(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
着脱自在な電池パックを電源とし且つモータを動力源として、上記モータによって駆動される駆動部と、操作入力部としてのスイッチと、スイッチ操作に応じて上記モータの駆動制御を行う制御回路とを備えた電動工具であって、定格出力電圧の異なる複数種の電池パックを選択的に接続することができる電源接続部を有しているとともに接続された電池パックの種別を識別する識別手段を備えており、前記制御回路は識別手段によるところの接続された電池パックの定格出力電圧情報を含む種別情報に基づいて、装着された電池パックの定格出力電圧が上記モータのモータ特性に適合する定格出力電圧より高いとき、上記モータの出力の制限を行うものであることを特徴とする電動工具。
【請求項２】
モータ負荷を検出する負荷検出手段を備えて、上記制御回路は接続された電池パックの種別情報が高電圧のもので且つ負荷検出手段で検出された負荷が大であるときにモータの出力制限を行うものであることを特徴とする請求項１記載の電動工具。
【請求項３】
上記制御回路は、高負荷時の出力を、接続された電池パックの種別情報が低電圧のものであるときのモータの出力と同等の出力に抑えるものであることを特徴とする請求項２記載の電動工具。
【請求項４】
上記制御回路は、モータの出力制限を回転数制限で行うものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動工具。
【請求項５】
上記モータはブラシレスモータであり、上記制御回路はモータ駆動に際してのオーバーラップ通電角と進角の少なくとも一方を変更することで出力を制限するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１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、着脱自在な電池パックを電源としている電動工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動工具はその用途に応じた出力を持つモータを備えており、着脱自在な電池パックを電源とする場合、上記モータ出力に応じた電圧及び容量の電池パックを用いるものとして構成されている。このために、複数種の電動工具がある場合、各電動工具に応じた電圧及び容量の電池パックが存在することになる。
【０００３】
ここにおいて、これら複数種の電池パックのうち、電圧に関してのある条件を満たすものであれば、本来の対応する電池パックでなくとも用いることができるようにした電動工具が特許文献１に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０２７６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に示されたものは、ある電動工具に対応する本来の電池パックの定格出力電圧がＡである時、Ａ以下の定格出力電圧の電池パックであれば装着して使用することができるようにしたものである。
【０００６】
しかし、本来の電池パックの電圧よりも高い電圧の上位の電池パックを用いることができないということは、安全性の点からは好ましいものの、本来の電池パックを使いきった時点で上位の電池パックしか周囲にない時に、上位の電池パックを用いて短時間だけでも作業を行いたいことがあっても、このような要望に応えることはできない。
【０００７】
もちろん上位の電池パックも用いることができるようにすれば、上記要望に応えることができるものの、上位の電池パックを装着して長時間使用した場合、モータの温度が上がって故障を招きやすくなったり、工具が熱くなって使用者が不快となったり火傷をしたりすることが生じる。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、利用することができる電池パックの範囲を広げて利便性を高くすると同時に安全性も確保することができる電動工具を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、着脱自在な電池パックを電源とし且つモータを動力源として、上記モータによって駆動される駆動部と、操作入力部としてのスイッチと、スイッチ操作に応じて上記モータの駆動制御を行う制御回路とを備えた電動工具であって、定格出力電圧の異なる複数種の電池パックを選択的に接続することができる電源接続部を有しているとともに接続された電池パックの種別を識別する識別手段を備えており、前記制御回路は識別手段によるところの接続された電池パックの定格出力電圧情報を含む種別情報に基づいて、装着された電池パックの定格出力電圧が上記モータのモータ特性に適合する定格出力電圧より高いとき、上記モータの出力の制限を行うものであることに特徴を有している。
【００１１】
この時、モータ負荷を検出する負荷検出手段を備えて、上記制御回路は接続された電池パックの種別情報が高電圧のもので且つ負荷検出手段で検出された負荷が大であるときにモータの出力制限を行うものであってもよく、高負荷時の出力を、接続された電池パックの種別情報が低電圧のものであるときのモータの出力と同等の出力に抑えるものでもよい。
【００１２】
また、上記制御回路は、モータの出力制限を回転数制限で行うものであってもよい。
【００１３】
上記モータがブラシレスモータである場合、上記制御回路はモータ駆動に際してのオーバーラップ通電角と進角の少なくとも一方を変更することで出力を制限するものを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、識別手段によるところの接続された電池パックの種別情報に基づいて上記モータの出力の制限を行うものであるために、本来の適合する電池パックよりも高い電圧の電池パックも使用可能とすることができる上に、高い電圧の電池パックを接続した時のモータの温度が許容値以上に上昇してしまうといった状態が生じることを避けることができるものであり、定格出力電圧の異なる複数種の電池パックを使用可能とすることによる利便性の向上を得られると同時に、高い安全性及び耐久性を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック回路図である。
【図２】モータのＮＴ特性及びＩＴ特性を示す説明図である。
【図３】同上の出力制限の一例を行う時のＮＴ特性及びＩＴ特性を示す説明図である。
【図４】同上の出力制限の他例を行う時のＮＴ特性及びＩＴ特性を示す説明図である。
【図５】同上の出力制限の更に他例を行う時のＮＴ特性及びＩＴ特性を示す説明図である。
【図６】同上の出力制限の別の例を行う時のＮＴ特性及びＩＴ特性を示す説明図である。
【図７】(a)(b)は３相ブラシレスモータの１２０°通電とオーバーラップ通電を示す回路図である。
【図８】３相ブラシレスモータの１２０°通電とオーバーラップ通電を示すタイムチャートである。
【図９】１２０°通電とオーバーラップ通電についてのＮＴ特性を示す説明図である。
【図１０】出力制限の更に別の例を行う時のＮＴ特性及びＩＴ特性を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、駆動源としてのモータＭを内蔵する電動工具本体１は、着脱自在な電池パック２を電源として動作するもので、上記モータＭの動作を制御する制御回路ＣＰＵと駆動用のスイッチング素子Ｑ１のほかに、回転数センサーＮＳと温度センサーＴＳとを備えており、温度センサーＴＳはスイッチング素子Ｑ１やモータＭの近傍に設置されている。
【００１７】
上記制御回路ＣＰＵは、回転数センサーＮＳから回転数情報を、温度センサーＴＳから温度情報を取得するほか、モータＭの負荷を電流検出抵抗Ｒｃの両端電圧から負荷電流値として検出するものであり、また装着される電池パック２の種別情報と、負荷時の電池電圧とを検出することができるものとなっている。
【００１８】
直列接続された複数のセルＣを内蔵する電池パック２は、内蔵するセルＣの数が異なる複数種が存在するとともに、いずれの電池パック２も電動工具本体１の同じ接続端子に接続されて電動工具本体１に電源を供給するものであり、各電池パック２は内蔵するセルＣの数（直列接続数）に応じた抵抗値を有する抵抗Ｒ２を備え、電動工具本体１に電池パック２を装着した時、電動工具本体１の制御回路ＣＰＵは、抵抗Ｒ１と上記抵抗Ｒ２との分圧抵抗から、装着された電池パック２のセルＣ数の違いによる種別を識別することができるものとなっている。この電池パック２の電圧値の違いによる種別識別は、電池パック２側に設けた不揮発性メモリに種別毎の識別コードを書き込んでおき、電池パック２を電動工具本体１に装着した時、電池電圧種類識別手段を兼ねている制御回路ＣＰＵが上記識別コードを読み出すことで行うものであってもよい。
【００１９】
電池パック２は前述のようにセルＣの数が異なる複数種が存在しており、いずれの電池パック２を電動工具本体１に接続した時にも制御回路ＣＰＵはトリガースイッチＳＷの操作に応じてスイッチング素子Ｑ１を駆動することでモータＭを回転させて電動工具による作業を可能としているが、モータＭの特性に合わせて設定されている定格出力電圧の電池パック２及びこの電池パック２よりも低い定格出力電圧の電池パック２が装着された時には、制御回路ＣＰＵは通常制御でのモータＭの駆動を行う。
【００２０】
しかし、モータＭの特性に合わせて設定されている定格出力電圧よりも高い定格出力電圧の電池パック２が装着された時には、制御回路ＣＰＵは上記識別情報からこの点を検出してＰＷＭ制御によるところのモータＭの出力制限を行った駆動を行う。
【００２１】
図２はモータＭの回転数−トルク（ＮＴ）特性と電流−トルク（ＩＴ）特性とを示しており、図中ＨＮＴは高電圧で駆動した時のＮＴ特性、ＨＩＴは高電圧で駆動した時のＩＴ特性、ＬＨＴは低電圧で駆動した時のＮＴ特性、ＬＩＴは低電圧で駆動した時のＩＴ特性である。高電圧で駆動した時の方が回転数もトルクも大きくなり、その分、出力だけでなく発熱も大きくなる。
【００２２】
このために通常であれば、モータＭや駆動部分の設計を高電圧でも耐える構造にしなくてはならないが、この場合、電動工具本体１の大型化を招いてしまう。このために、高電圧の電池パック２が装着された時には、ＰＷＭ制御によって入力電圧の平均が本来の電圧の電池パック２を装着した時の入力電圧と同じになるようにする。
【００２３】
具体的には、電池パックＰの識別情報を取得した制御回路ＣＰＵは、モータ電流及び電池電圧を測定し、低電圧の電池パック２（規定の電池パック２及びそれよりも定格出力電圧が低い電池パック２）が装着されている時は、特に制限を行わず、高電圧の電池パック２（規定の電池パック２よりも定格出力電圧が高い電池パック２）が装着されている時は、低電圧の電池パック２が装着されている時に得られる最大出力付近の出力になるようにＰＷＭ制御を行うことで、図３に示すように、ＮＴ特性及びＩＴ特性が図２におけるＬＨＴ及びＬＩＴと同じにするのである。
【００２４】
上記のような制限を加えることは、予め電圧と電流のテーブルを設けておき、このテーブルを元にＮＴ特性やＩＴ特性のどの位置にあるかを判断し、電圧に対する電流をＰＷＭ制御で制限したり、あるいは予め回転数と電流のテーブルを設けておき、このテーブルを元にＮＴ特性やＩＴ特性のどの位置にあるかを判断し、回転数に対する電流をＰＷＭ制御で制限することで行うことができる。また温度情報を参照して、温度が所定値を越えた時のみ、上記制限を行うものとしてもよい。
【００２５】
このほか、検出されたモータ電流から発熱が低電圧の電池パック２の装着時と同等になるようにＰＷＭ制御したり、出力トルクが低電圧パック２の装着時と同等になるようにＰＷＭ制御するものであってもよい。発熱の抑止が重要であれば前者が好ましく、トルクを低減して駆動部分のストレスを低減することを重要視するのであれば後者が好ましい。図４は高負荷による発熱を抑えるために出力を制限（負荷電流の上限を制限）した場合を示しており、図５はトルクを抑えるために出力を制限（トルクの上限を制限）した場合を示している。
【００２６】
更には、高電圧の電池パック２を装着して高電圧をモータＭに印加する場合、高回転による回転軸の焼き付きや騒音の低減のために回転数の上限を制限するようにしてもよい。
【００２７】
回転数の制限は、予め電圧と電流のテーブルを設けておき、このテーブルを基にＮＴ特性やＩＴ特性のどの位置にあるかを判断し、電圧に対する電流をＰＷＭ制御で制限することや、予め回転数と電流のテーブルを設けておき、このテーブルを基にＮＴ特性やＩＴ特性のどの位置にあるかを判断し、回転数に対する電流をＰＷＭ制御で制限することで行うこともできる。
【００２８】
また回転数のみを測定し、回転数が所定回転数を超えないようにＰＷＭ制御で制限していくようにしてもよい。図６は最高回転数を低減させた場合を示している。
【００２９】
モータＭがブラシモータではなく、ブラシレスモータである場合は、次のような制御で出力制限を行うようにしてもよい。
【００３０】
すなわち、３相のブラシレスモータの駆動については、図７(a)及び図８に示すように、上段ＦＥＴと下段ＦＥＴの各１箇所ずつオンしてＵＶＷ相のうちの１相は電流が流れない１２０°通電のほか、図７(b)及び図８に示すように、１２０°通電よりも通電期間を長くして転流の前後でオーバーラップ期間（この期間はＵＶＷ相全てに電流が流れる）を設けたオーバーラップ通電、さらには正弦波駆動などがあり、後者ほどモータの誘起電圧波形に近づくためにモータの出力や効率が向上する。なお、図９は１２０°通電（図中イ）とオーバーラップ通電（図中ロ）とにおけるＮＴ特性の違いを示しており、停動トルク付近では１２０°通電に切り換える方が出力が高くなる。
【００３１】
また、進角制御によっても出力や効率が変化するものであり、進角なしまたは進角量が少ない時よりも進角が多い方が出力が向上する。さらに１２０°通電とオーバーラップ通電と正弦波駆動では後者の駆動法ほど進角制御による効果も大きくなる。なお、進角制御そのものについては、たとえば特開２００３−２００３６３号公報等において公知であるために、ここでは説明を省略する。
【００３２】
このために、装着される電池パック２の種別に応じて上記駆動法や通電角や進角量を切り換えることで、高電圧の電池パック２が装着された時の出力制限を行うことができる。たとえば、低電圧の電池パック２が装着された時には、オーバーラップ量（通電角）が多いオーバーラップ通電とするとともに進角量を多くして出力を大きくとれるようにしておき、高電圧の電池パック２が装着された時には、１２０°通電あるいはオーバーラップ量の少ないオーバーラップ量とするとともに進角なしとするか進角量を少なくすることで、出力が小さくなるようにしておくのである。このような制御により、高電圧の電池パック２が装着された時の出力を低電圧の電池パック２が装着された時の出力に近づけることができる。
【００３３】
モータＭへの負荷が低い時は制限の必要がないためにオーバーラップ通電角制御や進角制御による制限は行わず、モータＭの負荷が大きくなった時のみオーバーラップ通電角制御や進角制御による制限を加えるようにしてもよい。
【００３４】
たとえば電圧と電流のテーブルを予め設けておき、このテーブルを基にＮＴ特性やＩＴ特性のどの位置にあるかを判断し、電圧に対する電流を制限するためにオーバーラップ通電角制御や進角制御で制限を加えたり、予め回転数と電流のテーブルを設けておき、このテーブルを基にＮＴ特性やＩＴ特性のどの位置にあるかを判断し、回転数に対する電流を制限するためにオーバーラップ通電角制御や進角制御による制限を加えるのである。
【００３５】
温度センサーＴＳで検出される温度が所定値を越える時のみ上記制限を行うようにしてもよい。図１０は高電圧の電池パック２が装着された時に高負荷による発熱を抑えるためにオーバーラップ通電角制御や進角制御による出力制限を行い、さらに負荷が大きくなった時は停止させる場合を示している。
【００３６】
高電圧の電池パック２を装着した際の高負荷時のオーバーラップ通電角制御や進角制御による出力制限は、低電圧の電池パック２を使用している際と同等レベルのトルクまたは電流に抑えるものとするのが好ましい。
【００３７】
図４や図５あるいは図６に示したような負荷電流の制限やトルク上限の制限、最高回転数の制限等も、オーバーラップ通電角制御や進角制御による制限で行うことができる。温度が高くなった時のみ上記制限を行うものであってもよいのはもちろんである。
【００３８】
いずれにしても、高電圧の電池パック２を用いても安全性が低下したり耐久性が低下したりすることを避けることができる上に、電動工具本体１の大型化及び重量増を避けることができる。
【００３９】
ところで、電池パック２に内蔵させたセルＣがニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の過放電に弱いものである場合、電動工具本体１側においても過放電防止のために、放電時の電池パック２の出力電圧を検出してこの電圧が閾値まで低下すればモータＭを停止させるのが通常であるが、この電動工具では、定格出力電圧の異なる複数種の電池パック２を使用可能としているために、電池パック２の種別毎の閾値をテーブルとして備えて、装着された電池パック２の種別情報を基に、制御回路ＣＰＵは上記テーブルから装着された電池パック２に適合した閾値を読み出し、この閾値を基に上記過放電防止制御を行うものとなっている。
【００４０】
たとえば、リチウムイオン電池３セルで定格出力電圧１０．８Ｖの電池パック２については、２．５Ｖ×３＝７．５Ｖを放電停止のための閾値とし、リチウムイオン電池２セルで定格出力電圧７．２Ｖの電池パック２については、２．５Ｖ×２＝５．０Ｖを放電停止のための閾値とする。
【００４１】
種別に応じた閾値で放電停止制御を行うために、どの定格出力電圧の電池パック２を装着した時にも、各電池パック２の容量一杯を用いて作業を行うことができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  電動工具本体
２  電池パック
Ｃ  セル
Ｍ  モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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