(57)【要約】【課題】汎用性の高い充電器を提供することを課題とする。【解決手段】ＡＣ電源を整流・安定化してＤＣ出力を得る手段と、大容量コンデンサ（電気２重層コンデンサ）と２次電池を内蔵し、前述のＤＣ出力から大容量コンデンサと２次電池を充電する機能と、出力電圧を外部から出力電圧を制御することができる機能を有するＤＣ−ＤＣコンバーターを内蔵し、ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力電圧は前述のＤＣ出力と大容量コンデンサと２次電池出力の内、最大電圧のものを自動的に選択する手段を有することを特徴とした汎用型充電器。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電源を整流・安定化してＤＣ出力を得る手段と、大容量コンデンサ（電気２重層コンデンサ）と２次電池を内蔵し、前述のＤＣ出力から大容量コンデンサと２次電池を充電する機能と、出力電圧を外部から出力電圧を制御することができる機能を有するＤＣ−ＤＣコンバーターを内蔵し、ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力電圧は前述のＤＣ出力と大容量コンデンサと２次電池出力の内、最大電圧のものを自動的に選択する手段を有することを特徴とした汎用型充電器。
【請求項２】
請求項１の汎用型充電器において、電力の供給を受ける外部機器を接続した際、前述の外部機器が所望する電圧に対応した抵抗あるいは、自身の電池を制御する電源管理手段を内蔵し、前述の抵抗あるいは電源管理手段が本汎用型充電器内部のＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧をコントロールする機能を有し、外部機器が所望する出力電圧を自動設定することを特徴とする汎用型充電器。
【請求項３】
請求項１の汎用型充電器において、前述のＤＣ出力から大容量コンデンサと２次電池出力の特徴に合わせて独立した最適な充電を行う手段を有することを特徴とする汎用型充電器。
【請求項４】
請求項１のＤＣ−ＤＣコンバーターにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧を所望する値に設定するキーあるいはダイヤルを有することを特徴とすることを特徴とする汎用型充電器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＣ電源を用い、急速充電が可能で、接続した機器が所望する電圧を出力できるＤＣ−ＤＣコンバータを内蔵した汎用性の高い充電器あるいは電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長期出張に出かける際に、携帯電話・デジタルカメラ・ノートパソコンを所持することが多くなった。だが、これらの機器が要求する電圧や使われているコネクタの形状はメーカーごとに違う。たとえば、デジタルカメラの供給電圧は３．５Ｖ〜６Ｖ、携帯電話は９Ｖ、ノートパソコンは１５Ｖといった具合である。このため、上記機器以外にも、機器を動かすための携帯電話用充電器・デジタルカメラ用クレイドルとＡＣアダプタ・ノートパソコン用ＡＣアダプタも持参しなければならない。また、ＡＣコンセントの少ない会議場でノートパソコンを長時間動かさなければならないこともあり、会場に一番乗りしてＡＣコンセントの近くの席を確保する人を見かけるようになった。１つで全ての機器に対応でき、場合によっては、ＡＣコンセントを使用しなくてもすむ汎用型電源アダプタあるいは充電器が望まれる。
【０００３】
これらの問題を解決する製品として（株）太陽工房から太陽電池を用いた汎用充電器バイオレットギア（商品名）が発売されている。また、ＡＣ電源を用いた汎用ＡＣアダプタも各社から発売されている。しかしながら、太陽電池の出力は日照レベルによって変動し、出力電流も小さいことから、２次電池をフル受電するにはかなりの時間を要する欠点がある。また後者は、ＡＣ電源の無い場所では緊急避難的に機器を動作させることができない。
【０００４】
大容量コンデンサ（電気２重層コンデンサ）を採用した汎用充電器や電源アダプタに関する特許はいくつか存在する。たとえば、竹田技術研究所の特開平７−１３５０２５では、電気２重層コンデンサを機器側に持たせ、共通の充電器で充電する提案がなされている。電気２重層コンデンサは急速充電が可能な反面、２次電池に比べて体積が大きく、保持する電気容量も小さい。このため、常に電力を消費する機器に２次電池の代わりに電気２重層コンデンサを持たせた場合、２次電池を積んでいた場合に比べ、使用できる時間が短くなり、頻繁に充電を繰り返さなければならないという欠点が出てくる。
【０００５】
太陽電池により電気２重層コンデンサと２次電池を充電し、ＤＣ−ＤＣコンバーターで所望する電圧を出力する特許提案が（株）インテグレイテットビジネスから、特開２００２−７８２３０（携帯電源装置）として出願されている。この特許の、太陽電池をＡＣ電源に置き換えると本発明とほぼ同じ構成になる。しかしながら、この発明にはＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧設定方法に関する詳細説明や外部機器と通信を行い出力電圧を自動設定できる機能はない。また、使い勝手を考慮して、ＤＣ−ＤＣコンバータ出力に、ＡＣ電源→電気２重層コンデンサ→２次電池の順に優勢順位を付けて使用していく順序付け機能もない。さらに、［０００３］で説明したように、太陽電池のパワーでは、電気２重層コンデンサと２次電池を充電させるには時間がかかりすぎる欠点がある。このため、特開２００２−７８２３０の［００１２］に使用できる用途が記載されているが、携帯電話のような低消費電力の機器には使えても、１５Ｖ１Ａという電力を消費するノートパソコンや７．４Ｖ０．５Ａの電力を消費するＰＤＡに使おうとした場合、充電のため数十時間待たなくてはならない。
【０００６】
現在、燃料電池の開発が行われており、将来的には、携帯機器に燃料電池が搭載される可能性がある。しかしながら、たとえ燃料電池を搭載した機器であっても、近くにＡＣコンセントがあった場合は、こちらを優先して使い、本体に組み込まれた燃料電池の消耗をなるべく減らそうと考えるのが普通である。透明な窓から見えるエタノールの残量を気にしながら機器を駆動するような状態は、接続時間を気にしながらダイヤルアップでインターネットサーフィンを楽しむ場合と同じように、精神的に落ち着かないからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はＡＣ電源を最大限に利用する。すなわち、使用している大容量コンデンサ（電気２重層コンデンサ）と２次電池の長所を生かし、短所を補う構成にして、急速充電を可能にした、使い勝手の良い汎用型充電器を提供する。また、制御機能を有する外部機器と接続した場合に、接続する機器に合わせた出力電圧を自動的に設定することができる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、ＡＣ電源を整流・安定化してＤＣ出力を得る手段と、大容量コンデンサ（電気２重層コンデンサ）と２次電池を内蔵し、前述のＤＣ出力から大容量コンデンサと２次電池を充電する機能と、出力電圧を外部から出力電圧を制御することができる機能を有するＤＣ−ＤＣコンバーターを内蔵し、ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力電圧は前述のＤＣ出力と大容量コンデンサと２次電池出力の内、最大電圧のものを自動的に選択する手段を有することを特徴とした汎用型充電器を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の概念を説明する。本機の電圧設定ダイヤルで出力電圧を可変できるので、デジタルカメラ・携帯電話あるいはノートパソコンなどに対応できる。また、ＡＣ電源がない場合でも大容量コンデンサあるいはニッケル水素電池等に代表される２次電池に蓄えられた電力をＤＣ−ＤＣコンバーターを使って所望する電圧まで高めて電力を供給し続けることができる。
【００１０】
図２に本発明の回路構成を示す。ＡＣコンセントを有し、ＡＣ入力を２０整流手段にてＤＣに変換し、２１と２３の安定化電源手段で安定化したＤＣを出力する。２１安定化電源手段１の出力は２２の大容量コンデンサを短時間で充電する。２３安定化電源２は２４の２次電池を時間をかけて充電していく。大容量コンデンサは、化学反応で電荷を蓄える２次電池と構造が根本的に異なるため、短時間で充電ができるという特徴がある。しかしながら、２次電池に比べ、充電できる電力容量は少なく、また体積も２次電池よりはるかに大きいという欠点を有する。一方、２次電池は化学反応を利用して電荷を貯える構造になっているので、急速充電でも９０分くらいの期間がかかる。また通常充電では、８時間くらい時間がかかるが、貯えられる電力は、大容量コンデンサの容量にもよるが、数百倍ほどである。このため、ＡＣ電源を使用している時はＡＣ電源を優先して使用し、その間に短時間で大容量コンデンサを充電すると共に時間をかけて２次電池を充電していくのが合理的な方法である。
【００１１】
また、大容量コンデンサと２次電池は構造が根本的に違うため、それぞれに最適な充電ができるよう、大容量コンデンサを充電する２１安定化電源１と２次電池を充電を充電する２３安定化電源２の２つの独立した安定化電源手段を採用した。
【００１２】
ＡＣ電源から得られたＤＣ出力と、大容量コンデンサ出力と２次電池の出力は２５のＤＣ−ＤＣコンバータに入力され、接続した機器に電力を供給する。２５のＤＣ−ＤＣコンバータには、２６の出力電圧設定手段が接続され、図１で示したようにユーザーがダイヤル等を回して電圧を設定することで、機器の仕様にあったＤＣを出力する。図６に２６出力電圧設定手段の詳細回路図を説明する。２５のＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧を設定する回路において、ＤＣ出力に抵抗Ｒ３とツエナーダイオードＺＤが接続され基準電圧が作られる。エナーダイオードＺＤによって作られた基準電圧はトランジスタＴＲのエミッターに接続されている。また、ＤＣ出力は抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分割されトランジスタＴＲのベースに接続され、安定したＤＣ出力が作られる。２６出力電圧設定手段はＲ４，Ｒ５，Ｒ６とＳＷ１から構成され、ＳＷ１を動かすことで、Ｒ２の値を変化させ、所望の電圧を出力させる。
【００１３】
図３で２５のＤＣ−ＤＣコンバーター以前の回路図の詳細を説明する。ＡＣ電源は３０のトランスで減圧され、２０の整流手段でＤＣに変換される。変換されたＤＣ出力は３系統に別れる。１つめは、２１の安定化電源手段を構成する３端子レギュレータに入り、安定した出力に変換された後、３１の突入電流防止抵抗と３２のダイオードを経由して、２２の大容量コンデンサを充電する。なお、２１と２３の安定化電源手段を構成するものとして本発明では３端子レギュレータを用いて説明したが、定電流回路でも動作することが知られている。たとえば、岡村研究所・エルナー・旭硝子が共同で出願した特開平７−５７９７８（電気二重層コンデンサの充電方法）では、定電流電源にて電気二重層コンデンサを充電する方法が記載されている。
【００１４】
２つめのＤＣ出力は、２３の安定化電源手段を構成する３端子レギュレータに入り、３１の電流制限抵抗と３２のダイオードを経由して、２２の２次電池を充電する。３２と３５のダイオードはＡＣ電源が利用できない場合に、貯えられた電荷が２１と２３の３端子レギュレータに逆流して電力の消耗を押さえるために設けた。３つめのＤＣ出力は３７のダイオードを経由して２５のＤＣ−ＤＣコンバーターに入る。
【００１５】
充電時間のことを考えた場合、ＡＣ電源を使用している場合は、ＡＣ電源を優先して利用するほうが良い。また、ＡＣ電源が使用できない場合は、急速充電が可能な大容量コンデンサから電力が供給され、大容量コンデンサの出力が下がってきた場合は２次電池出力から供給するようにして、充電に時間のかかる２次電池の消耗を最小限に押さえる仕組みが必要である。これを実現するのが、３３、３６、３７のダイオードである。２０の整流手段によって得られた出力と２１の３端子レギュレータ出力と２３の３端子レギュレータ出力はこの順に電圧が低くなるように設計する。ＡＣ電源が接続されている場合は、３７のダイオードを経由して供給する電圧が最も高いので、ＡＣ電源が選択される。ＡＣ電源が接続されない場合は、２２の大容量コンデンサ出力が最も高いので、３３のダイオードの働きにより、電気２重層コンデンサから電力が供給される。２２の大容量コンデンサの出力が３６のダイオードを経由して供給される２４の２次電池出力よりも低くなると、３６のダイオードの働きにより、２次電池の出力が選択される。２次電池の特徴として、電荷が少なくなるまで出力電圧は、電池１個あたりニッケル水素電池で約１．２Ｖの一定電圧を保つという特性を利用している。
【００１６】
上記切り替え手段をトランジスタスイッチやリレーを用いて行う方法も考えられるが、この場合、整流出力・大容量コンデンサ・２次電池の電圧を計測して比較して切り替える手段と、パワーラインの切り替えを行うため低抵抗型のパワーＦＥＴ等を３個を使用する必要が生じコストアップになる。また、大容量コンデンサと２次電池を並列に接続して１つの安定化電源で充電を行う方法も考えられるが、この場合、大容量コンデンサの充電電圧特性と２次電池の充電特性が違うため、大容量コンデンサの充電電圧が２次電池に足を引っ張られることになってしまう（２次電池に並列して低容量（数百μＦ程度）のコンデンサが接続された場合なら問題にならない程度である）。これでは、電気２重層コンデンサの急速充電特性を生かせない。もし充電する時間がなくて、充電途中でＡＣ電源を抜いてしまった場合、大容量コンデンサと２次電池両方共、フル充電されない状態になってしまう恐れがある。本発明では、ＡＣ電源に接続する時間が短くても、大容量コンデンサだけはフル充電される回路構成を取っている。
【００１７】
３８スイッチは、出力電圧が不要な際に、２２電気２重層コンデンサあるいは２４の２次電池が２５ＤＣ−ＤＣコンバーターに接続されたときの電力ロスを減らすために挿入したメカニカルスイッチである。ロスの発生を考慮しない場合はこのＳＷを省略することは可能である。
【００１８】
図４に他の実施の形態１を示す。本発明に接続する機器には、供給してほしい電圧値に対応した抵抗が挿入されている。この抵抗が接続ケーブルで２５のＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧設定回路と接続され、２５のＤＣ−ＤＣコンバーター出力が所望する電圧に設定され、機器側の４１の２次電池に供給される。この方法により自動電圧設定手段を構築できる。
【００１９】
図５に他の実施の形態１における実施図を示す。図１にあった出力電圧設定ダイヤルが省略されている。
【００２０】
図６は本実施の形態における２６出力電圧設定手段の回路構成を詳細に説明した図である。２５のＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧設定抵抗Ｒ２に抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６が直列に並列され、スイッチＳＷ１を切り替えることでＲ２に並列に接続される抵抗値を変化させ、２５のＤＣ−ＤＣコンバーター出力電圧の設定を変更する。
【００２１】
図７は他の実施の形態１において、出力電圧設定ダイヤル等を省略する手段を説明した図である。あらかじめ２５のＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧設定抵抗Ｒ２に並列に接続する４０抵抗の値を決めておいて、外部機器がケーブルで接続された場合は、上記Ｒ２と４０抵抗が並列に接続されることで、外部機器が所望するＤＣ電圧を外部機器が保有する４１の２次電池に供給する。
【００２２】
図８に他の実施の形態２を示す。接続した外部機器が電源管理手段を有し、急速充電等の高度な電源管理を実現するものである。８０の電源管理手段は、４１の２次電池の電圧情報を受け取り、２５のＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧を管理する。
【００２３】
図９に他の実施の形態２における、８０の電源管理手段の動作手順を説明する。９０で２次電池の電圧を確認する。９１の比較手段で充電が必要かどうかを判断する。必要ない場合はＮｏに飛び、９８でＤＣ−ＤＣコンバーターを動作させないようにコントロールし、９９で充電不要表示あるいはバッテリー残量表示を行う。９１の比較手段で充電が必要と判断した場合はＹｅｓに飛び、９２でＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧を設定し、９３で充電中の表示を行う。９４で再度二次電池の電圧を確認し、９５の比較手段で、充電電圧まで充電されたかどうかを確認する。充電が完了していない場合はＮｏに飛び、９４の二次電池の電圧確認に戻る。充電が完了した場合はＹｅｓに飛び、９６でＤ−ＤＣコンバーターを停止させ、９７で充電完了表示を行う。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、出力電圧が設定できる汎用性の高い充電器あるいは直流電源ユニットが実現できる。また、接続する機器に電圧設定手段を持たせることで、出力電圧の自動設定機能を有する汎用性の高い充電器あるいは直流電源ユニットが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】全体構成を説明する図である。
【図２】回路構成を説明する図である。
【図３】回路構成を詳細に説明する図である。
【図４】他の回路構成を説明する図である。
【図５】他の実施の形態を説明する図である。
【図６】出力電圧設定回路の動作を説明する図である。
【図７】他の出力電圧設定回路の動作を説明する図である。
【図８】他の実施の形態を説明する図である。
【図９】他の電源管理手段の動作を説明する図である。
【符号の説明】
２０  整流手段
２１，２３  安定化電源手段
２２  電気二重層コンデンサ
２４  ２次電池
２５  ＤＣ−ＤＣコンバーター
２６  出力電圧設定確認手段
３０  トランス
３１，３４，４０  抵抗
３２，３３，３５，３６，３７  ダイオード
３８  スイッチ
４１  ２次電池
８０  電源管理手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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