JP2014176919A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 コードレス電動工具の小型、軽量化を図ることを目的とする。
【解決手段】 電動工具を構成する電池パックには複数の電池セルを直列接続してなるセル組のみを内蔵し、工具本体にはセル組の各電池セルの電圧とセル組の全体電圧を検出可能な保護ＩＣを含む回路部品を集約的に搭載したプリント回路基板アセンブリを組み込む構成とした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電池パックを電源とする電動工具に関する。

近年、電池パックに内蔵する二次電池としてリチウムイオン電池が多く用いられている。ニッケルカドミウム電池等の他の二次電池と異なり、リチウムイオン電池にあっては、使用時における電池の状態監視が必要となる。コードレス電動工具の電源として用いる電池パックには、複数のリチウムイオン電池セルを直列に接続したセル組が内蔵されている。このセル組に対して、各セルの電圧監視、セル組全体の電圧監視、セル組に過電流が流れないようにするための電流監視、またセル組が異常高温とならないようにするための温度監視が行われている。かかる状態監視を行うことで、放電時には各セルが過放電とならないように、また充電時には過充電とならないよう制御することができる。

具体的には、電池パック内に保護ＩＣを設け、いずれかの電池セルの電圧が低下し、過放電状態に至る閾値になったときに当該保護ＩＣから警報信号を出力し、工具本体に設けたＦＥＴ等の電流遮断回路によりモータに流れる電流路を開放し、電池パックの使用を強制終了するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１３１７４９号公報

しかしながら、従来の電動工具においては、電池パック内にリチウムイオン電池のセル組と保護ＩＣを内蔵しているため、電池パック自体を小型化するには限界があった。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、電池パックを小型化すると同時に電池パックを装着した電動工具についても小型化することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の電動工具は、工具本体と、工具本体に装着された電池パックで構成されており、電池パックには複数の電池セルを直列接続してなるセル組が内蔵され、工具本体にはセル組が出力する電池電圧により駆動されるモータと、モータに駆動指示を与えるトリガスイッチと、セル組の各電池セルの電圧を検出可能に結線され、少なくともいずれかの電池セルの電圧が基準値以下に低下したときに警報信号を出力する電池電圧監視手段が設けられている。また、セル組からモータに給電するための電流路にはスイッチング手段が介挿されており、スイッチング手段は警報信号に応答して電流路を開放するように構成したことを特徴としている。

このように構成された電動工具においては、電池電圧監視手段を工具本体側に設けたので、電池パックを小型化できる。また、電池パックに内蔵されているセル組が寿命に達した等の理由で電池パックを新しい電池パックに交換する必要が生じた場合には、引き続き使用可能な電池電圧監視手段まで交換する必要がなく、電池パックの製造コストを下げることができ、安価な電池パックを提供することができる。

請求項２に記載の電動工具は、請求項１に記載の電動工具において、電池パックには各電池セルのプラス側とマイナス側にそれぞれ接続された接続端子が設けられており、当該接続端子は電池電圧監視手段に接続されていることを特徴としている。

電池パックを工具本体に装着した状態で、各電池セルの電圧や電池セルの全体電圧を工具側に設けた電池電圧監視手段で検出可能にするために、電池セルを構成する電池セル数がｎ個の場合には、（ｎ＋１）個の接続端子を電池セルに設けた。

請求項３に記載の電動工具は、請求項１若しくは請求項２に記載の電動工具において、トリガスイッチの操作量に応じてモータの回転数を変える変速手段が工具本体に設けられており、電池電圧監視手段と変速手段は一体のユニットとして構成されていることを特徴としている。

電池電圧監視手段と変速手段を一体のユニットとして工具本体に実装するようにしたので、工具本体の収容空間を有効利用することができ、もって電動工具を小型化することができる。

請求項４に記載の電動工具は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電動工具において、セル組の温度を検出する温度検出手段が電池パックに内蔵されており、温度検出手段が出力する温度信号が電池電圧監視手段に印加されるように結線されていることを特徴としている。

電池パックにはセル組以外に温度検出手段が内蔵されるが、従来の電池パックのように電池電圧監視手段は電池パック内には内蔵されていないので、その分電池パックを小型化することができる。

本発明によれば、電動工具を構成する電池パックを小型化できると共に電動工具の小型化も可能となる。

本発明の第１の実施の形態による電動工具の電気的構成を示した概略ブロック図である。 図１に示した第１の実施の形態と比較するための第１の参照例を示した概略ブロック図である。 図１に示した第１の実施の形態と比較するための第２の参照例を示した概略ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態による電動工具の電気的構成を示した概略ブロック図である。 図４に示した第２の実施の形態と比較するための第１の参照例を示した概略ブロック図である。 図４に示した第２の実施の形態と比較するための第２の参照例を示した概略ブロック図である。 図１若しくは図４に示した実施の形態を適用した電動ドライバの外観図である。 図７に示した電動ドライバの引き延ばし状態における断面図である。 図８に示した断面図の一部拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る電動工具の電気的構成を示したブロック図である。以下、工具本体に電池パックが装着された状態のものを電動工具という。

図１に示すように、電池パック１Ａにはセル組１１と温度検出手段としてのサーミスタ（ＴＨ）１３のみが内蔵されている。セル組１１は、複数のリチウムイオン電池セル（図１では１１ａ、１１ｂ、１１ｃの３つの電池セル）を直列接続したものであり、電池パック１Ａには各電池セルのプラス極とマイナス極から導出され形成された接続端子（プラス端子、Ｍ１端子，Ｍ２端子，マイナス端子が形成されている。サーミスタ１３はセル組１１に対して接触若しくは近接配置されており、セル組１１の温度を検出する。具体的には、サーミスタ１３と不図示の固定抵抗を直列接続したものをセル組１１のプラス側とマイナス側間に接続し、サーミスタ１３の分圧値を電池パック１ＡのＣ＋端子に出力する。

工具本体２Ａにはモータ２１と、変速回路２３と、ＦＥＴ２４と、電池電圧監視手段としての保護ＩＣ１２が内蔵されており、またモータ２１の駆動若しくは駆動を停止させるためのトリガスイッチ２２が設けられている。

保護ＩＣ１２はセル組１１を構成する各電池セルの電圧を検出し、少なくとも１つの電池セルの電圧が過放電状態に至る閾値（例えば、２Ｖ）まで低下したときには電流遮断手段としてのＦＥＴ２４をオフとするための警告信号を出力する。ＦＥＴ２４がオフとなるとセル組１１，モータ２１及び抵抗Ｒを含む電流路が開放され、電動工具の駆動が強制終了される。即ち、セル組１１が過放電となる直前でセル組１１からの放電は強制終了され、セル組１１が過放電状態となることを防止している。

保護ＩＣ１２はセル組１１の全体電圧も同時に検出しており、セル組の全体電圧から判断して過放電状態に至るセル電圧閾値（３セル×２Ｖ＝６Ｖ）まで低下したときにも警告信号を出力する。更に、保護ＩＣ１２はＣ＋端子を介して入力されたセル組１１の温度信号に基づき、セル組１１が異常高温とならないよう所定の温度に達した場合にも警告信号を出力して電動工具の使用を強制終了する。

変速回路２３はトリガスイッチ２２の引き量に応じてモータ２１の回転数を決定するための回路である。トリガスイッチ２２をオフにすると変速回路２３を介してＦＥＴ２４がオフとされ、電動工具の駆動が停止する。

図２は図１に示した本発明の第１の実施の形態を評価するための参照構成を示したものである。図１と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、電池パック１Ｂにはセル組１１と、保護ＩＣ１２とが内蔵されている。保護ＩＣ１２からはＬＤ端子を介して警告信号が工具本体２Ｂ側に出力される。図２に示した構成では、電池パック１Ｂ内に保護ＩＣ１２が内蔵されているため、電池パック１Ｂ自体を小型、軽量化することには限界がある。図１に示した第１の実施の形態による構成では、保護ＩＣ１２を電池パック１Ｂ側に設け、電池パック１Ａには内蔵しないようにしたので、電池パック１Ａの小型化が可能となる。また、消耗した電池パック若しくは寿命に達した電池パックを新たな電池パックと交換して使用する場合には、新たな電池パックには保護ＩＣが内蔵されていないので、電池パックのコストを抑えることができ、安価な電池パックを提供することができる。

図３は、図１に示した本発明の第１の実施の形態を評価するための別の参照構成を示したものである。図１と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

図３に示した参照構成では、電池パック１Ｃ内には電池セル１１ａのみが内蔵されており、図２に示した参照構成と異なり、保護ＩＣ１２を工具本体２Ｃ側に設けた構成となっている。電池セル１１ａは単一の電池セルでもよいし、複数の電池セルを並列接続したものでもよい。図２に示した参照構成では、電池パック１Ｂ側にサーミスタ１３を設けたが、図３に示した参照構成ではサーミスタを割愛している。従って、図３に示した参照構成では、保護ＩＣ１２は電池セル１４の電圧のみを監視しており、電池セルの温度については監視対象から外している。

また、図３に示した参照構成では、工具本体２Ｃ側に変速回路は設けられておらず、トリガスイッチ２２を引くとＯＮ／ＯＦＦ回路２５がＦＥＴ２４をオンするように制御する。トリガスイッチ２２をオフにすると、ＯＮ／ＯＦＦ回路２５がＦＥＴ２４をオフとするように制御する。

図３に示した参照構成は、電池パック１Ｃと工具本体２Ｃとの接続端子数を最小限にすることを企図したもので、保護ＩＣ１２を電池パック１Ｃ側に設けていないため、電池パック１Ｃの小型化を実現することはできるものの、電池セルを直列接続することに制限が出てくる。即ち、出力電圧が３．６Ｖの電池パックに限定されることになる。３．６Ｖの値は、リチウムイオン電池セルの満充電時から過放電状態直前までの平均電圧である。

次に図４を参照しながら、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、電池パック１Ｄ内にはセル組１１のみが内蔵されており、図示されていないが、保護ＩＣ１２は工具本体２Ｄ側に設けられている。セル組１１は複数の電池セル（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，．．１１ｉ，．．１１ｎ）を直列接続してなるものであり、基本的には図１に示した第１の実施の形態に係る構成と変わるところはない。また、図示しない保護ＩＣが各電池セルの電圧（Ｖ１，Ｖ２等）とセル組１１の全体電圧Ｖａｌｌを検出している。電池パック１Ｄと工具本体２Ｄを接続するための端子数はセル組１１を構成する電池セルの数に依存する。電池セルの数がｎ個の場合には、（ｎ＋１）個の端子が電池パック１Ｄと工具本体２Ｄ双方で必要となる。

工具本体２Ｄにはプリント回路基板アセンブリ３０（以下、「ＰＣＢＡ３０」と言う。）が内蔵されており、ＰＣＢＡ３０に保護ＩＣ１２と、電流遮断手段としてのＦＥＴと、その他の必要な回路部品が搭載されている。工具本体２Ｄに設けられているトリガスイッチ２２は、引き量に応じてモータ２１の回転数を調整できる可変抵抗スイッチである。具体的には、セル組１１及びモータ２１を含む電流路に可変抵抗が介挿されており、当該可変抵抗の抵抗値がトリガスイッチ２２の引き量に応じて変わる構成になっている。

また、工具本体２Ｄには正逆切替レバー２６が設けられており、モータ２１の回転方向を切り替え可能に構成されている。正逆切替レバー２６は、作業者が正逆切替レバー２６（図７参照）を切り替えることによりモータ２１のＭ１端子とＭ２端子の電流路への接続が切り替わり、モータ２１に流れる電流Ｉ１の向きが切り替わる。

図５は図４に示した本発明の第２の実施の形態を評価するための参照構成を示したものである。図４と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

図５に示すように、電池パック１Ｅにはセル組１１以外にプリント回路基板アセンブリ４０（以下、「ＰＣＢＡ４０」と言う。）が内蔵されており、ＰＣＢＡ４０には保護ＩＣが搭載されている。また、工具本体２Ｅにもプリント回路基板アセンブリ５０（以下、「ＰＣＢＡ５０」と言う。）が内蔵されている。ＰＣＢＡ５０は図４に示したＰＣＢＡ３０から保護ＩＣを除いた回路部品を搭載している。トリガスイッチ２２を構成する可変抵抗と正逆切替レバー２６に連動して動作する切替スイッチは同一の基板６０上に集約配置している。その他の必要な回路部品はＰＣＢＡ５０に集約したため、工具本体２Ｅ内の回路収容スペースを大きくとる必要がなく、電動工具本体を小型化することができる。しかしながら、一方で電池パック１ＥにＰＣＢＡ４０を内蔵する必要があり、電池パック１Ｅを小型化することはできない。

図４に示した本発明の第２の実施の形態に係る構成では、電池パック１Ｄにはセル組１１のみを内蔵したので、電池パック１Ｄを小型化することができると同時に、工具本体２ＥにはＰＣＢＡ３０を内蔵し、ＰＣＢＡ３０に保護ＩＣを含む必要な回路部品を集約して搭載するようにしたので、電池パック１Ｄを小型化することができると共に、工具本体２Ｄにも広い電気回路収容スペースを必要としないので、電動工具自体を小型化することができる。

図６は図４に示した本発明の第２の実施の形態を評価するための参照構成を示したものである。図４と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

図６に示した参照構成は、図５に示した参照構成と比較すると、図５に示した参照構成ではトリガスイッチ２２と正逆切替レバー２６を同一基板６０上に形成したのに対して、図６に示した参照構成ではトリガスイッチ２２をＰＣＢＡ７０の入力側に、正逆切替レバー２６をＰＣＢＡ７０の出力側にそれぞれ分離して設けた点のみが異なっている。図５に示した参照構成と同様の問題がある。

図７は、図４に示した本発明の第２の実施の形態を適用した電動ドライバの外観図であり、図８は図７に示した電動ドライバを引き延ばした状態における断面図である。図９は、図８の一部拡大図であり、工具本体側に保護ＩＣ１２を搭載した基板が組み込まれている状態を示したものである。

図７乃至図９に示した電動ドライバ１００は、前方部分２７と後方部分２８が相互に回動可能となっており、図７に示すようなピストル形状にして使用することもできるし、図８に示すようにストレート形状に引き延ばして使用することもできる。作業者は作業する場所や対象に応じていずれかの形状にセットして作業を行う。電動ドライバ１００をピストル形状にした状態では、前方部分２７と後方部分２８が略７０度程度の交差角をなすように配置される。

図７に示すように、電動ドライバ１００にはトリガスイッチ２２と正逆切替レバー２６が折り曲げ部分近傍に設けられている。トリガスイッチ２２は作業者が人差し指の引き操作で容易に操作ができ、モータ２１の変速駆動を容易に行うことができる。正逆切替レバー２６は、モータ２１の回転方向を“正回転方向（締め付け方向）”、“逆回転方向（緩め方向）”に切り替えるための切り替えスイッチであり、左右方向にスライドさせることによって操作可能である。

図８に示すように、電動ドライバ１００はモータ２１を駆動源として動力伝達機構２９を介して出力軸２１ａに回転力と打撃力を与え、ドライバビット等の先端工具（図示せず）に回転力や打撃力を伝達してねじ締めやボルト締め等の作業を行う。工具本体の前方部分２７には、モータ２１と伝達機構２１の他に、保護ＩＣ１２を搭載したＰＣＢＡ３０が実装されている。電池パック１は電動工具本体の後方部分２８の端部の開口部から内部空間に装着される。電池パック１の後端部が後方部分２８の開口部を覆うように形成され、電池パック１の後面が後方部分２８の外縁部分の一部を形成している。

本発明は、上記実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、電池電圧監視手段の一例として保護ＩＣを例示したが、マイクロコンピュータにより電池電圧監視手段を実現することもできる。

１Ａ〜１Ｅ：電池パック
２Ａ〜２Ｅ：工具本体
１１：セル組
１１ａ：電池セル
１３：サーミスタ
２１：モータ
２２：トリガスイッチ
２３：変速回路
２６：正逆切替レバー
２７：（電動工具の）前方部分
２８:（電動工具の）後方部分
２９：動力伝達機構
３０、４０，５０：プリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）
６０：基板
１００：電動ドライバ

Claims (4)

1. 工具本体と、前記工具本体に装着された電池パックで構成される電動工具であって、
   前記電池パックに内蔵された複数の電池セルを直列接続してなるセル組と、
   前記工具本体に内蔵され、前記セル組が出力する電池電圧により駆動されるモータと、
   前記モータに駆動指示を与えるトリガスイッチと、
   前記工具本体に内蔵され、前記セル組の各電池セルの電圧を検出可能に結線されており、少なくともいずれかの電池セルの電圧が基準値以下に低下したときに警報信号を出力する電池電圧監視手段と、
   前記セル組から前記モータに給電するための電流路に介挿され、前記警報信号に応答して前記電流路を開放するスイッチング手段とを有することを特徴とする電動工具。
2. 前記電池パックには、各電池セルのプラス側とマイナス側にそれぞれ接続された接続端子を有し、前記接続端子は先記電池電圧監視手段に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 前記工具本体は、前記トリガスイッチの操作量に応じて前記モータの回転数を変える変速手段を更に有し、前記電池電圧監視手段と前記変速手段は一体のユニットとして構成したことを特徴とする請求項1若しくは２に記載の電動工具。
4. 前記電池パックには、前記セル組の温度を検出する温度検出手段が内蔵されており、前記温度検出手段が出力する温度信号が前記電池電圧監視手段に印加されるように結線されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電動工具。

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