JP2008278996A

JP2008278996A - 充電式電気掃除機

Info

Publication number: JP2008278996A
Application number: JP2007124529A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Yamamura; 照彦山村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】安定した動作を得られ、しかも小型軽量化とコスト低減を図ることができる充電式電気掃除機を提供する。
【解決手段】掃除機本体１の送風機１６に電力を供給するための電源として充電式電池６を使用し、また、掃除機本体１を充電台１０にセットすることで充電部１１に接続され、この充電部１１により充電式電池６を満充電まで充電し、次の使用を可能にした。また、組み込まれる充電式電池６として１０Ｃ以上の電流で急速充電できるリチウムイオン二次電池が用いられことも特徴としている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電源として充電式電池を用いた充電式電気掃除機に関するものである。

最近、一般家庭などで使用される掃除機は、操作性が重視される傾向にあり、ますます小型なものになっている。

そこで、最近になって、例えば特許文献１に開示されるように電源として充電式電池を使用し、この充電式電池によりモータを駆動するようにしたものが考えられている。このような充電式電池を用いれば、電源コードが全く必要でなくコードレスとなるので、取り扱いが簡単で、電源コンセントを気にしないでどこででも簡単に使用することができる。
特開２００６−１４１５９６特開２００５−１２３１８３

ところが、充電式電池を電源として使用した場合、電池残量が問題となり、仮に残量が少なくなった状態で掃除機を使いつづけると、モータの駆動を安定して保持するのが難しくなり吸引力が低下するなど作業に支障をきたすことになる。このため、電池残量が所定値まで低下したならば直ちに充電式電池を満充電まで充電するのが望ましい。

しかし、これまで充電式電気掃除機に用いられる充電式電池は、ＮｉＣｄ電池が主流であり、かかるＮｉＣｄ電池の場合、普通充電で５〜１６時間、急速充電でも１時間程度の充電時間が必要である。また、このような長時間の充電時間にかかわらず、掃除機が使用できる時間は約１０分程度でもある。このため、このような充電式電池を用いた掃除機は、使用不能になることが多い。

そこで、掃除機を長時間連続して使用できるようにするため、容量の大きな充電式電池を搭載することが考えられる。しかし、このような大容量の充電式電池は、それ自体大きなものであるため、このような充電式電池を掃除機内部に組み込めば、掃除機全体が大型で重量も大きなものになり、使い勝手の極めて悪いものになってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、安定した動作を得られ、しかも小型軽量化を図ることができる充電式電気掃除機を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、送風機を有し、該送風機の動作によりエアとともに吸い込まれる塵埃を集塵室に集める掃除機本体と、前記掃除機本体内に設けられ、該掃除機本体での動作に必要な電力を供給する電源として用いられる１０Ｃ以上の電流で急速充電可能な充電式電池とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、さらに充電手段を有し、該充電手段は、前記掃除機本体に電気的に接続可能で、該接続状態で前記充電式電池を充電する充電部を有することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記掃除機本体は、前記充電式電池の電池残量を表示する電池残量表示手段を有することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、さらに前記充電式電池の過充電、過放電及び過電流の少なくとも一つを検出し、前記充電式電池の充電又は放電を停止させる監視保護手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、安定した動作を得られ、しかも小型軽量化とコスト低減を図ることができる充電式電気掃除機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる充電式電気掃除機の概略構成を示している。図１において、１は掃除機本体で、この掃除機本体１は、中央部上面に取っ手２が設けられている。この取っ手２は、先端部をＬ字状に折り曲げており、この折り曲げをユーザが手で持って掃除機本体１を操作する。

掃除機本体１の前部下方には、塵収集口３が設けられている。この塵収集口３は、後述する送風機１６の駆動によりエアを吸い込み、このエアとともに吸い込まれる塵埃を集塵室４に集める。この場合、集塵室４に吸い込まれた塵埃を含むエアは、不図示のフィルタにより塵埃が除去され大気中に放出される。

掃除機本体１の後部側面には、電池室５が設けられている。この電池室５には、充電式電池６が収納されている。また、電池室５には、蓋部(不図示)が設けられ、この蓋部を開閉することで、充電式電池６の電池室５からの出し入れを可能にしている。充電式電池６の詳細は後述する。

掃除機本体１の取っ手２には、スイッチ７が配置されている。このスイッチ７は、例えば複数段にスライド操作可能にしたスライドスイッチが用いられ、最初のスライド操作で充電式電池６の電力を後述の制御部１５側に供給する電源スイッチを構成するとともに、これ以降のスライド操作により、掃除機の吸引パワーを段階的に切替えられるようになっている。これについても詳細は後述する。勿論、スイッチ７は、電源スイッチと吸引パワーの切替えスイッチを別々に設けるようにしても良い。

掃除機本体１上部の取っ手２の近くには、電池残量表示部８が配置されている。電池残量表示部８は、充電式電池６の放電状態を表示するもので、充電式電池６の充電残量が所定値以下で発光体を点滅し、充電中は点灯しつづけ、充電完了で消灯する。ここでの発光体としては、例えばＬＥＤが用いられる。この場合、例えば、充電残量が所定値以上のときは青色のＬＥＤ、電池残量が所定値より低下すると赤色のＬＥＤをそれぞれ点灯するようにしても良い。

掃除機本体１の後部底面には、充電用電極９ａ、９ｂが設けられている。これら充電用電極９ａ、９ｂは、充電式電池６の正負電極に電気的に接続され、後述する充電部１１により充電式電池６の充電を可能にする。

このように構成された掃除機本体１には、図２（ａ）（ｂ）に示すような充電手段としての充電台１０が用意され、この充電台１０に掃除機本体１をセット可能にしている。この充電台１０は、充電部１１を有するもので、直立した壁部１０ａの前側下方に掃除機本体収納部１０ｂが設けられ、この掃除機本体収納部１０ｂに、掃除機本体１が充電用電極９ａ、９ｂ側を下にしてセット可能にしている。壁部１０ａには、充電用電極９ａ、９ｂに対応する充電用電極１２ａ、１２ｂが配置されている。これら充電用電極１２ａ、１２ｂは、充電部１１に電気的に接続されていて、掃除機本体１を掃除機本体収納部１０ｂにセットした状態で、掃除機本体１の充電用電極９ａ、９ｂが接続され、充電式電池６の充電を可能にする。充電部１１には、電源コード１３が接続され、この電源コード１３を介して供給されるＡＣ電源より充電に必要な直流電力を発生する。なお、１４は充電器監視灯で、充電部１１の故障時に、例えば発光体を点滅する。ここでの発光体も、例えばＬＥＤが用いられる。

図３は、このように構成された充電式電気掃除機の回路構成を示している。なお、図３は、上述した図１、図２と同一部分には同符号を付している。

掃除機本体１内部には、前記充電式電池６が設けられている。この充電式電池６には、急速充電が可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。リチウムイオン二次電池は、アルミニウムラミネートフィルム、またはアルミニウム・鉄などの金属缶からなる外装部材による容器と、この容器内に収容された非水電解質と、前記容器内に収納されアルミニウム箔よりなる正極集電体にリチウムコバルト酸化物を正極作用物質として含む正極層が担持された正極と、前記容器内に収納されアルミニウム箔よりなる負極集電体に平均粒子径が１μｍ以下の粒度分布を有するチタン酸リチウムを負極活物質粒子として含む負極層が担持された負極とを備えた構造を有している。

ここで、リチウムイオン二次電池についてさらに詳細に説明する。かかる、リチウムイオン二次電池は、リチウムチタン酸化物を活物質として含む負極を備えている。活物質であるリチウムチタン酸化物は、特許文献２に開示される通り、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、リチウムイオンの挿入・離脱が１．４Ｖから１．７Ｖ／Ｌｉ付近で行われる。このため、この二次電池は大電流での急速充電を行っても、従来の負極活物質に炭素材料を用いた場合と比べてリチウムの析出が起こらずに安全性を確保できる。また、リチウムの吸蔵放出に伴う膨張収縮が生じるのを抑制することができるため、２０Ｃ電流の急速充電を繰り返し行った際にも負極活物質の構造破壊を抑えることができる。その結果、充放電を繰り返し行った場合においても長い寿命を維持できる。電池の電位としては２．４Ｖ程度であることから、従来のニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池の２本直列分に相当するため、使用本数で５０％の減量化が達成できる。

具体的には、以下のような方法で組み立てたリチウムイオン二次電池は２０Ｃで３分間充電することにより約８０％電池容量まで充電することが可能な急速充電二次電池であることが確認されている。ここで、『Ｃ』は充放電率を表す単位であり、完全放電から完全充電（または完全充電から完全放電）までを定電流充電した場合に計算上１時間で行えるレートを１Ｃとして表現する。１／１０時間の場合、１０Ｃと表現する。したがって、例えば２０Ｃ充電とは、１Ｃ充電の２０倍の電流が必要になる。

＜負極の作製＞
活物質として、平均粒子径５μｍでＬｉ吸蔵電位が１．５５Ｖ(ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ⁺)のチタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）粉末と、導電剤として平均粒子径０．４μｍの炭素粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で９０：７：３となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散してスラリーを調製した。

なお、活物質の粒子径の測定には、レーザー回折式粒度分布測定装置（島津製作所株式会社型番ＳＡＬＤ−３００）を用いた。まず、ビーカー等に試料約０．１ｇを入れた後、界面活性剤と１〜２ｍＬの蒸留水を添加して十分に攪拌し、攪拌水槽に注入した。２秒間隔で、６４回光強度分布を測定し、粒度分布データを解析し、累積度数分布が５０％の粒径（Ｄ５０）を平均粒子径とした。

次いで、厚さ１０μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）を負極集電体に前記スラリーを塗布し、乾燥した後、プレスを施すことにより電極密度２．４ｇ／ｃｍ³の負極を作製した。

＜正極の作製＞
活物質としてリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）と、導電材として黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で８７：８：５となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散させてスラリーを調製した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）にスラリーを塗布し、乾燥した後、プレスすることにより電極密度３．５ｇ／ｃｍ³の正極を作製した。

＜二次電池の組み立て＞
容器（外装部材）の形成材料として、厚さが０．１ｍｍのアルミニウム含有ラミネートフィルムを用意した。このアルミニウム含有ラミネートフィルムのアルミニウム層は、膜厚約０．０３ｍｍであった。アルミニウム層を補強する樹脂には、ポリプロピレンを使用した。このラミネートフィルムを熱融着で貼り合わせることにより、容器（外装部材）を得、さらに金属アルミニウムの容器に収めた。

次いで、前記正極に正極端子を電気的に接続すると共に、前記負極に負極端子を電気的に接続した。厚さ１２μｍのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータを正極に密着させて被覆した。セパレータで被覆された正極に負極を対向するように重ね、これらを渦巻状に捲回して電極群を作製した。この電極群をプレスして扁平状に成形した。容器（外装部材）に扁平状に成形した電極群を挿入した。

エチレンカーボネート（ＥＣ）とγ−ブチルラクトン（ＧＢＬ）が体積比（ＥＣ：ＧＢＬ）で１：２の割合で混合された有機溶媒にリチウム塩であるＬｉＢＦ₄を１．５ｍｏｌ／Ｌ溶解させ、液状の非水電解質を調製した。得られた非水電解質を前記容器内に注液し、リチウム二次電池を組み立てた。このようなリチウム二次電池は、満充電時電圧２．８Ｖ、放電終止電圧１．５Ｖで使用することができる。

この実施の形態では、充電式電池６として、１０Ｃ以上の電流で急速充電可能なリチウムイオン二次電池で、２〜３分で電池容量の８０％充電でき、３０Ｃで２分放電可能であり、さらに４５℃の環境下での加速試験において１５００サイクルの充放電での容量劣化が１０％以下であるものが使用される。

図１に戻って、充電式電池６には、前記充電用電極９ａ、９ｂが接続され、また、スイッチ７を介して制御部１５が接続されている。スイッチ７は、上述したようにスライドスイッチからなるもので、最初のスライド操作によりオン動作されるスイッチ部７０１と、これ以降のスライド操作によりオン動作される複数のスイッチ部７０２、７０３を有している。そして、スイッチ部７０１のオン動作により、後述する送風機１６への充電式電池６の電力供給の開始を制御部１５に指示し、スイッチ部７０２、７０３のオン動作により送風機１６による吸引パワーの段階的な可変を制御部１５に指示する。

制御部１５には、送風機１６が接続されている。送風機１６は、その駆動により上述した塵収集口３より塵埃と一緒にエアを吸い込み、このエアとともに吸い込んだ塵埃を集塵室４に集める。また、送風機１６は、スイッチ部７０１〜７０３の動作により充電式電池６より供給される電力が切替えられ吸引パワーを可変可能にしている。

制御部１５は、送風機制御手段１５１及び電池残量監視手段１５２を有している。送風機制御手段１５１は、スイッチ部７０１のオン動作により送風機１６への充電式電池６の電力供給の開始を指示し、スイッチ部７０２、７０３のオン動作により送風機１６による吸引パワーの段階的な可変を制御部１５に指示する。ここでは、吸引パワーの切替えを２段階に切替え可能にしているが、スイッチ部の数を変更すれば、２段階以外の切替えも可能である。

電池残量監視手段１５２は、充電式電池６の放電状態を監視し、充電残量が所定値以下になると発光体を点滅し、充電中は点灯しつづけ、充電完了で消灯する。

充電式電池６には、監視保護手段として監視保護回路１７が設けられている。この監視保護回路１７は、充電式電池６の状態を監視するもので、かかる監視結果に応じて不図示のスイッチを駆動して充電式電池６の充放電を停止させる。この場合、監視保護回路１７は、充電式電池６の過充電、過放電及び過電流を監視する。そして、充電式電池６の充電電圧が所定値の範囲では、充電式電池６の充放電を許容し、充電式電池６の充電電圧が所定値以上になると過充電と判断し前記スイッチ（不図示）を開放して充電式電池６の充電を停止させ、また、充電式電池６の充電電圧が所定値以下になると過放電と判断し前記スイッチ（不図示）を開放して充電式電池６の放電を停止させる。さらに充電式電池６の放電電流が所定値以上になると、過電流と判断し前記スイッチ（不図示）を開放して充電式電池６の放電を停止させる。これにより、充電式電池６が過充電状態になって電解液の分解によりガスが発生し、電池内部の圧力が上昇して漏液するのを防止し、また、充電式電池６が過放電状態になって負極の集電体の銅が電解液で溶解し電池性能を劣化させるのを防止する。このような監視保護回路１７は、モジュール化され、前記充電式電池６内部に一体に組み込まれるものが用いられる。
なお、監視保護回路１７は、充電式電池６の過充電、過放電及び過電流の少なくとも一つを監視するものであっても良い。

掃除機本体１の充電用電極９ａ、９ｂは、掃除機本体１を充電台１０にセットした状態で充電用電極１２ａ、１２ｂと接続可能になっている。充電台１０は、充電部１１として、充電部本体１１ａとＡＣ／ＤＣコンバータ１１ｂを有している。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１ｂは、電源コード１３を介して供給されるＡＣ電源の交流電力を直流電力に変換する。充電部１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１ｂより出力される直流電力により充電式電池６を満充電まで充電する。なお、充電部本体１１ａは、充電動作の故障時に充電器監視灯１４を点滅させる機能を有している。

次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。

この場合、ユーザは、電池残量表示部８の発光体が点滅していたら、充電式電池６の充電残量が所定値以下になっていると判断し、掃除機本体１を充電台１０の掃除機本体収納部１０ｂにセットする。これにより、掃除機本体１の充電用電極９ａ、９ｂが充電部１１の充電用電極１２ａ、１２ｂに接続され、充電部１１により充電式電池６が満充電まで充電される。その後、電池残量表示部８の発光体が消灯したことで充電式電池６が満充電になったことを確認する。充電式電池６の満充電を確認したら、掃除機本体１を充電台１０から取り出す。

この状態から、スイッチ７をスライド操作してスイッチ部７０１をオンにすると、制御部１５の送風機制御手段１５１に充電式電池６への電力供給が指示され、送風機１６が駆動される。この場合、送風機１６の駆動により、図１に示す塵収集口３よりエアが吸い込まれ、このエアとともに吸い込まれる塵埃が集塵室４に集められる。そして、集塵室４に吸い込まれた塵埃を含むエアは、不図示のフィルタにより塵埃が除去され大気中に放出される。

また、スイッチ７をスライド操作してスイッチ部７０２、７０３をオンさせると、これらスイッチ部７０２、７０３のオン動作に応じた指示により、送風機１６による吸引パワーが段階的に切替えられる。

電池残量監視手段１５２は、充電式電池６の電池残量を監視する。そして、電池残量が所定値より低下すると、電池残量表示部８の発光体を点滅させる。ユーザは、電池残量表示部８の点滅表示を確認すると、掃除機本体１を充電台１０の掃除機本体収納部１０ｂにセットする。これにより、充電用電極９ａ、９ｂが再び充電部１１の充電用電極１２ａ、１２ｂに接続され、充電部１１により充電式電池６が満充電まで充電され、次の使用に備える。

従って、このようにすれば、掃除機本体１の送風機１６に電力を供給するための電源として充電式電池６を使用し、また、掃除機本体１を充電台１０にセットすることで充電部１１に接続され、この充電部１１により充電式電池６を満充電まで充電し、次の使用を可能にした。また、組み込まれる充電式電池６として１０Ｃ以上の電流で急速充電できるリチウムイオン二次電池が用いられことも特徴としている。これにより、充電式電池６は短時間の急速充電が可能で、しかも掃除機本体１を充電台１０にセットするだけで充電部１１により充電式電池６を繰り返し充電ができるので、長時間中断することなく安定した吸引効果を得ることができる。

また、充電式電池６の充電を頻繁に行うことができるので、電池容量の小さな充電式電池６を使用することが可能で、掃除機全体の小型軽量化とともにコスト低減につなげることができる。このことは、急速充電が可能な充電式電池６を使用することによって実現できることである。

掃除機本体１には、充電式電池６の放電状態を表示する電池残量表示部８が設けられ、掃除機を使用しながら充電式電池６の放電状態を一目で確認することができるので、充電式電池６の電池残量がゼロになって使用不能になるようなことを未然に回避できる。また、例え充電式電池６の電池残量が少なくなっても、充電台１０にセットするだけで、片付けなど他の作業を行う程度の僅かな時間で充電式電池６を満充電まで復活できるので、連続して効率良く作業を進めることができる。

さらに、大きな放電電流を得られるリチウムイオン二次電池を充電式電池６として使用しているので、掃除機として不可欠な大きな吸引力を簡単に得ることができ、大きな塵埃も含めて一度に効率よく除去することもできる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、電池残量表示部８において、充電式電池６の充電残量が所定値以下で発光体を点滅し、充電中は点灯しつづけ、充電完了で消灯するようにしたが、例えば、充電残量が所定値以下になったことや、充電回路などの故障などを音声により知らせるようにしても良い。また、上述した実施の形態では、充電部１１は、別体として設けた例を述べたが、掃除機本体１内に一体に組み込んだものでもよい。さらに充電部１１は、電源コードを介して自動車のシガレットプラグに接続可能にしたものでもよい。このようにすれば、自動車から簡単に充電式電池６を満充電まで充電することができるので、野外でも簡単に使用することができる。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態にかかる充電式掃除機の概略構成を示す図。第１の実施の形態に用いられる充電台の概略構成を示す図。第１の実施の形態にかかる充電式掃除機の回路構成を示す図。

符号の説明

１…掃除機本体、２…取っ手
３…塵収集口、４…集塵室
５…電池室、６…充電式電池
７…スイッチ、７０１〜７０３…スイッチ部
８…電池残量表示部、９ａ．９ｂ…充電用電極
１０…充電台、１０ａ…壁部、１０ｂ…掃除機本体収納部
１１…充電部、１１ａ…充電部本体、１１ｂ…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１２ａ．１２ｂ…充電用電極、１３…電源コード
１４…充電器監視灯、１５…制御部
１５１…送風機制御手段、１５２…電池残量監視手段
１６…送風機、１７…監視保護回路

Claims

送風機を有し、該送風機の動作によりエアとともに吸い込まれる塵埃を集塵室に集める掃除機本体と、
前記掃除機本体内に設けられ、該掃除機本体での動作に必要な電力を供給する電源として用いられる１０Ｃ以上の電流で急速充電可能な充電式電池と
を具備したことを特徴とする充電式掃除機。
さらに充電手段を有し、該充電手段は、前記掃除機本体に電気的に接続可能で、該接続状態で前記充電式電池を充電する充電部を有することを特徴とする請求項１記載の充電式掃除機。
前記掃除機本体は、前記充電式電池の電池残量を表示する電池残量表示手段を有することを特徴とする請求項１記載の充電式掃除機。
さらに前記充電式電池の過充電、過放電及び過電流の少なくとも一つを検出し、前記充電式電池の充電又は放電を停止させる監視保護手段を有することを特徴とする請求項１記載の充電式掃除機。