JP5569717B2 - 電池パック、該電池パックを充電する充電システム、および該電池パックを備えた電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、コードレス電動工具用の二次電池であって非接触状態で充電することができる電池パック、電池パックを充電する充電システム、および電池パックを備えた電動工具に関するものである。

電動工具において、コードが不要で屋外等での使用に対しても取り回しの良いコードレス電動工具が普及してきている。コードレス電動工具の動力源としてはニッケルカドミウム電池（以下ニカド電池）、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。

このようなコードレス電動工具の充電を行う場合は、コードレス電動工具又は電池パック等の被充電側は、充電側である充電装置とは金属接点による電気的接触によって充電を行う構成が大半である。しかし、電動工具を用いるような作業環境においては、建材等を切断した時に発生する切削屑や、屋外であれば雨等の水分が電気的接続のための接触部の金属接点に特に付着しやすく、接点不良を起こしやすい傾向にある。また、金属接点部に人体等から発生する帯電物が触れると、内部の回路、例えば、一般的にリチウムイオン電池を用いている場合に内蔵されている、過放電・過充電等から電池を保護するための保護回路等で静電破壊が発生する可能性もある。

金属接点により充電が行われる場合には以上のようなことが想定されるため、非接触で充電を行うような方法も考えられる。例えば、充電器と電池パックとの間、および電池パックと工具本体との間で、分離トランスにより非接触状態で電力を供給するようにした電動工具が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−７３３５０号公報（第４−５頁、図１）

本発明は、非接触で充電可能且つ電動工具を安定して駆動可能な電池パック、該電池パックを充電する充電システム、および該電池パックを備えた電動工具を提供することを目的とする。

また、本発明は、電池パックと電動工具との接続状態を継続したまま、電池パックの充電を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの電池セルを収容し、上側部、上側部と対向する側に位置する下側部、および上側部と下側部とを接続する部分である側面部とを有するハウジングと、電動工具に電気的に接続されることにより電動工具に電力を供給するための金属端子と、金属端子が配置される基板と、電磁誘導によって電力供給装置から充電電力を受電する受電コイルと、受電コイルで受けた充電電力を電池セルに供給する充電回路と、を備え、基板は、ハウジングの上側部側に配置されるとともに、金属端子は基板のハウジング外部側に配置され、受電コイルは、ハウジング内の下側部側
に配置されることを特徴とする電池パックである。

このような構成によると、金属端子は、電池パックと電動工具とを接続する場合に電気的接続手段として用いられる。受電コイルは、電池パックの金属端子とは別の側に備えられている。充電回路を備えているので、外部から電力を供給することで充電される。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、受電コイルは、電池セルの下側部側であって、ハウジング内に配置されることを特徴としている。

このような構成によると、受電コイルは、電動工具等の機器が接続される側とは対向する側に備えられることになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、充電回路は、基板に実装されていることを特徴としている。

このような構成によれば、充電回路を搭載するための空間が効率よく確保される。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の発明において、受電コイルから引き出されて充電回路に接続される給電線、をさらに有し、給電線は、ハウジングの側面部と電池セルとの間を通って充電回路に接続されることを特徴としている。

このような構成によれば、給電線は電池セルおよびハウジング外部と絶縁を保ちつつ、充電回路に電力を供給する。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、充電回路は、受電コイルからの電力を平滑するための平滑回路と、平滑回路によって平滑された電力を用いて前記電池セルの充電を行うための充電制御回路と、を有することを特徴としている。

このような構成によれば、電池パックは、平滑され、制御された電力によって充電される。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発明において、電池セルは、リチウムイオン電池セルであり、基板に実装され、電池セルを保護するための保護回路をさらに有することを特徴としている。

このような構成によれば、リチウムイオン電池の過充電等安全が危惧される際には、それに応じた信号を金属端子を介して外部に出力する。

請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発明において、金属端子は、電池セルに充電電力を供給するための充電端子を含むことを特徴としている。

このような構成によれば、金属端子に充電器を接続することにより電池パックに充電電力が供給される。

請求項８に記載の発明は、請求項1から請求項７のいずれか一項に記載の電池パックと、請求項1から請求項７のいずれか一項に記載の電池パックと電気的に接続され、電池パックを充電する充電装置と、を備えた充電システムである。

この充電システムにおいて、充電装置は電池パックと電気的に接続され、電池パックに充電電力を供給して電池セルを充電する。

請求項９に記載の発明は、請求項1から請求項７のいずれか一項に記載の電池パックを備え、電池パックから電力を供給されることにより駆動されることを特徴とする電動工具である。

このような構成によれば、電動工具は電池パックと接触により接続された状態で駆動されるとともに、電池パックの充電の際には、非接触で電力を供給される。

請求項１に記載の発明によれば、金属端子によって電池パックと電動工具とを接続することによって電動工具を駆動することができる。このとき、電池パックの金属端子と受電コイルとは別の側に備えられており、充電の際、電動工具は必ずしも電池パックと接続を解除する必要はない。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加え、電動工具等の機器が電池パックに接続された状態で給電用機器上に載置するような構成が可能である。また、そのように載置した状態で充電を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明による効果に加え、金属端子と充電回路とを効率良く配置することができ、電池パックの大型化を防止できる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の発明による効果に加え、電池セルやハウジング外部の物との間でショートを起こすことを防止できる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１から請求項４に記載の発明による効果に加え、電池パックの充電時に過充電や加熱、寿命の低下といった問題が発生することを防止することが可能である。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１から請求項５に記載の発明による効果に加え、電池セルがリチウムイオン電池であっても安全な充電および電動工具の駆動のための使用が可能である。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１から請求項６に記載の発明による効果に加え、金属端子に充電器を接続することにより電池セルの充電が可能である。よって、外部から受電コイルを介して非接触の状態で電力の供給のみを受け、内部の充電回路で充電制御を行う方法と、充電器を接触によって電気的に接続して充電器の充電回路で充電制御を行う方法と2種類の充電方法を利用可能である。

請求項８に記載の発明によれば、充電装置は電池パックと接触により接続することができ、電池パックは非接触で電力を供給される代わりに外部の充電装置と接触により接続され、制御された充電電力を供給されることにより充電可能である。

請求項９に記載の発明によれば、電動工具は接触による接続によって電池パックと接続されており、確実に効率よく電力を供給される。充電を行う時には非接触で電力供給可能である。

以上のように、本発明による電池パック、該電池パックを充電する充電システムおよび該電池パックを備えた電動工具によれば、充電に関しては非接触および接触により行うことができ、電動工具の駆動の際には接触状態で行うことが可能であるという優れた効果を奏し得る。

本発明の一実施の形態による電動工具、電池パック及び電力供給装置の側面からみた概略透視図。 本実施の形態による電池パックの上方からの斜視図。 本実施の形態による電池パックおよび充電装置の斜視図。 本実施の形態による電池パックの図１のＩＶ−ＩＶ断面における模式的断面図。 本実施の形態による電池パックの図１のＶ−Ｖ断面における模式的断面図。 本実施の形態による電池パックと電力供給装置とを示すブロック図。

本発明の一実施の形態による電池パック、該電池パックを充電する充電システムおよび該電池パックを備えた電動工具について図１乃至図６を参照しながら説明する。なお、図面において、上下、前後は各図に示した通り定めるものとする。

図１は、本実施の形態による電池パックを用いた非接触充電および電動工具との接続状況を模式的な透視図により概略的に説明する図である。図１に示すように、本実施の形態による電池パック２００は、例えば電動ドリルなどの電動工具１００に対して矢印Ａ方向に移動させて電気的に接続することにより、電動工具１００を駆動する。また、電池パック２００は、電力供給装置３００により給電されることにより、充電される。

図１〜図３に示すように、電池パック２００は、境界部２５０で分割される上部ハウジング２２０および下部ハウジング２３０を有し、内部に複数の電池セル２０２が収められている。図１の例では、電池セル２０２は少なくとも８個収納されている。これらの電池セルは互いに所定の接続状態で接続されることにより電池セル組を構成し、所定電力を出力する。電池セル２０２は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池である。

図１、図２に示すように、上部ハウジング２２０は、上側部２２６と側面部２２８とから構成されている。上側部２２６は、前方が上方に突出するともに、前後方向中央部には端子２１０が配置されるように構成され、後方部は、前部側よりも下方に形成されている。側面部２２８は、上側部２２６と連続的に略垂直方向に取り囲むように形成され、電池パック２００の側面の一部を形成している。側面部２２８の一部には操作部２２３が形成されている。操作部２２３は、電池パック２００を電動工具等に着脱する際に押圧することにより、電動工具等との係合を解除するための部材である。

図１、図３に示すように、下部ハウジング２３０は、下側部２２４と側面部２２２とから構成されている。下側部２２４は、下部ハウジング２３０の底面をなしている。側面部２２２は、下側部２２４と連続的に略垂直方向に取り囲むように形成され、電池パック２００の側面の一部をなしている。

図１、図４に示すように、上部ハウジング２２０および下部ハウジング２３０（まとめてハウジング２２０、２３０ともいう）の上側部２２６の内部側には、基板２０８が備えられている。基板２０８には、外部の機器と電気的に接続するための複数の端子２１０が備えられている。例えば端子２１０Ａは、電池セル組のプラス側と接続された正極端子、端子２１０Ｂは電池セル組のマイナス側と接続された負極端子とすることができる。電池パック２００は、これらの端子２１０Ａ、端子２１０Ｂを介して電動工具１００に駆動電力を供給したり、充電装置と接続された場合には充電電力を供給されたりする。

また、基板２０８には、電池セル２０２を充電するための充電回路２５０、電池セル２０２がリチウムイオン電池の場合に過充電、過放電、過電流等を防止するための保護回路２５２が実装されている。保護回路２５２は、電池セル２０２の過充電、過放電、過電流等を検知すると、充電回路２５０に信号を伝達して充電を停止させたり、接続された電動工具１への給電を停止したりする。

図１、図５に示すように、下部ハウジング２３０内部の下側部２２４と電池セル２０２との間には、受電コイル２４０が配置されている。受電コイル２４０は、基板２０８の充電回路２５２と給電線たるワイヤ２０６を介して接続されている。受電コイル２４０は、電力供給装置３００から電磁誘導により電力を供給され受電することにより、電池セル２０２の充電電力の供給源となる。ワイヤ２０６は、ハウジング２２０、２３０の内部であって、側面部２２２、２２８と電池セル２０２との間を通って受電コイル２４０と充電回路２５０とを接続している。

図１に示すように、本実施の形態による電池パック２００と接続される電動工具１００は、例えば電動ドリルなどであり、本体部１０２、本体部１０２から延出して形成されるハンドル部１０６、および本体部の先端に取り付けられたドリルビット１０４を有している。本体部１０２の内部には駆動回路１１３が形成され、ハンドル部１０６内部にはモータ１１５が備えられている。ハンドル部１０６の下端部には、電池パック２００と電気的に接続するための端子１１１を備えている。電動工具１００は、端子１１１を介して電池パック２００と接続されることにより給電され、駆動回路１１３がモータ１１５を駆動することによりドリルビット１０４を駆動し、所定の作業を行うように構成されている。

次に、本実施の形態による電池パック２００及び電力供給装置３００の電気的な構成及び動作について、図１および図６を参照しながら説明する。図１および図６に示すように、電力供給装置３００は、整流回路３０５、高周波発振回路３０３および給電コイル３０１を有しており、接続部３０３を介して家庭用の商用電源などの電源３０７に接続することにより動作する。

充電部となる電池パック２００は、電力を受電する受電コイル２４０、受電した電力により電池セル２０２を充電するための充電回路２５０、および複数の電池セル２０２を有している。充電回路２５０は、受電コイルが受電した電力を伝達する共振用コンデンサ２５４、共振用コンデンサ２５４から出力された電力を平滑する平滑回路２５６、電池セル２０２の種類や接続状態等に応じて充電電流、充電電圧などを制御し、充電電力を出力する充電制御回路２５８を有している。

上記のように構成される電力供給装置３００と電池パック２００の充電時の動作について説明する。まず電源３０７と電力供給装置３００とを接続部３０３により接続する。電源３０７から供給された交流電力を、整流回路３０５が整流する。高周波発振回路３０３は、整流回路３０５によって整流された電力を高周波電圧に変換する。この高周波電圧によって給電コイル３０１に交流磁束を発生させる。

この交流磁束によって、電池パック２００の受電コイル２４０には、ファラデーの法則に従い誘導起電力が発生する。また、共振用コンデサ２５４は、給電側である電力供給装置３００と受電側である電池パック２００との結合インピーダンスを共振により低減することにより、より多くの電力を伝達するような構成になっている。このような共振用コンデンサ２５４により伝達された誘導起電力を平滑回路２５６によって平滑する。平滑された電力は充電制御回路２５８に供給され、電池セル２０２の種類、接続状態等に応じた充電電流、充電電圧により充電が行われる。このとき、保護回路２５２により過充電、過電流が検出されると充電は停止される。

以上説明したように、本実施の形態による電池パック２００は、電動工具１００と端子２１０を介して接続することにより電動工具１００を駆動する。このように端子による接触により電動工具１００を駆動するので、安定した駆動が可能である。

電力供給装置３００の給電コイル３０１と電池パック２００の受電コイル２４０とを所定距離以内に配置することによって、電力供給装置３００を介して商用電源等からの電力を受電することができる。受電した電力によって電池パック２０２は電池セル２０２を充電することが可能となる。このような構成により、非接触で電力を供給できるので、作業現場などで切削屑などによる接触不良や帯電物などによる静電破壊などを起こすことがない。一方、短時間で充電を行いたい場合には、端子２１０を介して、図３に示すように外部の充電装置１０に接続して充電システム２０を構成することにより充電を行うこともできる。このように、接触、非接触いずれの方法でも充電可能であるので、状況に応じて使い分けができ、有用な電池パックとなる。

また、電池パック２００は保護回路２５２を有しており、電池セル２０２の過充電、過電流等を検知すると充電を停止する。また、過放電を検知すると、接続されている電動工具１００等への電力供給を停止する。このように保護回路２５２を備えたことにより、安全に充電や電動工具の駆動を行うことが可能である。

充電回路２５０及び保護回路２５２は端子２１０が備えられた基板２０８に実装されるので、電池パック内の空間を効率的に利用でき、電池パック２００が大型化することがない。ワイヤ２０６は、電池セル２０２とハウジング２２０、２３０との間を通るため、電池セル２０２および外部と電気的に確実に遮断できる。

さらに、電池パック２００は、電動工具１００と接続されることにより電動工具１００を駆動するが、基板２０８と受電コイル２４０とが対向する面に備えられるため電動工具１００との接続を継続したままで図１のように電力供給装置３００上に載置することによって充電することができ、使い勝手がよい。

本発明による電池パック、該電池パックを充電する充電システムおよび該電池パックを備えた電動工具は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、受電コイル２４０は、ハウジング２２０の下側部２２４と電池セル２０２との間に備えるようにしたが、側面部２２２または側面部２２８と電池セル２０２との間に備えるようにしてもよい。このときは、基板２０８と受電コイル２４０とを接続するワイヤ２０６を短くすることができ、雑音防止やショート防止などの効果がある。

上記実施の形態においては、ハウジング２２０、２３０は分割型で上部に凹凸のある略直方体形状であったが、このような形態でなくとも電池セル２０２、基板２０８、受電コイル２４０等を収納可能で端子２１０を設置でき、基板２０８と受電コイル２４０を別の場所に配置できる構成であればよい。

本発明の電池パック、該電池パックを充電する充電システムおよび該電池パックを備えた電動工具は、電動工具等の電気機器用の電源、充電システム、電動工具として利用可能である。

１００：電動工具 ２００：電池パック ２０２：電池セル ２０６：ワイヤ ２０８：基板 ２１０：端子 ２２０、２３０：ハウジング ２２２、２２８：側面部 ２２４：下側部 ２２６：上側部 ２５０：充電回路 ２５２：保護回路 ２４０：受電コイル ３００：電力供給装置 ３０１：給電コイル

Claims (9)

1. 少なくとも１つの電池セルを収容し、上側部、前記上側部と対向する側に位置する下側部、および前記上側部と前記下側部とを接続する部分である側面部とを有するハウジングと、
   電動工具に電気的に接続されることにより前記電動工具に電力を供給するための金属端子と、
   前記金属端子が配置される基板と、
   電磁誘導によって電力供給装置から充電電力を受電する受電コイルと、
   前記受電コイルで受けた充電電力を前記電池セルに供給する充電回路と、を備え、
   前記基板は、前記ハウジングの上側部側に配置されるとともに、前記金属端子は前記基板の前記ハウジング外部側に配置され、
   前記受電コイルは、前記ハウジング内の前記下側部側に配置されることを特徴とする電池パック。
2. 前記受電コイルは、前記電池セルの前記下側部側であって、前記ハウジング内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記充電回路は、前記基板に実装されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池パック。
4. 前記受電コイルから引き出されて前記充電回路に接続される給電線、をさらに有し、
   前記給電線は、前記ハウジングの側面部と前記電池セルとの間を通って前記充電回路に接続されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電池パック。
5. 前記充電回路は、
   前記受電コイルからの電力を平滑するための平滑回路と、
   前記平滑回路によって平滑された電力を用いて前記電池セルの充電を行うための充電制御回路と、
   を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電池パック。
6. 前記電池セルは、リチウムイオン電池セルであり、
   前記基板に実装され、前記電池セルを保護するための保護回路をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電池パック。
7. 前記金属端子は、前記電池セルに充電電力を供給するための充電端子を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電池パック。
8. 請求項1から請求項７のいずれか一項に記載の電池パックと、
   請求項1から請求項７のいずれか一項に記載の電池パックと電気的に接続され、前記電池パックを充電する充電装置と、
   を備えたことを特徴とする充電システム。
9. 請求項1から請求項７のいずれか一項に記載の電池パックを備え、前記電池パックから電力を供給されることにより駆動されることを特徴とする電動工具。
   

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