(57)【要約】【課題】電動工具等の電気機器を安全に使用できるようにする。【解決手段】電気機器は、二次電池４と、モーター２を内蔵する工具本体１と、二次電池４の電流を制御するスイッチング素子５と、二次電池４の残容量が設定値よりも小さくなるとスイッチング素子５を切り換える制御回路６とを備える。制御回路６は、スイッチング素子５を制御して、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を、電流減少時間帯において次第に減少して遮断する電流遮断特性を特定する電流遮断部を備える。電気機器は、二次電池４の残容量が設定値まで減少すると、制御回路６の電流遮断部が電流遮断特性でスイッチング素子５を制御して、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を次第に減少させて電流を遮断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池(4)と、この二次電池(4)から電力が供給されるモーター(2)を内蔵する工具本体(1)と、二次電池(4)とモーター(2)との間に接続されて二次電池(4)の電流を制御するスイッチング素子(5)と、二次電池(4)の残容量を検出して、残容量が設定値よりも小さくなるとスイッチング素子(5)を切り換える制御回路(6)とを備え、
制御回路(6)が、スイッチング素子(5)を制御して、二次電池(4)からモーター(2)に供給する平均電流を、電流減少時間帯において次第に減少して遮断する電流遮断特性を特定する電流遮断部を備えており、
二次電池(4)がモーター(2)に電流を供給して二次電池(4)の残容量が設定値まで減少すると、制御回路(6)の電流遮断部が電流遮断特性でスイッチング素子(5)を制御して、電流減少時間帯において二次電池(4)からモーター(2)に供給する平均電流を次第に減少させて電流を遮断するようにしてなる電気機器。
【請求項２】
複数の素電池(7)を直列に接続している二次電池(4)と、この二次電池(4)から電力が供給されるモーター(2)を内蔵する工具本体(1)と、二次電池(4)とモーター(2)との間に接続されて二次電池(4)の電流を制御するスイッチング素子(5)と、二次電池(4)を構成している各々の素電池(7)の電圧を独立して検出して、いずれかの素電池(7)の電圧が設定値よりも小さくなるとスイッチング素子(5)を切り換える制御回路(6)とを備え、
制御回路(6)は、いずれかの素電池(7)の電圧が設定値よりも低くなることを検出してスイッチング素子(5)を制御し、二次電池(4)からモーター(2)に供給する平均電流を、電流減少時間帯において次第に減少して遮断する電流遮断特性を特定する電流遮断部を備え、
二次電池(4)がモーター(2)に電流を供給して、互いに直列に接続しているいずれかひとつの素電池(7)の電圧が設定値よりも低くなると、制御回路(6)の電流遮断部が電流遮断特性でスイッチング素子(5)を制御して、電流減少時間帯において二次電池(4)からモーター(2)に供給する平均電流を次第に減少させて電流を遮断するようにしてなる電気機器。
【請求項３】
各々の素電池(7)の電圧を検出する制御回路(6)が、素電池(7)の保護回路に併用される請求項２に記載される電気機器。
【請求項４】
電流遮断部が、スイッチング素子(5)をオンオフに切り換えるデューティーを次第に小さくして平均電流を減少させる特性である請求項１又は２に記載される電気機器。
【請求項５】
制御回路(6)が、二次電池(4)の電圧が設定時間よりも長く設定電圧以下であると残容量が設定容量よりも小さいと判定して、二次電池(4)からモーター(2)に供給する電流を次第に小さくして遮断する請求項４に記載される電気機器。
【請求項６】
二次電池(4)がリチウムイオン電池である請求項１又は２に記載される電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池でモーターを駆動するコードレスの電動工具等の電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池を電源に使用する電動工具は、電源コードでコンセントに接続する必要がないので便利に使用できる。このことから、近年、二次電池を内蔵する電動工具が種々の用途に使用される。電動工具として、電動ドライバーや電動ドリルが普及しているが、さらに種々の用途の電動工具に使用できる。たとえば、電動鋸等にも二次電池で駆動するものが使用できる。電動工具に内蔵される二次電池は、過放電させると電池性能が低下する。この弊害を解消するために、二次電池が完全に放電されて残容量がなくなると、電流を強制的に遮断する電動工具が開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】実開平５−２６２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この公報に記載されるように、二次電池を過放電から防止するために、残容量がなくなったことを検出して電流を遮断すると、使用途中にモーターが停止する。使用状態で予告もなくモーターが停止することは、ユーザーにとって決して好ましいことではない。使用状態によっては、必ずしも十分な安全性が実現できなくなる。たとえば、電動ドリルや電動鋸を使用しているときに、ドリルや鋸が予告もなく瞬時に停止すると、安全に使用できなくなることがある。
【０００４】
仮に、過放電の保護回路を設けなくても、ニッケルカドミウム、ニッケル水素二次電池では使用できるが、リチウムイオン二次電池では、過放電を防止するために保護回路が必要となる。電動工具用の電池では、ニッケルカドミウム、ニッケル水素二次電池で過放電の保護回路なしで使用するなら、完全放電するために、取り出すパワーが徐々に小さくなり、使用時において、安全上の問題はない。しかしながら、小型軽量化・大容量化のためにリチウムイオン二次電池に置き換えるとき、保護回路の過放電保護動作が働くときに、特許文献１のような機器への電流の瞬断を行ってしまうと安全に使用できなくなることがある。
【０００５】
本発明の目的は、この弊害を解消することにある。すなわち、安全に利用できる電動工具等の電気機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電気機器は、二次電池４と、この二次電池４から電力が供給されるモーター２を内蔵する工具本体１と、二次電池４とモーター２との間に接続されて二次電池４の電流を制御するスイッチング素子５と、二次電池４の残容量を検出して、残容量が設定値よりも小さくなるとスイッチング素子５を切り換える制御回路６とを備える。制御回路６は、スイッチング素子５を制御して、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を、電流減少時間帯において次第に減少して遮断する電流遮断特性を特定する電流遮断部を備えている。電気機器は、二次電池４からモーター２に電流を供給して二次電池４の残容量が設定値まで減少すると、制御回路６の電流遮断部が電流遮断特性でスイッチング素子５を制御して、電流減少時間帯において二次電池４からモーター２に供給する平均電流を次第に減少させて電流を遮断する。
【０００７】
本発明の請求項２に記載される電気機器は、複数の素電池７を直列に接続している二次電池４と、この二次電池４から電力が供給されるモーター２を内蔵する工具本体１と、二次電池４とモーター２との間に接続されて二次電池４の電流を制御するスイッチング素子５と、二次電池４を構成している各々の素電池７の電圧を独立して検出して、いずれかの素電池７の電圧が設定値よりも小さくなるとスイッチング素子５を切り換える制御回路６とを備える。制御回路６は、いずれかの素電池７の電圧が設定値よりも低くなることを検出してスイッチング素子５を制御し、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を、電流減少時間帯において次第に減少して遮断する電流遮断特性を特定する電流遮断部を備える。電気機器は、二次電池４からモーター２に電流を供給して、互いに直列に接続しているいずれかひとつの素電池７の電圧が設定値よりも低くなると、制御回路６の電流遮断部が電流遮断特性でスイッチング素子５を制御して、電流減少時間帯において二次電池４からモーター２に供給する平均電流を次第に減少させて電流を遮断する。
【０００８】
各々の素電池７の電圧を検出する制御回路６は、素電池７の保護回路に併用することができる。電流遮断部は、スイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを次第に小さくして平均電流を減少させる特性とすることができる。制御回路６は、二次電池４の電圧が設定時間よりも長く設定電圧以下であると、残容量が設定容量よりも小さいと判定して、二次電池４からモーター２に供給する電流を次第に小さくして遮断することができる。二次電池４は、リチウムイオン電池とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１と請求項２の電気機器は、安全に使用できる特長がある。それは、本発明の電気機器が、二次電池の残容量が設定値まで減少し、あるいは二次電池を構成するいずれかの素電池の電圧が設定値よりも低くなると、制御回路の電流遮断部が電流遮断特性でスイッチング素子を制御して、電流減少時間帯において二次電池からモーターに供給する平均電流を次第に減少させて電流を遮断するからである。本発明の電気機器は、従来のように、二次電池が完全に放電されるまでモーターに電流を供給してモーターの回転を次第に低下させるのではない。本発明の電気機器は、二次電池の残容量が設定値まで減少し、あるいは二次電池を構成する素電池の電圧が設定値よりも低くなったことを検出すると、電流を急激に停止させて瞬断するのではなく、モーターに供給する平均電流を次第に減少させて徐々に電流を遮断する。したがって、使用状態で予告もなく瞬時にモーターが停止することなく、安全に使用できる。
【００１０】
とくに、本発明の請求項２の電気機器は、複数の素電池を直列に接続して二次電池とすると共に、二次電池を構成している各々の素電池の電圧を独立して検出して、いずれかの素電池の電圧が設定値よりも低くなるとモーターに供給する平均電流を次第に減少させて電流を遮断する。このため、劣化して容量の小さくなった素電池が、他の素電池よりも過放電となって電池性能が急激に低下するのを有効に防止できる。したがって、この電気機器は、複数の素電池を直列に接続して全ての素電池の劣化を最小にして、二次電池の実質的な寿命を著しく長くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電気機器を例示するものであって、本発明は電気機器を以下の構造に特定しない。
【００１２】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１３】
図１に示す電気機器は、モーター２を内蔵する工具本体１と、この工具本体１に脱着できるように連結している電池パック３とを備える。電池パック３は、工具本体１のモーター２に電力を供給してこれを駆動する二次電池４と、二次電池４とモーター２との間に接続されて二次電池４の充放電を制御するスイッチング素子５と、二次電池４の残容量を検出して、残容量が設定値よりも小さくなるとスイッチング素子５をオンからオフに切り換える制御回路６とを備える。
【００１４】
図の電気機器は、スイッチング素子５と制御回路６を電池パック３に内蔵しているが、スイッチング素子と制御回路を工具本体に内蔵することもできる。スイッチング素子５と制御回路６を電池パック３に内蔵する電気機器は、制御回路６を二次電池４の保護回路に併用する。いいかえると、二次電池４の保護回路を、制御回路６に併用することができる。電池の保護回路は、二次電池４の過充電と過放電を防止し、また二次電池４に過大な電流が流れるのを防止して、二次電池４を保護する。
【００１５】
二次電池４は、素電池７を直列に接続して、電池パック３の出力電圧を高くしている。素電池７はリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池の二次電池４は、軽くて大パワーにできる。ただし、本発明の電気機器は、素電池をニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とすることもできる。
【００１６】
スイッチング素子５は、制御回路６に制御される。図のスイッチング素子５は、トランジスターである。トランジスターはダーリントン接続として、電流増幅率を大きくしている。ダーリントン接続のトランジスターは、小さいベース電流で大きなモーター電流を制御できる。ただし、スイッチング素子には、ＦＥＴ等の他の半導体スイッチング素子も使用できる。
【００１７】
スイッチング素子５は、オン又はオフに切り換えられてモーター２への通電を制御する。スイッチング素子５をオンオフに切り換える方式は、効率よく制御できる。ただし、スイッチング素子５は、制御回路６で電気抵抗を変化させて、モーター２への供給電流を制御することもできる。スイッチング素子５は、制御回路６に制御されて、二次電池４の過放電と過充電の両方を防止するように制御されるが、ここでは過放電防止用の素子は図示していない。このスイッチング素子５が二次電池４の過放電を防止するためにモーター２の電流を遮断するときは、一時に電流を瞬断することなく、次第に電流を遮断するように制御される。
【００１８】
制御回路６は、各々の素電池７の電圧を独立して別々に検出して、スイッチング素子５を制御する。また、制御回路６は、二次電池４の電圧もしくは残容量を検出して、スイッチング素子５を制御する。ただし、ここでは電流検出回路は図示していない。二次電池４の残容量は、充電電流と放電電流を検出し、検出した電流を積算して演算される。この方法は、充電電流から放電電流を減算して残容量を演算する。充電容量は充電電流を積算して演算される。放電容量は放電電流を積算して演算される。充電容量と放電容量から残容量を演算する方式は、二次電池４をリチウムイオン電池とし、あるいはニッケル水素電池又はニッケルカドミウム電池とする場合も残容量を演算できる。
【００１９】
二次電池４の電圧から残容量を検出する方法は、簡単に残容量を検出できる。この場合、各々の素電池７の電圧を別々に独立して検出して、各々の素電池７の残容量を別々に検出できる。また、二次電池４全体の電圧を検出して、二次電池４の残容量を検出できる。
【００２０】
電池の電圧から残容量を検出する方法は、電池の電圧が設定値よりも低くなると、残容量が設定値よりも少なくなったと判定して、モーター２への通電を電流遮断特性で遮断する。ただし、検出される電池の電圧はモーター２の電流で変化する。モーター２に負荷がかかってモーター電流が大きくなると、電池の電圧は低下する。モーター電流が大きくなると、電池の内部抵抗による出力電圧の低下が大きくなるからである。したがって、電池が完全に放電されない状態にあっても、一時的にモーター２に負荷がかかってモーター電流が過大になると、電池の電圧が一時的に低下して設定値よりも低くなることがある。この状態で、モーター２の電流を遮断すると、電池をまだ放電できる状態で電流を遮断することになる。この弊害を解消するために、電池電圧を検出するのに遅延時間を設けている。遅延時間は、電池を過放電にせず、なおかつ通常の使用に弊害の生じない時間であって、たとえば１〜５秒程度に設定される。制御回路６は、遅延時間以上、連続して電池の電圧が設定値よりも低くなると、残容量が設定値より小さいと判定して電流遮断特性で電流を遮断する。
【００２１】
本明細書において、「電池の残容量を検出する」とは、残容量を検出する方法を特定するものではない。残容量は、電池の電圧から検出し、あるいは電流を検出して演算することができるので、これ等全ての方法で残容量を検出する方法を含むものとする。
【００２２】
制御回路６は、電池の保護回路に併用される。この制御回路６は、二次電池４の過充電と過放電を防止するようにスイッチング素子５を制御する。充電している二次電池４が満充電されるとスイッチング素子５をオンからオフに切り換えて過充電を防止する。また、放電している二次電池４が、完全に放電されて残容量がなくなるときもスイッチング素子５をオンからオフに切り換えて過放電を防止するが、このとき、スイッチング素子５を瞬断しない。
【００２３】
制御回路６は、二次電池４の残容量が設定値まで減少したとき、スイッチング素子５を制御して、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を、電流減少時間帯において次第に減少して遮断する電流遮断特性を特定する電流遮断部（図示せず）を備えている。電流遮断部は、電流遮断特性でスイッチング素子５を制御して、電流減少時間帯において二次電池４からモーター２に供給する平均電流を次第に減少させる。電流遮断特性を図２ないし図５に示している。電流遮断部は、電流減少時間帯において、モーター２の回転をゆっくりと安全に停止させる。電流減少時間帯は、１〜１０秒程度である。
【００２４】
図２の電流遮断特性は、電流減少時間帯において、スイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを次第に小さくして、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を減少させる。制御回路６の電流遮断部は、電流減少時間帯において、スイッチング素子５を特定のデューティーでオンオフに切り換えるタイミングを記憶部（図示せず）に記憶している。記憶部は、制御回路６に内蔵されるＲＯＭ等の半導体メモリである。半導体メモリから出力される信号は、論理回路から出力され、スイッチング素子５をオンにする”Ｈｉｇｈ”信号と、スイッチング素子５をオフにする”Ｌｏｗ”信号に変換して、スイッチング素子５に入力される。
【００２５】
図３と図４の電流遮断特性は、電流減少時間帯において、スイッチング素子５のコレクタ−エミッタ間の電気抵抗を次第に大きくして、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を減少させる。制御回路６の電流遮断部は、電流減少時間帯において、スイッチング素子５の電気抵抗を次第に大きくするためにスイッチング素子５に出力する信号を記憶部（図示せず）に記憶している。記憶部は、制御回路６に内蔵されるＲＯＭ等の半導体メモリである。半導体メモリから出力されるデジタル信号は、Ｄ／Ａコンバータ（図示せず）でスイッチング素子５のコレクタ−エミッタ間の電気抵抗を次第に大きくするアナログ信号に変換されて、スイッチング素子５に入力される。トランジスターやＦＥＴは、ベースやゲートに入力する電圧を次第に小さくして電気抵抗を大きくできる。したがって、図３に示すように、モーター２の電流を直線的に次第に小さく制御し、あるいは図４に示すように、モーター２の電流を階段的に次第に小さく制御するスイッチング素子５は、ベースやゲートに入力する電圧を、直線的に、あるいは階段的に次第に小さくする。
【００２６】
図５の電流遮断特性も、図３と同じように、電流減少時間帯において、スイッチング素子５の電気抵抗を次第に大きくして、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を減少させる。ただし、図３の電流遮断特性では直線的にモーター電流を小さくするのに対し、この電流遮断特性は、最初にゆっくりと電流を減少させて、次第に電流を減少させる割合を大きくする。この特性で電流を減少させるために、電流遮断部は、スイッチング素子５に出力して、スイッチング素子５の電気抵抗を次第に大きくする信号を記憶部（図示せず）に記憶している。
【００２７】
図６の電流遮断特性も、図３や図５と同じように、電流減少時間帯において、スイッチング素子５の電気抵抗を次第に大きくして、二次電池４からモーター２に供給する平均電流を減少させる。ただし、この電流遮断特性は、最初に急激に電流を減少させて、次第に電流を減少させる割合を小さくする。この特性で電流を減少させるために、電流遮断部は、スイッチング素子５に出力して、スイッチング素子５の電気抵抗を次第に大きくする信号を記憶部（図示せず）に記憶している。
【００２８】
さらに、この特性でスイッチング素子５の電流を減少させる電流遮断部は、図７に示すように、スイッチング素子５のベースにコンデンサー８を接続している回路で実現できる。この電流遮断部は、コンデンサー８に蓄える電荷をスイッチング素子５のベースに供給しながらスイッチング素子５をオフにするので、スイッチング素子５は次第にコレクタ−エミッタ間の電気抵抗が大きくなって、電流を遮断する。
また、上述の電流パターンの容量、電力を予め計算し、残容量の設定値の範囲内で、電力供給できるように、電流パターンは設定されている。よって、電池が過放電となることはない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例にかかる電気機器の回路図である。
【図２】電流遮断特性の一例を示すグラフである。
【図３】電流遮断特性の他の一例を示すグラフである。
【図４】電流遮断特性の他の一例を示すグラフである。
【図５】電流遮断特性の他の一例を示すグラフである。
【図６】電流遮断特性の他の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施例にかかる電気機器の回路図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…工具本体
２…モーター
３…電池パック
４…二次電池
５…スイッチング素子
６…制御回路
７…素電池
８…コンデンサー
【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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