(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正電極と負電極とを含み、前記正電極と前記負電極との間に電極電圧を生じさせる電荷を蓄積する主ボルタ電池と、
表示器と、該表示器と前記電極との間に配置してあり前記電極電圧に応答して前記表示器を制御する表示器コントローラとを含む表示システムと、
前記主ボルタ電池および前記表示システムの少なくとも一部を実質的に囲む容器と、
前記容器によって実質的に囲まれた予備ボルタ電池と、
前記主ボルタ電池と前記予備ボルタ電池との間に配置してあり、前記正電極と前記負電極との間の電極電圧を選択的に増加させるため前記表示システムによって制御される予備スイッチと
を備え、
前記表示器コントローラは、前記電極に電気的に結合された電圧閾値検知器を含み、
前記電圧閾値検知器は、前記電極電圧が降下して電圧閾値に達したとき、これに応答して、前記電極電圧レベルを表示する前記表示器を動作させる信号を生成することを特徴とする電池。
【請求項２】
請求項１において、前記表示システムは、基準電圧源を含み、
前記電圧閾値検知器は、前記電極と前記基準電圧源とに結合したトリガを含むことを特徴とする電池。
【請求項３】
請求項１において、前記電圧閾値検知器は、前記電極電圧に電気的に結合した第１入力端子と、前記基準電圧源によってバイアスされ所定の電圧閾値を発生する分圧器に電気的に結合した第２入力端子と、前記表示システムの残りの部分への電池電力供給を制御するトリガ出力端子とを有する差動入力ヒステリシスシュミットトリガであることを特徴とする電池。
【請求項４】
請求項１において、前記表示器コントローラは、前記電圧閾値検知器によって電気的にイネーブルにされる低速パルス発振器であって、前記表示器を制御する低速パルス発振器を備えたことを特徴とする電池。
【請求項５】
請求項４において、前記表示器は、パルスインジケータを含むことを特徴とする電池。
【請求項６】
請求項５において、前記パルスインジケータは、発光ダイオードまたは液晶ディスプレイのいずれかを含むことを特徴とする電池。
【請求項７】
請求項１において、前記予備ボルタ電池は、予備正電極と予備負電極とを含み、
前記予備負電極は前記主ボルタ電池の負電極に電気的に結合してあり、
前記予備スイッチは、前記主ボルタ電池の正電極と前記予備正電極とをスイッチング可能に前記表示システムに接続したことを特徴とする電池。
【請求項８】
請求項１において、前記表示システムは、前記主ボルタ電池の前記正電極に電気的に結合した正電極導体と、前記主ボルタ電池の前記負電極に電気的に結合した負電極導体と、前記負電極導体に電気的に結合したアースストラップとを含み、
前記表示器は、前記容器の外部に配置してあり、
前記容器は、正端子を含むとともに、前記負電極と負電極導体と前記アースストラップとに電気的に結合した負端子とを含み、
前記表示器コントローラは、前記正電極導体と前記アースストラップとに電気的に結合するとともに、前記正端子に電気的に結合したフレキシブル回路基板を含むことを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、電池に関し、より詳細には、電池の充電状態を知らせるための内蔵表示器を有する電池に関する。
【０００２】
（係属中の関連出願の相互参照）
本願は、次に記載の同時係属中であって、１９９８年４月２日に出願され本出願人に譲渡された出願に関係する。
【０００３】
米国特許第09/054,192号（発明の名称  PRIMARY BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY RUN TIME、発明者  Vladimir GartsteinおよびDragan D.Nebrigic）と、米国特許第09/054,191号（発明の名称  BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICE RUN TIME、発明者  Vladimir Gartstein およびDragan D.Nebrigic）と、米国特許第09/054,087号（発明の名称  BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER、発明者  Vladimir GartsteinおよびDragan D.Nebrigic）、米国仮特許出願60/080,427（発明の名称  BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICE RUN TIME、発明者  Dragan D.NebrigicおよびVladimir Gartstein）。
【０００４】
ここに上記特許番号および出願番号を付して、本明細書の一部とする。
【０００５】
（発明の背景）
電池はポータブル電子装置のような多くの用途で用いられている。ポータブル電子装置としては、ラジオ、懐中電灯、時計、コンパクトディスクプレーヤ、カメラ、携帯電話、ビデオゲーム、玩具、ポケットベル、コンピューター装置等がある。このような装置を動作させるため、その装置や利用可能な代替品で用いられる電池は、十分に充電されている必要がある。安価な電子装置では、普通、電池の残り寿命は表示されない。そのため、一般的に、消費者は装置が動作を停止する前に、まもなく電池が切れると警報を受けることはない。
【０００６】
このような装置では、通常、民生用電池が使用されている。民生用電池の特徴は標準サイズで標準端子電圧を有し比較的安価であることである。民生用電池の例としては、ＡＡＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｄと通常表される電池と、角形９Ｖ電池があり、さらに、車両で一般に用いられる大型電池も含めることができる。民生用電池は、通常、特定の装置のためではなく、広範囲の装置のためにデザインされていることに特徴がある。
【０００７】
民生用電池の中には、電池の充電状態をテストするための簡単な熱変色（thermo-chromatic）ラベルが設けてあるものもある。しかし、このような内蔵の電池テスタには、不都合な点が多い。第１に、熱変色ラベルの精度は、製造上のバラツキや電池温度に起因して、電池の充電状態について、２０％の幅がある。第２に、熱変色ラベルは大量のエネルギーを消費するので、消費者が指でラベルを押して動作させたときにのみ、表示されるように作られている。そのため、消費者が電池を検査するのは容易ではなく、電池をそのパッケージまたは装置から取り出すのも面倒であり、熱変色ラベルをしばらくの間しっかりと押していなければならない。
【０００８】
電池を電源とする電子装置で使用するため、複雑な電池管理機能が開発されている。例えば、ビデオカメラや携帯用パーソナルコンピュータは、電池が放電してしまってまもなく停止すると警告するものが典型的であり、電池の残り寿命を予測することさえできる。しかし、このような表示機能は、比較的コストが高く複雑な電子回路であるため、電子装置のコストを著しく上げてしまう可能性がある。例えば、このような回路に通常用いられる低性能のマイクロプロセッサのコストは、一般に、民生用電池に加えてはいけないコストであり、同様に、多くの安価な電池式装置にも加えてはいけないコストである。加えて、このような回路は、一般的に、１タイプの電池に利用可能であって、サイズが大きすぎて電池の中に組み込めないものであり、しかも、この電子装置が利用可能であることが必要であって、電池に関する表示ができるものである。
【０００９】
宇宙船のような珍しい用途では、電池管理機能が電池システムまたはパッケージング内部に組み込まれているものがある。このような用途では、空間、重量、電力消費量が重要な要因となる可能性はあるが、一般には、民生用電池のサイズによる制限の方がきびしい。また、このような珍しい用途では、このような回路のコストは重要でないのが普通である。しかし、低コストの民生用電池では、このような電池管理機能は全くサポートされていない。
米国特許第5,747,189号には、電池と、この電池の充電状態をモニタする回路とが単一のハウジングに収納されていることが開示されている。充電状態を表示するための表示器を設けることができる。
米国特許第5,645,949号には、正端子と、負端子と、電力発生コア部分とを有する電池が開示されている。この電池は自分をモニタする内部回路を含む。この回路によって、この電池を制御することができる。
米国特許第5,537,024号には、電圧（Ｕ）を検出する回路が開示されている。この電圧は分圧器（Ｒ１、Ｒ４）を介して電圧検出器（ＶＤ）の入力端子に印加されている。電圧検出器（ＶＤ）の出力はトランジスタ（Ｔ１）のベースに印加されている。トランジスタ（Ｔ１）のコレクタ−エミッタ回路は、直列接続のコンデンサ（Ｃ１）とともに、検出される電圧（Ｕ）と並列に接続されている。コンデンサ（Ｃ１）とトランジスタ（Ｔ１）との節点は、抵抗（Ｒ５、Ｒ６）を介して分圧器（ＶＤ）の入力端子に接続されている。分圧器（ＶＤ）の出力は構成要素（Ｃ）の入力端子にさらに印加されている。この構成要素は、その入力端子が一定の信号レベルを受けるのか、変化する信号レベルを受けるのかによって、異なる出力信号を供給する。
国際公開第99/05745号には、電池用の表示回路と、電池から電力を受け取って表示器構成要素を駆動するための表示器ドライバ構成要素とを含む電池テスタ回路が開示されている。この表示器ドライバ構成要素は、基板上に印刷することもできる発振器回路である。
国際公開第95/21471号には、電池上で用いられる電池強度テスタが開示されている。このテスタは、強度表示器とスイッチング手段とを有することで、電池の端子間に表示器手段を配置して電池の充電を表示する回路を、完成させている。
国際公開第93/06474号には、電気化学電池と、関連する充電状態表示器とが開示され、この表示器は電気化学的に表示を発生させることを特徴としている。
【００１０】
（本発明の概要）
本発明は、表示システムを電池容器内に組みこむことによって、これらおよび他の要求を満たしている。表示システムは表示器コントローラを含み、このコントローラは、電池容器内に別に設けられたボルタ電池（voltaic cell）の内部電極電圧に応答する。表示システムは、表示器コントローラによって制御される表示器をさらに含む。ある態様では、パルス発生器を備えた表示システムが提供され、他の態様ではバーグラフなどのアナログ表示器を含む。
【００１１】
本発明の別の態様では、外形寸法と端子電圧とに適合する民生用電池は、ボルタ電池の電極電圧を検出して表示器を制御する表示システムを有している。このような民生用電池は、これらの機能を、標準寸法の容器内に組み込むことができる。
【００１２】
本発明のさらに他の態様では、充電状態を表示する方法であって、内蔵集積回路を含む電池パッケージ内のボルタ電池の電極電圧を検出するステップと、電極電圧と基準電圧とを比較するステップと、電極電圧が基準電圧未満になったときに充電状態を表示するステップとを含む方法が提供される。特に、本方法は、電極電圧が閾値未満になると、それに応答して、電池の端子電圧を増加させるステップをさらに提供する。
【００１３】
本発明のさらなる態様では、電力検知回路が、電池内部の蓄積電荷を検知して、蓄積電荷を表す調整された電圧を発生させ、電池容器の外部に設けられた表示器を制御する電池が提供される。
【００１４】
また、手動で作動させたアクチュエータによって内部ラッチを閉じせて、ボルタ電池の内部電極と、外部に設けられた電池端子とを電気的に結合させる電池が提供される。
【００１５】
さらに、ストップステップ発振器を有する電力制御状態マシンを組み込んで電池の端子電圧を上昇させる電力変換器を含む電池が提供される。
【００１６】
これらの特徴は、それぞれ、個別であれ種々に組み合わせたものであれ、民生用電池の可能性を向上させるものである。本発明のこれら利点および他の利点は、次の説明で明らかになる。
【００１７】
（発明の詳細な説明）
図１を説明する。図１は表示システム１１を容器１２内に組み込んだ電池１０、具体的には、側壁１４を有する電池１０を示す。以下、側壁１４を「ラベル」という。図１の例は筒形の民生用電池１０、例えば、ＡＡＡＡ、ＡＡＡ，ＡＡ、Ｃ、またはＤであるが、他のタイプの電池１０、例えば、角形電池および他のマルチセル電池内に、表示システム１１を組み込むこともできる。
【００１８】
表示システム１１の第１の例において見える部分には、アナログ表示器１３が主ボルタ電池バーグラフ１３ａの形態で含まれている。この主ボルタ電池バーグラフ１３ａの一端に「FULL」がラベル付けしてあり、他端に「EMPTY」がラベル付けしてある。図１のアナログ表示器１３には、リザーブボルタ電池バーグラフ１３ｂも含まれている。この予備（reserve）ボルタ電池バーグラフ１３ｂには、「RESERVE」がラベル付けしてある。このように個別に表示するのは、主電源（図示しない）の計算された部分とすることができる。その上、複数の電源（図示しない）は、予備バーグラフ１３ｂがなくても、主バーグラフ１３ａで合計することができる。ラベル１４には、テスタアクチュエータボタン１５も含まれている。このボタン１５は表示システム１１を手動制御できる。このことは後程説明する。当然、本発明の実施形態は全自動とすることもできる。
【００１９】
図１および２を説明する。容器１２には、対向する端部に、トップキャップ１６およびボトムキャップ１８も含まれる。トップキャップ１６の外面に正端子２０が形成してあり、ボトムキャップ１８の外面に負端子２２が形成してある。電池１０は、これら対向する端部を除き、図に示すように、容器１２で密閉してあり、ラベル１４で取り囲むかラベル１４へ組み入れてある。当業者にとって当然のことであるが、これら対向する端部を除く部分は、容器１２によって実質的に取り囲まれていても良い。例えば、コードレス電話のハンドセットはダブルセル電池（図示せず）を含むこともできる。この電池の２つのセルは容器が個別になっているが、これら個別の容器が一緒に収縮包装されている。これらの容器は見えるようになっている。
【００２０】
図２は図１の電池１０の一部破断図であり、図２を参照して本発明の幾つかの態様を説明する。表示システム１１は種々の電池が使用可能になっているので、図２には主ボルタ電池３０のような電池１０の内部構造を概略的に示す。主ボルタ電池３０は電気化学的電池、例えば、亜鉛炭素電池、リチウム電池、アルカリ電池、ニッケルカドミウム電池等とすることができる。また、主ボルタ電池３０は電気機械的な、太陽を利用した等のその他の電力蓄積手段または電力発生手段を有することができる。さらに、主ボルタ電池３０は個別の電源を複数個備えることもできる。主ボルタ電池３０には、主ボルタ電池正電極３２（カソード）と主ボルタ電池負電極３４（アノード）とが含まれており、負電極３４は負端子２２にグランド（ground）してある。セパレータ２８はアノード３４とカソード３２との間に配置してある。正電極３２は、絶縁した主正電極導体５２を介して、電池に内蔵された集積回路５０に電気的に結合してある。図２の電池１０は説明のためのものである。電池１０は、当業者にとって当然のことであるが、種々のエネルギ源に変更することができる。例えば、集電体（図示しない）のような構造を追加することができる。
【００２１】
図２の具体的なインプリメントでは、予備ボルタ電池３０′が容器１２内に含めてある。予備ボルタ電池３０には、予備ボルタ電池正電極３２が含まれ、この電極３２は絶縁された予備ボルタ電池正電極導体５４を介して集積回路５０に電気的に結合してある。また、予備ボルタ電池３０′には、負端子２２に電気的にグランドした予備ボルタ電池負電極３４′が含まれている。予備ボルタ電池３０′は、図２にはかなり大きく示してあるが、当然、電池のサービス寿命に比べて少し長い時間、自動命令または手動命令のいずれかに対してパフォームできる小さいサイズとすることができる。手動切り換えは、電池１０のサービス寿命がもうすぐなくなることをユーザに分からせようとするには都合が良く、特に、ラベル１４の点検時に、電池１０が見ずらい装置では都合が良い。このようなインプリメントでは、ラベル１４はテスタアクチュエータボタン１５のようなアクティベート（activate）手段を備えることができるが、次に説明するインプリメントは自動切り換えの例である。予備ボルタ電池３０′のサイズを意図的に小さくしたので、主ボルタ電池３０のサイズをほぼ民生用のボルタ電池の典型的なサイズにすることができる。
【００２２】
図２の具体的なインプリメントでは、予備ボルタ電池３０′が容器１２内に含めてある。予備ボルタ電池３０′には、予備ボルタ電池正電極３２′が含まれ、この電極３２は絶縁された予備ボルタ電池正電極導体５４を介して集積回路５０に電気的に結合してある。また、予備ボルタ電池３０′には、負極端子２２に電気的にグランドした予備ボルタ電池負電極３４′が含まれている。予備ボルタ電池３０′は、図２にはかなり大きく示してあるが、当然、電池のサービス寿命に比べて少し長い時間、自動命令または手動命令のいずれかに対してパフォームできる小さいサイズとすることができる。手動切り換えは、電池１０のサービス寿命がもうすぐなくなることをユーザに分からせようとするには都合が良く、特に、ラベル１４の点検時に、電池１０が見ずらい装置では都合が良い。このようなインプリメントでは、ラベル１４はテスタアクチュエータボタン１５のようなアクティベート（activate）手段を備えることができるが、次に説明するインプリメントは自動切り換えの例である。予備ボルタ電池３０′のサイズを意図的に小さくしたので、主ボルタ電池３０のサイズをほぼ民生用のボルタ電池の典型的なサイズにすることができる。
【００２３】
図３は電池１０から容器１２を取り除いた一部分解図であり、主ボルタ電池３０にスナップオン（snap on）した集積回路５０′を示す。ここで、このように電池１０をインプリメントしたものには、予備ボルタ電池３０′が含まれていないので、注意をされたい。図３の電池は標準のＡＡサイズの民生用電池を示唆しているが、このようなアセンブリは種々の電池タイプ、例えば、ＡＡＡＡ、ＡＡＡ、Ｃ、Ｄ、または角形の電池に対して適切である。インプリメントの中には、トップキャップ１６は、電池１０のラベル１４に（３点で）接着した偽トップ（false top）のもある。集積回路５０′は、電池１０が組み立てられたとき、動作可能にトップキャップ１６と接触する。図示したインプリメントでは、集積回路５０′はスナップオンしてあって、主正電極３２に接触する正電極導電板５６と、主負電極３４に接触する負電極導電板５８とを有し、正電極導電板５６と負電極導電板５８とがアースストラップ６０によって物理的に結合してある。このアースストラップ６０はラベル１４の一部とすることができる。また、アースストラップ６０には信号導体６２が含まれており、パルスインジケータ６４、例えば、ＬＥＤ（light emitting diode）か、あるいはまた、ＬＣＤ（liquid crystal display）には、集積回路５０′により電力が供給されている。アースストラップ６０上のグランディング導体６６に、パルスインジケータ６４がグランドしてある。電池１０が組み立てたられたときは、パルスインジケータ６４は少なくとも一部が外側から見える。
【００２４】
集積回路５０′は、さらに、絶縁層６８を正電極導電板５６とフレキシブル回路基板７０との間に含む。、グランディング導体６６と正電極導電板５６はそれぞれライン７２、７４を介してフレキシブル回路基板７０に電気的に結合してある。予備ボルタ電池３０′（図示せず）が、同様にするか、あるいは、当業者にとって当然である他の製造法で、スナップオンして組み込むことができる。
【００２５】
スナップオンにより電池に内蔵された集積回路は、電池１０の他の部分に、次の技術、すなわち、
（１）メルティングか、（２）導電性接着剤による接着か、（３）クランピングか、（４）金属ベルクロ−ベルクロ接続か、（５）電池ケースへの組み込み
によって、恒久的に固着させることができる。しかし、（１）ないし（５）の技術に限定されるものではない。
【００２６】
フレキシブル回路基板７０は薄いフレキシブル誘電体フィルム（つまり、層７６）、例えば、１mil厚のKaptonのような、ポリエステルまたはポリイミドに接合された導体のアレイ（図示せず）が含まれている。このフレキシブル回路基板７０は単層フレキシブル回路技術か、両面フレキシブル回路技術により形成されているが、層を追加することができる。フレキシブル回路を用いる応用では、一般に、このフレキシブル回路は意図した用途のため具体的にデザインされ加工されている。部品および結合部を回路基板上に配置することによって、機械的な結合部の数が減り、その結果、ノイズが軽減され、信頼性が向上する。また、フレキシブル回路によるアプローチによって、システム効率が上がるため、ＧＨｚレンジのクロックレートを達成することができる。フレキシブル回路７０の集積回路５０の電子部品は、シリコンチップ構造とすることができるのが好ましい。このシリコンチップ構造は、保護のため、また、より経済的なパッケージングのため、表面実装できるか、ダイ（die）として層７６内へ圧入（inject）できる。小さい体積の集積回路が有利である。フレキシブル回路によると、パッケージング密度が高くなり、動的な屈曲特性が良くなり、アナログまたはデジタル装置に対する接合および接触場所が供給され、複雑な形状デザインに対する信頼性が得られる。また、フレキシブル回路基板７０はフレキシブルで薄いので、電池１０の、ラベル１４を含む他の部分に組み込むことができる。
【００２７】
フレキシブル回路基板７０は薄いフレキシブル誘電体フィルム（つまり、層７６）、例えば、１mil厚のKaptonのような、ポリエステルまたはポリイミドに接合された導体のアレイ（図示せず）が含まれている。このフレキシブル回路基板７０は単層フレキシブル回路技術か、両面フレキシブル回路技術により形成されているが、層を追加することができる。フレキシブル回路を用いる応用では、一般に、このフレキシブル回路は意図した用途のため具体的にデザインされ加工されている。部品および結合部を回路基板上に配置することによって、機械的な結合部の数が減り、その結果、ノイズが軽減され、信頼性が向上する。また、フレキシブル回路によるアプローチによって、システム効率が上がるため、ＧＨｚレンジのクロックレートを達成することができる。フレキシブル回路７０の集積回路５０′の電子部品は、シリコンチップ構造とすることができるのが好ましい。このシリコンチップ構造は、保護のため、また、より経済的なパッケージングのため、表面実装できるか、ダイ（die）として層７６内へ圧入（inject）できる。集積回路は体積を小さくした方が有利である。フレキシブル回路によると、パッケージング密度が高くなり、動的な屈曲特性が良くなり、アナログまたはデジタル装置に対する接合および接触場所が供給され、複雑な形状デザインに対する信頼性が得られる。また、フレキシブル回路基板７０はフレキシブルで薄いので、電池１０の、ラベル１４を含む他の部分に組み込むことができる。
【００２８】
電池１０の保管寿命を延ばすため、ラッチ８８を含めるのが好ましい。最初に使用する前に、ラッチ８８はオープンにして、集積回路５０の残りの部分が電力によってイネーブルされて電力損失が生じるのを防いでいる。ラッチ８８の例としてはシングルショットマルチバイブレータがある。
【００２９】
ラッチ８８はテスタアクチュエータ９２で制御するのが好ましい。テスタアクチュエータ９２はグランディング導体３４″に電気的に結合され、結果的には、正電極３２″にも電気的に結合されている。ユーザによる操作に応答して、テスタアクチュエータ９２は出力をラッチ８８に供給してラッチ８８を閉じる。それ以後、ラッチは閉じたままとなる。また、テスタアクチュエータ９２は、図４では表示器コントローラ１００に接続してあるが、出力を表示システム１１に供給している。テスタアクチュエータ９２による表示システム１１へのこのような手動入力を用いて、自動イネーブリング手段を全く持たない表示システム１１をイネーブルするかブートするか、あるいは、イネーブルまたはブートでない状態であるディセーブル（例えば高充電状態にある）状態で、この表示システムをイネーブルまたはブートするか、あるいは、図８に関して説明するならアナログ表示器１３に信号を直接供給することにより集積回路５０をバイパスしている。アナログ表示器１３の他の応用も当業者にとって当然可能である。
【００３０】
一度、ラッチ８８が閉じると、結果的に正電極３２″がプレポンプ１０２に電気的に結合される。プレポンプ１０２はチャージポンプ・ベースの電源であって、集積回路５０の他の構成要素、例えば、表示器コントローラ１００と、基準電圧源１０４例えば集積バンドギャップ基準電圧源に、電力を供給するためのものである。基準電圧源１０４はステディな基準電圧信号を表示器コントローラ１００と電力変換器９０とに出力している。
【００３１】
表示器コントローラ１００はアナログ表示器１３に電気的に結合してあり、フォワード制御部１０６の信号を電力変換器９０に供給している。電力変換器９０は電池１０の正端子２０と負端子２２とに電気的に結合してある。電力変換器９０はスタートアップ中にサージ入力をプレポンプ１０２に送っている。このことは、図６の関連して後程説明する。
【００３２】
集積回路５０が電力変換器９０を含まない場合に、本発明をインプリメントするには、ラッチ８８をオープンにして、プレポンプ１０２をディセーブルにし、表示システム１１をディセーブルにする。図４ないし図６に示したインプリメントでは、プレポンプ１０２がディセーブルであるときは、表示システム１１が動作しないだけでなく、正端子２０も電池電力を全く受け取らない。
【００３３】
当業者にとって当然のことであるが、集積回路５０は、この例では、幾つかの電気化学的ボルタ電池にとって適正な電極電圧を検出することにより、電力センシング機能をパフォームしている。しかし、他の電力センシングアプローチも、例えば、電力が電磁場の形態で蓄積されているか、ある量の燃料の形態で蓄積されているか、あるいは、運動エネルギーの形態で蓄積されている場合に採用できる。表示器１３は電極電圧によって電力が直接供給される必要はなく、その代わりに、調整された電圧によって電力が供給されるから、このような表示システム１１に対しては、多くの形態のエネルギ源が候補となる。
【００３４】
図５は図４の電力変換器９０の実施態様をより詳細に示す。電力変換器９０に含まれるものとしては、入力コンデンサＣ１と、インダクタＬと、ＭＯＳＦＥＴスイッチ２（ＳＷ２）と、ＭＯＳＦＥＴスイッチ３（ＳＷ３）（通常は、電圧を上昇させる電力変換器９０用のショットキーダイオード）と、出力コンデンサＣ２と、ストップステップ発振器を有する電力制御状態マシン１１０とがある。電力変換器９０は、結果には、正電極および負電極３２″、３４″から入力電圧を受け取る。正電極および負電極３２″、３４″の間には、特に、ボルタ電池３０、３０′が電力変換器９０から遠い場合に、入力を安定させるために、入力コンデンサＣ１が接続してある。典型的なコンデンサＣ１は、例えば、タンタルエーテルコンデンサ構造か、ポリマーコンデンサとすることができる。電力変換器９０は正端子および負端子２０、２２に出力電圧を供給する。正端子および負端子２０、２２の間に、出力コンデンサＣ２が接続してある。出力コンデンサＣ２は、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が低い低ＥＳＲタイプのタンタルコンデンサか、ポリマか、他のタイプのコンデンサとすることができる。当然のことであるが、電力変換器９０は出力コンデンサＣ２に相当するコンデンサを有した上でパッケージ内に形成できる。
【００３５】
インダクタＬは第１端子が正電極３２″に接続してあり、第２端子がＳＷ２のドレインに接続するとともにＳＷ３のドレインに接続してある。ＳＷ２のコレクタおよびサブストレートは、負電極３４″に接続してある。ストップステップ発振器を有する電力制御状態マシン１１０は、ＳＷ２のゲートおよびドレインとの接続部と、ＳＷ３のゲートとの接続部と、負電極３４″との接続部と、ＳＷ３のドレインとサブストレートとコレクタとの接続部とを有するとともに、上述したプレポンプ１０２と基準電圧源１０４とフォワード制御部１０６とを含む電力変換器９０への外部入力端子を有する。このことは、後程、図６を参照して詳細に説明する。
【００３６】
図６は図５のストップステップ発振器を有する電力制御状態マシン１１０を示す。電力制御状態マシン１１０に含まれるものとしては、チャージポンプアキュムレータを有するスタートアップ回路１１２と、発振器１１４と、誤差増幅器１１６と、スタートステップ制御ロジックゼロボルト出力検出器１１８と、変調器１２０と、ＳＲフリップフロップ１２２と、マルチプレクサ／ロジックシフタ／アンチクロスコンダクション段１２４とがある。また、ストップステップ発振器を有する電力制御状態マシン１１０の各構成要素は、負電極３４″に対して、一部、バイアスされている。
【００３７】
電力変換器９０は、電池１０が十分に充電されていないときでも、電池１０に取り付けられた負荷（図示せず）からの要求により、サージを処理するのが望ましい。サージが処理された場合、インダクタＬを通る正電極電圧が、チャージポンプアキュムレータを有するスタートアップ回路１１２に印加され、このスタートアップ回路１１２により発振器１１４と、スタートステップ制御ロジックゼロボルト出力検出器１１８と、マルチプレクサ／ロジックシフタ／アンチクロスコンダクション段１２４とに電力が供給されるのが望ましい。
【００３８】
サージが処理されない場合は、要求よって集積回路５０に適正に電力供給されないとき、ストップステップ発振器を有する電力制御状態マシン１１０が予測できない動作をする可能性がある。
【００３９】
発振器１１４は、安定した周波数を、ストップステップ発振器を有する電力制御状態マシン１１０のクロッキング構成要素、特に、スタートステップ制御ロジックゼロボルト出力検出器１１８および変調器１２０に供給する。
【００４０】
誤差増幅器１１６は正端子２０からのＶout信号と基準電圧源１０４からの基準電圧とを比較し、誤差信号をスタートステップ制御ロジックゼロボルト出力検出器１１８に供給する。
【００４１】
スタートステップ制御ロジックゼロボルト出力検出器１１８は、誤差信号と相関関係にあるＳＲフリップフロップ１２２へのデューティサイクル信号を変調し、誤差信号が正のときにデューティサイクル信号を１ステップだけ増加させ、誤差信号が負のときにデューティサイクル信号を１ステップだけ減少させる。さらに、スタートステップ制御ロジックゼロボルト出力検出器１１８は、ゼロ電圧（すなわち、電池がショートした状態）を検出するため、Ｖout信号を正端子２０から受け取り、デューティサイクル信号を減少させて、電池出力を低下させている。スタートステップ制御ロジックストップコントローラは、軽負荷の場合に、長時間断続モードをパフォームし、効率を低下させないようにする。
【００４２】
ＳＲフリップフロップ１２２は、デューティサイクル信号がＳ入力に入力され、変調器１２０が、クロックレートが発振器１１４と同じ変調器信号をＲ入力に供給することによって、駆動信号を発生させる。
【００４３】
マルチプレクサ／ロジックシフタ／アンチクロスコンダクション段１２４は、この駆動信号を受けて、ＳＷ２およびＳＷ３のゲートを十分に駆動して飽和状態にする出力信号を生成する。アンチクロスコンダクション段はゲート間の不感時間をフォワード制御信号とＶout信号に基づき動的に調整する。
【００４４】
図７は図４の表示器コントローラ１００をインプリメントしたものであって、図３のパルスインジケータ６４のために構成した表示器コントローラ１００ａを示す。表示器コントローラ１００ａは電圧閾値検出器１３０を備えている。電圧閾値検出器１３０は電極電圧をモニタし、ボルタ電池が、予め定めた時間の間、閾値電圧未満になったとき、閾値信号を出力する。この閾値信号によって、表示システム１１の残りの部分がイネーブルにされるかブートされ、その結果、パルス表示される。
【００４５】
電圧閾値検出器１３０によって検出された電極電圧は、電池１０に対する負荷（図示せず）が変化するため変動する場合がある。例えば、サージ間隔、例えば、約１００ｍｓの間の大電流スパイクや、対応する電極電圧降下は、多くの装置で、特に、スタートアップ中にみられるのが典型的である。表示システム１１の誤警報を防止するため、電圧閾値検出器１３０は差動入力ヒステリシスシュミットトリガＡを備えており、差動入力ヒステリシスシュミットトリガＡは正電極３２″と、基準電源１０４の基準電圧、例えば、１．４Ｖとを比較する。電極電圧は抵抗Ｒａおよび抵抗Ｒｂの分圧器により検出される。抵抗Ｒａの第１端子と抵抗Ｒｂの第１端子とが、ヒステリシスシュミットトリガＡへの正入力に電気的に結合してあり、抵抗Ｒａの第２端子が正電極３２″に電気的に結合してあり、抵抗Ｒｂの第２端子が負電極３４″に電気的に結合してある。抵抗ＲａおよびＲｂの節点は、上述した電力変換器９０に送られるフォワード制御部１０６に対する供給源としても規定される。抵抗Ｒａおよび抵抗Ｒｂの抵抗値は、抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂとを直列接続したものにおける電力損失が低くなる値が選択され、基準電圧と比較されたとき、表示システム１１に対する所望のターンオン電圧が得られるように選択される。
【００４６】
ヒステリシスシュミットトリガＡの出力は、ＭＯＳＦＥＴスイッチＳＷ４のゲートに接続されている。ＳＷ４のドレインはプレポンプ１０２から電力供給されている。スイッチＳＷ４のサブストレートとコレクタは、表示器１００ａの残りの部分、特に、単一の入力反転ヒステリシスシュミットトリガＢと、差動入力ヒステリシスシュミットトリガＣと、オペアンプＤとに、バイアスをかけるように電気的に結合されている。オペアンプＤは正電極３２″から入力を受け、バッファリングされている電極電圧を、差動入力ヒステリシスシュミットトリガＣの非反転入力端子への出力として供給する。シュミットトリガＣの反転入力端子は、反転シュミットトリガＢの入力端子に電気的に結合されている。抵抗Ｒ１は第１端子が反転シュミットトリガＢの入力端子と出力端子の間に接続されている。コンデンサＣ３が反転シュミットトリガＢの入力端子と負電極３４″との間に接続されている。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ３とシュミットトリガＢとを組み合わせて低周波発振器１３２が構成され、パルスインジケータの周波数入力がシュミットトリガＣの反転入力端子に供給されるように、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ３の値が選択される。バッファリングされた正電極電圧がシュミットトリガＣの非反転入力端子で低下すると、シュミットトリガＣからの出力パルス列のデューティサイクルが増加する。この出力パルス列はＭＯＳＦＥＴスイッチ５のゲート制御に用いられる。ＭＯＳＦＥＴスイッチ５のサブストレートとコレクタは、負電極３４″に接続してあり、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５のドレインは、パルスインジケータ６４に接続してある。スイッチＳＷ５は高インピーダンススイッチであるので、パルスインジケータ６４、例えば、ＬＥＤまたはＬＣＤに、電流制限抵抗を必要とせずに、直接接続することができる。
【００４７】
図８は図１のアナログ表示器１３のようなアナログ表示器のための第２表示器コントローラ１００ｂを示す。図７に関して前述したことは、図８におけるシュミットトリガＡと、スイッチ４（ＳＷ４）と、オペアンプＤに対して同様に適用することができる。低周波発振器１３２を用いずに、オペアンプＤからのバッファリングされた正電極電圧を差動入力ヒステリシスシュミットトリガＥの非反転入力端子に電気的に結合してある。差動入力ヒステリシスシュミットトリガＥの反転入力端子は、基準電源１０４に電気的に結合してある。差動入力ヒステリシスシュミットトリガＥの出力は、アナログ表示器１３に電気的に結合してある。
【００４８】
図８は図４のテスタアクチュエータ９２の他の実施態様も示す。テスタアクチュエータ９２は、表示器コントローラ１００ｂの出力（すなわち、オペアンプＥの出力）と、バーグラフ表示器１３とに直接接続してある。具体的には、テスタアクチュエータボタン１５（図１）によって、第１接点１３６と第２接点１３８とが閉じられる。第１接点１３６によって正電極３２″とバーグラフ表示器１３とが電気的に結合される。第２接点によってバーグラフ表示器１３と抵抗Ｒｔの第１端子とが電気的に結合される。他方、抵抗Ｒｔの第２端子は負電極３４″に電気的に結合してある。そこで、電池１０が電池ソケットから外れているか、電池１０に外部負荷が全くかかっていないとき、テスタアクチュエータ９２によって最適な人為的負荷（抵抗Ｒｔ）をかけることにより、電極電圧が電池１０の充電状態を反映することになる。抵抗Ｒｔはラベル１４上に印刷するか、フレキシブル回路サブストレート７０の中に組み込んだ後、この抵抗Ｒｔをトリムして、特定のバーグラフ表示器のために適正に較正してもよい。
【００４９】
図７および８を説明する。ヒステリシスシュミットトリガＡの出力端子を予備スイッチ７８にも接続し、低電極電圧が検出されたときに予備ボルタ電池３０′を用いるようにするのが好ましい。
【００５０】
図９を説明する。図９の電圧プロットは図４に示したような集積回路５０の動作を示す。製造直後のフェーズ１では、電池１０は、内部主電池電極電圧（主電池）が十分に充電されていて、集積回路５０から電気的に切断されている。また、電池１０は電池端子２０、２２（端子）からも電気的に切断されているのが好ましい。電池１０が電池端子２０、２２から分離されると、延長された保管寿命の間に、電力漏れの可能性が減るだけでなく安全でもある。例えば、リチウム電池は、その端子２０、２２が保管中に偶然にショートしたときのように、急速に放電する場合には、放電中に加熱し破裂する可能性がある。
【００５１】
時刻Ｔ０において、主電池電極３２、３４は例えばラッチ８８によって端子２０、２２にそれぞれ電気的に結合される。この電気的結合により、電力も集積回路５０の少なくとも一部、例えば、プレポンプ１０２と、基準電源１０４と、シュミットトリガＡとに供給される。この電極電圧が基準電圧を超えるとき、この端子電圧は、その後のフェーズ１の間、主ボルタ電池電圧をトレースする。
【００５２】
時刻Ｔ１において、この電極電圧が基準電圧未満になり、同時に、フェーズ２が開始される。電力変換器９０と表示システム１１とが共に自動的にアクティベートする。この電極電圧は引き続き降下するが、この端子電圧は電力変換器９０によってより高電圧に比較的一定に維持される。表示システム１１の例は図１０および１１に関連させて後述する。
【００５３】
予備ボルタ電池が無い場合には、この電極電圧はカットオフ電圧、例えば、０．７Ｖに達するまで降下していくことになり、この電極電圧がカットオフ電圧になると、このカットオフ電圧により集積回路５０はもはや動作できなくなる。そして、インプリメントに依存するのであるが、この端子電圧は、再び電極電圧をトレースするか、電極３２、３４から電気的に切断されることになる。
【００５４】
しかし、図９は予備ボルタ電池３０′を含むインプリメントを示す。時刻Ｔ２では、この電極電圧が、カットオフ電圧よりも高い予備トリガ電圧に達し、予備ボルタ電池３０′から端子２０、２２への電力供給が開始される。フェーズ３の間、予備ボルタ電極電圧は主ボルタ電池電圧に対して、前述したのと同様にして、降下する。ただ、一般的に、この降下の方が速い。そして、電力変換器９０と表示システム１１とを再びトリガすることができる。時刻Ｔ３において、予備ボルタ電池電極電圧がカットオフ電圧に達し、その後、フェーズ４において、集積回路５０はアクティベートされなくなる。
【００５５】
図１０は図８および図９に関して説明したようなパルスインジケータ６４に対するフェーズ２を示す。ここで、時刻Ｔ１で、パルス列が始まり、時刻Ｔ２まで、周波数が引き続き増加する。時刻Ｔ２において、ＬＥＤのようなパルスインジケータ６４が光り、電池切れが間近であることをユーザに知らせる。
【００５６】
図１１は図９および図１０に関して説明したようなバーグラフ表示器１３に対するフェーズ２を示す。オペアンプＥによって、電極電圧（すなわち、バッファリングされたオペアンプＥの出力）がバーグラフ表示器１３の対応する範囲に変換される。このように較正することによって、電極電圧測定における非線形性を、充電状態に適合させるとともに、アナログ表示器１３の動作可能入力範囲に適合させることができる。
【００５７】
よって、本発明は、その広い態様においては、具体的な説明に限定されず、代表的な装置および方法に限定されず、図示し説明した例に限定されない。したがって、出願人の一般的な発明概念の精神および範囲から逸脱しない限り、このような詳細な説明から逸脱することができる。
【００５８】
例えば、電力変換器９０は集積回路５０の一部として表わすのが好ましいが、表示システム１１を電池１０の内部に組み込んで、ボルタ電池電圧を電池端子２０、２２に直接供給しても良い。あるいはまた、電力変換器９０は端子電圧を、電極３２と３４との間の電圧を増加または減少させるなどして、フルタイムに調整しても良い。
【００５９】
他の例として、電気化学的ボルタ電池３０にとって典型的なサイズおよび構造を示したが、集積回路５０は太陽電池と、ハイブリッド電池と、電気機械的電池等を含む広範囲のボルタ電池３０に適用することができる。その上、電池１０は任意の数の主ボルタ電池３０および／または予備ボルタ電池３０′を電気的に直列または並列に接続したものでもよい。
【００６０】
さらに、バーグラフ表示器１３のようなアナログ表示器またはパルスインジケータ６４に加えるか代えて、種々のタイプの表示をラベル１４に組み込むこともできる。例えば、充電状態の情報をデジタル変換して、対応する数値またはパーセンテージで表示することもできる。また、充電状態の情報を、対応する時間測定値、例えば、電池１０が放電するまでの時間に変換しても良い。このような時間測定は平均放電量や、瞬間放電量や、予め定めた放電量に基づいて行われる。
【００６１】
さらにまた、電池１０がテスタアクチュエータボタン１５を有する例を説明したが、電池１０は複数の機能、例えば、集積回路５０を最初にイネーブルにして保管寿命を延ばす機能や、充電状態でないとき表示システム１１はインアクティブであるが、インアクティブのときの充電状態を、手動で表示システム１１をアクティベートして確認する機能を有するのが好ましい。この電池１０の他のインプリメントでは、このようなインタフェースがなかったり、ラッチ８８を除く幾つかの機能が割り当ててあるため、集積回路５０が自動的にアクティベートされたりする。
【００６２】
さらに、テスタアクチュエータ９２は集積回路５０をアクティベートするが、電極電圧とバーグラフ１３とを接続したり、較正された抵抗Ｒｔをバーグラフ表示器とグランドとの間に接続したりしないようにすることができる。
【００６３】
また、表示システム１１は視覚的に報知することに加えて、あるいは代えて、音声で報知することもできる。そうすると、周波数または持続時間を変調した可聴音によって、電池切れが間近であることを伝えることができる。
【００６４】
当然のことであるが、最初に集積回路５０をディセーブルにするラッチ８８を省略して、電池１０がフル（full）に動作できるようにすることができる。あるいはまた、このラッチ８８によって、正電極３２″と電力変換器９０とが電気的に結合し、ついで、正端子２０と電気的に結合するのを阻止することもできる。このようにするには、ユーザが手動で電池１０を動作させる必要があるが、保管寿命を延ばそうとするのなら、このようなことも許されるであろう。加えて、リチウム電池のようなボルタ電池の中には、急速に放電して安全が損なわれるものもある。最初に正端子２０を電気的に切断しておくことにより、電池をうっかり水たまりに落としたりした場合にも、電池がショートしないように、安全対策を施すことができる。電力変換器９０を用いずに本発明をインプリメントしても、ラッチ８８を正端子２０に直接結合させて、同様の安全強化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
添付の図面は、本明細書に取り入れられ、その一部をなしているが、本発明の実施形態を示しており、また上述した本発明の一般的な説明および後述する実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明することに役立つ。
【図１】  表示システムを電池容器内に組み込んだ電池を示し、バーグラフの形態の１つのタイプの表示を示し、テスタアクチュエータボタンの形態のインタラクティブユーザ制御を示す斜視図である。
【図２】  電池に内蔵した集積回路であって、主ボルタ電池電極と予備ボルタ電池電極と電池端子との間に配置した集積回路を示す、図１の電池の部分断面図である。
【図３】  容器を取り外し部分的に分解した電池を示す分解斜視図であって、電池に内蔵した集積回路であって主ボルタ電池スナップオンした集積回路を示し、ＬＥＤのようなパルス表示器の形態の他のタイプの表示を示す分解斜視図である。
【図４】  電池に内蔵した集積回路と、この回路と電池の他の構成要素との関係を示す図２の電池の電気ブロック図である。
【図５】  図４の電力変換装置をインプリメントしたものを示す図である。
【図６】  図５のストップステップ発振器を有する電力制御状態機械をインプリメントした具体例を示す図である。
【図７】  図４の集積回路における表示器コントローラをインプリメントした例を示す図であって、ＬＥＤ表示器またはＬＣＤ表示器のようなパルスタイプ表示器に対する制御を示す図である。
【図８】  図４の集積回路の主要な構成要素として示した表示器コントローラをインプリメントした他の例を示す図であって、バーグラフタイプの表示器に対する制御およびプレストゥテスト表示を示す図である。
【図９】  図２および図４の電池に対する時間対電圧プロットを示す図であって、電池電圧は、最初は主ボルタ電池の電圧であり、急速に降下して基準電圧未満になり、最終的にカットオフ電圧未満になり、このとき、電池電圧を予備ボルタ電池電圧に切り換えることを説明するための図である。
【図１０】  図７および９の集積回路に対する電圧プロットを示す図であって、主ボルタ電池電圧が基準電圧からカットオフ電圧へ降下するときに、周波数が増加するパルス表示が出される図である。
【図１１】  図８および９の集積回路に対する電圧プロットを示す図であって、バッファリングされた主ボルタ電池電圧が、主ボルタ電池電圧が基準電圧とカットオフ電圧との間にあるときのバーグラフ表示器の対応範囲に対応する較正された信号に変換されることを説明するための図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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