JP5418821B2

JP5418821B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5418821B2
Application number: JP2009165175A
Authority: JP
Inventors: 和隆岩田; 信宏高野; 英之谷本; 嶋　　敏洋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: JP2011020187A

Description

本発明は電動工具のモータ制御に関し、特に電源電圧が低下した際のモータ制御を改良した電動工具に関する。

ドライバドリル等のネジ締め電動工具においては、ネジを相手材に対して垂直に締め付けるためにネジ締め作業の開始時に短時間の間にモータの低速回転・停止を繰り返して行い、徐々に相手材にネジを挿入していく。この作業の際に重要なのは、作業者のトリガ操作に対してモータの追従性を良くすることである。また、トリガ操作をしてトリガ操作を解除するまで、途中でモータが止まることなく安定して作業を完了させることが重要である。

一方、電動工具においてはモータの破損を防止するために、モータに供給される電流を監視し、モータに流れる電流が既定値を超える場合にはモータ保護のための電流値を制限する技術が、例えば特許文献１において知られている。この技術では、電池の放電電流が大きくなった場合に、この放電電流を断続させることにより、ボルト締め作業等の正常な動作時に流れる過剰な放電電流によりモータが損傷を受けるのを防止している。

特開２００５−２０４３６５号公報

特許文献１に記載された技術においては、モータに流れる電流が過大になった際に電流値を制限し、モータ保護を可能にしているが、電池の電圧が低下した際の保護制御はなんら行っていなかった。従来のブラシ付き直流モータを使った電動工具では、充電池の電圧が低下するとモータの回転力が低下し、回転トルクが低くなるため先端工具が作業中に止まってしまうことがあった。このようなモータの停止は、作業の中断という弊害を引き起こすので好ましくないが、モータが停止することでモータの損傷を防止することができた。

近年、インパクトドライバ等の電動工具において、ブラシレスＤＣモータが使われるようになってきた。ブラシレスＤＣモータは、ブラシ（整流用刷子）の無いＤＣ（直流）モータであり、コイル（巻線）を固定子側に、永久磁石を回転子側に用い、インバータで駆動された電力を所定のコイルへ順次通電することにより回転子を回転させる。この種の電動工具では、ステータに巻かれたコイルへの通電をオン・オフさせるためのスイッチング素子を、モータの後端側（出力軸と反対側）に取り付けられる円形の回路基板上に配置する。ブラシレスＤＣモータにおいては、先端工具から受ける反力によりモータの回転がロックしてしまうと、ＦＥＴ等のスイッチング素子に多大な電流（ロック電流）が流れ、スイッチング素子が破損する恐れがある。従って、モータがロックすることはスイッチング素子を用いる電動工具にとっては避けなければならない現象であるが、インパクトドライバの場合は、インパクト機構の存在により、先端工具を保持するスピンドル側の回転がロックしてしまっても、モータの回転は継続するので、モータがロックすることは無かった。

しかしながら、電動工具がドライバドリルであって、クラッチ機構部を持たない場合、或いは、クラッチ機構を作動させない動作モードの場合は、先端工具を保持するスピンドル側の回転がロックするとモータの回転もロックすることになるため、半導体スイッチング素子に過大な電流が流れる。そのため、モータの回転ロックが起こりうる電動工具においては、モータの回転中に過電流を検出して、過電流状態になった場合にモータの回転を停止させることが重要である。

この過電流状態を避ける制御の検討の過程で、発明者らは過電流状態を検出してモータの回転を停止することに加えて、モータが停止する状態を引き起こさないように制御することも重要であることを見いだした。特に、電池を動力とする電動工具においては、電池の内部抵抗の影響で、流れる電流が大きくなると電圧降下が大きくなる。電圧降下が大きくなると、モータの駆動トルクが低下するため、所定のトルクを発生することができずに、その結果モータが停止する状態が引き起こされる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電動工具のモータのロック状態発生を回避し、ロック状態における過電流の発生を回避することができる電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、電池パックの電圧低下に起因するモータの不安定な運転を回避することができる電動工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、作業を開始した後に電圧低下が発生した際に、極力モータを停止させないで作業を完了させることができるように制御する電動工具を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。

本発明の一つの特徴によれば、モータと、電源からの電力をモータに供給する駆動回路と、モータに流れる電流値を検出する電流検出回路と、電源の電圧を検出する電圧検出回路と、モータに流れる電流が第一電流閾値を上回ったときには、モータを停止させる制御部と、制御部へ電力を供給する電源回路を設けた。制御部は、電圧が起動許容電圧閾値を下回ったときは、電源から制御部に供給される電源を遮断させるように構成した。この電動工具は、モータを回転させる起動信号を発生させるスイッチトリガを備え、制御部はスイッチトリガが引かれた際であってモータが回転する前に電源の電圧を測定し、測定された電圧が起動許容電圧閾値を下回っているときには、制御部はモータを停止状態に維持する。

本発明の他の特徴によれば、駆動回路は半導体スイッチング素子を含むインバータ回路であり、制御部からインバータ回路に供給されるゲート電圧を遮断することによりモータを停止させる。また、制御部は、モータの回転中の駆動回路へ供給される電圧を測定し、測定された電圧が第一閾値電圧以下の場合は、モータの回転を停止させる。さらに、モータの回転中に測定された電圧が第一電圧閾値以上であって、第二電圧閾値（但し、第一電圧閾値＜第二電圧閾値）を下回ったときには制御部はモータへの電力供給を制限する。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータは、ＰＷＭ制御により回転制御されるブラシレスモータであり、制御部は、モータの回転中に測定された電圧が第一電圧閾値以上であって、第二電圧閾値（但し、第一電圧閾値＜第二電圧閾値）を下回ったときにはモータへの電力供給を制限するように構成した。また、制御部は、ＰＷＭ駆動信号のパルス幅のデューティー比（以下、「ＰＷＭデューティー」と称する）を低減させたあとに、モータへ供給される電圧が第三電圧閾値（但し、第二電圧閾値＜第三電圧閾値）まで復帰した場合は、ＰＷＭデューティーを増加させるように構成した。

請求項１の発明によれば、制御部は起動前の電圧が起動許容電圧閾値を下回ったときには、前記モータの停止状態に維持し、起動後に前記モータに流れる電流が第一電流閾値を上回ったときには前記モータを停止させるようにしたので、モータの不安定な運転状態を回避することができ、電圧降下に起因する過電流の発生も効果的に防止することができる。また、電圧が起動許容電圧閾値を下回ったときは、電源から制御部に供給される電源を遮断させる、つまり制御部自身の電源を切るので、モータに供給する駆動回路側にスイッチを挿入する必要が無い上に、モータへの電源供給を確実に遮断させることができる。

請求項２の発明によれば、測定された電圧が起動許容閾値を下回っているときには、制御部はモータを停止状態に維持するので、モータのロック状態の発生を防止することができる。さらに、低電圧時に過電流放電状態になることを防止できるので、二次電池の過放電を防止できる。

請求項３の発明によれば、電源の遮断は、制御部からインバータ回路に供給されるゲート電圧を遮断することにより行われるので、インバータ回路に供給される電力線上にスイッチ素子等を別途設ける必要が無く、部品数の削減によるコストダウンを達成でき、モータ駆動時のスイッチ素子による電圧降下を防止することができる。

請求項４の発明によれば、測定された電圧又は電流が、第一閾値電圧以下又は第一閾値電流以上の場合は、モータの回転を停止させるので、電池パックの電圧降下以外に起因するモータへの過電流及び低電圧の影響を回避することができる。

請求項５の発明によれば、制御部はモータの回転中に測定された電圧が第一電圧閾値以上であって、第二電圧閾値を下回ったときにモータへの電力供給を制限するので、モータを停止させることなく可能な限りモータの運転を継続できる。この結果、作業を最後まで完了させることが可能となる。

請求項６の発明によれば、モータは、ＰＷＭ制御により回転制御されるブラシレスモータであり、電圧が第二電圧閾値を下回ったときには、モータのＰＷＭデューティーを低減させるようにして電圧を復帰させるので、簡単な制御でモータを停止させることなく運転を継続させることが可能となる。

請求項７の発明によれば、制御部は、ＰＷＭデューティーを低減させたあとに、モータへ供給される電圧が第三電圧閾値まで復帰した場合は、ＰＷＭデューティーを増加させるので、電圧降下状態が回復した際にはすぐに元の状態に戻り、作業性の低下を最小に抑えることができる。

本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

本発明の実施例に係る電動工具の全体を示す図であり、一部にその断面を示す。図１のモータ２の断面構造を模式的に示す図である。本発明の実施例に係る電動工具の機能ブロック図である。モータの回転数（ｍｉｎ^−１）とモータの出力トルクＴの回転との関係を示す図である。停止中のモータを起動し、運転中の電圧低下によってモータが停止したときの電圧・電流と時間の関係を示すグラフである。停止中のモータを起動し、運転中の過電流状態によってモータが停止したときの電圧・電流と時間の関係を示すグラフである。本発明の第１の実施例に基づくモータ２の異常電圧・異常電流検出手順を示すフローチャートである。本発明の第２の実施例において、停止中のモータを起動し、運転中の過電流状態によってモータが停止したときの電圧・電流と時間の関係を示すグラフである。本発明の第２の実施例に基づくモータ２の異常電圧・異常電流検出手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書の説明において上下及び前後の方向は、図１中に示した方向として説明する。図１は本発明の実施例に係る電動工具の全体を示す図であり、一部にその断面を示す。本実施例においては、電動工具の一実施例としてドライバドリル１を用いて説明するが、本発明はこれに限られずにインパクトドライバ、ハンマドリルなどの他の電動工具でも良い。

図１において、ドライバドリル１は、胴体ハウジング部６ａ内にモータ２を収納し、モータ２の駆動力を伝達する動力伝達部２５により、スピンドル（出力軸）８に装着されたチャック２８に着脱自在に保持されるドライバまたはドリルの先端工具（図示せず）に回転力を与える。胴体ハウジング部６ａの後方側には、モータ２を駆動するためのインバータ回路部（回路基板）３が収容され、胴体ハウジング部６ａの中間部および前方側には、モータ２の回転軸２ｅ方向に回転力を伝達し、モータ２の回転数を減速するための減速機構部２６と、減速機構部２６の出力軸に得られる回転トルクをスピンドル８に伝達するクラッチ機構部２７が収容される。クラッチ機構部２７は、減速機構部２６の回転力をスピンドル（出力軸）８に伝達するように結合される。また、このクラッチ機構部２７の代わりに、通常のインパクト機構を設けてもよい。

クラッチ機構部２７は、モード切替およびトルク調整のためのダイヤル（クラッチダイヤル）５を有し、ダイヤル５によって作業者がドライバモードまたはドリルモードを設定できるように構成される。ダイヤル５がドライバモードを選択している場合、トルク調整ダイヤル５を複数段階の所定の回転角度に回転させることによって、クラッチ機構部２７は、ダイヤル５の回転角度に従って減速機構部２６の出力軸からスピンドル８に伝達される回転トルクを負荷に対応する所望の締付けトルクに調整することができる。このダイヤル５は、例えば１０段階のトルク設定が可能である。設定した締付けトルク（滑り出しトルク）以上の負荷トルクがスピンドル８に加わると、トルク調整部５のクラッチ機構により減速機構部２６の出力軸はスピンドル８との結合から遮断されて空転することになり、これによってモータ２のロックが防止される。

ダイヤル５をドリルモードに設定する場合は、ダイヤル５を最大限の回転角度に回転させて減速機構部２６で得られる回転力を、クラッチを動作させずにスピンドル８に伝達させるように切替える。このドリルモードにおいて負荷がスピンドルの締付けトルクより大きい場合、クラッチ機能部２７が働かないので、スピンドル８に保持された先端工具はロックされ、モータ２はロック状態となる。減速機構部２６は、周知の技術によって構成され、モータ２の回転軸２ｅの前端に形成されたピニオンギアに噛合う、例えば、２段の遊星歯車減速機構（変速ギアケース）（図示せず）から構成される。

モータ２は、本実施例では３相ブラシレス直流モータを用いる。図２は、図１のモータ２の断面構造を模式的に示す図である。この断面は、モータ２の出力回転軸と垂直に切断した面である。図２に示すように、モータ２は回転子（ロータ）２ａと固定子巻線（電機子巻線）２ｄを含んで構成される。回転子２ａは、回転軸２ｅ方向に延びるＮ極およびＳ極の永久磁石（マグネット）２ｂを有し、固定子２ｃは円筒状の外形であってティース部２ｈに巻かれる固定子巻線２ｄを有する、いわば内部磁石配置形のモータである。

固定子巻線２ｄは、樹脂材料からなる絶縁層２ｆ（図１参照）を介して固定子２ｃに巻回される。回転子２ａの近傍には、回転子２ａの回転位置を検出するために、回転方向に６０°毎に配置され、回転子２ａの位置を電磁結合的に検出する３つのホールＩＣ（回転位置検出素子）１０〜１２が配置される。スター結線された固定子巻線２ｄ（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には、インバータ回路部３よりホールＩＣ１０〜１２の位置検出信号に基づいて電気角１２０°の通電区間に制御された電流が供給される。尚、回転位置を検出するための別の方法として、固定子巻線２ｄの誘起起電圧（逆起電力）を、フィルタを通して論理信号として取出すことによって回転子位置を検出するセンサレス方式を採用することもできる。

再び図１を参照して、胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂは、一体に成型された合成樹脂材料からなる。胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂは、モータ２の回転軸２ｅを通る鉛直面で左右に２分割可能に構成される。組み立て時には、ハウジング部材（胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂの左又は右側部分）の一対を準備し、予め、図１の部分断面図で示すような一方のハウジング部材に、モータ２の固定子２ｃ及び回転子２ａ等の組込みを行い、しかる後、他方のハウジング部材を重ねて、ネジ締め等で双方のハウジング部材を締結させる。固定子２ｃの外周面に対向するハウジング部分の内壁には、胴体ハウジング部６ａと一体成型により形成された複数の固定子保持部（リブ部）（図示せず）が形成され、固定子保持部によってモータ２が把持または挟持される。

モータ２の先端側には冷却用ファン２４が同軸上に設けられ、冷却用ファン２４近傍の胴体ハウジング部６ａには、図示されていないが、排気口（通風口）が形成される。胴体ハウジング部６ａの後端部には吸気口（通風口）２１が形成され、この吸気口２１から冷却用ファン２４の近傍に形成される排気口に至る通路２３は、冷却用空気の流通路を形成し、インバータ回路部３の半導体スイッチング素子３ａの温度上昇、およびモータ２の固定子巻線２ｄの温度上昇を抑制する。ドライバモードまたはドリルモードにおいて、モータ２の負荷状況によってはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に大電流が流れてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の発熱が大きくなるので、冷却用ファン２４によってインバータ回路部３を強制的に空冷することが需要である。

インバータ回路部３は、円板状の回路基板を有し、モータ２の固定子２ｃの一端部側（後方側）を全面的に覆う。一方、固定子２ｃの他端部側（前方側）には、防塵カバー２２が設けられ、インバータ回路部３と同様に、固定子２ｃの他端部側面を覆う。これらインバータ回路部３および防塵カバー２２の両者は、固定子２ｃと共に、回転子２ａを閉塞または密封する防塵構造（密閉構造）を形成する。これにより、モータ２への粉塵の侵入を防止できる。

ハンドルハウジング部６ｂの下端部には、モータ２の駆動電源となる電池パック３０が着脱可能に装着される。電池パック３０の上部には、モータ２のインバータ回路部３を制御するための制御回路部４が、前後左右方向に延在するように設けられる。

ハンドルハウジング部６ｂの上端付近にはスイッチトリガ７が配設され、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａがバネ力によって付勢された状態でハンドルハウジング部６ｂから突出する。作業者がトリガ操作部７ａを後方に押し込むことにより、トリガ押込量（操作量）を調整し、モータ２の回転数を制御することができる。本実施例によれば、スイッチトリガ７によるトリガ押込量は、インバータ回路部３の半導体スイッチング素子３ａを駆動するＰＷＭ駆動信号のＰＷＭデューティーに反映される。

電池パック３０は、スイッチトリガ７および制御回路部４へ駆動電源を供給し、さらにインバータ回路部３へ駆動電力を供給するように電気的に接続される。電池パック３０を構成する二次電池は、リチウムイオン電池が使用されるが、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を用いても良い。リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比較して約３倍のエネルギー密度を持ち、小形軽量であるという利点をもっている。この電池パック３０の出力電圧は、例えば、１４．４Ｖである。

次に図３を用いて、本発明の実施例に係る電動工具の機能ブロック図を説明する。インバータ回路１３はインバータ回路部３に搭載され、３相ブリッジ形式に接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６により主に構成される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６として、本実施例では絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いるが、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラトランジスタでも良い。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御部３１に含まれる制御信号出力回路３３に接続される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタまたはエミッタは、スター結線された固定子巻線２ｄ（巻線：Ｕ、Ｖ、Ｗ）に接続される。これによって、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路３３から入力されたスイッチング素子のＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作を行い、インバータ回路１３に印加される電池パック３０の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換して、固定子巻線２ｄ（３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ）へ３相交流電力を供給する。

図３において、制御部３１は、制御回路部４（図１参照）に搭載される各種回路により構成される。演算部３２は、モータ２の回転制御を含むドライバドリル１の全体の制御を行う。演算部３２は、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するためのＣＰＵ、後述するような制御フローを実行する処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、時間をカウントするためのタイマ等を含むマイコンによって構成され、処理プログラムとデータに基づいて各種処理を実行する。回転子位置検出回路３４は、ホールＩＣ１０〜１２の出力信号に基づいて回転子２ａの回転位置を検出し、演算部３２へ回転子２ａの位置情報を出力する。回転数検出回路３５は、ホールＩＣ１０〜１２から一定間隔で出力される信号の時間間隔からモータ２の回転数を検出する。

電源スイッチ回路３８は、制御部３１内へ電源を供給するためのメインスイッチであり、電源スイッチ回路３８をオンにすることにより、電源電圧供給回路３９に電池パック３０からの電力が供給される。通常、電源電圧供給回路３９のスイッチのオン又はオフは、スイッチトリガ７に連動して動作するが、本実施例においては演算部３２からの制御信号によってもオン／オフが制御可能である。このため、演算部３２から電源スイッチ回路３８への制御信号線が接続される。電源電圧供給回路３９は、電池パック３０から供給される電圧を、制御部３１で使用される所定の電圧（例えば５Ｖ〜１５Ｖ）に変換し、演算部３２及びその他の電気回路（図示せず）に供給する。

電流検出回路３６は、シャント抵抗１８を用いてモータ２の駆動電流を検出し、その情報を演算部３２に出力する。電圧検出回路３７は、電池パック３０から供給される電圧値を測定して演算部３２に出力する。スイッチ操作検出回路４０は、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａによるトリガ操作の有無を判別して演算部３２に出力する。印加電圧設定回路４１は、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａによるトリガ押込量に応答してスイッチトリガ７において発生する出力制御信号に対応するＰＷＭ信号のＰＷＭデューティーを設定する。尚、図３では図示していないが、モータ２の回転方向設定回路を設けて、正逆切替レバー９（図１参照）による正方向回転または逆方向回転の操作を検出して演算部３２に出力する。

演算部３２は、電流検出回路３６、電圧検出回路３７、スイッチ操作検出回路４０、および印加電圧設定回路４１の各出力情報に基づいて、制御信号出力回路３３への出力駆動信号を作成し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のＰＷＭ駆動信号のＰＷＭデューティーを制御することによって、モータ２への印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを制御する。また、図示しない回転方向設定回路と回転子位置検出回路３４の情報を基に、所定のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を所定の順序にスイッチングすることによって固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを所定の順序に供給するように制御し、これによって、正逆切替レバー９によって設定された回転方向にモータ２を回転させるよう制御する。

演算部３２は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をＰＷＭ駆動信号Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、スイッチトリガ７（図１参照）のトリガ操作部７ａのトリガ押込量に応答する印加電圧設定回路４１の出力信号に基づいて、ＰＷＭ駆動信号のパルス幅のデューティー比を変化させることによりモータ２への電力を調整し、モータ２の起動および回転速度を制御する。なお、ＰＷＭ駆動信号は、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６に供給する代わりに、正電源側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の駆動信号Ｈ１〜Ｈ３をＰＷＭ駆動信号として形成しても、結果的に、電池パック３０の直流電圧から各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する印加電圧を制御することができる。

また、演算部３２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のうち、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオンし、３個の正電源側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３をオフし、固定子巻線を短絡することによりブレーキ時の電流が流れる経路を形成し、モータ回転時の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、短絡制動によるブレーキ動作を行う。

以上の構成により、制御部３１は、制御信号出力回路３３からインバータ回路１３へＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６を出力し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングを交互に制御することにより、３相交流電圧がモータ２の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力されるように制御する。また、ＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のＰＷＭデューティーを調整することによりモータ２のモータ電流およびモータ回転数（回転速度）を制御する。

次に図４を用いて、モータの回転数Ｎ（ｍｉｎ^−１）とモータの出力トルクＴ（Ｎｍ）の回転との関係を説明する。上側の直線が電池パック３０が満充電状態時のモータ２の回転数と出力トルクＴの関係を示す。例えば、締め付け目標トルクがＴ_１で締め付けをしようとすると、満充電状態時の電池パック３０を用いた場合は、地点ａ１において均等し、回転数Ｎ_１で回転することになる。一方、下側の直線が電池パック３０の残量が少ない状態時のモータ２の回転数と出力トルクＴの関係を示すものである。残量が少ない状態においては、締め付け目標トルクがＴ_１で締め付けをしようとすると、規定のトルク値Ｔ_１に達する前に、ａ２においてモータ２の回転数が０、つまり、モータ２がロックしてしまうことになる。つまり、低電圧時にモータはロックしやすく、ロックによる過電流が発生しやすい。また、低電圧の電池パック３０は出力不足に陥りやすく実際の作業には実質上使用できない上に、制御部３１の回路が電圧低下により故障が発生しやすくなる。さらに、電池パック３０も過放電状態になりやすく、電池寿命が悪化する。そこで、本実施例においてはモータ２を回転させるまえに、電池パック３０の電圧を測定し、図４に示すような関係直線を用いて目標トルクＴ_１で締め付けが可能かを判定し、締め付け不能であると判定される場合は、モータ２を起動させないようにした。

次に、本実施例に基づく電動工具の制御を図５〜７を用いて説明する。図５は、停止中のモータを起動し、運転中の電圧低下によってモータが停止したときの電圧・電流と時間の関係を示すグラフである。上側のグラフは電圧検出回路３７（図３）で検出された電圧（縦軸：単位ボルト）と時間（横軸：単位秒）の関係を示し、下側のグラフは電流検出回路３６（図３参照）で検出された電流（縦軸：単位アンペア）と時間（横軸：単位秒）の関係を示し、両方のグラフの横軸は同じスケールとなるように連動させて記載している。

本実施例におけるモータ制御においては、電圧値の所定の閾値として、停止中のモータ２の起動を許可する起動許容電圧閾値たる運転不能電圧Ｖ_Ｌ（Ｌ：Ｌｏｗ）と、運転中のモータ２の運転継続を中止させる閾値電圧たる停止電圧Ｖ_Ｓ（Ｓ：Ｓｔｏｐ）を設定する。同様に、運転中のモータ２の運転継続を中止させる電流たる電流閾値Ｉ_Ｓ（Ｓ：Ｓｔｏｐ）を設定する。そして、モータ２の起動時においては、電池パック３０の電圧が運転不能電圧Ｖ_Ｌ以上ならばモータ２の起動を許可し、運転不能電圧Ｖ_Ｌ以下の場合はモータ２の起動を許可しない。これは、運転不能電圧Ｖ_Ｌ以下の場合にモータ２を起動してしまうと、図４のａ２に示したようにモータロックを招く恐れがあるからである。また、上述したように、低電圧の電池パック３０は出力不足に陥りやすく実際の作業には実質上使用できない上に、制御部３１の回路が電圧低下により故障が発生しやすくなるため、このような場合には電動工具の使用を禁止するようにしている。

図５においては、曲線の地点ｂ１においては、モータ２は停止しているが、電池パック３０の電圧は運転不能電圧Ｖ_Ｌ以上である。従って、地点ｂ２においてトリガ操作部７ａがオンにされると、モータ２の回転が開始される。モータ２の回転が開始すると、回転数の上昇と共にモータ２に流れる電流が増加し、電圧降下後の出力電圧を示す式（Ｖ−ＩＲ）で示すように、電流Ｉが増加するために、電池パック３０の出力電圧が低下し、地点ｂ３で示すように徐々に低下していく。この際、電池パック３０の電圧が停止電圧Ｖ_Ｓ以下になったことが検出されると（地点ｂ４）、演算部３２はモータ２への駆動電力の供給をストップする。この結果、地点ｂ５のように電池パック３０の電圧が上昇するが、運転中に電池パック３０の電圧が停止電圧Ｖ_Ｓ以下になった場合は、モータ２を停止しても運転不能電圧Ｖ_Ｌを超えることは少なく、地点ｂ５で示すように、モータ２の運転が不能な状態のままのことが多い。

図５の例では、下側のグラフに示すようにインバータ回路１３に流れる電流は、地点ｂ６でも電流閾値Ｉ_Ｓを超えていないので、電流値に基づくモータ２の運転継続中止制御は行われない。しかしながら、上述したように地点ｂ６の時に電池パック３０の電圧が停止電圧Ｖ_Ｓ以下になったことが検出されたので、モータ２が停止され、その後、電流値も減少して０になる。

次に、図６を用いて、電池パック３０の電圧が停止電圧Ｖ_Ｓ以下になる前に、電池パック３０の電流が電流閾値Ｉ_Ｓ以上になったためにモータ２が停止される状況を説明する。地点ｃ１〜ｃ３までの状況は、図５の地点ｂ１〜ｂ３までの状況と同じである。しかしながら、地点ｃ４において、電池パック３０の電圧が停止電圧Ｖ_Ｓ以下になっていないが、対応する地点ｃ６において電流閾値Ｉ_Ｓ以上になったためにモータ２が停止される。モータが停止されると、電流値は減少して０になる。

次に、図７のフローチャートを用いて、本実施例に基づくモータ２の異常電圧・異常電流検出手順を説明する。まず、ステップ７１において、スイッチトリガ７がオンになると、電源スイッチ回路３８にその旨の信号が送られて、電源スイッチ回路３８は電池パック３０からの電圧を電源電圧供給回路３９に供給を開始する。電源電圧供給回路３９は、電池パック３０の電圧から、制御部３１内の各素子に必要な電源電圧（例えば直流５Ｖ〜１５Ｖ。演算部３２には５Ｖを供給し、制御信号出力回路には１５Ｖを供給）を生成し、演算部３２やその他の素子に供給を開始する。この電源電圧の供給によって、演算部３２を含む制御部３１の電源が入ることになる。

次に、演算部３２は電圧検出回路３７の出力を受けて、電池パック３０の電圧値を検出する（ステップ７２）。この電圧は、モータ２の回転が開始される前の電圧であり、モータ２の停止電圧である。次に演算部３２は、検出されたモータ２が停止している際の電池パック３０の電圧が所定電圧（図５、６で説明した運転不能電圧Ｖ_Ｌ）以下であるか否かを判別する（ステップ７３）。所定電圧以下である場合は、ステップ７１に戻るが、この意味は、電池パック３０を交換する等の何らかの理由で電池パック３０の電圧が復帰しない限りモータ２が再起動されないことを意味する。

ステップ７３において所定電圧以上である場合は、モータ２の駆動を行う（ステップ７４）。モータ２が停止している場合はモータ２の起動を行うことになるが、起動制御や、モータ２の回転制御は、公知のＰＷＭ制御で行うことができるので、詳細な説明は省略する。

次にモータ２が回転をすると、演算部３２は電圧検出回路３７の出力をもとに電池パック３０の電圧（あるいはインバータ回路１３に印加される電圧）を検出する（ステップ７５）。次に、演算部３２は、検出された電圧が所定の電圧（図５、６で説明した停止電圧Ｖ_Ｓ）以下であるか否かを判別する（ステップ７６）。停止電圧Ｖ_Ｓ以下である場合は、演算部３２は、制御信号出力回路３３に制御信号を送り、モータ２に供給される駆動電力を０にするように制御し、モータ２を停止させる（ステップ８１）。モータ２が停止されたらスイッチトリガ７がオフにされたから否かを判定し、オフになったらステップ７１に戻り、オフにならなかったらステップ８２を繰り返すことにより待機する。（ステップ８２）このようにモータ２の停止後は、スイッチトリガ７をオフしない限り次のトリガ操作を受け付けないように構成した。

このように待機状態を設けたのは、モータ２の停止により一時的に電池の電圧が回復し、モータ２を起動してしたあとに電池パック３０の電圧が低下して、再びモータ２を停止させるという不安定な動作を防止するためである。尚、ステップ７１に戻ると、再びスイッチトリガ７の動作を受け付ける。尚、ステップ７１に戻る前に、モータ２の起動を再度試みるリトライ動作を許容するように構成しても良い。これにより、スイッチトリガ７を戻さずとも作業を続行させることができる。ただし、上記した不安定な動作を防止するために、リトライ回数を所定回数に制限することが望ましい。

ステップ７６において停止電圧Ｖ_Ｓ以上である場合は、演算部３２は電流検出回路３６の出力をもとに電池パック３０から出力される電流（あるいはインバータ回路１３に流れる電流）を検出する（ステップ７７）。電流が電流閾値Ｉ_Ｓ以上になった場合には、過電流状態でありスイッチング素子が破壊される恐れがあるのでステップ８１に進み、演算部３２はモータ２を停止させる（ステップ７８）。次に、ステップ７９でスイッチトリガがオフになるまでステップ７４から７９まで繰り返す。ステップ７９において、演算部３２はスイッチ操作検出回路４０の出力によりスイッチトリガ７がオフになったことを検出したらモータ２を停止させ、ステップ７１に戻る（ステップ８０）。尚、ステップ８０におけるモータ２の停止は、ステップ８１におけるモータ２の保護のための停止とは異なり、作業完了による正常終了である。

以上、本実施例によれば、モータ２の運転を開始する前に電圧検出を行い、電圧が低電圧状態（起動許容電圧閾値以下）の場合は、モータのロックを予め予防するためにモータの起動を行わない。従って、モータのロックに伴う過電流状態の発生を効果的に防止することができる。また、低電圧状態による制御部３１内の回路のリセットを効果的に回避することができる。さらに、モータ運転中は電流値と電圧値を検出し、過電流もしくは低電圧の場合はモータを停止するので、モータ及び回路基板の焼損を防止することができる。例えば、電源電圧の低下によりインバータ回路のスイッチング素子のゲート電圧が低下することに起因してスイッチング素子が破損することを防止できる。さらに、モータの停止後の動作は、トリガオンの場合はモータの停止状態を保持するので、モータの保護をより確実に行うことができる。

次に、図８を用いて第２の実施例に基づく電動工具の制御について説明する。図８においては、検出された電池パック３０の電圧に基づく基準値として、３つの閾値Ｖ_ｔｈ１〜Ｖ_ｔｈ３を設け、この閾値に応じて制御信号出力回路３３によるＰＷＭデューティーを変化させたり、モータ２の停止をするものである。運転不能電圧Ｖ_Ｌ及び電流閾値Ｉ_Ｓを用いて制御を行う点は、図５及び図６で説明した第１の実施例と同じである。

図８においては、曲線の地点ｄ１においては、モータ２は停止しているが、電池パック３０の電圧は運転不能電圧Ｖ_Ｌ以上であるため、地点ｄ２においてトリガ操作部７ａがオンにされると、モータ２の回転が開始される。モータ２が回転して、地点ｄ３で示すように電圧が徐々に低下していく。この際、電池パック３０の電圧が閾値電圧Ｖ_ｔｈ２以下になったことが検出されると（地点ｄ４）、演算部３２はモータ２への駆動電力の出力を下げるべき、デューティー比を１００％から所定の量だけ徐々に低くする（図８の一番下のグラフの地点ｄ８）。デューティー比を下げると、電流値が下がるため、電圧降下量が減って、電池パック３０の電圧は復帰する。その後、地点ｄ５のように、何らかの理由で電圧がＶ_ｔｈ３以上に戻ったら、演算部３２は、図８の下側グラフの地点ｄ９で示すように再びデューティー比を元の値（１００％）に戻すように制御する。電圧低下時（デューティー比低減時）には作業性をできるだけ維持するために、デューティー比をゆっくりと下げるようにすると良い。また、電圧回復時（デューティー比をあげるとき）は作業状態を早急に回復させるために、デューティー比を急激に増加させると好ましい。

次に、図９のフローチャートを用いて、本実施例の基づくモータ２の異常電圧・異常電流検出手順を説明する。本フローチャートにおいて、ステップ９１から９５までは、図７のステップ７１から７５までの制御をそれぞれ同一であり、モータ２の停止時の電圧を検出すること（ステップ９２）、回転中の電圧を検出すること（ステップ９５）は同様である。尚、第２の実施例ではステップ９３において、検出されたモータ２の停止電圧が所定電圧（運転不能電圧Ｖ_Ｌ）以下であるか否かを判別し、所定電圧以下である場合は、スイッチトリガ７がオフにされたから否かを判定し、オフになったらステップ１０８に進み、オフにならなかったらステップ１０７を繰り返すことにより待機する（ステップ１０７）。これは、スイッチトリガ７の操作中に制御部３１の電源をオフにしないようにするためである。

ステップ１０８では制御部３１の電源をオフにして処理を終了する。第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、ステップ９３において所定電圧（運転不能電圧Ｖ_Ｌ）以下である場合にはステップ９１に戻るように構成しても良い。しかし、第２の実施例ではステップ１０８において、演算部３２が電源スイッチ回路３８をオフにすることにより、電池パック３０の電源が電源電圧供給回路３９に供給されないようにして制御部３１の電源を切るように構成した。

次に、ステップ９５において、回転中の電圧を検出したあとに、ＰＷＭデューティーを低減させる閾値電圧Ｖ_ｔｈ２以下か否かを判定し、低下していたらＰＷＭデューティーを所定量だけ低減させる（ステップ９７）。ステップ９６において、閾値電圧Ｖ_ｔｈ２以下でない場合は、電圧値が、ＰＷＭデューティーを復活させる閾値電圧Ｖ_ｔｈ３以上に復活しているかを判定し（ステップ９８）、復活している場合は、ＰＷＭデューティーの低減を解除してからステップ１００に進む（ステップ９９）。ステップ９８において復活していない場合は、ＰＷＭデューティーを低減したままでステップ１００に進む。

次に、検出された電圧が停止電圧Ｖ_ｔｈ１以下である場合は、演算部３２はモータ２を停止させる（ステップ１０５）。モータ２が停止されたらスイッチトリガ７がオフにされたから否かを判定し、オンになったらステップ９１に戻り、オフにならなかったらステップ８２を繰り返すことにより待機する（ステップ１０６）。

ステップ１００において、電圧値が、モータ２の回転を停止させるための停止電圧Ｖ_ｔｈ１以上である場合は、演算部３２は電流検出回路３６の出力をもとに電池パック３０の放電電流を検出する（ステップ１０１）。電流が電流閾値Ｉ_Ｓ以上になった場合には、過電流状態であるのでステップ１０５に進み、演算部３２はモータ２を停止させる（ステップ１０２）。

次に、ステップ１０３でスイッチトリガがオフになるまでステップ９４から１０２まで繰り返す。ステップ１０３において、演算部３２がスイッチトリガ７がオフになったことを検出したらモータ２を停止させ、ステップ９１に戻る（ステップ１０４）。

以上説明した第２の実施例によれば、第一の実施例に加えて、モータ運転中に低電圧状態を検出するとＰＷＭデューティーを低減させように制限したので、モータの停止する可能性を極力低減させることができる。しかも、モータ運転中は電流と電圧を検出し、過電流もしくは低電圧の場合は確実にモータを停止させるので、過電流時にモータを停止することにより、モータ及び回路基板の焼損をも防止することができる。さらに、低電圧時にモータを停止することにより、回路リセットおよびロック状態に至ることを防止できる。

以上、本発明を示す実施例に基づき説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例においては、過電流状態を示す電流閾値Ｉ_Ｓを用いて制御したが、これに加えて過電圧状態を示す電圧閾値を設けて、何らかの理由で高電圧になった場合にモータの起動を制限したり、又は回転中のモータを停止させるように構成しても良い。

また上述の実施例においては、電圧検出箇所として電池パック３０からインバータ回路１３に接続される箇所から電池電圧検出回路３７を用いて電池電圧を検出するようにしているが、例えば、制御部３１に電源を供給する電源電圧供給回路３９の出力電圧を検出するようにしてもよい。

１ドライバドリル２（ブラシレス直流）モータ
２ａ回転子（ロータ）２ｂ永久磁石
２ｃ固定子（ステータヨーク）２ｄ固定子巻線
２ｅ回転軸２ｆ絶縁層
２ｈティース部３インバータ回路部
３ａ半導体スイッチング素子４制御回路部
５（トルク調整）ダイヤル６ハウジング
６ａ胴体ハウジング部６ｂハンドルハウジング部
７スイッチトリガ７ａトリガ操作部
８スピンドル９正逆切替レバー
１０、１１、１２回転位置検出素子（ホールＩＣ）
１３インバータ回路１８シャント抵抗
２１吸気口２２防塵カバー
２３空気流通路２４冷却用ファン２５動力伝達部
２６減速機構部２７クラッチ機構部
２８チャック（先端工具取付部）３０電池パック（リチウムイオン二次電池）
３１制御部３２演算部３３制御信号出力回路
３４回転子位置検出回路３５回転数検出回路
３６電流検出回路３７電圧検出回路３８電源スイッチ回路
３９電源電圧供給回路４０スイッチ操作検出回路
４１印加電圧設定回路４２速度モード切替スイッチ
Ｈ１〜Ｈ６ＰＷＭ駆動信号
Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子
Ｕ、Ｖ、Ｗ３相固定子巻線

Claims

モータと、
電源からの電力を前記モータに供給する駆動回路と、
前記モータに流れる電流値を検出する電流検出回路と、
前記電源の電圧を検出する電圧検出回路と、
前記モータに流れる電流が第一電流閾値を上回ったときには、前記モータを停止させる制御部と、
前記制御部へ電力を供給する電源回路と、を備え、
前記制御部は、前記電圧が前記起動許容電圧閾値を下回ったときは、前記電源回路から前記制御部に供給される電力を遮断することを特徴とする電動工具。
前記電動工具は、前記モータを回転させる起動信号を発生させるスイッチトリガを備え、
前記制御部は、前記スイッチトリガが引かれた際であってモータが回転する前に前記電源の電圧を測定することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記駆動回路は、半導体スイッチング素子を含むインバータ回路であり、制御部から前記インバータ回路に供給されるゲート電圧を遮断することにより前記モータを停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記制御部は、前記モータの回転中の前記駆動回路へ供給される電圧を測定し、
測定された電圧が、第一閾値電圧以下の場合は、前記モータの回転を停止させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
前記制御部は、前記モータの回転中に測定された電圧が第一電圧閾値以上であって、第二電圧閾値（但し、第一電圧閾値＜第二電圧閾値）を下回ったときには前記モータへの電力供給を制限することを特徴とする請求項４に記載の電動工具。
前記モータは、ＰＷＭ制御により回転制御されるブラシレスモータであり、
前記制御部は、前記モータの回転中に測定された電圧が第一電圧閾値以上であって、第二電圧閾値（但し、第一電圧閾値＜第二電圧閾値）を下回ったときには、前記モータのＰＷＭデューティーを低減させることを特徴とする請求項５に記載の電動工具。
前記制御部は、前記モータへ供給される電圧が第三電圧閾値（但し、第二電圧閾値＜第三電圧閾値）まで復帰した場合は、前記ＰＷＭデューティーを増加させることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。