JP5732557B2 - 電動工具のバッテリパック - Google Patents

Description

本発明は、電動工具のバッテリパックに関し、特に、リチウムイオンセルを有するバッテリパックに関する。

特許文献１に、バッテリパックを電源とする電動工具が開示されている。この電動工具のバッテリパックは、複数のリチウムイオンセルを有している。リチウムイオンセルは、高い出力電圧が得られ、エネルギー密度も高いという利点を持つ。特許文献１の技術では、バッテリパックにリチウムイオンセルを採用することで、電動工具（バッテリパックを含む、以下同じ）の重量に対する出力の比を向上させている。

特表２００８−５１８７９８号公報

電動工具の重量に対する出力の比や、電動工具の体積に対する出力の比は、高いほど好ましい。そのことから、バッテリパックにリチウムイオンセルを単に採用するだけなく、電動工具の重量や体積に対する出力の比を、さらに向上するための技術が必要とされている。

上記した必要性に応えるためには、使用するリチウムイオンセルのサイズや数を変更することなく、バッテリパックの出力電圧を向上させることが必要となる。そこで、本発明では、電動工具のバッテリパックに、内部抵抗の小さいリチウムイオンセルを採用する。リチウムイオンセルの内部抵抗が小さければ、リチウムイオンセルにおける内部電圧降下は小さくなる。なお、電動工具では比較的に大電流が通電されることから、リチウムイオンセルによる内部電圧降下も比較的に大きくなる。特に、複数のリチウムイオンセルが直列に接続されたバッテリパックでは、複数のリチウムイオンセルによる内部電圧降下が、一又は複数のリチウムイオンセルの出力電圧を上回ることもある。このような内部電圧降下を抑制することで、使用するリチウムイオンセルのサイズや数を変更することなく、バッテリパックの作動電圧（通電時における出力電圧）を向上させることができる。即ち、電動工具の重量や体積に対する出力の比を向上させることができる。

本発明者が検証した結果、従来の電動工具のバッテリパックでは、３０．３ミリオーム以上の内部抵抗を有するリチウムイオンセルが採用されていることが判明した。そのことから、３０ミリオーム以下の内部抵抗を有するリチウムイオンセルを採用することで、従来の製品よりも、電動工具の重量及び体積に対する出力の比を向上させることができる。なお、上記した３０．３ミリオームという値は、１８ミリメートルの直径と６５ミリメートルの長さを有する従来のリチウムイオンセルの内部抵抗を測定した値である。従って、本願発明においては、１８ミリメートル以下の直径と６５ミリメートル以下の長さを有するリチウムイオンセルであって、３０ミリオーム以下の内部抵抗を有するリチウムイオンセルを採用することが好ましい。

上記の知見に基づき、本明細書で開示される電動工具のバッテリパックは、少なくとも一つのリチウムイオンセルを有し、各々のリチウムイオンセルが、３０ミリオーム以下の内部抵抗を有することが好ましい。この場合、そのリチウムイオンセルは、１８ミリメートル以下の直径と、６５ミリメートル以下の長さを有することが好ましい。この構成によると、従来の製品からリチウムイオンセルのサイズや数を変更することなく、バッテリパックの出力を向上することができる。その結果、電動工具の重量及び体積に対する出力の比を向上させることができる。

上記した電動工具では、サイズの小さいリチウムイオンセルを採用することもできる。通常、リチウムイオンセルのサイズを小さくすると、リチウムイオンセルの内部抵抗は大きくなる。前述した従来のリチウムイオンセル（直径１８ミリメートル、長さ６５ミリメートル、内部抵抗３０．３ミリオーム）の直径を１４ミリメートルまで縮小した場合、その内部抵抗は４９．２ミリオームとなる。あるいは、従来のリチウムイオンセルの長さを４５ミリメートルまで縮小したとすると、その内部抵抗は４３．６ミリオームとなる。そのことから、１４ミリメートル以下の直径と６５ミリメートル以下の長さを有するリチウムイオンセルを採用する場合、そのリチウムイオンセルは４９ミリオーム以下の内部抵抗を有することが好ましい。また、１８ミリメートル以下の直径と４５ミリメートル以下の長さを有するリチウムイオンセルを採用する場合は、そのリチウムイオンセルが４０ミリオーム以下の内部抵抗を有することが好ましい。それにより、従来の製品よりも、電動工具の重量及び体積に対する出力の比を向上させることができる。

上記したそれぞれのバッテリパックは、直列に接続された複数のリチウムイオンセルを有することが好ましい。複数のリチウムイオンセルを直列に接続することで、バッテリパックの作動電圧を高めることができる。なお、複数のリチウムイオンセルを直列に接続した場合でも、各々のリチウムイオンセルの内部抵抗が比較的に小さいことから、バッテリパックの内部抵抗を比較的に小さく抑えることができる。

一例ではあるが、バッテリパックは、直列に接続された十本のリチウムイオンセルを有することができる。この場合、バッテリパックの公称電圧を３６ボルトとし、バッテリパックの公称容量を１アンペアアワー以上とすることができる。

上記したように、内部抵抗の小さいリチウムイオンセルを採用すると、バッテリパックの作動電圧が高まり、電動工具の出力を向上させることができる。ただし、内部抵抗の小さいリチウムイオンセルを採用したバッテリパックを、従来の電動工具に電源として使用してしまうと、当該バッテリパックによって供給される大電流が、従来の電動工具の構成部品を故障させてしてしまうこともある。そのことから、本発明に係るバッテリパックは、専用に設計された電動工具のみに使用されるべきであって、従来の電動工具へ使用されることは禁止されることが好ましい。その一方で、本発明に係るバッテリパックを使用可能な電動工具は、従来の電動工具のバッテリパックについても、問題なく使用することができる。

上記の見地に基づき、本発明は、下記する電動工具システムを提供する。この電動工具システムには、第１バッテリパックを電源とする第１電動工具と、第２バッテリパックを電源とする第２電動工具が含まれる。第１及び第２バッテリパックは、同数のリチウムイオンセルをそれぞれ有している。ただし、第１バッテリパックには、第２バッテリパックよりも、内部抵抗の低いリチウムイオンセルが収容されている。即ち、第１バッテリパックは、前述した本発明に係るバッテリパックに相当し、第２バッテリパックは、従来の電動工具のバッテリパックに相当する。この場合、第１バッテリパックは、第１電動工具の本体に着脱可能であるとともに、第２電動工具の本体には取付不能に構成されることが好ましい。一方、第２バッテリパックは、第２電動工具の本体に着脱可能であるとともに、第１電動工具の本体にも着脱可能に構成されていることが好ましい。

図１は、実施例の電動工具の側面図である。 図２は、実施例の電動工具のバッテリ受入部を正面から（図１における左方から）見た図を示す。 図３は、実施例の電動工具のバッテリパックの斜視図である。 図４は、実施例の電動工具のバッテリパックの正面図である。 図５は、実施例の電動工具と従来の電動工具の間におけるバッテリパックの互換性を模式的に示している。 図６は、リチウムイオンセルの内部抵抗の測定結果を示すグラフである。 図７は、リチウムイオンセルの内部抵抗の測定条件を説明するための図である。 図８は、リチウムイオンセルの外形寸法と実行寸法を説明するための図である。図８（Ａ）は、リチウムイオンセルの縦断面を模式的に示している。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図であって、リチウムイオンセルの横縦断を模式的に示している。 図９は、従来の電動工具のバッテリ受入部を正面から見た図を示す。 図１０は、従来の電動工具のバッテリパックの斜視図である。

図面を参照して、実施例の電動工具１０について説明する。図１、図２に示すように、電動工具１０は、本体１２と、電動工具１０の本体１２へ電力を供給するバッテリパック５０を備えている。本体１２には、工具が着脱可能な工具ホルダ１４と、ユーザによって操作されるメインスイッチ１６と、ユーザによって保持されるグリップ１８が設けられている。また、グリップ１８の下端には、バッテリパック５０を着脱可能に受け入れるバッテリ受入部２０が設けられている。図示省略するが、本体１２の内部には、工具ホルダ１４を駆動するためのモータや回路基板が収容されている。本実施例の電動工具１０は、一例ではあるが、電動ドライバであり、工具ホルダ１４にはドライバビット（図示省略）が取り付けられる。

バッテリパック５０は、ハウジング５２と、ハウジング５２に収容された十本のリチウムイオンセル７０を有している。十本のリチウムイオンセル７０は、電気的に直列に接続されている。各々のリチウムイオンセル７０の公称電圧は３．６ボルトである。従って、バッテリパック５０の全体としての公称電圧は３６ボルトであり、電動工具１０の定格電圧も３６ボルトである。ハウジング５２の上面には、コネクタ部６０が設けられている。コネクタ部６０は、本体１２のバッテリ受入部２０に対して着脱可能に係合する。

図２に示すように、本体１２のバッテリ受入部２０には、一対のレール２２が形成されている。また、図３、図４に示すように、バッテリパック５０のコネクタ部６０にも、一対のレール６２が形成されている。バッテリパック５０の一対のレール６２は、本体１２の一対のレール６２とスライド可能に係合する。それにより、バッテリパック５０は、本体１２へ物理的に接続される。

図２に示すように、本体１２のバッテリ受入部２０には、正極入力端子２６と負極入力端子２８が設けられている。正極入力端子２６と負極入力端子２８は、本体１２内の回路基板及びモータへ電気的に接続されている。一方、図３、図４に示すように、バッテリパック５０のコネクタ部６０には、正極出力端子６６と負極出力端子６８が設けられている。正極出力端子６６と負極出力端子６８は、直接に接続された十本のリチウムイオンセル７０へ電気的に接続されている。バッテリパック５０が本体１２のバッテリ受入部２０へ取り付けられると、バッテリパック５０の正極入力端子２６と負極入力端子２８は、本体１２の正極入力端子２６と負極入力端子２８へそれぞれ電気的に接続される。それにより、バッテリパック５０は本体１２へ電気的に接続され、十本のリチウムイオンセル７０による放電電力が、本体１２内の回路基板及びモータへ供給される。

上記した本実施例の電動工具１０におけるバッテリパック５０の取付構造は、図９、図１０に示す従来の電動工具１１０におけるバッテリパック１５０の取付構造と、基本的に共通している。即ち、従来の電動工具１１０においても、本体１１２のバッテリ受入部１２０には、一対のレール１２２と、正極入力端子１２６と、負極入力端子１２８が設けられており、バッテリパック１５０のハウジング５２には、一対のレール１６２と正極出力端子１６６と負極出力端子１６８を有するコネクタ部１６０が設けられている。ここで、図１０に示す従来のバッテリパック１５０は、本実施例のバッテリパック５０と同様に、直列に接続された十本のリチウムイオンセルを有しており、その公称電圧は３６ボルトである。即ち、従来の電動工具１１０の定格電圧も３６ボルトである。

ただし、図２、図３、図４に示すように、本実施例の電動工具１０では、バッテリパック５０のコネクタ部６０にリブ６４が形成されているとともに、本体１２のバッテリ受入部２０にはリブ６４を受け入れる溝２４が形成されている。それに対して、図９、図１０に示すように、従来の電動工具１０では、バッテリパック５０のコネクタ部６０に上記したリブ６４に相当する部分が存在せず、本体１２のバッテリ受入部２０にも上記した溝２４に相当する部位が存在しない。従って、図５に模式的に示すように、本実施例のバッテリパック５０は、本実施例の本体１２のみに取付可能であり、従来の電動工具１１０の本体１１２には取付不能に構成されている。それに対して、本実施例の本体１２は、本実施例のバッテリパック５０だけでなく、従来の電動工具１１０のバッテリパック１５０についても使用可能に構成されている。

本実施例の電動工具１０では、従来の電動工具１１０と比較して、内部抵抗の小さい新型リチウムイオンセル７０が採用されている。この新型リチウムイオンセル７０は、その内部抵抗が２６．８ミリオームまで改善されている。なお、新型リチウムイオンセル７０は、円筒形リチウムイオンセルであって、１８ミリメートルの直径と、６５ミリメートルの長さを有している。内部抵抗の小さい新型リチウムイオンセル７０を採用することで、通電時におけるバッテリパック５０の内部電圧降下を抑制することができる。その結果、バッテリパック５０の作動電圧が高まり、電動工具１０の出力性能が向上する。具体的には、バッテリパック５０から本体１２へ大電流が供給されることで、電動工具１０の出力できる最大トルクが向上する。また、バッテリパック５０における電力損失が減少することで、電動工具１０の使用できる時間が長くなる。

なお、本実施例のバッテリパック５０の公称電圧は、従来のバッテリパック１５０の公称電圧と同じであるが、通電時における実際の出力電圧は、本実施例のバッテリパック５０の方が、従来のバッテリパック１５０よりも高くなる。そのことから、本実施例のバッテリパック５０を、従来の電動工具１１０に使用すると、バッテリパック５０によって供給される電流が、従来の電動工具１１０の本体１１２の許容するレベルを超えてしまい、その構成部品を故障させてしまうことがある。そのことから、本実施例のバッテリパック５０は、前述したように、従来の電動工具１１０の本体１１２へ取付不能に構成されており、従来の電動工具１１０への使用が禁止されるようになっている（図５参照）。

本発明者は、電動工具用に開発された従来のリチウムイオンセルの三製品Ａ、Ｂ、Ｃについて、その内部抵抗を測定した。なお、従来の三製品Ａ、Ｂ、Ｃは全て、円筒形リチウムイオンセルであり、１８ミリメートルの直径と、６５ミリメートルの長さを有している。本発明者の測定結果によると、従来製品Ａの内部抵抗は３０．３ミリオームであり、従来製品Ｂの内部抵抗は４０．０ミリオームであり、従来製品Ｃの内部抵抗は５０．９ミリオームであった。この測定結果から、電動工具に採用されてきた従来の円筒形リチウムイオンセルのなかに、１８ミリメートル以下の直径と、６５ミリメートル以下と、３０ミリオーム以下の内部抵抗を有するものは、存在しないことが確認された。なお、リチウムイオンセルの内部抵抗は、その測定方法によって少なからず変化する。本明細書における内部抵抗の測定方法ついては、後段において詳細に説明する。

上記した実施例の電動工具１０では、新型リチウムイオンセル７０のサイズ（直径１８ミリメートル、長さ６５ミリメートル）を、小型化してもよい。一般に、リチウムイオンセルのサイズを小さくすると、リチウムイオンセルの内部抵抗は大きくなる。図６は、リチウムイオンセルの直径（横軸）と、リチウムイオンセルの内部抵抗（縦軸）の関係を示している。図６において、グラフＸは新型リチウムイオンセル７０の内部抵抗を示しており、グラフＡは従来製品Ａの内部抵抗を示しており、グラフＢは従来製品Ｂの内部抵抗を示しており、グラフＣは従来製品Ｃの内部抵抗を示している。なお、図６に示す内部抵抗値のうち、直径１８ミリメートルにおける内部抵抗値は測定値であり、他の直径における内部抵抗値は当該測定値から計算によって求められた推定値である。この推定値の計算方法については後段において詳細に説明する。

図６に示すように、リチウムイオンセルの直径が小さくなるほど、内部抵抗は大きくなる。しかしながら、本実施例で採用された新型リチウムイオンセル７０の場合、その直径を１４ミリメートルまで縮小しても、その内部抵抗は４３．１ミリオーム以下に抑えられる。この値は、直径１８ミリメートルの従来製品Ａ、Ｂ、Ｃの内部抵抗に匹敵するものである。従って、本実施例で採用された新型リチウムイオンセル７０によれば、従来の電動工具１１０と同じ出力性能を維持したままで、バッテリパック５０を含む電動工具１０のサイズや重量を小さくすることができる。なお、従来のリチウムイオンセルＡ、Ｂ、Ｃの場合では、その直径を１４ミリメートルまで縮小すると、その内部抵抗は４９．２ミリオーム以上となるまで増大してしまう。

電動工具１０の小型化や軽量化を図る場合、リチウムイオンセル７０の直径に限られず、リチウムイオンセル７０の長さを短くしてもよい。本実施例で採用された新型リチウムイオンセル７０の場合、その長さを４５ミリメートルまで縮小しても、その内部抵抗は３８．３ミリオーム以下に抑えられる。この値は、長さ６５ｍｍの従来製品Ａ、Ｂ、Ｃの内部抵抗に匹敵するものである。従って、本実施例で採用された新型リチウムイオンセル７０によれば、従来の電動工具１１０と同じ出力性能を維持したままで、バッテリパック５０を含む電動工具１０のサイズや重量を小さくすることができる。なお、従来のリチウムイオンセルＡ、Ｂ、Ｃの場合では、その長さを４５ミリメートルまで縮小すると、その内部抵抗は少なくとも４３．６ミリオームまで増大してしまう。なお、これらの値も、後述する計算方法によって計算される推定値である。

以上のように、本実施例の電動工具１０では、内部抵抗の小さい新型リチウムイオンセル７０を採用することで、電動工具１０のサイズや重量を増大させることなく、電動工具１０の出力性能が向上されている。あるいは、その新型リチウムイオンセル７０のサイズを小さくすることで、従来の電動工具１１０と同じ出力性能を維持したままで、電動工具１０のサイズや重量を小さくすることができる。また、バッテリパック５０による電力損失が減少することで、電動工具１０の使用時間が長くなっている。なお、バッテリパック５０の充電時においても、電力損失が少なく、新型リチウムイオンセル７０の温度上昇が抑制される。

（内部抵抗の測定方法）
本実施例における内部抵抗の測定方法について説明する。この測定方法では、先ず、リチウムイオンセルの放電深度（充電レベル）を５０パーセントとする。具体的には、リチウムイオンセルを適正に充電した後、公称容量の半分の電気量を放電させる。次に、リチウムイオンセルを放電させながら、リチウムイオンセルの端子電圧を測定する。このとき、環境温度は２５±１℃に維持し、リチウムイオンセルの温度も２５±１℃とする。図７に示すように、リチウムイオンセルを放電させる際は、放電電流を経時的に変化させる。具体的には、最初の１秒間は放電電流を１０アンペアに調整し、その後の５秒間は放電電流を２０アンペアに調整する。この測定方法は、電動工具による使用を考慮して、リチウムイオンセルを大電流で放電させることを特徴とする。このようにリチウムイオンセルを放電しながら、１秒経過時点における電流Ｃ１及び電圧Ｖ１と、６秒経過時点における電流Ｃ２及び電圧Ｖ２を測定する。そして、測定した二点間の電流−電圧の傾きから、リチウムイオンセルの内部抵抗が求められる。即ち、内部抵抗Ｒは、以下の式で表される。
Ｒ＝（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｃ２−Ｃ１）×１０００ ［ｍΩ］

（内部抵抗の推定値の計算方法）
本実施例における内部抵抗の推定値の計算方法について説明する。図８に示すように、リチウムイオンセル７０には、セパレータを介して巻かれた陽極板と陰極板を有する電極体７２が収容されており、リチウムイオンセル７０の内部抵抗は、平面上に展開した電極体７２の面積に反比例する。ここで、平面上に展開した電極体７２の面積は、リチウムイオンセル７０に収容された電極体７２の高さｈ１に比例し、かつ、リチウムイオンセル７０に収容された電極体７２の横断面積Ｓに比例する。ここで、リチウムイオンセル７０の長さＨと電極体７２の高さｈ１との差ｈ２は７ミリメートルであり、電極体７２の中心に形成される空洞の直径ｄ１は５ミリメートルである。さらに、リチウムイオンセル７０の内部抵抗のうち、集電体等による構造的な抵抗分は５ミリオームである。

従って、１８ミリメートルの直径と６５ミリメートルの長さで２６．８ミリオームの内部抵抗を有する新型リチウムイオンセル７０を、１４ミリメートルの直径となるまで縮小した場合、その内部抵抗は４３．１ミリオームとなることが計算される。あるいは、新型リチウムイオンセル７０を４５ミリメートルの長さとなるまで縮小した場合、その内部抵抗は３８．３ミリオームとなることが計算される。同様に、１８ミリメートルの直径と６５ミリメートルの長さで３０．３ミリオームの内部抵抗を有する従来製品Ａのリチウムイオンセルを、１４ミリメートルの直径となるまで縮小した場合、その内部抵抗は４９．２ミリオームとなることが計算される。あるいは、従来製品Ａのリチウムイオンセルを４５ミリメートルの長さとなるまで縮小した場合、その内部抵抗は４３．６ミリオームとなることが計算される。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。特に、バッテリセルの実際の直径や長さは、本明細書で説明した寸法（１８ｍｍの直径や６５ミリメートルの長さ）と厳密に一致する必要はなく、ある程度（数ミリメートル）の寸法差が存在してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：電動工具
１２：電動工具の本体
１４：工具ホルダ
１６：メインスイッチ
１８：グリップ
２０：バッテリ受入部
２２：バッテリ受入部のレール
２４：バッテリ受入部の溝
２６：バッテリ受入部の正極入力端子
２８：バッテリ受入部の負極入力端子
５０：バッテリパック
６０：バッテリパックのコネクタ部
６２：コネクタ部のレール
６４：コネクタ部のリブ
６６：コネクタ部の正極出力端子
６８：コネクタ部の負極出力端子
７０：リチウムイオンセル
７２：電極体

Claims (7)

1. 第１バッテリパックを電源とする第１電動工具と、
   第２バッテリパックを電源とする第２電動工具を備え、
   第１及び第２バッテリパックは同数のリチウムイオンセルをそれぞれ有し、公称電圧が互いに等しいとともに、第１バッテリパックのリチウムイオンセルの内部抵抗は、第２バッテリパックのリチウムイオンセルの内部抵抗よりも低く、
   第１バッテリパックは、第１電動工具の本体に着脱可能であるとともに、第２電動工具の本体には取付不能に構成されており、
   第２バッテリパックは、第２電動工具の本体に着脱可能であるとともに、第１電動工具の本体にも着脱可能に構成されている、
   電動工具システム。
2. 前記第１バッテリパックのリチウムイオンセルが、３０ミリオーム以下の内部抵抗を有する、請求項１に記載の電動工具システム。
3. 前記第１バッテリパックのリチウムイオンセルが、１８ミリメートル以下の直径と、６５ミリメートル以下の長さを有する、請求項１に記載の電動工具システム。
4. 前記第１バッテリパックのリチウムイオンセルが、１４ミリメートル以下の直径と、６５ミリメートル以下の長さと、４９ミリオーム以下の内部抵抗を有する、請求項１に記載の電動工具システム。
5. 前記第１バッテリパックのリチウムイオンセルが、１８ミリメートル以下の直径と、４５ミリメートル以下の長さと、４０ミリオーム以下の内部抵抗を有する、請求項１に記載の電動工具システム。
6. 前記第１バッテリパックは、直列に接続された複数のリチウムイオンセルを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具システム。
7. 前記第１バッテリパックは、直列に接続された十本のリチウムイオンセルを有し、
   公称電圧が３６ボルトであるとともに公称容量が１アンペアアワー以上である、請求項１から６のいずれか一項に記載の電動工具システム。
   

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