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JP5262034B2 - 充放電保護回路および該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、該バッテリーパックを用いた電子機器 - Google Patents

充放電保護回路および該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、該バッテリーパックを用いた電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、Liイオン2次電池などの充放電保護回路に関し、特に、直列接続された複数の2次電池セルのバランスが崩れた場合でも充電制御用FETをオフさせることによって過剰な充電電流を流さなくて済むようにした充放電保護回路、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、該バッテリーパックを用いた各種電子機器に関するものである。
従来、Liイオン2次電池の充放電保護回路は多数提案されている。図3は、従来の半導体装置のブロック図と、その半導体装置を使用したバッテリーパック内部の保護回路を示す図である。
同図に示すように、バッテリーパック10の主要部を構成部する半導体装置(充放電保護回路)は、おおまかには過充電検出回路11(電池セル1用),13(電池セル2用)と、過放電検出回路12(電池セル1用),14(電池セル2用)と、放電過電流検出回路15と、充電過電流検出回路16と、発振回路17と、カウンタ18と、ロジック回路19,23と、レベルシフト回路20と、短絡検出回路21と、遅延回路22と、遅延時間短縮回路24と、スタンバイ回路26から構成されている。また、3は充電器、100は充電制御用FET、200は放電制御用FETである。
なお、スタンバイ回路26はV−端子に接続されており、スタンバイ状態であることが検出された場合に各内部回路への電力供給路に設けたスイッチをOFFにして電力供給を遮断することによって節電するように構成されている。
以下、従来の半導体装置(充放電保護回路)における基本的な動作を説明する。
過充電検出回路11,13または過放電検出回路12,14または放電過電流検出回路15または充電過電流検出回路16または短絡検出回路21により、過充電または過放電または放電過電流または充電過電流または短絡を検出すると、発振回路17が動作を開始し、カウンタ18が計数を始める。
そして、カウンタ18によりそれぞれの検出時に予め設定されている遅延時間をカウントすると、過充電または充電過電流の場合は、ロジック回路(ラッチなど)19、レベルシフト20を通してCout出力がローレベルになり充電制御用FET 100をオフにし、過放電,放電過電流,または短絡の場合はロジック回路23を通してDout出力がローレベルになり放電制御用FET200をオフにする。
また、バッテリーパック10に充電器3が接続され、充電電流が流れると、放電制御用FET200のソース電圧よりも、充電制御用FET100のソース電圧が低くなる。放電制御用FET200のソース電圧は半導体装置のVss端子電圧であり、充電制御用FET100のソース電圧は、半導体装置のV−端子に抵抗が接続されているが、V−端子がハイインピーダンスであるため、ほぼ半導体装置のV−端子電圧と等しくなる。
従って充電電流が流れると、Vss端子電圧よりもV−端子電圧が低くなる。V−端子電圧がVss端子電圧よりも、設定されたある電圧(充電過電流検出電圧)だけ低くなると充電過電流を検出し、Cout出力をローレベルにして充電制御用FET100をOFFさせる。充電過電流値Iと充電過電流検出電圧Vchgdetと放電制御用FET200、充電制御用FET100のON抵抗Ron1、Ron2との関係は以下のようになる。
I=Vchgdet/(Ron1+Ron2)
以上が過充電、過放電、充電過電流、放電過電流、短絡が検出された場合の従来の充放電保護回路の基本動作である。
遅延時間短縮回路24の機能と回路構成について簡単に説明しておく。通常、過充電検出回路11,13による過充電検出時の遅延時間は1s以上であるため、テスト時間が長くなってしまうという問題がある。
そこで、半導体装置もしくは保護回路基板などのテストを行うテストモード時は、V−端子に通常では印加されない所定値の信号(例えば、−3V)を遅延時間短縮回路24に印加し(遅延時間短縮回路24にテスト端子を設けてテスト信号を直接印加するようにしてもよい)、発振回路17を制御することにより発振回路17の出力周波数を高くし、遅延時間を短縮することでテスト時間を短縮する。本構成は、過充電、過放電、放電過電流または充電過電流のいずれの検出時にも有効であるが、特に遅延時間が大きい過充電検出時に有効性が大きい。
発振回路17は、例えば定電流インバータとコンデンサを使ったリングオシレータで構成される。そして、リングオシレータの発振周波数は、定電流源の定電流値とコンデンサの値とインバータのスレッショルドによって決まるので、遅延時間を短縮するためには、定電流源の定電流値を増加させる、コンデンサの容量値を実質的に低下させる、リングオシレータを構成する定電流インバータのスレッショルドを変えるなどの方法がある。
なお、上記のように発振回路17の発振周波数を変えるのではなく、カウンタ18から出力を取り出す位置(段)を変えることによっても遅延時間を短縮する方法もある。従来の充電保護回路の基本的な回路構成とその動作の詳細は、例えば特開2002−176730号公報(特許文献1)に開示されているので参照されたい。
なお、現時点での過放電からの復帰の条件として、充電器が接続され且つ複数直列につながった2次電池の電池電圧が過放電検出電圧以上になった時に過放電検出信号が‘L’から‘H’となるラッチ型タイプと、充電器の接続の有無に関わらず電池電圧が過放電復帰電圧以上になると過放電検出信号が‘L’から‘H’になる過放電復帰タイプとがある。本発明はラッチ型タイプの場合である。
特開2002−176730号公報
複数直列につながれた2次電池において、1つの2次電池が過放電を検出している状態で充電器が接続された場合に、複数直列につながった2次電池のどれか1つの2次電池が過充電を検出した場合には充電制御用FETをOFFさせる必要がある。
そのためには、複数直列につながった2次電池のどれか1つが過放電を検出した場合でも、複数直列につながった他の2次電池のどれか1つが過充電を検出したことを認識する必要があり、そのために回路(各検出回路など)をある程度動作させておかなければならない。
しかしながら、回路を動かしておくためには、回路に過放電検出後にもスタンバイ電流を流しておく必要があり、常時消費電力が生じてしまうことになり好ましくない。又、ある程度の過放電検出後のスタンバイ電流が流れてしまうと2次電池の劣化にもつながるため好ましくない。
本発明は、上記問題点を解消し、過放電検出状態での回路のスタンバイ電流を押さえ、且つ2次電池の劣化防止につながるとともに過剰な電流が2次電池に流れることを防止でき、且つチップ面積も大きくしなくても済む充放電保護回路および該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、該バッテリーパックを用いた電子機器を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を採用した。
a)本発明は、複数直列につながれた2次電池の過充電、過放電、過電流を検出し、その検出結果に基づいて、充放電経路に設けられた充電制御用FETまたは放電制御用FETのオン/オフを制御することにより、前記2次電池を過充電、過放電、過電流から保護する充放電保護回路において、前記2次電池の過充電の検出結果を優位にする論理回路を用い、充電器が接続された場合に、前記充電制御用FETをOFFにすることを特徴とする。
b)また本発明は、複数直列につながれた2次電池の過充電、過放電、過電流を検出し、その検出結果に基づいて、充放電経路に設けられた充電制御用FETまたは放電制御用FETのON/OFFを制御することにより、前記2次電池を過充電、過放電、過電流から保護する充放電保護回路において、前記2次電池の過充電の検出結果を優位にする論理回路を用い、前記複数直列につながれた2次電池の一方が過放電を検出し放電制御用FETがOFFしている状態の時に、充電器の接続により充電が開始され前記2次電池の他方が過充電を検出した場合は、過放電が検出されている前記2次電池の一方が過放電復帰電圧以下であっても前記放電制御用FETをONにし、前記充電制御用FETをOFFにすることを特徴とする。
c)また本発明は、複数直列につながれた2次電池の過充電、過放電、過電流を検出し、その検出結果に基づいて、充放電経路に設けられた充電制御用FETまたは放電制御用FETのON/OFFを制御することにより、前記2次電池を過充電、過放電、過電流から保護する充放電保護回路において、前記2次電池の過充電の検出結果を優位にする論理回路を用い、前記複数直列につながれた2次電池のいずれか1つが過充電を検出した場合に前記充電制御用FETをOFFにすることによって、過剰な電流が前記2次電池に流れないようにしたことを特徴とする。
d)上記において、前記論理回路は、過放電を検出しスタンバイに入ると“L”レベル、通常モード及び充電器が接続されると“H”レベルになるスタンバイ信号と、過充電を検出していない時は“L”レベル、過充電を検出した際には“L”レベルになる過充電検出信号を入力するNAND回路と、該NAND回路の出力を入力するインバータ回路と、該インバータ回路の出力と、過放電を検出していない時は“H”レベル、過放電を検出した際は“L”レベルになる過放電検出信号を入力するNOR回路と、該NOR回路の出力と、過放電を検出し過放電の遅延時間後に“H”レベル、過放電を検出していない時は“L”レベルとなる過放電検出確認信号を入力するEXNOR回路からなることを特徴とする。
e)また本発明は、上記充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、該バッテリーパックを用いた電子機器、携帯電話、携帯ゲーム機、デジタルカメラ、携帯用音響機器である。
請求項1の充放電保護回路によれば、複数直列に接続された2次電池において、2次電池状態のバランスが崩れた場合でも充電制御用FETをOFFさせるようにしたので、過剰な充電電流が流れることを防止でき、FETの劣化を防止できる。
請求項2記載の充放電保護回路によれば、複数直列に接続された2次電池において、電池セル状態のバランスが崩れた場合でも放電制御用FETをONさせ、充電電流を過剰に流さないために充電制御用FETをOFFさせるようにしているので(充電制御用FETと放電制御用FETの両方をOFFにさせない)、過剰な充電電流が流れることを防止でき、FETの劣化を防止できる。
請求項3記載の充放電保護回路によれば、複数直列に接続された2次電池において、電池セル状態のバランスが崩れた場合でも充電制御用FETをOFFさせるようにしているので、過剰な充電電流が流れることを防止でき、FETの劣化を防止できる。
請求項4記載の発明によれば、2次電池の過充電の検出結果を優位にする論理回路を数個の論理ゲートで構成したため、チップ面積をを大きくしなくても済み、その結果小型の充放電保護回路を実現できる。
請求項5〜10記載の発明によれば、過剰な充電電流が流れることを防止でき、FETの劣化を防止できるバッテリーパックや電子機器、携帯電話、携帯ゲーム機、デジタルカメラ、携帯用音響機器を実現できる。
<本発明の概要>
本発明は、充電器が接続された状態を認識し、複数直列につながった2次電池のどれか1つが過充電を検出した場合には、放電制御用FETを強制的にONさせ放電可能状態をつくり、充電制御用FETをOFFさせ過充電禁止状態にすることで、過放電検出状態での回路のスタンバイ電流を押さえ、且つ2次電池の劣化防止につながるとともに過剰な電流が2次電池に流れることを防止するようにしたものである。
過放電検出後のスタンバイ電流を抑えるには、過放電検出後に全ての回路を動作させなくすることで解決するが、本発明を取り入れないと複数直列につながれた2次電池のどれか1つが過放電を検出した状態で、充電器が接続されて複数直列に接続された他の2次電池が過充電を検出しても、過放電を検出している状態のため過充電状態にならない。過放電を検出している2次電池が過放電より復帰してから過充電状態となる。
<実施例の説明>
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明に係る充放電保護回路を説明するための図である。
同図に示すように、バッテリーパック10の主要部を構成する本発明に係る充放電保護回路(半導体装置)は、おおまかには過充電検出回路11(電池セル1用),過充電検出回路13(電池セル2用)と、過放電検出回路12(電池セル1用),過放電検出回路14(電池セル2用)と、放電過電流検出回路15と、充電過電流検出回路16と、発振回路17と、カウンタ18と、ロジック回路19,23と、レベルシフト回路20と、短絡検出回路21と、遅延回路22と、遅延時間短縮回路24、過充電保護回路25と、スタンバイ回路26から構成されている。3は充電器、100は充電制御用FET、200は放電制御用FETである。図3に示した既存の充放電保護回路と異なる点は、過充電保護回路25を追加している点とスタンバイ回路26からのスタンバイ信号を過充電保護回路に入力している点である。
図1に示した充放電保護回路の基本的な動作は、図3を用いて説明した従来技術に係る充放電保護回路の動作と同様である。
図1に示した充放電保護回路は、上述したように、図3に示した既存の充放電保護回路に、過充電優位にするための過充電保護回路25の追加し、充電器が接続されたことを認識するスタンバイ回路26からのスタンバイ信号を入力したものであり、複数直列に接続された2次電池(電池セル1,、2)のバランスが崩れて一方が過充電、他方が過放電を検出した際に、過剰な電流が流れないようにするために放電制御用FET200をONさせ、充電制御用FET100をOFFさせる。又、充電制御用FET100及び放電制御用FET200が両方OFF/OFFになってしまうと使用できなくなってしまうため、本実施例では必ず放電側のFETをONさせる。
図2は、過充電優位についての本発明の実施例を説明するための図である。
過放電を検出しスタンバイモードに入るための内部信号であるスタンバイ信号Aは、過放電を検出しスタンバイに入ると“L”レベルになり、通常モード及び充電器3が接続されると“H”レベルになる。
過充電検出回路11,13の内部信号である過充電検出信号Bは、過充電を検出していない時は“L”レベルになり、過充電を検出した際には“H”レベルになる。
過放電検出回路12,14の内部信号である過放電検出信号Cは、過放電を検出していない時は“H”レベルになり、過放電を検出した際は“L”レベルになる。
過放電検出回路12,14の内部信号である過放電検出確認信号Dは、過放電を検出し過放電の遅延時間後に“H”レベルとなり、過放電を検出していない時は“L”レベルとなる。
(A)<過充電、過放電、過電流を検出していない状態の場合>
過充電、過放電、過電流を検出していない状態においては、充電制御用FET100,放電制御用FET200は共にONしている。スタンバイ信号Aは、過放電を検出せずスタンバイモードになっていないため“H”レベルとなる。
過充電検出信号Bは、過充電を検出していないため“L”レベルとなり、NAND回路M1の出力から“H”レベルが出力される。インバータ回路M2の入力にはNAND回路M1の出力“H”レベルが入力されるため、インバータ回路M2の出力は“L”レベルが出力される。
過放電検出信号Cは、過放電を検出していないため“H”レベルとなる。NOR回路M3の入力にはインバータ回路M2の出力である“L”レベルと過放電検出信号の“H”レベルが入力される。そのとき、NOR回路M3の出力には“L”レベルが出力される。
過放電検出確認信号Dは、過放電を検出していない状態では“L”レベルとなり、EXNOR回路M4の入力にはNOR回路M3の出力の“L”レベルと過放電検出確認信号Dの“L”レベルが入力される。このとき、EXNOR回路M4の出力は“H”レベルとなり、カウンタは動かず停止している。
(B)<一方の電池セルが過放電を検出し、他方の電池セルが過放電検出電圧以上かつ過充電検出電圧以下のスタンバイ状態の場合>
複数直列につながった2次電池において、一方の電池セルが過放電を検出し、他方の電池セルが過放電検出電圧以上かつ過充電検出電圧以下のスタンバイ状態では、スタンバイ信号Aは過放電を検出しスタンバイモードに入っているため“L”レベルになる。
過充電検出信号Bは、過充電を検出していないため“L”レベルとなるので、NAND回路M1の入力にはスタンバイ信号Aの“L”レベルと過充電検出信号Bの“L”レベルが入力され、NAND回路M1の出力は“H”レベルとなり、この“H”レベルがインバータ回路M2の入力に入り、インバータ回路M2の出力は“L”レベルとなる。
過放電検出信号Cは、複数直列に接続された2次電池の全てが過充電検出電圧以下かつ過放電検出電圧以上であるときは“H”レベルであるが、一方でも過放電検出電圧以下になると“L”レベルとなる。過放電検出信号Cの“L”レベルとインバータ回路M2の出力である“L”レベルがNOR回路M3の入力にされ、NOR回路M3の出力は“H”レベルとなる。
過放電検出確認信号Dは、過放電を検出した後にカウンタが動作し、過放電検出遅延時間後に“H”レベルとなるため、EXNOR回路M4の入力にはNOR回路M3の出力である“H”レベルと過放電検出確認信号Dの“L”レベルが入力され、EXNOR回路M4の出力は“L”レベルとなり、カウンタが動作する。カウンタEで計測される所定の過放電検出遅延時間後に過放電検出確認信号Dは“H”レベルとなる。
(C)<一方の電池セルが過放電を検出している状態で、充電器が接続され他方の電池セルが過充電を検出した場合>
複数直列で接続された2次電池において一方のセルが過放電を検出している状態で、充電器が接続されもう一方のセルが過充電を検出した場合は、充電器3が接続されているため、スタンバイ信号Aは“H”レベルとなる。
過充電を検出すると過充電検出信号Bは“H”レベルとなり、NAND回路M1の入力にはスタンバイ信号Aの“H”レベルと過充電検出信号の“H”レベルが入力される。そのとき、NAND回路M1の出力は“L”レベルとなり、インバータ回路M2に入力される。インバータ回路M2の出力は“H”レベルとなる。
過放電検出信号Cは、過放電を検出すると“L”レベルとなり、NOR回路M3の入力にはインバータ回路M2の出力の“H”レベルと過放電検出信号Cの“L”レベルが入力される。そのとき、NOR回路M3の出力は“L”レベルとなる。
このとき、過放電を検出しているため過放電検出確認信号Dは“H”レベルとなり、EXNOR回路M4の入力には、NOR回路M3の出力の“L”レベルと過放電検出確認信号Dの“H”レベルが入力される。
そのとき、EXNOR回路M4の出力は“L”レベルとなり、カウンタEが動き強制的に放電制御用FET200をONさせ、過充電を検出しているので充電制御用FET100をOFFさせ充電禁止モードにする。
(D)<一方の電池セルが先に過充電を検出し、充電器を取り外し負荷接続により他方の電池セルが過放電を検出した場合>
複数直列に接続された2次電池で充電器が接続され、どちらか一方の電池セルが先に過充電を検出し、充電器を取り外し負荷接続により、もう一方の電池セルが過放電を検出した際の動作は、まず過充電検出信号Bは過充電を検出しているので“H”となり、過放電を検出してないのでスタンバイ信号は“H”となり、NAND回路M1の出力には“L”が出力される。インバータ回路M2の入力にはNAND回路M1の出力が入力されるため、インバータ回路M2の出力には“H”が出力される。
過放電検出信号Cは過放電を検出した場合は“L”、過放電を検出していない場合は“H”になるが、NOR回路M3に入力されるのはインバータ回路M2の出力の“H”と過放電検出信号Cになるため、過充電検出信号Bとスタンバイ信号Aによって支配されるため、複数直列につながった2次電池においてどちらか一方が先に過充電を検出した際には、過充電状態が保持され過剰な電流が流れないよう充電制御用FET100をOFFさせる。
これらの回路構成であれば、既存の回路を流用でき回路規模は小さく且つチップ面積を小さくすることができる。なお、図2の回路構成はあくまでも一つの実施例を示したものであり、例えば、NAND回路M1とインバータ回路M2を一つのAND回路に置き換えるなど、論理的に等価であれば様々な変形が可能であることはいうまでもない。
本発明に係る充放電保護回路を説明するための図である。 過充電優位についての本発明の実施例を説明するための図である。 従来技術における充放電保護回路を示す図である。
符号の説明
1:電池セル1
2:電池セル2
3:充電器
10:バッテリーパック
11:過充電検出回路(電池セル1用)
12:過放電検出回路(電池セル1用)
13:過充電検出回路(電池セル2用)
14:過放電検出回路(電池セル2用)
15:放電過電流検出回路
16:充電過電流検出回路
17:発振回路
18:カウンタ
19,23:ロジック回路(ラッチ)
20:レベルシフト回路
21:短絡検出回路
22:遅延回路
24:遅延時間短縮回路
25:過充電保護回路
26:スタンバイ回路
100:充電制御用FET
200:放電制御用FET
M1:NAND回路
M2:インバータ回路
M3:NOR回路
M4:EXNOR回路
A:スタンバイ信号
B:過充電検出信号
C:過放電検出信号
D:過放電検出確認信号
E:カウンタ

Claims (10)

  1. 複数直列につながれた2次電池の過充電、過放電、過電流を検出し、その検出結果に基づいて、充放電経路に設けられた充電制御用FETまたは放電制御用FETのオン/オフを制御することにより、前記2次電池を過充電、過放電、過電流から保護する充放電保護回路において、
    前記2次電池の過充電の検出結果を優位にする論理回路を用い、充電器が接続された場合に、前記充電制御用FETをOFFにするとともに、
    前記論理回路は、過放電を検出しスタンバイに入ると“L”レベル、通常モード及び充電器が接続されると“H”レベルになるスタンバイ信号と、過充電を検出していない時は“L”レベル、過充電を検出した際には“H”レベルになる過充電検出信号を入力するNAND回路と、該NAND回路の出力を入力するインバータ回路と、該インバータ回路の出力と、過放電を検出していない時は“H”レベル、過放電を検出した際は“L”レベルになる過放電検出信号を入力するNOR回路と、該NOR回路の出力と、過放電を検出し過放電の遅延時間後に“H”レベル、過放電を検出していない時は“L”レベルとなる過放電検出確認信号を入力するEXNOR回路からなることを特徴とする充放電保護回路。
  2. 複数直列につながれた2次電池の過充電、過放電、過電流を検出し、その検出結果に基づいて、充放電経路に設けられた充電制御用FETまたは放電制御用FETのON/OFFを制御することにより、前記2次電池を過充電、過放電、過電流から保護する充放電保護回路において、
    前記2次電池の過充電の検出結果を優位にする論理回路を用い、前記複数直列につながれた2次電池の一方が過放電を検出し放電制御用FETがOFFしている状態の時に、充電器の接続により充電が開始され前記2次電池の他方が過充電を検出した場合は、過放電が検出されている前記2次電池の一方が過放電復帰電圧以下であっても前記放電制御用FETをONにし、前記充電制御用FETをOFFにすることを特徴とする充放電保護回路。
  3. 複数直列につながれた2次電池の過充電、過放電、過電流を検出し、その検出結果に基づいて、充放電経路に設けられた充電制御用FETまたは放電制御用FETのON/OFFを制御することにより、前記2次電池を過充電、過放電、過電流から保護する充放電保護回路において、
    前記2次電池の過充電の検出結果を優位にする論理回路を用い、前記複数直列につながれた2次電池のいずれか1つが過充電を検出した場合に前記充電制御用FETをOFFにすることによって、過剰な電流が前記2次電池に流れないようにするとともに、
    前記論理回路は、過放電を検出しスタンバイに入ると“L”レベル、通常モード及び充電器が接続されると“H”レベルになるスタンバイ信号と、過充電を検出していない時は“L”レベル、過充電を検出した際には“H”レベルになる過充電検出信号を入力するNAND回路と、該NAND回路の出力を入力するインバータ回路と、該インバータ回路の出力と、過放電を検出していない時は“H”レベル、過放電を検出した際は“L”レベルになる過放電検出信号を入力するNOR回路と、該NOR回路の出力と、過放電を検出し過放電の遅延時間後に“H”レベル、過放電を検出していない時は“L”レベルとなる過放電検出確認信号を入力するEXNOR回路からなることを特徴とする充放電保護回路。
  4. 前記論理回路は、過放電を検出しスタンバイに入ると“L”レベル、通常モード及び充電器が接続されると“H”レベルになるスタンバイ信号と、過充電を検出していない時は“L”レベル、過充電を検出した際には“H”レベルになる過充電検出信号を入力するNAND回路と、該NAND回路の出力を入力するインバータ回路と、該インバータ回路の出力と、過放電を検出していない時は“H”レベル、過放電を検出した際は“L”レベルになる過放電検出信号を入力するNOR回路と、該NOR回路の出力と、過放電を検出し過放電の遅延時間後に“H”レベル、過放電を検出していない時は“L”レベルとなる過放電検出確認信号を入力するEXNOR回路からなることを特徴とする請求項2に記載の充放電保護回路。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載された充放電保護回路を組み込んだことを特徴とするバッテリーパック。
  6. 請求項5記載のバッテリーパックを用いた電子機器。
  7. 請求項5記載のバッテリーパックを用いた携帯電話。
  8. 請求項5記載のバッテリーパックを用いた携帯ゲーム機。
  9. 請求項5記載のバッテリーパックを用いたデジタルカメラ。
  10. 請求項5記載のバッテリーパックを用いた携帯用音響機器。
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