JP2005204365A - 電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放電電流Iが大きくなった場合に、この放電電流Iを断続させることにより、ボルト締め作業等の正常な動作時に流れる過剰な放電電流Iによりコードレス電動工具1のDCモータ3が損傷を受けるのを防ぐことができる電池パック6を提供する。
【解決手段】二次電池7を電源とするコードレス電動工具1の電池パック6において、この二次電池7の放電電流Iを検出するためのシャント抵抗9と、このシャント抵抗9によって検出した放電電流Iが過剰しきい値電流Ithを超えたことを判定する過剰電流保護回路11と、この過剰電流保護回路11が二次電池7の放電電流Iが過剰しきい値電流Ithを超えたと判定した場合に、この放電電流Iの遮断と通電を断続的に繰り返すFET10とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、コードレス電動工具やこのコードレス電動工具等に装着する電池パック等のように、電池を電源とする電池装置に関するものである。
図3に示すコードレス電動工具1は、ハンドル部1aを手で握って、電動工具本体1bとの付け根にあるトリガスイッチ2を指で引き、内部のDCモータ3を駆動させることにより、減速機4を介してこの電動工具本体1bの前方端から突出するチャック1cに装着された工具5を回転させてボルト締め等の作業を行うものである。そして、このDCモータ3の電源は、ハンドル部1aの下端に装着される電池パック6内の二次電池7から供給されるようになっている。
上記電池パック6は、上面から上方に向けて突出した端子杆6aに正負極の電池パック端子6b,6c(図3では電池パック端子6cが背面側に隠れている)が設けられていて、この端子杆6aをハンドル部1aの下端面に開口した穴に嵌入させて装着することにより、DCモータ3との接続を行うようになっている。即ち、図4に示すように、この電池パック6の二次電池7の正負極端子は、電池パック端子6b,6cを介してコードレス電動工具1のDCモータ3に接続され、このDCモータ3の回転駆動がトリガスイッチ2によってON/OFFされるようになっている。
ここで、上記コードレス電動工具1により六角ボルトのボルト締めを行うには、まず六角ソケットの工具5をチャック1cに取り付けて、六角ボルトの頭をこの工具5に挿入しトリガスイッチ2を引く。すると、DCモータ3の回転により工具5と共に六角ボルトが回転して締め込まれる。そして、この六角ボルトの締め付けが完了すると、トリガスイッチ2を離してDCモータ3を停止させ作業を完了する。
ところが、上記六角ボルトは、完全に締め付けられると、もはやそれ以上は回転しなくなるので、DCモータ3もロータの回転がロックされることになる。そして、作業者がボルト締めの完了したことを確認してトリガスイッチ2を離すまで、このDCモータ3のロック状態が継続される。しかも、DCモータ3は、ロータがロックされると整流子も回転しないので、ブラシからこの整流子を介して供給される直流電流がロータの特定のコイルにのみ定常的に流れることになる。このため、電池パック6の二次電池7は、DCモータ3がロックすると、ロータのコイルの巻線の直流抵抗だけを介して接続されることになり、このコイルの抵抗値が小さいために大きな放電電流Iを流すようになる。ただし、電池パック6の二次電池7が従来から広く使用されているニッケルカドミウム二次電池やニッケル水素二次電池等のように比較的内部抵抗が大きく電流供給能力もある程度低いものであった場合には、このようにDCモータ3がロックしても、短時間であればほとんど問題にはならなかった。
しかしながら、最近では二次電池7の性能が向上して来ているので、例えばこの二次電池7が非水電解質二次電池等のように、内部抵抗が小さく電流供給能力も高いものである場合には、上記のようにDCモータ3がロックすると、短時間であっても、ロータのコイルに過剰な放電電流Iが流れることになり、発熱によってこのコイルを損傷するおそれが生じる。また、二次電池7がニッケル水素二次電池等の場合であっても、DCモータ3のロックが長時間にわたると、コイルでの発熱量が多くなって損傷するおそれが生じる。
従って、従来のコードレス電動工具1や電池パック6は、作業中の正常な動作において発生するDCモータ3のロックにより、ロータのコイルに大きな電流が流れるために、この電流による発熱によってコイルが損傷を受けるおそれがあるという問題が生じて来ていた。また、このような問題は、DCモータ3に限らず、他の電気機器でも同様に発生する可能性があり、電動工具以外の器具でも同様である。
なお、電池パック6は、特に二次電池7として非水電解質二次電池を用いる場合に、図4に示したように、放電電流Iの経路上にヒューズ等の過電流保護装置8を挿入して、外部短絡等により過大な放電電流Iが流れた場合の二次電池の発熱による損傷を防止するようにするのが一般的である。従って、この過電流保護装置8が動作する過大な放電電流Iと判定するためのしきい値を引き下げて、DCモータ3のロック時の過剰な放電電流Iの場合にも回路を遮断できるようにすれば、上記DCモータ3のコイルが損傷を受ける問題は解消される。しかしながら、このような過電流保護装置8は、動作時に放電電流Iを完全に遮断することになるので、通常の作業を正常に行っていても毎回発生するDCモータ3のロック時の保護等には適さないものである。
即ち、コードレス電動工具1によるボルト締め作業では、作業者は、DCモータ3がロックした後にもトルクを発生させてボルトをさらに締め付けようとしているにもかかわらず、このボルトがもはや回転しなくなっているという状況を確認することにより作業が完了したと判断する。このため、DCモータ3がロックして過剰な放電電流Iが流れたときに過電流保護装置8が動作するようにしたのでは、ボルトの締め付けが完了すると同時にDCモータ3のトルクが失われるので、作業者は、二次電池7の消耗やDCモータ3の故障等と区別が付かず、ボルトが十分確実に締め付けられたことの確認を行うことができないようになる。しかも、過電流保護装置8にヒューズ等の非復帰型のものを用いた場合には、1回の作業が完了するたびにこの過電流保護装置8を新しいものに交換する必要があり、また、電磁継電器等のような復帰型のものを用いた場合にも、1回の作業が完了するたびにこの過電流保護装置8の復帰操作が必要となるので、これらの作業が煩わしいものになる。
本発明は、放電電流が大きくなった場合に、この放電電流を断続させることにより、正常な動作時に流れる過剰な電流により負荷装置が損傷を受けるおそれがあるという問題を解決しようとするものである。
請求項1の発明は、電池と、この電池の放電電流を検出する放電電流検出手段と、この放電電流検出手段が検出した放電電流が所定値を超えたと判定した場合に、この放電電流の遮断と通電を断続的に繰り返す放電電流断続手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2の発明は、前記電池装置が電気機器に電力を供給する電池パックであることを特徴とする。
請求項3の発明は、前記電池装置が、コードレス電動工具であることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、過剰な放電電流を検出すると、この放電電流が断続されるので、電池から供給する電力を抑制することができる。従って、この電池から電力の供給を受ける電池装置外部又は内部の電気機器では、温度上昇等が減少するので、正常な動作時に異常な高温等になって損傷を受けるのを回避することができるようになる。また、この電気機器への電力供給が完全に遮断されることはないので、放電電流が過剰となる直前とほぼ同様の動作状態を維持することができる。しかも、放電電流は断続されるので、この供給電力の抑制により無駄な電力を消費して発熱等を生じるようなこともなくなり、正常な動作時に発生する過剰な放電電流により電池が早期に消耗することも防止できるようになる。
なお、電池から電力の供給を受ける電気機器は、通常は誘導性や容量性の負荷となるので、放電電流を断続しても、この断続が十分に高速である限り、動作に支障を来すおそれはほとんど生じない。また、この放電電流の断続によって電気機器の動作に支障を来すおそれがある場合には、平滑回路等を介して供給するようにすればよい。
ここで、電池が外部短絡等を起こすと、過大な放電電流が流れることによりこの電池が損傷を受けるおそれが生じる。これに対して、ここでいう過剰な放電電流とは、電池が損傷を受けるほど過大ではないが、負荷には損傷を与えるおそれのある大きな放電電流のことを意味する。そして、従来であれば、電池の電流供給能力が低かったために、過大な放電電流により電池が損傷を受けたとしても、この放電電流により負荷にまで損傷を与えるようなことはほとんどなかった。しかしながら、近年の電池性能、特に電流供給能力の向上により、このような過剰な放電電流を制限する必要が生じて来たという事情がある。
請求項2の発明によれば、電池パックが放電電流を断続させる機能を有するので、電気機器を備えた従来の器具を変更することなくそのまま利用することができるようになる。即ち、例えば内部抵抗の高いニッケル水素二次電池を用いた従来の電池パックに代えて、内部抵抗の低い非水電解質二次電池を用いた本発明の電池パックをそのまま器具に装着したとしても、放電電流が過剰となることにより電気機器が損傷を受けるようなことがなくなる。なお、ここでいう「電池パック」とは、少なくとも1つの二次電池を、必要に応じて取捨選択される充放電制御手段や二次電池保護回路等と共に、樹脂製筐体やアルミラミネートフィルム収納体等に収納した電源装置を意味する。
請求項3の発明によれば、作業完了時や過負荷時に強制的に工具の動作を停止させられてモータがロックされることがあるコードレス電動工具において、この際の過剰な放電電流による損傷を有効に防止することができるようになる。また、このコードレス電動工具のモータにDCモータを用いた場合、このDCモータのロータのロックにより直流抵抗値の低いコイルに放電電流が定常的に流れて、この放電電流が過剰になった場合にも、コイルの損傷を確実に防止することができるようになる。なお、このコードレス電動工具は、電池を内蔵するものでもよいし、電池パック等の形態で電池が着脱自在となるものであってもよい。
以下、本発明の最良の実施形態について図1〜図2を参照して説明する。なお、図1においても、図3〜図4に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
本実施形態では、従来例と同様のコードレス電動工具1に用いる電池パック6について説明する。コードレス電動工具1の構成は従来と全く同じである。また、電池パック6も、上面から上方に向けて突出した端子杆6aに、内部の二次電池7に接続された正負極の電池パック端子6b,6cが設けられた構成は従来例と同じであり、この二次電池7としては非水電解質二次電池を用いる。ただし、本実施形態の電池パック6は、図1に示すように、二次電池7の放電電流Iの経路上にシャント抵抗9とFET10が挿入されると共に過剰電流保護回路11が設けられている。
シャント抵抗9は、二次電池7の放電電流Iを検出するための低抵抗の抵抗器であり、FET10は、DCモータ3の大きな駆動電流を遮断したり通電させるためのパワーMOS−FETである。そして、このシャント抵抗9とFET10のドレイン−ソース端子間とが直列に接続されて、二次電池7の負極端子と電池パック6の電池パック端子6cとの間に挿入されている。また、シャント抵抗9におけるFET10側の端子は、過剰電流保護回路11の電流検出端子Tに接続され、FET10のゲート端子は、この過剰電流保護回路11の放電電流制御端子Tに接続されている。従って、過剰電流保護回路11は、二次電池7からの放電電流Iによるシャント抵抗9での電圧降下を検出すると共に、FET10にON/OFF動作を行わせて、放電電流Iの遮断と通電を制御できるようになっている。
上記過剰電流保護回路11は、電源端子VCCと接地端子GNDにより二次電池7から電源の供給を受けて動作する制御回路であり、常に電流検出端子Tによってシャント抵抗9での放電電流Iによる電圧降下を検出すると共に、通常時は放電電流制御端子TからFET10のゲート端子にこのFET10をONにするゲート電圧を印加している。電流検出端子Tでは、接地端子GNDとの間の電圧がシャント抵抗9での電圧降下となるので、これによって放電電流I(=シャント抵抗9での電圧降下/シャント抵抗9の抵抗値)を検出することができる(放電電流検出手段)。そして、この放電電流Iが一旦予め設定された過剰しきい値電流Ithを超えると、放電電流制御端子Tからのゲート電圧を制御してFET10に繰り返しON/OFFを行わせる。放電電流Iが過剰しきい値電流Ithを超えたことの判定は、オペアンプによる比較器等を利用して行うことができる(放電電流断続手段における判定部)。放電電流制御端子Tは、通常時は、FET10がONとなるゲート電圧を出力し続けるが、一旦放電電流Iが過剰しきい値電流Ithを超えたと判定されると、以降は、所定の周期とデューティ比を持ったパルスを出力し続けることにより、FET10にON/OFFの繰り返しを行わせる(放電電流断続手段における断続部)。このようなパルスは、例えば抵抗を介して充電するコンデンサの端子電圧の上昇に要する時間を利用してスイッチングを行うような回路を用いて作成することができ、このパルスをフォトカプラを介して放電電流制御端子Tから出力させるようにすればよい。
なお、上記過剰電流保護回路11は、放電電流制御端子Tの出力によってFET10がON/OFFの繰り返しを開始すると、適当な時期にこの動作をリセットして初期状態に戻す必要がある。本実施形態の場合では、作業者がトリガスイッチ2を離した後は、このようなFET10のON/OFFを行う必要がなくなるので、シャント抵抗9によって検出した放電電流Iが十分に小さくなった場合に、動作をリセットして作業前の状態に戻すようにしている。ただし、図1に示す回路では、FET10がOFFの状態のときには放電電流Iが全く流れないために、これを誤検出するおそれが生じる。しかしながら、実際の回路ではコンデンサ等の他の回路が付加されるので、この放電電流IはFET10のOFF時にも流れ続ける場合が多く、放電電流Iが流れないとしても、FET10のON時における放電電流Iのみを検出して動作をリセットさせるようにすればよい。しかも、ON/OFFの周期よりも十分に長い期間ずつ放電電流Iを積分することによりこの放電電流Iの平均値を求めてもよい。この場合、積分値はその期間の電荷移動量であり、これを単位時間に換算すれば放電電流Iの平均値が求まる。
また、上記過剰電流保護回路11は、二次電池7からの電源の供給を受けて全ての制御回路を常に動作させておくようにすることもできるが、この過剰電流保護回路11に設けたウェイクアップ回路だけを動作させておいて、例えばDCモータ3が回転を初めてシャント抵抗9により検出された放電電流Iがある程度以上大きくなった場合にのみ、全制御回路に電源を供給するようにし、コードレス電動工具1の未使用時における待機電流を低減するようにしてもよい。さらに、電池パック6がコードレス電動工具1に装着されると過剰電流保護回路11に電源が供給され、未装着時には電源を供給しないようにすることにより、電池パック6を単体で保管している間の二次電池7の放電を減少させるようにすることもできる。
上記構成の電池パック6をコードレス電動工具1に装着し、トリガスイッチ2を指で引いてONにすると、電池パック6の二次電池7から放電電流Iが供給されて、DCモータ3が回転を始める。このコードレス電動工具1を用いて六角ボルトのボルト締めを行う場合、DCモータ3の回転により六角ボルトが回転して締め込まれ、この六角ボルトが完全に締め付けられると、DCモータ3のロータがロックされて、トルクは発生するが回転しないようになる。そして、これにより作業者がボルト締めの完了を確認してトリガスイッチ2を離すと、二次電池7からの放電電流Iが遮断されるので、DCモータ3がトルクを失って停止し作業が完了する。
ここで、DCモータ3は、印加電圧が一定であるとすると、無負荷の状態では小さい放電電流Iで高速回転する。しかし、六角ボルトの締め込み負荷が増大すると、回転速度が低下してトルクが大きくなり放電電流Iも増加する。そして、六角ボルトが完全に締め付けられて回転が止まると、トルクと放電電流Iが最大となる。従って、図2に示すように、作業が開始されて六角ボルトの締め付けが行われている間は、FET10のON状態が維持され、放電電流Iが締め込み負荷に応じて大きくなる。しかし、時刻tに、六角ボルトが完全に締め付けられてDCモータ3がロックし、放電電流Iがさらに増大すると、過剰しきい値電流Ithを超えることになるので、FET10がON/OFFを繰り返すようになる。過剰しきい値電流Ithは、このようにDCモータ3がロックしたときに流れる放電電流I(最大電流)よりも小さい電流値に予め設定されている。
本実施形態の電池パック6の場合、上記過剰しきい値電流Ith以上の放電電流Iが流れても、二次電池7が損傷を受けることはほとんどないが、コードレス電動工具1のDCモータ3は損傷を受けるおそれが生じる。しかしながら、放電電流Iがこの過剰しきい値電流Ithを超えた時刻t以降は、FET10がON/OFFを繰り返すことによりDCモータ3に印加される平均電圧が低下するので、このDCモータ3のロック時のトルク(最大トルク)の減少に伴って放電電流Iも減少することになる。従って、DCモータ3は、ロータのロックによりコイルに大きな放電電流Iが流れても、過剰しきい値電流Ithを超えることはないので、発熱等によって損傷を受けるようなことがなくなる。しかも、平均電圧の低下により、ロック中のDCモータ3のトルクは減少することになるが、この電圧の低下に応じたある程度のトルクは維持されるので、作業者は、従来通り、トルクが加わっているにもかかわらず六角ボルトが回転しなくなったという状況を確認して作業が完了したと判断することができる。なお、このFET10のON/OFFにより平均電圧を低下させる動作は、DCモータ3の回転制御に用いられるDC−DCコンバータと同様のものであるが、本実施形態では、FET10のON/OFFのデューティ比は通常は固定されている。
上記のようにして作業者が作業の完了を確認して、時刻tにトリガスイッチ2を離すと、DCモータ3に放電電流Iが供給されなくなるので、このDCモータ3はトルクを失って完全に停止する。また、これにより時刻tに放電電流Iが十分に小さくなると、FET10が初期状態に戻って再び常時ONの状態となるので、引き続いて新たな作業が開始可能となる。
なお、図1の回路では、図2における時刻t〜tの間の放電電流Iも断続的に流れることになる。しかしながら、実際の回路では平滑回路やその他の回路が付加されるので、この放電電流IはFET10のOFF時にも流れ続ける場合が多く、少なくとも誘導性負荷であるDCモータ3にはある程度変動はあっても電流が流れ続けるので、図2では、この放電電流Iを連続的なものとして示している。
以上説明したように、本実施形態の電池パック6によれば、DCモータ3のロータがロックしても、過剰な放電電流Iが流れるようなことがなくなるので、このコイルの損傷を確実に防止することができるようになる。しかも、DCモータ3のロータがロックしても、このDCモータ3のトルクはある程度維持されるので、従来のコードレス電動工具1の場合と同様に作業者が作業の完了を確認することができ、作業性や作業感覚を損なうようなこともなくなる。また、過剰な放電電流Iは、FET10のON/OFFによって断続的に制御されるので、DCモータ3への供給電力の抑制により無駄な電力を消費して発熱等を生じるようなこともなくなり、正常なボルト締め作業時に発生する過剰な放電電流Iにより二次電池7が早期に消耗することも防止できるようになる。
なお、上記実施形態では、FET10を所定の周期とデューティ比でON/OFFさせる場合を示したが、実質的に放電電流Iが過剰とならないように制限できればよいので、この周期やデューティ比は必ずしも一定である必要はない。例えば、放電電流Iが過剰しきい値電流Ithを超えるとFET10を一定期間OFFさせ、その後ONに戻ってこの放電電流Iが再度過剰しきい値電流Ithを超えた場合に、再びFET10を一定期間OFFにするという動作を繰り返すことにより断続させることもできる。そして、この場合は、特に動作をリセットする必要はなくなる。また、例えばON/OFFの周期を一定として、FET10のON時の放電電流Iを随時検出し、このときの放電電流Iの値に応じてデューティ比のみを調整することもできる。
また、上記実施形態では、FET10を用いて放電電流Iを断続する場合を示したが、他のトランジスタやその他の無接点スイッチを用いることも可能であり、耐久性や応答性に支障がなければリレーやリードスイッチ等の有接点スイッチを用いることも可能である。さらに、上記実施形態では、シャント抵抗9での電圧降下により放電電流Iを検出する場合を示したが、この放電電流Iの検出手段も任意である。
また、上記実施形態では、放電電流Iが過剰しきい値電流Ithを超えることがないので、図4に示した過電流保護装置8は設けなかったが、過剰電流保護回路11の故障等を考慮してヒューズ等の過電流保護装置8を付加することもできる。さらに、二次電池7の温度の異常な上昇を防止したり、過充電や過放電等を防止する保護回路を付加することもでき、コードレス電動工具1にも任意の回路を追加することができる。
また、上記実施形態では、電池パック6の二次電池7に非水電解質二次電池を用いる場合を示したが、ニッケル水素二次電池等の他の二次電池を用いることもでき、この二次電池に代えて一次電池や燃料電池を用いることもできる。さらに、二次電池としては、化学電池に限らず、電気二重層キャパシタを用いることもできる。
また、上記実施形態では、電池パック6にシャント抵抗9とFET10と過剰電流保護回路11を設ける場合を示したが、これらはコードレス電動工具1側に設けることもできる。そして、このようなコードレス電動工具1は、取り外し可能な電池パック6の装着に代えて、二次電池7を内蔵することもできる。さらに、上記実施形態では、DCモータ3を用いるコードレス電動工具1について説明したが、他のモータやその他の電気機器を用いるものであっても同様に実施可能であり、コードレス電動工具以外の器具にも同様に実施可能である。即ち、本発明でいう電池装置とは、電池から負荷に電源を供給する場合において、電池パック6のように、この電池から外部の負荷に電源を供給するだけのものであってもよく、電池パック6とコードレス電動工具1のように、電池から負荷に電源を供給するもの全体であってもよく、コードレス電動工具1のみの場合のように、着脱自在な電池から電源の供給を受ける負荷側だけの装置であってもよい。
本発明の一実施形態を示すものであって、電池パックとコードレス電動工具の電気回路を示す回路ブロック図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、コードレス電動工具のボルト締め作業時における放電電流の変化とFETの動作を示すタイムチャートである。 コードレス電動工具と電池パックの構成を示す正面図である。 従来例を示すものであって、電池パックとコードレス電動工具の電気回路を示す回路ブロック図である。
符号の説明
1 コードレス電動工具
2 トリガスイッチ
3 DCモータ
5 工具
6 電池パック
7 二次電池
9 シャント抵抗
10 FET
11 過剰電流保護回路

Claims (3)

  1. 電池と、この電池の放電電流を検出する放電電流検出手段と、この放電電流検出手段が検出した放電電流が所定値を超えたと判定した場合に、この放電電流の遮断と通電を断続的に繰り返す放電電流断続手段とを備えたことを特徴とする電池装置。
  2. 前記電池装置が電気機器に電力を供給する電池パックであることを特徴とする請求項1に記載の電池装置。
  3. 前記電池装置が、コードレス電動工具であることを特徴とする請求項1に記載の電池装置。
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