JP2011150696A - プラットフォームの環境発電 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯コンピュータのプラットフォームにおいて環境発電を行う。
【解決手段】携帯コンピュータのプラットフォーム内に既に存在するマザーボード１０２などの質量体を利用し、質量対に加わる振動エネルギーを利用して電気エネルギーに変換する装置を携帯コンピュータに組み込む。
【選択図】図２

Description

本発明は概して電源に関し、より詳細には携帯コンピュータプラットフォーム用の環境発電に関する。

既存の移動型プラットフォームたとえばノートブックコンピュータ、ネットブックコンピュータ、スマートフォン及び他の携帯型機器−は通常、比較的大きな振動を受ける。

ソダノ(Sodano)他、Journal of Intelligent Material Systems and Structures、第16巻、pp.799-807、2005年

本発明は概して電源に関し、より詳細には携帯コンピュータプラットフォーム用の環境発電に関する。

本願では、一般的には通常のプラットフォーム環境に対して固有な振動エネルギーを用いて電力を発生させるため、質量体の運動エネルギーを供給する供給源として、プラットフォーム内に既に存在するマザーボード及び/又は他の質量体を用いる解決策が与えられる。マザーボード及び他のシステム部品−たとえばバッテリーサブシステム等−は一般的に、電力に変換される力学的エネルギーを供する有効な質量体（の供給源）としての役割を果たすのに十分な質量を有する。

一部の実施例では、プラットフォームの筐体内部の質量供給体はそのプラットフォームのケースを押すように振動し、かつ、そのような相対運動の運動エネルギーは、たとえば電磁構造物又は圧電構造物を用いることによって変換することができる。

一部の実施例では、マザーボードの振動は信頼性の問題を引き起こさない。なぜならエネルギーを発生させる構造物は衝撃吸収機構としても機能しうるからである。

一部の実施例による振動を利用した環境発電構造が備えられたコンピュータプラットフォームの上面を図示している。 一部の実施例による電磁力を利用した実施例の断面を図示している。 A-Cは、コンピュータプラットフォームと併用される様々な圧電効果を利用した環境発電(PEH)の実施例を図示している。 一部の実施例による運動を利用した環境発電を有するコンピュータプラットフォームのブロック図である。 一部の実施例による、図4のプラットフォームと併用されるのに適する典型的な運動を利用した環境発電モジュールを図示している。

本発明の実施例は添付図面による例示によって示されるが、これらの図は本願発明を限定するものではない。図中、同様の素子に対しては同一の参照番号が付されている。

図1は、一部の実施例による振動を利用した環境発電構造が備えられたコンピュータプラットフォームの上面を図示している。図1には、プラットフォームのマザーボード102、弾性クッション104（たとえば適切な衝撃吸収を供するのに適切なクッション）、環境発電デバイス106（運動を利用した電源”KPS”とも呼ばれる）、及びプラットフォームの筐体ケース108が図示されている。マザーボード102は一般的に、携帯型コンピュータプラットフォームの（大半ではなくとも）多くの電気部品を、そのマザーボード102にマウントする。ただしバッテリーモジュール及びディスプレイはかなりの質量を構成するが、マザーボード102にマウントされていない。（「マザーボード」という語は、1つ以上の電子モジュールをマウントし、かつ本願で教示されているように振動エネルギーを含む運動エネルギーを生成するのに十分な質量を有するコンピュータプラットフォームにおける比較的平坦な構造物を意味するのに用いられていることに留意して欲しい。プラットフォームのマザーボードは質量供給体として十分に機能しうるが、他のプラットフォームの構造物もまた、単独あるいはマザーボードと協働して質量供給源として機能しうる。たとえば、バッテリーモジュール及び/又はディスプレイ−たとえば折りたたみ式ディスプレイ−が、単独あるいはプラットフォームの他の質量供給体と協働して質量供給体として用いられても良い。）
マザーボード102は（又は十分な質量を有する（複数の）プラットフォームの他の構造物）、（複数の）質量供給体として用いられて良い。図1では、マザーボード102自体が用いられている。マザーボード102は、ケース108に対して横方向（X-Y平面内）であって、かつ環境発電デバイス106を押すように振動する。それにより環境発電デバイス106は電荷を発生させる。環境発電デバイス106は、運動を電荷に変換することが可能な任意の適切なデバイスによって実装されても良い。本願で与えられているデバイスは、電磁構造物及び圧電構造物を有するが、これらに限定されるわけではない。

図2は一部の実施例による電磁力を利用した実施例の断面図である。図示された電磁デバイス204は、銅の巻線207と磁心206−たとえば磁性材料による磁心−を有するコイルを有する。図2では、コイルの断面が図示されている。前記コイルは、1つ以上の永久磁石210によって発生する磁場を受けるように位置設定されている。前記コイルに対する1つ以上の永久磁石210の位置設定は、マザーボード102が横方向に移動することで、前記コイルが変動磁場に曝露されて、電荷を発生させるようになされる。図2では、マザーボード102は、図面の左右及び前後に移動する（X-Y方向のいずれかの前後及び/又はこれらの方向を組み合わせた方向）。

EMEH（電磁力を利用した環境発電）デバイス204は、コイル構造を可能にする損傷防止コーティング208を有する。この実施例では、前記コイル構造は、過剰な損傷を受けることなく永久磁石210内で移動するように、マザーボード102上部に設けられている。任意の適切な材料が用いられて良い。しかも任意の適切な機構がマザーボード102をマウントするのに用いられても良い。そのようなマウントは、（複数の）EMEHデバイス、プラットフォームの筐体、及びマザーボード102とその関連部品（たとえばマウントされたチップ203）に対して過剰な損傷を起こすことなく、マザーボード102が振動できるようにする。

図示されていないが、EMEH204によって生成された電荷を電荷収集デバイス−たとえば後述するようにプラットフォームの電源モジュール−に結合する電気構造物も含まれる。

マザーボード上部にマウントされたコイルが図示されているとはいえ、（複数の）任意の適切な電磁デバイスが用いられても良いことに留意して欲しい。適切に設けられたコイルを備える様々な磁気的構成が用いられても良い。多くの小さなコイル又は複数の大きなコイルが用いられても良い。コイルの磁心を用いて、そのコイル表面へ向かってより効率的に磁束を通すのは有利となりうるが、特別な設計事情に依存して他の構成が用いられても良い。

図3A-3Cは、コンピュータプラットフォームと併用される様々な圧電効果を利用した環境発電(PEH)の実施例を図示している。圧電性とは、一部の材料（特に結晶及びある特定のセラミックス）が、印加された機械的応力に応答して電場又は電位を生成する能力である。その効果は、その材料の体積内部での分極密度の変化に密接に関係する。その材料が短絡しない場合、印加された応力は、その材料全体にわたる電圧を誘起する。本願で論じられている環境発電デバイスに適する可能性のある3種類の圧電デバイスには、モノリシック圧電性セラミック材料（たとえばPZT）、バイモル・クイックパックアクチュエータ、及びMFC（Macro Fiber Composites）が含まれる。他人の実験によって、これらのデバイスが、電荷生成にとって有効となりうることが推定されている（非特許文献1参照）。

図3Aは、マザーボード102の表面にマウントされた圧電性梁302を備えたPEHデバイスの断面を図示している。図3Bは、図3Aの装置の上面図を示している。マザーボード102が、ケース108から接触部材304を押すように振動するとき、前記圧電性梁は曲がり、電荷を生成する。その電荷は導体及びコンタクト（図示されていない）を介して記憶デバイスへ伝えられる。この実施例では、当該デバイスは、マザーボード102の振動周波数を利用して、ケース108/接触表面304の端部を押すように前記梁を動かす。

この解決策の変化型が図3Cに図示されている。ここでは鋭部303がケースのコンタクト端部に組み込まれている。本発明の設計によると、鋭部303によって、梁302へ加わるトルクを変化させることが可能となる。一部の実施例では、鋭部303は、エネルギー変換効率を改善するのに用いられて良い。

数値実験によって、本願において教示されたデバイスによって十分な量の電力が発電できることが示された。発生した電力Pは、P=（１／４π）（ｍω₀ ³χ₀ ²）で表すことができる。

ここで、mは質量供給体の質量で、χ₀は振動周期あたりの平均振動変位で、かつω₀はEHデバイスの移動部の共鳴周波数である。典型的なプラットフォームの質量供給体−たとえば電子機器とバッテリーパックを備えるマザーボード−の質量は約80gの質量を有するものとする。またその質量は最大で5mm移動可能であるものとする。歩くときと振るときにエネルギーが生成されると推定する。歩く際には、0.3gの加速度で、かつ1.8Hzの周波数であるものとする。これらの値では、推定量で230uWを生成することができる。振る際には、1.3の加速度でかつ3Hzの周波数によって、推定量で1064uWを生成することができる。当然のこととしてこれらは、特定の機械的実施形態及び利用されるEHデバイスの種類に強く依存する非常に粗い推定である。

図4は、本願において教示された運動を利用した環境発電(KEH)に適したコンピュータプラットフォームのブロック図である。図4には、電気を消費する機能405と該機能405に電力を供するプラットフォーム電源401を有するプラットフォーム400が図示されている。プラットフォーム電源401は、機能405に電圧(Vs)を供し、かつ接続403を介して機能回路とやり取りを行う。プラットフォーム電源401は、1次電源402と運動を利用した環境発電(KEH)源404を有する。

プラットフォーム400は、如何なる移動型電子デバイス−たとえばノートブックコンピュータ、ネットブックコンピュータ、スマートフォン、スマートフォン−又は他の携帯型機器であっても良い。プラットフォームの機能405は、様々な機能モジュール−たとえば主プロセッサチップ又はSoCを備えたマザーボード、ディスプレイ等−に対応する。1次電源ブロック402は、1次電源ブロック402内部でバッテリーを充電するだけではなく、プラットフォームの機能405へ与えられる電力を制御する、バッテリー充電回路及び/又はプラットフォーム電力管理回路を有するバッテリーモジュールに相当する。たとえばプラットフォーム400は、リアルタイムで電源を必要とする場合にプラットフォーム400へ供される電力のみならず、プラットフォーム400に供されるように「差し込まれた」外部アダプタからの電力をも制御する回路を有して良い。プラットフォーム400はまた、KEGモジュール404から、1次電源ブロック402のうちの1つ以上のセルへのエネルギーの輸送を制御する回路をも有して良い。

KEH404は、1次電源ブロック402と結合して1次電源ブロック402に電荷を供する。1次電源ブロック402への電荷の提供は、電荷が蓄積される際にリアルタイムに行われるか、あるいはその代わりに、1次電源ブロック402へ効率的に輸送するため、十分な電荷がKEHモジュール内に蓄積された際に行われる。KEHは、運動を利用した複数の電源デバイス（たとえば本願明細書で論じられたような電磁デバイス又は圧電デバイス）と、場合によってはエネルギー貯蔵デバイス−たとえばキャパシタ及び/又はバッテリー−との如何なる組み合わせを有しても良い。

図5は、一部の実施例による典型的なKEHモジュール404を図示している。KEHモジュール404は、図示されているように結合した、運動を利用した電源(KPS)501、整流器503、及びキャパシタC、及びバッテリーBを有する。整流器503は、適切な部品−たとえばダイオード−を用いた適切な整流器−たとえば半波整流器又は全波整流器−によって実装されて良い。たとえばフォワードバイアス降下が最小であるデバイスが望ましいと考えられる。動作時においては、電荷は整流器503を介してキャパシタへ流れ込むことで、そのキャパシタが充電される。前記キャパシタが十分な電圧−バッテリーの最小電荷電圧に依存する−に到達するとき、前記キャパシタはバッテリーを充電する。前記キャパシタは短期的にはKPS501によって生成される電荷を効率的に蓄積するバッファとして機能する一方で、バッテリーは、大きくてより安定な電荷貯蔵体として機能する（たとえばキャパシタは長期的には電荷を漏らしやすい）。1つ以上のキャパシタ又はバッテリーを単独で用いる実施例が利用されても良いことに留意して欲しい。一部のキャパシタは、比較的大容量の電荷の貯蔵に十分適するものもあると同時に、一部のバッテリーはKPSによって生成される少量の電荷を効率的に収集することができる。これらに沿って、KEH404のバッテリー(B)は、1次電源モジュール402と同一（型）のバッテリーであって良いし、あるいは異なる種類のバッテリーが用いられても良い。

102 マザーボード
104 弾性クッション
106 環境発電デバイス
108 筐体ケース
203 マウントされたチップ
204 電磁デバイス
206 磁心
207 巻線
208 損傷防止コーティング
210 永久磁石
302 圧電性梁
303 鋭部
304 接触部材
400 プラットフォーム
401 プラットフォーム電源
402 1次電源
403 接続
404 運動を利用した環境発電(KEH)源
405 プラットフォームの機能
501 運動を利用した電源
503 整流器

Claims (10)

1つ以上の環境発電デバイスを有するコンピュータプラットフォームを有する装置であって、前記1つ以上の環境発電デバイスは前記コンピュータプラットフォームの1つ以上の質量供給体の運動に応答して電荷を生成する、装置。

前記1つ以上の質量供給体がマザーボードを有する、請求項1に記載の装置。

前記1つ以上の環境発電デバイスが、移動することで前記1つ以上の環境発電デバイスから電気エネルギーを発生させるように、前記マザーボードと機械的に接続する、請求項2に記載の装置。

前記1つ以上の環境発電デバイスが電気機械デバイスを有する、請求項3に記載の装置。

前記電気機械デバイスが、前記マザーボードにマウントされたコイルを有する、請求項4に記載の装置。

前記電気機械デバイスが、筐体部分の内側にマウントされた永久磁石を有する、請求項5に記載の装置。

前記1つ以上の環境発電デバイスが1つ以上の圧電性デバイスを有する、請求項3に記載の装置。

前記1つ以上の圧電性デバイスが、圧電性材料で作られた梁を有する、請求項7に記載の装置。

前記梁が前記マザーボードにマウントされている、請求項8に記載の装置。

前記コンピュータプラットフォームが携帯型タブレットコンピュータである、請求項1に記載の装置。

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