JP2016158482A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 初期電圧を印加しなくても発電可能であり、かつ、大きな電気エネルギーを出力可能な発電装置を提供する。【解決手段】 発電装置１０は、外部から入力される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電装置１０は、エラストマーを含む誘電層２３と、誘電層２３を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む電極層２４ａ、２４ｂと、を有し、入力される該運動エネルギーにより変形すると共に変形に応じて電荷を発生する電歪素子２０と、電極層２４ａ、２４ｂに電気的に接続され、回路への電流の流入と流出とが繰り返されることにより回路の端子間電圧が上昇していく機能を有する電圧増幅回路３と、電圧増幅回路３に接続され、発生した電気エネルギーを取り出すための制御部４Ａと、を備え、電歪素子２０に初期電圧を印加する電圧供給部を備えない。【選択図】 図２

Description

本発明は、エラストマー材料を使用した電歪素子を備える発電装置に関する。

外部から入力される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として、変形に応じて電荷を発生する誘電性ポリマーを利用した発電装置が開発されている。当該発電装置は、誘電性ポリマーからなる誘電層の厚さ方向両面に一対の電極を配置した電歪素子を備える。電歪素子に力を加え誘電層を面方向に伸張すると、誘電層の厚さは小さくなり面積は大きくなる。これにより、電極間に電荷が蓄えられる。次に、力を除去すると、誘電層は弾性復元力により収縮し、誘電層の厚さは大きくなる。この時、蓄えられた電荷を電気エネルギーとして放出させる。

例えば、特許文献１には、誘電性ポリマーを有する電歪素子と、該電歪素子に電圧を印加するための昇圧回路と、該電歪素子に対して電荷の出し入れを行うための電荷制御回路と、出力電圧を調整するための降圧回路と、を備える発電装置が開示されている（図６Ａ、図６Ｂ）。また、特許文献２には、誘電性ポリマーを有する電歪素子と、該電歪素子に初期電気エネルギーを供給する起動電圧供給部と、該電歪素子の変形状態に応じて該電歪素子に対する電気エネルギーの供給と出力とを切り替える充放電切替部と、出力電気エネルギーを制御する蓄電用電力供給部と、該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、を備える発電装置が開示されている（図１、図４）。また、特許文献３および非特許文献１には、誘電性エラストマージェネレータ（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌａｓｔｍｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＤＥＧ）と、コンデンサおよびダイオードを組み合わせた自己プライミング回路（Ｓｅｌｆ Ｐｒｉｍｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＳＰＣ）と、を備える発電装置が開示されている（Ｆｉｇｕｒｅ １５Ｂ、１６）。

特許第５５０９３５０号公報 特開２００８−１４１８４０号公報 国際公開第２０１１／００５１２３号 特開２００９−２３２６７８号公報

トーマス・マッケイ（Thomas McKay）、他３名、"Self-priming dielectric elastomer generators"、「Smart Material and Structures」、IOP Publishing、２０１０年、第１９巻、０５５２０５

電歪素子は初期の電荷を増幅するものである。このため、特許文献１〜３および非特許文献１に記載されているように、従来の発電装置においては、電歪素子に発電の元となる初期電圧を印加する必要がある。よって、初期電圧印加のための電源や電気回路が必要であり、部品点数が多くコストもかかる。特許文献４には、一対の電極間に誘電層を介装してなる発電エラストマー積層体において、電極層や誘電層のベースゴムにイオン性液体を含有させて起電力を得ることが記載されている。しかし、誘電層にイオン性液体を含有させると、電気抵抗が低下する。このため、電極間に蓄えられた電荷が誘電層を通って漏れ流れてしまい、発電効率が低下する。

従来の発電装置により得られる発電量は充分とはいえない。電歪素子の伸縮により取り出せる電気エネルギーは、電歪素子の静電容量の大きさおよびその変化量に比例する。静電容量は、誘電層の比誘電率に比例し、厚さに反比例する。また、誘電層の電気抵抗が小さいと、上述したように、電極間に蓄えられた電荷が誘電層を通って漏れ流れてしまい、発電効率が低下する。また、誘電層が硬いと変形しにくく、柔らかすぎると変形を繰り返すことによりクリープしやすい。このように、誘電層の物性や特性が発電量に大きく影響するため、発電に最適な電歪素子の開発が必要である。

電歪素子の伸縮により得られる電力は高電圧低電流であり、発電量が増加するにつれて電圧は上昇する。このため、誘電層には耐電圧性が要求される。例えば、誘電層の厚さを大きくすれば、耐電圧性は高くなる。しかし、誘電層が厚くなると、静電容量が低下してしまうため、厚さによる耐電圧性の向上は難しい。

電歪素子は、伸張時に電荷を蓄え収縮時に電荷を放出するものであるから、このままでは発電された電力を断続的にしか取り出せない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、初期電圧を印加しなくても発電可能であり、かつ、大きな電気エネルギーを出力可能な発電装置を提供することを課題とする。

（１）本発明の発電装置は、外部から入力される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置であって、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む電極層と、を有し、入力される該運動エネルギーにより変形すると共に変形に応じて電荷を発生する電歪素子と、該電極層に電気的に接続され、回路への電流の流入と流出とが繰り返されることにより回路の端子間電圧が上昇していく機能を有する電圧増幅回路と、該電圧増幅回路に接続され、発生した電気エネルギーを取り出すための制御部と、を備え、該電歪素子に初期電圧を印加する電圧供給部を備えないことを特徴とする。

本発明の発電装置は、回路への電流の流入と流出とが繰り返されることにより回路の端子間電圧が上昇していく機能を有する電圧増幅回路を備える。これにより、電歪素子の変形により発生する電荷が増幅され、大きな電気エネルギーを出力することができる。

本発明の発電装置によると、電歪素子に初期電圧を印加する必要はない。この理由は明らかではないが、次のように推測される。電歪素子を構成する誘電層、電極層は、いずれもエラストマーを含む材料から形成される。このため、誘電層と電極層とが積層された状態において微量な電荷が発生する。加えて、電歪素子が変形を繰り返すとエラストマーが断裂しラジカルが発生することにより電荷が発生する。これにより、外部から初期電圧を印加しなくても発電することができると考えられる。したがって、本発明の発電装置によると、初期電圧印加のための電源や電気回路は不要であり、部品点数やコストを削減することができる。

また、外部から流入する誘導ノイズ、静電ノイズ、静電荷などにより、発電回路内に電位差が生じる。これらも、初期電圧を印加しないで発電することに有用である。例えば、誘導ノイズは、電磁誘導によるノイズである。発電回路外の電源、回路などから発せられるノイズや信号は、発電回路に影響を与える。例えば、接点ノイズ、スイッチング電源などから発生する電磁波などが挙げられる。静電ノイズは、静電誘導（静電結合）によるノイズである。発電回路外の電圧を持った物体によって、発電回路内の導電体に電流が流れて電位差が生じる。ノイズの伝導は、導体伝導、空間伝導のいずれでもよい。静電荷の流入には、例えば、人体と布との摩擦にて発生した静電気が流入することが挙げられる。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記電圧増幅回路は、複数のコンデンサおよび複数のダイオードを有する自己プライミング回路である構成とするとよい。

本構成によると、請求項１に記載された電圧増幅回路を容易に実現することができる。例えば、二つのコンデンサーと三つのダイオードとを組み合わせて、自己プライミング回路（以下適宜「ＳＰＣ」と称す）を構成することができる。図１Ａに、自己プライミング回路の一例を示す。図１Ｂに、同回路に電荷が流入する時の等価回路を示す。図１Ｃに、同回路から電荷が流出する時の等価回路を示す。

図１Ａに示すように、ＳＰＣ３は点Ａと点Ｂとにより電歪素子に接続されている。ＳＰＣ３は、電荷がＳＰＣ３に流入する時に、点Ａから点Ｂに向かって電流が流れるように構成されている。この場合、ＳＰＣ３は、図１Ｂに示すように、二つのコンデンサが直列に接続される状態になる（低電荷、高電圧状態）。反対に、電荷がＳＰＣ３から流出する時は、点Ｂから点Ａに向かって電流が流れる。この場合、ＳＰＣ３は、図１Ｃに示すように、二つのコンデンサが並列に接続される状態になる（高電荷、低電圧状態）。このように、ＳＰＣ３への電荷の流入と流出とが繰り返され、方向が異なる電流が交互に流れることにより、点Ａ−点Ｂ間の電圧が上昇する。

（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記制御部は、ツェナーダイオードを有する降圧回路を備える構成とするとよい。

発電量を大きくするという観点から、発生する電気エネルギーの電圧は大きい方が望ましい。しかし、電気エネルギーを使用するためには、実用的な電圧に下げる必要がある。本構成によると、発生した高電圧の電気エネルギーを、ツェナーダイオードにより所望の電圧に降圧することができる。このため、実用性が高い。

（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記制御部は、発生した前記電気エネルギーを蓄える蓄電部を備える構成とするとよい。

本構成によると、発生した電気エネルギーを蓄電しておくことができる。これにより、ほぼ一定の電圧の電気エネルギーを連続的に取り出すことができる。また、蓄電部と負荷とを並列に接続することにより、負荷に流れる電流の変化を遅くすることができる。

（５）好ましくは、上記（１）ないし（４）のいずれかの構成において、前記誘電層の体積抵抗率ρ（Ω・ｃｍ）は、次式（Ｉ）を満たす構成とするとよい。
ρ＞（１／ｌｎ ｇ）Ｔ／ε ・・・（Ｉ）
［ｇ：漏れ電荷がないと仮定した状況において電歪素子が伸張、収縮する動作１周期により増加する電圧の比率、Ｔ：電歪素子が伸張、収縮する動作１周期の時間（ｓ）、ε：誘電層の比誘電率］
電歪素子は、誘電層を柔軟な電極層で挟んだ構造を有する。このため、電歪素子が変形する際には、静電容量（Ｃ）と、電極層の抵抗（Ｒ_ｓ）と、漏れ電荷を表わす電極間抵抗（Ｒ_ｐ）と、が変化すると考えられる。ここで、電歪素子を、図１８に示すような可変キャパシタ６０と二つの可変抵抗６１、６２とからなるモデルとして考える。図１８中、可変抵抗６１は電極間抵抗（Ｒ_ｐ）を、可変抵抗６２は電極層の抵抗（Ｒ_ｓ）を示している。

図１８に示すモデルについて、電歪素子が伸張、収縮する動作１周期（Ｔ秒）後に、発電ができる条件を検討する。実際には、電極層の抵抗（Ｒ_ｓ）は、電極間抵抗（Ｒ_ｐ）よりも極めて小さいため、電極層の抵抗（Ｒ_ｓ）は無視できるものとする。電歪素子の静電容量は時間と共に変化し、正弦波で変化するものとすると、静電容量の関数Ｃ（ｔ）は、次式（１）で示される。式（１）中、Ｃ_ｍｉｎは静電容量の最小値、γは動作１周期における静電容量の増加比率、Ｔは動作１周期の時間である。

まず、電圧増幅回路が接続されていない場合、電歪素子に蓄えられている電荷をｑとおくと、回路方程式は次式（２）で示される。

初期条件を次式（３）とすると、式（２）は変数分離により次式（４）で示されるから、動作１周期後の電荷ｇ（Ｔ）は次式（５）で示される。

Ｃ（ｔ）の周期性より、次式（６）が成り立つため、１周期後の電圧Ｖ（Ｔ）は、次式（７）で示される。

次に、漏れ電荷がなく（Ｒ_ｐ→∞）、電圧増幅回路が接続された場合、１周期後に電圧がｇ倍になったとする。すなわち、漏れ電荷がない場合の１周期後の電圧は、次式（８）で示されるとする。

漏れ電荷だけがあり発電しない場合の式（７）と、漏れ電荷がなく発電した場合の式（８）と、を考え、漏れ電荷があり発電した場合には、両者の積になると仮定する。すると、電圧が上昇するための条件は、次式（９）になる。

すなわち、発電することができる条件式は、次式（１０）になる。

ここで、誘電層の体積抵抗率をρ、比誘電率をεとする。また、誘電層の面積をＡ（ｔ）、電極間距離をｄ（ｔ）とする。この場合、電極間抵抗Ｒ_ｐは次式（１１）、静電容量Ｃは次式（１２）で示される。

これらを式（１０）に代入すると、次式（１３）が得られる。

式（１３）をρについて解くと、次式（１４）が得られる。式（１４）は、先に示した式（Ｉ）であり、漏れ電荷を考慮した場合の発電可能な条件を示している。したがって、誘電層の体積抵抗率ρが先の式（Ｉ）を満たす場合には、漏れ電荷があっても発電可能と判断することができる。すなわち、誘電層の体積抵抗率ρが先の式（Ｉ）を満たせば、誘電層の形状、寸法などにはよらず、発電可能である。

（６）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、前記誘電層の比誘電率は、４より大きい構成とするとよい。

上述したように、電歪素子の静電容量は、誘電層の比誘電率に比例し、厚さに反比例する。本構成によると、誘電層の比誘電率が大きいため、電歪素子の静電容量を大きくすることができる。

（７）好ましくは、上記（５）または（６）の構成において、前記誘電層の弾性率は２０ＭＰａ以下、切断時伸びは１００％以上、定伸長引張永久ひずみは４０％以下である構成とするとよい。

本構成によると、誘電層が柔軟であるため、外部から入力される運動エネルギーにより変形しやすく、電歪素子における静電容量の変化を大きくすることができる。また、誘電層の永久ひずみが小さいため、変形を繰り返しても誘電層がクリープしにくい。

（８）好ましくは、上記（１）ないし（７）のいずれかの構成において、前記誘電層の前記エラストマーの種類と前記電極層の前記エラストマーの種類とは異なる構成とするとよい。

誘電層に含まれるエラストマーと電極層に含まれるエラストマーとが異なると、誘電層と電極層とが積層された状態において電荷が発生しやすくなると考えられる。また、電歪素子の変形時に摩擦が生じることにより、電荷が発生しやすくなると考えられる。また、電歪素子の変形時に、電歪素子を支持するフレームと誘電層等との接着部分や、隣接する層同士が一部剥離することにより、電荷が発生しやすくなると考えられる。したがって、本構成は、外部から初期電圧を印加しない本発明の発電装置において好適である。

（９）好ましくは、上記（１）ないし（８）のいずれかの構成において、前記電歪素子は、前記誘電層および前記電極層の積層方向の外側にエラストマーを含む保護層を有する構成とするとよい。

電歪素子の最外層として保護層を配置することにより、電歪素子を外部から絶縁することができる。また、水分を透過しにくい材料で保護層を形成すると、誘電層への水分の侵入を抑制することができ、誘電層の電気抵抗の低下を抑制することができる。

また、保護層はエラストマーを含む材料から形成される。このため、保護層を、同じくエラストマーを含む材料から形成される電極層に積層することにより、初期の状態において電荷がより発生しやすくなると考えられる。また、電歪素子の変形時に、エラストマーの断裂や摩擦が生じることにより、電荷がより発生しやすくなると考えられる。したがって、本構成は、外部から初期電圧を印加しない本発明の発電装置において好適である。保護層のエラストマーは、隣接する電極層のエラストマーと異なることが望ましい。

ＳＰＣの一実施形態である。 図１Ａに示すＳＰＣの電荷流入時の等価回路である。 図１Ａに示すＳＰＣの電荷流出時の等価回路である。 第一実施形態の発電装置の回路図である。 同発電装置を構成するトランスデューサの平面図である。 変形前の同トランスデューサの断面図である。 変形後の同トランスデューサの断面図である。 電歪素子およびＳＰＣを含む回路の電歪素子収縮時の等価回路である。 同回路の電歪素子伸張時の等価回路である。 第二実施形態の発電装置の回路図である。 第三実施形態の発電装置の回路図である。 ＳＰＣの他の実施形態である。 図８Ａに示すＳＰＣおよび電歪素子を含む回路の電歪素子収縮時の等価回路である。 同回路の電歪素子伸張時の等価回路である。 発電実験１の回路図である。 発電実験１の実施例１における電圧の経時変化を示すグラフである。 発電実験１の実施例２における電圧の経時変化を示すグラフである。 発電実験１の比較例１における電圧の経時変化を示すグラフである。 発電実験２の回路図である。 発電実験２における電圧の経時変化を示すグラフである。 図１４のグラフ中、横軸の時間の４０〜４２秒間の拡大図である。 発電実験３の回路図である。 発電実験３における電圧の経時変化を示すグラフである。 漏れ電荷を考慮した発電条件を導出する際に使用した電歪素子のモデル図である。 発電実験４の回路図である。 発電実験４（１）の実験開始から２００秒間における電圧の経時変化を示すグラフである。 発電実験４（２）の実験開始から２００秒間における電圧の経時変化を示すグラフである。 発電実験５の回路図である。 発電実験５の実験開始から８００秒間における電圧の経時変化を示すグラフである。 シミュレーションを行った回路図である。 発電実験６における電圧の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の発電装置の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
まず、本実施形態の発電装置の構成について説明する。図２に、本実施形態の発電装置の回路図を示す。図２に示すように、発電装置１０は、トランスデューサ２と、自己プライミング回路（ＳＰＣ）３と、制御部４Ａと、を備えている。トランスデューサ２は、ＳＰＣ３と制御部４Ａとに並列に接続されている。

図３に、トランスデューサ２の平面図を示す。図４Ａに、変形前のトランスデューサ２の断面図を示す。図４Ｂに、変形後のトランスデューサ２の断面図を示す。図３においては、防湿層２５ａを透過して、電極層２４ａにハッチングを施して示している。図４Ａ、図４Ｂに示すのは、図３のＩＶ−ＩＶ方向の断面図である。図３、図４Ａ、図４Ｂに示すように、トランスデューサ２は、電歪素子２０と、一対のフレーム２１ａ、２１ｂと、駆動部材２２と、を備えている。

電歪素子２０は、誘電層２３と、一対の電極層２４ａ、２４ｂと、一対の防湿層２５ａ、２５ｂと、を備えている。誘電層２３は、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）製であり、直径１００ｍｍの円形の薄膜状を呈している。誘電層２３の厚さは１８μｍである。誘電層２３の体積抵抗率は３．７４×１０^１２Ω・ｃｍ、比誘電率は１４、弾性率は１２ＭＰａ、切断時伸びは３００％、定伸長引張永久ひずみは１５％である。

電極層２４ａは、後述するフレーム２１ａおよび固定部２２０に覆われていない誘電層２３の表面に配置されている。電極層２４ａは、アクリルゴムとカーボンブラックとを含み、リング状を呈している。電極層２４ａの厚さは５μｍである。電極層２４ｂは、誘電層２３の裏面に配置されている。電極層２４ｂは、アクリルゴムとカーボンブラックとを含み、電極層２４ａと同じリング状を呈している。電極層２４ｂの厚さは５μｍである。電極層２４ａ、２４ｂは、ＳＰＣ３に電気的に接続されている。

防湿層２５ａは、誘電層２３および電極層２４ａの表面を覆うように配置されている。防湿層２５ａは、ブチルゴム製であり、円形の薄膜状を呈している。防湿層２５ａの厚さは２５μｍである。防湿層２５ｂは、誘電層２３および電極層２４ｂの裏面を覆うように配置されている。防湿層２５ｂは、ブチルゴム製であり、円形の薄膜状を呈している。防湿層２５ｂの厚さは２５μｍである。一対の防湿層２５ａ、２５ｂは、誘電層２３および電極層２４a、２４ｂの積層方向（表裏方向）の外側に一つずつ配置されており、電歪素子２０の最外層をなしている。一対の防湿層２５ａ、２５ｂは、本発明における保護層の概念に含まれる。

一対のフレーム２１ａ、２１ｂは、各々、樹脂製であり、外径１００ｍｍ、内径８０ｍｍのリング状を呈している。一対のフレーム２１ａ、２１ｂは、誘電層２３の周縁部を挟んで対向して配置されている。一対のフレーム２１ａ、２１ｂと誘電層２３とは接着されている。

駆動部材２２は、固定部２２０とロッド部２２１とを備えている。固定部２２０は、樹脂製であり、直径５０ｍｍの円形板状を呈している。固定部２２０は、電歪素子２０の表面中央部に接着されている。ロッド部２２１は、樹脂製であり、固定部２２０より小径の円柱状を呈している。ロッド部２２１は、固定部２２０の表面中央部に接着されている。ロッド部２２１には、図示しないモータが接続されている。ロッド部２２１は、モータの駆動により、図４Ａ中、白抜き矢印で示すように軸方向（電歪素子２０の表裏方向）に移動する。

図２に戻って、ＳＰＣ３は、二つのコンデンサ３０ａ、３０ｂと、三つのダイオード３１ａ、３１ｂ、３１ｃと、を有している。後述するように、ＳＰＣ３において電荷の流入と流出とが繰り返され、方向が異なる電流が交互に流れることにより、点Ａ−点Ｂ間（端子間）の電圧が上昇する。

制御部４Ａは、ダイオード４０と、ツェナーダイオード４１と、発光ダイオード（ＬＥＤ）４２と、を備えている。電歪素子２０により発生し、ＳＰＣ３により増幅された電気エネルギーは、ツェナーダイオード４１により所定の電圧に降圧されて、ＬＥＤ４２に供給される。ダイオード４０は、ツェナーダイオード４１から電歪素子２０に電流が逆流するのを防止している。

次に、本実施形態の発電装置の動作について説明する。初期状態として、電歪素子２０には微量の電荷が生じている。モータを作動しロッド部２２１を軸方向に往復運動させると、電歪素子２０が伸張、収縮を繰り返して表裏方向に振動する。図４Ｂに示すように、電歪素子２０が駆動部材２２に引っ張られて伸張変形すると、電歪素子２０の静電容量が大きくなり、電極層２４ａ、２４ｂに電荷が蓄えられる。この時のＳＰＣ３における電流の方向は点Ｂ→点Ａになり、二つのコンデンサ３０ａ、３０ｂが並列に接続される状態になる（高電荷、低電圧状態）。次に、電歪素子２０が駆動部材２２に押されて元の状態に戻る、すなわち収縮すると（図４Ａ）、電歪素子２０の静電容量は小さくなる。すると、蓄えられた電荷が電歪素子２０からＳＰＣ３に流入する。この時のＳＰＣ３における電流の方向は点Ａ→点Ｂになり、二つのコンデンサ３０ａ、３０ｂが直列に接続される状態になる（低電荷、高電圧状態）。電歪素子２０の伸張、収縮により、ＳＰＣ３に方向が異なる電流が交互に流れることにより、電歪素子２０およびＳＰＣ３を含む回路の端子間電圧が上昇する。

電歪素子２０により発生し、ＳＰＣ３により増幅された高電圧の電気エネルギーは、ツェナーダイオード４１により所定の電圧に下げられてＬＥＤ４２に供給される。これにより、ＬＥＤ４２が点滅する。

以下に、ＳＰＣ３における電流の方向が切り替わり発電が可能になるためには、電歪素子２０の静電容量がどれくらい変化することが必要かを説明する。図５Ａに、電歪素子およびＳＰＣを含む回路の電歪素子収縮時の等価回路を示す。図５Ｂに、同回路の電歪素子伸張時の等価回路を示す。図５Ａにおいて、電歪素子２０の静電容量をＣ_２０、電圧をＶ_ｈｉｇｈとする。図５Ｂにおいて、電歪素子２０の静電容量をＣ_２０、電圧をＶ_ｌｏｗとする。図５Ａ、図５Ｂにおいて、ＳＰＣ３の二つのコンデンサ３０ａ、３０ｂの容量を等しくＣとする。

電歪素子２０が伸張変形して静電容量が大きくなると、図５Ａから図５Ｂに示す回路に切り替わる。すなわち、ＳＰＣ３の二つのコンデンサ３０ａ、３０ｂは直列から並列に切り替わる。この時、電荷が保存されると仮定すると、電圧は１／２に分圧されることになる。よって、電歪素子２０の電圧が１／２倍以下になれば（Ｖ_ｌｏｗ／Ｖ_ｈｉｇｈ≦１／２）、図５Ａから図５Ｂに示す回路に切り替わる。反対に、電歪素子２０が復元して（収縮して）静電容量が小さくなると、図５Ｂから図５Ａに示す回路に切り替わる。ＳＰＣ３の二つのコンデンサ３０ａ、３０ｂが並列から直列に切り替わるためには、２倍の電圧が必要になる。すなわち、電歪素子２０の電圧が２倍以上になることが必要になる（Ｖ_ｈｉｇｈ／Ｖ_ｌｏｗ≧２）。電歪素子２０の電圧が１／２倍あるいは２倍に変化するためには、伸張時に電歪素子２０の静電容量Ｃ_２０が２倍以上変化する必要がある。したがって、ＳＰＣ３による発電を可能にするためには、電歪素子２０として、伸張時に静電容量が２倍以上大きくなるものを用いる必要がある。

本実施形態における電歪素子２０の静電容量をＬＣＲメータにて、電圧１Ｖ、周波数１０Ｈｚの条件で測定したところ、変形前の自然状態（収縮時）においては２５ｎＦ、伸張時においては７０ｎＦであった。すなわち、収縮時の静電容量に対する伸張時の静電容量の変化率は２．８倍であった。

次に、本実施形態の発電装置の作用効果について説明する。発電装置１０は、ＳＰＣ３を備えている。これにより、電歪素子２０の変形により発生する電荷が増幅され、大きな電気エネルギーを出力することができる。発電装置１０は、電歪素子２０に初期電圧を印加する電圧供給部を備えていない。初期電圧印加のための電源や電気回路が不要であるため、部品点数やコストを削減することができる。また、発生した高電圧の電気エネルギーを、ツェナーダイオード４１により所望の電圧に降圧することができる。このため、実用性が高い。

電歪素子２０は、誘電層２３および一対の電極層２４ａ、２４ｂに加えて、一対の防湿層２５ａ、２５ｂを備えている。誘電層２３の比誘電率は大きい。よって、電歪素子２０の静電容量は大きい。また、誘電層２３の体積抵抗率は大きい。よって、電極層２４ａ、２４ｂ間に蓄えられた電荷が誘電層２３を通って流れにくい。すなわち、漏れ電流が抑制される。加えて、誘電層２３の厚さが１８μｍと小さくても、所望の耐電圧性が確保される。また、誘電層の体積抵抗率は、先の式（Ｉ）を満たしている。このため、漏れ電荷がある場合でも、発生する電荷量が漏れる電荷量を上回れば発電することができる。また、誘電層２３は柔軟である。加えて、電極層２４ａ、２４ｂおよび防湿層２５ａ、２５ｂも、エラストマーを含み柔軟である。よって、駆動部材２２の往復運動により、電歪素子２０を容易に伸縮させることができる。そして、電歪素子２０（誘電層２３）の変形量を大きくすれば、静電容量の変化量を大きくすることができる。一方、誘電層２３の永久ひずみは小さい。このため、伸縮を繰り返しても誘電層２３はクリープしにくい。

誘電層２３と、電極層２４ａ、２４ｂと、防湿層２５ａ、２５ｂとは、各々、異なるエラストマーを含んでいる。このため、各層が積層されてなる電歪素子２０において、電荷が発生しやすいと考えられる。また、電歪素子２０の変形時に、エラストマーの断裂や摩擦が生じたり、フレーム２１ａ、２１ｂと誘電層２３との接着部分や、積層される層同士が一部剥離することにより、電荷が発生しやすいと考えられる。また、防湿層２５ａ、２５ｂは、ブチルゴム製である。ブチルゴムは、絶縁性を有し、ガスおよび水分の両方を透過しにくい。電歪素子２０の最外層に防湿層２５ａ、２５ｂが配置されているため、電歪素子２０を外部から絶縁することができると共に、空気中の水分を遮断することができる。これにより、誘電層２３における電気抵抗の低下を抑制することができる。

＜第二実施形態＞
本実施形態の発電装置と、第一実施形態の発電装置と、の主な相違点は、ＬＥＤと並列にコンデンサを配置した点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。

図６に、本実施形態の発電装置の回路図を示す。図６に示すように、発電装置１１は、トランスデューサ２と、ＳＰＣ３と、制御部４Ｂと、を備えている。制御部４Ｂは、ダイオード４０と、ツェナーダイオード４１と、ＬＥＤ４２と、コンデンサ４３と、を備えている。ＬＥＤ４２とコンデンサ４３とは、並列に接続されている。電歪素子２０により発生し、ＳＰＣ３により増幅された電気エネルギーは、ツェナーダイオード４１により所定の電圧に降圧される。それから、コンデンサ４３に蓄電されると共に、ＬＥＤ４２に供給される。コンデンサ４３の電圧とＬＥＤ４２の電圧とは等しい。よって、コンデンサ４３に電荷が溜まる前は電圧が低く、ＬＥＤ４２は点灯しない。コンデンサ４３に電荷が溜まり電圧がＬＥＤ４２の順方向電圧に達すると、ＬＥＤ４２が点灯する。コンデンサ４３は、本発明における蓄電部の概念に含まれる。

本実施形態の発電装置１１は、構成が共通する部分については、第一実施形態の発電装置１０と同様の作用効果を有する。本実施形態の発電装置１１においては、発電した電気エネルギーをコンデンサ４３に蓄電しながらＬＥＤ４２に供給する。これにより、ＬＥＤ４２に流れる電流の変化が遅くなり、ＬＥＤ４２を連続して点灯させることができる。すなわち、発電装置１１によると、ほぼ一定の電圧の電気エネルギーを連続的に取り出すことができる。

＜第三実施形態＞
本実施形態の発電装置と、第二実施形態の発電装置と、の主な相違点は、ツェナーダイオードに代えてコンデンサを配置した点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。

図７に、本実施形態の発電装置の回路図を示す。図７に示すように、発電装置１２は、トランスデューサ２と、ＳＰＣ３と、制御部４Ｃと、を備えている。制御部４Ｃは、ダイオード４０と、第一コンデンサ４４と、第二コンデンサ４５と、ＬＥＤ４２と、を備えている。第一コンデンサ４４の容量は、第二コンデンサ４５の容量より小さい。第一コンデンサ４４と第二コンデンサ４５とは、直列に接続されている。ＬＥＤ４２と第二コンデンサ４５とは、並列に接続されている。電歪素子２０により発生し、ＳＰＣ３により増幅された電気エネルギーは、第一コンデンサ４４に蓄電されて所定の電圧に降圧される。それから、第二コンデンサ４５に蓄電されると共に、ＬＥＤ４２に供給される。第二コンデンサ４５の電圧とＬＥＤ４２の電圧とは等しい。よって、第二コンデンサ４５に電荷が溜まる前は電圧が低く、ＬＥＤ４２は点灯しない。第二コンデンサ４５に電荷が溜まり電圧がＬＥＤ４２の順方向電圧に達すると、ＬＥＤ４２が点灯する。第一コンデンサ４４は、本発明における降圧回路と蓄電部との両方の概念に含まれる。第二コンデンサ４５は、本発明における蓄電部の概念に含まれる。

本実施形態の発電装置１２は、構成が共通する部分については、第二実施形態の発電装置１１と同様の作用効果を有する。本実施形態の発電装置１２においては、容量が異なる二つのコンデンサ４４、４５を直列に接続することにより、降圧および蓄電の両方を行うことができる。

＜その他＞
以上、本発明の発電装置の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

［電歪素子］
上記実施形態においては、電歪素子と駆動部材とを備えるトランスデューサを配置した。駆動部材の構成を含めて、電歪素子に運動エネルギーを入力するための方法は、特に限定されない。また、駆動部材は必ずしも必要ではない。例えば、電歪素子のみを可動部分に配置することにより、電歪素子を伸縮させてもよい。

上記実施形態においては、一つの誘電層と、一対の電極層と、一対の防湿層（保護層）と、により電歪素子を構成した。しかし、電歪素子の構成は、上記実施形態に限定されない。例えば、複数の誘電層を電極層を介して積層してもよい。保護層は電歪素子の片側のみに配置されてもよい。保護層は無くてもよい。

（１）誘電層
誘電層のエラストマーについては、柔軟性、体積抵抗率、比誘電率等を考慮して、適宜選択すればよい。エラストマーは、ゴムポリマーを架橋した架橋ゴムでも熱可塑性エラストマーでもよい。エラストマーとしては、例えば、Ｈ−ＮＢＲの他、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム（ＥＰＤＭ）、イソプレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体等が挙げられる。また、エポキシ化天然ゴム、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ−ＮＢＲ）のように、官能基を導入するなどして変性したエラストマーでもよい。エラストマーとしては、一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。

ゴムポリマーを架橋する場合、架橋剤は、ゴムポリマーの種類に応じて、硫黄、イソシアネート化合物、過酸化物等から適宜選択すればよい。例えば、架橋剤として有機金属化合物を用いると、ゾルゲル反応により金属酸化物粒子が生成する。生成した金属酸化物粒子により電子の流れが遮断されるため、架橋物（誘電層）の体積抵抗率を大きくすることができる。有機金属化合物としては、テトラ−ｎ−ブトキシチタン、テトラ−ｎ−ブトキシジルコニウム、テトラ−ｎ−ブトキシシラン、テトライソプロポキシチタン、テトラエトキシシラン、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン、チタンブトキシドダイマー等の金属アルコキシド化合物、ポリヒドロキシチタンステアレート、ジルコニウムトリブトキシモノステアレート等の金属アシレート化合物が挙げられる。

誘電層は、エラストマー成分に加えて他の成分を含んでいてもよい。他の成分の第一の例として、絶縁性の高い無機粒子が挙げられる。当該無機粒子を含むと、架橋剤として有機金属化合物を用いた場合と同様に、誘電層の体積抵抗率が大きくなる。絶縁性の高い無機粒子としては、シリカ、酸化チタン、チタン酸バリウム、炭酸カルシウム、クレー、焼成クレー、タルク等が好適である。他の成分の第二の例として、比誘電率が大きい液状化合物が挙げられる。当該液状化合物を含むと、誘電層の比誘電率が大きくなる。また、液状化合物は、常温で液状を呈するため、エラストマーに混合しても、誘電層の柔軟性を低下させるおそれはない。比誘電率が大きい液状化合物としては、塩素化パラフィン、アジピン酸エステル、スルホンアミド等が好適である。

誘電層の厚さは、特に限定されないが、耐電圧性と静電容量とを考慮すると、５μｍ以上５０μｍ以下にするとよい。静電容量を大きくするという観点から、誘電層の比誘電率は２以上であるとよい。より好適には４より大きく、さらには１１以上であるとよい。漏れ電流を抑制し、耐電圧性を高くするという観点から、誘電層の体積抵抗率は５×１０^１１Ω・ｃｍ以上であるとよい。本明細書において、体積抵抗率は、温度２５℃、湿度３０％の条件下で測定された値である。柔軟性の観点から、誘電層の弾性率は２０ＭＰａ以下、さらには１２ＭＰａ以下であるとよい。また、誘電層の切断時伸びは１００％以上、さらには２００％以上であるとよい。耐久性の観点から、誘電層の定伸長引張永久ひずみは４０％以下、さらには２０％以下であるとよい。

弾性率の測定方法は次の通りである。まず、誘電層を幅１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの短冊状に切り出して試験片を作製する。試験片の長さ方向両端部に、２０ｍｍの間隔で、一対の銅箔を配置する。銅箔の各々を、抵抗測定器の端子に接続する。この試験片を、ＪＩＳ Ｋ７１２７：１９９９に規定される引張試験に準じて引張速度１００ｍｍ／分で長さ方向に伸長し、得られた応力−伸び曲線の線形領域の傾きを求めて弾性率とする。切断時伸びについては、ＪＩＳ Ｋ６２５１：２０１０に規定される引張試験を行い算出する（ダンベル状５号形の試験片を使用）。定伸長引張永久ひずみについては、ＪＩＳ Ｋ ６２７３：２００６に規定される定伸長引張永久ひずみ試験を行い算出する。まず、誘電層を幅５ｍｍ、長さ４０ｍｍの短冊状に切り出して試験片を作製する。試験片には予め所定の間隔で標線を付けておく。試験片を長さ方向に１００％伸長した状態で７０℃の恒温槽中に２４時間保持した後、解放し、３０分経過後の標線間距離を測定する。そして、伸長前の標線間距離に対する標線間距離の変化率を算出する。

（２）電極層
電極層のエラストマーも、ゴムポリマーを架橋した架橋ゴムでも熱可塑性エラストマーでもよい。エラストマーとしては、例えば、アクリルゴムの他、ブチルゴム、シリコーンゴム、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、ＥＰＤＭ、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、ウレタンゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン等が挙げられる。なかでも、導電材を配合した場合に伸張時の電気抵抗変化が小さいという観点から、アクリルゴムが好適である。

電極層の導電材の種類は、特に限定されない。カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト等の導電性炭素粉末、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金等の金属粉末等から、適宜選択すればよい。また、銀被覆銅粉末などの、金属で被覆された粒子からなる粉末を用いてもよい。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。電極層は、エラストマーおよび導電材に加えて、必要に応じて分散剤、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等の添加剤を含んでいてもよい。

（３）保護層
保護層のエラストマーは、絶縁性、防湿性、柔軟性等の所望の特性を付与できるように、適宜選択すればよい。上記実施形態のように、保護層に防湿性能を持たせたい場合には、ブチルゴムが好適である。ブチルゴムとしては、レギュラーブチルゴム、塩素化ブチルゴム、臭素化ブチルゴム等が挙げられる。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。

なお、上記実施形態においては、誘電層、電極層、保護層を、各々、異なるエラストマーにより形成した。しかし、誘電層、電極層、保護層の各々を形成するエラストマーは、異なっていても同じでも構わない。

［電圧増幅回路］
上記実施形態においては、回路への電流の流入と流出とが繰り返されることにより回路の端子間電圧が上昇していく機能を有する電圧増幅回路として、二つのコンデンサおよび三つのダイオードにより構成されるＳＰＣを採用した。しかし、当該電圧増幅回路の構成は、上記実施形態のＳＰＣに限定されない。例えば、図８Ａに示すように、四つのコンデンサと五つのダイオードとを組み合わせて構成されるＳＰＣを採用してもよい。

図８Ａに示すように、ＳＰＣ５は、四つのコンデンサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄと、五つのダイオード５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅと、を有している。ここで、コンデンサ５０ａ、５０ｄの容量はＣ、コンデンサ５０ｂ、５０ｃの容量は２Ｃである。ＳＰＣ５は点Ａと点Ｂとにより電歪素子に接続されている。図８Ｂに、電歪素子およびＳＰＣを含む回路の電歪素子収縮時の等価回路を示す。図８Ｃに、同回路の電歪素子伸張時の等価回路を示す。図８Ｂにおいて、電歪素子２０の静電容量をＣ_２０、電圧をＶ_ｈｉｇｈとする。図８Ｃにおいて、電歪素子２０の静電容量をＣ_２０、電圧をＶ_ｌｏｗとする。

電歪素子２０の収縮時、すなわち電歪素子２０が伸張変形から元の形状に戻った状態においては、電荷が電歪素子２０からＳＰＣ５に流入し、ＳＰＣ５の点Ａから点Ｂに向かって電流が流れる。この場合のＳＰＣ５の等価回路は、図８Ｂに示すように、合成容量２Ｃ／３を持つ二つの並列コンデンサ５２、５３により構成される。そして、電歪素子２０が伸張変形して静電容量が大きくなると、電荷がＳＰＣ５から流出し、ＳＰＣ５の点Ｂから点Ａに向かって電流が流れる。この場合のＳＰＣ５の等価回路は、図８Ｃに示すように、合成容量Ｃを持つ三つの並列コンデンサ５４、５５、５６により構成される。

図８Ｂから図８Ｃに示す回路に切り替わる時、電荷が保存されると仮定すると、並列コンデンサの合成容量が２Ｃ／３からＣになることから、電圧は２／３に低下することになる。よって、電歪素子２０の電圧が２／３倍以下になれば（Ｖ_ｌｏｗ／Ｖ_ｈｉｇｈ≦２／３）、図８Ｂから図８Ｃに示す回路に切り替わる。反対に、図８Ｃから図８Ｂに示す回路に切り替わるためには、並列コンデンサの合成容量がＣから２Ｃ／３になることから、３／２倍の電圧が必要になる。すなわち、電歪素子２０の電圧が３／２倍以上になることが必要になる（Ｖ_ｈｉｇｈ／Ｖ_ｌｏｗ≧３／２）。電歪素子２０の電圧が２／３倍あるいは３／２倍に変化するためには、伸張時に電歪素子２０の静電容量Ｃ_２０が３／２倍以上変化する必要がある。したがって、ＳＰＣ５による発電を可能にするためには、電歪素子２０として、伸張時に静電容量が３／２倍以上大きくなるものを用いる必要がある。

上記実施形態において説明したように、二つのコンデンサおよび三つのダイオードにより構成されるＳＰＣ（前出図１参照）を採用した場合、発電を可能にするためには、伸張時に静電容量が２倍以上大きくなる電歪素子を用いる必要がある。これに対して、図８Ａに示される四つのコンデンサおよび五つのダイオードにより構成されるＳＰＣを採用すると、電歪素子の伸張時の静電容量の変化率は３／２倍以上であればよい。このため、電歪素子の選択の幅を広げられる。

［制御部］
上記実施形態においては、制御部として、ダイオード、ツェナーダイオード、発光ダイオード、コンデンサを適宜組み合わせて使用した。しかし、制御部の構成は、上記実施形態に限定されるものではない。制御部には、発生した電気エネルギーを取り出すための公知の手段を使用することができる。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、変圧器などを用いて降圧回路を構成してもよい。また、上記実施形態においては、負荷として発光ダイオードを使用したが、発生した電気エネルギーは、通信機器、センサなどの電源として用いることができる。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

＜発電実験１＞
（１）実施例１
上記実施形態で使用したトランスデューサ２とＳＰＣ３とを並列に接続して、発電実験を行った（符号は前出図２、図４Ａ、図４Ｂ参照）。発電実験は、温度２５℃、湿度３０％の条件下で行った。本実験においては、電歪素子２０に初期電圧を印加せず、電歪素子２０の伸縮変形のみにより発電を行った。駆動部材２２は、周波数２Ｈｚ、ロッド部２２１の軸方向の変位量２５ｍｍにて往復運動させた。図９に、本実験の回路図を示す。図９中、図２と対応する部材については同じ符号で示す。図９に示すように、発生した電圧を電圧計４６により測定した。電圧計４６としては、非接触の表面電位計（ＴＲＥＫ社製「Ｐ０８６５」）を使用した。図１０に、本実験における電圧の経時変化を示す。

図１０に示すように、電歪素子２０の伸縮変形開始から約４秒後に電圧の上昇が認められた。その後、電圧は時間の経過と共に増加して、３０秒後には１２００Ｖを超えた。このように、電歪素子２０とＳＰＣ３とを組み合わせると、初期電圧を印加しなくても、大きな電気エネルギーを生み出すことができることが確認された。

（２）実施例２
トランスデューサ２の電歪素子２０の構成を変更した以外は、実施例１と同様に発電実験を行った。本実験においては、一対の防湿層２５ａ、２５ｂを有さず、誘電層２３と一対の電極層２４ａ、２４ｂとのみからなる電歪素子を使用した。使用した電歪素子は、本発明における電歪素子の概念に含まれる。図１１に、本実験における電圧の経時変化を示す。

図１１に示すように、本実験においても、電歪素子の伸縮変形開始から約４秒後に電圧の上昇が認められた。その後、電圧は実施例１の場合と同様に、時間の経過と共に増加して、３０秒後には１２００Ｖを超えた。このように、防湿層（保護層）を有しない電歪素子を用いても、初期電圧を印加せずに大きな電気エネルギーを生み出すことができることが確認された。

（３）比較例１
トランスデューサ２の電歪素子２０の構成を変更した以外は、実施例１と同様に発電実験を行った。本実験においては、スリーエム社製のアクリルフォーム構造用接合テープ 「ＶＨＢ（登録商標） Ｙ−４９０５Ｊ」からなる誘電層の表裏表面に、Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ社製のカーボングリース「Ｎｙｏｇｅｌ（登録商標）７５６Ｇ」からなる電極が形成された電歪素子を使用した。使用した電歪素子は、電極にエラストマーを含まないという点において、本発明における電歪素子の概念に含まれない。図１２に、本実験における電圧の経時変化を示す。

図１２に示すように、本実験においては、実施例１、２の実験と比較して、電圧の増加速度が小さく、同じ時間発電しても小さな電圧しか得られなかった。このように、初期電圧を印加しない場合、本発明における電歪素子とは異なる電歪素子を用いると、ＳＰＣを組み合わせてもほとんど電気エネルギーを生み出すことができないことが確認された。

＜発電実験２＞
上記第一実施形態の発電装置１０を用いて、発電実験を行った（符号は前出図２、図４Ａ、図４Ｂ参照）。発電実験は、温度２５℃、湿度３０％の条件下で行った。本実験においては、電歪素子２０に初期電圧を印加せず、電歪素子２０の伸縮変形のみにより発電を行った。駆動部材２２は、周波数２Ｈｚ、ロッド部２２１の軸方向の変位量２５ｍｍにて往復運動させた。図１３に、本実験の回路図を示す。図１３に示すように、ＬＥＤ４２に印加される電圧を電圧計４６により測定した。また、本実験においては、ツェナーダイオード４１として、降伏電圧２００Ｖのツェナーダイオードを四つ直列に接続したものを使用した。図１４に、本実験における電圧の経時変化を示す。図１５に、図１４のグラフ中、横軸の時間の４０〜４２秒間を拡大して示す。

図１４、図１５に示すように、発電装置１０においては、ツェナーダイオード４１により１０〜１２Ｖ程度に降圧されたパルス状の電圧が、ＬＥＤ４２に印加されることが確認された。

＜発電実験３＞
上記第二実施形態の発電装置１１において、ＬＥＤ４２に代えて抵抗を配置して、発電実験を行った（符号は前出図６参照）。発電実験は、温度２５℃、湿度３０％の条件下で行った。図１６に、本実験の回路図を示す。図１６中、図６と対応する部材については同じ符号で示す。図１６に示すように、抵抗４７は、コンデンサ４３と並列に接続されている。コンデンサ４３の容量は１μＦ、抵抗４７の抵抗値は３ＭΩである。コンデンサ４３および抵抗４７に印加される電圧を電圧計４６により測定した。図１７に、本実験における電圧の経時変化を示す。

図１７に示すように、本実験の発電装置においては、発電した電気エネルギーがコンデンサ４３と抵抗４７とに振り分けられる。これにより、所定時間経過後に、ほぼ一定の電圧の電気エネルギーを連続的に取り出すことができることが確認された。

＜発電実験４＞
（１）上記第二実施形態の発電装置１１において、ＬＥＤ４２に代えてツェナーダイオードを配置して、発電実験を行った（符号は前出図４Ａ、図４Ｂ、図６参照）。図１９に、本実験の回路図を示す。図１９中、図６と対応する部材については同じ符号で示す。

図１９に示すように、ツェナーダイオード４８は、コンデンサ４３と並列に接続されている。コンデンサ４３の容量は１μＦ、耐電圧は１０００Ｖ、ツェナーダイオード４８の降伏電圧は２００Ｖである。ツェナーダイオード４８の降伏電圧は、コンデンサ４３の耐電圧以下である。なお、ツェナーダイオード４１は、降伏電圧２００Ｖのツェナーダイオードを四つ直列に接続したものである。

発電実験は、温度２５℃、湿度３０％の条件下で行った。本実験においては、電歪素子２０に初期電圧を印加せず、電歪素子２０の伸縮変形のみにより発電を行った。駆動部材２２は、周波数２Ｈｚ、ロッド部２２１の軸方向の変位量２５ｍｍにて往復運動させた。そして、コンデンサ４３に印加される電圧を電圧計４６により測定した。

図２０に、実験開始から２００秒間における電圧の経時変化を示す。図２０に示すように、コンデンサには所定時間経過後に電荷が蓄積され、電圧が２００Ｖに達するまでの時間は６３秒であった。このように、大容量のコンデンサと、その耐電圧以下のツェナーダイオードと、を並列に接続することにより、同等の電荷をより低電圧で蓄えることができる。

電歪素子の伸縮により得られる電力は高電圧である。このため、得られた電力を、例えば回路を動作させるような用途に用いるためには、ＤＣ−ＤＣコンバータなどを用いて降圧する必要がある。この点、本実験の回路のように、大容量のコンデンサに充電すれば、同等の電力を低電圧で充電することができる。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータなどを用いなくても低電圧な電力を蓄えることができ、低電圧で使用するアプリケーションへの適用が容易になる。

（２）コンデンサ４３の容量を２倍（２μＦ）にした以外は、上記（１）と同様に発電実験を行った。図２１に、実験開始から２００秒間における電圧の経時変化を示す。図２１に示すように、コンデンサには所定時間経過後に電荷が蓄積され、電圧が２００Ｖに達するまでの時間は１１９秒であった。本実験では、先の（１）の実験と比較してコンデンサ４３の容量を２倍にしたため、コンデンサ４３への充電速度は、（１）の実験のそれの約１／２になった。なお、（１）、（２）の実験において、単位時間あたりにコンデンサ４３に充電される電荷量Ｑは、Ｑ＝ＣＶの関係より同じである。

＜発電実験５＞
上記第二実施形態の発電装置１１において、コンデンサ４３を電気二重層コンデンサに変更し、ＬＥＤ４２に代えてツェナーダイオードを配置し、さらにツェナーダイオード４１の下流側に抵抗を配置して、発電実験を行った（符号は前出図４Ａ、図４Ｂ、図６参照）。図２２に、本実験の回路図を示す。図２２中、図６と対応する部材については同じ符号で示す。

図２２に示すように、制御部は、ダイオード４０と、ツェナーダイオード４１と、抵抗６５と、電気二重層コンデンサ６３と、ツェナーダイオード６４と、から構成されている。ツェナーダイオード４１は、降伏電圧２００Ｖのツェナーダイオードを四つ直列に接続したものである。電気二重層コンデンサ６３とツェナーダイオード６４とは、並列に接続されている。電気二重層コンデンサ６３の容量は１０ｍＦ、耐電圧は５．５Ｖ、ツェナーダイオード６４の降伏電圧は５Ｖである。ツェナーダイオード６４の降伏電圧は、電気二重層コンデンサ６３の耐電圧以下である。抵抗６５は、ツェナーダイオード４１と、電気二重層コンデンサ６３およびツェナーダイオード６４の並列回路と、の間に直列に接続されている。抵抗６５の抵抗値は、１ＭΩである。

発電実験は、温度２５℃、湿度３０％の条件下で行った。本実験においては、電歪素子２０に初期電圧を印加せず、電歪素子２０の伸縮変形のみにより発電を行った。駆動部材２２は、周波数２Ｈｚ、ロッド部２２１の軸方向の変位量２５ｍｍにて往復運動させた。電歪素子２０により発生し、ＳＰＣ３により増幅された電気エネルギーは、ツェナーダイオード４１および抵抗６５により所定の電圧に降圧される。それから、電気二重層コンデンサ６３に蓄電される。電気二重層コンデンサ６３に印加される電圧を電圧計４６により測定した。図２３に、実験開始から８００秒間における電圧の経時変化を示す。

図２３に示すように、コンデンサには所定時間経過後に電荷が蓄積され、電圧が０．４Ｖに達するまでの時間は７２３秒であった。このように、大容量のコンデンサと、その耐電圧以下のツェナーダイオードと、を並列に接続することにより、同等の電荷をより低電圧で蓄えることができる。これにより、低電圧で使用するアプリケーションへの適用が容易になる。

＜シミュレーション＞
前出図１８に示した電歪素子のモデルについて、発電のシミュレーションを行った。シミュレーションには、回路シミュレータＬＴｓｐｉｃｅを使用した。図２４に、シミュレーションを行った回路図を示す。図２４中、前出の図２および図１８と対応する部材については同じ符号で示す。シミュレーションに使用したパラメータは、Ｃ_ｍｉｎ＝２０ｎＦ、γ＝３、Ｔ＝０．５ｓとした。その結果、Ｒ_ｐ＝∞、４００ＭΩの場合には電圧は上昇したが、Ｒ_ｐ＝１００ＭΩの場合には電圧は上昇しなかった。

電圧が上昇したＲ_ｐ＝∞（漏れ電荷なし）の場合において、動作1周期前後で増加した電圧の比率ｇをフィッティングにより求めたところ、ｇ＝１．０７１４となった。フィッティングの手順は次の通りである。
（１）シミュレーションにより得られた電圧の時系列データから、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のｆｉｎｄｐｅａｋｓ関数を使用して、各周期ごとの電圧の極大値を求める。
（２）極大値の自然対数をとり、線形最小二乗法で傾きを求める。
（３）求めた傾きをａとして、指数（ｅｘｐ（ａ））を計算すると、電圧の時系列データの包絡線が得られる。
（４）動作1周期前後で増加した電圧の比率ｇは、動作１周期の時間をＴとして、ｇ＝ｅｘｐ（ａＴ）より求められる。

先に示した発電の可否を判定する条件式（１０）の左辺に、ｇ＝１．０７１４および式（１）を代入して数値計算を行った。式（１）中のパラメータについては、Ｃ_ｍｉｎ＝２０ｎＦ、γ＝３、Ｔ＝０．５ｓとした。その結果、Ｒ_ｐ＝４００ＭΩの場合には次式（１５）になり発電可能条件を満たし、Ｒ_ｐ＝１００ＭΩの場合には次式（１６）になり発電可能条件を満たさなかった。この結果は、シミュレーションの結果と一致する。

また、式（１０）をＲ_ｐについて変形すると、次式（１７）になる。

ここに、ｇ＝１．０７１４および式（１）（パラメータは同上）を代入すると、発電することができるための条件として次式（１８）が得られた。

＜発電実験６＞
誘電層および漏れ電荷が異なる三種類の電歪素子を使用して、発電実験を行った。使用した電歪素子の構成は、誘電層を除いて上述した＜発電実験１＞の実施例１の発電素子２０と同じである。すなわち、後出表１に示すように、実施例６の誘電層は実施例１の誘電層（Ｈ−ＮＢＲ）と同じであり、参考例１の誘電層は比較例１の誘電層（アクリルフォーム）と同じであり、参考例２の誘電層はＨ−ＮＢＲである。また、発電実験の回路図および条件も、上述した＜発電実験１＞の実施例１と同じである（回路図は前出図９参照）。表１に、本実験で使用した電歪素子の誘電層の詳細および静電容量などを示す。

図２５に、本実験における電圧の経時変化を示す。図２５に示すように、誘電層の体積抵抗率が先の式（Ｉ）を満たし、Ｒ_ｐ＞２０９．３ＭΩの実施例６の電歪素子を使用した場合には、伸縮変形開始から約６秒後に電圧の上昇が認められた。その後、電圧は時間の経過と共に増加して、３０秒後には１２００Ｖを超えた。同じく誘電層の体積抵抗率が先の式（Ｉ）を満たし、Ｒ_ｐ＞２０９．３ＭΩの参考例１の電歪素子を使用した場合には、発電したものの、誘電層の比誘電率が小さいため発電量は小さくなった。一方、誘電層の体積抵抗率が先の式（Ｉ）を満たさず、Ｒ_ｐ≦２０９．３ＭΩで漏れ電荷が大きい参考例２の電歪素子を使用した場合には、発電することができなかった。

本発明の発電装置は、外部から様々な形態で入力される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。また、本発明の発電装置は、柔軟な電歪素子を備えるため配置の自由度が高い。したがって、電子機器の操作や振動を利用した発電装置、自動車、車両、構造物の動きや振動を利用した発電装置、風力、水力などの自然エネルギーを利用した発電装置、人や動物の動きを利用した発電装置として、様々な用途に用いることができる。

２：トランスデューサ、３：ＳＰＣ（電圧増幅回路）、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ：制御部、５：ＳＰＣ（電圧増幅回路）、１０、１１、１２：発電装置、２０：電歪素子、２１ａ、２１ｂ：フレーム、２２：駆動部材、２３：誘電層、２４ａ、２４ｂ：電極層、２５ａ、２５ｂ：防湿層（保護層）、３０ａ、３０ｂ：コンデンサ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：ダイオード、４０：ダイオード、４１：ツェナーダイオード、４２：ＬＥＤ、４３：コンデンサ、４４：第一コンデンサ、４５：第二コンデンサ、４６：電圧計、４７：抵抗、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ：コンデンサ、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ：ダイオード、５２、５３、５４、５５、５６：並列コンデンサ、２２０：固定部、２２１：ロッド部、６０：可変キャパシタ、６１：可変抵抗（電極間抵抗Ｒ_ｐ）６２：可変抵抗（電極層の抵抗Ｒ_ｓ）、６３：電気二重層コンデンサ、６４：ツェナーダイオード、６５：抵抗。

Claims (9)

1. 外部から入力される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置であって、
   エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む電極層と、を有し、入力される該運動エネルギーにより変形すると共に変形に応じて電荷を発生する電歪素子と、
   該電極層に電気的に接続され、回路への電流の流入と流出とが繰り返されることにより回路の端子間電圧が上昇していく機能を有する電圧増幅回路と、
   該電圧増幅回路に接続され、発生した電気エネルギーを取り出すための制御部と、
   を備え、
   該電歪素子に初期電圧を印加する電圧供給部を備えないことを特徴とする発電装置。
2. 前記電圧増幅回路は、複数のコンデンサおよび複数のダイオードを有する自己プライミング回路である請求項１に記載の発電装置。
3. 前記制御部は、ツェナーダイオードを有する降圧回路を備える請求項１または請求項２に記載の発電装置。
4. 前記制御部は、発生した前記電気エネルギーを蓄える蓄電部を備える請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発電装置。
5. 前記誘電層の体積抵抗率ρ（Ω・ｃｍ）は、次式（Ｉ）を満たす請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発電装置。
   ρ＞（１／ｌｎ ｇ）Ｔ／ε ・・・（Ｉ）
   ［ｇ：漏れ電荷がないと仮定した状況において電歪素子が伸張、収縮する動作１周期により増加する電圧の比率、Ｔ：電歪素子が伸張、収縮する動作１周期の時間（ｓ）、ε：誘電層の比誘電率］
6. 前記誘電層の比誘電率は、４より大きい請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発電装置。
7. 前記誘電層の、弾性率は２０ＭＰａ以下、切断時伸びは１００％以上、定伸長引張永久ひずみは４０％以下である請求項５または請求項６に記載の発電装置。
8. 前記誘電層の前記エラストマーの種類と前記電極層の前記エラストマーの種類とは異なる請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の発電装置。
9. 前記電歪素子は、前記誘電層および前記電極層の積層方向の外側にエラストマーを含む保護層を有する請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の発電装置。

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