JP2009295769A - Ｌｅｄフラッシュ装置ならびに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、薄型であるけれども高輝度発光が可能であり、かつ、写真撮影時の赤目防止機能、連射、動画にも対応可能なフラッシュ装置を提供する。
【解決手段】 補助電源２１は、そのエネルギ密度が５Ｗｈ／ｋｇ以上であると共に、ＬＥＤ１０には、０．８Ａ以上の電流が通電される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、デジタルカメラやデジタルカメラ機能付き携帯電話機等の電子機器に用いられるフラッシュ装置に関し、特に、ＬＥＤ光源を有するＬＥＤフラッシュ装置に関する。

フラッシュ装置（ストロボ装置）を搭載したデジタルカメラは、夜間であっても明瞭な写真が得られることから現在普及している。その原理を、図１に示す簡単な回路図で説明する。図１に示されたフラッシュ装置は、バッテリ部、ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧）、放電コンデンサ、トリガ回路、そしてキセノン放電管よって構成されている。バッテリ部の電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータによって所定の電圧（通常２５０〜５００Ｖ）に昇圧され、放電コンデンサに充電される。トリガ回路のスイッチが入れられると、放電コンデンサの電荷がトリガ回路のトランスの一次側を通して放電し、二次側には数千Ｖのパルス電圧が発生する。このパルス電圧がキセノンガスを封入した放電管に印加されると、管内のガスがイオン化して瞬間的に（５０〜１００μｓｅｃ）キセノンガスが発光する。キセノンガス発光光のスペクトルは太陽光に近いため、このようなフラッシュ装置は、フィルム式のアナログカメラの時代から用いられてきた。

しかし、このようなフラッシュ装置は、携帯電話機等に用いる場合に、問題がある。即ち、放電用コンデンサとして高耐圧でかつ瞬間放電に耐えられる電解コンデンサを用いる必要があるが、その寸法は大きく、小型、薄型のデジタルカメラや携帯電話機等の電子機器に搭載することが困難である。敢えて搭載したとしても、電子機器の大型化を招来する。例えば、Sony Ericsson社の携帯電話機K800i（いずれも、商標または登録商標）には、キセノン放電管を用いたフラッシュ装置が搭載されており、放電コンデンサとして円筒型電解コンデンサ（直径７ｍｍ、長さ１８ｍｍ）を２個搭載しているため、携帯電話機の厚さは２０ｍｍと厚いものとなってしまった。

近年、フラッシュ装置を小型化する手法として、ＬＥＤ光源を有するＬＥＤフラッシュ装置が注目されている。従来の低輝度タイプのＬＥＤフラッシュ装置の簡単な回路図を図２に示す。このような回路を高輝度タイプのＬＥＤフラッシュ装置に適用した場合、次のような問題が生じる。高輝度でＬＥＤを発光させるためには、例えば１Ａ（アンペア）用のＬＥＤを２個並列に配置し、各ＬＥＤに５Ｖ程度印加する必要がある。ＬＥＤフラッシュドライバとしてブーストコンバータを用い、その変換効率を８５％とすると、必要とされる電流Ｉは、「Ｉ＝（５［Ｖ］／３．３［Ｖ］／８５％）×２＝３．６［Ａ］」と大きく、一般的に用いられている携帯電話機用の二次電池の出力電流を越えている。

この問題を克服するために、高容量のスーパーキャパシタを用いる技術が、非特許文献１に開示されている。この技術においては、高容量のスーパーキャパシタ（寸法：３７×１７×２．４ｔ［ｍｍ］）を用いることにより、２個の１ＡのＬＥＤを１５０ミリ秒の間、高輝度に光らせることを可能としている。しかし、充電電流を３００ｍＡと仮定した場合に充電時間は１０秒程度必要であることが述べられている。このため、１５０ミリ秒以上長い時間光らせると輝度が落ちるため、例えば赤目防止用に予備のフラッシュを発光させたり、また、ＬＥＤフラッシュの連射を行ったりすることが、非常に困難である。さらに、暗い所での高輝度のムービー照明機能（トーチ機能）を併せて実現することは、スーパーキャパシタの容量から考えて不可能である。

その他、ＬＥＤフラッシュ装置に関する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。また、ダイオードレーザに関する技術は、例えば、特許文献２に開示されている。放電管によるフラッシュ装置に関する技術は、例えば、特許文献３に開示されている。また、コンデンサを用いた無停電電源装置に関する技術は、例えば、特許文献４に開示されている。リチウムイオン二次電池を用いた無停電電源装置に関する技術は、例えば、特許文献５に開示されている。また、太陽電池モジュールにコンデンサや低電圧ダイオードを併用した電源装置に関する技術は、例えば、特許文献６に開示されている。また、リチウムイオン二次電池の出力回復に関する技術は、例えば、特許文献７に開示されている。

http://www.powermanagementdesignline.com/showArticle.jhtml?printableArticle=true&articleId=188100789 特開２００７−１２１７５５号公報 特開２００７−５１９２５９号公報 特開２００６−２０８９７４号公報 特開２００１−１９７６８６号公報 特開２００２−０５８１７０号公報 特開２００６−０６７７５９号公報 特開２００６−１０７８６４号公報

このように、ＬＥＤフラッシュ装置は、それまでの放電管を用いたフラッシュ装置に比べて小型化できる点で有利であるものの、高輝度発光等を行うためには上述のごとく解決しなければならない問題があり、それらの点を改善することが望まれている。

それ故、本発明の課題は、小型、薄型であるけれども高輝度発光が可能であり、かつ、写真撮影時の赤目防止機能、連射、動画にも対応可能なフラッシュ装置、ならびに、そのようなフラッシュ装置を搭載した電子機器を提供することである。

本発明によれば、光源としてのＬＥＤと、前記ＬＥＤ駆動用の補助電源と、フラッシュパルス幅を含む前記ＬＥＤの発光状態を制御するコントローラと、前記ＬＥＤの発光に必要な電圧を発生する昇圧回路と、前記コントローラの制御に応じて前記ＬＥＤに流れる電流をオン／オフする電流スイッチとを有するＬＥＤフラッシュ装置において、前記補助電源は、そのエネルギ密度が５Ｗｈ／ｋｇ以上であると共に、前記ＬＥＤには、０．８Ａ以上の電流が通電されることを特徴とするＬＥＤフラッシュ装置が得られる。

また、前記補助電源を充電するための充電回路をさらに有していてもよい。

さらに、前記ＬＥＤフラッシュ装置は、電子機器に搭載され、電子機器全体の駆動用の主電源の内部抵抗（Ｒ_ｉｎ（主電源））と、前記補助電源の内部抵抗（Ｒ_ｉｎ（補助電源））との比（Ｒ_ｉｎ（主電源）／Ｒ_ｉｎ（補助電源））が、１以上であってもよい。

また、前記補助電源は、前記フラッシュ装置以外の電子機器の動作のために、主電源と協働または代替に電子機器に電力を供給するバックアップ電源も兼ねていてもよい。

さらに、前記補助電源は、主電源と並列に接続されていてもよい。あるいは、前記補助電源は、相互に直列に接続された複数の高出力電池によって構成されていてもよい。

また、前記補助電源は、有機ラジカル二次電池、リチウムイオン二次電池、あるいは、リチウムイオンキャパシタであってもよい。

本発明によればまた、前記ＬＥＤフラッシュ装置を搭載したことを特徴とする電子機器が得られる。

本発明によるＬＥＤフラッシュ装置は、小型、薄型であるけれども高輝度発光が可能であり、かつ、写真撮影時の赤目防止機能、連射、動画にも対応可能である。

以下、本発明の実施例形態によるＬＥＤフラッシュ装置を説明する。

本ＬＥＤフラッシュ装置は、デジタルカメラ機能付きの携帯電話機等の電子機器に搭載可能であり、光源としてのＬＥＤと、ＬＥＤ駆動用の補助電源と、フラッシュパルス幅を含むＬＥＤの発光状態を制御するコントローラと、ＬＥＤの発光に必要な電圧を発生する昇圧回路と、コントローラの制御に応じてＬＥＤに流れる電流をオン／オフする電流スイッチとを有している。

ここで、本発明によるフラッシュ装置の昇圧回路について説明する。本昇圧回路は、選択的に複数の昇圧値をとることができる。図３は、昇圧回路として用いられるチャージポンプの回路図を示す。このチャージポンプにおいて、図３（ａ）のポジションにあるとすると、コンデンサ（Ｃ１）は入力の電圧源によって端子電圧がＶ_ｄｄまでチャージされる。一方、図３（ｂ）の状態になると、Ｃ１はＳ２の下にある電圧源と直列になるため、図中点ａの電圧は、Ｖ_ｄｄの２倍まで上昇する。同時にＳ３が閉じるため、出力には、Ｖ_ｄｄが２倍昇圧された電圧が得られる。チャージポンプは、同様の回路を連結すれば、Ｖ_ｄｄの３倍、４倍〜といった電圧を出力することも可能である。

さて、本装置は特に、補助電源のエネルギ密度が５Ｗｈ／ｋｇ以上であると共に、ＬＥＤには０．８Ａ以上の電流が通電される。

本発明における補助電源として、具体的には、有機ラジカル二次電池、リチウムイオン二次電池、あるいは、リチウムイオンキャパシタ等のいわゆる高出力電池が用いられる。

次に、本フラッシュ装置の補助電源として、高容量、高出力のスーパーキャパシタを用いた比較例と、高出力電池を用いた本発明との特性比較を行った。両者の基本性能の比較を、表１に示す。

ここで、フラッシュパルス幅ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}：１５０ミリ秒を実現する場合の比較を行う。ＬＥＤフラッシュ発光の条件は、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤ：２Ａ、フラッシュパルス幅ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}：１５０ミリ秒、順方向電圧ＬＥＤ_{ｆｏｒｗａｒｄ}：４．２Ｖ、電流スイッチの抵抗：典型的には５０ｍΩ（最大でも１００ｍΩ未満）、キャパシタ充電電圧：５．３Ｖとした。

［スーパーキャパシタ（比較例）］
順方向電圧ＬＥＤ_{ｆｏｒｗａｒｄ}：４．２Ｖ・・・（１）
電流スイッチにおける電圧降下ΔＶ_ｓｗ：
ΔＶ_ｓｗ＝２［Ａ］×０．０５（最大で０．１未満）［Ω］＝０．１［Ｖ］＜０．２［Ｖ］・・・（２）
キャパシタでの電圧降下：ΔＶｄ
ΔＶｄ＝Ｉ_ＬＥＤｘＥＳＲ＋Ｉ_ＬＥＤ×ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}／Ｃ＝２［Ａ］×０．１［Ω］＋２［Ａ］×０．１５［秒／Ｃ］
よって、ΔＶｄ＝５．３［Ｖ］−（１）−（２）＝５．３−４．２−０．２＝０．９［Ｖ］
したがって、キャパシタ容量Ｃ：０．４３Ｆとなり、規格値を満足する。つまり、スーパーキャパシタは、容量０．５５Ｆで、ＬＥＤ電流２Ａ以上（計算値２．５Ａ）となる。

［高出力電池（本発明）］
順方向電圧ＬＥＤ_{ｆｏｒｗａｒｄ}：４．２Ｖ・・・（１）
電流スイッチにおける電圧降下ΔＶ_ｓｗ：
ΔＶ_ｓｗ＝２［Ａ］×０．０５（最大で０．１未満）［Ω］＝０．１［Ｖ］＜０．２［Ｖ］・・・（２）
２個直列セルでのラジカル電池の電圧降下ΔＶｄ：
ΔＶｄ＝３．５［Ｖ］×２−４．２［Ｖ］−０．２［Ｖ］＝２．６［Ｖ］
単一セルでは等価直列抵抗１．５Ωのため、２個直列セルでの等価直列抵抗Ｒ：
Ｒ＝１．５［Ω］×２＝３［Ω］
よって、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤ：
Ｉ_ＬＥＤ＝２．６［Ｖ］／３［Ω］＝０．８７［Ａ］
したがって、高出力電池の場合、ＬＥＤ電流は０．８７Ａ程度となる。

フラッシュパルス幅ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}：１５０ミリ秒での値を整理したものを表２に示す。出力電流１Ａを流すのに必要なセル体積［ｃｃ／Ａ（またはｃｍ^３／Ａ）］は、比較例のスーパーキャパシタが０．６ｃｃ／Ａであるのに対し、本発明の高出力電池が０．５５ｃｃ／Ａであり、両者は同等である。

さらに、フラッシュパルス幅ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}：３００ミリ秒を実現する場合の比較をも、上記と同様に行った。その結果として、フラッシュパルス幅ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}：３００ミリ秒での値を整理したものを表３に示す。フラッシュパルス幅ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}：３００ミリ秒で出力１Ａ流すのに必要なセル体積［ｃｃ／Ａ］は、比較例のスーパーキャパシタが１．１８ｃｃ／Ａであるのに対し、本発明の高出力電池が０．５５ｃｃ／Ａである。即ち、容量が大きな高出力電池ではセル体積が少なく、小型化できることが分かる。

このようなフラッシュパルス幅ＰＷ_{ｆｌａｓｈ}が長いものとしては、赤目防止のため連射を行う場合等が考えられる（１パルスを７０ミリ秒とし、４連射した場合は２８０ミリ秒となる）。また、１回放電すると、比較例のスーパーキャパシタでは容量が空になるため、１０秒程度充電しなければならない。一方、本発明の高出力電池では容量が高いため、１回の放電では容量が空にはならず、連射（１０〜２０回）が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例（フラッシュ装置、フラッシュ装置が搭載される電子機器としてのデジタルカメラ機能付きの携帯電話機）を説明する。

［実施例１］
本発明の実施例１は、ＬＥＤ駆動用の補助電源として相互に直列接続された複数の高出力電池を用いたＬＥＤフラッシュ装置である。

図４を参照すると、本発明の実施例１によるＬＥＤフラッシュ装置は、デジタルカメラ機能付きの携帯電話機（図示せず）に搭載されており、光源としての高出力タイプのＬＥＤ１０と、ＬＥＤ１０駆動用の補助電源２１と、フラッシュパルス幅を含むＬＥＤ１０の発光状態を制御するコントローラ５０と、ＬＥＤ１０の発光に必要な電圧を発生する昇圧回路４０と、コントローラ５０の制御に応じてＬＥＤ１０に流れる電流をオン／オフする電流スイッチ６０とを有している。尚、図中の符号３０は、図示しない携帯電話機全体を駆動するための主電源である。

補助電源２１のエネルギ密度は、５Ｗｈ／ｋｇ以上である。また、ＬＥＤ１０には、０．８Ａ以上の電流が通電される。

本実施例において、高出力タイプのＬＥＤ１０駆動用の補助電源２１は、直列接続された高出力電池（有機ラジカル二次電池）２１ａ、２１ｂによって構成されている。

コントローラ５０は、上位回路（図示しないデジタルカメラ機能付きの携帯電話機の回路）からＬＥＤ制御信号が入力されると、昇圧回路４０にオン信号を出力すると共に、電流スイッチ６０にＬＥＤ１０のオン／オフ信号ならびにフラッシュ／トーチ選択信号を出力する。

本実施例においては、補助電源２１が高出力電池（有機ラジカル二次電池）であるため、昇圧回路４０には大電流（１Ａ級）を流す必要はない。このため、昇圧回路４０は、図２に示された電流制御ブーストコンバータでも、また、図３に示されたチャージポンプ型でもよい。ブーストコンバータの場合には、インダクタＬは、小さいインダクタンスでよい。

このような昇圧回路４０により、直列接続された高出力電池２１ａ、２１ｂが７〜８Ｖに充電され、コントローラ５０からのオン／オフ信号に従って電流スイッチ６０が導通モードにされ、大電流フラッシュパルスがＬＥＤ１０に入力される。

尚、本実施例においては、高出力電池２１ａ、２１ｂが直列に接続されているため、両電池の内部抵抗等の相違に因って中間点の電圧がドリフトして片方のセルに過剰な電圧が印加されることを防止するためのセルバランス回路が必要である。最も簡素なセルバランス回路は、図４に示されたごとく、２つのセルバランス抵抗を用いる方法である。ただし、この場合は、バランス抵抗からのリーク電流のため、主電源３０（Ｖ_ＢＡＴＴ）の持ち時間（持続時間）の低下を招く。その解決策としては、「携帯端末がカメラモードになっていない時はコントローラ５０から昇圧回路４０にオフ信号を送り、昇圧回路４０をスタンバイ状態にする」、「高抵抗低電流のオペアンプを用いたアクティブバランス回路を用いる」等が考えられる。

［実施例２］
本発明の実施例２は、ＬＥＤ駆動用の補助電源（高出力電池）が、ＬＥＤフラッシュ装置が搭載される電子機器全体を駆動する主電源に並列に接続されたＬＥＤフラッシュ装置である。

図５を参照すると、本発明の実施例２によるＬＥＤフラッシュ装置は、デジタルカメラ機能付きの携帯電話機（図示せず）に搭載されており、光源としての高出力タイプのＬＥＤ１０と、ＬＥＤ１０駆動用の補助電源２２と、フラッシュパルス幅を含むＬＥＤ１０の発光状態を制御するコントローラ５０と、ＬＥＤ１０の発光に必要な電圧を発生する昇圧回路４０と、コントローラ５０の制御に応じてＬＥＤ１０に流れる電流をオン／オフする電流スイッチ６０とを有している。尚、図中の符号３０は、図示しない携帯電話機全体を駆動するための主電源である。

補助電源２２のエネルギ密度は、５Ｗｈ／ｋｇ以上である。また、ＬＥＤ１０には、０．８Ａ以上の電流が通電される。

本実施例において、高出力タイプのＬＥＤ１０駆動用の補助電源２２は、主電源３０と並列に接続された高出力電池である。

コントローラ５０は、上位回路（図示しないデジタルカメラ機能付きの携帯電話機の回路）からＬＥＤ制御信号が入力されると、昇圧回路４０にオン信号を出力すると共に、電流スイッチ６０にＬＥＤ１０のオン／オフ信号ならびにフラッシュ／トーチ選択信号を出力する。

本実施例においては、高出力タイプのＬＥＤ１０を点灯させる電流が昇圧回路４０を経由するため、昇圧回路４０としては、図２に示された電流制御ブーストコンバータが好適である。尚、本実施例の場合は、ブーストコンバータであっても、インダクタＬは大きいインダクタンスである必要がある。

また、本実施例において、補助電源２２が主電源３０に対して並列に配置されており、補助電源２２の充電はフローティングの状態にすればよいため、複雑な充電回路は不要になる。ただし、補助電源２２（高出力電池）には、そのフロート状態での耐久性が要求される。

また、補助電源２２の高出力放電時の電圧降下は、主電源３０と同じである。本実施例のごとくＬＥＤフラッシュ装置が搭載される電子機器が携帯電話機の場合、その主電源３０は、フル充電において３Ａ程度、ローバッテリ状態では１．５Ａ程度の電流を放電することが可能である。携帯電話機の表示や通信等の動作時に０．８Ａ程度が消費されると考えると、ローバッテリ状態でＬＥＤに放電可能な電流値は、０．７Ａ程度と考えられる。ＬＥＤ１０の放電電流を１．５Ａ程度とすると、高出力補助電池で０．８Ａ程度放電する必要があり、補助電源２２には、最低限、主電源３０と同等の放電電流が必要である。つまり、補助電源２２の内部抵抗は主電源３０の内部抵抗と同等か、それ以下である必要がある。

［実施例３］
本発明の実施例３は、ＬＥＤ駆動用の補助電源（高出力電池）が、ＬＥＤフラッシュ装置が搭載される電子機器全体を駆動する主電源に並列に接続され、さらに、主電源と補助電源との間に充電回路を有するＬＥＤフラッシュ装置である。

図６を参照すると、本発明の実施例３によるＬＥＤフラッシュ装置は、デジタルカメラ機能付きの携帯電話機（図示せず）に搭載されており、光源としての高出力タイプのＬＥＤ１０と、ＬＥＤ１０駆動用の補助電源２２と、フラッシュパルス幅を含むＬＥＤ１０の発光状態を制御するコントローラ５０と、ＬＥＤ１０の発光に必要な電圧を発生する昇圧回路４０と、コントローラ５０の制御に応じてＬＥＤ１０に流れる電流をオン／オフする電流スイッチ６０とを有している。尚、図中の符号３０は、図示しない携帯電話機全体を駆動するための主電源である。

補助電源２２のエネルギ密度は、５Ｗｈ／ｋｇ以上である。また、ＬＥＤ１０には、０．８Ａ以上の電流が通電される。

本実施例において、高出力タイプのＬＥＤ１０駆動用の補助電源２２は、主電源３０と並列に接続された高出力電池である。さらに、主電源３０と補助電源２２との間には、充電回路７０が備えられている。充電回路７０は、過放電、過充電保護回路を備えている。

コントローラ５０は、上位回路（図示しないデジタルカメラ機能付きの携帯電話機の回路）からＬＥＤ制御信号が入力されると、昇圧回路４０にオン信号を出力すると共に、電流スイッチ６０にＬＥＤ１０のオン／オフ信号ならびにフラッシュ／トーチ選択信号を出力する。

本実施例においても、実施例２と同様に、高出力タイプのＬＥＤ１０を点灯させる電流が昇圧回路４０を経由するため、昇圧回路４０としては、図２に示された電流制御ブーストコンバータが好適である。尚、本実施例の場合は、ブーストコンバータであっても、インダクタＬは大きいインダクタンスである必要がある。

本実施例においては、充電回路７０が主電源３０と補助電源２２との間に設けられているため、主電源３０の状態による電圧の違い（フル充電では高電圧（４．２Ｖ程度）、ローバッテリ状態では低電圧（３．２Ｖ程度）など）に依存せず、補助電源２２の電圧が一定に保たれる。また、補助電源２２への充電では定電流充電や定電圧充電等の制御が可能であり、高出力で電池である補助電源２２の長期信頼性が向上する。また、ＬＥＤ１０の放電は主に補助電源２２の駆動によるため、充電回路には大電流（１Ａ級）を通電する必要がない。

［実施例４］
本発明の実施例４は、ＬＥＤ駆動用の補助電源（高出力電池）が、ＬＥＤフラッシュ装置が搭載される電子機器全体を駆動する主電源に並列に接続され、主電源と補助電源との間に充電回路を有し、さらに、補助電源が電子機器の動作のために主電源と協働または代替に電子機器に電力を供給するバックアップ電源も兼ねているＬＥＤフラッシュ装置である。

図７を参照すると、本発明の実施例４によるＬＥＤフラッシュ装置は、デジタルカメラ機能付きの携帯電話機（図示せず）に搭載されており、光源としての高出力タイプのＬＥＤ１０と、ＬＥＤ１０駆動用の補助電源２２と、フラッシュパルス幅を含むＬＥＤ１０の発光状態を制御するコントローラ５０と、ＬＥＤ１０の発光に必要な電圧を発生する昇圧回路４０と、コントローラ５０の制御に応じてＬＥＤ１０に流れる電流をオン／オフする電流スイッチ６０と、後述する第２コントローラ８０とを有している。尚、図中の符号１００はデジタルカメラ機能付きの携帯電話機であり、符号３０は携帯電話機全体を駆動するための主電源である。図中、携帯電話機１００と、主電源３０や本フラッシュ装置とが個別に描かれているが、主電源３０や本フラッシュ装置は、携帯電話機１００の構成要素として見なすこともできる。

補助電源２２のエネルギ密度は、５Ｗｈ／ｋｇ以上である。また、ＬＥＤ１０には、０．８Ａ以上の電流が通電される。

本実施例においても、高出力タイプのＬＥＤ１０駆動用の補助電源２２は、主電源３０と並列に接続された高出力電池である。さらに、主電源３０と補助電源２２との間には、充電回路７０が備えられている。充電回路７０は、過放電、過充電保護回路を備えている。

コントローラ５０は、上位回路（デジタルカメラ機能付きの携帯電話機１００の一回路）からＬＥＤ制御信号が入力されると、昇圧回路４０にオン信号を出力すると共に、電流スイッチ６０にＬＥＤ１０のオン／オフ信号ならびにフラッシュ／トーチ選択信号を出力する。

本実施例においても、実施例３と同様に、充電回路７０が主電源３０と補助電源２２との間に設けられているため、主電源３０の状態による電圧の違い（フル充電では高電圧（４．２Ｖ程度）、ローバッテリ状態では低電圧（３．２Ｖ程度）など）に依存せず、補助電源２２の電圧が一定に保たれる。また、補助電源２２への充電では定電流充電や定電圧充電等の制御が可能であり、高出力で電池である補助電源２２の長期信頼性が向上する。

また、本実施例においては、主電源３０の電圧が低下し、通話等が不能になった場合、第２コントローラ８０を介して、補助電源２２から携帯電話機１００に電力を供給し、非常時の通話やメール等が可能である。高出力電池である補助電源２２が２Ａ程度放電可能であり、その放電は１００Ｃに相当すると考えられるから、高出力電池の容量としては、２０ｍＡｈ程度である。この容量は、例えば携帯電話機１００の主電源３０の容量の１／４０程度であり、非常時の通話やメールが十分可能であることが分かる。

［実施例５］
本発明の実施例５は、高出力電池である実施例１の補助電源２１や実施例２〜４の補助電源２２の具体的な構造について説明する。

実施例１〜４における補助電源２１や補助電源２２としては、薄型の有機ラジカル二次電池を用いている。薄型の有機ラジカル二次電池の基本構成は、安定ラジカル化合物を正極活物質としたラジカル正極と、多孔質ポリプロピレンやセルロースなどからなるセパレータと、金属リチウム、Ｌｉプレドープしたカーボンなどからなる負極と、正極に接続された正極リードと、負極に接続された負極リードと、電解液と、これらを封止する外装用フィルムと、からなるものである。外装用フィルムとしては、水蒸気透過性の低いアルミラミネートフィルムなどが使用される。

［ラジカル正極］
ラジカル正極における正極活物質として、還元状態において化学式１中の式（Ｉ）で表わされるニトロキシドラジカル、酸化状態において式（ＩＩ）で表わされるオキソアンモニウム（ニトロキシドカチオン）を部分構造として分子中に有するニトロキシドラジカルポリマを用いることができる。

ニトロキシドラジカルポリマの分子量は、５００以上であることが好ましく、さらには５０００以上であることがより好ましい。これは、分子量が５００以上であると電池用電解液に溶解しづらくなり、さらに分子量５０００以上になるとほぼ不溶となるからである。重合体の形状としては、鎖状、分岐状、網目状のいずれでもよい。また、架橋剤で架橋したような構造でもよい。

また、ニトロキシドラジカルポリマを用いて電極を形成する場合に、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助剤を混合させることもできる。導電付与剤の材料としては、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子が挙げられる。

また、ニトロキシドラジカルポリマ、導電付与剤の結びつきを強めるために、結着剤を用いることもできる。このような結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン・ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、各種ポリウレタン等の樹脂バインダーが挙げられる。

ラジカル正極は、正極集電体上に形成することができ、正極集電体としては、ニッケルやアルミニウム、銅、金、銀、アルミニウム合金、ステンレス、炭素等からなる箔、金属平板上を用いることができる。

［負極］
負極としては、リチウム金属、リチウム合金Ｌｉやプレドープしたカーボンを用いることができる。その形状や製法としては、例えば、薄膜状、粉末を固めたもの、繊維状のもの、フレーク状のもの等であってもよい。また、これらの負極活物質を単独、もしくは組み合わせて使用できる。負極は、ニッケルやアルミニウム、銅、金、銀、アルミニウム合金、ステンレス、炭素等からなる箔、金属平板などの上に形成されたものを用いることができる。

［電解質］
電解質は、負極と正極の両極間の荷電担体輸送を行うものであり、一般には２０℃で１０^−５〜１０^−１Ｓ／ｃｍのイオン伝導性を有していることが好ましい。電解質としては、例えば電解質塩を溶剤に溶解した電解液を利用することができる。電解質塩として、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３Ｃ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３Ｃ等の従来公知の材料を用いることができる。

電解液に溶剤を用いる場合、溶剤としては例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶媒を用いることができる。これらの溶剤を単独もしくは２種類以上混合して用いることもできる。

［セパレータ］
ラジカル正極、および負極が接触しないようにポリエチレン、ポリプロピレン等からなる多孔質フィルム、セルロース膜、不織布などのセパレータを用いることもできる。

［電池形状］
本発明において、小型化、薄型化という観点から、電池形状はラミネートフィルムによって封止されたものが望ましい。これは上述した正極、負極、セパレータなどの電極積層体をアルミニウム箔などの金属箔と合成樹脂フィルムからなるラミネートフィルムによって封止することによって作製される。

次に、薄型有機ラジカル二次電池の作製例について説明する。図８（ａ）および（ｂ）に単層の電池の作製例を示す。微粉化した化学式２中の式（１）で表されるポリラジカル化合物１．６８ｇ、炭素粉末０．６ｇ、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）９６ｍｇ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）２４ｍｇと水７．２ｍＬをホモジナイザーにて攪拌し、均一なスラリー状に調整した。このスラリーを電極作製用コーターにて、アルミ箔（厚さ２０μｍ）上に塗布し、さらに８０℃で３分間乾燥し、厚さ１００μｍのラジカル正極層を形成した。

次に、このようにして得られた正極を所定の寸法に打ち抜いた。この正極のアルミ箔面に、長さ３ｃｍ、幅３ｍｍのアルミリードを溶接した。また、リチウム張り合わせ銅箔（リチウム厚３０μｍ）を正極同様に所定の寸法に打ち抜いて金属リチウム負極とし、長さ３ｃｍ、幅３ｍｍのニッケルリードを銅箔面に溶接した。正極、多孔質ポリプロピレンセパレータ、負極の順に、ラジカル正極層と金属リチウム負極とを対峙する向きで重ね合わせニッケルリード付電極対とした。

２枚の熱融着可能なアルミラミネートフィルムの三方を熱融着することにより袋状のケースとし、ニッケルリード付電極対を入れた。電解液［１．０〜１．５ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６電解質塩を含むエチレンカーボネート／ジエチルカーボネート混合溶液（混合比３：７）］をアルミラミネートケースの中に入れた。この際、ニッケルリード付電極のニッケルリードの端を１ｃｍ外に出し、アルミラミネートケースの未溶着の一辺を熱融着した。これにより、電極と電解液をアルミラミネートケース中に完全に密閉した。

以上、単層の電池セルの作製法を説明したが、これらを積層にすることにより、大容量化、高出力化が可能となる。図９は、有機ラジカル二次電池セルの内部構造の概略断面図を示している。両面塗布した正極を４層積層し（全体で正極８層構造）、それぞれに対応してセパレータ、負極を配置した。正極は１層当たり２５×１０ｍｍ、全体で８層×２．５ｃｍ^２／層＝２０ｃｍ^２とした。セルの体積は外装体、タブの部分を除き０．６２５ｃｍ^３（セルの厚さ：２．５ｍｍ）であった。正極ラジカル材料は化学式（２）で示したポリ（２，２，６，６，―テトラメチルピペリジノキシルビニルエーテル）（ＰＴＶＥ）とした。

上記に示した電池の特性を評価した。評価に用いた回路の概略図を図１０に示す。評価に用いたこの回路は、図５に示されたＬＥＤフラッシュ装置に似ているが、補助電源としての高出力電池の特性のみを測定するため、主電源は無い。

測定時のパルス幅２００ミリ秒とした際の、電池の電圧Ｖ_ｂａｔｔの変化ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ_{Ｓ＿ｂａｔｔ}（開放状態）−Ｖ_{Ｓ＿ｂａｔｔ}（所定の電流を流した状態））と、流した電流密度Ｉ［Ａ／ｃｍ^２］との関係を、図１１（ａ）に示す。電解液の量、濃度、添加剤の有無により若干特性は異なる。またΔＶとＩとの関係はリニアではなく、若干非線形性がある。

図１１（ａ）の関係をもとに電極面積Ｓで規格化した電池の内部抵抗Ｒ（Ｒ＝ΔＶ／（Ｉ［Ａ／ｃｍ^２］×Ｓ［ｃｍ^２］（：２０ｃｍ^２）））と、ΔＶとの関係を、図１１（ｂ）に示す。図１１（ａ）で非線形性を示したことに対応し、規格化した電池の内部抵抗は、ΔＶの増加と共に減少する傾向が見られる。

尚、図１１（ａ）ならびに図１１（ｂ）においては、本発明における高出力電池である補助電源に用い得るものとして、二種類の有機ラジカル二次電池の他に、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタのΔＶ−Ｉ関係ならびに内部抵抗の値をも示している。リチウムイオン二次電池およびリチウムイオンキャパシタの規格化した電池の内部抵抗は、ΔＶに対して殆ど変化せず、一定であった。リチウムイオン二次電池は１７〜２０Ωｃｍ^２、リチウムイオンキャパシタは８Ωｃｍ^２であった。

電池の内部抵抗を一定とすると、最大出力（Ｉ×Ｖ）［Ｗ］を得るためには、開放状態の電圧の半分程度での放電が望ましい。また、昇圧回路４０の変換効率をも考慮すると、ΔＶとして０．６〜１．０Ｖが望ましい。そのような電圧領域においては、有機ラジカル二次電池の内部抵抗は、リチウムイオン二次電池のそれよりも低く、リチウムイオンキャパシタと同等であることが分かる。また、有機ラジカル二次電池は、リチウムイオンキャパシタよりも単位電極面積あたりの容量が高く、リチウムイオンキャパシタよりも連射回数を多くすることが可能となる。

これらの結果より、有機ラジカル二次電池は、ＬＥＤフラッシュ用補助電源として好適である。

［実施例６］
本発明の実施例６は、高出力電池である実施例１の補助電源２１や実施例２〜４の補助電源２２として用い得るリチウムイオンキャパシタについて説明する。

図１２は、リチウムイオンキャパシタのセル構成と、等価回路とを示している。

電解質塩にはリチウム塩を用い、正極は電気二重層を蓄電機構とし、負極は炭素系材料に予めリチウムイオンをドーピングして電位幅を広げ、容量を最大化している（この操作をプレドープと呼ぶ）。

セルの静電容量は正極の電気二重層の容量をフルに引き出すため、従来のキャパシタの２倍程度の容量を得ることができる。

負極電位は、従来の負極より１．５Ｖ前後低いため、２．３〜２．７Ｖ程度であったセル電圧を３．８〜４．２Ｖ程度とリチウムイオン二次電池と同等のレベルまで向上できる。

セルのエネルギＥは、容量Ｃと電圧Ｖにより、Ｅ＝（ＣＶ^２）／２で計算されるため、従来の４倍以上のエネルギ密度が期待できる。また、正極の上限電位を下げて耐久性を向上させた場合でも、３．６Ｖ程度のセル電圧を得ることが可能である。

製造方法も容易であり、材料・製造プロセスは電気二重層キャパシタやリチウムイオン二次電池の既存の技術を転用できる。特に、市販の電気二重層キャパシタと比較した場合、同じエネルギ性能を得るためのコストを抑制することが期待される。

［実施例７］
本発明の実施例７は、高出力電池である実施例１の補助電源２１や実施例２〜４の補助電源２２として用い得るリチウムイオン二次電池について説明する。

本発明におけるリチウムイオン二次電池は、図８に示された有機ラジカル二次電池と同様に、負極と正極とを電解液を含むセパレータを介して重ね合わせた構成を有している。

導電性を高めるために粒子の表面を炭素で被覆したマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）を使用している。炭素の被覆率は重量比で１５％であり、正極の組成は、活物質／導電性付与剤／結着剤＝８０／１５／５とした。導電性付与剤としてはケッチェンブラックを使用し、結着剤としてはポリフッ化ビニリデンを用いた。正極の厚さは８０ミクロンである。

一方、負極活物質には黒鉛を使用した。負極の組成は黒鉛／導電性付与剤／結着剤＝９０／１／９とした。導電性付与剤としてはケッチェンブラックを使用し、結着剤としてはポリフッ化ビニリデンを用いた。負極の厚さは４０ミクロンである。

電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合溶媒を用いた。ＥＣとＤＥＣの混合比は、ＥＣ／ＤＥＣ＝３／７とした。支持塩には１．０Ｍの六フッ化燐酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を用いている。

リチウムイオン二次電池を用いた場合、電池の内部抵抗は高いものの、容量が大きいため、ムービー撮影のためのトーチ機能、即ち、長時間の高輝度ＬＥＤ照明に好適である。

以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、当該特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。

従来のストロボ機能の原理を示す回路図である。 従来の低輝度のＬＥＤフラッシュ機能の簡単な回路図である。 従来の昇圧回路４０として用いられるチャージポンプ方式の回路図である。 本発明の実施例１によるＬＥＤフラッシュ装置を示すブロック図である。 本発明の実施例２によるＬＥＤフラッシュ装置を示すブロック図である。 本発明の実施例３によるＬＥＤフラッシュ装置を示すブロック図である。 本発明の実施例４によるＬＥＤフラッシュ装置を示すブロック図である。 本発明の実施例５を説明するための図であり、（ａ）は高出力電池としての有機ラジカル二次電池の製造方法を説明するための図であり、（ｂ）は製造された単一セルの有機ラジカル二次電池を示す斜視図である。 本発明の高出力電池としての複数セル積層された有機ラジカル二次電池を示す概略的な断面図である。 本発明の高出力電池の特性を評価するための回路を示す図である。 本発明の高出力電池の特性を示す図であり、（ａ）はΔＶとＩとの関係を示し、（ｂ）はΔＶと電池の内部抵抗Ｒとの関係を示している。 本発明の高出力電池としてのリチウムイオンキャパシタの内部の概略的な構造と、等価回路とを示す図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤ
２１、２２ 補助電源
２１ａ、２１ｂ 高出力電池（有機ラジカル二次電池）
４０ 昇圧回路
５０ コントローラ
６０ 電流スイッチ
７０ 充電回路
８０ 第２コントローラ
１００ 携帯電話機

Claims (10)

1. 光源としてのＬＥＤと、前記ＬＥＤ駆動用の補助電源と、フラッシュパルス幅を含む前記ＬＥＤの発光状態を制御するコントローラと、前記ＬＥＤの発光に必要な電圧を発生する昇圧回路と、前記コントローラの制御に応じて前記ＬＥＤに流れる電流をオン／オフする電流スイッチとを有するＬＥＤフラッシュ装置において、
   前記補助電源は、そのエネルギ密度が５Ｗｈ／ｋｇ以上であると共に、前記ＬＥＤには、０．８Ａ以上の電流が通電されることを特徴とするＬＥＤフラッシュ装置。
2. 前記補助電源を充電するための充電回路をさらに有する請求項１に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
3. 前記ＬＥＤフラッシュ装置は、電子機器に搭載され、
   電子機器全体の駆動用の主電源の内部抵抗（Ｒ_ｉｎ（主電源））と、前記補助電源の内部抵抗（Ｒ_ｉｎ（補助電源））との比（Ｒ_ｉｎ（主電源）／Ｒ_ｉｎ（補助電源））が、１以上である請求項１または２に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
4. 前記補助電源は、前記フラッシュ装置以外の電子機器の動作のために、主電源と協働または代替に電子機器に電力を供給するバックアップ電源も兼ねている請求項３に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
5. 前記補助電源は、主電源と並列に接続されている請求項３または４に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
6. 前記補助電源は、相互に直列に接続された複数の電池によって構成されている請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
7. 前記補助電源は、有機ラジカル二次電池である請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
8. 前記補助電源は、リチウムイオン二次電池である請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
9. 前記補助電源は、リチウムイオンキャパシタである請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＬＥＤフラッシュ装置を搭載したことを特徴とする電子機器。

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