JP2023546774A - 形状適合バッテリパックを備えたセンサアセンブリ - Google Patents

Abstract

バッテリパックアセンブリは、互いに電気的に接続された個別の電気化学セルのアレイを含む。個別の電気化学セルのアレイは、形状適合材料のマトリックスによって埋め込まれ、カプセル封入されている。形状適合材料のマトリックスは、保護外殻を提供する。センサがアレイに電気的に接続されている。

Description

本開示は、ポータブル又はウェアラブルバッテリパックに関し、より具体的には、センサを含む形状適合バッテリパックアセンブリに関する。

ポータブルコンシューマ電子デバイスは、特定の電力要件を有する。一般に、小型のウェアラブルコンシューマ電子デバイスは、（デバイス自体内に収容されている）単一のバッテリから、又は１つ以上のバッテリセルを含み得るポータブルバッテリパックから電力を受け取る。これらのポータブルバッテリパックは、通常、ストラップによって使用者に取り付けられ得る、又は使用者がポケット若しくは他の携帯場所内で携帯し得る硬いプラスチック製の外殻内に収容されている。これらの硬いバッテリパックは、ストラップで身体に固定されたり、ポケットに入れたりすると不快である。追加的に、そのようなバッテリパックは、衣服の下に装着すると衣服を膨らませる。これは審美的には望ましくなく、また不快であり得る。更に、現在のバッテリパックは、デバイスに電力を供給するために不便な接続コードを必要とする。

米国特許第９，３４３，７１６号には、複数のセルを含むバッテリアセンブリが記載されている。これらのセルには、上部ラミネート層及び下部ラミネート層が接着剤によって結合されており、これにより、可撓性及びデバイス内により良好に収まるように１つ以上のセルを取り外す可能性が可能となっている。これらのバッテリアセンブリは、上部ラミネート層及び下部ラミネート層が、接着剤によって、セル及び互いに接続されるように構成されている。

いくつかの実施形態によれば、バッテリパックアセンブリは、互いに電気的に接続された個別の電気化学セルのアレイを含む。個別の電気化学セルのアレイは、形状適合材料のマトリックス内に埋め込まれ、同マトリックスによってカプセル封入されている。形状適合材料のマトリックスは、可撓性外殻を提供する。電子部品は、アレイに電気的に接続されている。バッテリパックアセンブリの上記実施形態は、以下の任意選択の特徴、構造、及び／又は形態のうちのいずれか１つ以上を更に含み得る。

いくつかの任意選択の形態では、電気部品は、生理学的センサなどのセンサである。

他の任意選択の形態では、電子部品は、心拍数センサ、温度センサ、又はＥＫＧセンサのうちの１つを含む。

他の任意選択の形態では、バッテリパックアセンブリは、電子部品からの信号によって作動される薬物送達システムを更に含む。

他の任意選択の形態では、電気化学セルバッテリパックアセンブリのアレイと電子部品との間に直接かつ連続的な相互接続が形成される。

他の任意選択の形態では、可撓性外殻は、１．１～１．８の破損延伸比、１．０ＭＰａ～５０ＭＰａの最大引張強度、及び／又は０．５ｋＰａ～１４０ｋＰａのヤング係数を有する外殻材料を含む。

他の任意選択の形態では、可撓性外殻材料は、エラストマーを含む。

他の任意選択の形態では、外殻材料は、個別の電気化学セルの周りに積層される。

他の任意選択の形態では、可撓性外殻の片側又は両側に接着剤が配設される。

他の任意選択の形態では、形状適合材料は、電気化学セルの周りに成形される。

他の任意選択の形態では、可撓性外殻材料は、ＡＳＴＭ規格のＤ２２４０－１５によって定義される、ＨＯＯＯ－Ｓ １０～９０Ａ、好ましくはＨＯＯ－５～３０Ａ、より好ましくはＯＯ－１０～ＯＯ－５０の硬度を有する。

他の任意選択の形態では、外殻材料は、１０％～１，０００％の伸び破断を有する。

他の任意選択の形態では、電子部品が、プロセッサ、マイクロプロセッサ、信号プロセッサ、集積回路、ディスプレイ、コンデンサ、抵抗器、トランジスタ、グルコース送達デバイス若しくは自動除細動器などの医療用途デバイス、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）受信機、センサ（バイオメトリックセンサ、温度センサ、加速度計、水分センサなど）、又はアンテナのうちの１つ以上を含む。

他の任意選択の形態では、電子部品は、個別の電気化学セルのアレイ内の１つの電気化学セルの面に動作可能に接続されている。

他の任意選択の形態では、電子部品は、可撓性外殻内に位置付けられる。

他の任意選択の形態では、電子部品は、可撓性外殻によって囲まれ、カプセル封入される。

本明細書は、本開示を形成すると見なされる、主題を特に指摘し、明確に主張する特許請求の範囲をもって結論付けるが、本発明は、添付の図面と併せて以下の記載からより良好に理解されるであろう。

本開示に従って構築されたバッテリパックアセンブリの上面斜視図である。 図１のバッテリパックアセンブリの底面斜視図である。 図１のバッテリパックアセンブリの側面図である。 第１のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第１のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第１のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第１のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第１のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第２のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第２のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第２のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 第２のサイズを有する複数の電気化学セルを有するバッテリパックアセンブリの様々な追加の実施形態の上面図である。 バッテリアセンブリ内の個別の電気化学セル間の様々な適切な電気接続の概略図であり、電気接続は、個別の電気化学セルの上に配設され、セルの端子を接続している。 バッテリアセンブリ内の個別の電気化学セル間の様々な電気接続の概略図であり、電気接続は、個別の電気化学セルの上に配設され、それらの缶を接続している。 電気化学セルの上部内に形成された電気的接続を有するバッテリパックアセンブリの一例の底面図である。 電気化学セルの下部内に形成された電気的接続を有するバッテリパックアセンブリの別の例の上面図である。 積層可撓性外殻を有する他のバッテリパックアセンブリの上面図である。 図１０のバッテリパックアセンブリの電気化学セルの拡大図である。 医療デバイスに接続されたセンサ及びバッテリパックアセンブリを含むウェアラブルアセンブリを図示する。 バッテリパックアセンブリの一実施形態の収集されたテストデータのグラフである。

電気化学セル、又はバッテリは一次であっても二次であってもよい。一次バッテリは、一度だけ放電され（例えば、空になるまで）、その後、廃棄されることが意図されている。一次バッテリ（又は使い捨てバッテリ）は、例えば、Ｄａｖｉｄ Ｌｉｎｄｅｎ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（第４版、２０１１）に記載されている。二次バッテリ（又は充電式バッテリ）は、充電して繰り返し使用することが意図されている。二次バッテリは何度も、例えば、５０回以上、１００回以上、又はそれ以上の回数、放電及び充電され得る。二次バッテリは、例えば、Ｄａｖｉｄ Ｌｉｎｄｅｎ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（第４版、２０１１）に記載されている。したがって、バッテリは、様々な電気化学対（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅ）及び電解質の組み合わせを含み得る。本明細書に提供される記載及び実施例は、水性系、非水性系、イオン液体系、及び固体系の一次と二次バッテリの両方に適用される。これらの系の一次及び二次バッテリは、本開示に係るバッテリパックアセンブリに使用され得る。

本明細書で使用される「によって埋め込まれ、カプセル封入される」という用語は、バッテリセルなどの個別のアイテムであって、埋め込まれたアイテムと材料のマトリックスとの間に実質的に隙間又は空間が存在しないように、材料のマトリックス内に完全に埋め込まれたものを指す（例えば、材料のマトリックスは、５ｖｏｌ％未満の閉じ込められた空気／ガスを含有する）。言い換えれば、材料のマトリックスは、埋め込まれた物体の外側の実質的に全ての位置で、埋め込まれた物体と接触する。材料のマトリックスに埋め込まれ、マトリックスによってカプセル封入されたアイテムを製造するプロセスの例としては、例えば、オーバーモールド、ディップ、スプレー、キャスティング、及び蒸着が挙げられる。

本明細書で使用される「囲まれ、カプセル封入される」という用語は、バッテリセルなどのアイテムが材料のマトリックスによって完全に囲まれていることを指すが、アイテムと、周囲の材料のマトリックスとの間には小さな隙間又は空間が存在し得る。囲まれ、カプセル封入されたアイテムを製造するプロセスの例は、例えば、ラミネーション、真空成形、圧縮成形、パウダーコーティング、及び、少なくとも２つの予め形成された基材のアセンブリ内にセルを封入し、ヒートシール又は接着剤を用いてシームで接合することによる接合を含む。

本明細書で使用される「曲げ軸」、「複数の曲げ軸」、「曲げの軸」、又は「複数の曲げの軸」という用語は、バッテリパックの可撓性外殻内のいかなるバッテリセルとも接触することなく、可撓性外殻を通り抜ける１つ以上の実質的直線を指す。１本以上の曲げ軸は、実質的直線に沿って可撓性外殻が変形し又は曲がり、非平面形状を容易に形成することを可能にし、それによって、バッテリパックが使用者の皮膚に当てられるときに使用者の快適性を著しく向上させる。１本以上の曲げ軸はまた、可撓性外殻が、非平面物体に形状適合するように変形する又は曲がることを可能にする。実質的直線とは、可撓性外殻の周縁における曲げ軸の２つの端点間に直線を引くことによって形成される理想上の線から、まっすぐから２０度以下、好ましくは１５度以下、逸れた線である。逸れは、端点のうちの１つを始点とする角度付き円錐であって、曲げ軸がその全長に沿ってこの円錐内に含まれるように、理想上の線のいずれかの側に２０度（又は１５度）広がっている、円錐を確立することによって測定される。可撓性外殻内の材料は、好適には、可撓性外殻に加わる曲げ力に応答して、上記実質的直線に沿って変形するように適合される。曲げ軸は、可撓性外殻の長さ、幅、及び／又は厚さ寸法に沿って伸び得る。場合によっては、対称軸が可撓性外殻内に配設されたバッテリセルと交差又は重ならない場合、対称軸が曲げ軸であってもよい。

本明細書で使用される「電子部品」という用語は、電気によって駆動される任意のデバイスを指す。電子部品の例としては、プロセッサ、マイクロプロセッサ、信号プロセッサ、集積回路、ディスプレイ、コンデンサ、抵抗器、トランジスタ、医療用途デバイス（グルコース送達デバイス又は自動除細動器など）、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）受信機、センサ（バイオメトリックセンサ、温度センサ、加速度計、水分センサなど）、アンテナ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。

多くのウェアラブル電子デバイスは、自己完結型ポータブル電源を必要とする。典型的には、電力は、電気化学バッテリセル又はポータブルバッテリパックアセンブリによって供給される。しかし、既存の電気化学バッテリセル及びバッテリパックアセンブリは、人間の皮膚に取り付けられたときに快適であるために十分な可撓性及び伸縮性を有さず、したがって、使用者に不快感をもたらすことが多い。

接着剤を用いて上部及び下部ラミネート層が結合された複数のセルを含む既知のバッテリアセンブリは、一般に、可撓性、伸縮性、及び形状適合性を欠く。

本明細書に記載のバッテリパックアセンブリは、使用者の快適性を好適に向上させるために可撓性及び形状適合性を有しつつ、幅広い電力特性を提供する。本明細書に記載のバッテリパックアセンブリはまた、皮膚のような感触を有する保護可撓性外殻を含み、これは、使用者の快適性を更に好適に向上させることにより、装着時にバッテリパックアセンブリが快適に許容され得る時間の長さを延長する。更に、記載のバッテリパックアセンブリは、充電可能なデバイス、健康及びフィットネス器具、他のセンサ、オーディオ機器、並びに携帯電話電源のための追加のエネルギー貯蔵所を提供するために、リストバンド、ベルト、サスペンダー、ヘッドバンド、アームバンド、靴下、ベスト、又は他のスマート衣類一般などの衣類に組み込まれてもよい。記載のバッテリパックアセンブリは、個別の電気化学セルを、防水性の形状適合材料のマトリックス内に完全に閉じ込めることができるため、開示されるバッテリパックアセンブリを組み込んだスマート衣類は、電気化学セルを取り外すことなく、好適に安全に洗濯され得る。

開示されるバッテリパックアセンブリは、任意のタイプの電気化学セルを含み得るが、いくつかの例では、任意の化学反応（例えば、一次リチウム、Ｚｎ－Ａｇ_２Ｏ、及びＺｎ－ＭｎＯ_２などを含む）の比較的低コストのコイン又はボタン電気化学セルが好適に使用され得る。他の実施形態では、電気化学セルは、円柱形、角形、又はパウチセルを含み得る。更に他の実施形態では、電気化学セルは、長方形又は正方形などの他の形状を有し得る。

ここで図１～図３を参照すると、本開示に係るバッテリパックアセンブリ１０の一例は、互いに電気的に接続された個別の電気化学セル１２のアレイを含む。個別の電気化学セル１２のアレイは、保護可撓性外殻１６を形成する形状適合材料１４のマトリックス内に埋め込まれ、カプセル封入される。これにより、周囲の大気からセルが保護され、また、バッテリパックアセンブリの装着時にユーザクスペリエンス及び快適性を向上させる形状適合材料が提供される。図示の実施形態では、電子部品２０などの電子部品２０は、センサが使用者の皮膚に直接接触し得るように、形状適合材料１４に形成された開口部２２内に位置する。他の実施形態では、電子部品２０は、別個のコンパートメント内に配置され、形状適合材料１４に埋め込まれ、カプセル封入されてもよい。その場合でも、電子部品２０は、電力を受け取るために、電気化学セル１２の１つ以上に電気的に接続されている。電子部品２０は、プロセッサ、マイクロプロセッサ、信号プロセッサ、集積回路、ディスプレイ、コンデンサ、抵抗器、トランジスタ、センサ、グルコース送達デバイス若しくは自動除細動器などの医療用途デバイス、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）受信機、センサ（バイオメトリックセンサ、温度センサ、加速度計、水分センサなど）、誘導コイル、又はアンテナのうちの１つ以上を含み得る。更に、いくつかの実施形態では、アンテナが、時間変化する磁場又は電場をバッテリ充電のための直流に変換する誘導コイルとしても機能できるように構成され得る。いくつかの実施形態では、電子部品２０は、使用者の皮膚と直接接触するセンサであってもよい。他の実施形態では、電子部品２０は、別個のコンパートメント内に配置され、形状適合材料１４に埋め込まれ、カプセル封入されてもよい。その場合でも、電子部品２０は、電力を受け取るために、電気化学セル１２の１つ以上に電気的に接続されている。電子部品２０は、任意選択の構成要素である。他の実施形態では、形状適合バッテリパックアセンブリ１０は、センサではない他のデバイスに電力を供給するために使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、電子部品は、セル１２の面に接続されてもよく、又は、セル１２間、若しくは１つのセル１２と形状適合材料１４のマトリックスの外表面との間にある形状適合材料１４のマトリックス内に配置されてもよい（例えば、形状適合材料のマトリックスによって埋め込まれ、カプセル封入されるか、又は包囲され、カプセル封入され得る）。電子部品及び個別の電気化学セル１２のアレイは、例えば、成形によって、又はフィルムで覆われることによって、形状適合材料１２のマトリックス内に埋め込まれ、マトリックスによってカプセル封入されて、電子機器／バッテリアセンブリ全体を形成し得る。更に別の実施形態では、導体及び構成要素を有する伸縮性（エラストマー）回路も、形状適合材料１４のマトリックス内に埋め込まれ、マトリックスによってカプセル封入されてもよい。そのような実施形態は、電子部品と電源（電気化学セル１２）との両方を含む単一の統合された可撓性／弾性ユニットを製造し、これらの全てが、形状適合材料１４のマトリックスによって保護される。

いくつかの実施形態では、電気化学セル１２は、それぞれの電気化学セル１２を電気的に接続する可撓性導体２４によって、互いに直列及び並列に接続されている。例示される実施形態は、電気化学セルの２つのグループ１２ａ及び１２ｂは直列に配置されている一方、各グループ１２ａ、１２ｂ内の個別の電気化学セル１２は並列に接続されるように、一方は電気化学セル１２の第１のグループ１２ｂの負端子を接続し、他方は電気化学セルの第２のグループ１２ａの正端子を接続する２つの可撓性導体２４を上部に含み（図１）、電気化学セル１２の第２のグループ１２ａの負端子を、電気化学セル１２の第１のグループ１２ｂの正端子に接続する１つの可撓性導体２４を下部に含む（図２）が、可撓性導体は例示を目的としたものに過ぎない。したがって、電気化学セル１２は、電力、容量、及び／又は電圧の要件に応じて、当技術分野で知られているように、可撓性導体２４によって直列、並列、又は直列及び並列に電気的に接続され得る。任意選択で、１つ以上の外部端子２６を使用して、電気化学セル１２が、電力を必要とするデバイスに接続されてもよい。電子部品２０は、可撓性導体２４によって内部的に電気的に電気化学セル１２のアレイに接続されてもよく（センサが形状適合材料内に少なくとも部分的に配設されている）、又は電子部品２０は、代わりに、外部端子２６のうちの１つ以上にて、可撓性導体２４によって外部的に化学セル１２のアレイに接続されてもよい。

電子部品２０は、事実上、任意のタイプのセンサであり得る。いくつかの実施形態では、電子部品２０は、生理学的特性又は状態を測定する生理学的センサであり得る。代表的なセンサの例は、心拍数センサ、ＥＫＧセンサ、神経インパルスセンサ、グルコースセンサ、電気的皮膚応答センサ、水和センサ、汗センサ、及び体温センサを含むが、これらに限定されず、事実上、任意のタイプのセンサが使用され得る。バッテリパックアセンブリ１０はまた、図１２を参照して更に説明されるように、感知された状態に対して治療を提供することができる構造又は医療デバイス、例えば、電子部品２０からの信号によって作動される薬物送達システム（例えば、グルコースモニタリングに応答したインスリンの注射）、異常な心拍数に対して電気療法（例えば、除細動）、傷の滅菌、及び治癒（例えば、骨成長刺激）などを更に含み得る。

他の実施形態では、電子部品２０は、位置センサ又はバイオメトリックセンサであり得る。代表的なセンサとしては、ＧＰＳセンサ、加速度計、ジャイロスコープ、歩数計などが挙げられるが、これらに限定されない。代表的な例では、これらのタイプのセンサは、スポーツのパフォーマンスをモニタリングするためにスポーツウェアと組み合わせられるバッテリパックアセンブリにおいて使用され得る。他の実施形態では、位置センサ、加速度計、及び／又は湿度センサを備えたバッテリパックアセンブリが、荷物の追跡のためにパッケージの平面ではない表面に固定され得る。

可撓性外殻１６は、使用者の快適性を向上させ、促進するための皮膚のような感触を有する外殻材料を備える。外殻材料は、１．１～１．８、好ましくは１．２～１．７、より好ましくは１．３～１．６の破損延伸比、１～５０ＭＰａ、好ましくは１５～４０ＭＰａ、より好ましくは２０～４０ＭＰａ、より好ましくは２５～３５ＭＰａの最大引張強度、及び５ｋＰａ～１４０ＭＰａ、好ましくは２０ＭＰａ～１００ＭＰａ、より好ましくは３０ＭＰａ～８０ＭＰａのヤング率、のうちの１つ以上を有する材料を含む。

いくつかの実施形態では、外殻材料は、ＡＳＴＭ規格のＤ２２４０－１５によって定義される、ＨＯＯＯ－Ｓ １０～９０Ａの硬度値、好ましくはＨＯＯ－５～３０Ａの硬度値、より好ましくはＨＯＯ－１０～ＨＯＯ－５０の硬度値を有する。他の実施形態では、硬度は、ＨＯＯＯ－Ｓ １０よりも大きくてもよく、又は９０Ａ未満であってもよいが、好ましくは、ＨＯＯＯ－Ｓ １０～９０Ａであってもよい。

いくつかの実施形態では、外殻材料は、３５０％～１，０００％の伸び破断、好ましくは５００％～９００％の伸び破断、より好ましくは６００％～９００％の伸び破断、より好ましくは約９００％の伸び破断を有する。他の実施形態では、伸び破断は、３５０％より高い、又は１，０００％未満でもよいが、好ましくは１００％～１５００％であってもよい。

いくつかの実施形態では、外殻材料は、８６ｐｓｉ未満の１００％モジュラス（すなわち、伸長率１００％での引張応力）、好ましくは８ｐｓｉ～８６ｐｓｉ、より好ましくは約１０ｐｓｉの１００％モジュラスを有する。

いくつかの実施形態では、外殻材料は、５０ＭＰａ未満の引張強度、又は１５ＭＰａを超える引張強度、好ましくは１５～４０ＭＰａ、より好ましくは約２５ＭＰａの引張強度を有する。

いくつかの実施形態において、外殻材料はエラストマーを含む。液体前駆体の形態のエラストマーを使用して、個別の電気化学セル１２を埋め込み、カプセル封入してもよく、これは、例えば、可撓性導体２４によって互いに接続された電気化学セル１２を収容したモールドに液体エラストマーを注入し、次いで、エラストマーを硬化させることによって（例えば、乾燥若しくは加熱させることによって、又は２つの成分を含む液体エラストマーを経時的に及び／若しくは温度で硬化させることによって、若しくはＵＶ光若しくは放射線への曝露によって）行われ得る。あるいは、液体エラストマーは、電気化学セル１２にディップ又はスプレーを行い、次いで、硬化プロセスを開始することによって塗布されてもよい。いくつかの実施形態では、皮膚効果及び映画効果に使用されるものと同様な、キャスティングに適したシリコーンゴムが特に有利であり得る。キャスティングに適したシリコーンゴムとしては、ＢＯＤＹ ＤＯＵＢＬＥ（商標）シルク（Ｂｅｎｔｌｅｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、ＢＯＤＹ ＤＯＵＢＬＥ（商標）スタンダードセット（Ｂｅｎｔｌｅｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、ＰｌａｔＳｉｌ（登録商標）ゲル（Ｐｏｌｙｔｅｋ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐ．）、ＥＣＯ ＦＬＥＸ（商標）シリーズシリコーンゴム（Ｓｍｏｏｔｈ Ｏｎ，Ｉｎｃ．）、Ｓｍｏｏｔｈ－Ｏｎ Ｄｒａｇｏｎ Ｓｋｉｎ（商標）（Ｓｍｏｏｔｈ－Ｏｎ，Ｉｎｃ．）、又はＥＬＡＳＴＯＳＩＬ（登録商標）ＲＴＶ－２（Ｗａｃｋｅｒ）が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書に記載の特性を有する他のシリコーン又は他の材料を含む他の材料も使用され得る。他の実施形態では、ホットメルト接着剤又は低圧成形材料、例えば、７３３％の伸び破壊及び１０Ａのショア硬度を有するＨｅｎｋｅｌ Ｔｅｃｈｎｏｍｅｌｔ（登録商標）ＡＳ８９９８ポリオレフィンホットメルト接着剤などを使用して、電気化学セルのアレイが埋め込まれ、カプセル封入されてもよい。

カプセル封入は、接着剤と一緒に保持されたエラストマー基材の薄いシートで電気化学セル１２を覆うことによっても達成することができる。いくつかの実施形態では、基材の境界及び／又はバッテリの縁の周りの領域は、電気化学セル１２を定位置に固定するために、ヒートシールされてもよい。例えば、電気化学セル１２が、接着剤でコーティングされた薄いエラストマーシート上に配置され、次いで可撓性導体２４によって互いに配線されてもよい。その後、接着剤でコーティングされたエラストマーフィルムの別の層が、電気化学セル１２の上に押しつけられ得る。これにより、電気化学セル１２を完全に取り囲み、カプセル封入する形状適合材料のマトリックスが提供される。可撓性導体２４は、２つの隣接する接着層の間の結合線に沿って、又は別の所望の位置において、カプセル封入から出てもよい。いくつかの実施形態では、２００％の伸び破断を有する３Ｍ Ｓｃｈｏｔｃｈｗｒａｐ（登録商標）テープ５０又は６３５％の伸び破断を有する３Ｍ工業用保護フィルム７０７０ＵＶなどのテープを使用して、電気化学セルのアレイを取り囲み、カプセル封入することができる。

いくつかの実施形態では、可撓性外殻材料は、図１０及び１１に示すように、個別の電気化学セル１２が外殻材料によって囲まれ、カプセル封入されるように、個別の電気化学セル１２の周りに積層される。他の実施形態では、外殻材料は、図１～３に示されるように、個別の電気化学セル１２が外殻材料によって埋め込まれ、カプセル封入されるように、個別の電気化学セルの周りに成形される。

いくつかの実施形態では、外殻材料は、片側又は両側に接着剤３０（図３）を有する。

ここで図４Ａ～４Ｅを参照すると、開示されるバッテリパックアセンブリ１０は、事実上無数の外形及び電気化学セル１２アレイ構成を有し得る。例えば、第１のサイズ又は直径を有する電気化学セル１２の場合、外殻材料１６は、略長方形の形状、又はより楕円形な形状／楕円形若しくは円形の形状を有し得る（ただし、他の形状も可能である）。個別の電気化学セル１２は、（図示されるように）対称的又は非対称的なレイアウトを有するように配置されてもよい。可撓性外殻材料１６は、電子部品２０のための開口部２２を含んでもよい。電気化学セル１２は、アレイが１つ以上の対称軸を有するように配置されてもよい。好ましくは、アレイは、少なくとも３つ以上の対称軸を有する。例えば、アレイは、図４Ｄに示されるように、第１の対称軸Ａ、第２の対称軸Ｂ、第３の対称軸Ｃ、及び第４の対称軸Ｄを有し得る。いくつかの例では、対称性軸が、電気化学セルに接触しない場合（例えば、図４Ｄの対称軸Ｂ、Ｃ、及びＤ）、対称性軸が曲げ軸を形成し得る。対称軸は、互いに全て非平行であってもよい。他の実施形態では、２つ以上の対称軸が平行であるが、互いに分離されていてもよい（例えば、図４Ｅの対称軸Ｅ及びＦ）。他の実施形態では、４つより多くの又は４つ未満の対称軸が形成され得る。

個別のセルは、平均セル直径の５％～１００％、好ましくは１０％～１００％、より好ましくは１５％～１００％、互いに離間され得る。個別のセルが長方形又は正方形の形状を有する他の実施形態では、個別のセルは、個別のセルの最大直線寸法の５％～１００％、好ましくは１０％～１００％、互いから離間され得る。これらの範囲内の間隔は、バッテリパックの屈曲性及び形状適合性を高める。

追加的に、可撓性外殻は、１：２～１：３０、好ましくは１：５～１：２０、より好ましくは１：１０～１：１５の厚さ対長さの比率を有し得る。

図５Ａ～５Ｄに示されるように、第２のサイズ又は直径（ここでは、図４Ａ～４Ｅに示される電気化学セル１２よりも比較的小さい）を有する電気化学セル１２が使用される場合、開示されるバッテリパックアセンブリ１０は、異なる電気化学セル１２アレイ構成を有し得る。可撓性外殻材料１６の形状は事実上無限であり得るが、図４Ａ～４Ｅの実施形態のように、より小さい電気化学セル１２が使用される場合、個別の電気化学セル１２を合わせてより密に充填することができるため、個別の電気化学セル１２は、外殻材料１６の所与のボリューム内に配設され得る。他の実施形態では、バッテリパックアセンブリは、異なるサイズ及び／又は形状を有する複数の電気化学バッテリセルの混合体を含み得る。図４Ａ～４Ｅの実施形態と同様に、図５Ａ～５Ｄの実施形態も、センサ２０のための開口部２２を含み得る。

一般に、対称軸と相関していてもしていなくてもよい、曲げ軸の数が増えると、より多くの皮膚曲げモードに対応し、したがって、有利なことに、使用者へのより快適なフィットを提供する。例えば、図４Ｃ～４Ｅに示されるアレイのように、円形、六角形、又は八角形の（より一般には多角形の）充填アレイが好ましい可能性がある。外殻材料１６内のスリット、切り込み、又は穿孔は、バッテリパックアセンブリ１０により大きな柔軟性又は弾性をもたらし得る。例えば、図４Ｅに示されるスリット、切り込み、又は穿孔４２は、隣接するセル間に作成されてもよく、例えば、スリットは、好ましくは、曲げ軸から等距離であるか、曲げ軸間に配設されるか、又は曲げ軸に沿って配置されてもよく、この場合、形状適合性が向上する。あるいは、カプセル封入材料内の応力を低減し、バッテリパックアセンブリ１０を曲げたり伸ばしたりするために必要な力を軽減する他の位置に作成されてもよい。

ここで、図６及び７を参照すると、電気化学セル１２間の様々なタイプの電気的接続が示されている。いくつかの実施形態では、図６に示されるように、可撓性導体２４は、電気化学セル１２の上部及び／又は下部上の個別の電気化学セル１２の極の間に形成され得る。可撓性導体２４は、ループ、オフセット、曲線、コイル、らせん状、曲がりくねった形状、コークスクリュー、及び円弧などの様々な応力緩和形状を有し得、これは有利なことに、バッテリパックアセンブリ１０が曲げられたとき、折り畳まれたとき、又は伸ばされた際の材料応力を低減する。同様に、図７に示すように、可撓性導体２４は、個別の電気化学セル１２の側面の間に形成されてもよく（例えば、電気化学セルの缶は典型的には極に電気的に接続されているため）、可撓性導体２４は同様に、ループ、オフセット、曲線、コイル、らせん状、曲がりくねった形状、コークスクリュー、及び円弧などの応力緩和形状を取り得る。

可撓性導体２４は、可撓性であり、繰り返し曲げられたときにひび割れが生じない高導電性材料を含み得る。これらのタイプの材料は、特に、材料が導体２４に上記の応力緩和形状を提供するように形成される場合、バッテリパックアセンブリ１０の使用可能な寿命を最も長くする。いくつかの実施形態では、可撓性導体２４は、銅、ニッケル、ステンレス鋼、真鍮、他の金属若しくは合金、炭素繊維、導電性ポリマー、又はこれらの材料の組み合わせを含み得る。導電体は比較的薄く、放電又は充電中に許容できない電圧損失なしに最大限の可撓性を可能にする。いくつかの実施形態では、導電体は、約０．１４ｍｍの直径を有する３６ゲージエナメル銅磁石ワイヤを含み得る。しかしながら、約０．０５ｍｍ～約０．５ｍｍの直径が、可撓性と、疲労による破損との間のバランスを取ることが見出された。有利には、開示される範囲内の厚さを有する可撓性導体は、一般に、可撓性外殻によって可撓性導体がサポートされるため、より疲労への耐性を有する。更に、このサポートは、可撓性導体が露出しており、マトリックス材料によってサポートされていない場合よりも小さなゲージワイヤを使用することを可能とし、それによってバッテリパックアセンブリの電力特性を強化する。

可撓性導体２４は、抵抗溶接、超音波溶接、レーザ溶接、ろう付け、はんだ付け、又は導電性ポリマー若しくは接着剤の使用など、様々な様態で電気化学セル１２に取り付けられ得る。

図８及び９は、形状適合材料のマトリックスに埋め込まれ、マトリックスによってカプセル封入された電気化学セル１２のアレイを備える、バッテリパックアセンブリ１０の一実施形態を図示する。図８では、さもなければ透明又は半透明の形状適合材料を通して見えるであろう、電気化学セルの上部上の可撓性導体２４が、明確さのために省略されている。図８及び９の実施形態は、例えば、電気化学セル１２のアレイの周りに形状適合材料のマトリックスを成形することによって形成され得る。アレイ内の電気化学セル１２は、上記で一般に論じたように、可撓性導体２４によって電気的に接続され、可撓性導体２４は更に端子に接続される。有利なことに、バッテリパックアセンブリ１０は、電気化学セル１２又は可撓性導体２４を損傷することなく、延伸し、又はねじれ得る。更に、延伸及び／又はねじれは、有利なことに、バッテリパックアセンブリ１０が別の表面、例えば、人体の一部に形状適合することを可能にする。

図１０及び１１は、形状適合材料のよって取り囲まれ、カプセル封入された電気化学セル１２のアレイを備える、バッテリパックアセンブリ１０の別の実施形態を図示する。図１０及び１１の実施形態は、例えば、電気化学セル１２のアレイを２枚の材料シート間に積層することによって形成され得る。電気化学セル１２のアレイは、上記で一般に述べたように、可撓性導体２４によって電気的に接続されている。有利なことに、バッテリパックアセンブリ１０は、電気化学セル１２又は可撓性導体２４を損傷することなく、延伸し、又はねじれ得る。更に、延伸及び／又はねじれは、有利なことに、バッテリパックアセンブリ１０が別の表面、例えば、人体の一部に形状適合することを可能にする。

次に図１２を参照すると、本開示に係るバッテリパックアセンブリ１０を含むウェアラブル衣服１００の一例が示されている。バッテリパックアセンブリ１０は、ウェアラブル衣服１００上の任意の点に配置されてもよく、バッテリパックアセンブリ１０は、その下にある身体上の位置に形状適合するように、自身の形状を調整する。バッテリパックアセンブリ１０は、個別の電気化学セル１２のアレイ及び電子部品２０を含む。電子部品２０は、上述のように生理学的センサを含み得る。電子部品２０は、上述した医療デバイスなどの医療デバイス２００に通信可能に接続されてもよい。必要な場合、医療デバイス２００は、電子部品２０からの読み取りに応答して、状態をモニタリングし、かつ／又は薬物治療を投与する。

実施例１
次に、図１３を参照して、外殻の伸縮及び曲げによるバッテリのパフォーマンスへの影響を示す。試験構成は、図５Ｃに示される配置に類似するが、セルの総数が図５Ｃに示される１０個ではなく８個である、２直列×４並列構成の８つのＳＲ６１６銀酸化物ボタンセルのアレイを含んでいた。セルは、３６ゲージエナメル絶縁銅線によって接続され、曲がりくねった形状に曲げられ、セル端子に抵抗溶接された。アセンブリは、シリコーンゴム、具体的には、２ＡのショアＡ硬度、３７．８ｐｓｉの１００％モジュラス、７６３％の伸び破断、及び２８８ｐｓｉの最大引張強度を有するシリコーンゴムであるＳｍｏｏｔｈ－Ｏｎ Ｄｒａｇｏｎ Ｓｋｉｎ（商標）ＦＸ－Ｐｒｏ内に埋め込まれ、カプセル封入された。

制御アセンブリは、２．０Ｖの電圧に達するまで、室温にて０．８ｍＡで連続的に放電された。

延伸：アセンブリは、外殻の長さ寸法に沿って、緩和された寸法よりも１０％多く、連続して５，０００サイクル延伸された。５，０００サイクル後、アセンブリは、２．０Ｖの電圧に達するまで、室温にて０．８ｍＡで連続的に放電された。

曲げ：アセンブリを直径０．６２５インチのマンドレル上で曲げ、その後、通常の形状まで緩和させた。曲げサイクルは、５，０００サイクルが達成されるまで、２２回／分の速度で連続的に実行された。５，０００サイクル後、バッテリは、２．０Ｖの電圧に達するまで、室温で０．８ｍＡで連続的に放電された。

図１３に示すように、試験の結果は、延伸及び曲げがバッテリアセンブリの電気的パフォーマンスに有意な影響を与えなかったことを示している。実際には、コントロールアセンブリと、伸ばされたアセンブリ及び曲げられたアセンブリとの間で、電気的パフォーマンスはほぼ区別がつかなかった。したがって、個別のバッテリセルは、環境要因から有利に保護され、電気的パフォーマンスに影響を与えることなく、皮膚のような感触を有する材料によって囲まれた。

特定の電気化学セル１２アレイ構成が本明細書に示されているが、実質的に規則的な間隔で離間された電気化学セル１２は、比較的均一な全体的機械的特性を提供し、よって、一実施形態では一般に使用者にとって好ましい。電気化学セル１２の特定の幾何学的配置、特に、３本以上の曲げ軸又は対称軸が、具体的な用法に適合される外殻材料のサイズ及び幾何学的形状、並びにセル間の電気的相互接続のサイズ及び幾何学的形状、特に上記の応力緩和形状と結合されることにより、バッテリアセンブリの可撓性及び弾性が向上し、それによって、より高い快適性、並びに強化された装着性及び機能性が使用者にもたらされる。アレイ内の個別の電気化学セルは、同じ又は異なるサイズを有し得、円形、楕円形、長方形、又は任意の他の好適な形状であり得る。用途の要件に応じて、バッテリパックアセンブリ１０は、事実上あらゆる外形を取ることができ、また、様々な位置に設けられた１つ以上のスルーホールを有し得る。これは、例えば、穴の所望の位置における電気化学セル１２を省くことによって、又は、例えば、電子部品２０が結果として生じた穴の中に配設され、使用者の皮膚に直接接触できるようにするために、電気化学セル１２間の所望の空間に穴を切削することによって、提供され得る。

開示されるバッテリパックアセンブリは比較的薄く、適切な接着剤によって人体に取り付けられたときに快適に感じるのに十分に皮膚に類似した機械的特性を有する。これらのバッテリパックアセンブリは、皮膚取り付けセンサ、又は使用者への刺激及び不快感が少なく、より長い期間装着することができる他のデバイスを容易にする。開示されるバッテリパックアセンブリは、有利には、バッテリ接点とセンサ接点との間の連続的で途切れることのない相互接続を提供する。皮膚接触を容易にすると記載されているが、開示されるバッテリパックアセンブリは、このように使用する必要はなく、代わりに、例えば、アームバンド又は図１２に示される物品などの衣料品に組み込まれ得ることを理解されたい。皮膚のような感触は、開示されるバッテリアセンブリが、使用者によって装着されているとき、移動することを可能にし、したがって、使用者の快適性を高め、よって、長期間の順守及び使用を促進するように、バッテリアセンブリを屈曲及び挙動させることを可能にする。更に、開示されるバッテリアセンブリは、バッテリセルの電気的パフォーマンスを実質的に保ちながら、温度変化、液体、汚れ、ほこり等の環境要因からセル及び電気的接続を有利に保護する。

本明細書に開示される寸法及び値は、列挙される正確な数値に厳密に制限されるものとは理解されるべきではない。代わりに、特に指定のない限り、そのような各寸法は、列挙された値、及びその値の周辺の機能的に等価な範囲、の両方を意味することが意図される。例えば、「４０ｍｍ」として開示される寸法は、「約４０ｍｍ」を意味することが意図される。

本明細書に引用される全ての文献（あらゆる相互参照又は関連特許又は出願、及び本出願が優先権又はその利益を主張するあらゆる特許又は出願）が、明確に除外されているか、又は別段の制限がない限り、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。任意の文献の引用は、それが本明細書にて開示若しくは特許請求される任意の発明に対して先行技術であることを認めるものではなく、又は、それが単独で若しくは任意の１つ以上の他の参考文献との組み合わせで、任意のそのような発明を教示、示唆、若しくは開示することを認めるものでもない。更に、この文献における用語のいずれかの意味又は定義が、参照により組み込まれた文献における同じ用語のいずれかの意味又は定義と矛盾する場合には、この文献においてその用語に割り当てられた意味又は定義が優先されるものとする。

本発明の特定の実施形態を図示及び記載してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な他の変更及び修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲に含まれるそのような全ての変更及び修正を包含することが意図される。

Claims (17)

1. バッテリパックアセンブリであって、
   互いに電気的に接続された個別の電気化学セルのアレイであって、前記個別の電気化学セルのアレイは、形状適合材料のマトリックスによって囲まれ、カプセル封入されており、前記形状適合材料のマトリックスは、保護外殻を更に提供する、アレイと、
   電子部品と、を備え、
   前記個別の電気化学セルのアレイは、前記電子部品に電気的に接続されるように構成されている、バッテリパックアセンブリ。
2. 前記電子部品は、生理学的センサである、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
3. 前記電子部品が、心拍センサである、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
4. 前記電子部品が、温度センサである、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
5. 前記電子部品からの信号によって作動される薬物送達システムを更に備える、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
6. 前記可撓性外殻が、
   １．１～１．８、好ましくは１．２～１．７、より好ましくは１．３～１．６の破損延伸比、
   １～５０ＭＰａ、好ましくは２０～４０ＭＰａ、より好ましくは２５～３５ＭＰａの最大引張強度、及び
   ５ｋＰａ～１４０ＭＰａ、好ましくは２０ＭＰａ～１００ＭＰａ、より好ましくは３０ＭＰａ～８０ＭＰａのヤング率、のうちの１つ以上を含む外殻材料を含む、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
7. 前記外殻材料がエラストマーを含む、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
8. 前記外殻材料が、前記個別の電気化学セルの周りに積層されている、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
9. 前記外殻材料が、片側に接着剤を有する、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
10. 前記外殻材料が、前記電気化学セルの周りに成形されている、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
11. 前記外殻材料が、ＨＯＯＯ－Ｓ １０～９０Ａ、好ましくはＨＯＯ－５～３０Ａ、より好ましくはＨＯＯ－１０～ＨＯＯ－５０との硬度を含む、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
12. 前記外殻材料が、１０％～１，０００％、好ましくは３００％～９００％、より好ましくは約９００％の伸び破断を含む、請求項１に記載のバッテリパックアセンブリ。
13. バッテリパックアセンブリであって、
    互いに電気的に接続された個別の電気化学セルのアレイであって、前記アレイは、可撓性外殻によって囲まれ、カプセル封入されている、アレイと、
    前記個別の電気化学セルのアレイに動作可能に接続された電子部品であって、前記電子部品が前記可撓性外殻によって囲まれ、カプセル封入されている、電子部品と、を備える、バッテリパックアセンブリ。
14. 前記電子部品が、プロセッサ、マイクロプロセッサ、信号プロセッサ、集積回路、ディスプレイ、コンデンサ、抵抗器、トランジスタ、グルコース送達デバイス若しくは自動除細動器などの医療用途デバイス、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）受信機、センサ（バイオメトリックセンサ、温度センサ、加速度計、水分センサなど）、又はアンテナのうちの１つ以上を含む、請求項１３に記載の形状適合バッテリパックアセンブリ。
15. 前記電子部品は、前記個別の電気化学セルのアレイ内の１つの電気化学セルの面に動作可能に接続されている、請求項１３又は１４に記載の形状適合バッテリパックアセンブリ。
16. 前記電子部品が、前記可撓性外殻内に位置付けられている、請求項１３～１５のいずれか一項に記載の形状適合バッテリパックアセンブリ。
17. 前記電子部品が、前記可撓性外殻によって囲まれ、カプセル封入されている、請求項１３～１６のいずれか一項に記載の形状適合バッテリパックアセンブリ。

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