JP2019102399A - 光透過型電池、その電池を用いたデバイス、及び電池残量の判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧検出ＩＣを実装した電子基板及びディスプレイ等を備えないデバイスでも電池残容量を判定できる光透過型電池を提供する。【解決手段】第１集電体２の上に成膜された正極３と、第２集電体４の上に成膜された負極５と、第１集電体２と第２集電体４の間に配置され、光を透過する電解質６とを備え、正極３は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、及びマンガンリチウムの何れかの薄膜であり、第１・第２集電体２，４は、例えばＩＴＯ膜付きガラス基板、又はＦＴＯ膜付き基板である。【選択図】図１

Description

本発明は、光を透過する光透過型電池、その電池を用いたデバイス、及び電池残量の判定方法に関する。

電池は、身の回りにある多くのデバイスに使用されている。そのため、デバイスを作動させる電池の残容量がどれだけ残されているかをリアルタイムに知ることは重要である。

電池の残容量が減少するに従って、電池の端子電圧は低下する。よって、例えば非特許文献１に示すような電圧検出ＩＣを用いて電池残容量を判定している。

［平成２９年１１月２８日検索］、インターネット＜URL:http://datasheet.sii-ic.com/jp/voltage_detector/S1000_J.pdf＞

しかしながら、従来の方法では、電圧検出ＩＣを実装する電子基板、及び電池残容量を表示するためのディスプレイ等が必要である。電子基板及びディスプレイ等を備えないデバイスでは、電池残容量を判定することができないという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、電圧検出ＩＣを実装した電子基板及びディスプレイを備えないデバイスでも電池残容量を判定できる光透過型電池、その電池を用いたデバイス、及び電池残量の判定方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光透過型電池は、第１集電体の上に成膜された正極と、第２集電体の上に成膜された負極と、前記第１集電体と前記第２集電体の間に配置され、光を透過する電解質とを備えることを要旨とする。

また、本発明の一態様に係るデバイスは、上記の光透過型電池と、前記光透過型電池の一方の面を保持し、該一方の面の一部又は全部に光を通過させる開口部を有する開口板と、前記光透過型電池の他方の面に接触し、前記開口部を通過した光を反射させる反射板とを備えることを要旨とする。

また、本発明の一態様に係る電池残量の判定方法は、上記の光透過型電池の電池残量の判定方法であって、前記光透過型電池に照射される光の透過光、又は該光が前記光透過型電池の内部で反射される反射光の光の強度で判定することを要旨とする。

本発明によれば、電子基板及びディスプレイを備えないデバイスでも電池残容量を判定することができる。

本発明の実施の形態に係る光透過型電池の構造を模式的に示す構造図である。 図１に示した光透過型電池の透過率の変化を模式的に示す図である。 図１に示した光透過型電池を搭載したデバイスの電池格納部分の簡略的な構造を模式的に示す図である。 デバイスを例えばクオーツ腕時計とした場合の構造を模式的に示す図である。 図４に示すクオーツ腕時計の電池残容量の変化を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の電池残量の判定方法を実行する様子を模式的示す図である。 図６に示した電池残量の判定方法の処理手順を示す動作フローである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

〔光透過型電池〕
図１は、本発明の実施の形態に係る光透過型電池の構造を模式的に示す構造図である。図１に示す光透過型電池１は、光を電極間で透過する電池である。

光透過型電池１は、第１集電体２、正極３、第２集電体４、負極５、及び電解質６を備える。第１集電体２と第２集電体４は、説明の都合で名称と参照符号を変えているが、材質と形状は同じ物である。第１・第２集電体２，４は、例えばＩＴＯ膜付きガラス基板、又はＦＴＯ膜付き基板である。ＩＴＯ膜及びＦＴＯ膜が電極を形成する。

図１は、第１集電体２と第２集電体４の平面形状を、正極３等の平面形状よりも大きくした例を示す。このような形状にした理由は、第１・第２集電体２，４から電気を取り出し易くするためである。なお、第１集電体２と第２集電体４の平面形状は、正極３等と同形状であってもよい。また、電解質６の形状は、正極３及び負極５よりも大きくしてもよい。電極間のショートを防止でき信頼性を向上させることができる。

正極３は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、及びマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）の何れかの薄膜である。正極３は、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）をＩＴＯ膜の上に100nmの厚さ、スパッタ法で成膜して形成される。

負極５は、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、グラファイト、及びＬｉ高含有Ｌｉ−Ｓｉ合金等の薄膜である。負極５は、正極３と同様に第２集電体４の上に成膜される。

このように正極にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）を用い、負極５にチタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）を用いることで、リチウムイオン二次電池の動作原理で充放電反応が進行する。

電解質６は、液漏れの回避、及び光透過性を確保するため、薄型の固体電解質材料を用いるのが好ましい。固体電解質材料は、リチウムイオン導電性を示すものであれば特に限定されない。無機固体電解質及び高分子電解質のどちらを用いてもよい。また、擬固体状のゲル高分子電解質を用いてもよい。高分子材料には、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトル、ポリエチレンオキシド、及びポリメタクリル酸メチル樹脂などがあげられる。厚みは、光透過の観点から100μm以下が好ましい。また、導電率は、1mS/cm以下が好ましい。

充電により正極３から放出されたリチウムイオンが電解質６を介して負極５に吸蔵されると共に、正極３から負極５に電子が移動する。その後、正極３と負極５を電気的に接続することで、負極５から放出されたリチウムイオンが電解質６を介して正極３に吸蔵されると共に、負極５から正極３に電子が移動するため、正極３から負極５に電流が流れる。

本実施形態に係る光透過型電池１は、放電に伴い正極３と負極５の間（以降、電極３―５間と称する）の透過率（可視光）が変化する。この例では、満充電状態から放電が進むにしたがって可視光の透過率が高くなる。これは、放電に伴い正極３からリチウムイオンが脱離し、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）の結晶構造が変化することによる。

リチウムイオン脱離過程における菱面体晶相から単斜晶相への相転移や、酸化物イオンの立方細密充填から六方細密充填への変遷に基づく結晶格子の構造とサイズの変化によって、透過率が変化する。

図２に、本実施形態に係る光透過型電池１の透過率の変化を模式的に示す。透過率とは、電極３−５間における可視光の透過率のことである。図２の横方向は電池残量％を示す。

光透過型電池１の電極３−５間の透過率は、満充電で最も小さい。つまり、満充電状態では、電極３−５間に可視光は透過しないので、第１集電体２側から見た光透過型電池１は最も暗くなる。第２集電体４側から見ても同じである。

逆に、電池残量が無い場合は、電極３−５間の透過率が最も大きい。つまり、電池残量が無い状態では、電極３−５間に可視光を最も多く透過するので、光透過型電池１の表面は最も明るく見える。

このように本実施形態に係る光透過型電池１によれば、その表面の明るさで電池残量を表すことができる。なお、図２に例示した明度の変化は、反射光と透過光のどちらに対しても同じである。

例えば、反射光の場合は、光透過型電池１の一方の電極側に白色のパネルを置き、他方の電極側から光を照射すると、満充電では白色を隠すので暗くなり、電池残量が無くなると白色が表れるので明るくなる。

透過光の場合は、光透過型電池１の一方の電極側から光を照射し、他方の電極側でその光を受光する。満充電では、光を透過しないので受光できる光量が少なく暗くなる。電池残量が無い場合は、光を透過するので受光量が増加して明るくなる。

このように光透過型電池１は、その外観で電池残量を表せる。したがって、電子基板及びディスプレイを備えないデバイスでも、その外観によって電池残量を判定させることができる。

（光透過型電池を用いたデバイス）
図３は、上記の光透過型電池１を搭載したデバイスの電池格納部分の簡略構造を模式的に示す図である。図３において、デバイスの電池以外の構造部分についての表記は省略している。

デバイス１００は、光透過型電池１、開口板１０、及び反射板２０を備える。開口板１０は、光透過型電池１の一方の面を保持し、該一方の面の一部又は全部に光を透過させる開口部１０ａを備える。

開口部１０ａは、この例では光透過型電池１の中央部分に空けられた例えば円である。開口部１０ａの大きさは、光透過型電池１の大きさに対して小さいが、光透過型電池１の例えば正極の全部を露出させる大きさにしても構わない。

反射板２０は、光透過型電池１の他方の面に接触し、開口部１０ａを通過した光を反射させる。なお、図３では省略しているが、光透過型電池１を保持する凹部を、反射板２０の光透過型電池１側の面に設けるようにしてもよい。

デバイス１００では、デバイス１００に照射した照射光αの開口部１０ａの反射光βの明るさで電池残量を表す。次に、デバイス１００の具体例を示す。

図４は、デバイス１００を、例えばクオーツ腕時計とした例を示す。図４は、クオーツ腕時計１００の構造を模式的に示す図である。

クオーツ腕時計１００は、外装ケース１１、ムーブメント１２、文字盤１３、及び風防ガラス１４を備える。ムーブメント１２には光透過型電池１が組み込まれている。

図５は、クオーツ腕時計１００の電池残量表示を模式的に示す図である。図５は、風防ガラス１４越しに文字盤１３を見た図である。

光透過型電池１が満充電状態の場合は、開口部１０ａで見える光透過型電池１の表面は最も暗い。放電が進むにしたがって、開口部１０ａで見える光透過型電池１の表面は徐々に明るくなる。

このように本実施形態に係る光透過型電池１を搭載したデバイスは、電圧検出ＩＣを用いなくても電池残量を表示できる。また、電池残量を表示するのに特別な表示パネル等を必要としない。

（電池残量の判定方法）
図６は、光透過型電池１を搭載したデバイス１００の電池残量を判定する方法を実行する様子を模式的示す図である。図７は、本実施形態に係る電池残量の判定方法の処理手順を示す動作フローである。

本実施形態に係る電池残量の判定方法を実行するには、光源３０及びカメラ４０が必要である。なお、人が行うに当たっては、光源３０及びカメラ４０は不要である。光源３０は環境光、カメラは目に置き変えることができる。

人が、光透過型電池１の電池残量を判定するには、デバイス１００の例えば開口部１０ａの明るさを、見本と見比べることで行う。見本とは、上記の図２に示した明るさの階調と電池残量を対応付けたものである。

図７に示すように電池残量の判定方法は、先ずデバイス１００に光を照射する（ステップＳ１）。次に、カメラ４０でデバイス１００の開口部１０ａ部分からの反射光を受光する（ステップＳ２）。そして、受光した反射光βの明るさで電池残量を判定する（ステップＳ３）。

電池残量を判定する処理は、プログラミングで容易に実現でき、該プログラムをカメラ４０に実装しておけばよい。また、その判定をマイクロコンピュータに行わせるようにしてもよい。

このように本実施形態に係る電池残量の判定方法は、コンピュータソフトウェアで実現することができる。そして、デバイス１００に電池残量を表示させる為の電子基板及びディスプレイ等の構成が不要である。もちろん、本実施形態に係る電池残量の判定方法は、人が行えばカメラ４０及びプロブラムも不要である。

以上説明したように、本発明によれば電圧検出ＩＣを実装した電子基板及びディスプレイを備えないデバイスでも電池残容量を判定することができる。

なお、上記の実施形態においてデバイス１００の具体例としてアナログ表示のクオーツ腕時計を例に説明したが、この例に限定されない。本実施形態に係る光透過型電池１は、電池エネルギーを電源とする全てのデバイスに搭載することが可能である。

本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１：光透過型電池
２：第１集電体
３：正極
４：第２集電体
５：負極
６：電解質
１０：開口板
１０ａ：開口部
１１：外装ケース
１２：ムーブメント
１３：文字盤
１４：風防ガラス
２０：反射板
３０：光源
４０：カメラ
１００：デバイス

Claims (4)

1. 第１集電体の上に成膜された正極と、
   第２集電体の上に成膜された負極と、
   前記第１集電体と前記第２集電体の間に配置され、光を透過する電解質と
   を備えることを特徴とする光透過型電池。
2. 請求項１に記載した光透過型電池において、
   前記正極は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、及びマンガン酸リチウムの何れかの薄膜である
   ことを特徴とする光透過型電池。
3. 請求項１に記載した光透過型電池と、
   前記光透過型電池の一方の面を保持し、該一方の面の一部又は全部に光を通過させる開口部を有する開口板と、
   前記光透過型電池の他方の面に接触し、前記開口部を通過した光を反射させる反射板と
   を備えることを特徴とするデバイス。
4. 請求項１又は２に記載した光透過型電池の電池残量の判定方法であって、
   前記光透過型電池に照射される光の透過光、又は該光が前記光透過型電池の内部で反射される反射光の光の強度で判定すること
   を特徴とする電池残量の判定方法。

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