JP2006281404A - コードレス電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、リチウム電池をモータの電源とする電動工具において、モータの起動時に流れる瞬時の過大電流は許容し、電動工具の使用時に生じるモータのロック時の過大電流は遮断し得る保護回路を備えたコードレス電動工具を提供することである。
【解決手段】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を供給される直流モータと、前記電池組、スイッチング素子及び直流モータからなる電流路の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段からの検出信号を入力し、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御手段を備え、該制御手段は前記電流検出手段により、前記電池組に流れる電流が所定値以上で且つ所定時間継続したときに前記電池セルの電流を遮断する。
【選択図】図４

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、特にリチウム電池に流れる電流の過電流保護回路を備えたコードレス電動工具に関する。

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、モータによる回転動力を減速機構により減速した後、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。

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、電池パック内に収容する電池セル数も多くなってきた。例えば、ニカド電池セルの公称電圧は１．２Ｖであるため、電源電圧が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、過放電を行ったり、過大な電流を流すとサイクル寿命が著しく劣化するという問題がある。

過放電を防ぐために本出願人は、先に特願２００１−３５６５７６号（特開２００３−１６４０６６号）において、電池組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、電池電圧が所定値まで低下したらスイッチ
ング素子を遮断し、放電を停止する制御方式を出願した。

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

上記と同様に、過電流に対する保護も行うことは可能であるが、電動工具の場合は過電流が流れた時に、一様にスイッチング素子を遮断すると次に示すような不都合を生じる。

今、図１に示すように、直流電源ＶからスイッチＳを介して直流電動機Ｍに直流電圧を印加した場合、スイッチＳを閉成した直後、つまり起動時にはモータＭ及びスイッチＳに次式（１）で表わされる電流Ｉａが流れる。

Ｉａ＝（Ｖ−Ｅ）／Ｒａ・・・（１）
但しＶは直流電源Ｖの電圧、Ｒａは直流電動機Ｍの電機子巻線の抵抗値、Ｅは直流電動機の逆起電力である。

モータＭの起動時は回転子が静止した状態であるため逆起電力Ｅは０となり過大な電流が短時間流れるのは避け難い。一方、電動ドライバ、電動ドリル等の電動工具では、先端工具が被加工物に食い込んだり、噛み付いたりすることがあり、その場合にもモータＭは一時的にロック状態となることがある。図５はモータがロック状態になったときの電機子電流を示すもので、やはりモータＭの逆起電力Ｅは０になるため、スイッチＳには過大な電流が流れることになる。

即ち、過大な電流を一様に遮断するとモータＭの起動ができなくなり、モータＭの起動時の過大電流を許容すると、電動工具の使用時に発生する過大電流を遮断できなくなる。
直流電源Ｖとしてリチウム電池を用いた場合は、前述のように過大な電流が流れ続けると劣化が著しく、サイクル寿命が極端に短くなるという問題がある。

本発明は、上記のような従来の問題を解決したコードレス電動工具を提供することを目的とする。

具体的には本発明は、リチウム電池をモータの電源とする電動工具において、モータの起動時に流れる瞬時の過大電流は許容し、電動工具の使用時に生じるモータのロック時の過大電流は遮断し得る保護回路を備えたコードレス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を供給される直流モータとを備えた電動工具において、前記電池組、スイッチング素子及び直流モータからなる電流路の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段からの検出信号を入力し、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御手段を備え、該制御手段は前記電流検出手段により、前記電池組に流れる電流が所定値以上で且つ所定時間継続したときに前記電池セルの電流を遮断するようにしたことに一つの特徴がある。

本発明の他の特徴は、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を供給される直流モータとを備えた電動工具において、前記電池組、スイッチング素子及び直流モータからなる電流路の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段からの検出信号を入力し、前記スイッチング素子のオン・オフを制御するマイコンを備え、該マイコンは前記リチウム電池セルに流れる電流が所定値を超えたか否かを判定する第１のステップと、所定値を超えたときに、その時間が第１の所定時間継続したか否かを判定する第２のステップと、第１の所定時間継続したときに、前記スイッチング素子をオフ状態にする制御信号を発生する第３のステップを含む制御プログラムを有することにある。

本発明の他の特徴は、前記マイコンの制御プログラムは、第３ステップの後に、前記スイッチング素子がオフ状態になってから第２の所定時間経過したか否かを判定し、経過したときには前記スイッチング素子を再びオン状態にする制御信号を発生する第４のステップを有することにある。

本発明の他の特徴は、回転動力を発生する直流モータと、該回転動力を減速する減速機構とを収容する本体胴体部と、該本体胴体部に連結されたハンドル部と、該ハンドル部の端部に装着され、複数のリチウム電池セルよりなる電池組を収納する電池パックとを備えた電動工具において、前記電池組から前記直流モータに直流電流を供給する制御装置を備え、該制御装置は、前記電池組と前記モータとを含む電流路に接続されたスイッチング素子と、該電流路の電流を検出する電流検出手段と、該検出手段により所定値以上の電流が第１の所定時間以上流れたことを検知したときに前記スイッチング素子をオフ状態にする制御手段とを備えたことにある。

本発明の他の特徴は、前記電流検出手段が、モータの起動電流を検出したときにはスイッチング素子をオン状態とし、モータのロック時電流を検出したときはスイッチング素子をオフ状態とすることにある。

本発明によれば、リチウム電池に流れる電流が所定レベルを超えたか否かを検出し、所定レベル以上を維持する時間が、予め設定した時間に達したときには、電池電流を遮断するようにしたので、モータのロック時のように相対的に長い時間流れる過大電流から、リチウム電池を保護することができ、従って電池の劣化を防止することができるという効果を奏する。

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、過電流保護回路、過電流保護制御フローの順に説明する。

（１）概略構成
図２は本発明にかかる電動工具の概略構成を示す。電動ドライバ、電動ドリル等の電動工具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容した電池パック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モータ部（図示せず）、回転動力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内のリチウム電池セルとしては、例えば公称電圧３．６Ｖのものが用いられる。従って、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て用いられる。

電池パック１内のリチウム電池からの直流電圧は、スイッチング素子を介してモータ部に供給される。スイッチング素子は後述のように、起動時の過大電流を許容し、モータのロック時の過大電流は遮断するようにオン・オフ動作する。

次に過電流保護回路の具体例について説明する。

（２）過電流保護回路
本発明に係る電動工具において、リチウム電池に流れる過電流を遮断する回路としては、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同様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３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、スイッチング部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（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。

スイッチング部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。スイッチング部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ようになっている。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、ＦＥＴ２１に流れる電流を検出するもので、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、感温素子のサーミスタ５１及び、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、点滅制御をしている。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）過電流保護制御フロー
次に図３及び図４を参照して、本発明電動工具に用いられるリチウム電池を過電流から保護するための制御フローの一実施例について説明する。

前述のように、リチウム電池組１０に流れる過電流には二種類ある。一つはモータの起動時に流れる過電流であり、他の一つは電動工具の使用中に、モータがロックすることにより生じる過電流である。

起動時の過電流は瞬時であり、これを許容するが、モータロック時の過電流は先端工具が被加工物に食い込んで、モータが停止状態にある時間、流れ続けるのでこれは遮断しなければならない。

図４に示す実施例は、過電流が流れている時間をタイマにより検知し、その時間が所定値以下の時はＦＥＴ２１の閉成状態を維持し、所定値を超えた時にＦＥＴ２１を開くようにしたものである。以下の制御を実行するプログラムは、マイコン６０のＲＯＭ６２に格納されており、ＣＰＵ６１が逐次これを読み出して実行する。

図４のステップＳ１０１において、マイコン６０はＦＥＴ２１をオンにする（初期設定）。その後、電動工具２００のスイッチ２２０がオンになると、電動工具２００のモータ２１０には起動電流が流れる。

ステップＳ１０２において、電流検出部７０によりＦＥＴ２１に流れる電流Ｉａを検出し、ステップＳ１０３においてマイコン６０は、その検出した電流Ｉａが所定値Ｉ_１以上か否か判定する。この所定値Ｉ_１は、リチウム電池１１〜１４の電流対サイクル寿命の特性及びモータ２１０がロック状態にある時に、電機子巻線に流れる電流値を勘案して適当な値に選定される。例えば図５に示すようにモータの起動時のピーク電流を１００Ａとするとその５０％〜７０％程度に選定される。

ステップＳ１０３の判定がＮＯ（否定）の時は、ＦＥＴ２１のオン状態を維持する。また、ＹＥＳ（肯定）の時は次のステップＳ１０４に進み、所定値Ｉ_１以上の電流が流れている時間が、所定時間Ｔ_１以上継続したか否かを判定する。この判定は、例えば電流検出部７０により検出された電流Ｉａが所定値Ｉ_１を超えた時間を、マイコン６０内のタイマ６４によりカウントすることにより実行される。

モータ２１０の種類にもよるが、通常のモータの起動時に過大な電流が流れる時間は一般に１００ｍｓｅｃ以下であるのに対し、電動工具の先端工具が被加工物に食い込み、モータ２１０がロックされたときの過大電流は１００ｍｓｅｃよりも遥かに長い時間である。従ってＴ_１を数１００ｍｓｅｃ程度に設定すれば、起動時の過大電流と、モータ２１０のロック時の過大電流を識別することができる。

ステップＳ１０４において、過大電流の流れている時間が所定時間Ｔ_１を超えた場合は、ステップＳ１０５に進みＦＥＴ２１をオフ状態にする。この結果、リチウム電池セル１１〜１４に過大な電流が長い時間継続的に流れることを防止することが可能となり、電池セル１１〜１４の特性劣化を防ぐことができる。

更にステップＳ１０６において、ＦＥＴ２１のオフ後、所定時間Ｔ_２経過したか否か判定される。ＮＯ（否定）の場合はＦＥＴ２１のオフ状態を継続し、ＹＥＳ（肯定）の場合はステップＳ１０７でＦＥＴ２１をオンにした後ステップＳ１０２に戻り、再び同じ動作が繰り返される。この所定時間Ｔ_２は、例えば５秒程度に設定される。従って、モータ２１０がロックし、ＦＥＴ２１が遮断状態にされても、所定時間Ｔ_２を経過すると、再びＦＥＴ２１がオンされ、モータ２１０に作動電圧が供給される。この所定時間Ｔ_２の間、工具の使用が中断されるので、Ｔ_２は電動工具の操作性とリチウム電池の劣化特性とを勘案して適当な値に選定される。

以上本発明電動工具の制御フローについて説明したが、本発明の基本的な考え方を変更しない範囲で種々の変形をなし得ることはもちろんであり、これらの制御の変形も本発明の範囲に包含される。

直流モータの動作を説明する説明図である。 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における過電流保護回路の回路図である。 本発明にかかる電動工具における過電流保護回路の制御フローの一実施例を示すフローチャートである。 モータの起動時及びロック時の電流波形図である。

符号の説明

１：電池パック、１０：電池組、２０：スイッチング部、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

Claims (7)

1. 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を供給される直流モータとを備えたコードレス電動工具において、前記電池組、スイッチング素子及び直流モータからなる電流路の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段からの検出信号を入力し、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御手段を備え、該制御手段は前記電流検出手段により、前記電池組に流れる電流が所定値以上で且つ所定時間継続したときに前記電池セルの電流を遮断することを特徴とするコードレス電動工具。
2. 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を供給される直流モータとを備えたコードレス電動工具において、前記電池組、スイッチング素子及び直流モータからなる電流路の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段からの検出信号を入力し、前記スイッチング素子のオン・オフを制御するマイコンを備え、該マイコンは前記リチウム電池セルに流れる電流が所定値を超えたか否かを判定する第１のステップと、所定値を超えたときに、その時間が第１の所定時間継続したか否かを判定する第２のステップと、第１の所定時間継続したときに、前記スイッチング素子をオフ状態にする制御信号を発生する第３のステップを含む制御プログラムを有することを特徴とするコードレス電動工具。
3. 請求項２において、前記マイコンの制御プログラムは、第３ステップの後に、前記スイッチング素子がオフ状態になってから第２の所定時間経過したか否かを判定し、経過したときには前記スイッチング素子を再びオン状態にする制御信号を発生する第４のステップを有することを特徴とするコードレス電動工具。
4. 回転動力を発生する直流モータと、該回転動力を減速する減速機構とを収容する本体胴体部と、該本体胴体部に連結されたハンドル部と、該ハンドル部の端部に装着され、複数のリチウム電池セルよりなる電池組を収納する電池パックとを備えたコードレス電動工具において、前記電池組から前記直流モータに直流電流を供給する制御装置を備え、該制御装置は、前記電池組と前記モータとを含む電流路に接続されたスイッチング素子と、該電流路の電流を検出する電流検出手段と、該検出手段により所定値以上の電流が第１の所定時間以上流れたことを検知したときに前記スイッチング素子をオフ状態にする制御手段とを備えたことを特徴とするコードレス電動工具。
5. 請求項４において、前記スイッチング素子がオフ状態になってから第２の所定時間を経過したときに前記スイッチング素子を再びオンにする手段を有するコードレス電動工具。
6. 請求項１又は５において、前記電流検出手段は、モータの起動電流を検出したときにはスイッチング素子をオン状態とし、モータのロック時電流を検出したときはスイッチング素子をオフ状態とすることを特徴とするコードレス電動工具。
7. 請求項１乃至６の何れか１項において前記スイッチング素子はＦＥＴより構成されることを特徴とするコードレス電動工具。
   

Images