JP2006518181A - 不注意によるモータの起動を防止するべくスイッチの位置を検知する方法およびシステム - Google Patents

不注意によるモータの起動を防止するべくスイッチの位置を検知する方法およびシステム Download PDF

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Abstract

モータを制御するオン/オフスイッチが閉じた(すなわち、「オン」)位置にある状態でモータが電源に最初に電気的に接続された際に、工具または電化製品のモータの突然の不注意による動作を防止する方法である。この方法は、モータを電源に電気的に接続するステップと、モータが電源に電気的に最初に接続された際に、オン/オフスイッチの位置を判定するステップと、を含んでいる。オン/オフスイッチの位置は、モータが電源に最初に接続された際に、モータを通じて電流が流れているかどうか、あるいは、モータに電圧が存在しているかどうかのいずれかを検知することによって判定される。

Description

(関連出願に対する相互参照)
本出願は、2003年2月7日付けで出願された米国特許出願第10/360,957号の一部継続出願である。この出願の開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。
本発明は、一般に、電気モータ用の制御システムに関し、さらに詳しくは、モータを制御するオン/オフスイッチが「オン」位置に保持された状態でモータが最初に電源に接続された際に、不注意によるモータの起動を防止する制御システムおよび方法に関するものである。
通常、電動工具や家庭用電化製品などのモータ駆動装置においては、装置のオン/オフスイッチが「オン」位置にある状態で装置を電源に接続すると、装置のモータが突然起動することになる。そして、このモータの突然の起動が、不注意によるものであり、装置のユーザが予期していない場合には、その工具の近くのその他の物品や工具自体に損傷が発生することになる。このような不注意による起動を防止するためのいくつかの既存の方法においては、オン/オフスイッチの位置を直接的に監視し、オン/オフスイッチが「オン」位置にある状態で電源が工具または電化製品に接続された場合に、モータの起動を防止するべく、モータ駆動装置のオン/オフスイッチに接続された専用の回路を使用している。あるいは、別の既存の方法においては、この種の不注意による起動を防止するべく、別個の装置を使用している。すなわち、このような別個の装置により、モータ駆動装置が第1の装置に接続されており、この第1の装置が電源に接続されている。そして、不適切な状態が発生すると、この第1の装置が、モータ駆動装置から電源を切断するのである。しかしながら、このような既存の方法および装置の使用には、追加的な支出と不便さが伴っており、かつ、追加的な相互接続が必要である。
従って、装置のオン/オフスイッチが「オン」位置にある状態で電源が最初に装置に供給された際に、モータ駆動装置の不注意による起動を防止し、かつ、前述の問題や追加的な費用を伴わないシステムおよび方法を提供することが望ましい。
本発明の一態様による方法およびシステムは、モータを制御するモータ制御(すなわち、オン/オフ)スイッチが「オン」位置にある状態でモータが最初に電源に接続された際に、モータの不注意による起動を防止する。この方法は、モータが電源に最初に接続された際に、モータの電気的パラメータを検知することにより、オン/オフスイッチがオン位置にあるかどうかを判定する。本発明の一態様においては、このモータの電気的パラメータは、モータを通じて電流が流れているかどうかということである。また、本発明の別の態様においては、この電気的パラメータは、モータに電圧が存在しているかどうかということである。
また、本発明の一態様においては、このシステムは、モータをオンまたはオフにスイッチングする電子スイッチと、モータが最初に電源に接続された際に、このモータ制御スイッチがオンまたはオフであるかどうかを判定するコントローラと、を含んでいる。また、このコントローラは、モータが最初に電源に接続された際に、モータ制御スイッチの位置に基づいて、モータに供給する電力量を制御する。
本発明については、以下の詳細な説明と添付の図面を参照することにより、さらに十分に理解することができよう。
図1は、電力がモータ駆動装置14に最初に供給された際に、モータ駆動装置14の不注意による起動を防止するべくモータ駆動装置14内に含まれている本発明のシステム10の概略図である。本発明のこの実施例においては、システム10は、オン/オフスイッチまたはトリガとも呼ばれるモータ制御スイッチ22が閉じた(すなわち、「オン」)位置にある状態でモータ18が最初に電源に接続された場合に、モータ駆動装置14内に含まれているモータ18の動作を防止する。
モータ18は、モータ駆動装置14が利用する回転力や線形力などの力を供給することにより、例えば、マイタソーの歯の回転やドリルのドリルビットのスピンなどの機能を実行する。なお、このモータ駆動装置14は、図1には、マイタソーとして示されているが、モータ駆動装置14は、電気モータが供給する力を利用することにより、意図する機械的な機能を実行する任意の電気機械装置であってよいことを理解されたい。例えば、モータ駆動装置14は、テーブルソー、丸鋸、ドリル、ベルトサンダー(ベルト式研磨機)などの電動工具や、ミキサ、ブレンダ(料理用ミキサー)、缶切、フードプロセッサ、または自動ナイフなどの電化製品から構成することも可能であろう。さらには、図1は、交流電力をモータ18に供給する電源コード26を具備するモータ駆動装置14を示しているが、モータ駆動装置14は、電池によってエネルギー供給するものなど、直流電力を利用してモータ18を動作させる携帯型のモータ駆動装置であってもよい。従って、このシステム10は、交流および直流電力が供給されるモータ駆動装置14に適用可能であり、この観点において、モータ18は、交流モータとして説明しているが、これは、この代わりに、直流モータであってもよい。例えば、このモータ18は、交流もしくは直流電力が供給されるユニバーサルモータ、永久磁石モータ、またはリニアモータであってよい。
このシステム10は、コントローラ30と、モータ制御スイッチ22と、を含んでいる。コントローラ30(これは、例えば、制御モジュールであってよい)は、好ましくは、モータ18の特定のアプリケーションに固有の異なる動作仕様と異なる動作パラメータを具備する複数の異なるモータを利用したモータ駆動装置14などの複数のモータ駆動の工具や電化製品に使用するのに適している。
図2は、本発明の実施例による交流電源およびモータ18に接続可能な(図1に示されている)システム10の概略電気回路図であり、この場合には、モータ18は、交流モータである。コントローラ30には、モータ制御スイッチ22の位置を判定し、このモータ制御スイッチ22の位置に基づいて、モータ18に供給する電力量を制御する参照符号32によって示された制御回路が含まれている。一実施例においては、この制御回路32は、トライアック(登録商標)、FET(Field Effet Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、SCR(Silicone−Controlled Rectifier)、または電圧制御装置などの電子スイッチ42を制御するべくプログラムされたマイクロコントローラ38に電力を供給する電源34を含んでいる。このマイクロコントローラ38は、任意の適当なマイクロコントローラであってよい。なお、このシステム10に使用するのに特に適したマイクロコントローラの1つは、カリフォルニア州サンノゼに所在するATEML, Inc.(ATMEL, Inc. of San Jose, CA)が販売しているAT26マイクロコントローラである。
このシステム10は、電源のホット側とニュートラル(コモン)側の間に、モータ制御スイッチ22、電子スイッチ42、およびシャント抵抗器62と直列に接続されたモータ18を具備するモータ回路17を含んでいる。この図2の実施例においては、モータの一方の側は、モータ制御スイッチ22を通じて、(図1に示されている)電源コード26を介し、交流商用電源のホット側などの電源に接続されており、モータ18のもう一方の側は、電子スイッチ42、シャント抵抗器62、および電源コード26を通じて、交流商用電源のニュートラル側に接続されている。図示のごとく、電子スイッチ42とシャント抵抗器62も、コントローラ30内に含まれている。そして、このコントローラ30には、さらに、マイクロコントローラ38が交流電圧のゼロ交差を検知するために利用する抵抗器50、52および54ならびにクランプダイオード56および58を具備する分圧器回路46が含まれている。この分圧器回路46は、回路ライン60を介して、マイクロコントローラ38のポート38aに接続されている。抵抗器50、52、および54は、マイクロコントローラ38が使用可能な電圧レベルに交流電源電圧を分割し、クランプダイオード56および58は、交流電源電圧に電圧スパイクが発生した場合に、マイクロコントローラ38の損傷を防止する。なお、この分圧器回路のすべてまたは一部をマイクロコントローラ38内に含むことも可能であろう。例えば、AT26マイクロコントローラの場合には、ポート38aに、内部クランプダイオードを具備している。
このコントローラ30には、電子スイッチ42に接続された出力ポート38bがさらに含まれている。そして、この図2の実施例においては、コントローラ30は、増幅器66によってモータ回路17に電気的に接続されている。この増幅器66は、シャント抵抗器62の一側に接続された第1の入力と、シャント抵抗器62の他側に接続された第2入力を具備している。そして、この増幅器の出力66は、マイクロコントローラ38の入力ポート38cに接続されている。
モータ18の動作は、コントローラ30によって制御されている。モータ18の動作を制御するべく、コントローラ30は、マイクロコントローラ38が制御する電子スイッチ42を介して、モータ18を通じて流れる電流、またはこのモータに印加される電圧、あるいは、これらの両方を制御する。このコントローラ30の1つの機能は、モータ制御スイッチ22の位置を監視し、このモータ制御スイッチ22が閉じた(すなわち、「オン」)位置にある状態で電力がモータ18に印加された際に、モータ18の起動を防止することである。
コントローラ30は、モータ制御スイッチ22の位置とは無関係に、電源コード26が交流電源に接続されると、常に電源が投入される。そして、コントローラ30の電源が投入されると、マイクロコントローラ38が、ポート38aにおいて交流電圧のゼロ交差を検知し、ポート38bから出力される信号を介して、電子スイッチ42の操作を開始する。一実施例においては、この電子スイッチ42は、トライアック(登録商標)である。なお、図2〜図6と関連する典型的な実施例においては、この電気スイッチ42をトライアック(登録商標)42と呼ぶこととする。
マイクロコントローラ38は、交流電源からの分圧された電圧を計測し、この計測した電圧から交流電圧のゼロ交差を判定する。あるいは、この代わりに、この分圧器回路46は、例えば、交流電圧がゼロ交差した際に遷移する「デジタル」信号をマイクロコントローラ38のポート38aに供給するべく構成するか、あるいは、このようなデジタル信号を供給する回路と置き換えることも可能である。
一実施例においては、マイクロコントローラ38は、交流電圧のゼロ交差を検出すると、即座に、例えば、正の半サイクルの場合には、160°〜175°の間の(ならびに、負の半サイクルの場合には、340°〜355°の間の)低導通角で、トライアック(登録商標)42を点弧する試みを開始する。なお、この導通角は、分圧器回路46によってポート38aに生成される交流電圧のアナログ表現から導出することも可能であり、あるいは、ポート38aにおける交流信号のゼロ交差において生じる時間遅延を介して判定することも可能である。モータ18およびトライアック(登録商標)42を通じて電流が流れるには、モータ制御スイッチ22は、閉じた位置になければならない。ただし、モータ18およびトライアック(登録商標)42を通じて電流が流れているかどうかとは無関係に、コントローラ30が最初に電源投入された際には(すなわち、モータが最初に交流電源に接続された際には)、マイクロコントローラ38は、低導通角でトライアック(登録商標)42を点弧するべく試みる。従って、モータ18が、モータ制御スイッチ22が閉じた位置にある状態で不注意によって(または、予期せずに)交流電源に接続された場合には、トライアック(登録商標)42は、モータに供給される電力がモータが正常に動作するには不十分なものになるように、十分に低い導通角で点弧される。この結果、モータ制御スイッチ22の位置とは無関係に、モータ駆動装置14のモータ18は、交流電源に最初に接続された際に、突然、動作することにはならない。
そして、低導通角におけるトライアック(登録商標)42を点呼を開始するのと実質的に同時に、マイクロコントローラ38は、モータ制御スイッチ22が開いたまたは閉じた位置(すなわち、「オン」または「オフ」)にあるかどうかを判定するべくプログラムされている。そして、モータ制御スイッチ22が閉じた(すなわち「オン」)位置にある場合には、制御ユニット30は、後述するように、モータ18にエネルギーを供給しないように(あるいは、モータが回転せずにハム音のみを発生する十分に低いレベルにおいてエネルギーを供給するように)トライアック(登録商標)42を制御する。
一実施例においては、モータ制御スイッチ22の位置を判定するために、マイクロコントローラ38は、モータ18を通じて電流が流れているかどうかを検知するべくプログラムされている。図2の実施例においては、マイクロコントローラ38は、増幅器66を通じてポート38cに供給されるシャント抵抗器62の両端の電圧を監視することにより、モータ18を通じて電流が流れているかどうかを検知する。この図2に示されている実施例においては、シャント抵抗器62の値は、十分小さなものになっており、シャント抵抗器62の両端の電圧をマイクロコントローラ38がポート38cにおいて検知可能なレベルに増幅器66によって増幅する必要がある。ただし、大きな抵抗値を具備するシャント抵抗器62を使用することも可能であり、この場合には、例えば、トライアック(登録商標)スイッチ42の一方の側とシャント抵抗器62の一方の側との間の接点をマイクロプロセッサ38のポート38cに接続することにより、シャント抵抗器62の両端の電圧をマイクロプロセッサ38に直接提示可能であることを理解されたい。また、増幅器66の代わりに使用する内部増幅器をマイクロコントローラ38内に含むことも可能であろう。
この図2の実施例においては、ポート38cに供給される電圧信号は、アナログ信号である。しかしながら、この代わりに、別個のサブシステムを使用してシャント抵抗器62の両端の電圧を計測し、ポート38cにデジタル信号を提示することにより、モータ18を通じて電流が流れているかどうかを示すことも可能であろう。また、この図2には、トライアック(登録商標)42、シャント抵抗器62、および増幅器66がコントローラ30内に含まれるものとして示されているが、トライアック(登録商標)42、シャント抵抗器62、および増幅器66、またはこれらの任意の組み合わせを、コントローラ30の外付けとすることも可能であろう。
前述のように、モータ18が最初に交流電源に接続された際に、モータ制御スイッチ22が閉じた状態にあれば、マイクロコントローラ38は、モータ18が「急激に動作する」ことを防止するべく、低導通角におけるトライアック(登録商標)42の点呼を開始するべく試みる。実際にモータ制御スイッチ22が閉じている場合には、トライアック(登録商標)42が点弧すると、モータ18、トライアック(登録商標)42、およびシャント抵抗器62を通じて電流が流れることになる。そして、モータ18を電流が流れることに伴って、前述のように、マイクロコントローラ38は、この電流の流れを検知し、モータ制御スイッチ22が、開いた(すなわち、オフ)位置に解放されたと判定される時点まで、モータ18の正常な動作を妨げる。ただし、コントローラ30は、前述のように、低導通角におけるトライアック(登録商標)42の点弧を継続可能である。この結果、モータが、回転することなく「ハム音」を発生するのに十分なエネルギーがモータ18に供給されることになる。そして、これにより、モータ制御スイッチ22を入れ直してモータ18の正常な動作を実現しなければならないことをユーザに対して警告する。あるいは、この代わりに、コントローラ30は、モータ18を通じて電流が流れないように、トライアック(登録商標)42の駆動を完全に停止することも可能である。そして、モータ制御スイッチ22が、一旦、オフ位置に解放された後に、再度、オン位置に閉じられた際に、マイクロコントローラ38は、モータ18を正常に動作させる。
一方、交流電源が最初にモータ18に印加された際に、モータ制御スイッチ22が開いている場合には、モータ18を通じて電流は流れない。この結果、前述のように、ポート38cにおいて監視している電圧信号を介して、マイクロコントローラ38は、モータ18を通じて電流が流れていないことを認識し、モータ駆動装置14の正常な動作を可能にする。すなわち、マイクロコントローラ38は、この後に、モータ制御スイッチ22が閉じられた際に、モータ駆動装置14の望ましい動作パラメータに応じてモータ18が機能するのに十分な電力を生成するのに適した導通角でトライアック(登録商標)42を点弧することになる。
従って、マイクロコントローラ38は、コントローラ30が最初に電源投入された際には、低導通角におけるトライアック(登録商標)42の点弧を試み、この直後に、モータ制御スイッチ22の閉路を検出するべく、プログラムされている。トライアック(登録商標)42を低導通角で点弧しモータ制御スイッチ22の位置を検知することのみにより、モータ18を回転させるには不十分な電力がモータ18に供給され、この結果、モータ18の「急激な動作」が防止される。さらには、電力が最初にモータ18に印加された際に、モータ制御スイッチ22が閉じられていることをマイクロコントローラ18が検知した場合には、マイクロコントローラ38は、モータ制御スイッチ22が開かれるまで、モータ18の正常な動作を不能にする。そして、マイクロコントローラ38は、モータ制御スイッチ22が開かれたことを一旦検知すると、その後、モータ制御スイッチ22が閉じられた際に、モータ18を正常に動作させる。
一方、代替実施例においては、マイクロコントローラ38は、コントローラ30が最初に電源投入された際に、低導通角におけるトライアック(登録商標)42の点弧を試みるようにはプログラムされていない。この代わりに、マイクロコントローラ38は、モータ18が動作を開始するのに十分な導通角におけるトライアック(登録商標)42の点弧の試みを即座に開始する。このため、モータ18が最初に交流電源に接続された際に、モータ制御スイッチ22が閉じられていた場合には、モータ18が動作を開始することになる。しかしながら、コントローラ30の電源投入と実質的に同時に、マイクロコントローラ38は、モータ制御スイッチ22の位置を判定する。この結果、モータが最初に交流電源に接続された際に、モータ制御スイッチ22が閉じられていた場合には、マイクロコントローラ38は、モータ18を通じて流れる電流を実質的に即座に検出し、モータ制御スイッチが開いた位置に配置されるまで、モータ18の電源投入を妨げることになる。従って、モータ制御スイッチ22が閉じた位置にある状態で交流電力が最初に供給された場合に、モータ18は電源投入されないことになる。
図3は、別の実施例の概略電気回路図であり、この場合には、マイクロコントローラ38は、電圧がモータ18に印加されているかどうかを検知するべくプログラムされている。この実施例においては、トライアック(登録商標)42の一方の側とモータ18の一方の側との間の接点を、増幅器70を通じて、マイクロコントローラ38のポート38dに接続することにより、コントローラ30がモータ回路17に電気的に接続されている。トライアック(登録商標)42のインピーダンスは、増幅器70による増幅の後に、ポート38dにおいてマイクロコントローラ38が検出可能な電圧を供給するのに十分なものになっている。
この実施例においては、マイクロコントローラ38は、マイクロコントローラ38が最初に電源投入された際には、トライアック(登録商標)42の点弧を試みない。従って、トライアック(登録商標)42は、導通状態になく、これは、モータ18が交流電源に最初に接続された際に、電流が流れないことを意味している。しかしながら、モータ18が交流電源に最初に接続された際に、モータ制御スイッチ22が閉じた位置にある場合には、トライアック(登録商標)42とモータ18の接点に、電圧が存在しており、これがマイクロコントローラ38によって検知される。次いで、モータ18の正常な動作を許容するには、マイクロコントローラ38は、モータ制御スイッチ22が開かれることを必要とする。一方、モータ18が交流電源に最初に接続された際に、モータ制御スイッチ22が開いた位置にある場合には、トライアック(登録商標)42に実質的に電圧は存在せず、マイクロコントローラ38は、モータ制御スイッチ22が閉じた際に、モータ18を正常に動作させる。
一実施例においては、モータ18が最初に交流電源に接続された際にモータ制御スイッチ22が閉じていると判定した場合には、モータ18が、回転しないがハム音を発生することにより、モータ制御スイッチ22を入れ直してモータ18を正常に動作させなければならないことをユーザに警告するべく、低導通角でトライアック(登録商標)42を点弧するようにマイクロコントローラ38をプログラム可能である。
一実施例においては、マイクロコントローラ38は、ゼロ交差以外の交流電圧波形上のポイントにおいて、トライアック(登録商標)42に電圧が存在しているかどうかを検知する。例えば、マイクロコントローラ38は、交流電圧の負から正へのゼロ交差遷移の後の90度においてトライアック(登録商標)42に電圧が存在しているかどうかを検知する(これは、交流電圧が、その正のピークに位置している時点である)。なお、マイクロコントローラ38は、ゼロ交差(およびゼロ交差の近傍)以外のかなり大きな角度にわたって、トライアック(登録商標)に電圧が存在するかどうかを検知可能であることを理解されたい。また、当然のことながら、ゼロ交差における電圧は、ゼロであり、従って、マイクロコントローラ38が、ゼロ交差においてトライアック(登録商標)42の電圧を検出すると、モータ制御スイッチ22が閉じられている場合にも、マイクロコントローラは、ゼロ電圧を検知することになり、この結果、モータ制御スイッチ22が開いているものと誤判定することになろう。
なお、例えば、図5に示されている抵抗器82など、ポート38dにおけるマイクロプロセッサ38による検出のための電圧信号の調節に適した任意のその他の回路またはコンポーネントにより、増幅器70を置換可能であることを理解されたい。また、マイクロコントローラ38が、トライアック(登録商標)42とモータ18の接点における電圧を検出するのに適した増幅器などの内部回路を具備している場合には、この増幅器70を省略可能であることについても理解されたい。なお、この図3に示されている実施例においては、シャント抵抗器62および増幅器66は、モータ18を通じて流れる電流を検出するべくマイクロコントローラ38が利用しているのではなく、モータ18のその他の制御機能用に利用されている。
図4は、さらに別の実施例の概略電気回路図であり、この場合には、交流電力が最初にモータ18に印加された際に、モータ18に電圧が印加されているかどうかを検知するべく、マイクロコントローラ38がプログラムされている。この実施例においては、トライアック(登録商標)42とモータ18間の接点の代わりに、モータ制御スイッチ22の一方の側とモータ18の一方の側との接点を、増幅器74を通じて、マイクロコントローラ38のポート38dに接続することにより、モータ回路17がコントローラ30に電気的に接続されている。モータ18のインピーダンスは、ポート38dにおいてマイクロコントローラ38が検出する電圧を生成するのに十分なものになっている。そして、これ以外については、図4の実施例は、図3の実施例と同様に動作する。
なお、例えば、図4に点線で示されている抵抗器73など、ポート38dにおけるマイクロコントローラ38による検出のための電圧信号の調節に適したその他の回路またはコンポーネントにより、増幅器74を置換可能であることを理解されたい。また、マイクロコントローラ38が、トライアック(登録商標)42の両端の電圧を検出するのに適した内部回路を具備している場合には、増幅器74を省略可能であることについても理解されたい。なお、この図4に示されている実施例においては、シャント抵抗器62および増幅器66は、モータ18を通じて流れる電流を検知するべくマイクロコントローラ38が利用しているのではなく、モータ18のその他の制御機能用に利用されている。
図5は、(図1に示されている)システム10の別の実施例の概略電気回路図であり、この場合には、交流電力がモータ18に最初に印加された際に、モータ18に電圧が印加されているかどうかを検知するべく、マイクロコントローラ38がプログラムされている。この実施例におけるシステム10の動作は、基本的に、図3を参照して前述した動作と同一であり、トライアック(登録商標)42とモータ18間の接点に電圧が存在しているかどうかを検知することによって、モータ18に電圧が印加されているかどうかを検知することにより、モータ制御スイッチ22の位置を判定している。
この図5の実施例においては、トライアック(登録商標)42とモータ18との接点が、コントローラ30をモータ回路17に電気的に接続するための抵抗器82を含む回路ライン78を介して、マイクロコントローラ38のポート38dに接続されている。交流電源が最初にモータ18に印加された際に、モータ制御スイッチ22が閉じていた場合には、マイクロコントローラ38は、ポート38dにおける電圧信号の存在を検出し、モータ18が動作する(すなわち、正常に動作する)することを妨げる。その後、マイクロコントローラ38は、モータ18に電圧がもはや印加されていないことを検知するまで(これは、モータ制御スイッチが開かれたことを通知するものである)、モータ18の動作を継続的に防止する。そして、モータ制御スイッチ22が一旦開かれると、マイクロコントローラ38は、モータの正常な動作を可能にし、この結果、この後に、モータ制御スイッチ22が閉じられた際に、モータ18は正常に動作することになる。なお、この図5には、コントローラ30の内部の電気接点においてモータ18に接続されたライン78が示されているが、コントローラ30の外部の接点において回路ライン78をモータ18に接続することも可能であることを理解されたい。
また、例えば、図3に示されている増幅器70など、ポート38dにおけるマイクロコントローラ38による検出のための電圧信号の調節に適した任意のその他の回路またはコンポーネントにより、抵抗器82を置換可能であることについても理解されたい。この観点において、一実施例においては、抵抗器82は、図7に示されている分圧器回路84を含んでいる。この分圧器回路84は、トライアック(登録商標)42とモータ18との接点と、ポート38dとの間に接続された抵抗器86を含んでいる。また、この分圧器回路には、ポート38dとグランドとの間に並列で接続された抵抗器88およびバイパスコンデンサ90も含まれている。なお、抵抗器86は、例えば、1MΩの抵抗器であり、抵抗器88は、56KΩの抵抗器であり、コンデンサ90は、1nFのコンデンサである。
図6は、本発明の別の実施例による直流電源および直流モータ118に接続可能な(図1に示されている)システム100の概略電気回路図である。なお、この図6においては、わかりやすさと利便性を考慮し、図2〜図5および図7のコンポーネントと同一のシステム100のコンポーネントは、100を加算した参照符号を使用して識別されている。このシステム100は、前述の交流アプリケーションにおいて図2〜図5および図7のシステム10が動作する方法と非常に似た方式で、直流アプリケーションにおいて機能する。基本的に、マイクロコントローラ138は、初期の突然のモータの起動を防止し、直流電力が最初にモータ118に印加された際に、モータ制御スイッチ122が閉じた位置にあるかどうかを判定し、閉じた位置にある場合には、モータ制御スイッチ122が開かれるまで、モータ118が正常に動作することを妨げる。そして、モータ制御スイッチ122が開かれた後に、再度、閉じられた際に、マイクロコントローラ138は、モータ118を正常に動作させる。
このシステム100の直流アプリケーションにおいては、モータ回路117は、直流電源の正の端子190と直流電源の負の端子192との間に、モータ制御スイッチ122、電子スイッチ142、およびシャント抵抗器162と直列に接続されたモータ118を含んでいる。コントローラ130は、端子190および192が直流電源に接続された際に、常に電源投入される。そして、このコントローラ30が電源投入されると、マイクロコントローラ138は、直流電力を検出し、モータ118を通じて電流が流れている場合には、モータ118が正常に動作するには不十分な電力がモータ118に供給されるように、ポート138bを介して、電子スイッチ142を操作する試みを開始する。一実施例においては、電子スイッチ142は、FETやIGBTなどのトランジスタである。なお、この図6と関連する典型的な実施例においては、この電子スイッチ142をトランジスタ142と呼ぶことにする。
一実施例においては、モータ118が最初に直流電源に接続された際に、マイクロコントローラ138は、わずかに0%を上回る例えば0.1%のデューティサイクルと、15%のデューティサイクルと、の間の狭いデューティサイクルでトランジスタ142のスイッチングを開始するべく即座に試みるように、プログラムされている。モータ118およびトランジスタ142を通じて電流が流れるには、モータ制御スイッチ122は、閉じた位置になければならない。従って、モータ制御スイッチ122が閉じた位置にある状態でモータ118が不注意によって(または、予期せずに)直流電源に接続された場合には、モータ118に供給される電力が、モータが動作するには不十分なものになるように、トランジスタ142が、十分に狭いデューティサイクルで駆動される。この結果、モータ駆動装置14は、モータ118の突然の回転開始によって「急激に動作する」ことにはならない。
そして、この狭いデューティサイクルでのトランジスタ142の点弧の試みを開始するのと実質的に同時に、マイクロコントローラ138は、モータ制御スイッチ122が開いたまたは閉じた位置(すなわち、「オン」または「オフ」)にあるかどうかを判定するべく、プログラムされている。様々な実施例においては、前述の交流実施例と同様に、モータ制御スイッチ122の位置を判定するべく、コントローラ30は、図6の実施例における増幅器166により、モータ回路117に電気的に接続されており、マイクロコントローラ138は、モータ118を通じて電流が流れているかどうかを検知するべく、プログラムされている。例えば、マイクロコントローラ138は、シャント抵抗器162、トランジスタ142、またはモータ118の両端の電圧を監視することにより、モータ118を通じて電流が流れているかどうかを検知する。そして、モータ118を通じて電流が流れている場合には、モータ118が最初に直流電源に接続された際に、モータ制御スイッチ122が閉じた位置にあったことを示しており、マイクロコントローラ138は、狭いデューティサイクルにおけるトランジスタ142の点弧を開始し、これにより、モータ118が突然回転し始めることを防止する。そして、マイクロコントローラ138は、モータ制御スイッチ122が、開いた(すなわち、「オフ」)位置に配置されたと判定される時点まで、モータ118の動作を継続的に防止する。
一方、動作の際に、直流電力がモータ118に最初に印加された際に、モータ制御スイッチ122が開いている場合には、モータ18を通じて電流は流れることができない。従って、マイクロコントローラ138は、モータ18を通じて電流が流れていないことを認識し、モータ駆動装置14の正常な動作を可能にする。すなわち、この後に、モータ制御スイッチ122が閉じられた際に、マイクロコントローラ138は、モータ駆動装置14の望ましい動作パラメータに従ってモータ118が動作するのに十分な電力を生成するのに適したデューティサイクルで、トランジスタ142を点弧することになる。逆に、モータ制御スイッチ122が閉じており、モータ118が最初に直流電源に接続された際に、モータ118を通じて電流が流れた場合には、マイクロコントローラ138は、この電流の流れを検知し、モータ118の動作を妨げる。例えば、マイクロコントローラ138は、狭いデューティサイクルにおけるトランジスタ142の点弧を継続することにより、モータを通じて流れる電流を継続的に制限可能であり、あるいは、マイクロコントローラ138は、モータ118を通じて電流が流れなくなるように、トランジスタ142の点弧を完全に停止することも可能である。その後、マイクロコントローラ138は、モータ118を通じて電流がもはや流れていないことを検知するまで(これは、モータ制御スイッチ122が開かれたことを示している)、モータ118の動作を妨げる。そして、一旦、モータ制御スイッチ122が開かれたら、マイクロコントローラ138は、モータ駆動装置14の動作パラメータに従ってモータ118を動作させるのに適したデューティサイクルでトランジスタ142を点弧することにより、モータ118の正常な動作を可能にする。
なお、この図6には、トランジスタ142、シャント抵抗器162、および増幅器166が、例えば、制御モジュールであるコントローラ130内に含まれるものとして示されているが、トランジスタ142、シャント抵抗器162、および増幅器166のそれぞれ、あるいは、これらの組み合わせを、コントローラ130の外部に容易に配置可能であることを理解されたい。
別の実施例においては、図2〜図5および図7を参照して前述した交流実施例と同様に、モータ制御スイッチ122の位置を判定するために、マイクロコントローラ138は、モータ118に電圧が印加されているかどうかを検知するべくプログラムされている。そして、モータ118が最初に直流電源に接続された際に、モータ118における電圧の存在を検知すると(これは、モータ制御スイッチ122が閉じた位置にあることを示している)、マイクロコントローラ138は、モータ制御スイッチ122が開いた(すなわち、「オン」)位置に配置されたと判定される時点まで、モータ118の起動を防止する。
以上、マイクロコントローラを含む図2〜図7を参照し、制御回路32および132について説明したが、これらの制御回路32および132には、前述の動作を実行するのに適した任意の電気的および半導体装置を含むことが可能であることを理解されたい。すなわち、制御回路32および132は、モータ18、118を通じて流れる電流、または、モータに印加された電圧の存在、あるいは、これらの両方に基づいて、モータ制御スイッチの位置を判定し、このモータ制御スイッチの位置に基づいて、モータ18、118に供給される電力を制御するの適した任意の電気的および半導体装置を含むことが可能である。例えば、制御回路32、132は、それぞれ、ASIC(Application Spectific Integrated Circuit)を含むことができよう。
従って、本発明は、モータ駆動装置のモータ用のコントローラを利用して、モータ駆動装置のモータの制御スイッチの位置を判定し、制御スイッチが閉じた位置にある状態でこの装置が電源に接続された場合に、モータの不注意による起動を防止するシステムを提供する。一実施例においては、モータ駆動装置を電源に接続した際に、モータを通じて電流が流れている場合には、コントローラは、モータが突然起動しないように、電子スイッチを動作させる。また、電力が最初に印加された際に、モータを通じて電流が流れていることを検知した場合には(これは、モータ制御スイッチが閉じていることを示している)、コントローラは、モータが動作すること(または、少なくとも、正常に動作すること)を継続的に妨げる。そして、コントローラは、制御回路が、モータを通じた電流の流れが停止したことを検知する時点まで(これは、モータ制御スイッチが開いた(すなわち、「オフ」)位置に配置されたことを示している)、モータが動作する(すなわち、正常に動作する)ことを継続的に妨げる。一実施例においては、モータが最初に電源に接続された際に、モータ制御スイッチが閉じられていることを検知した場合には、モータが回転することなしにハム音を発生することにより、モータを正常に動作させるには、モータ制御スイッチを入れ直さなければならないことをユーザに対して警告するように、コントローラは、低いエネルギー供給レベルにおいて、モータを動作させる。
別の実施例においては、コントローラは、モータが最初に電源に接続された際に、モータに電圧が印加されているかどうかを検知することにより、モータ制御スイッチの位置を判定する。そして、コントローラは、前述と同様の方式で、モータ制御スイッチが開いたまたは閉じた位置にあるかどうかに基づいて、モータの正常な動作を可能に(または、不能に)する。
以上、特定の実施例の観点において、本発明について説明したが、当業者であれば、添付の請求項の精神と範囲を逸脱することなしに、変更を伴って本発明を実施可能であることを認識するであろう。
工具のオン/オフスイッチが「オン」位置にある状態で電源が工具に最初に接続された際に、工具のモータの不注意による起動を防止する本発明のシステムおよび方法を内蔵した典型的な電動工具の概略図である。 図1にブロックの形態で示されている、交流電源と典型的な工具の交流モータに接続可能であるシステムの概略電気回路図である。 図2に示されているシステムの代替実施例の概略電気回路図である。 図2に示されているシステムの代替実施例の別の概略電気回路図である。 図1に示されている、交流電源と典型的な電動工具の交流モータに接続可能であるシステムの代替実施例の概略電気回路図である。 図1に示されている、直流電源と、関連する電動工具の直流モータとに接続可能であるシステムの概略電気回路図である。 図5に示されているシステムの代替実施例の別の概略電気回路図である。

Claims (41)

  1. オン位置にある際に電力をモータに対してスイッチングするモータ制御スイッチと、前記モータの動作を制御するコントローラと、を具備する電動モータ用のモータ制御システムにおいて、前記モータ制御スイッチが前記オン位置にある状態で前記モータが最初に電源に電気的に接続された際に、モータの起動を防止する方法であって、
    前記モータが最初に前記電源に電気的に接続された際に、前記モータ制御スイッチが、前記オン位置にあるかどうかを前記コントローラによって判定するステップと、
    前記モータが最初に前記電源に電気的に接続されたときに前記モータ制御スイッチが前記オン位置にあると判定した際に、前記コントローラを利用して前記モータの正常な動作を不能にするステップと、
    を備える方法。
  2. 前記コントローラを利用して前記モータの正常な動作を不能にするステップは、前記コントローラが前記オン/オフスイッチがオフ位置にあると判定するまで、前記コントローラを利用して、前記モータの正常な動作を不能にするステップを備える請求項1に記載の方法。
  3. コントローラを利用して前記モータ制御スイッチの前記位置を判定するステップは、前記コントローラを利用して、前記モータを通じて電流が流れているかどうかを検知するステップを備える請求項1に記載の方法。
  4. コントローラを利用して前記モータ制御スイッチの前記位置を判定するステップは、前記コントローラを利用して、前記モータに電圧が印加されているかどうかを検知するステップを備える請求項1に記載の方法。
  5. 前記モータを電源に電気的に接続するステップは、前記モータを交流電源に接続するステップを備える請求項1に記載の方法。
  6. 前記コントローラを利用して前記モータの動作を不能にするステップは、前記モータに供給される電力が、前記モータがハム音を発生するには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記コントローラを利用して、前記モータを前記交流電源のニュートラルに接続する電子スイッチを、低導通角で点弧するステップを含んでいる請求項5に記載の方法。
  7. 前記コントローラを利用して前記モータの動作を不能にするステップは、
    前記モータに供給される電力が、前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記モータが最初に前記交流電源に接続された際に、前記コントローラを利用して、前記モータを前記交流電源のニュートラルに接続する電子スイッチを、低導通角で点弧するステップと、
    前記コントローラを利用して、前記交流電力のゼロ交差を検知するステップと、
    前記交流電力のゼロ交差を検知した際に、前記コントローラを利用して、前記モータ制御スイッチが前記オン位置にあるかどうかを判定するステップと、
    を含んでいる請求項5に記載の方法。
  8. 前記モータが最初に前記交流電源に電気的に接続された際に、前記コントローラを利用して、前記低導通角で前記電子スイッチを点弧するステップは、前記コントローラが前記交流電力のゼロ交差を検知した際に、前記コントローラを利用して、前記低導通角で前記電子スイッチを点弧するステップを含んでいる請求項7に記載の方法。
  9. 前記コントローラを利用して前記モータの正常な動作を不能にするステップは、前記コントローラが前記モータ制御スイッチがオフ位置にあると判定するまで、前記コントローラを利用して前記モータの正常な動作を不能するステップを備える請求項7に記載の方法。
  10. 前記モータを電源に電気的に接続するステップは、前記モータを直流電源に電気的に接続するステップを備える請求項1に記載の方法。
  11. 前記コントローラを利用して前記モータの正常な動作を不能にするステップは、前記モータに供給される電力が、前記モータがハム音を発生するには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記モータが最初に前記直流電源に電気的に接続された際に、前記コントローラを利用して、前記モータを前記直流電源のコモンに接続する電子スイッチを、狭いデューティサイクルでスイッチングするステップを含んでいる請求項10に記載の方法。
  12. 前記コントローラを利用して前記モータの正常な動作を不能にするステップは、前記コントローラが、前記オン/オフスイッチがオフ位置にあると判定するまで、前記コントローラを利用して、前記モータの正常な動作を不能にするステップを備える請求項10に記載の方法。
  13. モータがオン動作状態にある状態で前記モータが電源に最初に電気的に接続された際に、前記モータの不注意による起動を防止するシステムであって、
    前記モータと電源の第1の側との間に接続され、電力を前記モータに対してスイッチングするモータ制御スイッチと、
    前記モータと前記電源の第2の側との間に接続された電子スイッチと、
    前記モータが最初に前記電源に接続された際に、前記モータ制御スイッチの位置を判定するべく構成されており、前記モータが前記電源に最初に接続された際に、前記モータ制御スイッチが電力を前記モータにスイッチングする位置にある場合に、前記モータの正常な動作を不能にするコントローラと、
    を備えるシステム。
  14. 前記モータおよび前記電源と直列に接続されたシャント抵抗器をさらに備え、前記モータ制御スイッチの前記位置を判定するべく、前記コントローラは、前記シャント抵抗器の両端の電圧を監視し、これにより、前記モータを通じて電流が流れているかどうかを検知するべくさらに構成されている請求項13に記載のシステム。
  15. 前記シャント抵抗器は、前記電子スイッチおよび前記電源の前記第2の側と直列接続されている請求項14に記載のシステム。
  16. 前記モータ制御スイッチの前記位置を判定するために、前記コントローラは、前記モータに電圧が印加されているかどうかを判定するべくさらに構成されている請求項13に記載のシステム。
  17. 前記モータは、交流電源に電気的に接続されている請求項13に記載のシステム。
  18. 前記コントローラは、前記モータに供給される前記電力が、前記モータがハム音を発生するには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記モータが最初に前記交流電源に接続された際に、前記電子スイッチを低導通角で点弧するべくさらに構成されている請求項17に記載のシステム。
  19. 前記コントローラは、前記モータに供給される前記電力が、前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記モータが最初に前記交流電源に接続された際に、前記電子スイッチを低導通角で点弧するべくさらに構成されており、前記コントローラは、前記交流電力のゼロ交差を検知し、前記交流電力のゼロ交差を検知した際に、前記モータ制御スイッチが前記オン位置にあるかどうかを判定するべくさらに構成されている請求項17に記載のシステム。
  20. 前記コントローラは、前記コントローラが前記交流電力のゼロ交差を検知した際に前記電子スイッチを前記低導通角で点弧することにより、前記モータが前記交流電源に最初に電気的に接続された際に、前記電子スイッチを前記低導通角で点弧するべく構成されている請求項19に記載のシステム。
  21. 前記コントローラは、
    前記モータが前記交流電源に最初に接続された際に、前記モータ制御スイッチが、電力を前記モータにスイッチングする閉じた位置にあると判定された際に、前記モータの正常な動作を不能にすると共に、
    前記コントローラが、前記モータ制御スイッチが電力を前記モータにスイッチングしていないオフ位置に当該モータ制御スイッチが配置されたと判定するまで、前記モータの正常な動作を継続的に不能にするように、
    さらに構成されている請求項17に記載のシステム。
  22. 前記モータは、直流電源に電気的に接続されている請求項13に記載のシステム。
  23. 前記コントローラは、前記モータに供給される前記電力が、前記モータがハム音を発生するには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記モータが前記直流電源に最初に接続された際に、前記電子スイッチを狭いデューティサイクルでスイッチングするべくさらに構成されている請求項22に記載のシステム。
  24. 前記コントローラは、
    前記モータが前記直流電源に最初に接続された際に、前記モータ制御スイッチが閉じた位置にあると判定された場合に、前記モータの正常な動作を不能にすると共に、
    前記コントローラが、前記モータ制御スイッチが開いた位置に配置されたと判定するまで、前記モータの正常な動作を継続的に不能にするように、
    さらに構成されている請求項22に記載のシステム。
  25. 電動工具が電源に接続された際に、前記電源のホット側とコモン側との間に直列に接続された電動モータ、オン/オフスイッチ、および電子スイッチを具備するモータ回路と、
    前記モータ回路に電気的に接続され、前記電動工具が前記電源に最初に接続された際に、電力を前記モータにスイッチングしているオン位置に前記オン/オフスイッチがあるかどうかを検知し、前記電動工具が前記電源に最初に接続された際に、前記オン/オフスイッチが前記オン位置にあることを検知した際に、前記モータの正常な動作を不能にするコントローラであって、前記コントローラは、前記コントローラが、前記オン/オフスイッチがオフ位置にスイッチングされたことを検知するまで、前記モータの正常な動作を継続的に不能し、前記オン/オフスイッチが、前記オフ位置にスイッチングされた後に、再度、前記オン位置にスイッチングされた場合に、前記モータを正常動作において動作させるコントローラと、
    を有する電動工具。
  26. 前記モータ回路は、前記モータおよび前記電源と直列に接続されたシャント抵抗器を含み、前記コントローラは、前記シャント抵抗器に電気的に接続されており、前記シャント抵抗器を通じて電流が流れているかどうかを検知し、前記コントローラは、前記シャント抵抗器を通じて電流が流れていることを検知した際に、前記オン/オフスイッチが、前記オン位置にあると検知する請求項25に記載の電動工具。
  27. 前記電源は、交流電源であり、前記コントローラは、前記モータに供給される電力が、前記モータが正常に動作するには不十分なものになるように、前記電動工具が前記交流電源に最初に接続された際に、前記電子スイッチを低導通角で点弧し、前記コントローラは、前記電動工具が最初に前記交流電源に接続された際に、前記交流電力のゼロ交差を検出し、前記交流電力の前記ゼロ交差を検出した際に、前記シャント抵抗器を通じて電流が流れているかどうかを検知する請求項26に記載の電動工具。
  28. 前記コントローラは、前記モータに供給される前記電力が、前記モータにハム音を発生させるには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記電子スイッチを低導通角で点弧する請求項27に記載の電動工具。
  29. 前記コントローラは、前記交流電力のゼロ交差を検知した際に、前記電子スイッチを前記低導通角で点弧する請求項27に記載の電動工具。
  30. 前記電源は、直流電源であり、前記コントローラは、前記モータに供給される電力が、前記モータが正常に動作するには不十分なものになるように、前記電動工具が前記直流電力に最初に接続された際に、前記電子スイッチを低デューティサイクルで点弧する請求項26に記載の電動工具。
  31. 前記コントローラは、前記モータに供給される前記電力が、前記モータにハム音を発生させるには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記電子スイッチを低デューティサイクルで点弧する請求項30に記載の電動工具。
  32. 前記モータ制御スイッチは、前記モータの第1の側と前記電源のホット側との間に接続されており、前記電子スイッチの第1の側は、前記モータの第2の側に接続されており、前記シャント抵抗器は、前記電子スイッチの第2の側を前記電源のコモン側に接続している請求項26に記載の電動工具。
  33. 前記コントローラは、前記モータ回路に電気的に接続されており、前記電動工具が前記電源に最初に接続された際に、前記モータに電圧が印加されているかどうかを検知し、前記モータに電圧が印加されていることを検知した際に、前記オン/オフスイッチが前記オン位置にあるかどうかを検知する請求項25に記載の電動工具。
  34. 前記モータ制御スイッチは、前記モータの第1の側と前記電源のホット側との間に接続されており、前記電子スイッチは、前記モータの第2の側と前記電源のコモン側との間に接続されており、前記コントローラは、前記モータの前記第1の側と前記モータ制御スイッチと間の接点および前記モータの前記第2の側と前記電子スイッチとの間の接点のうちの少なくとも1つに電気的に接続されている請求項25に記載の電動工具。
  35. 前記コントローラは、増幅器によって前記少なくとも1つの接点に電気的に接続されている請求項34に記載の電動工具。
  36. 前記コントローラは、少なくとも1つの抵抗器によって前記少なくとも1つの接点に電気的に接続されている請求項34に記載の電動工具。
  37. 前記電子スイッチは、シャント抵抗器を通じて、前記電源の前記コモン側に接続されている請求項34に記載の電動工具。
  38. 前記電源は、交流電源であり、前記コントローラは、前記モータに供給される電力が、前記モータがハム音を発生するには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記電動工具が前記交流電源に最初に接続された際に、前記オン/オフスイッチが前記オン位置にあることを検知した場合に、前記電子スイッチを低導通角で点弧する請求項34に記載の電動工具。
  39. 前記電源は、直流電源であり、前記コントローラは、前記モータに供給される電力が、前記モータがハム音を発生するには十分であるが前記モータが回転するには不十分なものになるように、前記電動工具が前記直流電源に最初に接続された際に、前記オン/オフスイッチが前記オン位置にあることを検出した場合に、前記電子スイッチを低デューティサイクルで点弧する請求項34に記載の電動工具。
  40. 電動工具が電源に最初に接続された際に、前記電動工具のモータの不注意による起動を防止する方法であって、前記モータは、オン/オフスイッチおよび電子スイッチと直列にモータ回路内において接続されている、方法において、
    前記電動工具が前記電源に最初に接続された際に、前記オン/オフスイッチがオン位置にあるかどうかを検知するステップと、
    前記電動工具が前記電源に最初に接続された際に、前記オン/オフスイッチが前記オン位置にあることを検知した際に、前記オン/オフスイッチがオフ位置にスイッチングされるまで、前記モータの正常な動作を不能にするステップと、
    前記オン/オフスイッチが、前記オフ位置にスイッチングされた後に、再度、前記オン位置にスイッチングされた際に、前記モータを正常に動作させるステップと、
    を備える方法。
  41. 前記電動工具は、前記モータ回路に電気的に接続されたコントローラを含んでおり、
    前記電動工具が前記電源に最初に接続された際に、前記オン/オフスイッチが前記オン位置にあるかどうかを検知するステップは、前記コントローラを利用して、前記モータ回路を通じて電流が流れているかどうか、および、前記モータに電圧が印加されているかどうかのうちの少なくとも1つを検知するステップを含んでいる請求項40に記載の方法。
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