JPWO2016075819A1

JPWO2016075819A1 - バッテリ及びバッテリシステム

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Publication number: JPWO2016075819A1
Application number: JP2016558833A
Authority: JP
Inventors: 尚英鶴田; 亮松井; 松木　薫; 薫松木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2017-08-17
Also published as: DE112014006997T5; CN107078242A; US20170194667A1; WO2016075819A1

Abstract

バッテリ（１）は、充電及び放電可能なバッテリセル（２３）と、バッテリセルに接続され、外部の電極と非接触状態で電気的に接続される第一電極（２１）及び第二電極（２２）と、バッテリセルと第一電極及び第二電極を含むバッテリ回路内に設けられ、バッテリ回路内に流れる電流を交流または直流に切り替える切替部（２４）と、バッテリセル、第一電極、第二電極、及び切替部を内部に収容する絶縁性の筐体（１０）とを備える。

Description

本発明は、バッテリ及びバッテリシステムに関する。

近年、医療機器のワイヤレス化が進行しており、バッテリで電力を供給するタイプの処置具が提案され始めている。
その際、一般的には単位質量あたりのエネルギー密度が高いリチウムイオンバッテリが活用されることが予想される。

一般的なバッテリは、充電及び放電可能なバッテリセルと、外部の充電器や医療機器等と電気的に接続するための導電性の端子等を備えている（例えば、特許文献１参照）。バッテリに充電したり、バッテリから放電したりする際は、バッテリの端子と充電器等に設けられた導電性の端子等とを接触させることにより両者を電気的に接続する。

特許第４５５４２２２号公報

特許文献１に記載のバッテリユニットは、導電性の端子が外面に露出しているため、端子を水に濡らさないように注意する必要があるなど、取り扱いが煩雑である。
また、バッテリの端子と充電器等に設けられた端子等を接触させるためには、充電器等に所定の向きで装填する必要があり、この点でも取り扱いが煩雑である。

上記事情を踏まえ、本発明は、取り扱いが容易なバッテリ及びバッテリシステムを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、充電及び放電可能なバッテリセルと、前記バッテリセルに接続され、外部の電極と非接触状態で電気的に接続される第一電極及び第二電極と、前記バッテリセルと前記第一電極及び前記第二電極を含むバッテリ回路内に設けられ、前記バッテリ回路内に流れる電流を交流または直流に切り替える切替部と、前記バッテリセル、前記第一電極、前記第二電極、及び前記切替部を内部に収容する絶縁性の筐体とを備えるバッテリである。

本発明の第二の態様は、本発明のバッテリと、前記バッテリが装填される凹部と、自身の内部に前記凹部の内面に沿って配置された接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極を有する接続機器とを備え、前記バッテリを前記凹部に装填すると、前記第一電極及び前記第二電極が、前記接続機器側第一電極及び前記接続機器側第二電極と容量結合可能に対向するバッテリシステムである。

本発明のバッテリは、端子等の導電性部材が外面に露出しないように構成されているため、取り扱いが容易である。
本発明のバッテリシステムは、充電時や放電時の取り扱いが容易である。

本発明の第一実施形態に係るバッテリを示す斜視図である。同バッテリの断面図である。同バッテリ及び充電器を備えたバッテリシステムを示す斜視図である。同充電器の模式的部分断面図である。充電時における回路図である。同バッテリが装着される処置具を示す斜視図である。同処置具への放電時における回路図である。同バッテリを同処置具に装填した状態の一例を示す断面図である。同バッテリを同処置具に装填した状態の一例を示す断面図である。本発明の第二実施形態に係るバッテリを示す斜視図である。同バッテリの断面図である。同バッテリの変形例を示す斜視図である。本発明のバッテリの変形例を示す斜視図である。同変形例における電極配置の一例を示す断面模式図である。本発明のバッテリの変形例を示す斜視図である。

本発明の第一実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
図１は、本実施形態のバッテリ１を示す斜視図である。バッテリ１は、自身の外面を構成する絶縁性の筐体１０と、筐体１０内に配置された第一電極２１及び第二電極２２とを備えている。

筐体１０は、絶縁性の材料で形成されている。筐体１０を形成する材料としては、樹脂が好適である。例えば、ポリカーボネート、フッ素樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等を材料として用いることができる。筐体１０を形成する絶縁性材料の誘電率は２以上であるのが好ましい。誘電率が２以上である高誘電率の材料で筐体１０を構成すると、後述する送受電時に発生する静電容量を大きくすることができ、送受電時に電極にかかる電圧値を低下させることができる。

図２は、バッテリ１の断面図であり、図１に示す右側面１３側から見た状態を示している。筐体１０の内部には、充電及び放電可能なバッテリセル２３と、バッテリセル２３、第一電極２１、及び第二電極２２と電気的に接続された切替部２４が収容されている。第一電極２１、第二電極２２、バッテリセル２３、及び切替部２４は、配線２５で接続されておりバッテリ回路を形成している。
切替部２４には、機能が二つある。機能の一つはこのバッテリ回路内を流れる電流の交流／直流を切り替えること、もう一つは交流電流をバッテリ外に放電するか、直流電流によりバッテリセルを充電するかを切り替えることである。これにより、切替部２４よりバッテリセル２３側は直流電流が流れ、第一電極２１及び第二電極２２側は交流電流が流れ、放電と充電のモードが切り替えられる。
なお、充放電のモード切り替え機能を有さなくても、例えば放電のみ可能なディスポーザブルのバッテリとして使用可能である。

バッテリセル２３としては、充電及び放電可能であればよく、例えばリチウムイオン電池セル等の公知の各種構造のバッテリセルを適宜選択して用いることができる。
第一電極２１及び第二電極２２は、導体で面状に形成されており、それぞれ筐体１０の正面１１および背面１２に沿うように対称配置されている。第一電極２１及び第二電極２２を形成する材料としては、例えば金属箔等を挙げることができる。
切替部２４については、ＤＣ／ＡＣ変換機能を有するものであれば特に制限はなく、バッテリ１のサイズ等を考慮して公知のコンバータ回路等を適宜選択することができる。
上記のような構成により、バッテリ１は、外面全体を絶縁性の筐体１０が覆い、端子や電極等の導電性部材が一切外面に露出しないように構成されている。

次に、バッテリ１の使用時の動作について説明する。バッテリ１は、バッテリ１に対して送受電を行うための接続機器と組み合わせることにより、バッテリシステムとして使用することができる。
図３には、バッテリ１と、バッテリ１を充電するための充電器（接続機器）１００とを備えたバッテリシステム２を示している。充電器１００はバッテリ１を収容可能な凹部１０１を有しており、凹部１０１を含めた充電器１００の外面全体が樹脂等の絶縁性の材料で覆われるように形成されている。
図４は、充電器１００の断面を模式的に示す図である。充電器１００は、面状の第一送電電極（接続機器側第一電極）１０２及び第二送電電極（接続機器側第二電極）１０３を備えている。第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３は、凹部１０１の内面のうち、対向する二面に沿い、かつ露出しないように配置されている。

バッテリ１を充電する際、使用者は、第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３が配置された二面と、第一電極２１及び第二電極２２が配置された正面１１及び背面１２とが対向するように、バッテリ１を凹部１０１内に装填する。
図５は、バッテリ１が上述のように凹部１０１内に装填された状態を示す回路図である。第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３と、第一電極２１及び第二電極２２とが対向することにより、対向する電極どうしが非接触状態で容量結合（電界結合）されてバッテリ１と充電器１００とを含む回路が形成される。筐体１０の厚みは、上述の容量結合が可能となるように予め設定しておく。図５において、符号１０４で示すのは電源回路であり、符号１０５で示すのは充電器１００からバッテリ１へ送電する電流の態様を調節するための送電回路である。
上述の回路が形成された状態で、充電器１００から高周波の交流電流を供給すると、容量結合された電極を経由してバッテリ１に送電することができる。充電器１００から送られた交流電流を切替部２４により直流電流に変換することで、バッテリセル２３を充電することができる。

充電器１００から供給されるのは交流電流であるため、第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３と、第一電極２１及び第二電極２２とが対向してさえいれば、個々の電極の対応関係は問題とならず、どのような対応関係でも充電を行うことができる。すなわち、第一電極２１は、第一送電電極１０２と対向配置されてもよいし、第二送電電極１０３と対向配置されてもよい。

バッテリ１の筐体１０は、図１等に示すように、正面１１及び背面１２が正方形の直方体状に形成されている。正面１１及び背面１２が回転対称性を有する図形であるため、バッテリ１は、正面１１及び背面１２を除く４つの面のいずれを上にした姿勢でも形状が同一である。さらに、正面１１及び背面１２のいずれを手前にしても、形状は変化しない。したがって、バッテリ１は、凹部１０１に装填しさえすれば、その向きによらず、必ず第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３と、第一電極２１及び第二電極２２とが対向し、充電を行うことができる。

バッテリ１を充電した後は、所定の放電機器（接続機器）に装着して電源として使用する。図６には、放電機器の一例として、硬性の挿入部２０１と、挿入部２０１の先端部に設けられた処置部２０２とを備えた処置具である把持鉗子２００を示している。対象となる放電機器は処置具には限られず、通電して使用するものであれば特に制限なく適用可能である。

把持鉗子２００のハンドル２０３には、バッテリ１を収容するための凹部２０４が設けられている。凹部２０４の形状は充電器１００の凹部１０１と同様であってよい。把持鉗子２００は、第一受電電極（接続機器側第一電極）及び第二受電電極（接続機器側第二電極）の受電用の一対の電極を備えている。図６では図示を省略しているが、第一受電電極及び第二受電電極は、凹部２０４の内面のうち、対向する二面に沿い、かつ外部に露出しないように配置されている。つまり、受電用の一対の電極は把持鉗子２００の内部に収容されている。

図７は、把持鉗子２００に対してバッテリ１で放電を行うときに形成される回路の回路図である。上述した第一受電電極２１１及び第二受電電極２１２と、第一電極２１及び第二電極２２とが対向することにより、対向する電極どうしが容量結合される点は充電時と同様である。バッテリ１から放電する際は、バッテリセル２３から取り出された直流の電流を、切替部２４により交流電流に変換し、把持鉗子２００に送電する。把持鉗子２００では、バッテリ１から供給された交流電流を受電回路２０５で適宜調節し、負荷である処置部２０２に供給する。

凹部２０４にバッテリ１を装填さえすれば、その向きにかかわらず把持鉗子２００への放電が可能である点は、充電時と同様である。
すなわち、図８に示すように、図２に示したのと同一の姿勢でバッテリ１が凹部２０４に装填されてもよいし、図９に示すように、図８の姿勢から上下を逆にした姿勢でバッテリ１が凹部２０４に装填されてもよい。さらに、図８及び図９に示した姿勢から、正面１１と背面１２とを逆にした姿勢でバッテリ１が凹部２０４に装填されても、バッテリ１から把持鉗子２００への放電が可能である。

適用される放電機器で高周波電流を用いる場合は、供給された交流電流を、電圧や電流値等のみ受電回路２０５で調節して交流電流のまま使用してもよい。放電機器で直流電流を用いる場合は、受電回路２０５にコンバータ回路等を適宜設け、供給された交流電流を直流電流に変換できるように構成すればよい。

以上説明したように、本実施形態のバッテリ１は、充電器や医療機器等の接続機器に対して、金属等の導電性の端子等を介さずに電気的に接続することができる。したがって、外面全体が絶縁性の筐体１０で覆われる構成でありながら、接続機器と受電及び送電を行うことが可能であり、好適にバッテリとして使用することができる。ただし、通常のバッテリとは異なり、バッテリ１への入力及びバッテリ１からの出力は全て交流となる。交流としての周波数は、１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚ程度の高周波帯の周波数が好ましい。

また、バッテリ１は、端子等のような、導体で形成されて外表面に露出し、かつ内部機構と配線等の導体で接続される部位を有さないため、例えば端子を濡らさないように注意する等の必要がなく、取り扱いが容易である。

さらに、送受電のために、接続機器と端子等を接触させる必要がないため、接続機器への装填の自由度を高く設定することができる。
本発明では、バッテリと少なくとも一つの接続機器とを備えるバッテリシステムにおいて、接続機器の凹部に装填可能なバッテリの姿勢のうち、装填されたバッテリの第一電極及び第二電極と、接続機器に設けられた接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極とが対向し、容量結合が可能な状態となる姿勢を、「送受電可能姿勢」と定義する。上述したバッテリシステム２では、説明したように、接続機器の凹部に装填可能な姿勢はすべて送受電可能姿勢となっており、計８つの送受電可能姿勢を有している。

通常のバッテリは、接続機器と端子等を接触させなければ送受電を行うことができないため、基本的に一つの接続機器に対して送受電可能姿勢を一つのみ有している。本発明のバッテリシステムでは、筐体１０の形状で実質的に決まるバッテリ１の外形と、接続機器の凹部の形状、ならびに、第一電極２１及び第二電極２２の配置と接続機器の電極の配置を適宜変更することにより、送受電可能姿勢を２以上の任意の数に設定することが可能である。

次に、本発明の第二実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。本実施形態のバッテリ５１と、上述のバッテリ１との異なるところは、第一電極及び第二電極の配置態様である。以降の説明において、既に説明したものと同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１０に示すように、バッテリ５１においては、正面１１及び背面１２にそれぞれ第一電極２１及び第二電極２２が配置されている。すなわち、バッテリ５１は、第一電極２１及び第二電極２２を二つずつ備えている。

図１１は、バッテリ５１の断面図である。二つずつ設けられた第一電極２１及び第二電極２２は、それぞれ配線２５により接続され、同電位（同電圧かつ同位相）とされている。
図示を省略するが、バッテリ５１と接続される接続機器についても、凹部の内面のうち、バッテリ５１が収容される際に正面１１及び背面１２と対向する二つの面それぞれに沿って、接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極を配置しておく。

本実施形態のバッテリ５１も、第一実施形態のバッテリ１と同様に、取り扱いが非常に容易であり、接続機器への装填の自由度が高いバッテリシステムを構成することができる。
また、正面１１及び背面１２のそれぞれに、第一電極２１及び第二電極２２が設けられているため、接続機器に装填された際に凹部内でバッテリ５１が前後方向（正面１１と背面１２とを結ぶ方向）に移動した場合、正面１１及び背面１２の一方で対向する電極間の距離が長くなるが、他方では対向する電極間の距離が短くなる。したがって、バッテリ５１と接続機器との間で確立されるキャパシタの合成容量は変化しにくく、バッテリ５１と接続機器とで形成される回路において、キャパシタの容量安定性が格段に向上して制御が容易になる。その結果、より安定した充放電を行うことができる。
ただし、バッテリ５１は、接続機器への装填の姿勢や接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極の配置態様等によっては、第一電極２１及び第二電極２２が、接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極の両方と対向することがある。このような姿勢では送受電は行えないため、バッテリ１よりも送受電可能姿勢の数が少なくなることがある点に留意する。

本実施形態においては、バッテリの正面及び背面の一方のみに第一電極２１及び第二電極２２が設けられてもよい。逆に、接続機器において、バッテリ５１が収容される際に正面１１及び背面１２と対向する二つの面の一方にのみ接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極を配置してもよい。

また、第一電極２１及び第二電極２２を複数の面に設ける場合、各面の第一電極どうしまたは第二電極どうしを互いに接続してもよい。図１２に示す変形例のバッテリ５１Ａは、底面が正方形の四角柱状の外形を有し、４つの外周面５２、５３、５４、５５に、それぞれ第一電極２１及び第二電極２２が沿うように配置されている。各外周面の第一電極２１どうし、及び第二電極２２どうしは、互いに接続されているため、バッテリ５１Ａは、外周面上に、全周にわたって第一電極２１及び第二電極２２が配置された構造を有する。バッテリ５１Ａはこのような構造であるため、凹部に装填する際に、四角柱の軸線Ｘ１まわり方向における接続機器との相対位置関係を考慮せずに装填しても、接続機器との送受電が可能である。

さらにバッテリ５１Ａの外形を底面が円の円柱状にすると、接続機器の凹部に収容する際、周方向（円柱の軸線まわり方向）における接続機器との位置関係を全く考慮せずに凹部に収容しても送受電が可能になる。この場合、バッテリシステムにおける送受電可能姿勢は、無数に存在することになる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

まず、バッテリの外形は、上述したものには限られず、接続機器の凹部に収容可能であり、かつ２以上の送受電可能姿勢を有する限り、どのように形成されてもよい。
例えば、図３で示した充電器１００に装填するバッテリとしては、凹部１０１に装填可能である限り、筐体の正面及び背面の形状に何ら制限はなく、正面と背面とで面の形状や大きさが異なっていても構わない。また、容量結合される面の形状がバッテリと接続機器とで異なっていても構わない。
また、容量結合されるバッテリ側の電極と接続機器側の電極とで形状や大きさが異なっていても構わない。

さらに、バッテリの外形と凹部の形状は完全に同一である必要はない。したがって、バッテリを凹部に装填したときに、バッテリの一部が凹部からはみ出していたり、凹部にスペースが残存したりしていても、バッテリ側の電極と接続機器側の電極とが容量結合可能に対向していれば問題なくバッテリシステムとして機能する。

さらに、バッテリの外形は、外面が平面のみで構成されたものにも限られない。したがって、上述した円柱状や、図１３に示すバッテリ６１のような、軸線方向両側の面が楕円形の楕円柱状や、角や稜線が丸められた多角柱状であってもよい。このとき、第一電極及び第二電極を、楕円柱の軸線方向両側の楕円形面の長軸や短軸と平行に並べる必要は必ずしもない。例えば、図１４に模式的に示すように、短軸ＸＳ及び長軸ＸＬのいずれとも非平行な方向で対向するように配置してもよい。

図１５に示す変形例では、バッテリ７１の外形を立方体とし、図１５に示される、互いに隣接した３つの面にそれぞれ第一電極２１を配置している。図１５に示されない残りの３つの面には、それぞれ第二電極２２が配置されており、バッテリ７１は、第一電極２１及び第二電極２２を三つずつ備えている。
バッテリ７１の接続機器として、立方体状の凹部を有し、凹部内面のうち、対向する一対の面にそれぞれ接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極を配置したものを準備する。このような構成のバッテリシステムにおいて、バッテリ７１を凹部に装填すると、バッテリ７１をどのような姿勢で装填しても、必ず三つの第一電極２１のうち一つが接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極の一方と対向し、かつ三つの第二電極２２のうち一つが接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極の他方と対向する。したがって、このバッテリシステムでは、送受電可能姿勢は２４通り存在し、使用性を著しく向上させることができる。

また、上述の各実施形態において、切替部による充電と放電の切り替えは、バッテリが接続された機器を識別する等により自動で行われてもよいし、使用者が切り替え態様を指定する構成としてもよい。後者の場合、切り替えのためのスイッチをバッテリの外面上に設けてもよい。

本発明は、バッテリ及びバッテリと接続機器とを備えたバッテリシステムに適用することができる。

１、５１、５１Ａ、６１バッテリ
２バッテリシステム
１０筐体
２１第一電極
２２第二電極
２３バッテリセル
２４切替部
１００充電器（接続機器）
１０１凹部
１０２第一送電電極（接続機器側第一電極）
１０３第二送電電極（接続機器側第二電極）
２００把持鉗子（接続機器）
２０４凹部
２１１第一受電電極（接続機器側第一電極）
２１２第二受電電極（接続機器側第二電極）

Claims

充電及び放電可能なバッテリセルと、
前記バッテリセルに接続され、外部の電極と非接触状態で電気的に接続される第一電極及び第二電極と、
前記バッテリセルと前記第一電極及び前記第二電極を含むバッテリ回路内に設けられ、前記バッテリ回路内に流れる電流を交流または直流に切り替える切替部と、
前記バッテリセル、前記第一電極、前記第二電極、及び前記切替部を内部に収容する絶縁性の筐体と、
を備えるバッテリ。
前記第一電極及び前記第二電極は、前記筐体に設定される所定の軸線に対して対称となるように配置されている、請求項１に記載のバッテリ。
前記切替部は、充電または放電のモードを切り替える、
請求項１または２に記載のバッテリ。
請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリと、
前記バッテリが装填される凹部と、自身の内部に前記凹部の内面に沿って配置された接続機器側第一電極及び接続機器側第二電極を有する接続機器と、
を備え、
前記バッテリを前記凹部に装填すると、前記第一電極及び前記第二電極が、前記接続機器側第一電極及び前記接続機器側第二電極と容量結合可能に対向する、バッテリシステム。
前記バッテリは、複数の姿勢で前記凹部に装填可能であり、前記バッテリが前記凹部に装填されたときに前記第一電極及び前記第二電極が前記接続機器側第一電極及び前記接続機器側第二電極と容量結合可能に対向する送受電可能姿勢を２以上有する、請求項４に記載のバッテリシステム。
前記バッテリは、前記第一電極を２以上有し、前記送受電可能姿勢において、前記第一電極の少なくとも一つが前記接続機器側第一電極及び前記接続機器側第二電極の一方と容量結合可能に対向する、請求項５に記載のバッテリシステム。