JP2009055158A - 電池駆動無線機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用寿命を長くするために、電池とスイッチング・レギュレータの組み合わせを用いて、スイッチング・レギュレータのノイズによる受信感度の低下や、送信信号の品質が低下しない、かつ小型化の電池駆動無線機器を実現する。
【解決手段】 電池により駆動電力が供給される電池駆動無線機器において、前記電池により供給された電圧を昇圧するスイッチング・レギュレータと、前記スイッチング・レギュレータにより昇圧された電圧を蓄える内蔵蓄電機構と、前記内蔵蓄電機構に蓄えられた電圧を安定化し電源電圧として各部に供給するシリーズ・レギュレータとを具備し、送信及び受信動作時に前記スイッチング・レギュレータの発振を停止することで、スイッチング・レギュレータのノイズが無線部に影響を与えることがないように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池駆動無線機器に関し、詳しくはスイッチング・レギュレータと乾電池を使用した長時間運用する無線センサ電源回路に関する。

図６は、従来のシリーズ・レギュレータを用いた電池駆動無線機器の一例を示す構成図である。
図６は、センサで検知したデータに基づいて外部の機器と通信を行う電池駆動無線機器において、電池駆動無線機器の動作制御を行なうための電力を供給する電池１と、供給された電力により安定した電源電圧を無線部５に供給するシリーズ・レギュレータ３と、電池駆動無線機器が受信及び送信を行うタイミングを把握する制御部４とを備えた構成になっている。

このような構成からなる電池駆動無線機器において、先ず、電池１により電力を供給されたシリーズ・レギュレータ３は、無線部５に安定した電源電圧を供給する。アンテナ６から電波を送受信し、無線部５は送受信した情報から必要な情報を取り出す。制御部４は、電池駆動無線機器が受信及び送信を行うタイミングを把握する。温度センサ７は、温度を測定し、電池駆動無線機器が測定した温度を外部の機器に送信を行う。

また、シリーズ・レギュレータ３には、電力効率は低いが、ノイズの発生が少ないという特徴がある。図６のような回路を使用する目的は、電力消費の少ない機器にシリーズ・レギュレータ３で生成された直流電源を供給するためである。

シリーズ・レギュレータ３を用いた電池駆動無線機器は、電池の電圧をシリーズ・レギュレータ３で３．０Ｖに安定化することで回路を動作させる。電池には、次の２通りの構成がある。

電池の１つ目の構成は、単３リチウム乾電池２本の場合である。これは、ＦＲ６と呼ばれる市販の単３リチウム乾電池２本を使用する。単３リチウム乾電池は、１．５Ｖ以上を保持する時間が長く、単３リチウム乾電池２本で３Ｖを供給するのに大変適している。図７のような市販の単３乾電池の放電特性において、下限電圧を２．８Ｖとした場合、単３リチウム乾電池は約１４５時間まで使用できることが分かる。一方、ＬＲ６と呼ばれるアルカリ乾電池２本では、約２０時間までしか使用できない。

電池の２つ目の構成は、単３アルカリ乾電池３本の場合である。これは、ＬＲ６と呼ばれる市販の単３アルカリ乾電池３本を使用する。単３アルカリ乾電池の終止電圧は０．９Ｖのため単３アルカリ乾電池を３本使用し、初期電圧を４．５Ｖとしてシリーズ・レギュレータ３で３Ｖに安定化して使用することで放電時間を延ばすことが出来る。図８のような市販乾電池の放電特性において、下限電圧を２．８Ｖとすると単３アルカリ乾電池３本では、約１６０時間まで使用できることが分かる。これは単３アルカリ乾電池２本の場合の約８倍の寿命である。

次に、図９は、従来のスイッチング・レギュレータ２を用いた電池駆動無線機器の一例を示す構成図である。
図９は、センサで検知したデータについて外部の機器と送受信する電池駆動無線機器において、電池駆動無線機器の動作制御を行なうための電力を供給する電池１と、無線部５に安定した電源電圧を供給するスイッチング・レギュレータ２と、電池駆動無線機器が受信及び送信を行うタイミングを把握する制御部４とを備えた構成になっている。

このような構成からなる電池駆動無線機器において、先ず、電池１により電池駆動無線機器を動作制御するための電力を供給する。電力を供給されたスイッチング・レギュレータ２は、無線部５に安定した電源電圧を供給する。アンテナ６から電波を送受信し、無線部５で送受信した情報から必要な情報を取り出す。制御部４では、電池駆動無線機器が受信及び送信を行うタイミングを把握する。温度センサ７は、温度を測定し、電池駆動無線機器が測定した温度を外部の機器に送信する。

図９のようなスイッチング・レギュレータ２を用いた電池駆動無線機器の構成において、アルカリ乾電池の電圧が０．９Ｖ以上の場合、３．０Ｖに昇圧安定化して供給できるため、乾電池１本で動作可能となる。
また、電池駆動無線機器は、無線の送受信時が２０ｍＡ〜５０ｍＡ程度と最も消費電流が大きい。そのため、送信および受信を最小限に減らすことで、消費電流を削減する。

また、スイッチング・レギュレータ２は、スイッチング動作によってノイズが発生するが、電力効率に優れているという特徴がある。図９のような回路を使用する目的は、電力消費の多い機器にスイッチング・レギュレータ２で生成された直流電源を供給するためである。

特開２００６−１２９５９３号公報 特開２００５−１７５５６１号公報

しかしながら、シリーズ・レギュレータを用いた電池駆動無線機器において、シリーズ・レギュレータは電力効率が低い。そこで、使用寿命を長くするために、単３リチウム乾電池を使用する。しかし、リチウム乾電池は、特殊な電池のため入手性が良くない。次に、入手性が良い単３アルカリ乾電池を使用する。使用寿命を長くするためには、アルカリ乾電池が３本必要になる。乾電池が３本必要になると、形状が大きくなるという問題がある。
そのため、使用寿命を長くするために、電力効率の良いスイッチング・レギュレータを使用する。スイッチング・レギュレータを用いた電池駆動無線機器においては、スイッチング・レギュレータから発生するノイズによって無線部の受信時の感度が悪くなり、かつ通信距離が短くなるという問題がある。また、送信時においても、スイッチング・レギュレータから発生するノイズの影響によりスプリアスが増加する等の悪影響を与えるという問題がある。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、アルカリ乾電池及びシリーズ・レギュレータ及びスイッチング・レギュレータの組み合わせを用いて、電力効率が良い電池駆動無線機器を実現することを目的とする。かつ、スイッチング・レギュレータから発生するノイズの影響がない電池駆動無線機器の実現をすることを目的とする。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、電池により駆動電力が供給される電池駆動無線機器において、前記電池により供給された電圧を昇圧するスイッチング・レギュレータと、前記スイッチング・レギュレータにより昇圧された電圧を蓄える内蔵蓄電機構と、前記内蔵蓄電機構に蓄えられた電圧を安定化し電源電圧として各部に供給するシリーズ・レギュレータとを具備し、送信及び受信動作時に前記スイッチング・レギュレータの発振を停止させることを特徴とする。

請求項２では、請求項１の電池駆動無線機器において、前記内蔵蓄電機構は、大容量コンデンサであることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２の電池駆動無線機器において、前記スイッチング・レギュレータの発振停止動作は、シャットダウンコントロール機能を利用することにより行うことを特徴とする。

請求項４では、請求項１または２の電池駆動無線機器において、前記スイッチング・レギュレータの発振停止動作は、目標電圧を変更することにより行うことを特徴とする。

請求項５では、請求項１乃至４のいずれかの電池駆動無線機器において、前記スイッチング・レギュレータの発振を止める前に一定時間前記スイッチング・レギュレータの出力電圧を上昇させることを特徴とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を説明すれば下記の通りである。
すなわち、本発明の電池駆動無線機器は、データの送信及び受信期間のタイミングでスイッチング・レギュレータを止めることにより、スイッチング・レギュレータから発生するノイズが無線部に影響を与えることを避けることができる。データの送信及び受信期間は、データの送受信を行う前に大容量コンデンサに蓄えておいたエネルギーにより電池駆動無線機器を駆動することができる。また、常時、シリーズ・レギュレータによって無線部に安定した電力を供給することができる。無線部に安定した電力が供給されることにより、データの送受信を行うことができる。
かつ、本発明の電池駆動無線機器は、アルカリ電池を使用したことにより、電池の選定の幅が広がったと言える。電池の選定の幅を広げたことは、設計の自由度を高めるため、小型化を実現することができる。

以下、図面を用いて、本発明の電池駆動無線機器を説明する。

図１は、本発明の電池駆動無線機器の一実施例を示す構成図である。図において、前記図６と同様のものは同一符号を付して示す。
図１に示すように、電池駆動無線機器において、電池駆動無線機器の動作制御を行なうための電力を供給する電池１と、送受信時に動作を停止するスイッチング・レギュレータ２と、スイッチング・レギュレータ２により供給されるエネルギーを蓄える大容量コンデンサ８と、無線部５に安定した電源電圧を供給するシリーズ・レギュレータ３と、電池駆動無線機器が受信及び送信を行うタイミングを把握する制御部４により構成されたものである。

本願発明に係る第１の実施形態の電池駆動無線機器は、図２において、一点斜線で囲まれた部分の回路が、スイッチング・レギュレータ２であり、本実施例では昇圧型のレギュレータとして構成されている。

図２に示すように、一点斜線で囲まれた部分の回路のスイッチング・レギュレータ２は、電池１からの入力電圧を安定化させるためのコンデンサＣ１及びコイルＬ１と、安定化された電圧を入力する電源制御用ＩＣであるＵ１のＬＸ端子と、電圧が出力されるＯＵＴ端子と、フィードバック電圧が入力されるＦＢ端子と、ＯＵＴ端子とＦＢ端子を接続する抵抗Ｒ１と、ＦＢ端子とＧＮＤを接続する抵抗Ｒ２と、制御部４で生成した信号が入力されるＳＨＤＮ端子とにより構成されたものである。
また、無線部５では、アンテナ６で送受信した電波から必要な信号を取りだしている。制御部４では、スイッチング・レギュレータ２を制御する駆動信号を生成し、電池駆動無線機器が受信及び送信を行うタイミングを把握している。温度センサ７では、温度を測定し、測定したデータを制御部４に送信している。

図３のタイムチャートは、通常状態で大容量コンデンサ８が５Ｖに充電されている例である。
先ず、大容量コンデンサ８が５Ｖに充電される。通常、スイッチング・レギュレータ２は、間欠発振動作を行なっている。また、電源電圧は、３Ｖ一定に保持する。入力電圧は、常に０．９Ｖを電池駆動無線機器に供給する。大容量コンデンサ８は、電池駆動無線機器がデータの送受信を行う前に、スイッチング・レギュレータ２により供給されるエネルギーを蓄える。
スイッチング・レギュレータ２のＳＨＤＮの電圧を３Ｖから０Ｖに２．５秒間変更する、つまりスイッチング・レギュレータ２のシャットダウンコントロール機能を利用すると、スイッチング・レギュレータ２は、発振動作を２．５秒間停止する。発振動作停止期間に、電池駆動無線機器は外部からデータを２秒間受信する。スイッチング・レギュレータ２が受信期間中動作を停止するため、電池駆動無線機器はその間電圧を大容量コンデンサ８により供給する。そのため、大容量コンデンサ８の電圧はスイッチング・レギュレータ２の発振停止期間下がり続ける。その後、スイッチング・レギュレータ２の発振動作を開始すると、つまりスイッチング・レギュレータ２のシャットダウンコントロール機能を利用しＳＨＤＮの電圧を３Ｖに戻すと、大容量コンデンサ８はスイッチング・レギュレータ２により充電を始め、電圧を５Ｖにする。

すなわち、スイッチング・レギュレータ２のシャットダウンコントロール機能を利用することで、スイッチング・レギュレータ２の間欠発振動作を停止することができる。また、スイッチング・レギュレータ２が間欠発振動作を停止することにより、間欠発振動作停止期間に、電池駆動無線機器は無線部５の設定変更等について受信を行なう。電池駆動無線機器の受信時に、スイッチング・レギュレータ２の発振を停止することで、スイッチング・レギュレータ２から生じるノイズの影響を無くすことができる。
さらに、アルカリ電池を使用することにより、以前に比べて、電池の選定の幅を広げることができる。電池の選定の幅を広げることにより、設計の自由度が高まるため、小型化の電池駆動無線機器を実現することができる。

図４は、本発明の電池駆動無線機器の他の実施例を示す構成図である。図において、前記図１および図２と同様のものは同一符号を付して示す。図に示す例は、図２における一点斜線で囲まれた部分の回路、つまりスイッチング・レギュレータ２内にスイッチング・トランジスタＱ１、抵抗Ｒ３、Ｒ４が付加された構成になっている。

図２の例では、電源制御用ＩＣであるＵ１内の基準電圧に対して目標とする電圧、つまりスイッチング・レギュレータ２から出力される目標電圧を５Ｖにしたままで、スイッチング・レギュレータ２のシャットダウンコントロール機能を利用している。一方、図４の例では、スイッチング・レギュレータ２の発振制御を、スイッチング・レギュレータ２から出力される目標電圧を変更することで行なっている。

図４に示すように、電池駆動無線機器において、スイッチング・レギュレータ２を構成する電源制御用ＩＣであるＵ１は、無線部５がアンテナ６で送受信した電波から必要な信号を取りだし、制御部４で受信及び送信を行うタイミングを把握するように構成されている。

具体的には、例えば電源制御用ＩＣであるＵ１に、ＭＡＸＩＭ社ＭＡＸ１７２３を使用した場合、ＭＡＸ１７２３は、電池１の電圧である入力電圧０．９Ｖから動作する昇圧型のスイッチング・レギュレータ２であり、昇圧型のスイッチング・レギュレータ２は自己消費電流が１．５μＡと非常に小さいため、消費電流が数１０μＡの機器に使用しても電源部の消費電流の占める割合を１０％程度に抑えることが可能となる。

図５は、２秒間の受信を行う場合のタイムチャートの例である。
電源制御用ＩＣであるＵ１のＦＢは、フィードバック電圧入力で、この電圧が一定になるように制御されている。ＶＳＥＬ電圧が０Ｖ時に、電源制御用ＩＣであるＵ１は、ＯＵＴＰＵＴ電圧が３Ｖより高い電圧になるように制御する。通常は、消費電流が少ないため、スイッチング・レギュレータ２は間欠発振動作を行う。

先ず、大容量コンデンサ８が３Ｖより高い電圧に充電される。また、電源電圧は３Ｖを一定に保持する。入力電圧は、常に０．９Ｖを電池駆動無線機器に供給する。大容量コンデンサ８は、電池駆動無線機器がデータの通信を行う前に、スイッチング・レギュレータ２により供給されるエネルギーを蓄える。
スイッチング・レギュレータ２は、ＶＳＥＬ電圧を０Ｖから３Ｖに変更すると、スイッチング・トランジスタＱ１がＯＮするため、抵抗Ｒ３が短絡する。抵抗Ｒ３が短絡することにより、電源制御用ＩＣであるＵ１のＦＢ端子に入力する電圧が下がる。ＦＢ端子に入力する電圧が下がると、スイッチング・レギュレータ２の制御が働く。スイッチング・レギュレータ２の制御が働くと、大容量コンデンサ８の出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ電圧）を５Ｖにするためにスイッチング・レギュレータ２の発振を開始する。大容量コンデンサ８の出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ電圧）を５Ｖにするまでの間の一定時間、スイッチング・レギュレータ２は発振のパルス幅を変化させる。発振のパルスの幅を変化させることにより、一定時間で大容量コンデンサ８の電圧を５Ｖまで充電する。
また、何秒で大容量コンデンサ８を３Ｖから５Ｖに充電できるかは予め計算で求めることができる。

大容量コンデンサ８は、耐圧はあまり高くないが、静電容量が０．１〜数１０Ｆと大きなコンデンサである。例えば、１３Φ×８ｍｍのサイズで耐圧５．５Ｖ、容量０．１Ｆのコンデンサが使用されている。

このような構成からなる電池駆動無線機器において、温度センサ７は、送信を例えば５分に１回行う。１回の送信時間は、５０ｍＳ〜２００ｍＳ程度である。
また、受信は、無線部５の設定変更などを受信するために行い、例えば１分間に１〜３秒程度受信を行う。

図５の例では、ＶＳＥＬ電圧を２秒間３Ｖにしているが、スイッチング・レギュレータ２は１秒間の発振で目標電圧に達している。
また、ＶＳＥＬ電圧を０Ｖに戻した後、受信を開始し、受信時は無線部５の消費電流が２０ｍＡ増加することで、大容量コンデンサ８の電圧低下が早くなる。

しかしながら、図５より、大容量コンデンサの出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ電圧）が３Ｖより高いため、スイッチング・レギュレータ２が発振を行わない。スイッチング・レギュレータ２が発振を行わないことにより、スイッチング・レギュレータ２からノイズが発生しないため、良好な受信状態を保つことができる。

すなわち、スイッチング・レギュレータ２の間欠発振動作は、電源制御用ＩＣであるＵ１内の基準電圧に対して目標とする電圧、つまりスイッチング・レギュレータ２から出力される目標電圧を変更することにより、制御することができる。また、スイッチング・レギュレータ２は、大容量コンデンサ８の出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ電圧）が５Ｖになると、間欠発振動作が停止する。間欠発振動作停止期間に、電池駆動無線機器は無線部５の設定変更等について受信を行なう。電池駆動無線機器の受信時に、スイッチング・レギュレータ２の発振を停止することで、スイッチング・レギュレータ２から生じるノイズの影響を無くすことができる。
さらに、アルカリ電池を使用することにより、以前に比べて、電池の選定の幅を広げることができる。電池の選定の幅を広げることにより、設計の自由度が高まるため、小型化の電池駆動無線機器を実現することができる。

また、大容量コンデンサ８の出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ電圧）が、３Ｖより小さくなると、間欠発振動作を生じる。スイッチング・レギュレータ２は、間欠発振動作を生じる前に、大容量コンデンサ８の出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ電圧）を５Ｖまで充電する必要がある。
つまり、常時、大容量コンデンサ８の出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ電圧）を３Ｖより大きい値に維持すれば、電池駆動無線機器の受信時に、スイッチング・レギュレータ２の発振は停止し、スイッチング・レギュレータ２から生じるノイズの影響を無くすことができる。

図２の回路は、図４の回路と比べると、５Ｖに充電している時間が長いため、若干効率が劣る。しかし、図２の回路は、図４の回路構成より、簡易であるため、コストが多少安くなる。

図１は本発明の電池駆動無線機器の一実施例を示す構成図。 図２は本発明の電池駆動無線機器の図１の構成詳細図。 図３は本発明の電池駆動無線機器の図２のタイムチャート。 図４は本発明の電池駆動無線機器の他の実施例を示す構成詳細図。 図５は本発明の電池駆動無線機器の図４のタイムチャート。 図６は従来の電池駆動無線機器の一例を示す構成図。 図７は従来の電池駆動無線機器の一例である市販乾電池の放電特性。 図８は従来の電池駆動無線機器の一例である市販乾電池の放電特性。 図９は従来の電池駆動無線機器の一例を示す構成図。

符号の説明

１ 電池
２ スイッチング・レギュレータ
３ シリーズ・レギュレータ
４ 制御部
５ 無線部
６ アンテナ
７ 温度センサ
８ 大容量コンデンサ

Claims (5)

1. 電池により駆動電力が供給される電池駆動無線機器において、
   前記電池により供給された電圧を昇圧するスイッチング・レギュレータと、
   前記スイッチング・レギュレータにより昇圧された電圧を蓄える内蔵蓄電機構と、
   前記内蔵蓄電機構に蓄えられた電圧を安定化し電源電圧として各部に供給するシリーズ・レギュレータとを具備し、
   送信及び受信動作時に前記スイッチング・レギュレータの発振を停止させることを特徴とする電池駆動無線機器。
2. 前記内蔵蓄電機構は、大容量コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の電池駆動無線機器。
3. 前記スイッチング・レギュレータの発振停止動作は、シャットダウンコントロール機能を利用することにより行うことを特徴とする請求項１または２記載の電池駆動無線機器。
4. 前記スイッチング・レギュレータの発振停止動作は、目標電圧を変更することにより行うことを特徴とする請求項１または２記載の電池駆動無線機器。
5. 前記スイッチング・レギュレータの発振を止める前に一定時間前記スイッチング・レギュレータの出力電圧を上昇させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電池駆動無線機器。

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