JP2005137134A

JP2005137134A - 電動工具

Info

Publication number: JP2005137134A
Application number: JP2003370901A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakamoto; 健二阪本; Yukihiko Okamura; 幸彦岡村; Hiroshi Miyazaki; 博宮崎; Sunao Arimura; 直有村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】負荷が急激に増加する場合でも駆動可能な電動工具を提供することにある。
【解決手段】電動工具の負荷の大きさに応じたインバータ回路２０に入力する電流で検出する電流検出回路２１の電流検出信号を取り込む制御回路２４内の電流検出回路２４１は検出電流を平均化し、その平均電流信号Ｓ４を最小速度設定回路２４３へ出力する。最小速度設定回路２４３は平均電流信号Ｓ４が示す平均電流値が所定値以上ならば最小速度を指令速度以上に設定し、指令速度補正回路２４_４はこの最小速度により指令速度設定回路２４０が設定する指令速度以上の補正指令速度を速度制御回路２４_６に出力する。速度制御回路２４_６は補正指令速度に基づいた指令電圧を示す指令電圧信号Ｓ９’を切換回路２４_７を通じてインバータ回路２０へ出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子の電機子巻線の誘起電圧から回転子の位置を検出するようにしたブラシレス電動機を用いた手持ち式の電動工具に関するものである。

手持ち式電動工具としては例えば図１７に示すように３相の電機子巻線１ｂを持つブラシレス電動機を用いたものが提供されている。この図１７に示す電動工具は３相の電機子巻線１ｂを巻装した固定子を有するブラシレス電動機（以下電動機という）１と、この電動機１の出力をトルクリミット概能付き減速機（或いはハンマーと出力軸６に設けたアンビルとの係合を衝撃的に繰り返し行うことにより回転力を生み出すインパクト発生機能付き減速機）５を介して、チャックを備えた出力軸６に伝達する動力伝達部と、トリガボリューム４で電動機１のオンオフ及びその操作量で出力軸６の回転数、つまり電動機１の回転数（回転速度）を調整する駆動回路２と、２次電池のような電池電源３とから構成されている。

駆動回路２は図１８に示すようにトリガボリューム４の操作量で設定された回転数（回転速度）となるように電動機１ヘの印加電圧の調整と３相の電機子巻線１ｂへの通電切換をインバータ回路２０を通じて行うもので、インバータ回路２０のドライブ回路２３に指令電圧信号を出力する制御回路２４と永久磁石を有する回転子１ａの位置検出を行う位置検出回路２２とを備えている。

ここで、インバータ回路２０は６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がブリッジ結線されており、上記指令電圧信号に基づいてドライブ回路２３でオンオフ制御して転流することにり電動機１の電機子巻線１ｂに所定のタイミングで電流が流れて回転子１ａが回転する。さらにドライブ回路２３はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をＰＷＭ制御して電機子巻線１ｂへの印加電圧を調整する。位置検出回路２２は、通電されていない開放相の電機子巻線１ｂの誘起電圧を基準電圧と比較してから回転子１ａの磁極位置を検出して位置検出信号を制御回路２４へ出力する。制御回路２４は、位置検出信号に基づいて所定の電機子巻線１ｂに所定の電圧を印加するようにドライブ回路２３に指令電圧信号を与える。ブラシレス運転時には、電圧が印加されていない端子電圧（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの何れか）と基準電圧との比較結果が変化したタイミングで回転子１ａの位置を検出し、所定位相遅延させて転流することで回転子１ａを回転させる機能と、回転子１ａの位置検出間隔から求めた実際の回転速度とトリガボリューム４の操作量で設定される指令速度が一致するように速度制御演算を行って印加電圧を求める機能とを備えている。

一方ブラシレス電動機を用いた電動工具において、電池電源の電圧値及び電流値に関する各指標に基づいてブラシレス電動機の駆動を制御する制御手段を備えたものが提供されている（例えば特許文献１）。
特開２００３−２００３６３号公報（段落番号００３０）

上述の図１７に示す電動工具のようにトルクリミット機能付き減速機（或いはインパクト発生機能付き減速機）５を用いている場合、電動機１から見た負荷（トルク）が周期毎に図１９（ａ）に示すように変化し、例えば負荷（トルク）が増加した時に速度制御の応答遅れから図１９（ｂ）のａ点で示すように回転速度がゼロ、つまり一瞬停止してしまうと、電機子巻線１ｂの誘起電圧から回転子１ａの磁極位置を位置検出回路２２が検出できなくなり、そのため脱調してしまうという課題があった。尚図１９（ａ）（ｂ）の横軸方向は時間経過、縦軸方向はそれぞれの大きさ方向を示している。

また上記特許文献１に示される制御手段は、電機子巻線の誘起電圧に対して相電流（巻線電流）の位相が遅れた場合に、誘起電圧と相電流との位相を合致或いは接近させる制御を行う際に使用する制御値は、電池電源の電圧と電流値とに基づいて予め設けた制御値マップから読み出すものであるため、工具作動状況を示す指標データを準備しなければならなかった。また電池電源の電圧値と電流値に基づいて制御値を決めるため、その都度算出する場合にも電池電源の特性に影響を受けるという課題があった。

本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、予め工具作動状況の指標データを準備する必要がなく、負荷（トルク）が急激に増加する場合でも駆動可能な電動工具を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明では、永久磁石を有した回転子と電機子巻線を有した固定子からなる電動機と、操作量に応じて前記電動機の回転速度を設定するトリガボリュームと、該トリガボリュームの操作量で定まる回転速度を指令速度に変換する指令速度設定手段と、前記電動機の開放相の端子電圧と基準電圧とを比較して前記回転子の位置を検出する位置検出手段と、駆動電圧を前記電動機に印加するインバータ回路と、前記位置検出手段の検出出力から回転速度を検出する速度検出手段と、前記指令速度と前記速度検出手段の検出速度が一致するように指令電圧を演算する速度制御手段と、前記位置検出手段の位置検出出力と前記指令電圧に基づいて前記インバータ回路を構成するスイッチング素子を制御して前記電動機に印加電圧を制御する電圧制御手段と、前記電動機の出力を減速機を介して出力軸に伝達する動力伝達部と、前記出力軸の負荷の大きさを検出する負荷検出手段とを備え、該負荷検出手段が検出する負荷の大きさが所定値以上ならば前記指令速度設定手段が設定する指令速度を所定の最小速度以上とすることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、負荷（トルク）が所定値以上のときに電動機の回転速度（回転数）を上昇させることができ、そのため低速駆動時に負荷（トルク）が増加した場合に速度制御特性の遅れから電動機の回転速度（回転数）が低下して誘起電圧による回転子の位置を検出できなくなって電動機が脱調するのを防止することができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記負荷の大きさに応じて前記最小速度を変化させることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、負荷（トルク）の大きさに応じた低速での電動機の駆動が可能となる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記最小速度の増加方向の変化を所定の増加率で行うことを特徴とする。

請求項３の発明によれば、指定速度の急激な上昇による過電流や脱調を防止できる。

請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記最小速度の増加率を負荷の大きさに応じて変化させることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、設定速度を上昇させる際に、負荷（トルク）の大きさに応じた率で上昇させることができ、過電流や脱調を防止しながら円滑に電動機の回転速度（回転数）を上昇させることが可能となる。

請求項５の発明では、請求項１乃至４の何れかの発明において、前記負荷の大きさが所定値以下となれば前記最小速度を初期設定へ復帰させることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、再び負荷（トルク）が小さくなった時に低速での電動機の駆動が可能となる。

請求項６の発明では、請求項１乃至５の何れかの発明において、前記電動機が加速中には前記負荷検出手段による負荷の大きさの検出を行わないことを特徴とする。

請求項６の発明によれば、加速による電流増加による負荷の誤検出を防止できる。

請求項７の発明では、請求項１乃至６の何れかの発明において、前記負荷検出手段は前記電動機の起動から所定時間経過するまで負荷の大きさの検出を行わないことを特徴とする。

請求項７の発明によれば、起動処理中等電動機の電流と負荷（トルク）の関係が一致しない状態での誤検知を防止できる。

請求項８の発明では、請求項７の発明において、起動時に電機子巻線への通電を強制的に切り換えた後に前記位置検出手段の検出出力と前記指令電圧に基づいた印加電圧制御へ移行させる手段を備えていることを特徴とする。

請求項８の発明によれば、起動時の同期制御中は、負荷（トルク）の大小判定を行わないことで、電動機の電流が負荷（トルク）の大小を表さず且つ検出する速度が不正なことによる誤検知を防止できる。

本発明は、負荷（トルク）が所定値以上のときに電動機の回転速度（回転数）を上昇させることができ、そのため低速駆動時に負荷（トルク）が増加した場合に速度制御特性の遅れから電動機の回転速度（回転数）が低下して誘起電圧による回転子の位置を検出できなくなって電動機が脱調するのを防止することができるという効果がある。

以下本発明を実施形態により説明する。
（実施形態１）
本実施形態の電動工具は、図２に示すように図１８に示す従来例と同様に３相の電機子巻線１ｂを巻装した固定子を有するブラシレス電動機（以下電動機と略す）１と、電動機１の駆動のオン／オフと操作量によって回転速度（回転数）を設定するトリガボリューム４と、回転子１ａの永久磁石の磁極位置を検出する位置検出手段たる位置検出回路２２と、インバータ回路２０のドライブ回路２３に指令電圧信号を与える制御回路２４を設けた構成に加え、インバータ回路２０の入力電流の大きさに基づいて電動機１の負荷電流の大きさ、つまり負荷（トルク）の大きさを検出する負荷検出手段たる電流検出回路２１を設け、この電流検出回路２１が検出する電流値の大きさにより後述する最小速度Ｚの設定を行うようにした点に特徴がある。尚電動機１，インバータ回路２０及び位置検出回路２２の構成及び動作は上述した従来例と同じであるので、ここでは説明は省略し、同じ符号を付す。また電動工具の構成は図１７に示す従来例の構成と同じであるので、図１７を参照し、ここでは図示しない。尚電流検出回路２１を過電流保護用の電流検出回路と兼用しても良い。

本実施形態の制御回路２４は図１に示すようにトリガボリューム４の操作量信号Ｓ１を取り込んで操作量に応じた指令速度Ｘを設定する指令速度設定信号Ｓ２を出力する指令速度設定手段たる指令速度設定回路２４０と、電流検出回路２１からの負荷電流の大きさを示す電流検出信号Ｓ３を取り込んで平均化処理を行い、その平均電流値を示す平均電流信号Ｓ４を出力する電流検出回路２４１と、位置検出回路２２から出力される回転子１ａの位置検出信号Ｓ６の間隔に基づいて回転子１ａの回転数を検出し、その回転数から求まる回転速度（以下速度と略す）を示す速度検出信号Ｓ７を出力する速度検出手段たる速度検出回路２４２と、指令速度設定回路２４０からの指令速度設定信号Ｓ２と電流検出回路２４１からの平均電流信号Ｓ４とを取り込み、指令速度Ｘの最小値を制限する最小速度Ｚを設定する最小速度設定信号Ｓ５を出力する最小速度設定回路２４３と、指令速度設定回路２４０からの指令速度設定信号Ｓ２と最小速度設定回路２４３からの最小速度設定信号Ｓ５とを取り込み、指令速度設定信号Ｓ２の示す指令速度Ｘが最小速度設定信号Ｓ５の示す最小速度Ｚ以下の時に最小速度Ｚに固定した指令速度（以下補正指令速度と言う）Ｙを求め、その補正指令速度Ｙを示す補正指令速度設定信号Ｓ８を出力する指令速度補正回路２４４と、指令速度設定回路２４０からの指令速度設定信号Ｓ２を取り込み指令速度Ｘがゼロから増加したことを検出したときに起動と判断して電動機１の三相の電機子巻線１ｂに順次通電を切り替えるように指令電圧信号Ｓ９を出力する同期制御回路２４５と、補正指令速度Ｙと検出速度との偏差がゼロ、つまり一致するように電動機１への指令電圧を指令電圧信号Ｓ９’を演算して出力する速度制御手段たる速度制御回路２４６と、指令速度設定信号Ｓ２が示す指令速度Ｘがゼロからの増加で且つ同期速度ωｓ以下のときには同期制御回路２４５からの指令電圧信号Ｓ９を、また同期速度ωｓ以上の場合には速度制御回路２４６からの指令電圧信号Ｓ９’をインバータ回路２０へ切り換え出力させる切換回路２４７とから成る。

ここで最小速度設定回路２４３は図３に示すように負荷電流の大きさに対応した最小速度データを格納している最小速度データテーブル２４３_１ａ、指令速度Ｘの大きさに対応した最小速度データを格納している最小速度テーブル２４３_１ｂ、選択回路２４３_２、起動タイマ２４３_３、加速判定回路２４３_４、同期判定回路２４３_５、増加制限回路２４３_６から構成される。

ここで最小速度データテーブル２４３_１ａは予め設定されている平均電流信号に対応した最小速度を求めるためのものであり、最小速度データテーブル２４３_１ｂは予め設定されている指令速度に対応した最小速度を求めるためのものである。

増加制限回路２４３_６は平均電流に対応して予め設定されている変化率以下となるように最小速度Ｚの変化を制限するためのものである。

起動タイマ２４３_３は指令速度Ｘがゼロから増加（起動）するときに所定の起動時間ｔｓの間、最小速度Ｚの出力を停止させる制御信号を選択回路２４３_２に出力するもので、トリガボリューム４の操作量で限時時間（起動時間ｔｓ）が設定されるようになっている。

加速判定回路２４３_４は指令速度設定信号Ｓ２から指令速度Ｘの増加の有無を検出して加速状態ならば最小速度データテーブル２４３_１ｂから最小速度Ｚを選択するように指示する判定信号を選択回路２４３_２に出力する。

同期判定回路２４３_５は同期制御状態ならばその判定信号を選択回路２４３_２に出力して最小速度Ｚを設定する最小速度設定信号Ｓ５の出力を停止させる。

選択回路２４３_２は同期制御期間ｔｃ及び所定の起動時間ｔｓが経過するまで最小速度選択信号Ｓ５の出力を停止し、その後加速状態ならば最小速度データテーブル２４３_１ｂの最小速度Ｚを平均電流信号が示す平均電流値に応じて選択し、その他の状態（一定速度状態、減速状態）ならば最小速度データテーブル２４３_１ａの最小速度Ｚを増加制限回路２４３_６を介して選択し、その最小速度Ｚを設定する最小速度設定信号Ｓ５を出力する。

ここで、本実施形態では、電動機１に印加する印加電圧を制御する電圧制御手段は、インバータ回路２０内のドライブ回路２３と、駆動回路２内の速度制御回路２４６、同期制御回路２４５及び切換回路２４７により構成される。

次に本実施形態の動作を図４乃至図６により説明する。尚図４乃至図６の横軸方向は時間経過を、縦軸方向はそれぞれの大きさ方向を示す。

而して図４（ａ）に示すように指令速度設定回路２４０から出力される指令速度設定信号Ｓ２が示す指令速度Ｘがゼロから増加（起動）したならば、同期速度ωｓまで同期制御回路２４５による指令電圧信号Ｓ９が切換回路２４６を開始してインバータ回路２０へ出力され、電動機１は同期制御により駆動される（同期制御期間ｔｃ）。

そして起動から起動時間ｔｓが経過するまでは指令速度補正回路２４４による補正指令速度Ｙによって指令速度Ｘの補正を行わないので、図４（ｂ）に示すように設定される最小速度Ｚはゼロとなり、指令速度Ｘに補正指令速度Ｙは一致する。この指令速度Ｘと一致する補正指令速度Ｙに基づいた指令電圧信号Ｓ９’が切換回路２４７を通じてインバータ回路２０へ出力され、電動機１は加速駆動される。

次に起動時間ｔｓが終了した時点Ｔｓから時点Ｔ２までの加速期間Ｔａ中は最小速度設定回路２４３により最初速度データテーブル２４３_１ｂから指令速度Ｘに基づいて出力される最小速度Ｚａに基づいた選択回路２４３_２を通じて最初速度設定信号Ｓ５として出力される。ここで時点Ｔｓから時点Ｔ１までは、最小速度設定回路２４３により設定される最小速度Ｚａは図４（ｂ）に示すように指令速度Ｙより大きいので、指令速度補正回路２４４で設定される補正指令速度Ｙは図４（ａ）に示すように指令速度Ｘより大きくなり、この補正指令速度Ｙに基づいた指令電圧信号Ｓ９’が速度制御回路２４６から切換回路２４７を通じてインバータ回路２０へ出力され、電動機１は更に加速駆動される。

次いで時点Ｔ２から定速駆動に以降した後、電流検出回路２４１の平均電流信号Ｓ４が示す平均電流値が所定Ｉｒ以下となっている間は、最小速度設定回路２４３の最小速度データテーブル２４３_１ａからは図４（ｂ）に示す一定の最小速度Ｚｂが出力され、この最小速度Ｚｂに基づいた最小速度信号Ｓ５が選択回路２４３_２を通じて出力される。この最小速度Ｚｂは指令速度Ｘより小さいため、指令速度補正回路２２４で設定される補正指令速度Ｙは図４（ａ）に示すように指令速度Ｘと一致することになり、速度制御回路２４６から指令速度Ｘに対応した指令電圧信号Ｓ９’が切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ出力される。これにより電動機１は定速で駆動される。

さて出力軸６の負荷が増加して、時点Ｔ３で電流検出回路２４２から出力される平均電流信号Ｓ４が示す平均電流値が図４（ｃ）に示すように所定値Ｉｒより大きくなると、最小速度設定回路２４３では最小速度データテーブル２４３_１ａから出力される最小速度Ｚは増加制限回路２４３_６により変化率の制限を受けながら図４（ｂ）に示すようにＺｃと増加して指令速度Ｘより大きくなる。その結果、指令速度補正回路２４４で設定される補正指令速度Ｙは図４（ａ）に示すように指令速度Ｘより大きくなり、この補正指令速度Ｙによる指令電圧信号Ｓ９’が切換回路２４７を通じてインバータ回路２０へ出力される。これにより電動機１は負荷の増加に対応した印加電圧によって駆動されることになる。

ここで図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように電流検出回路２１で検出する負荷電流が周期的に変化しながら徐々に増加すると、速度制御特性の遅れから実速度ｖの最小値も図５（ｄ）及び図６（ｄ）に示すようにゼロに近づく。一方電流検出回路２４１で求める平均電流値は図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように所定値Ｉｒより大きくなる。そして平均電流値が所定値Ｉｒより大きくなった後の平均電流値に応じて最小速度設定回路２４３で設定される最小速度Ｚが変化して指令速度Ｘより大きくなり、その結果指令速度補正回路２４４で設定される補正指令速度Ｙが指令速度Ｘより図５（ｃ）、図６（ｃ）に示すように大きくなる。そのため実速度ｖの平均速度も増加して実速度ｖの最小値も大きくなる。尚図５（ｃ）、図６（ｃ）に示すΔ１、Δ２は補正指令速度Ｙの変化率を示し、図５，図６での変化率はΔ1＜Δ２の関係がある。

さて、平均電流値が図４（ｃ）に示すように時点Ｔ４で所定値Ｉｒを下回ると、最小速度設定回路２４では最小速度データテーブル２４３_１ａからは指令速度Ｘより小さいＺｂが出力される。これにより指令速度Ｘと補正指令速度Ｙとが一致することになり、上述と同様に電動機１は定速で駆動される。

以上の本実施形態では、起動タイマ２４３_３で設定される起動時間ｔｓはトリガボリューム４の操作量に応じて変化させることができるため、起動時の低速状態などにおいて、負荷が増加した時に電動機１の速度（回転数）が小さくなって脱調してしまうのを防止できる。
（実施形態２）
上記実施形態１では最小速度設定回路２４３に指令速度Ｘに対応する最小速度データテーブル２４３_１ｂ及び起動タイマ２４３_３を設けているが、本実施形態では、図７に示すように最小速度データテーブル２４３_１ｂ及び起動タイマ２４３_３を設けていない点で実施形態１と相違する。尚最小速度設定回路２４３以外の他の構成は実施形態１と同じであるので、図示及び説明は省略する。

次に本実施形態における最小速度設定回路２４３の動作を図８に示すタイミングチャートにより説明する。尚図８中横軸方向は時間経過を、縦軸はそれぞれの大きさ方向を示す。

まず時点Ｔ０で起動すると、図８（ａ）に示すように指令速度Ｘが同期速度ωｓに至るまでの間ｔｃ、同期判定回路２４３_５からは同期制御中を示す判定信号が出力される。この同期制御状態では、選択回路２４３_２は最小速度データテーブル２４３_１ａからの最小速度Ｚを出力しない。つまり指令速度補正回路２４４へ出力する最小速度Ｚがゼロとなる。

そして同期制御回路２４５からの指令速度信号Ｓ９による電動機１の駆動状態が終わり、更に指令速度Ｘが増加している状態では加速判定回路２４３_４から加速状態を示す判定信号が選択回路２４３_２に出力される。選択回路２４３_２はこの加速状態を示す判定信号が入力している間、つまり前記期間ｔｃを含め、図８（ａ）に示すように指令速度Ｘが一定となるまでの加速期間（時点Ｔ０〜Ｔ２）中は、図８（ｂ）に示すように最小速度データテーブル２４３_１ａからの最小速度Ｚを出力せず、最小速度Ｚをゼロのままとする。従って速度制御回路Ｓ８に入力される補正指令速度設定信号Ｓ８が示す補正指令速度Ｙは指令速度Ｘと一致し、それに応じて速度制御回路Ｓ８は電動機１を加速駆動する指令電圧信号Ｓ９’を切換回路２４７を通じインバータ回路２０に出力する。

次に時点Ｔ２以降から指令速度Ｘが一定となると、加速判定回路２４３_４の判定信号が加速状態を示さなくなるため、最小速度データテーブル２４３_１ａから平均電流信号Ｓ４に対応した図８（ｂ）に示す最小速度Ｚｄが図８（ｂ）に示すように出力され、選択回路２４３_２から最小速度設定信号Ｓ５として指令速度補正回路２４４に出力される。この場合指令速度Ｘより最小速度Ｚｄが小さいため、指令速度補正回路２４４により設定される補正指令速度Ｙは指令速度Ｘと一致する（時点Ｔ２〜Ｔ３）。この補正指令速度Ｙを示す補正指令速度設定信号Ｓ８を受け取った速度制御回路２４６はこれに応じた指令電圧信号Ｓ９’を切換回路２４７を通じてインバータ回路２０へ出力する。これにより電動機１は定速駆動される。

次に平均電流値が時点Ｔ３で図８（ｃ）に示すように時点所定電流値Ｉｒを越えると、最小速度データテーブル２４３_１ａから出力される最小速度Ｚは増加制限回路２４３_６によって変化率の制限を受けながら増加して最終的にＺｅとなる。従ってこの最小速度Ｚｅを示す最小速度信号Ｓ５が最小速度設定回路２４３から入力すると指令速度補正回路２４４は、指令速度Ｘより大きな補正指令速度Ｙを示す補正指令速度設定信号Ｓ８を出力することになる。速度制御回路２４６は補正指令速度Ｙに応じた指令電圧信号Ｓ９’を切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ出力する。これにより電動機１は負荷の増加に応じた印加電圧により駆動されることになる。

次に上記平均電流値が所定電流値Ｉｒを下回ると、最小測道データテーブル２４３_１ａから出力される最小速度Ｚは図８（ｂ）に示すようにＺｅから指令速度Ｘより小さいＺｄとなる。従って指令電圧補正回路２２４は補正指令電圧Ｙを指令電圧Ｘと一致させる。これより速度制御回路２４２は補正指令速度Ｙに応じ指令電圧信号Ｓ９’を切換回路２４７を通じてインバータ回路２０へ出力し、電動機１は電動機１は定速で駆動される。
（実施形態３）
本実施形態は、図９に示すように最小速度設定回路２４３内の起動タイマ２４３_３を無くし、また最小速度データテーブルとして、定速、減速状態に対応する最小速度データテーブル２４３_１ｃと、加速状態に対応する最小速度データテーブル２４３_１ｄとを設け、選択回路２４３_２の出力側に、平均電流値に対応して予め設定されている変化率以下となるように最小速度の変化を制限する増加制限回路２４３_６を設けた点で実施形態１と相違する。

尚最小速度設定回路２４３以外の他の構成は実施形態１と同じであるので、図示及び説明は省略する。

ここで本実施形態の最小速度設定回路２４３に設ける最小速度データテーブル２４３_１ｃは予め設定されている平均電流信号に対応した最小速度Ｚを求めるためのものであり、また最小速度データテーブル２４３_１ｄは予め設定されている指令速度Ｘに対応した最小速度Ｚを求めるためのものである。

次に本実施形態における最小速度設定回路２４３の動作を図１０に基づいて説明する。尚図１０の横軸方向は時間経過を、縦軸方向はそれぞれの大きさ方向を示す。

先ず図１０（ａ）に示すように起動時点Ｔ０から指令速度Ｘが同期速度ωｓに至るまでの間ｔｃは同期判定回路２４３_５から同期制御中を示す判定信号が選択回路２４３_２へ出力され、選択回路２４３_２はこの同期制御状態において図１０（ｂ）に示すように最小速度Ｚの選択を停止する。つまり増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４へ出力される最小速度設定信号Ｓ５はゼロと示す。この同期制御期間ｔｃは同期制御回路２４５による指令電圧信号Ｓ９が切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ出力され、電動機１は同期制御により駆動される。

次に同期制御期間ｔｃが経過しても指令速度Ｘが増加する加速度状態であるため、加速判定回路２４３_４が加速状態を示す判定信号を出力しており、この判定信号を受けて選択回路２４３_２は最小速度データテーブル２４３_１ｄから最小速度Ｚｆを選択し、増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４に最初速度設定信号Ｓ５として出力する。この場合最小速度Ｚｆが指令速度Ｘより小さいため指令速度Ｘと一致する補正指令速度Ｙを示す補正指令速度設定信号Ｓ８を指令速度補正回路２４４は出力する。指令速度補正回路２２４で設定される補正指令速度Ｙに応じて速度制御回路２４６は指令電圧信号Ｓ９を切換回路２４７を通じてインバータ回路２０へ出力する。これにより電動機１は加速駆動される。

そして加速状態で平均電流値が図１０（ｃ）に示すように所定電流値Ｉｒより大きくなるとその時点Ｔ１から最小速度Ｚｆよりも大きな最小速度を選択してＺｇまで上昇させ、増加制限回路２４３_６により変化率の制限を受けながら指令速度補正回路２４４へ出力する。これにより指令速度補正回路２２４は最小速度Ｚが指令速度Ｘを上回る期間中、設定する補正指令速度Ｙを指令速度Ｘ以上とする。そして指令速度Ｘが最小速度Ｚｇを越えると補正指令速度Ｙを指令速度Ｘと一致させ、指令速度Ｘの上昇とともに上昇させる。

そのため速度制御回路２４６は補正指令速度Ｙの変化に応じてインバータ回路２０へ出力される指令電圧信号Ｓ９’を変化させる。

やがて指令速度Ｘが時点Ｔ２で一定となり、加速判定回路２４３_４の判定信号が加速状態を示さなくなると、選択回路２４３_２は、最小速度データテーブルを２４３_１ｄから２４３_１ｃに切り換えて当該テーブル２４３_１ｃから最小速度Ｚｇよりも大きな最小速度を選択してＺｈまで上昇させ、増幅制限回路２４３_６により変化率の制限を受けながら最小速度設定信号Ｓ５として出力する。このときの最小速度が指令速度Ｘを上回ると、指令速度補正回路２４４から出力される補正指令速度Ｙは指令速度Ｘ以上となる。これにより速度制御回路２４６が補正指令速度Ｙに応じて一定の指令電圧を示す指令電圧信号Ｓ９’をインバータ回路２０へ出力し、電動機１は負荷の増加に応じた印加電圧により駆動される。

次に平均電流値が図１０（ｃ）に示すように所定電流値Ｉｒを下回ると、選択回路２４３_２は最小速度データテーブル２４３_１ｃの最小速度データから最小速度Ｚｆを図１０（ｂ）に示すように選択して出力する。このときの最小速度Ｚｆは指令速度Ｘより小さいため指令速度補正回路２４４から出力される補正指令速度設定信号が示す補正指令速度Ｙは指令速度Ｘと一致することになり、電動機１は指令速度Ｘによって定速で駆動される。
（実施形態４）
本実施形態は、実施形態１の電流検出回路２１と制御回路２４内の電流検出回路２４１とに替えて、図１１に示すように制御回路２４内に速度検出回路２４２が検出する速度から速度変動を検出する速度変動検出回路２４８を設け、この速度変動検出回路２４６から出力される制御信号を最小速度設定回路２４３の最小速度設定の制御に用いるようにし、また最小速度検出回路２４３では図１２に示すように最小速度データテーブル２４３_１ａ，２４３_１ｂに替えて制御信号に基づいて最小速度データを選択回路２４３_２へ出力する最小速度選択回路２４３_７を設け、また起動タイマ２４３_３を無くした点で実施形態１と相違する。

ここで速度変動検出回路２４８は補正指令速度設定信号Ｓ２が示す補正指令速度Ｙより所定値ω１以上小さくなれば最小速度設定回路２４３に後述する所定の大きさの最小速度Ｚｊを示す最小速度設定信号Ｓ５を出力させる制御信号Ｓ４’を出力し、実速度ｖが補正指令速度Ｙより所定値ω２以上大きくなると最小速度Ｚｊを示す最小速度設定信号Ｓ５の出力を停止させる制御信号Ｓ４’を出力するもので、速度検出回路２４２の検出を負荷の大きさを検知する手段として用いてる。

最小速度選択回路２４３_７は、速度変動検出回路２４８からの制御信号Ｓ４’に応じて選択回路２４３_２へ出力する最小速度ＺのデータをＺｉとＺｊに切り換えるようになっている。

次に本実施形態の最小速度設定回路２４３の動作を図１３のタイミングチャートにより説明する。尚図１３の横軸方向は時間経過を、横軸方向はそれぞれの大きさを示す。

先ず図１３（ａ）に示すように時点Ｔ０で起動し、同期速度ωｓを指令速度Ｘが越えるまでの同期制御期間ｔｃ中と、指令速度Ｘが上昇中の加速状態の期間中は同期判定回路２４３_５と加速判定回路２４３_４の判定信号に基づいて選択回路２４３_２が最小速度選択回路２４３_７からの最小速度データを取り込まず、図１３（ｂ）に示すように設定する最小速度Ｚをゼロのままとする。これにより指令速度補正回路２２４は設定する補正指令速度Ｙを指令速度Ｘと一致させる。これにより同期制御期間ｔｃは同期制御回路２４５による指令電圧信号９が、また同期制御期間ｔｃ後は上記補正指令速度Ｙに基づく速度制御回路２４６からの指令電圧信号６が切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ出力され、電動機１は同期制御による駆動を経て、加速駆動される。

そして指令速度Ｘが一定となると加速判定回路２４３_２からの判定信号が加速を示さなくなるため、選択回路２４３_２は最初速度選択回路２４３_７から指令速度Ｘより小さい図１３（ｂ）に示す最小速度Ｚｉのデータを取り込み、この最小速度Ｚｉに対応する最小速度設定信号Ｓ５を増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４へ出力する。指令速度補正回路２４４は最小速度Ｚｉが指令速度Ｘより小さいため、補正指令速度Ｙを指令速度Ｘに一致させた状態を維持する。従って速度制御回路２４６からは指令速度Ｘに基づく指令電圧信号Ｓ９’を切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ出力する。これにより電動機１は定速駆動される。

ここで図１３（ａ）に示すように定速状態に移ったときに実速度ｖが補正指令速度Ｙ（指令速度Ｘ）より上昇するが、この上昇分は予め設定している所定値ω２よりも小さいため、速度変動検出回路２４８は最小速度データの切り換えの制御信号Ｓ４’を出力しない。

しかし、電動機１の負荷が図１３（ｃ）に示すように増加すると実速度ｖは低下し、負荷が所定値Ｌを越える時点Ｔ５では、実速度ｖの低下分が補正指令速度Ｙ（指令速度Ｘ）よりも所定値ω１以上となる。これを検出した速度変動検出回路２４８は最小速度選択回路２４３_７に対して出力する最小速度データを図１３（ｂ）に示すようにＺｉからＺｊに切り換えを指示する制御信号Ｓ４’を出力する。これにより最小速度選択回路２４３_７からは選択回路２４３_２にＺｊの最小速度データが出力され、選択回路２４３_２はこの最小速度データにより最小速度Ｚｊを示す最小速度設定信号Ｓ５を増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４に出力する。指令速度補正回路２４４は最小速度Ｚｊに対応して指令速度Ｘ以上の補正指令速度Ｙを設定し、補正指令速度設定信号Ｓ８として図１３（ａ）に示すように速度制御回路２４６へ出力する。速度制御回路２４６はこの補正指令速度Ｙに基づく指令電圧信号Ｓ９’を切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ出力する。これにより電動機１は負荷の増加に応じた印加電圧により駆動ｓされる。

さて負荷の大きさが小さくなると実速度ｖが上昇し、時点Ｔ６で負荷が所定値Ｌを下回ると実速度ｖの上昇分が補正指令速度Ｙよりも所定値ω２以上となる。これを検出した速度変動検出回路２４８は最小速度選択回路２４３_７に対して最小速度データをＺｊからＺｉに切り換えを指示する制御信号Ｓ４’を出力する。これにより最小速度選択回路２４３_７からはＺｉの最小速度データが選択回路２４３_２に出力され、図１３（ｂ）に示すように選択回路２４３_２はこの最小速度データにより最小速度Ｚｉを示す最小速度設定信号Ｓ５を増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４に出力する。指令速度補正回路２４４は指令速度Ｘと一致する補正指令速度Ｙを示す補正指令速度設定信号Ｓ８を図１３（ａ）に示すように出力し、電動機１を定速駆動する。

このようにして本実施形態では実速度ｖの変動に応じて最小速度設定回路２４３は設定する最小速度Ｚの大きさを切り換えため、負荷の大きさが変化しても電動機１を駆動することができることになる。
（実施形態５）
本実施形態は図１４に示すように電動工具の出力軸６と電動機１の間の減速機５に振動検出器２５を負荷の大きさを検知する手段として設け、この振動検出器２３の振動検出信号Ｓ９を図１５に示すように制御回路２４内に設けた振動周波数検出回路２４９へ出力し、この振動周波数検出回路２４９では振動周波数を検出してその検出周波数に基づいた制御信号Ｓ４”を最小速度設定回路２４へ出力するようにした点で実施形態４と相違する。最小速度設定回路２４は図１２に示す構成のものを使用するものとする。

振動検出器２５は減速機５のトルクリミット動作或いはインパクト発生動作のように、電動機１から見た負荷（トルク）が周期に変化する時に発生する振動を検出するものであり、振動周波数検出回路２４９は、振動検出器２５の検出信号を取り込み図１６（ｃ）に振動周波数ｆが指令速度Ｘに対応した振動周波数ｆ０に対して所定値ω３以上小さくなれば最小速度設定回路２４３内の最小速度選択回路２４３_９に対して最小速度Ｚｉを示す最小速度設定信号Ｓ５を出力するように指示する制御信号Ｓ４”を出力し、振動周波数ｆが補正指令速度Ｙに対応した振動周波数より所定値ω４以上大きくなったときに最小速度Ｚｊを示す最小速度設定信号Ｓ６を出力するように指示する制御信号Ｓ４”を上記最小速度選択回路２４３_９へ出力する。

ここで本実施形態の動作を図１６により説明する。尚図１６の横軸方向は時間経過を、縦軸方向はそれぞれの大きさを示す。

先ず図１６（ａ）に示すように時点Ｔ０で起動し、同期速度ωｓを指令速度Ｘが越えるまでの同期制御期間中と、指令速度Ｘが上昇中の加速状態の期間中は同期判定回路２４３_５と加速判定回路２４３_４の判定信号に基づいて選択回路２４３_２が最小速度選択回路２４３_７からの最小速度データを取り込まず、図１６（ｂ）に示すように出力する最小速度Ｚをゼロのままとする。これにより指令速度補正回路２２４で設定される補正指令速度Ｙは指令速度Ｘと一致している状態にある。そして指令速度Ｘが一定となると加速判定回路２４３_２からの判定信号が加速を示さなくなるため、選択回路２４３_２は最小速度選択回路２４３_７からの最小速度Ｚｉのデータを取り込み、増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４に最小速度Ｚｉを示す最小速度設定信号Ｓ５を出力する。

指令速度補正回路２４４は最小速度Ｚｉが指令速度Ｘより小さいため、補正指令速度Ｙを指令速度Ｘに一致させた状態を維持する。この起動から定速へ移行するまでの振動周波数ｆは図１６（ｃ）に示すように上昇し、定速へ移行したときに振動周波数ｆは補正指令速度Ｙ（指令速度Ｘ）に対応した振動周波数ｆ０に対して上昇するが、この上昇分は予め設定している所定値ω３以上とならないため、振動周波数検出回路２４９は最小速度ＺｉをＺｊに切り換えることを指示する制御信号Ｓ４”を出力しない。

しかし、電動機１の負荷が図１６（ｄ）に示すように増加すると、検出される振動周波数ｆは振動周波数ｆ０よりも低下し、負荷（トルク）が所定値Ｌを越える時点Ｔ５では、図１６（ｃ）に示すように振動周波数ｆの低下分が振動周波数ｆ０に対する所定値ω３以上となる。これを検出した速度変動検出回路２４８’は最小速度選択回路２４３_７に対して出力する最小速度データをＺｉからＺｊに切り換えを指示する制御信号Ｓ４’を出力する。これにより最小速度選択回路２４３_７から選択回路２４３_２にＺｊの最小速度データが出力され、図１６（ｂ）に示すように選択回路２４３_２はこの最小速度データにより最小速度Ｚｊを示す最小速度設定信号Ｓ５を増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４に出力する。これに対応して指令速度補正回路２４４は図１６（ａ）に示すように指令速度Ｘ以上の補正指令速度Ｙを示す補正指令速度設定信号Ｓ８を速度制御回路２４６へ図１６（ａ）に示すように出力する。

さて負荷（トルク）の大きさが小さくなると振動周波数ｆが上昇し、図１５（ｄ）で示すように時点Ｔ６で負荷（トルク）が所定値Ｌを下回ると、振動周波数ｆの上昇分が図１６（ｃ）に示すように振動周波数ｆ０に対応する所定値ω４以上となる。これを検出した速度変動検出回路２４８’は最小速度選択回路２４３_７に対して最小速度データをＺｊからＺｉに切り換えを指示する制御信号Ｓ４’を出力する。これにより最小速度選択回路２４３_７からはＺｉの最小速度データが選択回路２４３_２に出力され、図１６（ｂ）に示すように選択回路２４３_２はこの最小速度データにより最小速度Ｚｉを示す最小速度設定信号Ｓ５を増加制限回路２４３_６を介して指令速度補正回路２４４に出力する。指令速度補正回路２４４は図１５（ａ）に示すように指令速度Ｘと一致する補正指令速度Ｙを示す補正指令速度設定信号Ｓ８を速度制御回路２４６へ出力する。

このようにして本実施形態では電動機１からみた負荷（トルク）が周期的変化する振動周波数に応じて最小速度設定回路２４３は設定する最小速度Ｚの大きさを切り換えため、負荷（トルク）の大きさが変化しても電動機１を駆動することができることになる。

尚同期制御期間中ｔｃは指令電圧信号９を切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ、また同期制御期間中ｔｃ以外は指令速度補正回路２４４からの補正指令信号Ｙに基づいて速度制御回路２４６から出力される指令電圧信号９が切換回路２４７を介してインバータ回路２０へ出力され、それぞれの指令電圧も基づいた印加電圧により電動機１が駆動されるのは上記実施形態１乃至４と同じである。

尚ハンマーと出力軸に取り付けるアンビルとの係合を衝撃的に繰り返すことにより回転力を得る減速機５を用いる電動工具の場合には、ハンマーとアンビルとの衝撃的係合の時間当たりの回数を検出する打撃回数検出手段を設け、検出される打撃回数から出力軸６の負荷状態を検出するようにしても良い。つまり打撃回数検出手段を負荷検出手段として設けるのである。

実施形態１の制御回路の構成図である。同上の全体の回路構成図である。同上の最小速度設定回路の回路構成図である。同上の動作説明用タイミングチャートである。同上の負荷が大きい場合の動作説明用タイミングチャートである。同上の負荷が小さい場合の動作説明用タイミングチャートである。実施形態２の最小速度設定回路の回路構成図である。同上の動作説明用タイミングチャートである。実施形態３の最小速度設定回路の回路構成図である。同上の動作説明用タイミングチャートである。実施形態４の制御回路の回路構成図である。同上の最小速度設定回路の回路構成図である。同上の動作説明用タイミングチャートである。実施形態５の電動工具の構成図である。同上の全体回路構成図である。同上の動作説明用タイミングチャートである。従来例の電動工具の構成図である。同上の全体回路構成図である。同上の動作説明用タイミングチャートである。

符号の説明

４トリガボリューム
２０インバータ回路
２１電流検出回路
２２位置検出回路
２４制御回路
２４０指令速度設定回路
２４１電流検出回路
２４２速度検出回路
２４３最小速度設定回路
２４４指令速度補正回路
２４５同期制御回路
２４６速度制御回路
２４７切換回路
Ｓ１操作量信号
Ｓ２指令速度設定信号
Ｓ３電流検出信号
Ｓ４平均電流信号
Ｓ５最小速度設定信号
Ｓ６位置検出信号
Ｓ７速度検出信号
Ｓ８補正指令速度設定信号
Ｓ９、Ｓ９’指令電圧信号

Claims

永久磁石を有した回転子と電機子巻線を有した固定子からなる電動機と、操作量に応じて前記電動機の回転速度を設定するトリガボリュームと、該トリガボリュームの操作量で定まる回転速度を指令速度に変換する指令速度設定手段と、前記電動機の開放相の端子電圧と基準電圧とを比較して前記回転子の位置を検出する位置検出手段と、駆動電圧を前記電動機に印加するインバータ回路と、前記位置検出手段の検出出力から回転速度を検出する速度検出手段と、前記指令速度と前記速度検出手段の検出速度が一致するように指令電圧を演算する速度制御手段と、前記位置検出手段の位置検出出力と前記指令電圧に基づいて前記インバータ回路を構成するスイッチング素子を制御して前記電動機に印加電圧を制御する電圧制御手段と、前記電動機の出力を減速機を介して出力軸に伝達する動力伝達部と、前記出力軸の負荷の大きさを検出する負荷検出手段とを備え、該負荷検出手段が検出する負荷の大きさが所定値以上ならば前記指令速度設定手段が設定する指令速度を所定の最小速度以上とすることを特徴とする電動工具。
前記負荷の大きさに応じて前記最小速度を変化させることを特徴とする請求項１記載の電動工具。
前記最小速度の増加方向の変化を所定の増加率で行うことを特徴とする請求項２記載の電動工具。
前記最小速度の増加率を負荷の大きさに応じて変化させることを特徴とする請求項３記載の電動工具。
前記負荷の大きさが所定値以下となれば前記最小速度を初期設定へ復帰させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか記載の電動工具。
前記電動機が加速中には前記負荷検出手段による負荷の大きさの検出を行わないことを特徴とする請求項１乃至５の何れか記載の電動工具。
前記負荷検出手段は前記電動機の起動から所定時間経過するまで負荷の大きさの検出を行わないことを特徴とする請求項１乃至６の何れか記載の電動工具。
起動時に前記電機子巻線への通電を強制的に切り換えた後に前記位置検出手段の検出出力と前記指令電圧に基づいた印加電圧制御へ移行させる手段を備えていることを特徴とする請求項７記載の電動工具。