(57)【要約】【課題】電場応答性高分子を用いて、さまざまな条件下及びさまざまな分野で利用可能な発電装置を開発すること。【解決手段】波力・水力・風力などにより生じる運動エネルギーＦを電場応答性高分子２を変形させる力に変換する運動エネルギー伝達部８と、初期状態において、電場応答性高分子２へ初期電気エネルギーを供給する起動電圧供給部６と、運動エネルギー伝達部８による電場応答性高分子２の変形により発生した出力電気エネルギーの電圧・電流を制御する蓄電用電力供給部４と、蓄電用電力供給部４から供給される電力を蓄電する蓄電部５と電場応答性高分子２の変形状態を電気的又は機械的に検出し、その変形状態に応じて電場応答性高分子２へ供給する初期電気エネルギーと電場応答性高分子２から出力される出力電気エネルギーとの切替を行う充放電切替部３とを有することにより上記の課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波力・水力・風力・圧力変化や生物及び物体などが動くことにより生じる運動エネルギーを電場応答性高分子を変形させる力に変換する運動エネルギー伝達部と、
初期状態において、前記電場応答性高分子へ初期電気エネルギーを供給する起動電圧供給部と、
前記運動エネルギー伝達部による前記電場応答性高分子の変形により発生した出力電気エネルギーの電圧及び電流を制御する蓄電用電力供給部と、
前記蓄電用電力供給部から供給される電力を蓄電する蓄電部と、
前記電場応答性高分子の変形状態を電気的又は機械的に検出し、その変形状態に応じて前記電場応答性高分子へ供給する前記初期電気エネルギーと前記電場応答性高分子から出力される前記出力電気エネルギーとの切替を行う充放電切替部とを有することを特徴とする電場応答性高分子を用いた発電装置。
【請求項２】
前記初期電気エネルギーを前記蓄電部に蓄電された電気エネルギーから生成する起動電圧供給部を有することを特徴とする請求項１に記載された電場応答性高分子を用いた発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子（ Electroactive Polymer ）に関するものであって、さらに詳しくは、電場応答性高分子を用いた発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータに焦点を当てたものがほとんどであった。この誘電性エラストマーは、強い電場の中に置くと、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。これは、クーロン力によるものである。したがって、誘電エラストマーを帯電した２枚の柔軟（compliant）な電極間に挟むことによって、ゴムのような弾性を持つコンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボットなどのアクチュエータとして用いることが注目を集めている（例えば、特許文献１、２）。
【特許文献１】米国特許第６７８１２８４号明細書
【特許文献２】米国特許第６８８２０８６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、この素材が発電においても顕著な性能を有することは、ほとんど知られておらず、発電への応用についての提案はあるものの、実用可能な発電装置については、実現されていなかった。また、発電機や太陽電池などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても、利用可能な発電装置が求められていた。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、電場応答性高分子を用いて、さまざまな条件下及びさまざまな分野で利用可能な発電装置を開発することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本請求項１に係る発明は、波力・水力・風力・圧力変化や生物及び物体などが動くことにより生じる運動エネルギーを電場応答性高分子を変形させる力に変換する運動エネルギー伝達部と、初期状態において前記電場応答性高分子へ初期電気エネルギーを供給する起動電圧供給部と、前記運動エネルギー伝達部による前記電場応答性高分子の変形により発生した出力電気エネルギーの電圧及び電流を制御する蓄電用電力供給部と、前記蓄電用電力供給部から供給される電力を蓄電する蓄電部と、前記電場応答性高分子の変形状態を電気的又は機械的に検出し、その変形状態に応じて、前記電場応答性高分子へ供給する前記初期電気エネルギーと前記電場応答性高分子から出力される前記出力電気エネルギーとの切替を行う充放電切替部とを有する電場応答性高分子を用いた発電装置によって、上記の課題を解決するものである。
【０００６】
本請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の構成に加えて、前記初期電気エネルギーを前記蓄電部に蓄電された電気エネルギーから生成する起動電圧供給部を有する電場応答性高分子を用いた発電装置によって、上記の課題をさらに解決するものである。
【０００７】
ここで、本発明における電場応答性高分子とは、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発された新素材であって、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしており、ＥＰＡＭ（イーパム：Electroactive Polymer Artificial Muscle）という商品名で市販されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本請求項１に係る電場応答性高分子を用いた発電装置によれば、波力・水力・風力・圧力変化や生物及び物体などが動くことにより生じる運動エネルギーを電場応答性高分子を変形させる力に変換する運動エネルギー伝達部と、初期状態において前記電場応答性高分子へ初期電気エネルギーを供給する起動電圧供給部と、前記運動エネルギー伝達部による前記電場応答性高分子の変形により発生した出力電気エネルギーの電圧及び電流を制御する蓄電用電力供給部と、前記蓄電用電力供給部から供給される電力を蓄電する蓄電部と、前記電場応答性高分子の変形状態を電気的又は機械的に検出し、その変形状態に応じて、前記電場応答性高分子へ供給する前記初期電気エネルギーと前記電場応答性高分子から出力される前記出力電気エネルギーとの切替を行う充放電切替部とを有する構成にしたことによって、前記電場応答性高分子に加えた運動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換させることができるので、低周波数帯（例えば、波力発電に要求される０．３Ｈｚ）の運動や、不定期な振動やワンタイムの運動などの非定周波運動、高負荷、高ストロークなどのさまざまな条件下における、さまざまな分野での利用が可能な発電装置を得ることができる。
【０００９】
特に、前記電場応答性高分子に初期状態において、発電の元（source）となる初期電気エネルギーを予め与えることによって、運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換させることを可能にしている。
【００１０】
本請求項２に係る電場応答性高分子を用いた発電装置によれば、請求項１に係る電場応答性高分子を用いた発電装置が奏する効果に加えて、初期電気エネルギーを蓄電部に蓄電された電気エネルギーから生成する起動電圧供給部を有する構成にしたことによって、別途、起動電源などの初期充電源を有する必要がないため、発電装置のメンテナンスフリー化を図ることもでき、より広い分野で利用可能な発電装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、まず始めに、本発明の電場応答性高分子（以下、ＥＰＡＭと称す）を用いた発電装置の概要について、図１乃至図３に基づき説明する。
【００１２】
本発電装置１は、図１に示したように、運動エネルギー伝達部８、ＥＰＡＭ２、充放電切替部３、蓄電用電力供給部４、蓄電部５、起動電圧供給部６から構成され、ＥＰＡＭ２により発電された電力を負荷７に効率よく供給する。
【００１３】
ここで、運動エネルギー伝達部８は、波力・水力・風力・圧力変化及び生物や物体が動くことにより生じる運動エネルギーを、ＥＰＡＭ２を変形させる力に変換する。具体的には、ＥＰＡＭは、弾性体であるので波力・水力などの力によりＥＰＡＭを伸張し、その後、ＥＰＡＭに加えた力を解除する、すなわち、弛緩することによって、元の大きさに戻る。あるいは、ＥＰＡＭに加重を掛けることによって、ＥＰＡＭを伸張させ、その後、ＥＰＡＭに掛けた加重を取り除く、すなわち、弛緩することによって、元の大きさに戻る。このように、運動エネルギー伝達部８は、運動エネルギーを、効率よくＥＰＡＭ２を変化させる力に変換することができるものであれば、その具体的構成については、如何なる構成であっても構わない。
【００１４】
充放電切替部３は、ＥＰＡＭ２の変形状態を電気的又は機械的に検出して、その変形状態に応じて初期電気エネルギーをＥＰＡＭ２に供給する充電モードとＥＰＡＭ２によって発電された出力電気エネルギーが出力される放電モードを切り替える。初期電気エネルギーは、負荷７に電力供給するために蓄電部５に蓄電された電気エネルギーの一部を用いて起動電圧供給部６により生成され、初期状態にあるＥＰＡＭ２に供給される。
【００１５】
蓄電用電力供給部４は、蓄電部５をＥＰＡＭ２で発電された電力によって効率よく充電するために電圧及び電流を制御する。具体的には、ＥＰＡＭ２によって発電された電圧波形は、図２に示すように、ＥＰＡＭの状態が変化した瞬間に立ち上がり、次第に減衰する波形となる。したがって、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）などによる降圧回路を用いて図２の斜線を引いた部分を使用するように、負荷７に適した電圧及び電流の制御が行われる。蓄電部５には、上述した降圧回路を用いることによって、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池や電気二重層コンデンサなどを蓄電手段とすることもできるし、特に降圧回路を用いることなくフィルムコンデンサなどのコンデンサを用途に合わせて蓄電手段として用いることもできる。
【００１６】
起動電圧供給部６は、蓄電部５から電気エネルギーを得て、発電初期に必要な初期電気エネルギーをＥＰＡＭ２に供給するものであるが、起動電圧供給部６を用いることなく、別途、直流電圧源を用いたり、太陽電池、圧電素子を用いた起動電源を使用することによって、初期状態にあるＥＰＡＭ２に初期電気エネルギーを供給することも可能である。
負荷７には、発光ダイオード（Light Emitting Diode）などが好適に使用されるが、これに限られることなく、例えば、“ＲＦ−ＩＤ”（Radio Frequency Identification）と呼ばれる家電向け短距離無線通信規格に準拠したＲＦ−ＩＤ端末の電源として用いたり、ＥＰＡＭを用いて携帯電子機器のストラップを構成して、携帯電子機器が上下動することによって携帯電子機器へ電力を供給する電源として用いることも可能である。また、このような低電圧発電のみならず、運動エネルギー伝達部８の構造により、波力・水力・風力などの自然エネルギーを用いた小・中規模の発電も可能である。
【００１７】
次に、ＥＰＡＭの発電原理について、図３に基づいて説明する。ＥＰＡＭ２は、２つの柔軟な電極２ｂ、２ｂに挟まれた、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などの高分子膜２ａで構成されている。アクチュエーション（駆動）モードでは、図３（ａ）に示すように電極間に電位差を与えると、静電力により、高分子膜２ａが厚さ方向に収縮し、その結果として、ＥＰＡＭ２が面方向に伸張する。
【００１８】
一方、発電モードでは、図３（ｂ）に示すようにアクチュエーション（駆動）モードと逆の動き、すなわち、ＥＰＡＭ２に波力や人的作用などの外部的圧力、伸張力を与えて、ＥＰＡＭ２を変形させることにより発電する。なお、発電に先立ち、最初に高分子膜２ａに発電の元となる微量の電荷を与えることによって、効率的に発電することが可能である。
【００１９】
これらのモードでは、ＥＰＡＭ２は、可変コンデンサのように機能していると考えられる。電荷は、高分子膜２ａが何らかの力により伸張された際、その膜上に現れる。この膜が弛緩する際、ＥＰＡＭ２の弾性力が電場圧力に対向して働き、その結果、電気エネルギーが増加する。ミクロ的には、高分子膜２ａの弾性力により電荷を各電極２ｂに向けて押し出し（収縮状態で高分子膜２ａの厚さが増加）、また電極２ｂで各電荷間の距離が短くなる（収縮状態で平面領域が減少）。
【００２０】
このような電荷の変化が電圧差を増加させ、その結果、電気エネルギーの蓄電量が増加し、電気エネルギーとして外部の負荷に供給可能になる。
【００２１】
次に本発明のＥＰＡＭを用いた発電装置の具体的な実施例を図４に基づき説明する。
【実施例】
【００２２】
図４は、ＥＰＡＭ１２０に加えられた運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換して負荷１７０に供給するために新規に開発された発電装置の回路図の一例である。
【００２３】
ＥＰＡＭ１２０に発電エネルギーが蓄えられると、その変形状態が電気的又は機械的に検出され、出力電気エネルギーを負荷１７０に供給するため、充放電切替部１３０のスイッチＳ２がＯＮになる。この時、スイッチＳ３はＯＦＦの状態である。そして、負荷１７０を通過した電流は、電流の流れる向きを規制するダイオード１８０を通過して、蓄電用電力供給部１４０に供給される。この蓄電用電力供給部１４０は、ダイオード１４２とコイル１４４からなる一種の電流出力型のスイッチングコンバータを構成しており、それにより、電流波形が整形され蓄電部１５０に供給される。
【００２４】
蓄電部１５０に供給された出力電気エネルギーは、コンデンサ１５２に蓄電される。コンデンサ１５２には、パルス的な電流の入力を防止して、コンデンサ１５２の絶縁破壊を防止するとともに、コンデンサに適した電圧を出力するための定電圧ダイオード１５４が並列に接続されている。なお、本実施例では、負荷にＬＥＤ１７０を用いているが、携帯電子機器などの低電圧機器を用いる場合は、別途、降圧回路などが必要となる。また、降圧された電気エネルギーは、コンデンサの変わりにリチウムイオン電池と昇圧回路を用いることにより蓄電部１５０の代用をすることもできる。
【００２５】
参照符号１６０で示した回路ユニットは、ＥＰＡＭ１２０の初期状態、すなわち、使用開始時にＥＰＡＭ１２０に発電の元となる微量の電荷を与えるための起動電圧供給部である。本実施例では、起動電源１６２として直流電源を用いているが、太陽電池や圧電素子などを用いることも可能である。ＥＰＡＭ１２０による発電開始時にスイッチＳ１をＯＮにすることにより、起動電源１６２に電流が逆流することを防止するために設けられたダイオード１６４を通過する。スイッチＳ１をＯＮにするとコンデンサ１５２が蓄電され、その後、スイッチＳ１は、ＯＦＦとなる。そして、充放電切替部１３０によって、ＥＰＡＭ１２０が初期状態であることが電気的又は機械的に検出されるとスイッチＳ３はＯＮになりＥＰＡＭ１２０に初期電気エネルギーが供給される。
【００２６】
なお、この実施例では、起動電圧供給部１６０として、起動電源１６２を用いているが蓄電部１５０に蓄電された電気エネルギーが必要電位以下にならない限り、初期電気エネルギーとして使用することも可能である（請求項２に係る発明）。
さらに、この実施例は、本発明の技術思想を具現化するための一実施例に過ぎず、発電装置の具体的な回路構成については、本発明の技術思想を逸脱するものでなければ、他の如何なる回路であっても構わない。なお、ＥＰＡＭ１２０の初期状態とは、運動エネルギーＦにより、ＥＰＡＭ１２０が変形又は拡張し、静電容量的に増大した状態を示す。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置は、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、さまざまな条件下及びさまざまな分野で利用可能である発電装置を提供するものであって、波力、水力、風力などの自然エネルギーによる発電をはじめ、例えば、電気・電子機器制御用ワイヤレスリモコンの電源スイッチ一体型電源、電気・電子機器の操作に伴う運動エネルギーによる発電装置、携帯電子機器に接続されたストラップの形状変化を利用した発電装置、樹木の幹や枝の揺れを利用した発電装置、排ガスなどの気体圧力を用いた発電装置、排水などの水圧を用いた発電装置、乗り物が走行する時に生じる振動や衝撃により発電する装置、非常用電源として人力によって発電する装置、トンネル内などの狭い空間で生じる圧力変化により発電する装置、衣類に設置することにより人や動物の動きで発電する装置など、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置の発電原理を示すブロック図ある。
【図２】本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置の発電波形を示す図である。
【図３】本発明の動作原理を説明する図であり、（ａ）が、アクチュエーション・モードを示しており、（ｂ）が、発電モードを示している。
【図４】本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置の具体的な回路の一例である。
【符号の説明】
【００２９】
１、１００  ・・・  電場応答性高分子を用いた発電装置
２、１２０  ・・・  電場応答性高分子（ＥＰＡＭ）
２ａ        ・・・  高分子膜
２ｂ        ・・・  電極
３、１３０  ・・・  充放電切替部
４、１４０  ・・・  蓄電用電力供給部
１４２  ・・・  ダイオード
１４４  ・・・  コイル
５、１５０  ・・・  蓄電部
１５２  ・・・  コンデンサ
１５４  ・・・  定電圧ダイオード
６、１６０  ・・・  起動電圧供給部
１６２  ・・・  起動電源
１６４  ・・・  ダイオード
７、１７０  ・・・  負荷
８          ・・・  運動エネルギー伝達部
１８０      ・・・  ダイオード
１９０      ・・・  ダイオード
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  ・・・  スイッチ
Ｆ  ・・・  運動エネルギー
【図１】
2008141840.tif 000003
【図２】
2008141840.tif 000004
【図３】
2008141840.tif 000005
【図４】
2008141840.tif 000006