JP2019033649A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流保護機能の作動を抑制することの可能な電動工具を提供する。【解決手段】電動工具１は、モータ６と、モータ６に駆動電流を供給するインバータ回路４３と、インバータ回路４３を制御する制御部４０と、を備える。制御部４０の演算部３４は、モータ６に流れる電流が第１閾値を超えると、インバータ回路４３に印加する制御信号のデューティを第１デューティまで低下させてから前記制御信号のデューティを徐々に高くする第１リスタート制御を行う。【選択図】図５

Description

本発明は、ブラシレスモータを駆動源とする電動工具に関する。

ブラシレスモータを駆動源とする電動工具は、効率が良いためパワーはあるが、スイッチングに半導体のパワー素子を用いるため、安価かつ小型にすると、流せる電流が限られてくる。そのため、過電流保護を設定しているが、例えば丸鋸やグラインダのように高負荷がかかる電動工具においては、実用時にまだモータに余力があるのに過電流保護で止まってしまうことがある。下記特許文献１は、電流が所定値を超えた場合にモータに印加する電圧のデューティを低下させ、過電流保護機能の作動を回避することを開示する。

特開２０１４−９１１６７号公報

ブラシレスモータを駆動源とする丸鋸やグラインダ等の高負荷でイナーシャの大きい電動工具では、高負荷時にデューティを低下させると、電流の実効値は低下するものの、電流のピーク値は高くなり、過電流保護機能の作動を回避できないことがあった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、過電流保護機能の作動を抑制することの可能な電動工具を提供することにある。

本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、
ブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータに駆動電流を供給するインバータ回路と、
前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ブラシレスモータに流れる電流が第１閾値を超えると、前記インバータ回路に印加する制御信号のデューティを第１デューティまで低下させてから前記制御信号のデューティを徐々に高くする第１リスタート制御を行う。

前記制御部は、前記第１リスタート制御の後、前記ブラシレスモータに流れる電流が前記第１閾値より小さい第２閾値を超えると、前記制御信号のデューティを前記第１デューティより低い第２デューティまで低下させてから前記制御信号のデューティを徐々に高くする第２リスタート制御を行ってもよい。

前記制御部は、前記ブラシレスモータに流れる電流が所定時間継続して前記第２閾値以下となった場合、前記第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻ってもよい。

前記制御部は、前記第１リスタート制御を開始してから所定時間が経過するまでに、前記第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻るための条件が満たされない場合は、前記ブラシレスモータを停止してもよい。

前記インバータ回路のスイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御部は、前記スイッチング素子の温度が所定値以上のときは、前記第１リスタート制御を行わなくてもよい。

前記制御部は、負荷が所定値以下の場合は定速度制御を行い、負荷が前記所定値を超えた場合は定デューティ制御を行ってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、過電流保護機能の作動を抑制することの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係る電動工具１の右側面図。 電動工具１の正断面図。 電動工具１の左側面図。 電動工具１の本体１０の左側断面図。 電動工具１の回路ブロック図。 電動工具１の制御の第１例を示すフローチャート。 電動工具１の制御の第２例を示すフローチャート。 電動工具１の制御の第３例を示すフローチャート。 比較例１におけるモータ電流とモータ回転数のタイムチャート。 比較例２におけるモータ電流とモータ回転数のタイムチャート。 実施の形態におけるモータ電流とモータ回転数のタイムチャート。 図１１の一部の時間軸を拡大したタイムチャート。 実施の形態におけるモータ回転数（実線）、出力（一点鎖線）、及びトルク（破線）の特性図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１〜図４を参照し、本発明の実施の形態に係る電動工具１の機械的構成を説明する。図１〜図３により、互いに直交する前後、上下、左右の各方向を定義する。前後方向は、電動工具１の作業方向である。上下方向は、ベース３０と垂直な方向である。左右方向は、前方向（切断進行方向）を見た場合を基準に定義する。なお、図１は電動工具１に電池パック５１が装着された状態を示すが、図３は電動工具１に電池パック５１が装着されていない状態を示す。

電動工具１は、ここでは携帯用丸鋸（携帯用切断機）であり、本体１０及びベース３０を備える。本体１０は、周知の傾動支持機構２０及び揺動支持機構２５により、ベース３０に連結支持される。本体１０は、傾動支持機構２０の支持により、ベース３０に対して左右の少なくとも一方向に傾動可能である。また、本体１０は、揺動支持機構（切込深さ調整機構）２５の支持により、ベース３０に対して上下方向に揺動可能である。ベース３０は、例えばアルミ等の金属製の略長方形の板材である。ベース３０の長手方向は電動工具１の作業方向と一致する。ベース３０の底面は、被削材との摺動面である。本体１０のハウジング（外殻）は、相互に組み合わされて一体化された、モータハウジング１１、ハンドルハウジング１２、及びギヤカバー１３により構成される。

モータハウジング１１は、例えば樹脂成形体であり、図２に示すモータ６を内部に収容する。モータ６は、インナーロータ型のブラシレスモータであり、出力軸６ａの周囲に、出力軸６ａと一体に回転する磁性体からなるロータコア６ｂを有する。ロータコア６ｂには、複数の（例えば４つの）ロータマグネット（永久磁石）６ｃが挿入保持される。ロータコア６ｂの周囲には、ステータコア６ｄが設けられる（モータハウジング１１に固定される）。ステータコア６ｄには、ステータコイル６ｅ（図５）が設けられる。ステータコア６ｄの左方には、インバータ回路基板４４が、出力軸６ａと略垂直に設けられる。インバータ回路基板４４には、複数の（例えば６つの）ＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子４４ａが搭載される。スイッチング素子４４ａは、図５に示すスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に対応する。

ハンドルハウジング１２は、例えば左右二分割構造の樹脂成形体であり、ギヤカバー１３に接続される。ハンドルハウジング１２は、モータハウジング１１及びギヤカバー１３に接続されると共に制御基板４１（図４）を収容する基部１２ａ、グリップ部となるハンドル部１２ｂ、及びハンドル部１２ｂの前端部と基部１２ａとを連結する連結部１２ｃ、を含む。基部１２ａの後端部とハンドル部１２ｂの後端部とが互いに接続される。ハンドル部１２ｂには、使用者がモータの駆動、停止を切り替えるためのトリガ部（操作部）５が設けられる。トリガ部５によってオンオフが切り替えられるスイッチ５ａ（図４）が、ハンドル部１２ｂ内に設けられる。ハンドルハウジング１２の後端部に、電池パック５１（図１）が後方から着脱可能にスライド装着される。

ギヤカバー１３は、例えばアルミ等の金属製であり、ハンドルハウジング１２に接続される。ギヤカバー１３は、モータ６の回転を減速して鋸刃１６に伝達する減速機構８（図２）を覆うと共に、鋸刃１６の上半分を覆う。保護カバー１５は、例えば樹脂成形体であり、鋸刃１６の下半分を開閉可能に覆う。先端工具（回転具）としての鋸刃１６は、円板状の回転刃であり、モータ６によって回転駆動される。鋸刃１６は、ベース３０の下面から下方に突出する。

図５は、電動工具１の回路ブロック図である。制御部４０は、図４に示す制御基板４１に搭載される。制御部４０は、インバータ回路４３の駆動制御等の各種制御を行う。駆動回路としてのインバータ回路４３は、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含み、制御部４０の制御に従ってスイッチング動作することで、モータ６のステータコイル６ｅ（Ｕ，Ｖ，Ｗの各巻線）に駆動電流を供給する。サーミスタ等の温度検出素子４７は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の近傍に配置される。インバータ温度検出回路４８は、温度検出素子４７の出力電圧を基にスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を検出し、演算部３４に送信する。抵抗Ｒsは、モータ６の電流経路に設けられる。制御回路電圧供給回路４６は、電池パック５１の電圧を制御部４０の動作に適した電圧に変換して制御部４０に供給する。磁気センサ４２は、例えばホール素子又はホールＩＣであり、モータ６の回転位置（ロータ回転位置）に応じた信号を出力する。ＬＥＤライト４９は、例えば被削材に光を照射するライトであり、図示しないライト点灯スイッチがオンされると、演算部３４の制御で点灯される。

制御部４０において、モータ電流検出回路３７は、検出抵抗Ｒｓの両端の電圧によりモータ６の駆動電流（負荷）を検出し、演算部３４に送信する。スイッチ操作検出回路３８は、使用者によるトリガ部５の操作を検出し、演算部３４に送信する。回転子位置検出回路３５は、磁気センサ４２からの信号に基づいてモータ６の回転位置を検出し、演算部３４に送信する。モータ回転数検出回路３６は、回転子位置検出回路３５からの信号に基づいてモータ６の回転数を検出し、演算部３４に送信する。演算部３４は、マイクロコントローラ等を含み、回転子位置検出回路３５で検出したモータ６の回転位置に応じて、制御信号出力回路４５を駆動し、インバータ回路４３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング制御する。また、演算部３４は、回転子位置検出回路３５の検出結果に基づいてモータ６の回転数を演算する。更に、設定されたモータ６と鋸刃１６の減速比に基づいて回転子位置検出回路３５の検出結果から鋸刃１６の回転数を検出することができる。

図６は、電動工具１の制御の第１例を示すフローチャートである。演算部３４は、トリガ部５のオン操作を検出すると（Ｓ１）、モータ６のソフトスタート制御を行う（Ｓ３）。ソフトスタート制御は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に印加するＰＷＭ信号のデューティを緩やかに高くして最終的に１００％にする制御である。演算部３４は、ソフトスタート制御の後、デューティ１００％でモータ６を駆動する（Ｓ４）。演算部３４は、モータ６に流れる電流（以下「モータ電流」とも表記）のピーク値Ipeakが第１閾値の例示である７０Ａ以上でなければ（Ｓ５のＮｏ）、デューティ１００％での制御（Ｓ４）を継続する。演算部３４は、モータ電流のピーク値Ipeakが７０Ａ以上になると（Ｓ５のＹｅｓ）、デューティを第１デューティの例示である５０％に落としてから再度デューティを緩やかに１００％まで高めていく第１リスタート制御を行う（Ｓ７）。演算部３４は、第１リスタート制御の後は、モータ電流のピーク値Ipeakが第２閾値の例示である３０Ａ以上になると（Ｓ５のＹｅｓ）、デューティを第２デューティの例示である３０％に落としてから再度デューティを緩やかに１００％まで高めていく第２リスタート制御を行う（Ｓ９）。演算部３４は、モータ電流のピーク値Ipeakが３０Ａ以下の状態が所定時間の例示である０．５秒継続すると（Ｓ１１のＹｅｓ）、ステップＳ４に戻る（第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻る）。なお、図示は省略したが、第１リスタート制御（Ｓ７）の後、第２リスタート制御（Ｓ９）を行う前に、モータ電流のピーク値Ipeakが３０Ａ以下の状態が０．５秒継続した場合にも、ステップＳ４に戻ってもよい。また、図示は省略したが、演算部３４は、トリガ部５がオフ操作を検出した場合、モータ電流のピーク値Ipeakが１２０Ａ以上となった場合、又はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が１００℃以上となった場合は、モータ６を停止する。

図７は、電動工具１の制御の第２例を示すフローチャートである。以下、図６に示す第１例との相違点を中心に説明する。演算部３４は、トリガ部５のオン操作検出（Ｓ１）の後、ソフトスタート制御（Ｓ３）の前に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を確認する（Ｓ２）。演算部３４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が所定値の例示である７０℃以上でなければ（Ｓ２のＮｏ）、図６に示す第１例と同様にステップＳ３以降の制御を行う。演算部３４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が７０℃以上の場合（Ｓ２のＹｅｓ）、ＬＥＤライト４９を点滅させて使用者に報知しながら（Ｓ１５）、ソフトスタート制御を行い（Ｓ１６）、デューティ１００％でモータ６を駆動する（Ｓ１７）。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御（デューティ≠１００％）を行うとスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が発熱してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が上昇するため、図７のフローチャートでは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が７０℃以上の場合（Ｓ２のＮｏ）は、モータ電流のピーク値Ipeakが高くなってもリスタート制御（Ｓ７又はＳ９）を行わず、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度上昇を抑制する。図７に示すフローチャートのその他の点は、図６に示すフローチャートと同様である。

図８は、電動工具１の制御の第３例を示すフローチャートである。以下、図７に示す第２例との相違点を中心に説明する。演算部３４は、モータ電流のピーク値Ipeakが７０Ａ以上になると（Ｓ５のＹｅｓ）、時間カウントを開始し（Ｓ６）、第１リスタート制御（Ｓ７）を開始する。演算部３４は、時間カウントの開始（Ｓ６）、すなわち第１リスタート制御（Ｓ７）の開始後、所定時間の例示である５秒が経過するまでに、モータ電流のピーク値Ipeakが３０Ａ以下の状態が０．５秒継続しない場合（第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻るための条件が満たされない場合）（Ｓ１０のＹｅｓ）は、モータ６を停止する（Ｓ１２）。図８に示すフローチャートのその他の点は、図７に示すフローチャートと同様である。

図９は、比較例１におけるモータ電流とモータ回転数のタイムチャートである。このタイムチャートは、図６に示すリスタート制御（Ｓ７又はＳ９）を行わずにソフトスタート制御の後にデューティを１００％で固定し、負荷を徐々に高めた場合を示す。なお、前半においてモータ回転数が一定なのは、エコモードで低負荷時は定回転数制御としているためであり、図１０及び図１１においても同様である。図９では、定回転数制御で負荷を高めた結果デューティが１００％になった後、デューティは１００％で一定とする（定デューティ制御）。図９では、定デューティ制御以降は、モータ電流が単調に増加する一方でモータ回転数は単調に減少し、モータ電流が過電流閾値を超えたところで過電流保護機能によりモータ６への電流供給が遮断され、モータ６が停止する。

図１０は、比較例２におけるモータ電流とモータ回転数のタイムチャートである。このタイムチャートは、定デューティ制御以降、モータ電流が所定値を超えた時刻ｔ２からデューティを徐々に低下させていく制御を行った場合を示す。この場合、デューティ低下の開始後、モータ回転数が減少する一方でモータ電流が急上昇し、モータ電流が過電流閾値を超えたところで過電流保護機能によりモータ６への電流供給が遮断され、モータ６が停止する。デューティ低下の開始後にモータ電流が急上昇するのは、デューティを低下させると、モータ電流の実効値は低下するもののピーク値が大きくなるためである。

図１１は、実施の形態におけるモータ電流とモータ回転数のタイムチャートである。図１２は、図１１の一部の時間軸を拡大したタイムチャートである。このタイムチャートは、定デューティ制御以降、モータ電流が７０Ａを超えた時刻ｔ３にデューティ５０％からの第１リスタート制御を行い、その後、モータ電流が３０Ａを超える度（時刻ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７・・・）にデューティ３０％からの第２リスタート制御を行った場合を示す。このようにリスタート制御を繰り返すことで、負荷が大きくなってもモータ電流のピーク値は大幅には上昇せず、過電流保護での停止を抑制できる。また、第１リスタート制御を開始する時刻ｔ３の前後でモータ回転数が急激に低下し、使用者にかかる負荷が変化するため、使用者はモータ６の高負荷状態を認識しやすく、本体１０の押し込み力を弱めて通常モード（第１リスタート制御を行う前の制御状態）に戻すことが可能となり、過電流保護でモータ６が停止することにより作業中断を抑制できる。

図１３は、実施の形態におけるモータ回転数（実線）、出力（一点鎖線）、及びトルク（破線）の特性図である。図１３では、デューティ１００％の特性から、第１リスタート制御により一旦デューティ５０％の特性に遷移することを示している。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 演算部３４は、モータ電流のピーク値が７０Ａ以上になると、デューティ５０％からの第１リスタート制御を行うため、モータ６のロックを避けながらモータ電流のピーク値上昇を抑制して過電流保護の作動を抑制すると共に、高負荷状態を使用者に認識させやすくすることができ、本体１０の押し込み力を弱める等の対応を促すことができる。

(2) 演算部３４は、第１リスタート制御の後、モータ電流のピーク値が３０Ａ以上になる度に、デューティ３０％からの第２リスタート制御を繰り返すため、モータ６のロックを避けながらモータ電流のピーク値上昇を抑制して過電流保護の作動を抑制することができる。

(3) 演算部３４は、モータ電流のピーク値が３０Ａ以下の状態が０．５秒継続すれば、モータ６を停止しなくても第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻るため、作業を中断することなく通常モードに戻ることができて便利である。

(4) 図７に示す制御によれば、演算部３４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が７０℃以上の場合はソフトスタート制御の後デューティを１００％で固定するため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングによる温度上昇を抑制し、高温保護機能の作動を抑制することができる。また、ＬＥＤライト４９を点滅させて使用者に報知するため、使用者はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を認識しながら適切な作業が可能となる。

(5) 図８に示す制御によれば、演算部３４は、第１リスタート制御の開始後、５秒が経過するまでに、モータ電流のピーク値が３０Ａ以下の状態が０．５秒継続しない場合（第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻るための条件が満たされない場合）にモータ６を停止するため、高負荷状態が継続することを抑制でき、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングによる温度上昇を抑制することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

本発明は、実施の形態で例示した丸鋸に限定されず、グラインダ等の他の種類の電動工具にも適用可能である。

１ 電動工具（携帯用切断機）、５ トリガ部、１０ 本体、１１ モータハウジング、１２ ハンドルハウジング、１２ａ 基部、１２ｂ ハンドル部、１２ｃ 連結部、１３ ギヤカバー、１５ 保護カバー、１６ 鋸刃（回転具）、２０ 傾動支持機構、２５ 揺動支持機構（切込深さ調整機構）、３０ ベース、４１ 制御基板、４３ インバータ回路、５０ 制御部（コントローラ）、５１ 電池パック、Ｒｓ 検出抵抗

Claims (6)

1. ブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータに駆動電流を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記ブラシレスモータに流れる電流が第１閾値を超えると、前記インバータ回路に印加する制御信号のデューティを第１デューティまで低下させてから前記制御信号のデューティを徐々に高くする第１リスタート制御を行う、電動工具。
2. 前記制御部は、前記第１リスタート制御の後、前記ブラシレスモータに流れる電流が前記第１閾値より小さい第２閾値を超えると、前記制御信号のデューティを前記第１デューティより低い第２デューティまで低下させてから前記制御信号のデューティを徐々に高くする第２リスタート制御を行う、請求項１に記載の電動工具。
3. 前記制御部は、前記ブラシレスモータに流れる電流が所定時間継続して前記第２閾値以下となった場合、前記第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻る、請求項２に記載の電動工具。
4. 前記制御部は、前記第１リスタート制御を開始してから所定時間が経過するまでに、前記第１リスタート制御を行う前の制御状態に戻るための条件が満たされない場合は、前記ブラシレスモータを停止する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
5. 前記インバータ回路のスイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記制御部は、前記スイッチング素子の温度が所定値以上のときは、前記第１リスタート制御を行わない、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
6. 前記制御部は、負荷が所定値以下の場合は定速度制御を行い、負荷が前記所定値を超えた場合は定デューティ制御を行う、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。

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