(57)【要約】  本願発明は、固体薄膜バッテリーのための再充電システムおよび方法を提供する。本願発明に係る再充電システムおよび方法は、太陽電池、磁気誘導式デバイス、熱電式デバイス、および圧電材料の如きエネルギ供給源から、再充電のために使用され得るエネルギを受ける回路を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体薄膜バッテリーと、
電圧調整器を有する定電位充電デバイスであって、充電期間の間において、前記固体薄膜バッテリーの第２電極に対する規制電位で前記固体薄膜バッテリーの第１電極を維持し得る定電位充電デバイスと、を備えて成るバッテリー充電システム。
【請求項２】
前記固体薄膜バッテリーは、ＬｉＰＯＮを備えて成る請求項１に記載の充電システム。
【請求項３】
前記定電位充電デバイスは、二次コイルに磁気結合された一次コイルを備えて成る請求項１に記載の充電システム。
【請求項４】
フィルタリング回路を、更に備えて成る請求項３に記載の充電システム。
【請求項５】
前記定電位充電デバイスは、太陽電池を備えて成る請求項１に記載の充電システム。
【請求項６】
前記定電位充電デバイスは、圧電変換器を備えて成る請求項１に記載の充電システム。
【請求項７】
センサと組み合わされた請求項６に記載の充電システム。
【請求項８】
前記センサは、空気圧センサを備えて成る請求項７に記載の組み合わせ。
【請求項９】
タイヤを更に備えて成る請求項８に記載の組み合せ。
【請求項１０】
前記定電位充電デバイスは、前記圧電変換器により提供された正および負の電圧の両方を使用して前記固体薄膜バッテリーを充電し得る全波整流回路を備えて成る請求項６に記載の充電システム。
【請求項１１】
前記定電位充電デバイスは、熱電池を備えて成る請求項１に記載の充電システム。
【請求項１２】
固体薄膜バッテリーを有するバッテリー充電システム、および電圧調整器を有する定電位充電デバイスを提供する段階と、
エネルギ源を提供する段階と、
充電期間の間において、前記固体薄膜バッテリーの第２電極に対する規制電位で前記固体薄膜バッテリーの第１電極を維持するために、前記エネルギ源からのエネルギを使用する段階と、を備えて成る固体薄膜バッテリーの充電方法。
【請求項１３】
前記エネルギ源は、二次コイルに対して磁気結合された一次コイル、太陽電池、圧電変換器、および熱電池の内のひとつ以上を、備えて成る請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記固体薄膜バッテリーは、ＬｉＰＯＮを備えて成る請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
タイヤ圧力センサと、
前記タイヤ圧力センサからの信号を受信器に対して送信し得る信号送信器と、
圧電変換器を有する定電位充電デバイスおよび固体薄膜バッテリーを具備する電源と、を備えて成るタイヤ圧力監視システム。
【請求項１６】
前記固体薄膜バッテリーは、ＬｉＰＯＮを備えて成る請求項１５に記載のタイヤ圧力監視システム。
【請求項１７】
前記定電位充電デバイスは、前記圧電変換器により提供された正および負の電圧の両方を使用して前記固体薄膜バッテリーを充電し得る全波整流回路を備えて成る請求項１５に記載のタイヤ圧力監視システム。
【請求項１８】
タイヤの圧力を圧力センサにより測定する段階と、
前記圧力センサを固体薄膜バッテリーにより給電する段階と、
前記固体薄膜バッテリーを圧電変換器により提供されたエネルギにより充電する段階と、を備えて成るタイヤ圧力を監視する方法。
【請求項１９】
前記固体薄膜バッテリーを充電するために、前記圧電変換器により提供される正および負の電圧の両方を使用する段階を、更に備えて成る請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
タイヤ圧力を表す信号を受信器に対して送信する段階を、更に備えて成る請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、2006年6月30日に出願された米国仮出願第60/806,458号の優先権を主張するものであり、その全ての内容は言及したことにより全ての目的に対して本明細書中に援用される。
【０００２】
本願発明は、薄膜バッテリー(thin-film battery)に関する。より詳細には本願発明は、固体薄膜バッテリーのための再充電システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
再充電可能なバッテリーは、一般的に知られており、コンパクト、軽量、且つ高容量で長い充電寿命の可搬型電源の使用が要求される、商業、自動車、工業、および消費者用の各種用途において使用されている。コンピュータ、電子デバイスおよび電気自動車の如き特定の用途においては、サイズおよび重量のいずれもが、適切なバッテリー材料を選択する上で重要な要因となる。
【０００４】
現在のバッテリー技術は、本質的に、液体電解質バッテリーおよび固体電解質バッテリーという２つの大まかなバッテリーの種類を有している。ポリマ電解質バッテリーは、一般的に混合型の液体電解質バッテリーと考えられている。液体電解質バッテリーは、当業界において公知である。これらバッテリー・タイプの商業上の典型な例としては、鉛酸、ニッケル・カドミウム、ニッケル金属水素化物、および市販のリチウムバッテリーがある。
【０００５】
液体電解質バッテリーにおいて、電解質は、カソードおよびアノード間のイオン輸送を提供する。通常、従来の電解質バッテリーに蓄積して取り出され得るエネルギの量は、バッテリーのサイズおよび重量に正比例する。例えば、自動車用の鉛酸バッテリーは、大量の電流を生成し得るが、斯かるバッテリーは大きな体積および重量の故に、典型的に、エネルギ密度および比エネルギが比較的小さい。更に、これらのバッテリーに採用される腐食性の液体電解質は、複雑なパッケージ化およびシールを必要とし、無駄な重量と無駄な容積とが付加される。上記バッテリーにおいては液体電解質が採用されることから、バッテリーの動作温度は、一般的に液体電解質の凝固点および沸点により制限され、そして、上記バッテリーは、砂漠または寒帯気候、深海、高々度または宇宙での用途の如き苛酷な環境における用途には適していない。
【０００６】
更に最近では、アノード、カソードおよび電解質材料の進歩、および、材料製作方法の進歩は、ポリマ電解質バッテリーおよび固体電解質バッテリーの進展まで導いた。ポリマ電解質バッテリーは、無駄な重量および無駄な容積の減少をもたらす、重量およびサイズの減少の故に、従来の液体電解質バッテリーと比較して改善を提供している一方で、しかし、上記ポリマ電解質バッテリーは、採用された腐食性電解質がアノードおよびカソードと反応して、バッテリーの充電性能、可逆的充電容量、および充電サイクル寿命を急速に低下させるという、液体電解質バッテリーと同様の腐食問題を一般に示している。
【０００７】
固体バッテリーは、液体電解質バッテリーおよびポリマ電解質バッテリーと比較して多数の好適な利点を有している。腐食性電解質材料が採用されないことから、腐食の問題は排除されると共に、バッテリーセルの簡素化されたパッケージ化およびシールが可能とされ、不必要な無駄な重量と容積とが排除される。固体電解質の採用により腐食の問題が排除されることから、アノードおよびカソードに対する電解質の反応は排除され、安定した充電容量と、拡張されたサイクル動作後の高い可逆的充電容量と、長時間のバッテリー寿命と、をもたらす。故に、固体バッテリーは、液体またはポリマ電解質バッテリーよりも相当に大きなエネルギ密度および比エネルギが理論的に可能である。これに加えて、固体バッテリーは、液体電解質の凝固点または沸点のいずれかを超える温度範囲で動作し得る。このため、固体電解質バッテリーは、宇宙、高々度、深海、砂漠または寒帯気候における苛酷な環境での用途に特に適している。
【０００８】
比較的緩やかな許容差が許される市販の大容量バッテリーとは異なり、薄膜固体バッテリーは、固体イオンの比較的遅い拡散速度および電解質におけるイオン輸送距離の制限、並びに薄膜内におけるアノードおよびカソードの膜厚と薄膜内での間隔の課題により、薄膜固体バッテリーは、蒸着状態における薄膜の電解質、アノード層およびカソード層の品質、構造、配向および特性に関して、厳しい許容差を課すことになる。固体電解質内を通過する固体イオンの拡散および輸送は、典型的に液体電解質における拡散よりも低速であることから、薄膜電解質の厚み、およびアノードとカソードとの間で得られる間隔を最小化することは、固体バッテリーに要求される性能のために規制（controlled）されることになる。上記バッテリーにおける薄膜電解質の厚みおよび各電極間の間隔は、イオン拡散距離を最小化し且つ容認可能な電流密度に適した輸送速度を提供するために、典型的には１〜２ミクロンの範囲である。対照的に、市販の液体電解質バッテリーおよびポリマ電解質バッテリーにおける典型的な電解質、アノードおよびカソードの各寸法、および、電極間隔は、一般的に数百ミクロン〜数十センチメートルの範囲である。
【０００９】
電子デバイスは、普及してきており、いくつかのタイプの電源またはエネルギ源を当該デバイス内に含む。そのようなデバイスとしては、例えば、懐中電灯、コードレス・ドリルおよび他の電動機械工具、ラップトップ・コンピュータ、メディアプレーヤ、ページャ、個人用データ補助デバイス、ラジオ、自動車、補聴器、ペースメーカ、体内に埋め込み可能な薬用ポンプ、保管商品追尾用および小売商品盗難防止用の識別タグ、金銭取引処理に使用されるスマートカード、衛星利用全地球測位システム応用の位置決め装置、テレビおよびステレオシステム用リモート制御装置、セキュリティシステムなどに対する動作検出器および他のセンサ、および、他の多くのデバイスが挙げられる。多くの可搬的デバイスは、電源としてバッテリーを使用する。超コンデンサの如き他の電源、および、太陽電池および燃料電池の如きエネルギ変換デバイスは、可搬の電子機器および非可搬の電気機器用途において電源として使用されるバッテリーの代替品となる。斯かるエネルギ源は、デバイスが要求されたように動作し得るべく当該デバイスに動力を供給するのに十分な容量を有すべきである。しかし、十分な容量を有するバッテリーは、電源として、デバイスの他の部分と比較して大きいという結果になっている。故に、電源として使用するのに十分なエネルギ蓄積量を備えると共に、更に小型で軽量のバッテリーが、要求されている。また、斯かるバッテリーを再充電する能力は、更なるサイズの減少を可能にする。何故なら、バッテリーを定期的に再充電することができるならば、特定デバイスに対する全体的なバッテリー容量は、更に減少が可能になるからである。
【００１０】
固体薄膜バッテリー(solid-state thin-film battery)は多くの場合、電子デバイスに対するエネルギ源として使用される。薄膜バッテリーの例は、米国特許番号の第5,314,765号、第5,338,625号、第5,445,126号、第5,445,906号、第5,512,147号、第5,561,004号、第5,567,210号、第5,569,520号、第5,597,660号、第5,612,152号、第5,654,084号、および、第5,705,293号に記載されており、それらの各々は言及したことにより全ての目的に対して本明細書中に完全に援用される。上記米国特許第5,338,625号は、薄膜バッテリー、特に薄膜マイクロバッテリーと、電子デバイスのバックアップ電源または第１の集積化電源としての用途を有する薄膜マイクロバッテリーの作成方法とを記述しており、且つ、その内容は、言及したことにより全ての目的に対して本明細書中に完全に援用される。同様に、上記米国特許第5,445,906号は、薄膜バッテリー構造を製造する方法およびシステムを記述しており、その内容は、言及したことにより全ての目的に対して本明細書中に完全に援用される。而して米国特許出願公開公報第2004/0185310号は、組み合わされたバッテリーおよびデバイス装置、および、集積化されたバッテリー／コンデンサ・デバイスに対する関連方法を記述しており、その内容は、言及したことにより全ての目的に対して本明細書中に完全に援用される。現時点における固体薄膜バッテリー技術の特に有用な論評は、ジュリアン等の「固体バッテリー：材料の設計および最適化（Solid State Batteries: Materials Design and Optimization）、クルワー・アカデミック出版社(マサチューセッツ州、ボストン、1994年)発行」に開示されており、その内容は、言及したことにより全ての目的に対して本明細書中に完全に援用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本願発明は、固体薄膜バッテリーのための再充電システムおよび方法を提供する。本願発明の固体薄膜バッテリーは、再充電方法に関して従来のリチウムイオンおよびリチウム・ポリマ電池よりも更に堅牢である。本願発明に係る再充電システムおよび方法は、例えば太陽電池、磁気誘導式、熱電式の各デバイス、および圧電材料の如き供給源を、再充電のために使用され得るエネルギを受ける回路を含む。また、適切ないかなるエネルギ源も使用され得る。本願発明に係る斯かる回路は、固体薄膜バッテリーと共に使用されるのに適している。何故なら、上記バッテリーは、定電流源、安全回路、充電カウンタ、またはタイマを必要とせずに、定電位充電方式を用いて効率的に充電され得るからである。更に、斯かるバッテリーのエネルギ容量は、従来のＬｉイオンバッテリーと比較して相対的に小さいので、数マイクロワット〜数ミリワットの電力を、短い時間で典型的には数分間で、上記薄膜バッテリーを充電する充電電流として提供することが必要である。更に、上記充電デバイスは、本願発明において好適にはバッテリーとの直接的な一体化に適しているが、デバイスをバッテリーと一体化させることは必ずしも必須ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明の一態様において、バッテリー充電システムが提供される。当該バッテリー充電システムは、固体薄膜バッテリーと、電圧調整器を有する定電位充電デバイスと、を備えて成る。上記定電位充電デバイスは、上記固体薄膜バッテリーの充電期間の間において、上記固体薄膜バッテリーの第２電極に対する規制電位で上記固体薄膜バッテリーの第１電極を維持し得る。上記固体薄膜バッテリーは、好適にはＬｉＰＯＮを備えて成る。上記定電位充電デバイスは、好適には、二次コイルに対して磁気結合された一次コイル、太陽電池、圧電変換器、および熱電池の内のひとつ以上を備えて成る。
【００１３】
本願発明の別の態様において、固体薄膜バッテリーを充電する方法が提供される。当該方法は、固体薄膜バッテリーと、電圧調整器を有する定電位充電デバイスとを、備えて成るバッテリー充電システムを提供する段階と、エネルギ源を提供する段階と、上記エネルギ源からのエネルギを使用し、充電期間の間において上記固体薄膜バッテリーの第２電極に対する規制電位で上記固体薄膜バッテリーの第１電極を維持する段階と、を備えて成る。上記固体薄膜バッテリーは、好適にはＬｉＰＯＮを備えて成る。上記エネルギ源は、好適には二次コイルに対して磁気結合された一次コイル、太陽電池、圧電変換器、および、熱電池の内のひとつ以上を備えて成る。
【００１４】
本願発明の別の態様において、タイヤ圧力監視システムが提供される。当該監視システムは、タイヤ圧力センサと、該タイヤ圧力センサからの信号を受信器に対して送信し得る信号送信器と、圧電変換器を有する定電位充電デバイスと固体薄膜バッテリーとを備える電源と、を備えて成る。上記固体薄膜バッテリーは、好適にはＬｉＰＯＮを備えて成る。
【００１５】
本願発明の別の態様において、タイヤ圧力を監視する方法が提供される。当該方法は、圧力センサによりタイヤの圧力を測定する段階と、上記圧力センサを固体薄膜バッテリーにより給電する段階と、上記固体薄膜バッテリーを圧電変換器により提供されたエネルギにより充電する段階と、を備えて成る。
【００１６】
本出願に取入れられて、本出願の一部を構成する添付図面は、本願発明の幾つかの態様を示すと共に、実施例の記述と協働して本願発明の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本願発明に係る再充電システムにおいて使用され得る固体薄膜バッテリーの概略図である。
【図２】図１の薄膜バッテリーを作成する代表的方法のフローチャートである。
【図３】二次コイルに対して磁気的に結合された一次コイルを備える定電位充電デバイスを使用する本願発明に係る固体薄膜バッテリーの再充電システムの概略図である。
【図４】本願発明に係る再充電システムを具備する集積化ＲＦＩＤタグの概略図である。
【図５】二次コイルに対して磁気的に結合された一次コイルを備える定電位充電デバイスを使用する本願発明に係る別の固体薄膜バッテリーの再充電システムの概略図である。
【図６】太陽電池を備える定電位充電デバイスを使用する本願発明に係る別の固体薄膜バッテリーの再充電システムの概略図である。
【図７】圧電デバイスを備える定電位充電デバイスを使用する本願発明に係る別の固体薄膜バッテリーの再充電システムの概略図である。
【図８】熱電デバイスを備える定電位充電デバイスを使用する本願発明に係る別の固体薄膜バッテリーの再充電システムの概略図である。
【図９】本願発明に係る代表的なタイヤ圧力監視システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下における好適な実施例の詳細な説明において、説明の一部を構成すると共に、本願発明が実施され得る特定の実施例が例示的に示される添付図面が参照される。本願発明の有効範囲から逸脱せずに、他の実施例が利用され得ると共に構成上の変更がなされ得ることを理解すべきである。
【００１９】
本願発明の種々の実施例において、各図面もしくは説明における各バッテリーは一個以上のセルを用いて実施され得ると共に、複数個のセルが実装されるならば各セルは並列または直列に結線され得ることを理解すべきである。故に、１個のバッテリーまたは１個より多いセルが、表示または記述されたときに、他の実施例は単一個のセルを使用し、且つ、単一個のセルが表示または記述されたときに、他の実施例は１個のバッテリーまたは１個より多いセルを使用する。更に、「頂部」、「底部」、「上側」、「下側」の如き相対的な語句に対する参照は、各図において使用された如き例示的な配向を指しており、必ずしも製作時もしくは使用時のときに採用される配向を指してはいない。
【００２０】
本明細書において使用される「ウェハ」および「基板」という語句は、例えば、集積回路(ＩＣ)構造またはエネルギ蓄積デバイスを形成するために、薄膜または層が蒸着された露出表面を有する任意の構造物を包含する。「基板」という語句は、半導体ウェハ、プラスチックフィルム、金属箔、および、本願開示内容の教示に従い製作され得るエネルギ蓄積デバイスが存在する他の構造物を包含すると理解すべきである。また、「基板」という語句は、加工処理中の構造物であって、既に製作された他の層を自身上に包含する構造物を指すためにも使用される。ウェハおよび基板の両方には、ドーピングされた半導体およびドーピングされない半導体、基礎半導体または絶縁体により支持されたエピタキシャル半導体層、ならびに、当業者に公知である他の半導体構造物も包含する。また、語句「基板」は、本明細書に記述された製作方法と共に使用され得る一切の出発原料を記述するためにも、本明細書において使用されている。
【００２１】
本明細書において使用される「バッテリー」という語句は、エネルギ蓄積デバイスの一例を指している。バッテリーは、単一個のセル(cell)、または、直列または並列に接続された複数個のセルにより形成され得る。セルは、ガルバニック・ユニット(galvanic unit)であり、化学エネルギ例えばイオンエネルギを、電気エネルギへと変換させる。セルは、典型的には、イオンが経由して輸送し得る電解質によって互いに絶縁された、異種材料の２つの電極を含む。好適には、バッテリーは、カソード集電体と、カソード層と、アノード層と、アノード集電体と、上記アノード層とカソード層との間に配置されてカソード層からアノード層を電気的に絶縁する少なくともひとつの電解質層と、を含む。本願発明の実施例において、アノードはリチウム・インターカレーション（intercalation）材料を含む。本願発明の実施例において、アノードはリチウム金属またはリチウム合金材料を含む。好適な実施例において、上記固体電解質層は、ＬｉＰＯＮ材料を含む。本明細書において使用される如く、ＬｉＰＯＮは、一般的にリチウム・リン酸窒化物材料を指している。一例はＬｉ3ＰＯ4Ｎである。別の例では、電解質を通るリチウムイオンの輸送性を高めるべく、更に大きな比率の窒素を取入れる。好適実施例において、上記バッテリーは、カソード集電体と、またリチウムイオン(例えば、ＬｉＣOＯ2)の供給源であるカソード層と、ＬｉＰＯＮから成る少なくともひとつの電解質層と、アノード集電体と、を備えた非充電状態で提供される。上記実施例のバッテリーを充電するのに際し、金属リチウムが、上記電解質および上記アノード集電体の間にメッキされてアノードが形成される。
【００２２】
「定電位」、「定電位充電デバイス」、および「定電位充電方式」という語句は、カソードの過剰な脱リチウムを防止するために、最大電圧に固定する以外は外部から電流または充電時間を制限せずに、セルに対して一定の充電電圧を印加することを指している。カソードが過剰に脱リチウムされると、バッテリーは減少した充電／放電サイクル寿命を呈する。当然乍ら、いつかは、充電を達成するためにバッテリーに対して最低量の電圧が最終的に印加されねばならない。驚くべきことに、当該固体バッテリーの材料選択により決定される如きバッテリーの要求条件を満足すべく電圧が規制されるならば、バッテリーが完全に充電された後でさえも、固体バッテリーの充電プロセスは、入力電力及び/又は入力エネルギの間欠的供給源の電流変化により悪影響されないことが見出された。上記発見内容に鑑み、(上述の最大電圧に固定する以外は)充電プロセスにおいて外的な電流制限回路または充電時間回路を利用する必要はないことから、多くの用途に対して有用である安価で洗練された簡素な電源システムが提供されることが見出された。充電終了タイマ、定電流源、および安全回路は必要がないことから、更に簡素で、小型で、かつ更にコスト効率の良いエネルギ収集回路を導入することができる。
【００２３】
本願発明の実施例において、パルス充電が薄膜バッテリーを充電するのに実施可能な手段であることが見出されたことから、周囲環境からのエネルギが、充電回路に対して電気エネルギへと変換されるべく利用可能であるとき、ＤＣパルスを、バッテリー端子に対して印加することが可能である。故に、定電位充電方式の使用が、定常的なまたは散発的な入力エネルギ源により薄膜固体バッテリーを充電することが許容される。上記エネルギ源とは、例えば、常に電気エネルギへと変換されるわけでない、機械的、光学的、熱的、または他のエネルギの供給源を有するエネルギ収集用変換器の場合が相当する。
【００２４】
固有充電電位は、薄膜バッテリーの構成に使用するために選択された材料で特定され、薄膜バッテリーの構成要素の厚さから実質的に無関係に決定され得ることが確認された。従って、薄膜バッテリーがＬｉＣｏＯ2からなるカソード層を備えるという実施例において、電解質層はＬｉＰＯＮからなり、且つアノードは金属リチウムからなるとき、固有電位は4.1±0.3ボルトに固定しなければならない。同様に、薄膜バッテリーがＬｉＣｏＯ2からなるカソード層を備えるという実施例において、電解質層はＬｉＰＯＮからなり、且つ、アノードは、リチウム・インターカレーション材料、またはリチウムとの合金を形成するに適した材料であるとき、固有電位は、おおよそ上記金属リチウムアノードシステムの固有電位から約0.1〜1.5ボルトだけシフトされる。薄膜バッテリーの構成に使用するために選択される材料によって特定される上記固有充電電位は、当業者であれば理解されるように、サイクリックボルタンメトリー（cyclic voltammetry）法により決定され得る。
【００２５】
故に、本願発明の一態様において、バッテリー充電システムは、固体薄膜バッテリーおよび定電位充電デバイスを提供できる特徴を有する。該定電位充電デバイスは、電圧調整器を有し、充電期間の間において、上記固体薄膜バッテリーの第２電極に対する規制電位で上記固体薄膜バッテリーの第１電極を維持し得る。ここで、上記規制電位は、適切な誤差許容範囲を含む固有充電電位として規制され、この適切な誤差許容範囲は、上記固体薄膜バッテリーの構成に使用するために選択された材料によって特定される。
【００２６】
図１は、基板22上に形成され、本願発明に係る充電システムにおいて使用され得る代表的な固体薄膜バッテリー20を示している。バッテリー20は、基板22上に形成されたカソード集電体32およびアノード集電体34を含む。カソード層38が、カソード集電体32上に形成される。電解質層42が、カソード層38上に形成される。アノード層44が、電解質層42、基板22およびアノード集電体34上に形成される。集電体32および34は、外部回路に対して接続されることで、外部回路に電力を提供する。放電動作において、アノード層44中のイオンは、電解質層42を経由してカソード層38に蓄積されることから、アノード集電体34からカソード集電体32へと流れる電流を生成する。充電動作において、外部電荷が、集電体32および34に対して印加される。従って、カソード層38におけるイオンは、電解質層42に押し出されて、アノード層44内に蓄積される。
【００２７】
図２は、固体薄膜バッテリー20を製作する代表的な方法を示している。まず、基板22が、固体薄膜バッテリーの蒸着のために準備される(ステップ215)。カソード集電体32は、好適には、ＤＣマグネトロン・スパッタリングを用いて基板22上に蒸着される(ステップ217)。カソード層38は、ＲＦマグネトロン・スパッタリングによりカソード集電体32上に蒸着される(ステップ219)。この方法において、マグネトロン源は、約１〜３ｅＶのエネルギを有すべくスパッタリングされた材料を提供するが、上記エネルギでは、カソード材料に出入りするイオン輸送を促進させる好適な結晶構造を形成するように、カソード材料を結晶化させるには一般的に不十分である。上記カソードは、カソード内に結晶格子構造を生成すべく好適に焼き鈍しされ、この結晶格子構造が、要求される電気性能特性を有するエネルギ蓄積デバイスを生成する。バッテリーの代表的な電気特性は、以下のような放電曲線を有する。放電曲線は、容量の範囲の全体にわたり比較的に一定の電圧を有し(小さな差分)、そして、残存容量が消耗されるにつれて電圧は急激に低下する(大きな差分)。従って、基板、カソード集電体およびカソードのスタックは、好適には、摂氏700度の温度にて焼き鈍しされる(図２Ａのステップ221)。上記アノード集電体は、好適にはＤＣマグネトロン・スパッタリングにより上記基板上に蒸着される(ステップ223)。上記電解質層は、好適にはＲＦマグネトロン・スパッタリングにより蒸着される(ステップ225)。上記アノードは、好適には熱蒸発により蒸着される(ステップ227)。
【００２８】
図３には、本願発明に係る代表的なバッテリー充電システム100が概略的に示される。この実施例において、固体薄膜バッテリー108は、一次コイルに対して磁気的に結合された二次コイル101を介してエネルギを受けることで再充電される。再充電の際、このエネルギは、電気的接触を経由し、且つ、バッテリー108の充電電圧と一致するレベルに電圧を固定させるために、電圧調整器106（例えば、ツェナーダイオード）によりシャント（shunt）される。コンデンサ104のようなフィルタ・デバイスが、図示された如く好適に使用される。電圧調整器106とバッテリー108との間に配置された低漏洩ダイオード102は、バッテリー108を充電するために利用可能なエネルギが不十分であるときに、バッテリーが電圧調整器106を通して放電するのを阻止すべく好適に使用される。
【００２９】
本願発明に依れば、充電システム100は、ＲＦＩＤ用途において使用することでき、図４に示すようなＲＦＩＤタグ113を提供する。複数の薄膜バッテリーを、大型の基板109上に作成することができ、この基板から、ひとつのバッテリー108を、分離して、例えばＲＦＩＤ内側層、スマートラベル、またはスマート・クレディット・カードなどの表面に対して接着することができる。バッテリーはカードおよびラベル内へと積層され得る、と言うのも、固体構造にすれば、各セルは積層の熱および圧力に対して耐え得るからである。バッテリー108は、好適には集積回路110およびアンテナ112と組み合わされてＲＦＩＤタグ113を形成する。本願発明に依れば、誘導コイルは、アンテナとして好適に機能すると共に、誘導コイルは、ＲＦＩＤタグ読取器からＲＦエネルギを受信するトランスポンダにも接続される。また、薄膜バッテリーは、ＰＶＣまたは他の積層シート内に一体化されると共に、ピックアップ・コイル、整流器と組み合わされ、必要であればパルス化ＤＣをフィルタリングするコンデンサとも組み合わされ得る。そして、このシリーズまたはシャント・レギュレータが、バッテリーに対して、適切なＤＣ電圧を提供する。故に、上記バッテリーは、エネルギ源に対する電気接触を行う必要なしで充電され得る。
【００３０】
図５には、本願発明に係る別のバッテリー充電システム116が概略的に示される。充電システム116は、好適には積層カード内に実装された薄膜バッテリー118を誘導的に充電することにより機能する。充電システムは、巻回コイル(二次巻線)120と、到来するＡＣ信号をＤＣ信号へと変換する一個以上のダイオードを備える整流回路122と、電圧を平均化するフィルタ・コンデンサ124と、バッテリー118に対する正しい充電電圧を提供するツェナーダイオードの如き電圧調整器126と、種々の構成要素間の電気接続を行うために電線または回路基板の配線を相互接続するＲＦＩＤトランスポンダの如き集積回路128と、共通基板に対して構成要素の全てを結合するのに好適な柔軟なまたは堅固な材料から成る筐体130と、を備える。一次巻線は、種々の様式で形状化され得ることから、例えば、平坦パッド、円筒状管体の形態、または、円錐状の設計態様などの様式で形状化され得る。故に、上記二次巻線は上記一次巻線の近傍にもたらされ、従って、電力は、磁気結合を介して上記一次巻線から導出され、且つ、電力は、上記整流回路、フィルタリング回路および調整回路を経由して上記バッテリーに供給され得る。上記フィルタリング回路(すなわちコンデンサ)は、場合によっては必要でないこともあり、その場合パルス化されたＤＣ電流が、上記調整器に対して直接的に印加され得る。多数枚のカードが、ビン（bin）またはホッパ（hopper）内に、カードの下方にある誘導ループと共に置くことができ、収納されたバッテリーの全てを同時に充電することができる。
【００３１】
図６に概略的に示された本願発明に係る別の再充電システム132において、バッテリー134は、特定波長の電磁放射線を電圧および電流の形態のエネルギへと変換する太陽電池136の出力から、エネルギを受けることにより再充電される。この場合、このエネルギは、電気的接触と定電圧デバイス138とを介して、バッテリー134に伝達される。定電圧デバイス138は、公称として約4.1V〜約4.3Vの範囲内の電圧降下を有する基準用ダイオードまたはシャント・レギュレータ（shunt regulator）を好適に備える。また、逆方向の低漏れ電流特性の整流ダイオード140が、太陽電池136が暗がりの中に在るときに当該太陽電池136を介してバッテリー134が放電することを阻止すべく、好適に使用される。
【００３２】
複数の太陽電池を直列に接続することで、上記調整器をバイアスするのに十分な電圧が達成され得る。代替的に、昇圧変換器が、上記バッテリーを充電するのに十分な大きさまで電圧を増幅すべく使用され得る。上記バッテリーは、物理的に太陽電池の非活性表面に対して積層または接着され得、太陽電池は、ある場合には柔軟な箔状の基板の上に製作され得る。バッテリーが、基板の一方の表面上に製作され得ると共に、太陽電池が、反対側の表面上に製作される。上記基板は、シリコン、金属、セラミック、ガラスまたは他の材料から成り得、また他の材料は、固体薄膜バッテリーおよび太陽電池の製作において使用される種々の材料を蒸着するために必要な物理的および熱的な特性を有する。また、バッテリーは、シリコン、セラミックまたはガラスの基板上にも製作されると共に、たとえば単結晶シリコンから製造された太陽電池と共に、共通のパッケージ内に積層され得る。これにより、ハード結線された再充電用電源を必要とせずに動作し得る、エネルギ収集／エネルギ蓄積ユニット源の役割を果たすマルチチップ・モジュールが作成される。また、斯かるデバイスは、好適には充電制御回路も含んでおり、充電制御回路が、バッテリー端子における充電電圧を、当該セルを破損または破壊し得るような過剰電圧を印加しないで、バッテリーへの充電に供与するのに十分なレベルに制限する。この回路は、またバッテリーと太陽電池との間に逆方向の漏れ電流が非常に小さい経路を提供することから、上記太陽電池が電池の出力端子に適切な電圧を作成するのに適した光子エネルギを有さないときに、太陽電池を介して上記バッテリーが放電することを阻止する。バッテリー、太陽電池、および充電制御構成要素間の上記接続は、従来のワイヤボンド技術、導電エポキシ、または各デバイスを半田付けすることにより行うことができ、ＦＲ-４またはＢＴ材料の如き回路基板または積層基板上に導電性のトレースを製作することを得る。上記モジュール全体は、必要であれば標準的なエポキシ内に封入され得ると共に、好適には、上記太陽電池の活性表面の十分な部分を光子吸収のために開放され得る。上記モジュールは、接近性、温度、圧力、振動、または、他の任意の環境パラメータを測定するセンサを包含し得る。このセンサは、好適には上記太陽電池とバッテリーとの組み合わせにより給電される。上記モジュールはまた、検知された情報を遠隔受信器に対して伝達する無線送信器をも含み得る。この送信器も、また好適には太陽電池及び/又はバッテリーにより給電される。上記太陽電池およびバッテリーは、またシリコンのモノリシックな薄片上にも製作され得、この場合、上記バッテリーは、太陽電池の製作前または製作後に、当該太陽電池と並べて製作される。また、充電制御デバイスも、調整器および保護ダイオードを含む形で、同一のシリコン基板上に製作され得る。
【００３３】
別の充電システム142が、図７に概略的に示されており、当該システムは、電気的接触によって、セラミックまたはＰＶＤＦ薄膜の如き材料から成る圧電デバイス144からバッテリー146へのエネルギの伝達に関与する。充電システム142は、バッテリー146に対して印加される電圧の大きさを制限する電圧調整または固定デバイス148を備え、且つ、好適には、公称として約4.1V〜約4.3Vの範囲内の電圧降下を有する基準用ダイオードを備える。抵抗器150が、好適には圧電デバイス144に対して高インピーダンス負荷を呈すべく用いられる。ダイオード152は、充電回路を介してバッテリー146が放電することを阻止する。この充電方式の別実施例では、全波整流を提供するので、圧電デバイス144により生成された負および正の電圧の両方がバッテリー146へと伝達されるので、エネルギ伝達効率が２倍に改善される。
【００３４】
別の充電システム154が、図８に概略的に示されており、当該システムは、電気的接触によって、熱電デバイス156からバッテリー158へのエネルギ伝達に関与する。充電システム154は、バッテリー158に印加される電圧の大きさを制限する電圧調整器すなわち固定デバイス160を備え、更に好適には、公称として約4.1V〜約4.3Vの範囲内の電圧降下を有する基準用ダイオードを備える。
【００３５】
各概略図における構成要素の全ては、小型、安価、リード線付きまたは不付の表面実装用の形状で購入され得る。従って、これらの構成要素は、上述の回路を、リードレス・チップ・キャリヤ(LCC)、マルチチップ・モジュール(MCM)、ボール・グリッド・アレイ(BGA)、マイクロBGA(μBGA)、システム・イン・パッケージ(SiP)、および、他のパッケージタイプの如き単一パッケージ内に組み込みことを可能にする。この組み込みは、薄膜バッテリーに対して充電すべく制御回路が設計される薄膜バッテリーを含むまたは含まないでも可能である。
【００３６】
幾つかの実施例において、本願発明は、単一パッケージ内のデバイスを含む装置を提供する。上記デバイスは、充電入力端子と、電力出力端子と、接地端子と、該接地端子に電気的に接続された第１電気的接触、および第２電気的接触を有する薄膜リチウムイオンバッテリーと、直列接続された少なくとも２つのトランジスタであって、上記バッテリーの上記充電入力端子と上記第２電気的接触との間において選択的に有効化される電気接続を提供するような少なくとも２つのトランジスタと、直列接続された少なくとも２つのトランジスタであって、上記バッテリーの上記第２電気的接触と上記電力出力端子との間において選択的に有効化される電気接続を提供するような少なくとも２つのトランジスタと、直列接続された少なくとも２つのトランジスタであって、上記充電入力端子と上記電力出力端子との間において選択的に有効化される電気接続を提供するような少なくとも２つのトランジスタと、を具備する。
【００３７】
幾つかの実施例は、更に第３トランジスタを含み、該第３トランジスタは、上記直列接続された少なくとも２つのトランジスタに直列接続される。そして、上記直列接続された少なくとも２つのトランジスタは、上記バッテリーの上記充電入力端子と上記第２電気的接触との間において選択的に有効化される電気接続を提供する。ここで、上記第３トランジスタは、外部から印加される制御電圧に基づいて選択的に有効化される。
【００３８】
幾つかの実施例において、説明した各トランジスタの全ては、単一の特定用途向け集積回路(ASIC)の一部にすることができる。
【００３９】
幾つかの実施例において、説明した各トランジスタの少なくとも幾つかは、個別部品にすることができる。
【００４０】
幾つかの実施例において、本願発明は、単一パッケージ内のデバイスを含む装置を提供する。上記デバイスは、充電入力端子と、電力出力端子と、接地端子と、該接地端子に対して電気接続された第１電気的接触と第２電気的接触とを有する薄膜リチウムイオンバッテリーと、直列接続された少なくとも２つのトランジスタであって、上記バッテリーの上記充電入力端子と上記第２電気的接触との間において選択的に有効化される電気接続を提供するような少なくとも２つのトランジスタと、上記バッテリーの上記第２電気的接触と上記電力出力端子との間において選択的に有効化される電気接続を提供するような、順方向電圧降下が小さいダイオード（すなわち、ショットキーダイオード）と、上記充電入力端子と上記電力出力端子との間において選択的に有効化される電気接続を提供するような、順方向電圧降下が小さいダイオード（すなわち、ショットキーダイオード）と、を具備する。
【００４１】
本願発明に係る充電回路の用途の一例は、タイヤ圧力監視システム162を備えており、図９に概略的に示されている。図示された如く、タイヤ圧力監視システム162は、図８に示された熱電式充電システム142を含むが、本願発明の充電システムの任意のものが使用され得る。バッテリー146は、使用期間の間に当該バッテリーの電荷を再充電させる定常的なまたは頻繁な充電を許容する。当該バッテリーは、完全に固体であり、且つ表面積対厚みとの比率が比較的大きいことから、このバッテリーは、性能面または容量面での実質的な低下なしで、迅速かつ反復的に充電を受け入れことができる。
【００４２】
監視システム162は、タイヤ圧力センサ164を含み、該タイヤ圧力センサは、リアルタイムの検知機能およびデータ送信機能を好適に備え、自動車などのタイヤ状態を監視して報告する。信号処理器／信号送信器166に結合している圧力センサ164は、監視用の表示器に対して、アンテナ168を介して情報を送信し得る。電力は、再充電可能なバッテリー146により給電される。
【００４３】
圧力情報の収集は、事象毎に数ナノアンペア時のエネルギのみを要することから、各事象間における再充電が可能とされるならば上記バッテリー自体は非常に小型とされ得る。このことを可能にするためのひとつの方法は、タイヤが回転するときに上記バッテリーに対して電荷を付加する圧電材料を使用し、そして、使用中だが車両が動作していない期間を考慮し、車両が駐車しているときのバッテリーの自己放電を考慮し、更には、種々の動作温度下におけるバッテリーの容量変化に対処すべく、バッテリーのサイズを決めることである。Cymbet Corporation社（社名）から入手可能な固体薄膜バッテリーは、タイヤ内に見られる極端な温度に耐えるべく十分に堅牢であると共に、低い自己放電率および異例の電力密度が得られる完全な固体材料から作成され、実質的に一定の再充電を許容し得、更には、実質的な局限空間内に無限の形状にて装着するのに十分に小型かつ軽量とされ得る。これらのバッテリーは、薄く、柔軟な、軽量の基板上に製造され得ることから、バッテリー質量は１グラムの数分の１に維持されると共に、タイヤ自体に対して固着され、且つ、充電電流を提供する圧電材料に対して直接的に一体化され得る。
【００４４】
たとえば、略々1cm×4cm程度のＰＶＤＦ材料の圧電薄膜が使用され得る。使用に際して、上記薄膜はタイヤの動作に対し柔軟であり、薄膜に付与された応力の性質と薄膜に対して呈された負荷とに依存して、約10ミリ秒の持続時間にわたり数分の１ボルト〜約20ボルトの可変の出力電圧範囲を生成する。このときに上記タイヤの回転毎に生成される電圧は、好適に半波または全波のいずれかで整流されると共に、上記薄膜バッテリーの充電電圧を超過しないように4.2Vにて好適に固定される。このバッテリーの化学作用の性質の故に、電流制限は典型的には必要でない。故に、簡素で安価な充電制御回路が採用され得る。
【００４５】
60km/時の平均速度にて、典型的なタイヤは約50,000回／時間だけ回転する。結果として、上記バッテリーに対して供給され得る充電の量は、１時間の走行当たりで約2.5マイクロアンペア時へと変換される。上記圧力センサおよび送信器を給電するために必要とされるエネルギの量が送信毎に10msに対して10mA程度であるなら、エネルギ必要量は送信毎に28nA時である。このことは、上記バッテリーの平衡を保つために、上記センサおよび送信器は2.5μAh/28nAh＝90パルス／時間にて、すなわち、約40秒毎に有効化され得ることを意味する。これは適切なサンプリング期間であり得るが、上記割合は、上記用途に対して上記圧電薄膜を適合調整することにより、且つ、低電力の送信器を使用することにより相当に改善され得る。加えて、応力に対する充電の高効率特性を有する圧電材料が、現在は入手可能である。
【００４６】
本願発明の実施例において、上記薄膜バッテリーおよび上記バッテリー充電回路は、単一のパッケージを形成するように封入される。本願発明の実施例において、上記封入体は、基板に対して接着される外側面を有する薄型のパッケージを形成する。上記外側面は、本願発明の好適な態様においてゴムに対して接着され得るべく選択される。
【００４７】
本願発明は今や、その幾つかの実施例に関して記述された。これにより、本明細書において特定された一切の特許または特許出願の開示内容全体が、言及したことにより援用される。上述の詳細な説明および各実施例は、理解を明瞭とするためにのみ与えられた。其処からは、不要な限定を推測するべきでない。当業者であれば、本願発明の有効範囲から逸脱せずに、記述された実施例において多くの変更が為され得ることは明らかであろう。故に本願発明の有効範囲は、本明細書に記述された構造に限定されるべきでなく、各請求項の表現により記述された構造、および、これらの構造の均等物によってのみ限定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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