(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョークコイルと第１のスイッチング素子を有する降圧チョッパ回路と蓄電素子と負荷とを有する本体と、直流電源と励磁コイルと第２のスイッチング素子を有する充電器とを備え、前記励磁コイルは充電時に前記チョークコイルに磁気結合するコードレス機器。
【請求項２】
チョークコイルと第１のスイッチング素子を有する符号反転チョッパ回路と蓄電素子と負荷とを有する本体と、直流電源と励磁コイルと第２のスイッチング素子を有する充電器とを備え、前記励磁コイルは充電時に前記チョークコイルに磁気結合するコードレス機器。
【請求項３】
チョークコイルに接続され、充電時に蓄電素子に充電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または２に記載のコードレス機器。
【請求項４】
充電ダイオードを第１のスイッチング素子と並列に接続した請求項３記載のコードレス機器。
【請求項５】
負荷は、チョークコイルと励磁コイルが磁気結合した状態で、第２のスイッチング素子のオンオフ動作により、直流電源からの電気パワーが供給される請求項１または２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、接点を有していることから接点が汚損した場合などには、接触不良となって充電ができない場合もあるという第２の課題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、小型軽量でありながら、接点なしでの充電動作が行えるコードレス機器の提供を目的とするものである。
【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、チョークコイルと第１のスイッチング素子を有する降圧チョッパ回路と蓄電素子と負荷とを有する本体と、直流電源と励磁コイルと第２のスイッチング素子を有する充電器とを備え、前記励磁コイルは充電時に前記チョークコイルに磁気結合する構成とすることにより、充電器の形状・重量を抑えて使い勝手を良いものとし、磁気結合を用いることによって接点なしでの充電動作が行えるコードレス機器を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、チョークコイルと第１のスイッチング素子を有する降圧チョッパ回路と蓄電素子と負荷とを有する本体と、直流電源と励磁コイルと第２のスイッチング素子を有する充電器とを備え、前記励磁コイルは充電時に前記チョークコイルに磁気結合することにより、充電器が小型・軽量で使い勝手が良く、磁気結合によるパワー伝達を用いることによって接点なしでの充電動作が行えるコードレス機器を提供するものである。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、チョークコイルと第１のスイッチング素子を有する符号反転チョッパ回路と蓄電素子と負荷とを有する本体と、直流電源と励磁コイルと第２のスイッチング素子を有する充電器とを備え、前記励磁コイルは充電時に前記チョークコイルに磁気結合することにより、やはり充電器が小型・軽量で使い勝手が良く、磁気結合によるパワー伝達を用いることによって接点なしでの充電動作が行えるコードレス機器を提供するものである。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載のチョークコイルに接続され、充電時に蓄電素子に充電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、前記チョークコイルを充電時にも効果的に機能させ、有効に蓄電素子の充電電流が供給できる損失の少ないコードレス機器を実現するものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項３記載のコードレス機器の充電ダイオードを第１のスイッチング素子と並列に接続したことにより、前記第１のスイッチング素子への逆電圧の印加を防いで信頼性を確保するとともに、前記チョークコイルを充電時にも効果的に機能させ、有効に蓄電素子の充電電流が供給できる損失の少ないコードレス機器を実現するものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の負荷は、チョークコイルと励磁コイルが磁気結合した状態で、第２のスイッチング素子のオンオフ動作により、直流電源からの電気パワーが供給される構成としたことにより、前記蓄電素子の充電が十分になされていない場合でも、前記直流電源から前記への負荷電力供給が可能となり、使い勝手の良いコードレス機器を実現するものである。
【００１４】
【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。
【００１５】
（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を有しており、充電器１０２は１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源１０３に接続されるものとなっている。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、単３形のニッケル水素電池を１０セル直列とし、定格電圧を１２Ｖとした蓄電素子１０５、降圧チョッパ回路１０６、コンデンサ１０７、１０８、充電ダイオード１０９、スイッチ１１０、１１１によって構成されている。昇圧チョッパ回路１０６は、フェライトコアにエナメル線を巻いたチョークコイル１２０、トランジスタを用いた第１のスイッチング素子１２１、ダイオード１２２、およびスイッチング素子１２１のオンオフを制御する駆動回路１２３を有し、さらに第１のスイッチング素子１２１と並列にも充電ダイオード１２４が接続されているものとなっている。
【００１６】
一方の充電器１０２の方は、ダイオード４本を用いた全波式の整流器１３０、チョークコイル１３１、コンデンサ１３２からなり、約１３０Ｖの直流電圧を出力する直流電源１３３を有し、さらに直流電源１３３の出力には、ＩＧＢＴを用いた第２のスイッチング素子１４０とスイッチング素子１４０のオンオフを制御する駆動回路１４１、コの字形のフェライトコアにエナメル線を巻いて構成し、充電時にはチョークコイル１２０と磁気結合する励磁コイル１４２、さらにコンデンサ１４３と抵抗１４４が直列に接続されたものが、励磁コイル１４２に並列接続されている。
【００１７】
なお、コの字形のフェライトコアを用いた励磁コイル１４２と、棒状のフェライトコアを用いたチョークコイル１２０を用いていることから、本実施例のコードレス機器は、充電時における磁気結合が比較的良いものとなり、高効率での動作が行えるものとなっているが、これらの構成要素は磁気結合ができるものであれば良く、本実施例の形状以外のものであっても良い。
【００１８】
充電ダイオード１０９、１２４は、本体１０１内に設けられ、充電時に第２のスイッチング素子１４０のオフ期間内に導通状態となり、蓄電素子１０５への充電電流を供給するものである。
【００１９】
図２は、本実施例のコードレス機器の充電時における動作波形図を示しており、（ア）は第２のスイッチング素子１４０のゲート電圧波形Ｖｇｅ、（イ）は第２のスイッチング素子１４０の電流Ｉ１、（ウ）はチョークコイル１２０の電流Ｉ２、（エ）は第２のスイッチング素子１４０のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ２の波形を示している。
【００２０】
なお、この時にスイッチ１１０はオン、スイッチ１１１はオフの状態となっており、第１のスイッチング素子１２１はオフに保たれた状態となっている。
【００２１】
駆動回路１４１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１４０をオンオフさせ、かつオン時間を８μｓ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。ｔ１からｔ２の期間がオンの期間であり、この間はＶｃｅがほぼ零となり、直流電源１３３の出力電圧は、ほぼ励磁コイル１４２にかかった状態となる。ここで、黒丸印が正となる向きの電圧となるため、磁気結合しているチョークコイル１２０に発生する電圧も黒丸印が正となる極性になることから、充電ダイオード１０９が逆阻止状態となり、チョークコイル１２０電流は流れない。したがって、励磁コイル１４２が持つインダクタンスにより、時間と共に電流が増していってｔ２において８００ｍＡとなる。
【００２２】
ｔ２において、第２のスイッチング素子１４０がオフ期間に入ると、オン期間中に蓄えられていた磁気エネルギーにより、黒丸印が負となる方向に電圧が発生することになり、チョークコイル１２０からは、充電ダイオード１０９と、充電ダイオード１２４を通して蓄電素子１０５に充電電流が流れるものとなる。充電ダイオード１２４は、第１のスイッチング素子１２１のコレクタ・エミッタ間に並列に接続されているため、例えばシリコン半導体式の充電ダイオード１２４を用いた場合には、第１のスイッチング素子１２１のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧は、ほぼマイナス１Ｖ程度となり、逆電圧の印加による性能劣化を抑えることができるものとなって、高信頼性で高効率の充電動作が可能となるものとなる。
【００２３】
なお、本実施例においては、バイポーラ形のＮＰＮトランジスタで、第１のスイッチング素子１２１を実現しているが、他の種類のスイッチング素子、たとえばＭＯＳＦＥＴなどであってもかまわない。
【００２４】
その後ｔ３にて再びオン期間に入るものとなり、この動作が繰り返されることにより、蓄電素子１０５には継続的に充電電流が供給され、充電がなされるものとなる。
【００２５】
このような動作が、５０ｋＨｚというスイッチング周波数で行われ、商用周波数よりも遙かに高い値としていることにより、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１２０と、励磁コイル１４２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。
【００２６】
また、第２のスイッチング素子１４０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１０９、１２４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る。
【００２７】
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１２１のゲート電流Ｉｂ、（イ）は第１のスイッチング素子１２１のコレクタ電流Ｉ３の波形、（ウ）はチョークコイル１２０の電流Ｉ２、（エ）は第１のスイッチング素子１２１のコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖｃｅ１の波形を示している。使用時には、充電器１０２は取り除かれた状態となり、スイッチ１１０、１１１は使用者の操作によってオンされた状態となる。駆動回路１２３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１２１をオンオフさせ、オン時間を１１μｓとすることにより、負荷１０４への出力電圧Ｖ３を６．３Ｖとしている。
【００２８】
第１のスイッチング素子１２１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。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のプラス端子から第１のスイッチング素子１２１、チョークコイル１２０、負荷１０４、スイッチ１１０、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。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１２０に蓄えられた磁気エネルギーにより、チョークコイル１２０から負荷１０４に電流が供給され、スイッチ１１１、ダイオード１２２を経る経路で電流が供給されるものとなる。したがって、使用時においては１石式である降圧チョッパ回路１０６が、降圧動作するものとなる。
【００２９】
ここで、第１のスイッチング素子１２１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から、小型・軽量のチョークコイル１２０が、使用時については十分に降圧チョッパ回路１０６の機能を満足するものとして、使用できるものとなり、低損失で負荷１０４への電力供給が可能となり、エネルギーの損が少ないものとすることができるものとなる。
【００３０】
また、高周波でのスイッチング動作も可能となり、小さいインダクタンスのチョークコイル１２０の使用ができることから、本体も小型とすることができるという効果もある。
【００３１】
コードレスの使用時における、チョークコイル１２０のインダクタンスの値は、励磁コイル１４２がない状態である場合、磁気回路の磁気抵抗が高くなることが原因となって小さくなる傾向があるが、そのような条件においても、高周波でのスイッチング動作を行う本実施例の構成は、有効に作用するものとなる。
【００３２】
図４は、本実施例のコード付き使用時における回路図を示している。本実施例のコードレス機器は、蓄電素子１０５の充電が十分になされていない場合に、本体１０１を充電器１０２にセットした状態、すなわちチョークコイルと励磁コイルが磁気結合した状態とし、スイッチ１１０をオフ、スイッチ１１１をオンとし、第２のスイッチング素子１４０のオンオフ動作により、直流電源１３３から負荷１０４に電気パワーが供給され、使用することもできるものとなっている。
【００３３】
図４においては、励磁コイル１４２の極性を示す黒丸印が図１に対して逆となっている。コード付き状態で使用する際は、本体１０１を充電器１０２にセットする時に、充電を行う場合とは異なり、逆向きに取り付けることにより、コの字形をした励磁コイル１４２のコアは、チョークコイル１２０と逆極性で磁気結合をするものとしている。
【００３４】
図５は、励磁コイル１４２とチョークコイル１２０の磁気結合の様子を示す図で、（ａ）は充電時、（ｂ）はコード付き使用時の状態を示している。すなわち、充電時においては励磁コイル１４２のａ端とチョークコイル１２０のｃ端、および励磁コイル１４２のｂ端とチョークコイル１２０のｄ端が対向しているのに対し、コード付き使用時においては本体１０１に対する充電器１０２の向きが左右逆となるため、励磁コイル１４２のｂ端とチョークコイル１２０のｃ端、および励磁コイル１４２のａ端とチョークコイル１２０のｄ端が対向しているものとなる。よって、前述の充電時の動作と同様に充電器が動作することにより、充電動作における蓄電素子１０５への充電電流の供給の代わりに、負荷１０４への電流供給が行われ、コード付きで動作が行われるものとなる。
【００３５】
したがって、例えば蓄電素子１０５の充電が十分でない場合や、蓄電池１０５使用中に蓄積エネルギーを使い果たした場合などでも、充電器１０２にセットした状態で、使用することが可能となり、交流電源１０３への接続は必要ではあるが、蓄電素子の充電を待たなくとも使用することができるものとなり、使い勝手での向上ができるという効果があるものとなっている。
【００３６】
このように、本実施例ではチョークコイル１２０が、充電時においてもコードレスでの使用時、さらにコード付きの使用時においても合理的に使用され、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。
【００３７】
また、充電時の直流電源１３３の電圧は１３０Ｖであり、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。
【００３８】
本実施例では、充電時においては第２のスイッチング素子１４０のオフ期間中に、充電ダイオードが導通状態となるものであり、一般のスイッチング電源で言うところのフライバックコンバータとして動作するものであることから、巻線部品の点数は最低限とすることができ、フォワードコンバータなどの回路構成に比較すると、簡単な構成で充電動作が行われるものとなる。
【００３９】
なお、充電時の第２のスイッチング素子１４０のオン時間には、充電ダイオード１０９、１２４が逆阻止状態となり、蓄電素子１０５からの電流の流出を抑えるものとなることから、効率良く充電動作がなされるものとなる。
【００４０】
また、充電時の本体１０１から充電器１０２へのエネルギー伝達が、接点を用いない磁気結合で行われることから、接点の汚れなどによる接触不良や、信頼性の問題も起こることがなく、極めて優れたコードレス機器が実現されるものとなる。
【００４１】
（実施例２）
図６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を示しており、充電を行うことができる状態となっている。図６においても充電器１０２の構成は、実施例１と同等である。
【００４２】
本体１０１の構成については、蓄電素子１０５、負荷１０４、コンデンサ１０７、１０８、スイッチ１１０、１１１については、やはり実施例１と同等のものを使用して構成がされているが、本実施例においては、実施例１で用いられていた降圧チョッパ回路１０６の構成に代えて、符号反転チョッパ回路１５０をば用いており、符号反転チョッパ１５０の構成としては、実施例１と同様の構成要素であるところのチョークコイル１２０、第１のスイッチング素子１２１、駆動回路１２３を有しているものの、それらの接続の仕方の点においての相違点を有しているものとなっている。
【００４３】
すなわち、本実施例においてはチョークコイル１２０の一方の端子は、実施例１と同様で、第１のスイッチング素子１２１のエミッタ端子に接続しているが、チョークコイル１２０の他方の端子については実施例１とは異なり、スイッチ１１０、１１１の直列回路の間に接続されたものとなり、かつダイオード１５１を設けていて、ダイオード１５１のカソード端子からは、チョークコイル１２０と第１のスイッチング素子１２１のエミッタ端子との接続がなされたものとなっている。なお、ダイオード１５０のアノード端子は、負荷１０４の一端に接続されており、負荷１０４の上側の端子の電位の極性が負となる符号反転チョッパとして動作が行われるものとなっているものである。
【００４４】
以上の構成においての動作を簡単に説明する。
【００４５】
まず、充電時においては、本体１０１が充電器１０２にセットされた状態で、ちょうど図６に示すような、励磁コイル１２４と磁気結合した形でチョークコイル１２０が置かれた状態となっており、第２のスイッチング素子１４０が駆動回路１４１によってオンオフ制御されることによって、図２に示すのと同様の動作が行われ、第１のスイッチング素子１２１のコレクタ・エミッタ間に並列接続された充電ダイオード１２４を通じて、蓄電素子１０５への電流が供給されて、充電が行われることになるものである。
【００４６】
なお、この状態においては、スイッチ１１０がオンで、スイッチ１１１はオフの状態で動作が行われる。
【００４７】
図７は、コードレスでの使用時における本実施例のコードレス機器の各部動作波形図を示したものとなっており、（ア）は第１のスイッチング素子１２１のベース電流Ｉｂ、（イ）は第１のスイッチング素子１２１のコレクタ電流Ｉ３、（ウ）はチョークコイル１２０の電流Ｉ２、（エ）はダイオード１５１に流れる電流Ｉ４、（オ）は第１のスイッチング素子１２１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ１の波形を示しているものである。なお、コードレスでの使用時においては、スイッチ１１０、１１１は共にオンの状態となっており、チョークコイル１２０は励磁コイル１２４との磁気結合がない状態となっている。
【００４８】
ｔ１からｔ２までの期間である１１マイクロ秒間がオン期間であり、この期間には蓄電素子１０５から第１のスイッチング素子１２４を通して、チョークコイル１２０に蓄電素子１０５の直流出力電圧が印加されて、電流波形は直線的に増加するものとなり、この期間にはダイオード１５１が逆阻止状態となっている。
【００４９】
次に、駆動回路１２３の作用でｔ２において第１のスイッチング素子１２１がオンからオフ状態に変えられると、オン期間中においてチョークコイル１２０に蓄えられた磁気的なエネルギーによって、ダイオード１５１を通じて電流Ｉ４が負荷１０４へと供給されるものとなる。この時、負荷１０４の上側の電圧は負になり、蓄電素子１０５の電圧の符号を反転した状態となり、一般に符号反転チョッパ回路と呼ばれる回路として動作がなされ、その際の出力電圧、すなわち負荷１０４の電圧の大きさは、第１のスイッチング素子１２１のオン時間の比率が大きいと大となるものであり、よってオン時間の比率（オン・デューティ）を加減することにより、負荷１０４へのパワー調節なども可能であり、本実施例のように、第１のスイッチング素子１２１のオン時間の比率が５０％よりも大きくした場合には、蓄電素子１０５の電圧である１２Ｖよりも高い電圧である１６Ｖが負荷１０４に供給されるものとなる。
【００５０】
よって、整流子モータである負荷１０４は、印加される電圧が高い分、一定の電気パワー供給における電流の値が小とすることができ、信頼性の高い運転が可能となるという効果もあげられている。
【００５１】
さらに、実施例１で述べたのと同様に、本実施例のコードレス機器においても、充電器１０２と本体１０１を結合させて、直流電源１３３からの電気パワーを負荷１０４で使用することが可能であり、蓄電素子１０５の蓄積エネルギーに係わらず、コード付き状態でも使用することができるが、その場合の励磁コイル１４２とチョークコイル１２０との結合の仕方については、やはり図５に示すように充電時とは異なる向きに置かれたものとし、動作についても実施例１と同様である。なお、この場合にはスイッチ１１０がオフ、スイッチ１１１がオンの状態で動作されるものとなる。
【００５２】
したがって、実施例２においても、符号反転チョッパ回路１５０の構成要素であるチョークコイル１２０が、コードレス使用時に高効率の電圧変換作用をするのに加え、充電時にも励磁コイル１４２との結合によって、接点無しでの充電パワー供給に有効に使用されるものとなり、さらにコード付きの動作でも、直流電源１３３からの電気パワーがやはり受けられて、負荷１０４を使用することができるものとして非常に有効な活用がなされるものとなっている。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、小型軽量でありながら、接点なしでの充電動作が行えるコードレス機器が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充電時の回路図
【図２】同、コードレス機器の充電時の動作波形図
【図３】同、コードレス機器のコードレス使用時の動作波形図
【図４】同、コードレス機器のコード付き使用時の回路図
【図５】（ａ）同、コードレス機器の充電時における励磁コイルとチョークコイルの磁気結合の状態を示す状態図
（ｂ）同、コードレス機器のコード付き使用時における励磁コイルとチョークコイルの磁気結合の状態を示す状態図
【図６】本発明の実施例２におけるコードレス機器の充電時の回路図
【図７】同、コードレス機器のコードレス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】
１２０  チョークコイル
１２１  第１のスイッチング素子
１０６  降圧チョッパ回路
１０５  蓄電素子
１０４  負荷
１０１  本体
１３３  直流電源
１４２  励磁コイル
１４０  第２のスイッチング素子
１０２  充電器
１５０  符号反転チョッパ回路
１０９、１２４  充電ダイオード
【図１】
0003747860.tif 000002
【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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