TW201310886A - 電活性聚合物功率轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

提供一種功率轉換裝置，其係用以將來自機械能源的功率轉換為電能。此功率轉換裝置包含一傳感器，此傳感器包含由可伸展之電活性聚合物材料所製得的介電彈性體模組。該介電彈性體模組包含置於至少第一與第二電極之間的至少一介電彈性體薄膜。耦合至機械能源的一傳動耦合機構係以可操作方式連接至該傳感器，以週期性地伸張與鬆弛該傳感器而回應作用於該傳動耦合機構上的機械能。一調節電路係耦合至該至少第一與第二電極，並用以在該介電彈性體薄膜為應變態時施加電荷至該介電彈性體薄膜且在該介電彈性體薄膜自應變態轉變為鬆弛態時自介電彈性體薄膜分離，並用以在該介電彈性體薄膜到達鬆弛態時自該介電彈性體薄膜移除電荷。

Description

電活性聚合物功率轉換裝置
在不同的實施例中，本發明大致上係關於功率轉換裝置。在一態樣中，本發明係關於用以將機械能轉換為電能的裝置。尤其，本發明係關於以有效方式將機械能轉換為電能的多相配置型電活性聚合物陣列。更尤其，本發明係關於功率轉換與功率擷取電路以及用以將機械能轉換為電能之電活性聚合物陣列的技術。
【相關的申請案】
依據35 USC § 119(e)本案主張下列案件為優先權母案：2011年3月9日申請、案號為61/450,756且標題為“SIMPLIFIED EPAM ENERGY HARVESTING CIRCUIT WITH OVERVOLTAGE PROTECTION”的美國臨時申請案；2011年3月9日申請、案號為61/450,758且標題為“EPAM GENERATOR ARRAYS TO IMPROVE MECHANICAL-TO-ELECTRICAL CONVERSION”的美國臨時申請案；2011年3月9日申請、案號為61/450,762且標題為“HIGH EFFICIENCY ENERGY TRANSFER CIRCUIT FOR EPAM GENERATORS”的美國臨時申請案；2011年3月9日申請、案號為61/450,764且標題為“EPAM ENERGY HARVESTING CONTROL UTILIZING MICROCONTROLLER ELECTRONICS”的美國臨時申請案；2011年5月26日申請、案號為 61/490,418且標題為“DIELECTRIC ELASTOMER GENERATORS”的美國臨時申請案；及2011年10月10日申請、案號為61/545,295且標題為“COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED,RIGID,INSULATOR COVERED WITH THIN,SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS,AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS INCORPORATING SUCH ELECTRODES,”的美國臨時申請案。將上述申請案的所有內容包含於此作為參考。
SRI International of Menlo Park,CA(SRI)已研究將電活性聚合物用於能量生成約十年且發表了大量以電活性聚合物能量生成作為主題的期刊論文以及論文。來自SRI的能量生成拓樸學實例包含：單一電活性聚合物之薄膜的實驗室測試、足根碰撞發電機、小水輪驅動發電機及六呎波槽驅動速板發電機。然而迄今為止，所產生的功率位準卻還不是很多(少於50瓦)且看起來SRI大部分的努力都致力於其足根碰撞發電機或由海浪為航行浮標提供動力而產生能量的浮標發電機。
一般而言，電活性聚合物功率轉換裝置如能量生成裝置例如輪轉發電機需要高位準的反應性機械能來產生電能。單一的電活性聚合物能量生成裝置僅可將15%的機械能轉換為電能。根據報導，SRI已經發展出能將 轉換效率提升至約30%的雙相系統。然而，此類系統無法充分地獲得大於80%的總系統效率。
又，電活性聚合物通常需要高壓電子裝置來發電。對於某些應用而言，簡單是很重要的但卻不能以可靠度為代價。通常需要簡單、高壓的電路來提供功能與保護。基本的電活性聚合物能量生成裝置電路係由下列者所組成：能壓起動源、連接二極體、電活性聚合物能量生成裝置、第二連接二極體及高壓集極源。然而，此類電路無法有效地在每一循環中捕捉到足夠根據本發明之電活性聚合物能量生成裝置所需的功率，且其需要相對較高的電壓起動源。
又，電活性聚合物功率擷取發電機可能具有高電阻。這通常是因為機械順應性這種額外的電極需求。電極在經歷循環應變時必須要保持其導電率。因此，設計電極時必須要在導電率與順應性之間取捨。高度導電性的電極如銀是非常硬且不怎麼能夠作機械運動。較差的導電電極如預印刷過的導電墨水例如是順應性的且能夠作機械運動，但電阻較大因而導致對電活性聚合物發電機充、放電時的電損失。簡單的電活性聚合物發電機電子裝置可藉著操作在低電極電流的方式來最小化電極損失。此類簡單的電活性聚合物電路雖然是針對高電極阻值所設計，但卻無法最佳化整體的機械轉換電的轉換能力，且相較於最佳化的轉換電子裝置(通常簡單的電子裝置的比功率密度為0.04-0.06焦耳/克，複雜 的電子裝置的比功率密度為0.4-0.6焦耳/克)其會導致遠遠過低的比功率密度。
又，為了最大化電活性聚合物型發電機中的功率密度，必須要使用複雜的控制電子裝置。複雜的控制可能可以改善電活性聚合物能量生成裝置的功率密度超過一個次方。然而目前，未見有電活性聚合物能量生成裝置之複雜控制的實例發表於世。
波浪能與風能為可恢復的功率源，每年能夠輸出數千的百萬瓦-小時的電力。即便只是擷取此功率的小部分便可提供極可觀的能源。新的概念如使用電活性聚合物系的能量生成裝置可幫助解決許多此類的挑戰。
本發明提供使用電活性聚合物的較佳功率轉換裝置。本發明較佳之電活性聚合物系的功率轉換裝置的各種實施例，其相較於傳統技術在目標成本、效率、可靠度及效能上都有較佳的表現。
在一實施例中，本發明提供一種電活性聚合物系的功率轉換裝置。在一實施例中，一種功率轉換裝置係用以將來自機械能源的功率轉換為電能。此功率轉換裝置包含一傳感器，此傳感器包含由可伸展之電活性聚合物材料所製得的介電彈性體模組。該介電彈性體模組包含置於至少第一與第二電極之間的至少一介電彈性體薄膜。耦合至機械能源的一傳動耦合機構係以可操作方式 連接至該傳感器，以週期性地伸張與鬆弛該傳感器而回應作用於該傳動耦合機構上的機械能。一調節電路係耦合至該至少第一與第二電極，並用以在該介電彈性體薄膜為應變態時施加電荷至該介電彈性體薄膜且在該介電彈性體薄膜自應變態轉變為鬆弛態時自介電彈性體薄膜分離，並用以在該介電彈性體薄膜到達鬆弛態時自該介電彈性體薄膜移除電荷。
在解釋用以將機械能轉換為電能之電活性聚合物系功率轉換裝置以及電活性聚合物系陣列的實例之前，應注意，本文所揭露的實施例並未限制於特定的應用或隨附圖示及說明中所示的結構細節與元件配置。所揭露的實施例可在其他實施、變化與修改例中實施或與其結合，以可以各種方式施行之。又，除非另外指出，否則本文中所用的詞語及表達方式係針對以說明方式敘述實施例並方便讀者瞭解的目的所選擇，其意不在將任何實施例限制至本文中所揭露的特定實施例。又，應瞭解，任何一或多個所揭露的實施例、實施例的表達方式及實例皆可與其他實施例、實施例的表達方式、實例中的一或多者任意結合。因此，在一實施例中所揭露的元件與另一實施例中所揭露的元件的組合可被視為是落在本發明以及隨附之申請專利範圍的範疇中。
在不同的實施例中，本發明提供一種電活性聚合物 系功率轉換裝置，其可被用來以雙向方式轉換電能與機械能。應瞭解，「電活性聚合物」、「電彈性體」及/或「彈性體介電元件」等詞語可在本發明中互換使用。在一實施例中，本發明提供一種具有一或多個傳感器的能量生成裝置，此傳感器使用電活性聚合物薄膜將機械能轉換為電能。在另一實施例中，本發明提供傳感器的陣列，此傳感器使用多相配置中的電活性聚合物薄膜以有效率的方式將機械能轉換為電能。更在其他實施例中，本發明提供功率轉換與功率擷取電路以及使用電活性聚合物薄膜陣列將機械能轉換為電能的傳感器的技術。下面將說明及敘述此些與其他特定的實施例。
本發明提供具有一或多個使用電活性聚合物薄膜將機械能轉換為電能之傳感器的能量生成裝置的實施例，以及用以更有效率地將機械能轉換為電能的電路技術。在一實施例中，能量生成裝置模組包含具有整合型介電彈性體元件之電活性聚合物傳感器，此整合型介電彈性體元件可自Artificial Muscle,Inc.(AMI)of Sunnyvale,CA所購得。在本文中此類能量生成裝置可被稱為電活性聚合物能量生成裝置模組。此類電活性聚合物能量生成裝置模組具有適合用以施行功率轉換技術(包含例如機械能轉換為電能)的特性。此類電活性聚合物能量生成裝置模組包含一可伸展的彈性材料且具有夾置在兩電極層之間的介電彈性體薄膜。施加機械力應變(伸展)電活性聚合物能量生成裝置模組會改變電極 間之介電彈性體薄膜的電容。施加至經應變之薄膜上的種子電荷會上升至較高的薄膜電壓，然後當電活性聚合物能量生成裝置模組鬆弛時可擷取此較高的薄膜電壓。適合用於直接驅動應用的電活性聚合物能量生成裝置模組具有較高的規模可塑性、可靠且有效率。
除了提供電活性聚合物能量生成裝置的各種實施例外，在不同的態樣中，本發明亦提供調節電子裝置的邏輯與電路，以及可與電活性聚合物能量生成裝置模組一起使用而增加能量生成裝置效率的技術。下面將會分別敘述此些技術的每一者。
能量生成裝置可包含一或多個的傳動機構，傳動機構耦合至機械能源且轉換一部分機械能以驅動能量生成裝置之一或多個傳感器部。傳感器將機械能轉換電能並與調節電子裝置一起電耦合至能量生成裝置。常見的機械能源尤其包含例如靜止或移動中的水、潮汐、波浪、風、太陽能、地熱。
使用電活性聚合物自機械能產生電能的基本機制為：介電彈性體週期性地伸展與收縮而回應機械能時介電彈性體所經歷的電容變化。欲成為有實義的電能發電機，電活性聚合物能量生成裝置自鬆弛收縮態至伸展態應該要經歷至少3倍至4倍的電容變化。對適合之電活性聚合物能量生成裝置之效能、效率與可靠度有影響的因素包含：介電材料、電極、機械配置、電子裝置及功率密度與效率。
電活性聚合物功率轉換裝置
圖1為可被用來自機械能源102擷取電能之功率轉換裝置100(能量生成裝置100)的方塊圖。藉由一或多個傳動耦合機構104可以某種方式將機械能源102輸入至能量生成裝置100中。接著，藉著使用電活性聚合物106的一或多個傳感器及調節電子裝置108可將機械能轉換為電能。又，一部分的機械能會被用來施行額外的機械功。調節電子裝置108可將擷取到的電能110傳輸至電能輸出。在某些實施例中，可反向操作能量生成裝置100，以將電能施加至電活性聚合物傳感器106後施行機械功。
可自許多功率源來提供用以產生電能的機械能。例如，可自環境源來擷取機械能源102，尤其例如靜止或移動中的水、潮汐、波浪、風、太陽能、地熱。藉由工作流體如水或空氣可將環境能源傳輸至傳感器106，以產生機械功或機械能。利用本發明之一或多個電活性聚合物傳感器106將機械能轉換為電能110，可擷取機械能。能量生成裝置100之工作流體及其他元件的選擇會取決於能量生成裝置100的一或多個操作與設計參數，例如能量生成裝置的操作環境(例如，商業區、住宅區、土地、海洋、可攜式、非可攜式等)、能量生成裝置的尺寸、成本要求、耐受性要求、效率要求、功率源的溫度及功率輸出要求。
在一實施例中，驅動能量生成裝置100的機械能可 自靜止或移動中的水所獲得，如在水力發電廠中水產生機械能，然後機械能被轉換為電能。此類機械能源102的主要元件包含：水壩、水庫、水門、傳動耦合機構104、一或多個電活性聚合物傳感器106、調節電子裝置108、變壓器及管線。水壩是一種能有效擷取機械能(水的勢能及動能)的系統。其可被建造在水體如河流的上方，產生自然的位準差。機械能亦可自移動的水所獲得，例如磨坊所用者。
在另一實施例中，驅動能量生成裝置100的機械能可自潮汐所獲得。海洋的潮汐會產生兩種不同類型的功率：熱能(或從太陽的熱度所獲得)及機械能(藉由波浪與潮汐的移動)。機械能是利用潮汐的移動所獲得。潮汐機械能源102的元件包含：捕獲機械能的機構、傳動耦合機構104、一或多個電活性聚合物傳感器106及調節電子裝置108，以將機械能轉換為電能。這可以例如藉由使用浮標、功率堰壩及水車所達成。
在另一實施例中，驅動能量生成裝置100的機械能可自風車或風力渦輪所獲得。風車與風力渦輪使用可再生的風能來產生機械能。風車是在下列原理下工作：將旋轉葉片所產生的動能轉換為轉動機械能。傳動耦合機構104將轉動機械能耦合至一或多個電活性聚合物傳感器106及調節電子裝置108以將機械能轉換為電能。風車常常安裝在風速範圍介於每小時5至15.5哩的山上與海邊。根據本發明的能量生成裝置100使用一或多 個電活性聚合物傳感器106及調節電子裝置108來利用風力產生電力。有兩種風力渦輪：垂直軸風力渦輪及水平軸風力渦輪。
應瞭解，機械能源之實例的上述說明並非是排他性的，因此亦可使用其他能源如熱能源來驅動一或多個電活性聚合物傳感器106及調節電子裝置108以產生電能。熱能可自各種加熱源所產生，例如太陽能、地熱、內燃燒、外燃燒或廢熱。可將熱能轉換為機械能，俾使機械能被用來驅動位於能量生成裝置100內的一或多個傳感器106。
圖2顯示使用包含了某類型之電活性聚合物薄膜之功率轉換裝置的功率轉換週期200。垂直軸代表和E2呈比例的電場而水平軸代表應變。當功率轉換裝置被當作是機械轉換電之能量生成裝置來操作時，機械能被轉換為電能。一般而言，機械能被用來以某些方式偏移或伸展電活性聚合物薄膜。本發明的功率轉換裝置亦可被用來施行機械功。在此情況下，電能可被用來偏移電活性聚合物薄膜。在偏移程序中由電活性聚合物薄膜所施行的機械功可被用來進行機械程序。為了在較長的時間期間內產生電能或施行熱功，電活性聚合物薄膜可在許多週期間伸展與鬆弛。
在圖2中，顯示了電活性聚合物薄膜伸展與鬆弛以將機械能轉換為電能的週期200。週期只是為了說明的目的。本發明的功率轉換裝置可進行許多不同類型的週 期，且功率轉換裝置並不限於圖2中所示的週期。在202中，電活性聚合物薄膜伸展且零電場壓力施加至聚合物上。此伸展係由外部功率源輸入至功率轉換裝置而產生機械力施加至薄膜上所致。例如，機械程序可用來偏移電活性薄膜。在204中，聚合物薄膜上電場壓力係增加至某個最大值。後面會參考圖8、18與19來說明施行此功能所需的調節電子裝置。在此實例中，電場壓力的最大值剛好低於電活性聚合物的電崩潰強度。電崩潰強度可隨著時間以一速率改變，此速率係取決於下列因素(但不限於下列因素)：1)功率轉換裝置的使用環境；2)功率轉換裝置的操作歷史，以及在功率轉換裝置中所使用的聚合物種類。
在206中，當電場壓力維持在接近其最大值時，電活性聚合物鬆弛。鬆弛程序可對應至允許電活性薄膜鬆弛之電活性聚合物彈性回復特性。當電活性聚合物鬆弛時，電活性聚合物薄膜上的電荷電壓會增加。在電活性聚合物薄膜上電荷電力的增加(由其較高的電壓所示)會被擷取而產生電能。在208中，當電場壓力下降至零時，電活性聚合物薄膜完全鬆弛，然後可重覆下一週期。例如，當使用轉動機械力與凸輪機構來伸展與鬆弛電活性聚合物薄膜時，可開始週期。
在本發明之裝置中電能與機械能間的轉換係基於電活性聚合物(如電活性聚合物介電彈性體)之一或多個活性區域的功率轉換。當電能致動電活性聚合物時會造 成電活性聚合物偏移。為了協助說明電活性聚合物將電能轉換為機械能，圖3A顯示了根據一實施例之傳感器部300的透視圖。傳感器部300包含用以進行電能與機械能間之轉換的一電活性聚合物302。在一實施例中，電活性聚合物代表能在兩電極間作為絕緣介電材料且可在電壓差施加於兩電極間時產生偏移的聚合物。上與下電極304與306係分別連接至電活性聚合物302的上與下表面，以提供橫跨聚合物302之一部分的電壓差。聚合物302會隨著上與下電極304與306所提供的電場變化而進行偏移。傳感器部300回應電極304與306所提供的電場變化而產生的偏移係被稱為致動。當聚合物302的尺寸改變時，可利用偏移來產生機械功。
圖3B顯示了回應電場變化而偏移之傳感器部300的上透視圖。一般而言，偏移代表聚合物302之一部分的任何位移、擴張、收縮、扭轉、線性或區域應變、或任何其他變形。對應至施加至電極304與306或由電極304與306所施加之電壓差的電場變化會在聚合物302內產生機械壓力。在此情況下，電極304與306所產生的不相同電荷會彼此吸引並在電極304與306間提供壓縮力並在平面方向308、310上對聚合物302提供擴張力，使得電極304、306間的聚合物302壓縮並在平面方向308、310上伸展。
在某些情況下，相對於聚合物的總面積，電極304與306覆蓋聚合物302的有限部分。這可用來避免聚合 物302邊緣附近的電崩潰或在聚合物之一或多個部分中達到客製化的偏移。在本發明的文義下，活性區域被界定為包含聚合物材料302與至少兩電極的傳感器部分。當使用活性區域將電能轉換為機械能時，活性區域包含具有充分靜電力致使此部分偏移的聚合物302部分。當使用活性區域將機械能轉換為電能時，活性區域包含具有充分偏移致使靜電能改變的聚合物302部分。如下所將討論，本發明的聚合物可具有複數活性區域。在某些情況下，在偏移期間可使活性區域外的聚合物302材料以外部彈簧力的方式作用於活性區域上。更具體而言，活性區域外的聚合物材料可藉由其收縮或擴張而阻抗或增強活性區域的偏移。移除電壓差及成應電荷會產生相反的效應。
電極304與306為順應性的且會隨著聚合物302改變形狀。聚合物302及電極304與306的配置增加了聚合物302對偏移的反應。更具體而言，當傳感器部300偏移時，聚合物302的壓縮會拉近電極304與306的相反電荷而聚合物302的伸展會分離每一電極中的類似電荷。在一實施例中，電極304與306中的一者接地。
一般而言，傳感器部300會持續偏移直到機械力與驅動偏移的靜電力達到平衡。機械力包含聚合物302材料的彈性恢復力、電極304與306的順應及裝置所提供的外部阻抗及/或耦合至傳感器部300的負載。因施加電壓所得之傳感器300的偏移結果亦可取決於許多其 他因素例如聚合物302的介電常數及聚合物302的尺寸。
根據本發明的電活性聚合物可在任何方向上偏移。在電極304與306間施加電壓後，聚合物302在平面方向308與310兩個方向上同時伸展。在某些情況下，聚合物302無法被壓縮，例如在應力下具有實質上恆定的體積。對於無法被壓縮的聚合物302而言，聚合物302會因為其在平面方向308與310上的擴張而厚度降低。應注意，本發明並不限於無法被壓縮的聚合物且聚合物302的偏移毋需符合此類簡單的關係。
在圖3A所示之傳感器部300上的電極304與306間施加相對大的電壓差將會使傳感器部300如圖3B中所示變得更薄、面積更大。在此方式下，傳感器部300將電能轉換為機械能。亦可以雙向方式利用傳感器部300將機械能轉換為電能。
圖3A與3B可被用來顯示傳感器部300將機械能轉換為電能的一種方式。例如，若傳感器部300因外力而機械伸展變得更薄、面積形狀變得更大如圖3B中所示且將相對較小的電壓差(小於將薄膜致動至圖3B中的配置的必要值)施加至電極304、306之間，則當移除外力時傳感器部300在電極間的面積會收縮至如圖3A中所示的形狀。伸展傳感器代表使傳感器300自其原始休止的位置偏移，這通常會導致電極間(沿著例如電極間由方向308、310所界定的平面)淨面積變大。休 止位置代表傳感器部300在未受電或機械輸入之外力下的位置，其可包含聚合物的任何預應變。一旦傳感器部300伸展後，提供相對小的電壓差使得所得的靜電力不足以平衡伸展的彈性恢復力。因此傳感器部300且其變得更厚且在沿著方向308、310所界定的平面(垂直電極間的厚度方向312)上有較小的平面面積。當聚合物302變得更厚，其分開電極304、306及其對應的不相同電荷，藉此升高電能及電荷的電壓。又，當電極304、306收縮成更小的面積時，每一電極內的類似電荷會壓縮，亦升高電能及電荷的電壓。藉此，利用電極304、306上的不同電荷，從例如圖3B中所示的形狀收縮至例如圖3A中所示的形狀會升高電荷的電能。即，機械偏移會轉變為電能而傳感器部300係用作為能量生成裝置。
在某些情況下，可將傳感器部300的電特性描述為可變電容。當形狀自圖3B中所示而變化為圖3A中所示時，電容會減少。通常，電極304、306間的電壓差可藉由收縮來增加。這是尋常的情況，例如，若在收縮過程中未添加額外的電荷至電極304、306或自電極304、306移走額外的電荷。電能的增加U可用等式U=0.5 Q2/C來加以表示，其中Q為正電極上之正電荷的量而C為與聚合物302之本質介電特性及其幾何特徵相關的可變電容。若Q是固定的而C減少，則電能U增加。電能與電壓的增加可被適合的裝置或與電極 304、306作電交流的電子電路所回收。又，傳感器部300可機械地耦合至機械輸入，偏移聚合物並提供機械能。
傳感器部300收縮時會將機械能轉換為電能。當傳感器部300在方向308、310所界定的平面上完全收縮時，可移除部分或全部的電荷與功率。或者，在收縮期間移除部分或全部的電荷與功率。若在收縮期間聚合物302中的電場壓力增加並與機械恢復力與外部負載達到平衡，則會在達到完全收縮前便停止收縮故沒有更進一步的彈性機械能會被轉換為電能。移除部分電荷與已儲存的電能會減少電場壓力，藉此讓收縮繼續進行。藉此，移除部分電荷可更進一步地將機械能轉換為電能。當傳感器部300被用作為能量生成裝置時，其確切的電行為會取決於任何電與機械負載以及聚合物302與電極304、306的本質特性。
在一實施例中，電活性聚合物302以是經預應變的。聚合物的預應變可被描述為，不論是在一或多個方向上：相對於預應變前於一方向上的尺寸，其在預應變後於該方向上的尺寸有所改變。預應變可包含聚合物302的彈性變形且可例如藉由聚合物在張力下伸展並在其伸展時固定一或多邊所形成。對於許多的聚合物而言，預應變可改善電能與機械能間的轉換。對一電活性聚合物而言，較佳的機械回應致使較大的機械功，例如較大的偏移及致動壓力。在一實施例中，預應變會改善 聚合物302的介電強度。在另一實施例中，預應變是彈性的。在致動後，理論上經彈性預應變的聚合物可以是不固定的且回復至其原始狀態。可利用硬框架將預應變強加至邊界，亦可將預應變局部地加諸至聚合物的一部分。
在一實施例中，可在聚合物302的一部分上均勻地施加預應變，以產生經等向預應變的聚合物。例如，丙烯酸彈性聚合物可在兩個平面方向上伸展200至400百分比。在另一實施例中，將不同方向上不等的預應變施加至聚合物302之一部分，以產生經不等向預應變的聚合物。例如，矽膠薄膜可在一平面方向上伸展0至10%並在另一平面方向上伸展10至100%。在此情況下，聚合物302受到致動時在一方向上的偏移可大於另一方向上的偏移。雖然不願被理論所限制，本發明之發明人猜測，在一方向上預應變聚合物可增加聚合物在該預應變方向上的韌性。因此，聚合物在高預應變方向上較有韌性但在低預應變方向上較為順應，故受到致動時在低預應變方向上產生較多的偏移。在一實施例中，藉著在垂直方向310上施加大預應變可增加傳感器部300在方向308上的偏移。例如，使用丙烯酸彈性聚合物的傳感器部300可在方向308上伸展300百分比並在垂直方向310上伸展500百分比。聚合物的預應變量可取決於聚合物材料及應用中期望的聚合物效能。
不等向預應變亦可改善傳感器300在能量生成裝 置模式下將機械能轉換為電能的效能。除了增加聚合物的介電崩潰強度並允許更多電荷被置於聚合物上外，高預應變可改善低預應變方向上的機械能轉換為電能的轉換。即，更多輸入至低預應變方向上的機械輸入可被轉換為電輸出，藉此提升能量生成裝置的效率。
圖4A-4F顯示利用包含電活性聚合物薄膜402(如介電彈性體薄膜)以轉換機械能之電活性聚合物能量生成裝置400的週期。圖示伴隨著說明性的週期以顯示機械能轉換為電能的轉換週期，其中垂直軸代表電場(電壓)而水平軸代表應變比例(λ)。可伸展的電極404、406係形成在電活性聚合物薄膜402上。當介電彈性體薄膜402處於鬆弛態時，電活性聚合物薄膜402所儲存的電荷408係位於第一位準。接著電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406因適當的機械功而在第一方向410上伸展。電荷408仍然位於第一位準。如圖4B中所示，電活性聚合物能量生成裝置400係處於伸展態。電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406在伸展時會有電容變化。在一態樣中，可伸展的電極404、406於伸展態時更接近彼此而提升電容。當電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406係如圖4C中所示處於伸展態時，電極404、406係耦合至功率源412例如直流(DC)電池且偏壓被施加至電活性聚合物薄膜402而將電荷408舉升至較高的電壓。如圖4D中所示，移除電壓源但電活性聚合物薄膜402仍維持在較高電壓 的充電狀態。如圖4E中所示，當電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406沿著方向414鬆弛時，電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406會收縮並分開。因此降低了電活性聚合物薄膜402的電容，電壓被舉升至更高的位準。如圖4F中所示，當電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406回復至鬆弛態時，電極404、406係耦合至負載416且將儲存的電壓(或電荷)輸送至負載416，藉此對電活性聚合物薄膜402進行放電。隨著施加至電活性聚合物能量生成裝置400之輸入處的機械功而週期重覆。
現參考圖4A-4F，無論電活性聚合物薄膜402是被用作為致動器或電活性聚合物能量生成裝置400，電活性聚合物薄膜402的基本結構為：在可伸展的電極404、406的每一側上具有圖案化的高介電係數彈性體薄膜。在致動器模式下，當電壓施加至電活性聚合物402時，藉由兩電極404、406上的不相電荷所產生的靜電力效應，聚合物在厚度方向上壓縮且面積擴張。能量生成裝置模式基本上係與致動器模式相反。施加機械能410至電活性聚合物薄膜402而使其伸展會造成厚度壓縮且面積擴張。此時將電壓412施加至電活性聚合物薄膜402。被施加的電能412會以電荷408的方式被儲存在聚合物402上。當機械能414下降時，電活性聚合物薄膜402的彈性恢復力會作用以恢復原始厚度並減少面積。這個機械變化增加了兩電極404、406層間的 電壓電位，導致靜電能增加。
以下將敘述用以描述電活性聚合物能量生成裝置400之模式的解析方程式。此些方程式可以下列方式瞭解之：電活性聚合物薄膜402系的能量生成裝置400例如Electroactive Polymer Artificial Muscle(EPAMTM)能量生成裝置基本上是一個電容器，其電容會隨著電活性聚合物薄膜402的伸展與收縮而改變。電活性聚合物薄膜402的電容為：C=ε 0 εA/t=ε 0 εb/r 2 (1)
其中ε 0為真空介電常數、ε為電活性聚合物薄膜402的介電常數、A活性聚合物的面積(其兩側塗有電極404、406)、t與b分別為聚合物的厚度及體積。因為彈性體的體積實質上為固定值即At=b=常數，方程式(1)中的第二等式可重寫。
在一個伸展與收縮之週期中所產生的功率為：E=0.5 C 1 V b 2 (C 1 /C 2 -1) (2)
其中C 1與C 2分別為介電彈性體薄膜在伸展態與收縮態時的總電容、V b為伸展態時所施加的偏壓。特定質量的電活性聚合物薄膜402可產生的功率的量最終會由其最大應變及介電崩潰強度所決定。
電活性聚合物能量生成裝置的功率密度
具有丙烯酸系電活性聚合物薄膜402材料的電活性聚合物能量生成裝置400表現出(每致動週期)0.4焦耳/克的功率密度。為了達到0.4焦耳/克的功率密度， 必須要使用調節電子裝置來最佳化電活性聚合物能量生成裝置400的整個能量生成週期。在一實施例中，可採用微控制器系的電子裝置及邏輯。在功率位準大於100瓦時，調節電子裝置的電路能夠發揮電活性聚合物能量生成裝置400的優點。
不若電磁發電機，電活性聚合物能量生成裝置400的規模會隨著功率線性改變。例如，為了產生強十倍的能量生成裝置便至少需要十倍以上的材料。電磁發電機便非如此。當電磁發電機的功率規模增加時其具有兩個重要的優點。第一，其重量及體積不會呈線性增加。10千瓦發電機的質量可能只是1千瓦發電機的質量的約三倍。如所示，當電活性聚合物能量生成裝置400到達100千瓦的規模時，功率密度會有一個次方的改善，這使其在較高功率時極有競爭力。第二，電磁發電機的功率增加時，其效率也改善。許多高功率發電機具有超過97%的效率。
當符合下列準則時，電活性聚合物能量生成裝置400提供優於電磁發電機的優點：當力量高但速度慢時，電活性聚合物能量生成裝置400可提供優點。機械功等於力乘上速度。電磁發電機非常適合用於高速機械功(尤其是轉動機械功)。1800 RPM的轉動速度(每秒30轉)通常被用於標準的公共用電(美國為60赫茲、歐洲與其他地方為50赫茲)。對於典型的3匹馬力(2238瓦)電磁發電機而言，轉子的表面 速度約為每秒15-20公尺。對比之下，在0.3赫茲下的高海浪只能達到每秒0.9公尺的最大速度但其能產生極大的力量。風力也通常很慢。許多風力渦輪在約30 RPM的速度下轉動且需要齒輪箱來將其增加至50倍(達到1500 rpm)的速度以連接至電磁發電機。適當的電活性聚合物能量生成裝置400可直接耦合至風力渦輪的主桿軸以產生電能。
又，當電活性聚合物能量生成裝置400連接至2-10 kV直流範圍下的經調節高電壓直流電力網時，電活性聚合物能量生成裝置400能提供優點。由於電活性聚合物能量生成裝置400產生電能的方式，故其極適合用於高電壓直流系統。轉動電磁發電機通常在低於600伏的電壓下產生能量並產生交流電波形。為了將其轉換為高電壓直流，必須要使用變壓器/整流器組或某種其他類型的高功率反相器電子裝置。電活性聚合物能量生成裝置400可以最少的電子裝置而直接連接至高電壓直流電力網。此作法的配套措施是，電活性聚合物能量生成裝置400需要轉換電子裝置以將高電壓直流功率轉換為適合大部分低功率電子裝置型應用的低電壓功率。
又，當未能取得標準的公共用電時，自我啟動的電活性聚合物能量生成裝置400能為偏遠地區提供優點。也符合此準則的競爭技術是太陽能發電、風力發電與電磁發電機及水力發電與電磁發電機。上述的兩者(風力與太陽能)具有共同尤其複雜的難處：此些能源不 具可預測性。因此，要不系統必須能自我啟動，要不系統必須包含充分的電儲存量(通常以電池的型式)以渡過無法產生能量的期間。
在一般的能量生成情況下，可靠度是最重要的面向之一。電磁發電已經被使用了超過100年。在這段期間，電磁發電機表現出超過30年使用壽命的可靠度。此外，電磁發電機具有到自千分之一瓦至百萬瓦的功率範圍。
對於風力發電應用而言，電活性聚合物能量生成裝置400必須要能夠應付與應用相關的環境條件。溫度與濕度的要求會隨著位置而改變(例如：在加州中部Altamont Pass處的風力發電機會比丹麥處的風力發電機經歷較少的溫度變異)。雖然會採用基本保護且會採取防雨外罩的形式，但電活性聚合物能量生成裝置400及相關的電子裝置因為高電壓直流的本質將會需要額外的預防措施。許多的高壓電子裝置系統需要定期維修以移除附著在高電壓部件上的累積灰塵。要不需要密封的外罩，要不就需要某種其他措施，以避免有害粒子的堆積(高壓直流導體基本上像是靜電集塵器且收集灰塵與其他空中的粒子)。
介電彈性體之彈性與電場的交互作用
圖5為各種矽膠介電彈性體材料之介電常數量測值的圖500。垂直軸代表介電常數(120赫茲，<1 V/μm)而水平軸代表預應變。如圖5中所示，沒有任何證據顯 示4910矽膠(薄膜103與119)的介電常數會隨著各種應變而實質上維持常數。雖然未顯示，但丙烯酸的結果為類似的。圖6為介電常數對電場的圖600。垂直軸代表介電常數(ε)而水平軸代表電場E(V/μm)。如圖6中所示，即便在施加強直流電場的情況下，在500赫茲下矽膠與丙烯酸材料VHB 4905、VHB 4910與NUSIL 6007的介電常數量測值會隨著電場改變而實質上維持常數。如此，在操作時，施加至彈性體上的靜電應力會接近理論值σ=ε y ε 0 E 2。
當其他介電彈性體受到強大的機械應力與高電場時，其可具有或可不具有相對電容率的變化。介電材料伸展時所提供的恢復應力有點複雜而難以模型化。預應變(有時是非等向性的)被用來在製造過程中薄化介電材料。由於彈性體應變硬化以回應大張力，故需要非線性組成律。Ogden模型提供了當材料在方向1、2與3上形變時方向1、2與3方向上的合理近似應力。圖7是針對矽膠彈性體所擬合出之Ogden模型的圖700。
介電材料與電極材料
一般而言，在能量擷取應用中會考量到電活性聚合物的兩種基本材料元件。這個部分將會提供電活性聚合物彈性體介電材料與電極材料的回顧以及此些材料技術在電活性聚合物能量生成裝置領域中的使用狀態。電活性聚合物所產生的能量會受到特定材料的彈性與介電特性影響：介電常數、材料伸長量、體積電阻率及介 電崩潰強度(DBS)都是重要的特性。材料對溫度與濕度的敏感度也是重要的考量因素。在任何此些特性中展現出優點的材料能改善能量產生週期。下面將說明四種用作為電活性聚合物介電材料的彈性體材料：丙烯酸酯、矽膠、聚氨酯與丁基橡膠。亦可使用其他材料如烴橡膠、氟彈性體與苯乙烯共聚物。
有許多研究與知識係關於VHBTM丙烯酸作為電活性聚合物的領域。已知其具有較高的介電常數值(一般約4-4.5)、大伸長範圍(上至400%雙軸伸長量)及120 V/微米的介電崩潰強度。然而，此些材料具有受限的溫度範圍及長期穩定性的問題。丙烯酸VHBTM材料為親水性的且對於濕度效應高度敏感。較高的濕度環境會減少此些材料的體積電阻率，其在室溫下具有上至35%相對濕度的工作範圍。這些特性將此些材料限制在電活性聚合物系能量生成裝置的實驗室規模的原型展示品。
作為電活性聚合物材料的矽膠彈性體能提供溫度穩定性(-40至85C)及長期可靠度(>30MM週期)。迄今，此些彈性體只展現出上至100%的受限伸長範圍以及約2.8-3.1的介電常數範圍。較低模數(1-10 Shore A)的矽膠具有低於100 V/um的受限介電崩潰強度。較高模數的矽膠則展現出>150 V/um的介電崩潰強度值。已有數據顯示，在85C、85% RH的條件下矽膠彈性體可操作成為電活性聚合物。矽膠天生具有斥水性，通常的體積電阻率約為1015歐姆-米；然而，其無法抵擋濕度因而 限制了其在高濕度環境下作為電活性聚合物介電材料的長期可靠度。矽膠的可靠度與環境穩定性是讓其被用作為電活性聚合物能量生成裝置介電材料的優點。若能改善矽膠的介電常數、介電崩潰強度及伸長量便能改善其在此些應用中的效能。
聚氨酯材料較無作為電活性聚合物介電材料的研究開發結果。聚氨酯材料上至200的相對介電常數展現出了一些契機。迄今為止，此些材料仍遭遇到伸長量限制的挑戰，讓其無法提供電活性聚合物產生能量所需的充分電容變化。
丁基橡膠亦被認為可用來作為對濕度不敏感的電活性聚合物介電材料。其具有2.8至3.0的介電常數範圍。根據受限的測試結果來看，此些材料和聚氨酯同樣遇到伸長量限制的挑戰但卻能提供適合的體積電阻率。
電活性聚合物電極材料係基於針對不同印刷製程而經溶劑稀釋的墨水配方。此些印刷電極係由碳黑、銀奈米粒子與固體黏結劑所構成。此些配方會變化而適應不同的製程選擇如噴塗、絲網印刷、移印與柔版印刷。高功率電活性聚合物能量生成裝置所需之電活性聚合物的大面積可藉由噴塗與柔版印刷所產生。配製電活性聚合物致動器所用的墨水，使其在-40C至85C的溫度範圍(理論上-80C至190C)及上至85% RH的條件下還能提供特異的環境穩定性。碳/銀之可印刷墨水具有10至100千歐姆/sq/mil的表面電阻率範圍。表面電阻率會 隨著應變面積而增加，大致上當應變面積為50%時表面電阻率會加倍。
一般而言，電活性聚合物能量生成裝置的能量生成週期在較佳的電壓下能提供較佳的效能。具有印刷電極的電活性聚合物電容器在一次電崩潰後不再能維持電壓。這使得系統必須要在有足夠電壓崩潰容裕的情況下運作以確保長期可靠度，但卻會限制了能量生成的效能。
目前，印刷電活性聚合物電極無法達到電活性聚合物能量生成裝置所要求的低電阻值。此些系統的效率係由高阻值的電極沈積物所主宰。對於具有濺鍍之銀/碳匯流排電極的電容器而言，電極的電阻率不再是限制因素。當使用高度導電之濺鍍的銀/碳匯流排電極時，系統的效率不彰僅僅取決於介電材料的電荷消散。為了將銀/碳匯流排電極用作為電活性聚合物電極，必須要使其具有順應性，這可例如經由紋理化如形成皺折或經由圖案化如形成魚骨或魚網結構所達成。
濺鍍之銀/碳匯流排電極亦為可容錯的。利用此種電極所製作的裝置在發展出電崩潰後仍可持續操作，產生在較高電壓下操作而增加裝置效能的機會。此些電極在疲乏而限制裝置效能前，只能安然渡過有限的週期。隨著電流增長，電極可安然渡過>五百萬個週期。
濺鍍之銀/碳匯流排電極需克服的挑戰包含了對溫度與濕度的敏感度，然而目前業界對此還是未知。亦需 要捲對捲的真空金屬化來處理高功率電活性聚合物能量生成裝置所需的大面積電活性聚合物薄膜。
碳系的印刷電極並不符合電活性聚合物能量生成裝置的需求。此些電極具有下列特性的組合：高等效串聯電阻(ESR)、在裝置應變增加時等效串聯電阻也增加、及大電壓崩潰容裕的需求(降低操作電壓)。濺鍍之銀/碳匯流排電極在較高的操作電壓下提供可忽略的電阻值及較佳的效能。此些電極目前具有可靠度與製造上的挑戰以及未知的環境敏感度。
在說明了各種適合用於電活性聚合物能量轉換裝置之材料後，下面的表1與2提供了適合用於本文中所述之電活性聚合物能量轉換裝置之電活性聚合物薄膜(表1)與電極(表2)之一實施例的規格。
應瞭解，複數種複合材料皆可被用來施行電活性聚合物傳感器。對於欲被用作為機械轉電能之傳感器的複合材料而言，複合材料必須要會移動，為了要能移動，軟且無法壓縮的介電材料層必須要有地方讓其移動。因此此類複合材料應該要至少包含下面三種材料：(1)硬-韌性的結構層，其支撐負載且和傳感器接觸的電與機械元件的韌性匹配；(2)軟-低模數且無法壓縮的介電彈性體層，其可藉由來自複合材料外部的機械負載以及施加用以控制複合材料的內部電場而變形；及(3)可壓縮-例如介電彈性體可腫脹進入的氣體、液體或擴張的區域或多孔材料(例如泡沫或氣膠)。此些或其他複合材料可見2011年10月10日申請之美國專利臨時申請案61/545,295，案名為“COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED,RIGID,INSULATOR COVERED WITH THIN,SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS,AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS INCORPORATING SUCH ELECTRODES,”，將其所有內容包含於此作為參考。
應瞭解，在一實施例中，根據本發明的電極可包含強化結構以避免裂痕在電極內擴展。因此，本發明現在暫時到圖57-59說明各種適合用來避免裂痕在電極內擴展的強化結構。
圖56為電活性聚合物薄膜2200的圖，其包含形成在介電薄膜2208上的複數電極2202。如圖56中所示，電極中的一者已發生裂痕2204。為了阻止裂痕2204擴展，在電極2202間形成具有扇形強化珠2206之形式的能量阱，以避免裂痕2204遷移至鄰近的電極2202。
類似地，圖57為電活性聚合物薄膜2300的圖，其包含形成在介電薄膜2308上的複數電極2302。如圖57中所示，電極中的一者已發生裂痕2304。為了阻止裂痕2304擴展，在電極2302間形成具有蛇形強化珠2206之形式的能量阱，以避免裂痕2304遷移至鄰近的電極2302。
能避免形成在電活性聚合物薄膜中之裂痕擴展的另一種可能技術是，將延壓形成的複合物連接至電極的裂痕後緣處以增加界面面積並防止裂痕擴。圖58為已 產生裂痕2402之電極2400的圖。將柱形的延壓複合物2404連接至裂痕2402的後緣2408處。雖然柱形的延壓複合物2404可有效地防止裂痕擴展，但其僅能提供小的與電極2400的接觸面積Asmall。
圖59為為已產生裂痕2402之電極2400的圖。將方柱形的延壓複合物2406連接至裂痕2402的後緣2408處。雖然方柱形2406的延壓複合物2404能提供大的與電極2400的接觸面積Abig。
亦可將織物貼合至部分的介電薄膜以提供抗撕裂性及機械強化力。導電織物可額外地提供匯流或電荷分佈的能力。
電活性聚合物材料特性
針對用於波浪能量轉換之電活性聚合物能量生成裝置，目前公認有五項關鍵材料特性。此些關鍵特性為：1)介電材料與電極的彈性體特性以及有用的應變範圍；2)材料的介電常數；3)材料的介電崩潰電壓以及工作電壓；4)材料的介電電阻率；及5)電極的電阻率。除了此些關鍵的參數外，其他因素包含了使用壽命、疲乏、對水的耐受度及抗撕抗強度(以及許多其他因素)亦決定了特定電活性聚合物系統的適合度。在下面的段落中將會針對此些關鍵特性的每一者再更詳細討論。
介電材料的彈性體特性包含了已界定的楊氏模數。然而，超彈性材料通常非由楊氏模數所界定，而是由應力-應變曲線數據所迴歸出的參數所界定。又，通 常會選擇超彈性模型(例如Neo-Hookean、Mooney-Rivlen或Ogden)且經報導的參數也吻合選定的模型。無論如何界定材料的彈性特性，若材料太「軟」，則在能量生成裝置操作時變得電機械不穩定的機率(及潛在自我毀壞的機率)很高。類似地，若材料太「硬」，則能恰當應變有效之能量生成裝置操作之材料所需的機械力會變得過大而成為不實際的值。較佳地，介電材料應具有小於約100 MPa的模數，更較佳的是小於約10 MPa的模數。下面會介紹此評量。一般而言，電極對韌性的影響應佔總韌性的極小百分比。
下一個特性為電活性聚合物薄膜材料的介電常數。介電常數為相對於真空電容率(長久以來皆被選定為1)的特性。由於電活性聚合物能量生成裝置係藉由將機械彈性應變能轉換為靜電能而工作，因此電活性聚合物材料的介電常數能代表一材料在空氣(或真空)中儲存靜電能之能力的好壞程度。其亦代表該材料被用作為機械能轉電能之轉換器的工作成效。材料的介電崩潰強度(其並非是電活性聚合物所特有而是可應用至其他產業中所用的許多介電材料)代表一種短期電壓測試，在此測試中代表性的樣本會受到一增加的電壓波形且樣本故障時的電壓值會被記錄下來。通常在代表性樣本上所施行的是破壞性的測試標準。介電耐壓測試通常是針對非破壞性測試且所得值係略低於介電崩潰強度但高於平時的工作電壓。
材料的介電電阻率為一種界定介電材料儲存電荷(因此靜電能)之能力的好壞程度的方式。就像只能儲存電能一小時之手電筒電池是無用的，會消耗掉所產生之所有電能的波浪能量轉換器能量生成裝置也是無用的。若特定材料的介電電阻率太低，其不再適合(或實際)被用來作為電活性能量生成裝置。
電極電阻率(更具體而言是電極的電阻值)會與電活性聚合物能量生成裝置之充電與放電期間的損失直接相關。充電與放電率會因應用而有所不同。真正的電阻率值會取決於電極的幾何特徵及外部連接的數目。
彈性體特性評估
電活性聚合物的電機不穩定性狀態係緣於低預應變條件下的軟介電材料，在低預應變條件下高電場可使得薄膜變得不穩定且在小地方處「夾止(pinch)」而導致薄膜的自我毀壞。適當的電活性聚合物能量生成裝置操作的邊界條件為電機不穩定性。其他邊界條件亦決定了實際的能量轉換週期。最大的操作應變將會建立一邊界而電崩潰將會建立另一邊界。
介電常數與崩潰強度的評估
電活性聚合物材料之理想材料的介電常數係較佳地在1 mHz至1 kHz的頻率範圍下相對穩定。極非線性的材料將會引發分析的困難及操作的困難。
介電電阻率的評估
長久以來，許多介電材料係以其整個材料皆能夠導 通電流為其特徵。一般而言，理想的介電材料具有零導電率且不允許電荷通過。但實際上，非理想的介電材料確會讓電荷通過，為了量化此特性，會量測及記錄材料的體積電阻率。假設此特性為等向、均質及線性的。在電活性聚合物能量生成裝置與致動器的領域中，此特性相對於電場、溫度、濕度及其他影響(即電極類型及應用等)皆為非線性的。本發明之發明人近來的實驗已顯示，觸動致動器中之矽膠介電薄膜的非線性行為會大幅變化。此變化對於例如觸動應用中所用的電活性聚合物致動器而言並非是問題，但對於能量擷取而言，由於其代表了系統損失且可影響系統的整體效能故是個不可忽視的問題。
電極電阻率的評估
一理想電極具有無限大的導電率、無限大的機械順應性且不會將額外的質量或成本附加至電活性聚合物能量生成裝置。實際的電極不具有上述的任何一者。從效能來考量，電極導電率及電極順應性應該是評估能量生成裝置之效能用的兩個重要特性。電極導電率將會決定與電荷傳入與傳出能量生成裝置相關的損失。電極順應性(及阻尼)將會決定電活性聚合物能量生成裝置進行循環時的額外限制及/或損失。高壓電容器的產業通常將金屬箔或沈積金屬電極用於低耗電容器。在高壓電容器的情況下，電極的順應性並不是問題(不希望其移動)。在電活性聚合物能量生成裝置的情況下，電極的 順應性是必須的，且平板金屬電極大概無法工作。可使用在一或多個方向上具有順應性的紋理或皺折金屬電極結構。亦可使用具有間隙以在電極伸展時間隙能夠打開的圖案化結構。由於此些類型的紋理或圖案化金屬電極系統是低損耗及具有順應性的，且在能夠於電極間產生短路的電故障情況下此些電極系統亦可自我清理或容錯，因此此些電極系統係有利於電活性聚合物能量生成裝置。其他類型的電極系統包含導電墨水與墨油。雖然這些電極系統具有順應性，但其導電性通常大幅少於有紋理或圖案的金屬電極系統的導電性，這讓其較不適合用於電活性聚合物能量生成裝置中。在此應用中可有利地使用包含了高導電率與低導電率材料之組合的電極系統。例如，較低導電率的墨水區域可連接至金屬網路圖案或位於金屬網路圖案上方。較低導電率的墨水使電荷分散至整個活性區域，而較高導電率的金屬網路圖案改善電活性聚合物能量生成裝置系統的電流載帶能力。
介電彈性體是用以將機械能轉換為電能的基本材料。一般而言，高介電常數與介電崩潰強度為用於電活性聚合物能量生成裝置的期望材料特性。除了此些特性外，亦期望有適當的模數、低導電率及在不同的環境條件下有穩定性。表3中呈現出基於本發明之發明人之實驗之某些實例材料的品質回顧。如表中所示，若能解決聚氨酯相關的部分挑戰，則聚氨酯可能會成為突出的電 活性聚合物能量生成裝置。
電活性聚合物能量生成裝置的電子裝置
應瞭解，本文中所述的實施例說明了實施的實例，在不違背所述之實施例的情況下可以各種其他方式來實施功能元件、邏輯方塊、程式模組及電路元件。又，可組合及/或分離此類功能元件、邏輯方塊、程式模組及電路元件所進行的操作以用於特定的實施例，且可以較多數目或較少數目的元件或程式模組來施行上述的操作。熟知此項技藝者在研讀本發明時應明白，文中所述與說明的單獨實施例的每一者具有離散的元件與特徵，在不脫離本發明之範疇的情況下可將此些元件與特徵自任何其他實施例的特徵分離或與之組合。本文中所 提及的方法可依所述的順序施行，或依邏輯上可行的任何其他順序施行。
電活性聚合物能量生成裝置用的電子裝置從相當簡單到相當複雜都有。為了使電活性聚合物能量生成裝置達到最佳的效能，其需要複雜的電子裝置；然而，使用極簡單的電路拓樸仍可達到適度的效能。此外，應用特殊的細節可驅動電子裝置的選擇及其複雜度。應用範圍可自某些情況下的固定行程與固定頻率到其他情況下的可變行程與可變頻率。此些參數與其他的考量因素將決定何種電子裝置會最適合特定的應用。
電活性聚合物能量生成裝置用的電子裝置可被分成兩個群組，即控制層級的電子裝置與能量層級的電子裝置。控制層級的電子裝置在技術上是可行的且只需從成本與能量消耗的觀點來對其評估。能量層級的電子裝置在技術上是可行的，但維持低成本與高效率是不可兼得的，達到最佳化設計時需權衡兩者。
圖8顯示簡單能量生成電路800的一實施例。電路800的優點在於其簡單。只需小的起始電壓806(約9伏)便能使能量生成裝置開始運作(假設機械功正在被輸入的情況下)。毋需控制層級的電子裝置來控制分別藉由高壓二極體D1(808)與D2(810)輸入與輸出電活性能量生成裝置802的高電壓。在電路800的輸出上藉由齊納二極體804來達到被動電壓調節。電路800能夠產生高電壓DC能量且使電活性聚合物能量生成裝置802 操作在約0.04-0.06焦耳/克的功率密度位準。電路800適合用來產生適度的能量並展示出電活性聚合物能量生成裝置802的技術可行性。
在一實施例中，電路800使用電荷轉移技術來最大化電活性聚合物能量生成裝置802之每一機械週期的能量轉換但仍保持簡單。電路800亦能夠利用極低電壓806(例如9伏)自我驅動(self-priming)。電路800亦能夠進行可變頻率與可變行程操作。在不同的實施例中，電路800利用簡化的電子裝置(即，毋需控制程序的電子裝置)來最大化每週期的能量轉換、在可變頻率與可變行程應用中操作並對能量生成裝置的元件提供簡單的過電壓保護。
為了在電活性聚合物能量生成裝置中達到更高的能量位準及更高的功率密度，控制層級的電子裝置及能量電子裝置皆需要遠遠更高的複雜度。此些電子裝置亦會隨著能量生成裝置的應用類型而有所不同。固定行程、窄頻的應用(也許是水車)需要最低複雜度的電子裝置，但可變行程、可變頻率的應用需要最高的複雜度。為了解決最複雜的情況，控制層級的電子裝置具有感應每一電活性聚合物能量生成裝置之瞬時電容並判斷其為增加或降低的能力。電子裝置會決定是否將電荷置於電活性聚合物薄膜上、自電活性聚合物薄膜移除電荷或簡單地不作為。
例如這即是波浪能量生成的情況。當波浪極小或根 本無波浪活動時，能量生成裝置應處於低能量、無生成模式(在電子裝置中通常被稱為休眠模式)。一旦偵測到閾值大小的波浪活動，系統應使能量生成裝置上線(覺醒)並開始生成能量。若波浪活動低於特定的位準，則電活性能量生成裝置應再次休眠並等待下一週期的波浪活動。特定的決策標準會取決於每一應用，但這樣複雜的控制層級的電子裝置實際上可用於所有的能量生成裝置應用(即，只需少量的控制層級設計便能包涵大範圍的能量生成裝置應用)。
能量層級的電子裝置將會由電活性能量生成裝置的最大輸出功率所驅動。類似的電路拓樸可用於廣大範圍的功率位準但元件的尺寸與額定值必須改變。電活性聚合物能量生成裝置的功率範圍可自10瓦上至100千瓦(或更大)。當功率位準增加時，熱管理的複雜度變成一個問題並需要嚴正地看待與解決(對所有能量生成方法皆為真)。
超彈性模型
有大量的超彈性模型及方法是在描述類橡膠材料的彈性行為。雖然某些可能比其他來得好，但一般而言，最好是使用能提供基本行為之有用預測與瞭解的最簡單模型。這種描述的目的是要針對三個最常用的模型提供基本的數學結構。雖然存在著將近20個不同的模型，但本文中只討論三個模型：Neo Hookean、Mooney與Ogden。Neo Hookean模型是最簡單的且只使用一個 回歸參數，Mooney使用兩個參數(註：Mooney-Rivlin模型利用多項式來延伸Mooney模型)，而Ogden model通常使用矩陣但其結構常導致其變成無限大的數目(如Mooney-Rivlin的多項式)。對於使用電活性聚合物來將機械能轉換為電能的特定情況而言，我們會將我們的分析限縮至無法壓縮的超彈性材料(這亦大幅地簡化數學)。藉著如此做，可將主要的不變量減少成下面所列：
圖9A與9B顯示了電活性聚合物能量生成裝置之經界定的座標系統。圖9A顯示電活性聚合物能量生成裝置900之單軸應變設置。電活性聚合物能量生成裝置900包含了夾置於上電極904與下電極(未圖示)間的介電彈性體902，且具有參考x、y、z座標系統的長度、寬度與厚度。電活性聚合物能量生成裝置900具有介於電極904與介電彈性體902之邊緣間沿著平面延伸的預定電極活性區域906與非活性區域908。圖9B顯示電活性聚合物能量生成裝置900之雙軸應變設置。
應瞭解，主要的伸展比例係由λ1、λ2與λ3所界定，當使用直角座標系統時，可將這些設定為三個軸(x,y,z)。在無法壓縮的材料的情況下，I3等於1，因此能夠對其他方程式做一些有用的代換。有許多不同的方式可伸展彈性材料。最簡單的方式便是如圖9A中所示的 單軸延伸，當一軸延伸時，其他兩個軸可如圖9B中所示自由地收縮。在等雙軸延伸的情況下，兩個軸以相同的比例延伸，第三個軸可自由地收縮(這類似於膨脹氣球的情況)。在純剪切(或平面張力)的情況下，一個軸延伸、第二個軸受到限制而第三個軸可收縮(這可能是能量擷取的最典型情況)。另一種情況是毋需強迫兩伸展軸相等的雙軸延伸。
在分析能量轉換裝置的最實際案例中，儲存在能量生成裝置中的瞬時彈性能量是我們所關心的重點。因此，最有用的數學表示式為提供儲存能量與空間變數間的直接關係者。對於下列模型而言，先針對平面張力然後再對等雙軸延伸來建立方程式。此外，可假設等雙軸的預應變，但在無初始預應變存在的情況下可將其設為1。
對於Ogden模型而言，應變能量函數係由下列者所表示：
將此式乘以材料的體積會得到儲存在電活性聚合物能量生成裝置系統中的總能量(假設整個體積內的應變能量是均勻的)。使用卡笛爾座標系統，可將在平面張力下彈性儲存能量的總式寫為x(t)的函數：
其中第三項是從無法壓縮性的標準所推導出。對於Ogden模型而言，通常會使用六個參數。為了使用Neo Hookean模型的表示式，將N設為1且將α1設為2。然後通常將μ1設為楊氏模數的三分之一(其為無法壓縮之材料的剪切模數，有時被稱為G)。對於Mooney模型而言，將N設為2且將α1設定為2、將α2設定為-2。使用古典的Mooney參數C 1與C 2，藉著將其分別乘以2與-2來計算μ1與μ2。
在許多實例中，數據是從第一個測試條件所得到。然而應注意，由於真正期望的不是預測第一週期中的行為而是例如第一千週期、第一百萬週期及第十億週期中的行為。此外，瞭解許多週期後的週期行動是很重要的。下一步將會考慮磁滯、蠕變及其他不期望的特性，重要的是遠在材料中的此些行動成為實際電活性能量轉換裝置中的問題前及早識別出材料中的此些行為。
超彈性介電材料上的靜電力與壓力
在考慮無法壓縮之介電材料前先推導出平板電容器上的力是有益的。在平板電容器的情況下，當對兩板充相反電荷時，因兩板間之電場在兩板間存在著一股吸引力。可使用庫倫定律(與高斯定律)來推導出此力，但本發明將使用平行板電容器中的能量守恆來做此分析。
就正向電場E n 與介電常數ε 0 ε r 而言，兩平行導電板間的力係以下式來表示：
由於壓力被界定義為每單位面積的力，因此平行板電容器內之介電材料所經歷的壓力係以下式來表示：
在此情況下，若兩板相對於彼此移動則電容器的面積不會改變。在使用超彈性介電材料(其要求固定的體積)的情況下，若平板一起朝彼此靠近則面積必定會增加，故力的計算會稍微改變。相較於固定面積之平行電容器的分析，這會導致在相同的電場下力(及壓力)卻倍增。就電場與介電常數而言，兩平行、順應之導電板間作用在超彈性介電材料上的力係以下式來表示：
由於壓力被定義為每單位面積的力，因此具有順應電極之平行板電容器內之超彈性介電材料所經歷的壓力係以下式來表示：
這是電活性聚合物裝置的重要結果，因為兩個改善的因素讓此些裝置優於仰賴其他將電能轉換為機械能或反之亦然之機制的其他技術。
在下面(及更下面)的分析中已將介電材料的電容率當作是線性、等向且均勻的特性。若此假設非為真， 則分析會變得更複雜。
因靜電力所得的力
在致動器與能量生成裝置的情況下，決定超彈性材料上因正向電力(或壓力)所得的切向力(或壓力)是很重要的。再次，能量守恆將會被用來推的此些關係式。參考回圖8A、8B中所示的超彈性立方體，可計算因施加在z方向上之電力所導致之x與y方向上的力。使用平行板電容器用的方程式，可推導出例如基於三個主要軸的下列等式：
針對純剪切的情況下，使用超彈性介電材料的不可壓縮關係式(式12)可被寫成x的關係式：
針對x微分然後代換至力的方程式中，得到針對一施加電壓(在z方向上的電場)在x方向上的力。
計算所得之力的此方法可被用來分析許多不同類型之致動器與能量生成裝置的幾何特徵。在下面的段落中，將一起帶出儲存在電場中的電能以及儲存在彈性材 料中的機械能，以建立介電彈性體致動器與能量生成裝置兩者的分析。
計算平衡位置(致動器與能量生成裝置間的細微分界)
利用純剪切的情況為例來計算出平衡位置。平衡位置是電力與機械彈性力達到平衡之處。這也是最小系統能量的位置。參考回Neo Hookean超彈性應變能量模型(式7)，平面張力的特例(假設無預應變的情況)可被寫成下式：
針對x微分應變能量函數而得到在x方向上的力。力的簡化表示式係如下所示：
彈性力希望彈性材料回復到其原始的形狀但電力希望擠壓彈性材料。平衡點是當此兩種力的和為零之時：F ELASTIC (x)+F ELECTRIC (x,V)=0 (18)
不幸地，當針對x來解時這個關係式沒有封閉解，但針對V來解時有。重新配置並針對V來解，得到：
這是任何期望的靜態位置x處所需要施加的電壓。動態的情況會在下面討論。這個技巧可以用來計算任何數量之幾何配置的平衡位置。在分析中選擇了使用電壓而非電場是常有的事，這提供了實體世界的量而非純理論值。當使用介電彈性體作為將機械能轉換為電能的轉換器時，必須要小心確保能量生成裝置的操作空間不會與致動器的條件重疊而導致張力損失。
此時提供顯示了在介電彈性體致動器中將電能轉換為機械能的最大轉換的典型分析是有利的。
這將會是一個簡單的理論分析但其能讓人瞭解電能轉換為機械能的轉換過程。機械能轉換為電能的轉換過程將在下面段落討論。
典型的線性機械致動器的特徵在於封阻力與自由行程。若致動器是線性的，則致動器的最大功輸出是封阻力和自由行程之乘積的四分之一。
電荷能量轉換模型的守恆
如前面參考圖3A-3B及4A-4F所述，有三個機械轉換電能的轉換過程是有利於瞭解電活性聚合物(介電彈性體)能量生成裝置的基本原理。三種情況皆涉及簡單的四步過程。第一步始於鬆弛的介電彈性體及利用機械能讓彈性體伸展至某個伸展態。第二步是增加電荷至電活性聚合物電極。第三步是機械地鬆弛彈性體，藉此將機械彈性能轉換為靜電能；第四步是自電活性能量生成裝置移除電能，因此從機械能到電能的轉換中「擷取」 電能。
在第二與第二步驟期間，設計者可在固定電荷、固定電場或固定電壓間進行選擇。此些方法的每一者都需要不同的控制電路拓樸。較容易施行的拓樸之一為固定電荷法，下面將會詳細說明其週期。
為了此分析將考慮固定行程與固定頻率的系統。雖然未說明可變行程與可變頻率的系統，但此類系統仍落在本發明的範疇中。此外，將使用某些典型的參數值來展示電活性聚合物能量生成裝置的週期。例如，在分析中將會考慮一公尺平方且厚一百微米處於鬆弛態的電活性聚合物能量生成裝置，且假設電極是完全順應及導電的。利用下面的參數組(ε 0=8.854 pF/m、ε r=5.0、μ 1=0.3 MPa、α 1=2、λ max =2.0且V max =5 kV)，可建立一個典型的週期。分析將會以能量對伸展平面的圖的方式來呈現。這個圖解的方式讓人能夠以視覺化的方式來瞭解能量平衡的概念。
在週期的第一部分，電活性能量生成裝置從1伸展至λ max ，將彈性能儲存在電活性聚合物薄膜中。接著，電荷(V seed )被施加至電活性能量生成裝置。其電壓值係取決於最大的伸展，如下所示：V seed =V max /(λ max )2(註：此值僅適用於剪切模式分析)。當施加電能時，其被添加至彈性能而儲存於電活性聚合物薄膜。此時，斷開電荷來源與能量生成裝置，於是沒有任何電荷能進入或離開能量生成裝置的電極(因此為固定電荷週期)。然後 讓電活性能量生成裝置鬆弛回到平衡狀態，將彈性能轉換為電能。最後，從能量生成裝置移走電能，然後再次重覆週期。
圖10為電活性聚合物能量生成裝置之能量對伸展率的圖示1000。垂直軸代表能量(焦耳)而水平軸代表伸展率。圖10中所示的曲線有助於過程的詳細說明。在方程式(17)中已呈現了彈性能(這是步驟1，從點A移動到點B)。使用外部的機械源來伸展彈性能量生成裝置，將彈性能儲存在介電彈性體薄膜中。基於前面段落中所界定的源電壓來添加電荷(這是步驟2，從點B移動到點C)。此時，外部機械源將開始鬆弛介電彈性體而使其返回至鬆弛位置。若無電荷被施加至能量生成裝置，則所有外部機械源置入能量生成裝置的能量皆會返回外部機械源。當電荷位於能量生成裝置上時，部分的彈性能被轉換為電能而部分的彈性能則返回外部機械源。在步驟3期間，電活性聚合物能量生成裝置將會返回平衡位置D(系統能量達到最小值的位置)。為了在系統中達到總電能增益，現在可以移走電能(步驟4，點D到點A)。
這個基本的固定電荷週期能量轉換器是功率密度計算的基礎。此分析並未包含系統損失，只是判斷在理想情況下每一週期的能量。又，應注意，應仔細考慮在增加任何電源能量前必須施加至介電彈性體的大彈性能。在此實例中，機械彈性能與電能的比率約為10：1 且具有極大的系統效率。若將介電材料的模數選定為大十倍，則彈性能與電能的比率會變成100倍。這會產生一個極不平衡的系統，所以應該避免。由於必須要建造能夠處理此機械能的機械結構(繫鏈、框架等)，這樣的大比率代表極高的成本。
因介電材料中的漏電流所造成的損失
參考回圖10中所述的固定電荷週期，其假設沒有任何電荷會進入或離開電活性聚合物能量生成裝置。若電荷能經由介電材料自一電極移動至其他電極，則固定電荷週期不成立且電荷的轉移會產生極大的能量損失。若此損失太高，電活性聚合物能量生成裝置便不會產生電能而只是加熱介電材料。在生成週期間電荷從一個電極不利地轉移至其他電極通常被稱為漏電流。整個系統對漏電流的敏感度係取決於許多不同的參數。較重要的參數之一為週期時間，在較高的機械頻率下可忍受較高的漏電流。
基於PSPICE的非線性電機能量轉換器
電機系統模型及非線性元件模型的主題本身是很複雜的。對於電活性聚合物能量生成裝置而言，會結合這兩個主題利用線性系統模型與電極元件模型兩者一起來產生精準的系統模型。
為了適當地模型化一個基本電活性聚合物能量生成裝置，需要非線性機械彈簧模型與非線性電容器模型。此些模型亦必須耦合電能轉機械能與機械能轉電能 (即，完全的雙向耦合)，以提供模型中的必要輸入與輸出變數。為了此部分，建立純剪切模式之電活性聚合物能量生成裝置之模型。
利用熟悉的虎克定律及力與行程間的(時域)關係可以模型化線性機械彈簧，其通常可由下列來表示：f(t)=k spring ．x(t)=k spring ．ʃu(t)．dt (20)
針對時間微分，得到以下式表示的彈簧速度：
其中使用順應(Cm)來代替彈簧常數。若順應會隨時間變化，則需要重寫方程式(21)以包含兩項並使用連鎖律：
在順應是時變且完全是力的函數的情況下，可將方程式(22)重寫為：
利用方程式(17)，已經推導出純剪切模式之電活性聚合物能量生成裝置之力與位移間的關係。在此特殊的情況下，位移(力之函數)不會有解析解。圖11為純剪切模式之能量生成裝置之行程-力關係與曲線迴歸的圖1100。垂直軸代表位移(公尺)而水平軸代表力(牛頓)。位移對力之線的斜率為電活性聚合物能量生成裝置的 順應C m (f)。藉著對此線進行曲線迴歸(利用三階多項式)，可產生位移與力之間之關係的表示式，故順應可被重寫成下式：x(f)=C m (f)．f=a．f+b．f 2+c．f 3 (24)
將x(f)除以f得到C m (f)的曲線迴歸表示式：C m (f)=a+b．f+c．f 2 (25)
針對f進行微分，得到C m (f)的一階導數：C m '(f)=b+2．c．f (26)
將此些表示式取代至方程式(23)中，可將純剪切電活性聚合物能量生成裝置的非線性順應模型重寫成下式：u(t)=f(t)．(b+2．c．f)．f'(t)+(a+b．f+c．f 2)．f'(t) (27)
利用機動類比可將此關係式運用至PSPICE中，其中速度係由電壓來表示而力係由電流來表示。在線性彈簧(即，順應是常數)的情況下，順應係由線性電感來表現。非線性順應係由非線性電感來表現且由基於方程式(27)的完全模型來實現。此模型係顯示於圖12中，其顯示機械非線性純剪切電活性聚合物能量生成裝置的PSPICE模型1200。藉由在描述電荷能量轉換模型之守衡的段落中所建立起的參數，可產生如圖11中所示的之結果的模擬結果，顯示模型如圖13中所示的一致，圖13是位移對力的PSSPICE模型的結果，其中垂直軸代表位移(公尺)而水平軸代表力(牛頓)。
下一步需要建立的是非線性電容器模型。在方程式(14)中已得到了電容與位移的關係。利用此關係式，得到下式之電容器的非線性電路模型：
對於電容是時變且僅為位移的函數的情況，可將上列表示式重寫為下式：
圖14為耦合非線性彈簧模型之非線性電容器的耦合PSPICE模型。為了耦合這兩個模型，機械模型決定了位移x的瞬間值而電模型決定了電力(因靜電壓力)的瞬間值。為了模擬在前面計算平衡位置之段落中所分析的能量擷取週期，在最大行程處添加電荷然後在最小行程前移除電荷(以避免能量生成裝置的張力損失)。圖15為能量擷取模擬的圖示1500。垂直軸代表力(牛頓)而水平軸代表時間(秒)。在圖15中所示的擷取週期中，第一週期間並未擷取而是在第二週期間擷取。
因此，現在可將非線性阻尼項及漏電流項加入PSPICE模型中。例如，若介電材料的漏電流係由下式來決定：
將此添加至模型會讓計算出的能量擷取週期包含非線性漏電流。圖16與17A顯示了比較結果，圖16 是理想對非理想(有漏電流)之能量擷取週期，而圖17是理想對非理想週期之電能回收。在圖16中垂直軸代表力(牛頓)而水平軸代表時間(秒)。在圖17中垂直軸代表能量(焦耳)而水平軸代表時間(秒)。理想狀況顯示了每週期5焦耳的能量擷取，但考量漏電流(I 0 =100 pA/V2)時每週期則減少至4焦耳。
已建立剪切模式之DE能量生成裝置的雙向模型實例。其所用的技術與方法應該可以應用至大部分類型的DE能量生成裝置。藉著運用PSPICE中的模型，可輕易地考量與電壓相依的漏電流與非理想電極電阻的效應。更重要的，增加高壓電子裝置現在變得可行了。
能量擷取實例
下面的模型呈現了電活性聚合物能量生成裝置的一實施例，此裝置被稱為60瓦的轉動裝置，其係基於60 RPM的風力渦輪。此能量生成裝置提供10焦耳/週期。
100%的線性應變(10%的等雙軸預應變)
1 MPa的彈性材料，遵守Neohookean超彈性行為
Er=3且電極處於每平方1歐姆的狀態
Ebd=100 V/μm Eop=60 V/μm max
100 μm的初始薄膜厚度
週期電容(固定電荷週期)
起始是1 m2=>100 cm3
4週期1.1 m x 1.1 m x 82.64μm，Vmax=4959 V
1週期1.1 m x 2.0 m x 45.45 μm
4週期電容=389nF
1週期電容=1.286 μ F XC=3.306
Vseed=4959 V/3.306=1500 V Eseed=1.447 J
Vfinal=4959 V Efinal=4.783 J，△=3.336 J
需要3 m2=>300 cm3
每cm3的能量=0.0333 J/cm3~0.03 J/g
電活性聚合物能量生成裝置之高效率能量轉換電路
電活性聚合物能量生成裝置(如EAP能量生成裝置或介電彈性體[DP]能量生成裝置)可具有許多不同的操作配置。在一實施例中，控制電子裝置造就了此些不同的配置。從機械輸入功的觀點來看，輸入可以有從固定行程、固定頻率(例如河水流動)到可變行程、可變頻率(波浪能)的範圍。也有不同的轉換週期：固定電荷、固定電場及固定電壓(以及未操作在每週期最大能量下之此些者的子集)。每個應用將會有控制需求的最佳組合。某些實例應用如下：
1.沒有季節變化且連接至電網的河流源。此處的目標是持續產生最多能量且讓公用事業公司針對所產生的能量支付你金錢。可用Pelton輪或其他類似的有效轉換器(假設河源是充足的；低河源需要不同種類的轉換器)將流動轉換為機械能。在一實施例中，將電活性聚合物能量生成裝置設計成能持續地處理源頭能量並 恆定地將能量輸送至電網(在此情況中考慮無限大的負載)。在此處，系統設計會是固定頻率與固定行程以得到最簡單的所需控制。控制系統會在最大能量下操作並且只在故障發生時(內部能量生成裝置故障或外部系統故障，即水源受碎片阻塞、公用電網因雷擊而無法運作等)才停止運轉。
2.連接至能量儲存裝置的波浪源(可能結合太陽與風力與備用的柴油)，例如用以對偏遠的釣魚渡假村供給能量。此處，輸入的機械能的頻率與行程皆不固定。負載會從最小變化至最大。在此情況下，控制系統必須要適應源頭與負載需求的複雜組合並據以最佳化。此外，必須要考慮及控制故障情況與過度的情況，例如若暴風雨產生超過設計最大值的波浪，系統需要以最安全的方式停止運轉。
圖18為電活性聚合物能量生成裝置中使用微控制器電子裝置1802之能量擷取控制系統1800的方塊圖。在一實施例中，控制系統1800針對廣泛的不同操作條件將電活性聚合物能量生成裝置1804的效能最佳化及最大化。控制系統1800亦可用來控制例如電活性聚合物型的阻尼系統。在一實施例中，控制系統1800將電活性聚合物能量生成裝置1804的功率密度最大化。複雜的控制可將電活性聚合物能量生成裝置1804的功率密度改善一個次方。高效率能量轉換電路能控制輸入輸出控制變數的複雜程序，以最大化電活性聚合物能量生 成裝置1804的效能。
在一實施例中，電活性聚合物能量生成裝置1804使用機械輸入能並將其轉換為電輸出能。在一通用實施例中，基本的電活性聚合物能量生成裝置週期包含：應變能量生成裝置1804的電活性聚合物元件，藉此將機械輸入轉換為彈性應變能；添加少量的電荷以為能量裝置「播種」；鬆弛彈性應變以將機械能轉換為電能；及最後藉由移走電能而完成週期。機械輸入能至電活性聚合物能量生成裝置1804的範圍可自固定行程、固定頻率(例如水力渦輪)至可變行程、可變頻率(例如波浪能)。每一情況下的最佳週期可以是固定的(如在水力渦輪的情況)或持續改變的(如在波浪能的情況)。為了適應此些變化，電活性聚合物能量生成裝置的控制系統要評估輸入變數並調整輸出控制以將效能最佳化。控制系統的最少輸入變數為能量生成裝置的應變與能量生成裝置的電壓。最少輸出控制變數為能量生成裝置的充電速率與能量生成裝置的放電速率。控制系統使用此些控制變數與預定的規則組來最佳化電活性聚合物能量生成裝置的效能。
在圖18所示的實施例中，控制系統1800包含：控制器1802，其可包含微處理器或微控制器電路。控制器1802係耦合至充電控制器1806、放電控制器1801與能量儲存元件1808，以控制能量生成裝置1804的充電速率與放電速率。來自電壓監控裝置1812與應變監 控裝置1814之能量生成裝置反饋變數被提供至控制器1802。
在一實施例中，充電控制器1806為高電壓、電功率的電路，適合用來以已界定之量的電荷(因此能量)對電容充電。兩個適合的拓樸為能量調節充電電路(如美國專利6,359,420中所述，將其包含於此作為參考)或固定電流轉換器(返馳式、前饋式等)。由於大部分的電活性聚合物能量生成裝置將會針對成本與效能來權衡電極電阻，一般預期電活性聚合物能量生成裝置1804的等效串聯電阻會相對地高。為了最少化充電(與放電)期間的歐姆加熱損失，(針對定量的電荷而言)應使用最少量的電流最長時間。充電控制器1806自能量儲存元件1808移走能量，並以週期的最大應變將其傳輸至電活性聚合物能量生成裝置1804的介電彈性體薄膜。取決於整體系統的類型，控制電荷、能量或電壓(在複雜系統中可能是其組合)。
在一實施例中，能量儲存元件1808的配置將會取決於控制系統1800的需求。它可以是一個電容器組(例如在連接至公用事業電網的情況)或電池組(與電網分開的偏遠處)或某種組合。能量儲存元件1808的主要目的是提供初始的種子電能以在每個機械週期的初期對電活性聚合物能量生成裝置1804充電。
類似於充電控制器1806，在一實施例中，放電控制器1810是負責在機械週期達到最小的應變時自電活 性聚合物能量生成裝置1804移走電能。在一實施例中，返馳式轉換器的用途最廣，因為可針對三種轉換週期(固定電荷、固定電壓及固定電場)而對其進行控制。亦可使用其他轉換器拓樸。在許多情況下，期望在機械週期的伸展相時電活性聚合物能量生成裝置1804上有零電壓(與零電荷)，以最大化輸入至彈性體中的機械能的量。控制系統1800的電子裝置能判斷放電控制器1810何時應該自電活性聚合物能量生成裝置1804移走能量。
在一實施例中，電壓監控裝置1812是極高阻抗的分壓器，用以判斷電活性聚合物能量生成裝置1804上的電壓。頻寬應該至少是DC至1 kHz而阻抗應該要高，以使典型轉換週期的損失維持在少於1%最佳地維持在少於0.1%。
在一實施例中，應變監控裝置1814(無論是固定行程或可變行程)將電活性聚合物能量生成裝置1804的應變狀態提供予控制器1802。對於固定行程而言這可以是簡單的桿軸型編碼器，但是對於可變行程系統而言，這可能需要在電活性聚合物能量生成裝置1804有一個小區域用來監測電容並假設這個小區域能代表整個電活性聚合物能量生成裝置1804的應變。在簡單的系統中，最大的應變會啟動系統的充電週期而最小的應變會啟動系統的放電週期。對於可變行程系統而言，應變監控裝置1814可以用來判斷何時應開始轉換週期而何時 不該。例如，若波浪不夠大且電活性聚合物能量生成裝置1804可能只是應變10-20%，則控制系統1800會決定不作為，之後一旦可能發生50%的應變，則控制器1802會開始轉換程序。
如前面所討論，電活性聚合物系能量擷取能量生成裝置可具有高電極電阻，不若傳統的能量生成裝置使用高度導電的電極(或導體)來最小化損失。例如，轉動電磁能量生成裝置使用銅或鋁線的導體，因為其不需要順應導體。電活性聚合物能量生成裝置的高電極電阻通常是因為機械順應性的額外電極要求。電極必須要導電並同時具有順應性，因此電極的設計必須要權衡導電率與機械順應性。高度導電的電極(例如銀)極韌且不允許太多的機械移動。另一方面，較差的導電電極(例如經印刷的導電墨水)卻具有順應性、允許機械移動但阻值較高，導致嘗試對電活性聚合物能量生成裝置充電或放電時的電損失。
參考圖8所述的簡化電子裝置電路可藉由在低電極電流下操作而最小化電極損失。此類簡化之電活性聚合物能量生成裝置的電子裝置雖然是針對高電極電阻所配置，但無法最佳化整個機械轉換為電的轉換能力，因此相較於最佳化的電子裝置(簡單電子裝置通常可得到每克0.04-0.06焦耳，而複雜的電子裝置可得到每克0.4-0.6焦耳)會得到遠遠較低的比功率密度。
圖19為電活性聚合物能量生成裝置1904用之高效 率能量傳送電路1900之一實施例的方塊圖。在圖19中，效率能量傳送電路1900包含：藉由充電轉換器電子裝置1906與放電轉換器電子裝置1908而耦合至電活性聚合物能量生成裝置1904的控制電子裝置1902。電流控制訊號1912被用來控制充電轉換器電子裝置1906與放電轉換器電子裝置1908。應變量測電子裝置1910係耦合至電活性聚合物能量生成裝置1904並提供訊號至控制電子裝置1902。此類配置的一個優點在於，電活性聚合物能量生成裝置1904中的電損失是受到控制的，因此能最大化整體的效率與效能。
在一實施例中，本文中所述的電活性聚合物能量生成裝置1904利用受到控制的電荷轉換來最小化對能量生成裝置1904充電或放電時的電極損失。在不同的實施例中，可使用到幾個控制電荷轉換的方法。例如，針對充電轉換器電子裝置1906中的充電可使用同步的平行轉換器來，針對放電轉換器電子裝置1908中的放電可使用連續式的降壓轉換器。在一實施例中，利用充電轉換器電子裝置1906與放電轉換器電子裝置1908中的電子裝置與邏輯將充電或放電電流限制在一個能將電極損失降低至可接受程度的位準。此方法提供了電極電阻的不預望變化且限制了其對於電系統之操作條件的衝擊。能量生成裝置1904的電容及能量生成裝置1904的等效電極電阻皆會隨著機械應變變化。為了控制電活性聚合物能量生成裝置1904之充電與放電期間的電損 失，根據下列標準來限制電流：
根據一實施例，對於具有高電極電阻之電活性聚合物能量生成裝置而言，依據電極電阻或過度損失來控制充電與放電電流會導致極差的整體能量生成裝置效率。
多相平衡電活性聚合物能量生成裝置
已大致上說明了幾個電活性聚合物能量生成裝置的實施例及其元件，現在本發明會回到電活性聚合物能量生成裝置的一實施例，其具有大於約30%的機械能轉換電能的轉換效率。在某些實施例中，利用根據不同實施例的技術可達到大於約80%的效率。例如在一實施例中，藉著將電活性能量生成裝置中的單一元件以複數陣列方式配置，機械能轉換電能的反應性功率效率可超過80%。電活性聚合物能量生成裝置的此類配置可被稱為例如多相能量生成裝置。雖然多相功率轉換的基本概念是現代三相電能分散系統的基礎，但此概念尚未被應用至下列所將述的電活性聚合物能量生成裝置。即便已經說明了電活性聚合物能量生成裝置，但尚未揭露多相電活性聚合物能量生成裝置。尤其，電活性聚合物能量生成裝置具有六相的最小要求，因為其只在二分之一的週期上產生電能而不是像電磁發電機是在雙向中產生電能。因此，電磁能量生成裝置的最佳相數為三相但電活性聚合物能量生成裝置的最佳相數為六相。然而，實施 例並不受此處文義的限制，具有兩或更多相的能量生成裝置皆落在本發明的範疇中。
圖20與21為六相電活性聚合物能量生成裝置2000之一實施例的透視圖，圖22為能量生成裝置2000的側視圖。參考圖20-22，六相電活性聚合物能量生成裝置2000包含：包含了上龍骨2004與下龍骨2006的框架2002；及垂直地設置於框架間的複數支柱2008，支柱2008係連接至上龍骨2004與下龍骨2006。垂直支柱2008包含了張力特徵部2036和分別容納上桿軸2010與下桿軸2012的上軸承2014與下軸承2016。桿軸2010、2012沿著長軸方向2018延伸通過每一支柱2008。桿軸2010、2012支撐六個能量生成裝置元件2020 a-f並以可轉動的方式耦合至該些元件，其中能量生成裝置元件2020 a-f的每一者皆包含至少一線性電活性聚合物傳感器如介電彈性體能量生成裝置(DEG)模組2022 a-f。模組2022 a-f係由可伸展之電驅動聚合物材料尤其是介電彈性體所製得，當其如上所述地伸展、接受到偏壓、鬆弛並放電時，會將機械功轉換為電荷。每一桿軸2010、2012皆包含六個被對應軸承2026 a-f、2030 a-f所容納的凸輪2024 a-f、2028 a-f。六個凸輪2024 a-f、2028 a-f係沿著桿軸2010、2012的長軸設置且依據能量生成裝置2000的相數而以預定的角度相對彼此偏移。例如，在所示的六相系統中，第一與第二能量生成裝置元件2020 a、2020 b間的角度為180°，因此形 成第一相對的反向轉動對。第三與第四能量生成裝置元件2020 c、2020 d間的角度亦為180°，因此形成第二相對的反向轉動對。類似地，第五與第六能量生成裝置元件2020 e、2020 f間的角度亦為180°，因此形成第三相對的反向轉動對。如下面參考圖41-48將更詳細的討論，相對的反向轉動對在多相能量生成裝置2000中提供能最小化漣波力矩的平衡反應性力矩。在一個12相系統中，額外的能量生成裝置元件會以類似方式相對於彼此分隔，以形成能更進一步最小化漣波力矩的彈性元件的平衡反向轉動對，更多相的系統亦然。對應至能量生成裝置元件2020 a-f的上與下凸輪2024 a-f、2028 a-f相對於彼此係以180°設置。上與下桿軸2010、2012係耦合至機械能源，將相反的轉動動作2032、2034施加至對應的桿軸2010、2012。換言之，在一實施例中，上桿軸2012沿著反時鐘的方向轉動2032但下桿軸2012沿著順時鐘的方向轉動2034。上與下桿軸2010、2012的轉動方向可以顛倒但其必須維持相對於彼此的相對反向轉動。
當機械功源將反向轉動動作2032、2034施加至對應的上與下桿軸2010、2012時，能量生成裝置元件2020 a-f會因為對應凸輪2024 a-f、2028 a-f所施加的力而在每一週期間伸展與鬆弛。因為特定能量生成裝置元件2020 a-f的上與下凸輪2024 a-f、2026 a-f係相對於彼此以180°的方式設置，故在單一週期中能量生成裝置 元件2020 a-f的上與下部會伸展與鬆弛。由於凸輪2024 a-f、2028 a-f係沿著桿軸2010、2012的長軸長度相對於彼此以60°的方式設置，在單一週期中能量生成裝置元件2020 a-f會因為同步性而伸展與鬆弛。在圖22中將此顯示得更清楚，其捕捉到了一週期中任意時間點處的狀態。如圖22中所示，因為凸輪2024 a-f、2028 a-f的間距，每一能量生成裝置元件2020 a-f皆處於不同的伸展與鬆弛狀態。例如，能量生成裝置元件2022 f呈現出完全伸展態、能量生成裝置元件2022 c呈現出完全鬆弛態、剩下的能量生成裝置2020 a、b、d、e呈現出伸展的中間態。
圖23為六相電活性聚合物能量生成裝置2000的透視圖，顯示圖20-22中的裝置但大部分介電彈性體能量生成裝置模組2022 b-f皆已移除。圖24與25為圖23中所示之六相電活性聚合物能量生成裝置2000的末端視圖，而圖26為圖23中所示之六相電活性聚合物能量生成裝置2000的側視圖。如圖23-26中所示，每一能量生成裝置元件2020 a-f皆包含上懸掛板2038 a-f與下懸掛板2040 a-f。懸掛板2038 a-f、2040 a-f包含每一凸輪2024 a-f、2028 a-f的對應軸承2026 a-f、2030 a-f。樞紐連接器2042 a-f、2044 a-f與角度鉗2046 a-f、2048 a-f將每一介電彈性體能量生成裝置模組2022 a-f耦合至上與下懸掛板2038 a-f、2040 a-f。樞紐2050 a-f將上樞紐連接器2042 a-f連接至懸掛板2038 a-f而樞紐2052 a-f將下樞紐連接器2044 a-f連接至下懸掛板2040 a-f。複數的支撐管2054 a-f將上角度鉗2046 a-f與介電彈性體能量生成裝置模組2022 a-f耦合至樞紐連接器2042 a-f。類似地，複數支撐管2056 a-f將下角度鉗2048 a-f與介電彈性體能量生成裝置模組2022 a-f耦合至下樞紐連接器2044a-f。
圖27顯示了圖20-26中所示之介電彈性體能量生成裝置模組2022 a的一實施例。介電彈性體能量生成裝置模組2022 a為電活性聚合物傳感器的一實施例。如圖27中所示，介電彈性體能量生成裝置模組2022 a包含第一與第二介電堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1與2066 a-2。堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1、2066 a-2係藉由支撐管2054 a、2056 a而連接至樞紐連接器2042 a、2044 a與角度鉗2046 a、2048 a。安裝孔2058 a、2060 a係用來將樞紐連接器2042 a、2044 a連接至對應的上與下懸掛板2038 a、2040 a，如參考圖20-26所述。每一堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1、2066 a-2皆包含電極2068 a-1、2068 a-2，電極將介電彈性體能量生成裝置模組2022 a耦合至調節電子裝置。這此得調節電子裝置能夠在介電彈性體薄膜處於伸展(應變)態時將源(偏)電壓施加至介電彈性體薄膜，並在介電彈性體薄膜處於鬆弛態時自介電彈性體薄膜擷取所累積的電荷。如圖27中所示，堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1包含介電薄膜層2062 a與電極2064 a。在一實施例中，每一堆疊彈性體 薄膜元件2066 a-1、2066 a-2皆包含複數電極2064 a與介電薄膜層2062 a。例如在所示的實施例中，堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1、2066 a-2包含約100層的介電薄膜2062 a，其中每一層皆包含七個電極2064a以形成100x11的堆疊彈性體薄膜元件。在一實施例中，每一介電彈性體薄膜層2062 a為約0.1 mm厚的聚氨酯且例如具有約0.1、0.2或0.4 J/cc的功率密度。其他適合的材料包含丙烯酸酯、矽膠、熱塑性彈性體、烴橡膠、氟彈性體、苯乙烯共聚物等。在一實施例中，介電彈性體能量生成裝置模組2022 a包含約0.1 kg的活性介電材料且具有槽狀結構T(280x100mm)x(100層@100μm)。此類模組具有約C=280 nF的電容且需要力F=1680 N(378 lb)來應變模組(Y=0.6 MPa)100%。
圖28顯示了圖27中所示之介電彈性體能量生成裝置模組2022 a之堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1部的一實施例。如圖28中所示，在一實施例中，堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1包含具有錫膏遮罩的印刷電路板2070 a-1與複數安裝孔2072 a-1、2074 a-1，安裝孔藉由支撐管2054 a、2056 a(圖24-27中所示將堆疊彈性體薄膜元件連接至角度鉗2046 a、2048 a。每一堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1皆包含：聚合物熔絲2078 a-1，耦合於匯流排電極2076 a-1與形成在介電彈性體薄膜2062 a-1上之每一電極間。當堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1、2066 a-2包含熔絲時，其可被稱為熔部。匯流排電極 2076a-1可以是端點對端點的銅匯流排，扁平如標準的定位區。金屬終端2080 a-1藉由聚合物熔絲2078 a-1將匯流排電極2076 a-1電耦合至獨立電極2064 a-1。在一實施例中，銀墨水被印刷在聚合物熔絲2078 a-1與終端2080 a-1上。如所示，堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1包含七個電極但不為所限，基於介電彈性體能量生成裝置模組2022 a的特別應用，可包含任何適當數目的電極2064 a-1。類似地，雖然只有顯示上薄膜層，但在一實施例中，堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1包含100層且不為所限，基於介電彈性體能量生成裝置模組2022 a的特別應用，可包含任何適當數目的薄膜層。
圖29-33顯示圖27-28中所示之熔部2066 a-1的額外細部圖。圖29為堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1的前視圖。圖30為前板移除後之堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1的透視圖。圖31為圖30中所示之堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1的詳細末端視圖。圖32為堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1的部分透視圖。且，圖33為圖32中所示之堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1之部分透視圖的詳細圖。
先回到圖29-31，堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1包含複數層的框架元件2082 a-1與介電彈性體薄膜元件2084 a-1。電極2064 a-1係藉著將例如導電墨水印刷至每一介電彈性體薄膜層2084 a-1上所形成。如前面所討論的，在一實施例中，熔部2066 a-1可包含上至100層 的介電彈性體薄膜元件2084 a-1。框架元件2082 a-1對介電彈性體薄膜元件2084 a-1的膜層提供支撐且亦包含藉由印刷電路板2070 a-1、匯流排電極2076 a-1、聚合物熔絲2078 a-1與金屬終端2080 a-1而連接至獨立電極2064 a-1的電連接，在一實施例中上述者可塗有銀。圖32-33顯示框架元件2082 a-1與介電彈性體薄膜元件2084 a-1膜層間的描繪。
圖34-37顯示根據一實施例圖20-24與26中所示之懸掛板2038 a的細部圖。下懸掛板2040 a係實質上類似於上懸掛板2038 a且在此處不會詳細說明。如圖34-37中所示，在一實施例中，上懸掛板2038 a包含：主體部2086，界定適合用來容納軸承2026 a於其中的孔洞。如前面參考圖20-26所討論的，軸承2026 a界定孔洞2088，孔洞2088的直徑適合使上桿軸2010位於孔洞2088內。樞紐2050 a經由安裝孔2090連接至上懸掛板2038 a的主體部2086並經由安裝孔2092(對應至圖27中形成在介電彈性體能量生成裝置模組2022 a之樞紐連接器2042 a中的安裝孔2058a)連接至介電彈性體能量生成裝置模組2022 a。亦顯示了經由安裝孔2094(對應至圖28-30中形成在堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1中的安裝孔2072 a-1)耦合至樞紐連接器2042 a的上角度鉗2046 a。應瞭解，複數支撐管2054 a將角度鉗2046 a耦合至堆疊彈性體薄膜元件2066 a-1、2066 a-2(圖27)。
圖38-40顯示與參考圖20-26所述之六相電活性聚合物能量生成裝置2000一起使用的桿軸的一實施例。圖38為上桿軸2010的透視圖。圖39為上桿軸2010的側視圖。圖40為上桿軸2010的末端視圖。參考圖38-40中所示的實施例提供上桿軸2010的詳細說明。由於下桿軸2012係實質上類似於上桿軸2010，為了揭露的具體與清晰性，省略下桿軸2012的詳細說明。如所示，上桿軸2010包含沿著長軸2018的延伸臂2096以及以固定方式沿著延伸臂2096之長軸長度2018設置與連接的六個凸輪2024 a-f。如前面所討論，凸輪2024 a-f係以可操作方式耦合至六個能量生成裝置元件2020 a-f，以在上與下桿軸2010、2012受到施加於其上之機械功影響而轉動時伸展與鬆弛DEG模組2022 a-f。
凸輪2024 a-f係以可轉動的方式以X-Z軸間的夾角θ沿著延伸臂2096設置。如所示，凸輪2024 a與2024 b係以相對於彼此的夾角θ=180°轉動設置，為了討論的目的其相對於Z軸的夾角為0°。下一個凸輪2024 c係以相對於第一凸輪2024 a之夾角θ=300°的方式設置。下一個凸輪2024 d係以相對於第一凸輪2024 a之夾角θ=120°的方式設置。下一個凸輪2024 e係以相對於第一凸輪2024 a之夾角θ=240°的方式設置。最後一個凸輪2024 f係以相對於第一凸輪2024 a之夾角θ=60°的方式設置。下桿軸2012的凸輪2028 a-f相對於上桿軸2010之凸輪2024 a-f的夾角θ=180°。因此當上與下 桿軸2010、2012的延伸臂2096轉動時，凸輪2024 a-f、2028 a-f以可操作方式銜合上與下懸掛板2038 a-f、2040 a-f，以在上與下桿軸2010、2012的每一轉動週期間伸展與鬆弛介電彈性體能量生成裝置模組2022 a-f。
如前面所討論的，凸輪2024 a-f係以可轉動的方式以凸輪2024 a-f間的相對夾角θ沿著延伸臂2096設置，以形成平衡的反向轉動彈性對。換言之，包含了第一與第二凸輪2024 a、2024 b、第三與第四凸輪2024 c、2024 d及第五與第六凸輪2024 e、2024 f的每一對係以相對於彼此之夾角θ為180º的方式設置，以形成平衡的反向轉動彈性對而最小化漣波力矩。
多相彈性元件的平衡反應性力矩分析
圖41-48顯示了多相介電彈性體能量生成裝置中平衡反應性力矩的原理。圖41為顯示了來自一彈性元件之力矩的圖2100。考慮藉由線性彈性彈簧2106而耦合在一起而形成一對彈性元件的兩個轉動棒2102、2104，其能夠繞著樞軸點2116、2118作自由轉動。第一個轉動棒2102沿著反時鐘的方向旋轉2108而第二個轉動棒與第一個轉動棒2102相反而沿著順時鐘的方式旋轉2110。假設選定轉動棒2102、2104的分開距離，使得彈簧2106的力在F=0與F=Fmax間變動。彈簧2106的長度(因此力)可用(1-cos θ)的項次來表示，而如圖42中所示力臂會隨著r sin θ而變動。
圖42顯示因彈性彈簧2106而作用在轉動棒2012 中之一者上的力與力矩。如圖42中所示，轉動棒2102所經歷的力為：F=Fmax(1-cosθ)/2 (32)
利用三角代換，力矩可以表示成具有不同頻率之兩個正弦波的差：sinθcosθ=(1/2)sin2θ (33)
從圖42中的力矩表示式可得到：
因此來自一彈性彈簧2106的力矩為：
圖43(圖44的插頁)顯示了來自第二彈性元件的力矩是來自第一彈性元件之力矩的180°反相。在圖43中，相對於圖41的配置，第二彈性彈簧2114係耦合至兩相反轉動棒2102、2104的相反端。力矩表示式係由圖44中所示而推導出。利用兩個額外的三角代換可將第二彈性元件的力矩表示式代換成更方便的形式。從圖44中的表示式開始可得到：
利用第一三角恆等式：sin(2θ+2π)=sin 2θ (38)
取代得到：
現在使用第二三角恆等式：sin(θ+π)=-sin θ (40)
因此來自第二彈性彈簧2114的力矩是來自第一彈性彈簧之力矩的180°反相：
圖45顯示了一對相對彈性元件的180°反相力矩。
圖45顯示了一對相對彈性元件的180°反相力矩。如圖45中所示，反向轉動棒2102、2104現在在第一端處係藉由第一彈性彈簧2106所耦合而第二端處係藉由第二彈性彈簧2114所耦合，以形成一對相反的彈性元件。總和力矩方程式(36)與(41)得到一對相反的彈性元件的力矩：
其可簡化為：
方程式(43)中的2 θ項代表被動力矩改變的速度會是轉動棒2102的角度的兩倍，這係顯示於圖46中。
圖47顯示平均分佈的三對彈性元件的力矩。為了清楚表示只顯示在π/3處的兩個相對彈性元件，這兩個彈性元件包含耦合至對應至彈性彈簧2106、2114的反向轉動棒2102、2104。應瞭解，另外兩對彈性元件亦 耦合至0與2 π/3處的對應彈性彈簧對。在方程式(43)中所推導出的被動力矩表示式亦適用於一對彈性元件。為了平衡設備，三對彈性元件係沿著半週期分佈。如圖47中所示，三對彈性元件係沿著半圓，分佈在0、π/3、2 π/3處。如圖48中所示，圖47中所示的配置讓位於0、π/3、2 π/3處之三對彈性元件2102-2104、2122-2124與2132-2134的被動力矩的和為零。
在代數中而非圖示中，可見到考慮此三對彈性元件的力矩時點的推移：
一般而言，正弦函數的週期性讓三項分別平移2 π/3時三項的和為零。即，對於任何數x而言：
由於這個等式適用於任何x，包括x=2 θ因此被動力矩的和為零：
因此三個相反彈性元件對達到平衡且具有零漣波力矩。類似地，複數個三對(六對、九對等)亦會達到平衡。然而，三對是平衡所需的彈性元件最小數目。
徑向介電彈性體能量生成裝置
可有利地使用多於三對(或六相)的彈性元件。圖49顯示具有連接至中央凸輪的八相的介電彈性體能量生成裝置2200。如圖49中所示，徑向介電彈性體能量生成裝置2200包含界定八相的八個電活性聚合物徑向腳2202 a-h。徑向腳2202 a-h係連接至外部硬框2204與凸輪2208用的中央軸承2206。凸輪2208係以可轉動的方式耦合至旋轉桿軸2210。當桿軸2210轉動時，凸輪2208在能量生成裝置2200的每一週期中致動每一徑向腳2202 a-h。
圖50為每一相近似為連接至繞著中央軸運行之點之線性彈簧的圖2212。伸展並轉動彈簧會產生繞著中央軸的力矩。因單一相所產生的被動力矩可以下列方式計算：
其中r=軌道半徑[m]；l 0=彈簧的靜止長度[m]；而k=彈簧係數[N/m]。
圖51為利用方程式(51)所計算出之被動力矩的表 示圖，其中r=0.5；l 0=1；而k=1。垂直軸代表被動力矩(Nm)而水平軸代表角度(弧度)。
圖52為來自六相之每一相的力矩的圖。垂直軸代表被動力矩(Nm)而水平軸代表角度(弧度)。
圖53是具有一相至六相之系統之淨被動力矩的圖示，一相的淨被動力矩最大而六相的淨被動力矩最小。垂直軸代表被動力矩(Nm)而水平軸代表角度(弧度)。如所示，具有最多相數的系統具有最小的淨被動力矩。
圖54為來自六相系統之漣波力矩的圖。垂直軸代表力矩(Nm)而水平軸代表角度(弧度)。
圖55為具有n相之系統與具有單相系統之最大漣波力矩的比的圖。垂直軸代表力矩比而水平軸代表相數。因此可觀察到，藉著增加相數可將漣波力矩(相當於齒槽效應)降低期望的程度，例如12相時可將其降至2E-5(20 ppm)。
應注意，當提到「一實施例」時代表與該實施例相關的特定特徵、結構或特定被包含在至少一實施例中。說明書中出現「在一實施例中」或「在一態樣中」時，並非指相同的實施例。
應瞭解，可利用「耦合」和「連接」與其衍生物的表示方式來敘述某些實施例。此處非指此些詞彙為彼此的同義詞。例如，某些實施例可用「連接」及/或「耦合」來表示兩或更多元件係彼此直接實體接觸或電接觸。但「耦合」一詞亦可表示兩或更多元件並非彼此直 接接觸而是彼此共同操作或相互作用。
應瞭解，熟知此項技藝者將能夠設計出本文中未明確說明或顯示但體現本發明原理的各種配置，此些配置仍落在本發明的範疇內。又，本文中所敘述的所有實例與條件語言基本上旨在協助讀者瞭解本發明的原理及本領域的概念，其不應被解讀為本發明係限制於此類實例與條件。且，本文中敘述原理、實施例及特定實例的所有陳述旨在包含其所有結構上與功能上的均等物。此外，此類均等物應包含目前已知的均等物及未來將會研究出的均等物即無論其結構為何而是能施行相同功能的任何元件。因此本發明的範疇並不限於文中所示與所述的例示性實施例與實施例，而是由申請專利範圍所體現。
本發明文義中所用的「一」與「該」與類似詞(尤其是在下面申請專利範圍的文義中所用)應被解讀為：除非另外指出或文義明顯矛盾，否則應包含單數與複數。文中敘述的數值範圍只是利用簡單的方式來表示落在此範圍內的每一單獨數值。除非在文中另外指出，否則每一單獨數值都應被包含於說明書中如同說明書中分別敘述之。除非另外指出或明顯與文義相矛盾，否則文中所述的所有方法可以任何適合的順序施行之。本文中所用的所有與任何實例或例示性語言(例如，「例如」、「在此情況下」)只是為了更清楚地說明本發明，其並未對本發明的範圍產生任何限制。在說明書中不應 有任何語言被解讀為，指涉任何未被申請專利範圍所包含的元件是施行本發明的關鍵。更應瞭解，可撰寫申請專利範圍以排除任何選擇性的元件。如此，此陳述意在作為使用此類排除性用語(如「僅」、「止」與列舉申請專利範圍中之元件者)或使用負面界定的前置基礎。
針對本文中所揭露之替代性元件或實施例的分類編組不應被解讀為限制。每一組的組員可被單獨選用與置入申請專利範圍中，或者其可與文中該組或其他組的其他組員一起組合使用。期望為了簡便及/或可專利性的緣故，一組可包含、或刪除該組中的一或多個組員。
雖然在上面已說明了實施例的某些特徵，但熟知此項技藝者現在當可思及許多修改、取代、變化與均等物。因此應明白，申請專利範圍意在包含落在所揭露之實施例及隨附之申請專利範圍內的所有此類修改與變化。
100‧‧‧功率轉換裝置
102‧‧‧機械能源
104‧‧‧傳動耦合機構
106‧‧‧電活性聚合物
108‧‧‧調節電子裝置
110‧‧‧電能
200‧‧‧週期
202‧‧‧伸展薄膜
204‧‧‧施加偏壓
206‧‧‧鬆弛薄膜並在固定電場下移除電壓
208‧‧‧持續鬆弛薄膜並在降低電場的情況下移除電壓
300‧‧‧傳感器部
302‧‧‧電活性聚合物
304、306‧‧‧電極
308、310‧‧‧平面方向
312‧‧‧厚度方向
400‧‧‧電活性聚合物能量生成裝置
402‧‧‧電活性聚合物薄膜
404、406‧‧‧電極
408‧‧‧電荷
412‧‧‧功率源
414‧‧‧方向
416‧‧‧負載
414‧‧‧機械能
500‧‧‧介電常數量測值的圖
600‧‧‧介電常數對電場的圖
700‧‧‧Ogden模型的圖
800‧‧‧能量生成電路
802‧‧‧能量生成裝置
804‧‧‧齊納二極體
806‧‧‧起始電壓
900‧‧‧電活性聚合物能量生成裝置
902‧‧‧介電彈性體
904‧‧‧電極
906‧‧‧電極活性區域
908‧‧‧非活性區域
1000‧‧‧圖示
1100‧‧‧圖示
1200‧‧‧PSPICE模型
1300‧‧‧圖示
1400‧‧‧耦合PSPICE模型
1500‧‧‧圖示
1800‧‧‧能量擷取控制系統
1801‧‧‧放電控制器
1802‧‧‧微控制器電子裝置
1804‧‧‧電活性聚合物能量生成裝置
1806‧‧‧充電控制器
1808‧‧‧能量儲存元件
1812‧‧‧電壓監控裝置
1814‧‧‧應變監控裝置
1900‧‧‧高效率能量傳送電路
1902‧‧‧控制電子裝置
1904‧‧‧電活性聚合物能量生成裝置
1906‧‧‧充電轉換器電子裝置
1908‧‧‧放電轉換器電子裝置
1910‧‧‧應變量測電子裝置
2000‧‧‧六相電活性聚合物能量生成裝置
2002‧‧‧框架
2004‧‧‧上龍骨
2006‧‧‧下龍骨
2008‧‧‧支柱
2010‧‧‧上桿軸
2012‧‧‧下桿軸
2014‧‧‧上軸承
2016‧‧‧下軸承
2018‧‧‧長軸方向
2010、2012‧‧‧桿軸
2020 a-f‧‧‧能量生成裝置元件
2022 a-f‧‧‧介電彈性體能量生成裝置(DEG)模組
2024 a-f‧‧‧上凸輪
2026 a-f‧‧‧軸承
2028 a-f‧‧‧下凸輪
2030 a-f‧‧‧軸承
2032、2034‧‧‧轉動動作
2036‧‧‧張力特徵部
2038 a-f‧‧‧上懸掛板
2040 a-f‧‧‧下懸掛板
2042 a-f‧‧‧上樞紐連接器
2044 a-f‧‧‧下樞紐連接器
2046 a-f‧‧‧上角度鉗
2048 a-f‧‧‧下角度鉗
2050 a-f‧‧‧樞紐
2054 a-f、2056 a-f‧‧‧支撐管
2058 a、2060 a‧‧‧安裝孔
2062 a‧‧‧介電薄膜層
2064 a‧‧‧電極
2066 a-1、2066 a-2‧‧‧第一與第二介電堆疊彈性體薄膜元件
2068a-1、2068a-2‧‧‧電極
2070 a-1‧‧‧印刷電路板
2072a-1、2074 a-1‧‧‧安裝孔
2076 a-1‧‧‧匯流排電極
2078 a-1‧‧‧聚合物熔絲
2080 a-1‧‧‧金屬終端
2082 a-1‧‧‧框架元件
2084 a-1‧‧‧介電彈性體薄膜層
2086‧‧‧主體部
2088‧‧‧孔洞
2090‧‧‧安裝孔
2092‧‧‧安裝孔
2094‧‧‧安裝孔
2096‧‧‧延伸臂
2100‧‧‧圖
2102、2104‧‧‧轉動棒
2102-2104‧‧‧彈性元件
2106‧‧‧線性彈性彈簧
2108‧‧‧旋轉
2110‧‧‧旋轉
2012‧‧‧轉動棒
2114‧‧‧第二彈性彈簧
2116、2118‧‧‧樞軸點
2122-2124、2132-2134‧‧‧彈性元件
2200‧‧‧電活性聚合物薄膜
2202‧‧‧電極
2202 a-h‧‧‧徑向腳
2204‧‧‧裂痕、外部硬框
2206‧‧‧強化珠、軸承
2208‧‧‧凸輪
2210‧‧‧桿軸
2300‧‧‧電活性聚合物薄膜
2302‧‧‧電極
2304‧‧‧裂痕
2308‧‧‧介電薄膜
2400‧‧‧電極
2402‧‧‧裂痕
2404‧‧‧圓柱形的延壓複合物
2406‧‧‧方柱形的延壓複合物
2408‧‧‧後緣
圖1為用以自機械能源擷取電能之功率轉換裝置的方塊圖。
圖2顯示使用包含了某類型之電活性聚合物薄膜之功率轉換裝置的功率轉換週期。
圖3A顯示根據一實施例之傳感器部的上視圖。
圖3B顯示包含了回應電場變化而偏移之傳感器部的上視圖。
圖4A-4F顯示使用包含了電活性聚合物薄膜如介電彈性體薄膜之功率轉換裝置將機械能轉換為電能之電活性聚合物能量生成裝置的一週期。
圖5為各種矽膠介電彈性體材料的介電常數量測值的圖。
圖6為介電常數對電場的圖。垂直軸代表介電常數(ε)而水平軸代表電場E(V/μm)。
圖7為針對約100個經校正的彈性體所歸納出的矽膠彈性體(SSF4930)的Ogden模型的圖。
圖8顯示簡單的能量生成電路的一實施例。
圖9A與9B顯示電活性聚合物能量生成裝置之經界定的座標系統。
圖10為電活性聚合物能量生成裝置中固定充電週期的功率對伸展比例的圖。
圖11為純切變模式能量生成裝置之行程-力量關係與曲線近似圖1100。
圖12顯示機械非線性純切變電活性聚合物能量生成裝置的PSPICE模型。
圖13為位移對力的PSSPICE模型結果圖。
圖14為耦合非線性彈簧模型之非線性電容器的耦合PSPICE模型。
圖15為功率擷取模擬圖。
圖16為理想的功率擷取週期對非理想的週期(漏電流)的圖。
圖17為理想與非理想週期之回收電能圖。
圖18為電活性聚合物能量生成裝置中使用微控制器電子裝置之功率擷取控制系統之一實施例的方塊圖。
圖19為電活性聚合物能量生成裝置用之高效率功率轉換電路之一實施例的方塊圖。
圖20與21為六相電活性聚合物能量生成裝置的透視圖。
圖22為圖20-21所示之能量生成裝置的側視圖。
圖23為圖20-22所示之六相電活性聚合物能量生成裝置的透視圖，但大部分的DEG模組已移除。
圖24與25為圖23所示之六相電活性聚合物能量生成裝置末端視圖。
圖26為圖23中所示之六相電活性聚合物能量生成裝置的側視圖。
圖27顯示圖20-26中所示之DEG模組的一實施例。
圖28顯示圖27中所示之DEG模組之堆疊彈性體薄膜元件部的一實施例。
圖29為堆疊彈性體薄膜元件的前視圖。
圖30為前板移除後之堆疊彈性體薄膜元件的透視圖。
圖31為圖30中所示之堆疊彈性體薄膜元件的詳細末端視圖。
圖32為堆疊彈性體薄膜元件的部分透視圖。
圖33為圖32中所示之堆疊彈性體薄膜元件的部分 透視圖的細部圖。
圖34-37顯示根據一實施例在圖20-24與26中所示之上懸掛板的細部圖。
圖38-40顯示與圖20-26之六相電活性聚合物能量生成裝置一起使用之桿軸的一實施例。
圖41-48顯示多相介電彈性體能量生成裝置中平衡的反應力矩的原理。
圖49顯示連接至中央凸輪的八相徑向介電彈性體能量生成裝置。
圖50為每一相近似為連接至繞著中央軸運行之點之線性彈簧的圖。
圖51為利用方程式(51)所計算出之被動力矩的圖，其中r=0.5；lo=1；k=1。
圖52為來自六相之每一相之力矩的圖。
圖53為來自一相至六相系統之淨被動力矩的圖，其中一相系統的最大而六相系統的最小。
圖54為來自六相系統之漣波力矩的圖。
圖55為n相系統與一相系統之最大漣波力矩的比值圖。
圖56為包含了形成在介電薄膜之複數電極之電活性聚合物薄膜的圖。
圖57為包含了形成在介電薄膜之複數電極之電活性聚合物薄膜的圖。
圖58為已產生裂痕之電極的圖。
圖59為已產生裂痕之電極的圖。
100‧‧‧功率轉換裝置
102‧‧‧機械能源
104‧‧‧傳動耦合機構
106‧‧‧電活性聚合物
108‧‧‧調節電子裝置
110‧‧‧電能

Claims (20)

  1. 一種能量轉換裝置，經組構以將來自機械能源的能量轉換為電能，該能量轉換裝置包含：傳感器，包含具有可伸展之電驅動聚合物材料的介電彈性體模組，該介電彈性體模組包含至少一介電彈性體薄膜層，該介電彈性體薄膜層至少具有至少一部分設置於至少第一與第二電極之間；傳動耦合機構，經組構以耦合該機械能源並以可操作方式連接至該傳感器，以週期性地應變與鬆弛該傳感器而回應作用在該傳動耦合機構上的該機械能；及調節電路，耦合至該至少第一與第二電極，並經組構以在該介電彈性體薄膜處於應變態時將電荷施加至該介電彈性體薄膜、在該介電彈性體薄膜自該應變態轉變至鬆弛態期間自該介電彈性體薄膜斷開、並在該介電彈性體薄膜達到鬆弛態時自該介電彈性體薄膜移走電荷。
  2. 如申請專利範圍第1項之能量轉換裝置，其中該介電彈性體模組包含介於複數框架元件間的介電彈性體薄膜元件層以及形成在每一層上的複數電極。
  3. 如申請專利範圍第2項之能量轉換裝置，更包含：匯流排電極，位於該框架元件之至少一者上以將該調節電路耦合至該等複數個電極。
  4. 如申請專利範圍第3項之能量轉換裝置，更包含：聚合物熔絲，電連接於該匯流排電極與至少一電極之間。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任何一項之能量轉換裝置，其中該介電彈性體薄膜的模數係小於約100 MPa且其介電常數大於約2，且其包含一或多種材料選自由下列者所構成之族群：丙烯酸酯、矽膠、聚氨酯、烴橡膠、氟彈性體、苯乙烯共聚物與其組合。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任何一項之能量轉換裝置，其中該第一電極與第二電極中的至少一者包含選自由下列者所構成之族群的至少一種：扇形強化珠、蛇形強化珠、延壓複合物與織物。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任何一項之能量轉換裝置，其中該傳動耦合機構包含第一桿軸，該第一桿軸具有經組構以耦合至該機械能源的第一部及第二部，該第二部包含以可操作方式耦合至該傳感器的第一凸輪。
  8. 如申請專利範圍第7項之能量轉換裝置，其中該第一桿軸包含第二凸輪，該第二凸輪繞著該桿軸相對於該第一桿軸上的該第一凸輪係以180°的夾角設置。
  9. 如申請專利範圍第8項之能量轉換裝置，其中該傳動耦合機構包含第二桿軸，該第二桿軸具有經 組構以耦合該機械能源的第一部及包含第二凸輪的第二部，該第二凸輪以可操作方式耦合至該傳感器且繞著該桿軸相對於該第二桿軸上的該第一凸輪係以180°的夾角設置。
  10. 如申請專利範圍第9項之能量轉換裝置，其中當該機械能源被耦合至該第一與第二桿軸的該些第一部時，該第一桿軸係沿著順時鐘的方向旋轉而該第二桿軸係沿著反時鐘的方向旋轉，其中該第一與桿軸上的該第一與第二凸輪形成一對相反的反向轉動彈性元件。
  11. 如申請專利範圍第10項之能量轉換裝置，更包含：第一懸掛板，界定用以容納該第一桿軸之該第一凸輪於其中的孔洞，該第一懸掛板具有以可操作方式耦合至該第一桿軸之該第一凸輪的第一端與連接至該傳感器之第一端的第二端；及第二懸掛板，界定用以容納該第二桿軸之該第一凸輪於其中的孔洞，該第二懸掛板具有以可操作方式耦合至該第二桿軸之該第一凸輪的第一端與連接至該傳感器之第二端的第二端；其中耦合至該傳感器並以可操作方式分別耦合至該第一與第二桿軸上的該第一凸輪的該第一與第二懸掛板界定第一能量生成裝置元件。
  12. 如申請專利範圍第11項之能量轉換裝置，更包含：第三懸掛板，界定用以容納該第一桿軸之該 第二凸輪於其中的孔洞，該第三懸掛板具有以可操作方式耦合至該第一桿軸之該第二凸輪的第一端與連接至第二傳感器之第一端的第二端；及第四懸掛板，界定用以容納該第二桿軸之該第二凸輪於其中的孔洞，該第二懸掛板具有以可操作方式耦合至該第二桿軸之該第二凸輪的第一端與連接至該第二傳感器之第二端的第二端；其中耦合至該第二傳感器並以可操作方式分別耦合至該第一與第二桿軸上的該第二凸輪的該第三與第四懸掛板界定第二能量生成裝置元件；其中該第一與第二能量生成裝置元件界定第一對平衡反向轉動彈性元件。
  13. 如申請專利範圍第12項之能量轉換裝置，更包含至少第三與第四能量生成裝置元件，其中該至少第三與第四能量生成裝置元件界定第二對平衡反向轉動彈性元件。
  14. 如申請專利範圍第1至13項中任何一項之能量轉換裝置，其中該調節電路包含：控制器；充電控制器；能量儲存元件；及其中當該機械週期達到週期的最大應變時該充電控制器自該能量儲存元件移走電能並將其傳輸至該介電彈性體薄膜。
  15. 如申請專利範圍第14項之能量轉換裝置，其中該調節電路更包含：放電控制器；其中當該機械週期達到週期的最小應變時該放電控制器自該介電彈性體薄膜移走電能。
  16. 如申請專利範圍第14或15項之能量轉換裝置，更包含至少一電壓監控裝置或應變監控裝置，以判斷該介電彈性體薄膜上的電壓或應變狀態並對該控制器提供電壓或應變量測值的至少一者。
  17. 一種電活性聚合物能量轉換裝置，至少包含：第一對相對的反向轉動能量生成裝置元件；第二對相對的反向轉動能量生成裝置元件；及第三對相對的反向轉動能量生成裝置元件；其中該至少三對相對的反向轉動能量生成裝置元件界定一平衡反向轉動電活性聚合物能量轉換裝置。
  18. 一種自機械能源產生電能的方法，包含下列步驟：應變步驟，利用該機械能源將介電彈性體薄膜應變至週期的預定最大應變；監測步驟，藉由應變控制器監測該介電彈性體薄膜何時達到該週期的預定最大應變；傳輸步驟，當該機械週期達到該週期的最大應變時藉由充電控制器將電荷傳輸至該介電彈性體薄膜； 鬆弛步驟，將該介電彈性體薄膜鬆弛至週期的預定最小應變；及移除步驟，當該機械週期到達週期的最小應變時藉由放電控制器移走該介電彈性體上的該電荷。
  19. 如申請專利範圍第18項之自機械能源產生電能的方法，更包含：藉由該充電控制器自能量儲存元件移除電荷；及當該機械週期達到週期的最大應變時，將自該能量儲存元件所移除的電荷傳輸至該介電彈性體薄膜。
  20. 如申請專利範圍第18或19項之自機械能源產生電能的方法，更包含：藉由電壓監控裝置或應變監控裝置的至少一者判斷該介電彈性體薄膜的電壓或應變狀態的至少一者；及將該電壓或應變之至少一者的量測值提供予該控制器。
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