JP6937099B2

JP6937099B2 - 誘電エラストマー発電装置

Info

Publication number: JP6937099B2
Application number: JP2016147115A
Authority: JP
Inventors: 正毅千葉; 美紀夫和氣; 良宜田中; 國美岡本; 直明鶴見
Original assignee: Zeon Corp
Current assignee: Zeon Corp
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: JP2018019490A

Description

本発明は、誘電エラストマー発電装置に関する。

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装置が開示されている。この誘電エラストマー発電装置においては、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。

誘電エラストマー要素を用いた発電は、誘電エラストマー要素の伸長と収縮とからなる１サイクルで行われる。実際の誘電エラストマー発電装置は、周期的な外力によって誘電エラストマー要素を複数サイクルにわたって伸長および収縮させることにより、発電を行う。しかしながら、誘電エラストマー要素を用いた発電の原理から、１サイクルのうち実際に誘電エラストマー要素から電力が出力されるのは、誘電エラストマー要素が収縮する期間に限定され、伸長する期間には電力は出力されない。このため、誘電エラストマー発電装置による発電は、発電期間と非発電期間とが繰り返される、断続的な発電にならざるを得ないという問題がある。

特許第５４７９６５９号公報特許第５５０９３５０号公報

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、非発電期間を縮小することが可能な誘電エラストマー発電装置を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される誘電エラストマー発電装置は、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各々が有する一対の誘電エラストマー発電要素、前記一対の誘電エラストマー発電要素を変形させる外力が入力される入力部、および各々に張力が生じた状態で前記入力部を介して互いの張力が作用し合うように直列に接続された状態に前記一対の誘電エラストマー発電要素を保つ張力維持要素、を含む発電手段と、前記発電手段の前記入力部に接続され且つ外力を伝達する伝達手段と、前記一対の電極層への初期電圧の印加および前記一対の電極層からの出力電力の受電を、前記一対の誘電エラストマー発電要素ごとに行う制御手段と、を備えることを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマー発電要素は、軸方向に互いに離間した小開口部および大開口部を有する錐台筒状とされている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記張力維持要素は、前記一対の誘電エラストマー発電要素の前記大開口部の前記軸方向位置を相対的に固定しており、前記入力部は、前記一対の誘電エラストマー発電要素の前記小開口部に固定されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御手段は、前記各誘電エラストマー発電要素毎に、前記入力部に外力が入力されていない中立状態よりも前記誘電エラストマー層が伸長状態である第１状態において前記一対の電極層に前記初期電圧を印加し、前記誘電エラストマー層が前記第１状態から前記中立状態よりも収縮状態である第２状態に至る間に前記一対の電極層から前記出力電力を受電する。

本発明によれば、非発電期間を縮小することができる。

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。

本発明の第１実施形態に基づく誘電エラストマー発電装置を概略的に示すシステム構成図である。図１の誘電エラストマー発電装置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１の誘電エラストマー発電装置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１の誘電エラストマー発電装置の発電手段を示す斜視図である。図１の誘電エラストマー発電装置を構成する前の状態の誘電エラストマー発電要素を示す平面図である。図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。図１の誘電エラストマー発電装置を示す断面図である。図１の誘電エラストマー発電装置を示す断面図である。図１の誘電エラストマー発電装置による発電を示すグラフである。図１の誘電エラストマー発電装置の発電手段の変形例を示す断面図である。図１の誘電エラストマー発電装置の駆動手段の他の変形例を示す断面図である。

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。

図１〜図８は、本発明の第１実施形態に基づく誘電エラストマー発電装置を示している。本実施形態の誘電エラストマー発電装置Ａ１は、発電手段１、制御手段２および伝達手段３を備えている。誘電エラストマー発電装置Ａ１は、外力発生源４から生じる外力を利用して発電を行う装置である。外力発生源４の具体的構成は特に限定されず、海洋の波に代表される自然エネルギーを発生するものや、人体等の生体エネルギーを発するものを適宜利用することができる。

図１は、誘電エラストマー発電装置Ａ１を概略的に示すシステム構成図である。図２および図３は、誘電エラストマー発電装置Ａ１の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの発電原理を概略的に示す図である。図４は、誘電エラストマー発電装置Ａ１の発電手段１を示す斜視図である。図５は、誘電エラストマー発電装置Ａ１を構成する前の状態の誘電エラストマー発電要素を示す平面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。図７および図８は、誘電エラストマー発電装置Ａ１の発電動作を示す断面図である。

発電手段１は、誘電エラストマー発電装置Ａ１において機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するものである。発電手段１は、誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂ、入力部１５、および張力維持要素１６を備える。なお、図１〜図３では、誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂを模式的に示している。誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、誘電エラストマー層１１１および一対の電極層１１２を有する。

誘電エラストマー層１１１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１１１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。

一対の電極層１１２は、誘電エラストマー層１１１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１１２は、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層１１１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。

誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂ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１１２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１１１の弾性変形が許容されている。

制御手段２は、誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの一対の電極層１１２への初期電圧の印加および一対の電極層１１２からの出力電力の受電を、誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂ毎に行う。このような制御手段２は、たとえば、初期電荷を生じる電源部、出力電力を利用に適した電圧に変圧する等の機能を果たす変電部、電源部および変電部を制御する制御部、を含む。図１に示すように、本実施形態においては、制御手段２は、一対の配線２１ａおよび一対の配線２１ｂを有する。一対の配線２１ａは、誘電エラストマー発電要素１１Ａの一対の電極層１１２に接続されている。一対の配線２１ｂは、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの一対の電極層１１２に接続されている。

図２および図３は、誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂにおける発電の原理を示している。これらの図においては、誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂに共通する発電原理について説明しておりいずれか一方のみに相当する部位が示されている。図２においては、誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂに、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１１Ａ，１１Ｂの誘電エラストマー層１１１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１１１の面積が増大し、厚さが縮小している。一対の電極層１１２は、誘電エラストマー層１１１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１１Ａ，１１Ｂをコンデンサとしてとらえた場合、その静電容量Ｃ１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１１Ａ，１１Ｂに、制御手段２から初期電圧を印加する。具体的には、静電容量Ｃ１の誘電エラストマー発電要素１１Ａ、誘電エラストマー発電要素１１Ｂに電圧Ｖ１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。

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１１Ａ，１１Ｂが縮小した状態を示している。この状態においては、誘電エラストマー層１１１の面積が縮小し、厚さが増大している。一対の電極層１１２は、誘電エラストマー層１１１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１１Ａ，１１Ｂをコンデンサとしてとらえた場合、その静電容量Ｃ２は、上述した静電容量Ｃ１よりも小となっている。しかし、一対の電極層１１２に蓄えられた電荷Ｑは、一定である。このため、電圧Ｖ２と電圧Ｖ１との比は、静電容量Ｃ２と静電容量Ｃ１との比と、反比例の関係にある。したがって、一対の電極層１１２間の電圧Ｖ２は、上述した電圧Ｖ１よりも大となる。この状態で、一対の配線２１ａ，２１ｂを介して一対の電極層１１２からの出力電力を制御手段２によって出力電流Ｉｗとして受電する。これにより、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。これが、誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂにおける発電である。

図４は、本実施形態の発電手段１を、より具体的に示す斜視図である。図示された誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、軸方向に互いに離間した小開口部１２および大開口部１３を有する錐台筒状とされている。

図５および図６は、誘電エラストマー発電装置Ａ１（発電手段１）が構築される前の状態の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂを示している。これらの図に示すように、構築前の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、平板上の円環形状である。このような誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂが、図６における上下方向に引っ張られることにより、上述した錐台筒状とされている。このため、誘電エラストマー発電装置Ａ１（発電手段１）が構築された後の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、入力部１５に外力が入力されていない中立状態において、張力が生じた状態に維持されている。

一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、互いの軸方向が一致し且つ互いの小開口部１２部が対向する配置とされている。入力部１５は、伝達手段３が接続される部位である。本実施形態においては、入力部１５は、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの小開口部１２の間に配置されており、これらの小開口部１２に対して固定されている。

張力維持要素１６は、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの大開口部１３の軸方向における相対位置を固定することにより、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂに張力が生じた状態を維持するためのものである。図示された例においては、張力維持要素１６は、たとえば２つのリング１６１および複数のロッド１６２を有する。２つのリング１６１は、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの大開口部１３にそれぞれ固定されている。複数のロッド１６２は、２つのリング１６１の軸方向位置を相対的に固定するためのものであり、各々の両端部分が２つのリング１６１に対して固定されている。

本実施形態においては、張力維持要素１６によって固定された一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの大開口部１３の距離は、自然状態の２つの誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの軸方向寸法よりも大であるように設定されている。このため、２つの誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、軸方向において互いに引っ張り合う関係となっており、それぞれが弾性力を発揮した状態におかれている。言い換えると、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、互いの張力が作用し合うように入力部１５を介して直列に接続されている。

伝達手段３は、外力発生源４の外力を発電手段１に伝達するためのものである。このような伝達手段３としては、駆動力を伝達しうる様々な部材や機構を有するものを種々に採用することができる。

本実施形態においては、外力発生源４からの外力を伝達しうる構成として、ロッド３１を有する伝達手段３を例示している。ロッド３１は、長手方向に沿った引張力および圧縮力の双方を伝達しうる部材であり、誘電エラストマー層１１１と比べて剛体として扱いうる金属、樹脂等の材質からなる。ロッド３１は、発電手段１の入力部１５にその一端が接続され、外力発生源４に他端が接続されている。なお、本実施形態においては、発電手段１が１つのみの入力部１５を有する構成であることから、伝達手段３は、１つ以上のロッド３１を備える構成であればよい。

次に、図７および図８を参照して、誘電エラストマー発電装置Ａ１の動作について説明する。

図７においては、外力発生源４の外力が引張力として伝達手段３を介して入力部１５に入力されている。これにより、入力部１５が中立状態から寸法Ｓ１だけ図中軸方向上方に移動している。すなわち、誘電エラストマー発電要素１１Ａは、中立状態から寸法Ｓ１だけ図中軸方向に伸長している。この状態が、誘電エラストマー発電要素１１Ａの第１状態Ｓａ１である。一方、誘電エラストマー発電要素１１Ｂは、中立状態から寸法Ｓ１だけ図中軸方向に収縮している。この状態が、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの第２状態Ｓｂ２である。

なお、本実施形態においては、制御手段２が、位置センサ２２ａおよび位置センサ２２ｂを有する。位置センサ２２ａおよび位置センサ２２ｂは、入力部１５の位置を検出するセンサである。位置センサ２２ａおよび位置センサ２２ｂは、入力部１５が予め設定された軸方向における所定位置に存在することを検出するものでもよいし、入力部１５の軸方向位置を連続的に検出可能なものであってもよい。図７においては、位置センサ２２ｂによって、入力部１５が、軸方向上方に寸法Ｓ１だけ移動したことが検出された状態を示している。

図示された状態において、制御手段２は、第１状態Ｓａ１とされた誘電エラストマー発電要素１１Ａに初期電圧として電圧Ｖｑａを印加する。すなわち、配線２１ａに電流Ｉｑａが流れる。なお、図中において電流Ｉｑａを示す矢印は、電流Ｉｑａの厳密な向きを示すものではなく、制御手段２から誘電エラストマー発電要素１１Ａへと電流Ｉｑａが流れることを概念的に示したものである。

図８において、外力発生源４の外力が圧縮力として伝達手段３を介して入力部１５に入力されている。これにより、入力部１５は、中立状態から寸法Ｓ１だけ図中軸方向下方に移動している。すなわち、誘電エラストマー発電要素１１Ａは、中立状態から寸法Ｓ１だけ図中軸方向に収縮している。この状態が、誘電エラストマー発電要素１１Ａの第２状態Ｓａ２である。一方、誘電エラストマー発電要素１１Ｂは、中立状態から寸法Ｓ１だけ図中軸方向に伸長している。この状態が、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの第１状態Ｓｂ１である。なお、図８においては、位置センサ２２ａによって、入力部１５が、軸方向下方に寸法Ｓ１だけ移動したことが検出された状態を示している。第２状態Ｓａ２とされた誘電エラストマー発電要素１１Ａの電圧は、電圧Ｖｑｂに増大する。

図示された状態において、制御手段２は、第２状態Ｓａ２とされた誘電エラストマー発電要素１１Ａから出力電力を受電する。すなわち、配線２１ａに電流Ｉｗａが流れる。なお、図中において電流Ｉｗａを示す矢印は、電流Ｉｗａの厳密な向きを示すものではなく、誘電エラストマー発電要素１１Ａから制御手段２へと電流Ｉｗａが流れることを概念的に示したものである。

図７および図８に示す誘電エラストマー発電要素１１Ａの第１状態Ｓａ１および第２状態Ｓｂ２からなる１サイクルにおいて、初期電圧の印加と出力電力の受電とを行うことにより、制御手段２は、初期電圧の印加に要する電力を上回る出力電力を得る。制御手段２は、必要に応じた変電処理を行うことにより、使用に適した電圧等に変換された電力を提供する。外力発生源４が周期的な外力を発生する場合、図７に示す状態と図８に示す状態とが、所定の周期で繰り返される。

一方、誘電エラストマー発電要素１１Ｂは、図８において、第１状態Ｓｂ１をとっている。制御手段２は、誘電エラストマー発電要素１１Ｂに初期電圧として電圧Ｖｑｂを印加することにより、配線２１ｂに電流Ｉｑｂを流す。引き続いて、図７に示すように誘電エラストマー発電要素１１Ｂが第２状態Ｓｂ２状態をとると、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの電圧は、電圧Ｖｑｂに増大する。これにより、制御手段２は、配線２１ｂを介して誘電エラストマー発電要素１１Ｂから電流Ｉｗｂを受ける。これにより、制御手段２は、誘電エラストマー発電要素１１Ｂから出力電力を受電する。図８および図７に示す誘電エラストマー発電要素１１Ｂの第１状態Ｓｂ１および第２状態Ｓｂ２の１サイクルにおいて、初期電圧の印加と出力電力の受電とを行うことにより、制御手段２は、初期電圧の印加に要する電力を上回る出力電力を得る。

図９は、誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂの状態と電圧Ｖｑａ，Ｖｗａおよび電圧Ｖｑｂ，Ｖｗｂとの関係を示している。

図中最上段のグラフは、誘電エラストマー発電要素１１Ａと電圧Ｖｑａ，Ｖｗａとの関係を示している。誘電エラストマー発電要素１１Ａが、第１状態Ｓａ１をとった際に上述した初期電圧として電圧Ｖｑａの印加がなされる。これに続いて、誘電エラストマー発電要素１１Ａの収縮が開始され、第２状態Ｓａ２へと変化し始める。誘電エラストマー発電要素１１Ａが第１状態Ｓａ１から収縮し始めると、制御手段２は、誘電エラストマー発電要素１１Ａの電圧が電圧Ｖｗａに増大し、出力電力の受電が可能となる。図示された例においては、第１状態Ｓａ１において初期電圧の印加が完了した直後に、出力電力の受電を開始する例を示している。このため、第１状態Ｓａ１の直後から第２状態Ｓａ２に至るまでの間に、電圧Ｖｑａと電圧Ｖｗａとの差が増大している。なお、図示されたグラフの形状は、電圧Ｖｑａと電圧Ｖｗａとの差が０よりも大きい値をとっていることを概念的に示しており、厳密な電圧波形を表すものではない。

一方、第２状態Ｓａ２から第１状態Ｓａ１の期間においては、出力電力は、０である。この期間においては、誘電エラストマー発電要素１１Ａが伸長させられており、外力が機械的エネルギーとなって誘電エラストマー発電要素１１Ａの誘電エラストマー層１１１に蓄積されている。このように、誘電エラストマー発電要素１１Ａにおいては、第１状態Ｓａ１から第２状態Ｓａ２の期間において、発電が可能である。すなわち、電圧Ｖｑａよりも電圧Ｖｗａが大となる発電期間と機械的エネルギーを蓄積する非発電期間とが交互に到来する。

図中中段のグラフは、誘電エラストマー発電要素１１Ｂと電圧Ｖｑｂ，Ｖｗｂとの関係を示している。誘電エラストマー発電要素１１Ｂが、第１状態Ｓｂ１をとった際に上述した初期電圧として電圧Ｖｑｂの印加がなされる。これに続いて、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの収縮が開始され、第２状態Ｓｂ２へと変化し始める。誘電エラストマー発電要素１１Ｂが第１状態Ｓｂ１から収縮し始めると、制御手段２は、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの電圧が電圧Ｖｗｂに増大し、出力電力の受電が可能となる。図示された例においては、第１状態Ｓｂ１において初期電圧の印加が完了した直後に、出力電力の受電を開始する例を示している。このため、第１状態Ｓｂ１の直後から第２状態Ｓｂ２に至るまでの間に、電圧Ｖｑｂと電圧Ｖｗｂとの差が増大している。なお、図示されたグラフの形状は、電圧Ｖｑｂと電圧Ｖｗｂとの差が０よりも大きい値をとっていることを概念的に示しており、厳密な電圧波形を表すものではない。

一方、第２状態Ｓｂ２から第１状態Ｓｂ１の期間においては、出力電力は、０である。この期間においては、誘電エラストマー発電要素１１Ｂが伸長させられており、外力が機械的エネルギーとなって誘電エラストマー発電要素１１Ｂの誘電エラストマー層１１１に蓄積されている。このように、誘電エラストマー発電要素１１Ｂにおいては、第１状態Ｓｂ１から第２状態Ｓｂ２の期間において、発電が可能である。すなわち、電圧Ｖｑｂよりも電圧Ｖｗｂが大となる発電期間と機械的エネルギーを蓄積する非発電期間とが交互に到来する。

図中最下段のグラフは、誘電エラストマー発電要素１１Ａによる出力電圧と誘電エラストマー発電要素１１Ｂによる出力電圧とを重ねあわしたものである。図７および図８から理解されるように、誘電エラストマー発電要素１１Ａの第１状態Ｓａ１および第２状態Ｓａ２と、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの第１状態Ｓｂ１および第２状態Ｓｂ２とは、互いに交互に生じる。このため、電圧Ｖｑａおよび電圧Ｖｗａの差の波形と電圧Ｖｑｂおよび電圧Ｖｗｂの差の波形とは、外力発生源４の外力発生周期（波長）を基準として、互いに半波長ずれた関係となっている。

次に、誘電エラストマー発電装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、図９に示すように、誘電エラストマー発電要素１１Ａによる発電期間と誘電エラストマー発電要素１１Ｂによる発電期間とを重ねあわせた発電手段１の発電期間の時間占有率は、誘電エラストマー発電要素１１Ａによる発電期間の単独の時間占有率および誘電エラストマー発電要素１１Ｂの単独の発電期間の単独の時間占有率のそれぞれよりも長いものとなっている。このため、たとえば、誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂの一方のみを利用して発電を行う構成と比較して、誘電エラストマー発電装置Ａ１の非発電期間を縮小することができる。

特に、第１状態Ｓａ１および第１状態Ｓｂ１の直後から出力電力の受電を開始することにより、誘電エラストマー発電要素１１Ａの発電期間と誘電エラストマー発電要素１１Ｂの発電期間とをほとんど連続して設定することが可能である。これは、誘電エラストマー発電装置Ａ１の非発電期間の縮小に好適である。なお、誘電エラストマー発電装置Ａ１は、第１状態Ｓａ１および第１状態Ｓｂ１の直後から出力電力の受電を開始する構成に限定されるものではない。第１状態Ｓａ１および第１状態Ｓｂ１から第２状態Ｓａ２およびＳｂ２に向かう収縮期間のいずれの時点であっても、制御手段２は、出力電力を受電することが可能である。

発電手段１は、張力維持要素１６によって一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂに張力が生じた状態が維持されている。このため、伝達手段３によって引張力または圧縮力が伝達されても、誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂは、依然として自然状態よりも伸長された状態を維持している。すなわち、誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂが自然状態よりも収縮する方向の外力を受けることにより、誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂが弛んでしまうことを回避することが可能である。これは、誘電エラストマー発電装置Ａ１の誘電エラストマー発電要素１１Ａおよび誘電エラストマー発電要素１１Ｂが、発電に寄与しない動作を行うことを除外するのに適している。

図１０および図１１は、本発明の変形例を示している。なお、これらの図において、上述した例と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図１０は、発電手段１の変形例を示している。本変形例においては、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、互いの軸方向が一致し且つ互いの大開口部１３部が対向する配置とされている。そして、入力部１５は、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの大開口部１３の間に配置されており、これらの大開口部１３に対して固定されている。また、本変形例においては、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの小開口部１２の軸方向における相対位置が、張力維持要素１６によって固定されている。このような変形例によっても、誘電エラストマー発電装置Ａ１の非発電期間を縮小することができる。

図１１は、発電手段１の他の変形例および伝達手段３の変形例を示している。本変形例においては、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂの各々が、図中上下方向に延びる軸を中心として巻き取られた形態とされている。図中上方の誘電エラストマー発電要素１１Ｂの下端と図中下方の誘電エラストマー発電要素１１Ａの上端とが、入力部１５に固定されている。また、誘電エラストマー発電要素１１Ｂの上端と誘電エラストマー発電要素１１Ａの下端とが、張力維持要素１６に固定されている。本変形例においても、一対の誘電エラストマー発電要素１１Ａ，１１Ｂは、中立状態において張力維持要素１６によって図中上下方向に引っ張られた状態で拘束されている。

また、本変形例の伝達手段３は、一対のワイヤ３２および複数のプーリー３３を有する。一対のワイヤ３２は、各々が引張力を伝達する一方圧縮力をほとんど伝達しない。外力発生源４の周期的な外力によって、一方のワイヤ３２が引張力を伝達する期間と他方のワイヤ３２が引張力を伝達する期間とは、交互に発生する。一対のワイヤ３２は、入力部１５に対して図中上下から接続されている。入力部１５に対して図中下方に接続されたワイヤ３２は、複数のプーリー３３に掛け回されて、図中上方へと向かっている。

このような変形例によっても、誘電エラストマー発電装置Ａ１の非発電期間を縮小することができる。

本発明に係る誘電エラストマー発電装置は、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装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

伝達手段３は、外力発生源４の外力を単に伝達する構成に限定されず、外力発生源４の外力を、発電に適した往復動に変換する機構を有するものであってもよい。

Ａ１：誘電エラストマー発電装置
１：発電手段
２：制御手段
３：伝達手段
４：外力発生源
１１Ａ，１１Ｂ：誘電エラストマー発電要素
１２：小開口部
１３：大開口部
１５：入力部
１６：張力維持要素
２１ａ，２１ｂ：配線
２２ａ，２２ｂ：位置センサ
３１：ロッド
３２：ワイヤ
３３：プーリー
１１１：誘電エラストマー層
１１２：電極層
１６１：リング
１６２：ロッド
Ｃ１，Ｃ２：静電容量
Ｉｑａ，Ｉｑｂ，Ｉａ，Ｉｗｂ：電流
Ｖｑａ，Ｖｑｂ，Ｖｗａ，Ｖｗｂ：電圧
Ｑ：電荷
Ｓ１：寸法
Ｓａ１，Ｓｂ１：第１状態
Ｓａ２，Ｓｂ２：第２状態
Ｖ１，Ｖ２：電圧

Claims

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各々が有する一対の誘電エラストマー発電要素、前記一対の誘電エラストマー発電要素を変形させる外力が入力される入力部、および各々に張力が生じた状態で前記入力部を介して互いの張力が作用し合うように直列に接続された状態に前記一対の誘電エラストマー発電要素を保つ張力維持要素、を含む発電手段と、
前記発電手段の前記入力部に接続され且つ外力を伝達する伝達手段と、
前記一対の誘電エラストマー発電要素の一方と他方とのそれぞれが個別に電気接続されており、前記一対の電極層への初期電圧の印加および前記一対の電極層からの出力電力の受電を、前記一対の誘電エラストマー発電要素ごとに行う制御手段と、
を備え、
前記入力部に周期的な外力が入力された場合に、上記一対の誘電エラストマー発電要素の各々において発電期間と非発電期間とが繰り返され、且つ一方の上記誘電エラストマー発電要素の発電期間と他方の上記誘電エラストマー発電要素の非発電期間とが一致するとともに、一方の上記誘電エラストマー発電要素の非発電期間と他方の上記誘電エラストマー発電要素の発電期間とが一致し、
上記制御手段は、上記一対の誘電エラストマー発電要素の各々の発電期間に受電することを特徴とする、誘電エラストマー発電装置。
前記誘電エラストマー発電要素は、軸方向に互いに離間した小開口部および大開口部を有する錐台筒状とされている、請求項１に記載の誘電エラストマー発電装置。
前記張力維持要素は、前記一対の誘電エラストマー発電要素の前記大開口部の前記軸方向位置を相対的に固定しており、
前記入力部は、前記一対の誘電エラストマー発電要素の前記小開口部に固定されている、請求項２に記載の誘電エラストマー発電装置。
前記制御手段は、前記誘電エラストマー発電要素ごとに、前記入力部に外力が入力されていない中立状態よりも前記誘電エラストマー層が伸長状態である第１状態において前記一対の電極層に前記初期電圧を印加し、前記誘電エラストマー層が前記第１状態から前記中立状態よりも収縮状態である第２状態に至る間に前記一対の電極層から前記出力電力を受電する、請求項１ないし３のいずれかに記載の誘電エラストマー発電装置。