JP3979981B2 - 充電器 - Google Patents

Description

本発明は、充電する電池の温度を検出する温度センサーを備える充電器に関する。

電池は、充電されると温度が上昇する。とくに、満充電に近付くと電池温度は急激に上昇する。電池の温度上昇は、電池特性を低下させる原因となる。電池の性能低下を防止するために、電池温度を検出するための温度センサーを備える充電器が開発されている。（特許文献１〜２参照）
特開２００２−１９９６０９号公報 特開平５−３０６６９号公報

特許文献１に記載される充電器は、温度センサーを軟質チューブに入れて、パック電池の表面に接触させる。この温度センサーは、軟質チューブを介して電池の表面に接触されて、電池温度を検出する。特許文献２に記載される充電器は、温度センサーをコイルスプリングで押し出して、パック電池の熱伝導部品に熱結合させる。この温度センサーは、熱伝導部品を介して電池温度を検出する。

これ等の公報に記載される充電器は、温度センサーで電池温度を検出し、たとえば電池温度が設定温度よりも高くなることを検出して充電電流を遮断する。この構造の充電器は、電池温度を正確に検出するのが難しい。電池温度は、温度センサーを直接に電池に接触させても、必ずしも正確には検出できない。図１は、本出願人が検討した構造であって、電池２の表面に直接に温度検出部４Ａを備える温度センサー４を押圧して接触させても、図の矢印で示すように、電池２と温度センサー４との間にできる空隙に外部からの冷たい空気が流入し、この空気の冷却作用で、温度センサー４が電池温度を正確に検出できなくなるからである。さらに、図２は、本出願人が更に検討した構造であって、電池２の熱を金属プレート３５に吸収して、吸収した熱を温度センサー４に伝導する構造を示している。この構造は、まず、電池を繰り返し着脱して充電する場合、電池２と金属プレート３５との間に空間（図示せず）が生じ、電池２の温度を適切に測定することが難しくなる。そして、電池２の熱を金属プレート３５に伝導することはできるが、金属プレート３５が矢印で示すように空気で冷却される。このため、この構造によっても、電池温度を正確に検出することはできない。以上のように、温度センサーを電池に直接に接触させ、あるいは金属プレートを介して接触させる構造によっても、電池温度は正確に検出できない。また、時間遅れが発生しないように、電池温度をリアルタイムに正確に検出するのはさらに難しい。検出の時間の遅れは、充電器に内蔵しているマイコンでもって、検出された温度を補正して、ある程度は修正できる。しかしながら、マイコンによる補正は、充電末期の急激な温度上昇や、繰り返し充電による温度環境の変動に対して、高い精度で補正できない。温度センサーと電池温度カーブが同じ挙動を示すことがなく、電池温度の急激な変動に温度センサーが追随できなくなるからである。温度勾配が大きくなると、温度センサーの検出温度と電池温度との差がしだいに大きくなって、電池温度を正確に検出するのはさらに難しくなる。

電池温度を検出する回路を保護機能とする充電器は、それほど高い精度で温度を検出することが要求されない。しかしながら、電池温度を検出し、電池温度で平均充電電流を制御し、常に電池温度が一定の温度に保持されるように平均充電電流をコントロールする充電器は、電池温度を極めて高い精度で検出することが大切である。

さらに、充電する電池温度を検出する構造として、図３と図４に示す構造を採用した充電器が発売されている。この構造は、ケース３１に設けている電池ポケット３２の底面３３を、円筒型電池２に沿う形状とし、底面３３の山部下面に温度センサー４を配設している。温度センサー４は、山部の下面に設けた凹部３４にはめ込むようにして配設される。この構造において、電池２の熱は、矢印で示す経路で温度センサー４に伝導される。熱の経路は以下の通りである。
(1) 電池自身の熱伝導
(2) 電池→空気層→ケースへの熱伝導
(3) ケースの熱伝導
(4) ケース→空気層→温度センサーへの熱伝導

この構造は、電池から温度センサーまでの熱の伝導経路が長く、またケースの底面が空気で冷却されるために、電池と温度センサーとの温度差が大きくなり、また、電池の温度が上昇して、電池と温度センサーとが同じ温度となるまでに時間差が大きく、正確に時間遅れなく電池温度を検出できない欠点を解消できない。

本発明はこのような欠点を解消することを目的に開発されたもので、本発明の大切な目的は、温度センサーでもって、電池温度を高い精度で、しかも時間遅れを少なく正確に検出して電池を理想的な温度状態で充電できる充電器を提供することにある。

本発明の充電器は、充電する電池２を脱着できるように装着する電池ポケット３をケース１に備えており、この電池ポケット３に装着される電池２の温度を検出する温度センサー４と、温度センサー４で電池温度を検出して、充電電流を制御する充電回路を備える。さらに、充電器は、電池ポケット３に装着される電池２の表面に押圧される熱伝導体３０と、この熱伝導体３０を電池表面に弾性的に押圧する弾性体１６とを備えている。この熱伝導体３０は、熱伝導プレート１３と温度センサー４とを備えている。
また、弾性体１６により熱伝導体３０は電池２を上方向に押圧しており、電池ポケット３において、ケース１は電池２の両端部分を保持する第１の保持部１１Ａと第２の保持部１１Ｂからなる一対の保持部１１を設けており、第１の保持部１１Ａはケース１の表面を貫通する開口の孔形状である。

本発明の充電器は、電池２を円柱状の単電池として、熱伝導体３０の電池２に押圧される部分を電池２の円柱形状に沿う形状とすることができる。さらに、本発明の充電器は、電池２と熱伝導プレート１３との間に温度センサー４を配設することができる。

充電回路は、電池温度を保持設定温度となるように平均充電電流を制御し、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電することができる。

熱伝導プレート１３は、弾性変形できる細長く延在する一枚の金属板を折曲したものとして、弾性体１６と熱伝導プレート１３を一枚の金属板で構成することができる。この熱伝導プレート１３は、延在方向における中央において、電池方向に押圧される押圧部１５と、この押圧部１５の延在方向における両側に連続した弾性体１６を設けることができる。さらに、熱伝導プレート１３は、押圧部１５に温度センサー４を配設する装着凹部１３Ａを設けて、この装着凹部１３Ａに温度センサー４を配設することができる。押圧部１５は、電池２の円柱形状に沿う形状とすることができる。
また、熱伝導体３０が、電池２の下方に位置し、電池ポケット３において、熱伝導体３０の側部で、電池ポケット３の底面３Ａと電池２との間に、冷却用空隙１２を備える。

本発明の充電器は、温度センサーでもって、電池温度を高い精度で、しかも時間遅れを少なくしながら正確に検出できる特長がある。それは、本発明の充電器が、ケースの電池ポケットに装着される電池の表面に押圧される熱伝導体を備えており、この熱伝導体が熱伝導プレートと温度センサーとを有しているからである。とくに、本発明の充電器は、熱伝導体を弾性体で電池表面に弾性的に押圧する構造としているので、熱伝導プレートを電池に密着させて、電池の熱を熱伝導プレートを介して温度センサーに有効に伝導できる。したがって、本発明の充電器は、熱伝導プレートで電池の熱を有効に温度センサーに伝導させて、電池温度を高い精度で、しかも時間遅れを少なくして正確に検出して、電池を理想的な温度状態で充電できる。

さらに、本発明の請求項３の充電器は、電池と熱伝導プレートとの間に温度センサーを配設しているので、電池の温度検出部分を熱伝導プレートで覆う状態としながら温度センサーを配設できる。この構造は、伝導される熱や温度センサーが空気に接触して冷却されることなく、また、電池から発熱する熱を熱伝導プレートを介して温度センサーの周囲全体に伝導できるので、電池温度を正確且つ速やかに検出できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための充電器を例示するものであって、本発明は充電器を下記のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図５ないし図１２に示す充電器は、外形が略直方体の箱形で、充電する電池２を脱着できるように装着する電池ポケット３をケース１の上面で、図８の平面図における下段に設けている。電池ポケット３には、ここに装着される電池２の表面に押圧される熱伝導体３０を配設している。熱伝導体３０は、４個の装着される電池２、各々に対応して温度を検出する温度センサー４を設置した熱伝導プレート１３を備えている。さらに、充電器は、温度センサー４で電池温度を検出して、電池２の平均充電電流を制御する充電回路（図示せず）をケース１の回路基板５に実装している。

ケース１は、下ケース１Ｂと上ケース１Ａとからなり、下ケース１Ｂに上ケース１Ａを連結して、内部に回路基板５を内蔵している。回路基板５は、下ケース１Ｂに固定されている。回路基板５には、電池ポケット３にセットされる電池２の電極に接続される出力端子６、７を固定している。出力端子６、７は、弾性変形する金属板である。図の充電器は、電池ポケット３に４個の電池２をセットして充電するので、４対の出力端子６、７を設けている。

さらに、図の充電器は、単三タイプと単四タイプの両方の電池２を充電することができる。このような単電池である充電式の単３型、単４型電池は、細長く延在する略円柱状の形状であって、詳細には、金属缶の表面に、延在方向の両端に位置する正負極以外が樹脂チューブで覆われている。

まず、単三タイプの電池２を充電するときは、図５と図６の状態のように、回転出力端子８を倒した状態で、電池２の一端の正極側を出力端子６に、他端の負極側を出力端子７に接触させて充電する。また、単四タイプの電池２を充電するときは、図７ないし図１０に示すように、回転出力端子８を垂直に起こした状態で、電池２を装着して充電する。このとき、図１０の状態のように、回転出力端子８における金属製の４つの補助端子１０が、単三タイプの電池の出力端子６の前部に介在することで、単三タイプの電池より短い単四タイプの電池を、出力端子６、７を利用して充電できる構造となっている。

回転出力端子８は、プラスチック製の支持部材９に装着される４つの単四タイプの各電池において、単四タイプの電池２の凸部電極２Ａである正極と出力端子６との間に介在すると共に、両者に接触する金属製の４つの補助端子１０を固定している。支持部材９は、各補助端子１０を保持する４つの略板状の絶縁ベース部９Ａと、これら絶縁ベース部９Ａを連結する連結部９Ｂとを備える。補助端子１０は、各々、その外周をプラスチック製の絶縁ベース部９Ａに保持されて固定される。図の回転出力端子８は、絶縁ベース部９Ａに単四タイプの電池２の凸部電極２Ａである正極を挿入できる４つの凹部９ａを設けて、この凹部９ａの底部を貫通して補助端子１０を配置して、補助端子１０を単四タイプの電池２の凸部電極２Ａである正極に接触できるようにしている。支持部材９は、絶縁ベース部９Ａの板状の面が、水平な姿勢から垂直姿勢に回転できるように、両端に設けた軸部９Ｃがケース１や回路基板５に連結される。また、支持部材９は、その板状の面が垂直姿勢に起こされた状態においては、図７と図１１に示すように、単四タイプの電池２の下部を保持するために、逆さハの字状の保持部９Ｄを有している。

図８ないし図１１は、単四タイプの電池２を充電する状態を示す。この状態で、回転出力端子８は、絶縁ベース部９Ａが垂直姿勢に起こされて、単三タイプの電池の出力端子６の前方に配設される。絶縁ベース部９Ａが垂直に起こされると、補助端子１０は単四タイプの電池の充電回路（図示せず）に接続される。そして、単四タイプの電池を充電するときは、回転出力端子８の連結部９Ｂに一体に形成されたスイッチ押圧部９Ｅが、回路基板５上に設置された電気スイッチ２６を押圧することで、単四タイプの充電回路に接続させている。また、絶縁ベース部９Ａが水平に倒されて、単三タイプの電池を充電するときは、スイッチ押圧部９Ｅが回転することで、電気スイッチ２６の押圧を解除して、単三タイプの充電回路に接続される。このような充電回路は、後述するように、電池温度が保持設定温度となるように平均充電電流を制御し、短時間に充電する。

単三タイプの電池を充電するときは、図５に示すように、回転出力端子８の絶縁ベース部９Ａは水平に倒されて、単三タイプの電池の出力端子６の前方から下方に移動される。この位置に移動された絶縁ベース部９Ａは、単三タイプの電池を電池ポケット３にセットするのに邪魔にならない。いいかえると、絶縁ベース部９Ａは単三タイプの電池を電池ポケット３にセットするのに邪魔にならない位置に移動される。この状態で、電池ポケット３に単三タイプの電池が装着されると、単三タイプの電池は回路基板５に固定している出力端子６に接続される。出力端子６は充電回路（図示せず）に接続されて、単三タイプの電池を充電する。

図に示すケース１は、電池ポケット３に、細長く延在する円筒状電池２の両端部分を位置ずれしないように保持する、第１の保持部１１Ａと第２の保持部１１Ｂからなる一対の保持部１１を設けている。第１の保持部１１Ａは、電池２の負極である端部を挿入して保持できる、ケース１の表面を貫通する円形開口の孔形状である。図の充電器は、円筒型電池である単三タイプの電池の端部を挿入するので、孔形状の第１の保持部１１Ａを円形としている。この保持部１１は、その内形を電池２の端部の外形よりもわずかに大きくしている。保持部１１の内形を電池２の外形よりもわずかに大きくするとは、電池２をスムーズに保持部１１に挿入できるが、挿入される状態で位置ずれしないように保持できる形状を意味する。第２の保持部１１Ｂは、装着される電池２の延在方向と垂直な断面が逆さハの字状の傾斜部１１Ｂａ、１１Ｂａを有する溝形で、電池２の正極側の底部を保持し、溝に嵌入される単三タイプの電池を横ずれしないように保持する。図の電池ポケット３は、一方の保持部１１を、電池２の端部を挿入できる形状としているが、両方の保持部を、電池の端部を挿入して保持できる孔形状とすることもできる。また、両方の保持部を横ずれしない形状とすることもできる。

単四タイプの電池を装着する場合においては、図１０に示す状態で電池２を保持する。負極の出力端子７は、詳細には、３つの金属製接触片７Ａ、７Ｂ、７Ｃで構成される。出力端子７は、単三タイプの電池を装着した場合においては、電池の円形負極に全ての接触片７Ａ、７Ｂ、７Ｃが接触する。また、出力端子７は、単四タイプの電池を装着した場合には、接触片７Ｂ、７Ｃが電池の円形負極に接触するものの、上側の接触片７Ａが、その断面くの字状の下側で、電池の円形負極の上端を下方に押圧して保持する。単四タイプの電池の正極側は、回転出力端子８の絶縁ベース部９Ａが垂直姿勢に起こされた状態で、保持部９Ｄにて、単四タイプの電池２の下部が保持される。

図の電池ポケット３は、第１の保持部１１Ａと第２の保持部１１Ｂとの間に、冷却用空隙１２を設けている。冷却用空隙１２は、電池ポケット３の底面３Ａと電池２との間に、冷却用の空気の冷却ダクトを形成する。この冷却ダクトを通過する空気は、充電している電池２を冷却する。したがって、図に示すように、冷却用空隙１２を設けている充電器は、電池温度を低くしながら短時間で満充電できる特長がある。また、電池２を十分に冷却するために、電池ポケット３の底面３Ａには、充電器を貫通する上面視略長方形の貫通穴１２Ｂが設けられている。

さらに、図の充電器の電池ポケット３は、隣接する電池２との間に隙間１２Ａ（図８参照）ができるように、第１の保持部１１Ａと第２の保持部１１Ｂを設けている。この電池ポケット３にセットされる電池２は、冷却用空隙１２でケース１との間に空気を通過できる冷却ダクトを設け、さらに隣の電池２との間にも冷却空気を通過できる隙間１２Ａを設けている。したがって、この構造の電池ポケット３の充電器は、装着される電池２を効率よく冷却して、電池温度の上昇を少なくして充電できる特長がある。なお、図８においては、右端に位置する電池２は、単四タイプであり、これより太い単三タイプの電池の外形を、点線で示している。

次に、本発明の特徴である熱伝導体３０について詳細に説明する。電池ポケット３には、ここに装着される各電池２の円柱形状表面に押圧される４つの熱伝導体３０を配設している。熱伝導体３０の電池２に押圧される部分は、電池２の円柱形状に沿う形状であり、電池表面に接触することが熱伝導上望ましいものの、僅かに隙間があっても良い。図の充電器において、各熱伝導体３０は、熱伝導プレート１３、温度センサー４を有すると共に、熱伝導体３０が電池表面に弾性的に押圧されるように熱伝導プレート１３と一体形成された弾性体１６とを備えている。

図の充電器は、熱伝導プレート１３を第１の保持部１１Ａに接近して配設している。図の充電器は、電池２の端部を挿入する孔形状の保持部１１に接近して熱伝導プレート１３を配設するので、熱伝導プレート１３が電池２を押し上げても、電池２の上方への位置ずれを有効に阻止できる。孔形状の保持部１１は、電池２が上下左右にずれるのを阻止できるからである。このため、この構造の充電器は、熱伝導プレート１３をしっかりと電池２の表面に押圧して、電池温度をより正確に検出できる。

４つの熱伝導プレート１３は、略同一の形状をしている。熱伝導プレート１３は金属板で、図１３の断面図に示すように、電池２の円柱状表面の下部の一部に沿う形状に湾曲されている押圧部１５を有している。熱伝導プレート１３は、電池２の延在方向に対して、横方向に略左右対称の構造を有している。熱伝導プレート１３は、細長く延在する一枚の金属板を、打ち抜き、折曲したものであって、金属板の延在方向における中央において電池方向に押圧される押圧部１５と、これの両側より垂下する両足部１３Ｃと、各足部１３Ｃの下側に隣接して電池２の延在方向における両端に位置し、断面をＵ字状とすることで弾性力を有する弾性体１６を備えている。なお、片側の足部１３Ｃにおいて、弾性体１６、１６間には、切抜き部１３Ｄが位置している。そして、弾性体１６、１６の下側に下端部１３Ｅが位置し、下端部１３Ｅの下にこれより幅が狭い保持部１３Ｆが延長している。そして、両保持部１３Ｆは、ベースプレート１７のスリット１７Ａを通過して、折曲され、先端をベースプレート１７の底面に当接させることで、ベースプレート１７上に熱伝導プレート１３を保持している。

熱伝導プレート１３は、表面に保護シート１４を固定している。保護シート１４は、可撓性のある絶縁シートで、たとえばプラスチックシートである。保護シート１４は、温度センサー４と電池２との間を絶縁して、温度センサー４が直接に電池表面に接触するのを防止する。すなわち、温度センサー４を保護する。図に示す熱伝導プレート１３は、電池の延在方向に対して横方向の両側部分を除く中央部分に保護シート１４を固定している。保護シート１４は、電池の延在方向における両端の幅が広く、両端の間の幅が狭くなっており、粘着層を介して簡単に接着して固定できる。ただ、保護シート１４は、接着材で接着して固定することもできる。

図の充電器は、熱伝導プレート１３の金属板と保護シート１４の両方を電池表面に接触させるために、保護シート１４を固定する部分を、保護シート１４の厚さに相当して低くして段差部１３Ｂとしている。段差部１３Ｂに保護シート１４が固定されると、保護シート１４の表面と、保護シート１４の外側で電池の延在方向に対して横方向（以下この方向を横方向とする）の両側の金属板の表面が電池２の表面に接触する。

さらに、熱伝導プレート１３は、上部の押圧部１５に、温度センサー４を配設する装着凹部１３Ａを設けている。温度センサー４は、装着凹部１３Ａに配設されて、その表面を保護シート１４で被覆している。したがって、装着凹部１３Ａは、段差部１３Ｂに配設している。装着凹部１３Ａの上面には、フィルムタイプの温度センサー４が固定される。温度センサー４はサーミスタを使用するが、サーミスタ以外の温度センサーも使用できる。フィルムタイプの温度センサー４は、一般に販売されているものであって、図１４の断面図に示すように、フィルムから上面に略長方形で厚みのある板状の温度検出部４Ａを突出させている。装着凹部１３Ａは、フィルムタイプの温度センサー４をここに案内して固定できる幅、すなわち、温度センサー４の幅よりも多少は広い溝形としている。温度センサー４は、図１２に示すように、装着凹部１３Ａに入れられて、熱伝導プレート１３に固定される。図の熱伝導プレート１３の押圧部１５においては、装着凹部１３Ａを押圧部１５の横方向の両端まで延長しない。装着凹部１３Ａは、図１２において左下縁に延長されて、右上縁には延長されない。温度センサー４は、片方まで延長される装着凹部１３Ａに固定されて、熱伝導プレート１３の外部に引き出される。

熱伝導プレート１３は、上段において、電池表面に押圧される押圧部１５を設けている。押圧部１５は、熱伝導プレート１３の金属板を直接に電池表面に押圧する直接押圧部１５Ａと、保護シート１４、温度検出部４Ａを介して熱伝導プレート１３を電池表面に押圧する間接押圧部１５Ｂからなる。図の熱伝導プレート１３は、間接押圧部１５Ｂの横方向の両外側に直接押圧部１５Ａを設けている。この熱伝導プレート１３は、図１４の矢印で示すように、主に、以下の経路で電池２の熱が伝導され、以下の(4)、(5)にて主に、電池２の熱が温度センサー４に伝導させる。
(1) 電池自身の熱伝導
(2) 電池２→直接押圧部１５Ａへの熱伝導
(3) 熱伝導プレート１３（直接押圧部１５Ａ→間接押圧部１５Ｂ）の熱伝導
(4) 熱伝導プレート１３（間接押圧部１５Ｂ）→温度センサー４への熱伝導
(5) 電池２→保護シート１４→温度センサー４への熱伝導

以上の経路で単三タイプの電池２から温度センサー４に熱伝導する充電器は、電池２から温度センサー４までの経路が少ない。また、温度センサー４が空気に接触して冷却されない。さらに、熱伝導プレート１３と電池２との間に空気が流入して、熱伝導プレート１３が空気で冷却されることがなく、電池２の熱が熱伝導プレート１３に有効に伝導される。したがって、電池２から温度センサー４までの経路が少なく、しかも伝導される熱や温度センサー４が空気で冷却されることがなく、単三タイプの電池温度は温度センサー４に高い精度で時間遅れを少なくして、正確に検出される。
なお、単四タイプの電池２を装着したときは、図１３において、鎖線で示される位置関係で、熱伝導体３０と接触されることになる。単三タイプの電池においては、熱伝導体３０が電池２の表面に接触することになるが、円柱の半径が小さい単四タイプでは、電池２の下部と熱伝導体３０とが接触することになる。

以上の熱伝導プレート１３は、間接押圧部１５Ｂの横方向の両側に直接押圧部１５Ａを配設しているが、間接押圧部の三方に直接押圧部を配設し、あるいは間接押圧部の全周に直接押圧部を配設することもできる。図の熱伝導プレート１３は、間接押圧部１５Ｂを直接押圧部１５Ａよりも内側に配設しているが、この構造は、直接押圧部１５Ａに伝導される電池２の熱を、両側から間接押圧部１５Ｂに有効に伝導できる。

熱伝導プレート１３は、電池表面に隙間なく接触されるように、弾性体１６でもって、電池表面に弾性的に押圧される。図の熱伝導プレート１３は、弾性変形できる金属板である。弾性金属板の熱伝導プレート１３は、弾性体１６を一枚の金属板で構成している。図の熱伝導プレート１３は、両側に弾性体１６を連結している。弾性体１６は、金属板をＵ曲して弾性変形しやすくしている。さらに弾性体１６は、図１２に示すように、熱伝導プレート１３よりも幅を狭くして、弾性変形しやすくしている。図の熱伝導プレート１３は、その両側に弾性体１６を連結している。両側に弾性体１６を連結している熱伝導プレート１３は、全体をバランスよく電池２の表面に弾性的に押圧できる。図の熱伝導プレート１３は、その両側に各々２列の弾性体１６を連結しているが、両側に各々１列の弾性体を連結することもできる。また、熱伝導プレートは、片側に弾性体を連結することもできる。

図の充電器は、回路基板５の表面にベースプレート１７を固定して、このベースプレート１７に弾性体１６で熱伝導プレート１３を連結している。ベースプレート１７はプラスチック等の絶縁材である。ベースプレート１７は、横方向に左右対称構造であって、図１２と図１３に示すように、横方向の両側（図１２及び図１３においては右端部のみが示されている）に連結フック１８を一体的に成形して設けており、この連結フック１８の先端のフック部を回路基板５の裏面に係止して連結している。回路基板５は、連結フック１８を入れる連結凹部１９を設けている。この連結凹部１９に連結フック１８を入れて、ベースプレート１７は回路基板５に連結される。連結凹部１９に入れられた連結フック１８は、回路基板５を左右の両側より弾性的に挟着し、先端のフック部を回路基板５の裏面に係止して、ベースプレート１７を回路基板５に連結する。さらに、ベースプレート１７は、回路基板側に突出して複数のストッパ凸部２０を一体的に成形している。ストッパ凸部２０は、回路基板５に先端を当接して、回路基板５との距離を一定に保持する。この構造のベースプレート１７は、簡単に一定の間隔となるように、回路基板５に連結できる。さらに、ベースプレート１７は、熱伝導プレート１３に固定している温度センサー４のリード線２１を介しても回路基板５に連結される。

弾性体１６を直接に回路基板５に連結しないで、ベースプレート１７を介して回路基板５に連結する構造は、温度センサー４で電池温度をより正確に検出することに効果がある。それは、熱伝導プレート１３の熱が直接に回路基板５に伝導されないからである。この構造は、熱伝導プレート１３の熱が回路基板５に直接に伝導されるのを、ベースプレート１７が遮断する。温度センサー４が電池温度を正確に検出するためには、熱伝導プレート１３の放熱を少なくするのがよい。熱伝導プレート１３から多量に放熱されると、電池２の熱が熱伝導プレート１３から放熱されて、熱伝導プレート１３の温度が低くなり、これに固定している温度センサー４の検出温度が低くなる。ベースプレート１７は、回路基板５に比較して、熱伝導プレート１３の放熱を少なくできる。回路基板５よりも小さくて熱伝導率が悪いからである。ベースプレート１７は、回路基板５のように、種々の部品を実装する必要がないので小さくできる。また、回路基板５のように、熱伝導の優れた金属層を積層する必要がないからである。さらに、ベースプレート１７は、ストッパ凸部２０と連結フック１８を介して局部的に回路基板５に接触するので、ベースプレート１７から回路基板５への熱伝導を少なくできる。熱伝導プレート１３からベースプレート１７に熱が伝導され、さらにベースプレート１７から回路基板５に効率よく熱伝導されると、ベースプレート１７は間接的に熱伝導プレート１３を冷却することになる。しかしながら、ベースプレート１７の熱が有効に回路基板５に伝導されないと、ベースプレート１７は熱伝導プレート１３を冷却しなくなる。ベースプレート１７で冷却されない熱伝導プレート１３は、ベースプレート１７からの無駄な放熱が阻止されて、これに装着している温度センサー４で正確に電池温度を検出する。

さらに、熱伝導プレート１３をベースプレート１７に連結する構造は、電池温度で回路基板５が直接に加熱されるのを有効に防止できる。回路基板５は、電池２の充電電流を制御するためのパワートランジスターやパワーＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を実装している。半導体スイッチング素子は、電池２の充電電流で加熱されるので、いかに効率よく冷却できるかが大切である。温度が高くなるにしたがって、許容電流が小さくなるからである。熱伝導プレート１３が直接に回路基板５を加熱しない構造は、回路基板５の温度を低くでき、パワーＦＥＴ等の半導体スイッチング素子の温度を低くして、許容電流を大きくできる。また、半導体スイッチング素子の熱暴走や故障を少なくできる。

なお、本実施例の充電器は、外部の電源線を連結するソケット２７（図６及び図１１参照）、充電時に発光するＬＥＤ素子２８（図１１参照）、充電時間を設定するタイマーの時間を切り換えるスイッチ２９を有している。

充電回路は、温度センサー４で電池温度を検出し、電池温度が保持設定温度となるように平均充電電流を制御し、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する。この充電器は、電池２を極めて短時間に充電できる特長がある。

図１５は充電回路を示す。この充電回路は、電池２に充電電流を供給して充電する電源回路２２と、電源回路２２と電池２との間に接続されて電池２の平均充電電流を調整するスイッチング素子２３と、このスイッチング素子２３をオンオフに切り換えて、充電電流を調整する制御回路２４と、電池温度を検出して制御回路２４に温度信号を入力する温度センサー４とを備える。

この充電回路が電池２を充電するときの電池温度が上昇する特性と、電池電圧が変化する特性を図１６のグラフに示している。この図１６において、曲線Ａは電池温度が上昇する特性を、曲線Ｂは電池電圧が変化する特性を示している。この図に示すように、図１５の充電回路は、満充電されるときに電池温度が上昇する割合を小さくするのではなく、充電を開始した最初の温度上昇充電工程において、電池温度を上昇所定温度まで上昇させ、その後は温度保持充電工程において、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する。したがって、最初に大きな電流を流して電池温度を上昇させる。いいかえると、電池温度が上昇する程度に大きな電流を流して電池２を充電する。このとき、電池２は大きな電流で充電されるが、電池温度が高くならないので、電池性能が低下することはなく、この時間帯に大きな容量を充電できる。

電源回路２２は、スイッチング素子２３をオンにする状態で、電池２を、平均電流１．５Ｃ〜１０Ｃ、好ましくは２Ｃ〜８Ｃ、さらに好ましくは２Ｃ〜５Ｃの大きな電流で充電する出力を有する。電源回路は、制御回路とは別のアダプターとしてリード線を介して制御回路に接続することができる。ただ、電源回路を制御回路と同じケースに収納することもできる。

充電回路は、図１５に示すように複数の電源回路２２を切り換えて電池２を充電することもできる。複数の電源回路２２は、切換スイッチ２５を介してスイッチング素子２３に接続される。切換スイッチ２５は、電池２を充電する電源回路２２を切り換える。複数の電源回路２２は、電池２をパルス充電するときのピーク電流が異なる。電池２は平均充電電流が同じであっても、パルス充電するピーク電流が大きいと発熱が大きくなる。このため、電池２を大電流で充電するとき、ピーク電流が小さくなる電源回路２２に切り換えて電池２を充電すると、電池２の発熱を少なくできる。したがって、電池２をより大きな平均充電電流で充電して電池温度の上昇を少なくできる。

スイッチング素子２３はトランジスターやＦＥＴで、制御回路２４にスイッチングされて電池２をパルス充電する。スイッチング素子２３は、スイッチングされないでオン状態に保持されて、電池２を最初に大電流で充電して電池温度を所定の温度である上昇所定温度、保持設定温度まで上昇させる。この場合、定電流充電となる。また、スイッチング素子２３は、所定のデューティー比でオンオフにスイッチングされて、電池２を最初にパルスの大電流（平均電流値が大きい大電流）で充電して所定の温度である上昇所定温度、保持設定温度まで上昇することもできる。

スイッチング素子２３は、オンオフに切り換えられるデューティー比で電池２をパルス充電する平均充電電流を調整する。パルス充電するときのデューティー比（Ｑ）は、スイッチング素子２３をオンにする時間（ｔ_ｏｎ）とオフにする時間（ｔ_ｏｆｆ）との比率であるから以下の式で表される。
Ｑ＝ｔ_ｏｎ／（ｔ_ｏｎ＋ｔ_ｏｆｆ）
したがって、スイッチング素子２３がオンオフに切り換えられるデューティー比を小さくすると平均充電電流は小さくなり、反対にデューティー比を大きくすると平均充電電流は大きくなる。

制御回路２４は、温度センサー４から入力される信号で電池温度を検出して、スイッチング素子２３を所定のデューティー比でオンオフに切り換える。スイッチング素子２３をオンオフに切り換えるデューティー比は、電池温度が高い状態では小さく、電池温度が低くなると大きくして、電池温度を保持設定温度に保持する。図１６に示すように、充電を開始する最初には電池温度が低いので、電池温度が上昇所定温度まで上昇するまでは大きな電流で充電し、その後は電池２の温度を保持設定温度に保持するように、制御回路２４がスイッチング素子２３のデューティー比を制御する。制御回路２４が、スイッチング素子２３をオンオフに切り換える周期は、１ｍｓｅｃ〜１０ｓｅｃ、好ましくは１０ｍｓｅｃ〜２ｓｅｃ、さらに好ましくは５０ｍｓｅｃ〜２ｓｅｃとする。

制御回路２４は、温度センサー４で検出した電池温度が保持設定温度よりも低いとき、デューティー比を大きくして、電池２をパルス充電する平均充電電流を大きくして電池温度を上昇させる。電池温度が保持設定温度まで上昇すると、デューティー比を小さくして電池温度が保持設定温度を越えないように、また保持設定温度から低下しないようにスイッチング素子２３のデューティー比を制御する。したがって、制御回路２４は電池２を定電流で充電することはなく、また定電圧で充電することもない。制御回路２４は、スイッチング素子２３のデューティー比を制御して、電池２を充電する平均充電電流を制御し、電池２の温度が図１６のカーブを示すようにコントロールする。

図１５の充電回路は、以下の工程で電池２を充電する。以下は、ニッケル−水素電池の充電方法を例示するが、ニッケル−カドミウム電池も充電電流を変更して同じように充電できる。
(1) まず、充電開始の前に、充電回路において、充電する電池２の温度を温度センサー４で検出する。制御回路２４は、検出した電池温度が開始設定温度範囲にあるとき、温度上昇充電工程を開始する。温度上昇充電工程を開始する電池２の開始設定温度範囲は０〜４０℃、好ましくは１０〜３０℃とする。電池温度が開始設定温度範囲よりも低いとき、あるいは高いときには、電池電圧を検出しながら通常充電を開始する。通常充電は、充電電流を１Ｃ以下に制限し、電池電圧を検出しながら、電池電圧がピーク電圧となり、あるいはΔＶを検出して満充電する。
さらに、電池２の残容量を電圧から検出する。満充電に近い電池が、次の温度上昇充電工程で充電されると過充電されて、電池性能が低下するからである。電池電圧が設定電圧よりも低い電池は、残容量が少ないと判別して、温度上昇充電工程で充電を開始する。電池の電圧が設定電圧よりも高い電池は、残容量が大きく、温度上昇充電工程で充電すると過充電すると判別して、通常充電を開始する。

さらに充電を開始するときに電池２の内部抵抗を検出し、内部抵抗が所定の電気抵抗よりも高いときには、温度上昇充電工程に移行しないで通常充電をする。通常充電の後、内部抵抗が所定の電気抵抗よりも小さくなると、温度上昇充電工程を開始することもできる。

(2) 電池２の温度が開始設定温度範囲にあり、かつ電池電圧が保持設定電圧よりも低い場合は、温度上昇充電工程を開始する。温度上昇充電工程は、電池温度を所定の温度勾配で上昇させる大きな電流で充電する。この工程においては、電池温度の上昇勾配が約３℃／分となる平均充電電流で充電する。単三型タイプで公称容量が２１００ｍＡｈのニッケル−水素電池の場合、平均充電電流を２Ｃ〜３Ｃとして温度上昇勾配が約３℃／分となる。ただし、この工程において、温度の上昇勾配を１℃／分〜５℃／分とする平均充電電流で充電することができる。また、電池２の平均充電電流を１．５Ｃ〜１０Ｃとすることもできる。この工程において、スイッチング素子２３はオン状態に保持され、あるいはスイッチング素子２３のデューティー比を大きくして、平均充電電流を前述の範囲とする。電池温度が上昇所定温度になって保持設定温度に近くなると、たとえば保持設定温度を５７〜６０℃に設定する場合、上昇所定温度（たとえば、約５５℃）に近付くと、上昇所定温度（たとえば、約５５℃）を検出し、平均充電電流を少なくして、電池２の温度上昇勾配を小さくする。

図１６は、電池温度が上昇所定温度約５５℃になると、この温度を検出して、平均充電電流を小さくして温度上昇勾配を緩くし、保持設定温度に近づいている（図１６に示す温度上昇充電工程である）。平均充電電流は、スイッチング素子２３をオンオフするデューティー比を小さくして制御される。このように、電池２の温度が保持設定温度に近くなり上昇所定温度になると平均充電電流を少なく制御する方法は、電池温度が保持設定温度を越えてオーバーシュートするのを防止して、電池２が高温障害で劣化するのを有効に阻止できる。ただし、電池２の温度が保持設定温度になるまで、電池２の温度が所定の温度勾配で上昇する平均充電電流で充電することもできる。

(3) 温度上昇充電工程の終わりに、電池温度が保持設定温度まで上昇すると、電池温度が保持設定温度に保持されるように、平均充電電流を制御して温度保持充電工程で電池２を充電する。この温度保持充電工程においては、制御回路２４がスイッチング素子２３をオンオフに切り換えるデューティー比を制御して、パルス充電の平均充電電流を調整して、電池温度を保持設定温度に保持する。この工程において、温度センサー４が電池温度を検出して、温度信号を制御回路２４に入力する。制御回路２４は、検出された電池温度で、スイッチング素子２３をオンオフに切り換えるデューティー比を制御する。電池温度が高くなると、デューティー比を小さくして平均充電電流を減少させて電池温度を低下させ、電池温度が低くなるとデューティー比を大きくして平均充電電流を増加させて電池温度を上昇させて、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する。また、温度保持充電工程において、電池温度は、一定温度（例えば、５８℃）に保持することが望ましい。

ここで、保持設定温度は、電池の悪影響、性能低下が発生する温度以下で、最大付近の温度に設定される。また、使用者が電池２に触れても問題がなく、熱い電池２を異常と感じない程度に設定される。このような保持設定温度は、上限としては、最大で略７０℃であって、好ましくは６５℃以下であって、更に好ましくは、６３℃以下に設定される。保持設定温度の範囲としては、好ましくは５０〜６５℃、更に好ましくは、５３〜６３℃、これ以上に好ましくは、５６〜６１℃、そして、５７〜６０℃に設定される。

また、電池温度を保持設定温度に保持するためには、本実施例においては、以下のように制御される。まず、保持設定温度において、制御規定温度を所定温度（例えば、５８℃）に設定する。そして、検出される電池温度が、この制御規定温度より、たとえば、１℃上昇する毎に、段階的に平均充電電流を低下させ、また、検出される電池温度が、この制御規定温度より１℃低下する毎に、段階的に平均充電電流を上昇させる。このような制御により、電池温度を保持設定温度に保持して充電される。

上記の制御規定温度に代わって、制御規定温度を所定の温度範囲（例えば、５７〜５９℃）に設定してもよい。そして、検出される電池温度が、この制御規定温度より、たとえば、１℃上昇する毎に、段階的に平均充電電流を低下させ、また、検出される電池温度が、この制御規定温度より１℃低下する毎に、段階的に平均充電電流を上昇させる。このような制御により、電池温度を保持設定温度に保持して充電する。

この温度保持充電工程において、電池２が満充電に近付くと、平均充電電流を小さくしても、電池温度が上昇する傾向が強くなる。したがって、電池２が満充電に近付くと、電池温度が上昇し、又は上昇しようとするが、電池温度を保持設定温度に保持するように、平均充電電流が低減される。つまり、制御回路２４はスイッチング素子２３をオンオフに切り換えるデューティー比を極めて小さく制御する。このため、電池２が満充電に近くなると、制御回路２４は平均充電電流を急激に減少させる。したがって、温度保持充電工程においては、電池２の満充電を検出して充電を停止しなくとも、平均充電電流が急激に減少されて過充電が防止される。本実施例の温度保持充電工程における充電終了については、タイマーで充電を終了している。タイマーは、電池２が略満充電となるように電池２を充分に充電できる時間（例えば、略３０分程度）に設定している。また、本実施例においては、上述のように、満充電近くで電池温度が上昇し、平均充電電流が低減するので、この低減された電流を検出したときは、タイマーの設定時間より前でも充電を終了している。

さらに温度保持充電工程で電池２を充電しているときに、電池２の内部抵抗を検出し、内部抵抗が所定の電気抵抗よりも高くなると、通常充電をして電池２の充電電流を小さくする。通常充電においても、電池２の温度が保持設定温度よりも高くならないようにする。

(4) 以上の温度上昇充電工程と温度保持充電工程で、電池２はほぼ満充電されるが、完全には満充電されない。温度保持充電工程の後は、通常充電して電池２を完全に満充電することができる。

以上の充電方法は、温度上昇充電工程と温度保持充電工程において電池２をパルス充電しているが、充電回路は必ずしもパルス充電するデューティー比を制御して平均充電電流を調整する必要はない。たとえば、温度上昇充電工程と温度保持充電工程において、連続して充電する充電電流を制御して、平均充電電流を所定の電流として電池を充電することもできる。

以上の充電回路は、平均充電電流を設定して電池温度を設定温度に保持して充電するが、充電回路は電池２を定電流充電し、あるいは一定の電流で充電して、電池２のピーク電圧を検出し、あるいはピーク電圧からΔＶ低下を検出して充電を停止することもできる。この充電回路は、電池温度が設定温度よりも高くなると、充電を停止し、あるいは中断して電池温度が設定温度よりも高くならないようにする。

本出願人が検討した構造で電池温度を検出する状態を示す概略断面図である。 本出願人が検討した他の構造で電池温度を検出する状態を示す概略断面図である。 従来の他の充電器の電池温度検出部分を示す断面図である。 図３に示す充電器が温度センサーで電池温度を検出する状態を示す概略断面図である。 本発明の一実施例の充電器の斜視図である。 図５に示す充電器に単三タイプの電池を装着した状態を示す背面斜視図である。 図５に示す充電器の回転出力端子を起こした状態を示す斜視図である。 図７に示す充電器に単四タイプの電池を装着した状態を示す平面図である。 図８に示す充電器の側面図である。 図９に示す充電器における電池の装着状態を示す拡大断面図である。 図７に示す充電器の上ケースを外した状態を示す斜視図である。 図１１に示す充電器の熱伝導体の分解斜視図である。 電池と熱伝導体の位置関係を示す断面図である。 本発明の一実施例にかかる充電器が温度センサーで電池温度を検出する状態を示す拡大断面図である。 本発明の一実施例の充電器の充電回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施例の充電器で電池を充電するときの温度特性と電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１…ケース １Ａ…上ケース １Ｂ…下ケース
２…電池 ２Ａ…凸部電極
３…電池ポケット ３Ａ…底面
４…温度センサー ４Ａ…温度検出部
５…回路基板
６…出力端子
７…出力端子 ７Ａ…接触片 ７Ｂ…接触片
７Ｃ…接触片
８…回転出力端子
９…支持部材 ９Ａ…絶縁ベース部 ９Ｂ…連結部
９Ｃ…軸部 ９Ｄ…保持部
９Ｅ…スイッチ押圧部
９ａ…凹部
１０…補助端子
１１…保持部 １１Ａ…第１の保持部 １１Ｂ…第２の保持部
１１Ｂａ…傾斜部
１２…冷却用空隙 １２Ａ…隙間 １２Ｂ…貫通穴
１３…熱伝導プレート １３Ａ…装着凹部 １３Ｂ…段差部
１３Ｃ…足部 １３Ｄ…切抜き部
１３Ｅ…下端部 １３Ｆ…保持部
１４…保護シート
１５…押圧部 １５Ａ…直接押圧部 １５Ｂ…間接押圧部
１６…弾性体
１７…ベースプレート １７Ａ…スリット
１８…連結フック
１９…連結凹部
２０…ストッパ凸部
２１…リード線
２２…電源回路
２３…スイッチング素子
２４…制御回路
２５…切換スイッチ
２６…電気スイッチ
２７…ソケット
２８…ＬＥＤ素子
２９…スイッチ
３０…熱伝導体
３１…ケース
３２…電池ポケット
３３…底面
３４…凹部
３５…金属プレート

Claims (9)

1. 充電する電池(2)を脱着できるように装着する電池ポケット(3)をケース(1)に備えており、この電池ポケット(3)に装着される電池(2)の温度を検出する温度センサー(4)と、温度センサー(4)で電池温度を検出して、充電電流を制御する充電回路を備える充電器であって、
   電池ポケット(3)に装着される電池(2)の表面に押圧される熱伝導体(30)と、この熱伝導体(30)を電池表面に弾性的に押圧する弾性体(16)とを備えており、該弾性体(16)により熱伝導体(30)は電池(2)を上方向に押圧し、
   この熱伝導体(30)が熱伝導プレート(13)及び温度センサー(4)を有し、
   電池ポケット(3)において、ケース(1)は電池(2)の両端部分を保持する第１の保持部(11A)と第２の保持部(11B)からなる一対の保持部(11)を設けており、第１の保持部(11A)はケース(1)の表面を貫通する開口の孔形状である充電器。
2. 電池(2)は円柱状の単電池であって、熱伝導体(30)は、電池(2)に押圧される部分が電池(2)の円柱形状に沿う形状である請求項１に記載される充電器。
3. 電池(2)と熱伝導プレート(13)との間に温度センサー(4)を配設するようにしてなる請求項１に記載される充電器。
4. 充電回路が、電池温度を保持設定温度となるように平均充電電流を制御し、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する請求項１に記載される充電器。
5. 熱伝導プレート(13)が弾性変形できる細長く延在する一枚の金属板を折曲したもので、弾性体(16)と熱伝導プレート(13)を一枚の金属板で構成している請求項１に記載される充電器。
6. 熱伝導プレート(13)の延在方向における中央において、電池方向に押圧される押圧部(15)と、この押圧部(15)の延在方向における両側に連続した弾性体(16)を設けている請求項５に記載される充電器。
7. 熱伝導プレート(13)の押圧部(15)に、温度センサー(4)を配設する装着凹部(13A)を有し、この装着凹部(13A)に温度センサー(4)を配設する請求項６に記載される充電器。
8. 押圧部(15)が、電池(2)の円柱形状に沿う形状である請求項６に記載される充電器。
9. 熱伝導体(30)が、電池(2)の下方に位置し、電池ポケット(3)において、熱伝導体(30)の側部で、電池ポケット(3)の底面(3A)と電池(2)との間に、冷却用空隙(12)を備える請求項１に記載される充電器。

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