JP6960187B2

JP6960187B2 - 電源装置

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Publication number: JP6960187B2
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Authority: JP
Inventors: 和宏小山; 顕宏岡部; 哲也野邉
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Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2021-11-05
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Description

本発明は電源装置に関する。

特許文献１には、電動玩具等の外部負荷装置の電池ボックスに装着可能な無線受信駆動装置が開示されている。この無線受信駆動装置は、いわゆるスイッチング電源として構成され、収容した電池と外部端子との間に介在させたトランジスタの駆動信号のデューティー比を無線受信部を介して受信したユーザ指令に従って無線モジュールで変化させることにより外部負荷装置への駆動電圧を変化させて、電動玩具等の外部負荷装置の動作を制御することができるものである。さらに外部負荷装置の外部スイッチに連動して無線受信部の電源供給を制御する機能を備え、電池の消耗を抑制する効果を実現している。

この無線受信駆動装置に過電流が流れると故障する事がある。特に他の複数の電池と直列に無線受信駆動装置を接続する場合には顕著である。しかし、実装スペース上の問題から、無線受信駆動装置は過電流を検知することは勿論、トランジスタに流れる電流を検知する機能をも装備することはできない。

特開２０１５−１７７９３９号公報

目的は、電池で駆動する外部負荷装置に装備され、外部負荷装置の動作に関する情報を外部の情報処理装置に送信することができる電源装置を提供することにある。

本実施形態に係る電源装置は、電池で駆動する外部負荷装置に組み込まれるものである。電源装置は、電池の一方の端子に接続される一方の電源端子と、電池の他方の端子に接続される他方の電源端子と、電池の一方の端子と一方の電源端子との間と、電池の他方の端子と他方の電源端子との間との少なくとも一方に介在されるスイッチング素子と、外部情報処理装置と通信するためのアンテナと、アンテナを介して受信した出力指示に応じてスイッチング素子の開閉を制御する制御回路と、スイッチング素子に直列に設けられ、スイッチング素子に流れる電流を電圧に変換する変換素子と、変換素子により変換された電圧の変化に基づいて外部負荷装置の動作に関する情報を表す信号を生成し、外部情報処理装置にアンテナを介して無線送信する情報処理部とを具備する。情報処理部は、変換素子により変換された電圧の変化を検出するために変換素子により変換された電圧をしきい値電圧に比較するとともに、しきい値電圧を外部負荷装置に応じて変更する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る無線通信機能を備える電池形電源装置の外観を示す斜視図である。図２は、図１の電池形電源装置の内部構造を示す図である。図３は、図１の電池形電源装置の使用態様を示す図である。図４は、図１の電池形電源装置の等価回路図である。図５は、図４のコンパレータの出力に対する出力トランジスタのゲート信号の変化を示すタイミングチャートである。図６は、図４の電池形電源装置の変形例を示す等価回路図である。図７は、本発明の第２実施形態に係る無線通信機能を備える電池形電源装置の等価回路図である。図８は、図７のオペアンプの出力に対する出力トランジスタのゲート信号の変化を示すタイミングチャートである。図９は、本発明の第３実施形態に係る無線通信機能を備える電池形電源装置の等価回路図である。図１０は、図９のコンパレータの入力電圧に対する出力電圧の変化を示すタイミングチャートである。図１１は、図９のＲＦＩＣの通信部から対象装置の動作情報を送信するタイミングを示すタイミングチャートである。図１２は、本発明の第４実施形態に係る無線通信機能を備える電池形電源装置の等価回路図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る無線機能を備えた電池形電源装置１の外観を示す斜視図である。図２は、図１の電池形電源装置１の使用状態を示す平面図である。本実施形態に係る無線機能を備えた電池形電源装置（以下、単に電池形電源装置と称す）１は、電池規格に準じた形状及び外寸で構成される。典型的には本実施形態に係る電池形電源装置１は、単３形規格準じた高さ及び直径の円柱体で構成される。しかし他の電池規格に準じた形状及び寸法で電池形電源装置１が構成されていてもよい。ここでは本実施形態に係る電池形電源装置１は単３形規格に準じているものとして説明する。

電池形電源装置１の本体部１７は単３形電池規格と同一の形状及び寸法で構成された円筒状体のハウジング１８に外装されている。本体部１７の上端面（前端面ともいう）の中央には、外側正極端子３として円形状の導電板が取り付けられる。本体部の下端面（後端面ともいう）の中央には、外側負極端子４として円形状の導電板が取り付けられる。ハウジング１８の周面の一部分は長円形状に切り欠かれている。切り欠き部１９の長さは単４乾電池と同等であり、幅は単４乾電池の幅より若干広い。ユーザは、この切り欠き部１９から単４形電池を電池収納部２に対して挿抜することができる。電池収納部２の形状は単４形規格に準じた長さ及び直径の円柱形状のスペースである。電池収納部２の中心軸は電池形電源装置１の円柱中心軸に対して半径方向にオフセットされる。このオフセットにより、ハウジング１８と電池収納部２との間に僅かなスペースを提供する。この僅かなスペースに電池形電源装置１の各種機能を実現する基板７が搭載される。

電池収納部２の前端中央、つまり外側正極端子３と同じ側には内側正極端子５として導電板が取り付けられる。電池収納部２の後端中央、外側負極端子４と同じ側には内側負極端子６としてバネ性を有した導電板が取り付けられる。電池収納部２に収納された単４乾電池の正極端子は内側正極端子５に接触し、単４乾電池の負極端子は内側負極端子６に接触する。内側正極端子５は配線ケーブル８を介して外側正極端子３と基板７とに接続される。内側正極端子５は外側正極端子３と共通導電板で構成されてもよい。内側負極端子６は配線ケーブル９により基板７に接続される。外側負極端子４は配線ケーブル１０により基板７に接続される。

図３は図１の電池形電源装置１の使用状態を示す図である。図３に示すように、電池形電源装置１は、単３乾電池で駆動する外部負荷装置１１の電池ボックス１２に単独で又は他の電池１３と直列又は並列状態で装着される。外部負荷装置１１としては電動玩具、電動工作玩具、防災センサ、防犯センサ、懐中電灯、自転車ライト、電池式調理器、電気ウキ、電動ペット給餌装置、電池式ファン、電池式ハンドソープディスペンサー等である。ここでは外部負荷装置１１としてモータ１５で駆動する電動玩具として説明する。電動玩具１１は電池ボックス１２を有する。電池ボックス１２には電池形電源装置１と他の１本の単３乾電池１３とが直列状態で装着される。電池ボックス１２には外部スイッチ１４を介してモータ１５が電気的に接続される。モータ１５には、伝達機構を介して車輪１６が接続される。外部スイッチ１４がオンされると、モータ１５と電池ボックス１２との電気的な接続が確保される。外部スイッチ１４がオフされると、モータ１５と電池ボックス１２とは電気的に切断される。

外部情報処理装置５０はスマートフォンや、携帯電話機や、タブレット端末、ラジオコントロール通信機等の通信機能及び操作パネル機能等を備えた典型的には携帯型のディジタル電子機器である。この本実施形態に係る電池形電源装置１は、無線通信機能を備え、外部情報処理装置５０と無線接続される。外部情報処理装置５０から電池形電源装置１には電源出力を０％〜１００％の範囲内のいずれかの値にする指示（出力指示）が無線で送信される。後述するように電池形電源装置１の電池収納部２の内側負極端子６と外側負極端子４との間の配線９に出力トランジスタが介在される。電池形電源装置１はＰＷＭ（パルス幅信号変調）方式により外部情報処理装置５０からの出力指示に従って出力トランジスタのゲート制御信号（出力制御信号）のデューティー比を変更して電源出力を調整する。

図４は図１の電池形電源装置の等価回路図である。本実施形態に係る電池形電源装置の回路は、コンパレータ３０、検出抵抗３１、出力トランジスタ３２、出力遮断用トランジスタ３４、ＲＦＩＣ３５及びＤＣＤＣコンバータ３６を有する。これら電子部品は基板７に実装される。出力トランジスタ３２は、典型的にはＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、回路上、内側負極端子６と外側負極端子４との間に介在される。なお、出力トランジスタ３２は、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴであってもよく、その場合、回路上、内側正極端子５と外側正極端子３との間に介在される。出力トランジスタ３２がＰチャンネルＭＯＳＦＥＴのとき以下の説明においてハイレベル／ローレベルはローレベル／ハイレベルにそれぞれ読み替えられる。さらに、また出力トランジスタ３２は、バイポーラトランジスタであってもよく、その場合以下のゲート制御信号はベース制御信号と読み替えられる。ここでは出力トランジスタ３２はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴとして説明する。

出力トランジスタ３２に対して直列に検出抵抗３１が配置される。つまり内側負極端子６は配線ケーブル９を介して検出抵抗３１の一端に接続される。検出抵抗３１の他端は出力トランジスタ３２のソース端子に接続される。出力トランジスタ３２のドレイン端子は、配線ケーブル１０を介して外側負極端子４に接続される。内側正極端子５は配線ケーブル８を介して外側正極端子３に直接接続される。また、内側正極端子５は配線ケーブル８を介してＤＣＤＣコンバータ３６の入力端子に接続される。ＤＣＤＣコンバータ３６は、電池収納部２に装着された単４乾電池の電圧Ｖccを内部回路動作用の例えば３．０Ｖの電源電圧Ｖddに昇圧する。後述のＲＦＩＣ３５とコンパレータ３０とは電源電圧Ｖddで駆動される。ただしＲＦＩＣ３５およびコンパレータ３０が１．５Ｖ以下で動作するならＤＣＤＣコンバータ３６は必要ない。ＲＦＩＣ３５は、ＤＣＤＣコンバータ３６により発生された電源電圧Ｖddにより駆動する。ＲＦＩＣ３５のＡＮＴ端子には無線通信用アンテナ２４が接続され、Ｉ／Ｏ端子には警告音発生部（スピーカ）２２と発光ダイオード（ＬＥＤ）２３とが接続される。また、ＲＦＩＣ３５のＯｕｔｐｕｔ端子に出力トランジスタ３２のゲート端子が接続され、Ｉｎｐｕｔ端子にはコンパレータ３０の出力端子が接続される。

ＲＦＩＣ３５は、機能上、通信部、駆動信号発生部、制御部等を備える。通信部は、制御部の制御に従って、無線通信用アンテナ２４を介して外部情報処理装置５０と無線通信を行う。無線通信方式としては、赤外線方式、Bluetooth(登録商標)等の無線方式のいずれでも良い。具体的には、通信部は、外部情報処理装置５０から無線通信用アンテナ２４を介してモータ出力指示値を表すコード無線信号を受信する。モータ出力指示値は、例えば０％から１００％までの割合のうち、ユーザが外部情報処理装置５０を操作して選択した値である。

駆動信号発生部は、制御部の制御に従って、受信したモータ出力指示値に応じたモータ駆動信号を発生する。ここでは、モータ駆動信号は、ＰＷＭ（パルス幅信号変調）信号で提供される。モータ出力指示値が０％の場合において、駆動信号発生部はデューティー比０％（ローレベルのみ）のＰＷＭ信号を発生する。モータ出力指示値が１００％の場合において、駆動信号発生部はデューティー比１００％（ハイレベルのみ）のＰＷＭ信号を発生する。モータ出力指示値が５０％の場合において、駆動信号発生部はデューティー比５０％（ローレベルとハイレベルの比が半分）の信号を発生する。駆動信号発生部により発生されたＰＷＭ信号は出力トランジスタ３２にゲート信号として入力される。なお、駆動信号発生部により発生されるＰＷＭ信号のハイレベルとは、出力トランジスタ３２のしきい値電圧Ｖthよりも十分高い電圧値であり、出力トランジスタ３２はオン状態になる。ローレベルとは、出力トランジスタ３２のしきい値電圧Ｖthよりも十分低い電圧値であり、出力トランジスタ３２はオフ状態になる。

制御部は、後述のコンパレータ３０の出力電圧が、ローレベルからハイレベルへの変化を契機として、つまり過電流の検知を契機に、ＬＥＤ２３を点灯又は点滅させ、また警告音発生部２２から警告音を発生させる。電池形電源装置のＬＥＤ２３が点灯し、警告音が発生することで、電池形電源装置１の近くに居るユーザは、電池形電源装置１の出力トランジスタ３２に過電流が流れたことを認識することができる。また、通信部は、制御部の制御に従って、過電流を通知するための通知信号を外部情報処理装置５０に送信する。外部情報処理装置５０は、通知信号を受信して、内蔵する表示部に過電流が発生したことを通知するためのテキスト情報等を表示する。これにより、電池形電源装置１が直接見えない位置に配置されていても、ユーザは、外部情報処理装置５０に表示されるテキスト情報を確認することで、電池形電源装置１の回路に過電流が発生したことを認識することができる。

出力トランジスタ３２は、電池形電源装置の内側負極端子６と外側負極端子４との間のスイッチング素子として機能する。出力トランジスタ３２は、そのソース端子が検出抵抗Ｒ１の他端に接続され、ドレイン端子が外側負極端子４に接続され、そのゲート端子がＲＦＩＣ３５のＯｕｔｐｕｔ端子に接続される。出力トランジスタ３２は、ゲートに入力されるゲート制御信号により印加される電圧（ゲート電圧）により、そのオン／オフが制御される。

ゲート電圧がしきい値電圧Ｖthよりも十分高い飽和領域にあるとき、ソース・ドレイン間にチャネルが形成され、最大ドレイン電流が流れる。この状態は出力トランジスタ３２がオン状態である。出力トランジスタ３２がオンされると、電池形電源装置１の外側正極端子３と外側負極端子４との間が導通する。電動玩具１１の外部スイッチ１４がオン状態であれば、電池形電源装置の外側正極端子３と外側負極端子４との間が導通することで、電動玩具１１の回路も導通し、モータ１５が駆動する。一方、ゲート電圧がしきい値電圧Ｖthよりも十分低い場合、ソース・ドレイン間にドレイン電流が流れない。この状態は出力トランジスタ３２がオフ状態である。出力トランジスタ３２がオフされると、電池形電源装置の外側正極端子３と外側負極端子４との間が遮断される。これにより、電動玩具１１の外部スイッチ１４がオン状態であっても、電動玩具１１の回路は遮断され、モータ１５は駆動しない。

ＲＦＩＣ３５から出力されるＰＷＭ信号（ゲート制御信号）がローレベルのとき、出力トランジスタ３２はオフ状態となり、電動玩具１１の回路は遮断状態となり、モータ１５は駆動しない。ＲＦＩＣ３５から出力されるＰＷＭ信号がハイレベルのとき、出力トランジスタ３２はオン状態となり、電動玩具１１の回路は導通状態となり、モータ１５は連続的に駆動する。ＰＷＭ信号のデューティー比は０％から１００％の範囲で変化される。ＰＷＭ信号がハイレベルのとき、トランジスタ３２はオン状態となり、モータ１５に電流が流れ、回転を開始する。ＰＷＭ信号がハイレベルからローレベルに切り替わったとき、モータ１５の持つコイル特性により徐々に回転が落ちていくこととなるが、ハイレベルに切り替わると再度回転が速くなる。この特性を使って、ＰＷＭ制御によりモータ１５を任意の回転数で回転させることができる。なお、外側正極端子３と外側負極端子４との間をキャパシタで短絡することより矩形波を平滑化するようにしてもよい。

コンパレータ３０は検出抵抗３１とともに過電流判定部（電流検出部）３３を構成する。検出抵抗３１は出力トランジスタ３２のソース端子と内側負極端子６との間に介在され、端子３，４間に流れる電流を電圧（検出電圧）Ｖsenseに変換する。コンパレータ３０はＤＣＤＣコンバータ３６により供給される電源電圧Ｖddにより駆動する。コンパレータ３０の非反転端子には検出抵抗３１で検出された検出電圧Ｖsenseに接続される。コンパレータ３０の反転端子には参照電圧Ｖref.に接続される。参照電圧Ｖref.は電源電圧Ｖddを抵抗３７と抵抗３８とにより分圧することで得られる固定値である。典型的には参照電圧Ｖref.が定常電流時の検出電圧値に等価となるよう抵抗３７，３８、さらに検出抵抗３１の抵抗値の組み合わせが予め調整されている。コンパレータ３０は検出電圧Ｖsenseを参照電圧Ｖref.に比較する。比較結果が正のとき過電流の発生が検知される。比較結果がゼロ以下のとき過電流は発生していないことが検知される。過電流の発生が検知されたとき、コンパレータ３０の出力電圧はハイレベルとなる。勿論、出力遮断用トランジスタ３４がＰチャンネルであればローレベルとなる。過電流の発生が検知されないとき、コンパレータ３０の出力電圧はローレベルとなる。勿論、出力遮断用トランジスタ３４がＰチャンネルであればハイレベルとなる。

過電流の発生検知時のコンパレータ３０の出力電圧ハイレベルとは、出力遮断用トランジスタ３４のしきい値電圧Ｖth´よりも十分に高い飽和領域内の電圧である。ローレベルとは、出力遮断用トランジスタ３４のしきい値電圧Ｖth´よりも低い値である。コンパレータ３０の出力端子には出力遮断用トランジスタ３４のゲートが接続される。コンパレータ３０の出力電圧はハイレベルのとき出力遮断用トランジスタ３４はオンする。コンパレータ３０の出力電圧はローレベルのとき出力遮断用トランジスタ３４はオフする。このコンパレータ３０の出力電圧はＲＦＩＣ３５のＩｎｐｕｔ端子に印加される。コンパレータ３０からの出力信号は過電流通知信号としてＲＦＩＣ３５に入力される。

出力遮断用トランジスタ３４は出力遮断部を構成し、典型的には出力トランジスタ３２と同仕様のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであるが、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。また出力遮断用トランジスタ３４は、バイポーラトランジスタであってもよく、その場合以下、ゲートはベースに読み替えられる。

出力遮断部は過電流判定部３３により過電流の発生が検知されたのを契機に、出力部を遮断する。出力遮断用トランジスタ３４は、そのソース端子がグラウンド（ＧＮＤ）に接続され、ドレイン端子が出力トランジスタ３２のゲート端子に接続され、ゲート端子はコンパレータ３０の出力端子に接続される。出力遮断用トランジスタ３４はコンパレータ３０の出力電圧に応じてオン／オフする。

出力遮断用トランジスタ３４のゲート電圧がしきい値電圧Ｖth´よりも十分高い場合、ソース・ドレイン間にチャネルが形成され、ドレイン電流が流れる。これにより出力遮断用トランジスタ３４がオンされ、出力トランジスタ３２のゲートがＧＮＤと導通状態となる。出力トランジスタ３２のゲートがグラウンドされているとき、たとえＲＦＩＣ３５のゲート制御信号（ＰＷＭ信号）がハイレベルであっても、出力トランジスタ３２のゲート電圧はグラウンド電圧（０Ｖ）に降下され、それにより出力トランジスタ３２はオフ状態となる。出力トランジスタ３２がオフ状態になることで、電池形電源装置の外側正極端子３と外側負極端子４との間が遮断され、電動玩具１１の動作が停止される。

出力遮断用トランジスタ３４のゲート電圧がしきい値電圧Ｖth´よりも十分低いとき、ソース・ドレイン間にドレイン電流が流れない。これにより出力遮断用トランジスタ３４がオフされる。出力遮断用トランジスタ３４がオフ状態のとき、出力トランジスタ３２のゲートはグラウンドから分離される。そのため、出力トランジスタ３２は、通常動作し、ＲＦＩＣ３５からのゲート制御信号により、そのオン／オフが制御される。

なお、出力遮断用トランジスタ３４がＰチャンネルＭＯＳＦＥＴのとき、そのソース端子はＤＣＤＣコンバータ３６の出力端子に接続される。出力遮断用トランジスタ３４のゲート電圧がしきい値電圧Ｖth´よりも十分高い場合、出力遮断用トランジスタ３４はオンされ、出力トランジスタ３２のゲートに電源電圧Ｖdd（ハイレベル）が印加される。また、出力遮断用トランジスタ３４のゲート電圧がしきい値電圧Ｖth´よりも十分低いとき、出力遮断用トランジスタ３４はオフされ、出力トランジスタ３２は通常動作し、つまりＲＦＩＣ３５からのゲート制御信号により、そのオン／オフが制御される。

図５は、図４のコンパレータ３０の出力に対する出力トランジスタ３２のゲート信号の変化を示すタイミングチャートである。第１実施形態に係る電池形電源装置１は、出力トランジスタ３２に過電流が流れたのを契機に出力トランジスタ３２をオフにし、電池形電源装置１を遮断する機能をハードウェアで実現している。図５に示すように、コンパレータ３０は、検出電圧Ｖsenseが参照電圧Ｖref.より高くなった時、つまり過電流の発生時を契機にハイレベルの電圧信号を出力する。コンパレータ３０により出力されたハイレベルの電圧信号は、出力遮断用トランジスタ３４のゲートに入力され、出力遮断用トランジスタ３４がオンされ、出力トランジスタ３２のゲートとＧＮＤとが導通する。これにより、出力トランジスタ３２は、ＲＦＩＣ３５からハイレベルの電圧信号が入力された状態であっても、出力トランジスタ３２のゲート電圧はグラウンド電圧に降下されるため、強制的にオフされる。出力トランジスタ３２がオフされると電源出力が遮断される。このように、過電流が発生したのを契機に、出力トランジスタ３２のゲート電圧をグラウンド電圧に降下させるように回路を構成することで、過電流から回路を保護することができる。

なお、過電流を検知した時、ＲＦＩＣ３５からのゲート制御信号のデューティー比を０％に低下させることにより上記保護機能を実現することもできる。つまりコンパレータ３０の出力電圧がハイレベルになったのを契機に、ＲＦＩＣ３５から出力トランジスタ３２のゲート電圧をローレベルに変化させればよい。しかしながら、ＲＦＩＣ３５はコンパレータ３０から過電流通知信号を入力してから、ゲート制御信号のデューティー比を０％に変更するまで、ＲＦＩＣ３５でのソフトウェア処理時間は不可避である。そのため、図５に示すように、過電流が発生してから出力トランジスタ３２をオフするまでに遅延時間が生じる。したがって、過電流が発生したのを契機に出力トランジスタ３２をオフにする機能をハードウェアで実現することは、同じ機能をソフトウェアで実現する場合に比べて、過電流が検知されてから出力トランジスタ３２をオフするまでの時間を短縮し、これにより回路を過電流から保護することができる。

なお、図６に示すように、コンパレータ３０と検出抵抗３１との間にＬＰＦ（ローパスフィルタ）４１を直列に介在させてもよい。例えば、ＬＰＦ４１はＲＣ回路により構成される。ＬＰＦ４１は、一定期間継続する低周波の過電流成分のみを通過させ、それに満たない瞬間的に生じる高周波の過電流成分を遮断する。これにより、瞬間的な過電流の断続による出力トランジスタ３２のオン／オフの振動現象を抑止することができる。

また、図６に示すように、コンパレータ３０の出力端子と出力遮断用トランジスタ３４のゲートとの間に、単安定バイブレータ４２を直列に介在させてもよい。単安定バイブレータ４２は、単安定バイブレータ４２は、コンパレータ３０の出力電圧がローレベルからハイレベルに変化したとき、ハイレベルの状態を一定期間保持する。出力遮断用トランジスタ３４のゲートの前段に単安定バイブレータ４２を挿入することで、極短時間の過電流に起因するコンパレータ３０の出力電圧のハイレベル期間が極短時間であったとしても、単安定バイブレータ４２の出力電圧は一定期間、ハイレベルで保持されるため、出力遮断用トランジスタ３４のオン状態を一定期間継続することができ、それにより出力トランジスタ３２のオフ状態も一定期間維持して、電源出力を一定期間遮断することができる。また、単安定バイブレータ４２を挿入することで、出力遮断用トランジスタ３４のオン／オフの切り替え周期を少なくとも単安定バイブレータ４２の出力されるパルス幅以上とすることができるため、チャタリング防止にもなる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、過電流が発生したのを契機に出力トランジスタ３２をオフして、電源出力を遮断したが、出力トランジスタ３２をオフするのではなく、過電流発生に伴う出力トランジスタ３２のドレイン電流をそのゲート電圧の例えば降下制御により調整してそのピーク値を抑制するようにしてもよい。

図７は本発明の第２実施形態に係る無線通信機能を備える電池形電源装置１の等価回路図である。図８は、図７のオペアンプ４０の出力電圧に対する出力トランジスタ３２のゲート信号の変化を示すタイミングチャートである。第２実施形態に係る電池形電源装置１の回路構成が、第１実施形態に係る電池形電源装置の回路構成と主に相違する部分としては、コンパレータ３０がオペアンプ４０に換装されたことにある。

オペアンプ４０は、検出抵抗３１とともに過電流判定部３３を構成する。過電流判定部３３は電池形電源装置１の出力トランジスタ３２に過電流が流れたか否かを判定するともに過電流の波高値に応じた電圧を出力する。オペアンプ４０はＤＣＤＣコンバータ３６により発生される電源電圧Ｖddにより駆動する。オペアンプ４０の非反転端子には検出抵抗３１の一端が接続され、出力トランジスタ３２に流れる電流を反映した電圧Ｖsenseが印加される。オペアンプ４０の反転入力端子には、参照電圧Ｖref.が印加される。参照電圧Ｖref.は電源電圧Ｖddを抵抗３７と抵抗３８とによる分圧により発生される。典型的には参照電圧Ｖref.が最大電流に対応する検出電圧Ｖsenseに等価となるよう抵抗３７，３８、さらに検出抵抗３１の抵抗値の組み合わせが予め調整されている。最大電流は、出力トランジスタ３２の最大定格又は最大定格に対してマージンを設けた低い値に設計されている。オペアンプ４０は、検出電圧Ｖsenseと参照電圧Ｖref.との差を増幅する。検出電圧Ｖsenseが参照電圧Ｖref.より低いとき、オペアンプ４０の出力電圧はローレベルを示す。検出電圧Ｖsenseが参照電圧Ｖref.に等価又は検出電圧Ｖsenseが参照電圧Ｖref.より高いとき、オペアンプ４０の出力電圧は、出力遮断用トランジスタ３４の不飽和領域内であって、しきい値電圧Ｖth´の近傍値付近、例えば１．５Ｖ付近を示す。

オペアンプ４０の出力電圧がローレベルであるとき（過電流が生じていないとき）、出力遮断用トランジスタ３４はオフされる。図８に示すように出力遮断用トランジスタ３４がオフ状態のとき、ＲＦＩＣ３５からのゲート制御信号（ＰＷＭ信号）に従って出力トランジスタ３２はオン／オフする。

出力トランジスタ３２の電流が増えて過電流領域に達した時の動作を説明する。
検出電圧Ｖsenseが参照電圧Ｖref.より高くなりそうになると、オペアンプ４０の出力が上昇し、出力遮断用トランジスタ３４のゲート電圧が高くなることにより出力遮断用トランジスタ３４が動作する。そのときの出力遮断用トランジスタ３４のゲート電圧はしきい値電圧Ｖth´の近傍となる。この時出力トランジスタ３２のゲート電圧が低下してドレイン電流もそれに伴い低下し、出力トランジスタ３２のゲート電圧はしきい値電圧Ｖth付近となる。この状態でオペアンプ４０の反転入力端子の電圧は反転入力端子の電圧参照電圧Ｖref.と等しくなりイマジナリショートが成立する。

オペアンプ４０の出力段には過電流通知用トランジスタ４３が設置される。過電流通知用トランジスタ４３は、典型的には、ｎｐｎ型のトランジスタである。過電流通知用トランジスタ４３のベース端子はオペアンプ４０の出力に接続され、コレクタ端子は抵抗を介して電源電圧Ｖddに接続され、エミッタ端子はグラウンドＧＮＤに接続される。過電流通知用トランジスタ４３は、ベース電圧により、そのオン／オフが制御される。

過電流通知用トランジスタ４３のベースに印加されるオペアンプ４０の出力電圧がローレベルのとき、過電流通知用トランジスタ４３はオフ状態となり、コレクタ電流が流れない。過電流通知用トランジスタ４３がオフ状態のとき、つまり過電流が流れていないとき、ＲＦＩＣ３５の入力端子はハイレベルになる。一方、過電流通知用トランジスタ４３にオペアンプ４０の出力電圧が出力遮断用トランジスタ３４のしきい値電圧Ｖth´の近傍値付近、例えば１．５Ｖ付近であるとき、過電流通知用トランジスタ４３は飽和状態となり、コレクタ電流が流れる。これは、出力遮断用トランジスタ３４のしきい値電圧Ｖth´が過電流通知用トランジスタ４３のベース電圧より高い状態にあることを利用している。これにより過電流通知用トランジスタ４３がオン状態となる。過電流通知用トランジスタ４３がオン状態のとき、ＲＦＩＣ３５の入力端子はローレベル（コレクタ飽和電圧（例えば０．１Ｖ））になる。

つまり、出力トランジスタ３２に過電流が発生しているとき、ＲＦＩＣ３５への入力信号はローレベルになり、過電流が発生していないとき、ＲＦＩＣ３５への入力信号はハイレベルになる。ＲＦＩＣ３５の制御部は、ローレベル信号が入力されている間、ＬＥＤ２３を点灯させ、警告音発生部２２から警告音を発生させる。また、通信部は、制御部の制御に従って、過電流が発生したことをユーザに通知するための通知信号を外部負荷装置１１に無線送信する。

第１実施形態では、出力トランジスタ３２に過電流が流れていないときには出力トランジスタ３２をオンし、出力トランジスタ３２に過電流が流れたときには出力トランジスタ３２をオフする。一方、第２実施形態では、過電流が検出されたときには、出力トランジスタ３２をオフするのではなく、ゲート制御信号の電圧を、出力トランジスタ３２のしきい値Ｖthの近傍値に降下させることにより、そのドレイン電流を減少させ、それによりそのピーク電流を抑制し、脈動を緩和することを実現している。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態に係る無線通信機能を備える電池形電源装置１の等価回路図である。図１０は、図９のコンパレータ３０の入力電圧に対する出力電圧の変化を示すタイミングチャートである。図１１は、図９のＲＦＩＣ３５の通信部から対象装置の動作情報を送信するタイミングを示すタイミングチャートである。検出抵抗３１に流れる電流の検知は、電池形電源装置が装着される電池ケースを装備した外部負荷装置のオン／オフ等の動作状態の検出に活用することができる。例えば外部負荷装置としてハンドソープディスペンサーが想定される。ある種のハンドソープディスペンサーはユーザが非接触センサの感度域に手をかざすことによる非接触センサのセンス状態変化を契機として外部スイッチをオンしてモータを駆動し、それによりハンドソープを吐出する。また外部負荷装置としては、例えば熱感知センサにより人間等を感知したときに点灯するセンサーライト装置が想定される。

第３実施形態に係る電池形電源装置１では、第１実施形態に係る電池形電源装置の回路から出力遮断用トランジスタ３４が除外される。本実施形態では、コンパレータ３０は検出抵抗３１とともに動作検出部を構成する。動作検出部は外部負荷装置の動作電流を検出抵抗３１を介して検出する。検出抵抗３１は外側負極端子４と内側負極端子６との間に介在される。コンパレータ３０はＤＣＤＣコンバータ３６により供給される電源電圧Ｖddにより駆動する。コンパレータ３０の出力端子は、配線ケーブルを介してＲＦＩＣ３５のＩｎｐｕｔ端子に接続される。コンパレータ３０の非反転入力端子には、検出抵抗３１で検出した電流の値に応じた電圧（以下、検出電圧Ｖsenseという）が入力される。コンパレータ３０の反転入力端子には参照電圧Ｖref.が印加される。参照電圧Ｖref.は、電源電圧Ｖddを抵抗３７及び抵抗３８により分圧することで得られる固定値である。典型的には参照電圧Ｖref.が、外部負荷装置が動作したときに外側負極端子４と内側負極端子６との間を流れる動作電流に応じた電圧よりも少し低い検出電圧Ｖsenseになるよう抵抗３７，３８、さらに検出抵抗３１の抵抗値の組み合わせが予め調整されている。

コンパレータ３０は検出電圧Ｖsenseを参照電圧Ｖref.に対して比較する。図１０に示すように、検出電圧Ｖsenseが参照電圧Ｖref.よりも低いとき、つまり外部負荷装置が動作していないとき、コンパレータ３０の出力電圧はローレベルになる。検出電圧Ｖsenseが参照電圧Ｖref.よりも高いとき、つまり外部負荷装置が動作しているとき、コンパレータ３０の出力電圧はハイレベルになる。このコンパレータ３０の出力電圧の変化は外部負荷装置の動作／非動作を表すものであり、動作検知信号としてＲＦＩＣ３５に取り込まれる。

ＲＦＩＣ３５は、動作検知信号に基づいて外部負荷装置の動作に関する情報を生成し、この外部負荷装置の動作に関する情報を無線通信用アンテナ２４を介してスマートフォン等の操作パネルを備えた外部情報処理装置５０に送信する。外部負荷装置の動作に関する情報として、外部負荷装置がハンドソープディスペンサーであれば、例えば前回電池換装時からのモータの総動作回数、モータが繰り返し動作した時間の総動作時間等が計算される。また外部負荷装置がセンサーライト装置であれば、例えば前回電池換装時からの点灯回数、総点灯時間等が計算される。これら外部負荷装置の動作に関する情報は、電池交換時期を推定することができる。ここでは外部負荷装置がハンドソープディスペンサーであり、この動作に関する情報として前回電池換装時からのモータの総動作回数及び総動作時間として説明する。ＲＦＩＣ３５は、動作検知信号のローレベルからハイレベルへの転移に同期してカウント値（総動作回数）を１つだけインクリメントする。カウント値は電池を電池ケースから取り外すときなど電源解除された時にゼロリセットされる。ＲＦＩＣ３５は、動作検知信号がハイレベルに維持される時間幅を動作時間として計測し、動作時間を積算することにより総動作時間を計算する。

ＲＦＩＣ３５は外部負荷装置の動作に関する情報を適時送信する。例えば図１１（ａ）に示すように、ＲＦＩＣ３５は、外部負荷装置が動作して動作検知信号がローレベルからハイレベルへ転移してカウント値（総動作回数）が更新されることを契機として、外部負荷装置の動作状態を表す信号を送信する。しかし送信時期はこれに限定されない。図１１（ｂ）に示すように、ＲＦＩＣ３５は、総動作回数が所定の回数（しきい値回数という）に達した時点と、総動作時間が所定の時間幅（しきい値時間幅という）に達した時点との少なくとも一方、典型的にはそれらの早い時点で外部負荷装置の動作状態を表す信号を送信するようにしてもよい。もちろんＲＦＩＣ３５は、予め選択した一方の時点、つまり総動作回数がしきい値回数に達した時点で外部負荷装置の動作状態を表す信号を送信するようにしてもよいし、総動作時間がしきい値時間幅に達した時点で外部負荷装置の動作状態を表す信号を送信するようにしてもよい。

また図１１（ｃ）に示すように、ＲＦＩＣ３５は、外部負荷装置の動作状態を表す信号を所定の周期（送信周期）で送信するようにしてもよい。これら３種類の送信時期制御はそれら全てを装備してユーザによる選択的に適用するようにしてもよいし、いずれか１種の送信時期制御を装備するようにしてもよい。もちろんしきい値回数、送信周期は任意に設定される。

このように、第３実施形態に係る電池形電源装置は、その回路に流れる電流を検知することで、電池形電源装置が装着される外部負荷装置の動作を検出し、その外部負荷装置の動作に関する情報を外部情報処理装置に送信することができる。これにより、予め決まった回数を動作した後に、メンテナンス作業が必要となる電子機器のメンテナンスを容易にすることができる。例えばソープディスペンサに第３実施形態に係る電池形電源装置を装着することで、メンテナンス業者はソープディスペンサの使用回数を把握することができ、これにより、効率よくソープの詰め替え作業を行うことができる。

（第４実施形態）
図１２に示すように、上記第３実施形態に係る電池形電源装置１のコンパレータ３０がオペアンプ６０に換装されている。オペアンプ６０は、検出電圧ＶsenseとＧＮＤとの差を増幅する。オペアンプ６０の出力電圧は出力トランジスタ３２に流れる電流を反映する。ＲＦＩＣ３５の内蔵のアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）は、オペアンプ６０の出力電圧をディジタル信号（電流データ）に変換する。電流データは、出力トランジスタ３２に流れる電流値を表す。

ＲＦＩＣ３５は電流データを適用して様々な情報処理を実行することができる。例えばＲＦＩＣ３５は電流データをしきい値と比較して、外部負荷装置１１の動作（動作中／待機中）を判定し、外部負荷装置１１の動作に関する情報を生成して第３実施形態と同様に外部情報処理装置５０にアンテナ２４を介して無線送信する。また、ＲＦＩＣ３５はしきい値を例えば外部負荷装置１１に応じて任意に変更する事ができる。例えば、しきい値は製造時に設定され、ユーザが電池形電源装置を装着する外部負荷装置１１の動作電圧に応じて、その電池形電源装置を使用開始時に設定するようにしてもよい。ユーザが設定する場合は、例えば、外部負荷装置１１の待機中に外部情報処理装置５０側で操作をして電池形電源装置に待機中であることを伝え、外部負荷装置１１の動作中に外部情報処理装置５０側で操作して電池形電源装置に外部負荷装置１１が動作中であることを伝えることで、電池形電源装置側で流れる電流をモニタしてしきい値を設定することもできる。

また外部負荷装置１１を使用しないときには、外部情報処理装置５０側で操作をして、または外部情報処理装置５０でのタイマー設定により外部情報処理装置５０から電池形電源装置に「外部負荷装置１１の電源をオフする」指令を送信することにより、ＲＦＩＣ３５から出力トランジスタ３２へのゲート信号を停止させて外部負荷装置１１の電源をオフすることができ、それにより電力消費を抑えることができる。例えば、外部負荷装置１１としてセンサーライトであれば昼間時間帯は電源オフにすることができる。

また外部負荷がＤＣモータであれば、その電流がトルクと比例する。電流データからモータの負荷状態を推定することができるので、ＲＦＩＣ３５は電流値（電流データ）をフィードバッグし、電流値に基づいて出力トランジスタ３２へのゲート信号のデューティー比を調整することでトルク制御を行うこともできる。例えば電流値が比較的高いとき、モータが高負荷であると判断して出力トランジスタ３２へのゲート信号のデューティー比を高くし、電流値が比較的低いとき、モータが低負荷であると判断して出力トランジスタ３２へのゲート信号のデューティー比を低下させる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…無線機能を備えた電池形電源装置、２…電池収納部、３…外側正極端子、４…外側負極端子、５…内側正極端子、６…内側負極端子、７…基板、１１…外部負荷装置、１２…電池ボックス、１３…他の電池、１７…本体部、１８…ハウジング、１９…切り欠き部、２４…アンテナ、３０…コンパレータ、３１…検出抵抗、３２…出力トランジスタ、３４…出力遮断用トランジスタ、３５…ＲＦＩＣ、３６…ＤＣＤＣコンバータ、３７，３８、３９…抵抗、４３…トランジスタ。

Claims

電池で駆動する外部負荷装置に組み込まれる電源装置において、
前記電池の一方の端子に接続される一方の電源端子と、
前記電池の他方の端子に接続される他方の電源端子と、
前記電池の一方の端子と前記一方の電源端子との間と、前記電池の他方の端子と前記他方の電源端子との間との少なくとも一方に介在されるスイッチング素子と、
外部情報処理装置と通信するためのアンテナと、
前記アンテナを介して受信した出力指示に応じて前記スイッチング素子の開閉を制御する制御回路と、
前記スイッチング素子に直列に設けられ、前記スイッチング素子に流れる電流を電圧に変換する変換素子と、
前記変換素子により変換された電圧の変化に基づいて前記外部負荷装置の動作に関する情報を表す信号を生成し、前記外部情報処理装置に前記アンテナを介して無線送信する情報処理部とを具備し、
前記情報処理部は、前記変換素子により変換された電圧の変化を検出するために前記変換素子により変換された電圧をしきい値電圧に比較するとともに、前記しきい値電圧を前記外部負荷装置に応じて変更する、電源装置。
前記外部負荷装置の動作に関する情報は、前記外部負荷装置の動作回数と動作時間との少なくとも一方であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記情報処理部は、前記外部負荷装置の動作回数と動作時間との少なくとも一方が所定のしきい値に達したことを契機として前記外部負荷装置の動作に関する情報を表す信号を前記外部情報処理装置に送信することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記情報処理部は、前記外部負荷装置の動作に関する情報を表す信号を周期的に前記外部情報処理装置に送信することを特徴とする請求項１記載の電源装置。