JP3758576B2 - Cordless equipment - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is used, for example, in an electric tool, an electric razor, a notebook computer, a mobile phone, a vacuum cleaner, etc., and after precharging electric energy, the charger and the main body are disconnected, and the electric energy is applied to the load. It relates to cordless equipment that can be supplied.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 8, this type of cordless device includes a
[0003]
The
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the cordless device having the conventional configuration, the
[0005]
Although the
[0006]
In addition, since the nickel cadmium battery constituting the
[0007]
Furthermore, there is a third problem that there are cases where charging is not possible due to poor contact when the contact is soiled because it has a contact.
[0008]
The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a cordless device capable of supplying a voltage higher than the voltage of a power storage element to a load and performing a charging operation without a contact while being small and light. And
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the conventional problems, a cordless device according to the present invention includes a choke coil, a step-up chopper circuit having a first switching element, a main body having a storage element and a load, a DC power supply, an excitation coil, and a second coil. The excitation coil is configured to be magnetically coupled to the choke coil during charging.
[0010]
As a result, the shape and weight of the charger can be reduced to improve usability, a high voltage can be supplied to the load even when the voltage of the power storage element is low, and a charging operation without a contact can be performed by using magnetic coupling. It provides cordless equipment.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention described in
[0012]
The invention according to
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a cordless device capable of performing a charging operation with a small number of parts by configuring the charging diode according to the second aspect to be in a conductive state during an off period of the second switching element. It is to provide.
[0014]
In the invention described in
[0015]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
Example 1
FIG. 1 is a circuit diagram of a cordless device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a main body 101 and a charger 102 that can be attached to and detached from the main body 101 are connected. The charger 102 is connected to an
[0017]
The main body 101 is composed of a commutator motor, a
[0018]
The step-up chopper circuit 106 includes a
[0019]
One charger 102 includes a full-
[0020]
The charging
[0021]
2A and 2B show operation waveform diagrams during charging of the cordless device of the present embodiment, where FIG. 2A shows the gate voltage waveform Vge of the
[0022]
The drive circuit 141 turns on and off the
[0023]
The period from t1 to t2 is an on period. During this period, Vce becomes almost zero, and the output voltage of the
[0024]
Here, since the black circle mark is a voltage in the positive direction, the voltage generated in the magnetically coupled
[0025]
When the
[0026]
After that, the on period is entered again at t3, and this operation is repeated, whereby the charging current is continuously supplied to the
[0027]
Such an operation is performed at a switching frequency of 50 kHz, and the value is much higher than the commercial frequency, so that the
[0028]
In addition, the
[0029]
3A and 3B show operation waveforms when used in a cordless state, where FIG. 3A shows the gate voltage Vgs of the first switching element 121, FIG. 3B shows the waveform of the current I3 of the first switching element 121, (C) shows the waveform of the current I2 of the
[0030]
It is also possible to adjust the DC voltage supplied to the
[0031]
A period from t1 to t2 is an on period, and during this period, current is supplied from the positive terminal of the
[0032]
The period from t2 to t3 is an off period. During this period, current is supplied from the
[0033]
Here, since the switching frequency of the first switching element 121 is set to a considerably high value of 50 kHz, it is assumed that the small and
[0034]
In particular, in the present embodiment, since the first switching element 121 is a MOSFET, the
[0035]
In addition, switching operation at a high frequency is possible, and the
[0036]
When the cordless coil is used, the inductance value of the
[0037]
During charging, the
[0038]
Also, a small diode 122 can be used, and a Schottky barrier diode or the like can be used if the
[0039]
In FIG. 3, the current I2 flowing through the
[0040]
As described above, in this embodiment, the
[0041]
Further, the voltage of the DC power supply 124 at the time of charging is 130V, and it can be realized with a simple configuration in which the 100V
[0042]
In addition, the voltage supplied to the
[0043]
In this embodiment, at the time of charging, the charging diode is in a conductive state during the off period of the
[0044]
In addition, the charging
[0045]
In addition, since energy transmission from the main body 101 to the charger 102 during charging is performed by magnetic coupling without using a contact, contact failure due to contamination of the contact or a problem of reliability does not occur, which is extremely excellent. Cordless equipment will be realized.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to fourth aspects of the present invention, there is provided a cordless device that is small and lightweight, can supply a voltage higher than the voltage of the storage element to the load, and can perform a charging operation without a contact. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a cordless device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an operation waveform diagram when the cordless device is charged. FIG. 3 is an operation waveform diagram when the cordless device is used. Circuit diagram of a conventional cordless device [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Main body 102
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