(57)【要約】【課題】長期的な使用が可能で、且つ大きな電力を得ることができる発電システムを提供する。【解決手段】本発明に係る発電システム１００は、圧電ポリマー素子１１１と、圧電ポリマー素子１１１に対して周期的に引張り応力を与える引張り応力発生部１３０と、引張り応力発生部１３０により引張り応力が与えられた圧電ポリマー素子１１１から電力を取り出す電力取出し部１７０と、を備える。【選択図】図１
2012023345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電ポリマー素子と、
前記圧電ポリマー素子に対して周期的に引張り応力を与える引張り応力発生手段と、
前記引張り応力発生手段により引張り応力が与えられた前記圧電ポリマー素子から電力を取り出す電力取出し手段と、
を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記引張り応力発生手段は、
外部から与えられた回転力を一軸方向の周期的な伸縮運動に変換する機構を備えること、
を特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記圧電ポリマー素子を伸縮自在に保持する保持機構を備え、
前記引張り応力発生手段は、
回転可能に支持され、外周にカム面が形成された略円盤状の回転体と、
外部から付与された回転力により前記回転体を回転させる回転体駆動機構と、
前記回転体の前記カム面と当接し、前記回転体の回転により前記カム面との当接位置が周期的に変化するのと連動して、前記保持機構に対し周期的に引張り応力を付与する引張り応力付与機構と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記圧電ポリマー素子は、積層された複数の圧電ポリマー素子からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
単層の圧電ポリマー素子に引張り応力Ｆを与えたときの出力電圧をＶとした場合に、単層の前記圧電ポリマー素子と同じ厚みを有する、積層されたｎ層の圧電ポリマー素子を構成する１つの圧電ポリマー素子は、引張り応力Ｆが与えられたときに、出力電圧（Ｖ／ｎ）を発生する厚みを有すること、
を特徴とする請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電システムに用いられる圧電ポリマー素子であって、
引張り応力に対する可逆変形の許容値が、引張り方向における長さの２０％以内であることを特徴とする圧電ポリマー素子。
【請求項７】
応力を与える部分の表面積を減少させるための複数の開口部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の圧電ポリマー素子。
【請求項８】
分極方向が対向するように積層された２層の圧電ポリマー素子を略渦巻状に成形した積層圧電体と、
前記積層圧電体に圧縮応力を与える圧縮応力発生手段と、
前記圧縮応力発生手段により圧縮応力が与えられた前記積層圧電体から電力を取り出す電力取出し手段と、
を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項９】
前記圧縮応力発生手段は、
固定面に配置される第１押圧板と、一端が前記第１押圧板と支持軸により連結され、当該支持軸を中心として回動可能な第２押圧板と、を備え、
外部から前記第２押圧板に対して付与された圧縮力により前記第１押圧板と前記第２押圧板との間に配置された前記積層圧電体に圧縮応力を与えること、
を特徴とする請求項８に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記積層圧電体は、芯材を中心として略渦巻状に成形されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の発電システム。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の発電システムに用いられる圧電ポリマー素子であって、
分極方向が対向するように積層された２層の圧電ポリマーを略渦巻状に成形したことを特徴とする圧電ポリマー素子。
【請求項１２】
前記圧電ポリマー素子は、応力を与える部分の表面積を減少させるための複数の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧電ポリマー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電ポリマー素子を用いた発電システム、及びそれに用いられる圧電ポリマー素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電素子を用いた発電システムが各種提案されている。例えば、人や車両等の移動体が通過する通路に圧電部材を設置し、その圧電部材の上を移動体が通過することにより圧電部材で生じた電力を取り出すように構成された発電システムが提案されている（特許文献１参照）。また、可撓性を有する浮体の内部に圧電体を設け、この浮体が海面の波浪により変形したときに圧電体で生じた電力を取り出すように構成された波力発電装置が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９７７０４号公報
【特許文献２】特開平６−３３６７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の発電システムは、圧電素子として、圧電ひずみ定数（ｄ定数）の大きい圧電セラミックス素子を用いるのが主流となっていた。しかしながら、圧電セラミックス素子は、力学的に硬くて、脆いため、繰り返し応力が加わる中で長期間使用することが難しいという課題がある。また、圧電セラミックス素子は、応力を加えたときの変形量が小さいため、大きい変形量が求められる用途によっては破壊してしまい、大きな発電量を得ることが難しいという課題がある。
【０００５】
本発明の目的は、長期的な使用が可能で、且つ大きな発電量を得ることができる発電システム及び圧電ポリマー素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、圧電ポリマー素子と、前記圧電ポリマー素子に対して周期的に引張り応力を与える引張り応力発生手段と、前記引張り応力発生手段により引張り応力が与えられた前記圧電ポリマー素子から電力を取り出す電力取出し手段と、を備えることを特徴とする発電システムである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記引張り応力発生手段が、外部から与えられた回転力を一軸方向の周期的な伸縮運動に変換する機構を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記圧電ポリマー素子を伸縮自在に保持する保持機構を備え、前記引張り応力発生手段は、回転可能に支持され、外周にカム面が形成された略円盤状の回転体と、外部から付与された回転力により前記回転体を回転させる回転体駆動機構と、前記回転体の前記カム面と当接し、前記回転体の回転により前記カム面との当接位置が周期的に変化するのと連動して、前記保持機構に対し周期的に引張り応力を付与する引張り応力付与機構と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記圧電ポリマー素子は、積層された複数の圧電ポリマー素子からなることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４において、単層の圧電ポリマー素子に引張り応力Ｆを与えたときの出力電圧をＶとした場合に、単層の前記圧電ポリマー素子と同じ厚みを有する、積層されたｎ層の圧電ポリマー素子を構成する１つの圧電ポリマー素子は、引張り応力Ｆが与えられたときに、出力電圧（Ｖ／ｎ）を発生する厚みを有することを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電システムに用いられる圧電ポリマー素子であって、引張り応力に対する可逆変形の許容値が、引張り方向における長さの２０％以内であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発電システムに用いられる圧電ポリマー素子であって、応力を与える部分の表面積を減少させるための複数の開口部が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項８に記載の発明は、分極方向が対向するように積層された２層の圧電ポリマー素子を略渦巻状に成形した積層圧電体と、前記積層圧電体に圧縮応力を与える圧縮応力発生手段と、前記圧縮応力発生手段により圧縮応力が与えられた前記積層圧電体から電力を取り出す電力取出し手段と、を備えることを特徴とする発電システムである。
【００１３】
請求項９に記載の発明は、請求項７において、前記圧縮応力発生手段は、固定面に配置される第１押圧板と、一端が前記第１押圧板と支持軸により連結され、当該支持軸を中心として回動可能な第２押圧板と、を備え、外部から前記第２押圧板に対して付与された圧縮力により前記第１押圧板と前記第２押圧板との間に配置された前記積層圧電体に圧縮応力を与えること、を特徴とする。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９において、前記積層圧電体は、芯材を中心として略渦巻状に成形されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に記載の発明は、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の発電システムに用いられる圧電ポリマー素子であって、分極方向が対向するように積層された２層の圧電ポリマーを略渦巻状に成形したことを特徴とする。
【００１６】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１において、前記圧電ポリマー素子は、応力を与える部分の表面積を減少させるための複数の開口部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、長期的な使用が可能で、且つ大きな電力を得ることができる発電システム及び圧電ポリマー素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１の発電システム１００を示す概略平面図である。
【図２】図１に示す発電システム１００の矢視Ａにおける概略側面図である。
【図３】図１に示す発電システムの矢視Ｂにおける概略側面図である。
【図４】圧電ポリマー素子の引張り応力に対する可逆変形特性を示すグラフである。
【図５】カム円盤１３１の外周に形成されたカム面１４４と揺動ピン１４３との位置関係を示す部分拡大図である。
【図６】圧電ポリマー素子１１１に接続された電力取出し部１７０の構成図である。
【図７】比較例の発電システム１００Ａの構成を示す概略平面図である。
【図８】実施形態１の発電システム１００により発電した場合に発生する電荷の波形を示すグラフである。
【図９】比較例の発電システム１００Ａにより発電した場合に発生する電荷の波形を示すグラフである。
【図１０】実施形態２の発電システム２００を示す概略側面図である。
【図１１】成形前の圧電ポリマー素子２１５を示す概略断面図である。
【図１２】略渦巻状に成形された積層圧電体２１０の概略断面図である。
【図１３】開口部３０１が形成された圧電ポリマー素子３００の表面形状を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る発電システム及び、それに用いられる圧電ポリマー素子の実施形態について説明する。まず、実施形態１として、フィルム状の圧電ポリマー素子に周期的に引張り応力を与えることにより電力を取り出す発電システムについて説明する。
【００２０】
（実施形態１）
図１は、実施形態１の発電システム１００を示す概略平面図である。図２は、図１に示す発電システム１００の矢視Ａにおける概略側面図である。図３は、図１に示す発電システムの矢視Ｂにおける概略側面図である。図４は、圧電ポリマー素子の引張り応力に対する可逆変形特性を示すグラフである。
【００２１】
実施形態１の発電システム１００は、フィルム保持部１１０と、引張り応力発生手段としての引張り応力発生部１３０と、基板１５０と、電力取出し手段としての電力取出し部１７０（図６参照）と、を備える。フィルム保持部１１０及び引張り応力発生部１３０は、基板１５０の上に設置されている。
【００２２】
フィルム保持部１１０は、圧電ポリマー素子１１１を伸縮自在に保持する保持機構を構成する。フィルム保持部１１０は、固定クランプ台１１２と、移動クランプ台１１３と、移動レール１１４と、を備える。
【００２３】
圧電ポリマー素子１１１は、積層された複数の圧電ポリマー素子（不図示）により構成されている。圧電ポリマー素子としては、例えば、圧電性高分子材料であるポリフッ化ビニリデン（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  Ｆｌｕｏｒｉｄｅ：ＰＶＤＦ）フィルムを用いることができる。以下、ポリフッ化ビニリデンフィルムを、適宜に「ＰＶＤＦフィルム」という。
【００２４】
また、圧電ポリマー素子１１１としては、例えば、フッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）、フッ化ビニリデン−四フッ化エチレン共重合体（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ）、シアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ）、ナイロン１１、ポリ乳酸、ポリ尿素等の圧電性高分子、強誘電性セラミックスと高分子との複合体、多孔性ポリマーエレクトレット等を用いることができる。
【００２５】
圧電ポリマー素子は、圧電セラミックス素子に比べて変形特性に優れている。例えば、破断変形（破断に至る変形量）は、引張り応力を付与しない状態に対して１００％であり、可逆変形（可逆的に変形可能な変形量）は、最大で２０％となる。
【００２６】
ここで、圧電ポリマー素子の可逆変形特性について、図４を参照しながら説明する。図４は、圧電ポリマー素子であるＰＶＤＦフィルム（厚さ４５μｍ）に引張り応力を付与したときの内部応力の変化を測定したものである。図４において、横軸は圧電ポリマー素子の変形量（％）、縦軸は圧電ポリマー素子の内部応力（ＭＰａ）を示す。
【００２７】
図４に示すように、圧電ポリマー素子に引張り応力を加え始めた直後において、圧電ポリマー素子の変形量と圧電ポリマー素子の内部応力は、図中破線で示すように、ほぼ比例的に変化する。しかし、圧電ポリマー素子の変形量が２０％を超えると、圧電ポリマー素子の変形量と圧電ポリマー素子の内部応力とが比例的に変化しなくなる。これは、圧電ポリマー素子の変形量が２０％を超えると、圧電ポリマー素子の内部において分子構造の破壊が生じるためと考えられる。このような分子構造の破壊が生じると、圧電ポリマー素子は可逆的に変形しなくなる。従って、圧電ポリマー素子の可逆変形は最大で約２０％であることが分かる。このため、圧電ポリマー素子１１１としてＰＶＤＦフィルムを使用する場合には、圧電ポリマー素子１１１の引張り方向の変形量を２０％以下とすることが好ましい。
ちなみに、圧電セラミックス素子における破断変形は１％程度である。このため、可逆変形は実質的にほぼゼロとなることが考えられる。
【００２８】
本実施形態の発電システム１００では、圧電ポリマー素子１１１の長手方向に対して引張り応力を与えることにより、電力を発生させている。圧電ポリマー素子１１１において、取り出せる最大の発電量Ｗは、以下のように表される。
電荷Ｑ＝ｄＦ
電圧Ｖ＝ｈΔｌ
Ｑ・Ｖ＝ｄＦ×ｈΔｌ＝ｄ２／εｓ・ＦΔｌ＝ｋ２ＦΔｌ
Ｗ＝１／４ＱＶｆ＝１／４ｋ２ＦΔｌｆ・・・（１）
【００２９】
ただし、ｄ：単位応力当たりに発生する電荷量（Ｃ／Ｎ）、Ｆ：応力（Ｎ）、ｈ：単位ひずみ当たりに発生する電圧（Ｖ／ｍ）、Δｌ：変形量、ε：誘電率、ｓ：弾性コンプライアンス、ｋ：電気機械結合係数（圧電ポリマー素子は０．３）、ｆ：周波数とする。
【００３０】
従って、周波数ｆが一定であれば、発電効率は、電気機械結合係数ｋ、応力Ｆ、変形量Δｌに依存する。また、電気機械結合係数ｋ、応力Ｆ、変形量Δｌが同じであれば、周波数ｆが大きくなるほど発電効率が良くなる。なお、引張り応力を与えたときにおいて、圧電ポリマー素子は、同じ引張り応力、同じ素子サイズであれば、圧電セラミックス素子に比べて発電量Ｗが４倍大きくなることが実証されている。
【００３１】
一方、積層された圧電ポリマー素子の１枚の厚みは、圧電ポリマー素子１１１の目標出力電圧に応じて設定される。すなわち、単層の圧電ポリマー素子に引張り応力Ｆを与えたときの出力電圧をＶとした場合に、この単層の圧電ポリマー素子と同じ厚みを有する、積層されたｎ層の圧電ポリマー素子を構成する１つの圧電ポリマー素子は、引張り応力Ｆが与えられたときに、目標出力電圧（Ｖ／ｎ）を発生する厚みとなるように設定される。
【００３２】
例えば、厚み１０μｍの単層の圧電ポリマー素子について、その長さを１％変形させるのに必要な引張り応力をＦとする。そして、この圧電ポリマー素子に、引張り応力Ｆを付与したときの出力電圧を１５０Ｖとする。これに対して、厚み１０μｍの積層された圧電ポリマー素子を構成する１つの圧電ポリマー素子に引張り応力Ｆを与えたときに、目標出力電圧１．５Ｖを発生させるための厚みは０．１μｍとなる。
【００３３】
すなわち、単層の圧電ポリマー素子の出力電圧と、積層した圧電ポリマー素子における１つの圧電ポリマー素子との出力電圧の比率は、１．５Ｖ／１５０Ｖ＝０．０１となる。この比率を単層の圧電ポリマー素子の厚みに乗じると、１０μｍ×０．０１＝０．１μｍとなる。すなわち、目標出力電圧１．５Ｖを発生させるための厚みは０．１μｍとなる。従って、出力電圧１５０Ｖを得るには、この厚みの圧電ポリマー素子を１００枚積層すればよいことになる。
【００３４】
また、圧電ポリマー素子の出力電圧は、フィルムの面積によらず、厚みに依存する。計算上では、厚み１０μｍで１％変形させると、およそ１．５Ｖとなる。すなわち、厚み１０μｍの単層の圧電ポリマー素子の出力電圧は１５０Ｖとなるが、圧電ポリマー素子を薄膜化して、厚み０．１μｍの圧電ポリマー素子を１００枚積層した場合は、厚みが同じ１０μｍであっても、出力電圧は１．５Ｖとなる。また、１つの圧電ポリマー素子の厚みを０．１μｍとしたときに発生する電荷量は、厚み１０μｍの１枚の圧電ポリマー素子に引張り応力Ｆを加えたときの１００倍となる。
【００３５】
このように、厚み１０μｍの単層の圧電ポリマー素子の場合、出力電圧は１５０Ｖとなる。これに対して、圧電ポリマー素子を薄膜化して、１つの圧電ポリマー素子の厚みを０．１μｍとし、これを１００枚積層して厚み１０μｍの圧電ポリマー素子１１１とした場合には、出力電圧を１．５Ｖとすることができる。従って、圧電ポリマー素子１１１から取り出す目標出力電圧に応じて１つの圧電ポリマー素子の厚みを設定することにより、圧電ポリマー素子１１１から取り出される出力電圧を適宜に設定することができる。これによれば、目標出力電圧を数ボルトに設定した場合には、圧電ポリマー素子１１１から取り出される出力電圧を下げるための電圧降下素子又は電圧変換素子を不要とすることができる。
上述したように、本実施形態に用いられる圧電ポリマー素子は、フィルム状とすることが好ましい。
【００３６】
続いて、フィルム保持部１１０の他の構成について説明する。固定クランプ台１１２は、クランプ部１１２ａを備える。クランプ部１１２ａは、圧電ポリマー素子１１１の一方の端部を、その厚み方向から挟み込み、圧着した状態で保持する部位である。固定クランプ台１１２は、基板１５０の上面に固定されている。これにより、圧電ポリマー素子１１１の一方の端部は、固定クランプ台１１２の位置から移動しないように保持される。
【００３７】
移動レール１１４は、圧電ポリマー素子１１１の伸縮方向に沿って設けられた一対のレール部材である。
【００３８】
移動クランプ台１１３は、クランプ部１１３ａを備える。クランプ部１１３ａは、圧電ポリマー素子１１１の他方の端部を、その厚み方向から挟み込み、圧着した状態で保持する部材である。また、移動クランプ台１１３は、スライド部１１３ｂを備える。スライド部１１３ｂは、移動レール１１４と摺動自在に係合する部分である。これにより、圧電ポリマー素子１１１の他方の端部は、移動レール１１４に沿って図中ａで示す方向に移動自在となるように保持される。更に、移動クランプ台１１３は、係合部１１３ｃを備える。係合部１１３ｃは、引張りアーム１３５（後述）と回動自在に連結される部位である。
【００３９】
引張り応力発生部１３０は、外部から与えられた回転力を、一軸方向の周期的な伸縮運動に変換する機構を備えている。引張り応力発生部１３０は、回転体としてのカム円盤１３１と、第１ギア１３２と、第２ギア１３３と、揺動アーム１３４と、引張りアーム１３５と、を備える。また、引張り応力発生部１３０は、ギア保持台１３６と、動力軸１３７と、軸受台１３８及び１３９と、を備える。
【００４０】
カム円盤１３１は、回転軸１４５に取り付けられている。回転軸１４５は、軸受台１３８に回転可能に支持されている。また、回転軸１４５には、第２ギア１３３が取り付けられている。第２ギア１３３は、第１ギア１３２から伝達された回転力により回転する平歯車である。カム円盤１３１及び第２ギア１３３は、回転軸１４５に同軸に取り付けられている。このため、カム円盤１３１は、第２ギア１３３と共に回転する。
【００４１】
一方、ギア保持台１３６には、動力軸１３７が取り付けられている。動力軸１３７は、発電システム１００に動力源（不図示）と連結された軸である。動力軸１３７には、動力源で発生した回転力（回転出力）が伝達される。動力源としては、例えば、自動車、電車等の車両のエンジン（車輪の駆動軸）のほか、水力、風力等の自然エネルギーにより発生する回転力、或いは人力による手回し機構により発生する回転力等が挙げられる。
【００４２】
動力軸１３７には、第１ギア１３２が取り付けられている。第１ギア１３２は、動力軸１３７と共に回転する平歯車である。第１ギア１３２は、第２ギア１３３と係合している。動力軸１３７から伝達された回転力は、第１ギア１３２から第２ギア１３３に伝達される。カム円盤１３１は、第２ギア１３３に伝達された回転力により回転する。動力軸１３７から伝達された回転力は、第１ギア１３２から第２ギア１３３に伝達される間に、各歯車間に設定されたギア比に応じて回転数が変換される。第１ギア１３２と第２ギア１３３とのギア比を高くすることにより、カム円盤１３１を高速で回転させることができる。上述したカム円盤１３１、第１ギア１３２、第２ギア１３３及び動力軸１３７は、本実施形態における回転体駆動機構を構成する。
【００４３】
揺動アーム１３４及び引張りアーム１３５は、カム円盤１３１の回転により発生する引張り力（後述）を、移動クランプ台１１３に伝達する部材である。揺動アーム１３４の一端には、回転軸１４０が取り付けられている。回転軸１４０は、軸受台１３９に回転可能に支持されている。
【００４４】
また、揺動アーム１３４の他端には、連結軸１４１が取り付けられている。揺動アーム１３４の他端と引張りアーム１３５の一端とは、連結軸１４１により回動自在に連結されている。また、引張りアーム１３５の他端には、連結軸１４２が取り付けられている。引張りアーム１３５の他端と、上述した移動クランプ台１１３の係合部１１３ｃとは、連結軸１４２により回転自在に連結されている。一方、揺動アーム１３４の上面には、揺動ピン１４３が設けられている。揺動ピン１４３は、カム円盤１３１の外周と当接する部材である。上述した揺動アーム１３４、引張りアーム１３５及び揺動ピン１４３は、本実施形態における引張り応力付与機構を構成する。
【００４５】
図５は、カム円盤１３１の外周に形成されたカム面１４４と、揺動ピン１４３との位置関係を示す部分拡大図である。図５に示すように、カム円盤１３１の外周には、カム面１４４が形成されている。カム面１４４は、カム円盤１３１と揺動ピン１４３との当接位置を周期的に変化させるために形成された曲面である。カム面１４４は、山部１４４ａと谷部１４４ｂとを備える。図５において、円弧Ｃ１は、カム円盤１３１が回転したときに、山部１４４ａが通過する軌跡である。また、円弧Ｃ２は、カム円盤１３１が回転したときに、谷部１４４ｂが通過する軌跡である。
【００４６】
カム円盤１３１の外周と当接する揺動ピン１４３は、カム円盤１３１の回転と共にカム面１４４の山部１４４ａ及び谷部１４４ｂと交互に当接する。このため、揺動ピン１４３とカム円盤１３１の外周との当接位置は、周期的に変化する。すなわち、揺動ピン１４３とカム円盤１３１の外周との当接位置は、振幅Ｓの範囲で周期的に変化する。例えば、カム面１４４に山部１４４ａ及び谷部１４４ｂを１００箇所に設けた場合は、カム円盤１３１を１回転させたときに、揺動ピン１４３とカム円盤１３１の外周との当接位置は１００回変化する。このように、引張り応力発生部１３０は、カム機構により揺動ピン１４３とカム円盤１３１の外周との当接位置を変化させている。
【００４７】
上述のように、揺動ピン１４３とカム円盤１３１の外周との当接位置が周期的に変化すると、揺動ピン１４３が設けられた揺動アーム１３４は、回転軸１４０を中心として時計回り及び反時計回りにそれぞれ周期的に一定量だけ回動する。揺動アーム１３４が周期的にそれぞれ異なる方向に回動するのに連動して、揺動アーム１３４と連結された引張りアーム１３５も、図１の矢印ａ方向に周期的に直線移動する。これにより、引張りアーム１３５と係合する移動クランプ台１１３に対し、周期的に引張り応力が付与される。このように、引張り応力発生部１３０により、外部からカム円盤１３１に与えられた回転力は、移動クランプ台１１３に対する一軸方向の周期的な伸縮運動に変換される。従って、圧電ポリマー素子１１１には、カム円盤１３１の回転と同期して周期的に引張り応力が付与される。
【００４８】
図６は、圧電ポリマー素子１１１に接続された電力取出し部１７０の構成図である。電力取出し部１７０は、整流回路１７１と、充電回路１７２と、を備える。電力取出し部１７０は、圧電ポリマー素子１１１の電極１１１ａ、１１１ｂに接続されている。なお、図６においては、圧電ポリマー素子１１１の電極１１１ａ、１１１ｂを模式的に示している。
整流回路１７１は、圧電ポリマー素子１１１で発生した電力を整流（平滑化）する回路である。整流回路１７は、圧電ポリマー素子１１１に設けられた電極（不図示）と接続されている。また、充電回路１７２は、コンデンサや充電池により構成される。
【００４９】
圧電ポリマー素子１１１から出力された電圧は、整流回路１７１において整流され、直流の電力として充電回路１７２に充電される。この充電回路１７２に充電された電力は、電力の供給先となる負荷装置（不図示）に供給される。
【００５０】
次に、上述した実施形態１の発電システム１００を用いて発電を行った場合の実験結果、及び、圧電ポリマー素子１１１に対し周期的に圧縮応力を付与する構成の発電システム１００Ａ（比較例）を用いて発電を行った場合の実験結果について説明する。
【００５１】
まず、圧電ポリマー素子１１１に対し周期的に圧縮応力を付与する構成の発電システム１００Ａについて説明する。図７は、比較例の発電システム１００Ａの構成を示す概略平面図である。この発電システム１００Ａの基本構成は、実施形態１とほぼ同じである。ここでは、相違点についてのみ説明する。また、実施形態１と同等部分には、同一符号を付して説明する。
【００５２】
図７に示す発電システム１００Ａにおいて、フィルム保持部１１０Ａは、固定クランプ台１１２と対向する位置に押圧板１１５を備える。押圧板１１５は、固定クランプ台１１２とほぼ同じ大きさに形成された板状の部材である。押圧板１１５は、スペーサ１１６を介して移動クランプ台１１３に連結されている。圧電ポリマー素子１１１は、固定クランプ台１１２と押圧板１１５との間に配置されている。なお、圧電ポリマー素子１１１は、ゴム材（不図示）に覆われた状態で固定クランプ台１１２と押圧板１１５との間に配置されている。
【００５３】
また、圧電ポリマー素子１１１で発生した電力は、実施形態１と同様に、圧電ポリマー素子１１１の両端に設けられた電極１１１ａ、１１１ｂ（不図示）から取り出される。図７に示す発電システム１００Ａにおいて、フィルム保持部１１０Ａ及びその他の構成は実施形態１と同じであるため、説明を省略する。
【００５４】
図７に示す発電システム１００Ａにおいて、外部からカム円盤１３１に付与された回転力は、実施形態１と同じ作用により、移動クランプ台１１３に対する一軸方向の周期的な伸縮運動に変換される。すなわち、カム円盤１３１に付与された回転力は、引張りアーム１３５の直線移動に変換され、移動クランプ台１１３を周期的に押圧する。この押圧力は、移動クランプ台１１３、スペーサ１１６及び押圧板１１５を介して圧電ポリマー素子１１１に伝達される。従って、発電システム１００Ａにおいて、圧電ポリマー素子１１１には、カム円盤１３１の回転と同期して周期的に圧縮応力が付与される。
【００５５】
次に、上記２つの発電システム１００、１００Ａを用いて発電を行った場合の実験結果について説明する。ここでは、圧電ポリマー素子１１１で発生した電荷を整流することなく取出した場合について説明する。図８は、実施形態１の発電システム１００により発電した場合に発生する電荷の波形を示すグラフである。図９は、比較例の発電システム１００Ａにより発電した場合に発生する電荷の波形を示すグラフである。図８において、横軸は時間ｔ（ｍｓ）、縦軸は発生した電荷Ｑ（μＣ）を示す。また、図９において、横軸は時間ｔ（ｍｓ）、縦軸は発生した電荷Ｑ（ｎＣ）を示す。圧電ポリマー素子１１１の引張り及び圧縮の周期は、約２０ｍｓである。
【００５６】
図８に示すように、実施形態１の発電システム１００により発電を行った場合には、発生する電荷の振幅がほぼ一定となることが確認された。一方、図９に示すように、比較例の発電システム１００Ａにより発電を行った場合には、発生する電荷量は実施形態１の約２００分の１となった。また、発生する電荷の振幅も不安定であり、電荷の大きさにもバラツキが生じることが分かった。
以上の実験結果から、実施形態の１の発電システム１００によれば、安定した電力を取り出せることが明らかとなった。
【００５７】
上述した実施形態１の発電システム１００によれば、以下のような効果を奏する。
実施形態１の発電システム１００は、圧電ポリマー素子からなる圧電ポリマー素子１１１に対して周期的に引張り応力を与えることにより電力を取り出す機構を備える。圧電ポリマー素子は、圧電セラミックス素子よりも引張り応力に対する変形量が大きいことから、大きな電力を得ることができる。また、圧電ポリマー素子は、圧電セラミックス素子に比べて大きな変形量が生じる用途においても長期的に使用することができる。
【００５８】
実施形態１の発電システム１００は、外部から与えられた回転力を、一軸方向の周期的な伸縮運動に変換する引張り応力発生部１３０を備える。このため、例えば、自動車、電車等の車両のエンジン（車輪の駆動軸）のほか、水力、風力等の自然エネルギーにより発生する回転力、或いは人力による手回し機構により発生する回転力等を動力源として利用することができる。
【００５９】
実施形態１の引張り応力発生部１３０は、カム円盤１３１と揺動ピン１４３との当接位置を周期的に変化させることにより、圧電ポリマー素子１１１に対し周期的に引張り応力を付与するカム機構を備える。これによれば、外部から高速の回転力を与えて、カム円盤１３１の回転速度を上げることにより、圧電ポリマー素子１１１に引張り応力を付与する周期を短くすることができる。従って、圧電ポリマー素子１１１から取り出される出力電圧の周波数を高くすることができる。
【００６０】
また、実施形態１の圧電ポリマー素子１１１は、単層の圧電ポリマー素子に引張り応力Ｆを与えたときの出力電圧をＶとした場合に、この単層の圧電ポリマー素子と同じ厚みを有する、ｎ層の圧電ポリマー素子を構成する１つの圧電ポリマー素子に引張り応力Ｆを与えたときに、目標出力電圧（Ｖ／ｎ）を発生する厚みとなるように設定される。従って、圧電ポリマー素子１１１から取り出す目標出力電圧に応じて、１つの圧電ポリマー素子の厚みを設定することにより、圧電ポリマー素子１１１から取り出すべき出力電圧を適宜に設定することができる。これによれば、目標出力電圧を数ボルトに設定した場合には、圧電ポリマー素子１１１から取り出される出力電圧を下げるための電圧降下素子又は電圧変換素子を不要とすることができる。
【００６１】
（実施形態２）
次に、実施形態２として、圧電ポリマー素子に圧縮応力を与えることにより電力を取り出す発電システムについて説明する。
【００６２】
図１０は、実施形態２の発電システム２００を示す概略側面図である。図１１は、成形前の圧電ポリマー素子２１５を示す概略断面図である。図１２は、略渦巻状に成形された積層圧電体２１０の概略断面図である。
【００６３】
実施形態２の発電システム２００は、図１０に示すように、積層圧電体２１０と、圧縮応力発生手段としての圧縮応力発生部２３０と、電力取出し手段としての電力取出し部（不図示）と、を備える。
【００６４】
積層圧電体２１０は、図１１に示すように、分極方向（図中矢印）が対向するように積層された２層の圧電ポリマー素子２１１、２１２からなるフィルム状の圧電ポリマー素子２１５により構成されている。圧電ポリマー素子２１１の電極２１１ａには、引き出し線２１３が接続されている。また、圧電ポリマー素子２１２の電極２１２ａには、引き出し線２１４が接続されている。本実施形態の圧電ポリマー素子は、実施形態１と同じ材料を用いて構成されている。
【００６５】
そして、図１１に示すフィルム状の圧電ポリマー素子２１５を略渦巻状に成形することにより、図１２に示すような長方形の断面形状を有する積層圧電体２１０とすることができる。本実施形態の積層圧電体２１０は、芯材２２０を中心として略渦巻状に成形されている。また、図１２には示していないが、引き出し線２１３及び２１４は、積層圧電体２１０から引き出されている。
【００６６】
本実施形態の発電システム２００では、積層圧電体２１０の厚み方向に圧縮応力を与えることにより、電力を発生させている。積層圧電体２１０における発電量Ｗは、実施形態１で説明した式（１）のように表される。
【００６７】
圧縮応力発生部２３０は、図１０に示すように、第１押圧板２３１と、第２押圧板２３２と、を備える。第１押圧板２３１は、固定面２３３の上に配置されている。また、第１押圧板２３１は、平面視において略四角形の形状を有する（不図示）。第１押圧板２３１は、一対の軸受部２３４を備える。軸受部２３４は、第１押圧板２３１の一方の側縁において、その幅方向の両端に設けられている（図１０では手前側の一つのみを示す）。
【００６８】
第２押圧板２３２は、第１押圧板２３１と同様に、平面視において略四角形の形状を有する（不図示）。第２押圧板２３２は、一方の側縁において、その幅方向の両端部が、支持軸２３５により第１押圧板２３１の軸受部２３４と連結されている。すなわち、第２押圧板２３２は、支持軸２３５を中心として、図中ｂに示す方向に回動可能に支持されている。積層圧電体２１０は、第１押圧板２３１と第２押圧板２３２との間に固定されている。
【００６９】
実施形態２の発電システム２００は、例えば、人や車両等が通過する床面に設置される。人や車両等が第２押圧板２３２の上を通過することにより、発電システム２００に圧縮力が付与される。
【００７０】
上記構成において、第２押圧板２３２に対して図１０に示す矢印Ｃ方向に圧縮力が付与されると、第２押圧板２３２は、支持軸２３５を支点として下方に回動する。このとき、第１押圧板２３１及び第２押圧板２３２は、テコ機構により、支持軸２３５が支点となって積層圧電体２１０を挟み込むように圧縮する。このため、積層圧電体２１０には、大きな圧縮応力が与えられる。この圧縮応力により、積層圧電体２１０に電力が発生する。
【００７１】
積層圧電体２１０で発生した電力は、電力取出し部（不図示）により取り出される。本実施形態における電力取り出し部（不図示）は、実施形態１の電力取出し部１７０（図６参照）と同じ構成であるため説明を省略する。
【００７２】
上述した実施形態２の発電システム２００によれば、以下のような効果を奏する。
実施形態２の発電システム２００は、積層された２層の圧電ポリマー素子からなる圧電ポリマー素子２１５を略渦巻状に成形した積層圧電体２１０に圧縮応力を与えることにより電力を取り出す機構を備える。圧電ポリマー素子は、加えることができる応力の上限が圧電セラミックス素子よりも高いため、より大きな電力を得ることができる。また、圧電ポリマー素子は、圧電セラミックス素子に比べて大きな変形量が生じる用途においても、長期的な使用が可能でなる。更に、圧電ポリマー素子を単純に積層した場合よりも簡単に作製することができるため、低コスト化を図ることができる。
【００７３】
実施形態２の圧縮応力発生部２３０は、第１押圧板２３１及び第２押圧板２３２が、支持軸２３５を支点として積層圧電体２１０を挟み込むように圧縮するテコ機構を備える。これによれば、外部から与えられた圧縮力を、大きな圧縮応力に変換して積層圧電体２１０に付与することができる。
【００７４】
実施形態２の積層圧電体２１０は、分極方向が対向するように２層の圧電ポリマー素子２１１、２１２を積層している。このため、略渦巻き状とした場合に、圧電ポリマー素子間において短絡が生じることがない。また、実施形態２の積層圧電体２１０は、芯材２２０を中心として略渦巻き状に成形されている。これによれば、積層圧電体２１０に与えられた圧縮応力は、積層圧電体２１０の内部で吸収されることがない。このため、外部から与えられた圧縮力による圧縮応力を、積層圧電体２１０に効率良く付与することができる。
【００７５】
（変形形態）
本発明に係る発電システムは、上述した実施形態１及び２の内容に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能である。
【００７６】
圧電ポリマー素子は、与えられる応力（圧縮又は引張り）が一定であれば、表面積が小さいほど容量成分が減少し、出力電力が増大する。このため、例えば、図１３に示すように、圧電ポリマー素子３００の表面に複数の開口部３０１を形成してもよい。図１３は、開口部３０１が形成された圧電ポリマー素子３００の表面形状を示す概念図である。
【００７７】
圧電ポリマー素子３００の表面に開口部３０１を形成することにより、圧電ポリマー素子３００の表面積を小さくして容量成分を減少させることができる。とくに、ナノ加工により、開口部３０１の直径Ｄを、例えば２μｍ程度とすることにより、弱い圧縮応力でも大きな変形量を得ることができる。このため、同じ圧縮応力であれば、発電量を増大させることができる。なお、上記のような開口部３０１を形成した圧電ポリマー素子３００は、実施形態１の圧電ポリマー素子１１１及び実施形態２の積層圧電体２１０のいずれにも適用することができる。
【００７８】
実施形態１において、積層された複数の圧電ポリマー素子の代わりに、単層の圧電ポリマー素子を用いてもよい。また、実施形態１において、外部から与えられた回転力を一軸方向の周期的な伸縮運動に変換する機構は、カム機構に限らず、他の機構により構成されたものであってもよい。例えば、回転可能に支持された円盤とロッドとを組み合わせたピストン機構を用いて構成してもよい。
【００７９】
実施形態２においては、長方形の断面形状を有する積層圧電体２１０について示したが、これに限らず、正方形、円形、楕円形等の断面形状であってもよい。また、実施形態２においては、外部から与えられた圧縮力をテコ機構により増幅する構成について示したが、これに限らず、ロープや滑車等を用いて圧縮力を増幅するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１００，２００：発電システム、１１０：フィルム保持部、１１１：圧電ポリマー素子、１３０：引張り応力発生部、１７０：電力取出し部、２１０：積層圧電体、２３０：圧縮応力発生部
【図１】
2012023345.tif 000003
【図２】
2012023345.tif 000004
【図３】
2012023345.tif 000005
【図４】
2012023345.tif 000006
【図５】
2012023345.tif 000007
【図６】
2012023345.tif 000008
【図７】
2012023345.tif 000009
【図８】
2012023345.tif 000010
【図９】
2012023345.tif 000011
【図１０】
2012023345.tif 000012
【図１１】
2012023345.tif 000013
【図１２】
2012023345.tif 000014
【図１３】
2012023345.tif 000015