JP4857585B2

JP4857585B2 - コードレス電動工具

Info

Publication number: JP4857585B2
Application number: JP2005107233A
Authority: JP
Inventors: 浩之塙; 政幸小倉; 一彦船橋; 卓央荒舘
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-04-04
Also published as: JP2006281405A

Description

本発明はリチウム電池を用いたコードレス電動工具に係り、特にリチウム電池の過放電を防止するための回路手段を備えた電動工具に関する。

電動ドライバ、電動ドリル、インパクト工具などの電動工具は一般に、回転動力を発生するモータの回転速度を減速機構により減速した後、回転動力を先端工具に伝達するように構成されている。モータの電源としては従来、交流の商用電源が用いられてきたが、近年、ニッケル・カドミウム電池（以下ニカド電池）や、ニッケル水素電池などに代表されるアルカリ二次電池を電源として用いたコードレス電動工具が多用されるようになった。

このコードレス電動工具においては、工具の所要電圧が大きくなるに従って、当然、電池パック内に収容する電池セル数も多くなる。例えば、ニカド電池セルの公称電圧は１．２Ｖであるため、電池電圧が１４．４Ｖの電動工具では１２個、２４Ｖの場合は２０個の電池セルを電池パックに収納して電動工具に装着する必要がある。従って所要電圧が大きくなるに従って、工具全体の重量が重くなるという問題があった。

これに対し、リチウム電池、リチウムイオン電池に代表される有機電解液二次電池は、公称電圧が大きいために、必要とするセル数を少なくすることができ、この結果、電動工具を軽量小型にできるという利点がある。

ここでリチウム電池とは、バナジウム・リチウム電池、マンガンリチウム電池等を指し、いずれも負極にリチウム・アルミ合金を用い、有機電解液を使用した電池を言う。また、リチウムイオン電池は一般に、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を使用し、電解液として有機電解液を用いたものである。本願明細書では、便宜上、リチウム電池及びリチウムイオン電池を含む有機電解液二次電池を総称して、単にリチウム電池と称することにする。

リチウム電池の公称電圧は、例えば３．６Ｖと高く、二カド電池の３本分に相当する電圧が得られるから、電動工具の電源として用いた場合はセル本数を大幅に低減することができるという利点があるが、その反面、リチウム電池は、過充電、過放電を行うと著しく性能が劣化し、サイクル寿命が短くなってしまうという問題がある。また、リチウム電池を過充電すると、電解液の分解に伴ってガスが発生するという問題もあり、更には過放電を行うと特性が著しく劣化し、その後の充電で電池内部に短絡が生じることもある。

このため本出願人は先に、特願２００１−３５６５７６号（特開２００３−１６４０６６号）において、電池パックとモータとの間に電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴという）よりなるスイッチング素子を挿入し、過放電に至る前にスイッチング素子を遮断して電池セルを保護する回路及びその制御方式について出願した。

特開２００３−１６４０６６号公報特開平１１−５５８６６号公報特開２００２−２２３５２５号公報特開２０００−１２１０７号公報特開平４−７５４３０号公報

図５は、電池電圧とスイッチング素子であるＦＥＴのオン・オフ動作の関係を示す。同図（ｂ）のように、リチウム電池の電圧は電動工具の使用と共に徐々に低下し、Ｔ_１の時点で第１所定電圧Ｖ_１に達すると、ＦＥＴはオフ状態となり、電池の放電を停止する。

リチウム電池は、放電を停止したまましばらく放置すると、充電をしなくとも再び徐々に電圧が上昇する性質がある。電池電圧が、同図（ｂ）のＴ_２の時点で第２所定電圧Ｖ_２以上になると、ＦＥＴは再びオン状態になる。

図５（ａ）は、電動工具のトリガスイッチのオン・オフ状態を示すものであるが、時点Ｔ_２でＦＥＴがオン状態になった時に、トリガスイッチがオン状態の場合には電動工具の直流モータが突然回転を始めることになる。電動工具は一般にドリル、ドライバ等の鋭利な先端工具が装着されているから、予期しないときにモータが回り始めてしまう問題がある。

一方、電池電圧が一旦、第１の所定電圧以下になったら、その後再び上昇して第２所定電圧以上になってもＦＥＴをオフ状態のままにしておくことも考えられるが、ドリルやドライバで作業している時には作業を途中で中断することは避けたいので、残っている電池で僅かな作業をやり終えてしまいたいという要求もある。

本発明の目的は、このような要求に適合した電動工具を提供することにある。

具体的には本発明は、リチウム電池を電源とする電動工具において、電池とモータを含む電流路にスイッチング素子としてＦＥＴを挿入し、リチウム電池の電圧が第１の所定値以下になったときにＦＥＴをオフ状態にすると共に、オフ状態の間に再び電池電圧が第２の所定電圧に達した場合には、モータを安全に再度回転させるようにした電動工具を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、複数個のリチウム電池セルよりなる電池組と、該電池組からスイッチング素子を介して駆動電流が供給される直流モータと、該直流モータの起動及び停止を制御するトリガスイッチとを備えたコードレス電動工具において、前記電池組の１個又は複数個の電池セルの電池電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段からの検出信号を受け、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記電池電圧が第１の所定電圧以下になったか否かを第１の判定手段で判定し、所定電圧以下になったときは、前記スイッチング素子をオフする手段と、該スイッチング素子がオフになった後に、前記電池電圧が第１の所定電圧よりも大きい第２の所定電圧以上になったか否かを判定する第２の判定手段と、前記電池電圧が第２の所定電圧以上になった後に、前記トリガスイッチがオフになったか否かを判定する第３の判定手段と、前記第３の判定手段によりトリガスイッチがオフになったと判定された後に、再度、トリガスイッチがオンになったか否かを判定する第４の判定手段と、前記第４の判定手段によりオンになったと判定されたときには、前記スイッチング素子をオンにする手段とを備えたことに一つの特徴を有する。

本発明の他の特徴は、前記スイッチング素子をＦＥＴより構成したことにある。
また、前記第２所定電圧を、前記第１所定電圧より大きい値に設定したことに他の特徴がある。

本発明によれば、リチウム電池よりなる電池組の電圧が過放電の限界値である第１の所定電圧以下になった後も、充電せずに断続的に電動工具を作動させることができるので、残余の作業が少ない場合には、電池組を過放電にすることなく作業を完成させることが可能となる。また、断続的に電動工具を作動させる際、突然モータが回転を始めるということがなく、必ずトリガスイッチの動作に応答してモータが回転するので、安全性においても優れている。

以下、本発明にかかる電動工具の一実施例について、概略構成、過放電防止回路、過放電防止の制御フローの順に説明する。

（１）概略構成
図１は本発明にかかる電動工具の外観を示す。電動ドライバ、電動ドリル、電動レンチ等の電動工具２００は、本体胴体部２００Ａと、該本体胴体部２００Ａに連結されたハンドル部２００Ｂとから構成され、ハンドル部２００Ｂの端部からリチウム電池セルを収納した電池パック１が装着される。

本体胴体部２００Ａのハウジングの中には、回転動力を発生する直流モータ（図示せず）、直流モータの回転速度を減速する減速機構部（図示せず）が収納され、その先端にはドリル、ドライバ等の先端工具３００が装着される。インパクト工具の場合には、減速機構部と先端工具３００との間にハンマ等の打撃機構部（図示せず）が設けられる。

電池パック１内には、例えば公称電圧３．６Ｖのリチウム電池セルが複数個収納される。例えば電動工具２００が１４．４Ｖで動作する場合は、４個の電池セルを直列接続した電池組が用いられる。電池パック１からの直流電圧は、ＦＥＴよりなるスイッチング素子を介して直流モータに供給され、リチウム電池の電圧が所定電圧以下になると、過放電を防止するためにスイッチング素子をオフするように構成されている。

次に、リチウム電池セルよりなる電池組の過放電防止回路の具体例について説明する。

（２）過放電防止回路
本発明にかかる電動工具において、リチウム電池よりなる電池組の過放電を防止する回路としては、本出願人が先に出願した特願２００１−３５６５７６号（特開２００３−１６４０６６号）に記載された回路と類似の回路を用いることができる。以下この回路について説明する。

図２は、電池パック１を電動工具２００に接続した状態の回路図である。電池パック１の正極端子２と負極端子３は、電動工具２００に設けられている正極端子２０１と負極端子２０２にそれぞれ接続されている。電動工具２００の正極端子２０１と負極端子２０２の間には、直流モータ２１０とスイッチ２２０が直列に接続されている。電池パック１には、電池セル１１〜１４を接続板で直列接続してなる電池組１０が内包されている。

電池パック１と電動工具２００を接続して、電動工具２００のスイッチ２２０をオンにした場合に、電池組１０の正極端子から電動工具２００を介して電池組１０の負極端子に流れる放電電流経路が形成される。この経路には、スイッチ部２０，定電圧電源３０，電池電圧検出部４０，トリガ検出部８０が接続されている。これら各部は制御手段たるマイクロコンピュータ６０（以下、マイコン６０という。）に接続されている。電池パック１には、更に、電池温度検出部５０と表示部９０が含まれ、これらもマイコン６０に接続されている。

マイコン６０は、中央処理装置（以下ＣＰＵ）６１、ＲＯＭ６２、ＲＡＭ６３、タイマ６４、Ａ／Ｄコンバータ６５、出力ポート６６、リセット入力ポート６７から構成され、これらは内部バスにより相互に接続されている。

スイッチ部２０は、電池組１０の負極側と電池パック１の負極端子３の間に接続されており、マイコン６０の制御により、電動工具２００に流れる負荷電流をスイッチングするためのものである。スイッチ部２０は、ＦＥＴ２１、ダイオード２２及び抵抗２３、２４から構成されており、ＦＥＴ２１のゲートには抵抗２４を介してマイコン６０の出力ポート６６より制御信号が印加される。ＦＥＴ２１のソース・ドレイン間にはダイオード２２が接続されており、電池組１０の充電時の充電電流経路を構成している。

電流検出部７０は、電池組１０に流れる電流を検出するためのものであり、入力側はダイオード２２のカソードとＦＥＴ２１のドレインの接続点に接続されており、出力側はマイコン６０のＡ／Ｄコンバータ６５に接続されている。

電流検出部７０は、反転増幅回路と非反転増幅回路の両方を備えた構成で、ＦＥＴ２１のオン抵抗及びダイオード２２のオン電圧に基づき、その流れる電流の方向によって生じる電位を、反転増幅及び非反転増幅する。充電及び放電に対応して反転増幅回路または非反転増幅回路に出力が生じ、この出力に基づきマイコン６０のＡ／Ｄコンバータ６５はＡ／Ｄ変換をする。

定電圧電源３０は、３端子レギュレータ３１、平滑コンデンサ３２、３３、リセットＩＣ３４から構成されており、定電圧電源３０から出力される定電圧Ｖ_ＣＣは、電池温度検出部５０、マイコン６０及び電流検出部７０、表示部９０の電源となる。リセットＩＣ３４はマイコン６０のリセット入力ポート６７に接続されており、マイコン６０を初期状態にするためにリセット入力ポート６７にリセット信号を出力する。

電池電圧検出部４０は、電池組１０の電池電圧を検出するためのもので、抵抗４１〜４３からなる。電池組１０の正極端子とアース間に直列接続された抵抗４１，４２の接続点は、抵抗４３を介してマイコン６０のＡ／Ｄコンバータ６５に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ６５からは、検出した電池電圧に対応するデジタル値が出力され、マイコン６０のＣＰＵ６１は、当該デジタル値と後述する第１所定電圧及び第２所定電圧とを比較する。第１所定電圧と第２所定電圧はマイコン６０のＲＯＭ６２に記憶されている。

電池温度検出部５０は、電池組１０の近傍に配置して電池組１０の温度を検出するものであり、感温素子としてのサーミスタ５１、抵抗５２〜５４から構成されている。サーミスタ５１は抵抗５３を介してマイコン６０のＡ／Ｄコンバータ６５に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ６５からは、検出した電池温度に対応するデジタル値が出力され、マイコン６０のＣＰＵ６１は、当該デジタル値と予め設定した所定値とを比較し、電池温度が異常高温であるかどうかの判断を行う。

トリガ検出部８０は抵抗８１、８２からなり、電動工具２００のスイッチ２２０のオン動作を検出する。スイッチ２２０がオンされれば、直流モータ２１０の直流抵抗は非常に小さい（数オーム程度）ので、ＦＥＴ２１のドレイン・ソース間にはほぼ電池電圧が印加され、この電圧を抵抗８１、８２で分圧してＡ／Ｄコンバータ６５へ入力し、スイッチ２２０のオン動作を検出している。

表示部９０はＬＥＤ９１、抵抗９２からなり、マイコン６０の出力ポート６６の出力に応じてＬＥＤ９１の点灯、点滅制御を行っている。表示部９０は、たとえば、電池温度検出部５０で検出した電池温度が所定温度よりも高い場合には、電池温度異常表示を行う。

（３）過放電防止制御フロー
次に図３を参照して、本発明電動工具に用いられるリチウム電池組１０の過放電を防止するための制御フローの一実施例について説明する。この制御プログラムはマイコン６０のＲＯＭ６２に格納されており、ＣＰＵ６１により逐次読み出されて実行される。

まずＳ１０１で過放電フラグを０、ＦＥＴ２１をオフにイニシャルセットする。過放電フラグは電池組１０が過放電状態であるかどうかを示すフラグで、電池組１０の放電電圧が第１の所定電圧Ｖ_１以下になったときに「１」がセットされ、Ｖ_１より大きいときには「０」がセットされる。すなわちフラグが１の場合には、電池組１０が過放電状態であることを示し、０の場合には過放電状態にないことを示す。なお、第１の所定電圧Ｖ_１の値は、公称電圧が３．６Ｖのリチウム電池の場合、２Ｖ〜２．５Ｖの範囲の適当な電圧が選定され、例えば２．３Ｖに設定される。

次いでステップＳ１０２において、過放電フラグが１であるか否かを判別する。最初はステップＳ１０１で過放電フラグは０にセットされているのでステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３において、トリガ検出部８０の出力に基づいて、電動工具２００のスイッチ２２０がオンされたか否かの判別を行う。スイッチ２２０がオンされればＦＥＴ２１のドレイン・ソース間にほぼ電池電圧が印加されるので、ＦＥＴ２１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_ＤＳに基づきスイッチ２２０のオン動作の検出が可能になる。

スイッチ２２０がオンされた場合は、ステップＳ１０５に進み、出力ポート６６の出力に従い、スイッチ部２０のＦＥＴ２１をオンにすることで電池が放電される。

次いで、ステップＳ１０６で電池電圧が第１の所定電圧Ｖ_１以下になったか否かが判定され、Ｖ_１以下になると、ステップＳ１０７で過放電フラグが１にセットされ、更にステップＳ１０８で電池が過放電状態になったことが表示される。そしてステップＳ１０９において再びＦＥＴ２１をオフ状態とし、ステップＳ１０２に戻る。

通常は、作業者は過放電表示がされると（ＦＥＴ２１がオフになると）、電池パック１を電動工具２００から取り出し、図示しない充電器に接続して、充電後使用する。電池組１０が充電されたかどうかの判定は、電池組１０に流れる電流の向きを検出することにより行われる。即ち、充電電流はダイオード２２を介して電池組１０の正極側から負極側に流れるので、電流検出部７０が検出した電流の方向に従い、充電がされたかどうかの判別をしている。

ステップＳ１０９でＦＥＴ２１をオフ状態にして電池組１０の放電を停止すると、充電をしなくても電池電圧は再び徐々に上昇する。また、ステップＳ１０６で電池電圧が第１の所定電圧Ｖ_１以下でないときはステップＳ１０３に戻り、スイッチ２２０とＦＥＴ２１がオン状態で、電池電圧が第１の所定電圧Ｖ_１以下でないときに、途中でスイッチ２２０がオフされた場合には、ステップＳ１０４でＦＥＴ２１をオフ状態にしている。

ステップＳ１０２で過放電フラグが１であると判定されると、ステップＳ１１０に進み、電池電圧が第２の所定電圧Ｖ_２以上になったか否かが判定される。このＶ_２の値は、公称電圧が３．６Ｖのリチウム電池の場合、例えば２．５Ｖ〜３．０Ｖの範囲の適当な値が選ばれる。ステップＳ１１０の判定が否定（ＮＯ）の場合は、ＦＥＴ２１はオフ状態を維持するが、肯定（ＹＥＳ）の場合は、ステップＳ１１１，Ｓ１１２に進み、過放電フラグを０にセットし、過放電表示もオフにする。

従来は、電池電圧がＶ_２を超えるとＦＥＴ２１をオン状態にしていたが、本発明ではその後、ステップＳ１１３に進みスイッチ２２０がオン状態か否かを判定し、その判定が否定（ＮＯ）になるまで待機する。つまり、電池電圧がＶ_２を超えたときに突然モータが回り出すことがないように、一旦スイッチ２２０がオフ状態にされるまで待機する。

ステップＳ１１３の判定が否定（ＮＯ）になると、前述のステップＳ１０２に戻り、再び過放電フラグが１か否か判定され、上記した一連の動作（ステップＳ１０２〜ステップＳ１１３）を繰り返す。

上記の動作を図４を用いて説明する。スイッチ２２０及びＦＥＴ２１がオン状態の場合、電池電圧は低下する。時点Ｔ_１で電池電圧が第１の所定電圧Ｖ_１以下となるためＦＥＴ２１がオフ状態になり、電池組１０の放電を停止すると、充電をしなくても電池電圧は再び徐々に上昇する。時点Ｔ_２で電池電圧は第２の所定電圧Ｖ_２を超えるが、このＴ_２の時点ではスイッチ２２０はオン状態にあるので、スイッチ２２０がオフ状態にならない限りステップＳ１１３を抜け出ることはできない。従って、時点Ｔ_２ではまだＦＥＴ２１はオンにならない。図４（ａ）に示すように、スイッチ２２０がオフ状態になりステップＳ１１３を抜け出た後に、ステップＳ１０３でスイッチ２２０が再びオン状態になると初めてステップＳ１０４に進み、ＦＥＴ２１がオンになる。従って図４（ｃ）に示すように、時点Ｔ_３で再びＦＥＴ２１がオン状態になる。また、図４（ｂ）に示すように時点Ｔ_４において再び電池電圧が第１の所定電圧Ｖ_１以下となるため、図４（ｃ）のようにＦＥＴ２１は再びオフ状態になる。

上述の一連の動作（ステップＳ１０２〜Ｓ１１３）は、リチウム電池が完全な過放電状態にならずに、短時間放置すれば、電池電圧が第２所定電圧まで上昇する間は継続して行うことができる。従って、電動工具による作業があと僅かで終了するというような場合は、電池を充電器により充電をせずに、残余の電池電圧を使って作業を完了させることが可能となる。

すなわち図２，図３のような構成及び制御によれば、リチウム電池が過放電状態になることを確実に防止し、サイクル寿命の向上を図れるだけでなく、過放電状態になる僅か前の残余の電池電圧を有効に且つ安全に使うことができる。

本発明にかかる電動工具の外観図である。本発明にかかる電動工具の電池パックとモータとの接続回路図である。本発明にかかる電動工具の電池パックの制御フローの一実施例を示すフローチャートである。本発明にかかる電動工具の動作波形図である。従来の電動工具の動作説明用波形図である。

符号の説明

１：電池パック
１０：電池組
２０：スイッチ部
２１：ＦＥＴ
３０：定電圧電源
４０：電池電圧検出部
５０：電池温度検出部
６０：マイコン
７０：電流検出部
８０：トリガ検出部
９０：表示部
２００：電動工具
２１０：モータ
２２０：スイッチ

Claims

複数個のリチウム電池セルよりなる電池組と、
該電池組からスイッチング素子を介して駆動電流が供給される直流モータと、
該直流モータの起動及び停止を制御するトリガスイッチとを備えたコードレス電動工具において、
前記電池組の１個又は複数個の電池セルの電池電圧を検出する電圧検出手段と、
該電圧検出手段からの検出信号を受け、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記電池電圧が第１の所定電圧以下になったか否かを第１の判定手段で判定し、所定電圧以下になったときは、前記スイッチング素子をオフする手段と、
該スイッチング素子がオフになった後に、前記電池電圧が第１の所定電圧よりも大きい第２の所定電圧以上になったか否かを判定する第２の判定手段と、
前記電池電圧が第２の所定電圧以上になった後に、前記トリガスイッチがオフになったか否かを判定する第３の判定手段と、
前記第３の判定手段によりトリガスイッチがオフになったと判定された後に、再度、トリガスイッチがオンになったか否かを判定する第４の判定手段と、
前記第４の判定手段によりオンになったと判定されたときには、前記スイッチング素子をオンにする手段と
を備えたことを特徴とするコードレス電動工具。
請求項１において、前記スイッチング素子はＦＥＴより構成されていることを特徴とするコードレス電動工具。