JP2009504420A - 工具における過負荷を検出するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電動モータ（１２）を有する電動工具（１９）における過負荷状態を、例えばバッテリ駆動式電動工具（１０）に対して検出する方法に関しており、ここでは電動モータ（１２）の動作電流（Ｉ_B）を求めて、動作電流（Ｉ_B）の値と、少なくとも１つの記憶されている電流値（Ｉ_G）との間の差分（Ｉ_D）を求め、この差分（Ｉ_D）から、電動工具（１０）の熱による過負荷を推定する。本発明はさらに相応する監視装置（２２）にも関する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された電動モータを有する電動工具における過負荷状態を検出する方法ならびに請求項１１の上位概念に記載された相応の装置に関する。

従来の技術
電動モータを有する電動工具における過負荷状態を検出する方法は、従来技術から公知である。ここで電動工具とは、例えば、ねじ回し、ドライバドリル（Bohrschrauber）、丸鋸、ジグソー（Stichsaege）、電気かんな、ハンマードリル（Bohrhammer）または振動ドリル（Schlagbohrmaschine）のことである。商用電源で駆動される電動工具と並んでバッテリ駆動式電動工具も利用可能である。以下の考察に対してはもっぱらバッテリ駆動式の電動工具について触れるが、説明することは内容的に商用電源駆動式電動工具についても当てはまる。電動工具では、モータが大きな負荷がかかり、モータが停止してしまう状況になってしまうことがある。しかしながらこのような停止状態において電動モータは、エネルギー源にとってみればほとんど単なる小さなオーム抵抗になるため、極めて大きな電流が流れる。バッテリにとってみれば、停止しているモータは、短絡と同じように振舞うのである。さらに注意すべきであるのは、停止しているモータにおいてはもはや冷却が利用できず、最大限の電流が流れているまさにその時に冷却能力が最低になっていることである。例えば、遮断によってこのような状態に応じない場合には、数秒内に電動工具の１つまたは複数のコンポーネント、例えば接続線路、電動モータまたははんだ接続部が熱によって故障してしまうことがある。このような故障は、十分な冷却フェーズに注意が払われることなく、停止状態が何回も連続して発生する場合にも発生し得る。典型的にはバッテリ駆動式電動工具において、熱に対する耐性は、高温でも変化しない構成部材ないしは低抵抗の構成部材を使用することによって上げられるが、熱による故障の時間を単に遅らせるだけである。択一的には所定の電流レベルに達した際に電流回路を電気的に切り離すアナログの電気遮断部を使用することができる。しかしながらこれに必要な構成部材は高価であり、電動工具のパフォーマンスを損なってしまう可能性がある。しかしながら固定の電流限界をあらかじめ設定することは、一時的な電流ピークが発生した場合にこの工具がこの電流ピークに耐えられるかもしれないのに電動工具を遮断してしまうことにもなる。最後にＮＴＣ抵抗を用いて１つまたは複数のクリティカルなコンポーネント、例えばバッテリの温度を測定して、あらかじめ設定した最高温度に達した場合には電流回路を電気的に切り離す実施例も公知である。しかしながらこのような手法の欠点は、例えば、クリティカルなコンポーネントの体積の膨張または熱伝導率が小さいことによって、クリティカルな温度への到達と、このクリティカルな温度の識別との間に時間的な遅延が生じてしまうことである。

発明の利点
電動モータを有する電動工具における過負荷状態を、殊にバッテリ駆動式電動工具に対して検出する方法であって、この電動モータの動作電流を求める方法において、本発明によって提案されるのは、動作電流の値と、記憶されている少なくとも１つの電流値との間の差分を求めて、この差分から電動工具の熱による過負荷を推定することである。まず指摘しておきたいのは、電動工具の熱による過負荷状態とは、工具全体の過負荷ではなく、この工具の１つまたは複数のクリティカルなコンポーネントの熱による過負荷のことであり、ここでこれらのコンポーネントは、経験的にまたは公知のように熱による故障という点から見て危険な状態にさらされてしまうコンポーネントなのである。これのようなコンポーネントに挙げられるのは、バッテリ、バッテリセル、スイッチまたは電動モータである。したがってここではクリティカルなコンポーネントが熱によって損傷されるかまたは熱による不具合によって故障してしまう前に過負荷状態を識別することが目的である。電動工具の熱負荷を決定するためのベースとしての上記の差分は、動作電流Ｉ_Bと、記憶されている電流値Ｉ_Gとに基づいてつぎのように決定される。すなわち、
Ｉ_D ＝ Ｉ_B−Ｉ_G （１）
である。

本発明によって可能になるのは、熱的な限界に到達した際および／または到達する前に対向手段を、例えば工具の遮断を実行することである。この際に上記の電流がその熱的な等価物によって評価される。これによって、小型化したおよび／または有利な構成部材を使用することができ、しかもこの構成部材は、実際に発生し得る（短絡）電流に対して長時間安定でなくてもよいのである。ここでは例えば、動作電流が、記憶されている電流値を上回った場合にだけ上記の差分が形成されるようにすることも可能である。これによって計算コストが最小化される。ここで提案される方法を実行すると、電動工具の動作に影響があったとしても、これが最小になる。上記の記憶されている電流値は、例えば、電動工具のハードウェアに固定的に記憶することができる。

この記憶されている電流値は有利には、最大持続電流またはこれに相当するものよりも小さい。最大持続電流とは、電動工具を破損させることなくこれを持続的に作動させることのできる電流のことである。すなわち例えば１５Ａの許容最大持続を選択した場合、このことが意味するのは、例えば、バッテリの完全な充電状態は、１５Ａの電流レベルで放電できることである。したがって過剰な熱負荷は、例えば、動作電流がこの持続電流を上回った場合にだけ考慮されるのである。

有利には上記の差分は連続的に累算されて、電動工具のシステムパラメタと比較される。これによって考慮することができるのは、過負荷状態になることが、熱的な過負荷の度合い、すなわち上記の差分の大きさにも、この過負荷状態の持続時間、つまり何回の測定によって過大な電流が示されたかにも共に依存するということである。またこれによってまた、過負荷状態が、大きな過負荷によって短時間内に発生し得ることも、比較的小さい過負荷によって比較的長い時間にわたって発生し得ることも共に考慮することができる。熱による過負荷に対する上記の対抗手段は、上記の和がシステムパラメタ以上である場合に開始される。上記の計算はシステムパラメタｚを使用してつぎのように行われる。すなわち、
ΣＩ_D ≦ ｚ （２）
である。

また有利であるのは、上記の差分を加算の前にシステムに依存する指数でべき乗することである。このことから式
Σ(Ｉ_D)ⁿ ≦ ｚ （３）
が得られる。

これによって考慮することができるのは、大きな差分、すなわち、比較的大きな熱負荷が、小さな差分よりもより一層重み付けされることである。このようにして熱による負荷の実際の状況をより一層良好に表すことができるのである。

さらに、比較のための上記のシステムパラメタに係数を乗算することは有利である。この係数において、例えば、単位時間当たりの測定の回数を考慮することができる。短い間隔で測定が連続する場合には、測定がたまにしか行われない場合よりも、測定される大電流の数が比較的大きくても許容することができる。それは、単位時間当たりの測定の回数が比較的多い場合には、各測定の時間間隔について対して比較的少ないエネルギーしか伝わらないからである。システムに依存するべき乗ｎを考慮する際には、相応の式はつぎのようになる。すなわち、
Σ(Ｉ_D)ⁿ ≦ ｚ・ｍ （４）
である。

本発明の１発展形態では、電動工具をスイッチオンする際に上記の和をゼロに設定する。

熱による過負荷に対する対抗手段として有利には動作電流を低減するかまたは遮断する。この手段により、簡単に過負荷状態に対処することができる。

さらに、目標時間を割り当てる際および／またはシステムパラメタを決定する際に電動工具の動作温度を、殊にスイッチオン時に考慮する。ここでも指摘しておきたいのは、電動工具の動作温度とは、工具全体の温度のことではなく、この電動工具の１つまたは複数のクリティカルなコンポーネントの温度のことと理解すべきことである。スイッチオン時のこのような温度は、例えば、温度依存の抵抗を介して測定することができ、これによってスイッチオン過程毎の許容限界の計算に対する出発量が得られる。ここでこの抵抗は、熱についての前歴に対するいわば記憶のように機能するため、停止状態において繰り返してスイッチオンおよびスイッチオフした場合にも熱による破壊を防ぐことができる。このことを明らかにするため、上記のシステムパラメタをｚ(Ｔ₀)と表すことができる。ここでｚ(Ｔ₀)は、少なくとも１つのクリティカルコンポーネントの温度Ｔ₀が、例えば、電動工具をスイッチオンした際に、すでにその最大温度に近ければ近いほど小さくなる。またｚ(Ｔ₀)は、工具に依存する基本温度ｚ_sと、温度補償ｚ_T(Ｔ₀)との積として表すこともできる。すなわち、
ｚ(Ｔ₀) ＝ ｚ_S・ｚ_T(Ｔ₀) （４）
である。

上記のクリティカルなコンポーネントがすでにすでに許容最大温度を有している場合、または許容最大温度よりも例えば５℃低い場合にｚ_T(Ｔ₀)はゼロである。ｚ_Sが定められていた温度レベルにある場合、ｚ_T(Ｔ₀)は１である。クリティカルなコンポーネントの温度が、上記の温度レベルと、許容最大温度との間にある場合、ｚ_T(Ｔ₀)は、ゼロと１との間で選択される。

本発明の１発展形態では、熱による過負荷と、最大目標時間とを対応させる。すなわち、
ｔ_a ＝ ｚ／(Ｉ_D)ⁿ （５）
である。

ここでｚは、電動工具の種類および実施に依存するシステムパラメタであり、ｎはシステムに依存する指数であり、例えば１＜ｎ＜３である。このシステムに依存する指数ｎは実際の条件に応じて選択される。指数ｎは、クリティカルなコンポーネントの温度特性を表す。電動工具の熱による過負荷において、記憶されている電流値を大きく上回るほど、この指数を大きく選択する。ここでｚおよびｎは、例えば、実験によって推定することができる。ここでは上記のクリティカルコンポーネントに対して複数の測定を行って、この測定において、いかなる時間内にいかなる一定の電流レベルにおいてこのコンポーネントがその最大許容温度に達するかが求められる。相異なる測定点に基づいて、例えば、３つの測定点において、パラメタｎ（例えば３）およびｚ（例えば4096 SAⁿ）が推定されるかまたは計算される。

熱による過負荷と目標時間との対応付けを特性曲線として記憶すると有利である。これによって殊にフレキシブルな処理が可能になる。ここで指摘しておきたいのは、この特性曲線を値または値のテーブルによって明示的に記憶しておく必要ななく、固有のパラメタを有する数学的な関数に基づいて決定することも可能なことである。

本発明の１発展形態によれば、上記の特性曲線は双曲線状である。出願人の知識によれば、このような特性曲線が上記の対応付けに殊に有利である。

本発明はさらに、電動モータを有する電動工具、例えばバッテリ駆動式電動工具に対して過負荷状態を検出する監視装置に関しており、ここでこの監視装置は、電動モータの動作電流を求める電流測定装置を有している。この監視装置はさらに動作電流と、少なくとも１つの記憶されている電流値との間の差分を計算して、ここから熱による過負荷を推定するロジック装置とを有する。このロジック装置は、例えばデジタルコントローラとして構成される。

図面
以下、本発明を実施例に基づいて詳しく説明する。ここで、
図１には、監視装置を有する電動工具の実施例がシンボリックに示されており、
図２には、熱による過負荷と最大目標時間とに対する関数関係を示す実施例が示されている。

実施例の説明
図１には電動モータ１２を有する電動工具１０が示されており、ここでこの電動工具１０はバッテリ１４によって給電される。バッテリ１４から出発して、操作素子１６と、電動モータ１２と、遮断装置１８と、電流測定装置２０とが電流回路に配置されている。遮断装置１８は監視装置２２によって駆動制御される。遮断装置１８は、スイッチ２４（半導体素子として実施することも可能である）を有しており、これはふつう閉成されているが、必要時には監視装置２２によって開成することができる。スイッチ２４の開いたポジションは、破線で示されている。最後にバッテリ１４には温度測定装置２６が割り当てられており、この装置によってバッテリ１４の温度が検出される。監視装置２２には少なくとも１つの電流値が記憶されており、この場合にはこの電流値はハードウェア的に固定的に記憶されている。

電動工具１０をスイッチオンすると、上記の和Σ(Ｉ_D)ⁿがまずゼロに設定される。通常動作中、ユーザは操作素子１６によって電動工具１０を操作するが、これはバッテリ１４から電動モータ１２への送出出力を変化させることによって行われる（この過程は、従来技術から公知であり、したがって概略的にしか示していない）。動作中、電流測定装置２０によって、動作電流Ｉ_Bが繰り返して測定される。さて動作電流Ｉ_Bが、記憶されている電流値Ｉ_Gを上回った場合、上で述べた式（４）の和が増大する。ここではシステムパラメタとしてｚ(Ｔ₀)が使用され、ただし温度Ｔ₀は、スイッチオン時に温度測定装置２６によって求められたものである。この過負荷状態では、上記の和はつねに増大し、また何度も繰り返して値ｚ・ｍと比較される。この値を上記の和が上回った場合、監視装置２２からの信号によって、遮断装置１８が使用されて電流回路が遮断される。電動工具１０、ないしはここではバッテリ１４の形態のクリティカルコンポーネントは、これによって熱による損傷ないしは熱による故障から保護されるのである。

択一的には上述のように多数の測定、例えば１秒当たり１００回以上の測定を実施することもできる。この場合にはシステムパラメタｚ(Ｔ₀)と、例えば、秒当たりの測定回数と乗算されて、測定の多くの回数と、これによって個々の測定の小さくなった影響とが考慮される。

図２には特性曲線３０の例の経過が示されている。これは実験によって求められたものであり、またパラメタｚおよびｎを決定するために使用されたものである。ここでは横軸に沿って目標時間ｔ_aに対する時間ｔが、また縦軸に沿って電流回路を流れる電流Ｉ_Bが示されている。説明のために少なくとも１つ記憶されている電流値Ｉ_Gと、最大持続電流Ｉ_Mとがプロットされている。ここで明らかにわかるのは、測定した動作電流Ｉ_Bに対して、相応する最大目標時間ｔ_aを求められることである。この図からはっきりと示されているのは、ここで提案した方法によって電流ピークが許容されることである。それは、記憶された電流値Ｉ_Gを大きく上回る事態も少なくとも一時的には許容されるからである。その他にわかることは、記憶した電流値Ｉ_Gをわずかに上回る事態と、長い目標時間ｔ_aとが対応付けられることである。これによってわずかに上回った場合には、遮断があまりに早く行われないように保証するのである。

監視装置を有する電動工具の実施例を示す図である。 熱による過負荷と最大目標時間とに対する関数関係を示す線図である。

Claims (13)

1. 電動モータ（１２）を有する電動工具（１０）における過負状態を、例えばバッテリ駆動式電動工具（１０）に対して検出する方法であって、前記の電動モータ（１２）の動作電流（Ｉ_B）を求める形式の方法において、
   前記の動作電流（Ｉ_B）の値と、少なくとも１つの記憶されている電流値（Ｉ_G）との間の差分（Ｉ_D）を求め、
   当該差分（Ｉ_D）から前記電動工具（１０）の熱による過負荷状態を推定することを特徴とする、
   過負荷状態を検出する方法。
2. 前記の記憶されている電流値（Ｉ_G）は、最大持続電流（Ｉ_M）よりも小さいかまたはこれに等しい、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記の差分（Ｉ_D）を連続的に加算して、電動工具のシステムパラメタ（ｚ）と繰り返して比較する、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記の加算の前に差分（Ｉ_D）をシステム依存の指数（ｎ）によってべき乗する、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記の比較のため、システムパラメタ（ｚ）と係数とを乗算する、
6. 前記の和を電動工具のスイッチオン時にゼロに設定する、
   請求項３から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記の熱による過負荷に対する対抗手段として動作電流（Ｉ_B）を低減するか、または遮断する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記の目標時間（ｔ_a）を対応付ける際および／またはシステムパラメタ（ｚ）を求める際、例えばスイッチオン時の電動工具（１０）の動作温度（Ｔ₀）を考慮する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記の熱による過負荷と、最大目標時間（ｔ_a）とを対応付ける、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記の熱による過負荷と目標時間（ｔ_a）との対応付けを特性曲線（３０）として記憶する、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 前記の特性曲線（３０）は双曲線状である、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. 電動モータ（１２）を有する電動工具（１０）、例えばバッテリ駆動式電動工具（１０）に対して過負荷状態を検出する監視装置（２２）であって、前記の電動モータ（１２）の動作電流（Ｉ_B）を求める電流測定装置（２０）を有する形式の監視装置において、
    該監視装置（２２）はさらに、前記の動作電流（Ｉ_B）の値と、少なくとも１つの記憶されている電流値（Ｉ_G）との間の差分（Ｉ_D）を計算して、当該差分（Ｉ_D）から熱による過負荷状態を推定するロジック装置（２８）を有することを特徴とする
    監視装置。
13. 前記のロジック装置（２８）は、デジタルコントローラとして構成されている、
    請求項１２に記載の監視装置。

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