(57)【要約】【課題】  本発明は、充電可能な電池を備えた充電式電動工具に関するものであり、電動工具未使用時の電池消費電力の低減と、電池の過放電状態での放電防止を図ることを目的とする。【解決手段】  電池組１の夫々の素電池の電圧を検出し電圧が所定の電圧以下になった際に電池異常信号を出力する電池異常検出手段5と、電池組１から制御部3への電力の供給を遮断する電力供給遮断手段6を備え、制御部3は工具が所定の時間非動作状態であったことを検知したときに電力供給遮断信号を出力し、電力供給遮断手段6は、電池異常検出手段5が出力する電池異常信号と制御部3による電力供給遮断信号の少なくとも1つの信号出力に基づき電池組１から制御部3への電力供給を遮断する。【選択図】図１
2006198690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電可能な複数の素電池からなる電池組と、モータと、該モータを駆動するモータ駆動部と、該モータ駆動部を制御する制御部とを備えた電動工具に於いて、
該電池組の夫々の素電池の電圧を検出し該電圧が所定の電圧以下になった際に電池異常信号を出力する電池異常検出手段と、前記電池組から前記制御部への電力の供給を遮断する電力供給遮断手段を設け、前記制御部は電動工具が所定の時間非動作状態であったことを検知したときに電力供給遮断信号を出力し、前記電力供給遮断手段は、前記電池異常検出手段による電池異常信号と前記制御部による電力供給遮断信号の少なくとも1つの信号出力に基づき前記電池組から前記制御部への電力供給を遮断することを特徴とする電動工具。
【請求項２】
前記電力供給遮断手段は前記電池組から前記制御部への電力供給路上に２つ以上の遮断機構を直列に配置することにより構成され、夫々の遮断機構は、前記電池異常検出手段による電池異常信号と前記制御部による電力供給遮断信号の少なくとも1つの信号出力に基づき前記電池組から前記制御部への電力供給を遮断することを特徴とする請求項１記載の電動工具。
【請求項３】
前記電池組の素電池がリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１ないし２の何れかに記載の電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電可能な電池を備えたインパクトドライバ等の充電式電動工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブラシによる転流を行う直流ブラシ付モータを利用した充電式電動工具に於いて、モータ制御部は、モータ電流をチョッパ動作により制限するFETとその制御回路により構成されている。また、電池から制御部への電力の供給路に接点式のスイッチを設け、工具のトリガスイッチに連動しスイッチの開閉が行われる構成とし、工具の非動作時はスイッチが開となり、モータ制御部への電力の供給を遮断している。上記の制御部はコンパクトな構成で実現でき、工具に接点式のスイッチを組み込むスペースを確保できるが、ブラシレスDCモータを用いた工具では、モータ制御部の構成が複雑で且つ大きくなるので、接点式のスイッチを組み込むスペースの確保が困難となる。ブラシレスDCモータのモータ制御部は、マイコンとそれに付随する回路により構成されるが、工具の非動作時に於いてもマイコンやその他の回路部は、供給電力を遮断しない限り絶えず電力を消費するので、電池消費電力の低減のため工具が稼動していない時は、マイコンと半導体スイッチにより電池からの電力給電を自動的に遮断するオートパワーオフ機能を付加することより電池の消耗を防いでいる。
【０００３】
従来の充電式電動工具におけるこの種の機能について図6を用い説明する。図6に於いて、100は複数の素電池から成る電池組、101は起動スイッチであり、動作しているときは接点が閉じ動作を止めると接点が開くモーメンタリ動作形スイッチである。102はトリガスイッチ、103はタイマ機能を具備するマイコン、104はマイコン103の信号出力に従い工具を駆動制御する駆動装置である。105は起動スイッチ101と並列に接続されたPNPトランジスタである。起動スイッチ101とトランジスタ105は電池組100からマイコン103及び駆動装置104への電力供給路に設けており、トランジスタ105はマイコン103の信号出力に従いオン／オフ動作を行う構成となっている。また、トリガスイッチ102のオン／オフ信号はマイコン103に入力されており、マイコン103はトリガスイッチ102のオン／オフを検知し、駆動装置104の制御を実施するようになっている。
【０００４】
作業者による工具の起動時は、作業者が起動スイッチ101をオンしマイコン103及び駆動装置104に電池組100から電力が供給されると、マイコン103は図示しないリセット回路のリセット信号出力により起動し、出力ポートP0の出力論理をLOWとしてトランジスタ105をオンさせる。トランジスタ105がオンすると、起動スイッチ101が復帰してオフしてもトランジスタ105を介し電池組100からマイコン103及び駆動装置104への電力の供給は継続されており、作業者がトリガスイッチ102をオンすることで、マイコン103の信号出力に従い駆動装置104が制御され工具が動作する。一方、工具が放置されている際は、トリガスイッチ102がオフ状態となっており、マイコン103は具備するタイマ機能によりトリガスイッチ102オフ状態の時間を計測し、所定の時間オフ状態であればトランジスタ105をオフし、自動的に電池組100からの電力供給を遮断するようになっている。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開2004-74298号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の電動工具では、工具の未使用状態での電池組の放電を抑制できるが、電池組の過放電検出機能がないため、例えば素電池の1つが過放電状態となった電池組を装着した状態でも工具は動作が可能であり、電池組はモータや制御部に電力を供給できるので、過放電状態の素電池の劣化の進行を防止することができなかった。特に、電池組の素電池としてリチウムイオン電池を利用した場合は、過放電による劣化の進行が早いため電池寿命の極端な短縮を招く問題がある。
【０００６】
更に、電池からの電力供給を遮断する手段であるトランジスタがショートモードで故障した場合は、電池から制御部への給電遮断が不可能となり、電池の消耗を防止できず、電池の劣化に歯止めが利かなくなる問題があった。
【０００７】
本発明は上記した従来技術の欠点を排除するためになされたものであり、その目的は、電動工具未使用時の電池の消費電力を低減し、且つ電池の過放電状態での放電を防止し、電池の利用時間の延長と長寿命化を図ることが可能な電動工具を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、電池からの電力供給を遮断する手段の故障に対する耐力を向上し、確実に電動工具未使用時の電池の消費電力を低減し、且つ電池の過放電状態での放電を防止することが可能な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】
【０００９】
上記課題は、充電可能な複数の素電池からなる電池組と、モータと、モータを駆動するモータ駆動部と、モータ駆動部を制御する制御部とを備えた電動工具に於いて、
電池組の夫々の素電池の電圧を検出し電圧が所定の電圧以下になった際に電池異常信号を出力する電池異常検出手段と、電池組から制御部への電力の供給を遮断する電力供給遮断手段を設け、制御部は電動工具が所定の時間非動作状態であったことを検知したときに電力供給遮断信号を出力し、電力供給遮断手段は、電池異常検出手段が出力する電池異常信号と制御部による電力供給遮断信号の少なくとも1つの信号出力に基づき電池組から制御部への電力供給を遮断することにより解決される。
【００１０】
また、上記の電力供給遮断手段は，電池組から制御部への電力供給路上に２つ以上の遮断機構を直列に配置することにより構成され、夫々の遮断機構は、電池異常検出手段が出力する電池異常信号と制御部による電力供給遮断信号の少なくとも1つの信号出力に基づき電池組から制御部への電力供給を遮断することにより解決される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電池組の夫々の素電池の電圧を検出し電圧が所定の電圧以下になった際に電池異常信号を出力する電池異常検出手段と、電池組から制御部への電力の供給を遮断する電力供給遮断手段を備え、制御部は電動工具が所定の時間非動作状態であったことを検知したときに電力供給遮断信号を出力し、電力供給遮断手段は、電池異常検出手段が出力する電池異常信号と制御部による電力供給遮断信号の少なくとも1つの信号出力に基づき電池組から制御部への電力供給を遮断するようにしたので、電動工具未使用時の電池の消費電力を低減し、且つ電池の過放電状態での放電を防止することができ、電池の利用時間の延長と長寿命化を図ることが可能となる。
【００１２】
更に、電力供給遮断手段を電池組から制御部への電力供給路上に2つ以上の遮断機構を直列に配置した構成とし、夫々の遮断機構は、電池異常検出手段が出力する電池異常信号と制御部による電力供給遮断信号の少なくとも1つの信号出力に基づき電池組から制御部への電力供給を遮断するようにしたので、電力供給遮断手段の故障に対する耐力を向上でき、確実に電動工具未使用時の電池の消費電力を低減し、且つ電池の過放電状態での放電を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の具体的実施形態を以下図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の具体的実施形態となる充電式電動工具のブロック回路図を示したものである。
【００１４】
図１に於いて、1は複数の素電池1a、1b、1c、1dを直列に接続し構成される電池組であり、2は3相のブラシレスDCモータ（以下モータと称す）であり、4は電池組1の直流電源を入力としモータ2に可変周波の電圧を印加するモータ駆動部となる6つのフライホイールダイオードを内蔵したFET（4u、4v、4w、4x、4y、4w）から構成されるインバータ変換器であり、Lu、Lv、Lwはモータ2の3相ラインである。3はインバータ変換器4を制御する制御部であり、入出力I/Oポート、AD変換器、図示しないタイマ機能等の周辺ペリフェラルを内蔵したマイコン3aと、インバータ変換器4の各々のFETのゲート信号を出力するゲートドライバ3bから構成されている。マイコン3aは出力ポートPAよりインバータ変換器4の各々のFETの駆動信号をゲートドライバ3bに出力し、ゲートドライバ3bによりFET駆動信号が増幅され、各々のFETのオン／オフ駆動が行われるようになっている。
【００１５】
5は電池異常検出手段であり、例えば、ミツミ電機製MM1414のような電池保護用ICを用いて構成される。電池異常検出手段5は電池組1の夫々の素電池の電圧を検出し、夫々の素電池の電圧が所定の電圧より高い電圧であればDCHG端子からLOW論理の信号を出力し、素電池の何れか1つでも所定の電圧以下になった場合には電池異常信号としてDCHG端子からHIGH論理の信号を出力するようになっている。6は電池組1からマイコン3a及びゲートドライバ3bへの電力の供給を遮断する電力供給遮断手段であり、電池組1の電源出力ラインL1と制御部3の電源入力ラインL2の間に配置している。7は作業者の操作により接点が閉じるモーメンタリ動作形の起動スイッチであり、起動スイッチ7の接点の一端はグランドラインL3に接続されており、他の一端からの出力信号はマイコン3aの入力ポートP1と電力供給遮断手段6に入力される。8は、例えば、作業者の操作に従い抵抗値が変化する可変抵抗器から成るモータ速度調節手段であり、モータ速度調節手段8で分圧された出力電圧はマイコン3a内蔵のAD変換器に入力され、マイコン3aはモータ速度調節手段8の出力電圧値を検出できるようになっている。
【００１６】
なお、本実施形態ではマイコン3aによるモータ2の回転制御は、120°通電のモータ印加電圧制御により行っており、インバータ変換器4の6つのFETのスイッチング動作をPWM制御することで転流動作における電流の通流率を制御している。また、マイコン3aは、検出したモータ速度調節手段8の出力電圧値が大きい時はPWM制御におけるオンDutyを大きくすることでモータ2を高速で回転させ、モータ速度調節手段8の出力電圧値が小さい時はPWMのDutyを小さくしモータ2が低速で回転するように、モータ2の速度をモータ速度調節手段8の出力電圧に従い調整するようになっている。
【００１７】
また、本実施形態では、マイコン3aは、起動スイッチ7の接点が開でP1ポートの入力論理がHIGHであり、且つモータ速度調節手段8の出力電圧値が所定の電圧以下であれば工具の未使用状態と見なし、内部タイマで本状態が継続する時間を計測し、所定の時間以上未使用状態が継続した時に出力ポートP0からHIGH論理の電力供給遮断信号を出力するようになっている。電力供給遮断手段6は、電池異常検出手段5のDCHG端子出力信号と、マイコン3aの出力ポートP0の出力信号及び起動スイッチ7の出力信号に基づき電源出力ラインL1とマイコン3a及びゲートドライバ3bの電源入力ラインL2の接続／遮断を実施するようになっている。
【００１８】
次に、本実施形態の詳細な構成及び動作について図2から図5を参照し説明する。なお、図2から図5に於いては、図1と同一の機能の部分には同一の番号が付してある。
【００１９】
図2は図1における電力供給遮断手段6の詳細な構成を示すブロック回路図である。Q1はPNPトランジスタであり、PNPトランジスタQ1のエミッタ、ベース間には抵抗R1が、PNPトランジスタQ1のベースと電池異常検出手段5のDCHG端子間には抵抗R2が接続されており、電池異常検出手段5のDCHG端子の出力信号がLOW論理の時に抵抗R2を介しベース電流が流れ、PNPトランジスタQ1がオンするようになっている。Q2はPNPトランジスタであり、PNPトランジスタQ2のエミッタ、ベース間には抵抗R3が、PNPトランジスタQ2のベースとマイコン3aの出力ポートP0端子及び起動スイッチ7の出力端子の間には抵抗R4が接続されており、マイコン3aの出力ポートP0からLOW論理の信号が出力されるか、起動スイッチ7からLOW論理の信号が出力されると抵抗R4を介しベース電流が流れ、PNPトランジスタQ2がオンするようになっている。また、PNPトランジスタQ1のエミッタは電池組１の電源出力ラインL1に接続され、PNPトランジスタQ2のコレクタはマイコン3a及びゲートドライバ3bの電源入力ラインL2に接続され、PNPトランジスタQ1のコレクタとPNPトランジスタQ2のエミッタが接続されており、PNPトランジスタQ1、Q2共オンしている時に電池組1からマイコン3a及びゲートドライバ3bへ電力が供給されるようになっている。
【００２０】
本実施形態において、電池異常検出手段5のDCHG端子の出力信号がLOW論理でPNPトランジスタQ1がオンしている状態で、作業者が起動スイッチ7をオンしトランジスタQ2がオンすると、マイコン3aに電池組1から電力が供給され、マイコン3aは図示しないリセット回路のリセット信号出力により起動し、即座に出力ポートP0の出力論理をLOWとするので、モーメンタリ動作形の起動スイッチ7がオフとなってもトランジスタQ2のオン状態の自己保持が行われ、電池組1からのマイコン3a及びゲートドライバ3bへの電力の供給が維持される。また、マイコン3aが所定の時間以上の未使用状態を検知し出力ポートP0からHIGH論理の電力供給遮断信号を出力すると、トランジスタQ2は直ちにオフし、電池組1からのマイコン3a及びゲートドライバ3bへの電力の供給が遮断されるようになっている。なお、電池異常検出手段5のDCHG端子からHIGH論理の電池異常信号が出力されるとPNPトランジスタQ1がオフするので、マイコン3aの出力ポートP0と起動スイッチ7の出力端子の信号出力に拠らず、電池組1からのマイコン3a及びゲートドライバ3bへの電力の供給が遮断されるようになっている。従って、本実施形態では、工具が使用されていない時は、電力供給遮断手段6はマイコン3aの出力に従い電池組1の電力供給を遮断し、電池組1が過放電状態となり電池異常検出手段5による電池異常信号が出力されている時は、無条件で電池組1の電力供給を遮断するので、電動工具未使用時の電池の消費電力を低減し、且つ電池の過放電状態での放電を防止することができる。
【００２１】
なお、図4に示すように、電力供給遮断手段6をPNPトランジスタQ41と抵抗R41、R42で構成し、電池異常検出手段5のDCHG端子の出力信号をマイコン3aの入力ポートP2に入力し、マイコン3aは、電池異常検出手段5によるHIGH論理の電池異常信号を検知した時、或は、所定の時間以上の未使用状態を検知した時に出力ポートP0からHIGH論理の電力供給遮断信号を出力するように動作することで、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２２】
続いて、図3は、電池組1から制御部3への電力供給路上に2つの遮断機構を直列に配置する構成とした電力供給遮断手段6の一例を示すブロック回路図である。Q11は電池組1から制御部3への電力供給路上に設けられた第1の遮断機構となるPNPトランジスタであり、Q21は同供給路にPNPトランジスタQ11と直列に配置された第2の遮断機構となるPNPトランジスタである。PNPトランジスタQ11のエミッタは電池組１の電源出力ラインL1に接続され、PNPトランジスタQ21のコレクタはマイコン3a及びゲートドライバ3bの電源入力ラインL2に接続され、PNPトランジスタQ11とQ21の両トランジスタがオンしている時に電池組1からマイコン3a及びゲートドライバ3bへ電力が供給されるようになっている。
【００２３】
PNPトランジスタQ11のオン／オフ回路について図3を参照して説明すると、PNPトランジスタQ11のエミッタ、ベース間には抵抗R11が、PNPトランジスタQ11のベースとNPNトランジスタQ12のコレクタ間には抵抗R12が接続されており、NPNトランジスタQ12がオンした時に抵抗R12を介しベース電流が流れ、PNPトランジスタQ11がオンするようになっている。PNPトランジスタQ14のエミッタは電源ラインL1に、コレクタは抵抗R15とR17に、ベースは抵抗R16に接続されており、PNPトランジスタQ14がオンすると、NPNトランジスタQ12に抵抗R13とR15を介しベース電流が流れ、NPNトランジスタQ12がオンし、PNPトランジスタQ11もオンするようになっている。ここで、NPNトランジスタQ13に抵抗R14を介しベース電流が流れNPNトランジスタQ13がオンすると、抵抗R13とR15の接続点はグランドラインL3に短絡するので、抵抗R13を介して流れるNPNトランジスタQ12のベース電流は消滅し、NPNトランジスタQ12がオフし、更にはPNPトランジスタQ11もオフするようになっている。
【００２４】
PNPトランジスタQ21のオン／オフ回路も上記したPNPトランジスタQ11のオン／オフ回路と同様にNPNトランジスタQ22、Q23とPNPトランジスタQ24と抵抗R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27から構成されており、PNPトランジスタQ24がオンすると、NPNトランジスタQ22がオンし、PNPトランジスタQ21もオンするようになっており、NPNトランジスタQ23に抵抗R24を介しベース電流が流れNPNトランジスタQ23がオンすると、NPNトランジスタQ22がオフし、更にはPNPトランジスタQ21もオフするようになっている。
【００２５】
上記したように本実施形態では、PNPトランジスタQ11及びQ21のオンさせるための条件は、夫々、NPNトランジスタQ14とQ24がオンし、NPNトランジスタQ13とQ23がオフしていることである。一方、NPNトランジスタQ13とQ23の各々のベースは、抵抗R14とR24を介し電池異常検出手段5のDCHG端子に接続されており、電池異常検出手段5のDCHG端子の出力信号がHIGH論理の時に、NPNトランジスタQ13及びQ23がオンし、第一、第二の遮断機構となるPNPトランジスタQ11とQ12はオフする構成となっている。また、PNPトランジスタQ14とQ24の各々のベースは、抵抗R16、R26を介しマイコン3aの出力ポートP0端子及び起動スイッチ7の出力端子に接続されており、マイコン3aの出力ポートP0からHIGH論理の信号が出力されるとPNPトランジスタQ14とQ24はオフするようになっている。即ち、電池組1からのマイコン3a及びゲートドライバ3bへの電力供給の遮断機構を2重に構成し、各々の遮断機構は、工具が使用されていない時は、マイコン3aの出力に従い電池組1の電力供給を遮断し、一方、電池組1が過放電状態となり電池異常検出手段5による電池異常信号が出力されている時は、無条件で電池組1の電力供給を遮断する動作を実施する。よって、前記図2の構成では、特にトランジスタQ1がショートモードで故障すると、電池の過放電状保護が不完全となってしまう恐れがあるが、上記したように遮断機構を2重に構成することで、単一故障に対する耐力が向上し、確実に電動工具未使用時の電池の消費電力を低減し、且つ電池の過放電状態での放電を防止することができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、電池組1からインバータ変換器4への電力供給の遮断は特に行っていない。図5は、U相についてのゲートドライバ3bの構成を示したブロック図であり、他の相についても同様に構成されている。下アームFETである4x用駆動電源は制御部の電源入力ラインL2によるものであり、上アームFETの4u用駆動電源は、ダイオードD51とキャパシタC51から構成されたモータ2のU相ラインLuを基準としたフローティング電源である。上アームFETの4uをオンさせる時は、マイコン3aは、NPNトランジスタQ51がオンしNPNトランジスタQ52がオフとなり、複合トランジスタZ51のNPNトランジスタがオンするように出力ポートPAu からHIGH論理の信号を出力する。下アームFETの4xをオンさせる時は、マイコン3aは、複合トランジスタZ52のNPNトランジスタがオンするように出力ポートPAx からHIGH論理の信号を出力する。
【００２７】
上下アームのFETである4u、4xのゲート端子を抵抗R51、R52でソース側に接続させ、ゲートに残る電荷をディスチャージするように構成することで、ゲートドライバ3bへの給電遮断時は、必ずインバータ変換器4の各々のFETがオフし、モータ2の電力の消費が絶たれるようになっている。更に、マイコン3aは、電力供給遮断手段6への電力供給遮断信号出力直前にインバータ変換器4の各々のFETをオフするように出力ポートPAからLOW論理の信号を出力し、後に電力供給遮断信号を出力し、工具未使用時の電池組１からの電力供給の遮断を実施するようになっている。
【００２８】
また、本実施形態に於いて、電池組1の素電池は直列接続の構成としたが、直列接続で構成された素電池のユニットをパラレルに複数個用いる構成も考えられる。この場合、各々の素電池の直列ユニットに対を成すように電池異常検出手段を複数設け、これら電池異常検出手段による電池異常信号の論理和を電力供給遮断手段へ入力する構成とし、電池異常検出手段の何れか１つでも電池の異常を検出した時に電池異常信号の論理和に基づき電力供給遮断手段が電池組１からの電力供給の遮断することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明となる充電式電動工具の具体的実施形態を示す構成図である。
【図２】電力供給遮断手段6の一実施形態を示すブロック回路図である。
【図３】電力供給遮断手段6の他の実施形態を示すブロック回路図である。
【図４】電力供給遮断手段6の更に他の実施形態を示すブロック回路図である。
【図５】U相についてのゲートドライバ3bの構成を示すブロック図である。
【図６】従来の充電式電動工具の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
1は電池組、2はモータ、3は制御部、4はモータ駆動部、5は電池異常検出手段、6は電力供給遮断手段である。
【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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