特許 7066974 ＥＣ素子駆動システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-06

(45)【発行日】2022-05-16

(54)【発明の名称】ＥＣ素子駆動システム

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/163 20060101AFI20220509BHJP

   G09G 3/38 20060101ALI20220509BHJP

   G09G 3/20 20060101ALI20220509BHJP

【ＦＩ】

G02F1/163

G09G3/38

G09G3/20 670M

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2017042671

(22)【出願日】2017-03-07

(65)【公開番号】P2018146834

(43)【公開日】2018-09-20

【審査請求日】2020-01-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100127111

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 修一

(72)【発明者】

【氏名】大島 淳

(72)【発明者】

【氏名】▲柳▼沼 秀和

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 徹

(72)【発明者】

【氏名】小林 寛昭

(72)【発明者】

【氏名】八代 徹

【審査官】井亀 諭

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－０５００５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－０４６４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２２５６９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／１６３

Ｇ０９Ｇ ３／３８

Ｇ０９Ｇ ３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＥＣ素子を定電圧駆動するＥＣ素子駆動システムであって、
電源と、前記電源から供給された電力を一定電圧として出力する定電圧電源部と、前記定電圧電源部からの電圧を受け前記ＥＣ素子の駆動時において前記ＥＣ素子に加えられる初期電流を抑制する電流抑制部と、前記電流抑制部の作動を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記初期電流が前記ＥＣ素子毎に決定されている、当該ＥＣ素子の寿命の短縮及びエネルギ効率の悪化が発生する限界値である特性許容値を超えないように、前記定電圧電源部から前記電流抑制部に供給される電圧値を制御することを特徴とするＥＣ素子駆動システム。

【請求項2】

請求項１記載のＥＣ素子駆動システムにおいて、
前記電流抑制部は定電流ダイオードを有し、前記電流抑制部から定電流であるピンチオフ電流値が出力されるように、かつ前記定電流ダイオードの最高使用電圧値を超えないように、前記制御部は前記定電圧電源部から前記電流抑制部に供給される電圧値を制御することを特徴とするＥＣ素子駆動システム。

【請求項3】

請求項２記載のＥＣ素子駆動システムにおいて、
前記制御部により制御された電圧値は、前記定電流ダイオードにおける消費電力が定電流ダイオードの定格電力に納まるように制御されることを特徴とするＥＣ素子駆動システム。

【請求項4】

請求項１記載のＥＣ素子駆動システムにおいて、
前記電流抑制部はゲートを備えた電界効果トランジスタを有し、前記電流抑制部から出力される定電流であるドレイン電流値が前記特性許容値を超えないように、前記制御部は前記定電圧電源部から前記ゲートに供給される電圧値を制御することを特徴とするＥＣ素子駆動システム。

【請求項5】

請求項４記載のＥＣ素子駆動システムにおいて、
前記電流抑制部は前記初期電流の値を変動可能であることを特徴とするＥＣ素子駆動システム。

【請求項6】

請求項１ないし５の何れか一つに記載のＥＣ素子駆動システムにおいて、
前記電源は電池であることを特徴とするＥＣ素子駆動システム。

【請求項7】

請求項６記載のＥＣ素子駆動システムにおいて、
小型携帯機器に搭載可能であることを特徴とするＥＣ素子駆動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＥＣ素子駆動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電力により着消色を行うエレクトロクロミック素子（以下、ＥＣ素子という）が知られている。このＥＣ素子を駆動する場合、定電流方式では駆動電圧がＥＣ素子の限界電圧を容易に超えてしまうため定電圧方式が一般的に用いられている。
しかし定電圧方式では、駆動初期時においてＥＣ素子の電気特性上、ＥＣ素子の特性許容値を超える大きさの突入電流が発生することにより電源に対して過剰な負荷電流が作用することとなり、エネルギ効率が悪化すると共にＥＣ素子の寿命が短くなるという課題があった。

【0003】

上述の課題を解決するため、電圧を高圧化するためのトランスにより一次側と二次側とに分離される電源モジュールの一次側の電流を検知することにより、電流値制御を行って突入電流の発生を防止する技術が開示されている（例えば「特許文献１」参照）。
しかし上述の技術では、電流検知制御回路が必要となって部品点数が多くなり、コストアップしてしまうと共に装置の小型化を阻害するという課題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、突入電流の発生を防止して省エネルギを図ることができると共にＥＣ素子の長寿命化を図ることが可能なＥＣ素子駆動システムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

請求項１記載の発明は、ＥＣ素子を定電圧駆動するＥＣ素子駆動システムであって、電源と、前記電源から供給された電力を一定電圧として出力する定電圧電源部と、前記定電圧電源部からの電圧を受け前記ＥＣ素子の駆動時において前記ＥＣ素子に加えられる初期電流を抑制する電流抑制部と、前記電流抑制部の作動を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記初期電流が前記ＥＣ素子毎に決定されている、当該ＥＣ素子の寿命の短縮及びエネルギ効率の悪化が発生する限界値である特性許容値を超えないように、前記定電圧電源部から前記電流抑制部に供給される電圧値を制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、ＥＣ素子に対して初期電流として突入電流が作用することが防止され、かつ省エネルギを図ることができると共に、ＥＣ素子の長寿命化を図ることが可能なＥＣ素子駆動システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の一実施形態を適用したＥＣ素子駆動システムのブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態に用いられるＥＣ素子の構成を説明する概略図である。

【図3】本発明の一実施形態におけるＥＣ素子の駆動時間と電池電圧との関係を示す線図である。

【図4】本発明の一実施形態における突入電流発生時に電池電圧が低下する現象を示す線図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、本発明の一実施形態を適用したＥＣ素子駆動システムのブロック図を示している。同図において、ＥＣ素子２を駆動するＥＣ素子駆動システム１は、電源３、システム電源部４、定電圧電源部５、電流抑制部６、ＥＣ素子駆動回路７、制御部８等を有している。

【0009】

図２は、ＥＣ素子２の構成を示す概略図である。同図に示すようにＥＣ素子２は、一対の基板９，１０間に設けられた第１電極１１と、第１電極１１に対して所定の間隔をおいて対向配置された第２電極１２と、各電極１１，１２間に配置された電解質１３とを少なくとも有しており、一方の電極の表面に酸化状態で可視域に吸収帯を有している。
なお図２に示した構成では、第１電極１１の表面に酸化状態で可視域に吸収帯を有するエレクトロクロミック化合物またはエレクトロミック組成物を含むエレクトロクロミックス層１４が形成され、第２電極１２の表面に還元状態で可視域に吸収帯を有するエレクトロクロミック化合物またはエレクトロクロミック組成物を含むエレクトロクロミックス層１５が形成されている。符号１６，１７は、電解質１３及び各エレクトロクロミックス層１４，１５を封止する封止部材を示している。

【0010】

上述したＥＣ素子２に対して、第１電極１１及び第２電極１２に電荷が付与されると、エレクトロクロミックス層１４，１５が酸化還元反応することにより着色及び消色がコントロールされる。着色時には酸化電極であるエレクトロクロミックス層１４より電荷を注入し、消色時にはＥＣ素子２内の電荷の移動を行うために還元電極であるエレクトロクロミックス層１５より電荷の注入を行うことで、速やかなＥＣ素子２内の電荷移動によって発消色を行っている。このため、着色時のみならず消色時においても電力を消費する。
ＥＣ素子２では、第１電極１１及び第２電極１２に付与される電荷の大きさに応じて電荷の移動速度、すなわち反応速度が速くなるが、ＥＣ素子毎に決定されている特性許容値を超える電流が作用すると、エレクトロクロミックス層１４，１５に使用される酸化還元材料の分子構造が劣化することによりＥＣ素子の寿命が短くなると共にエネルギ効率が悪化してコストアップを招く。ここでは、着色時は酸化電極からの電荷注入、消色時は還元電極からの電荷注入としたが、ＥＣ素子の構成によってはこの限りではなく、電極の電荷注入方向が逆の場合も成立する場合がある。

【0011】

またＥＣ素子２の原理上、すなわち第１電極１１及び第２電極１２への電荷印加時に急激な電荷の移動が起こりうるため、初期電流作用時である着消色駆動時には突入電流が発生する。この突入電流の大きさはＥＣ素子の構成や大きさによって様々であるが、本実施形態で示したＥＣ素子２では、素子サイズが３０×３０ｍｍであり３０～１００ｍＡの突入電流が観測された。この突入電流による電源３における急激な電圧低下の一例を図３に示す。

【0012】

電源３としては、直流電源、交流電源、電池等、どのようなものを用いてもよいが、交流電源を用いる場合にはＡＣ／ＤＣ変換器を併用して、交流を直流に変換する必要がある。本実施形態では電池を用いた例を説明する。
システム電源部４は、電源３から供給された電力により制御部８を駆動する。
定電圧電源部５は、電源３から供給された電力を受け、電流抑制部６に対して一定電圧を出力する。定電圧電源部５はＥＣ素子２の駆動用電源であり、その具体的な構成としては、レギュレータやＤＣＤＣコンバータ等が挙げられる。
ＥＣ駆動回路７は、電流抑制部６から出力された電力を第１電極１１及び第２電極１２に供給してＥＣ素子２を駆動する。
制御部８としては、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を有する周知のマイクロコンピュータが用いられる。

【0013】

次に、本発明の特徴部である電流抑制部６について説明する。電流抑制部６は、ＥＣ素子２の駆動時においてＥＣ素子２に加えられる初期電流を抑制する働きをする。電流抑制部６の具体的な構成としては、定電流ダイオード（ＣＲＤ）または電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の、電流値を制限することが可能な半導体素子が挙げられる。先ず、電流抑制部６として定電流ダイオードが用いられる場合を説明する。この場合、選択される定電流ダイオードとしては、出力されるピンチオフ電流値がＥＣ素子２の特性許容値を超えない電流値となるものが選択される。

【0014】

電流抑制部６として定電流ダイオードを用いた場合には、電流抑制部６から定電流であるピンチオフ電流値が出力されるように、かつ定電流ダイオードの最高使用電圧値を超えないように、制御部８は定電圧電源部５から電流抑制部６に供給される電圧値を制御する。また、このときに制御された電圧値は、定電流ダイオードにおける消費電力が定電流ダイオードの定格電力に納まるように制御される。

【0015】

上述の構成により、ＥＣ素子２に加えられる初期電流値がＥＣ素子２の特性許容値を超えない電流値となるように、制御部８は定電圧電源部５から電流抑制部６に供給される電圧値を制御することにより電流抑制部６の作動を制御する。これにより、ＥＣ素子２に対して初期電流として突入電流が発生することが防止され、ＥＣ素子２の寿命が短くなること及びエネルギ効率が悪化することを共に防止することができ、省エネルギを図ることができると共にＥＣ素子２の長寿命化を図ることが可能なＥＣ素子駆動システム１を提供することができる。

【0016】

次に、電流抑制部６として電界効果トランジスタが用いられる場合を説明する。電流抑制部６として電界効果トランジスタを用いた場合には、電流抑制部６から出力される定電流であるドレイン電流値がＥＣ素子２の特性許容値を超えない電流値となるように、制御部８は定電圧電源部５から電流抑制部６、すなわち電界効果トランジスタのゲートに供給される電圧値を制御する。

【0017】

この構成により、電流抑制部６として定電流ダイオードを用いた場合と同様、ＥＣ素子２に対して初期電流として突入電流が発生することが防止され、ＥＣ素子２の寿命が短くなること及びエネルギ効率が悪化することを共に防止することができ、省エネルギを図ることができると共にＥＣ素子２の長寿命化を図ることが可能なＥＣ素子駆動システム１を提供することができる。
また、ゲートに供給される電圧値を制御することにより出力するドレイン電流値を変化させることが可能であるので、使用するＥＣ素子の負荷範囲内であればＥＣ素子駆動システム１を構成した後にＥＣ素子２を変更した場合であっても、電流抑制部６を変更することなく定電流制御を行うことができる。

【0018】

上述した実施形態では、電源３として電池を用いたＥＣ素子駆動システム１を説明した。このように電源３として電池を用いるＥＣ素子駆動システムは、小型携帯機器、例えばウェアラブル機器に適用することが可能である。ウェアラブル機器では小型軽量が要求されるため、一般的には小容量の電池が使用される。例えば、直径４ｍｍ、長さ２０ｍｍ程度の小型二次電池の容量は２０ｍＡｈ程度であり、ＥＣ素子の駆動時において、図３に示すような３０ｍＡを超える突入電流が流れると放電特性に著しく影響が出る。
図３に示すように、上記実施形態で示した電流抑制部６である電流抑制回路がない条件１では、電池電圧をシステム駆動時の下限値として３．６Ｖとすると、約２．５時間で電池電圧が降下してしまうことが判った。しかし、本発明の電流抑制部６を実装すると条件２となり、電圧降下が約５．０時間まで延長されることが確認された。これは、電池の放電特性が改善されることにより電池寿命が延長されたことを示している。

【0019】

図４は、ＥＣ素子駆動時において突入電流が発生した場合に電池電圧が低下する現象を示している。図４において、電流抑制回路を持たない条件１では約０．０８Ｖの電圧ドロップが発生することが確認された。しかし、電流抑制回路を設けた条件２では、ＥＣ素子の反応速度等の性能を満足する条件で電流値の制限を行うことにより、電圧ドロップの発生を防止することが確認された。なお、図４における電圧のドロップ値は、ＥＣ素子の構成や大きさにより変化するものである。

【0020】

以上説明したように、本発明のＥＣ素子駆動システム１によれば電源３として電池を用いることができるので、固定機器に限定されず移動可能な機器にも搭載することができ、利用範囲を拡張することができる。また、電源３として小型電池を用いることにより小型携帯機器、例えばウェアラブル機器にも本発明のＥＣ素子駆動システムを搭載することができ、ＥＣ素子の寿命を延ばしつつ省エネルギにより電池の寿命も延ばすことが可能な小型携帯機器を提供することができる。

【0021】

上述した実施形態では、ＥＣ素子２を１個のみ駆動するＥＣ素子駆動システム１を説明したが、ＥＣ素子を２個以上駆動する構成としてもよい。この場合、全てのＥＣ素子の負荷に対応して、制御部８は定電圧電源部５から電流抑制部６に供給される電圧値を制御する。このときの全てのＥＣ素子の負荷は、各ＥＣ素子の構成及び種類、各ＥＣ素子の接続状態等によって変化する。

【0022】

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0023】

１ ＥＣ素子駆動システム
２ ＥＣ素子
３ 電源
６ 電流抑制部
８ 制御部

【先行技術文献】

【特許文献】

【0024】

【文献】特開２００７－２２５６９３号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】