(57)【要約】発電デバイスは、磁歪材料と圧電材料との複合材に磁場を印加することによって発電する。磁歪材料と圧電材料との複合材は、バッテリまたは他の貯蔵デバイス内に組み込まれ得る。パルス磁場または連続磁場の下で、磁歪材料は伸張、撓曲、または変位し、これによって磁歪材料と組み合わされた圧電材料に歪が生じ、圧電材料が発電する。磁歪材料と圧電材料との複合材に印加される磁場は、好ましくは、該複合材の固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の周波数を有する。バッテリは、コンデンサまたは強誘電体コンデンサを備え得る。
2009542177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）パルス磁場または連続磁場を印加されたときに発電する、（ｉ）磁歪材料と（ｉｉ）圧電材料との複合材と、
ｂ）該複合材に接続されたコンデンサまたは強誘電体コンデンサと、
を備える、バッテリ。
【請求項２】
前記圧電体は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項３】
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に配置された、電圧調整器をさらに含む、請求項２に記載のバッテリ。
【請求項４】
前記複合材および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを支持する、可撓性の基板をさらに含む、請求項２に記載のバッテリ。
【請求項５】
前記可撓性の基板は、ポリエステルおよびポリイミドからなる群から選択された材料で形成される、請求項４に記載のバッテリ。
【請求項６】
前記複合材、前記電圧調整器、および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを支持する、可撓性の基板をさらに含む、請求項３に記載のバッテリ。
【請求項７】
前記複合材は、該複合材の固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の周波数を有する磁場を印加される、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項８】
並列に配線されて可撓性の基板上に載置された、複数の請求項２に記載のバッテリを備える、マルチユニットバッテリ。
【請求項９】
前記複数のバッテリをその中に載置した前記可撓性の基板は、円筒形状に形成される、請求項８に記載のマルチユニットバッテリ。
【請求項１０】
前記円筒形状は第１の端部と第２の端部とを有する、請求項９に記載のマルチユニットバッテリであって、一対の電極をさらに含み、１つの電極が該第１の端部にあり、他の電極が該第２の端部にある、マルチユニットバッテリ。
【請求項１１】
前記のバッテリの少なくとも一部において、前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に配置された電圧調整器をさらに含む、請求項８に記載のマルチユニットバッテリ。
【請求項１２】
前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサの１つ以上に取り付けられた電極をさらに含む、請求項１１に記載のマルチユニットバッテリ。
【請求項１３】
（ａ）磁場を印加されたときに発電する、（ｉ）磁歪材料と（ｉｉ）ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）圧電材料との複合材を提供するステップであって、該複合材は固有共振周波数を有する、ステップと、
（ｂ）該複合材を、コンデンサまたは強誘電体コンデンサに接続するステップと、
（ｃ）該複合材の該固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有する磁場を、該複合材に印加するステップと、
を包含する、バッテリを形成するための方法。
【請求項１４】
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に、電圧調整器を配置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複合材および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを、可撓性の基板上に載置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
複数の前記バッテリを可撓性の基板上に載置し、かつ該バッテリの少なくとも一部を該バッテリの他のものと並列に配線するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のバッテリをその上に載置した前記可撓性の基板を、複数の別個の形状の１つに形成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の別個の形状は円筒を含む、請求項１７に記載の方法であって、電極を該別個の形状に固定するステップをさらに含む、方法。
【請求項１９】
（ａ）発振器と、分割器と、ＮＡＮＤゲートと、インバータと、第１の端部および第２の端部を有するコイル−コンデンサとを有する、コイルドライバシステムを提供するステップと、
（ｂ）第１の周波数で該発振器から該分割器に信号を伝達するステップであって、該分割器は該信号の周波数を換算する、ステップと、
（ｃ）該換算周波数を該ＮＡＮＤゲートおよび該インバータに伝達するステップであって、該インバータは該換算周波数の信号の２つの位相を生成する、ステップと、
（ｄ）該位相を第１および第２のドライバに伝達するステップと、
（ｅ）該第１のドライバからの該信号を該コイル−コンデンサの該第１の端部に伝達し、該第２のドライバからの該信号を該コイル−コンデンサの該第２の端部に伝達するステップと、
によって、前記磁場を生成するステップ、
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
（ａ）（ｉ）磁歪材料および圧電材料の複合材と、（ｉｉ）第１の位置の第１の端子と、（ｉｉｉ）第２の位置の第２の端子と、（ｉｖ）コンデンサまたは強誘電体コンデンサとを有する構造体であって、該コンデンサまたは強誘電体は、該複合材と、（Ａ）該第１の端子または（Ｂ）該第２の端子との間に配置される、構造体を形成するステップと、
（ｂ）該構造体にパルス磁場または連続磁場を印加するステップと、
を包含する、バッテリを形成する方法。
【請求項２１】
前記圧電材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記複合材は固有共振周波数を有する、請求項２０に記載の方法であって、該複合材の該固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有する磁場を、該複合材に印加するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に、電圧調整器を配置するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
第１の端子および第２の端子を有する構造体を備えるバッテリであって、
（ａ）（ｉ）磁場を印加されたときに、伸張するか、撓曲するか、または変位する第１の材料と、（ｉｉ）歪みを受けたときに発電する材料と、の複合材を該構造体に配置するステップと、
（ｂ）エンクロージャ内に、該複合体と該第１の端子または該第２の端子のいずれかとの間に、電圧調整器を配置するステップと、
（ｃ）該電圧調整器の該複合材とは反対側に、コンデンサまたは強誘電体コンデンサを配置するステップと、
（ｄ）該複合材に磁場を印加するステップと、
のプロセスによって形成される、バッテリ。
【請求項２５】
前記形成するプロセスは、前記複合材の前記固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有するパルス磁場または連続磁場を、該複合材に印加するステップを含む、請求項２４に記載のバッテリ。
【請求項２６】
前記発電する材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項２４に記載のバッテリ。
【請求項２７】
（ａ）磁場を印加されたときに、伸張するか、撓曲するか、または変位する磁歪材料と、
（ｂ）歪みを受けたときに発電する第２の材料であって、該第２の材料は、該磁歪材料に結合され、該磁歪材料の伸張、撓曲、または変位によって歪みを受けるように配置される、第２の材料と、
の複合材を備える、発電システム。
【請求項２８】
前記第２の材料は、鉛、ジルコン酸塩、およびチタン酸塩の化合物（ＰＺＴ）である、請求項２７に記載の発電システム。
【請求項２９】
請求項２７に記載の発電システムと、電磁場を生成するためのコイルドライバシステムとの組み合わせであって、該コイルドライバシステムは、
第１の周波数で信号を分割器に伝達する発振器であって、該分割器は該信号の周波数を換算し、該換算周波数信号をＮＡＮＤゲートに伝達し、オンからオフ位置におよびオフからオン位置に該信号出力をトグルするようにデータによってゲートが設定される、発振器と、
該ＮＡＮＤゲートから受信した該換算周波数信号の２つの位相を生成し、該位相のそれぞれを第１および第２のドライバに伝達するためのインバータであって、該第１のドライバはコイル−コンデンサの第１の端部に該換算周波数信号を伝達し、該第２のドライバは該コイル−コンデンサの第２の端部に該換算周波数信号を伝達する、インバータと、
を含む、
組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本特許出願は、米国予備特許出願第６０／８１６，０１０号（２００６年６月２２日出願）および第６０／８３１，６１９号（２００６年７月１８日出願）に基づくものであり、これらの予備特許出願の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦＩＤ（無線周波数識別）の製造および使用における技術は、次の２つの主なグループに分類される。１つはパッシブタグであって、これは、リーダに密結合することによって該タグ自体の電力を収集し、これにより、該タグは、リーダと情報を送受信することが可能となる。第２のグループは、アクティブタグであって、これは、該タグ自体が、バッテリ、コンデンサ、または他のデバイスのような、電力貯蔵容量を有する。リーダによって受信されるデータの送信を要求する、リーダによって生成されるＲＦ信号によって、タグのクエリが行われる。このアクティブタグは、貯蔵デバイスの限りある貯蔵寿命のために、寿命が制限される。本発明の磁歪／圧電デバイスは、取り付けられた電気デバイスを動作させるための電力、または多数のセンサ、受信器、送信器、または他の電気または電子デバイスによって使用され得る蓄電デバイスを充電するための電力を提供する。この発電技術を使用した新型のＲＦＩＤは、以下、ネットワークパワードタグまたはＮＰＲＦＩＤと称する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、天然のまたは人工のパルス状のあるいは均一の、遠隔操作される磁場または電磁場によって制御される発電デバイスと、それによって充電されるバッテリと、該バッテリを形成するための方法とに関する。磁歪材料または類似の材料に磁気的な影響を与えることが、圧電体のような発電結晶体または材料を伸張させたり、撓曲させたり、変位させたりして、それが磁気パルスを検知するたびに、電力を生成する。新たな発電デバイスは、ＰＭＥ（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ）デバイスまたは類似のデバイスによって電力を生成する。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｆｅ２（Ｄｙ０．７Ｔｂ０．３））磁歪材料およびセラミックＰＺＴ−５の層で形成されたパッシブ磁場センサは、０．３エルステッド以上のクエリトランシーバの磁場の範囲内にあるときには、電気および電子デバイスに電力を供給する発電機としての役割を果たす。磁場またはパルス磁場の存在下で、磁歪材料または他の材料が伸張され、撓曲され、または物理的に歪まされ、それに取り付けられた圧電型デバイスを変位させ、それによって、任意の電気または電子デバイスの電力を生成する。
【０００４】
好適な実施形態では、発電されたときに、電力は、強誘電体コンデンサ、コンデンサ、または充電式バッテリタイプデバイスのバンクに貯蔵される。バッテリは、全てが互いに並列接続された、最高で数千回巻き重ねられたシート状の強誘電体コンデンサであり得る。特定のサイズよりも大きな強誘電体コンデンサの構築は、これまで成功していなかった。したがって、大きな強誘電体コンデンサを形成するためには、多数の小さなコンデンサが構築されて、１つの大きなコンデンサに相当するように並列に配線される。このプロセスは、複数層の材料が他の材料の上に堆積された後に、不要な材料をエッチングで除去する、集積回路の製造に類似している。これを行うことによって、Ｍｙｌａｒ（登録商標）のようなポリエステル、またはＫａｐｔｏｎ（登録商標）のようなポリイミドのシートの上に大きなコンデンサを作製することができ、次いでそれを巻き重ねて、通常のバッテリパッケージングに使用されるような、円筒形状に容易に適合し得るパッケージを作製する。
【０００５】
ＰＭＥ発電機／バッテリは、磁場または電場の各パルスごとに発電する。磁気源をパルス化することで、デバイスは、バッテリまたはコンデンサを、使用可能なレベルの電圧または電流にまで充電することができる。最適な電力を得るためには、磁場は、磁歪／圧電複合材の固有周波数に適合する周波数で発生されねばならない。当該の複合材の固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の周波数で磁場が発生される場合には、最適な電力に近い電力を得ることができる。加えて、バッテリ、コンデンサ、または他の貯蔵デバイスに電力を提供する新たな磁歪／圧電デバイスは、電圧調整器とともに使用して、特定の電圧を提供することができる。一部のアプリケーションでは、デバイスはまた、調節器を用いずに機能し得る。生成された電力は、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｄまたは他の一般的なバッテリの形態を用いた全てのデバイスによって使用され得る、標準または非標準バッテリエンクロージャ内に収容される。この新たな発電バッテリは、ＮＰＢ（ネットワークパワードバッテリ）と呼ばれる。バッテリは、単一または複数の磁気発電デバイスによって電力を供給され得る。加えて、単一の磁気発電デバイスが、複数のＮＰＢに電力を供給し得る。この新たなデバイスは、任意の数のバッテリ給電式デバイスに電力を供給するように構成され得、また、離れたところでＲＦＩＤタグに電力を供給しクエリを行うこともできる。
【０００６】
パルス磁場はまた、オンにする、オフにする、または新たなデータをメモリに格納する、メモリを消去する、または休止状態にするなどの他の特定のタスクまたは操作の命令を、受信デバイスに提供するために、符号化され得る。
【０００７】
本発明の好適な一実施形態は、用いる機器に電力を供給するように充電の進行を維持することによって、現在のバッテリ技術を超えて能力を増加させ得、それによって、潜在的に無限の貯蔵寿命を提供することができる。これは、用いる機器の信頼性において有意な利点を有することになる。本発明はまた、医療、生物医学、暗視、ＧＰＳ、無線、センサ、アクチュエータ、および情報収集技術のための電源を提供し得る。バッテリにデータを伝達する能力は、電力の節約、モード変更、データのリフレッシュ、などのような、さらなる利益を提供し得る。
【０００８】
磁歪材料は、Ｊａｍｅｓ  Ｐｒｅｓｃｏｔｔ  Ｊｏｕｌｅによって１８４０年代に発見されたものであり、当時、彼は、鉄の長さが磁気の変化に応じて変化することに注目し、この現象をジュール効果と命名した。
【０００９】
動作原理：
磁歪材料は磁場に晒されると膨張し、ジュール効果すなわち磁歪を呈する。これは、材料の中の磁区が磁場によって整列するために生じる。同様に、材料が歪む（伸張する、または圧縮される）と、その磁気エネルギが変化する。この現象は、磁気機械効果またはビラリ効果と呼ばれる。
【００１０】
磁歪材料の一部の例：
＊コバルト
＊鉄
＊ニッケル
＊フェライト
＊テルビウム合金（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）
＊Ｍｅｔｇｌａｓｓ
＊Ｇａｌｆｅｎｏｌ（ガリウムおよび鉄）
磁歪は、磁気状態と弾性状態との間の双方向性エネルギ交換を伴うので、磁歪材料は、圧電材料と組み合わされたときには、交番の電磁場からＡＣ電圧を生成する機構を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、長手方向軸Ｘに沿って印加された磁場（Ｈ）によって得られる、円筒形試料１０のジュール磁歪ΔＬ／Ｌを示す図である。磁歪材料の円筒形試料１０は、磁場を印加する前の長さＬから、磁場の印加中に、長さＬ＋ΔＬにまで伸張する。
【００１２】
図２は、磁歪材料１２の層と、圧電材料１４の層とを互いに接合して、磁歪材料と圧電材料との複合材２０を形成した図である。複合材は、種々の構成を有することができ、磁場Ｈ内に配置される。磁場Ｈが複合材２０に印加されたときには、磁歪材料１２が伸張し、それによって圧電材料１４に歪が加えられ、かくして、圧電材料１４内に比例電圧が誘起される。複合材２０の構成に応じて、磁場を印加すると磁歪材料１２は伸張したり、撓曲したり、あるいは歪んだりする。
【００１３】
磁気電気積層複合材および磁歪合金に関する情報は、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ  Ｎｏ．８７−２２２５０４（２００５年１１月２８日付）に見出すことができ、本文献は、参考として本明細書において援用される。
【００１４】
図３を参照すると、（１）図３の上部の、磁場Ｈが印加されていないときの磁歪材料１２の分子Ｍのランダムな配置と、（２）図３の下部の、磁歪材料１２に磁場Ｈが印加されたときの分子Ｍの整列とを比較した例示が、概略的に示されている。図３からわかるように、磁場（Ｈ）の印加によって分子Ｍが整列すると、磁歪材料１２の長さが増加する。長さの増加分を文字ｅで表す。
【００１５】
磁歪機構は、原子レベルでは比較的複雑な問題であるが、巨視的なレベルでは、２つの相異なるプロセスに区別され得る。第１のプロセスは、外部磁場に反応する材料の内部の磁区壁の移動が支配的である。第２のプロセスは、磁区の回転である。これらの２つの機構が、材料に磁区配向を変化させ、ひいては寸法変化を生じさせる。変形は等容性であるために、直交方向において反対の寸法変化が生じる。磁区の再配向に対しては多数の機構があり得るが、図３に示される基本概念では、磁区の回転および移動が材料の物理的長さの変化を引き起こす。
【００１６】
図４は、発電のためにコイル１６を使用した従来技術を示す配線図である。典型的な従来技術のＲＦＩＤデバイスは、コイル−コンデンサ１６を使用して電磁場を捕捉し、ＲＦＩＤデバイスの電力とする。この手法は、１メートルの範囲までは十分に機能する。ＲＦＩＤデバイスと電源との間の距離が増加すると、電磁場（Ｈ場）が指数関数的割合で減少する。したがって、コイル−コンデンサ１６の感度は、従来技術のＲＦＩＤおよびコイル−コンデンサ１６から約１メートルを超える電源の位置からは、十分なエネルギを捕捉することができない。
【００１７】
図５は、本発明に記載の磁歪圧電複合材２０による、短−中−長距離の電力供給を示す配線図である。
【００１８】
本発明は、弱い磁場から電気エネルギを生成する、高効率な機構を利用する。複合材２０はコイル−コンデンサよりもはるかに効率的であるという事実から、複合材２０は、非常に低い磁場で、したがってより長い距離において動作する。また、複合材２０を収容したデバイスが地球磁場を通過して移動すると、電圧が発生する。これによって、デバイスは、単にそれを移動するだけで再充電することができる。
【００１９】
サイズがほぼ１センチメートル四方の複合材２０を用いた磁歪圧電デバイスは、１エルステッドの磁場強度あたり１ボルトを生成することができる（地球磁場は、ほぼ２分の１エルステッドである）。
【００２０】
図６を参照すると、コマンドおよびデータで変調され得る電磁場を発生する回路が示されている。発振器１０１は、４．００ＭＨｚの周波数で動作する。発振器１０１はまた、マイクロプロセッサ（図示せず）用の発振器であり得る。大部分のマイクロプロセッサの設計では、マイクロプロセッサをクロッキングするためにクリスタルが用いられる。マイクロプロセッサに使用されるクリスタルは、以下に記述するコイルドライブ１０５と共有され得る。発振器１０１の出力は、カウンタ／分割器１０２を駆動し、それは、４．００ＭＨｚの信号を受信して３２に分割する。カウンタ／分割器１０２は、１２５ｋＨｚの方形波信号を形成する。マイクロプロセッサのクリスタルが８ＭＨｚである場合には、所望の１２５ｋＨｚの信号を得るために、その周波数を６４に分割する必要がある。ＮＡＮＤゲート１０３が提供され、それは、データ入力のレベルに応じて、１２５ｋＨｚの信号をオンまたはオフにすることができる。データ入力が１である場合には、１２５ｋＨｚの信号は通過する。データ入力がゼロである場合には、１２５ｋＨｚの信号は遮断され、いかなる信号もインバータ１０４に送られない。インバータ１０４は、コイル−コンデンサ１０６を両端から駆動するための、２つの位相の１２５ｋＨｚ信号を生成する。強電流デバイスである２台のドライブ１０５が提供される。これらのドライブは、両端からコイル−コンデンサ１０６を駆動し得る。強電流ドライバ１０５によりコイル−コンデンサ１０６をこのように駆動することによって、電源からの必要な電圧がより少なくなる。コイルが片側から駆動される場合には、その結果は、両側でコイル−コンデンサ１０６を駆動することによって得られるものの半分になる。最終的な結果として、電磁場がコイル−コンデンサ１０６から発生され、コイル−コンデンサ１０６の周辺の領域に放射される。
【００２１】
図７を参照すると、本発明に従って形成されたバッテリ３０が示されている。図７に示されるバッテリ３０は、例えばＡ、ＡＡ、ＡＡＡ、Ｃ、またはＤのサイズを有する、一般的な懐中電灯、ペンライトバッテリの外観形状を有するが、このようなバッテリ３０は、多種多様な形状および構成を有し得る。全てのバッテリタイプが、この種のデバイスの代替候補となり得る。
【００２２】
図７に示されるように、一端に正極端子３４を備え、他端に負極端子３６を備えた、実質的に円筒形状のケーシング３２を有する強誘電体コンデンサデバイスのような、バッテリ３０または他の貯蔵デバイスが提供される。電圧調整器３８が、ケーシング３２の中央の若干下方に配置されて示される。電圧調整器３８は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社（Ｓａｎ  Ｊｏｓｅ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から、品番ＬＭ７８Ｌ０５として販売されているようなものであり得る。電圧調整器３８と正極端子３４との間の上部領域３９は、その中に配置されたコンデンサまたは強誘電体コンデンサを有する。コンデンサおよび強誘電体コンデンサは、集積回路の技術分野において周知のものである。電圧調整器３８と負極端子３６との間には、１つ以上の磁歪／圧電セル２０がある。必要に応じて、磁歪／圧電セル複合材が、電圧調整器３８と正極端子３４との間に配置され得、ＰＺＴが電圧調整器３８と負極端子との間に配置され得る。加えて、電圧の調節が要素ではない一部のアプリケーションでは、電圧調整器が省略され得る。
【００２３】
図８ａおよび図８ｂを参照すると、例えば、矩形である場合には、長さ１００ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さが０．５〜１ミリメートルのような、平坦で非常に小型化され得る、バッテリ／コンデンサ５０の改良された実施形態が示されている。単一の改良型バッテリ／コンデンサ５０が図８ａに示され、Ｍｙｌａｒ（登録商標）またはＫａｐｔｏｎ（登録商標）のような薄い可撓性のプラスチック基板と、第１の電極５２と、第２の電極５４と、別個のユニットのＰＺＴ  ５８とを含む。第１の電極５２は、基板５１上に直接載置される。別個のユニットのＰＺＴ  ５８はまた、基板５１上に直接配置され、第２の電極５４が、別個のユニットのＰＺＴ  ５８上に配置される。磁歪／圧電セル５６は、バッテリ／コンデンサ５０から間隔を置いて配置され、ワイヤ５５および５７を介して電圧調整器５３を経由してそれに接続される。
【００２４】
図８ｂを参照すると、Ｍｙｌａｒ（登録商標）またはＫａｐｔｏｎ（登録商標）の平らなシートまたは基板上に載置された、多数の改良されたバッテリ／コンデンサ５０が示されている。図８ｂは、基板６０上に載置された４８個のバッテリ／コンデンサ５０を示しているが、数百個または１０００個を超えるバッテリ／コンデンサ５０が、基板６０上に載置され得る。バッテリ／コンデンサ５０は、１．５ボルト程度の電圧を有し、それぞれ１ミリアンペアのアンペア数を発生し得る。したがって、１００個のバッテリ／コンデンサ５０が基板６０上に載置されて並列に配線された場合には、２アンペアもの電流を発生させることができる。単一の磁歪／圧電セル５６は、１０，０００個もの多数のバッテリ／コンデンサ５０に電力を供給し得る。
【００２５】
Ｍｙｌａｒ（登録商標）またはＫａｐｔｏｎ（登録商標）の基板６０は、使用の利便性のために、バッテリ５０がその上に載置された基板６０を円筒形状に巻き取ることができるように、十分に薄くなければならない。好適な基板６０の厚さは、０．５〜１ミリメートルである。
【００２６】
パッシブ磁気磁歪電気活性デバイスの１つのタイプは、Ｆｅｒｒｏ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．社（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ、ＭＡ）が販売する振動エネルギ回収機であり、これは、米国特許第６，９８４，９０２号に記載されている特徴を組み込んだものと考えられる。他の従来技術は、米国特許第６，７２５，７１３号を含み、これは、回転するタイヤから発電するための圧電材料の使用を開示している。
【００２７】
磁歪／圧電デバイスの特徴およびその使用は、以下のものを含む。
・デバイスは、磁場を用いて発電する。
・デバイスは、磁気パルスまたは電磁パルスを使用して、電力のパルスを発生する。磁気源は、局所源または遠隔源からのものであり得る。
・電力は、磁場内で、または地球磁場の中でデバイスを回転することによって、デバイスから発生され得る。電力は、大部分の周波数で電磁場をデバイスに伝達することによっても発生され得るが、デバイスの共振周波数において最高の効率となる。
・電力の電圧および電流は、圧電体または類似の材料に比例する。
・圧電体が任意の材料、特に磁歪材料によって撓曲され、歪まされ、または変位させられるときに、圧電材料が電圧を生成する。
・デバイスの電力は、１度だけのパルスとして、またはより大きな電圧または電流を得るためにバッテリまたはコンデンサ内に蓄積されて、使用され得る。
・デバイスは、医療用デバイス、センサ、送信器、および保守またはバッテリ交換が最小限または不要な他の小型デバイスに、電力を供給するために使用され得る。
・デバイスは、遠隔磁場発電機器を使用して、ＲＦＩＤデバイスに電力を供給するために使用され得る。
・データが、パルス電源搬送波信号上でデバイスに伝達され、デバイスに問い合わせるか、または応答するように命令することができる。この情報は、ＥＰＣ、ＳＫＵ、または他のシリアルデータであり得る。
・デバイスは、磁場を用いて電力を発生し、その電力を強誘電体コンデンサまたは充電式バッテリのバンクに貯蔵する。
【００２８】
電力は、磁場内で、または地球磁場の中でデバイスを回転することによって、デバイスから発生され得る。電力は、大部分の周波数で電磁場をデバイスに伝達することによっても発生され得るが、複合材２０の共振周波数において最高の効率となる。このような共振周波数を外れた磁場は、磁歪材料を活性化するが、周波数が複合材の固有共振周波数であるか、またはその共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内にある場合ほどには、効率的ではない。複合材の共振周波数で磁場を送ることが、非共振周波数の場合と比較して１０倍以上のエネルギの移動を可能とする。
・電力の電圧および電流は、圧電体または類似の材料特性に比例する。予測されるように、圧電材料のより大きな部品は、小さい部品よりも多くのエネルギを生成する。
・圧電体が、任意の材料、特に磁歪材料によって撓曲され、歪まされ、または変位させられたときに、圧電材料は電圧を生成する。
・デバイスの電力は、より大きな電圧または電流を得るために、バッテリまたはコンデンサに蓄積され得る。
・充電されるバッテリは、全てが互いに並列接続された、最高で数千回巻き重ねられたシート状の強誘電体コンデンサであり得る。
【００２９】
本発明の上記の詳細な説明は、説明目的のために提供されたものである。本発明の範囲から逸脱することなく、多数の変更および修正がなされ得ることが、当業者には明らかである。したがって、上述の説明全体は例示的なものであり、制限的な意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、磁歪膨張の基本概念を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の複合材を形成する結合された材料の斜視図である。
【図３】図３は、磁歪の機構を示す概略図である。
【図４】図４は、発電用コイルの従来技術での使用を示す配線図である。
【図５】図５は、磁歪圧電複合材による発電の配線図である。
【図６】図６は、コマンドおよびデータで変調され得る電磁場を発生する回路図である。
【図７】図７は、本発明に従ったバッテリの一形態の断面図である。
【図８ａ】図８ａは、バッテリの別の実施形態を示す図である。
【図８ｂ】図８ｂは、基板上に載置された当該バッテリのアレイを示す図である。
【図１】
2009542177.tif 000003
【図２】
2009542177.tif 000004
【図３】
2009542177.tif 000005
【図４】
2009542177.tif 000006
【図５】
2009542177.tif 000007
【図６】
2009542177.tif 000008
【図７】
2009542177.tif 000009
【図８ａ】
2009542177.tif 000010
【図８ｂ】
2009542177.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成20年12月24日(2008.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）（ｉ）磁歪材料と（ｉｉ）圧電材料との複合材であって、パルス磁場または連続磁場を印加されたときに発電する複合材と、
ｂ）該複合材に接続されたコンデンサまたは強誘電体コンデンサと
を備える、バッテリ。
【請求項２】
前記圧電体は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項３】
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に配置された電圧調整器をさらに含む、請求項２に記載のバッテリ。
【請求項４】
前記複合材および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを支持する可撓性の基板をさらに含む、請求項２に記載のバッテリ。
【請求項５】
前記可撓性の基板は、ポリエステルおよびポリイミドからなる群から選択された材料で形成される、請求項４に記載のバッテリ。
【請求項６】
前記複合材、前記電圧調整器、および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを支持する可撓性の基板をさらに含む、請求項３に記載のバッテリ。
【請求項７】
前記複合材は、該複合材の固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の周波数を有する磁場を印加される、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項８】
請求項２に記載のバッテリを複数備えるマルチユニットバッテリであって、該複数のバッテリは、並列に配線されて可撓性の基板上に載置される、マルチユニットバッテリ。
【請求項９】
前記複数のバッテリを内部に載置した前記可撓性の基板は、円筒形状に形成される、請求項８に記載のマルチユニットバッテリ。
【請求項１０】
前記円筒形状は、第１の端部と第２の端部とを有し、前記マルチユニットバッテリは、一対の電極をさらに含み、一方の電極が該第１の端部にあり、もう一方の電極が該第２の端部にある、請求項９に記載のマルチユニットバッテリ。
【請求項１１】
前記複数のバッテリの少なくとも一部において、前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に配置された電圧調整器をさらに含む、請求項８に記載のマルチユニットバッテリ。
【請求項１２】
前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサの１つ以上に取り付けられた電極をさらに含む、請求項１１に記載のマルチユニットバッテリ。
【請求項１３】
（ａ）（ｉ）磁歪材料と（ｉｉ）ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）圧電材料との複合材を提供するステップであって、該複合材は、磁場を印加されたときに発電し、該複合材は、固有共振周波数を有する、ステップと、
（ｂ）該複合材を、コンデンサまたは強誘電体コンデンサに接続するステップと、
（ｃ）該複合材の該固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有する磁場を、該複合材に印加するステップと
を包含する、バッテリを形成するための方法。
【請求項１４】
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に、電圧調整器を配置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複合材および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを、可撓性の基板上に載置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記バッテリを複数個可撓性の基板上に載置し、該複数のバッテリの少なくとも一部を該複数のバッテリの他のものと並列に配線するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のバッテリを上部に載置した前記可撓性の基板を、複数の別個の形状の１つに形成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の別個の形状は円筒を含み、前記方法は、電極を該別個の形状に固定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
（ａ）発振器と、分割器と、ＮＡＮＤゲートと、インバータと、第１の端部および第２の端部を有するコイル−コンデンサとを有するコイルドライバシステムを提供することと、
（ｂ）第１の周波数で該発振器から該分割器に信号を伝達することであって、該分割器は該信号の周波数を低減する、ことと、
（ｃ）該低減された周波数を該ＮＡＮＤゲートおよび該インバータに伝達することであって、該インバータは該低減された周波数の信号の２つの位相を生成する、ことと、
（ｄ）該位相を第１のドライバおよび第２のドライバに伝達することと、
（ｅ）該第１のドライバからの該信号を該コイル−コンデンサの該第１の端部に伝達し、該第２のドライバからの該信号を該コイル−コンデンサの該第２の端部に伝達することと
によって、前記磁場を生成するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
（ａ）（ｉ）磁歪材料および圧電材料の複合材と、（ｉｉ）第１の位置にある第１の端子と、（ｉｉｉ）第２の位置にある第２の端子と、（ｉｖ）コンデンサまたは強誘電体コンデンサとを有する構造体を形成するステップであって、該コンデンサまたは強誘電体コンデンサは、該複合材と、（Ａ）該第１の端子または（Ｂ）該第２の端子との間に配置される、ステップと、
（ｂ）該構造体にパルス磁場または連続磁場を印加するステップと
を包含する、バッテリを形成する方法。
【請求項２１】
前記圧電材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記複合材は固有共振周波数を有し、前記方法は、該複合材の該固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有する磁場を、該複合材に印加するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に、電圧調整器を配置するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
第１の端子および第２の端子を有する構造体を備えるバッテリであって、
（ａ）（ｉ）磁場を印加されたときに、伸張するか、撓曲するか、または変位する第１の材料と、（ｉｉ）歪みを受けたときに発電する材料との複合材を該構造体上に配置するプロセスと、
（ｂ）エンクロージャ内で該複合体と該第１の端子または該第２の端子のいずれかとの間に、電圧調整器を配置するプロセスと、
（ｃ）該電圧調整器の該複合材とは反対側に、コンデンサまたは強誘電体コンデンサを配置するプロセスと、
（ｄ）該複合材に磁場を印加するプロセスと
によって形成されるバッテリ。
【請求項２５】
前記形成するプロセスは、前記複合材の固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有するパルス磁場または連続磁場を、該複合材に印加するステップを含む、請求項２４に記載のバッテリ。
【請求項２６】
前記発電する材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項２４に記載のバッテリ。
【請求項２７】
（ａ）磁場を印加されたときに、伸張するか、撓曲するか、または変位する磁歪材料と、
（ｂ）歪みを受けたときに発電する第２の材料であって、該第２の材料は、該磁歪材料に結合され、該磁歪材料の伸張、撓曲、または変位によって歪みを受けるように配置される、第２の材料と、
の複合材を備える、発電システム。
【請求項２８】
前記第２の材料は、鉛、ジルコン酸塩、およびチタン酸塩の化合物（ＰＺＴ）である、請求項２７に記載の発電システム。
【請求項２９】
請求項２７に記載の発電システムと、電磁場を生成するためのコイルドライバシステムとの組み合わせであって、該コイルドライバシステムは、
第１の周波数で信号を分割器に伝達する発振器であって、該分割器は該信号の周波数を低減し、該低減された周波数の信号をＮＡＮＤゲートに伝達し、オン位置からオフ位置におよびオフ位置からオン位置に該信号の出力をトグルするようにデータによってゲートが設定される、発振器と、
該ＮＡＮＤゲートから受信された該低減された周波数の信号の２つの位相を生成し、該位相を、それぞれ、第１のドライバおよび第２のドライバに伝達するためのインバータであって、該第１のドライバはコイル−コンデンサの第１の端部に該低減された周波数の信号を伝達し、該第２のドライバは該コイル−コンデンサの第２の端部に該低減された周波数の信号を伝達する、インバータと
を含む、組み合わせ。
【請求項３０】
（ｄ）前記複合材にパルス磁場または連続磁場を印加するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項３１】
（ｄ）（ｉ）前記磁歪材料および圧電材料の複合材と、（ｉｉ）第１の位置にある第１の端子と、（ｉｉｉ）第２の位置にある第２の端子と、（ｉｖ）コンデンサまたは強誘電体コンデンサとを有する構造体を形成するステップであって、該コンデンサまたは強誘電体コンデンサは、該複合材と、（Ａ）該第１の端子または（Ｂ）該第２の端子との間に配置される、ステップと、
（ｅ）該構造体にパルス磁場または連続磁場を印加するステップと
を包含する、請求項１３に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
（項目１）
ａ）パルス磁場または連続磁場を印加されたときに発電する、（ｉ）磁歪材料と（ｉｉ）圧電材料との複合材と、
ｂ）該複合材に接続されたコンデンサまたは強誘電体コンデンサと、
を備える、バッテリ。
（項目２）
前記圧電体は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、項目１に記載のバッテリ。
（項目３）
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に配置された、電圧調整器をさらに含む、項目２に記載のバッテリ。
（項目４）
前記複合材および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを支持する、可撓性の基板をさらに含む、項目２に記載のバッテリ。
（項目５）
前記可撓性の基板は、ポリエステルおよびポリイミドからなる群から選択された材料で形成される、項目４に記載のバッテリ。
（項目６）
前記複合材、前記電圧調整器、および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを支持する、可撓性の基板をさらに含む、項目３に記載のバッテリ。
（項目７）
前記複合材は、該複合材の固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の周波数を有する磁場を印加される、項目１に記載のバッテリ。
（項目８）
並列に配線されて可撓性の基板上に載置された、複数の項目２に記載のバッテリを備える、マルチユニットバッテリ。
（項目９）
前記複数のバッテリをその中に載置した前記可撓性の基板は、円筒形状に形成される、項目８に記載のマルチユニットバッテリ。
（項目１０）
前記円筒形状は第１の端部と第２の端部とを有する、項目９に記載のマルチユニットバッテリであって、一対の電極をさらに含み、１つの電極が該第１の端部にあり、他の電極が該第２の端部にある、マルチユニットバッテリ。
（項目１１）
前記のバッテリの少なくとも一部において、前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に配置された電圧調整器をさらに含む、項目８に記載のマルチユニットバッテリ。
（項目１２）
前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサの１つ以上に取り付けられた電極をさらに含む、項目１１に記載のマルチユニットバッテリ。
（項目１３）
（ａ）磁場を印加されたときに発電する、（ｉ）磁歪材料と（ｉｉ）ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）圧電材料との複合材を提供するステップであって、該複合材は固有共振周波数を有する、ステップと、
（ｂ）該複合材を、コンデンサまたは強誘電体コンデンサに接続するステップと、
（ｃ）該複合材の該固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有する磁場を、該複合材に印加するステップと、
を包含する、バッテリを形成するための方法。
（項目１４）
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に、電圧調整器を配置するステップをさらに含む、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記複合材および前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサを、可撓性の基板上に載置するステップをさらに含む、項目１３に記載の方法。
（項目１６）
複数の前記バッテリを可撓性の基板上に載置し、かつ該バッテリの少なくとも一部を該バッテリの他のものと並列に配線するステップをさらに含む、項目１３に記載の方法。
（項目１７）
前記複数のバッテリをその上に載置した前記可撓性の基板を、複数の別個の形状の１つに形成するステップをさらに含む、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記複数の別個の形状は円筒を含む、項目１７に記載の方法であって、電極を該別個の形状に固定するステップをさらに含む、方法。
（項目１９）
（ａ）発振器と、分割器と、ＮＡＮＤゲートと、インバータと、第１の端部および第２の端部を有するコイル−コンデンサとを有する、コイルドライバシステムを提供するステップと、
（ｂ）第１の周波数で該発振器から該分割器に信号を伝達するステップであって、該分割器は該信号の周波数を換算する、ステップと、
（ｃ）該換算周波数を該ＮＡＮＤゲートおよび該インバータに伝達するステップであって、該インバータは該換算周波数の信号の２つの位相を生成する、ステップと、
（ｄ）該位相を第１および第２のドライバに伝達するステップと、
（ｅ）該第１のドライバからの該信号を該コイル−コンデンサの該第１の端部に伝達し、該第２のドライバからの該信号を該コイル−コンデンサの該第２の端部に伝達するステップと、
によって、前記磁場を生成するステップ、
をさらに含む、項目１３に記載の方法。
（項目２０）
（ａ）（ｉ）磁歪材料および圧電材料の複合材と、（ｉｉ）第１の位置の第１の端子と、（ｉｉｉ）第２の位置の第２の端子と、（ｉｖ）コンデンサまたは強誘電体コンデンサとを有する構造体であって、該コンデンサまたは強誘電体は、該複合材と、（Ａ）該第１の端子または（Ｂ）該第２の端子との間に配置される、構造体を形成するステップと、
（ｂ）該構造体にパルス磁場または連続磁場を印加するステップと、
を包含する、バッテリを形成する方法。
（項目２１）
前記圧電材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記複合材は固有共振周波数を有する、項目２０に記載の方法であって、該複合材の該固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有する磁場を、該複合材に印加するステップをさらに含む、項目２０に記載の方法。
（項目２３）
前記複合材と前記コンデンサまたは強誘電体コンデンサとの間に、電圧調整器を配置するステップをさらに含む、項目２０に記載の方法。
（項目２４）
第１の端子および第２の端子を有する構造体を備えるバッテリであって、
（ａ）（ｉ）磁場を印加されたときに、伸張するか、撓曲するか、または変位する第１の材料と、（ｉｉ）歪みを受けたときに発電する材料と、の複合材を該構造体に配置するステップと、
（ｂ）エンクロージャ内に、該複合体と該第１の端子または該第２の端子のいずれかとの間に、電圧調整器を配置するステップと、
（ｃ）該電圧調整器の該複合材とは反対側に、コンデンサまたは強誘電体コンデンサを配置するステップと、
（ｄ）該複合材に磁場を印加するステップと、
のプロセスによって形成される、バッテリ。
（項目２５）
前記形成するプロセスは、前記複合材の前記固有共振周波数の９０％〜１１０％の範囲内の共振周波数を有するパルス磁場または連続磁場を、該複合材に印加するステップを含む、項目２４に記載のバッテリ。
（項目２６）
前記発電する材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である、項目２４に記載のバッテリ。
（項目２７）
（ａ）磁場を印加されたときに、伸張するか、撓曲するか、または変位する磁歪材料と、
（ｂ）歪みを受けたときに発電する第２の材料であって、該第２の材料は、該磁歪材料に結合され、該磁歪材料の伸張、撓曲、または変位によって歪みを受けるように配置される、第２の材料と、
の複合材を備える、発電システム。
（項目２８）
前記第２の材料は、鉛、ジルコン酸塩、およびチタン酸塩の化合物（ＰＺＴ）である、項目２７に記載の発電システム。
（項目２９）
項目２７に記載の発電システムと、電磁場を生成するためのコイルドライバシステムとの組み合わせであって、該コイルドライバシステムは、
第１の周波数で信号を分割器に伝達する発振器であって、該分割器は該信号の周波数を換算し、該換算周波数信号をＮＡＮＤゲートに伝達し、オンからオフ位置におよびオフからオン位置に該信号出力をトグルするようにデータによってゲートが設定される、発振器と、
該ＮＡＮＤゲートから受信した該換算周波数信号の２つの位相を生成し、該位相のそれぞれを第１および第２のドライバに伝達するためのインバータであって、該第１のドライバはコイル−コンデンサの第１の端部に該換算周波数信号を伝達し、該第２のドライバは該コイル−コンデンサの第２の端部に該換算周波数信号を伝達する、インバータと、
を含む、
組み合わせ。
本発明は、天然のまたは人工のパルス状のあるいは均一の、遠隔操作される磁場または電磁場によって制御される発電デバイスと、それによって充電されるバッテリと、該バッテリを形成するための方法とに関する。磁歪材料または類似の材料に磁気的な影響を与えることが、圧電体のような発電結晶体または材料を伸張させたり、撓曲させたり、変位させたりして、それが磁気パルスを検知するたびに、電力を生成する。新たな発電デバイスは、ＰＭＥ（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ）デバイスまたは類似のデバイスによって電力を生成する。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｆｅ２（Ｄｙ０．７Ｔｂ０．３））磁歪材料およびセラミックＰＺＴ−５の層で形成されたパッシブ磁場センサは、０．３エルステッド以上のクエリトランシーバの磁場の範囲内にあるときには、電気および電子デバイスに電力を供給する発電機としての役割を果たす。磁場またはパルス磁場の存在下で、磁歪材料または他の材料が伸張され、撓曲され、または物理的に歪まされ、それに取り付けられた圧電型デバイスを変位させ、それによって、任意の電気または電子デバイスの電力を生成する。
【国際調査報告】
2009542177.tif 000012
2009542177.tif 000013
2009542177.tif 000014