(57)【要約】  機械エネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーへと変換するように構成されたエネルギー変換装置が提供される。エネルギー変換装置は、伸張可能な電気活性高分子材料から形成される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含む。少なくとも１つの誘電エラストマー膜層を備える誘電エラストマーモジュールは、少なくとも第１および第２の電極間に配置される。伝達結合機構が、機械エネルギー源を結合するように構成されるとともに、伝達結合機構に作用する機械エネルギーに応じてトランスデューサを周期的に歪ませて弛緩させるためにトランスデューサに動作可能に取り付けられる。調整回路が、少なくとも第１および第２の電極に結合されるとともに、誘電エラストマー膜が歪み状態にあるときに電荷を誘電エラストマー膜へ印加し、誘電エラストマー膜が歪み状態から弛緩状態へ移行するときに誘電エラストマー膜との接続を断ち、誘電エラストマー膜が弛緩状態に達するときに電荷を誘電エラストマー膜から除去するように構成される。
2014507930.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へと変換するように構成されたエネルギー変換装置において、
伸張可能な電気活性高分子材料を備える誘電エラストマーモジュールを備え、前記誘電エラストマーモジュールが、少なくとも一部が少なくとも第１および第２の電極間に配置された少なくとも１つの誘電エラストマー膜層を備えるトランスデューサと、
前記機械エネルギー源を結合するように構成される伝達結合機構であって、該伝達結合機構に作用する機械エネルギーに応答して前記トランスデューサを周期的に歪ませ、弛緩させるために、前記トランスデューサに動作可能に取り付けられる伝達結合機構と、
前記少なくとも第１および第２の電極に結合されており、前記誘電エラストマー膜が歪み状態にあるときに電荷を前記誘電エラストマー膜へ印加し、前記誘電エラストマー膜が歪み状態から弛緩状態へ移行するときに前記誘電エラストマー膜との接続を断つとともに、前記誘電エラストマー膜が弛緩状態に達したときに電荷を前記誘電エラストマー膜から除去するように構成された調整回路と
を備えたことを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記誘電エラストマーモジュールは、複数のフレーム要素の間に層状に形成された複数の誘電エラストマー膜要素と各層に形成された複数の電極とを備える請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記調整回路を前記複数の電極に結合するために前記フレーム要素のうちの少なくとも１つに位置するバス電極を更に備える請求項２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
前記バス電極と少なくとも１つの電極との間に電気的に接続される高分子ヒューズを更に備える請求項３に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記誘電エラストマー膜は、約１００MPa未満の弾性率と、約２よりも大きい誘電定数とを有するとともに、アクリレート、シリコーン、ウレタン、炭化水素ゴム、フルオロエラストマー、スチレン共重合体、および、これらの組み合わせから成るグループから選択される１つ以上の材料を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
前記第１および第２の電極のうちの少なくとも一方は、ホタテガイの縁のように波を打った補強ビーズ、蛇行性の補強ビーズ、カレンダ仕上げされた複合材料、および、テキスタイルから成るグループから選択される少なくとも１つを備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項７】
前記伝達結合機構は、前記機械エネルギー源に結合するように構成された第１の部分と、前記トランスデューサに動作可能に結合される第１のカムを備える第２の部分とを有する第１のシャフトを備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項８】
前記第１のシャフトは、該第１のシャフト上の前記第１のカムに対して１８０°の角度で前記シャフトの周囲に配置された第２のカムを備える請求項７に記載のエネルギー変換装置。
【請求項９】
前記伝達結合機構は、前記機械エネルギー源に結合するように構成される第１の部分と、前記トランスデューサに動作可能に結合される第２のカムを備える第２の部分とを有する第２のシャフトを備え、前記第２のカムは、前記第２のシャフト上の第１のカムに対して１８０°の角度で前記シャフトの周囲に配置される請求項８に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１０】
前記機械エネルギー源が前記第１および第２のシャフトの前記第１の部分に結合されたときに、前記第１のシャフトが時計回り方向に回転するように構成され、かつ、前記第２のシャフトが反時計回り方向に回転するように構成され、前記第１および第２のシャフト上の前記第１および第２のカムは、逆方向に回転する一対の対向する弾性要素を形成する請求項９に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１１】
前記第１のシャフトの前記第１のカムを内部に受けるための開口を画定する第１のハンガープレートであって、前記第１のシャフトの前記第１のカムに動作可能に結合される第１の端部と、前記トランスデューサの第１の端部に接続される第２の端部とを有する第１のハンガープレートと、
前記第２のシャフトの前記第１のカムを内部に受けるための開口を画定する第２のハンガープレートであって、前記第２のシャフトの前記第１のカムに動作可能に結合される第１の端部と、前記トランスデューサの第２の端部に接続される第２の端部とを有する第２のハンガープレートと、
を更に備え、
前記トランスデューサに結合されると共に前記第１および第２のシャフトそれぞれに位置する前記第１のカムに動作可能に結合された前記第１および第２のハンガープレートが第１の発電機要素を形成する請求項１０に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１２】
前記第１のシャフトの前記第２のカムを内部に受けるための開口を画定する第３のハンガープレートであって、前記第１のシャフトの前記第２のカムに動作可能に結合される第１の端部と、第２のトランスデューサの第１の端部に接続される第２の端部とを有する第３のハンガープレートと、
前記第２のシャフトの前記第２のカムを内部に受けるための開口を画定する第４のハンガープレートであって、前記第２のシャフトの前記第２のカムに動作可能に結合される第１の端部と、前記第２のトランスデューサの第２の端部に接続される第２の端部とを有する第４のハンガープレートと、
を更に備え、
前記第２のトランスデューサに結合されると共に前記第１および第２のシャフトそれぞれに位置する前記第２のカムに動作可能に結合された前記第３および第４のハンガープレートが第２の発電機要素を形成し、前記第１および第２の発電機要素は、逆方向に回転する平衡弾性要素の第１の対を形成する請求項１１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１３】
少なくとも第３および第４の発電機要素を更に備え、前記少なくとも第３および第４の発電機要素は、逆方向に回転する平衡弾性要素の第２の対を少なくとも形成する請求項１２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１４】
前記調整回路は、
コントローラと、
充電コントローラと、
エネルギー蓄積要素とを備え、
前記充電コントローラは、機械サイクルが１サイクルの最大歪みに達してしまったときに、前記エネルギー蓄積要素から電気エネルギーを除去して、それを前記誘電エラストマー膜へ移動させる請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１５】
前記調整回路が放電コントローラを更に備え、
前記放電コントローラは、機械サイクルが１サイクルの最小歪みに達してしまったときに、前記誘電エラストマー膜から電気エネルギーを除去する請求項１４に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１６】
前記誘電エラストマー膜に作用する電圧または歪み状態のうちの少なくとも一方を測定するとともに電圧測定値または歪み測定値のうちの少なくとも一方を前記コントローラへ与えるために電圧モニタまたは歪みモニタのうちの少なくとも一方を更に備える請求項１４または請求項１５に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１７】
逆方向に回転する対向する発電機要素の第１の対と、
逆方向に回転する対向する発電機要素の第２の対と、
逆方向に回転する対向する発電機要素の第３の対と、を少なくとも備え、
少なくともこれら３つの対の発電機要素は、逆方向に回転する平衡電気活性高分子エネルギー変換デバイスを形成する電気活性高分子エネルギー変換デバイス。
【請求項１８】
機械エネルギー源から電気エネルギーを発生させる方法であって、
前記機械エネルギー源を使用して誘電エラストマー膜を１サイクルの所定の最大歪みまで歪ませるステップと、
歪みコントローラにより、前記誘電エラストマー膜が前記１サイクルの所定の最大歪みに達するときを監視するステップと、
機械サイクルが１サイクルの最大歪みに達したときに、充電コントローラにより、電荷を前記誘電エラストマー膜へ移動させるステップと、
前記誘電エラストマー膜を前記サイクルの所定の最小歪みまで弛緩させるステップと、
前記機械サイクルが前記１サイクルの最小歪みに達したときに、放電コントローラにより、前記誘電エラストマーの電荷を除去するステップと
を備える方法。
【請求項１９】
前記充電コントローラにより、電荷をエネルギー蓄積要素から除去するステップと、
機械サイクルがサイクルの最大歪みに達したときに前記エネルギー蓄積要素から除去された電荷を前記誘電エラストマー膜へ移動させるステップと、を更に備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
電圧モニタまたは歪みモニタのうちの少なくとも一方によって前記誘電エラストマー膜の電圧または歪み状態のうちの少なくとも一方を測定するステップと、
電圧測定値または歪み測定値のうちの少なくとも一方を前記コントローラへ与えるステップと、を更に備える請求項１８または請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
この出願は、“SIMPLIFIED EPAM ENERGY HARVESTING CIRCUIT WITH OVERVOLTAGE PROTECTION”と題される２０１１年３月９日に出願された米国仮特許出願第６１／４５０，７５６号、“EPAM GENERATOR ARRAYS TO IMPROVE MECHANICAL-TO-ELECTRICAL CONVERSION”と題される２０１１年３月９日に出願された米国仮特許出願第６１／４５０，７５８号、“HIGH EFFICIENCY ENERGY TRANSFER CIRCUIT FOR EPAM GENERATORS”と題される２０１１年３月９日に出願された米国仮特許出願第６１／４５０，７６２号、“EPAM ENERGY HARVESTING CONTROL UTILIZING MICROCONTROLLER ELECTRONICS”と題される２０１１年３月９日に出願された米国仮特許出願第６１／４５０，７６４号、“DIELECTRIC ELASTOMER GENERATORS”と題される２０１１年５月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／４９０，４１８号、および、“COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED, RIGID, INSULATOR COVERED WITH THIN, SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS, AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS INCORPORATING SUCH ELECTRODES”と題される２０１１年１０月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／５４５，２９５号の３５USC§１１９（e）に基づく優先権を主張し、これらの出願のそれぞれの開示全体は、参照することにより本願に組み入れられる。
【技術分野】
【０００２】
様々な実施形態において、本開示は、一般に、エネルギー変換デバイスに関する。１つの側面において、本開示は、機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するように構成されるデバイスに関する。特に、本開示は、機械エネルギーを電気エネルギーへと効率的な態様で変換するために多相配列を成して構成される電気活性高分子アレイに関する。より詳しくは、本開示は、機械エネルギーを電気エネルギーへと変換するように構成される電気活性高分子アレイのためのエネルギー伝達・エネルギーハーベスティング回路および技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
カリフォルニア州のメンロパークのスタンフォード国際研究所（以下、SRI）は、ほぼ１０年間にわたって発電のための電気活性高分子の使用に取り組んできており、電気活性高分子を使用した発電に関してかなりの数の論文および特許を公開してきた。SRIが提供する発電トポロジーの例としては、単一の電気活性高分子シートの実験室試験、ヒールストライク発電機、発電機を駆動する小型水車、および、ブギーボード発電機を駆動する６０フィート波浪水槽が挙げられる。しかしながら、今まで、発生される電力レベルは低く（５０ワット未満）、SRIによる労力のかなりの量が、彼らのヒールストライク発電機または海洋波から電力を発生させてナビゲーションブイに給電するためのブイ発電機のいずれかに向けられてきたように思われる。
【０００４】
一般に、発電機、例えばロール発電機などの電気活性高分子エネルギー変換デバイスは、電力を生み出すために高レベルの反応性機械出力を必要とする。単一の電気活性高分子エネルギー発生要素は、機械出力の１５％しか電力へと変換することができない。SRIは、この変換を最大で約３０％にまで高める２相システムを開発してきたと報告される。しかしながら、そのようなシステムは、８０％を超える全システム効率を適切に得ることができない。
【０００５】
また、電気活性高分子は、一般に、電気を生み出すために高電圧電子機器を必要とする。幾つかの用途においては、簡素さが重要であるが信頼性を犠牲にしない。機能性および保護を与えるためには、一般に簡単な高電圧の電気回路が必要とされる。基本的な電気活性高分子発電機回路は、低電圧プライミング電源と、接続ダイオードと、電気活性高分子発電機と、第２の接続ダイオードと、高電圧コレクタ電源とから成る。しかしながら、そのような回路は、この開示に係る電気活性高分子発電機によって必要とされ得るのと同じ程度の１サイクル当たりのエネルギーを得るのに有効ではなく、比較的高電圧のプライミング電源を必要とする。
【０００６】
更に、電気活性高分子エネルギーハーベスティング発電機は高い電気抵抗を有する場合がある。これは、機械的コンプライアンスという付加的な電極要件に起因する。電極は、周期的な歪みを受けている間、その導電性を保持しなければならない。したがって、電極を設計する際には、導電性とコンプライアンスとの間で電極トレードオフがなされなければならない。導電性が高い電極、例えば銀は、非常に硬質であり、大きな機械的動きを許容しない。例えば事前に印刷された導電性インクなどの導電性が低い電極は、柔軟性があり、機械的な動きを許容するが、抵抗があり、電気活性高分子発電機を充電または放電しようとするときに電気的損失をもたらす。簡略化された電気活性高分子発電機の電子機器が、低い電極電流で動作することにより電極損失を最小限に抑えるべく使用される場合がある。そのような簡略化された電気活性高分子回路は、高い電極抵抗のために設計されるが、全体の機械−電気変換能力を最適化せず、最適化された変換器電子機器と比べてかなり低い比エネルギー密度をもたらす。すなわち、一般に、複雑な電子機器の場合には０．４〜０．６J／グラムであるのに対し、簡単な電子機器の場合には０．０４〜０．０６J／グラムである。
【０００７】
また、電気活性高分子型発電機におけるエネルギー密度を最大にするためには、複雑な制御電子機器が必要である。複雑な制御は、電気活性高分子発電機のエネルギー密度をある程度の大きさにわたって高めることができる。しかしながら、現在、電気活性高分子発電機のための複雑な電子機器制御の例は公開されていない。
【０００８】
波エネルギーおよび風力エネルギーは、数千メガワット時の電気を毎年供給できる再生可能なエネルギー資源である。このエネルギーの僅かな割合を取り入れることでさえ、かなりの電力源を与え得る。例えば電気活性高分子に基づく発電機を利用するなどの新たな概念は、多くのこれらの課題を解決するのに役立ち得る。
【０００９】
本開示は、電気活性高分子を使用する改良されたエネルギー変換器を提供する。本開示は、従来技術と比べて目標コスト、効率、信頼性、および、全体性能に関して改良された電気活性高分子に基づくエネルギー変換器の様々な実施形態を与える。
【発明の概要】
【００１０】
一実施形態において、本開示は、電気活性高分子に基づくエネルギー変換デバイスを提供する。一実施形態において、エネルギー変換装置は、機械的なエネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーへ変換するように構成される。エネルギー変換装置は、伸張可能な電気活性高分子材料から形成される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備える。誘電エラストマーモジュールは、少なくとも第１および第２の電極間に配置される少なくとも１つの誘電エラストマー膜層を備える。機械エネルギー源を結合するように構成される伝達結合機構がトランスデューサに動作可能に取り付けられ、それにより、伝達結合機構に作用する機械エネルギーに応答してトランスデューサを周期的に歪ませ、弛緩させる。調整回路が少なくとも第１および第２の電極に結合されており、この調整回路は、誘電エラストマー膜が歪み状態にあるときに電荷を誘電エラストマー膜に印加し、誘電エラストマー膜が歪み状態から弛緩状態へ移行するときに誘電エラストマー膜との接続を断ち、そして、誘電エラストマー膜が弛緩状態に達するときに誘電エラストマー膜から電荷を除去するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、機械エネルギー源から電気を採取するために使用されてもよいエネルギー変換デバイスのブロック図である。
【図２】図２は、何らかのタイプの電気活性高分子膜を含むエネルギー変換デバイスを使用してエネルギーを変換するためのサイクルを示している。
【図３Ａ】図３Aは、一実施形態に係るトランスデューサ部分の上面斜視図を示している。
【図３Ｂ】図３Bは、電界の変化に応じた撓みを含むトランスデューサ部分の上面斜視図を示している。
【図４Ａ】図４Aは、電気活性高分子膜、例えば誘電エラストマー膜を含むエネルギー変換デバイスを使用して機械エネルギーを変換するための電気活性高分子発電機の１つのサイクル（一部）を示している。
【図４Ｂ】図４Bは、電気活性高分子膜、例えば誘電エラストマー膜を含むエネルギー変換デバイスを使用して機械エネルギーを変換するための電気活性高分子発電機の１つのサイクル（一部）を示している。
【図４Ｃ】図４Cは、電気活性高分子膜、例えば誘電エラストマー膜を含むエネルギー変換デバイスを使用して機械エネルギーを変換するための電気活性高分子発電機の１つのサイクル（一部）を示している。
【図４Ｄ】図４Dは、電気活性高分子膜、例えば誘電エラストマー膜を含むエネルギー変換デバイスを使用して機械エネルギーを変換するための電気活性高分子発電機の１つのサイクル（一部）を示している。
【図４Ｅ】図４Eは、電気活性高分子膜、例えば誘電エラストマー膜を含むエネルギー変換デバイスを使用して機械エネルギーを変換するための電気活性高分子発電機の１つのサイクル（一部）を示している。
【図４Ｆ】図４Fは、電気活性高分子膜、例えば誘電エラストマー膜を含むエネルギー変換デバイスを使用して機械エネルギーを変換するための電気活性高分子発電機の１つのサイクル（一部）を示している。
【図５】図５は、様々なシリコーン誘電エラストマー材料における誘電定数の測定値のグラフ表示である。
【図６】図６は、誘電定数と電界との関係を示すグラフ表示である。縦軸が誘電定数（ε）に対応し、横軸が電界E（V／μm）に対応する。
【図７】図７は、較正された約１００個のエラストマーにおけるシリコーンエラストマー（SSF４９３０）に適したOgdenモデルのグラフ表示である。
【図８】図８は、簡単な発電回路の一実施形態を示している。
【図９Ａ】図９Aは、電気活性高分子発電機の所定の座標系を示している。
【図９Ｂ】図９Bは、電気活性高分子発電機の所定の座標系を示している。
【図１０】図１０は、電気活性高分子発電機における定電荷サイクルのエネルギーと伸び率との関係を示すグラフ表示である。
【図１１】図１１は、純粋剪断モード発電機のストローク−力関係およびカーブフィットのグラフ表示１１００である。
【図１２】図１２は、機械的非線形純粋剪断電気活性高分子発電機におけるPSPICEモデルを示している。
【図１３】図１３は、変位と力との関係を示すPSSPICEモデリング結果のグラフ表示である。
【図１４】図１４は、非線形スプリングモデルに結合される非線形コンデンサの結合PSPICEモデルである。
【図１５】図１５は、エネルギーハーベスティングシミュレーションのグラフ表示である。
【図１６】図１６は、理想的なエネルギハーベスティングサイクルと理想的でないエネルギハーベスティングサイクル（漏れ電流）との関係を示すグラフ表示である。
【図１７】図１７は、理想的なサイクルおよび理想的でないサイクルにおける回収電気エネルギーのグラフ表示である。
【図１８】図１８は、マイクロコントローラ電子機器を利用する電気活性高分子発電機エネルギーハーベスティング制御システムの一実施形態のブロック図である。
【図１９】図１９は、電気活性高分子発電機のための高効率エネルギー伝達回路の一実施形態のブロック図である。
【図２０】図２０は、６相電気活性高分子発電機の一実施形態の斜視図である。
【図２１】図２１は、６相電気活性高分子発電機の一実施形態の斜視図である。
【図２２】図２２は、図２０および図２１に示される発電機の側面図である。
【図２３】図２３は、DEGモジュールの大部分が除去された図２０〜図２２に示される６相電気活性高分子発電機の斜視図である。
【図２４】図２４は、図２３に示される６相電気活性高分子発電機の端面図である。
【図２５】図２５は、図２３に示される６相電気活性高分子発電機の端面図である。
【図２６】図２６は、図２３に示される６相電気活性高分子発電機の側面図である。
【図２７】図２７は、図２０〜図２６に示されるDEGモジュールの一実施形態を示している。
【図２８】図２８は、図２７に示されるDEGモジュールの積層エラストマー膜構成要素部分の一実施形態を示している。
【図２９】図２９は、積層エラストマー膜構成要素の正面図である。
【図３０】図３０は、フロントプレートが除去された積層エラストマー膜構成要素の斜視図である。
【図３１】図３１は、図３０に示される積層エラストマー膜構成要素の詳細な端面図である。
【図３２】図３２は、積層エラストマー膜構成要素の断面斜視図である。
【図３３】図３３は、図３２に示される積層エラストマー膜構成要素の断面斜視図の詳細図である。
【図３４】図３４は、一実施形態に係る図２０〜２４および図２６に示される上側ハンガープレートの詳細図を示している。
【図３５】図３５は、一実施形態に係る図２０〜２４および図２６に示される上側ハンガープレートの詳細図を示している。
【図３６】図３６は、一実施形態に係る図２０〜２４および図２６に示される上側ハンガープレートの詳細図を示している。
【図３７】図３７は、一実施形態に係る図２０〜２４および図２６に示される上側ハンガープレートの詳細図を示している。
【図３８】図３８は、図２０〜図２６に関連して説明された６相電気活性高分子発電機と共に使用するためのシャフトの一実施形態を示している。
【図３９】図３９は、図２０〜図２６に関連して説明された６相電気活性高分子発電機と共に使用するためのシャフトの前記一実施形態を示している。
【図４０】図４０は、図２０〜図２６に関連して説明された６相電気活性高分子発電機と共に使用するためのシャフトの前記一実施形態を示している。
【図４１】図４１は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４２】図４２は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４３】図４３は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４４】図４４は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４５】図４５は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４６】図４６は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４７】図４７は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４８】図４８は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。
【図４９】図４９は、８相が中心カムに取り付けられた放射状誘電エラストマー発電機を示している。
【図５０】図５０は、線形スプリングとしての各相の近似が中心軸を中心とする軌道を描く点に取り付けられる図である。
【図５１】図５１は、方程式（５１）を使用して計算された受動トルクのグラフ表示であり、この場合、r=0.5、 lo=1、およびk=1である。
【図５２】図５２は、６相のそれぞれからのトルクのグラフ表示である。
【図５３】図５３は、１相（最大）〜６相（最小）を有するシステムからの正味受動トルクのグラフ表示である。
【図５４】図５４は、６相システムからのリップルトルクのグラフ表示である。
【図５５】図５５は、１相を有するシステムに対するn相を有するシステムの最大リップルトルクの比率のグラフ表示である。
【図５６】図５６は、誘電体膜上にわたって形成される複数の電極を備える電気活性高分子膜の図である。
【図５７】図５７は、誘電体膜上にわたって形成される複数の電極を備える電気活性高分子膜の図である。
【図５８】図５８は、クラックを来した電極の図である。
【図５９】図５９は、クラックを来した電極の図である。
【発明の詳細な説明】
【００１２】
機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するように構成される電気活性高分子に基づくエネルギー変換デバイスおよび電気活性高分子に基づくアレイの実施形態を説明する前に、開示される実施形態の用途または使用が添付の図面および明細書本文に示される部分の構成および配置の詳細に限定されないことについて言及しなければならない。開示される実施形態は、他の実施形態、変形、および、改変において実施され或いは組み入れられてよく、様々なやり方で実行および実現されてもよい。また、他に示唆されなければ、本明細書中で使用される用語および表現は、実施形態を例示目的で説明するためおよび読み手の便宜のために選択されており、実施形態のいずれかを開示された特定の実施形態に限定しようとするものではない。更に、任意の１つ以上の開示された実施形態、実施形態の表現、および、実施例を、限定を伴うことなく、任意の１つ以上の他の開示された実施形態、実施形態の表現、および実施例と組み合わせることができるのは言うまでもない。したがって、一実施形態に開示される要素と他の実施形態に開示される要素との組み合わせは、本開示および添付の特許請求項の範囲内に入ると見なされる。
【００１３】
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の間を双方向態様で変換するために使用されてもよい電気活性高分子に基づくエネルギー変換デバイスを提供する。「電気活性高分子」、「誘電エラストマー」、および／または、「エラストマー誘電体要素」という用語が本開示の全体にわたって置き換え可能に使用されてもよいことは言うまでもない。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へ変換するように構成される電気活性高分子膜を使用する１つ以上のトランスデューサを有する発電機を提供する。他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へと効率的な態様で変換するために多相配置を成して構成される電気活性高分子膜を使用するトランスデューサのアレイを提供する。更なる他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へと変換するように構成される電気活性高分子膜を使用するトランスデューサのためのエネルギー伝達・エネルギーハーベスティング回路および技術を提供する。これらの実施形態および他の特定の実施形態を以下で図示して説明する。
【００１４】
本開示は、機械エネルギーを電気エネルギーへと変換するために電気活性高分子膜を使用する１つ以上のトランスデューサを有する発電機、および、機械エネルギーを電気エネルギーへと更に効率的に変換するための電気回路および技術の様々な実施形態を提供する。一実施形態において、発電機モジュールは、カリフォルニア州のサニーベールにあるArtificial Muscle社（AMI)から入手できる一体型誘電エラストマー要素を備える電気活性高分子トランスデューサを備える。そのような発電機は、本明細書中では、電気活性高分子発電機モジュールと称されてもよい。そのような電気活性高分子発電機モジュールは、例えば機械−電気エネルギー変換を含む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。そのような電気活性高分子発電機モジュールは、誘電エラストマー膜が２つの電極層間に挟まれる伸縮性の弾性材料を備える。電気活性高分子発電機モジュールを歪ませる（伸ばす）ために機械的な力を印加すると、電極間の誘電エラストマー膜のキャパシタンスが変化する。歪んだ膜に印加されるシード電荷は、電気活性高分子発電機モジュールが弛緩するときに取り入れられ得る高い膜電圧まで上昇する。電気活性高分子発電機モジュールは、直接駆動用途に適しており、拡張性が高く、信頼できるとともに、効率的である。
【００１５】
電気活性高分子発電機の様々な実施形態を様々な態様で提供することに加え、本開示は、発電機の効率を高めるために電気活性高分子発電機モジュールと併せて使用されてもよい調整電子機器論理および回路並びに技術も提供する。これらの技術のそれぞれについては以下で別々に説明する。
【００１６】
発電機は、機械エネルギー源に結合するとともに発電機の１つ以上のトランスデューサ部分を駆動させるために機械エネルギーの一部を変換する１つ以上の伝達機構を備えてもよい。トランスデューサは、発電機に電気的に結合される調整電子機器と共に機械エネルギーを電気エネルギーへと変換する。一般的な機械エネルギー源としては、例えば、とりわけ、静止水または動作水、潮の干満、波、風、太陽光、地熱、が挙げられる。
【００１７】
電気活性高分子を利用して機械出力から電力を発生させるための基本的な機構は、誘電エラストマーが機械出力に応じて周期的に伸縮しつつ受けるキャパシタンスの変化である。高電力の発電機となるように、電気活性高分子発電機は、弛緩収縮状態から伸長状態まで少なくとも３倍〜４倍のキャパシタンス変化を受けなければならない。適した電気活性高分子発電機の性能、効率、および、信頼性に寄与する因子としては、誘電体材料、電極、機械的形態、電子機器、並びに、エネルギー密度および効率が挙げられる。
【００１８】
＜電気活性高分子エネルギー変換デバイス＞
図１は、機械エネルギー源１０２から電気を取り入れるために使用されてもよいエネルギー変換デバイス１００（発電機１００）のブロック図である。機械エネルギー源１０２は、ある態様では、１つ以上の伝達結合機構１０４を介した発電機１００への入力であってもよい。このとき、機械エネルギーは、調整電子機器１０８と併せて電気活性高分子１０６を使用する１つ以上のトランスデューサによって電気エネルギーへと変換されてもよい。また、機械エネルギーの一部は、更なる機械的仕事を行なうために使用されてもよい。調整電子機器１０８は、取り入れられた電気エネルギー１１０を電気エネルギー出力へ伝えてもよい。幾つかの実施形態において、発電機１００は、電気活性高分子トランスデューサ１０６への電力の印加時に機械的仕事を行なうように逆に動作されててもよい。
【００１９】
電気を発生させるために使用される機械エネルギーが多くの供給源から与えられてもよい。例えば、機械エネルギー源１０２は、とりわけ、静止水または動作水、潮の干満、波、風、太陽光、地熱などの環境的な供給源から取り入れられてもよい。環境的なエネルギー源は、機械的仕事または機械エネルギーを発生させるために水や空気などの作動流体によってトランスデューサ１０６へ伝えられてもよい。機械エネルギーは、電気１１０へと変換するために本開示の１つ以上の電気活性高分子トランスデューサ１０６を使用して採取されてもよい。作動流体および発電機１００の他の構成要素の選択は、発電機の動作環境（例えば、商業的環境、居住環境、陸上環境、海洋環境、携帯できる、携帯できない、など）、発電機のサイズ、コスト要件、耐久性要件、効率要件、電源の温度、および、出力要件などの発電機１００の１つ以上の動作パラメータおよび設計パラメータに依存してもよい。
【００２０】
一実施形態において、発電機１００を駆動させるための機械エネルギーは、機械エネルギーを引き出してそれを電気エネルギーへと変換する水力発電所の場合のように、静止水または動作水から得られてもよい。そのような機械エネルギー源１０２の主要な構成要素は、ダム、貯水池、導水路、伝達結合機構１０４、１つ以上の電気活性高分子トランスデューサ１０６、調整電子機器１０８、変圧器、および、パイプラインを含む。ダムは、水の機械エネルギー、すなわち、位置エネルギーおよび運動エネルギーの両方を効率的に利用するシステムである。ダムは、自然の上昇を伴う川などの水域にわたって建築され得る。また、機械エネルギーは、移動水、例えば穀類を製粉するために使用される移動水から得られてもよい。
【００２１】
他の実施形態において、発電機１００を駆動させるための機械エネルギーは、潮の干満から得られてもよい。大洋の潮の干満は、熱エネルギーまたは太陽の熱からのエネルギーと、波および潮の干満の動きによる機械エネルギーとを含む、２つの異なるタイプのエネルギーを生み出す。機械エネルギーは、潮の干満の動きから十分に引き出される。潮の干満による機械エネルギー源１０２の構成要素は、機械エネルギーを電気へと変換するために、機械エネルギーを獲得するための機構と、伝達結合機構１０４と、１つ以上の電気活性高分子トランスデューサ１０６と、調整電子機器１０８とを含む。これは、例えばブイ、エネルギー堰、および、水車を使用することによって行なわれてもよい。
【００２２】
他の実施形態において、発電機１００を駆動させるための機械エネルギーは、風車および風力タービンから得られてもよい。風車および風力タービンは、機械エネルギーを生み出すために再生可能な風力エネルギーを使用する。風車は、そのブレードの回転により発生される運動エネルギーを回転機械エネルギーへ変換するという原理に基づいて作用する。伝達結合機構１０４は、機械エネルギーを電気へ変換するために回転機械エネルギーを１つ以上の電気活性高分子トランスデューサ１０６および調整電子機器１０８に結合する。風車は、一般に、風速が５〜１５．５マイル／時の範囲にある山岳地帯や沿岸地域に設置される。本開示に係る発電機１００は、１つ以上の電気活性高分子トランスデューサ１０６および調整電子機器１０８を使用して電気を生み出すために風の力を利用する。垂直軸風力タービンおよび水平軸風力タービンを含む２つのタイプの風力タービンがある。
【００２３】
言うまでもなく、機械エネルギー源の実施例の先の説明は包括的ではなく、１つ以上の電気活性高分子トランスデューサ１０６および調整電子機器１０８を駆動させて電気を発生させるために熱エネルギー源などの他のエネルギー源が使用されてもよい。熱エネルギーは、太陽エネルギー、地熱エネルギー、内燃機関、外燃機関、または、廃熱などの様々な熱源から発生させることができる。熱エネルギーは、それを使用して発電機１００内に位置付けられる１つ以上のトランスデューサ１０６を駆動させることができるように機械エネルギーへと変換することができる。
【００２４】
図２は、何らかのタイプの電気活性高分子膜を含むエネルギー変換デバイスを使用してエネルギーを変換するためのサイクル２００を示している。縦軸はE2に比例する電界を表わしており、横軸は歪みを表わしている。エネルギー変換デバイスが機械−電気発生器として作動されると、機械エネルギーが電気へと変換される。一般に、機械エネルギー源は、電気活性高分子膜を何らかの態様で撓ませる或いは引き伸ばすために使用される。本開示のエネルギー変換デバイスは、機械的仕事を行なうために使用されてもよい。この場合、電気エネルギーは、電気活性高分子膜を撓ませるために使用されてもよい。撓みプロセスで電気活性高分子により行なわれる機械的仕事は、機械的なプロセスを適用するために使用されてもよい。長期間にわたって電気エネルギーを発生させるため、または、熱的仕事を行なうために、電気活性高分子膜が多くのサイクルにわたって引き伸ばされ或いは弛緩されてもよい。
【００２５】
図２には、機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するために伸びて弛緩する電気活性高分子膜の１つのサイクル２００が示されている。サイクルは単なる例示目的である。多くの異なるタイプのサイクルが本開示のエネルギー変換デバイスによって使用されてもよく、また、エネルギー変換デバイスは図２に示されるサイクルに限定されない。２０２においては、電気活性高分子膜が引き伸ばされ、その場合、高分子に作用する電界圧力はゼロである。この引き伸ばしは、エネルギー変換デバイスへの外部エネルギー源入力から発生される膜に印加される機械的な力によってもたらされてもよい。例えば、電気活性膜を撓ませるために機械的なプロセスが使用されてもよい。２０４では、高分子膜に作用する電界圧力を、ある最大値まで増大させる。この機能を果たすために必要な調整電子機器については図８，１８，１９に関連して説明する。この例では、電界圧力の最大値が電気活性高分子の絶縁破壊強度を少し下回る。絶縁破壊強度はある割合で時間に伴って変化し得る。その割合は、１）エネルギー変換デバイスが使用される環境、２）エネルギー変換デバイスの動作履歴、および、エネルギー変換デバイスで使用される高分子のタイプに依存する場合があるが、これらに限定されない。
【００２６】
２０６においては、電界圧力がその最大値付近に維持される間、電気活性高分子が弛緩する。弛緩プロセスは、電気活性膜が弛緩できるようにする電気活性高分子の弾性復元特性に対応してもよい。電気活性高分子が弛緩すると、電気活性高分子膜上の電荷の電圧が増大する。電気活性高分子膜上の電荷のその高い電圧により示される電気エネルギーの増大分が、電気エネルギーを発生させるために採取される。２０８においては、電界圧力がゼロまで減少すると、電気活性高分子膜が完全に弛緩し、サイクルを繰り返すことができる。例えば、サイクルは、電気活性高分子膜を引き伸ばして弛緩するために回転機械力・カム機構が使用されるときに開始されてもよい。
【００２７】
本開示のデバイス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、例えば電気活性高分子誘電エラストマーなどの電気活性高分子の１つ以上の活性領域のエネルギー変換に基づいている。電気活性高分子は、電気エネルギーにより作動されるときに撓む。電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する際の電気活性高分子の性能を説明するのに役立つように、図３Aは、一実施形態に係るトランスデューサ部分３００の上面斜視図を示している。トランスデューサ部分３００は、電気エネルギーと機械エネルギーとの間を変換するための電気活性高分子３０２を備える。一実施形態において、電気活性高分子は、２つの電極間を絶縁する誘電体としての役目を果たすとともに２つの電極間に電位差を加えた際に撓み得る高分子のことである。上側電極３０４および下側電極３０６は、高分子３０２の一部の両端間に電位差を与えるために、その下面および上面のそれぞれで電気活性高分子３０２に取り付けられる。高分子３０２は、上側電極３０４および下側電極３０６によって与えられる電界の変化によって撓む。電極３０４，３０６により与えられる電界の変化に応じたトランスデューサ部分３００の撓みは、「作動（actuation）」と称される。高分子３０２のサイズが変わるときに、撓みを使用して機械的仕事を生み出してもよい。
【００２８】
図３Bは、電界の変化に応じた撓みを含むトランスデューサ部分３００の上面斜視図を示している。一般に、撓みとは、高分子３０２の一部分の任意の変位、拡張、収縮、ねじれ、線形歪みまたは面積歪み、あるいは、任意の他の変形のことである。電極３０４，３０６に印加される或いは電極３０４，３０６によって印加される電位差に対応する電界の変化が高分子３０２中に機械的な圧力をもたらす。この場合、電極３０４，３０６によってもたらされる異なる電荷は、互いに引き付けあって、電極３０４，３０６間に圧縮力を与えるとともに、高分子３０２に平面方向で拡張力を与え、それにより、高分子３０２は、電極３０４，３０６間で平面方向３０８，３１０に圧縮するとともに、平面方向３０８，３１０で伸びる。
【００２９】
幾つかのケースでは、電極３０４，３０６が高分子の全領域に対して高分子３０２の限られた部分を覆う。これは、高分子３０２の縁部の周囲で電気絶縁破壊を防止するために、あるいは、高分子の１つ以上の部分に関してカスタマイズされた撓みを達成するために行なわれてもよい。本明細書中で用語が使用される際、活性領域は、高分子材料３０２と少なくとも２つの電極とを備えるトランスデューサの部分として規定される。電気エネルギーを機械エネルギーへ変換するために活性領域が使用されるときには、活性領域は、高分子３０２の部分であって、その部分の撓みを可能にするのに十分な静電気力を有する高分子３０２の部分を含む。機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するために活性領域が使用されるときには、活性領域は、静電エネルギーの変化を可能にするのに十分な撓みを有する高分子３０２の部分を含む。後述するように、本発明の高分子は複数の活性領域を有してもよい。幾つかのケースでは、活性領域の外側の高分子３０２材料は、撓み中に活性領域に外部バネ力として作用してもよい。より具体的には、活性領域の外側の高分子材料は、その収縮または拡張によって活性領域の撓みに抵抗してもよい。電位差および誘導電荷を除去することにより、逆の効果がもたらされる。
【００３０】
電極３０４，３０６は、追従性があり、つまり柔軟であり、高分子３０２と共に形状を変える。高分子３０２および電極３０４，３０６の形態は、撓みに伴う高分子３０２の応答を高める。より具体的には、トランスデューサ部分３００が撓むと、高分子３０２の圧縮が電極３０４，３０６の反対の電荷を近づけ、また、高分子３０２の伸張が同様の電荷を各電極で離間させる。一実施形態では、電極３０４，３０６のうちの一方がグランドである。
【００３１】
一般に、トランスデューサ部分３００は、機械的な力が撓みを推し進める静電気力と釣り合うまで撓み続ける。機械的な力は、高分子３０２材料の弾性復元力、電極３０４，３０６のコンプライアンス、および、トランスデューサ部分３００に結合されるデバイスおよび／または負荷により与えられる任意の外部抵抗を含む。印加電圧の結果としてのトランスデューサ部分３００の撓みは、高分子３０２の誘電率および高分子３０２のサイズなどの多くの他のファクタに依存してもよい。
【００３２】
本開示に係る電気活性高分子は、任意の方向に撓むことができる。電極３０４，３０６間に電圧を印加した後、高分子３０２が両方の平面方向３０８，３１０に拡張（伸張する）する。幾つかのケースにおいて、高分子３０２は、圧縮できず、例えば、応力下でほぼ一定の体積を有する。非圧縮性の高分子３０２の場合、高分子３０２は、平面方向３０８，３１０での拡張の結果として厚さが減少する。なお、本発明は非圧縮性高分子に限定されず、高分子３０２の撓みがそのような単純な関係に従わなくてもよい。
【００３３】
図３Aに示されるトランスデューサ部分３００の電極３０４，３０６間に比較的大きな電位差を印加すると、図３Bに示されるように、トランスデューサ部分３００がより薄くより大きな面積の形状へと変化する。このようにすると、トランスデューサ部分３００が電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する。また、トランスデューサ部分３００は、双方向態様で機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するために使用されてもよい。
【００３４】
図３Aおよび図３Bは、トランスデューサ部分３００が機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する１つの態様を示すために使用されてもよい。例えば、トランスデューサ部分３００が外力によって図３Bに示されるようなより薄くより大きな面積の形状へと機械的に引き伸ばされて、比較的小さい電位差（膜を図３Bの形態へと作動させるために必要な電位差よりも小さい電位差）が電極３０４，３０６間に印加されれば、トランスデューサ部分３００は、外力が除去されるときに、電極間の領域が例えば図３Aのような形状へと収縮する。トランスデューサの伸張とは、トランスデューサ３００を−一般的には電極間に更に大きな正味面積をもたらすように−電極間の方向３０８，３１０により規定される面内でその当初の休止位置から撓ませることである。休止位置とは、外的な電気的入力または機械的入力を有さないトランスデューサ部分３００の位置のことであり、この休止位置は高分子中に任意の事前歪みを備えてもよい。トランスデューサ部分３００が引き伸ばされると、比較的小さい電位差が与えられる。その場合、それに伴う静電気力が伸張の弾性復元力を釣り合わせるのに不十分となるようにする。したがって、トランスデューサ部分３００が収縮し、また、トランスデューサ部分は、更に厚くなって、（電極間の方向３１２における厚さに対して直交する）方向３０８，３１０により規定される面内で更に小さい平面積を有する。高分子３０２が更に厚くなると、高分子は、電極３０４，３０６およびそれらの対応する異なる電荷を引き離し、したがって、電荷の電気エネルギーおよび電圧を引き上げる。また、電極３０４，３０６が更に小さい面積へと収縮すると、各電極内の同様の電荷が圧縮し、この場合も同様に、電荷の電気エネルギーおよび電圧が引き上げられる。そのため、電極３０４，３０６に異なる電荷を伴う場合、例えば図３Bに示されるような形状から例えば図３Aに示されるような形状へと収縮すると、電荷の電気エネルギーが上昇する。すなわち、機械的な撓みが電気エネルギーへと変換されるようになっており、トランスデューサ部分３００が発電機としての機能を果たしている。
【００３５】
幾つかのケースでは、トランスデューサ部分３００が電気的に可変コンデサと見なされてもよい。そのキャパシタンスは、図３Bに示される形状から図３Aに示される形状へと形状変化する場合に減少する。一般に、電極３０４，３０６間の電位差は収縮によって上昇される。これは、通常、例えば、収縮プロセス中に更なる電荷が電極３０４，３０６に加えられない或いは電極３０４，３０６から取り去られない場合に当てはまる。電気エネルギーUの増大は、式U=0.5 Q2/Cによって示されてもよい。ここで、Qは、プラス電極上の正電荷量であり、また、Cは、高分子３０２の固有誘電特性および高分子の形状に関連する可変キャパシタンスである。Qが固定されて、Cが減少する場合には、電気エネルギーUが増大する。電気エネルギーおよび電圧の増大は、電極３０４，３０６と電気的に通じる適したデバイスまたは電子回路で回収され或いは使用され得る。また、トランスデューサ部分３００は、高分子を撓ませて機械エネルギーを与える機械入力に対して機械的に結合されてもよい。
【００３６】
トランスデューサ部分３００は、それが収縮するときに機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する。電荷およびエネルギーの一部または全ては、トランスデューサ部分３００が方向３０８，３１０により規定される面内で完全に収縮されるときに除去することができる。あるいは、収縮中に電荷およびエネルギーの一部または全てを除去することができる。収縮中に高分子３０２の電界圧力が増大して機械的な弾性復元力および外部負荷との平衡に達する場合には、収縮が完全収縮前に停止し、更なる弾性機械エネルギーが電気エネルギーへ変換されない。電荷および蓄えられた電気エネルギーの一部を除去すると、電界電圧が減少し、それにより、収縮を続けることができる。したがって、電荷の一部を除去して、機械エネルギーを電気エネルギーへと更に変換することができる。トランスデューサ部分３００の発電機として動作する際の正確な電気的挙動は、高分子３０２および電極３０４，３０６の任意の電気的負荷および機械的負荷並びに固有特性に依存する。
【００３７】
一実施形態では、電気活性高分子３０２が事前に歪まされてもよい。高分子の事前歪みは、１つ以上の方向で、事前歪み後の所定方向における寸法の事前歪み前のその方向における寸法に対する変化と見なされてもよい。事前歪みは、高分子３０２の弾性変形を備えてもよく、また、例えばテンションを掛けて高分子を引き伸ばすとともに引き伸ばした状態で縁部のうちの１つ以上を固定することによって形成されてもよい。多くの高分子において、事前歪みは、電気エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を向上させる。向上された機械的応答は、電気活性高分子における更に大きな機械的仕事、例えば、より大きな撓みおよび作動圧力を可能にする。一実施形態では、事前歪みが高分子３０２の絶縁耐力を高める。他の実施形態では、事前歪みが弾力性をもつ。作動後、弾性的に事前に歪まされた高分子は、原理上、固定が解除されてその当初の状態に戻ることができる。事前歪みは、硬質フレームを使用して境界で課されてもよく、あるいは、高分子の一部に関して局部的に実施されてもよい。
【００３８】
一実施形態において、事前歪みは、等方性事前歪み高分子をもたらすために、高分子の一部分にわたって均一に適用されてもよい。一例として、アクリルエラストマー高分子が両方の面方向で２００〜４００パーセントだけ引き伸ばされてもよい。他の実施形態において、事前歪みは、異方性事前歪み高分子をもたらすために、高分子３０２の一部に関して異なる方向で不均等に適用される。例えば、シリコーン膜が、一方の面方向で０〜１０％だけ引き伸ばされるとともに、他方の面方向で１０〜１００％だけ引き伸ばされてもよい。この場合、高分子３０２は、作動時に、一方向で他方向よりも大きく撓んでもよい。理論により拘束されたくはないが、本発明者等は、高分子を一方向で事前に歪みませることにより高分子の剛性を事前歪み方向で高めることができると考える。それに対応して、高分子は、高事前歪み方向において剛性が比較的高く、低事前歪み方向においてコンプライアンスが高く、また、作動時には、低事前歪み方向でより多くの撓みが生じる。一実施形態において、トランスデューサ部分３００の方向３０８における撓みは、垂直方向３１０の大きな事前歪みを利用することによって高めることができる。例えば、トランスデューサ部分３００として使用されるアクリルエラストマー高分子は、方向３０８において３００パーセントだけ引き伸ばされるとともに、垂直方向３１０において５００パーセントだけ引き伸ばされてもよい。高分子における事前歪み量は、高分子材料と、適用時の高分子の所望の性能とに基づいてもよい。
【００３９】
異方性事前歪みは、発電機モードで機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するためのトランスデューサ３００の性能を向上させることもできる。高い事前歪みは、高分子の絶縁破壊強度を高めて、より多くの電荷を高分子上に配置できるようにすることに加え、低事前歪み方向で機械−電気結合を向上させることができる。すなわち、低事前歪み方向へのより多くの機械入力を電気出力へと変換することができ、したがって、発電機の効率が高められる。
【００４０】
図４A〜４Fは、電気活性高分子膜４０２、例えば誘電エラストマー膜を含むエネルギー変換デバイスを使用して機械エネルギーを変換するための電気活性高分子発電機４００の１つのサイクルを示している。グラフ表示は例示的なサイクルを伴っており、この場合、機械−電力変換サイクルを示すために、縦軸が電界（電圧）に対応し、横軸が歪み率（λ）に対応する。伸張可能な電極４０４，４０６が電気活性高分子膜４０２上に形成される。誘電エラストマー膜４０２が弛緩されると、電気活性高分子膜４０２により蓄えられる電荷４０８が第１のレベルにある。その後、電気活性高分子膜４０２および伸張可能な電極４０４，４０６は、任意の適した機械的仕事によって方向４１０に引き伸ばされる。電荷４０８は第１のレベルにとどまる。図４Bに示されるように、電気活性高分子発電機４００は伸張状態にある。電気活性高分子膜４０２および伸張可能な電極４０４，４０６は、伸張されるとキャパシタンスを変える。１つの態様において、伸張状態では、伸張可能な電極４０４，４０６が互いに近づいてキャパシタンスを高める。電気活性高分子膜４０２および伸張可能な電極４０４，４０６が図４Cに示されるように伸張状態になると、電極４０４，４０６がエネルギー源４１２、例えば直流電流（DC）バッテリに結合されて、バイアス電圧が電気活性高分子膜４０２に印加され、電荷４０８が高電圧まで上がる。図４Dに示されるように、エネルギー源が除去され、電気活性高分子膜４０２が高電圧に荷電されたままとどまる。図４Eに示されるように、電気活性高分子膜４０２および伸張可能な電極４０４，４０６が方向４１４で弛緩されると、電気活性高分子膜４０２および伸張可能な電極４０４，４０６が縮んで離間する。したがって、電気活性高分子膜４０２のキャパシタンスが低下されて、電圧が高レベルに引き上げられる。図４Fに示されるように、電気活性高分子膜４０２および伸張可能な電極４０４，４０６が弛緩状態に戻ると、電極４０４，４０６が負荷４１６に結合されて、蓄えられた電圧（または電荷）が負荷４１６へ供給され、それにより、電気活性高分子膜４０２が放電される。サイクルは、電気活性高分子発電機４００の入力に印加される機械的仕事にしたがって繰り返す。
【００４１】
ここで、図４A〜４Fを参照すると、電気活性高分子膜４０２がアクチュエータとして或いは電気活性高分子発電機４００として使用されるかどうかにかかわらず、電気活性高分子膜４０２の基本構造は、両側に伸張可能な電極４０４，４０６がパターニングされる高誘電エラストマー膜である。アクチュエータモードでは、電圧が電気活性高分子４０２に印加されると、２つの電極４０４，４０６上の異なる電荷による静電気力の作用により、高分子の厚さが縮み、高分子の面積が広がる。発電機モードは、基本的には、アクチュエータモードの逆である。電気活性高分子膜４０２に対して機械エネルギー４１０を印加して電気活性高分子膜を引き伸ばすと、厚さが縮んで、表面積が広がる。この時点で、電圧４１２が電気活性高分子膜４０２に印加される。印加された電気エネルギー４１２は、電荷４０８として高分子４０２に蓄えられる。機械エネルギーが減少すると４１４、電気活性高分子膜４０２の弾性復元力は、当初の厚さを回復させて面積を減少させるように作用する。この機械的な変化は、２つの電極４０４，４０６層間の電位を高め、それにより、静電エネルギーの増大をもたらす。
【００４２】
電気活性高分子発電機４００モードを表わすための解析的方程式を以下で説明する。これらの方程式は、電気活性高分子膜４０２に基づく発電機、例えば電気活性高分子人工筋肉（EPAM（商標））発電機が基本的にそのキャパシタンスが電気活性高分子膜４０２の伸縮につれて変化するコンデンサであることに留意することによって理解され得る。電気活性高分子膜４０２のキャパシタンスは
2014507930.tif 000003
であり、ここで、ε０は自由空間の誘電率であり、εは電気活性高分子膜４０２の誘電定数であり、Aは活性高分子面積（両側が電極４０４，４０６によりコーティングされる）であり、tおよびbはそれぞれ高分子の厚さおよび体積である。方程式（１）の２番目の等式は、エラストマーの体積がほぼ一定である、すなわち、At = b = 一定であることから、書き表すことができる。
【００４３】
伸張および収縮の１つのサイクルで生成されるエネルギーは
2014507930.tif 000004
であり、ここで、C1およびC2 は伸張状態および収縮状態のそれぞれにおける誘電エラストマー膜の全キャパシタンスであり、Vbは伸張状態で印加されるバイアス電圧である。電気活性高分子膜４０２の所定の質量が発生できるエネルギー量は、最終的に、電気活性高分子膜の最大歪みおよび絶縁破壊強度によって決定される。
【００４４】
＜電気活性高分子発電機のエネルギー密度＞
アクリル系電気活性高分子膜４０２材料を伴う電気活性高分子発電機４００に関して０．４ジュール／グラム（作動サイクルごとに）のエネルギー密度が実証された。０．４ジュール／グラムのエネルギー密度を得るには、調整電子機器を使用して電気活性高分子発電機４００の全体の発電サイクルを最適化する必要がある。一実施形態では、マイクロコントローラに基づく電子機器および論理が使用されてもよい。１００ワットよりも大きい電力レベルでは、調整電子機器回路が電気活性高分子発電機４００の利点を十分に引き出すことができるようにする。
【００４５】
電磁発電機とは異なり、電気活性高分子発電機４００は、電力に伴って直線的に拡大縮小する。例えば、１０倍大きい電力の発電機を形成するには、少なくとも１０倍多い材料が必要とされる。これは、電磁発電機に関して当てはまらない。電磁発電機は、それらが電力を増大する際に２つの重要な利点を有する。第１に、電磁発電機の重量および体積は直線的に増減しない。１０キロワット発電機の質量は、１キロワット発電機の質量の約３倍にすぎない。示唆されるように、電気活性高分子発電機４００が１００キロワット程度となるときまでに、電力密度が大きく増大し、それにより、高電力では非常に優位となる。第２に、電磁発電機は電力が増大すると、それらの効率が高まる。多くの高電力発電機は、９７％を超える効率を有する。
【００４６】
電気活性高分子発電機４００は、以下の基準が満たされると、電磁発電機に優る利点を与える。
【００４７】
電気活性高分子発電機４００は、力が高くて速度が低いときに利点を与える。機械的な出力は、力×速度に等しい。電磁発電機は、高速の機械的出力（特に回転）に良く適する。標準的な外部電力つまり商用電力（米国では６０ヘルツ、欧州および他の場所では５０ヘルツ）においては一般に１８００RPM（毎秒３０回転）の回転速度が使用される。典型的な３馬力（２２３８ワット）電磁発電機においては、ロータ表面速度が約１５〜２０メートル／秒である。比較として、０．３ヘルツの１メートルの高さの海洋波だけで、毎秒０．９メートルの最大速度を達成するが、非常に高い力を発生することができる。風力も一般に遅い。多くの風力タービンは、約３０RPMで回転し、これを５０倍増大させるために（１５００rpmを達成するために）ギアボックスを電磁発電機に接続する必要がある。適した電気活性高分子発電機４００は、電力を生み出すために風力タービンの主軸に直接に結合されてもよい。
【００４８】
また、電気活性高分子発電機４００は、２〜１０kVDCの範囲内の調整された高電圧DC配電網に接続されると、利点を与える。電気活性高分子発電機４００が電力を発生させる方法に起因して、電気活性高分子発電機は高電圧DCシステムに良く適する。回転電磁発電機は、一般に、６００ボルト未満の電圧で発電し、交流電流波形を生み出す。これを高電圧DCへ変換するために、変圧器／整流器セットが使用されなければならず、あるいは、何らかの他のタイプの高電力インバータ電子機器が使用されなければならない。電気活性高分子発電機４００を最小限の電子機器を用いて高電圧dc配電網に直接に接続できる。この当然の結果として、電気活性高分子発電機４００は、高電圧DC電力を殆どの低電力電子機器タイプの用途に適する低電力へと変換するために変換電子機器を必要とする。
【００４９】
また、自動で始動する電気活性高分子発電機４００は、標準的な商用電力が利用できないときに離れた場所で利点を与える。この基準における競合技術は、太陽熱発電、電磁発電機を用いた風力発電、および、電気発電機を用いた水力発電である。これらのうちの２つ（風力発電および太陽熱発電）は、これらの電力源が予測できないという点において更に一層の複雑さを共有する。したがって、システムが自動で始動できなければならず、あるいは、利用できない期間に対処するために十分な量の蓄電（一般的にはバッテリ）が含まれなければならない。
【００５０】
発電の一般的なケースでは、信頼性が最も重要な側面のうちの１つである。電磁発電は１００年以上にわたって利用されてきた。その期間中、電磁発電機は、３０年を超える耐用年数にわたって信頼性を実証してきた。また、電磁発電機は、ミリワット〜メガワットの範囲の電力を生み出してきた。
【００５１】
風力用途において、電気活性高分子発電機４００は、その用途に関連する環境条件に対処できなければならない。温度要件および湿度要件は場所によって変わる（例えば、セントラルカリフォルニアのオルタモントパスに位置付けられる風力発電機は、デンマークに位置付けられる風力発電機よりも小さい温度変化を受ける）。天候を構成する要素からの基本的な保護がとられるとともに、そのような保護が雨防御筐体の形態を成すが、電気活性高分子発電機４００および関連する電子機器においては、高電圧DCの性質に起因して更なる予防措置が必要とされる。多くの高電圧電子システムは、高電圧部品に引き付けられる蓄積された塵埃を除去するために定期的なメンテナンスを必要とする。望ましくない粒子の増大を防止するために、シールされた筐体が必要であり、あるいは、他の措置を講じなければならない（高電圧dc導体は、基本的に、電気集塵装置としての機能を果たすとともに、塵埃および他の浮遊微小粒子を収集する）。
【００５２】
＜誘電エラストマーの弾力性および電界の相互作用＞
図５は、様々なシリコーン誘電エラストマー材料における誘電定数の測定値のグラフ表示５００である。縦軸が誘電定数（１２０Hz，＜１V／μm）に対応し、横軸が事前歪みに対応する。図５に示されるように、４９１０シリコーン（膜１０３および膜１１９）が歪みの変化に伴って略一定のままであるという証拠はない。図示しないが、結果はアクリルにおいても同様である。図６は、誘電定数と電界との関係を示すグラフ表示６００である。縦軸が誘電定数（ε）に対応し、横軸が電界E（V／μm）に対応する。図６に示されるように、シリコーン・アクリル材料VHB４９０５，VHB４９１０，NUSIL６００７における５００Hzでの誘電定数の測定値は、強いDC電界の印加にもかかわらず、電界の変化に伴ってほぼ一定である。したがって、動作中、エラストマーに加えられる静電応力は、理論値σ = εrε0E2に近い。
【００５３】
他の誘電エラストマーは、大きな機械的歪みおよび高電界に晒されるときに比誘電率の変化を有する場合があり或いは有さない場合がある。誘電体が伸張時に与える復元応力は、モデルよりもやや複雑である。誘電体を製造中に薄くするために事前歪み（時として異方性）が使用される。エラストマーは大きな歪みに応じて歪み硬化するため、非線形な構成則が必要とされる。Ogdenモデルは、材料が方向１，２，３で変形される際に、方向１，２，３において応力の妥当な近似を与える。図７は、シリコーンエラストマーに適したOgdenモデルのグラフ表示７００である。
【００５４】
＜誘電体および電極の材料＞
一般に、エネルギーハーベスティング用途で考慮すべき電気活性高分子の２つの基本的な材料成分がある。この節では、電気活性高分子エラストマー誘電体および電極の材料、並びに、電気活性高分子発電機で用いるこれらの材料技術の状態について検討を行なう。電気活性高分子により発生されるエネルギーは、所定の材料の弾性特性および誘電特性によって影響される。すなわち、誘電定数、材料伸長、体積抵抗率、および、絶縁破壊強度（DBS）が重要な特性である。温度および湿度に対する材料感度も重要であり考慮すべきである。エネルギー発生サイクルは、これらの特性のいずれかで利点を示す材料によって促進される。電気活性高分子誘電体として使用される４つのエラストマー材料が以下に記載される。すなわち、アクリレート、シリコーン、ウレタン、および、ブチルゴムである。炭化水素ゴム、フルオロエラストマー、および、スチレン共重合体などの他の材料が使用されてもよい。
【００５５】
VHB（商標）アクリルについての電気活性高分子の分野に関する研究および知識も多く存在する。それらの電気活性高分子は、より高い誘電定数値（一般に４〜４．５）、大きな伸長範囲（最大で４００％二軸伸長）、および、１２０V／ミクロン絶縁破壊強度を有することが知られている。しかしながら、これらの材料は、限られた温度範囲および長期安定性問題を有する。アクリルVHB（商標）材料は、親水性であり、湿度の影響を非常に受け易い。湿度が高い環境は、これらの材料の体積抵抗率を減少させる。その場合、動作範囲は、室温で、最大３５％の相対湿度である。これらの属性は、これらの材料の使用を、電気活性高分子に基づくエネルギー発生器における研究室規模のプロトタイプデモンストレーションに制限する。
【００５６】
電気活性高分子誘電体としてのシリコーンエラストマーは、温度安定性（−４０〜８５C）と長期信頼性（＞３０MMサイクル）とを与える。今まで、これらのエラストマーは、最大で１００％の限られた伸長範囲と、２．８〜３．１の範囲内の低い誘電定数とを示してきた。弾性率が低い（１〜１０ショアA）シリコーンは、１００V／um未満の限られた絶縁破壊強度値を有する。弾性率が高いシリコーンは、１５０V／umを上回る絶縁破壊強度値を達成することが分かってきた。シリコーンエラストマーは、８５C、８５％RH条件で電気活性高分子誘電体として機能することが分かってきた。シリコーンは、１０１５ オーム−メートルの典型的な体積抵抗率を伴って本質的に疎水性であるが、高い質度環境では電気活性高分子誘電体としてその長期信頼性を制限する湿気の障壁とならない。シリコーンの信頼性および環境安定性は、電気活性高分子発電機誘電体としてのその使用において利点を与える。シリコーンの誘電定数、絶縁破壊強度、および、伸長の向上は、これらの用途においてその性能を高める。
【００５７】
ポリウレタン材料は、電気活性高分子誘電体としての開発を制限してきた。何らかの展望が、最大で２００のウレタン材料の相対誘電定数において示されてきた。これらの材料は、今まで、電気活性高分子発電にとって十分なキャパシタンス変化を妨げる伸長難題を示してきた。
【００５８】
湿度に影響されない電気活性高分子誘電体として使用するためにブチルゴムも考慮されてきた。ブチルゴムは２．８〜３．０の範囲の誘電定数を有する。限られた実験により、これらの材料は、ウレタンと同様の伸長難題を示してきており、また、適した体積抵抗率を与えることが分かってきた。
【００５９】
電気活性高分子電極材料は、異なる印刷プロセスにおいて溶媒和されるインク配合に基づく。これらの印刷された電極は、カーボンブラックと、銀ナノ粒子と、固体結合剤とから成る。これらの配合は、噴射、スクリーン印刷、パッド印刷、および、フレキソ印刷などの処理オプションのために適合されてきた。高電力電気活性高分子発電機のために必要とされる電気活性高分子の大きい表面積を噴射およびフレキソ印刷によって形成することができる。最大８５％RHにおける−４０C〜８５C（理論的には−８０C〜最大で１９０C）の温度範囲で非常に優れた環境安定性を与える電気活性高分子アクチュエータのためのインクが作られてきた。炭素／銀印刷可能インクは、１０〜１００kOhm/sq/milの範囲の表面抵抗率値を有する。表面抵抗率は、面積歪みに伴って増大し、一般的には５０％の面積歪みによって倍になる。
【００６０】
一般に、電気活性高分子発電機のエネルギー発生サイクルは、高電圧でより良好な性能を与える。印刷電極を有する電気活性高分子コンデンサは、ある絶縁破壊後にもはや電圧を保持しない。これは、システムが長期信頼性を確保するために十分な電圧破壊マージンをもって作動することを要し、そのため、エネルギー発生性能が制限される。
【００６１】
現在、印刷電気活性高分子電極は、電気活性高分子発電機のために必要とされる低い抵抗値を得ることができない。これらのシステムの効率は、高抵抗電極堆積物によって決定付けられる。電極の抵抗率は、もはや、スパッタ銀／炭素バス電極により形成されるコンデンサにおける限定因子ではない。システムの効率の悪さは、高導電性スパッタ銀／炭素バス電極を使用するときの誘電体中の電荷散逸にのみに依存する。電気活性高分子電極としての使用のため、例えば、波形にするなどのテクスチャリングによって或いは杉綾模様または網目構造などのパターニングによって銀／炭素バス電極を柔軟にしなければならない。
【００６２】
スパッタ銀／炭素バス電極は耐障害性もある。この電極を伴って形成されるデバイスは、絶縁破壊を来した後に動作を続けることができ、それにより、高電圧で作動してデバイス性能を高める機会がもたらされる。これらの電極は、疲労がデバイス性能を制限する前に、限られたサイクルを乗り切ることができる。現在の進歩により、電極は、５００万を超えるサイクルを乗り切ることができる。
【００６３】
スパッタ銀／炭素バス電極における難題は、この時点では知られていない温度および湿度の感度を含む。高電力電気活性高分子発電機のために必要とされる大きい電気活性高分子膜面積を処理するためにロール・トゥ・ロール真空メタライゼーションも必要とされる。
【００６４】
炭素系印刷電極は、電気活性高分子発電機にとって不十分である。これらの電極は、高い等価直列抵抗（ESR）と、デバイス歪みの増大を伴う更に高い等価直列抵抗と、大きい電圧破壊マージン要件（作動電圧の低下）との組み合わせを有する。スパッタ銀／炭素バス電極は、無視できる抵抗と、より高い作動電圧を伴う更に良好な性能とを与える。これらの電極は、現在、信頼性および製造の難題と、未知の環境感度とを有する。
【００６５】
電気活性高分子エネルギー変換デバイスに適した様々な材料について説明してきたが、以下の表１，２は、電気活性高分子膜の一実施形態における仕様（表１）と、本明細書中に記載される電気活性高分子エネルギー変換デバイスに適する電極（表２）とを与える。
【００６６】
【表１】
2014507930.tif 000005
【００６７】
【表２】
2014507930.tif 000006
【００６８】
複数の複合材料を使用して電気活性高分子トランスデューサを実施できることは言うまでもない。複合材料が機械−電気エネルギートランスデューサとして使用されるように、複合材料が移動しなければならず、また、移動するために、柔軟であるが圧縮できない誘電体層がどこかで排除されなければならない。したがって、そのような複合材料は、少なくとも以下の３つのタイプの材料、すなわち、（１）硬い−負荷を支えるとともにトランスデューサが接続する電気素子および機械要素の剛性と適合する硬質構造層と、（２）軟らかい−複合材料の外側から生じる機械的負荷によっておよび複合体を制御するために印加される内部電界によって変形され得る低い弾性率の圧縮できない誘電エラストマー層と、（３）圧縮できる−例えば誘電エラストマーが膨出して入り込む気体、液体、または、伸展材料或いは多孔質材料（例えば、発泡体またはエーロゲル）の部位とを備えなければならない。これらの複合材料および他の複合材料は、２０１１年１０月１０日に出願された“COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED, RIGID, INSULATOR COVERED WITH THIN, SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS, AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS INCORPORATING SUCH ELECTRODES”と題される米国仮特許出願第６１／５４５，２９５号において見出されてもよく、この出願の開示内容はその全体が参照することより本願に組み入れられる。
【００６９】
言うまでもなく、一実施形態では、本開示に係る電極が、電極中でのクラックの伝搬を防止するために補強機能を含んでもよい。したがって、ここで、本開示は、電極中でのクラックの伝搬を防止するのに適し得る様々な補強機能の説明のために、簡単に図５７〜５９を参照する。
【００７０】
図５６は、誘電体膜２２０８上にわたって形成される複数の電極２２０２を備える電気活性高分子膜２２００の図である。図５６に示されるように、電極のうちの１つがクラック２２０４を来した。クラック２２０４が伝搬するのを止めるため、クラック２２０４が隣接する電極２２０２へと移動しないようにホタテガイの縁のように波を打った補強ビーズ２２０６の形態を成すエネルギートラップが電極２２０２間に形成される。
【００７１】
同様に、図５７は、誘電体膜２３０８上にわたって形成される複数の電極２３０２を備える電気活性高分子膜２３００の図である。図５７に示されるように、電極のうちの１つがクラック２３０４を来した。クラック２３０４が伝搬するのを止めるため、クラック２３０４が隣接する電極２２０２へと移動しないように蛇行性の補強ビーズ２３０６の形態を成すエネルギートラップが電極２３０２間に形成される。
【００７２】
電気活性高分子膜に生じるクラックの伝搬を防止するための他の想定し得る技術は、カレンダ仕上げされた（calendered）複合体をクラックの後縁で電極に取り付けることにより界面領域を増大させてクラックの伝搬を防止することである。図５８は、クラック２４０２を来した電極２４００の図である。円柱の形態を成すカレンダ仕上げされた複合体２４０４がクラック２４０２の後縁２４０８で電極２４００に取り付けられる。クラック伝搬を防止するためには円柱の形態を成すカレンダ仕上げされた複合体２４０４が有効となり得るが、この複合体は、電極２４００との僅かな接触面積Asmallのみを与える。
【００７３】
図５９は、クラック２４０２を来した電極２４００の図である。矩形管の形態を成すカレンダ仕上げされた複合体２４０６がクラック２４０２の後縁２４０８で電極２４００に取り付けられる。矩形管２４０６の形態を成すカレンダ仕上げされた複合体２４０４は、電極２４００との大きな接触面積Abigを与える。
【００７４】
引き裂き抵抗および機械的な補強を与えるために誘電体膜の一部にテキスタイル（織物、布、繊維製品）が積層されてもよい。また、導電性テキスタイルがバスまたは電荷の分配機能を与えてもよい。
【００７５】
＜電気活性高分子材料特性＞
波エネルギー変換で用いる電気活性高分子発電機に関して.５つの重要な材料特性が特定されてきた。これらの重要な特性は、１）誘電体材料および電極の弾性特性および有用な歪み範囲、２）材料の誘電定数、３）材料の絶縁破壊電圧および作動電圧、４）材料の誘電抵抗率、および、５）電極の抵抗率である。これらの重要なパラメータに加えて、寿命、疲労、水分許容性、および、引裂強度（加えて更に多くのもの）を含む他のファクタも、特定の電気活性高分子システムの適合性を決定する。これらの重要な特性のそれぞれについては、以下の段落でやや詳しく説明する。
【００７６】
誘電体材料の弾性特性は、所定のヤング率を含む。しかしながら、超弾性材料は、一般にヤング率によって規定されず、応力−歪み曲線データに適合するパラメータによって規定される。また、通常は超弾性モデルが選択され（例えば、Neo-Hookean，Mooney-Rivlen，またはOgden）、また、選択されたモデルと一致するパラメータが報告される。材料の弾性特性が規定される方法にかかわらず、材料が非常に「柔軟」である場合には、発電機作動中の電気機械不安定性（および潜在的な自己破壊）の機会が高い。同様に、材料が非常に「硬い」場合には、有効な発電機動作のために材料を適切に歪ませるのに必要な機械力は、過度に大きくなる可能性があり、実用的な値を成し得ない。好ましくは、誘電体材料は約１００MPa未満の弾性率を有するべきであり、約１０MPa未満がより好ましい。この評価は以下に与えられる。剛性に対する電極の寄与度は、一般に、剛性全体の僅かな割合でなければならない。
【００７７】
次の特性は、電気活性高分子膜材料の誘電定数である。誘電定数は、（１として歴史的に選択されてきた）真空の誘電率に対する特性である。電気活性高分子発電機は、機械的な弾性歪みエネルギーを静電的な電気エネルギーへ変換することによって作動するため、電気活性高分子材料の誘電定数は、材料が空気（あるいは、真空）中にわたって静電エネルギーをどのくらい良好に蓄えるかについての何らかの表示を与える。それは、材料が機械−電気エネルギー変換器としていかに良好に作動できるかの指標でもある。材料の絶縁破壊強度（電気活性高分子に固有ではなく、他の産業で用いられる多くの誘電体に適用される）は、代表的なサンプルが上昇電圧波形に晒されてサンプルが機能しなくなるときの電圧の値が記録される短期電圧試験を参照する。通常は、破壊試験基準が代表的なサンプルに関して行なわれる。非破壊的な試験においては一般に誘電体耐電圧試験が必要とされ、この誘電体耐電圧試験は、絶縁破壊強度を幾分下回るが通常の作動電圧を上回る値にある。
【００７８】
材料の誘電抵抗率は、誘電体材料が電荷、したがって静電エネルギーをいかに良く蓄えるかを規定する１つの方法である。１時間にわたってしか蓄えることができない懐中電灯の電池を有することが有益でないと同時に、生み出す電気エネルギーの全てを消費する波エネルギー変換発電機を有することも有益ではない。特定の材料の誘電抵抗率が非常に低ければ、その材料は電気活性発電機としてもはや適さない（或いは実用的でない）。
【００７９】
電極抵抗率、より具体的には電極抵抗は、電気活性高分子発電機の充電中および放電中の損失に直接に関連する。充電率および放電率は用途に固有のものである。実際の抵抗率値は、電極形状および外部接続数によって決まる。
【００８０】
＜弾性特性評価＞
電気活性高分子の電気機械不安定状態は、低事前歪み状態下にある柔軟な誘電体材料から生じ、この低事前歪み状態では、高い電界によって膜が不安定となり得るとともに、小さな場所での”締め付け”が膜の自己破壊をもたらす。適した電気活性高分子発電機動作のために考慮すべき境界条件は、電気機械不安定性である。他の境界条件も実際のエネルギー変換サイクルを決定する。最大動作歪みが１つの境界を定め、また、電気的破壊が他の境界を定める。
【００８１】
＜誘電定数および破壊強度評価＞
電気活性高分子材料のための理想的な材料の誘電定数は、１mHz〜１kHzの周波数範囲にわたって比較的安定であることが好ましい。著しく非線形な材料は、解析的な課題および作動上の課題の両方を課す。
【００８２】
＜誘電抵抗率評価＞
歴史的に、多くの誘電体材料は、材料を通じた電気の伝導に関して特徴付けられてきた。一般に、理想的な誘電体は、導電率がゼロであり、電荷が通過できないようにする。しかしながら、実際には、理想的でない材料は電荷を通し、また、この特性を定量化するために、材料の体積抵抗率が測定されて報告される。この特性が等方性で、均一で、線形であると想定される。電気活性高分子発電機およびアクチュエータの形態では、この特性が、電界、温度、湿度、および、他の影響（すなわち、電極タイプおよび用途など）に関して線形ではない。本発明者等による最近の実験により、触覚アクチュエータにおけるシリコーン誘電体膜の非線形挙動がかなり変化することが分かってきた。この変化は、例えば触覚用途で使用される電気活性高分子アクチュエータの問題ではなく、それがシステム損失を示してシステム性能全体に影響を及ぼす場合があるため、エネルギーハーベスティングの考慮すべき問題をもたらし得る。
【００８３】
＜電極抵抗率評価＞
理想的な電極は、無限の導電率、無限の機械的コンプライアンスを有するとともに、付加的な質量またはコストを電気活性高分子発電機に加えない。実際の電極は上記のどれでもない。性能を考慮するにあたり、電極導電率および電極コンプライアンスは、発電機性能を評価するための対象となるべき２つの特性である。電極導電率は、発電機へのおよび発電機からの電荷の移動と関連する損失を決定する。電極コンプライアンス（および減衰）は、電気活性高分子発電機のサイクリング時の更なる制約および／または損失を決定する。高電圧コンデンサ業界は、一般に、低損失コンデンサのための金属箔または被着金属電極のいずれかを使用する。高電圧コンデンサの場合、電極コンプライアンスは問題ではない（移動は望ましくない）。電気活性高分子発電機の場合には、柔軟な電極が必須であり、平坦な金属電極は一般に役に立たない。１つ以上の方向で柔軟なテクスチャード加工された或いは波形の金属電極構造を使用できる。電極が伸張されるときに開放し得る隙間を有するパターニングされた構造も使用できる。これらのタイプのテクスチャード加工された或いはパターニングされた金属電極システムは電気活性高分子発電機において有益である。これは、それらのシステムが、低損失で柔軟となり得るとともに、電極間で短絡を来し得る電気的な障害時に自動的に障害を除去し或いは障害に耐えることもできるからである。他のタイプの電極システムは導電性インクおよびグリースを含む。これらの電極システムは柔軟であるが、これらの電極システムは、一般に、テクスチャード加工され或いはパターニングされた金属電極システムよりもかなり導電性が低く、そのため、これらの電極システムは電気活性高分子発電機においてあまり望ましくない。高導電率材料と低導電率材料との組み合わせを含む電極システムがこの用途で有利に使用されてもよい。例えば、低導電性インクの領域が金属網目状パターンと接続され或いは重ね合されてもよい。低導電性インクは、活性領域の全体にわたって電荷分布を与え、一方、高導電性金属網目状パターンは、電気活性高分子発電機システムにおける通電能力を高める。
【００８４】
誘電エラストマーは、機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するための基本的な材料である。一般に、高い誘電定数および高い絶縁破壊強度は、電気活性高分子発電機で用いるのに望ましい材料特性である。これらの特性に加えて、適した弾性率、低い導電率、および、環境状態にわたる安定性も望ましい。本発明者等の経験に基づく幾つかの材料例の質的な検討が表３に与えられる。表に示されるように、ポリウレタンは、電気活性高分子発電機材料と関連する課題の一部を解決できれば、非常に優れた電気活性高分子発電機材料となる可能性を有する。
【００８５】
【表３】
2014507930.tif 000007
【００８６】
＜電気活性高分子発電機のための電子機器＞
言うまでもなく、本明細書中に記載される実施形態は実施例を示しており、また、機能要素、論理ブロック、プログラムモジュール、および、回路素子は、前述した実施形態と整合する様々な他の方法で実施されてもよい。また、そのような機能要素、論理ブロック、プログラムモジュール、および、回路素子によって行なわれる動作は、組み合わされてもよく、および／または、所定の実施のために分離されてもよく、また、更に多くの或いは更に少ない数の構成要素またはプログラムモジュールによって行なわれてもよい。本開示を読めば当業者に明らかなように、ここに記載されて図示される個々の実施形態のそれぞれは、本開示の範囲から逸脱することなく、他の幾つかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離され或いはそのような特徴と組み合わされてもよい別個の構成要素および特徴を有する。任意の挙げられた方法は、挙げられた事象の順序で或いは論理的に可能な任意の他の順序で実行され得る。
【００８７】
電気活性高分子発電機のための電子機器は、かなり簡単なものから、かなり複雑なものにまで及ぶ。電気活性高分子発電機から最適な性能を得るには高度な電子機器が必要であるが、非常に簡単な回路トポロジーを使用して適度な性能を得ることができる。また、用途固有の詳細が、電子機器およびそれらの複雑さの選択を決定する場合がある。用途は、固定ストローク、幾つかのケースでは固定周波数から、可変ストローク、他のケースでは可変周波数にまで及ぶ可能性がある。これらのパラメータおよび他の考慮すべき事項は、どのタイプの電子機器が特定の用途に最も適するのかを決定する。
【００８８】
電気活性高分子発電機のための電子機器は、２つのグループ、すなわち、制御レベル電子機器と、電力レベル電子機器とに分類され得る。制御レベル電子機器は、技術的に実現可能であり、コストおよび電力消費量の観点から評価されれば済む。電力レベル電子機器は、実現可能であるが、コストを低く維持することと高効率とが、最適化された構造を得るための重要なトレードオフである。
【００８９】
図８は、簡単な発電回路８００の一実施形態を示している。回路８００の利点はその単純さである。（機械的な出力が入力されれば）発電機を始動させるために小さい始動電圧８０６（約９ボルトの始動電圧）だけで済む。それぞれの高電圧ダイオードD１（８０８），D２（８１０）を介した電気活性発電機８０２へのおよび電気活性発電機８０２からの高電圧の伝送を制御するために制御レベル電子機器は必要ない。受動的な電圧調整が回路８００の出力でツェナーダイオード８０４により達成される。回路８００は、高電圧DC電力を生み出すことができるとともに、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高分子発電機８０２を作動させる。回路８００は、適度な電力を発生させるのに適しており、また、電気活性高分子発電機８０２が技術的に実現可能であることを実証するのに適している。
【００９０】
一実施形態において、回路８００は、電荷移動技術を利用して、単純さを依然として維持しつつ、電気活性高分子発電機８０２の機械サイクルごとのエネルギー移動を最大にする。また、回路８００は、極めて低い電圧８０６（例えば、９ボルト）による自動プライミングも可能にする。回路８００は、可変周波数および可変ストロークの両方の動作も可能にする。様々な実施形態において、回路８００は、簡単な電子機器（すなわち、制御シーケンスを必要とせず、可変周波数用途および可変ストローク用途の両方で動作するとともに、簡単な過電圧保護を発電機要素に与える電子機器）によりサイクル毎のエネルギー移動を最大にする。
【００９１】
より高い電力レベル、および、より高いエネルギー密度を電気活性高分子発電機で得るために、制御レベル電子機器および電力レベル電子機器の両方が、かなり高いレベルの精巧さを必要とする。これらの電子機器も発電機用途のタイプに応じて異なる。固定ストローク、狭周波数の用途（おそらく水車）は、精巧さが最も低い電子機器を必要とし、一方、可変ストローク、可変周波数の用途は、最も高い精巧さを必要とする。最も精巧なケースを扱うため、制御レベル電子機器は、それぞれの電気活性高分子発電機の瞬間のキャパシタンスを感知して、それが増大しているのか或いは減少しているのかどうかを決定できる能力を有する。電子機器は、電気活性高分子膜上に電荷をもたせるかどうか、電気活性高分子膜から電荷を除去するかどうか、または、単に何もしないかどうかを決定する。
【００９２】
これは、一例として波力発電に関して当てはまる。小さい波活動のとき或いは波活動がないときにおいて、発電機は、低電力モードまたは無発電モード（一般に電子機器のSLEEPモードと呼ばれる）になければならない。波活動の閾値が検出されると、システムは、発電機をオンライン状態（WAKE UP）にして、電力を生成し始めなければならない。波活動が特定のレベルを下回る場合、電気活性発電機は、作動を停止して、波活動の次の周期を再び待つ。特定の意思決定基準はそれぞれの用途により決まるが、この精巧さの制御レベル電子機器は、殆ど全ての発電機用途において有用である（すなわち、多種多様な発電機用途を網羅するためにほんの僅かな制御レベル構造で済むはずである）。
【００９３】
電力レベル電子機器は、電気活性発電機の最大出力によって駆動される。同様の回路トポロジーが幅広い範囲の電力レベルで使用されてもよいが、構成要素のサイズおよび定格が変わらなければならない。電気活性高分子発電機の電力範囲は、１０ワット〜最大で１００キロワット（または、おそらくそれ以上）に及ぶことができる。電力レベルが増大するにつれて、温度管理の複雑さが問題となり、これが深刻に扱われる必要がある（これは全ての発電方法に関して当てはまる）。
【００９４】
＜超弾性モデル＞
ゴム状の材料の弾性挙動を表わすためのかなりの数の超弾性モデルおよび方法がある。そのうちの幾つかは、おそらく、（状況に応じて）他よりも良好であるが、一般に、基本的な挙動の役立つ予測および理解を依然として与え得る最も簡単なモデルを使用するのが最良である。この説明の目的は、３つの一般に使用されるモデルのための基本的な数学構造を与えることである。ここで議論される３つのモデルは、Neo Hookean、Mooney、および、Ogdenであるが、ほぼ２０個の異なるモデルが存在する。Neo Hookeanモデルは、最も簡単であり、１つの適合パラメータのみを使用し、Mooneyは２つのパラメータを使用し（注釈：Mooney-Rivlinモデルは、多項式級数を使用することによりMooneyモデルを拡張する）、また、Ogdenモデルは一般に６つのパラメータを使用するが、その構造は無限の数に適する（Mooney-Rivlin多項式級数と同様）。電気活性高分子を利用する機械−電気エネルギー変換の特定のケースにおいて、我々は、我々の解析を非圧縮性超弾性材料に制限する（これも数学を非常に簡略化する）。そうすることにより、主要不変式が以下に帰着する。
2014507930.tif 000008
【００９５】
図９Aおよび図９Bは、電気活性高分子発電機の所定の座標系を示している。図９Aは、電気活性発電機９００の一軸性歪みにおける構成を示している。電気活性高分子発電機９００は、上側電極９０４と下側電極（図示せず）との間に挟まれる誘電エラストマー９０２を備え、x，y，z座標系に基準付けられる長さ、幅、および、厚さを有する。電気活性高分子発電機９００は、所定の電極活性領域９０６と、電極９０４と誘電エラストマー９０２の平面に沿う縁部との間の不活性領域９０８とを有する。図９Bは、電気活性発電機９００の二軸性歪みにおける構成を示している。
【００９６】
主伸び率がλ１，λ２，およびλ３によって規定される場合には、直交座標系を使用するときにこれらを３つの軸（x，y，z）に設定できることは言うまでもない。非圧縮性材料の場合、I3は、１に等しく、したがって、他の方程式への幾つかの有用な置き換えを可能にする。弾性材料を引き伸ばすための多くの異なる方法がある。最も簡単な形態、すなわち、図９Aに示される一軸延伸では、１つの軸が伸ばされると、図９Bに示されるように、他の２つの軸が自由に収縮できる。等二軸延伸では、２つの軸が等しい比率で伸ばされ、３番目の軸が自由に収縮できる（これは、膨張バルーンの状態に類似する）。純粋な剪断（または、平面伸張）においては、１つの軸が伸ばされて、第２の軸が拘束され、第３の軸が収縮できる（これは、おそらく、エネルギーハーベスティングにおける最も典型的なケースである）。他のケースは、２つの伸張軸を等しくさせない二軸延伸である。
【００９７】
エネルギー変換器を解析する最も実用的なケースでは、瞬間的に発電機に蓄えられる弾性エネルギーが対象である。したがって、空間変数に対する直接的な関係として蓄積エネルギーを与える数式が最も役立つ。以下のモデルの場合、方程式は、最初に平面伸張があってその後に等二軸延伸が続く特定のケースに関して求められる。また、等二軸事前歪みが想定されるが、これは、初期事前歪みが存在しないケースを解析するために１に設定され得る。
【００９８】
Ogdenモデルの場合、歪みエネルギー関数が、
2014507930.tif 000009
によって与えられる。
【００９９】
これに材料の体積を乗じると、電気活性高分子発電機システムに蓄えられる総エネルギーが与えられる（体積の全体にわたって歪みエネルギーが一定であると仮定する）。デカルト座標系を使用して、平面伸張における弾性蓄積エネルギーの一般方程式をx(t) の関数
2014507930.tif 000010
として書き表すことができる。ここで、３番目の項は非圧縮性基準から導かれる。Ogdenモデルにおいて、一般に６つのパラメータが使用される。Neo Hookeanモデルのための式を使用するため、Nが１に設定されるとともに、α１が２に設定される。その後、μ１が一般にヤング率（時としてGと称される非圧縮性材料のための剪断弾性率である）の１／３に設定される。Mooneyモデルにおいては、Nが２に設定され、α１が２に設定されるとともに、α２が−２に設定される。伝統的なMooneyパラメータC1およびC2は、それらに２および−２をそれぞれ乗じることによってμ１およびμ２を計算するために使用される。
【０１００】
多くの場合、最初の試験条件からデータが与えられる。しかしながら、実際に望まれることは、最初のサイクルにおける挙動ではなく、例えば１０００番目のサイクル、１００万番目のサイクル、および、１０億番目のサイクルの挙動を予測することであるため、注意すべきである。また、多くのサイクルにわたるサイクル挙動を理解することは重要である。ヒステリシス、クリープ、および、他の望ましくない特性の懸念が次のステップにあり、これらの挙動が実際の電気活性エネルギー変換器において問題となるずっと以前に材料のこれらの挙動を認識することが早い段階で重要である。
【０１０１】
＜超弾性誘電体材料に作用する静電気力および圧力＞
非圧縮性誘電体のケースへ進む前に平行板コンデンサに作用する力を最初に得ることが有益である。平行板コンデンサの場合には、２つの平行板が逆帯電されると、平行板間の電界に起因して平行板間に引力が存在する。この力を得るためにクーロンの法則（およびガウスの法則）が使用されてもよいが、本開示は、この解析のために平行板コンデンサにおけるエネルギー変換を使用する。
【０１０２】
通常の電界Enおよび誘電定数ε０εrに関しては、２つの平行な導電板間の力が
2014507930.tif 000011
によって与えられる。
【０１０３】
圧力が単位面積当たりの力として規定されるため、平行板コンデンサの内側の誘電体が受ける圧力は
2014507930.tif 000012
によって与えられる。
【０１０４】
この場合、コンデンサの面積は、２つの平行板が互いに対して移動されなければ変化しない。一定の体積を必要とする超弾性誘電体の場合、平行板が互いに近づけば、面積が増大せざるを得ず（逆もまた同様）、そのため、力計算が僅かに変更される。これは、面積が固定された平行板コンデンサ解析と比べたときに同じ電界に関して力（および圧力）の倍増をもたらす。電界および誘電定数に関しては、超弾性誘電体に作用する２つの平行で追従性のある導電板間の力が
2014507930.tif 000013
によって与えられる。
【０１０５】
圧力が単位面積当たりの力として規定されるため、追従性のある電極を伴う平行板コンデンサの内側の超弾性誘電体が受ける圧力は
2014507930.tif 000014
によって与えられる。
【０１０６】
これは電気活性高分子デバイスの重要な結果である。その理由は、２つの向上の要因が、電気エネルギーを機械エネルギーへ変換するおよびその逆へ変換するために他の機構に依存する他の技術に優る利点をこれらのデバイスに与えるからである。
【０１０７】
先の解析（および、その後に続く解析）において、誘電体の誘電率は、線形で等方性の均一な特性として扱われてきた。これが当てはまらなければ、解析が更に複雑になる。
【０１０８】
＜静電気力に起因する合力＞
アクチュエータおよび発電機のいずれの場合にも、通常の電気力（または圧力）に起因して超弾性誘電体に作用する接線方向の合力（または圧力）を決定することが重要である。この場合も先と同様に、エネルギーの保存は、これらの関係を得るために使用される。図８Aおよび図８Bに示される超弾性立方体に戻って参照すると、z方向で印加される電気力に起因するx方向およびy方向の力を計算できる。平行板コンデンサのための方程式を使用して、実施例の３つの主軸に基づく式を以下のように得ることができる。
2014507930.tif 000015
【０１０９】
超弾性誘電体の非圧縮性関係を使用して、式（１２）が、純粋な剪断のケースにおいて、以下のようにxに関して書き表されてもよい。
2014507930.tif 000016
【０１１０】
xに関してC(x)を微分して、力方程式に代入すると、印加電圧（z方向の電界）にに対するx方向の力が与えられる。
2014507930.tif 000017
【０１１１】
合力を計算するこの方法は、多くの異なるタイプのアクチュエータおよび発電機の形状を解析するために使用されてもよい。以下の節では、誘電エラストマーアクチュエータおよび発電機の両方の解析を発展させるために電界に蓄えられる電気エネルギーと弾性材料中に蓄えられる機械エネルギーとが１つにまとめられる。
【０１１２】
＜平衡位置の計算（アクチュエータと発電機との間の微妙な違い）＞
純粋な剪断のケースを使用して、平衡位置を計算する一例を構築できる。平衡位置は、電気力が機械的な弾性力によって釣り合わされる場所である。これは、システムエネルギーが最小の位置でもある。Neo Hookean超弾性歪みエネルギーモデル（方程式７）を戻って参照すると、平面伸張における特定のケース（事前歪み状態でないと仮定する）を以下のように書き表すことができる。
2014507930.tif 000018
【０１１３】
xに関して歪みエネルギー関数を微分すると、x方向の力が与えられる。力に関する簡略化された式が
2014507930.tif 000019
によって与えられる。
【０１１４】
弾性力は、弾性材料をその当初の形状へ戻そうとし、また、電気力は、弾性材料を締め付けようとする。平衡点は、これらの２つの力の和がゼロになる時点である。すなわち、
2014507930.tif 000020
【０１１５】
残念ながら、この関係は、xについて解くときに閉形式解を有さないが、それをVについて解くことができる。Vについて整理し直して解くと、
2014507930.tif 000021
が与えられる。
【０１１６】
これは、xの任意の望ましい静止位置のために必要とされる印加電圧である。以下では動的なケースが考慮される。この技術は、任意の数の幾何学的形態の平衡位置を計算するために使用されてもよい。一般に行なわれるような、解析において電界の代わりに電圧を使用するという選択は、純粋に理論的な量ではなく、実際の量を与える。誘電エラストマーを機械−電気エネルギー変換器として使用する場合には、発電機の動作空間がアクチュエータ状態へと移って張力の損失をもたらさないことを保証するべく注意しなければならない。
【０１１７】
誘電エラストマーアクチュエータにおける機械エネルギーへの電気エネルギーの最大変換を示す典型的な解析を与えることはこの時点で有益な場合がある。
【０１１８】
これは簡単な理論解析であるが、それは、電気−機械変換プロセスの基本的な理解を可能にする。機械−電気変換プロセスを以下の節で紹介する。
【０１１９】
典型的な線形機械アクチュエータは、阻止力と自由ストロークとによって特徴付けられてもよい。アクチュエータが線形であれば、アクチュエータの最大作業出力は、阻止力と自由ストロークとの積の１／４である。
【０１２０】
＜電荷エネルギー変換モデルの保全＞
図３A〜３Bおよび図４A〜４Fに関連して既に述べたように、電気活性高分子（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つの機械−電気エネルギー変換プロセスがある。これらの３つのケースの全ては、簡単な４ステッププロセスを伴う。第１のステップは、弛緩された誘電エラストマーで始まり、エラストマーを何らかの伸張状態へと伸長させるために機械エネルギーを使用する。第２のステップは、電荷を電気活性高分子電極に加えることである。第３のステップは、エラストマーを機械的に弛緩させることにより機械的な弾性エネルギーを静電エネルギーへ変換することであり、また、第４のステップは、電気活性発電機から電気エネルギーを除去し、それにより、機械−電気変換から電気エネルギーを取り入れる、つまり採取することである。
【０１２１】
第２および第３のステップ中、設計者は、定電荷、定電界、または、定電圧の間で選択できる。これらの各方法は、異なる制御回路トポロジーを必要とする。実施すべき更に簡単なトポロジーのうちの１つが定電荷方法であり、そのサイクルについて以下で詳しく説明する。
【０１２２】
この解析のため、固定ストロークおよび固定周波数のシステムが考慮される。可変ストロークおよび可変周波数のシステムについて記載されないが、そのようなシステムは本発明の範囲内である。また、実用的な電気活性高分子発電機サイクルを実証するためにパラメータの幾つかの典型的な値が使用されてもよい。例えば、弛緩状態で１００ミクロン厚の１メートル×１メートル電気活性高分子発電機が解析において考慮され、また、十分に柔軟な導電性電極が想定される。パラメータの以下の設定（ε0=8.854 pF/m，εr=5.0，μ1=0.3 MPa，α1=2，λmax=2.0およびVmax=5 kV）を使用して、典型的なサイクルが構成されてもよい。解析は、エネルギー対伸張平面上でグラフィック形式で与えられる。この図解手法は、エネルギーバランスの概念の視覚化を可能にする。
【０１２３】
サイクルの第１の部分の間にわたって、電気活性発電機が１からλmaxまで伸張され、それにより、電気活性高分子膜に弾性エネルギーが蓄えられる。次に、電荷（Vseed）が電気活性発電機に印加される。その電圧値は、以下のように最大伸張に依存する。すなわち、Vseed=Vmax/(λmax)2（注釈：この値は剪断モード解析にだけ適用される）電気エネルギーが印加されると、それは、電気活性高分子膜に蓄えられる弾性エネルギーに加えられる。この時点で、電荷シード源が発電機から取り外され、電荷が発電機電極に入ること或いは発電機電極から出ることができない（そのため、定電荷サイクル）。その後、電気活性発電機は、弾性エネルギーを電気エネルギーへ変換する元の平衡状態へと弛緩できる。最後に、電気エネルギーが発電機から除去されて、サイクルが再び繰り返される。
【０１２４】
図１０は、電気活性高分子発電機における定電荷サイクルのエネルギーと伸び率との関係を示すグラフ表示１０００である。縦軸はエネルギー（ジュール）に対応し、また、横軸は伸び率に対応する。プロセスの詳細な説明は、図１０に与えられる曲線によって助けられる。弾性エネルギーは式（１７）で既に与えられている（これは、点Aから点Bへと移動するステップ１である）。誘電エラストマー膜に弾性エネルギーを蓄える弾性発電機を伸張させるために外部機械源が使用される。先の段落に規定されるシード電圧に基づいて電荷が加えられる（これは、点Bから点Cへと移動するステップ２である）。この時点で、外部機械源が誘電エラストマーを元の弛緩位置へと戻すように弛緩させ始める。電荷が発電機に印加されなければ、外部機械源が発電機に入力するエネルギーの全てが元の外部機械源へ戻される。発電機に電荷がある状態で、弾性エネルギーの一部が電気エネルギーへと変換され、一部が外部機械源へ戻される。ステップ３中、電気活性高分子発電機が元の平衡位置D（システムエネルギーが最小に達する位置）へ戻る。このとき、電気エネルギーは、システムの全電気エネルギーゲインにわたって除去されてもよい（ステップ４、点Dから点Aへ）。
【０１２５】
この基本的な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ための基準である。この解析は、システム損失を含まず、理想条件下でサイクル毎のエネルギーを決定するまた、任意の電気シードエネルギーを加える前に誘電エラストマーへ印加されなければならない大きな弾性エネルギーを注意深く考慮すべきことに留意しなければならない。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が、約１０：１であり、かなりのシステム効果を有する。誘電体材料の弾性率が１０倍大きくなるように選択されれば、電気エネルギーに対する弾性エネルギーの比が１００倍になる。これは、非常に不均衡なシステムをもたらし、回避されるべきである。そのような大きい比率はかなりのコストを与える。これは、この機械エネルギーを扱うために機械的構造（綱、フレームなど）が構築されなければならないからである。
【０１２６】
＜誘電体における漏れ電流に起因する損失＞
図１０に関連して説明された定電荷サイクルに戻って参照すると、電荷が電気活性高分子発電機に入らない或いは電気活性高分子発電機から出ないと仮定される。電荷が１つの電極から誘電体材料を介して他の電極へと移動できれば、定電荷サイクルはもはや有効ではなく、電荷の移動がかなりのエネルギー損失をもたらす。この損失が非常に高ければ、電気活性高分子発電機は、電気エネルギーを生み出さず、誘電体材料を加熱するにすぎない。発電サイクル中の１つの電極から他の電極への電荷の望ましくない移動は、一般に漏れ電流と称される。漏れ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。より重要なパラメータのうちの１つがサイクル時間であり、より高い漏れ電流が、より高い機械的周波数で許容される場合がある。
【０１２７】
＜PSPICEに基づく非線形電気機械エネルギー変換器＞
電気機械システムモデリングおよび非線形部品モデリングの対象はそれら自体が複雑である。電気活性高分子発電機において、これらの２つの対象は、線形システムモデリングおよび電気機械部品モデリングの両方を使用して正確なシステムモデルを生み出すために組み合わせられる。
【０１２８】
基本的な電気活性高分子発電機を適切にモデリングするためには、非線形機械スプリングモデルおよび非線形コンデンサモデルが必要とされる。また、これらのモデルは、モデルにおいて必要な入力変数および出力変数を与えるために電気−機械および機械−電気の両方で結合されなければならない（すなわち、完全双方向結合）。この節においては、純粋剪断モード電気活性高分子発電機のモデルが構築される。
【０１２９】
線形機械スプリングが良く知られているフックの法則を使用してモデリングされてもよく、また、（時間領域での）力とストロークとの間の関係が一般に
2014507930.tif 000022
によって与えられる。
【０１３０】
時間に関して微分すると、スプリングにわたる速度が
2014507930.tif 000023
によって与えられる。
【０１３１】
ここで、バネ定数の代わりにコンプライアンス（Cm）が使用される。コンプライアンスが時間的に変化する場合には、両方の項を含むように連鎖法則を使用して方程式（２１）を書き表す必要がある。すなわち、
2014507930.tif 000024
【０１３２】
コンプライアンスが、時間的に不変で、厳密に力の関数である場合には、式（２２）が
2014507930.tif 000025
として書き表されてもよい。
【０１３３】
式（１７）を使用して、力と変位との間の関係は、純粋剪断モード電気活性高分子発電機に関して既に導き出されてしまっている。この特定のケースでは、力の関数としての変位の解析解が存在しない。図１１は、純粋剪断モード発電機のストローク−力関係およびカーブフィットのグラフ表示１１００である。縦軸は変位（メートル）に対応し、横軸は力（ニュートン）に対応する。変位対力ラインの勾配が、電気活性高分子発電機のコンプライアンスCm(f)である。このラインの（三次多項式を使用した）カーブフィッティングにより、変位と力との間の関係に関する式がもたらされてもよく、また、コンプライアンスが
2014507930.tif 000026
として書き表されてもよい。
【０１３４】
x(f)をfで割ると、Cm(f)に関するカーブフィット式が与えられる。すなわち、
2014507930.tif 000027
【０１３５】
fに関して微分すると、Cm(f)の一次導関数が
2014507930.tif 000028
によって与えられる。
【０１３６】
これらの式を式（２３）へ代入すると、純粋剪断電気活性高分子発電機の非線形コンプライアンスモデルを
2014507930.tif 000029
として書き表わすことができる。
【０１３７】
この関係は、移動度類似性を使用することよりPSPICEに導入されてもよい。この場合、速度が電圧によって表わされ、力が電流によって表わされる。線形スプリング（すなわち、コンプライアンスが一定）の場合には、コンプライアンスが線形インダクタによって表わされる。非線形コンプライアンスは、非線形インダクタによって表わされ、式（２７）に基づく完全なモデルによって実施される。このモデルは図１２に示されており、図１２は、機械的非線形純粋剪断電気活性高分子発電機におけるPSPICEモデル１２００を示している。電荷エネルギー変換モデルの保全について説明した節で生み出されたパラメータを使用して、図１１に与えられるシミュレーションと同様のシミュレーションが生み出されてもよく、このシミュレーションは、モデルが図１３に示されるように一致することを示している。図１３は、変位と力との関係を示すPSSPICEモデリング結果のグラフ表示１３００である。ここで、縦軸は変位（メートル）に対応し、横軸は力（ニュートン）に対応する。
【０１３８】
生み出される必要がある次の要素は非線形コンデンサモデルである。変位に対するキャパシタンスの関係は式（１４）において既に与えられている。この関係を使用して、コンデンサの非線形回路モデルが
2014507930.tif 000030
によって与えられる。
【０１３９】
キャパシタンスが時間的に変化せずに変位だけの関数である場合においては、先の式が
2014507930.tif 000031
として書き表されてもよい。
【０１４０】
図１４は、非線形スプリングモデルに結合される非線形コンデンサの結合PSPICEモデル１４００である。これらの２つのモデルを結合するため、機械モデルは変位xの瞬時値を決定し、電気モデルは電気力（静電圧に起因する）の瞬時値を決定する。先の平衡位置を計算する節で解析されたエネルギーハーベスティングサイクルをシミュレートするため、最大ストロークで電荷が加えられ、その後、最小ストロークの直前に電荷が除去される（発電機の張力の損失を防止するため）。図１５は、エネルギーハーベスティングシミュレーションのグラフ表示１５００である。縦軸は力（ニュートン）に対応し、横軸は時間（秒）に対応する。図１５に示されるハーベストサイクルでは、第１のサイクルでハーベスティングがなく、第２のサイクルでハーベスティングがある。
【０１４１】
したがって、このとき、非線形減衰項と漏れ電流項とがPSPICEモデルに加えられてもよい。一例として、誘電体の漏れ電流は、以下の方程式によって決定される。
2014507930.tif 000032
これをモデルに加えることにより、非線形漏れ電流を含めてエネルギーハーベスティングサイクルを計算できる。結果の比較が図１６および図１７に示されている。ここで、図１６は、理想的なエネルギハーベスティングサイクルと理想的でないエネルギハーベスティングサイクル（漏れ電流）との関係を示すグラフ表示であり、また、図１７は、理想的なサイクルおよび理想的でないサイクルにおける回収電気エネルギーのグラフ表示である。図１６において、縦軸は力（ニュートン）に対応し、横軸は時間（秒）に対応する。図１７において、縦軸はエネルギー（ジュール）に対応し、また、横軸は時間（秒）に対応する。理想的なケースは、１サイクル当たり５ジュールの採取（取り入れ）エネルギーを示しており、これは、漏れ電流が考慮されるとき（I0=100 pA/V2）に１サイクル当たり４ジュールまで減少される。
【０１４２】
剪断モードDE発電機の双方向モデルの一例が開発された。使用された技術および方法は、殆どのタイプのDE発電機に適用できるであろう。PSPICEでモデルを実施することにより、電圧依存の漏れ電流および理想的でない電極抵抗の重要な効果を容易に含めることができる。より重要なことには、このとき、高電圧電力電子機器を付加することが実現可能になる。
【０１４３】
＜エネルギーハーベスタの例＞
以下のモデルは、６０RPM風力タービンに基づく６０ワットロータと称される電気活性高分子発電機の一実施形態を表わす。発電機は１０ジュール／サイクルを与える。
１００％線形歪み（１０％等二軸事前歪み）
Neohookean（ネオフック）超弾性挙動に従う１MPa弾性材料
１平方当たり１オームでの電極およびEr=3
Ebd=100 V/μm  Eop=60 V/μm max
１００um初期膜厚
サイクルキャパシタンス（定電荷サイクル）
開始 1 m2 => 100 cm3
４サイクル1.1 m x 1.1 m x 82.64 μm   Vmax=4959 V
１サイクル1.1 m x 2.0 m x 45.45 μm
４サイクルキャパシタンス= 389 nF
１サイクルキャパシタンス= 1.286 μF XC=3.306
Vseed = 4959 V/3.306 = 1500 V Eseed=1.447 J
Vfinal = 4959 V Efinal = 4.783 J delta=3.336 J
必要3 m2 => 300 cm3
cm3当たりのエネルギー= 0.0333 J/cm3 〜 0.03 J/g
【０１４４】
＜電気活性高分子発電機のための高効率エネルギー伝達回路＞
電気活性高分子発電機（例えば、EAP発電機または誘電エラストマー［DP］発電機）は、様々な動作形態を有してもよい。一実施形態では、制御電子機器がこれらの形態をもたらす。機械的な入力の観点から、入力は、固定ストローク、固定周波数（水力発電の河川の流れの例）から、可変ストローク、可変周波数（波エネルギー）にまで及び得る。また、異なる変換サイクル、すなわち、定電荷、定電界、および、定電圧（および、１サイクル当たり最大エネルギーで動作しないことによりこれらの一部）もある。各用途は、制御要件の最適な組を有する。幾つかの用途例は以下の通りである。
【０１４５】
１．季節的変動を伴わず、配電網に関与する河川源。ここで、目的は、殆どの電力を連続的に生み出して、生み出された電力の料金を電力会社があなたに支払うようにさせることである。機械的な出力への流れは、ペルトン水車または他の同様の効率的な変換器であってもよい（水源が十分であると仮定する；低い水源は異なるタイプの変換器を必要とする）。一実施形態において、電気活性高分子発電機は、水源の連続的な電力を処理して、電力を配電網へと絶えず供給するように設計される（このケースにおいては無限取り込みと見なされる）。ここで、システム設計は、必要とされる最も簡単な制御を与える固定周波数および固定ストロークである。制御システムは、最大電力で動作するとともに、故障時（内部発電機故障または外部システム故障のいずれか、すなわち、水源が残骸で詰まり、落雷に起因して公共配電網が機能しなかったなど）にのみ作動停止する。
【０１４６】
２．例えば遠隔のフィッシングバケーションリゾート地に給電するためのエネルギー蓄積デバイスに結び付けられる波源（場合により、太陽光および風力およびバックアップディーゼル発電機と組み合わされる）。ここで、入力機械出力は、周波数およびストロークの両方を変える。負荷が最小から最大へと変化する。この場合、制御システムは、波源要件と負荷要件との複雑な組に適合し、それにしたがって最適化しなければならない。また、故障状態および過度な状態が考慮されて制御されなければならない。例えば、嵐が設計最大値を超えて波をもたらす場合には、システムが最も安全な形態で作動停止する必要がある。
【０１４７】
図１８は、マイクロコントローラ電子機器１８０２を利用する電気活性高分子発電機エネルギーハーベスティング制御システム１８００の一実施形態のブロック図である。一実施形態において、制御システム１８００は、多種多様な動作状態にわたって電気活性高分子発電機１８０４の性能を最適化して最大にする。制御システム１８００は、例えば電気活性高分子タイプのダンパーシステムを制御するために使用されてもよい。一実施形態において、制御システム１８００は、電気活性高分子発電機１８０４のエネルギー密度を最大にする。複雑な制御は、電気活性高分子発電機１８０４のエネルギー密度をある程度の大きさにわたって高めることができる。高効率エネルギー伝達回路は、電気活性高分子発電機１８０４の性能を最大にするために入力出力制御変数の複雑なプロセスを制御する。
【０１４８】
一実施形態において、電気活性高分子発電機１８０４は、機械的な入力を使用して、それを電気的な出力へと変換する。１つの一般的な実施形態において、基本的な電気活性高分子発電機サイクルは、発電機１８０４の電気活性高分子要素を歪ませて、それにより、機械入力を弾性歪みエネルギーへと変換すること、少量の電荷を加えて発電機を「シードする」こと、弾性歪みを弛緩させて機械エネルギーを電気エネルギーへ変換すること、および、最後に、電気エネルギーを除去することによってサイクルを完了することを含む。電気活性高分子発電機１８０４への機械的な入力は、固定ストローク、固定周波数（例えば、水力タービン）から、可変ストローク、可変周波数（例えば、波力発電）にまで及んでもよい。各ケースにおける最適なサイクルは、（水力タービンの場合のように）一貫しており、あるいは、（波力発電の場合のように）連続的に変化する。これらの変化に適合するため、電気活性高分子発電機制御システムは、入力変数を評価して、出力制御を変え、性能を最適化する。制御システムのための最小の入力変数は、発電機歪みおよび発電機電圧である。最小出力制御変数は、発電機充電率および発電機放電率である。制御システムは、これらの制御変数と規則の所定の組とを使用して、電気活性高分子発電機の性能を最適化する。
【０１４９】
図１８に示される実施形態において、制御システム１８００はコントローラ１８０２を備え、コントローラ１８０２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備えてもよい。コントローラ１８０２は、発電機１８０４の充電率および放電率を制御するために、充電コントローラ１８０６、放電コントローラ１８０１、および、エネルギー蓄積要素１８０８に結合される。電圧モニタ１８１２および歪みモニタ１８１４からの発電機フィードバック変数がコントローラ１８０２へ与えられる。
【０１５０】
一実施形態において、充電コントローラ１８０６は、所定量の電荷（したがって、エネルギー）によりキャバシタンスを帯電させるのに適する高電圧、高電力回路である。２つの適したトポロジーは、エネルギー調整される充電回路（参照することにより本願に組み入れられる米国特許第６，３５９，４２０号明細書に記載されるような回路）、または、定電流変換器（フライバック、フォワードなど）である。殆どの電気活性高分子発電機は、コストと性能とに関して電極抵抗をトレードオフしなければならないため、電気活性高分子発電機１８０４の等価直列抵抗が比較的高いことが予期される。充電（および放電）中のオーム加熱損失を最小限に抑えるため、最長時間にわたる最小量の電流が使用されるべきである（所定量の電荷において）。充電コントローラ１８０６は、エネルギー蓄積要素１８０８からエネルギーを除去して、それを、サイクルの最大歪みで電気活性高分子発電機１８０４の誘電エラストマー膜へ伝える。システム全体のタイプに応じて、電荷、エネルギー、または、電圧が制御される（場合により、複雑なシステムの状態で組み合わせる）。
【０１５１】
一実施形態において、エネルギー蓄積要素１８０８の形態は、制御システム１８００の要件によって決まる。それは、コンデンサバンク（例えば、公共配電網が関与するケース）、または、バッテリバンク（例えば、配電網から離れた場所）、または、何らかの組み合わせである。エネルギー蓄積要素１８０８の主目的は、各機械サイクルの開始時に初期シード電気エネルギーを与えて電気活性高分子発電機１８０４を充電することである。
【０１５２】
充電コントローラ１８０６と同様に、一実施形態において、放電コントローラ１８１０は、機械サイクルが最小歪みに達したときに電気活性高分子発電機１８０４から電気エネルギーを除去することに関与する。一実施形態では、フライバック変換器が最も万能となり得る。これは、３つの全てのタイプの変換サイクル（定電荷、定電圧、および、定電界）においてフライバック変換器が制御され得るからである。他の変換器トポロジーが使用されてもよい。殆どの場合、エラストマーへ入力される機械エネルギーの量を最大にするために機械サイクルの伸張段階中に電気活性高分子発電機１８０４でゼロ電圧（および、ゼロ電荷）を有することが望ましい。制御システム１８００の電子機器は、放電コントローラ１８１０が電気活性高分子発電機１８０４からエネルギーを除去する時期を決定する。
【０１５３】
一実施形態において、電圧モニタ１８１２は、電気活性高分子発電機１８０４の電圧を決定するために使用される超高インピーダンス分圧器である。帯域幅は少なくともDC〜１kHzでなければならず、また、インピーダンスは、損失を典型的な変換サイクルの１％未満、好ましくは０．１％未満に維持するように高くなければならない。
【０１５４】
一実施形態において、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、電気活性高分子発電機１８０４の歪み状態をコントローラ１８０２へ与える。固定ストロークシステムにおいては、この歪みモニタが容易にシャフトエンコーダとなり得るが、可変ストロークシステムにおいて、この歪みモニタは、キャパシタンスを監視するために使用される電気活性高分子発電機１８０４内の小部分となる必要があるかもしれない。ただし、その小部分が電気活性高分子発電機１８０４の歪みの全体を表わすと仮定する。単純なシステムでは、最大歪みがシステムの充電サイクルを開始させ、最小歪みがシステムの放電サイクルを開始させる。可変ストロークシステムにおいては、歪みモニタ１８１４を使用して、変換サイクルを開始すべき時期および開始すべきでない時期を決定できる。例えば、波が十分に大きくなく、電気活性高分子発電機１８０４が１０〜２０％しか歪むことができない場合、制御システム１８００は何もしないことを決定し、その後、５０％の歪みが生じると、コントローラ１８０２が変換プロセスを開始する。
【０１５５】
前述したように、電気活性高分子に基づくエネルギーハーベスティング発電機は、導電性が高い電極（または導体）を使用して損失を最小限に抑える従来の発電機とは異なり、高い電極抵抗を有し得る。例えば、回転電磁発電機は、導体のために銅またはアルミニウムの配線を使用する。これは、柔軟な導体を必要としないからである。電気活性高分子発電機の高い電極抵抗は、一般に、機械的コンプライアンスという更なる電極要件に起因する。電極は、導電性を有すると同時に、柔軟でなければならず、したがって、導電性と機械的コンプライアンスとの間の電極設計トレードオフを確立する。導電性が高い電極（例えば、銀）は、非常に硬質であり、機械的な移動を殆ど許容しない。一方、導電性が低い電極（例えば、印刷された導電性インク）は、柔軟であり、機械的な移動を許容するが、抵抗があり、電気活性高分子発電機を充電または放電しようとする際に電気的な損失をもたらす。
【０１５６】
図８に関連して説明した簡略化された電子回路は、低い電極電流で動作することにより電極損失を最小限に抑える。そのような簡略化された電気活性高分子発電機の電子機器は、高い電極抵抗用に構成されるが、機械−電気変換能力全体を最適化せず、変換器電子機器を最適化した場合と比べてかなり低い比エネルギー密度をもたらす。そのエネルギー密度は、簡単な電子機器の場合には一般に０．０４〜０．０６ジュール／グラムであるのに対し、複雑な電子機器の場合には０．４〜０．６ジュール／グラムである。
【０１５７】
図１９は、電気活性高分子発電機１９０４における高効率エネルギー伝達回路１９００の一実施形態のブロック図である。図１９において、高効率エネルギー伝達回路１９００は、充電変換器電子機器１９０６および放電変換器電子機器１９０８を介して電気活性高分子発電機１９０４に結合される制御電子機器１９０２を備える。電流制御信号１９１２が、充電変換器電子機器１９０６および放電変換器電子機器１９０８を制御するために使用される。歪み測定電子機器１９１０が、電気活性高分子発電機１９０４に結合されて、制御電子機器１９０２へ信号を与える。そのような構成の１つの利点は、電気活性高分子発電機１９０４における電気的損失が制御され、したがって、全変換効率および性能が最大になるという点である。
【０１５８】
一実施形態において、本明細書中に記載される電気活性高分子発電機１９０４は、発電機１９０４を充電または放電する際に、制御された電荷移動を使用して、電極損失を最小限に抑える。様々な実施形態では、電荷移動を制御する幾つかの方法が実施されてもよい。例えば、充電変換器電子機器において充電のために同期平行変換器が使用されてもよく、また、放電変換器電子機器１９０８において放電のために連続バック変換器が使用されてもよい。一実施形態において、充電および放電変換器電子機器１９０６，１９０８における電子技術および論理は、電極損失を許容レベルに減少させるレベルまで充電電流または放電電流を制限するために使用される。この方法は、電極抵抗の予期しない変化をもたらし、電気系の動作状態へのその影響を制限する。発電機１９０４のキャパシタンスおよび発電機１９０４の等価電極抵抗はいずれも機械的歪みに伴って変化する。電気活性高分子発電機１９０４の充電中および放電中の電気的損失を制御するため、以下の基準にしたがって電流が制限される。
2014507930.tif 000033
【０１５９】
一実施形態、すなわち、高い電極抵抗を伴う電気活性高分子発電機によれば、充電電流および放電電流が電極抵抗に応じて制御され、あるいは、過度の損失が全発電機効率の低下をもたらす。
【０１６０】
＜多相平衡型電気活性高分子発電機＞
電気活性高分子発電機およびその構成要素の幾つかの実施形態を一般的な態様で説明してきたが、ここで、本開示は、機械−電気変換効率が約３０％を上回る電気活性高分子発電機の一実施形態を参照する。幾つかの実施形態において、約８０％を超える効率は、様々な実施形態に係る技術を使用して達成できる。例えば、一実施形態において、機械−電気反応の電力効率は、電気活性発電機の単一の要素を複数の配列で構成することによって８０％を超えることができる。電気活性高分子発電機のそのような構成は、例えば、多相発電機と称されてもよい。多相（相が多い）電力変換の基本概念は、近年の三相配電システムの基盤であるが、その概念は、後述するように電気活性高分子発電機に適用されてこなかった。電気活性高分子発電機について説明してきたが、多相電気活性高分子発電機の開示はなかった。特に、電気活性高分子発電機は６相という最小の要件を有する。これは、電磁発電機のように両方向ではなく１／２サイクルでのみ電力が発生されるからである。そのため、電磁発電機にとって最適な数の相は３であり、また、電気活性高分子発電機にとって最適な数の相は６である。しかしながら、実施形態はこの場合に限定されず、２つ以上の相を伴う発電機がこの開示の範囲内にあると考えられる。
【０１６１】
図２０および図２１は、６相電気活性高分子発電機２０００の一実施形態の斜視図であり、また、図２２は発電機２０００の側面図である。図２０〜図２２を参照すると、６相電気活性高分子発電機２０００はフレーム２００２を備え、該フレームは、上側キール２００４および下側キール２００６と、これらのキール間に垂直に配置される複数の支柱２００８とを含み、支柱２００８は上側および下側のキール２００４，２００６に接続される。垂直支柱２００８は、それぞれの上側および下側シャフト２０１０，２０１２を受けるために、引張機能部２０３６と、上側および下側ベアリング２０１４，２０１６とを含む。シャフト２０１０，２０１２は各支柱２００８を貫通して縦方向２０１８に延びる。シャフト２０１０，２０１２は、６つの発電機要素２０２０a〜fを支持してこれらの要素に回転可能に結合される。この場合、各発電機要素２０２０a〜fは、誘電エラストマー発電機（DEG）モジュール２０２２a〜fなどの少なくとも１つの線形電気活性高分子トランスデューサを含む。モジュール２０２２a〜fは、伸張可能な電気活性高分子材料から形成され、具体的には誘電エラストマーから形成され、また、前述したようにそれが伸張され、バイアス電圧が掛けられ、弛緩され、および、放電されるときに機械的仕事を電荷へと変換する。各シャフト２０１０，２０１２は、対応するベアリング２０２６a〜f，２０３０a〜fを介して受けられる６つのカム２０２４a〜f、２０２６a〜fを備える。６つのカム２０２４a〜f，２０２８a〜fは、シャフト２０１０，２０１２の縦軸に沿って配置されるとともに、発電機２０００の相数に応じて互いに対して所定の角度を成してオフセットされる。例えば、図示の６相システムでは、第１および第２の発電機要素２０２０a，２０２０b間の角度が１８０°であり、したがって、逆方向に回転する第１の対向する対が形成される。第３および第４の発電機要素２０２０c，２０２０d間の角度も１８０°であり、したがって、逆方向に回転する第２の対向する対が形成される。同様に、第５および第６の発電機要素２０２０e，２０２０f間の角度も１８０°であり、したがって、逆方向に回転する第３の対向する対が形成される。図４１〜４８に関連して以下で更に詳しく説明されるように、逆方向に回転する対向する対は、トルクリップルを最小限に抑える平衡反応トルクを多相発電機２０００で与える。１２相システムでは、更なる発電機要素が同様に互いに対して離間され、それにより、弾性要素の平衡な逆方向に回転する対が形成されて、トルクリップルが更に最小限に抑えられ、以下同様になされる。特定の発電機要素２０２０a〜fに対応する上側および下側カム２０２４a〜f，２０２８a〜fは、互いに対して１８０°で配置される。上側および下側シャフト２０１０，２０１２は、逆回転動作２０３２，２０３４をそれぞれのシャフト２０１０，２０１２に加える機械エネルギー源に結合するように構成される。言い換えると、一実施形態では、上側シャフト２０１０が反時計回り方向２０３２に回転し、一方、下側シャフト２０１２が時計回り方向２０３４に回転する。上側および下側シャフト２０１０，２０１２の回転方向は、それらが互いに対して反対の逆回転を維持する場合��は、逆にすることができる。
【０１６２】
機械的仕事源が逆回転動作２０３２，２０３４をそれぞれの上側および下側シャフト２０１０，２０１２に対して加えると、発電機要素２０２０a〜fは、対応するカム２０２４a〜f，２０２８a〜fにより加えられる力によって、各サイクルにわたって伸張および弛緩される。特定の発電機要素２０２０a〜fの上側および下側カム２０２４a〜f，２０２６a〜fは互いに対して１８０°で配置されるため、単一のサイクルにわたって、発電機要素２０２０a〜fの上側部分および下側部分が伸張されおよび弛緩される。カム２０２４a〜f，２０２８a〜fはシャフト２０１０，２０１２の縦方向の長さに沿って互いに対して６０°で配置されるため、単一のサイクルにわたって、発電機要素２０２０a〜fが同期せずに伸張されおよび弛緩される。これが、１サイクル中の所定時の任意の状態を捕らえる図２２に更に良好に示されている。図２２に示されるように、発電機要素２０２０a〜fのそれぞれは、カム２０２４a〜f，２０２８a〜fの間隔に起因して伸張および弛緩の異なる状態にある。例えば、発電機要素２０２２fは完全に伸張された状態にあるように見え、また、発電機要素２０２２cは完全に弛緩された状態にあるように見え、また、残りの発電機要素２０２a，b，d，eは中間状態で伸張されているように見える。
【０１６３】
図２３は、誘電エラストマー発電機モジュール２０２２b〜fの大部分が除去された図２０〜図２２に示される６相電気活性高分子発電機２０００の斜視図である。図２４および図２５は、図２３に示される６相電気活性高分子発電機２０００の端面図であり、また、図２６は、図２３に示される６相電気活性高分子発電機２０００の側面図である。図２３〜図２６に示されるように、各発電機要素２０２０a〜fはそれぞれの上側および下側ハンガープレート２０３８a〜f，２０４０a〜fを備える。ハンガープレート２０３８a〜f，２０４０a〜fは、それぞれのカム２０２４a〜f，２０２８a〜fごとに対応するベアリング２０２６a〜f，２０３０a〜fを含む。ヒンジコネクタ２０４２a〜f，２０４４a〜fおよび角度クランプ２０４６a〜f，２０４８a〜fが、各誘電エラストマー発電機モジュール２０２２a〜fを上側および下側ハンガープレート２０３８a−f，２０４０a−fに結合する。ヒンジ２０５０a−fが上側ヒンジコネクタ２０４２a〜fを上側ハンガープレート２０３８a〜fに接続し、また、ヒンジ２０５２a〜fが下側ヒンジコネクタ２０４４a〜fを下側ハンガープレート２０４０a〜fに接続する。複数の支持チューブ２０５４a〜fが、上側角度クランプ２０４６a〜fおよび誘電エラストマー発電機モジュール２０２２a〜fを上側ヒンジコネクタ２０４２a〜fに結合させる。同様に、複数の支持チューブ２０５６a〜fが、下側角度クランプ２０４８a〜fおよび誘電エラストマー発電機モジュール２０２２a〜fを下側ヒンジコネクタ２０４４a〜fに結合させる。
【０１６４】
図２７は、図２０〜図２６に示される誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aの一実施形態を示している。誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aは電気活性高分子トランスデューサの一実施形態である。図２７に示されるように、誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aは第１および第２の誘電積層エラストマー膜要素２０６６a−１，２０６６a−２を備える。積層エラストマー膜要素２０６６a−１，２０６６a−２は、支持チューブ２０５４a，２０５６aによってヒンジコネクタ２０４２a，２０４４aおよび角度クランプ２０４６a，２０４８aに取り付けられる。図２０〜図２６に関連して説明されるように、ヒンジコネクタ２０４２a，２０４４aを対応する上側および下側ハンガープレート２０３８a，２０４０aに接続するために取り付け開口２０５８a，２０６０aが使用される。各積層エラストマー膜要素２０６６a−１，２０６６a−２は、誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aを調整電子機器に結合する電極２０６８a−１，２０６８a−２を備える。これにより、調整電子機器は、それが伸張（歪み）状態にあるときにシード（バイアス）電圧を誘電エラストマー膜に印加できるとともに、それが弛緩状態にあるときに蓄積された電荷を誘電エラストマー膜から採取することができる。図２７に示されるように、積層エラストマー膜要素２０６６a−１は誘電体膜層２０６２aと電極２０６４aとを備える。一実施形態において、各積層エラストマー膜要素２０６６a−１，２０６６a−２は複数の電極２０６４aと誘電体膜層２０６２aとを備える。図示の実施形態では、例えば、積層エラストマー膜要素２０６６a−１，２０６６a−２が約１００個の誘電体膜層２０６２aを備え、各層は、１００×１１個の積層エラストマー膜要素を形成するために１１個の電極２０６４aを備える。一実施形態では、各誘電エラストマー膜層２０６２aが例えば０．１，０．２または０．４J／ccの作動エネルギー密度を有する約０．１mm厚のポリウレタンである。他の適した材料としては、アクリレート、シリコーン、熱可塑性エラストマー、炭化水素ゴム、フルオロエラストマー、スチレン共重合体などが挙げられる。一実施形態において、誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aは、約０．１kgの活性誘電体材料をトレンチ形態T(280x100mm)x(100層@100μm)として備える。そのようなモジュールは、約C=280 nFのキャパシタンスを有するとともに、モジュール（Y=0.6 MPa）１００％を歪ませるために力F=1680 N（３７８lb）を必要とする。
【０１６５】
図２８は、図２７に示される誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aの積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１部分の一実施形態を示している。図２８に示されるように、一実施形態において、積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１は、支持チューブ２０５４a，２０５６a（図２４〜２７に示される）を介して積層エラストマー膜構成要素を角度クランプ２０４６a，２０４８aに接続するためにソルダーマスク２０７０a−１と複数の取り付け開口２０７２a−１，２０７４a−１とを有するプリント回路基板を備える。積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１のそれぞれは、誘電エラストマー膜２０６２a−１上にわたって形成される各電極２０６４a−１とバス電極２０７６a−１との間に結合される高分子ヒューズ２０７８a−１を備える。積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１，２０６６a−２がヒューズを備える場合、それらの要素はヒューズ付きセグメントと称されてもよい。バス電極２０７６a−１は、標準的なランディングのようなメッキされた端と端を接した銅バスであってもよい。金属端子２０８０a−１は、高分子ヒューズ２０７８a−１を介してバス電極２０７６a−１を個々の電極２０６４a−１に電気的に結合する。一実施形態では、銀が高分子ヒューズ２０７８a−１上および端子２０８０a−１上にわたって印刷される。図示のように、積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１は、１１個の電極を備えるが、制限はなく、誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aの特定の実施に基づいて任意の適した数の電極２０６４a−１が含まれてもよい。同様に、上側の膜層だけが示されているが、一実施形態において、積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１は１００個の層を備えるが、制限はなく、誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aの特定の実施に基づいて任意の適した数の膜層が含まれてもよい。
【０１６６】
図２９〜図３３は、図２７〜図２８に示されるヒューズ付きセグメント２０６６a−１の更なる詳細図を示している。図２９は、積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１の正面図である。図３０は、フロントプレートが除去された積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１の斜視図である。図３１は、図３０に示される積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１の詳細な端面図である。図３２は、積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１の断面斜視図である。また、図３３は、図３２に示される積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１の断面斜視図の詳細図である。
【０１６７】
最初に図２９〜図３１を参照すると、積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１は、フレーム要素２０８２a−１と誘電エラストマー膜要素２０８４a−１とからなる複数の層を備える。電極２０６４a−１は、例えば導電性インクで印刷することにより、各誘電エラストマー膜層２０８４a−１上に形成される。前述したように、一実施形態において、ヒューズ付きセグメント２０６６a−１は、誘電エラストマー膜要素２０８４a−１の最大で１００個の層を備えてもよい。フレーム要素２０８２a−１は、誘電エラストマー膜要素２０８４a−１層のための支持を行なうとともに、プリント回路基板２０７０a−１、バス電極２０７６a−１、高分子ヒューズ２０７８a−１、および、一実施形態では銀コーティングされ得る金属端子２０８０a−１を介した個々の電極２０６４a−１に対する電気的な接続も含む。図３２〜図３３は、フレーム要素２０８２a−１と誘電エラストマー膜要素２０８４a−１層との間の描写を示している。
【０１６８】
図３４〜図３７は、一実施形態に係る図２０〜２４および図２６に示される上側ハンガープレート２０３８aの詳細図を示している。下側ハンガープレート２０４０aは、上側ハンガープレート２０３８aにほぼ類似しており、ここでは詳しく説明されない。図３４〜図３７に示されるように、一実施形態において、上側ハンガープレート２０３８aは、ベアリング２０２６aを内部に受けるのに適する開口を画定する本体部２０８６を備える。図２０〜図２６を参照して前述したように、ベアリング２０２６aは開口２０８８を画定し、この開口２０８８は、該開口２０８８内に上側シャフト２０１０を位置させるのに適する直径を有する。ヒンジ２０５０aは、取り付け開口２０９０を介して上側ハンガープレート２０３８aの本体２０８６に接続するとともに、取り付け開口２０９２を介して誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aに接続し、取り付け開口２０９２は、誘電エラストマー発電機モジュール２０２２aのヒンジコネクタ２０４２aに形成される取り付け開口２０５８aと一致する（図２７）。取り付け開口２０９４を介してヒンジコネクタ２０４２aに結合する上側角度クランプ２０４６aも示されており、取り付け開口２０９４は、積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１に形成される取り付け開口２０７２a−１に対応する（図２８〜図３０）。言うまでもなく、複数の支持チューブ２０５４aが角度クランプ２０４６aを積層エラストマー膜構成要素２０６６a−１，２０６６a−２に結合する（図２７）。
【０１６９】
図３８〜図４０は、図２０〜図２６に関連して説明された６相電気活性高分子発電機２０００と共に使用するためのシャフトの一実施形態を示している。図３８は上側シャフト２０１０の斜視図である。図３９は上側シャフト２０１０の側面図である。図４０は上側シャフト２０１０の端面図である。上側シャフト２０１０の詳細な説明は、図３８〜図４０に示される実施形態に関連して与えられる。下側シャフト２０１２は上側シャフト２０１０にほぼ類似するため、下側シャフト２０１２の詳細な説明は、開示を簡潔かつ明確にするために省かれる。図示のように、上側シャフト２０１０は、縦方向２０１８に延びるアーム２０９６を備え、このアームは、該アーム２０９６の縦方向長さ２０１８に沿って配置されて取り付け固定される６つのカム２０２４a〜fを有する。前述したように、カム２０２４a〜fは、上側および下側シャフト２０１０，２０１２に加えられる機械的仕事の影響下で上側および下側シャフト２０１０，２０１２が回転するときにDEGモジュール２０２２a〜fを伸張および弛緩させるために６つの発電機要素２０２０a〜fに動作可能に結合される。
【０１７０】
カム２０２４a〜fは、X−Z軸間の角度θで回転してアーム２０９６の周囲に配置される。図示のように、カム２０２４a，２０２４bは、互いに対して角度θ＝１８０°だけ回転して配置される。ここで、この論議の目的のため、Z軸が０°に対応する。次のカム２０２４cは、第１のカム２０２４aに対して角度θ＝３００°を成して配置される。次のカム２０２４dは、第１のカム２０２４aに対して角度θ＝１２０°を成して配置される。次のカム２０２４eは、第１のカム２０２４aに対して角度θ＝２４０°を成して配置される。最後のカム２０２４fは、第１のカム２０２４aに対して角度θ＝６０°を成して配置される。下側シャフト２０１２のカム２０２８a〜fは、上側シャフト２０１０上に位置するカム２０２４a〜fに対して１８０°で位置する。したがって、上側および下側シャフト２０１０，２０１２のアーム２０９６が回転すると、カム２０２４a〜f，２０２８a〜fが上側および下側ハンガープレート２０３８a〜f，２０４０a〜fと動作可能に係合し、上側および下側シャフト２０１０，２０１２の各回転サイクルにわたって誘電エラストマー発電機モジュール２０２２a〜fを伸張および弛緩させる。
【０１７１】
前述したように、カム２０２４a〜fは、逆方向に回転する平衡弾性対を形成するためにカム２０２４a〜f間で回転方向に相対角度を成してアーム２０９６の周囲に配置される。別の言い方をすれば、第１および第２のカム２０２４a，２０２４b、第３および第４のカム２０２４c，２０２４d、および、第５および第６のカム２０２４e，２０２４fを備える各対は、逆方向に回転する平衡弾性対を形成してリップルトルクを最小限に抑えるために互いに対して１８０°の角度θを成して配置される。
【０１７２】
＜多相弾性要素の平衡反作用トルク解析＞
図４１〜図４８は、多相誘電エラストマー発電機における平衡反作用トルクの原理を示している。図４１は、１つの弾性要素からのトルクを示す図２１００である。それぞれの回動点２１１６，２１１８を中心に自由に回転できる弾性要素の１つの対を形成するために直線状の弾性スプリング２１０６によって結合される２つの逆方向に回転するバー２１０２，２１０４を考慮されたい。第１のバー２１０２は反時計回り方向２１０８に回転し、第２のバーは時計回り方向２１１０で第１のバー２１０２に対して逆向きに回転する。バー２１０２，２１０４の離間距離２１１２は、スプリング２１０６の力がF=0からF=Fmaxまで変化するように選択されるとする。図４２に示されるように、スプリング２１０６の長さ、したがって力を、（1-cosθ）項を用いて表すことができ、また、モーメントアームは、r sinθによって変化するのが分かる。
【０１７３】
図４２は、弾性スプリング２１０６に起因してバーのうちの一方２１０２に作用する力およびトルクを示す。図４２に示されるように、バー２１０２により受けられる力は、
F=Fmax(1-cosθ)/2                （３２）
である。
【０１７４】
トルクは、三角関数による置換すなわち
2014507930.tif 000034
を使用して異なる周波数を有する２つの正弦波の差として表わすことができる。
【０１７５】
図４２のトルク式を発端として、以下が与えられる。
2014507930.tif 000035
（３４，３５）
【０１７６】
そのため、１つの弾性スプリング２１０６からのトルクは以下となる。
2014507930.tif 000036
【０１７７】
図４３（図４４の差し込み図）は、第１の弾性要素から１８０°位相がずれた第２の弾性要素からのトルクを示す図である。図４３において、第２の弾性要素２１１４は、２つの逆方向に回転するバー２１０２，２１０４の図４１の形態に対して反対側の端部に結合される。トルク式は図４４に示されるように導き出される。第２の弾性要素のためのトルク式は、２つの更なる三角関数置換を使用して更に都合の良い形式で表わすことができる。図４４の式を発端として以下が与えられる。
2014507930.tif 000037
【０１７８】
第１の三角恒等式（三角関数の公式）
2014507930.tif 000038
を使用して、
代入すると、以下が与えられる。
2014507930.tif 000039
【０１７９】
ここで、第２の三角恒等式
2014507930.tif 000040
を使用する。
それにより、第１の弾性スプリングから１８０°位相がずれた第２の弾性スプリング２１１４からのトルクは、以下のようになる。
2014507930.tif 000041
【０１８０】
図４５は、１８０°位相がずれた対向する弾性要素の対におけるトルクを示す図である。図４５に示されるように、逆方向に回転するバー２１０２，２１０４は、ここでは、第１の端部が第１の弾性スプリング２１０６によって結合されるとともに、第２の端部が第２の弾性スプリング２１１４によって結合され、それにより、対向する弾性要素の対(pair)が形成される。トルク方程式（３６），（４１）を加算すると、対向する弾性要素の対(pair)におけるトルクが以下のように与えられる。
2014507930.tif 000042
単純化すると、以下のようになる。
2014507930.tif 000043
【０１８１】
式（４３）中の項２θは、受動トルクがバー２１０２の角度の２倍速く変化することを意味し、それが図４６に示されている。
【０１８２】
図４７は、均等に配設された弾性要素の３つの対におけるトルクを示す図である。明確にするため、対応する弾性スプリング２１０６，２１１４に結合された逆方向に回転するバー２１０２，２１０４から構成される２つの対向する弾性要素だけがπ／３で示される。言うまでもなく、弾性要素の他の２つの対も弾性スプリングの対応する対に対して０および２π／３で結合される。式（４３）で導き出される受動トルクに関する式は、弾性要素の１つの対に関して成り立つ。機械を釣り合わせるため、弾性要素の３つの対が半サイクルにわたって配設される。図４７に示されるように、弾性要素の３つの対は、半サイクルにわたって０，π／３，２π／３で配設される。図４８に示されるように、図４７に示される配置により、０，π／３，２π／３に位置する弾性要素の３つの対２１０２−２１０４，２１２２−２１２２，２１３２−２１３４に関して受動トルクの総和はゼロになる。
【０１８３】
代数学では、例示のようではなく、これらの３つの対のトルクのタイミングの変化を考慮すると、以下が与えられるのが分かる。
2014507930.tif 000044
（４４，４５）
【０１８４】
一般に、正弦関数の周期性により、３つの項がそれぞれ２π／３だけシフトされると、３つの項の総和がゼロになる。すなわち、任意の値xに関して、以下のようになる。
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【０１８５】
この恒等式は、x=2θを含む任意のxに関して成り立つため、以下のように受動トルクの総和はゼロになる。
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（４７）
【０１８６】
したがって、弾性要素の３つの対向する対は、釣り合って、ゼロのリップルトルクを有する。同様に、３つの対の倍数（６対、９対など）も釣り合う。しかしながら、３つの対が釣り合う弾性要素の最小数である。
【０１８７】
＜ラジアル誘電エラストマー発電機＞
好適には、３対（または６相）を超える数の弾性要素が使用されてもよい。図４９は、中心カムに取り付けられる８相を伴うラジアル誘電エラストマー発電機２２００を示している。図４９に示されるように、ラジアル誘電エラストマー発電機２２００は、８つの相を規定する８個の電気活性高分子径方向脚２２０２a〜hを備える。径方向脚２２０２a〜hは、外側硬質フレーム２２０４とカム２２０８のための中心ベアリング２２０６とに取り付けられる。カム２２０８は回転シャフト２２１０に回転可能に結合される。シャフト２２１０が回転すると、発電機２２００の各サイクル中にカム２２０８が各径方向脚２２０２a〜hを作動させる。
【０１８８】
図５０は、直線状のスプリングが中心軸の軌道点に取り付けられる際の各相の近似を示す図２２１２である。スプリングを伸張させて回転させると、中心軸周りのトルクが生み出される。単相に起因する受動トルクを以下のように計算することができる。
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（４７，４８，４９，５０，５１）
ここで、r＝軌道半径［m］であり、
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k=バネ定数［N／m］である。
【０１８９】
図５１は、方程式（５１）を使用して計算された受動トルクのグラフ表示であり、この場合、r=0.5; lo=1;および k=1である。縦軸は受動トルク（Nm）に対応し、また、横軸は角度（ラジアン）に対応する。
【０１９０】
図５２は、６相のそれぞれからのトルクのグラフ表示である。縦軸はトルク力（Nm）に対応し、また、横軸は角度（ラジアン）に対応する。
【０１９１】
図５３は、１相（最大）〜６相（最小）を有するシステムからの正味受動トルクのグラフ表示である。縦軸は受動トルク（Nm）に対応し、また、横軸は角度（ラジアン）に対応する。図示のように、より多くの相数を有するシステムは、最小正味受動トルクを有する。
【０１９２】
図５４は、６相システムからのリップルトルクのグラフ表示である。縦軸はトルク（Nm）に対応し、また、横軸は角度（ラジアン）に対応する。
【０１９３】
図５５は、１相を有するシステムに対するn相を有するシステムの最大リップルトルクの比率のグラフ表示である。縦軸はトルク比に対応し、また、横軸は相数に対応する。したがって、相を加えることにより、例えば１２相で２E−５（２０ppm）など、所望のレベルまでリップルトルク（コギングトルクと等価）を押し下げることができるのが分かる。
【０１９４】
「一実施形態」と言った場合、その実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または、特性が少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味することに留意する価値はある。明細書中における「一実施形態における」または「１つの態様における」という語句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態に言及しているとは限らない。
【０１９５】
幾つかの実施形態が「結合され」および「接続され」という表現をそれらの派生語と共に使用して記載されてもよいことに留意する価値はある。これらの用語は、互いに関して同義語として意図されない。例えば、幾つかの実施形態は、２つ以上の要素が互いに物理的に或いは電気的に直接に接触することを示すために用語「接続され」および／または「結合され」を使用して記載されてもよい。しかしながら、用語「結合され」は、２つ以上の要素が互いに直接に接触しないが依然として互いに協働する或いは相互作用することを意味してもよい。
【０１９６】
言うまでもなく、当業者は、本明細書中に明示的に記載され或いは示されないが本開示の原理を具現化するとともに本開示の範囲内に含まれる様々な構成を考え出すことができる。また、本明細書中に挙げられる全ての例および条件付き言語は、主に、本開示に記載される原理と技術の増進に寄与される概念とを読み手が理解するのを助けるように意図されるとともに、そのような具体的に挙げられた例および条件に限定しないように解釈されるべきである。また、原理、実施形態、および、実施形態並びにその特定の実施例を挙げる本明細書中の全ての記述は、その構造的および機能的な等価物の両方を包含するように意図される。更に、そのような等価物が、現在知られる等価物、および、将来生み出される等価物、すなわち、構造にかかわらず同じ機能を果たす生み出された任意の要素の両方を含むことが意図される。したがって、本開示の範囲は、例示的な実施形態および本明細書中に示されて説明される実施形態に限定されるように意図されない。むしろ、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。
【０１９７】
本開示の文脈の中（特に、以下の特許請求の範囲の文脈の中）で使用される用語「１つの（aおよびan）」および「その、前記（the)）並びに同様の言及は、本明細書中で他に示唆され或いは文脈によって明確に矛盾しなければ、単数形および複数形の両方を網羅するように解釈されるべきである。本明細書中における値の範囲の列挙は、単に、その範囲内に入るそれぞれの別個の値を個別に言及する速記法として役立つように意図されるにすぎない。本明細書中で他に示唆されなければ、それぞれの個々の値は、あたかもそれが本明細書中に個別に列挙されているかのように明細書中に組み入れられる。本明細書中に記載される全ての方法は、本明細書中で他に示唆され或いは文脈によって明確に矛盾しなければ、任意の適した順序で行なうことができる。本明細書中で与えられる任意のおよび全ての例または典型的な言語（例えば、「など」、「その場合」、「一例として」）の使用は、単に本発明をより良く例示するべく意図され、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を限定するものではない。明細書中の言語は、本発明の実施に不可欠な任意の特許請求の範囲に記載されない要素を示唆するように解釈されるべきではない。なお、特許請求項は、任意の随意的要素を排除するように作成されてもよい。したがって、この記述は、特許請求の範囲の要素の列挙に関連したただ１つの、唯一の、および、同様のものといった排他的な用語の使用、または、消極的限定の使用の根拠として役立つように意図される。
【０１９８】
本明細書中に開示される代替的な要素または実施形態のグループ分けが限定的に解釈されるべきではない。各グループの構成要素が、個別に或いはそのグループの他の構成要素または本明細書中に見出される他の要素と任意の組み合わせを成して言及されて特許請求の範囲に記載されてもよい。１つのグループの１つ以上の構成要素が便宜上および／または特許性の理由により１つのグループ内に含まれ或いは１つのグループから削除され得ることが予期される。
【０１９９】
実施形態の特定の特徴を前述したように例示してきたが、多くの改変、置き換え、変更、および、等価物を当業者が想起できる。したがって、添付の特許請求の範囲がそのような改変および変更の全てを開示された実施形態および添付の特許請求の範囲内に入るように網羅するべく意図されていることは言うまでもない。
【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】
2014507930.tif 000054
【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】
2014507930.tif 000061
【図８】
2014507930.tif 000062
【図９Ａ】
2014507930.tif 000063
【図９Ｂ】
2014507930.tif 000064
【図１０】
2014507930.tif 000065
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【国際調査報告】
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