JP2859341B2 - 電力作動装置用コード付き／コード無し両用装置 - Google Patents

電力作動装置用コード付き／コード無し両用装置

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JP2859341B2
JP2859341B2 JP50331289A JP50331289A JP2859341B2 JP 2859341 B2 JP2859341 B2 JP 2859341B2 JP 50331289 A JP50331289 A JP 50331289A JP 50331289 A JP50331289 A JP 50331289A JP 2859341 B2 JP2859341 B2 JP 2859341B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は電力で作動する装置と器具に関し、更に詳細
には内蔵電源によるコード無しの状態または通常の交流
又は直流電源にコード接続した状態で作動できる電力作
動装置に関する。
背景技術 コード無し状態で機能する電力作動装置は一般に、取
り外し可能な閉鎖型バッテリパックを収容し、保持する
ハウジングを備えている。上記バッテリパックは、１つ
又はそれ以上の内蔵した電池を完全に包んでおり、装置
の作動に必要な直流電力を供給するようになっている。
歴史的には、コード無しの電力作動装置は、ひげ剃り、
手持ちの計算器、娯楽用装置、タイプライタ等の比較的
小電力の装置を含んでおり、これらの代表的な装置は一
般に一定負荷の状態では比較的電力消費量が小さい。
バッテリの技術と装置の進歩は、比較的大量の電気エ
ネルギを貯蔵する、小型で電気的に効率の良いバッテリ
の開発をもたらしている。これらの高エネルギバッテリ
により、500ワット付近までの電力レベルを含む50ワッ
ト以上の電力レベルで作動する高電力のコード無しの装
置の出現が可能となっている。これらの大電力装置は、
例えばドリル、ねじ回し、ドリル兼用ねじ回し、ハンマ
ドリル、鋸、丸鋸、はさみ、ヘッジトリマ等の可搬式の
手持ち電動工具や種々の家庭用製品、器具を含んでい
る。従来の装置よりはるかに大電力で作動するだけでな
く、上記装置は一般に、通常の使用中負荷状態が大きく
変動する。例えば、電動ドリルの刃には、加工物が木材
や樹脂の場合には鋼鉄や他の特別な材質の場合と比較し
て一般に小さい負荷が加えられるが、ドリルの刃は大き
く変動する負荷、例えば刃が加工物に噛み込んでしまう
ような負荷を受けることがある。これらの負荷変動は、
それに対応して電源から駆動モータが引き出す電流の変
動を生じさせ、電源に対して小電力装置では通常見られ
ない大電流を要求する。
現在のバッテリパックの技術の状況は、大電力装置の
総電力要求と、負荷の変動する状態での作動による電流
変動の範囲を許容することとの両方を満足するバッテリ
パックが入手できるようになっている。
上述のコード無しタイプの電力作動装置は、通常の交
流電源が得られない場合に作業を行なうことを可能にし
ているが、これらのコード無し装置の使用はバッテリパ
ック中の電池の有効充電使用時間により制限される。バ
ッテリパックが放電すると、バッテリパックを充填する
か、完全に充電したパックと交換する必要がある。
上述のコード無しの電力作動装置の使用者が、交流電
源や高圧直流電源等の外部電源が得られる場所にいる場
合には、電力コードで外部電源を接続して、次に交流電
源や高圧直流電源を得ることのできない場所で使用する
場合に備えてバッテリの充電量を保存しておくことがし
ばしば効率的である。一般に上記のコード無し装置は交
流電源や高圧直流電源では駆動することのできない低電
圧直流モータを使用している。
交流電源や高圧直流電源をモータに適合するように変
換するためのコード付きのコンバータを用いて、コード
無し装置の大電力（例えば50ワット又はそれ以上）の低
電圧直流モータを駆動する際には一定の設計基準があ
る。
コンバータの内部電気部品や回路は物理的外被形状に
適合していなければならないので、コード無しバッテリ
パックは、コード付きコンバータの最大電流と電力の供
給能力を制限する可能性のある物理的外被形状を表わし
ている。
上述の大電力工具に適切なエネルギを供給するために
電流と電力の要求量は増大しているため、上記コンバー
タに必要とされる電気部品の物理的大きさもそれに比例
して増大しており、コード無しバッテリパックと交換可
能なように設計されたコード付きコンバータの実用的な
電力や電流の限界を規定するようになっている。
小電力装置、すなわち電力消費量が１ワットから５ワ
ットであって、一次電池又は二次電池を使用するコード
無し状態又は変圧器と整流器との組合せを使用してコー
ド付きの状態で作動することのできるものの１つに電気
ひげ剃りがある。小電力の電気ひげ剃りは、一次電池又
は充電可能な二次電池を使用することによってコード無
し状態で作動可能な、ひげ剃りヘッドを駆動する直流モ
ータを採用している。
電池は、カップ状の蓋に装着され、その両側に一対の
Ｕ字形の端子を備えており、前記蓋の開放端に配置さ
れ、この開放端から部分的に外部に露出している。上記
電池は、上記蓋を操作してひげ剃りのハウジング開口部
にまず電池の上記露出部分を挿入し、電池の端子をハウ
ジング内の相補的なばね接点に接触させ、ひげ剃りのハ
ウジング内の直流モータと電気的に接続することにより
装着される。
電池がハウジング内に入るとばね接点が電池を装着位
置に機械的に案内し、蓋の内部に形成された舌片がハウ
ジングの溝にはまって蓋と電池とを定位置に保持する。
電池による作動に加えて、上記ひげ剃りは、他の一端
に通常の雄形プラグが接続された電気コードの一端を取
付けた端子ブロックを備えた別のカップ状の蓋の形のコ
ード付き電力アダプタによって作動させることができ
る。この蓋の開放端の前記電池が装着されていたと同様
の位置には変圧器がその一部を露出した状態で装着され
ている。上記変圧器は110ボルト又は220ボルトの低周波
数交流電源電流を、もっと低い交流電圧に変換し、変換
された電圧は直流モータの電圧レベルに整流される。変
圧器の両側の、蓋がハウジングに取付けられたときにハ
ウジングのばね接点と係合する位置には一対の端子が取
付けられている。変圧器の一次側は端子ブロックを介し
て交流電源に接続され、一方、変圧器の二次側は蓋のベ
ースに取付けた整流器に接続されている。整流器の出力
は電気ひげ剃りを作動させるのに充分な小電力レベルの
直流低電圧を供給する。このようにして、蓋の内部に取
付けたコード付きの変圧器・整流器組立体は電池を取付
けた蓋の代わりにハウジングに挿入され、電気ひげ剃り
の、交流電源からのコードを接続した状態での作動を可
能にする。上記変圧器と整流器の組合せは、電気ひげ剃
りを作動させるのに必要な狭い電流範囲の小電力を供給
するように設計されており、妥当な設計上の解決策を示
している。ひげ剃りには、広範囲にわたる負荷は加わら
ないため、上記変圧器と整流器との組合せは、大電流を
発生する作動負荷と、それに伴う変圧器と整流器への負
担を許容する必要がない。
他の市販の小電力装置も同様に、直流低電圧で作動す
る装置の電池室内にコンバータユニットを代わりに装着
するという類似の原理を採用している。例えば、ある市
販のビデオカメラレコーダは8.5ボルトの直流電圧レベ
ルと20ワットの電力消費量で作動する。別の市販のビデ
オカメラレコーダは12ボルトの直流電圧レベルと22ワッ
トの電力消費量で作動する。一般に、市販の各カメラレ
コーダは作動用の直流電圧と電力とを供給するバッテリ
パックを担持する設備を備えている。バッテリパックの
代わりに、バッテリパックのハウジングと基本的に同じ
外形と端子位置とを備えたハウジングに収納されたコー
ド付きACパックもしくはアダプタをカメラレコーダに取
付けることができる。
ACパックは、例えば120ボルト60ヘルツの壁電源のよ
うな通常の交流電源に接続されると、作動用の直流電圧
と電力とを供給する。これらの市販のカメラレコーダシ
ステムはカメラレコーダとは独立して作動する別個の充
電ユニットを含んでいる。充電ユニットを使用する際に
は、バッテリパックとACパックとの両方を充電ユニット
に挿入する。次いでACパックは通常の交流電源に接続さ
れ、それによってACパックが電池を充電するのに必要な
直流電圧と電力とを供給するのである。過負荷が生じる
ような希な場合が生じても、前述のひげ剃りのみならず
ビデオカメラレコーダも上記の小電力で作動しているた
め、これらのタイプの装置に使用しているコンバータ内
では激しい反応は生じ難い。
反対に、もしコンバータが、例えば50ワット又はそれ
以上の大電力レベルで使用さている場合には、過負荷
は、コンバータの１つ又はそれ以上の部品を破損する可
能性のある、部品の過負荷とそれに伴なうコンバータ内
での作動温度上昇を生じる恐れがある。
小電力装置という意味では、ひげ剃りの変圧器と整流
器の組合せ及びビデオカメラレコーダのコード付きACパ
ックは、比較的簡単で適切な解決策を提示している。降
圧変圧器、整流器や類似の電力供部品等の小電流電子部
品の物理的寸法は、コンバータを使用する装置に適切な
連続定格電力で製作し、かつバッテリパックにより規定
される物理的外被形状に容易に納まるようにすることが
できるようなものである。しかし、このような解決策
は、上述のタイプの大電力装置、特に負荷が大きく変動
することにより電流の変動が大きい装置には適用するこ
とができない。例えば、所要電力と電流とが１桁又はそ
れ以上、すなわち所要電力が50ワット又はそれ以上増大
したような場合、現状のバッテリパックは装置に加わる
負荷状態の相異によって電流が大幅に変動しても電力と
電流との両方の要求を満足させることができる。しか
し、米国特許第3,079,510号に示された設計手法に従っ
た大出力のコード付きコンバータは、必要とする電力を
供給し、かつこれらの装置に加わる変動負荷により生じ
る電流の変動を許容するために大きな電流容量を持った
不釣合に大きく重い部品、特に降圧変圧器、を必要とす
る。従って、大電力装置においては、必要とされる電力
と電流の供給能力を備え、バッテリパックにより規定さ
れる外被寸法に相応するコード付きコンバータハウジン
グに収納され、装置の有用性を減じたり犠牲にすること
ないコード付き交流／直流コンバータを製作することに
関しては現実の設計上の制約が存在する。
従って、コード無しバッテリパックにより規定される
物理的外被形状内で、要求される電力と電流を供給する
実用的なコード付きコンバータの実現可能性は電力レベ
ルが増大するに従って減少する。もし、上述の設計手法
を用いたコード付きの交流／直流コンバータが、大出力
のドリル、ねじ回し、ねじ回し兼用ドリル、ハンマドリ
ル、鋸、円鋸、はさみ、ヘッジトリマ、関連家庭用品等
に使用された場合、これらの装置の価格だけでなく、コ
ード付き交流／直流コンバータのサイズと重量は、これ
らの装置の有用性を害することになろう。
発明の開示 本発明の目的の１つは、大電力装置がコード無しバッ
テリパック又は上記大電力装置に必要とされる電力や電
流の要求特性を供給することができるコード付きコンバ
ータにより作動することを可能にする装置を提供するこ
とである。
また、本発明のもう１つの目的は、大電力装置がコー
ド無しバッテリパック又は、このバッテリパックの物理
的外被形状に相応した物理的外被形状内で必要な電力と
電流とを供給できるコード付きコンバータにより作動す
ることを可能にする装置を提供することである。
本発明の１つの態様によれば、大電力作動装置をコー
ド付き又はコード無しの状態で作動させることができる
装置が提供される。各々の上記装置には、装置に要求さ
れる電力と電力とをコード無しの状態で供給するコード
無しバッテリパックと、バッテリパックの外被形状に相
応する物理的外被形状内で、要求される電力と電流とを
コード付きの状態で供給するコード付きコンバータとを
受容する接続部が設けられている。
上記コード付きコンバータは、コード無しバッテリパ
ックのサイズに相応し、コード無しバッテリパックと互
換性のある外被形状内で、駆動される装置の要求する電
力と電流とを供給し、かつ装置の通常の作動の結果生じ
る広い範囲の負荷変動を許容することを可能とする高効
率の電力供給装置を備えている。
本発明の別の態様によれば、第１の供給手段、例えば
コード無しバッテリパックは、装置に形成されたパック
収納室内に取り外し可能に受容されると共に、バッテリ
パックから供給される電力を用いて装置モータの制御さ
れた作動を可能とする制御回路に接続されるように設計
されている。コード付きの作動は、バッテリパックを第
２の供給手段、例えばコード付きの電力若しくは電圧コ
ンバータで置き換えることにより達成される。
本発明の更にもう１つの態様によれば、コード付きコ
ンバータは、入力電源電圧、例えば120ボルト又は240ボ
ルトの交流又は直流電圧を調整して、スイッチング装置
により比較的高い周波数、例えば25KHzで断続される比
較的高い直流電圧を供給する電力調整装置を備えてい
る。
高周波数高電圧の電流は降圧変圧器に供給され、降圧
された出力は整流されて駆動モータへの低電圧直流電流
が供給される。整流された出力は3.6ボルトから48ボル
トの間の電圧である。
本発明の更にもう１つの態様によれば、第１又は第２
の供給手段を接続部に取り外し可能に固定する手段が提
供される。更に、電圧コンバータは第１の周波数の交流
電圧入力を第２の周波数の交流電圧に変更する手段を備
えており、上記第２の周波数の交流電圧は、所定の電圧
範囲のもっと低い整流された電圧に変換される。
上記に加えて、本発明は第２の周波数の交流電圧が第
１の周波数の交流電圧の周波数の360倍から600倍の間に
なるように意図している。更に、第２の周波数は約25KH
zであり、第１の周波数は50Hzと60Hzの間である。
本発明の別の態様においては、電力作動装置は所定の
電圧範囲で作動可能なモータのよう装置を内部に設けた
ハウジングを備えている。コード付き電力供給手段は上
記モータに作動電力を供給するために接続手段を介して
前記ハウジング内に電気的及び機械的に適合するように
されている。電圧コンバータは所定の電圧範囲で電流を
50ワット若しくはそれ以上の出力にに変換する。接続手
段は、供給手段を受容するための所定の形状を有する室
を規定する手段を備えている。
本発明の更にもう１つの態様においては、コード付き
電力供給装置は、ある周波数の交流電圧入力を、50ワッ
ト若しくはそれ以上の電力で所定の電圧のもっと低い整
流された電圧に変換される第２の周波数の電圧に変換す
る電圧コンバータ手段を備えている。コード付き電力供
給装置は、更に電圧コンバータ手段を収納すると共に電
力作動装置の接続部形状と合致する物理的外被形状を備
え、接続部との電気的、機械的な接続を可能とするハウ
ジングを備えている。
本発明は、コード付きコンバータが装置のコード無し
の状態での作動に用いられるバッテリパックと相応する
寸法でかつ互換性のある物理的外被形状内に、装置の総
電力と電流の要求を満足させることを可能にする高効率
のコンバータ回路を備えている大電力装置のコード無し
又はコード付き状態作動のための両用装置を提供する。
本発明の他の目的と、適用可能な範囲は、類似の部品
には同様の参照番号を付して示した添付図面に関連して
なされた以下の詳細な説明により明らかになる。
図面の簡単な説明 第１図はドリルのハンドル部分の区画に受容されたバ
ッテリパックを備えたコード無し電気ドリルの側面図； 第２図は第１図の電気ドリルのハンドル部分の、バッ
テリパック受容室からバッテリパックを取り除いたとこ
ろを示す部分側面図； 第３図はバッテリパックが受容室内に装着され、定位
置に係止された状態の第１図の電気ドリルのハンドル部
分を死す第２図と同様の側面図； 第４図は、電力コンバータを収納した容器がハンドル
部分の区画に挿入される位置にある状態の第１図の電気
ドリルのハンドルの一部と、電力コンバータを収納した
容器とを示す側面図、 第５図は、第１図から第３図のバッテリ容器又は第４
図の電力コンバータ容器をドリルに内蔵された電気モー
タに電気的に接続する方法を示すため一部を切り取った
第１図の電気ドリルの部分を示す側面図； 第６図は第２図から第３図のバッテリパックの上面を
示す第２図５−５線に沿った上面図； そして第７図は、第４図の容器内に組立てられ収納さ
れる、本発明による電力コンバータの線図である。
発明を実施するための最良の形態 本発明による電力作動装置のコード付き／コード無し
両用装置はその全体を参照番号10で示した電気ドリルの
形で第１図から第７図に示されている。第１図に示すよ
うにドリル10は電気モータ16（図に点線で示す）によ
り、通常の方法で歯車装置（図示せず）を介して駆動さ
れる回転スピンドル14に固定されたチャック12を備えて
いる。モータ16はハウジングから下垂したハンドル22を
備えたハウジング20のモータケーシング18内に取付けら
れている。トリガースイッチ24はモータケーシング18の
直下でハンドル22に取着されており、ドリル10を操作す
るために通常の方法で作動させられる。第１図におい
て、全体が参照符号25で示されたバッテリパックは下記
に説明するようにハンドル22内部に装着されており、ト
リガスイッチ24の作動に応じてモータ16に電流を供給す
る。
第２図に示すように、バッテリパック25はバッテリパ
ック容器28内に収納した複数の電池26（点線で図示）を
備えている。容器28の第１の部分30はハンドル22内に形
成された区画32に適合する外形にされている。区画32に
は、容器28の第１の部分30を区画32に挿入することがで
きるように開放端34が設けられている。ラッチ部材36
は、開放端34の近傍でハンドル22に蝶番式に取付けられ
ている。第１図に示すように、容器28の第１の部分30が
区間32に完全に挿入された後、第３図の断面図を示すよ
うにラッチ部材36は容器28の第２の部分40の受け38内に
回動する。ラッチ部材36はハンドル22の一部を成すラッ
チ機構41に噛合する。好適な実施例においては、ラッチ
作用は、1976年12月21にラムストローム（Ramstrom）氏
に付与された米国特許3,999,110号に示されたように行
なわれる。同特許の開示を参照して以下に記載する。
電池26はバッテリパック25内に配設され、接続され
て、モータ16の作動直流電圧供給レベルに適合する低レ
ベルの直流電圧、例えば12ボルトを供給している。
上記電圧供給レベルは通常ドリル10のような電力作動
装置のコード無し状態での作動に関連しているが、電圧
供給レベルは本発明の精神と範囲とから逸脱することな
く3.6ボルトから48ボルトまでの範囲にすることができ
る。
電池26は第６図に最も良く示されるように容器28の端
部近傍の第１の部分30の両側に位置する１対の出力接点
若しくは端子42と44にバッテリパック25内部で接続され
ている。第５図に示すようにワイヤ切片の接点46と48の
形状の入力接点がハンドル22の内部に取付けられ、容器
28の第１の部分30がハンドル22の区画32に挿入されたと
きにそれぞれ端子42と44とに係合するように配置されて
いる。入力接点46と48は内部配線を介してスイッチ24に
接続され、次いでスイッチ24は配線を介してモータ16に
接続されている。作業者によってスイッチ24が閉じられ
るとエネルギは電池26からモータ16に与えられ、ドリル
10を作動させる。
ドリル10のようなコード無し電力作動装置は軽量で、
作業者により容易に操作可能であり、持ち運んで使用で
きるように設計されている。このような装置はどの場所
においても有用であるが、特に通常の電源が得られない
作業場所で使用するのに便利である。ドリル10は例え
ば、上記の作業場所で、電池26から得られる低レベルの
直流電圧を用いて一般的には、例えば50ワット及びそれ
以上の電力範囲で作動する。このことは上記のコード無
し装置の利点を明確に表わしているが、電池26の充電使
用時間は限られているため、定期的に充電しなければな
らない。従って、作業場所で通常の交流電源が得られる
場合には電池26の充電量を保存しておくことが好まし
い。しかし、ドリル10のようなコード無し装置は、例え
ば12ボルトのような低レベル直流電圧で作動する。一般
に米国では交流電源は60Hzで120ボルトを供給し、米国
外では他の値、例えば50Hzで220/240ボルトを供給する
が、これらの値はコード無し装置を直接作動させるのに
は適当でない。
本発明の好適な実施例においては、第７図に回路図の
形で示したコード付きコンバータ100が容器72に収納さ
れており、第４図に示すようにバッテリパック25と同様
な方法で区画32に挿入できるようになっている。容器72
は容器28（第１図）と略同一の外被形状を有しており、
ハンドル22の区画32に収納してドリル10に組付けること
ができる。容器72からは電力コード74とプラグ76が延び
ており、電力コンバータ100を外部電源に接続可能にし
ている。電力コンバータ100は容器28の端子42と44（第
２図及び第６図）に配置と作用とが対応する１対の出力
端子78と80（第４図）を備えている。
電力コンバータ100は本出願と同日に出願され、“電
圧コンバータ”と名称をつけた前に参昭した米国特許願
連続番号（ブラックアンドデッカー（Black ＆ Decke
r）ケース4787）に記載されており、その開示を参照し
て以下に説明される。コンバータ100は交流高電圧又は
直流高電圧を直流低電圧に変換するように設計されてい
る。
例えばコンバータ100は120ボルト60Hzの交流をモータ
16に必要などんな低レベルの直流電圧、例えば直流12ボ
ルト又は直流24ボルトにも変換できる。更に、コンバー
タ100は高レベルの直流電圧を低レベルの直流電圧に、
例えば直流150ボルトを直流12ボルトに変換できる。第
７図に示すように電圧コンバータ100はダイオード104,1
06,108及び110により形成されたブリッジ整流器102を備
えている。プラグ76はブリッジ整流器102に接続されて
おり、例えば、120ボルト60Hzを供給する通常の交流電
源に接続することができる。この例では、交流電源が電
圧コンバータ100用の一次電源として作用している。整
流器102の出力は接地基準線114と配線116との間に付加
されている。整流後の出力はコンデンサ118によりフィ
ルターをかけられ、それにより150ボルトの直流を配線1
14と116との間に供給している。交流電源の代わりに、
配線114と116とは150ボルトの直流電源に直接接続する
ことができ、そうすることにより150ボルトの直流電圧
はドリル10に必要とされる低電圧に変換される。
１対の交流減衰ダイオード120と122とが配線114と116
との間に直列に接続されている。電圧降下抵抗器123と
電圧確定ツェナーダイオード125が同様に配線114と116
の間に直列に接続されている。Ｎ−チャネル電力用M05
電界効果型トランジスタ124と126は配線114と116の間に
直列に第７図に示すように接続されている。トランジス
タ124と126とは電圧検知器として機能して作動中に容量
性電荷を発生する。イントリンシックダイオード（Intr
insic Diode）128と130はそれぞれトランジスタ124と12
6と一体にその一部として形成されたダイオード構造を
表しており、トランジスタ124と126のソース及びドレー
ン電極と並列に接続されている。高周波数降圧変圧器13
4の一次巻線132の一側は配線136を介してダイオード120
と122との接続点138に接続されている。一次巻線132の
他の側はトランジスタ124のドレーン電極とトランジス
タ126のソース電極との接続点140に接続されている。
変圧器134の中間タップ二次巻線142の外部端子は整流
ダイオード144と146のアノードに接続されている。ダイ
オード144と146のカソードはそれぞれ電圧コンバータ10
0の出力端子80に接続され、一方二次巻線142の中間タッ
プは出力端子78に接続されている。前に第５図に関連し
て議論したように端子80と78はそれぞれドリル10の入力
接点46と48に接続されている。
第７図に図示した電圧コンバータ100の作動中、交流
電圧がプラグ76を介してコンバータ100に印加され、ブ
リッジ整流器102は接地基準線114と配線116との間に脈
動する直流電圧を発生する。この脈動直流電圧はコンデ
ンサ118によりフィルターをかけられて例えば交流120ボ
ルト60Hzの入力で配線114と116との間に直流150ボルト
を供給する。
直流電圧がツェナーダイオード125の両端に発生し、
その電圧は25KHz、すなわち入力交流周波数の350倍から
600倍の間で動作する発振器154に印加され、発振器154
を動作させて接続点156に方形波の形で現われる交流電
圧を発生させる。発振器154は内蔵チップにより規定さ
れるCM05非安定RCタイマー、例えばカリフォルニア州95
014キュペルティノ市（Cupertino、CA95014）のインタ
ーシル社（Intersil Inc.）からICM7555チップとして特
定され入手できるようなタイプのもの、を備えている。
電圧コンバータ100の作動開始時にはコンデンサ158は発
信器154を緩作動させ、コンデンサ152をゼロボルトから
所望のピーク電圧まで徐々に充電できるようにする。抵
抗器160とコンデンサ162とを含むRC回路は第７図に示す
ように発振器154に接続され、発信器154と電圧コンバー
タ100の作動周波数を確定する。
発信器154の各方形波出力の1/2周期の間、接続点156
での出力は高く、抵抗器164を通じてトランジスタ124の
ゲート電極に印加されトランジスタをON状態にバイアス
する。そして、電流が第１の方向若しくは充電方向にコ
ンデンサー152を通り、また一次巻線132を通り、トラン
ジスタ124のソースとドレイン電極を通って流入する。
各方形波の上記1/2周期の間、交流電源とその整流さ
れ、フィルターされた出力は変圧器134の一次電源とし
て作用する。電流が一次巻線132を通って第１の方向若
しくは充電方向に流入するため、二次巻線142に電圧が
発生する。変圧器134の出力はダイオード144と146とに
より整流され、出力端子78と80を介してそれぞれドリル
10の入力接点46と48とに印加される。スイッチ24が閉じ
ていると、モータ16に作動電力が与えられドリル10を作
動させる。また、上記1/2周期の動作の間電流が第１の
方向若しくは充電方向に流入するときにコンデンサ152
は特定の電圧レベルまで充電される。
発振器154の出力が高いとき、上記各方形波の1/2周期
の間、Ｎ−チャンネル電力M05電界効果型トランジスタ1
66はON状態にバイアスされ、そのドレインとソース電極
を介して接地基準線114をＮ−チャンネル電力M05電界効
果型トランジスタ168に接続する。トランジスタ166と16
8も電圧検知器として機能し、作動中容量性電荷を発生
する。接地基準線114をトランジスタ168のゲート電極に
接続することは、トランジスタ168とトランジスタ126
が、トランジスタ124がON状態にあるときにONにならな
いことを保証する。トランジスタ124がONにされるとダ
イオード170、コンデンサ172、及びトランジスタ124の
ソースとドレイン電極を含む充電回路が形成され、コン
デンサ172を本質的には配線114と116との間に発生する
電圧にまで充電する。各方形波の次の1/2周期の間、発
振器154の出力は低下し、トランジスタ124と166とはOFF
状態にバイアスされて接地基準線114をトランジスタ168
のゲート電極から切り離す。このとき、トランジスタ12
4は、抵抗器164と並列に接続されたダイオード173を通
じて急速に放電する。更に、コンデンサ172の充電回路
が切られ、ダイオード170の逆接続によって、コンデン
サ172が充電回路を通して放電することが阻止される。
このとき、コンデンサ172はゲート抵抗器174と176及び
トランジスタ168のゲートとソース電極を含む回路を通
して徐々に放電を開始する。その結果生じる、ゲート・
ソース回路を通って流れる電流はトランジスタ168をON
にする。そしてコンデンサ172は、コンデンサ178と抵抗
器180との並列の組合せ、トランジスタ168のソースとド
レーン電極、一対の電流制限抵抗器182と184、トランジ
スタ126のゲートとソース電極を含む回路を通じてもっ
と急速に放電を開始する。
コンデンサ178は非常に容量の小さいコンデンサであ
り、一方抵抗器180は比較的大きな抵抗値のものであ
る。このRC値の組合せによって、最初は、低容量のコン
デンサが略完全に充電されるまでコンデンサ178を通っ
て電流が急激に流れ、その後は抵抗器180を通って電流
が徐々に流れるようにすることができる。コンデンサ17
2の、コンデンサ178とトランジ126とを含む放電回路を
通って流れる初期の急速な電流はトランジスタ168を急
速にONにする。ツェナーダイオード186はトランジスタ1
26の動作電圧レベルで降伏するように設計されており、
それによってトランジスタ126に動作電圧以上の電圧が
印加される危険を防止している。
このように、コンデンサ172はコンバータ100の３次電
源として機能し、トランジスタ126の動作電力を供給す
る。コンデンサ172の充電に関して、トランジスタ124と
166及びコンデンサの充電回路中の機器は３次電源の電
圧を生成するための手段として機能する。更に、トラン
ジスタ166の遮断とトランジスタ168のON及びコンデンサ
172の放電に関連する全ての機器は３次電源すなわちコ
ンデンサ172の電圧を印加してトランジスタ126をONする
ための手段を形成している。トランジスタ126は、トラ
ンジスタ166が再びONにされてそれにより接地基準線166
がトランジスタ168のゲート電極に接続されるまでON状
態になっている。このときコンデンサ172は上述のよう
に充電を開始し、トランジスタ126は放電を開始する。
トランジスタ126の放電回路は抵抗器182と184、ツェナ
ーダイオード188及び、導通状態にあるトランジスタ124
と126のソースとドレーン電極とを含んでいる。ツェナ
ーダイオード188は、トランジスタ126の放電電流がトラ
ンジスタ168のゲート・ソース回路を流れないことを確
実にして、それによりトランジスタ168の損傷の危険を
防止している。
トランジスタ166と168は、トランジスタ126のバイア
ス制御回路中の他の機器と共に参照符号190で全体を示
す電力バッファを形成している。このように、トランジ
スタ124の動作のバイアス制御は発振器154を通じて直接
導入されるが、トランジスタ126の動作のバイアス制御
は発振器154を通じて間接的に、そして３次若しくは独
立した電源、すなわち充電されたコンデンサ172を含む
電力バッファ190を通じて直接的に導入される。
発振器154の出力の各方形波の次の1/2周期の間出力が
抵いとき、トランジスタ124はOFFにされ、トランジスタ
126はONにされる。この状態では一次巻線132は、トラン
ジスタ126のソースとドレーン電極とコンデンサ152を含
む直列閉回路内に接続されている。このときコンデンサ
152は放電を開始して上記閉回路中に電流を供給する。
この電流は変圧器134の１次巻線132を通り第２の方向若
しくは放電方向に流れるが、この方向はトランジスタ12
4が導通しているときとは反対の方向である。この状態
では、コンデンサ152は変圧器134の２次電源として機能
し、それにより２次巻線142に電圧が誘起される。この
間、変圧器134の出力はダイオード144と146とにより整
流され、出力端子78と80を通してドリル10の入力端子46
と48とにそれぞれ与えられる。スイッチ24が閉じていれ
ば作動電力は前述のようにモータ16に与えられてドリル
10を作動させる。
このようにして、トランジスタ124と126の交互の動作
の間、そして発振器154の方形波出力の連続した1/2周期
ずつの間、電流が一次巻線132内を、検知及び制御回路
中の発振器154の周波数のみによって定まる比較的高い
周波数で交互に反対方向に流れる。高い周波数、例えば
25KHz、で動作する電圧コンバータ100を用いたことによ
り、特に変圧器に小型で軽量の機器を使用できるように
なっている。このようにして、コンバータ100は、バッ
テリパック25の外被形状と相応した容器72（第４図）の
ような外被形状内に収納可能となり、しかもドリル10の
有用性を犠牲にすることなくドリル10の必要とする電力
と電流とを供給している。
前述のように、直流150ボルトは配線114と116との間
に発生する。トランジスタ124が導通している間、この
電圧は一次巻線132とコンデンサ152との間で分割され、
それによりコンデンサは理論的には75ボルトのレベルま
で充電される。残りの75ボルトは一次巻線132に印加さ
れ、分割した２次巻線142により降圧される。二次巻線
電圧は、前述のようにダイオード144と146とにより更に
整流され、例えば12ボルトの低レベル直流電圧を生成し
てドリル10の出力端子78と80とに印加される。
トランジスタ126が導通している状態ではコンデンサ1
52が変圧器134の電源となる。コンデンサ152は、発振器
154の方形波出力の先の1/2周期の間に75ボルトのレベル
まで充電されているため、この電圧は１次巻線132に効
率的に印加されるが、この電圧は先の1/2周期の間一次
巻線に印加されていた電圧と同じ電圧レベルである。
こうして、発振器154の方形波出力の交互の1/2周期の
間、同じレベルの、しかし逆の極性の電圧が一次巻線に
印加される。このようにして高周波信号が一次巻線132
に印加され、変圧器134により降圧され、ダイオード144
と146とにより整流されて出力端子78と80に所望の低レ
ベル直流電圧が供給される。抵抗器192とコンデンサ194
はトランジスタ124のソースとドレーン電極に並列に接
続され、発生するかもしれないトランジスタ124に損傷
を与える恐れのあるスプリアス電圧スパイクのための、
トランジスタ124を迂回するバイパスを与える抑制回路
として機能している。同様に、抵抗器196とコンデンサ1
98はトランジスタ126のソースとドレーン電極に並列に
接続されてトランジスタ126の抑制回路として機能して
いる。
トランジスタ124がオン、のときに変圧器134の出力に
過電流状態が生じた場合、例えばモータ16の短絡や過負
荷状態の場合、変圧器134の誘導インピーダンスは極め
て小さくなりコンデンサ152が配線114と116との間の供
給電圧（150ボルト）のレベルまで急速に充電される。
変圧器14により与えられる誘導回路の周囲の磁界の大き
さはこの状態では非常に大きく、この磁界に貯えられた
エネルギのため電流を同じ方向に流し続けようとする。
通常この状態はコンデンサ152をもっと高いレベルの電
圧まで充電させ、回路に、好ましくない発振状態を生じ
させてそれにより変圧器134を飽和させてしまう。
トランジスタ124がON状態にバイアスされた状態で過
負荷により生じる上記発振を防止するため、変圧器134
の誘導回路の磁界に貯えられたエネルギにより生じる電
流はトランジスタ124のドレーンとソースの電極とダイ
オード122と変圧器134の１次巻線132を含む回路に流さ
れる。上記電流は磁界が完全に消滅するまでこの回路を
流れ続ける。この間、コンデンサ152の電荷は供給電圧
レベル（150ボルト）のままであり、発振傾向は抑制さ
れて、トランジスタ124がON状態にある間の異常事態が
防止される。
過負荷若しくは短絡状態の間にトランジスタ124がOFF
にされ、トランジスタ126がオンにされると、コンデン
サ152は変圧器インダクタンスとトランジスタ126のドレ
ーンとソースの電極を含む閉回路内に接続される。コン
デンサ152はトランジスタ124がON状態にある間の到達し
た先の電荷（150ボルト）のレベルに充電されたままに
なっている。変圧器の誘導回路のインピーダンスが低い
ため、予め充電されているコンデンサ152はこの低イン
ピーダンスを通して、本質的にはゼロボルトまで急速に
放電する。コンデンサ152が急速に放電するため変圧器
インダクタンスの周囲に磁界が急速に発達する。コンデ
ンサ152が完全に放電すると変圧器134の磁界に貯えられ
たエネルギは、コンデンサ152が放電しているときと同
じ方向に電流を流し続けようとし、通常、この連続した
電流はコンデンサ152を負の方向に充電する。コンデン
サ152が負の方向に充電された状態では、電源とコンデ
ンサ152の負の電荷とが累加されることになりトランジ
スタ124がON状態にバイアスされると150ボルトをはるか
に越えた合計電圧を発生する。
変圧器134を飽和させ、その結果回路機器の損傷を招
く恐れのある高電圧レベルであるため、この状態も破壊
的な状態を生じる可能性がある。コンデンサ152の逆方
向の充電を阻止するため、ダイオード120がコンデンサ1
52と並列に接続されている。コンデンサ152が完全に放
電した後、変圧器134の磁界に貯えられたエネルギによ
り生じる電流は最もインピーダンスの低い経路を探し
て、ダイオード120を通って流れ、コンデンサ152を迂回
する。結局、貯えられたエネルギは完全に放散し、トラ
ンジスタ126がオン状態にある残りの期間安定した状態
が達成される。
このように、電圧コンバータ100にダイオード120と12
2を接続したことにより、変圧器134の出力に接続された
モータ16のような負荷に短絡や過負荷が生じたときのコ
ンバータ100内での好ましくない発振が防止される。
コンバータ100は、最初に低周波入力を高レベルの直
流電圧に変換し、次いで高周波の電圧レベルに変換し、
この高周波の電圧はその後ドリル10の低い供給電圧レベ
ルに効率的に変換され整流される。変圧器134は、高周
波変圧器であり、例えば50Hz又は60Hzのような低電圧用
に使用される変圧器の重量やサイズと比較すると、特に
軽量で小型である。
更に、コンバータ100は効率的な変換動作を行なうが
比較的少ない部品点数で設計されている。この事はコン
バータ100の軽量、小型の特徴を更に向上させている。
上記コンバータ100の大きさは、従来、少くなくとも50
ワットとそれ以上の範囲の電力を供給する変換ユニット
を収納、保持するには小さすぎるドリル10のような電力
作動装置にこのような小型のコンバータ100を使用する
ことを可能にしている。
更に、コンバータ100の上記好適な実施例は低周波数
の高電圧レベルを直流低電圧レベルに変換しているが、
このコンバータは電力入力回路102の整流器出力側に直
流高電圧を印加することによって直流高電圧を直流低電
圧に直接変換するのに用いることができる。このことか
ら、コンバータ100は上述の方法により直流から直流へ
の変換を行なうように機能する。従って、コンバータ10
0を外部電源としての直流高電圧に直接接続できるよう
に、容器72（第４図）内にコンバータ100を配置するこ
とができる。このようにして、ドリル10を電池26の直流
低電圧の代わりに直流高電圧電源により作動させること
ができ、それにより電池の充電使用時間を節約すること
ができる。
コンバータ100は120ボルト60Hz以外の外部交流電源に
より作動するように設計することもできる。本発明の精
神と範囲とから逸脱することなくコンバータ100は同様
に3.6ボルトから48ボルトの範囲の直流出力電圧を供給
するように設計することもできる。ある特定の例では、
変圧器134は電力入力回路102に印加される。220ボルト5
0Hzの外部交流電源から出力配線114と116との間に24ボ
ルトの直流出力を発生するような変圧を行なうように接
続することもできる。そしてコンバータ100を容器72と
共に用いて24ボルトの直流供給電圧レベルで作動する電
力作動装置に両用能力を付与するようにすることができ
る。
ドリル10は、本発明の両用能力により更に有用となる
多くの電力作動コード無し装置の１つの例を例示してい
るにすぎない。本発明の両用能力により価値が増す電力
作動コード無し装置の他の例にはねじ回し、ねじ回し兼
用ドリル、ハンマードリル、鋸、円鋸ヘッジトリマ、草
刈りばさみの他電池作動の家庭用品等が含まれるがこれ
らに限定されるわけではない。
コンバータ100を容器72（第４図）に収納して用いる
ことはドリル10のようなコード無し電力作動装置の電源
の交換を可能にするのでこれらの装置がコード無し又は
コード付きのどちらの状態でも作動できるようになる。
コンバータの100の軽量小型の特徴はコンバータ100の比
較的少数の部品を容器72に収納することを容易にしてい
る。これによりコード無しバッテリパック28をコンバー
タ容器72と簡単に交換することができ、それによりドリ
ル10が、通常ドリルのようなコード無し装置が備えてい
る持ち運び可能で計量であるという特性を保持したまま
両用能力を得ることを可能にしている。更に、コンバー
タ100はコンテナ72内に収納され封入されコンバータの
部品を保護すると共に作業者をコンバータから保護のた
め遮断している。更に、コンバータ100と容器72は50ワ
ットとそれ以上の電力範囲、好ましくは50ワットのレベ
ルで電力作動装置を作動させる手段を提供している。
このように、上記の説明から、本発明により、電力作
動装置のコード付き／コード無しの両用作動装置が提供
され、それにより主要な目的が達成されることが理解さ
れよう。同様に、本発明から逸脱することなく例示した
実施例の改変や変更が可能であることも明らかである。
従って、上述の説明と添付図面は好ましい実施例の非
限定的な例示の目的としているにすぎず、本発明の真の
精神と範囲とは添付の請求の範囲とその法律的な均等物
を参照して決定される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウォルター，リチャード ティー. アメリカ合衆国，メリーランド 21013, ボールドウィン，フォーク スプリング ス コート 10 (56)参考文献 特開 昭55−71172（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−53580（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−63985（ＪＰ，Ａ) 欧州公開195264（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B25F 5/00 B25B 21/00 B23B 45/02 H02M 3/24 H02M 3/28

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定の電圧範囲で作動可能な電力作動装置
    と； 前記装置（10）と複数の電力供給装置（28;72）の１つ
    とを電気的、機械的に接続させるとともに、前記複数の
    電力供給装置（28;72）と機械的に適合する収容部形状
    を画定する接続手段（22,32,46,48）と； 前記電力作動装置（10）と前記接続手段（22,32,46,4
    8）を介して電気的、機械的に接続するとともに、前記
    電力作動装置（10）に所定の電圧範囲で50ワット若しく
    はそれ以上の電力を供給できる電池を内蔵したコード無
    し電力供給装置（28）を形成する第１の供給手段（28）
    とを備えた電力作動装置用コード付き／コード無し装置
    であって、 前記電力作動装置（10）と電気的、機械的に接続すると
    ともに電源と接続する電力コード（74）を備え、電源電
    気エネルギを所定の電圧範囲の50ワット若しくはそれ以
    上の電力に変換する電力コンバータ（100）を内蔵する
    コード付き電力供給装置（72）を形成する第２の供給手
    段（72）を備え、前記第２の供給手段は、電源電気エネ
    ルギを所定周波数の交流電圧に変換し、前記交流電圧を
    所定の電圧範囲に整流されたもっと低い電圧に変換する
    電圧コンバータ手段（100）を備えることを特徴とする
    電力作動装置用コード付き／コード無し装置。
  2. 【請求項２】前記接続手段（22,32,46,48）は更に、前
    記第１の供給手段（28）と前記第２の供給手段（72）の
    どちらをも受容する所定の形状を有する空洞部（32）を
    画定する手段（22,32）を備えることを特徴とする請求
    の範囲第１項の装置。
  3. 【請求項３】接続手段（22,32,46,48）が更に、前記第
    １の供給手段（28）と前記第２の供給手段（72）のどち
    らの相補接点とも電気的に接続する前記接続手段（22,3
    2,46,48）内に配置された電気接点（46,48）を形成する
    手段を備えることを特徴とする請求の範囲第１項又は第
    ２項の装置。
  4. 【請求項４】前記第１の供給手段（28）と前記第２の供
    給手段（72）のどちらをも前記接続手段（22,32,46,4
    8）内に取り外し可能に固定する手段（36,41）を備えた
    ことを特徴とする請求の範囲第１項、第２項又は第３項
    の装置。
  5. 【請求項５】電圧コンバータ手段（100）は第１の周波
    数の交流電源電圧を第２の周波数の交流電圧に変換し、
    第２の周波数の交流電圧を所定の電圧範囲のもっと低い
    整流された電圧に変換する手段（102,124,126,134,144,
    146,154）を含むことを特徴とする上記請求の範囲のい
    ずれか１項の装置。
  6. 【請求項６】電圧コンバータ手段（100）は更に、第２
    の周波数の交流電圧を降圧する降圧変圧器（134）を備
    えることを特徴とする請求の範囲第５項の装置。
  7. 【請求項７】第２の周波数の交流電圧の周波数は第１の
    周波数の交流電源電圧の周波数の350倍から600倍の間で
    あることを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項の装
    置。
  8. 【請求項８】第２の周波数は約25kHzであることを特徴
    とする請求の範囲第５項、第６項又は第７項の装置。
  9. 【請求項９】第１の周波数は50Hzから60Hzの間であるこ
    とを特徴とする請求の範囲第５項、第６項、第７項、又
    は第８項の装置。
  10. 【請求項１０】前記電圧コンバータ手段（100）は更
    に、前記降圧変圧器（134）の降圧された第２の周波数
    の交流電圧を整流する手段（144,146）を備えることを
    特徴とする請求の範囲第６項，第７項又は第８項の装
    置。
  11. 【請求項１１】前記電圧コンバータ手段（100）は更
    に、前記降圧変圧器（134）の降圧された第２の周波数
    の交流電圧を整流して3.6ボルトから48ボルトの間の整
    流された電圧を供給する手段（144,146）を備えること
    を特徴とする請求の範囲第６項、第７項又は第８項の装
    置。
  12. 【請求項１２】所定の電圧範囲で作動可能な装置（16）
    を内部に有するハウジング（20）と； 前記ハウジング（20）と複数の電力供給装置（28;72）
    の１つとの電気的、機械的接続部を形成するとともに、
    接続手段（22,32）が電力供給装置（28,72）と機械的に
    適合する所定の収容部形状を画定する手段（22,32,46,4
    8）とを備えた電力作動装置であって、 前記接続手段（22,32,46,48）を通じて前記ハウジング
    （20）と電気的、機械的に接続するとともに電力源と接
    続する電力コード（74）を有し、電力源の電流を所定の
    電圧範囲の50ワット若しくはそれ以上の電流に変換する
    電圧コンバータ手段（100）を内蔵するコード付き電力
    供給装置（72）を形成する供給手段（72）と； 第１の周波数の交流電源電圧を第２の周波数の交流電圧
    に変換し、第２の周波数の交流電圧を所定の電圧範囲の
    もっと低い整流された電圧に変換する手段（102,124,12
    6,134,144,146,154）を含む電圧コンバータ（100）とを
    備えることを特徴とする電力作動装置。
  13. 【請求項１３】前記ハウジング（20）内の装置（16）は
    モータ（16）であることを特徴とする請求の範囲第12項
    の電力作動装置。
  14. 【請求項１４】接続手段（22,32,46,48）は更に、前記
    供給手段（72）を受容する所定の形状を有する室（32）
    を形成する手段（32）を備えることを特徴とする請求の
    範囲第12項又は第13項の電力作動装置。
  15. 【請求項１５】接続手段（22,32,46,48）は更に、前記
    供給手段（72）の相補接点（42,44）と電気的に接続す
    る、前記室（32）内に配置された電気接点（46,48）を
    形成する手段（46,48）を備えることを特徴とする請求
    の範囲第14項の電力作動装置。
  16. 【請求項１６】前記供給手段（72）をその接続位置に取
    外し可能に固定する手段（36,41）を備えることを特徴
    とする請求の範囲第12項、第13項、第14項又第15項の電
    力作動装置。
  17. 【請求項１７】電力作動装置（10,16）と、電力供給装
    置（28,72）を受容する収容部形状を画定する接続部（2
    2,32,46,48）とに機械的、電気的に接続するコード付き
    電力供給装置であって、 電力コード（74）により電力源から供給される電源電力
    を所定の周波数の交流電圧に変換し、前記交流電圧を50
    ワット若しくはそれ以上の電力の所定の電圧範囲に変換
    する電圧コンバータ手段（100）と； 前記電圧コンバータ手段（100）を内蔵するとともに、
    電力作動装置（10,16）の接続部（22,32,46,48）の収容
    部形状に適合する外被形状を有し接続部（22,32,46,4
    8）と電気的、機械的に接続を可能にするハウジング（7
    2）を形成する手段（72）とを備えたコード付き電力供
    給手段。
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