JP4447182B2

JP4447182B2 - 電池式電動工具

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Publication number: JP4447182B2
Application number: JP2001106793A
Authority: JP
Inventors: 均鈴木
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: JP2002305037A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池から供給される電力により作動する回路を備えた電池式電動工具に関し、詳しくは電池に蓄えられている電荷の不要な放電を防止するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池式電動工具は、コードレスで作業を行うことができるため、その利便性から広く普及してきている。このような電池式電動工具では、作業を行うことで電池の残容量が減るため、その残容量が所定量以下となると電池を交換（又は充電）する必要が生じる。かかる電池の交換作業（充電可能な電池の場合には充電作業をも含む）は使用者にとって煩わしいものであることから、電池に蓄えられた電荷の不要な放電を防止し、できるだけ長時間電池交換等を行うことなく電動工具を使用したいという要求が生じている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電池式電動工具では、作業品質の確保の面から電池の残容量が少なくなったときにモータ等の駆動源を停止する技術は提案されているものの、電池に蓄えられた電荷の不要な放電を防止する技術は提案されていない。
本発明は、上述した実情に鑑みなされたものであり、その目的は、電池に蓄えられた電荷の不要な放電を防止することができる電池式電動工具を実現する。
【０００４】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記課題を解決するため本願の電池式電動工具は、電池から供給される電力から制御回路用の電源をつくる制御電源回路を備えた電池式電動工具であって、電池と制御電源回路の間には、電池の出力電圧が設定電圧より高いときに制御電源回路に入力する電圧を設定電圧以下とする保護回路が設けられ、その保護回路の動作は電池の出力電圧が設定電圧よりも低い第１の電圧以下となるとオフされる。
ここで、「設定電圧」は保護回路の特性を考慮して制御電源回路（例えば、レギュレータ（ＩＣ素子）等）の最大定格電圧内で適宜設定することができる。
また、「第１の電圧」も制御電源回路の最大定格電圧内で適宜設定することができる。
上記電動工具では、電池の出力電圧が設定電圧及び第１の電圧よりも高いときは、保護回路が作動して制御電源回路に入力する電圧が設定電圧以下とされる。また、電池の出力電圧が第１の電圧よりも低くなると、保護回路の動作がオフされて保護回路による電力の消費が無くなる。したがって、電池の過電圧から制御電源回路を保護しつつ、制御電源回路の保護が不要となったときには保護回路による不要な電力消費が防止される。このため、電池に蓄えられた電荷の不要な放電が防止される。
【０００５】
上記の電池式電動工具において、さらに、電池と保護回路の間には、電池からの出力を受けて保護回路を介して制御電源回路に電力を供給する電源回路が設けられ、その電源回路の動作は電池の出力電圧が第１の電圧よりも低い第２の電圧以下となるとオフされることが好ましい。
ここで、「第２の電圧」は、電池の残容量に基づいて上記第１の電圧より低い値を適宜設定できる。
このような構成によれば、電池の残容量が少なくなり電池の出力電圧が第２の電圧以下となると、電源回路の動作がオフされて制御電源回路への電力供給が停止する。したがって、制御電源回路による電力の消費がなくなり、電池に蓄えられた電荷の不要な放電が防止される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
上述した請求項のいずれかに記載の電池式電動工具は、以下に記載の形態で好適に実施することができる。
（形態１）請求項１又は２に記載の電池式電動工具において、設定電圧は保護回路の特性を考慮して制御電源回路の最大定格電圧より低く設定されることが好ましい。このような形態によると、保護回路の特性を考慮して設定電圧が定められるので、制御電源回路に最大定格電圧を越える電圧が入力することを防止することができる。
（形態２）請求項１又は形態１に記載の電池式電動工具において、第１の電圧は制御電源回路の最大定格電圧とされることが好ましい。このような形態によると、保護回路の動作が早いタイミングでオフされるため、保護回路での不要な電力の消費を抑えることができる。
（形態３）請求項２に記載の電池式電動工具において、第２の電圧は電池の放電特性に基づいて設定されることが好ましい。このような形態によると、電池の放電特性に基づいて第２の電圧が設定されるため、電池に蓄えられた電荷を効率的に使用することができる。すなわち、電池に蓄えられた電荷が電動工具を使用可能な程度に残っている段階では電源回路がオフされることがないようにすることができる。
ここで、電池の放電特性とは、例えば、公称電圧、放電曲線、放電終止電圧、放電深度等の特性値をいう。
（形態４）請求項１又は２に記載の電池式電動工具において、電池は電動工具本体から脱着可能な充電式電池であり、保護回路は電動工具本体に設けられる。このような形態によれば、電動工具本体に取付けられる電池の電圧が異なる場合にも、制御電源回路が電池の過電圧から保護される。
（形態５）電池から供給される電力から制御回路用の電源をつくる制御電源回路を備えた電池式電動工具であって、電池と制御電源回路の間に設けられて、電池の出力電圧が設定電圧より高いときに制御電源回路に入力する電圧を設定電圧以下とする保護回路と、電池の出力電圧が第１の電圧以下となると信号を出力する電池電圧検出回路と、電池電圧検出回路から出力された信号により保護回路への通電を遮断するスイッチと、を有する。
（形態６）電池により作動する作動回路を備えた電池式電動工具であって、電池と作動回路の間に設けられて、電池からの出力を受けて作動回路に電力を供給する電源回路と、電池の出力電圧が予め設定された電圧以下となると信号を出力する電池電圧検出回路と、電池電圧検出回路から出力される信号により電源回路への通電を遮断するスイッチと、を有する。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明を具現化した一実施例に係る電動工具を、図１を参照して説明する。図１は本実施例に係る電動工具の要部回路図である。図１に示すように、本実施例の電動工具では、電池パックＢＰの出力電圧は、電源回路２０及び保護回路３０を介して制御電源回路５０に入力するようになっている。
電池パックＢＰは、ニッケル・カドミウム電池のセルを内蔵しており、充電可能となっている。この電池パックＢＰは、電動工具の電池収容部に収容されたときに、電池パックＢＰの電池接点が接点ＣＮ１，ＣＮ２に接続されるようになっている。したがって、電動工具の使用時には充電済みの電池パックＢＰが電動工具の電池収容部に収容されて制御電源回路５０に電力を供給し、使用後は電池収容部から取出されて交換される。
【０００９】
上述した電池パックＢＰが接続される電源回路２０は、制御電源回路５０への電力供給をオン−オフ制御する回路であり、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ６、コンデンサＣ１により構成されている。
具体的には、電池パックＢＰの電池接点が接続される接点ＣＮ１は、トランジスタＴＲ１のエミッタ端子に接続されるとともに、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びコンデンサＣ１を介してアース線に接続されている。このトランジスタＴＲ１のベース端子は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続されており、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子は抵抗Ｒ３、Ｒ４を介してアース線に接続されている。なお、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子は、保護回路３０に接続されるとともに、後で詳述する電池電圧検出回路４０に接続される（図中Ｖ_ＢＡＴ）。
上述した抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１の接続点には、トランジスタＴＲ２のコレクタ端子が接続されている。このトランジスタＴＲ２のエミッタ端子はアース線に接続され、ベース端子は抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の接続点に接続されている。抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の接続点には、さらにトランジスタＴＲ３のコレクタ端子が接続されている。このトランジスタＴＲ３のエミッタ端子はアース線に接続され、そのベース端子は、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続点に接続されている。この抵抗Ｒ５の他端には、後述するバッテリ電圧検出回路４０の比較器ＯＰ２の出力端子が接続され、抵抗Ｒ６の他端はアース線に接続されている。
【００１０】
上述した電源回路２０は、逆流防止用のダイオードＤ１を介して保護回路３０に接続されている。保護回路３０は、制御電源回路５０に入力する電圧を制御電源回路５０の最大定格電圧内とするための回路であり、ツェナーダイオードＺＤ、トランジスタＴＲ５、抵抗Ｒ７〜Ｒ９等により構成されている。
具体的には、電源回路２０を構成するトランジスタＴＲ１のコレクタ端子は、ダイオードＤ１を介して抵抗Ｒ７の一端に接続されている。抵抗Ｒ７の他端は、ツェナーダイオードＺＤのカソード端子及びコンデンサＣ２に接続されるとともに、後述する制御電源回路５０の入力端子に接続されている。ツェナーダイオードＺＤは、電池パックＢＰの出力電圧が高いとき（ツェナー電圧より高いとき）に、カソード端子側からアノード端子側に電流（ツェナー電流）を流すことで制御電源回路５０に入力する電圧をツェナー電圧以下とする保護素子である。このツェナーダイオードＺＤは、保護素子間のバラツキ、動作環境（周囲温度、ツェナー電流等）による影響が大きい。このため、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧は、制御電源回路５０の最大定格電圧よりも低い値に設定している。
上記ツェナーダイオードＺＤのアノード端子は、トランジスタＴＲ５のコレクタ端子に接続される。このトランジスタＴＲ５のエミッタ端子はアース線に接続され、ベース端子は抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９の接続点に接続されている。この抵抗Ｒ９の他端はアース線に接続されており、また、抵抗Ｒ８の他端は、上述したコンデンサＣ２に接続されるとともに、次に説明する電池電圧検出回路４０の比較器ＯＰ１の出力端子に接続されている。
【００１１】
次に、上述した電源回路２０及び保護回路３０と接続される電池電圧検出回路４０について説明する。電池電圧検出回路４０は、電池パックＢＰの出力電圧が予め設定された第１電圧（請求項でいう第２の電圧に相当する）となったときに保護回路３０の動作をオフし、電池パックＢＰの出力電圧が予め設定された第２電圧（＜第１電圧；請求項でいう第３の電圧に相当する）となったときに電源回路２０の動作をオフする。この電池電圧検出回路４０は、二つの比較器ＯＰ１、ＯＰ２と、二つの基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ１０〜Ｒ１２により構成されている。
具体的には、上述した電源回路２０のトランジスタＴＲ１のコレクタ端子（Ｖ_ＢＡＴ）は、電池電圧検出回路４０の抵抗Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２を介してアース線に接続される。この抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１の接続点は、比較器ＯＰ１のプラス端子に接続される。したがって、比較器ＯＰ１のプラス端子には、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子の電圧（すなわち、電池パックＢＰの出力電圧）を抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１・Ｒ１２とにより分圧された電圧が入力する。また、比較器ＯＰ１のマイナス端子には基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１が接続され、比較器ＯＰ１の出力端子は、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ８を介して上述した保護回路３０のトランジスタＴＲ５のベース端子に接続されている。したがって、この比較器ＯＰ１のプラス端子に入力する電圧が基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１の電圧より大きいと、比較器ＯＰ１の出力はハイレベルとなってトランジスタＴＲ５をオンし、一方、比較器ＯＰ１のプラス端子に入力する電圧が基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１の電圧より小さいと、比較器ＯＰ１の出力はローレベルとなってトランジスタＴＲ５はオフされる。このトランジスタＴＲ５のオン−オフによって、保護回路３０の動作がオン−オフされることとなる。
また、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２の接続点には、比較器ＯＰ２のマイナス端子が接続されている。したがって、比較器ＯＰ２のマイナス端子には、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子の電圧（すなわち、電池パックＢＰの出力電圧）を抵抗Ｒ１０・Ｒ１１と抵抗Ｒ１２とにより分圧された電圧が入力する。また、比較器ＯＰ２のプラス端子には基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ２が接続され、比較器ＯＰ２の出力端子には、抵抗Ｒ５を介して前述した電源回路３０のトランジスタＴＲ３のベース端子が接続されている。このため、比較器ＯＰ２のマイナス端子に入力する電圧が基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ２の電圧より大きいと、比較器ＯＰ２の出力はローレベルとなってトランジスタＴＲ３がオフされ、一方、比較器ＯＰ２のマイナス端子に入力する電圧が基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ２の電圧より小さいと、比較器ＯＰ２の出力はハイレベルとなってトランジスタＴＲ３はオンされる。このトランジスタＴＲ３のオン−オフによって、電源回路２０の動作がオン−オフされることとなる。
上述の説明から明らかなように、二つの基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２により発生する電圧と、抵抗Ｒ１０〜Ｒ１２の値を適宜調整することによって、第１電圧となったときに保護回路３０の動作をオフし、第２電圧となったときに電源回路２０の動作をオフすることができる。なお、本実施例では、第１電圧を制御電源回路５０の最大定格電圧とし、第２電圧を電池パックＢＰの公称電圧の０．８倍の電圧としている。
【００１２】
上述した電源回路２０及び保護回路３０を介して電力が供給される制御電源回路５０は、電動工具の駆動源（モータ）を制御するための制御回路に電源を供給する回路であり、本実施例では集積回路（ＩＣチップ；３端子レギュレータ）を中心に構成されている。なお、この制御電源回路５０には、その最大定格電圧が電池パックＢＰの満充電時の電圧（公称電圧の約１．２倍）より小さいものが使用されている。
【００１３】
次に、上述のように構成される回路の動作を説明する。まず、満充電の電池パックＢＰが電動工具の電池収容部に収容されたときの動作を説明する。
電池パックＢＰが電池収容部に収容されると、電池パックＢＰの電池接点が接点ＣＮ１，ＣＮ２に接続される。このため、電池パックＢＰから抵抗Ｒ１及びＲ２を介してコンデンサＣ１に電流が流れ、コンデンサＣ１が充電される。抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を電流が流れると、トランジスタＴＲ１のベース端子に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点の電圧が入力し、トランジスタＴＲ１がオンされる。
トランジスタＴＲ１がオンされると、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子の電圧が電池パックＢＰの出力電圧（Ｖ_ＢＡＴ）となり、抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４に電流が流れる。このため、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の接続点の電圧がトランジスタＴＲ２のベース端子に入力し、トランジスタＴＲ２がオンされる。これによって、抵抗Ｒ２の一端（抵抗Ｒ１の接続端と逆側）がアース線に接続され（グランドされ）、コンデンサＣ１への充電が停止する。この状態では、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を電流が流れつづけるため、トランジスタＴＲ１はオン状態が維持される。
また、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子は、電池電圧検出回路４０の抵抗Ｒ１０の一端に接続されている。このため、比較器ＯＰ１のプラス端子には電池パックＢＰの出力電圧を抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１・Ｒ１２で分圧した電圧が入力し、比較器ＯＰ２のマイナス端子には電池パックＢＰの出力電圧を抵抗Ｒ１０・Ｒ１１とＲ１２で分圧した電圧が入力する。ここで、電池パックＢＰが満充電時には、比較器ＯＰ１のプラス端子に入力する電圧（電池パックＢＰの出力電圧に基づく電圧）は基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１の電圧より大きく、同じく、比較器ＯＰ２のマイナス端子に入力する電圧（電池パックＢＰの出力電圧に基づく電圧）は基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１の電圧より大きい。したがって、比較器ＯＰ１の出力はハイレベルとなり、比較器ＯＰ２の出力はローレベルとなる。このため、保護回路３０のトランジスタＴＲ５はオンされて、ツェナーダイオードＺＤのアノード端子がアース線に接続される。このため、ツェナーダイオードＺＤを介してアース線に流れるツェナー電流によって、電池パックＢＰの出力電圧はツェナー電圧まで低下して制御電源回路５０に入力されることとなる。また、比較器ＯＰ２の出力はローレベルであるためトランジスタＴＲ３はオフされたままである。したがって、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２はオン状態を維持し電源回路２０の動作はオフされない。
【００１４】
次に、電動工具を使用して電池パックＢＰの出力電圧（トランジスタＴＲ１のコレクタ端子の電圧）が第１電圧より低くなったときの動作を説明する。電池パックＢＰの出力電圧が第１電圧より低くなると、電池電圧検出回路４０の比較器ＯＰ１のプラス端子に入力する電圧が低下し、基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ１の電圧より低くなる。したがって、比較器ＯＰ１の出力はハイレベルからローレベルに変化する。これによって、トランジスタＴＲ５がオフされ、ツェナーダイオードＺＤへの通電が遮断される。したがって、保護回路３０の動作がオフされて、電池パックＢＰの出力電圧が直接制御電源回路５０の入力端子に入力することとなる。
なお、電池パックＢＰの出力電圧が第１電圧より低くなっても、比較器ＯＰ２のマイナス端子に入力する電圧は、基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ２の電圧より高い。したがって、比較器ＯＰ２の出力はローレベルの状態のまま維持され、電源回路２０の動作はオフされない。
【００１５】
最後に、電池パックの残容量が少なくなり、電池パックＢＰの出力電圧が第２電圧より低くなったときの動作を説明する。電池パックＢＰの出力電圧が第２電圧より低くなると、電池電圧検出回路４０の比較器ＯＰ２のマイナス端子に入力する電圧は低下し、基準電圧発生器Ｖ_ｒｅｆ２の電圧より低くなる。したがって、比較器ＯＰ２の出力はローレベルからハイレベルに変化し、トランジスタＴＲ３がオンされることとなる。トランジスタＴＲ３がオンされると、トランジスタＴＲ３のコレクタ端子（すなわち、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の接続点）がアース線に接続され、トランジスタＴＲ２がオフされる。トランジスタＴＲ２がオフされると、抵抗Ｒ１、Ｒ２に電流が流れなくなってトランジスタＴＲ１がオフされる。これによって、電源回路２０の動作がオフされ、制御電源回路５０への電力の供給が停止する。
【００１６】
上述した説明から明らかなように、本実施例に係る電動工具では、電池パックの出力電圧が制御電源回路の最大定格電圧より高いときには保護回路が作動して、制御電源回路に入力する電圧を最大定格電圧より低い値（ツェナー電圧）とする。したがって、制御電源回路に、電池パックの満充電時の出力電圧に耐えることができる最大定格電圧を有する高価なＩＣを用いる必要がない。
また、電池パックの出力電圧が制御電源回路の最大定格電圧となると保護回路の動作がオフ（保護回路への通電が遮断）されるため、保護回路による不要な電力の消費、すなわち電池パックＢＰの不要な電荷の放電が防止される。
特に、本実施例では、保護素子としてツェナーダイオードを用いている。このツェナーダイオードは、簡易な構成で保護回路を構成できる反面、その素子間の特性のバラツキ、動作環境（周囲温度、ツェナー電圧）による特性への影響の大きさから、ツェナー電圧を制御電源回路の最大定格電圧より低く設定する必要が生じる。したがって、ツェナーダイオードによるリーク電流は無視できないものとなって電池に蓄えられた電荷の不要な放電が行われ、長時間放置すると電池パックが過放電を起こすこととなる。しかしながら、本実施例に係る電動工具では、電池パックの出力電圧が最大定格電圧以下となると保護回路の動作がオフされるため、上述した問題（ツェナーダイオードによる過放電）が生じることがない。
さらには、電池パックの残容量が少なくなり出力電圧が所定の電圧（本実施例では、公称電圧の０．８倍）となると、電源回路がオフされて制御電源回路への電力供給がオフ（通電が遮断）される。したがって、制御電源回路そのものへの電力供給が遮断され、電池パックの過放電が防止される。
【００１７】
以上、本発明の好適な一実施例について詳細に説明したが、これは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、上述した実施例の電池電圧検出回路は、比較器により電池パックの出力電圧を検出し、電源回路又は保護回路の動作をオフする信号を出力するようにしたが、このような形態に限られず、例えば、マイクロコンピュータ等によって電池電圧検出回路を構成することもできる。
また、上述した実施例では、保護回路の動作をオフするために保護回路への通電を遮断するようにしたが、本発明はこのような形態に限られず、保護回路への電流が実質的に流れないようにする他の手段を採用することもできる。例えば、電池パックの出力電圧が最大定格電圧以下となると、保護回路への電気抵抗を高くして、保護回路に電流が実質的に流れないようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る電動工具の要部回路図。
【符号の説明】
ＢＰ・・電池パック
２０・・電源回路
３０・・保護回路
４０・・電池電圧検出回路
５０・・制御電源回路

Claims

電池から供給される電力から制御回路用の電源をつくる制御電源回路を備えた電池式電動工具であって、
電池と制御電源回路の間には、電池の出力電圧が設定電圧より高いときに制御電源回路に入力する電圧を設定電圧以下とする保護回路が設けられ、その保護回路の動作は電池の出力電圧が前記設定電圧よりも低い第１の電圧以下となるとオフされることを特徴とする電池式電動工具。
請求項１に記載の電池式電動工具において、さらに、電池と保護回路の間には、電池からの出力を受けて保護回路を介して制御電源回路に電力を供給する電源回路が設けられ、その電源回路の動作は電池の出力電圧が前記第１の電圧よりも低い第２の電圧以下となるとオフされることを特徴とする電池式電動工具。
請求項１又は２に記載の電池式電動工具において、保護回路はツェナーダイオードを有していることを特徴とする電池式電動工具。