JP5520177B2

JP5520177B2 - 電池式電動工具

Info

Publication number: JP5520177B2
Application number: JP2010212731A
Authority: JP
Inventors: 篤優久保田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012066334A

Description

本発明は、電池を電源とする電池式電動工具に関するものである。

電池式電動工具、例えばブラシレスモータを駆動源とするとともに電源としての電池にリチウムイオン電池を採用した電池式電動工具においては、特許文献１に示されているように、モータ制御回路を搭載して、スイッチ操作に対応するモータの駆動・停止や、電池電圧が所定値を下回ったり、モータ電流値が所定値を上回ったり、電池あるいはモータ温度が所定値を上回ったりした場合、電池や本体保護のためにモータ制御回路がモータを停止させるようにしている。

ところでモータ制御回路には安定した電源を必要とする電子部品（マイクロコンピュータ）が用いられるために、電源が変動するとモータ電流などの検出手段の測定値に誤差が生じたり、モータ制御回路（マイクロコンピュータ）がリセットしてしまってソフトウェアが正常に動作せず、モータ駆動が正しく行われなくなる可能性があるとともに、近年、大電流供給可能な電池やモータの出現で高負荷作業に用いる機会が多くなったために、電池電圧の変動が大きくなり、上記不具合が出現する可能性が大きくなる傾向にある。

特開２００３−１６４０６６号公報

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、モータ駆動をより的確に行うことができる電池式電動工具を提供することを課題とするものである。

本発明は、電池を電源とし、モータを駆動源とするとともに、モータの駆動と停止の指示のためのスイッチ機構と、上記電池の電圧値を検出する電圧検出手段と、上記スイッチ機構の出力と上記電圧検出手段の出力とに基づいてモータ速度を設定するモータ制御手段と、該モータ制御手段の速度設定に基づいて前記モータの駆動を行うモータ駆動手段とを有する電動工具において、前記モータ制御手段は、前記モータを停止から起動させるにあたり、前記電圧検出手段で検出したモータ起動前の電池電圧値に応じて前記モータの起動に際しての回転の立ち上がりの加速を変化させるものであることに特徴を有している。

この場合、上記モータ制御手段は、上記スイッチ機構の出力に基づいてモータを起動させるにあたり、モータ起動前の電池電圧値が高い場合はモータを急加速で起動し、電池電圧値が低い場合はモータを緩加速で起動するものであることが好ましい。

また、上記モータ制御手段は、モータ起動前後の電池電圧値の差分値に応じてモータの回転の立ち上がりの加速を変化させるものであってもよい。

本発明においては、モータ起動前の電池電圧値に応じてモータ起動時のモータ回転の立ち上がり加速を変化させるものであり、電池電圧値が低ければ電圧降下が大となる急加速を抑制して緩加速で起動させることにより、起動電流による電圧降下で電池電圧が不具合を招くことになる下限値を下回ってしまう事態を避けることができるものであり、このためにモータ駆動をより的確に行うことができる。

本発明の実施の形態の一例におけるフローチャートである。同上の動作説明図である。他例のフローチャートである。基本構成を示す概略図である。同上のブロック回路図である。 (a)は無負荷時の動作説明図、(b)はドリルドライバー時の動作説明図、(c)はインパクトドライバー時の動作説明図である。 (a)はドリルドライバーによる動作の説明図、(c)はインパクトドライバーによる動作の説明図である。 (a)は電池電圧が高電圧である時の動作説明図、(b)は電池電圧が低電圧である時の動作説明図である。

まず、電池式電動工具の基本構成について説明すると、図４及び図５において、図中１は駆動源としてのモータＭとトリガースイッチＳ及び制御回路２を備えた工具本体、３は電源としての電池Ｂを備えて上記工具本体１に対して着脱自在とされている電池パックである。トリガースイッチＳを操作した時、モータ制御回路４はモータ駆動手段であるＦＥＴ５を介して電流をモータＭに供給する。

上記トリガースイッチＳは、その引き込み操作量に応じて可変抵抗ＶＲの抵抗値を変化させるとともに、引き込み操作した時に接点Ｓ１をオンとするもので、ＦＥＴ５をＰＷＭ制御するモータ制御回路４は、トリガースイッチＳの引き込み操作量に応じた回転数でモータＭを回転させる。つまり、トリガースイッチＳを引き込み操作して接点Ｓ１をオンとした時、引き込み操作量が最大となるまではＰＷＭ制御によって可変抵抗ＶＲの抵抗値に応じた回転数でモータＭを回転させ、フルに引き込めばＦＥＴ５をフルでオンさせてモータＭをフル回転させる。

また電源回路６を通じて制御電源（たとえば５Ｖ）が供給される上記モータ制御回路４は、電池電圧を分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２による分圧値で計測する電池電圧計測部を備えたものであり、この分圧値が予め設定された所定値よりも低い場合は、トリガースイッチＳの操作にかかわらずモータＭを停止状態とする。このほか、電池温度や本体温度（モータ温度）が高くなりすぎる場合も、モータ制御回路４はモータＭを停止させたり、回転数を制限したりする。

ここにおいて、予め設定された上記所定値や、電池電圧の計測値は、モータ制御回路４に供給される電源や、その電源を基にモータ制御回路４に供給されるＡＤ変換基準値が安定していることを前提としている。このために電源が変動すると、上記前提が崩れてしまい、電圧値が正確に換算されずに想定外の電圧値で回転可否判断を行うことになり、保護機能が誤作動してしまったり、前述のようにマイクロコンピュータからなるモータ制御回路４がリセット、もしくは再スタートしてしまうことでプログラムが停止したり、モータ制御が正しく行われずに使用上の不具合が発生してしまったりという不具合が生じる。

図２に示す電源回路６には上記不具合を避けるべく、コンデンサなどの電圧安定化部品を搭載しているが、近年はモータＭのトルクアップや、大電流供給可能な電池パックの開発により、電池電圧変動がより一層大きくなりやすい傾向にあるために、上記不具合が発生する可能性が高くなっている。

ところで、電動工具で作業したときの電圧と電流の挙動、殊にトリガースイッチＳを一気に引き込んでモータＭをフル回転で起動させる場合の挙動は次のようになる。すなわち、電池電圧が十分であるとモータ制御回路４が判断してＦＥＴ５をオンさせると、図６に示すように、モータＭは回転数が０からの起動となるために起動電流が大きく流れ、一旦電池電圧も急降下する。そしてモータが回転を始めると、無負荷の時には図６(a)に示すように、モータＭは数Ａ程度の電流を消費するのみで回転中の電池電圧低下も少ないがドリルドライパーとして図７(a)に示す穴明けを行う場合、ドリルＤが相手材９に侵入するほど負荷が増えるため、ドリルＤが相手材９を貫通するまで、徐々にモータ消費電流が増加するとともに電圧が減少する。インパクトドライバーとして図７(b)に示すねじ締めを行う場合は、図６(c)に示すように、打撃してねじ締めを行っている間はほぼ一定の電流値・電池電圧値となるが、相手材９にねじ８の頭が接触する着座時に負荷が増えるため、モータＭが消費する電流が一瞬増加するとともに電圧が減少する。図６(a)(b)(c)のタイムチャートにおける左側は電池容量がフルである場合、右側は電池容量が乏しくなって空に近い場合を示している。

ここで、図中のＶ２は電池容量が空に近づくなどして電池電圧が低下した場合の低電圧保護によりモータＭを停止させる電圧しきい値である。なお、モータ起動時の一瞬の電圧急降下によりしきい値Ｖ２を下回った時に低電圧保護が動作してしまわないように、所定時間継続してしきい値Ｖ２を低下した場合に低電圧保護を行う。

また、図６中のＶ１はモータ制御回路４が手段が安定して動作する電池電圧の下限であり、これを下回ると電圧値が正確に換算されなくなったりリセットしてしまう不具合を生じることになるため、しきいＶ２の場合とは異なり、電池容量の如何にかかわらず、起動電流の一瞬の電圧降下もＶ１を下回ってはならないのであるが、電池容量が十分の場合は図８(a)に示すように、下限値Ｖ１を下回ることがなくても、電池容量が低下して電圧が低下している時には、図８(b)に示すように下限値Ｖ１を下回って電源回路６が出力する制御電源の電圧値が降下してしまう事態を招くおそれがある。

このために、本発明においては、トリガースイッチＳの操作でモータＭを起動させるに際して、次のような制御を行うものとしている。すなわち、図１に示すようにトリガースイッチＳがオンしたことを検出した時の電池電圧がしきい値Ｖ２以下であれば、低電圧保護としてモータ制御回路４はＦＥＴ５をオフしたままとし、モータを駆動させない。

次にトリガースイッチＳの引きこみ量を検出し、引き込み量が小さければ、通常起動としてＰＷＭ制御下でＦＥＴをオンとし、回転数を制限した状態で起動する。モータＭに供給する電流量はもともと少ない状態であるために、電池電圧が下限値Ｖ１以下になることはない。

そして、トリガースイッチＳの引き込み量が大きい時には、電池電圧値に応じて制御を変更する。つまり、電池電圧が設定値以上に高ければ、モータＭが大きな起動電流を必要としても電池電圧が下限値Ｖｌ以下にならないとして、従来どおりＦＥＴをオンさせる。しかし、電池電圧が設定値以下に低ければ、モータＭが大きな起動電流を要すると電池電圧が下限値Ｖ１以下まで降下して正常な動作が確保できない可能性があるとして、モータ制御回路４はＦＥＴ５のオンをＰＷＭ制御でデューティ比を徐々に大きくして最終的に１００％オンとするようなスローアップ起動でモータＭを起動する。モータＭの回転の加速を抑制して急激な電流供給・電圧降下を抑えることで電池電圧が下限値Ｖ１以下まで降下することがないようにするのである。

トリガースイッチＳが操作された際の電池電圧が低くなればなるほど、モータＭの回転加速が緩やかになるように（スローアップ起動にかかる時間が長くなるように）多段階で設定してもよいのはもちろんである。

このようにトリガースイッチＳがフルに引き込まれて本来ならばフル加速で起動させることになる場合でも、電池電圧によってはＰＷＭによるデューティ制御を介して緩やかに加速して回転が立ち上がるようにすることで、電圧降下が不具合を引き起こす事態を避けることができる。

モータ制御回路４の処理速度が充分に速い場合には、モータＭに電流を供給し始めた直後の電池電圧も加味してスローアップ起動を行うとよい。図３に示すように、スローアップ起動のためにＰＷＭ制御でＦＥＴ５をオンさせてモータＭに電流を供給し始めた直後の電池電圧値Ｖｄと、モータＭ起動前のトリガースイッチＳを操作した時の電池電圧値Ｖとの差分をモータ制御回路４において算出し、上記差分値（電池電圧の降下量）が大で想定以上に急激な電圧低下が生じているために下限値Ｖ１を下回る可能性があると判断モータ制御回路４が判断した場合、ＰＷＭ制御から１００％オンとするスローアップ起動の速度をさらに遅くすることによって、急激な電流供給・電圧降下を抑えれば、電池電圧が下限値Ｖ１以下になる虞をより低くすることができるために、さらに確実なモータ制御動作を提供することができる。

１工具本体
２制御回路
３電池パック
４モータ制御回路
Ｂ電池
Ｓトリガースイッチ
Ｍモータ

Claims

電池を電源とし、モータを駆動源とするとともに、モータの駆動と停止の指示のためのスイッチ機構と、上記電池の電圧値を検出する電圧検出手段と、上記スイッチ機構の出力と上記電圧検出手段の出力とに基づいてモータ速度を設定するモータ制御手段と、該モータ制御手段の速度設定に基づいて前記モータの駆動を行うモータ駆動手段とを有する電動工具において、前記モータ制御手段は、前記モータを停止から起動させるにあたり、前記電圧検出手段で検出したモータ起動前の電池電圧値に応じて前記モータの起動に際しての回転の立ち上がりの加速を変化させるものであることを特徴とする電池式電動工具。
上記モータ制御手段は、上記スイッチ機構の出力に基づいてモータを起動させるにあたり、モータ起動前の電池電圧値が高い場合はモータを急加速で起動し、電池電圧値が低い場合はモータを緩加速で起動するものであることを特徴とする請求項１記載の電池式電動工具。
上記モータ制御手段は、モータ起動前後の電池電圧値の差分値に応じてモータの回転の立ち上がりの加速を変化させるものであることを特徴とする請求項１または２記載の電池式電動工具。