JP2009241222A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータのロック時にモータの保護と作業者の安全確保が可能な電動工具を提供する。
【解決手段】 回転数センサ１０６は、モータ１０３の回転数を検出する。回転数増幅回路１０５は検出された信号を増幅し、マイコン１２３に出力する。マイコン１２３はモータ１０３の回転数をサンプリングし、回転数低下率を算出する。また、マイコン１２３はシャント抵抗１２７による電圧値によりモータ１０３の電流値をサンプリングし、電流値増加率を算出する。回転数低下率または電流値増加率がそれぞれの規定値を超えると、マイコン１２３はトライアック１２５へのゲート信号を制御してモータ１０３を停止させる。これにより、モータ１０３は保護され、作業者の安全も確保される。
【選択図】図１

Description

本発明は電動工具に関し、特に、モータの過負荷時の安全に配慮した電動工具に関する。

電動工具のディスクグラインダ、丸鋸等で部材の切断作業を行っている状態において、先端工具が部材を噛みこんでモータがロックすると、その半動力が電動工具本体にかかり、作業者が危険にさらされる場合がある。このため、従来、電動工具を始めとする種々のモータを駆動源とする製品において、モータがロックするといった過負荷に対しての保護のため過負荷警報装置を備えている例がある。例えば、モータによって駆動される車両において、モータの電流が所定値を越え、かつモータの回転数が所定値より低下したときに警報を発すると同時にモータの運転速度を低下させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−２０８００２号公報（第３−４頁、第1図）

しかし、上記のようなモータの過負荷警報装置は、モータの電流および回転数の絶対値とそれぞれの所定値とを比較してモータの回転数を制御するものであり、この場合、モータが焼損しないことを目的としている。よって、上記のように切断作業時に起こるモータロックにより瞬時に生ずる反動によって作業者が危険にさらされる、といった事態は防止できない。

そこで、本発明は、モータのロックが生じた際に瞬時にモータを停止することによって作業の安全確保が可能な電動工具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、駆動源であるモータと、モータへ駆動電圧を印加する電圧印加手段と、モータの回転数を検出する回転数検出手段と、回転数検出手段が検出した回転数の所定時間当たりの変動率を算出し、変動率が所定値以上の低下率となった場合には、モータの回転数を低下または停止させるように電圧印加手段からモータへの電力供給を制御する制御手段と、を有することを特徴とする電動工具である。

このような構成によれば、制御手段は、回転数検出手段が検出した回転数に基づき、所定時間当たりの変動率の算出を繰り返す。算出の結果が所定時間当たり所定値以上の低下率と判別すると、モータのロック状態が開始したと判断し、直ちにモータの回転数を低下または停止させる。

請求項２に記載の電動工具は、上記電動工具において、モータに流れる電流を検出する電流検出手段をさらに有し、制御手段は、電流検出手段が検出した電流値の所定時間当たりの変動率を算出し、電流値の変動率が所定値以上の増加率となった場合には、モータの回転数を低下または停止させるように電圧印加手段からモータへの電力供給を制御することを特徴としている。

このような構成によれば、制御手段は、電流検出手段が検出した電流値に基づき、所定時間当たりの変動率の算出を繰り返す。電流値が増加し、算出の結果が所定時間当たり所定値以上の増加率と判別すると、モータのロック状態が開始したと判断し、回転数の低下如何に係らず、直ちにモータの回転数を低下または停止させる。

請求項３に記載の電動工具は、駆動源であるモータと、モータへ駆動電圧を印加する電圧印加手段と、モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出した電流値の所定時間当たりの変動率を算出し、変動率が所定値以上の増加率となった場合には、モータの回転数を低下または停止させるように電圧印加手段からモータへの電力供給を制御する制御手段と、を有することを特徴としている。

このような構成によれば、制御手段は、電流検出手段が検出した電流値に基づいて所定時間当たりの電流増加率の算出を繰り返す。電流値が増加し、算出の結果が所定時間当たり所定値以上の増加率と判別すると、モータのロック状態が開始したと判断し、直ちにモータの回転数を低下または停止させる。

請求項４に記載の電動工具は、上記いずれかの電動工具において、制御手段は、電流検出手段が検出した電流値の所定時間当たりの平均値が所定電流値を超えた場合には、モータの回転数を低下または停止させるように電圧印加手段からモータへの電力供給を制御することを特徴としている。

このような構成によれば、制御手段は、電流検出手段が検出した電流値の所定時間当たりの平均値の算出を繰り返す。モータに安全に流すことのできる電流の許容値以下の電流値を所定電流値とし、算出した平均値が所定電流値を超えた場合には過負荷が生じているとしてモータの回転数を低下または停止させる。

請求項５に記載の電動工具は、上記いずれかの電動工具において、モータと電圧印加手段との接続をオンオフすることによって電動工具の駆動をオンオフする駆動スイッチをさらに有し、制御手段がモータを停止した後には、再び駆動スイッチをオンすることにより駆動を開始することを特徴としている。

このような構成によれば、上記いずれかの電動工具において制御装置によってモータの回転数が低下または停止された後には、駆動スイッチをオンしなければモータは始動しない。

本発明の請求項１に記載の電動工具によれば、モータの回転数低下率が所定値を上回っているか否かを検出しているので、モータがロックし始めたことを迅速に検出することが可能になる。また、回転数低下率が所定値を上回ったことを検出したときに、制御手段はモータのロック状態が開始したと判断してモータを停止させるため、作業者の安全確保が確実に達成される。

本発明の請求項２に記載の電動工具によれば、上記効果に加えモータに流れる電流の増加率が所定値を超えているか否かを検出しているので、モータがロックし始めたことを確実に検出することが可能になる。また、回転数低下率または電流増加率がそれぞれの所定値を上回ったことを検出したときに、制御手段はモータのロック状態が開始したと判断してモータを停止させるため、作業者の安全確保がより確実に達成される。

本発明の請求項３に記載の電動工具によれば、モータに流れる電流の増加率が所定値を超えているか否かを検出しているので、モータがロックし始めたことを迅速に検出することが可能になる。また、電流増加率が所定値を上回ったことを検出したときに、制御手段はモータのロック状態が開始したために大電流が流れ始めたと判断してモータを停止させるため、作業者の安全確保が確実に達成される。

本発明の請求項４に記載の電動工具によれば、モータに流れる電流の所定時間の平均値が所定値を超えているときには、電流供給を遮断することによって、モータの焼損を防止することができる。

本発明の請求項５に記載の電動工具によれば、再び駆動スイッチをオンすることによって、一度モータが停止された後の電動工具を駆動することができる。また、駆動スイッチを操作するまでは再び駆動を開始することが無いので、作業者の安全も確保できる。

以上のように、本発明の請求項１から請求項５に記載の電動工具によれば、モータのロックを確実かつ迅速に検知してモータの駆動を停止し、作業者の安全を確保することが可能な電動工具を提供することができる。

本発明の一実施の形態による電動工具について図１、図２を参照しながら説明する。まず、図1を参照しながら、本実施の形態による電動工具の回転数制御装置の構成について説明する。

図1に示すように、回転数制御装置１０４は、交流電源１０１と接続され電力を供給されている。また、回転数制御装置１０４は、スイッチ１０２を介してモータ１０３と接続され、モータ１０３に電圧を印加することによって駆動している。

回転数制御装置１０４は、回転数の低下率に応じてモータの回転数を制御する回転数低下率検出のための機能、およびモータに流れる電流の増加率に応じてモータの回転数を制御するモータ電流増加率検出のための機能を有している。よって、回転数制御装置１０４は、電源回路１０７、回転センサ１０６、回転数増幅回路１０５、ゼロクロス検出回路１０８、モータ電圧調整回路１４０、マイコン１２３、回転数設定のためのダイヤル式ボリューム１３４、抵抗１３３、および可変抵抗１３５を備えている。

回転数制御装置１０４は、モータ１０３の回転数を設定された回転数に増加させるまでの時間を設定するモータ起動時間設定のための機能、および所定電流以上がモータ１０３に流れた場合にはモータの回転を停止させる過電流検出のための機能をさらに有している。よって、回転数制御装置１０４は、モータ起動時間設定回路１５０と過電流設定回路１６０とを備えている。

電源回路１０７は、互いに並列に接続されたツェナーダイオード１１８およびコンデンサ１１９、ツェナーダイオード１１８の一端に互いに直列に接続された抵抗１０７およびダイオード１１６から構成された半波整流回路である。電源回路１０７は、交流電圧を直流の定電圧Ｖｃｃに変換し、回転制御装置１０４に供給している。なお、本実施の形態において、電圧Ｖｃｃはグランド電位よりも低い電圧としている。

回転数増幅回路１０５は、カップリングコンデンサ１０９、ＮＰＮトランジスタ１１３、バイパスコンデンサ１１５、抵抗１１０、１１１、１１２、１１４とで構成され、回転センサ１０６からの回転数検出信号を増幅する。回転センサ１０６は、例えばモータ１００の回転軸に備えられた磁極により誘導される起電力を検出することによって回転数に応じた回転数検出信号を出力するセンサである。

回転センサ１０６の一端は、カップリングコンデンサ１０９の一端と接続されている。カップリングコンデンサ１０９の他端は、電圧Ｖｃｃとグランド電位との間に直列に接続された抵抗１１０と抵抗１１１との接続点に接続されていると共に、ＮＰＮトランジスタ１１３のベースに接続されている。ＮＰＮトランジスタ１１３のコレクタは、抵抗１１２を介してグランド電位と接続されると共に、マイコン１２３に接続されている。ＮＰＮトランジスタ１１３のエミッタは、互いに並列に接続された抵抗１１４とバイパスコンデンサ１１５とを介して電圧Ｖｃｃを印加されている。回転数増幅回路１０５においては、回転センサ１０６の出力を、抵抗１１０と抵抗１１１との分圧比による電位をバイアスされた交流信号としてＮＰＮトランジスタ１１３に入力することにより、回転数に応じた周波数を有し増幅されたほぼ矩形波の信号をマイコン１２３に出力している。マイコン１２３は、この矩形波の例えば立下りを検出してカウントすることによって、モータの回転数を算出する。

モータ１０３の回転数を設定するために、所定電圧Ｖｃｃとグランド電位との間には、抵抗１３３、ダイヤル式ボリューム１３４、および可変抵抗１３５が互いに直列に接続されている。ダイヤル式ボリューム１３４の接点はマイコン１２３に接続されている。ここでダイヤル式ボリューム１３４は、作業用途によってユーザが外部から自由に設定できるように構成されている。また、可変抵抗１３５は、回転数制御装置１０４のバラツキを抑制するための調整用の可変抵抗である。ダイヤル式ボリューム１３４で所定の抵抗値を設定し、可変抵抗１３５で微調整を行うことによって、モータ１０３の回転数の所望の設定値に応じた電圧がマイコン１２３に入力される。

ゼロクロス検出回路１０８は、フォトカプラ１２２、抵抗１２０、および抵抗１２１で構成されている。フォトカプラ１２２は、互いに逆極性に並列に接続されたＬＥＤ１７１およびＬＥＤ１７２と、フォトダイオード１７３とを備えている。抵抗１２０の一端は交流電源１０１と接続され、他端はＬＥＤ１７１およびＬＥＤ１７２と接続されている。フォトトランジスタ１７３のコレクタは、抵抗１２１を介してグランド電位に接続されると共にマイコン１２３に接続され、エミッタは電圧Ｖｃｃを印加されている。ＬＥＤ１７１またはＬＥＤ１７２が発光すると、フォトトランジスタ１７３のコレクタ電圧は電圧Ｖｃｃとなる。交流電源１０１の電圧がグランド電位に近くなりどちらのＬＥＤも発光しない場合には、コレクタ電圧はグランド電位となる。マイコン１２３は、このグランド電位となるときをゼロクロスと検出する。

モータ電圧調整回路１４０は、トライアック１２５および抵抗１２６で構成されている。トライアック１２５のＴ２端子は、モータ１０３および抵抗１２４と接続されており、Ｔ１端子は抵抗１２７を介してグランド電位に接続されている。また、トライアック１２５のゲート端子は抵抗１２６を介してマイコン１２３と接続されている。トライアック１２５は、マイコン１２３によってゼロクロス回路１０８が検出するゼロクロスを参照しながら導通角を制御されることによってモータ１０３へ供給する電圧を調整している。

抵抗１２４は、モータ１０３とマイコン１２３との間に接続されており、スイッチ１０２がオンすることによって所定電圧をマイコン１２３に出力する。

抵抗１２７はモータ１０３に流れる電流検出用のシャント抵抗であり、抵抗１２８を介してモータ１０３に流れる電流に応じた電圧値をマイコン１２３に出力する。

モータ起動時間設定回路１５０は、電圧Ｖｃｃとグランド電位との間に互いに直列に接続された抵抗１２９および抵抗１３０を備えている。抵抗１２９と抵抗１３０との接続点はマイコン１２３と接続されており、モータ起動時間設定回路１５０は、抵抗１２９と抵抗１３０との分圧比に応じた電圧をマイコン１２３に出力している。抵抗１２９と抵抗１３０との分圧比に応じた電圧は、モータ１０３が回転を開始してから設定された回転数に達するまでの時間に応じて設定されている。

過電流設定回路１６０は、電圧Ｖｃｃとグランド電位との間に互いに直列に接続された抵抗１３１および抵抗１３２を備えている。抵抗１３１と抵抗１３２との接続点はマイコン１２３と接続されており、過電流設定回路１６０は、抵抗１３１と抵抗１３２との分圧比に応じた電圧をマイコン１２３に出力している。抵抗１３１と抵抗１３２との分圧比に応じた電圧は、モータ１０３に安全に流すことができる最大電流に応じて設定されている。

マイコン１２３は回転数制御回路１０４の制御手段である。マイコン１２３は、電源回路１０７により所定電圧Ｖｃｃを印加されている。また、マイコン１２３は、回転数増幅回路１０５、ゼロクロス検出回路１０８、モータ起動時間設定回路１５０、過電流値設定回路１６０、抵抗１２４、１２８、ダイヤル式ボリューム１３４と接続され、それぞれからの信号を入力されている。また、抵抗１２６を介してトライアック１２５のゲート端子に接続され、トライアック１２５の導通角を制御する信号を出力する。

本実施の形態において、電源回路１０７およびモータ電圧調整回路１４０は本発明の電圧印加手段として動作し、回転センサ１０６および回転数増幅回路１０５は、回転数検出手段である。シャント抵抗１２７は電流検出手段であり、マイコン１２３は制御手段である。

以上のような構成の回転数制御装置１０４の動作について、図１および図２を参照しながら説明する。図２に示すように、まずモータ起動時間の設定を行う(ステップ２０１)。このモータ起動時間とは、モータ１０３を急激に回転させたときの反動を抑制するため、ある程度の時間をおいて回転数を滑らかに目標回転数まで上昇させるソフトスタートの時間である。マイコン１２３は、モータ起動時間設定回路１５０から入力される電圧から、モータ１０３の回転が設定回転数に達するまでの時間を算出し、起動時間として設定する。

具体的には回路内基準電圧Ｖｃｃ−ＧＮＤ間の範囲で５段階に分けて設定を行い、例えば起動時間設定電圧が０〜１／５×Ｖｃｃのときは起動時間をゼロ秒、１／５×Ｖｃｃ〜２／５×Ｖｃｃのときは起動時間を１秒、２／５×Ｖｃｃ〜３／５×Ｖｃｃのときは起動時間を２秒、３／５×Ｖｃｃ〜４／５×Ｖｃｃのときは起動時間を３秒、４／５×Ｖｃｃ〜Ｖｃｃのときは起動時間を４秒と設定を行う。この起動時間は、大きいサイズのモータほど長く設定し起動時の反動を抑えることが好ましい。

ステップ２０２では、過電流値の設定を行う。マイコン１２３は、過電流値設定回路１６０から入力される電圧から、モータ１０３に流しうる電流の最大値となる過電流設定値を算出し設定する(ステップ２０３)。この過電流値はモータ１０３が過負荷によって焼損しないような電流値を設定する。

続いて、ダイヤル式ボリューム１３４を必要に応じて回転し、可変抵抗１３５により微調整を行うことにより目標回転数に応じた電圧値をマイコン１２３に入力する。マイコン１２３は、入力された電圧値が示す回転数を目標回転数として設定する。

ステップ２０４で、モータ１０３を起動する。これは初回の動作でのみ行われる。すなわち、スイッチ１０２がオンされると抵抗１２４を介してマイコン１２３に所定のスイッチオン信号が入力される。マイコン１２３は、モータ起動時間設定回路１５０から入力される電圧に応じた起動時間に従って、ゼロクロス検出回路１０８によって検出されたゼロクロス点を参照しながら導通角を徐々に広げていく。このようにして、モータ１０３の回転数が抵抗１３３、ダイヤル式ボリューム１３４および可変抵抗１３５に設定されている目標回転数になるようにソフトスタート動作を行う(モータ起動時間設定機能)。

マイコン１２３は、回転数センサ１０６および回転数信号増幅回路１０５によって検出されたモータ１０３の回転数が目標回転数と比較して低いときにはトライアック１２５の導通角を広げ、高いときには狭めるようにトライアック１２５のゲートに出力する信号を制御する。このようにしてモータ１０３の回転が常に一定となるように位相制御を行う。このように、定回転数制御(ステップ２０５)となったことが回転数増幅回路１０５からの入力信号によって確認されると、ステップ２０６の判定に進む。

マイコン１２３は、シャント抵抗１２７から抵抗１２８を介して入力されたモータ１０３の電流値に応じた電圧信号から所定時間当たりの平均電流値を算出する平均化処理を行い、過電流設定回路１６０から入力された信号に応じて設定された過電流設定値より大きいか否かを判定する(ステップ２０６：過電流検出機能)。大きい場合には(ステップ２０６：ＹＥＳ)、ステップ２０９に進み、トライアック１２５に出力する信号を遮断、または導通角を極端に狭めることによってモータ１０３を保護する。そうでない場合には(ステップ２０６：ＮＯ)、ステップ２０７に進む。

ステップ２０７では、マイコン１２３は、回転数増幅回路１０５から入力された信号から算出したモータ１０３の単位時間当たりの回転数低下率が、予め決められた規定値よりも高いかどうかを判別する。回転数低下率が規定値以下の場合にはステップ２０２に戻る（ステップ２０７：ＮＯ）。高い場合には（ステップ２０７：ＹＥＳ）、モータ１０３がロックしているために回転数が落ち始めた状態と判定してステップ２０８に進む。ここで回転数低下率は、一定の時間間隔でモータ１０３の回転数のサンプリングを行い、最新のサンプリング値と直前のサンプリング値との差分となる。なお、サンプリングは例えば０．５秒間隔で行うことができる(回転数低下率検出機能)。

ステップ２０８では、マイコン１２３は、抵抗１２８を介してシャント抵抗１２７から入力された信号から、モータ１０３の電流値の増加率を算出し、予め決められた規定値よりも高いかどうかを判別する。ここで電流増加率は、一定の時間間隔でモータ１０３の電流値のサンプリングを行い、最新のサンプリング値と直前のサンプリング値との差分となる。なお、サンプリングは例えば０．５秒間隔で行うことができる。電流値増加率が規定値以下の場合にはステップ２０２に戻る（ステップ２０８：ＮＯ）。高い場合には（ステップ２０８：ＹＥＳ）、モータ１０３がロックしていることによって大きな電流が流れ始めた状態と判定してステップ２０９に進み、トライアック１２５に出力するゲート信号を遮断することによってモータ１０３を停止する(電流低下率検出機能)。

モータ１０３が停止された後、再びモータを起動する際にはスイッチ１０２をオンすればよい。

以上説明したように、本実施の形態による回転数制御装置１０４によれば、モータ１０３の回転数低下率および電流値増加率を監視し、回転数低下率が所定の規定値を超え、かつ電流値増加率が所定の規定値を超えた場合には、モータ１０３がロック状態と判断する。このときマイコン１２３は、トライアック１２５のゲート信号の導通角を極端に狭める、または遮断するように制御することによってモータ１０３を保護すると共に作業者の安全を確保する。

モータ１０３スタート時には徐々に回転数を上げるようにソフトスタートさせるため、安全である。モータ１０３の電流平均値が規定値を超えた場合には、モータ１０３の焼損を防止するためトライアック１２５へのゲート信号の導通角を極端に狭める、または遮断するように制御することによってモータ１０３を保護する。

上記のような電動工具によれば、モータ回転数の低下、または電流値の増加が検出されると即時にモータの回転を停止させることができ、ロックした際のモータを保護すると共に作業者の安全を確保することが可能である。

本発明による電動工具は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、上記実施の形態ではモータ回転数低下率と電流値増加率との双方が規定値を超えた場合にモータを停止させるようにしているが、少なくともどちらかの条件に当てはまる場合にモータを停止させるようにしてもよい。

回転数制御装置の回路構成においては上記実施形態に限定されず、同様の作用効果を有するものであれば代替が可能である。

上記電動工具のモータの回転数制御については、電動工具に限らず、他のモータを用いた製品にも適用が可能である。

本発明の一実施の形態による回転数制御装置の構成を示す図。 本発明の一実施の形態による回転数制御方法を説明するフローチャート。

符号の説明

１０１：交流電源 １０２：スイッチ １０３：モータ １０４：回転制御装置 １０５：回転数増幅回路 １０６：回転数センサ １０７：電源回路 １０８：ゼロクロス検出回路 １２３：マイコン １４０：モータ電圧調整回路 １５０：モータ起動時間設定回路 １６０：過電流設定回路

Claims (5)

1. 駆動源であるモータと、
   前記モータへ駆動電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記回転数検出手段が検出した回転数の所定時間当たりの変動率を算出し、前記変動率が所定値以上の低下率となった場合には、前記モータの回転数を低下または停止させるように前記電圧印加手段から前記モータへの電力供給を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする電動工具。
2. 前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記電流検出手段が検出した電流値の所定時間当たりの変動率を算出し、前記電流値の変動率が所定値以上の増加率となった場合には、前記モータの回転数を低下または停止させるように前記電圧印加手段から前記モータへの電力供給を制御することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 駆動源であるモータと、
   前記モータへ駆動電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段が検出した電流値の所定時間当たりの変動率を算出し、前記変動率が所定値以上の増加率となった場合には、前記モータの回転数を低下または停止させるように前記電圧印加手段から前記モータへの電力供給を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする電動工具。
4. 前記制御手段は、前記電流検出手段が検出した電流値の所定時間当たりの平均値が所定電流値を超えた場合には、前記モータの回転数を低下または停止させるように前記電圧印加手段から前記モータへの電力供給を制御することを特徴とする請求項に１から請求項３のいずれか一項に記載の電動工具。
5. 前記モータと前記電圧印加手段との接続をオンオフすることによって前記電動工具の駆動をオンオフする駆動スイッチをさらに有し、
   前記制御手段が前記モータを停止した後には、再び前記駆動スイッチをオンすることにより駆動を開始することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか
   一項に記載の電動工具。

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