特許 6998116 誘電エラストマー発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-22

(45)【発行日】2022-01-18

(54)【発明の名称】誘電エラストマー発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20220111BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017044829

(22)【出願日】2017-03-09

(65)【公開番号】P2018148763

(43)【公開日】2018-09-20

【審査請求日】2020-03-05

(73)【特許権者】

【識別番号】514285911

【氏名又は名称】千葉 正毅

(73)【特許権者】

【識別番号】510244754

【氏名又は名称】和氣 美紀夫

(74)【代理人】

【識別番号】100135389

【弁理士】

【氏名又は名称】臼井 尚

(74)【代理人】

【識別番号】100086380

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 稔

(73)【特許権者】

【識別番号】000229117

【氏名又は名称】日本ゼオン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135389

【弁理士】

【氏名又は名称】臼井 尚

(72)【発明者】

【氏名】千葉 正毅

(72)【発明者】

【氏名】和氣 美紀夫

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 光明

(72)【発明者】

【氏名】澤田 誠

【審査官】島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】特許第５４７９６５９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１５－１５４６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭５５－９３５０（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【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含む発電部と、
特定個数の複数のコンデンサを含み、前記発電部からの出力電力が入力される中間蓄電部と、
前記中間蓄電部からの出力電力が入力される蓄電部と、
入力モードと中間モードと出力モードとを切り替えて設定制御する制御部と、を備え、
前記入力モードにあっては、前記中間蓄電部の前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記特定個数以下の入力直列数となるように前記発電部に接続し、
前記中間モードにあっては、前記入力モードにおける前記複数のコンデンサと前記発電部とが非接続となり、
前記出力モードにあっては、前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記入力直列数よりも小である出力直列数となるように前記蓄電部に接続し、
前記制御部は、前記発電部による発電の電圧を監視すること、または、前記誘電エラストマー発電要素の伸長および収縮状態を検出すること、により、前記入力モードと前記出力モードとを切り替える、ことを特徴とする、誘電エラストマー発電システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記出力モードにおいて前記入力直列数以下であって上記出力直列数よりも大である個数の前記コンデンサを互いに並列に接続する、請求項１に記載の誘電エラストマー発電システム。

【請求項3】

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含む発電部と、
特定個数の複数のコンデンサを含み、前記発電部からの出力電力が入力される中間蓄電部と、
前記中間蓄電部からの出力電力が入力される蓄電部と、
入力モードと中間モードと出力モードとを切り替えて設定制御する制御部と、を備え、
前記入力モードにあっては、前記中間蓄電部の前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記特定個数以下の入力直列数となるように前記発電部に接続し、
前記中間モードにあっては、前記入力モードにおける前記複数のコンデンサと前記発電部とが非接続となり、
前記入力モードで前記発電部に接続された前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記入力直列数よりも小である中間出力直列数となるように接続し、かつ、前記複数のコンデンサのうち前記入力モードで前記発電部に接続された前記複数のコンデンサ以外のコンデンサのいずれかを直列数が前記中間出力直列数よりも大である中間入力直列数となるように接続するとともに、
前記中間出力直列数で接続された前記複数のコンデンサから前記中間入力直列数となるように接続された前記複数のコンデンサに電力が出力され、
前記出力モードにあっては、前記中間入力直列数で接続された前記複数のコンデンサを直列数が前記中間入力直列数よりも小である出力直列数となるように前記蓄電部に接続する、
ことを特徴とする、誘電エラストマー発電システム。

【請求項4】

前記制御部は、前記出力モードにおいて前記入力直列数以下であって上記出力直列数よりも大である個数の前記コンデンサを互いに並列に接続する、請求項３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やリチウムイオン電池に代表される二次電池に蓄電される。

【0003】

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および収縮からなる１サイクルで行われる。このサイクルを生じさせる外力等の変化が比較的短時間であっても、誘電エラストマー要素の伸長および収縮が当該変化に追従可能であるという利点がある。また、誘電エラストマー要素における発電は、電圧が比較的高いという側面があり、たとえば数千Ｖに達する。一方、上述した二次電池は、化学反応を利用した蓄電原理であるため、充電に比較的長い時間を要する。また、二次電池の充電における適正電圧は、誘電エラストマー要素による発電の電圧に比べて圧倒的に低い。このため、誘電エラストマー要素によって発電された電力を二次電池に効率よく蓄電することには、困難が伴う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５４７９６５９号号公報

【文献】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】

【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、より効率よく蓄電す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】

本発明の第１の側面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含む発電部と、特定個数の複数のコンデンサを含み、前記発電部からの出力電力が入力される中間蓄電部と、前記中間蓄電部からの出力電力が入力される蓄電部と、入力モードと出力モードとを切り替えて設定制御する制御部と、を備え、前記入力モードにあっては、前記中間蓄電部の前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記特定個数以下の入力直列数となるように前記発電部に接続し、前記出力モードにあっては、前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記入力直列数よりも小である出力直列数となるように前記蓄電部に接続する、ことを特徴としている。

【0007】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御部は、前記出力モードにおいて前記入力直列数以下であって上記出力直列数よりも大である個数の前記コンデンサを互いに並列に接続する。

【0008】

本発明の第２の側面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含む発電部と、特定個数の複数のコンデンサを含み、前記発電部からの出力電力が入力される中間蓄電部と、前記中間蓄電部からの出力電力が入力される蓄電部と、入力モードと中間モードと出力モードとを切り替えて設定制御する制御部と、を備え、前記入力モードにあっては、前記中間蓄電部の前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記特定個数以下の入力直列数となるように前記発電部に接続し、前記中間モードにあっては、前記入力モードにおける前記複数のコンデンサと前記発電部とが非接続となり、前記入力モードで前記発電部に接続された前記複数のコンデンサのいずれかを直列数が前記入力直列数よりも小である中間出力直列数となるように接続し、かつ、前記複数のコンデンサのうち前記入力モードで前記発電部に接続された前記複数のコンデンサ以外のコンデンサのいずれかを直列数が前記中間出力直列数よりも大である中間入力直列数となるように接続するとともに、前記中間出力直列数で接続された前記複数のコンデンサから前記中間入力直列数となるように接続された前記複数のコンデンサに電力が出力され、前記出力モードにあっては、前記中間入力直列数で接続された前記複数のコンデンサを直列数が前記中間入力直列数よりも小である出力直列数となるように前記蓄電部に接続する、ことを特徴としている。

【0009】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御部は、前記出力モードにおいて前記入力直列数以下であって上記出力直列数よりも大である個数の前記コンデンサを互いに並列に接続する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、前記発電部で発電された電力は、まず前記中間蓄電部によって蓄電された後に前記蓄電部へと出力される。前記コンデンサを用いた前記中間蓄電部の蓄電は、化学反応等を伴わないため、前記発電部で発電された電力を速やかに蓄電することができる。また、前記発電部からの電力が前記中間蓄電部に入力される入力モードにおける入力個数よりも、前記中間蓄電部から前記蓄電部へと電力が出力される出力モードにおける出力個数は少ない。このため、入力モードにおける前記中間蓄電部への電圧よりも、出力モードにおける前記蓄電部への電圧を低下させることができる。これは、前記蓄電部による蓄電を適正な電圧で行うのに有利である。したがって、前記誘電エラストマー発電システムによれば、発電された電力をより効率よく二次電池等の蓄電部へ蓄電することができる。

【0011】

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】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態に基づく誘電エラストマー発電システムを概略的に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。

【図4】図１の誘電エラストマー発電システムを概略的に示すシステム構成図である。

【図5】図１の誘電エラストマー発電システムによる発電状態を示すグラフである。

【図6】本発明の第２実施形態に基づく誘電エラストマー発電システムを概略的に示すシステム構成図である。

【図7】図６の誘電エラストマー発電システムを概略的に示すシステム構成図である。

【図8】図６の誘電エラストマー発電システムを概略的に示すシステム構成図である。

【図9】図６の誘電エラストマー発電システムによる発電状態を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

図１～図３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システムを示している。本実施形態の誘電エラストマー発電システムＡ１は、発電部１、制御部２、中間蓄電部３、蓄電部５およびスイッチ部６を備えている。誘電エラストマー発電システムＡ１は、外力を利用して発電を行う装置である。外力の発生源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。

【0015】

図１は、誘電エラストマー発電システム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システムＡ１の誘電エラストマー発電要素１１の発電原理を概略的に示す図である。

【0016】

発電部１は、誘電エラストマー発電システム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。発電部１は、誘電エラストマー発電要素１１を備える。なお、図１～図３では、誘電エラストマー発電要素１１を模式的に示している。誘電エラストマー発電要素１１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。なお、発電部１は、誘電エラストマー発電要素１１に加えて、入力された外力を誘電エラストマー発電要素１１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１１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。

【0017】

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。

【0018】

一対の電極層１１２は、誘電エラストマー層１１１を挟んでおり、初期電荷が与えられ、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。

【0019】

誘電エラストマー発電要素１１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。

【0020】

制御部２は、誘電エラストマー発電要素１１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から中間蓄電部３および蓄電部５への出力電力の入力を制御する。また、制御部２は、当該印加および入力に際し、スイッチ部６の切り替え制御を行う。このような制御部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ＣＰＵ、を含む。

【0021】

中間蓄電部３は、発電部１によって発電された電力を一時的に蓄電するものである。中間蓄電部３は、複数のコンデンサ３１を含んでいる。複数のコンデンサ３１は、後述する一時的な蓄電と蓄電部５への出力に際し、スイッチ部６によって互いに直列または並列に接続されることが意図されている。このような複数のコンデンサ３１の具体的な構成は、スイッチ部６の構成によって適宜変更可能である。図１に図示された例においては、複数のコンデンサ３１は、互いに個別に配置されており、スイッチ部６によって互いの接続状態が設定される構成である。コンデンサ３１の具体的な種類は、特に限定されず、電気二重層コンデンサ、セラミックコンデンサ、電解コンデンサ等の種々のコンデンサを採用可能である。

【0022】

本実施形態においては、中間蓄電部３に含まれる複数のコンデンサ３１の個数は、８個である。この場合、本発明で言う特定個数は、８個である。以降においては説明の便宜のため、複数のコンデンサ３１を、コンデンサ３１１～３１８と区別する場合がある。なお、本実施形態にあっては、コンデンサ３１１～３１８の静電容量がそれぞれ等しいものを用いた例を示しているが、静電容量が異なるコンデンサを組み合わせてもよく、その構成は任意である。また、コンデンサ３１の個数も８個に限定されるものではない。

【0023】

蓄電部５は、中間蓄電部３に一時的に蓄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における最終蓄電手段である。蓄電部５の構成は特に限定されず、発電部１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。蓄電部５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、蓄電部５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。

【0024】

スイッチ部６は、中間蓄電部３と発電部１および蓄電部５との接続状態と、複数のコンデンサ３１の接続状態とを切り替えるものである。スイッチ部６の具体的構成は特に限定されず、必要となる数量のスイッチ部品を含む配線回路によって構成されても良いし、所謂スイッチング素子に代表される電子モジュールによって構成されても良い。図１においては、スイッチ部６は、その機能を説明する便宜として、概略的に示されている。本実施形態においては、スイッチ部６は、入力側スイッチ部６１、出力側スイッチ部６２および中間スイッチ部６３からなる。入力側スイッチ部６１は、発電部１と中間蓄電部３とを接続する部位である。出力側スイッチ部６２は、中間蓄電部３と蓄電部５とを接続する部位である。中間スイッチ部６３は、複数のコンデンサ３１を所定の接続状態で接続する部位である。本実施形態においては、入力側スイッチ部６１、出力側スイッチ部６２および中間スイッチ部６３は、制御部２の指令によって切り替え動作を実行する。なお、制御部２とスイッチ部６とが一体的な部品として組み上げられた構成であっても良い。あるいは、中間蓄電部３と中間スイッチ部６３とが一体的なパッケージユニットとして構成されていてもよい。

【0025】

入力側スイッチ部６１は、制御部２の指令により、発電部１と中間蓄電部３との切断および接続を実行する。入力側スイッチ部６１は、発電部１と中間蓄電部３とを接続する場合、たとえば入力経路６１１をその内部に生成する。入力経路６１１は、発電部１の出力端子と、中間スイッチ部６３の任意の端子と、を接続するものである。

【0026】

出力側スイッチ部６２は、制御部２の指令により、中間スイッチ部６３と蓄電部５との切断および接続を実行する。図１は、出力側スイッチ部６２が中間スイッチ部６３と蓄電部５とを切断している状態を示している。また、出力側スイッチ部６２は、中間スイッチ部６３と蓄電部５とを接続する場合、たとえば図４に示す出力経路６２１をその内部に生成する。出力経路６２１は、中間スイッチ部６３の任意の端子と、蓄電部５の入力端子とを接続するものである。

【0027】

中間スイッチ部６３は、制御部２の指令により、中間蓄電部３の複数のコンデンサ３１のうち任意の個数のコンデンサ３１を選択して、これらのコンデンサ３１を任意の接続状態で接続するものである。図１に示す例においては、中間スイッチ部６３は、コンデンサ３１１～３１８を互いに直列に繋ぐ中間経路６３１をその内部に生成させている。

【0028】

図２および図３は、誘電エラストマー発電要素１１における発電の原理を示している。誘電エラストマー発電要素１１は、スイッチ部６の入力側スイッチ部６１を介して中間蓄電部３に接続可能な状態とされている。図２においては、誘電エラストマー発電要素１１に、図中上下方向に向かう外力が加えられている。このため、誘電エラストマー発電要素１１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の面積が拡大し、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１１をコンデンサとしてとらえた場合、その静電容量Ｃ１は、外力が加えられる前と比較して大きくなっている。この状態の誘電エラストマー発電要素１１に、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１１に電圧Ｖ１を印加することにより、電流Ｉｑが流れ、電荷Ｑが与えられる。この印加は、制御部２に内蔵された電源部から電圧を印加することによって実現されても良いし、蓄電状態とされた中間蓄電部３を利用して電圧を印加してもよい。図２においては、便宜上、中間蓄電部３から印加された場合を示している。

【0029】

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１１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１１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よりも小さくなっている。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、反比例の関係にあり、電圧Ｖ２は電圧Ｖ１と比べて高い。したがって、一対の電極層１１２から中間蓄電部３に電圧Ｖ１よりも高い電圧Ｖ２で出力電流Ｉｗを受電する。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１１における発電である。

【0030】

次に、誘電エラストマー発電システムＡ１の発電および蓄電の動作について、図１、図４～図６を参照しつつ、以下に説明する。

【0031】

図１は、誘電エラストマー発電システムＡ１の発電部１において発電が行われている状態を示している。この状態においては、制御部２の指令により、中間スイッチ部６３が、中間経路６３１を生成することにより、８つのコンデンサ３１１～コンデンサ３１８を互いに直列に接続している。本発明においては、入力モードにおいて、スイッチ部６の中間スイッチ部６３によって互いに接続されるコンデンサ３１の直列数を入力直列数と定義する。入力直列数は、上述した特定個数以下であり、本実施形態においては、入力直列数は、８個であり、特定個数と同数である。また、スイッチ部６の入力側スイッチ部６１が、発電部１と中間スイッチ部６３とを接続している。これにより、互いに直列に接続された８つのコンデンサ３１１～コンデンサ３１８が、発電部１に接続されている。一方、出力側スイッチ部６２は、中間スイッチ部６３と蓄電部５とを切断している。本発明において、このモードは、発電部１からの電力が中間蓄電部３に入力される、入力モードと定義される。なお、特定個数と入力直列数とが同数であることに限定されず、入力直列数が特定個数よりも小であってもよい。

【0032】

この状態で発電部１の誘電エラストマー発電要素１１が伸長および収縮すると、図２および図３を参照して説明した原理により、誘電エラストマー発電要素１１において発電がなされる。

【0033】

図５の上側のグラフは、横軸が時間軸であり、縦軸が中間蓄電部３への入力電圧Ｖｉである。入力電圧Ｖｉは、上述した電圧Ｖ２と電圧Ｖ１との差に相当する。図示された時刻Ｔ１１～時刻Ｔ１２において、制御部２の指令により、スイッチ部６が入力モードとされている。そして、誘電エラストマー発電要素１１の伸長および収縮により、入力電圧Ｖｉが増加し、当該電圧に応じて中間蓄電部３へと電力が入力される。本実施形態においては、入力モードにおいてコンデンサ３１１～コンデンサ３１８が発電部１に接続されている。このため、互いに直列に接続されたコンデンサ３１１～コンデンサ３１８に、入力電圧Ｖｉで電力が入力される。すなわち、コンデンサ３１１～コンデンサ３１８のそれぞれには、入力電圧Ｖｉの１／８の電圧が印加されることとなる。

【0034】

次いで、制御部２の指令により、スイッチ部６は、図４に示すように、発電部１と中間蓄電部３とを切断し、中間蓄電部３と蓄電部５とを接続する。本発明において、このモードは、中間蓄電部３から蓄電部５へと電力が出力される、出力モードと定義される。なお、入力モードと出力モードの切り替えは、任意のタイミングで行うことが可能であり、あらゆる判断基準によって制御部２によって判断される。たとえば、発電部１による発電の電圧（入力電圧Ｖｉ）を監視することにより、入力電圧Ｖｉが０か０に近い値である場合に、入力モードから出力モードに切り替えてもよい。あるいは、誘電エラストマー発電要素１１の伸長および収縮状態を検出するセンサ（図示略）を用いて、誘電エラストマー発電要素１１が有意な伸長および収縮をしていない場合に、入力モードから出力モードに切り替えてもよい。

【0035】

図示された例においては、制御部２の指令により、中間スイッチ部６３内に中間経路６３２が生成され、８つのコンデンサ３１１～３１８が互いに並列に接続されている。そして、これらのコンデンサ３１１～コンデンサ３１８が、出力側スイッチ部６２の出力経路６２１によって蓄電部５に接続されている。本発明においては、出力モードにおいて、スイッチ部６の中間スイッチ部６３によって互いに接続されるコンデンサ３１の直列数を出力直列数と定義する。出力直列数は、入力直列数未満の個数であり、図示された例においては、出力直列数は、１個である。この接続により、中間蓄電部３のコンデンサ３１１～コンデンサ３１８に蓄電された電力は、蓄電部５へと出力される。なお、図５に示すように、本実施形態においては、時刻Ｔ１１～時刻Ｔ１２よりも長い時間である時刻Ｔ１２～時刻Ｔ２１の間に、コンデンサ３１１～３１８の電力を蓄電部５に出力している。また、出力電圧Ｖｏは、入力電圧Ｖｉよりも低い電圧であり、本実施形態においては、入力電圧Ｖｉの１／８である。時刻Ｔ１２～時刻Ｔ２１の時間は、コンデンサ３１１～３１８に蓄電された電力を、蓄電部５に蓄電するのに要する時間によって決定される。

【0036】

コンデンサ３１１～コンデンサ３１８に蓄電された電力が蓄電部５に蓄電されると、当該出力モードが完了する。この完了は、たとえばコンデンサ３１１～３１８の電荷状態を制御部２が監視することによって判断される。

【0037】

以上より、時刻Ｔ１１～時刻Ｔ１２において発電部１が発電した電力は、中間蓄電部３を介して蓄電部５に蓄電され、発電および蓄電の１サイクルが完了する。この後は、次の誘電エラストマー発電要素１１における発電に対応して、制御部２は、スイッチ部６に入力モードをとらせる。なお、図５においては、時刻Ｔ２１において出力モードが完了すると、次の入力モードが開始された場合を示しているが、時刻Ｔ２１において出力モードが完了した後に、所定時間において入力モードおよび出力モードのいずれでもない状態をとる動作例であってもよい。そして、時刻Ｔ２１～時刻Ｔ２２における入力モード（時刻Ｔ１１～時刻Ｔ１２における入力モードと同様）と、時刻Ｔ２２～時刻Ｔ３１における出力モード（時刻Ｔ１２～時刻Ｔ２１における出力モードと同様）によって次の発電および蓄電のサイクルが実行され、さらに、時刻Ｔ３１～時刻Ｔ３２における入力モード（時刻Ｔ１１～時刻Ｔ１２における入力モードと同様）と、時刻Ｔ３２～時刻Ｔ３３における出力モード（時刻Ｔ１２～時刻Ｔ２１における出力モードと同様）によってさらに次の発電および蓄電のサイクルが実行される。

【0038】

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。

【0039】

本実施形態によれば、発電部１で発電された電力は、まず中間蓄電部３によって蓄電された後に蓄電部５へと出力される。コンデンサ３１を用いた中間蓄電部３の蓄電は、化学反応等を伴わないため、発電部１で発電された電力を速やかに蓄電することができる。また、発電部１からの電力が中間蓄電部３に入力される入力モードにおける入力直列数よりも、中間蓄電部３から蓄電部５へと電力が出力される出力モードにおける出力直列数は少ない。このため、入力モードにおける中間蓄電部３への電圧よりも、出力モードにおける蓄電部５への電圧を低下させることが可能である。これは、蓄電部５による蓄電を適正な電圧で行うのに有利である。したがって、誘電エラストマー発電システムＡ１によれば、発電部１で発電した電力をより効率よく蓄電部５へ蓄電することができる。

【0040】

また、本実施形態においては、入力モードにおいて蓄電された８つのコンデンサ３１１～コンデンサ３１８のすべてが、出力モードにおいて互いに並列に接続され、出力直列数が１個に設定される。これにより、図５に示す出力電圧Ｖｏを、入力電圧Ｖｉの１／８にまで低下させることが可能であり、効率よく蓄電するのに好ましい。なお、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの比は、入力直列数と出力直列数との比となる。

【0041】

図６～図９は、本発明の第２実施形態に基づく誘電エラストマー発電システムを示している。なお、これらの図において、上記実施形態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。

【0042】

図６は、本実施形態の誘電エラストマー発電システムＡ２の入力モードを示している。本実施形態においては、中間蓄電部３の特定個数が、誘電エラストマー発電システムＡ１と同様に８個である一方、入力直列数が４個とされている。すなわち、中間スイッチ部６３は、制御部２の指令により、４つのコンデンサ３１１～３１４を互いに直列に接続させる中間経路６３１を生成している。このため、図示された入力モードにおいては、発電部１からの電力がコンデンサ３１１～３１４にのみ蓄電される。

【0043】

図７は、図６に示す入力モードの後に、制御部２の指令によって実行される中間モードを示している。この中間モードにおいては、中間スイッチ部６３が中間経路６３２を生成させ、４つのコンデンサ３１１～コンデンサ３１４を互いに並列に接続させている。本発明においては、入力モードによって蓄電された複数のコンデンサ３１のすべてもしくはいずれかを、直列数が入力直列数よりも小である中間出力直列数となるように接続する。図示された例においては、蓄電された４つのコンデンサ３１１～コンデンサ３１４の全てを中間経路６３２によって並列に接続しており、直列数は、１個である。すなわち、中間出力直列数が、１個である例である。

【0044】

また、中間スイッチ部６３は、制御部２の指令により、入力モードにおいて蓄電されたコンデンサ３１１～コンデンサ３１４とは異なるコンデンサ３１５～コンデンサ３１８を中間経路６３３によって互いに接続させている。本発明においては、入力数が中間出力直列数よりも大である中間入力直列数となるように接続する。図示された例においては、４つのコンデンサ３１５～コンデンサ３１８が、中間経路６３３によって互いに直列に接続されており、中間入力直列数が、４個である例である。

【0045】

そして、コンデンサ３１１～コンデンサ３１４とコンデンサ３１５～コンデンサ３１８とが互いに接続されることにより、コンデンサ３１１～コンデンサ３１４からコンデンサ３１５～コンデンサ３１８へと蓄電された電力が移される。

【0046】

図８は、図７に示す中間モードの後に、制御部２の指令によって実行される出力モードを示している。この出力モードにおいては、制御部２の指令により、中間スイッチ部６３が中間経路６３４を生成させ、中間モードにおいて蓄電されたコンデンサ３１５～コンデンサ３１８を互いに接続させている。この接続においては、コンデンサ３１５～コンデンサ３１８が、直列数が中入力直列数よりも小である出力直列数となるように接続される。図示された例においては、４つのコンデンサ３１５～コンデンサ３１８が互いに並列に接続されており、出力直列数は１個である。そして、出力側スイッチ部６２の出力経路６２１によって、中間スイッチ部６３が蓄電部５に接続される。これにより、コンデンサ３１５～コンデンサ３１８に蓄電された電力が、蓄電部５へと蓄電される。

【0047】

図９は、誘電エラストマー発電システムＡ２における入力モード、中間モードおよび出力モードを示すグラフである。時刻Ｔ１１～時刻Ｔ１２においては、入力電圧Ｖｉで入力モードが実行されている。次いで、時刻Ｔ１２～時刻Ｔ１３においては、中間モードが実行されている。中間モードでのコンデンサ３１１～コンデンサ３１５からの出力電圧Ｖｏは、入力電圧Ｖｉの１／４となっている。次いで、時刻Ｔ１３～時刻Ｔ２１においては、出力モードが実行されている。出力モードでのコンデンサ３１５～コンデンサ３１８からの出力電圧Ｖｏは、中間モードの出力電圧Ｖｏのさらに１／４となっており、入力モードの入力電圧Ｖｉの１／１６となっている。

【0048】

このような実施形態によっても、発電部１で発電した電力をより効率よく蓄電部５へ蓄電することができる。また、本実施形態においては、入力モードと出力モードとの間に中間モードを実行することにより、図９に示した例においては、出力モードにおける出力電圧Ｖｏを入力モードにおける入力電圧Ｖｉの１／１６に低下させることができる。これは、入力モードにおける入力電圧Ｖｉと出力モードにおける出力電圧Ｖｏとの比が、入力直列数と中間出力直列数との比と、中間入力直列数と出力直列数との比と、を互いに乗じた比となることによる。

【0049】

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。

【符号の説明】

【0050】

Ａ１，Ａ２：誘電エラストマー発電システム
１ ：発電部
２ ：制御部
３ ：中間蓄電部
５ ：蓄電部
６ ：スイッチ部
１１ ：誘電エラストマー発電要素
３１ ：コンデンサ
６１ ：入力側スイッチ部
６２ ：出力側スイッチ部
６３ ：中間スイッチ部
１１１ ：誘電エラストマー層
１１２ ：電極層
３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６，３１７，３１８：コンデンサ
６１１ ：入力経路
６２１ ：出力経路
６３１，６３２，６３３，６３４：中間経路
Ｃ１，Ｃ２：静電容量
Ｉｑ ：電流
Ｉｗ ：出力電流
Ｑ ：電荷
Ｖ１，Ｖ２ ：電圧
Ｖｉ ：入力電圧
Ｖｏ ：出力電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】