JP2007276042A

JP2007276042A - 電動工具

Info

Publication number: JP2007276042A
Application number: JP2006104591A
Authority: JP
Inventors: Koji Kato; 浩二加藤; Kazuya Takeuchi; 和也竹内; Ichiro Kusakari; 一郎草刈; Osamu Itagaki; 修板垣; Takahiro Nagaoka; 孝博長岡
Original assignee: Max Co Ltd
Current assignee: Max Co Ltd
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: CN101415527B; NO338472B1; EP2002939B1; US8378600B2; AU2007236662A1; CN101415527A; RU2008143369A; JP4961808B2; KR20140098183A; KR20080108113A; EP2002939A2; US20090160373A1; BRPI0710092B1; TWI405647B; DK2002939T3; EP2002939A9; US20120160364A1; NO20084153L; EP2002939A4; WO2007116914A1

Abstract

【課題】ブラシモータに代えてブラシレスモータを使用することにより、長期間にわたり安定した機能を発揮するとともに、メンテナンスに負荷のかからない電動工具を提供すること。
【解決手段】モータ４の正逆回転を一回以上繰り返して作業部５を動作させる電動工具Ａにおいて、上記モータ４をブラシレスモータで構成し、該モータ４はロータ１５の位置を検出するセンサＨを、ロータ１５の正回転方向でステータ歯部１６同士の中間より電気角で３０°±θ°進角するように配置し、上記モータ４の回転を制御する制御部２０は上記センサＨの検出結果に基づいて、モータ４の駆動信号を制御するとともに上記ロータ１５の正逆何れの回転においても上記ロータ１５とセンサＨの検出信号との関係が同等になるように上記センサＨの検出信号を選択した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動工具、詳しくはモータの正逆回転で作業部を動作させる電動工具であってモータをブラシレスモータで構成した電動工具に関するものである。

従来、モータを正逆回転させて作業部を作動させる電動工具として鉄筋をワイヤで結束する鉄筋結束機が本出願人から出願されている（例えば、特許文献１）。この鉄筋結束機にはブラシモータが使用されることが一般的であった。このブラシモータが使用される理由としては、小型で高トルクが得られる点から、ブラシモータを使用することにより機器の小型化が図れるためであった。
特開２００３−２６７３０７号公報

本発明が解決しようとする問題点は、上述のような鉄筋結束器に使用されるブラシモータではモータの正転、停止、逆転動作の切替タイミングを決定する手段として、作業部の各所に位置センサを配置し、センサ位置通過の有無により作業部の状態を把握していたが、複雑な回転切替を行なうためには多くのセンサを有し、高精度な位置情報を得るためには、センサ位置調整工程が必要になるなどの問題があった。

また、ある基準位置を基点に時間監視により位置を推定するとしても、バッテリ電圧の変化に伴いモータ速度が変化するため推定位置の誤差が大きいという問題があった。

さらに、短時間に急加減速を繰り返すと以下の問題が発生する恐れがある。
（１）モータは、正逆回転の度に突入電流が流れ巻き線が加熱する。急反転させるために回転中にブラシ極性を切り換えると火花が発生し、ブラシが磨耗し交換のメンテナンスが必要になる。
（２）モータの寿命に至る過程では、モータの特性（回転数、加速度）の低下が生じるため機器の性能低下が避けられない。
（３）モータの特性が下がると、効率の良い状態で使用できず、消費電力が大きくなり、バッテリ駆動の場合は１充電あたりの作業量が低下するため充電回数が増えることになり、結果としてバッテリの寿命が短くなる。

また、ブラシモータの構造上、ロータ角度と巻き線の通電タイミングが物理的に決まってしまうため、正転で効率の良い設定は、逆転では非効率でノイズの大きい設定となり、正逆回転の混在する制御においては、効率の良い動作が期待できないなどの問題があった。

本発明は、上記問題点を解決し、ブラシモータに代えてブラシレスモータを使用することにより、長期間にわたり安定した機能を発揮するとともに、メンテナンスに負荷のかからない電動工具を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために本発明に係る電動工具は、モータの正逆回転を一回以上繰り返して作業部を動作させる電動工具において、上記モータのロータの位置を検出するセンサを有し、該センサの検出信号によって上記モータの回転数と回転位置との何れか一方、又は両方を計測し、計測結果から上記作業部の作動状態を認識することを特徴とする電動工具。

なお、前記電動工具は前記モータの駆動電流を制限する制限手段を備え、該制限手段は上記電流の制限を少なくとも２段階以上の電流値に制御するようにしてもよい。

また、前記電動工具は前記センサを３個以上有し、前記モータをブラシレスモータで構成しても構わない。

そして、前記センサを、ステータの歯部同士の中間から電気角を３０°±θ°進角するように配置し、前記モータの回転数を制御する制御部は、上記センサによるロータの位置の検出結果に基づいてモータを駆動する駆動信号を制御し、該制御部は上記ロータの正逆何れの回転においても上記ロータとセンサの検出信号との関係が同等になるように上記センサの検出信号を選択するようにすればよい。

さらに、前記電動工具は前記モータの駆動電流を制限する制限手段を備え、該制限手段は上記電流の制限を少なくとも２段階以上の電流値に制御することが好ましい。

請求項１の発明によれば、センサの検出信号からロータの回転数や回転位置を判断することが可能になり、作業部の作動状態を検出する位置センサを多数設ける必要がなくなり、部品の点数を削減できるとともに、モータ回転数に伴う高い分解能の位置情報を得られるため、位置センサの調整工程の削除、作業確認など組立作業における効率を高めるとともに、位置センサの故障によるトラブルの発生もなくなり、高品質の電動工具を提供することができる。

請求項２の発明によれば、大きなトルクを必要とする場合（急加速を要する、負荷トルクが大きい）には大きな駆動電流で、小さな駆動トルクでよいときは小さな駆動電流でモータを駆動することができ、消費電流を抑えるとともにモータの発熱を抑えることができる。

請求項３の発明によれば、ブラシモータをブラシレスモータにすることによりモータの寿命を決定付けるブラシそのものを無くすことができ、電動工具の寿命を飛躍的に延ばすことが可能になる。

請求項４の発明によれば、ロータの位置を検出するセンサの位置をステータ歯部同士の中間から、回転の逆方向に電気角３０度ずらして配置することにより、電圧印加のタイミングを正転時でも、逆転時でも先回りして検出できるため、正転、逆転ともモータの効率のよい進角で回転させることができる。

請求項５の発明によれば、正逆回転の双方において効率のよい運転ができるため、必要トルクに対する電流が小さくなり制限値を低く設定できるので、消費電流の低減、発熱の抑制の効果がより期待できる。

図１は、本発明に係る電動工具Ａの一例を示し、本発明ではこの電動工具Ａが鉄筋を結束する鉄筋結束機の場合について説明する。この鉄筋結束機Ａは、カートリッジ１からワイヤａを送りモータ２でガイドアーム３に送り出し、鉄筋ｂに巻き回した後、ねじりモータ４を回転させて鉄筋ｂをワイヤａで結束するもので、送りモータ２を正回転させワイヤａを鉄筋ｂに巻き回した後、ねじりモータ４を正回転させてスリーブ（作業部）５を前方にスライド移動させると先端に設けたフック６がワイヤａを掴んだ後、送りモータ３を逆回転させてワイヤａの弛みをとり、再びねじりモータ４を正回転させてスリーブ５を前進させると、このスリーブ５に連係したカッター７が作動してワイヤａがカットされる。

フック６は鉄筋ｂに巻きまわされたワイヤａの一部を掴んだ状態になっているので、ねじりモータ４をさらに正回転させスリーブ５をさらに前進させると、スリーブ５の回転を抑制している図示しない爪から外れ、スリーブ５が回転を始めると、スリーブ５の先端に設けたフック６も一体となって回転し、掴んでいるワイヤａをねじって鉄筋ｂを結束し、結束が終わるとねじりモータ４を逆回転させ、フック６によるワイヤａの掴みをリリースし、スリーブ５を原点に復帰させるようになっている公知の鉄筋結束機である。

本発明の鉄筋結束機は、図２に示すように、モータ４の回転軸１０にはセンサマグネット１１を周面の一部に配置した略円板状のマグネットユニット１２を取り付け、マグネットユニット１２の近傍にはセンサマグネット１１に反応するホールセンサやサーチコイル等の検出センサ１３を備えたもので、検出センサ１３がホールセンサであれば磁束の変化の周期からロータ１４の回転数、電圧からロータ１４の位置が検出でき、検出センサ９がサーチコイルであれば誘起電圧から回転数をアナログ値として検出することができ、ロータ１４の回転位置や回転数からスリーブ５の状態を把握することができるようにしたもので、上述のスリーブ５の位置を位置検出センサを使用することなく判断することが可能になる。例えば、スリーブ５の送り出しに関しては正回転を何回すれば、スリーブ５がどの位置あるのかを把握することができる。

また、動作時間で機器の状態を把握するとバッテリの電圧の変化によりモータの速度が変るため正しく機器の状態を把握できないが、回転量で把握すれば速度に関係なく状態を把握することが可能になる。

次に、上述のねじりモータ４は小型、高トルクが要求されるために、一般的にブラシモータを使用しているが、従来技術の問題点でも説明したように様々な問題があるため、本発明ではこのねじりモータ４をブラシモータに代えてブラシレスモータ（例えば６スロット４極のブラシレスモータ）を使用した場合について説明する。

このねじりモータ４はロータ１５の位置を３つのセンサＨで検出し、その検出結果に基づいてステータ巻線Ｃに電流を流し、ステータ歯部１６に発生する磁界とロータ１５の永久磁石１７の電磁力による吸反発よってロータが回転するもので、ロータ１５の位置を検出するホールセンサＨ（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）を、図３（ａ）に示すようにステータ歯部１６同士の中間（進角０度）に配置すると、正逆何れの回転時においても同じ特性が得られるが、最大のトルクを発生する電流通電タイミングに対して、巻線インダクタンスによる電流の遅れ時間を考慮し、早めに電圧を印加する必要があるために、永久磁石１７を埋め込んだロータ１５の場合、リラクタンストルクを有効に使うためには、上記タイミングより更に、回転方向に先回りしてステータ巻線Ｃに電流を流すことが必要になり、電圧印加のタイミングを早目に検出するため、本発明では、図３（ｂ）に示すように、ロータ１５の位置を検出するセンサＨの位置をステータ歯部１６同士の中間から、逆回転方向に電気角で３０°ｅｌ程度ずらして配置した。このことにより正回転時には高いトルクで回転させることができるようになるが、ロータ１５の逆回転時には上記センサＨとロータ１５の位置が電気角で３０°遅れることになり、正回転時と同じロジックでセンサに対応してステータ巻線Ｃに流す電流を制御すると高いトルクで回転させることができなくなる。上記ロータ１５の正逆何れの回転においても上記ロータ１５の位置を等しく検出するように上記センサＨの検出信号を選択するようにしたものである。

図４は、ねじりモータ４の電気的制御を説明するブロック図で、ロータ１５の位置はホールセンサＨ１〜Ｈ３で検出され、ホールセンサＨ１〜Ｈ３の検出結果に基づいて、制御部２０はインバータ２１に駆動信号を出力し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３）に駆動電流を流し、発生する磁界でロータ１５の永久磁石１７と吸引反発を繰り返してロータ１５を回転させるようにしている。

この制御部２０はロータ１５を正回転させるときは、図５（ａ）に示すように、センサＨ１、Ｈ２、Ｈ３のＯＮ時にはインバータ２１の上アーム（U＋、V＋、W＋）のゲートＧ１〜Ｇ３を順番にＯＮし、センサＨ１、Ｈ２、Ｈ３のＯＦＦ時にはインバータ２１の下アーム（U−、V−、W−）のゲートＧ４〜Ｇ６を順番にＯＮしてステータ巻線Ｃ１〜Ｃ３に駆動電流を流し、ロータ１５を逆回転させるときは、図５（b）に示すように、センサＨ３、Ｈ２、Ｈ１のＯＦＦ時にはインバータ２１の上アーム（W＋、V＋、U＋）のゲートを順番にＯＮし、センサＨ３、Ｈ２、Ｈ１のＯＮ時にはインバータ２１の下アーム（W−、V−、U−）のゲートを順番にＯＮしてステータ巻線Ｃ１〜Ｃ３に駆動電流を流すようにインバータ２１の制御をし、ロータ１５の回転方向を制御している。

なお、上述のロータ１５に配置する永久磁石１７が、図６に示すように円弧状に湾曲した形状であれば、リラクタンストルクが強くはたらくため、電気角で４０°ｅｌ程度の早めの電圧印加が一番効率がよい場合もあり、機器の正転と逆転との比率によっては、どちらかを優先するセンサ配置にしたほうが総合的な入力が低減できることが考えられるため、正転を重視する場合には、正転に対し、例えば電気角４０°進みで配置し、逆転時には電気角２０°進みでのモータ駆動にすることが考えられる。

また、上記制御部２０は、ロータ１５の位置を検出するセンサＨの検出信号をカウントすることによりモータの回転数を認識することが可能になるので、上述のブラシモータの場合と同様に、スリーブ５の位置を位置検出センサを使用することなく、認識することが可能になる。つまり、スリーブ５の送り出しでは正回転を何回すれば、スリーブ５がどの位置あるのかを把握することができる。

例えば、図７のフローチャート図で説明すると、ワイヤの送りモータを回転させてワイヤを送り出し（ステップＳＴ１）、送りモータがＮ１回転すると（ステップＳＴ２）、ワイヤが鉄筋に巻きまわされたと判断し、ステップＳＴ３に進んで送りモータを停止する。続いて、ねじりモータを正回転させてスリーブを前進させ（ステップＳＴ４）、Ｎ２回転するとフックがワイヤを掴む位置に進んだと判断し（ステップＳＴ５）、ステップＳＴ６に進んでねじりモータを停止させた後、送りモータを逆回転させ（ステップＳＴ７）、Ｎ３回転するとワイヤの弛みが取れたと判断し（ステップＳＴ８）、ステップＳＴ９に進んで送りモータの回転を止め、ねじりモータを再び正回転させる（ステップＳＴ１０）。

ねじりモータが回転し、Ｎ４回転すると（ステップＳＴ１１）、スリーブが前進しワイヤーカッターが働く位置まで進んでワイヤがカットされたと判断し、ステップＳＴ１２でトルクの負荷が所定の値になると鉄筋の結束が終了したと判断し、ステップＳＴ１３に進んでワイヤからフックを解除するとともにスリーブを原点に復帰させるためにねじりモータを逆回転させる。ねじりモータがＮ５回転すると、スリーブが原点に戻ったと判断し（ステップＳＴ１４）、ステップＳＴ１５に進んで、ねじりモータを停止し、一連の結束作業が終了する。

なお、ワイヤの結束が失敗し、ワイヤがフックに絡んだ状態になった場合は、電源をＯＦＦして、手でフックを回してワイヤの除去をしなければならないが、上述のモータの動作制御と同様に、トラブル時にも対応させることができる。

ロータの位置はセンサで検出しているので、センサの検出結果からロータの回転位置を判断することが可能になり、ロータの回転位置が判れば、フックの回転位置も判ることになるので、例えば、図８のフローチャート図に示すように、エラー発生時には、図示しないエラー解除ボタンを押すと（ステップＳＴ２０）、ロータが回転し（ステップＳＴ２１）、センサＨ１、Ｈ２、Ｈ３の組み合わせからロータの回転位置が所定の位置(解除位置)になったと判断した時（ステップＳＴ２２）、ステップＳＴ２３に進んでモータを停止させれば、手でフックを回さなくても絡んだワイヤを除去可能な位置でフックを止めることができ、ステップＳＴ２４でトラブル解除作業を容易に行なうことができる。

そして、上記制御部２０はインバータ２１のゲートを制御してロータの正逆回転を制御するとともに、モータに流す電流の大きさも制御している。一般に、モータの起動時、回転転換時には大きな突入電流が流れるが、この突入電流が流れることによりモータが発熱するため、上記制御部２０はこの発熱を抑制するために突入電流を監視し、制御している。

従来の結束機のねじりモータ４に流れる電流は、図９（ａ）に示すように、Ｔ１の時間帯はモータ４を正回転させてスリーブ５を前進させる時間帯で、Ｔ２の時間帯はモータ４を正回転してワイヤをねじり鉄筋を結束する時間帯で、Ｔ３の時間帯はねじったワイヤからフック６を外し、スリーブ５を後退させる時間帯を示している。

各時間帯の始めは突入電流が大きく流れるが、Ｔ１の時間帯は、図９（ｂ）に示すように、スリーブ５を前進させるだけなので負荷が少ないく大きなトルクを必要としないため、制限電流値を２５Ａに設定し、図９（ｃ）に示すように、Ｔ２の時間帯はワイヤをねじって鉄筋を結束するために負荷が大きくトルクを必要とするので制限電流値を４０Ａに設定し、Ｔ３の時間帯は強いブレーキ力が必要になるため突入時には制限電流値を４０Ａに設定しているが回転方向が変ってしまえば大きなトルクを必要としないので制限電流値を２５Ａに切り換えて入力電力の低減を図っている。

この電流制御は、図１０のブロック図に示すように、予め制限電流値を電流設定部２５に設定し、制御部２０はねじりモータ４がどの段階であるかによって電流設定部２５の中から設定値ｓを選択し、比較回路２６でモータ４に流れる電流の実測値ｄと設定値ｓとを比較し、電流の実測値ｄが設定値ｓを超えた場合は電流制限信号ｓ２が短時間（およそ数百ｕｓ以下）Ｌｏになったあと直ぐにＨｉに復帰し、実測値ｄが設定値ｓを超えている間はＬｏ／Ｈｉを繰り返すようになっている。この電流制限信号ｓ２はＡＮＤ回路２７の入力信号になっているので、制御部２０から出力した駆動信号ｓ３は、電流制限信号ｓ２がＨｉのときのみインバータ２１を駆動するインバータ駆動信号ｓ４として出力されることになり、結果として時分割通電でモータへの印加電圧を等価的に下げて、電流を制御（所謂、ＰＷＭ制御）することができるようになっている。

例えば、図９に示すように、スリーブ５を前進させる時間Ｔ１では駆動電流を２５Ａに制限し、ワイヤをねじる時間Ｔ２では駆動電流を４０Ａに制限し、ねじり終了後の時間Ｔ３ではモータを逆転させる段階は駆動電流を４０Ａに制限し、回転方向が変った後は、時間Ｔ１と同様にスリーブ５を後退させるだけなのでトルクを必要としないため駆動電流を２５Ａに制限し、各ステージでモータに印加する電流を制御している。

なお、上述の制限電流値は、例えば複数の抵抗を接続して（どの抵抗を接続するかはマイコンが決定）、基準電圧をアナログ的に変化させることにより制限電流値を変えるアナログ回路の抵抗値として設定されていればよい。

また、センサの検出結果からロータの現在回転数とその積算値を用いて、目標地点までの残回転回数と許容される時間より必要な減速力を予測することが可能になるので、ブレーキを掛け始めるタイミングを調整する、最低限のブレーキ力（ラッシュ電流）に抑制しながら目的地点へ到達させることが可能になり、モータの発熱を抑制することが可能となる。

上述のように、モータを回転させるために必要なホールセンサを、モータの回転だけではなく、機器の状態把握にも利用することができ、機器の状態を検出する検出センサを別途設けることなくモータを回転させるための位置センサを兼任させることにより、機械的に位置検出をすることなくソフト的に位置の検出ができるようになり、センサの数を減らすことにより、センサの組み付けや調整なども必要とせず、組み付け性の向上、部品の数が少なくなることにより品質の安定、向上を期待することができる電動工具を実現することができる。

なお、実施例では鉄筋結束機で記述したが、本発明は、モータを正転・逆転させて制御を行なう結束機類にも適用できる。

本発明の電動工具の一例を示す説明図（ａ）（ｂ）はブラシモータとセンサとの関係を説明する正面図及び側面側斜視図（ａ）（ｂ）はブラシレスモータに設けたセンサの位置の説明図上記ブラシレスモータの駆動を説明するブロック図（ａ）（ｂ）は上記ブラシレスモータの正回転時及び逆回転時のセンサとインバータの駆動信号との関係を説明するタイムチャーチ図ブラシレスモータの他の例の説明図鉄筋結束機の一連の流れをモータの回転数で制御するフローチャート図障害発生時のリカバリーを説明するフローチャート図（ａ）〜（ｃ）は上記鉄筋結束機のモータに流れる電流の変化と制御後の電流の説明図上記電流制御を行なうためのブロック図

符号の説明

４モータ
１５ロータ
１６ステータ歯部
２０制御部
２１インバータ
Ａ電動工具
Ｈセンサ

Claims

モータの正逆回転を一回以上繰り返して作業部を動作させる電動工具において、上記モータのロータの位置を検出するセンサを有し、該センサの検出信号によって上記モータの回転数と回転位置との何れか一方、又は両方を計測し、計測結果から上記作業部の作動状態を認識することを特徴とする電動工具。
前記電動工具は前記モータの駆動電流を制限する制限手段を備え、該制限手段は上記電流の制限を少なくとも２段階以上の電流値に制御する、請求項１記載の電動工具。
前記電動工具は前記センサを３個以上有し、前記モータをブラシレスモータで構成した、請求項１記載の電動工具。
前記センサを、ステータの歯部同士の中間から電気角を３０°±θ°進角するように配置し、前記モータの回転数を制御する制御部は、上記センサによるロータの位置の検出結果に基づいてモータを駆動する駆動信号を制御し、該制御部は上記ロータの正逆何れの回転においても上記ロータとセンサの検出信号との関係が同等になるように上記センサの検出信号を選択する、請求項３記載の電動工具。
前記電動工具は前記モータの駆動電流を制限する制限手段を備え、該制限手段は上記電流の制限を少なくとも２段階以上の電流値に制御する、請求項４記載の電動工具。