JP6017563B2 - 電池及びｄｃ−ｄｃコンバータを有する電気器具のための電力供給回路 - Google Patents

Description

本発明は、比較的高い電力消費量がある第１の負荷と、制御可能なスイッチと、比較的低い電力消費量がある少なくとも第２の負荷と、ＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、第１の負荷が制御可能なスイッチを介して電池に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータが電池電力を第２の負荷に供給する、電池で電力を供給される小型電気器具のための電力供給回路に関する。そのような電力供給回路は、例えば、電池が１つのセルのみからなる電池で電力を供給される、電動歯ブラシ又はシェーバにおいて使用される。用語「電池」は、充電式（蓄電池）及び非充電式電池の両方を指す。本発明は、更に、そのような小型電気器具のための電力供給方法に関する。

国際公開第ＷＯ ０２／１５３７４ Ａ１号は、電池で電力を供給され、マイクロコントローラによって制御される、電動式小型電気器具のための電力供給回路を記載する。電力供給回路は、マイクロコントローラに対して十分である水準まで増加させる電池電圧をＤＣ−ＤＣコンバータを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータは、チョークコイルが電動モータによって形成される、ステップアップコンバータである。電動モータは、一方においてモータが所望の速度で作動することを可能にし、他方においてステップアップコンバータが十分な電圧を供給することを可能にするために、パルス幅復調電圧を有するマイクロコントローラによって制御される。しかしながら、電力供給回路は、ステップアップコンバータが、電動モータの速度が低下するとき、例えば、モータのスイッチを切るときに電圧を供給しない、欠点を有する。

欧州特許第０ ８７５ ９７８ Ｂ１号は、蓄電池によって電力を供給され、マイクロコントローラによって制御される電動式小型電気器具のための電力供給回路を記載する。電力供給回路は、マイクロコントローラに対して十分である水準まで蓄電池の電圧を増加させる、ＤＣ−ＤＣコンバータを備える。蓄電池が十分に充電される場合、マイクロコントローラは、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び蓄電池によって電力を供給される。蓄電池が十分に充電されない場合、充電器によって蓄電池を充電する間、マイクロコントローラは、コンデンサを介して電力を供給されるが、一方で蓄電池の充電処理は、コンデンサを再充電するために、短い期間中、断続的に中断される。

典型的なＤＣ−ＤＣコンバータは、供給電圧が、例えば、０．９５Ｖの最小電圧未満に降下するときにはいつでもＤＣ−ＤＣコンバータを停止状態にする、内部回路を含む。ＤＣ−ＤＣコンバータが、１つのセル（例えば、１．２Ｖの公称電圧を有するＮｉＭＨ電池）及び電動モータのみを有する電池を含む小型電気器具の制御回路に電力を供給するとき、電動モータの始動電流（例えば、７Ａ）は、完全に充電された電池を有していても、ＤＣ−ＤＣコンバータに対して十分な電池電圧における降下を少なくとも一時的にもたらして、制御回路への電力の供給を停止状態にし、中止し得るであろう。これは、比較的高い内部抵抗（例えば、５０ｍΩ）を有する古い電池において生じ得るであろう。

国際公開第ＷＯ ０２／１５３７４ Ａ１号 欧州特許第０ ８７５ ９７８ Ｂ１号

本発明の目的は、電池内になお残された任意の電荷をより良好に利用する、上記の小型電気器具に電力を供給する単純な回路及び方法を説明することである。

この目的は、比較的高い電力消費量がある負荷がパルス−休止比を有するパルス電圧によって電力を供給され、ＤＣ−ＤＣコンバータが少なくとも休止中、比較的低い電力消費量がある負荷に電力を供給する、電力供給回路によって解決される。

電力供給回路は、電池が高い内部（例えば、老化に関連する）抵抗を呈する場合においてさえ、小型電気器具が、１つの単一の電池充電で比較的長い期間中、電力を供給され得る利点を有する。比較的高い電力消費量がある負荷、例えば、電動モータはパルス電圧によって電力を供給され、休止中、電池電圧はパルス中に存在する電圧を超えるため、ＤＣ−ＤＣコンバータは、少なくとも、休止中に作動し、出力端子に通常の様式で接続されたコンデンサを充電し、コンデンサは、比較的低い電力消費量がある負荷、例えば、制御回路に電力を供給し、これは小型電気器具の機能を制御する。この様式で、電池充電は、より古い電池においては、比較的低い電圧ではあるが、完全に使用され得る。パルス電圧は、好ましくは、パルス−休止比を有し、その休止は、ＤＣ−ＤＣコンバータが、たとえ休止中に作動するのみであっても、第２の負荷に十分に電力を供給し得るように調整される。

ＤＣ−ＤＣコンバータが制御ポートを提示し、制御ポートが十分な電圧を搬送する場合にＤＣ−ＤＣコンバータが起動されると、特に有利である。制御ポートは、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチを入れ、及び切ることができる制御回路に接続される。電力供給回路は、充電器への接続又は蓄電池を充電するための充電コイルも含むことが好ましく、前者は、ＤＣ−ＤＣコンバータの制御ポートにも接続される。ゆえに、ＤＣ−ＤＣコンバータは、充電器又は充電コイルが十分な電圧を供給する限りにおいて、又は制御回路がＤＣ−ＤＣコンバータを作動するように保持する限りにおいて、作動する。したがって、制御回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータが低い電池電圧の期間中に通常の様式で自動的にスイッチを切ることを防止し得る。例えば、制御回路が、ＤＣ−ＤＣコンバータがモータのスイッチを入れることから結果として生じる短期的電圧降下の間、作動し続けることを確実にすることは、有利である。ＤＣ−ＤＣコンバータは、供給電圧が最小電圧未満に降下する場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチを切る通常の内部回路をなお提示することができ、それによって、この最小電圧は比較的低い値に設定されることが好ましく、これは、電池がＤＣ−ＤＣコンバータによって著しく放電されないことを確実にする。

電力供給回路は、電動歯ブラシ又はシェーバ等、その電池が１つのセルのみからなり、その電池電圧（例えば、１．２Ｖ）がＤＣ−ＤＣコンバータによって、制御回路に好適な電圧（例えば、３Ｖ）まで増加されなければならない、電池で電力を供給される小型電気器具のために特に好適である。

本発明は、図において図示される実施形態によって、本明細書の以下で例示的に説明される。

図の詳細な説明
図に図示される電力供給回路は、ダイオードＤ１及び第１の制御可能なスイッチＳ１を介して電池Ｂに接続される充電コイルＬ１を含み、充電コイルＬ１の一方の端部はダイオードＤ１のアノードに、充電コイルＬ１の他方の端部は電池Ｂ（基準電位）の陰極に接続される。第１のコンデンサＣ１並びに電動モータＭ及び第２の制御可能なスイッチＳ２からの直列接続は、電池Ｂに並列に接続される。電池Ｂは、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＣ／ＤＣにも接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータＤＣ／ＤＣは、制御入力と、第２のコンデンサＣ３の一方の端部が接続される出力端子とを更に提示する。第２のコンデンサＣ３の他方の端部は、電池Ｂの陰極に接続される。制御回路ｕＣは、電力供給用の２つの端子を提示し、そのうちの１つはＤＣ−ＤＣのコネクタＤＣ／ＤＣの出力ポートに、他方は基準電位に接続される。制御回路ｕＣは、電池Ｂの陽極、並びに３つの出力部に接続される入力部を更に提示し、３つの出力部のうちの１つは第１の制御可能なスイッチＳ１に、第２の出力部は第２の制御可能なスイッチＳ２に、第３の出力部はＤＣ−ＤＣコンバータＤＣ／ＤＣの制御入力及び抵抗器Ｒ４の１つの端部に接続される。抵抗器Ｒ４の他方の端部はダイオードＤ１のカソード、第１の制御可能なスイッチＳ１、及び第２の抵抗器Ｒ３の一方の端部に接続され、その他法の端部は基準電位に接続される。第１の制御可能なスイッチＳ１は、概略的に表されるのみである。例えば、それは、充電コイルが電池を充電するために十分な電圧を印加するとき、自動的に起動される電子回路からなってもよい。

それに従ってこの電力供給回路が作動する方法は、本明細書の以下に説明され、初期的に、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＣ／ＤＣが作動しないものと想定する。結果として、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力ポートの第２のコンデンサＣ３は放電され、したがって、また、制御回路ｕＣを作動不能にし、第１及び第２の制御可能なスイッチＳ１、Ｓ２の両方を開いたままにする。この種類の電力供給回路を有する小型電気器具がスイッチを入れられる場合（例えば、モータＭが作動される場合）、小型電気器具は、充電コイルＬ１がダイオードＤ１及び抵抗器Ｒ４を介して、ＤＣ−ＤＣコンバータの制御入力に電圧を供給するために、表されない充電器と接続されなければならない。制御入力での電圧が十分に高いとき、ＤＣ−ＤＣコンバータはスイッチを入れられ、出力部に（例えば、３Ｖの電圧に）接続された第２のコンデンサＣ３を充電する。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータは、電力を供給するために最小電圧を必要とし、ゆえに、制御入力での十分に高い電圧にも拘わらず、電池（例えば、１．２Ｖの公称電圧を有するＮｉＭＨ蓄電池）又は第１のコンデンサＣ１での電圧が最小電圧未満であるとき、電力を供給しないであろう。

第２のコンデンサＣ３での電圧が十分に高いとき、制御回路ｕＣはスイッチを入れられ、モータＭ（制御可能なスイッチＳ２を介する）、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＣ／ＤＣ、及び電池充電処理（特に、電池が完全な充電状態に到達したときに、制御可能なスイッチＳ１を開くことによる充電処理の終了）、並びに、必要とされる場合に、ディスプレイ等、図に記載されない追加の負荷を含む、小型電気器具の制御を行う。小型電気器具の制御は、電池電圧又は第１のコンデンサＣ１での電圧に依存し、これは、制御回路によって継続的に監視される。制御回路が、それぞれの信号をＤＣ−ＤＣコンバータの制御入力に適用することによって、モータの始動中にＤＣ−ＤＣコンバータを作動状態に保持すると、特に有利である。第１のコンデンサＣ１での電圧が、制御入力に適用された信号のために、ＤＣ−ＤＣコンバータの最小電圧未満に一時的に降下する場合、ＤＣ−ＤＣコンバータは、最小電圧が達成されると直ちに、電力供給を即時再開するであろう。

制御回路ｕＣは、パルス電圧でモータＭに電力を供給し、これは、固定された周波数（固定された周期持続時間）及び固定されたパルス−休止比を呈することが好ましい。制御回路は、例えば、９５〜９９％の周期中にスイッチを入れられ、１〜５％の周期中に不活性であるのみであるように、第２の制御可能なスイッチＳ２を制御する。それは、好ましくは、２５０Ｈｚの周波数で作動可能であり、モータＭが作動する間、およそ９８％の周期時間中にスイッチを入れられる。パルス電圧の休止の長さ、ＤＣ−ＤＣコンバータの特性、第２のコンデンサＣ３の寸法（例えば、１０μＦ）、及び制御回路ｕＣ（例えば、ＴＩ ＭＳＰ ４３０）の電力消費量は、たとえＤＣ−ＤＣコンバータが休止中にのみ第２のコンデンサＣ３を充電しても、制御回路が十分な電力供給を受けるために、最適に調和される。これは、電池電圧が比較的低いときに、すなわち、電池がほとんど空であり、及び／又はモータＭが特に高い電力要求を有するとき、例えば始動中に行われる場合があるであろう。電池電圧が比較的高いとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは、全周期長の間、作動し、制御回路ｕＣにのみならず、他の負荷にも同様に電力を供給するために十分な電流を提供してもよい。中間の電池電圧及び作動モータＭについて、第１のコンデンサＣ１での電圧が半分の周期後に、ＤＣ−ＤＣコンバータの最小電圧未満に降下し、したがって電力の供給を停止する状況が生じ得る。その後、制御回路は、他の負荷のスイッチを一時的に切り、残存周期時間中、第２のコンデンサＣ３から電力を引くが、一方でＤＣ−ＤＣコンバータは、休止中に第２のコンデンサＣ３を再充電するであろう（ＤＣ−ＤＣコンバータの最小電圧が、モータのスイッチを切った後に再び達成されたとき）。

したがって、小型電気器具の上記の電力供給回路は、比較的高い電力消費量がある負荷がパルス−休止比を有するパルス電圧によって電力を供給される方法に従って作動し、比較的低い電力消費量がある負荷は、ＤＣ−ＤＣコンバータによって、少なくとも休止中に電力を供給される。休止は、比較的低い電力消費量がある負荷が十分な電力を受け、ＤＣ−ＤＣコンバータが休止中に作動するのみであるように、調整されることが好ましい。電池電圧が定められた最小電圧よりも高いとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは、パルス中でも、第２及び更なる負荷に電力を供給するであろう。制御回路は、電池電圧の常時監視を更に提供し、必要なときはいつでも小型電気器具のスイッチを切る。例えば、電池電圧がモータのスイッチを切った直後、第１の閾値よりも低いとき、又は電池電圧がモータの作動中、第２の閾値よりも低いとき、制御回路は、好ましくは、まず、モータ、次いで、他の負荷、最後にＤＣ−ＤＣコンバータを切断することが好ましい。第２のコンデンサＣ３での電圧が結果的に降下すると直ちに、制御回路ｕＣも切断するであろう。この様式で、電池の著しい放電は回避され得る。その後、小型電気器具は、電池Ｂを充電することによって動作に戻され得るのみである。

制御回路ｕＣは、マイクロコントローラにおいて実装されることが好ましい。

本明細書に開示した寸法及び値は、記載された正確な数値に厳密に限定されるものと理解されるべきではない。むしろ、特に断らないかぎり、そのような寸法のそれぞれは、記載された値及びその値の周辺の機能的に同等の範囲の両方を意味するものとする。例えば、「４０ミリメートル」として開示される寸法は、「約４０ミリメートル」を意味するものである。

Claims (8)

1. 電池と、第１の負荷と、制御可能なスイッチと、第２の負荷と、他の負荷と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、を含む、小型電気器具のための電力供給回路であって、前記第１の負荷が、前記制御可能なスイッチを介して前記電池に接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、前記電池から前記第２の負荷及び前記他の負荷へと電力を供給し、前記制御可能なスイッチが、パルス−休止比を有するパルス電圧を前記第１の負荷に供給し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、少なくとも前記休止中に、前記第２の負荷及び前記他の負荷に電力を供給し、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、前記パルス中の前記電池電圧が定められた最小電圧よりも高いときに、前記パルス中でも、前記第２の負荷及び前記他の負荷に電力を供給し、
   前記第１の負荷が、電動モータであり、前記第２の負荷が、前記小型電気器具の機能を制御する制御回路であり、
   前記制御回路が、前記電池電圧を監視し、前記制御回路が、前記電動モータの作動停止に伴い、前記電池電圧が第１の電圧未満に降下するとき、前記小型電気器具をオフし、
   前記制御回路が、前記小型電気器具をオフする場合に、前記電動モータ、次いで、前記他の負荷の後に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータをオフする、ことを特徴とする、電力供給回路。
2. 前記パルス電圧が、パルス−休止比を有し、その休止は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、たとえ前記休止中に作動するのみであっても、前記第２の負荷に十分に電力を供給し得るように、調節される、請求項１に記載の電力供給回路。
3. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータが制御入力を有し、前記制御入力に適切な電圧を印加することによって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータがオン又はオフされ得る、請求項１〜２のいずれか一項に記載の電力供給回路。
4. 充電コイルを更に備え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、前記制御入力に電圧を印加することによって、前記充電コイルにより起動され得る、請求項３に記載の電力供給回路。
5. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記制御入力が、前記制御回路に接続される、請求項３又は４に記載の電力供給回路。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力供給回路を有する小型電気器具である電動歯ブラシ。
7. 電池と、第１の負荷と、制御可能なスイッチと、第２の負荷と、他の負荷と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、を用いて、小型電気器具に電力を供給する方法であって、前記第１の負荷が、前記制御可能なスイッチを介して前記電池に接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、前記電池から前記第２の負荷及び前記他の負荷へと電力を供給し、前記第１の負荷が、パルス−休止比を有するパルス電圧で電力を供給され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、少なくとも前記休止中に前記第２の負荷に電力を供給し、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、前記パルス中の前記電池電圧が定められた最小電圧よりも高いときに、前記パルス中でも、前記第２の負荷及び前記他の負荷に電力を供給し、
   前記第１の負荷が、電動モータであり、前記第２の負荷が、前記小型電気器具の機能を制御する制御回路であり、
   前記制御回路が、前記電池電圧を監視し、前記制御回路が、前記電動モータの作動停止に伴い、前記電池電圧が第１の電圧未満に降下するとき、前記小型電気器具をオフし、
   前記制御回路が、前記小型電気器具をオフする場合に、前記電動モータ、次いで、前記他の負荷の後に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータをオフする、ことを特徴とする、方法。
8. 前記パルス電圧がパルス−休止比を有し、その休止は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、たとえ前記休止中に作動するだけであっても、前記第２の負荷に十分に電力を供給し得るように、調節される、請求項７に記載の方法。

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