JP5505678B2 - 電池パックおよび電池パックを用いた電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池を使用する電池パックおよびそれを用いた電動工具に関し、特に、電池パックに所定値以上の過負荷電流を通電した場合、過電流状態を防止できる保護回路を有する電池パック、およびそれを用いた電動工具に関する。

電動工具においてコードレス電動工具を駆動する駆動電源として、比較的に高容量化が可能なリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の二次電池によって構成された電池パックが広く使用されている。これらの電池パックは、過放電を防止し、サイクル寿命特性を向上させるために、例えば、特許文献１に開示されるように、過放電防止回路を有するものが使用されている。特に、リチウムイオン電池を使用する電池パックは、高容量化および軽量化ができる点で有利であるが、過充電または過放電もしくは過電流を行うと、電池の劣化または発火の可能性があるので、一般には電池パック内に専用の保護ＩＣ（保護回路）を設け、過充電、または過放電もしくは過電流を監視して所定の充電電圧値以上、または所定の放電電圧値以下の場合もしくは過電流が所定値以上の場合、保護回路が、過充電信号または過放電・過電流信号の制御信号を充電器回路または負荷回路（放電回路）に出力し、該制御信号に基づき充電または放電経路を遮断するという二次電池の保護対策が行われている。例えば、下記特許文献１には、上記技術と類似するものが開示されている。

従来知られた、リチウムイオン二次電池および保護回路を実装する電池パックにおいて、所定値以上の過負荷電流の通電時間が二次電池を損傷しない許容時間内であれば、その過渡的な過負荷電流の検出によって、電池パックを負荷回路から直ちに遮断しないように設計されている。このため、電池パックの保護回路は、過負荷電流が不感応時間設定手段によって設定した許容時間を経過して通電された場合のみ、過負荷制御信号を出力し、電池パックの接続を負荷回路から遮断するように構成されている。すなわち、電池パックの保護回路に用いられる過負荷電流検出回路は、過負荷電流の通電に対して所定の不感応時間を設定する不感応時間設定手段を有し、その不感応時間を経過した後に、負荷回路を遮断するための過負荷制御信号を出力するように構成されている。

上記不感応時間設定手段は、一般に充電用コンデンサを持つ充電回路を使用し、過負荷電流の通電期間中に上記コンデンサに定電流源より充電電流を供給することにより該コンデンサの充電電圧が所定値になる時の充電時間を不感応時間として設定している。

特開２００３−１６４０６６号公報

しかしながら、電動工具の電動モータの駆動電源となる電池パックのように、負荷となる電動モータがパルス駆動され、しかもＰＷＭ制御によりパルス駆動のデューティ比が可変されるパルス状過負荷電流を給電する電池パックでは、上記不感応時間は、ＰＷＭ制御のデューティ比が１００％または直流供給時における不感応時間に基づいて設定されるため、不感応時間（許容通電時間）は比較的短く設定される。このため、ＰＷＭ制御のデューティ比が比較的小さいパルス状過負荷電流に対しては、許容通電時間に対して比較的短い不感応時間を経過した後に過負荷制御信号が出力されることになる。

その結果、過負荷制御信号の出力によって電動モータへの通電が、過負荷電流を検出してから比較的短い許容時間内に停止されることになる。特に、パルス駆動のＰＷＭ制御のデューティ比を比較的小さく制御した場合、狭いパルス幅を持つパルス状過負荷電流となるので、電動工具の過負荷電流の検出時における不感応時間は、電池パックが損傷しない最大許容通電時間に対して短い時間内に設定されることになる。このため、パルス過負荷電流に対しては、最大許容通電時間より比較的短い時間内で電動工具のモータを停止させることになり、その結果、過負荷電流時における電動工具の使い勝手を悪くするという問題を生じる。例えば、ドライバ電動工具のドライバ締付け作業が終了寸前での過負荷電流の検出により、締付け作業途中で、電動モータが停止するような不都合を生じる場合がある。

従って、本発明の一つの目的は、上記問題点を解消し、過負荷電流がパルス幅の狭いパルス電流時には、過負荷電流を検出するまでの不感応時間を遅延させる遅延制御手段を有する電池パックおよびそれを用いた電動工具を提供することにある。

本発明の他の目的は、電動モータの駆動回路をＰＷＭ制御のパルス駆動回路によって構成する場合に好適な電池パックおよびそれを用いた電動工具を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、トリガスイッチによりＰＷＭ制御のデューティ比を可変させるモータ駆動回路を具備する電動工具を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に従って開示される発明のうち、代表的なものの要約を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴によれば、単数または複数の電池セルから成る二次電池と、該二次電池の放電経路に所定電流値以上の過電流が通電された場合、その過電流の通電期間が所定の不感応時間を経過した時に過負荷信号を出力する保護回路と、を具備する電池パックにおいて、前記保護回路は、前記過電流が通電されない期間に前記不感応時間を遅延させるための遅延制御手段を具備する。

本発明の他の特徴によれば、前記保護回路は、前記不感応時間を設定するコンデンサを有する充電回路を具備し、前記過電流の通電期間中に前記コンデンサに充電電流を供給することにより該コンデンサの充電電圧が所定値になる時の充電時間によって前記不感応時間を設定し、前記遅延制御手段は、前記コンデンサに放電用半導体スイッチング素子を並列接続した放電回路を具備し、前記過電流が通電されない期間に前記放電用スイッチング素子をオンさせて前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させるように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池パックは、負荷に直列接続されて負荷電流を通電または遮断するようにパルス駆動信号で駆動される駆動用半導体スイッチング素子を具備するパルス駆動回路の駆動電源として使用され、前記駆動用半導体スイッチング素子がオフしている期間、前記パルス駆動信号に同期して、前記放電用半導体スイッチング素子をオンさせることによって前記不感応時間を遅延させるように制御する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池パックの放電回路は、前記放電用半導体スイッチング素子と直列接続された放電用抵抗を有し、該放電用抵抗と前記コンデンサの時定数に従って前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させるように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池パックの二次電池は、リチウムイオン電池である。

本発明のさらに他の特徴によれば、電動モータを駆動し、その回転速度を制御するモータ制御回路装置を備える電動工具本体と、前記モータ制御回路装置に電源を供給する、単数または複数の電池セルから成る二次電池および該二次電池の放電経路に所定電流値以上の過電流が通電された場合、その過電流の通電期間が所定の不感応時間を経過した時に過負荷信号を出力する保護回路を有する電池パックと、を具備する電動工具において、前記モータ制御回路装置は、前記電池パックに対して前記電動モータと直列接続され、パルス駆動信号によってオン、オフ制御される駆動用半導体スイッチング素子を具備し、前記保護回路は、前記パルス駆動信号に基づいて前記不感応時間を遅延させる遅延制御手段を有する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電動工具において、保護回路は、前記不感応時間を設定するコンデンサを有する充電回路を具備し、前記過電流の通電期間中に前記コンデンサに充電電流を供給することにより該コンデンサの充電電圧が所定値になる時の充電時間によって前記不感応時間を設定し、前記遅延制御手段は、前記コンデンサに放電用半導体スイッチング素子を並列接続した放電回路を具備し、前記駆動用半導体スイッチング素子がオフされている期間に前記放電用スイッチング素子をオンさせて前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させる。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電動工具において、前記パルス駆動信号は、パルス周期を一定にしてパルス幅を変化させるＰＷＭ駆動信号である。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電動工具において、前記モータ制御回路装置は、前記ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を可変するためのトリガスイッチ手段を有する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電動工具において、前記放電回路は、前記放電用半導体スイッチング素子と直列接続された放電用抵抗を有し、該放電用抵抗と前記コンデンサの時定数に従って前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させるように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電動工具において、前記電池パックの二次電池は、リチウムイオン電池である。

上記本発明の特徴によれば、不感応時間を遅延させるための遅延制御手段を有するので、過負荷電流が通電されて過負荷状態となってから過負荷制御信号を出力するまでの不感応時間を遅延させることが可能となり、パルス幅の比較的狭いパルス状過負荷電流の許容通電時間を遅延することができる。これによって、過負荷電流時における使い勝手を向上させた電池パック、およびその電池パックを用いた電動工具を提供することができる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかにされる。

以下、本発明を、電池パックを用いた電動工具（ドライバ工具）に適用した一実施形態について、図１乃至図９を参照して詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材または特性を示す図面には同一の符号を付し、その繰返しの説明を省略する場合がある。

［電動工具の組立構成］
電動工具は、図１の構成図（外観図）に示すように、電動工具本体７７と、電池パック５５とから構成される。電動工具本体７７は、後述する電動モータ６０と、電動モータ６０から動力伝達機構（図示なし）を介して駆動される先端工具（例えば、ドライバビット）７9と、電動モータ６０を電気的に制御するためのトリガスイッチ６１と、を具備する。後述するように、電池パック５５は、リチウムイオン二次電池８〜１０（図２参照）と、本発明に係る保護ＩＣ（保護回路）１１および不感応時間の遅延制御手段５４とが収納されている。

［電池パックの回路構成］
図２は、実施形態に係る電池パック５５および電動工具本体７７の回路機能ブロック図を示す。電池パック５５の回路構成について図２を参照して説明する。
電池パック５５は、リチウムイオン二次電池の３個の電池セル８、９および１０を直列接続した公称電圧１０．８Ｖ（充電時電圧１２Ｖ）の組電池と、電池セル８〜１０の少なくとも一つに近接して配置され電池セルの温度を検出するためのサーマルプロテクタ（感温スイッチ）４０と、放電電流（負荷電流）を検出するためのシャント抵抗７と、電池セル８〜１０の少なくとも一つに近接して配置され電池セルの温度を測定するためのサーミスタ５１と、保護ＩＣ１１と、制御出力回路５７とを内蔵している。この電池パック５５に内蔵する電池セルの個数は、要求される公称電圧に対応して変更できる。さらに、電池パック５５は単一の電池セルによって構成してもよい。

電池パック５５は、さらに、充電用プラス端子１と、放電用プラス端子２と、充電・放電用マイナス端子３と、サーミスタ５１による電池組（電池セル）の温度変化に基づく抵抗値変化の信号を測定するためのサーミスタ５１の抵抗検出端子（温度端子）４と、過電流または過放電の検出信号（制御信号）を出力するための過電流・過放電信号端子５と、過充電の検出信号（制御信号）を出力するための過充電信号端子６とを有し、さらに本発明に従って設けられた、後述する放電回路５４を制御するための遅延制御入力端子５６を有する。

電池パック５５と電動工具本体７７の電気的接続は、端子２、３、５および５６を介して行われる。すなわち、電池パック５５の電池電圧は、端子２および端子３を介して、電動工具本体７７へ給電され、過電流・過放電信号端子５の出力制御信号に基づいて、電動工具本体７７に内蔵されている制御回路装置（モータ駆動回路）を制御し、また電動工具本体７７のＰＷＭ制御を実行するＰＷＭＩＣ６３からのＰＷＭ制御信号が遅延制御入力端子５６を介して本発明によって接続された放電回路５４の半導体スイッチング素子２２に入力される。

一方、電池パック５５と充電器８８の電気的接続は、端子１、３、４および６を介して行われる。すなわち、電池パック５５を充電する場合には、一対の充電用の端子１および３を介して充電器８８から電池パック５５に電力を供給し、過充電信号端子６の制御信号およびサーミスタ５１の抵抗検出端子４の制御信号に基づいて充電器８８の充電動作を制御する。

サーマルプロテクタ４０は、例えば、電池セル８〜１０から発熱する温度に応答して変形するバイメタル接点を用いた感温スイッチ素子であり、過充電により電池セル８〜１０の温度が所定温度以上（例えば、８０℃以上）に上昇すると、バイメタル接点を開くことにより充電経路を遮断し、電池セル８〜１０に供給する充電電流を遮断するように動作する。特に、このサーマルプロテクタ４０は、本発明者等が先の出願「特願２００７−２６４３１２号」で提案したように、放電時の電池セル８〜１０の所定温度以上（例えば、８０℃以上）の異常温度上昇を検出する検出手段としても利用される。

保護ＩＣ１１は、図示されていないが、比較回路（入力信号検出回路）、検出時間設定回路（コンデンサ充電回路を含む）および制御信号出力回路から構成される周知のＩＣを適用することができる。電池セル８〜１０の過電流、過放電および過充電を監視して、それらを検出した場合は、図４の電池パックの回路機能表に示すように、保護ＩＣ１１のＯＶ端子１７およびＤＣＨＧ端子１８に過充電および過電流・過放電信号を示す制御信号を制御出力回路５７へ出力する。

このために、保護ＩＣ１１の入力端子Ｖ３（１４）には、電池セル８の正極側電極の電圧変化が、積分回路（時定数回路）を形成する抵抗４３およびコンデンサ４８によって平均化されて入力される。同様に、保護ＩＣ１１の入力端子Ｖ２（１３）および入力端子Ｖ１（１２）には、電池セル９の正極側電極の電圧変化、および電池セル１０の正極側電極の電圧変化が、抵抗４４とコンデンサ４９による積分回路、および抵抗４５とコンデンサ５０による積分回路をそれぞれ介して入力される。保護ＩＣ１１の端子Ｖ３（１４）〜Ｖ１（１２）における電池電圧の変化は、図４に示したように、保護ＩＣ１１によって充電時の最大セル電圧に対応する最大基準電圧（４．３Ｖ／セル）と比較され、過充電であるか否かが判定され、逆に、放電時の最低セル電圧に対応する最低基準電圧（２．０Ｖ／セル）と比較されて、過放電であるか否かが判定される。

一方、保護ＩＣ１１は、検出用抵抗７に流れる放電電流（負荷電流）を検出するための入力端子Ｖｃｃ（１５）およびＣＳ端子（１６）を有する。入力端子Ｖｃｃには、組電池（電池セル８〜１０）の正極側電圧が、積分回路（時定数回路）を形成する抵抗４２およびコンデンサ４７によって平均化されて入力され、入力端子ＣＳには、端子Ｖｃｃの入力電圧から、検出用抵抗７に流れる放電電流よる電圧降下分を差し引いた電圧が、積分回路（時定数回路）を形成する抵抗４１およびコンデンサ４６によって平均化されて入力される。抵抗７の抵抗値を、例えば、５ｍΩに設定し、端子Ｖｃｃおよび端子ＣＳ間の電圧降下が、１５０ｍＶ以下であるか否かを検出することによって、最大放電電流値が３０Ａ以下であるか否かを検出し、過電流を判定する。

すなわち、図４に示すように、保護ＩＣ１１は、各電池セル８〜１０の電池電圧を監視することによって充放電時に生じる過充電および過放電を検出し、この検出結果に応じて出力端子ＯＶ（１７）およびＤＣＨＧ（１８）から過充電信号および過放電信号を出力する。また、抵抗７の両端電圧を監視することにより過電流を検出し、この検出結果に応じて出力端子ＤＣＨＧ（１８）から過電流制御信号を出力する。

制御出力回路５７は、出力用ＦＥＴ（スイッチング素子）２９、３４および３６と、動作電位を設定するための抵抗２７、２８、３０、３３および３５と、ダイオード３１および３２を具備して成る。制御出力回路５７の各ＦＥＴ２９、３４および３６の動作は、図４に示すとおりである。

保護ＩＣ１１は、制御信号を出力するための出力端子ＯＶ（１７）および出力端子ＤＣＨＧ（１８）を有するが、図４に示すように、出力端子ＯＶは、オープンコレクタ端子より構成され、通常はハイインピーダンス（ＨｉＺ）を示しており、制御出力回路５７の抵抗３５がクランプ抵抗として動作することによりＨｉ信号（ハイ信号）を出力するが、過充電状態となると、Ｌｏ信号（ロウ信号）を出力する。また、出力端子ＤＣＨＧは、通常はＬｏ信号を出力するが、過電流または過放電状態となると、Ｈｉ信号を出力する。

保護ＩＣ１１は、さらに、検出時間を遅延させるためのコンデンサ接続端子ＣＯＶ（２１）、ＣＤＬ（２０）およびＣＤＣ（１９）を有する。すなわち、コンデンサ接続端子ＣＯＶには、過充電検出時の不感応時間を設定するためのコンデンサ２４が接続され、コンデンサ接続端子ＣＯＬには、過電流検出時の不感応時間を設定するためのコンデンサ２５が接続される。また、コンデンサ接続端子ＣＤＣには、過放電検出時の不感応時間を設定するためのコンデンサ２６が接続される。

本発明によれば、特に、上記過電流検出時の不感応時間（Ｔｒ）を設定するコンデンサ２５には、不感応時間を遅延させるための遅延制御手段５４が接続される。この遅延制御手段５４によって、電池パック５５に所定値以上の過負荷電流（Ｉｏ）が通電してから、その通電を遮断するまでの不感応時間（Ｔｒ）、すなわち通電許容時間を適切に設定し、過負荷電流時の通電許容時間を負荷状態に応じて遅延させることによって、過負荷電流時の使い勝手を向上させるものである。特に、後述する電動工具のモータ６０のパルス駆動回路７８（図２参照）のように、パルス状の過負荷電流が電池パック５５に通電する場合は、最大通電許容時間内において、不感応時間を出来る限り長く設定するように機能する。

本発明の実施形態に従う遅延制御手段は、図３の機能ブロック図に示すように、Ｐチャンネル絶縁ゲート型ＦＥＴ（以下、単に「ＦＥＴ」と称する）から成る半導体スイッチング素子２２と放電用抵抗２３との直列回路から成るコンデンサ放電回路５４を具備する。このＦＥＴ２２のゲート電極には、電池パック５５の遅延制御入力端子５６を介して、後述する電動工具本体７７のモータ駆動回路７８から出力された制御信号が入力される。これによって、ＦＥＴ２２は、二次電池８〜１０のシャント抵抗７に過負荷電流Ｉｏが通電している期間において、オフ状態に制御され、過負荷電流Ｉｏが通電しない期間において、オン状態に制御される。

不感応時間Ｔｒの一つの設定例は、電池パック５５に過負荷電流Ｉｏが通電される期間中に、充電用コンデンサ２５に充電電流（定電流）を供給することにより、該コンデンサ２５の充電電圧が所定値になるまでの充電時間によって規定する。このため、保護ＩＣ１１には、図３の機能ブロック図に示したように、過負荷電流に対する過電流検出回路５２と、コンデンサ充電回路５３とを含んでいる。過電流検出回路５２によって二次電池８〜１０のシャント抵抗７に流れる過負荷電流Ｉｏが所定電流値以上の過電流を検出すると、コンデンサ充電回路５３が、検出した時点から定電流源を介してコンデンサ２５に充電電流を供給し、コンデンサ２５を充電する。充電を継続してコンデンサ２５の充電電圧が所定値Ｖｃｒに達すると、保護ＩＣ１１は、過電流状態が不感応時間Ｔｒを経過したものと判別し、所定の充電電圧Ｖｃｒに応答して保護ＩＣ１１のＤＣＨＧ端子１８より過電流制御信号（Ｈｉ信号）を出力する（図４参照）。この過電流制御信号（Ｈｉ信号）は、制御出力回路５７を介して電池パック５５の過電流・過放電端子５より、過電流制御信号（Ｌｏ信号）を出力する。

コンデンサ放電回路５４のＰチャンネルＦＥＴ２２は、上記過電流検出回路５２が所定値以上の過電流を検出している期間は、オフ状態に制御され、上記過電流検出回路５２が所定値以上の過電流を検出しない期間は、オン状態に制御される。例えば、二次電池８〜１０がパルス状過負荷電流を周期的に通電する場合、ＰチャンネルＦＥＴ２２は、パルス状負荷電流の通電期間に同期してオフ状態に制御され、逆に、パルス状負荷電流が通電されない期間に同期してオン状態に制御される。これにより、ＰチャンネルＦＥＴ２２はオン状態においてコンデンサ２５の放電回路を形成し、過電流を検出している期間にコンデンサ２５に蓄積された充電電圧を、放電し、低下させる。従って、コンデンサ２５の充電電圧が所定電圧Ｖｃｒに達するまでの充電時間、すなわち上記不感応時間を遅延させることができる。

ＦＥＴ２２をオンまたはオフさせるための制御信号は、制御入力端子５６を介してＦＥＴ２２のゲート電極に入力される。この制御信号は、例えば、電池パック５５を、後述する電動工具本体７７のモータ駆動電源として使用する場合、モータ駆動回路（パルス駆動回路）７８のＰＷＭ駆動信号となる。ＦＥＴ２２は、特にＰチャンネル型で構成するので、制御入力端子５６の入力信号がＨｉレベルのときオフ状態となり、Ｌｏレベルのときオン状態となり、ＰＷＭ駆動信号で駆動できる。特に、モータ駆動回路７８をパルス駆動回路で構成する場合、パルス駆動回路７８のＰＷＭ制御のデューティ比に応じて、ＰＷＭ制御信号で駆動されるＰチャンネル型ＦＥＴ２２のオン時間を可変させることができるので、ＰＷＭ制御のデューティ比（ＰＤ）を小さくする程、不感応時間（Ｔｒ）を長く制御することができる。この効果については、電動工具本体７７に適用した実施形態について後述する。

［電動工具本体の回路構成］
次に、電動工具本体７７の回路構成について、再び図２を参照して説明する。
電動工具本体７７は、先端工具７９（図１参照）を駆動するための直流モータ６０と、モータ６０を起動し、ＰＷＭ制御により回転制御を行うためのモータ駆動回路７８とを具備する。直流モータ６０およびモータ駆動回路７８は、上記電池パック５５のプラス端子２とマイナス端子３の間に負荷回路として電気的接続される。

モータ駆動回路（制御回路を含む）７８は、モータ６０をパルス駆動するために直列接続されたパワーＮチャンネル絶縁ゲート型ＦＥＴ６４（以下、単に「ＦＥＴ」と称する）と、ＦＥＴ６４のゲート回路に電気的接続され、パルス駆動信号をＰＷＭ制御するためのＰＷＭＩＣ（ＰＷＭ制御回路）６３と、ＰＷＭ制御のデューティ比ＰＤを設定するためのパルス幅設定回路６２と、パルス幅設定回路６２に制御信号を出力するためのトリガスイッチ６１と、を具備する。ＰＷＭＩＣ６３は、パルス幅設定回路６２の制御信号によって、ＰＷＭ駆動信号のＰＷＭ制御デューティ比ＰＤを可変する機能を持つ。図５は、トリガスイッチ６１の引込量（操作量）ｄと、パルス設定回路６２によって出力されるＰＷＭ制御のデューティ比ＰＤとの関係を示す。なお、ＰＷＭ制御のデューティ比ＰＤは、トリガスイッチ６１の引込量ｄに対して階段的に増加させるように制御してもよい。

さらに、モータ駆動回路７８は、モータ６０に所定値以上の過負荷電流が通電した場合、モータ６０の運転を停止させる保護用のパワーＮチャンネル絶縁ゲート型ＦＥＴ６７（以下、単に「ＦＥＴ」と称する）を具備する。また、ＦＥＴ６７には、Ｎチャンネル絶縁ゲート型ＦＥＴ６８（以下、単に「ＦＥＴ」と称する）と、動作電位を与えるための抵抗６９〜７２と、定電圧素子（ツェナーダイオード）７３、７５と、コンデンサ７４と、電池パック５５の制御出力端子５に逆電流防止用ダイオード６６を介して接続された抵抗６５（ＦＥＴ３４のドレイン抵抗）と、を具備する駆動回路が接続される。この駆動回路によって、過電流時に電池パック５５の制御出力端子５に出力される過電流制御信号（Ｌｏ信号）は、ＦＥＴ６７をオン状態からオフ状態に制御する。この場合、ＦＥＴ６７は、上記不感応時間Ｔｒの期間（通電許容時間）では、モータに流れる過負荷電流を通電し、不感応時間Ｔｒを経過した後に直ちにオフ状態となって過電流を遮断するように制御する。

［電動工具における電池パックの回路動作］
図７は、トリガスイッチ６１の引込量ｄが小さく、ＰＷＭＩＣ６３によるＰＷＭ制御のデューティ比ＰＤが比較的小さい値（例えば、２０％）を持つ変速域制御での保護回路１１における過負荷時の動作波形図を示す。図７の（ｄ）に示すように、ＰＷＭＩＣ６３（図２参照）が出力するＰＷＭ駆動信号は、信号レベルがＨｉの導通期間Ｔｏｎと、信号レベルがＬｏの非導通期間Ｔｏｆｆとを有する。

図７の（ｃ）に示すモータ６０の負荷電流Ｉｏは、モータの負荷トルクが大きい場合、ＦＥＴ６４をパルス駆動するＰＷＭ駆動信号の信号レベルがＨｉの導通期間Ｔｏｎ（図７の（ｄ）参照）において、許容電流の所定制限値ＩＬを超えた過電流（過負荷電流）状態となる。すなわち、図７の（ｃ）に示すように、ＰＷＭ駆動信号の導通期間Ｔｏｎの各期間ｔ１〜ｔ８において、負荷電流Ｉｏは、所定値ＩＬを超える過電流となる。

上記過電流検出回路５２（図３参照）が、このパルス状過負荷電流Ｉｏを検出すると、上記コンデンサ充電回路５３（図３参照）によってコンデンサ２５を定電流で充電する。すなわち、コンデンサ２５は、ＰＷＭ駆動信号の導通期間Ｔｏｎでのみ、定電流で充電される。このとき、本発明に従って接続されたコンデンサ放電回路５４のＰチャンネルＦＥＴ２２は、ＰＷＭ駆動信号が印加されているが、オフ状態にあるので、放電用抵抗２３を含む放電経路は形成されない。一方、ＰＷＭ駆動信号の非導通期間Ｔｏｆｆ（図７（ｄ）参照）では、ＰチャンネルＦＥＴ２２がオン状態となって、放電用抵抗２３を含む放電経路が形成され、コンデンサ２５の充電電圧Ｖｃｒは、ＰＷＭ駆動信号の非導通期間Ｔｏｆｆにおいて、抵抗２３との時定数に従って積極的に低下させられる。

このコンデンサ電圧Ｖｃは、図７（ｂ）に示すように、ＰＷＭ駆動信号の導通期間Ｔｏｎの各期間ｔ１〜ｔ８で定電流充電され、ＰＷＭ駆動信号の非導通期間Ｔｏｆｆで放電されるので、コンデンサ電圧Ｖｃが感応電圧値Ｖｃｒに達するまでの時間を不感応時間Ｔｒとして設定すると、不感応時間Ｔｒは、図７の（ｂ）に示すように、Ｔｒ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５＋ｔ６＋ｔ７＋ｔ８（＝８Ｔｏｎ）となる。つまり、本発明に従えば、ＰＷＭ駆動信号の非導通期間Ｔｏｆｆでコンデンサ電圧Ｖｃを積極的に放電させるので、コンデンサ電圧Ｖｃが所定の電圧値Ｖｃｒに達するためには、多くのＰＷＭ駆動信号の導通期間Ｔｏｎを必要とすることになり、結果的に不感応時間Ｔｒを遅延させることができる。

図７の（ａ）に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃが所定値Ｖｃｒに達して不感応時間Ｔｒを経過すると、過負荷電流Ｉｏは、モータ電流が許容時間以上に通電されているものと判別し、保護回路１１は、ＤＣＨＧ端子１８より過負荷信号（Ｈｉレベル信号）を出力する。この過負荷信号は、上述したように、制御出力回路５７のＦＥＴ３４を介して、モータ駆動回路７８の保護用ＦＥＴ６７をオフ状態に制御して、モータ６０に通電する過電流を遮断する。これによって、電池パック５５の二次電池８〜１０は、過電流から保護され、損傷を防止することができる。

図８は、図７に示した動作波形図と同じＰＷＭ制御のデューティ比ＰＤを持つ場合で、遅延制御手段（コンデンサ放電回路）５４をコンデンサ２５に並列接続しないときの過負荷時の動作波形図を示す。つまり、本発明の遅延制御手段５４による効果を検討するために遅延制御手段５４を除去した状態での不感応時間を検討したものである。図８の（ｂ）に示すように、ＰＷＭ駆動信号の非導通期間Ｔｏｆｆにおいて、コンデンサ電圧Ｖｃは、放電回路によって積極的に放電されることがないので、ＰＷＭ駆動信号の導通期間Ｔｏｎで充電されたときの充電電圧をそのまま保持することになる。

従って、遅延制御手段（５４）が無い場合、不感応時間Ｔｒは、Ｔｒ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４（＝４Ｔｏｎ）となり、上記した図７の（ｂ）に示す本発明の場合に比較して、半分以下に低下する。この場合、過電流が通電されると、短い不感応時間Ｔｒによってモータ駆動回路７８が遮断されるので、過負荷電流の検出時における電動工具の使い勝手が低下することになる。

図９は、トリガスイッチ６１の引込量ｄを大きくして、ＰＷＭ駆信号のデューティ比ＰＤを最大の１００％に設定した場合における過負荷時の動作波形図を示す。この場合の不感応時間Ｔｒは、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比ＰＤが１００％に制御されるので、モータ６０は、実質的に直流電圧によって駆動されることになり、本発明による遅延制御手段５４のＦＥＴ２２は、常にオフ状態となっている。従って、コンデンサ２５の充電電圧ＶｃはＦＥＴ２２によって放電されることはないので、不感応時間Ｔｒは、ＰＷＭデューティ比ＰＤが小さい場合に比較して、短い時間となる。すなわち、この不感応時間Ｔｒは、遅延制御手段５４が付加されない場合と同一時間となり、過負荷直流電流を速く遮断することができる。

以上の実施形態の説明から明らかにされるように、本発明によれば、モータ駆動回路のＰＷＭ駆動信号のデューティ比を小さく設定するに従って、不感応時間Ｔｒを長く制御することができる。このため、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比に応じてモータ電流の過負荷電流時における使い勝手を向上させることができ、所期の目的を達成することができる。図６は、駆動信号のＰＷＭ制御のデューティ比ＰＤと不感応時間Ｔｒの関係を示す特性図で、本発明による特性図Ａは、遅延制御手段がない場合の特性図Ｂに比較して不感応時間Ｔｒを長く遅延させることができる。

なお、上記実施態様において、放電用抵抗２３の抵抗値は、充電用コンデンサ２５の容量値または過負荷電流Ｉｏの非導通期間Ｔｏｆｆに対応して選択することができる。また、上記遅延制御手段を構成するＦＥＴ２２のゲートに入力する制御信号（オン信号）には、ＰＷＭ駆動信号（またはその逆相信号）以外の他の制御信号を用いることもできる。例えば、過負荷電流Ｉｏ（図７の（ｃ）参照）が所定の制限電流値ＩＬに達しない期間は、ＰＷＭ駆動信号の非導通期間ＴｏｆｆおよびＰＷＭ駆動信号の導通期間Ｔｏｎ（図７の（ｄ）参照）に係らず、オン状態に制御してコンデンサ２５の放電を促進させ、過負荷電流Ｉｏが所定の制限電流値ＩＬに達したときに、上記したように、ＰＷＭ駆動信号の非導通期間Ｔｏｆｆのみにオン状態に制御することもできる。さらに、電動工具本体は、ドライバ工具以外の他の回転工具であってもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

電池パックを用いた電動工具の構造図。 図１に示した電動工具の電池パックおよび工具本体の回路図。 図２に示した電池パックの保護ＩＣの一部分を示す機能ブロック図。 図２に示した電池パックの回路機能を示す表。 図２に示した電動工具本体のトリガスイッチ引込量とＰＷＭ制御のデューティ比の関係を示す特性図。 図２に示した電池パックのＰＷＭ制御のデューティ比と不感応時間の関係を示す特性図。 図２に示した電動工具の電池パックの保護回路において、本発明の遅延制御手段がある場合の動作波形図。 図２に示した電動工具の電池パックの保護回路において、本発明の遅延制御手段がない場合の動作波形図。 図２に示した電動工具の電池パックの保護回路において、ＰＷＭ制御のデューティ比が１００％の場合の動作波形図。

符号の説明

１：充電用プラス端子 ２：放電用プラス端子 ３：充放電用マイナス端子
４：サーミスタの抵抗検出用端子 ５：過電流・過放電制御信号端子
６：過充電制御信号端子 ７：シャント抵抗 ８、９、１０：電池セル
１１：保護回路（保護ＩＣ） １２：Ｖ１端子 １３：Ｖ２端子
１４：Ｖ３端子 １５：Ｖｃｃ端子 １６：ＣＳ端子 １７：ＯＶ端子
１８：ＤＣＨＧ端子 １９：ＣＤＣ端子 ２０：ＣＯＬ端子
２１：ＣＯＶ端子 ２２：ＦＥＴ ２３：抵抗
２４、２５、２６：コンデンサ ２７、２８、３０、３３、３５：抵抗
３１、３２：ダイオード ２９、３４、３６：ＦＥＴ
４０：サーマルプロテクタ ４１〜４５：抵抗 ４６〜５０：コンデンサ
５１：サーミスタ ５２：過電流検出回路 ５３：コンデンサ充電回路
５４：コンデンサ放電回路（遅延制御手段） ５５：電池パック
５６：遅延制御入力端子 ５７：制御出力回路 ６０：モータ
６１：トリガスイッチ ６３：ＰＷＭＩＣ ６４：ＦＥＴ ６５：抵抗
６６：ダイオード ６７、６８：ＦＥＴ ６９：抵抗 ７０、７１：抵抗
７３、７５：ツェナーダイオード ７４：コンデンサ ７７：電動工具本体
７８：モータ駆動回路 ７９：先端工具 ８８：充電器

Claims (12)

1. パルス幅変調信号により駆動される負荷に電流を供給する電源として使用される電池パックであって、
   二次電池と、
   該二次電池から前記負荷に放電電流を供給する放電用端子と、
   前記放電電流が過電流になってから不感応時間を経過した時に前記放電電流を遮断する保護回路と、
   前記放電電流が過電流になってから前記放電電流を遮断するまでの前記不感応時間を、前記パルス幅変調信号に基づいて、前記パルス幅変調信号のデューティ比が大きい場合は小さい場合より短くするように制御する制御手段を備えたことを特徴とする電池パック。
2. 前記二次電池の放電経路に所定電流値以上の過電流が通電された場合、その過電流の通電期間が所定の不感応時間を経過した時に過負荷信号を出力する保護回路と、前記過電流が通電されない期間に前記不感応時間を遅延させるための遅延制御手段を有し、
   前記保護回路は、前記不感応時間を設定するコンデンサを有する充電回路を具備し、前記過電流の通電期間中に前記コンデンサに充電電流を供給することにより該コンデンサの充電電圧が所定値になる時の充電時間によって前記不感応時間を設定し、
   前記遅延制御手段は、前記コンデンサに放電用半導体スイッチング素子を並列接続した放電回路を具備し、前記過電流が通電されない期間に前記放電用スイッチング素子をオンさせて前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させることを特徴とする請求項1に記載された電池パック。
3. 前記電池パックは、負荷に直列接続されて負荷電流を通電または遮断するようにパルス駆動信号で駆動される駆動用半導体スイッチング素子を具備するパルス駆動回路の駆動電源として使用され、前記駆動用半導体スイッチング素子がオフしている期間、前記パルス駆動信号に同期して、前記放電用半導体スイッチング素子をオンさせることによって前記不感応時間を遅延させるように制御することを特徴とする請求項２に記載された電池パック。
4. 前記放電回路は、前記放電用半導体スイッチング素子と直列接続された放電用抵抗を有し、該放電用抵抗と前記コンデンサの時定数に従って前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載された電池パック。
5. 前記電池パックの二次電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された電池パック。
6. 電動モータを駆動し、その回転速度を制御するモータ制御回路装置を備える電動工具本体と、前記モータ制御回路装置に電源を供給する、単数または複数の電池セルから成る二次電池および該二次電池の放電経路に所定電流値以上の過電流が通電された場合、その過電流の通電期間が所定の不感応時間を経過した時に過負荷信号を出力する保護回路を有する電池パックと、を具備する電動工具において、
   前記電池パックに対して前記電動モータと直列接続され、パルス駆動信号によってオン、オフ制御される駆動用半導体スイッチング素子と、
   前記パルス駆動信号に基づいて前記不感応時間を遅延させる遅延制御手段とを有することを特徴とする電動工具。
7. 前記保護回路は、前記不感応時間を設定するコンデンサを有する充電回路を具備し、前記過電流の通電期間中に前記コンデンサに充電電流を供給することにより該コンデンサの充電電圧が所定値になる時の充電時間によって前記不感応時間を設定し、
   前記遅延制御手段は、前記コンデンサに放電用半導体スイッチング素子を並列接続した放電回路を具備し、前記駆動用半導体スイッチング素子がオフされている期間に前記放電用スイッチング素子をオンさせて前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させることを特徴とする請求項６に記載された電動工具。
8. 前記パルス駆動信号は、パルス周期を一定にしてパルス幅を変化させるＰＷＭ駆動信号であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載された電動工具。
9. 前記モータ制御回路装置は、前記ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を可変するためのトリガスイッチ手段を有することを特徴とする請求項８に記載された電動工具。
10. 前記放電回路は、前記放電用半導体スイッチング素子と直列接続された放電用抵抗を有し、該放電用抵抗と前記コンデンサの時定数に従って前記コンデンサの充電電圧を放電させることによって前記不感応時間を遅延させることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか一つに記載された電動工具。
11. 前記電池パックの二次電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれか一つに記載された電動工具。
12. モータと、
    該モータにパルス幅変調信号を供給するモータ制御回路と、
    前記モータに電源を供給する二次電池と、を有する電動工具において、
    該二次電池から前記モータに放電電流を供給する放電用端子と、
    前記放電電流が過電流になってから不感応時間を経過した時に前記放電電流を遮断する保護回路と、
    前記放電電流が過電流になってから前記放電電流を遮断するまでの前記不感応時間を、前記パルス幅変調信号に基づいて前記パルス幅変調信号のデューティ比が大きい場合は小さい場合より短くなるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする電池パック。

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