JPH08130833A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】主電源側と負荷側とを分離し、かつ負荷に連続
して電力を供給することのできる、例えば心電計等の医
療機器に好適な電力供給装置を提供する。 【構成】複数の蓄電池を備え、それらの蓄電池を、交互
にもしくは循環的に、放電状態および充電状態に置く。
放電状態にある蓄電池は、充電手段とは絶縁されてお
り、充電状態にある蓄電池は負荷とは絶縁されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、洩れ電流を極めて低い
レベルに押える必要のある機器や電源ノイズを高度に押
える必要のある機器等に好適な電力供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば医療機器、特に心電計のように漏
れ電流の規格が厳しい場合に、電力の供給側（主電源）
と電力の消費側（負荷）との電気的な絶縁を保った状態
で負荷に電力を供給する絶縁型の電源が必要となる。絶
縁型の電源として、これまで多くの方式のものが開発さ
れ実用化されてきた。代表的なものの例としては、 （ａ）電池により負荷に直接電力を供給するもの。 （ｂ）トランスを用いて、一旦磁気のエネルギーに変換
することによって主電源と負荷との絶縁を図るもの。 （ｃ）電球と太陽電池を対面させ、一旦光のエネルギー
に変換することによって主電源と負荷との絶縁を図るも
の。 （ｄ）電動機と発電機の軸同士をつなぎ、一旦機械的エ
ネルギーに変換することによって主電源と負荷との絶縁
を図るもの。 等があるが、それぞれの利害損失を概観すると、（ａ）
の電池による方法は、小型低消費電力の機器に適してお
り、商用の交流電源に対応する電源装置部分が割高にな
る場合には有利である。また商用の交流電源が使えない
条件では、発電機や太陽電池等の手段を除けば殆ど唯一
の電源手段である。

【０００３】一方、使用する電池が乾電池等の充電可能
でない電池の場合には、電池が消耗するたびに電池を交
換しなければならない。また電池交換に要する経費（電
池の価格、交換のための手間、使用済み電池の廃棄の手
間等）も商用交流電源に比べると割高である。電池とし
て充電可能な電池を用いる場合には、電池が放電終了の
状態になるたびに充電を行なわなければならない。機器
の使用中は主電源（商用交流電源等）からは完全に絶縁
されてなければならないので機器の使用中には充電はで
きず、また充電中には機器を使用することができない。
このことは、負荷に連続的に電力を供給する必要のある
用途では重要な問題となる。

【０００４】（ｂ）のトランスで絶縁する方法は小電力
から中電力まで広く用いられている。典型的にはＤＣ−
ＤＣコンバータ等と呼ばれるもので、主電源から供給さ
れる直流を電子回路で交流に変換しトランスの一次側に
加え、二次側から所望の電圧の交流を得る。二次側に得
られる電圧を整流し、また必要に応じて電子回路で安定
化するなどして、二次側には一次側から電気的に絶縁さ
れた直流電源が得られる。これらは数多くの仕様のもの
が商品化されており、また前記の心電計等への適用を目
的とした絶縁型増幅器（アイソレーションアンプ）等に
はこの形式の電源を内蔵しているものもある。

【０００５】欠点としては、一次側の直流を交流に変換
する際に高周波の雑音が発生し易く、特に近年トランス
を小型にするために、使用する交流の周波数を高くする
傾向にあり、この欠点は例えば心電計のような微小信号
を扱う用途では致命的になる場合がある。（ｃ）の光に
よって電力を供給する方法は雑音の発生は無いが、現在
のところ変換の効率が悪く、大電力に対応するためには
この電源部分の規模が他の方式に比べて著しく大きくな
るため用途は小電力に限られる。（ｄ）の電動機と発電
機による方法は大電力では広く行われている方法であ
る。使用する電動機と発電機の組み合わせによって、主
電源側（電動機側）と負荷側（発電機側）のそれぞれに
ついて交流、直流のいずれも選択可能であり、また電動
機と発電機を実現できる範囲において、電圧と周波数の
選択（変換）も任意である。

【０００６】ただし、規模の小さいものには適さない。
また可動部分があるので、定期的な保守や騒音の問題が
起きるという問題もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
鑑み、主電源側と負荷側とを分離し、かつ負荷に連続し
て電力を供給することのできる、例えば心電計等の医療
機器に好適な電力供給装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の電力供給装置は、充電自在な複数の蓄電池と、蓄電
池を充電する充電手段と、蓄電池を、交互にもしくは循
環的に、充電回路と絶縁された状態で負荷に接続する放
電状態、および負荷と絶縁された状態で上記充電回路に
接続する充電状態に置く蓄電池接続切換手段とを備えた
ことを特徴とする。

【０００９】尚、蓄電池は、常に上記放電状態ないし上
記充電状態にある必要はなく、充電完了した蓄電池を直
ちには負荷に接続しないで、充電回路と負荷との双方か
ら切り離された開放状態を置いてもよい。ここで、上記
蓄電池切換手段は、機械的な接点を用いて、蓄電池を負
荷と接続し、あるいは蓄電池を充電手段と接続するもの
であることが好ましい。

【００１０】また、上記蓄電池切換手段が、負荷に接続
された第１の蓄電池をその負荷から切り離すにあたり、
先ず該第１の蓄電池とともに他の第２の蓄電池を負荷に
接続し、しかる後に第１の蓄電池を負荷から切り離すも
のであることも好ましい態様である。また、上記本発明
の電力供給装置が、負荷に接続された蓄電池の残存充電
量が所定量に低下したことを検出する電池監視手段を備
えることも好ましい態様である。

【００１１】この電池監視手段を備えた場合に、さら
に、蓄電池が負荷に接続された後、蓄電池監視回路によ
り該蓄電池の残存充電量が所定量に低下したことが検出
される迄の経過時間、もしくは該経過時間内の、負荷に
電力を供給した通電時間を計測する計時手段と、この計
時回路により、所定時間未満の経過時間もしくは通電時
間が計測された場合に警告を発する警告発生手段とを備
えることが好ましい。

【００１２】また、上記電池監視手段を備えた場合に、
上記蓄電池切換手段が、蓄電池監視手段により、負荷に
接続された蓄電池の残存充電量が所定量に低下したこと
が検出された場合に蓄電池の接続状態を切り換えるもの
であることが好ましい。さらに、この場合に、上記蓄電
池切換手段が、充電回路側の、蓄電池を充電する電力を
供給する所定の主電源から電力を受けて作動するもので
あり、かつ、光通信手段により、電池監視手段と接続さ
れたものであることが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明の電力供給装置は、複数の蓄電池を備
え、それらの蓄電池を、交互にもしくは循環的に、放電
状態および充電状態に置くものであるため、常に、少な
くとも１つの蓄電池を放電状態に置くことにより、負荷
には連続的に電力を供給することができる。また、放電
状態にある蓄電池は、充電手段とは絶縁されており、充
電状態にある蓄電池は負荷とは絶縁されている。すなわ
ち、主電源側と負荷側とでは、電源ラインのみでなく、
グラウンドも別系統に構成されている。このため、充電
手段に電力を供給する主電源側と蓄電池から電力が供給
される負荷側とは電気的に完全に分離され、漏れ電流の
低減化や電源ノイズの低減化が図られる。

【００１４】ここで、蓄電池切換手段がリレー等の機械
的な接点を用いて蓄電池の接続状態を切り換えるもので
ある場合、主電源側と負荷側との電気的な絶縁が一層確
実となる。また、蓄電池切換手段が、負荷に接続された
第１の蓄電池をその負荷から切り離すにあたり、先ず該
第１の蓄電池とともに他の第２の蓄電池を負荷に接続
し、しかる後に第１の蓄電池を負荷から切り離すもので
ある場合、負荷側に大きなコンデンサ等を備えなくても
負荷側の瞬時停電が防止される。

【００１５】さらに、上記電池監視手段を備えると、蓄
電池の接続状態を切り換えるべきタイミングがわかり、
好ましい。この電池監視手段を備えた場合において、さ
らに、上記計時手段と警告発生手段とを備えると、蓄電
池の寿命による蓄電池自体の交換時期がわかり、好まし
い。また、上記電池監視手段を備えた場合において、さ
らに、上記蓄電池切換手段を、蓄電池監視手段により負
荷に接続された蓄電池の残存充電量が所定量に低下した
ことが検出された場合に蓄電池の接続状態を切り換える
ように構成すると、負荷に接続された蓄電池の残存充電
量の低下に伴い、蓄電池の接続状態が自動的に切り換え
られる。この場合に、蓄電池切換手段が、充電回路側
の、蓄電池を充電する電力を供給する所定の主電源側か
ら電力を受けて作動するものであり、かつ、光通信ケー
ブルにより、電池監視手段と接続されたものである場合
に、蓄電池の切り換えは蓄電池の電力を使わずに主電源
側の電力で行なわれ、しかも負荷側の蓄電池監視回路と
は光通信ケーブルで接続されているため、その信号ライ
ンを経由して絶縁不良となることもない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明の電力供給装置の、蓄電池を二組用いた場
合の実施例を示す基本概念図、図２は蓄電池切換手段の
一例を示す図である。図１に示す様に、二組の蓄電池の
うち一方は負荷に電力を供給し（放電状態）、他方は主
電源から電力の供給を受けた充電手段によって充電され
る（充電状態）。図１に示した主電源、充電手段、二組
の蓄電池および負荷からなる系全体は交互に、図１
（Ａ）または図１（Ｂ）いずれかの状態に置かれる。図
１（Ａ）では蓄電池１は負荷に接続されて放電状態にあ
り、蓄電池２は充電手段に接続されて充電状態にある。
図１（Ｂ）は、この関係が逆になり、蓄電池１が充電状
態、蓄電池２が放電状態にある。

【００１７】負荷に長期に渡って連続的に電力を供給す
るためには、負荷側に接続された蓄電池が放電し切って
負荷の機器が正常動作不能になる以前に、負荷側に接続
される蓄電池を、充分に充電されている他の蓄電池に切
り換える必要がある。これを実現するためには、図２に
示した様に、４回路連動の切替えスイッチ（ＳＷ−１〜
ＳＷ−４）を用いる。ＳＷ−１〜ＳＷ−４の共通端子は
すべてａ側またはすべてｂ側に接続される様に連動す
る。図２の構成ではＳＷ−１〜ＳＷ−４がａ側のとき図
１（Ａ）の状態、ｂ側のとき図１（Ｂ）の状態となる。

【００１８】図１（Ａ）の状態と図１（Ｂ）の状態との
いずれの状態であっても、負荷は主電源とは完全に切り
離されている。尚、主電源はここでは一般の商用交流電
源から所望の電圧の直流に変換したものを想定してお
り、負荷側の電源をこの主電源から絶縁するのが本発明
の目的である。

【００１９】充電手段は、使用する蓄電池に応じた、過
充電の防止を含めた適切な充電方式が公表されており、
公知の手段を採用することができる。なお使用する蓄電
池の容量と負荷の消費電力との関係で蓄電池の一回の使
用時間が制限されるが、充電手段の仕様として、蓄電池
の使用時間が最も短いという条件のもとでも充分に充電
できることが要求される。負荷は目的に応じて実際に使
用される機器（例えば心電計）である。

【００２０】図２に示す切替え手段（ＳＷ−１〜ＳＷ−
４）は、本発明の目的である主電源と負荷の間の電気的
な絶縁性を確保するために、機械的な接点であることが
好ましく、いわゆる半導体スイッチは使わない方がよ
い。主電源と負荷の間の電気的な絶縁性（漏れ電流や絶
縁耐圧）は、ほぼこの切替え手段の仕様により決まる。
実際の切替え手段としてはリレーが適しているが、要求
される絶縁耐圧を満たす接点定格のものが必要である。
特に高い絶縁耐圧が必要な場合には、単純な機械的接点
（スイッチ）とソレノイド（電磁石）を組み合わせてス
イッチの物理的寸法によって耐電圧をかせげる構造にし
てもよい。なおいずれの方法であっても、負荷側と主電
源側の絶縁状態を常時保証するために、接点が切り替わ
る瞬間には、各共通接点ｃは必ず中立状態（ａ，ｂどち
ら側の接点とも接続されていない開放状態）を経る構造
（Ｂｒｅａｋ ｂｅｆｏｒｅ Ｍａｋｅ）でなくてはな
らない。また同一の蓄電池につながっている２組の切替
え手段（図２ではＳＷ−１とＳＷ−２またはＳＷ−３と
ＳＷ−４）は同時に中立状態になる時間が存在すること
が必要であり、一方がａ、他方がｂの様にタイミングが
ずれて接続される瞬間があってはならない。

【００２１】また、切り替わる過渡状態には負荷側にい
ずれの蓄電池もつながらない時間が生じる可能性がある
ので、負荷側には大容量のコンデンサを並列に接続する
等の手段を講じることにより、負荷からみた電源の瞬断
への対策が必要である。または、切替えの時期を蓄電池
１と蓄電池２でずらしてそれまで負荷側に接続されてい
た古い蓄電池を負荷から切り離す前に、それまで充電手
段側に接続されていた新しい蓄電池を負荷側に接続し
て、その後に古い蓄電池を負荷側から切り離して充電手
段側に接続するような切替え制御を行なうことにより負
荷側の電源の瞬断を防止してもよい。

【００２２】図３は図２に示した基本構成に、Ａ，Ｂ２
つの状態を遷移させる切替え手段（図２のＳＷ−１〜Ｓ
Ｗ−４）を制御する切替制御手段を付加した構成を示す
図である。切替制御手段には電池監視手段が含まれてい
る。電池監視手段は、負荷側に接続された放電状態にあ
る蓄電池の状態、例えば端子電圧を監視して、端子電圧
が規定の放電終止電圧以下に下がった場合に、それまで
使われていた蓄電池を、それ以降放電不可と判断し、別
の蓄電池に切り換える判断を下す。

【００２３】図４は切替制御手段の一構成例を示す図、
図５はそのタイミングチャートである。電池監視手段
は、負荷側に接続されている蓄電池の端子電圧を監視
し、予め定められた設定電圧以下になると、後続する単
安定マルチバイブレータをトリガする。電池監視手段
は、一方の比較入力に蓄電池の端子電圧を加え、他方の
比較入力には設定電圧を与えた電圧比較器よりなる。設
定電圧の値は、蓄電池の種類、仕様などで決める。現在
広く使われているニッケルカドミウム電池（定格電圧
１．２Ｖ）では、放電終止電圧として、１単位電池あた
り０．９〜１．０Ｖ程度が推奨されている。電池を直列
に接続して使用している場合には設定電圧は放電終止電
圧に直列個数を掛けた値とする。

【００２４】電池監視手段に接続された単安定マルチバ
イブレータは、電圧比較器の出力信号の時間幅を一定期
間に伸長して、フリップフロップにトリガ信号として与
える。フリップフロップの状態は、図３に示す切替え手
段（ＳＷ−１〜ＳＷ−４）の状態（図１（Ａ）の状態に
あるか、図１（Ｂ）の状態にあるか）に対応しており、
電池監視手段が負荷側に接続された蓄電池の端子電圧の
低下を再び検出して出力するまでその状態を保つ。フリ
ップフロップの状態は、リレー駆動回路を経てリレー巻
線に流れる電流を制御する。即ち、切替え手段の接続状
態は、フリップフロップの状態に対応している。

【００２５】充放電可能の蓄電池では、一般に、充放電
の回数に限界があり、電池の寿命と考えられており、寿
命が近づくにつれて容量が減ってゆく。本実施例のよう
に一つの電池を満充電から放電終止状態まで使う場合、
その使用（放電）可能な期間の長さ（またはその内の実
際の通電時間）は電池の容量を反映しているので、この
時間が予め寿命末期の容量に対して予測した値より短く
なった場合には電池の寿命が尽きたと判断できる。従っ
て電池の切替え間隔を監視することにより電池の劣化、
即ち寿命を知ることができる。電池監視手段に切替え間
隔を監視する機能、例えば公知の計時手段によって予め
設定した寿命末期の切替え間隔の値と比較して、電池の
寿命を知らせる警告信号を発生する手段を実現すること
ができる。

【００２６】図３では切替制御手段を駆動する電源は負
荷側から供給しているが、リレー等を用いた消費電力の
大きな回路に、負荷側、即ち蓄電池から電源を供給する
のは効率や、必要な蓄電池の容量等の点で好ましくな
い。図６の構成はその点の改善を図ったものであり、図
４の構成に情報送信手段と情報受信手段が追加されてい
る。切替制御手段のうち、電池監視手段と追加された情
報送信手段のみに負荷側の電源（蓄電池）を使用し、他
の部分には主電源側から電源を供給することによって蓄
電池からみた負荷電流の低減を図っている。電池監視手
段から、切替制御手段の後続する部分への、蓄電池の端
子電圧の低下を示す情報の伝達は、新たに追加された情
報送信手段と情報受信手段による。情報送信手段と情報
受信手段は電気的な絶縁状態を保って情報を伝達するも
のであることが好ましく、光を介する方法が性能、実現
性等の面で優れている。絶縁耐圧への要求が高くない場
合（１０００Ｖ程度以下）にはフォトカプラが価格、規
模の点で使いやすい。

【００２７】また、より高い絶縁耐圧を必要とし、ある
いは漏れ電流の規格が厳しい場合には、発光ダイオード
等の発光素子とフォトトランジスタ等の受光素子、およ
びそれらを光ファイバで光学的に結合した情報伝達手段
を用いることが好ましい。負荷側が心電計のような情報
収集機器である場合には、負荷側から主電源を含む側に
情報を伝達する用途が多く、また負荷側の機器に主電源
を含む側から制御用等の情報を送る場合もあるが、同様
に公知の情報送信手段と情報受信手段の組み合わせを必
要な数だけ追加すれば容易に実現できる。情報送信手段
と情報受信手段の詳細に関しては本発明の範囲外である
から詳細説明は省略する。

【００２８】次に、蓄電池をＮ組（三組以上）用いる構
成について図７、図８を使って説明する。図７は、Ｎ個
の蓄電池の、ある接続状態を示す図、図８は、図７に対
応する切替制御手段の構成例を示す図である。図７で
は、図２、図３で二本の独立した線で表現した電源の線
を、一本の二重線で略記してある。

【００２９】負荷側に接続する蓄電池の数は、蓄電池の
状態を監視する必要上、一組に限られる。残りの二組以
上の蓄電池は充電手段側に接続する。Ｎ組の蓄電池を使
用する場合には、Ｎ組の蓄電池のうち、どの蓄電池を負
荷側に接続するかによってＮ個の状態がある（状態１〜
状態Ｎ）。このＮ個の状態を区別するため、図４のフリ
ップフロップに代えて、Ｎ進カウンタを用いて、その内
容によって一組の蓄電池を選択して負荷側に接続し、残
りの（Ｎ−１）組の蓄電池を充電手段側に接続する（図
７では蓄電池２が負荷側に接続されている）。図３では
二つの状態に対して四つの切替え手段を同時に動作させ
れば良かったので、四組の接点を持ったリレーを用い
て、リレーの励磁と非励磁の状態を二つの状態に対応さ
せていたが、Ｎ個の状態に対応するためにはリレーとリ
レーの駆動回路はＮ組必要となる。また各リレーには二
組の接点が必要である（図８参照）。この方法では、一
つの蓄電池が充電されている時間は放電している時間の
（Ｎ−１）倍になるので一つの蓄電池に対する充電電流
は蓄電池を二組用いる場合に比較して１／（Ｎ−１）で
良い。そのため、（Ｎ−１）組の蓄電池に対して個別に
充電の制御をすれば、充電電流を１／（Ｎ−１）にする
ことができる。図７では充電手段は共通に使うものとし
て描かれている。ニッケルカドミウム電池などでは一般
に少ない電流で長時間充電する方が寿命が長くなる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
雑音の発生がなく電気的な絶縁性が良好な電力供給装置
が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力供給装置の、蓄電池を二組用いた
場合の実施例を示す基本概念図である。

【図２】蓄電池切換手段の一例を示す図である。

【図３】図２に示した基本構成に、切替え手段（図２の
ＳＷ−１〜ＳＷ−４）を制御する切替制御手段を付加し
た構成を示す図である。

【図４】切替制御手段の構成例を示す図である。

【図５】図４に示す切換制御手段のタイミングチャート
である。

【図６】切換制御手段の他の例を示す図である。

【図７】Ｎ個の蓄電池の、ある接続状態を示す図であ
る。

【図８】図７に対応する切替制御手段の構成例を示す図
である。

【符号の説明】

ＳＷ−１，ＳＷ−２，ＳＷ−３，ＳＷ−４ 切替えスイ
ッチ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充電自在な複数の蓄電池と、 前記蓄電池を充電する充電手段と、 前記蓄電池を、交互にもしくは循環的に、前記充電手段
   と絶縁された状態で負荷に接続する放電状態、および前
   記負荷と絶縁された状態で前記充電手段に接続する充電
   状態に置く蓄電池接続切換手段とを備えたことを特徴と
   する電力供給装置。
2. 【請求項２】 前記蓄電池切換手段が、機械的な接点を
   用いて、前記蓄電池を負荷と接続し、あるいは前記蓄電
   池を前記充電手段と接続するものであることを特徴とす
   る請求項１記載の電力供給装置。
3. 【請求項３】 前記蓄電池切換手段が、負荷に接続され
   た第１の蓄電池を該負荷から切り離すにあたり、先ず該
   第１の蓄電池とともに他の第２の蓄電池を該負荷に接続
   し、しかる後に該第１の蓄電池を該負荷から切り離すも
   のであることを特徴とする請求項１記載の電力供給装
   置。
4. 【請求項４】 負荷に接続された蓄電池の残存充電量が
   所定量に低下したことを検出する電池監視手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
5. 【請求項５】 前記蓄電池が負荷に接続された後、前記
   電池監視手段により該蓄電池の残存充電量が所定量に低
   下したことが検出される迄の経過時間、もしくは該経過
   時間内の、負荷に電力を供給した通電時間を計測する計
   時手段と、 前記計時手段により、所定時間未満の経過時間もしくは
   通電時間が計測された場合に警告を発する警告発生手段
   とを備えたことを特徴とする請求項４記載の電力供給装
   置。
6. 【請求項６】 前記蓄電池切換手段が、前記電池監視手
   段により負荷に接続された蓄電池の残存充電量が所定量
   に低下したことが検出された場合に蓄電池の接続状態を
   切り換えるものであるを特徴とする請求項４記載の電力
   供給装置。
7. 【請求項７】 前記蓄電池切換手段が、前記充電回路側
   の、前記蓄電池を充電する電力を供給する所定の主電源
   から電力を受けて作動するものであり、かつ、光通信手
   段により、前記電池監視手段と接続されたものであるこ
   とを特徴とする請求項６記載の電力供給装置。