JP2023094303A

JP2023094303A - 機器内蔵電池の保護回路

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Publication number: JP2023094303A
Application number: JP2021209698A
Authority: JP
Inventors: 義峰田名部; Yoshimine Tanabe; 哲史北野; Tetsushi KITANO
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-07-05
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: JP7157865B1

Abstract

【課題】電池で駆動される機器により外部フィールド機器に電源を供給する際に、電池の保護と長寿命化に加え、外部フィールド機器の起動能力を向上した保護回路を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態の保護回路は、電池で駆動され、外部フィールド機器に電力を供給する機器の保護回路であって、電池と、前記電池の電池電圧を変圧するＤＣ－ＤＣコンバータからなる電源部と、前記電源部の出力電流を監視する電流監視部と、前記電流監視部からの信号に基づき前記電源部のオンオフ状態及び出力電圧を制御する制御部と、前記電池を保護するヒューズと、を含み、前記制御部は、前記電流監視部で検出された過電流の状態に応じて、前記出力電圧を低減すると共に、前記電源部のオンオフ状態を制御することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、電池で駆動され、外部フィールド機器に電源を供給する機器における保護回路、例えば外部フィールド機器の短絡故障から電池及び周辺回路を保護する回路に関する。

近年の無線ネットワーク技術の進展に伴い、フィールド機器においても、測定データを無線通信する無線モジュールが採用されている。

特許文献１には、フィールド機器に無線通信手段が組み込まれた無線フィールド機器が開示されている。ここで、フィールド機器とは、圧力計、差圧計、温度計、レベル計、流量計、又は各種伝送器等のプロセスに直結して測定を行うものであり、工業用発信器とも呼ばれる。

特許文献１の無線信号変換器は、通常の配線が困難な場所に配置することを前提とし、例えばリチウム電池等の電池で動作する方式が考えられて採用されている。

特許文献２には、ループ信号線を介して電源電圧の供給を受け、測定値等に応じた４－２０Ａのアナログ直流電流信号を出力する２線式伝送器に接続する無線装置が開示されている。

特許文献３には、電池を電源とし、出力電流が過電流となると電源供給をＯＦＦとし、一定時間後に電源供給をＯＮとする過電流リセット部を有する電源装置が記載されている。

特許第５２２９５９２号特許第６７０６４２４号特開２０１６－１９４３号公報

電池で駆動され、外部フィールド機器に電源を供給する機器においては、電池を保護し、電池寿命を高める必要がある。

特許文献１では、無線フィールド機器を間欠的に動作させることにより、電池の消費電力を低減することが記載されているが、電池の保護については記載されていない。

特許文献２では、無線装置に電池を内蔵し、フィールド機器の信号を無線通信可能としているが、電池を保護し、電池寿命を高めることについては記載されていない。

特許文献３では、電源部の出力電流の過電流を検出して、電源供給をＯＮ／ＯＦＦ制御することが記載されている。しかしながら、特許文献３では入力容量の大きな外部フィールド機器に対しては、電源印加後の突入電流が大きくなるので、すぐに電源供給がＯＦＦされてしまうため、外部フィールド機器を起動することができない。

また、電源部の半導体部品の短絡故障に対して電池を保護するためにヒューズが設けられることがあるが、外部フィールド機器への給電の際に意図せず溶断しやすい。電池の保護対策として一般的にフの字特性を持つ過電流抑制回路が設けられることがあるが、電流監視の際の電力損失が大きく、電池寿命が短くなるという問題がある。

そこで、本発明はこれらの実情に鑑みてなされたものであり、電池で駆動される機器により外部フィールド機器に電源を供給する際に、電池の保護と長寿命化に加え、外部フィールド機器の起動能力を向上した保護回路を提供すること目的とする。

本発明の上記目的は、以下の構成によって達成できる。すなわち、本発明の第１の態様の保護回路は、電池で駆動され、外部フィールド機器に電力を供給する機器の保護回路であって、電池と、前記電池の電池電圧を変圧するＤＣ－ＤＣコンバータからなる電源部と、前記電源部の出力電流を監視する電流監視部と、
前記電流監視部からの信号に基づき前記電源部のオンオフ状態及び出力電圧を制御する制御部と、前記電池を保護するヒューズと、を含み、前記制御部は、前記電流監視部で検出された過電流の状態に応じて、前記出力電圧を低減すると共に、前記電源部のオンオフ状態を制御することを特徴とする。

本発明の第２の態様の保護回路は、第１の態様の保護回路において、前記制御部は、前記電流監視部で過電流が検出されると前記出力電圧を低減する出力電圧低減指令を前記電源部に出力する第１制御部と、前記出力電圧低減指令を受けて前記電源部のオンオフ時期を制御すると共に、前記外部フィールド機器の異常を判定する第２制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様の保護回路は、第１又は第２の態様の保護回路において、前記第１制御部は、前記電流監視部で過電流が検出されると第１期間後に前記出力電圧を低減する出力電圧低減指令を前記電源部に送り、前記第２制御部は、前記出力電圧低減指令を受けてから第２期間後に前記電源部をオフ状態とし、さらに第３期間後に前記電源部をオン状態とし、前記電源部のオンオフ回数に基づき前記外部フィールド機器の異常を判定することを特徴とする。

本発明の第４の態様の保護回路は、第１～第３のいずれかの態様の保護回路において、前記制御部は、前記電池電圧を監視する電池電圧監視部を備え、前記電池電圧が所定の電圧よりも低下したことを検出すると、前記電源部にオフ指令を出力することを特徴とする。

本発明の第５の態様の保護回路は、第１～第４のいずれかの態様の保護回路において、前記保護回路は、防爆機器であることを特徴とする。

本発明の第１の態様の保護回路によれば、制御部が電流監視部で検出された過電流の状態に応じて、出力電圧を低減すると共に、電源部のオンオフ状態を制御することにより、電池で駆動される機器により外部フィールド機器に電源を供給する際に、電池の保護と長寿命化に加え、外部フィールド機器の起動能力を向上することができる。

また、第１の態様の保護回路によれば、制御部が電流監視部で検出された過電流の状態に応じて、出力電圧を低減することができるため、速やかな過電流保護が実現できる。さらに、起動時に電源部の出力電流に発生する過電流により電池の定格電流やヒューズの溶断電流を超えないようにできる。

本発明の第２の態様の保護回路によれば、第１制御部の応答が速く、速やかに電源部を制御して外部フィールド機器に供給する電圧を低減させ、瞬間的な過電流から電池を保護することができる。さらに、第２制御部が第１制御部の信号を受けて、電源部のオンオフ状態を制御することにより、外部フィールド機器の起動能力を向上することができると共に、外部フィールド機器の異常を診断することができる。例えば、外部フィールド機器の起動に必要な一時的な過大電流の供給と、持続的に発生する短絡故障と、を分けて継続的な過電流発生から電池を保護することができる。

本発明の第３の態様の保護回路によれば、電源部の出力電流Ｉ_Ｏの過電流を検出してから速やかに、すなわち、第１期間（例えば判定期間ｔ_ｄ）後に電源部の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させることで電池にかかる電流負荷を下げ、保護しつつ、外部フィールド機器に低電圧Ｖ_ＯＬを印加し、外部フィールド機器の入力容量に対し一定期間にわたり電力を供給することができる。第２制御部は、電源部の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させた後、第２期間（例えばオン期間ｔ_ｏｎ）後に電源部をオフ状態にし、さらに、第３期間（例えばオフ期間ｔ_ｏｆｆ）後に電源を再びオン状態にする（以下、「リトライ」ということがある）。

このように、過電流検出後に、低電圧Ｖ_ＯＬによる外部フィールド機器の入力容量のチャージが行われ、第２期間後に電源部がオフ状態となり、さらに、第３期間後にはリトライが行われ、電源部から出力電圧Ｖ_Ｏが外部フィールド機器に印加される。この結果、電源部はリトライによるオンオフ動作を繰り返し、外部フィールド機器の入力容量が徐々に充電され、外部フィールド機器が立ち上げられていく。したがって、リトライ時の突入電流を抑えながら、外部機器の迅速な起動が可能となるので、外部機器の起動能力向上と電池の保護能力向上を両立することができる。

本発明の第４の態様の保護回路によれば、電流監視部による出力電流の過電流の監視に加え、電池電圧を監視する電池電圧監視部を備え、電池電圧が所定の電圧よりも低下したことを検出すると、電源部にオフ指令を出力することにより、制御部は、電池残量減少による電池電圧低下と、電池電圧低下に伴うヒューズ電流Ｉ_Ｈの増大によるヒューズの不要な溶断を防ぐことができると共に、ヒューズ電流Ｉ_Ｈが一定以下に抑えられることで、電池の過放電を防止することができる。さらに、電池寿命の判定も可能である。

本発明の第５の態様の保護回路によれば、保護回路を防爆機器とすることができる。従来は、４－２０ｍＡの電流信号を持つ汎用的な外部フィールド機器に対して電池から電力を供給できる防爆機器は実現されていなかった。本発明の第５の態様の保護回路によれば、最大で２０ｍＡ以上の消費電流となる外部フィールド機器の駆動を、防爆機器に組み込んだ電池で駆動することが可能である。これは、本態様では、起動時に発生する過電流を低減しつつ外部フィールド機器の入力容量を徐々に充電しつつ、他方では、外部フィールド機器の短絡時に発生する短絡電流等の異常を判定することができるため、継続的に発生する電池定格に対して大きい消費電流と、短絡時に発生する短絡電流からの保護を両立することを実現した。

本発明の実施形態１における保護回路を含むシステムのブロック図である。図１の保護回路の各部の波形図である。本発明の実施形態２における保護回路を含むシステムのブロック図である。

以下、図面を参照しながら本発明の保護回路の好適な一実施形態について説明する。ただし、以下に示す実施形態は本発明の技術思想を具体化するために例示するものであって、本発明をこれらに特定するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適用し得るものである。

［実施形態１］
本発明の実施形態１に係る保護回路について、図１及び図２を参照して説明する。

［全体のシステムの構成］
図１は、本発明の実施形態１における保護回路２０を含むシステムのブロック図である。無線信号変換器１０は、保護回路２０及び無線信号変換回路３０を含み、特に限定されるものではないが、耐圧防爆型容器の内部に収容されていることにより、耐圧防爆構造を実現している。耐圧防爆型容器は例えば直方体形状であり、その少なくとも１面には、強化ガラスが設けられており、外部から、無線信号変換器１０のインジケータ等を確認できるようになっている。

保護回路２０には、外部機器４０として、例えば外部フィールド機器４１、特に限定されるものではないが、例えば２線式の外部フィールド機器４１が２線ケーブル４２，４３によって接続されている。外部フィールド機器４１としては、特に限定されるものではないが、例えば、圧力計、差圧計、温度計、レベル計、流量計、又は各種伝送器等のプロセスに直結して測定を行うものが例示される。

また、外部フィールド機器４１としては、防爆構造の機器、例えば耐圧防爆型の外部フィールド機器４１を想定している。このため、無線信号変換器１０を防爆構造とする場合には、２線ケーブル４２，４３についても耐圧防爆型のケーブルとするため、例えば、耐圧防爆用電線管に収容されている。そして、耐圧防爆型容器の２線ケーブル４２，４３の挿入口には、防爆構造とするために、例えば耐圧パッキン金具が設けられている。

無線信号変換器１０及び外部フィールド機器４１等について、耐圧防爆型であることを説明したが、防爆構造のレベルは、機器を配置するプロセスやプラント等の設置環境に応じて設定されており、本実施形態を耐圧防爆型だけに限定することを意図するものではなく、例えば、本質安全防爆構造とすることも含まれており、この場合、危険場所は０種、１種、２種、非危険場所のいずれについても適用可能である。

ここで、本質安全防爆に関して、危険場所については次のように定義されている。
「０種危険場所」：爆発性雰囲気が連続的、もしくは長時間存在する可能性がある場所
「１種危険場所」：正常な状況下においても、爆発性のあるガスが生成される恐れのある場所
「２種危険場所」：異常な状況下においてのみ爆発性のあるガスが生成される恐れのある場所
「非危険場所」：異常事態が起こっても爆発性のガスが生成される恐れがない場所

本質安全防爆構造とは、内部回路で発生した火花が発火原因となる装置の爆発を防止し、また、装置内の高温部分が周囲の部品に与える影響を抑制した防爆構造を意味する。本質安全防爆構造は、危険場所は０種、１種、２種及び非危険場所のいずれについても適用可能である。

耐圧防爆構造とは、容器内部で装置に爆発性ガスによる爆発が起こった場合に、容器外部で副次的な被害がでないような防爆構造を意味する。耐圧防爆構造では、例えば１ＭＰａ程度の内部圧力に耐えられるように設計されている。また、耐圧防爆構造では、１種危険場所、２種危険場所、及び、非危険場所には適用可能であるが、０種危険場所には適用できない。なお、ここでは、防爆構造について説明したが、これは本実施形態を防爆構造に限定することを意図するものではなく、本実施形態の保護回路２０は非防爆構造でもよく、また、被防爆構造の機器にも適用可能である。

外部フィールド機器４１は、特に限定されるものではないが、標準的な４－２０ｍＡのアナログ直流電流信号を出力する外部フィールド機器４１を採用することができ、２線ケーブル４２，４３を介して保護回路２０からＶ_Ｏ（例えば１４．３Ｖ）の電圧が供給されている。２線ケーブル４２，４３は、電源線と信号線とを兼ねており、また、外部フィールド機器４１に近い位置に無線信号変換器１０を設置できるため、配線距離を最小限に抑えることができる。

外部フィールド機器４１の電気的パラメータに制限されることなく、汎用的な４－２０ｍＡの電流信号を対象とした駆動電力の給電・測定を行うことができるため、外部フィールド機器４１として、広く普及している汎用的な外部フィールド機器４１との結合が可能であり、既存設備にて使用していた外部フィールド機器４１への適用が可能となり、さらに、不要となったラインからの転用も可能となる。

なお、２線式フィールド機器の仕様は、ナムール規格４３番（NAMUR NE 43）で規定されている。外部フィールド機器４１から出力されるアナログ直流電流信号の電流範囲を表１に示す。

正常な出力信号は、４－２０ｍＡである。この正常な出力信号の境界値として、正常下限範囲（３．８－４．０ｍＡ）と正常上限範囲（２０．０－２０．５ｍＡ）が規定されている。また、２線式の外部フィールド機器４１の故障時（送信機の故障）の場合には、正常範囲よりも低い電流（３．６－３．８ｍＡ）又は正常範囲よりも高い電流（２０．５－２２．０ｍＡ）が出力される。また、開放故障の可能性がある場合の出力信号は０～３．６ｍＡとなり、短絡故障の可能性がある場合の出力信号は２２．０ｍＡよりも大きい電流値となる。

外部フィールド機器４１に２線ケーブル４２，４３から供給される電圧は例えば１４．３Ｖであり、機器信号としての電流は、通常時には４～２０ｍＡの範囲、最大で２５ｍＡのアナログ直流電流となる。外部フィールド機器４１は、例えばセンサ検出値をアナログ直流電流信号として返すものであり、圧力計（圧力伝送器）の場合の一例として、０～１ＭＰａの計測レンジの機器において、０ＭＰａで４ｍＡ、１ＭＰａで２０ｍＡのアナログ直流信号が出力される。このように、外部フィールド機器４１としては、汎用的な４－２０ｍＡの電流信号を対象とした駆動電力の給電・測定を行うことができるため、広く普及している汎用的な外部フィールド機器４１との結合が可能であり、既存設備にて使用していた外部フィールド機器４１への適用が可能となり、さらに、不要となったラインからの転用も可能となる。

無線信号変換器１０は、通常の配線が困難な場所に配置することを前提にして、追加の電源等の準備を必要としない電池２１で動作する方式が採用されている。このため、例えば、無線信号変換回路３０を間欠動作させるようにしておけば、電池２１の消費電力を低減することにより、長時間動作を実現できる。

無線信号変換回路３０は、演算部３１、通信モジュール３２、及び無線アンテナ３３等を備えており、電池２１から電力を供給されている。

演算部３１は、電流監視部２３で検出された２線ケーブル４２，４３のアナログ直流電流（出力電流Ｉ_Ｏ）の電流値から、外部フィールド機器４１からの信号、例えば外部フィールド機器４１がセンサの場合、そのセンサ検出値を出力電流Ｉ_Ｏから演算する。

通信モジュール３２は、演算部３１で演算されたセンサ検出値を無線信号に変換し、無線アンテナ３３から、上位機器（図示省略）へ送信するために、無線信号を出力する。無線アンテナ３３は、耐圧防爆型容器内に設置されているが、少なくとも、強化ガラスを通して無線信号を外部に出力することが可能である。上位機器は、外部フィールド機器４１が配置されているプロセスやプラント等の制御を行うと共に、無線信号変換器１０の各種パラメータの設定を行うことができる。なお、無線信号変換器１０の各種パラメータの設定は、無線信号変換器１０に有線ないし無線により接続された入力装置、又は、無線信号変換器１０に設けられたコンソールから入力するようにしてもよい。

［保護回路の構成］
保護回路２０は、電池２１、ヒューズ２２、電流監視部２３、電源部２４、遮断部２５、第１制御部２６、第２制御部２７、及び電池電圧監視部２８等を備えている。電池２１のプラス出力から順に、ヒューズ２２、遮断部２５、電源部２４、電流監視部２３、保護回路２０のプラス側出力端子、プラス側ケーブル４２、外部フィールド機器４１、マイナス側ケーブル４３、保護回路２０のマイナス側出力端子、及びアース端子が接続されている。

電池２１としては、一次電池が用いられる。一次電池としては、特に限定されるものではないが、寿命が長く、安定した高い出力電圧Ｖ_Ｏ（約６Ｖ程度）を供給できるリチウム電池が用いられる。

電池２１の出力側にはヒューズ２２が設けられている。このヒューズ２２は、無線信号変換器１０内の半導体の故障から電池２１を保護するものである。

電流監視部２３は２線ケーブル４２，４３のアナログ直流電流（出力電流Ｉ_Ｏ）を検出し、検出した出力電流Ｉ_Ｏの信号を第１制御部２６及び演算部３１に出力する。

電源部２４は、電池２１を電源として、外部フィールド機器４１に対して、後述の第１制御部２６の制御指令Ｐ_１に基づき、２線ケーブル４２，４３を介して設定された一定の電圧値（出力電圧Ｖ_Ｏ）、例えばプラス側ケーブル４２に例えば＋１４．３Ｖ、マイナス側ケーブル４３に０Ｖ（アース電圧）の直流電圧が供給される。電源部２４は、昇圧型ＤＣ－ＤＣコンバータであり、電池２１の電圧（例えば６Ｖ）を外部フィールド機器４１に供給する所定の電圧、例えば設定電圧（例えば、定格電圧Ｖ_ＯＣ＝１４．３Ｖ）まで昇圧する。昇圧型ＤＣ－ＤＣコンバータの形式は特に限定されるものでは無いが、防爆性能の観点から絶縁型のものが好ましく、電池寿命の観点からは省電力の半導体素子、例えば、炭化ケイ素（SiC）や、窒化ガリウム（GaN）を用いたものが好ましい。

遮断部２５は、電源部２４に供給される電池２１の電力をオンオフするスイッチング回路であり、後述の第２制御部２７の制御指令Ｐ_２に基づき、電源部２４への電池２１の電力の供給をオンオフ制御する。

第１制御部２６は、電流監視部２３で検出された電流値Ｉ_Ｏに基づき、電源部２４に対して出力電圧Ｖ_Ｏの制御指令Ｐ_１を出力する。電流値Ｉ_Ｏが基準電流Ｉ_ＯＳ（例えば２５ｍＡ）よりも大きい状態が、第１期間（判定期間ｔ_ｄ）以上続くと、第１制御部２６は出力電流Ｉ_Ｏが過電流であると判断し、出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬ（例えば６．０Ｖ）へ低減させる制御指令Ｐ_１を電源部２４に出力する。判定期間ｔ_ｄは、例えば１ｍｓよりも短い期間に設定されている。したがって、第１制御部２６は応答が速いので、出力電流Ｉ_Ｏの過電流検出時にはすぐに電源部２４の出力電圧Ｖ_Ｏ、すなわち外部フィールド機器４１に供給する電圧を低電圧Ｖ_ＯＬに制御することにより、電池２１を瞬間的な過電流から保護することができる。

第２制御部２７は、第１制御部２６からの、出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬへ低減させる制御指令Ｐ_１を受けて、遮断部２５による電源部２４への電池電力の供給のオンオフを制御する制御指令Ｐ_２を出力すると共に、外部フィールド機器４１の異常、例えば短絡故障の診断を行う。

保護回路２０は間欠的にスリープ状態となるように設定しておくことができる。間欠動作の周期は保護回路２０に設定しておくことができる。スリープ状態においては、保護回路２０のタイマー機能以外の機能ないし電力供給は停止する待機状態として、消費電力を低減する。スリープ状態となった場合にも、保護回路２０のタイマー機能が持続しているため設定された間欠動作に対応する起動時間になると、保護回路２０及び無線信号変換器１０はスリープ状態から動作状態へと起動し、外部フィールド機器４１への電力供給を開始する。

間欠動作の周期は、特に限定されるものでは無いが、例えば１時間に１回、機器信号、すなわち出力電流Ｉ_Ｏを検出して、出力電流Ｉ_Ｏに対応する外部フィールド機器４１の測定値を無線アンテナ３３から無線信号により出力するように設定することが可能である。間欠動作のスリープ状態の期間においては電力消費を大幅に低減することができるため、一次電池によって約１０年間の運用が確保でき、電池寿命を延ばすことにより、通常の配線が困難な場所に配置することができ、さらに、電池寿命の改善に伴い、電池交換に係る維持費用も低減できる。間欠動作の周期は、外部フィールド機器４１の電力供給の開始から機器信号が安定するまでに要する時間、すなわち、外部フィールド機器４１の起動に要する時間に応じて設定される。外部フィールド機器４１の起動に要する時間は、通常は２秒～５秒程度であることから、外部フィールド機器４１の起動に要する時間を、２秒～６０秒の間でユーザが決定できるようにしている。あるいは、この２線式の外部フィールド機器４１の起動に要する時間を、第２制御部２７が実際に２線式の外部フィールド機器４１を起動した際のデータから取得することも可能である。

本実施形態では、上述のとおり、起動時間を２秒から６０秒の間でユーザが決定できることに対応し、特に限定されるものではないが、間欠動作の周期を１分～６０分の間で設定できるようにしている。間欠動作の周期の最短時間は、起動時間の最長時間である１分（６０秒）と対応している。一方、間欠動作の周期の最長時間の一例として１時間（６０分）を示したが、最長時間については２線式の外部フィールド機器４１の起動期間とは直接の関係はなく任意に設定できるため、間欠動作の周期の最長時間としては、例えば２時間、６時間、１２時間、２４時間、あるいは、２日等、適宜設定可能であり、特段の限界的な上限を定める必要はない。

保護回路２０が起動すると、第２制御部２７から遮断部２５へ電源部２４への電力供給をオンにする制御指令Ｐ_２が出力される。次に第１制御部２６から出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬへ低減させる制御指令Ｐ_１を受けると、第２制御部２７は、第２期間（オン期間ｔ_ｏｎ）後に、遮断部２５へ電源部２４への電力供給をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。

第２制御部２７はさらに、第３期間（オフ期間ｔ_ｏｆｆ）後に、遮断部２５へ電源部２４への電力供給を再びオンにする、すなわちリトライする制御指令Ｐ_２を出力する。

外部フィールド機器４１が起動するまでの時間によって、外部フィールド機器４１の異常を診断することができる。本実施形態では、第２制御部２７は起動するまでのリトライ回数によって、外部フィールド機器４１の異常を診断することができる。例えば、リトライ回数がある所定回数、特に限定されるものではないが例えば１００回よりも多い場合には、外部フィールド機器４１で短絡故障が発生している可能性があることを診断することができる。一方、例えば、リトライ回数が別の所定回数よりも少ない回数、特に限定されるものではないが例えば３回で起動した場合には、外部フィールド機器４１の容量素子の異常、例えば入力キャパシタンス等のアルミ電解コンデンサのドライアップの異常が生じている可能性があることを診断することができる。

電池電圧監視部２８は、電池電圧Ｖ_Ｂを検出し、第２制御部２７へ電池電圧Ｖ_Ｂの検出値を出力する。第２制御部２７では、電池電圧Ｖ_Ｂが基準電圧Ｖ_ＢＳよりも低下しているか否かを判定する。電池電圧Ｖ_Ｂが基準電圧Ｖ_ＢＳよりも低下している場合には、電池電圧が異常低下していると判断し、遮断部２５に電源部２４への電力供給をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。この電池電圧Ｖ_Ｂによる診断により、電池寿命の判定も可能であり、電池電圧Ｖ_Ｂの変化履歴より、電池残量の推定も可能である。

電流監視部２３による出力電流Ｉ_Ｏの過電流の監視に加え、電池電圧Ｖ_Ｂを監視する電池電圧監視部２８を備え、電池電圧Ｖ_Ｂが終止電圧（以下「基準電圧Ｖ_ＢＳ」ということがある。）よりも低下したことを検出すると、電源部２４への電力供給をオフすることにより、電池残量減少による電池電圧低下と、電池電圧低下に伴うヒューズ電流Ｉ_Ｈの増大によるヒューズ２２の不要な溶断を防ぐことができると共に、ヒューズ電流Ｉ_Ｈが一定以下に抑えられることで、電池２１の過放電を防止することができる。さらに、電池寿命の判定も可能である。特に限定されるものではないが、基準電圧Ｖ_ＢＳは例えば４．０Ｖとすることができる。電池電圧監視部２８により電池電圧Ｖ_Ｂを監視することにより、電池の寿命を判定することができ。また、電池電圧Ｖ_Ｂの波形の履歴から、電池電圧Ｖ_Ｂの低下の度合いを分析することにより、電池２１の残量を予測することができる。

［保護回路の動作］
図２は、図１の保護回路２０の各部の波形図である。図２の波形図である、電池電圧Ｖ_Ｂ、ヒューズ電流Ｉ_Ｈ、出力電圧Ｖ_Ｏ、出力電流Ｉ_Ｏ、制御指令Ｐ_１、及び制御指令Ｐ_２は、図１における各部の電圧、電流、信号に付した符号と対応している。以下、図２を参照して、時刻ｔ１からｔ１９までの時間の経過における保護回路２０の動作を説明する。なお、図２の波形図は説明用の図面であり、実際の電流又は電圧波形を模式化して示しており、説明を分かりやすくするための例示である。図２では、リトライ回数が６回で出力電流Ｉ_Ｏが４－２０ｍＡで安定し、外部フィールド機器４１が起動した例を示しているが、実際のリトライ回数は入力容量、例えば入力キャパシタンスやフィルタコンデンサ等の容量素子が比較的小さい外部フィールド機器４１では、リトライ回数１０回程度で起動されることがあるし、容量素子が大きい場合にはリトライ回数が多くなり、リトライ回数１００回以上の場合、外部フィールド機器４１で短絡故障が発生している可能性があると診断される。また、例えばリトライ回数３回で起動した場合には、外部フィールド機器４１の容量素子の異常、例えばアルミ電解コンデンサのドライアップの異常が生じている可能性があると診断される。

（１）時刻ｔ１
時刻ｔ１において、保護回路２０が起動し、第２制御部２７から、遮断部２５をオンする制御指令Ｐ_２ＯＮを出力する。これにより、電源部２４に電池２１の電力が供給される。電源部２４は第１制御部２６からの制御指令Ｐ_１により、出力電圧Ｖ_Ｏが設定電圧Ｖ_ＯＣ（例えば１４．３Ｖ）になるように制御される。出力電圧Ｖ_Ｏは２線ケーブル４２，４３を介して外部フィールド機器４１に供給される。外部フィールド機器４１への通電直後は、外部フィールド機器４１の容量素子が未充電の状態にあり、入力抵抗が小さいため、出力電流Ｉ_Ｏが大きな値となる。このため、基準電流Ｉ_ＯＳ（例えば２５ｍＡ）を越える出力電流Ｉ_Ｏ1が流れる。大きな出力電流Ｉ_Ｏ1が流れるため、ヒューズ電流Ｉ_Ｈも大きいＩ_Ｈ１となり、電池電圧Ｖ_Ｂは内部抵抗に対してヒューズ電流Ｉ_Ｈ１の分だけ電圧降下した電圧Ｖ_Ｂ２となる。電池電圧Ｖ_Ｂが基準電圧Ｖ_ＢＳ以下となると、第２制御部２７は、遮断部２５をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。

（２）時刻ｔ２
時刻ｔ２において、判定期間ｔ_ｄの間、出力電流Ｉ_Ｏが基準電流Ｉ_ＯＳを越えると、第１制御部２６は出力電流Ｉ_Ｏに過電流が発生したと判断して、電源部２４に対して出力電圧Ｖ_Ｏを低減する出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを出力する。電源部２４は出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを受けると、出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低減する。出力電圧Ｖ_Ｏが低電圧Ｖ_ＯＬ（例えば６．０Ｖ）に低減されると、出力電流Ｉ_ＯはＩ_Ｏ２まで低減するが、依然として、基準電流Ｉ_ＯＳよりも大きい。出力電圧Ｖ_Ｏが低電圧Ｖ_ＯＬに低減されると、ヒューズ電流Ｉ_Ｈは基準電流Ｉ_ＨＳよりも少しだけ大きい電流Ｉ_Ｈ２まで低減される。これに応じて、電池電圧Ｖ_Ｂは正常動作時の電圧レベルである電圧Ｖ_Ｂ１まで回復する。基準電流Ｉ_ＨＳは、ヒューズ電流Ｉ_Ｈの制限値、すなわち、電池電流の制限値であり、電池２１及びヒューズ２２等の回路の状況に応じて決定される制限値である。ただし、ヒューズ電流Ｉ_Ｈが、瞬間的に基準電流Ｉ_ＨＳを超過したとしてもヒューズ２２がただちに溶断するものではなく、基準電流Ｉ_ＨＳは、ヒューズ電流Ｉ_Ｈが定常的な状態時の制限値であり、通常動作にヒューズ２２がヒューズ電流Ｉ_Ｈによって溶断されることがないように設定されている。

図２では、時刻ｔ２は時刻ｔ１から判定期間ｔ_ｄ後としている。実際には電流監視部２３における電流検出時間、及び第１制御部２６等における演算時間等の遅れ時間があるため、時刻ｔ２は、時刻ｔ１から判定期間ｔ_ｄに演算遅れ時間を加えた時間後となる。ただし、演算速度、検出速度等が十分に早い場合には、演算遅れ時間は無視できるほど小さくなるため、本実施形態において図２では、演算遅れ時間は無視している。

（３）時刻ｔ３～時刻ｔ４
時刻ｔ３において、時刻ｔ２から第２期間（遮断待機時間、以下「オン期間ｔ_ｏｎ」ということがある。）後に、第１制御部２６は、制御指令Ｐ_１をＰ_１Ｌから０レベルへ変更し、出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを解除すると同時に、第２制御部２７にオン期間ｔ_ｏｎが経過したことを通知すると、第２制御部２７は、遮断部２５をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。遮断部２５をオフすると、出力電流Ｉ_Ｏは時刻ｔ３において、零になる。オン期間ｔ_ｏｎは、例えば１ｍｓとすることができる。出力電流Ｉ_Ｏが零になると、ヒューズ電流Ｉ_Ｈも時刻ｔ３に零になる。一方、出力電圧Ｖ_Ｏは、外部フィールド機器４１の容量素子に少し充電されているため、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて緩やかに、Ｖ_ＯＬから零となる。

（４）時刻ｔ５～時刻ｔ８
時刻ｔ５において、時刻ｔ３から第３期間（リトライ待機時間（以下「オフ期間ｔ_ｏｆｆ」ということがある。）後には、リトライにより、再び第２制御部２７は遮断部２５をオンにする制御信号Ｐ_２ｏｎを出力する。オフ期間ｔ_ｏｆｆは、例えば３０ｍｓに設定することができる。

遮断部２５がオンされると、外部フィールド機器４１の容量素子がまだ十分な電圧まで充電されていないため、上記（１）と同様に、出力電流Ｉ_Ｏは基準電流Ｉ_ＯＳを越え、第１期間（判定期間ｔ_ｄ）過電流が継続しているので、第１制御部２６は、電源部２４に出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを出力する（時刻ｔ６）。さらに、第２期間（オン期間ｔ_ｏｎ）が経過すると、時刻ｔ７において第１制御部２６は、制御指令Ｐ_１をＰ_１Ｌから０レベルへ変更し、出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを解除すると同時に、第２制御部２７にオン期間ｔ_ｏｎが経過したことを通知し、第２制御部２７は、遮断部２５をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。遮断部２５をオフすると、出力電流Ｉ_Ｏは時刻ｔ７において、零になる。出力電流Ｉ_Ｏが零になると、ヒューズ電流Ｉ_Ｈも時刻ｔ７に零になる。一方、出力電圧Ｖ_Ｏは、外部フィールド機器４１の容量素子が少しずつ充電されていたため、時刻ｔ７から時刻ｔ８にかけて緩やかに、Ｖ_ＯＬから零となる。外部フィールド機器４１の容量素子に充電された電圧が高まった分だけ、時刻ｔ７で遮断部２５をオフされてから、ｔ８で出力電圧Ｖ_Ｏが零になるまでの時間は、前回のリトライ時の時刻ｔ３で遮断部２５がオフされてから、ｔ４で出力電圧Ｖ_Ｏが零になるまでの時間よりも長くなっている。

（５）時刻ｔ９～時刻ｔ１２
時刻ｔ９において、時刻ｔ７から第３期間（オフ期間ｔ_ｏｆｆ）後には、リトライにより、再び第２制御部２７は遮断部２５をオンにする制御信号Ｐ_２ｏｎを出力する。ところが、外部フィールド機器４１の容量素子は、依然として十分な電圧まで充電されていないため、上記（１）及び（４）と同様に、出力電流Ｉ_Ｏは基準電流Ｉ_ＯＳを越え、第１期間（判定期間ｔ_ｄ）過電流が継続しているので、第１制御部２６は、電源部２４に出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを出力する（時刻ｔ１０）。さらに、第２期間（オン期間ｔ_ｏｎ）が経過すると、時刻ｔ１１において第１制御部２６は、制御指令Ｐ_１をＰ_１Ｌから０レベルへ変更し、出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを解除すると同時に、第２制御部２７にオン期間ｔ_ｏｎが経過したことを通知し、第２制御部２７は、遮断部２５をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。遮断部２５をオフすると、出力電流Ｉ_Ｏは時刻ｔ１１において、零になる。出力電流Ｉ_Ｏが零になると、ヒューズ電流Ｉ_Ｈも時刻ｔ１１に零になる。

一方、出力電圧Ｖ_Ｏは、外部フィールド機器４１の容量素子が少しずつ充電されていたため、時刻ｔ１０において出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌが出力された後にただちに低電圧Ｖ_ＯＬまで低下するのではなく、時刻ｔ１０において設定電圧Ｖ_ＯＣから出力電圧Ｖ_Ｏが低下した後、時刻ｔ１０～時刻ｔ１１にわたって緩やかに出力電圧Ｖ_Ｏが低下する。さらに、時刻ｔ１１において、遮断部２５がオフされても、外部フィールド機器４１の容量素子の充電が進んでいるので、出力電圧Ｖ_Ｏが急激に減少することはなく、時刻ｔ１１～時刻ｔ１２にわたって緩やかに出力電圧Ｖ_Ｏが低下する。外部フィールド機器４１の容量素子が少し充電されたことにより、時刻ｔ１２において出力電圧Ｖ_Ｏは零になるのではなく、低電圧Ｖ_ＯＬに近いレベルとなる。

外部フィールド機器４１に対してはリトライの度に出力電圧Ｖ_Ｏ、出力電流Ｉ_Ｏが印加されるため、外部フィールド機器４１の容量素子が徐々に充電されていき、残留エネルギーが増加する。これにより、リトライを繰り返すごとに、外部フィールド機器４１を起動するために必要となる容量素子を充電するための所要エネルギーは低下していく。このため、リトライごとに出力電圧Ｖ_Ｏが大きくなっていき、起動し易い状態に近づく。したがって、外部フィールド機器４１が起動するまでのリトライ回数によって、外部フィールド機器４１の容量素子の状態を推定することができる。例えば前述のように、第２制御部２７は起動するまでのリトライ回数によって、外部フィールド機器４１の異常を診断することができる。

（６）時刻ｔ１２～時刻ｔ１５
時刻ｔ１２において、時刻ｔ１１から第３期間（オフ期間ｔ_ｏｆｆ）後には、リトライにより、再び第２制御部２７は遮断部２５をオンにする制御信号Ｐ_２ｏｎを出力する。ところが、外部フィールド機器４１の容量素子は、依然として十分な電圧まで充電されていないため、上記（１）、（４）、（５）と同様に、出力電流Ｉ_Ｏは基準電流Ｉ_ＯＳを越え、第１期間（判定期間ｔ_ｄ）過電流が継続しているので、第１制御部２６は、電源部２４に出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを出力する（時刻ｔ１３）。さらに、第２期間（オン期間ｔ_ｏｎ）が経過すると、時刻ｔ１４において第１制御部２６は、制御指令Ｐ_１をＰ_１Ｌから０レベルへ変更し、出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを解除すると同時に、第２制御部２７にオン期間ｔ_ｏｎが経過したことを通知し、第２制御部２７は、遮断部２５をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。遮断部２５をオフすると、出力電流Ｉ_Ｏは時刻ｔ１４において、零になる。出力電流Ｉ_Ｏが零になると、ヒューズ電流Ｉ_Ｈも時刻ｔ１４に零になる。

一方、出力電圧Ｖ_Ｏは、外部フィールド機器４１の容量素子の充電が進んできているため、時刻ｔ１３において出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌが出力されても低電圧Ｖ_ＯＬまで低下するのではなく、時刻ｔ１３において設定電圧Ｖ_ＯＣから出力電圧Ｖ_Ｏが少し低下した後、時刻ｔ１３～時刻ｔ１４にわたって緩やかに出力電圧Ｖ_Ｏが低下する。さらに、時刻ｔ１４において、遮断部２５がオフされても、外部フィールド機器４１の容量素子の充電が進んでいるので、出力電圧Ｖ_Ｏが急激に減少することはなく、時刻ｔ１４～時刻ｔ１５にわたって緩やかに出力電圧Ｖ_Ｏが低下する。外部フィールド機器４１の容量素子の充電が進んできたことに伴い、時刻ｔ１５において出力電圧Ｖ_Ｏは零になるのではなく、設定電圧Ｖ_ＯＣよりも低い所定レベルとなる。

（７）時刻ｔ１５～時刻ｔ１８
時刻ｔ１５において、時刻ｔ１４から第３期間（オフ期間ｔ_ｏｆｆ）後には、リトライにより、再び第２制御部２７は遮断部２５をオンにする制御信号Ｐ_２ｏｎを出力する。ところが、外部フィールド機器４１の容量素子の充電は進んでいるが、依然として完全に立ち上がるのに十分な電圧までは充電されていないため、上記（１）、（４）、（５）、（６）と同様に、出力電流Ｉ_Ｏは基準電流Ｉ_ＯＳを越え、第１期間（判定期間ｔ_ｄ）過電流が継続しているので、第１制御部２６は、電源部２４に出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを出力する（時刻ｔ１６）。さらに、第２期間（オン期間ｔ_ｏｎ）が経過すると、時刻ｔ１７において第１制御部２６は、制御指令Ｐ_１をＰ_１Ｌから０レベルへ変更し、出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを解除すると同時に、第２制御部２７にオン期間ｔ_ｏｎが経過したことを通知し、第２制御部２７は、遮断部２５をオフする制御指令Ｐ_２を出力する。遮断部２５をオフすると、出力電流Ｉ_Ｏは時刻ｔ１７において、零になる。出力電流Ｉ_Ｏが零になると、ヒューズ電流Ｉ_Ｈも時刻ｔ１７に零になる。

一方、出力電圧Ｖ_Ｏは、外部フィールド機器４１の容量素子の充電がかなり進んできているため、時刻ｔ１６において出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌが出力されてもＶ_ＯＬまで低下するのではなく、時刻ｔ１６において設定電圧Ｖ_ＯＣから出力電圧Ｖ_Ｏが少し低下した後、時刻ｔ１６～時刻ｔ１７にわたって緩やかに出力電圧Ｖ_Ｏが低下する。さらに、時刻ｔ１７において、遮断部２５がオフされても、外部フィールド機器４１の容量素子の充電が進んでいるので、出力電圧Ｖ_Ｏが急激に減少することはなく、時刻ｔ１７～時刻ｔ１８にわたって緩やかに出力電圧Ｖ_Ｏが低下する。リトライを繰り返し、出力電圧Ｖ_Ｏは時刻ｔ１８においても、設定電圧Ｖ_ＯＣから大きく低下することが無いレベルまで、外部フィールド機器４１の容量素子の充電が進んでいる。

（８）時刻ｔ１８～時刻ｔ１９
時刻ｔ１８において、時刻ｔ１７から第３期間（オフ期間ｔ_ｏｆｆ）後には、リトライにより、再び第２制御部２７は遮断部２５をオンにする制御信号Ｐ_２ｏｎを出力する。外部フィールド機器４１の容量素子の充電が起動可能なまでに十分に進んでいるため、出力電流Ｉ_Ｏは時刻ｔ１８～ｔ１９の間で瞬間的に突入電流により、基準電流Ｉ_ＯＳを越えるものの、判定期間ｔ_ｄよりも短い、瞬間的なパルス状電流であり、出力電流Ｉ_Ｏはすぐに基準電流Ｉ_ＯＳよりも低い値となり、時刻ｔ１９以降では、出力電流Ｉ_Ｏは基準電流Ｉ_ＯＳよりも小さい値、具体例としては、４－２０ｍＡで安定している。このため、時刻ｔ１８以降では、第１制御部２６が出力電流Ｉ_Ｏの過電流と判定することはないので、電源部２４の出力電圧Ｖ_Ｏを低減する指令である出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを出力することはない。

第１制御部２６が電源部２４に出力電圧Ｖ_Ｏを低減する指令である出力電圧低減指令Ｐ_１Ｌを出力しなければ、第２期間（オン期間ｔ_ｏｎ）の計時が行われることはなく、さらに、第２制御部２７にて第３期間（オフ期間ｔ_ｏｆｆ）の計時が行われることはない。したがって、時刻ｔ１８以降では、外部フィールド機器４１の容量素子が十分に充電され、出力電流Ｉ_Ｏが基準電流Ｉ_ＯＳよりも小さい値で安定し、外部フィールド機器４１の起動が完了する。

時刻ｔ１８以降は、出力電圧Ｖ_Ｏは、設定電圧Ｖ_ＯＣ（例えば１４．３Ｖ）で安定する。第２制御部２７の制御指令Ｐ_２は、Ｐ_２ｏｎのままとなるので、他に過電流等が検出されない限りは、遮断部２５はオン状態のままとなり、電源部２４には電池２１の電力が供給され続ける。

時刻ｔ１８～ｔ１９の間では、出力電流Ｉ_Ｏに瞬間的な突入電流が含まれるため、ヒューズ電流Ｉ_Ｈも瞬間的に基準電流Ｉ_ＨＳを越えるが、時刻ｔ１９以降は、基準電流Ｉ_ＨＳよりも小さい値で安定する。また、時刻ｔ１８～ｔ１９の間では、瞬間的にヒューズ電流Ｉ_Ｈも瞬間的に基準電流Ｉ_ＨＳを越えるので、電池電圧Ｖ_Ｂは電池の内部抵抗による電圧降下により、Ｖ_Ｂ２まで瞬間的に低下するが、時刻ｔ１９以降は、Ｖ_Ｂ１で安定する。

外部フィールド機器４１が起動された後は、通常であれば、電流監視部２３で検出された出力電流Ｉ_Ｏが４－２０ｍＡのセンサの検出値に応じた値で安定している。そして、出力電流Ｉ_Ｏが基準電流Ｉ_ＯＳを越えた場合には、第１制御部２６は、過電流異常が発生したと判断し、電源部２４の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低減し、さらに、第２制御部２７はオン期間ｔ_ｏｎ後に遮断部２５をオフにする制御指令Ｐ_２を出力し、外部フィールド機器４１への電力供給をオフにする。そして、所定回数のリトライによっても、出力電流Ｉ_Ｏの過電流が継続する場合には、第２制御部２７は外部フィールド機器４１に短絡異常が発生したものと判断し、遮断部２５をオフする制御指令Ｐ_２を出力すると共に、通信モジュール３２からの無線信号により、上位機器に出力電流Ｉ_Ｏに異常が発生したことを報知する。

本発明の第１の態様の保護回路２０によれば、第１制御部２６が電流監視部２３で検出された過電流の状態に応じて、出力電圧Ｖ_Ｏを低減すると共に、電源部２４のオンオフ状態を制御することにより、電池２１で駆動される機器により外部フィールド機器４１に電源を供給する際に、電池２１の保護と長寿命化に加え、外部フィールド機器４１の起動能力を向上することができる。

本実施形態の保護回路２０によれば、第１制御部２６が電流監視部２３で検出された過電流の状態に応じて、出力電圧Ｖ_Ｏを低減することができるため、速やかな過電流保護が実現できる。さらに、起動時に電源部２４の出力電流Ｉ_Ｏに発生する過電流により、電池２１の定格電流やヒューズ２２の溶断電流を超えないようにできる。

また、本実施形態の保護回路２０によれば、第１制御部２６の応答が速く、速やかに電源部２４を制御して外部フィールド機器４１に供給する出力電圧Ｖ_Ｏを低減させ、瞬間的な過電流から電池２１を保護することができる。さらに、第２制御部２７が第１制御部２６の信号を受けて、電源部２４のオンオフ状態を制御することにより、具体的には、遮断部２５をオンオフ制御することにより、外部フィールド機器４１の起動能力を向上することができると共に、外部フィールド機器４１の異常を診断することができる。例えば、外部フィールド機器４１の起動に必要な一時的な過大電流の供給と、持続的に発生する短絡故障と、を分けて継続的な過電流発生から電池２１を保護することができる。

また、本実施形態の保護回路２０によれば、電源部２４の出力電流Ｉ_Ｏの過電流を検出してから速やかに、すなわち、第１期間（例えば判定期間ｔ_ｄ）後に電源部２４の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させることで電池２１にかかる電流負荷を下げ保護しつつ、外部フィールド機器４１に低電圧Ｖ_ＯＬを印加し、外部フィールド機器４１の容量素子、例えば入力キャパシタンスに対し一定期間にわたり電力を供給することができる。第２制御部２７は、電源部２４の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させた後、第２期間（例えばオン期間ｔ_ｏｎ）後に電源部２４をオフ状態にし、具体的には、遮断部２５をオフとし、さらに、第３期間（例えばオフ期間ｔ_ｏｆｆ）後に遮断部２５を再びオン状態とし、リトライする。

このように、過電流検出後に、低電圧Ｖ_ＯＬによる外部フィールド機器４１の容量素子のチャージが行われ、第２期間後に電源部２４がオフ状態となり、さらに、第３期間後にはリトライが行われ、電源部２４から出力電圧Ｖ_Ｏが外部フィールド機器４１に印加される。この結果、電源部２４はリトライによるオンオフ動作を繰り返し、外部フィールド機器４１の容量素子が徐々に充電され、外部フィールド機器４１が起動されていく。したがって、リトライ時の突入電流を抑えながら、外部フィールド機器４１の迅速な起動が可能となるので、外部フィールド機器４１の起動能力向上と電池２１の保護能力向上を両立することができる。また、電池２１から過剰な電流が出力されることを防止することにより、一層の電池寿命の向上を図ると共に、外部フィールド機器４１の保護も行うことができる。

さらに、実施形態の保護回路２０によれば、電流監視部２３による出力電流Ｉ_Ｏの過電流の監視に加え、電池電圧Ｖ_Ｂを監視する電池電圧監視部２８を備え、電池電圧Ｖ_Ｂが所定の電圧（基準電圧Ｖ_ＢＳ）よりも低下したことを検出すると、電源部２４にオフ指令を出力すること、具体的には遮断部２５をオフすることにより、第１制御部２６及び第２制御部２７は、電池残量減少による電池電圧低下と、電池電圧低下に伴うヒューズ電流Ｉ_Ｈの増大によるヒューズ２２の不要な溶断を防ぐことができると共に、ヒューズ電流Ｉ_Ｈが一定以下に抑えられることで、電池２１の過放電を防止することができる。さらに、電池寿命の判定も可能である。

また本実施形態の保護回路２０によれば、保護回路２０を防爆機器とすることができる。従来は、４－２０ｍＡの電流信号を持つ汎用的な外部フィールド機器４１に対して電池２１から電力を供給できる防爆機器は実現できていなかった。本実施形態の保護回路２０によれば、最大で２０ｍＡ以上の消費電流となる外部フィールド機器４１の駆動を、防爆機器に組み込んだ電池２１で駆動することが可能である。これは、本実施形態では、起動時に発生する過電流を低減しつつ外部フィールド機器４１の容量素子を徐々に充電しつつ、他方では、外部フィールド機器４１の短絡時に発生する短絡電流等の異常を判定することができるため、継続的に発生する電池定格に対して大きい消費電流と、短絡時に発生する短絡電流からの保護を両立することを実現した。

［実施形態２］
本発明の実施形態２に係る保護回路２０について、図２及び図３を参照して説明する。図３において実施形態１と同様の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。実施形態１では、保護回路２０と共に無線信号変換回路３０を備えた無線信号変換器１０を例示して説明したが、実施形態２では、保護回路２０と外部機器４０のみで成り立つ例を説明する。図２の保護回路２０の各部の波形図は、実施形態１と共通である。

図３は、本発明の実施形態２における保護回路２０を含むシステムのブロック図である。保護回路２０の構造は、実施形態１と共通しているので、詳細な説明は省略する。電源部２４からは出力電圧Ｖ_Ｏとして外部フィールド機器４１の設定電圧Ｖ_ＯＣ（例えば１４．３Ｖ）が出力され、外部フィールド機器４１に２線ケーブル４２，４３を介して供給される。

外部フィールド機器４１は、実施形態１と同様に例えば２線式の外部フィールド機器４１とすることができる。外部フィールド機器４１に２線ケーブル４２，４３から供給される電圧は例えば１４．３Ｖであり、機器信号としての出力電流Ｉ_Ｏは、通常時には４～２０ｍＡの範囲、基準電流Ｉ_ＯＳ（過電流検出の基準電流Ｉ_ＯＳ＝２５ｍＡ）のアナログ直流電流となる。外部フィールド機器４１としては、例えばセンサ検出値をアナログ直流電流信号として、４－２０ｍＡの範囲で返すものであり、広く普及している汎用的な外部フィールド機器４１が利用可能である。

本実施形態においても、実施形態１と同様に、電流監視部２３による過電流の検出に基づき、第１制御部２６及び第２制御部２７による制御を行うことにより、電源部２４の出力電流Ｉ_Ｏの過電流を検出してから速やかに、すなわち、第１期間（例えば判定期間ｔ_ｄ）後に電源部２４の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させることで電池２１にかかる電流負荷を下げ保護しつつ、外部フィールド機器４１に低電圧Ｖ_ＯＬを印加し、外部フィールド機器４１の入力容量に対し一定期間にわたり電力を供給することができる。第２制御部２７は、電源部２４の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させた後、第２期間（例えばオン期間ｔ_ｏｎ）後に電源部２４をオフ状態にし、すなわち、遮断部２５をオフにし、さらに、第３期間（例えばオフ期間ｔ_ｏｆｆ）後にリトライを行う。

このように、過電流検出後に、低電圧Ｖ_ＯＬによる外部フィールド機器４１の入力容量のチャージが行われ、第２期間（オン期間ｔ_ｏｎ）後に電源部２４がオフ状態となり、さらに、第３期間（オフ期間ｔ_ｏｆｆ）後にはリトライが行われ、電源部２４から出力電圧Ｖ_Ｏが外部フィールド機器４１に印加される。この結果、電源部２４はリトライによるオンオフ動作を繰り返し、外部フィールド機器４１の入力容量が徐々に充電され、外部フィールド機器４１が起動されていく。したがって、リトライ時の突入電流を抑えながら、外部フィールド機器４１の迅速な起動が可能となるので、外部フィールド機器４１の起動能力向上と電池２１の保護能力向上を両立することができる。

保護回路２０により電池２１を保護しながら、外部フィールド機器４１に電力を供給する構造において、外部フィールド機器４１からの機器電流である出力電流Ｉ_Ｏの検出値を、保護回路２０側でどのように使用するのか、どのような付加回路を設けるのかについては、様々な応用が可能である。例えば、外部フィールド機器４１が設置されるプロセス又はプラント等における制御装置を構成するための制御部又は検出部を本実施形態の保護回路２０を採用して実施することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の技術思想を具体化するための保護回路２０を例示するものであって、本発明をこれらに限定するものではなく、その他の実施形態のものにも等しく適用し得るものであり、また、これらの実施形態の一部を省略、追加、変更することや、各実施形態の態様を組み合わせることが可能である。

例えば、実施形態１における防爆構造の説明は、本発明を防爆構造のものだけに限定することを意図するものではなく、本発明は防爆構造を有しない機器にも等しく適用可能である。

１０・・・無線信号変換器
２０・・・保護回路
２１・・・電池
２２・・・ヒューズ
２３・・・電流監視部
２４・・・電源部
２５・・・遮断部
２６・・・第１制御部
２７・・・第２制御部
２８・・・電池電圧監視部
３０・・・無線信号変換回路
３１・・・演算部
３２・・・通信モジュール
３３・・・無線アンテナ
４０・・・外部機器
４１・・・外部フィールド機器
４２，４３・・・２線ケーブル

本発明の上記目的は、以下の構成によって達成できる。すなわち、本発明の第１の態様の保護回路は、電池で駆動され、外部フィールド機器に電力を供給する機器の保護回路であって、電池と、前記電池の電池電圧を変圧するＤＣ－ＤＣコンバータからなる電源部と、前記電源部の出力電流を監視する電流監視部と、
前記電流監視部からの信号に基づき前記電源部のオンオフ状態及び出力電圧を制御する制御部と、前記電池を保護するヒューズと、を含み、前記制御部は、前記電流監視部で検出された過電流の状態に応じて、前記出力電圧を低減すると共に、前記電源部のオンオフ状態を制御し、前記制御部は、前記電流監視部で過電流が検出されると前記出力電圧を低減する出力電圧低減指令を前記電源部に出力する第１制御部と、前記出力電圧低減指令を受けて前記電源部のオンオフ時期を制御すると共に、前記外部フィールド機器の異常を判定する第２制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様の保護回路は、第１の態様の保護回路において、前記第１制御部は、前記電流監視部で過電流が検出されると第１期間後に前記出力電圧を低減する出力電圧低減指令を前記電源部に送り、前記第２制御部は、前記出力電圧低減指令を受けてから第２期間後に前記電源部をオフ状態とし、さらに第３期間後に前記電源部をオン状態とし、前記電源部のオンオフ回数に基づき前記外部フィールド機器の異常を判定することを特徴とする。

本発明の第３の態様の保護回路は、第１又は第２の態様の保護回路において、前記制御部は、前記電池電圧を監視する電池電圧監視部を備え、前記電池電圧が所定の電圧よりも低下したことを検出すると、前記電源部にオフ指令を出力することを特徴とする。

本発明の第４の態様の保護回路は、第１～第３のいずれかの態様の保護回路において、前記保護回路は、防爆機器であることを特徴とする。

また、第１の態様の保護回路によれば、制御部が電流監視部で検出された過電流の状態に応じて、出力電圧を低減することができるため、速やかな過電流保護が実現できる。さらに、起動時に電源部の出力電流に発生する過電流により電池の定格電流やヒューズの溶断電流を超えないようにできる。加えて、第１制御部の応答が速く、速やかに電源部を制御して外部フィールド機器に供給する電圧を低減させ、瞬間的な過電流から電池を保護することができる。さらに、第２制御部が第１制御部の信号を受けて、電源部のオンオフ状態を制御することにより、外部フィールド機器の起動能力を向上することができると共に、外部フィールド機器の異常を診断することができる。例えば、外部フィールド機器の起動に必要な一時的な過大電流の供給と、持続的に発生する短絡故障と、を分けて継続的な過電流発生から電池を保護することができる。

本発明の第２の態様の保護回路によれば、電源部の出力電流Ｉ_Ｏの過電流を検出してから速やかに、すなわち、第１期間（例えば判定期間ｔ_ｄ）後に電源部の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させることで電池にかかる電流負荷を下げ、保護しつつ、外部フィールド機器に低電圧Ｖ_ＯＬを印加し、外部フィールド機器の入力容量に対し一定期間にわたり電力を供給することができる。第２制御部は、電源部の出力電圧Ｖ_Ｏを低電圧Ｖ_ＯＬに低下させた後、第２期間（例えばオン期間ｔ_ｏｎ）後に電源部をオフ状態にし、さらに、第３期間（例えばオフ期間ｔ_ｏｆｆ）後に電源を再びオン状態にする（以下、「リトライ」ということがある）。

本発明の第３の態様の保護回路によれば、電流監視部による出力電流の過電流の監視に加え、電池電圧を監視する電池電圧監視部を備え、電池電圧が所定の電圧よりも低下したことを検出すると、電源部にオフ指令を出力することにより、制御部は、電池残量減少による電池電圧低下と、電池電圧低下に伴うヒューズ電流Ｉ_Ｈの増大によるヒューズの不要な溶断を防ぐことができると共に、ヒューズ電流Ｉ_Ｈが一定以下に抑えられることで、電池の過放電を防止することができる。さらに、電池寿命の判定も可能である。

本発明の第４の態様の保護回路によれば、保護回路を防爆機器とすることができる。従来は、４－２０ｍＡの電流信号を持つ汎用的な外部フィールド機器に対して電池から電力を供給できる防爆機器は実現されていなかった。本発明の第５の態様の保護回路によれば、最大で２０ｍＡ以上の消費電流となる外部フィールド機器の駆動を、防爆機器に組み込んだ電池で駆動することが可能である。これは、本態様では、起動時に発生する過電流を低減しつつ外部フィールド機器の入力容量を徐々に充電しつつ、他方では、外部フィールド機器の短絡時に発生する短絡電流等の異常を判定することができるため、継続的に発生する電池定格に対して大きい消費電流と、短絡時に発生する短絡電流からの保護を両立することを実現した。

Claims

電池で駆動され、外部フィールド機器に電力を供給する機器の保護回路であって、
電池と、
前記電池の電池電圧を変圧するＤＣ－ＤＣコンバータからなる電源部と、
前記電源部の出力電流を監視する電流監視部と、
前記電流監視部からの信号に基づき前記電源部のオンオフ状態及び出力電圧を制御する制御部と、
前記電池を保護するヒューズと、
を含み、
前記制御部は、前記電流監視部で検出された過電流の状態に応じて、前記出力電圧を低減すると共に、前記電源部のオンオフ状態を制御することを特徴とする保護回路。
前記制御部は、
前記電流監視部で過電流が検出されると前記出力電圧を低減する出力電圧低減指令を前記電源部に出力する第１制御部と、
前記出力電圧低減指令を受けて前記電源部のオンオフ時期を制御すると共に、前記外部フィールド機器の異常を判定する第２制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の保護回路。
前記第１制御部は、前記電流監視部で過電流が検出されると第１期間後に前記出力電圧を低減する出力電圧低減指令を前記電源部に送り、
前記第２制御部は、
前記出力電圧低減指令を受けてから第２期間後に前記電源部をオフ状態とし、さらに第３期間後に前記電源部をオン状態とし、
前記電源部のオンオフ回数に基づき前記外部フィールド機器の異常を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の保護回路。
前記制御部は、
前記電池電圧を監視する電池電圧監視部を備え、
前記電池電圧が所定の電圧よりも低下したことを検出すると、前記電源部にオフ指令を出力することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の保護回路。
前記保護回路は、防爆機器であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の保護回路。