JP3706286B2

JP3706286B2 - 携帯型電子機器用発電装置

Info

Publication number: JP3706286B2
Application number: JP37143699A
Authority: JP
Inventors: 康弘坂井
Original assignee: 株式会社ユーエスシー
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001186678A

Description

【０００１】
【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（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃｓ）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

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。