JP5495031B2 - Electric tool - Google Patents
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Description
本発明は,リチウムイオン2次電池等の電池パックによって駆動するコードレス電動工具に関するものである。 The present invention relates to a cordless power tool driven by a battery pack such as a lithium ion secondary battery.
近年,コードレス電動工具を駆動する電池として,高容量化,軽量化が可能なリチウムイオン電池が使用されている。一般的には、複数のリチウムイオン電池セルを直列に接続してなる電池組を搭載した電池パックを電動工具に装着して使用する。リチウムイオン電池は過放電・過電流放電を行うと,電池の劣化・発火の可能性があり,専用の保護ICやマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」という)等によって過放電・過電流放電を監視している。保護ICやマイコンは,過放電・過電流放電を検出したときに放電経路に設けてあるスイッチング素子(FET)を遮断するよう動作し、リチウムイオン電池の安全な使用を担保している(特許文献1)。 In recent years, lithium-ion batteries that can be increased in capacity and weight have been used as batteries for driving cordless power tools. In general, a battery pack including a battery set formed by connecting a plurality of lithium ion battery cells in series is mounted on an electric tool for use. Lithium-ion batteries may be deteriorated or ignited if overdischarge or overcurrent discharge occurs. Monitor overdischarge and overcurrent discharge with a dedicated protection IC or microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”). doing. Protection ICs and microcomputers operate to shut off switching elements (FETs) provided in the discharge path when overdischarge / overcurrent discharge is detected, ensuring safe use of lithium ion batteries (Patent Literature) 1).
一方、コードレス電動工具の中には、軽作業用として1セルのみのリチウムイオン電池を使用したものもある。この種の電動工具には、特に過放電・過電流を監視するための保護ICを設けていないものも多く存在する。 On the other hand, some cordless electric tools use a lithium ion battery having only one cell for light work. Many of these types of power tools do not have a protective IC for monitoring overdischarge / overcurrent.
1セルのみのリチウムイオン電池を使用した電動工具についても、より一層の安全性をはかり、過放電・過電流に起因する電池の短命化を防止する必要性がある。しかしながら、1セルのリチウムイオン電池で駆動する電動工具にも保護ICを設け、過放電・過電流を監視するようにすると、過放電や過電流の検出に応答して動作すべきスイッチング素子(FET)が正常に動作しない場合がある。これは、1セルのリチウムイオン電池の電池電圧は3.6V程度であるため、電池残容量が少なくなり電池電圧が低下すると、これに伴ってスイッチング素子(FET)に印加される電圧も低下してしまうためである。 There is a need to further increase the safety of an electric tool using a lithium ion battery having only one cell and to prevent the battery from being shortened due to overdischarge and overcurrent. However, if a power IC driven by a single-cell lithium-ion battery is also provided with a protection IC to monitor overdischarge and overcurrent, a switching element (FET) that should operate in response to detection of overdischarge or overcurrent ) May not work properly. This is because the battery voltage of a 1-cell lithium ion battery is about 3.6 V, so when the remaining battery capacity decreases and the battery voltage decreases, the voltage applied to the switching element (FET) also decreases. It is because it ends up.
本発明は,上記した問題点を解消し,安全性,長寿命に優れた安価なコードレス電動工具を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an inexpensive cordless electric tool that solves the above-described problems and is excellent in safety and long life.
上記目的を達成するために、請求項1記載の電動工具は、電池と、モータと、前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と,前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、前記モータ電圧検出手段から出力された検出信号を整形するフィルタ手段と、を有し、前記フィルタ手段は、第1段目積分回路を第2段目積分回路の2つの積分回路を有し、前記第1段目積分回路の時定数よりも前記第2段目積分回路の時定数の方が大きく構成され、前記駆動電圧生成手段は、前記フィルタ手段によって整形された検出信号に従って昇圧した電圧を出力し、前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動するようにしたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a power tool according to claim 1 includes a battery, a motor, a switching element for switching a current flowing through the motor, and a motor voltage detecting means for detecting a voltage applied to the motor. Driving voltage generating means for boosting the battery voltage during rotation of the motor based on the voltage detected by the motor voltage detecting means to generate a driving voltage for the switching element, and detection output from the motor voltage detecting means Filter means for shaping a signal, the filter means having two integration circuits, a first-stage integration circuit and a second-stage integration circuit, from a time constant of the first-stage integration circuit Also, the time constant of the second stage integration circuit is configured to be larger, and the drive voltage generation means is a voltage boosted according to the detection signal shaped by the filter means. Output, is characterized in that so as to drive the switching element by the output voltage from the drive voltage generating unit.
このように構成されて電動工具では、駆動電圧生成手段がスイッチング素子の駆動電圧を生成し、駆動電圧の生成はモータ電圧検出手段が検出した電圧に基づいて行うようにしている。従って、例えば、モータの停止時には、スイッチング素子の駆動電圧は生成せず、モータの回転時のみスイッチング素子の駆動電圧は生成するようにすることができ、使用していない時の消費電流を抑制することができる。また、電池電圧を昇圧した電圧によってモータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子を駆動するため、電池電圧が低い状態であっても安定したスイッチング素子の動作を期待することができる。更に、モータ電圧信号を生成するフィルタ手段は、2つの積分回路を備え、第1段目の積分回路の時定数よりも第2段目の積分回路の時定数の方を大きくしたため、第1段目の積分回路で比較的電圧が高く、なおかつ周波数の高いサージノイズから回路を保護し、第2段目の積分回路によってモータの逆起電圧によって発生する比較的周波数の低い電圧上昇から回路を保護することができる。 In the electric tool configured as described above, the drive voltage generation unit generates the drive voltage of the switching element, and the generation of the drive voltage is performed based on the voltage detected by the motor voltage detection unit. Therefore, for example, when the motor is stopped, the driving voltage of the switching element is not generated, and the driving voltage of the switching element can be generated only when the motor is rotating, thereby suppressing current consumption when not in use. be able to. In addition, since the switching element that switches the current flowing through the motor is driven by the voltage obtained by boosting the battery voltage, stable operation of the switching element can be expected even when the battery voltage is low. Further, the filter means for generating the motor voltage signal includes two integration circuits, and the time constant of the second stage integration circuit is made larger than the time constant of the first stage integration circuit. The second integrator circuit protects the circuit from a relatively low voltage rise caused by the back electromotive voltage of the motor, and the second integrator circuit protects the circuit from relatively high voltage and surge noise. can do.
請求項2記載の電動工具は、電池と、モータと、前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と、前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、照明手段と、を有し、前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動すると共に前記照明手段を点灯するようにしたことを特徴としている。 The electric tool according to claim 2 , wherein a battery, a motor, a switching element that switches a current flowing through the motor, a motor voltage detection unit that detects a voltage applied to the motor, and the motor voltage detection unit include Drive voltage generating means for boosting a battery voltage during rotation of the motor based on the detected voltage to generate a drive voltage for the switching element, and an illuminating means, and an output voltage from the drive voltage generating means The switching element is driven and the illumination unit is turned on.
このように構成された電動工具では、駆動電圧生成手段がスイッチング素子の駆動電圧を生成し、駆動電圧の生成はモータ電圧検出手段が検出した電圧に基づいて行うようにしている。従って、モータの停止時には、スイッチング素子の駆動電圧を生成せず、モータの回転時のみスイッチング素子の駆動電圧を生成するようにすることができ、使用していない時の消費電流を抑制することができる。また、電池電圧を昇圧した電圧によってモータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子を駆動するため、電池電圧が低い状態であっても安定したスイッチング素子の動作を期待することができる。更に、昇圧した電圧によって照明手段を駆動するために,例えば白色LED等の駆動電圧が電池電圧よりも高い照明装置であっても駆動することが可能となる。 In the electric tool configured as described above, the drive voltage generation unit generates the drive voltage of the switching element, and the generation of the drive voltage is performed based on the voltage detected by the motor voltage detection unit. Therefore, when the motor is stopped, the driving voltage of the switching element is not generated, and the driving voltage of the switching element can be generated only when the motor is rotating, thereby suppressing current consumption when not in use. it can. In addition, since the switching element that switches the current flowing through the motor is driven by the voltage obtained by boosting the battery voltage, stable operation of the switching element can be expected even when the battery voltage is low. Furthermore, since the illumination means is driven by the boosted voltage, it is possible to drive even an illumination device in which the drive voltage of, for example, a white LED is higher than the battery voltage.
請求項3記載の電動工具は、電池電圧が所定の値以下のときは,過放電状態であるとして前記スイッチング素子をOFFさせる電池過放電検出手段と,モータに流れる電流を検出し,モータに流れる電流値が所定の値以上のときは,過電流状態であるとして前記スイッチング素子をOFFさせる電池過電流検出手段を更に備えたことを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, when the battery voltage is equal to or lower than a predetermined value, the battery overdischarge detection means for turning off the switching element as being in an overdischarge state and the current flowing through the motor are detected and the electric current flows through the motor. When the current value is greater than or equal to a predetermined value, the battery overcurrent detection means is further provided for turning off the switching element because it is in an overcurrent state.
このように構成された電動工具では、電池電圧が低い状態であってもスイッチング素子の動作は安定しているので、過放電・過電流の監視,保護を確実に行うことができる。 In the electric power tool configured in this way, the operation of the switching element is stable even when the battery voltage is low, so that overdischarge / overcurrent can be reliably monitored and protected.
請求項4記載の電動工具は、前記モータのON/OFFと回転方向を切り替える正逆スイッチを更に備え,前記モータ電圧検出手段は,モータの正負両方の電圧を検出することを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, the electric tool further includes a forward / reverse switch for switching between ON / OFF and the rotation direction of the motor, and the motor voltage detecting means detects both positive and negative voltages of the motor.
このように構成された電動工具では、モータ電圧検出手段はモータの正負両方の電圧を検出するようにしたため,正逆対応のスイッチに対応することができる。 In the electric tool configured as described above, the motor voltage detecting means detects both positive and negative voltages of the motor, and therefore can correspond to a forward / reverse switch.
上記本発明によれば,消費電流を抑制することができるとともに、電池電圧が低下しても安定して過電流・過放電の監視を行うことができる。 According to the present invention, current consumption can be suppressed, and overcurrent / overdischarge can be monitored stably even when the battery voltage decreases.
本発明の実施形態について,図面を参照しながら詳細に説明する。図2はコードレス電動工具の一実施形態を示す構成図である。図2において,101は過放電・過電流監視回路,102は電池パック,103は正逆スイッチ,104はモータ,105は照明用のLEDである。正逆スイッチ103をR側に押すとモータ104は右回転,L側に押すと左回転し,それに伴って先端のビットが回転し,ネジ締め,穴あけ作業を行うことができる。正逆スイッチ103がR側とL側の中間位置にあるときは、図1からわかるように、モータ104と電池パック102との電気的接続は遮断され、モータ4の回転は停止する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a configuration diagram showing an embodiment of the cordless power tool. In FIG. 2, 101 is an overdischarge / overcurrent monitoring circuit, 102 is a battery pack, 103 is a forward / reverse switch, 104 is a motor, and 105 is an LED for illumination. When the forward /
次に本実施形態による過放電・過電流監視について,図1を用いて説明する。図1は本発明の一実施形態に係るコードレス電動工具の電気的構成を示した回路図である。コードレス電動工具は、モータ104と、モータ104の駆動源となる電池パック102を備え、モータ104に流れる電流の方向を切り替えることにより先端ビットの回転方向を切り替える正逆スイッチ103がモータ10と電池パック102の間に介挿されている。
Next, overdischarge / overcurrent monitoring according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a circuit diagram showing an electrical configuration of a cordless power tool according to an embodiment of the present invention. The cordless electric tool includes a
過放電・過電流監視回路101は,モータ104に印加されている電圧信号を検出し、検出した電圧信号を整形するフィルタ機能を有する電圧検出/フィルタ回路106,電池電圧を昇圧する昇圧回路107,モータ104に流れる電流のスイッチングを行うFET108,モータ104に流れる電流を検出するための電流検出用シャント抵抗109,電池電圧とモータ104に流れる電流の監視を行う保護IC110,抵抗器111,112,115,128、FET113,114で構成されている。
An overdischarge /
まず初めに電動工具本体に電池パック102が装着されると,電池電圧が保護IC110と昇圧回路107に供給される。次に正逆スイッチ103をL側,R側どちらかに押すと,モータ104に電池電圧が供給され,また電圧検出/フィルタ回路106にもモータ104にかかっている電圧が入力される。この電圧検出/フィルタ回路106は,抵抗器116,117,121,コンデンサ118,122,ダイオード119,120で構成されている。正逆スイッチ103がR側に押されていれば抵抗器116,L側に押されていれば抵抗器117にモータ電圧が入力される。入力されたモータ電圧は抵抗器116,117,コンデンサ118で構成される第1段目の積分回路によってサージノイズを除去し,ダイオード119,120を通って抵抗器121,コンデンサ122で構成される第2段目の積分回路によって平均化され昇圧用IC124のイネーブル端子(EN)に入力される。
First, when the
電圧検出/フィルタ回路106には2つの積分回路があるが,第1段目の積分回路では正逆スイッチ103のチャタリングやモータ103のブラシから発生する比較的電圧が高く,なおかつ周波数の高いサージノイズからダイオード119,120や昇圧用IC124を保護する。具体的には、サージノイズのピーク電圧は約40V程度であり、ダイオード119,120の耐圧は30Vである。そのため、第1段目の積分回路によりダイオード119,120が保護される。
The voltage detection /
第2段目の積分回路は、モータ103の逆起電圧によって発生した比較的周波数の低い電圧上昇(ピーク電圧は10V程度)から昇圧用IC124を保護する役割を担っている。つまり,積分回路の時定数としては第1段目よりも第2段目の方が大きい値に設定されている。なお、コンデンサ122と並列接続されている抵抗器128は、正逆スイッチ103がR側とL側の中間位置、即ち、オフのときに、コンデンサ122に蓄えられた電荷を放電するための放電経路を構成している。
The second-stage integrating circuit plays a role of protecting the boosting
このように、電圧検出/フィルタ回路106は、モータ104に印加されている電圧を検出するための回路であり、同時に検出電圧に重畳されたノイズ成分を除去して検出電圧を成形するフィルタ機能を有している。
As described above, the voltage detection /
次に昇圧回路107について説明する。昇圧回路107は,昇圧用IC124,コンデンサ123,126,127,ダイオード125で構成されている。昇圧回路107は一般にコンデンサチャージポンプ方式と呼ばれる昇圧方式であり,入力された電圧とコンデンサ127に充電された電圧を重畳させて,入力電圧を2倍に昇圧して出力するものである。本実施形態では、昇圧用IC124として、ナショナル・セミコンダクタ社から販売されている「LM2766」を使用している。昇圧用IC124は、コンデンサチャージポンプ方式専用ICであり,IC内部に発振器とアナログスイッチを備え,コンデンサ127の接続をアナログスイッチによって切り替え,出力電圧を2倍にするというものである。また,昇圧用IC124はイネーブル端子を備えており,イネーブル端子に所定の電圧が入力されるときは昇圧動作を開始し,イネーブル端子に電圧が入力されていないときは昇圧動作を停止する機能も備えている。つまり,正逆スイッチ103がL側,R側いずれかに押されたときは,モータ電圧が電圧検出/フィルタ回路106を通って昇圧用IC124のイネーブル端子(EN)に入力され,昇圧回路107が昇圧動作を開始して電池電圧の2倍の電圧を出力する。
Next, the
次に保護IC110について説明する。保護IC110は1セル用の電池保護ICであり,電池の過放電・過電流の監視を行う。電池電圧検出端子Vに入力された電圧が予め設定されている所定値,例えば2.3V以上のときは平常,2.3V以下のときは過放電状態であると判断し,出力端子OUTから平常時は電池電圧検出端子Vに入力された電圧を,また過放電時は0Vを出力する。また,保護IC110は電流検出端子Iによって過電流の監視を行う。FET108のオン抵抗と電流検出用シャント抵抗109の抵抗値によって発生する電圧を保護IC110の電流検出端子Iに入力して電流の測定を行う。保護IC110は電流検出端子Iに入力された電圧が予め設定されている所定値,例えば150mV以上であったときは過電流状態であるとして,過放電検出と同様に出力端子OUTから平常時は電池電圧検出端子Vに入力された電圧,過電流時は0Vを出力する。
Next, the
次に保護IC110から出力された電圧はFET113のゲート端子に入力され,FET113は平常時ON,過放電・過電流時はOFF状態となる。次にFET113のドレイン端子は抵抗器121を通ってFET114のゲート端子に接続されており,FET113の動作と連動して平常時はON状態となり,昇圧回路107から出力された昇圧電圧をFET108のゲート端子に供給する。また,保護IC110が過放電・過電流を検出したときには,FET114がOFF状態となるため,FET108のゲート端子への電圧を遮断する。そのため,FET108はOFF状態なり,電池パック102の放電経路は遮断され,電池パック102の過放電・過電流を防止することができる。
Next, the voltage output from the
また,昇圧回路107によって昇圧された電圧は,抵抗器115を通ってLED105にも供給される。従って、LED105は例えば駆動電圧が電池電圧よりも高い白色LEDであっても十分発光させることができる。
The voltage boosted by the
なお,本実施形態では昇圧回路にコンデンサチャージポンプ方式を使用しているが,これに限られるものではない。コスト的には上がってしまうが一般的に使用されるDC/DCコンバータによって電池電圧を昇圧しても特に問題はない。 In this embodiment, the capacitor charge pump system is used for the booster circuit, but the present invention is not limited to this. Although the cost increases, there is no particular problem even if the battery voltage is boosted by a generally used DC / DC converter.
103:正逆スイッチ
104:モータ
105:LED
106:電圧検出/フィルタ回路
107:昇圧回路
108,113,114:FET
109:電流検出用シャント抵抗
110:電池保護IC
111,112,115,116,117,121:抵抗器
118,122,123,126,127:コンデンサ
119,120,125:ダイオード
101:過放電・過電流監視回路
102:電池パック
103: Forward / reverse switch 104: Motor 105: LED
106: Voltage detection / filter circuit 107:
109: Current detection shunt resistor 110: Battery protection IC
111, 112, 115, 116, 117, 121:
Claims (4)
モータと、
前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、
前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と,
前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
前記モータ電圧検出手段から出力された検出信号を整形するフィルタ手段と、を有し、
前記フィルタ手段は、第1段目積分回路と第2段目積分回路の2つの積分回路を有し、前記第1段目積分回路の時定数よりも前記第2段目積分回路の時定数の方が大きく構成され、
前記駆動電圧生成手段は、前記フィルタ手段によって整形された検出信号に従って昇圧した電圧を出力し、
前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動するようにしたことを特徴とする電動工具。 Battery,
A motor,
A switching element for switching a current flowing through the motor;
Motor voltage detecting means for detecting a voltage applied to the motor;
Driving voltage generating means for boosting a battery voltage during rotation of the motor based on the voltage detected by the motor voltage detecting means to generate a driving voltage for the switching element ;
Filter means for shaping the detection signal output from the motor voltage detection means ,
The filter means has two integration circuits, a first-stage integration circuit and a second-stage integration circuit, and has a time constant of the second-stage integration circuit that is greater than the time constant of the first-stage integration circuit. Is composed larger,
The drive voltage generation means outputs a voltage boosted according to the detection signal shaped by the filter means,
An electric tool characterized in that the switching element is driven by an output voltage from the drive voltage generating means.
モータと、
前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、
前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と,
前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
照明手段と、を有し、
前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動すると共に前記照明手段を点灯するようにしたことを特徴とする電動工具。 Battery,
A motor,
A switching element for switching a current flowing through the motor;
Motor voltage detecting means for detecting a voltage applied to the motor;
Driving voltage generating means for boosting a battery voltage during rotation of the motor based on the voltage detected by the motor voltage detecting means to generate a driving voltage for the switching element ;
Lighting means ,
An electric tool characterized in that the switching element is driven by the output voltage from the drive voltage generation means and the illumination means is turned on .
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