JP5395771B2

JP5395771B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5395771B2
Application number: JP2010212730A
Authority: JP
Inventors: 元治武藤; 尚武田中
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012066333A; WO2012039418A1

Description

本発明は、電動工具、殊に二次電池を内蔵する着脱自在な電池パックを備えている電動工具に関するものである。

電動工具における電池パックは、出力電圧に応じて直列に接続する電池セル数を変えた電池パックが各々用意されており、軽作業と重作業とを共に行う場合、各作業に合わせて出力電圧が異なる複数の電池パックと各電池パックに対応する工具本体とを組み合わせて作業を行うか、重作業に適した電池パック及び対応する工具本体で全ての作業を行うことが多い。

しかし、複数の電池パックや複数種の工具本体を用意しておくのはコストが嵩む。また、重作業用のもので軽作業も行う場合は、非常に微妙な操作が求められ、作業が難しいものとなる。

このために特開平１０−２９１７２号公報には、電池パック内に納められている複数の電池セルのうちの１つ（あるいは２つ以上）を電池セルと同形状で＋端子と−端子を短絡してあるダミー電池に変更することで電池パックから出力する電圧を変更するものが提案されている。

しかし、作業中に電圧の変更を行うには、電池セルとダミー電池の入れ換えが必要であり、電圧変更を簡便に行うことはできない。

電池パック内の電池セル間の接続を切り替える電圧切替部を電池パックに設けて、電池パックの出力電圧を変更できるようにするものも考えられるが、電動工具では一つの工具本体に対して複数の電池パックを購入することが一般的であるために、電池パック側に電圧切替部を設けたのでは全体的なコストが高くなるとともに電池パックが大型化してしまうことになる。

また、工具本体は内蔵するモータの仕様によって適合する電圧範囲が決まることになるが、電池パック側に電圧切替部を設けると、適合しない電圧の電池パックが工具本体に接続される虞が生ずることになる。

特開平１０−２９１７２号公報

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、単一の電池パックで複数の電圧を簡単に選択でき、一つの工具本体と電池パックとで幅広い作業領域をカバーできる電動工具を提供することを課題とするものである。

本発明は、複数の２次電池が接続された組電池を内蔵する電池パックと、該電池パックを電源として動作する駆動部を有する工具本体とからなる電動工具において、上記電池パックは異なる電圧を出力することができる複数の端子を備えており、上記工具本体は上記電池パックの端子を通じて駆動部に供給される電圧を選択する電圧切替部を備えていることに特徴を有している。

上記工具本体は、上記電池パックにおける複数の端子に夫々接続される複数の電源接続端子を備えており、上記電圧切替部は、上記複数の電源接続端子と駆動部との間の接続をオンオフするスイッチであるものを好適に用いることができるほか、上記工具本体は、上記電池パックにおける複数の端子に選択的に接続される電源接続端子を備えており、上記電圧切替部は上記電源接続端子の上記選択のための位置の変更機構であってもよい。後者の場合、端子の数を減らすことができる上にスイッチが不要となるためにコストを抑えることができる。

また、工具本体は電圧操作部を備えており、上記電圧切替部は電圧操作部の操作に従って電圧を切り替えるもののほか、工具本体は上記駆動部の状態を検出する検出部を備えているとともに、該検出部で検出された状態に合わせて電圧切替部に電圧を切り換えさせる制御部を備えているものであってもよい。

本発明においては、使い方にあわせて自由に電圧を切り替えることができるために、さまざまな作業に対応できるものであり、しかも工具本体側に電圧切替部があるために、電動工具の種類に応じて切り替えができる電圧範囲を制限することができ、使用者に対応電圧を意識させなくてもすむために、使い勝手が良いものであり、また対応していない電圧に切り替えることができないようにできるために、工具本体の破損等を防ぐこともできる。

本発明の実施の形態の一例のブロック回路図である。同上の斜視図である。同上の電池パックの斜視図である。同上の工具本体の斜視図である。同上のモータのトルク−回転数の特性図である。他例の斜視図である。同上の回路図である。 (a)(b)は更に他の例における工具本体の部分斜視図である。同上の回路図である。他例の回路図である。別の例の回路図である。他の例の回路図である。さらに別の例における電池パックの回路図である。

本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図２に示す電動工具はドリルドライバーと称されるタイプのもので、チャックハンドル１５を先端に有するとともに駆動用のモータや減速器等が内部に配されている工具本体１と、工具本体１の中ほどから延出されたグリップ部１１の先端に着脱自在とされている電池パック２とからなる。図中１２はトリガースイッチハンドル、１３は正逆回転切り替えスイッチ、１４は吊り下げ用のクリップである。

上記電池パック２は、図１に示すように、二次電池である電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３を複数内蔵するとともに、これら電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が直列に接続されたもので、外部接続用として、図３にも示すように、電池セルＣ１の陰極に接続された端子Ｂ−と、電池セルＣ３の陽極に接続された端子Ｂ３のほかに、電池セルＣ１，Ｃ２間に接続された端子Ｂ１と、電池セルＣ２，Ｃ３間に接続された端子Ｂ２を備えており、３種類の異なる電圧を出力することができるものとなっている。

そして工具本体１側における電池パック接続部であるグリップ部１１の下端には、図４にも示すように、４つの電源接続端子Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が設けられており、電池パック２を装着した時には、これら電源接続端子Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が電池パック２の端子４つの端子Ｂ−，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に夫々接続される。

なお、電池パック２における各端子Ｂ−，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の位置は、出力電圧に応じて規定した位置に設けており、工具本体１の電源接続端子Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３も同様に規定した位置に設けている。

工具本体１内には、上述のモータである駆動部３と駆動部３の状態を検出する検出部４、駆動部３への通電を制御するためのスイッチング部５、上記トリガースイッチ１２や正逆回転切り替えスイッチ１３等を含む操作部６、上記スイッチング部５の動作を制御する制御部７、制御用電源部８のほかに、電圧切替部９が設けられている。

電源接続端子Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が入力側に接続された電圧切替部９は、駆動部３に接続される電源接続端子Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を切り替えることで、駆動部３に印加される電圧を切り替えるもので、機械接点を持ったロータリースイッチで電圧切替部９を構成した場合の一例を図６及び図７に示す。図７中の４１は駆動部（モータ）３の温度検出用のサーミスタ、４２はモータ電流を検出する電流検出部であり、上記検出部４を構成するこれらサーミスタ４１及び電流検出部４２は制御部７に検出結果を入力する。

操作部６における前記トリガースイッチ１２は、電動工具のオンオフ及び回転数の調整のためを行うためのもので、トリガスイッチの引き量に比例して変動する可変ボリュームを内蔵しており、上記引き量に応じた電圧を制御部７に出力する。制御部７はマイクロコンピュータで構成されており、操作部６のトリガースイッチ１２の操作量をＡＤ変換して読み取り、内部にセットされたテーブルに従ってスイッチング部５をＰＷＭ駆動するとともにデューティ比の変更でモータの回転を制御する。上記スイッチング部５にはＮｃｈＦＥＴを用いて、制御部７からスイッチング部５（ＦＥＴ）のゲートにＰＷＭ信号を送り、直流モータである駆動部３を制御している。

駆動部３である直流モータは、図５に示すように、印加電圧が一定であればトルクと回転数の関係は直線になり、印加電圧を上げると最高回転数と起動トルクとを大きくすることができるために、より負荷の高い作業をすることができる。

従ってこの電動工具では、例えば端子Ｂ１に接続された端子Ｉ１に切り替えることで、軽作業に適した電圧を駆動部３に印加することができ、端子Ｂ３に接続された端子Ｉ３に切り替えることで、重作業に適した電圧を駆動部３に印加することができる。

このような機能をもつ電動工具であれば、通常よりトルクが必要な作業をする場合、わざわざ高いトルクを出せる高電圧の電動工具を購入して用意する必要なく対応することができ、逆に必要以上の出力をだすと作業対象が破損してしまう場合は、電圧を低く設定することで間違っても破損しないようにすることができる。

また、電動工具では、想定されている作業や駆動部（モータ）の性能に応じて使用できる電圧の範囲が異なっているが、電池パック２側にではなく、工具本体１側に電圧切替部９を設けていることから、電動工具の種類に応じて切り替えができる電圧範囲を工具本体１に設定しておくことができるものであり、使用者にしてみれば、工具本体１が対応している電圧を意識せずに常に適合する範囲内の電圧の電池パック２を使用することができるものであり、また対応していない電圧が入力されることがないために、工具本体１の破損等を防ぐこともできる。

駆動部３に高い電圧を入力した場合、最高回転数や起動トルクを上げられるが、モータ電流も増えるために長時間の使用で温度上昇が激しくなり、発熱・発煙の状態に至る虞がある。前記検出部４はモータ保護のためにモータの状態を検出する検知部を設け、異常を制御部７へフィードバックすることでモータを保護するためのもので、図７に示す電流検出部４２は、モータ出力後に電流検出抵抗をつけその両端電圧をオペアンプで増幅し制御部７に入力するものとして形成し、サーミスタ４１はモータ温度を検出する。

今、使用者が電圧切替９により端子Ｂ３（電源電圧端子Ｉ３）に切り替えると、電圧があがり可能な作業範囲が広くなる反面、モータ電流も増えモータ温度が上昇していく。そして電流検出部４２がスイッチング部５での最大電流以上を検出した場合や、サーミスタ４１でモータ巻線の耐熱温度を越える温度を検出した場合、制御部７はＰＷＭのオン時間を短くすることで電流値を落とし、更なる発熱を抑制する。また、さらに温度が上昇するようであれば、モータを停止する機能をもつ。

保護のために検出する情報としては、モータの駆動電流やモータの温度以外にも、ギアブロックの温度、モータの回転数やギア等で増減速された後の回転数などを用いることができる。

なお、制御用電源部８は、電圧切替部９の操作による電圧切替や電池残量にかかわらず、一定電圧の制御用電圧を制御部７及び検出部４に供給する。ちなみに電池パック２内の電池セルをリチウム電池とした場合、図示例の３つの電池セルを有する電池パック２から供給できる電圧範囲は、１セル当たりの最高電圧を４．２Ｖ、最低電圧を２Ｖとすると、２Ｖ〜１２．６Ｖとなる。従って制御部７が５Ｖ駆動の場合、制御用電源部８には昇降圧回路を用いることになる。

上記の例では電圧切替部はＧＮＤであるＢ−を固定し、Ｂ１〜Ｂ３を切り替えることで電圧を切り替えているが、Ｂ３を固定し、回路のＧＮＤ側をＢ−〜Ｂ２を切り替えることでも同様の効果を得ることができる。

電圧切替部９としては、機械接点を持ったスイッチのほかに、図８及び図９に示すように、工具本体１に設けた２つの電源接続端子Ｉ０，Ｉ１のうちの少なくとも一方をスライド操作で位置を変更することができるものとしたものであってもよい。図示例では、電源接続端子Ｉ１を電池パック２の端子Ｂ１か端子Ｂ２か端子Ｂ３のいずれかと接続される位置に変更することで、駆動部３に印加される電圧を切り替えることができるようにしている。この場合、電圧切替のための接点が不要となるためにコストを抑えることがでる。

電圧切替用のスイッチを半導体素子やリレーで置きかえたものを用いてもよい。半導体素子（ＰｃｈＦＥＴ）Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で置きかえたものを図１０に示す。電圧操作部１６からの入力信号によって、制御部７が半導体素子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれかをオンとすることで電圧を選択するものである。半導体素子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を用いた場合、接点の磨耗がないために寿命が大幅に伸ばすことができる。また、機械的スイッチ接点を使った場合、電圧操作部の物理的動きによって切り替えるために、電圧操作部１６を接点近傍にまたはリンク機構で操作できる範囲に設置しなければならず、これに伴って電圧操作部１６の設置場所が制限されてしまうことになるが、半導体素子の場合、電圧操作部１６は電気的に接続されていればよいために、任意の位置におくことができ、デザインに制約がなくなる上に、物理的な操作量も必要ないために、電圧操作部１６を小信号用タクトスイッチ等の電子スイッチで構成することができ、作業をしている最中でも電動工具を握っている指がくる部分、またはその近傍、例えば図２の正逆切替スイッチ１３の近傍に設置することで、グリップを握りなおしたり、他方の手で操作しなくても切り替え操作が可能となり、非常に使い勝手がよいものとなる。

電動工具をどちらの手で握っていても操作ができる位置、たとえばグリップ部１１正面（トリガスイッチ１２付近）でグリップ部１１を握る手指で隠れてしまわない部分に配置すると、さらに使い勝手がよいものとなる。

また、半導体素子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３としては、上記ＰｃｈＦＥＴのほかに、ＰＮＰトランジスタなどを用いることもできる。ただし、駆動電流が小さい工具では問題ないが、ドリルドライバのように定常でも駆動電流が２０Ａを超える場合は、トランジスタだと発熱が大きくて体格の大きな放熱板等が必要となる。

図１１に示すように、駆動部３のグランドラインを切り替えることで電圧の切り替えを行う場合は、半導体素子Ｔ１〜Ｔ３として、ＮｃｈＦＥＴまたはＮＰＮトランジスタを使用すればよい。特に、ＮｃｈＦＥＴの方がＰｃｈＦＥＴよりコストが安く、かつオン抵抗の小さいものが豊富にあるために放熱板を小さくでき、コストダウンを図ることができる。

上記の各例は、使用者の電圧切り替え操作によって電圧切り替えがなされるものであるが、たとえば作業中のモータ回転数の変化を監視し、この結果に応じて制御部７が自動で電圧切り替えを行うようにしてもよい。この場合の一例を図１２に示す。ここでは電圧切替部９を制御部７によってオンオフ制御される半導体素子Ｔ１〜Ｔ３で構成するとともに、検出部４としてサーミスタ４１と電流検出部４２のほかに、回転数検出用のエンコーダ４３を設けており、エンコーダ４３によって検出されるモータ回転数の変化を基に制御部７が電圧切り替えを行う。

例えば、半導体素子Ｔ２をオンとすることで端子Ｂ２及び電源接続端子Ｉ２を通じて駆動部３に電流を供給することで通常作業を行っている時、負荷が増大して（例えば木の節に刃が噛み込んだ時）モータ回転数が低下すれば、エンコーダ４３を通じて回転数の低下を検出した制御部７は、半導体素子Ｔ３をオン、半導体素子Ｔ２，Ｔ１をオフとして、供給される電圧を高くしてモータのトルクを引き上げることで、作業を続行することができるようにするのである。このように検出部４で検出される値から制御部７が自動で電圧を切り替えることで、使用者が操作する手間を省いて作業性を向上させることができる。

もちろん、スイッチング部５の破壊がないように電流検出部４２での電流の監視と、モータの発熱による破損防止のためにサーミスタ４１で温度監視を行い、端子Ｂ３（電源接続端子Ｉ３）に切り替えた後、異常を検出したならば、制御部７はモータの停止または回転数を落とす。

なお、駆動部３の状態に合わせた電圧自動切替は、電圧操作部１６による電圧手動切替と併用するものであってもよい。また、駆動部３の状態に応じて好ましい電圧を使用者に対して表示し、使用者がこの表示に応じて電圧操作部１６で電圧の切り替えを行うものとしてもよい。

複数の電圧を取り出すことができる電池パック２としては、電池セルの接続に関していろいろ考えられるが、図１及び図７に示す電池パック２、つまり直列に接続した複数の電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の中間タップから端子Ｂ１，Ｂ２を引き出したものでは、単一電圧のみを取り出すことができる従来の電池パック２に対して、新たに電池セルを追加する必要がないために、従来と同じ大きさでありながら、複数の電圧を取り出せる電池パック２を安価に得ることができる。

電池パック２うちの電池セルの接続については、図１３に示すように、電池セルＣ１〜Ｃ３を直列に接続した組電池と、電池セルＣ４，Ｃ５を直列に接続した組電池２と、電池セルＣ６のみで構成した３組の電池を設けて、これら３組の電池に端子Ｂ３，Ｂ２，Ｂ１を接続したものを用いることもできる。もちろん、図示例以外のものであってもよく、異なる複数の電圧を出力することができる電池パック２であれば、本発明に適用することができる。

１工具本体
２電池パック
３駆動部
４検出部
５スイッチング部
６操作部
７制御部
８制御用電源部
９電圧切替部

Claims

複数の２次電池が接続された組電池を内蔵する電池パックと、該電池パックを電源として動作する駆動部を有する工具本体とからなる電動工具であり、上記電池パックは異なる電圧を出力することができる複数の端子を備えており、上記工具本体は上記電池パックの端子を通じて駆動部に供給される電圧を選択する電圧切替部を備えていることを特徴とする電動工具。
上記工具本体は、上記電池パックにおける複数の端子に夫々接続される複数の電源接続端子を備えており、上記電圧切替部は、上記複数の電源接続端子と駆動部との間の接続をオンオフするスイッチであることを特徴とする請求項１記載の電動工具。
上記工具本体は、上記電池パックにおける複数の端子に選択的に接続される電源接続端子を備えており、上記電圧切替部は上記電源接続端子の上記選択のための位置の変更機構であることを特徴とする請求項１記載の電動工具。
工具本体は電圧操作部を備えており、上記電圧切替部は電圧操作部の操作に従って電圧を切り替えるものであることを特徴とする請求項１または２記載の電動工具。
工具本体は上記駆動部の状態を検出する検出部を備えているとともに、該検出部で検出された状態に合わせて電圧切替部に電圧を切り換えさせる制御部を備えていることを特徴とする請求項１または２または４記載の電動工具。