(57)【要約】【課題】別途、二次電池やコンデンサなどの初期電圧供給手段を設けることなく電場応答性高分子を用いた発電装置を実現し、しかも、初期電気エネルギーの供給と出力電気エネルギーの取り出しのタイミングの最適化を簡単な機構で達成し、様々な条件下及び分野で利用可能な発電装置を提供する。【解決手段】ピストン軸１１の軸方向の運動を電場応答性高分子１２を変形させる力に変換すると共に、電場応答性高分子１２の変形状態に応じて電場応答性高分子１２への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子１２からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部１０を有し、初期電気エネルギーを発生する圧電素子１７が、発電ユニット部１０に配置されていることにより前記の課題を解決する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、
前記電場応答性高分子へ供給する初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記電場応答性高分子から出力された出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、
前記電力変換部によって降圧された出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備した電場応答性高分子を用いた発電装置であって、
前記初期電気エネルギーを発生する圧電素子が、前記発電ユニット部に配置されてい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】
前記圧電素子が、ポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする請求項１記載の電場応答性高分子を用いた発電装置。
【請求項３】
前記電場応答性高分子が、マイナス電極が外側に配置されるように２枚一体に積層されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の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、アクチュエータとして用いることに焦点を当てたものがほとんどであった。この電場応答性高分子は、強い電場の中に置くと、クーロン力により、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張するという特性を有している。したがって、電場応答性高分子の両表面に電極となるカーボン粉末やアルミニウム粉末を定着させることによって、ゴムのような弾性を持つ一種の可変容量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、他方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、この力によって電場応答性高分子が押しつぶされ、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、２参照）。
【０００３】
さらに、近年、地球温暖化が深刻な社会問題となっており、ＣＯ２排出の問題がなく、発電機などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数体（例えば、波力発電に要求される０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置の開発が求められている。
【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】
【０００４】
ところが、電場応答性高分子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。その原因の１つとして、電場応答性高分子を発電素子として使うためには、発電初期に、すなわち電場応答性高分子を伸張させた状態でタイミング良く初期電気エネルギーを印加する必要があり、そのために別途、この電場応答性高分子自身が発電した電力を蓄えて初期電気エネルギーとして利用するための二次電池やコンデンサーなどの初期電気エネルギー供給手段を設ける必要があることが挙げられる。さらに、この初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの取り出しを、電場応答性高分子の変形状態に応じてタイミング良く切り替える必要があることも、電場応答性高分子を発電素子として使用する際の障害になっていた。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、別途、二次電池やコンデンサなどの初期電圧供給手段を設けることなく電場応答性高分子を用いた発電装置を実現し、しかも、初期電気エネルギーの供給と出力電気エネルギーの取り出しのタイミングの最適化を簡単な機構で達成し、様々な条件下及び分野で利用可能な発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
まず、本請求項１に係る発明は、ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、前記電場応答性高分子へ供給する初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記電場応答性高分子から出力された出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、前記電力変換部によって降圧された出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備した電場応答性高分子を用いた発電装置であって、前記初期電気エネルギーを発生する圧電素子が、前記発電ユニット部に配置されていることにより、前記課題を解決したものである。
【０００７】
なお、本発明における圧電素子の主材料は、押圧によって十分な起電力を発生するものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を用いることができる。
【０００８】
そして、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る電場応答性高分子を用いた発電装置において、前記圧電素子が、ポリフッ化ビニリデンであることにより、前記課題をさらに解決したものである。
【０００９】
また、本請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る電場応答性高分子を用いた発電装置において、前記電場応答性高分子が、マイナス電極を外側に配置されるように２枚一体に積層されていることにより、前記課題をさらに解決したものである。
【００１０】
なお、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弾性を有する薄い高分子（誘電体エラストマー）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。
【００１１】
ここで、この電場応答性高分子が、発電する原理の概要について、図１及び図２に基づき説明する。
【００１２】
電場応答性高分子１は、２つの柔軟な電極１ｂ、１ｃ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１ａで構成されている。従来多用されていたアクチュエーション（駆動）モードでは、図１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１ａが厚さ方向に収縮し、その結果として、電場応答性高分子１が面方向に伸張する。
【００１３】
一方、発電モードでは、図２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、電場応答性高分子１に波力、風力、水力や人的作用などの外部的圧力、伸張力を与えて、電場応答性高分子１を伸張させることにより発電する。
【００１４】
これらのモードでは、電場応答性高分子１は、可変容量コンデンサーのように機能していると考えられる。電場応答性高分子１が何らかの力により伸張された際に発電の元となる微量の電荷を電場応答性高分子１に与える。この電荷は、電場応答性高分子１の高分子膜１ａの表面上に現れる。そして、この膜が弛緩する際、電場応答性高分子１の弾性力が電場圧力に対抗して働き、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１ａの弾性力により電荷を各電極１ｂ、１ｃに向けて押し出し（収縮状態で高分子膜１ａの厚さが増加）、また電極１ｂ、１ｃ上において各電荷間の距離が短くなる（収縮状態で平面領域が減少）。
【００１５】
このような電荷の変化が電圧差を増加させ、その結果、静電エネルギー量が増加し、電気エネルギーとして外部の負荷に供給可能になり、電場応答性高分子が発電素子として機能する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置によれば、ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、前記電場応答性高分子へ供給する初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記電場応答性高分子から出力された出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、前記電力変換部によって降圧された出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備していることによって、前記電場応答性高分子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させることができると共に、初期電気エネルギーの供給と出力電気エネルギーの取り出しのタイミングの最適化を簡単な機構で達成できるため、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の非低周波運動などの様々な条件下及び分野での利用が可能な発電装置を実現でき、加えて、以下のような各請求項に特有の構成に対応した格別の効果を奏することができる。
【００１７】
すなわち、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、初期電気エネルギーを発生する圧電素子が、発電ユニット部に配置されていることにより、この圧電素子が、電場応答性高分子の変形に対応して初期電気エネルギーを発生するので、別途、二次電池やコンデンサーなどを用いた初期電気エネルギー供給手段を設けることなく、電場応答性高分子を用いた発電装置を実現することができる。
【００１８】
そして、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において、圧電素子が、ポリフッ化ビニリデンであることにより、ポリフッ化ビニリデンが、優れた圧電特性を有すると共に電場応答性高分子の弾性に近い弾性を有しているため、初期電気エネルギーを効率よく発生させることができる。
【００１９】
また、本請求項３に係る発明によれば、請求項１又は請求項２に係る電場応答性高分子を用いた発電装置において、電場応答性高分子が、マイナス電極が外側に配置されるように２枚一体に積層されていることにより、電場応答性高分子の両面ともマイナス電極膜となるため、感電や電場応答性高分子と発電ユニット部の筐体との間で高電界による絶縁破壊（放電）が発生することが回避され電場応答性高分子を用いた発電装置の安全性が飛躍的に向上する。
【００２０】
しかも、２枚の電場応答性高分子が並列接続されることになるため、出力電気エネルギーを増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置は、ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、前記電場応答性高分子へ供給する初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記電場応答性高分子から出力された出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、前記電力変換部によって降圧された出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備し、前記初期電気エネルギーを発生する圧電素子が、前記発電ユニット部に配置されていることによって、別途、二次電池やコンデンサなどの初期電圧供給手段を設けることなく電場応答性高分子を用いた発電装置を実現し、しかも、初期電気エネルギーの供給と出力電気エネルギーの取り出しのタイミングの最適化を簡単な機構で達成し、様々な条件下及び分野で利用可能なものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。
【実施例１】
【００２２】
以下、本発明の一実施例である電場応答性高分子（以下、ＥＰＡＭと称す）を用いた発電装置について図３乃至図６に基づいて説明する。
【００２３】
ここで、図３は、本発明の実施例１であるＥＰＡＭを用いた発電装置の全体構成図であり、図４は、図３において符号１０で示した発電ユニット部を拡大した断面図であり、図５は、図４に示した発電ユニット部の主要構成部材であるＥＰＡＭカートリッジを拡大して示した断面図であり、図６は、図３に示したＥＰＡＭを用いた発電装置の具体的な回路構成図の一例である。なお、図４に示した発電ユニット１０は、説明の都合上、図３に示したＥＰＡＭが、伸張状態であるのに対して、図４に示したＥＰＡＭは、弛緩状態にあるものを示している。
【００２４】
まず、本発明の実施例１であるＥＰＡＭを用いた発電装置は、図３及び図４に示すようにピストン軸１１の軸方向の運動をＥＰＡＭ１２を伸張させたり、弛緩させたりする力に変換すると共に、ＥＰＡＭ１２の変形状態に応じて、すなわち、ＥＰＡＭ１２を伸張させた状態で充電端子１３とＥＰＡＭプラス端子１６ａが接触しＥＰＡＭ１２への初期電気エネルギーの供給が行われ、ＥＰＡＭ１２を弛緩させた状態で放電端子１４とＥＰＡＭプラス端子１６ａが接触し、ＥＰＡＭ１２からの出力電気エネルギーの出力が行われるという切換機能を兼ね備えた発電ユニット部１０を有している。
【００２５】
そして、ピストン軸１１に軸方向の力Ｆが加わることにより、ＥＰＡＭ１２が伸張状態となり、発電ユニット部１０の底板１０ａと銅板などからなる充電端子１３との間に充電端子１３とは絶縁された状態で配設された圧電素子１７が押圧され、その結果、発生した初期電気エネルギーが、電圧変換部２０の昇圧回路２２によって昇圧され、充電端子１３を介して伸張状態にあるＥＰＡＭ１２に供給される。
【００２６】
一方、ピストン軸１１に加わる力Ｆが解消し、ＥＰＡＭ１２が弛緩状態になるとＥＰＡＭ１２は、自身が有する弾性力により、面積が小さい状態となる。その結果、図４に示すように、発電ユニット部１０の天板１０ｂに固着された放電端子１４とＥＰＡＭプラス端子１６ａが接触し、ＥＰＡＭ１２により発生した出力電気エネルギーが、電圧変換部２０の降圧回路２４によって降圧され蓄電部３０に蓄電され、必要に応じて外部負荷に放電される。
【００２７】
ピストン軸１１には、押し板１５が垂直に接合されており、この押し板１５に力Ｆを加えたり解消したりすることにより、ピストン軸１１が、軸方向にピストン運動しＥＰＡＭ１２を伸張させたり、弛緩させたりする。
【００２８】
ここで、図４及び図５に基づき発電ユニット部１０の構造について、さらに詳しく説明する。発電ユニット部１０は、略円形形状をしたＥＰＡＭ１２の高分子膜１２ａと、それに接合した柔軟なＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂとＥＰＡＭマイナス電極膜１２ｃとが一体となって周辺サポート部材１６ｃによって支持されているＥＰＡＭカートリッジ１６を有している。この時、ＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂとＥＰＡＭマイナス電極膜１２ｃとは、偏心して高分子膜１２ａに接合されている。そして、周辺サポート部材１６ｃの中心を挟んで対向する位置、すなわち１つの直径上の位置にＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂと導通するＥＰＡＭプラス電極１６ｄとＥＰＡＭマイナス電極膜１２ｃと導通するＥＰＡＭマイナス電極１６ｅが設けられている。
【００２９】
そして、ＥＰＡＭ１２は、その中央において樹脂などの絶縁材料からなる中央サポート部材１６ｂにより挟持され、その両外側に銅などの導電材料からなるＥＰＡＭプラス端子１６ａにより挟持され、導電材料からなる貫通ボルト１６ｆにより、ＥＰＡＭプラス端子１６ａと中央サポート部材１６ｂとＥＰＡＭ１２が共締めされている。さらに、ＥＰＡＭプラス電極１６ｄとＥＰＡＭプラス端子１６ａとは、導線１６ｇで接続されており、さらにＥＰＡＭ１２を挟持するように設けられた２つのＥＰＡＭプラス端子１６ａは、前述したように導電材料からなる貫通ボルト１６ｆによって導通しているため、ＥＰＡＭカートリッジ１６の中央両面にＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂと導通しているＥＰＡＭプラス端子１６ａが配設される。このＥＰＡＭプラス端子１６ａが、発電ユニット部１０の充電端子１３あるいは放電端子１４と接触することにより、ＥＰＡＭ１２の変形状態に応じたＥＰＡＭ１２への初期電気エネルギーの供給とＥＰＡＭ１２からの出力電気エネルギーの出力との切換が行われる。
【００３０】
実施例１を構成する昇圧回路２２及び降圧回路２４は、市販されている汎用の昇圧回路及び降圧回路を用いることができるが、図６にその具体的な回路構成の一例を図３に示した全体構成図と対応させて記載する。したがって、図３に示した構成と対応する構成については、同じ符号を付している。すなわち、図６の符号１０を付したブロックは、発電ユニット部である。ＳＷ１は、図３におけるＥＰＡＭプラス端子１６ａと充電端子１３に対応しており、ピストン軸１１が押されてＥＰＡＭ１２が伸張状態にある時（すなわち、図３に示した状態）にＯＮになり、ピストン軸１１に加えられた力が解放された時にＯＦＦになる。
【００３１】
一方、ＳＷ２は、図３におけるＥＰＡＭプラス端子１６ａと放電端子１４に対応しており、ピストン軸１１に加えられた力が解放されてＥＰＡＭ１２が自身の弾性により完全に収縮状態にある時（すなわち、図４に示した状態）にＯＮになり、ピストン軸１１に力が加えられるとＯＦＦになる。このように、本発明の発電ユニット部１０は、ＥＰＡＭ１２の弾性を利用することにより、ＥＰＡＭプラス端子１６ａと充電端子１３又は放電端子１４とが接触状態又は非接触状態になるというきわめて簡単な構成で、初期電気エネルギーの供給と出力電気エネルギーの取り出しのタイミングの最適化を図っている。
【００３２】
図６の符号２２を付したブロックは、圧電素子１７から得た低電圧の電気エネルギーを昇圧して、ＥＰＡＭ１２に初期電気エネルギーとして供給するための昇圧回路である。図６に示した例では、トランジスタ、コンデンサ、コイル、変成器などから構成されたインバータ回路で一次昇圧を行い、その後、コンデンサとダイオードからなる多段倍圧整流回路によりインバータ回路の出力電圧を４倍にして発電ユニット部１０に供給している。具体的には、圧電素子１７から得た約３．５Ｖの電圧をインバータ回路で７００〜８００Ｖにし、さらに多段倍圧整流回路によって、その４倍の２８００〜３２００Ｖに昇圧して発電ユニット部１０に供給している。
【００３３】
また、符号２４を付したブロックは、発電ユニット部１０から出力される高電圧の出力電気エネルギーを降圧して、蓄電部３０の蓄電池等を充電するのに適した低電圧にするための降圧回路である。ここでは、パルスジェネレータ、ＭＯＳＦＥＴ、変成器などからなる降圧回路によって降圧している。なお、本実施例においては、初期電気エネルギーの発生源として１つの圧電素子１７を使用しているが、複数枚の圧電素子を直列に積層して用いることにより起電力を高め、それによって、昇圧回路の構成を簡素化することも可能である。
【実施例２】
【００３４】
次に、本発明の別の実施態様である実施例２について、図７に基づき説明する。なお、実施例２のＥＰＡＭを用いた発電装置は、実施例１において説明したＥＰＡＭを用いた発電装置のＥＰＡＭカートリッジの構造が相違するのみであり、基本的な構成は、実施例１と同じであるので、ＥＰＡＭカートリッジの構造を説明するに留め、その他の構成の説明は省略する。また、図７に示したＥＰＡＭカートリッジは、２つのＥＰＡＭを積層している点で図５に示したＥＰＡＭカートリッジ１６と異なるだけであるので、対応する部材には同じ符号を付し、詳しい説明については省略する。このＥＰＡＭカートリッジ１６は、２つのＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂが密着するように配設されている。そのためＥＰＡＭカートリッジ１６の露出している電極膜は、両面ともマイナス電極膜１２ｃ、１２ｃとなるため、感電やＥＰＡＭ１２と発電ユニット部１０の筐体との間で高電界による絶縁破壊（放電）が発生することを回避すると共に、２つのＥＰＡＭ１２が並列接続されているため、出力電気エネルギーを増加させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置は、別途、二次電池やコンデンサなどの初期電圧供給手段を設けることなく、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、様々な条件下及び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、風力などの緩やかな動きによる発電をはじめ、例えば、タイヤ空気圧センサの電源装置、樹木の幹や枝の揺れを利用した発電、排ガスなどの気体圧力を用いた発電、排水などの水圧を用いた発電、乗り物が走行する時に生じる振動や衝撃による発電、非常用電源として人力による発電、トンネル内などの狭い空間で生じる圧力変化による発電など、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】
【００３６】
【図１】本発明に使用した電場応答性高分子の駆動モードの動作原理を説明する図。
【図２】本発明に使用した電場応答性高分子の発電モードの動作原理を説明する図。
【図３】本発明の実施例１の全体構成図。
【図４】図３に示した発電ユニット部の拡大断面図。
【図５】図４に示したＥＰＡＭカートリッジの拡大断面図。
【図６】実施例１の具体的な回路構成図。
【図７】実施例２のＥＰＡＭカートリッジの拡大断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１  ・・・  電場応答性高分子（ＥＰＡＭ）
１ａ  ・・・（電場応答性高分子の）高分子膜
１ｂ、１ｃ  ・・・（電場応答性高分子の）電極  
１０  ・・・  発電ユニット部
１０ａ  ・・・（発電ユニット部の）底板
１０ｂ  ・・・（発電ユニット部の）天板
１１  ・・・  ピストン軸
１２  ・・・  電場応答性高分子（ＥＰＡＭ）
１２ａ  ・・・  高分子膜
１２ｂ  ・・・  ＥＰＡＭプラス電極膜
１２ｃ  ・・・  ＥＰＡＭマイナス電極膜
１３  ・・・  充電端子
１４  ・・・  放電端子
１５  ・・・  押し板
１６  ・・・  ＥＰＡＭカートリッジ
１６ａ  ・・・（ＥＰＡＭカートリッジの）ＥＰＡＭプラス端子
１６ｂ  ・・・（ＥＰＡＭカートリッジの）中央サポート部材
１６ｃ  ・・・（ＥＰＡＭカートリッジの）周辺サポート部材
１６ｄ  ・・・（ＥＰＡＭカートリッジの）ＥＰＡＭプラス電極
１６ｅ  ・・・（ＥＰＡＭカートリッジの）ＥＰＡＭマイナス電極
１６ｆ  ・・・（ＥＰＡＭカートリッジの）貫通ボルト
１６ｇ  ・・・（ＥＰＡＭカートリッジの）導線
１７  ・・・  圧電素子
２０  ・・・  電圧変換部
２２  ・・・  昇圧回路
２４  ・・・  降圧回路
３０  ・・・  蓄電部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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