(57)【要約】  誘電エラストマー発電システムＡ１は、誘電エラストマー層３１および当該誘電エラストマー層３１を挟む一対の電極層３２を有する誘電エラストマー発電要素３を備える。誘電エラストマー発電システムＡ１はさらに、圧電素子１と、圧電素子１によって発電された電圧を昇圧し且つ整流するとともに誘電エラストマー発電要素３に初期印加電荷として与える多段倍電圧整流回路２と、を備える。このような構成により、システム構築コストを低減しつつ発電量を向上させることができる。
2020031600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有する誘電エラストマー発電要素を備え、
圧電素子と、
前記圧電素子によって発電された電圧を昇圧し且つ整流するとともに前記誘電エラストマー発電要素に初期印加電荷として与える多段倍電圧整流回路と、を備える、誘電エラストマー発電システム。
【請求項２】
前記多段倍電圧整流回路は、コッククロフト・ウォルトン回路を含む、請求項１に記載の誘電エラストマー発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電エラストマー発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電エラストマー層と当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層とを有する誘電エラストマー要素は、駆動用途および発電用途のそれぞれの分野において開発が進められている。特許文献１，２には、誘電エラストマー要素が発電用途に用いられた誘電エラストマー発電システムが開示されている。この誘電エラストマー発電システムにおいては、誘電エラストマー要素を伸長させる外力（力学的エネルギー）を電気的エネルギーに変換することにより発電がなされている。この発電による電力は、たとえばニッケル水素電池およびリチウムイオン電池や電気二重層コンデンサ等の二次電池に蓄電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４７９６５９号号公報
【特許文献２】特許第５５０９３５０号号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
誘電エラストマー要素を用いた発電の原理は、誘電エラストマー要素に外力が与えられることによる静電容量の変化を利用して、初期印加電荷による電圧（以下、初期電圧）よりも高い電圧を得るものである。誘電エラストマー発電システムの発電量を向上させるには、より高い初期電圧を誘電エラストマー要素に与えることが好ましい。このような初期電圧を与えるために、たとえば専用の電源回路が必要となり、誘電エラストマー発電システムの煩雑化、高コスト化を招来する。【０００５】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、システム構築コストを低減しつつ発電量を向上させることが可能な誘電エラストマー発電システムを提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によって提供される誘電エラストマー発電システムは、誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有する誘電エラストマー発電要素を備え、圧電素子と、前記圧電素子によって発電された電圧を昇圧し且つ整流するとともに前記誘電エラストマー発電要素に初期印加電荷として与える多段倍電圧整流回路と、を備える。【０００７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記多段倍電圧整流回路は、コッククロフト・ウォルトン回路を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、システム構築コストを低減しつつ発電量を向上させることができる。【０００９】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る誘電エラストマー発電システムの一例を示すシステム構成図である。
【図２】図１の誘電エラストマー発電システムの誘電エラストマー発電要素の発電原理を概略的に示す図である。
【図３】図１の誘電エラストマー発電システムの誘電エラストマー発電要素の発電原理を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る誘電エラストマー発電システムの一例を示している。本実施形態の誘電エラストマー発電システムＡ１は、圧電素子１、多段倍電圧整流回路２、誘電エラストマー発電要素３、蓄電回路４およびスイッチ部５を備える。誘電エラストマー発電システムＡ１は、振動入力Ｆｖ１，Ｆｖ２を利用して発電を行うシステムである。
【００１３】
圧電素子１は、いわゆるピエゾ発電素子である。圧電素子１は、与えられた振動入力を電力に変換する機能を果たす。圧電素子１は、比較的振幅が小さい振動入力によって交流電力を発電可能であるという特性を有する。
【００１４】
多段倍電圧整流回路２は、入力電圧を多段倍に昇圧し且つ整流することにより、入力電圧の略整数倍の直流の出力電圧を出力する回路である。本実施形態においては、多段倍電圧整流回路２は、コッククロフト・ウォルトン回路を含む。コッククロフト・ウォルトン回路は、複数のダイオードと、複数のコンデンサとが多段に組み合わされることにより、多段倍に昇圧する機能を果たす回路である。図示された例においては、多段倍電圧整流回路２のコッククロフト・ウォルトン回路は、２ｎ個のダイオードＤ１，Ｄ２・・・Ｄ２ｎと、２ｎ個のコンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃ２ｎと、がｎ段に組まれた回路である。このような多段倍電圧整流回路２は、入力電圧である交流電圧の最大値（正側のピーク電圧）と最小値（負側のピーク電圧）の差であるピークピーク値電圧のｎ倍の直流電圧を出力する。
【００１５】
誘電エラストマー発電要素３は、図２および図３に示すように、誘電エラストマー層３１および一対の電極層３２を有する。なお、誘電エラストマー発電要素３に加えて、入力された外力を誘電エラストマー発電要素３に伝達するための構造部材や、発電動作を実現する上で利用される張力を誘電エラストマー発電要素３に発生させるための張力維持機構等（いずれも図示略）を適宜備えていてもよい。
【００１６】
誘電エラストマー層３１は、弾性変形が可能であるとともに、絶縁強度が高いことが求められる。このような誘電エラストマー層３１の材質は特に限定されないが、好ましい例として、たとえばシリコーンエラストマーやアクリルエラストマーが挙げられる。
【００１７】
一対の電極層３２は、誘電エラストマー層３１を挟んでおり、初期電荷が導入され、出力電圧が生じる部位である。電極層３２は、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層３１の弾性変形に追従しうる弾性変形が可能な材質によって形成される。このような材質としては、弾性変形可能な主材に導電性を付与するフィラーが混入された材質が挙げられる。前記フィラーの好ましい例として、たとえばカーボンナノチューブが挙げられる。
【００１８】
誘電エラストマー発電要素３は、外部からの外力や拘束を受けていない状態であって、一対の電極層３２に電圧が印加されていない状態においては、自発的な伸長や伸縮を生じていない自然長状態にあり、外力が付与された場合に、誘電エラストマー層３１の弾性変形が許容されている。
【００１９】
蓄電回路４は、誘電エラストマー発電要素３によって発電された電力が入力されるものであり、誘電エラストマー発電システムＡ１における蓄電手段である。蓄電回路４の構成は特に限定されず、誘電エラストマー発電要素３から発電される電力を適切に蓄電可能な蓄電容量を備えたものであればよい。蓄電回路４を構成する所謂二次電池としては、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池が挙げられる。また、蓄電回路４は、入力電圧を二次電池に適した電圧に降下させる降圧回路を備えていてもよい。
【００２０】
スイッチ部５は、誘電エラストマー発電要素３と多段倍電圧整流回路２および蓄電回路４との導通状態を切り替えるものである。スイッチ部５の具体的構成は特に限定されず、半導体スイッチ素子を含むものや、機械的な構造によって導通状態を切り替えるスイッチモジュールを含むものであってもよい。さらに、スイッチ部５は、以下に述べる誘電エラストマー発電システムＡ１の動作を実現するために、たとえば圧電素子１の振動状態や、多段倍電圧整流回路２の電圧印加状態、および誘電エラストマー発電要素３の伸縮状態のいずれかまたはすべてを検出する検出手段を含んでいてもよい。また、スイッチ部５は、上述の検出手段の検出結果等に基づいて、導通状態の切り替えを判断する制御部を含んでいてもよい。
【００２１】
次に、誘電エラストマー発電システムＡ１の動作例について、以下に説明する。
【００２２】
図１に示すように、圧電素子１に振動入力Ｆｖ１が与えられる。振動入力Ｆｖ１は、たとえば自然エネルギーによって生じる振動である。圧電素子１は、比較的小さい振幅の振動入力Ｆｖ１であっても発電可能である。このため、振動入力Ｆｖ１としては、たとえば誘電エラストマー発電要素３による発電には振幅が小さい振動や、時系列で振幅が変化する振動のうち、誘電エラストマー発電要素３による発電には振幅が小さい期間の振動が用いられる。
【００２３】
圧電素子１の発電によって得られた電力は、多段倍電圧整流回路２に入力される。振動入力Ｆｖ１が与えられることにより圧電素子１で発電された電力は、ピーク電圧が電圧Ｖ１の交流電力である。この交流電力が多段倍電圧整流回路２に入力されると、電圧の正負が入れ替わるたびに、２ｎ個のコンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃ２ｎに蓄電される電圧が高くなる。たとえば、振動入力Ｆｖ１による圧電素子１からの交流電圧が十分に入力されると、多段倍電圧整流回路２からの出力電圧である直流電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１の２ｎ倍となる。
【００２４】
次いで、図１に示すように、誘電エラストマー発電要素３には、振動入力Ｆｖ２が与えられる。同図においては、スイッチ部５の切り替え動作により、多段倍電圧整流回路２と誘電エラストマー発電要素３とが接続されている。振動入力Ｆｖ２としては、たとえば誘電エラストマー発電要素３による発電が可能な程度の振幅を有する振動や、時系列で振幅が変化する振動のうち、誘電エラストマー発電要素３による発電が可能な程度の振幅を有する期間の振動が用いられる。すなわち、振動入力Ｆｖ１と振動入力Ｆｖ２としては、時系列で振幅が変化する１つの振動を利用することができる。
【００２５】
図２においては、誘電エラストマー発電要素３に、振動入力Ｆｖ１によって図中上下方向に向かう外力が負荷されている。このため、誘電エラストマー発電要素３の誘電エラストマー層３１が、図中上下方向に伸長されている。これにより、誘電エラストマー層３１の面積が増大し、厚さが縮小している。一対の電極層３２は、誘電エラストマー層３１に追従しており、面積が拡大している。この状態において、誘電エラストマー発電要素３をコンデンサとしてとらえた場合、その静電容量Ｃｄ１は、相対的に大となっている。この状態の誘電エラストマー発電要素３に、多段倍電圧整流回路２からの直流電圧Ｖ２を初期電圧として印加する。具体的には、静電容量Ｃｄ１の誘電エラストマー発電要素３に直流電圧Ｖ２を印加することにより、電流Ｉｑが流れ、電荷Ｑが投入される。
【００２６】
図３は、図２に示す状態の後に、上記外力が弱められ、あるいはゼロとなることにより、図２に示す状態から誘電エラストマー発電要素３が縮小した状態を示している。同図においては、スイッチ部５の切り替え動作により、蓄電回路４と誘電エラストマー発電要素３とが接続されている。この状態においては、誘電エラストマー層３１の面積が縮小し、厚さが増大している。一対の電極層３２は、誘電エラストマー層３１に追従しており、面積が縮小している。この状態において、誘電エラストマー発電要素３をコンデンサとしてとらえた場合、その静電容量Ｃｄ２は、上述した静電容量Ｃｄ１よりも小となっている。しかし、一対の電極層３２に蓄えられた電荷Ｑは、一定である。このため、電圧Ｖ３と直流電圧Ｖ２との比は、静電容量Ｃｄ２と静電容量Ｃｄ１との比と、反比例の関係にある。したがって、一対の電極層３２からの出力電力を蓄電回路４によって出力電流Ｉｗとして受電する。これにより、誘電エラストマー層３１の収縮時に初期電圧の印加に要する電力を上回る出力電力が得られる。この出力電圧は、蓄電回路４に蓄電される。以上の動作を繰り返すことにより、誘電エラストマー発電要素３によって発電された電力を、蓄電回路４に蓄電する。
【００２７】
次に、誘電エラストマー発電システムＡ１の作用について説明する。
【００２８】
本実施形態によれば、誘電エラストマー発電要素３に初期電圧を印加するための電力は、圧電素子１によって発電される。このため、誘電エラストマー発電要素３に初期電圧を印加するための専用の電源や回路等を用いる必要がない。また、圧電素子１からの交流電圧は、多段倍電圧整流回路によって昇圧および整流された後に、誘電エラストマー発電要素に初期電圧として印加される。誘電エラストマー発電要素３が発電機能を果たす範囲において、印加される初期電圧が高いほど、誘電エラストマー発電要素３の発電量を向上させることが可能である。したがって、誘電エラストマー発電システムのシステム構築コストを低減しつつ、発電量を向上させることができる。
【００２９】
また、多段倍電圧整流回路２が、コッククロフト・ウォルトン回路を含むため、多段倍電圧整流回路２を複数のダイオードおよび複数のコンデンサによって構成することが可能である。また、各段における電圧は、入力電圧である交流電圧のピークピーク値電圧の等倍であるため、ダイオードやコンデンサとして、極端に耐圧が高いものを用いる必要がない。また、昇圧および整流を、１つの多段倍電圧整流回路２によって実現可能であり、誘電エラストマー発電システムＡ１の部品点数を削減することができる。したがって、多段倍電圧整流回路２をより低コストで構成可能である。また、平均故障間隔を向上できることから、より信頼性の高い誘電エラストマー発電システムＡ１を構築可能である。
【００３０】
本発明に係る誘電エラストマー発電システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る誘電エラストマー発電システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【図１】
2020031600.tif 000003
【図２】
2020031600.tif 000004
【図３】
2020031600.tif 000005
【国際調査報告】
2020031600.tif 000006
2020031600.tif 000007