JP6325497B2 - バッテリー残量を報知する機能を有する電子機器 - Google Patents

バッテリー残量を報知する機能を有する電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、電子機器に関し、特に、バッテリー残量を報知する機能を有する電子機器に関する。
数値制御装置（ＣＮＣ）は加工機を動作させるために各種パラメータを設定し入力しておく必要がある。このパラメータはデータ数が非常に多いため再入力が面倒なこと、また設定入力後の変更の頻度が低いことなどから、不揮発性メモリに記憶させてＣＮＣの電源切断後も記憶を保持できるようにしている。一般には、この不揮発性メモリにはバッテリー（電池）でバックアップされたＳＲＡＭが使用されている。
しかし、バッテリーでバックされたＳＲＡＭでは、電池が寿命となった場合には、ＳＲＡＭ内のパラメータが消滅してしまうという問題があった。そのため、バッテリー残量を監視することが行われている。
バッテリー残量を推定する方法として以下の２つの方法に大別される。
１．電流値を放電時間で積分し、消費した容量を推定する。
２．端子電圧を時系列にプロットし、時間推移から容量を推定する。
特許文献１に開示された方法（図８参照）では、バッテリーの残量時間１２３は、曲線１２０を直線近似して求めている。図８において、横軸が放電時間、縦軸が電池の電圧をそれぞれ示している。直線１１０は電子機器等の負荷動作可能な終了電圧である。曲線１１２は高性能電池の放電特性を、曲線１１３は標準電池の放電特性を、曲線１１４は充電式電池の放電特性をそれぞれ示している。
特開平９−１７８８２７号公報
外部電源がオンの場合はバックアップのバッテリーは使用されず、外部電源がオフの場合にバックアップのバッテリーが使用される電子機器がある。例えば、加工機を制御する数値制御装置の場合、バックアップ電流は、装置の電源ＯＦＦ中に流れるため、これを測定するのは困難である。
また、バッテリーの放電特性（電池残量）を直線近似（一次式）できない場合、例えば、二酸化マンガンリチウム電子では放電特性を直線近似できない（図９，図１０を参照）ため、特許文献１に開示される技術を適用できない。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、一次近似では残量を近似することが難しいバッテリーにおいて、バッテリー残量を段階的に報知する機能を有する電子機器を提供することである。
本願の請求項１に係る発明は、所定の負荷手段に電力を供給する第１の電源と、外部電源からの電力を前記負荷手段に供給する第２の電源と、前記第１の電源と前記第２の電源との前記所定の負荷手段への電力の供給を切り替える切替手段と、時刻を計時する計時手段と、前記第１の電源の端子電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定した前記第１の電源の端子電圧と、前記計時手段に基づく前記第１の電源の端子電圧を測定した時刻と、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した前記第１の電源の端子電圧の時間変化率を計算する時間変化率計算手段と、前記時間変化率計算手段により計算して得られた前記第１の電源の端子電圧の時間変化率に応じて前記第１の電源の残量に係る報知を行う報知手段と、を備え、前記切替手段は、前記電子機器へ供給される外部電源をＯＮして所定時間経過後に、前記負荷手段への電力の供給を前記第１の電源から前記第２の電源に切替えることを特徴とする電子機器である。
ここで、第１の電源は、そのバッテリー残量が、電池残量を一次近似した場合に、実際の電池残量との誤差が大きく、正しく電池残量を報知できない電池（つまり、電池残量が一次式では近似できない電池）である。
請求項２に係る発明は、前記第１の電源の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により測定した温度に基づき、前記電圧測定手段により測定した前記第１の電源の端子電圧を補正する補正手段と、を備え、前記補正手段により得られた第１の電源の補正された端子電圧を、前記記憶手段に第１の電源の端子電圧として記憶することを特徴とする請求項１に記載の電子機器である。
請求項３に係る発明は、前記補正手段は、二次式以上の近似式、あるいは、補正テーブルを用いて前記測定された第１の電源の端子電圧を補正することを特徴する請求項２に記載の電子機器である。
請求項４に係る発明は、前記報知手段は、前記第１の電源の端子電圧の時間変化率が、予め設定した値を超えた場合にウォーニングを報知することを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の電子機器である。
請求項５に係る発明は、前記電圧測定手段により前記第１の電源の端子電圧を測定したときの前記第１の電源の温度を前記温度測定手段により測定し、測定して得られた温度を、前記第１の電源の端子電圧および前記時刻とともに前記記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の電子機器である。
本発明により、一次近似では残量を近似することが難しいバッテリーにおいて、バッテリー残量を段階的に報知する機能を有する電子機器を提供できる。
数値制御装置の構成を説明する概略構成図である。 主電源とバッテリーを電源切替回路により切り替えてＳＲＡＭとＲＴＣ回路に電源を接続することを説明する図である。 バッテリーの端子電圧と数値制御装置の電源オフの累積時間との関係を表すグラフである。 温度によって変動するバッテリーの電圧と寿命のとの関係を示す図である。 補正テーブルを説明する図である。 複数段階のバッテリー残量を表示する処理のフローを説明する図である。 電池の端子電圧と数値制御装置の累積電源オフ時間との関係を示す図である。 電池に所定負荷をかけたときの電池の放電特性を示したグラフである。 Ａ社の二酸化マンガンリチウム電池の放電特性を示す図である。 Ｂ社の二酸化マンガンリチウム電池の放電特性を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、加工機などを制御する数値制御装置の概略ブロック図である。数値制御装置１０は電子機器として、プロセッサ（ＣＰＵ）１１が、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムを、バス２１を介して読み出し、このシステムプログラムに従って、数値制御装置１０を全体的に制御する。ＲＡＭ１３には、一時的な計算データ、表示データなどが格納される。ＳＲＡＭ１４は揮発性メモリで、バッテリー２３でバックアップされ、数値制御装置１０の主電源２２がオフされても保持すべきシステムパラメータや加工プログラム、工具のオフセット等が格納されている。ＳＲＡＭ１４にはメモリ領域１４ａが設けられており、バッテリー残量を算出するのに必要なデータなどが格納されている。主電源２２は外部からの電源供給、例えばＤＣ２４Ｖを受け、ＳＲＡＭ１４やＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）に適した電圧に調整されて供給される。
ＲＴＣ回路１５は一般のデジタルクロックと同様に、バッテリー２３で動作する水晶発振器によって時刻をカウントするもので、その出力データはＣＰＵ１１から読み出すことが出来る。電圧検出回路１６はバッテリー２３の端子電圧を検出する測定回路である。電源切替回路２４はバックアップが必要な回路（負荷手段）に、主電源２２がオン時は主電源２２から、主電源２２がオフ時はバッテリー２３から負荷に電源が接続されるように、主電源２２とバッテリー２３とを切替える。主電源２２またはバッテリー２３から電源供給ライン２６を介して負荷（ＳＲＡＭ１４、ＲＴＣ回路１５）に電力が供給される。図２では所定の負荷としてＳＲＡＭ１４とＲＴＣ回路１５がバッテリー２３により電源供給がバックアップされている。バッテリー２３またはその周囲にバッテリー２３の温度を検出する温度検出器２５が配設されている。温度検出器２５の設置場所は、バッテリー２３の温度と相関のある値が得られる場所であればよい。
ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）１７は、内蔵されたシーケンスプログラムで加工機（図示せず）を制御する。すなわち、加工プログラムで指令された機能に従って、これらシーケンスプログラムにより加工機側で必要な信号に変換し、Ｉ／Ｏユニット１８から加工機側へ出力する。この出力信号により加工機側の各種のアクチュエータが作動する。
各軸の現在位置、可動部重量、アラーム、画像データなどの信号は、ＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０の表示装置に送られ、表示装置に表示される。なお、ＭＤＩはキーボードなどの手動入力装置を意味する。インタフェース１９は、ＬＣＤ／ＭＤＩ７０のキーボードからのデータを受けてプロセッサ（ＣＰＵ）１１に渡す。インタフェース２０は手動パルス発生器７１に接続され、インタフェース２０は手動パルス発生器７１に接続され、手動パルス発生器７１からのパルスを受ける。手動パルス発生器７１は工作機械側の機械操作盤に実装され、手動で機械可動部を精密に位置決めするために使用される。
軸制御回路３０〜３２はプロセッサ（ＣＰＵ）１１からの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４０〜４２に出力する。サーボアンプ４０〜４２はこの指令を受けて、工作機械の機構部（図示せず）に設けられている各軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸のサーボモータ５０〜５２には位置・速度を検出する位置・速度検出器（図示せず）が内蔵されている。この位置・速度検出器からのフィードバック信号（ｆ１，ｆ２，ｆ３）（以降、「速度フィードバック値」という）が軸制御回路３０〜３２にフィードバックされる。なお、位置のフィードバック信号（以降、「位置フィードバック値」という）も軸制御回路３０〜３２にフィードバックされる。また、サーボアンプ４０〜４２にはサーボモータ５０〜５２を駆動する駆動電流を検出する電流センサ（図示せず）が内蔵されており、前記電流センサからのフィードバック信号（ｆ４，ｆ５，ｆ６）（以降、「電流フィードバック値」という）が軸制御回路３０〜３２にフィードバックされる。
軸制御回路３０〜３２に内蔵されたサーボ制御ＣＰＵは、これらのフィードバック値と前記移動指令とに基づいて各軸毎、位置ループ、速度ループ、電流ループの各処理を行い、各軸のサーボモータ５０〜５２の位置、速度を制御する。これらの制御は、従来公知の制御ループである。スピンドル制御回路６０はスピンドル回転指令を受けて、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、スピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させる。
図２は主電源とバッテリーを電源切替回路により切り替えてＳＲＡＭとＲＴＣ回路に電源を接続することを説明する図である。数値制御装置１０が起動され、外部電源からの主電源２２から電力が供給されるようになると、電源切替回路２４はバッテリー２３から主電源２２にバックアップ用の電力の供給を切り替える。この電源切替は、数値制御装置１０の起動直後に電源切替を行わず、バッテリー２３を負荷（ＳＲＡＭ１４、ＲＴＣ回路１５）に接続した状態で、電圧検出回路１６によりバッテリー２３の端子電圧の検出を可能とする。換言すれば、バッテリー２３から主電源２２への切替は、外部電源をＯＮして所定時間後に行われる。これにより、電圧検出回路１６により、バッテリー２３を負荷（ＳＲＡＭ１４、ＲＴＣ回路１５）に接続した状態で、バッテリー２３の端子電圧を精度よく検出することが可能である。
所定時間とは、通常数十分程度の時間であるが、数値制御装置が備える切り替え時間を設定する設定時間により、ユーザが設定することもできる。また、数値制御装置が記憶している電源ＯＦＦ時間に基づいて、数値制御装置が自動的に設定することもできる。ＯＦＦ時間が長ければ、電源ＯＮ後の切り替えまでの時間を長く設定し、ＯＦＦ時間が短かった場合には、電源ＯＮ後の切り替えまでの時間を短く設定することで、バッテリーの消費を節約できる。
検出した電圧はバス２１を介してＳＲＡＭ１４に記憶される。この際、電圧検出回路１６によりバッテリー２３の端子電圧を検出したときの時刻をＲＴＣ回路１５の出力を元に取得し、検出したバッテリー２３の電圧と共にＳＲＡＭ１４に記憶する。ＲＴＣ回路１５を用いて取得した時刻に基づいて、数値制御装置の電源オフの累積時間を算出し、算出した値をＳＲＡＭ１４に記憶してもよい。なお、検出した電圧や温度のデータの記憶はＳＲＡＭ１４に限定されず、数値制御装置１０に備わった他のメモリを用いてもよい。
図３はバッテリーの端子電圧と数値制御装置の電源オフの累積時間との関係を表すグラフである。図１，図２を用いて説明したように、電圧検出回路１６によりバッテリー２３の端子電圧を検出する。図３は端子電圧を縦軸、数値制御装置の累積電源オフ時間を横軸としてグラフ化したものである。ここで、数値制御装置の電源オフの累積時間に対する端子電圧の変化率を算出する。端子電圧の低下はバッテリー２３の残量が減少していることを示している。端子電圧が低下するにしたがって、端子電圧の数値制御装置の電源オフの累積時間に対する負の傾きが大きくなる。符号１３１に比べて符号１３２の方がバッテリー２３の残量が少なく、更に、符号１３３の方がバッテリー残量は少ない。傾き度合い（端子電圧の時間変化率）に応じて、バッテリー残量のウォーニングを出力するようにしてもよい。
プロセッサ（ＣＰＵ）１１は、時間変化率計算手段として、ＳＲＡＭ１４に記憶された、端子電圧、計測した時刻のデータをもとに、時間変化率を計算し、第１の電源（バッテリー２３）の残量に応じたアラームを、求めた端子電圧の時間変化率の大きさに応じて報知してもよい。この報知は、数値制御装置１０の表示装置（ＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０）に表示してもよい。
バッテリー２３は図４に示されるように、バッテリー２３の温度が高いと、電圧検出回路１６によりバッテリーの端子電圧が高めに検出される傾向がある。そこで、ある温度を基準として補正を与える。検出した全ての端子電圧をバッテリー２３の温度を２３℃として換算して、端子電圧とバッテリー寿命のとの関係を示す。数１式は２次近似式により温度補正する例である。
Ｙ＝３ｅ＊１０-５Ｘ２-０．００５６Ｘ+０．１１３５ （数１）
Ｘ：観測時の温度（℃）
Ｙ：２３℃基準に電圧を換算するための補正値である。
なお、近似式は２次式に限定されず、それ以上の次数の式を用いてもよい。
あるいは、予めバッテリー２３の特性を測定した補正テーブルを作成しておき、前記テーブルに基づいて補正してもよい。図５は補正テーブルを説明する図である。基準温度（例えば、２３℃）の端子電圧となるように、各測定温度における端子電圧の電圧を補正する補正量（ΔＶ）を予め測定してテーブル化する。あるいは数１式のような近時式を用いて数値を求めてテーブル化しておく。温度の刻みは例えば０．１℃程度であり、その間の温度の場合は、補間などにより補正量を求める。
図６は複数段階のバッテリー残量を表示する処理のフローを説明する図である。以下、各ステップに従って説明する。
図１に示す工作機械の数値制御装置１０が起動し、ＣＰＵ１１が動作状態になると図６に示す処理が実行される。数値制御装置１０が起動し、この処理が実行開始されるときは、バッテリー２３からＳＲＡＭ１４やＲＴＣ回路１５へ電力が供給されている。
●［ステップｓａ０１］時刻情報を取得する。例えば、ＣＰＵ１１がＲＴＣ回路１５から現在の時刻情報を読み出す。
●［ステップｓａ０２］端子電圧を取得する。ＳＲＡＭ１４やＲＴＣ回路１５にバッテリー２３が接続された状態で、バッテリー２３の端子電圧を電圧検出回路１６で検出し、検出された端子電圧をＣＰＵ１１が読み取る。
●［ステップｓａ０３］温度情報を取得する。バッテリー２３の温度を温度検出器２５により検出し、検出した温度をＣＰＵ１１が読み取る。
●［ステップｓａ０４］ステップｓａ０２で取得した端子電圧を補正する。この補正は、数１式あるいは図５に示される補正テーブルを用いて行う。
●［ステップｓａ０５］ステップｓａ０４の補正により得られた、補正した端子電圧の情報、ステップｓａ０３で取得した温度情報、ステップｓａ０１で取得した時刻情報を記憶手段に記憶する。記憶手段としてはＳＲＡＭ１４を用いることができる。
●［ステップｓａ０６］ステップｓａ０５で記憶した情報をもとに、補正した端子電圧の時間変化率を計算する（時間変化率計算手段）。
●［ステップｓａ０７］ステップｓａ０６で計算して得られた補正した端子電圧の時間変化率に応じた報知を複数段階に区分して報知する（報知手段）。例えば、残量５０％、残量３０％、残量１０％を表示してもよい。また、時間変化率が予め設定した値を超えると、バッテリー２３の交換の警報音などによるウォーニングを行うようにしてもよい。予め設定する値を複数にすることで、複数の段階でウォーニングを行うことができる。
●［ステップｓａ０８］バックアップバッテリーから主電源へ切替えて、処理を終了する。電源切替回路２４によりバッテリー２３から主電源２２に切替える。
上記フローチャートを補足して説明する。
バッテリー温度が大きく変動しない場合はバッテリー温度の測定を略し、端子電圧の温度補正を行わなくてもよい。
また、測定した温度は端子電圧の補正に使用するものであるから、端子電圧の補正に用いて記憶しなくてもよい。記憶した温度情報を用いてバッテリー残量とバッテリー温度との関係を必要に応じて確認できることから、バッテリー２３の温度管理に用いることができる。
ところで、バッテリー２３を無負荷状態に放置すると、一時的に電圧が高くなってしまい、暫く通電しないと元の電圧値に戻らないという性質がある。例えば、数値制御装置１０を長時間稼働し、一旦数値制御装置１０の稼働を停止し、短時間のうちに数値制御装置１０を再起動した場合に、発生することがある現象である。図７に示されるように、符号１４１でバッテリー２３の端子電圧を測定してから数値制御装置１０を長時間稼働し、起動を停止し主電源２２をオフし、短い時間経過後に数値制御装置１０を再起動したときに、バッテリー２３の端子電圧を測定した場合に発生することがある。
この問題を回避するために、一つ前の端子電圧の検出値よりも高い端子電圧が検出された場合には、数値制御装置１０の起動後、傾きが一つ前に計算した結果と所定の値の範囲になるまで主電源２２からの負荷（ＳＲＡＭ１４、ＲＴＣ回路１５）への通電時間を長くとる。なお、所定の値はパラメータで選択可能である。
例えば、図７において、符号１４１の端子電圧と、符号１４２の端子電圧での端子電圧の時間変化率は大きく異なっている。そこで、バッテリー２３から主電源２２への切替えを、測定した端子電圧の時間変化率が符号１４１で求めた端子電圧の時間変化率との差が予め設定した範囲となるのを待って行う。あるいは、符号１４１や符号１４２の場合には、予め時間を設定しておき、その設定した時間が経過した後に、バッテリー２３から主電源２２への切替えを行うようにしてもよい。
この電源切替回路２４によるバッテリー２３から主電源２２への切替は、特許請求の範囲の「前記電子機器へ供給される外部電源をＯＮして所定時間経過後に、前記負荷手段への電力の供給を前記第１の電源から前記第２の電源に切替えること」に対応する。
ここで、特許請求の範囲の記載について説明する。
所定の負荷手段は、第１の電源の一例であるバッテリー２３によりバックアップされ、第２の電源の一例である主電源２２から電力が供給されるＳＲＡＭ１４やＲＴＣ回路１５であり、所定の負荷手段として例えばサーボモータ５０〜５２の位置・速度を検出する位置・速度検出器も含まれる。時刻を計時する計時手段は時刻をカウントするＲＴＣ回路１５が対応する。
切替手段である電源切替回路２４によって主電源２２とバッテリー２３とは所定の負荷手段への接続が切り替えられる。第１の電源（バッテリー２３）の端子電圧を測定する電圧測定手段である電圧検出回路１６は、第２の電源（主電源２２）からの電力の供給が可能となってから以降所定時間内に、第１の電源（バッテリー２３）の端子電圧を測定する。
電圧検出回路１６で検出された第１の電源（バッテリー２３）の端子電圧の検出値と、端子電圧を検出した時刻をＲＴＣ回路１５からの出力を元に取得する。端子電圧の検出値と時刻のデータは、記憶手段であるＳＲＡＭ１４に記憶される。ＣＰＵ１１はバッテリー２３の端子電圧の時間変化率を計算し（時間変化率計算手段）、計算により得られた時間変化率に応じた電池残量を報知する、あるいは、前記電池残量に応じた警報などのアラームなどを報知する（報知手段）。
１０ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ ＳＲＡＭ
１５ ＲＴＣ回路
１６ 電圧検出回路
１７ ＰＬＣ
１８ Ｉ／Ｏユニット
１９ インタフェース
２０ インタフェース
２１ バス
２２ 主電源
２３ バッテリー
２４ 電源切替回路
２５ 温度検出器
２６ 電源供給ライン

Claims (5)

  1. 所定の負荷手段に電力を供給する第１の電源と、外部電源からの電力を前記負荷手段に供給する第２の電源と、前記第１の電源と前記第２の電源との前記所定の負荷手段への電力の供給を切り替える切替手段と、時刻を計時する計時手段と、
    前記第１の電源の端子電圧を測定する電圧測定手段と、
    前記電圧測定手段により測定した前記第１の電源の端子電圧と、前記計時手段に基づく前記第１の電源の端子電圧を測定した時刻と、を記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段に記憶した前記第１の電源の端子電圧の時間変化率を計算する時間変化率計算手段と、
    前記時間変化率計算手段により計算して得られた前記第１の電源の端子電圧の時間変化率に応じて前記第１の電源の残量に係る報知を行う報知手段と、
    を備え、
    前記切替手段は、前記電子機器へ供給される外部電源をＯＮして所定時間経過後に、前記負荷手段への電力の供給を前記第１の電源から前記第２の電源に切替えることを特徴とする電子機器。
  2. 前記第１の電源の温度を測定する温度測定手段と、
    前記温度測定手段により測定した温度に基づき、前記電圧測定手段により測定した前記第１の電源の端子電圧を補正する補正手段と、
    を備え、
    前記補正手段により得られた第１の電源の補正された端子電圧を、前記記憶手段に第１の電源の端子電圧として記憶することを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
  3. 前記補正手段は、二次式以上の近似式、あるいは、補正テーブルを用いて前記測定された第１の電源の端子電圧を補正することを特徴する請求項２に記載の電子機器。
  4. 前記報知手段は、前記第１の電源の端子電圧の時間変化率が、予め設定した値を超えた場合にウォーニングを報知することを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の電子機器。
  5. 前記電圧測定手段により前記第１の電源の端子電圧を測定したときの前記第１の電源の温度を前記温度測定手段により測定し、測定して得られた温度を、前記第１の電源の端子電圧および前記時刻とともに前記記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の電子機器。
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