(57)【要約】【課題】インバータを備えた電源装置であって、電源装置の主要装置であるインバータを大型化させずに、位相制御によるモータ回転速度制御機能を備えた電動工具であっても駆動可能とする。【解決手段】電源装置１は、電池パック５からの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ２と、インバータ２の出力波形を変換する変換アダプタ３のインバータ２への接続状態に応じてインバータ２の出力波形を制御するマイコン２８と、を備えたことを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池パックからの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、
前記インバータの出力波形を変換する変換アダプタの前記インバータへの接続状態に応じて前記インバータの出力波形を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記変換アダプタが前記インバータへ非接続の場合には商用電源周波数の矩形波を出力し、前記変換アダプタが前記インバータに接続されていた場合にはＰＷＭ正弦波を出力するように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記インバータは、
前記電池パックからの直流電力を交流電力に変換するための第１のスイッチング素子と、
前記変換された電力を昇圧する昇圧回路部と、
前記昇圧された電力を整流・平滑して直流電力として出力する整流平滑回路部と、
前記平滑された電力を交流電力として出力するための複数の第２のスイッチング素子を有するスイッチング回路部と、
を備え、
前記制御手段は、前記接続状態に応じて、前記複数の第２のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記変換アダプタは、前記ＰＷＭ正弦波を正弦波に変換するローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記変換アダプタは、前記接続状態を前記制御部に認識させるための変換アダプタ識別手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電源装置。
【請求項６】
前記変換アダプタ識別手段は、前記変換アダプタが前記インバータに接続されると前記制御部に入力される識別信号を変化させる識別抵抗を備えており、
前記制御部は、前記識別信号の変化に応じて前記変換アダプタの接続を識別することを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
【請求項７】
モータと、前記電池パックからモータへの電力供給を指示するトリガスイッチと、を備え、請求項１乃至６の何れか一項に記載の電源装置に接続可能であることを特徴とする電動工具。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の電源装置と、請求項７に記載の電動工具と、を備えたことを特徴とする電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータを備えた電源装置及びその電源装置を備えた電動工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部電源からの電力を蓄える電池パックと、電池パックに蓄えられた直流電力を交流電力に変換するインバータとを有し、プラグを介して交流駆動式の電気工具に電力を供給する電源装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７８８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電源装置におけるインバータにおいては、装置を大型化させないため、正弦波交流電力を出力する回路を排除し、矩形波交流電力を出力するものが一般的である。しかし、矩形波交流電力を出力するインバータは、位相制御によるモータ回転速度制御機能を備えた一部の電動工具を駆動させることは出来ない。
【０００５】
本発明は、電源装置の主要装置であるインバータを大型化させずに、位相制御によるモータ回転速度制御機能を備えた電動工具であっても駆動可能な電源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の電源装置は、電池パックからの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータの出力波形を変換する変換アダプタの前記インバータへの接続状態に応じて前記インバータの出力波形を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
このような構成によれば、変換アダプタの装着状態に応じてインバータの出力波形を変更することができるため、どのような電動工具であっても駆動することができる。更に、位相制御機能を持たない電動工具に対しては、変換アダプタが要らないので、本電源装置を持ち運ぶ場合にはインバータ部を持ち運べばよいので、大型化することなく携帯性を損なうことはない。
【０００８】
また、前記制御手段は、前記制御手段は、前記変換アダプタが前記インバータへ非接続の場合には商用電源周波数の矩形波を出力し、前記変換アダプタが前記インバータに接続されていた場合にはＰＷＭ正弦波を出力するように前記インバータを制御することが好ましい。
【０００９】
また、前記インバータは、前記電池パックからの直流電力を交流電力に変換するための第１のスイッチング素子と、前記変換された電力を昇圧する昇圧回路部と、前記昇圧された電力を整流・平滑して直流電力として出力する整流平滑回路部と、前記平滑された電力を交流電力として出力するための複数の第２のスイッチング素子を有するスイッチング回路部と、を備え、前記制御手段は、前記接続状態に応じて、前記複数の第２のスイッチング素子を制御することが好ましい。
【００１０】
このような構成によれば、変換アダプタを介して正弦波の交流電力を出力できるので、位相制御によるモータ回転速度制御機能を備えた電動工具も安定駆動することができる。すなわち、変換アダプタが接続されていない場合には、商用電源周波数の矩形波の交流電力を出力して位相制御（モータ回転速度制御機能）を持たない電動工具に直接的に供給できるようにし、また、変換アダプタが接続さている場合には、高キャリア周波数でＰＷＭ制御されている商用電源周波数のＰＷＭ正弦波の交流電力を出力し、変換アダプタを介して正弦波に変換された交流電力をモータ回転速度制御機能を持つ電動工具に供給できるようにしている。これにより、使用可能な電動工具の種類を大幅に増やすことができ、利便性を向上することができる。更に、変換アダプタの有無に応じて第２スイッチング素子を制御すればよいため、簡単な構成であらゆる電動工具に対応できる電源装置を提供することができる。
【００１１】
また、前記変換アダプタは、前記ＰＷＭ正弦波を正弦波に変換するローパスフィルタを備えることが好ましい。
このような構成によれば、位相制御によるモータ回転速度制御機能を備えた電動工具であっても駆動することが可能となる。
【００１２】
また、前記変換アダプタは、前記接続状態を前記制御部に認識させるための変換アダプタ識別手段を備えることが好ましい。また、前記変換アダプタ識別手段は、前記変換アダプタが前記インバータに接続されると前記制御部に入力される識別信号を変化させる識別抵抗を備えており、前記制御部は、前記識別信号の変化に応じて前記変換アダプタの接続を識別することが好ましい。
【００１３】
このような構成によれば、インバータへの変換アダプタの接続を抵抗によって簡単に検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電源装置の主要装置であるインバータを大型化させずに、位相制御によるモータ回転速度制御機能を備えた電動工具であっても駆動可能な電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明となる電源装置であって、インバータと変換アダプタを接続した状態の回路図。
【図２】本発明となる電源装置であって、インバータの回路図。
【図３】本発明となる電源装置におけるインバータ及び変換アダプタの出力波形図。
【図４】本発明となる電源装置によるＡＣモータへの供給電圧の制御についてのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１乃至図４を用いて、本発明の電源装置の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明となる電源装置１において、インバータ２、変換アダプタ３、電動工具４、及び電池パック５の接続状態を示す回路図である。図２は、本発明となる電源装置１において、図１の状態から変換アダプタ３を取り外しインバータ２に直接電動工具を接続した状態を示す回路図である。
【００１８】
図１において、電源装置１は、インバータ２と、変換アダプタ３とを備えており、インバータ２に電池パック５が接続され、作業者によってインバータ２の電源スイッチ２２１が操作（オン）されると、電池パック５から供給された直流電力をインバータ２によって交流電力に変換して出力する。電池パック５は、３．６Ｖ／セルのリチウム電池セルを直列に４つ接続し定格電圧１４．４Ｖのリチウム電池パックである。
【００１９】
変換アダプタ３がインバータ２に接続されている場合には、変換アダプタ３を介して位相制御が必要な電動工具４、例えばディスクグラインダのＡＣモータ４２に交流電力を供給する。一方、図２に示すように、変換アダプタ３がインバータ２に接続されていない場合には、直接的に位相制御が必要でない電動工具４、例えば芝刈り機のＡＣモータ４２に供給するものとする。インバータ２、変換アダプタ３、電動工具４、及び電池パック５は、それぞれ着脱可能であるが、接続状態について特に記述しない限り夫々が接続されているものとして説明する。
【００２０】
インバータ２は、電池電圧検出部２１と、マイコン電源部２２と、昇圧回路部２３と、整流・平滑回路（整流平滑回路部）２４と、昇圧電圧検出部２５と、スイッチング回路２６と、電流検出抵抗２７と、マイコン２８と、ＰＷＭ信号出力部２９と、変換アダプタ識別手段６（分圧抵抗６１、変換アダプタ識別端子６３、識別抵抗６２を含む）と、電池パック接続端子２aと、交流電力出力端子２ｂを備えている。
【００２１】
変換アダプタ３は、ローパスフィルタ３１と、識別抵抗６２と、変換アダプタ識別端子６３と、ＰＷＭ正弦波入力端子３ａと、正弦波出力端子３ｂを備えている。
【００２２】
ローパスフィルタ３１は、チョークコイル３１１及び３１２と、コンデンサ３１３から構成されており、ＰＷＭ正弦波入力端子３ａに入力されるＰＷＭ正弦波を、正弦波に変換して正弦波出力端子３ｂに出力する。
【００２３】
インバータ２と、変換アダプタ３は、各々の接続状態をマイコン２８が識別するための変換アダプタ識別手段６を備えている。
【００２４】
変換アダプタ識別手段６は、上述したインバータ２に設けられた分圧抵抗６１と変換アダプタ識別端子６３、変換アダプタ３に設けられた識別抵抗６２から構成されている。変換アダプタ３がインバータ２に接続されている場合（図１）、変換アダプタ識別手段６は、マイコン２８の電源電圧Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）を分圧抵抗６１と識別抵抗６２により分圧した分圧電圧をマイコン２８に出力する。一方、変換アダプタ３がインバータ２に接続されていない場合（図２）、変換アダプタ識別手段６は、電源電圧Ｖｃｃの電圧を分圧抵抗６１を介してそのままマイコン２８に出力する。この構成により、マイコン２８は、インバータ２と変換アダプタ３の接続状態を識別することができる。
【００２５】
次に、図１を用いてインバータ２の回路構成について以下詳細に説明する。
【００２６】
電池電圧検出部２１は、互いに直列接続された抵抗２１１及び２１２から構成されており、電池パック５からの電圧を検出し、抵抗２１１及び２１２の接続点の電圧を分圧電圧としてマイコン２８に出力する。
【００２７】
マイコン電源部２２は、電池パック５とマイコン２８との間に直列に接続された電源スイッチ２２１及び定電圧回路２２２を備えている。定電圧回路２２２は、三端子レギュレータ２２２ａと、発振防止用コンデンサ２２２ｂ及び２２２ｃとを備えており、作業者により電源スイッチ２２１がオンされると、電池パック５から印加された電圧を所定の直流（駆動）電圧Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）に変換し、マイコン２８に駆動電圧Ｖｃｃを供給する。なお、電源スイッチ２２１が作業者によってオフされると、マイコン２８に駆動電圧Ｖｃｃが供給されなくなるので、インバータ２全体がオフされることとなる。
【００２８】
昇圧回路部２３は、トランス２３１と、ＦＥＴ２３２とから構成されている。ＦＥＴ２３２のゲートはマイコン２８に接続されており、ＦＥＴ２３２は、後述するマイコン２８からの第１のＰＷＭ信号によりオン・オフされ、これにより、電池パック５からトランス２３１の１次側に供給された直流電力はトランス２３１の２次側に昇圧され出力される。
【００２９】
トランス２３１の２次側には、整流・平滑回路２４と、昇圧電圧検出部２５と、スイッチング回路２６と、電流検出抵抗２７が接続されている。
【００３０】
整流・平滑回路２４は、ダイオード２４１と、コンデンサ２４２とから構成されており、これらにより、トランス２３１の出力を整流・平滑して直流電力として出力する。
【００３１】
昇圧電圧検出部２５は、互いに直列接続された抵抗２５１及び２５２から構成されており、整流・平滑回路２４から出力された直流の昇圧電圧（コンデンサ２４２の電圧）を検出し、抵抗の接続点から分圧電圧としてマイコン２８に出力する。
【００３２】
スイッチング回路２６は、４つのＦＥＴ２６１−２６４から構成されている。ＦＥＴ２６１−２６４のゲートは夫々がＰＷＭ信号出力部２９に接続されており、後述するＰＷＭ信号出力部２９からの第２のＰＷＭ信号によりオン・オフされ、これにより、整流・平滑回路２４から出力された直流電力は、交流電力に変換されて交流電力出力端子２ｂから出力される。図１のように変換アダプタ３が接続されている場合には、変換アダプタ３を介して電動工具４のＡＣモータ４２に供給される。
【００３３】
電流検出抵抗２７は、ＦＥＴ２６２及びＦＥＴ２６４のソースと、ＧＮＤとの間に直列に接続されており、電流検出抵抗２７の上流側の端子はマイコン２８と接続されている。このような構成により、電流検出抵抗２７は、ＡＣモータ４２に流れる電流を検出し、電圧としてマイコン２８に出力する。
【００３４】
マイコン２８は、昇圧電圧検出部２５によって検出されたコンデンサ２４２の昇圧電圧に基づき、整流・平滑回路２４の出力電圧が目標の昇圧電圧（例えば１４０Ｖ）に保たれるように第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ２３２のゲートに出力し、ＦＥＴ２３２をフィードバック制御する。
【００３５】
また、マイコン２８は、設定された電圧波形を持つ交流電力をＡＣモータ４２に供給するための第２のＰＷＭ信号をＰＷＭ信号出力部２９に出力する。ＰＷＭ信号出力部２９は、マイコン２８から出力された第２のＰＷＭ信号をスイッチング回路２６の４つのＦＥＴ（ＦＥＴ２６１−２６４）のゲートに出力し、ＦＥＴ２６１−２６４をオン・オフさせる。このとき、マイコン２８は、変換アダプタ識別手段６の出力信号に基づき、第２のＰＷＭ信号の状態を変更する。
【００３６】
図２に示すように、変換アダプタ３がインバータ２に接続されていない場合、すなわち、変換アダプタ３を介さずインバータ２に電動工具４が直接接続されている場合には、マイコン２８は、スイッチング回路２６の出力電圧波形が図３（ａ）の矩形波となるように第２のＰＷＭ信号をＰＷＭ信号出力部２９に出力する。詳細には、マイコン２８は、スイッチング回路２６のＦＥＴ２６１とＦＥＴ２６４のセット（以降、第１のセット）とＦＥＴ２６２とＦＥＴ２６３のセット（以降、第２のセット）をデューティ１００％で交互にオン・オフさせるための第２のＰＷＭ信号を出力する。
【００３７】
この場合、図３（ａ）に示す矩形波の電圧波形を持つ交流電力が交流電力出力端子２ｂを介してそのままＡＣモータ４２に供給される。
【００３８】
一方、図１に示すように変換アダプタ３がインバータ２に接続されている場合、すなわち、変換アダプタ３を介してインバータ２に電動工具４が接続されている場合には、マイコン２８は、スイッチング回路２６の出力電圧波形が図３（ｂ）のＰＷＭ正弦波となるように第２のＰＷＭ信号をＰＷＭ信号出力部２９に出力する。詳細には、マイコン２８は、スイッチング回路２６の第１のセットと第２のセットを、デューティ比可変の数十キロヘルツオーダーのキャリア周波数でオン・オフさせる第２のＰＷＭ信号を出力する。
【００３９】
この場合、図３（ｂ）のＰＷＭ正弦波は、交流電力出力端子２ｂを介して変換アダプタ３のローパスフィルタ３１を通過することにより、図３（Ｃ）に示すように正弦波に変換され、正弦波の電圧波形を持つ交流電力がＡＣモータ４２に供給される。このような正弦波の電圧波形を持つ交流電力により、位相制御を行う電動工具であっても確実に動作することができるようになる。
【００４０】
更に、マイコン２８は、電池電圧検出部２１によって検出された電池電圧に基づき、電池パック５の過放電を判別する。具体的には、電池電圧検出部２１によって検出された電池電圧が所定値以下の場合には、電池パック５に過放電が生じていると判断し、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を停止し、ＦＥＴ２３２及びＦＥＴ２６１−２６４の動作を停止させる。また、電池パック５は、その内部に保護ＩＣやマイコンを内蔵しており、自ら過放電を検出して過放電信号をマイコン２８に出力する機能を有しており、マイコン２８は、電池パック５のＬＤ端子を介して過放電信号を受信した場合にも第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を停止する。このような構成により、電池パック５の寿命が短くなることを防止することが可能となる。
【００４１】
次に、図４のフローチャートを用いて、本実施の形態におけるマイコン２８によるＡＣモータ４２への供給電圧の制御について説明する。
【００４２】
図４のフローチャートは、電池パック５がインバータ２に装着されている状態で電源スイッチ２２１がオンされた時、あるいは、電源スイッチ２２１がオンされた状態で電池パック５がインバータ２に装着された時にスタートする。なお、マイコン２８は、定電圧回路２２２によって電源電圧Ｖｃｃが供給されて起動する。
【００４３】
まず、マイコン２８は、第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ２３２に出力し、昇圧回路２３を動作させ（Ｓ２００）、昇圧電圧検出部２５によって検出された昇圧電圧に基づき、整流平滑回路部２４のコンデンサ２４２の昇圧電圧（検出電圧）が目標電圧（例えば１４０Ｖ）より大きいか否かを判断する（Ｓ２０１）。検出電圧が目標電圧より大きい場合には（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、デューティ比を減少させた第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ２３２のゲートに出力し（Ｓ２０３）、検出電圧が目標電圧以下の場合には（Ｓ２０１：ＮＯ）、デューティ比を増加させた第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ２３２のゲートに出力する（Ｓ２０２）。
【００４４】
続いて、変換アダプタ識別手段６の出力信号に基づき、変換アダプタの接続を判断する（Ｓ２０４）。変換アダプタ３の接続は、マイコン２８へ入力される電圧により判断する。定電圧回路２２２の出力（電源電圧Ｖｃｃ：５Ｖ）が変換アダプタ識別手段６に入力される。変換アダプタ３が接続されている場合は、電源電圧Ｖｃｃが分圧抵抗６１及び識別抵抗６２によって分圧され、分圧された電圧（識別信号）がマイコン２８へ入力される。一方、変換アダプタ３が接続されていない場合は、電源電圧Ｖｃｃが分圧抵抗６１を介してそのままマイコン２８へ入力される。すなわち、マイコン２８へ入力される電圧は、変換アダプタ接続時の方が非接続時より小さくなる。マイコン２８は入力された電圧が所定電圧、例えば３Ｖより大きいか否かで変換アダプタ３の接続有無を判断している。
【００４５】
変換アダプタ３が接続されている場合には（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、スイッチング回路２６の出力がＰＷＭ正弦波となるように、第２のＰＷＭ信号をスイッチング回路２６のＦＥＴ２６１−２６４に出力し（Ｓ２０５）、変換アダプタ３が接続されていない場合には（Ｓ２０４：ＮＯ）、スイッチング回路２６の出力が矩形波となるように、第２のＰＷＭ信号をスイッチング回路２６のＦＥＴ２６１−２６４に出力する（Ｓ２０６）。
【００４６】
続いて、電池電圧検出部２１によって検出された電池電圧が所定の過放電電圧より小さいか否かを判断する（Ｓ２０７）。所定の過放電電圧より小さい場合には（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、電池パック５が過放電状態にあると判断し、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を停止して昇圧回路２３及びスイッチング回路２６の動作を停止させる（Ｓ２０８）。これにより、電池パック５からの電力の供給が停止される。
【００４７】
一方、電池電圧が所定の過放電電圧以上の場合には（Ｓ２０７：ＮＯ）、電池パック５からＬＤ端子を介して過放電信号が入力されたか否かを判断する（Ｓ２０９）。過放電信号が入力されていた場合には（Ｓ２０９：ＹＥＳ）、電池電圧が所定の過放電電圧より小さい場合（Ｓ２０７：ＹＥＳ）と同様に、昇圧回路２３及びスイッチング回路２６の動作を停止させる（Ｓ２０８）。過放電信号が入力されていなかった場合には（Ｓ２０９：ＮＯ）、Ｓ２００に戻る。
【００４８】
本実施形態のような構成によれば、インバータに対して着脱可能な変換アダプタを介して正弦波の交流電力を出力できるので、位相制御によるモータ回転速度制御機能を備えた電動工具であっても安定して駆動することができる。また、位相制御機能を持たない電動工具に対しては、変換アダプタが要らないので、電源装置を持ち運ぶ場合にはインバータのみを持ち運べばよいので、携帯性を損なうことはない。
【００４９】
尚、本発明の電源装置は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
【００５０】
例えば、上記実施の形態において、変換アダプタ識別手段を抵抗としたが、機械的に開閉するスイッチでも良く、変換アダプタ接続時にスイッチが閉じて電源電圧Ｖｃｃがマイコンに入力され、非接続時にはスイッチが開いてマイコンへの入力がなくなることで、変換アダプタの接続有無を識別するようにしても良い。或いは、作業者が手動で切り換えるスイッチでも良い。即ち、変換アダプタの接続有無を検出できればどのような構成であっても良い。
【００５１】
また、上記実施の形態では、インバータ２に接続される電池パック５を１４．４Ｖのリチウム電池パックとして説明したが、種類が異なる電池パック、例えばリチウム電池の他にニカド電池やニッケル水素電池からなる電池パックの何れかを接続可能にしても良いし、電池電圧が異なる複数の電池パックを接続可能にしても良い。この場合、電池パックには電池電圧や種類を識別するために識別手段（例えば抵抗）を設け、マイコン２８がこの抵抗からの情報により接続された電池パックを判別し、その電池パックに応じて昇圧回路部２３の昇圧動作を制御するようにすれば、種々の電池パックを使用することができ作業性を向上することができる。
【００５２】
また、図４のフローチャートでは、Ｓ２０７〜Ｓ２０９で過放電状態を判別するようにしたが、いずれの時点で判別するようにしても良い。
【００５３】
また、上記実施の形態では、矩形波駆動可能な電動工具、例えば芝刈り機は変換アダプタを接続しないことを前提として説明したが、矩形波駆動可能な電動工具は、変換アダプタを介して図３（ｃ）の正弦波でも駆動可能である。そのため、携帯性を考慮しなければ、インバータに変換アダプタを接続しておくことで、あらゆる電動工具に使用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１：電源装置、２：インバータ、３：変換アダプタ、４：電動工具、５：電池パック、６：変換アダプタ識別手段、２１：電池電圧検出部、２２：マイコン電源部、２３：昇圧回路、２４：整流・平滑回路、２５：昇圧電圧検出部、２６：スイッチング回路、２７：電流検出抵抗、２８：マイコン、２９：ＰＷＭ信号出力部、２ａ：電池パック接続端子、２ｂ：交流電力出力端子、３１：ローパスフィルタ、３ａ：ＰＷＭ正弦波入力端子、３ｂ：正弦波出力端子、４１：スイッチ、４２：ＡＣモータ、４３：モータ回転数制御回路、６１：分圧抵抗、６２：識別抵抗、６３：変換アダプタ接続端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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