(57)【要約】【課題】圧電素子を応用した充電装置において、小型化に適した構造で且つ発電効率のよい充電装置を提供する。【解決手段】二次電池１４を収納するケース１１に、厚み方向に分極を配し且つ厚み方向に軟性を持って変形可能な圧電素子１２と、該圧電素子の起電圧を整流及び平滑してその平滑出力で前記二次電池を充電するための整流平滑回路１３とを内装し、加えて、前記ケースの少なくとも圧電素子の内装部分の表裏面を変形可能な構造（たとえば、多数の凹凸１１ａを形成する）としたことを特徴とする。【選択図】  図２
2005012980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池を収納するケースに、厚み方向に分極を配し且つ厚み方向に軟性を持って変形可能な圧電素子と、該圧電素子の起電圧を整流及び平滑してその平滑出力で前記二次電池を充電するための整流平滑回路とを内装し、加えて、前記ケースの少なくとも圧電素子の内装部分の表裏面を変形可能な構造としたことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記ケースの少なくとも圧電素子の内装部分の表裏面に多数の凹凸を形成して変形可能としたことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
【請求項３】
前記ケースの少なくとも圧電素子の内装部分の表裏面を他の部分よりも柔らかな素材で構成して変形可能としたことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
【請求項４】
前記圧電素子は、フィルム状またはシート状の複数枚の圧電素子を積み重ねて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の充電装置。
【請求項５】
前記フィルム状またはシート状の複数枚の圧電素子は、ピエゾフィルムであることを特徴とする請求項４記載の充電装置。
【請求項６】
二次電池を収納するケースに、積層方向に分極を配し且つ厚み方向に軟性を持って変形可能な柔軟性積層圧電素子と、該柔軟性積層圧電素子の起電圧を整流及び平滑してその平滑出力で前記二次電池を充電するための整流平滑回路とを内装し、加えて、前記ケースの少なくとも柔軟性積層圧電素子の内装部分の表裏面を変形可能な構造としたことを特徴とする充電装置。
【請求項７】
前記ケースの少なくとも柔軟性積層圧電素子の内装部分の表裏面に多数の凹凸を形成して変形可能としたことを特徴とする請求項６記載の充電装置。
【請求項８】
前記ケースの少なくとも柔軟性積層圧電素子の内装部分の表裏面を他の部分よりも柔らかな素材で構成して変形可能としたことを特徴とする請求項６記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源が見あたらない場所でも二次電池を充電できる充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの携帯用電子機器の電源に電池が用いられている。電池には、使い捨て型の電池（一次電池）と再利用可能な電池（二次電池）がある。一次電池は価格も安く、どこでも入手できるが、使用済み電池が廃棄物になってしまうという欠点がある。これに対して、二次電池は廃棄物の問題を招かず、地球環境に優しい利点を有する反面、専用の充電器を必要とする点で使い勝手が悪く、しかも、充電器があっても商用電源を利用できない環境では全く充電を行うことができないという欠点がある。
【０００３】
そこで、従来から、二次電池の欠点を克服するための様々な試みがなされており、たとえば、圧電素子を利用したものなどはその代表例である。
＜第１の従来例＞
特許文献１または特許文献２には、厚み方向に分極を配した圧電板と電極板とを張り合わせた構造体の一端側に錘を取り付けて自由端とすると共に、他端側を固定端として、いわゆる「片持ち梁構造」としたものが記載されている。これによれば、外部から力を加えると、片持ち梁（構造体）が振動して圧電板の分極方向に圧電効果に伴う起電圧が生じるので、その起電圧を電極板から取り出して二次電池に供給すれば、二次電池を充電することができる。
【０００４】
＜第２の従来例＞
特許文献３には、衝撃を吸収するクッション内に圧電素子を組み込んだ構造のものが記載されている。そして、同文献には、クッションが押されたときに、そのクッションを通って圧電素子に押圧力を加え、圧電素子に起電圧を発生させる旨のことが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−４９３８８号公報（〔００１５〕〜〔００２０〕、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−１４６６６３号公報（〔００１０〕〜〔００１２〕、第１図）
【特許文献３】
特開平８−１６８２７２号公報（〔００２４〕〜〔００３１〕、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来例にあっては、片持ち梁構造になっているため、梁の自由な動きを保障するためのスペースが必要であり、構造の大型化を免れないという欠点がある。この欠点は、とりわけ小型化を要求される携帯用電子機器において、無視することができない。
【０００７】
一方、第２の従来例にあっては、クッション内に圧電素子を組み込む構造となっており、このクッションは「衝撃を吸収する」ものであるから、外部からの圧力の多くがクッションによって“吸収”されてしまうことを否めず、それゆえ、この従来例においては、圧電素子には小さな押圧力しか加えられなくなり、発電効率が悪く、小さな起電圧しか得られないという欠点がある。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、圧電素子を応用した充電装置において、小型化に適した構造で且つ発電効率のよい充電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る充電装置は、二次電池を収納するケースに、厚み方向に分極を配し且つ厚み方向に軟性を持って変形可能な圧電素子と、該圧電素子の起電圧を整流及び平滑してその平滑出力で前記二次電池を充電するための整流平滑回路とを内装し、加えて、前記ケースの少なくとも圧電素子の内装部分の表裏面を変形可能な構造としたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ケースの少なくとも圧電素子の内装部分の表裏面に多数の凹凸を形成して変形可能としたことを特徴とし、または、前記ケースの少なくとも圧電素子の内装部分の表裏面を他の部分よりも柔らかな素材で構成して変形可能としたことを特徴とする。または、前記圧電素子は、フィルム状またはシート状の複数枚の圧電素子を積み重ねて構成されていることを特徴とし、または、前記フィルム状またはシート状の複数枚の圧電素子は、ピエゾフィルムであることを特徴とする。
本発明では、ケースの所定部分を自由に変形させることができ、この変形に伴って、当該部分に内装された圧電素子に曲げ応力を加えることができる。しかも、ケースの変形と圧電素子の曲げ応力がほぼ一対一に対応するため、変形力のロスがない。したがって、従来例のようなクッション材による力の吸収がなく、発電効率を向上できる上、従来例のような片持ち梁構造でもないため、ケース内に余計なスペースを確保する必要もなく、とりわけ携帯電子機器の小型化に貢献する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明における様々な細部の特定ないし実例および数値や文字列その他の記号の例示は、本発明の思想を明瞭にするための、あくまでも参考であって、それらのすべてまたは一部によって本発明の思想が限定されないことは明らかである。また、周知の手法、周知の手順、周知のアーキテクチャおよび周知の回路構成等（以下「周知事項」）についてはその細部にわたる説明を避けるが、これも説明を簡潔にするためであって、これら周知事項のすべてまたは一部を意図的に排除するものではない。かかる周知事項は本発明の出願時点で当業者の知り得るところであるので、以下の説明に当然含まれている。
【００１１】
図１は、本発明の充電装置を適用するいくつかの例を示す図である。特に限定しないが、（ａ）にはデジタルカメラ１用のバッテリ２が示されており、また、（ｂ）には携帯電話機３用のバッテリ４が示されている。いずれのバッテリ２、４も、対象電子機器（図示の例ではデジタルカメラ１や携帯電話機３）のデザインを損なわない適当な外観（カード型またはそれに類似した形状）を有しており、対象電子機器に装着及び取り外し可能になっている。
【００１２】
デジタルカメラ１用のバッテリ２は、通常、デジタルカメラ１の側面に設けられたバッテリスロット１ａに挿入して用いられる。バッテリ２の短辺側には端子２ａが取り付けられており、この端子２ａを介してバッテリ２からデジタルカメラ１に電力が供給される。また、デジタルカメラ１には充電器兼用の専用の置き台（以下「クレードル」という）が付属している。デジタルカメラ１をクレードルに載せておけば、クレードルを介してデジタルカメラ１への電力供給を行うことができ、同時にバッテリ２の充電も行うことができる。
【００１３】
携帯電話機３用のバッテリ４も同様である。すなわち、このバッテリ４も通常は携帯電話機３の背面に設けられたバッテリスロット３ａに装着して用いられる。バッテリ４の短辺側には端子（不図示）が取り付けられており、この端子を介してバッテリ４から携帯電話機３に電力が供給される。また、同様に、携帯電話機３にも充電器兼用のクレードルが付属している。携帯電話機３をクレードルに載せておけば、クレードルを介して携帯電話機３への電力供給を行うことができ、同時にバッテリ４の充電も行うことができる。
【００１４】
さらに、バッテリ２、４は必要に応じて対象電子機器から取り外すことも可能であり、たとえば、予備のバッテリと交換したり、取り外したバッテリ２、４をクレードルにセットして充電したりできる。
【００１５】
これらのバッテリ２、４は、可逆的化学反応によって電気エネルギーを充電及び放電する蓄電池、すなわち、二次電池で構成されている。二次電池は、特に限定しないが、たとえば、リチウムイオン電池である。
【００１６】
かかる二次電池で構成されたバッテリ２、４は、図示の例からも明らかなとおり、対象電子機器（図示の例ではデジタルカメラ１や携帯電話機３）の専用構成品であり、使い捨て型の電池、つまり、充電不能な一次電池（単三型等の乾電池）と違って再利用（充電しながら継続使用）することができ、資源の無駄がなく、また、廃棄物の問題も招かないという優れた利点がある。
【００１７】
しかし、その反面、二次電池は、専用の充電器（前記のクレードル）がなければ充電を行うことができないという欠点を併せ持っており、このため、デジタルカメラ１や携帯電話機３を長時間使用するときには、▲１▼充電器を持ち歩く、▲２▼予備のバッテリを持ち歩く、▲３▼市販の汎用充電ツール（たとえば、００６Ｐ型アルカリ電池１個を使用した充電器などが知られている）を持ち歩くなどの対策を講じなければならないが、▲１▼の対策は充電器が荷物になる（多くの充電器は重く大きいうえ、電源アダプタや電源ケーブルなどの付属品も一緒に持ち歩かなければならない）、▲２▼の対策はコストがかさむ（予備バッテリ１個の値段は数千円もする）、▲３▼の対策はデジタルカメラ１に適用できない（デジタルカメラ用の汎用充電ツールは現時点で市販されていない）などの問題点がある。
【００１８】
そこで、本実施の形態では、上記いずれの対策（▲１▼〜▲３▼）にも該当しない新規の技術、詳しくは、他の器具や装置を一切必要とせずに、バッテリ２、４だけで一応の充電を可能とする有益な技術を開示する。なお、以下では、説明の便宜上、図１のデジタルカメラ１のバッテリ２を例にするが、これに限定されない。携帯電話機３のバッテリ４であってもよいし、他の電子機器のバッテリであってもよい。要は、対象電子機器から取り外すことができる充電型のバッテリであればよい。
【００１９】
図２は、バッテリ２の簡略断面図である。バッテリ２は、外面の任意位置（図では左端）に電極２ａを取り付けたケース１１と、そのケース１１の内部に実装された柔軟性積層圧電素子部１２と、柔軟性積層圧電素子部１２の交流起電力を直流に変換する整流器（平滑回路を含む）１３と、整流器の直流出力で充電され、且つ、電極２ａを介してその放電電圧を出力する二次電池（たとえば、リチウムイオン電池）１４とを備える。なお、柔軟性積層圧電素子部１２と整流器１３の間は配線１５によって接続され、整流器１３と二次電池１４の間は配線１６によって接続され、さらに、二次電池１４と電極２ａの間は配線１７によって接続されている。
【００２０】
ここで、ケース１１は電気的な絶縁性を有する任意の素材を用いて所定形状（好ましくはカード型またはそれに類似した薄型形状）に形成されており、且つ、少なくとも柔軟性積層圧電素子部１２の実装部分が、その厚み方向に屈曲変形可能な構造になっている。同構造としては、たとえば、図示のように、ケース１１の表裏面の一部分（少なくとも柔軟性積層圧電素子部１２の実装部分）に多数の凹凸部１１ａを形成して柔軟性を増したり、または、同部分を他の部分よりも柔らかい素材で構成したりしてもよい。要は、ケース１１の少なくとも柔軟性積層圧電素子部１２の実装部分を同図（ｂ）に示すように、自由に変形できるような構造になっていればよい。
【００２１】
図３は、柔軟性積層圧電素子部１２の構造図である。柔軟性積層圧電素子部１２は、図示の例の場合、ｎ枚のフィルム状圧電シート１２ａを積み重ねたものである。フィルム状圧電シート１２ａの具体例は、特にそれに限定しないが、米国ＭＳＩ（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ．Ｉｎｃ）社製のＰＤＴシリーズ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔ−ｓｅｎｓｏｒ．ｃｏ．ｊｐ／ＰＩＥＺＯ／ＦＤＴ／  参照）やＤＴシリーズ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔ−ｓｅｎｓｏｒ．ｃｏ．ｊｐ／ＰＩＥＺＯ／ＤＴ／  参照）などの“ピエゾフィルム”である。なお、ピエゾフィルム以外でも、たとえば、シート状のセラミックの圧電素子を使用することもできる。
【００２２】
ピエゾフィルムは、圧電効果を有するプラスチックＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ）膜１２ｂの両面に金属薄膜１２ｃ、１２ｄを印刷して作られている。分極は、プラスチックＰＶＤＦ膜１２ｂの厚み方向（柔軟性積層圧電素子部１２における積層方向に相当）であり、同方向への歪みの大きさに対応した電圧を両面の金属薄膜１２ｃ、１２ｄの間に発生する。ピエゾフィルムは、加工性が良く、大面積で薄膜化が容易な圧電素子であり、従来の硬質圧電素子（ピエゾセラミック等）と比較して、すぐれた柔軟性、耐衝撃性、耐高電圧性、耐水性、化学的安定性を備えている。
【００２３】
柔軟性積層圧電素子部１２の両短辺には、それぞれ引き出し電極１２ｅ、１２ｆが取り付けられており、一の引き出し電極１２ｅと各々のフィルム状圧電シート１２ａの一方電極（たとえば、上面側の金属薄膜１２ｃ）とを接続し、且つ、他の引き出し電極１２ｆとフィルム状圧電シート１２ａの他方電極（たとえば、下面側の金属薄膜１２ｄ）とを接続している。これにより、ｎ枚のフィルム状圧電シート１２ａを、引き出し電極１２ｅ、１２ｆの間に並列接続して起電力の増大を図っている。引き出し電極１２ａ、１２ｆの一方からは配線１２ｇが取り出され、引き出し電極１２ａ、１２ｆの他方からは配線１２ｈが取り出されており、配線１２ｇは図１の配線１５を介して整流器１３につながり、また、配線１２ｈは不図示のグランド線を介して整流器１３と二次電池１４につながっている。なお、本実施の形態では、ｎ枚の圧電シート１２ａを積み重ねた柔軟性積層圧電素子部１２を使用しているが、これは発電効率を重視したベストモードである。１枚の圧電シート１２ａの発電量で充電可能な場合は、積層型の圧電素子（柔軟性積層圧電素子部１２）の代わりに、１枚の圧電シート１２ａを用いてもよい。
【００２４】
図４（ａ）は、整流器１３のブロック図である。この図において、整流器１３は、柔軟性積層圧電素子部１２から出力された交流電圧Ｖａを半波整流または全波整流した整流電圧Ｖｂを出力する整流回路１３ａと、整流回路１３ａの出力を平滑化した脈流電圧Ｖｃを出力する平滑回路１３ｂとを含む。
【００２５】
図４（ｂ）は、整流回路１３ａ及び平滑回路１３ｂの一例構成図である。この例では、整流回路１３ａは一個の整流素子（ダイオード等）Ｄａを含み、柔軟性積層圧電素子部１２から出力された交流電圧Ｖａの一方極性成分（図示の例では正極性成分）だけを取り出し、同成分からなる整流電圧Ｖｂを出力する。つまり、この場合の整流回路１３ａは「半波整流回路」として動作する。また、平滑回路１３ｂは、いわゆるコンデンサインプット型のものであり、コンデンサ等の電荷蓄積要素Ｃａの充電動作により、整流電圧Ｖｂの波形の凸凹をおおむね均一化した脈流電圧Ｖｃを出力する。
【００２６】
図４（ｃ）、（ｄ）は、整流回路１３ａと平滑回路１３ｂの他の構成例を示す図である。この例（ｃ）では、整流回路１３ａはブリッジ接続された四個の整流素子（ダイオード等）Ｄｂ〜Ｄｅを含み、柔軟性積層圧電素子部１２から出力された交流電圧Ｖａの双方極性成分（正極性成分と負極性成分）を取り出し、それらの双方極性成分を一方極性（図示の例では正極）に揃えた整流電圧Ｖｂを出力する。つまり、この場合の整流回路１３ａは「全波整流回路」として動作する。また、この例（ｄ）では、平滑回路１３ｂは、いわゆるチョークコイルインプット型のものであり、チョークコイルＬａ（または抵抗素子Ｒａでもよい）と、コンデンサ等の電荷蓄積要素ＣｂとでＬ型（あるいはＬａやＲａの両端にそれぞれＣｂを接続したπ型）の充放電回路１３ｃを構成し、この充放電回路１３ｃによって、整流電圧Ｖｂの波形の凸凹をほぼ均一化した脈流電圧Ｖｃを出力する。
【００２７】
以上の構成において、本実施の形態におけるバッテリ２は、柔軟性積層圧電素子部１２、整流器１３及び二次電池１４を内部に実装したケース１１を備えると共に、そのケース１１の表裏面の一部分（少なくとも柔軟性積層圧電素子部１２の実装部分）の柔軟性を増した構造とした点に特徴がある。
【００２８】
つまり、同構造を採用したことにより、図２（ｂ）に示すように、ケース１１の当該部分を自由に屈曲させることができる。そして、ケース１１内部の当該部分には、柔軟性積層圧電素子部１２が実装されているから、結局、ケース１１の屈曲に伴って、柔軟性積層圧電素子部１２に曲げ応力を加えることができ、柔軟性積層圧電素子部１２に圧電効果による起電圧を発生させることができる。ここで、ケース１１と柔軟性積層圧電素子部１２の間には従来例のような“クッション材”が介在しない。それゆえ、ケース１１の屈曲運動をロスなく柔軟性積層圧電素子部１２に伝えることができるため、発電効率を損なうことはない。また、従来例のような「片持ち梁構造」でもないため、ケース１１の内部に余計な空間を設ける必要もなく、バッテリ２の小型化に貢献する。
【００２９】
したがって、本実施の形態のバッテリ２によれば、良好な発電効率で二次電池１４を速やかに充電することができ、しかも、携帯電子機器の小型化要求にも応えることができるという格別の効果が得られる。
【００３０】
ここで、柔軟性積層圧電素子部１２の起電圧の実験結果を示す。実験は、試験用圧電素子の出力を半波整流型の整流器１３ａを介してコンデンサインプット型の平滑回路１３ｂに加え、その平滑回路１３ｂの出力（図４（ｂ）のコンデンサＣａの両端電圧）を電圧計で測定することによって行った。
【００３１】
まず、試験用圧電素子として、１枚のフィルム状圧電シート１２ａを用いた場合を説明する。試験に用いたフィルム状圧電シート１２ａのサイズは２３ｍｍ×９ｍｍ（面積：２０７ｍｍ２）で厚さは０．２ｍｍである。このフィルム状圧電シート１２ａを連続して１００回屈曲させ、それを１セットにして８セット繰り返した結果、次の測定結果が得られた。
【００３２】
１セット目：１１６６ｍＶ
２セット目：１１４３ｍＶ
３セット目：１８６１ｍＶ
４セット目：１６８６ｍＶ
５セット目：１６１０ｍＶ
６セット目：１１３９ｍＶ
７セット目：１１９０ｍＶ
８セット目：１７９３ｍＶ
各セットの起電圧平均値は１４４７ｍＶであり、次式▲１▼より、電力換算で８８．９８６μＷが得られた。
【００３３】
Ｗ＝０．５ＣＶ２  ・・・・▲１▼
ただし、Ｃは図４（ｂ）のコンデンサＣａの容量（便宜的に８５μＦとする。）、Ｖは起電圧平均値である。
【００３４】
整流器１３ａを全波整流型にした場合、電力Ｗは約二倍になり、さらに、フィルム状圧電シート１２ａをｎ枚積み重ねて柔軟性積層圧電素子部１２とすれば、概ね２ｎ倍の電力Ｗが得られる。たとえば、各々のフィルム状圧電シート１２ａのサイズを一般的なリチウム電池の半分程度（３０ｍｍ×５０ｍｍ）としたとき、それぞれのフィルム状圧電シート１２ａの電力Ｗは、
2005012980.tif 000003
となり、積層枚数ｎを、たとえば、１０とすれば、
１０×１２８９．６６μＷ＝１２．９ｍＷ  ・・・・▲３▼
の電力を得ることができ、応急的なバッテリ充電電力として充分な値を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、ケースの所定部分を自由に変形させることができ、この変形に伴って、当該部分に内装された圧電素子に曲げ応力を加えることができる。しかも、ケースの変形と圧電素子の曲げ応力がほぼ一対一に対応するため、変形力のロスがない。したがって、従来例のようなクッション材による力の吸収がなく、発電効率を向上できる上、従来例のような片持ち梁構造でもないため、ケース内に余計なスペースを確保する必要もなく、とりわけ携帯電子機器の小型化に貢献する。
または、フィルム状またはシート状の複数枚の圧電素子を積み重ねて前記圧電素子を構成すれば、圧電素子の発電能力をアップできる。
または、前記フィルム状またはシート状の複数枚の圧電素子にピエゾフィルムを使用すれば、硬質圧電素子（ピエゾセラミック等）と比較して、すぐれた柔軟性、耐衝撃性、耐高電圧性、耐水性、化学的安定性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の充電装置を適用するいくつかの例を示す図である。
【図２】バッテリ２の簡略断面図である。
【図３】柔軟性積層圧電素子部１２の構造図である。
【図４】整流器１３のブロック図、整流回路１３ａ及び平滑回路１３ｂの一例構成図、整流回路１３ａと平滑回路１３ｂの他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１  ケース
１１ａ  凹凸
１２  柔軟性積層圧電素子部（圧電素子）
１２ａ  圧電シート（圧電素子）
１３  整流器（整流平滑回路）
１４  二次電池
【図１】
2005012980.tif 000004
【図２】
2005012980.tif 000005
【図３】
2005012980.tif 000006
【図４】
2005012980.tif 000007