JP2008529208A - 再充電可能なバッテリーを備えた補聴器及び再充電可能なバッテリー - Google Patents

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Abstract

【課題】再充電可能なバッテリーを提供する。
【解決手段】第１の電気化学的活性層と、分離層によって分離された第２の電気化学的活性層とによって包囲された可撓性の細長い電子伝導性のコアからなる。そして、電子伝導素子は第２の電気化学的活性層の外側表面に接触し、これによって２つの電気化学的活性層のうちの少なくとも１つと分離層とが薄膜層を形成する。さらに、薄膜層からなるバッテリーが供給された補聴器が提供される。かかるバッテリーは、巻き込み又は曲げられて補聴器内部の不規則な空間に適用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、再充電可能なバッテリー及び再充電可能なバッテリーを備えた補聴器に関する。
補聴器において電力供給は重大な要素であり、現代の補聴器の大部分はバッテリーによって占められている。このバッテリーサイズを小さくすると、補聴器全体のサイズを小さくすることができる。さらに、長いバッテリー寿命が望ましく、再充電可能なバッテリーの場合には特に望ましい。従来の再充電可能なバッテリーの技術では、十分なバッテリー容量と、補聴器の形状及びサイズに関わらず何れの補聴器にも適合する汎用バッテリーサイズとを併せもつようにする解決策を得ることが不可能であった。これは主として、補聴器（特に、ＩＴＥタイプ）にはサイズ及び形状が大幅に異なるものがあること、及び現在入手可能なバッテリーには真の可撓性が欠如していることに起因する。さらに、近代の補聴器においては、多くの無線用途が要求されている。これは、単にバッテリーの無線再充電のためだけではなく、例えば、遠隔コイル、ＦＭアンテナ及びデジタル作動誘導アンテナといった異なる無線通信を可能にするもの、並びに再充電可能なバッテリーに充電電力を無線送信するものである。これまで、補聴器内部の非常に限られた空間においてこれらの機能を実現することは非常に困難であることが分かっている。本発明は、形状に関わらず何れの補聴器にも適合可能であって、さらに電力を貯蔵するということから離れて、バッテリーによって追加の機能を実行することもできるようにするバッテリーを提供する。
再充電可能なバッテリーの技術分野における先行技術から、次のものを挙げる。
Bates, 米国特許第6,818,356号：“Thin film battery and electrolyte therefore”.この文献には、薄膜バッテリーのための固体アモルファス電解質の構成が記載されている。
J.B. Bates, 米国特許第5,314,765号（1994年5月24日）：“Protective Lithium Ion Conducting Ceramic Coating for Lithium Metal Anodes and Associate Method”, この文献には、カソードと、リチウム金属アノードと、このリチウムアノード及びカソード間に配置された電解質とを含んでいるバッテリー構造が開示されており、リチウムアノードを被うように重なるリチウム・リン・オキシナイトライドの薄膜層を利用することによって、この電解質からリチウムアノードを分離する。
J.B. Bates 米国特許第5,612,152（1997年5月18日）：“Rechargeable Lithium Battery for Use in Applications Requiring a Low to High Power Output”, この特許は、薄膜バッテリーの特性を用いた再充電可能なリチウムバッテリーを開示しており、比較的幅広い範囲の中で電力要求を満たすために使用することができる。
J.B. Bates, N.J. Dudney, G.R. Gruzalski, and C.F. Luck, 米国特許第5,338,625号（1994年8月16日）：“Thin-Film Battery and Method for Making Same”, この文献には、薄膜バッテリー、特に薄膜マイクロバッテリーが記載されており、かつ、電子デバイスに対するバックアップ又は１次統合電源としての用途を有する該薄膜バッテリーの製造方法が記載されている。
J.B. Bates, N.J. Dudney, G.R. Gruzalski, and C.F. Luck, 米国特許5,455,126号（1995年10月3日）：“Electro-Optical Device Including a Nitrogen Containing Electrolyte”, この公報には、薄膜バッテリーが記載されている。
J.B. Bates and N.J. Dudney, 米国特許第5,512,147号（1996年8月30日）：“Method for Making an Electrolyte for an Electrochemical Cell”. この文献には、薄膜バッテリー、特に薄膜マイクロバッテリーと、電子デバイスに対するバックアップ又は１次統合電源としての用途を有する該薄膜バッテリーの製造方法とが記載されている。
J.B. Bates, N.J. Dudney, and K.A. Weatherspoon, 米国特許第5,561,004号（1996年10月1日）：“Packing Material for Thin-Film Lithium Batteries”. この公報には、大気及び水蒸気への露出と作用し合うことができ、大気及び水蒸気の侵入に対する仕切りを与えるパッケージシステムを組み込んだコンポーネントを含む薄膜バッテリーが記載されている。
J.B. Bates and N.J. Dudney, 米国特許第5,567,210（1996年10月22日）：“Method for Making an Electrochemical Cell”. この公報には、薄膜バッテリー、特に薄膜マイクロバッテリーと、電子デバイスに対するバックアップ又は１次統合電源としての用途を有する該薄膜バッテリーの製造方法とが記載されている。
J.B. Bates, 米国特許第5,569,520（1996年10月29日）：“Rechargeable Lithium Battery for Use in Applications Requiring a Low to High Power Output”. この公報には、薄膜バッテリーの特性を用い、比較的幅広い範囲の中で電力要求を満たすために使用することができる再充電可能なリチウムバッテリーが記載されている。
J.B. Bates and N.J. Dudney, 米国特許第5,597,660（1997年1月28日）：“An Electrolyte for an Electrochemical Cell”. この公報には、薄膜バッテリーが記載されている。特に、薄膜マイクロバッテリーと、電子デバイスに対するバックアップ又は１次統合電源としての用途を有する該薄膜バッテリーの製造方法とが記載されている。
Bates, John B.：米国特許出願番号20010014423：“Fabrication of highly textured lithium cobalt oxide films by rapid thermal annealing”. この文献には、急速な熱の焼きなましによる、高組成リチウムコバルトオキサイド膜の製造のためのシステム及び方法が記載されている。
さらに、次の米国特許第6,562,518号，同第6,555,270号，同第6,344,366号は、「急速な熱の焼きなましによる高組成リチウムコバルトオキサイド膜の製造」に関する。
本発明の利用により、考えられるあらゆる補聴器形状及びサイズの内部に、標準的なサイズのバッテリーストリップを、＜巻き込み、曲げること等によって＞詰め込むことが可能となる。
本発明において使用されるバッテリー技術は、薄膜技術に基づくものである。このバッテリーは、セル（セルの積層体の場合もある）当たり１０〜２０μｍの範囲の典型的厚みを有する活性（コア）層から成り、この層が金属薄片（foil）又はフィラメント上に蒸着されている。活性層の上部には、５〜８０μｍの範囲の厚みを有する不活性化層が蒸着されている。かかる技術によって製造されたバッテリーは、完全に独立性のものであり、つまり更なるパッケージングを必要としない。薄膜バッテリーの薄い厚みによって、驚くべき融通性が得られるのである。このバッテリーは、例えば５ｍｍ幅の寸法を有するストリップ形状に、あるいは、金属フィラメント上又は金属コーティングされたフィラメント上の何れでも製造される。この処理は、継目のないレーン上、又は金属薄片（foil）又はフィラメントの短い断片上で実施される。
本発明によれば、分離層によって分離された第１の電気化学的活性層と第２の電気化学的活性層とによって囲まれた可撓性の細長い電子伝導性コアからなり、電子伝導素子は第２の電気化学的活性層の外側表面に接触し、２つの電気化学的活性層のうちの少なくとも１つと分離層とが蒸着された薄膜層を構成するようになった、再充電可能なバッテリーを提供することを特徴とする。
このようにして、薄く細長い、可撓性の糸状バッテリーが実現され、所望の形状に折り畳み、あるいは曲げることによって、利用できるいかなる空間にも簡単に格納することができる。また、細長い伝導性のコアは、支持体としても機能するので、いかなる支持体層も必要なく、これにより、もっと大きな容量効果のあるバッテリーを作ることが出来る。上述した層の２以上が順に互いに上下に蒸着され、先行技術に良く知られるようにバッテリーの積層を可能にする。
本発明の更なる特徴において、バッテリーの少なくとも一部が巻き取られて、第１及び第２の終端を伴った誘導コイルを形成する
かかる誘導コイルは、両方の充電目的のために利用することができ、通信目的のための送信及び／又は受信アンテナのために使用することができる。薄膜技術は非常に高い効率及びエネルギー密度をもつバッテリーを形成することができるので、本発明による結合誘導コイル及び再充電バッテリーは、バッテリーの活性部分を生成するために、この薄膜技術を使用して製造される。フィラメント構造周辺に再充電可能なバッテリーを生成するための他の従来技術は、誘導コイルを形成するために曲げることが可能なバッテリーを形成するために利用することができる。
望ましくは、電気化学的な活性層はカソード材料及びアノード材料を含み、アノード材料は金属リチウムを含み、カソード材料はリチウムイオンを含み、分離層はリチウムイオン導電層となる。
本発明の更なる特徴によれば、補聴器は、増幅器などの信号処理のための電子コンポーネントを封入するケーシング部を有するものとして構成され、ここでは、バッテリーは信号処理デバイスに電力を配送するために設けられ、該バッテリーは、アノード材料及びカソード材料の層と、前記アノード層及びカソード層を分離するイオン導電分離層と、電流収集層とを有する、細長い基板表面上に形成された層構造を備え、薄膜堆積処理において前記層のうちの少なくとも１つが堆積され、ケーシング内の利用可能空間に適応するように、バッテリーが曲げられ、巻かれることを特徴とする。
薄膜処理によって得られる非常に薄い厚みをもち、細長い可撓性構造の形状のバッテリーを形成することによって、ケーシング内部に適合するようにバッテリー材料を折り曲げ、及び／又は、巻き込むことを可能とし、既存のコンポーネント間の利用可能な空間を埋めることができる。特に、補聴器が、そのケーシングの少なくとも一部が注文製作されたＩＴＥである場合には、バッテリー材料を適合させるのに利用可能な何れの空間形状及び空間位置も予測することは出来ない。多くの場合において標準バッテリーのために空間を設ける通常の手法は、補聴器として必要なものよりも大きなものを形成する結果となっていた。薄膜処理によって得られるバッテリーの細長い可撓性構造は、細線又はフィラメント構造の何れかで実現され、これによって、層が細線の表面上の外周に形成され、あるいは、バッテリーの活性層が平坦膜の表面の一方又は両方に形成される。
本発明の一実施形態において、補聴器バッテリーは、与えられたバッテリーの表面上に、細長い糸状の中心素子を含んでいる。これによって、バッテリー素子は、糸状中心素子の長軸に関してあらゆる所望の角度で曲げられ／折り畳まれる。よって、この素子は、高い不規則性を持った空間容積に適合するように折り曲げることができる。糸状中心素子は、電気的な伝導性の素子からなり、バッテリーの１つの極として与えられる。このバッテリーがコイル状に巻かれている場合には、このバッテリーは誘導アンテナとして作用し、受信及び／又はエネルギー放射のために利用することができる。このように、バッテリーは、特に遠隔コイル、無線放射アンテナとして、あるいは、バッテリーの無線誘導充電のための受信素子として作用する。これら可能性のいくつかは、全く同一のコイルによって実現可能である。
本発明は、糸状のコア部（その上にバッテリーの層である仕切り材料及び保護材料が設けられている）を有するバッテリーを更に含む。それゆえ、このバッテリーの全直径は１００μｍより小さいことが望ましい。
図１におけるバッテリーは、コア部１を含む。望ましくは、コア１は、導電材料である１又は複数のフィラメントからなる。好適な実施形態において、このフィラメントは金属材料で作られる。他の可能性は、金属コーディングされた、例えばガラス、ポリマー、又はカーボン等のフィラメントである。バッテリーのこの部分は、アノード又はカソード電流コレクタの何れかである。以下において、フィラメント１は、カソード電流コレクタとして機能するものとする。このフィラメントを囲む層に、カソード材料２が設けられる。カソードの上に電解質材料３が設けられる。この電解質は、カソード材料２の外側半径方向の表面全体を被い、この電解質層の上部にアノード材料４が設けられる。アノード電流コレクタ５は、バッテリーの最後の活性部分であり、アノード材料４の上に形成される。この電流コレクタ５は、アノード４の上に形成される金属層とすることができ、あるいは、金属フィラメントをアノード４の上に編み込んだものとすることができる。また、金属コーティングとフィラメントとの組み合わせも可能である。保護層６は、酸素や水といった環境要素の有害な影響に抗してバッテリーの多くの部分を最終的に守るために設けられる。また、一実施形態において、アノード電流コレクタは保護層でもあり、したがって、結果として生じるバッテリーフィラメントが一層薄くなる。
アノード層、電解質層、及びカソード層は、真空又は真空に近い処理において、薄膜として形成される。このアノード層及びカソード層は、典型的には１０〜１５μｍの厚みを有している。電解質層は、通常は一層薄く、０．２〜１μｍの範囲である。そして、バッテリー全体の総厚みは、５０μｍ程度の薄さである。これにより、バッテリーによって構成される糸状体がコイル状に巻き上げられるのを可能にする。かかるコイルは、硬質のコアなしに形成される場合には、曲げることが可能になり、ユーザの耳道内部に位置させるために注文製作される補聴器の内部で利用可能な不規則な空間に適合するものとなる。
図２におけるコイル７、８は、上記に開示されたように巻かれたバッテリーである。コイル７、８が磁場の変化に遭遇すると、コイル７、８の２つの終端部の間に電圧差が発生する。これは、通信目的のために測定することができる。また、電流がこのコイル巻き線を通って送られるならば、誘導エネルギーがこのコイルから放射される。これらの両方の場合において、電流はアノード及びカソードコレクタ素子内を流れるが、このコイルのバッテリー機能には何ら影響を及ぼすことはない。
バッテリー機能は、このバッテリーが充電されていれば、アノード及びカソード間の電位により実現される。バッテリーを形成するコイルによって該バッテリーを充電するときには、該バッテリーに磁場の変化が与えられ、その結果として生じるアノード及び／又はカソード電流コレクタに生成された交流電圧が直流電圧電位に変換され、カソード及びアノード電流コレクタ間の電圧差として現れる。
また、図２におけるコイル７、８は、バッテリーストリップ材料から巻き込むこともできる。ＩＴＥ補聴器シェル内に置かれたときには、このシェル内部の自由容量の活用を促進する。より大きなコイル８を、別の変形によって、シェル内に更に詰め込み、受信機１０の隣に設置し、より小さなコイル７を、増幅モジュール１２の隣にある受信機１０の上部に設置することができる。
図３に、補聴器シェル９内部に詰め込まれたバッテリー１３のようなストリップの更なる実施例を示す。増幅モジュール１２をコイルバッテリー１３内に配置することができるように、バッテリー１３を巻くことができる。これは、シェル９内部の自由容積の利用を最適化し、さらに、補聴電子機器に対する改善された軽量化及びＥＭＣ保護を与える。
本発明にかかるバッテリーを製造するための方法においては、フィラメントが継続的に真空チェンバー内に供給され、異なった処理領域を介してフィラメントを供給することによって、このバッテリーの異なる層が適用される。最終的に、このフィラメントは、真空から、保護層を形成する最終処理に送り出される。このようにして、バッテリーシート又はフィラメントの継続レーンが、高速に生成される。
一実施形態において、化学物質としては次のものを含む。すなわち、電解質としてリチウム・リン・オキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）が使用され、カソード材料としてＬｉＣｏＯ2が使用され、アノードはリチウムである。
図４、５に、本発明にかかるバッテリーの充電回路を開示する。バッテリーコイル２０は、交互の誘導場又は磁場の中に配置されている。これは、コイル２０の２つの終端において交流電圧ＶLを生成する。この交流電圧を図４ａに示す。最初の半周期において、電圧は正になり（図４ａのグレーの領域）、バッテリーコイル２０の一端で正電圧が誘起される。バッテリーの２つの極には、２つのダイオードＤ1及びＤ2が配置されている。Ｄ1は正極に配置され、Ｄ2は負極に配置されている。Ｄ2の出力端はキャパシタＣ1に接続され、このキャパシタは、コイルのマイナス終端以外にバッテリー負極に接続されている。誘導の第１の半周期で正の電圧が誘起されると、Ｄ2はＣ1上に電荷を励起する。図５ａ及び図５ｂに示した誘導の第２の半周期においては、ダイオードＤ1及びＤ2に接続されたバッテリー極に確立された負のポテンシャルによって、Ｃ1に蓄積された電荷がＤ1を通って流れ出す。交互の誘導の連続した周期の間、電荷は２つのバッテリー極の一方から他方へ移動し、バッテリーの充電が行われる。
本発明にかかるバッテリーの構造を示す説明図である。 巻き取られ補聴器内に詰め込まれたバッテリーフィラメントを示す説明図である。 補聴器内フィラメントバッテリーの他の実施形態を示す説明図である。 コイルとして巻き取られたバッテリーと充電過程とを示す説明図である。 コイルとして巻き取られたバッテリーと充電過程とを示す説明図である。 コイルとして巻き取られたバッテリーと充電過程とを示す説明図である。 コイルとして巻き取られたバッテリーと充電過程とを示す説明図である。
符号の説明
１０ 受信機
１１ マイク
１２ 増幅モジュール

Claims (13)

  1. 第１の電気化学的活性層と、分離層によって分離された第２の電気化学的活性層とによって囲まれた可撓性の細長い電子伝導性コアからなる再充電可能なバッテリーであって、
    電子伝導素子が第２の電気化学的活性層の外側表面に接触し、２つの電気化学的活性層のうちの少なくとも１つと前記分離層とが薄膜層を形成する
    ことを特徴とするバッテリー。
  2. 請求項１に記載の再充電可能なバッテリーにおいて、前記バッテリーの少なくとも一部は、巻かれて第１及び第２の終端を伴った誘導コイルを形成することを特徴とするバッテリー。
  3. 請求項１に記載の再充電可能なバッテリーにおいて、前記電気化学的活性層はカード材料及びアノード材料を含み、前記アノード材料は金属リチウムを含み、前記カソード材料はリチウムイオンを含み、これによって前記分離層はリチウムイオン導電層となることを特徴とするバッテリー。
  4. 請求項３に記載の再充電可能なバッテリーにおいて、前記リチウムイオン導電層は、セラミック層であることを特徴とするバッテリー。
  5. 請求項２に記載の再充電可能なバッテリーにおいて、前記コイルの第１終端にある前記バッテリーの負及び正の極は、整流器（Ｄ1，Ｄ2）に接続されていることを特徴とするバッテリー。
  6. 請求項５に記載の再充電可能なバッテリーにおいて、前記整流器はキャパシタ（Ｃ1）に接続され、前記キャパシタ（Ｃ1）は前記コイルの第２終端の負のバッテリー極に接続されていることを特徴とするバッテリー。
  7. 音として知覚可能なユーザに信号を配信することができる受信機と、マイクロフォンを備えたシェル又はケーシングと、信号処理デバイスとを備え、前記信号処理デバイスに電力を配送するためにバッテリーが設けられたオーディオデバイスであって、前記バッテリーは、アノード材料及びカソード材料の層と、前記アノード層及びカソード層を分離するイオン導電分離層と、電流収集層とを有する、細長い基板表面に与えられた層構造を備え、薄膜堆積処理において前記層のうちの少なくとも１つが堆積され、前記バッテリーは曲げられ、巻かれ、あるいは詰め込まれて前記ケーシング内の利用可能空間に適応することを特徴とするオーディオデバイス。
  8. 請求項７に記載のオーディオデバイスにおいて、前記ケーシングは、個人の耳又は耳道の内部に適合するように注文製作されたものであることを特徴とするオーディオデバイス。
  9. 請求項７に記載のオーディオデバイスにおいて、前記電流収集層が誘導コイルを形成するように、前記バッテリーの少なくとも一部が第１終端及び第２終端をもつコイル構造に巻かれることを特徴とするオーディオデバイス。
  10. 請求項７に記載のオーディオデバイスにおいて、前記再充電可能なバッテリーの電気化学的活性層はカソード材料及びアノード材料を含み、前記アノード材料は金属リチウムを含み、前記カソード材料はリチウムイオンを含み、これによって前記分離層はリチウムイオン導電層となることを特徴とするバッテリー。
  11. 請求項７に記載のオーディオデバイスにおいて、前記バッテリーのリチウムイオン導電層は、セラミック層であることを特徴とするバッテリー。
  12. 請求項９に記載のオーディオデバイスにおいて、前記コイルの第１終端にある前記バッテリーの負極及び正極は、整流器（Ｄ1，Ｄ2）に接続されていることを特徴とするバッテリー。
  13. 請求項９に記載のオーディオデバイスにおいて、前記整流器はキャパシタ（Ｃ1）に接続され、前記キャパシタ（Ｃ1）は前記コイルの第２終端の負のバッテリー極に接続されていることを特徴とするオーディオデバイス。
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