(57)【要約】【課題】  インバータ装置及びそれを備えた電動工具を提供する。【解決手段】  インバータ装置１は、ＦＥＴ１３２と、トランス１３１と、整流・平滑回路１４と、インバータ回路１６と、制御部１９と、を備えている。ＦＥＴ１３２及びトランス１３１は、電池パック２から供給される直流電圧を交流電圧に変換して出力する。整流・平滑回路１４は、トランス１３１から出力された交流電力を整流・平滑して直流電力として出力する。インバータ回路１６は、整流・平滑回路１４から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。制御部１９は、電池パック２の特性に基づきインバータ回路１６からの交流電圧の出力を防止する。【選択図】図１
2012151921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池パックから供給される直流電圧を交流電圧に変換して出力する変圧回路と、
前記変圧回路から出力された交流電圧を整流・平滑して直流電圧として出力する整流・平滑回路と、
前記整流・平滑回路から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
前記電池パックの特性に基づき少なくとも前記インバータ回路からの出力あるいは前記変圧回路からの出力の一方を防止する防止手段と、
を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記防止手段は、前記電池パックに含まれる二次電池の並列数に基づき少なくとも前記インバータ回路からの出力あるいは前記変圧回路からの出力の一方を防止することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記防止手段は、前記電池パックの定格電圧に基づき少なくとも前記インバータ回路からの出力あるいは前記変圧回路からの出力の一方を防止することを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記防止手段は、前記電池パックに含まれる二次電池の種類に基づき少なくとも前記インバータ回路からの出力あるいは前記変圧回路からの出力の一方を防止することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のインバータ装置と、前記インバータ装置に接続されるモータと、を備えたことを特徴とする電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置及びそれを備えた電動工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、インバータ回路を備えた電子機器が知られている。このような電子機器は、商用電源からの交流電力をトランスで変圧し、整流・平滑回路で直流電力に整流・平滑した後、インバータ回路で所定の交流電力に変換してＡＣモータ等に出力している。
【０００３】
また、電子機器のＡＣモータを作動させるために、電池パックからの直流電力を交流電力に変換して電子機器に供給するという構成も考えられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
ところで、電子機器のＡＣモータを作動させるために、電池パックからの直流電力を交流電力に変換して電子機器に供給するという構成の場合、直流電力を交流電力に変換するために、スイッチング回路と、トランスと、整流・平滑回路と、インバータ回路と、を備えたインバータ装置を電池パックと電子機器との間に接続することとなる。
【０００６】
しかしながら、電池パックには様々な特性のものがあるため、全ての電池パックから同一の出力を得ようとすると、電池パックの寿命や出力効率を著しく低下させてしまう虞がある。
【０００７】
本発明は、電池パックを適切に保護することのできるインバータ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】
【０００８】
本発明のインバータ装置は、電池パックから供給される直流電圧を交流電圧に変換して出力する変圧回路と、前記変圧回路から出力された交流電圧を整流・平滑して直流電圧として出力する整流・平滑回路と、前記整流・平滑回路から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記電池パックの特性に基づき少なくとも前記インバータ回路からの出力あるいは前記変圧回路からの出力の一方を防止する防止手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、電池パックの特性に基づきインバータ回路あるいは変圧回路からの少なくとも一方の出力を防止するので、インバータ装置に適していない電池パックがインバータ装置に接続された場合に、電池パックの寿命や出力効率が著しく低下することを防止することができる。
【００１０】
また、前記防止手段は、前記電池パックに含まれる二次電池の並列数に基づき少なくとも前記インバータ回路からの出力あるいは前記変圧回路からの出力の一方を防止することが好ましい。
【００１１】
このような構成によれば、２並列の電池パックに適した仕様にした場合、１並列の電池パックから２並列の電池パックと同一の電流を得ようとして、１並列の電池パックには２並列の電池パックの２倍の電流が流れ、１並列の電池パックの寿命を低下させてしまうことを防止することができる。
【００１２】
また、前記防止手段は、前記電池パックの定格電圧に基づき少なくとも前記インバータ回路からの出力あるいは前記変圧回路からの出力の一方を防止することが好ましい。
【００１３】
このような構成によれば、所定の定格電圧を有しない電池パックがインバータ装置に接続された場合に変圧回路における変換効率が低下することを防止することができる。
【００１４】
また、前記防止手段は、前記電池パックに含まれる二次電池の種類に基づき前記インバータ回路からの前記交流電圧の出力を防止することが好ましい。
【００１５】
このような構成によれば、所定の種類以外の電池パックがインバータ装置に接続された場合に、電池パックに不適切な電流等が流れ、電池パックの寿命が低下することを防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電池パックを適切に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態によるインバータ装置の回路図
【図２】本発明の実施の形態による出力の防止制御について説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１及び図２を用いて、本発明の実施の形態によるインバータ装置１について説明する。
【００１９】
図１は、インバータ装置１の回路図である。インバータ装置１は、電池パック２から供給された直流電力を交流電力に変換して電子機器、例えば電動工具である芝刈機３のＡＣモータ３１に供給するために、電池パック２と電子機器３との間に接続されている。ＡＣモータ３１には、電子機器３のトリガスイッチ３２が操作されると、インバータ装置１から交流電力が供給される。インバータ装置１は、電池パック２と電子機器３との間で着脱可能であるが、以下では、接続されているものとして説明する。
【００２０】
電池パック２は、二次電池からなる電池組２１と、電池パック２の電池特性に応じた抵抗値を有する電池特性判別素子２２と、プラス側端子２３と、マイナス側端子２４と、電池特性判別端子２５と、を備えており、インバータ装置１には、異なる特性の電池パック２が装着可能である。電池特性としては、電池組２１の並列数、定格電圧、及び、種類等が考えられるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
インバータ装置１は、電池電圧検出部１１と、電源部１２と、昇圧回路（変圧回路）１３と、整流・平滑回路１４と、昇圧電圧検出部１５と、インバータ回路１６と、電流検出抵抗１７と、ＰＷＭ信号出力部１８と、制御部（防止手段）１９と、を備えている。
【００２２】
電池電圧検出部１１は、電池電圧検出抵抗１１１及び１１２を備えている。電池電圧検出抵抗１１１及び１１２は、電池パック２のプラス側端子２３とマイナス側端子２４の間に直列に接続されており、電池パック２の電池電圧の、電池電圧検出抵抗１１１と電池電圧検出抵抗１１２とによる分圧電圧を制御部１９に出力する。なお、図１に示す電池パック２は、３．６Ｖ／セルのリチウム電池セルが４本直列接続され、定格電圧１４．４Ｖを出力する。更に、電池パック２はリチウム電池セル４本を一列に直列接続した１並列タイプである。なお、２列に接続したタイプは２並列タイプである。
【００２３】
電源部１２は、電池パック２のプラス側端子２３と制御部１９との間に直列に接続された電源スイッチ１２１及び定電圧回路１２２を備えている。定電圧回路１２２は、三端子レギュレータ１２２ａと、発振防止用コンデンサ１２２ｂ及び１２２ｃと、を備えており、ユーザにより電源スイッチ１２１がオンされると、電池パック２からの電圧を所定の直流電圧（例えば５Ｖ）に変換し、制御部１９に駆動電力として供給する。なお、電源スイッチ１２１がオフされると、制御部１９に駆動電力が供給されなくなるので、インバータ装置１全体がオフされることとなる。
【００２４】
電源部１２は、更に、電池特性判別抵抗１２３を備えている。レギュレータ１３１と電池特性別抵抗１２３と電池パック２の電池特性別素子２２は、電池パック２のプラス側端子２３と電池特性別端子２５の間に直列に接続されており、レギュレータ１３１から出力された所定電圧（５Ｖ）の、電池特性別抵抗１２３と電池特性判別素子２２とによる分圧電圧が制御部１９に出力される。電池特性判別素子２２は、電池パック２の電池特性に応じた異なる抵抗値を有しているため、制御部１９は、入力された分圧電圧に基づき電池パック２の電池特性を判別し、電池特性（電池種）識別信号を出力する。
【００２５】
昇圧回路１３は、トランス１３１と、ＦＥＴ１３２と、を備えており、トランス１３１は、一次側巻線１３１ａと、二次側巻線１３１ｂと、を備えている。一次側巻線１３１ａは、電池パック２のプラス側端子２３とマイナス側端子２４の間に接続されており、トランス１３１の一次側巻線１３１ａとマイナス側端子２４の間には、更に、ＦＥＴ１３２が配置されている。ＦＥＴ１３２のゲートには、ＦＥＴ１３２をオン・オフさせるための第１のＰＷＭ信号が制御部１９から入力され、ＦＥＴ１３２のオン・オフにより、電池パック２から供給された直流電力は交流電力に変換されて一次側巻線１３１ａと二次側巻線１３１ｂとの巻数比に応じて変圧されて二次側巻線１３１ｂから出力される。
【００２６】
整流・平滑回路１４は、整流ダイオード１４１及び１４２と、平滑コンデンサ１４３と、を備えており、これらにより、トランス１３１により昇圧された交流電力を整流・平滑して直流電力として出力する。
【００２７】
昇圧電圧検出部１５は、互いに直列接続された抵抗１５１及び１５２から構成されており、整流・平滑回路１４から出力された直流の昇圧電圧（平滑コンデンサ電圧、例えば１４１Ｖ）を検出し、昇圧電圧の、抵抗１５１と抵抗１５２とによる分圧電圧を制御部１９に出力する。
【００２８】
インバータ回路１６は、４つのＦＥＴ１６１−１６４から構成されており、直列に接続されたＦＥＴ１６１及び１６２と、直列に接続されたＦＥＴ１６３及び１６４とが、平滑コンデンサ１４３に並列に接続されている。詳細には、ＦＥＴ１６１のドレインは、整流ダイオード１４１及び１４２のカソードと接続され、ＦＥＴ１６１のソースは、ＦＥＴ１６２のドレインに接続されている。また、ＦＥＴ１６３のドレインは、整流ダイオード１４１及び１４２のカソードと接続され、ＦＥＴ１６３のソースは、ＦＥＴ１６４のドレインに接続されている。
【００２９】
更に、ＦＥＴ１６１のソース及びＦＥＴ１６２のドレイン、ＦＥＴ１６３のソース及びＦＥＴ１６４のドレインは、それぞれ、出力端子１６５、１６６と接続されており、出力端子１６５、１６６は、電動工具３のＡＣモータ３１に接続されている。ＦＥＴ１６１−１６４のゲートには、ＦＥＴ１６１−１６４をオン・オフさせるための第２のＰＷＭ信号がＰＷＭ信号出力部１８から入力され、ＦＥＴ１６１−１６４のオン・オフにより、整流・平滑回路１４から出力された直流電力は交流電力に変換されて電子機器３（ＡＣモータ３１）に出力される。
【００３０】
電流検出抵抗１７は、ＦＥＴ１６２のソース及びＦＥＴ１６４のソースと、電池パック２のマイナス側端子２４との間に接続されており、電流検出抵抗１７の高電圧側の端子は制御部１９と接続されている。このような構成により、電流検出抵抗１７は、ＡＣモータ３１に流れる電流を検出し、電圧として制御部１９に出力する。
【００３１】
制御部１９は、昇圧電圧検出部１５によって検出された昇圧電圧に基づき、目標実効値（例えば、１４１Ｖ）を有する交流電力がトランス１３１の二次側から出力されるような第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ１３２のゲートに出力する。また、制御部１９は、目標実効値（例えば、１００Ｖ）を有する交流電力がＡＣモータ３１に出力されるような第２のＰＷＭ信号をＰＷＭ信号出力部１８を介してＦＥＴ１６１−１６４のゲートに出力する。本実施の形態では、制御部１９は、ＦＥＴ１６１とＦＥＴ１６４（以降、第１のセット）と、ＦＥＴ１６２とＦＥＴ１６３（以降、第２のセット）とを、それぞれ１セットとして、第１のセットと第２のセットをデューティ比１００％で交互にオン・オフさせるような第２のＰＷＭ信号を出力する。
【００３２】
また、制御部１９は、電池電圧検出部１１によって検出された電池電圧に基づき、電池パック２の過放電を判別する。具体的には、電池電圧検出部１１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場合には、電池パック２に過放電が生じていると判断し、ＡＣモータ３１への出力を停止させるための第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を出力する。すなわち、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号の出力を停止する。
【００３３】
また、電池パック２は、その内部に保護ＩＣやマイコンを備え、自ら過放電を検出して過放電信号を制御部１９に出力する機能を有しており、制御部１９は、信号端子ＬＤから過放電信号を受信した場合にも、ＡＣモータ３１への出力を停止させるための第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を出力する。すなわち、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号の出力を停止する。このような構成により、電池パック２の寿命が短くなることを防止することができる。
【００３４】
ところで、本実施の形態には異なる特性の電池パック２が接続可能であるが、全ての電池パック２から同一の出力を得ようとすると、電池パック２の寿命や出力効率を著しく低下させてしまう虞がある。例えば、１並列タイプの電池パック２から２並列タイプの電池パック２と同一の電流を得ようとすると、１並列の電池パック２には２並列の電池パック２の２倍の電流が流れることとなり、１並列の電池パック２の寿命を低下させてしまう虞がある。また、電池パック２は、種類によって定格電流が異なるため、同様の理由により電池パック２の寿命を低下させてしまう虞がある。
【００３５】
更に、通常、トランスの一次側巻線と二次側巻線との巻数比は、所定の電圧が入力された場合に最大の変換効率が得られるような値に設定されているため、所定以外の定格電圧を有する電池パック２がインバータ装置１に接続された場合には、トランス１３１における変換効率が著しく低下してしまう虞がある。また、この場合、温度上昇が生じるため、温度上昇を防止するために放熱フィン等が必要となり、インバータ装置１が大型化してしまう。
【００３６】
そこで、本実施の形態によるインバータ装置１では、電池特性判別素子２２から得られる電池特性識別信号に基づいて、インバータ装置１から電動工具３のＡＣモータ３１への出力を制御、すなわち、ＦＥＴ１３２及びＦＥＴ１６１−１６４がオン・オフすることを防止するための第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を出力する。
【００３７】
次に、図２のフローチャートを用いて、本実施の形態における制御部１９による出力の防止制御について説明する。
【００３８】
図２のフローチャートは、電池パック２がインバータ装置１に装着されている状態で電源スイッチ１２１がオンされた時、又は、電源スイッチ１２１がオンされた状態で電池パック２がインバータ装置１に装着された時にスタートする。なお、電源スイッチ１２１をオンすることによって、電池パック２の電圧から定電圧回路１２２に電圧が供給されることで制御部１９の駆動電圧が生成され制御部１９が動作することになる。
【００３９】
また、本実施の形態によるインバータ装置１には、定格電圧１４．４Ｖ、定格容量３．０Ａｈ（２並列タイプ）の電池パック２から電力を供給されることに適した構成となっているものとする。
【００４０】
まず、制御部１９は、電池特性判別素子２２及び電池特性判別抵抗１２３から電池特性識別信号を検出し（Ｓ２０１）、電池特性識別信号に基づき、インバータ装置１に接続された電池パック２の定格電圧が１４．４Ｖであるか否かを判断する（Ｓ２０２）。１４．４Ｖでない場合、例えば１８Ｖの電池パックの場合には（Ｓ２０２：ＮＯ）、インバータ装置１からＡＣモータ３１への出力を防止するための第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を出力する（Ｓ２１０）。すなわち、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＰ信号の出力を停止する。これにより、昇圧回路１３及びインバータ回路１６の動作が停止され、インバータ装置１からＡＣモータ３１への出力が遮断される。この動作は、上記したように、定格電圧１４．４Ｖの電池パック２が接続された際に最も出力効率が良いトランス１３１を設定しており、１８．０Ｖの電池パックでは出力効率が低下し所望の出力が得られなくなる可能性があるため、ＡＣモータ３１への出力を遮断するようにしている。
【００４１】
一方、１４．４Ｖである場合には（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、続いて、電池特性識別信号に基づき、インバータ装置１に接続された電池パック２の定格容量が３．０Ａｈであるか否かを判断する（Ｓ２０３）。３．０Ａｈでない場合には（Ｓ２０３：ＮＯ）、インバータ装置１からＡＣモータ３１への出力を防止するための第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を出力する（Ｓ２１０）。すなわち、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＰ信号の出力を停止する。この動作は、上記したように、定格容量３．０Ａｈ（２並列タイプ）の電池パックに適した使用にしているためのものである。定格容量１．５Ａｈ（１並列タイプ）の場合には、２並列タイプの電池パック接続時と同様の出力を得ようとして電流が２並列タイプの２倍流れることになり、電池パックの寿命を低下させたり、ＦＥＴ１３２を故障させてしまう虞がある。
【００４２】
一方、３．０Ａｈである場合には（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、本実施の形態によるインバータ装置１に適した電池パック２が接続されていることとなるので、ＡＣモータ３１への出力を開始させる。
【００４３】
具体的には、目標実効値（例えば、１４１Ｖ）を有する交流電力がトランス１３１の二次側から出力されるような第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ１３２のゲートに出力し（Ｓ２０４）、昇圧電圧検出部１５によって検出された電圧に基づき、トランス１３１で昇圧された電圧の実効値が目標実効値より大きいか否かを判断する（Ｓ２０５）。
【００４４】
昇圧された電圧が目標実効値より大きい場合には（Ｓ２０５：ＹＥＳ）、ＦＥＴ１３２のデューティ比を減少させ（Ｓ２０６）、昇圧された電圧が目標実効値以下の場合には（Ｓ２０５：ＮＯ）、ＦＥＴ１３２のデューティ比を増加させる（Ｓ２０７）。
【００４５】
続いて、電池電圧検出部１１によって検出された電圧に基づき、電池パック２の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（Ｓ２０８）。所定の過放電電圧より小さい場合には（Ｓ２０８：ＹＥＳ）、電池パック２が過放電状態にあると判断し、ＡＣモータ３１への出力を停止させるための第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を出力する（Ｓ２１０）。すなわち、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号の出力を停止する。これにより、して昇圧回路１３及びインバータ回路１６の動作が停止され、インバータ装置１からＡＣモータ３１への出力が停止される。
【００４６】
また、電池パック２の電池電圧が所定の過放電電圧以上の場合には（Ｓ２０８：ＮＯ）、電池パック２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）、電池パック２が過放電状態にあると判断し、ＡＣモータ３１への出力を停止させるための第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号を出力する（Ｓ２１０）。すなわち、第１のＰＷＭ信号及び第２のＰＷＭ信号の出力を停止する。
【００４７】
一方、過放電信号が入力されていない場合には（Ｓ２１０：ＮＯ）、Ｓ２０１へ戻る。
【００４８】
以上のように、本実施の形態によるインバータ装置１９では、電池特性判別素子２２から得られる電池特性識別信号に基づいて、昇圧回路１３及びインバータ回路１６が動作することを防止する。従って、インバータ装置１に適していない電池パック２がインバータ装置１に接続された場合に、電池パック２の寿命や出力効率が著しく低下することを防止することが可能となる。
【００４９】
例えば、１並列タイプの電池パック２がインバータ装置１に接続された場合には、上記構成により、１並列タイプの電池パック２の寿命が低下することを防止することができる。
【００５０】
また、所定の種類以外の電池パック２がインバータ装置１に接続された場合にも、上記構成により、電池パック２の寿命が低下することを防止することができる。
【００５１】
更に、所定の定格電圧を有しない電池パック２（例えば１８Ｖ）がインバータ装置１に接続された場合には、上記構成により、トランス１３１における変換効率が低下することを防止することができる。
【００５２】
尚、本発明の電動工具は、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。
【００５３】
例えば、上記実施の形態では、電池特性判別素子２２から得られる電池特性識別信号に基づいて、ＦＥＴ１３２及びＦＥＴ１６１−１６４がオンすることを防止したが、ＦＥＴ１３２及びＦＥＴ１６１−１６４のいずれか一方のみがオンすることを防止してもよい。
【００５４】
また、上記実施の形態では、インバータ装置１に接続された電池パック２の種類を、電池パック２内に設けられた電池特性判別素子２２とインバータ装置１内に設けられた電池特性判別抵抗１２３により判別するように構成したが、判別の方法としてはこの構成に限るものではなく、インバータ装置１に使用できる電池パックと使用できない電池パックとを判別できればよい。
【００５５】
例えば、電池パックとインバータ装置を接続する判別用端子の有無、すなわち、使用可能な電池パックには充放電用端子以外の端子（判別端子）を設け、使用不可能な電池パックには判別端子を設けないことで判別するようにしてもよい。或いは、種類によって電池パックの接続部やインバータ装置の電池接続部（インバータ装置と電池パックの接続部）を異なる形状にし、機械的に使用できない電池パックはインバータ装置に装着（接続）できないようにしてもよい。
【００５６】
また、インバータ回路１に接続される電池パック２を１４．４Ｖ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や、ニカド電池、或いはニッケル水素電池からなる電池パックのいずれかの種類によって出力することを防止するようにしてもよいし、異なる電池電圧（例えば１８Ｖ）の電池パックに最適な構成としてもよい。
【００５７】
また、図２のフローチャートにおける、Ｓ２０４−Ｓ２０７での昇圧電圧の制御、及び、Ｓ２０８−Ｓ２０９での過放電の検出は、フローチャート内のどの位置で行われてもよく、また、並行して行われてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１ インバータ装置
２ 電池パック
１３ 昇圧回路
１４ 整流・平滑回路
１５ 昇圧電圧検出部
１６ インバータ回路
１９ 制御部
【図１】
2012151921.tif 000003
【図２】
2012151921.tif 000004