KR20060106901A - 과전류 보호 회로를 구비한 무선 전력 공구 - Google Patents

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KR20060106901A
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가즈히코 후나바시
다카오 아라다치
히로유키 하나와
마사유키 오구라
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히다치 고키 가부시키 가이샤
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Abstract

무선 전력 공구는 모터의 전원으로서 리튬 배터리를 사용하고, 과전류 보호 회로가 제공된다. 과전류 보호 회로는 모터의 구동 개시시에 과전류가 순간적으로 흐르도록 하며, 모터가 전력 공구의 사용 동안에 정지 상태(locked state)로 될 때에 흐를 수도 있는 과전류를 차단한다.
전기 드릴, 리튬 배터리, 마이크로컴퓨터, FET, 전기자 권선

Description

과전류 보호 회로를 구비한 무선 전력 공구{CORDLESS POWER TOOL WITH OVERCURRENT PROTECTION CIRCUIT}
도 1은 DC 모터의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 전력 공구를 나타내는 개략도.
도 3은 전력 공구에 연결된 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 전력 공구에서의 과전류 보호 회로의 제어 흐름을 보여주는 흐름도.
도 5는 모터가 회전을 개시할 때부터 모터가 정지 상태(locked state)에 있을 때까지 모터에 흐르는 전류를 나타내는 그래픽 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 배터리 팩
2, 3 : 접속 단자
10 : 배터리
11∼14 : 배터리 셀
20 : 전류 스위칭부
30 : 정전압 전원
40 : 배터리 전압 검출기
50 : 배터리 온도 검출기
60 : 마이크로컴퓨터
70 : 전류 검지부
80 : 트리거 검출기
90 : 디스플레이
200 : 전력 공구
210 : DC 모터
220 : 전력 스위치
본 발명은 리튬 배터리를 사용하는 무선 전력 공구에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리튬 배터리에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호 회로를 갖는 무선 전력 공구에 관한 것이다.
전기 스크류드라이버, 전기 드릴, 타격식 전력 공구와 같은 전력 공구에서, 전기 모터에 의해 발생한 회전력은 회전 속도를 감소시키기 위해 속도 감소 메카니즘에 가해진 후에 공구의 원심 단부에 부착된 비트에 전송된다. 종래에는 전력 공구에 상업적인 AC 전원에 연결하기 위한 코드가 설치되어, 모터는 상업적인 AC 전원으로부터 공급된 전력에 의해 회전된다. 그러나, 근래에는, 니켈-카드뮴 배터리 또는 니켈-수소 배터리 등의 알카라인 2차 배터리를 전원으로 사용하는 무선 전력 공구가 폭넓게 사용되고 있다.
고전압으로 작동하는 전력 공구는 많은 수의 배터리 셀을 필요로 한다. 니켈-카드뮴 배터리의 통상적인 전압이 1.2V이므로, 14.4V에서 작동하는 전력 공구는 12개의 배터리 셀이 그 안에 직렬 접속되어 있는 배터리 팩 하우징이 장착되어야 한다. 24V로 작동하는 전력 공구는 20개의 배터리 셀이 그 안에 직렬 접속된 배터리 팩 하우징이 장착되어야 한다. 따라서, 이러한 공구는 공구의 작동 전압이 더 커질 때에 과중량화 된다는 문제가 있다.
한편, 정상적인 전압에 있어서는 리튬 배터리 및 리튬 이온 배터리 등의 유기 전해질 2차 배터리가 니켈-카드뮴 배터리 등보다 더 크다. 따라서, 이러한 배터리 셀은 더 적은 수로 동일한 작동 전압을 얻을 수 있으므로, 전력 공구의 중량과 크기를 감소시킬 수 있다.
리튬 배터리는 바나듐 리튬 배터리 및 망간 리튬 배터리를 포함하며, 음전극에 리튬 알루미늄 합금을 사용하고, 유기 전해질을 사용한다. 리튬-이온 배터리는 일반적으로 양전극에 리튬 코발트 산화물, 음전극에 그래파이트를 사용하고, 유기 전해질을 사용한다. 이하의 설명에서는 리튬 배터리 및 리튬 이온 배터리를 포함하는 유기 전해질 2차 배터리를 간략하여 리튬 배터리로서 지칭할 것이다.
리튬 배터리 셀의 정상 전압은 3.6V 정도로 높기 때문에, 3개의 니켈-카드뮴 배터리 셀로 얻을 수 있는 전압을 하나의 리튬 배터리 셀로 얻을 수 있다. 리튬 배터리가 무선 전력 공구의 전원으로서 사용될 때, 리튬 배터리를 사용함으로써 배 터리 셀의 수를 현저하게 감소시킬 수 있다. 한편, 리튬 배터리가 과충전 또는 과방전되거나 리튬 배터리에 과전류가 흐를 경우에는, 리튬 배터리의 충전/방전 사이클 수명이 현저하게 단축된다.
미국 특허 출원 공개 번호 2003096158호에는 배터리 전압이 소정의 값 이하로 떨어질 때에 배터리와 모터 사이에 개재된 전계 효과 트랜지스터(FET)가 방전을 중지시키기 위해 오프 상태로 되는 과방전 보호 제어 기술이 개시되어 있다.
이 기술은 전술한 과방전 보호 제어 기술과 유사한 방식으로 과전류 보호 제어를 추가로 수행할 수도 있지만, 배터리에 과전류가 흐를 때마다 전계 효과 트랜지스터를 오프 상태로 전환함으로써 과전류 보호 제어를 수행한다면, 다음과 같은 불편이 초래된다.
도 1에 도시된 바와 같이, DC 전압이 스위칭 소자(S)를 통해 DC 전원(B)으로부터 DC 모터(M)에 인가될 때, 스위칭 소자(S)가 폐쇄 상태로 된 후 즉각적으로, 즉 구동 개시시에, 다음의 수학식에 의해 주어지는 전류 Ia가 모터(M) 및 스위칭 소자(S)에 흐르게 된다.
Ia = (V - E) / Ra
여기에서, V는 DC 전원(B) 양단의 전압을 나타내고, Ra는 DC 모터(M)의 전기자 권선(armature winding)의 저항값을 나타내며, E는 DC 모터(M)의 역기전력(counter electromotive force)을 나타낸다.
모터(M)의 구동 개시시, 모터(M)의 회전자가 아직 회전하지 않고 움직이지 않는 상태로 유지되기 때문에, 역기전력 E는 제로가 된다. 이러한 이유로, 단시간 의 기간 동안 모터(M)에 과전류가 흐르게 되는 것을 방지할 수 없게 된다. 한편, 전기 스크류드라이버 또는 전기 전력 드릴 등의 전력 공구의 사용 동안에는, 비트(bit)가 가공될 피가공편에 물려 들어가거나 피가공편을 물게 되어, 그 결과 모터가 일시적으로 정지 상태(locked state), 즉 모터가 그 회전을 중지하는 상태에 있게 된다.
도 5는 모터(M)가 정지 상태에 있게 될 때에 모터(M)의 전기자 권선에 흐르는 전류를 나타내고 있다. 이 경우, 모터(M)의 역기전력 E가 제로가 되므로, 스위칭 소자(S) 및 모터(M)를 포함하는 회로에 과전류가 흐르게 된다. 과전류 보호 제어 시스템이 모든 경우에서 회로에 과전류가 흐르는 것을 방지하도록 구성되면, 고레벨의 구동 개시 전류는 모터(M)가 회전을 개시하도록 하지 못한다. 한편, 고레벨의 구동 개시 전류가 회로에 흐를 수 있도록 과전류 보호 제어 시스템이 구성되면, DC 전원은 전력 공구의 사용 동안에 회로에 흐를 수도 있는 과전류로부터 보호될 수 없다. 리튬 배터리는 그 안에 지속적으로 흐르는 고레벨의 전류에 의해 과도하게 저하되어, 리튬 배터리의 충전/방전 사이클 수명이 극단적으로 단축된다.
상기한 관점에서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해소할 수 있는 무선 전력 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 간략히 설명하면, 본 발명은 리튬 배터리가 모터의 전원으로서 사용되고, 과전류 보호 회로가 설치되어, 모터가 회전을 개시할 때에는 과전류가 모터에 순간적으로 흐르는 것을 허용하지만, 전력 공구의 사용 동안에 모터가 정지 상태에 에 있게 되는 때에는 모터에 과전류가 흐르지 못하도록 하는 무선 전력 공구를 제공한다.
상기한 목적 및 기타 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 리튬 배터리 셀이 직렬 접속되어 이루어진 배터리와, 이 배터리에 접속되어 이 배터리로부터 구동 전류가 공급되는 DC 모터를 포함하며, 소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의되는 과전류가 소정의 기간 이상 동안 전류 경로에 흐르는 것이 방지되는 전력 공구를 제공한다.
본 발명에 의하면, 리튬 배터리는 모터가 정지 상태에 있을 때 비교적 긴 기간 동안 흐르는 과전류로부터 보호될 수 있고, 그에 따라 배터리의 열화가 방지될 수 있다.
본 발명의 전력 공구는 배터리와 모터 사이에 연결된 스위칭 소자와, 전류 검출부와, 컨트롤러를 더 포함할 수도 있다. 배터리, 스위칭 소자 및 DC 모터는 서로 연결되어 전류 경로를 제공하며, DC 모터는 전류 경로를 통해 배터리로부터 구동 전류가 공급된다. 전류 검출부는 전류 경로에 흐르는 전류를 검지하여 전류 경로에 흐르고 있는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력한다. 컨트롤러는 전류 검지부로부터 검지 신호를 수신하여 스위칭 소자를 제어한다. 컨트롤러는 과전류가 소정 기간 동안 배터리에 흐른다는 것을 검지 신호가 나타낼 때에 배터리에 흐르고 있는 전류를 컨트롤러가 차단하도록 하는 방식으로 스위칭 소자를 제어한다. 여기에서, 과전류는 소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의된다.
이와 달리, 전력 공구는 스위칭 소자, 전류 검지부 및 마이크로컴퓨터를 더 포함할 수도 있다. 스위칭 소자는 온(ON) 상태와 오프(OFF) 상태를 선택적으로 제공한다. 배터리, 스위칭 소자 및 DC 모터는 서로 접속되어 전류 경로를 제공하며, DC 모터는 전류 경로를 통해 배터리로부터 구동 전류가 공급된다. 전류 검지부는 전류 경로에 흐르는 전류를 검지하여 전류 경로에 흐르고 있는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력한다. 마이크로컴퓨터는 전류 검지부로부터 검지 신호를 수신하여 스위칭 소자를 제어한다. 마이크로컴퓨터는 전류 경로에 흐르고 있는 전류의 값이 소정의 값을 초과하는지의 여부에 관해 판정이 행해지는 제1 단계와, 전류의 값이 소정의 값을 초과할 때에 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 전류가 지속적으로 흐르는지의 여부에 관해 판정이 행해지는 제2 단계와, 전류가 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 지속적으로 흐를 때에 스위칭 소자를 오프 상태로 설정하기 위해 제어 신호를 생성하는 제3 단계를 수행하는 제어 프로그램을 갖는다.
마이크로컴퓨터의 제어 프로그램은, 제3 단계의 실행 후에, 스위칭 소자가 오프 상태로 설정된 후에 소정의 제2 기간이 경과하였는지의 여부에 관해 판정이 행해지고, 소정의 제2 기간이 경과한 때에 스위칭 소자를 다시 온 상태로 설정하도록 제어 신호가 생성되는 제4 단계를 추가로 실행할 수도 있다.
전력 공구는 모터, 비트, 속도 감소 메카니즘, 주몸체, 핸들 및 배터리 팩을 포함한다. 속도 감소 메카니즘은 모터에 작동 가능하게 연결된 입력측과, 비트에 작동 가능하게 연결된 출력측을 갖는다. 속도 감소 메카니즘에 의해 비트에 전송된 회전 속도는 모터의 회전 속도에 비해 감소된다. 주몸체는 DC 모터 및 속도 감소 메카니즘을 수용한다. 핸들은 그 일측이 주몸체에 연결된다. 배터리 팩은 핸 들의 타측에 부착되며, 그 안에 배터리를 수용한다.
동작시, 전류 검지부가 DC 모터의 개시 전류를 검지할 때에는 스위칭 소자가 온 상태로 설정되는 반면, 전류 검지부가 DC 모터의 정지 전류(lock current)를 검지할 때에는 스위칭 소자가 오프 상태로 설정된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 모터를 포함하는 전력 공구에 사용하기 위한 배터리 팩이 제공된다. 이 배터리 팩은 직렬 접속된 복수의 리튬 배터리로 구성된 배터리와, 전력 공구에의 접속을 위한 한 쌍의 접속 단자를 포함한다. 소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의되는 과전류는 소정의 기간 이상 동안에 배터리에서 모터로 흐르게 되는 것이 방지된다.
배터리 팩이 스위칭 소자, 전류 검지부 및 컨트롤러를 더 포함하는 것이 바람직하다. 전류 검지부는 배터리에서 모터로 흐르는 전류를 검지하고, 배터리에서 모터로 흐르는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력한다. 컨트롤러는 전류 검지부로부터 검지 신호를 수신하여, 스위칭 소자를 제어한다. 컨트롤러는 소정 시간 동안 과전류가 배터리에 흐른다는 것을 검지 신호가 나타낼 때에 컨트롤러가 배터리로부터 흐르고 있는 전류를 차단하도록 하는 방식으로 스위칭 소자를 제어한다. 여기서, 과전류는 소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의된다.
이와 달리, 배터리 팩은 스위칭 소자, 전류 검지부 및 마이크로컴퓨터를 더 포함할 수도 있다. 스위칭 소자는 선택적으로 온 상태와 오프 상태를 제공하며, 동작시 DC 모터에는 한 쌍의 접속 단자를 통해 배터리로부터 구동 전류가 공급된다. 전류 검지부는 배터리에서 모터로 흐르는 전류를 검지하고, 배터리에서 모터 로 흐르는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력한다. 마이크로컴퓨터는 전류 검지부로부터 검지 신호를 수신하고, 스위칭 소자를 제어한다. 마이크로컴퓨터는 전류 경로에 흐르고 있는 전류의 값이 소정의 값을 초과하는지의 여부에 관해 판정이 행해지는 제1 단계와, 전류의 값이 소정의 값을 초과할 때에 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 전류가 지속적으로 흐르는지의 여부에 관해 판정이 행해지는 제2 단계와, 전류가 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 지속적으로 흐를 때에 스위칭 소자를 오프 상태로 설정하기 위해 제어 신호를 생성하는 제3 단계를 수행하는 제어 프로그램을 갖는다.
마이크로컴퓨터의 제어 프로그램은, 제3 단계의 실행 후에, 스위칭 소자가 오프 상태로 설정된 후에 소정의 제2 기간이 경과하였는지의 여부에 관해 판정이 행해지고, 소정의 제2 기간이 경과한 때에 스위칭 소자를 다시 온 상태로 설정하도록 제어 신호가 생성되는 제4 단계를 추가로 실행할 수도 있다.
동작시, 전류 검지부가 DC 모터의 개시 전류를 검지할 때에는 스위칭 소자가 오프 상태로 설정되는 반면, 전류 검지부가 DC 모터의 정지 상태를 검지할 때에는 스위칭 소자가 온 상태로 설정된다.
본 발명의 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 공구를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 전력 공구의 일례를 보여주는 개략도이다. 도 1에 도시된 전력 공 구(200)는 전기 스크류드라이버이다. 다른 전력 공구 또한 동일한 구조를 갖는다. 전력 공구(200)는 주몸체(200A), 주몸체(200A)에 연결된 핸들(200B), 및 핸들(200B)의 말단부에 부착된 배터리 팩(1)을 갖는다. 배터리 팩(1)은 직렬 접속된 소정의 수의 리튬 배터리를 수용한다.
주몸체(200A)는 모터(210), 속도 감소 메카니즘(400), 및 주몸체(200A)의 원심 단부에 부착된 스크류드라이버 비트(300)를 포함한다. 모터(210)는 배터리 팩(1)에 수용된 배터리에 연결시에 회전한다. 속도 감소 메카니즘(400)은 모터(210)에 작동 가능하게 연결되고, 모터(210)의 회전 속도를 감소시키며, 감소된 속도를 모터(210)로부터 생성된 회전 원동력(rotational motive energy)을 유지하면서 스크류드라이버 비트(300)에 전송한다. 타격식 전력 공구는 속도 감소 메카니즘과 비트 사이에 위치되는 햄머 등의 타격 메카니즘(도시하지 않음)을 포함한다.
도시된 이 예에 사용된 리튬 배터리 셀의 정상 전압은 3.6V이다. 전력 공구(200)는 14.4V로 작동되므로, 4개의 배터리 셀(11∼14)(도 3)이 직렬로 연결된다.
배터리 팩(1)에 수용된 리튬 배터리 셀로부터의 전류는 스위칭 소자를 통해 모터(210)에 흐른다. 스위칭 소자는 모터(210)의 동작 개시시에 과전류가 흐를 때에는 온 상태로 전환되는 반면, 후술하는 바와 같이 모터(210)가 정지 상태에 진입하는 순간에 모터(210)에 과전류가 흐를 때에는 오프 상태로 전환된다.
다음으로, 과전류 보호 회로의 구체적인 예를 설명한다.
도 3은 전력 공구(200)에 연결된 배터리 팩(1)을 나타내는 회로도이다. 배터리 팩(1)은 양극 단자(2) 및 음극 단자(3)를 가지며, 양극 단자(2)는 전력 공구(200)의 양극 단자(201)에 연결되고, 음극 단자(3)는 전력 공구(200)의 음극 단자(202)에 연결된다. 전력 공구(200)의 양극 단자(201)와 음극 단자(202) 사이에는 DC 모터(210)와 전력 스위치(220)가 직렬로 접속되어 있다.
배터리 팩(1)은 배터리(10), 전류 스위칭부(20), 정전압 전원(30), 배터리 전압 검출기(40), 배터리 온도 검출기(50), 컨트롤러로서 기능하는 마이크로컴퓨터(60), 전류 검지부(70), 트리거 검출기(80), 및 디스플레이(90)를 포함한다.
배터리(10)는 접속판에 의해 직렬로 접속된 셀(11∼14)을 포함한다. 배터리(10)의 셀은 동일한 용량을 갖는 것으로 가정되지만, 실제로는 용량에 있어서 약간의 변동폭을 갖는다.
배터리 팩(1)이 전력 공구(200)에 접속되어 있는 동안 전력 공구(200)의 전력 스위치(220)가 온 상태로 될 때, 전력 공구(200)를 통해 배터리(10)의 양극 단자에서 배터리(10)의 음극 단자로 방전 전류가 흐르게 된다. 배터리 전압 검출기(40), 정전압 전원(30), 트리거 검출기(80) 및 스위칭부(20)는 방전 전류 경로에 연결되어 있고, 마이크로컴퓨터(60)는 이들 구성요소와 배터리 팩(1)에 포함된 다른 구성요소에 연결된다.
마이크로컴퓨터(60)는 중앙 처리 장치(CPU)(61), 판독 전용 메모리(ROM)(62), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(63), 타이머(64), 아날로그-디지털(A/D) 변환기(65), 출력 포트(66) 및 리셋 입력 포트(67)를 포함한다. 마이크로컴퓨터(60) 의 구성요소는 내부 버스를 통해 서로 연결되어 있다.
스위칭부(20)는 배터리(10)의 음극 단자와 배터리 팩(1)의 음극 단자 사이에 연결되며, 전계 효과 트랜지스터(FET)(21) 및 저항기(23, 24)를 포함한다. 마이크로컴퓨터(60)의 출력 포트(66)로부터의 제어 신호는 저항기(24)를 통해 FET(21)의 게이트에 인가되어, 전력 공구(200)를 통해 흐르는 부하 전류에 대하여 스위칭 제어를 수행한다. FET(21)의 소스와 드레인 양단에 접속된 다이오드(22)가 충전 전류 경로로서 작용하여, 배터리(10)가 전력 공구(200) 대신에 배터리 팩(1)에 연결된 배터리 충전기(도시하지 않음)로 충전되는 동안에 충전 전류가 흐른다.
전류 검지부(70)는 배터리(10)가 충전되고 있는지, 방전되고 있는지, 아니면 배터리에 아무런 부하가 걸리고 있지 않을 때와 같은 다른 상태에 있는지의 여부를 판정하도록 기능한다. 전류 검지부(70)의 입력은 다이오드(22)의 캐소드 및 FET(21)의 드레인에 접속되어 있으며, 전류 검지부(70)의 출력은 마이크로컴퓨터(60)의 A/D 변환기(65)에 접속되어 있다.
도시하지는 않았지만, 전류 검지부(70)는 반전 증폭기 회로 및 비반전 증폭기 회로를 포함하며, 이들 증폭기 회로는 병렬로 접속되어 전류 검지부(70)에 인가된 전압을 선택적으로 증폭한다. 전류 검지부(70)에 인가된 전압의 극성은 전류의 방향, 즉 다이오드(22)에 흐르는 충전 전류 또는 FET(21)에 흐르는 방전 전류에 따라 결정된다. 전류 검지부(70)에 인가된 전압의 레벨은 FET(21)의 ON 저항 및 다이오드(22)의 ON 전압에 따라 결정된다. 그 결과, 배터리(10)가 충전되고 있는지 아니면 방전되고 있는지의 여부에 따라 반전 증폭기 회로 또는 비반전 증폭기 회로 중의 하나에 의해 출력이 발생된다. 전류 검지부(70)로부터의 출력은 마이크로컴퓨터(60)의 A/D 변환기(65)에 의해 A/D 변환된다. 충전 및 방전 동안 전류값을 정확하게 검출하도록 요구된다면, 낮은 저항치의 전류 검출 저항기가 전류가 흐르는 루프에 배치될 수 있다.
이 경우, 저항기를 통해 흐르는 전류의 레벨에 따라 전개된 전압은 연산 증폭기에 의해 증폭될 수 있다. A/D 변환기(65)는 연산 증폭기로부터의 출력에 관해 A/D 변환을 수행하며, 그 결과의 디지털 출력에 기초하여 전류값이 계산된다.
정전압 전원(30)은 3-단자 레귤레이터(REG.)(31), 평활 커패시터(32, 33) 및 리셋 IC(34)를 포함한다. 정전압 전원(30)으로부터 출력된 정전압 Vcc는 배터리 온도 검출기(50), 마이크로컴퓨터(60), 전류 검지부(70) 및 디스플레이(90)에 대한 전원으로서 기능한다. 리셋 IC(34)는 마이크로컴퓨터(60)의 리셋 입력 포트(67)에 접속되고, 리셋 입력 포트(67)에 리셋 신호를 출력하여 마이크로컴퓨터(60)의 설정을 초기화한다.
배터리 전압 검출기(40)는 배터리(10)의 전압을 검출하기 위해 제공되며, 저항기(41∼43)를 포함한다. 저항기(41, 42)는 배터리(10)의 양극 단자와 접지 사이에 직렬 접속된다. 마이크로컴퓨터(60)의 A/D 변환기(65)는 저항기(41, 42)가 서로 접속되고 있는 접속점에 저항기(43)를 통해 접속되며, 검출된 배터리 전압에 대응하는 디지털 값을 출력한다. 마이크로컴퓨터(60)의 CPU(61)는 A/D 변환기(65)로부터의 디지털 값을 추후에 설명되는 소정의 제1 및 제2 전압과 비교한다. 소정의 제1 및 제2 전압은 마이크로컴퓨터(60)의 RAM(62)에 저장된다.
배터리 온도 검출기(50)는 배터리(10)의 온도를 검출하기 위해 배터리(10)에 인접하여 위치된다. 배터리 전압 검출기(50)에 의해 검출된 온도는 엄밀한 의미에서는 배터리(10)의 온도가 아니지만 배터리(10)의 온도와 거의 일치한다. 배터리 온도 검출기(50)는 더미스터(thermistor)(51) 및 저항기(52∼54)를 포함한다. 더미스터(51)는 저항기(53)를 통해 마이크로컴퓨터(60)의 A/D 변환기(65)에 접속된다. 따라서, A/D 변환기(65)는 배터리 온도 검출기(50)에 의해 검출된 배터리 온도에 대응하는 디지털 값을 출력한다. 마이크로컴퓨터(60)의 CPU(61)는 이 디지털 값을 소정의 값과 비교하여 배터리 온도가 비정상적으로 높은지의 여부를 판정한다.
트리거 검출기(80)는 저항기(81, 82)를 포함하고, 전력 공구(200)의 스위치(220)가 턴온되는 시점을 검출한다. 전력 스위치(220)가 오프 상태인 동안에는, 배터리(10)의 전압이 FET(21)의 드레인에 인가되지 않는다. 따라서, 트리거 검출기(80)에 접속된 A/D 변환기(65)의 입력은 접지 전위로 유지된다. 한편, DC 모터(210)의 DC 저항이 예컨대 불과 수 Ω 정도로 극히 작기 때문에, 전력 스위치(220)가 온 상태인 동안에는 FET(21)의 드레인과 소스 사이에는 실질적으로 배터리 전압과 동일한 전압이 전개된다. 이 전압은 저항기(81, 82)에서 분할되며, 저항기(82) 양단에 전개된 전압은 A/D 변환기(65)에 인가되어, 전력 스위치(220)의 온 조건이 검출될 수 있다.
디스플레이(90)는 발광 다이오드(LED)(91) 및 저항기(92)를 포함한다. LED(91)는 마이크로컴퓨터(60)의 출력 포트(66)로부터의 출력에 따라 발광하거나 턴 오프하도록 제어된다. 디스플레이(90)는 예컨대 배터리 온도 검출기(50)가 소정 온도보다 높은 배터리 온도를 검출할 때에 배터리(10)의 온도가 너무 높다는 경고를 디스플레이하도록 제어된다.
다음으로, 배터리 팩(1)의 동작을 도 3의 회로도 및 도 4의 흐름도를 참조하여 설명한다.
전술한 바와 같이, 배터리(10)에 흐르는 과전류에는 2가지의 종류가 있다. 그 하나는 모터(210)의 구동 개시시에 흐르는 과전류이며, 다른 하나는 모터가 전력 공구(200)의 사용 동안 정지 상태에 있게 될 때에 흐르는 과전류이다.
과전류는 모터(210)의 구동 개시시에 순간적으로 흐르며, 회로의 제어 시퀀스는 이러한 유형의 과전류가 모터(210)에 흐르게 한다. 한편, 회로는 모터(210)가 통상적으로 가공될 피가공편에 비트가 물림으로써 초래되는 정지 상태에 있게 될 때에 흐르는 과전류로부터 보호된다. 즉, 전력 공구(200)의 사용 동안에 흐르는 과전류가 차단된다.
도 4에 도시된 실시예에서, 과전류가 흐르는 동안의 기간이 타이머를 이용하여 측정되며, 이와 같이 측정된 기간이 소정의 값 이하일 때에는 FET(21)가 온 상태로 유지되는 한편, 타이머에 의해 측정된 기간이 소정의 값을 초과할 때에는 FET(21)가 오프 상태로 된다. 다음의 제어를 실행하기 위한 프로그램이 마이크로컴퓨터(60)의 ROM(62)에 저장되며, CPU(61)가 필요시에 이 프로그램을 판독하여 실행한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 단계 S101에서는 마이크로컴퓨터(60)가 FET(21)를 턴온시킨다(초기 설정). 그리고나서, 전력 공구(200)의 메인 스위치, 즉 전력 스위치(220)가 온으로 전환될 때, 전력 공구(200)의 DC 모터(210)에 구동 개시 전류가 흐른다.
단계 S102에서는 전류 검지부(70)가 FET(21)에 흐르는 전류 Ia를 검지하며, 단계 S103에서는 이와 같이 검출된 전류 Ia가 소정의 값 I1 이상인지의 여부를 마이크로컴퓨터(60)가 판정한다. 소정의 값 I1은 리튬 배터리 셀(11∼14)의 전류 및 사이클 수명과, DC 모터(210)가 정지 상태에 있을 때의 전기자 권선에 흐르는 전류의 값 간의 특성에 맞추어 적절하게 선택된다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 모터의 구동 개시시의 피크 전류가 100A인 경우, 소정의 값 T1은 피크 전류의 50％ 내지 70％로 설정된다.
단계 S103에서 이루어진 판정이 "아니오"일 때, FET(21)는 온 상태로 유지된다. 한편, 단계 S103에서 이루어진 판정이 "예"일 때, 이 루틴은 다음 단계 S104로 진행하여, 소정의 값 I1 이상의 전류가 흐르는 기간이 소정 기간 T1 이상의 기간을 지속하는지의 여부에 관해 판정이 이루어진다. 이를 위해, 마이크로컴퓨터(60) 내의 타이머(64)는 전류 검지부(70)에 의해 검출된 전류 Ia가 소정의 값 I1 이상이 되는 기간을 카운트한다.
DC 모터(210)의 종류에 따라, 구동 개시시에 과전류가 흐르는 기간은 100msec 이하이다. 한편, 전력 공구(200)의 비트가 피가공편에 물려 모터(210)가 정지 상태로 될 때에 과전류가 흐르는 기간은 100msec 보다 훨씬 길다. 따라서, 소정의 기간 T1이 대략 100msec로 설정될 때, 모터(210)의 구동 개시시에 흐르는 과전류와 모터(210)가 정지 상태로 될 때에 흐르는 과전류가 구분될 수 있다.
단계 S104에서, 과전류가 흐르는 기간이 소정의 기간 T1 이상의 기간 동안 지속하는 것으로 판정이 이루어질 때, 이 루틴은 단계 S105로 진행하여 FET(21)가 오프 상태로 된다. 그 결과, 과전류가 장시간 동안 리튬 배터리 셀(11∼14)로 구성된 배터리(10)에 지속적으로 흐르는 것이 방지되어, 리튬 배터리 셀(11∼14)의 특성 저하를 방지할 수 있다.
더욱히, 단계 S106에서, FET(21)이 턴 오프된 후, 소정의 기간 T2가 만료되었는지의 여부가 판정된다. 단계 S106에서 이루어진 판정이 "아니오"일 때, FET(21)는 오프 상태로 유지된다. 한편, 단계 S106에서 이루어진 판정이 "예"일 때, 이 루틴은 다음 단계 S107로 진행하여 FET(21)가 턴온되며, 그 후 이 루틴은 단계 S102로 복귀하여 동일한 과정이 반복된다. 소정의 기간 T2는 예컨대 5초로 설정된다. 그에 따라, DC 모터(210)가 정지 상태로 되고 FET(21)이 턴 오프된다 하더라도, FET(21)은 소정 기간 T2의 만료시에 다시 턴온되며, 이에 의해 동작 전압이 DC 모터(210)에 인가될 수 있다. 전력 공구(200)의 사용이 소정의 기간 T2 동안 일시적으로 멈춰지므로, 소정의 기간 T2는 전력 공구(200)의 작동성 및 리튬 배터리 셀의 열화 특성에 맞추어 적절하게 선택된다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 공구(200)의 제어 흐름이 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시예로 제한되지 않고, 본 발명의 기술사상으로부터 일탈함이 없이 다양한 변형예와 다른 구성 또는 등가물과 다른 양상의 제어가 실시될 수 있다.
본 발명에 의하면, 리튬 배터리는 모터가 정지 상태에 있을 때 비교적 긴 기간 동안 흐르는 과전류로부터 보호될 수 있고, 그에 따라 배터리의 열화가 방지될 수 있다.

Claims (13)

  1. 전력 공구(200)에 있어서,
    직렬 접속된 복수의 리튬 배터리 셀(11∼14)로 구성된 배터리(10); 및
    배터리(10)에 연결되고, 상기 배터리(10)로부터 구동 전류를 공급받는 DC 모터(210)
    를 포함하며,
    소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의되는 과전류가 소정의 기간 이상의 동안에 전류 경로에 흐르는 것이 방지되는
    것을 특징으로 하는 전력 공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리(10)와 상기 모터(210) 사이에 연결되어, 상기 배터리(10) 및 상기 DC 모터(210)와 함께 전류 경로를 제공하며, 이 전류 경로를 통해 상기 DC 모터(210)에 상기 배터리(10)로부터의 구동 전류가 공급되는, 스위칭 소자(21);
    상기 전류 경로에 흐르는 전류를 검지하여 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력하는 전류 검지부(70); 및
    상기 전류 검지부(70)로부터 검지 신호를 수신하고, 상기 스위칭 소자(21)를 제어하며, 상기 검지 신호가 소정의 기간 동안에 상기 배터리(10)에 과전류가 흐른다는 것을 나타낼 때에는 상기 배터리(10)에 흐르는 전류를 차단하는 컨트롤러(60) 를 더 포함하며,
    상기 과전류는 소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의되는 것을 특징으로 하는 전력 공구.
  3. 제1항에 있어서,
    온 상태와 오프 상태를 선택적으로 제공하며, 상기 배터리(10) 및 상기 DC 모터(210)와 함께 접속되어 전류 경로를 제공하고, 이 전류 경로를 통해 상기 DC 모터(210)에 상기 배터리(10)로부터의 구동 전류가 공급되는, 스위칭 소자(21);
    상기 전류 경로에 흐르는 전류를 검지하여 상기 전류 경로에 흐르는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력하는 전류 검지부(70); 및
    상기 전류 검지부(70)로부터 검지 신호를 수신하고, 상기 스위칭 소자(21)를 제어하며, 상기 전류 경로에 흐르고 있는 전류의 값이 소정의 값을 초과하는지의 여부에 관해 판정이 행해지는 제1 단계와, 전류의 값이 소정의 값을 초과할 때에 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 전류가 지속적으로 흐르는지의 여부에 관해 판정이 행해지는 제2 단계와, 전류가 상기 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 지속적으로 흐를 때에 상기 스위칭 소자(21)를 오프 상태로 설정하기 위해 제어 신호를 생성하는 제3 단계를 수행하는 제어 프로그램을 갖는 마이크로컴퓨터(60)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로컴퓨터(60)의 제어 프로그램은, 또한, 상기 제3 단계의 실행 후에, 상기 스위칭 소자(21)가 오프 상태로 설정된 후에 소정의 제2 기간이 경과하였는지의 여부에 관해 판정이 행해지고, 상기 소정의 제2 기간이 경과한 때에 상기 스위칭 소자(21)를 다시 온 상태로 설정하도록 제어 신호가 생성되는 제4 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 전력 공구.
  5. 제1항에 있어서,
    비트(300);
    상기 모터(210)에 작동 가능하게 연결된 입력측과, 상기 비트(300)에 작동 가능하게 연결된 출력측을 가지며, 상기 모터(210)의 회전 속도에 비해 감소된 회전 속도를 상기 비트(300)에 전송하는 속도 감소 메카니즘(400);
    상기 DC 모터(210) 및 상기 속도 감소 메카니즘(400)을 수용하는 주몸체(200A);
    그 일측이 상기 주몸체(200A)에 연결된 핸들(200B); 및
    상기 핸들(200B)의 타측에 부착되며, 그 안에 상기 배터리(10)를 수용하는 배터리 팩(1)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공구.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전류 검지부(70)가 상기 DC 모터(210)의 개시 전류를 검지할 때에는 상 기 스위칭 소자(21)가 온 상태로 설정되고, 상기 전류 검지부(70)가 상기 DC 모터(210)의 정지 전류(lock current)를 검출할 때에는 상기 스위칭 소자(21)가 오프 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 공구.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자(21)는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공구.
  8. 모터(210)를 포함하는 전력 공구(200)에 사용하기 위한 배터리 팩(1)에 있어서,
    직렬 접속된 복수의 리튬 배터리 셀(11∼14)로 구성된 배터리(10); 및
    전력 공구(200)에의 접속을 위한 한 쌍의 접속 단자(2, 3)
    를 포함하며,
    소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의되는 과전류가 소정의 기간 이상 동안에 상기 배터리(10)에서 상기 모터(210)로 흐르는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    스위칭 소자(21);
    상기 배터리(10)에서 상기 모터(210)로 흐르는 전류를 검지하여, 상기 배터 리(10)에서 상기 모터(210)로 흐르는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력하는 전류 검지부(70); 및
    상기 전류 검지부(70)로부터 검지 신호를 수신하고, 상기 스위칭 소자(21)를 제어하며, 상기 검지 신호가 소정의 기간 동안에 상기 배터리(10)에 과전류가 흐른다는 것을 나타낼 때에는 상기 배터리(10)에 흐르는 전류를 차단하는 컨트롤러(60)를 더 포함하며,
    상기 과전류는 소정의 값 이상의 값을 갖는 전류로 정의되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    온 상태와 오프 상태를 선택적으로 제공하며, 동작시 상기 한 쌍의 접속 단자(2, 3)를 통해 상기 배터리(10)로부터의 구동 전류가 상기 DC 모터(210)에 공급되는, 스위칭 소자(21);
    상기 배터리(10)에서 상기 모터(210)로 흐르는 전류를 검지하여, 상기 배터리(10)에서 상기 모터(210)로 흐르는 전류를 나타내는 검지 신호를 출력하는 전류 검지부(70); 및
    상기 전류 검지부(70)로부터 검지 신호를 수신하고, 상기 스위칭 소자(21)를 제어하며, 전류 경로에 흐르고 있는 전류의 값이 소정의 값을 초과하는지의 여부에 관해 판정이 행해지는 제1 단계와, 전류의 값이 소정의 값을 초과할 때에 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 전류가 지속적으로 흐르는지의 여부에 관해 판정이 행 해지는 제2 단계와, 전류가 상기 소정의 제1 기간 동안 전류 경로에 지속적으로 흐를 때에 상기 스위칭 소자(21)를 오프 상태로 설정하기 위해 제어 신호를 생성하는 제3 단계를 수행하는 제어 프로그램을 갖는 마이크로컴퓨터(60)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로컴퓨터(60)의 제어 프로그램은, 또한, 상기 제3 단계의 실행 후에, 상기 스위칭 소자(21)가 오프 상태로 설정된 후에 소정의 제2 기간이 경과하였는지의 여부에 관해 판정이 행해지고, 상기 소정의 제2 기간이 경과한 때에 상기 스위칭 소자(21)를 다시 온 상태로 설정하도록 제어 신호가 생성되는 제4 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 전류 검지부(70)가 상기 DC 모터(210)의 개시 전류를 검지할 때에는 상기 스위칭 소자(21)가 온 상태로 설정되고, 상기 전류 검지부(70)가 상기 DC 모터(210)의 정지 전류(lock current)를 검지할 때에는 상기 스위칭 소자(21)가 오프 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자(21)는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하 는 배터리 팩.
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