に複数のトランスデューサを配置するものでもよい。たとえば、複数のトランスデューサが第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとを備える場合には、第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを、仕事サイクルにおける対点に配置するものでもよい。別の例として、複数のトランスデューサが６つのトランスデューサを備える場合には、６つのトランスデューサを仕事サイクルに沿って、６０度ずつ増えるように均等に割り振って配置するようにしてもよい。当業者には自明のことであるが、任意の数の均等に割り振られて配置されるトランスデューサを用いることができる。
【００８６】
図９〜図１１は、平衡多相型発電機２５００の一実施形態を示す。平衡多相型発電機２５００は、第１の支柱２５０８ａと第２の支柱２５０８ｂとを備える。第１と第２の支柱は、第１の軸受２５１４ａと第２の軸受２５１４ｂとを規定する。シャフト２５１０が第１及び第２の軸受を通って長手方向に伸長し、第１の端部に機械インターフェース２５１１を備える。第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６が、シャフト２５１０に動作可能に載置される。第１対のハンガー２５３８ａ及び第２対のハンガー２５３９ｂが、第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６上に形成されたジョイントに動作可能に連結され、その間に配置される（図示しない）複数の発電機要素を支持する。複数の発電機要素は、各々、少なくとも１つの誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ａ等の線形電気活性ポリマートランスデューサを備える。このモジュールは、伸縮性電気活性ポリマー材料、具体的には、誘電エラストマーから形成され、上述したように、伸張、シード（種）となるベース電圧供給、緩和及び放電される際に、機械的仕事を電荷に変換する。第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６は、斜角でシャフト２５１９の取り付けられるディスクを備える。第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６は、第１のスワッシュプレート２５１４と第２のスワッシュプレート２５１６とで逆回転対を形成するように、対角に取り付けられる。シャフト２５１０が回転すると、第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６の端部が、シャフト２５１０の長さ方向に沿って振動する経路を形成し、シャフト２５１０の回転運動を第１対のハンガー２５３８及び第２対のハンガー２５３９の往復運動に変換する。
【００８７】
機械仕事源が第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６に逆回転運動を加えると、対応するハンガープレート２５３８及び２５３９により加えられる力によって、発電機要素２５２０ａが各サイクルで伸張及び緩和する。第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６上の異なる位置に各ハンガープレートが配置されるため、発電機要素は、仕事サイクルにおける別の位置で伸張及び緩和する。
【００８８】
図１０Ａ及び図１０Ｂに、仕事サイクルにおける対点に第１の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ａと第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ｂとを配置した平衡多相型発電機２５００を示す。スワッシュプレートは、対向する対角で回転し、１／２回転だけずれた位相で第１の誘電エラストマー要素２５２０ａと第２の誘電エラストマー要素３５２０ｂを伸張及び緩和させる。図１０Ａは、仕事サイクルの第１の位置における第１の誘電エラストマー要素２５２０ａ及び第２の誘電エラストマー要素３５２０ｂを示す。第１の誘電エラストマー発電機モジュール２５０ａは、仕事サイクルにおける最小歪み状態、すなわち、緩和状態にある。第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ｂは、仕事サイクルにおける最大歪み状態にある。機械インターフェース２５１１を介してシャフト２５１０が機械エネルギーによって回転すると、第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６が第１の誘電エラストマー要素２５２０ａ及び第２の誘電エラストマー要素３５２０ｂを回転させて、仕事サイクルを通して周期的に緩和及び伸張させる。
【００８９】
図１０Ｂは、仕事サイクルの第２の位置における平衡多相型発電機２５００を示す。第１のスワッシュプレート２５１４及び第２のスワッシュプレート２５１６は１８０度回転されている。第１の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ａは、仕事サイクルにおける最大歪み状態にある。第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ｂは、緩和されて仕事サイクルにおける最小歪み状態にある。当業者には自明のことであるが、第１及び第２の誘電エラストマー要素２５２０ａ及び２５２０ｂの歪み状態は逆になっているが、システムにおける受動的歪みの合計は一定に保たれている。
【００９０】
図１１及び図１２は、平衡多相型発電機２５００の２つの実施形態を示す自由体図である。図１１は、シャフト２５１０とスワッシュプレート２５１６の基本構成の一実施形態を示す。基本構成において、第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ｂは、最大歪み状態にあって、仕事サイクルにおける緩和状態にある第１の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ａによる曲げモーメント２６１５よりも大きな曲げモーメント２６１３をシャフト２５１０に与える。第１の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ａの曲げモーメント２６１３と第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ｂの曲げモーメント２６１５は、いずれも、スワッシュプレートの角度と半径とによって決まる同じモーメントアームｄを通って作用する。したがって、最大歪み状態にある誘電エラストマー要素、この場合には、第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ｂは、緩和状態にある誘電エラストマー要素と比べて大きな回転力をシャフトに加える。
【００９１】
図１２は、シャフト２５１０とオフセットされたスワッシュプレート２６１６の一実施形態を示す。オフセットされたスワッシュプレート２６１６は、シャフト２５１０からｈだけオフセットされている。第１の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ａは、ｄ＋ｈに等しい曲げモーメントを有する。第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５２０ｂは、ｄ−ｈに等しい曲げモーメントを有する。最大歪み状態にある誘電エラストマー要素、この場合には、第２の誘電エラストマー発電機モジュール２５１０ｂによって生じたより大きな力Ｆmaxはより小さなモーメントを有するため、オフセットｈによって、モーメントが釣り合う。シャフト２５１０が回転すると、オフセットされたスワッシュプレート２６１６がシャフト２５１０の周りを偏心して回転して、オフセットｈはＦmaxの方向にオフセットした状態で維持される。スワッシュプレート２６１６をオフセットさせることにより、シャフト２５１０にかかる総回転力を低下させることができる。
【００９２】
図１３は、６つのトランスデューサ部を備える平衡多相型発電機２７００の一実施形態を示す。平衡多相型発電機２７００は、第１のハンガープレート群２７３８ａ−ｆと第２のハンガープレート群２７３９ａ‐ｆとを備える。第１のハンガープレート群２７３８ａ−ｆと第２のハンガープレート群２７３９ａ‐ｆとは、その間にトランスデューサ部を支持するように構成される。第１のトランスデューサ部２７２０ａと第２のトランスデューサ部２７２０ｂとを示す。図示の都合上、他の４つのトランスデューサ部は省略してある。トランスデューサ部は、少なくとも第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つの誘電エラストマーフィルム層を配置した伸縮性電気活性ポリマー材を有する誘電エラストマーモジュールを備える。第１のハンガープレート群２７３８ａ−ｆは、第１のスワッシュプレート２７１４上に形成される複数のジョイントに支持される。第２のハンガープレート群２７３９ａ‐ｆは、第２のスワッシュプレート２７１６上に形成される複数のジョイントに支持される。様々な実施形態において、複数のジョイントは、ボールジョイント（玉継手）、ユニバーサルジョイント（自在継手）又はその他の任意の適当なジョイント（継手）を含むものでもよい。第１及び第２のスワッシュプレートは、シャフト２５１０上で対角に配置される。たとえば、第１のスワッシュプレートが鉛直軸から３０度オフセットされている場合には、第２のスワッシュプレートは鉛直軸からー３０度オフセットされる。スワッシュプレートを対向角度に配置することによって、シャフト２５１０の回転に伴って、トランスデューサを伸張及び緩和させることができる。
【００９３】
一つの実施形態において、第１及び第２のスワッシュプレート２７１４、２７１６の仕事サイクルは、スワッシュプレートの完全な一回転（３６０度）でもよい。６つのトランスデューサは、各々、第１のハンガープレート群２７３８ａ−ｆに含まれるハンガープレートと、第２のハンガープレート群２７３９ａ‐ｆに含まれるハンガープレートに取り付けられる。たとえば、第１のトランスデューサ２７２０ａは、第１のハンガープレート２７３８ａと第２のハンガープレート２７３９ａとに取り付けられるものでもよい。ハンガープレート群２７３８ａ−ｆ及び２７３９ａ‐ｆ並びにその間に支持されるトランスデューサは、第１と第２のスワッシュプレートの仕事サイクルにおいて、等間隔の位置に配置される。たとえば、第１のトランスデューサ２７２０ａ、第１のハンガープレート２７３８ａ及び第２のハンガープレート２７３９ａを、第１及び第２のスワッシュプレート２７１４、２７１６上で０度の位置に配置するようにしてもよい。次に、第２のトランスデューサ及び関連するハンガープレートを仕事サイクルの６０度の位置に配置し、第３のトランスデューサを１２０度の位置に、第４のトランスデューサを１８０度の位置に、第５のトランスデューサを２４０度の位置に、第６のトランスデューサを３００度の位置に配置するようにしてもよい。シャフト２５１０が回転すると、第１及び第２のスワッシュプレート２７１４、２７１６が一体となって仕事サイクル内で移行し、６つのトランスデューサの各々が伸張及び緩和される。図示した実施形態において、各トランスデューサは、仕事サイクル内の対点に配置されるトランスデューサと対になる。たとえば、第１のトランスデューサが最大歪み状態にある場合には、第１のトランスデューサから１８０度の位置にある第２のトランスデューサが最小歪み状態になる。第１のトランスデューサが最小歪み状態に移行すると、第２のトランスデューサが最大歪み状態に移行し、結果として、システム内の正味の力の増加はゼロになる。
【００９４】
図１４は、正弦カム２８１４を備える平衡多相型発電機２８００の一実施形態を示す。平衡多相型発電機２８００は、正弦カム２８１４を備える伝達連結機構を有するシャフト２８１０を備える。シャフト２８１０は、機械インターフェース２８１１を介して、機械エネルギー源に連結される。機械エネルギー源は、任意の適当な機械エネルギー源であればよく、たとえば、静止水、移動水、潮汐、波、風力、太陽、地熱等が挙げられる。機械エネルギー源によって、シャフト２８１０が回転する。正弦カム２８１４は、シャフト２８１０と一体に正弦カム２８１４が回転するように、シャフト２８１０に固定される。カムシャフト２８１６は、第１の端部と第２の端部とを備え、正弦カム２８１４に動作可能に連結される。機械エネルギー源により正弦カム２８１４が回転すると、正弦カムは第１のカムプレート２８３８ａと第２のカムプレート２８３８ｂの間で往復動する。第１と第２のカムプレート２８３８ａ、２８３８ｂは、ベース２８０４に取り付けられるものでもよい。溝付ブロック２８２４ａ、２８２４ｂ形状の取付部が、カムシャフト２８１６の第１の端部と第２の端部に固定される。
【００９５】
平衡多相型発電機２８００は、さらに、１つ又は複数の取付板２８１４を備えるものでもよい。取付板２８４１は、長手軸に沿ったベース２８０４の端部に配置され、ベース２８０４から鉛直方向に伸長するものでもよい。取付板２８４１は、１つ又は複数の溝付ブロック２８２４等の取付部を備え、各溝付ブロック２８２４がカムシャフト２８１６の取付部２８２４と一直線上にくるように軸方向に位置合わせをして取り付けるものでもよい。誘電エラストマーモジュールを備えるトランスデューサを、カムシャフト２８１６上に配置される溝付ブロック２８２４と取付板２８４１上に配置される溝付ブロック２８２５とに固定するようにしてもよい。正弦ギアによりカムシャフト２８１６が回転すると、カムが第１のカムプレート２８３８ａと第２のカムプレート２８３８ｂとの間で往復動し、誘電エラストマーモジュールが伸張及び緩和する。カムシャフトの両側に誘電エラストマー発電機モジュール２８２０を取り付けることにより、正弦カム２８１４の１つの仕事サイクルの間に、シャフトによって２つの誘電エラストマー発電機モジュール２８２０を作動させることが可能になる。一つの実施形態において、平衡多相型発電機２８００は、６つのカムシャフト２８１６、２つの取付板２８４１、及び、カムシャフト２８１６と取付板２８４１との間に配置される１２個の誘電エラストマー発電機モジュール２８２０を備えるものでもよい。
【００９６】
「一つの実施形態」又は「ある実施形態」への言及は、少なくとも一つの実施形態に、その実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造、又は特性が含まれることを意味する。明細書における「一つの実施形態において」あるいは「一つの態様において」という表現は、必ずしも同一の実施形態に言及しているとは限らない。
【００９７】
一部の実施形態では、「連結」や「接続」という表現やその派生語を説明に用いているが、これらの用語は、互いに同義語であることを意図したものではない。たとえば、一部の実施形態において、２つ以上の要素が互いに直接物理的又は電気的に接していることを表すために、「接続」及び／又は「連結」という用語を用いている場合がある。しかし、２つ以上の要素が互いに直接接してはいないが、互いに協働又は相互作用していることを意味するために「連結」という用語を用いている場合もある。
【００９８】
当然のことながら、本明細書で明示的に説明したり図示したりはしていないが、当業者であれば、本開示の範囲内で、本開示の原理を様々な構成で体現化することが可能であろう。また、本明細書中に記載したすべての例及び条件を意味する言葉は、主に、本明細書に記載した原理や当該分野の発展に寄与する概念の理解を助けるためのものであり、具体的に記載した例や条件に本開示を限定するものではない。さらに、原理や実施形態及びその実施例や具体的な例の記載は、構造及び機能の両方の意味で同等のものを含むことを意図したものである。この同等のものには、現在知られている同等のもののみならず、将来的に開発される同等のもの、すなわち、構造にかかわらず同様の機能を果たすものとして開発される要素も含まれる。したがって、本開示の範囲は、例示した実施形態や本明細書に図示及び記載した実施形態に限定されるものではなく、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって具現化されるものである。
【００９９】
本明細書の文脈（特に、以下の特許請求の範囲の文脈）で用いられる不定冠詞や定冠詞（a、an、the）は、特に別段の指定がない限り、あるいは、文脈から明らかにそうでないとわかる場合を除き、単数及び複数の両方を網羅するものである。本明細書に記載する数値の範囲は、その範囲内にある個々の数値を参照する象徴的な方法として用いられているに過ぎない。特に別段の指定がない限り、個々の数値は、個別に明細書で列挙したものとして、明細書に組み込まれる。本明細書に記載したすべての方法は、特に別段の指定がない限り、あるいは、文脈から明らかにそうでないとわかる場合を除き、任意の適当な順序で実行可能である。本明細書に記載したあらゆる例又は例示する表現（たとえば、「〜等の」「〜の場合」「例として」）は、単に本発明の理解を容易にするためのものであり、特許請求の範囲以外に発明の範囲を何ら限定するものではない。本明細書のいずれの説明も、特許請求の範囲に記載されていない要素が本発明の実施に不可欠なものであることを示すものと解釈するべきではない。さらに、特許請求の範囲は、随意的な要素を除外して作成されるものでもよい。このような場合、その記載は、特許請求の範囲に含まれる要素の記載に関連して、「だけに」や「単に」等の排他的な用語を用いるための、あるいは、否定的な制限を用いるための、先行詞として機能することを意図したものである。
【０１００】
本明細書に記載する選択可能な要素や実施形態のグループ分けは、限定的なものと解釈するべきではない。各グループの構成要素は、個別に、又は、そのグループの他の構成要素や本明細書に記載の他の要素と組み合わせて、参照し、また、特許請求の範囲に記載可能である。便宜上及び／又は特許性を理由として、あるグループの１つ又は複数の構成用をそのグループに含めたり、そのグループから削除するものでもよい。
【０１０１】
実施形態の特徴を上述のように例示したが、当業者には自明のように、様々な変形、置き換え、変更やこれらに準じるものが可能である。したがって、添付の特許請求の範囲は、このような変形や変更を、すべて、開示した実施形態や添付の特許請求の範囲内を含むことを意図したものと考えるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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