JP5942500B2

JP5942500B2 - 電動工具

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Publication number: JP5942500B2
Application number: JP2012058034A
Authority: JP
Inventors: 高野　信宏; 信宏高野; 哲祐原田; 飯村　良雄; 良雄飯村; 西河　智雅; 智雅西河; 洋樹内田; 仲野　義博; 義博仲野
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: JP2013188850A; CN104170240A; WO2013137480A3; US20150022125A1; WO2013137480A2; EP2826141A2

Description

本発明は電動工具に関し、特に、駆動源として用いられるモータの制御方法を改良した電動工具に関する。

手持ち式の電動工具、特にバッテリに蓄電された電気エネルギーにて駆動するコードレスタイプの電動工具が広く用いられている。ドリルやドライバ等の先端工具をモータによって回転駆動して所要の作業を行う電動工具においては、例えば特許文献１に開示されているように、バッテリを用いてブラシレスＤＣモータを駆動する。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）をロータ側に、永久磁石をステータ側に用い、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ロータを回転させる。ブラシレスモータはブラシ付きモータに比べて高効率であり、充電電池を使用した電動工具においては１充電当りの作業時間を向上させることが可能である。また、モータの回転駆動のためのスイッチング素子を搭載した回路を有するので、電子制御により高度なモータの回転制御が容易となる。

ブラシレスＤＣモータは、永久磁石を備えたロータ（回転子）と、３相巻線等の複数相の電機子巻線（固定子巻線）を備えたステータ（固定子）と、ロータの永久磁石の磁力を検出してロータ位置を検出する複数のホールＩＣより構成された位置検出素子と、電池パック等から供給される直流電圧をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）等の半導体スイッチング素子を用いてスイッチングして各相の固定子巻線への通電を切換えてロータを駆動するインバータ回路を含んで構成される。複数の位置検出素子は複数相の電機子巻線に対応しており、各位置検出素子によるロータの位置検出結果に基づいて各相の電機子巻線の通電タイミングを設定する。

特開２００８−２７８６３３号公報

ところで、上記ステータやスイッチング素子は、電動工具の使用に伴い発熱を生じるが、ブラシレスＤＣモータの構成要素には使用温度条件が規定されており、その範囲内で動作させることが重要である。電動工具においては、連続運転や過負荷により、モータ本体やモータ本体に固定駆動回路の半導体スイッチング素子などに温度上昇が生じ、それらの部品や、それらを構成する素子に熱的損傷を与える恐れがある。この問題を解消するためには、熱的損傷が生じる前に、作業者はモータの回転数を抑えるか、もしくはモータを停止させてモータ部を冷却するのが好ましいが、この冷却のために締付け作業や切削作業を中止しなければならないので作業効率の低下となる。更に、作業者にとってモータ部が異常に温度上昇しているかどうかの判別は困難であった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度上昇が所定値を越えたときに起こりうる熱的損傷からモータや制御回路を保護することが可能な電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、所定の温度上昇の範囲内で電動工具を動作させることにより、モータを停止させることなく、連続的な作業が可能な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、バッテリを交換しながら連続で高負荷作業を続けることができ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、着脱可能なバッテリと、ブラシレスモータと、複数の半導体スイッチング素子を用いてブラシレスモータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、インバータ回路を制御することによりブラシレスモータの回転を制御する制御手段を有し、ブラシレスモータの駆動力によって先端工具を駆動する電動工具であって、ブラシレスモータまたは半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段と、バッテリの電圧を検出する電圧検出手段を設け、温度検出手段によって検出された検出温度と電圧検出手段にて検出された検出電圧の関係から半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を決定してブラシレスモータを駆動する。

本発明の他の特徴によれば、電動工具のブラシレスモータの後端側に半導体スイッチング素子が搭載された回路基板が固定され、温度検出手段は回路基板上に搭載される。制御手段は、検出電圧が高いときにはＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低くし、検出電圧が下がるにつれて決定されたＰＷＭ駆動信号のデューティ比を徐々に高くするように制御する。また、制御手段は、満充電されたバッテリが装着された直後のデューティ比の上限を、１００％未満の所定の値に制限し、満充電状態から検出電圧が低減するに応じてデューティ比を徐々に高くするように制御する。このデューティ比は、モータの回転スイッチ(トリガスイッチ)をオンにして起動する毎に設定される。

本発明のさらに他の特徴によれば、デューティ比は、検出温度と検出電圧から演算式を用いて算出されるか、検出温度と検出電圧の関係とデューティ比をあらかじめ複数に区分したテーブルとして制御手段に格納するようにした。制御装置は、回転スイッチがオンにされる際に演算をして又はテーブルを参照してデューティ比を決定する。電動工具は、低負荷動作モードと高負荷動作モードを有し、制御手段は、低負荷動作モードの際には検出電圧に関わらずに固定のデューティ比にてブラシレスモータを駆動し、高負荷動作モードの際に検出温度と検出電圧からデューティ比の調整を行う。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータと、モータに駆動電力を供給するバッテリを備えた電動工具において、バッテリの電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段で検出されたバッテリの電圧が高い場合にはモータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低くし、その後、バッテリの電圧が下がるにつれてデューティ比を徐々に高くするよう制御する演算部を設けた。また、モータの温度を検出する温度検出手段を設け、演算部はモータの温度が下がるとモータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を高くするよう制御する。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータと、モータに駆動電力を供給する着脱可能なバッテリを備えた電動工具において、バッテリを電動工具に装着した直後はモータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を１００％よりも低くし、その後、前記バッテリの電圧が下がるにつれて前記デューティ比を徐々に高くするよう制御する演算部を設けた。また、バッテリの電圧を検出する電圧検出手段を設け、演算部は電圧検出手段が検出した電圧が上がるとモータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低くするよう制御する。

請求項１の発明によれば、温度検出手段によって検出された検出温度と電圧検出手段にて検出された検出電圧の関係から半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を決定するので、熱的損傷を受けやすい部位の過度な温度上昇を抑制することができる。この結果、複数のバッテリを交換しながらの電動工具の連続的な運転が可能となることに加え、電動工具の信頼性及び寿命を向上できる。また、制御手段は、検出電圧が下がるにつれてＰＷＭ駆動信号のデューティ比を徐々に高くするように制御するので、バッテリ電圧低下時のモータの回転速度低下を最小限に抑えることができ、効率の良い締め付け作業を実現できる。
請求項２の発明によれば、温度検出手段はブラシレスモータの後端側に設けられた回路基板上に搭載されるので、温度検出手段によって半導体スイッチング素子又はモータの温度を直接的に又は間接的に測定することができる。
請求項３の発明によれば、制御手段は、満充電されたバッテリが装着された直後のデューティ比の上限を１００％未満の所定の値に制限するので、バッテリパック交換直後に高電圧で駆動することによるモータやスイッチング素子の過度の温度上昇を防ぐことができる。

請求項４の発明によれば、デューティ比の上限値はトリガオンの際に設定されるので安定した締め付け作業を行うことができる。
請求項５の発明によれば、デューティ比は、検出温度と検出電圧から演算式を用いて算出されるのでデューティ比の変化が緩やかとなる。これにより、複数本のボルト締め作業をするような場合でも途中で急にモータ出力の切り替えが行われるような不自然な状態の発生を防止でき、スムーズなモータ制御を行うことができる。
請求項６の発明によれば、デューティをあらかじめ区分化してテーブルに格納しておくので、回転スイッチがオンにされた時にテーブルを参照してデューティ比を素早く決定することができる。
請求項７の発明によれば、モータの制御モードとして、低負荷動作モードと高負荷動作モードを有し、制御手段は高負荷動作モードの時のみ検出温度と検出電圧からデューティ比の調整を行うので、制御モードの意応じたきめ細かい制御によってデューティ比を低減させることができる。また、デューティ比の調整が不要な低負荷作業の時はデューティ比を固定して素早いモータの起動を行うことができる。

請求項８の発明によれば、バッテリの電圧が高くなったことを検知すると、モータへの供給電力が増加することを見越してモータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比をあえて下げることでモータの過熱を防ぐことができる。よってバッテリを交換又は充電して高負荷の作業を継続することができる。
請求項９の発明によれば、バッテリの電圧が高くなった場合でも、モータの温度が下がるとしばらくはモータが過熱しないことを見越してモータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を高くすることでモータの出力の過度の低下を防ぐことができる。よってバッテリを交換又は充電して高負荷の作業を継続することができる。
請求項１０の発明によれば、バッテリが交換又は充電されたことを検知し、モータへの供給電力が増加することを見越してモータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比をあえて下げることでモータの過熱を防ぐことができる。よってバッテリを交換又は充電して高負荷の作業を継続することができる。
請求項１１の発明によれば、電圧検出手段によってバッテリが交換または充電されたことを検知することができる。

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インパクトドライバの内部構造を示す断面図である。インバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクトドライバ１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。本発明の実施例に係るモータ３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。本実施例のモータ温度、バッテリ電圧とＰＷＭ駆動信号のデューティ比との関係を示すである。本実施例のインパクトドライバ１を用いて締め付け作業を行う際のモータ制御用のデューティ比の設定手順について示すフローチャートである。本発明の第２の実施例に係るバッテリ電圧、モータ温度とデューティ比の関係をマトリックス化したテーブルである。本実施例のインパクトドライバ１を用いて締め付け作業を行う際のモータ制御用のデューティ比の設定手順について示すフローチャートである。本発明の第２の実施例に係るバッテリ電圧、モータ温度とデューティ比の関係をマトリックス化したテーブルの別の例である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明において、上下、前後の方向は、図１の矢印に示した方向として説明する。

図１は、本発明に係る電動工具の一実施例としてのインパクトドライバ１の内部構造を示す図である。インパクトドライバ１は、充電可能なバッテリ９を電源とし、モータ３を駆動源として回転打撃機構２１を駆動し、出力軸であるアンビル３０に回転力と打撃力を与え、スリーブ３１の取付穴３０ａに保持されるドライバビット等の図示しない先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してネジ締めやボルト締め等の作業を行う。

ブラシレスＤＣ方式のモータ３は、側面視で略Ｔ字状の形状を成すハウジング２の筒状の胴体部２ａ内に収容される。モータ３の回転軸１２は、ハウジング２の胴体部２ａの中央部付近に設けられる軸受１９ａと後端側の軸受１９ｂによって回転可能に保持され、モータ３の前方には、回転軸１２と同軸に取り付けられモータ３と同期して回転するロータファン１３が設けられ、モータ３の後方には、モータ３を駆動するためのインバータ回路基板４が配設される。この回路基板には、スイッチング素子や回路基板の温度を検出するために、サーミスタが搭載される。ロータファン１３によって起こされる空気流は、空気取入孔１７ａ、１７ｂ及びインバータ回路基板４の周囲のハウジング部分に形成されたスロット（図示せず）からハウジング２の内部に取り込まれ、主にロータ３ａとステータ３ｂの間を通過するように流れ、ロータファン１３の後方から吸引されてロータファン１３の半径方向に流れ、ロータファン１３の周囲のハウジング部分に形成された後述するスロット（図示せず）からハウジング２の外部に排出される。インバータ回路基板４はモータ３の外形とほぼ同形の円形の両面基板であり、この基板上にはＦＥＴ等の複数のスイッチング素子５や、ホールＩＣ等の位置検出素子３３が搭載される。

ロータ３ａと軸受１９ａの間には、スリーブ１４とロータファン１３が回転軸１２と同軸上に取り付けられる。ロータ３ａは、マグネット１５によって形成される磁路を形成するもので、例えば４つの平板状のスロットが形成された薄い金属板の積層により構成される。スリーブ１４は、ロータファン１３とロータ３ａが空転せずに回るようにする接続部材で、例えばプラスチックによって形成される。スリーブ１４の外周部には、必要に応じてバランス修正用溝（図示せず）を形成する。ロータファン１３は、例えばプラスチックのモールドにより一体成形されるもので、後方の内周側から空気を吸引し、前方側の半径方向外側に排出する、いわば遠心ファンであり、回転軸１２が貫通する貫通穴の周囲から放射状に延びる複数のブレードを有する。

ロータ３ａと軸受１９ｂの間には、プラスチック製のスペーサ３５が設けられる。スペーサ３５の形状は略円筒形で、軸受１９ｂとロータ３ａとの間の間隔を設定する。この間隔はインバータ回路基板４（図１）を同軸上に配置するためと、スイッチング素子５を冷却する空気流の流路として必要とされる空間を形成するために必要とされるものである。

ハウジング２の胴体部２ａから略直角に一体に延びるハンドル部２ｂ内の上部にはトリガスイッチ６が配設され、トリガスイッチ６の下方にはスイッチ基板７が設けられる。ハンドル部２ｂ内の下部には、トリガスイッチ６の引き動作によって前記モータ３の速度を制御する機能を備えた制御回路基板８が収容され、この制御回路基板８は、バッテリ９とトリガスイッチ６に電気的に接続される。制御回路基板８は、信号線１１ｂを介してインバータ回路基板４と接続される。ハンドル部２ｂの下方には、ニカド電池、リチウムイオン電池等のバッテリ９が着脱可能に装着される。バッテリ９は例えばリチウムイオン電池等の複数本の二次電池をパック化したもので、バッテリ９を充電するときは、インパクトドライバ１からバッテリ９を取り外して、図示しない専用の充電器に装着することにより充電される。

回転打撃機構２１は、遊星歯車減速機構２２とスピンドル２７とハンマ２４を備え、後端が軸受２０、前端がメタル２９により保持される。トリガスイッチ６が引かれてモータ３が起動されると、正逆切替レバー１０で設定された方向にモータ３が回転を始め、その回転力は遊星歯車減速機構２２によって減速されてスピンドル２７に伝達され、スピンドル２７が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル２７とハンマ２４とはカム機構によって連結され、このカム機構は、スピンドル２７の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝２５と、ハンマ２４の内周面に形成されたハンマカム溝２８と、これらのカム溝２５、２８に係合するボール２６によって構成される。

ハンマ２４は、スプリング２３によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール２６とカム溝２５、２８との係合によってアンビル３０の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ２４とアンビル３０の相対向する回転平面上の２箇所には図示しない凸部がそれぞれ対称的に形成されている。スピンドル２７が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ２４に伝達され、ハンマ２４が半回転しないうちにハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部に係合してアンビル３０を回転させるが、そのときの係合反力によってスピンドル２７とハンマ２４との間に相対回転が生ずると、ハンマ２４はカム機構のスピンドルカム溝２５に沿ってスプリング２３を圧縮しながらモータ３側へと後退を始める。

そして、ハンマ２４の後退動によってハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ２４は、スピンドル２７の回転力に加え、スプリング２３に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によって回転方向及び前方に急速に加速されつつ、スプリング２３の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル３０の凸部に再び係合して一体に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力がアンビル３０に加えられるため、アンビル３０の取付穴３０ａに装着される図示しない先端工具を介してネジに回転打撃力が伝達される。

以後、同様の動作が繰り返されて先端工具からネジに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、例えば、ネジが木材等の図示しない被締めつけ材にねじ込まれる。

次に図２を用いて、本実施例のインバータ回路基板４を説明する。図２は、インバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクトドライバ１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。インバータ回路基板４は、例えばガラエポ (ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めたもの）で構成され、モータ３の外形とほぼ同形の略円形であり、中央にはスペーサ３５を貫通させるための穴４ａが形成される。インバータ回路基板４の周囲には、４つのねじ穴４ｂが形成され、このねじ穴４ｂを貫通するねじによって、インバータ回路基板４がステータ３ｂに固定される。インバータ回路基板４には、穴４ａを囲むように６つのスイッチング素子５が取り付けられる。本実施例ではスイッチング素子５として薄型のＦＥＴを用いたが、通常サイズのＦＥＴであっても良い。

スイッチング素子５は厚さが非常に薄いので、本実施例においては、基板上に寝かせた状態で、表面実装（ＳＭＴ：Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｕｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によってスイッチング素子５をインバータ回路基板４に取り付ける。尚、図示していないが、インバータ回路基板４の６つのスイッチング素子５全体を覆うように、シリコンなどの樹脂をコーティングすることが望ましい。インバータ回路基板４は両面基板となっており、その前面側には３つの位置検出素子３３（図２（２）では２つだけ図示）と、サーミスタ３４等の電子素子が搭載される。インバータ回路基板４は、モータ３と同形の円よりも下方にやや突出する形状であり、その突出した部分に複数の貫通穴４ｄが形成され、前面側から信号線１１ｂが貫通されて後面側においてはんだ付け３８ｂにより固定される。同様に電源線１１ａも前面側からインバータ回路基板４の貫通穴４ｃを貫通されて、後面側においてはんだ付け３８ａにより固定される。尚、信号線１１ｂと電源線１１ａのインバータ回路基板４への固定は、基板上に固定されるコネクタを介しても良い。

次に、図３を用いてモータ３の駆動制御系の構成と作用を説明する。図３はモータの駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施例では、モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。

モータ３は、いわゆるインナーロータ型で、一対のＮ極およびＳ極を含むマグネット１５（永久磁石）を埋め込んで構成されたロータ３ａと、ロータ３ａの回転位置を検出するために６０°毎に配置された３つの位置検出素子３３と、位置検出素子３３からの位置検出信号に基づいて電気角１２０°の電流の通電区間に制御されるスター結線された３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなるステータ３ｂを含んで構成される。なお、本実施例では、ロータ３ａの位置検出は、ホールＩＣ等の位置検出素子３３を用いて電磁結合的に行っているが、電機子巻線の誘起起電圧（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ロータ３ａの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。

インバータ回路３７は、３相ブリッジ形式に接続された６個のＦＥＴ（以下、単に「トランジスタ」という。）Ｑ１〜Ｑ６と、フライホイールダイオード（図示なし）から構成され、インバータ回路基板４に搭載される。温度検出用素子（サーミスタ）３８は、インバータ回路基板４上のトランジスタに近接する位置に固定される。ブリッジ接続された６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲートは制御信号出力回路４８に接続され、また、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６のソースまたはドレインはスター結線された電機子巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路４８から出力されたスイッチング素子駆動信号によってスイッチング動作を行い、インバータ回路３７に印加されるバッテリ９の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路基板８には、演算部４０、電流検出回路４１、電圧検出回路４２、印加電圧設定回路４３、回転方向設定回路４４、回転子位置検出回路４５、回転数検出回路４６、温度検出回路４７、及び制御信号出力回路４８が搭載される。演算部４０は、図示されていないが、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、後述するフローチャートに相当する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、タイマ等を含むマイコンによって構成される。電流検出回路４１はモータ３に流れる電流を検出する電圧検出手段であって、検出電流は演算部４０に入力される。電圧検出回路４２はバッテリ９のバッテリ電圧を検出するための回路であり、検出された検出電圧は演算部４０に入力される。

印加電圧設定回路４３は、トリガスイッチ６の移動ストロークに応答してモータ３の印加電圧、すなわちＰＷＭ信号のデューティ比を設定するための回路である。回転方向設定回路４４は、モータの正逆切替レバー１０による正方向回転または逆方向回転の操作を検出してモータ３の回転方向を設定するための回路である。回転子位置検出回路４５は、３つの位置検出素子３３の出力信号に基づいてロータ３ａとステータ３ｂの電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの関係位置を検出するための回路である。回転数検出回路４６は、単位時間内にカウントされる回転子位置検出回路４５からの検出信号の数に基づいてモータの回転数を検出する回路である。制御信号出力回路４８は、演算部４０からの出力に基づいてトランジスタＱ１〜Ｑ６にＰＷＭ信号を供給する。ＰＷＭ信号のパルス幅の制御によって各電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する電力を調整して設定した回転方向へのモータ３の回転数を制御することができる。

次に、図４を用いて本実施例のモータ温度、バッテリ電圧とＰＷＭ駆動信号のデューティ比との関係を示すである。本実施例においては、インパクトドライバ１を用いて負荷の重い作業、例えば締め付けトルク１００Ｎ・ｍ以上のボルト締め作業を連続して行う場合に関係するような制御である。時間０にてインパクトドライバ１に１本目のバッテリ９を装着して、ボルト締め作業を連続的に行ったとする。すると、連続して締められるボルト本数が増加するにつれてモータ３の温度が上昇し、図４の矢印５１ａのようにモータ温度５１が急激に上昇する。さらにボルト締め作業を連続的に複数本続けると、上昇したモータ温度５１は矢印５１ｂの地点でピークに達した後に矢印５１ｃに示すように徐々に低下する。この低下するのは、バッテリ電圧５３が２点鎖線のように徐々に低下してくるため、その際のモータの発熱量が低下するためである。ここで１本目のバッテリ９が時間ｔ_１において過放電状態となって取り外されて、２本目のバッテリ９が装着されたとする。この際、１本目から２本目のバッテリに交換するのにある程度の時間を要するため、その時間経過のためにモータ温度５１が矢印５１ｄのように一時的に大きく低下する。

２本目のバッテリ９が装着されたあとに再びボルト締め作業を連続的に続ける場合、従来のようにＰＷＭ駆動信号のデューティ比を電池１本目の時の同じように１００％に固定したまま作業をすると、モータ３の温度が高い状態からさらに発熱が高くなるので点線５２のような温度曲線となってしまう。点線５２のような状態であってはモータ３やインバータ回路基板４に搭載されるスイッチング素子等の半導体素子まで熱的なダメージを受けてしまい、寿命が短くなったり、最悪破損してしまう。そこで、本実施例においては、演算部４０はモータ温度とバッテリ電圧を監視して、これらの関係からモータの発熱が基準値を超えそうな状態（例えば矢印５１ｂよりも高い温度まで到達してしまうような状態）であるときは、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を下げるように制御してモータ３の発熱やスイッチング素子の発熱を抑えるように構成した。この状態を示すのがデューティ比５４であって、バッテリ９を交換した直後に矢印５４ａのようにデューティ比を下げるように構成した。その後、バッテリ電圧５３が矢印５３ｂのように低下するに従い、矢印５４ｂのようにデューティ比５４を上げるように制御する。そしてモータ３の温度上昇の心配が無くなった時点、即ち矢印５４ｃでＰＷＭ駆動信号のデューティ比をフルの状態にする。

次に図５のフローチャートを用いて、インパクトドライバ１を用いて締め付け作業を行う際のモータ制御用のデューティ比の設定手順について説明する。図５で示す制御手順は、例えば、マイクロプロセッサを有する演算部４０においてコンピュータプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現できる。まず、インパクトドライバ１にバッテリ９が装着されたら演算部４０は電圧検出回路４２によってバッテリ電圧Ｖｂを検出して演算部４０内に含まれる図示しないメモリ（ＲＡＭ）に格納する（ステップ６１）。次に演算部４０は温度検出回路４７を用いて温度センサ３８を用いて検出された温度Ｔｆをメモリに格納する（ステップ６２）。

つぎに演算部４０は作業者によってトリガスイッチ６が引かれてＯＮになったか否かを検出し、引かれていなかったらステップ６１に戻る（ステップ６３）。ステップ６３でトリガスイッチ６が引かれたことを検出したら、演算部はボルト打撃か否かを判定する(ステップ６４)。この判定は、インパクトドライバ１の場合は、ダイヤル等によるモード設定状況により判定可能であり、例えば通常のビストメ等のドライバドリルモード、ボルト締めや重負荷の締め付け作用を行う際のインパクトモードのどちらが設定されているかで判定可能である。ステップ６４でボルト打撃で無い場合、即ち比較的軽負荷での作業の場合は、通常のビス締め制御を行い、１本の締め付け作業が終了したらステップ６１に戻る（ステップ６７）。ステップ６７中の詳細な制御フローは公知であるので、詳しい説明は省略する。ステップ６４でボルト打撃の場合は、メモリに格納されている温度Ｔｆが１００℃未満であるかを判定する（ステップ６５）。温度Ｔｆが１００℃未満の場合は、デューティ比を固定値である９５％に設定して、通常のボルト締め制御を行う（ステップ６９、７１）。尚、断続的にボルト締めするような作業を行う場合にはモータ部分の温度が１００℃を超えることがないので、通常はデューティ比の上限が９５％（但し、この値の設定は任意である）に設定されることがほとんどである。ステップ７１中の詳細な制御フローは公知であるので、詳しい説明は省略する。

次に、演算部４０はメモリに格納されている温度Ｔｆが１２０℃より大きいか否かを判定する（ステップ６６）。１２０℃よりも大きい場合はモータ３又はスイッチング素子の異常過熱状態であるので、モータの起動を許容せずにモータ３を停止したままにする（ステップ７０）。ステップ６６にてメモリに格納されている温度Ｔｆが１２０℃以下の場合は、次の数１にてデューティ比を演算にて求める（ステップ６８）。

但し、Ｖｂ：バッテリ電圧（Ｖ）、Ｔｆ：モータ温度（℃）。
このように数１を用いることにより、モータの温度やバッテリ電圧を考慮してデューティ比を算出することができる。この演算式ではモータ温度Ｔｆ（℃）が１００℃から１２０℃の間は線形近似値となる。演算部４０は数１を用いて演算を行い、算出されたデューティ比（％）を上限値に設定して、通常のボルト締め制御を行う（ステップ７１）

以上説明したように、本発明の実施例によればバッテリ電圧とモータ温度（又はスイッチング素子温度）に基づいて、モータの速度制御を行うＰＷＭ制御のオン時間を調整することができ、それによってモータやスイッチング素子の過度の温度上昇を防止することができる。特に、バッテリ９を複数本用いて１００本以上の連続してボルト締め作業を行うような重負荷作業であっても、安定して作業を行うことができる。また、デューティ比を調整する方法も数１の演算式により調整するので、段階的な変更でなく連続的に徐々に調整できるので、作業者がその制御の移行を認識することなくスムーズな作業を行うことができる。

次に図６、図７を用いて本発明の第２の実施例を説明する。第１の実施例においてはモータの速度制御を行うＰＷＭ制御のデューティ比をトリガを引く直前のバッテリ電圧やモータ温度によって演算により算出していた。第２の実施例ではその演算結果をある程度グループ化して演算部４０に含まれる図示しないＲＯＭ等に格納しておき、デューティ比の設定処理を短縮化した。図６は、バッテリ電圧、モータ温度とデューティ比の関係をマトリックス化したテーブルである。ここでバッテリ電圧が６段階、モータ温度を３段階にわけて、その組み合わせの際の最適なデューティ比を格納する。ここで格納されるデューティ比は、実験や測定にて求められた最適な値、又は計算により算出された値とすれば良い。また、本実施例ではバッテリ電圧範囲を６段階、モータ温度を３段階に区分したが、この区分を何段階に分けるかは任意である。本実施例ではＴ１を１２０℃、Ｔ２を１００℃とし、Ｖ６を８．０Ｖ程度とする。

図６の状態では、バッテリ９が満充電に近い場合、例えば１６．８Ｖ〜Ｖ１の範囲にあり、且つモータ温度が一番高い状態にある場合（＞Ｔ１）にはデューティ比の上限は９０％とやや低くなるように設定される。このように設定すれば作業者がトリガスイッチ６を最大に引いてモータを回転させてもモータ３の異常過熱状態を回避することができる。尚、インパクトドライバ１のようにトリガスイッチ６に可変スイッチを用いる場合は、図６のテーブルでのデューティ比が９０％というのは、トリガスイッチ６を最大限に引いた際に設定されるデューティ比の上限が９０％という意味である。一方、バッテリ９の容量が低下してバッテリ電圧がＶ５〜Ｖ６の範囲に落ちたような場合は、モータ３をフルに回転させても発熱量が少ないためモータ３等の過熱が抑制されるため、デューティ比の上限は１００％に設定される。

図７は第２の実施例におけるインパクトドライバ１を用いて締め付け作業を行う際のモータ制御用のデューティ比の設定手順について示すフローチャートである。まず、インパクトドライバ１にバッテリ９が装着されたら演算部４０はトリガスイッチ６が引かれたかどうかを判定する（ステップ８１）。トリガスイッチ６が引かれて無い場合は引かれるまで待機し、トリガスイッチ６が引かれたら温度検出回路４７の出力を用いて温度Ｔｆを検出する（ステップ８２）。次に演算部４０は電圧検出回路４２の出力からバッテリ電圧Ｖｂを検出する（ステップ８３）。次に演算部４０は、得られた温度Ｔｆとバッテリ電圧Ｖｂを用いて図６に示したマトリックスから、モータ３の速度制御を行うＰＷＭ制御の最大デューティ比を設定する（ステップ８４）。このデューティ比を設定は、演算部４０内の図示しない記憶装置にあらかじめ格納されたデータを読み出すだけなので、第２の実施例では温度Ｔｆとバッテリ電圧Ｖｂの検出はトリガスイッチ６が引かれたタイミングで検出するようにしている。尚、第１の実施例では温度Ｔｆとバッテリ電圧Ｖｂの検出をトリガスイッチ６が引かれる前に完了させているが、第２の実施例でも同様にトリガスイッチ６が引かれる際（直前、同時、又は直後）の任意のタイミングで行うことができる。

次に、演算部４０はトリガスイッチ６の引き量に応じてモータ３の回転制御を行い（ステップ８５）、トリガスイッチ６が解除するまでステップ８５及びステップ８６の制御を繰り返す（ステップ８６）。ステップ８６にてトリガスイッチ６が戻されたらステップ８１に戻る。以上のように第２の実施例においてはバッテリ電圧とモータ温度（又はスイッチング素子温度）に基づいて、ＰＷＭ制御のデューティ比を調整することができ、それによって重負荷連続作業時のモータやスイッチング素子の過度の温度上昇を防止できる。また温度検出手段が検出した温度に連動して、ＰＷＭデューティ比を制御することで、緩やかなＰＷＭデューティの変化となる。これにより、スムーズにモータの回転数を移行させることができる。

尚、図６で示したバッテリ電圧、モータ温度とデューティ比の関係をマトリックス化したテーブルは、電気モータを用いて作業を行う工具の種類に応じて適宜設定しておくように構成しても良い。図８は、バッテリ電圧、モータ温度とデューティ比の関係をマトリックス化した別のテーブル例である。図８においては、図６のテーブルと違って１６．８〜Ｖ１、Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ２〜Ｖ３の範囲においては、温度が十分低い状態であっても（＜Ｔ２）デューティ比の最大値を１００％に設定せずに９５〜９９％程度としている。これは、バッテリ電圧が高い際には締め付けトルクが高くなりすぎて締め付け対象のボルト等を損傷する恐れがある場合に、有効な調整方法である。バッテリが高電圧の時に最大デューティ比を制限する方法においては、デューティ比をさらに低減させて最大１０％程度落とすようにしても良い。このように電動工具の制御モードに応じたテーブルを単数又は複数設定しておき、制御モードに合わせたテーブルを用いてデューティ比を設定するようにしても良い。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、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、上述の実施例では電動工具の例としてインパクトドライバを用いて説明したが、本発明はインパクトドライバに限られず、モータを駆動源にする電動式の作業機器、動力工具であれば、他の電動工具においても同様に適用できる。

１インパクトドライバ２ハウジング
２ａ（ハウジングの）胴体部２ｂ（ハウジングの）ハンドル部
３モータ３ａロータ
３ｂステータ４インバータ回路基板
４ａ穴４ｂねじ穴
４ｃ、４ｄ貫通穴５スイッチング素子
６トリガスイッチ７スイッチ基板
８制御回路基板９バッテリ
１０正逆切替レバー１１ａ電源線
１１ｂ信号線１２回転軸
１３ロータファン１４スリーブ
１５マグネット１６ＬＥＤ
１７ａ、１７ｂ空気取入孔１８制御パネル
１９ａ、１９ｂ、２０軸受２１回転打撃機構
２２遊星歯車減速機構２３スプリング
２４ハンマ２５スピンドルカム溝
２６ボール２７スピンドル
２８ハンマカム溝２９メタル
３０アンビル３０ａ（先端工具用の）取付穴
３１スリーブ３３位置検出素子
３４サーミスタ３５スペーサ
３６抵抗３７インバータ回路
３８温度センサ４０演算部
４１電流検出回路４２電圧検出回路
４３印加電圧設定回路４４回転方向設定回路
４５回転子位置検出回路４６回転数検出回路
４７温度検出回路４８制御信号出力回路
５１モータ温度５３バッテリ電圧
５４デューティ比

Claims

着脱可能なバッテリと、ブラシレスモータと、複数の半導体スイッチング素子を用いて前記ブラシレスモータへ駆動電力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ことにより前記ブラシレスモータの回転を制御する制御手段を有し、前記ブラシレスモータの駆動力によって先端工具を駆動する電動工具であって、
前記ブラシレスモータまたは前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段と、前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記温度検出手段によって検出された検出温度と前記電圧検出手段にて検出された検出電圧の関係から前記半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を決定して前記ブラシレスモータを駆動するように構成し、
前記制御手段は、前記検出電圧が下がるにつれて決定された前記デューティ比を徐々に高くするように制御することを特徴とする電動工具。
前記ブラシレスモータの後端側に前記半導体スイッチング素子が搭載された回路基板が固定され、
前記温度検出手段は前記回路基板上に搭載され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、満充電された前記バッテリが装着された直後の前記デューティ比の上限を、１００％未満の所定の値に制限し、満充電状態から前記検出電圧が低減するに応じて前記デューティ比を高くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記デューティ比は、前記ブラシレスモータの回転スイッチをオンにして起動する毎に設定され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。
前記デューティ比は、前記検出温度と前記検出電圧から演算式を用いて算出されることを特徴とする請求項４に記載の電動工具。
前記検出温度と前記検出電圧の関係と前記デューティ比をあらかじめ複数に区分したテーブルとして前記制御手段に格納しておき、
制御装置は、前記回転スイッチがオンにされる際に前記テーブルを参照して前記デューティ比を決定することを特徴とする請求項４に記載の電動工具。
着脱可能なバッテリと、ブラシレスモータと、複数の半導体スイッチング素子を用いて前記ブラシレスモータへ駆動電力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ことにより前記ブラシレスモータの回転を制御する制御手段を有し、前記ブラシレスモータの駆動力によって先端工具を駆動する電動工具であって、
前記ブラシレスモータまたは前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段と、前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記温度検出手段によって検出された検出温度と前記電圧検出手段にて検出された検出電圧の関係から前記半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を決定して前記ブラシレスモータを駆動し、
低負荷動作モードと高負荷動作モードを設け、
前記制御手段は、前記低負荷動作モードの際には前記検出電圧に関わらずに固定のデューティ比にて前記ブラシレスモータを駆動し、前記高負荷動作モードの際に前記検出温度と前記検出電圧から前記デューティ比の調整を行うことを特徴とする電動工具。
モータと、前記モータに駆動電力を供給するバッテリとを備えた電動工具において、
前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段にて検出された検出電圧から半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を決定して前記モータを駆動し、前記電圧検出手段で検出された前記バッテリの電圧が下がるにつれて前記デューティ比を徐々に高くするよう制御する演算部と、を設けたことを特徴とする電動工具。
前記モータの温度を検出する温度検出手段を設け、前記演算部は前記モータの温度が下がると前記モータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を高くするよう制御することを特徴とする請求項８に記載の電動工具。
モータと、前記モータに駆動電力を供給するバッテリとを備えた電動工具において、
前記バッテリを前記電動工具に装着した直後は前記モータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を１００％よりも低くし、その後、前記バッテリの電圧が下がるにつれて前記デューティ比を徐々に高くするよう制御する演算部を設けたことを特徴とする電動工具。
前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記演算部は前記電圧検出手段が検出した電圧が上がると前記モータに供給するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低くするよう制御することを特徴とする請求項１０に記載の電動工具。
着脱可能なバッテリと、ブラシレスモータと、複数の半導体スイッチング素子を用いて前記ブラシレスモータへ駆動電力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ことにより前記ブラシレスモータの回転を制御する制御手段を有し、前記ブラシレスモータの駆動力によって先端工具を駆動する電動工具であって、
前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記電圧検出手段にて検出された検出電圧の関係から前記半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を決定して前記ブラシレスモータを駆動するように構成し、
前記制御手段は、前記検出電圧が下がるにつれて決定された前記デューティ比を徐々に高くするように制御することを特徴とする電動工具。