(57)【要約】制御可能に相互接続されて、異なる電力出力特性を有するとともにその時点で回路内の特定の電気負荷（負荷Ａ〜Ｆ）に必要とされる電力を供給するのに誂え向きの複数個の各個別の電力バスに瞬間的に動的構成される個別セルの動的電池配列（図３）。前記セルは、あらゆる任意の時点においてあらゆる任意のセルが特定の電気負荷と付勢的に結合することができるように、代替可能かつ無作為に利用可能であることが好ましい。離散的なセルによって構成される前記動的電池配列は、物理的に柔軟なクレジットカード等の基材への配設に適する。このプログラム可能な配列は、低抵抗スイッチ配列を用いて、電気回路内の所定の電源セルと個別の電気負荷との間においてネットワークまたは電力バスを形成する。このような電池配列が用いられる回路は、一般に、各々が異なる所要電力を有するいくつかの異なる負荷が発生する複合回路である。
2005527066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを発生させることができない基板と、
前記基板により配列をなして支持される複数の離散的セルであって、個別の前記セルは、電気エネルギーを供給することができ、前記配列は、電気的相互接続システムを介して電気的に相互接続され、前記電気的相互接続システムは、相互接続制御装置からの信号に呼応して変更可能に構成されうる複数の離散的セルと、
前記配列に操作可能に接続される電気回路であって、異なる電気エネルギー条件を必要とする少なくとも２つの負荷を含み、前記相互接続制御装置は、前記複数の離散的セルの個別のセルが相互接続されて、前記２つの各構成要素に必要とされる前記異なる電気エネルギー条件を提供するように前記電気的相互接続システムを構成するようになっている、電気回路とを含む、デジタル電池。
【請求項２】
電気エネルギーを発生させることができない物理的に柔軟な基板と、
前記基板により配列をなして支持される複数の離散的セルであって、個別の前記セルは、電力を供給する能力を有し、前記配列は、半導体スイッチ配列を介して電気的に相互接続される複数の離散的セルと、
前記配列に操作可能に接続される電気回路であって、異なる瞬間的電気エネルギー条件を必要とする少なくとも２つの負荷を含み、前記半導体スイッチ配列は、前記個別のセルを相互接続して、前記２つの負荷に必要とされる前記異なる電気エネルギー条件を提供する電気回路とを含む、デジタル電池。
【請求項３】
電気エネルギーを発生させることができない基板を選択すること、
前記基板により配列をなして支持される複数の離散的セルであって個別の前記セルが電気エネルギーを供給する能力を有し、前記配列が電気的相互接続システムを介して電気的に相互接続される、複数の離散的セルを形成すること、
前記配列に操作可能に接続される、異なる電気エネルギー条件を必要とする少なくとも２つの構成要素を含む電気回路であって前記電気的相互接続システムが前記個別のセルを相互接続して、前記２つの各構成要素に必要とされる前記異なる電気エネルギー条件を提供する、電気回路を設けることを含む、デジタル電池形成方法。
【請求項４】
複数の個別の負荷と、
前記個別の各電源セルおよび前記個別の各負荷と導電的かつ選択的に結合されうる複数個の導電路と、
前記複数の導電路と操作可能に結合される複数の半導体スイッチであって、前記個別の電源セルの少なくとも１つを実質的に動的に選択して電源選択を行なうとともに、前記電源選択を２つの前記個別の負荷用の個別の電力バスの形態にする複数の半導体スイッチとを含む、複数の個別の電源セルを有する複合電子装置。
【請求項５】
前記個別の電源セルは、前記複数の個別の電源セルから無作為に選択されて、前記電力選択が行われる、請求項４に記載の複合電子装置。
【請求項６】
前記半導体スイッチを含むプログラム可能スイッチ配列を含む、請求項４に記載の複合電子装置。
【請求項７】
複数の分離された発電セルを含む電源配列と、
動作のために電力を必要とする少なくとも第１および第２の負荷を含む電子回路であって、前記第１の負荷を動作させるために必要とされる電力が前記第２の負荷を動作させるために必要とされる電力とは異なる電子回路と、
前記電源配列と前記電子回路との間に配置されるプログラム可能スイッチ配列であって、前記電源配列と前記第１および第２の各負荷との間において個別の電力バスを動的に形成するようになっており、前記個別の電力バスが前記分離された発電セルによって形成され、実質的に全ての前記分離された発電セルが、実質的に瞬間的に前記個別の電力バス間において代替可能であるプログラム可能スイッチ配列とを含む、システム。
【請求項８】
前記プログラム可能スイッチ配列は、約０．５オーム未満のオン抵抗を有する複数の半導体スイッチを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記電源配列は、複数個の通常は予備の分離された発電セルが得られる程度に十分な個数の前記分離された発電セルを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電子回路は２を超える数の負荷を含み、各負荷の所要電力は異なる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記発電セルは、電気化学セルである、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
物理的に柔軟なの基板上において取り付けられる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
複数の電源セルを含む電源配列を選択すること、
動作のために電力を必要とする複数の負荷を含む１つの前記電子回路を選択すること、
少なくとも１つの第１の前記電源セルを前記電源配列から動的に選択するとともに、前記第１の電源セルを第１の前記負荷と効果的に結合させて、第１の電力バスを形成すること、
少なくとも１つの第２の前記電源セルを前記電源配列から動的に選択するとともに、前記第２の電源セルを第２の前記負荷と効果的に結合させて第２の電力バスを形成することを含み、
前記第１の電力バス上の全ての前記電源セルは前記第２の電力バス上の前記電源セルとは異なり、前記第１および第２の電力バスを形成することは、約０．５オーム未満のオン抵抗を有する半導体スイッチを用いて電気接続を確立させることを含み、前記半導体スイッチは、プログラム可能スイッチ配列により発せられる制御信号に呼応して作動せしめられて、前記電気接続を確立することを含む、電子回路内の負荷に瞬間的な個別電力バスを提供する方法。
【請求項１４】
前記複数の個別の前記電力バスと操作可能に結合される複数の前記半導体スイッチを含み、前記半導体スイッチは、前記個別の電力バスを前記個別の電源セルにより実質的に動的に形成するとともに、少なくとも１つの前記個別の電力バス上における少なくとも１つの電力特性を、個別の電源セルを実質的に瞬間的に切り替えて前記１つの個別の電力バスに編入または除外することによって実質的に所定の値に維持する、請求項１３に記載の複合電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電池配列に関し、特に、自己回復作用を有する動的構成可能な電池配列において、電気回路の特定の構成要素またはモジュール（負荷）の所要電力に合わせて構成される複数の各瞬間的電力バスを形成しうる、本明細書において「デジタル電池」または「動的電池配列」と呼ばれることもある、自己回復作用を有する動的構成可能な電池配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置は、ますます複雑になってきている。このような複雑な電子装置は、一般に、独自の固有の電圧および電流要件を有する複数の異なる構成要素またはモジュール（負荷）を内蔵する。本明細書において、「負荷」は、構成要素、モジュール、および別々に付勢される構成要素の素子等を含む。電池は、一般に、所定の公称値を有する電力を共通バスに供給する。個別の構成要素に対する電力は、この共通バスから引き出されるとともに、さまざまな電力調整構成要素を通過して、特定の構成要素が自身の意図される機能を果たすために必要とする特定の電流および電圧値を有して各々の操作構成要素に供給される。
【０００３】
電子回路を含む全ての種類および大きさの電気回路は、動作のために電気エネルギーの印加を必要とする。長い間、何らかの電池がこの目的のために用いられてきた。一般に、このような電池は、たとえば電圧値および電流値といったような、相対的に一定値のパラメータを有する出力を供給する。一般に、電池の出力パラメータの値が実質的に一定に保たれることを確かめる努力もなされている。
【０００４】
電気回路は、一般に、いくつかの異なる作動構成要素と付随する電気エネルギー調整構成要素とによって構成される。これらの異なる作動構成要素は、異なる電圧値、電流値およびその他の電気エネルギーパラメータ要件を有することがよくある。回路内の多くの構成要素は、単に電池からの出力のさまざまな値を個別の作動構成要素に必要とされる値に調節するために含まれている。回路により消費されるエネルギーの多くは、電池の出力をさまざまな作動構成要素の要件に合わせる電気エネルギー調整構成要素によって消費される。回路の構成における費用および難問の多くは、電池の出力を個別の作動構成要素の要件に合うものにするためだけに必要とされるこうしたエネルギー調整構成要素を組み込むことが必要であるために発生する。回路の全体としての大きさおよび複雑さは、必然的に、これらのエネルギー調整構成要素を内蔵することができるように調節される。回路を小型化するための努力は、このようなエネルギー調整構成要素をこれらの小型化された回路内に含めるという必要性によって妨げられる。これらの電池出力調整構成要素を排除することができれば、全ての大きさ、目的および構成の回路において、大きな改良が達成されうる。
【０００５】
一般的に電池に共通の故障モードは、内部短絡または開回路が形成されることである。電池セルが静的配列に配置される場合は、１個のセルの故障は、一般にその配列によって供給されうる電気エネルギーのパラメータを変化させる。たとえば、１組の並列接続電池セルの１個が除去されると、出力電流値が降下する。１組の直列接続電池セルの１個が除去されると、出力電圧が降下する。開回路によるセルの故障は、電池配列（たとえば直列セル構成）の動作を完全に阻害しうる。内部短絡によるセルの故障は、電池配列の動作を完全に阻害しうる。故障するか、または部分的に損傷した各セルは、さらにパラメータを変化させる。
【０００６】
電気回路内の作動構成要素は、一般に、実質的に一定値のエネルギーパラメータの下で動作するように設計される。このため、電池配列のセルの損失または故障により、電池配列からの出力のパラメータが変化すると、回路は、動作停止または機能不全のいずれかになる。この問題を解決するために、さまざまな手段が提案された。複数個の個別の電池を内蔵する電池層と、複数個のデータ処理セルを内蔵する別途の層とをリソグラフィにより製作することが提案された。これらの２つの層は、互いに電気的に絶縁され、各データ処理セルは、電気的にその独自の電池に接続される。たとえば、ノーマン（Norman）の米国特許第６，１５４，８５５号を参照されたい。
【０００７】
ノーマン（Norman）の米国特許第６，１５４，８５５号では、冗長データ処理セルを含め、かつ不良処理セルを回路から自動的に排除するとともに、これらのセルを予備のセルと交換することによってデータ処理セル配列において耐障害性を提供することが提案されている。ノーマンのデータ処理セルにおいては、何らかの電力調整構成要素が回路から排除されたこと、またはこのような排除が可能であることは示されていない。ノーマンは、データ処理セルのモノリシック冗長ネットワークからなるデータ処理システムを開示している。とりわけ、モノリシック構造は、略クレジットカードの大きさの多層肉薄柔軟性シートの形態をとりうることが示唆されている。前記ネットワーク内のデータ処理セルは、相互交換可能であって、重複する予備セルを用いて冗長性を得ることができるようになっている。各セルは、たとえば処理装置、記憶装置および入力／出力手段等の複数個の構成要素を含む。各セルは、セルのレベルにおいて完全な冗長性が得られるように、独自の個別電池セルをも有しうることが示唆されている。すなわち、各データ処理セルは、１対１の関係で独自の個別電池セルを有するはずである。ノーマンにより提案された前記手段における電池セルは、データ処理セル間におけるように代替可能ではない。この１対１の関係により、データ処理セル内の全ての電力消費構成要素に共通のバスが設けられることになる。セル内の全ての構成要素が、同じ電流および電圧レベルで動作することはありそうにない。データ処理セル内のある特定の構成要素が必要としうる電池セル電力出力に合わせる何らかの調節が、そのデータ処理セルの回路内の電力調整素子によって行なわれなければならない。さらにまた、ノーマンは、全ネットワークの特定の部分内の正常な隣接するセルは、電力共有バスに組み込まれうることを示唆している。この提案された接続が直列か並列かは明らかではない。このような多数の相互接続電池セルを有する共通バスは、必然的に、単一の電池セルが生じうる電流または電圧より高い電流または電圧を供給し、したがって共通バスから得られる電力は、単一のデータ処理セルの単一の電池セルから供給される特性とは異なる特性を有することになる。共通バスからの電力が、単一の電池セルの出力で動作するように設計される個別のセルによってどのように用いられうるかについては、示されていない。あらゆる任意のデータ処理セル内の個別の電力消費構成要素間における動的ランダム接続により、各電力消費構成要素が独自の個別の動的耐障害性電力バスを有するようにすることは、ノーマンの教示とは反対である。ノーマンの特許では、データ処理セル内の各電力消費構成要素は、それ独自の個別の電力バスを有するべきであることは全く教示されておらず、このような構成に何らかの利点があることは全く示唆されていない。
【０００８】
電池セルの動的配列を得るために、さまざまな手段が提案されてきた。たとえば、ハーシュ（Harshe）の米国特許第５，５６３，００２号においては、単一の出力電力バスを有するプログラム可能な電池配列を用いて、負荷および電池充電条件の変動に関わりなく安定な全出力電圧または電流を達成するという問題に対処することが提案されている。ハーシュは、負荷の変動時に機械的スイッチにより選択的に接続可能な複数個の離散的なセルを用いて単一のバスに安定した出力を供給するようにすることを提案している。ハーシュは、単一の装置内の複数個の異なる各電気負荷の個別の要件に合わせて電圧または電流を動的に調整するという問題には対処していない。ハーシュは、ひとつの配列の個別の電源セルを動的に相互接続して、単一の複合装置内の別々の構成要素またはモジュールに同時に異なる電圧および電流を供給することにより、複合電子装置が単純化されうることを示唆してはいない。ハーシュにより提案されたスイッチのような機械的スイッチは、単一のバスにおける高電力需要用途に対応できるようになっている。このような高電力需要用途は、ハーシュが言及しているように、半導体スイッチの容量を超えることがよくある。ハーシュは、単一の電池配列により複数個の電力バスを動的に形成させることによって、各々の個別のバスが担う電力を、小型、高速、高効率、低費用かつ高信頼の半導体スイッチが、機械的スイッチに頼らずに、負荷を処理することができるレベルに低下させることが可能であることを示唆していない。機械的スイッチは、動的ランダム構成には向かず、すなわち２個の個別の電池セルを無作為に選択し、かつそれらの物理的な位置に関係なく電気的に接続することができない。機械的に切り換えられる電池配列の構成は、スイッチを収容するのに必要とされる構成に物理的に制限される。ハーシュは、個別の電力バス間におけるように実質的に代替可能である複数個の電源セルによって必要に応じて瞬間的に形成される個別の電力バスを各負荷に設けることを教示していない。機械的スイッチは、本来的に、固体装置に比べて相対的に緩慢な応答時間を示す。機械的スイッチを用いて多数の電力バスを瞬間的に再構成することは、物理的に不可能である。ハーシュの提案の配列は、複合直並列配列として機能的ではない。たとえハーシュの提案の配列を何とかして複合直並列構成において機能的にすることができたとしても、直列側のセルを迂回する方法は開示されていない。
【０００９】
耐障害性分散型電池システムが以前に提案された。たとえば、ヘイゲン（Hagen）らの米国特許６，１０４，９６７号を参照されたい。ヘイゲンらは、分散型電池システム、特に電気自動車に電力を供給するこうした電池システムの制御装置を意図している。負荷は、一般に、共通バスから電力供給される電動機である。ヘイゲンらの目的は、所定の特徴の電力を共通バスにおいて供給することにある。
【００１０】
柔軟性基材上における電気化学セルの印刷が以前に提案された。たとえば、シャドル（Shadle）らの米国特許第６，３９５，０４３号を参照されたい。ベイツ（Bates）らは、高エネルギー密度薄膜超小型電池を開示している。
【００１１】
マルチセル電池電源システムの動作を制御するプログラム可能制御装置が提案された。たとえば、スチュアート（Stewart）の米国特許第５，４２２，５５８号を参照されたい。スチュアートは、共通の電力供給バス上における複数個の制御電池モジュールを開示している。さらにまた、ガートスタイン（Gartstein）らの米国特許第６，１６３，１３１号も参照されたい。
【００１２】
電池配列の１個の電池を用いてその配列内のまた他の電池を充電することは、ガーボン（Garbon）の米国特許第５，９１４，５８５号に開示されていると言われている。
【００１３】
ルイラード（Rouillard）らの米国特許第６，１４６，７７８号には、一体的な相互接続盤を介して、セルの位置に関わりなく、選択的に直列または並列に相互接続される多数の電気化学セルが提案されている。全体としてのセル組立体の電圧および電流特性は、接続パターンの構成を変更することによって変更可能であると言われている。ルイラードらは、共通バスシステムを開示している。
【００１４】
従来の半導体スイッチ配列は、いずれも中央処理装置（ＣＰＵ）により制御される数百個の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを有する数百万個もの各スイッチを提供する。スイッチング時間は、約数ナノ秒程度となりうる。このような従来の半導体スイッチ配列、たとえばゲートアレーは、プログラム可能であり、かつ記憶容量を有する。このような配列の半導体スイッチのオン抵抗は、約数ミリオーム程度となりうる。
【００１５】
さまざまな構成および種類の発電セルは、周知である。亜鉛−二酸化マンガン、亜鉛−酸化銀、リチウム−酸化コバルト、ニッケル−カドミウム、ニッケル−金属水酸化物および金属−空気等の電気化学電池対物質が知られている。水素−酸素等の燃料電池対物質、ＰおよびＮ型シリコン等の光電池対物質および原子力電池（Ｐ、ＮまたはＰＩＮ接合とトリチウム等の関連あるβ粒子放出体）等が知られている。蓄電器またはインダクタ（これらを組み合わせたものは「タンク回路」を構成する）等のその他の電気エネルギー蓄積装置が知られている。たとえばボルタ熱電池（たとえばバイメタルの対物質）、誘導性素子、容量性素子（たとえば圧電素子）、熱、音響、振動等により作動する変換器および高周波エネルギーを集める高周波アンテナ配列等の、電流または電荷を作り出すエネルギー変換器がいずれも周知である。
【００１６】
従来の平板状、平面状またはウェーハ型の電池において、単セル（およびその密封体）は、電池の突出面積全体を横切って延在する。したがって、電池が撓むと、せん断力が電池およびセルの全長に沿って加わる。その結果として、多大なせん断力が単電池とその密封体とに加わりうる。このことは、さらにまた、単電池の密封体の破損または電池セパレーターの損傷およびその他の態様の破損による単電池および電池の短絡、破断および漏れを引き起こしうる。
【００１７】
従来の電池により駆動されるさまざまな電気回路においては、異なる電圧および電流が、回路を構成するさまざまな素子により必要とされる。従来の電池システムは、一般に、公称的にひとつの最大電流でひとつの電圧を供給することしかできず、電気装置により必要とされる電流は、「電力調整」または「電気エネルギー調整」装置と呼ばれるものによって得られる。これらの装置は、電池により生ぜしめられる電圧および電流（電力）を改変または「調整」する。これらの調整装置は、抵抗器のように「受動的」またはスイッチング・ブースト変換器のように「能動的」でありうる。これらの装置を使用することは、これらの装置が動作するために電気エネルギーを消費し、費用（購買費と取扱いおよび回路内への配設の費用との観点で）を要し、回路基板上においてますます貴重となる領域を必要とし、かつ全体としての装置の故障の確率を高めるという点において非効率的である。平均的な消費者向け電池式製品においては、構成要素の総数の６０パーセント、そして電子装置の費用の４０パーセントもが、こうした回路に現在必要とされる多数の電力調整装置によるものと推定される。これらの電力調整装置の大部分を排除することができれば、電気回路は、より効率的な、より低費用の、より小型の、かつより信頼性のあるものとなろう。
【特許文献１】米国特許第６，１５４，８５５号公報
【特許文献２】米国特許第５，５６３，００２号公報
【特許文献３】米国特許第６，１０４，９６７号公報
【特許文献４】米国特許第６，３９５，０４３号公報
【特許文献５】米国特許第５，４２２，５５８号公報
【特許文献６】米国特許第６，１６３，１３１号公報
【特許文献７】米国特許第５，９１４，５８５号公報
【特許文献８】米国特許第６，１４６，７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
自己回復作用を有し、かつ動的構成が可能な電池配列を実用化して、電気回路内において個別の負荷に複数の瞬間的電気バスを提供することができれば、電子工学における多くの改良と新しい開発とが実現される。このような電池配列が物理的柔軟性を有することができれば、特に有利であろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明にしたがったデジタル電池の好適な実施例は、制御可能に相互接続されて、回路内の特定の電気負荷にその時点で必要とされるエネルギーを供給するのに誂え向きの異なる電気エネルギー出力特性を有する複数個の各電力バスに瞬間的に動的構成される個別セルの配列からなる。前記セルは、あらゆる任意の時点においてあらゆる任意のセルが特定の電気負荷と効果的に結合することができるように、代替可能かつ任意に利用可能であることが好ましい。
【００２０】
本発明の動的電池配列は、より高い電気的かつ物理的柔軟性と、電池の信頼性および効率性の実質的な向上と、電池およびセルの製造費の低下とをもたらす。一般に、前記電池配列が内蔵される製品の費用は、電池費用の減少によって得られる削減に加えて、さらに低下する。
【００２１】
本発明の動的電池配列は、低抵抗スイッチ配列を用いて、電気回路内の所定の電源セルと個別の電気負荷との間において動的かつ瞬間的に個別の電力ネットワークまたは電力バスを形成する。このような動的電池配列における低抵抗スイッチ配列（一般にスイッチ毎のオン抵抗が約０．５オーム未満、好ましくは約０．０１オーム未満）は、たとえば中央処理装置（ＣＰＵ）により制御される、たとえば半導体スイッチである。好ましくは、いくつかのスイッチを各セルと関連させて、可能な最大限の電気的柔軟性が得られるようにする。前記配列の動作は、好ましくはプログラム可能である。「スイッチ配列」という用語は、スイッチ、スイッチおよびＣＰＵ、あらゆる種類の記憶装置、温度およびその他のセンサ等の回路制御素子および関連素子等を含むことが意図される。こうした電池配列が適用される回路は、一般に、各々が異なる所要電力を有するいくつかの異なる負荷が生じる複合回路である。このような電池配列は、所要電力が変動するか、または電池配列の充電サイクル期間中にわたって正確な電力レベルの維持が必要とされる単一負荷回路にも適用可能である。多数の余分なセルを設けると、配列内の個別のセルを交換して、たとえば始動時または充電サイクルの終了時点付近において所望の電力レベルを維持することができる。
【００２２】
本発明のその他の目的、利点および新規な特徴は、本発明の以下の詳細な説明を添付図面とともに考察することによって明らかになろう。
【００２３】
本発明は、電気回路の広い範囲にわたって利益をもたらす。以下に記載される説明は、多数のこうした用途を表すことが意図されており、全てを網羅するものではない。当業者には、本明細書において教示される基本的な方法および装置を容易に多くの用途に適応させうることが認識されよう。開示される特定の例を引用するという必要性によって致し方なく制限的と思われる言葉遣いをしているところもあるが、出願人の意図は、本明細書および本明細書に添付される特許請求の範囲が、開示の発明の範囲および精神を維持する上での幅と見なされることである。
【００２４】
同様の参照符号がいくつかの図を通して同一または対応する部分を示す図面を参照すると、図１において、従来のクレジットカードに適用される本発明にしたがった電池配列が全体に符号１０に示されている。図をわかりやすくするために、リード線は図示されていない。それぞれ負荷１から負荷１２までの１２個の異なる電気負荷が、Ｃ１からＣ６２までの６２個の異なる電源セルと同様に示されている。半導体スイッチ配列、たとえばゲートアレーおよび中央処理装置（ＣＰＵ）は、線図で示されている。好ましくは、このＣＰＵは、物理的にスイッチ配列に一体化される。
【００２５】
前記クレジットカードは、回路基板の形態をなし、電池配列内のセルは、好ましくはスイッチ配列、ＣＰＵおよびそれぞれの負荷と同様にプリント回路基板内のくぼみまたは貫通穴内において形成される。さまざまな構成要素は、たとえば構造体の表面が、クレジットカードが使用時に受けるような磨耗および引裂きを受けることが懸念される回路基板の対向する外面の平面より外方には突出しないことが好ましい。異なる３種類の電源セルが図示されている。たとえば、Ｃ１、Ｃ５２およびＣ５９を参照されたい。これらのセルは、規則的なパターンで配列されてはいない。これらのセルは、負荷および接続リード線の位置に対応するように分散配置されうる。セルは、空間を利用することができる場所にはどこにでも配置されうる。さらにまた、セルは、自身の供給対象となりそうな負荷の隣に寄せ集められうる。たとえば、セルＣ６、Ｃ６１、Ｃ２８、Ｃ５０、Ｃ２６、Ｃ３７およびＣ１３は、負荷７に隣接して配置される。スイッチ配列は、これらのセルを負荷７への電力供給に優先的に割り当てるが、必ずしもそうするわけではないようにプログラムされうる。図１のデータ入出力領域は、従来のクレジットカードの磁気ストライプに対応するが、視覚的出力のための手段も含みうる。ＣＰＵおよびスイッチ配列は、図１において別々に図示されているが、ＣＰＵは、好ましくはスイッチ配列に一体化される。図１および２において異なる形状で示される３種類のセル、たとえばセルＣ４１、Ｃ５４およびＣ６２は、互いに異なる電力特性を有する。これらのセルは、スイッチ配列により組み合わされて、所望の電力出力を提供する電力バスを形成しうる。異なるセルの異なる電力特性は、特定のバスの電力出力を調整する上で大きな柔軟性をもたらす。図１において操作構成要素を支持する基材は、クレジットカード用に定められる標準を満たすだけの十分な物理的柔軟性を有することが好ましい。個別セルは、たとえ前記基材が３０度以上も曲げられても、わずかな非破壊的屈曲しかうけないほど十分に小型である。
【００２６】
異なる電源セルの配列を有して構成される一般的なプリント回路基板は、図２に示されている。Ｃ６５に代表されるセルは、たとえば０．７ボルトの公称出力を有する太陽電池セルであってもよい。Ｃ６３に代表されるセルは、たとえば２．５ボルトの公称出力電圧を有する電気化学セルであってもよく、Ｃ６４に代表されるセルは、たとえば０．１ボルトの公称出力電圧を有する高周波受信器であってもよい。半導体スイッチ配列（図示せず）は、図２の電源セルと制御可能に結合される。スイッチ配列は、負荷が特定の特性の電力を必要としていることを検出すると、たとえば領域１８内のセルを結集して必要な直列および並列構成を作り上げるとともに、前記セル結集体を負荷に接続する。負荷が変化するか、またはセルの特性が変化すると、スイッチ配列は、領域１４等において異なる瞬間的なセル結集体を形成させる。好ましくは、これらのセルは、重なりなしの領域１８および１４に示されるように、いかなる任意の時点でも、スイッチ配列により１個の単一負荷だけに割り振られる。何らかの一般により好ましくない状況下においては、一般に電力管理のために、領域１４および１６の重複に示されるように、１個のセルが複数の負荷に割り振られうる。
【００２７】
一般に、関連ある１個以上の電気回路における電気負荷の性質と該電気負荷が果たす機能とは、これらの負荷がセルの出力電圧を左右しうる場合を除いて、電池配列にとって重要ではない。すなわち、動的電池配列は、幅広くさまざまな構成要素またはモジュールに所要電力を供給できるように調整可能である。２個の負荷の所要電力が同じであることもある一方で、エネルギー所要量は異なる。すなわち、所要電力が同じである一方で、電圧および電流要件は異なる。しばしば構成要素またはモジュールの設計を変更して、本発明にしたがった電力供給用動的電池配列の柔軟性により電力調整素子を排除することができるようにしうる。しかしながら、電池配列は、特定の所要電力を有する電気負荷にしか注目しない。電池は、たとえば抵抗器が負荷の回路から排除されたことには注目せず、その理由は、電池配列は、欠落した抵抗器を必要とせずに回路に必要とされる正確な誂え向きの電力特性を提供するためである。
【００２８】
好ましくは、半導体スイッチ配列（図４）は、中央処理装置と記憶装置とセンサ機能とを含むとともに、関連ある回路内のさまざまな負荷Ａ〜Ｄ（図５）の瞬間的な所要電力と配列内の各セルの電気的状態とを検出または認識するようになっている。これらの所要電力は、たとえば、所要電力がたとえば最初の５００ミリ秒後に一般に降下する始動時のように、その時々に変化しうる。スイッチ配列は、図６に示されるように、セルを互いに接続して瞬間的な電力バスにすることにより、瞬間的に電池を構成して、さまざまな負荷の瞬間的な所要電力を供給する。負荷の所要電力が変化するか、またはセルの特性が変化すると、スイッチは、好ましくは電池配列を連続的に再構成して、必要とされる電力を供給する。瞬間的なバスを構成または形成させるために、スイッチ配列は、各電池セルの陽および陰端子をＩ／Ｏポートに接続する。これにより、配列内のあらゆるセルを配列内のあらゆるその他のセルに接続することが可能になる。特に図３、４および５を参照すると、たとえばセル１、２および４によって構成される直列回路を構成する場合、スイッチ配列は、セル１の陽極（陰）端子をセル２の陰極（陽）端子に接続する。同様に、セル２の陽極端子は、セル４の陰極端子に接続される。セル１の陰極端子は、所定の負荷（たとえば負荷Ａ）へとルート割当される。共通の接地が望まれない場合は、セル４の陽極端子が負荷Ａの陰極側に接続される。たとえば、セル１、２、４、５、６および８を用いて並列回路を構成する場合は、スイッチ配列は、各々の所定のセルの陽極Ｉ／Ｏをひと続きに接続する一方で、所定のセルの全ての陰極Ｉ／Ｏを切り替えて、ひと続きになるようにする。次に、結集された陽極および陰極は、所定の負荷に接続される２個のＩ／Ｏポートへとルート割当される。
【００２９】
各々の負荷Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ（図５）に１個ずつの４つの瞬間的な電力バスが図６に示されている。２２は典型的な電源セルである。スイッチ配列（図４）は、たとえば負荷Ａがこの時点で直列な２個のセルによって生じしめられる電圧および並列な４個のセルによって生じしめられる電流を必要としていると判断する。スイッチ配列内の適切な低抵抗半導体スイッチが閉じられ、図６の負荷Ａに関連ある太線により示される電力バスが瞬間的に形成される。同様に、スイッチ配列は、負荷Ｂがこの時点で１個のセルの電圧および３個のセルの電流を必要としていると判断する。スイッチ配列は、負荷Ｄは、その時点で１個のセルの電流および３個のセルの電圧を必要としていると判断する。スイッチ配列は、符号２０において不良セルに遭遇する。スイッチ配列は、セル２０を迂回して、該セルの下のセルを選択して電力バスをルート割当するとともに、好ましくはセル２０をマークして、将来的に該セルを利用しようとする試みがなされないようにする。スイッチ配列は、負荷Ｃ用の電力バスを形成させる上でまた他の不良セルに遭遇し、同様に該セルを迂回して瞬間的な電力バスをルート割当する。負荷Ｄ用の電力バスがセル２０を含んで形成される一方で、セル２０が適正に機能しなければ、セル２０が負荷Ｄの出力要件を満たしそこなうやいなや、この機能失敗がスイッチ配列によって検出され、セル２０は電力バスから除外され、また他のセルが選択されて、故障セルに取って代わる。
【００３０】
本発明によれば、全てではないが多くの電気エネルギー調整構成要素は、電池セル配列を構成して回路内の各作動構成要素に所望の電気エネルギーを電池セル配列から直接供給することにより、電気回路から排除されうる。本明細書で用いられる場合、「電気回路」は、たとえば電子回路を含む、あらゆる性質の全ての電気回路を含むことが意図される。電池セル配列内の個別の電池セルは、たとえば互いに接続されて、動的または静的のいずれかに特別に構成されて（動的に結合されるサブグループ内の静的部分セル群）、回路内の関連ある作動構成要素またはモジュールが必要とする電圧値、電流値およびその他の電気エネルギーパラメータを正確に供給する部分配列となる。個別の電池セルは、直列および並列接続を適切に混ぜ合わせて動的または静的のいずれかに互いに接続されて、所望の出力を達成する。好ましくは、電池が回路の一部分となるように、個別の電池セルは、回路を支持する基板と同じ基板に組み込まれる。
【００３１】
好ましくは、電池セルの耐障害性が提供される。耐障害性は、動作時に、たとえば電池セルに接続される従来設計の適切な低抵抗スイッチ配列に操作可能に結合される中央処理装置によって提供される。好ましくは、予備セルが設けられ、電池セルが使用中に故障するか、または製造欠陥を有する場合に、そのセルが自動的に検出されて、予備セルの１個と交換される。
【００３２】
回路内のさまざまな個別の作動構成要素またはモジュールの電気エネルギー必要量は、たとえば中央処理装置にすでに認識されているか、またはさもなければ認識される。ひとつの好適な実施例によれば、中央処理装置は、動的電池配列の構成を動的に維持して、電気回路内の各々の作動構成要素またはモジュール（負荷）が電池配列から適正に調整された電気エネルギーを直接供給されるようにする。この実施例において電池が故障または誤動作すると、その電池は動的に交換されて、回路内の各電気負荷が最適な電気エネルギーを連続的に供給されるようにする。従来の電気エネルギー調整構成要素またはモジュールは、電池セルの動的電気的相互接続システムに置き換えられる。好ましくは、この相互接続システムは、セルの無作為な選択をも可能にして、セルがいずれも完全に代替可能になるようにする。動的システムには、一般に、デジタル電池配列を調整するために中央処理装置と、必要とされる相互接続を動的かつ瞬間的に形成するために半導体スイッチとの存在が必要とされる。
【００３３】
多数の電池セルを、たとえばリソグラフィにより未加工のプリント回路基板に設けると、一般に、これらのセルのいくつかは、誤動作するか、または製造時点で完全に動作不能である。過剰な個数のセルを基板上に形成することによって、必要とされる役割を果たすのに十分な個数の機能的なセルが得られる。これらのセルは、検査され、不良セルが識別される。関連ある電気回路が回路基板に設けられるときに、該回路は、関連あるスイッチ配列により、不良セルを迂回して配線される。このようにして、品質管理要求事項と関連ある電池セル配列製造費とが削減される一方で、廃却される基板の個数が最小限に抑えられる。生産速度は、高くなる。
【００３４】
関連ある電気回路がその上に形成される基材に電池セル配列を設けることにより、セルと作動構成要素またはモジュールとの間における電気接続の長さが最小限に抑えられる。これにより、電気エネルギー損失は、さらにまた、最小限に抑えられる。
【００３５】
電気セル配列は、要望に応じて規則的、不規則的、二次元的または三次元的とされうる。セルは、作動構成要素と並んで、または別々の層をなして配置されうる。
【００３６】
本発明は、何らかの特定の種類の電池に制限されるわけではない。適切な種類の電池には、たとえば電気化学的電池、原子力電池、蓄電器、インダクタ、エネルギー変換器および太陽電池等が含まれる。それが望まれる場合には、異なる種類のセルが、同じ配列内に含まれうる。これらのセルは、要望に応じて再充電可能または不能であってもよい。再充電が望まれる場合は、適切な充電回路が設けられうる。
【００３７】
ひとつの実施例にしたがったデジタル電池は、多数の個別かつ離散的な電池セルまたは中性の支持マトリクス（すなわち該マトリクスは電気エネルギーを生じない）により所定の構成に保持されるその他の電気エネルギー発生セルの配列として形成される。その結果として得られる物理的構成および組成は、その他にも特徴はあるが、個別のセルまたはデジタル電池そのものの全体に損傷を及ぼすことなしに高度な物理的柔軟性をもたらす。この物理的柔軟性の度合いは、特性を望みどおりに最適化させるために予め定められるとともに固定されてもよく、または流動的とされ、したがって改変可能とされてもよい。改変可能である場合は、こうした改変は、受動的または能動的とされうる。受動的である場合は、物理的柔軟性は、過去の屈曲履歴または過去の温度またはその他のエネルギー暴露の関数として低下または増加せしめられうる。能動的である場合は、所望の柔軟性の度合いは、電気流動、磁気流動、磁気ひずみ作用および圧電アクチュエーター等によって制御されうる。さらにまた、これらのセルは、電気的に相互接続されて、所望の電圧および電流生成能力をもたらす。この部分セル群レベルにおける相互接続性は、静的または動的とされうる。接続性が動的である場合は、該接続性は、低オン抵抗電子スイッチによって制御されうる。これらの電子スイッチは、グループ分けされて、スイッチ列を形成しうる。このスイッチ列は、トランジスタ、ＣＭＯＳ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦＥＴ、フォトトランジスター、スピントランジスタ等の素子等の半導体素子またはこうした素子を組み合わせたものによって構成されうる。さらにまた、これらのスイッチは、デジタル電池に近接して配置されるか、またはデジタル電池に物理的に一体化されうる。これらのスイッチは、論理回路、マイクロコントローラーまたはマイクロプロセッサ等により制御されうる。この論理素子もまたデジタル電池に近接して配置されるか、またはデジタル電池に物理的に一体化されうる。さらにまた、スイッチ素子を関連ある論理素子により制御して、電池セル間における所望の接続性が制御されて、望ましい有用な電気的合成がもたらされるようにすることができる。その結果として得られるデジタル電池は、物理的かつ電気的に電気回路または回路基板に一体化されうる。好ましくは、電子スイッチ、たとえば半導体スイッチは、たとえば約０．５オーム未満、好ましくは約０．０１オーム未満の非常に低いオン抵抗を有するように選択される。約０．００５オーム未満のオン抵抗を示す半導体スイッチが一般に好ましい。パワートランジスタの使用は、それらが一般に約０．７〜１．４ボルトの電圧降下を引き起こすため、一般に好ましくない。ほとんどの電気化学電池セルは、約１．２〜３．５ボルトの電圧を生じしめる。スイッチの抵抗による１．４ボルトの電圧降下は、一般にセルの出力を許容不能なまでに低下させる。これらのスイッチは、電池配列の出力を損なうべきではない。たとえば「トレンチ型」ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチが、本発明にしたがった半導体スイッチとしての使用に適する。オン抵抗は、スイッチに固有のものであることもあるため、回路−配列システムの設計においては、このことに備えなければならない。このような抵抗を設計上の特徴として利用することもできる。たとえば、負荷が１．２ボルトを必要とし、セルが公称的に１．５５ボルトの電圧を生じしめる場合は、スイッチ配列は、スイッチのオン抵抗がセルの出力を所望の１．２ボルトに低下させるように選択されうる。また、個別に高いオン抵抗を示すスイッチを並列に結集して、全オン抵抗が非常に低くなるようにすることができる。並列時の全オン抵抗は、次式によって与えられる、ｒｔｏｔａｌ＝１／ｒ１＋１／ｒ２＋１／ｒ３。有意なスイッチ抵抗が生じることは、エネルギーが熱として失われるため、好ましくない。これは、動的電池配列の効率を低下させる。
【００３８】
デジタル電池配列は、積重、積層または対面配置されて、デジタル電池配列がデジタル電池の三次元（３D）配列を形成するようにされうる。したがって、この多層構成は、角柱状の電池を形成する。この角柱状デジタル電池を収容する薄い壁を有する角柱状の容器は、ひとつの考えられうる物理的形態である。さらにまた、シート状デジタル電池配列を巻物状にして、デジタル電池の三次元配列の円筒状電池を形成させることができる。この円筒状デジタル電池を収容する薄い壁を有する円筒状の容器は、また他の考えられる物理的形態である。デジタル電池配列に関して説明された電気的接続性は、デジタル電池の二次元、三次元および不規則配列に当てはまる。
【００３９】
デジタル電池は、物理的および電気的柔軟性の少なくとも一方、好ましくは両方を有するべきである。物理的柔軟性という特徴は、デジタル電池を損傷させることなしに折曲およびねじれ可能にし、電気的柔軟性という特徴は、蓄積された有限量の電池エネルギーをより効率的に利用することを可能にする。デジタル電池の任意の実施例における物理的および電気的柔軟性の度合いは、望みどおりの物理的および電気的特性に合わせて改変されうる。
【００４０】
さまざまな用途において、物理的または電気的に電池を損傷させることなしに物理的に屈曲および折曲可能な電池であることが有利である。現在のところ、繰返曲げ（カード長さに対する屈曲高さの比が０．２に等しくなるようにカードを１０００回にわたって折り曲げることが求められるクレジットカードの最大曲げに関するＩＳＯ標準（参照により本明細書に取り入れられるＡＮＳＩ／ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１０−１９９５およびＡＮＳＩ／ＩＳＯ／ＩＥＣ１０３７３−１を参照されたい）として定義される）が可能な実用的な柔軟性電池（略同じエネルギー密度Ｗｈ／Ｋｇおよび容量エネルギー密度Ｗｈ／Ｌと保管寿命［電力維持］の観点における同じ電気的特性および電流発生容量とを有する、競争値段で製造されうる電池として定義される）はない。たとえば、金融取引用カード（カードタイプＩＤ−１）に関するＩＳＯ／ＩＥＣ標準には、標準の３．３８インチ×２．１２インチのカードは、その長手軸に沿って加圧されたときに、折れ目またはスマートカード電子機器の損傷を含むその他の損傷を伴わずに０．６９インチの高さの折曲が可能でなければならないことが示されている。さらにまた、損傷を伴うことなしにこの度合いの折曲が、０．５Ｈｚの繰返し率を用いて最低１０００サイクルにわたって繰り返されるとともに、然る後に反対方向にさらに１０００回にわたって折り曲げられなければならない。離散的なセルを使用することにより、基材内において蝶番がセルと交差しない位置に一体蝶番を用いることも可能になる。これにより、非常に剛性の材料をセル支持領域（セル内）の基材として用いることが可能になる一方で、基材のセル間領域において柔軟性が得られる。
【００４１】
離散的電池セルユニット配列を用いることにより、個別のセルが受ける屈曲、ねじりおよびせん断力は最小限に抑えられる。したがって、セル配列は、三次元的に折曲および屈曲しうる一方で、個別の電池セルは、軽微または最小限の屈曲しか受けず、よってセルおよびその接続性の完全性が保たれる。個別のセルの大きさを減じることにより、一般に、物理的屈曲による損傷に対する配列の抵抗は増加する。電池セル配列の屈曲により、任意の個別電池セル内において識別可能な屈曲、ねじれまたはせん断力が生じることはない。
【００４２】
個別のセルは、あらゆる所望の形状と、わずか０．１センチメートルまたはさらに小さく製造に用いられる装置の限界に至るまでの公称直径とを有しうる。公称直径は、セルの最大幅部分を横切って測定される。たとえば矩形セルの公称直径は、最も長い対角線の全長を横切って測定される。セルの最大寸法は、セル配列用に利用できる空間の大きさと必要とされるセルの個数とによって決められる。たとえば、セル配列が８平方インチの領域内に取り付けられることが求められ、各セルが１．５ボルトの電圧を生じしめ、関連ある電気回路内の１個の構成要素またはモジュール（負荷）が１００ボルトの電圧を必要とする場合は、少なくとも６７個のセルがなければならない。このため、１平方インチあたりのセルの個数が８個を超える配列内セル密度が必要とされる。たとえば自己回復作用、冗長性および始動容量等を提供するためには、より多くのセルがなければならない。各セルは、必然的に約０．１平方インチ未満の面積を占めることになる。数百平方フィートの面積がセル配列用に利用できる場合は、個別のセルは、約１〜２平方フィート以上の面積とされうる。
【００４３】
複数の個別セルを用いることにより、設計において大きな柔軟性が得られる。セル配列は、たとえば異なる大きさのセルや異なる出力電圧および電流特性を有するセル、動的および静的セルの組合せ等の異なる種類のセルによって構成されうる。たとえば回路内の１個以上の負荷が３ボルトの電圧を必要とし、各セルが１．５ボルトの電圧を生じしめる場合は、しばしば、２個で一組のセルのいくつかの組を互いに配線接続するとともに、これらの配線接続された対状のセルを１個の単位体として扱うことが望ましい。これらの単位体は、３ボルトまたは３ボルトの倍数の電圧を必要とする負荷に動的に接続される。これにより、必要とされるスイッチの個数を減らすことができる。電気回路内の負荷は、たとえばそれぞれ３、２．５、４．２および７．１ボルトといったように、互いの倍数ではない電圧を必要とすることがよくある。異なる電圧を生じしめるセルを用いることにより、これらのセルを組み合わせて各負荷に所望の電圧を供給することが可能になる。
【００４４】
接続される負荷の性質が個別のセルの出力電圧を変動させることがよくある。たとえば１．５ボルトの公称出力電圧を有するセルは、特定の負荷の使用時には０．８ボルトに降下しうる。こうした状態は、始動時によく起こる。負荷は当初に、接続されたセルの電圧を非常に大きく降下させる。これは、セル配列を動的に構成して、より多くのセルが始動段階において負荷に瞬間的に接続されるとともに、電圧が増加し始めると接続解除されるようにすることによって対処されうる。
【００４５】
動的かつ瞬間的にセルを組み合わせて電気負荷の所要電圧を供給することに関する前記説明は、セルを組み合わせて電気負荷の電流要件を満たすことにも等しく当てはまる。
【００４６】
電気負荷を調整して、セルの出力電圧がその負荷の所望の値に制御されるようにすることができる。たとえば、１．５ボルトの公称出力を有する電池を、セルの出力を１．１ボルトに低下させるように調整された負荷に接続することができる。これにより、１．１ボルトの電圧を必要とする負荷は、１．５ボルトの公称出力電圧を有するセルによって対処されうる。
【００４７】
本発明にしたがった離散的電池セル配列は、あらゆる態様（たとえば、あらゆる組合せの直列または並列の電気的構成）で電気的に接続されて、電気負荷に一般に必要とされる本質的にいかなる所要の電圧および電流発生容量をも提供しうる。さらにまた、多数のこうしたセル群を構成して、多数の電圧および電流発生容量を得ることができる。さらに、これらの電気的構成は、時間的または空間的に静的である必要はなく、装置に供給される電気エネルギーを最適化するために、これらの次元に沿って変更されうる。さらにまた、これらの時間的かつ空間的に流動的な電気的構成は、デジタル電池そのものの再充電または電気的調整時にも使用されうる。
【００４８】
本発明にしたがったセルは、亜鉛／二酸化マンガン、亜鉛／酸化銀、リチウム／酸化コバルト、ニッケル／カドミウム、ニッケル／金属水素化物、金属／空気等のさまざまな電気化学電池対物質のいずれかよって構成されてもよく、または水素−酸素等の燃料電池対物質によって構成されてもよく、またはＰおよびＮ型シリコン等の光電池対物質または原子力電池（Ｐ、ＮまたはＰＩＮ接合とトリチウム等の関連あるβ粒子放出体）によって構成されてもよい。これらのセルは、蓄電池またはインダクタ（これらを組み合わせたものは、「タンク回路」を構成する）等のその他の電気エネルギー蓄積装置によって構成されうる。さらにまた、これらのセルは、ボルタ熱電池（たとえばバイメタルの対物質）、誘導性素子、容量性素子（たとえば圧電素子）または前記システムのあらゆる組合せ等の、電流または電荷を生じしめる何らかのエネルギー変換器によって構成されうる。
【００４９】
セルの外装、間隔、セル形状等は、いかなる適切な構成であってもよく、電流要件（Ａｈ、アンペア）に合わせて調節されうる。たとえば、一般的な従来の消費者向け携帯式電子機器用のセルの大きさは、直径約０．５ｍｍ〜約２ｃｍである。
【００５０】
必要とされる電気的特性を生じしめるために必要な個数のセルが用いられうる。たとえば、１００ボルトの電圧が必要とされ、セルが、約１．３５ボルト〜１ボルトの範囲内の動作電圧を有するニッケル−ニッケル金属水素化物の電気化学セル対物質によって構成される場合は、（１．０ボルト／１個のセル）×（Ｘ個のセル）＝１００ボルト、よってＸ＝１００ボルト／（１個のセル／１．０ボルト）＝１００個のセルであるから、システムは、明らかに約１００個のセルを必要とすることになる。
【００５１】
これらのセルは、本質的にいかなる幾何学的形状をも有し得、好ましい形状は、円の直径を上回らない高さを有する円形である。このため、半電池（たとえば陽極または陰極）は、最小時には本質的に平らな円盤を形成し、最大時には半球を形成する三次元形状を有する。
【００５２】
これらのセルは、本質的にいかなる立体構造にも配置されうるが、最大限のエネルギー密度を達成するためには、（セル間においてその他の物体を配置する必要性等のその他の制約がないと仮定すると）セルを等距離に配置して矩形の二次元または三次元格子を形成させるとよい。
【００５３】
本発明にしたがったデジタル電池は、ドーム状セルを有して構成されうる。多層形（巻物状または角柱状の体裁）の場合は、ドーム状セルを矩形の格子状にすることが一般に好ましい。ドーム状セルの実施例は、以下のようにして構成されうる、導電性の箔またはフィルムシートが、陽極および陰極集電子として用いられる。これらの集電子は、エンボス加工されて、パターン状のくぼみが形成され、これらのくぼみ内に、適切な電池用化学組成物が、シルクスクリーニング、印刷、スプレー被覆、ドクターブレード法等の方法によって付着せしめられる。隣接するくぼみ間の領域は、接着剤により被覆されうる。次に、陽極および陰極シートが、電池セパレーター材料の対向する側部に取り付けられる。こうした組立後に、集電子材料がパターン形成（たとえばエッチング等により）されて、各個別セルの上において集電子が形成される。加えて、セル間の相互接続が同様にパターン形成される。このドーム状セル配列が、多層構造に用いられる場合は、ドーム状セルを互いに嵌合させるか、または入れ子状にして、電力密度を増大させ、かつ安定性を得ることができる。
【００５４】
プリント回路基板内または基板上または「基板内」構成に用いる場合は、しばしば、コア井戸配列が好ましい。コア井戸配列は、非導電性かつ不浸性の多孔コア材料（たとえばポリ塩化ビニルのカード）を用いて形成される。コア井戸配列のデジタル電池は、たとえば、導電性陰極集電子（たとえば銅箔）と、井戸配列を有する陰極コア半分体（非導電性かつ不浸性の耐化学薬品性プラスチック）と、コア井戸内の陰極用化学組成物と、接着剤層（剥離フィルムを有する）と、電池セパレーター（たとえば微孔性ナイロン）と、接着剤層（剥離フィルムを有する）と、井戸配列を有する陽極用コア半分体と、コア井戸半分体内の陽極用化学組成物と、導電性陽極集電子とからなる規則正しい積層状の積重体によって構成される。コア井戸配列は、たとえば、陰極コア半分体が、一方の面において、剥離フィルムで裏当てされた接着剤層に積層される段階と、次に、接着剤が積層された陰極コア半分体が、貫通穿孔されて、穴または井戸配列が形成される段階と、次に、穿孔されたコア半分体の残りの（外側）面に導電性フィルムまたは箔（たとえば銅箔）が積層される段階と、次に、所定の電池陰極用化学組成物が、ペースト状または粘性液体状の形態で、前記コア半分体の上面かつ内向き側部に施されるとともに、ドクターブレード、スキージー、ローラまたはその他の適切な方法を用いて穴（または井戸）内に押し込まれる段階と、次に、前記コア半分体の上の接着剤層を覆う剥離フィルムが除去される段階と、次に、シート状電池セパレーター材料が前記接着剤（または熱可塑性材料）に取り付けられる段階と、次に、合致するコア半分体が、前記陰極用化学組成物とともに電気化学電池対物質を形成するように選択される陽極用化学組成物によって満たされることといかなる電池セパレーター材料も取り付けられないこととを除いて、前記のようにして製作される段階と、次に、２個の補完的なコア半分体の上面が、２個のセル井戸配列の整合性が維持されるような態様で互いに押圧される段階とによって製作される。その結果として得られる積層体の表面は、２個の導電性集電子層（たとえば、一方または両方の側部上において保護性または導電性プラスチックにより覆われた銅箔）により形成される。完全なコアセル配列の箔表面をエッチング処理またはパターン形成して、個別のセルのそれぞれの集電子陽極および陰極を形成させることができる。さらにまた、前記導電性の表面をエッチング処理またはパターン形成して、所定のセル間において相互接続部を形成させることができる。バイアまたはマイクロバイアは、電池セル間の基板空間内において、標準の板材貫通技術またはこの技術を改良したものを用いて形成されうる。ドーム状セルとセル井戸との構成を、ひとつのセル半分体に一方の構成を用い、かつ補完的なセル半分体に他方の構成を用いることによって組み合わせることができる。この複合体は、たとえば配列がプリント回路基板の表面上に一体化される場合に有利でありうる。その後、配列の井戸半分体は、下地となるプリント回路基板に積層される一方で、ドーム半分体は、プリント回路基板の表面上に定着せしめられる。この構成は、潜在的に、さらなる熱伝達またはガス交換（ハイブリッド燃料電池用）を可能にしうる。
【００５５】
本発明にしたがったデジタル電池により、回路に所要電圧および電流を電池から直接供給することによって、電力調整装置が排除される。デジタル電池は、サブセットをなすセルを割り振り、かつ接続して、電気回路内の各素子（負荷）に該素子が必要とする電圧および電流を供給することによって、これを達成する。この電力の選択的割振りは、デジタル電池内のセルがゲートアレーを介して直列または並列（またはそれらの組合せ）の構成に接続されて、電気回路内のさまざまな素子の固有の電気エネルギー必要量を得る動的手法を用いて達成されうる。同じ電気的要件を有する回路素子は、同じ特定のセル群から電力を受けることができるが、好ましくは各電気負荷は、他の負荷と共有されない独自の組状のセルを有する。このように異なる組状のセルを設けることは、たとえば電気的絶縁、電気的ルート割当またはその他の要因が重要性を持つ場合に、特に望ましい。
【００５６】
電池の信頼性は、デジタル電池が不良単位体を切り離し、かつ予備として取り置かれているセルと積極的に交換しうること、またはセルの接続性を再構成することによって、高められる。これは、短絡または開回路セルまたは不良セルが、一般に電池全体の故障をもたらす従来の技術とは対照的である。さらにまた、単セル電池（たとえば１．５ボルトの単１電池）において、絶縁的な内部短絡は、一般に電池の故障をもたらす。逆に、本発明によれば、任意のデジタル電池セルにおける絶縁的な短絡は、その特定のセルの発電容量の損失をもたらすだけである。このセルの発電容量は、デジタル電池配列の総発電容量の１パーセントに相当するだけでありうる。
【００５７】
陽極と陰極との間における密接並置（たとえば、ある程度の圧力によりセパレーターに接触せしめられる薄い陽極および陰極）は、電池セルの内部抵抗を低下させることが理解される。このことは、さらにまた、抵抗熱として放散および空費されるエネルギーの減少をもたらす。ひとつの実施例にしたがったデジタル電池は、相対的に薄い平面状セル配列によって構成される。このため、これらのセルの陽極および陰極は、相対的に互いに密接して配置される。加えて、セル密封体の相対的に大きい周方向距離と個別のセルの相対的に小さい直径とにより、内部の電池用化学組成物に加えられうる圧力は、従来のウェーハ型電池の化学組成物に加えられる圧力より著しく大きくなる。この要因は、さらにまた、デジタル電池セルの内部抵抗を減少させ、以ってその効率と電流発生容量の大きさとを増加させる。
【００５８】
電力調整に関連ある抵抗器およびその他の受動的および能動的装置等を含む電気回路内の多くの構成要素は、本発明にしたがって排除されうる。
【００５９】
本発明にしたがって電気エネルギーを供給すると、電力調整に関連ある嵩高い誘導素子の個数を減少させることができる。このため、より小型の回路基板にすることが可能になる。プリント回路基板を小型化することは、製品を小型化することに等しく、これは、さらにまた製品を軽量化することに等しい。
【００６０】
各セルを独立的に検査する機能を有するロールツーロール（ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ）製造は、セルの製造費を削減する。個別のセルの電気的特性を監視し、かつ評価して、最良の総合的な電気的特性を有するデジタル電池セル配列を、たとえば「特級」（たとえばいかなる不良セルも見られない部分または配列）として指定する一方で、それより劣る電気的特性を示す（たとえば単位面積毎の不良セルの個数がそれより多い）ものを相応に等級付けすることができる。不良素子を有する配列でも、たとえば最高の電力密度が必要とされない用途に用いられうる。このことは、電池製造元が従来は１個以上の不良セルを有する電池を廃却することを求められたことと対比されるべきである。このように、本発明にしたがったデジタル電池の製造元では、結果的に廃却される製品がはるかに少なくなり、したがって製造費が削減される。
【００６１】
電子製品の費用の削減は、たとえば、変圧器、インバータ、荷電ブースター、変換器およびバック調整装置等の必要とされる電圧および電流調整構成要素の個数の大幅な減少を含む、本発明に付随するさまざまな要因によってもたらされる。前記構成要素が排除されることにより、さらにまた、必要とされる回路基板の大きさが減じられる。回路基板の大きさが減じられることにより、一般に、製品の大きさが減じられる。このため、材料が節約されるとともに、製品の魅力が高まる。嵩高い電流調整構成要素が排除されるため、結果として得られる電子製品の重さと大きさとを減少させることが可能になる。新規な非常に望ましい電子製品（たとえば、電動式スマートカード）を得ることが可能になる。構成要素の個数が少なくなることによって、信頼性が高まる。電圧および電流調整装置は、熱として失われる電力を消費する。調整装置の個数の減少は、熱として失われるエネルギーを減少させる。本発明にしたがったデジタル電池配列形式は、最先端のボールグリッドチップおよびフリップチップ半導体実装構成と両立可能である。
【００６２】
多くの場合、電池の故障は、デンドライト穿孔または電池セパレーターの破損等の局所的な事象によって引き起こされる。この事象は局所的であるが、従来の電池形式においては、電池全体を短絡させる。このようなデンドライトにより引き起こされる短絡が、本発明にしたがったデジタル電池配列において生じても、短絡を起こしたセルをスイッチ切換えにより電池回路から除外するとともに、その他のセルから電気的に絶縁することができるため、このセルだけが故障することになる。そうすることで、残りの電池の機能性は維持される。このため、電池の寿命が長くなる。さらにまた、故障の確率は、電池の表面積とともに増大する。このため、大きい表面積を有する電池（または多くの一体的セルを有する電池）は、局所的な不良による寿命の短期化を被りやすくなる。
【００６３】
再充電可能な携帯式電子製品における一般的な問題は、特定の再充電器を用いて充電されなければならないことである。特定の再充電器を持っていない（紛失したか、または手元にない）場合またはさまざまな理由によって使用できない（再充電器は、１１０ボルトの交流を用いて９ボルトの直流を発生させるが、ユーザは、１２ボルトの直流しか供給できない自動車に乗っている）場合は、電子装置は、再充電不能かつ使用不能となる。デジタル電池は、さまざまな一般的な電源を再充電に利用できるように電池セルを再構成することを可能にすることによって、この問題を解決する。すなわち、装置が通常は９ボルトの直流しか受け入れない前記の状況において、デジタル電池の３ボルトの直流のセルは、電気的論理制御の下で再構成されて、４個の直列グループ（３ボルト×４＝１２ボルト）を形成して、電気装置が１２ボルトのシガーライタソケットを用いて装置を再充電することができるようにしうる。
【００６４】
従来の技術では、電力は、局所的な電源からプリント回路基板全体を横切ってルート割当されなければならない。このため、基板空間の膨大な量を占める（多数の肉厚かつ幅広の経路）とともに、その長さと有限の電気抵抗とのために、電力を消費（望ましくない熱に変換）するだけでなく、望ましくない電圧降下をも引き起こす長い電流誘導路（肉厚かつ幅広）が必要とされる。デジタル電池は、プリント回路基板の面積範囲全体にわたって分散配置される電源を提供することにより、電力経路によって用いられる基板空間を最小限に抑えるとともに、電力経路の電気抵抗による電力（および電圧）損失を最小限に抑える。たとえば、特定の装置が９ボルトの電圧を必要とする場合は、該装置に最も近いところに配置された少なくとも３個の３ボルトのセルが直列に接続されて、該装置に必要とされる９ボルトの電力を供給しうる。
【００６５】
さまざまな電気的構成要素を互いに電気的に絶縁することが望ましい場合もある。現在のところ、これは、光アイソレータ、変圧器および分離された電池電源等によって達成されている。これらのいずれの方法も、費用の増加と電気装置の複雑化とを招く。本発明にしたがったデジタル電池は、必要に応じて各電気素子に別々の電源を提供することにより、個別の構成要素の電気的絶縁を可能にする。これは、デジタル電池を電気的に細分化して、サブセットをなすデジタル電池セルがもっぱら特定の電気構成要素を付勢しうるようにすることによって達成される。
【００６６】
電気化学電池セルは、その特定の化学組成物により、異なる電圧および電流発生能力を有する。これらの能力は、特に放電時間によって著しく変化しうる。たとえば、あるセルは、一般に、放電初期の短い期間中は、より高い電圧でより多くの電流を供給する。この初期「バースト」後の電流発生能力は、初期バーストより実質的に低くなる。この初期バーストの電流供給容量を、従来の手段を用いて引き延ばされる時間より長くすることが望ましい状況もある。デジタル電池は、特にセル列間における連発的サイクル動作を可能にして、最初の組状のセルがもはや必要とされる高い放電率を維持することができなくなるやいなや新しい組状のセルが作動するようにすることによって、ピーク電流の発生継続時間を長くすることができる。次のセル列が「一時的出力ピーク」を過ぎるやいなや、最初の組状のセルがスイッチ切換えにより再び回路に編入されて、必要とされる高電流を供給しうる。これが可能であるのは、電気化学セルが短時間で再生されて、再び初期の高出力電流を供給できるようになるためである。これは、部分的に、セル内の拡散力学による。
【００６７】
ある特定の電池において用いられるセルの空間的構成を変更することが望ましい場合もある。デジタル電池がこのような空間的調整を可能にするのに対して、従来の電池技術では、こうした特徴を得ることはできない。たとえば、電気回路内の電池または構成要素のいずれかの加熱を防ぐために、動作中の電池セルが、その他のセルまたは高温の素子から空間的に分離されうる。このようにして、熱放散を最大限に高めることができる。これに代わる方法として、たとえば、電気素子が低温環境において用いられる場合は、動作中のデジタル電池セルをグループ分けして、以って熱放散を制限することが有利かもしれない。電池による発電が低温によって阻害されうるため、このようにすることが望ましい。
【００６８】
たとえば、ドーム状セル配列は、高い立体配置的柔軟性を有するとともに、三次元的形状をとりうるため、デジタル電池を、電気素子そのもののケースまたは外囲体等の射出成形物内に内蔵することが可能である。デジタル電池を鋳ぐるむことにより、別個の電池室が必要とされないため、素子をより小型にすることが可能になる。
【００６９】
一部の電池用化学組成物は、放電時（たとえば鉛−酸）または充電時に吸熱を伴う。したがって、冷却を要する素子に隣接する吸熱性セルを使用し、かつ放電させることによって回路基板上の電気的構成要素を冷却することができる。これに代わる方法として、セルの化学組成物が充電時に吸熱を伴う場合は、冷却を要する素子に隣接するセルを、該冷却を要する素子に隣接するセルによって再充電することができる。
【００７０】
電池配列の電気的柔軟性は、一部のセルを充電しながら、また他のセルを使用して放電させることができるというような柔軟性である。充電レベルは、セル間において異なってもよく、一部のセルを充電しながら、また他のセルを放電させることができる。１個以上のセルがエネルギーを吸収している場合は、このことを電力調整において利用することができる。
【００７１】
デジタル電池と一体化されたプリント回路基板は、スマートカードとして用いられるのに適している。時計バンドまたはカメラ用肩ひもに一体成形されるデジタル電池は、腕時計およびカメラの付勢において幅広く適用されうる。
【００７２】
セル間の接続性は、好ましくは動的構成においてランダムアクセス制御される。このため、いかなる特定のセルも、あらゆるその他のセルと並列および／または直列構成に接続されうる。
【００７３】
動的電池配列は、好ましくは基材上において支持される。この基材は、セルの要件に適合するものでなければならない。セルが本質的に電気化学セルである場合は、基材は、電解液が用いられるのであれば、電解液を閉じ込めることができなければならない。電源セル（たとえば燃料電池等）が気体を発生または消費する場合は、基材は、この気体を閉じ込めることができるか、または場合によっては所定の気体を選択的に透過させることができなければならない。たとえば、ハイブリッド燃料電池においては、陰極により酸素が用いられることがあり、気体燃料が燃料電池の陽極に用いられる。基材は、充電または放電時におけるセルの膨張および収縮に対応できることが求められうるとともに、セルの温度サイクルに耐えることができなければならない。
【００７４】
特定の負荷の所要電力が非常に低い場合は、充電は、１個以上の高周波アンテナを用いて達成されうる。高周波エネルギーが、充電用または場合によっては直接電源として用いられうる。
【００７５】
セルの外装、間隔、セル形状等は、いかなる適切な構成であってもよく、電流要件（Ａｈ、アンペア）に合わせて調節されうる。たとえば、一般的な携帯式電子機器用のセルの大きさは、直径約０．５ｍｍ〜約２ｃｍである。いかなる理論にも縛られたくないが、セルの大きさは、適切なナノ製造技術および工程を用いて原子レベルまで減じられうると確信される。理論的には、電池セルは、化学式を表す個数の原子および分子まで縮小されうる。たとえば、陽極となる１個のリチウムイオンと約６個の炭素原子の環式化合物によって構成される炭素ナノチューブと、陰極となる数個の酸化コバルト分子とが、理論的には電池セルを構成する。
【００７６】
デジタル電池は、初めて、全体の電池そのものの電圧または電流発生容量を明らかに低下させることなしに、個別の電気化学セルの大きさと体積とを大幅に減少させることができる実際的な方法となりうる。物理学および化学の分野から、物理的現象を支配する基本原則の特徴が、ある小さな次元において実質的に変化することは明らかである。この現象は、一般に「量子効果」と呼ばれてきた。たとえば、こうした量子効果は、近年拡大され、現在では、炭素ナノチューブにおいて「超」電導性をもたらし、かつダイオードの「量子井戸」接合により予想外に高い効率で光の生成をもたらすことが認められている。前記およびその他の知見から、電気化学セルの大きさと体積とをある限界値まで減少させると、「量子電気化学井戸効果」が得られるであろうと確信される。この点において、エネルギー密度と瞬間的電流発生容量とは、非線形的態様で実質的に変化するであろう。
【００７７】
好適な実施例を説明したが、これらの実施例は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなしに改変または変更されうる。前記教示に鑑みて、本発明の多くの改変形態および変形形態が考えられうる。したがって、添付の特許請求の範囲内において、本発明を特に記載の態様以外の態様で実施しうることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】従来のクレジットカードまたはデビットカードの形式に適用される本発明の好適な実施例の線図である。
【図２】さまざまなセルおよび動的構成を示す本発明にしたがった電池配列の線図である。
【図３】一般的なものに番号が付された複数個のセルと、符号を付された複数個の個別バスとを示す動的電池配列の線図である。
【図４】図３の番号のセルに対応する番号が付されるとともに、接続部の極性が図示されている、前記セルに接続可能なコネクタピンを示すスイッチ配列の線図である。
【図５】図３の符号のバスに対応する符号で識別される電気負荷を示す回路の線図である。
【図６】ある特定の個別セルが瞬間的に接続されて、それぞれ負荷Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ（図５）に接続される個別バス（太線で図示）を形成する、図３の電池配列と同様の動的電池配列の線図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０    電池配列
１４、１６、１８    領域
２０    セル
２２    電源セル
【図１】
2005527066.tif 000003
【図２】
2005527066.tif 000004
【図３】
2005527066.tif 000005
【図４】
2005527066.tif 000006
【図５】
2005527066.tif 000007
【図６】
2005527066.tif 000008
【国際調査報告】
2005527066.tif 000009