JP2005073350A

JP2005073350A - 電動工具

Info

Publication number: JP2005073350A
Application number: JP2003298217A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Kitamura; 浩康北村; Sunao Arimura; 直有村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】充電器部から２次電池や負荷を他の部分を分離することが可能であり、充電器部の状態に合わせた最適充電ができる電動工具を提供することにある。
【解決手段】入力電圧を所定電圧の高周波電圧に変換する充電器部と、前記充電器部により電力を供給されて内蔵する２電池を充電する電池パック部と、前記充電器部又は前記電池パック部により電力を供給されて負荷を駆動する負荷本体部と、を備え、前記充電器部、前記電池パック部、前記負荷本体部とのそれぞれの間を分離トランスにより非接触で電力を供給するとともに、前記充電器部、前記電池パック部、前記負荷本体部とのそれぞれの間を分離トランスにより非接触で各種情報を伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動ドライバや電動ドリルのような電動工具、特に、充電器部と、２次電池を内蔵する電池パック部と、を備える電動工具に関するものである。

従来、充電された２次電池によって駆動される電動工具では、商用周波の交流電源から入力された電圧を２次電池を充電するための所定の直流電圧に変換する充電器部を有している。この充電器部には、通常はスイッチング電源が使用されており、１次巻線と２次巻線とを有するトランスにより、電圧を変換している。ところで、電動ドライバや電動ドリルのような電動工具は、２次電池や負荷を合わせたものの重量が重いために、電動工具を使用する時には、充電器部から２次電池や負荷の他の部分とを分離することにより、軽量化することが行われている。ここで、充電器部から他の部分とを分離する構造としては、電気接点を用いることが一般的である。しかしながら、水周りやほこりの多い場所で電動工具を使用すると、電気接点が腐食するという問題があった。

この問題を解決するものとして、充電器部と他の部分との間を分離トランスを介して電磁気的に接続して、非接触で電力を供給するものが、特開平１０−２４８１７１号公報や特開平１１−６９６３９号公報に開示されている。この分離トランスによる非接触での電力の供給は、電気接点を有することなく、充電器部から他の部分を分離することができる。このために、水周りやほこりの多い場所で使用しても、端子が腐食することなく、長寿命という利点を有している。また、電気接点がないために、感電のおそれがなく、電気短絡の事故をおこすおそれがないという利点も有している。この結果として、電池電圧を従来よりも高くして、高効率することも可能となっている。
特開平１０−２４８１７１号公報特開平１１−６９６３９号公報

しかしながら、特開平１０−２４８１７１号公報や特開平１１−６９６３９号公報に開示されているものでは、分離トランスは電力を伝達するだけであり、他では電気的に接続される部分を有していない。したがって、充電器部と２次電池や負荷との間での情報の伝達がなされていない構成となっている。一方、電動工具用の電池では電気容量が大きいために、充電時には、２次電池の端子電圧や温度等を考慮して、２次電池に入力される電流値を制御することが好ましい。従来の分離トランスを用いた充電器部では、電動工具用の電池を充電時に流入する電流値を制御することが容易ではなく、この結果として、使用方法によっては、電池寿命を短くすることもあった。

本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、充電器部から２次電池や負荷を他の部分を分離することが可能であり、２次電池の状態に合わせた最適充電ができる電動工具を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明の電動工具は、入力電圧を所定電圧の高周波電圧に変換する充電器部と、前記充電器部により電力を供給されて内蔵する２電池を充電する電池パック部と、前記充電器部又は前記電池パック部により電力を供給されて負荷を駆動する負荷本体部と、を備え、前記充電器部、前記電池パック部、前記負荷本体部とのそれぞれの間を分離トランスにより非接触で電力を供給するとともに、前記充電器部、前記電池パック部、前記負荷本体部とのそれぞれの間を分離トランスにより非接触で各種情報を伝達することを特徴としている。

本願発明の電動工具は、１次巻線から２次巻線へと電力を伝達する分離トランスを有する岳でなく、電池の電池電圧・電池温度や負荷電流値等の情報を電気信号として伝達できる分離トランスも有している。したがって、この情報に基づいて、前記電池パック部の充電量に合わせた最適充電ができるようになっている。

（実施形態１）
図１〜５は、本実施形態１の電動工具を示している。本実施形態の電動工具は、図１に示すように、充電器部１、電池パック部２、負荷本体部３とからなっていて、それぞれの部分は分離して使用できる構造になっている。充電器部１は、図１（ａ）に示すように、プラグ４を介して、商用電源から電源を供給できるようになっている。充電器部１の内部には、充電器側電池情報受信回路７、充電器側制御回路８、充電器側高周波回路９とを備えており、充電器側高周波回路９には第１分離トランス５の１次側５ａが接続されて、充電器側電池情報受信回路７には第２分離トランス６の２次側６ｂが接続されている。第１分離トランス５及び第２分離トランス６とは、それぞれ１次巻線と２次巻線とが別の磁心に巻かれていて分離可能な構造になっている。また、充電器部１の電池パック用非接触端子１０を介して、電池パック部２が着脱自在の構造となっている。

充電器部１は、商用電源から供給される電圧を高周波化して、電池パック部２に伝達する機能を有している。この主要部である充電器側高周波回路９の回路を図２に示す。この回路方式は、ハーフブリッジ方式であり、商用電源２３から入力された商用周波電圧をダイオードブリッジ２４と電解コンデンサ２５により整流した後に、２個のＭＯＳＦＥＴ２６、２６を用いてスイッチングすることにより、高周波化させている。この高周波電圧を第１分離トランス５によって電池電圧に変換している。なお、高周波化回路としては、ハーフブリッジ方式に限らず、１石フォワード方式、プッシュプル方式等の通常のスイッチング回路を用いてもかまわない。また、第２分離トランスを介して、組電池１３の後述する情報が伝達されて、この状態を充電器側電池情報受信回路７で受信して、充電器側制御回路８により、充電器側高周波回路９の出力電圧等を制御している。

電池パック部２は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、内部には、整流回路１３、２次電池である組電池１４、センサ部１５、発振回路１６、本体検知回路１７、電池パック側高周波発生回路１８とを備えている。そして、整流回路１３には第１分離トランス５の２次側５ｂが接続され、電池パック側高周波発生回路１８には第３分離トランス１０の１次側１０ａが接続されている。また、発振回路１６には、充電器部側には第２分離トランス６の１次側６ａが接続され、本体側には第４分離トランス１２の１次側１２ａが接続されている。また、電池パック部２の本体用非接触端子１９を介して、負荷本体部３が着脱自在の構造となっている。

電池パック部２は、第１分離トランス５を介して充電器部１から供給された電力により、組電池１４を充電するとともに、負荷本体部３に電力をさらに供給している。この主要部の回路は図３に示すように、第１分離トランス５の２次側５ｂに接続されているダイオード２７、２７、チョークコイル２８、整流コンデンサ２９を有する整流回路１３により、整流された直流電圧で組電池１４を充電する。ここで、組電池１４に隣接しているセンサ部１５により、この電池電圧や電池温度をセンシングして、この情報を発振回路１６により高周波信号に変換する。この高周波信号を第２分離トランス６を介して充電器部に、第４分離トランス１２を介して負荷本体部に伝達させる。また、組電池１４から出力された電力は、図１（ｂ）に示すように、電池パック側高周波発生回路１８により、高周波化され、第３分離トランス１１を介して負荷本体部３に供給される。

負荷本体部３は、図１（ｂ）に示すように、内部には、本体側制御回路２０、本体側電池情報受信回路２１、モータ２２を備えている。そして、本体側制御回路２０とモータ２２には第３分離トランス１１の２次側１１ｂが接続され、本体側電池情報受信回路２１には第４分離トランス１２の２次側１２ｂが接続されている。

負荷本体部３は、第３分離トランス１１を介して電池パック部２から供給された電力により、負荷であるモータ２２を駆動させることにより、電動ドライバや電動ドリルを駆動させる。モータ２２と第３分離トランス１１の２次側１１ａの間には、本体側制御回路２０が具備されてモータ２２の負荷を制御している。また、電池パック部２から第４分離トランス１２を介して伝達された組電池１４の情報を本体側電池情報受信回路２１に伝達して、この情報を本体側制御回路２０に伝達することによってもモータ２２の負荷を制御している。

本実施形態の電動工具は、まず、充電器部１の電池パック用非接触端子１０に電池パック部２を取り付けることにより、組電池１４を充電させる。このとき、組電池１４の電池温度や電池電圧が第２分離トランス６を介して、充電器部１に伝達される。したがって、電池温度が所定温度異常の場合には、リレー３０を開放することにより、充電器部１からの電力供給を停止する。また、電池電圧に応じて、組電池１４への流入電流値を制御することにより、最適充電をすることができる。このときの組電池１４の充電の動作を示すフローチャートを図４に示す。

次に、組電池１４が充電された状態になれば、電池パック部２を充電器部１から取り外して、本体用端子１９に負荷本体部３を取り付ける。この状態で、組電池１４から第３分離トランス１１を介して負荷本体部に供給される電力により、モータ２２を駆動させる。このときに、第３分離トランス１１の１次側１１ａに流れる電流値を過電流検知抵抗３４によって検知して、過電流検知回路３５を介して駆動回路３２、３２によりＭＯＳＦＥＴ３３、３３を制御することで、出力電力を制御して過電流が流れないようにして、回路の保護を図っている。また、一定値以上の電流が通電した場合には、リレー３１を開放することにより、出力を停止することにより、回路保護を図っている。このときの負荷使用時の動作を示すフローチャートを図５に示す。

本実施形態の電動工具では、第１分離トランス及び第２分離トランスによって、充電器部１と電池パック部２とが着脱自在であって、電力伝達が可能であり、第３分離トランス及び第４分離トランスによって、電池パック部２と負荷本体部が着脱自在であって、電力伝達が可能である。また、充電時には、充電器部と電池パック部のみ、電動工具使用時には、電池パック部と負荷本体部のみで使用可能であるので、省スペース化・小型化を図ることができる。また、電力伝達は電気接点を使用することなく、分離トランスを用いているので、水周りやほこりの多い場所で使用しても端子が腐食することがないために、長寿命となる。また、電気接点がないために、感電のおそれがなく、電気短絡の事故をおこすおそれがないという利点も有している。この結果として、電池電圧を従来よりも高くして、高効率することも可能となる。次に、電池電圧や電池温度といった電池の情報を充電器部に伝達しているので、電池の保護を図ることができるとともに、電池の充電量に合わせた最適充電ができるので、電池を長寿命化させることができる。さらに、電池の情報を負荷本体部に伝達しているので、モータ負荷を電池の充電量に合わせて駆動させることができるので、やはり、電池を長寿命化させることができる。

また、本実施形態の電動工具では、電池パック部から負荷本体部に非接触で電力を供給する時に、両者間の分離トランスの１次巻線に流れる電流値を検知して、電流値が所定値よりも大きいときには、電力の供給を停止するので、瞬間的な過電流に対して回路保護を図ることができる。あわせて、この電流値が所定値よりも大きいときには、電力の供給を抑制するので、長時間の過電流に対しても回路保護を図ることができる。

さらに、本実施形態の電動工具では、前記電池パック部に充電スイッチであるリレーを備えてなり、組電池を充電する時にはリレーをＯＮし、組電池を充電していない時には前記充電スイッチをＯＦＦするので、回路保護を図ることができ、回路寿命を長くすることができる。あわせて、電池パック部の放電経路に放電スイッチあるリレーを備えてなり、負荷本体部に電力を伝達する時にはリレーをＯＮし、負荷本体部に電力を伝達していない時にはリレーをＯＦＦするので、充電された電池を放電しないように設定させることが可能であり、長時間にわたって電池を使用することができる。

これに加えて、本実施形態の電動工具では、２次電池である組電池情報をセンシングするセンサ部を備えてなり、センサ部からの情報を充電器部側に分離トランスを通じて非接触で伝達し、充電器部において組電池の入出力電流値を制御できるので、組電池の充電状態にあわせた充電をすることが可能となり、組電池の長寿命化を図ることができる。あわせて、センサ部からの情報を充電器部側に分離トランスを通じて非接触で伝達し、負荷本体部部において負荷への電流値を制御できるので、組電池の充電状態にあわせた放電をすることが可能となり、組電池の長寿命化を図ることができる。

（実施形態２）
図６は、実施形態２の電動工具を示している。本実施形態は、実施形態１と略同様であるが、図６（ａ）（ｂ）に示すように充電器部１にファン３６を、負荷本体部３にファン３７を具備して、電池パック部２に電池パック冷却用風路３８を具備していて、ファンの風穴に対して電池パック部が水密であることが異なる。充電器部１、電池パック部２、負荷本体部３の構成、これらの機能・動作についても実施形態１と略同様である。ただし、組電池１４を充電中には図６（ａ）に示すようにファン３６からの風により、組電池１４を含む電池パック部２全体が冷却され、負荷本体部３を使用中には図６（ｂ）に示すようにファン３７からの風により電池パック部２が冷却される。

本実施形態は、充電器部から電池パック部に非接触で電力を供給する時には、電池パック部は密閉状態であり、充電器部にはファンを有してなり、電池パック部を充電するときにファンを動作することにより前記電池パック部を冷却することができるので、電池パック冷却用風路を介して電池パック部が冷却されるので、組電池を含む電池パック部の温度が上昇することが抑制される。したがって、大電流により短時間で充電することができたり、室温が高い場所でも充電することができる。

また、本実施形態は、電池パック部から負荷本体部に非接触で電力を供給する時には、電池パック部は密閉状態であり、負荷本体部にはファンを有してなり、負荷を駆動するときにファンを動作することにより電池パック部を冷却することができるので、電池パック冷却用風路を介して電池パック部が冷却されるので、組電池を含む電池パック部の温度が上昇することが抑制される。したがって、負荷に大電力を供給したり、室温が高い場所でも負荷を使用することができる。あわせて、ファンの風穴に対して電池パック部が水密であるので、電気的に絶縁を確実に取ることが可能となり、感電を防止することができるとともに、高電圧化による高効率化をはかることもできる。

（実施形態３）
図７は、実施形態３の電動工具を示している。本実施形態は、実施形態１と略同様であるが、図６に示すように、負荷本体部３のモータ２２と並列に大容量のコンデンサである電気二重層コンデンサ３９を接続していることが異なる。この電気二重層コンデンサ３９に電気エネルギーが充電されているので、負荷変動によりモータ２２に瞬間的に大電流が必要となる場合でも、この電気エネルギーを放電することにより対処することができる。

本実施形態では、充電器又は前記電池パック部から電力を供給される分離トランスの２次側にコンデンサを有してなり、前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーにより負荷に大電流を短時間の間だけ供給できるので、短時間に大電流が必要とする負荷に対しても対応できる。

（実施形態４）
図８は、実施形態４の電動工具を示している。本実施形態は、実施形態１と略同様であるが、電池パック部を使用することなく、負荷本体部３を充電器部１に取り付けて、分離トランスを介して電力を伝達することができる。本実施形態では、商用周波電源のコンセントから直接に電源を入力しているので、長時間にわたって、電動ドライバを使用することができる。また、必要に応じて、負荷本体部３を電池パック部２に取り付けて使用することにより、コンセントのない場所でも使用することができる。

本実施形態では、負荷本体部を前記充電器部側と電池パック部側のいずれにも装着できるので、長時間負荷を使用する場合や、コンセントの無い場所で使用するという状況に応じて使い分けることが可能となっている。

（実施形態５）
図９は、実施形態５の電動工具を示している。本実施形態は、実施形態１と略同様であるが、充電器部１に電池パック部２を取り付ける構造が異なっている。つまり、図９（ａ）に示すように、充電器部１に充電器側凹部４０を設け、電池パック部２に凸部４１を設け、充電器側凹部４０に凸部４１を挿入することにより、充電器部１に電池パック部２を取り付けて充電を行う。また、図９（ｂ）に示すように、負荷本体部３に本体側凹部４２を設け、本体側凹部４２に凸部４１を挿入することにより、負荷を使用する。

本実施形態では、実施形態１に比較して、電池パック部２を充電器部１に取り付けることが容易であり、取り付けた状態で構造的にも安定も良好となる。さらに、電池パック部２を負荷本体部３に取り付けることが容易であり、取り付けた状態で構造的にも安定も良好となる。

（実施形態６）
図１０は、実施形態６の電動工具の電池パック部を示している。本実施形態は、実施形態１と略同様であるが、電池パック部２の内部の組電池１４が交換可能な構造となっている。つまり、図１０に示すように、回路部４３は電池パック部２に固定されていて、組電池１４は着脱可能となっている。

本実施形態では電池パック部の前記２次電池が交換可能であるので、組電池のリサイクルが容易となり、地球環境にやさしくなる。

実施形態１に係る電動工具の回路図であり、（ａ）は充電中の動作を示す図で、（ｂ）は電動工具を使用中の動作を示す図である。実施形態１に係る充電器部の基本回路図である。実施形態１に係る電池パック部の基本回路図である。実施形態１に係る電動工具の電池充電の動作を示すフローチャートである。実施形態１に係る電動工具の負荷使用時の動作を示すフローチャートである。実施形態２に係る電動工具の構造を示すブロック図であり、（ａ）は充電中の動作を示す図で、（ｂ）は電動工具を使用中の動作を示す図である。実施形態３に係る負荷本体部の基本回路図である。実施形態４に係る電動工具の構造を示すブロック図である。実施形態５に係る電動工具の構造を示すブロック図である。実施形態６に係る電動工具の構造を示すブロック図である。

符号の説明

１充電器部
２電池パック部
３負荷本体部
４プラグ
５第１分離トランス
６第２分離トランス
７充電器側電池情報受信回路
８充電器側制御回路
９充電器側高周波発生回路
１０電池パック用非接触端子
１１第３分離トランス
１２第４分離トランス
１３整流回路
１４組電池
１５センサ部
１６発振回路
１７本体検知回路
１８電池パック側高周波発生回路
１９本体用非接触端子
２０本体側制御回路
２１本体側電池情報受信回路
２２モータ
Ｘ、Ｙ電力伝達方向

Claims

入力電圧を所定電圧の高周波電圧に変換する充電器部と、前記充電器部により電力を供給されて内蔵する２電池を充電する電池パック部と、前記充電器部又は前記電池パック部により電力を供給されて負荷を駆動する負荷本体部と、を備え、
前記充電器部、前記電池パック部、前記負荷本体部とのそれぞれの間を分離トランスにより非接触で電力を供給するとともに、前記充電器部、前記電池パック部、前記負荷本体部とのそれぞれの間を分離トランスにより非接触で各種情報を伝達することを特徴とする電動工具。
前記充電器部から前記電池パック部に非接触で電力を供給する時には、前記電池パック部は密閉状態であり、前記充電器部にはファンを有してなり、前記電池パック部を充電するときに前記ファンを動作することにより前記電池パック部を冷却することができることを特徴とする請求項１記載の電動工具。
前記電池パック部から前記負荷本体部に非接触で電力を供給する時には、前記電池パック部は密閉状態であり、前記負荷本体部にはファンを有してなり、前記負荷を駆動するときには、前記ファンを動作することにより前記電池パック部を冷却することができることを特徴とする請求項１記載の電動工具。
前記ファンの風穴に対して前記電池パック部が水密であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電動工具。
前記電池パック部から前記負荷本体部に非接触で電力を供給する時に、両者間の分離トランスの１次巻線に流れる電流値を検知して、前記電流値が所定値よりも大きいときには、電力の供給を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電動工具。
前記電池パック部から前記負荷本体部に非接触で電力を供給する時に、両者間の分離トランスの１次巻線に流れる電流値を検知して、前記電流値が所定値よりも大きいときには、電力の供給を抑制することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電動工具。
前記負荷本体部において、前記充電器又は前記電池パック部から電力を供給される分離トランスの２次側にコンデンサを有してなり、前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーにより負荷に大電流を短時間の間だけ供給できることを特徴とする請求項１乃請求項至６のいずれかに記載の電動工具。
前記負荷本体部を前記充電器部側と前記電池パック部側のいずれにも装着できることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電動工具。
前記電池パック部に充電スイッチを備えてなり、前記２次電池を充電する時には前記充電スイッチをＯＮし、前記２次電池を充電していない時には前記充電スイッチをＯＦＦすることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の電動工具。
前記電池パック部の放電経路に放電スイッチを備えてなり、前記負荷本体部に電力を伝達する時には前記放電スイッチをＯＮし、前記負荷本体部に電力を伝達していない時には前記放電スイッチをＯＦＦすることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の電動工具。
前記２次電池情報をセンシングするセンサ部を備えてなり、前記センサ部からの情報を充電器部側に前記分離トランスを通じて非接触で伝達し、前記充電器部において前記２電池の入出力電流値を制御できることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の電動工具。
前記２次電池情報をセンシングするセンサ部を備えてなり、前記センサ部からの情報を充電器部側に前記分離トランスを通じて非接触で伝達し、前記負荷本体部部において負荷への電流値を制御できることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の電動工具。
前記電池パック部の前記２次電池が交換可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の電動工具。