(57)【要約】    【課題】安価なユニバーサルモータをバッテリーで駆動でき、ブラシの劣化が抑制され寿命の問題が生じないコードレス型電気掃除機を提供する。    【解決手段】吸引用のユニバーサルモータと、前記ユニバーサルモータを駆動するためのバッテリーと、前記バッテリーの出力をスイッチングにより昇圧し、前記ユニバーサルモータに供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記スイッチングを制御する昇圧制御部とを備え、前記昇圧制御部は、デューティ比を正弦波状または全波整流波状に変化させてスイッチングを行うように制御するコードレス型電気掃除機。【選択図】図３
2014180343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸引用のユニバーサルモータと、
前記ユニバーサルモータを駆動するためのバッテリーと、
前記バッテリーの出力をスイッチングにより昇圧し、前記ユニバーサルモータに供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記スイッチングを制御する昇圧制御部とを備え、
前記昇圧制御部は、デューティ比を正弦波状または全波整流波状に変化させてスイッチングを行うように制御することを特徴とするコードレス型電気掃除機。
【請求項２】
前記スイッチングのパターンを予め格納するメモリをさらに備え、
前記昇圧制御部は、前記パターンに基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングを制御する請求項１に記載のコードレス型電気掃除機。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記ユニバーサルモータの間に配置され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータでスイッチングされた電流を平滑化する平滑回路をさらに備え、
前記平滑回路は前記ユニバーサルモータを流れる電流が動作中にオフにならないように電流を平滑化する請求項１または２に記載のコードレス型電気掃除機。
【請求項４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは絶縁型であり、前記昇圧制御部はデューティ比を正弦波状に変化させてスイッチングを行う請求項１〜３の何れか一つに記載のコードレス型電気掃除機。
【請求項５】
商用ＡＣ電源から前記ユニバーサルモータ駆動用の電力を受けるＡＣ給電部をさらに備え、
前記昇圧制御部は、商用ＡＣ電源が前記ＡＣ給電部に接続されたことに応答して前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングを停止し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を停止させる請求項４に記載のコードレス型電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ユニバーサルモータを電池で駆動するコードレス型電気掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用ＡＣ電源の代わりにバッテリーを電源とするコードレス型電気掃除機が市販されている。近年は、中型以上のキャニスタータイプの電気掃除機においてもコードレスタイプが市販されている。コードレス型電気掃除機は、バッテリーに蓄えられた電力で電動送風機を駆動するのでＡＣコードによる制約を受けずに掃除中の移動が可能になる。バッテリーはＤＣ電源であるため、ＡＣ駆動の掃除機で一般的なユニバーサルモータに代えて通常はＤＣモータが採用されている。
【０００３】
コードレス型電気掃除機に関する従来技術として、安価に、かつ、サイズや重量をさほど大きくせずに小型コードレスクリーナのゴミ吸取り能力を向上させるという課題に対して、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて電池の出力電圧よりも高い電圧をＤＣモータに印加するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、コードレス型電気掃除機ではないが、ユニバーサルモータと直列に接続されるスイッチング素子を制御して、電源に余分な負荷を与えることなく電力効率を高く保ち、整流ブラシに起因するカーボン粒子の排出を低減させるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５２５９７号公報
【特許文献２】特開２００９−５５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
商用ＡＣ電源で動作する中型以上の電気掃除機には、ユニバーサルモータが多く採用されている。その理由は、安価で、高速回転が得られるからである。しかし、ユニバーサルモータを電池でＤＣ駆動すると、ＡＣ駆動の場合に比べてブラシの摩耗が激しい。そのために、モータの寿命が短くて中型以上の電気掃除機にはユニバーサルモータを採用することができない。モータの寿命を考慮してブラシレスＤＣモータを採用するものがある。しかし、ユニバーサルモータに比べてブラシレスＤＣモータはコストが高い。また、整流子とブラシに代わる切換回路を必要とするために回路の部品点数がユニバーサルモータに比べて多くなる。よって、回路についてもコストが高くなり、また、サイズが大きくなってしまう。
【０００６】
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、安価なユニバーサルモータをバッテリーで駆動できて、ブラシの劣化が抑制され寿命の問題が生じないコードレス型電気掃除機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、吸引用のユニバーサルモータと、前記ユニバーサルモータを駆動するためのバッテリーと、前記バッテリーの出力をスイッチングにより昇圧し、前記ユニバーサルモータに供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記スイッチングを制御する昇圧制御部とを備え、前記昇圧制御部は、デューティ比を正弦波状または全波整流波状に変化させてスイッチングを行うように制御することを特徴とするコードレス型電気掃除機を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明において、前記昇圧制御部は、スイッチング後の平均電圧が予め定められた全波整流波形状に変化するように前記スイッチングを制御するので、ブラシの劣化が抑制でき、安価なユニバーサルモータをバッテリーで駆動しても寿命の問題が生じない。そして、長期間の使用が可能なコードレス型電気掃除機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明に関する参考例の回路構成を示す説明図である。
【図２】図１に示すテストピンＴＰ２４、ＴＰ２５およびＴＰ２６の各箇所での模式的な波形図である。
【図３】この実施形態に係るユニバーサルモータの駆動回路を示す説明図である。（実施の形態１）
【図４】図３に示すテストピンＴＰ２４およびＴＰ２６での模式的な波形図である。
【図５】この実施形態に係るユニバーサルモータの駆動回路を示す説明図である。（実施の形態２）
【図６】図５に示すテストピンＴＰ２４およびＴＰ２６での模式的な波形図である。
【図７】図５のテストピンＴＰ２４の電圧波形を５０Ｈｚサイン波の１周期分プロットした模式的な波形図である。
【図８】図５の回路におけるＤＣ−ＤＣコンバータを絶縁型のフォワードコンバータに置き換えた説明図である。（実施の形態３）
【図９】図８に示すテストピンＴＰ２４およびＴＰ２６での模式的な波形図である。
【図１０】図８に示すバッテリー駆動と、商用ＡＣ電源によるＡＣ駆動とが切換え可能な構成の説明図である。
【図１１】図１０に示すテストピンＴＰ２４およびＴＰ２６での模式的な波形図である。
【図１２】この発明に係るコードレス型電気掃除機の一例を示す外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。
【００１１】
（実施の形態１）
はじめに、この発明に係るコードレス型掃除機の外観例を述べる。図１２はこの発明の実施形態に係るコードレス型電気掃除機の外観斜視図である。
図１２に示すように、コードレス型電気掃除機１００は、サイクロン方式の集塵ユニット５００を離脱可能に内蔵した掃除機本体１０１と、吸引ホース部３００とを備える。
【００１２】
吸引ホース部３００は、吸引ホース３０１と、延長パイプ３０２と、延長パイプ３０２の先端に接続される吸入部３０３と、手元ハンドル３０４と、手元ハンドル３０４に付設された操作部３０５と、接続部３０６を備える。
吸引ホース３０１は接続部３０６を介して掃除機本体１０１の前方に離脱可能に接続され、ユーザーは手元ハンドル３０４を手で保持しながら延長パイプ３０２の先端の吸入部３０３を床面に接触させながら移動させることができる。
【００１３】
掃除機本体１０１は両側面に一対のリング状車輪１４０を、後方下部に図示しない自在車輪をそれぞれ備えているので、使用者が手元ハンドル３０４を手で保持して移動するとき、掃除機本体１０１はその動作に追随することができる。
掃除機本体１０１は、床面の塵挨を空気と共に吸入部３０３から延長パイプ３０２と吸引ホース３０１を介して集塵ユニット５００へ吸引するようになっている。なお、掃除機本体１０１は集塵ユニット５００を装着する集塵室１５０を備える。
【００１４】
ユーザーは掃除機本体１０１内部の集塵ユニット５００の集塵状況をリング状車輪１４０の中央開口１４１から目で確認し、適宜、集塵ユニット５００を掃除機本体１０１の上部から引出して集塵ユニット５００に集められた塵挨を廃棄することができる。
また、掃除機本体１０１は手提げハンドル１１５を備えるので、ユーザーは手提げハンドル１１５を把持し、掃除機本体１０１を持ち上げて運搬することが可能である。
【００１５】
続いて、前述のコードレス型掃除機が備えるユニバーサルモータの駆動回路について説明する。
図３は、この実施形態に係るユニバーサルモータの駆動回路を示す説明図である。図１と同様の部分には同様の符号を付している。図１の回路と異なるのは、モータ駆動ＦＥＴ２１を削除した点、マイクロコンピュータ１２が駆動する昇圧スイッチングＦＥＴ１６のゲート信号が、全波整流されたサイン波状にデューティ比を変化させる点である。さらに、平滑コンデンサ１６および平滑ダイオード１８を削除し、リカバリーダイオード２１も削除している。
マイクロコンピュータ１２が昇圧スイッチングＦＥＴ１６を駆動するゲート信号の一例は、５０Ｈｚのサイン波を全波整流した片側サイン波の電圧波形である。そして、前記片側サイン波を１００ｋＨｚの周波数でサンプリングし、サンプリングされた電圧値に基づいてＰＷＭ変調を行う。即ち、前記ゲート信号は、スイッチング周波数が１００ｋＨｚ、デューティ比の変動が１００Ｈｚで繰り返される、ＰＷＭ変調されたパルス信号である。上記スイッチング周波数は一例であり、これより高くても低くてもよい。スイッチング周波数の上限は、マイクロコンピュータ１２の処理能力の上限で制約を受ける。一方、スイッチング周波数を低くするとサイン波状の変化が粗くなってしまう。そこで、発明者は２７ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で検討を行った。
【００１６】
マイクロコンピュータ１２は、ＰＷＭ変調に係るパルスのオン時間が格納された片側サイン波変調テーブルを予めメモリに格納している。表１は、片側サイン波変調テーブルに格納されるデータの一例を示している。マイクロコンピュータ１２は、この片側サイン波変調テーブルを参照して各パルス信号のデューティを変化させる。
【表１】
2014180343.tif 000003
【００１７】
表１の片側サイン波変調テーブルで、左端の列は片側サイン波のいくつ目のパルスかを示しており、右端の列はそのパルスのオン時間を示している。単位はナノ秒である。この実施形態において片側サイン波の半波のくりかえし周波数が１００Ｈｚであり、パルス信号のスイッチング周波数が１００ｋＨｚである。よって、一つの片側サイン波は１，０００個のパルス信号からなる。各パルス信号の周期は１０，０００ナノ秒である。よって、デューティ比１００％に対応するオン時間を１０，０００ナノ秒に設定している。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータの最大昇圧電圧をバッテリー１１の電圧の２．５倍とするために、負荷であるユニバーサルモータ２０の影響も考慮してオン時間の最大値、即ち片側サイン波のピーク電圧に対応するデューティ比を６０％に設定している。オン時間に換算すると６，０００ナノ秒である。
【００１８】
以上に述べた条件の下、表１の例えば第２番目のパルス信号のオン時間は以下のように計算される。
ｔ＝６０００×sin（１８０°×（１／９９９））≒１８．８８（ナノ秒）
小数点以下を四捨五入するとオン時間は１９ナノ秒になる（表１参照）。
同様の計算により、第３番目のパルス信号のオン時間は３８ナノ秒、第４番目は５７ナノ秒、…第５００番目は６，０００ナノ秒になる。さらに、第５０１番目は６０００ナノ秒、第９９７番目は５７ナノ秒、第９９８番目は３８ナノ秒、第９９９番目は１９ナノ秒、第１０００番目は０ナノ秒になる。これらの数値が予め片側サイン波変調テーブルに格納されている（表１参照）。
【００１９】
マイクロコンピュータ１２は、片側サイン波変調テーブルを第１番目から順番に参照して、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のゲート信号のオン時間（デューティ比）を１パルス毎に更新する。第１０００番目を参照した後は、第１番目に参照先を戻し、以後片側サイン波変調テーブルの第１〜１０００番目を繰り返し参照する。
図４は、図３に示すテストピンＴＰ２４およびＴＰ２６での模式的な波形図である。（ａ）はテストピンＴＰ２４、（ｂ）はテストピンＴＰ２６の波形をそれぞれ示している。即ち、（ａ）はユニバーサルモータ２０の一方の端子電圧であるが、他方の端子は接地されているので端子間電圧に等しい。パルスの上端部の電圧は、バッテリー１１電圧（約３０Ｖ）を２．５倍昇圧した約７５Ｖの電圧である。下端部の電圧は、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のオン電圧（約０．５Ｖ）である。（ｂ）は、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のゲート信号である。（ａ）および（ｂ）は、全波整流されたサイン波状にデューティ比が変化するパルス波形である。（ｂ）のパルスの上端部の電圧は一例でマイクロコンピュータ１２の内部プルアップ電圧（約５Ｖ）である。
【００２０】
（実施の形態２）
実施の形態１では、ユニバーサルモータ２０のモータ電流をオンオフするモータ駆動ＦＥＴ２１を廃止した。しかし、ブラシの劣化が激しいのはモータ電流の断続的なオンオフと関係があるところ、図３の回路で昇圧スイッチングＦＥＴ１６はユニバーサルモータ２０と並列に挿入されて電流を断続的にオンオフさせており、これに伴って電流の流路が強制的に変更される。よって、モータ電流が昇圧スイッチングＦＥＴ１６のオンオフに伴って大きく変化する。その結果、モータ電流の変化とユニバーサルモータ２０のインダクタンス成分とが相まってブラシの部分に高電圧が発生して火花放電が発生し、モータの寿命に悪影響を与える可能性が残る。
そこで、モータ電流の急激な変化を回避する平滑回路を図３の回路に追加する。
【００２１】
図５は、この実施形態に係るユニバーサルモータの駆動回路を示す説明図である。図３と同様の部分には同様の符号を付している。図５の回路は、図３の回路に平滑ダイオード１８と平滑コンデンサ１９からなる平滑回路を追加したものである。平滑コンデンサ１９は、１００ｋＨｚのＰＷＭされたパルス信号を平滑化するが１００Ｈｚの片側サイン波の脈動を残すようにその容量を選択する。平滑回路の効果でユニバーサルモータ２０に印加される電圧および電流は緩やかな変化の波形になる。ブラシの急激な損耗につながる電圧の跳ね上がりをなくすことができる。ユニバーサルモータ２０を直流電圧で駆動する場合や図３の回路で駆動する場合に比べてブラシの劣化が改善される。
【００２２】
図６は、図５に示すテストピンＴＰ２４およびＴＰ２６での模式的な波形図である。（ａ）はテストピンＴＰ２４、（ｂ）はテストピンＴＰ２６の波形をそれぞれ示している。即ち、（ａ）はユニバーサルモータ２０の一方の端子電圧である。なお、他方の端子は接地されている。（ｂ）は、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のゲート信号である。図４（ａ）と異なり、図６（ａ）は、平滑されて緩やかに変化する片側サイン波状の電圧波形である。図５のＤＣ−ＤＣコンバータは非絶縁型であるので、図６（ａ）の電圧波形は、片側サイン波状にＰＷＭ変調されたパルスが平滑化され、さらにバッテリー１１の直流電圧が重畳された波形である。一例で、片側サイン波の谷部の電圧はバッテリー１１の電圧（約３０Ｖ）に等しく、頂部の電圧は２．５倍昇圧された電圧（約７５Ｖ）が重畳された約１０５Ｖの電圧である。図６（ｂ）は、片側サイン波でＰＷＢ変調されたパルス信号の波形である。（ｂ）のパルスの上端部の電圧は一例でマイクロコンピュータ１２の内部プルアップ電圧（約５Ｖ）である。
【００２３】
図７は、図５のテストピンＴＰ２４の電圧波形を５０Ｈｚサイン波の１周期に相当する２０００パルス（ただし、パルス周期は１０，０００ナノ秒）分プロットした模式的な波形図である。図５のＤＣ−ＤＣコンバータは非絶縁型であるので、テストピンＴＰ２４ではバッテリー１１の直流電圧３０ＶにＰＷＭ変調されたパルス電圧波形が重畳された波形が観測される。よって、図７の波形の谷部の電位はバッテリー１１の電位に等しい。図７に示すように、テストピンＴＰ２４の電圧波形は最大昇圧比が約２．５倍（約７５Ｖ）である。図７の０〜１０００ナノ秒の期間のデューティ比は、表１のテーブルデータに対応する。
【００２４】
（実施の形態３）
この実施形態では、実施の形態１および２よりも、さらに実用的な態様を説明する。
図８は、図６の回路におけるＤＣ−ＤＣコンバータを絶縁型のフォワードコンバータに置き換えた説明図である。即ち、図６のチョークコイル１５を昇圧用絶縁トランス２８に置換え、平滑ダイオード１８および平滑コンデンサ１９を含む２次側の平滑回路にダイオード２９を追加して全波整流型に代えている。昇圧用絶縁トランス２８によってバッテリー１１、マイクロコンピュータ１２および昇圧スイッチングＦＥＴ１６と、ユニバーサルモータ２０とが絶縁されている。
【００２５】
絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータが適用されるので、昇圧スイッチングＦＥＴ１６に与えるゲート信号のオン時間はサイン波を模したものにする。即ち、表１の片側サイン波変調テーブルに代えて、両側サイン波変調テーブルを予めメモリに格納する。両側サイン波変調テーブルの値の一例を表２に示す。両側サイン波の振幅は、オン時間で０（ゼロ）〜６０００（ナノ秒）の範囲に渡り、その中心はオン時間が３０００（ナノ秒）である。また、サイン波の周波数は５０Ｈｚであり、ＰＷＭ変調のスイッチング周波数は１００ｋＨｚである。
【００２６】
【表２】
2014180343.tif 000004
【００２７】
表２の各パルス信号のｎ番目のオン時間は以下の計算式で求められる。
ｔ＝３０００＋３０００×sin［３６０×｛（ｎ−１）／１９９９｝］
表２の１番目のパルス信号のオン時間は、サイン波の中心に相当する３０００ナノ秒である。２番目は、３００９ナノ秒で、以降は増加し、第５００番目が最大値の６０００である。それ以降は減少し、第１０００番目でサイン波の中心である３０００ナノ秒に戻る。その後、オン時間はさらに減少し、第１００１番目が２９９１ナノ秒、第１００２番目が２９８１ナノ秒、第１５００番目で最小値の０をとる。その後は増加に転じて第２０００番目は２９９１ナノ秒である。
【００２８】
マイクロコンピュータ１２は、両側サイン波変調テーブルを第１番目から順番に参照して、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のゲート信号のオン時間（デューティ比）を１パルス毎に更新する。第２０００番目を参照した後は、第１番目に参照先を戻し、以後両側サイン波変調テーブルの第１〜２０００番目を繰り返し参照する。
【００２９】
図９は、図８に示すテストピンＴＰ２４−１、ＴＰ２４−２間の電圧およびＴＰ２６の電圧の模式的な波形図である。（ａ）はテストピンＴＰ２４−１、ＴＰ２４−２間の電圧波形、（ｂ）はテストピンＴＰ２６の電圧波形をそれぞれ示している。即ち、（ａ）はユニバーサルモータ２０の両端の端子電圧であり、平滑されて緩やかに変化する両側正弦波状の電圧波形である。一例で、両側サイン波の振幅（最下部と最上部の電圧差）はバッテリ１１の電圧（約３０Ｖ）が２．５倍昇圧されて正負に振れるので約１５０Ｖの電圧である。図８のＤＣ−ＤＣコンバータは絶縁型であるので、図７（ａ）と異なり、図８（ａ）の電圧波形には、バッテリー１１の直流電圧が重畳されない。（ｂ）は、両側サイン波でＰＷＢ変調されたパルス信号の波形である。（ｂ）のパルスの上端部の電圧は一例でマイクロコンピュータ１２の内部プルアップ電圧（約５Ｖ）である。
【００３０】
図１０は、図８に示すバッテリー駆動と、商用ＡＣ電源によるＡＣ駆動とが切換え可能な構成の説明図である。
図１０で、昇圧用絶縁トランス２８によってバッテリー１１と絶縁された２次側の回路に、ダイオードブリッジ３０、ＡＣ接続用ＦＥＴ３１およびその駆動回路が追加されている。ＡＣ接続用ＦＥＴ３１の駆動回路は、フォトカプラ３２、保護抵抗３３、トランジスタ３４、電流制限抵抗３５およびバイアス抵抗３６からなる。
ダイオードブリッジ３０は、ユニバーサルモータ２０を駆動するための商用ＡＣ電源を全波整流する回路である。ＡＣ接続用ＦＥＴ３１は、ダイオードブリッジ３０とユニバーサルモータ２０の端子の間に配置されて全波整流されたＡＣ電源をユニバーサルモータ２０に印加するか否かを切換えるスイッチである。ＡＣ接続用ＦＥＴ３１のオンとオフはマイクロコンピュータ１２が制御する。制御用に、マイクロコンピュータ１２の１つの出力ポートが保護抵抗３３を介してフォトカプラ３２に接続されている。フォトカプラの出力はトランジスタ３４のベースに接続され、トランジスタ３４はＡＣ接続用ＦＥＴ３１を駆動する。
【００３１】
マイクロコンピュータ１２がフォトカプラ３２を駆動すると、バイアス抵抗３６に電流が流れてトランジスタ３４がオンする。トランジスタ３４がオンすると、ＡＣ接続用ＦＥＴ３１が駆動されてオンし、商用ＡＣ電源がユニバーサルモータ２０の両端に印加される。
マイクロコンピュータ１２は、図示しない検出回路によってコードレス型電気掃除機がＡＣ電源に接続されたことを認識する。そして、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のスイッチングを停止させてバッテリー１１からの電力供給を停止させる。さらに、前記出力ポートをアサートしてフォトカプラ３２を駆動する。フォトカプラ３２が駆動されるとトランジスタ３４がオンし、ＡＣ接続用ＦＥＴ３１がオンする。このようにして、ユニバーサルモータ２０はバッテリー１１による駆動が停止し、商用ＡＣ電源による駆動に切換わる。
以上のように、図１０の回路によって交直両用のコードレス型電気掃除機が実現できる。
図１１は、図１０に示すテストピンＴＰ２４およびＴＰ２６での模式的な波形図である。図１１の波形は図９と同じである。
なお、上述の通り、コードレス型電気掃除機を例に述べたが、この発明の本質はこれに限定されず、コードレスタイプでユニバーサルモータを使用する装置に適用ができる。例えば、ユニバーサルモータを使用した電動式草刈り機や電動芝刈り機にも適用が可能である。
【００３２】
（参考例）
以下、参考例として、発明者がバッテリーでユニバーサルモータを駆動する検討を行った初期の段階における構成を参考例として説明する。参考例の構成では望ましい結果が得られなかったが、この発明に至る検討の過程を示すことでこの発明の理解が容易になるであろう。
【００３３】
図１は、参考例の回路構成を示す説明図である。
図１で、ユニバーサルモータ２０は、空気と共に塵埃を吸込むための気流を発生させる。バッテリー１１は、ユニバーサルモータ２０をはじめマイクロコンピュータ１２や他の素子の電源である。マイクロコンピュータ１２、チョークコイル１５、昇圧スイッチングＦＥＴ１６、保護抵抗１７、平滑ダイオード１８および平滑コンデンサ１９は、非絶縁型の昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する。マイクロコンピュータ１２は、処理ユニット（ＭＰＵ）を中心に処理プログラムを格納するＲＯＭ、ワークエリアを提供するＲＡＭ、入出力信号を扱うＩ／Ｏポート等を含んで構成される。さらに前記ＲＯＭは、後述する片側サイン波変調テーブルや両側サイン波変調テーブルを格納する。
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリー１１の直流電圧を昇圧してユニバーサルモータ２０に印加する。商用ＡＣ電源の電圧に比べてバッテリー１１の電圧は低いので、ＡＣ駆動用に設計されたユニバーサルモータ２０を効率よく駆動するための昇圧回路である。
【００３４】
しかし、バッテリー１１の直流電圧を昇圧してユニバーサルモータ２０に印加した場合、商用ＡＣ電源を全波整流してユニバーサルモータ２０の端子に印加する場合に比べて、ブラシの劣化が激しくモータの寿命が短い。その原因について発明者は、全波整流した電圧を印加するときは電流が脈動するのに対して直流電圧を印加するときは電流が一定であるため、整流子が切換わる際ブラシの接触部に定常的な火花放電が発生するためと推測した。
そこで、ユニバーサルモータ２０と直列にモータ駆動ＦＥＴ２１を接続し（図１参照）、全波整流されたサイン波状にモータ駆動ＦＥＴ２１のデューティ比を変化させるようにした。このようにすれば、ユニバーサルモータ２０に印加する平均電圧がＡＣ全波整流と等価になるので、モータ電流が脈動してブラシの劣化が抑制されると考えた。
【００３５】
ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を説明しておく。マイクロコンピュータ１２が昇圧スイッチングＦＥＴ１６をオンすると、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のオン電流はチョークコイル１５を流れ、チョークコイル１５のインダクタンスの作用によりオン電流は徐々に増加する。マイクロコンピュータ１２は、チョークコイル１５のコアが磁気飽和する前の予め定められた期間が経過した後に昇圧スイッチングＦＥＴ１６をオフする。昇圧スイッチングＦＥＴ１６のオン電流が遮断されると、チョークコイル１５の両端には自己誘導作用によって高電圧が発生する。バッテリー１１の電圧と自己誘導作用による誘起電圧の合計が平滑コンデンサ１９の両端にかかるので、平滑コンデンサ１９はバッテリー１１よりも高い電圧までチャージされる。平滑ダイオード１８は電流の逆流を阻止し、平滑コンデンサ１９に溜まった電荷がチョークコイル１５の側へ逃げないようにする。マイクロコンピュータ１２は、予め定められた一定の周期およびデューティ比で昇圧スイッチングＦＥＴ１６のスイッチングを繰り返す。平滑コンデンサ１９の両端には平均すると電池電圧よりも高い直流電圧が表われる。
【００３６】
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ以外の部分について説明する。マイクロコンピュータ１２には、バッテリー１１からドロッパレギュレータ１３および１４を介して電源が供給される。一例では、バッテリー１１の電圧は３０Ｖであり、ドロッパレギュレータ１３を経て１５Ｖに降圧され、さらにドロッパレギュレータ１４を経て５Ｖに降圧されてマイクロコンピュータ１２に供給される。
ユニバーサルモータ２０と直列にモータ駆動ＦＥＴ２１が挿入されており、ユニバーサルモータ２０に印加する直流電圧をＰＷＭ変調する。モータ駆動ＦＥＴ２１は、保護抵抗２２を介してマイクロコンピュータ１２の出力ポートに接続されている。マイクロコンピュータ１２は、ユニバーサルモータに印加される平均電圧が片側サイン波状に変化するようにモータ駆動ＦＥＴ２１のスイッチングを制御する。
ユニバーサルモータ２０の端子間には、モータ駆動ＦＥＴ２１がオフしたときにユニバーサルモータ２０のインダクタンスの作用により端子電圧が跳ね上がるのを防止するためのリカバリーダイオード２３が挿入されている。
【００３７】
図２は、図１に示すテストピンＴＰ２４−１とＴＰ２４−２間の電圧、ＴＰ２５およびＴＰ２６の各箇所での模式的な波形図である。（ａ）はテストピンＴＰ２４−１とＴＰ２４−２間の電圧波形、（ｂ）はテストピンＴＰ２５、（ｃ）はテストピンＴＰ２６の電圧波形をそれぞれ示している。即ち、（ａ）はユニバーサルモータ２０の端子間電圧である。（ｂ）は、モータ駆動ＦＥＴ２１のゲート信号である。（ａ）および（ｂ）は、デューティ比が全波整流されたサイン波状に変化するパルス状の波形である。（ａ）のパルスの上端部の電圧は、バッテリー１１電圧（約３０Ｖ）を２．５倍昇圧した約７５Ｖの電圧である。下端部の電圧はＧＮＤ電位の電圧である。（ｂ）のパルスの上端部の電圧は一例でマイクロコンピュータ１２の内部プルアップ電圧（約５Ｖ）である。（ｃ）は、昇圧スイッチングＦＥＴ１６のゲート信号であり、デューティ比一定（一例では、５０％に固定）のパルス状の波形である。パルスの上端部の電圧は一例でマイクロコンピュータ１２の内部プルアップ電圧（約５Ｖ）である。
【００３８】
図１の回路でユニバーサルモータ２０を駆動しところ、発明者の意図に反してブラシの劣化は単純な直流駆動よりもさらに激しく、モータの寿命が一層短くなった。その原因について考察した結果、整流子が切換わる際の火花放電だけでなく、モータ駆動ＦＥＴ２１によるモータ電流の断続的なオンオフに伴って火花放電が発生するからではないかと考えた。即ち、図１の構成において、ユニバーサルモータ２０にかかる平均電圧はモータ駆動ＦＥＴ２１のデューティを全波整流波状に変化させるので従来のＡＣ駆動と等価であるが、モータ電流はモータ駆動ＦＥＴ２１により断続的にオンとオフが繰り返される。電流のオフ時にユニバーサルモータ２０のインダクタンスの作用で高電圧が発生し、これが火花放電を発生させてブラシの劣化を激しくすると考えた。ユニバーサルモータ２０の端子間にリカバリーダイオード２３が挿入されているが、火花放電はブラシに接触する整流子の切換え、即ちユニバーサルモータ２０の内部のローターの巻き線の切換で発生するために火花放電を抑制することができないと考えられる。
そこで発明者は、図１のようにユニバーサルモータ２０と直列にモータ駆動ＦＥＴ２１を挿入するのをやめて、実施の形態１に係る図３に示す構成を考えた。
【００３９】
以上に述べたように、
（ｉ）この発明によるコードレス型電気掃除機は、吸引用のユニバーサルモータと、前記ユニバーサルモータを駆動するためのバッテリーと、前記バッテリーの出力をスイッチングにより昇圧し、前記ユニバーサルモータに供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記スイッチングを制御する昇圧制御部とを備え、前記昇圧制御部は、デューティ比を正弦波状または全波整流波状に変化させてスイッチングを行うように制御することを特徴とする。
この発明において、コードレス型電気掃除機は、バッテリーの電力で動作する掃除機である。その具体的な態様は、例えば、商用ＡＣ電源で充電可能な二次電池を搭載し、二次電池が充電された状態で前記二次電池の電力により動作するキャニスター型の電気掃除機である。ただし、キャニスター型に限定されるものでなく、スタンド型等他のスタイルもこの発明に含まれる。この発明のコードレス型電気掃除機は吸引用のユニバーサルモータを備えるので、中型あるいは大型の掃除機に好適であるが発明の本質は小型の掃除機にも適用可能なものであり、大小は問わない。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源である電池の電圧を昇圧してユニバーサルモータに供給するためのものである。一般に、ＤＣ−ＤＣコンバータは昇圧のためにスイッチングを行うが、特にこの発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチングのデューティ比を正弦波状または全波整流波状に変化させて脈動した出力波形を得る点で、変動の少ない出力電圧を得ようとする一般のＤＣ−ＤＣコンバータと異なる。これは、この発明がユニバーサルモータの駆動を前提としており、商用ＡＣ電源の全波整流波を模した駆動を目指しているからである。
【００４０】
続いて、この発明の好ましい態様について説明する。
（ii）前記スイッチングのパターンを予め格納するメモリをさらに備え、前記昇圧制御部は、前記パターンに基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングを制御してもよい。
（iii）前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記ユニバーサルモータの間に配置され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータでスイッチングされた電流を平滑化する平滑回路をさらに備え、前記平滑回路は前記ユニバーサルモータを流れる電流が動作中にオフにならないように電流を平滑化してもよい。
このようにすれば、平滑回路で電流を平滑化してブラシの部分の火花放電を抑制できる。
【００４１】
（iv）前記ＤＣ−ＤＣコンバータは絶縁型であり、前記昇圧制御部はデューティ比を正弦波状に変化させてスイッチングを行ってもよい。
（ｖ）商用ＡＣ電源から前記ユニバーサルモータ駆動用の電力を受けるＡＣ給電部をさらに備え、前記昇圧制御部は、前記ＡＣ給電部が商用ＡＣ電源に接続されたとき前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングを停止し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を停止させるようにしてもよい。
このようにすれば、ＡＣ給電部が商用ＡＣ電源に接続されたことに応答して駆動用の電力が切換わるので、電池とＡＣ電源のいずれでもユニバーサルモータを駆動できる。さらに、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを介して電池はＡＣ給電部やユニバーサルモータから絶縁されている。
【００４２】
この発明の好ましい態様には、上述した複数の態様のうちの何れかを組み合わせたものも含まれる。
前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１１：バッテリー、    １２：マイクロコンピュータ、    １３，１４：ドロッパレギュレータ    １５：チョークコイル、    １６：昇圧スイッチングＦＥＴ、    １７：保護抵抗、    １８：平滑ダイオード、    １９：平滑コンデンサ、    ２０：ユニバーサルモータ、    ２１：モータ駆動ＦＥＴ、    ２２：保護抵抗、    ２３：リカバーダイオード、    ２８：昇圧用絶縁トランス、    ２９：ダイオード、    ３０：ダイオードブリッジ、    ３１：ＡＣ接続用ＦＥＴ、    ３２：フォトカプラ、    ３３：保護抵抗、    ３４：トランジスタ、    ３５：電流制限抵抗、    ３６：バイアス抵抗、    １００：コードレス型電気掃除機、    １０１：掃除機本体、    １１５：手提げハンドル、    １４０：リング状車輪、    １４１：中央開口、    １５０：集塵室、    ３００：吸引ホース部、    ３０１：吸引ホース、    ３０２：延長パイプ、    ３０３：吸入部、    ３０４：手元ハンドル、    ３０５：操作部、    ３０６：接続部、    ５００：集塵ユニット
【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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【図１２】
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