JP2018538773A - 携帯型電子機器 - Google Patents

Abstract

バッテリーと、マイクロプロセッサと、ディスプレイスクリーンとを含むバッテリー駆動式の携帯型電子機器を提供するものである。この電子機器は、バッテリーに接続された一体型の再充電可能なバッテリー充電ユニットをさらに備え、このバッテリー充電ユニットが、グラフェン又はグラフェン含有材料から作られた１枚以上のシートからなるスーパーキャパシタと、定格１００ボルト以上の交流電源からスーパーキャパシタに最大４０アンペアを供給するように構成された電源モジュールと、スーパーキャパシタからバッテリーに直流電力を供給するように構成された出力コンバータと、スーパーキャパシタからバッテリーへの直流電力の供給を制御するように構成された制御モジュールとを備えることを特徴とする。また、一体型の再充電可能な電源ユニットが単一の電源となる電子機器も提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、スーパーキャパシタを含む急速再充電可能なバッテリー充電ユニットを組み込んだ携帯型電子機器に関する。

多くの先進国では、１６歳以上の人口の９０％以上が携帯電話を使用していると推定されているという事実から分かるように、携帯型電子機器は今日、社会全体で普及している。このような機器に電力を供給するために使用される再充電可能バッテリーの技術的進歩は、長年にわたってこのような機器が長時間及び長期間使用可能になってきたことを意味しているが、依然として多くの問題が残っている。これには、（１）バッテリーが古くなるにつれて機器をより頻繁に充電する必要があること、（２）バッテリーをより早く消耗させる最新のソフトウェアの運用によって電力が必要とされること、が含まれる。その結果、今日のほとんどのユーザは、以前よりも頻繁に機器を充電する必要があると感じている。

これは、今日使用されている現在のリチウムイオン電池が、従来の環状配電系統にプラグ接続したときに充電が遅く、典型的には数時間かかるため、それが技術的な問題となっていた。これは、空港、カフェ、会議センター等で壁のコンセントをしばしば使用したいと望む人が多数いることによって明らかであるように、特に旅行者にとって不便である。したがって、急速再充電可能な電子機器が市場で入手可能である場合には、旅行者にとって便利である。

この問題を解決するため一手段は、一つ又は複数のスーパーキャパシタを組み込んだセパレートタイプの補助充電器を使用して、かなりの電荷を保持し、迅速に充放電することができるようにすることである。しかし、現在、その蓄積電荷密度は小さいままであり、二重巻きのアルミニウム箔シートから作られた従来のスーパーキャパシタは、平均的なスマートフォンを適切に充電するためには、小さな飲料缶のサイズとする必要があり、約０．５ｋｇの重さである必要があると推定されている。これにより、機器を携帯して接続することは実際的ではない。

したがって、本発明の一つの目的は、機器自体と一体化されたスーパーキャパシタを含む急速再充電可能なユニットを含む携帯型電子機器であって、一度急速充電されると、より長い時間にわたってバッテリーを充電することができる携帯型電子機器を提供することである。本発明の別の目的は、この急速再充電可能ユニットを機器の唯一の電源として直接使用し、それによりバッテリーを完全になくすことを可能にする携帯型電子機器を提供することである。

我々は定格が１５００ｍＡｈであるグラフェンスーパーキャパシタのバッテリー充電器を販売する予定であるとフェイスブックで注意を引いたが、それは、あらゆるタイプの携帯電話やタブレットを充電する一般的なＵＳＢポートを搭載しているとした。しかし、この概要説明では、以下で特許請求される設計構造、特に使用される制御モジュールの特性については教示されていない。このバッテリー充電器は、本出願人の同時係属特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０５３００３の明細書にさらに記載されている。

キャパシタの構築にグラフェンを使用することは、国際公開２０１３／１８０６６１号、中国特許出願公開第１０４２２９７８０号、米国特許出願公開第２０１２／１７０１７１号、韓国特許出願公開第２０１４／００９４３４６号、中国特許出願公開第１０４０６４３６４号、米国特許出願公開第２０１４／１２７５８４号、米国特許出願公開第２０１２／０４５６８８号及び米国特許第８５０３１６１号の各明細書に開示されている。

米国特許出願公開第２０１４／０３２１０２７号明細書は、金属箔上に配置された１００ｎｍ未満の厚さの金属酸化物層に付着されたカーボンナノチューブを有するウルトラキャパシタを含む、移動デバイス用の再充電可能な電源を開示している。

本発明の第１の態様によれば、バッテリーと、マイクロプロセッサと、ディスプレイスクリーンとを含むバッテリー駆動式携帯型電子機器であって、
バッテリーに接続された一体型の再充電可能なバッテリー充電ユニットであり、
グラフェン又はグラフェン含有材料から作られた１枚以上のシートからなるスーパーキャパシタと、
定格１００ボルト以上の交流電源からスーパーキャパシタに最大４０アンペアを供給するように構成された電源モジュールと、
スーパーキャパシタからバッテリーに直流電力を供給するように構成された出力コンバータと、
スーパーキャパシタからバッテリーへの直流電力の供給を制御するように構成された制御モジュールと
を備えるバッテリー充電ユニットを具備することを特徴とするバッテリー駆動式携帯型電子機器が提供される。

一実施形態において、制御モジュールは、例えば、その様々な機能の一部又は全てを自動的に制御するために、そして、スーパーキャパシタからの可変出力を管理及び調整するために、制御モジュール自体のマイクロプロセッサ及び／又はスイッチング装置を含む。別の実施形態では、このモジュールの制御機能は、電子機器自体に対する他の機能を実行する一つ以上の他のマイクロプロセッサ、例えばＣＰＵによって実行される。

スーパーキャパシタ自体は、少なくとも１０００Ｆ（ファラッド）、好ましくは２０００Ｆ、最も好ましくは３０００Ｆ以上を蓄電することができるものであって、少なくとも１０００ｍＡｈの出力を単独で又は組み合わせて、少なくとも１５分間、例えば１５〜６０分間、或いは６０分間以上、行うことができるものであることが適切である。また、スーパーキャパシタは、少なくとも２．５ｖの電圧、例えば２．７〜７ｖの範囲、３〜７ｖの範囲、或いは７ｖ以上の電圧でも動作可能であるべきである。さらに、スーパーキャパシタは、バッテリー充電ユニットが接続されている電気機器を、その容量の少なくとも２０％、例えば２０％〜５０％、或いは５０％〜１００％まで充電することができなければならない。充電時間は、リチウム電池によって許容される最大充電速度及び／又は機器の入力ポートの容量に依存する。しかし、バッテリー充電ユニットは、５〜３０分で機器を２０％まで充電することができるものであるべきである。

ここで使用されるスーパーキャパシタは、好適には、グラフェン又はグラフェン含有材料からなる１枚以上のシートから製造された電極を含む。その材料は、軽量かつ高導電性であるばかりでなく、高密度で電荷を蓄えることができる材料である。一実施形態では、グラフェン含有材料は、導電性マトリックスに分散されたサイズが典型的には１ミクロン未満、好ましくは１００ナノメートル未満のグラフェン粒子及び／又は還元グラフェン酸化物粒子の複合シートを含む。このような実施形態においては、これらのナノ粒子は、２〜５０ナノメートルのサイズ範囲のメソ孔を有するメソ多孔性を示すことが好ましい。別の実施形態では、グラフェン含有材料は、カーボンナノチューブ、活性炭、バックミンスターフラーレンをさらに含むことができ、及び／又は、最終スーパーキャパシタにある程度の擬似容量挙動（ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ）を与えることができる材料のナノ粒子をさらにドープされたものとすることができる。そのナノ粒子材料は、例えば、リチウムなどの金属又はニッケル、マンガン、ルテニウム、ビスマス、タングステン若しくはモリブデンを含む、２以上の酸化数を有する遷移金属の塩、水酸化物及び酸化物である。さらに別の実施形態では、グラフェン又はグラフェン含有材料からなるシートは、銅、ニッケル又はアルミニウムのような導電性金属の薄いシート上に付着された又は印刷された薄いグラフェン含有層として実現される。

好適な一実施形態では、スーパーキャパシタは二重層タイプであり、それぞれが、上述したようなグラフェン又はグラフェン含有材料でコーティングされたアルミニウム箔からなる少なくとも二つの電極を備え、これらの電極は、１００℃未満の融点を有するイオン性液体が含侵されたポリマー膜で分離されている。好ましい一実施形態において、このイオン性液体は、アルキル若しくは置換アルキルピリジニウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、チアゾリウム、オキサゾリウム又はトリアゾリウムのカチオンの低融点塩から選択される。かかる場合、対アニオンは、大きく、多原子であり、５０又は１００オングストロームを超えるファンデルワールス体積を有することが好ましい（例えば、参考により本明細書に援用され、本発明の範囲内であると考えられる例を示す米国特許第５８２７６０２号明細書を参照されたい）。一実施形態において、この対アニオンは、例えば、ヘキサフルオロホスフェート、ジシアナミド、ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＦＳＩ）、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＴＦＳＩ）又はビス（ペルフルオロＣ_２〜Ｃ_４アルキルスルホニル）イミド、例えば、ビス（ペルフルオロエチルスルホニル）イミドのアニオンから選択される。別の好適な一実施形態では、イオン性液体は、具体的に本明細書に開示されていると考えられる、前述したカチオン及びアニオンの任意の順列による、上記アニオンのＣ_１〜Ｃ_４アルキル置換イミダゾリウム塩、ピペリジミウム又はピロリジニウムの塩から選択される。これらの塩に基づく特定の非限定的な例としては、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩＭ）ビス（フルオロスルホニル）イミド、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムビス（ペルフルオロエチルスルホニル）イミド、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）イミド、１−メチル−１−ブチルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）イミド、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−メチル−１−ブチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムジシアナミド、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムヘキサフルオロホスフェート、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムジシアナミド、１−メチル−１−ブチルピロリジニウムヘキサフルオロホスフェート、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムジシアナミドなどがある。

一実施形態では、上述のスーパーキャパシタは、グラフェン電極とイオン性液体電解質とからなる平坦なシート状複合体として製造され、この複合体は、コイル状に巻回されて空間を節約するのに十分な柔軟性を有するものである。この実施形態では、コイル同士の間の隙間は、典型的には、絶縁体で充填される。別の実施形態では、スーパーキャパシタは、電気コネクタのみが突出する密閉された袋体内に収容される。

電源モジュールは、好ましくは、定格１１０Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖ又は他の家庭用規格（例えば、家庭又は商用の環状配電系統）の電源から交流電力を受け取るように構成されている。上記ユニットは、スーパーキャパシタが最適な電圧で充電されることを可能にする変圧器をさらに含むことができる。別の実施形態では、このユニットの構成要素の少なくとも一つが、グラフェン又はグラフェン含有材料を含んでいてもよい。

出力コンバータは、例えば、１０Ｖ未満の電圧、例えば５Ｖで、携帯型電子機器内のバッテリーに直流電力を供給するように構成されていることが好適である。これは、好適には、ＡＣ−ＤＣコンバータを含む。

制御モジュールに関しては、一実施形態では、少なくとも一つの充電回路を含み、この充電回路は、機器にプラグが差し込まれたときにスーパーキャパシタが既に充電されている度合いを機器内のマイクロプロセッサが検出して、その後、マイクロプロセッサが外部電源から１００％に戻す充電を行うように構成される。好ましい一実施形態では、これは、マイクロプロセッサがスーパーキャパシタからのフィードバック電圧又は電流を検出し応答することによって行われる。別の実施形態では、制御モジュールは、スーパーキャパシタの充電が完了したときにユーザに知らせるために、例えば機器の外部ケーシングに設けられた機器の可聴アラーム又は光インジケータに接続される。さらに別の実施形態では、バッテリー充電ユニットが充電されている間、又は充電が完了したときに、関連する機器に依然としてバッテリーによって電力を供給できるように、制御モジュールは追加的な回路を含む。

制御モジュールは、追加的に又は必要に応じて、機器内の回路を経て戻るスーパーキャパシタの漏電又は安全ではない放電を防止するために、一連のダイオードを含むか、又は一方向回路を備えることができる。一実施形態においては、バッテリー充電ユニットをバッテリーから分離する手段、そして、必要ならば機器の他の部分から分離する手段を含む。また、制御モジュールは、これらのフェールセーフ機能が自動的に作動することを保証するために、電圧センサと熱センサの両方を含んでもよい。最後に、一実施形態では、バッテリー充電ユニットは、緊急時に放電が必要である場合に又はユーザが旅行規制のために放電を頼まれる場合に、抵抗器及び機器本体の関連のヒートシンクを介してスーパーキャパシタを迅速に放電する手段を含んでもよい。

バッテリー充電ユニットは、使用済み電気部品の廃棄に関するＥＵ規制ＥＣ２００２／９６或いは世界の他の管轄地域における同等の国家法又は連邦法に準拠するように設計され、製造されることが好適である。また、バッテリー充電ユニットは、関連する国内及び連邦製品安全法、例えば欧州ではＥＣ２００１／９５に対応することが好適である。

本発明によるバッテリー充電ユニットは、さらに、当該技術分野で使用される他の材料や部品、例えば、熱管理のための断熱材やヒートシンク、補助電気絶縁、スイッチ、充電の進行を監視するための照明灯、目盛り板、メータ等（必要に応じて、充電器と電気機器の両方のもの）を備えてもよい。

バッテリー駆動の携帯型電子機器は、ラップトップ、電子ノート、ネットブック、ハイブリッド、タブレット、スマートフォン及びスマートウォッチからなる群から選択された一つであることが好適である。バッテリー充電ユニット、バッテリー、マイクロプロセッサ及びディスプレイユニットに加えて、デバイスの機能的部品として以下の補助的な部品の一つ以上、すなわち、ＵＳＢポート、ディスクドライブ、ＲＡＭモジュール、ハードドライブ、グラフィックス及びサウンドカード、ワイヤレス回路、取外し可能メディアドライブ、冷却ファン、ドッキングステーション等の一つ以上を含んでもよい。好適には、機器に使用されるバッテリーは、リチウムイオン電池又はそれ自体が充電式である他の同様のバッテリーであり、ディスプレイスクリーンはＬＥＤ表示画面であり、マイクロプロセッサは中央処理チップ及びグラフィック処理チップを含む。

本発明の第２の態様によれば、ディスプレイスクリーンと、マイクロプロセッサとを含む携帯型電子機器であって、
単一の電源がその一体型の再充電可能な電源ユニットであり、この電源ユニットが、
グラフェン又はグラフェン含有材料から作られた１枚以上のシートからなるスーパーキャパシタと、
定格１００ボルト以上の交流電源からスーパーキャパシタに最大４０アンペアを供給するように構成された電源モジュールと、
ディスプレイスクリーン及びマイクロプロセッサに直流電力を供給するように構成された出力コンバータ及び制御モジュールと
を備えることを特徴とする、電子機器が提供される。

好適には、ユニットの様々な部品及び適用可能な機器の補助的な部品は上述したのと同様である。一実施形態では、出力コンバータ及び制御モジュールは、電子機器の中央処理装置に接続される。

本発明の一実施形態を示す概略図である。

次に、本発明による電子機器を図１を参照して以下に沿って説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

ラップトップコンピュータは耐衝撃性のケーシングを有し、このケーシングは、電気的に絶縁されており、ＬＥＤディスプレイスクリーン、中央処理装置、グラフィックカード、及び、リチウムイオンバッテリーと、このバッテリーと協働しそれに電気的に取り付けられた本発明によるバッテリー充電ユニットとを収容する空間部を含んでいる。このユニットは図１に詳細に示されている。このバッテリー充電ユニットはハウジング１を備え、ハウジング１は、変圧器（図示せず）を有する電源モジュール４と、三つのスーパーキャパシタ６に充放電回路によって接続された出力コンバータ５とを含んでいる。スーパーキャパシタはそれぞれポリマー製の密閉袋体からなり、密閉袋体は、（ａ）イオン性液体ＥＭＩＭ ＴＦＳＩが含侵されたポリマー膜が間に挟まれたグラフェンで被覆されたアルミニウム箔電極、又は（ｂ）２枚のポリマーシートの間に挟まれたグラフェンシートからなる二つのコイル状に巻かれた複合体シートのいずれかを含んでいる。符号２の要素は、機器のケーシングの外部充電ポートに対応しこれと協働するよう構成された３０ピンソケットであり、符号３の要素は、バッテリー充電ユニットが導入された場合に機器の空間部内に同じく配置されたリチウムイオンバッテリーに対応し電気的に接続するように構成された３０ピンコネクタである。符号６の要素から生じた電流を調整し、その電流を符号３の要素を通してバッテリーに流すために、また、放電回路を通して電流を流すために、制御モジュール７が符号５の要素と一体化されている。

Claims (17)

1. バッテリーと、マイクロプロセッサと、ディスプレイスクリーンとを含むバッテリー駆動式の携帯型電子機器において、
   前記バッテリーに接続された一体型の再充電可能なバッテリー充電ユニットをさらに備え、
   該バッテリー充電ユニットが、
   グラフェン又はグラフェン含有材料から作られた１枚以上のシートからなるスーパーキャパシタと、
   定格１００ボルト以上の交流電源から前記スーパーキャパシタに最大４０アンペアを供給するように構成された電源モジュールと、
   前記スーパーキャパシタから前記バッテリーに直流電力を供給するように構成された出力コンバータと、
   前記スーパーキャパシタから前記バッテリーへの直流電力の供給を制御するように構成された制御モジュールと
   を備えることを特徴とする、携帯型電子機器。
2. 前記制御モジュールは、前記スーパーキャパシタが既に充電されている度合いを検出し、その後、充電率を１００％に戻すように構成された、少なくとも一つの充電回路を含むことを特徴とする、請求項１に記載の携帯型電子機器。
3. 前記制御モジュールが、前記スーパーキャパシタからフィードバック電圧又は電流を受け取ることを特徴とする、請求項２に記載の携帯型電子機器。
4. 前記制御モジュールが、前記充電回路を経て戻る、前記スーパーキャパシタの漏電又は安全ではない放電を防止するための手段を含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の携帯型電子機器。
5. 前記制御モジュールに接続され又は一体化された電圧センサ及び熱センサを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
6. 当該携帯型電子機器を充電すること以外の、前記スーパーキャパシタを放電するためのユーザ操作手段を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
7. 前記スーパーキャパシタが、少なくとも１５分間、最大１０００ｍＡｈの出力を送出することができることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
8. 前記スーパーキャパシタが、導電性材料のシート上のグラフェン含有材料の層をそれぞれ備える少なくとも二つの電極と、これらの電極の間に挟まれ、１００℃未満の融点を有するイオン性液体が含侵されたポリマー膜とを含むことを特徴とする、
   請求項１に記載の携帯型電子機器。
9. 前記イオン性液体が、アルキル若しくは置換アルキルピリジニウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、チアゾリウム、オキサゾリウム又はトリアゾリウムのカチオンの低融点塩であることを特徴とする、請求項８に記載の携帯型電子機器。
10. 前記カチオンが、Ｃ_１〜Ｃ_４アルキル置換イミダゾリウム塩、ピペリジニウム又はピロリジニウムのカチオンであることを特徴とする、請求項８又は９に記載の携帯型電子機器。
11. カチオンの対アニオンが、ヘキサフルオロホスフェート、ジシアナミド、ビス（フルオロスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド又はビス（ペルフルオロＣ_２〜Ｃ_４アルキルスルホニル）イミドであることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
12. 前記バッテリー充電ユニットが、５〜３０分で少なくとも２０％まで前記バッテリーを充電することができることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
13. 前記電源及び前記出力コンバータが、前記スーパーキャパシタの挿入及び取外しが可能であるハウジングも備えるケーシングに恒常的に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
14. 前記電源モジュールが、家庭又は商業用環状配電系統から交流電力を受け取るように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
15. 前記バッテリー充電ユニットが、２．７〜７Ｖの範囲の電圧で動作できることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の携帯型電子機器。
16. 前記バッテリー及び前記バッテリー充電ユニットを互いに協働するように一緒に収容する空間部を有することを特徴とする、携帯型電子機器。
17. ディスプレイスクリーンと、マイクロプロセッサとを含む携帯型電子機器において、
    単一の電源が一体型の再充電可能な電源ユニットであり、
    前記電源ユニットが、
    グラフェン又はグラフェン含有材料から作られた１枚以上のシートからなるスーパーキャパシタと、
    定格１００ボルト以上の交流電源から前記スーパーキャパシタに最大４０アンペアを供給するように構成された電源モジュールと、
    前記ディスプレイスクリーン及び前記マイクロプロセッサに直流電力を供給するように構成された出力コンバータ及び制御モジュールと
    を備えることを特徴とする、携帯型電子機器。
    

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