JP2014069252A

JP2014069252A - 電動工具

Info

Publication number: JP2014069252A
Application number: JP2012215521A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Iwata; 和隆岩田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21
Also published as: WO2014051167A2; US20150222212A1; CN104885357A; EP2901548A2; WO2014051167A3

Abstract

【課題】電圧変換回路を備え、負荷の大きさによらずモータへの印加電圧を一定にする場合と比較して重負荷時のトルクを大きくすることの可能な電動工具を提供する。
【解決手段】制御部５は、モータ３に流れる電流を監視しており、電流（負荷）が大きくなるにつれてモータ３への印加電圧を低下させる（電圧変換回路２の昇圧率を低下させる）。電流（負荷）の増大に伴って電圧変換回路２の昇圧率を低下させることにより、軽負荷時にはモータ３を高速回転させながら重負荷時にはモータ３のトルクを大きくすることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を備える電動工具に関する。

ドライバドリル等の電動工具においては、下記特許文献１に示されるように、使用者によるトリガの引き量に応じてマイコン等の制御部がモータを制御するのが一般的である。下記特許文献２は、電池電圧で動作する電動刈払機において、昇圧回路を用いることにより、容量の小さい電池でも十分に高い回転数で作業を行うことを可能としている。電池電圧で動作する電動工具でネジ締め等を行う場合、電池電圧を昇圧することでモータを高速回転させることができ、締付スピードを速くすることができる。

特開２００９−１２１５３号公報特開２０１１−９２１７８号公報

ネジ締めの最終段階では、モータのトルクが高くなり回転数が低下する。電源の出力電力には限界があるため、電源電圧を昇圧すると、モータに供給可能な電流が小さくなり、最終的な締付トルクが小さくなる。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、電圧変換回路を備え、負荷の大きさによらずモータへの印加電圧を一定にする場合と比較して重負荷時のトルクを大きくすることの可能な電動工具を提供することにある。

本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、電圧変換回路を備え、負荷の大きさに応じて前記モータへの印加電圧の大きさを制御する。

負荷が大きいときは前記モータへの印加電圧を低くし、負荷が小さいときは前記モータへの印加電圧を高くしてもよい。

前記モータへの印加電圧のレベルを切り替える境界となる負荷の大きさが複数存在してもよい。

入力部の操作量に応じて前記モータへの印加電圧を制御してもよい。

前記操作量が大きいときは前記モータへの印加電圧を高くし、前記操作量が小さいときは前記モータへの印加電圧を低くしてもよい。

前記操作量によらずデューティ比１００％で前記モータに電圧を印加してもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電圧変換回路を備え、負荷の大きさによらずモータへの印加電圧を一定にする場合と比較して重負荷時のトルクを大きくすることの可能な電動工具を実現できる。

本発明の実施の形態１に係る電動工具のブロック図。図１に示す電圧変換回路２の例示的な回路図。図３（Ａ）は、モータ３のトルクと電流の関係を示す特性図。図３（Ｂ）は、実施の形態の制御を適用した場合の、モータ３への印加電圧（電圧変換回路２の出力電圧）とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図（その１）。図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）の制御を適用した場合の、モータ３の回転数とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図。図４（Ａ）は、モータ３のトルクと電流の関係を示す特性図。図４（Ｂ）は、実施の形態の制御を適用した場合の、モータ３への印加電圧（電圧変換回路２の出力電圧）とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図（その２）。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の制御を適用した場合の、モータ３の回転数とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図本発明の実施の形態２に係る電動工具のブロック図。同電動工具の全体構造図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電動工具のブロック図である。電動工具の種類はネジ締めを行う例えば電動ドライバが好適であるが、特に限定されない。また、電動工具の機械的構成は周知のものでよいためここでは説明を省略する。図１に示すように、電動工具は、電池１を電源とし、電池１の電圧を電圧変換回路２で昇圧してモータ３に供給する。

電圧変換回路２は、例えば図２に示すようなチョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ（ブーストコンバータ）すなわち昇圧回路であり、スイッチング素子Ｍのスイッチング制御により、チョークコイルＬに溜めたエネルギーを電池１の電圧に加算して出力する。スイッチング素子Ｍのスイッチング制御は、制御部５が、電圧変換回路２の出力電圧を監視しながら昇圧率（昇圧目標電圧）に応じて実施する。ダイオードＤは電流の逆流を防止し、平滑コンデンサＣは出力電圧の変動を抑える。

モータ３は本実施の形態ではブラシ付きモータである。モータ３と直列にスイッチング素子Ｑ及び抵抗Ｒが設けられる。スイッチング素子Ｑは制御部５によりオンオフ制御される。抵抗Ｒはモータ３に流れる電流を電圧に変換するために設けられる。トリガスイッチ４は、入力部の例示であり使用者に操作される。制御部５はモータ３の動作を制御する。制御の詳細は後述する。

制御部５において、モータ電流検出回路６は、抵抗Ｒの端子電圧に基づきモータ３に流れる電流を検出して演算部１１に送信する。昇圧電圧検出回路７は、電圧変換回路２の出力電圧を検出して演算部１１に送信する。電池電圧検出回路８は、電池１の出力電圧を検出して演算部１１に送信する。スイッチ操作検出回路９は、トリガスイッチ４の操作を検出して制御部５を起動する。印加電圧設定回路１０は、トリガスイッチ４の操作量を検出して演算部１１に送信する。演算部１１は、モータ３の制御に必要な各種の演算を行う。演算部１１はハードウエアとソフトウエアの組合せにより実現される。

図３（Ａ）は、モータ３のトルクと電流の関係を示す特性図である。本図に示すようにモータ３のトルクと電流は比例関係にある。図３（Ｂ）は、実施の形態の制御を適用した場合の、モータ３への印加電圧（電圧変換回路２の出力電圧）とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図（その１）である。図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）の制御を適用した場合の、モータ３の回転数とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図である。図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）において、トリガスイッチ４の操作量は一定であり、スイッチング素子Ｑのゲート（制御端子）への印加電圧のデューティ比は一定（例えば１００％）とする。

制御部５は、モータ３に流れる電流を監視しており、図３（Ｂ）に示すように、電流（負荷）が大きくなるにつれてモータ３への印加電圧を低下させる（電圧変換回路２の昇圧率を低下させる）。なお、図３（Ｂ）では電圧変換回路２の出力電圧のレベル切替え（昇圧率切替え）の境界となる電流値を２つ（Ｉ１とＩ３）としているが、境界となる電流値は１つ又は３つ以上であってもよい。

図３（Ｃ）から明らかなように、電流（負荷）の増大に伴って電圧変換回路２の昇圧率を低下させることにより、モータ３への供給可能最大電流が大きくなり（Ｉ５＞Ｉ４＞Ｉ３）、トルクを大きくできる。これはネジ締めであれば最終的な締め付けトルクを大きくできることを意味する。また、モータ３の電流がＩ１〜Ｉ３（Ｉ１＜Ｉ３）の区間では、昇圧率が中の場合のほうが大の場合よりもモータ３を高速回転できる。同様にモータ３の電流がＩ３〜Ｉ５（Ｉ３＜Ｉ５）の区間では、昇圧率が小の場合のほうが中の場合よりもモータ３を高速回転できる。したがって、図３（Ｂ）の制御を適用することで、すなわちモータ３の電流がＩ１までは昇圧率を大、Ｉ１〜Ｉ３では昇圧率を中、Ｉ３〜Ｉ５では昇圧率を小（昇圧なし）とすることで、軽負荷時にはモータ３を高速回転させながら重負荷時にはモータ３のトルクを大きくすることが可能となる。

図３（Ｂ）の制御において、トリガスイッチ４の操作量は、昇圧率を変更する（操作量が大きいほど昇圧率を大きくする）ことにより反映することができる。このとき、昇圧率切替えの境界となる電流値もトリガスイッチ４の操作量に応じて変更するとよい。なお、トリガスイッチ４の操作量に応じてスイッチング素子Ｑのゲート（制御端子）への印加電圧のデューティ比を併せて制御してもよいが、トリガスイッチ４の操作量によらずスイッチング素子Ｑのデューティ比を１００％に固定することで、スイッチング素子ＱのＰＷＭ制御を不要にして回路の簡素化を図ることができる。

図４（Ａ）は、モータ３のトルクと電流の関係を示す特性図である。本図は図３（Ａ）と同じである。図４（Ｂ）は、実施の形態の制御を適用した場合の、モータ３への印加電圧（電圧変換回路２の出力電圧）とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図（その２）である。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の制御を適用した場合の、モータ３の回転数とモータ３に流れる電流との関係を示す特性図である。図４（Ｂ）の制御では、制御部５は、トリガスイッチ４の操作量が大きいときは、モータ３に流れる電流がＩ６までは電圧変換回路２を動作させて昇圧した電圧をモータ３に印加し、電流がＩ６を超えると電圧変換回路２による昇圧を行わずに電池１の電圧をモータ３に印加する。一方、制御部５は、トリガスイッチ４の操作量が小さいときは、モータ３に流れる電流に関わらず電圧変換回路２による昇圧を行わずに電池１の電圧をモータ３に印加する。こうした制御によれば、トリガスイッチ４の操作量に関係なく常に電圧変換回路２を動作させる場合と比較して、回転数の調整が容易で回転数の急変動を防止することができる。トリガスイッチ４の操作量が中の場合は、大の場合よりも昇圧電圧を小さくすればよい。なお、図４（Ｃ）の特性は、トリガスイッチ４の操作量に応じてスイッチング素子Ｑのデューティ比も変化させた場合を示している（トリガスイッチ４の操作量が小のときはデューティ比も小）。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) モータ３の電流（負荷）の増大に伴って電圧変換回路２の昇圧率を低下させる（モータ３への印加電圧を低下させる）ため、重負荷時にモータ３に供給可能な電流を大きくすることができる。このため、モータ３の電流の大きさによらず電圧変換回路２の昇圧率を一定にする場合と比較して、重負荷時のトルクを大きくすることが可能となる。

(2) トリガスイッチ４の操作量が小さいときは電圧変換回路２による昇圧を行わないため、トリガスイッチ４の操作量に関係なく常に電圧変換回路２を動作させる場合と比較して、回転数の調整が容易で回転数の急変動を防止することができる。

(3) トリガスイッチ４の操作量に応じて電圧変換回路２の昇圧率を可変とすることで、スイッチング素子Ｑのデューティ比はトリガスイッチ４の操作量によらず１００％で一定とすることもでき、そうすることでスイッチング素子ＱのＰＷＭ制御を不要として回路構成を簡素化できる。

図５は、本発明の実施の形態２に係る電動工具のブロック図である。図６は、同電動工具の全体構造図である。この電動工具は、図１に示した実施の形態１のものと異なり、モータ３がブラシレスモータである。回転子位置検出素子１２は、例えばホール素子などの磁気検出素子である。制御部５において、回転子位置検出回路１３は、回転子位置検出素子１２の出力信号に基づいてモータ３の回転位置を検出し、演算部１１及び回転数検出回路１４に送信する。回転数検出回路１４は、回転子位置検出回路１３の出力信号によりモータ３の回転数を検出し、演算部１１に送信する。演算部１１は、回転子位置検出回路１３からの位置信号に基づいて、インバータ回路１６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に印加するスイッチング素子駆動信号Ｈ１〜Ｈ６を生成し、それらを制御信号出力回路１５からスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート（制御端子）に入力する。インバータ回路１６は、スイッチング素子駆動信号Ｈ１〜Ｈ６によって制御されて、電圧変換回路２の出力する直流電圧を交流電圧に変換してモータ３に供給する。スイッチング素子駆動信号Ｈ１〜Ｈ６は、トリガスイッチ４の操作量に応じたデューティ比のＰＷＭ信号であってもよいが、実施の形態１と同様にトリガスイッチ４の操作量に応じて電圧変換回路２の昇圧率を可変とすることでスイッチング素子Ｑのデューティ比はトリガスイッチ４の操作量によらず１００％で一定にすることもできる。本実施の形態のその他の点は実施の形態１と同様である。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

電動工具はＤＣ工具に限定されずＡＣ工具であってもよい。電圧変換回路２は、実施の形態で例示した昇圧型（ブーストコンバータ）に限らず、降圧型（バックコンバータ）あるいは昇圧と降圧の双方が可能なタイプ（バックブーストコンバータ）であってもよく、また、ＡＣ電源からの電圧を昇圧又は降圧する変圧器であってもよい。いずれにしても、モータ３の電流（負荷）の増大に伴ってモータ３への印加電圧を低下させることで、重負荷時にモータ３に供給可能な電流を大きくすることができる。また、複数のコンプレッサやＡＣ工具などを商用電源に接続した場合にはブレーカーが落ちやすくなるが、重負荷時にモータへの印加電圧を低下させることでブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。

作業者によって昇圧レベルを可変として、工具の特性を作業者の使用しやすく調整可能な構成してもよい。この場合、昇圧レベルを可変とするために、工具のハウジングにボタンなどを設けてもよい。

ＤＣ−ＤＣコンバータは発熱するため、ＤＣ−ＤＣコンバータの例えばスイッチング素子の近傍にサーミスタを装着して、ある一定以上の温度になったら運転を禁止する高温保護機能を付加してもよい。

１電池、２電圧変換回路、３モータ、４トリガスイッチ、５制御部、６モータ電流検出回路、７昇圧電圧検出回路、８電池電圧検出回路、９スイッチ操作検出回路、１０印加電圧設定回路、１１演算部、１２回転子位置検出素子、１３回転子位置検出回路、１４回転数検出回路、１５制御信号出力回路、１６インバータ回路、Ｃ平滑コンデンサ、Ｄダイオード、Ｌチョークコイル、Ｍスイッチング素子、Ｑスイッチング素子、Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子、Ｒ抵抗

Claims

電圧変換回路を備え、負荷の大きさに応じて前記モータへの印加電圧の大きさを制御する、電動工具。
負荷が大きいときは前記モータへの印加電圧を低くし、負荷が小さいときは前記モータへの印加電圧を高くする、請求項１に記載の電動工具。
前記モータへの印加電圧のレベルを切り替える境界となる負荷の大きさが複数存在する請求項２に記載の電動工具。
入力部の操作量に応じて前記モータへの印加電圧を制御する請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
前記操作量が大きいときは前記モータへの印加電圧を高くし、前記操作量が小さいときは前記モータへの印加電圧を低くする、請求項４に記載の電動工具。
前記操作量によらずデューティ比１００％で前記モータに電圧を印加する請求項４又は５に記載の電動工具。