JP4052284B2

JP4052284B2 - 充電器及びそれを備えた充電装置

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Publication number: JP4052284B2
Application number: JP2004162214A
Authority: JP
Inventors: 達哉三輪; 利規三井; 昌樹池田; 直樹清水
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP2005348468A

Description

本発明は、電池を内蔵する電池パックが着脱自在に接続されることにより電池を充電する充電器、及び当該充電器と電池パックとを有する充電装置に関する。

従来、電池を内蔵する電池パック（即ち、電池と関連する回路とを組み込んだモジュール）とこの電池パックを充電する充電器とを備えてなる充電装置が広く知られている。下記特許文献１には、この種の充電装置として、電池パックと充電器とを非接触に保ったまま、電磁結合を利用して電池パックへ充電を行うよう構成したものが開示されている。また特許文献１に開示される充電装置は、充電負荷が軽いときには、充電器側に設けられているスイッチング電源が自動的に間歇的に動作するように構成されており、それにより非充電時における待機電力の低減を図っている。
特開２０００−１６６１２９号公報

しかしながら、非接触型の充電装置では、充電器は電池パックから電池の電圧、温度等の情報を得ることが容易ではなく、そのために電池の状態に応じて充電電流を適切に調整することが容易ではないという問題点があった。これに対して、電池パックと充電器とを端子どうしの接触を通じて電気的に接続する接触型の充電装置では、充電器は端子を通じて電池の状態を容易に検出することができ、それによって電池の状態に応じた適切な充電を実現し得るという利点がある。例えば、電動工具の電源として用いられる電池のように充電容量の大きい電池は、高価であるため電池寿命をできるだけ長く保つように適切な充電が行われる必要がある。このため電動工具用の電池パックには、特に接触型の充電形態が適している。

接触型の充電装置では、充電器は端子の電位を通じて電池パックが接続されているか否かを検出することができる。ところが、電池パックに内蔵される電池が酷使された直後など、電池温度が過度に高くなっているときに、電池への充電を回避するための安全手段として、電池の充電経路にバイメタル等を利用した温度スイッチ（温度がある限度を超えて高くなるとオフするスイッチであり、サーモスイッチ、サーモスタットとも称される）を設けることが望ましい。これにより、電池の温度が異常に上昇している状態で電池パックが充電器に接続されても、温度スイッチが充電経路を遮断するために、電池への充電を回避することができる。

一方、温度スイッチが作動することにより充電経路が遮断されていると、電池パックの接続を検出することができなくなる。そこで、充電器が一対の充電用端子に所定の高さの電圧を常時出力しておき、電池パックの装着により別の接続検出用端子に所定の電位が印加されるように電池パックを構成することにより、接続検出用端子の電位を通じて、電池パックが接続されているか否かを検出する充電装置を想定することができる。このように構成された充電装置では、電池パックが接続されない待機期間においても、相当程度に高い電圧を充電用端子に出力する必要があり、待機電力が無視できないという問題点が予想される。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、電池パックの温度スイッチの作動時においても電池パックが接続されているか否かを検出することを可能にしつつ、且つ待機電力を節減し得る充電器、及び当該充電器を構成要素に含む充電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明のうち第１の態様に係るものは、電池を内蔵する電池パックが着脱自在に接続されることにより前記電池を充電する充電器であって、前記電池パックに電気的に接続するための第１乃至第３の端子と、スイッチング素子のスイッチング動作によりトランスの一次電流をパルス状に生成し、前記一次電流により誘起される前記トランスの二次電流を整流することにより直流電圧を生成し、前記第１及び第２の端子へ前記直流電圧を供給する直流電源と、前記第３の端子に所定範囲内の電圧が印加されたことを検出することにより、前記電池パックが接続されたことを検出する接続検出手段と、前記スイッチング素子を制御する出力制御手段とを備え、前記出力制御手段は、前記一次電流のパルスを、周期Ｔ１で反復的にかつ所定の最小パルス幅と最大パルス幅との間でのパルス幅変調によって生成するように前記スイッチング素子を制御する充電制御手段と、前記一次電流のパルスを、前記周期Ｔ１より長い周期Ｔ２で間歇的にかつ前記最小パルス幅で生成するように前記スイッチング素子を制御する間歇パルス生成手段を含む待機制御手段と、時間を計測する時間計測手段と、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出しない期間において、前記待機制御手段に前記スイッチング素子を制御させ、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出した後の期間において、前記充電制御手段に前記スイッチング素子を制御させる制御切替手段とを備え、前記制御切替手段は、前記時間計測手段が計測する時間を参照することにより、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出しない期間が、所定の待機時間を経過したときに、前記一次電流のパルスの生成を休止するように前記待機制御手段を制御するものである。

本発明の第１の態様に係る充電器は、充電対象である電池パックとして次のように構成されたものを想定している。即ち電池パックは、第１〜第３の端子に各々接続するための第４〜第６の端子と、電池の温度が所定温度を超えて高くなるとオフする温度スイッチとを有しており、電池と温度スイッチとの直列回路が第４及び第５の端子に接続されている。又、第６の端子は温度スイッチと電池との接続部に接続されている。

出力制御手段の働きにより、電池パックが充電器に接続されたことを接続検出手段が検出しない期間、即ち待機期間においても、第１及び第２の端子には充電のための直流電圧が供給される。温度スイッチが作動しないとき、即ちオフしていないときには、電池パックが充電器に接続されることにより、第３の端子の電位は、第１又は第２の端子の電位に一致する。温度スイッチが作動しているとき、即ちオフしているときには、第３の端子の電位は、第１又は第２の端子の電位と電池の電圧とによって決まるある範囲の電位となる。接続検出手段は、第３の端子の電位がこれらの何れかの電位にあることを検出することにより、電池パックが接続されたことを検出する。このように、温度スイッチが作動しているとき、いないときの何れにおいても、充電器は電池パックが接続されているか否かを検出することができる。そして、電池パックの接続を検出した後の期間では、周期Ｔ１で反復的にかつ所定の最小パルス幅と最大パルス幅との間でのパルス幅変調によって一次電流のパルスが生成される。

一方、制御切替手段の働きにより、待機期間においては待機制御手段が、一次電流のパルスを、前記周期Ｔ１より長い周期Ｔ２で間歇的にかつ前記最小パルス幅で生成するように直流電源のスイッチング素子を制御する。このため、待機期間における消費電力、即ち待機電力が節減される。このように、本発明の第１の態様に係る充電器は、待機電力を節減しつつ、電池パックの温度スイッチの作動時においても電池パックが接続されているか否かを検出することを可能にする。

また、充電器に電池パックが接続されない状態が長時間にわたって継続する場合は、充電器に電池パックがその後に接続される可能性が低い場合であると言える。このような場合に一次電流のパルスの生成が休止するので、無駄な待機電力をより効果的に節減することができる。

本発明のうち第２の態様に係るものは、第１の態様に係る充電器であって、前記制御切替手段は、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出した後においても、所定期間を経過するまで、前記待機制御手段に前記スイッチング素子を制御させるものである。

接続検出手段が電池パックの接続を一旦検出した後においても、過渡現象によりある期間は検出信号が安定しない場合がある。また、第１及び第２の端子間の電圧も、同様にある期間は安定しない場合がある。これに対し、本発明の第２の態様に係る充電器によれば、接続検出手段が電池パックの接続を検出した後においても、所定期間を経過するまで、待機制御手段がスイッチング素子を制御するので、電池パックの接続が十分に確認された後、或いは第１及び第２の端子間の電圧が安定した後に、充電制御に移行することができる。それにより適切な充電制御を行うことができる。

本発明のうち第３の態様に係るものは、第１の態様に係る充電器であって、前記制御切替手段は、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出した後において、前記電池パックの異常の有無を判別し、前記異常がないとの判別結果を得るまで、前記待機制御手段に前記スイッチング素子を制御させるものである。

本発明の第３の態様に係る充電器によれば、異常状態を放置したまま充電を開始する不都合を回避することができる。異常として、第１〜第３の端子を通じて検出される異常な電位、或いは一部の端子の非接続状態を例示することができる。或いは、充電器が第１〜第３の端子に加えて、更に別の端子を有し、当該別の端子を通じて電池パックの温度情報を得ることができるように構成されている場合に、別の端子を通じて検出される異常な電位、或いは当該別の端子の非接続状態を、異常として例示することができる。

本発明のうち第４の態様に係るものは、第１乃至第３の何れかの態様に係る充電器であって、前記直流電源は、前記第１及び第２の端子へ供給する前記直流電圧を検出する出力電圧検出手段を有し、前記待機制御手段は、前記出力電圧検出手段が検出する前記直流電圧の所定電圧からの変動を抑制するように前記スイッチング素子を制御する調整手段を更に含むものである。

本発明の第４の態様に係る充電器によれば、調整手段によって直流電圧の所定電圧からの変動を抑制するようにスイッチング素子が制御されるので、充電器の電源投入や充電器の温度変化など、直流電圧の変動要因があっても、予め設定された所定電圧に近接ないし収束する安定した直流電圧が得られる。

本発明のうち第５の態様に係るものは、第１乃至第４の何れかの態様に係る充電器であって、前記出力制御手段は、人体の接近を検知する人感センサを更に備え、前記制御切替手段は、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出しない期間であって且つ前記人感センサが人体の接近を検知しないときに、前記一次電流のパルスの生成を休止するように前記待機制御手段を制御するものである。

充電器に電池パックが接続されておらず、しかも充電器の付近に人が存在しない場合は、充電器に電池パックがその後に接続される可能性が低い場合であると言える。本発明の第５の態様に係る充電器によれば、このような場合に一次電流のパルスの生成が休止するので、無駄な待機電力をより効果的に節減することができる。

本発明のうち第６の態様に係るものは、本発明の充電器と、電池を内蔵し前記充電器に着脱自在に接続される電池パックとを備える充電装置であって、前記電池パックは、前記第１乃至第３の端子に各々接続するための第４乃至第６の端子と、前記電池の温度が所定温度を超えて高くなるとオフする温度スイッチとを有し、前記電池と前記温度スイッチとの直列回路が前記第４及び第５の端子に接続され、前記第６の端子は前記温度スイッチと前記電池との接続部に接続されているものである。

本発明の第６の態様に係る充電器によれば、本発明による充電器と、当該充電器が前提とする電池パックとを備えるので、待機電力を節減しつつ、電池パックの温度スイッチの作動時においても電池パックが接続されているか否かを検出することを可能にする。

以上のように本発明の充電器及び充電装置によれば、電池パックの温度スイッチの作動時においても電池パックが接続されているか否かを検出することが可能であり、しかもそのために必要となる待機電力を節減することができる。

（充電装置の外観構成）
図１は、本実施形態の充電装置１を構成する充電器及び当該充電器に好適な電池パック並びに当該電池パックを装着した電器器具の外観の概略図である。充電器３が充電対象とする電池パック２は、図１（ａ）に示すように、電気器具本体１００（図１（ａ）では電動工具を例示している）における保持部１００ａの下端部に装着して使用されるとともに、図１（ｂ）に示すように脱着後にそのまま充電器３に装着することにより充電が可能に構成された形態を採る。なお、一般に本発明の充電器が充電対象とする電池パックは、前記電動工具に装着されるものに限らず、例えばパーソナルコンピュータや携帯電話等の電池により駆動可能な電気器具に装着されるものも含む。電池パック２が内蔵する電池７０（図３参照）は、例えばニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などである。電池電圧は、例えば１２Ｖ、１８Ｖ、２４Ｖなど様々あり得る。

図１に例示する電池パック２は、電池７０を保持する本体部４と、電気器具本体１００及び充電器３との電気的接続を確立するためのコネクタ部５とを有している。充電器３には開口部を有するコネクタ部６が設けられており、電池パック２のコネクタ部５を充電器３のコネクタ部６へ装着することにより、電池パック２と充電器３との間の電気的接続が確立される。

電池パック２及び充電器３は、より詳細には、例えば図２のような外観を有している。この例では、図２（ａ）に示すように、電池パック２のコネクタ部５は本体部４から突出した形状をなしており、端子７，８，９，１０がその側面に露出するように配設されている。図２（ｂ）に示すように、充電器３が有するコネクタ部６は、電池パック２のコネクタ部５が挿入可能な凹部をなしており、その内側面には電池パック２の端子７，８，９，１０と接触することにより電気的接続を図る端子１１，１２，１３，１４が配設されている。例えば、端子８，１４は正の充電端子、端子７，１１は負の充電端子、端子９，１３は例えば温度検出信号などの制御信号を伝える端子、そして端子１０，１２は、電池パック２が充電器３へ装着されたことを検出するための端子である。

電池パック２が充電器３に装着されていなければ、充電器３は充電不可となり、装着されていれば充電可能となる。端子７のうち端子７ａの部分と端子７ｂの部分とは、それぞれ端子１１ａと端子１１ｂとに接続される。例えば、電池パック２が大容量（電池の容量は、アンペア・時間で表現され、数値が大きいほど大容量である）の電池７０を内蔵するのであれば、端子７ａと端子７ｂのいずれもが設けられ、小容量の電池７０を内蔵するのであれば端子７ａのみが設けられる（端子７ｂを絶縁部材で覆う形態をも含む）。端子１１ｂは、端子７ｂが設けられているか否かを検出することができ、それにより電池パック２の電池容量を検出することができる。このため、電池パック２の電池容量の相違により個別に充電器を設ける必要がなく、充電器を電池容量が異なる電池パック２の充電に兼用することができる。

電池パック２と充電器３とには、それらが結合したときに互いに対向する表面上の位置に、例えばスリット状の通気孔１５，１６が設けられている。充電器３は、冷却ファンを内蔵しており、この冷却ファンが作り出す空気の流れが、通気孔１５，１６を通じて充電中の電池パック２内の電池７０にも供給されるようになっている。充電器３において通気孔１６の側方には、電池パック２の充電状況を表示する充電状況表示部１７が備えられている。充電状況表示部１７は、例えばＬＥＤ等からなる複数のランプが１列に配列されてなり、電池パック２の充電量に応じて、充電量が略０を示す「空」の文字が付せられたランプから充電量が略１００（％）を示す「満」の文字が付せられたランプに向かって順にランプが点灯する。

図１（ｂ）に戻り、充電器３は、プラグ１８及びケーブル１９を備え、プラグ１８が商用電源に接続されることで、充電器３は、その商用電源からプラグ１８及びケーブル１９を介して電力の供給を受ける。供給された電力は、充電器３が備える直流電源２０（図３参照）により電池７０の充電に適切な電力に変換される。

（充電装置の内部構成）
図３は、充電装置１の構成を示すブロック図である。充電器３は、直流電源２０、接続検出回路３５、出力制御回路５０、及び信号伝達回路３２を有している。一方、電池パック２は、電池７０、温度スイッチ７１、温度センサとしてのダイオード７２、及び抵抗素子７３を有している。

電池パック２では、電池７０と温度スイッチ７１との直列回路が充電用端子７ａ、８に接続されている。温度スイッチ７１は例えばバイメタルを利用するものである。温度スイッチ７１は、電池７０の温度を検出し得る部位に設置され、検出した温度が所定の限度を超えて高くなるとオフする。接続検出用端子１０は、電池７０と温度スイッチ７１との接続部に接続されている。また、この接続部と端子９との間に、ダイオード７２と抵抗素子７３との接続回路が介挿されている。ダイオード７２は、その順電圧の温度依存性を利用して温度を検出する温度センサとして用いられる。

次に充電器３の側について述べる。直流電源２０は、ＡＣ−ＤＣコンバータとして構成されており、商用電源２１から電力の供給を受け、これを電池７０の充電に適切な直流電圧に変換して、一対の充電用端子１１ａ、１４に出力する。例えば直流電源２０は、整流回路２２、スイッチング制御回路２３、スイッチング素子２４、トランス２５、ダイオード２６、平滑用コンデンサ２７、出力電流検出回路２８、電流検出用抵抗素子２９、及び出力電圧検出回路３０を有している。

整流回路２２は、商用の交流電圧を直流電圧に変換する周知の回路であり、例えばブリッジを構成するダイオードと平滑コンデンサとを有している。スイッチング素子２４は、例えばトランジスタであり、整流回路２２とトランス２５との間の一次電流Ｉｉｎの経路に介挿される。スイッチング制御回路２３は、出力制御回路５０から送られる制御信号Ｓ６に応答して、スイッチング素子２４をオン・オフ駆動する回路である。その結果、一次電流Ｉｉｎとしてパルス状の電流が生成される。

パルス状の一次電流Ｉｉｎによって、トランス２５の二次側には二次電流が誘起される。この二次電流はダイオード２６により整流され、更に平滑用コンデンサ２７を充電する。その結果、充電用端子１１ａ及び１４には、平滑化された直流電圧Ｖｏｕｔが出力される。出力電流検出回路２８は、電流検出用抵抗素子２９に発生する電圧降下を検出することにより、充電用端子１１ａ及び１４を通じて流れる出力電流Ｉｏｕｔを検出する。出力電流検出回路２８は、検出結果を電流検出信号Ｓ１として出力制御回路５０へ入力する。出力電圧検出回路３０は、出力電圧である直流電圧Ｖｏｕｔを検出する。出力電圧検出回路３０は、検出結果を電圧検出信号Ｓ２として出力制御回路５０へ入力する。出力電流検出回路２８及び出力電圧検出回路３０は、周知の電圧検出回路により構成可能である。

なお図示を略するが、充電器３は、出力回路５０、接続検出回路３５等の回路を動作させるための電力を供給するための直流の内部回路用電源を、直流電源２０とは別個に更に有している。従って、直流電源２０が動作を停止している場合であっても、充電器３の電源が投入されている限り、これらの内部回路は動作することができる。後述する直流の内部電源電圧Ｅ１及びＥ２は、上記の内部回路用電源によって生成される。

接続検出回路３５は、端子１２に所定の範囲の電圧が印加されたことを検出することにより、電池パック２が接続されたことを検出する回路である。このため接続検出回路３５は、例えば、抵抗素子３６、３７、４２、４３、トランジスタ３８、ダイオード３９、４０、及びツェナーダイオード４１を有している。内部電源電圧Ｅ１は、例えば５Ｖに設定されている。電池パック２が充電器３に接続されない待機期間においては、接続検出用端子１２は、開放状態となっている。このため、接続検出回路３５は、接続検出信号Ｓ３として、例えば５Ｖのハイレベル信号を出力制御回路５０へ入力する。それにより、出力制御回路５０は、電池パック２が接続されていないことを把握する。

一方、電池パック２が充電器３に接続されると、温度スイッチ７１が作動しない場合、即ち温度スイッチ７１がオンしている場合には、接続検出用端子１２が、電池パック２の充電用端子７ａ、温度スイッチ７１及び接続検出用端子１０を通じて、接地電位である充電用端子１１ａに短絡される。その結果、抵抗素子３６と抵抗素子３７との接続部の電位が、ダイオード３９を通じて接地電位付近に引き下げられる。それにより、接続検出回路３５は、接続検出信号Ｓ３として接地電位付近のロウレベル信号を出力する。なお、出力制御回路５０の接続検出信号Ｓ３に対する入力抵抗は十分高いため、抵抗素子３７に生じる電圧降下は無視し得る。

電池パック２が充電器３に接続されたときに、温度スイッチ７１が作動している場合、即ち温度スイッチ７１がオフしている場合には、接続検出用端子１０は接地電位に短絡されない。この場合にも接続検出回路３５が充電器３の接続を検出し得るように、出力制御回路５０は、待機期間においても直流電圧Ｖｏｕｔが充電用端子１１ａ及び１４に出力されるようにスイッチング素子２４を制御する。電池パック２が内蔵する電池７０の電圧は、電池７０のタイプ及び充電状態に依存し、例えば０〜３２Ｖの範囲の値を取り得る。このため、電池パック２が接続されない待機期間において、直流電圧Ｖｏｕｔは例えば４０Ｖに設定される。すると、温度スイッチ７１がオフしていても、電池パック２が充電器３に接続されたときには、接続検出用端子１０には８Ｖないしそれ以上の電位が印加される。このときにトランジスタ３８がオンするように、ツェナーダイオード４１のツェナー電圧、抵抗素子４２及び４３の抵抗値が設定されている。

トランジスタ３８がオンすることにより、抵抗素子３６と抵抗素子３７との接続部の電位が、トランジスタ３８及びダイオード４０を通じて接地電位付近に引き下げられる。なお、ダイオード４０は、接続検出用端子１２が接地電位に短絡したときと同じ電圧が接続検出信号Ｓ３に現れるように設けられる。その結果、接続検出回路３５は、接続検出信号Ｓ３として接地電位付近のロウレベル信号を出力する。このように、待機期間における直流電圧Ｖｏｕｔを十分に高く維持することにより、温度スイッチ７１が作動していても、電池パック２の充電器３への接続を検出することが可能となっている。待機期間における直流電圧Ｖｏｕｔが高いために、そのままでは待機電力が過大となる。この問題を解決するために、後述するように出力制御回路５０は、待機期間における一次電流Ｉｉｎのパルスを間欠的に生成するようにスイッチング素子２４を制御する。

上述したように、電池パック２が充電器３に接続されると、接続検出用端子１２には、温度スイッチ７１が動作している（オフしている）か、否かに応じて、接地電位又はある高さ以上（例えば８Ｖ以上）の正電位が印加される。この電位は温度スイッチ動作検出信号Ｓ１０として出力制御回路５０に入力される。出力制御回路５０は、電池パック２が充電器３に接続されているか否かを接続検出信号Ｓ３を通じて把握するだけでなく、電池パック２が充電器３に接続されたときに、温度スイッチ７１が動作しているか否かについての情報をも取得する必要がある。充電器３の側の接続検出用端子１２に接続されるべき電池パック２の側の接続検出用端子１０が、温度スイッチ７１と電池７０との接続部に接続される理由はここにある。

電池パック２が充電器３に接続されると、端子１１ｂには端子７ｂを通じて充電用端子１１ａの接地電位が印加される。端子１１ｂに入力される電圧は、信号Ｓ４として出力制御回路５０へ伝える。出力制御回路５０は、信号Ｓ４にもとづいて、電池７０の電池容量を把握することができる。

電池パック２が充電器３に接続されると、温度検出用端子１３には温度検出用端子９を通じてダイオード７２と抵抗素子７３との直列回路が接続される。この直列回路には、抵抗素子４４を通じて内部電源電圧Ｅ２を生成する内部回路用電源から電流が供給される。その結果、温度検出用端子１３には、ダイオード７２の順電圧に依存する電圧が印加される。この電圧が、温度検出信号Ｓ５として出力制御回路５０へ入力される。

出力制御回路５０は、信号Ｓ１〜Ｓ５、Ｓ１０に基づいて、スイッチング素子２４をオン・オフ制御するための制御信号Ｓ６を生成する。出力制御回路５０は、例えば、スイッチング素子２４のオン及びオフに対応して、それぞれハイレベル及びロウレベルの制御信号Ｓ６を出力する。制御信号Ｓ６は信号伝達回路３２を通じて制御信号Ｓ７としてスイッチング制御回路２３へ伝えられる。

信号伝達回路３２は、電気的絶縁を保ったまま制御信号Ｓ６を制御信号Ｓ７として伝達する回路であり、トランスなどの誘導結合、フォトリレーなどの光結合を利用した周知の回路を用いることができる。スイッチング制御回路２３は、例えば制御信号Ｓ７をスイッチング素子２４をオン・オフ制御するのに適した電圧、電流を有する制御信号Ｓ８に変換し、スイッチング素子２４へ入力する。スイッチング制御回路２３には、例えば周知の増幅回路を用いることができる。

（出力制御回路の構成）
図４は、出力制御回路５０の内部構成を示すブロック図である。出力制御回路５０は、待機制御部５１、充電制御部５５、制御切替部５６、時間計測部５７及び人感センサ５８を有している。出力制御回路５０の一部又はすべては、ＣＰＵ、当該ＣＰＵの動作を規定するプログラムを格納するメモリ等を内蔵するマイクロコンピュータにより構成することができる。例えば、待機制御部５１、充電制御部５５、及び制御切替部５６は、マイクロコンピュータにより、容易に実現することができる。

待機制御部５１は、主として待機期間において、制御信号Ｓ２を参照することにより、所定の高さの直流電圧Ｖｏｕｔが生成されるように、制御信号Ｓ６を出力するもので、出力電圧判定部５２、通常パルス生成部５３及び間歇パルス生成部５４を有している。間歇パルス生成部５４は、一次電流Ｉｉｎのパルスを、パルス幅を最小に保ちつつ間歇的に生成するように制御信号Ｓ６を出力する。通常パルス生成部５３は、一次電流Ｉｉｎのパルスを、例えばパルス幅を最小に保ちつつ反復的に生成するように制御信号Ｓ６を生成する。ここで、間歇的なパルスとは、後述するように反復的なパルスを間歇的に出力して得られるものであり、いわば反復的なパルスを間引いて得られるパルスである。

待機制御部５１は、通常において間歇パルス生成部５４を起動し、間歇的な一次電流Ｉｉｎのパルスが得られるように、制御信号Ｓ６を出力する。それにより、一次電流Ｉｉｎの実効的な値（即ち実効値）、或いは平均値が低減されるので、待機電力が節減される。特許文献１にも記載されるように、一次電流Ｉｉｎのパルス幅には、それ以上に狭くできない最小値が存在する。電池パック２が接続されない待機期間では、大きな出力電流Ｉｏｕｔは必要とされないので、一次電流Ｉｉｎの実効値は、十分に低いものであってもよい。このために、待機制御部５１では、間歇パルス生成部５４を起動することにより、間歇的な一次電流Ｉｉｎのパルスを生成する。

充電制御部５５は、信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４及びＳ５を参照しつつ、電池パック２が接続された後の充電期間において、一次電流Ｉｉｎのパルスを反復的に生成するように制御信号Ｓ６を生成する。制御切替部５６は、信号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５及びＳ１０を参照し、且つ時間計測部５７及び人感センサ５８からの信号を参照することにより、待機制御部５１及び充電制御部５５を制御する。時間計測部５７は、時間を計測するもので、従来周知のタイマー回路を用いることができる。人感センサ５８は、赤外線などを通じて人体の接近を検知する周知のセンサである。出力制御回路５０の各部の動作の詳細については、以下に図面を参照しつつ説明する。

（出力制御回路の動作）
図５は、出力制御回路５０の動作手順を示すフローチャートである。また図６〜図８は、出力制御回路５０の動作説明図である。図５に示すように、ユーザの手で充電器３の電源が投入されることにより出力制御回路５０の処理が始まる。処理が始まると、まず制御切替部５６は、接続検出信号Ｓ３を参照することにより、電池パック２が充電器３に接続されているか否かを判定する（ＳＴ１）。電池パック２が接続されていなければ（ＳＴ１でＮｏ）、制御切替部５６は直流電圧Ｖｏｕｔの出力を休止すべきか否かを判定する（ＳＴ２）。

制御切替部５６は、例えば人感センサ５８が人体の接近を検知していなければ、一次電流Ｉｉｎのパルスが生成されないように待機制御部５１を制御する（ＳＴ３）。即ち制御切替部５６は、スイッチング素子２４が常時オフとなるような制御信号Ｓ６を出力するように待機制御部５１を制御する。又、制御切替部５６は、時間計測部５７が計測する時間を参照することにより、電源投入後に電池パック２が接続されないまま、予め定められた待機時間を経ている場合にも、同様に、スイッチング素子２４が常時オフとなるような制御信号Ｓ６を出力するように待機制御部５１を制御する（ＳＴ３）。

ステップＳＴ２において、制御切替部５６が直流電圧Ｖｏｕｔの出力を休止すべきでないと判定するまで、処理はＳＴ１、ＳＴ２及びＳＴ３のループを反復する。充電器３に電池パック２が接続されておらず、しかも充電器３の付近に人が存在しない場合には、充電器３に電池パック２がその後に接続される可能性は低い。又、充電器３に電池パック２が接続されない状態が長時間にわたって継続する場合にも、充電器３に電池パック２がその後に接続される可能性は低い。制御切替部５６は、このような場合に一次電流Ｉｉｎのパルスの生成を休止させることにより、無駄な待機電力を効果的に節減する。

制御切替部５６は、ステップＳＴ２において直流電圧Ｖｏｕｔの出力を停止すべきでないと判定すると、待機制御部５１に制御信号Ｓ６を生成させる（ＳＴ７）。ステップＳＴ７では、まず出力電圧判定部５２は、電圧検出信号Ｓ２を参照することにより、直流電圧Ｖｏｕｔと予め定められた基準電圧Ｖｔｈとを比較する（ＳＴ８）。基準電圧Ｖｔｈは、例えば直流電圧Ｖｏｕｔの目標値（例えば、４０Ｖ）或いはその近辺の値に設定される。直流電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｔｈを下回らなければ（ＳＴ８でＮｏ）、出力電圧判定部５２は間歇パルス生成部５４に制御信号Ｓ６を生成させる（ＳＴ９）。一方、直流電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｔｈを下回ると（ＳＴ８でＹｅｓ）、出力電圧判定部５２は通常パルス生成部５３に制御信号Ｓ６を生成させる（ＳＴ１０）。

図６（ｂ）及び（ｃ）に、制御信号Ｓ６の出力パターンを例示している。図６（ｂ）及び（ｃ）では、制御信号Ｓ６が１であるときにスイッチング素子２４がオンし、０であるときにオフするものとしている。従って、制御信号Ｓ６のパルス波形は一次電流Ｉｉｎのパルス波形に対応する。図６（ｂ）に示すように、後述する充電制御部５５によって充電期間に生成される制御信号Ｓ６は、ある周期Ｔ１毎にパルスが反復するものであり、必要とされる出力電流Ｉｏｕｔの大きさに応じて、パルス幅、即ちデューティが調整される。即ち、充電制御部５５は、ＰＷＭ（パルス幅変調）により、出力電流Ｉｏｕｔの実効値を調整する。図６（ｂ）は、早い時期（図において左側）にはパルス幅が最小であり、遅い時期（図において右側）にはパルス幅が最大である場合を模式的に描いている。

待機期間において通常パルス生成部５３が生成する制御信号Ｓ６は、図６（ｂ）の左側に描かれるものと同等である。すなわち、周期Ｔ１で最小幅のパルスが反復的に生成される。これに対して、待機期間において間歇パルス生成部５４が生成する制御信号Ｓ６は、図６（ｃ）で描かれる。即ち、間歇パルス生成部５４は、周期Ｔ１よりも長い周期Ｔ２で、最小幅のパルスを反復的に生成する。言い換えると、間歇パルス生成部５４は、最小幅のパルスを間歇的に生成する。図６（ｃ）の例では、周期Ｔ２は周期Ｔ１の２倍に設定されており、間歇パルス生成部５４は、あたかも図６（ｂ）の左側のパルスを間引き率１／２で間引いて出力するものと同等である。

間歇パルスとして図６（ｃ）のように周期Ｔ２を周期Ｔ１よりも長くしたものを生成する代わりに、図６（ｂ）の左側に示す周期Ｔ１の反復パルスの一群を、ある期間にわたって生成し、次に別のある期間にわたって休止する、という動作を反復することにより間歇パルスを生成しても良い。何れも間歇的にパルスを生成することに変わりはなく、一次電流Ｉｉｎのパルスが間歇的に生成されることにより、一次電流Ｉｉｎの実効値が低く抑えられる点においても変わりはない。

図５に戻って、ステップＳＴ９又はＳＴ１０の処理が行われると、処理はステップＳＴ１へ戻る。このようにして、待機期間中には、ステップＳＴ１、ＳＴ２及びＳＴ７の処理が反復される。ステップＳＴ２で直流電圧Ｖｏｕｔの出力を休止すべきとの判定が行われない限り、直流電圧Ｖｏｕｔに応じて、間歇パルス生成部５４及び通常パルス生成部５３の何れかが選択的に制御信号Ｓ６を生成する。その結果、充電器３の電源投入や充電器３の温度変化など、直流電圧Ｖｏｕｔの変動要因があっても、基準電圧Ｖｔｈに近接ないし収束する安定した直流電圧Ｖｏｕｔが得られる。また、間歇パルス生成部５４により制御信号Ｓ６が間歇パルスとして生成されるので、一次電流Ｉｉｎの実効値が低く抑えられ、それにより待機電力が節減される。

出力電圧判定部５２は、判定結果に応じて通常パルス生成部５３と間歇パルス生成部５４とを選択的に起動しても良いが、通常パルス生成部５３と間歇パルス生成部５４とを常時動作させ、判定結果に応じて何れかが生成する信号を制御信号Ｓ６として選択するものであってもよい。何れであっても、通常パルス生成部５３と間歇パルス生成部５４との何れかが、選択的に制御信号Ｓ６を生成することに変わりはない。

なお、出力電圧判定部５２及び通常パルス生成部５３は、本発明の調整手段の実施形態に該当する。直流電圧Ｖｏｕｔの基準電圧Ｖｔｈからの変動を抑制する調整手段として、他の形態を採ることも可能である。例えば、通常パルス生成部５３の代わりに、周期Ｔ２よりも短く周期Ｔ１よりも長い間歇パルスを生成する第２の間歇パルス生成部を用いても良い。或いは、出力電圧判定部５２は、その判定結果に応じて、間歇パルス生成部５４が生成する制御信号Ｓ６のパルス幅を変えるものであってもよい。

ステップＳＴ１において制御切替部５６が、電池パック２が充電器３に接続されていると判定すると（ＳＴ１でＹｅｓ）、制御切替部５６は電池パック２の充電が可能かどうかを判定する（ＳＴ５）。図７に例示するように、時刻ｘ１で充電器３の電源が投入された後、時刻ｘ２で電池パックの接続がなされたものとする。このとき、図８に模式的に示すように、電池パック２の接続がなされた直後では、電圧検出信号Ｓ２には過渡的な変動が現れる。又、接続検出信号Ｓ３にも同様の変動が現れる。従って、制御切替部５６は、これらの変動が収束するのに十分な時間として予め設定された所定時間を経るまで、充電不可であると判定する（ＳＴ５でＮｏ）。

図７（ｂ）に例示するように、制御切替部５６が充電不可であると判断する期間では、待機制御（ＳＴ７）が継続する。図７（ｂ）において時刻ｘ２〜ｘ３の期間に相当する上記所定時間は、例えば１秒程度に設定される。制御切替部５６は、時間計測部５７が計測する時間を参照することにより、所定時間を経過したか否かを判定する。

図７（ａ）に示すように、信号が十分に安定化する時刻ｘ３に、制御切替部５６は電池パック２の異常の判別を開始する。異常とは、例えば端子１１ａ、１１ｂ、１２〜１４を通じて検出される異常な電位、或いは一部の端子の非接続状態（開放状態）である。より具体的には、温度スイッチ７１が動作している場合、即ちオフ状態にある場合、或いは温度検出用のダイオード７２により異常な温度が検出される場合、電池７０が開放状態又は短絡状態にある場合、温度検出用のダイオード７２或いは抵抗素子７３が開放状態又は短絡状態にある場合、電池パック２内の配線に断線が生じている場合、充電器３の端子１１〜１４と電池パック２の端子７〜１０との間の接続不良などを、異常の例として挙げることができる。制御切替部５６は、温度スイッチ動作検出信号Ｓ１０を参照することにより温度スイッチ７１のオン・オフ状態に関する情報を取得することができる。

より望ましくは、図７（ｃ）に示すように、制御切替部５６は、これらの異常判別が完了する時刻ｘ４を待って初めて充電可能と判定する（ＳＴ５でＹｅｓ）。時刻ｘ２〜ｘ４の期間は、例えば３秒程度である。このように、信号が安定するまで、或いは異常のないことが確認されるまで、充電開始を待つことにより、電池パック２に適切な充電を行うことができる。

再び図５に戻って、ステップＳＴ５において制御切替部５６が充電可能と判定すると（ＳＴ５でＹｅｓ）、制御切替部５６は、待機制御部５１に代えて、充電制御部５５に制御信号Ｓ６を生成させる（ＳＴ６）。それにより電池パック２への充電が行われる。充電制御部５５は、電流検出信号Ｓ１及び温度検出信号Ｓ６を参照することにより、例えば図６（ａ）に例示するような出力電流Ｉｏｕｔのパターンを実現する。時刻ｔ１に制御切替部５６が充電可能と判定したものとする。すると、電池パック２が使用直後であって、電池７０の温度が相当に高い場合には、充電制御部５５は、出力電流Ｉｏｕｔが比較的低い電流Ｉ２となるように制御信号Ｓ６を生成する。時刻ｔ２に至って、電池７０の温度が十分に低くなると、充電制御部５５は出力電流Ｉｏｕｔが比較的高い電流Ｉ３となるように制御信号Ｓ６を生成する。既に述べたように、充電制御部５５は、ＰＷＭ制御により出力電流Ｉｏｕｔを制御する（図６（ｂ）参照）。

時刻ｔ３に至って、電池７０の充電が完了に近づくと、電池７０の温度が再び上昇する。その結果、充電制御部５５は、出力電流Ｉｏｕｔが例えば電流Ｉ２よりも低い電流Ｉ４となるように制御信号Ｓ６を生成する。その後、充電制御部５５は、充電が完了する時刻ｔ４において、出力電流Ｉｏｕｔを０に近い電流Ｉ１へ引き下げる。充電が完了する時刻ｔ４は、例えば、電池電圧すなわち直流電圧Ｖｏｕｔがピークを超え、ピーク電圧から与えられた基準値だけ電池電圧が低下した時期を、電池が満充電状態に達した時期であるとして、充電完了時期ｔ４に決定すると良い。

充電が完了した後においても、微小な電流Ｉ１を流し続けるのは、一旦充電が完了した電池７０の自己放電を防止し、満充電状態を維持するためである。電流Ｉ１は、例えば１５０ｍＡ程度に設定される。微少な電流Ｉ１による充電は、当分野において「トリクル充電」と称される。その後、電池パック２が充電器３から外されると、ステップＳＴ１において電池パックなしと判定され、処理は待機制御ＳＴ７に戻ることとなる。

ステップＳＴ６の処理が終了すると、処理はステップＳＴ１へ戻る。従って、充電期間では、ステップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ５及びＳＴ６のループが反復して実行される。なお、充電制御部５５は、電流検出信号Ｓ１を参照することにより、出力電流Ｉｏｕｔが異常に大きくなると、出力電流Ｉｏｕｔを低減するように制御信号Ｓ６を生成する。このように充電器３には、電池７０へ過大な負荷を掛けないように、多重の安全手段が施されている。

図４に戻って、制御切替部５６は、判定結果に応じて待機制御部５１と充電制御部５５とを選択的に起動する例を示したが、待機制御部５１と充電制御部５５とを常時動作させ、判定結果に応じて何れかが生成する信号を制御信号Ｓ６として選択するものであってもよい。何れであっても、待機制御部５１と充電制御部５５との何れかが、選択的に制御信号Ｓ６を生成するように、制御切替部５６がこれらの制御を行うことに変わりはない。

本発明の実施形態に係る充電装置を構成する充電器及び当該充電器に好適な電池の外観の概略図である。図１の電池パック及び充電器の外観を示す図である。図１の充電装置の構成を示すブロック図である。図３の出力制御回路の内部構成を示すブロック図である。図４の出力制御回路の動作手順を示すフローチャートである。図４の出力制御回路の動作説明図である。図４の出力制御回路の動作説明図である。図４の出力制御回路の動作説明図である。

符号の説明

２電池パック３充電器
１１ａ、１４充電用端子（第１、第２端子）
１２接続検出用端子（第３端子）
７ａ、８充電用端子（第４、第５端子）
１０接続検出用端子（第６端子）
７ｂ、１１ｂ端子９、１３温度検出用端子
２０直流電源２４スイッチング素子２７トランス
２８出力電流検出回路（出力電圧検出手段）
３５接続検出回路（接続検出手段）
５０出力制御回路（出力制御手段）
５１待機制御部（待機制御手段）
５４間歇パルス生成部（間歇パルス生成手段）
５５充電制御部（充電制御手段）
５６制御切替部（制御切替手段）
５２出力電圧判定部（調整手段）
５３通常パルス生成部（調整手段）
５７時間計測部（時間計測手段）
５８人感センサ７０電池７１温度スイッチ
Ｉｏｕｔ一次電流Ｖｏｕｔ直流電圧

Claims

電池を内蔵する電池パックが着脱自在に接続されることにより前記電池を充電する充電器であって、
前記電池パックに電気的に接続するための第１乃至第３の端子と、
スイッチング素子のスイッチング動作によりトランスの一次電流をパルス状に生成し、前記一次電流により誘起される前記トランスの二次電流を整流することにより直流電圧を生成し、前記第１及び第２の端子へ前記直流電圧を供給する直流電源と、
前記第３の端子に所定範囲内の電圧が印加されたことを検出することにより、前記電池パックが接続されたことを検出する接続検出手段と、
前記スイッチング素子を制御する出力制御手段とを備え、
前記出力制御手段は、
前記一次電流のパルスを、周期Ｔ１で反復的にかつ所定の最小パルス幅と最大パルス幅との間でのパルス幅変調によって生成するように前記スイッチング素子を制御する充電制御手段と、
前記一次電流のパルスを、前記周期Ｔ１より長い周期Ｔ２で間歇的にかつ前記最小パルス幅で生成するように前記スイッチング素子を制御する間歇パルス生成手段を含む待機制御手段と、
時間を計測する時間計測手段と、
前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出しない期間において、前記待機制御手段に前記スイッチング素子を制御させ、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出した後の期間において、前記充電制御手段に前記スイッチング素子を制御させる制御切替手段とを備え、
前記制御切替手段は、前記時間計測手段が計測する時間を参照することにより、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出しない期間が、所定の待機時間を経過したときに、前記一次電流のパルスの生成を休止するように前記待機制御手段を制御する充電器。
前記制御切替手段は、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出した後においても、所定期間を経過するまで、前記待機制御手段に前記スイッチング素子を制御させる請求項１記載の充電器。
前記制御切替手段は、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出した後において、前記電池パックの異常の有無を判別し、前記異常がないとの判別結果を得るまで、前記待機制御手段に前記スイッチング素子を制御させる請求項１記載の充電器。
前記直流電源は、前記第１及び第２の端子へ供給する前記直流電圧を検出する出力電圧検出手段を有し、
前記待機制御手段は、前記出力電圧検出手段が検出する前記直流電圧の所定電圧からの変動を抑制するように前記スイッチング素子を制御する調整手段を更に含む請求項１乃至３の何れかに記載の充電器。
前記出力制御手段は、人体の接近を検知する人感センサを更に備え、
前記制御切替手段は、前記接続検出手段が前記電池パックの接続を検出しない期間であって且つ前記人感センサが人体の接近を検知しないときに、前記一次電流のパルスの生成を休止するように前記待機制御手段を制御する請求項１乃至４の何れかに記載の充電器。
請求項１乃至５の何れかに記載の充電器と、電池を内蔵し前記充電器に着脱自在に接続される電池パックとを備える充電装置であって、
前記電池パックは、
前記第１乃至第３の端子に各々接続するための第４乃至第６の端子と、
前記電池の温度が所定温度を超えて高くなるとオフする温度スイッチとを有し、
前記電池と前記温度スイッチとの直列回路が前記第４及び第５の端子に接続され、前記第６の端子は前記温度スイッチと前記電池との接続部に接続されている充電装置。