JP2008524980A - 電子制動スイッチを備えた電動機用制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】検出器を適用することにより、制御回路は制御回路が伝導性である時を“知り”、バイパススイッチが閉じないようにする。
【解決手段】本発明はＤＣ電圧電源を制御するための制御回路に関し、この制御回路は電動機に直列接続されたスイッチング素子と、半導体で形成され、かつバイパスによって電動機を制動するために電動機に並列接続されたバイパススイッチとを有するものであり、また、バイパススイッチを制御するための制御回路と、スイッチング素子の状態を検出するために制御回路に接続された検出器とを有するものである。半導体は、振動や汚れの影響を受けにくい。また、半導体は、制御回路の他の構成要素と同一のキャリアに容易に設けられる程小さい。この制御回路は、一度スイッチング素子が開くと、バイパススイッチの伝導率を徐々に増大させるように構成されていることが好ましい。半導体スイッチの部分的な伝導により、工具のスイッチを切った際の機械的な衝撃が妨げられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ電源から電動機に供給された電力を制御する制御回路に関する。

このような制御回路は、電動手工具などの電気装置により一般に知られている。

このような装置の駆動電動機のスイッチを切った際、この装置が極力早く停止することが重要である。これは、丸鋸および直角研削盤など、危険であることで知られる立型手工具については特に安全に行われなければならないが、工具のスイッチを切った際にその工具によって行われている鋸引きまたは穿孔などの作業を素早く停止することも求められる。

電動機の停止は、電動機のスイッチを切った際に電動機をバイパスさせることにより実現する。電動機はその後発電機として働き、電動機の回転子およびこれに接続された工具の回転部の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。この電気エネルギーはその後、電動機の巻線のオーム抵抗または外部抵抗で消散する。

このため、このような制御回路は、ＤＣ電圧源によって給電される電動手工具の従来の技術から知られているもので、ＤＣ電圧源から電動機に供給された電力を制御するように構成されており、電動機に直列接続されたスイッチング素子と、バイパスによって電動機を制動するために電動機に並列接続されたバイパススイッチとを有している。

このような回路はその機能を効果的に発揮する。機械スイッチをスイッチング素子として用いた場合、バイパススイッチをこのスイッチング素子の補助接点として提供できるため、これを低コストで製造できる。このように、スイッチング素子をオフにした際にバイパススイッチをオンにすることを可能にするためだけに限った回路の条件が自動的に満たされる。しかし、機械スイッチは脆弱な構成部分を形成しており、このスイッチが設けられた電気器具は振動や塵にさらされることが多く、バイパススイッチの寿命を低下させるか、または意にかなう寿命を得るために高価なスイッチを必要とする。

このような不利点を回避するため、米国特許第Ａ−２００２／０１５８５９３号明細書に、ＤＣ電圧源によって給電される電動手工具の制御回路が記載されており、この制御回路はＤＣ電圧源から電動機に供給された電力を制御するように構成されており、電動機に直列接続されたスイッチング素子と、半導体によって作られ、かつバイパスによって電動機を制動するために電動機に並列接続されバイパススイッチとを有している。この文献に記載された回路の設計は初歩的なものである。このため、バイパススイッチだけでなく制御回路も同時に開いてしまう危険がある。これはバイパスにつながる可能性がある。

本発明はこの問題を回避するものであり、制御回路は、バイパススイッチを制御する制御回路と、スイッチング素子の状態を検出するために制御回路に接続された検出器とを有する。検出器を適用することにより、制御回路は制御回路が伝導性である時を“知り”、バイパススイッチが閉じないようにする。

第１の好適な実施形態によれば、制御回路は、一度スイッチング素子が開くとバイパススイッチの伝導を徐々に増大させるように構成されており、バイパススイッチはスイッチ型であり、バイパススイッチの伝導性の変動をバイパススイッチのデューティサイクルを変化させることにより実現する。制動過程で、電動機および工具の回転部の運動エネルギーが熱に変換される。制動過程の継続時間は短いが、運動エネルギーは相当な量である。このため、制動過程で変換される電力はかなりの量がある。スイッチング変換器を用いることにより、制御可能な伝導性を有する半導体が適用された場合のように、この運動エネルギーの大部分が半導体で変換されるのを回避することが可能となる。

別の好適な実施形態によれば、スイッチング素子はスイッチ型の電子スイッチング素子を含み、制御回路は電子スイッチング素子を制御するように構成された制御回路を含むものである。これは、制御回路の二重使用である。

また、別の好適な実施形態では、制御回路がマイクロプロセッサを含むという特徴を提供する。制御可能な制動と制御可能な駆動とを組み合わせると、スイッチング素子およびバイパススイッチの制御回路の機能性が大いに必要となる。マイクロプロセッサの価格が低下してきていることが、このようなマイクロプロセッサを制御回路として適用することを可能にしている。影響を受けやすいこのような素子を高度な電気障害を伴う電動工具環境に適用できるということも驚くべきことである。

半導体に直列接続されたスイッチング素子は通常、安全要件を満たすために機械スイッチを含むものである。このため、機械スイッチの位置を検出するために検出器を設けると有益である。この検出器の機能としては、機械スイッチがスイッチのキャリアに載置されたポテンシオメータのスライダに接続された手動操作制御部によりオペレータによる制御が可能であること、検出器がキャリアに載置された補助接点を含むことが好ましい。これにより、補助的な手段をとる必要がほとんどなくなる。

バイパススイッチを制御するために制御回路が制動過程で使用された際、機械スイッチは開いており、これは電池による制御回路への給電ができないことを意味している。好適な実施形態によれば、制御回路は電気エネルギー用の蓄積器に接続されている。この方法で、機械スイッチが開いている際に制御回路に給電することが可能である。エネルギー蓄積器は、例えば、コンデンサまたは充電可能な電池によって作られている。

しかし、機械スイッチが開いている際に電動機によって給電されるように制御回路を作ることも可能である。電動機はこのようにエネルギー源として機能する。このため、制御回路は、電動機から供給電圧として発生する大幅に変動する電圧を処理するのに適していることを確実にすることが重要である。

半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴを使用するのが好ましい。これは、極性を有する半導体素子である。このような極性を有する半導体素子を用いる際、二つの素子が反対の極性を有していると都合が良い。これらの素子を駆動するために、ソースの電圧が基準とされるゲート電圧が必要である。電動機と電池の負端子との間で切り換えられるＭＯＳＦＥＴを基盤として、ソース−動作中−は電池の負端子に接続されており、制御プロセスは正電圧により行われる。制動過程では、電動機と電池の負端子との間の接続が切断されるが、電動機は電池の正端子に接続されたままである。バイパススイッチとして働く素子を制御するために、さらに他の手段を必要とすることなく、正の電池電圧よりも低い電圧が利用可能である。この電圧を制御供給電圧として用いることを可能にするために、ＭＯＳＦＥＴが、制御素子として働くＭＯＳＦＥＴの極性とは反対の極性を有する必要がある。

本発明はまた、本発明による制御回路が適用される電動手工具、すなわち、電池によって給電されるように構成され、上記の請求項のいずれか一つによる制御回路が設けられた電動手工具にも関するものである。

本発明の他の特徴は、以下のことを示した添付の図から明らかになる。

図１に示すように、回路は充電可能な電池すなわち蓄電池１と、電動機２と、電池１の負端子と電動機２との間に接続された機械スイッチ３とを有している。このような回路は、例えば、丸鋸などの電動手工具の中に組み込まれ、電動機は丸鋸の鋸板を駆動するように構成されている。これは、速度制御がそれ程重要ではない種類の機械に関するものである。ここまでは、この回路は電動機２の電力を切り換えるための周知の回路に相当する。

本発明は特に、本実施例のＦＥＴ６により作られた半導体バイパス素子に関するものである。ＦＥＴ６を制御するために制御回路５が組み込まれており、この制御回路は、機械スイッチ３の位置を検出するように構成された検出器９に接続されている。

この回路は次のように機能する。図示の回路が一部を構成する電気装置の電動機２は、スイッチ３をオンにすることによりオンとなる。これにより、蓄電池すなわち電池１、スイッチ３、電動機２の電気回路が閉じる。この時、バイパスを防ぐために、バイパススイッチとして働く半導体６を非伝導状態とすることが重要である。このために、検出器９はスイッチ３が閉じているという信号を制御回路５に送り、半導体６が開かないようにする。検出器は、様々に、例えば、スイッチ３の補助接点、ホール素子、光学素子として設計可能である。

鋸引きが終了した際、電動機２がこれ以上給電されないようにスイッチ３を開く。この電動機は、他のいかなる手段をも必要とすることなく減速する。制御回路５は、検出器９からスイッチ３が開いているという信号を受け取り、その後半導体６を開く。これにより、この時点では給電されていない電動機２がバイパスされ、バイパス電流が流れ始め、電動機を制動することになる。制御回路５は、バイパス電流の値を徐々に増大させて、衝撃および過剰な摩滅から装置、特に電動機およびこれに取り付けられた炭素ブラシを保護するように構成されていることが好ましい。

本実施形態では、蓄電池１が消耗するのを防ぐために、電動機を休止させた際に制御回路をオフにするための設備が組み込まれていることが好ましい。これは、蓄電池１と制御回路の端子との間にスイッチ３を位置させることによっても本質的には達成できる。しかし、スイッチにより制御回路の電力供給が遮断されるため、制動過程で制御回路に給電するための設備が必要となる。

本発明による回路の第２の実施形態を図２に示すが、これは、スイッチ３に電子スイッチング素子４が加えられている点で図１の回路と異なるものである。この電子スイッチング素子４は、電動機に供給された電力を継続して制御するという選択肢を提供するものである。これは、ボール盤またはねじ切り盤などの特定の種類の電気器具には特に重要である。この特徴はそれ自体、別の方法ですでに周知のものである。

このＭＯＳＦＥＴなどの電子素子を制御するためには、制御回路が必要となる。このために、バイパススイッチを制御するためにすでに適用したすでにある制御回路５を使用することが可能である。この設備についても、この制御回路５が両方の半導体を制御でき、これによりこれらの半導体が同時に伝導するのを防ぐことができる点で有益である。検出器はここでは制御回路に含まれるものとして考える。

スイッチ３は、第１の図の説明で代案としてすでに言及した位置に移動させてある。制御回路に給電するため、コンデンサ８も存在させてある。このコンデンサ８は、スイッチ３が閉じた際に充電される。コンデンサの代わりに、小型の蓄電池など、エネルギー用の別の蓄電装置を用いることも可能である。他の方法としては、制動過程で電動機によって制御回路５に給電することも可能である。このために、制御回路は、非常に変わりやすい低下電圧によって供給されるように構成される必要があることは明白である。

最後に、電子スイッチング素子として使用できる種類の半導体について言及する。ＭＯＳＦＥＴを使用すると、フリーホイールダイオードが本来備わっているために、これを追加の構成要素として加える必要がないという点で有益である。従来の技術では、反対の極性を有するＭＯＳＦＥＴを適用することに関心が寄せられている。確かに、これは序文の説明で明らかにした制御過程の電圧レベルについては利点がある。しかし、今後の発展により、同一の極性を有するＭＯＳＦＥＴを使用する利点が、補助手段を用いて達成できるにすぎない電圧レベルを適用するという不利点を打ち消すという状況となることは非常にあり得ることである。

図３は、本発明による回路の機械要素の一部を示したものである。これらの要素は、導体１１の間に摺動式に組み込まれた摺動部１０を有している。その一端に、摺動部１１は、ばね１３によって発生している力に逆らって摺動部を駆動するのに用いるボタン１２を有している。機械スイッチ３は、摺動部１０の他端に位置している。摺動部にはスライダ１４が取り付けられており、このスライダはポテンシオメータとして機能するトラック１５の上を摺動して移動するものであり、このトラックはキャリアとして働くシート１６に張り付けられている。ここまでに説明した機械要素の一部は従来の技術に相当するものである。

本発明を機能させるためには、つまり、半導体スイッチとして設計したバイパススイッチ７を適用するためには、機械スイッチが開いているかどうかを確認する検出器を用いるのが良い。このために、摺動部１０に取り付けられ、かつ導体１８が張り付けられた第２のシート１６Ａの上を摺動して移動する第２のスライダ１７を使用する。摺動部１０がばね１３の作用により機械スイッチ３が開くほど後退した際にのみスライダ１７と導体１８とが接触する。そして、機械スイッチ３の状態を検出するために検出器が得られる。本実施形態は図２に示す実施形態の代案を構成するものであり、半導体スイッチ４、６が同時に伝導するのを防ぐために電子的方法が採用されたものであることに言及しておく。

説明した実施形態は機能性を明らかにするためだけに限られたものであり、他の方法で、例えば、スイッチ３の構成を調整することにより、この機能性を実現する多くの選択肢があることに言及しておく。

本回路の機能は、以下の説明により明らかになる。本発明による装置が一部を構成するこの機械を機能させるためには、ボタン１２を押し、次に摺動部１０を長手方向に移動させ、機械スイッチをオンにする。スライダ１４はその後炭素ブラシ１５の上を移動し、これによりポテンシオメータおよびトラック１５に接続されたスライダ１４の出力電圧を調整する。制御回路５に組み込まれたこのポテンシオメータは、制御回路５に対する入力信号として働く。ＦＥＴ４の伝導度はこのように決定され、電動機２に供給される電力についても同じように決定される。

使用者が電動機２を停止したい場合は、使用者がボタン１２を離し、ばね１３によって摺動部１０を移動させてその始動位置に戻す。これにより、スイッチ３が開き、次に電動機２への電力の供給が停止する。スライダ１７も導体トラック１８と接触し、次に制御回路５の制動機能が作動する。スイッチ３が開くことにより、制御回路５は電池１により供給される電力を与えられなくなる。このため、コンデンサ８からの電力が用いられる。

これにより、バイパススイッチとして働く半導体スイッチ６が開き、次に電動機２が発電機としての機能を開始し、電動機２およびこれに接続された工具からの運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは、電動機のオーム抵抗で消散する。このように、半導体スイッチ６の伝導度を制御することにより、電動機２の制動度を制御することが可能となる。

他の方法としては、放出されるエネルギーは、例えばバイパススイッチとして働く半導体スイッチ６に直列接続される外部抵抗において消散させることも可能である。放出されるエネルギーを制御回路５への給電に用いることも可能である。

本発明による第１の回路図である。 本発明による第２の回路図である。 本発明による制御回路の機械上の実施形態の概略立体図である。

Claims (9)

1. ＤＣ電源によって給電される電動手工具用の制御回路であり、ＤＣ電源から電動機に供給された電力を制御するように構成された制御回路であって、
   電動機に直列接続されたスイッチング素子と、
   半導体で作られ、かつバイパスによって電動機を制動するために電動機に並列接続されたバイパススイッチと、
   を有する制御回路において、前記バイパススイッチを制御するための制御回路と、スイッチング素子の状態を検出するために前記制御回路に接続された検出器とを有することを特徴とする制御回路。
2. 前記制御回路が、一度前記スイッチング素子が開くと前記バイパススイッチの伝導を徐々に増大させるように構成されており、前記バイパススイッチがスイッチ型であり、前記バイパススイッチのデューティサイクルを変化させることにより前記バイパススイッチの伝導が実現することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記スイッチング素子がスイッチ型の電子スイッチング素子を含み、前記制御回路が前記電子スイッチング素子を制御するように構成された制御回路を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の制御回路。
4. 前記制御回路がマイクロプロセッサを含むことを特徴とする請求項３に記載の制御回路。
5. 前記スイッチング素子が機械スイッチおよび半導体スイッチに直列接続され、前記検出器が前記機械スイッチの位置を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御回路。
6. 前記電源用の制御回路が前記機械スイッチと前記電子スイッチング素子との間の接続点に接続され、前記制御回路が電気エネルギー用の蓄積器に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の制御回路。
7. 前記電源用の制御回路が前記機械スイッチと前記電子スイッチング素子との間の接続点に接続され、前記制御回路が前記スイッチング素子が開いた際に前記電動機によって給電されるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の制御回路。
8. 前記半導体素子がある極性を有し、前記スイッチング素子の極性がバイパススイッチとして機能する前記半導体の極性と反対であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の制御回路。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の制御回路を有する電動手工具。

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