JP2017038480A - キャパシタ用充放電器 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタを単三型もしくは単四型等の棒状（円筒状）の二次電池と同様にして携帯情報端末やマウス等の電源として用いることができるようにする。
【解決手段】キャパシタ蓄電器１０、キャパシタ用充放電器２０および充電素子３０を備えるキャパシタモジュールにおいて、キャパシタ用充放電器２０を、両端に正極端子２１ａと負極端子２１ｂとを有する外装ケース、好ましくは円筒ケース２１内に、キャパシタ蓄電器１０に対する充電回路およびキャパシタ蓄電器１０の蓄電電荷を放電させる放電回路を含む充放電回路基板を収納し、その放電回路の＋，−の各出力端子を円筒ケース２１内で正極端子２１ａと負極端子２１ｂとに接続した構成とし、その正極端子２１ａと負極端子２１ｂとから被給電機器にキャパシタ蓄電器１０の電荷を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタ用充放電器に関し、さらに詳しく言えば、キャパシタを例えば棒状（円筒状）の二次電池と同様にして携帯情報端末やマウス等の電源として用いることができるようにしたキャパシタ用充放電器に関するものである。

キャパシタ（コンデンサとも言う）、とりわけ電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタは、二次電池に比べて急速充電が可能であり、また、大容量でサイクル寿命が長い、という特徴を有している。

しかしながら、キャパシタも二次電池と同じく再生可能な蓄電デバイスでありながら、キャパシタ単独で携帯情報端末やマウス等の電源として用いられる事例は少なく、多くの場合、もっぱら二次電池の緩慢な充放電特性を補う補助的なデバイスとして二次電池と併用されている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００２−３３０５４８号公報 特開２０１１−１３９６１４号公報

そこで、本発明の課題は、キャパシタを例えば単三型もしくは単四型等の二次電池と同様にして携帯情報端末やマウス等の電源として用いることができるようにしたキャパシタ用充放電器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のキャパシタ用充放電器は、正極端子と負極端子とを有する外装ケース内に、キャパシタに対する充電回路およびキャパシタの蓄電電荷を放電させる放電回路を含む充放電回路基板を収納し、上記放電回路の＋，−の各出力端子が上記外装ケース内で上記正極端子と上記負極端子とに接続されていることを特徴としている。

本発明において、上記外装ケースは、両端に上記正極端子と上記負極端子とを有し外観的に単三電池もしくは単四電池型を呈する円筒ケースであることが好ましい。

また、本発明の好ましい態様によると、上記放電回路は出力電圧可変回路を備え、上記出力電圧可変回路により上記キャパシタの蓄電電荷がほぼ＋１．５Ｖとして出力され、上記充放電器が仮想の電池として用いられる。

また、上記充電回路には、コネクタを介して商用電源を除く所定の充電電源が接続されるが、その充電電源としては、太陽光発電素子もしくは振動発電素子からなる環境発電デバイスが好ましく用いられる。その場合、上記振動発電素子は上記外装ケース内に収納されるとよい。

また、上記充放電回路基板が収納される上記外装ケースを第１円筒ケースとして、上記第１円筒ケースと同一の第２円筒ケース内に上記充放電回路基板とリード線を介して接続されるキャパシタを収納してなるキャパシタ蓄電器をさらに備えている態様も本発明に含まれる。

本発明において、上記第２円筒ケース内に収納されるキャパシタが電気二重層キャパシタもしくはリチウムイオンキャパシタであることが好ましい。

本発明によれば、キャパシタの充放電器が両端に正極端子と負極端子とを有する円筒ケース内に入れられているため、この充放電器を介してキャパシタを携帯情報端末やマウス等の電源として、市販されている単三型もしくは単四型の二次電池と同じように使用することができる。

本発明によるキャパシタモジュールの一実施形態を示す模式的な正面図。 上記キャパシタモジュールに含まれるキャパシタ蓄電器の（ａ）図１における左側面図、（ｂ）図１のＡ−Ａ線に沿った内部構造を簡略化した断面図。 上記キャパシタモジュールに含まれる充放電器の（ａ）図１における右側面図、（ｂ）図１のＢ−Ｂ線に沿った内部構造を簡略化した断面図。 上記キャパシタモジュールの電気的な構成を示す模式図。 上記キャパシタモジュールのマウスへの適用例を示す模式図。 リチウムイオンキャパシタの充電特性の一例を示すグラフ。 電気二重層キャパシタの充電特性の一例を示すグラフ。

次に、図１ないし図７により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係るキャパシタモジュールは、基本的な構成として、キャパシタ蓄電器１０と、その充放電器２０と、充電素子３０とを備え、本発明では、充放電器２０を介してキャパシタ蓄電器１０を単三型もしくは単四型等の棒状（円筒状）の二次電池と同じく携帯情報端末やマウス等の電源として使用する。すなわち、充放電器２０が疑似的な電源として用いられる。

図２（ａ），（ｂ）を併せて参照して、キャパシタ蓄電器１０は、外装ケースとして、両端に正極端子１１ａと負極端子１１ｂとを有する円筒ケース１１を有し、円筒ケース１１内には、キャパシタ１２が収納されている。

この実施形態において、円筒ケース１１には、単四電池を単三電池に変換する単四→単三変換スペーサが用いられている。また、キャパシタ１２には、リチウムイオンキャパシタ（略称：ＬＩＣ）もしくは電気二重層キャパシタ（略称：ＥＤＬＣ）が好ましく採用される。

いずれにしても、キャパシタ１２は、有底円筒状の金属ケース（アルミニウムケース）１２１内に、図示しないコンデンサ素子を電解液とともに封入し、その封口部１２２側から一対のリード端子１２３（１２３ａ，１２３ｂ）を同一方向に引き出してなるリード同一方向型である。

リード端子１２３（１２３ａ，１２３ｂ）には、リード線１３（１３ａ，１３ｂ）が接続されており、キャパシタ１２は、リード線１３を介して充放電器２０と接続される。円筒ケース１１には、リード線１３を引き出すための挿通孔１１ｃが穿設されている。この実施形態において、キャパシタ蓄電器１０の円筒ケース１１の両端に設けられている正極端子１１ａと負極端子１１ｂは、電気的に関与しないダミー端子である。

図３（ａ），（ｂ）を併せて参照して、充放電器２０は、外装ケースとして、両端に正極端子２１ａと負極端子２１ｂとを有する円筒ケース２１を有し、円筒ケース２１内には、キャパシタ用の充放電回路基板２２が収納されている。

円筒ケース２１にも円筒ケース１１と同じく、単四電池を単三電池に変換する単四→単三変換スペーサが用いられ、充放電回路基板２２は、円筒ケース２１内に納まるように細長く形成されている。

図４に示すように、充放電回路基板２２には、第１および第２の２つＤＣ／ＤＣコンバータ２３，２４が設けられている。一方の第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が充電用で、他方の第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が放電用であり、以下の説明において、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を充電回路、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を放電回路ということがある。なお、図４に示されていないが、実際の充電回路と放電回路とには、ＤＣ／ＤＣコンバータのほかに、例えば電流制限回路や過放電防止回路等が含まれている。

また、充放電回路基板２２には、充電回路（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）２３に充電素子３０を接続するためのコネクタ２５と、放電回路（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）２４の出力端子（電荷放出端子）２４ａ，２４ｂとが設けられている。

この場合、出力端子２４ａが正極側、出力端子２４ｂが負極側であり、それぞれ、充放電回路基板２２の両端に配置されている。好ましくは、出力端子２４ａ，２４ｂは板バネ材からなり、出力端子２４ａは正極端子２１ａに、また、出力端子２４ｂは負極端子２１ｂに接触している。

充放電器２０用の円筒ケース２１の側面には、スリット孔２１ｃが軸線方向に沿って形成されており、このスリット孔２１ｃ内に上記コネクタ２５が配置されている。また、スリット孔２１ｃからリード線１３（１３ａ，１３ｂ）が円筒ケース２１内に引き込まれ、キャパシタ１２は、リード線１３を介して充電回路２３と放電回路２４とに接続される。

この実施形態では、充電素子３０として、Ｑｉ（チー）規格のワイヤレス給電方式による受電アダプタ３１を用いている。Ｑｉ規格によると、パソコンのＵＳＢ端子に給電パット４０を接続し、その給電パット４０上に受電アダプタ３１を載せることにより、電磁誘導によって充電回路２３に＋５Ｖ，０．５Ａの電力が供給される。

この実施形態において、キャパシタ蓄電器１０と充放電器２０はともに、単四→単三変換スペーサに収納されているため、単三電池と同様にして使用することができる。

その一例として、図５に示すように、パソコンのマウスＭの電源として使用する場合には、その電池ボックス内にキャパシタ蓄電器１０と充放電器２０とを入れ、受電アダプタ３１をマウスＭの底面に取り付ける。これによれば、マウスＭを上記給電パッド４０上に置いておくことにより、キャパシタ蓄電器１０を充電することができる。

本発明において、より好ましい充電素子３０は、環境発電デバイスと呼ばれている太陽光発電素子（色素増感太陽電池を含む）もしくは圧電素子による振動発電素子（振動式，手振り式，スライド式，強制駆動式を含む）である。これらの充電素子によれば、給電源を必要とすることなく、自己完結型でキャパシタを充電することができる。

環境発電デバイスを例えば図５に示すマウスＭに適用するにあたって、太陽光発電素子の場合には、マウスＭの外表面に取り付ければよく、室内の照明光によってもキャパシタ蓄電器１０を充電することができる。

また、振動発電素子の場合には、マウスＭの外表面に取り付けるか、マウスＭ内に組み込めばよく、マウス操作中に加えられる振動によりキャパシタ蓄電器１０を充電することができる。いずれにしても、現在のところ、環境発電デバイスの発電能力は微少であるため、パワーアンプ（電力増幅器）にて増幅する必要がある。

ここで、図６に示すグラフにより、キャパシタ１２をリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）とした場合の充電特性について説明する。なお、充電回路（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）２３の出力電圧は＋３．７７１Ｖ，出力電流は４８９ｍＡ。

充電開始から約１分３０秒経過の充電電圧が＋３．６３Ｖ程度に至るまでは、リチウムイオンキャパシタが過大に電流を引き込もうとするため、充電制御回路機能により、充電電流を０．５Ａ以下となるように抑えている。＋３．６３Ｖ以上の領域では充電電流が次第に収束し、それに伴って電圧上昇も緩やかになり、充電時間５分程度で満充電（＋３．７５Ｖ）状態となる。

満充電（＋３．７５Ｖ）にしたリチウムイオンキャパシタで、パソコンのマウス駆動時間を推定する。放電時間計算式は次式（１）による。
ｔ＝０．５×Ｃ×（Ｖ０^２−Ｖ１^２）／Ｐ…（１）
式中、ｔは放電時間（ｓｅｃ），Ｃはキャパシタの静電容量（Ｆ），Ｖ０は充電電圧，Ｖ１は放電後電圧，Ｐは出力（Ｗ）で、Ｃは１０Ｆ，Ｖ０およびＶ１は本テストで用いたマウスでのＬＩＣの使用電圧範囲である＋３．７５〜＋２．３Ｖとした。なお、マウスの起動時は消費電力が高いが１０秒間程度であるため、本計算では無視した。

連続操作時には、マウスの消費電力理論値を約８．８ｍＶとして、駆動可能時間は約１９９３７秒≒５時間３２分と推定される。スリープ状態の未操作時には、マウスの消費電力理論値を約０．１８ｍＶとして、駆動可能時間は約９７４７２２秒≒１１日６時間４５分と推定される。

次に、図７に示すグラフにより、キャパシタ１２を電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）とした場合の充電特性について説明する。なお、充電回路（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）２３の出力電圧は＋２．６８０Ｖ，出力電流は４８６ｍＡ。

充電開始から約１０秒経過の充電電圧が＋２．５Ｖ程度に至るまでは、電気二重層キャパシタが過大に電流を引き込もうとするため、充電制御回路機能により、充電電流を０．５Ａ以下となるように抑えている。＋２．５Ｖ以上の領域では充電電流が次第に収束し、それに伴って電圧上昇も緩やかになり、充電時間２分３０秒程度で満充電（＋２．６７Ｖ）状態となる。

満充電（＋２．６７Ｖ）にした電気二重層キャパシタで、パソコンのマウス駆動時間を推定する。放電時間計算式は上記の式（１）によるが、この場合、Ｃは１０Ｆ，Ｖ０およびＶ１は本テストで用いたマウスでのＥＤＬＣの使用電圧範囲である＋２．６７〜＋１．９Ｖとした。なお、マウスの起動時は消費電力が高いが１０秒間程度であるため、本計算では無視した。

連続操作時には、マウスの消費電力理論値を約８．８ｍＶとして、駆動可能時間は約２０００秒≒３３分と推定される。スリープ状態の未操作時には、マウスの消費電力理論値を約０．１８ｍＶとして、駆動可能時間は約９７７５０秒≒２７時間９分と推定される。

なお、放電回路（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）２４に出力電圧可変回路を含ませて、出力電圧を例えば１．５Ｖとすることにより、仮想電池としてマウス等を駆動することができる。また、放電回路２４の出力系にヒューズを設けることが好ましい。

このように、本発明のキャパシタモジュールによれば、キャパシタ蓄電器１０と、その充放電器２０とを、両端に正極端子と負極端子とを有する円筒ケース（好ましくは単四→単三変換スペーサ）内に収納したことにより、充放電器２０を介してキャパシタ（好ましくはリチウムイオンキャパシタもしくは電気二重層キャパシタ）を携帯情報端末やマウス等の電源として、市販されている単三型もしくは単四型の二次電池と同じように使用することができる。

なお、上記実施形態では、キャパシタ蓄電器１０と充放電器２０とをともに、外装ケースとして単四→単三変換スペーサからなる円筒ケース内に収納しているが、本発明の別の実施形態として、外装ケース（正極端子と負極端子とを有する外装ケース）に、単四→単三変換スペーサよりも内容積の大きな円筒ケースもしくは箱形ケースを用いることもできる。

その場合、環境発電デバイスのうち振動発電素子については、充放電器２０の外装ケース内に入れられることが好ましいが、外装ケースの大きさによっては、振動発電素子をキャパシタ蓄電器１０および充放電器２０とともに一つの外装ケース内に収納するようにしてもよく、このような態様も本発明に含まれる。

１０ キャパシタ蓄電器
１１ 円筒ケース（単四→単三変換スペーサ）
１１ａ 正極端子
１１ｂ 負極端子
１２ キャパシタ
１３ リード線
２０ 充放電器
２１ 円筒ケース（単四→単三変換スペーサ）
２１ａ 正極端子
２１ｂ 負極端子
２２ 充放電回路基板
２３ 充電回路（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）
２４ 放電回路（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）
２４ａ，２４ｂ 出力端子
２５ コネクタ
３０ 充電素子

Claims (8)

1. 正極端子と負極端子とを有する外装ケース内に、キャパシタに対する充電回路およびキャパシタの蓄電電荷を放電させる放電回路を含む充放電回路基板を収納し、上記放電回路の＋，−の各出力端子が上記外装ケース内で上記正極端子と上記負極端子とに接続されていることを特徴とするキャパシタ用充放電器。
2. 上記外装ケースが、両端に上記正極端子と上記負極端子とを有し外観的に単三電池もしくは単四電池型を呈する円筒ケースであることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ用充放電器。
3. 上記放電回路は出力電圧可変回路を備え、上記出力電圧可変回路により上記キャパシタの蓄電電荷がほぼ＋１．５Ｖとして出力され、上記充放電器が仮想の電池として用いられることを特徴とする請求項１または２に記載のキャパシタ用充放電器。
4. 上記充電回路には、コネクタを介して商用電源を除く所定の充電電源が接続されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のキャパシタ用充放電器。
5. 上記充電電源として、太陽光発電素子もしくは振動発電素子からなる環境発電デバイスが用いられることを特徴とする請求項４に記載のキャパシタ用充放電器。
6. 上記振動発電素子を上記外装ケース内に備えることを特徴とする請求項５に記載のキャパシタ用充放電器。
7. 上記充放電回路基板が収納される上記外装ケースを第１円筒ケースとして、上記第１円筒ケースと同一の第２円筒ケース内に上記充放電回路基板とリード線を介して接続されるキャパシタを収納してなるキャパシタ蓄電器をさらに備えていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載のキャパシタ用充放電器。
8. 上記第２円筒ケース内に収納されるキャパシタが電気二重層キャパシタもしくはリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項６に記載のキャパシタ用充放電器。