JP2010162672A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】
消費電力を増加させることなくモータの焼損を防止できる電動工具を提供する。
【解決手段】
モータ３と、モータ３へ印加される交流電圧を制御する半導体素子（トライアック）２７と、モータ３の回転数を設定する回転数設定手段（３２）と、モータの回転数を検出する回転数検出手段（５、６）と、回転数検出手段から出力された検出信号と回転数設定手段によって設定される回転数設定信号を比較して設定された導通角を増減させる制御手段２３を有し、制御手段２３は、増加された導通角が設定された回転数に対応する限界導通角を一定期間超えたときに過電流状態であると判定し、モータ３を停止、もしくは回転数を低下させるように制御する。制御手段２３内の記憶手段には、モータ３の設定回転数と過電流となる限界導通角との関係を予め格納しておく。
【選択図】 図１

Description

本発明は交流モータを用いた電動工具に関し、特にモータの回転数を半導体素子の導通角を用いて制御する制御手段を有する電動工具に関する。

電動工具におけるモータの制御において、モータに加わる負荷が変動してもモータの回転数が変動しないように制御することが重要である。そのため、モータの回転数を回転数検出手段によって検出し、その検出結果と設定された回転数との差をモニターして、回転制御を行うことが広く行われている。電動工具のモータとして例えば特許文献１においてはＡＣモータが用いられるが、ＡＣモータを用いる場合、モータの回転数を増減させるためには、トライアック等の導通角を設定する信号に回転数検出手段からの出力信号をフィードバックすることによって、モータの回転数を常に一定に保つ定回転制御が行われる。

モータの回転数を増減させるためには、特許文献１に記載されるようにトライアック等の半導体素子の導通角を変化させることにより行うのが一般的である。ここで、導通角とは、トライアックがオンとなった位相角からゼロクロスポイントまでの角度範囲（０°〜１８０°）の％で表される。また、モータを保護するために、モータに流れる電流を検出して予め設定してある過電流設定値を超えた時はモータを停止させる制御が行われている。この従来例による制御方法について、図５を用いて説明する。

図５は、従来技術におけるモータの回転制御回路図である。交流電源１０１は、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの単相１００Ｖであり、交流はスイッチ１０２によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。モータ１０３は、トライアック１２７によって通電を開始する位相角が制御されることにより、回転数が制御される。シャント抵抗１４０は、モータ１０３に流れる電流を検出するために挿入されるもので、カスタムＩＣ１２３がシャント抵抗１４０の両端にかかる電圧を測定することにより電流値を検出する。図示していないがカスタムＩＣ１２３には、過電流検出回路が含まれており、モータに過電流が流れていると判断される場合は、モータへの電力の供給を遮断する。ダイオード１１６、抵抗器１１７、電解コンデンサ１１９は、半波整流を行う電源回路であり、作成された直流はカスタムＩＣ１２３に供給される。

抵抗器１３１、可変抵抗器１３２、１３３はモータ１０３の回転数を設定するための抵抗値であり、可変抵抗器１３２により設定された電圧（設定電圧）がカスタムＩＣ１２３内の比較器１２３ａの＋側に入力される。モータ１０３には、その回転数を検出するための回転数センサ１０６が設けられ、回転数センサ１０６の出力（フィードバック電圧）が比較器１２３ａの−側に入力される。比較器１２３ａは、設定電圧とフィードバック電圧の差によりトリガ信号を作成し、抵抗１２８を介してトリガ信号がトライアック１２７に入力されることにより、トライアック１２７の導通角を制御して、モータ１０３に印加される電圧が調整される。

特開２００４−１９４４２２号公報

上述した従来技術による過電流を検出方法では、モータへの電流供給回路にシャント抵抗１４０を挿入する必要がある。そのため、モータに流れる電流は常にシャント抵抗１４０に流れるために消費電力を増加させてしまうことになる。また、シャント抵抗１４０の両端にかかる電圧を検出して、過電流であるか否かを判定する回路をカスタムＩＣ１２３内に組み込む必要があり、製造コストが増大する。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は消費電力を増加させることなくモータの焼損を防止することができる電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、シャント抵抗を用いずにモータに流れる過電流を検出することができる電動工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、マイコンを用いることにより交流モータの回転制御を安全かつ効率よく行うことにある。

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。

本発明の一つの特徴によれば、モータと、モータへ印加される交流電圧を導通角によって制御するトライアック等の半導体素子と、モータの回転数を設定する回転数設定手段と、モータの回転数を検出する回転数検出手段と、回転数検出手段から出力された検出信号と回転数設定手段によって設定される回転数設定信号を比較して導通角を増減させる制御手段を有し、制御手段は設定された回転数に対応する限界導通角に基づいて過電流状態を判定する。特に、増加された導通角が設定された回転数に対応する限界導通角を超えたときに過電流状態であると判定するように構成すると好ましい。また、制御手段は記憶手段を有し、記憶手段に、モータの設定回転数と過電流となる限界導通角との関係を予め格納しておく。設定回転数と限界導通角の関係は、入力される交流電源の周波数毎に設定されると好ましい。

本発明の他の特徴によれば回転数設定手段はダイヤルスイッチであり、制御手段はダイヤルスイッチの設定量に応じて限界導通角を設定する。制御手段は、過電流状態であると判定したときにモータを停止させるか、モータの設定回転数を落とす。

本発明のさらに他の特徴によれば、制御手段は設定回転数を落とすために、半導体素子の導通角を一定量減らすように制御する。また、検出信号と回転数設定信号の比較によって算出される導通角が限界導通角を超える場合には、制御手段は限界導通角を導通角として設定し、半導体素子の導通角が設定された回転数に対応する限界導通角を超えないように制御する。

請求項１の発明によれば、制御手段は、設定された回転数に対応する限界導通角に基づいて過電流状態を判定するので、電流を検出するためのシャント抵抗を使用せずに安価な構成でモータの過電流状態を検出することができる。

請求項２の発明によれば、制御手段は半導体素子の導通角が設定された回転数に対応する限界導通角を超えたときに過電流状態であると判定するので、過電流状態を確実に検出することができ、モータの焼損を防止することができる。

請求項３の発明によれば、制御手段は記憶手段を有し、記憶手段に、モータの設定回転数と過電流となる限界導通角との関係を予め格納しておくので、制御手段は瞬時に限界導通角を求めることができる。

請求項４の発明によれば、設定回転数と限界導通角の関係は、入力された交流電源の周波数に応じて設定するようにしたので、１つの制御装置で複数のモータに対応することができる

請求項５の発明によれば、回転数設定手段はダイヤルスイッチであり、制御手段はダイヤルスイッチの設定量に応じて限界導通角を設定するので、設定される回転数に応じた精度の良い過電流検出を行うことができる。

請求項６の発明によれば、制御手段は過電流状態であると判定したときにモータを停止させるので、モータの焼損を防止することができる。

請求項７の発明によれば、過電流状態であると判定したときにモータの設定回転数を落とすので、モータの焼損を防止しつつ作業を続行することができる。

請求項８の発明によれば、制御手段は、設定回転数を落とすために、半導体素子の導通角を一定量減らすので、過電流状態を有効に回避することができる。

請求項９の発明によれば、制御手段は、半導体素子の導通角が設定された回転数に対応する限界導通角を超えないように制御するので、過電流状態の発生を回避することができる。

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。

本発明の実施形態に係るモータの回転制御回路図である。 本発明の実施形態に係る回転数制御装置の一連の動作を示すフローチャートである。 モータ３の電流−回転数特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る限界導通角比の設定値テーブルを示す図である。 従来技術におけるモータの回転制御回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係るモータの回転制御回路図である。交流電源１０１は、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの単相１００Ｖであり、交流はスイッチ２によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。回転制御装置４は、モータ３の回転数を検出する回転数センサ６、回転数センサ６から出力される回転数信号を増幅する回転数信号増幅回路５、マイコン（マイクロコンピュータ）２３、マイコン２３及び制御回路内の基準電源を作るための電源回路７、交流電圧からゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出回路８、スイッチ２のＯＮ、ＯＦＦを検出するためのスイッチＯＮ、ＯＦＦ信号をマイコン２３に伝達するためのダイオード２４と抵抗器２５と２６、モータ３に通電される電圧を位相制御するための半導体素子であるトライアック２７、トライアック２７のゲート信号を入力するための抵抗器２８、モータ３の特性に応じて限界導通角を設定するための抵抗器２９、３０、及び、モータ３の回転数を設定するための抵抗器３１、可変抵抗器３２、３３を含んで構成される。

回転数信号増幅回路５は、コンデンサ９、１５、抵抗器１０、１１、１２、１４、トランジスタ１３で構成される交流増幅器であり、回転数センサ６からの回転数信号を０Ｖ〜−ＶＣＣの範囲で増幅しマイコン２３に出力する。マイコン２３はこの出力信号を用いてモータ３の回転数を検出する。

電源回路７は、ダイオード１６、抵抗器１７、ツェナーダイオード１８、電解コンデンサ１９によって構成される半波整流回路であり、交流電圧を直流に変換してマイコン２３及び図示しない電動工具の回路内に供給する。

ゼロクロス検出回路８は、抵抗器２０、２１、フォトカプラ２２で構成される。交流電圧はまず抵抗器２０によって減衰され、フォトカプラ２２の入力部（発光ダイオード）に入力される。このフォトカプラ２２の入力部に２つの発光ダイオードが互いに逆向きに接続されており、電流が正逆どちらに流れても発光するが、電圧の低いゼロクロス点近傍のみ消灯する。フォトカプラ２２の出力部はフォトトランジスタで構成されており、入力部の発光ダイオードが発光した時にのみＯＮ状態となる。つまりこのフォトトランジスタは交流電圧のゼロクロス点のみＯＦＦ状態となりそれ以外はＯＮ状態となるため、マイコン２３には交流電圧のゼロクロス点のみ抵抗器２１を通って０Ｖが入力され、それ以外のときは−ＶＣＣが入力される。このマイコン２３に入力される信号の変化によって、マイコン２３はトライアック２７の位相制御をするための基準信号を得る事ができる。

次に回転数制御装置４の一連の動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。図示しない電動工具のＡＣコードが接続されて交流電源１０１から交流電圧が供給されると、電源回路７によって直流の定電圧がマイコン２３に供給される。また交流電源１０１から供給される交流電圧がゼロクロス検出回路８に入力される。マイコン２３はゼロクロス検出回路８から入力されたゼロクロス信号の時間間隔を測定し、入力された交流電源の周波数を検出する（ステップ２０１）。

次にマイコン２３は、抵抗器３１、可変抵抗器３２、３３によって設定されるモータ３の目標回転数設定電圧を検出し、目標回転数の設定を行う（ステップ２０２）。可変抵抗器３２は使用者が作業用途によって外部からダイアルによって自由に回転数を設定できるものであり、例えば電動工具に取り付けられモータ３の回転数を数段階（例えばダイヤル１〜４の４段階）に設定するための設定手段である。また、可変抵抗器３３は制御回路のバラツキを抑制するための調整用の可変抵抗器である。

次にマイコン２３は、トライアック２７の限界導通角の設定を行う（ステップ２０３）。ここで、図３を用いてモータ３の電流−回転数特性を説明する。一般に、モータ３は負荷（電流）が増加すると回転数が低下する特性を有する。本実施形態では定回転数制御によって、負荷が変動してもモータ３が設定された目標回転数になるようにトライアック２７の導通角を制御する。そのため、モータ３の回転数はトライアック２７の導通角が１００％になるまでは一定に保つことが可能である。限界導通角とはモータ３が焼損する可能性のある過電流値におけるトライアック２７の導通角である。また、限界導通角比は導通角１００％に対する限界導通角の比率を表したものである。モータ３が焼損する過電流値を同じとした場合、その限界導通角比は設定される目標回転数によって変わり、目標回転数が高いほど限界導通角比も大きくなることが分かる。

図４に具体的な限界導通角比の設定値テーブルを示す。図４では２種類のモータ（別の電動工具用のモータ、又は、同じ工具でも性能の違うもの）に対応するため、ＡとＢの２種類の設定値テーブルを設けている。設定値テーブルＡ、Ｂは抵抗器２９、３０の選択によってマイコン２３に指示することができ、抵抗器２９のみを接続した時は設定値テーブルＡを選択し、抵抗器３０のみを接続した時は設定値テーブルＢを選択する。なお、抵抗器２９、３０の選択は製造段階で行われる。また、マイコン２３はステップ２０１で検出した入力電源の周波数に対応するため、設定された限界導通角になるように導通角の時間設定を行う。

図２のフローチャートに戻り、ステップ２０３の限界導通角の設定後に、スイッチ２がＯＮされるとダイオード２４、抵抗器２５、２６によって分圧されたスイッチＯＮ信号がマイコン２３に入力され、マイコン２３は抵抗器２８を通してトライアック２７のゲート端子にゲート信号を入力する。その後トライアック２７はＯＮし、モータ３に電流が流れ始め、モータ３は回転し始める（ステップ２０４）。

このとき、マイコン２３は予め設定されているモータ３の起動時間に従ってゼロクロス検出回路８によって検出されたゼロクロス点を基準に、導通角を０％からスタートして除々に広げていき、モータ３の回転数が抵抗器３１、可変抵抗器３２、３３によって設定される目標回転数になるようにソフトスタート動作を行う。次にマイコン２３は回転数センサ６、回転数信号増幅回路５によって検出されたモータ３の回転数を監視し、モータ３の回転数が目標回転数と比較してモータ３の回転数が低いときはトライアック２７の導通角を広げ、またモータ３の回転数が高いときはトライアック２７の導通角を狭めるようにトライアック２７の入力するゲート信号を制御して、モータ３の回転数が常に一定となるように位相制御を行う（ステップ２０５）。

次にマイコン２３は、トライアック２７の現在の導通角がステップ２０３で設定される限界導通角を超えていないかの監視を行う（ステップ２０６）。トライアック２７の導通角がステップ２０３で設定される限界導通角を一定の期間超えていたときはトライアック２７の入力するゲート信号を停止、もしくは導通角を極端に狭め、モータ３の保護をする（ステップ２０７）。

また、トライアック２７の導通角がステップ２０３で設定される限界導通角を超えていないときは、ステップ２０２に戻り、引き続きモータ３の定回転制御、及びトライアック２７の導通角の監視を行う。

以上、説明したように本実施形態によれば、トライアックの導通角が限界導通角を一定期間超えたときは過電流状態であると判断し、モータを停止、もしくは回転数を低下させるようにしたため、電流を検出するためのシャント抵抗を使用せずに安価な構成でモータの焼損を防止することができる。また、限界導通角を入力された交流電源の周波数に応じて設定するようにしたことにより、交流電源の周波数の違いによる過電流防止動作点の差異を無くすことができる。

更に、少なくとも２種類以上の限界導通角の設定値テーブルから限界導通角を選択するようにしたため、１つの制御装置で複数のモータに対応することができる。

以上、本発明を示す実施形態に基づき説明したが、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、図２のステップ２０５の処理において、トライアックの導通角を限界導通角の範囲内で設定するものとし、回転数を維持するために設定すべき導通角がステップ２０３で設定した限界導通角を超えていると判断したときは過電流状態になると判定し、実際にトライアックに設定する導通角は、限界導通角にとどめて実際の過電流状態が生じないように制御しても良い。

２ スイッチ ３ モータ ４ 回転数制御装置
５ 回転数信号増幅回路 ６ 回転数センサ
７ 電源回路 ８ ゼロクロス検出回路 ２３ マイコン
１６、２４ ダイオード
２５、２６、２８〜３１ 抵抗器
２７ トライアック ３２、３３ 可変抵抗器
１０１ 交流電源 １０２ スイッチ １０３ モータ
１０６ 回転数センサ １１６ ダイオード
１１７、１２８、１３１、１４１ 抵抗器
１１９ 電解コンデンサ １２３ カスタムＩＣ
１２３ａ 比較器 １２７ トライアック
１３２、１３３ 可変抵抗器 １４０ シャント抵抗

Claims (9)

1. モータと、前記モータへ印加される交流電圧を導通角によって制御する半導体素子と、前記モータの回転数を設定する回転数設定手段と、前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、該回転数検出手段から出力された検出信号と前記回転数設定手段によって設定される回転数設定信号を比較して前記導通角を増減させる制御手段を有し、
   前記制御手段は、設定された回転数に対応する限界導通角に基づいて過電流状態を判定することを特徴とする電動工具。
2. 前記制御手段は、前記導通角が、設定された回転数に対する限界導通角を超えたときに過電流状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 前記制御手段は記憶手段を有し、前記記憶手段に、前記モータの設定回転数と過電流となる限界導通角との関係を予め格納しておくことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
4. 前記設定回転数と前記限界導通角の関係は、入力される交流電源の周波数毎に設定されることを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
5. 前記回転数設定手段はダイヤルスイッチであり、前記制御手段は前記ダイヤルスイッチの設定量に応じて前記限界導通角を設定す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電動工具。
6. 前記制御手段は、過電流状態であると判定したときに前記モータを停止させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電動工具。
7. 前記制御手段は、過電流状態であると判定したときに前記モータの設定回転数を落とすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電動工具。
8. 前記制御手段は、前記設定回転数を落とすために、前記半導体素子の導通角を一定量減らすことを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
9. 前記制御手段は、前記検出信号と前記回転数設定信号の比較によって算出される導通角が限界導通角を超える場合には、前記限界導通角を導通角として設定し、前記半導体素子の導通角が設定された回転数に対応する限界導通角を超えないように制御することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。

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