JP2010200751A - アクセレータを備えた、手で操縦されるバッテリー作動型作業機 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリー充電の活用効率が改善されるように、手で操縦されるバッテリー作動方式の作業機を改良する。
【解決手段】電気アクチュエータ（３１）の出力信号は、バッテリーパック（１５）と駆動原動機（８）とを接続した電子制御装置（２６）に供給される。駆動原動機（８）に供給される電気エネルギーは操作要素（３２）の位置に依存して電子制御装置（２６）により配分される。操作要素（３２）の、非作動位置に続く第１の「デッド」ストローク範囲（３５）において、配分される電気エネルギーは「ゼロ」である。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、刈り込みばさみ機、パワーチェーンソー、刈払い機等の手で操縦される作業機、特に携帯可能な手で操縦される作業機に関するものである。

エネルギー源としてバッテリーパックを備えた、手で操縦される携帯可能な作業機は知られている。たとえば特許文献１は、パワーチェーンソー、刈り込みばさみ機、刈払い機等として種々構成された手で操縦される携帯可能な作業機を開示している。作業機ケーシング内には、作業工具用の従動部を付設した電気駆動原動機が設けられている。作業機ケーシングはバッテリーパックを含んでおり、バッテリーパックは適当な電子制御装置を介して駆動原動機と接続されている。操作要素を備えた第１の後部グリップを介して作業機が操縦され、駆動原動機が制御される。他方、作業機を保持するために第２の前部グリップが利用者の第２の手で把持される。

この種の作業機にバッテリーで作動する電動機を備えさせることは、ある種の特別なチャレンジである。というのは、一方で十分な駆動パワーを提供しなければならず、他方十分な作動時間が必要だからである。電気エネルギーを提供するには、適当な化学的構成の蓄電池から成る対応的なバッテリーパックが必要である。

この種の作業機の作動時間は、主に、バッテリーパックに蓄積されているエネルギーを、要求される出力電力でいかに効率的に活用するかにかかっている。

米国特許出願公開第２００７／０２４０８９２Ａ１号明細書

本発明の課題は、バッテリー充電の活用効率が改善されるように、手で操縦されるバッテリー作動方式の作業機を改良することである。

この課題は、請求項１の特徴ある構成によって解決される。

作業機のアクセレータは電気アクチュエータと接続され、該電気アクチュエータの位置依存出力信号は電子制御装置に送られる。したがって、電子制御装置はアクセレータのストローク位置の位置信号を得て、アクセレータのストローク位置に応じて駆動原動機に必要なエネルギーを供給する。本発明によれば、アクセレータとして構成される操作要素の、非作動位置（停止位置）に続く第１のストローク範囲において、供給されるべき電気エネルギーは「ゼロ」に量定され、すなわち電気エネルギーは供給されない。

これにより、駆動原動機を作動させるには、利用者はアクセレータを強く押し下げねばならない。その利点は、駆動原動機が始動と同時に対応的に強い電圧信号で制御されるので、大きなロスを伴う駆動原動機の始動運動がすばやく行われる点にある。始動段階を短くすることができ、その結果駆動原動機の始動段階で生じる電気的ロスを小さくさせることができる。バッテリーパックに蓄積されている充電気は効率的に使用され、バッテリーで作動する作業機の作動時間が長くなる。

有利には、操作要素が回転軸線のまわりに回動可能であるのがよい。この場合、エネルギーが供給されない操作要素のストローク範囲は、０゜ないし１０゜の範囲、特にほぼ７゜の範囲にわたる。「デッドパス」としてのこの第１のストローク範囲が経過した後にはじめて、すなわち第１の「デッド」ストローク範囲から次の第２のストローク範囲への移行時に、駆動原動機は、合目的にはその駆動原動機電圧のほぼ３０％に相当する所定のパワー値へ跳躍的に設定される。有利には、駆動原動機の駆動制御信号として、合目的にはパルス幅に関し変調した信号が供給される。ロスを少なくさせるため、駆動制御信号は直流電圧信号であり、この場合電気駆動原動機はＥＣモータとして実施される。

本発明の他の構成によれば、電子制御装置の電源回路内に、電源回路を開閉させる少なくとも１つの機械的なスイッチが配置されている。

この種のスイッチは、手で操縦されるバッテリー作動型作業機の作動安全性を向上させるため、両手保護要素であるのが合目的である。

電子制御装置とスイッチの切換え位置とは、スイッチがその都度電流なしで開閉するように、互いに整合しあっている。これが意味することは、スイッチを切換える瞬間に電源回路に電流が流れず、通常の作動時には、電源回路内の電流がゼロになったときにはじめてスイッチが開くということである。これによって、両手保護のために簡単なスイッチを使用でき、その接点は過負荷から保護され、これに伴う接点消耗のような結果から保護される。

本発明の他の構成は他の請求項、以下の説明および図面から明らかである。図面には、以下に詳細に述べる本発明の実施形態が図示されている。

手で操縦される作業機としてのパワーチェーンソーの概略側面図である。 ブラシ型モータ用の電子制御装置を備えた電源回路の概略構成図である。 ブラシレスモータ用の電子制御装置の概略構成図である。 パルス幅変調信号列を示す図である。 パルス幅と操作要素の回動角の関係を示すグラフである。 刈り込みばさみ機の概略側面図である。

図面に図示した、手で操縦される作業機１の実施形態は、図１ではパワーチェーンソーとして実施され、図６では刈り込みばさみ機４０として実施されている。これらの実施形態は、たとえば切断研削機、刈払い機、縁刈り機、丸太カッター、送風機、噴霧機、掃除機、地下穿孔機、多機能アタッチメント用コンビネーションモータ装置、清掃機、電動くわ、ロータリー耕うん機、高圧クリーナー、芝刈り機、土掻き機、チッパー、湿式または乾式吸引機等の他の手で操縦される作業機の例でもある。

利用者は作業機１を２つのグリップ４と６を用いて操縦する。第１の後部グリップ４は利用者の第１の手で、第２の前部グリップ６は利用者の第２の手で把持される。図示した、手で操縦される携帯可能な作業機１は、いわゆる「両手操縦方式作業機」であり、利用者が両手で把持して作業機１を保持し、操縦するものである。

作業機１の後部グリップ４（図１と図６）は、作業機のケーシング９と一体に形成され、特に継ぎ合わせたグリップシェルから成っている。前部グリップ６は湾曲グリップとして実施され、作業機の縦軸線５に対し実質的に横方向に位置している。後部グリップ４は作業機の縦軸線５の方向に指向している。前部グリップ６の前方には手保護部材３が配置され、該手保護部材３は、パワーソー２の場合（図１）、作業工具１１を一瞬で制動させて停止させる安全ブレーキ用の機械的レリーズとして用いられるので合目的である。

図６の刈り込みばさみ機の場合には、前部湾曲グリップ６は合目的には２分割して構成され、半部分６ａ，６ｂは、その間に配置されている両手電気保護装置のスイッチ３１’を操作するために互いに可動である。スイッチ３１’は湾曲グリップの両半部分によって直接に操作されるか、或いは、たとえば切換え湾曲部材等の伝動要素を介して間接的に操作することができる。

作業機のケーシング９内には、電気駆動原動機８と、パワーソー２の場合には、作業工具１１用のチェーンピニオンを備えた従動部１４とが収納されている。図１の実施形態では、作業工具１１はソーチェーン１２であり、該ソーチェーン１２はガイドレール１３の外側の周溝内を周回する。図６の実施形態では、作業工具１１は往復動する剪断カッターを備えたカッティングバーである。

電気駆動原動機８は１５０ワット以上の入力電力を有し、好ましくは５００ワットないし５０００ワットの範囲の入力電力を持つ。

電気駆動原動機は合目的にはブラシ型モータとして構成されていることができ、好ましくは高出力モータとして実施され、特にＥＣモータまたはブラシレスモータとして構成されている。

作業機１のハウジング９内には、バッテリーパック１５用の収容ダクト１６が形成されている。収容ダクト１６は実質的にはバッテリーパック１５の体積に相当しており、その結果バッテリーパック１５は、図１と図６で一点鎖線で示したように、実質的にハウジング９の収容ダクト１６内に完全に収容される。

バッテリーパック１５は、多数の電池を配置したパックケース２３から構成されている。蓄電池は充電可能な電池であり、たとえばＮｉＣｄ（リチウム・カドミウム）電池、ＮｉＭｈ（ニッケル・メタルハイドライド）電池、ＬｉＩｏ（リチウム・イオン）電池、ＬｉＰｏ（リチウム・ポリマー）電池、ＬｉＦｅＰｏ４（リチウム・燐酸鉄）電池、リチウム・チタン電池等として構成された電池である。個々の電池の電池電圧は合目的には２ボルトないし５ボルトの範囲であり、好ましくはほぼ３．６ボルトないし３．７ボルトの範囲である。この種の電池を用いると、実施した回路（直列回路、並列回路）に応じてバッテリーパックの種々の電源電圧を得ることができる。使用する電池３を用いて、実施した回路（直列回路、並列回路）に応じて１２ボルトないし１５０ボルト、有利には２５ボルトないし５１ボルトのバッテリーパック電圧を得ることができる。本実施形態では、バッテリーパック１５の無負荷電圧は２０ボルトないし４２ボルトの充電状態に依存して設定されている。

パックケース２３内で結線され、個別電池から成っている電池ブロックは、外側の接続板２４を介して電気接触している。接続板２４は収容ダクト１６の底部２５に設けられている。したがって、接続板２４は収容ダクト１６の挿入穴２２に対向しており、その結果バッテリーパック１５をその縦軸線１８の方向に挿入する際、挿入経路の終端部分でバッテリーパック１５の電気接触が行われる。接続板２４は電子制御装置２６と接続しており、該電子制御装置２６には電源回路３０（図２、図３）を介して電気駆動原動機８が接続されている。電子制御装置２６は、位置センサとしても構成されている電気切換え・アクチュエータ要素３１または３１ａ，３１ｂ（図３）から制御導線２７を介して受けた制御命令を置換して、アクセレータとして実施されている操作要素３２のストローク位置に応じて駆動原動機８を制御する。このため、電子制御装置２６を用いて、パルス幅変調信号列３４（図４）としてのバッテリーパック１５の直流電圧が駆動原動機８に供給される。その際信号強度は、バッテリー電圧よりも小さな電圧Ｖ_１をもっている。バッテリー電圧は充填状態に応じて２０ボルトないし４２ボルトである。

パルス幅変調信号列３４の周期τは、信号時間Ｔ_ｓの信号Ｓ自体と、休止時間Ｔ_ｐの信号休止部分Ｐとから成る。信号時間Ｔ_ｓは、周期τを一定にした状態で所望のパワーに依存して０％からＭ％まで変化させる。０％の場合には信号時間Ｔ_ｓはゼロに等しい。Ｍ％の場合には信号時間Ｔ_ｓはたとえば２６ボルトの平均所定モータ電圧に対応している。周期τに対しては、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｐ＝τが成立する。

図２には、ブラシ型モータとして実施された電動機８の回路が図示されている。その電源回路３０はスイッチ３３と３３’によって遮断される。スイッチ３３，３３’は直接電源回路３０内にあり、その結果スイッチ３３または３３’を開くと、たとえば回動可能なアクセレータとして構成された操作要素３２を単独で押し下げても、電動機８に電流は流れない。図示した実施形態では、アクセレータには、該アクセレータとは逆の側でグリップ４に配置されるアクセレータロック２０が付設されている。アクセレータとアクセレータロック２０とは、アクセレータロック２０を押し下げたときだけアクセレータを操作できるように互いに相互作用する。

スイッチ３３’はスイッチ要素３１’の一部であり、図６の刈り込みばさみ機６の実施形態で図示したように前部グリップ６に付設することができる。駆動原動機８は、利用者が片手で後部グリップ４を握り、他方の手で前部グリップ６を握った場合にだけ作動させることができる。グリップ４，６を握った後にはじめてスイッチ３３と３３’が閉じられ、その際同時にアクセレータロック２０とアクセレータとの間の機械的ロックが解除され、その結果利用者はアクセレータとして構成された操作要素３２を押し下げることができる。

利用者が両グリップ４と６を握り、その際にスイッチ３３と３３’が閉じられると、アクセレータロック２０が解除され、その結果利用者はアクセレータを操作することができる。アクセレータ３２は、図１に図示したように、回転軸線２１のまわりを矢印方向に角度αだけ回動し、その際位置センサとして構成されているアクチュエータ３１がストローク位置または回動位置に依存する信号を制御導線２７を介して電子制御装置２６に送る。

電子制御装置２６は、位置調整レバー３１のストローク位置に依存して電気駆動原動機８を制御する。ブラシ型モータ８の制御は、電子制御装置２６により、バッテリーパック１５から提供される直流電流（ＤＣ）を用いて行う。直流電流は、図４に図示したように、パルス幅変調信号３４として供給される。このような回路により、通常作動時には電源回路３０内のスイッチ３３と３３’が常に電流なしで閉じられ、その結果接点負荷が小さく、よって接点消耗が避けられる。

駆動原動機の始動ロスを低減させるため、操作要素３２の第１のストローク範囲３５（図１）で信号Ｓのパルス幅を０％に調整する。その結果非作動位置（停止位置）に接続している第１のストローク範囲３５で電動機８に配分されるエネルギーは「ゼロ」である。操作要素３２によって操作されるアクチュエータ３１は、合目的には、第１の「デッド」ストローク範囲３５がアクチュエータ３１の全ストロークのほぼ３０％ないし６０％、特にほぼ４０％ないし４５％に相当するように構成されている。

合目的には、第１のストローク範囲３５（この範囲では駆動原動機にエネルギーは供給されず、信号Ｓのパルス幅Ｔ_ｓはゼロである）は、アクセレータとして実施されている操作要素３２の０゜ないし１０゜の回転角、特に７゜以下の回転角に相当している。図５が示すように、「デッド」ストローク範囲３５が終了すると、パルス幅ＰＷＭは所定のスタート値（たとえばモータ定格出力またはモータ定格電圧の３０％）へ跳躍的に増大する。その結果電動機８が強力に始動し、ロスを伴う始動段階が可能な限り短くなる。

たとえば２５゜ないし３０゜までのアクセレータ３２の回転角度範囲にわたる該アクセレータの更なるストローク範囲にわたってパルス幅の増大が行われる。このパルス幅の増大は、ストローク範囲の終了時にパルス幅が１００％よりも小さなＭ％になるまで行われる。所定のＭ％のパルス幅は、電動機８の最大モータ電圧に相当しており、たとえば最大供給電圧（たとえば２６％）に相当している。したがって、作動の広範囲にわたってバッテリー電圧はモータに印加される電圧よりも常に大きい。充電量が減少してバッテリー電圧がたとえば２８ボルトの閾値以下に低下すると、パルス幅ＰＷＭが制御されて小さくなり、その結果バッテリー充電量が低くなるために利用者は電気作業機の反応を受け、さらに作業を進めるための処置（たとえばバッテリーパックの充電或いは交換バッテリーの挿入）を行うことができる。

駆動原動機８としてＥＣモータまたはブラシレスモータを使用する場合には、図３の回路に従って制御を行う。電動機８の電源回路内には機械的なスイッチは配置されていない。電流の制御は、好ましくはＭＯＳＦＥＴ（酸化膜半導体電界効果トランジスタ）等の電子要素、電源モジュールを介して行う。バッテリーパック１５は接点板２４に設けた接続部２８を介して直接に電子制御装置２６に接続することができる。電子制御装置２６は電子電源モジュールと電源回路３０とを介して電動機８に直接給電する。制御導線３６を介してＥＣモータが制御され、その結果ＥＣモータの作動に必要な電子駆動制御装置を作業機１の電子制御装置に一体的に組み込むことができる。センサ導線３７は電子制御装置にブラシレスモータ８の場の状態に関するフィードバック信号を送る。電子制御装置２６には、さらに、信号導線２９を介してバッテリーパック１５の作動データが送られて、該作動データを制御の際に考慮するようになっている。

アクチュエータ３１，３１’のスイッチ３３と３３’は制御回路内に配置され、制御導線２７を介して電子制御装置２６と接続されている。スイッチ３３．３３’またはアクチュエータ３１ｂの切換え状態に依存してモータ８が制御される。その際、パワー制御は、図４および図５においてブラシ型モータの場合に説明したのと同じように電源回路内でパルス幅を変調して行われる。

点線で示したように、たとえば作業機の作動に必要な他の構成要素の状態を電子制御装置２６に知らせるために、制御導線２７を介して他の切換え要素３３”を接続してもよい。

パルス幅ＰＷＭをＭ％まで或いは所定のモータ電圧（たとえば２６ボルト）まで増大させることは、合目的に構成した曲線にしたがって行うことができる。第１実施形態では、図５に実線で示したように、直線１７にしたがって３０％からＭ％まで直線的に且つ連続的に増大させる。これにより、利用者は必要に応じてパワーを敏感に制御することができるようなアクセレータ３２を得ることになる。

Ｍ％へのパルス幅の増大を、図５に二点鎖線で例示したような曲線７にしたがって行うのも合目的である。また、図５に点線で示したように、階段状曲線１０にしたがって階段状に増大させることも有利である。

値Ｍは接続されているバッテリーパック１５の実際に電圧、よって充填状態に依存している。バッテリーパック１５が完全に充填されている場合、バッテリー電圧はたとえばほぼ４２ボルトである。その結果、パルス幅をほぼ６０％の値へ増大させる。バッテリーパックが十分に放電され、たとえばまだ３０ボルトのバッテリー電圧しかない場合には、パルス幅を８０％へ増大させる。その結果モータ８にはそのままたとえば２６ボルトの電源電圧が印加される。実際のバッテリー電圧がたとえば３０ボルトの閾値以下に低下すれば、バッテリー電圧が低下したことに対する反応を利用者が確認できるように、パルス幅を目的に応じて減少させることができる。

図６に図示した作業機１は、作業工具１１としてカッターバーを備えた刈り込みばさみ機４０である。この刈り込みばさみ機４０の基本構成は図１の作業機１に対応しており、よって同一の部材には同じ符号を付している。

１ パワーチェーンソー
４ 後部グリップ
６ 前部グリップ
８ 駆動原動機
９ 作業機ケーシング
１４ 従動部
１５ バッテリーパック
２６ 電子制御装置
３１ アクチュエータ
３２ アクセレータ
３５ 「デッド」ストローク範囲

Claims (12)

1. 作業機ケーシング（９）に固定される少なくとも１つのグリップ（４，６）と、前記ケーシング（９）内に配置される電気駆動原動機（８）と、作業工具（１１）用の従動部（１４）と、作業機（１）を作動させるためのバッテリーパック（１５）と、前記グリップ（４）に設けられ、前記駆動原動機（８）を制御するための操作要素（３２）とを備え、該操作要素（３２）が電気アクチュエータ（３１）に作用するようにした、手で操縦される作業機において、
   前記電気アクチュエータ（３１）の出力信号が、前記バッテリーパック（１５）と前記駆動原動機（８）とを接続した電子制御装置（２６）に供給されること、
   前記駆動原動機（８）に供給される電気エネルギーが前記操作要素（３２）の位置に依存して前記電子制御装置（２６）により配分され、前記操作要素（３２）の、非作動位置に続く第１の「デッド」ストローク範囲（３５）において、配分される前記電気エネルギーが「ゼロ」であること、
   を特徴とする作業機。
2. 前記アクチュエータ（３１）の前記［デッド」ストローク範囲（３５）が全ストロークのほぼ３０％ないし６０％に相当し、好ましくは全ストロークのほぼ４０％ないし４５％に相当していることを特徴とする、請求項１に記載の作業機。
3. 前記操作要素（３２）が回転軸線（２１）のまわりに回動可能であり、前記第１のストローク範囲（３５）が０゜ないし１０゜の回転角、特にほぼ７゜の回転角に相当していることを特徴とする、請求項１または２に記載の作業機。
4. 前記第１のストローク範囲（３５）からこれに続く第２のストローク範囲への跳躍的な移行の際に所定のパワー値が設定されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の作業機。
5. 前記所定のパワー値が定格出力のほぼ３０％に相当していることを特徴とする、請求項４に記載の作業機。
6. 前記電気駆動原動機（８）への前記電子制御装置（２６）の制御信号（３４）がパルス幅変調信号列（３４）であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の作業機。
7. 前記パルス幅変調信号列（３４）が直流電圧信号であることを特徴とする、請求項６に記載の作業機。
8. 前記電気駆動原動機（８）がＥＣモータであることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の作業機。
9. ＥＣモータの電子駆動制御装置が前記電子制御装置（２６）内に組み込まれていることを特徴とする、請求項８に記載の作業機。
10. 前記グリップ（４，６）に、両手保護要素であるスイッチ（３３’）が付設されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の作業機。
11. 前記電子制御装置の（２６）の、作業電流を誘導する電源回路（３０）内に、少なくとも１つの機械的なスイッチ（３３，３３’）が配置されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の作業機。
12. 前記スイッチ（３３，３３’）が電流なしで開閉するように、該スイッチ（３３，３３’）の切換え位置が互いに整合しあっていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の作業機。

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