(57)【要約】【課題】電子機器におけるエネルギーを回生すること。【解決手段】電子機器１００の電子部品１２０が電気的に駆動することによって生じる振動エネルギーを電気エネルギーに変換する受動素子１６０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器におけるエネルギーを回生するエネルギー回生機構であって、
前記電子機器の電子部品が電気的に駆動することによって生じる振動エネルギーを電気エネルギーに変換する受動素子
を備えるエネルギー回生機構。
【請求項２】
前記電子部品は、電気的に駆動することによって、前記電子機器の機能に対して不要な振動エネルギーを生じさせる部品である
請求項１に記載のエネルギー回生機構。
【請求項３】
前記受動素子は、圧電素子である
請求項１又は２に記載のエネルギー回生機構。
【請求項４】
前記受動素子は、機能性セラミック材料を利用した素子である
請求項１乃至３のいずれかに記載のエネルギー回生機構。
【請求項５】
前記受動素子は、ポリフッ化ビニリデンから成る圧電フィルムを使用した素子である
請求項３に記載のエネルギー回生機構。
【請求項６】
前記圧電素子は、積層型の素子である
請求項３に記載のエネルギー回生機構。
【請求項７】
前記振動エネルギーは、前記電子部品が駆動することによって前記電子部品の筐体に伝搬するエネルギーである
請求項１乃至６のいずれかに記載のエネルギー回生機構。
【請求項８】
前記電子部品は、電気音響変換器である
請求項１乃至７のいずれかに記載のエネルギー回生機構。
【請求項９】
前記電子部品は、電気機械変換器である
請求項１乃至７のいずれかに記載のエネルギー回生機構。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のエネルギー回生機構を利用する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー回生機構、及び電子機器に関する。特に本発明は、電子機器におけるエネルギーを回生するエネルギー回生機構、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタスコンピューティングの技術分野では、生活や社会の至る所に電子機器が存在し、電子機器同士が自律的に連携して動作することにより、人間の生活を強力にバックアップする情報環境を実現しようとしている。そのために、ユビキタスコンピューティングの技術分野では、電子機器に電気エネルギーを補充する頻度を減らすための技術や、電子機器の駆動時間を延ばすための技術が求められている。
【０００３】
携帯電話等のモバイル機器を例に取ると、エネルギー供給源として、一次電池（乾電池）や二次電池（リチウム電池）の利用が主流であり、これを発展させる技術として燃料電池等の新しい技術の研究も進められている。
【０００４】
電池の駆動時間や寿命を延ばすには、エネルギー密度の向上やパワー密度の向上等、放電容量を増加する必要がある。エネルギー密度を上げるために、様々な正極・負極材料及び電解質材料、例えば、高分子系材料が開発されているが、密度向上に加え、安全性、受電回数、コスト等、携帯端末への実装に不可欠なすべての要求を満足する材料は得られていない状況である。
【０００５】
また、燃料電池についても開発途上の段階で、安全性等、実用化への問題点がある。このため、現状では電極面積を拡大し、放電容量を増加する方法が一般的な方法であるが、電池体積の増加を伴うため、携帯端末への搭載が困難な状況である。
【０００６】
一方、電池性能を向上させる以外の手段として、端末自体の消費電力を低減させることがある。例えば、搭載する機能部品の省電力化を促進する方法も挙げられるが、携帯端末の高機能化に伴い、感度向上等の出力特性向上等が要求され、新技術により駆動源の効率が上がったものの、主力増により相殺されるため、省エネルギー化が促進できない問題点がある。
【０００７】
例えば、発電機能を有する携帯型電子機器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、使用者が携帯型電子機器を使用して筐体の圧力センサ設置面を抑えたときや携帯型電子機器が折りたたみ式携帯型電子機器であって使用者がその折りたたみ式携帯型電子機器を開閉したとき等に圧力センサが圧力を検知して電気エネルギーを出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１４９１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、ユビキタスコンピューティングの技術分野では、電子機器に電気エネルギーを補充する頻度を減らすための技術や、電子機器の駆動時間を延ばすための技術が求められている。電子機器の長時間駆動実現には、一次、二次電池の放電容量を高める手法があるが、体積増加を伴わず、放電容量を大幅に改善する技術がない。また、別のアプローチとして、搭載する機能部品の効率を上げる手法もあるが、端末の高機能化に伴い、部品からの出力が増加するため、長時間駆動を実現する手段として適していない等の問題点がある。従って、携帯端末の長時間駆動を実現する画期的な技術の開発が要求されている。
【００１０】
また、特許文献１に記載の技術では、発電のための特別な操作を必要としないものの、やはり、使用者が携帯型電子機器を手に持って操作しなければ電気エネルギーを出力させることはできない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、電子機器におけるエネルギーを回生するエネルギー回生機構であって、電子機器の電子部品が電気的に駆動することによって生じる振動エネルギーを電気エネルギーに変換する受動素子を備える。
【００１２】
本発明の第２の形態によると、電子機器が上記のエネルギー回生機構を利用する。
【００１３】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、電子機器の電子部品が電気的に駆動することによって生じる振動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収するようにしたので、電子機器を駆動するための電気エネルギーとして有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係るエネルギー回生機構の利用環境の一例を示す図である。
【図２】圧電素子１６０の構成の一例を示す図である。
【図３】電気分極の原理を示す図である。
【図４】ジルコン酸チタン酸鉛の結晶構造を示す図である。
【図５】スピーカ鳴動時の筐体振動の状態を示す図である。
【図６】振動変位量と周波数の関係を示す図である。
【図７】第２の実施形態のエネルギー回生機構を示す縦断面図である。
【図８】第３の実施形態のエネルギー回生機構を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１７】
図１は、一実施形態に係るエネルギー回生機構の利用環境の一例を示す。この例のエネルギー回生機構では、携帯電話１００におけるエネルギーを回生する。なお、携帯電話１００は、この発明における「電子機器」の一例であってよい。
【００１８】
携帯端末１００は、筐体１１０の内部にスピーカ１２０、基板１３０、電池１４０、蓄電器１５０、及び圧電素子１６０を搭載している。基板１３０は、電池１４０及び蓄電器１５０の他、ＣＰＵやＲＡＭモジュール等、他の部品を装着している。スピーカ１２０は、音声を出力する部品である。スピーカ１２０は、音声を出力する面が筐体１１０の内側に接触するようにして固定されている。圧電素子１６０は、圧電体に加えられた力を電圧に変換する、圧電効果を利用した受動素子である。圧電素子１６０は、その一面が筐体１１０の内側に接触するようにして固定されている。
【００１９】
図２は、圧電素子１６０の構成の一例を示す。圧電素子１６０は、互いに平行に対向する２つの主面を有する圧電特性を示すＰＺＴ材料等の圧電材料１６１からなり、圧電材料１６１の主面のそれぞれに、上部電極層１６２及び下部電極層１６３が形成されている。圧電板の分極方向は特に限定されるものではないが、本実施形態では、圧電材料の厚み方向で上向きとなっている。
【００２０】
本発明のエネルギー回生機構では、圧電素子の電気機械変換効果により、振動エネルギーを電気エネルギーに変換できるため、不要な振動エネルギーの回収が可能となる。圧電材料は、圧力を加えることで生じるひずみに応じて、電圧が発生する現象である圧電効果を有している。この現象は、図３で示される分極の原理のように、圧電材料の固体結晶内のイオンの配置に起因するもので、格子状の結晶の中に配置されたイオンの位置のずれが、圧力を加えることによって大きくなり、結晶の一方の端がプラスの電気を帯び、もう一方の端がマイナスの電気を帯びる「電気分極」という現象が起こり、電圧が発生するものである。なお、この現象は可逆的に発生するため、要約すれば、圧電材料は電圧を加えると伸縮し、逆に力を加えると電圧が発生するという効果を持つ。このように、圧電材料は電気―機械エネルギーを変換する素子であるため、音響信号による発生した振動膜の振動エネルギ（力学エネルギ）を電気エネルギーに変換することができる。
【００２１】
本発明のエネルギー回生機構で使用する圧電材料は、圧電効果を示す機能性材料であれば、セラミック材料、高分子材料等、特に限定はされないが、振動膜から発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械変換子としての機能を有する。なお、電気機械変換効率が高い材料を使用することが好ましく、例えば、図４のような結晶構造のジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等が使用できる。
【００２２】
ところで、圧電素子による電気−機械のエネルギー変換効率は、下記の式（１）で示されるように、振動変位量と周波数に依存する（図６参照）。このため、本発明のエネルギー回生機構において、振動膜の最大変位を発生する位置に圧電素子を配置することが好ましい。
【数１】
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【００２３】
続いて、本発明において、不要振動について詳しく説明する。例えば、スピーカ等の電気音響変換器は、振動膜が振動することで、空気中の疎密現象を生み、音波を発生させるものである。しかしながら、携帯端末の小型薄型化が促進される中、筐体材料の低剛性化が進み、振動膜からの振動伝播により、筐体振動が発生する問題が生じている。なお、図５にスピーカ鳴動時の筐体振動の状態を示す。この筐体振動からも音波が発生し、特定周波数、例えば筐体材質の共振周波数近傍で、スピーカからの鳴動音と干渉し、音が強調されることになる。これは音響特性の観点から、聴感上で好ましいものでなく、不要振動として位置づけられる。このような、不要振動を電気エネルギーとして回生することで、低消費電力化と同時に、音響特性を改善できることが本発明の特徴の一つである。
【００２４】
本発明では、圧電素子により変換された電気エネルギーは蓄電器１５０に蓄えられ、電池１４０に還元される。これにより、回生エネルギーの再利用は可能となるため、携帯端末の消費電力を低減でき、長時間駆動が可能となる。
【００２５】
本発明に係るエネルギー回生機構は、電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器等）へも利用可能である。従来の携帯端末に対して、筐体に圧電素子を接合した構成であるため、形状を大きく損なわず、消費電力が低減できることから、携帯型の電子機器に対して好適な技術である。
【００２６】
図７は、第２の実施形態のエネルギー回生機構を示す縦断面図である。本実施形態のエネルギー回生機構は、第１の実施携帯に対して、振動部品のみが異なっており、ここではバイブレータ２７０を使用した。
【００２７】
本実施形態のエネルギー回生機構では、電気音響変換器以外の振動部品からも不要振動を電気エネルギーに変換できることを示している。第１の実施形態と同様に、携帯端末の消費電力が低減でき、長時間駆動が可能となる。
【００２８】
上述のように、本発明のエネルギー回生機構によれば、端末機能に対して悪影響を及ぼす不要な振動エネルギーを、圧電素子効果を利用して、電気エネルギーに変換し、携帯端末のエネルギーとして再利用できる。このため、端末の消費電力が低減し、長時間駆動の実現が可能となる。
【００２９】
本発明のエネルギー回生機構の特性評価を行った。エネルギー変換効率は、下記の式（２）に従い、圧電素子の振動周波数と振動量により、変換効率を評価した。ここでは、振動部品の入力電力を分母におき、振動部品に対する変換効率が３％以上を○とし、変換効率３％未満を×とした。
【数２】
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【００３０】
本発明の実施の第１の実施形態で記載したエネルギー回生機構の特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。インピーダンス値８Ωのスピーカに、１Ｗ入力し、スピーカを鳴動。圧電素子により筐体の振動エネルギ（筐体共振周波数近傍値）を回生した。なお、圧電素子の振動周波数と振動量から、スピーカの消費電力に対する変換効率を算出し、特性を判断した。
筐体の基本共振周波数：５５０Ｈｚ
最大振動速度：１２５ｍｍ／ｓ
変換効率：○
【００３１】
上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー変換方法によれば、電気音響変換器（スピーカ）の入力電力を３％回収でき、端末の低消費電力化が可能であることが実証された。
【００３２】
本発明の実施の第２の実施形態で記載したエネルギー回生機構の特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。バイブレータに、０．５Ｗ入力し、筐体を鳴動。圧電素子により筐体の振動エネルギ（筐体共振周波数近傍値）を回生した。なお、圧電素子の振動周波数と振動量から、スピーカの消費電力に対する変換効率を算出し、特性を判断した。
基本共振周波数：５２０Ｈｚ
最大振動速度振幅：１０５ｍｍ／ｓ
変換効率：○
【００３３】
上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー変換方法によれば、振動部品の種類に関わらず、電気音響変換器の入力電力を３％以上回収でき、端末の低消費電力化が可能であることが実証された。
【００３４】
実施例３では、実施例１の構造に対して圧電素子の位置を変更した。図８で示されるように、筐体３１０の端部に圧電素子３６０を接合した。
基本共振周波数：５２０Ｈｚ
最大振動速度振幅：１０５ｍｍ／ｓ
変換効率：○
【００３５】
上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー変換方法によれば、圧電素子の接合位置に関わらず、電気音響変換器の入力電力を３％以上回収でき、端末の低消費電力化が可能であることが実証された。
【００３６】
実施例４では、実施例１の構造に対して圧電素子の材質を変更した。圧電材料としてポリフッ化ビニリデン（ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  Ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ；ＰＶＤＦ）からなる圧電フィルムを使用した。
基本共振周波数：５２０Ｈｚ
最大振動速度振幅：１２５ｍｍ／ｓ
変換効率：○
【００３７】
上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー変換方法によれば、電気音響変換器の入力電力を３％以上回収でき、端末の低消費電力化が可能であることが実証された。
【００３８】
実施例５では、実施例１の構造に対して圧電素子の構造を変更した。圧電素子として積層型の圧電素子を使用した。
基本共振周波数：５２０Ｈｚ
最大振動速度振幅：１３５ｍｍ／ｓ
変換効率：○
【００３９】
上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー変換方法によれば、電気音響変換器の入力電力を３％以上回収でき、端末の低消費電力化が可能であることが実証された。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４１】
１００  携帯電話
１１０  筐体
１２０  スピーカ
１３０  基板
１４０  電池
１５０  蓄電器
１６０  圧電素子
１６１  圧電材料
１６２  上部電極層
１６３  下部電極層
２００  携帯電話
２１０  筐体
２３０  基板
２４０  電池
２５０  蓄電器
２６０  圧電素子
２７０  バイブレータ
３００  携帯電話
３１０  筐体
３２０  スピーカ
３３０  基板
３４０  電池
３５０  蓄電器
３６０  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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