(57)【要約】【課題】外部の振動、圧力または音響エネルギーなどの作用によって電気が生成できる圧電体を含むダイアフラムを利用した小型で耐久性に優れるバッテリー代替発電ユニットを提供する。【解決手段】本発明は、内部空間が形成されたハウジングと、ハウジングに配置される固定ウエハと、固定ウエハと接し、外部の振動、圧力及び音響エネルギーにより電気エネルギーが生成可能なように備えられたダイアフラムとを備え、ダイアフラムは、固定ウエハの上側に一定間隔をおいて複数配置され、四角形及び円形に形成され、固定ウエハと直接接し、質量体が一体形成されたシリコンウエハと、シリコンウエハの上側の上、下部電極と、前記上、下部電極間に圧電体とを備えていることを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間が形成されたハウジングと、
前記ハウジングに配置される固定ウエハと、
前記固定ウエハと接し、外部の振動、圧力及び音響エネルギーにより電気エネルギーが生成可能なように備えられたダイアフラムとを備えることを特徴とするバッテリー代替発電ユニット。
【請求項２】
前記ダイアフラムは、前記固定ウエハの上側に一定間隔をおいて複数配置され、前記ダイアフラムは、四角形及び円形に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー代替発電ユニット。
【請求項３】
前記ダイアフラムは、前記固定ウエハと直接接し、中心部に共振周波数の調節ができるように、質量体が一体形成されたシリコンウエハと、
前記シリコンウエハの上側に電流が流れることができるように備えられた上、下部電極と、
前記上、下部電極間に機械的な応力の作用により電気が発生できるように、圧電体とを備え、
前記質量体は、前記シリコンウエハの加工時に形成され、前記質量体の大きさと厚さとは、共振周波数に応じて調節が可能であり、前記ダイアフラムと同じ形態で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー代替発電ユニット。
【請求項４】
前記固定ウエハは、前記シリコンウエハより構造的に高い剛性を有し、空気出入が可能なホールが一定間隔をおいて複数形成されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー代替発電ユニット。
【請求項５】
前記ハウジングは、前記固定ウエハと前記ダイアフラムとが固着される下部ハウジングと、
前記下部ハウジングと結合し、前記ダイアフラムの上部をカバーする上部ハウジングと、
前記ダイアフラムから出力される電源を変換し、格納できるように電力変換手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のバッテリー代替発電ユニット。
【請求項６】
前記上部ハウジングには、外部の音響エネルギーを効果的に吸収できるように集音板が備えられ、前記集音板は、前記上部ハウジングと一体に形成されたことを特徴とする請求項５に記載のバッテリー代替発電ユニット。
【請求項７】
前記下部ハウジングには、前記ダイアフラムから発生する過度な振幅を抑制し、耐久性を向上させるように通気ホールが形成され、前記通気ホールは、一定間隔をおいて複数形成されたことを特徴とする請求項５に記載のバッテリー代替発電ユニット。
【請求項８】
前記電力変換手段は、前記下部ハウジングに一体形成され、前記電力変換手段と接続する電力端子をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のバッテリー代替発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリー代替発電ユニットに係り、より詳しくは、外部の振動、圧力または音響エネルギーを利用して電気を生成する小型でかつ耐久性に優れたバッテリー代替発電ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車には、電子装置が備えられ、このような電子装置を駆動するためには電力供給が必要である。最近では、自動車の電子装置が急速に増加する傾向にあることから、電子装置に電力を供給するため電線などが増加している。特に、タイヤ空気圧力をモニターリングするシステム（ＴＰＭＳ）が法規化される傾向にあり、前記のようなシステムを作動するために外部の振動や圧力などを利用して電気エネルギーが生成できる電源発生装置の検討が行なわれている。
【０００３】
図１は、従来技術による外部振動に応じて内部に存在する鋼鉄球が両側に存在する圧電セラミックス板を打撃して電気を生産する概念を示す図である。
図１に示すように、圧電セラミックス板１は、両端がふさがった円筒形コンテナ８の両端側に配置されており、鋼鉄球４が圧電セラミックス板１を打撃すれば、電気が生成される。緩衝板３は、接着剤６を使用してコンテナ８の両側壁に接合され、圧電セラミックス板１は、接着剤６を使用して緩衝板３の中央部に接合される。コンテナ８の両側壁に圧電セラミックス板１が接合されるため、両側の圧電セラミックス板１は、互いに対向するようになる。各圧電セラミックス板１の対向する面の中心には、保護板２が固定される。パイプ７が対向する圧電セラミックス板１の間に配置され、自由に転がりうる鋼鉄球４は、パイプ７内に収納される。
【０００４】
圧電セラミックス板１は、同じ形態（同一材質、同一形状及び厚さ）を有する二つの板状の圧電セラミックス素子１ａ、１ｂをセラミックス素子１ａ、１ｂの誘電性分極化（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の極が互いに反対になるように結合して形成される。同様に形成されたセラミックス素子１ａ、１ｂが結合されるので、接合面が中心点（膨脹又は圧縮されない地点）になるように波形振動が引き起こされる。この場合、片方のセラミックス素子１ａが膨脹すれば、他の面のセラミックス素子１ｂが圧縮され、出力電圧の極は、同じ方向になり、二つの圧電セラミックス素子１ａ、１ｂは、直列に接続される。
【０００５】
波形振動が接合面に中心が位置するように引き起こされるとき、膨脹及び圧縮動作は、全て一つの圧電セラミックス素子１ａ又は１ｂで行われ、発電は、極性の減衰なしに効果的に行われる。電気的エネルギーとして生成された電流は、リードワイヤー９を介して得られる。
この場合、複数の薄い圧電セラミックス板が積層され、一つの圧電セラミックス素子１ａ又は１ｂが形成される。
【０００６】
圧電セラミックス板１が接着剤５を使用して緩衝板３の中心に固定される理由は、圧電セラミックス板１の振動が減少するのを防止するためである。圧電セラミックス板１が振動するとき、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の振動を減少させる要因となる。減少要因を除去するために、圧電セラミックス板１は、緩衝板３を使用して最大限自由な状態になる。
【０００７】
緩衝板３を使用することにより、圧電セラミックス板１の固有振動が長時間維持されるので、発電効率が向上する。緩衝部材は、また圧電セラミックス板１に加えられる衝撃を吸収する。保護板２は、金属、合成樹脂などからなり、圧電セラミックス板１を鋼鉄球４の打撃から保護する。圧電型発電機が風、波又は人の動作などが利用できる環境に配置されれば、鋼鉄球４が下から上まで転がって圧電セラミックス板１の右側面及び左側面を打撃し、衝突により衝撃エネルギーを加える。その後、圧電セラミックス板１に振動が生じ、圧電セラミックス板１は、繰り返し膨脹及び圧縮されて、圧電セラミックス板１は、交流電流電気を生成する。
【０００８】
上述のような圧電型発電機は、比較的小さな力でも大きなエネルギーを出すことができる長所があるが、高周波振動では、性能が急激に低下する。特に鋼鉄球が打撃する部位では摩耗が発生して耐久性が劣ることになるほか、鋼鉄球が転動するパイプ内側が汚染などにより表面に凹凸が発生し、鋼鉄球の移動が妨害されるという問題点がある。
【特許文献１】特開平０８−０４３４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、外部の振動、圧力または音響エネルギーなどの作用によって電気が生成できる圧電体を含むダイアフラムを利用した小型で耐久性に優れるバッテリー代替発電ユニットの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるバッテリー代替発電ユニットは、内部空間が形成されたハウジングと、前記ハウジングに配置される固定ウエハと、前記固定ウエハと接し、外部の振動、圧力及び音響エネルギーにより電気エネルギーが生成可能なように備えられたダイアフラムとを備えることを特徴とする。
【００１１】
前記ダイアフラムは、前記固定ウエハの上側に一定間隔をおいて複数配置され、前記ダイアフラムは、四角形及び円形に形成されたことを特徴とする。
【００１２】
前記ダイアフラムは、前記固定ウエハと直接接し、中心部に共振周波数の調節ができるように、質量体が一体形成されたシリコンウエハと、前記シリコンウエハの上側に電流が流れることができるように備えられた上、下部電極と、前記上、下部電極間に機械的な応力の作用により電気が発生できるように、圧電体とを備え、前記質量体は、前記シリコンウエハの加工時に形成され、前記質量体の大きさと厚さとは、共振周波数に応じて調節が可能であり、前記ダイアフラムと同じ形態で形成されたことを特徴とする。
【００１３】
前記固定ウエハは、前記シリコンウエハより構造的に高い剛性を有し、空気出入が可能なホールが一定間隔をおいて複数形成されたことを特徴とする。
【００１４】
前記ハウジングは、前記固定ウエハと前記ダイアフラムとが固着される下部ハウジングと、前記下部ハウジングと結合し、前記ダイアフラムの上部をカバーする上部ハウジングと、前記ダイアフラムから出力される電源を変換し、格納できるように電力変換手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
前記上部ハウジングには、外部の音響エネルギーを効果的に吸収できるように集音板が備えられ、前記集音板は、前記上部ハウジングと一体に形成されたことを特徴とする。
【００１６】
前記下部ハウジングには、前記ダイアフラムから発生する過度な振幅を抑制し、耐久性を向上させるように通気ホールが形成され、前記通気ホールは、一定間隔をおいて複数形成されたことを特徴とし、前記電力変換手段は、前記下部ハウジングに一体形成され、前記電力変換手段と接続する電力端子をさらに備えることを特徴とする
【発明の効果】
【００１７】
本発明によるバッテリー代替発電ユニットは、車両の通常のバッテリーを補う機能を有し、車両タイヤの空気圧をモニターリングするために備えられるシステム（ＴＰＭＳ）の電子装置等に適用して通常のバッテリーの頻繁な交換を回避できる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の内容を詳細に説明する。
図２及び図３は、本発明によるバッテリー代替発電ユニットを示した図であり、図４は、本発明によるバッテリー代替発電ユニットのダイアフラム構造を示した図であり、図５は、本発明によるバッテリー代替発電ユニットの全体構造を簡略に示した図であり、図６は、本発明によるバッテリー代替発電ユニットによる効果を示したグラフである。
図２〜図６に示すように、上記の課題を解決するための本発明によるバッテリー代替発電ユニットは、内部に一定の空間が形成されているハウジング１０と、ハウジング１０の一側に配置されている固定ウエハ２０と、固定ウエハ２０と接し、外部の振動、圧力、音響エネルギーによって電気エネルギーが生成可能なように備えられているダイアフラム３０とを備えている。
【００１９】
ダイアフラム３０は、固定ウエハ２０の上にユーザが既設定した一定間隔だけ離して複数配置されており、四角形または円形に形成される。
ダイアフラム３０は、固定ウエハ２０の上に直接接し、中心部に共振周波数の調節が可能なように質量体３１ａが一体形成されているシリコンウエハ３１と、シリコンウエハ３１の上の上、下部電極３２、３３と、上、下部電極３２、３３の間に配置され応力作用によって電気発生を可能とする圧電体３４とを備えている。
ここで、質量体３１ａは、シリコンウエハ３１を後面エッチングで加工する時に形成され、質量体３１ａの大きさと厚さとは、所望の共振周波数に応じて調節でき、質量体３１ａは、ダイアフラム３０と同じ形態で形成される。
【００２０】
圧電体３４には、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ））Ｏ３を使用するが、圧電効率に優れたＺｒ、Ｔｉの組成比が５２：４８であるものを使用することが好ましい。一方、上、下部電極３２、３３には、白金や金、銅、アルミニウム薄膜を使用する。
シリコンウエハ３１に下部電極３３を形成する際、シリコンウエハ３１の表面には、シリコン酸化膜が形成されるが、シリコン酸化膜と下部電極３３との付着力を向上させるために、中間層Ｃが形成され、中間層Ｃには、チタニウムやクロムが主に使用される。
【００２１】
図４に示すように、ダイアフラム３０は、一定の厚さを得るためにシリコン酸化物を介して接合するＳＯＩウエハを使用する。このとき、ＳＯＩウエハの中間には、酸化膜Ｏが形成されるが、充分なエッチング時間により除去されて、均一な厚さのダイアフラムを得ることができる。
固定ウエハ２０は、シリコンウエハ３１より構造的に高い剛性を有する石英ガラス又はシリコン材質で形成され、空気出入が可能なようにホール２１はユーザが既設定した一定間隔をおいて複数形成する。
【００２２】
ハウジング１０は、上部ハウジング１２と下部ハウジング１１からなり、内部に固定ウエハ２０及びダイアフラム３０が配置できる内部空間を有する。下部ハウジング１１には、固定ウエハ２０とダイアフラム３０とが固着されており、上部ハウジング１２は、ダイアフラム３０の上部をカバーすると同時に、下部ハウジング１１と結合される。
また、ハウジング１０は、ダイアフラム３０から出力される交流電源を直流電源に変換し、変換された電源を格納することができるように電力変換手段１３をさらに備えている。
【００２３】
ここで、電力変換手段１３は、下部ハウジング１１に一体形成されてもよく、別に備えられても良いが、本実施の形態では、一体形成されたものを示した。電力変換手段１３は、電力端子１３ａを備えて電力端子１３ａが電力変換手段１３と接続され、電力端子１３ａには、銅合金錫をメッキした素材又は黄銅及び青銅を使用することができる。
そして、ダイアフラム３０と電力変換手段１３との接続と電力変換手段１３と電力端子１３ａとの接続は、ワイヤー１３ｂにより行われる。
上部ハウジング１２は、外部の音響エネルギーをより効果的に吸収できるように集音板１２ａを具備しており、集音板１２ａは、別に製作されて上部ハウジング１２に取付けられるか、上部ハウジング１２と一体形成できるが、本発明では、上部ハウジング１２と一体形成される。
【００２４】
下部ハウジング１１には、ダイアフラム３０から発生する過度な振幅を抑制し、かつ耐久性を向上させることができるように通気ホール１１ａが形成されている。通気ホール１１ａは、ユーザが既設定した一定間隔をおいて複数形成される。
通気ホール１１ａの個数及び大きさを調節すれば、図５に示すように外部の強い振動又は音響エネルギーの圧力によって、ダイアフラム３０が過度な変形を起こすが、通気ホール１１ａを介して流出入する空気によって内部に発生する適切な圧力で対抗できるため、振幅を抑制することができる。
上部ハウジング１２と下部ハウジング１１とは、半導体用エポキシ又は超音波融着で結合できる。
【００２５】
次に、上記のように構成された本発明のバッテリー代替発電ユニットの構造及び作動状態について説明する。
下部ハウジング１１の一側に固定ウエハ２０が配置される。固定ウエハ２０には、空気の流出入が可能なようにユーザが既設定した一定間隔だけ離されたホール２１が形成されている。
そして、固定ウエハ２０の上側には、ホール２１の位置に対応してダイアフラム３０が配置される。
ダイアフラム３０は、中心部に共振周波数の調節が可能なように質量体３１ａが一体形成されたシリコンウエハ３１と、シリコンウエハ３１の上側に白金又は金、銅又はアルミニウム薄膜を使用した下部電極３３が備えられ、シリコンウエハ３１と下部電極３３とは、チタニウム又はクロムにより接合される。
【００２６】
そして、シリコンウエハ３１と接しない下部電極３３の他側には、応力の作用によって電気が発生できるように、ＰＺＴである圧電体３４が備えられ、圧電体３４の上に下部電極３３と同一素材である上部電極３２が備えられる。
固定ウエハ２０の上にダイアフラム３０が備えられると、ダイアフラム３０の上部をカバーし、外部の音響エネルギーを効果的に吸収できるように集音板１２ａが一体形成された上部ハウジング１２が備えられ、下部ハウジング１１と結合される。
【００２７】
一方、下部ハウジング１１には、ダイアフラム３０から出力される交流電源を直流電源に変換し、変換された電源を格納できる電力変換手段１３が一体形成されている。
電力変換手段１３には、黄銅又は青銅を使用した電力端子１３ａが接続され、ダイアフラム３０と電力変換手段１３との接続と電力変換手段１３と電力端子１３ａとの接続は、ワイヤー１３ｂによって行われる。
上記のようなバッテリー代替発電ユニットは、外部の振動又は圧力及び音響エネルギーがダイアフラム３０に伝達されると、ダイアフラム３０が上下に変形し、このとき、ダイアフラム３０に備えられている圧電体３４を変形させて上、下部電極３２、３３に、電気が生成される。
【００２８】
また、本発明によるバッテリー代替発電ユニットは、図６に示すように、音響エネルギーの圧力（陰圧）が９０Ｄｂ以上増加する時には、下部ハウジング１１に形成されている通気ホール１１ａによる空気の減衰効果でダイアフラム３０の変形が抑制されるため、電気エネルギーの発生量がそれ以上大きくならない。これによって、過度な圧力によるダイアフラム３０の破損の危険がないため、耐久性に優れる長所を有している。
本発明によるバッテリー代替発電ユニットを適用すれば、タイヤのような部位の電子装置に使用されていたバッテリーを削除でき、これによってバッテリー使用及びバッテリー交換などにより発生する費用を低減することができる効果がある。
【００２９】
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来技術による外部の振動によって内部に存在する鋼鉄球が両側に存在する圧電セラミックス板を打撃して電気が生成される概念を示す図である。
【図２】本発明による車両バッテリー代替発電ユニットを示した図である。
【図３】本発明による車両バッテリー代替発電ユニットを示した図である。
【図４】本発明によるバッテリー代替発電ユニットのダイアフラム構造を示した図である。
【図５】本発明によるバッテリー代替発電ユニットの全体構造を簡略に示した図である。
【図６】本発明によるバッテリー代替発電ユニットによる効果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１０      ハウジング
１１      下部ハウジング
１２      上部ハウジング
２０      固定ウエハ
３０      ダイアフラム
３１      シリコンウエハ
３２      上部電極
３３      下部電極
３４      圧電体
Ｃ      中間層
Ｏ      酸化膜
【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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