JP2010069598A

JP2010069598A - 電動工具

Info

Publication number: JP2010069598A
Application number: JP2008241833A
Authority: JP
Inventors: Hiroshiki Masuko; 弘識益子; Nobuhiro Takano; 信宏高野; Kazutaka Iwata; 和隆岩田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP5327514B2

Abstract

【課題】
ブラシレスＤＣモータを利用した電動工具において、温度上昇が所定値を越えたときに起こりうる熱的損傷からモータや制御回路を保護する。
【解決手段】
複数の半導体スイッチング素子を用いたインバータ回路と、インバータ回路によって駆動されるブラシレスＤＣモータと、ブラシレスＤＣモータの回転を制御する制御手段を有する電動工具において、インバータ回路の温度を測定する温度測定手段を設け、測定された温度が所定値（例えば１００℃）を超えたときに、半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低減させるようにした。低減されたデューティ比は、測定された温度が所定値を下回ったときに元の値に戻される。元に戻すタイミングは、所定値を下回ったときにすぐに戻しても良いし、所定時間経過したときに戻すようにしても良い。
【選択図】図４

Description

本発明は電動工具に関し、特に、駆動源として用いられるブラシレスＤＣモータの制御方法を改良した電動工具に関する。

近年、ドリルやドライバ等の先端工具をモータによって回転駆動して所要の作業を行う電動工具において、ブラシレスＤＣモータが使われるようになってきた。ブラシレスＤＣモータは、ブラシ（整流用刷子）の無いＤＣ（直流）モータであり、コイル（巻線）をロータ側に、永久磁石をステータ側に用い、インバータで駆動された電力を所定のコイルへ順次通電することによりロータを回転させる。ブラシレスモータはブラシ付きモータに比べて高効率であり、充電電池を使用した電動工具においては１充電当りの作業時間を向上させることが可能である。また、モータの回転駆動のためのスイッチング素子を搭載した回路を有するので、電子制御により高度なモータの回転制御が容易となる。

ブラシレスＤＣモータは、例えば特許文献１に開示されているように、永久磁石を備えたロータ（回転子）と、３相巻線等の複数相の電機子巻線（固定子巻線）を備えたステータ（固定子）と、ロータの永久磁石の磁力を検出してロータ位置を検出する複数のホールＩＣより構成された位置検出素子と、電池パック等から供給される直流電圧をＦＥＴ（電界効果トランジスター）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）等の半導体スイッチング素子を用いてスイッチングして各相の固定子巻線への通電を切換えてロータを駆動するインバータ回路を含んで構成される。複数の位置検出素子は複数相の電機子巻線に対応しており、各位置検出素子によるロータの位置検出結果に基づいて各相の電機子巻線の通電タイミングを設定する。

特開２００３−４７２７７号公報

ところで、上記ステータやスイッチング素子は、電動工具の使用に伴い発熱を生じるが、ブラシレスＤＣモータの構成要素には使用温度条件が規定されており、その範囲内で動作させることが重要である。電動工具においては、連続運転や過負荷により、モータや駆動回路の半導体スイッチング素子などに温度上昇が生じ、それらの部品や、それらを構成する素子に熱的損傷を与える恐れがある。この問題を解消するためには、熱的損傷が生じる前に、作業者はモータの回転数を抑えるか、もしくはモータを停止させて、温度上昇を一旦冷却しなければならない。そのため、締付け作業または切削作業は断続的になり、作業効率の低下となる。更に、作業者にとって本体内部部品の温度上昇の判別は困難であった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度上昇が所定値を越えたときに起こりうる熱的損傷からモータや制御回路を保護することが可能な電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、所定の温度上昇の範囲内で電動工具を動作させることにより、モータを停止させることなく、連続的な作業が可能な電動工具を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次の通りである。

本発明の一つ特徴によれば、複数の半導体スイッチング素子を用いたインバータ回路と、インバータ回路によって駆動されるブラシレスモータと、ブラシレスモータの回転を制御する制御手段と、これらを収容するハウジングを有する電動工具において、ブラシレスモータまたはインバータ回路の温度を測定する温度測定手段を設け、温度測定手段によって測定された温度が第１の所定値（例えば１００℃）を超えたときに、半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低減させてブラシレスモータを駆動するようにした。低減されたデューティ比は、温度測定手段によって測定された温度が第１の所定値、又は、第１の所定値よりも低い第２の所定値（例えば６０℃）を下回ったときにデューティ比の低減を解除して元のデューティ比に戻される。尚、元のデューティ比に戻すタイミングは第１又は第２の所定値を下回ったときにすぐに戻しても良いし、下回ってから所定時間経過したときに戻すようにしても良い。

本発明の他の特徴によれば、電動工具は先端工具付近を照らすための、又は、電動工具の稼働状態を示すためのＬＥＤを有し、制御手段は、デューティ比を低減させた際にＬＥＤを点滅させるようにした。

本発明のさらに他の特徴によれば、複数の半導体スイッチング素子を用いたインバータ回路と、インバータ回路によって駆動されるブラシレスモータと、ブラシレスモータの回転を制御する制御手段と、これらを収容するハウジングを有する電動工具において、ブラシレスモータまたはインバータ回路の温度を測定する温度測定手段を設け、制御手段は、温度測定手段によって測定された温度が第３の所定値（例えば６０℃）を超えたときに、超えた温度量に応じてデューティ比を低減させ、温度測定手段によって測定された温度が第４の所定値（例えば８０℃）を超えたときに、低減させたデューティ比を維持するようにした。この低減させる割合は、超えた温度量と逆比例させるようにしても良いし、二次関数式に基づいて設定しても良い。二次関数で求める場合は、第３の所定値を超えた直後の単位温度あたりの低減割合が高く、第４の所定値に近づくにつれて単位温度あたりの低減割合が低くなるように設定しても良いし、逆に、第３の所定値を超えた直後の単位温度あたりの低減割合が低く、第４の所定値に近づくにつれて単位温度あたりの低減割合が高くなるように設定しても良い。

請求項１の発明によれば、測定された温度が第１の所定値を超えたときに、半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低減させてブラシレスモータを駆動するので、熱的損傷を受けやすい部位の過度な温度上昇を抑制することができる。この結果、電動工具の連続的な運転が可能となる。

請求項２の発明によれば、デューティ比の低減の後に温度測定手段によって測定された温度が第１の所定値を下回ったときに、デューティ比の低減を解除するので、温度上昇による制限が不要になった際には、フルパワーで電動工具を利用することができる。

請求項３の発明によれば、デューティ比の低減の後に温度測定手段によって測定された温度が前記第１の所定値よりも低い第２の所定値を下回ったときに、デューティ比の低減を解除するので、温度が確実に低下させることができるので、電動工具の信頼性及び寿命を向上できる。

請求項４の発明によれば、電動工具は、先端工具付近を照らすための、又は、電動工具の稼働状態を示すためのＬＥＤを有し、制御手段は、デューティ比を低減させた際にＬＥＤを点滅させるので、作業者は温度上昇が起こったこと、及び、モータの出力が下がったことを容易に認識することができる。

請求項５の発明によれば、制御手段は、温度が第１の所定値を下回った後、所定時間経過したときに、デューティ比の低減を解除するので、解除後すぐに温度が上昇して、再デューティ比を低減するといった不安定な制御を防止することができ、安定した制御が実現できる。

請求項６の発明によれば、温度測定手段が検出した温度に連動して、デューティ比を制御することでデューティ比の変化が緩やかとなる。これにより、スムーズにモータの回転数を移行させることができる。

請求項７の発明によれば超えた温度量に応じてデューティ比を低減させる割合は、超えた温度量と逆比例させるので、単純な制御によってスムーズにモータの回転数を移行させることができる。

請求項８の発明によれば、温度量に応じてデューティ比を低減させる割合は、二次関数に基づいて設定されるので、きめ細かい制御によってデューティ比を低減させることができる。

請求項９の発明によれば、二次関数は、第３の所定値を超えた直後の単位温度あたりの低減割合が高く、第４の所定値に近づくにつれて単位温度あたりの低減割合が低くなるように設定されるので、スイッチング素子の特性や配置状況などにより、デューティ比低減による温度上昇低下の効果が小さい電動工具において有効に制御ができる。特に、第３の所定値を超えた直後のデューティ比の削減幅を大きくしているため、スイッチング素子の温度上昇を十分に抑えることができる。

請求項１０の発明によれば、二次関数は、第３の所定値を超えた直後の単位温度あたりの低減割合が低く、第４の所定値に近づくにつれて単位温度あたりの低減割合が高くなるように設定されるので、スイッチング素子の特性や配置状況などにより、デューティ比低減による温度上昇低下の効果が大きい電動工具において有効に制御ができる。特に、第３の所定値を超えた直後のデューティ比の削減幅を小さくしているため、第４の所定値の直近まで高い出力での作業が可能となる。

本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明において、上下、前後の方向は、図１の矢印に示した方向として説明する。

図１は、本発明に係る電動工具の一実施形態としてのインパクトドライバ１の内部構造を示す図である。インパクトドライバ１は、充電可能なバッテリ９を電源とし、モータ３を駆動源として回転打撃機構２１を駆動し、出力軸であるアンビル３０に回転力と打撃力を与え、スリーブ３１の取付穴３０ａに保持されるドライバビット等の図示しない先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してネジ締めやボルト締め等の作業を行う。

ブラシレスＤＣ方式のモータ３は、側面視で略Ｔ字状の形状を成すハウジング２の筒状の胴体部２ａ内に収容される。モータ３の回転軸１２は、ハウジング２の胴体部２ａの中央部付近に設けられる軸受１９ａと後端側の軸受１９ｂによって回転可能に保持され、モータ３の前方には、回転軸１２と同軸に取り付けられモータ３と同期して回転するロータファン１３が設けられ、モータ３の後方には、モータ３を駆動するためのインバータ回路基板４が配設される。この回路基板には、スイッチング素子や回路基板の温度を測定するために、サーミスタが搭載される。ロータファン１３によって起こされる空気流は、空気取入孔１７ａ、１７ｂ及びインバータ回路基板４の周囲のハウジング部分に形成されたスロット（図示せず）からハウジング２の内部に取り込まれ、主にロータ３ａとステータ３ｂの間を通過するように流れ、ロータファン１３の後方から吸引されてロータファン１３の半径方向に流れ、ロータファン１３の周囲のハウジング部分に形成された後述するスロット（図示せず）からハウジング２の外部に排出される。インバータ回路基板４はモータ３の外形とほぼ同形の円形の両面基板であり、この基板上にはＦＥＴ等の複数のスイッチング素子５や、ホールＩＣ等の位置検出素子３３が搭載される。

ロータ３ａとベアリング１９ａの間には、スリーブ１４とロータファン１３が回転軸１２と同軸上に取り付けられる。ロータ３ａは、マグネット１５によって形成される磁路を形成するもので、例えば４つの平板状のスロットが形成された薄い金属板の積層により構成される。スリーブ１４は、ロータファン１３とロータ３ａが空転せずに回るようにする接続部材で、例えばプラスチックによって形成される。スリーブ１４の外周部には、必要に応じてバランス修正用溝（図示せず）を形成する。ロータファン１３は、例えばプラスチックのモールドにより一体成型されるもので、後方の内周側から空気を吸引し、前方側の半径方向外側に排出する、いわば遠心ファンであり、回転軸１２が貫通する貫通穴の周囲から放射状に延びる複数のブレードを有する。

ロータ３ａとベアリング１９ｂの間には、プラスチック製のスペーサ３５が設けられる。スペーサ３５の形状は略円筒形で、ベアリング１８とロータ３ａとの間の間隔を設定する。この間隔はインバータ回路基板４（図１）を同軸上に配置するためと、スイッチング素子５を冷却する空気流の流路として必要とされる空間を形成するために必要とされるものである。

ハウジング２の胴体部２ａから略直角に一体に延びるハンドル部２ｂ内の上部にはトリガスイッチ６が配設され、トリガスイッチ６の下方にはスイッチ基板７が設けられる。ハンドル部２ｂ内の下部には、トリガスイッチ６の引き動作によって前記モータ３の速度を制御する機能を備えた制御回路基板８が収容され、この制御回路基板８は、バッテリ９とトリガスイッチ６に電気的に接続される。制御回路基板８は、信号線１１を介してインバータ回路基板４と接続される。ハンドル部２ｂの下方には、ニカド電池、リチウムイオン電池等のバッテリ９が着脱可能に装着される。

回転打撃機構２１は、遊星歯車減速機構２２とスピンドル２７とハンマ２４を備え、後端がベアリング２０、前端がメタル２９により保持される。トリガスイッチ６が引かれてモータ３が起動されると、正逆切替レバー１０で設定された方向にモータ３が回転を始め、その回転力は遊星歯車減速機構２２によって減速されてスピンドル２７に伝達され、スピンドル２７が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル２７とハンマ２４とはカム機構によって連結され、このカム機構は、スピンドル２７の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝２５と、ハンマ２４の内周面に形成されたハンマカム溝２８と、これらのカム溝２５、２８に係合するボール２６によって構成される。

ハンマ２４は、スプリング２３によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール２６とカム溝２５、２８との係合によってアンビル３０の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ２４とアンビル３０の相対向する回転平面上の２箇所には図示しない凸部がそれぞれ対称的に形成されている。

スピンドル２７が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ２４に伝達され、ハンマ２４が半回転しないうちにハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部に係合してアンビル３０を回転させるが、そのときの係合反力によってスピンドル２７とハンマ２４との間に相対回転が生ずると、ハンマ２４はカム機構のスピンドルカム溝２５に沿ってスプリング２３を圧縮しながらモータ３側へと後退を始める。

そして、ハンマ２４の後退動によってハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ２４は、スピンドル２７の回転力に加え、スプリング２３に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によって回転方向及び前方に急速に加速されつつ、スプリング２３の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル３０の凸部に再び係合して一体に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力がアンビル３０に加えられるため、アンビル３０の取付穴３０ａに装着される図示しない先端工具を介してネジに回転打撃力が伝達される。

以後、同様の動作が繰り返されて先端工具からネジに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、例えば、ネジが木材等の図示しない被締結材にねじ込まれる。

次に図２を用いて、本実施形態のインバータ回路基板４を説明する。図２は、インバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクトドライバ１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。インバータ回路基板４は、例えばガラエポ (ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めたもの）で構成され、モータ３の外形とほぼ同形の略円形であり、中央にはスペーサ３５を貫通させるための穴４ａが形成される。インバータ回路基板４の周囲には、４つのねじ穴４ｂが形成され、このねじ穴４ｂを貫通するねじによって、インバータ回路基板４がステータ３ｂに固定される。インバータ回路基板４には、穴４ａを囲むように６つのスイッチング素子５が取り付けられる。スイッチング素子５は、薄型のＦＥＴであり、例えば、米国インターナショナル・レクティファイアー社（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｃｔｉｆｉｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のパワーＭＯＳＦＥＴ、“ＩＲＦ６６４８”を用いることができる。このスイッチング素子５は、表面面積が４．９ｍｍ×６．３ｍｍで、高さが０．７ｍｍと非常に小さく、高さが低いのが特徴である。

スイッチング素子５は厚さが非常に薄いので、本実施形態においては、基板上に寝かせた状態で、表面実装（ＳＭＴ：Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｕｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によってスイッチング素子５をインバータ回路基板４に取り付けるようにした。取付方法は、例えば、インバータ回路基板４上へのはんだ印刷（またはディスペンサによる部品搭載位置への接着剤塗布）を行った後に、チップマウンタでスイッチング素子５の実装を行い、その後リフロー炉で熱を加えてはんだを溶かし、スイッチング素子５をインバータ回路基板４に固定する。尚、図示していないが、インバータ回路基板４の６つのスイッチング素子５全体を覆うように、シリコンなどの樹脂をコーティングすることが望ましい。樹脂でコーティングすることにより、表面実装したスイッチング素子５に掛かる力や振動を吸収できると共に、スイッチング素子５に水滴や切粉などが付着することを防止でき、防塵性が向上し、水などに対する防滴効果に優れる。さらに、放熱性に富んだ樹脂を用いれば、冷却の面からも好ましい。インバータ回路基板４は両面基板となっており、その前面側には３つの位置検出素子３３（図２（２）では２つだけ図示）と、コンデンサやツエナーダイオード等のその他の電子素子３４が搭載される。

インバータ回路基板４は、モータ３と同形の円よりも下方にやや突出する形状であり、その突出した部分に複数の貫通穴４ｄが形成され、前面側から信号線１１ｂが貫通されて後面側においてはんだ付け３８ｂにより固定される。同様に電源線１１ａも前面側からインバータ回路基板４の貫通穴４ｃを貫通されて、後面側においてはんだ付け３８ａにより固定される。ここで、信号線１１ｂと電源線１１ａのインバータ回路基板４への固定を、基板上に固定されるコネクタを介して行うことも考えられる。しかしながら、インバータ回路基板４の前面側の省スペース化を図るためには、直接はんだ付けにより固定するほうが有利である。

次に、図３を用いてモータ３の駆動制御系の構成と作用を説明する。図３はモータの駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施形態では、モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。

モータ３は、いわゆるインナーロータ型で、一対のＮ極およびＳ極を含むマグネット１５（永久磁石）を埋め込んで構成されたロータ３ａと、ロータ３ａの回転位置を検出するために６０°毎に配置された３つの位置検出素子３３と、位置検出素子３３からの位置検出信号に基づいて電気角１２０°の電流の通電区間に制御されるスター結線された３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなるステータ３ｂを含んで構成される。なお、本実施形態では、ロータ３ａの位置検出は、ホールＩＣ等の位置検出素子３３を用いて電磁結合的に行っているが、電機子巻線の誘起起電圧（逆起電力）を、フィルタを通して論理信号として取出すことによってロータ３ａの位置を検出するセンサレス方式を採用することもできる。

インバータ回路３７は、３相ブリッジ形式に接続された６個のＦＥＴ（以下、単に「トランジスタ」という。）Ｑ１〜Ｑ６と、フライホイールダイオード（図示なし）から構成される。温度測定用素子（サーミスタ）３８は、インバータ回路基板４上のトランジスタに近接する位置に固定される。ブリッジ接続された６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲートは制御信号出力回路４８に接続され、また、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６のソースまたはドレインはスター結線された電機子巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路４８から出力されたスイッチング素子駆動信号によってスイッチング動作を行い、インバータ回路５２に印加されるバッテリ９の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路基板８には、演算部４１、電流検出回路４２、印加電圧設定回路４３、回転方向設定回路４４、回転子位置検出回路４５、回転数検出回路４６、温度検出回路４７、及び制御信号出力回路４８が搭載される。演算部４１は、図示されていないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するためのＣＰＵ、後述するフローチャートに相当するプログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、タイマ等を含むマイコンによって構成される。電流検出回路４２はモータ３に流れる電流を検出するための回路であり、検出電流は演算部４１に入力される。

印加電圧設定回路４３は、スイッチトリガ６の移動ストロークに応答してモータ３の印加電圧、すなわちＰＷＭ信号のデューティ比を設定するための回路である。回転方向設定回路４４は、モータの正逆切替レバー１０による正方向回転または逆方向回転の操作を検出してモータ３の回転方向を設定するための回路である。回転子位置検出回路４５は、３つの位置検出素子３３の出力信号に基づいてロータ３ａとステータ３ｂの電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの関係位置を検出するための回路である。回転数検出回路４６は、単位時間内にカウントされる回転子位置検出回路４５からの検出信号の数に基づいてモータの回転数を検出する回路である。

制御信号出力回路４８は、演算部４１からの出力に基づいてトランジスタＱ１〜Ｑ６にＰＷＭ信号を供給する。ＰＷＭ信号のパルス幅の制御によって各電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する電力を調整して設定した回転方向へのモータ３の回転数を制御することができる。

次に、図４〜７を参照しながら、本発明の実施形態に係るインパクトドライバ１の制御について説明する。

本発明の第１の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御を、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第１の実施形態であり、トランジスタ温度（以下、「Ｔ_ｔｒ」という）が安全使用が可能な限界値（以下、「Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}」という）を上回った場合に、ＰＷＭデューティ比を低減させる制御のフローチャートである。まず、温度検出回路４７はインパクトドライバ１の動作中或いは待機中に、サーミスタ等の温度測定用素子３８の出力信号を受信し、トランジスタ温度Ｔ_ｔｒを算出して演算部４１に送出する（ステップ４０１）。次に、演算部４１は、測定されたトランジスタ温度Ｔ_ｔｒが、限界値Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}以上であるかを判断する（ステップ４０２）。Ｔ_ｔｒが、Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}以上であれば、演算部４１は、ＰＷＭデューティ比を６０％に制限する信号を制御信号出力回路４８に送出する（ステップ４０３）。尚、本実施形態では、Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}の値として、Ｔ_ｔｒが所定値を超えずに連続運転が可能なＰＷＭデューティ比の算出値（又は実験値）である６０％に設定したが、この値に限られるものではなく、実際に用いる電動工具やモータ３の特性、使用環境等に応じて設定すれば良い。

また、ＰＷＭデューティ比を低下させた初回時は、ＬＥＤ１６を所定回数点滅、あるいは所定時間（数秒間）点滅させて（ステップ４０４）、ステップ４０１に戻る。このようにＬＥＤ１６を点滅させることによって、作業者に対してモータ３の出力が落ちたことを確実に報知することができる。ＬＥＤ１６の点滅は、ＰＷＭデューティ比を低減した初回時のみに行い、ＰＷＭデューティ比の低減状態が継続している間にずっと点滅動作を続けなくても良い。尚、本実施形態では点滅させる対象を、先端工具方向を照らすためのＬＥＤ１６としたが、これに限られるものではなく、作業者がその点滅を容易に認識できるものであれば、他のＬＥＤであっても良い。例えば、ハンドル部２ｂの下部に配置される制御パネル１８の表示用ＬＥＤ、特に、モータ出力モードを示す強弱表示ランプを点灯させるようにしても良い。さらには、モータ３の出力が低下中であることを示す専用のＬＥＤを制御パネル１８に設けて、それを点滅あるいは点灯させるようにしても良い。

Ｔ_ｔｒがＴ_{ｔｒｌｉｍ}より小さい場合は、演算部４１はＰＷＭデューティ比を現在制限しているか否かを判断する（ステップ４０２、４０５）。ＰＷＭデューティ比を現在制限していない場合はステップ４０１に戻る（ステップ４０５）。現在ＰＷＭデューティ比を制限している場合は、演算部４１は、ＰＷＭデューティ比の制限を解除すべく、それに対応する制御信号を制御信号出力回路４８に送出して（ステップ４０６）、ステップ４０１に戻る。

以上のように、第１の実施態様によれば、インバータ回路３７やスイッチング素子５の温度を測定する温度測定手段を設け、温度測定手段が所定値の超過を検出した場合にスイッチング素子５を駆動するＰＷＭ駆動信号のＰＷＭデューティ比を低減制御するので、過度な温度上昇を抑制することができる。この結果、各構成要素の熱損傷を防ぐことができ、更に、電動工具の連続的な運転が可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御を、図５のフローチャートを参照しながら説明する。図５は、本発明の第２の実施形態であり、トランジスタ温度Ｔ_ｔｒが安全使用が可能な限界値Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}を上回った場合に、ＰＷＭデューティ比を低減させる制御のフローチャートである。ステップ５０１〜５０５は、図４で示したステップ４０１〜４０５と同一である。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、ステップ５０５において、演算部４１がＰＷＭデューティ比を制限していると判定した場合は、演算部４１は一定時間、例えば、１０秒（ｓｅｃ）カウントし（ステップ５０６）、１０秒経過後にＰＷＭデューティ比の制限を解除する（ステップ５０７）。このように構成することによって、インバータ回路３７やスイッチング素子５の温度低下が確実に達成されるため、各構成要素の熱損傷を防ぐことができ、更に、電動工具の連続的な運転が可能となる。尚、本実施形態では、ＰＷＭデューティ比の制限を解除するまでのインターバルとして１０秒としたが、これに限られるものではなく、実際に用いる電動工具やモータ３の特性、使用環境等に応じて適宜設定すれば良い。

次に、本発明の第３の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御を、図６のフローチャートを参照しながら説明する。図６は、トランジスタ温度Ｔ_ｔｒが安全使用が可能な限界値Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}を上回った場合に、ＰＷＭデューティ比を低減させる制御のフローチャートである。ステップ６０１〜６０５は、図４で示したステップ４０１〜４０５と同一である。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、ステップ６０５において、演算部４１がＰＷＭデューティ比を制限していると判定した場合に、直ちにＰＷＭデューティの制限を解除するのではなく、温度低下が確実に起こったかを判断してから解除するようにしたことである。即ち、トランジスタ温度Ｔ_ｔｒが、トランジスタの制限解除温度Ｔ_ｔｒｔｈより大きい場合はステップ６０１に戻り、Ｔ_ｔｒｔｈを下回った場合にＰＷＭデューティ比の制限を解除する（ステップ６０６，６０７）。

図７は、第３の実施形態を用いてＰＷＭデューティ比の制御を行うときの各部の状態を示すグラフである。図７において、（１）〜（３）の横軸は時間（秒）を示し、３つのグラフとも同じスケールとし、時間経過を対応させて表している。図７（１）は、縦軸にトランジスタ温度Ｔ_ｔｒを示したもので、この温度には安全して使用できる限界値Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}（第１の所定値）と、制限解除温度Ｔ_ｔｒｔｈ（第２の所定値）がプロットされている。図７（２）は、縦軸にＰＷＭ制御信号のデューティ比を示したものである。図７（３）は、縦軸にトリガスイッチのＯＮ、ＯＦＦの状態を示したものである。

ここで区間ａにおいては、トリガがフルに引かれているため、ＰＷＭデューティ比は１００％、つまりフルパワーの状態でモータ３が駆動される。モータ３の駆動に伴いスイッチング素子５の温度が上昇していき、安全使用限界値Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}を超えた場合、図７（２）に示すようにＰＷＭデューティ比が１００％から６０％に低減された状態でモータ３が駆動される。すると、スイッチング素子５に流れる電流の時間が減少するために、スイッチング素子５及びモータ３での発熱量が減少し、図７（１）の区間ｂで示すように、トランジスタ温度Ｔ_ｔｒが低下していく。ねじ締めやボルト締め等の作業が終了した後には、図７（３）の区間ｃで示すようにトリガスイッチ６がＯＦＦにされる。この場合、図７（１）の区間ｃで示すようにトランジスタ温度Ｔ_ｔｒが低下していき、ついには制限解除温度Ｔ_ｔｒｔｈよりも低くなる。従って、次のトリガスイッチ６の操作（区間ｄ）の際には、ＰＷＭデューティ比は１００％でモータ３が駆動される。区間ａと同様に、安全使用限界値Ｔ_{ｔｒｌｉｍ}を超えた場合、図７（２）に示すように再びＰＷＭデューティ比が１００％から６０％に低減される。以上のように、第３の実施形態では、トランジスタ温度Ｔ_ｔｒが制限解除温度Ｔ_ｔｒｔｈまで十分下がったことを検出してからＰＷＭデューティ比の制限を解除するので、スイッチング素子５の熱損傷をより確実に防止することができる。

次に、本発明の第４の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御を、図８を参照しながら説明する。図８では、横軸にトランジスタ温度Ｔ_ｔｒを示し、縦軸にＰＷＭ制御信号のデューティ比を示す。ここでは、Ｔ_ｔｒが６０℃〜８０℃の間でＴ_ｔｒに連動（反比例）させて、ＰＷＭデューティ比を減少させる。これによりスムーズにモータの回転数を移行することができる。

図９は、第４の実施形態の第１の変形例で、６０℃〜８０℃の間でトランジスタ温度Ｔ_ｔｒに連動させて、ＰＷＭデューティ比を減少させるのは図８の例と同じであるが、温度と逆比例させて減少するのではなく、下に凸となる制御特性とした。この制御特性は、６０℃〜８０℃の間だけ、例えばトランジスタ温度とＰＷＭデューティ比の関係を二次関数に基づいて設定することにより達成できる。尚、設定の仕方は測定されたトランジスタ温度Ｔ_ｔｒから二次関数式を用いて計算によって算出しても良いし、温度とデューティ比の関係をデータテーブルに設定して演算部４１に格納しておいても良い。この第１の変形例では、ＦＥＴの特性や配置位置等によりデューティ比を低減しても温度低下の効果が小さい場合に有効な制御であり、デューティ比の低減開始区間の下げ幅を大きくしているため、ＦＥＴ温度上昇を十分に抑えられるという効果がある。

図９は、第４の実施形態の第２の変形例で、６０℃〜８０℃の間でトランジスタ温度Ｔ_ｔｒに連動させて、ＰＷＭデューティ比を減少させるのは図８の例と同じであるが、温度と逆比例させて減少するのではなく、上に凸となる制御特性とした。この制御特性は、６０℃〜８０℃の間だけ、例えばトランジスタ温度とＰＷＭデューティ比の関係を二次関数に基づいて設定することにより達成できる。この第２の変形例では、ＦＥＴの特性や配置位置等によりデューティ比を低減すると温度低下の効果が大きい場合に有効な制御であり、デューティ比の低減開始区間の下げ幅を小さくしているため、現象範囲の上限温度（８０℃）の直近まで高い出力で作業を行うことができるという効果がある。

また、第４の実施形態においては、周囲雰囲気が比較的低温である場合等、ＰＷＭデューティ比を大幅に低下させなくとも、スイッチング素子５の温度上昇を抑えられることがある。本実施形態のように構成すれば、ＰＷＭティーディ比の低下を最小限にとどめながら、スイッチング素子５の温度上昇を抑えることができる。例えば、トランジスタ温度Ｔ_ｔｒが６０℃を超えてＰＷＭデューティ比が１００％から所定だけ低下したことでトランジスタ温度Ｔ_ｔｒが上昇することがなければ、以降はＰＷＭデューティ比が低下することがなく、高いＰＷＭデューティ比を維持することができる。

以上説明したように、本発明の各実施形態においては、温度測定手段が所定値の超過を検出した場合にＰＷＭデューティ比を低減制御するので、過度な温度上昇を抑制することができる。この結果、各構成要素の熱損傷を防ぐことができ、電動工具の連続的な運転が可能となる。また、ＰＷＭデューティ比の制御を所定の温度や時間で解除することで、所望のＰＷＭデューティ比に復帰させることができる。更に、温度測定手段が検出した温度に連動して、ＰＷＭデューティ比を制御することで、緩やかなＰＷＭデューティの変化となる。これにより、スムーズにモータの回転数を移行させることができる。

以上、本実施形態のおいては、電動工具の例としてインパクトドライバを用いて説明したが、本発明の電動工具はインパクトドライバに限られず、モータ３としてブラシレスＤＣモータを駆動源にするものであれば、他のすべての電動工具に同様に適用できる。

本発明の実施形態に係るインパクトドライバの内部構造を示す断面図である。インバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクトドライバ１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。本発明の実施形態に係るモータ３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御を示すフローチャートである。本発明の第３の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御を示すフローチャートである。第３の実施形態を用いてＰＷＭデューティ比の制御を行うときの各部の状態を示すグラフであり、（１）はトランジスタ温度と経過時間の関係を示し、（２）はＰＷＭデューティ比と経過時間の関係を示し、（３）はトリガスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態と経過時間の関係を示す図である。本発明の第４の実施形態によるＰＷＭデューティ比の制御状況を示すグラフである。第４の実施形態の第１変形例によるＰＷＭデューティ比の制御状況を示すグラフである。第４の実施形態の第２変形例によるＰＷＭデューティ比の制御状況を示すグラフである。

符号の説明

１インパクトドライバ２ハウジング
２ａ（ハウジングの）胴体部２ｂ（ハウジングの）ハンドル部
３モータ３ａロータ３ｂステータ
４インバータ回路基板４ａ穴４ｂねじ穴
４ｃ、４ｄ貫通穴５スイッチング素子
６トリガスイッチ７スイッチ基板８制御回路基板
９バッテリ１０正逆切替レバー１１ａ電源線
１１ｂ信号線１２回転軸１３ロータファン
１４スリーブ１５マグネット１６ＬＥＤ
１７ａ、１７ｂ空気取入孔１８制御パネル
１９ａ、１９ｂ、２０ベアリング２１回転打撃機構
２２遊星歯車減速機構２３スプリング
２４ハンマ２５スピンドルカム溝２６ボール
２７スピンドル２８ハンマカム溝２９メタル
３０アンビル３０ａ（先端工具用の）取付穴
３１スリーブ３３位置検出素子
３４電子素子３５スペーサ３７インバータ回路
３８温度センサ４１演算部４２電流検出回路
４３印加電圧設定回路４４回転方向設定回路
４５回転子位置検出回路４６回転数検出回路
４７温度検出回路４８制御信号出力回路

Claims

複数の半導体スイッチング素子を用いたインバータ回路と、該インバータ回路によって駆動されるブラシレスモータと、該ブラシレスモータの回転を制御する制御手段と、これらを収容するハウジングを有する電動工具において、
前記ブラシレスモータまたは前記インバータ回路の温度を測定する温度測定手段を設け、
前記温度測定手段によって測定された温度が第１の所定値を超えたときに、前記半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号のデューティ比を低減させて前記ブラシレスモータを駆動することを特徴とする電動工具。
前記制御手段は、前記デューティ比の低減の後に前記温度測定手段によって測定された温度が、第１の所定値を下回ったときに、前記デューティ比の低減を解除することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記制御手段は、前記デューティ比の低減の後に前記温度測定手段によって測定された温度が、前記第１の所定値よりも低い第２の所定値を下回ったときに、前記デューティ比の低減を解除することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記電動工具は、先端工具付近を照らすための、又は、電動工具の稼働状態を示すためのＬＥＤを有し、
前記制御手段は、前記デューティ比を低減させた際に前記ＬＥＤを点滅させることを特徴とする請求項２又は３に記載の電動工具。
前記制御手段は、前記温度測定手段によって測定された温度が第１又は第２の所定値を下回った後、所定時間経過したときに、前記デューティ比の低減を解除することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の電動工具。
複数の半導体スイッチング素子を用いたインバータ回路と、該インバータ回路によって駆動されるブラシレスモータと、該ブラシレスモータの回転を制御する制御手段と、これらを収容するハウジングを有する電動工具において、
前記ブラシレスモータまたは前記インバータ回路の温度を測定する温度測定手段を設け、
前記制御手段は、前記温度測定手段によって測定された温度が第３の所定値を超えたときに、超えた温度量に応じて前記デューティ比を低減させ、
前記温度測定手段によって測定された温度が第４の所定値を超えたときに、低減させた前記デューティ比を維持することを特徴とする電動工具。
前記超えた温度量に応じて前記デューティ比を低減させる割合は、超えた温度量と逆比例させることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
前記超えた温度量に応じて前記デューティ比を低減させる割合は、二次関数に基づいて設定されることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
前記二次関数は、第３の所定値を超えた直後の単位温度あたりの低減割合が高く、第４の所定値に近づくにつれて単位温度あたりの低減割合が低くなるように設定されることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
前記二次関数は、第３の所定値を超えた直後の単位温度あたりの低減割合が低く、第４の所定値に近づくにつれて単位温度あたりの低減割合が高くなるように設定されることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。