JP2672981B2 - 充電・交流両用電動工具の電源回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、交流電源を一旦整流した出力電流を充電可
能な蓄電池に充電すると共に充電・交流両用電動工具に
供給する電源回路に関する。

〔従来の技術〕 充電・交流両用の、すなわち家庭用等の交流電源から
直接、または充電可能な蓄電池によって動作可能な電動
機器として、電動工具の他、髭剃り器や小型掃除機等が
知られているが、特に電動工具は、負荷が作業状態によ
って大きく変化する点や使用時間の点で、他の機器と異
なる。すなわち、電動工具のモータ負荷は無負荷状態か
らロック状態まで頻繁に変化し、また電動工具自体も長
時間の連続使用や繰り返し使用が多い。このため、例え
ば、過負荷状態で長時間使用すると、回路部品の発熱に
より工具自体の故障、破損を引き起こす虞れがある。

そこで、この種の電動工具ではサーモスイッチ等によ
り、工具の内部温度が上昇すると、電源の供給を一旦停
止させて、温度が下がるのを待つような構成が採用され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕 このようなサーモスイッチを有する従来の工具では長
時間の連続使用が出来ず、また発熱後、自然冷却で内部
温度が下がって突然電源供給が再開して工具が作動し始
めたりすると危険でもあり、作業性、安全性の面で問題
があった。

また、負荷使用中でも上記蓄電池への充電が並行して
行われているので、負荷状態によってはこの蓄電池への
過充電や逆に充電不足という問題も生ずる。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、蓄電池を含
む負荷側の発熱部材の温度を検出して、出力電流を適正
に制御することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、交流電源を一旦整流した出力電流を充電可
能な蓄電池に充電すると共に充電・交流両用電動工具負
荷に供給する電源回路において、上記出力電流に比例し
たレベルの電圧を増幅する増幅手段と、この増幅手段の
出力電圧に応じて上記出力電流を制御する定電流制御回
路と、負荷側回路の発熱部材の温度に応じて上記増幅手
段の増幅率を変更させる測温手段とを備えたものであ
る。

〔作用〕

本発明による充電・交流両用電動工具の電源回路は、
上記のように構成したので、負荷側の温度が上昇する
と、増幅手段の増幅率が変更されて供給する電流が減少
し、これにより温度が低下して一定温度に落ち着く。

〔実施例〕

先ず、本発明が適用される充電・交流両用電動工具の
全体構成の一例を第１図のブロック図により説明する。

同図において、１は交流電源、２はノイズフィルタ回
路、３は整流回路、４はスイッチング回路、５はトラン
ス、６は整流回路で、７は被充電用の電池である。

また、８は上記電池７の電圧が設定値に比べて高いか
低いかを検知する電圧検知回路、９は上記電池７の温度
を検出するセンサ、10は上記センサ９で検出した電池７
の温度が設定値に比べて高いか低いかを検知する温度検
知回路、11は上記電圧検知回路８及び温度検知回路10の
出力がそれぞれリセット、セット端子に入力されるＲ−
Ｓフリップフロップ、12は出力電流検出用の抵抗R12か
らの信号及び上記フリップフロップ11の出力が入力され
る定電流回路、13は上記整流回路６の出力電圧が入力さ
れる定電圧回路、14は上記定電流回路12及び定電圧回路
13の出力が入力され、上記スイッチング回路４に帰還制
御のための信号を出力するPWM制御回路、15は上記電池
７と並列にメインスイッチSW1を介して接続された負荷
としてのモータ、16は本発明の特徴部分を構成するもの
で、負荷側の発熱部品の温度を測定して測温結果に応じ
た出力を送出する定温度制御回路である。

さて、第２図は第１図に示す電動工具のより具体的な
回路図を示すものである。

同図において、先ず各回路の構成ならびに動作につい
て説明すると、上記PWM制御回路14は定電流回路12から
の出力信号及び定電圧回路13からの出力信号によって、
整流回路６の出力電流、若しくは電圧が一定になるよう
にスイッチング回路４のオン−オフデューティを帰還制
御する。

次に、定電流回路12について説明すると、出力電流は
抵抗R12によって検出され、その電圧はオペアンプOP1、
後述する正特性のサーミスタ（以下、ポジスタという）
Rth2と抵抗R19、R20、R21及びコンデンサC6とで構成さ
れた増幅回路に入力される。この増幅回路は 充電時には、 ［１＋（R19＋Rth2）/R2021］倍 （但し、R2021は並列抵抗R20,R21の合成抵抗値） 交流駆動時には、 ［１＋（R19＋Rth2）/R20］倍 の増幅率を有する。

このオペアンプOP1の出力によりフォトカプラPC1に電
流が流れ、PWM制御回路14におけるPWM制御ICでスイッチ
ング回路４のパルスデューティが決定される。すなわ
ち、出力電流が増加すると、増幅回路の出力電圧が上式
に基づいて増加し、フォトカプラPC1への電流が増加す
るのでパルスデューティが減少し、この結果出力電流が
減少して一定値に落ち着くように負帰還制御される。

上記増幅率の切換、すなわち出力電流の切換はスイッ
チSW2による上記増幅回路の抵抗回路の切換によりなさ
れる。すなわち、充電時には抵抗R20とR21とを並列に接
続して増幅率を大きくし、出力電流を応答良く制御す
る。一方、交流駆動時には負荷変動に対して過敏に応答
することのないように、抵抗R20のみを接続して増幅率
を抑え、充電時に比べて多少応答性を落としている。な
お、上記スイッチSW2はメインスイッチSW1と連動してお
り、充電時つまりメインスイッチSW1がオフの時にはス
イッチSW2はａ側に接続され、一方交流駆動時つまりメ
インスイッチSW1がオンの時にはスイッチSW2はｂ側に接
続されるようになされている。

定電圧回路13は、図示のように複数個のダイオードD1
0乃至D13から構成されており、定電圧はVF（順方向電
圧）×Ｎ（ダイオードの数）で決定される。出力電圧が
VF×Ｎ以上になると、上記ダイオードを通じてフォトカ
プラPC1に電流が流れ、PWM制御回路14が動作してパルス
デューティを減少させるので、出力電圧は低下して一定
値に落ち着くように負帰還制御される。すなわち、出力
電圧の変動により負荷側へ影響を及ぼすと共に交流駆動
時において、無（軽）負荷運転等が行われると、出力電
圧が上昇し、電池７に定格以上の過電圧が印加され、過
充電されることになる。定電圧回路13はこれらを防ぐた
めに設けられている。

ところで、上記定電圧回路13は上述のように、負荷変
動による出力電圧の変動に対処するために、交流駆動時
には必要とされるが、充電時にも同様に動作すると、電
池が充電されて電圧が上昇するにしたがい出力電圧が低
下して電流が制限されるため完全に充電されないことに
なる。このため、充電時における設定電圧は充電制御に
影響を与えない範囲で、交流駆動時の設定電圧に比べて
多少高めに設定して、充電不足が生じないようにしてい
る。上記設定電圧の切換はスイッチSW2により行われ、
交流駆動時にはｂ側に接続され、ダイオードD8、D9を短
絡することにより、交流駆動時の設定電圧が充電時の場
合より低くなるようになされている。

１次側電源17及び２次側電源18はトランス５によって
回路が接続されているために設けられるもので、１次側
電源17はPWM制御回路14の電源として、２次側電源18は
定電流回路12、定電圧回路13、電圧検知回路８、温度検
知回路10及び後述する定温度制御回路16の電源として働
く。

また、電圧検知回路８及び温度検知回路10について説
明すると、電圧検知回路８の出力信号はフリップフロッ
プ11のリセット端子に、温度検知回路10の出力信号は同
フリップフロップ11のセット端子にそれぞれ入力され
る。今、電池が充分に充電されていないとすれば、電池
７の電圧は設定電圧以下であり、電圧検知回路８がリセ
ット端子にHIGHを入力するので、フリップフロップ11の
出力はLOWとなって出力電流が定格電流になるように制
御する。

電池７が定格電流により充電されると、電池７の電圧
が上昇し、電圧検知回路８はリセット端子をLOWにす
る。そして、引き続き充電が行われて100％を越える
と、電池温度が上昇して設定温度以上になり、温度検知
回路10がセット端子にHIGHを入力するので、フリップフ
ロップ11の出力はHIGHとなって出力電流が末期電流にな
るように制御する。

次に、電池７が消費されてくると、電池７の電圧は低
下し、電圧検知回路８はリセット端子にHIGHを入力する
ので、フリップフロップ11の出力はLOWになる。一方、
このとき電池７の温度が比較的高い状態にあって、セッ
ト端子がHIGHの状態を維持していても、上記のようにフ
リップフロップ11がLOWを出力しているために出力電流
が定格電流を維持するように制御する。

さて、次に本発明の特徴部分を構成する定温度制御回
路16について説明すると、ポジスタRth2は、定電流回路
12におけるオペアンプOP1の増幅抵抗R19と直列に接続さ
れている。該ポジスタRth2は温度と抵抗値との関係が、
第３図に示すような特性を有しており、負荷側における
温度上昇の大きい発熱部品、例えば整流回路６のダイオ
ードD6、D7あるいはチョークコイルL3に接触して配設さ
れる。従って、上記発熱部品の温度が上昇して一定の温
度以上になると、ポジスタRth2の抵抗値は指数関数的に
増大し、上述した増幅率の式における第２項の値は急激
に増加する。このため、オペアンプOP1の増幅率が大と
なって、該オペアンプOP1の出力電圧を増大させるた
め、PWM制御回路14はスイッチング回路４のオン−オフ
デューティを小さくして出力電流を減少させる。そし
て、この出力電流の減少によって、発熱部品の温度上昇
は抑制され、所望の温度で平衡することになる。

なお、上記平衡温度はポジスタRth2の温度特性及び帰
還制御量等に基づいて、設計上許容される範囲内に設定
される。

また、本実施例ではオペアンプOP1の出力であるフィ
ードバック電流が、 （V0−2VF）/R17 （但し、2VFはD5とPC1の順電圧） で決定されているので、ポジスタRth2の温度特性、すな
わち増幅率を大きくすると、整流回路６の出力電流が定
格を越えて制御を必要とされる電流レベルに変化するま
でに、オペアンプOP1の出力電圧V0が2VFを越えて、帰還
制御が働いてしまうという感度の非常に高い制御回路が
形成される。このために増幅率をある程度抑えた回路を
形成せざるを得なかったが、そうすると定電流特性が非
常に悪いものになる。

同図に示す、オペアンプOP1の出力側に接続されたツ
ェナーダイオードDz5は増幅率を高く維持した状態で、
かつ定電流特性も良い制御回路を提供する。

すなわち、上記ツェナーダイオードDz5を設けること
により、フィードバック電流は （V0−Vz−2VF）/R17 （但し、Vzはツェナー電圧） となり、オペアンプOP1の出力V0が V0＞Vz＋2VF にならないとフィードバック電流が流れないようにして
いる。

第７図はこの実施例により得られる電源出力特性を示
すもので、図中、点線d1は理想の定電流特性を示し、実
線d2は本ツェナーダイオードを用いた場合の定電流特性
を示し、鎖線d3はツェナーダイオードがない場合の定電
流特性を示す。

第４図は、別の実施例を示すもので、第１の実施例に
おける抵抗R19とポジスタRth2の直列回路に、更にポジ
スタRth3を直列に接続すると共に、電池７に接触して配
設したものである。この場合に上記増幅率の式は、充電
時には、 ［１＋（R19＋Rth2＋Rth3）/R2021］ になる。

従って、充電が必要以上にされると、電池７の温度が
上昇し、オペアンプOP1の増幅率が大となって、該オペ
アンプOP1の出力電圧を増大させるため、PWM制御回路14
はスイッチング回路４のオン−オフデューティを小さく
して出力電流を減少させる。そして、この出力電流の減
少によって、電池７への過充電が防止される。

この定温度制御回路によれば、電圧検知回路８、温度
検知回路10及び定電流回路12が故障した場合でも、過充
電を防止出来るという利点がある。また、電池７の温度
が異常に上昇している場合などには、充電電流を極力制
限して電池７の劣化を防ぐこともできる。

なお、測温手段としてのポジスタRthからの検出信号
を受けて、最終的にスイッチング回路４のオン−オフデ
ューティを可変制御する制御信号を生成するまでの回路
部分を定温度制御手段と言うことが出来る。

さて、上述したようにポジスタRthは発熱部品に接触
して配設される必要があるが、次にその配設方法の一例
を第５図を用いて説明する。

同図（Ａ）において、61はプリント基板、62はプリン
ト基板61上に接続された、例えばダイオードD6とD7とが
一体製造された発熱素子で、63は発熱素子62に密着した
形で配設された放熱板である。また、同図（Ｂ）は
（Ａ）図の側断面図で、ポジスタRthは上記放熱板63の
下部を凹状に穿設したその内部64に収納される形でプリ
ント基板61に取り付けられている。このようにすると、
特別な取り付け部品を必要とせず、しかも簡単に取り付
けが出来る。しかも、ポジスタRthは放熱板63の内部に
密閉されるため、発熱温度をより正確に検出できる。

次に、同図（Ｃ）は放熱板63の側面に孔65を穿設し、
ポジスタRthを該孔65内に横向けに収納する形でプリン
ト基板61に取り付けたものである。この場合も、上記と
同様特別の取り付け部品が不要であると共に取り付けも
簡単である。また、ポジスタRthの取り付け状態を直接
肉眼で確認できる。

同図（Ｄ）は、更に他の取り付け方法を示すもので、
放熱板63の下部で発熱素子62側部分に方形状の切り欠き
部66を穿設し、該切り欠き部66と放熱素子62の間にポジ
スタRthを挟み込む形で取り付けたものである。このよ
うにすると、ポジスタRthが直接放熱素子62に接触する
ので、温度検出が一層正確に出来ると共に上記２実施例
のように放熱板63の温度を測温するものではないので温
度上昇に対してタイムラグのない検出が可能となる。

第６図は上述した定温度制御回路16の動作状況を操作
者に知らせ、その確認をするために用いられる表示回路
19を説明するものである。

同図において、コンパレータCOMP1乃至３は各々並列
的に接続され、その各正転入力側には定電流回路12のオ
ペアンプOP1の出力が入力され、一方各反転入力側には
前述の２次側電源18の電圧を抵抗R41乃至R43でそれぞれ
分圧して得られた各基準電圧が入力されている。さら
に、各コンパレータCOMP1乃至３の出力側にはLED4、
５、６がそれぞれ接続されている。

各コンパレータCOMP1乃至３は各分圧抵抗によって設
定された基準電圧とオペアンプOP1の出力電圧とを比較
し、オペアンプOP1の出力電圧が高い時は出力をHIGHに
して該当するLEDを発光させる。すなわち、発熱部品の
温度が上昇してくると（なお、この第６図では、出力電
流が増大してきた場合にも同様に作用することにな
る）、オペアンプOP1の出力電圧も上昇し、先ずLED4が
発光し、引き続き温度が上昇するとLED4と５が発光す
る。そして、更に温度が上昇すると全てのLED3、４、５
が発光するようになる。これにより、操作者は負荷側の
発熱状態を知ることができ、負荷回路の負担を確認しな
がら効率の良い作業が行える。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、負荷側の発熱
状態に応じて増幅手段の増幅率を変更することにより出
力電流が適切に制御されるので、発熱部材の温度上昇を
抑制し、所望の温度で平衡させることができる。従っ
て、発熱による工具の故障や破損が極力減少し、信頼性
の高い工具を提供できる。

また従来のようにサーモスタットが働いて作業の中断
を強いられることがなく、作業効率が向上すると共に従
来工具のように急に動作を再開することもないので安全
面でも優れている。

更に、温度検出素子を温度制御したい発熱部品に容易
に配設出来ると共に所望の部品にあわせた定温度制御が
容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される充電・交流両用電動工具の
全体構成の一例を示すブロック図である。第２図は第１
図に示す電動工具のより具体的な回路図である。第３図
はポジスタRth2の温度−抵抗値の関係を示す特性曲線図
である。第４図及び６図は本発明の他の実施例を示す具
体的な回路図である。第５図（Ａ）〜（Ｄ）はポジスタ
Rthの発熱部品への配設方法の例を示す図である。第７
図は本発明に係る実施例により得られる電源出力特性を
示すものである。 ４……スイッチング回路、７……電池、12……定電流回
路、14……PWM制御回路、16……定温度制御回路、Rth
2、Rth3……ポジスタ、Dz5……ツェナーダイオード、OP
1……オペアンプ、PC1……フォトカプラ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源を一旦整流した出力電流を充電可
   能な蓄電池に充電すると共に充電・交流両用電動工具負
   荷に供給する電源回路において、上記出力電流に比例し
   たレベルの電圧を増幅する増幅手段と、この増幅手段の
   出力電圧に応じて上記出力電流を制御する定電流制御回
   路と、負荷側回路の発熱部材の温度に応じて上記増幅手
   段の増幅率を変更させる測温手段とを備えたことを特徴
   とする充電・交流両用電動工具の電源回路。