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技術 電池電圧検出装置

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 肥田実
出願日 2016年3月2日 (4年4ヶ月経過) 出願番号 2016-040350
公開日 2017年9月7日 (2年9ヶ月経過) 公開番号 2017-156244
状態 特許登録済
技術分野 電流・電圧の測定 二次電池の保守(充放電、状態検知) 電池等の充放電回路
主要キーワード プルアップ抵抗素子 各差動増幅回路 総放電量 電池電圧検出装置 各抵抗素子 検出線 オームの法則 遮断回路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

直列に接続された複数のセルセル電圧を各セル間でばらつき難くすること。

解決手段

直列に接続された複数のセルを備えるとともに、前記複数のセルのうち最も電位の低い最下位セルの負極に接続された最下位検出線の電位を基準に動作し、前記複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備え、前記複数のセルのうちで隣り合うセル間の接続点は、前記接続点に接続されたセル間検出線を介して、前記隣り合うセルの電位の低い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路と前記隣り合うセルの電位の高い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路とに接続された、電池電圧検出装置であって、前記複数のセルのうち最も電位の高い最上位セルの正極に接続された最上位検出線に前記セル間検出線をプルアップする抵抗素子を前記セル間検出線毎に備える、電池電圧検出装置。

概要

背景

従来、直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える、電池電圧検出装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。

概要

直列に接続された複数のセルのセル電圧を各セル間でばらつき難くすること。直列に接続された複数のセルを備えるとともに、前記複数のセルのうち最も電位の低い最下位セルの負極に接続された最下位検出線の電位を基準に動作し、前記複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備え、前記複数のセルのうちで隣り合うセル間の接続点は、前記接続点に接続されたセル間検出線を介して、前記隣り合うセルの電位の低い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路と前記隣り合うセルの電位の高い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路とに接続された、電池電圧検出装置であって、前記複数のセルのうち最も電位の高い最上位セルの正極に接続された最上位検出線に前記セル間検出線をプルアップする抵抗素子を前記セル間検出線毎に備える、電池電圧検出装置。

目的

本発明の一態様は、直列に接続された複数のセルのセル電圧を各セル間でばらつき難くすることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

直列に接続された複数のセルを備えるとともに、前記複数のセルのうち最も電位の低い最下位セルの負極に接続された最下位検出線の電位を基準に動作し、前記複数のセルのうち対応するセルのセル電圧差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備え、前記複数のセルのうちで隣り合うセル間の接続点は、前記接続点に接続されたセル間検出線を介して、前記隣り合うセルの電位の低い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路と前記隣り合うセルの電位の高い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路とに接続された、電池電圧検出装置であって、前記複数のセルのうち最も電位の高い最上位セルの正極に接続された最上位検出線に前記セル間検出線をプルアップする抵抗素子を前記セル間検出線毎に備える、電池電圧検出装置。

請求項2

前記抵抗素子のうち電位の低いセル間検出線をプルアップする素子ほど抵抗値が高い、請求項1に記載の電池電圧検出装置。

請求項3

前記抵抗素子に流れる電流遮断する遮断回路を備える、請求項1又は2に記載の電池電圧検出装置。

技術分野

0001

本発明は、電池電圧検出装置に関する。

背景技術

0002

従来、直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える、電池電圧検出装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開2012−47520公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、セル毎に備えられた各差動増幅回路が、直列に接続された複数のセルのうち最も電位の低いセルの負極に接続された検出線の電位を基準に動作する構成であると、セルから放電される放電電流は電位の低いセルほど大きくなる場合がある。この場合、セル電圧が各セル間でばらつき易くなる。

0005

例えば、図1は、直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置の一比較例を示す図である。図1に示された電池電圧検出装置1は、4つのセル11〜14のうち最も電位の低い最下位セル11の負極に接続された最下位検出線30の電位41を基準に動作する4つの差動増幅回路21〜24を備える。差動増幅回路21〜24は、それぞれ、セル11〜14のうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する。

0006

隣り合うセル11,12間の接続点51は、接続点51に接続されたセル間検出線31を介して、セル11のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路21とセル12のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路22とに接続されている。差動増幅回路21,22は共通の電位41を基準に動作するため、接続点51からセル間検出線31に流れ出電流51aは、差動増幅回路21,22を経由して、最下位セル11の負極に流れ込む。つまり、電流51aには、セル11から放電される電流が含まれている。

0007

同様に、隣り合うセル12,13間の接続点52は、接続点52に接続されたセル間検出線32を介して、セル12のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路22とセル13のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路23とに接続されている。差動増幅回路22,23は共通の電位41を基準に動作するため、接続点52からセル間検出線32に流れ出る電流52aは、差動増幅回路22,23を経由して、最下位セル11の負極に流れ込む。つまり、電流52aには、セル11とセル12とから放電される電流が含まれている。

0008

隣り合うセル13,14間の接続点53からセル間検出線33に流れ出る電流53aについても上記同様に考えることができるので、電流53aには、セル11とセル12とセル13とから放電される電流が含まれている。

0009

このように、電流51a,52a,53aのそれぞれに含まれる電流を放電するセルに着目すると、セルから放電される総放電量は、直列に接続された複数のセルのうち電位の低いセルほど大きいので、セル電圧が各セル間でばらつき易い。

0010

そこで、本発明の一態様は、直列に接続された複数のセルのセル電圧を各セル間でばらつき難くすることを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

上記目的を達成するためには、隣り合うセル間の接続点からセル間検出線に流れ出る電流をセル間検出線毎に低減することができればよい。

0012

そこで、本発明の一態様では、
直列に接続された複数のセルを備えるとともに、
前記複数のセルのうち最も電位の低い最下位セルの負極に接続された最下位検出線の電位を基準に動作し、前記複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備え、
前記複数のセルのうちで隣り合うセル間の接続点は、前記接続点に接続されたセル間検出線を介して、前記隣り合うセルの電位の低い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路と前記隣り合うセルの電位の高い方のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路とに接続された、電池電圧検出装置であって、
前記複数のセルのうち最も電位の高い最上位セルの正極に接続された最上位検出線に前記セル間検出線をプルアップする抵抗素子を前記セル間検出線毎に備える、電池電圧検出装置が提供される。

0013

本態様によれば、前記最上位検出線から前記抵抗素子を経由して前記セル間検出線に電流を流し出すことができるので、隣り合うセルの接続点からセル間検出線に流れ出る電流を低減することができる。そして、そのような前記抵抗素子がセル間検出線毎に備えられていることにより、隣り合うセル間の接続点からセル間検出線に流れ出る電流をセル間検出線毎に低減させることができる。セル間検出線に流れ出る電流をセル間検出線毎に低減することにより、前記最上位セルを経由して前記最上位検出線に流れ出る電流が増加する。その結果、各セルの総放電量は均等に近づくので、セル電圧が各セル間でばらつき難くなる。

発明の効果

0014

本発明の一態様によれば、直列に接続された複数のセルのセル電圧が各セル間でばらつき難くなる。

図面の簡単な説明

0015

直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置の一比較例を示す図である。
直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置の一実施例を示す図である。
直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置の一具体例を示す図である。
直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置の他の一具体例を示す図である。

実施例

0016

図2は、直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置の一実施例を示す図である。図2に示される電池電圧検出装置2は、直列に接続された4つのセル61〜64を含む組電池60と、セルと同数の4つの差動増幅回路71〜74とを備える。

0017

差動増幅回路71は、一対の検出線80,81を介して並列に接続されたセル61のセル電圧を検出する。差動増幅回路72は、一対の検出線81,82を介して並列に接続されたセル62のセル電圧を検出する。差動増幅回路73は、一対の検出線82,83を介して並列に接続されたセル63のセル電圧を検出する。差動増幅回路74は、一対の検出線83,84を介して並列に接続されたセル64のセル電圧を検出する。セルのセル電圧とは、そのセルの両極間の電圧である。

0018

差動増幅回路71〜74は、それぞれ、4つのセル61〜64のうち最も電位の低い最下位セル61の負極に接続された最下位検出線80の電位42(グランド電位)を基準に動作する。差動増幅回路71〜74は、それぞれ、セル61〜64のうち対応するセルのセル電圧を電位42を基準に差動増幅し、電位42を基準とした差動増幅後の電圧を出力する。

0019

隣り合うセル61,62間の接続点91は、接続点91に接続されたセル間検出線81を介して、セル61のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路71とセル62のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路72とに接続されている。接続点91は、隣り合うセル61,62のうち電位の低い方のセル61の正極と電位の高い方のセル62の負極とが接続されたノードである。

0020

差動増幅回路71,72は共通の電位42を基準に動作するため、接続点91からセル間検出線81に流れ出る電流91aは、差動増幅回路71,72を経由して、最下位セル61の負極に流れ込む。つまり、電流91aには、セル61から放電される電流が含まれている。

0021

隣り合うセル62,63間の接続点92は、接続点92に接続されたセル間検出線82を介して、セル62のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路72とセル63のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路73とに接続されている。接続点92は、隣り合うセル62,63のうち電位の低い方のセル62の正極と電位の高い方のセル63の負極とが接続されたノードである。

0022

差動増幅回路72,73は共通の電位42を基準に動作するため、接続点92からセル間検出線82に流れ出る電流92aは、差動増幅回路72,73を経由して、最下位セル61の負極に流れ込む。つまり、電流92aには、セル61とセル62とから放電される電流が含まれている。

0023

隣り合うセル63,64間の接続点93は、接続点93に接続されたセル間検出線83を介して、セル63のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路73とセル64のセル電圧を差動増幅する差動増幅回路74とに接続されている。接続点93は、隣り合うセル63,64のうち電位の低い方のセル63の正極と電位の高い方のセル64の負極とが接続されたノードである。

0024

差動増幅回路73,74は共通の電位42を基準に動作するため、接続点93からセル間検出線83に流れ出る電流93aは、差動増幅回路73,74を経由して、最下位セル61の負極に流れ込む。つまり、電流93aには、セル61とセル62とセル63とから放電される電流が含まれている。

0025

電池電圧検出装置2は、セル61〜64のうち最も電位の高い最上位セル64の正極に接続された最上位検出線84にセル間検出線をプルアップする抵抗素子をセル間検出線毎に備える。抵抗素子は、抵抗成分を有する素子である。電池電圧検出装置2は、3つの抵抗素子101〜103を備える。抵抗素子101は、最上位検出線84にセル間検出線81をプルアップする。抵抗素子102は、最上位検出線84にセル間検出線82をプルアップする。抵抗素子103は、最上位検出線84にセル間検出線83をプルアップする。

0026

このように、セル間検出線81と最上位検出線84とが抵抗素子101を介して接続されることにより、最上位検出線84から抵抗素子101を経由してセル間検出線81に電流101aを流し出すことができる。電流101aがセル間検出線81に流し出される分だけ、接続点91からセル間検出線81に流れ出る電流91aを低減することができる。

0027

同様に、最上位検出線84から抵抗素子102を経由してセル間検出線82に電流102aを流し出すことができるので、電流102aがセル間検出線82に流し出される分だけ、接続点92からセル間検出線82に流れ出る電流92aを低減することができる。同様に、最上位検出線84から抵抗素子103を経由してセル間検出線83に電流103aを流し出すことができる。電流103aがセル間検出線83に流し出される分だけ、接続点93からセル間検出線83に流れ出る電流93aを低減することができる。

0028

このように、セル間検出線に流れ出る電流91a,92a,93aのそれぞれが低減することにより、最上位セル64を経由して最上位検出線84に流れ出る電流が増加する。その結果、各セル61〜64の総放電量は均等に近づくので、セル電圧が各セル61〜64間でばらつき難くなる。

0029

また、抵抗素子101〜103は、いずれも、セル間検出線を最上位検出線84にプルアップするため、抵抗素子101〜103のうち電位の低いセル間検出線をプルアップする素子ほど印加電圧が高い。例えば、抵抗素子101には、セル62〜64までの各セルのセル電圧を足した総セル電圧印加されるが、抵抗素子103には、セル64のセル電圧が印加される。

0030

そこで、抵抗素子101〜103のうち電位の低いセル間検出線をプルアップする素子ほど抵抗値が高く設定されることが好適である。つまり、抵抗素子101の抵抗値は、抵抗素子102の抵抗値よりも高く、抵抗素子102の抵抗値は、抵抗素子103の抵抗値よりも高い。このような大小関係各抵抗素子の抵抗値が設定されることにより、隣り合うセル間の接続点から流し出される電流と抵抗素子を経由して流し出される電流との相殺がし易くなる。したがって、電流91a,92a,93aをいずれもまで低減し易くなるので、セル電圧を各セル61〜64間で一層ばらつき難くすることができる。

0031

図3は、直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置3の一具体例を示す図である。図3には、差動増幅回路71〜74の具体例が例示されている。

0032

差動増幅回路70は、それぞれ、最も電位の低い最下位セルの負極に接続された最下位検出線120の電位44(グランド電位)を基準に動作する。差動増幅回路70は、それぞれ、直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を電位44を基準に差動増幅し、電位44を基準とした差動増幅後の電圧を出力する。

0033

図3に例示された差動増幅回路70は、それぞれ、同一の回路構成を有する。差動増幅回路70は、それぞれ、オペアンプ111と、抵抗体112〜115とを有する。抵抗体は、抵抗成分を有する素子である。

0034

オペアンプ111の電源電圧は、最も電位の高い最上位セルの正極に接続された最上位検出線130の電位43(電源電位)と、最も電位の低い最下位セルの負極に接続された最下位検出線120の電位44(グランド電位)との間の電圧である。オペアンプ111の非反転入力端子は、抵抗体112を介して、セルの正極に一端が接続された検出線の他端に接続され、オペアンプ111の反転入力端子は、抵抗体113を介して、当該セルの負極に一端が接続された検出線の他端に接続されている。抵抗体112とオペアンプ111の非反転入力端子との間のノードは、抵抗体114を介して、電位44に接続され、抵抗体113とオペアンプ111の反転入力端子との間のノードは、抵抗体115を介して、差動増幅回路70の出力端子(オペアンプ111の出力端子)に接続されている。

0035

ここで、直列に接続されたセルの個数をA,各セルのセル電圧をV1とする。また、抵抗体112,113の各抵抗値をR1,抵抗体114,115の各抵抗値をR2とすると、各差動増幅回路のゲインGは、周知のとおり、(R2/R1)と表すことができる。

0036

電位の最も低い最下位セルからn番目のセルの正極と(n+1)番目のセルの負極との間の接続点について考えると、当該接続点に一端が接続されたセル間検出線には、当該接続点から電流I0が流れ出る。電流I0は、電流I1と電流I2とに分流する。

0037

n番目のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路70に流入する電流I1は、当該差動増幅回路70の抵抗体112,114を経由して、電位44に流れる。したがって、電流I1は、オームの法則により、
I1=(n×V1)/(R1+R2)
と表すことができる。

0038

一方、(n+1)番目のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路70に流入する電流I2は、当該差動増幅回路70の抵抗体113,115を経由して、当該差動増幅回路70のオペアンプ111の出力端子に流れ込み、電位44に流れる。差動増幅回路70の出力電圧(オペアンプ111の出力電圧)は、(G×V1)であるので、電流I2は、オームの法則により、
I2=(n×V1−G×V1)/(R1+R2)
と表すことができる。

0039

電流I1と電流I2との和(電流I3)は、
I3=I1+I2=(2n−G)×V1/(R1+R2)
と表すことができる。

0040

n番目のセルの正極と(n+1)番目のセルの負極との間の接続点に一端が接続されたセル間検出線を最上位検出線130にプルアップする抵抗素子Rの抵抗値をRpnとすると、抵抗素子Rに流れる電流I4は、
I4=((A−n)×V1)/Rpn
と表すことができる。

0041

電流I4と電流I3(=I1+I2)とが一致すれば、電流I0を零にすることができるので、
((A−n)×V1)/Rpn=(2n−G)×V1/(R1+R2)
という関係式が得られる。この関係式をRpnについて変形すると、
Rpn=(A−n)×(R1+R2)/(2n−G)
と表すことができる。

0042

したがって、例えば、A=4,R1=R2(G=1)とすると、
Rpn=2(4−n)×R1/(2n−1)
という関係が導出されるので、
n=1の場合、Rp1=6×R1
n=2の場合、Rp2=(4/3)×R1
n=3の場合、Rp3=(2/5)×R1
という関係が成立する。よって、A=4,R1=R2(G=1)の場合、図3に記載の抵抗体及びプルアップ抵抗素子の各抵抗値を、
R1:R2:Rp1:Rp2:Rp3
=R1:R1:6×R1:(4/3)×R1:(2/5)×R1
=15:15:90:20:6
という比率に設定されることにより、隣り合うセル間の接続点から流れ出る電流をいずれの接続点についても零にすることができる。よって、各セルの総放電量は均等に近づくので、セル電圧が各セル間でばらつき難くなる。

0043

図3では、セル電圧V1が全て等しい場合を例示して説明したが、各セル電圧のバランス崩れた場合について説明する。例えば、最下位のセルからn番目のセルのセル電圧だけが上昇した場合、そのn番目のセルの正極に接続されたプルアップ抵抗素子(例えばA=4の場合、Rp2)に印加される総セル電圧は変化しないので、当該プルアップ抵抗素子に流れる電流I4も変化しない。これに対し、n番目のセルのセル電圧の上昇により、電流I1及び電流I2は増加するため、電流I0に含まれる、n番目のセルの正極から吐き出される電流は増加する。

0044

一方、最下位のセルからn番目のセルのセル電圧だけが上昇した場合、n番目のセルの負極((n−1)番目のセルの正極)に接続されたプルアップ抵抗素子(例えばA=4の場合、Rp1)に印加される総セル電圧は増加する。よって、当該プルアップ抵抗素子に流れる電流も増加し、(n−1)番目のセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路に流入する電流は減少するため、n番目のセルの負極に吸い込まれる電流が増加する。すなわち、n番目のセルを放電するように機能する。セル電圧が上昇していない他のセルへの影響もあるが、セル電圧が上昇したセルの放電を促すように動作するため、セル電圧の各セル間の均等化を図ることができる。

0045

図4は、直列に接続された複数のセルのうち対応するセルのセル電圧を差動増幅する差動増幅回路をセル毎に備える電池電圧検出装置4の一具体例を示す図である。図4に示される電池電圧検出装置4は、図3に示される電池電圧検出装置3に対して、遮断回路140が追加されている。

0046

電池電圧検出装置4は、セル間検出線を最上位検出線にプルアップする抵抗素子と、差動増幅回路とに流れる電流を遮断する遮断回路140と、遮断回路140の遮断動作を制御する制御回路150とを備える。遮断回路140は、例えば、最下位検出線に直列に挿入された最下位スイッチ141と、最上位検出線に直列に挿入された最上位スイッチ145と、セル間検出線に直列に挿入されたスイッチ142〜144とを有する。制御回路150は、例えば、各セルのセル電圧の検出が不要な場合、スイッチ141〜145の一部又は全部をオフすることにより、各セルの無駄な放電を防止できる。スイッチ142〜145は、プルアップ抵抗素子に無駄な電流が流れないようにするため、プルアップ抵抗素子と検出線との接続点に対してセル側に挿入されている。

0047

以上、電池電圧検出装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

0048

例えば、直列に接続された複数のセルを複数のグループに分け、複数のグループのそれぞれについて本実施形態の電池電圧検出装置が適用されてもよい。

0049

60組電池
61〜64セル
71〜74差動増幅回路
80最下位検出線
81〜83 セル間検出線
84最上位検出線
91〜93接続点
101〜103抵抗素子
140 遮断回路

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