JP5801751B2

JP5801751B2 - 電動工具

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Publication number: JP5801751B2
Application number: JP2012100931A
Authority: JP
Inventors: 山本　浩克; 浩克山本; 高明長田
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2015-10-28
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Description

本明細書によって開示される技術は、電動工具に関する。

特許文献１に、電動工具において、モータを流れる電流に基づいてモータが無負荷状態にあるか負荷状態にあるかを判別し、無負荷状態の場合に負荷状態の場合に比べてモータの回転数を低減させる技術が開示されている。この技術では、無負荷状態の場合に負荷状態の場合に比べてモータの回転数を下げることで、騒音や振動の発生を抑制している。

米国特許第４００２９５９号明細書

モータを流れる電流からは、モータが無負荷状態にあるか負荷状態にあるかを正確に判別することが難しい。例えば、モータの起動時には、無負荷状態であっても、モータには大きな起動電流が流れる。特許文献１の技術では、このような場合に、モータが負荷状態にあると誤って判別し、モータの回転数を増大させてしまう。

また無負荷状態ではモータの回転数を下げるために、位相制御やＰＷＭ制御によってモータを流れる電流を制限している。このため、モータが無負荷状態から負荷状態に移行しても、モータを流れる電流の上昇分が小さいことがある。特許文献１の技術では、このような場合に、モータが無負荷状態にあると誤って判別し、モータの回転数が下がった状態のままロックしてしまうおそれがある。

さらに、無負荷状態から負荷状態に移行した直後においては、モータが一定の回転数で定常的に駆動しておらず、非定常的な挙動を示す過渡状態が存在する。過渡状態においては、モータの慣性モーメントに応じた慣性トルクの影響が大きく、モータを流れる電流のみから負荷トルクの大きさを正確に判断することは困難である。特許文献１の技術のように、モータを流れる電流から無負荷状態と負荷状態を判別しようとすると、無負荷状態から負荷状態へ切り換わる際に、モータの回転数を上昇させるタイミングが遅くなってしまう。

電動工具において、モータの無負荷状態と負荷状態を正確かつ迅速に判別して、無負荷状態における騒音や振動を抑制し、無負荷状態から負荷状態に切り換わる際のモータの回転数の応答性を向上することが可能な技術が必要とされている。

本明細書が開示する電動工具は、モータと、モータにより駆動される工具部と、ワークから工具部を介してモータに作用する負荷トルクを推定するトルク推定手段を備えている。そのトルク推定手段は、少なくともモータに流れる電流に応じた駆動トルクとモータの慣性モーメントに応じた慣性トルクを反映した負荷トルクを推定する。その電動工具は、トルク推定手段で推定された負荷トルクに応じて、無負荷モードと負荷モードの間で選択的に切換可能である。その電動工具では、無負荷モードにおけるモータの回転数が、負荷モードにおけるモータの回転数に比べて低い。

上記の電動工具では、モータに流れる電流に応じた駆動トルクとモータの慣性モーメントに応じた慣性トルクを反映した負荷トルクを推定し、推定された負荷トルクに応じて無負荷モードと負荷モードを切り換える。このような構成とすることによって、モータの無負荷状態と負荷状態を正確かつ迅速に判別して、無負荷状態における騒音や振動を抑制し、無負荷状態から負荷状態に切り換わる際のモータの回転数の応答性を向上することができる。

レシプロソー２の構成を模式的に示す図である。モニタ回路１２の構成をブロック線図で表現した図である。モニタ回路１２をモータ８と組み合わせた構成をブロック線図で表現した図である。図３の制御系と等価な制御系をブロック線図で表現した図である。レシプロソー２における、モータ８に作用するトルクτとモータ８の回転数ωの経時的変化を示す図である。モータ８の回転数を調整するフィードバック制御系を示す図である。コントローラ１８の処理を説明するフローチャートである。第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２の組み合わせの例を示す図である。設定切換手段１４の一例を示す図である。モニタ回路１２の別の構成をブロック線図で表現した図である。モニタ回路１２の別の構成をブロック線図で表現した図である。モニタ回路１２の別の構成をブロック線図で表現した図である。モニタ回路１２の別の構成をブロック線図で表現した図である。

一実施形態に係る電動工具では、トルク推定手段が、モータの特性を反映したモータモデルであって、モータに作用する負荷トルクについての入力と、モータに関連する状態量についての出力を有するモータモデルと、当該モータに関連する状態量についての実測値とモータモデルの出力の差分を算出する比較器と、比較器の出力を増幅してモータに作用する負荷トルクの推定値として出力する増幅器を備えており、増幅器の出力がモータに作用する負荷トルクとしてモータモデルに入力される。ここでいう「モータに関連する状態量」とは、モータの挙動に関連する状態量であって、例えばモータに印加される電圧や、モータを流れる電流や、モータの回転数などを含む。上記のトルク推定手段では、モータモデルを含むフィードバックループが構成されており、実際のモータの挙動をモータモデルによってシミュレートすることができる。そして、モータに関連する状態量の実測値が実現される際の、モータに作用する負荷トルクの推定値を精度良く算出することができる。上記の電動工具によれば、モータが非定常的な挙動を示す状況であっても、モータモデルによってその挙動をシミュレートすることで、モータに作用する負荷トルクを精度良く推定し、モータの無負荷状態と負荷状態を正確に判別することができる。

一実施形態に係る電動工具では、モータに関連する状態量が、モータに流れる電流であり、モータモデルが、モータに印加される電圧についての入力をさらに備えており、モータに印加される電圧についての実測値が、モータモデルに入力される。この電動工具によれば、検出が容易なモータに流れる電流の実測値とモータに印加される電圧の実測値に基づいて、モータに作用する負荷トルクを精度良く推定し、モータの無負荷状態と負荷状態を正確に判別することができる。

一実施形態に係る電動工具では、トルク推定手段が、少なくとも高周波成分を除去する第１フィルタと、前記第１フィルタと同じ特性を有する第２フィルタを備えており、前記モータが、電流を断続的に流して制御されており、前記モータを流れる電流の実測値が、前記第１フィルタを介して、前記比較器に入力され、前記モータに印加される電圧の実測値が、前記第２フィルタを介して、前記モータモデルに入力される。この電動工具によれば、ＰＷＭ制御や位相制御などを適用したモータを用いる場合でも、モータに作用する負荷トルクを精度良く推定し、モータの無負荷状態と負荷状態を正確に判別することができる。

一実施形態に係る電動工具では、モータに関連する状態量が、モータの回転数であり、モータモデルが、モータに印加される電圧についての入力をさらに備えており、モータに印加される電圧についての実測値が、モータモデルに入力される。この電動工具によれば、検出が容易なモータの回転数の実測値とモータに印加される電圧の実測値に基づいて、モータに作用する負荷トルクを精度良く推定し、モータの無負荷状態と負荷状態を正確に判別することができる。

一実施形態に係る電動工具では、トルク推定手段が、トルク定数とモータに流れる電流の積から、慣性モーメントとモータの回転数の時間微分値の積を減算して、モータに作用する負荷トルクを推定する。この電動工具によれば、簡素な制御系によってモータに作用する負荷トルクを適切に推定し、モータの無負荷状態と負荷状態を正確に判別することができる。

一実施形態に係る電動工具では、トルク推定手段が、トルク定数とモータに流れる電流の積から、慣性モーメントとモータの回転数の時間微分値の積を減算して、さらに摩擦係数とモータの回転数の積を減算して、モータに作用する負荷トルクを推定する。この電動工具によれば、簡素な制御系によってモータに作用する負荷トルクを精度良く推定し、モータの無負荷状態と負荷状態を正確に判別することができる。

一実施形態に係る電動工具では、モータの回転数または誘起電圧に基づくフィードバック制御により、無負荷モードにおけるモータの回転数を略一定に調整する。この電動工具によれば、工具部がワークによって拘束されている状態で無負荷モードでの動作を開始した場合でも、フィードバック制御によりＰＷＭ制御のデューティ比が自動的に広がって、モータがロックすることがない。

一実施形態に係る電動工具では、電動工具の起動時において、無負荷モードで動作を開始する。この電動工具によれば、電動工具の起動時における騒音や振動の発生を確実に抑制することができる。

一実施形態に係る電動工具では、無負荷モードにおいて、トルク推定手段で推定された負荷トルクが第１規定トルクを上回ると、負荷モードに切り換る。一実施形態に係る電動工具では、第１規定トルクを使用者が設定可能な第１トルク設定手段をさらに備えている。一実施形態に係る電動工具では、負荷モードにおいて、トルク推定手段で推定された負荷トルクが第２規定トルクを下回ると、無負荷モードに切り換る。一実施形態に係る電動工具では、第２規定トルクを使用者が設定可能な第２トルク設定手段をさらに備えている。一実施形態に係る電動工具では、負荷モードおよび／または無負荷モードの回転数を使用者が設定可能な回転数設定手段をさらに備えている。これらの電動工具によれば、無負荷モードと負荷モードにおける電動工具の動作を、使用者が使用状況に応じて適切に設定することができる。

一実施形態に係る電動工具は、無負荷モードにおいて、トルク推定手段で推定された負荷トルクが第１規定トルクを上回ると、負荷モードに切り換え、負荷モードにおいて、トルク推定手段で推定された負荷トルクが第２規定トルクを下回ると、無負荷モードに切り換え、負荷モードの回転数、無負荷モードの回転数、第１規定トルクおよび第２規定トルクのうち少なくとも２以上の組み合わせについて、所定の段階で切換可能な切換手段をさらに備えている。この電動工具によれば、負荷モードの回転数、無負荷モードの回転数、第１規定トルクおよび第２規定トルクの適切な組み合わせを、使用者が使用状況に応じて選択することができる。

一実施形態に係る電動工具では、無負荷モードと負荷モードの切換を行う動作状態と、常に負荷モードで動作する動作状態の間で切換可能な動作状態切換手段をさらに備えている。この電動工具によれば、無負荷モードと負荷モードの間の切換えの有無を、使用者が使用状況に応じて切り換えることができる。

一実施形態に係る電動工具では、無負荷モードにおいて、トルク推定手段で推定された負荷トルクが第１規定トルクを上回ると、負荷モードに切り換え、負荷モードにおいて、トルク推定手段で推定された負荷トルクが第２規定トルクを下回ると、無負荷モードに切り換え、無負荷モードと負荷モードの切換を行う動作状態と、常に負荷モードで動作する動作状態の間で切換可能な動作状態切換手段をさらに備えており、動作状態切換手段が、負荷モードの回転数、無負荷モードの回転数、第１規定トルクおよび第２規定トルクのうちの少なくとも１つについて設定する手段と共通化されている。この電動工具によれば、動作状態切換手段と設定する手段の構成を簡素化することができる。

一実施形態に係る電動工具では、無負荷モードから負荷モードに切り換った後、所定時間が経過するまで、負荷モードから無負荷モードへの切り換わりを禁止する。この電動工具によれば、負荷モードと無負荷モードの間で頻繁に切り換わる事態を抑制し、電動工具の動作を安定させることができる。

一実施形態に係る電動工具は、モータの動力を工具部に伝達する動力伝達部と、ワークから工具部に作用する荷重を推定する荷重推定手段をさらに備えており、荷重推定手段が、トルク推定手段で推定される負荷トルクと、動力伝達部の特性に応じて、ワークから工具部に作用する荷重を推定し、トルク推定手段で推定された負荷トルクの代わりに、荷重推定手段で推定された荷重に応じて、無負荷モードと負荷モードの間で選択的に切換可能である。この電動工具によっても、モータの無負荷状態と負荷状態を正確かつ迅速に判別して、無負荷状態における騒音や振動を抑制し、無負荷状態から負荷状態に切り換わる際のモータの回転数の応答性を向上することができる。

図１は、電動工具の一実施形態であるレシプロソー２を示している。本実施例のレシプロソー２は、ブレードホルダ４と、動力伝達部６と、モータ８と、モータ駆動回路１０と、モニタ回路１２と、設定切換手段１４と、トリガスイッチ１６と、コントローラ１８と、バッテリ２０を備えている。レシプロソー２は、木工用に使用することもできるし、金工用に使用することもできる。

レシプロソー２では、電源投入後、使用者がトリガスイッチ１６を引き込み操作すると、バッテリ２０の電力を利用して、モータ駆動回路１０によってモータ８を回転駆動し、動力伝達部６がモータ８の回転運動を往復運動に変換して、ブレードホルダ４を往復運動させる。これにより、ブレードホルダ４に取り付けられたブレードが往復運動して、ワークを切断加工する。モータ駆動回路１０の動作は、コントローラ１８により制御される。

モニタ回路１２は、ワークからブレード、ブレードホルダ４および動力伝達部６を介してモータ８に作用するトルクを推定する。以下ではこのようにモータ８に作用するトルクを負荷トルクという。また、モニタ回路１２は、モータ８の回転数を推定する。

図２に示されるように、モニタ回路１２には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍと、モータ８に流れる電流の実測値ｉ_ｍが入力される。モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍは、図示しない電圧検出器により検出される。モータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍは、図示しない電流検出器により検出される。モニタ回路１２は、モータ８に作用するトルクの推定値τ_ｅと、モータ８の回転数の推定値ω_ｅを、コントローラ１８へ出力する。モニタ回路１２は、モータモデル２２と、比較器２４と、増幅器２６を備えている。

モータモデル２２は、モータ８の特性を２入力２出力の伝達系としてモデル化したものである。モータモデル２２では、モータ８に印加する電圧Ｖと、モータ８に作用するトルクτを入力とし、モータ８に流れる電流ｉと、モータ８の回転数ωを出力としている。

モータモデル２２の特性は、実際のモータ８の入力−出力特性に基づいて、特定することができる。例えばモータ８がＤＣモータである場合には、以下のようにしてモータモデル２２の特性を決定することができる。

モータ８の電気系に関して、Ｌをインダクタンス、ｉを電流、Ｖを印加電圧、Ｒを抵抗値、ＫＢを発電定数、ωを回転数とすると、以下の関係式が成り立つ。

他方、モータ８の機械系に関して、Ｊをロータの慣性モーメント、ＫＴをトルク定数、Ｂを摩擦定数、τをモータ８に作用する負荷トルクとすると、以下の関係式が成り立つ。

ここで、上記の数式２の左辺は、モータの慣性モーメントに応じた慣性トルクを示している。上記の数式２の右辺第１項は、モータに流れる電流に応じた駆動トルクを示している。上記の数式２の右辺第２項は、摩擦トルクを示している。

上記の数式１および数式２の両辺を時間に関して積分すると、以下の２つの関係式が得られる。

上記の数式３および数式４に基づいて数値計算を行うことで、２つの入力Ｖ、τに対する２つの出力ｉ、ωを算出することができる。以上から分かるように、モータ８に印加する電圧Ｖと、モータ８に作用する負荷トルクτを入力とし、モータ８に流れる電流ｉと、モータ８の回転数ωを出力とするようにモータモデル２２を構成した場合、モータ８の状態量についての微分演算を行わず、積分演算によってそれぞれの出力を得ることができる。上記のように、積分演算によって出力を得るようにモータモデル２２を構築することで、モータ８の状態量が急激に変動する際でも、精度良くモータ８の挙動をシミュレートすることができる。

図２に示すように、モータモデル２２の電流出力、すなわちモータ８の電流推定値ｉ_ｅは比較器２４へ提供される。比較器２４では、モータ８の電流実測値ｉ_ｍとモータモデル２２の電流出力ｉ_ｅとの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、増幅器２６において所定のゲインＧで増幅された後、モータ８の推定トルクτ_ｅとしてモータモデル２２のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路１２はフィードバックループを構成している。なお、モータモデル２２の電圧入力には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍが入力される。

上記のフィードバックループでは、増幅器２６でのゲインＧを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル２２の電流出力、すなわちモータ８の電流推定値ｉ_ｅがモータ８の電流実測値ｉ_ｍに収束するように、モータモデル２２の入力トルク、すなわちモータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル２２を用いて、モータ８に電圧Ｖ_ｍが印加されたときに、モータ８に流れる電流ｉ_ｍを実現するような、モータ８に作用する負荷トルクτ_ｅと、その際のモータ８の回転数ω_ｅを算出することができる。このようにして算出されるモータ８の負荷トルクτ_ｅは、モータに流れる電流ｉ_ｍに応じた駆動トルクと、モータの慣性モーメントＪに応じた慣性トルクを反映したものということができる。

モニタ回路１２は、上述の負荷トルク推定値τ_ｅとともに、モータモデル２２の回転数出力を、モータ８の回転数推定値ω_ｅとして出力する。

図３を参照しながら、モニタ回路１２によってモータ８の負荷トルクτと回転数ωが推定される原理について説明する。図３では、実際のモータ８を伝達関数Ｍ_１で表現し、モニタ回路１２においてモータ８を仮想的に具現化したモータモデル２２を伝達関数Ｍ_２で表現している。図３に示す制御系における入力τ_ｒ（実際のモータ８に作用しているトルク値）と、出力τ_ｅ（モニタ回路１２から出力されるトルク推定値）の関係は以下のようになる。

従って、モニタ回路１２におけるモータモデル２２を実際のモータ８と等しい特性となるように設定しておくことで、上式においてＭ_１＝Ｍ_２＝Ｍと置き換えることができ、以下の関係式が得られる。

上記の数式６から分かるように、図３の制御系における入力τ_ｒから出力τ_ｅへの伝達関数は、図４に示すような、前向き伝達関数がＧＭであり、後向き伝達関数が１である、フィードバック制御系と等価なものとなっている。従って、出力τ_ｅは、入力τ_ｒに追従して変動する。増幅器２６のゲインＧを十分に大きくしておくことで、出力τ_ｅは入力τ_ｒに収束する。従って、モニタ回路１２から出力されるトルク推定値τ_ｅから、モータ８に作用している負荷トルクτ_ｒを知ることができる。

本実施例のモニタ回路１２では、トルクを検出するための専用のセンサを設けることなく、モータ８に印加される電圧Ｖと、モータ８を流れる電流ｉに基づいて、モータ８に作用する負荷トルクτを精度良く推定することができる。

本実施例のモニタ回路１２では、回転数を検出するための専用のセンサを設けることなく、モータ８に印加される電圧Ｖと、モータ８を流れる電流ｉに基づいて、モータ８の回転数ωを精度良く推定することができる。

本実施例のモニタ回路１２では、モータ８に印加される電圧Ｖとモータ８に作用する負荷トルクτを入力とし、モータ８を流れる電流ｉとモータ８の回転数ωを出力とするモータモデル２２を含むフィードバックループを用いて、モータモデル２２の電流出力ｉ_ｅを、実際のモータ８を流れる電流ｉ_ｍに収束させる構成としている。このような構成とすることで、微分演算を用いることなく、モータ８に作用する負荷トルクτとモータ８の回転数ωを精度良く推定することができる。

コントローラ１８は、モニタ回路１２から出力されるトルク推定値τ_ｅに基づいて、レシプロソー２の動作モードを切り換える。図５に示すように、本実施例のレシプロソー２では、電源投入後、トリガスイッチ１６がオンされると、無負荷モードで動作を開始する。無負荷モードにおいて、コントローラ１８は、モータ８の回転数ωが第１規定回転数ω_１となるように、ＰＩ制御によりモータ８の回転数を調整する。無負荷モードにおける第１規定回転数ω_１は、負荷トルクが作用しない状態でモータ８を回転させた場合に、振動や騒音が問題とならない程度の回転数である。無負荷モードにおいて、トルク推定値τ_ｅが第１規定トルクτ_１を上回ると、負荷モードへと切り換わる。負荷モードにおいて、コントローラ１８は、モータ８の回転数ωが第２規定回転数ω_２となるように、ＰＩ制御によりモータ８の回転数を調整する。第２規定回転数ω_２は、ワークの加工に適した回転数である。第２規定回転数ω_２は、第１規定回転数ω_１よりも大きな回転数である。負荷モードにおいて、トルク推定値τ_ｅが第２規定トルクτ_２を下回ると、無負荷モードへと切り換わる。

なお、モータ８の回転数の調整は、モータ８の回転数の推定値（または実測値）に基づくフィードバック制御により行うことができる。あるいは、モータ８の回転数の代わりに、モータ８の誘起電圧に基づくフィードバック制御により行うこともできる。このような制御は、例えば図６に示すように、比較器４０とＰＩ制御器４２とモータ８を含むフィードバックループを用いて行うことができる。このような制御により、ブレードがワークに食いついてブレードが拘束されている状態でトリガスイッチ１６がオンされた場合でも、フィードバック制御によりＰＷＭ制御のデューティ比が自動的に広がって、モータ８がロックすることがない。また、本実施例では、モータ８に流れる電流に応じた駆動トルクだけでなく、モータ８の慣性モーメントに応じた慣性トルクも反映した負荷トルクを推定しているので、モータ８が過渡状態にある場合でも、無負荷モードから負荷モードへ速やかに切り換わることができる。

設定切換手段１４では、使用者が、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２をそれぞれ設定することができる。

図７は本実施例のレシプロソー２の動作を説明するフローチャートである。レシプロソー２に電源が投入されると、コントローラ１８は図７に示す処理を実施する。

ステップＳ２では、設定切換手段１４から、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２の設定をそれぞれ取得する。

ステップＳ４では、トリガスイッチ１６がオンになるまで待機する。

ステップＳ６では、無負荷モードでレシプロソー２の動作を開始する。すなわち、モータ８を駆動し、ブレードホルダ４の往復動作を開始する。無負荷モードにおいては、モータ８の回転数を、第１規定回転数ω１となるように調整する。

ステップＳ８では、カウンタをクリアする。

ステップＳ１０では、設定切換手段１４から、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２の設定をそれぞれ取得する。

ステップＳ１２では、モニタ回路１２から、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅを取得する。

ステップＳ１４では、現在の動作モードが無負荷モードであるか負荷モードであるかを判断する。現在の動作モードが無負荷モードである場合には、ステップＳ１６へ進む。現在の動作モードが負荷モードである場合には、ステップＳ２６へ進む。

ステップＳ１６では、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅが第１規定トルクτ_１を上回るか否かを判断する。負荷トルクの推定値τ_ｅが第１規定トルクτ_１以下の場合（ＮＯの場合）、ステップＳ２４でカウンタをクリアした後、ステップＳ１０へ戻る。ステップＳ１６で負荷トルクの推定値τ_ｅが第１規定トルクτ_１を上回る場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ１８でカウンタを加算した後、ステップＳ２０へ進む。

ステップＳ２０では、カウンタが第１所定値に達したか否かを判断する。カウンタが第１所定値に達していない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１０へ戻る。ステップＳ２０でカウンタが第１所定値に達している場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ２２で動作モードを無負荷モードから負荷モードへ切換え、ステップＳ２４でカウンタをクリアした後、ステップＳ１０へ戻る。

ステップＳ２６では、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅが第２規定トルクτ_２を下回るか否かを判断する。負荷トルクの推定値τ_ｅが第２規定トルクτ_２以上の場合（ＮＯの場合）、ステップＳ３４でカウンタをクリアした後、ステップＳ１０へ戻る。ステップＳ２６で負荷トルクの推定値τ_ｅが第２規定トルクτ_２を下回る場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ２８でカウンタを加算した後、ステップＳ３０へ進む。

ステップＳ３０では、カウンタが第２所定値に達したか否かを判断する。カウンタが第２所定値に達していない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１０へ戻る。ステップＳ３０でカウンタが第２所定値に達している場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ３２で動作モードを負荷モードから無負荷モードへ切換え、ステップＳ３４でカウンタをクリアした後、ステップＳ１０へ戻る。

なお、上記のフローチャートにおいて、ステップＳ１６においてトルク推定値τ_ｅが第１規定トルクτ_１以下の場合に、ステップＳ２４でカウンタをクリアする代わりに、カウンタを減算する構成としてもよい。この場合、カウンタの最小値はゼロとして、それ以下の値にはならないように構成しておく。同様に、ステップＳ２６においてトルク推定値τ_ｅが第２規定トルクτ_２以上の場合に、ステップＳ３４でカウンタをクリアする代わりに、カウンタを減算する構成としてもよい。この場合も、カウンタの最小値はゼロとして、それ以下の値にはならないように構成しておく。

レシプロソー２の動作を説明する。電源を投入してトリガスイッチ１６をオンにすると、無負荷モードで動作を開始する。その後、ブレードによるワークの加工を開始して、モータ８に作用する負荷トルクが所定時間継続して第１規定トルクτ_１を上回ると、無負荷モードから負荷モードに切り換る。その後、ブレードによるワークの加工が完了して、モータ８に作用する負荷トルクが所定時間継続して第２規定トルクτ_２を下回ると、負荷モードから無負荷モードに切り換る。

本実施例のレシプロソー２によれば、モータ８に作用する負荷トルクに応じて、無負荷モードと負荷モードを切り換える。このような構成とすることによって、モータ８に負荷トルクが作用していない無負荷状態では、モータ８の回転数を低く抑えて、騒音や振動の発生を抑制することができる。

本実施例のレシプロソー２によれば、無負荷モードにおいて、モータ８に作用する負荷トルクが所定時間継続して第１規定トルクτ_１を上回る場合に、負荷モードに切り換える。このような構成とすることで、モータ８に作用する負荷トルクが一時的に変動した場合については、動作モードの切換を行わない。レシプロソー２の動作を安定させることができる。

本実施例のレシプロソー２によれば、負荷モードにおいて、モータ８に作用する負荷トルクが所定時間継続して第２規定トルクτ_２を下回る場合に、無負荷モードに切り換える。このような構成とすることで、モータ８に作用する負荷トルクが一時的に変動した場合については、動作モードの切換を行わない。レシプロソー２の動作を安定させることができる。

なお、無負荷モードから負荷モードへ切り換った直後や、負荷モードから無負荷モードへ切り換った直後は、動作モードの切り換りを所定期間禁止する構成としてもよい。このような構成とすることによって、頻繁に動作モードが切り換る事態を抑制することができる。

上記では、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２は、設定切換手段１４によりレシプロソー２の使用者が任意に設定することができる構成について説明した。これとは異なり、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２を、製品出荷時に予め設定しておき、レシプロソー２の使用者が設定を変更できない構成としてもよい。

設定切換手段１４における、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２の設定は、種々の方式により実現することができる。例えば、回転角度が数値の大きさに対応する設定用のダイヤルをそれぞれに対応して設けてもよい。あるいは、数値の大きさを入力するタクトスイッチをそれぞれに対応して設けてもよい。あるいは、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２のそれぞれについて、数値の大きさを段階的に選択可能なダイヤルやスイッチを設けてもよい。あるいは、トリガスイッチ１６の引き量に対応させて、それぞれの数値を設定する構成としてもよい。

あるいは、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２の組み合わせを製品出荷時に予め決定しておき、使用者がどの組み合わせを用いるか選択するように構成してもよい。図８に示す例では、使用者は木工モード、金工モード、・・・といった複数の加工モードの何れかを選択する。選択された加工モードに応じて、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２の値が決定される。図８に示す例では、木工モードにおいては、金工モードに比べて、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２が低く設定され、第１規定回転数ω_１が低く、第２規定回転数ω_２が高く設定されている。金属を加工する場合は、無負荷モードでのモータ８の回転数を低くし過ぎると、ブレードがワークに食いつくまでに時間がかかってしまう。また、負荷モードでのモータ８の回転数を高くし過ぎると、刃が焼きついて切れなくなることがある。そこで、図８に示す例では、金工モードが選択された場合には、無負荷モードでのモータ８の回転数（すなわち第１規定回転数ω_１）を、木工モードが選択された場合よりも高く設定し、負荷モードでのモータ８の回転数（すなわち第２規定回転数ω_２）を、木工モードが選択された場合よりも低く設定している。また、金属を加工する場合は、ブレードがワークに食いつく前にモータ８の回転数を上げると、ブレードとワークの間に滑りを生じてしまう。そこで、図８に示す例では、金工モードが選択された場合には、無負荷モードから負荷モードへ切り替わる基準となる第１規定トルクτ_１を、木工モードが選択された場合よりも高く設定している。

上記の実施例では、負荷モードにおけるモータ８の回転数を第２規定回転数ω_２に調整する構成について説明したが、負荷モードにおけるモータ８の回転数はこれ以外に様々な制御を採用することができる。例えば、負荷モードにおけるモータ８の回転数を、モータ８に作用する負荷トルクの大きさに応じて変化させてもよい。あるいは、負荷モードにおけるモータ８の回転数の時間変化率を、モータ８に作用する負荷トルクの時間変化率に応じて変化させてもよい。このような構成とすることで、無負荷モードと負荷モードの間の切り換りにおけるモータ８の回転数の変化を滑らかにすることができる。あるいは、負荷モードにおけるモータ８の回転数を、トリガスイッチ１６の引き量に応じて増減させてもよい。

上記の実施例では、負荷モードにおいて、モータ８に作用する負荷トルクが第２規定トルクτ_２を下回ると、無負荷モードに切り換える構成について説明した。これとは異なり、一旦負荷モードで動作した後は、トリガスイッチ１６がオフとなるか、レシプロソー２の電源が切られるまで、動作モードの切り換わりを行わずに、負荷モードのまま動作する構成としてもよい。

上記のような無負荷モードと負荷モードの切換を行うか、常に負荷モードで動作するようにするかを、レシプロソー２の使用者が任意に選択できるように構成してもよい。このような動作状態の切換えは、例えばダイヤルを用いる構成としてもよいし、スライドスイッチを用いる構成としてもよい。また、このような動作状態の切換えを行う手段を、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２、第１規定回転数ω_１、第２規定回転数ω_２を設定する設定切換手段１４と共通化してもよい。図９に示す設定切換手段１４では、三段階に切換可能なスライドスイッチによって、無負荷モードと負荷モードの切換を行う第１モード（図９の（Ａ）参照）および第２モード（図９の（Ｃ）参照）と、常に負荷モードで動作する強制モード（図９の（Ｂ）参照）の何れかを選択可能である。第１モードは例えば図８に示す木工モードであり、第２モードは例えば図８に示す金工モードである。このような構成とすることによって、設定切換手段１４が簡素化されて、レシプロソー２の操作性が向上する。

モニタ回路１２における負荷トルクの推定は、上記以外にも、種々の方式により行うことが可能である。例えば、モータ８がＤＣモータであり、モータ駆動回路１０がモータ８をＰＷＭ制御する場合には、図１０に示すように、モニタ回路１２において、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍにフィルタ２７を通過させ、モータ８に流れる電流の実測値ｉ_ｍにフィルタ２９を通過させるように構成してもよい。ここで、フィルタ２７とフィルタ２９は、互いに同じ特性を有する、少なくとも高周波成分を除去するフィルタであって、例えばローパスフィルタであってもよいし、バンドパスフィルタであってもよい。

モータ８をＰＷＭ制御する場合、電流実測値ｉ_ｍおよび電圧実測値Ｖ_ｍは、オンタイムにおいては急激に変動するものの、オフタイムにおいてはほとんど変動しない。このため、ＰＷＭ制御におけるオンデューティが小さい場合、モニタ回路１２のサンプリング周期が十分に短いものでないと、オンタイムにおける電流実測値ｉ_ｍおよび電圧実測値Ｖ_ｍの変動を正確に把握することができず、モータ８に作用する負荷トルクτやモータ８の回転数ωの推定誤差が大きくなる。しかしながら、モニタ回路１２のサンプリング周期を短くするためには、それだけ高性能なＩＣチップを用いなければならず、コストの増大を招いてしまう。そこで、図１０に示すように、互いに同じ特性を有するフィルタ２７とフィルタ２９を用いて、電流実測値ｉ_ｍおよび電圧実測値Ｖ_ｍのフィルタ処理を行い、高周波成分を除去する。これにより、電流実測値ｉ_ｍおよび電圧実測値Ｖ_ｍの変動が緩慢となり、モニタ回路１２のサンプリング周期をそれほど短くしなくとも、モータ８の挙動を正確に把握することが可能となる。

あるいは、図１１に示すように、モニタ回路１２を、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍと、モータ８の回転数の実測値ω_ｍを入力として、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅと、モータ８を流れる電流の推定値ｉ_ｅを出力とするように構成してもよい。この場合、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍは、図示しない電圧検出値により検出され、モータ８の回転数の実測値ω_ｍは、図示しない回転数検出器により検出される。

図１１に示すモニタ回路１２では、モータモデル２２の回転数出力、すなわちモータ８の回転数の推定値ω_ｅは比較器３０へ提供される。比較器３０では、モータ８の回転数実測値ω_ｍとモータモデル２２の回転数出力ω_ｅとの差分Δωを算出する。算出された差分Δωは、増幅器３２において所定のゲインＨで増幅された後、モータ８の推定トルクτ_ｅとしてモータモデル２２のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路１２はフィードバックループを構成している。モータモデル２２の電圧入力には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍが入力される。

上記のフィードバックループでは、増幅器３２でのゲインＨを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル２２の回転数出力、すなわちモータ８の回転数推定値ω_ｅがモータ８の回転数実測値ω_ｍに収束するように、モータモデル２２の入力トルク、すなわちモータ８に作用するトルク推定値τ_ｅの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル２２を用いて、モータ８に電圧Ｖ_ｍが印加されたときに、モータ８の回転数ω_ｍを実現するような、モータ８に作用する負荷トルクτ_ｅと、その際のモータ８に流れる電流ｉ_ｅを推定することができる。

上記では、モニタ回路１２において、モータモデル２２を利用することにより、微分演算を行わずに、積分演算によって、モータ８に作用する負荷トルクτ_ｅを推定する構成について説明した。これとは異なり、上記の数式２に基づいて、微分演算によってモータ８に作用する負荷トルクτ_ｅを推定することもできる。

図１２に示すモニタ回路１２では、モータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍと、モータ８の回転数の実測値ω_ｍを入力として、モータ８に作用するトルクの推定値τ_ｅを出力する。この場合、モータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍは、図示しない電流検出器により検出され、モータ８の回転数の実測値ω_ｍは、図示しない回転数検出器により検出される。

図１２に示すモニタ回路１２では、モータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍに比例要素５０によってトルク定数ＫＴが乗算されて、駆動トルクτ_Ａが算出される。また、モータ８の回転数の実測値ω_ｍに比例要素５２によって摩擦係数Ｂが乗算されて、摩擦トルクτ_Ｂが算出される。さらに、モータ８の回転数の実測値ω_ｍについて、微分要素５４により時間微分値を算出し、算出された時間微分値をローパスフィルタ５６で平滑化した後、比例要素５８によってモータ８の慣性モーメントＪを乗算して、慣性トルクτ_Ｃが算出される。比較器６０，６２によって駆動トルクτ_Ａから摩擦トルクτ_Ｂおよび慣性トルクτ_Ｃが減算されて、負荷トルクの推定値τ_ｅが算出される。

なお、図１２に示すモニタ回路１２では、摩擦係数Ｂが十分小さい場合には、比例要素５２と比較器６０を省略することもできる。また、モータ８の回転数の実測値ω_ｍの時間微分値が急激に変動しない場合には、ローパスフィルタ５６を省略することもできる。

上記では、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅに基づいて、負荷状態と無負荷状態の判別を行い、レシプロソー２の動作モードを切り換える構成について説明した。これと同様の考え方に基づいて、ワークからブレードに作用する荷重の推定値Ｆ_ｅに基づいて、負荷状態と無負荷状態の判別を行い、レシプロソー２の動作モードを切り換える構成としてもよい。

動力伝達部６にスプリングやエアシリンダ、クランクなどの要素が含まれている場合は、ワークからブレードに作用する荷重Ｆの波形とモータ８に作用する負荷トルクτの波形が大きく異なったものとなる。この傾向は、ブレードに衝撃的な力が作用する場合に特に顕著である。そこで、図１３に示すモニタ回路１２では、モータ８に作用する負荷トルクτを推定する代わりに、ワークからブレードに作用する荷重Ｆを推定する。そして、コントローラ１８は、ワークからブレードに作用する荷重の推定値Ｆ_ｅに応じて、負荷モードと無負荷モードを切り換える。

図１３に示すモニタ回路１２は、モータ８をモデル化したモータモデル２２と、比較器２４と、増幅器２６と、動力伝達部６をモデル化した動力伝達部モデル２５と、電流検出部（図示せず）をモデル化した電流検出部モデル２８を備えている。

動力伝達部モデル２５は、動力伝達部６の特性を１入力１出力の伝達関数としてモデル化したものである。動力伝達部モデル２５は、ブレードからブレードホルダ４を介して動力伝達部６に作用する荷重を入力とし、動力伝達部６からモータ８に作用する負荷トルクを出力としている。動力伝達部モデル２５の特性は、実際の動力伝達部６の入力−出力特性に基づいて、特定することができる。

電流検出部モデル２８は、電流検出部の特性を１入力１出力の伝達関数としてモデル化したものである。電流検出部モデル２８は、モータ８を流れる電流を入力とし、電流検出部で検出される電流を出力としている。電流検出部モデル２８の特性は、実際の電流検出部の入力−出力特性に基づいて、特定することができる。

図１３に示すように、モータモデル２２の電流出力ｉ_ｅは、電流検出部モデル２８を介して、比較器２４へ提供される。比較器２４では、モータ８の電流実測値、すなわち電流検出部で検出された電流ｉ_ｍと電流検出部モデル２８からの電流Ｅｉ_ｅの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、増幅器２６において所定のゲインＧで増幅された後、ワークからブレードに作用する荷重の推定値Ｆ_ｅとして出力される。また、ワークからブレードに作用する荷重の推定値Ｆ_ｅは、動力伝達部モデル２５によってモータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅに変換されて、モータモデル２２のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路１２はフィードバックループを構成している。なお、モータモデル２２の電圧入力には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖ_ｍが入力される。

上記のフィードバックループでは、増幅器２６でのゲインＧを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル２２の電流出力、すなわちモータ８の電流推定値ｉ_ｅがモータ８の電流実測値ｉ_ｍに収束するように、モータモデル２２の入力トルクの大きさが調整され、それによりワークからブレードに作用する荷重の推定値Ｆ_ｅの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル２２を用いて、モータ８に電圧Ｖ_ｍが印加されたときに、モータ８に流れる電流ｉ_ｍを実現するような、ワークからブレードに作用する荷重の推定値Ｆ_ｅを算出することができる。

図１３のモニタ回路１２を用いる場合、コントローラ１８は、負荷モードと無負荷モードの間の切換えにおいて、第１規定トルクτ_１、第２規定トルクτ_２の代わりに、第１規定荷重Ｆ_１、第２規定荷重Ｆ_２を、動作モードの切換えの閾値として用いる。

上記の実施例では、電動工具としてレシプロソー２を例として説明したが、電動工具はこれに限られない。電動工具は、例えば、ジグソー、サンダなどであってもよい。あるいは、電動工具はスクリュードライバーでもよい。スクリュードライバーにおいては、クラッチを繋ぐタイミングにおいて、モータに大きな負荷トルクが作用し、無負荷モードから負荷モードに切り換わる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。

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合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合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目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的な有用性を持つものである。

２レシプロソー；４ブレードホルダ；６動力伝達部；８モータ；１０モータ駆動回路；１２モニタ回路；１４設定切換手段；１６トリガスイッチ；１８コントローラ；２０バッテリ；２２モータモデル；２４比較器；２５動力伝達部モデル；２６増幅器；２７フィルタ；２８電流検出部モデル；２９フィルタ；３０比較器；３２増幅器；４０比較器；４２ＰＩ制御器；５０比例要素；５２比例要素；５４微分要素；５６ローパスフィルタ；５８比例要素；６０比較器；６２比較器；

Claims

モータと、
モータにより駆動される工具部と、
ワークから工具部を介してモータに作用する負荷トルクを推定するトルク推定手段を備えており、
トルク推定手段が、少なくともモータに流れる電流に応じた駆動トルクとモータの慣性モーメントに応じた慣性トルクを反映した負荷トルクを推定し、
トルク推定手段で推定された負荷トルクに応じて、無負荷モードと負荷モードの間で選択的に切換可能であり、
無負荷モードにおけるモータの回転数が、負荷モードにおけるモータの回転数に比べて低く、
無負荷モードと負荷モードの切換を行う動作状態と、常に負荷モードで動作する動作状態の間で切換可能な動作状態切換手段をさらに備えており、
無負荷モードと負荷モードの切換を行う動作状態では、無負荷モードにおいてトルク推定手段で推定された負荷トルクが第１規定トルクを上回ると負荷モードに切り換え、負荷モードにおいてトルク推定手段で推定された負荷トルクが第２規定トルクを下回ると無負荷モードに切り換え、
動作状態切換手段が、負荷モードの回転数、無負荷モードの回転数、第１規定トルクおよび第２規定トルクのうちの少なくとも１つについて設定する設定手段と共通化されていることを特徴とする電動工具。
トルク推定手段が、
モータの特性を反映したモータモデルであって、モータに作用する負荷トルクについての入力と、モータに関連する状態量についての出力を有するモータモデルと、
当該モータに関連する状態量についての実測値とモータモデルの出力の差分を算出する比較器と、
比較器の出力を増幅してモータに作用する負荷トルクの推定値として出力する増幅器を備えており、
増幅器の出力がモータに作用する負荷トルクとしてモータモデルに入力される請求項１の電動工具。
前記モータに関連する状態量が、モータに流れる電流であり、
前記モータモデルが、モータに印加される電圧についての入力をさらに備えており、
モータに印加される電圧についての実測値が、モータモデルに入力される請求項２の電動工具。
トルク推定手段が、
少なくとも高周波成分を除去する第１フィルタと、
前記第１フィルタと同じ特性を有する第２フィルタを備えており、
前記モータが、電流を断続的に流して制御されており、
前記モータを流れる電流の実測値が、前記第１フィルタを介して、前記比較器に入力され、
前記モータに印加される電圧の実測値が、前記第２フィルタを介して、前記モータモデルに入力される請求項３の電動工具。
前記モータに関連する状態量が、モータの回転数であり、
前記モータモデルが、モータに印加される電圧についての入力をさらに備えており、
モータに印加される電圧についての実測値が、モータモデルに入力される請求項２の電動工具。
トルク推定手段が、トルク定数とモータに流れる電流の積から、慣性モーメントとモータの回転数の時間微分値の積を減算して、モータに作用する負荷トルクを推定する請求項１の電動工具。
トルク推定手段が、トルク定数とモータに流れる電流の積から、慣性モーメントとモータの回転数の時間微分値の積を減算して、さらに摩擦係数とモータの回転数の積を減算して、モータに作用する負荷トルクを推定する請求項６の電動工具。
モータの回転数または誘起電圧に基づくフィードバック制御により、無負荷モードにおけるモータの回転数を略一定に調整する請求項１から７の何れか一項の電動工具。
無負荷モードと負荷モードの切換を行う動作状態では、電動工具の起動時において、無負荷モードで動作を開始する請求項１から８の何れか一項の電動工具。
設定手段が、第１規定トルクを使用者が設定可能な第１トルク設定手段を備える請求項１から９の何れか一項の電動工具。
設定手段が、第２規定トルクを使用者が設定可能な第２トルク設定手段を備える請求項１から１０の何れか一項の電動工具。
設定手段が、負荷モードおよび／または無負荷モードの回転数を使用者が設定可能な回転数設定手段を備える請求項１から１１の何れか一項の電動工具。
設定手段が、負荷モードの回転数、無負荷モードの回転数、第１規定トルクおよび第２規定トルクのうち少なくとも２以上の組み合わせについて、所定の段階で切換可能な切換手段を備える請求項１から１２の何れか一項の電動工具。
無負荷モードから負荷モードに切り換った後、所定時間が経過するまで、負荷モードから無負荷モードへの切り換わりを禁止する請求項１から１３の何れか一項の電動工具。
モータの動力を工具部に伝達する動力伝達部と、
ワークから工具部に作用する荷重を推定する荷重推定手段をさらに備えており、
荷重推定手段が、トルク推定手段で推定される負荷トルクと、動力伝達部の特性に応じて、ワークから工具部に作用する荷重を推定し、
トルク推定手段で推定された負荷トルクの代わりに、荷重推定手段で推定された荷重に応じて、無負荷モードと負荷モードの間で選択的に切換可能であり、
無負荷モードと負荷モードの切換を行う動作状態では、無負荷モードにおいて荷重推定手段で推定された荷重が第１規定荷重を上回ると負荷モードに切り換え、負荷モードにおいて荷重推定手段で推定された荷重が第２規定荷重を下回ると無負荷モードに切り換え、
設定手段が、負荷モードの回転数、無負荷モードの回転数、第１規定荷重および第２規定荷重のうちの少なくとも１つについて設定するように構成されている、請求項１の電動工具。