(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池と、
モータと、
前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、
前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と，
前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
前記モータ電圧検出手段から出力された検出信号を整形するフィルタ手段と、を有し、
前記フィルタ手段は、第１段目積分回路と第２段目積分回路の２つの積分回路を有し、前記第１段目積分回路の時定数よりも前記第２段目積分回路の時定数の方が大きく構成され、
前記駆動電圧生成手段は、前記フィルタ手段によって整形された検出信号に従って昇圧した電圧を出力し、
前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動するようにしたことを特徴とする電動工具。
【請求項２】
電池と、
モータと、
前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、
前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と，
前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
照明手段と、を有し、
前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動すると共に前記照明手段を点灯するようにしたことを特徴とする電動工具。
【請求項３】
電池電圧が所定の値以下のときは，過放電状態であるとして前記スイッチング素子をＯＦＦさせる電池過放電検出手段と，モータに流れる電流を検出し，モータに流れる電流値が所定の値以上のときは，過電流状態であるとして前記スイッチング素子をＯＦＦさせる電池過電流検出手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
【請求項４】
前記モータのＯＮ／ＯＦＦと回転方向を切り替える正逆スイッチを更に備え，前記モータ電圧検出手段は，モータの正負両方の電圧を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，リチウムイオン２次電池等の電池パックによって駆動するコードレス電動工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年，コードレス電動工具を駆動する電池として，高容量化，軽量化が可能なリチウムイオン電池が使用されている。一般的には、複数のリチウムイオン電池セルを直列に接続してなる電池組を搭載した電池パックを電動工具に装着して使用する。リチウムイオン電池は過放電・過電流放電を行うと，電池の劣化・発火の可能性があり，専用の保護ＩＣやマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」という)等によって過放電・過電流放電を監視している。保護ＩＣやマイコンは，過放電・過電流放電を検出したときに放電経路に設けてあるスイッチング素子(ＦＥＴ)を遮断するよう動作し、リチウムイオン電池の安全な使用を担保している(特許文献１)。
【０００３】
一方、コードレス電動工具の中には、軽作業用として１セルのみのリチウムイオン電池を使用したものもある。この種の電動工具には、特に過放電・過電流を監視するための保護ＩＣを設けていないものも多く存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７６３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
１セルのみのリチウムイオン電池を使用した電動工具についても、より一層の安全性をはかり、過放電・過電流に起因する電池の短命化を防止する必要性がある。しかしながら、１セルのリチウムイオン電池で駆動する電動工具にも保護ＩＣを設け、過放電・過電流を監視するようにすると、過放電や過電流の検出に応答して動作すべきスイッチング素子(ＦＥＴ)が正常に動作しない場合がある。これは、１セルのリチウムイオン電池の電池電圧は３.６Ｖ程度であるため、電池残容量が少なくなり電池電圧が低下すると、これに伴ってスイッチング素子（ＦＥＴ）に印加される電圧も低下してしまうためである。
【０００６】
本発明は，上記した問題点を解消し，安全性，長寿命に優れた安価なコードレス電動工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の電動工具は、電池と、モータと、前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と，前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、前記モータ電圧検出手段から出力された検出信号を整形するフィルタ手段と、を有し、前記フィルタ手段は、第１段目積分回路を第２段目積分回路の２つの積分回路を有し、前記第１段目積分回路の時定数よりも前記第２段目積分回路の時定数の方が大きく構成され、前記駆動電圧生成手段は、前記フィルタ手段によって整形された検出信号に従って昇圧した電圧を出力し、前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
このように構成されて電動工具では、駆動電圧生成手段がスイッチング素子の駆動電圧を生成し、駆動電圧の生成はモータ電圧検出手段が検出した電圧に基づいて行うようにしている。従って、例えば、モータの停止時には、スイッチング素子の駆動電圧は生成せず、モータの回転時のみスイッチング素子の駆動電圧は生成するようにすることができ、使用していない時の消費電流を抑制することができる。また、電池電圧を昇圧した電圧によってモータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子を駆動するため、電池電圧が低い状態であっても安定したスイッチング素子の動作を期待することができる。更に、モータ電圧信号を生成するフィルタ手段は、２つの積分回路を備え、第１段目の積分回路の時定数よりも第２段目の積分回路の時定数の方を大きくしたため、第１段目の積分回路で比較的電圧が高く、なおかつ周波数の高いサージノイズから回路を保護し、第２段目の積分回路によってモータの逆起電圧によって発生する比較的周波数の低い電圧上昇から回路を保護することができる。
【００１３】
請求項２記載の電動工具は、電池と、モータと、前記モータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、前記モータに印加されている電圧を検出するモータ電圧検出手段と、前記モータ電圧検出手段が検出した電圧に基づき前記モータの回転中において電池電圧を昇圧して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、照明手段と、を有し、前記駆動電圧生成手段からの出力電圧によって前記スイッチング素子を駆動すると共に前記照明手段を点灯するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
このように構成された電動工具では、駆動電圧生成手段がスイッチング素子の駆動電圧を生成し、駆動電圧の生成はモータ電圧検出手段が検出した電圧に基づいて行うようにしている。従って、モータの停止時には、スイッチング素子の駆動電圧を生成せず、モータの回転時のみスイッチング素子の駆動電圧を生成するようにすることができ、使用していない時の消費電流を抑制することができる。また、電池電圧を昇圧した電圧によってモータに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子を駆動するため、電池電圧が低い状態であっても安定したスイッチング素子の動作を期待することができる。更に、昇圧した電圧によって照明手段を駆動するために，例えば白色ＬＥＤ等の駆動電圧が電池電圧よりも高い照明装置であっても駆動することが可能となる。
【００１５】
請求項３記載の電動工具は、電池電圧が所定の値以下のときは，過放電状態であるとして前記スイッチング素子をＯＦＦさせる電池過放電検出手段と，モータに流れる電流を検出し，モータに流れる電流値が所定の値以上のときは，過電流状態であるとして前記スイッチング素子をＯＦＦさせる電池過電流検出手段を更に備えたことを特徴としている。
【００１６】
このように構成された電動工具では、電池電圧が低い状態であってもスイッチング素子の動作は安定しているので、過放電・過電流の監視，保護を確実に行うことができる。
【００１７】
請求項４記載の電動工具は、前記モータのＯＮ／ＯＦＦと回転方向を切り替える正逆スイッチを更に備え，前記モータ電圧検出手段は，モータの正負両方の電圧を検出することを特徴としている。
【００１８】
このように構成された電動工具では、モータ電圧検出手段はモータの正負両方の電圧を検出するようにしたため，正逆対応のスイッチに対応することができる。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明によれば，消費電流を抑制することができるとともに、電池電圧が低下しても安定して過電流・過放電の監視を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るコードレス電動工具の電気的構成を示した回路図。
【図２】本発明の一実施形態に係るコードレス電動工具の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態について，図面を参照しながら詳細に説明する。図２はコードレス電動工具の一実施形態を示す構成図である。図２において，１０１は過放電・過電流監視回路，１０２は電池パック，１０３は正逆スイッチ，１０４はモータ，１０５は照明用のＬＥＤである。正逆スイッチ１０３をＲ側に押すとモータ１０４は右回転，Ｌ側に押すと左回転し，それに伴って先端のビットが回転し，ネジ締め，穴あけ作業を行うことができる。正逆スイッチ１０３がＲ側とＬ側の中間位置にあるときは、図１からわかるように、モータ１０４と電池パック１０２との電気的接続は遮断され、モータ４の回転は停止する。
【００２２】
次に本実施形態による過放電・過電流監視について，図１を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態に係るコードレス電動工具の電気的構成を示した回路図である。コードレス電動工具は、モータ１０４と、モータ１０４の駆動源となる電池パック１０２を備え、モータ１０４に流れる電流の方向を切り替えることにより先端ビットの回転方向を切り替える正逆スイッチ１０３がモータ１０と電池パック１０２の間に介挿されている。
【００２３】
過放電・過電流監視回路１０１は，モータ１０４に印加されている電圧信号を検出し、検出した電圧信号を整形するフィルタ機能を有する電圧検出／フィルタ回路１０６，電池電圧を昇圧する昇圧回路１０７，モータ１０４に流れる電流のスイッチングを行うＦＥＴ１０８，モータ１０４に流れる電流を検出するための電流検出用シャント抵抗１０９，電池電圧とモータ１０４に流れる電流の監視を行う保護ＩＣ１１０，抵抗器１１１，１１２，１１５，１２８、ＦＥＴ１１３，１１４で構成されている。
【００２４】
まず初めに電動工具本体に電池パック１０２が装着されると，電池電圧が保護ＩＣ１１０と昇圧回路１０７に供給される。次に正逆スイッチ１０３をＬ側，Ｒ側どちらかに押すと，モータ１０４に電池電圧が供給され，また電圧検出／フィルタ回路１０６にもモータ１０４にかかっている電圧が入力される。この電圧検出／フィルタ回路１０６は，抵抗器１１６，１１７，１２１，コンデンサ１１８，１２２，ダイオード１１９，１２０で構成されている。正逆スイッチ１０３がＲ側に押されていれば抵抗器１１６，Ｌ側に押されていれば抵抗器１１７にモータ電圧が入力される。入力されたモータ電圧は抵抗器１１６，１１７，コンデンサ１１８で構成される第１段目の積分回路によってサージノイズを除去し，ダイオード１１９，１２０を通って抵抗器１２１，コンデンサ１２２で構成される第２段目の積分回路によって平均化され昇圧用ＩＣ１２４のイネーブル端子（ＥＮ）に入力される。
【００２５】
電圧検出／フィルタ回路１０６には２つの積分回路があるが，第１段目の積分回路では正逆スイッチ１０３のチャタリングやモータ１０３のブラシから発生する比較的電圧が高く，なおかつ周波数の高いサージノイズからダイオード１１９，１２０や昇圧用ＩＣ１２４を保護する。具体的には、サージノイズのピーク電圧は約４０Ｖ程度であり、ダイオード１１９，１２０の耐圧は３０Ｖである。そのため、第１段目の積分回路によりダイオード１１９，１２０が保護される。
【００２６】
第２段目の積分回路は、モータ１０３の逆起電圧によって発生した比較的周波数の低い電圧上昇(ピーク電圧は１０Ｖ程度)から昇圧用ＩＣ１２４を保護する役割を担っている。つまり，積分回路の時定数としては第１段目よりも第２段目の方が大きい値に設定されている。なお、コンデンサ１２２と並列接続されている抵抗器１２８は、正逆スイッチ１０３がＲ側とＬ側の中間位置、即ち、オフのときに、コンデンサ１２２に蓄えられた電荷を放電するための放電経路を構成している。
【００２７】
このように、電圧検出／フィルタ回路１０６は、モータ１０４に印加されている電圧を検出するための回路であり、同時に検出電圧に重畳されたノイズ成分を除去して検出電圧を成形するフィルタ機能を有している。
【００２８】
次に昇圧回路１０７について説明する。昇圧回路１０７は，昇圧用ＩＣ１２４，コンデンサ１２３，１２６，１２７，ダイオード１２５で構成されている。昇圧回路１０７は一般にコンデンサチャージポンプ方式と呼ばれる昇圧方式であり，入力された電圧とコンデンサ１２７に充電された電圧を重畳させて，入力電圧を２倍に昇圧して出力するものである。本実施形態では、昇圧用ＩＣ１２４として、ナショナル・セミコンダクタ社から販売されている「ＬＭ２７６６」を使用している。昇圧用ＩＣ１２４は、コンデンサチャージポンプ方式専用ＩＣであり，ＩＣ内部に発振器とアナログスイッチを備え，コンデンサ１２７の接続をアナログスイッチによって切り替え，出力電圧を２倍にするというものである。また，昇圧用ＩＣ１２４はイネーブル端子を備えており，イネーブル端子に所定の電圧が入力されるときは昇圧動作を開始し，イネーブル端子に電圧が入力されていないときは昇圧動作を停止する機能も備えている。つまり，正逆スイッチ１０３がＬ側，Ｒ側いずれかに押されたときは，モータ電圧が電圧検出／フィルタ回路１０６を通って昇圧用ＩＣ１２４のイネーブル端子（ＥＮ）に入力され，昇圧回路１０７が昇圧動作を開始して電池電圧の２倍の電圧を出力する。
【００２９】
次に保護ＩＣ１１０について説明する。保護ＩＣ１１０は１セル用の電池保護ＩＣであり，電池の過放電・過電流の監視を行う。電池電圧検出端子Ｖに入力された電圧が予め設定されている所定値，例えば２．３Ｖ以上のときは平常，２．３Ｖ以下のときは過放電状態であると判断し，出力端子ＯＵＴから平常時は電池電圧検出端子Ｖに入力された電圧を，また過放電時は０Ｖを出力する。また，保護ＩＣ１１０は電流検出端子Ｉによって過電流の監視を行う。ＦＥＴ１０８のオン抵抗と電流検出用シャント抵抗１０９の抵抗値によって発生する電圧を保護ＩＣ１１０の電流検出端子Ｉに入力して電流の測定を行う。保護ＩＣ１１０は電流検出端子Ｉに入力された電圧が予め設定されている所定値，例えば１５０ｍＶ以上であったときは過電流状態であるとして，過放電検出と同様に出力端子ＯＵＴから平常時は電池電圧検出端子Ｖに入力された電圧，過電流時は０Ｖを出力する。
【００３０】
次に保護ＩＣ１１０から出力された電圧はＦＥＴ１１３のゲート端子に入力され，ＦＥＴ１１３は平常時ＯＮ，過放電・過電流時はＯＦＦ状態となる。次にＦＥＴ１１３のドレイン端子は抵抗器１２１を通ってＦＥＴ１１４のゲート端子に接続されており，ＦＥＴ１１３の動作と連動して平常時はＯＮ状態となり，昇圧回路１０７から出力された昇圧電圧をＦＥＴ１０８のゲート端子に供給する。また，保護ＩＣ１１０が過放電・過電流を検出したときには，ＦＥＴ１１４がＯＦＦ状態となるため，ＦＥＴ１０８のゲート端子への電圧を遮断する。そのため，ＦＥＴ１０８はＯＦＦ状態なり，電池パック１０２の放電経路は遮断され，電池パック１０２の過放電・過電流を防止することができる。
【００３１】
また，昇圧回路１０７によって昇圧された電圧は，抵抗器１１５を通ってＬＥＤ１０５にも供給される。従って、ＬＥＤ１０５は例えば駆動電圧が電池電圧よりも高い白色ＬＥＤであっても十分発光させることができる。
【００３２】
なお，本実施形態では昇圧回路にコンデンサチャージポンプ方式を使用しているが，これに限られるものではない。コスト的には上がってしまうが一般的に使用されるＤＣ／ＤＣコンバータによって電池電圧を昇圧しても特に問題はない。
【符号の説明】
【００３３】
１０３：正逆スイッチ
１０４：モータ
１０５：ＬＥＤ
１０６：電圧検出／フィルタ回路
１０７：昇圧回路
１０８，１１３，１１４：ＦＥＴ
１０９：電流検出用シャント抵抗
１１０：電池保護ＩＣ
１１１，１１２，１１５，１１６，１１７，１２１：抵抗器
１１８，１２２，１２３，１２６，１２７：コンデンサ
１１９，１２０，１２５：ダイオード
１０１：過放電・過電流監視回路
１０２：電池パック
【図１】
0005495031.tif 000002
【図２】
0005495031.tif 000003