JP2010012547A

JP2010012547A - 電動工具

Info

Publication number: JP2010012547A
Application number: JP2008174296A
Authority: JP
Inventors: Sachikazu Kono; 祥和河野; Nobuhiro Takano; 信宏高野; Eiji Nakayama; 栄二中山; Takero Ishimaru; 健朗石丸
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】モータによって駆動される先端工具の使用条件に対応して、モータの過電流設定値を設定できるようにした電動工具を提供する。
【解決手段】
先端工具５を駆動するためのモータ１０３と、該モータ１０３に流れる負荷電流（Ｉ）が過電流設定値（Ｉ２）を超えたときに、モータ１０３を停止させ、またはモータ１０３の回転数（Ｎ）を低下させる過負荷保護手段１２３とを具備する電動工具であって、過負荷保護手段１２３は、先端工具５の使用条件に応じて過電流設定値（Ｉ１、Ｉ２）を設定することができる過電流設定値切換手段１４２を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、先端工具を駆動するモータの回転数を一定に制御する定回転制御手段を有する電動工具に関し、特に、先端工具による負荷状態に対応する過電流設定値を設定できる過負荷保護手段を備えた電動工具に関する。

従来、ディスクグラインダや丸ノコ等の電動工具では、先端工具に回転力を与えるモータの回転数制御は、先端工具の負荷状態によるモータの負荷が変動しても、モータの回転数が変動しないように回転数を検出し、その検出結果を、モータの界磁巻線を駆動するトライアック等の電力供給のための導通角にフィードバックし、モータの回転数が常に一定になるように位相制御することが行われている。また、一般に、駆動用モータには、過度な負荷電流によってモータが焼損しないようにモータに流れる電流を検出し、予め設定した過電流設定値と比較し、該過電流設定値を超えたときにはモータを停止させるという過負荷保護手段が設けられている。

しかしながら、従来の上記過負荷保護手段では、過電流設定値は、モータが焼損しない負荷電流値の近傍に一律に設定されているので、過電流設定値の近傍で電動工具を使用し続けた場合、過負荷状態によってはモータが焼損し、その寿命が悪化してしまう恐れがある。これとは逆に、モータの寿命を延ばすように過電流設定値を低く設定する場合は、比較的に重負荷の作業ができなくなってしまう恐れがある。すなわち、安全性の観点からモータの過電流設定値を比較的低く設定すると、過負荷保護手段は、常に保守的に動作して電動工具としてのモータの性能を有効に活用することができない。

したがって、本発明の目的は、上記問題点を解消し、電動工具の先端工具による負荷状態に対応して適切な過電流設定値を設定し、モータの性能を有効に活用することができる過負荷保護手段を備え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発明に従って開示される発明のうち、代表的なものの要約を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴によれば、先端工具を駆動するためのモータと、該モータに流れる負荷電流が過電流設定値を超えたときに、前記モータを停止させ、または前記モータの回転数を低下させる過負荷保護手段とを具備する電動工具であって、前記過負荷保護手段は、前記先端工具の使用条件に応じて前記過電流設定値を設定することができる過電流設定値切換手段を有する。

本発明の他の特徴によれば、前記過電流設定値切換手段は、スイッチ手段によって構成され、該スイッチ手段によって前記過電流設定値を２段階に切り換えることができるように構成する。

上記本発明の特徴によれば、使用者が、過電流設定値切換手段によって、過電流設定値を先端工具の作業用途（負荷状態）に応じて設定できるように構成したため、負荷状態に対応してモータの性能を有効に活用できる。また、負荷状態に対応した過電流設定値が設定されるので、モータを長寿命で使用することができ、かつ作業全体の消費電力を低減することができる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかにされる。

以下、本発明の電動工具を、ディスクグラインダに適用した一実施形態について、図１乃至図９を参照して詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための図面において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰返しの説明を省略する場合がある。

［電動工具の構成について］
図１は、本実施形態に係るディスクグラインダの概略外形図を示す。ディスクグラインダ１００は、後述する整流子モータ（交流モータ）１０３を収納するモータハウジング部１と、モータハウジング部１の一端側に接続されたギヤカバ部３と、整流子モータ１０３のメインスイッチ１０２、および後述するモータ制御回路装置（回路基板）１０４を収納するスイッチハンドル部２と、モータ制御回路装置（回路基板）１０４を商用交流電源１０１（図２参照）に電気的接続して電力を供給するための電源コード７とを具備する。ギヤカバ部３内には、図示されていないが、整流子モータ１０３の回転出力軸に取付けられた一対の傘歯車（ピニオンギヤ）が収納され、整流子モータ１０３の回転出力軸の回転力は、水平方向から垂直方向に変換されてスピンドル４に伝達される。スピンドル４には先端工具としてグラインダ（砥石）５が取付けられて、研削または切断作業が可能となる。円形のグラインダ５の半円部は、保護カバ６によって覆われている。切換スイッチ１３２は、本発明に従って設けられた、グラインダ（先端工具）５の使用条件に応じた過電流設定値を設定することができる過電流設定値切換手段として機能するスイッチである。本実施形態の場合、過電流設定値を２段階に切り換えできるように設計されているので、スライド式のオン、オフスイッチによって構成されている。この切換スイッチ１３２は、タイアル式のスイッチ機構によって構成してもよい。

モータ制御回路装置（回転数制御回路装置）１０４は、先端工具であるグラインダ５に回転力を与えるモータ１０３の回転数が、先端工具５による負荷状態が変動しても、常に所定の回転数となるように制御する。また、モータ制御回路装置１０４は、所定の過電流設定値Ｉ１またはＩ２（図７参照）に対して大きなモータ電流Ｉを検出すると、モータ１０３の運転を停止または回転を低下させるための過負荷保護手段としても機能する。図２は、モータ制御回路装置１０４の回路ブロック図を示す。

図２に示されるように、モータ制御回路装置１０４は、モータの回転数を検出するための回転数センサ１０６と、回転数センサ１０６からの回転数信号を増幅するための回転数信号増幅回路１０５と、マイコン１２３と、マイコン１２３を含む制御回路装置１０４内の駆動電源を供給するための電源回路１０７と、交流電源（商用電源）１０１からゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出回路１０８と、メインスイッチ１０２のＯＮまたはＯＦＦを検出するためにメインスイッチ１０２のＯＮまたはＯＦＦ信号をマイコン１２３へ入力するための抵抗器１２４と、モータ１０３を位相制御するためのトライアック１２５と、トライアック１２５のゲート信号を入力するための抵抗器１２６と、モータの負荷電流を検出するためのシャント抵抗１２７および入力抵抗器１２８から構成された負荷電流検出回路１４０と、モータ１０３の起動時間を設定するための一対の抵抗器１２９および１３０を具備する起動時間設定回路１４１と、モータ１０３の過電流設定値を設定して過電流設定信号をマイコン１２３に入力するための抵抗器１３１および切換スイッチ１３２から構成された過電流設定値切換回路１４２と、モータ１０３の回転数を設定するための抵抗器１３３および一対の可変抵抗器１３４、１３５から構成された回転数設定回路１４３と、を具備する。交流電源１０１は、モータ制御回路装置１０４の電源回路１０７に直流電力を供給し、かつ上記メインスイッチ１０２およびトライアック１２５を介してモータ１０３へ駆動電力を供給する。

モータ制御回路装置１０４を構成する回転数信号増幅回路１０５は、電解コンデンサ１０９および１１５と、抵抗器１１０、１１１、１１２および１１４と、トランジスタ１１３とから構成され、図４に示されるように、回転数センサ１０６からの回転数信号Ｓ１を０Ｖ〜Ｖｃｃの範囲で増幅し、マイコン１２３に回転数信号Ｓ２を入力する。これによって、マイコン１２３は、モータ１０３の回転数を検出する。

また、ゼロクロス検出回路１０８は、抵抗器１２０および１２１と、フォトカプラ１２２とにより構成されており、図５に示されるように、商用電源１０１から抵抗１２０を介してフォトカプラ１２２に印加された交流信号Ｓ３からゼロクロス点を検出し、トライアック１２５を位相制御させるためのゼロクロス信号Ｓ４をマイコン１２３に入力する。
さらにまた、電源回路１０７は、ダイオード１１６、抵抗器１１７、ツェナーダイオード１１８および電解コンデンサ１１９から構成された定電圧電源回路で、商用電源１０１の交流電圧を直流電圧に変換し、マイコン１２３を含むモータ制御回路装置１０４内に定電圧Ｖｃｃを供給する。

［電動工具の動作について］
次に、モータ制御回路装置１０４の動作について、図３に示す制御フローチャートに沿って説明する。最初に、交流電源（商用電源）１０１から電動工具１００へ交流電圧が投入されると、電源回路１０７によって定電圧直流電源（−Ｖｃｃ）がマイコン１２３を含む制御回路１０４内に供給される。

ステップ２０１において、マイコン１２３は、起動時間設定回路１４１の抵抗器１２９、１３０によって設定されたモータ１０３の起動時間設定電圧を検出し、起動時間の設定を行う。この起動時間とは、モータ１０３を急激に回転させたときの反動を抑制するために、ある所定期間をおいて回転数を緩やかに目標設定回転数まで上昇させる、所謂、ソフトスタートの設定時間である。具体的には、接地ＧＮＤに対する駆動電圧−Ｖｃｃを５段階に分割して、モータのサイズ（出力容量）に従って設定を行う。すなわち、起動時間設定電圧を第１の電圧範囲（０〜１／５×Ｖｃｃ）に設定したときは、起動時間が０秒に設定され、第２の電圧範囲（１／５×Ｖｃｃ〜２／５×Ｖｃｃ）に設定したときは、起動時間が１秒に、第３の電圧範囲（２／５×Ｖｃｃ〜３／５×Ｖｃｃ）に設定したときは、起動時間が２秒に、第４の電圧範囲（３／５×Ｖｃｃ〜４／５×Ｖｃｃ）に設定したときは、起動時間が３秒に、第５の電圧範囲（４／５×Ｖｃｃ〜Ｖｃｃ）に設定したときは、起動時間が４秒にそれぞれ設定される。この起動時間は、使用するモータのサイズが大きいほど、長い時間に設定し、緩やかに回転数を立ち上げることによって起動時の反動を抑制するものである。

次に、ステップ２０２において、マイコン１２３は、過電流設定値切換回路１４２の抵抗器１３１および切換スイッチ１３２によって設定されている過電流設定信号を検出する。
ステップ２０２において、もし、切換スイッチ１３２がＯＦＦ状態であれば、ステップ２０３に進み、マイコン１２３に入力される過電流設定信号はＬ（ロー信号）となるので、マイコン１２３は過電流設定値を“弱”（例えば、１５Ａ）として設定を行う。また、切換スイッチ１３２がＯＮ状態であれば、ステップ２０４に進み、マイコン１２３に入力される過電流設定信号はＨ（ハイ信号）となるので、マイコン１２３は過電流設定値を“強”（例えば、３０Ａ）として設定を行う。この過電流設定値“強”は、モータ１０３が過負荷によって焼損しないような電流値を予め設定しておく。

次に、ステップ２０５において、マイコン１２３は、回転数設定回路１４３の抵抗器１３３と可変抵抗器１３４および１３５とによって設定されたモータ１０３の目標回転数設定電圧を検出し、目標回転数の設定を行う。可変抵抗器１３４は、ポテンショメータを構成し、使用者が、可変抵抗器１３４の摺動片を調整することにより、作業用途によって外部から自由に回転数を設定できる構成となっている。また、可変抵抗器１３５は、回転数設定回路１４３の回路定数等のバラツキを抑制するための調整用抵抗器として使用されている。

次に、ステップ２０６に進み、モータ１０３のメインスイッチ１０２をＯＮすると、抵抗器１２４を還してマイコン１２３にスイッチオン信号が入力され、マイコン１２３は抵抗器１２６を還してトライアック１２５のゲート端子にゲート信号（トリガ信号）を入力する。その後、ステップ２０６に進み、トライアック１２５はＯＮして、モータ１０３に電流を供給し始め、モータ１０３は回転し始める。このとき，マイコン１２３は抵抗器１２９、１３０によって設定されているモータ１０３の起動時間に従ってゼロクロス検出回路１０８によって検出されたゼロクロス点からの導通角（θ）を序々に広げていき、モータ１０３の回転数が抵抗器１３３、可変抵抗器１３４および１３５によって設定されている目標回転数になるようにソフトスタート動作を行う。

引き続いて、ステップ２０７において、マイコン１２３は、回転数センサ１０６および回転数信号増幅回路１０５によって検出されたモータ１０３の回転数を監視し、モータ１０３の回転数を回転数設定回路１４３で設定した目標回転数と比較し、モータ１０３の回転数（Ｎ）が所定の値に一定となるように、トライアック１２５のゲートへ入力するゲート信号の大きさを調整して位相制御を行う。すなわち、マイコン１２３は、モータ１０３の回転数が所定回転数より低いと判別した場合は、図６の（ａ）に示されるように、トライアック１２５の導通角を大きい導通角θ１に制御し、逆に、モータ１０３の回転数が所定回転数より高いと判別した場合は、図６の（ｂ）に示されるように、トライアック１２５の導通角をより小さい導通角θ２に制御するように、トライアック１２５のゲート（ゲート抵抗器１２６）へ導通角に対応するゲート信号を入力する。

次に、ステップ２０８に進み、マイコン１２４は、負荷電流検出回路１４０によってモータ１０３に流れる負荷電流値の検出を行い、過電流設定値切換回路１４２の抵抗器１３１および切換スイッチ１３２によって設定されている過電流値を超えているか否かの監視を行う。負荷電流検出回路１４０は、モータ１０３に流れる電流をシャント抵抗１２７によって電圧信号に変換する。変換された電圧信号は、抵抗器１２８を還してマイコン１２３に入力される。マイコン１２３は入力された電圧信号の平均化処理を行い、過電流設定値切換回路１４２によって設定された過電流設定値と比較を行う。

ステップ２０８において、検出された電流値が過電流設定値切換回路１４２（抵抗器１３１、切換スイッチ１３２）によって設定されている過電流値を超えている場合は、ステップ２０９へ進み、トライアック１２５のゲート入力信号を停止、もしくは導通角を極端に小さくして、モータ１０３の過負荷保護を行う。

また、ステップ２０８において、検出された電流値が過電流設定値切換回路１４２（抵抗器１３１、切換スイッチ１３２）によって設定された過電流設定値を超えていない場合は、ステップ２０２に戻り、引き続きモータ１０３の定回転制御および過電流の監視を行う。

以上の実施形態の説明から明らかにされるように、本発明によれば、先端工具（グラインダ）５の負荷状態（作業用途）に対応して、過電流設定値切換回路１４２の切換スイッチ１３２によって過電流設定値を切換ることができる。例えば、円形グラインダ５の径がより大きいものを使用する場合、若しくは、より硬い被加工部材を研磨する場合は、切換スイッチ１３２をオンに切換ることにより過電流設定値を大きく設定して、モータの性能を、過電流設定値以下の範囲において最大限に利用することができる。

図７は、本実施形態における電動工具において、先端工具による負荷状態を可変した場合のモータ電流Ｉとモータ回転数Ｎの関係を示す特性図である。本発明に係る過電流設定値切換回路（１４２）によって、先端工具による負荷状態Ｌ１およびＬ２（Ｌ２がＬ１より重い負荷の場合）に対応して、過電流設定値Ｉ１およびＩ２を設定することができる。先端工具として軽負荷Ｌ１から重負荷Ｌ２に負荷状態を変えた場合は、過電流設定値を負荷状態に応じてＩ１からＩ２（Ｉ２＞Ｉ１）に変更することにより、モータの性能を最大限に利用することができる。また、軽負荷状態Ｌ１に対しては、過電流設定値を小さい値Ｉ１に設定するので、無理な使用を禁止し、長寿命を保持することができる。

なお、上記実施形態では、過電流設定値切換回路（１４２）に、抵抗器１３１と切換スイッチ１３２との使用によって、“弱”と“強”の２段階の過電流設定値を設定する場合について述べたが、過電流設定値切換回路を変更し、３段階以上の設定電位を出力して３段階以上の過電流設定値の設定を行ってもよい。例えば、上記切換スイッチ１３２を可変抵抗器（ポテンショメータ）によって構成することによって、過電流設定値を３段階以上に切り換えできるように構成することができる。この場合、マイコン１２３は入力された過電流設定電圧値に応じた過電流設定値の設定を行うように構成される。また、電動工具の外周部に取付けられる過電流設定値切換手段は、スライド式スイッチに限らず、ダイアル式の切換スイッチで構成してもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る電動工具の概略側面図。図１に示した電動工具におけるモータ制御回路装置の機能ブロック図。図２のモータ制御回路装置における制御フローチャート。図２のモータ制御回路装置における回転数信号増幅回路の入出力波形図。図２のモータ制御回路装置におけるゼロクロス検出回路の入出力波形図。図２のモータ制御回路装置におけるトライアックの導通角を示す特性図。図１に示した電動工具におけるモータ電流とモータ回転数の関係を示す特性図。

符号の説明

１：モータハウジング部２：スイッチハンドル部３：ギヤカバ部
４：スピンドル５：先端工具（グラインダ）６：保護カバ
７：電源コード１００：電動工具（ディスクグラインダ）
１０１：交流電源（商用電源）１０２：メインスイッチ１０３：モータ
１０４：モータ制御回路装置１０５：回転数信号増幅回路
１０６：回転数センサ１０７：電源回路
１０８：ゼロクロス検出回路１２３：マイコン
１２４、１２６、１２８、１２９、１３０、１３１、１３３：抵抗器
１２５：トライアック１２７：シャント抵抗１３２：切換スイッチ
１３４、１３５：可変抵抗器１４０：負荷電流検出回路
１４１：起動時間設定回路１４２：過電流設定値切換回路
１４３：回転数設定回路

Claims

先端工具を駆動するためのモータと、該モータに流れる負荷電流が過電流設定値を超えたときに、前記モータを停止させ、または前記モータの回転数を低下させる過負荷保護手段とを具備する電動工具であって、前記過負荷保護手段は、前記先端工具の使用条件に応じて前記過電流設定値を設定することができる過電流設定値切換手段を有することを特徴とする電動工具。
先端工具を駆動するためのモータと、該モータへの印加電圧を制御する半導体素子と、前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記モータの回転数を設定する回転数設定手段と、前記回転数検出手段から出力される回転数検出信号と前記回転数設定手段によって設定される回転数設定信号とを比較し、前記半導体素子の導通角を制御する制御手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記モータの過電流値を設定する過電流値設定手段と、該過電流値設定手段によって設定される過電流設定値と前記電流検出手段から出力される検出電流値を比較し、前記検出電流値が一定期間前記過電流設定値を超えた場合、前記モータを停止させ、または前記モータの回転数を低下させる過負荷保護手段と、を具備する電動工具であって、前記過電流値設定手段は、前記先端工具の使用条件に応じて前記モータの過電流設定値を設定することができる過電流設定値切換手段を有することを特徴とする電動工具。
前記過電流設定値切換手段は、スイッチ手段によって構成され、該スイッチ手段によって前記過電流設定値を複数段階に切り換えることができるように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された電動工具。