JPH10322935A

JPH10322935A - 電池作動式装置

Info

Publication number: JPH10322935A
Application number: JP10123586A
Authority: JP
Inventors: Arthur Descombes; デコンベスアルツル; Marcel Bruelhart; ブリュッハルトマルセル
Original assignee: EM Microelectronic Marin SA
Current assignee: EM Microelectronic Marin SA
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 1998-12-04
Also published as: DE59712830D1; EP0875978A1; ATE357767T1; CA2236433A1; EP0875978B1

Abstract

(57)【要約】【課題】電池の電圧が放電のために低下しそれに引か
れて電源の電圧が低下するときでも、他の負荷へ充分な
電圧を供給する。【解決手段】電源14に並列にダイオード22とコンデン
サ26の直列接続を設け、それらの間の接続点24から制御
部30へ電源を供給する。充電中はMOS FET 20を周期的に
オンオフする。MOS FET がオフである間、コンデンサ26
には充分な電圧がチャージされ、MOS FET 20がオンで電
池12が充電されている間、ダイオード22の作用によりコ
ンデンサ26の電圧が制御部30が動作可能なレベルに維持
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、充電式電池によっ
て作動される装置に係わる。本装置は、例えば、歯の手
入れ装置、特に、電動歯ブラシや髭反り装置や髪の手入
れ装置や電話や小型台所用品などのコンセントに係わり
なく作動される装置である。

【０００２】

【従来の技術】DE 40 22 642には、例えば、電池作動式
電動歯ブラシおよび付属の充電装置が図示されている。
ここでは、後者は、出力交流電圧を対称に制限して、充
電装置と歯ブラシとの間の接続コンタクトの腐食による
影響を低減するための手段を備えている。歯ブラシは、
電池とブラシを駆動するためのモータとモータのスイッ
チを入れたり切ったりするためのスイッチとダイオード
とで構成される。

【０００３】一方、CH 656 987には、固定式充電装置か
ら手持ち装置への無接触伝導が記載されている。ここで
は、充電装置は、高周波交流電圧を生成するための電源
で構成され、手持ち装置は、単純な構成で二次巻線と電
池以外には整流器とツェナダイオードとで構成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】どちらの解決策でも、
電池を充電するための歯ブラシの充電装置は、電池の充
電状態に適合した電圧を供給する。すなわち、電池は充
電電圧を低下させる。電池を構成するセルが少なく、公
称セル電圧が低く、電池がより多量に放電されると、充
電電圧は低くなる。例えば、充電済みのニッカドセルに
対する充電電圧がおよそ1.5Vであるのに対して、多量に
放電された状態では、0.5V以下に低下する。

【０００５】上記の公報の歯の手入れ装置が、例えば、
ただ一つの電池セルを備えている場合、充電で供給され
る電圧は少量である。どちらの場合も、電池以外には、
適宜の高い電圧であって少なくともほぼ安定した電圧を
更なる負荷例えば電子回路に供給することができない。
例えば、歯の手入れ装置に充電表示回路を設ける可能性
は殆どない。充電処理中には必要な電源電圧が供給され
ないからである。

【０００６】従って、本発明の目的は、充分に高く安定
した電源電圧を特に電池の充電処理中に付帯負荷へ供給
することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的は、少なくとも
１つのセルで構成される電池(12)を備えた電池作動式装
置(10)であって、装置(10)には電気エネルギー源(14)を
備えた充電装置が装着され、この充電装置は、装置(10)
内の２つの点(16 、18) の間に少なくとも時々は負荷依
存電圧(U1)を発生させ、電気エネルギー源(14)に対して
電池は第一負荷を構成し、電池(12)は第１スイッチ手段
とともに２点 (16、18) の間に第１直列回路(21)を形成
し、整流器素子(22)とコンデンサ(26)とは、２つの接点
(16 、18) の間に同様に第２直列回路(27)を構成し、電
圧(U1)に対して整流器素子(22)は順方向に配置され、整
流器素子(22)とコンデンサ(26)との間には接続点(24)が
設定され、第１負荷に対して高インピーダンスを示す第
２負荷(30)は、接続点(24)と２点(16 、18) のうちの少
なくとも一方とに接続され、第１スイッチ手段(20)を周
期的に切り替えて、オン状態の電池(12)の充電処理とオ
フ状態のコンデンサ(26)の充電処理とを交互に許可する
制御手段(30)が設けられる、ことを特徴とする装置によ
って達成される。

【０００８】本発明に係わる装置は、充電処理の間、電
源からみれば低インピーダンス負荷である充電対象の電
池とは別に、高インピーダンスの第２負荷に安定した十
分に高い電圧を供給できるという点で従来技術よりも優
れている。このことは、ダイオードとコンデンサとが、
充電装置から配電される電圧を蓄積する直列回路を構成
することにより達成される。ここで、ダイオードは順方
向に配置される。一方、電子スイッチが、交互に短期間
電池の充電処理を中断させて充電装置を負荷から外し
て、電圧を増加させコンデンサを充電する。ダイオード
は、電池あるいは充電装置によってコンデンサが放電す
るのを防ぐ。

【０００９】本発明による解決策では、電池に比べてイ
ンピーダンスの高い更なる負荷へ経済的に電流を供給す
ることができる。言うまでもなく、数個の負荷がコンデ
ンサから給電されるようにしてもよい。コンデンサは、
特に、放電中すなわち電池の充電期間中の電圧低下が許
容範囲内に収まるように構成される。更に、コンデンサ
の充電時間と単位時間当りの充電期間数とは変更しても
よい。コンデンサのキャパシタンスおよび切り替え時間
t1とt2とを決定するための演算は、当業者の通常の活動
分野に属するものであり説明の必要はない。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明を、電動歯ブラシを例にと
って他の例を除外することなく図面を参照して説明す
る。図１には、１つのセルで構成される電池12を備えた
電動歯ブラシ10としての本発明に係わる電池作動式装置
が示されている。電動歯ブラシ10には、図１には電源14
として示される電気エネルギー源であってコンセントを
使用する充電装置が接続される。コンセントとの接続部
および充電装置と歯ブラシとの間の伝動手段は、図示さ
れていない。これらは、DE 40 22 642に記載のプラグコ
ンタクトおよびCH 656 987に記載の誘導性伝動装置に該
当する。

【００１１】電源14は、少なくとも時々は基本的には電
流源として駆動され、適宜の高インピーダンス内部抵抗
を備え、負荷依存充電電圧U1および充電電流I1を歯ブラ
シへ配電する。ここで、歯ブラシの充電電圧U1は、正電
位の点16と負電位の点18との間に存在する。充電電圧U1
は、推移が安定しているかあるいは可変の直流電圧すな
わち均一か非均一の直流電圧に相当する。例えば、正弦
半波長形のものである。

【００１２】正電位の点16は、充電処理のスイッチを入
れたり切ったりするためのMOS 電界効果トランジスタ20
のドレーンにつながる。このトランジスタのソースは、
電池12の正の接続部へつながる。電池12の負の接続部
は、電源14の負電位の点18に接続される。MOS 電界効果
トランジスタ20のドレーン−ソースから電池12への経路
で直列回路21が構成される。

【００１３】電池12は、電池電圧U3で示される直流電圧
を生成し、電源14からみれば低インピーダンス第１負荷
を構成する。正電位の点16は、更に、カソードが接続点
24に至るダイオード22のアノードに接続される。接続点
24には、コンデンサ26の一方の接続部および更なるダイ
オード28のカソードが接続される。ダイオード22とコン
デンサ26とは、このように、直列回路27を構成する。コ
ンデンサ26の両側あるいは接続点24と負電位の点18との
間には、コンデンサ電圧U2で示される直流電圧が存在す
る。コンデンサ26の充電電流あるいは放電電流をI2で示
す。

【００１４】更に、制御部30が、正の電源入力端子32を
介して接続点24に接続される。一方、負の電源電圧34は
負電位の点18へ導かれる。制御部30は、正電位の点16に
接続された入力端子35およびMOS 電界効果トランジスタ
20のゲートに接続された出力端子36を備える。更なる出
力端子38は、電圧４倍器40に接続される。電圧４倍器40
は、一方の側には、電池12の正の接続部につながる入力
端子42を備え、また、ダイオード28のアノードに接続さ
れた出力端子44を備えている。また、電圧４倍器40は、
負の電源入力端子46を介して負電位の点18に接続され
る。

【００１５】電池12の正の接続部と負の接続部とに並列
に、MOS 電界効果トランジスタ48とモータ50とで構成さ
れる直列回路51が配置される。換言すれば、MOS 電界効
果トランジスタ48のドレーンは電池12の正の接続部に接
続され、ソースはモータ50の一方の接続部につながり、
モータ50の他方の接続部は電源14の負電位の点18に接続
される。電池12の充電電流あるいは放電電流をI3で示
す。

【００１６】MOS 電界効果トランジスタ48のゲートは、
制御部30の出力端子52につながる。更に、モータ50を始
動させるためのスイッチ54が制御部30に接続される。こ
のスイッチを以降モータスイッチと呼ぶ。制御部30は、
図１には図示されていない種々の構成要素を備えてい
る。例えば、電池12の充電状態を示すキャパシタンスカ
ウンタが設けられる。二つのMOS 電界効果トランジスタ
20と48のゲートのトリガとしての働きをし、出力端子が
制御部30の出力端子36と52に対応する２つの電圧２倍器
も同様に、図示されていない。更に、制御部30は、MOS
電界効果トランジスタ20の通過と遮断とを制御するため
の時間基準を有している。

【００１７】本発明に係わる歯ブラシ10の動作について
の説明を図１と２を参照して行うが、これは、以下に述
べる初期状態に係わるものである。ここに示した詳細は
例示に過ぎない。 - 歯ブラシ10は充電装置内に設置されている。 - モータスイッチ54は作動されていない。

【００１８】- 電池12は完全に放電されている。 - コンデンサ26は完全に放電されている。 - MOS電界効果トランジスタ20は遮断状態に設定されて
いる。 - MOS電界効果トランジスタ48は遮断状態に設定されて
いる。電源は9Vの無負荷電圧を内部的に生成するが、図１に示
されていないツェナダイオードでこの電源電圧は6.8Vへ
制限される。ダイオード22は順方向への導電性を示すの
で、コンデンサ26は、接続点24のコンデンサ電圧U2が0V
から概ね5Vへ上がるように充電される。これによって、
正の電源入力端子32には短時間で充分に高い電源電圧が
蓄積され、制御部30は機能する。コンデンサ電圧U2は、
MOS 電界効果トランジスタ20の比較的高い切り替え頻度
とU1とダイオード22のキャパシタンスとにより、電源電
圧U1より0.7V以上すなわち平均値で約2V低い値となる。

【００１９】制御部30は、およそ10V という比較的高い
電圧で出力端子36を介してMOS 電界効果トランジスタ20
をトリガして、ドレーン−ソース順方向抵抗R _DS,ONを
およそ1.5 オームと小さく抑える。コンデンサ電圧U2の
概ね２倍の高さの10V の電圧は、制御部30の既に述べた
図示されていない電圧２倍器によって生成される。電池
電圧U3が0.7Vを上回らない限り、モータスイッチ54を作
動させることによって行われるモータ50の始動は阻止さ
れたままである。

【００２０】MOS 電界効果トランジスタ20が導通する
と、電池12の充電処理が開始する。電源の蓄電池充電電
流I3はおよそ200mA であり、MOS 電界効果トランジスタ
20ではおよそ0.3Vの電圧低下が生じ、電源電圧U1はほぼ
完全に引き下げられる。接続点24のコンデンサ電圧U2は
電源電圧U1を顕著に上回るので、ダイオード22は非導通
となり、電池12を介してコンデンサ26が放電されるのを
防ぐ。

【００２１】コンデンサ26は、制御部30に給電すると同
時に放電される。そのキャパシタンスは、コンデンサ電
圧U2が、図２のU2の推移から分かるように、正の電源入
力端子の有効な入力抵抗に依存して許容限度内で低下す
る大きさである。電圧が1.2Vあれば制御部30の機能が妨
げられないことが保証されている。制御部30内の時間基
準によって、MOS 電界効果トランジスタ20は、オンにな
ってから200ms 後に再びオフにされる。電池12の充電処
理はこうして中断される。MOS 電界効果トランジスタ20
の200ms のオン持続時間を図２から分かるように時間t1
で示す。電源14の負荷を外すとすぐに、電源電圧U1は6.
8Vに戻り、コンデンサ26のダイオード22を介しての充電
処理は再開される。制御部30内の時間基準で、コンデン
サ26の充電持続時間は2ms に制限される。この持続時間
をやはり図２から分かるように時間t2と呼ぶ。

【００２２】次に、制御部30は、MOS 電界効果トランジ
スタ20をトリガして中断されていた電池12の充電処理を
時間t1の間再開させる。時間t1が終了すると、今度は、
時間t2の間にコンデンサ26の電荷の損失の穴埋めを行
う。t1間の電池12の充電処理とt2間のコンデンサの充電
処理とが連続的に交互に行われる。試行の末、蓄電池12
の充電が短時間中断しても容量や寿命などの変数には何
等マイナスの影響はないことが判明している。

【００２３】コンデンサ26の定期的に行われる電荷補償
を本出願人は「リフレッシュ」と呼ぶ。充電状態がある
程度刷新されるからである。これが本発明の根幹をな
す。図２に充電電圧U1の立ち上がりを誇張して示す。電
池電圧U3の増加に伴って、充電電圧U1が強く引き下げら
れなくなるのがわかる。時間t1は、コンデンサ電圧U2が
最低許容電圧1.2Vまで低下することはないような値に設
定される。また、時間t2を充分に長くしてどの場合にも
コンデンサ26の充電が完璧に行われるようにしなければ
ならない。コンデンサ26のキャパシタンスが4 μF の場
合、必要なコンデンサ電圧U2は10秒後にならないと達成
されない。

【００２４】電池12の充電状態は、制御部30によって間
接的に決定される。この際、充電で増分され放電で減分
されるキャパシタンスカウンタの状態が調べられる。例
えば、ユーザが元来意図したよりも多量にモータ50に負
荷を与えた場合などには、容量カウンタの状態が電池12
の実際の充電状態に完全に一致していない恐れもあるか
ら、放電処理が終る度に、電池12を僅かに過充電の状態
にする。僅かに過充電の状態にするのは、モータ50が殆
ど負荷を与えられていない時でさえ、容量カウンタには
常に大きな放電電流I3が流れていることになっているか
らである。同時に、充電電流I3は、過負荷時に電池12が
何等損傷を受けないような値に設定される。例えば、充
電電流I3は100mA でよい。また、同時に、徐々に進行す
る容量低下は起こらない。

【００２５】電動歯ブラシは図１には示されていない固
定式充電装置内に不変的に設置され、電源は変圧器を介
してエネルギーを伝達するようにコンセントに接続され
るものとして説明をしてきた。以降の説明では、充電装
置から電動歯ブラシ10を取り外したとき電池12は既に完
全に充電され、MOS 電界効果トランジスタ20は遮断状態
に設定されているものとする。制御部は、電源電圧U1が
低下したことを入力端子35を介して認識し、電圧ポンプ
として知られる電圧４倍器40を出力端子38を介して作動
させる。

【００２６】電圧４倍器40は、入力端子42の電池電圧U3
を1.45V から5.8Vへと４倍にする。この電圧5.8Vは、出
力端子44を介して接続点24すなわち制御部30の正の電源
入力端子32へと出力される。電圧のフィードバックは、
上述のようにコンデンサ26の放電補償が電源14によって
実施されなくなるので必要である。ユーザがモータスイ
ッチ54を作動させると、制御部30は、図１に図示されて
いない電圧２倍器を介して出力端子52からMOS 電界効果
トランジスタ48をオンにする。これによって、電池12の
放電がモータ50を介して実行される。

【００２７】0.7Vの電池電圧U3で、電圧４倍器40は出力
端子44に2.8Vを発生させる。この電圧はダイオード28で
0.7Vだけ低下し、制御部30には2.1Vの電圧U2が供給され
る。2.1Vの電圧U2で、制御部30の図示されていない２つ
の電圧２倍器は、4Vより幾分高い電圧をMOS 電界効果ト
ランジスタ20と38のゲートに発生させる。これによっ
て、ドレーン−ソース通過抵抗R _DS,ONが３オーム以下
と確実に充分に低くなる。

【００２８】電動歯ブラシ10が長い間充電装置に設置さ
れないで自放電が継続する場合、電池電圧U3が0.45V に
なるまで制御部30の機能が維持される。この場合に電圧
４倍器が出力端子44に1.8V発生させるからである。この
1.8Vの電圧はダイオード28で0.6Vだけ低下し、このため
制御部30にはおよそ1.2Vの最小許容電圧が供給される。

【００２９】ユーザがモータ50の回転を強制的に止めた
場合、制御部30は、４秒後に自動的にMOS 電界効果トラ
ンジスタ48をオフにする。コンデンサ26の充電電流I2を
制限するには、後者に直列に抵抗を設ければよい。どの
場合にも、電池12と制御部30との間を直接に接続して、
後者が充電状態を直接監視するようにしてもよい。

【００３０】コンデンサ26とダイオード22とから成る直
列回路27には、コンデンサ26の充電電流を制限するため
の抵抗などの素子を更に追加してもよい。図１によると
正電位の点16はダイオード22につながっているけれど、
例えば、正電位の点16はコンデンサ26の一方の接続部に
直接に接続させてもよい。この場合、コンデンサ26の他
方の接続部はダイオード22のアノードにつながり、カソ
ードは負電位の点18に接続される。コンデンサによって
給電される負荷すなわち図１の制御部30は、コンデンサ
に並列に接続される。すなわち、正の接点16とコンデン
サとダイオードとの間に配置された接続点との間に接続
される。

【００３１】ニッカド以外のどのような電池あるいはセ
ルでも適用可能である。図の例では電池セルはひとつだ
けであるけれど、本発明の解決策は数個のセルを備えた
電池にも適用される。多量に放電された状態で電池は充
電装置によって配電された電圧よりどのくらい低く設定
されるか、その電圧は更なる負荷に確実に給電するのに
充分であるかどうかは重要な点である。過放電状態にお
ける数個のセルの総電圧を非常に低くすると電子回路に
供給するものとしては適当ではなくなることもあり、こ
の場合にも本発明による解決策の適用が有効である。完
全に放電された状態では多数のセルを持つ電池の総電圧
はゼロになるので、本発明による解決策はセルの個数に
かかわらず非常に有効である。

【００３２】基本的に重要な点は次の通りである。 - 短期間のエネルギー保管部としてのコンデンサの機能 - コンデンサの好ましくない放電を妨げるための手段と
してのダイオード - 比較的高い内部抵抗を備えた充電装置を負荷から外す
ための電池充電処理の一次的中断

【図面の簡単な説明】

【図１】充電式電池で作動される本発明に係わる電動歯
ブラシの簡単な電気回路図である。

【図２】図１の本発明に係わる歯ブラシの様々な電圧の
推移を表す。

【符号の説明】

１０…電動歯ブラシ１２…電池１４…電源２２…ダイオード２６…コンデンサ３０…制御部５０…モータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つのセルで構成される電池
(12)を備えた電池作動式装置(10)であって、 - 装置(10)には電気エネルギー源(14)を備えた充電装置
が装着され、この充電装置は、装置(10)内の２つの点(1
6 、18) の間に少なくとも時々は負荷依存電圧(U1)を発
生させ、 - 電気エネルギー源(14)に対して電池は第１負荷を構成
し、 - 電池(12)は第１スイッチ手段とともに２点 (16、18)
の間に第１直列回路(21)を形成し、 - 整流器素子(22)とコンデンサ(26)とは、２つの接点(1
6 、18) の間に同様に第２直列回路(27)を構成し、電圧
(U1)に対して整流器素子(22)は順方向に配置され、整流
器素子(22)とコンデンサ(26)との間には接続点(24)が設
定され、 - 第１負荷に対して高インピーダンスを示す第２負荷(3
0)は、接続点(24)と２点(16 、18) のうちの少なくとも
一方とに接続され、 - 第１スイッチ手段(20)を周期的に切り替えて、オン状
態での電池(12)の充電処理とオフ状態のコンデンサ(26)
の充電処理とを交互に許可する制御手段(30)が設けられ
る、ことを特徴とする装置。
【請求項２】第２負荷(30)は電子回路を構成し、その
第１電源接続部(32)は接続点(24)に接続され、第２電源
接続部(34)は２点(16 、18) の内の第１の方(18)に接続
されることを特徴とする請求項１記載の電池作動式装置
(10)。
【請求項３】 - 電圧U1に対して、２点(16 、18) の内
の第１の方(18)は負の電位(-) を示し第２の方(16)は正
の電位(+) を示し、 - 整流器素子(22)は、アノードが第１の点(18)に接続さ
れカソードが接続点(24)に接続されたダイオードで構成
される、ことを特徴とする請求項１または２記載の電池作動式装
置(10)。
【請求項４】第３負荷(50)が第２スイッチ手段(48)と
ともに電池(12)に接続された第３直列回路(51)を構成す
ることを特徴とする請求項１、２または３記載の電池作
動式装置(10)。
【請求項５】第３負荷(50)はモータであることを特徴
とする請求項４記載の電池作動式装置(10)。
【請求項６】第１と第２のスイッチ手段(20 、28) は
MOS 電界効果トランジスタであることを特徴とする請求
項１〜５のいずれか１項記載の電池作動式装置(10)。
【請求項７】電池(12)は１つのセルで構成されること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の電池作
動式装置(10)。
【請求項８】充電装置および装置(10)は、充電装置か
ら装置(10)へエネルギーを誘導的に伝達するための手段
を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか
１項記載の電池作動式装置(10)。
【請求項９】昇圧変換器(40)を介する電池(12)から接
続点(24)へのフィードバックが設けられることを特徴と
する請求項１〜８のいずれか１項記載の電池作動式装置
(10)。
【請求項１０】電動歯の手入れ装置と電動歯ブラシと
電動髭反り装置とから成るグループの中の装置であるこ
とを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の電池
作動式装置(10)。
【請求項１１】電圧(U1)は基本的に二方向整流処理で
立ち上がるように推移し、周波数はキロヘルツ領域に存
在することを特徴とする請求項１〜10のいずれか１項記
載の電池作動式装置(10)。
【請求項１２】請求項１〜11のいずれか１項記載の電
池作動式装置(10)を動作させる方法であって、 - 第１スイッチ手段(20)のオン状態においては、電気エ
ネルギー源(14)の電圧(U1)は電池(12)の充電状態に適合
し、 - 第１スイッチ手段(20)の中断状態においては、電気エ
ネルギー源(14)の電圧(U1)は逆に高くなり整流素子(22)
を介してコンデンサ(26)を充電する、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】第１スイッチ手段(20)のオン持続時間
(t1)は中断持続時間(t2)を何倍も上回ることを特徴とす
る請求項12記載の方法。
【請求項１４】第１スイッチ手段(20)のオン持続時間
(t1)は１秒の何分の一から最長数秒まで継続するが、中
断持続時間(t2)はミリ秒の程度しかないことを特徴とす
る請求項13記載の方法。