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Vol.1 "可穿戴设备的电池解决方案"

收集热、光、振动、电波等身边的能源,再将其转换成电力从而实现无电池设备的就是被称为环境发电的能源收集(EH)技术。其与可穿戴设备及无线传感器网络(WSN)等的兼容性都很高,有望实现各种应用。

电池问题是可穿戴设备的重要课题

可穿戴设备已经相继开发出了手表型、腕带型、眼镜型等各种类型,据说将从2015年起进入真正的普及时代。其虽然也被称为后智能手机的ICT设备,但也并非是取代智能手机,而是与智能手机互联的小型终端,预测其还将会用于操作计算机及外部设备,智能电视机等家电中。另外,通过安装各种传感器,还能够将心跳数和血压等生命体征无线传送到智能手机,从而有助于健康管理等,其在保健、医学领域的应用也在不断扩大。

与智能手机的互联需要利用无线通信技术,为了改善电池的续航能力,采用了超省电的BLE(Bluetooth Low Energy:低功耗Bluetooth)。BLE是在Bluetooth4.0上追加的低功耗通信规格,支持BLE的设备是"Bluetooth SMART",而成为集线器的智能手机及平板电脑等设备,被称为“Bluetooth SMART READY”。此外,戒指型及挂件型等饰品类型的可穿戴设备也相继被开发,并且据说今后还会实现在生活用品、厨房用品、文具等物品上搭载无线通信标签及传感器并与网络相连接的“物联网(IoT:Internet of Things)”。但是,由此也产生了一个极大的技术问题,那就是电池问题。因为即使是使用了支持超省电的BLE的可穿戴设备,目前也必须频繁充电。

实现不需电池的电子设备

作为可穿戴设备及无线传感器网络(WSN)等的电池问题解决方案而受到瞩目的,就是被称为环境发电的能源收集(EH)技术。是一种收集热、光、振动、电波等身边的能源,并将其变换为电能予以利用的技术。

能源收集是即老又新技术。20世纪初使用的矿石收音机,就是使用所接收电波的能源,使耳机发出声音的无电池收音机接收器。另外,利用薄膜太阳能电池的太阳能计算器及太阳能手表也是能源收集设备。近年来,能源收集技术再次重新受到瞩目的原因,是由于开发出了耗电量低的IC等,从而提高了实现移动设备的辅助电源及无电池的传感器模块等的可能性。

与太阳能/风力发电等可再生能源不同,来自能源收集的发电量不过为μW(10-6W)~mW(10-3W)程度,但若是这种程度的能源,我们身边就大量存在。另外,通过传感技术和无线技术相结合,则有可能构建出不需要对电池进行交换及充电的传感器网络系统。例如,若使用人感传感器,也可以进行照明及空调的自动控制,这将成为支持智能楼宇及智能住宅能源管理系统的重要技术。并且,还有望应用于在无法确保电源或人类不可接近的严酷环境下的传感等。

面向无线传感器网络的无线传感器模块

以下表示的是利用能源收集的无电池无线传感器模块的电路构成示例。将热及振动等能源用收集器从环境中收集起来,转换成电力。收集器使用将热能转换为电能的塞贝克效应元件、将压力转换为电压的压电元件(压电点火元件是利用压电效应的设备,压电蜂鸣器、压电致动器是利用逆压电效应的设备)等。但是,由于来自环境的能源不稳定,因此将其在电源控制电路中进行升压(或降压)和稳定化,然后在EDLC(双电层电容器)及锂聚合物电池等上蓄电。另外,将从气压传感器及温度传感器等各种传感器得到的环境信息,用微机进行处理,然后通过无线电收发器/天线送信。

实现高性能小型模块的TDK SESUB(Semiconductor Embedded in SUBstrate)技术

无线传感器模块及可穿戴设备要求实现高效化与小型化。但是,使用以往的工法,很难实现进一步的小型化。因此,现在备受瞩目的技术,不是像以前那样将电子元件安装在基板上,而是将电子元件嵌入基板内部。面向可穿戴设备及能源收集设备等,TDK通过独创的IC内置基板“SESUB(Semiconductor Embedded in SUBstrate)”技术将各种小型模块(SESUB模块)予以产品化。这是一种在厚度仅有0.3mm的多层基板中,嵌入削薄了的IC芯片(裸芯片)的技术。此外,TDK还新开发了超薄型柔性基板内置电容器(TFCP)

可穿戴设备及能源收集设备是通过整合最先进的各种要素技术而实现的电子技术新领域。以积层陶瓷贴片电容器为首的小型电子元件自不待说,利用了HDD磁头制造中所培育的薄膜技术的薄膜设备,利用了MEMS(微小电气机械系统)技术的MEMS压力传感器等各种传感器以及利用了以小型高效的DC-DC转换器为首的电力电子技术、高性能铁氧体非接触供电系统等,以素材技术为基础的TDK核心技术与多种多样的产品将会做出重大贡献。

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