JP4286552B2 - 電動工具およびソレノイドの駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電動釘打機や電動タッカ等の電動工具に関し、詳しくは、この種の電動工具に用いられるソレノイドの駆動技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
電動釘打機や電動タッカ等の電動工具では、駆動源としてソレノイド(コイル)が用いられる。この種の電動工具においては、釘またはステープルを打つドライバ(プランジャ,可動子)を加速するために、ソレノイドからドライバに大きなエネルギを供給する必要がある。商用交流電源等の電圧が高い電源を利用する場合はコンデンサに蓄電することでソレノイドからドライバに大きなエネルギを供給できるが、電池等の電圧が低い電源を利用する場合は直に給電することには無理がある。そこで、図9に示すように、電池電圧をDC−DCコンバータで昇圧したうえでコンデンサに電気エネルギーを蓄える方式が提案されている。この種の技術としては、たとえば特許文献1に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開昭61−136777号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、DC−DCコンバータを用いるのではコストアップとなり実際的ではなく、また、DC−DCコンバータの搭載による重量増と大型化を招くために実用的でもない。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、DC−DCコンバータをを介してコンデンサに蓄電するといった方式を採らずに、電源電圧が低い電源(例えば、電池)に接続されたコイルから十分なパワーを引き出すことができる技術を実現することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
上記課題を解決するため、本願に係る電動工具は、電源に接続されるコイルと、電源とコイルの間に介装されたスイッチと、コイルで発生する電磁力によって吸引され、第1の位置から第2の位置まで移動する可動子と、可動子を第1の位置で保持することが可能な保持手段と、保持手段によって可動子を第1の位置に保持した状態でスイッチをオンし、コイルに流れる電流が設定値となると保持手段による可動子の保持を停止させる制御手段と、を有する。
この電動工具では、可動子を拘束した状態でコイルに給電することで、コイルに磁気エネルギーを蓄える。コイルへ給電が開始されるとコイルに流れる電流は徐々に増加し、これに伴ってコイルに蓄えられる磁気エネルギーも増加する。そして、コイルに流れる電流値が設定値となると、すなわち、コイルに十分な磁気エネルギーが蓄えられると、可動子の拘束が解除され、可動子は電磁力により吸引されて変位する。すなわち、コイルに蓄えた磁気エネルギーが可動子の運動エネルギーとなり、可動子は大きな加速度を得ることができる。したがって、電源電圧が低くてもコイルから可動子に大きなエネルギを与えることができる。
【0006】
前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させた後も第1所定時間のあいだスイッチをオンしていることが好ましい。かかる構成によると、可動子が吸引を開始された後もコイルに電流が供給されるため、可動子をより加速することができる。
【0007】
また、前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させると同時にスイッチをオフすることもできる。かかる構成によると、コイルに蓄えられたエネルギーを効率的に可動子の運動エネルギーに変換することができる。
【0008】
上記電動工具は、低い電圧の電源を用いても可動子に大きなエネルギーを与えることができるため、電源には電池を用いることが好ましい。
電源に電池を用いる場合、電池電圧の低下によってコイルに流れる電流値が設定値まで上昇しない場合がある。かかる場合、コイルに電流値が流れ続けることとなる。したがって、前記制御手段は電流値が設定値とならなくてもスイッチをオンしてから第2所定時間が経過するとスイッチをオフすることが好ましい。さらには、前記設定値を電源電圧の低下に応じて変化するようにしてもよい。
【0009】
可動子を第1の位置に保持(拘束)する手段としては、種々の機構(たとえば機械式のもの)等を採用することができる。また、前記保持手段が可動子を吸引する電磁コイルとすることも好ましい。
【0010】
また、本発明は、上記課題を解決するため、電動工具に装備されたソレノイドの駆動方法を提供する。すなわち、本願に係るソレノイドの駆動方法は、可動子を拘束した状態でソレノイド本体に給電し、所定時間経過後、前記可動子の拘束を解き放って当該可動子を変位させることを特徴とする。
この方法によっても、コイルから可動子に大きなエネルギーを与えることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図1は釘打機に装備されたソレノイド駆動装置の構成を説明する図である。なお、釘打機の機械的構成は、従来公知の構成(例えば、ケーシング内にバッテリと制御装置とソレノイドを収容し、制御装置を介してバッテリから電力供給を受けるソレノイドの電磁力によりプランジャを吸引し、プランジャの先端で釘を打撃する。)を採用することができ、特に本発明を特徴付けるものではないので、ここではその詳細な説明は省略する。
図1に示すように、電磁力でプランジャ(可動軸)を吸引するソレノイド1は制御回路2を介してバッテリ3に接続されている。制御回路2は、詳しくは後述するが、バッテリ3からソレノイド1へ給電される電流をオンオフ制御する給電手段と、次述するプランジャの保持/解放を所定のタイミングで切り替える制御手段とを有している。なお、このソレノイド駆動装置は、ソレノイドに磁気エネルギーを蓄えるものであって、従来例で説明したコンデンサによって電気エネルギーを蓄えるものではないので、図9と比較してより簡素に構成されている。
【0012】
図2はプランジャを保持/解放する保持部(プランジャレリーズともいう)の構成と作動を説明する図である。図2(A)はソレノイドコイル1aに吸引されて変位するプランジャ5がスタート位置(請求項でいう第1の位置)に保持された状態を示している。プランジャ5は、復帰スプリングなどの復帰手段(図示省略)により付勢されてスタート位置に移動するようになっている。スタート位置では、保持部6の可動部材6aがプランジャ5の係止部5aと係合し、プランジャ5が強固に保持されるようになっている。これに対し、図2(B)は可動部材6aと係止部5aの係合が外れて保持部6から解放されたプランジャ5が、ソレノイドコイル1aの電磁力によって終端位置(請求項でいう第2の位置)まで吸引される途中の様子を示している。なお、ソレノイドコイル1aおよび保持部6は電動工具のフレームに固定されており、可動部材6aを操作する機構は、アクチュエータやモータ等の適宜な手段で構成される。
【0013】
ここで、保持部の別例について説明しておく。図3はプランジャを保持/解放する保持部を電磁的切替手段で構成した例である。図3(A)に示すように、プランジャ5’がスタート位置にある状態で保持部6’の励磁コイル7に励磁電流を流すと、発生した磁束が略U字型のコア8とプランジャ5’の一端を通って磁気回路(閉ループ)をつくるので、強力にプランジャ5’を保持部6’に固定することができる。プランジャ5’を解放するときは励磁コイル7に流れる電流を遮断する。図3(B)は、保持部6’から解放されたプランジャ5’が吸引されて変位した様子を示している。この保持部(プランジャレリーズ)6’は、可動部のない簡素な構造であり、プランジャ5’の固定/解放をダイレクトに行う機構であるので機械的なタイムラグが発生せず、確実な作動が期待できるという特長がある。
【0014】
つぎに、上記ソレノイド駆動装置の動作原理を図4を参照して説明する。プランジャ5をスタート位置に固定した状態で、ソレノイドコイル1aを電圧Vのバッテリ3に接続する。ソレノイドコイル1aのインダクタンスをL、直流抵抗をRとすると、ソレノイドコイル1aに流れる電流は図4(A)に示すように、時間経過とともに曲線0BHのように増加する。ここで接線0Aの傾きは、V/Lである。Lの値が大きいほど電流はゆっくり増加し、時間とともに電流(曲線0BH)がV/Rに漸近する。電流iによってインダクタンスLに蓄えられるエネルギーの大ききさEmは、下記の式で表される。
【0015】
【数1】
【0016】
ここで適当な電流値i1を設定し、時間とともに増加してゆく電流がこの値となった時刻t1のB点で、バッテリ3との接続を切り離し、同時にプランジャ5の固定を開放することとする。ソレノイドコイル1aにはフライホイール回路が設けられているが、固定を開放されたプランジャ5はソレノイドコイル1aに引込まれて加速される。その際、ソレノイドコイル1aに蓄積されていた磁気エネルギーが消費される。このときの電流変化を図4(A)において、曲線BCで示す。時刻t2のC点でプランジャ5はストロークの終端に衝突する。プランジャ5が終端に衝突した後のコイル電流は、図4(A)の曲線CDで示したように、フライホイールを行いながら抵抗Rで消費されて減衰してゆく。図4(B)および(C)には、プランジャ速度とプランジャ位置の時間変化が模式的に示している。なお、同図(C)で示す0−xの間隔がプランジャのストロークである。
【0017】
ここで、V/Rの値が設定値i1に近いと、電流の傾斜がゆるやかな領域で磁気エネルギーを蓄積するため、ソレノイドコイル1aの大ききを小さくできる。しかしながら、電流の傾斜がゆるやかな領域(抵抗的な領域)で磁気エネルギーを蓄積しプランジャ5を加速するため、抵抗Rによる熱損失が大きくなりエネルギー効率が悪くなる。一方、V/Rの値を設定値i1より遠ざけて大きくし、接線0Aに近い領域(インダクタンス的な領域)で使用すると、ソレノイドコイル1aを大きくしなければならない。したがって、これらの点を考慮して設定値i1とソレノイドコイル1aを設計することが好ましい。例えば、まず、設定値i1をバッテリの許される最大電流値とし、次いで、ソレノイドコイル1aの寸法等を決めるようにしてもよい。
【0018】
また、ソレノイドコイル1aに蓄えられる磁気エネルギーを大きくするためには、プランジャ5がスタート位置に位置するときのソレノイドコイル1aのインダクタンスを大きすることが好ましい。したがって、図8(a)に示すようにプランジャ15の一部がソレノイドコイル1a内に突出するものや、図8(b)に示すようにソレノイドコイル1a内に磁性体16を配置するような構成をとることも好ましい。
【0019】
なお、上述した説明では、プランジャ5の開放と同時にバッテリ3との接続を切り離したが、これとは異なる動作をさせることもできる。例えば、ソレノイドコイル1aに印可する電源電圧を、B点すなわち時刻t1にオフしないでプランジャ5だけを固定から開放する。そして、時刻t3でプランジャ5が終端に衝突後、時刻t4でバッテリ3との接続を切り離す。このときのコイル電流は、図4(A)において点線で示した曲線BEFGとなる。また、同図(B)で示すように、時刻t1でオフした場合に比べてプランジャ5の速度を速くすることができる。
【0020】
つぎに、前述した制御回路2の具体例について説明する。本実施形態のソレノイド駆動装置の制御回路を図5および図7に示す。図5において、L1はプランジャレリーズ(保持部6)のコイルであり、Q1がそのスイッチング素子である。プランジャレリーズ6の開放時の応答性を良くするために、フライホイール回路にダイオードD1 だけでなく抵抗器R1が付加されている。
また、L2はソレノイドコイル1aであり、Q2がそのスイッチング素子である。Q3、Q4はスイッチング素子Q2を駆動するスイッチング素子である。ソレノイドコイルL2からスイッチング素子Q2を通って流れる電流は、抵抗R2に発生する電圧として検出される。抵抗R2に発生する電圧は比較器A1の+端子に入力し、定電圧用ツェナーダイオードZD1と抵抗R3、R4で設定された基準電位と比較される。なお、バッテリ3を消費してバッテリ電圧が低下するとツェナーダイオードZD1に電流が流れなくなり、比較電位がバッテリ電圧に比例して下がるようになる。すなわち、設定電流i1がバッテリ電圧に比例して下がるようになる。これによって、バッテリ電圧低下時に図4のV/Rが設定電流i1 に近づいてしまうことを防止している。なお、制御回路2aについては後述する。
【0021】
ここで、上記した制御回路の作動の一例を、図6に示すタイミングチャートを参照して説明する。電源スイッチSW1がオンされてから、トリガスイツチSW2がオンされると、制御回路2aはスイッチング素子Q1をオンする。これによりプランジャレリーズ6のコイルL1に励磁電流が流れる。プランジャレリーズ6がプランジャ5を確実に固定するための時間τ1が経過すると、次に、制御回路2aはスイッチング素子Q3をオンする。これによって、スイッチ素子Q4がオンし、さらにスイッチング素子Q2がオンする。このため、ソレノイドコイルL2にバッテリ電圧が印加され、ソレノイドコイルL2に電流が流れ始める。ソレノイドコイルL2に流れる電流値が設定値i1に到達すると、比較器A1はオン信号を制御回路2aに送る。比較器A1からのオン信号を受けた制御回路2aは、スイッチング素子Q1をオフにしてコイルL1への電流を絶ち、プランジャ5を開放する。このあと時間τ2経過後に制御回路2aは、スイッチング素子Q3をオフする。これにより、スイッチング素子Q4、Q2がオフされ、ソレノイドコイルL2へのバッテリからの電流供給が遮断される。
【0022】
次いで、前記制御回路2aの具体例を図5〜図7を参照して説明する。図7においては、抵抗R11、コンデンサC11はトリガスイッチSW2からのノイズとチャタリングを阻止するためのものである。また、A11およびA13は緩やかに変化するアナログ電圧をステップ状の電庄レベル(ハイ/ロー)に変換する素子である。A11とA13には、比較器や簡易的にはCMOS−ICのゲート回路を利用することができる。A12はフリップフロップ素子である。電源スイッチSW1投入時には、コンデンサC14、抵抗R16による微分回路から3入力OR素子A14を通して入力する信号によってリセットされ、フリップフロップ素子A12の出力端子Qはローレベルになっている。
かかる構成において、トリガスイツチSW2をオンすることでフリップフロップ素子A12のクロック入力Cが立ち上がると、出力端子Qはハイレベルとなる。したがって、制御回路2aの端子(ロ)もハイレベルとなり、プランジャレリーズ6のコイルL1に励磁電流が流れる。これに伴って、ダイオードD11、抵抗R12を通してコンデンサC12に充電が開始され、この時定数のタイムラグ(前述の時間τ1)の後に素子A13の出力〔端子(ハ)〕がハイレベルとなる。このため、ソレノイドコイルL2に電流が流れ始める。
ソレノイドコイルL2の電流が設定値を超えて、端子(ニ)からの入力がハイレベルになると、素子A14を通してフリップフロップ素子A12がリセットされ、出力端子Qと端子(ロ)がローレベルとなる。このため、プランジャレリーズ6に流れる電流が遮断され、プランジャ5がプランジャレリーズ6から開放される。
一方、コンデンサC12の電荷は抵抗R13、ダイオードD12を通して放電され、この時定数τ2の後に、素子A13の出力と端子(ハ)がローレベルとなる。このため、ソレノイドコイルL2への電流の供給が遮断される。
なお、抵抗R14、コンデンサC13は時定数τ2より長い時定数を持っており、上述のプロセスでフリップフロップ素子A12がリセットされないとき、すなわちソレノイドコイルL2への電流が止まらないときに備える。すなわち、ソレノイドコイルL2の電流が設定値を超えなくても、所定時間が経過してコンデンサC13の電圧が所定の電圧となると、素子A14を介してフリップフロップ素子A12がリセットされるようになっている。これはソレノイドコイルL2の発熱による直流抵抗Rの増加、あるいはスイッチング素子Q2における電圧降下の増加のトラブルに対応するものである。なお、フリップフロップ素子A12の出力端子Qがローレベルになったときは、コンデンサC13の電荷はダイオードD13、抵抗R15を通して急速に放電されるため、正常時に他の回路の動作のじゃまにならないようにしている。
【0023】
上述した説明から明らかなように、上述した構成を有するソレノイド駆動装置は、電源から供給される電力を磁気エネルギーとしてソレノイドコイルに蓄えることができるため、比較的簡素な構成でより大きな釘を打てるようにすることが可能になる。
【0024】
以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、これは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施形態は、本発明の技術を釘打機に適用した例であったが、本発明の技術は釘打機以外の電動工具(たとえば、電動タッカ等)に適用することもできる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係るソレノイド駆動装置の構成を説明する図。
【図2】同、保持部(プランジャレリーズ)の構成と作動を説明する図。
【図3】保持部(プランジャレリーズ)の別例を説明する図。
【図4】本実施形態に係るソレノイド駆動装置の作動を説明する図。
【図5】同、ソレノイドを駆動する制御回路の詳細図。
【図6】同、制御回路のタイミングチャート図。
【図7】同、制御回路の詳細図。
【図8】プランジャの別例を説明する図。
【図9】従来例に係るソレノイド駆動装置の構成を説明する図。
【符号の説明】
1 :ソレノイド
1a:ソレノイドコイル(ソレノイド本体)
2 :制御回路
2a:制御回路
3 :バッテリ
6 :保持部(プランジャレリーズ)
Claims (7)
- 電源に接続されるコイルと、
電源とコイルの間に介装されたスイッチと、
コイルで発生する電磁力によって吸引され、第1の位置から第2の位置まで移動する可動子と、
可動子を第1の位置で保持することが可能な保持手段と、
保持手段によって可動子を第1の位置に保持した状態でスイッチをオンし、コイルに流れる電流が設定値となると保持手段による可動子の保持を停止させる制御手段と、を有する電動工具。 - 前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させた後も第1所定時間のあいだスイッチをオンしていることを特徴とする請求項1に記載の電動工具。
- 前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させると同時にスイッチをオフすることを特徴とする請求項1に記載の電動工具。
- 前記電源が電池であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の電動工具。
- 前記設定値は電源電圧の低下に応じて変化することを特徴とする請求項4に記載の電動工具。
- 前記保持手段が可動子を吸引する電磁コイルであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電動工具。
- 電動工具に装備されたソレノイドの駆動方法であって、可動子を拘束した状態でソレノイド本体に給電し、所定時間経過後、前記可動子の拘束を解き放って当該可動子を変位させることを特徴とするソレノイドの駆動方法。
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