以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
(実施形態の構成)
負荷を含む電気機器本体と、この電気機器本体の負荷に電力を供給するための電池を含む電池パックとを備える電気機器は、ノート型パーソナルコンピュータ、カメラ一体型ビデオレコーダ、ディジタルカメラ、電気かみそり及び電動歯ブラシ等の種々の電気機器があるが、一例として、本発明を電動工具に適用した実施の形態について以下に説明する。電池は、例えばマンガン電池等の一次電池を内蔵する電池パックや、例えばニッケル水素電池及びニッケルカドミウム電池等の二次電池を内蔵する電池パックを用いることができるが、特に、本発明は、過放電を通り過ぎて完全放電してしまうと性能劣化を生じてその回復が望めない例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池を内蔵した電池パックに好適に用いられる。
図1は、実施形態に係る充電式の電動工具の要部を示す外観構成図である。図2は、電動工具本体に電池パックが装着された状態を示す図である。
図1において、充電式の電動工具10は、例えば充電式ドリルドライバーを構成する電動工具本体100と、この電動工具本体100に装着される電池パック200とを備える。
電動工具本体100は、筐体101の把持部102の内部に形成され、電池パック200が取外し自在に装着される装着部103と、筐体101の内部に配設され、電池パック200から電力が供給されることで駆動される負荷の一例であるモータMと、筐体101の把持部102に設けられ、モータMへの電力の供給をオンオフ制御する操作スイッチの一例であるトリガスイッチ112と、トリガスイッチ112が操作されることで稼動される制御回路部111と、モータMによって回転する、筐体101の先端に設けられたドリル歯等を取り付けるための回転部113と、外部から認識可能に筐体101に配設された後述の報知部15(図3参照)における提示部114と、外部から操作可能に筐体101に配設された後述のスイッチSW2(図3参照)における操作つまみ115とを備えている。装着部103の底部には、電池パック200から電力の供給を受けるための受電電極Sa1、Sa2及び電池パック200との間で温度信号を受信するための本体側信号電極Sa3が配設されている。トリガスイッチ112は、例えば、モータMの電力供給ラインに介挿され、ポテンションメータ等の可変抵抗器を備えたものであり、トリガスイッチ112の引き操作量に応じて可変抵抗器の操作軸が回転することで可変抵抗器に印加されている電圧が分圧され、引き操作量に応じた分圧電圧を操作信号として後述の制御部12(図3参照)に出力する。
電池パック200は、筐体内に複数の電池セルCe1〜Cen(図3参照)が直列に接続されて構成される二次電池21及び二次電池21の温度を測定して温度信号を出力する温度測定部22等が収納された本体部201と、本体部201の一面側に突出し、電動工具本体100の装着部103に装着される突出部202とを備える。この突出部202は、先端部の対向面に二次電池21から電動工具本体100へ電力を供給するための給電電極Sb1、Sb2及び先端部の一側面に電動工具本体100との間で温度信号を出力するための電池側信号電極Sb3が配設されている。そして、この一対の給電電極Sb1、Sb2及び電池側信号電極Sb3は、突出部202が電動工具本体100の装着部103に装着された場合に、装着部103の一対の受電電極Sa1、Sa2及び本体側信号電極Sa3がそれぞれ圧接されるようになっている。ここで、図2に、電動工具本体100に電池パック200が装着された状態を示す。
図3は、実施形態に係る充電式の電動工具の電気的な構成を示すブロック図である。まず、電動工具本体100の電気的な構成について説明する。図3において、電動工具本体100には、受電電極Sa1、Sa2と、本体側信号電極Sa3と、スイッチSW1、SW2と、モータMと、給電制御部11と、制御部12と、電圧測定部13と、補正値記憶部14と、報知部15と、電流測定部16と、パルス負荷制御部17とが備えられる。
電圧測定部13は、二次電池21の電圧を測定するための回路であり、二次電池21から電力が供給される1対の給電電極Sb1、Sb2と接続する1対の受電電極Sa1、Sa2間に接続される。電圧測定部13は、制御部12にも接続され、測定した電圧を制御部12に出力する。
補正値記憶部14は、電圧測定部13で測定した電圧を補正するための補正値を記憶するための回路であり、例えば、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の書き換え可能な不揮発性の記憶素子を備えて構成される。この補正値は、電動工具本体100の製造段階や出荷段階等において、電圧測定部13を用いて例えば電池電圧が既知な基準電池の基準電圧を測定しこの測定した電圧と基準電圧との差を求めることによって得られ、例えばEEPROMの書き換えツール等を用いて補正値記憶部14に予め記憶される。補正値記憶部14は、制御部12に接続され、制御部12からの要求によりこの記憶している補正値を制御部12に出力する。
報知部15は、制御部12に接続され、制御部12から出力される信号に応じて所定の報知を行うための回路である。所定の報知は、例えば、二次電池21の残存容量が閾値以下になった旨や電力供給可能時間が少ない旨や充電時期の到来等である。報知部15は、例えばLEDや有機EL等の発光素子を備えて構成され、発光素子が発光することにより報知が為され、発光素子の発光部が上記提示部114に相当する。また例えば、ブザー等の発音素子を備えて構成され、発音素子が発音することにより報知が為され、発音素子の発音部が提示部114に相当する。また例えば、報知部15は、7セグメントLEDや液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等を備えて構成され、残存容量が例えばパーセント単位によって数値で表示され、例えばこの数値が点滅することにより所定の報知が為される。
電流測定部16は、モータMの電力供給ラインに介挿され、負荷であるモータMに流れる電流を測定するための回路であり、例えば、電流検出抵抗素子と電流検出抵抗素子の電圧を増幅する増幅器を備えて構成される。電流測定部16は、制御部12にも接続され、測定した電流を制御部12に出力する。
パルス負荷制御部17は、制御部12の制御に応じてモータMに供給される電力のオン時間を制御することによりモータMの回転動作を制御するための回路であり、例えばパワートランジスタやFET(Field Effect Transistor、電界効果トランジスタ)等の制御端子付きのスイッチ素子を備えて構成される。スイッチ素子は、本実施形態では、NPN型のパワートランジスタQ3が用いられている。
スイッチSW1は、電動工具本体100に装着された電池パック200の二次電池21からモータMへ供給される電力の通電及び遮断を切り換えるための回路であり、例えば、接点a、b、cを持つ3接点スイッチを備えて構成される。スイッチSW1は、上記トリガスイッチ112と連動するように構成されており、スイッチSW1は、トリガスイッチ112が操作されると接点aと接点bとが接続され、トリガスイッチ112の操作が解除されると接点aと接点cとが接続される。
スイッチSW1の接点bは、受電電極Sa1、給電制御部11(後述のトランジスタQ1のコレクタ)及び電圧測定部13に接続され、その接点aは、給電制御部11(後述のダイオードD1のアノード及びバッファBFの入力端子)及びモータMの一方の電力供給端子に接続され、その接点cは、モータMの他方の電力供給端子及びパルス負荷制御部17(パワートランジスタQ3のコレクタ)に接続される。パルス負荷制御部17におけるパワートランジスタQ3のエミッタは、電流測定部16(電流検出抵抗素子)を介して受電電極Sa2に接続され、パルス負荷制御部17におけるパワートランジスタQ3のベース(制御端子に相当する。)は、制御部12に接続される。
給電制御部11は、トリガスイッチ112の操作に応じて、電動工具本体100に装着された電池パック200の二次電池21から制御部12へ供給される電力の供給開始、供給維持及び供給停止を行うと共に制御部12を起動するための回路であり、例えば、入力された電圧を制御部12の入力電圧(例えば5V)に調整して出力するバッファBF、制御端子付きのスイッチ素子の一例であるNPN型トランジスタQ1とPNP型トランジスタQ2、及び、ダイオードD1、D2を備えて構成される。
トランジスタQ1のコレクタは、上述したようにスイッチSW1の接点bに接続される。トランジスタQ1のエミッタは、制御部12に接続され、電力を制御部12に供給する。トランジスタQ1のベース(制御端子に相当する。)は、トランジスタQ2のコレクタに接続されると共に、スイッチSW2を介して接地される。トランジスタQ2のエミッタは、接地される。トランジスタQ2のベース(制御端子に相当する。)は、ダイオードD1、D2の各カソードに接続される。ダイオードD1のアノードは、上述したようにスイッチSW1の接点aに接続され、ダイオードD2のアノードは、制御部12に接続される。また、スイッチSWの接点aと制御部12との間にバッファBFが接続される。
このような構成の給電制御部11では、電動工具本体100に電池パック200が装着されトリガスイッチ112が操作されるとスイッチSW1の接点bと接点aとが接続され、受電電極Sa1に印加されている電圧がバッファBFで制御部12の入力電圧(例えば5V)に調整されて稼動制御信号として制御部12に入力される。言い換えると、略0VのローレベルであったバッファBFの出力は、トリガスイッチ112が操作されると、例えば略5Vのハイレベルになる。さらに、電動工具本体100に電池パック200が装着されトリガスイッチ112が操作されるとスイッチSW1の接点bと接点aとが接続され、受電電極Sa1に印加されている電圧は、ダイオードD1を介してトランジスタQ2のベースに印加される。そうすると、トランジスタQ2がオンするからトランジスタQ1がオンし、これによって、受電電極Sa1からトランジスタQ1を介して制御部12に電力が供給される。
これにより、制御部12は、受電電極Sa1からトランジスタQ1を介して電力が供給され、バッファBFからハイレベルの稼動制御信号が入力されることによって起動し、電動工具本体100を動作させるための各種の制御を開始する。そして、制御部12は、ダイオードD2を介してトランジスタQ2のベースに電圧を印加することによって、受電電極Sa1からトランジスタQ1を介した電力の供給を保持する電力供給自己保持制御を行う。
また、トリガスイッチ112の操作が解除されるとスイッチSW1の接点bと接点aとの接続が解消され、受電電極Sa1に印加されている電圧がバッファBFに入力されなくなることで、制御部12にトリガスイッチ112の操作の解除が通知される。言い換えると、ハイレベルであったバッファBFの出力は、トリガスイッチ112の操作が解除されると、略0Vのローレベルになる。さらに、トリガスイッチ112の操作が解除されるとスイッチSW1の接点bと接点aとの接続が解消され、受電電極Sa1に印加されている電圧は、ダイオードD1を介してトランジスタQ2のベースに印加されなくなるが、トランジスタQ2は、制御部12による上記電力供給自己保持制御によってオンを維持する。そして、トランジスタQ2は、制御部12による電力供給自己保持制御の停止によってオフし、トランジスタQ1がオフして、二次電池21から制御部12へ供給される電力の供給が停止される。
そして、トリガスイッチ112の操作が解除されると(引き操作量が0)、上述したようにスイッチSW1の接点aは、接点cに接続される。これによって、モータMの両電力供給端子間が短絡され、モータMの回転により逆起電力が発生し、モータMの回転にブレーキがかかる。
制御部12は、機能的に、負荷制御部121、残存容量演算部122、残存容量判断部123、タイマ部124及び残存容量記憶部125を備え、電動工具本体100の全体を制御するための回路であり、例えば、制御を行うための情報処理を実行するマイクロプロセッサと、制御プログラムや制御プログラムを実行する上で必要なデータ等を記憶する例えばEEPROMやROM(Read Only Memory)及びデータを一時的に記憶してマイクロプロセッサの所謂ワーキングメモリとなる例えばRAM(Random Access Memory)等の記憶素子とその周辺回路等とを備えるマイクロコンピュータで構成されている。制御部12は、アナログ/ディジタルコンバータを備えており、これにより、電圧測定部13から入力されるアナログ信号、電流測定部16から入力されるアナログ信号、及び、電池側信号電極Sb3と本体側信号電極Sa3とを介して後述の温度測定部22から入力されるアナログ信号を、それぞれディジタル信号に変換する。
負荷制御部121は、トリガスイッチ112の操作に応じて出力される上記操作信号によってパルス負荷制御部17を制御することにより、電池パック200の二次電池21からモータMに供給する電力を制御することでモータMのオンオフ及び回転速度を制御する。
残存容量演算部122は、後述の動作を行うことにより、制御部12が稼動を停止していた場合にトリガスイッチ112の操作に応じて稼動を開始した場合には、負荷制御部121がトリガスイッチ112の操作に応じて二次電池21からモータMに電力を供給する前に、複数の温度のそれぞれに対する電池電圧と電池残存容量との関係を示す複数の電圧残存容量関係のうちの温度測定部22で測定した温度に対応する電圧残存容量関係を用いることによって、電圧測定部13で測定し補正値記憶部14の補正値で補正された電池電圧に基づいて二次電池21の残存容量を演算する。そして、残存容量演算部122は、モータMの稼働中、及び、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された場合には電池回復時間の経過前では、残存容量記憶部125に記憶されている残存容量、モータMの稼働時間、及び、電流測定部16で測定したモータMの電流に基づいて二次電池21の残存容量を演算する。さらに、残存容量演算部122は、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された場合には、複数の温度のそれぞれに対する電池電圧と電池残存容量との関係を示す複数の電圧残存容量関係のうちの温度測定部22で測定した温度に対応する電圧残存容量関係を用いることによって、電圧測定部13で測定し補正値記憶部14の補正値で補正された電池電圧に基づいて二次電池21の残存容量を演算する。
残存容量判断部123は、残存容量演算部122で演算した二次電池21の残存容量が閾値以下であるか否かを判断し、二次電池21の残存容量が閾値以下であると判断した場合に報知部15に信号を出力する。閾値は、例えば充電時期を報知すべき残存容量の値等を考慮して仕様により適宜な値が設定される。
タイマ部124は、モータMの稼働時間を積算する稼動積算タイマ及びモータMに供給される電力が停止された場合の経過時間を計時する経過時間タイマを備え、後述の動作を行うことにより、モータMが稼動している稼働時間を積算し、モータMに供給される電力が停止された場合の経過時間を計時する。
残存容量記憶部125は、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された場合に電池回復時間の経過後に演算された二次電池21の残存容量を記憶する。
スイッチSW2は、電圧測定部13、残存容量演算部122、残存容量判断部123及び報知部15を稼動させるための例えば押しボタンスイッチ等のスイッチである。
次に、電池パック200の電気的な構成について説明する。図3において、電池パック200は、1対の給電電極Sb1、Sb2と、電池側信号電極Sb3と、二次電池21と、温度測定部22とを備えて構成される。
二次電池21は、直列接続の複数の電池セルCe1〜Cenを備えて構成され、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等である。給電電極Sb1は、この二次電池21を介して給電電極Sb2に接続される。
温度測定部22は、二次電池21の電池セルCe1〜Cenの温度を測定し、この測定した測定結果を電池側信号電極Sb3に出力する。温度測定部22は、例えば、直列に接続された抵抗素子とサーミスタとが二次電池21に並列に接続され、抵抗素子とサーミスタとの接続部が温度測定部22の出力として電池側信号電極Sb3に接続するように構成される。このような構成の温度測定部22の出力は、抵抗素子が二次電池21の高電位側に接続されサーミスタが二次電池21の低電位側に接続される場合では、電池温度の上昇に従ってサーミスタの抵抗値が小さくなるので、電池温度の上昇に従って小さくなる。なお、電池セルCe1〜Cenの各電池温度を個々に、あるいは、2個又は3個等の複数個を纏めて電池温度を測定するように構成してもよい。この場合には、電池温度として、最高値、最低値及び平均値のうち何れかの温度を二次電池21の電池温度として用いる。
次に、本実施形態の動作について説明する。
(実施形態の動作)
図4及び図5は、実施形態に係る電動工具本体の動作を説明するためのフローチャートである。図6は、図4における初期残存容量演算処理を説明するためのフローチャートである。図7は、図4及び図5における定期残存容量演算処理を説明するためのフローチャートである。図8は、図5における電圧回復残存容量演算処理を説明するためのフローチャートである。図9は、電圧残存容量関係の特性曲線を示す図である。図9の横軸は、[V]単位で表す電池電圧であり、その縦軸は、[%]単位で表す残存容量である。
電動工具本体100に電池パック200が装着され、電動工具本体100の受電電極Sa1、Sa2及び本体側信号電極Sa3が電池パック200の給電電極Sb1、Sb2及び電池側信号電極Sb3にそれぞれ圧接される。トリガスイッチ112が電動工具10の使用者により操作されると、トリガスイッチ112と連動するスイッチSW1がオンされ、スイッチSW1の接点aが接点bに接続する。これにより、二次電池21からの電力が給電制御部11を介して制御部12に供給され、そして、制御部12は、給電制御部11からハイレベルの稼動制御信号が入力されることによって起動し、稼動を始める。
図4及び図5において、制御部12は、その稼動の停止後にその稼動を開始した起動であるか否かを判断する(S11)。この判断は、例えば、入力されたハイレベルの稼動制御信号が電力供給自己保持制御の停止中に入力されたか否かによって実行することができる。電力供給自己保持制御の停止中にハイレベルの稼動制御信号が入力された場合には、制御部12の起動と判断され、電力供給自己保持制御中にハイレベルの稼動制御信号が入力された場合には、制御部12の起動ではないと判断される。
処理S11の判断の結果、起動ではない場合(No)には、制御部12は、処理S13を実行し、起動である場合(Yes)には、制御部12は、処理S12の初期残存容量演算処理を実行した後に、処理S13を実行する。
この初期残存容量演算処理において、制御部12は、次のように動作する。即ち、図6において、まず、制御部12は、電圧測定部13の出力を所定時間間隔で所定回数だけサンプリングしてその単純平均を求めることにより、二次電池21の電池電圧を測定する(S101)。この場合では、電動工具10の使用者に違和感を与えないようにする観点から、トリガスイッチ112の操作に応じて短時間のうちにモータMを回転させる必要があるので、比較的短い時間間隔で比較的少ない回数のサンプリングを行う。例えば、1ms間隔で5回のサンプリングを行う。二次電池21の電池電圧の測定は、1回でもよいが、本実施形態では、複数回、電池電圧を測定してその単純平均を求め、その平均値を二次電池21の電池電圧としているので、測定した電池電圧に含まれるノイズを低減することができ、より精度よく二次電池21の電池電圧を測定することができる。このため、より精度よく二次電池21の残存容量を求めることができる。
次に、制御部12は、電池側信号電極Sb3及び本体側信号電極Sa3を介した温度測定部22の出力をサンプリングすることにより、二次電池21の電池温度を測定する(S102)。
次に、制御部12は、補正値記憶部14に記憶されている補正値を取り出し、処理S101で求めた二次電池21の電池電圧をこの補正値で補正する(S103)。なお、このように本実施形態では平均後の電池電圧を補正したが、処理S101で測定した各電池電圧をそれぞれ補正値で補正し、その後、平均するように構成してもよい。このように電圧測定部13で測定した電池電圧を補正値で補正するので、電圧測定部13が製造ばらつき(個体差)を有していたとしても、より精度よく電池電圧を求めることができる。この結果、より精度よく二次電池21の残存容量を求めることができる。
次に、制御部12は、残存容量演算部122によって、処理S103で補正値により補正した電池電圧に基づいて二次電池21の残存容量を演算する(S104)。
より具体的には、二次電池21の電池電圧と残存容量との間には、所定の関係、例えば、図9に示すように、残存容量[%]の増加に従って電池電圧[V]が非線形で増加する関係を有するので、この所定の関係を例えば数式やテーブル形式で制御部12に記憶しておき、制御部12は、処理S103で求めた補正後の電池電圧に対応する残存容量をこの所定の関係を用いて求めることによって、二次電池21の残存容量を演算する。
ここで、二次電池21の電池電圧と残存容量との関係(電圧残存容量関係)は、図9に示すように、電池温度に依存している。図9では、−20℃(◆で示す)、−10℃(■で示す)、0℃(▲で示す)、10℃(●で示す)、20℃(▼で示す)、30℃(◇で示す)、40℃(□で示す)、50℃(△で示す)、60℃(○で示す)及び70℃(▽で示す)の各電圧残存容量関係が示されている。このため、本実施形態では、複数の温度のそれぞれに対する、電池電圧と電池の残存容量との関係を示す複数の電圧残存容量関係が予め制御部12に記憶されており、制御部12の残存容量演算部122は、複数の電圧残存容量関係のうち、処理S102で測定した電池温度に対応する電圧残存容量関係を用いて二次電池21の電池温度から残存容量を演算している。このため、本実施形態では、より精度よく二次電池21の残存容量を求めることができる。
次に、制御部12は、残存容量判断部123によって、処理S104で求めた残存容量が閾値以下であるか否かを判断する(S105)。この処理S105における判断の結果、二次電池21の残存容量が閾値以下ではない場合(No)には、制御部12は、この初期残存容量演算処理を終了し、二次電池21の残存容量が閾値以下である場合(Yes)には、制御部12は、残存容量判断部123によって報知部15に信号を出力して報知部15に報知させた後に(S106)、この初期残存容量演算処理を終了する。
このように動作することにより、制御部12は、その起動直後に二次電池21の残存容量を演算し、残存容量が閾値以下である場合には報知部15からその旨を報知することができる。特に、制御部12の起動直後では、二次電池21がモータMに電力を供給していないので大電流を放電していないから、電動工具10は、起動直後に二次電池21の電池電圧を測定しても精度よく測定することができる。このため、電動工具10は、適切に報知することができる。使用者は、この報知により、残存容量や使用可能時間が少ないことを認識することができ、充電時期を認識することができる。そして、使用者が二次電池21を充電することにより、二次電池21の過放電を防止することができる。
図4及び図5に戻って、処理S13において、制御部12は、モータMの稼働時間を積算すべく、タイマ部124の稼動積算タイマをオンする。これによってモータMの稼働時間の積算が開始され、モータMの稼働時間が積算される。
次に、制御部12は、モータMに流れる駆動電流の測定を開始する。電流測定を開始すると、制御部12は、電流測定部16の出力を所定時間間隔(例えば、1msや10ms等)でサンプリングすることによりモータMに流れる駆動電流を順次に測定し、この測定した駆動電流を順次に記憶する(S14)。これによってモータMの稼働中におけるモータMに流れる駆動電流がサンプリング間隔で順次に記憶される。
次に、制御部12は、負荷制御部121によって、モータMを駆動する(S15)。負荷制御部121は、トリガスイッチ112の引き操作量に応じたパルス信号をパルス負荷制御部17に供給する。これによってモータMがパルス制御(PWM制御)される結果、トリガスイッチ112の引き操作量に応じた回転速度でモータMが回転駆動される。即ち、トリガスイッチ112の引き操作量が少ない場合には、モータMは、低速で回転駆動され、その引き操作量の増加に従って回転速度が増速し、その引き操作量が多い場合にはモータMは、高速で回転駆動される。
次に、制御部12は、定期残存容量演算処理を実行する(S16)。この定期残存容量演算処理において、制御部12は、次のように動作する。即ち、図7において、まず、制御部12は、後述の電圧回復残存容量演算処理の処理S24で残存容量記憶部125に記憶された残存容量を取得する(S201)。
次に、制御部12は、所定のサンプリング間隔で順次に記憶されている駆動電流の平均を演算する(S202)。この平均駆動電流は、モータMの稼働中におけるモータMに流れた駆動電流の平均である。
次に、制御部12は、タイマ部124から稼動積算タイマの積算時間を取得することにより、モータMの稼働時間を取得する(S203)。
次に、制御部12は、残存容量演算部122によって、これら処理S201乃至処理S203で得られた残存容量、平均駆動電流及びモータMの稼働時間に基づいて二次電池21の残存容量を演算する(S204)。より具体的には、例えば、残存容量演算部122は、“残存容量記憶部125に記憶されている残存容量”から“平均駆動電流”と“モータMの稼働時間”との積を減算することによって残存容量を演算する。即ち、下記式1によって残存容量が演算される。
(残存容量)=(残存容量記憶部125に記憶されている残存容量)
−(平均駆動電流)×(モータMの稼働時間) ・・・式1
このように残存容量は、放電電流の積算によって演算される。
次に、制御部12は、残存容量判断部123によって、処理S204で求めた残存容量が閾値以下であるか否かを判断する(S205)。この処理S205における判断の結果、二次電池21の残存容量が閾値以下ではない場合(No)には、制御部12は、この定期残存容量演算処理を終了し、二次電池21の残存容量が閾値以下である場合(Yes)には、制御部12は、残存容量判断部123によって報知部15に信号を出力して報知部15に報知させた後に(S206)、この定期残存容量演算処理を終了する。
このように動作することにより、制御部12は、モータMの稼働中においても二次電池21の残存容量を演算し、残存容量が閾値以下である場合には報知部15からその旨を報知することができる。特に、モータMの稼働中においては、例えば図13に示すように二次電池21の電池電圧が大きく降下しているが(時刻t11から時刻t12までのモータ駆動時間)、残存容量が二次電池21の電池電圧を測定することによって演算されるのではなく、上述のように、放電電流の積算によって演算されるから、電動工具10は、モータMの稼働中においても二次電池21の残存容量を精度よく測定することができる。しかも、式1によって演算される残存容量は、残存容量記憶部125に記憶されている残存容量を基準に、即ち、電圧回復時間の経過後に電圧測定部13で測定した電池電圧に基づいて演算されたより精度のよい残存容量を基準に演算しているので、電動工具10は、二次電池21の残存容量をより精度よく測定することができる。このため、電動工具10は、適切に報知することができる。使用者は、この報知により、残存容量や使用可能時間が少ないことを認識することができ、充電時期を認識することができる。そして、使用者が二次電池21を充電することにより、二次電池21の過放電を防止することができる。
図4及び図5に戻って、制御部12は、トリガスイッチ112が引き操作されているか否かを判断する(S17)。この判断は、例えば、トリガスイッチ112が引き操作されていると、スイッチSW1の接点aが接点bに接続され、給電制御部11からハイレベルの稼動制御信号が入力されるので、このハイレベルの稼動制御信号が給電制御部11から入力されているか否かによって実行することができる。給電制御部11からハイレベルの稼動制御信号が入力される場合には、トリガスイッチ112が引き操作されていると判断され、給電制御部11からハイレベルの稼動制御信号が入力されていない場合(給電制御部11からの信号がローレベルとなっている場合)には、トリガスイッチ112が引き操作されていないと判断される。また例えば、この判断は、トリガスイッチ112の引き操作に連動する上記可変抵抗器により操作信号が入力されているか否かによって実行することができる。可変抵抗器により操作信号が入力される場合には、トリガスイッチ112が引き操作されていると判断され、可変抵抗器により操作信号が入力されていない場合には、トリガスイッチ112が引き操作されていないと判断される。
処理S17における判断の結果、トリガスイッチ112が引き操作されている場合(Yes)には、制御部12は、処理を処理S15に戻す。このため、トリガスイッチ112が引き操作中の間は、モータMがトリガスイッチ112の引き操作量に応じて回転駆動される。そして、このモータMの稼働中では、処理が処理S17から処理S15に戻るたびに定期残存容量演算処理が実行される。
一方、処理S17における判断の結果、トリガスイッチ112が引き操作されていない場合(No)には、制御部12は、負荷制御部121によって、モータMの駆動を停止する(S16)。
次に、制御部12は、モータMに供給される電力が停止された時からの経過時間を計時すべく、タイマ部124の経過時間タイマをオンする(S19)。これによってモータMに供給される電力が停止された場合の経過時間が計時される。
次に、モータMの駆動が停止したので、制御部12は、タイマ部124の稼動積算タイマをオフし(S20)、電流測定部16の出力のサンプリングを停止することによりモータMに流れる駆動電流の測定を停止する(S21)。これによってモータMの稼働時間の積算が一時停止され、モータMに流れる駆動電流の測定及びその記憶が一時停止される。
次に、制御部12は、図7に示す上述した定期残存容量演算処理を実行する(S22)。これにより、制御部12は、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された後(モータMの停止後)であって、電圧回復時間が経過する前においても二次電池21の残存容量を演算し、残存容量が閾値以下である場合には報知部15からその旨を報知することができる。特に、モータMの稼働後においては、例えば図13に示すように、モータMの駆動により大きく降下した二次電池21の電池電圧が徐々に回復するが(時刻t12から時刻t13までの電圧回復時間)、残存容量が二次電池21の電池電圧を測定することによって演算されるのではなく、上述のように、放電電流の積算によって演算されるから、モータMの停止直後においても二次電池21の残存容量を精度よく測定することができる。このため、電動工具10は、適切に報知することができる。使用者は、この報知により、残存容量や使用可能時間が少ないことを認識することができ、充電時期を認識することができる。そして、使用者が二次電池21を充電することにより、二次電池21の過放電を防止することができる。
次に、制御部12は、タイマ部124の経過時間タイマにより計時されている時間が電圧回復時間を越えているか否かを判断することにより、電圧回復時間が経過したか否かを判断する(S23)。タイマ部124の経過時間タイマにより計時されている時間が電圧回復時間を越えている場合には、電圧回復時間が経過したと判断され、タイマ部124の経過時間タイマにより計時されている時間が電圧回復時間を越えていない場合には、電圧回復時間が経過していないと判断される。
電圧回復時間は、図13に示すように、電池の負荷に電力を供給したことにより降下した電池電圧が、その電力供給を停止した後、残存容量に対応する電池電圧まで上昇するのに要する時間(図13では時刻t12から時刻t13までの時間)である。電圧回復時間は、負荷に流れる電流の大きさ及び電池の満充電容量等に依存するので、モータMの定格及び二次電池21の満充電容量等を考慮して適宜設定され、例えば、約10秒から120秒の間の何れかの時間に設定される。
処理S23における判断の結果、電圧回復時間が経過していない場合には、制御部12は、トリガスイッチ112が引き操作されているか否かを判断する(S31)。処理S31における判断の結果、トリガスイッチ112が引き操作されている場合(Yes)には、制御部12は、処理を処理S11に戻す。このため、電動工具10の使用者によってトリガスイッチ112が再び引き操作されると、最初から上述の各処理が実行される。一方、処理S31における判断の結果、トリガスイッチ112が引き操作されていない場合(No)には、制御部12は、処理を処理S22に戻す。このため、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された後(モータMの停止後)であって二次電池21の電圧回復時間が経過する前においては、繰り返し定期残存容量演算処理が実行される。
一方、処理S23における判断の結果、電圧回復時間が経過している場合には、制御部12は、電圧回復残存容量演算処理を実行する(S24)。この電圧回復残存容量演算処理において、制御部12は、次のように動作する。即ち、図8において、まず、制御部12は、電圧測定部13の出力を所定時間間隔で所定回数だけサンプリングしてその単純平均を求めることにより、二次電池21の電池電圧を測定する(S301)。この場合では、処理S101と同様に、短時間で測定することができるように、比較的短い時間間隔で比較的少ない回数のサンプリングを行ってもよいが、モータMは停止中なので必ずしも短時間で測定する必要がないので、より精度よく二次電池21の電池電圧を測定するために、処理S101よりも長い時間間隔で同数以上の回数のサンプリングを行う。例えば、10ms間隔で5回のサンプリングを行う。二次電池21の電池電圧の測定は、1回でもよいが、本実施形態では、複数回、電池電圧を測定してその平均を求め、その平均値を二次電池21の電池電圧としているので、測定した電池電圧に含まれるノイズを低減することができ、より精度よく二次電池21の電池電圧を測定することができる。このため、より精度よく二次電池21の残存容量を求めることができる。
そして、制御部12は、上述した、処理S102の電池温度の測定処理、及び、処理S103の測定した電池電圧の補正処理とそれぞれ同様の電池温度の測定処理(S302)、及び、測定した電池電圧の補正処理(S303)をそれぞれ実行する。
次に、制御部12は、上述した処理S104と同様に、残存容量演算部122によって、処理S303で補正値により補正した電池電圧に基づいて二次電池21の残存容量を演算する。そして、制御部12は、この演算した残存容量を残存容量記憶部125に記憶する(S304)。このようにモータMの駆動を停止した後であって電圧回復時間が経過するたびに、残存容量記憶部125に記憶される残存容量が更新されるので、式1により演算される残存容量は、より精度よく測定される。
次に、制御部12は、上述した、処理S105の残存容量が閾値以下である否かの判断処理、及び、処理S106の報知処理とそれぞれ同様の、残存容量が閾値以下である否かの判断処理(S305)、及び、報知処理(S306)をそれぞれ実行する。
そして、処理S306の報知処理の実行後、及び、処理S305において二次電池21の残存容量が閾値以下ではないと判断された場合(No)に、制御部12は、タイマ部124の稼動積算タイマを0にリセットし、記憶されているモータMの駆動電流を消去する(S307)。
このように動作することにより、制御部12は、モータMの停止後であって電圧回復時間の経過後に二次電池21の残存容量を演算し、残存容量が閾値以下である場合には報知部15からその旨を報知することができる。特に、電圧回復時間の経過後に、二次電池21の電池電圧を電圧測定部13で測定しているので、電動工具10は、二次電池21の電池電圧をより精度よく測定することができる。このため、電動工具10は、適切に報知することができる。使用者は、この報知により、残存容量や使用可能時間が少ないことを認識することができ、充電時期を認識することができる。そして、使用者が二次電池21を充電することにより、二次電池21の過放電を防止することができる。
図4及び図5に戻って、制御部12は、タイマ部124の経過時間タイマにより計時されている時間が制御部停止時間を越えているか否かを判断することにより、制御部停止時間が経過したか否かを判断する(S25)。タイマ部124の経過時間タイマにより計時されている時間が制御部停止時間を越えている場合には、制御部停止時間が経過したと判断され、タイマ部124の経過時間タイマにより計時されている時間が制御部停止時間を越えていない場合には、制御部停止時間が経過していないと判断される。制御部停止時間は、モータMに供給される電力を停止した後、制御部12が稼動を停止するまでの時間であり、電圧回復時間よりも長い時間に設定され、そして、モータMに供給される電力を停止した後に制御部12が所定の処理を実行するために要する時間等を考慮して設定される。例えば、図略の設定入力部から制御部12にモータMの出力トルクや回転パターンの設定等を入力設定するために必要な時間等を考慮して設定される。
処理S25における判断の結果、制御部停止時間が経過していない場合には、制御部12は、トリガスイッチ112が引き操作されているか否かを判断する(S41)。処理S41における判断の結果、トリガスイッチ112が引き操作されている場合(Yes)には、制御部12は、処理を処理S11に戻す。このため、電動工具10の使用者によってトリガスイッチ112が再び引き操作されると、最初から上述の各処理が実行される。一方、処理S41における判断の結果、トリガスイッチ112が引き操作されていない場合(No)には、制御部12は、処理を処理S25に戻す。一方、処理S25における判断の結果、制御部停止時間が経過している場合には、制御部12は、タイマ部124の経過時間タイマを0にリセットする(S26)。そして、制御部12は、電力供給自己保持制御を停止することによってその稼動を停止し(S27)、処理が終了される。
このように動作するので、本実施形態に係る電動工具10は、制御部12が稼動を停止していた場合にトリガスイッチ112の操作に応じて稼動を開始した場合であって負荷制御部121がトリガスイッチ112の操作に応じて二次電池21からモータMに電力を供給する前、モータMの稼働中、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された場合であって電池回復時間の経過前、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された場合であって電圧回復時間の経過後において、それぞれ、より精度よく二次電池21の残存容量を演算することができる。
次に、使用者による電動工具10の一使用例を示すことによって電動工具本体100の動作をより具体的に説明する。図10は、電動工具の一使用例における実施形態に係る電動工具本体の動作を説明するためのタイムチャートである。図10(A)は、トリガスイッチ112の操作状態を示すタイムチャートであり、図10(B)は、モータMの稼動状態を示すタイムチャートであり、図10(C)は、制御部12の稼動状態を示すタイムチャートであり、図10(D)は。電池電圧の測定タイミングを示すタイムチャートである。各図の横軸は、時間経過を示す。
この使用例では、まず、制御部12が稼動していない状態において、トリガスイッチ112が時刻t1において引き操作され、時刻t1から時刻t3まで引き操作が維持され、時刻t3で引き操作が解除される。そして、時刻t3から電圧回復時間及び制御部停止時間が経過する前の時刻t4において、トリガスイッチ112が再び引き操作され、時刻t4から時刻t5まで引き操作が維持され、時刻t5で引き操作が解除される。さらに、時刻t5から電圧回復時間及び制御部停止時間が経過する前の時刻t6において、トリガスイッチ112が再び引き操作され、時刻t6から時刻t7まで引き操作が維持され、時刻t7で引き操作が解除される。このような使用例である。
この使用例において、時刻t1においてトリガスイッチ112が引き操作されると、トリガスイッチ112と連動するスイッチSW1がオンされ、スイッチSW1の接点aが接点bに接続する。これにより、二次電池21からの電力が給電制御部11を介して制御部12に供給され、そして、制御部12は、給電制御部11からハイレベルの稼動制御信号が入力されることによって起動する。そうすると、図4乃至図8において、制御部12は、まず、処理S11を実行する。ここでは、制御部12は、稼動を停止している状態から起動したので、制御部12の起動と判断され(Yes)、処理S12の初期残存容量演算処理を実行する。これによって図6に示す初期残存容量演算処理の各処理が実行され、時刻t2で二次電池21の残存容量が測定され、この測定結果に応じて報知が為される。
次に、制御部12は、処理S13及び処理S14を実行し、処理S15を実行する。これによって、モータMが稼動を開始する。次に、制御部12は、処理16の定期残存容量演算処理を実行する。これによって図7に示す定期残存容量演算処理の各処理が実行され、二次電池21の残存容量が測定され、この測定結果に応じて報知が為される。そして、制御部12は、処理S17を実行する。処理S17においてトリガスイッチ112が引き操作されていると判断されると、制御部12は、処理を処理S15に戻す。このため、モータMは、トリガスイッチ112の引き操作量に応じた回転駆動を継続し、定期残存容量演算処理の各処理が実行されることにより二次電池21の残存容量が測定され、この測定結果に応じて報知が為される。そして、制御部12は、再び処理S17を実行する。
このようにトリガスイッチ112の引き操作が為されている間は、処理S15、処理S16及び処理S17の各処理が繰り返されるので、モータMは、トリガスイッチ112の引き操作量に応じた回転駆動を継続し、これら各処理の繰り返しのたびに二次電池21の残存容量が測定され、この測定結果に応じて報知が為される。
そして、時刻t3でトリガスイッチ112の引き操作が解除されると、この繰り返されている各処理における処理S17において、制御部12は、トリガスイッチ112が引き操作されていないと判断し、処理S18を実行する。これによってモータMは、駆動を停止する。次に、制御部12は、処理S19、処理S20及び処理S21を実行し、処理22の定期残存容量演算処理を実行する。これによって図7に示す定期残存容量演算処理の各処理が実行され、二次電池21の残存容量が測定され、この測定結果に応じて報知が為される。
次に、制御部12は、処理S23を実行する。ここでは、時刻t3から時刻t4までの時間が電圧回復時間よりも短いとしているので、制御部12は、この処理S23で電圧回復時間が経過していないと判断し、処理S31を実行する。処理S31においてトリガスイッチ112が引き操作されていないと判断されると、制御部12は、処理S22を実行する。このため、定期残存容量演算処理の各処理が実行されることにより二次電池21の残存容量が測定され、この測定結果に応じて報知が為される。そして、制御部12は、再び処理S31を実行する。
このようにトリガスイッチ112の引き操作が解除された後、電圧回復時間が経過する前の間は、処理S22、処理S23及び処理S31の各処理が繰り返されるので、これら各処理の繰り返しのたびに二次電池21の残存容量が測定されこの測定結果に応じて報知が為される。
そして、時刻t4でトリガスイッチ112の引き操作が再び為されると、この繰り返されている各処理における処理S31において、制御部12は、トリガスイッチ112が引き操作されていると判断し、処理が処理S11に戻される。処理S11において、ここでは、制御部12の稼働中にトリガスイッチ112の引き操作が為されたので、制御部12は、起動ではないと判断し(No)、処理S12の初期残存容量演算処理を実行することなく、処理S13を実行する。
次に、制御部12は、処理S13及び処理S14を実行し、処理S15を実行することによってモータMを再び駆動し、そして、処理16及び処理S17を実行する。そして、制御部12は、トリガスイッチ112の引き操作が解除される時刻t5まで、処理S15、処理S16及び処理S17を繰り返す。このため、上述と同様に、トリガスイッチ112の引き操作が為されている間は、モータMがトリガスイッチ112の引き操作量に応じた回転駆動を継続し、これら各処理の繰り返しのたびに二次電池21の残存容量が測定されこの測定結果に応じて報知が為される。
そして、時刻t5でトリガスイッチ112の引き操作が再び解除されると、時刻t3と同様に、処理S18、処理S19、処理S20、処理S21、処理S22、処理S23及び処理S31が為され、時刻t6となるまで、時刻t3から時刻t4までの間と同様に、処理S22、処理S23及び処理S31が繰り返される。
そして、時刻t6でトリガスイッチ112の引き操作が再び為されると、時刻t4と同様に、制御部12は、処理S11,処理S13、処理S14、処理S15、処理S16及び処理S17を実行し、時刻t6から時刻t7までの間は、時刻t4から時刻t5と同様に、制御部は、処理S15、処理S16及び処理S17を繰り返す。
そして、時刻t7でトリガスイッチ112の引き操作が再び解除されると、時刻t3と同様に、処理S18、処理S19、処理S20、処理S21、処理S22、処理S23及び処理S31が実行され、処理S22、処理S23及び処理S31が繰り返される。ここでは、時刻t8で時刻t7から電圧回復時間が経過するので、時刻t8でこの繰り返されている各処理における処理S23において、制御部12は、電圧回復時間が経過したと判断する。このため、制御部12は、処理S24の電圧回復残存容量演算処理を実行する。これにより、電圧回復残存容量演算処理の各処理が実行されることにより二次電池21の残存容量が測定され、この測定結果に応じて報知が為される。そして、制御部12は、処理S25を実行する。制御部12は、時刻t9の時刻t7からの制御部停止時間が経過するまで、処理S25及び処理S41を繰り返し処理する。時刻t9で時刻t7から制御部停止時間が経過するので、時刻t9でこの繰り返されている各処理における処理S25において、制御部12は、制御部停止時間が経過したと判断する。このため、制御部12は、処理S26を実行し、処理S27を実行する。これによって電力供給自己保持制御が停止され、制御部12は、その稼動を停止し、処理が終了される。
このように、時刻t2では、初期残存容量演算処理が実行され、時刻t8では、電圧回復残存容量演算処理が実行され、時刻t2から時刻t8までの間では、定期残存容量演算処理が実行される。そして、初期残存容量演算処理、電圧回復残存容量演算処理及び定期残存容量演算処理の各処理において、より精度よく二次電池21の残存容量を演算することができる。
そして、制御部12が稼動を停止している際に、スイッチSW2が操作されると、トランジスタQ1がオンすることによって給電制御部11を介して二次電池21から電力が制御部12に供給され、制御部12が稼動する。この稼動によって、制御部12は、図6に示す初期残存容量演算処理を実行する。このようなスイッチSW2を設けることにより、トリガスイッチ112を引き操作することによってモータMを駆動しなくても、使用者は、いつでも、二次電池21の残存容量をチェック(検査)することができる。なお、この場合における初期残存容量演算処理の処理S101では、電圧回復残存容量演算処理の処理S301と同様に、モータMが停止中なので必ずしも短時間で測定する必要がないので、より精度よく二次電池21の電池電圧を測定するために、より長い時間間隔でより多い回数のサンプリングを行ってもよい。
なお、上述の実施形態では、処理S23で用いられる電圧回復時間は、固定であったが、可変としてもよい。例えば、電圧回復時間は、二次電池21の電流容量に応じて変化する。例えば、図11に示すように、電圧回復時間は、電流容量が比較的小さい領域では急激に長くなり、そして、電流容量が比較的大きい領域では緩やかに長くなるというように、二次電池21の電流容量の増加に伴って長くなる。
よって、このような電流容量と電圧回復時間との関係を予め記憶しておき、トリガスイッチ112の操作に応じてモータMに供給される電力が停止された場合に、モータMの稼動時間と平均駆動電流との積を演算することにより電流容量を求め、この電流容量と電圧回復時間との関係からこの求めた電流容量に対応する電圧回復時間を求め、この求めた電圧回復時間を処理S23で用いるように制御部12を構成してもよい。例えば、上述の処理S21の直後に、制御部12は、残存容量演算部122により、モータMの稼動時間と平均駆動電流との積を演算することにより電流容量を求め、この電流容量と電圧回復時間との関係からこの求めた電流容量に対応する電圧回復時間を求める処理を実行する。
電圧回復時間が固定である場合には電圧回復時間を最も長い時間(考え得るワーストケースの時間)に設定する必要があるが、このように電流容量に応じて電圧回復時間を変更することにより、電圧回復時間を最も長い時間に設定する必要が無くなるので、電動工具10は、モータMの稼動状態に応じた時間で電圧回復残存容量演算処理を実行することができ、モータMに電力供給を停止した後、より短時間で残存容量を測定することができる。
そして、上述の実施形態では、電圧測定部13で測定した電圧の補正は、補正値記憶部14に記憶されている補正値によってソフトウェア的に補正したが、電圧測定部13の出力に補正値のオフセットを与えハードウェア的に補正してもよい。図12は、電圧測定部の出力を補正する測定電圧補正回路を示す回路図である。図12において、測定電圧補正回路30は、直列に接続された抵抗素子Rと可変抵抗器VRとを備えて構成される。電圧測定部13の出力は、この直列に接続された抵抗素子Rと可変抵抗器VRとを介して接地され、抵抗素子Rと可変抵抗器VRとの接続部が測定電圧補正回路30の出力として制御部12に接続される。このような構成の測定電圧補正回路30では、測定電圧補正回路30から補正後の電圧が出力されるように、電動工具本体100の製造段階や出荷段階等において、電圧測定部13を用いて例えば電池電圧が既知な基準電池の基準電圧を測定しこの測定した電圧と基準電圧との差を求めることによって得られた補正値で可変抵抗器VRの抵抗値を調整する。このような測定電圧補正回路30を用いることによって制御部12における演算処理の負荷が軽減され、演算処理時間が短縮され得る。
また、上述の実施形態では、操作スイッチの一例であるトリガスイッチは、オンオフするだけでなく操作量に応じてモータMに供給する電力量を変化させるものであったが、本発明に係る操作スイッチは、単に、オンオフするものでもよい。
さらに、上述の実施形態では、スイッチSW2及び/又は報知部15を電動工具本体100に設けたが、電池パック200に設けるように構成してもよい。このような構成の場合、電池パック200に設けられたスイッチSW2及び/又は報知部15と電動工具本体100との間で信号を送受信可能とするために、電動工具本体100及び電池パック200に本体側信号電極及び電池側信号電極をそれぞれさらに設ける。