(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷と蓄電素子とチョークコイルと第１のスイッチング素子を有する本体と、前記蓄電素子の電圧よりも高い電圧を出力する直流電源と第２のスイッチング素子を有し前記本体に着脱可能に設けられた充電器とを備え、使用時は前記第１のスイッチング素子と前記チョークコイルを通して前記蓄電素子の電圧よりも高い電圧を前記負荷に供給し、充電時は前記第２のスイッチング素子と前記チョークコイルを通して電流を供給するコードレス機器。
【請求項２】
第２のスイッチング素子のオフ期間内にチョークコイルへの電流を供給する充電ダイオードを充電器内に有する請求項１に記載のコードレス機器。
【請求項３】
第２のスイッチング素子のオフ期間内にチョークコイルへの電流を供給する充電ダイオードを本体内に有する請求項１に記載のコードレス機器。
【請求項４】
チョークコイルはタップを有し、第１スイッチング素子の一端子および充電ダイオードの一端子は前記チョークコイルのタップに接続した請求項２または３に記載のコードレス機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電動工具、電気かみそり器、ノート型パソコン、携帯電話、掃除機などに使用され、電気エネルギーを予め充電した後、充電器と本体とを切り離した状態で、負荷に電気エネルギーの供給が可能なコードレス機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種コードレス機器は図８に示すように、１００Ｖ６０Ｈｚの交流電源１に接続される充電器２と、充電器２に着脱が自在の本体３からなり、充電器２は交流電源１から入力電圧を、例えば２４Ｖの低電圧に変換する変圧器４、変圧器４の二次側に接続され交流から直流に変換する全波の整流器５、整流器５の出力に接続され、本体３との着脱時に電気的な接触を行う接点６、７を有するものであった。
【０００３】
また本体３は、ニッケルカドミウム電池などを用いた蓄電素子８と、スイッチ９、モータを使用した負荷１０を有しており、スイッチ９がオンされた場合には、本体３が充電器２から切り離された状態、すなわち接点６、７がいずれも離れている状態でも蓄電素子８からスイッチ９を経て、負荷１０への電気パワーの供給が可能となり、コードレスの状態でも使用することができるものとなるものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成のコードレス機器では、充電器２の構成要素である変圧器４が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚという低周波で働かせるものとなるため、形状と重量が大きくなるという傾向があり、出張などで本体３と同時に、充電器２をもカバン等に入れて持ち運ぶ必要がある場合などには、使用者の負担が大きいという第１の課題があった。
【０００５】
なお、変圧器４は本体３の内部に設けることも可能ではあるが、その場合には本体３の形状と重量が大となり、コードレスの状態で使用する場合に、非常に使い勝手が悪くなり、より一層使用者の負担を大とするものであった。
【０００６】
また、蓄電素子８を構成するニッケルカドミウム電池は、単セルの電圧が１．２Ｖと低いことから、高電圧を負荷に供給する設計とした場合には、セルの直列本数が多くなり、コストが高くなるとともに、セル相互の特性バラツキによる信頼性の低下も起こる可能性が有るという第２の課題があった。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、充電器の形状、重量が小さく、負荷に高い電圧を供給可能なコードレス機器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明のコードレス機器は、負荷と蓄電素子とチョークコイルと第１のスイッチング素子を有する本体と、直流電源と第２のスイッチング素子を有し前記本体に着脱可能に設けられた充電器とを備え、使用時は前記第１のスイッチング素子と前記チョークコイルを通して電流を供給し、充電時は前記第２のスイッチング素子と前記チョークコイルを通して電流を供給する構成とした。
【０００９】
これによって、従来技術の変圧器のように、形状と重量が大きな部品を使用する必要がなくなり、また蓄電素子の電圧が低くても負荷に高電圧が供給できるようになる。
【００１０】
そして充電時と使用時に同一のチョークコイルを有効に活用して動作させることができるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、負荷と蓄電素子とチョークコイルと第１のスイッチング素子を有する本体と、前記蓄電素子の電圧よりも高い電圧を出力する直流電源と第２のスイッチング素子を有し前記本体に着脱可能に設けられた充電器とを備え、使用時は前記第１のスイッチング素子と前記チョークコイルを通して前記蓄電素子の電圧よりも高い電圧を前記負荷に供給し、充電時は前記第２のスイッチング素子と前記チョークコイルを通して電流を供給することにより、スイッチングによる直流電圧の変換がなされ、小型、軽量の構成となり、負荷が高電圧を必要とする場合にも、蓄電素子の電圧は低くてもよいので、蓄電素子を構成するセルの直列本数が少なくてすむものとなる。また、充電時には降圧チョッパ、使用時には昇圧チョッパとして同一のチョークコイルが非常に有効に使用され、小型、軽量で高電圧を負荷に供給することもできるものとなる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１記載の第２のスイッチング素子のオフ期間内に、チョークコイルへの電流を供給する充電ダイオードを充電器内に有する構成とすることにより、本体を極力小型、軽量に保ちつつ、第２のスイッチング素子のオフ期間に、前記チョークコイルを有効に活用して蓄電素子への充電電流の供給を継続して行うことができるものとなる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１記載の第２のスイッチング素子のオフ期間内に、チョークコイルへの電流を供給する充電ダイオードを本体内に有する構成とすることにより、第２のスイッチング素子のオフ期間に、前記チョークコイルを有効に活用して蓄電素子への充電電流の供給を継続して行うことができるものとなり、かつ充電時における充電器から本体への供給電流も小さく抑えることができるものとなる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項２または３に記載のチョークコイルはタップを有し、第１スイッチング素子の一端子および充電ダイオードの一端子は前記チョークコイルのタップに接続した構成とすることにより、第１のスイッチング素子に必要な電圧定格と、第２のスイッチング素子に必要な電流定格を抑えつつ、小型、軽量のコードレス機器の実現を可能とするものである。
【００１５】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例におけるコードレス機器の回路図である。図１において、本体１０１と、本体１０１に着脱可能な充電器１０２からなり、充電器１０２は１００Ｖ、５０Ｈｚまたは１００Ｖ、６０Ｈｚの交流電源１０３に接続されるものとなっている。
【００１７】
本体１０１は、整流子モータによって構成され２４Ｖの直流電圧で良好に動作する負荷１０４、ニッケル水素電池を１０セル直列として用い定格電圧を１２Ｖとした蓄電素子１０５、フェライトコアにエナメル線を巻いたチョークコイル１０６、ＩＧＢＴを用いた第１のスイッチング素子１０７、ダイオード１０８、コンデンサ１０９、１１０、スイッチ１１１、およびスイッチング素子１０７のオンオフを制御する駆動回路１１２を有している。
【００１８】
一方充電器１０２は、ダイオード４本を用いた全波式の整流器１２０、チョークコイル１２２、コンデンサ１２３からなり、約１３０Ｖの直流電圧を出力する直流電源１２４を有し、さらに直流電源１２４の出力には、やはりＩＧＢＴを用いた第２のスイッチング素子１３０とスイッチング素子１３０のオンオフを制御する駆動回路１３１、充電ダイオード１３２、そして本体１０１との電気的接触を行うための接点１３３、１３４を有した構成となっている。
【００１９】
なお充電ダイオード１３２は、第２のスイッチング素子１３０のオフ期間内にチョークコイル１０６を通じ蓄電素子１０５に充電電流を供給するものである。
【００２０】
図２は、本実施例におけるコードレス機器の充電時の動作波形図を示しており、（ア）は第２のスイッチング素子１３０のゲート電圧波形、（イ）は第２のスイッチング素子１３０の電流Ｉ１の波形、（ウ）はチョークコイル１０６の電流波形を示している。
【００２１】
駆動回路１３１は、充電時において充電動作中には５０ｋＨｚの周波数で、第２のスイッチング素子１３０をオンオフさせ、かつオン時間を３μｓとすることにより、蓄電素子１０５の充電電流がほぼ１Ａとしている。
【００２２】
ｔ１からｔ２の期間がオンの期間であり、この間は直流電源１２４のプラス端子から第２のスイッチング素子１３０、接点１３３、チョークコイル１０６を経て、蓄電素子１０５のプラス側の端子に充電の電流が供給され、蓄電素子１０５のマイナス端子から接点１３４を経て直流電源１２４のマイナス端子に戻る経路で電流が流れるものとなる。
【００２３】
ｔ２からｔ３の期間はオフの期間であり、この間は、オン期間中にチョークコイル１０６に蓄えられた磁気エネルギーにより、チョークコイル１０６から蓄電素子１０５のプラス端子に充電電流が供給され、蓄電素子１０５のマイナス端子から接点１３４、充電ダイオード１３２、接点１３３を経て、また再びチョークコイル１０６に還流する。
【００２４】
したがって、充電時においては１石式の降圧チョッパ回路として動作するものとなり、第２のスイッチング素子１３０のスイッチング周波数を商用周波数よりも遙かに高い５０ｋＨｚという値とすることにより、従来の変圧器に比較して非常に小型・軽量のチョークコイル１０６で構成できることから、充電器１０２の形状と重量を小とすることができるものとなる。
【００２５】
また、第２のスイッチング素子１３０はＴＯ−２２０パッケージというような小型、軽量のもので構成することができ、充電ダイオード１３２もファストリカバリ型の小型のものが使用することができ、特に本実施例では充電ダイオード１３２を充電器１０２内に設けていることから、本体１０１の構成は極力シンプルなものとすることができ、コードレスの状態での使用時に取り分け使い勝手が優れたものとすることもできる。
【００２６】
コンデンサ１０９、１１０は、５０ｋＨｚの周波数に対して、それぞれ蓄電素子１０５と負荷１０４のインピーダンスを下げて、安定な直流電圧に保つという作用がある。
【００２７】
なお、本実施例において、駆動回路１３１は充電中であっても５分間ごとに３秒間の連続したオフ期間を設けており、その間は充電電流が流れない状態としている。
【００２８】
この期間には充電電流がないため、蓄電素子１０５の電圧がそのまま接点１３３、１３４間に印加されるので、駆動回路１３１はその電圧、すなわちＶ２を検知することによって充電の進み具合を見ることができ、所定の電圧に達した段階で、充電が完了したことを判定して、動作をストップし、その後は第２のスイッチング素子１３０はオフ状態に保たれたものとする。
【００２９】
図３は、コードレス状態での使用時における動作波形を示しており、（ア）は第１のスイッチング素子１０７のゲート電圧波形、（イ）は第１のスイッチング素子１０７の電流Ｉ３の波形、（ウ）はチョークコイル１０６の電流波形を示している。
【００３０】
使用時には、接点１３３、１３４はいずれも切り離された状態となり、使用者の操作によってスイッチ１１１がオンされた状態となる。
【００３１】
駆動回路１１２は、使用時においてやはり５０ｋＨｚの周波数で、第１のスイッチング素子１０７をオンオフさせ、オン時間を１２μｓとすることにより、負荷１０４への出力電圧Ｖ３をほぼ２４Ｖとしている。
【００３２】
第１のスイッチング素子１０７のオン時間の比率を変化させて、負荷１０４に供給される直流電圧を加減することも可能であり、それによって例えば整流子モータである負荷１０４のパワーを可変としたり、回転数やトルクを加減したりするということも可能となる。
【００３３】
ｔ１からｔ２の期間がオンの期間であり、この間は蓄電素子１０５のプラス端子からチョークコイル１０６、第１のスイッチング素子１０７、スイッチ１１１、蓄電素子１０５のマイナス端子に電流が供給される。
【００３４】
ｔ２からｔ３の期間はオフの期間であり、この間は、オン期間中にチョークコイル１０６に蓄えられた磁気エネルギーにより、チョークコイル１０６からダイオード１０８、負荷１０４に電流が供給され、負荷１０４のマイナス端子からスイッチ１１１を経て蓄電素子１０５のマイナス端子に戻る経路で電流が供給されるものとなる。
【００３５】
したがって、使用時においては１石式の昇圧チョッパ回路として動作するものとなり、第１のスイッチング素子１０７のスイッチング周波数が５０ｋＨｚというかなり高い値としていることにより、小型、軽量のチョークコイル１０６が使用時についても、そのまま使用できるものとなる。
【００３６】
また、第１のスイッチング素子１０７も、ＴＯ−２２０パッケージというような小型、軽量のもので構成することができ、ダイオード１０８も小型のものが使用することができる。
【００３７】
なお、チョークコイル１０６に流れる電流Ｉ２は、左向きを正としているため、使用時においては、マイナスの値となる。
【００３８】
このように、本実施例ではチョークコイル１０６が、充電時においても使用時においても合理的に使用され、それぞれ降圧チョッパ、昇圧チョッパとして動作するため効率も高く、ムダな発熱も抑えることができるものとなる。
【００３９】
また、充電時の直流電源１２４の電圧は１３０Ｖであり、蓄電素子１０５の電圧１２Ｖよりも高く、本実施例のように１００Ｖの交流電源１０３を直接整流して使用するという簡単な構成で実現することができる。
【００４０】
また、使用時に負荷１０４に供給される電圧は２４Ｖであり、蓄電素子の電圧１２Ｖよりも高い値とすることができることから、例えば負荷１０４である整流子モータは、必要とするパワーが大きい場合でも、ブラシに流れる電流を抑えた高電圧・小電流の仕様とすることができ、効率と信頼性の面で優れたものとすることができるものとなる。
【００４１】
（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例におけるコードレス機器の回路図である。図４において、第２のスイッチング素子１３０のオフ期間内にチョークコイル１０６への電流を供給する充電ダイオード１４０を、本体１０１内に設けている点が実施例１とは異なるが、その他の構成については、実施例１と全く同等のものとなっている。
【００４２】
コードレス状態での使用時については、実施例１と全く同等であるが、充電時においても、充電ダイオードに流れる電流が、接点１３３および接点１３４を通過しないということが異なるだけで、その他については全く同等となる。
【００４３】
本実施例においては、使用時において用いられない充電ダイオード１４０を本体１０１内に設けていることから、多少本体１０１の形状と重量が増すが、リード線形のファストリカバリタイプのものを充電ダイオードとして使用する場合においては、そのデメリットは、ほとんど問題にはならないものとなる。
【００４４】
実施例１と比較して、充電時に充電ダイオードに流れる電流は、接点１３３、１３４を通過しないため、その分充電器１０２から供給される電流は小さくて済むものとなり、その分、接点１３３、１３４の電流定格の低減、信頼性の向上、損失の低減が図られるものとなる。
【００４５】
（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例におけるコードレス機器の回路図である。図５において、フェライトコアにエナメル線を巻いて構成したチョークコイル１５１は、タップ１５２を有しており、ＭＯＳＦＥＴを使用した第１スイッチング素子１５４のドレイン端子は、チョークコイル１５１のタップ１５２に接続し、さらに充電ダイオード１５３のカソード端子もタップ１５２に接続されている。なお、充電ダイオード１５３のアノード端子が蓄電素子１０５のマイナス端子に接続されている点は、実施例２と同様である。その他の構成については、実施例１と全く同等のものとなっている。
【００４６】
本実施例においては、チョークコイル１５１のａ端子とタップ１５２間の巻数と、タップ１５２とｂ端子間の巻数の比を、１対２としており、チョークコイル１５１の両端すなわちａ端子とｂ端子間のインダクタンスは、ａ端子とタップ１５２の間のインダクタンスのほぼ９倍となっている。
【００４７】
図６は、本実施例のコードレス機器の充電時の動作波形図を示しており、（ア）は第２のスイッチング素子１３０のゲート電圧波形、（イ）は第２のスイッチング素子１３０の電流Ｉ１の波形、（ウ）はチョークコイル１５１のａ端子から流出する電流の波形、（エ）は第２のスイッチング素子１３０のコレクタ・エミッタ間電圧を示している。
【００４８】
駆動回路１３１は、充電時において充電動作中には５０ｋＨｚの周波数で、第２のスイッチング素子１３０をオンオフさせ、かつオン時間を９μｓとすることにより、蓄電素子１０５の充電電流がほぼ１Ａとしている。
【００４９】
ｔ１からｔ２の期間がオンの期間であり、この間は直流電源１２４のプラス端子から第２のスイッチング素子１３０、接点１３３、チョークコイル１５１のｂ端子からａ端子間を経て、蓄電素子１０５のプラス側の端子に充電の電流が供給され、蓄電素子１５のマイナス端子から接点１３４を経て直流電源１２４のマイナス端子に戻る経路で電流が流れるものとなる。
【００５０】
ｔ２からｔ３の期間はオフの期間であり、この間は、オン期間中にチョークコイル１５１の磁気回路内に蓄えられた磁気エネルギーにより、チョークコイル１５１のａ端子から蓄電素子１０５のプラス端子に充電電流が供給され、蓄電素子１０５のマイナス端子から、充電ダイオード１５３を経て、また再びチョークコイル１５１のタップ１５２に還流する。この時、ｂ端子には蓄電素子１０５の両端の電圧の約３倍の電圧が発生するものとなるが、ｂ端子からの電流の流出はほとんどない。
【００５１】
なお、本実施例においても駆動回路１３１は、充電中であっても５分間ごとに３秒間の連続したオフ期間を設けており、その間は充電電流が流れない状態として、駆動回路１３１は蓄電素子１０５の電圧を検知し、充電の進み具合を見るという動作については、実施例１と同等である。
【００５２】
このように、充電時においては第２のスイッチング素子１３０のオフ期間のチョークコイル１５１のａ端子とタップ１５２の間の部分にながれる電流は、第２のスイッチング素子１３０のオン期間に供給される電流のほぼ３倍もの値となり、その分必要な充電電流を供給する際に、第２のスイッチング素子１３０に流さなければならない電流が小さく抑えられるものとなる。
【００５３】
ただし、第２のスイッチング素子１３０のオフ期間にコレクタ、エミッタ間に印加される電圧は高くなるので、電圧定格は高くしておく必要がある。
【００５４】
また、第２のスイッチング素子１３０のオン時間の比率は、実施例１の場合よりも大きくなる。
【００５５】
特に蓄電素子１０５の定格電圧が例えば４．８Ｖというような低電圧であって、直流電源１２４の出力電圧が２８０Ｖなどという高い値である場合、その比はかなり大となるが、本実施例の構成にした場合には、タップ１５２を出す位置を適切に設計することにより、十分に対応することができ、第２のスイッチング素子１３０の電流定格を、蓄電素子１０５の充電電流に対してかなり小さな値に抑えることができるため、低コストの素子が使用可能となる。
【００５６】
図７は、コードレス状態での使用時における動作波形を示しており、（ア）は第１のスイッチング素子１５４のゲート電圧波形、（イ）は第１のスイッチング素子１５４の電流の波形、（ウ）はチョークコイル１５１のａ端子から流出する電流波形、（エ）は第１のスイッチング素子１５４のドレイン・ソース間電圧波形を示している。
【００５７】
使用時には、接点１３３、１３４はいずれも切り離された状態となり、使用者の操作によってスイッチ１１１がオンされた状態となる。
【００５８】
駆動回路１１２は、使用時においてやはり５０ｋＨｚの周波数で、第１のスイッチング素子１５４をオンオフさせ、オン時間を９μｓとすることにより、負荷１０４への出力電圧をほぼ２４Ｖとしている。
【００５９】
第１のスイッチング素子１５４のオン時間の比率を変化させて、負荷１０４に供給される直流電圧を加減することも可能であり、それによって例えば整流子モータである負荷１０４のパワーを可変としたり、回転数やトルクを加減したりするということも可能となり、その場合、負荷１０４に供給する電圧の可変範囲は、タップ１５２を持たない実施例１や実施例２よりも大きいものとすることができる。
【００６０】
ｔ１からｔ２の期間がオンの期間であり、この間は蓄電素子１０５のプラス端子からチョークコイル１５１のａ端子とタップ１５２間、第１のスイッチング素子１５４、スイッチ１１１、蓄電素子１０５のマイナス端子に電流が供給される。
【００６１】
ｔ２からｔ３の期間はオフの期間であり、この間は、オン期間中にチョークコイル１５１の磁気回路に蓄えられたエネルギーにより、チョークコイル１５１のｂ端子からダイオード１０８、負荷１０４に電流が供給され、負荷１０４のマイナス端子からスイッチ１１１を経て蓄電素子１０５を経てａ端子に戻る経路で電流が供給されるものとなる。したがって、使用時においてもチョークコイル１５１が、極めて有効に機能するものとなる。
【００６２】
なお、Ｉ２はチョークコイル１５１のａ端子から流出する向きを正としているため、使用時においては、マイナスの値となる。
【００６３】
このように、コードレス状態の使用時においては、第１のスイッチング素子１５４のオン期間中には、チョークコイル１５１のａ端子とタップ１５２間の部分に電流が流れ、第１のスイッチング素子１５４のオフ期間中に、前記の巻数の比によって、ａ端子とｂ端子間、すなわちチョークコイル１５１の両端間に高電圧を発生させることができるものとなる。
【００６４】
よって、負荷１０４をさらに高電圧、小電流とすることも可能となり、また例えば少ない本数のニッケル水素電池などを用いて低い電圧の蓄電素子１０５を構成しても、十分高い電圧の定格を有する負荷１０４への電力供給も可能となり、設計の自由度が極めて高いものとすることができるものとなる。
【００６５】
また、本実施例では、第１のスイッチング素子１５４のドレイン・ソース間に印加される電圧は、チョークコイル１５１のタップ１５２を出す位置によって、充電時と使用時を通じて直流電源１２４の電圧よりも低い値とすることも可能であり、低電圧定格で、高速スイッチングができる小型のＭＯＳＦＥＴも使用することができるものとなる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から４に記載の発明によれば、充電器の形状と重量が小となり、また負荷には高い電圧供給も可能となるコードレス機器を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１におけるコードレス機器の回路図
【図２】  同、コードレス機器の充電時の動作波形図
【図３】  同、コードレス機器の使用時の動作波形図
【図４】  本発明の実施例２におけるコードレス機器の回路図
【図５】  本発明の実施例３におけるコードレス機器の回路図
【図６】  同、コードレス機器の充電時の動作波形図
【図７】  同、コードレス機器の使用時の動作波形図
【図８】  従来のコードレス機器の回路図
【符号の説明】
１０１  本体
１０２  充電器
１０４  負荷
１０５  蓄電素子
１０６、１５１  チョークコイル
１０７、１５４  第１のスイッチング素子
１２４  直流電源
１３０  第２のスイッチング素子
１３２、１４０、１５３  充電ダイオード
１５２  タップ
【図１】
0003731541.tif 000002
【図２】
0003731541.tif 000003
【図３】
0003731541.tif 000004
【図４】
0003731541.tif 000005
【図５】
0003731541.tif 000006
【図６】
0003731541.tif 000007
【図７】
0003731541.tif 000008
【図８】
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