(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昇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からなり、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記載のコードレス機器。
【請求項３】
充電ダイオードは、第２のスイッチング素子のオフ期間に導通状態となる請求項２記載のコードレス機器。
【請求項４】
第１のスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴとした請求項１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、１００Ｖ、６０Ｈｚ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】
さらに、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３の課題があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、小型軽量でありながら、負荷に蓄電素子の電圧よりも高い電圧が供給でき、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ことを目的とする。
【０００９】
【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昇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からなり、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した。
【００１０】
これにより、充電器の形状、重量を抑えて使い勝手を良いものとし、蓄電素子の電圧が低くても負荷に高い電圧が供給できるものとし、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。
【００１１】
【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昇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からなり、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、昇圧チョッパの動作によって負荷に高い電圧が供給でき、また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。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１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。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項２記載の充電ダイオードは、第２のスイッチング素子のオフ期間に導通状態となる構成とすることにより、少ない部品点数で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。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１記載の第１のスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴとしたことにより、高周波のスイッチングを高効率で行い、また蓄電素子の電圧が低い場合でも有効なエネルギーの活用が可能なコードレス機器を提供するものである。
【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。
【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３セル直列とし、定格電圧を３．６Ｖとした蓄電素子１０５、昇圧チョッパ回路１０６、コンデンサ１０７、１０８、充電ダイオード１０９、スイッチ１１０によって構成されている。
【００１８】
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、ＭＯＳＦＥＴ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を有している。
【００１９】
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。
【００２０】
充電ダイオード１０９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。
【００２１】
図２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Ｖｃｅの波形を示している。なお、この時にはスイッチ１１０はオフの状態となっている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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を通して蓄電素子１０５に充電電流が流れるものとなる。
【００２６】
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。
【００２７】
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ねことにより、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。
【００２８】
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。
【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１２１のゲート電圧Ｖｇｓ、（イ）は第１のスイッチング素子１２１の電流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のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓ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をほぼ７Ｖとしている。
【００３０】
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。
【００３１】
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１２０、第１のスイッチング素子１２１、スイッチ１１０、蓄電素子１０５のマイナス端子に電流が供給される。
【００３２】
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からダイオード１２２、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１１０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。したがって、使用時においては１石式である昇圧チョッパ回路１０６が、昇圧動作するものとなる。
【００３３】
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昇圧チョッパ回路１２２の機能を満足するものとして、使用できるものとなる。
【００３４】
特に本実施例においては、第１のスイッチング素子１２１をＭＯＳＦＥＴとしていることから、蓄電素子１０５がニッケル水素電池の３本直列であり、定格電圧が３．６Ｖという比較的低電圧であっても、オン期間中のドレイン・ソース間電圧は、オン抵抗の低い素子の使用が可能となることから、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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が可能なＭＯＳＦＥＴを第１のスイッチング素子１２１としている本実施例の構成は、有効に作用するものとなる。
【００３７】
充電時においては、スイッチ１１０をオフとすることにより、第１のスイッチング素子１２１のドレイン・ソース間への電圧印加が基本的になく、使用時においては負荷１０４に出力される電圧Ｖ３にダイオード１２２の順方向の電圧降下（ＶＦ）を加えた電圧が原理的には印加されるものとなることから、負荷１０４に必要な電圧が数１０Ｖという程度であれば、第１のスイッチング素子１２１は低電圧定格で十分であり、例えば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るものとなる。
【００３８】
また、ダイオード１２２も小型のものが使用可能であり、低電圧の負荷１０４であれば、ショットキーバリアダイオードなども使用することができる。
【００３９】
なお、図３において、チョークコイル１２０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、マイナスの値として示されているものとなっている。
【００４０】
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。
【００４１】
また、充電時の直流電源１２４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。
【００４２】
また、使用時に負荷１０４に供給される電圧は約７Ｖであり、蓄電素子の電圧３．６Ｖ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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
【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、小型、軽量でありながら、負荷に蓄電素子の電圧よりも高い電圧が供給でき、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ようになる。
【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】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  昇圧チョッパ回路
１０９  充電ダイオード
１２０  チョークコイル
１２１  第１のスイッチング素子
１３３  直流電源
１４２  励磁コイル
１４０  第２のスイッチング素子
【図１】
0003758576.tif 000002
【図２】
0003758576.tif 000003
【図３】
0003758576.tif 000004
【図４】
0003758576.tif 000005