JP2006166601A

JP2006166601A - 電動工具の保護装置

Info

Publication number: JP2006166601A
Application number: JP2004354436A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takeyama; 敦竹山; Hiroshi Miyazaki; 博宮崎
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】高温保護処理によってモータや電源回路の焼損等を防止すること、温度検出素子を大電流に耐えうる定格にしたり、制御部に温度検出素子の検出値を判断するための比較手段を設けたりする必要がなく、しかも温度検出素子のサイズが大型化したり、温度検出素子による電圧降下が発生するのを防止すること。
【解決手段】高温保護処理手段は、温度検出素子４と、モータ１への給電量を制御するスイッチング素子２と、スイッチＳＷの操作に連動する可変抵抗器Ｖ_Ｒと、可変抵抗器Ｖ_Ｒの検出値の変化に応じてスイッチング素子２を制御することでモータ１の単位時間当たりの回転数を制御する制御部３とを備える。温度検出素子４は、温度に対して抵抗値が変化して所定温度まではほぼ平坦な抵抗値の変化を示し且つ所定の温度付近で指数関数的に急激に抵抗値が変化する特性を示す素子からなる。温度検出素子４を可変抵抗器Ｖ_Ｒに直列に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動工具の保護装置に関し、詳しくは電動ハンマー、電動ドリル、電動ドライバ、電動丸鋸等の可搬式電動工具において、工具使用時におけるモータ焼損等に対する保護装置に関するものである。

一般に、電動工具は種々の使い方、特に過激な使い方に対しても所要のトルクを発揮して充分対応可能なように設計されていることが要求される。例えば過負荷によるモータ停止寸前、すなわち最大となる停動トルク近辺まで、作業者の思うように動作し、作業途中で不意に保護用の電源遮断が生じないようにすることが望まれる。ところが、過酷な使用によってモータロックが継続されると、モータの焼け付き、電源回路の焼損等の可能性がある。このため、所要のモータトルクを維持するためには、より大型のモータを採用すればよいが、可搬式工具の場合は可搬性が低下することとなる。

そこで、従来から、工具動作中にモータに過負荷がかかるとモータへの給電を遮断して過負荷保護を図るようにした電動工具が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところが特許文献１に示される従来例にあっては、モータ電流が流れる経路に対して保護素子を直列に接続し、過負荷によって大電流が流れた際に保護素子の低抗値が増大し、モータヘ流れる電流を制限することにより、モータを保護する構造となっている。このため、定常時も保護素子自身に抵抗値があるので、モータヘの入力電圧が下がることにより、モータの出力が低下するという問題がある。しかも、モータ電流が流れる経路には大電流が流れるので、保護素子自身も大電流に耐えうる定格に大きなものにしなければならない。しかし定格の大きな保護素子は、素子自体のサイズが大きくなるという問題がある。
特公平７−１７７６４９号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、高温保護処理によってモータや電源回路の焼損等を未然に防止できると共に、高温保護処理のために用いる温度検出素子を大電流に耐えうる定格にしたり、制御部に温度検出素子の検出値を判断するための比較手段を設けたりする必要がなく、しかも温度検出素子のサイズが大型化したり、温度検出素子による電圧降下が発生するのを防止できる電動工具の保護装置を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために本発明は、スイッチＳＷが投入された時に工具駆動用のモータ１への電流供給が開始されると共に、過負荷時の部品の発熱等に伴い高温保護処理手段によりモータ１への給電量を抑制するようにした電動工具の保護装置であって、前記高温保護処理手段は、工具使用時の発熱部分の温度を検出する温度検出素子４と、モータ１への給電量を制御するスイッチング素子２と、前記スイッチＳＷの操作に連動する可変抵抗器Ｖ_Ｒと、可変抵抗器Ｖ_Ｒの検出値の変化に応じて前記スイッチング素子２を制御することでモータ１の単位時間当たりの回転数を制御する制御部３とを備え、前記温度検出素子４は、温度に対して抵抗値が変化して所定温度まではほぼ平坦な抵抗値の変化を示し且つ所定の温度付近で指数関数的に急激に抵抗値が変化する特性を示す素子からなり、この温度検出素子４を前記可変抵抗器Ｖ_Ｒに直列に接続したことを特徴としている。

このような構成とすることで、工具使用時に温度検出素子４が高温を検出したときは制御部３がスイッチング素子２を制御してモータ１への給電を抑制するので、つまり、モータ１の回転数が低減するので、使用者に異常を知らせることができ、しかも、温度検出素子４を可変抵抗器Ｖ_Ｒと直列に接続して、モータ電流が流れる経路には挿入しない回路構造としたので、高温保護処理に用いる温度検出素子４を大電流に耐えうる定格にする必要がなくなる等の利点がある。

また、前記温度検出素子４をスイッチング素子２に接触させるのが好ましく、この場合、電動工具Ａの発熱部分の１つであるスイッチング素子２は熱容量が小さいので、モータロック時や過負荷時に高い電流が流れた時でも、スイッチング素子２の温度を温度検出素子４にて正確に検知できるようになる。

また、前記温度検出素子４は、温度に対する抵抗値変化が正の特性を有し、所定の温度以上になると急激に低抗値が上昇する正特性サーミスタＴＳで構成されるのが好ましく、この場合、所定の温度以下においては正特性サーミスタＴＳによる保護が働かず、狙いの温度以上でのみ保護を働かせることが可能となる。

また、前記温度検出素子４の両端に抵抗Ｒ２を並列接続し、高温保護処理時に温度検出素子４の両端において所定の低抗値を越えないように制限することにより、高温保護処理時のモータ１の停止を防止するのが好ましく、この場合、温度検出素子４による高温保護が動作した時に、温度検出素子４の両端の抵抗値の上限が抵抗Ｒ２によって決定されることとなり、従って、高温保護処理時にモータ１が停止するの防ぐことができ、使用中に急に停止することにより使用者が故障と誤認するようなことがなくなる。

また、前記スイッチング素子２の一面側に放熱板３０を重ねると共に他面側にネジ締め用の固定部分４ａを有する温度検出素子４を重ねた状態で、温度検出素子４の固定部分４ａを放熱板３０に対してネジ止めするのが好ましく、この場合、温度検出素子４がスイッチング素子２に密着することで、スイッチング素子２の発熱部分から温度検出素子４への熱伝導性が向上し、発熱部分の温度を正確に検出できると共に、組み立て性が容易となる。

本発明は、工具使用時に温度検出素子が高温を検出したときは制御部がスイッチング素子を制御してモータへの給電を抑制するので、使用者に異常を知らせることができ、故障するまで温度が上昇することを防止でき、モータや電源回路の焼損等を未然に防止することができる。しかも、温度検出素子を可変抵抗器と直列に接続して、モータ電流が流れる経路には挿入しない回路構造としたので、過負荷等によって大電流が流れた際にも温度検出素子の低抗値が増大することがなく、従って、高温保護処理手段である温度検出素子を大電流に耐えうる定格にしたり、制御部に温度検出素子の検出値を判断するための比較手段を設けたりする必要がなく、しかも温度検出素子のサイズが大型化したり、温度検出素子による電圧降下が発生したりするのをそれぞれ防止することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

本実施形態の電動工具Ａは、スイッチＳＷが投入された時に工具駆動用のモータ１への電流供給が開始されると共に、モータロック時や過負荷時の部品の発熱に伴い後述する高温保護処理手段によりモータ１への給電量を抑制するようにしたものであり、その一例を図２に示す。

図２は、本体ハウジング１１内にモータ１、減速機１２、減速機１２の出力軸に軸方向スライド自在に取り付けたハンマー１３、軸回り回転方向においてハンマー１３と係合するアンビル１４等を納めたインパクト式の工具であり、バネ１５によってアンビル１４側に付勢されてアンビル１４と係合しているハンマー１３は、モータ１による回転出力を前記係合部を介してアンビル７に伝達する。そして駆動負荷が増大した時には、ハンマー１３がバネ１５に抗して後退し、アンビル１４との係合が外れた時点でハンマー１３は回転しつつバネ１５のバネ付勢によって前進してアンビル１４に回転打撃衝撃を与えるようになっている。また、本体ハウジング１１におけるハンドル部１１ａに着脱自在に装着される電池パック１０内の蓄電池を電源としている。さらに本体ハウジング１１内のモータ１の下に、スイッチユニット２０が配置されており、トリガーハンドル５０の引き具合に連動して図１に示す接点Ｓ１、Ｓ２を開閉させるものであり、トリガーハンドル５０を引いたときは、接点Ｓ１が導通して、制御部３に電源を供給し、トリガーハンドル５０を戻した時は接点Ｓ１が非導通になり、接点Ｓ２が導通してモータ１の短絡回路が形成され、ブレーキを動作させる。

ここで、本発明においては、高温保護処理手段は、図１、図４（ａ）に示すように、温度検出素子４と、スイッチング素子２と、可変抵抗器Ｖ_Ｒと、制御部３とで構成されている。

前記スイッチング素子２は、図１に示すように、電源とモータ１との間に直列に接続されており、制御部３からの信号によって、後述のようにスイッチング素子２のデューティを変化させることで、モータ１の単位時間あたりの回転数が制御される。なおスイッチング素子２は、例えばＦＥＴ、又は、パワートランジスタで構成される。

前記温度検出素子４は、温度に対して抵抗値が変化して所定温度まではほぼ平坦な抵抗値の変化を示し所定の温度付近で指数関数的に急激に抵抗値が変化する特性を示す素子からなる。この温度検出素子４は、図４（ａ）に示すように、可変抵抗器Ｖ_Ｒと直列に接続して、モータ電流が流れる経路には挿入しない回路構造としている。この温度検出素子４は温度に対する抵抗値変化が正の特性を有し、所定の温度以上になると急激に低抗値が上昇する正特性サーミスタＴＳからなる。正特性サーミスタＴＳの一例としてポジスタ（(株)村田製作所の登録商標）が挙げられる。例えば、正特性サーミスタＴＳはスイッチング素子２に接触させてあり、スイッチング素子２が所定温度以上になった時に正特性サーミスタＴＳの出力を制御部３で受け、スイッチング素子２の出力を制限することにより、所定の高温保護処理を行うようになっている。勿論、正特性サーミスタＴＳをスイッチング素子２以外に、モータロック時や過負荷時に発熱するモータ１や駆動装置等の箇所に各々配置或いは接触させてもよい。

図３は、前記正特性サーミスタＴＳの温度特性を示している。図３において正特性サーミスタＴＳは温度変化に対して、正の特性を示す。温度が上昇するにつれて、低温の領域では抵抗値は緩やかな変化を示し且つ約９０℃位から指数関数的な急激な変化を示す。本実施形態では、抵抗値の緩やかな変化示す所定温度を１００℃とする。この温度は、スイッチング素子２等が破損若しくは機能が不安定になるような温度よりも十分に小さい値であり且つ上記抵抗値に急激な変化が起こっているときの値である。

図４（ａ）は制御部３の概略を示す。制御部３は、基準電圧部Ｂ１と、比較波作成部Ｂ２と、三角波Ｃ１を発生させる三角波発生部５とを備える。基準電圧部Ｂ１は、基準電圧を出力するもので、抵抗ｒとツェナーダイオードｄとからなる。比較波作成部Ｂ２は、基準電圧部Ｂ１に、抵抗Ｒ１、可変抵抗器Ｖ_Ｒと、正特性サーミスタＴＳとが直列に接続されている。

可変抵抗器Ｖ_Ｒは、トリガーハンドル５０に連動するスライド式或いは回転式のボリュームからなる。可変抵抗器Ｖ_Ｒは、トリガーハンドル５０に連動して低抗値が変化するものであり、このときのボリューム抵抗と抵抗Ｒ１と正特性サーミスタＴとの分圧比から、トリガーハンドル５０の引き代に応じた比較波Ｃ２の出力電圧が決定される。つまり、使用者のトリガーハンドル５０の操作に連動して可変抵抗器Ｖ_Ｒの検出値が変化し、その可変抵抗器Ｖ_Ｒの検出値に応じて、スイッチング素子２を制御することで回転制御が行なわれる。

上記比較波Ｃ２の電圧と三角波発生部５にて生じる三角波Ｃ１とがコンパレータ等からなる比較素子４０に比較される。ここでは、図４（ｂ）に示すように、比較波Ｃ２と三角波Ｃ１との重なり合う部分からスイッチング素子２のデューティ比を決めるようにしており、この決定されたデューティ比によってスイッチング素子２の通電時間Ｃ３（図４（ｃ））が決まり、モータ１の入力電流が制御され、モータ１の回転数が決定される。つまり、低速回転を行なうときは、比較波Ｃ２は高く、三角波Ｃ１と重なり合う部分が少なくなるため、スイッチング素子２のデューティ比が小さくなる。一方、高速回転を行なうときは、比較波Ｃ２は低く、三角波Ｃ１と重なり合う部分が多くなるため、スイッチング素子２のデューティ比が大きくなる。なお、トリガーハンドル５０を所定以上に引き込んだときは、比較電圧は三角波Ｃ１の下限を下回ることで、デューティ比が１００％になる。

実際の動作を、図５にタイムチャートとして示す。トリガーハンドル５０に連動する可変抵抗器Ｖ_Ｒの引き代を最大限に引いた時の通常使用時においては、スイッチング素子２には大きな電流が流れず、温度も上がらないため正特性サーミスタＴＳの抵抗も低く、比較波Ｃ２の電圧は低く、スイッチング素子２のデューティ比は高くなる。

一方、可変抵抗器Ｖ_Ｒの引き代を最大限に引いた時の過酷使用や異常使用時においては、スイッチング素子２に大電流が流れ、スイッチング素子２が所定の温度を越えると、正特性サーミスタＴＳの抵抗は急激に上昇し、正特性サーミスタＴＳと可変抵抗器Ｖ_Ｒの合成抵抗が大きくなり比較波Ｃ２の電圧が上昇する。そして、三角波Ｃ１の上限を超えてしまうことにより、デューティ比は０％になりモータ１の回転は停止する。

しかして、工具使用時に正特性サーミスタＴＳが高温を検出したときは制御部がスイッチング素子２を制御してモータ１への給電を抑制するので、使用者に異常を知らせることができ、故障するまで温度が上昇することを防止でき、モータ１や電源回路の焼損等を未然に防止することができる。しかも、正特性サーミスタＴＳを可変抵抗器Ｖ_Ｒと直列に接続して、モータ電流が流れる経路に挿入しない回路構成としたので、過負荷等によって大電流が流れた際にも正特性サーミスタＴＳの低抗値が増大することがない。従って、正特性サーミスタＴＳ自身も大電流に耐えうる定格にする必要がなくなると共に、制御部３においては、正特性サーミスタＴＳの検出値を判断するための比較手段が不要となり、回路を簡略化できる。そのうえ、定格の大きな正特性サーミスタＴＳを用いる必要がないため、正特性サーミスタＴＳ自体のサイズの小型化を容易に図ることができると共に、正特性サーミスタＴＳによる電圧降下を防ぐことができ、モータ１ヘの入力電圧が下がることがなく、モータ１の出力低下を防止できるようになる。

また本例では正特性サーミスタＴＳをスイッチング素子２に接触させている。ちなみに、正特性サーミスタＴＳをモータ１の巻線部分及びコミテータに取り付けてもよいが、この部分はモータ１の回転部分であるため取り付けが困難である。また正特性サーミスタＴＳをモータケース部分に取り付けた場合は、熱容量が大きいため短時間では発熱部分との温度差が生じて、正確にモータ１の発熱を検出できなくなる。これに対してスイッチング素子２の外面に取り付けた場合は、モータロック時または過負荷時に高い電流が流れた時は熱容量が小さいので、発熱部分との温度差が小さいので正確に検知できるようになる。

ところで、過酷使用や異常使用においては、保護が動作した時に、正特性サーミスタＴＳは非常に高い抵抗になるためにモータ１の回転動作が停止する。このように本体が急に停止すると、使用者に故障であると誤認させてしまう恐れがある。そこで、図６に示すように、正特性サーミスタＴＳに任意の抵抗値をもつ抵抗Ｒ２を並列に接続する。他の構成は図３と同様である。本例では高温時における比較波作成部Ｂ２の合成抵抗の上限が決まり、比較波Ｃ２の電圧の上限が決まり、スイッチング素子２のデューティ比の下限が決まる。従って、モータ１の回転を停止するのではなく一定の回転数を保ち、制限することができる。つまり抵抗Ｒ２の並列接続によって正特性サーミスタＴＳの両端が所定の低抗値を越えないように制限することにより、制御部３の可変抵抗器Ｖ_Ｒの検出値が所定値以内を保つことができ、高温保護処理時の回転数の上限を決定する。これにより、高温保護処理によりモータ１が停止することを防ぐことができ、使用中に急に停止することにより使用者が故障と誤認するようなことがなくなると共に、使用者に対して作業を中止させてモータ１やスイッチング素子２等が焼損する温度まで達することを防止できる。

また上記正特性サーミスタＴＳをスイッチング素子２に接触させるにあたり、図７に示すように、正特性サーミスタＴＳをネジ締め用の固定部分４ａを有し、スイッチング素子２の一面側にアルミ等の放熱板３０を重ね、他面側に正特性サーミスタＴＳを重ねた状態で、正特性サーミスタＴＳの固定部分４ａを放熱板３０に対してネジ４ｂにて固着するようにしてもよい。本例では正特性サーミスタＴＳがスイッチング素子２などの発熱部に密着することで、熱伝導性が向上し、より正確にスイッチング素子２の発熱部分の温度が検出できる。また、放熱板を熱伝導度の高い金属製にすれば、放熱板を利用して効率良く放熱することができる。そのうえ、スイッチング素子２を正特性サーミスタＴＳと放熱板とで挟持しているので、放熱板を正特性サーミスタＴＳの取付金具としても機能させることができ、組み立てがきわめて容易となる。

なお、前記実施形態では正特性サーミスタＴＳをインバクト工具のスイッチング素子２の外面に接触させてスイッチング素子２の温度を検出するようにしたが、過負荷時にスイッチング素子２に大電流が流れるドリルドライバー工具やオイルパルスインパクト工具においても同様に用いることができる。

また本発明に係る保護装置は、可搬式電動ハンマーに限らず、電動ドリル、電動ドライバ、電動丸鋸等の電動工具に広く適用可能である。

本発明の一実施形態の電動工具の保護装置を説明する回路図である。同上の電動工具の断面図である。同上の正特性サーミスタの特性を示すグラフである。（ａ）は同上の制御部の回路図、（ｂ）は（ａ）の三角波と比較波との説明図、（ｃ）は（ａ）のスイッチング素子のデューティ比の説明図である。同上の常温時と高温時におけるトリガーハンドルの引き代に対応するモータ回転数の制御の一例を示すタイムチャートである。同上の制御部の他の実施形態の回路図である。本発明の他の実施形態の斜視図である。

符号の説明

１モータ
２スイッチング素子
３制御部
４温度検出素子
４ａ固定部分
３０放熱板
ＴＳ正特性サーミスタ
ＳＷスイッチ
Ｖ_Ｒ可変抵抗器

Claims

スイッチが投入された時に工具駆動用のモータへの電流供給が開始されると共に、過負荷時の部品の発熱等に伴い高温保護処理手段によりモータへの給電量を抑制するようにした電動工具の保護装置であって、前記高温保護処理手段は、工具使用時の発熱部分の温度を検出する温度検出素子と、モータへの給電量を制御するスイッチング素子と、前記スイッチの操作に連動する可変抵抗器と、可変抵抗器の検出値の変化に応じて前記スイッチング素子を制御することでモータの単位時間当たりの回転数を制御する制御部とを備え、前記温度検出素子は、温度に対して抵抗値が変化して所定温度まではほぼ平坦な抵抗値の変化を示し且つ所定の温度付近で指数関数的に急激に抵抗値が変化する特性を示す素子からなり、この温度検出素子を前記可変抵抗器に直列に接続したことを特徴とする電動工具の保護装置。
前記温度検出素子をスイッチング素子に接触させたことを特徴とする請求項１記載の電動工具の保護装置。
前記温度検出素子は、温度に対する抵抗値変化が正の特性を有し、所定の温度以上になると急激に低抗値が上昇する正特性サーミスタで構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動工具の保護装置。
前記温度検出素子の両端に抵抗を並列接続し、高温保護処理時に温度検出素子の両端において所定の低抗値を越えないように制限することにより、高温保護処理時のモータの停止を防止することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電動工具の保護装置。
前記スイッチング素子の一面側に放熱板を重ねると共に他面側にネジ締め用の固定部分を有する温度検出素子を重ねた状態で、温度検出素子の固定部分を放熱板に対してネジ止めしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電動工具の保護装置。