JP4060782B2

JP4060782B2 - 電池パック及び電気装置

Info

Publication number: JP4060782B2
Application number: JP2003384080A
Authority: JP
Inventors: 俊彦市瀬; 克巳高津; 雅敏永山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: JP2005151669A

Description

本発明は、電池パック及び電気装置に関する。

従来、電動工具や電動自転車等の大きな電力を必要とする機器の主要な動力源としてニッケル・カドミウム電池又はニッケル水素電池が用いられてきた。リチウムイオン電池は、単位重量当たりのエネルギー密度がニッケル水素電池の単位重量当たりのエネルギー密度の約２倍に達することから、従来よりはるかに軽量の電池パックを実現できる。リチウムイオン電池を用いた電池パックが、携帯電話やノートパソコン等の電源として、近年、広く利用されている。
電動工具の駆動用電池パックは、３０Ｖ程度の高い出力電圧の電池パックを必要とする。リチウムイオン電池は１個の電池セルの出力電圧が高い（公称電圧が３．６〜３．７Ｖ）故、少数の電池セルを直列接続して電動工具の駆動用電池パックを構成できる。このように、リチウムイオン電池を用いた電池パックは、種々の用途に適し、特に電動工具用の電池パックとして適している。

図８を用いて、従来例におけるリチウムイオン電池を用いた電池パックを説明する。図８は、従来例のリチウムイオン電池を用いた電池パック８００と、電池パック８００に接続する電気装置８０１及び充電器８０２と、の構成を示すブロック図である。従来例の電気装置８０１はノート型のパーソナルコンピュータである。電池パック８００は電気装置８０１の専用電池パックである。充電器８０２は電池パック８００の専用充電器である。

図８において、電池パック８００は、充放電共用端子８６、接地端子８、二次電池セル１、保護ＩＣ（Integrated Circuit）２、二次電池１と接地端子８との間を接続する第３の電流経路１４、二次電池１と充放電共用端子８６との間を接続する第４の電流経路８４、温度検出部１７を有する。第３の電流経路１４には、電流検出部１５が挿入接続されている。第４の電流経路８４には、放電制御用スイッチング素子８１、充電制御用スイッチング素子８２及びヒューズ８３が直列に接続されている。

二次電池１は、複数個のリチウムイオン電池セルを直列に接続したものである。
保護ＩＣ２は、個々の電池セルの両端電圧を検出する電池セル電圧検出部１６を有する。温度検出部１７は二次電池１の表面に取り付けられた正特性サーミスタを有し、その温度を測定する。電流検出部１５は第３の電流経路１４に流れる電流の極性及びその大きさを検出する。保護ＩＣ２は、充電時に、いずれか１つの電池セルの両端電圧が第１の閾値（充電上限値）を超えたことを電池セル電圧検出部１６が検出した場合、二次電池１の表面温度が第２の閾値を超えたことを温度検出部１７が検出した場合、又は二次電池１に第３の閾値を超える異常な充電電流が流れたことを電流検出部１５が検出した場合、充電停止指令信号を充電制御用スイッチング素子８２に送り、充電制御用スイッチング素子８２を遮断させる。これにより第４の電流経路８４が遮断され、充電が停止される。充電制御用スイッチング素子８２は、通常は常に導通状態である。

保護ＩＣ２は、放電時に、いずれか１つの電池セルの両端電圧が第４の閾値（放電下限値）を下回ったことを電池セル電圧検出部１６が検出した場合、二次電池１の表面温度が第２の閾値を超えたことを温度検出部１７が検出した場合、又は二次電池１に第５の閾値を超える異常な放電電流が流れたことを電流検出部１５が検出した場合、放電停止指令信号を放電制御用スイッチング素子８１に送り、放電制御用スイッチング素子８１を遮断させる。これにより第４の電流経路８４が遮断され、放電が停止される。放電制御用スイッチング素子８１は、通常は常に導通状態である。
放電制御用スイッチング素子８１及び充電制御用スイッチング素子８２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ヒューズ８３は、電池パック８００がノート型のパーソナルコンピュータに供給する瞬時最大放電電流の２倍程度の定格を有するヒューズである。

電気装置８０１は、電流入力端子３６と、接地端子３８と、負荷回路３９（典型的にはモータとその駆動回路である。）とを有する。電池パック８００の接地端子８は、電気装置８０１の接地端子３８と接続される。電池パック８００の充放電共用端子８６は、電気装置８０１の電流入力端子３６と接続される。電気装置８０１と電池パック８００とを接続すると、二次電池１から第４の電流経路８４、負荷回路３９、第３の電流経路１４を通って放電電流が流れる。

充電器８０２は、電流出力端子５７と、接地端子５８と、充電回路５９とを有する。電池パック８００の接地端子８は、充電器８０２の接地端子５８と接続される。電池パック８００の充放電共用端子８６は、充電器８０２の電流出力端子５７と接続される。充電器８０２と電池パック８００とを接続すると、充電回路５９から第４の電流経路８４、二次電池１、第３の電流経路１４を通って充電電流が流れる。

リチウムイオンの電池セルは電解質として有機溶媒を用いているため、電池セルを過充電したり、電池セルに過電流が流れたり、又は電池セルの温度が上がり過ぎると、電池セルが物理的に破損する危険性がある。電池パック８００は保護ＩＣ２を内蔵しており、二次電池１に上記の異常状態が発生した場合、保護ＩＣ２が直ちに充放電を停止させる。これにより、電池の破損を防止している。
特開平１０−２４７５２８号公報実用新案登録第３０６０９２０号公報

しかしながら、電動工具用電池パックにリチウムイオン電池を用いるには、従来以下の問題点があった。
第１に、携帯電話やノートパソコンに比べて大電流を扱う電動工具等では、放電電流が略１００Ａに達する故に、電動工具用の電池パックにおいては、内蔵する２つのスイッチング素子８１、８２として、定格が２００Ａ程度のＦＥＴ（Field Effect Transistor：電解効果トランジスタ）を２個使用する必要があり、内蔵ヒューズ８３として、定格が２００Ａ程度のヒューズを使用する必要がある。しかし、充電電流の最大値は略１０Ａであり、放電電流の最大値１００Ａと比較して非常に小さい。そのため、定格が２００Ａのヒューズ８３は、充電時にはほとんど役に立たない。又、定格が２００ＡのＩＧＢＴは高価であり、これを２個使用する電池パック８００は高価なものになった。

第２に、ユーザが不正な充電器（例えばリチウムイオン電池の性質を十分理解していないユーザが手作りで製作した二次電池の充電器）で電池パックを充電した場合でも、電池パックの充放電共用端子及び接地端子と、充電器の電流出力端子及び接地端子とをそれぞれ接続することにより、ある程度電池パックを充電することが容易に出来ることである。このことは、物理的に破損することも起り得るリチウムイオン電池の性質を考慮すると、非常に危険である。特に大電流を扱う電動工具においては重大な事故となりかねない。
本発明は、上記の課題を解決し、不正な充電器によっては充電が困難であり、安価かつ安全な電池パック及び電気装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、充電端子と、放電端子と、共通端子とを有する着脱可能な第１の接続コネクタと、第１の端子と第２の端子とを有する１又は複数の二次電池セルと、前記二次電池セルの前記第１の端子と、前記充電端子とを接続する第１の経路と、前記二次電池セルの前記第１の端子と、前記放電端子とを接続する第２の経路と、前記二次電池セルの前記第２の端子と、前記共通端子とを接続する第３の経路と、前記第１の接続コネクタに接続される電気装置に電池パックを装着する時、前記電気装置の所定の位置に取り付けられたラックと係合し回転駆動される少なくとも１つの歯車と、前記歯車の回転により駆動されるカム機構と、前記第２の経路の、前記第１の経路と共有しない経路に挿入されるスイッチであって、前記カム機構の駆動によりその２つの接触片の少なくともいずれか一方が動かされ、電池パックを前記電気装置に装着すると接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと接点が開くスイッチと、を有することを特徴とする電池パックである。

本発明の電池パックは、充電経路（第１の経路）と放電経路（第２の経路）とを別個に設け、それぞれの経路で充電及び／又は放電を適切に制御する。電動工具用の電池パック等においては、充電電流は放電電流よりはるかに小さい。本発明においては、充電電流の最大値をわずかに上回る定格のヒューズ及び／又はスイッチング素子を充電経路（第１の経路）に配置することができる。本発明は、安価で安全な電池パックを実現出来るという作用を有する。

スイッチング素子は、充電時及び放電時にある程度電圧を降下させる（電力を消費する）。従来例においては、放電制御用のスイッチング素子と充電制御用のスイッチング素子とを直列に接続していたので、放電時にも充電時にも、スイッチング素子２個分の電圧降下及び電力消費を生じていた。
本発明においては、放電制御用のスイッチング素子及び充電制御用のスイッチング素子をそれぞれ第１の経路及び第２の経路に取り付けることにより、放電時にも充電時にも、スイッチング素子１個分の電圧降下及び電力消費しか生じない。本発明は、電力消費量が小さな電池パックを実現する。

本発明において、電気装置はユーザが手作りで製作することが困難なラックを有する。本発明の電池パックのスイッチは、電気装置のラックにより歯車及びカム機構を駆動することにより導通状態となり（接点が閉じ）、電池パックを装着する装置（例えば手作りの充電器）の所定の位置に所定のラックがなければは開放状態となる。この構成により、ユーザが不正な充電器で本発明の電池パックを放電用端子を通じて充電することは極めて困難である。本発明は、不正な充電器によっては充電が困難な電池パックを実現出来るという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、前記電気装置に電池パックを装着する時、前記電気装置の所定の位置に設けた凸部と嵌め合う凹部であって、前記凸部の側面の少なくとも１つに設けた前記ラックと係合する前記歯車を側面に取り付けた凹部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の電池パックである。
本発明において、電気装置はユーザが手作りで製作することが困難なラックを有する凸部を含む。正規の電気装置と電池パックとの組み合わせにおいては、電気装置の凸部と電池パックの凹部とを嵌合させることにより、ラックと歯車との相対的な位置関係が安定し、ラックと歯車とが確実に係合し、スイッチを導通させる。本発明は、不正な充電器によっては充電が困難であり、且つ正規の電気装置と組み合わせて安定に動作する電池パックを実現する。

請求項３に記載の発明は、前記電気装置に電池パックを装着する時、前記電気装置の所定の位置に設けた凸部と嵌め合う凹部であって、前記凸部の２つの側面に設けた互いに異なる形状の２つのラックとそれぞれ係合する２つの歯車を側面に取り付けた凹部と、それぞれの前記歯車の回転により駆動される２つのカム機構と、を有し、前記スイッチは、２つの前記カム機構の駆動によりその２つの接触片が動かされ、前記電池パックを前記電気装置に装着すると接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと接点が開くことを特徴とする請求項１に記載の電池パックである。
本発明において、電気装置はラックを２つの側面に有する凸部を含む。２組のラックと歯車とが共に正確に係合しない限り、スッイチは閉じない。ユーザが手作りで２組のラックと歯車とを共に正確に係合させることは、極めて困難である。
正規の電気装置と電池パックとの組み合わせにおいては、電気装置の凸部と電池パックの凹部とを嵌合させることにより、ラックと歯車との相対的な位置関係が安定し、ラックと歯車とが確実に係合し、スイッチを導通させる。本発明は、不正な充電器によっては更に充電が困難であり、且つ正規の電気装置と組み合わせて安定に動作する電池パックを実現する。

請求項４に記載の発明は、前記二次電池セルがリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の電池パックである。リチウムイオン電池を用いた電池パックは、過充電されること、過電流を流すこと等を絶対に防止する必要がある。本発明は、特にリチウムイオン電池の電池パックに適している。

請求項５に記載の発明は、充電端子と放電端子と共通端子とを有する着脱可能な第１の接続コネクタと、第１の端子と第２の端子とを有する１又は複数の二次電池セルと、前記二次電池セルの前記第１の端子と前記充電端子とを接続する第１の経路と、前記二次電池セルの前記第１の端子と前記放電端子とを接続する第２の経路と、前記二次電池セルの前記第２の端子と前記共通端子とを接続する第３の経路と、少なくとも１つの歯車と、前記歯車の回転により駆動されるカム機構と、前記第２の経路の、前記第１の経路と共有しない経路に挿入されるスイッチであって前記カム機構の駆動によりその２つの接触片の少なくともいずれか一方が動かされ、電池パックを前記電気装置に装着すると接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと接点が開くスイッチと、を有する電池パックの前記第１の接続コネクタと接続される着脱可能な第２の接続コネクタと、前記共通端子と接続される前記第２の接続コネクタの第３の端子と、前記放電端子と接続される前記第２の接続コネクタの第４の端子と、それぞれ両端が接続される負荷回路と、所定の位置に取り付けられ、電池パックを前記電気装置に装着すると前記スイッチの接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと前記スイッチの接点が開くように、前記電池パックを電気装置に装着すると前記歯車と係合して、前記歯車を回転駆動するラックと、を有することを特徴とする電気装置である。本発明は、本発明の電池パックと組み合わせて電力を供給される電気装置を実現する。

請求項６に記載の発明は、前記電気装置が電動工具であることを特徴とする請求項５に記載の電気装置である。電動工具は、高い電圧と大きな電流を必要とする。本発明は、特に電動工具に適している。

本発明によれば、不正な充電器によっては充電が困難であり、安価かつ安全な電池パック及び電気装置を実現できるという有利な効果が得られる。

以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。

《実施の形態１》
図１〜図５を用いて、本発明の実施の形態１のリチウムイオン電池を用いた電池パック及び電気装置を説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるリチウムイオン電池を用いた電池パック１００と、電池パック１００に接続する電気装置１０１及び充電器１０２と、の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１の電気装置１０１は電動工具である。電池パック１００は電気装置１０１の専用電池パックである。充電器１０２は電池パック１００の専用充電器である。図１において、電池パック１００は、放電端子６、充電端子７、接地端子８、二次電池セル１、保護ＩＣ２、二次電池１の正極端子と充電端子７との間を接続する第１の電流経路９、二次電池１の正極端子と放電端子６との間を接続する第２の電流経路１０、二次電池１の負極端子と接地端子８との間を接続する第３の電流経路１４、温度検出部１７を有する。第１の電流経路９には、充電制御用スイッチング素子５及びヒューズ４が直列に接続されている。第２の電流経路１０には、放電制御用スイッチング素子１１及びスイッチ３が直列に接続されている。第３の電流経路１４には、電流検出部１５が挿入接続されている。

放電端子６、充電端子７、接地端子８は、第１の接続コネクタ２２に含まれる。二次電池１は、複数個のリチウムイオン電池セルを直列に接続したものである。保護ＩＣ２は、個々の電池セルの両端電圧を検出する電池セル電圧検出部１６を有する。温度検出部１７は二次電池１の表面に取り付けられた正特性サーミスタを有し、その温度を測定する。電流検出部１５は第３の電流経路１４に流れる電流の極性及びその大きさを検出する。保護ＩＣ２は、充電時に、いずれか１つの電池セルの両端電圧が第１の閾値（充電上限値。例えば１０Ａ）を超えたことを電池セル電圧検出部１６が検出した場合、二次電池１の表面温度が第２の閾値を超えたことを温度検出部１７が検出した場合、又は二次電池１に第３の閾値を超える異常な充電電流が流れたことを電流検出部１５が検出した場合、充電停止指令信号を充電制御用スイッチング素子５に送り、充電制御用スイッチング素子５を遮断させる。これにより第１の電流経路９が遮断され、充電が停止される。充電制御用スイッチング素子５は、通常は常に導通状態である。

保護ＩＣ２は、放電時に、いずれか１つの電池セルの両端電圧が第４の閾値（放電下限値）を下回ったことを電池セル電圧検出部１６が検出した場合、二次電池１の表面温度が第２の閾値を超えたことを温度検出部１７が検出した場合、又は二次電池１に第５の閾値を超える異常な放電電流が流れたことを電流検出部１５が検出した場合、放電停止指令信号を放電制御用スイッチング素子１１に送り、放電制御用スイッチング素子１１を遮断させる。これにより第２の電流経路１０が遮断され、放電が停止される。放電制御用スイッチング素子１１は、通常は常に導通状態である。
放電制御用スイッチング素子１１は２００Ａの電流容量を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。充電制御用スイッチング素子５は２０Ａの電流容量を有するＩＧＢＴである。ヒューズ４は、充電電流の最大値（例えば１０Ａ）より所定値だけ大きな定格値（例えば２０Ａ）のヒューズである。

電気装置１０１は、電流入力端子３６と、接地端子３８と、負荷回路３９（典型的にはモータとその駆動回路である。）とを有する。電流入力端子３６と接地端子３８とは、第２の接続コネクタ３２に含まれる。電池パック１００の接地端子８は、電気装置１０１の接地端子３８と接続される。電池パック１００の放電端子６は、電気装置１０１の電流入力端子３６と接続される。電気装置１０１の所定の位置に、２つの側面にラックを有する凸部３３が設けられている。電池パック１００の所定の位置に２つの側面に歯車が回転可能に配置された凹部２３が設けられている。電気装置１０１に電池パック１００を装着すると、電気装置１０１の凸部３３が電池パック１００の凹部２３に嵌合する。電気装置１０１の凸部３３を電池パック１００の凹部２３に挿入する時、電気装置１０１の凸部３３の両側面に設けられたラック４５及び４６が、電池パック１００の凹部２３の両側面に設けられた歯車４３及び４４とそれぞれ係合して、歯車４３及び４４を回転駆動する。歯車４３及び４４が回転するにつれて、後述する構造によりスイッチ３の接点が閉じる（詳細な機構は後述）。電気装置１０１と電池パック１００とを接続すると、二次電池１から第２の電流経路１０（スイッチ３は導通している。）、負荷回路３９、第３の電流経路１４を通って放電電流が流れる。スイッチ３は、電池パック１００を電気装置１０１に装着しない状態においては、遮断状態である。電気装置１０１と電池パック１００とを接続した時、充電端子７は使用されない。

充電器１０２は、電流出力端子５７と、接地端子５８と、充電回路５９とを有する。電流出力端子５７と接地端子５８とは第３の接続コネクタに含まれる。電池パック１００の接地端子８は、充電器１０２の接地端子５８と接続される。電池パック１００の充電端子７は、充電器１０２の電流出力端子５７と接続される。充電器１０２と電池パック１００とを接続すると、充電回路５９から第１の電流経路９、二次電池１、第３の電流経路１４を通って充電電流が流れる。充電器１０２と電池パック１００とを接続した時、放電端子６は使用されない。ヒューズ４は、第１の電流経路９に過剰な充電電流が流れると第１の電流経路９を遮断する。

放電時に電動工具１０１には、最大で１００Ａほどの大きな電流が流れるのに対して、充電時に充電器１０２には最大で１０Ａほどの電流しか流れない。実施の形態１の電池パック１００においては、放電端子６と充電端子７とを別個に設け、それぞれの経路の導通／遮断を別個に制御することで、充電時の過電流防止の為の充電制御用スイッチング素子５として定格が２０Ａクラスの充電制御用スイッチング素子が使用できる。この充電制御用スイッチング素子は定格が２００Ａクラスのスイッチング素子に比べて安価である。
従来例（図８）の構成を電動工具に適用した場合、ヒューズ８３の定格は最大放電電流において溶断しないように２００Ａに設定する必要がある。それ故に、ヒューズ８３は充電時の過大電流を防止するためにほとんど役立たなかった。実施の形態１においては、定格が２０Ａのヒューズ４を第１の電流経路（充電経路）に接続することにより、過大な充電電流が流れた場合に、第１の電流経路を素早く遮断することが出来る。

次に、図２〜図５を用いて、電気装置１０１に電池パック１００を装着する時、電気装置１０１の凸部３３の両側面に設けられたラック４５及び４６が、電池パック１００の凹部２３の両側面に設けられた歯車４３及び４４とそれぞれ係合して、歯車４３及び４４を回転駆動し、それによってスイッチ３の接点が閉じる機構を説明する。図２は、電池パック１００と電気装置１０１の概略的な形状及び接続機構を側面から示した図であり、図３は電池パック１００と電気装置１０１の概略的な形状及び接続機構を上部から示した図である。

図２及び図３において、電池パック１００は、電気装置１０１と分離可能である。電池パック１００は、第１の接続コネクタ２２と、凹部２３とを有する。電気装置１０１は、第２の接続コネクタ３２と、凸部３３とを有する。第１の接続コネクタ２２は、放電端子６、充電端子７、接地端子８を含む。第２の接続コネクタ３２は、電流入力端子３６と、接地端子３８を含む。第１の接続コネクタ２２は、第２の接続コネクタ３２と接続される。凹部２３は、凸部３３と嵌合される。

図４は、電気装置１０１に電池パック１００を装着する直前の状態における、電気装置１０１の凸部３３及び電池パック１００の凹部２３の近傍を拡大した模式的な水平断面図である。電気装置１０１の凸部３３の両側面には、左右異なる形状の２つのラック（第１のラック４５と第２のラック４６）が設けられている。電池パック１００の凹部２３の両側面には２つの歯車（第１の歯車４３と第２の歯車４４）が設けられている。

第１の歯車４３の中心軸には第１のカム４１が取り付けられている。第１のカム４１は、円を、中心を通らない所定の弦で断ち切った形状を有する。第１の歯車４３が回転すると、回転トルクが軸を通じて第１のカム４１に伝達され、第１のカム４１が回転する。第２の歯車４４の中心軸には第２のカム４２が取り付けられている。第２のカム４２は、楕円形状を有し、その焦点の１つに中心軸を有する。第２の歯車４４が回転すると、回転トルクが軸を通じて第２のカム４２に伝達され、第２のカム４２が回転する。電気装置１０１の凸部３３の両側面に設けられたラックの位置及び長さは、第１のカム４１及び第２のカム４２の回転角度及び回転するタイミングの設計値に応じて決められる。実施の形態１において、電池パック１００を電気装置１０１に装着することにより、第１のカム４１は時計方向に１８０度回転し、第２のカム４２は反時計方向に９０度回転する。電池パック１００を電気装置１０１から取り外す時、上記の歯車及びカムは逆方向に動く。

図５は、電池パック１００のカムとスイッチ３の２つの接触片の動きを説明するための図である。図５（ａ）は、電気装置１０１と電池パック１００とが分離している時のカムとスイッチ３の２つの接触片（第１の板ばね４７と第２の板ばね４８）の状態を示す図であり（スイッチ３はＯＦＦ状態である。）、図５（ｂ）は、電池パック１００を電気装置１０１に完全に装着した時のカムとスイッチ３の２つの接触片の状態を示す図である（スイッチ３はＯＮ状態である。）。
第１の板ばね４７と第２の板ばね４８はりん青銅で形成されており、それぞれ図５の上方向（凹部２３の奥に向かう方向）に戻るばね力が働くように取り付けられている。第１の板ばね４７は図５の右方向にある図示しない支点を中心として時計方向に回転するばね力が働くように取り付けられており、第２の板ばね４８は図５の左方向にある図示しない支点を中心として反時計方向に回転するばね力が働くように取り付けられている。

図５（ａ）において、電気装置１０１と電池パック１００とが分離している時、第１の板ばね４７は第１のカム４１によって図５の下方に押された状態（凹部２３の入口方向に最も変位した状態）であり、第２の板ばね４８は第２のカム４２によって図５の上方に押された状態（凹部２３の奥方向に最も変位した状態）である。電池パック１００を電気装置１０１に装着すると、凸部３３が凹部２３に嵌合し、第１及び第２のラック４５、４６によって第１及び第２の歯車４３、４４がそれぞれ時計方向及び反時計方向に回転駆動され、第１及び第２のカム４１、４２が回転し、図５（ｂ）の状態になる。図５（ｂ）において、電池パック１００を電気装置１０１に完全に装着した時、第１の板ばね４７は第１のカム４１の中心に最も近づいた状態（凹部２３の奥方向に最も変位した状態）であり、第２の板ばね４８は第２のカム４２によって図５の下方に押された状態（凹部２３の入口方向に最も変位した状態）である。図５（ｂ）において、第１の板ばね４７は第１のカム４１からわずかに離れており、第１の板ばね４７の先端近傍に設けられた接点が、第２の板ばね４８の先端に設けられた接点と接触している。スイッチ３は閉じており、第２の電流経路１０（図１）が導通する。

一般ユーザは、電気装置１０１に設けられた２つのラックと完全に同一のラックを、手作りの充電器に設けることが出来ない。一般ユーザが、手作りの（不正規の）充電器を作成し、その充電器が誤って電池パック１００の放電端子６から充電電流を供給しようとした場合、スイッチ３が開いているので充電電流は流れない。手作りの充電器が、充電端子７から充電電流を供給しようとした場合、充電制御用スイッチング素子５と、ヒューズ４とが、過大な充電電流が流れること、電池１が過充電されること、電池１が過熱するまで充電することを防止する。上記の構成により、電池パック１００が放電端子６から不適切に充電されることを防止できる。

スイッチ３それ自体が第２の電流経路１０の一部であっても良いが、スイッチ３を電気装置と電池パックとの結合を検出する検出素子とし、スイッチ３が電気装置と電池パックとの結合を検出した場合は、第２の電流経路１０を導通させるスイッチング回路（リレー又は半導体のスイッチング素子）を別個設けても良い。例えば、スイッチ３が電気装置と電池パックとの結合を検出した場合、スイッチング回路は第２の経路１０を導通させ、その状態で充電電流が流れた場合（電流検出部１５が検出する。）は、保護ＩＣ２は異常状態と判断し、スイッチング回路を再び遮断するように構成しても良い。これにより、第２の経路１０を通って電池パック１００が充電されることを確実に防止できる。電池パック１００と、不正な充電器とを分離すると、磁気検知素子がそのことを検知し、保護ＩＣ２は異常状態のフラグをリセットする。

ラックと歯車との機構は任意に構成可能である。実施の形態１では、第１の歯車４３と第２の歯車４４との半径、ピッチ及び歯の形状を同一し、第１のラック４５の長さと第２のラック４６の長さを異なるものとしたが、第１のラック４５の長さと第２のラック４６の長さを同一の長さとしても良く、第１の歯車４３の半径と第２の歯車４４の半径とが異なっても良い。第１の歯車４３（及び第１のラック４５）と第２の歯車４４（及び第２のラック４６）との間で、半径、ピッチ及び歯の形状が異なっていても良い。

上記の構造により、正規の凸部及びラックを有する電気装置に電池パックを装着すると、電池パックのスイッチが導通して、電池パックの放電端子から電気装置に電力が供給される。一方、所定の位置に正規の形状の凸部及びラックを持たない充電器又は電気装置（例えばユーザの手作りの充電器又は電気装置）に電池パックを装着した場合は、歯車が適切に所定の角度だけ回転しない故に、スイッチの接点が導通せず、電池パックは放電端子を通じて充電されず又は放電しない。
電池パックの歯車及びカムの機構は不透明な筐体の中に格納されている故に、ユーザはこの機構の存在に気がつきにくい。

《実施の形態２》
図６及び図７を用いて、本発明の実施の形態２のリチウムイオン電池を用いた電池パック及び電気装置を説明する。実施の形態２の電池パック、充電器及び電気装置は、図１に示すブロック図を有する。実施の形態２の電池パック及び電気装置は、図２及び３に示す概略的な形状及び接続機構を有する。図１〜３については実施の形態１と同一であるので説明を省略する。本発明の実施の形態２の電気装置は電動工具である。
実施の形態２の電池パックは、実施の形態１と異なるカム機構及びスイッチの接触片を有する。それ以外の点において、実施の形態２の電池パックは、実施の形態１と同一である。実施の形態２の電気装置及び充電器は、実施の形態１と同一である。以下、実施の形態２の特有の構成を説明する。

図６は、実施の形態２の電気装置１０１に電池パック１００を装着する直前の状態における、電気装置１０１の凸部３３及び電池パック１００の凹部２３の近傍を拡大した模式的な水平断面図である。電気装置１０１の凸部３３の両側面には、左右異なる形状の２つのラック（第１のラック４５と第２のラック４６）が設けられている。電池パック１００の凹部２３の両側面には２つの歯車（第１の歯車４３と第２の歯車４４）が設けられている。

第１の歯車４３の中心軸には第１のカム６１が取り付けられている。第１のカム６１は、円を、中心を通らない所定の弦で断ち切った形状を有する。第１の歯車４３が回転すると、回転トルクが軸を通じて第１のカム６１に伝達され、第１のカム６１が回転する。第２の歯車４４の中心軸には第２のカム６２が取り付けられている。第２のカム６２は、楕円形状を有し、その焦点の１つに中心軸を有する。第２の歯車４４が回転すると、回転トルクが軸を通じて第２のカム６２に伝達され、第２のカム６２が回転する。電気装置１０１の凸部３３の両側面に設けられたラックの位置及び長さは、第１のカム６１及び第２のカム６２の回転角度及び回転するタイミングの設計値に応じて決められる。実施の形態２において、電池パック１００を電気装置１０１に装着することにより、第１のカム６１は時計方向に１８０度回転し、第２のカム６２は反時計方向に９０度回転する。電池パック１００を電気装置１０１から取り外す時、上記の歯車及びカムは逆方向に動く。

図７は、電池パック１００のカムとスイッチ３の２つの接触片の動きを説明するための図である。図７（ａ）は、電気装置１０１と電池パック１００とが分離している時のカムとスイッチ３の２つの接触片（第１の板ばね６７と第２の板ばね６８）の状態を示す図であり（スイッチ３はＯＦＦ状態である。）、図７（ｂ）は、電池パック１００を電気装置１０１に完全に装着した時のカムとスイッチ３の２つの接触片の状態を示す図である（スイッチ３はＯＮ状態である。）。
第１の板ばね６７と第２の板ばね６８はりん青銅で形成されており、第１の板ばね６７は図７の左方向（凹部２３の奥に向かって左方向）に戻るばね力が働くように取り付けられている。第２の板ばね６８は図７の上方向（凹部２３の奥に向かう方向）に戻るばね力が働くように取り付けられている。第１の板ばね６７は図７の上方向にある図示しない支点を中心として時計方向に回転するばね力が働くように取り付けられており、第２の板ばね６８は図７の左方向にある図示しない支点を中心として反時計方向に回転するばね力が働くように取り付けられている。

図７（ａ）において、電気装置１０１と電池パック１００とが分離している時、第１の板ばね６７は第１のカム６１によって図７の右方向に押された状態（凹部２３の奥に向って右方向に最も変位した状態）であり、第２の板ばね６８は第２のカム６２によって図７の上方に押された状態（凹部２３の奥方向に最も変位した状態）である。電池パック１００を電気装置１０１に装着すると、凸部３３が凹部２３に嵌合し、第１及び第２のラック４５、４６によって第１及び第２の歯車４３、４４がそれぞれ時計方向及び反時計方向に回転駆動され、第１及び第２のカム６１、６２が回転し、図７（ｂ）の状態になる。図７（ｂ）において、電池パック１００を電気装置１０１に完全に装着した時、第１の板ばね６７は第１のカム６１の中心に最も近づいた状態（凹部２３の奥に向って左方向に最も変位した状態）であり、第２の板ばね６８は第２のカム６２によって図７の下方に押された状態（凹部２３の入口方向に最も変位した状態）である。図７（ｂ）において、第１の板ばね６７は第１のカム６１からわずかに離れており、第１の板ばね６７の先端近傍に設けられた接点が、第２の板ばね６８の先端に設けられた接点と接触している。スイッチ３は閉じており、第２の電流経路１０（図１）が導通する。

図７（ｂ）において、第１の板ばね６７の接点が、第２の板ばね６８の接点である窪みにはまり込むようにして接触する。電気装置１０１の凸部３３に、図６に示す位置に正規の形状のラックが形成されていなければ（即ち第１のカム６１及び第２のカム６２が所定のタイミングで所定の角度回転しなければ）、図７（ｂ）のように第１の板ばね６７の接点が、第２の板ばね６８の接点である窪みにはまり込むことが出来ない。

スイッチ３は、実施の形態１及び２と異なる構成であっても良い。例えばスイッチのいずれか一方の接触片のみをカム機構で動かし、他方の接触片を固定としても良い。

実施の形態１及び２では、二次電池１をリチウムイオン電池としたが、これに限らず、他の電池であっても良い。もっとも、リチウムイオン電池は、過充電を絶対に防止する必要がある故、本発明は、リチウムイオン電池を用いた電池パックに適している。スイッチは、放電端子と二次電池との間に設置されているが、これに限らず、充電端子と二次電池との間、もしくは、接地端子と二次電池との間に設置されていても良い。

本発明は、例えば、電動工具の電力供給システムに適用することが出来る。

本発明の実施の形態１の電池パックと電気装置と充電器との構成を示すブロック図本発明の実施の形態１の電池パックと電気装置の概略的な形状及び接続機構を側面から示した図本発明の実施の形態１の電池パックと電気装置の概略的な形状及び接続機構を上部から示した図本発明の実施の形態１における、電気装置の凸部及び電池パックの凹部の近傍を拡大した模式的な水平断面図図５（ａ）実施の形態１における、接点が導通していない状態のカムと板ばねの位置を示す図、図５（ｂ）実施の形態１における、接点が導通している状態のカムと板ばねの位置を示す図本発明の実施の形態２における、電気装置の凸部及び電池パックの凹部の近傍を拡大した模式的な水平断面図図７（ａ）は実施の形態２における、接点が導通していない状態のカムと板ばねの位置を示す図、図７（ｂ）は実施の形態２における、接点が導通している状態のカムと板ばねの位置を示す図従来例の電池パックと電気装置と充電器との構成を示すブロック図

符号の説明

１二次電池
２保護ＩＣ
３スイッチ
４、８３ヒューズ
５、８２充電制御用スイッチング素子
６放電端子
７充電端子
８、３８、５８接地端子
９第１の電流経路
１０第２の電流経路
１１、８１放電制御用スイッチング素子
１４第３の電流経路
１５電流検出部
１６電池セル電圧検出部
１７正特性サーミスタ
２２第１の接続コネクタ
２３凹部
３２第２の接続コネクタ
３３凸部
３６電流入力端子
３９負荷回路
４１、６１第１のカム
４２、６２第２のカム
４３第１の歯車
４４第２の歯車
４５第１のラック
４６第２のラック
４７、６７第１の板ばね
４８、６８第２の板ばね
５７電流出力端子
５９充電回路
８４第４の電流経路
８６充放電共用端子
１００、８００電池パック
１０１、８０１電気装置
１０２、８０２充電器

Claims

充電端子と、放電端子と、共通端子とを有する着脱可能な第１の接続コネクタと、
第１の端子と第２の端子とを有する１又は複数の二次電池セルと、
前記二次電池セルの前記第１の端子と、前記充電端子とを接続する第１の経路と、
前記二次電池セルの前記第１の端子と、前記放電端子とを接続する第２の経路と、
前記二次電池セルの前記第２の端子と、前記共通端子とを接続する第３の経路と、
前記第１の接続コネクタに接続される電気装置に電池パックを装着する時、前記電気装置の所定の位置に取り付けられたラックと係合し回転駆動される少なくとも１つの歯車と、
前記歯車の回転により駆動されるカム機構と、
前記第２の経路の、前記第１の経路と共有しない経路に挿入されるスイッチであって、前記カム機構の駆動によりその２つの接触片の少なくともいずれか一方が動かされ、電池パックを前記電気装置に装着すると接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと接点が開くスイッチと、
を有することを特徴とする電池パック。
前記電気装置に電池パックを装着する時、前記電気装置の所定の位置に設けた凸部と嵌め合う凹部であって、前記凸部の側面の少なくとも１つに設けた前記ラックと係合する前記歯車を側面に取り付けた凹部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記電気装置に電池パックを装着する時、前記電気装置の所定の位置に設けた凸部と嵌め合う凹部であって、前記凸部の２つの側面に設けた互いに異なる形状の２つのラックとそれぞれ係合する２つの歯車を側面に取り付けた凹部と、
それぞれの前記歯車の回転により駆動される２つのカム機構と、
を有し、
前記スイッチは、２つの前記カム機構の駆動によりその２つの接触片が動かされ、前記電池パックを前記電気装置に装着すると接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと接点が開くことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記二次電池セルがリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の電池パック。
充電端子と放電端子と共通端子とを有する着脱可能な第１の接続コネクタと、第１の端子と第２の端子とを有する１又は複数の二次電池セルと、前記二次電池セルの前記第１の端子と前記充電端子とを接続する第１の経路と、前記二次電池セルの前記第１の端子と前記放電端子とを接続する第２の経路と、前記二次電池セルの前記第２の端子と前記共通端子とを接続する第３の経路と、少なくとも１つの歯車と、前記歯車の回転により駆動されるカム機構と、前記第２の経路の、前記第１の経路と共有しない経路に挿入されるスイッチであって前記カム機構の駆動によりその２つの接触片の少なくともいずれか一方が動かされ、電池パックを前記電気装置に装着すると接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと接点が開くスイッチと、を有する電池パックの前記第１の接続コネクタと接続される着脱可能な第２の接続コネクタと、
前記共通端子と接続される前記第２の接続コネクタの第３の端子と、前記放電端子と接続される前記第２の接続コネクタの第４の端子と、それぞれ両端が接続される負荷回路と、
所定の位置に取り付けられ、電池パックを前記電気装置に装着すると前記スイッチの接点が閉じ、電池パックを前記電気装置から外すと前記スイッチの接点が開くように、前記電池パックを電気装置に装着すると前記歯車と係合し、前記歯車を回転駆動するラックと、
を有することを特徴とする電気装置。
前記電気装置が電動工具であることを特徴とする請求項５に記載の電気装置。