介电弹性体发电系统的制作方法

本发明涉及介电弹性体发电系统。

背景技术：

具有介电弹性体层和夹持该介电弹性体层的一对电极层的介电弹性体元件正在驱动应用和发电应用的各个领域中进行开发。在专利文献1、2中公开了将介电弹性体元件用于发电应用的介电弹性体发电系统。在该介电弹性体发电系统中，通过将使介电弹性体元件伸长的外力(机械能)转换为电能来进行发电。由该发电产生的电力存储于例如镍氢电池及锂离子电池、双电层电容器等二次电池。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5479659号公报；

专利文献2：日本专利第5509350号公报。

技术实现要素：

发明要解决的问题

使用介电弹性体元件发电的原理是利用向介电弹性体元件提供外力而产生的电容的变化，得到比初始施加电荷产生的电压(以下称为初始电压)更高的电压。为了提高介电弹性体发电系统的发电量，优选给介电弹性体元件提供更高的初始电压。为了提供这样的初始电压，例如需要专用的电源电路，这样会导致介电弹性体发电系统的复杂化、高成本化。

本发明是基于上述情况而做出的，其问题在于提供一种介电弹性体发电系统，其能够在降低系统构建成本的同时提高发电量。

用于解决问题的方案

本发明提供的介电弹性体发电系统具有：介电弹性体发电元件，其具有介电弹性体层和夹持该介电弹性体层的一对电极层；压电元件；以及多倍压整流电路，其将所述压电元件产生的电压升压并整流，并且作为初始施加电荷提供给所述介电弹性体发电元件。

在本发明的优选实施方式中，所述多倍压整流电路包括科克罗夫特-沃尔顿电路。

发明效果

根据本发明能够在降低系统构建成本的同时提高发电量。

通过参照附图在以下进行的详细说明，本发明的其他特点和优点更加清楚。

附图说明

图1是表示本发明的介电弹性体发电系统的一例的系统结构图。

图2是概略地表示图1的介电弹性体发电系统的介电弹性体发电元件的发电原理的图。

图3是概略地表示图1的介电弹性体发电系统的介电弹性体发电元件的发电原理的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式具体进行说明。

图1表示本发明的介电弹性体发电系统的一例。本实施方式的介电弹性体发电系统a1具有：压电元件1，多倍压整流电路2，介电弹性体发电元件3，蓄电电路4，以及开关部5。介电弹性体发电系统a1利用振动输入fv1、fv2进行发电。

压电元件1即所谓的压力发电元件。压电元件1实现将提供的振动输入转换为电力的功能。压电元件1具有能够通过振幅较小的振动输入产生交流电的特性。

多倍压整流电路2通过对输入电压进行多倍升压并且整流，输出输入电压的大致整数倍的直流输出电压。在本实施方式中，多倍压整流电路2包括科克罗夫特-沃尔顿电路。科克罗夫特-沃尔顿电路通过将多个二极管与多个电容器多级组合，实现多倍升压的功能。在图示的例子中，多倍压整流电路2的科克罗夫特-沃尔顿电路是2n个二极管d1、d2……d2n与2n个电容器c1、c2……c2n组成n级的电路。这样的多倍压整流电路2输出峰峰值电压的n倍的直流电压，其中，峰峰值电压是指作为输入电压的交流电压的最大值(正侧的峰值电压)与最小值(负侧的峰值电压)的差。

如图2和图3所示，介电弹性体发电元件3具有介电弹性体层31和一对电极层32。另外，除了介电弹性体发电元件3以外，也可以适当地具有用于将输入的外力传递至介电弹性体发电元件3的结构部件、使介电弹性体发电元件3产生实现发电工作时利用的张力张力维持机构等(均省略图示)。

对于介电弹性体层31而言，要求能够弹性形变，并且绝缘强度高。虽然对这样的介电弹性体层31的材质没有特别的限定，但是作为优选例能够举出例如有机硅弹性体、丙烯酸弹性体。

一对电极层32夹持介电弹性体层31，是导入初始电荷并且产生输出电压的部分。电极层32具有导电性，并且由能够随介电弹性体层31的弹性形变而弹性形变的材料形成。作为这样的材料，能够举出在可弹性形变的主材中混入赋予导电性的填充物的材料。作为所述填充物的优选例能够举出例如碳纳米管。

介电弹性体发电元件3在未受到来自外部的外力、约束，没有向一对电极层32施加电压的状态下，处于不产生自发的伸长、伸缩的自然长度状态，在施加了外力的情况下，允许介电弹性体层31的弹性形变。

蓄电电路4被输入介电弹性体发电元件3产生的电力，是介电弹性体发电系统a1中的蓄电单元。对蓄电电路4的结构没有特别的限定，只要具有能够适当地存储由介电弹性体发电元件3产生的电力的蓄电容量即可。作为构成蓄电电路4的所谓二次电池，能够举出例如镍氢电池、锂离子电池。此外，蓄电电路4也可以具有使输入电压降低至适合二次电池的电压的降压电路。

开关部5对介电弹性体发电元件3与多倍压整流电路2和蓄电电路4之间的导通状态进行切换。对开关部5的具体结构没有特别的限定，可以包括半导体开关元件，或者包括通过机械构造切换导通状态的开关模块。进而，为了实现下述的介电弹性体发电系统a1的工作，开关部5也可以包括对例如压电元件1的振动状态、多倍压整流电路2的电压施加状态、以及介电弹性体发电元件3的伸缩状态中的任一状态或全部状态进行检测的检测单元。此外，开关部5也可以包括基于上述的检测单元的检测结果等对导通状态的切换进行判断的控制部。

接下来对介电弹性体发电系统a1的工作例进行说明。

如图1所示，向压电元件1提供振动输入fv1。振动输入fv1例如是由自然能产生的振动。即使是振幅较小的振动输入fv1，压电元件1也能够发电。因此，作为振动输入fv1，例如能够将振幅小的振动用于介电弹性体发电元件3的发电，或是在振幅以时序变化的振动中，将振幅小的时间段的振动用于介电弹性体发电元件3的发电。

由压电元件1发电得到的电力被输入至多倍压整流电路2。通过提供振动输入fv1使压电元件1产生的电力是峰值电压为电压v1的交流电。当该交流电输入至多倍压整流电路2时，每当电压正负交替，在2n个电容器c1、c2……c2n中存储的电压变高。例如，当充分输入由压电元件1通过振动输入fv1产生的交流电压时，作为来自多倍压整流电路2的输出电压的直流电压v2是电压v1的2n倍。

接着如图1所示，向介电弹性体发电元件3提供振动输入fv2。在同一附图中，通过开关部5的切换工作连接多倍压整流电路2与介电弹性体发电元件3。作为振动输入fv2，例如能够使用具有可以使介电弹性体发电元件3发电的振幅的振动，或是在振幅以时序变化的振动中，使用具有可以使介电弹性体发电元件3发电的振幅的时间段的振动。即，作为振动输入fv1和振动输入fv2，能够利用振幅以时序变化的一个振动。

在图2中，通过振动输入fv1向介电弹性体发电元件3施加朝向图中上下方向的外力。因此，介电弹性体发电元件3的介电弹性体层31在图中上下方向上伸长。由此，介电弹性体层31的面积增大，厚度缩小。一对电极层32的面积随着介电弹性体层31扩大。在这种状态下，在将介电弹性体发电元件3看做电容器的情况下，其电容cd1相对变大。将来自多倍压整流电路2的直流电压v2作为初始电压向这种状态的介电弹性体发电元件3施加。具体地，通过向电容cd1的介电弹性体发电元件3施加直流电压v2，电流iq流动，输入电荷q。

图3表示在图2所示的状态之后，通过上述外力减弱或者变为零，介电弹性体发电元件3从图2所示的状态缩小后的状态。在同一附图中，通过开关部5的切换工作，连接蓄电电路4与介电弹性体发电元件3。在这种状态下，介电弹性体层31的面积缩小，厚度增大。一对电极层32的面积随着介电弹性体层31缩小。在这种状态下，在将介电弹性体发电元件3看做电容器的情况下，其电容cd2变得比上述电容cd1小。但是，存储在一对电极层32的电荷q是固定的。因此，电压v3和直流电压v2的比，与电容cd2和电容cd1的比之间呈反比关系。因此，蓄电电路4将来自一对电极层32的输出电力作为输出电流iw接受。由此，在介电弹性体层31收缩时得到超过施加初始电压所需的电力的输出电力。此输出电压存储在蓄电电路4。通过反复以上工作，将介电弹性体发电元件3产生的电力存储在蓄电电路4。

接着对介电弹性体发电系统a1的作用进行说明。

根据本实施方式，通过压电元件1产生用于向介电弹性体发电元件3施加初始电压的电力。因此，无需为了向介电弹性体发电元件3施加初始电压而使用专用的电源、电路等。此外，由压电元件1产生的交流电压在通过多倍压整流电路升压并且整流后，作为初始电压施加给介电弹性体发电元件。在介电弹性体发电元件3实现的发电功能的范围内，施加的初始电压越高，越能够提高介电弹性体发电元件3的发电量。因此，能够在降低介电弹性体发电系统的系统构建成本的同时提高发电量。

此外，由于多倍压整流电路2包括科克罗夫特-沃尔顿电路，因此多倍压整流电路2能够通过多个二极管和多个电容器构成。此外，由于各级中的电压是作为输入电压的交流电压的峰峰值电压的等倍，因此无需使用耐压极高的二极管、电容器。此外，能够通过一个多倍压整流电路2实现升压和整流，能够减少介电弹性体发电系统a1的部件数量。因此，能够以更低的成本构成多倍压整流电路2。此外，由于能够提高平均故障间隔，因此能够构建可靠性更高的介电弹性体发电系统a1。

本发明的介电弹性体发电系统不限于上述实施方式。能够对本发明的介电弹性体发电系统的各部分的具体结构进行各种设计变换。