JP3706286B2 - 携帯型電子機器用発電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、近年利用が増大している携帯電話等の携帯通信機器、携帯コンピュータ機器などの携帯型電子機器に装備する圧電発電装置に関する。
【0002】
【従来技術とその課題】
周知のように、携帯型電子機器、特に携帯電話やPHS、ポケットベル(ベージャ)等の携帯通信機器、電子手帳等の情報携帯端末、ポケットコンピュータ、、携帯用カセットテープレコーダ、携帯用CDプレーヤ、携帯用MDレコーダ、PDA、電子手帳、リモコン等の可搬性を備えた携帯型電子機器は、2次電池が使用されており、一般家庭では、家庭用電源を整流して得られた電流を当該2次電池に供給して充電が行われ、また、自動車では、過充電防止回路のついた機器により直接又はDC−DCコンバータにより所定電圧に変換した後に充電が行われている。
【0003】
しかしながら、上記従来の携帯型電子機器にあっては、電源が専ら2次電池が用いられているので、例えば、携帯電話の場合であれば、通話中に2次電池の電圧が低下して通話が途絶えるという不具合や、車中で携帯型コンピュータを使用している場合であれば、2次電池の電圧低下により作業が中断するという不具合が発生する。
【0004】
このように、従来の携帯型電子機器の場合、2次電池による動作時間は、例えば、携帯電話では、通話時間であれば1〜2時間、連続待ち時間であれば50っ〜300時間であることから、ほぼ数日おきに充電を行う必要がある。また、携帯型コンピュータ機器では、液晶表示部のバックライトやCPU(中央演算処理装置)の消費電力が大きく、さらに充電頻度は高くなる等、携帯型電子機器では、必要時における使用を確保するために2次電池の充電量に配慮する必要があり、かかる作業が非常に煩雑であると共に、2次電池の寿命到来に伴う廃棄による環境汚染の問題もある。また、災害等の緊急時には、充電作業が間に合わない場合も考えられ、使用不能な状況が発生する危惧もある。
【0005】
この発明は、かかる現状に鑑み創案されたものであって、その目的とするところは、携帯型電子機器に振動を加えるだけで、必要時における電力を自動的に確保することができる構成が簡易で発電効率の優れた携帯型電子機器用圧電発電装置を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、充電池と、該充電池に接続された圧電発電器と、を有する携帯型電子機器に装備される携帯型電子機器用発電装置を技術的前提とし、上記圧電発電器は、複数枚の圧電セラミックス素子を、分極を逆向にして接合して層状の圧電セラミックス体に形成し、この圧電素子を少なくとも2個以上衝合可能に配設し、これらの圧電セラミックス体同士を衝突させて発電することを特徴とするものである。
【0007】
そして、この発明においては、上記圧電セラミックス体の中央部をクッション材で支持することを特徴とするものである。
【0008】
また、この発明においては、上記圧電セラミックス体の一方をクッション材で支持し、他方の圧電セラミックス体を移動または揺動させて上記一方の圧電セラミックス体に衝合させることを発電させることを特徴とするものである。
【0009】
さらに、この発明にあっては、上記両圧電セラミックス体同士をクッション材を介して保持し、両圧電セラミックス同士が移動または揺動して衝合するように配置されていることを特徴とするものである。
【0010】
また、この発明においては、上記圧電セラミックス体の殴打面部にプロテクタ板を貼着し、これらプロテクタ板同士を殴打することで発電することを特徴とするものである。
【0011】
そして、この発明における上記プロテクタ板は、上記圧電セラミックス体の殴打面部から突出して形成されていることを特徴とするものである。
【0012】
また、この発明におけるプロテクタ板は、半円球状に形成されていることを特徴とするものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態として、携帯電話を例にとり、この発明を詳細に説明する。
【0014】
図1は、携帯電話に備えた携帯型電子機器用圧電発電装置Hを示しており、該圧電発電装置Hは、圧電発電器Aと整流回路S及び充電池Bとを備えて構成されている。充電池Bは、圧電発電器Aと整流回路Sを介して電気的に接続されており、また、圧電発電器Aは、携帯電話内に振動可能に支持されている。
【0015】
即ち、携帯電話を携帯しているときには、該携帯電話は揺動するので、上記圧電発電器Aで発生した電圧は、整流回路Sにより整流されて充電池Bに充電される。好適には、圧電発電器Aで発生する電圧の正負に拘わらず充電を可能にするため、上記整流回路Sには、ブリッジにダイオードを組み合わせた回路を用いるのが望ましい。
【0016】
次に、圧電発電器Aの構成例を順次説明する。図2に示す圧電発電器A1は、両端が閉塞された筒状の容器8の両端側に圧電セラミックス板1を配置し、これら圧電セラミックス板1を鋼球4の殴打により発電するものである。容器8の一方の側面にクッション板3を接着材6用いて接着し、このクッション板3の中央部のみに、接着材5を用いて圧電セラミックス板1を接着する。容器8の他方の側面にも、同様にして圧電セラミックス板1を接着し、両者を向かい合せる。これら両圧電セラミックス板1の向かい合う面の中央部にプロテクタ板2を固着する。そして、両圧電セラミックス板1間に、パイプ7を配置し、このパイプ7内に転動自在な鋼球4を設ける。
【0017】
上記圧電セラミックス板1は、同一形態(同一材質、同一形状、同一厚さ)の2枚の板状の圧電セラミックス素子1a,1bを、各セラミックス素子1a,1bの分極の極性を逆にして接合したものである。この同一形態のセラミックス素子1a,1bを接合したことにより、2つのセラミックス素子1a,1bは、接合面を中心(伸縮しない部位)にたわみ振動が行われる。この場合、一方の側のセラミックス素子1aが伸長すれば他方の側のセラミックス素子1bは収縮し、かつ出力電圧の電極は同一方向となり、両圧電セラミックス素子1a,1bは直列に接続された発電構成となる。
【0018】
この圧電セラミックス素子1a,1bは、機械的エネルギーと電気的エネルギーとの間の変換素子用として知られており、圧電効果を示す物質は無機・有機ともに多くの材料が知られているが、現在実用レベルにある材料としてセラミックスのPZT系(piezoelectric ceramics)等の材料がある。
【0019】
圧電セラミックス素子は、多結晶体に、直流高電圧を印加し残留分極を発生させて圧電性をもたせた素子であり、組成によりかなり自由に基本圧電定数を変化させることができ、特に、チタンジルコン酸亜鉛系の圧電セラミックス素子は、組成比や添加物の選択幅が広く、本発明のような携帯型電子機器用発電装置としては好適である。
【0020】
ところで、上記接合面を中心にたわみ振動が行われると、一方の圧電セラミックス素子1a(又は1b)で伸長と収縮との両方の作用が行われて、分極が打ち消されるということがなく効率的に発電が行われる。発電された電気エネルギとしての電流はリード線9を用いて取り出す。
【0021】
また、ここでは2枚の圧電セラミックス素子1a,1bを積層したが、各圧電セラミックス素子1a(1b)を、それぞれ積層構造とすることができる。この積層構造では、複数の薄厚圧電セラミックス板を接合(この場合は分極の極性は同一)して、一方の圧電セラミックス素子1a(又は1b)を形成する。このように、積層構造とすることで、例えば、弾性特性を有する接着材により接合した場合には、この弾性効果により、材質的に強度に欠けるセラミックス板材の曲がりが容易になって曲げ強度が維持でき、また薄厚にすることでセラミックス板は曲げに強くなる。さらに、圧電セラミックス板1の外形形状は特に限られるものではないが、正面形状としては、円形、楕円形、三角形、四角形或いは多角形等とすることができる。
【0022】
上記クッション板3は、合成樹脂材、ゴム材、あるいはこれらをスポンジ状にした軟質の材料である。このようなクッション板3を用い、しかもこのクッション板3の中央部のみを接着材5を用いて圧電セラミックス板1を固着したのは、圧電セラミックス板1の振動を減衰させないためである。圧電セラミックス板1が振動する場合、この圧電セラミックス板1を支持する部材は圧電セラミックス板1の振動を減衰させる要因になり、この減衰要因を取り除くために、クッション板3を用いて極力圧電セラミックス板1を自由な状態におく。
【0023】
クッション板3を用いることで、圧電セラミックス板1の固有振動が長続きするので、発電効率が良くなる。また、クッション材は圧電セラミックス板1に加えられる衝撃を緩和する。プロテクタ板2は、金属製或いは合成樹脂製等で形成されており、鋼球4の殴打から圧電セラミックス板1を保護する。
【0024】
このような構成からなる圧電発電器A1が装備された携帯電話を携帯した場合、鋼球4はパイプ7内を転動して左右の圧電セラミックス板1を殴打し、衝突による衝撃エネルギを印加する。そして、圧電セラミックス板1は振動が励起され、伸長及び収縮がくり返されて交流電気を発電する。
【0025】
尚、ここでは殴打体として、上記鋼球4をパイプ7内に配置して圧電セラミックス板1を殴打する形態としたが、この殴打体の材質、形状は鋼製の球に限られるものではなく、他に円柱状、卵状等の重量物であってもよい。また、パイプ7に限らず、殴打体が自在に移動できるものであれば、殴打体がレールに沿って移動するような形態であってもよい。他に、パイプ7の代わりにバネ材(上方向き或いは下方向)を用い、このバネ材の一端を固定しその他端に上記鋼球4を取り付け、このバネ材の左右揺動により両側の圧電セラミックス板1を殴打する形態とすることもできる。
【0026】
図3は、上記圧電発電器A1が発電した電気を充電する充電回路を示したものである。この充電回路は、2つの圧電セラミックス板1としてPZT1及びPZT2、整流用ダイオードD1〜D6、電気を蓄電する充電池Bを有する。PZT1で発電した電気は、ダイオードD1〜D3により全波整流され、またPZT2で発電した電気は、ダイオードD4〜D6により全波整流される。これら、全波整流された電気は充電池Bに充電される。
【0027】
図4は、一個の圧電セラミックス板1を用いた圧電発電器A2の例である。この圧電発電器A2は、両端部が閉塞された筒状の容器12を用い、この容器12の中央部の上面部及び下面部にクッション部材11を配置し、これらクッション部材11の凹部に圧電セラミックス板1(1a,1b)を嵌め込んで支持させる。この圧電セラミックス板1には、両面にプロテクタ板2が取り付けられている。そして、両圧電セラミックス板1の両側に、それぞれパイプ7を配置し、これらパイプ7内に転動自在な鋼球4を設ける。クッション部材11の材質は上記クッション板3と同様であり、その他の部材についても上述した通りである。
【0028】
そして、この圧電発電器A2が装備された携帯電話を携帯した場合、鋼球4はパイプ7内を転動して交互に圧電セラミックス板1を殴打し、圧電セラミックス板1は振動が励起され、伸長及び収縮がくり返されて交流電気を発電する。
【0029】
図5に示す圧電発電器A3は、両端が閉塞されたハウジング18の両端側に圧電セラミックス体10(PZT1),10(PZT2)を、その軸心を若干偏位させて対設し、これら圧電セラミックス体10,10同士を衝突させることにより発電するものである。
【0030】
そして、上記ハウジング18の両側面にクッション板13,13を接着材16,16で接着し、かつ、上記各クッション板13,13の中央部のみに、接着材15,15を用いて圧電セラミックス体10,10を接着する。これら両圧電セラミックス体1の向かい合う面の中央部にプロテクタ板2を固着する。そして、本例では、両圧電セラミックス体10,10を円弧状に湾曲形成している。
【0031】
上記圧電セラミックス体10(PZT1),10(PZT2)は、同一材質、相似形状、同一厚さの2枚の円弧板状の圧電セラミックス素子10a,10bを、各セラミックス素子10a,10bの分極の極性を逆にして接合したものである。このセラミックス素子10a,10bを接合したことにより、2つのセラミックス素子10a,10bは、接合面を中心(伸縮しない部位)にたわみ振動が行われる。この場合の発電システム及び充電システム並びに圧電セラミックス素子及びクッション板、プロテクタ板の構成は、前記圧電発電器A1またはA2と同様であるので、その詳細な説明をここでは省略する。
【0032】
尚、この形態例では、圧電セラミックス体10,10を接着剤15とクッション材13を介して支持する場合を例にとり説明したが、これに代えて、一方或は両方の圧電セラミックス体10,10をバネ(上方向き或いは下方向に支持してもよい)の一端に固定し、他端をハウジング18に取り付け、このバネ材の左右伸縮動、上下揺動させることで、両圧電セラミックス体10,10を衝突させてもよい。
【0033】
この圧電発電器A3は、以上のように圧電セラミックス体10,10同士を衝突させることで発電するように構成されているので、発電装置としての構成が極めて簡略化され、しかも、圧電セラミックス体10,10が円弧状に湾曲形成されているので、常態において、圧電セラミックス体10,10を可及的に近づけて配設することができるため、装置全体を小型化することができる、という効果が得られる。
【0034】
図6に示す圧電発電器A4は、前記圧電発電器A3と同様に圧電セラミックス体10(PZT1)及び圧電セラミックス体10(PZT2)を対設すると共に、該圧電セラミックス体10(PZT1)と圧電セラミックス体10(PZT2)との間に、第3の圧電セラミックス体10(PZT3)をハウジング18内部の上部からコイルスプリング20で吊持し、該圧電セラミックス体10(PZT3)を左右方向に揺動させることで、該該圧電セラミックス体10(PZT3)を圧電セラミックス体10(PZT1)又は圧電セラミックス体10(PZT2)と衝突させることで、圧電セラミックス体10(PZT1),10(PZT2),10(PZT3)夫々に振動を励起させ、夫々の圧電セラミックス体10に伸長及び収縮をくり返させて交流電気を発電させるように構成した他は、他の構成・作用は前記圧電発電器A3と同様に構成されているので、その詳細な説明をここでは省略する。尚、上記圧電セラミックス体10(PZT3)の場合、衝突する部位が他の圧電セラミックス体10(PZT1),10(PZT2)とは異なるため、プロテクタ板12を圧電セラミックス体10(PZT3)の両端部側から周縁部にかけて配設されている点で、両発電器は異なる。
【0035】
それ故、上記各形態例に係る圧電発電器A3,A4によれば、前記圧電発電器A1,A2よりも構造が簡単であり、かつ、より小型化できる他、製造コストも低減できるため、より実用的である。
【0036】
尚、上記各圧電発電器A3,A4では、圧電セラミックス体を円弧状に湾曲形成して圧電セラミックス体を直接衝突させて発電させる場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、製造の困難性やコストを考えた場合、圧電セラミックス体は、圧電発電器A1,A2と同様に平板状に成形し、この圧電セラミックス体の殴打面に貼着されるプロテクタ板を、上記殴打面部から突出した形状、例えば、半円球状や円筒状或いは多角柱形状に形成し、或いは、一方のプロテクタ板を断面コ字状に形成し、他方のプロテクタ板を、上記一方のプロテクタ板の凹部内に若干の空隙部を有して挿入し得る大きさと形状に形成することで、圧電発電器をさらに小型化し、かつ、コストも低減することができるので望ましい。
【0037】
上記各形態例に係る圧電発電器A1乃至A4によれば、持ち歩くだけで、必要時の使用に必要な電力を自動的に確保することができ、携帯電話のような携帯型電子機器は、殆どの場合、充電が不可能な屋内外で使用されることを考えれば、必要時に充電量が不足していると携帯電子機器としての機能を果たすことができず、携帯している意味をなさない。そこで、本形態例に係る圧電発電器A1乃至A4を備えた携帯型電子機器では、万一、必要時に充電量が不足している事態であっても、所持者が例えば当該携帯型電子機器を振る等して強制的に揺動させることで、容易に発電を行って充電池Bに充電することができ、差し当たりの動作に必要な電力を得ることができるという、携帯型電子機器に正しく最適な優れた効果を得ることができる。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る携帯型電子機器用圧電発電装置にあっては、複数枚の圧電セラミックス素子を、層状の圧電セラミックス体に形成し、これを複数個配置して圧電セラミックス体同士を衝突させることで発電するように構成したので、発電効率がよく小電力発電に有効な発電装置が得られ、また、部品点数を削減することができるので、小型化及び製造コストの低減を実現することができるという効果を奏する。
【0039】
また、層状の圧電セラミックス体をクッション材で支持する構成を採用したから、圧電セラミックス体の振動が長続きするので、発電効率が改善される。
【0040】
さらに、この発明に係る圧電発電装置によれば、同一材質、相似形状、同一厚さの2枚の圧電セラミックス素子を、各セラミックス素子の分極の極性を逆にして接合することにより、2つのセラミックス素子の接合面を中心(伸縮しない部位)にたわみ振動させるように形成したので、圧電セラミックス素子の伸縮が適切に行われ、さらに発電効率が向上するという効果がある。
【0041】
特に、上記圧電セラミックス同士を衝突させて振動させるように構成したので、圧電発電をさらに小型化でき、かつ、低コスト化を実現することができる。
【0042】
さらに、上記圧電セラミックス体の殴打する部位にプロテクタ板をはり付けたので、圧電セラミックス体の衝突荷重に対して圧電セラミックス素子が有効に保護されるという効果がある。そして、上記プロテクタ板の形状は、例えば、板状に形成された圧電セラミックス体であっても直接の衝突振動が得られやすいように圧電セラミックス体の殴打面部から突出した形状、例えば、半円球状や円筒状或いは多角柱形状に形成することで、製造コストをより低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の一形態例に係る携帯型電子機器用圧電発電装置の構成を示す説明図である。
【図2】 同圧電発電装置を構成する圧電発電器の第1構成例を示す説明図である。
【図3】 同圧電発電装置の充電池の回路図である。
【図4】 同圧電発電器の第2構成例を示す説明図である。
【図5】 同圧電発電器の第3構成例を示す説明図である。
【図6】 同圧電発電器の第4構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
A1,A2,A3,A4 圧電発電器
B 充電池
H 携帯型電子機器用圧電発電装置
S 整流回路
1,10 圧電セラミックス板
1a,1b、10a,10b 圧電セラミックス素子
2 プロテクタ板
3,11 クッション材(クッション板)
4 殴打体(鋼球)
Claims (7)
- 充電池と、該充電池に接続された圧電発電器と、を有する携帯型電子機器に装備される携帯型電子機器用発電装置であって、上記圧電発電器は、複数枚の圧電セラミックス素子を、分極を逆向にして接合して層状の圧電セラミックス体に形成し、この圧電素子を少なくとも2個以上衝合可能に配設し、これらの圧電セラミックス体同士を衝突させて発電することを特徴とする携帯型電子機器用圧電発電装置。
- 前記圧電セラミックス体の中央部をクッション材で支持することを特徴とする請求項1に記載の携帯型電子機器用圧電発電装置。
- 前記圧電セラミックス体の一方をクッション材で支持し、他方の圧電セラミックス体を移動または揺動させて上記一方の圧電セラミックス体に衝合させることを発電させることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の携帯型電子機器用圧電発電装置。
- 前記両圧電セラミックス体同士をクッション材を介して保持し、両圧電セラミックス同士が移動または揺動して衝合するように配置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の携帯型電子機器用圧電発電装置。
- 前記圧電セラミックス体の殴打面部には、プロテクタ板が貼着され、これらプロテクタ板同士を殴打することで発電することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の携帯型電子機器用圧電発電装置。
- 前記プロテクタ板が、前記圧電セラミックス体の殴打面部から突出して形成されていることを特徴とする請求項5に記載の携帯型電子機器用圧電発電装置。
- 前記プロテクタ板が、半円球状に形成されていることを特徴とする請求項5または請求項6のいずれかに記載の携帯型電子機器用圧電発電装置。
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