JP2007236142A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・軽量で安定した出力電圧が得られるＡＣアダプタを提供する。
【解決手段】入力交流電圧を整流して脈流電圧を生成する整流回路２と、整流回路２の正極性出力部と負極性出力部との間に介在される電力貯蔵装置３とを含む電源装置において、電力貯蔵装置３は、安定ラジカル化合物の酸化還元反応を利用した有機ラジカル電池を含むものであり、有機ラジカル電池の充放電電圧は、脈流電圧のピーク電圧よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流から直流に電力変換する電源装置に関し、特に、小型化が容易な電源装置に関する。

一般的に、小型の電気機器には、商用交流電源を直流に変換するために、整流回路と電力貯蔵装置とを用いた電源装置が適用されている。
図２（ａ）に、従来の電源装置の構成を示す。この電源装置は、変圧器５、整流回路２、チョークコイル４及び電力貯蔵装置３を備える。図２（ｂ）に示すように、変圧器５はトランスが適用される。整流回路２は、ダイオードブリッジなどで構成される。電力貯蔵装置３には、コンデンサが適用され、整流回路２の正極性出力部と負極性出力部との間に平滑コンデンサとして掛け渡される。

トランスで所定の電圧に変圧された交流は、ダイオードブリッジで脈流とされ、コンデンサによって平滑化される。通常は、負荷による電圧変動を緩和するために、図示するように整流回路の正極性出力部と平滑コンデンサとの間にはチョークコイル４が配置される。
このような電源装置は、電気機器に内蔵されたり、コンセントプラグや電源コードに組み込まれたりして使用される。なお、電気機器に内蔵された構成ではない場合には、「ＡＣアダプタ」とも呼ばれる。

従来のこの種の電源装置（ＡＣアダプタ）には、次に示すような問題がある。
まず、一つ目の問題は、小型化・軽量化が不十分なことである。すなわち、従来のＡＣアダプタでは商用交流を降圧するためのトランスと電源平滑用のチョークコイルとが必須である。特に、磁芯及び多数の巻き線からなるチョークコイルは、体積・質量ともに大きい上に、電流による発熱に対する十分な安定性を維持しながら所定のインダクタンスを得る必要があるため小型化・軽量化は困難である。

また、二つ目の問題は、従来の電源装置は安定化電源ではないため負荷によって電圧が変化することである。そのため、同じ電圧の機器であっても、電源装置を使い回せないだけでなく、負荷変動の激しい機器では動作が不安定になる恐れがある。

このような問題があるにもかかわらず、電源装置、とりわけＡＣアダプタの小型化・軽量化や出力の安定化を実現するための技術の開示は少なく、構成する部品の特性改善や配置の工夫によるものがいくつか開示されているに過ぎない。例えば、特許文献１に開示される「ＡＣアダプタ」や特許文献２に開示される「ＡＣアダプタ」である。
特開２００４−３２７２２４号公報 特開２００４−２６０９１１号公報

特許文献１にはコンセントプラグの配置等を工夫して小型化・軽量化を図ったＡＣアダプタが開示されているが、課題の本質的な解決とはなっていない。すなわち、コンセントプラグの配置位置を工夫したとしても小型化には限界があるし、部品点数の削減や部品の小型化にはつながらないのでほとんど軽量化されない。

また、特許文献２には、バッテリーを充電するための第１の定電流制御を行う第１の定電流制御手段と、電子機器の駆動に必要な電流を供給するための第２の定電流制御を行う第２の定電流制御手段とを備え、出力電圧が予め設定された値よりも低下した場合には第２の定電流制御を行うＡＣアダプタが開示されている。特許文献２に開示される発明は、大電力を許容するための大容量素子が不要となるため外形寸法を抑えられ、さらに電子部品の定格電力を下げられる。しかし、この構造では、出力電圧の安定化は図れるものの、構成が複雑となるため、小型化・軽量化に関しては限界がある。

このように、従来の小型電気機器用の電源装置は、出力電圧を安定させた上で小型化・軽量化を図ることが困難であるという問題があった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、小型・軽量で安定した出力電圧が得られる電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、入力交流電圧を整流して脈流電圧を生成する整流回路と、整流回路の正極性出力部と負極性出力部との間に介在される電力貯蔵装置とを含む電源装置であって、電力貯蔵装置は、安定ラジカル化合物の酸化還元反応を利用した有機ラジカル電池を含むものであり、有機ラジカル電池の充放電電圧は、脈流電圧のピーク電圧よりも小さいことを特徴とする電源装置を提供するものである。

以上の構成においては、電力貯蔵装置が、平滑コンデンサと安定ラジカル化合物の酸化還元反応を利用した有機ラジカル電池とからなることが好ましい。

また、上記のいずれの構成においても、安定ラジカル化合物は、正極及び負極の少なくとも一方の電極の活物質として用いられていることが好ましく、これに加えて、安定ラジカル化合物が、正極の活物質として用いられていることがより好ましい。

上記のいずれの構成においても、安定ラジカル化合物がポリマーを形成していることが好ましい。また、安定ラジカル化合物が、ニトロキシルラジカル系安定ラジカル化合物であることが好ましい。また、安定ラジカル化合物は、平衡状態におけるスピン濃度が１０²⁰spins/g以上で電気的に中性であることが好ましい。

本発明によれば、安定した出力電圧が得られる電源装置を従来よりも小型・軽量な構成で提供できる。

〔発明の原理〕
本発明では、整流回路の正極出力部と負極出力部との間に介在させる電力貯蔵装置として、安定ラジカル化合物の酸化還元反応を利用した有機ラジカル電池を適用する。

類似の構成として、電力貯蔵装置として電気二重層コンデンサを使用した電源装置も考えられるが、このような構成では電圧が充電状態に応じて変化するため、一定の出力電圧を得ることが難しい。
また、他の（有機ラジカル電池以外の）二次電池（リチウムイオン電池など）を電力貯蔵装置として用いる構成も考えられるが、この場合には電圧の平滑効果が得られない。これは、一般の二次電池の充放電速度が有機ラジカル電池に比べて小さく（例えば、リチウムイオン電池では充放電にそれぞれ１時間程度必要）、商用電源の電圧変動（５０〜６０Ｈｚ）には追従できないためである。さらに、リチウムイオン電池などでは設計値以上の電流や電圧がかかると発煙、発火の危険性もある。このため、有機ラジカル電池以外の二次電池では、電源装置（特にＡＣアダプタ）に組み込みことが可能なサイズで電圧平滑用電力貯蔵装置とすることは困難である。

これに対し、有機ラジカル電池は特定の狭い電圧範囲を境にそれ以上では充電が、それ以下では放電が起こり、充放電速度も大きいため、変動の激しい出力であっても効率良く安定化できる。また、有機ラジカル電池は本来は絶縁体である有機材料を活物質とするため、反応終了後、すなわち充電完了後は電流を流すことがない。したがって、過充電による発煙・発火の可能性も少ない。

よって、有機ラジカル電池は電源装置、特にＡＣアダプタに好ましく利用でき、チョークコイルを使用することなく安定な出力を得ることが可能となる。

特に、有機ラジカル電池がニトロキシルラジカル系安定ラジカル化合物を活物質とするものである場合、充放電反応に対する安定性に優れるため、安定した出力電圧が長期間にわたって得られる。

なお、従来の電源装置には、小型電子機器用の二次電池を充電するためのものもあり、二次電池まで含めた場合には、一見すると本発明の構成と類似しているようではある。しかし、本発明は整流回路から出力される脈流を有機ラジカル電池で平滑化し、チョークコイルを不要とすることによって、電源装置の小型化・軽量化を実現するものである。このため、本発明に適用する有機ラジカル電池の容量は、機器を長時間駆動することを目的とした小型電子機器用の二次電池と比べて遙かに小さい。すなわち、本発明は、従来の電源装置と二次電池との単なる組合せとは、目的、サイズ、形状、使用方法などの点で全く異なるものである。

以下、上記原理に基づく本発明の好適な実施の形態について説明する。

本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１（ａ）に、本実施形態にかかるＡＣアダプタの構成を示す。ＡＣアダプタは、変圧用トランス１、整流回路２、及び電力貯蔵装置３を有する。
図１（ｂ）に示すように、入力交流電圧を調整する変圧用トランス１としては、一般的なトランスを始めとして圧電トランスなど公知のものを適用できる。整流回路２は、従来のＡＣアダプタと同様に、入力交流電圧を整流して脈流電圧を生成する。整流回路２には、半波型、全波型のダイオードブリッジや、ダイオードとトランスとをセンターチップで接続した回路などの公知の回路構成を利用できる。

電力貯蔵装置３は、整流回路２の正極性出力部と負極性出力部との間に介在させられており、有機ラジカル電池（ＯＲＢ）が適用される。なお、有機ラジカル電池は単独ではなく、従来の平滑コンデンサとを並列に接続して併用することも可能である。

有機ラジカル電池は、安定ラジカル化合物の酸化還元反応を利用した電池であり、整流回路２から出力される脈流を平滑化する。有機ラジカル電池の基本構成は、電解質を含むセパレータを介して正極と負極とを重ね合わせたものであり、正極及び負極の少なくとも一方の活物質として安定ラジカル化合物が用いられる。

一般に、ラジカルの強さは電子スピン共鳴スペクトル装置（ＥＳＲ）で評価されるが、どのような試料でもわずかではあるがラジカルが測定される。これは、常温環境下でもエネルギーの揺らぎなどによって一部の電子が励起されて観測されるものであり、安定ラジカルとは異なるものである。本発明では、平衡状態におけるスピン濃度が１０²⁰spins/g以上であり電気的に中性の化合物を安定ラジカル化合物と呼んでいる。

有機ラジカル電池の製造方法の一例を挙げる。
アルミニウム板からなる集電体の表面に安定ラジカル化合物（ポリ（２，２，６，６−テトラメチルピペリジノキメタクリレート）、後述の構造式１）、導電補助剤（アセチレンブラック）、及びバインダー（ポリフッ化ビニリデン）を含むスラリーを展開、乾燥して正極層を形成する。そして、ポリオレフィン多孔膜からなるセパレータを正極層の上に積層する。さらに、ニッケル板からなる集電体表面に黒鉛及びバインダーを含むスラリーを展開、乾燥して形成した負極層をセパレータの上に積層する。
その後、正負極にそれぞれリード端子を溶接する。そして外装用のアルミラミネートフィルム内に、１ＭのＬｉＰＦ₆を含む炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの混合溶媒からなる電解液とともに封止する。
このようにして、有機ラジカル電池を形成できる。

有機ラジカル電池に用いられる安定化ラジカル化合物は、安定ラジカルを有する化合物であれば上記の例には特に限定されない。

安定ラジカル化合物が有する安定ラジカルとしては、ニトロキシルラジカル、窒素ラジカル、酸素ラジカル、チオアミニルラジカル、硫黄ラジカル、ホウ素ラジカルなどがあげられる。特に、ニトロキシルラジカルは、充放電反応に対する安定性が優れているため、ニトロキシルラジカルを有する安定ラジカル化合物は、活物質として長期間安定して使用可能であり好ましい。

代表的な安定ラジカル化合物の一例を、構造式１〜８に示す。

これらの安定ラジカル化合物では、ラジカルが近傍の嵩高い置換基による立体障害や、共鳴構造によって安定化されている。安定ラジカル化合物は低分子の化合物でも良いが、安定性の面からポリマーを形成していることが好ましい。

有機ラジカル電池は、上記の安定ラジカル化合物を正極及び負極の少なくとも一方の活物質として使用するものであるが、酸化還元電位の関係（エネルギー密度）から負極の活物質としてはＬｉ又はＬｉドープした酸素を用いることが最も好ましいため、特に安定ラジカル化合物を正極の活物質として使用することが好ましい。

安定ラジカル化合物を使用する電極の活物質として、以下に示す活物質を併用することもできる。これらの活物質は、安定ラジカル化合物を用いない対電極の活物質としても使用できる。

正極の活物質としては、金属酸化物粒子、ジスルフィド化合物及び導電性高分子等を用いることができる。ここで、金属酸化物としては、ＬｉＭｎＯ₂、Ｌｉ_xＭｎ₂Ｏ₄（０≦ｘ≦２）等のマンガン酸リチウム、あるいはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム、ＭｎＯ₂、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、あるいはＬｉ_xＶ₂Ｏ₅（０≦ｘ≦２）等があげられる。また、ジスルフィド化合物としては、ジチオグリコール、２，５−ジメルカプト−１，３，４−チアジアゾール、Ｓ−トリアジン−２，４，６トリチオール等があげられる。導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリピロールなどがあげられる。これらの正極活物質は単独でも２種以上組み合わせても使用できる。

負極の活物質としては、正極の活物質よりも酸化還元電位が卑なものを採用する。好ましい活物質としては、炭素材料（天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、ピッチコークス、カーボンブラック、活性炭、樹脂焼成炭素、有機高分子焼成体、熱分解気相成長炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ等）、リチウム、リチウム合金などがあげられる。

有機ラジカル電池に用いられる電解質は特に限定されることはなく、二次電池の電解質として従来公知のものを好適に適用可能である。
一般に、電解質は、電極間の荷電担持体輸送を担うものであり、電解質塩を溶解した電解液やポリマー、ポリマーゲルに溶解したポリマー電解質等がある。電解液の場合には、溶媒としては、炭酸プロピレン（ＰＣ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸ブチレン（ＢＣ）、炭酸ビニレン（ＶＣ）等の環状カーボネート類と、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸ジプロピル（ＤＰＣ）等の鎖状カーボネート類を二種以上混合したものが好ましい。
電解質塩としては、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣＦ₃ＣＯ₂、Ｌｉ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂等のリチウム塩があげられる。これらの電解質塩は単独で用いることも、２種以上を併用することも可能である。

有機ラジカル電池を構成する正極及び負極の積層形態ついて特に限定されるものではなく、多層積層体、集電体の両面に積層したものを組み合わせた形態、さらにこれらを巻き回した形態等の任意の積層形態を採用できる。

有機ラジカル電池の構造及び外形についても特には限定されることはなく、従来公知の構造、外形を採用できる。このような電池構造としては、例えば、電極積層体又は巻回体を、金属ケース、樹脂ケース又はアルミニウム箔などの金属箔と合成樹脂フィルムとからなるラミネートフィルム等によって封止した構造があげられる。また、電池の外形としては、円筒型、角型、コイン型、シート型などがあげられる。

図１（ｂ）に示した構成においては、整流回路２は、交流電圧を調整するトランスと、調整された交流電圧を脈流に変換するダイオードブリッジとで構成されている。図には、整流回路２と有機ラジカル電池との接続状態が示されている。
本実施形態にかかるＡＣアダプタは、交流電圧を調整して生成する脈流のピーク電圧を有機ラジカル電池の充放電電圧以上に制御する（換言すると、充放電電圧が脈流のピーク電圧以上の有機ラジカル電池を適用する。）。このようなＡＣアダプタにおいては、整流回路２で生成した脈流が有機ラジカル電池の充電電圧よりも大きいときには有機ラジカル電池が充電され、電圧がこれを下回ると有機ラジカル電池が放電する。この結果、脈流の電圧変動を低減して、常に安定した電圧を出力できる。

有機ラジカル電池の充放電電圧は、ピペリジノキシラジカルなどの複素脂環式化合物の場合には３．６Ｖ程度であるが、化合物の分子構造によって２〜４Ｖ程度の範囲で制御可能である。電圧は有機ラジカル電池を直列に接続することによっても制御可能であり、同種の有機ラジカル電池を複数個直列に接続することで、一個の有機ラジカル電池の整数倍の電圧を出力することもできる。また、異なる種類の有機ラジカル電池を組み合わせることにより、任意の電圧を有機ラジカル電池から出力させることもできる。

上記構成のＡＣアダプタは、変圧用トランス１から出力される脈流の電圧が有機ラジカル電池の充放電電圧以上であれば充電が、それ以下では放電が起こり、充放電速度も大きいため、変動の激しい出力であっても効率良く安定化できる。また、有機ラジカル電池は本来は絶縁体である有機材料を活物質とするため、反応終了後、すなわち充電完了後は電流を流すことがなく、過充電による発煙、発火の可能性も少ない。

なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることはない。
例えば、上記実施形態においてはＡＣアダプタを例として説明を行ったが、コンセントプラグと一体化した構成や、電源コードに組み込んだ構成、あるいは電子機器に組み込んだ構成であってもよい。
このように、本発明は様々な変形が可能である。

本発明を好適に実施したＡＣアダプタの構成を示す図である。 従来のＡＣアダプタの構成を示す図である。

符号の説明

１ 変圧用トランス
２ 整流回路
３ 電力貯蔵装置
４ チョークコイル
５ 変圧器

Claims (7)

1. 入力交流電圧を整流して脈流電圧を生成する整流回路と、
   前記整流回路の正極性出力部と負極性出力部との間に介在される電力貯蔵装置とを含む電源装置であって、
   前記電力貯蔵装置は、安定ラジカル化合物の酸化還元反応を利用した有機ラジカル電池を含むものであり、
   前記有機ラジカル電池の充放電電圧は、前記脈流電圧のピーク電圧よりも小さいことを特徴とする電源装置。
2. 前記電力貯蔵装置が、平滑コンデンサと安定ラジカル化合物の酸化還元反応を利用した有機ラジカル電池とからなることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記安定ラジカル化合物は、正極及び負極の少なくとも一方の電極の活物質として用いられていることを特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
4. 前記安定ラジカル化合物が、前記正極の活物質として用いられていることを特徴とする請求項３記載の電源装置。
5. 前記安定ラジカル化合物がポリマーを形成していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の電源装置。
6. 前記安定ラジカル化合物が、ニトロキシルラジカル系安定ラジカル化合物であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の電源装置。
7. 前記安定ラジカル化合物は、平衡状態におけるスピン濃度が１０²⁰spins/g以上で電気的に中性であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の電源装置。

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