JP2009056590A - 信号発生器を備える電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】必要に応じて変速を実行すべく起動されることが可能な信号発生器を有する変速電動工具を提供すること。
【解決手段】ハウジングと、モータと、出力シャフトと、歯車伝動機構と、制御システムとを備える電動工具。歯車伝動機構はモータと出力シャフトとの間に接続され、モータの回転力を出力シャフトへ伝達する。当該電動工具は、信号発生器と、信号発生器へ電気的に結合されかつ歯車伝動機構と機能的に係合される制御システムとを備え、よって、信号発生器が手動で起動されると電気信号が発生されて制御システムへ送信され、歯車伝動機構に歯車減速比を変えさせる。
【選択図】図３ａ

Description

発明の背景

発明の分野

本発明は、変速を実行すべく選択的に起動されることが可能な信号発生器を有する変速電動工具（電気ドリル、ねじ回しまたはインパクトドリル等）に関する。

関連出願の説明

変速電動工具（例えば、電気ドリル、ねじ回しまたはインパクトドリル等）は通常、歯車伝動システムを使用して様々な作業条件に合わせて様々な速度を選択的に出力する。この歯車伝動システムは、概して、電気モータと出力シャフトとの間に接続される歯車伝動機構と、様々な速度を出力すべく歯車減速比を変えるようにユーザが操作して歯車伝動機構を変えることのできる制御システムとを含む。

特許文献１は、ユーザにより操作されるハウジングの外側の起動部材を介して前後に調整可能である２つのリングギヤを含む歯車伝動機構を開示している。この手段によって、リングギヤは、遊星ギヤおよび隣接する遊星キャリアの双方へ連接する回転位置と、遊星ギヤおよびハウジングへ連接する固定位置との間を移動可能であり、これにより、出力速度を変えることができる。しかしながら、このような手動操作による場合、操作者は、より良い出力効率を達成するために、ランニングビット（締付けねじ等）を監視して出力速度またはトルクを変える時点を決定しなければならない。この操作は、ユーザに優しい操作ではない。さらに、リングギヤを回転位置から固定位置へ移動させるためにユーザが起動部材を起動するとき、回転しているリングギヤはハウジング内の定置構造体に滑らかに係合することができない。これらの状況においては、リングギヤと回転を固定された構造体との間で頻繁にギヤクラッシュが発生し、結果的にはリングギヤまたは定置構造体が損傷しかつその作業寿命が短縮されることがある。

特許文献２は、制御システムが、トルク負荷の変動に従ってリングギヤの動作方向を変えることによって歯車減速比を自動的に変更できる自動変速システムを開示している。特許文献３は、同様の自動変速システムを開示している。しかしながら、これらの自動変速システムは機械的に実行され、システムの機械的構造は複雑であって製造が困難である。何れのシステムも、ギヤクラッシュの発生をなくすことはできない。

特許文献４には、起動レバーおよび伝動レバーを介して切換レバーの線形動作を起動し、歯車伝動機構の歯車減速比を変えることができる、モータ上へ取り付けられるソレノイドが開示されている。

特許文献５には、歯車伝動機構の歯車減速比を変えるように適合化されるソレノイドが開示されている。

特許文献６には、内部ギヤを高速位置から低速位置へ駆動しかつ内部ギヤを低速位置に保持するために使用されるキープソレノイドが開示されている。内部ギヤを高速位置へ引き戻す際には、ばねが使用される。

特許文献７には、モータが最高出力に到達しなければ起動されない自動変速モードが開示されている。トリガスイッチを押してモータ速度を上げているときに自動変速が起動されることは望ましくなく、よって、モータ速度を検出しかつモータ速度を表す信号を制御回路へ供給するために、モータ速度検出モジュールが設けられる。

特許文献８には、自動変速機能を起動または非活動化させるために設けられるモード選択スイッチが開示されている。このスイッチは、自動変速モードと定速モードとを選択するために使用される。このスイッチは、自動モード、高速モードおよび低速モード間を選択することができる。

特許文献９には、高速状態における工具出力効率を示す曲線ηｈが開示されている。ηｌは、低速状態における工具出力効率を示す曲線である。工具は当初高速状態で動作し、負荷トルクがＣＰに達すると自動変速が起動され、よって次には工具が低速状態で動作する。

特許文献１０には、高速から低速へ変更するためだけに使用されるキープソレノイドと、高速へ戻るための様々な手段とが開示されている。

特許文献１１には、ＢＰ電圧を検出するバッテリパック電圧検出器ＶＰが開示されている。電圧が予め決められた値より下がると、高速から低速へ変更する自動変速モードが直に起動される。自動変速モードのこの起動は、制御回路Ｃによって制御されない。制御回路Ｃは、モータ速度を監視することによって負荷トルクを検出する。出力が急速に低下してモータ速度が急激に下がれば、制御回路Ｃはモータが失速する前に自動変速を起動することができない。
米国特許第６４３１２８９号明細書 米国特許第６８２４４９１号明細書 欧州特許出願公開第０７８７９３１号明細書 特開平３−２２１３８１ 特開平４−２６２１５１ 特開平８−０６８４６１ 特開平９−０５７６３９ 特開平９−０５７６４０ 特開平１０−１０３４６２ 特開平９−０１４４３３ 特開平１−１０９８４５

発明の概要

本発明の目的は、必要に応じて変速を実行すべく起動されることが可能な信号発生器を有する変速電動工具を提供することにある。

本発明のこの目的を達成するために、ハウジングと、モータと、出力シャフトと、歯車伝動機構と、制御システムとを含む電動工具が提供されている。歯車伝動機構はモータと出力シャフトの間に接続され、モータの回転力を出力シャフトへある歯車減速比で伝達する。信号発生器は、制御システムへ電気的に結合される。信号発生器が手動で起動されると、電気信号が発生されて制御システムへ送信され、制御システムは、この電気信号に応答して歯車伝動機構に減速比を変更させる。

一実施形態において、本発明は、可変速度を出力することのできる電動工具を提供し、当該電動工具は、
ハウジングと、
前記ハウジング内に含まれる、回転力を出力するためのモータと、
出力シャフトと、
前記モータと前記出力シャフトの間に配置される、前記モータの回転力を前記出力シャフトへ複数の歯車減速比の各々で伝達するための歯車伝動機構と、
信号発生器と、
前記信号発生器へ電気的に結合されかつ前記歯車伝動機構に機能的に係合される制御システムとを備え、よって前記信号発生器が手動で起動されると電気信号が発生されて前記制御システムへ送信され、前記歯車伝動機構に前記歯車減速比を変更させる。

好適には、信号発生器はハウジング上へ取り付けられるスイッチを備える。

ある好適な実施形態において、当該電動工具はハウジングへ結合されるハンドルを備え、前記ハンドルは、ユーザが手でハンドルから手を外すことなくスイッチを動作可能であるように、スイッチから予め決められた距離を隔てて配置される。

好適には、制御システムは、
スイッチが起動されると電気信号を受信するためにスイッチへ電気的に接続される制御ユニットと、
前記電気信号に応答して制御ユニットにより起動され、歯車伝動機構に歯車減速比を変更させる駆動機構とを備える。

好適には、歯車伝動機構は、
少なくとも１つのギヤ列と、
低い歯車減速比に対応する第１の位置と高い歯車減速比に対応する第２の位置との間で移動可能であり、よって前記歯車減速比を変更する可動部材とを備える。

好適には、ギヤ列は、複数の遊星ギヤと、隣接する遊星キャリアと、ハウジングに不動式に関連づけられる回転的に固定された構造体とを含む遊星ギヤ列である。

好適には、可動部材は、第１の位置に位置づけられると遊星ギヤおよび遊星キャリアに係合しかつ第２の位置に位置づけられると遊星ギヤおよび回転的に固定された構造体に係合するリングギヤを備える。

好適には、駆動機構は電磁式に起動可能であって可動部材と機能的に係合し、制御ユニットは可動部材を駆動するために駆動機構へ電流を印加する働きをする。

特に好適には、電磁式に起動可能な駆動機構は、
コイルを含むソレノイドと、
前記コイルを介して線形的に移動可能な鉄芯と、
前記鉄芯へ付着されかつ前記可動部材へ接続されるプッシュバーとを備える。

好適には、制御システムは、前記電磁式に駆動可能な駆動機構へ印加される電流の方向を変えるためのＨブリッジ回路を備える。

好適には、制御ユニットは、駆動機構を起動する前に、電動工具へ印加される負荷が存在するかどうかを決定することができる。

特に好適には、制御ユニットは、加えられる負荷が存在すれば第１の予め決められた時間間隔に渡ってモータを一時停止させ、かつ加えられる負荷が存在しなければ第２の予め決められた時間間隔に渡ってモータを一時停止させるように動作し、前記第１の予め決められた時間間隔は前記第２の予め決められた時間間隔より短い。

ある好適な実施形態では、複数の歯車減速比は低い歯車減速比と高い歯車減速比とを含み、歯車伝動機構は、
少なくとも１つのギヤ列と、
前記ギヤ列と可変的に係合される可動部材とを備え、前記可動部材は、低い歯車減速比に対応する第１の位置と高い歯車減速比に対応する第２の位置との間で移動可能であり、前記可動部材は前記第１の位置においてある回転速度を有し、制御システムは前記可動部材に機能的に関連づけられかつ出力シャフトへ加えられる負荷を示す動作特性を決定することができ、前記制御システムは、前記動作特性が予め決められた値に達すると、またはこれを超えると前記可動部材を起動して前記第１の位置から前記第２の位置へ移動させ、かつ前記可動部材の回転速度を下げるように動作することができる。

好適には、制御システムは、まず可動部材の回転速度を下げ、次いで可動部材を起動して第１の位置から第２の位置へ移動させる働きをする。

好適には、制御システムは、可動部材の回転速度をゼロまで下げる働きをする。

好適には、制御ユニットは、出力シャフトに加えられる負荷を示す動作特性を決定しかつ可動部材の回転速度を下げることができる。

好適には、当該電動工具は、前記可動部材を第１の位置と第２の位置との間で駆動するように前記制御ユニットによって起動され得る駆動機構をさらに備える。

駆動機構は、自動変速の実行を支援する小型モータ、リニアモータ、サーボモータまたは圧電モータであってもよく、または自動変速の実行を支援するために小型モータ、リニアモータ、サーボモータまたは圧電モータを備えてもよい。

特に好適には、駆動機構は電磁式に起動可能であって可動部材と機能的に係合し、制御ユニットは可動部材を駆動するために駆動機構へ電流を印加する働きをする。

特に好適には、駆動機構は、
コイルと、前記コイルを介して直線的に移動可能な鉄芯と、前記鉄芯へ付着されかつ可動部材へ接続されるプッシュバーとを含むソレノイドを備える。

動作特性は、電気パラメータ（モータの電流または電圧等）、モータまたは出力シャフトの回転速度またはトルクまたは機械的コンポーネントの応力であってもよい。

ある好適な実施形態では、動作特性はモータの電流である。

さらなる実施形態において、本発明は、出力速度を変えるための電動工具を提供し、当該電動工具は、
ハウジングと、
前記ハウジング内に含まれる、回転力を出力するためのモータと、
出力シャフトと、
前記モータと前記出力シャフトの間に配置される、前記モータの回転力を前記出力シャフトへ第１の歯車減速比および第２の歯車減速比を含む複数の歯車減速比の各々で伝達するための歯車伝動機構とを備え、前記歯車伝動機構は、
少なくとも１つのギヤ列と、
前記ギヤ列と可変的に係合される可動部材とを備え、前記可動部材は、前記第１の歯車減速比に対応する第１の位置と前記第２の歯車減速比に対応する第２の位置との間で移動可能であり、かつ当該電動工具は、
前記可動部材を駆動して前記第１の位置から前記第２の位置へ、かつ前記第２の位置から前記第１の位置へ移動させるための機構を含む制御システムを備える。

好適には、前記機構は、可動部材を電気なしで前記第１または第２の位置に保持することのできる双方向キープソレノイドを備える。

特に好適には、双方向キープソレノイドは可動部材へ接続されるプッシュバーを備える。

特に好適には、双方向キープソレノイドは、さらに、
長手方向の金属シェルと、
前記シェル内に長手方向に配列される１対のコイルと、
前記コイル対間に配置される永久磁石と、
前記コイル対を介して線形的に移動可能な鉄芯とを備え、プッシュバーはこの鉄芯へ固定される。

好適には、ギヤ列は、複数の遊星ギヤと、隣接する遊星キャリアと、ハウジングに不動式に関連づけられる回転的に固定された構造体とを含む遊星ギヤ列である。

好適には、前記可動部材は、
第１の位置に位置づけられると遊星ギヤおよび遊星キャリアに係合しかつ第２の位置に位置づけられると遊星ギヤおよび回転的に固定された構造体に係合するリングギヤを備える。

好適には、制御システムは、さらに、
前記機構に電流を印加して前記可動部材を駆動させる働きをする制御ユニットを備える。

好適には、制御システムは、前記機構へ印加される電流の方向を変えるためのＨブリッジ回路を備える。

電源は、ＤＣ電源（好適には、再充電可能なバッテリパック）であってもよい。バッテリパックは、直列に接続される幾つかの電池で構成されてもよい。電池は、例えば、鉛酸、ニッケルカドミウム（「ＮｉＣｄ」）、ニッケル水素（「ＮｉＭＨ」）またはリチウムコバルト（「Ｌｉ−Ｃｏ」）またはリチウムマンガン（「Ｌｉ−Ｍｎ」）等のリチウムベースの化学物質等の任意の電池化学物質に依存することが可能である。バッテリパックは、電池の数に依存して、１４．４Ｖ、１８Ｖまたは２１Ｖ等の公称電圧を有してもよい。

図１から図３ｂは、本発明の第１の実施形態による変速電動工具を示す。電動工具９は、電気モータ２と、電源１と、モータ２を始動または停止させるための主スイッチ１３と、出力シャフト６と、歯車伝動機構４とを含む。歯車伝動機構４は、複数の第１の遊星ギヤ４０および第１の遊星キャリア４１を含む第１の遊星ギヤ列と、複数の第２の遊星ギヤ４２および第２の遊星キャリア４３を含む第２の遊星ギヤ列と、ハウジング２１の内側に固定される回転的に固定された構造体４４と、軸方向可動部材４５とを含む。駆動機構５は歯車伝動機構４に係合し、かつ起動デバイス５２と伝動部材５１とを含む。

第１の実施形態において、起動デバイス５２は電磁式であり、１対の離隔された永久磁石５２１と、永久磁石５２１間に位置づけられる鉄芯５２３と、鉄芯５２３の周りのコイル５２２とを含む。鉄芯５２３の真ん中には、溝５２４が画定される。伝動部材５１は、弧状のプッシュバー５１２と、プッシュバー５１２と係合される鋼線５１３とを含む。プッシュバー５１２は、鉄芯５２３の溝５２４内へ突き出すことのできる係合部分を有する。この実施形態では、可動部材４５は、内歯４５１と側歯４５２とを含むリングギヤである。可動部材４５は、鋼線５１３を収容するための環状溝４５３を画定する。

起動デバイス５２を介して電流が流れると、鉄芯５２３は帯磁され、永久磁石５２１の一方に引きつけられる。電流の方向が逆転されると、鉄芯５２３はもう一方の永久磁石５２１に引きつけられてそちらへ移動され、プッシュバー５１２、鋼線５１３および可動部材４５は鉄芯５２３と共に移動すべく起動される。

図３ａは、鉄芯５２３が永久磁石５２１の一方によって引きつけられる高速位置における歯車伝動機構４を示している。したがって、可動部材４５の内歯４５１は、第１の遊星キャリア４１および第２の遊星ギヤ４２の外歯４１１、４２１と噛み合う。この係合により、歯車伝動機構４は比較的低い歯車減速比を有し、出力シャフト６は比較的高速を達成する。

図３ｂは、鉄芯５２３が２つの永久磁石５２１のもう一方によって引きつけられる低速位置における歯車伝動機構４を示している。したがって、可動部材４５の内歯４５１は、第２の遊星ギヤ４２の外歯４２１とのみ噛み合う。一方で、可動部材４５の側歯４５２は、ハウジングに対して固定されるべき回転的に固定された構造体４４の歯４４１と噛み合う。この係合により、歯車伝動機構４は比較的高い歯車減速比を有し、出力シャフト６は比較的低速を達成する。

図４ａおよび図４ｂは、本発明の電動工具９の第２の実施形態およびその駆動機構５を示す。駆動機構５は、電磁式である。電流が流れると、可動部材４５は高速位置と低速位置との間を移動するように起動される。この第２の実施形態では、起動デバイス５２はサーボモータ５２５であり、伝動部材５１は、ねじ部材５１５と、内側のねじ山がねじ部材５１５に係合しているプッシュバー５１２と、鋼線５１３とを含む。サーボモータ５２５は前方向および逆方向へ回転することができ、プッシュバー５１２を可動部材４５と共に起動し、ねじ部材５１５に沿って高速位置と低速位置との間で移動させる。

図５は、本発明の電動工具９の第１の電子制御システム８を示すブロック図である。電子制御システム８は、電子制御ユニット３と、駆動機構５とを含む。電子制御ユニット３は、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）３０と、入力／出力回路とを含む。マイクロコントローラ３０へは、信号発生器３５が接続される。マイクロコントローラ３０と電源１との間には、速度モードセレクタ３６が接続される。駆動機構５は、自動変速を実行するようにマイクロコントローラ３０により制御される。変速が完了した後、可動部材４５は必要に応じて高速または低速位置に到達する。一方で、マイクロコントローラ３０は、可動部材４５の現在位置を示す位置フィードバック信号を受信する。操作者は、速度モードセレクタ３６を操作することによって、自動変速機能を選択的に起動または不活性化することができる。速度モードセレクタの形態については、図１６および図１８を参照して以下にさらに詳しく述べる。

自動モードにおいて、マイクロコントローラ３０は電動工具９の動作特性を決定してこれを予め決められた値と比較し、次いで自動変速を起動するかどうかを決定する。当業者には、マイクロコントローラ３０の代わりに演算増幅器回路を使用してこの比較ステップを実行してもよいことは明らかであろう。動作特性は、電気パラメータ（モータの電流または電圧等）、モータまたは出力シャフトの回転速度またはトルクもしくは機械的コンポーネントの応力であってもよい。

状況によっては、自動モードにおいても、操作者はパワー稼働中に自ら変速を決定することを希望するかもしれない。この場合、操作者は、信号発生器３５を介してマイクロコントローラ３０へ制御信号を入力することができる。マイクロコントローラ３０は、この制御信号に応答して即時変速オペレーションを実行する。

自動変速中、電子制御ユニット３は制御信号を発して駆動機構５を起動してもよい。すると駆動機構５の起動デバイス５２は、伝動部材５１を可動部材４５と共に高速位置から低速位置へ移動させる。この期間中、可動部材４５（この実施形態ではリングギヤ）は、定置構造体と滑らかに噛み合うことができるように、回転する実行状態から停止状態へ変わる必要がある。そうでなければ、可動部材４５と回転的に固定された構造体４４との間でギヤクラッシュが発生する。ギヤクラッシュを回避するために、以下に詳しく論じる３つの電子制御ユニットのうちの１つが配備されてもよい。

図６は、電子制御ユニット３と駆動機構５とを備える第２の電子制御システム８を示すブロック図である。制御ユニット３は、マイクロコントローラ３０と、速度変調回路３１と、負荷検出回路３２と、駆動機構制御ユニット３３と、位置フィードバック回路３４とを含む。電源１とモータ２の間には、ＭＯＳＦＥＴ、トライアックまたはリレー等のパワースイッチ１０が接続される。パワースイッチ１０は、速度変調回路３１によって制御される。

電動工具９の始動時、マイクロコントローラ３０は、予め決められた遅延（例えば、０．１秒）の後にパワースイッチ１０を閉じる。この遅延期間において、マイクロコントローラ３０は駆動機構制御ユニット３３へ命令信号を送って駆動機構５を高速位置へリセットさせる。次に、電源１はモータ２に通電し、この時点で出力シャフト６はワークピース（図示せず）へ当てられるツールビット（図示せず）を駆動し始める。負荷検出回路３２は、モータ２を介して流れる電流をリアルタイムでサンプリングする。次にマイクロコントローラ３０は、この電流値を予め決められた値と比較する。電流値が予め決められた時間期間に渡って予め決められた値より大きければ、電動工具９は過負荷となり、出力速度を比較的低い状態へ切換することが必要とされる。マイクロコントローラ３０は次に、速度変調回路３１へ命令信号を送ってモータ２への電力供給を遮断するようにパワースイッチ１０を制御し、これにより、モータ２の回転速度をゼロまで下げさせる。リングギヤ４５の回転速度も、ゼロに下げられる。

次に、マイクロコントローラ３０は駆動機構制御ユニット３３へ命令信号を発して電流を逆転させる。電流が逆転すると、鉄芯５２３は可動部材４５と共に高速位置から低速位置へ移動される。可動部材４５の回転は、動作開始前にゼロまで下げられていることから、可動部材４５は回転的に固定された構造体に滑らかに係合することができ、ギヤクラッシュを発生させない。

鉄芯５２３が永久磁石５２１のもう一方に達すると、電子制御ユニット３の位置フィードバック回路３４は鉄芯５２３および可動部材４５の現在位置を示す位置信号を受信し、この信号をマイクロコントローラ３０へ送る。当業者には、この位置信号が可動部材４５の位置を検出することによって発せられてもよいことが明らかであろう。次に、マイクロコントローラ３０は速度変調回路３１へ命令信号を送ってパワースイッチ１０をオンにさせ、電源１はモータ２へ電力を供給する。したがって、モータは低速で大きいトルクを出力する。

変速電動工具９が高速で動作すると、モータ電流は厄介なオペレーションに起因して突然高まる場合がある。その原因は、ボルト上のねじ切りされた溝の不整、またはボルトとナットとの間に挟まれる部材の僅かな歪み、またはボルトとナットとの間の塵のクリッピングである場合がある。自動変速には、電流が瞬間的に予め決められたしきい値を超えることに起因して望ましくなく起動されるという危険性がある。この可能性を避けるために、サンプリングされる電流としきい値との比較は予め決められた時間期間（例えば、０．５秒）に渡って続く。自動変速は、サンプリングされる電流がこの時間期間を超えて予め決められたしきい値より大きいままである場合に限って起動される。

操作者は、手動モードを選択して出力速度を変えるために速度モードセレクタを配備することができる。予め設定されるしきい値は、電動工具が高速状態である場合のより高い電流値に決定される。本実施形態では、予め設定されるしきい値は３０Ａである。操作者が、モータ電流がこの予め決められたしきい値に達するまでに自動変速を開始することを希望すれば、信号発生器３５を介してマイクロコントローラ３０へ制御信号を入力することができる。次いで、マイクロコントローラ３０は即座に自動変速を開始する。或いは、予め設定されるしきい値は、操作者が先に入力したことのある幾つかの履歴値によって決定されてもよい。言い換えれば、電子制御ユニット３は自ら「学習」することができる。これを達成するために、電子制御ユニット３は、操作者が変速を起動するために制御信号を入力する時点のモータ電流の値を格納してもよく、かつ制御ユニットは格納されるこれらの値の平均をしきい値として設定してもよい。

上述の実施形態では、マイクロコントローラ３０は、ギヤクラッシュを回避するために、可動部材４５が回転的に固定された構造体と噛み合う前にモータ２を停止させる。しかしながら、モータ２の回転速度が比較的低レベルまで下がれば、可動部材４５が回転的に固定された構造体４４と噛み合う時点でもギヤクラッシュを回避することができる。

図７は、電子制御ユニット３と駆動機構５とを備える第３の電子制御システムを示す。この主回路では、パワースイッチ１０が電界効果トランジスタ１１（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）に交換されている。自動変速が起動されると、速度変調回路３１は、可動部材４５が比較的低いレベルに下げられた速度を有するように電界効果トランジスタ１１を制御してモータ２の回転速度を下げさせ、よって可動部材４５が回転的に固定された構造体４４に噛み合う時点でギヤクラッシュは発生しない。

図８は、電子制御ユニット３と駆動機構５とを備える第４の電子制御システムを示すブロック図である。モータ２と歯車伝動機構４との間には、クラッチ機構１２が設けられる。第３の電子制御システムと同様に、速度変調回路３１はクラッチ機構４を制御してモータ２から歯車伝動機構４へ伝達されるトルクを下げさせ、これにより、可動部材４５の回転速度は可動部材４５が回転的に固定された構造体に係合する前に比較的低いレベルへ下げられる。先に述べたように、電子制御ユニット３は、電動工具９へ加えられる負荷が予め決められた時間期間の後に予め決められたしきい値を超えるかどうかを決定し、次いで必要であれば、速度変調回路３１を介して可動部材４５または歯車伝動機構４の速度を変調する。可動部材４５の回転速度が十分に低ければ、駆動機構５はギヤクラッシュなしに変速を自動的に実行するように起動される。

自動変速が完了した後は、モータ２への電力供給が再開される。モータの回転速度がゼロから通常の値へ瞬間的に上がれば、大きいトルクが発生され、結果的に操作者の手から工具が滑る場合がある。これは、電界効果トランジスタ１１を使用してモータ２を穏やかに開始させることによって回避することができる。具体的には、モータ２の回転開始とモータ２の通常の動作状態における動作との間には、典型的には０．６秒の時間間隔が存在する。この間隔の間、電子制御ユニット３は、モータ２へ印加される電圧を通常の動作状態へステップアップするようにしてパルス幅変調信号を変えることにより（例えば、パルス幅を固定周波数で調整する、またはパルス周波数を固定幅で調整することにより）電界効果トランジスタ１１を制御する。これにより、操作者に対する衝撃は少なくなる。

次に、図９を参照して、電動工具の出力速度を切換する代替タイミングについて述べる。図９は、電動工具の出力効率と出力シャフトに加えられるトルク負荷Ｔとの関係を示すグラフである。電動工具の出力効率は、モータの入力パワーに対する出力シャフトの出力パワーの割合である。曲線ηＨは高速で作動する工具の出力効率を表し、曲線ηＬは低速で作動する工具の出力効率を表す。図９に示すように、トルク負荷値がＴｃに達するまでは、高速時の工具の出力効率が低速時より高い。トルク負荷値がＴｃを超えると、高速時の工具の出力効率の値は低速時より低くなる。したがって、電動工具が常に高い出力効率で作動することを保証するためには、電動工具はトルク負荷値がＴｃに達するまで高速で実行され、トルク負荷値がＴｃを超えると低速実行になることが想定される。言い換えれば、高速から低速への最良の切換時は、トルク負荷値がＴｃに等しくなるときである。

高速で実行されているモータを介して流れる電流は、出力シャフトへ加えられる負荷を示す電動工具の動作特性として使用される。図９を参照すると、電流曲線ＩＨは、トルク負荷Ｔの増加に伴って線形的に上昇することがある。トルク負荷がＴｃに達すると、曲線ηＨは転移点ηＣで曲線ηＬと交差し、モータ電流は切換点Ｉｃまで増加する。本実施形態では、Ｉｃの値は３０Ａである。当業者には、電流センサとして抵抗器（図２０における３８３）がモータと直列に接続されてもよいことが認識されるであろう。電流センサには、モータ電流を監視するマイクロコントローラ（図２０における３０）が接続されてもよい。マイクロコントローラは、モータ電流がＩｃに達したことを検出すると、高速から低速へ自動的に切換するアルゴリズムを実行する。マイクロコントローラによるこのオペレーションに関しては、図２１に関連して以下さらに詳しく述べる。モータ電流曲線は様々なタイプのモータで異なる場合があるが、概して曲線の上昇は線形的または実質上線形的である場合があることは留意されるであろう。本実施形態は、モータ電流を使用して出力シャフトに加えられる負荷を表す。先の実施形態において述べたように、当業者には、電動工具の様々な動作特性が同じ効果（出力シャフトのトルクまたは速度、モータの速度および歯車伝動機構のギヤのトルクまたは速度等）をもたらし得ることが認識されるであろう。電源としてバッテリパックを使用する場合は、加えられる負荷を表わすためにバッテリパックの接点への電圧変動も使用されることがある。

次に、図１０から図１４を参照して、本発明の第３の実施形態による電動工具について説明する。この第３の実施形態では、駆動機構５は電磁式であり、鉄芯を鉄芯の行程の両反対端に電気なしで保持することのできる双方向キープソレノイド５３を備える。図１４を参照すると、双方向キープソレノイド５３は、長手方向の帯磁された金属シェル５３１と、シェル５３１内に長手方向に配列される１対のコイル５３２と、コイル５３２対間に配置される永久磁石５３３と、コイル５３２対の丸くされたエリアを介して直線的に移動可能な鉄芯５３４と、鉄芯５３４へ固定されるプッシュバー５３５とを含む。プッシュバー５３５は、シェル５３１の外側へ露出される周方向溝５３６を有する端の近くへ設けられる。図１４は、プッシュバー５３５が後方位置に位置づけられ、かつ鉄芯５３４は、コイル５３２を介して電流が流れない場合でも永久磁石５３３の引力に起因してこの位置に保持されることを示す。図１０および図１２を参照すると、鋼線５１３とプッシュバー５３５との間には連接部材５４が配置され、連接部材５４は、概してギヤケース４７の下半分を囲む支持アーム５４１と、支持アーム５４１の底部から下側へ延設される１対の離隔された側板５４２とを含む。支持アーム５４１は、鋼線５１３の半径方向の反対側へ延びる両端へ連接される２つの自由端を有する。側板５４２は後方へ延設され、溝５３６に係合してプッシュバー５３５へ連接する。双方向キープソレノイド５３は、側板５４２対間の空間に収容される。図１２を参照すると、側板５４２とハウジング２１との間に案内機構が配置される。この案内機構は、各側板５４２から横方向へ延設される１対の案内バー５４３と、各々がハウジング２１の各側面から横方向へ延設されて対応する案内バー５４３を受け入れかつ案内するための案内溝５４５を画定する２対のリブ５４４とを含む。

図１０は、双方向キープソレノイド５３のプッシュバー５３５がシェル５３１の外側へより長い距離で延びる前方向位置に位置づけられ、一方で鉄芯５３４は永久磁石５３３により保持されていることを示す。この位置では、歯車伝動機構４はより低い歯車減速比を有する（即ち、出力シャフト６または電動工具９は高速で実行されている）。この時点で、リングギヤ４５は遊星キャリア４１および遊星ギヤ４２に係合し、共に回転する。図１４を参照すると、前方向の電流がコイル５３２を介して流れると磁界が生成され、鉄芯５３４およびプッシュバー５３５は前方位置から後方位置へ移動するように起動される。この期間中、連接部材５４、鋼線５１３およびリングギヤ４５は、プッシュバー５３５と共に纏まって距離ｄ（図１０参照）を移動する。プッシュバー５３５が後方位置に達すると、リングギヤ４５は遊星キャリア４１との係合を解くが、遊星ギヤ４２にはまだ係合している。一方で、リングギヤ４５は回転的に固定された構造体４４に係合し、ハウジングに対して不動である。その結果、歯車減速比は上がり、電動工具の出力速度は低下する。ソレノイド５３へ反対の電流が印加されれば、プッシュバー５３５は前方位置へ戻り、歯車減速比は低下して電動工具９の出力速度は上がる。

次に、図１５から図１７を参照して、本発明の第４の実施形態による電動工具の信号発生器３５について説明する。先に述べたように、信号発生器３５が起動されると、電子制御システムは駆動機構５を介して流れる電流の方向を変え、これにより変速が起動される。図１６を図１７ａおよび図１７ｂと併せて参照すると、信号発生器３５は、ハウジング２１の各半分に配置される１対のスイッチを含む。各スイッチは、変速を起動することができる。この配置により、左利きの操作者および右利きの操作者は、スイッチへの一度のタッチで変速を便利に起動することができる。

図１７ａおよび図１７ｂは、スイッチの２つの形式を示す。図１７ａに示すように、ハウジング２１上へは押しボタンスイッチ３５１が取り付けられ、ばねプレート３５３はハウジング上へ押しボタンスイッチ３５１から離隔されかつこれを覆って取り付けられる。操作者が電動工具９を実行する出力速度の変更を希望すれば、ばねプレート３５３は押し下げられて押しボタン３５１１を押し、スイッチ３５１が閉じられる。電気信号が送出され、配線３５１２を介してマイクロコントローラ３０へ出力され、（後述するように）変速が起動される。同様に、図１７ｂは、ばねボタン３５２１と、接点３５２３と、前記接点をマイクロコントローラ３０へ電気的に接続する配線３５２２とを有するばねスイッチ３５２を示す。ばねプレート３５３が押し下げられると、ばねボタン３５２１は押されて接点３５２３に接触し、電気信号が発生されて配線３５２２を介して出力される。

図１６は、自動変速モードを選択的に起動または非活動化し、かつ非活動化された状態において高速モード（Ｈ）および低速モード（Ｌ）間を選択するための速度モードセレクタ３６を示す。速度モードセレクタ３６は、ハウジング２１上へ露出されるボタン３６１と、電気コンポーネント（後述する）へ電気的に接続される幾つかの端子とを含む。ボタン３６１は、ハウジング２１上で３つの位置、即ち自動モード位置（Ａ）、高速モード位置（Ｈ）および低速モード位置（Ｌ）間を滑動するように操作されることが可能である。端子は、上述の３つのモード位置に対応する３つの信号端子３６２と、接地端子３６３とを含む。速度モードセレクタ３６の動作については、後に図２０を参照して詳しく説明する。

速度モードセレクタ３６が図１６に示す自動モード位置（Ａ）に位置づけられると、自動変速が起動され、これを中断することはできない。スイッチ３５１または３５２が閉じられたとしても、信号発生器３５により達成される機能は起動されない。信号発生器３５の起動が変速を達成できるのは、速度モードセレクタ３６のボタン３６１が高速位置（Ｈ）または低速位置（Ｌ）へ調整される場合に限られる。

図１６を参照すると、ハウジング２１上へサイドハンドル２２１が取り付けられる。サイドハンドル２２１は、操作者がハンドルから手を離す必要なしに信号発生器３５を手で操作できるようにして、スイッチ３５１、３５２が位置合わせされる信号発生器３５から予め決められた距離ｌを隔てて配置される。当業者には、ユーザが主ハンドル２３を保持する手で信号発生器３５を操作できるように、信号発生器３５は主ハンドル２３から予め決められた距離ｌを隔てて配置され得ることが明らかであろう。

図１８および図１９は、信号発生器および速度モードセレクタの代替の組合せを有する、本発明の電動工具の第５および第６の実施形態を示す。図１８における第５の実施形態では、速度モードセレクタ３６は２つの速度位置、即ち高速位置Ｈおよび低速位置Ｌ間で切換されることが可能である。ボタン３６１が高速位置Ｈに位置づけられている場合、信号発生器３５の起動は可動部材を低速位置Ｌへ切換することができる。同様に、信号発生器３５の起動は、可動部材４５を低速位置Ｌから高速位置Ｈへ切換することができる。

第６の実施形態の電動工具は、速度モードセレクタボタンを装備していない。代わりに、各々高速位置および低速位置を指示するための２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）３７１、３７２がハウジング２１上へ配置される。この実施形態では、電動工具は、デフォルトの自動モードで始動する。自動モードは、信号発生器３５が起動された時点で中断され、速度位置は切換される。例えば、電動工具は当初、自動モードにおいて高速で実行され、Ｈ−ＬＥＤ３７１が照明されて高速状態が表される。信号発生器３５が起動されると、自動モードは中断され、速度状態は低速に切換され、信号発生器３５が再度起動されるまで、またはモータ２へ供給される電力が変わるまで低速に維持される。信号発生器３５が再度起動されれば、高速状態が再開され、かつ維持される。

図２０は、本発明の好適な一実施形態の制御システムを示す略回路図である。制御システムは、主スイッチ１３（Ｓ１）を介して電源１へ接続可能である。この実施形態では、電池はリチウムベースの化学的性質を有し、バッテリパックは約１８Ｖの公称電圧を有する。

図２０を図６と併せて参照すると、電子制御システム８は、マイクロコントローラ３０と、速度変調回路３１と、負荷検出回路３２と、駆動機構制御回路３３と、位置フィードバック回路３４と、信号発生器３５と、速度モードセレクタ３６とを含む。

マイクロコントローラ３０は、そのメモリと入力／出力（Ｉ／Ｏ）とが単一のチップに集積されているマイクロコンピュータである。マイクロコンピュータは、マイクロプロセッサと、メモリおよびＩ／Ｏのための他のコンポーネントとを使用して構築されるコンピュータである。マイクロプロセッサは、概して、コンピュータの中央処理装置機能の単一大規模集積回路への実装を指す。マイクロコントローラは、典型的には、中央処理装置（ＣＰＵ）と、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、タイマと、デジタル−アナログ（Ａ／Ｄ）変換器と、幾つかの入力／出力ポートＰ１−Ｐ２８とを含む。

図２０に示すように、主スイッチ１３は、ＤＣ／ＤＣ変換器３８１を介するバッテリパック電圧を制御する。このバッテリパック電圧は、制御システムの電源として機能する比較的低い定電圧に変換される。本実施形態では、定電圧値は５Ｖである。主スイッチ１３が閉じられると、定電圧がポートＰ２０を介してマイクロコントローラ３０へ供給され、マイクロコントローラ３０を初期化するための信号が入力ポートＰ１へ出力される。主スイッチ１３は、トリガボタン１３１（図１０参照）が結合されるポテンショメータであってもよい。トリガボタン１３１が押し下げられると、ポテンショメータ１３は、押し下げられる度合いに一致する信号を入力ポートＰ２を介してマイクロコントローラ３０へ供給する。次にマイクロコントローラ３０は、パワースイッチ１０を制御してモータ２を通じて印加される電圧を制御させるように、出力ポートＰ１２を介して速度変調回路３１へ信号を出力する。速度変調回路３１は金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）駆動回路であってもよく、パワースイッチ１０がＭＯＳＦＥＴであってもよい。マイクロコントローラ３０は、ポートＰ２で受信されるポテンショメータ信号に依存して、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号をＭＯＳＦＥＴ駆動回路３１へ出力してもよく、回路３１はＰＷＭ制御信号のデューティサイクルを変更する。例えば、トリガボタン１３１がより深く押し下げられるにつれて、回路３１は、トリガボタン１３１の現在位置に応じてＰＷＭ制御信号の各サイクルの「定時」持続時間を増大させる。したがって、より大きい電流がモータ２を流れ、その回転速度を上げる。当業者には、ＭＯＳＦＥＴ駆動回路はモータ２の速度を変えるためにＰＷＭ制御信号のデューティサイクル周波数も変えてもよいことが明らかであろう。

マイクロコントローラ３０は、ポートＰ３においてバッテリパック電圧を検出するように設計される。マイクロコントローラ３０は、ポートＰ３で受信される、バッテリパック１の残留容量を示す信号を読み取ってもよい。この信号は、電圧信号であってもよい。次に、マイクロコントローラはこれを選択されたしきい値と比較し、バッテリパックが過剰に放電されているかどうかを判断してもよい。バッテリパック１が過剰に放電されていれば、マイクロコントローラ３０は、モータ２へ供給される電力を中断するために出力ポートＰ１２をブロックする等の過放電防止プログラムを処理してもよい。図２０に示すように、４つのＬＥＤＤ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５は各々、抵抗器Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２９、Ｒ３０を介してポートＰ１８、Ｐ１７、Ｐ１６、Ｐ１５へ接続される。これらのＬＥＤは、ハウジング上、ハンドル上または操作者に見える電動工具の他の部位に配置されてもよい。これらのＬＥＤは、異なる組合せ、または異なる色の光を発してバッテリパック１の異なる残留容量レベルを指示してもよい。ＬＥＤＤ２、Ｄ３、Ｄ４は緑色の光を発し、ＬＥＤ Ｄ５は赤い光を発する。

ＬＥＤ Ｄ２、Ｄ３およびＤ４は、バッテリパックの残留容量が正常レベルにあることを示すために使用される。ＬＥＤＤ５は、バッテリパックの残留容量がより低いレベルにある、または過放電状態にあることを示すために使用される。残留容量が十分であれば、ＬＥＤＤ２、Ｄ３およびＤ４が絶えず照明され、ＬＥＤ Ｄ５は照明されない。残留容量が比較的高いレベルにあれば、ＬＥＤＤ３およびＤ４が絶えず照明され、ＬＥＤ Ｄ２およびＤ５は照明されない。残留容量が中程度のレベルにあれば、ＬＥＤＤ４が絶えず照明され、ＬＥＤ Ｄ２、Ｄ３およびＤ５は照明されない。残留容量が比較的低いレベルにあれば、ＬＥＤＤ２、Ｄ３およびＤ４は照明されず、ＬＥＤ Ｄ５が絶えず照明される。バッテリパックが過剰に放電されると、ＬＥＤＤ２、Ｄ３およびＤ４は照明されず、ＬＥＤ Ｄ５が点滅する。一方で、マイクロコントローラ３０はＭＯＳＦＥＴ駆動回路を制御してモータ２へ供給される電力を中断させる。

先に述べたように、抵抗器３８３は、モータ２２およびパワースイッチ１０と直列に接続され、マイクロコントローラ３０により、電動工具９へ加えられる負荷を示すモータ電流を検出するために使用される。負荷検出回路３２は、抵抗器３８３とマイクロコントローラ３０との間に接続される。負荷検出回路３２は、演算増幅器３８２と抵抗器Ｒ８、Ｒ９とを含む、増幅比を決定するための増幅回路である。演算増幅器３８２は、抵抗器３８３により発生する電圧降下を予め決められた増幅比で増幅し、ポートＰ４へ信号を出力する。マイクロコントローラ３０はこの信号を読み取り、モータを介する電流の流れが切換点Ｉｃ（図９参照）に達しているかどうかを決定する。さらに、抵抗器３８３とマイクロコントローラ３０との間には過電流検出回路３７も接続される。過電流検出回路３７は、比較器３８４と、定電圧電源（＋５Ｖ）と比較器３８４との間に接続される、比較器３８４の１つの入力（＋）へ基準電圧を供給するための抵抗器（図示せず）とを含んでもよい。比較器３８４は、そのもう一方の入力（−）において抵抗器３８３により発生する電圧降下を示す電圧信号を受信し、これを基準電圧と比較してモータが過電流であるかどうかを決定する。次いで比較器３８４は、各々非過電流または過電流を示す高状態信号または低状態信号を抵抗器Ｒ２４を介してポートＰ２１へ出力する。マイクロコントローラ３０は次に、以下に述べる過電流防止アルゴリズムを実行する。さらに、モータ２２とマイクロコントローラ３０との間には温度検出デバイス３８５が接続される。温度検出デバイスは、モータ表面へ接着される負の温度係数（ＮＴＣ）を有する抵抗器Ｒ１２またはサーミスタであってもよい。Ｒ１２の抵抗値は、モータの温度によって変わる。抵抗器Ｒ１０およびＲ１２で構成される回路は、抵抗器３８５によって生じる電圧降下を表すアナログ信号をポートＰ５を介してマイクロコントローラ３０へ供給するために使用されることが可能である。マイクロコントローラ３０は、このアナログ信号を受信し、かつこれを遮断してモータ温度を示すデジタル信号にし、次にこれを予め選択されたしきい値と比較してモータ温度が過昇であるかどうかを決定してもよい。

バッテリパック１は、バッテリパックのタイプまたは容量を示すために入力ポートＰ７を介してマイクロコントローラ３０へ接続される識別抵抗器３８６（Ｒｉ）を含む。電動工具へバッテリパックが付着された後、抵抗器Ｒｉは、抵抗器Ｒ１３およびＲ２１と共に電圧分割器回路を形成する。マイクロコントローラ３０はポートＰ７を介してアナログ信号を受信し、マイクロコントローラ３０はこれを解釈してバッテリパックのタイプまたは容量を識別することができる。次に、マイクロコントローラ３０は、過放電を回避するために対応する放電防止プログラムを決定する。

駆動機構制御回路３３は、駆動機構５とマイクロコントローラ３０との間、および電源１と接地との間に接続される。駆動機構制御回路３３はＨブリッジ回路であり、駆動機構は双方向キープソレノイド５３である。Ｈブリッジ回路は、各々ポートＰ１１、Ｐ９、Ｐ１０、Ｐ６へ接続される４つの入力ポートＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと、各々抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を介してポートＢ、Ｃ、Ｄ、Ａへ接続される４つの半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とを含む。双方向キープソレノイド５３は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２間のＨノードと半導体スイッチＱ３、Ｑ４間のＬノードとの間に接続される。半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、ＭＯＳＦＥＴである（但し、他のスイッチが使用されてもよい）。マイクロコントローラ３０は、Ｈブリッジ回路の入力ポートＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの開／閉状態を制御して、ソレノイド５３の鉄芯５３４またはプッシュバー５３５の移動方向を変えさせる。例えば、入力ポートＡ、Ｂが閉じていて、入力ポートＣ、Ｄが開いているとき、電源１から供給される電流は順次、スイッチＱ１、Ｈノード、ソレノイド５３、Ｌノード、スイッチＱ４および接地を介して流れる。言い換えれば、ソレノイド５３へ印加される電流の方向は、ＨからＬである。反対に、入力ポートＡ、Ｂが開いていて、入力ポートＣ、Ｄが閉じていれば、電源１から供給される電流は順次、スイッチＱ３、Ｌノード、ソレノイド５３、Ｈノード、スイッチＱ２および接地を介して流れる。言い換えれば、ソレノイド５３へ印加される電流の方向は、ＬからＨである。ソレノイドへ印加される電流を変えることにより、プッシュバー５３５はリングギヤ４５を高速位置から低速位置へ、または低速位置から高速位置へ移動させることができる。

位置フィードバック回路３４はマイクロコントローラ３０へ接続され、単極双投スイッチ３８７（Ｓ５）と、抵抗器Ｒ２５、Ｒ２６、Ｒ２７、Ｒ２８とを含む。図２０に示すように、スイッチ３８７は２つの接点Ｌ１、Ｈ１を有する。この場合は、極が接点Ｌ１に接触しているが、これは、リングギヤ４５が低速位置に位置づけられていることを意味する。スイッチ３８７は、抵抗器Ｒ２７を介してマイクロコントローラ３０のポートＰ１３へ低状態信号を出力し、かつ抵抗器Ｒ２８を介してマイクロコントローラ３０のポートＰ１４へ高状態信号を出力する。リングギヤ４５が起動されて高速位置に達すると、極は接点Ｈ１に接触して接点Ｌ１を開放状態にする。この場合、マイクロコントローラはポートＰ１３を介して高状態信号を受信し、ポートＰ１４を介して低状態信号を受信する。スイッチ３８７は、ハウジング内で連接部材５４の線形行程の反対の両端に位置合わせされる１対の金属製接点Ｈ１、Ｌ１と、連接部材５４に付着される金属板（極として機能する）とで構成される。金属板が金属製接点Ｈ１、Ｌ１の各々に接触すると、現在の速度位置を表す低状態信号が生成され、かつポートＰ１３またはＰ１４を介してマイクロコントローラ３０へ送信される。マイクロコントローラ３０は、こうして現在の速度位置を検出することができる。金属製の接点および板は、各々リングギヤ上およびギヤケース内に、または各々プッシュバー上およびハウジング内に配置されることが可能である。

速度モードセレクタ３６は、自動モードＡ、高速モードＨ２および低速モードＬ２に対応する３つの信号接点を有する。自動Ａ、高速Ｈ２および低速Ｌ２の接点は、各々抵抗器Ｒ１６、Ｒ１５、Ｒ１４を介してマイクロコントローラ３０のポートＰ２４、Ｐ２５、Ｐ２６へ接続される。負荷フィードバック回路３４のスイッチ３８７と同様に、３つの接点Ａ、Ｈ２、Ｌ２のうちの何れかが閉じられると、マイクロコントローラ３０は低状態信号を受信してどのポートがこの信号を入力しているかを識別する。このように、マイクロコントローラ３０はどのモードが選択されているかを認識し、次いで、後述するように、選択されたモードのためのアルゴリズムを実行することができる。

信号発生器３５は、並行して配列される２つの起動スイッチＳ２、Ｓ３を含み、抵抗器Ｒ１７を介してポートＰ２３へ接続される。２つのスイッチＳ２、Ｓ３のうちの何れかが起動されれば、中断電気信号が発生され、ポートＰ２３を介してマイクロコントローラ３０へ出力される。すると、選択されたオペレーションは現行の処理プログラムを中断し、後述するワンタッチ変速アルゴリズムを実行する。

図２１を参照すると、操作者がトリガボタン１３１を起動した時点で主回路は閉じられる（ステップ７１１）。次に、リセット信号がポートＰ１を介してマイクロコントローラへ入力され、マイクロコントローラが初期化される（ステップ７１２）。次に、マイクロコントローラ３０は、ポート３を介してバッテリパックの電圧信号をサンプリングし、バッテリパックが過剰に放電しているか、そうでないかを判断する（ステップ７１３）。過剰に放電していれば、マイクロコントローラ３０は作業を進めない。過剰に放電していなければ、マイクロコントローラ３０は、ポートＰ２４、Ｐ２５、Ｐ２６における信号状態を読み取ることによって現在どの速度モードが選択されているかを検出する（ステップ７１４）。マイクロコントローラ３０は、自動モードが選択されていることを検出すると、ポートＰ１３、Ｐ１４における信号状態を読み取ることによってソレノイド５３のプッシュバー５３５が高速位置に位置づけられているかいないかを判断する。高速位置に位置づけられていれば、マイクロコントローラ３０はステップ７２１へ進む。そうでなければ、マイクロコントローラ３０は、Ｈブリッジ回路３３を制御して可動部材４５を高速位置へ切換すべくソレノイド５３へ印加される電流の方向を変えさせ、次いでステップ７２１へ進む。高速モードが選択されていることが検出されると、マイクロコントローラ３０はさらに、ソレノイドが高速位置に位置づけられているかいないかを検出する（ステップ７１６）。高速位置に位置づけられていれば、マイクロコントローラ３０はステップ７２１へ進む。そうでなければ、マイクロコントローラ３０は可動部材４５を制御して高速位置へ切換させ（ステップ７１９）、次いでステップ７２１へ進む。同様にして、低速モードが選択されていることが検出されると、マイクロコントローラ３０はさらに、ソレノイド５３が低速位置に位置づけられているかいないかを検出する（ステップ７１７）。低速位置に位置づけられていれば、マイクロコントローラ３０はステップ７２１へ進む。そうでなければ、マイクロコントローラ３０はソレノイド５３を制御して可動部材４５を低速位置へ切換させ（ステップ７２０）、次いでステップ７２１へ進む。

ステップ７２１において、マイクロコントローラ３０はＬＥＤ Ｄ２からＤ５を制御してバッテリパックの現在の残留容量レベルを示させる。マイクロコントローラ３０はバッテリパック１を渡る電圧をリアルタイムで監視し（ステップ７２２）、バッテリパック１が過剰に放電されていればモータ２へ供給される電力を中断する。マイクロコントローラ３０は次に、トリガボタン１３１の押し下げの程度を示すポテンショメータ１３からの信号を検出し（ステップ７２２）、モータ２の回転速度を制御するＰＷＭ制御信号を出力する（ステップ７２３）。マイクロコントローラ３０は、モータ２の作動に伴ってモータ２を介する電流の流れを監視する（ステップ７２４）。

マイクロコントローラ３０は、次に、速度モードを再度検出する（ステップ７２６）。現在モードが高速または低速モードであることが検出されれば、マイクロコントローラ３０は、モータ電流が５００ミリ秒に渡って９０Ａを超えているかいないかを判断する（ステップ７２７または７２９）。超えていれば、モータ２が失速していてモータ電流が急激に上がっている場合がある。したがって、モータ２へ供給される電力は中断される（ステップ７２８または７３０）。超えていなければ、プログラムはステップ７２１へ戻る。現在モードが自動モードであることが検出されれば、マイクロコントローラ３０は、モータ電流が５００ミリ秒に渡って９０Ａを超えているかいないかを判断する（ステップ７２７または７２９）。超えていれば、モータ２は失速している場合があり、マイクロコントローラ３０は後述する自動変速ステップを実行する。超えていなければ、マイクロコントローラ３０はさらに、モータ電流が５００ミリ秒に渡って３０Ａを超えているかいないかを判断する。（ステップ７３２）超えていれば、マイクロコントローラ３０は自動変速ステップを実行する。超えていなければ、プログラムはステップ７２１へ戻る。ステップ７３２では、モータ電流値が、高速時の電動工具９の出力効率曲線と低速時のそれとが交差する切換点に達しているかいないかの判断が下される。したがって、モータ電流値が予め設定された時間期間に渡って予め決められた値以上であれば、自動変速が起動される。モータ電流値が予め決められた値に等しい場合も、自動変速が即時起動され得ることは明らかであろう。

自動変速ステップは、ステップ７３３から７３６までを含む。リングギヤ４５が高速位置から低速位置へ移動する際のギヤクラッシュを回避するために、リングギヤ４５の回転速度は（好適には、ゼロまで）下げられる。この場合、マイクロコントローラ３０は、モータへ供給される電力を一時的に中断する（ステップ７３３）。例えば、ポートＰ１２はＰＷＭ制御信号の出力をブロックされ、これにより、可動部材４５の回転速度がゼロまで下げられる。マイクロコントローラ３０は次にソレノイド５３を制御し、可動部材４５を低速位置へ移動させる。先に述べたように、マイクロコントローラ３０はＨブリッジ回路３３を制御して、ソレノイドへ前方向電流を印加させてもよい（即ち、入力ポートＡ、Ｂを閉じかつ入力ポートＣ、Ｄを開く）。したがって、ソレノイド５３のプッシュバー５３４は起動されて高速位置から低速位置へ移動される（ステップ７３４）。可動部材４５が低速位置に達すると、位置フィードバックスイッチＳ５が起動され、ポート１３を介してマイクロコントローラ３０へ出力される低状態信号を生成する。マイクロコントローラ３０は、次にモータを軟始動させる（ステップ７３５）。この場合、マイクロコントローラは、モータの回転速度が正常状態に戻るまで、ＰＷＭ制御信号のデューティサイクルを変えてモータへ印加される電圧をステップアップさせてもよい。この後、現行速度位置を示すＬＳフラグが設定され（ステップ７３６）、プログラムはステップ７２１へ戻る。リングギヤ４５は、高速位置から低速位置へ移動する際に時間間隔を必要とする。したがって、モータの一時停止に先立って、ソレノイドを起動することができる。この場合、リングギヤは、モータの回転パワーが除去された後に回転を固定された構造体に噛み合う。この手段により、リングギヤの回転速度はゼロまで低減されない。リングギヤに加えられる駆動力は存在しないことから、リングギヤは回転的に固定された構造体と滑らかに係合することが可能であり、迅速に行き詰まり状態になる。

図２２を参照する。マイクロコントローラ３０のポート２３が信号発生器３５により生成される中断信号を受信すると、マイクロコントローラ３０は現行の処理プログラムを中断し、ワンタッチ変速プログラムへ移行する（ステップ７５１）。まず、マイクロコントローラ３０はＰ２１を介してモータ電流値を読み取り、モータ電流が９８Ａ等の予め設定されたしきい値を超えているかいないかを判断する（ステップ７５２）。超えていれば、モータ２２は失速されてもよい。マイクロコントローラ３０は、次にＭＯＳＦＥＴ駆動回路３１を制御してモータ２２へ供給される電力を中断させる（ステップ７５３）。超えていなければ、マイクロコントローラ３０は現行の速度モードが何であるかを検出する（ステップ７５４）。現行速度モードが自動モードであれば、マイクロコントローラ３０は現行プログラムを終了する。現行モードが高速モードまたは低速モードであれば、電動工具に負荷が加えられているかいないかが判断される。これは、負荷が加えられていれば、モータ速度は負荷が加えられていない場合よりも速く低減されることに起因する。言い換えれば、負荷が加わっていないモータは停止するためにより多い時間を必要とする。負荷が加えられているかどうかを検出するために、マイクロコントローラ３０は、モータ電流が５００ミリ秒に渡って３０Ａを超えているかいないかを判断する（ステップ７５５または７６１）。超えていれば、負荷は加えられておらず、マイクロコントローラ３０はモータ２２を一時停止して０．５秒待つ（ステップ７５６または７６２）。超えていなければ、負荷が加えられていて、マイクロコントローラ３０はモータ２２を一時停止して２秒待つ（ステップ７５７または７６３）。マイクロコントローラ３０は、次にソレノイド５３を制御して可動部材４５を低速位置（ステップ７５８）または高速位置（ステップ７６４）へ移動させ、モータ２２を再始動し（ステップ７５９または７６５）、ＬＳまたはＨＳフラグを設定して現在の速度位置を指示する（ステップ７６０または７６６）。この後、マイクロコントローラ３０は現行プログラムを終了し、主プログラムへ戻る。

図２３ａ、図２３ｂおよび図２４は、本発明の電動工具９の第７の実施形態およびその駆動機構５を示す。駆動機構５は、小型モータ５５と、小型モータ５５の回転力を出力するための出力スピンドル５６１を有する小型歯車伝動機構５６と、出力スピンドル５６１上へ取り付けられるギヤ５７と、ギヤケース４７の外側へ回転式に取り付けられる円形スリーブ５８とを含む。円形スリーブ５８は、円周方向の壁内に画定される、各々鋼線５１３の反対側の両遠位端を受け入れかつ案内するための直径方向に対向する１対の溝と、周方向の表面上に形成される外歯５８４とを有する。各溝は、電動ドリル９の長手軸（図２３ａおよび図２３ｂにおける破線）に対して実質的に垂直である第１および第２のセクション５８１、５８３と、第１および第２のセクション５８１、５８３の間に配置される、長手軸に対して斜めに延びる第３のセクション５８２とを有する。

図２３ａおよび図２３ｂは各々、高速状態および低速状態における電動工具９を示す。小型モータ５５が起動すると、出力スピンドル５６１上へ取り付けられたギヤ５７はある回転速度を達成し、外歯５８４と係合することによってスリーブ５８の回転を起動する。この場合、鋼線５１３は溝の第３のセクション５８２によって長手方向へ移動するように推進され、可動部材４５は鋼線５１３と共に一方の速度位置からもう一方の速度位置へ移動して自動変速を達成する。小型モータ５５は、先に述べたようにマイクロコントローラによって制御されるＨブリッジ回路へ電気的に接続され、よって電流方向の変更に伴って反対方向へ回転することができる。小型モータ５５の直接的な出力速度が比較的低ければ、小型歯車伝動機構は省略されることが可能である。

本発明においては、歯車伝動機構および可動部材の構造はこれまでに言及した実施形態に記述されているものに限定されない。本発明は、様々なタイプの従来の歯車伝動機構に適用されてもよい（例えば、米国特許第６７９６９２１号明細書参照）。

本発明の第１の実施形態による変速電動工具を示す立面側面図であり、歯車伝動機構を示すために電動工具のハウジングの一部は切り取って描かれている。 図１の電動工具の駆動機構を示す部分拡大図である。 高速状態における図１の電動工具の歯車伝動機構を示す部分拡大図である。 低速状態における図１の電動工具の歯車伝動機構を示す部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態による変速電動工具を示す立面側面図であり、歯車伝動機構を示すために電動工具のハウジングの一部は切り取って描かれている。 図４ａの電動工具の駆動機構を示す部分拡大図である。 歯車伝動機構を制御するための第１の電子制御システムを示すブロック図である。 パワースイッチをさらに含む、歯車伝動機構を制御するための第２の電子制御システムを示すブロック図である。 電界効果トランジスタをさらに含む、歯車伝動機構を制御するための第３の電子制御システムを示すブロック図である。 クラッチをさらに含む、歯車伝動機構を制御するための第４の電子制御システムを示すブロック図である。 電動工具の出力効率ηと電動工具へ加えられるトルク負荷Ｔとの関係を示すグラフであり、高速から低速への切換のタイミングを示す。 高速状態における駆動機構を有する本発明の第３の実施形態による変速電動工具を示す立面側面図である。 低速状態における図１０の駆動機構を示す。 図１１の線１２−１２に沿った電動工具の部分断面図である。 図１１の線１３−１３に沿った電動工具の部分断面図である。 図１０の電動工具の双方向キープソレノイドを示す断面図である。 信号発生器がハウジング上へ配置されている本発明の第４の実施形態による電動工具を示す立面側面図である。 図１５の電動工具を示す平面図であり、サイドハンドルおよび３つの位置間で調整可能なボタンを有する速度モードセレクタをさらに示す。 図１５における信号発生器の起動スイッチの２つの形式を示す。 図１５における信号発生器の起動スイッチの２つの形式を示す。 ２つの位置を有する速度モードセレクタを備える本発明の第５の実施形態による電動工具を示す平面図である。 高速および低速を表す２つのＬＥＤを備える本発明の第６の実施形態による電動工具を示す平面図である。 本発明の電動工具の好適な一実施形態の略回路図であり、モータおよび電源へ接続される電子制御システムを示す。 自動変速用電子制御システムのオペレーションを示すフローチャートである。 ワンタッチ変速用電子制御システムのオペレーションを示すフローチャートである。 本発明の第７の実施形態による電動工具および高速および低速におけるその駆動機構を示す。 本発明の第７の実施形態による電動工具および高速および低速におけるその駆動機構を示す。 図２３ａの線２４−２４に沿った電動工具の部分断面図である。

Claims (20)

1. 可変速度を出力することのできる電動工具であって、
   ハウジングと、
   前記ハウジング内に含まれる、回転力を出力するためのモータと、
   出力シャフトと、
   前記モータと前記出力シャフトの間に配置され、前記モータの前記回転力を前記出力シャフトへ複数の歯車減速比の各々で伝達するための歯車伝動機構と、
   信号発生器と、
   前記信号発生器へ電気的に結合されかつ前記歯車伝動機構に機能的に係合されることで、前記信号発生器が手動で起動されると電気信号が発生されて前記制御システムへ送信され、前記歯車伝動機構に前記歯車減速比を変更させる制御システムと
   を備えている電動工具。
2. 前記信号発生器は前記ハウジング上へ取り付けられるスイッチを備える、請求項１記載の電動工具。
3. 前記ハウジングへ結合されるハンドルをさらに備え、前記ハンドルは、ユーザが手で前記ハンドルから手を外すことなく前記スイッチを動作可能であるように、前記スイッチから予め決められた距離を隔てて配置される、請求項２記載の電動工具。
4. 前記制御システムは、
   前記スイッチが起動されると前記電気信号を受信するために前記スイッチへ電気的に接続される制御ユニットと、
   前記電気信号に応答して前記制御ユニットにより起動され、前記歯車伝動機構に前記歯車減速比を変更させる駆動機構と
   を備える、請求項２記載の電動工具。
5. 前記歯車伝動機構は、
   少なくとも１つのギヤ列と、
   低い歯車減速比に対応する第１の位置と高い歯車減速比に対応する第２の位置との間で移動可能であり、よって前記歯車減速比を変更する可動部材と、
   を備える、請求項４記載の電動工具。
6. 前記ギヤ列は、複数の遊星ギヤと、隣接する遊星キャリアと、ハウジングに不動式に関連づけられる回転的に固定された構造体とを含む遊星ギヤ列である、請求項５記載の電動工具。
7. 前記可動部材は、前記第１の位置に位置づけられると前記遊星ギヤおよび前記遊星キャリアに係合しかつ前記第２の位置に位置づけられると前記遊星ギヤおよび前記回転的に固定された構造体に係合するリングギヤを備える、請求項６記載の電動工具。
8. 前記駆動機構は電磁式に起動可能であって前記可動部材と機能的に係合し、前記制御ユニットは前記可動部材を駆動するために前記駆動機構へ電流を印加する働きをする、請求項４記載の電動工具。
9. 前記電磁式に起動可能な駆動機構は、
   コイルを含むソレノイドと、
   前記コイルを介して線形的に移動可能な鉄芯と、
   前記鉄芯へ付着されかつ前記可動部材へ接続されるプッシュバーと
   を備える、請求項８記載の電動工具。
10. 前記制御システムは、前記電磁式に駆動可能な駆動機構へ印加される前記電流の方向を変えるためのＨブリッジ回路を備える、請求項８記載の電動工具。
11. 前記制御ユニットは、前記駆動機構を起動する前に、前記電動工具へ印加される負荷が存在するかどうかを決定することができる、請求項４記載の電動工具。
12. 前記制御ユニットは、加えられる負荷が存在すれば第１の予め決められた時間間隔に渡って前記モータを一時停止させ、かつ加えられる負荷が存在しなければ第２の予め決められた時間間隔に渡って前記モータを一時停止させるように動作し、前記第１の予め決められた時間間隔は前記第２の予め決められた時間間隔より短い、請求項１１記載の電動工具。
13. 出力速度を変えるための電動工具であって、
    ハウジングと、
    前記ハウジング内に含まれる、回転力を出力するためのモータと、
    出力シャフトと、
    前記モータと前記出力シャフトの間に配置される、前記モータの前記回転力を前記出力シャフトへ第１の歯車減速比および第２の歯車減速比を含む複数の歯車減速比の各々で伝達するための歯車伝動機構とを備え、前記歯車伝動機構は、
    少なくとも１つのギヤ列と、
    前記ギヤ列と可変的に係合される可動部材とを備え、前記可動部材は、前記第１の歯車減速比に対応する第１の位置と前記第２の歯車減速比に対応する第２の位置との間で移動可能であり、
    前記電動工具は、前記可動部材を駆動して前記第１の位置から前記第２の位置へ、かつ前記第２の位置から前記第１の位置へ移動させるための機構を含む制御システムを備える、電動工具。
14. 前記機構は、前記可動部材を電気なしで前記第１または第２の位置に保持することのできる双方向キープソレノイドを備える、請求項１３記載の電動工具。
15. 前記双方向キープソレノイドは前記可動部材へ接続されるプッシュバーを備える、請求項１４記載の電動工具。
16. 前記双方向キープソレノイドは、
    長手方向の金属シェルと、
    前記シェル内に長手方向に配列される１対のコイルと、
    前記コイル対間に配置される永久磁石と、
    前記コイル対を介して線形的に移動可能であり、前記プッシュバーが固定される鉄芯と
    をさらに備えている、請求項１５記載の電動工具。
17. 前記ギヤ列は、複数の遊星ギヤと、隣接する遊星キャリアと、ハウジングに不動式に関連づけられる回転的に固定された構造体とを含む遊星ギヤ列である、請求項１３記載の電動工具。
18. 前記可動部材は、
    前記第１の位置に位置づけられると前記遊星ギヤおよび前記遊星キャリアに係合しかつ前記第２の位置に位置づけられると前記遊星ギヤおよび前記回転的に固定された構造体に係合するリングギヤを備える、請求項１７記載の電動工具。
19. 前記制御システムは、
    前記機構に電流を印加して前記可動部材を駆動させる働きをする制御ユニットをさらに備える、請求項１３記載の電動工具。
20. 前記制御システムは、前記機構へ印加される前記電流の方向を変えるためのＨブリッジ回路を備える、請求項１９記載の電動工具。

Images