JP6642797B2 - 制御回路、電池パック及び電動工具 - Google Patents

Description

この発明は、電池の過放電を防止するための制御回路と、この制御回路を使用した電池パック及び電動工具に関する。

充電式の電動工具に使用する電池パックにはリチウムイオン電池が多く使用されている。リチウムイオン電池は過放電に敏感であり、過放電が生じると容量低下等の問題を引き起こすため、過放電状態とならないように回路やソフトウェアで制御することが望ましい。

こうした電池パックの過放電防止に関し、特許文献１には、電池が過放電状態とならないように、スイッチトリガが押されている状態が所定時間以上継続した場合は制御部によりブラシレスＤＣモータの動作を停止するようにする点が開示されている。このような構成によれば、電動工具のスイッチが意図せずに押され続けたとしても、モータが回り続けてしまうことを防止できる。

特許第５０１３２６０号公報

しかし、上記した特許文献１記載の構造では、モータが停止したとしてもスイッチには微小電流が流れ続ける。このため、スイッチがオンの状態が継続すると、モータが停止していても電流が流れ続け、電池の過放電状態を引き起こす可能性があった。

そこで、本発明は、スイッチ自体に流れる電流を止めることができる制御回路、電池パック及び電動工具を提供することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、以下を特徴とする。

請求項１記載の発明は、スイッチと、コンデンサと、を電池に対して直列に接続し、前記スイッチがオン状態となったときに、前記電池からの直流電圧で前記コンデンサが充電され、前記電池から前記スイッチへの電流が阻止されるように構成され、前記スイッチがオン状態となったときに前記電池から電力が供給されて起動するシステム回路と、前記システム回路が起動したときに前記スイッチに直流電圧を供給するシステム電源と、を備え、前記システム電源は、前記コンデンサを介さずに前記スイッチに電源供給が可能であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、上記した請求項１記載の発明の特徴点に加え、前記システム回路の起動後に所定の時間が経過すると、前記スイッチの状態にかかわらず、前記電池から前記システム回路への電流供給が遮断されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、上記した請求項１または２記載の発明の特徴点に加え、電動工具に取り付け可能な電池パックであって、前記スイッチは、前記電池の残量表示を行うためのスイッチであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、上記した請求項３記載の発明の特徴点に加え、前記スイッチを操作するボタンは、前記電池パックを前記電動工具に取り付けたときに前記電動工具で覆われる位置に設けられていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、上記した請求項１または２記載の発明の特徴点に加え、前記電池を電源として作動する電動工具であって、前記スイッチは、前記電動工具を作動させるためのスイッチであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明は上記の通りであり、スイッチと、コンデンサと、を電池に対して直列に接続している。このような構成によれば、まずスイッチに電流が流れ、スイッチによってシステム回路が起動し、所定の動作が実行される。その後、コンデンサに直流電圧が蓄えられて充電が完了すると、コンデンサによって電池からスイッチへの電流が阻止される。よって、スイッチ自体に流れる電流を止めることができるので、電池の過放電を防止することができる。

また、システム回路が起動したときにスイッチに直流電圧を供給するシステム電源を備え、システム電源は、コンデンサを介さずにスイッチに電源供給が可能である。このような構成によれば、電池からスイッチへの電流が阻止された状態でも、スイッチへ電流を流すことができる。よって、スイッチへ流れる電流をスイッチング素子等で監視するようにすれば、コンデンサで電池からスイッチへの電流をブロックしている状態でも、スイッチのオフを検出することができる。

また、請求項２に記載の発明は上記の通りであり、システム回路の起動後に所定の時間が経過すると、スイッチの状態にかかわらず、電池からシステム回路への電流供給が遮断される。このような構成によれば、スイッチが意図せず押され続けたとしても、所定の時間経過後にシステム回路への電流供給が遮断されるので、電力消費を抑制することができる。

また、請求項３に記載の発明は上記の通りであり、電動工具に取り付け可能な電池パックであって、前記スイッチは、電池の残量表示を行うためのスイッチである。このような構成によれば、電池の残量表示を行うためのスイッチが意図せずに押され続けた場合でも、スイッチ自体に流れる電流を阻止して電池の過放電を防止することができる。

また、請求項４に記載の発明は上記の通りであり、前記スイッチを操作するボタンは、電池パックを電動工具に取り付けたときに電動工具で覆われる位置に設けられている。このような構成によれば、電池パックを電動工具に取り付けるときに、電動工具との間に異物等が入り込んでスイッチが意図せずに押され続けた場合でも、スイッチ自体に流れる電流を阻止して電池の過放電を防止することができる。

また、請求項５に記載の発明は上記の通りであり、電池を電源として作動する電動工具であって、前記スイッチは、電動工具を作動させるためのスイッチである。このような構成によれば、電動工具を作動させるためのスイッチが意図せずに押され続けた場合でも、スイッチ自体に流れる電流を阻止して電池の過放電を防止することができる。

電池パックの外観図である。 電池パックの内部構造を示す図である。 電池パックを電動工具に取り付けた状態の側面図である。 制御回路の概要を示す図である。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。

本実施形態に係る電池パック１０は、充電器（図示せず）で充電した上で外部機器の動力源として使用されるものであり、充電器または電動工具３０等の電動機器に取り付けて使用される。この電池パック１０は、図１及び図２に示すように、上カバー１１と下カバー１２とを組み合わせて構成される箱体の内部に、複数の電池セル１４を収容している。これらの複数の電池セル１４は直列に接続されており、電池パック１０の電池４５を構成している。複数の電池セル１４の上部には、電池パック１０を電動工具３０に取り付ける際に使用されるラッチ１３と、電池セル１４の充放電制御等を行うための基板２０と、が配置されている。

上カバー１１の上面には、後述する接続端子２１を覆う端子カバー部１１ａと、電池パック１０を電動工具３０に取り付ける際に使用されるスライド部１１ｂと、後述するボタン２２を押下操作可能に覆うボタンカバー部１１ｃと、後述するＬＥＤ２３の点灯状態を視認可能に覆うＬＥＤ窓１１ｄと、ラッチ１３を出没可能に突出させるためのラッチ用開口１１ｅと、が設けられている。

端子カバー部１１ａは、接続端子２１の前方を開放した状態で接続端子２１を覆っており、前方から充電器又は電動機器の端子を挿入して接続端子２１に接続できるように形成されている。

スライド部１１ｂは、電池パック１０を電動工具３０に着脱する際に、電池パック１０をスライド可能に案内するためのものである。このスライド部１１ｂに沿って電池パック１０をスライドさせることで、後述するラッチ１３が電動工具３０に係脱し、電池パック１０の着脱ができるようになっている。

ボタンカバー部１１ｃは、ボタン２２の上方を覆っており、軟質の部材で形成されている。このボタンカバー部１１ｃが押下されると、下方に配置されたボタン２２が押下されるようになっている。

ＬＥＤ窓１１ｄは、ＬＥＤ２３の上方を覆っており、透光性の部材で形成されている。ＬＥＤ２３が点灯すると、このＬＥＤ窓１１ｄを通してＬＥＤ２３の点灯状態が確認できるようになっている。

なお、この電池パック１０を電動工具３０に取り付けると、図３に示すように、電池パック１０の上面が電動工具３０で覆われ、上記したボタンカバー部１１ｃ及びＬＥＤ窓１１ｄも電動工具３０で覆われるようになっている。言い換えると、電池パック１０を電動工具３０に取り付けたときに、ボタン２２やＬＥＤ２３が電動工具３０で覆われる位置に設けられており、ボタン２２の操作やＬＥＤ２３の視認ができないようになっている。

ラッチ１３は、ラッチ用開口１１ｅを貫通して上カバー１１の上面に出没可能に突出しており、バネによって常時突出方向へと付勢されている。電池パック１０を電動工具３０に装着するときには、電池パック１０を電動工具３０に対してスライドさせ、ラッチ１３を電動工具３０の装着部３１（図３参照）の底面に形成された凹部に係合させる。これにより電池パック１０が電動工具３０に対して装着される。なお、特に図示しないが、電池パック１０の後面にはラッチ１３を操作する操作部が設けられており、この操作部を操作することでラッチ１３と凹部との係合を解除できるようになっている。よって、電池パック１０を電動工具３０から取り外す際には、この操作部を操作しつつ電池パック１０をスライドさせて取り外す。

基板２０は、図２に示すように、上カバー１１の裏面に臨むように配置されており、上面に、接続端子２１と、ボタン２２と、ＬＥＤ２３と、を備える。

接続端子２１は、電動工具３０又は充電器と電池セル１４とを電気的に接続するための端子である。電動工具３０への放電、充電器からの充電、電動工具３０または充電器との信号授受は、この接続端子２１を介して実行される。

ボタン２２は、電池４５の残量表示を行わせるために操作可能に設けられたプッシュボタンである。このボタン２２が押下されると、後述するスイッチ４１の接点がオンになり、電池４５の残量表示が実行される。

ＬＥＤ２３は、電池４５の残量表示を行うためのものである。上記したボタン２２が押下されたときに、後述するシステム回路４８及びＬＥＤ回路４９の制御によって点灯する。

図４は、本実施形態に係る制御回路４０の概要を示す図である。この図４に示すように、制御回路４０は、スイッチ４１と、コンデンサ４２と、スイッチ保護用抵抗４３と、放電用抵抗４４と、電池４５と、システム電源４７と、システム回路４８と、ＬＥＤ回路４９と、を備える。

スイッチ４１は、システム回路４８を起動させて電池４５の残量表示を行わせるためのものである。このスイッチ４１は常開のモメンタリスイッチであり、ボタン２２が押下されている間だけ接点がオンになる。

コンデンサ４２は、スイッチ４１がオン状態となったときに、電池４５からの直流電圧で充電され、電池４５からスイッチ４１への電流を阻止するためのものである。このコンデンサ４２は、電池４５に対してスイッチ４１と直列に配置され、システム電源４７に対してスイッチ４１と並列に配置される。このコンデンサ４２の容量は、システム回路４８の起動時間を考慮して決定される。すなわち、少なくともシステム回路４８の起動に必要な時間が経過するまでは充電が完了しない（スイッチ４１への電流を阻止しない）程度に大きな容量が設定されている。なお、コンデンサ４２の容量を大きくし過ぎると放電時間が増加するため、上記の条件を満たす範囲で必要最小限の容量に設定されている。

スイッチ保護用抵抗４３は、スイッチ４１に流れる電流を調整するためのものであり、電池４５及びシステム電源４７に対してスイッチ４１と直列に配置される。このスイッチ保護用抵抗４３の抵抗値は、スイッチ４１の定格電流値を基に決定される。すなわち、スイッチ４１に流れる電流値が定格電流の範囲に収まるように抵抗値が設定される。

放電用抵抗４４は、コンデンサ４２に充電された電荷を放電するために設けられる。この放電用抵抗４４の抵抗値は、スイッチ４１の操作間隔を考慮して決定される。すなわち、放電用抵抗４４の抵抗値を大きくしすぎると、コンデンサ４２の放電時間が増加するため、スイッチ４１が連続して操作されたときに、放電が完了する前にコンデンサ４２の再充電が開始してしまうおそれがある。よって、コンデンサ４２の放電に必要な時間が、想定されるスイッチ４１の操作間隔内で収まるように抵抗値を決定する。

なお、この放電用抵抗４４を設けたことにより、コンデンサ４２がスイッチ４１への電流を阻止しているときでも、ごく微小な電流が放電用抵抗４４に流れることになる。しかしながら、この放電用抵抗４４に流れる電流は、コンデンサ４２や放電用抵抗４４を設けない場合と比較してごく微小である。よって、スイッチ４１を流れる電流による過放電を起きにくくすることができる。

電池４５は、電池セル１４を直列に接続した電源である。電池パック１０に内蔵されたすべての電子機器類は、この電池４５を電源として作動する。

システム電源４７は、後述するシステム回路４８が起動したときに、システム回路４８を経由してスイッチ４１等に直流電圧を供給する電源である。このシステム電源４７は、電池４５からの電圧を使用して電圧供給を行うが、システム回路４８を中継することで電池４５とは別経路で電圧供給を行う。なお、電池４５からシステム回路４８への電圧供給が遮断されると、システム電源４７による電圧供給も停止される。このシステム電源４７は、コンデンサ４２を介さずにスイッチ４１に電源供給が可能となる位置に配置されている。

システム回路４８は、電池４５の残量表示を制御する回路であり、ＭＰＵ等の演算装置を備えて構成される。このシステム回路４８は、スイッチ４１がオンとなったときに起動する。例えば、特に図示しないが、スイッチ４１がオンとなったときに電池４５からシステム回路４８への電力供給が開始され、システム回路４８が起動する。システム回路４８への電力供給はラッチ回路でオンオフ制御されており、システム回路４８が起動した後でスイッチ４１がオフとなったとしても、ラッチ回路により電力供給状態が維持されるようになっている。また、このシステム回路４８は、電力供給を自ら遮断することができるようになっている。例えば、特に図示しないが、ＭＰＵが自らラッチスイッチをオフして電池４５からの電力供給を遮断できるようになっている。

ＬＥＤ回路４９は、システム回路４８から信号を受け取ったときに、その信号の内容に応じてＬＥＤ２３を点灯させる制御を行う回路である。
上記回路は以下のように作動する。

初期状態ではスイッチ４１がオフであり、コンデンサ４２は放電された状態である。また、システム回路４８及びＬＥＤ回路４９には電力が供給されていない状態である。

この状態でボタン２２が押下されてスイッチ４１がオンになると、図４に示すように、電池４５から供給された直流電圧により、コンデンサ４２と放電用抵抗４４とに電流が流れる。これにより、コンデンサ４２に電荷が蓄積し始める。

同時に、スイッチ４１がオンになることで図示しないラッチ回路がオンになり、システム回路４８への電力供給が開始する。この電力供給はラッチ回路がオフになるまで継続する。システム回路４８への電力供給が開始されるとシステム回路４８が起動し、電池４５の残量表示と、システム電源４７の起動と、を実行する。

電池４５の残量表示は以下の手順で実行される。すなわち、まずシステム回路４８が、電池４５の出力電圧等を基に電池４５の残量をチェックする。そして、電池４５の残量を示す信号をＬＥＤ回路４９に送信する。ＬＥＤ回路４９は、システム回路４８からの信号に従い、所定の態様でＬＥＤ２３を点灯させる。例えば、電池４５の残量に応じた数のＬＥＤ２３を点灯させる。ＬＥＤ２３は所定時間だけ点灯させた後に消灯される。

また、システム電源４７の起動においては、システム回路４８は、システム電源４７へ電池４５からの直流電圧をバイパスし、システム電源４７からの直流電圧の供給を開始させる。

なお、システム回路４８への電力供給が開始された後、すぐにコンデンサ４２の充電が完了する。充電されたコンデンサ４２により電流がブロックされるため、スイッチ４１には放電用抵抗４４を流れるごく微小な電流のみが流れる。

なお、この放電用抵抗４４を流れるごく微小な電流は、スイッチ４１の最小定格電流以下の電流である。しかしながら、システム電源４７から直流電圧が供給されているため、スイッチ４１には最小定格電流を満たした電流が流れる。このシステム電源４７からの直流電圧により、スイッチ４１がオン状態であるかオフ状態であるかを検知可能となっている。この機能を使用して、例えばスイッチ４１のオン状態が所定時間続いた場合（ボタン２２が長押しされた場合）には、通常動作（電池４５の残量表示）とは別の動作（使用回数の表示やエラー状態の表示など）を行うようにしてもよい。

そして、システム回路４８の起動後に所定の時間が経過すると（例えば、オンディレータイマーに設定した時間が経過した場合や、所定の処理の実行が完了した場合）、スイッチ４１の状態にかかわらず、システム回路４８がラッチ回路をオフにして電池４５からシステム回路４８への電流供給を遮断する。これにより、システム回路４８及びＬＥＤ回路４９には電力が供給されていない状態となる。

なお、このときにスイッチ４１が意図せずにオンのままであった場合でも、コンデンサ４２が電流をブロックしているので、スイッチ４１には最小限の電流しか流れない。なお、放電用抵抗４４にはごく微小な電流が流れているが、このごく微小な電流はスイッチ４１の最小定格電流以下（例えば１〜２μＡ程度）の電流であるから、電池４５の過放電を引き起こす可能性は低い。
そして、スイッチ４１がオフになると、コンデンサ４２に蓄積された電荷が放電され、初期状態となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、スイッチ４１と、コンデンサ４２と、を電池４５に対して直列に接続している。このような構成によれば、まずスイッチ４１に電流が流れ、スイッチ４１によってシステム回路４８が起動し、所定の動作が実行される。その後、コンデンサ４２に直流電圧が蓄えられて充電が完了すると、コンデンサ４２によって電池４５からスイッチ４１への電流が阻止される。よって、スイッチ４１自体に流れる電流を止めることができるので、電池４５の過放電を防止することができる。

また、システム回路４８が起動したときにスイッチ４１に直流電圧を供給するシステム電源４７を備え、システム電源４７は、コンデンサ４２を介さずにスイッチ４１に電源供給が可能である。このような構成によれば、電池４５からスイッチ４１への電流が阻止された状態でも、スイッチ４１へ電流を流すことができる。よって、スイッチ４１へ流れる電流をスイッチング素子等で監視するようにすれば、コンデンサ４２で電池４５からスイッチ４１への電流をブロックしている状態でも、スイッチ４１のオフを検出することができる。

また、システム回路４８の起動後に所定の時間が経過すると、スイッチ４１の状態にかかわらず、電池４５からシステム回路４８への電流供給が遮断される。このような構成によれば、スイッチ４１が意図せず押され続けたとしても、所定の時間経過後にシステム回路４８への電流供給が遮断されるので、電力消費を抑制することができる。

また、スイッチ４１は、電池４５の残量表示を行うためのスイッチ４１である。このような構成によれば、電池４５の残量表示を行うためのスイッチ４１が意図せずに押され続けた場合でも、スイッチ４１自体に流れる電流を阻止して電池４５の過放電を防止することができる。

また、スイッチ４１を操作するボタン２２は、電池パック１０を電動工具３０に取り付けたときに電動工具３０で覆われる位置に設けられている。このような構成によれば、電池パック１０を電動工具３０に取り付けるときに、電動工具３０との間に異物等が入り込んでスイッチ４１が意図せずに押され続けた場合でも、スイッチ４１自体に流れる電流を阻止して電池４５の過放電を防止することができる。

なお、上記した実施形態においては、制御回路４０を電池パック１０が備え、スイッチ４１は電池４５の残量表示を行うためのスイッチ４１である例について説明した。しかしながら、これに限らず、制御回路４０を電動工具３０が備え、スイッチ４１は電動工具３０を作動させるためのスイッチ４１であるとしてもよい。すなわち、電動工具３０のトリガ３５が操作されたときに、スイッチ４１がオンになって作動を開始する電動工具３０に本実施形態と同様の制御回路４０を適用してもよい。このような構成によれば、電動工具３０を作動させるためのスイッチ４１が意図せずに押され続けた場合でも（すなわちトリガ３５が引き操作され続けた場合でも）、スイッチ４１自体に流れる電流を阻止して電池４５の過放電を防止することができる。

１０ 電池パック
１１ 上カバー
１１ａ 端子カバー部
１１ｂ スライド部
１１ｃ ボタンカバー部
１１ｄ ＬＥＤ窓
１１ｅ ラッチ用開口
１２ 下カバー
１３ ラッチ
１４ 電池セル
２０ 基板
２１ 接続端子
２２ ボタン
２３ ＬＥＤ
３０ 電動工具
３１ 装着部
３５ トリガ
４０ 制御回路
４１ スイッチ
４２ コンデンサ
４３ スイッチ保護用抵抗
４４ 放電用抵抗
４５ 電池（プラス）
４７ システム電源（プラス）
４８ システム回路
４９ ＬＥＤ回路

Claims (5)

1. スイッチと、コンデンサと、を電池に対して直列に接続し、
   前記スイッチがオン状態となったときに、前記電池からの直流電圧で前記コンデンサが充電され、前記電池から前記スイッチへの電流が阻止されるように構成され、
   前記スイッチがオン状態となったときに前記電池から電力が供給されて起動するシステム回路と、
   前記システム回路が起動したときに前記スイッチに直流電圧を供給するシステム電源と、
   を備え、
   前記システム電源は、前記コンデンサを介さずに前記スイッチに電源供給が可能であることを特徴とする、制御回路。
2. 前記システム回路の起動後に所定の時間が経過すると、前記スイッチの状態にかかわらず、前記電池から前記システム回路への電流供給が遮断されることを特徴とする、請求項１記載の制御回路。
3. 電動工具に取り付け可能な電池パックであって、
   前記スイッチは、前記電池の残量表示を行うためのスイッチであることを特徴とする、請求項１または２記載の制御回路を備えた電池パック。
4. 前記スイッチを操作するボタンは、前記電池パックを前記電動工具に取り付けたときに前記電動工具で覆われる位置に設けられていることを特徴とする、請求項３記載の電池パック。
5. 前記電池を電源として作動する電動工具であって、
   前記スイッチは、前記電動工具を作動させるためのスイッチであることを特徴とする、請求項１または２記載の制御回路を備えた電動工具。

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