JP6548044B2 - 電動工具システム - Google Patents

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Description

本発明は、電池パックと接続可能な電動工具に関する。
従来から、電池パックの電力を用いてモータを駆動させて所定の作業を行う電動工具が広く使用されている。このような電動工具において、定格放電電流、定格温度等が互いに異なる複数種類の電池パック、すなわち、電池種の異なる電池パックと接続可能であり、且つ、電池パックの温度を検出して当該温度が所定温度を超えた場合に電池パックの放電を停止する放電制御を行う電動工具が知られている(特許文献1)。
特開2003−157905号公報
しかしながら、上述の電動工具において、接続可能な全ての電池パックの劣化、故障を抑制するため、放電を停止させるための所定温度を、接続可能な全ての電池パックの定格温度の中で最も低い温度を基準として設定した場合であって、接続可能な電池パックの中で定格温度が比較的高い電池パックが接続された場合には、放電を停止させる必要がない温度で放電を停止してしまい、当該電池パックの本来の性能を十分に発揮させることができず、適切な放電制御をすることができない。また仮に、上述の電動工具において、定格温度が比較的高い電池パックの性能を十分に発揮させるために、定格温度が比較的高い電池パックを基準に放電を停止させる所定温度を設定した場合には、定格温度が比較的低い電池パックに対して適切な保護がなされず適切な放電制御を行うことができない。このように、特許文献1に記載の電動工具においては、電池種の異なる電池パックのそれぞれに対して適切な放電制御を行うことができないという問題があった。
そこで本発明は、電池種の異なる電池パックのそれぞれに対して適切な放電制御を行うことができる電動工具を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、第1電池パックと、該第1電池パックよりも容量が小さい第2電池パックと、の一方が選択的に着脱可能な電池接続部と、該第1電池パック及び該第2電池パックのうちの該電池接続部に接続された一の電池パックの電力によって駆動するモータと、該接続された一の電池パックから該モータに流れる放電電流を検出する電流検出手段と、該放電電流が電流閾値以上になった場合に該放電電流を遮断する遮断制御手段と、該接続された一の電池パックの電池種を判別する電池種判別手段と、を備え、該放電電流は、該接続された一の電池パックから放電停止信号が出力された場合も遮断され、該第2電池パックが接続された場合の該電流閾値は、該第1電池パックが接続された場合の該電流閾値より小さいことを特徴とする電動工具を提供する。
このような構成によると、接続された電池パックの電池種(電池セルの接続形態)に応じて放電電流を制限することができるため、それぞれの電池パックを適切に保護し、且つ、それぞれの電池パックの性能を十分に発揮させることができる。
上記課題を解決するために本発明は、第1電池パックと、該第1電池パックよりも容量が小さい第2電池パックと、の一方が選択的に着脱可能な電池接続部と、該第1電池パック及び該第2電池パックのうちの該電池接続部に接続された一の電池パックの電力によって駆動するモータと、該接続された一の電池パックから該モータに流れる放電電流を検出する電流検出手段と、該放電電流が電流閾値以上になった場合に該放電電流を遮断する遮断制御手段と、を備え、該第2電池パックが該電池接続部に接続された場合の該電流閾値は、該第1電池パックが該電池接続部に接続された場合の該電流閾値より小さいことを特徴とする電動工具を提供する。
上記課題を解決するために本発明は、電池パックと、該電池パックが着脱可能な電池接続部を有する電動工具と、を備えた電動工具システムであって、該電池パックは、電池セルと、該電池セルの電圧を監視して放電停止信号を出力する保護手段と、を備え、該電動工具は、該電池接続部に接続された該電池パックの電力によって駆動するモータと、該接続された該電池パックから該モータに流れる放電電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出した該放電電流が電流閾値以上になった場合に該放電電流を遮断する遮断制御手段と、を備え、該電池接続部は、該電池パックとして第1電池パックと該第1電池パックよりも容量が小さい第2電池パックの一方が選択的に着脱可能であり、該第2電池パックが該電池接続部に接続された場合の該電流閾値は、該第1電池パックが該電池接続部に接続された場合の該電流閾値より小さくなるよう構成され、該遮断制御手段は、該放電電流が該電流閾値未満の場合でも、該電池接続部に接続された該電池パックの電圧が電圧閾値未満で、且つ、該放電停止信号が入力されている場合に該放電電流を遮断するように構成したことを特徴とする電動工具システムを提供する。
上記構成において、該放電電流が該電流閾値以上になった場合に、所定経過後に該放電電流を遮断するように構成され、該放電電流が大きい程、該所定時間は短いことが好ましい。
このような構成によると、より大きい放電電流が流れている場合には、より短い期間で放電電流を遮断することができる。これにより、電池パックの劣化又は故障を適切に抑制することができ、且つ、過電流閾値を僅かに超える程度の放電電流は過電流閾値を大幅に超える放電電流よりも長い期間流せるため、作業効率を向上させることができる。
また、該電池接続部に接続された一の電池パックの電池温度を検出する電池温度検出手段を更に備え、該電池温度が温度閾値以上である場合、該放電電流を遮断するように構成され、該第2電池パックの該温度閾値は、該第1電池パックの該温度閾値より小さいことが好ましい。
このような構成によると、電池温度に基づいて放電電流を遮断することができる。このため、より電池パックの劣化又は故障を抑制することができる。また、上記構成において、該電流閾値及び該温度閾値の少なくとも一方は、該接続された一の電池パックの容量に応じて異なることが好ましい。さらに、上記構成において該第1電池パックは複数の電池セルを並列に接続して構成され、該第2電池パックは単数又は複数の電池セルを直列に接続して構成されることが好ましい。
上記課題を解決するために本発明はさらに、電池パックが着脱可能な電池接続部と、該電池パックの電力によって駆動するモータと、該電池パックから該モータに流れる放電電流を検出する電流検出手段と、該電池パックの電池温度を検出する電池温度検出手段と、該放電電流に関する所定条件が満たされた場合に該放電電流を遮断する遮断制御手段と、該電池接続部に接続された該電池パックの電池種を判別する電池種判別手段と、を備え、該放電電流は、該電池パックから放電停止信号が出力された場合も遮断され、該所定条件は、該電池種に応じて変更され、該電池温度が温度閾値以上である場合に該放電電流を遮断すると共に、該電池温度が該温度閾値未満の場合には、放電電流の大きさに応じて放電許容時間を変更することを特徴とする電動工具を提供する。
上記構成において、該放電電流が大きい程、放電許容時間を短くすることが好ましい。
また、上記課題を解決するために本発明は、電池パックが着脱可能な電池接続部と、該電池パックの電力によって駆動するモータと、該電池パックから該モータに流れる放電電流を検出する電流検出手段と、該放電電流に関する所定条件が満たされた場合に該放電電流を遮断する遮断制御手段と、該電池接続部に接続された該電池パックの電池種を判別する電池種判別手段と、を備え、該放電電流は、該電池パックから放電停止信号が出力された場合も遮断され、該所定条件は、該電池種に応じて変更されることを特徴とする電動工具を提供する。
このような構成によると、接続された電池パックの電池種に応じて放電電流に関する所定条件を変更し、当該電池種に応じた放電電流に関する所定条件を用いて放電電流を遮断することができる。このため、電池種の異なる電池パックのそれぞれに対して適切な放電電流に関する所定条件を設定することができ、それぞれの電池パックを適切に保護し、且つ、それぞれの電池パックの性能を十分に発揮させることができる。すなわち、電池種の異なる電池パックのそれぞれに対して適切な放電制御を行うことができる。
上記構成において、該電池パックの電池温度を検出する電池温度検出手段を更に備え、該遮断制御手段は、該電池温度が温度閾値以上である場合、該所定条件が満たされているか否かにかかわらず該放電電流を遮断することが好ましい。
このような構成によると、電池パックの劣化又は故障に多大な影響を与える電池温度が温度閾値以上になった場合、所定条件が満たされているか否かにかかわらず放電電流を遮断することができる。このため、より電池パックの劣化又は故障を抑制することができる。
また、該所定条件は、該放電電流が過電流閾値以上である状態が所定期間継続した場合に満たされることが好ましい。
このような構成によると、放電電流が過電流閾値以上である状態となり、且つ、当該状態が所定期間継続した場合に、放電電流が遮断される。したがって、所定期間を適切に定めることにより、放電電流が一瞬だけ過電流閾値以上となった場合(モータ起動時)等に、放電電流を遮断せず放電を継続、すなわち、作業を継続することができ、作業効率を向上させることができる。
また該所定期間は、該放電電流が該過電流閾値以上である第1電流値である場合に第1期間であり、該放電電流が該第1電流値よりも大きい第2電流値である場合には該第1期間よりも短い第2期間であることが好ましい。
このような構成によると、過電流閾値以上の放電電流が流れている状態において、より大きい放電電流が流れている場合には、より短い期間で放電電流を遮断することができる。これにより、過電流閾値を大幅に超える放電電流は短い期間で遮断され、電池パックの劣化又は故障を適切に抑制することができ、且つ、過電流閾値を僅かに超える程度の放電電流は過電流閾値を大幅に超える放電電流よりも長い期間流せるため、作業効率を向上させることができる。また、上記構成において、該過電流閾値は、該電池パックの容量に応じて異なることが好ましい。
また、該遮断制御手段を収容する収容ケースを更に備え、該遮断制御手段は、リード線を介して該電池パックと接続され、該収容ケースは、該リード線を保持するリブ部を有することが好ましい。
このような構成によると、遮断制御手段と電池パックとを接続するリード線が収容ケースに保持されるため、振動によるリード線の断線を抑制でき、且つ、組立性を向上させることができる。
また、該第1電池パック及び該第2電池パックは、それぞれリチウム二次電池を有することが好ましい。
本発明によれば、電池種の異なる電池パックのそれぞれに対して適切な放電制御が可能な電動工具を提供することができる。
本発明の実施の形態による電動工具、及び、電動工具に接続された電池パックの電気的構成を示すブロック図を含む回路図である。 本発明の実施の形態による電動工具における電池種判別テーブルである。 本発明の実施の形態による電動工具における遮断条件テーブルである。 本発明の実施の形態による電動工具の制御部による放電制御を示すフローチャート。 本発明の実施の形態の変形例による電動工具の後部を示す部分断面側面図である。 本発明の実施の形態の変形例による電動工具の制御ユニットを示す左側面図である。 本発明の実施の形態の変形例による電動工具の制御ユニットを示す背面図である。 本発明の実施の形態の変形例による電動工具における回路基板ケースの右リブ部を示す図7の部分拡大図である。
以下、図1乃至図4に基づいて本発明の実施の形態による電動工具1について説明する。電動工具1は、ディスクグラインダ等に代表される図示せぬ出力部に取付けられた先端工具が回転する電動式の工具である。電動工具1は、電池パック2が着脱可能に構成されており、電池パック2を電源としてモータ11が回転駆動し、図示せぬ出力部が回転することで、図示せぬ先端工具が回転し作業可能となる。また電動工具1は、電池パック2以外の種類の電池パック、言い換えれば、電池パック2とは電池種の異なる電池パックをも接続可能である。電池種については後述する。図1は、電動工具1及び電池パック2の電気的構成を示すブロック図を含む回路図であり、電動工具1と電池パック2とが接続された状態を示している。
以下の説明において、具体的な数値に言及した場合、例えば、時間について「5s」等のように言及した場合、当該数値と完全に一致する場合だけでなく、当該数値と略同一である場合も含むものとする。また、位置関係等に言及した場合、例えば、平行、直交、反対等のように言及した場合、完全に平行、直交、反対等である場合だけでなく、略平行、略直交、略反対等である場合を含むものとする。
最初に電動工具1の駆動電源となる電池パック2について説明する。図1に示されているように電池パック2は、電池組21と、電池側端子部22と、保護IC23とを主に備えている。また電池パック2は、図示せぬケーシングを備えており、当該ケーシングには電動工具1と接続可能な工具接続部が形成されている。
電池組21は、電池セル21Aを直列に4セル接続した組であり、電池パック2の図示せぬケーシングに収容されている。電池組21の中で最も電位の高い電池セル21Aのプラス端子は、電池側端子部22に接続されている。電池組21の中で最も低い電池セル21Aのマイナス端子は、シャント抵抗24を介してグランド及び電池側端子部22に接続されている。また、それぞれの電池セル21Aのプラス端子及びマイナス端子は、保護IC23に接続されており、保護IC23によって4セル全ての電圧が個別に監視されている。本実施の形態において、電池セル21Aは、リチウム二次電池であり、定格電圧は3.6Vである。また電池パックの電池種は、種別Cである。
ここで、電池パックの電池種について説明する。電池種とは、電池パックの分類であり、電池パックが内蔵している電池組の特性をもって分類される。また電池組の特性とは、電池組全体で見た場合の定格電圧、定格放電電流、定格温度、定格電圧に基づく過放電閾値、定格放電電流に基づく過電流閾値、定格温度に基づく許容最高温度等などの充放電制御において考慮すべき電池組全体が有する特性である。したがって、電池種が異なれば当該特性、すなわち過電流閾値、許容最高温度なども異なり、電池種が同一であれば当該特性も同一である。また電池種が判明すれば、当該特性が判明する。
具体的には、電池組が備えている電池セルのセル数、接続構成すなわち並列接続の数及び直列接続の数、1セル当りの定格電圧、定格放電電流、許容最高温度等が異なるものは、電池種が異なる。例えば、1セル当たりの定格電圧が同一で且つ電池組が当該電池セルを6個有する場合であっても、当該電池セルを3セル直列に接続し並列接続されていない構成の電池組を有する電池パック(1パラ)と、当該電池セルを3セル直列に接続した組を2組並列に接続した構成の電池組を有する電池パック(2パラ)と、当該電池セルを2セル直列に接続した組を3組並列に接続した構成の電池組を有する電池パック(3パラ)と、当該電池セルを6セル直列に接続した構成の電池組を有する電池パックとは、互いに電池組全体における定格電圧、定格放電電流等の特性が異なるため、電池種が異なる。また、電池セルの大きさが異なる場合も電池種が異なり、例えば並列接続する電池セルの数(パラ数)や電池セルの大きさの違いによって電池パックの容量が異なる場合も電池種が異なる。
電池側端子部22は、図示せぬケーシングの接続部に設けられており、放電プラス端子22Aと、放電マイナス端子22Bと、温度信号端子22Cと、停止信号端子22Dと、電池種判別端子22Eとを備えている。電動工具1に電池パック2が接続された場合、放電プラス端子22A、放電マイナス端子22B、温度信号端子22C、停止信号端子22D、電池種判別端子22Eの5つの端子が電動工具1に設けられた所定の端子部と接続される。
放電プラス端子22Aは、電池組21の中で最も電位の高い電池セル21Aのプラス端子と接続されている。放電プラス端子22Aは、電池パック2が電動工具1に接続された場合、電動工具1に設けられた放電電流を流すための放電路に接続される放電用の端子である。放電時、電池組21(電池セル21A)の電力は、放電プラス端子22Aを介して電動工具1に供給される。
放電マイナス端子22Bは、電池組21の中で最も電位の低い電池セル21Aのマイナス端子にシャント抵抗24を介して接続されており、且つグランドに接続されている。放電マイナス端子22Bは、電池パック2が電動工具1に接続された場合、電動工具1の放電路に接続される。シャント抵抗24は、充放電時に電池組21を流れる電流を検出するために用いられる抵抗であり、その両端は保護IC23に接続されている。
温度信号端子22Cは、電池セル21Aの近傍に配置されたサーミスタ25を介してグランドに接続されている。温度信号端子22Cは、サーミスタ25の抵抗値が変化する特性を利用して、電池パック2の電池温度(電池組21の温度)を示す電池温度信号を電動工具1に出力する。
停止信号端子22Dは、保護IC23に接続されており、保護IC23が出力する放電停止信号を電動工具1に出力する。
電池種判別端子22Eは、電池種判別抵抗26を介してグランドに接続されている。電池種判別抵抗26は、電池種毎に決められた固有の抵抗値を有している。電池パック2が電動工具1に接続された場合に、電動工具1は電池種判別抵抗26の抵抗値を読取り、電池パック2の電池種を判別する。電動工具1による電池種の判別の詳細については後述する。
保護IC23は、電池組21を構成する電池セル21Aのそれぞれの電圧を個別に監視するICである。保護IC23は、過放電状態であると判断される電池セル21Aが一つでも存在した場合、放電停止信号を停止信号端子22Dから電動工具1に出力する。また保護IC23は、シャント抵抗24の電圧降下の値を取込み、当該電圧降下の値から電流の値を算出する。
次に、電動工具1について説明する。図1に示されているように電動工具1は、モータ11と、工具側端子部12と、FET13と、制御部14とを主に備えている。また電動工具1は、図示せぬハウジングを備えている。
モータ11は、図示せぬハウジングに収容されており、スイッチ15を介して工具側端子部12に接続されている。モータ11は、工具側端子部12を介して供給される電池パック2の電力によって駆動する。スイッチ15は、ユーザによって操作されるスライド式のスイッチであり、オン状態において工具側端子部12とモータ11とを接続状態とし、オフ状態において非接続状態とする。すなわち、スイッチ15はオン状態でモータ11に電池パック2からの放電電流が流れることを許容し、オフ状態で当該放電電流を遮断する。
工具側端子部12は、図示せぬハウジングに形成された電池パック2が着脱可能な電池装着部に形成されており、プラス端子12Aと、マイナス端子12Bと、温度端子12Cと、信号端子12Dと、判別端子12Eとを備えている。
プラス端子12Aは、電動工具1に電池パック2が接続された状態で、電池パック2の放電プラス端子22Aと接続される端子である。またプラス端子12Aは、スイッチ15を介してモータ11及び制御部14と接続されている。電池装着部及び工具側端子部12は、本発明の電池接続部の一例である。
マイナス端子12Bは、電池パック2の放電プラス端子22Bと接続される端子であり、シャント抵抗16及びFET13を介してモータ11に接続されている。シャント抵抗16は、モータ11を流れる放電電流を検出するための抵抗であり、その一端は制御部14に接続されている。制御部14は、シャント抵抗16の電圧降下の値を取込み、当該電圧降下の値から放電電流の値を算出する。シャント抵抗16及び制御部14は、本発明の電流検出手段として機能する。
また、プラス端子12A及びマイナス端子12Bが電池パック2の放電プラス端子22A及び放電マイナス端子22Bにそれぞれ接続されることで、電池組21とモータ11とを接続し且つモータ11に放電電流を流す放電路が形成される。
温度端子12Cは、電池パック2の温度信号端子22Cと接続される端子である。また温度端子12Cは、分圧抵抗17を介して基準電圧Vccに接続されている。温度端子12Cと電池パック2の温度信号端子22Cとが接続された状態では、基準電圧Vccと電池パック2のグランドとが分圧抵抗17及びサーミスタ25を介して接続された状態となる。当該状態において基準電圧Vccは、分圧抵抗17及びサーミスタ25によって分圧され、分圧電圧は分圧抵抗17と温度端子12Cとの間の接続点すなわち分圧点17aに現れる。分圧点17aに現れた分圧電圧は、分圧点17aに接続されている制御部14に電池温度信号として出力される。制御部14は分圧点17aの分圧電圧すなわち電池温度信号に基づいて電池パック2の電池温度を算出する。なお、本実施の形態において基準電圧Vccは5Vであり、分圧抵抗17の抵抗値は10kΩである。温度端子12C及び制御部14は、本発明の電池温度検出手段として機能する。
信号端子12Dは、電池パック2の停止信号端子22Dと接続される端子である。また信号端子12Dは制御部14に接続されている。電池パック2の保護IC23が放電停止信号を出力した場合、放電停止信号は信号端子12D及び電池パック2の停止信号端子22Dを介して制御部14に入力される。
判別端子12Eは、電池パック2の電池種判別端子22Eと接続される端子である。また判別端子12Eは、分圧抵抗18を介して基準電圧Vccに接続されている。判別端子12Eと電池パック2の電池種判別端子22Eとが接続された状態では、基準電圧Vccと電池パック2のグランドとが分圧抵抗18及び電池種判別抵抗26を介して接続された状態となる。当該状態において基準電圧Vccは、分圧抵抗18及び電池種判別抵抗26によって分圧され、分圧電圧は分圧抵抗18と判別端子12Eとの間の接続点すなわち分圧点18aに現れる。分圧点18aに現れた分圧電圧は、電池パック2の電池種を判別するための電池種判別電圧であり、当該電池種分圧電圧は分圧点18aに接続されている制御部14に出力される。制御部14は、分圧点18aの分圧電圧すなわち電池種判別電圧に基づいて電池種判別抵抗26の抵抗値を読取ることで、電池パック2の電池種を判別する。電池パック2の電池出と電池種判別抵抗26の抵抗値と分圧点18aの分圧電圧との関係の詳細については後述する。なお、本実施の形態において分圧抵抗18の抵抗値は、10kΩである。判別端子12E及び制御部14は、本発明の電池種判別手段として機能する。
FET13は、P型チャネルの電界効果トランジスタであり、そのドレインはモータ11に接続され、ソースはシャント抵抗16を介してマイナス端子12Bに接続され、ゲートは制御部14に接続されている。FET13は、そのゲートに制御部14から電圧信号(ハイ信号)が出力されている期間はオン状態となり、当該電圧信号が出力されていない期間はオフ状態となる。すなわち、FET13及びスイッチ15がそれぞれオン状態である場合に、モータ11に放電電流が流れ駆動し、いずれか一方でもオフ状態となった場合には、モータ11に放電電流は流れず駆動を停止する。制御部14は、FET13のオフ状態とすることでモータ11に流れる放電電流を遮断することができる。
制御部14は、放電制御に用いる放電制御プログラム、各種データに基づいて演算を行う図示せぬ中央処理装置(CPU)を有する演算部と、当該放電制御プログラム、各種データ、各種閾値等を記憶するための図示せぬROM及びデータを一時記憶するための図示せぬRAMを有する記憶部と、時間を計測するタイマとを主に備えている。なお、本実施の形態において、制御部14はマイコンである。
次に、図2乃至図4に基づいて制御部14による放電制御について説明する。制御部14は、放電制御プログラムに従って、接続された電池パックの電池種を判別し、判別された電池パックの電池種に最も適した遮断条件を設定し、遮断条件を満たした場合に放電電流を遮断して電池パックを保護する放電制御を行う。図2及び図3は、制御部14の記憶部に予め記憶された電池種判別テーブル及び遮断条件テーブルであり、図4は放電制御プログラムに基づいて行われる放電制御を示すフローチャートである。制御部14は、本発明の遮断制御手段として機能する。
なお、遮断条件とは、放電電流を遮断すべき状態であるか否かを判定するための条件であり、電池パックの特性すなわち定格放電電流、定格温度等と密接に関係しており、電池種が異なれば遮断条件も異なる。また放電電流を遮断すべき状態とは、当該状態が継続すると電池パックの電池組(電池セル)が急激に劣化する虞が大きい状態であり、放電電流を遮断して作業効率よりも電池パックの保護を優先させるべき状態である。
ここで、制御部14による電池種の判別について説明する。制御部14は、電池種判別電圧を検出し、記憶部のROMに記憶された図2の電池種判別テーブルを参照することで、電池種の判別を行う。図2の電池種判別テーブルは、電池種と、電池種毎に固有の値を持つ電池種判別抵抗の抵抗値と、当該電池種判別抵抗と分圧抵抗18とで基準電圧Vccを分圧した場合の分圧点18aに現れる電池種判別電圧と、制御部14が電池種を判別するための電圧範囲との関係を示している。
例えば、図2に示されているように電池パックの電池種が種別Aである場合、当該電池パックは抵抗値1kΩの電池種判別抵抗を有している。種別Aの電池パックが電動工具1に接続された場合、基準電圧Vcc(5V)は抵抗値1kΩの電池種判別抵抗と抵抗値10kΩの分圧抵抗18とにより分圧され、制御部14に出力される電池種判別電圧は理論上、0.5Vである。
また制御部14は、入力された電池種判別電圧が0〜1.0Vの電圧範囲にある場合、電池種が種別Aであると判別する。このように制御部14は、出力される電池種判別電圧の誤差を考慮して所定の電圧範囲をもって電池種を判別する。電圧範囲は、理論上出力される電池種判別電圧(種別Aであれば0.5V)を基準として±0.5Vの範囲に設定されている。電池種判別電圧に誤差が生じる理由としては、電池種判別抵抗の抵抗値の個体によるバラつき、気温等に起因する分圧抵抗18及び電池種判別抵抗の抵抗値の変動、基準電圧Vccの電圧変動等が挙げられる。
なお、図2に示されているように、電動工具1に接続された電池パックの電池種が種別Bである場合は、電池種判別抵抗は4.3kΩ、電池種判別電圧は理論上1.5Vであり、制御部14が種別Bを判別するために用いる電圧範囲は1.0V〜2.0Vである。電池種が種別Cである場合は、電池種判別抵抗は10kΩ、電池種判別電圧は理論上2.5Vであり、制御部14が種別Cを判別するために用いる電圧範囲は2.0V〜3.0Vである。電池種が種別Dである場合は、電池種判別抵抗は24kΩ、電池種判別電圧は理論上3.5Vであり、制御部14が種別Dを判別するために用いる電圧範囲は3.0V〜4.0Vである。電池種が種別Eである場合は、電池種判別抵抗は91kΩ、電池種判別電圧は理論上4.5Vであり、制御部14が種別Eを判別するために用いる電圧範囲は4.0V〜5.0Vである。
次に制御部14による遮断条件に設定について説明する。制御部14は、判別した電池パック2の電池種に応じて遮断条件を設定する。具体的には、制御部14は、記憶部のROMに記憶された図3の遮断条件テーブルを参照することで、判別した電池種に適した遮断条件を設定する。
図3の遮断条件テーブルは、電池種毎に定められた遮断条件を示している。図3に示されているように、遮断条件は、電池種毎に異なり、電池種毎にその特性を考慮して定められている。また遮断条件は、電池温度に関する遮断条件と、放電電流に関する遮断条件とを含んでいる。
まず、電池温度に関する遮断条件について説明する。図3に示されているように、種別A〜Eの電池パックのそれぞれに対して、異なった温度閾値が設けられており、電池温度が当該温度閾値以上となった場合に遮断条件を満たす。例えば、電池パックの電池種が種別Cである場合、電池温度に関する遮断条件は70℃以上(温度閾値は70℃)である。言い換えれば、電池温度が70℃以上となった場合は、放電電流の如何にかかわらず遮断条件を満たす。なお、種別Aの電池温度に関する遮断条件は100℃以上(温度閾値100℃)、種別Bでは80℃以上(温度閾値80℃)、種別Dでは60℃以上(温度閾値60℃)、種別Eでは50℃以上(温度閾値50℃)であり、定められた温度閾値の高さは種別A、B、C、D、Eの順で徐々に低くなっている。これは、種別Aの定格温度が最も高く、次いで種別B、C、D、Eの順で定格温度が徐々に低くなっているからである。ここで、種別A〜Eは電池パックの容量が異なっており、容量はA>B>C>D>Eの関係となっている。容量は電池セルの大きさの違いや、電池セルの接続方式によって異なり、並列に接続される電池セルの数が増えると容量が大きくなる。例えば、容量の小さい(例えば1パラ)の電池パック(電池種C)の温度閾値は、容量の大きい(例えば2パラ)の電池パック(電池種A)の温度閾値よりも小さい値に設定されている。これにより、例えば、グラインダのように連続作業を行う工具の場合、2パラの電池パックよりも各電池セルにかかる負荷が大きい1パラの電池パックの使用を制限する(温度閾値を小さくする)ことで、電池パックの劣化を抑制することができる。
次に、放電電流に関する遮断条件を説明する。図3に示されているように、種別A〜Eの電池パックにそれぞれに対して、異なった放電電流に関する遮断条件が定められている。放電電流に関する遮断条件は、単純に過電流閾値以上の放電電流すなわち過電流が流れているか否かではなく、過電流の程度及び過電流が継続して流れている期間(過電流継続期間)の2つの要素によって定められている。図3に示されている10s、3s、0.1sは、過電流の程度に応じて定められた許容される過電流継続期間(放電許容時間又は所定時間)を示しており、過電流の程度に応じて定められた許容される過電流継続期間を経過した場合に遮断条件が満たされる。容量の小さい(例えば1パラ)の電池パック(電池種C)の過電流閾値は、容量の大きい(例えば2パラ)の電池パック(電池種A)の過電流閾値よりも小さい値に設定されている。これにより、例えば、グラインダのように連続作業を行う工具の場合、2パラの電池パックよりも各電池セルにかかる負荷が大きい1パラの電池パックの使用を制限する(過電流閾値を小さくする)ことで、電池パックの劣化を抑制することができる。放電電流に関する遮断条件は、本発明における放電電流に関する所定条件の一例である。また、許容される過電流継続期間は、本発明の所定期間の一例である。
また、図3に示されているように、種別A〜Eのすべての電池種において過電流の程度は、3段階に分類されており、過電流の程度が高くなるに従って、許容される過電流継続期間が短くなっている。これは、過電流の程度が高く且つ過電流継続期間が長い程、電池パックの劣化又は故障の虞がより大きくなるからである。例えば、電池パックの電池種が種別Dである場合、比較的程度の低い過電流である20A以上40A未満では許容される過電流継続期間は10sであり、中程度の過電流である40A以上60A未満では許容される過電流継続期間は3sであり、比較的程度の高い過電流である60A以上では許容される過電流継続期間は0.1sである。なお、電池種A、B、C、Eに対する放電電流に関する遮断条件は、図3の遮断条件テーブルに示されたとおりである。種別Dにおいて、20A以上40A未満の電流値は本発明の第1電流値の一例、40A以上60A未満の電流値は本発明の第1電流値及び第2電流値の一例、60A以上の電流値は本発明の第2電流値の一例である。また種別Dにおいて、10sは本発明の第1期間の一例、3sは本発明の第1期間及び第2期間の一例、0.1sは本発明の第2期間の一例である。
また過電流閾値は、種別Aが70A、種別Bが50A、種別Cが30A、種別Dが20A、種別Eが10Aに定められており、定められた過電流閾値の大きさは、種別A、B、C、D、Eの順で徐々に低くなっている。これは、種別Aの定格放電電流が最も大きく、次いで種別B、C、D、Eの順で定格放電電流が徐々に小さくなっているからである。なお、種別A及びBの電池パックにおける電池組は直列に接続した電池セルを2組並列に接続した構成の電池組を有している。
次に、制御部14による放電制御の設定について図4のフローチャートを参照しながら説明する。
ステップ201において、電動工具1に電池パック2を接続した状態でユーザがスイッチ15を操作し、スイッチ15をオン状態とすると、制御部14による放電制御が開始される。このとき、電動工具1において基準電圧Vccが発生する。基準電圧Vccが発生すると、分圧抵抗18と電池パック2の電池種判別抵抗26とにより基準電圧Vccが分圧され、分圧点18aに電池種判別電圧が現れる。本実施の形態においては、電池パック2の電池種は種別Cであり、電池種判別抵抗26の抵抗値は10kΩであるため、電池種判別電圧は、2.5Vである。
次にステップ202において、制御部14は、分圧点18aに現れた電池種判別電圧を検出する。電池種判別電圧を検出した後、ステップ203において、制御部14は図2の電池種判別テーブルに基づいて電池種(例えば電池パックの容量)を判別する。本実施の形態において、制御部14は電池種判別電圧が2.0V〜3.0Vの電圧範囲内であると判断し、電池パック2の電池種は種別Cであると判別する。
電動工具1に接続された電池パック2の電池種を判別した後は、ステップ204において判別した電池パック2の電池種に応じて遮断条件を設定する。本実施の形態において、制御部14は、記憶部のROMに記憶された図4の遮断条件テーブルを参照して種別Cの電池パックに用いられる遮断条件を設定する。
遮断条件を設定した後は、ステップ205においてモータ11の駆動を開始する。モータ11の駆動は、制御部14がFET13のゲートにハイ信号を出力し、FET13をオン状態とし、当該ハイ信号を継続的に出力することでFET13をオン状態に維持することで行われる。
モータ11の駆動が開始された後は、ステップ206において放電電流及び電池温度を検出する。放電電流の検出は、シャント抵抗16を用いて行われ、シャント抵抗16の電圧降下の値から放電電流の電流値を算出する。また電池温度の検出は、分圧点17aの分圧電圧すなわち電池温度信号を用いて行われる。
放電電流及び電池温度が検出された後は、設定された遮断条件を満たすか否かを判定する。本実施の形態においては、電池パック2の電池種は種別C(容量の小さい1パラの電池パック)であるため、電池温度が70℃以上である場合、電池温度が70℃未満で且つ30A以上60A未満の放電電流(過電流)が10s以上継続して流れた場合、電池温度が70℃未満で且つ60A以上80A未満の放電電流(過電流)が3s以上継続して流れた場合、電池温度が70℃未満で且つ80A以上の放電電流(過電流)が0.1s以上継続して流れた場合の4つの場合に遮断条件を満たす。
ステップ207において遮断条件を満たすと判断した場合(ステップ207のYes)、ステップ211で放電電流を遮断してモータ11を停止させる。放電電流の遮断及びモータ11の停止は、制御部14がFET13に出力していたハイ信号を停止する、言い換えれば、ロー信号を出力してFET13をオフ状態とすることで行われる。なお、放電電流が遮断されると制御部14による放電制御は終了し、電池パック2の放電は停止する。
ステップ207において遮断条件を満たしていないと判断した場合(ステップ207のNo)、モータ11の駆動を継続し、ステップ208において電池組電圧を検出する。電池電圧の検出は、プラス端子12Aとマイナス端子12Bとの間に印加されている電池組21の両端電圧を測定することで行われる。
電池電圧の検出の後、ステップ209において電池組電圧が10.0V未満であるか否かを判断する。ステップ209で電池組電圧が10.0V未満でないと判断した場合(ステップ209のNo)、ステップ205に戻りモータ11の駆動を継続する。
他方、電池組電圧が10.0V未満である場合(ステップ209のYes)、ステップ210で電池パック2から放電停止信号が出力されているか否かを判断する。放電停止信号が出力されていない場合、(ステップ210のNo)、ステップ205に戻りモータ11の駆動を継続する。
ステップ210において、放電停止信号が出力されている場合(ステップ210のYes)、ステップ211でモータ11を停止する。ステップ209及びステップ210は、電池パック2の電池組21が過放電状態となっているか否かを判断するステップであり、電動工具1側の判断と電池パック2側の判断とが一致した場合(ステップ209及びステップ210がともにYesの場合)に放電電流を遮断する。
このように、ステップ205〜ステップ210を繰り返しながら、ステップ207を経由する毎に電池パック2の電池種に応じた遮断条件を用いて放電電流を遮断すべきか否かの判断が行われ、さらにステップ209及び210では電池パック2が過放電状態であるか否か判断が行われながら、モータ11の駆動は継続される。なお、ユーザがスイッチ15を操作してオフ状態とした場合には制御部14による放電制御は終了する。
上述したように本発明の実施の形態による電動工具1における制御部14は、接続された電池パック2の電池種の判別及びモータ11に流れる放電電流の検出を行い、放電電流を遮断すべきであるか否かを判断するための遮断条件を満たした場合に放電電流を遮断し、当該遮断条件を接続された電池パックの電池種に応じて変更する。このため、電池種の異なる電池パックのそれぞれに対して適切な遮断条件を設定することができ、それぞれ電池パックを適切に保護しつつ、且つ、それぞれの電池パックの性能を十分に発揮させることができる。すなわち、本発明の実施の形態による電動工具1によれば、電池種の異なる電池パックのそれぞれに対して適切な放電制御を行うことができる。
また制御部14は、電池パック2の電池温度を検出し、電池パック2の劣化又は故障に多大な影響を与える電池温度が温度閾値以上になった場合、放電電流に関する遮断条件が満たされているか否かにかかわらず放電電流を遮断することができる。このため、より電池パック2の劣化又は故障を抑制することができる。
また、電動工具1における放電電流に関する遮断条件は、放電電流が過電流閾値以上である状態が許容される過電流継続期間経過した場合に満たされる。このため、放電電流が過電流閾値以上である状態となり、且つ、当該状態が許容される過電流継続期間経過した場合に、放電電流が遮断される。したがって、許容される過電流継続期間を適切に定めることにより、放電電流が一瞬だけ過電流閾値以上となった場合(モータ起動時)等に、放電電流を遮断せず放電を継続、すなわち、作業を継続することができ、作業効率を向上させることができる。
また電動工具1において、許容される過電流継続期間は、放電電流が過電流閾値(種別Cでは30A)以上である比較的程度の低い過電流(種別Cでは30A以上60A未満)である場合に10sであり、比較的程度の低い過電流よりも大きい中程度の過電流(種別Cでは60A以上80A未満)である場合には10sよりも短い3sであり、中程度の過電流よりも大きい比較的程度の高い過電流(種別Cでは80A以上)である場合には3sよりも短い0.1sである。
このため、過電流閾値以上の放電電流が流れている状態において、より大きい放電電流が流れている場合には、より短い期間で放電電流を遮断することができる。これにより、過電流閾値を大幅に超える放電電流は短い期間で遮断され、電池パックの劣化又は故障を適切に抑制することができ、且つ、過電流閾値を僅かに超える程度の放電電流は過電流閾値を大幅に超える放電電流よりも長い期間流せるため、作業効率を向上させることができる。
次に、図5乃至図8に基づいて、本発明の実施の形態の変形例による電動工具101について説明する。図5に示されている電動工具101は、ディスクグラインダであり、図示せぬ円板砥石等を図示せぬ出力部に取付けた状態で出力部を回転させることで研削作業が可能となる電動式の工具である。なお、電動工具101において放電制御は後述の図示せぬ回路基板に実装された図示せぬマイコンが行い、放電制御の内容は電動工具1における制御部14が行う内容と同一であるため、説明を省略する。ここでは、電動工具101におけるハウジング102内部の構成について説明し、当該説明の便宜のため図5乃至図8に示された矢印の方向を前後左右上下と定義する。
図5に示されているように電動工具101は、その外郭をなすハウジング102を備えており、ハウジング102の後端部には図示せぬ電池パックと接続可能な形状に形成された電池装着部107が設けられている。電池装着部107は、電池パックがされた状態で電池パックの電池側端子部と接続可能に構成された接続ターミナル108を有している。接続ターミナル108と電池側端子部とが接続されることで電池パックの電力が電動工具101に供給可能となる。図5は、電動工具101の後部を示す部分断面側面図である。電池装着部107及び接続ターミナル108は、本発明の電池接続部の一例である。
またハウジング102内部には、ブラシレスモータ103と、パワースイッチ104と、制御ユニット105と、残量表示部106とが収容されている。
ブラシレスモータ103は、永久磁石を有するロータ、三相巻線を有するステータ、ロータに同軸回転可能に固定された回転軸を備えた三相ブラシレスDCモータである。ブラシレスモータ103は、その回転軸の延びる方向が前後方向となるようにハウジング102後部の内部に収容されている。ブラシレスモータ103の後端部には、ホールセンサ基板103Aが取付けられている。ホールセンサ基板103Aは、ブラシレスモータ103のロータの位置検出に用いられる。ブラシレスモータ103は、本発明のモータの一例である。
パワースイッチ104は、ブラシレスモータ103に流れる放電電流を許容/遮断するスイッチ機構であり、ハウジング102内部においてホールセンサ基板103Aの後方に収容されている。
制御ユニット105は、回路基板ケース105Aと、放熱フィン105Bと、図示せぬ回路基板と、図示せぬ6個のFETとを備えている。回路基板には電動工具101における放電制御を行うマイコンが実装されている。回路基板ケース105Aは、ハウジング102内部においてパワースイッチ104の後方に設けられている。回路基板ケース105Aは、前端部が開口する槽形状であり、前後方向視において略矩形をなしている。回路基板ケース105A内には、図視せぬ回路基板及び6個のFETが収容されている。回路基板ケース105A内には、ウレタン樹脂が充填されており、当該ウレタン樹脂によって回路基板及び6個のFETが固定されている。制御ユニット105は本発明の電流検出手段、遮断制御手段、電池種判別手段及び電池温度検出手段として機能し、回路基板ケース105Aは本発明の収容ケースの一例である。
放熱フィン105Bは、前後方向に延びるように構成され、6個のFETに密着して設けられている。放熱フィン105Bによって6個のFETは冷却される。また、制御ユニット105の後方且つ下方には残量表示部106が収容されている。残量表示部106は、接続された電池パックの残量を表示する液晶部分を有しており、当該液晶部分はハウジング102の開口から視認可能に構成されている。
回路基板からはプラス及びマイナスの2本の電源リード線109と複数の制御リード線110と複数の表示用リード線111とが延出している。2本の電源リード線109及び複数の制御リード線110は、回路基板から前方に一旦延出するとともに後方に屈曲し、回路基板ケース105Aの右側面の右方を通り、回路基板ケース105Aの後方の接続ターミナル108に接続されている。また図6に示されているように複数の表示用リード線111は、回路基板から前方に一旦延出するとともに後方に屈曲し、回路基板ケース105Aの左側面の左方を通り、回路基板ケース105Aの後方且つ下方の残量表示部106に接続されている。図6は、制御ユニット105を示す左側面図である。
図5乃至図8に示されているように回路基板ケース105Aの右側面には右リブ部105Cが設けられており(図5、図7、図8)、左側面には左リブ部105Dが設けられている(図6、図7)。図7は、制御ユニット105を示す背面図であり、図8は右リブ部105Cを示す図7の部分拡大図である。
図7に示されているように右リブ部105Cは、回路基板から延出し接続ターミナル108に接続される2本の電源リード線109及び複数の制御リード線110を回路基板ケース105Aの右側面に当接させた状態で保持する部分であり、第1右リブ112と、第2右リブ113と、第3右リブ114と、第4右リブ115とを有している。また左リブ部105Dは、回路基板から延出し残量表示部106に接続される複数の表示用リード線111を回路基板ケース105Aの左側面に当接させた状態で保持する部分であり、第1左リブ116と第2左リブ117とを有している。
ここで、第1右リブ112の形状について説明する。なお、第1右リブ112、第2右リブ113、第3右リブ114、第4右リブ115、第1左リブ116、第2左リブ117は、互いに大きさは異なるが、略同一又は対称の形状をなしているため、第1右リブ112以外のリブについては説明を省略する。
図8に示されているように第1右リブ112は、平行部112A及び湾曲部112Bを備えている。平行部112Aは、回路基板ケース105Aの右側面と平行に上下方向に延び、且つ、回路基板ケース105Aの前後方向長と同一の寸法を有する。平行部112Aは、回路基板ケース105Aの右側面と協働して電源リード線109を挟持している。湾曲部112Bは、平行部112Aの上部と回路基板ケース105Aとを接続する部分である。湾曲部112Bは、回路基板ケース105Aの右側面から右方に延出するとともに右方に向かうに従って下方に湾曲し、且つ、回路基板ケース105Aの前後方向長と同一の寸法を有する。湾曲部112Bは、電源リード線109の上方への移動を規制している。
このように、本発明の実施の形態の変形例による電動工具101は、回路基板を収容する回路基板ケース105Aを備え、回路基板は2本の電源リード線109及び複数の制御リード線110を介して電池パックと接続される。また回路基板ケース105Aは、2本の電源リード線109及び複数の制御リード線110を保持する右リブ部105Cを有している。このため、回路基板と電池パックとを接続する2本の電源リード線109及び複数の制御リード線110が回路基板ケース105Aに保持されるため、振動による電源リード線109及び制御リード線110の断線を抑制でき、且つ、組立性を向上させることができる。
本発明による電動工具は、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された発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本実施の形態においては、電池温度に関する遮断条件を温度閾値として、電池温度が当該温度閾値以上となった場合に遮断条件を満たし、放電電流を遮断する構成としたが、電池温度が温度閾値以上となった場合、放電電流を遮断するのではなく、電池温度の程度に応じて、放電電流に関する遮断条件を変更する構成であってもよい。この場合、より細やかな放電制御が可能となり、より適切な放電制御が可能となる。
また、本実施の形態においては、過電流の程度を3段階に分類したが、これに限られず、5段階や10段階としてもよい。この場合、より細やかな放電制御が可能となり、より適切な放電制御が可能となる。
また、本実施の形態においては、電池パックの電池種の判別は5種類であったが、これに限られず、制御部14が判別可能な限りにおいて増加させてもよい。この場合、より多くの種類の電池パックに対して適切な放電制御が可能となる。
1,101…電動工具、2…電池パック、11…モータ、12…工具側端子部、12C…温度端子、12E…判別端子、14…制御部、15…スイッチ、16…シャント抵抗、21…電池組、21A…電池セル、22…電池側端子部、26…電池種判別抵抗、102…ハウジング、103…ブラシレスモータ、105…制御ユニット、105A…回路基板ケース、105C…右リブ部、105D…左リブ部、109…電源リード線、110…制御リード線、Vcc…基準電圧

Claims (6)

  1. 電池パックと、該電池パックが着脱可能な電池接続部を有する電動工具と、を備えた電動工具システムであって、
    該電池パックは、
    電池セルと、
    該電池セルの電圧を監視して放電停止信号を出力する保護手段と、を備え、
    該電動工具は、
    電池接続部に接続された該電池パックの電力によって駆動するモータと、
    該接続された該電池パックから該モータに流れる放電電流を検出する電流検出手段と、
    該電流検出手段で検出した該放電電流が電流閾値以上になった場合に該放電電流を遮断する遮断制御手段と、を備え、
    該電池接続部は、該電池パックとして第1電池パックと該第1電池パックよりも容量が小さい第2電池パックの一方が選択的に着脱可能であり、
    該第2電池パックが該電池接続部に接続された場合の該電流閾値は、該第1電池パックが該電池接続部に接続された場合の該電流閾値より小さくなるよう構成され、
    該遮断制御手段は、該放電電流が該電流閾値未満の場合でも、該電池接続部に接続された該電池パックの電圧が電圧閾値未満で、且つ、該放電停止信号が入力されている場合に該放電電流を遮断するように構成したことを特徴とする電動工具システム
  2. 該放電電流が該電流閾値以上になった場合に、所定時間経過後に該放電電流を遮断するように構成され、
    該放電電流が大きい程、該所定時間は短いことを特徴とする請求項1に記載の電動工具システム
  3. 該電池接続部に接続された一の電池パックの電池温度を検出する電池温度検出手段を更に備え、
    該電池温度が温度閾値以上である場合、該放電電流を遮断するように構成され、
    該第2電池パックの該温度閾値は、該第1電池パックの該温度閾値より小さいことを特徴とする請求項1又は2に記載の電動工具システム
  4. 該電流閾値及び該温度閾値の少なくとも一方は、該接続された一の電池パックの容量に応じて異なることを特徴とする請求項3に記載の電動工具システム
  5. 該第1電池パックは複数の電池セルを並列に接続して構成され、該第2電池パックは単数又は複数の電池セルを直列に接続して構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電動工具システム
  6. 該第1電池パック及び該第2電池パックは、それぞれリチウム二次電池を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電動工具システム
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