JP6906165B2

JP6906165B2 - 電動工具

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Publication number: JP6906165B2
Application number: JP2019161845A
Authority: JP
Inventors: 直規鶴田; 昌樹池田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-01-13
Also published as: JP2020073293A

Description

本発明は、一般に電動工具に関し、より詳細にはトリガを備える電動工具に関する。

従来、トリガの変位量に応じてモータの回転速度を変化させる電動工具が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の電動工具は、変速スイッチを備えている。変速スイッチは、使用者が指先で引き操作するトリガと、荷重センサと、を備えている。荷重センサは、トリガの引き操作量（押圧力）に比例する電圧信号を出力する。制御回路部は、荷重センサの出力信号に基づいてＤＣモータに供給する電力をＰＷＭ制御により調整する。

特開２０１２−１０１３２６号公報

荷重センサ（感圧部）は、トリガの引き操作量（引込量）の変化に対して出力が連続的に変化する。そのため、例えば、電動工具を用いた作業時において、作業に伴う振動によってトリガの引き込み量が変化した場合、モータの回転速度が不安定となるおそれがあった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされており、その目的は、モータの回転速度の安定化を図ることが可能な電動工具を提供することにある。

本発明の一態様に係る電動工具は、モータと、トリガと、感圧部と、制御回路と、を備える。前記モータは、電源からの電力供給によって先端工具を回転させる。前記トリガは、工具本体に移動可能に保持される。前記感圧部は、前記トリガの引き込み量に応じた圧力を受ける受圧部を有し、前記受圧部が受けた圧力の大きさを検出する。前記制御回路は、前記感圧部が検出した検出圧力に基づいて、前記モータの回転速度を制御する。前記制御回路は、時間変化によって前記検出圧力が増加しているか減少しているかを判断し、前記検出圧力が増加から減少に転じた場合、及び減少から増加に転じた場合に、前記モータの回転速度を維持するように、前記モータの回転速度を制御する。

本発明の電動工具では、モータの回転速度の安定化を図ることが可能になるという効果がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動工具のブロック図である。図２は、同上の電動工具の外観斜視図である。図３Ａは、同上の電動工具におけるトリガがオフ位置である場合のメインスイッチ及び感圧部の状態を示す概略構成図である。図３Ｂは、同上の電動工具におけるトリガがオン位置である場合のメインスイッチ及び感圧部の状態を示す概略構成図である。図４は、同上の電動工具における検出圧力に対するモータの回転速度の特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、本発明の様々な実施形態の一つに過ぎない。下記の実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

（実施形態）
本実施形態の電動工具１のブロック図を図１に示し、外観斜視図を図２に示す。本実施形態の電動工具１は、例えば、ボルト、ナット等の締付部品の締付作業に用いられる電動レンチである。

図２に示すように、電動工具１の工具本体２は、筒形状の胴体部２１と、胴体部２１の周面から径方向に突出するグリップ２２と、電池パック２４が着脱可能に装着される装着部２３と、を有している。

胴体部２１には、モータ４が収納されている。モータ４は、例えば直流モータであり、電池パック２４が有するバッテリ２４１（電源）からの電力供給により回転するように構成されている。モータ４は、正逆切替回路４０、メインスイッチ６、及び駆動スイッチ５１を介してバッテリ２４１と電気的に接続されている（図１参照）。

正逆切替回路４０は、複数のスイッチからなるブリッジ回路を有しており、出力端間にモータ４が電気的に接続されている。正逆切替回路４０は、バッテリ２４１からモータ４に供給される直流電流の方向を切り替えることにより、モータ４の回転方向を正転と逆転とに切り替える。正逆切替回路４０は、正極側入力端子Ｔ１がメインスイッチ６を介してバッテリ２４１の正極端子と電気的に接続され、負極側入力端子Ｔ２が駆動スイッチ５１を介してバッテリ２４１の負極端子と電気的に接続されている。また、正逆切替回路４０の正極側入力端子Ｔ１と負極側入力端子Ｔ２との間には回生ダイオード４１が電気的に接続されている。回生ダイオード４１は、アノードが負極側入力端子Ｔ２に電気的に接続され、カソードが正極側入力端子Ｔ１に電気的に接続されている。

駆動スイッチ５１は、例えば、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）で構成されている。駆動スイッチ５１は、ドレイン端子が正逆切替回路４０の負極側入力端子Ｔ２と電気的に接続され、ソース端子がバッテリ２４１の負極端子と電気的に接続されている。駆動スイッチ５１は、制御回路５によって制御される。

制御回路５は、例えばマイコン（マイクロコンピュータ）で構成されており、駆動スイッチ５１を制御するための制御信号を出力する。制御信号は、駆動スイッチ５１のゲート端子に制御信号を直接的に又は駆動回路を介して出力し、駆動スイッチ５１をオン／オフする。制御回路５は、後述する感圧部７の検出結果に基づいて駆動スイッチ５１を制御することにより、モータ４の回転速度を制御する。具体的には、制御回路５は、例えばデューティ比を調節可能なＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式で駆動スイッチ５１を制御することにより、モータ４の回転速度を制御する。

また、制御回路５は、工具本体２のグリップ２２に設けられた正逆切替スイッチ２２２の状態に基づいて、正逆切替回路４０を制御する。制御回路５は、モータ４の回転方向が、正逆切替スイッチ２２２によって設定された回転方向となるように、正逆切替回路４０を制御する。

また、制御回路５は、電源回路５０から供給される制御電力によって動作する。電源回路５０は、メインスイッチ６を介してバッテリ２４１と電気的に接続されている。電源回路５０は、バッテリ２４１から供給される直流電力を直流変換して制御電力を生成し、制御回路５に供給する。

図２に示すように、胴体部２１の軸方向における一端側からは出力軸２１１が突出している。出力軸２１１は、モータ４の回転動作に連動して回転するように構成されている。出力軸２１１には、締付部品を締め付ける又は緩めるための円筒状のソケット２１２（先端工具）が着脱可能に取り付けられる。つまり、モータ４は、バッテリ２４１からの電力供給によってソケット２１２を回転させるように構成されている。出力軸２１１に取り付けられるソケット２１２のサイズは、作業者によって締付部品のサイズに合わせて適宜選択される。電動工具１は、モータ４の回転動作よってソケット２１２が回転することにより、締付部品を締め付ける又は緩めるといった作業が可能となる。

工具本体２のグリップ２２は、作業者が作業を行う際に握る部分であり、トリガ３が設けられている。トリガ３は、モータ４の回転動作のオン／オフ、及びモータ４の回転速度の調整を行うための操作部であり、グリップ２２内への進退が可能に構成されている。トリガ３は、グリップ２２から突出し引き込み量がゼロであるオフ位置（図３Ａ参照）と、グリップ２２内に引き込まれ引き込み量が上限であるオン位置（図３Ｂ参照）との間で移動可能となるように工具本体２に保持されている。トリガ３は、ばねによってグリップ２２から突出する向きに力が加えられている。

グリップ２２の内部には、スイッチボックス２２１が設けられている。スイッチボックス２２１には、メインスイッチ６と感圧部７とが収納されている。

メインスイッチ６は、バッテリ２４１からのモータ４及び電源回路５０への電力供給をオン／オフするためのスイッチであり、固定接点６１、及び可動接点６２を有している。

固定接点６１は、固定接点板６１０に設けられている。固定接点板６１０は、スイッチボックス２２１に保持されている。固定接点板６１０は、導電線を介してモータ４の正極端子と電気的に接続されている。

可動接点６２は、可動接点板６２０に設けられている。可動接点板６２０は、一端側を支点として他端側が移動可能となるようにスイッチボックス２２１に保持されており、他端側に可動接点６２が固定接点６１と対向するように設けられている。可動接点板６２０は、導電線を介してバッテリ２４１の正極端子と電気的に接続されている。可動接点板６２０は、ばねによって可動接点６２が固定接点６１から離れる向きに力が加えられている。

可動接点板６２０は、トリガ３に連結された棒状のプランジャ３１によって移動するように構成されている。具体的には、プランジャ３１は、スイッチボックス２２１に形成された孔を貫通するように設けられており、一端がトリガ３と機械的に接続されている。図３Ａ、３Ｂでは、トリガ３は、引かれると左向きに移動する。したがって、プランジャ３１は、トリガ３が引かれることによって、スイッチボックス２２１への挿入量が増加する。プランジャ３１の周面から突出するように突部３２が設けられている。突部３２は、トリガ３が引かれてスイッチボックス２２１内へのプランジャ３１の挿入量が増加することによって、ばねの力に抗って可動接点板６２０の端部を固定接点板６１０に向かって押すように移動させる。つまり、可動接点板６２０は、トリガ３が引かれるとプランジャ３１の突部３２で押されることにより、固定接点板６１０に向かって移動する。

図３Ａに示すように、トリガ３がオフ位置にある場合、突部３２が可動接点板６２０の支点に近い位置にあるので、可動接点６２が固定接点６１から離れる。つまり、トリガ３がオフ位置にある場合、メインスイッチ６がオフ状態となり、バッテリ２４１からモータ４及び電源回路５０への電力供給が遮断される。また、図３Ｂに示すように、トリガ３がオン位置にある場合、突部３２が可動接点板６２０の端部を固定接点板６１０に向かって移動させ、可動接点６２と固定接点６１とが接触する。つまり、トリガ３がオン位置にある場合、メインスイッチ６がオン状態となり、バッテリ２４１からモータ４及び電源回路５０への電力供給が行われる。

感圧部７は、モータ４の回転速度を調整するためのスイッチであり、受圧部７１、及び受圧部７１を支持する支持体７２を有している。感圧部７は、スイッチボックス２２１に保持された基板７０に設けられており、受圧部７１が受けた圧力の大きさを検出するように構成されている。本実施形態では、感圧部７は、例えば、受圧部７１が受ける圧力の大きさに応じて静電容量が変化する静電型の感圧センサである。受圧部７１は、圧力を受けることによって変形するように構成されており、受けた圧力が大きくなるにつれて変形量が大きくなる。感圧部７は、受圧部７１の変形量に応じて静電容量の大きさが変化するように構成されており、静電容量の大きさが、受圧部７１が受けた圧力の大きさの検出結果（検出圧力）に相当する。感圧部７は、静電容量の大きさ（受圧部７１が受けた圧力の大きさ）を電気信号に変換して制御回路５に出力することにより、検出結果（検出圧力）を制御回路５に出力する。感圧部７は、静電型の感圧センサに限らず、例えば受ける圧力の大きさに応じて抵抗値が変化する抵抗型の感圧センサであってもよい。

感圧部７は、スイッチボックス２２１に収納された可動加圧板８と対向するように配置されている。可動加圧板８は、感圧部７側の面から突出するように加圧部８１が設けられている。加圧部８１は、例えば硬質ゴム等で構成されており、受圧部７１と対向するように配置されている。

可動加圧板８は、一端側を支点として他端側が移動可能となるようにスイッチボックス２２１に保持されている。可動加圧板８は、ばねによって加圧部８１が受圧部７１から離れる向きに力が加えられている。可動加圧板８は、プランジャ３１に押されることによって感圧部７に向かって移動するように構成されている。具体的には、可動加圧板８は、断面が台形状に形成されており、一端側の厚みに比べて他端側の厚みが大きい。言い換えれば、可動加圧板８は、加圧部８１が設けられた第１面８０１に対して、第１面８０１とは反対側の第２面８０２が傾斜している。可動加圧板８は、トリガ３が引かれてスイッチボックス２２１内へのプランジャ３１の挿入量が増加すると、プランジャ３１の先端部が第２面８０２に接触する。つまり、プランジャ３１の先端部が、可動加圧板８の斜面（第２面８０２）に接触する。したがって、プランジャ３１の挿入量がさらに増加すると、プランジャ３１の先端部が可動加圧板８を第２面８０２に沿って移動しながら押すことにより、可動加圧板８が感圧部７に向かって移動する。これにより、加圧部８１が受圧部７１に接触し圧力を加えることにより受圧部７１が変形する。可動加圧板８は、第１面８０１に対して第２面８０２が傾斜しているので、プランジャ３１の挿入量が増加するにつれて、加圧部８１が受圧部７１に加える圧力が大きくなる。つまり、可動加圧板８は、トリガ３が引かれるとプランジャ３１の先端部によって押されて感圧部７に向かって移動し、トリガ３の引き込み量が増加するにつれて加圧部８１が受圧部７１に加える圧力が大きくなる。なお、プランジャ３１の先端部が傾斜面であり、プランジャ３１の挿入量が増加するにつれて、加圧部８１が受圧部７１に加える圧力が大きくなるように構成されていてもよい。

ここにおいて、トリガ３がオフ位置から引き込まれて、引き込み量が第１引き込み量になると、可動接点６２が固定接点６１と接触しメインスイッチ６がオン状態となる。トリガ３の引き込み量が第１引き込み量よりも大きい第２引き込み量になると、可動加圧板８の加圧部８１が感圧部７の受圧部７１と接触する。そして、トリガ３の引き込み量が第２引き込み量よりも大きくなるにつれて、加圧部８１が受圧部７１に加える圧力が強くなる。つまり、トリガ３がオフ位置から引き込まれると、まずメインスイッチ６がオンし、その後、感圧部７に圧力が加えられる。

図２に示すように、工具本体２の装着部２３は、扁平な矩形体状に形成されており、グリップ２２と反対側の一面に電池パック２４が着脱可能に装着される。電池パック２４は、矩形体状に形成された樹脂製のケース２４０（図２参照）を有しており、ケース２４０の内部にバッテリ２４１（例えば、リチウムイオン電池）を収納している。

装着部２３には、制御回路５が収納されている。また、装着部２３には、操作パネル２３１が設けられている。操作パネル２３１は、例えば、複数の押ボタンスイッチ２３２、及び複数のＬＥＤ２３３（Light Emitting Diode）を備えており、電動工具１の種々の設定、状態確認等を行うことができる。作業者は、例えば、操作パネル２３１（押ボタンスイッチ２３２）を操作することにより、バッテリ２４１の残容量の確認等を行うことができる。また、装着部２３には、発光部２３４が設けられている。発光部２３４は、例えばＬＥＤで構成されている。発光部２３４は、作業時において作業箇所に向けて光を照射するように配置されている。発光部２３４は、メインスイッチ６がオンした際に点灯するように構成されている。

次に、制御回路５によるモータ４の回転速度の制御について図４を参照して説明する。制御回路５は、感圧部７が検出した検出圧力（受圧部７１が受けた圧力）が大きくなるにつれてモータ４の回転速度が大きくなるように駆動スイッチ５１を制御する。

具体的には、制御回路５は、所定周期で検出圧力をサンプリングしており、時間変化によって検出圧力が増加しているか減少しているかを判断する。つまり、制御回路５は、トリガ３がオン位置に向かって引かれているか、オフ位置に向かって戻されているかを判断する。

制御回路５は、時間変化によって検出圧力が増加する場合と減少する場合とで、検出圧力に対するモータ４の回転速度が互いに異なるように、モータ４の回転速度をヒステリシス制御する。図４は、検出圧力に対するモータ４の回転速度を示す特性カーブのグラフである。図４中のＹ１は、時間変化によって検出圧力が増加する場合における検出圧力に対するモータ４の回転速度を示す加圧特性カーブである。図４中のＹ２は、時間変化によって検出圧力が減少する場合における検出圧力に対するモータ４の回転速度を示す減圧特性カーブである。

加圧特性カーブＹ１が示すように、検出圧力を下限値Ｐｍｉｎから上限値Ｐｍａｘまで増加させた場合、モータ４の回転速度が速度Ｓ１から連続的に増加する。検出圧力が圧力値Ｐ１に達するとモータ４の回転速度が上限値Ｓｍａｘとなり、検出圧力が圧力値Ｐ１から上限値Ｐｍａｘまでの間はモータ４の回転速度が上限値Ｓｍａｘで維持される。

減圧特性カーブＹ２が示すように、検出圧力を上限値Ｐｍａｘから下限値Ｐｍｉｎまで減少させた場合、検出圧力が上限値Ｐｍａｘから圧力値Ｐ２までの間は回転速度が上限値Ｓｍａｘで維持される。圧力値Ｐ２は、圧力値Ｐ１よりも小さい値である。検出圧力が圧力値Ｐ２から低減するとモータ４の回転速度が上限値Ｓｍａｘから速度Ｓ２まで連続的に減少し、検出圧力が下限値Ｐｍｉｎに達するとモータ４の回転速度がゼロ、つまりモータ４が停止する。速度Ｓ２は、速度Ｓ１よりも大きい速度である。

検出圧力の下限値Ｐｍｉｎは、ゼロである。つまり、検出圧力が下限値Ｐｍｉｎである場合、トリガ３の引き込み量がゼロ（オフ位置）から第２引き込み量までの間であることを示している。また、検出圧力が上限値Ｐｍａｘである場合、トリガ３の位置がオン位置であることを示している。

図４に示すように、時間変化によって検出圧力が増加する場合と減少する場合とを比較すると、時間変化によって検出圧力が減少する場合の方が、検出圧力が下限値Ｐｍｉｎから圧力値Ｐ１の範囲では常に検出圧力に対するモータ４の回転速度が大きい。これにより、モータ４の回転速度のヒステリシス制御が行われる。

制御回路５は、検出圧力の時間変化に応じて、加圧特性カーブＹ１又は減圧特性カーブＹ２に沿ってモータ４の回転速度を制御する。

また、制御回路５は、検出圧力が所定の範囲内で増加及び減少した場合でも、モータ４の回転速度を一定に維持する。例えば、検出圧力が下限値Ｐｍｉｎから圧力値Ｐ１０（＜圧力値Ｐ１）まで増加したとする。この場合、制御回路５は、モータ４の回転速度を、加圧特性カーブＹ１に沿って速度Ｓ１０まで増加させる。ここで、減圧特性カーブＹ２において、モータ４の回転速度が速度Ｓ１０である場合における検出圧力が圧力値Ｐ２０（＜圧力値Ｐ１０）であるとする。制御回路５は、検出圧力が減圧特性カーブＹ２上の圧力値Ｐ２０まで減少する間は、モータ４の回転速度を速度Ｓ１０に維持する。また、制御回路５は、圧力値Ｐ２０と圧力値Ｐ１０との間で検出電圧が増加した場合も、モータ４の回転速度を速度Ｓ１０に維持する。つまり、制御回路５は、圧力値Ｐ２０と圧力値Ｐ１０との間の範囲ΔＰ内で検出圧力が増加及び減少する場合、モータ４の回転速度を速度Ｓ１０に維持する。したがって、電動工具１の作業に伴う振動によってトリガ３の引き込み量が変化した場合であっても、トリガ３の引き込み量の変化による検出圧力の変化が範囲ΔＰ内であれば、モータ４の回転速度が一定に維持される。

すなわち、制御回路５は、検出圧力が下限値Ｐｍｉｎから圧力値Ｐ１の範囲内において、モータ４の回転速度が速度Ｓｘである場合、検出圧力が範囲ΔＰｘ内で変化してもモータ４の回転速度を速度Ｓｘに維持する。範囲ΔＰｘは、加圧特性カーブＹ１上でモータ４の回転速度が速度Ｓｘとなる圧力値Ｐｘ１と、減圧特性カーブＹ２上でモータ４の回転速度が速度Ｓｘとなる圧力値Ｐｘ２との間の範囲である。

また、検出圧力が圧力値Ｐ２０を下回って減少した場合、制御回路５は、モータ４の回転速度を、減圧特性カーブＹ２に沿って速度Ｓ１０から減少させる。また、検出圧力が圧力値Ｐ１０を上回って増加した場合、制御回路５は、モータ４の回転速度を、加圧特性カーブＹ１に沿って速度Ｓ１０から上昇させる。

上述した例では、電動工具１が電動レンチである場合について説明したが、電動工具１は電動レンチに限らず、電動ドライバ、電動ドリル等のモータ４を備える他の電動工具であってもよい。

以上説明したように、第１態様に係る電動工具１は、モータ４と、トリガ３と、感圧部７と、制御回路５と、を備える。モータ４は、バッテリ２４１（電源）からの電力供給によってソケット２１２（先端工具）を回転させる。トリガ３は、工具本体２に移動可能に保持される。感圧部７は、トリガ３の引き込み量に応じた圧力を受ける受圧部７１を有し、受圧部７１が受けた圧力の大きさを検出する。制御回路５は、感圧部７が検出した検出圧力に基づいて、モータ４の回転速度を制御する。また、制御回路５は、時間変化によって検出圧力が増加する場合と減少する場合とで、検出圧力に対するモータ４の回転速度が互いに異なるように、モータ４の回転速度をヒステリシス制御する。

この構成により、電動工具１は、電動工具１の作業に伴う振動やトリガ３を引く指の脈動等によってトリガ３の引き込み量が変化した場合であっても、モータ４の回転速度の変化を抑制し安定化を図ることが可能となる。

第２態様に係る電動工具１では、第１態様において、時間変化によって検出圧力が減少する場合、制御回路５は、時間変化によって検出圧力が増加する場合に比べて、検出圧力に対するモータ４の回転速度が大きくなるように、モータ４の回転速度をヒステリシス制御することが好ましい。

この構成により、電動工具１は、トリガ３の引き込み量が変化が増加から減少に転じた場合、及び減少から増加に転じた場合であっても、トリガ３の引き込み量の変化量が所定範囲内であればモータ４の回転速度を維持することが可能となる。

１電動工具
２工具本体
２１２ソケット（先端工具）
２４１バッテリ（電源）
３トリガ
４モータ
５制御回路
７感圧部
７１受圧部

Claims

電源からの電力供給によって先端工具を回転させるモータと、
工具本体に移動可能に保持されるトリガと、
前記トリガの引き込み量に応じた圧力を受ける受圧部を有し、前記受圧部が受けた圧力の大きさを検出する感圧部と、
前記感圧部が検出した検出圧力に基づいて、前記モータの回転速度を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、時間変化によって前記検出圧力が増加しているか減少しているかを判断し、前記検出圧力が増加から減少に転じた場合、及び減少から増加に転じた場合に、前記モータの回転速度を維持するように、前記モータの回転速度を制御する
ことを特徴とする電動工具。
前記制御回路は、前記検出圧力が増加から減少に転じた場合、及び減少から増加に転じた場合に、前記検出圧力の変化量が所定範囲内であれば、前記モータの回転速度を維持する
ことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。