JP2008148124A - 小型無線端末 - Google Patents

Abstract

【課題】電池出力および電池寿命に対する制約を改善した、長時間駆動可能な小型、低コスト無線端末を提供する。
【解決手段】無線アンテナと電源としての一次電池とを有する小型無線端末であって、一次電池から充電する電気二重層キャパシタと、電気二重層キャパシタの充放電を制御するスイッチ手段と、スイッチ手段のスイッチ状態を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする小型無線端末。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型無線端末の電源制御に関する。

携帯電話やＰＨＳ(Personal Handyphone System)などの無線端末は高機能であり、最大で数Ｗ程度の大きな消費電力を必要とすること、また人が携帯して持ち運ぶため、所定期間毎に充電器などを利用して充電を行い易いことから、これらの端末の電源には、Ｌｉイオン電池やニッケル水素電池など、繰り返し充放電可能な二次電池が用いられている。

一方、ユビキタスセンサーネットワークの要素技術であるアクティブ無線タグ、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、ＭＯＴＥ（登録商標）などの技術によって物、場所などに装着、設置する小型無線端末では、充電することなく端末寿命と同等の数年の長時間駆動を実現することが要求される。このため、端末の消費電力は、スリープ時で数μＷ、無線通信時でも数１０ｍＷと、極めて小さくなっており、電池に対する要求条件として電気出力よりも物理的な大きさ（小ささ）や経年的な容量損失の低減および低コスト化が重要である。よって、これらの小型無線端末には主に使い捨ての一次電池（乾電池やボタン型電池）が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
「Computer & Network LAN」、２００５年４月号、株式会社オーム社、２００５年４月、ｐ．３２−３６

このように、ＲＦＩＤのような長時間駆動する小型端末において、ボタン型電池等の小型一次電池を用いた場合には電気出力が制限されるため、高出力無線送信あるいは高機能センサ、アクチュエータなどの駆動は困難となる。一方、出力確保のために二次電池を搭載した場合には、自己放電量が大きく、保存特性に乏しいため、時間とともに電池容量が著しく減少し、端末の駆動時間が短くなる。
すなわち、端末の負荷容量が大きくなると、小型一次電池では駆動できなくなり、出力を確保するために高容量な一次電池が必要となる。このため、電池を含む電源装置の小型化、低コスト化、さらには無線端末の小型化、低コスト化が課題となる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、電池出力および電池寿命に対する制約を改善した、長時間駆動可能な小型、低コスト無線端末を提供する。

請求項１に記載の発明は、無線アンテナと電源としての一次電池とを有する小型無線端末であって、一次電池から充電する電気二重層キャパシタと、電気二重層キャパシタの充放電を制御するスイッチ手段と、スイッチ手段のスイッチ状態を制御する制御手段とを備えることを特徴とする小型無線端末。

この発明によれば、電気二重層キャパシタの優れた放電特性により、一次電池の出力不足を軽減でき、また、充放電スイッチを設けることにより、電気二重層キャパシタからの電流リークを防ぐことができる。以上により、端末に必要な電池容量を小さくすることが可能となり端末が小型化できる。

請求項２に記載の発明は、一次電池と電気二重層キャパシタとが、直列接続となるように回路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の小型無線端末。

この発明によれば、一次電池と電気二重層キャパシタとを直列に接続して給電することにより、一次電池単体の電圧より高い電圧の供給が可能となり、高電圧を必要とする回路を駆動可能にするとともに、電圧降下に起因する端末の異常動作を防ぐことができる。更には、一次電池においてはより低い電圧まで放電可能となるため、端末駆動時間を延ばすことが可能となる。

請求項３に記載の発明は、ハイパワーアンプ回路と、センサ回路と、アクチュエータ回路とのいずれかまたはその組み合わせの特定回路を備え、電気二重層キャパシタは、特定回路へ給電することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の小型無線端末。

この発明によれば、電気二重層キャパシタの優れた放電特性により、低出力な小型電池を用いた場合にも、ハイパワーアンプ回路、センサ回路、およびアクチュエータ回路へ十分な電気エネルギーを供給できる。よって、高出力無線送信及び連続無線送信が可能となる。また、駆動に高電圧あるいは大電流が必要なセンサ、アクチュエータを正常に動作さ
せることができる。

請求項４に記載の発明は、制御手段は、特定回路の動作時に電気二重層キャパシタが充放電するようにスイッチを切り替えるように制御信号を発信することを特徴とする請求項３に記載の小型無線端末。

この発明によれば、電気二重層キャパシタが満充電状態である時間を必要最小限とすることにより、電気二重層キャパシタからの電流リークを抑制することができる

請求項５に記載の発明は、一次電池の残電圧を測定する残電圧計測手段を備え、制御手段は、残電圧が、予め設定された数値以下の値である場合に、電気二重層キャパシタが充放電するようにスイッチを切り替えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の小型無線端末。

この発明によれば、小型無線端末に瞬間的に大きな電流が流れる回路があっても、電圧降下に起因する端末の異常動作を防ぐことができる。特に電池の残容量が減少し、一次電池の電圧が低くなっても駆動可能である。すなわち、一次電池において、より低い電圧まで使用可能となるため、端末駆動時間が延びる。

以上説明したように、本発明によれば、一次電池の利点である高エネルギー密度、優れた容量保存特性と電気二重層キャパシタの利点である良好な充放電サイクル特性、出力特性を兼ね備えた電源構成とすることにより、必要な電池容量を抑えた、小型、低コストの無線端末を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態による小型端末の構成を示すブロック図である。
本発明による小型端末１は、電源制御部２と、ボタン型電池３と、無線通信部（以下、ＲＦ部）４と、ベースバンド部（以下、ＢＢ部）５と、電気二重層キャパシタ６と、充電スイッチ７と、放電スイッチ８と、インプット／アウトプット線（以下、Ｉ／Ｏ線）９と、給電線１０と、アンテナ１１とを有する。

電源制御部２は、Ｉ／Ｏ線９を介して充電スイッチ７および放電スイッチ８と接続され、これらのスイッチ状態を制御することで電源の供給先を選択・制御する。
ボタン型電池３は、一次電池であり、給電線１０を介して充電スイッチ７および放電スイッチ８と接続される。また、本実施形態では一次電池をボタン型電池であることとしたが、乾電池などでも良い。
ＲＦ部４は、アンテナ１１を介して電波を受信または発信する。また、ＲＦ部４は、Ｉ／Ｏ線９を介してＢＢ部５と接続され、また、給電線１０を介して放電スイッチ８と接続されている。

ＢＢ部５は、受信した信号および発信する信号の復調、変調を行う。また、ＢＢ部５は、Ｉ／Ｏ線９を介してＲＦ部４と接続され、また、給電線１０を介して放電スイッチ８と接続されている。
電気二重層キャパシタ６は、給電線１０を介して充電スイッチ７と、また給電線１０を介して放電スイッチ８と接続されている。電気二重層キャパシタ６の容量は、アンテナから発信する電波の出力と連続発信時間を勘案して決定して良い。また、電気二重層キャパシタ６は、本実施形態ではひとつを備えることとしたが、例えばＲＦ部４に接続するものとＢＢ部５に接続するものとをそれぞれ備えることとし、複数の電気二重層キャパシタを備えることとしても良い。

充電スイッチ７は、Ｉ／Ｏ線９を介して電源制御部２と接続されており、電源制御部２からの制御信号によりオン／オフの切り替えを行う。また、充電スイッチ７は、ボタン型電池の陽極と陰極とがそれぞれ異なる給電線１０を介して電気二重層キャパシタ６の陽極と陰極とに接続され、それぞれにスイッチを備えた構成となっている。充電スイッチ７がオンになると、ボタン型電池３から電気二重層キャパシタ６に電力が充電される。すなわち、電荷が蓄積される。

放電スイッチ８は、Ｉ／Ｏ線９を介して電源制御部２と接続されており、電源制御部２からの制御信号によりオン／オフの切り替えを行う。また、放電スイッチ８は、給電線１０を介して電気二重層キャパシタ６と、また給電線１０を介してボタン型電池３と、さらに給電線１０を介してＲＦ部４およびＢＢ部５と接続されている。また、放電スイッチ８も、上記充電スイッチ７と同様にそれぞれ陽極と陰極の双方にスイッチが備えられ、接続されていることとする。
放電スイッチ８がオンになると、電気二重層キャパシタ６に蓄積された電荷が放電され、給電線１０を介してＲＦ部４およびＢＢ部５に電力が供給される。また、放電スイッチ８は、ＲＦ部４の送受信切り替えスイッチと連動させる構成としても良い。

Ｉ／Ｏ線９は、電気信号を伝達する信号線であり、給電線１０は、電力を伝達する電源配線である。
アンテナ１１は、外部から電気信号を受信し、また、ＲＦ部４からの電気信号を発信する無線アンテナである。

次に、本発明による小型端末１が、無線送信時に電気二重層キャパシタから給電する動作例を説明する。
電源制御部２は、無線受信および待機の際、充電スイッチ７および放電スイッチ８をオフにする。すなわち、無線受信時および待機時は、小型端末１はボタン型電池を電源供給元として駆動する。

無線送信の際、電源制御部２は、充電スイッチ７をオンにし、電気二重層キャパシタ６に充電する。そして、電源制御部２は、電気二重層キャパシタ６が満充電されたことを検知すると、充電スイッチ７をオフにする。ここで、電源制御部２は、ボタン型電池３から電気二重層キャパシタ６に流れる電流を検出し、この電流が、予め設定した閾値より低下すると、供給に必要な電荷が蓄積されたことを検出する。次に、電源制御部２は、放電スイッチ８をオンにする。これによって、電気二重層キャパシタ６からＢＢ部５およびＲＦ部４に電力が給電される。
放電スイッチ８がオンとなったタイミングに対応して、ＲＦ部４は、アンテナ１１を介して信号を発信し、無線通信を行う。

無線通信が完了すると、電源制御部２は、放電スイッチ８をオフにする。これにより、小型端末１は待機状態となる。
本実施形態では、一回の送信ごとに電気二重層キャパシタ６への充電を行うこととしたが、電気二重層キャパシタ６に複数回の送信に必要な容量の電荷を蓄積させるようにし、一回の充電後に複数回の送信を行うようにしても良い。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態による小型端末の給電動作例について説明する。
第２の実施形態による小型端末は第１の実施形態とほぼ同様の構成をしており、同様の処理・構成については説明を省略する。以下、第１の実施形態と異なる構成・処理について説明する。

図２は、本実施形態による小型端末の構成を示すブロック図である。
小型端末１は、第１の実施形態による構成に加えて、ＲＦ部４を構成するＨＰＡ（ハイパワーアンプ）１２を有し、給電線１０が電気二重層キャパシタ６からＨＰＡ１２に直接給電するように接続されている。
ＨＰＡ１２は、アンテナ１１を介して発信する電気信号を増幅する増幅回路であり、無線送信時に駆動する。小型無線端末において、ハイパワーアンプは、最も消費電流が大きな回路ブロックのひとつである。ＨＰＡ１２は、ＲＦ部４の内部に備えられており、給電線１０によって放電スイッチ８と接続されている。

次に、本発明による小型端末１が、電気二重層キャパシタ６からＨＰＡ１２に給電する動作例について説明する。
第１の実施形態と同様に、放電スイッチ８がオンになると、電気二重層キャパシタ６に蓄電された電荷が、ＨＰＡ１２に給電される。この際、電気二重層キャパシタ６からＨＰＡ１２へ直接給電することにより、効率的な給電が可能となり、より高い効果をえることができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態による小型端末の給電動作例について説明する。
第３の実施形態による小型端末は第１の実施形態とほぼ同様の構成をしており、同様の処理・構成については説明を省略する。以下、第１の実施形態と異なる構成・処理について説明する。

図３は、本実施形態による小型端末の構成を示すブロック図である。
小型端末１は、第１の実施形態による構成に加えて、センサ１３と、アクチュエータ１４とを有する。また、電源制御部２に変えて、システム制御部１５を有する。
センサ１３は、給電線１０を介して放電スイッチ８と接続されている。センサとしては、例えば温度センサ、湿度センサ、光センサ、赤外線センサ、音センサ、加速度センサ、磁気センサ、気圧センサ、水分センサ、ガスセンサ、アルコールセンサなどが挙げられ、特に水分センサ、ガスセンサ、アルコールセンサのような能動センサは一般に動作電圧が高いかあるいは消費電流が大きく、本発明の適用による効果が大きい。
また、センサ１３は、Ｉ／Ｏ線９を介してシステム制御部１５と接続されている。また、本実施形態では、ＨＰＡ１２と、センサ１３と、アクチュエータ１４とを、電気二重層キャパシタ６を利用して給電する特定回路として説明するが、一次電池のみでは足りない電力を必要とする特定回路であれば良い。また、これら全てを備えることとしなくても、ＨＰＡ１２と、センサ１３と、アクチュエータ１４とから一または複数を組み合わせた特定回路を備えることとしても良い。

アクチュエータ１４は、給電線１０を介して放電スイッチ８と接続されている。アクチュエータとしては、例えば、ブザー、モーター、パトランプなどが挙げられ、通常、これらは動作電圧が高いかあるいは消費電流が大きい。また、アクチュエータ１４は、Ｉ／Ｏ線９を介してシステム制御部１５と接続されている。
システム制御部１５は、第１の実施形態における電源制御機能に加えて、センサ１３とアクチュエータ１４の動作を制御する。

第３の実施形態における放電スイッチ８は、ＨＰＡ１２に放電するように給電線１０を接続する第１のオン状態と、センサ１３とアクチュエータ１４とに放電するように給電線１０を接続する第２のオン状態と、そのどちらにも接続しないオフ状態のいずれかのスイッチ状態をとる。本スイッチ状態は、放電スイッチ８が、Ｉ／Ｏ線９を介してシステム制御部１５から受信する放電制御信号によって状態が切り替えられることとする。

次に、本発明による小型端末１が、電気二重層キャパシタ６からセンサ１３およびアクチュエータ１４に給電する動作例について説明する。
システム制御部１５は、センシングまたはアクチュエーションを行う際、第１の実施形態と同様に、充電スイッチ７をオンにして電気二重層キャパシタ６に充電を行った後、充電スイッチ７をオフにする。そして、放電スイッチ８を第２のオン状態にする。すると、電気二重層キャパシタ６からセンサ１３およびアクチュエータ１４に給電される。
センサ１３およびアクチュエータ１４の動作が終了すると、システム制御部１５は、放電スイッチ８をオフにする。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態による小型端末の給電動作例について説明する。
第４の実施形態による小型端末は第１の実施形態とほぼ同様の構成をしており、同様の処理・構成については説明を省略する。以下、第１の実施形態と異なる構成・処理について説明する。

図４は、本実施形態による小型端末の構成を示すブロック図である。
小型端末１は、第１の実施形態による充電スイッチ７とボタン型電池３と電気二重層キャパシタ６とに代えて、電源部１６を備える。電源部１６は、Ｉ／Ｏ線９（図４のｃ）を介して電源制御部２に接続され、また、給電線１０（図４のａおよびｂ）を介して放電スイッチ８とＲＦ部４とＢＢ部５とに接続される。

図５は、本実施形態による電源部１６の構成を示す図である。
電源部１６は、充電スイッチ７１と、バイパススイッチ１７と、電気二重層キャパシタ６と、充電スイッチ７２と、ボタン型電池３とから成る。
バイパススイッチ１７と、充電スイッチ７１と、充電スイッチ７２とは、Ｉ／Ｏ線９（図５のｃ）を介して電源制御部２に接続されており、電源制御部２は、これらスイッチのオン／オフ状態を制御する。

次に、本発明による小型端末１が、一次電池と電気二重層キャパシタを直列接続し、昇圧して給電する動作例について説明する。
電源制御部２は、無線受信時および待機時は、充電スイッチ７１と、充電スイッチ７２と、バイパススイッチ１７とをオフ状態にする。このとき、ＲＦ部とＢＢ部５とには給電線１０（図５のｂ）を介してボタン型電池３から給電される。

無線送信時には、電源制御部２は、充電スイッチ７１と充電スイッチ７２とをオンにする。すると、ボタン型電池３から電気二重層キャパシタ６に充電される。そして、電源制御部２は第１の実施形態と同様の電流の検出を行い、電気二重層キャパシタ６が満充電されたことを検知すると、充電スイッチ７１と充電スイッチ７２とをオフにする。次に、電源制御部２は、バイパススイッチ１７をオンにする。これによって、ボタン型電池３と電気二重層キャパシタ６とが直接接続され、それぞれを単体で用いる場合よりも高い電圧（ボタン型電池３の電圧と電気二重層キャパシタ６の電圧との合計電圧）を得ることができる。
電源制御部２が、放電スイッチ８をオン状態にすると給電線１０（図５のａ）を介して、電源部１６からＨＰＡ１２へ給電され、小型端末１は無線信号を発信する。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明による小型端末１が、ボタン型電池３の電圧値に応じてスイッチ切り替えを行う動作例について説明する。
第５の実施形態による小型端末は第４の実施形態とほぼ同様の構成をしており、同様の処理・構成については説明を省略する。以下、第４の実施形態と異なる構成・処理について説明する。
本実施形態では、電源制御部２は、ボタン型電池３の残電圧を計測する機能を備えることとする。

図６は、本実施形態による放電制御の動作を示すフローチャート図である。
電源制御部２は、例えば、ボタン型電池３の両端の電圧値を検出する（ステップＳ１）。電源制御部２は、ボタン型電池３から検出した電圧値と、予め設定された回路が動作しなくなる閾値（例えば、２．３Ｖ）とを比較する（ステップＳ２）。ボタン型電池３の電圧値が閾値未満の場合には、電源制御部２は、第１の実施形態と同様に電気二重層キャパシタ６に充電を行う。すなわち、充電スイッチ７をオンにし（ステップＳ３）、電気二重層キャパシタ６に給電する（ステップＳ４）。電気二重層キャパシタ６の充電が完了すると（ステップＳ５）、電源制御部２は、充電スイッチ７をオフにする（ステップＳ６）。

上記充電を行った後、あるいは、ボタン型電池３の電圧が規定値以上の場合には、放電スイッチ８をオンにし（ステップＳ７）、直列接続されたボタン型電池３と電気二重層キャパシタ６とから電力の供給を行う。放電を受けた特定回路（ＨＰＡ１２、センサ１３、アクチュエータ１４のいずれかまたはその組み合わせ）は、動作する（ステップＳ８）。動作完了後、電源制御部２は、放電スイッチ８をオフにする（ステップＳ９）。

本発明の第１の実施形態による端末構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態による端末構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態による端末構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態による端末構成を示す図である。 本発明の第４の端末における電源部の構成を示す図である。 本発明の第５の動作を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ 小型端末
２ 電源制御部
３ ボタン型電池
４ ＲＦ部（無線通信部）
５ ＢＢ部（ベースバンド部）
６ 電気二重層キャパシタ
７ 充電スイッチ
８ 放電スイッチ
９ Ｉ／Ｏ線
１０ 給電線
１１ アンテナ
１２ ＨＰＡ（ハイパワーアンプ）
１３ センサ
１４ アクチュエータ
１５ システム制御部
１６ 電源部
１７ バイパススイッチ
７１ 充電スイッチ
７２ 充電スイッチ

Claims (5)

1. 無線アンテナと電源としての一次電池とを有する小型無線端末であって、
   前記一次電池から充電する電気二重層キャパシタと、
   前記電気二重層キャパシタの充放電を制御するスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段のスイッチ状態を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする小型無線端末。
2. 前記一次電池と前記電気二重層キャパシタとが、直列接続となるように回路が形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の小型無線端末。
3. ハイパワーアンプ回路と、センサ回路と、アクチュエータ回路とのいずれかまたはその組み合わせの特定回路を備え、
   前記電気二重層キャパシタは、前記特定回路へ給電すること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の小型無線端末。
4. 前記制御手段は、前記特定回路の動作時に前記電気二重層キャパシタが充放電するように前記スイッチを切り替えるように制御信号を発信すること
   を特徴とする請求項３に記載の小型無線端末。
5. 前記一次電池の残電圧を測定する残電圧計測手段を備え、
   前記制御手段は、前記残電圧が、予め設定された数値以下の値である場合に、前記電気二重層キャパシタが充放電するように前記スイッチを切り替えること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の小型無線端末。

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