JP6622078B2 - 発電装置 - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
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(Rs)と、漏れ電荷を表わす電極間抵抗(Rp)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(Rp)を、可変抵抗62は電極層の抵抗(Rs)を示している。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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、Cmin=20nF、γ=3、T=0.5sとした。その結果、Rp=∞、400MΩの場合には電圧は上昇したが、Rp=100MΩの場合には電圧は上昇しなかった。
(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。
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。
Claims (7)
- 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、前記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、入力される前記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、
前記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、
前記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、
前記誘電層の前記エラストマーの種類は、前記電極層の前記エラストマーの種類と異なり、異なるエラストマーが積層されることにより発生する電荷と、前記電歪素子が変形する際の摩擦により発生する電荷と、を初期電圧に利用することにより、前記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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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] - 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5のいずれかに記載の発電装置。
- 前記保護層の前記エラストマーの種類は、隣接する前記電極層の前記エラストマーの種類と異なる請求項6に記載の発電装置。
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