JP2010096634A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化に対応しつつ、被測定物の電圧を短時間で算出可能な電圧検出装置を提供すること。
【解決手段】電圧を測定する被測定物である電池１と、時間経過に対応して電圧を変化させる電圧発生部２と、一方の入力端子に電池１を接続し、他方の入力端子に電圧発生部２を接続し、各入力端子にかかる電圧値の大小関係に基づきＨｉｇｈまたはＬｏｗの信号を出力する電圧検出部３と、電圧検出部３が出力する信号が切り替わる時間を測定し、測定した時間に基づいて電池１の電圧を算出する制御部４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定物の電圧を算出する電圧検出装置に関する。

従来の電圧検出装置では、電圧検出部であるコンパレータに入力した２つの電圧の大小関係を知ることはできるが、通常、そのうちの１つは基準電圧としてある値に固定されている。実際には、被測定物の電圧と、基準電圧との大小関係を見ることになる。

１つのコンパレータで複数の電圧レベルとの大小関係を比較する場合、被測定物の電圧、または基準電圧のいずれかを分圧して必要な電圧を作る方法が下記特許文献１および下記特許文献２に開示されている。また、被測定物の電圧および基準電圧を蓄電素子に印加し、充放電する時間の比から被測定物の電圧を算出する方法が下記特許文献３に開示されている。

特開平０４−２５３２９８号公報 特開２０００−０２８６５６号公報 特許第２６６７９９３号公報

しかしながら、上記従来の技術において、前者の場合、スペースの制約から有限個の分圧回路しか持つことができない場合が多く、たとえば、腕時計のような小型商品には向かない、という問題があった。また、後者の場合、充放電にかかる時間が極端に長くなるケースが発生する可能性があり、即座に被測定物の電圧を求められない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化に対応しつつ、短時間で被測定物の電圧を算出できる電圧検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電圧検出装置は、電圧を測定する被測定物である電池と、時間経過に対応して電圧を変化させる電圧発生部と、一方の入力端子に前記電池を接続し、他方の入力端子に前記電圧発生部を接続し、各入力端子にかかる電圧値の大小関係に基づきＨｉｇｈまたはＬｏｗの信号を出力する電圧検出部と、前記電圧検出部が出力する信号が切り替わる時間を測定し、測定した時間に基づいて前記電池の電圧を算出する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、小型化に対応しつつ、短時間で被測定物の電圧を算出することができる、という効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電圧検出装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかる電圧検出装置の構成を示すブロック図である。電圧検出装置は、電池１と、電圧発生部２と、電圧検出部３と、制御部４と、電源部５と、を備える。

電池１は、この電圧検出装置において被測定物となる電池である。電圧発生部２は、時間経過に対応（比例）して電圧を変化させて出力する。電圧検出部３は、たとえば、コンパレータとして動作し、電池１と電圧発生部２を２つの入力端子にそれぞれ接続し、電圧を検出するためのＨｉｇｈまたはＬｏｗの信号を出力する。本実施の形態では、一例として、電圧発生部２の出力電圧より電池１の電圧の方が小さい場合の出力信号をＨｉｇｈとし、電圧発生部２の出力電圧より電池１の電圧の方が大きい場合の出力信号をＬｏｗとする。本装置では、電圧発生部２の電圧を基準電圧とする。制御部４は、電圧発生部２の動作を制御する。また、電圧検出部３が出力する信号がＨｉｇｈからＬｏｗへ、またはＬｏｗからＨｉｇｈへ変わる時間（タイミング）Ｔを測定し、時間Ｔを用いて電池１の電圧を算出する。電源部５は、装置全体に電源（電圧ＶＤＤ）を供給する駆動電源である。なお、「電圧ＶＤＤ＞電池１の電圧」とする。

つぎに、上記のように構成される電圧検出装置が電池１の電圧を算出する処理について説明する。ここでは、一例として、電圧発生部２による発生電圧が０Ｖ、電圧検出部３が出力する信号がＬｏｗ、である場合を初期状態とする。

図２は、電池１と電圧発生部２の電圧を示す図である。電圧発生部２による発生電圧Ｖは、電圧発生部２が駆動してからの時間ｔに比例して大きくなり、１次式によって表される。電圧発生部２による発生電圧Ｖは、比例定数をＫ（０＜Ｋ）、時間をｔ（０＜ｔ）とすると、「Ｖ＝Ｋ×ｔ」（０＜Ｖ＜ＶＤＤ）となる。一方、電池の電圧をＶｂとすると、電池１による出力電圧Ｖは、時間ｔによらず「Ｖ＝Ｖｂ」で一定となる。

ここで、電圧検出部３が出力する信号は、上記のとおり、電池１の電圧の方が電圧発生部２の電圧よりも大きい場合（初期状態を含む）はＬｏｗであり、電圧発生部２の電圧が電池１の電圧よりも大きい場合はＨｉｇｈとなる。また、電圧検出部３が出力する信号がＬｏｗからＨｉｇｈへ切り替わるタイミングは、電池１と電圧発生部２の電圧が同一となる時間である。したがって、このときの時間をｔ＝Ｔとすると、時間Ｔにおける電池１と電圧発生部２の電圧は「Ｖ＝Ｋ×Ｔ＝Ｖｂ」となる。これは上記２つの式の連立方程式の解を求めることと同様である。

具体的には、１次式の比例定数Ｋは電圧発生部２によって設定される既知の値であり、また、時間Ｔは、電圧検出部３が出力する信号がＬｏｗからＨｉｇｈへ切り替わるタイミングであることから、制御部４で測定することが可能な値である。したがって、制御部４は、時間Ｔを測定することで、「Ｋ×Ｔ」を計算して電池１の電圧Ｖｂを算出することができる。

このように、第１の実施の形態にかかる電圧検出装置によれば、１つの電圧検出部の一方の入力端子にかかる基準電圧を時間に比例して連続的に変化させ、この基準電圧と他方の入力端子にかかる電池の電圧が同じ電圧になる時間を測定することとした。これにより、装置の小型化に対応しつつ、測定した時間と既知の比例定数に基づき即座に電池の電圧を算出することが可能となる。

なお、本実施の形態では、初期状態として電圧検出部３が出力する信号をＬｏｗとする場合について説明したが、これに限定するものではなく、電圧検出部３の入力端子への接続を上記と逆にして初期状態をＨｉｇｈとすることとしてもよい。また、電圧発生部２の電圧を０Ｖから上昇させる場合について説明したが、一定レベルの電圧から下降させることとしてもよい。この場合は、比例定数Ｋ（Ｋ＜０）の１次式となる。以降の実施の形態についても、一例として、第１の実施の形態と同様の初期状態を前提として説明する。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態にかかる電圧検出装置では、前述した電源部５の代わりに、被測定物の電池１を装置全体の駆動電源とする。本実施の形態では、前述した第１の実施の形態と異なる構成および動作について説明する。

図３は、第２の実施の形態にかかる電圧検出装置の構成を示すブロック図である。この電圧検出装置は、電池１の電圧Ｖｂを１／ｎ（ｎは１よりも大きい任意の数値）に分圧する分圧回路６を備える。また、電池１が、装置全体の電源（電圧Ｖｂ）を供給する駆動電源となる。なお、図３において、前述した実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

つぎに、上記のように構成される電圧検出装置が電池１の電圧を算出する処理について説明する。第２の実施の形態では、電圧発生部２の出力電圧は、第１の実施の形態と同様、「Ｖ＝Ｋ×ｔ」によって表すことができるが、電圧Ｖの範囲は「０＜Ｖ＜電池１の電圧Ｖｂ」となる。そのため、電池の電圧Ｖ＝Ｖｂとし、上記同様の処理で連立方程式の解を求めると、電圧発生部２と電池の電圧が同じになる時間ｔ＝Ｔが存在しない（「Ｖ＝Ｋ×ｔ」と「Ｖ＝Ｖｂ」との連立方程式においてｔは解を持たない）ことになる。

そこで、本実施の形態においては、電池１の電圧を分圧してＶｂよりも小さいＶｂ／ｎとする分圧回路６を設け、分圧回路６を電圧検出部３の入力端子に接続することにより、上記の問題を解消する。具体的には、制御部４は、電圧発生部２の電圧が分圧後の電池の電圧と同一（「Ｖ＝Ｋ×Ｔ＝Ｖｂ／ｎ」）となる時間Ｔを測定することにより、「Ｋ×Ｔ×ｎ」を計算して電池１の電圧Ｖｂを算出する。

このように、第２の実施の形態にかかる電圧検出装置によれば、装置全体に電源を供給する電池の電圧を分圧する分圧回路を、電圧検出部の入力端子に接続することによって、分圧後の電圧を基準電圧の変化の範囲内に収めることとした。そして、第１の実施の形態と同様に、基準電圧を変化させて、基準電圧と分圧後の電池の電圧が同じ電圧になる時間を測定することとした。これにより、装置全体に供給する電源が電池の場合であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態にかかる電圧検出装置では、基準電圧ではなく電圧検出部のオフセット電圧を変動させる。本実施の形態では、前述した第２の実施の形態と異なる構成および動作について説明する。

図４は、第３の実施の形態にかかる電圧検出装置の構成を示すブロック図である。電圧検出装置は、電圧検出部７１と固定電圧部７２とを含む電圧検出部ユニット７を備える。電圧検出部７１は、前述した電圧検出部３と同様の機能を有する。固定電圧部７２は、固定の電圧値を有し、電圧検出部７１の入力端子に接続する。このような電圧検出部ユニット７は、パッケージされたＩＣとして市販されており、これを利用することによって簡単に回路を構成することができる。なお、図４において、前述した実施の形態２と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

電圧検出部７１において、固定電圧部７２が接続された入力端子にかかる電圧は、固定電圧部７２の電圧値と電圧検出部ユニット７を構成するＩＣが有するヒステリシス値との和、電圧発生部２の出力電圧を加えた電圧となる。本実施の形態では、電圧発生部２の出力電圧を、電圧検出部７１のオフセット電圧を変動させる電圧として利用する。

つぎに、上記のように構成される電圧検出装置が電池１の電圧を算出する処理について説明する。第３の実施の形態では、固定電圧部７２が接続された側の電圧検出部７１の入力端子にかかる電圧は、「Ｖ＝Ｋ×ｔ＋Ｖref」によって表すことができる。ここで「Ｋ×ｔ」は、電圧検出部７１のオフセット電圧の変動を表す。また、Ｖrefは、固定電圧部７２の電圧値とヒステリシス値との和となる。すなわち、Ｖrefは既知の値として扱うことができる。ただし、電圧発生部２の電圧変化を下降して変化させる場合（比例定数Ｋ＜０）は、ヒステリシス値は含まないものとする。

本実施の形態では、制御部４が電圧発生部２の電圧を変化させ、固定電圧部７２が接続された側の電圧検出部７１の入力端子にかかる電圧が、分圧後の電池の電圧と同一（「Ｖ＝Ｋ×Ｔ＋Ｖref＝Ｖｂ／ｎ」）となる時間Ｔを測定することにより、「（Ｋ×Ｔ＋Ｖref）×ｎ」を計算して電池１の電圧Ｖｂを算出する。

このように、第３の実施の形態にかかる電圧検出装置によれば、電圧検出部のオフセット電圧を変動させることとした。そして、固定電圧部が接続された側の電圧検出部の入力端子にかかる電圧が、分圧後の電池の電圧と同じ電圧になる時間を測定することとした。これにより、電圧検出部のオフセット電圧を変動させる構成とした場合であっても、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

なお、ここでは、第２の実施の形態に基づいて説明したが、第１の実施の形態についても適用することが可能である。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、電圧発生部２の具体的な構成として、発振回路とＯＰＡＭＰ積分回路を使用する。

図５は、電圧発生部２の構成例を示すブロック図である。電圧発生部２は、発振回路２１と、ＯＰＡＭＰ積分回路２２を備える。発振回路２１は、方形波を出力する。発振回路２１は、たとえば、シュミット回路等により構成することができる。ＯＰＡＭＰ積分回路部２２は、入力された方形波を積分して三角波を出力する。

図６は、発振回路２１とＯＰＡＭＰ積分回路２２の出力波形を示す図である。図６の上段の方形波は、図５における発振回路２１の出力（Ａ地点）の波形を表す。図６の下段の三角波は、図５におけるＯＰＡＭＰ積分回路２２の出力（Ｂ地点）の波形を表し、ＯＰＡＭＰ積分回路２２が図６の上段の方形波を積分した結果である。なお、説明の便宜上、連続した波形を示しているが、実際の電圧発生部２では、ｔ＝０から始まる三角波の斜辺の傾きが正の部分のみを利用する。これによって、電圧発生部２は、図２に示す１次式に表される電圧変化を実現することができる。

また、発振回路２１では、ｔ＝０のときにＶ＝０となる調整が必要である。これについては、制御部４が発信回路２１の波形を調整する。または、外部にオフセット回路を用いることで対応することも可能である。

このように、本実施の形態では、電圧発生部が、方形波を積分した三角波の斜辺の傾きが正の部分を利用することによって、前述した１次式に表される電圧変化を実現することとした。これにより、第１の実施の形態〜第３の実施の形態に記載の電圧発生部の動作を実現することができる。

なお、電圧発生部２の構成として、たとえば、制御部４が出力する方形波を利用することによって、発振回路２１を備えない構成とすることも可能である。また、具体例として積分後の波形が三角波の場合を説明したが、のこぎり波となる場合も可能である。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、電圧発生部２の具体的な構成として、定電流回路と固定抵抗を使用する。

図７は、電圧発生部２の構成例を示すブロック図である。電圧発生部２は、定電流回路２３と、固定抵抗２４を備える。定電流回路２３は、一定の電圧を生成する電圧レギュレータＩＣ２３１，可変抵抗２３２を備え、可変抵抗２３２の抵抗値を変えることにより、所望の電流Ｉ₂₃を出力する。なお、可変抵抗２３２の抵抗値は、制御部４が変化させる。

図７において、上記定電流回路２３から出力される電流Ｉ₂₃は、電圧検出部３へはほとんど流れ込まないため、ほぼ全てが固定抵抗２４に流れると考えることができる。そのため、電流Ｉ₂₃が大きくなるほど、固定抵抗２４の両端で生じる電圧も大きくなる。したがって、電圧発生部２が接続された電圧検出部３の入力端子にかかる電圧Ｖは、「電圧レギュレータＩＣ２３１の出力電圧（Ｖ₂₃）÷可変抵抗２３２の抵抗値（Ｒ₂₃）×固定抵抗２４の抵抗値（Ｒ）＝Ｉ₂₃×Ｒ」として算出することができる。

また、制御部４は、可変抵抗２３２の時間に対する変化を調整する。本実施の形態では、可変抵抗２３２の抵抗値を時間ｔに反比例して小さくする。これにより、上記電圧Ｖを変化させることができ、電圧発生部２は、図２に示す１次式に表される電圧変化を実現することができる。

このように、本実施の形態では、電圧発生部が、定電流回路の電流値を変化させて固定抵抗にかかる電圧を変化させることによって、前述した１次式に表される電圧変化を実現することとした。これにより、第１の実施の形態〜第３の実施の形態に記載の電圧発生部の動作を実現することができる。

なお、可変抵抗２３２を構成する素子としては、電子ボリュームＩＣや、硫化カドミウムを利用したフォトカプラ等がある。電子ボリュームＩＣは、シリアルデータによって、連続的に抵抗値を変化させることができる。また、フォトカプラは、印加する電圧の変化によって、連続的に抵抗値を変化させることができる。

本発明は、小型携帯機器における電圧検出装置として利用することが可能である。

第１の実施の形態にかかる電圧検出装置の構成を示すブロック図である。 電池と電圧発生部の電圧を示す図である。 第２の実施の形態にかかる電圧検出装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態にかかる電圧検出装置の構成を示すブロック図である。 電圧発生部の構成例を示すブロック図である。 発振回路とＯＰＡＭＰ積分回路の出力波形を示す図である。 電圧発生部の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電池
２ 電圧発生部
２１ 発振回路
２２ ＯＰＡＭＰ積分回路
２３ 定電流回路
２３１ 電圧レギュレータＩＣ
２３２ 可変抵抗
２４ 固定抵抗
３ 電圧検出部
４ 制御部
５ 電源部
６ 分圧回路
７ 電圧検出部ユニット
７１ 電圧検出部
７２ 固定電圧部

Claims (5)

1. 電圧を測定する被測定物である電池と、
   時間経過に対応して電圧を変化させる電圧発生部と、
   一方の入力端子に前記電池を接続し、他方の入力端子に前記電圧発生部を接続し、各入力端子にかかる電圧値の大小関係に基づきＨｉｇｈまたはＬｏｗの信号を出力する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が出力する信号が切り替わる時間を測定し、測定した時間に基づいて前記電池の電圧を算出する制御部と、
   を備えることを特徴とする電圧検出装置。
2. 電圧を測定する被測定物である電池と、
   前記電池の電圧を分圧する分圧回路と、
   時間経過に対応して電圧を変化させる電圧発生部と、
   一方の入力端子に前記分圧回路を接続し、他方の入力端子に前記電圧発生部を接続し、各入力端子にかかる電圧値の大小関係に基づきＨｉｇｈまたはＬｏｗの信号を出力する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が出力する信号が切り替わる時間を測定し、測定した時間に基づいて前記電池の電圧を算出する制御部と、
   を備えることを特徴とする電圧検出装置。
3. 前記電圧検出部を、固定電圧部と、第１および第２の入力端子を有し当該第２の入力端子に前記固定電圧部の＋端子が接続された電圧検出素子とを備え、かつ前記一方の入力端子を前記第１の入力端子とし前記他方の入力端子を前記固定電圧部の−端子とする、パッケージ構成とし、
   前記電圧発生部により、前記電圧検出部のオフセット電圧を変動させる構成とすることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧検出装置。
4. 前記電圧発生部を、方形波を積分して三角波またはのこぎり波の電圧を発生する積分回路とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電圧検出装置。
5. 前記電圧発生部は、
   前記制御部により出力電流の値を制御可能な定電流回路と当該出力電流を流すための固定抵抗とを備え、
   前記固定抵抗にかかる電圧を発生することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電圧検出装置。

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