JP5170610B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は積み重ね可能な電池アセンブリ技術（Ｓｔａｃｋａｂｌｅ Ｃｅｌｌ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、以下ＳＣＡＴと略す）を用いたバッテリ装置を充電する充電装置に関するものである。

まず最初に、本発明者の提案するＳＣＡＴの概念を図１を用いて説明する。

電動ドライバ、電動ドリル、インパクト工具などのコードレス電動工具は、回転動力を発生するモータを有し、その回転数を減速機構により減速した後、回転動力を先端工具に伝達するように構成されている。

図１において２０はコードレス電動工具で、本体胴体部２０Ａとハンドル部２０Ｂとにより構成される。本体胴体部２０Ａの先端には工具３０が装着される。ハンドル部２０Ｂの一端は本体胴体部２０Ａに連結され、他端部にはバッテリ装置１０が装着される。

これらのコードレス電動工具は、全てメーカによって定格電圧（ボルト、以下Ｖと略す）と、電流容量（アンペア時間、以下Ａｈと略す）が定められている。定格電圧（Ｖ）は、工具に伝達する回転動力の大きさと、回転動力を発生するモータを駆動するのに必要な電圧に基づいて決定される。また電流容量（Ａｈ）は、モータの負荷電流の大きさと、工具を連続使用可能な時間の仕様に基づいて決定される。例えば３Ａｈのバッテリ装置を装着した電動工具は、３Ａの電流を１時間連続してモータに供給し得る特性を有する。

このような定格電圧及び電流容量は、全ての工具ごとにメーカによって決定されるものであり、ユーザはこれらの値を勝手に変更したり、改造したりすることはできない。

これに対し、ＳＣＡＴは、電動工具の定格電圧（Ｖ）はメーカにより決定されるものの、電流容量（Ａｈ）はユーザが任意に選択できるようにした新しいコンセプトの電動工具を提案するものである。

このような新しいコンセプトは、１個のコードレス電動工具で多様なユーザのニーズに応えられる点で望ましいものである。例えば電動工具を、天井裏などの狭隘な場所で使用するときには、ユーザは電流容量が大きいことよりも、電動工具ができるだけ軽量であることを望むであろう。しかし従来のコードレス電動工具の重さの半分近くは電池パック、つまりバッテリ装置によって占められており、電動工具の定格電圧及び電流容量に適合する電池パックのみが装着可能に作られているから、いかなる作業においても電動工具の重さは変更できない。

一方、同じ作業を長時間継続して行うような場合は、頻繁に電池パックを充電せずに使用できる電動工具を望むであろう。しかしながら従来の電動工具は予め電流容量が定められているから、作業に応じて電流容量の異なる値の電池パックを使用することはできない。

もちろんコードレス電動工具の機種は多いから、作業に応じて異なる仕様の工具を使用することはできるが、ユーザは、数多くの電動工具を用意したり、これらを作業現場に持ち運びすることを望まないであろう。

ＳＣＡＴはこのようなユーザの多様なニーズに適合するものである。一例として、電動工具の定格電圧が１８Ｖ、電流容量が３Ａｈの場合を例にとり、従来のバッテリ装置と、ＳＣＡＴ技術を用いたバッテリ装置の違いを述べる。

図１の（Ａ）は、電池セルとして公称電圧１．２ＶのＮｉＣｄ電池を用いた場合の従来のバッテリ装置の構成を示す。このバッテリ装置は、１５個の電池Ｃ１〜Ｃ１５を直列に接続して電池パック容器１０Ａ内に収納して構成される。

一方、電池セルとしてリチウム電池を用いる場合は、その公称電圧が３．６Ｖと大きく、電流容量が１．５Ａｈ程度と小さいために、図１の（Ｂ）に示すように、５個の電池Ｃ１１〜Ｃ１５を直列に接続したものと、同じく５個の電池Ｃ２１〜Ｃ２５を直列に接続したものを並列に接続して、合計１０個の電池セルを電池パック容器２０Ａに収納してバッテリ装置が構成される。

これに対しＳＣＡＴ技術を用いる場合、メーカは図１の（Ｃ）に示すようにコードレス電動工具の定格電圧を発生するのに必要な個数のセルを収納したセルアセンブリを用意する。例えばリチウム電池でセルアセンブリを構成する場合は、公称電圧が３．６Ｖの５個の電池セルＣ１１〜Ｃ１５を直列に接続して容器に収納することによりセルアセンブリ１００Ａが構成される。同様にセルアセンブリ１００Ｂは、電池セルＣ２１〜Ｃ２５を直列に接続してアセンブリ容器に収納することにより構成される。これらのセルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂ，・・・１００Ｎは積み重ねたときに、それぞれ並列に接続されるように構成されている。

ユーザはセルアセンブリを１個使用するときには１．５Ａｈのバッテリ装置として使用することができ、２個使用するときには３Ａｈのバッテリ装置として使用することができる。即ちコードレス電動工具の電流容量（Ａｈ）の値はユーザが選択的に決定することが可能となる。

ＳＣＡＴ技術を用いてセルアセンブリを作るには、セルとして公称電圧が大きく電流容量の小さいリチウム電池を用いることが望ましい。セルアセンブリの重量が軽くなり、且つユーザによる電流容量の選定をより小刻みに行うことができるからである。

ここで、リチウム電池とは、バナジウム・リチウム電池、マンガンリチウム電池等を指し、いずれも負極にリチウム・アルミ合金を用い、有機電解液を使用した電池を言う。また、リチウムイオン電池は一般に、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を使用し、電解液として有機電解液を用いたものである。本願明細書では、便宜上、リチウム電池及びリチウムイオン電池を含む有機電解液二次電池を総称して、単にリチウム電池と称することにする。

ＳＣＡＴに類似する従来技術として、例えばカメラやパソコン等の携帯用電子機器において、充電可能な電池を複数個並列接続ができるように構成されたバッテリ装置が既に提案或いは開発されている。例えば特許文献１にはカメラ等に用いられる電池パックであって、主電池に加えて補助電池を所望の数だけ装着することを可能にした電池パックが開示されている。しかしながらコードレス電動工具の場合は、ＯＡ機器や携帯用の電子機器とは異質の技術課題が存在するために、ＳＣＡＴ技術を用いて電動工具用のバッテリ装置を開発する場合は、これらの技術課題を解決することが必要である。

まず、従来のコードレス電動工具の一例を図２−１，２−２を参照して説明する。

図２−１は従来のコードレス電動工具の外観を示し、図２−２は電動工具の電気回路の概略を示す。電動ドライバ、電動ドリル、電動レンチ等の電動工具２０は、本体胴体部２０Ａと、該本体胴体部２０Ａに連結されたハンドル部２０Ｂとから構成され、ハンドル部２０Ｂの端部にバッテリ装置１０が装着される。

本体胴体部２０Ａのハウジングの中には、回転動力を発生する直流モータ２０１、直流モータ２０１の回転速度を減速する減速機構部２０２が収納され、その先端にはドリル、ドライバ等の先端工具３０が装着される。インパクト工具の場合には、減速機構部２０２と先端工具３０との間にハンマ等の打撃機構部（図示せず）が設けられる。また、本体胴体部２０Ａとハンドル部２０Ｂとの連結部付近にはトリガ２０３が設けられている。

図２−２に示すように、バッテリ装置１０の両端子間にトリガスイッチ２０３Ａ、モータ２０１及びＦＥＴなどのスイッチング素子２０５が直列に接続されている。スイッチング素子２０５のゲートには、制御回路２０４よりパルス幅変調されたパルス信号が印加される。また、制御回路２０４にはトリガスイッチ２０３Ａの動作に連動して抵抗値が変化する可変抵抗器２０３Ｂが接続され、この抵抗値を変えることにより制御回路２０４の出力パルスのパルス幅が変化するように構成されている。

今、図２−１のトリガ２０３を引くと、図２−２のスイッチ２０３Ａが閉じて、バッテリ装置１０よりスイッチング素子２０５がオンの期間だけモータ２０１に駆動電圧が印加され、モータ２０１が回転する。この回転動力は減速機構２０２を介して先端工具３０に伝達される。

トリガ２０３を更に深く引くと、可変抵抗器２０３Ｂの抵抗値が変化する。これにより制御回路２０４からスイッチング素子２０５のゲートに印加されるパルスのパルス幅が大きくなる。このためスイッチング素子２０５のオンの期間が長くなり、モータ２０１に印加される駆動電圧の平均値は増大する。従って、トリガ２０３の引き量に応じてモータ２０１の回転速度を制御することができ、先端工具３０に伝達する回転動力の大きさを制御することが可能になる。なお、モータ２０１の両端に接続されたスイッチ２０６を切り換えることにより、モータの回転方向の正逆を切り換えることができる。

特開２００１−２２９８９１号公報

本発明者の検討によると、上記のようなコードレス電動工具に前述のＳＣＡＴ技術を用いたバッテリ装置を使用すると、次のような技術課題を生ずるものと考えられる。

（１）過電流対策
コードレス電動工具２０のバッテリ装置１０は、モータ２０１の駆動電圧を供給する電源として用いられ、モータ２０１は工具３０に伝達する回転動力を発生するために用いられる。先端工具３０としてはドリルやドライバがあるが、被加工物を加工するために使用されるものであるため、工具３０に加わる負荷の大きさが、カメラやパソコンでは起こり得ないような大きな変動を生ずる。工具３０にかかる負荷の変動が大きいと、当然モータ２０１の負荷電流の変動も大きく、従ってバッテリ装置１０にも過電流が流れる危険性がある。

今、バッテリ装置１０の端子電圧をＶ、モータ２０１の逆起電力をＥ、モータ２０１の電機子抵抗をＲａとすると、モータ２０１の電機子巻線に流れる電流Ｉａは、Ｉａ＝（Ｖ−Ｅ）／Ｒａで表される。従って例えば先端工具３０が被加工材に噛み付いてモータの回転数が０に近くなると、逆起電力Ｅも瞬間的に０に近くなり、Ｉａが急激に数１０Ａ程度に大きくなることがある。

また、１８Ｖ或いは２４Ｖのように大きな電圧を発生するセルアセンブリ同士を並列に接続した場合、セルアセンブリの充電量にアンバランスがあった場合に過電流が流れる危険性もある。例えば満充電された５個の電池セルよりなるセルアセンブリと、充電量が０％の５個の電池セルよりなるセルアセンブリを並列に接続すると、２個のセルアセンブリよりなる閉回路に数１０Ａ程度の電流が流れる可能性がある。

しかしながら、電池セルとして例えば１．５Ａｈの電流容量を有するリチウム電池を用いた場合、短時間であっても例えば３０Ａ程度の大電流が流れると電池セルを損傷させるおそれがある。

また同様に、満充電された電池セルよりなるセルアセンブリと、充電量０％の電池セルよりなるセルアセンブリを並列に接続した上で電動工具本体に接続した場合、モータの負荷電流の変動の負担が一方のセルアセンブリにかかり、セルアセンブリ自体を損傷する可能性もある。

このようにＳＣＡＴ技術を用いた電動工具のバッテリ装置においては、種々の原因で過電流が流れる可能性があるから、その対策を施しておくことが必要となる。特にリチウム電池を用いた場合、電池セルの電流容量（Ａｈ）がＮｉＣｄ電池等と比較して小さいから過電流対策が重要になる。

（２）電動工具の特性に適合したアセンブリの選択
コードレス電動工具には電動ドライバや電動ドリル、電動丸のこ、インパクトドライバ等の多くの種類があるが、工具の種類により負荷の変動に大きな幅がある。例えば電動ドリルでは、先端工具が被加工物に噛み付いた状態になると、モータの負荷電流は通常の６〜７倍になることがある。一方、インパクトドライバの場合は、負荷変動が相対的に小さいからモータの負荷電流の変動も相対的に小さい。このように工具の種類により負荷変動の大きさが著しく異なるという現象は、カメラやＯＡ機器などの携帯用電子機器には見られない現象である。

従来の電動工具用のバッテリ装置は、このような負荷変動の相違も考慮してメーカ側で電池パックの定格電圧及び電流容量を定めている。

しかしＳＣＡＴ技術を用いたバッテリ装置は、その電流容量の値をユーザが選択できるものであるから、電動工具の負荷電流の変動の大きさに適合しないセルアセンブリを使用する可能性もある。従ってユーザが電動工具の種類や特性に合わせて適切なセルアセンブリを選択できるようにガイドすることが重要になる。このような技術課題は、カメラやＯＡ機器などの他の電子機器には見られない電動工具に特有の課題である。

（３）充電時間の長時間化に対する対策
カメラやパソコン等の電子機器では、電池を並列に接続する場合であっても電池を充電するときは、個々の電池毎に充電するのが一般的である。しかしながら電動工具に用いられるバッテリ装置１０を充電器により充電する場合、従来は電池パック毎に充電していた。従って、例えば公称電圧１．２ＶのＮｉＣｄ電池セルが１５個収納した電池パックを充電すると、１度に１５個のセルが充電される。

これに対し、ＳＣＡＴ技術により作られたバッテリ装置はセルアセンブリに収納される電池セルの数は従来に比べて少なくなる。従ってセルアセンブリ毎に充電すると充電時間が従来に比べて長くなるという問題がある。

一方、所定数のセルアセンブリを同時に充電することも考えられるが、ＳＣＡＴ技術を用いたバッテリ装置を使用するユーザは、使用するセルアセンブリの数を任意に選択できるから常に、一定数のセルアセンブリしか充電できないとユーザにとっては不便である。つまり充電をするときも、任意の数のセルアセンブリを一度に充電できることが望ましい。

本発明の目的は上述の技術課題の（３）を解決した充電装置を提供することにある。具体的には、本発明は、ＳＣＡＴ技術を用いて作られた任意の数のセルアセンブリよりなるバッテリ装置を、一度に充電することができる充電装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、交流電源からの電圧を断続するスイッチング素子と、該スイッチング素子により断続された電圧を整流、平滑する手段と、平滑化された電圧をバッテリ装置に印加する端子板とを備えた充電装置において、前記バッテリ装置は、複数の電池セルを直列に接続したセルアセンブリを複数個有し、各セルアセンブリは、それぞれ積み重ねができるように係合部を有すると共に、積み重ねたときに各セルアセンブリが電気的に接続されて、バッテリ装置の放電端子に接続されるように構成され、前記充電装置は複数個のセルアセンブリを積み重ねたバッテリ装置を収納する電池収納部を有し、複数個のセルアセンブリを積み重ねた状態でバッテリ装置を前記電池収納部に収納したときに、各セルアセンブリの充電端子が前記端子板に接続されるように構成したことに一つの特徴を有する。

本発明の他の特徴は、各セルアセンブリから、該セルアセンブリの温度に相当する電気信号を取り出し、該電気信号に応じて前記スイッチング素子の断続動作を制御する制御手段を備えたことにある。

本発明の他の特徴は、各セルアセンブリから、該セルアセンブリのセル電圧を示す信号を取り出し、該電気信号に応答して前記スイッチング素子の断続動作を制御する制御手段を備えたことにある。

本発明の他の特徴は、前記第１及び第２の端子板を、前記電池収納部の底面に形成したことにある。また、前記電池収納部は２個以上の任意の数のセルアセンブリを収容するように構成したことにある。

本発明によれば、任意の数のセルアセンブリでバッテリ装置を構成し、充電をするときには、任意の数を単位としてセルアセンブリを充電することが可能になる。電動工具に装着するセルアセンブリの数と、充電器により充電するセルアセンブリの数とを必ずしも等しくする必要はないから、多くのセルアセンブリを短時間に充電することもできるし、個々のセルアセンブリの充電量に応じて個々に充電することもできる。

以下本発明に係る充電装置を説明する前にバッテリ装置及びそれを用いた電動工具を説明する。

（１）バッテリ装置の構成
（１．１）回路構成
本発明充電装置により充電するセルアセンブリにより構成されるバッテリ装置について説明する。図３はセルアセンブリ１００Ａと１００Ｂとを並列に接続した電気回路図を示す。セルアセンブリ１００Ａの電気回路は１００Ｂと同一であるので、一方のセルアセンブリ１００Ａの電気回路だけ説明する。

セルアセンブリ１００Ａは、本実施例では直列に接続された５個のリチウム電池Ｃ１１〜Ｃ１５を含む。これらのセルＣ１１〜Ｃ１５をセル群Ｃ１０と称することにする。

セル群Ｃ１０の正極端子は放電正端子ＤＣに接続され、セル群Ｃ１０の負極端子はスイッチング素子１０１を介して共通負端子ＣＯに接続されている。スイッチング素子１０１は、本実施例ではＦＥＴ１０２と、そのソース・ドレイン間に接続されたダイオード１０３より構成されている。

１０４は過電流検出回路で、スイッチング用ＦＥＴ１０２のソース・ドレイン間に接続され、そのソース・ドレイン間に流れる電流の大きさに比例した信号を出力する。過電流検出回路１０４の出力信号はダイオード１０９を介してスイッチング用ＦＥＴ１０２のゲートに印加されると共に、過電流信号検出端子ＯＣに導かれている。この端子ＯＣの信号は、必要に応じてコードレス電動工具の制御回路２０４（図２−２）や、充電器５０のマイコン５３０（図６−２）に加えられる。

一方、リチウム電池Ｃ１１〜Ｃ１５は電池を保護するための保護回路１０５，１０６に接続されている。保護回路としては、例えばミツミ電機社製のＩＣ（ＭＭ１４１４あるいはＭＭ３０９０など）が用いられる。この保護ＩＣは最大４個の入力端子を有し、入力端子のいずれか１つに所定以上の電圧が入ると、出力信号を発生するように構成されている。保護回路１０５，１０６の出力信号は、それぞれダイオード１１０，１１１を通して過電圧検出端子ＬＥに導かれている。この端子ＬＥの信号は、後述の充電器５０のマイコン５３０（図６−２）に加えられる。また、保護回路１０５，１０６の出力信号は、それぞれダイオード１０７，１０８を介してスイッチング用ＦＥＴ１０２のゲートに印加される。スイッチング素子１０１のソース又はドレインには、セル群Ｃ１０の温度を検出するためのサーミスタ１１３が接続されている。この温度検出信号は信号端子ＬＳに導かれ、後述の充電器５０（図６−２）のマイコン５３０に加えられる。

また、抵抗１１４はセル群Ｃ１０のセル数を表すもので、セルの数に応じて異なる抵抗値を有する。抵抗１１４の抵抗値に応じた電気信号はセル数信号検出端子ＳＴに導かれ、後述の充電器５０のマイコン５３０（図６−２）に加えられる。セル群Ｃ１０の正極端子と充電端子ＣＨとの間にはサーモスタット１１２が接続され、セルアセンブリ１００Ａの温度が所定温度以上になるとサーモスタット１１２が動作して充電を停止する。

上記のように構成されたセルアセンブリ１００Ａとセルアセンブリ１００Ｂを図３に示すように並列に接続したとき、例えば一方のセル群Ｃ１０が満充電に充電され、他方のセル群Ｃ２０の充電量が０の場合のように、セル群Ｃ１０とセル群Ｃ２０との電圧差が大きいと、ＦＥＴ１２０がオンの場合にセル群Ｃ１０，Ｃ２０、スイッチング素子１０１Ａ，１０１Ｂを含む閉回路に過電流が流れるおそれがある。また端子ＤＣ，ＣＯ間の電圧を図２−２に示すモータ２０１に供給した場合、モータ２０１の負荷が大きいとセルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂに過電流が流れるおそれがある。

しかし本発明充電装置により充電するバッテリ装置は、セル群Ｃ１０に過電流が流れると、スイッチング素子１０１のソース・ドレイン間の電圧が増加し、その電圧が所定値以上になると過電流検出回路１０４が出力信号を発生する。この出力信号は、ダイオード１０９を介してスイッチング用ＦＥＴ１０２のゲートに印加され、ＦＥＴ１０２を遮断する。この結果セル群Ｃ１０に過電流が流れて、これを損傷することを防止する。

また、充電時にセル群Ｃ１０のいずれか１つのセルの電圧が所定値以上に充電されると、保護回路１０５，１０６より出力信号を発生し、やはりＦＥＴ１０２を遮断する。従ってセルＣ１１〜Ｃ１５の過充電も防止することができる。

（１．２）セルアセンブリの構造
次に、図４−１〜図４−５を参照して本発明充電装置により充電するセルアセンブリの構造について説明する。図４−１に示すように、セル収納容器は上部板３０１、下部板３０２及び両側板３０３及び３０４により構成され、容器内に５個のリチウム電池Ｃ１１〜Ｃ１５が配置されている。それぞれの電池Ｃ１１〜Ｃ１５は端子板３０５により直列に接続され、電池Ｃ１１の正極が端子３０６に、電池Ｃ１５の負極が端子３０７に接続されている。上部板３０１とセル群Ｃ１１〜Ｃ１５との間の空間に回路基板３０８が配置され、支持部材３０９により支持されている。回路基板３０８の上面には、図３に示した回路素子１０１〜１１１が搭載されている。

一方、側板３０３と隣接して充電端子基板３１０が配設され、図４−２に示すように、その基板上に正及び負極の充電端子ＣＨ，ＣＯと信号検出端子ＬＳ，ＳＴ，ＬＥ，ＯＣが設けられている。図４−１の側板３０３の一部には開口部３０３Ａが設けられ、該開口部３０３Ａを通して端子ＣＨ，ＣＯに電圧を印加することができる。

図４−１の右側の側板３０４には、セルアセンブリ１００Ａを他のセルアセンブリ１００Ｂ（図示せず）と係合させるための第１の係合部材３２０Ａが上下動可能に設けられている。第１係合部材３２０Ａは図の下方に伸びる延在部３２７Ａを有し、これが穴部３２８Ａに挿入される。穴部３２８Ａにはスプリング（図示せず）が設けられており、第１係合部材３２０Ａを上方に押して、後述の別のセルアセンブリの第２係合部材３２２Ａと係合するように構成されている。

図４−１では、１つの第１係合部材３２０Ａが示されているが、紙面の奥側にもう１つ設けられており、図４−２に示すように２つの第１係合部材３２０Ａ，３２０Ｂが設けられている。この第１係合部材３２０Ａ，３２０Ｂは図４−３に示すように支持部材３２３に取り付けられ、支持部材３２３には２枚の金属板３２４Ａ，３２４Ｂが垂直に設けられている。

他方のセルアセンブリ１００Ｂには第２の係合部材３２２Ａ，３２２Ｂが支持部材３２６に取り付けられ、その係合部材３２２Ａ，３２２Ｂの内部に金属板３２５Ａ，３２５Ｂが設けられている。第２係合部材３２２Ａ，３２２Ｂを、図４−３に示すように第１係合部材３２０Ａ，３２０Ｂと係合させると、金属板３２５Ａ，３２５Ｂの中に別の金属板３２４Ａ，３２４Ｂが挿入されて、２つのセルアセンブリ１００Ａと１００Ｂが接続される。

図４−１に示すように、電池Ｃ１１の正極端子３０６は、回路基板３０８上の配線を介して金属板３２４Ａ及び３２５Ａに接続され、電池Ｃ１５の負極端子３０７は金属板３２４Ｂ及び３２５Ｂ（図４−３）に接続されている。同様にセルアセンブリ１００Ｂの電池Ｃ２１の正極端子（図示せず）が金属板３２５Ａ、３２４Ａに接続され、電池Ｃ２５の負極端子（図示せず）が金属板３２５Ｂ、３２４Ｂに接続されている。従って、アセンブリ１００Ａの金属板３２４Ａとアセンブリ１００Ｂの３２５Ａが接続され、アセンブリ１００Ａの３２４Ｂとアセンブリ１００Ｂの３２５Ｂがそれぞれ接続されると、２つのセルアセンブリ１００Ａと１００Ｂが並列に接続されたことになる。

上記のようにスプリングで上方に付勢された第１係合部材３２０Ａ，３２０Ｂに放電端子となる金属板３２４Ａ，３２４Ｂを設けることにより、金属板３２４Ａ，３２４Ｂを常時別のセルアセンブリの放電端子となる金属板３２５Ａ，３２５Ｂ側に押し付ける力が作用する。このためコードレス電動工具が振動しても金属板３２４Ａと３２５Ａ、３２４Ｂと３２５Ｂの接触を安定して保つことができる。

図４−４はセルアセンブリ１００Ａの上面図を示す。電池Ｃ１１の正極端子に接続された放電正極端子３２４Ａと、電池Ｃ１５の負極端子に接続された放電負極端子３２４Ｂを設けた第１係合部材がセルアセンブリ容器の上面に配置され、この面と対向する下面には、同様に放電正極端子３２５Ａ、放電負極端子３２５Ｂを設けた第２係合部材が配置されている。

一方、セル群Ｃ１０の充電端子は容器の上・下面とは別の側面に設けられているため、セルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂを積み重ねて並列に接続した状態でセルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂを充電することが可能になる。

図４−５は、２個のセルアセンブリ１００Ａ及び１００Ｂを積み重ねたバッテリ装置１０を示す。各バッテリ装置１００Ａ，１００Ｂの上面端部には凸部３３１と凹部３３３とよりなるスライドレールが設けられ、下面端部には凸部３３０と凹部３３４よりなるスライドレールが設けられている。セルアセンブリ１００Ａの上部レールに、セルアセンブリ１００Ｂの下部スライドレールを係合することにより２個のセルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂよりなるバッテリ装置１０が形成される。

（２）電動工具本体の構成
次に、上述のバッテリ装置を用いたコードレス電動工具について、図５−１を参照して説明する。

前述のように、ＳＣＡＴを用いたコードレス電動工具は、その電流容量（Ａｈ）をユーザが選択できるものであるが、工具によっては所定値以上の電流容量のバッテリ装置を使用しないとバッテリ装置を損傷する恐れがある。例えばドライバドリルの場合、図２−２の先端工具３０が被加工物に噛み付いたときにモータ２０１に過大な電流が流れ、バッテリ装置１０の電流容量（Ａｈ）が小さいと電池に大きなダメージを与えることがある。このため、電動工具本体には、工具に必要な電流容量よりも小さい電流容量を持つバッテリが装着された場合には工具を動作させないようにする制御回路が設けられている。

図５−１に示す実施例は、電動工具本体２０に３個のセルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃよりなるバッテリ装置１０が装着される例を示している。バッテリ装置１０の放電正極端子ＤＣと負極端子ＣＯとの間に、モータ２５０とスイッチング用ＦＥＴ２５２が直列に接続されている。また正極端子ＤＣは、トリガスイッチ２５１及び抵抗２６２を介してスイッチング用ＦＥＴ２５２のゲート及びトランジスタ２５３のコレクタに接続されている。ＦＥＴ２５２のソースとトランジスタ２５３のエミッタは共通に接続されてアースされている。またトランジスタ２５３のベースは、制御回路２６１の出力端子に接続されている。

２５４は定電圧電源で、レギュレータ２５６とコンデンサ２５５及び２５７より構成されている。この定電圧電源２５４の出力電圧Ｖ０は制御回路２６１に供給される。

一方、セルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃには、図３に示したようにセル数を判別するための抵抗１１４Ａ，１１４Ｂ，１１４Ｃがそれぞれ接続されている。この抵抗１１４は、セルアセンブリ１００を構成するセル数に応じて異なる抵抗値を有する。従って、その抵抗値を検出すればセルアセンブリ１００を構成するセルの数を判別することができる。本実施例では、セル数が５個のときの抵抗１１４Ａ，１１４Ｂ，１１４Ｃの値をＲ１とする。

セルアセンブリ１００Ｃの検出端子ＳＴ１は、セルアセンブリ１００Ｂの検出端子ＳＴ２に接続され、セルアセンブリ１００Ｂの検出端子ＳＴ１，ＳＴ２は、それぞれセルアセンブリ１００Ａの検出端子ＳＴ２，ＳＴ３に接続されている。

従って、セルアセンブリ１００Ａの検出端子ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３にはそれぞれセル数判別抵抗１１４Ａ，１１４Ｂ，１１４Ｃが接続されたことになる。セルアセンブリ１００Ａの検出端子ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３は、それぞれプルアップ抵抗２５８，２５９，２６０を介して制御回路２６１の電源電圧端子Ｄに接続されると共に、入力端子Ａ，Ｂ，Ｃに接続されている。プルアップ抵抗２５８，２５９，２６０の値をそれぞれＲ２、定電圧電源２５４の出力電圧をＶ０、セル数判別抵抗１１４の抵抗をＲ１とすると、各端子Ａ，Ｂ，ＣにはＲ１／（Ｒ１＋Ｒ２）Ｖ０の電圧が印加される。また、セルアセンブリが接続されていない場合は、端子Ａ，Ｂ，Ｃに電圧Ｖ０が印加される。

今、Ｒ１を例えば１００Ω、Ｒ２を１０ｋΩ、Ｖ０を５Ｖとすると、セルアセンブリ１００が接続されている場合、入力端子（Ａ，Ｂ，Ｃ）には０Ｖに近い電圧が加わり、セルアセンブリ１００が接続されていない場合、入力端子（Ａ，Ｂ，Ｃ）には５Ｖに近い電圧が印加される。従って、５Ｖと０Ｖの中間のしきい値で端子Ａ，Ｂ，Ｃに印加される電圧を２値化すれば、接続されているセルアセンブリの数を２値信号として得ることができる。例えば高レベルを１（ハイ）、低レベルを０（ロー）とすると、（Ａ，Ｂ，Ｃ）が（０，１，１）のときはセルアセンブリが１個接続されていることを示し、（０，０，１）のときは２個、（０，０，０）のときは３個のセルアセンブリが接続されていることを制御回路２６１は認識することができる。制御回路２６１は、予め（Ａ，Ｂ，Ｃ）の値に応じて出力端子Ｅに出力信号を発生するように構成されている。例えば、（Ａ，Ｂ，Ｃ）が（０，０，０）及び（０，０，１）のときＥは０（ロー）で、（Ａ，Ｂ，Ｃ）が（０，１，１）及び（１，１，１）のときＥは１（ハイ）となるように予め設定される。

次に、図５−１に示した回路の動作を説明する。ユーザがトリガスイッチ２５１をオンにすると、バッテリ装置１０の正極性電圧がスイッチ２５１、抵抗２６２を介してスイッチング用ＦＥＴ２５２のゲートに印加されるため、該ＦＥＴ２５２はオンとなる。

一方、制御回路２６１は入力端子Ａ，Ｂ，Ｃに入る信号の大きさにより接続されているセルアセンブリ１００の数を検出する。そして工具２０に必要なセルアセンブリ１００の数が接続されていない場合は、出力端子Ｅから１の信号が出る。この信号によりトランジスタ２５３がオンとなる。この結果、スイッチング用ＦＥＴ２５２のゲート・ソース間が短絡され、ＦＥＴ２５２はオフになる。すなわち、制御回路２６１に予め設定された数より少ない数のセルアセンブリが接続された場合、工具２０は動作しないように制御される。

図５−２は、電動工具２０の断面図を示し、本体胴体部２０Ａにモータ２５０、減速機構２０２等が収容され、ハンドル部２０Ｂの一端にバッテリ装置１０が装着される。また、図５−３はバッテリ装置１０として２個のセルアセンブリ１００Ａ及び１００Ｂを装着した例を示す。

（３）充電器の構成
次に、本発明に係る充電器の構成を図６−１，６−２を参照して説明する。充電器５０は、本体５００と、電池収容部５０１とから構成される。電池収容部５０１には複数個のセルアセンブリ１００が収容できるように構成される。本実施例では２個のセルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂを収容できる例を示したが、２個以上の任意の数のセルアセンブリを収容できるように設計される。

電池収容部５０１の底面５０２には端子板５０３Ａ，５０３Ｂが設置されている。各端子板５０３Ａ，５０３Ｂにはそれぞれ図４−２に示した充電正極端子ＣＨ、充電負極端子ＣＯ及び信号端子ＬＳ，ＳＴ，ＬＥ，ＯＣと接触する各端子が設けられている。セルアセンブリの側面に充電端子ＣＨ，ＣＯを設け、これを収容部５０１の底面に形成された端子板５０３Ａ，５０３Ｂと接触させることにより充電器をコンパクトにすることができる。

図６−２は充電器５０の電気回路を示す。商用交流電源６０の電圧は整流平滑回路５１０で直流に変換された後、スイッチング素子５１１を介してトランス５１２に加えられる。スイッチング素子５１１のオン時間を制御することにより、トランス５１２の２次側巻線に現れる電圧の平均電圧の大きさを制御することができる。

トランス５１２の２次側巻線の電圧は、再び整流平滑回路５１３により直流に変換された後、セルアセンブリ１００Ａ及び１００Ｂの充電正極端子ＣＨ及び負極端子ＣＯに印加され、これらのアセンブリ１００Ａ，１００Ｂ内のセル群Ｃ１０，Ｃ２０を充電する。

セルアセンブリ１００Ａの充電電流と、セルアセンブリ１００Ｂの充電電流との和に相当する充電電流の大きさは、トランス５１２の２次側に接続された充電電流検出回路５１４により検出され、マイコン５３０に加えられる。

一方、セルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂのセル群Ｃ１０，Ｃ２０の端子電圧は、電池電圧検出回路５１５により検出され、マイコン５３０に加えられる。

また、セルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂのセル群Ｃ１０，Ｃ２０の温度を表す信号は端子ＬＳから電池温度検出回路に加えられ、その出力信号はマイコン５３０に加えられる。また、信号端子ＬＥに過電圧検出信号が現れると、マイコン５３０に印加されると同時に充電停止回路５２０に加えられる。充電停止回路５２０は過電圧検出信号に入るとスイッチング制御回路５３１に出力信号を送り、スイッチング素子５１１をオフ状態にする。

マイコン５３０には、補助電源回路５２５により生成された一定の電源電圧Ｖｃｃが印加されている。また、入力した各種の検出信号に基づいて、電流電圧設定回路５１８に設定電圧及び設定電流を指示する信号を送る。定電流制御回路５１６は設定回路５１８の設定電圧と、充電電流検出回路５１４からの充電電流を比較し、充電電流が設定電流に等しくなるようにスイッチング素子５１１のオン・オフを制御する。同様に、定電圧制御回路５１７は設定回路５１８の設定電圧と、電池電圧検出回路５１５からの電池電圧を比較し、電池電圧が設定電圧に等しくなるようにスイッチング素子５１１のオン・オフを制御する。

また、マイコン５３０は表示回路５２６に信号を送り、充電動作の表示をしたり、ファンモータ駆動回路５２１に信号を送り、ファンモータ５２２を駆動する。更にブザー駆動回路５２３に信号を送り、必要なブザー５２４を鳴らす。

次に、上述の充電器の制御フローを図６−３を参照して説明する。

まずステップＳ１０１において、セルアセンブリ１００Ａ，１００Ｂが充電器５０にセットされたか否かを判定する。セットされた場合は、ステップＳ１０２において、充電器５０に接続されたセルアセンブリの数を検出する。この方法はいろいろあるが、例えば検出回路５１９に２個のＬＳ端子から信号が入ったときはセルアセンブリの数を２個、１個のＬＳ端子から信号が入ったときは１個とする。

Ｓ１０３では、接続されたセルアセンブリ１００の数に応じて充電電流Ｉｃｒｇの設定を行う。例えば、接続されたセルアセンブリ１００の数が１個のときはＩ１、２個のときはＩ２に設定する。通常は、Ｉ２はＩ１の２倍の値に選定される。更にステップＳ１０４において、充電を終了するときの充電終止電流の設定を行う。ニカド電池やニッケル水素電池を充電する場合は、電池電圧や電池温度を検知し、その値から充電を終了するタイミングを決めるのが一般的であるが、リチウム電池を充電する場合は、充電電流を検出して、充電の終了タイミングを決定する。

ステップＳ１０５では、充電電圧の設定を行う。例えばセルアセンブリ１００の電圧が１８ＶのときはＶ１、セルアセンブリ１００の電圧が１４．４ＶのときはＶ２という値に設定される。

次にステップＳ１０６で充電を開始し、最初は定電流制御を行う（Ｓ１０７）。つまり、セルアセンブリ１００に流れる電流Ｉｏｕｔが一定の電流値Ｉｃｒｇになるように制御される。ステップＳ１０８でセルアセンブリ１００の充電電圧Ｖｏｕｔが予め設定した充電電圧Ｖｃｒｇに達したか否か判定され、その判定結果がＹＥＳとなった場合は、ステップＳ１０９で定電圧制御に切り換えられる。すなわち、リチウム電池を充電する場合は最初に定電流制御が行われ、所定電圧に充電された後は定電圧制御が行われる。定電圧制御に切り換えられた後、セルアセンブリ１００の充電電流Ｉｏｕｔが徐々に下がり、予め設定した充電終止電流Ｉｓｔに達したか否か判定され（Ｓ１１０）、判定結果がＹＥＳとなれば充電を終了する。

上記のように本発明充電装置においては、接続されるセルアセンブリの数に応じて異なる充電電流及び充電終止電流が設定される。

以上説明した本発明の実施例において、本発明の基本的な考え方を変更しない範囲で種々の変形をすることは容易であり、そのような変形も本発明に含まれる。例えば図３において過電流検出回路１０４は、スイッチング用ＦＥＴ１０２のソース・ドレイン間の電圧を検出するように構成したが、セル群Ｃ１０と直列に固定抵抗を接触し、この固定抵抗の両端の電圧を検出するように構成してもよい。またスイッチング用ＦＥＴ１０２は各セル群毎に設けることは必要であるが、セル容器の外部に設けてもよい。

本発明の概念を説明する説明図。 従来のコードレス電動工具の概観図。 従来のコードレス電動工具のモータ電流の説明図。 本発明充電装置により充電するバッテリ装置の一実施例を示す回路図。 本発明装置により充電するバッテリ装置を構成するセルアセンブリの一実施例を示す断面図。 本発明装置により充電するバッテリ装置を構成するセルアセンブリの側面図。 本発明装置により充電するバッテリ装置を構成するセルアセンブリ同士の接続部の断面図。 本発明装置により充電するバッテリ装置を構成するセルアセンブリの上面図。 本発明装置により充電するセルアセンブリを積み重ねたバッテリ装置の略図。 コードレス電動工具をバッテリ装置に接続したときの電気回路図。 セルアセンブリを１個装着したときのコードレス電動工具の断面図。 セルアセンブリを２個装着したときのコードレス電動工具の断面図。 本発明に係る充電装置の一実施例を示す断面図。 本発明に係る充電装置の電気回路図。 本発明に係る充電装置の制御フローを示すフローチャート。

符号の説明

１０：バッテリ装置、２０：コードレス電動工具、２０Ａ：胴体部、２０Ｂ：ハンドル部、３０：先端工具、２０１：モータ、２０２：減速機構、２０３：トリガスイッチ、
２０４：制御回路、２０５：スイッチング用ＦＥＴ、２０６：逆転スイッチ、
２５０：モータ、２５１：トリガスイッチ、２５２：スイッチング用ＦＥＴ、
２５３：トランジスタ、２５４：定電圧電源、２５５，２５７：コンデンサ、
２５６：レギュレータ、２５８，２５９，２６０：プルアップ抵抗、２６１：制御回路、２６２：抵抗、２７０Ａ，２７０Ｂ，２７０Ｃ：セル数検出抵抗、
ＳＴ１〜ＳＴ３：セルアセンブリ数検出端子、
１００Ａ，１００Ｂ、１００Ｃ：セルアセンブリ、１０１：スイッチング素子、
１０２：ＦＥＴ、１０３：ダイオード、１０４：過電流検出回路、
１０５，１０６：保護回路、１０７〜１１１：ダイオード、１１２：サーモスタット、
１１３：サーミスタ、１１４：セル数検出抵抗、Ｃ１０，Ｃ２０：セル群、
Ｃ１１〜Ｃ１５：リチウム電池、Ｃ２１〜Ｃ２５：リチウム電池、ＤＣ：放電正極端子、ＣＨ：充電正極端子、ＣＯ：共通負極端子、ＬＳ：温度信号検出端子、
ＳＴ：セル数信号検出端子、ＬＥ：過電圧検出端子、ＯＣ：過電流検出端子、
３０１：上部板、３０２：下部板、３０３，３０４：側板、３０５：端子板、
３０６：正極端子、３０７：負極端子、３０８：回路基板、３０９：支持部材、
３１０：充電端子基板、３２０Ａ，３２０Ｂ：第１係合部材、
３２２Ａ，３２２Ｂ：第２係合部材、３２３：支持部材、３２４Ａ，３２４Ｂ：金属板、３２５Ａ，３２５Ｂ：金属板、３２６：支持部材、３２７Ａ，３２７Ｂ：延在部、
３２８Ａ，３２８Ｂ：穴部、３３０，３３１：凸部、３３３，３３４：凹部、
５０：充電器、６０：商用電源、５１０：第１整流平滑回路、５１１：スイッチング素子、５１２：トランス、５１３：第２整流平滑回路、５１４：充電電流検出回路、
５１５：電池電圧検出回路、５１６：定電流制御回路、５１７：定電圧制御回路、
５１８：電流／電圧設定回路、５１９：電池温度検出回路、５２０：充電停止回路、
５２１：ファンモータ駆動回路、５２２：ファンモータ、５２３：ブザー駆動回路、
５２４：ブザー、５２５：補助電源回路、５２６：表示回路、５３０：マイコン、
５３１：スイッチング制御回路

Claims (7)

1. 交流電源からの電圧を断続するスイッチング素子と、該スイッチング素子により断続された電圧を整流、平滑する手段と、平滑化された電圧をバッテリ装置に印加する端子板とを備えた充電装置において、
   前記バッテリ装置は、複数の電池セルを直列に接続したセルアセンブリを複数個有し、
   各セルアセンブリは、それぞれ積み重ねができるように係合部を有すると共に、積み重ねたときに各セルアセンブリが電気的に接続されて、バッテリ装置の放電端子に接続されるように構成され、
   前記充電装置は複数個のセルアセンブリを積み重ねたバッテリ装置を収納する電池収納部を有し、
   複数個のセルアセンブリを積み重ねた状態でバッテリ装置を前記電池収納部に収納したときに、各セルアセンブリの充電端子が前記端子板に接続されるように構成したことを特徴とする充電装置。
2. 請求項１において、各セルアセンブリから、該セルアセンブリの温度に相当する電気信号を取り出し、該電気信号に応じて前記スイッチング素子の断続動作を制御する制御手段を備えたことを特徴とする充電装置。
3. 請求項１において、各セルアセンブリから、該セルアセンブリのセル電圧を示す信号を取り出し、該電気信号に応答して前記スイッチング素子の断続動作を制御する制御手段を備えたことを特徴とする充電装置。
4. 請求項１において、前記第１及び第２の端子板を、前記電池収納部の底面に形成したことを特徴とする充電装置。
5. 請求項１において、前記電池収納部は２個以上の任意の数のセルアセンブリを収容するように構成されたことを特徴とする充電装置。
6. 請求項１において、複数個のセルアセンブリを積み重ねて構成されたバッテリ装置の前記放電端子と前記充電端子とはバッテリ装置の異なる面に形成されていることを特徴とする充電装置。
7. 請求項６において、前記セルアセンブリは直方体形状を有し、前記充電端子は前記直方体形状の最も面積の小さい面に形成されていることを特徴とする充電装置。

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