(57)【要約】【課題】  電池作動型の無線光学式マウスの代表的な電池交換間隔は、その利用量により１〜３か月の範囲である。また、電池は光学式マウスの総重量を大幅に増大させ、使い勝手を悪くしている。【解決手段】  無線光学式ナビゲーション装置（２００）は、光学式位置検出システム（２１５、２１６、２３５、２８５、２９０）と、この光学式位置検出システムと電気的に結合するトランスミッタ（２３５）と、このトランスミッタ及び前記光学式位置検出システムと電気的に結合する超小型燃料電池であって、前記光学式位置検出システム及び前記トランスミッタに電力を供給することができる超小型燃料電池（２１０、２２５、２３０、２７０）とを含んでなることを特徴とする。【選択図】  図２Ａ
2005025757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式位置検出システム（２１５、２１６、２３５、２８５、２９０）と、
前記光学式位置検出システム（２１５、２１６、２３５、２８５、２９０）と電気的に結合するトランスミッタ（２３５）と、
前記トランスミッタ（２３５）及び前記光学式位置検出システム（２１５、２１６、２８５、２９０）と電気的に結合する超小型燃料電池（１００）であって、前記光学式位置検出システム（２１５、２１６、２３５、２８５、２９０）及び前記トランスミッタ（２３５）に電力を供給することができる超小型燃料電池（１００）と
を含んでなる無線光学式ナビゲーション装置（２００）。
【請求項２】
前記トランスミッタ（２３５）が赤外線トランスミッタである請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記超小型燃料電池（１００）が超小型直接メタノール燃料電池である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記超小型燃料電池（１００）が超小型水再循環式燃料電池である請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記燃料電池（１００）がＭＥＭＳポンプを含んでなる請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記超小型燃料電池が、排ガスを除去する為のマイクロチャネル構造を含んでなる請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記超小型燃料電池（１００）が、水を回収する為のマイクロチャネル構造を含んでなる請求項１に記載の装置。
【請求項８】
交換可能な燃料カートリッジ（２１０）を更に含んでなる請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記交換可能な燃料カートリッジ（２１０）がメタノールを収容する請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記交換可能な燃料カートリッジ（２１０）が燃料膜（１３２）を具備する請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記超小型燃料電池（１００）及び前記光学式位置検出システム（２１５、２１６、２３５、２８５、２９０）と電気的に結合するキャパシタを更に含んでなる請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記超小型燃料電池（１００）及び前記光学式位置検出システム（２１５、２１６、２３５、２８５、２９０）と電気的に結合する充電式電池（２４５）を更に含んでなる請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記充電式電池（２４５）がポリマーリチウム電池である請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超小型燃料電池をコンピュータ用の無線ポインティングデバイスの動力源として用いることに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、無線周波数又は赤外線トランスミッタを備えるとともに電池で作動する光学式マウス等の無線光学式ナビゲーション装置は、アジレント・テクノロジー社のＡＤＮＳ−２０３０又はＡＤＮＳ−２０２０等のセンサを用いることで利用可能となっている。一般に、マウスが移動すると、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源がマウスの下方の面を照射する。電池寿命は、ＬＥＤ等の光源、光学センサ、処理用電子機器及び無線周波数又は赤外線トランスミッタを含むシステムの合計電力消費量によって決まる。
【０００３】
電池作動型の無線光学式マウスの代表的な電池交換間隔は、その利用量により１〜３か月の範囲である。加えて、電池は光学式マウスの総重量を大幅に増大させ、使い勝手を悪くする。
【発明の開示】
【０００４】
本発明によれば、超小型燃料電池を魅力的に応用することにより、パーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータと共にポインティングデバイスとして用いられる無線光学式マウス等の無線光学式ナビゲーション装置用の軽量型電源が提供される。特に超小型燃料電池は、コンピュータ用の無線光学式ナビゲーション装置に使用する環境にやさしい電源を、次の燃料補給が必要となるまで、一般的には６ヶ月以上の期間にわたり提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、作動時間の延長を実現する為に、無線光学式マウス等の無線光学式ナビゲーション装置への組み込むに適した本発明の一実施形態に基づく水再循環式超小型燃料電池システム１００を示したものである。超小型燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１２０と、燃料電池スタック１２０のアノード側１６０に結合した燃料源１４０と、燃料電池スタック１２０のカソード側１８０に結合したオキシダント源１８５とを備えている。水回収機構１２２は、カソード出口流から水を分離回収し、燃料電池スタック１２０のカソード側１８０からの水を混合チャンバ１２４へと送る。混合チャンバ１２４では、燃料が燃料電池スタック１２０のアノード側１６０へと送られる前に水と混合（hydrate）される。混合チャンバ１２４は水供給ポート１２６と燃料供給ポート１２８とを備えている。燃料回収機構１２９は、水と混合された燃料を燃料電池スタック１２０のアノード側１６０から回収し、アノードガス生成物（例えば二酸化炭素）をアノードガス出口流へと放出する。
【０００６】
超小型燃料電池システム１００においては、選択透過膜１３０が水供給ポート１２６の上流に配置されている。膜１３０は水に対しては透過性であるが、燃料に対してはほぼ非透過性である。従って選択透過膜１３０は、混合チャンバ１２４への水の浸入は許容するが、燃料電池スタック１２０のカソード側１８０への燃料の流出は大幅に阻む。選択透過膜１３０は、燃料電池スタック１２０のカソード側１８０におけるオキシダントと燃料との混合を阻止し、オキシダント汚染及びカソード性能の低下を防ぐ。
【０００７】
燃料供給ポート１２８の上流には、選択透過膜１３２が配置されている。選択透過膜１３２は燃料に対しては透過性であるが、水に対してはほぼ非透過性である。選択透過膜１３２は、水が混合チャンバ１２４から燃料源１４０へと流出することを防ぐ。選択透過膜１３０、１３２の厚さ及び断面積は、燃料と再循環水の目標混合比率（一般に０．５／９９．５〜４／９６）が得られるように選択される。本発明に基づく実施形態の一部においては、再循環水及び燃料の所望の流量を得る為に、燃料スタック１２０のカソード側１８０からの再循環水を混合チャンバ１２４へと供給する為のチャネルと、燃料源１４０から混合チャンバ１２４へと燃料を供給する為のチャネルを複数設けることもできる。
【０００８】
選択透過膜１３０は水に対して透過性であるが、燃料に対してほぼ非透過性である。超小型直接メタノール燃料電池用の選択透過膜１３０の材料例としては、Ｅ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるＮＡＦＩＯＮ（登録商標）等のパーフルオロスルホン酸ポリマーやモルデン沸石等の親水性材料がある。選択透過膜１３２は燃料に対して透過性であるが、水に対してはほぼ非透過性である。超小型直接メタノール燃料電池用の選択透過膜１３２の材料例としては、ネオプレン等の弾性ポリマーやポリオレフィン等の疎水性材料がある。
【０００９】
本発明に基づく実施形態においては、燃料電池スタック１２０は、低温で作動する固体高分子型燃料電池技術等の幅広い範囲の燃料電池技術のいずれを用いて実現したものであっても良い。超小型燃料電池は、液体又は気体反応物を用いることができる。液体式超小型燃料電池においては、再循環水は希釈剤としての役割を果たす。これらのシステムにおいては、選択透過膜１３０を通じた浸透が希釈を実施する。気体供給式超小型燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１２０のカソード側１８０の生成水を加湿に利用することができる。気体供給式システムにおいては、濡れたカソード側１８０から乾燥した供給気体への拡散が水の移動を実現する。本発明に基づく一実施形態においては、燃料電池スタック１２０中の超小型燃料電池の各々は、アノード層とカソード層との間に配置された薄いプロトン伝導性固体高分子電解質膜又はイオン交換膜から形成された膜電極アセンブリを備えた直接メタノール燃料電池として実現されている。膜電極アセンブリは、代表的には一対の導電性アノード及びカソード電流コレクタの間に挟まれており、また、混合チャンバ１２４からの水と混合されたメタノールをアノードに分配したり、オキシダント源１８５からの空気をカソードに分配したりする為の複数のチャネルを含んでいる。
【００１０】
水回収機構１２２は、燃料電池スタック１２０のカソード側１８０から水を回収するものであるが、これはカソードガス生成物に対しては選択的に透過性であるが、水に対しては非透過性である膜等の受動的な水回収機構としてもよい。燃料回収機構１２９は、燃料電池スタック１２０のアノード側１６０から水と混合した燃料を回収するものであるが、これは燃料電池スタック１２０のアノード側１６０から受けたアノードガス生成物に対しては選択的に透過性であるが、水と混合された燃料に対しては非透過性である膜を含むことができる。
【００１１】
図２Ａは、図１に示した超小型燃料電池システム１００を用いた本発明の一実施形態に基づく無線光学式マウス２００の主要部品のレイアウトを概略的に示す側面図である。燃料カートリッジ２１０は、混合及び浸透膜領域２２５及び通気孔２３０上に配置されている。燃料カートリッジ２１０の代表的な寸法は、所望量のメタノール燃料を格納する為に必要とされる大きさにより決まる。燃料カートリッジ２１０は一般に取り替え可能なものであり、また、選択透過膜１３２（図１参照）を使用したものである。選択透過膜１３２は使用中に汚染物質により劣化して目詰まりを起こすため、これを交換可能な燃料カートリッジの一部とすることは、一般に利便性が良い。
【００１２】
３ボルトで作動する２０ｇリチウムポリマー電池等の充電式電池２４５は、約３Ｗ時の電力量を供給する。充電式電池２４５は無線光学式マウス２００に直接電力を供給するものであり、一定速度で優先的に電力を燃料電池スタック２７０から取得することにより充電される。燃料電池の出力は、交換膜イオン抵抗、すなわち、燃料電池スタック１２０のカソード側１８０とアノード側１６０との間に配置されたイオン交換膜を通る反応物の通過時間と反応物の電極への大量輸送とにより制約される。結果、狭いピーク電力作動時間枠となる。従って、燃料電池は一般にバースト電力を要する用途には不向きである。充電式電池２４５は一般に、ビデオゲーム用途の光学式マウスのように、高いフレームレート（以下の説明を参照）を要する実施形態において使用されている。この場合、無線光学式マウス２００が高速な動きに応答することは重要である。より低いフレームレートの場合、充電式電池２４５の代わりにキャパシタ（図示せず）を使用することができる。例えば、無線光学式マウス２００が１００ｍＷの所要バースト電力を有しているが、バースト電力は無線マウス２００の作動時間の１０％にわたってしか必要とされない場合（相対的に低いフレームレートである低出力の光学式マウスには一般的である）、１μＦオーダーのキャパシタの使用によって、燃料電池スタック１２０は１００ｍＷの所要バースト電力の約１０％の一定出力で作動することができる。
【００１３】
通気孔２３０の吸気部分は通常、２つのフィルタを含んでいる。第一のフィルタは相対的に粗く、燃料電池スタック２７０に微粒子状汚染物が入り込まないようにする為に用いられる。第一のフィルタの代表的な材料としては、パーソナルコンピュータの冷却ファン用途に使用されている多孔質発泡樹脂を挙げることができる。第二のフィルタは無線光学式マウス２００からの水の流出を阻止し、一方で空気を燃料電池スタック２７０へと取り込む為のものである。第二のフィルタにはＧＯＲＴＥＸ（登録商標）等のフィルタ材料を使用することができる。燃料電池スタックブロック２７０は、燃料回収機構１２９と混合チャンバ１２４を含んでいる。燃料電池スタック２７０の代表的な寸法は、面積約５ｃｍ2、厚さ約５ｍｍである。通気孔２３０のアノード通気部分は、反応副生成物を燃料電池スタック２７０から排出することができる排気口である。メタノール燃料電池を用いた一実施形態においては、アノード排出ガスは二酸化炭素である。通気孔２３０のカソード通気部分は水回収機構１２２を含んでおり、水蒸気の排出を許容するものである。
【００１４】
プリント回路基板ブロック２４０は、寸法が５ｃｍ×８ｃｍ程度の既存の無線光学式マウス制御基板であっても良い。光学式ナビゲーションシステム（光学式位置検出システム）は光源２９０を備えており、これは低出力ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）型光学式マウス、エッジエミッティング低出力レーザー型光学式マウス、あるいはＬＥＤ（発光ダイオード）型光学式マウスとすることができる。更に光学式ナビゲーションシステムは、イメージャー２８５と、イメージングレンズ２１６と、レンズ２１５と、マウス制御電子部品２３５内の関連するナビゲーション電子部品とを備えている。光学式ナビゲーションシステムの重要な特徴は、単位時間あたりにナビゲーション表面から取得される画像数により決まるフレームレートにある。図２Ａに示した本発明に基づく実施形態においては、光源２９０からの光はレンズ２１５を通って表面に向かい、そしてイメージングレンズ２１６を通ってイメージャー２８５へと戻る。レンズ２１５は視準及びビームサイズを調節する働きを持っている。マウス制御電子部品２３５は一般に無線周波数又は赤外線トランスミッタを含んでおり、これが無線光学式マウス２００とビデオインターフェースを有するコンピュータ装置との間の通信を可能としている。光学系に関する配慮としては、代表的にはパッケージサイズを小さくする為に小型の光学部品が望ましいという点と、視準条件を緩和する為に距離を短くするという点がある。更に直径の大きいレンズは高価でかさばる。コンパクトなデザインによりイメージャーによる光の大部分が利用可能となり、より長距離では拡散してしまうビームから生じる迷光の問題が小さくなる。イメージャー２８５として代表的に選択されるのは、１７×１７画素〜３３×３３画素の範囲のＣＭＯＳ又はＣＣＤデテクタである。また、小型の光学部品の使用は、燃料電池システム１００あるいは同様のシステムのレイアウトに関して、より自由なデザインも提供する。
【００１５】
図２Ｂは、無線光学式マウス２００の本発明に基づく一実施形態の電気的レイアウトを概略的に示すブロック図である。燃料電池スタック２７０は電池２４５と接続しており、アノード１６０が電池２４５のマイナス電池端子２９９に電気的に接続し、カソード１８０がプラス電池端子２９８に電気的に接続している。電池２４５は、イメージャー２８５、光源２９０及び制御電子部品２３５と並列に電気的に接続されている。
【００１６】
無線光学式マウス２００等の無線光学式ナビゲーション装置において重要な点は、燃料補充から次の燃料補充までの間の作動時間である。従来の電池作動型無線光学式マウスと比較して優位性を提供し得る妥当な燃料補充間隔は、６か月程度である。６か月間の作動に一般的に必要とされる燃料の量を予測するには、パワーバジェットを得なければならない。代表的な低出力ＶＣＳＥＬ光源は約５ｍＷの電力を必要とし、代表的なＣＭＯＳイメージャーはプロセッサを含めて約３０ｍＷを必要とし、そして所要範囲を持つ無線周波数トランスミッタは約２０〜４０ｍＷ（ブルートゥース）を必要とし、合計所要電力は５５〜７５ｍＷとなる。一週間のうち平均６日間、一日当たり８時間で６ヶ月間使用したと仮定すると、使用時間は１１５２時間となる。この間に無線光学式マウス２００が完全出力で作動するユーザー操作時間を約１０％、それ以外の時間は電力が消費されることの無いスリープモードにあると仮定した場合、実際の作動時間は約１１５時間となる。よって６ヶ月間にわたる使用の合計パワーバジェットは約３５Ｗ時となる。超小型燃料電池効率が約２０〜３０％の間にあると仮定し、メタノールを使用し、熱エネルギーを５６００Ｗ時／ｋｇとした場合、この６ヶ月作動条件を満たすには約４〜６ｇのメタノールが必要となる。無線周波数の代わりに赤外線リンクを使用した場合、電力消費は代表的には５ｍＷ未満となる為、電力条件は更に緩和され得る。赤外線リンクは一般にコンピュータへの見通し線を必要とする。
【００１７】
燃料再補充までの作動時間は、より効率的な燃料電池、より高い熱エネルギーを持つ燃料の使用、及びシステムレベル電力管理の改善により向上させることができる。システムレベルの改善とは、低出力電子部品、要求されるプロセッサオーバーヘッドがより小さい単純なナビゲーションアルゴリズム、小型ＣＭＯＳイメージャー及びパルスＬＥＤ又はレーザーを使用することが含まれる。
【００１８】
図３は本発明の一実施形態に基づく燃料電池部分３００を概略的に示す側面図である。燃料カートリッジ３４５は、一般に混合チャンバ３１０の上、アノード領域３７５の隣に位置する。燃料カートリッジ３４５は、一般にはその一部を構成する燃料膜３５０を含んでいる。混合チャンバ３１０は水膜３１２を収容しており、選択透過膜１３０を含む。拡散混合が不適切である場合、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ポンプ（図示せず）を使用することで混合を約０．０５ｃｃ／時間に促進することができる。代表的なＭＥＭＳポンプの所要電力は１ｍＷを大幅に下回るものである。燃料カートリッジ３４５とアノード領域３７５との間に配置された断熱層３２０は、燃料カートリッジ３４５ブロックをアノード領域３７５から断熱するように作用する。アノード領域３７５は、図１に示した燃料スタック１２０のアノード側１６０を含んでいる。通気孔３１６はアノード領域３７５に通気し、通気孔３１５はカソード領域３８０に通気する。代表的にはフィルタ材料から成る２つの層が汚染物の侵入を防ぐ為に通気孔３１５を覆っており、目の粗い第一の外側層は粒子の侵入を防いでおり、その下にある第二の層はより目が細かく、例えばＧＯＲＴＥＸRのような材料から成る。膜３２５はアノード領域３７５をカソード領域３８０から分離するものであり、燃料電池膜電極アセンブリを含んでいる。カソード領域３８０は図１に示した燃料電池スタック１２０のカソード側１８０を含んでいる。カソード領域３８０は、水回収機構１２２（図１参照）のマイクロチャネルアレイを含む水回収領域３３０に隣接している。これらのマイクロチャネルは代表的には長さが約１〜５ｍｍ、幅及び深さが約１００μｍである。水回収領域３３０において必要とされるマイクロチャネルの数は、出力とその結果の流量で決まる。約２０〜３０％の効率で作動する超小型燃料電池の場合、メタノール流量は約０．０４ｃｃ／時間である。１Ｗの燃料電池から生成される水は、１人のヒトの発汗と同程度の６．１×１０-4ｇ／時間であり、燃料電池の出力と共に線形に変化する。
【００１９】
本発明を特定の実施形態に基づいて説明してきたが、上述の説明に照らして多数の変更、改変及び変化形態が可能であることは当業者には明らかである。
【００２０】
よって本発明は、添付した請求の範囲の精神及び範囲に入るそのような変更、改変及び変化形態を全て包含することを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る無線光学式ナビゲーション装置に用いるに適した超小型燃料電池の一レイアウトを示す模式図である。
【図２Ａ】本発明に係る無線光学式ナビゲーション装置の一実施形態を示す側面断面図である。
【図２Ｂ】本発明に係る無線光学式ナビゲーション装置の一実施形態の電気的な接続を概略的に示した模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に基づく燃料電池配置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２２】
１００  超小型燃料電池
１２０  燃料電池スタック
１２２  水回収機構
１２４  混合チャンバ
１２６  水供給ポート
１２８  燃料供給ポート
１２９  燃料回収機構
１３０、１３２  選択透過膜
１４０  燃料源
１６０  アノード側
１８０  カソード側
１８５  オキシダント源
２００  無線光学式マウス
２１０  燃料カートリッジ
２１５  レンズ
２１６  イメージングレンズ
２２５  浸透膜領域
２３０  通気孔
２３５  制御電子部品
２４０  プリント回路基板ブロック
２４５  電池
２７０  燃料電池スタック
２８５  イメージャー
２９０  光源
３１０  混合チャンバ
３１２  水膜
３２０  断熱層
３１５、３１６  通気孔
３２５  膜
３３０  水回収領域
３４５  燃料カートリッジ
３５０  燃料膜
３７５  アノード領域
３８０  カソード領域
【図１】
2005025757.tif 000003
【図２Ａ】
2005025757.tif 000004
【図２Ｂ】
2005025757.tif 000005
【図３】
2005025757.tif 000006