JP2005176454A - モータ制御装置およびそれを用いた電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】電源スイッチの入切を短時間内に断続的に繰り返しても遅滞なくモータを回転させることを目的とする。
【解決手段】制御部１は、電源スイッチＳＷがオフしたことを受けて、モータ４の両端間に接続された制動用スイッチング素子Ｑ２をオンすることによって、制動用スイッチング素子Ｑ２にモータ４の回生電流を流してモータ４を制動する。制動用スイッチング素子Ｑ２をオンする制動期間の長さは、回転速度検出部５によって検出されるモータ４の回転速度によって決定されるものであって、制御部１は、モータ４の回転速度が低速であるほど制動期間を短くするように制動用スイッチング素子Ｑ２のオンオフを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として電動工具のモータを制御するためのモータ制御装置およびそれを用いた電動工具に関するものである。

従来から、図５に示すように、バッテリなどの直流電源ＤＣから電力供給される駆動部としてのモータ４と、モータ４によって駆動されるドライバやドリルなどのビットを有した出力部６とを備えるたとえばインパクトドライバのような電動工具が提供されている。

インパクトドライバでは、施工面に対するねじの位置合わせをするとき、施工面に対してねじを歪むことなく挿入するために、モータ４を低速で回転させては停止させ、またすぐに低速で回転させては停止させるといった操作が行われる。このような操作に対応できるように、電動工具には、モータ４の回転速度を調節するように操作される操作部（図示せず）と、操作部の操作によってモータ４の回転速度を制御するモータ制御装置とが備わっている。

モータ制御装置は、直流電源ＤＣの正極とモータ４の一端との間に挿入された電源スイッチＳＷと、直流電源ＤＣの出力端とモータ４の他端との間に挿入された駆動用スイッチング素子Ｑ１と、モータ４の両端間に接続された制動用スイッチング素子Ｑ２と、駆動用スイッチング素子Ｑ１および制動用スイッチング素子Ｑ２をそれぞれオンオフする制御部１とを備える。

電源スイッチＳＷは、操作部の操作に連動してオンオフするとともにオンオフ状態を制御部１に対して出力するように構成される。制御部１は、電源スイッチＳＷがオンしている期間に駆動用スイッチング素子Ｑ１のオンオフをＰＷＭ制御する構成を有し、操作部の操作に連動して抵抗値を変化させる可変抵抗（図示せず）を設けた場合には、可変抵抗の抵抗値によりモータ４の回転速度を変化させる。

図５に示す制動用スイッチング素子Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴからなりオンの期間にモータ４の回生電流を流す経路を形成するものであって、電源スイッチＳＷがオフされてから一定時間経過するまでの制動期間Ｔｂ（図６参照）に制御部２によってオンされる。すなわち、電源スイッチＳＷをオフした後に生じる回生電流を制動用スイッチング素子Ｑ２に流すことによりモータ４を制動する。

上述した電動工具の動作を図６を参照して説明する。図６（ａ）は電源スイッチＳＷの入切を示し、図６（ｂ）はモータ４への電力供給の有無を示し、図６（ｃ）は制動用スイッチング素子Ｑ２のオンオフを示す。図６のように時刻ｔ１から時刻ｔ２までモータ４を回転させた場合に、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの制動期間Ｔｂに制動用スイッチング素子Ｑ２をオンし、回生電流を制動用スイッチング素子Ｑ２に流すことによってモータ４を制動する（たとえば特許文献１参照）。
特開平１１−２１５８７１号公報（第４−６頁、図１）

ところで、モータ４の回転速度が高速になるほどモータ４を停止させるために要する時間は長くなる。制動期間Ｔｂは、定格速度で回転するモータ４を停止できるような長さに設定されているので、モータ４を定格速度より低速で回転させる場合には長過ぎることになる。たとえば、図６のように、時刻ｔ４から時刻ｔ５までモータ４を定格速度より低速の適宜の速度で回転させた場合に、時刻ｔ５から時刻ｔ７までの制動期間Ｔｂに制動用スイッチング素子Ｑ２がオンし続けているが、モータ４は制動期間Ｔｂ中の時刻ｔ６までには停止する。

しかし、制動用スイッチング素子Ｑ２がオンしている期間にはモータ４に電圧を印加できないので、時刻ｔ６においてはモータ４を駆動することができない。したがって、ねじの位置合わせをするときのようにモータ４を低速で回転させ且つ短い時間で何度も電源スイッチＳＷの入切を繰り返す場合に、電源スイッチＳＷを投入してから遅れてモータ４が回転することがある。

上述したような電源スイッチＳＷを投入してから遅れてモータ４が回転する現象はインパクトドライバに限らず、モータ４を動力源とする装置であれば、モータ４の回転速度を調節する機能がなくても電源スイッチＳＷを投入後モータ４の回転速度が定格速度に達する前に電源スイッチＳＷを切ったときにも生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、電源スイッチの入切を短時間内に断続的に繰り返しても遅滞なくモータを回転させることができるモータ制御装置およびそれを用いた電動工具を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、電源からモータへの電力供給を入切する電源スイッチと、モータの両端間に接続されモータの回生電流を流す制動部と、モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、電源スイッチが切れたときに制動部を作動させてモータの回生電流を流す経路を形成させる制御部とを備え、制御部は、回転速度検出部の検出する回転速度が低速であるほどモータの回生電流を流す経路を形成する制動期間が短くなるように制動部を作動させる時間を決定する制動期間制御機能を備えることを特徴とする。

この構成によれば、制動期間の長さが一定ではなくモータの回転速度によって変化するものであるから、高速で回転するモータを制動できるようにしながらも、モータを低速で回転させた場合においても制動期間が長過ぎることはなく、モータの停止後ただちにモータを駆動することができる。結果的に、電源スイッチの入切を短時間内に断続的に繰り返してもモータの回転速度にかかわらず遅滞なくモータを回転させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部が、前記制動期間において前記回転速度検出部が検出する回転速度が高速であるほど前記制動部に前記回生電流を流しにくくするように制動部を作動させる制動量制御機能を備えることを特徴とする。

ところで、モータの回生電流はモータの回転速度が高速であるほど大きくなるので、モータが高速で回転している場合には、過大な回生電流によって制動部にストレスがかかり制動部が破損してしまう可能性がある。請求項２の構成によれば、モータの回転速度が高速であるほど制動部に回生電流を流しにくくするものであるから、モータが高速で回転しても制動部を流れる回生電流が過大になることがなく、回生電流によって制動部が破損することを防止できる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２のモータ制御装置によって回転を制御されるモータを駆動部とすることを特徴とする。

この構成によれば、インパクトドライバによるねじの位置合わせをするときのように電源スイッチの入切を短時間内に断続的に繰り返す場合にも、電源スイッチの投入に対して遅滞なくモータを回転させることができる。

本発明は、制動期間の長さが一定ではなくモータの回転速度によって変化するものであるから、高速で回転するモータを制動できるようにしながらも、モータを低速で回転させた場合においても制動期間が長過ぎることはなく、モータの停止後ただちにモータを駆動することができる。結果的に、電源スイッチの入切を短時間内に断続的に繰り返してもモータの回転速度にかかわらず遅滞なくモータを回転させることができるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態では、モータ制御装置を従来構成と同様に電動工具に用いる例を示す。本実施形態のモータ制御装置は、基本構成が従来構成と同様であるから、従来構成と共通する構成に関しては同じ符号を用いて説明を省略する。駆動用スイッチング素子Ｑ１および制動部としての制動用スイッチング素子Ｑ２には、それぞれＭＯＳＦＥＴを用いているが、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ等を用いてもよい。

本実施形態では、制御部１に対して電力を供給するために、直流電源ＤＣから電力供給される電源回路２を備えている。電源回路２は、直流電源ＤＣに対して電源スイッチＳＷを介して接続されることによって、電源スイッチＳＷがオンする期間に制御部１に電力を供給する。さらに、制御部１によってオンオフされるスイッチからなる電源保持回路３が電源スイッチＳＷと並列に接続される。電源保持回路３は、電源スイッチＳＷをオンして制御部１への電力供給が開始されることによってオンされ、制御部１が制動用スイッチング素子Ｑ２をオフするまではオン状態に保持される。要するに、制御部１への電力供給は、電源スイッチＳＷをオンしてから制動用スイッチング素子Ｑ２がオフするまでは継続されることになる。電源保持回路３および電源スイッチＳＷにおける電源回路２の入力端側には逆流防止用ダイオードＤ１、Ｄ２がそれぞれ挿入される。

また、電源スイッチＳＷと駆動用スイッチング素子Ｑ１と制動用スイッチング素子Ｑ２とがすべて同時にオンすると直流電源ＤＣの両端間を短絡してしまうので、駆動用スイッチング素子Ｑ１と制動用スイッチング素子Ｑ２とは制御部１によって同時にオンすることがないように管理されている。

ところで、本実施形態のモータ制御装置はモータ４の回転速度を検出する回転速度検出部５を備え、従来構成では制動用スイッチング素子Ｑ２をオンする制動期間Ｔｂの長さが一定であったのに対して、本実施形態ではモータ４の回転速度によって制動期間Ｔｂの長さを変化させる制動期間制御機能を制御部１に備えている。図１の回転速度検出部５はホール素子やＦＧセンサ等の磁気センサを用いてモータ４におけるロータの回転速度を検出するものであって、回転速度検出部５で検出された回転速度を制御部１で読みこむことができるように構成される。

制御部１は、電源スイッチＳＷをオフしたときに回転速度検出部５により検出された回転速度を受けて、その回転速度に比例する長さの制動期間Ｔｂに制動用スイッチング素子Ｑ２をオンすることによって回生電流を流す経路を形成するように構成される。あるいは、制御部１は、定格速度で回転するモータ４を制動するために必要な長さの制動期間Ｔｂを基準として回転速度検出部５によって検出される回転速度が定格速度に対して低速になるほど制動期間Ｔｂを短くするものであればよく、回転速度検出部５によって検出される回転速度が定格速度より低速の適宜の速度を下回ることによって制動用スイッチング素子Ｑ２をオンする制動期間Ｔｂの長さを短くする構成であってもよい。

本実施形態の動作を図２を参照して説明する。図２（ａ）に電源スイッチＳＷの入切を示し、図２（ｂ）にモータ４への電力供給の有無を示し、図２（ｃ）に制動用スイッチング素子Ｑ２のオンオフを示し、図２（ｄ）にモータ４の回転速度を示す。図２（ｄ）において、符号ｒ０はモータ４が停止している状態を表し、符号ｒ２はモータ４の定格速度を表し、符号ｒ１は定格速度ｒ２より低速の適宜の速度を表す。

電源スイッチＳＷを投入した時刻ｔ１においてモータ４への電力供給を開始し、その後モータ４の回転速度は定格速度ｒ２まで加速する。電源スイッチＳＷを切った時刻ｔ２においては、モータ４への電力供給を停止するとともに制動用スイッチング素子Ｑ２をオンする。制動用スイッチング素子Ｑ２は、時刻ｔ３までの制動期間Ｔｂにオンすることによってモータ４の回生電流を流す経路を形成し、モータ４の回生電流を流すことによってモータ４を制動する。したがって、モータ４は、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて減速され、時刻ｔ３には停止する（回転速度ｒ０）。

一方、時刻ｔ４で電源スイッチＳＷを投入した場合には、モータ４の回転速度が定格速度ｒ２に達する前の時刻ｔ５で電源スイッチＳＷを切っているので、電源スイッチＳＷを切った時刻ｔ５においてモータ４は定格速度ｒ２より低速の回転速度ｒ１で回転している。この場合も同様に、時刻ｔ５においては、モータ４への電力供給を停止するとともに制動用スイッチング素子Ｑ２をオンする。ここで、電源スイッチＳＷを切ったときのモータ４の回転速度が定格速度ｒ２より低速であるので、制動期間Ｔｂは上述した時刻ｔ２から時刻ｔ３に比べて短い時刻ｔ５から時刻ｔ６になる。したがって、制動用スイッチング素子Ｑ２は、時刻ｔ６までモータ４の回生電流を流す経路を形成し、モータ４の回生電流を流すことによってモータ４を制動する。また、モータ４は、回転速度が低速であるほど停止するまでに要する時間が短くなるので、時刻ｔ５から時刻ｔ６にかけて減速され、時刻ｔ６には停止する（回転速度ｒ０）。

その結果、モータ４が停止した時刻ｔ６の直後の時刻ｔ７であっても、電源スイッチＳＷを投入すると同時にモータ４への電力供給を開始しモータ４を回転させることができる。要するに、従来構成において説明したねじの位置合わせをするときのように、モータ４を低速で回転させ且つ短い時間で何度も電源スイッチＳＷの入切を繰り返す場合においても、遅滞なくモータ４を回転させることができる。しかも、モータ４が定格速度ｒ２で回転しているときには制動期間Ｔｂが長くなるので、モータ４が停止する前に回生電流を流す経路が断たれることなくモータ４を制動することができる。

なお、本発明は上述したような電動工具に限らずモータ４を用いる他の装置にも適用することができる。また、電源スイッチＳＷは、操作部の操作に連動して制御部１に対する出力を生じるものであればよく、機械的な接点を持たないものであってもよい。上述したモータ４は直流電源ＤＣから電力供給されるＤＣモータであって、ブラシレスモータを用いることもできる。さらに、直流電源ＤＣは、バッテリ以外にも交流電源から電流供給される直流電源回路などであってもよい。

（実施形態２）
本実施形態のモータ制御装置は、図３に示すように、４個のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をブリッジ接続したブリッジ回路を備えることにより１個の直流電源ＤＣを用いてモータ４の回転方向の切換えを可能とする。このモータ制御装置は、一対のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ６をオンする期間におけるモータ４の回転方向と、他の一対のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５をオンする期間におけるモータ４の回転方向とが異なるようにモータ４を回転させる。

本実施形態のモータ制御装置においても、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４とを同時にオンすればモータ４の回生電流を流す経路を形成することができるので、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４とを制動部とすることによって、実施形態１のモータ制御装置と同様に動作させることができる。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
ところで、モータ４の回生電流はモータ４の回転速度が高速になるほど大きくなる。したがって、定格速度で回転しているモータ４を制動する際には、過大な回生電流が流れることによって制動用スイッチング素子Ｑ２にストレスがかかり、制動用スイッチング素子Ｑ２が破損してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態のモータ制御装置は、制動用スイッチング素子Ｑ２の破損を防止するために、モータ４の回転速度が高速であるほど制動用スイッチング素子Ｑ２に回生電流を流しにくくするように制動用スイッチング素子Ｑ２を制御する制動量制御機能を制御部１に備えている。

本実施形態では、制御部１は、制動期間Ｔｂ内において、モータ４の回転速度が高速になるほど制動用スイッチング素子Ｑ２のオンオフのデューティ比を小さくするように、制動用スイッチング素子Ｑ２のオンオフをＰＷＭ制御している。また、モータ４が定格速度より低速の適宜の速度以下で回転する際には制動用スイッチング素子Ｑ２をオンし続けても制動用スイッチング素子Ｑ２が破損することはないので、制御部１はモータ４の回転速度が図２（ｄ）に示す回転速度ｒ１以下になると制動用スイッチング素子Ｑ２をオンに固定するように構成される。

本実施形態の動作を図２と同様に電源スイッチＳＷを入切する場合を示す図４を参照して説明する。図４（ａ）に電源スイッチＳＷの入切を示し、図４（ｂ）にモータ４への電力供給の有無を示し、図４（ｃ）にモータ４の回転速度を示し、図４（ｄ）に制動用スイッチング素子Ｑ２のオンオフのデューティー比を示す。図４（ｃ）における各符号ｒ０、ｒ１、ｒ２は図２（ｄ）と同様の回転速度を表し、図４（ｄ）において、符号ｄ０は制動用スイッチング素子Ｑ２をオフに固定する状態を表し、符号ｄ２は制動用スイッチング素子Ｑ２をオンに固定する状態を表し、符号ｄ１は定格速度ｒ２で回転するモータ４を制動しても制動用スイッチング素子Ｑ２に過大な回生電流が流れないようなデューティー比を表す。

モータ４が定格速度ｒ２で回転している時刻ｔ２においては、デューティー比ｄ１で制動用スイッチング素子Ｑ１をオンオフにすることによって、制動用スイッチング素子Ｑ２に回生電流を流しにくくする。その後、時刻ｔ３までの制動期間Ｔｂ中においてはモータ４が減速するので、制動用スイッチング素子Ｑ２のオンオフのデューティー比は増大し、時刻ｔ０においてモータ４の回転速度が定格速度ｒ２より低速の適宜の速度ｒ１以下になることによって制動用スイッチング素子Ｑ２がオンに固定される（デューティー比ｄ２）。

一方、モータ４が回転速度１で回転している時刻ｔ５においては、制動用スイッチング素子Ｑ２をオンに固定する（デューティー比ｄ２）ことによって、制動用スイッチング素子Ｑ２に回生電流を流しやすくする。その後、時刻ｔ６までの制動期間Ｔｂ中においては、モータ４が加速することはないので制動用スイッチング素子Ｑ２がオンに固定される（デューティー比ｄ２）。

要するに、本実施形態のモータ制御装置では、モータ４が定格速度ｒ２で回転しているときに制動用スイッチング素子Ｑ２に過大な回生電流を流さないようなデューティー比ｄ１で制動用スイッチング素子Ｑ２がオンオフされるので、定格速度ｒ２で回転しているモータ４を制動する際に制動用スイッチング素子Ｑ２にかかるストレスを低減することができ、制動用スイッチング素子Ｑ２の破損を防止する。

また、制動用スイッチング素子Ｑ２にパワートランジスタ等を用いる場合には、モータ４の回転速度が高速になるほど制動用スイッチング素子Ｑ２に流す回生電流を小さくするように制動用スイッチング素子Ｑ２を制御することによって本実施形態と同様に機能させることもできる。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

本発明の実施形態１を示す回路図である。 同上の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態２を示す回路図である。 本発明の実施形態３の動作を示すタイムチャートである。 従来例を示す回路図である。 同上の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 制御部
４ モータ
５ 回転速度検出部
ＤＣ （直流）電源
Ｑ２ 制動用スイッチング素子（制動部）
ＳＷ 電源スイッチ
Ｔｂ 制動期間

Claims (3)

1. 電源からモータへの電力供給を入切する電源スイッチと、モータの両端間に接続されモータの回生電流を流す制動部と、モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、電源スイッチが切れたときに制動部を作動させてモータの回生電流を流す経路を形成させる制御部とを備え、制御部は、回転速度検出部の検出する回転速度が低速であるほどモータの回生電流を流す経路を形成する制動期間が短くなるように制動部を作動させる時間を決定する制動期間制御機能を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御部は、前記制動期間において前記回転速度検出部が検出する回転速度が高速であるほど前記制動部に前記回生電流を流しにくくするように制動部を作動させる制動量制御機能を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置によって回転を制御されるモータを駆動部とすることを特徴とする電動工具。

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