JP4820061B2 - 電池工具 - Google Patents

Description

本発明は電池パックの過放電及び電池電圧低下による作業不良を未然に防止できるようにした電池工具に関するものである。

電源コードの要らない手軽さから図４に示すような電池駆動のインパクトドライバ、ドリル、ドライバ、丸のこ等の電池工具が多用されるようになってきた。それに伴い、より使い易くするために様々な付加機能が要求されている。その中に放電電圧リミット機能付電池工具があるが、理由は以下の２つである。
（１）ネジ締作業等を連続的に行うことにより電池残存容量がほとんどなくなった出力の低下している電池工具でも、電池電圧が回復するまで電池工具（＝電池パック）を休ませることにより残り数本のネジ締め作業等は可能なので、電池パックを深い放電まで使い切ってしまうことがある。素電池は深い放電に弱いので最後まで放電させずに再充電したほうが寿命（繰返し使用回数）が伸びる。
（２）電池パックは複数の素電池を直列に接続したものであり、繰返し使用回数が多くなると特定の素電池が短絡故障したり逆に内部抵抗が異常に増加することがある。このような電池パックを使用するとモータの回転数が著しく低下する。特に、インパクトドライバのように締め付けトルクが回転数に比例する電池工具では作業不良を引き起こす。

上記の不具合を解消するためには、適切な電圧で放電を停止する放電電圧リミッタが必要である。このため従来技術の一例として、特許文献１に示されるようなものがある。しかしながらこれら従来技術においては次のような問題があった。
（１）電池工具は、主スイッチ、電池パックと電池工具との接触部、電池パック内の素電池の内部抵抗、素電池間の接続板等の回路抵抗により電流が流れると電池電圧が低下する。ところが従来技術においては、モータ起動時の大電流による電池電圧の大幅な低下が考慮されておらず、残存容量のある電池パックでも放電電圧リミッタが作動してしまうことがある。
（２）軽負荷と重負荷では負荷電流が異なるので回路抵抗による電池電圧の低下幅が異なる。それにもかかわらずリミット電圧が固定なので、軽負荷では深い放電に、重負荷では浅い放電になってしまう。更に、リミット電圧が固定なので、電池活性化のための意識的な深い放電も出来ない。
（３）一度放電リミッタが作動した電池パックであっても電池パックを休ませると電池電圧が回復するので、主スイッチを投入してから放電電圧リミッタが作動するまでの短時間ではあるが電池パックからモータに電流が流れモータが回転する。小ネジであれば締まる場合もあり結果的に深い放電となる。

特開平５−１２３９７５号公報

しかし、上記のように電池電圧で電池パックの残存容量を検出するには、放電電流の大小による電圧降下が大きく、必ずしも電池パックの残存容量を高精度に検出出来ないといった問題があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、電池パックの残存容量を高精度に検出できるようにすることである。

上記の目的を達成するために本発明は、着脱可能な電池パックにより駆動されるモータと、電池パックとモータとの間に接続された主スイッチと、モータ、電池パック、主スイッチと直列に接続されたスイッチング素子と、電池パックの電池電圧と基準電圧を比較する比較手段と、該比較手段の出力に基づいて電池電圧の状態を知らせる警告手段とを備えた電池工具であって、前記主スイッチがオンされて前記モータが動作すると所定信号を出力するモータ動作検出手段を設け、前記主スイッチがオフし、前記モータが非駆動の状態で、電池電圧（Ｖｂ）が基準電圧（Ｖｒｂ）以下に低下したことを前記比較手段が検出した時に、警告手段により警告し、前記スイッチング素子をオフさせることに一つの特徴を有する。

本発明の電池工具によれば、電池電圧が基準電圧より小さくなった時にスイッチング素子をオフさせてモータを停止させる電池工具において、モータが動作していない時すなわち無負荷時の電池電圧を基準電圧と比較することで、モータの起動及び過大負荷状態による電池電圧の低下を検出してスイッチング素子が誤ってオフされることを排除し、電池電圧の低下を確実に検出できるようになった。この結果電池パックの過放電及び電池電圧低下に起因する作業不良を未然に防止できるようになる。

本発明電池工具の一実施形態を図１〜図３を用いて説明する。図１は本発明電池工具の一実施形態を示す回路図である。
電池パック９は、直列接続された複数の素電池６及び正極端子９ａ、負極端子９ｂ等から構成される。
電池工具１は、正極端子１ａ、主スイッチ４、モータ２、ＦＥＴ１３及び負極端子１ｂの直列接続と、ＦＥＴ１３をオン・オフさせるための制御回路１０、制御回路１０の動作を高精度に動作させる安定化電源２０、電池電圧の低下をユーザに知らせる警告手段３０等から構成される。

制御回路１０は、電圧比較回路１４、電圧比較回路１４の出力でＦＥＴ１３をオン・オフさせる駆動回路１５、モータ２の動作を検出するモータ動作検出手段１７等から構成される。

安定化電源２０は、コンデンサ２１、２３及びレギュレータ２２から構成され、正極端子９ａ及び負極端子９ｂに接続され、電池電圧を安定な電圧に変換して制御回路１０及び警告手段３０の電源として供給する。

警告手段３０は、制御回路１０の出力によりオン・オフされるトランジスタ３３、抵抗３１及びＬＥＤ３２により構成され、ＬＥＤ３２により警告表示を行う。尚、警告手段３０は、ＬＥＤ３２等の視覚的な警告に限るものではなく、例えば音で警告音を出すブザー等の聴覚的な警告でも良い。

電圧比較回路１４は、電池パック９の正極端子９ａと負極端子９ｂ間に接続された抵抗１４１、１４２の直列回路と、抵抗１４２の両端に接続されたコンデンサ１４８と、レギュレータ２２の出力に接続された抵抗１４３，１４４の直列回路と、抵抗１４４の両端に接続されたコンデンサ１４６と、抵抗１４１と抵抗１４２の接続点電圧すなわち電池電圧に対応する比較電圧Ｖｂが反転入力端子に印加され、抵抗１４３と抵抗１４４の接続点電圧すなわち基準電圧Ｖｒｂが非反転入力端子に印加されたオペアンプ１５０と、オペアンプ１５０の出力端子と非反転入力端子間に接続されたダイオード１４７等により構成される。コンデンサ１４６は、電池パック９が電池工具１に接続された時に電圧比較回路１４すなわちオペアンプ１５０の出力が必ずローレベルになるように作用し、またコンデンサ１４８はモータ起動時の急激な電圧低下を押さえる遅延手段として作用する。ダイオード１４７は、アノードをオペアンプ１５０の出力端子に接続し、カソードをオペアンプ１５０の非反転入力端子に接続することで、オペアンプ１５０の反転入力端子に入力される比較電圧Ｖｂがオペアンプ１５０の非反転入力端子に入力される基準電圧Ｖｒｂより低下し、オペアンプ１５０の出力端子が一度ハイレベルになったら、オペアンプ１５０の非反転入力端子の電圧をオペアンプ１５０の出力電圧つまりハイレベルに維持し、その後電池パック９の電池電圧が回復して比較電圧Ｖｂが上昇しても、オペアンプ１５０の出力はハイレベルに維持される自己保持手段として作用する。

モータ動作検出手段１７は、主スイッチ４とモータ２の接続点に接続された抵抗１７１、１７２の直列回路と、抵抗１７２の両端に接続されたコンデンサ１７８と、レギュレータ２２の出力端に接続された抵抗１７３，１７４の直列回路と、抵抗１７１と抵抗１７２の接続点電圧が比較電圧Ｖｍとして非反転入力端子に印加され、抵抗１７３と抵抗１７４の接続点電圧が基準電圧Ｖｒｍとして反転入力端子に印加されたオペアンプ１８０と、ダイオード１７５、１７６等により構成される。

主スイッチ４とモータ２の接続点電圧に対応した比較電圧Ｖｍが基準電圧Ｖｒｍより上昇すると、オペアンプ１８０の出力はハイレベルとなり、電圧比較回路１４の反転入力端子にダイオード１７６を介して印加される。ダイオード１７６は、オペアンプ１８０のハイレベル信号のみを伝達するように作用する。すなわちモータ動作検出手段１７は、主スイッチ４がオンされモータ２が動作中にはハイレベルの信号を出力し、電池パック９の電池電圧に対応する比較電圧Ｖｂをハイレベルとする事で、モータ２動作中は電池パック９の電池電圧すなわち比較電圧が基準電圧Ｖｒｂ以下になっても、電圧比較回路１４がハイレベルの信号を出力しないようにした。すなわち、電池パック９の電池電圧の低下検出は、主スイッチ４のオフ時すなわちモータ２の非駆動時に行うようにした。ダイオード１７５は、アノードをオペアンプ１５０の出力端子に接続し、カソードをオペアンプ１８０の反転入力端子に接続することで、電圧比較回路１４の出力が一度ハイレベルになったら、モータ動作検出手段１７がハイレベルの信号を出力しないようにした。すなわち電池パック９の電圧低下を電圧比較回路１４が一度検出し、且つ自己保持手段１４７により維持されているにも拘らず、その後モータ動作検出手段１７の出力により電圧比較回路１４の自己保持手段１４７がリセットされる事がないようにした。

駆動回路１５は、抵抗１５１、トランジスタ１５２により構成され、抵抗１５１は主スイッチ４のオン・オフによりＦＥＴ１３をオン・オフし、トランジスタ１５２は、オペアンプ１５０のハイレベルの出力によりオンしてＦＥＴ１３をオフする。

図２は満充電にした電池パック９を使用してネジ締めや穴あけ等の作業を電池パック９の残存容量がなくなるまで続けた時の電池電圧Ｖ１とモータ２に流れる電流Ｉｍを示す。図２中の前半（範囲Ｘ）は部材の異なった穴あけ等による負荷の大小が激しい作業を行い、後半（範囲Ｙ）は同じ部材へのネジ締め作業等による負荷が一定の作業を行ったことを示している。図２から分かるように常に電池電圧のチェックを行う従来の放電電圧リミッタの場合、放電電圧リミッタ設定値をＶｌ１とした時に、まだ電池残存量があるにも拘らず負荷の大きな作業をした時やモータ起動時の電池電圧は放電電圧リミッタ設定値Ｖｌ１を大きく下回り（ａ点）、ＦＥＴ１３をオフしてしまうという不具合がある。従って、電池パック９の電池電圧が所定値以下に低下した時にＦＥＴ１３を正常にオフさせるには無負荷時すなわち主スイッチ４がオフの時に電池電圧のチェックを行うような工夫が必要になる。

図３は本発明の各部の動作を示したタイミングチャートである。まず、（１）の動作は電池パック９の残存量が十分にある時の動作である。主スイッチ４をオンするとモータ２の起動により急激に電池電圧が低下するがオペアンプ１５０の反転入力端子に接続されたコンデンサ１４８により電池電圧に対応した比較電圧Ｖｂは急激な電圧低下が押さえられ（Ａ点）、基準電圧Ｖｒｂを下回ることはない。その後、オペアンプ１５０の反転入力端子に接続されたモータ動作検出手段１７の出力がハイレベルとなるため、電池パック９にかかる負荷の大小に関係なく基準電圧Ｖｒｂを大きく上回るため、オペアンプ１５０の出力はローレベルを保つ。続いて主スイッチ４がオフされると、オペアンプ１８０の出力は非反転入力端子に接続されたコンデンサ１７８と抵抗１７２の時定数により電池電圧がある程度回復した時にローレベルとなり、電圧比較回路１４は電池電圧に対応した比較電圧Ｖｂと基準電圧Ｖｒｂの比較を行う（Ｂ点）。（１）の動作は電池パック９の残存量が十分にあるので電圧比較回路１４の出力はローレベルを保ち、ＦＥＴ１３をオフすることはない。

しかしながら、（２）の動作は電池パック９の残存量がわずかであり、負荷のかかっている時の電池電圧低下も大きく、また電圧の回復も遅いため、その結果電圧比較回路１４の出力は比較電圧Ｖｂが基準電圧Ｖｒｂを下回るためハイレベルとなり（Ｃ点）、駆動回路１５のトランジスタ１５２をオンしてＦＥＴ１３をオフするとともに警告手段３０のトランジスタ３３をオンしてＬＥＤ３２を点灯させる。電圧比較回路１４の出力は一度ハイレベルになるとダイオード１４７により基準電圧Ｖｒｂをハイレベルとするため、その後電池電圧が当初の基準電圧（抵抗１４３，１４４にて設定された電圧）以上に回復してもハイレベルを自己保持する。

また、（３）の動作で分かるように電圧比較回路１４の出力よりダイオード１７５を介して接続されたモータ動作検出手段１７の基準電圧Ｖｒｍもハイレベルとなり、再度主スイッチ４をオンしても電圧比較回路１４の反転入力端子に接続されたモータ動作検出手段１７の出力はローレベルを保つため、電圧比較回路１４の出力はハイレベルを自己保持し続ける。これにより、一度電圧比較回路１４が設定された電池電圧の低下を検出すれば、その後時間の経過により電池電圧が回復しても再度ＦＥＴ１３がオンしＬＥＤ３３が消灯することはない。

上記実施形態においては、モータ動作検出手段１７がモータ２の動作を検出している時にハイレベルの出力を出すことにより電圧比較回路１４の出力を強制的にローレベルにするすなわち電圧比較回路１４の比較動作を無効にするとしたが、モータ動作検出手段１７の検出出力により電圧比較回路１４の出力を無効にするすなわちトランジスタ１５２をオンさせないようにしても良く、その構成を図５に示す。すなわちモータ動作検出手段１７の出力端すなわちオペアンプ１８０の出力端をインバータ２０１を介してアンドゲート２０２の他方の入力端に接続すると共に電圧比較回路１４の出力端すなわちオペアンプ１５０の出力端をアンドゲート２０２の他方の入力端に接続している。この結果、モータ動作検出手段１７がモータ２の動作を検出している時は、アンドゲート２０２がそのゲートを開くことがないのでトランジスタ１５２がオンすることがなくなる。

本発明電池工具の一実施形態を示す回路図。 電池工具使用時の電池電圧及び電流を示すグラフ。 本発明電池工具の動作説明用タイムチャート。 電池工具の一例を示す斜視図。 本発明電池工具の他の実施形態を示す回路図。

符号の説明

１は電池工具、２はモータ、４は主スイッチ、９は電池パック、１３はスイッチング素子、１４は電圧比較回路、３０は警告手段、１７はモータ動作検出手段、１４７，１７５、１７８はダイオード。

Claims (3)

1. 着脱可能な電池パックにより駆動されるモータと、
   電池パックとモータとの間に接続された主スイッチと、
   モータ、電池パック、主スイッチと直列に接続されたスイッチング素子と、
   電池パックの電池電圧と基準電圧を比較する比較手段と、
   該比較手段の出力に基づいて電池電圧の状態を知らせる警告手段とを備えた電池工具であって、
   前記主スイッチがオンされて前記モータが動作すると所定信号を出力するモータ動作検出手段を設け、
   前記主スイッチがオフし、前記モータが非駆動の状態で、電池電圧（Ｖｂ）が基準電圧（Ｖｒｂ）以下に低下したことを前記比較手段が検出した時に、警告手段により警告し、前記スイッチング素子をオフさせることを特徴とする電池工具。
2. 着脱可能な電池パックにより駆動されるモータと、
   電池パックとモータとの間に接続された主スイッチと、
   モータ、電池パック、主スイッチと直列に接続されたスイッチング素子と、
   電池パックの電池電圧と基準電圧を比較する比較手段と、
   該比較手段の出力に基づいて電池電圧の状態を知らせる警告手段とを備え、
   前記比較手段は、前記電池電圧が入力される第１入力端側電圧（Ｖｂ）が、基準電圧が入力される第２入力端側電圧（Ｖｒｂ）より小さい時に、前記警告手段により警告し、前記スイッチング素子をオフさせるようにした電池工具であって、
   前記主スイッチがオンされて前記モータが動作すると所定信号を出力するモータ動作検出手段を設け、
   該モータ動作検出手段の出力信号を前記比較手段の第１入力端側（Ｖｂ側）に入力することにより、前記比較手段の第１入力端側電圧（Ｖｂ）が第２入力端側電圧（Ｖｒｂ）より小さくならないようにし、
   前記モータ動作検出手段が所定の信号を出力している時は、前記警告手段の警告及び前記スイッチング素子がオフとなるのを阻止するようにしたことを特徴とする電池工具。
3. 着脱可能な電池パックにより駆動されるモータと、
   電池パックとモータとの間に接続された主スイッチと、
   モータ、電池パック、主スイッチと直列に接続されたスイッチング素子と、
   電池パックの電池電圧と基準電圧を比較する比較手段と、
   該比較手段の出力に基づいて電池電圧の状態を知らせる警告手段とを備え、
   前記比較手段は、前記電池電圧（Ｖｂ）が基準電圧（Ｖｒｂ）以下に低下した時に前記警告手段により警告し、前記スイッチング素子をオフさせるようにした電池工具であって、
   前記主スイッチがオンされて前記モータが動作すると所定信号を出力するモータ動作検出手段と、
   該モータ動作検出手段の出力信号と前記比較手段の出力信号との論理積をとる論理手段とを設け、
   該論理手段は、前記モータ動作検出手段が所定の信号を出力している時は、前記警告手段による警告及び前記スイッチング素子がオフとなるのを阻止するようにしたことを特徴とする電池工具。

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