JP2001511586A - 集積相互接続基板を用いる半導体エネルギー貯蔵モジュール - Google Patents

集積相互接続基板を用いる半導体エネルギー貯蔵モジュール

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JP2001511586A JP2000504613A JP2000504613A JP2001511586A JP 2001511586 A JP2001511586 A JP 2001511586A JP 2000504613 A JP2000504613 A JP 2000504613A JP 2000504613 A JP2000504613 A JP 2000504613A JP 2001511586 A JP2001511586 A JP 2001511586A
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energy storage
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ロウイラード，ジーン
コムテ，クリストフ
デイグル，ドミニク
エー． ハーゲン，ロナルド
ビー． ナドソン，オーリン
モーリン，アンドレ
ランジャー，ミッシェル
ロス，ガイ
ロウイラード，ロジャー
サン−ジェルマン，フィリップ
スーダノ，アンソニー
エー． タージョン，トーマス
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ミネソタ マイニング アンド マニュファクチャリング カンパニー
ハイドロ−ケベック コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 本発明は改良された電気化学的エネルギー貯蔵装置に向けられるものである。電気化学的エネルギー貯蔵装置は集積相互接続基板を用いて選択的に直列又は並列に相互に接続される多数の半導体薄膜の電気化学的電池を含んでいる。相互接続基板は典型的には電気化学的電池を収容するシールされたハウジングの内部に配設され、またそれぞれがエネルギー貯蔵装置の第１及び第２の電力端子に接続された第１の接触子と第２の接触子を含んでいる。相互接続基板は有利にはハウジング内部の電気化学的電池の位置に関係なしに、電気化学的電池と選択した直列又は並列の接続ができる。１つの実施態様では、伝導性材料のシートが公知のフライス加工、打抜き、又は化学的エッチングを用いて処理され、密封状にシールされるハウジング内部の個々の電気化学的電池との適応性のある選択した相互接続が得られる接続パターンを含むようにする。フューズと、例えばバイパス、等化器のような種々の電気及び電子−機械的装置と、通信装置とがまた相互接続基板に取付けられ電気化学的電池に選択して接続される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の分野 本発明は一般にエネルギー貯蔵装置に関し、さらに詳細にはシールされたハウ
ジングの中に配設された多数の独立したエネルギー貯蔵電池を選択的に相互接続
する装置と方法に関する。 発明の背景 新しい改良された電子及び電気機械装置に対する要求は低容量のパッケージ（
容器）の中で高いエネルギーを発生するバッテリ技術を開発するためエネルギー
貯蔵装置の製造に大きな力点を置いている。例えば鉛蓄電池を用いるバッテリの
ような従来のバッテリ装置は高電力、低重量の用途に用いるには適当でない場合
が多い。他の公知のバッテリ技術は消費者の製品の用途に用いるにはあまりにも
不安定であり又は危険であると考えられる。
【０００２】 金属水素化物（例えばNi−MH）、リチウム−イオン、及びリチウムポリマー電
池技術のような、多くの商業上の用途や消費者の用途のためにエネルギー生産と
安全上の限界の要件が得られると思われる多数の進歩したバッテリ技術が最近開
発されている。しかしこのような進歩したバッテリ技術はしばしば進歩したエネ
ルギー貯蔵装置の製造に関する問題を提供する特徴を示している。
【０００３】 従来の進歩したバッテリの構造によれば、個々の電池が一まとめにしてバッテ
リのプラスとマイナスの電力端子に配線で接続されている。バッテリ構造に組込
まれる種々の電子構成要素もまた各電池に配線により接続しなければならない。
このような従来の相互接続方法は、電池と構成要素との間で直列及び／又は並列
の配線による接続を変更しようとした時は、たとえあったとしても適応性は少し
しか得られない。
【０００４】 さらにまた、従来の進歩したバッテリの製造に典型的に用いられる配線工程は
一般に複雑であり時間を要するものである。従来の進歩したバッテリの製造者に
特に関係する組立上の不備は配線工程の間に発生する意図しない配線の短絡を伴
う。このような製造上の不備は典型的にはバッテリの性能と使用寿命の低下をも
たらし、またしばしば著しい安全上の問題を生じる。
【０００５】 進歩したバッテリ技術の他の特徴は進歩したエネルギー貯蔵装置の設計者に対
してさらなる問題を提供する。例えば、一定の進歩した電池構造は電池の充電の
状態が変化する結果として周期的な容量の変化が生じる。このような電池の全容
量は充電と放電のサイクルの間５から６パーセントも変動する。このような電池
の物理的な大きさの反覆する変化は機械的なハウジングの設計と電気的接続計画
を複雑にする。進歩したバッテリ電池の電気化学的、熱的、及び機械的特徴は典
型的には良く理解されまた商業上の及び消費者の器具及び装置において用いるの
に適したエネルギー貯蔵装置を設計する時適切に考慮されなければならない。
【０００６】 進歩したバッテリ製造産業において、高工エネルギー出力を生じるエネルギー
貯蔵装置と広範囲の用途に安全に信頼して使用できるエネルギー貯蔵装置とが必
要である。さらにシールされたハウジングの内部に収容された多数の独立したエ
ネルギー貯蔵電池を相互に接続する時に適応性と信頼性とをもたらし特定の電流
及び電圧の定格に合致するようにした効果的な相互接続方式が必要である。本発
明はこれらのまた他の必要性を満足させるものである。 発明の概要 本発明は改良された電気化学的エネルギー貯蔵装置を目的とするものである。
この電気化学的エネルギー貯蔵装置は集積相互接続基板の使用を介して選択的に
直列又は並列に相互接続された多数の半導体薄膜の電気化学的電池を含んでいる
。この相互接続基板は典型的には、電気化学的電池を収容しかつエネルギー貯蔵
装置の第１及び第２の電力端子にそれぞれ連結された第１の接触子と第２の接触
子を含んでいるシールされたハウジング又は殻体の内部に配設される。相互接続
基板は有利にはハウジング内部の相互に対する電池の位置に関係なく電気化学的
電池との選択した直列又は並列の接続を提供する。１つの実施態様においては、
１枚の伝導性材料が公知のフライス削り、打抜き、又は化学的エッチング技術を
用いることにより処理され、密封状にシールされたハウジングの内部の個々の電
気化学的電池の適応性のある選択した相互接続を提供する接続パターンを含むよ
うにする。エネルギー貯蔵装置の電圧及び電流の特徴は接続パターンの形状を変
えることにより変更することができる。フューズと様々な電気及び電子−機械的
装置、例えばバイパス、等化器及び接続器のような装置がまた相互接続基板に取
付けられそして電気化学的電池に選択して接続される。 実施態様の詳細な記載 図面、そして特に図１を参照すると、電気エネルギーを貯蔵するための多数の
再充電可能な半導体薄膜電気化学的電池を用いるエネルギー貯蔵モジュール35の
実施態様の部分図が与えられる。このような再充電可能な薄膜電気化学的電池は
特に、例えば電気駆動自動車に用いられるエネルギー貯蔵装置のような高電流高
電圧エネルギー貯蔵モジュール及びバッテリの構成に用いるのに良く適合してい
る。
【０００７】 図１に示されるように、エネルギー貯蔵モジュール35は、積層構造46で配設さ
れハウジング48の中に位置している多数の個々の電気化学的電池50を含んでいる
。電気化学的電池の各々は電池50の対向する縁に配設された一対の電気導線52を
含んでいる。電気化学的電池50の全体の積層体46は様々な並列及び直列関係に相
互接続され所望の電流定格と電圧定格が達成されるようにすることが理解される
であろう。電気化学的電池50の積層体46の内部の選択した直列又は並列の接続を
容易にするため、相互接続基板30がハウジング48の内部に位置している。
【０００８】 相互接続基板30は、基板30がハウジング48の内部に取付けられた時予め形成さ
れた接続構造により電気化学的電池50を相互に接続する接続パターン又は伝導格
子32を含んでいる。この接続パターン又は格子32は典型的には実質的に剛性のプ
ラスチック又は積層材料のような１枚の絶縁材料34に付着され又は接着される。
多数の電気及び電子−機械的構成要素がまた相互接続基板30に取付けられる。
【０００９】 例えば図１に示されるように、相互接続基板30は、多数のフューズパック40と
等化器及びバイパス装置42とプラス及びマイナスの電力端子38，36とを含んでい
る。相互接続基板30を配置する構成要素のいずれか又は全てが相互接続基板30と
は異なる基板又は台の上に取付けられ、そしてモジュールハウジング48の内側又
は外側に位置していることが理解される。１つの実施態様では、図１に示される
相互接続基板30と電気化学的電池50とは密封状にシールされたハウジング48の中
に配置され、これはさらに図６を参照して記載される。
【００１０】 図２に最も良く示されるように、相互接続基板30は典型的には、予め設計され
た接続配置による自律的な電気化学的電池50の相互接続を有利に提供するパター
ン化された伝導表面32を含んでいる。パターン化された相互接続基板32を有する
相互接続基板30を用いることにより得られる大きな利点は、ハウジング48の内部
の相互に対する個々の電気化学的電池50の位置とは無関係にかつ混乱することな
く、所望の電流及び電圧の定格が達成できる適応性に関するものである。
【００１１】 実例として特に図２〜３を参照すると、相互接続基板30の相互接続表面32は所
望の電池接続配置構造が達成されるよう選択してパターン化される。この実施態
様では、相互接続表面32は特定の番号の電気化学的電池50のプラス及びマイナス
の接触子52と電気的に接続するため予め設計された多数の電気的に絶縁された接
続部分を含んでいる。この図示された実施態様によれば、７つの絶縁された接続
部分Ｒ1 〜Ｒ7 が相互接続基板30のパターン化された相互接続表面32を構成する
ものとして示されている。
【００１２】 相互接続基板30がハウジング48の内部に電気化学的電池積層体46に近接して取
付けられた時、電気化学的電池50の第１群の電気接触子52が位置54ａで接続部分
Ｒ1 と接触する。電気化学的電池50の第１群の電気接触子50の反対側の組は接続
部分Ｒ2 と位置54ｂで電気接触する。この配置構造において、接続部分Ｒ1 はマ
イナスの電力端子36に電気接続される。
【００１３】 第２群の電気化学的電池50は接続部分Ｒ3 とＲ2 に位置56ａと56ｂでそれぞれ
接続されるそれぞれの対向する組の電気接触子52を有している。第３群の電気化
学的電池50は接続部分Ｒ3 ，Ｒ4 に位置58ａと58ｂでそれぞれ接続されるそれぞ
れの対向する電気接触子52を有している。後に続く群の電気化学的電池50は接続
部分Ｒ5 ，Ｒ6 及びＲ7 に同様に接続されるそれぞれの対向電気接触子52を有し
ている。接続部分Ｒ7 はプラス電力端子38に電気接続されることが認められる。
【００１４】 変わった配置構造の任意の数の接続部分が相互接続基板30の相互接続表面32に
設けられることが理解される。図２〜３に示される接続部分Ｒ1 〜Ｒ7 の各々が
一群の電気化学的電池50と電気的に通じているが、１つの接続部分が単一の電気
化学的電池50にのみ電気的に通じるように選定できることが理解される。第１群
の電気化学的電池50が接続部分Ｒ1 とＲ2 に対して並列の関係に接続されている
ことがわかる。同様に、第２群の電気化学的電池50は接続部分Ｒ3 とＲ2 に対し
て並列に接続される。
【００１５】 選択された電気化学的電池50との選択された絶縁接続部分での電気接続が形成
されると、これら接続部分はついで電気導体及び／又は構成要素の使用を介して
直列又は並列に相互接続される。このようにして橋絡する選択された絶縁接続部
分は例えばプラス電力端子38と接続部分Ｒ1 〜Ｒ7 の各々を通りそしてマイナス
電力端子36を通って電流が流れるようにする電流路を区画形成する。
【００１６】 １つの実施態様においては、単一の短絡回路ブリッジ又は接続器が用いられ接
続部分Ｒ1 〜Ｒ7 を選択して所望の方法で相互接続し電流がモジュール30を通っ
て流れるようにする。他の実施態様では種々の電気又は電子−機械的な構成要素
が、絶縁された接続部分の間の電流の流れを制御する相互接続基板30上に配設さ
れる。
【００１７】 当業者は、本発明の原理により実施される相互接続基板30が任意の数の電気化
学的電池50を任意の所望の直列又は並列に適応性をもってかつ選択して接続する
ことを理解するであろう。相互接続基板30はさらに種々の制御及び監視装置を電
気化学的電池に対して直列又は並列に容易に集積化することができる。相互接続
表面32は様々な予め設計された接続配線によりパターン化され所望の電圧及び電
流の定格が達成できるようにする。広範囲の電力の要求を満足させるエネルギー
貯蔵モジュールの製造性は、例えば種々の相互接続表面の配置構造を有する多数
の相互接続基板30の中から選択し選択された相互接続基板30を選択されたモジュ
ールハウジングの中に取付けることにより、著しく向上される。多数の異なった
モジュールハウジングの配置構造は、特定用途のエネルギー発生の要求に基づい
て特定の数の電気化学的電池を収容するように設計されまた製造される。
【００１８】 ここで図４Ａを参照すると、多数の制御装置が取付けられた集積相互接続基板
30の１つの実施態様の頂面図が提供される。図４Ａ〜４Ｂに示される実施態様の
いずれも、相互接続基板の底は図２〜３に示される配置構造におけるのと同様の
相互接続表面を含んでいる。図４Ａに示される配置構造では、エネルギー貯蔵モ
ジュール48はそれぞれが８個の並列接続の電気化学的電池50を具備する６個の電
池パックの群に分けられた48個の個々の電気化学的電池50を含んでいる。図４Ｂ
に示される実施態様では、エネルギー貯蔵モジュールは８個の並列接続の電気化
学的電池50を具備する８個の電池パックの群に分けられた64個の個々の電気化学
的電池50を含んでいる。
【００１９】 図４Ａの６個の電池パックの各々に関連して、８個のフューズ（図示しない）
を含みその１つのフューズが電池パックの８個の並列接続の電気化学的電池50の
１つと直列に接続されているフューズパック40がある。フューズパック40の内部
のフューズは励起された時欠陥のある電池を電池パックの残りの電池から電気的
に絶縁することができる。図４Ｂに示される相互接続基板70は８個のフューズパ
ック40を含みまた相互接続基板の温度を監視する温度センサー72を含んでいる。
フューズは典型的には、例えば電池パックの特定の電池の内部に短絡回路が形成
されると励起される。
【００２０】 電流バイパス装置がまた相互接続基板30／70に取付けられそして励起された時
電池パックを欠陥電池パックの周りで直列接続のバイパス電流から絶縁する電池
パックと直列に接続される。 等化装置がさらに過剰電圧からの保護と充電及び放電作用の間の電池パックの
電位の平衡とを提供する電池パックと並列に接続される。
【００２１】 １つの実施態様では、等化装置とバイパス装置は図４Ａに示される等化／バイ
パスモジュール45のような単一の集積された構成要素のパックに合体される。さ
らに、通信装置が電池パックの各々に接続され内部又は外部の制御装置又は処理
装置による個々の電池パックの監視と制御を容易にしている。また、温度センサ
ー47／72が相互接続基板30／70に取付けられる。
【００２２】 図５Ａ〜５Ｃには、上記したような相互接続基板30／70に取付けられる集積さ
れた等化器／バイパスモジュール45の実施態様が示されている。集積等化器／バ
イパスモジュール45は有利には相互接続基板30／70に取付けられた接触端子67，
69を介して等化及びバイパス状態の間に発生した熱を効果的に消散することので
きるコンパクトなハウジング構造を提供する。接触端子67, 69を介して相互接続
基板30／70に伝達された熱はさらに、後にさらに詳細に説明されるように、電池
から延びハウジングの壁に接触する熱伝導体を介してハウジングの壁に伝達され
る。
【００２３】 １つの実施態様では、集積等化器／バイパスモジュール45は2.75インチの全長
ＬT を有している。等化器／バイパスモジュール45のハウジング65は2.25インチ
の長さＬM を有している。等化器／バイパスモジュール45の全幅Ｗr は1.50イン
チであり、またプラスとマイナスの端子67, 69の幅は1.25インチである。ハウジ
ング65の高さＨT は 0.625インチであり、そしてプラス及びマイナスの端子67，
69の高さすなわち厚さは0.05インチである。等化器／バイパスモジュール45は相
互接続基板30／70に取付けられる。相互接続基板30／70の接続表面32は0.05イン
チの厚さを有するパターン化された銅のプレートを含んでいる。この伝導シート
の厚さは比較的高い電流を通過させるために必要とされ、そして実際には通常の
フォトエッチの印刷回路板(PCB) 技術を利用するのを不可能にする。
【００２４】 等化器／バイパスモジュール45によって発生された熱は典型的には集積モジュ
ール45と相互接続基板30／70とからモジュールケーシング48の壁に伝達される。
この設計により、等化器は約15ワットの熱の発生をもたらす５amps（アンペア）
のオーダーの電流を通すことができる。当業者はこの等化器の高電流の定格が比
較的高い比率のエネルギー貯蔵装置の充電と放電を提供することを理解するであ
ろう。
【００２５】 図２〜３に戻ると、相互接続基板30／70の１つの実施態様は多数の構成要素が
取付けられたプラスチックシート34と、相互接続表面32を形成するためパターン
化された別の１枚の電気伝導性材料とを含んでいる。パターン化された伝導性シ
ートは続いてプラスチックシート34に付着される。１つの実施態様では、伝導シ
ートは0.05インチの厚さとモジュール35の大きさに依存して変わる幅と長さとを
有する銅のシートを構成する。この銅シートはフライス加工され予め設計された
パターン配線により個々の接続部分がこのシートの上に形成されるようにする。
このパターン配線は銅シートの容積と重さを最小にするよう設計すべきであるこ
とが分かる。
【００２６】 銅シートの機械加工に続いて、個々の銅接続部分の各々は清掃されプラスチッ
ク板34に適当位置で取付けられ予め設計されたパターン配線の再構成を容易にす
る。プラスチック板34は典型的には約 0.1インチの厚さを有し、また電子産業に
おいて普通に用いられている回路板と同様な構造を有している。銅の接続部分は
通常の接着又は締結技術によってプラスチック板34に取付けられる。例えばアル
ミニウムのような銅以外の伝導性材料が用いられ接続部分を作り出すことが理解
される。
【００２７】 様々な電子装置が用いられモジュール35の内部に発生した電気的及び熱的エネ
ルギーを監視し制御する実施態様においては、これらの装置は集積相互接続基板
30／70に取付けられる。例えば、多数の等化器／バイパスモジュール45と通信装
置47が相互接続基板30／70に取付けられる。等化器／バイパスモジュール45とプ
ラス及びマイナス電力端子38, 36とが相互接続基板30／70に公知の超音波溶着技
術を用いるなどして溶着される。これに代え、空気流ろう付け又はスポット溶接
技術が用いられ等化器／バイパスモジュール45と端子36, 38とを相互接続基板30
／70に取付けるようにすることができる。
【００２８】 等化器／バイパスモジュール45と端子36, 38を取付けるのに加えて、フューズ
パック40が、電池の配置構造と相互接続表面32の重量と容積を最小にする必要性
とに依存して、相互接続基板30／70の一側又は両側に取付けられる。フューズパ
ック40の一側51は相互接続基板30／70に超音波溶着される。超音波溶着を用いて
種々の構成要素を相互接続基板30／70に取付けることにより、他の公知の溶着技
術に比べて溶着工程の間に発生する全体の熱が減少する。しかし、空気流ろう付
け、半田付け、又はスポット溶接技術を良好に設計された吸熱器と組合わせて用
いることができる。
【００２９】 最後に、相互接続基板30／70は電気化学的電池50の積層体46に取付けられる。
電池端子52の各々は相互接続基板30／70に接続されるが、これは超音波溶接、半
田付け又はスポット溶接によって行うことができる。以下の表１は図４Ａ〜４Ｂ
に示されるように多数の個々の電気化学的電池50とシールされたモジュールハウ
ジング48に収容された種々の電子装置とを相互接続するために相互接続基板30／
70を用いるのに関連した種々のデータを提供する。表１に記載されたデータは、
約８マイクロオームの全抵抗と７から14グラムの全重量が、電力端子を横切って
約４mVの電圧降下より小さい 400Ａの最大電流で流れることができ１ワットのオ
ーダーの電力損失の電力装置に用いるここに示される型の集積相互接続基板30／
70を用いることにより、実現されることを示している。
【００３０】
【表１】
【００３１】 図６には、電気化学的電池121 の積層体105 と種々の電子基板とを収容する内
側殻体101 を含み、上記の型の相互接続基板104 を含んでいる電力発生モジュー
ル160 の分解図が示されている。内側殻体カバー108 が、図７〜９について以下
に記載されるような、内側殻体カバー108 に設けられた種々のフィードスルーを
シールする密封シール115 を組込んでいる。
【００３２】 １つの実施態様によれば、モジュール100 は相互接続基板104 を用いて相互接
続された電気化学的電池121 の積層体105 を含んでいる。電気化学的電池121 の
積層体105 は６個の電池パック125 に分離され、全てのパックは２つの帯127 と
２つの対向する端部プレート129 とを用いて一緒に束ねられている。この48個の
電気化学的電池121 は、帯127 及び端部プレート129 と電池121 の各々の内部又
はこれに近接して配設された発泡体又はばね型要素とを用いたことにより発生す
る連続した圧縮力を受ける。各電気化学的電池121 は、スポット溶接されるか又
はプラス及びマイナスの電池接触子の一方もしくは両方にそれぞれ取付けられた
熱伝導体を含んでいる。
【００３３】 熱伝導体のプラス及びマイナス接触子は電流を電池121 から相互接続基板104
に搬送する。熱伝導体はまた熱を電池から吸熱器として作用する金属の内側殻体
101 に伝導する。熱伝導体は電池121 が内側殻体101 に挿入された時に変形する
ばね部分を含み、電池の長さの公差と、電池121 と内側殻体101 との間の離間距
離の変化とに適合するようになっている。
【００３４】 内側殻体101 は約１mmの厚さを有し深絞りアルミニウム又はステンレス鋼から
作られる。内側のアルミニウム殻体101 の内部側は約0.64mmの厚さを有する陽極
化された被膜を含んでいる。内側殻体101 の陽極化された表面は隣接する電池12
1 の間の電気絶縁をもたらし、しかも弾性の電池伝導体との接触を介して電池12
1 から発生した熱の効果的な移送をもたらす。ステンレス鋼の内側殻体101 の場
合は、薄いプラスチック又は雲母のシートが電池121 と内側殻体の壁との間に配
置される。
【００３５】 相互接続基板104 は電池積層体105 の上方に置かれ電池積層体105 を構成する
６個の電池パック125 の各々のための制御回路を含んでいる。各電池パック制御
ユニット113 は、電池パック125 の作用を制御しまた充電と放電を行うフューズ
パック107 、バイパス装置及び等化回路のような、短絡回路保護装置を含んでい
る。したがって電池パック125 の各々はそれぞれの電池パック制御ユニット113
によって監視され制御される。相互接続基板104 の上方に置かれた制御板106 は
これら６個の電池パック制御ユニット113 の各々を監視し制御する処理装置を含
んでいる。このように、制御板106 は充電及び放電作用の間電池パック及びモジ
ュールの作動の監視と制御をすることができる。
【００３６】 一対の迅速接続器117 が内側殻体カバー108 に設けられた対応孔を貫通しモジ
ュール100 の主電力端子として作用する。迅速接続器117 はシール装置115 を用
いて内側殻体カバー108 に密封シールされる。外側殻体カバー112 が内側殻体カ
バー108 の上に配置された時、迅速接続器117 は相互接続基板104 に取付けられ
た係合ソケット119 の中に受け入れられる。内側殻体カバー108 を貫通しこれに
同様に密封シールされた通信接続器111 が制御板106 とモジュール100 の他の電
子板とに外部から接近できるようにする。
【００３７】 密封シールが内側殻体101 と内側殻体カバー108 との間に、内側殻体カバー10
8 を内側殻体101 の頂部に溶着することにより設けられる。密封シールされた内
側殻体101 は次に外側殻体102 に挿入される。外側殻体102 は射出成形方法を用
いてガラス充填ポリプロピレンから作られ、そして約２mmの厚さを有している。
外側殻体102 は、熱移送流体をその間に運ぶために内側殻体101 が外側殻体102
に取付けられた時に流れの通路を形成する内側表面の３つの側面にリブを含んで
いる。外側殻体カバー112 は外側殻体102 の頂部に振動溶着される。流体接続器
120 が外側殻体カバー112 に配設されモジュール100 に出入する熱移送流体の流
れが得られるようにする。
【００３８】 図７〜９を参照すると、電力発生モジュールのハウジングカバーに設けられた
電気フィードスルーのような導管とハウジング内の通路との間に密封シールを設
けるのに用いられる密封シール装置が示されている。例えば電力と通信の配線が
この導管を通され、包囲された電力発生モジュールの密封した環境の内部に収容
された電力及び電子構成要素への外部からの接続ができるようにする。
【００３９】 図７〜９に示される密封シール220 は、電力発生モジュールハウジングのカバ
ーのような、実質的に平面のプレート221 を貫通して設けられた孔とほぼ整列す
る中央通路を有する第１のシール本体222 を含んでいる。シール220 の第２のシ
ール本体224 もまたカバー221 の孔と第１のシール本体222 の中央通路とにほぼ
整列する中央通路を含んでいる。第１のシール本体222 はカバー221 の上側表面
に配設され、また第２のシール本体224 はカバー221 の下側表面に配設される。
【００４０】 １つの実施態様では、第１のシール本体221 はカバー221 の孔を通って延出し
孔の内面239 に当接するカラー233 を含んでいる。カラー233 は第１のシール本
体222 の中央通路から離れるよう傾斜する傾斜内面238 を含んでいる。第２のシ
ール本体224 は、第２のシール本体224 の中央通路に向って傾斜する内側傾斜表
面240 を有する溝235 を含んでいる。
【００４１】 図８と９に予めシールされる状態と後でシールされる状態とでそれぞれ最も良
く示されるように、第１のシール本体222 のカラー233 は第２のシール本体224
に設けられた溝235 によって受け入れられそれにより第１及び第２のシール本体
222, 224の傾斜表面238, 240が、カラー233 が溝235 に押込まれるにつれて相互
に摺動して係合するようにする。完全に取付けられた配置構造における第１及び
第２のシール本体222, 224の対向する傾斜表面の係合は、カラー233 の外側表面
の部分237 がカバー221 に設けられた孔の内側表面239 に対して低温で流れるよ
うにする。当業者は、１つの材料の他の材料に対する低温の流れがこの２つの材
料の間に極めて緊密なシールを形成することを理解するであろう。このように、
密封シールが孔の内側表面239 とカラー233 との間に、第１のシール本体のカラ
ー233 と第２のシール本体224 に設けられた溝235 との間の摺動係合を介して提
供される。
【００４２】 図７〜９にさらに示されるように、第１の端部223 と対向する第２の端部227
とを有する導管226 がカバー221 の孔と第１及び第２のシール本体222, 224の中
央通路を貫通する。導管226 は、電気及び通信配線が通過してカバー221 が取付
けられるハウジングの内側密封環境の中に入る中央通路を含んでいる。導管226
は導管226 の第１の端部223 から外側に向って延び第１のシール本体222 の表面
と接触するフランジ225 を含んでいる。導管226 は第１及び第２のシール本体22
2, 224の中央通路の直径と実質的に等しい直径を有しそれにより導管226 の外側
表面242 が第１及び第２のシール本体の中央通路の内径表面との緊密で円滑な嵌
合を形成するようにする。
【００４３】 導管226 の第２の端部227 の一部にねじが切られそれによりこのねじにナット
234 が固定されるようにする。シール220 はまた第２のシール本体224 の下側表
面に当接するスラストワッシャ228 を含んでいる。波形座金230 がスラストワッ
シャ228 と第２のスラストワッシャ232 との間に配設される。第２のスラストワ
ッシャ232 に当接するナット234 が密封シール220 の各要素に、ナット234 が導
管226 のねじの切られた第２の端部227 で締めつけられるにつれて、軸方向に向
けられた圧縮力を加える。
【００４４】 図９に最も良く見られるように、締めつけたナット234 によって生じた圧縮力
Fcは波形座金230 を圧縮し、それにより第２のシール本体224 の内側に向って傾
斜した内側表面240 を第１のシール本体222 の外側に傾斜した内側表面238 と摺
動係合させるようにする。圧縮力Fcを加えることにより第２のシール本体224 の
内径表面241 を内方に導管226 の外側表面242 に向って押しつける。２つの傾斜
表面238, 240の間の摺動可能な係合はまたカラー233 の部分237 をカバー221 に
設けられた孔の内面239 と緊密に係合される。ナット234 を締めて適当な強さの
圧縮力Fcを発生させた後、波形座金230 は圧縮力Fcを加え続け、それによりシー
ルの使用寿命にわたって密封シール220 の完全性を保持するようにする。圧縮力
Fcはばね付勢の金属保持器を用いるなどして図７に示されるものとは異なる締結
装置によって発生できることが理解される。連続した圧縮力Fcを保持することの
できる他の保持装置もまた用いることができる。
【００４５】 １つの実施態様において、カバー221 はアルミニウム又はステンレス鋼のよう
な金属材料から構成され、また第１及び第２のシール本体222, 224はポリプロピ
レンプラスチックのような、プラスチック材料から作られる。導管226 は金属又
はプラスチック材料から作ることができる。隙間246, 247が第１及び第２のシー
ル本体222, 224にそれぞれ設けられこの２つの傾斜表面238, 240の強制された係
合から生じる第１及び第２の間の位置の移動に適応できるようにすることが分か
る。さらに、切込み251 が第１のシール本体222 に設けられ、２つの傾斜表面23
8, 240の間の摺動係合に応じてカラー233 がカバー221 の孔の内面に向う方向に
動くのを容易にする。
【００４６】 他の密封シール装置又はフィードスルーが図12〜13に示されている。この実施
態様によれば、密封シールは主としてフランジ付きの導管又は端子462 とモジュ
ールハウジングの壁又はカバー468 との間で圧縮されるＯ−リング464 によって
与えられる。フェノールの支持体466 がフランジ付き導管462 をカバー468 から
一定距離で保持し、それによりその大きさが長期にわたって安定している空洞を
形成するようにする。この配置構造は時間の経過と高温に伴ってＯ−リングの流
れるのを阻止する。
【００４７】 ポリプロピレンのリング470 とスリーブ472 が選択してフィードスルーの底部
分をカバー468 から絶縁する。フェノールのリングに比べて、ポリプロピレンは
弧光発生後であっても高い誘電強度を保持する。弧光発生は典型的にはあったと
してもＯ−リング464 とポリプロピレンスリーブ472 との間に生じることが分か
る。リング470 とスリーブ472 の材料としてポリプロピレン材料を用いる他の利
点は、組立体がワイヤをフランジ付き導体462 に接続した時に発生したトルクを
受けた時に回転するのを阻止するに十分な摩擦係数をポリプロピレンが提供する
ことである。皿ばね474 はフィードスルーがかしめられた時平らにされる。皿ば
ね474 はポリプロピレンが長時間流れても圧力下に保たれるのを保証する。金属
ワッシャ476 は圧力をポリプロピレンのリング470 の表面を横切って均一に分布
するのを助ける。
【００４８】 概して、上記の密封シール装置はハウジングのカバー又は壁とカバーを通過す
る電力導体との間に高い誘電強度を有している。 2,000Ｖのオーダーの電力端子
電圧が弧光発生を生じないで適応することができる。緊密なシール（例えば10-8 cc-atm／sec)が機械的な応力を受けた時でも保持される。密封シールはまた良好
なトルク抵抗と良好な全体の機械的抵抗とを有している。
【００４９】 本発明の１つの実施態様によれば、図６に示される電力源は図10〜11に示され
る型の半導体薄膜電池を構成する。このような薄膜電気化学的電池は、例えば電
気駆動自動車に用いられるような高電流、高電圧電力発生モジュール及びバッテ
リの構造に用いるのに特に良く適合している。図10にはそれぞれが電気化学的電
池300 の対向縁に沿って形成された陽極接触子301 と陰極電流集電接触子303 と
を含む角柱状電気化学的電池300 の実施態様が示されている。
【００５０】 熱伝導体302 が陽極及び陰極接触子301, 303の各々にそれぞれスポット溶接又
はその他の方法で取付けられる。熱伝導体302 は典型的には陽極接触子301 と陰
極電流集電接触子303 の長さ方向に沿って配設され、また典型的には電流を電気
化学的電池300 にまた該電池300 から伝導するための電気接続線304 を含み、電
流は陽極及び陰極接触子301, 303に沿って集電されまた伝導される。熱伝導体30
2 は銅から作られまた実質的にＣ字形、２重Ｃ字形、Ｚ字形、Ｖ字形、Ｓ字形又
はＯ字形の断面を有している。
【００５１】 この実施態様では、電気化学的電池300 は、約 135mmの長さＬ、約 149mmの高
さＨ及び約 5.4mm又は発泡体の芯要素を含む時の約5.86mmの幅Wec を有するよう
に製造される。陰極電流集電接触子303 と陽極接触子301 との幅Wcはそれぞれめ
約 3.9mmである。このような電池300 は典型的には約36.5Wbの名目上のエネルギ
ー定格、放電の80パーセントの深さで87.0Ｗのピーク電力定格(DOD) 及び完全充
電で14.4Abの電池容量を有している。電気化学的電池300 の各々は約 2.0Ｖと 3
.1Ｖとの間の名目上の作用電圧範囲を有している。
【００５２】 図10に示される電気化学的電池は図11に示される電池と同様な構造を有するこ
とができる。この実施態様では電気化学的電池380 が、イオン移送膜を構成する
固体の重合体電解物質386 とリチウムの金属陽極384 と酸化バナジウムの陽極38
8 と中央の電流集電器390 とを合体した平坦な巻かれた角柱形状を有するものと
して示されている。これらのフィルム要素は薄膜が積層された角柱構造を形成す
るよう製造され、またポリプロピレンフィルムのような絶縁フィルムを含むこと
ができる。
【００５３】 公知のスパッタリング金属被覆方法が用いられ陽極及び陰極電流集電フィルム
384, 390の縁385, 383にそれぞれ沿って電流集電接触子を形成する。金属噴霧の
接触子が、陽極及び陰極フィルム縁385, 383の長さ方向に沿って優れた電流の集
電を提供しまた良好な電気接触子と熱伝達特性を呈することが認められる。図10
に示される熱伝導体302 のような、ばね状の熱伝導体又はバスバーが次に金属噴
霧された接触子にスポット溶接され又は取付けられる。これらの図に示される電
気化学的電池は米国特許第 5,423,110号、第 5,415,954号及び第 4,897,917号に
開示された方法にしたがって製造される。
【００５４】 勿論、変更及び付加が上記の種々の実施態様に対し、本発明の範囲又は精神か
ら逸脱することなく行われることが理解されるであろう。例を挙げると、本発明
の原理は、ニッケル金属水素化物（Ni−MH）、リチウム−イオン（Li−Ion)、及
び他の高エネルギーバッテリ技術を用いるような、リチウム重合体電解液を使用
するものとは異なるバッテリ技術に利用することができる。したがって、本発明
の範囲は上記の特定の実施態様によって限定されるべきではなく、以下に記載さ
れる請求の範囲とその均等物とによってのみ規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 相互接続基板を用いて直列及び／又は並列関係に選択して相互接続された薄膜
の電気化学的電池の積層体を含む半導体エネルギー貯蔵装置の実施態様を示す。
【図２】 多数の電気化学的電池との選択した直列及び／又は並列の接続が得られるよう
配設された接続パターンを有する相互接続基板の表面を示す。
【図３】 多数の電気化学的電池を直列又は並列関係に選択して接続するための接続パタ
ーンを含む１枚の伝導性材料を含んでいる相互接続基板の他の例を示す。
【図４Ａ】 多数の構成要素が取付けられた相互接続基板の他の実施態様を示す。
【図４Ｂ】 集積相互接続基板のさらに他の実施態様を示す。
【図５Ａ〜５Ｃ】 等化器及びバイパス装置が一体に組込まれた構成要素パッケージの図である。
【図６】 密封状にシールされたハウジングの中に配設された相互接続基板を含むエネル
ギー貯蔵モジュールの分解図である。
【図７〜９】 モジュールハウジングに通じるシール用の種々の型の導管又はフィードスルー
に用いる密封シールの実施態様を示す。
【図１０】 本発明の実施態様のシールされたモジュールハウジングの内部の集積相互接続
基板と組合わせて用いられるエネルギー貯蔵装置の一実施態様を示す角柱状の電
気化学的電池の図である。
【図１１】 図10に示される実施態様の電気化学的電池を構成する種々のフィルム層の図で
ある。
【図１２〜１３】 モジュールハウジングに通じるシール用の種々の型の導管又はフィードスルー
に用いる密封シールの他の実施態様を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，Ｙ Ｕ，ＺＷ (72)発明者 コムテ，クリストフ カナダ国，ケベック エイチ２ジェイ ２ エックス３，モントリオール，セント−ヒ ューバート 4560 (72)発明者 デイグル，ドミニク カナダ国，ケベック ジェイ２エス ８エ ス１，セント−ヒヤシンス ドリオン 89 (72)発明者 ハーゲン，ロナルド エー. アメリカ合衆国，ミネソタ 55082，ステ ィルウォーター，ケスウィック アベニュ ノース 9980 (72)発明者 ナドソン，オーリン ビー. アメリカ合衆国，ミネソタ 55127，バド ネイズ ハイツ，マーブル ストリート 652 (72)発明者 モーリン，アンドレ カナダ国，ケベック ジェイ４エム １エ ックス７，ロングイル，ベルコート 2805，スイート ５ (72)発明者 ランジャー，ミッシェル カナダ国，ケベック エイチ８ティー ３ エル６，ラシーヌ，テラス デュ ルソー 640 ＃302 (72)発明者 ロス，ガイ カナダ国，ケベック ジェイ３ジェイ ３ エル７，ブロイル，エムジェエール−ブー ルジュ 328 (72)発明者 ロウイラード，ロジャー カナダ国，ケベック ジェイ３ジー ２シ ー９，ブロイル，プルベール 315 (72)発明者 サン−ジェルマン，フィリップ カナダ国，ケベック エイチ２ブイ ２ゼ ット４，オートルモント，ロックランド 533 (72)発明者 スーダノ，アンソニー カナダ国，ケベック エイチ７ダブリュ ４ブイ７，ラバール，キュリー 5027 (72)発明者 タージョン，トーマス エー. アメリカ合衆国，ミネソタ 55432，フリ ッドリー，キャメロット レーン 1650 Ｆターム(参考） 5H022 AA04 AA09 CC02 CC09 CC12 EE01 EE04 KK01 5H040 AA22 AA32 AS11 AT04 AY08 CC13 DD06 DD08 DD10

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体エネルギー貯蔵装置であって、 第１の端子と第２の端子とが通過するシールされたハウジングと、 該ハウジングの中に配設された複数の薄膜の電気化学的電池と、 前記ハウジングの中に配設され前記第１及び第２の端子にそれぞれ連結された
    第１の接触子と第２の接触子とを有する相互接続基板であって、前記電気化学的
    電池と選択した接続ができる接続パターンを有する電気伝導性の表面を含んでい
    る、相互接続基板、 とを具備している半導体エネルギー貯蔵装置。
  2. 【請求項２】 複数の電気化学的電池のうちの第１の群の電気化学的電池が
    第１の電池パックを形成するよう相互接続基板を介して並列に接続され、 複数の電気化学的電池の第２の群の電気化学的電池が第２の電池パックを形成
    するよう相互接続基板を介して並列に接続され、 第１及び第２の電池パックが相互接続基板を介して直列に接続されている請求
    項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 相互接続基板に取付けられた複数のフューズをさらに具備し
    、該フューズの各々が電気化学的電池の１つに直列に接続されている請求項１に
    記載の装置。
  4. 【請求項４】 相互接続基板にそれぞれ取付けられた第１のフューズと第２
    のフューズパックをさらに具備し、第１及び第２のフューズパックがそれぞれ複
    数のフューズを有し、第１のフューズパックの複数のフューズの各々が第１の群
    の電気化学的電池の１つと直列に接続され、第２のフューズパックの複数のフュ
    ーズの各々が第２の群の電気化学的電池の１つと直列に接続されている請求項２
    に記載の装置。
  5. 【請求項５】 第１のバイパス装置と第１の等化装置が相互接続基板に取付
    けられかつそれぞれが第１の群の電気化学的電池と直列と並列に接続され、また
    第２のバイパス装置と第２の等化装置が相互接続基板に取付けられかつそれぞれ
    が第２の群の電気化学的電池と直列と並列に接続されている請求項２に記載の装
    置。
  6. 【請求項６】 半導体エネルギー貯蔵装置の電圧及び電流特性が伝導性材料
    のシートの接続パターンを変えることにより変えることができる請求項１に記載
    の装置。
  7. 【請求項７】 電気伝導性の表面が、フライス加工の接続パターン、打抜き
    の接続パターン、又は化学的エッチングの接続パターンのうちの１つを具備して
    いる請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 電気的伝導性の表面が銅又はアルミニウムからなっている請
    求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 伝導性材料のシートの接続パターンが電気化学的電池と選択
    した直列又は並列の接続ができるようにしている請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 電気化学的電池の各々が電気的伝導性の表面の接続パター
    ンに電気的に接続される第１及び第２の端子を具備している請求項１に記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】 電気化学的電池の各々の第１及び第２の端子が電気的伝導
    性の表面の接続パターンに超音波溶接されている請求項１に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 約 400アンペアまでの電流が相互接続基板を通過する請求
    項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 ハウジングが密封状にシールされたハウジングである請求
    項１に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 半導体エネルギー貯蔵装置であって、 第１の端子と第２の端子が通過するシールされたハウジングと、 ハウジングの中に配設された複数の薄膜の電気化学的電池と、 ハウジングの中に配設されハウジングの第１及び第２の端子にそれぞれ接続さ
    れた第１の接触子と第２の接触子とを有する相互接続基板であって、それぞれが
    複数の電気化学的電池のうちの特定の１つに接続される複数の接続部分を有する
    表面を含んでいる、相互接続基板と、 前記接続部分を一緒にかつ相互接続基板の第１及び第２の接触子に選択して接
    続する複数の電気伝導性要素、 とを具備する半導体エネルギー貯蔵装置。
  15. 【請求項１５】 接続部分が相互に選択して絶縁されるよう相互接続基板の
    表面上に位置している請求項14に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 電気的伝導性の要素の各々が直接接続の電流バイパス装置
    を具備している請求項14に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 電気伝導性要素の各々が並列接続の等化装置を具備してい
    る請求項14に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 電気伝導性要素の各々が並列接続の集積等化器及び電流バ
    イパスユニットを具備している請求項14に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 相互接続基板の表面がプラスチックの実質的に剛性のシー
    トを具備している請求項14に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 接続部分の各々が、フライス加工の接続パターン、打抜き
    の接続パターン、又は化学的エッチングのパターンのうちの１つを含むよう金属
    シート材料から形成されている請求項14に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 相互接続基板が、シールされたハウジングを通過する通信
    配線上に配設された係合接続器を受け入れる少なくとも１つの通信接続器を具備
    している請求項14に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 シールされたハウジングが、第１及び第２の端子がそれぞ
    れハウジングの中へと通過する第１及び第２の密封状にシールされたフィードス
    ルーを具備している請求項14に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 半導体エネルギー貯蔵装置であって、 第１の端子と第２の端子がそれぞれ通過する第１及び第２の密封状にシールさ
    れた導管を含む密封状にシールされたハウジングと、 ハウジングの中に配設された複数の薄膜の電気化学的電池と、 ハウジングの中に配設され第１及び第２の端子にそれぞれ接続された第１の接
    触子と第２の接触子とを有する相互接続基板であって、電気化学的電池と選択し
    た直列又は並列の接続ができる接続パターンを有する電気伝導性の表面を含んで
    いる、相互接続基板、 とを具備している半導体エネルギー貯蔵装置。
  24. 【請求項２４】 エネルギー貯蔵モジュールの密封状にシールされたハウジ
    ングの中に配設された複数の薄膜の電気化学的電池を前記ハウジングを通過する
    プラス及びマイナスの端子に接続する方法であって、 相互接続基板の電気伝導性の表面の上に接続パターンを形成し、 相互接続基板をハウジングの中に取付け、 相互接続基板のプラス及びマイナスの接触子をプラス及びマイナスのハウジン
    グ端子に接続し、 電気化学的電池の導線を接続パターンに接続し、 ハウジングを密封状にシールする、 ことからなる電気化学的電池の接続方法。
  25. 【請求項２５】 モジュールハウジングの密封状のシール工程がハウジング
    を通過するプラス及びマイナスの端子を密封状にシールすることを含んでいる請
    求項24に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 導線を接続する工程が電気化学的電池の導線を接続パター
    ンに超音波溶接することを含んでいる請求項24に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 エネルギー貯蔵モジュールの電圧及び電流特性が相互接続
    基板の電気伝導性表面の上に形成された接続パターンを変えることにより変わる
    請求項24に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 接続パターンを形成する工程がフライス加工の接続パター
    ン、打抜きの接続パターン、又は化学的エッチングの接続パターンのうちの１つ
    を含むよう金属シート材料を処理することを含んでいる請求項24に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 接続パターンを形成する工程がさらに、 それぞれが複数の電気化学的電池のうちの特定の１つに接続される複数の接続
    部分を形成し、 前記接続部分を一緒にかつ相互接続基板のプラス及びマイナスの接触子に選択
    して接続する ことを含んでいる請求項24に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 接続部分を一緒に電気的に接続する工程が電流バイパス装
    置を用いて接続部分を一緒に電気的に接続することを含んでいる請求項29に記載
    の方法。
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