JP2005354889A - コードレス電力工具におけるスイッチの削減 - Google Patents

Abstract

【課題】速度制御あるいは負荷制御スイッチを除いた、電力工具を提供する。
【解決手段】電池パックには、少なくとも１つの電池と、少なくとも１つの電池に結合される放電スイッチと、関連するコードレス電力工具のトリガーの位置に応じて放電スイッチに制御信号を供給する監視及び制御の回路とが含まれる。放電スイッチは、制御信号に応じて、コードレス電力工具の負荷に与えられる放電電流を制御する。前記負荷は、コードレス電力工具の要素を駆動するモーターで良い。
【選択図】図２

Description

本発明は、コードレス電力工具に関し、特に、コードレス電力工具におけるスイッチの削減に関する。
本発明は、２００４年５月４日出願の特許文献１の出願日の権利を主張し、その教示するところを、ここに参考のために組み入れる。

様々な広範囲のコードレス電力工具が出回っており、建設分野、火災救助分野等の異なる分野で利用することができる。コードレス電力工具のいくつかの例として、コードレスドリル、コードレス丸鋸、コードレス往復鋸、コードレス研磨機、コードレスねじ回し、懐中電灯などがあるが、これらに限定されるものではない。コードレス電力工具は、工具を動作させる電力を供給するのに、再充電可能な電池パックを利用することになる。再充電可能な電池パックは、簡単にコードレス電力工具から外して、充電の目的で外部の充電器につなげることができる。

電池パックには、１つ或いは２つ以上の電池が含まれる。電池パックには、電池の電圧レベルや放電電流や充電電流などのスイッチも含まれよう。電池パックには、何らかの過負荷状態を検出する監視回路に応答して開く放電スイッチのようなスイッチも含まれよう。他の制御スイッチをコードレス電力工具に利用して、コードレス電力工具の負荷に与えられる放電電流のレベルを制御することができる。例えば、制御スイッチを、コードレス電力工具の要素の速度を制御する速度制御スイッチにすることができる。このスイッチは、過負荷保護を要する、比較的高価なスイッチであろう。従って、この分野には、変わらず類似の機能を提供するような速度制御スイッチを除く必要がある。

米国仮出願第６０／５６８,０３８号明細書

本発明の一態様によると、電池パックが提供される。電池パックには、少なくとも１つの電池と、少なくとも１つの電池に結合される放電スイッチと、関連するコードレス電力工具のトリガーの位置に応じて放電スイッチに制御信号を供給する監視及び制御の回路と、制御信号に応じて、コードレス電力工具の負荷に与えられる放電電流を制御する放電スイッチとを含んでいよう。

本発明の他の一態様によると、コードレス電力工具が提供される。コードレス電力工具には、負荷とトリガーと電池パックとが含まれよう。電池パックには、負荷へ電力を供給する少なくとも１つの電池が含まれよう。電池パックには、さらに、少なくとも１つの電池に結合される放電スイッチと、トリガーの位置に応じて放電スイッチに制御信号を供給する監視及び制御の回路とが、さらに含まれるだろう。放電スイッチは、制御信号に応じて、負荷に供給される放電電流を制御することができる。

本発明の更に別の一態様によると、一方法が提供される。その方法には、コードレス電力工具のトリガーの位置を監視する段階と、トリガーの位置に応じて電池パックの放電スイッチの状態を制御して、コードレス電力工具の負荷に与えられる放電電流を制御する段階とが含まれるだろう。

特許の主要部の実施形態の特徴と利点とは、以下の詳細な説明が進むにつれて、また類似の番号が類似の部品を示している図面を参照することで明らかになるだろう。

以下の詳細な説明は、例示的な実施形態に対して作られたものを参考に進めるが、多くの改変と変更と変種は、当業者には明らかであろう。従って、特許の主要部は、様々な面から考えられることを想定している。

図１は、コードレス電力工具１００の斜視図である。コードレス電力工具１００は、コードレスドリルとして図示されており、ここで、実施形態に関するものとして説明する。しかし、コードレス電力工具１００は、コードレス丸鋸、コードレス往復鋸、コードレス研磨機、コードレスねじ回し、コードレス懐中電灯を含む、なんらかの種類のコードレス電力工具であって良いが、それに限定されるものではない。コードレス電力工具には、工具１００を動作させる電力を供給するために、再充電可能な電池パック１０２も含まれる。再充電可能な電池パック１０２は、簡単にコードレス電力工具１００から外して、充電の目的で外部の充電器につなげることができる。コードレス電力工具１００は、トリガー１０４も含んでいよう。ドリルに対して、使用者はトリガー１０４を押したり離したりして、チャック１４２の速度を制御することができる。懐中電灯のような他の道具に対して、使用者は、トリガーの位置によって、懐中電灯から照明の強さを制御することができる。

図２は、図１のコードレス電力工具の電源システム２００の図である。電源システム２００には、電池パック１０２と負荷２４０とトリガー１０４と工具識別（ＩＤ）回路２３０が含まれよう。ここで、いずれの実施形態で使用されようと、「回路」は、例えば、接続された回路、プログラム可能な回路、ステートマシン回路、および／またはプログラム可能な回路によって実行される命令を貯蔵したファームウェアを単独で、あるいは幾つか組み合わせて備える。

電池パック１０２には、電力をシステム２００のために供給する、１つあるいは２つ以上の電池２０３が含まれよう。電池１０３は、一実施形態において、リチウムイオンであって良い。電池パック１０２は、電力を放電スイッチ２０９を介して負荷２４０に供給することができる。一実施形態において、放電スイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で良い。電池パック１０２には、監視及び制御の回路２０８も含まれよう。監視と制御の回路２０８は、１つ或いは２つ以上の電池パックの電流と温度と各電池の電圧レベルを測定するだろう。

監視及び制御の回路２０８は、測定値を関連した閾値と比較し、測定した大きさの内の１つが関連する閾値に等しいかそれより大きければ、過負荷の状態であると識別するだろう。例えば、過負荷の状態は、放電電流が、最大放電電流を表す閾値に等しいかそれより大きいことであろう。他の例では、過負荷状態は、電池２０３への充電電流が、最大充電電流を表す閾値に等しいかそれより大きいことであろう。さらに他の例では、過負荷の状態は、電池の電圧レベルが電圧閾値と等しいかそれより大きいことであろう。さらに他の例では、過負荷の状態は、部品の温度が温度の閾値に等しいかそれより大きいことであろう。過負荷の状態を検出すると、監視と制御の回路２０８は、出力制御信号を与えて、電源システム２００の部品を保護する。出力制御信号は、電池パック１０２内部の１つ或いは２つ以上のスイッチに供給されるか、制御入力として電池パック１０２外部の他の回路へパス１２７を経由して供給されるだろう。一実施形態では、電池２０３からの放電電流が、最大放電電流の閾値に等しいかそれより大きいような過負荷状態で、出力制御信号が、放電スイッチ２０９に供給されてスイッチ２０９を開くことができる。

監視と制御の回路２０８は、トリガー１０４の位置に応じて、放電スイッチ２０９に制御信号を供給することができる。制御信号は、一実施形態においてパルス幅変調（ＰＷＭ）信号２１８であって良く、放電スイッチ２０９はＰＷＭ信号２１８のデューティサイクルに応じて、放電電流を制御することができる。ＰＷＭ信号２１８は、例えば５〜１０キロヘルツ（ＫＨｚ）の固定周波数で動作することができる。ＰＷＭ信号のデューティサイクルが増加すると、放電スイッチ２０９のオン時間は増加し、それゆえ負荷２４０に与えられる放電電流のレベルは増加するだろう。同様に、ＰＷＭ信号のデューティサイクルが減少すると、放電スイッチのオン時間は減少し、負荷２４０に与えられる放電電流のレベルは減少するだろう。

工具識別（ＩＤ）回路２３０は、工具識別信号を監視及び制御の回路２０８に供給するだろう。工具識別信号は、特定のコードレス電力工具の様々な電力パラメータのような、コードレス電力工具に特定のデータを表すだろう。例えば、工具識別信号は、特定のコードレス電力工具の最大放電電流を示すだろう。他の例として、工具識別信号は、コードレス電力工具の熱的過負荷点を示すだろう。工具識別回路２３０には、一実施形態において並列の抵抗あるいはコンデンサのような安価な受動部品が含まれたり、他の実施形態においては、単純な固定抵抗が含まれるだろう。加えて、工具識別回路２３０は、電池パック１０２が適切なコードレス電力工具に正しく差し込まれたことを示す、便利な第２識別子を供給するだろう。正しい工具識別信号が無い場合、電池パック１０２は、充電を拒否し、それによってシステムの安全性を向上させる。

図３は、図２の電源システム２００と整合する電源システム３００の図である。図２と似た図３の部品は、そのようなものとして参照番号が振られ、その結果、ここでは繰り返しての説明は簡略化のために省く。図３の負荷２４０ａは、関連する歯車のつながり（図示せず）を通して要素１４２を駆動するように構成されたモーター３４０であろう。一例として、要素１４２は、ドリルビットを支える図１のドリルのチャックであって良い。有利なことに、コードレス電力工具においてモーター３４０への入力側に置かれるだろう従来の速度制御スイッチは、除かれた。その場所では、放電スイッチ２０９が放電電流を制御して、それによって、モーター３４０に駆動される要素１４２の速度を制御するだろう。

速度選択回路３１６は、トリガー１０４の位置、すなわちコードレス電力工具の要素１４２の希望する速度を表すトリガー１０４からの信号を受け取ることになる。速度選択回路３１６は、入力信号を、希望する速度を表す電池１０２の監視及び制御の回路２０８に供給するだろう。その後、監視及び制御の回路２０８は、制御信号を、放電スイッチ２０９に供給して、モーター３４０に与えられる放電電流を制御することによって、要素１４２の速度を制御することができる。

動作において、コードレス電力工具の使用者は、希望する量だけトリガー１０４を押して、要素１４２の速度を制御することができる。トリガー１０４の位置に応じて、速度選択回路３１６は、入力信号を監視及び制御の回路２０８に提供することになる。監視と制御の回路２０８には、速度選択回路３１６からの入力信号に応じて、ＰＷＭ信号２１８のデューティサイクルを変更するＰＷＭ生成器が含まれる。ＰＷＭ信号２１８は、例えば５〜１０ＫＨｚの固定した周波数で動作することができる。ＰＷＭ信号のデューティサイクルが増加するにつれて、放電スイッチ２０９のオン時間は増加し、コードレス電力工具の要素１４２の速度も増加するだろう。同様に、ＰＷＭ信号のデューティサイクルが減少するにつれて、放電スイッチ２０９のオン時間は減少し、電力工具の要素１４２の速度は減少するだろう。一例として、ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、およそ１０％（低速）から７５％（高速）まで変化するだろう。

図４は、図１のコードレス電力工具に対する、他の電源システムである。放電スイッチ２０９はＦＥＴ・Ｑ１で良い。ＦＥＴ・Ｑ１は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）或いはｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）のような金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）で良い。電池パック１０２ａは、複数の電池２０３−１，２０３−２，２０３−（ｎ−１），２０３−ｎの複数の電池も含んでいよう。電池１０２ａは、モーター巻き線として描かれる負荷２４０ｂを含む多くの負荷に電力を供給することができる。ダイオード４１０は、ＦＥＴ・Ｑ１と並列に接続されて、充電電流を電池２０３−１，２０３−２，２０３−（ｎ−１）に流すことができ、また電池からの放電電流を防ぐことができる。電池パック１０２ａには、動作状態指示器４０６が含まれ、様々な検出状態の指示信号を、管理及び制御回路２０８から提供する。

速度選択回路３１６ａは、他の抵抗４５２と直列に可変抵抗４５４を含んでいよう。可変抵抗４５４は、ポテンショメータでよい。可変抵抗４５４の抵抗値は、トリガー１０４の位置に応じて設定することができる。従って、可変抵抗４５４の抵抗値は、要素１４２（図３参照）希望する速度を表していよう。抵抗４５２の抵抗値は、最大放電電流率を表していよう。この速度選択回路３１６ａによって、懐中電灯のようなコードレス電力工具に対する、安価な放電制限および／または可変電力制御が可能になる。第３電池パック端子４２２は、希望する速度で速度選択回路３１６ａからの情報を受信するのに、監視及び制御の回路２０８によって使用されるだろう。同様に、監視及び制御の回路２０８は、希望する速度を得るのに、特定のデューティサイクルにおいてＰＷＭ信号２１８を提供することができる。

図５は、監視と制御の回路２０８の一実施形態２０８ａである。監視と制御の回路２０８ａは、スイッチネットワーク５０２と、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）５０４と、プロセッサ５０６と、ドライバ５０８と、保護回路５２４と、ＰＷＭ生成器５１０を含んでいよう。プロセッサ５０６は、スイッチネットワーク５０２に命じて、特定の電池２０３−１または２０３−２または２０３−（ｎ−１）または２０３−ｎを選択することができる。そして、各電池に対する個々のアナログセル電圧レベルは、スイッチネットワーク５０２を通して標本化することができる。標本化されたアナログ信号は、その後、ＡＤＣ５０４によって関連するディジタル信号へ変換され、プロセッサ５０６に提供される。従って、プロセッサ５０６は、各電池２０３−１と２０３−２と２０３−（ｎ−１）と２０３−ｎの電圧レベルを表すディジタル信号をＡＤＣ５０４から受信して、様々な電圧閾値と比較を行うことになる。

例えば、電池パック１０２の充電中に、監視及び制御回路２０８ａは、電圧レベルが過電圧閾値を超える電池があるかどうかを決定するために、電池の電圧レベルを監視することになる。もしそのような閾値が超過されると、プロセッサ５０６は、なんらかの予防措置を執るように指示するだろう。一例では、そのような予防措置は、特定のスイッチを開放へと駆動するために、信号をドライバ５０８に与えることで充電を停止するものであろう。他の例では、電池パック１０２の放電中に、監視と制御の回路２０８ａは、電圧レベルが不足電圧閾値よりも小さい電池があるかどうかを決定するために、電池の電圧レベルを監視することになる。もし、そのような不足電圧閾値レベルに達すると、プロセッサ５０６は、なんらかの予防措置を執るように指示するだろう。一例では、そのような予防措置は、特定のスイッチを開放へと駆動するために、信号をドライバ５０８に与えることで放電を停止するものであろう。

プロセッサ５０６は、保護回路５２４から他の信号を受信することもあるだろう。保護回路５２４は、一般的に、例えば過電流や短絡回路状態のような様々な電流過負荷状態に対して、電池パック１０２の電流の流入（充電モード）あるいは流出（放電モード）を監視し、プロセッサ５０６は、予防措置を取ることができるように、そのような状態を警告することになる。例えば、検知抵抗４０４（図４）のような電流検知素子は、保護回路５２４に、電流レベルが変化するにつれて、電池パックへ／からの電流レベルを表す信号を提供するだろう。保護回路５２４は、電流レベルと様々な閾値を比較し、信号をプロセッサに供給して、プロセッサ５６が予防措置を取れるように、プロセッサに対して過電流状態あるいは短絡状態を知らせることができる。

ＰＷＭ生成器５１０は、速度選択回路３１６，３１６ａから信号を受信して、出力ＰＷＭ信号をＦＥＴ・Ｑ１（図４参照）のような放電スイッチへ提供することができる。プロセッサ５０６によって、ＰＷＭ信号は、過負荷状態が発生するまで、放電スイッチの状態を制御することができる。例えば過度の放電電流のような過負荷状態が発生すると、プロセッサ５６は、ＰＷＭ信号生成器５１０をディスエーブルにして、ドライバ５０８に放電スイッチを開くように命じるだろう。そのようなものとして、監視と制御の回路２０８ａは、有利なことに、ＰＷＭ制御器５１０をイネーブルにし、適当な時に放電スイッチ２０９を制御することができるし、またＰＷＭ制御器５１０をディスエーブルにして、過負荷状態が検出されると、放電スイッチを開くこともできる。

図６は、一実施形態による処理６００を示している。処理６０２は、コードレス電力工具のトリガーの位置を監視する段階を含むだろう。処理６０４は、コードレス電力工具の負荷に与えられる放電電流を制御するために、トリガーの位置に応じて電池パックの放電スイッチの状態を制御する段階を含むだろう。

有利なことに、従来の速度制御あるいは負荷制御スイッチを除くことで、費用が節約され、複雑な構成が簡素化される。そのような速度制御或いは負荷制御は、電池パック内の放電スイッチによって達成される。加えて、コードレス電力工具は、工具識別回路を含むだろう。この工具識別回路によって、電池パックは、そうでなければ気付かない特定の工具についてのデータを受信することができる。そのようなデータは、特定のコードレス電力工具の最大放電電流や、特定の工具の熱的過負荷点の、２つを指定するためのデータが含まれる。加えて、工具識別回路は、電池パックが適切なコードレス電力工具に正しく差し込まれたかを示す補助的な指針を提供することができる。正しい工具識別信号が無い時は、電池パックは放電を拒否し、従ってシステムの安全性を向上させることができる。

ここで使用された用語と表現は、説明の用語として使用されたものであり、限定をするものではなく、またその様な用語と表現にはここで示したり説明した特徴と等価である何かを排除する意図は無く、様々な変更が特許請求の範囲の範囲内で可能であることは理解されよう。他の変更と変形と改変も可能である。

コードレス電力工具の斜視図である。 図１のコードレス電力工具の電源システムの図である。 負荷が、コードレス電力工具の要素を駆動するモーターである、図２と同一の図である。 図１のコードレス電力工具用の電源システムの他の図である。 監視及び制御の回路の一実施形態の図である。 一実施形態と整合する動作のフローチャートである。

符号の説明

１００…コードレス電力工具
１０２…電池パック
１０４…トリガー
１２７…パス
１４２…要素
２００…電源システム
２０３，２０３−ｘ…電池
２０８，２０８ａ…監視及び制御の回路
２０９…放電スイッチ
２１８…ＰＷＭ信号
２３０…工具識別（ＩＤ）回路
２４０，２４０ａ…負荷
３１６，３１６ａ…速度選択回路
３４０…モーター
４０４…検知抵抗
４０６…動作状態指示器
４１０…ダイオード
４２２…第３電池パック端子
４５２…抵抗
４５４…可変抵抗
５０２…スイッチネットワーク
５０４…アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）
５０６…プロセッサ
５０８…ドライバ
５１０…ＰＷＭ生成器
５２４…保護回路

Claims (17)

1. 少なくとも１つの電池と、
   前記少なくとも１つの電池に結合される放電スイッチと、
   関連するコードレス電力工具のトリガーの位置に応じて前記放電スイッチに制御信号を供給する監視及び制御の回路と、
   を備え、
   前記放電スイッチは、前記制御信号に応じて前記コードレス電力工具の負荷に与えられる放電電流を制御することを特徴とする電池パック。
2. 前記負荷は、前記コードレス電力工具の要素を駆動するモーターを備え、前記モーターは、前記放電スイッチによって制御される前記放電電流を受信し、前記放電スイッチは、前記放電電流を制御することによって、前記モーターにより駆動される前記要素の速度を制御することを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記制御信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）された信号を備え、前記放電スイッチは、前記放電電流を制御するために前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルに応じることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
4. 前記監視及び制御の回路は、前記放電電流を監視し、もし前記放電電流が最大放電電流閾値と等しいかそれより大きければ、前記放電スイッチを開けることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
5. 前記放電スイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
6. 負荷と、
   トリガーと、
   前記負荷へ電力を供給する少なくとも１つの電池を備えた電池パックと
   を備え、
   前記電池パックは、さらに、前記少なくとも１つの電池に結合される放電スイッチと、前記トリガーの位置に応じて、前記放電スイッチに制御信号を供給する監視及び制御の回路とを備え、前記放電スイッチは、前記制御信号に応じて、前記負荷に供給される放電電流を制御することを特徴とするコードレス電力工具。
7. 前記負荷は、前記コードレス電力工具の要素を駆動するモーターを備え、前記モーターは、前記電池パックの前記放電スイッチによって制御される前記放電電流を受信し、前記放電スイッチは、前記放電電流を制御することで前記モーターにより駆動される前記要素の速度を制御することを特徴とする請求項６記載のコードレス電力工具。
8. 前記トリガーの前記位置に応じて、入力信号を、前記電池パックの前記監視及び制御の回路に提供する速度選択回路を、さらに備えることを特徴とする請求項７記載のコードレス電力工具。
9. 前記速度選択回路は、１つの抵抗と直列になった可変抵抗を備え、
   前記可変抵抗の抵抗値は、前記トリガーの前記位置に応じて設定され、かつ前記要素の希望する速度を表し、前記１つの抵抗の抵抗値は、最大放電電流率を表すことを特徴とする請求項８記載のコードレス電力工具。
10. 前記制御信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）された信号を備え、前記放電スイッチは、前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルに応じて前記放電電流を制御することを特徴とする請求項６記載のコードレス電力工具。
11. 前記監視および制御の回路は、前記放電電流を監視し、もし前記放電電流が最大放電電流閾値と等しいかそれよりも大きければ、前記放電スイッチを開くことを特徴とする請求項６記載のコードレス電力工具。
12. コードレス電力工具のトリガーの位置を監視する段階と、
    前記トリガーの位置に応じて電池パックの放電スイッチの状態を制御して、前記コードレス電力工具の負荷に与えられる放電電流を制御する段階と
    を備えることを特徴とする方法。
13. 前記負荷は、前記コードレス電力工具の要素を駆動するためのモーターを備え、前記モーターは、前記電池パックの前記放電スイッチによって制御される前記放電電流を受信し、前記放電スイッチは、前記放電電流を制御することで前記モーターにより駆動される前記要素の速度を制御することを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記放電電流を監視する段階と、
    もし、前記放電電流が最大放電電流閾値と等しいかそれより大きければ、前記電池パックの前記放電スイッチを開ける段階と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 一旦前記電池パックが前記コードレス電力工具に結合されると、工具識別信号を前記電池パックに提供する段階をさらに備え、前記工具識別信号は、前記コードレス電力工具に特有のデータを表すことを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 前記データは、前記コードレス電力工具の最大放電電流を備えることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記データは、前記コードレス電力工具の熱的過負荷点を備えることを特徴とする請求項１５記載の方法。
    

Images