JP2008161050A - 電動工具用交流／直流チョッパ - Google Patents

Abstract

【課題】手持ち式電動工具及び電気器具のような、安価に使用できる二重絶縁電動式器具用の二モード装置を提供する。
【解決手段】装置は、バッテリ電力モジュール１４とライン電力モジュールを含んでいる。ライン電力モジュールは、フィルタ無しの高効率変換回路を備えたチョッパ・モジュール２１Ａを含んでいて、電動工具に必要とされる電力と電流とを発生する。電動工具用モータ１１のインダクタンス２２は、チョッパ・モジュール２１Ａの出力をフィルタするために使用されている。チョッパ・モジュール２１Ａから出力フィルタを省くことは、ライン電力モジュールのコスト及びサイズを低減する。ライン電力モジュールは交流あるいは直流の入力電力をフィルタするためのＥＭＩフィルタ１５を含んでいる。チョッパ・モジュール２１はフィルタされた電圧をチョップし、電動工具用モータ１１に適している直流電圧レベルを有する一連の電圧パルスを提供している。
【選択図】図３

Description

本発明は電動工具、特に、内蔵電源によるコード無しモード、又は商用の交流電源若しくは交流／直流発電機によるコード付きモードのどちらでも作動できる、ポータブルな手持式電動工具に関する。

コード無しモードで作動する電動器具は、一般に取りはずし可能なバッテリパックにより給電される。バッテリパックは、一つ以上のセルに完全に封入されていて、器具の作動に必要な直流電力を提供している。歴史的に、コード無し電動器具は、シェーバ及び手持式計算器のような比較的低電力の器具を含んでいた。バッテリ技術における最近の発展は、より多くのエネルギを貯蔵しかつ高電力器具の駆動を可能にするバッテリの開発をもたらした。これらの器具は、例えばポータブルな手持式電動工具及び５０Ｗから１００Ｗまでの電力レベルにおいて作動する電気器具を含んでいる。コード無し器具を使用することは、商用電源が利用出来ないか、使用するのに不便な場所において実施する作業を可能にしている。しかしながら、コード無し器具の使用は、バッテリパックの実質的な充電容量及びバッテリパック交換のアベイラビリティにより制約されている。バッテリパックが放電すると、再充電するか完全に充電したパックと交換しなければならない。従って、制約のある使用期間を相殺するために；予備のバッテリパックあるいは選択的にコード付き交流変換モジュールがコード無し工具に使用されねばならないか、コード付き電動工具が用意されねばならない。

バッテリとバッテリ充電器との両方とも、意図する電動器具に比較して高価である。高電力用バッテリは、同等の電動器具のコストの約３０％コストが高い。バッテリを再充填する間のコード無しモード作動を可能にし、かつ放電したバッテリを交換するために予備のバッテリが必要とされる。電動工具の作動時にバッテリから使用する高電力、バッテリの放電度合、充電／放電サイクルの回数及びバッテリ再充電速度のすべてがバッテリの使用可能寿命を縮めている。バッテリ再充電のために、急速充電器又は細流充電器が使用されるにちがいない。急速充電器は、バッテリにより給電されている電動工具又は電気器具におけるコストのかなりの部分を占めるにちがいない。細流充電器は、急速充電器に比較して非常に安価であるけれど、バッテリパックの充電に約半日を要する。急速充電器は他方でバッテリパックを約１時間以内で充電することができる。従って、多数のバッテリパックを用いた細流充電器の使用と、非常に少ない交換用バッテリを用いたコストの高い急速充電器との間におけるトレードオフが実施されねばならない。

選択可能なコード付き交流変換モジュールがつい最近ポータブル形コード無し電動工具に備えられるようになってきた。交流変換器モジュールは交流電源に接続され、バッテリパックと互換可能になっている。コード付き交流変換器モジュールは、交流電源からの電力を、電動工具のモータに使用可能な制御された低電圧直流に変換する。そのような器具は、工具の使用者が必要に応じてコード無しモードあるいはコード付き交流モードのどちらかで工具を使用することを可能としている。従って、そのような器具のアベイラビリティは、コード無し工具の使用者が、バッテリパックが放電した場合に仕事を完成し、あるいはバッテリパックが充電中で十分に充電されたバックアップのバッテリが使用できない場合に工具の使用を継続することを可能にしている。従って、コード付き変換器モジュールを使用することにより、予備のバッテリパックの必要性が低減されている。

予備のバッテリパックか、コード付き電動器具かの選択にまさってコード付き変換器モジュールへの望みを増大するために、高品質の器具を維持する一方で、可能な限りの最低コストにおいて所望する電気出力容量を提供する必要である。コード付き変換器のコストは変換器モジュールの電気出力容量に大きく関係している。従ってコード付き変換器モジュールの電気出力容量が対応するバッテリパックの電気出力容量と同等であることが所望される。さらにコード付き変換器モジュールの最大包絡面は、互換性のあるバッテリパックの包絡面に一致されねばならない。２４Ｖ以上のコード無し工具の使用において、従来形のコード付き変換モジュールの包絡面は、手持ち式電動工具のような電動器具を駆動するために必要とされる電気出力レベルを維持するのに適切なものである。１８Ｖ以下の電圧の工具において、より小型のバッテリパックサイズは、同等の給電チョッパ回路の設計者に問題を提供している。従って、コード付き変換器の電気出力容量における制約はサイズ及びコストを最小化し、信頼性を向上することである。コード付き変換器のコスト最小化の従来の試みは、変換器モジュールの電気出力容量を所定の電動工具の必要とする電力に合わせ、続いて結果としての変換器モジュール構成部品のコストを最小化することに注がれていた。電動工具をうまく駆動するために必要とされる最小電気出力の変換器モジュールを設計することにより、より低コストの電気部品を変換器用に選択することができる。しかしながら、所望する電気出力容量が得られる単に最低コストの器具を選択することは非本質的なコスト低減を招くだけである。

コスト低減を達成するために、コード付き変換器モジュールの構造から構成部品を省く必要がある。従来の応用分野において、政府の安全基準を満たすために従来形のコード付き変換器モジュールにおいて使用される電力変圧器が省かれた（米国特許出願第０９／４５８２８５号参照）。安全基準を満たすために電力変圧器を使用する代りに、二重絶縁式ケースに期待が掛けられた。一般に電力変圧器及び電力用インダクタを含めた電力用磁気装置はコード付き変換モジュールの中でも比較的低コストの構成部品である。通常、従来形コード付き変換器モジュールは、電動工具モータに適用される電圧をフィルタするために出力コンデンサと組合わせて電力用インダクタを使用している。電力用インダクタは通常コード付き変換器モジュールの他の構成部品に比較してかさがあって高価である特注機器である。電力用インダクタからのフィルタされた電圧はモータに使用され、そのモータはモータ構造に固有のインダクタンスを有している。所望される電気出力容量に合わせるために、電力用インダクタの構造を最適化することは非本質的なコスト低減をもたらすだけである。

バッテリパック及びバッテリ充電器のコストに当面したコード無し電動工具の使用者は、電動工具用の高価なコード付き変換器モジュールをさがしているに違いない。交流電源が近くにある場合代替品として多くはコード無し工具の代りにコード付き電動工具を購入している。コード付き変換器モジュールのコスト最小化への試みは、モータに適用される電圧をフィルタするために出力コンデンサと組合わせて電力用インダクタを使用することのコストにより制約されてきた。コード付き変換器モジュールの電気出力レベルを下げることによりさらなるコスト低減を達成することは、電動器具の給電を下げることにおいてもたらされるであろう。手持ち式電動工具用のコード付き変換モジュールを提供するために従来技術を使用する場合、使用するために便利な低コストのモジュールを提供できる可能性は証明されていない。

本発明はユニークな方法でモータ駆動電圧をフィルタすることによりコストを低減するものである。本発明は、個別の出力フィルタというよりはむしろ電動工具のモータ巻線のインダクタンスを使用する。コード付き変換モジュールから電力用インダクタ及び出力コンデンサを省くことはモジュールのコスト及び重量を著しく低減する。低価格のコード付き電力モジュールはコード無し電動工具の使用者に、交流電源が使用可能な場合コード付き電力モジュールを使用するという低コストのオプションを提供する。このことは独立したコード付き電動器具の購入コストを省き、購入しなければならないバッテリパックの数を低減している。

出力フィルタ無しで作られたコード付き電力モジュールは、出力フィルタ付きで作られたモジュールに比較して非常に安価である。さらに出力フィルタを省くことはモジュールを軽量化し、使用者に満足感をもたらす。
本発明をより完全に理解するために、その目的及び利点が以下の明細書と添付図面とにより説明される。

図１及び２において、本発明による二モード式ポータブル型電動工具（１２）が示されている。本発明は往復動のこぎり（１２）を用いて説明されているけれど、特定の工具が例示されているもので、本発明の教示にもとづいて作られた、円形のこぎり、ドリル、サンダーあるいは他の同様なポータブル型工具であってもよいことは理解されるであろう。

電動工具（１２）は、歯車列（図示されていない）を介して直流モータ（１１）により駆動される工具インターフェース（図示されていない）を含んでいる。モータ（１１）は、ハウジング（９１）の中に取りつけられていて、そのハウジングからハンドル（９２）が延伸している。トリガスイッチ（９３）がモータ（１１）の背後におけるハンドル（９２）に取りつけられている。本実施例において、直流モータ（１１）は２４Ｖ直流源により給電されるようになっていて、他の直流電圧系統１８Ｖあるいは１００Ｖのような直流電圧装置が使用されてもよい。図１に示す第一操作モードにおいて、電動工具（１２）は着脱式バッテリ電力モジュールにより給電されている。代りに図２に示すように電動工具（１２）は、電動工具にバッテリ電力モジュール（１４）の代わりに差し込めるようになっているライン電力モジュール（１６）を介して、一般の１１５Ｖ交流ライン電力から給電されてもよい。さらに電動工具（１２）は１００Ｖの交流あるいは２４０Ｖの交流及び直流発電機（図示されていない）からライン電力モジュール（１６）を介して給電されてもよい。電気回路の説明に続いて電動工具（１２）の機械的構造についてより詳細に説明する。

図３に、本発明の教示にもとづく工具電力システムの第一実施例を示す。電力システムは、整流された交流あるいは直流の入力電圧をモータ（１１）に使用するチョップされた出力電圧へ変換する、チョッパ・モジュール（２１ａ）を含んでいる。好適な実施例において、チョッパ・モジュール（２１ａ）は変圧器のない構造であるけれども、フォーワード（forward ）、ハーフ・ブリッジ（half-bridge ）、フライバック（flyback ）のような変圧器で絶縁された構造を使用することも本発明の範囲内である。さらに本実施例は２５KHz の固定した周波数で運転されるけれども、本明細書で後述するようにより高いあるいは低い周波数で運転できる給電システムが考えられている。商用の１１５Ｖ交流に接続されたライン電力分配器（１８）はライン電力を提供する。ライン電力分配器（１８）は、チョッパ・モジュール（２１）から交流ラインに伝わる高周波エミッションを減衰するために、ＥＭＩフィルタ（１５）を含んでいる。ＥＭＩフィルタ（１５）へ接続した全波ブリッジ整流器（ＦＷＳ）（１７）は線間電圧を整流する。チョッパ・モジュール（２１ａ）は整流された電圧をチョップし、チョップされた電圧を直流モータ（１１）へ供給し、従って電動工具（１２）へ制御された電力を提供する。電力用インダクタ及び出力コンデンサのような出力のフィルタリングは交流コンポネントのスイッチング周波数を減衰するために使用されない。代りにモータ（１１）のインダクタンス（２２）がチョップされた電圧をフィルタするために使用される。

図４は、モータ（１１）に使用するチョップされた電圧（Ｖｍ）と、モータインダクタンス（２２）の作用で平均化によりもたらされるモータ電流（Ｉｍ）とを示している。出力電圧をフィルタするためにモータ（１１）のインダクタンス（２２）を使用することは、チョッパ・モジュール（２１ａ）における出力フィルタの必要性を省き、従って電動工具（１２）のコストを低減し、かつ電力分配器（１８）の容積が小さくなる。チョッパ・モジュールの選択されたスイッチング周波数はインダクタンス（２２）の値に大きく影響を受ける。チョッパ・モジュールのスイッチング周波数は、好ましくは、モータインダクタンス（２２）を流れる電流値がスイッチング周波数における平均電流の約１０％未満で変動するように選択されている。しかしながら、モータインダクタンス（２２）を流れる電流が約４０％未満で変動するように、スイッチング周波数を選択することは本発明の範囲内である。操作量（１９）はチョッパ・モジュール（２１ａ）のデュティサイクル設定用の信号を提供していて、直流モータ（１１）に使用される平均直流電圧はモータ（１１）の使用範囲内に維持される。実施例において、操作量（１９）は電動工具におけるトリガスイッチにより提供されたオープンループ信号である。しかしながら、モータ電流、バックＥＭＦ電圧及びモータ回転数のような、電動工具パラメータを監視することにより、電動工具の閉ループ制御提供することは、本発明の範囲内である。電動工具のパラメータ監視用センサは、タコメータ、モータのバックＥＭＦ電圧モニタ、モータ電流モニタ、モータ平均電圧モニタ及びＤＳＰモータ電流通信ＤＳＰを含んでいる。

チョッパ・モジュール（２１ａ）はバッテリパック（図示されていない）から直流電圧を供給するバッテリ電力モジュール（１４）により給電されている。バッテリ電力モジュール（１４）が電力分配器（１８）に代わってチョッパ・モジュール（２１）へ接続している。使用にあたって、バッテリ電力モジュール（１４）からの直流電圧は、操作量（１９）に応答してチョッパ・モジュール（２１ａ）によりチョップされ、かつ直流モータ（１１）へ供給される。同様に交流ラインからの使用にあたって、チョップされた電圧は、モータ（１１）の内部インダクタンス（２２）を通してフィルタされ、モータ（１１）の使用範囲内の平均直流電圧を提供する。

図５は本発明にもとづいて作られた、電動工具（１２）用の電力サブシステムの好適な実施例のブロック線図である。電力サブシステムは、ライン電力を工具モジュール（２０）へ供給するチョップされた電圧に変換する、ライン電力モジュール（１６ａ）を含んでいる。代りに、バッテリ電力モジュール（１４）はバッテリパック（図示されていない）から、直流電圧を工具モジュール（２０）へ提供している。工具モジュール（２０）は二つの使用モードを有している。工具モジュール（２０）が、ライン電力モジュール（１６）へ接続された場合、チョップされた電圧をライン電力モジュール（１６）から直流モータ（１１）へ供給する。さらに、工具モジュール（２０）は、トリガスイッチ位置（図示されていない）に対応する操作量（１９）を受け取り、対応するＰＷＭ制御信号（２４）を、チョップされた電圧のデューティサイクルを制御するために、ライン電力モジュール（１６）へ送る。工具モジュール（２０）は、バッテリ電力モジュール（１４）へ接続された場合、バッテリパックからの直流電圧をチョップし、チョップした電圧を直流モータ（１１）へ供給する。チョップされた電圧のデューティサイクルは操作量（１９）により制御される。

図６は本発明の原理にもとずく電動工具給電サブシステムの第一実施例の詳細ダイアグラムを示す。電力サブシステムはライン電力を工具モジュール（２０ａ）へ供給するチョップされた電圧に変換するライン電源モジュール（１６ａ）を含んでいる。代りにバッテリ電力モジュール（図示されていない）がバッテリパック（図示されていない）から直流電圧を工具モジュール（２０ａ）へ提供している。

ライン電力モジュール（１６ａ）は入力ライン電力をフィルタし整流する、ＥＭＩフィルタ（図示されていない）及び全波ブリッジ整流器（ＦＷＢ）（１７）を含んでいる。入力電力を反復チョップするための直列スイッチ（２６）がＦＷＢ（２２）とモータ（１１）との出力側に直列に接続されている。チョッパ・コントローラ（２８）が直列スイッチを制御するために動作信号を供給する。インターフェース回路（３０）が工具モジュール（２０ａ）からチョッパ・コントローラ（２８）へ接続される。本実施例においてインターフェース回路はオプトカプラーであるけれど、差動増幅器及び信号変換器のような、他のインターフェース回路は本発明の範囲に含まれるものである。インターフェース回路（３０）は、直列スイッチ（２６）のデューティサイクルを制御するための工具モジュール（２０ａ）からのデューティサイクル信号（２４）を受け取る。直列な抵抗（３３）を備えた電圧源（３２）は、工具モジュール（２０ａ）からのデューティサイクル信号（２４）用の電流路を提供している。フリー・ホィーリングダイオード（３８）は、直列スイッチ（２６）が動作していない場合の期間におけるモータ電流用の電流路を提供している。

図６において、工具モジュール（２０）は二つの使用モードを有している。工具モジュール（２０ａ）がライン電力モジュール（１６ａ）へ接続された場合、チョップされた電圧をライン電力モジュール（１６ａ）から直流モータ（１１）へ供給する。さらに、工具モジュール（２０ａ）はトリガスイッチ位置（図示されていない）に対応する操作量（１９）を受け取り、対応するデューティサイクル信号（２４）を、ライン電力モジュール（１６ａ）へチョップされた電圧のデューティサイクルを制御するために送る。工具モジュール（２０ａ）は、バッテリ電力モジュール（１４）へ接続された場合（図３）、バッテリパックからの直流電圧をチョップし、チョップした電圧を直流モータ（１１）へ供給する。チョップされた電圧のデューティサイクルは操作量（１９）により制御される。

工具モジュール（２０ａ）は、デューティサイクル信号（２４）をライン電力モジュール（１６ａ）に送るための、かつバッテリ電力モジュール（図示されていない）からの直流電圧をチョップするための直列スイッチ（３４）を有している。工具コントローラ（３６）は、工具モジュールの直列スイッチ（３４）を操作量（１９）に応答して制御する。フリー・ホィーリングダイオード（４０）がバッテリ電力モジュールに接続していて、バッテリ電力モジュール（図示されていない）が工具モジュール（２０ａ）に接続された場合の、フリー・ホィーリングモータ電流用の電流路を提供している。ダイオード（４０）は、通電損失を低減するためにショットキーダイオードあるいは他のファースト・リカバリダイオードが選択される。

図６において、ライン電力モードにおける例示の実施例の操作は以下のとおりである。使用者が、工具モジュールコントローラ（３６）への所望する操作量（１９）を提供するためにトリガスイッチ位置を調節する。操作量に応答して工具モジュールコントローラが、電圧源（３２）及び直列な抵抗（３３）を交互に短絡しかつ開路とする、工具モジュールの直列スイッチ（３４）の動作を制御する。開路となった場合電流は、電圧源（３２）、直列な抵抗（３３）、及びインターフェース回路（３０）への入力を通って流れる。インターフェース回路からの出力信号は、チョッパ・コントローラ（２８）により平均化され、かつライン電力モジュールの直列スイッチ（２６）のパルス巾を制御するために使用される。当業者において理解されるように、直列スイッチ（２６）を動作するために、チョッパコントローラ（２８）をインターフェース回路からの出力信号に同期させ、かつチョッパパルスに重ね合わせた信号のパルス巾を使用することは、本発明の範囲内である。直列スイッチ（２６）のターンオンに応答して、電流がＦＷＢ（１７）からモータの内部インダクタンスを通ってＦＷＢ（１７）へ戻る前にライン電力モジュールの直列スイッチへ流れる。直列スイッチ（２６）がターンオフすると、内部インダクタンス（２２）を介してランプアップしつつあった電流が、内部インダクタンス（２２）からモータ（１１）を通って流れ、ライン電源モジュールのフリー・ホィーリングダイオード（３８）へ戻るようにランプダウンし始める。

バッテリ電力モードの間、ライン電力モジュール（１６ａ）はバッテリ電力モジュール（図示されていない）に交換される。再度使用者が工具モジュールコントローラ（３６）への所望する操作量（１９）を提供するためにトリガスイッチ位置を調節する。操作量に応答して、工具モジュールコントローラが、交互にターンオン、ターンオフする工具モジュールの直列スイッチ（３４）の動作を制御する。本実施例において、パルス巾の変調が採用されているけれども、周波数変調のような他の変調方法を使用することも本発明の範囲内である。スイッチ（３４）がターンオンすると、電流がバッテリ電力モジュールから内部インダクタンスを通ってモータ（１１）へ流れ、バッテリ電力モジュールへ戻る前にバッテリ電力モジュールの直列スイッチ（３４）へ流れる。直列スイッチ（３４）がターンオフすると、内部インダクタンス（２２）を介してランプアップしつつあった電流が、内部インダクタンス（２２）からモータ（１１）、ライン電力モジュールのフリー・ホィーリングダイオード（４０）、さらにバッテリ電力モジュールのジャンパ線（１０１）を通って流れるようにランプダウンし始める。ジャンパ線（１０１）が、低電圧ダイオード（４０）と高電圧ダイオード（３８）との相反するレーティングに対する解決への鍵である。

図７に、本発明にもとずく電動工具電力システムの第二実施例を示す。第二実施例は、ライン電力モード時におけるライン電力をチョップするためのチョッパ・モジュール（１６ｂ）と、バッテリ電力モード時におけるバッテリをチョップするための工具モジュール（２０ｂ）とを含んでいる。チョッパ・モジュール（１６ｂ）は、ＦＷＢ（１７）、チョッパ・コントローラ（４２）、フリー・ホィーリングダイオード（４４）及び直列スイッチ（４６）を備えている。ＦＷＢ（１７）は１２０Ｖの交流で６０Hzの入力電力を整流する。直列スイッチ（４６）はライン電力を整流し、かつチョップされた信号を工具モジュール（２０ｂ）を介してモータ（１１）へ送る。チョッパ・コントローラ（４２）は、工具モジュール（２０ｂ）からのデューティサイクル信号（４８）に応答して直列スイッチ（４６）を制御する。フリー・ホィーリングダイオード（４４）は、直列スイッチ（４６）が動作状態にない場合に、モータ（１１）からの電流用の電流路を提供する。

工具モジュール（２０ｂ）はバッテリ電力モード時におけるバッテリ電力をチョップするための直列スイッチ（５０）を備えている。バッテリ電圧より僅かに高い破壊電圧を有している低電圧ＭＯＳＦＥＴが直列スイッチ（５０）として使用されている。ライン電力モード時において直列スイッチ（５０）は連続的にターンオンされていて、ライン電圧が装置の破壊電圧Ｖdsを超過ストレスすることを防止する。ゲート抵抗器（５２）が工具コントローラ（５４）と直列スイッチ（５０）との間に接続されている。工具コントローラ（５４）は、バッテリ電力モード時において、工具モジュールの直列スイッチ（５０）を動作する出力を変調されたパルス巾を供給していて、ライン電力モード時において、デューティサイクル信号をチョッパ・モジュール（１６ｂ）へ供給している。ダイオード（５８）が、回路電力を供給するためにモジュールの給電ポート（４８）から工具コントローラ（５４）に向けて接続されている。デューティサイクル信号をチョッパ・モジュール（１６ｂ）へ提供する信号ダイオード（５６）が、モジュールの給電ポート（４８）から直列スイッチ（５０）の入力に向けて接続されている。バッテリ電力モード時における別の回路電力源を供給するための電力ダイオード（６０）が、モータ入力電力から工具コントローラ（５４）に向けて接続されている。フリー・ホィーリングダイオード（６２）が、バッテリ電力モード時における、モータ（１１）からの電流用電流路を提供するためのバッテリ電力モジュールのジャンパ線（図示されていない）を介して、モータ（１１）と平行して接続されている。

第二実施例における運転は、パルス巾信号を工具モジュール（２０ｂ）からチョッパ・モジュール（１６ｂ）に向けて接続する方法をのぞいて、第一実施例における運転と同様なものである。ライン電力モード時において、チョッパ・モジュール（１６ｂ）が工具モジュールの直列スイッチ（５０）を連続的にターンオンしていて、かつ回路電力をモジュールの給電ポート（４８）を介して工具モジュール（１６ｂ）へ提供している。工具モジュール・コントローラ（５４）の出力が高位状態にある場合、信号ダイオード（５６）は、リバース・バイアスされチョッパ・モジュール（１６ｂ）からの電流が工具コントローラ（５４）へ流れることを防止している。工具モジュール・コントローラ（５４）の出力が低位状態にある場合、信号ダイオード（５６）は、フォワード・バイアスされ電流がチョッパ・モジュール（１６ｂ）から工具コントローラ（５４）へ流れることを可能にしている。チョッパ・コントローラ（４２）は、デューティサイクル信号４８の電流値の変化を検出することによりデューティサイクル情報を得ている。

図８Ａに本発明の原理にもとずく電動工具電力サブシスの好適な実施例を示す。本好適な実施例は、ライン電力モード時におけるライン電力をチョップするためのチョッパ・モジュール（１６ｃ）と、バッテリ電力モード時におけるバッテリ電力をチョップするための工具モジュール（２０ｃ）とを含んでいる。第二実施例と同様にチョッパ・モジュール（１６ｃ）は、ＦＷＢ（１７）、直列スイッチ（４６）及びフリー・ホィーリングダイオード（４４）を備えている。さらにチョッパ・モジュール（１６ｃ）は、チョッパ・コントローラ（６４）、インターフェース回路（６６）及びモジュール電力回路（６８）を含んでいる。チョッパ・コントローラ（６４）は、インターフェース回路（６６）を介して送られる、工具モジュール（２０ｃ）からのデューティサイクル信号（７２）に応答して直列スイッチ（４６）を制御する。

第二実施例と同様に工具モジュール（２０ｃ）は、バッテリ電力モード時におけるバッテリ電力チョップ用の直列スイッチ（５０）、ゲート抵抗器（５２）、工具コントローラ（５４）、ダイオード（５８）、フリー・ホィーリングダイオード（６２）及び別の回路電力源を供給するための給電ダイオード（６０）を備えている。さらに工具モジュール（２０ｃ）は、デューティサイクル信号をチョッパ・モジュール（１６ｃ）へ提供するための信号ダイオード（７０）を含んでいる。信号ダイオード（７０）は、モジュール給電回路（６８）から直列スイッチ（５０）の入力に向けて接続されていて、ライン電力モード時においてスイッチ（５０）を連続的にターンオンしている。工具コントローラ（５４）の出力（７４）は、デューティサイクル信号（７２）を提供するためにインターフェース回路（６６）へ接続されている。

本好適な実施例における運転は、パルス巾信号を工具モジュール（２０ｃ）からチョッパ・モジュール（１６ｃ）に向けて接続する方法をのぞいて、第一実施例における運転と同様なものである。ライン電力モード時において、チョッパ・モジュール（１６ｃ）のモジュール給電回路（６８）が工具モジュールの直列スイッチ（５０）を連続的にターンオンしていて、かつ回路電力を工具モジュール（１６ｃ）へ提供している。工具モジュール・コントローラ（５４）の出力（７４）が高位状態にある場合、出力（７４）からの電流は、チョッパ・モジュール（１６ｃ）のインターフェース回路（６６）を介して流れ、デューティサイクル情報を提供している。チョッパ・コントローラ（６４）は、パルス化されたデューティサイクル情報を平均化し、かつ応答してチョッパ・モジュールの直列スイッチ（４６）を制御する。デューティサイクルの平均化は、チョッパ・コントローラ（６４）と工具コントローラとが同期されずに運転されることを可能にしている。

図８Ｂに本発明の原理にもとずく別の実施例を示す。この実施例は、バッテリ電力モジュールとライン電力モジュールとの両方における給電路が、共通であるチョッパ・モジュールは含まれていないという点において、前の実施例と異なっている。代りに、唯一つのチョッパ・モジュールが、バッテリ電力モジュール（１４ｄ）とライン電力モジュール（１６ｄ）とのそれぞれに含まれている。この構造は、主通電路から一つのＭＯＳＦＥＴを省くことによりライン電力モード時においてより高い効率を提供する。しかしながら、バッテリ電力モジュールの中にＭＯＳＦＥＴを配設することは、バッテリアセンブリが受ける熱を増加している。

バッテリ電力モジュール（１４ｄ）はバッテリ電力を供給するためのバッテリアセンブリ（８０）を含んでいる。チョッパ・モジュール（８２）はバッテリ電力を、工具コントローラ（８４）を介してモータ（１１）へ送られる一連の電圧パルスに変換する。デューティサイクル信号（８６）は、工具コントローラ（８４）から電圧パルスのデューティサイクルを制御するためのチョッパ・モジュール（８２）へ送られる。チョッパ・モジュール（８２）は、バッテリアセンブリ（８０）から供給された電圧をチョップするための、比較的低電圧のＭＯＳＦＥＴ（図示されていない）を含んでいる。

ライン電力モジュール（１６ｄ）は、高周波成分を減衰しライン電力を整流するためのＥＭＩフィルタ（８７）とＦＷＢ（８８）とを含んでいる。ＦＷＢ（８８）の出力は、整流されたライン電力を一連の電圧パルスに変換するチョッパ・モジュール（９０）へ送られていて、その一連のパルスは工具コントローラ（８４）を介してモータ（１１）へ送られる。工具コントローラ（８４）からのデューティサイクル信号（１６ｄ）は、ライン電力モジュール（７８）のチョッパ・モジュール（９０）へ送られる。ＦＷＢ（８８）を介して供給された整流された電圧をチョップするために、比較的高電圧のＭＯＳＦＥＴ（図示されていない）がチョッパ・モジュール（９０）に使用されている。

前述の実施例に示すように、本発明は、好ましくは変圧器で絶縁されていないライン電力モジュールにより実行されているけれど、変圧器で絶縁することを使用することも本発明の範囲内である。変圧器で絶縁しない技術は以前出願された米国特許出願第０９／４５８２８５号に説明されている。出力フィルタの削除に加えて電源変圧器を削除することは、さらなるコスト低下と回路の複雑さを低減しサイズの縮小となる。従って本発明の好適な実施例は変圧器で絶縁しないライン電力モジュール（１６）にて実行されている。以下に詳述するように、変圧器での絶縁を省くことは、電動工具（１２）に使用されるハウジングと電源インターフェースとのタイプに影響する。

図１において、本好適な実施の形態における電動工具モータ（１１）は比較的低電圧の直流電源（すなわち４２．４Ｖ未満の直流電源）により給電されるようになっていて、好適な実施例における電動工具（１２）のハウジング（９１）は、工具の電力システムに対して二重に絶縁されている。当業者において公知であるように、商用電源のような高電圧電源で運転されるようになっている、電動工具又はコード付き電動工具は、一般に安全上の理由から工具のハウジングが工具の電力システムに対して二重に絶縁されるように作られている。このように、工具の使用者は工具の電力システムにおける短絡時における電気的ショックに対し保護されている。一般に、コード無しあるいは直流式電動工具は低電圧電源により給電されていて、従ってそのような安全上の必要性はない。従って従来形直流式電動工具は、工具の電力システムに対してハウジングを絶縁していない。

当然のことであるが、高圧の交流の所内電源から給電される、多くの直流電源ポータブル型装置がある。この運転を可能にするために、交流／直流給電装置は、通常出力フィルタを変圧器と組合わせて使用していて、高電圧の交流電源に対して絶縁された直流出力を提供している。直流出力は電動器具を作動するために必要な電力を提供する。

この解決方法はポータブル型ステレオのような比較的低電圧で作動される器具に対しては受け入れ可能なものであるが、多くのポータブル型電動工具電力への要求は、大出力フィルタと、かさが大きいだけでなく非常に重量のある降圧変圧器との使用を必要とする。従って、所内交流電源から代りに給電することのできる直流駆動式工具はほとんど商業的に供されない。

本発明は、電動器具駆動用のフィルタされない出力を有する比較的軽重量の変換装置を提供することにより、このジレンマを解決するものである。図３における本好適なチョッパ・モジュール（２１ａ）において、出力フィルタを省くことにより、電動工具（１２）のモータ（１１）へ供給される出力電圧は、一連の電圧パルスとなっている。モータ（１１）のインダクタンス（２２）が電圧パルスをフィルタするために使用されていて、モータ（１１）に適した平均電圧が作用するようになっている。好適な実施例において、出力フィルタに加えて降圧変圧器も削除されている。本好適なチョッパ・モジュール（２１ａ）において変圧器による絶縁を削除することにより、電動工具（１２）のモータに供給される出力電圧は１１５Ｖの交流入力に基準化される。従って、電動工具の電力システムに対する工具ハウジングの二重の絶縁が必要とされる。４２．４Ｖより高い最大電圧振幅を有する出力を提供する降圧変圧器が使用される場合も、二重に絶縁されたハウジングが必要となる。

さらに、本好適な実施例は降圧変圧器を使用しないので、電源インターフェースが雄形コネクタを備えていて、その雄形コネクタは、ライン電力モジュール（１６）における特別に加工された雌形コネクタに電気的接触し、従って電力をそこから受け取るようになっている。従ってライン電力モジュール（１６）が非絶縁構造であるにもかかわらず、高電圧電源で電動工具を運転するためのすべての適用可能な安全上の要求を満たしている。本発明における好適な実施例に使用されている、ハウジングと電源インターフェースとの詳細説明を後述する。

図９及び１１において、本発明におけるバッテリ電力モジュール（１４）が一般に、ハウジング（１１８）と、例示の実施例において２４Ｖのニッケル−カドミウム・バッテリで示されるバッテリ（１２０）と、バッテリパック・ターミナルブロック（１２２）とを含んでいる。バッテリ電力供給モジュール（１４）の工具（１２）への脱着可能な取りつけを容易にするために、ハウジング（１１８）の上部（１２５）が一対のガイドレール（１２４）を含むべく形成されている。ガイドレール（１２４）は、工具（１２）のハンドル（９２）に形成された協働チャンネル（１１３）（図１）の中へ摺動可能に受け入れられるようになっている。バッテリ電力供給モジュール（１４）の工具（１２）への脱着可能な取りつけをさらに容易にするために、ハウジング（１１８）の上部（１２５）がさらに凹部（１２６）を形成している。凹部（１２６）は、工具（１２）のハウジングにより担持されたラッチ（図示されていない）を受け入れるようになっている。ラッチは、従来形の構造及び使用方法のものであり、下向き位置にばねで付勢されていて、交換可能なバッテリ電力供給モジュール（１４）の挿入時に凹部（１２６）へ係合するようになっている。従って本発明に関する限り従来の方法でラッチのばね付勢力が打ち勝まで、バッテリ電力供給モジュール（１４）の取りはずしは阻止されている。

図９及び１１において、バッテリパック・ターミナルブロック（１２２）が、剛なプラスチック又は他の適切な材料で作られた主ボデー部（１２８）と、複数のブレード型ターミナル（１３０）とを備えている。例示の実施例において、バッテリパック・ターミナルブロック（１２２）は四つのブレード型ターミナル（１３０）を含んでいる。ブレード型ターミナル（１３０）の二つは、バッテリ（１２０）用の陽極を陰極とのターミナルを備えている。三つ目のターミナル（１３０）は、バッテリ（１２０）の温度監視用に使用されてもよくて、四つ目のターミナルはバッテリタイプ（例えば２４ＶのＮｉＣａｄ）を特定するために使用されてもよい。図１１に最もよく示すように、一対の穴１３２が、ブレード型ターミナル（１３０）列の両側で、バッテリパックハウジング（１１８）の上部（１２５）における二つのガイドレール（１２４）に形成されている。これらの穴の機能を後述する。

図１２に電動工具（１２）のターミナルブロック（１３４）を示す。ターミナルブロック（１３４）の主ボデーも、剛なプラスチック材料で作られていて、さらに、バッテリパックが工具（１２）に挿入される場合、バッテリ電力供給モジュール（１４）の四つの対応するブレード型ターミナル（１３０）をガイドする、一列になった四つのＵ字形滑り溝（１３６）を形成されている。雌形コネクタ（１３８）が、滑り溝（１３６）の中に挿入され、バッテリ電力供給モジュール（１４）のブレード型ターミナル（１３０）に係合しかつ電気的接触している。工具ターミナルブロック（１３４）は、四つのバッテリパックブレード型ターミナル（１３０）それぞれに対する四つの雌形コネクタを収容するようになっていて、バッテリ電力供給モジュール（１４）の陽極と陰極とのブレード型ターミナル（１３０）に係合するようになっている、コネクタ（１３８）の二つだけが工具ターミナルブロック（１３４）に使用されていて、残りの二つのバッテリパックブレード型ターミナル（１３０）はバッテリ電力供給モジュール（１４）を再チャージの場合に使用されるだけである。

陽極と陰極との雄形ターミナル１４０が、工具ターミナルブロック１４０における陽極と陰極との雌形ターミナル（１３８）に接続されていて、一列になっている滑り溝（１３６）の両側でターミナルブロックにおける開口部（１４２）を貫通して突出している。後述するように、雄形の陽極と陰極とのターミナル（１４０）は工具（１２）を交流／直流交換器モジュール（１６）へ電気的に接続する。

さらに図１３にバッテリターミナルブロック（１２２）と工具ターミナルブロック（１３４）との間のインターフェースを示す。バッテリ電力供給モジュール（１４）のガイドレール（１２４）が工具ハウジングにおけるチャンネル（１１３）の中へ摺動されるので、図示するようにバッテリパック・ターミナルブロック（１２２）は工具ターミナルブロック（１３４）の中へ整列してガイドされる。二つのターミナルブロック（１２２）と（１３４）との間における正確な整列を容易にするために、工具ターミナルブロック（１３４）の主ボデー部は一対の横方向に離間したレール（１４４）を含んでいて、そのレール（１４４）はバッテリパックハウジング（１１８）においてガイドレール（１２４）の真下に備えられた溝（１４６）の中へ受け入れられるようになっている。さらなる工具（１２）へのバッテリ電力モジュール（１４）の挿入は、バッテリ電力モジュール（１４）の陽極と陰極とのブレード型ターミナル（１３０）が、Ｕ字形滑り溝（１３６）における開口部を通過し、さらに工具ターミナルブロック（１３４）の雌形コネクタ（１３８）に係合する結果をもたらしている。工具ターミナルブロック（１３４）からの雄形陽極と陰極とのターミナル（１４０）は、バッテリパックハウジング（１１８）の上部（１２５）におけるレール（１２４）に形成された開口部（１３２）の中へ同時に突出するけれど、バッテリ電力モジュール（１４）におけるいずれのターミナルとも電気的接触はしない。同様に、バッテリターミナルブロック（１２２）からの残りの二つのブレード型ターミナル（１３０）は工具ターミナルブロック（１３４）の空いている滑り溝（１３６）の中へ突出する。

図２と図１０において、本発明によるライン電力モジュール（１６）は、１１５Ｖの交流所内電源を２４Ｖの平均直流電圧を有するパルス化された出力に変換する。好適な実施例におけるコンバータモジュール（１６）のハウジング（１４８）は、実質的にバッテリ電力モジュール（１４）のハウジング（１１８）と同一である。この点に関して、ハウジング（１４８）が、第一及び第二長手方向に延在する分割線で接合されるクラムシェル半割れを含んでいる。ハウジング（１４８）の上部（１５０）は、バッテリ電力供給モジュール（１４）と同様な、工具ハウジングにおけるチャンネル（１１３）に係合するための一対のガイドレール（１５２）を含んでいる。上部１５０は、コンバータモジュール（１６）の予期せぬ離脱を防止するためのラッチ（図示されていない）を含んでいる凹部（図示されていない）も形成している。ハウジング（１４８）が凹部（１５１）も形成していて、その凹部（１５１）の中でファン（１４５）は冷却空気流れをコンバータモジュール（１６）へ提供するようになっている。ファンカバー（１４７）が、ファン（１４５）に取りつけられていて、ファン（１４５）の運転を妨げる異物を防止している。ハウジング（１４８）内における数個のヒートシンク（１４３）は選択した電力コンバータコンポネントの熱放散及び冷却する。

図１４にライン電力モジュール（１６）と工具ターミナルボックス（１３４）との間のインターフェースを示す。ライン電力モジュール（１６）が、工具ターミナルブロック（１３４）の雄形ターミナル（１４０）を受け入れるようになっている、一対の雌形ターミナル（１５４）を含んでいる。工具（１２）にバッテリ電力モジュール（１４）を取りつけることに関連して前述したのと同時に、コンバータハウジング（１４８）の上部（１５０）におけるガイドレール（１５２）は、工具ターミナルブロック（１３４）における横方向に離間したレール（１４４）に係合するようになっていて、ライン電力モジュール（１６）が、ライン電力モジュール（１６）の雌形コネクタ（１５４）と、工具（１２）の雄形コネクタ（１４０）との間における正確な整列を保証するべく工具（１２）に取りつけられるようになっている。

本好適な実施例における、ライン電力モジュール（１６）が絶縁されていないために、雌形ターミナル（１５４）は、安全上の要求を満たすべく、ライン電力モジュール（１６）のハウジング（１４８）の上部（１５０）において凹状になっている。好適な実施例において、雌形ターミナル（１５４）はライン電力モジュール（１６）のハウジング（１４８）の内部において、少なくとも８mmの凹状となっている。１１５Ｖの交流電源がライン電力モジュール（１６）によりパルス化された電圧出力に変換され、かつ雌形ターミナル（１５４）を介して工具（１２）へ供給される。ライン電力モジュール（１６）を使用するべく工具（１２）に取りつける場合、工具ターミナルブロック（１３４）の雌形ターミナル（１３８）は電気的に使用可能ではない。

ライン電力モジュール（１６）が、当初低周波数の交流入力を整流された電圧に変換し、続いてチョッパ・モジュール（２１ａ）が整流された電圧を高周波数にパルス化された電圧出力に変換していて、その電圧出力は電動工具（１２）を運転するために適切な平均直流レベルを有している。電動工具（１２）は、チョッパ・モジュール（２１ａ）の内部に出力フィルタを含んでいるというよりはむしろ、チョッパ・モジュール（２１ａ）のパルス化された出力をフィルタするためにモータ（１１）のインダクタンス（２２）を使用していて、従ってチョッパ・モジュール（２１ａ）のコストと重量とを低減している。

さらに、電動工具は、チョッパ・モジュール（２１ａ）の変圧器による絶縁というよりはむしろ、モータ（１１）の二重の絶縁を採用していて、従ってチョッパ・モジュール（２１ａ）の、コストを低減し軽重量化している。

さらにチョッパ・モジュール（２１ａ）は、比較的少数の構成部品となっている、一方で、効率の良い変換プロセスを提供している。このことが、さらにチョッパ・モジュール（２１ａ）の軽量化及びコンパクトな構造をもたらしている。チョッパ・モジュール（２１ａ）のサイズは、ライン電力モジュール（１６）を、往復動式のこぎり（１２）のような電動駆動式器具に使用することを可能にし、その電動駆動式器具は、従来的には少なくとも５０Ｗ及びそれ以上の範囲の電力を提供する変換ユニットを保持し収納するには余りに小さ過ぎるものであった。

さらに、チョッパ・モジュール（２１ａ）の好適な実施例は、モータ（１１）を運転するために適した直流電圧レベルを有するパルス列に、低周波数で高電圧レベルを変換し、チョッパは、直流の高電圧レベルを適切な電力線又はプラグに直接的に作用することにより、直流の高電圧レベルをパルス列に変換することができ、その電線又はプラグはライン電力モジュール（１６）の入力に接続している。このようにして、電動工具（１２）は電池の低電圧直流のかわりに高電圧の直流源で運転することができ、従って電池の放電寿命を維持することができる。

チョッパ・モジュール（２１ａ）は、１２０Ｖ、６０Hz以外の外部交流電源で運転できるようになっている。本発明の精神と範囲とを逸脱することなく、チョッパ・モジュール（２１ａ）は３．６Ｖ〜４８Ｖのレンジの直流電圧出力レベルを有する電圧パルス出力を提供することもできるようになっている。特別な例において、チョッパ・モジュール（２１ａ）は、適切な電力プラグ及びコードを使用するとき、２２０Ｖ、５０Hzの外部交流電源から２４Ｖの直流電圧出力レベルを有するパルス出力とするべく調節することができる。チョッパ・モジュール（２１ａ）は、２４Ｖレベルの直流電圧供給において運転する電動装置用の安価な二つの使用モードを提供するために使用することができる。

往復動のこぎり（１２）は単に多数の電池作動モードの電動工具の一つの例示であって、その電動工具はコスト効果のある二つの使用モード可能な発明であるので、何にでも向いている。進歩的な概念による優れたバッテリ作動モードのコード無し電動工具の他の例は、これに限定されるものではないが、ドリル、スクリュドライバ、スクリュドライバードリル、ハンマドリル、糸のこ、円形のこぎり、ヘッジトリマ、草刈り機、バッテリ駆動式電気器具及び同様のものを含んでいる。

従って上記から、本発明の結果として、電動工具用の安価な二つの使用モードのコード付き／コード無し装置が提供されていて、その装置はとりわけ本目的の原理を十分に満たしていることが理解されるであろう。本発明を逸脱することなく、例示の実施例に対し修正及び／又は変更が行なわれてもよいことも同様に明らかであり、意図しているものでもある。従って、前述の説明及び図面は好適な実施例を説明するものであってこれに限定することを意図したものではなく、本発明の真の精神と範囲とは、前述の特許請求範囲及び法的に同等なものにより規定されている。

図１は電動器具へのバッテリ電力モジュール接続方法を示す斜視図である。 図２は電動器具へのライン電力モジュール接続方法を示す斜視図である。 図３は本発明の教示にもとづく工具用電力装置の第一形態のブロック線図である。 図４はチョッパ・モジュールに関連する電圧波形及び電流波形を示す信号の線図である。 図５は電動器具用の工具用電力装置の第二形態のブロック線図である。 図６は電動器具用の電力装置の第二形態における第一実施例の詳細ブロック線図である。 図７は電動器具用の電力装置の第二形態における第二実施例の詳細ブロック線図である。 図８Ａは電動器具用の電力装置における好適な実施例の詳細ブロック線図である。 図８Ｂは電動器具用の工具用電力装置の第三形態のブロック線図である。 図９は本発明の好適な実施例におけるバッテリ電力モジュールの拡大分解斜視図である。 図１０は本発明の好適な実施例におけるライン電力モジュールの拡大分解斜視図である。 図１１は取りつけた端子ブロックを示すバッテリ電力装置の側面図である。 図１２は、バッテリ電力モジュール・端子ブロックとコンバータ電力モジュール・端子ブロックとの両方に合う電動工具端子ブロックの斜視図である。 図１３はバッテリ電力モジュール・端子ブロックと電動工具端子ブロックと間のインターフェースの断面図である。 図１４はライン電力モジュール・端子ブロックと電動工具端子ブロックと間のインターフェースの断面図である。

符号の説明

１１ 直流モータ
１２ 電動工具
１４ バッテリ電力モジュール
１６ ライン電力モジュール
２０ 工具モジュール
２２ モータインダクタンス

Claims (2)

1. 露出した表面と、巻線インダクタンスを有している直流モータとを含んでいる、あらかじめ選ばれた電圧範囲で運転可能な直流式電動工具への電力供給方法が：
   モータの巻線インダクタンスを決定する段階と；
   電力源から電力を提供する段階と；
   電力を、デューティサイクルと平均電圧と所定の運転周波数とを有する一連の電圧パルスへ変換する段階と；
   モータの巻線インダクタンスに対応する、一連の電圧パルスの運転周波数を選択する段階と、
   平均直流電圧が直流モータへの給電に適した、あらかじめ選んだ範囲内であるような電圧パルスのデューティサイクルを設定する段階と；
   平均直流電圧に相当する一連の電圧パルスを直流モータへ作用する段階であって、モータのインダクタンスがモータに作用される平均直流電圧をフィルタすることに使用され、平均直流電力がモータに給電されるようになっている段階と；
   を含んでいる電力供給方法。
2. 直流式電動工具の露出した表面を、電気的に通電することから防止するために絶縁するので、電力源とモータとの間に変換器を使用する必要のない段階をさらに含んでいる、請求項１に記載の電力供給方法。

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