JP2013188825A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】異常方法判定時の判定の間隔である検出時間をより適切に設定することができる電動工具を提供する。
【解決手段】）制御回路は、モータの回転速度に基づいてセンサ部としてのホール素子からの位置情報変化の旨を知らせるセンサ信号の出力間隔を推測してその出力間隔を異常状態の異常検出時間と設定する。制御回路はホール素子からの前記センサ信号を実際に検出してから次のセンサ信号が前記検出時間内に確認されない場合は異常と判定する。このとき、制御回路は、前記モータの回転速度が速いほど異常検出時間を短く設定し、前記モータの回転速度が遅いほど前記異常検出時間を長く設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ブラシレスモータを備えた電動工具に関するものである。

近年、駆動源としてブラシレスモータを採用した電動工具が知られている。このような電動工具においては、特許文献１に示されるように、ブラシレスモータの回転子の位置を回転位置検出センサで検知し、その位置情報に基づいてブラシレスモータの電機子巻線への通電タイミングを設定している。

また、特許文献１の電動工具では、回転位置検出センサによる回転子の位置信号の異常によるモータの故障を防ぐべく、保護動作を実施している。具体的には、特許文献１の図６に示されているように、正常時には回転位置の位置信号の出現パターンが連続するにも関わらず、出現パターンがずれてしまうことで異常を検出している。そして、異常を検出した場合には、モータを停止させることで、モータの保護動作を実施している。

特開２０１１−１１３１３号公報

ところで、上記のような電動工具のように、異常を検出する方法として次のような方法が考えられる。すなわち、ブラシレスモータの回転速度に基づいてセンサからの位置情報変化の旨を知らせる位置情報信号の出力間隔を異常状態の検出時間と設定し、実際の位置情報信号を検出してから次の位置情報信号が前記検出時間内に確認されない場合は、異常と判定する方法である。

しかしながら、上記のような異常判定方法では、異常と判定する際の指標となる検出時間の設定が極端に短い場合には異常で無いにも関わらず異常と判定する虞がある。また、検出時間の設定が極端に長いには、実際に異常が生じているにも関わらず、その状態でブラシレスモータのスイッチング素子に対して通電を行うこととなり、スイッチング素子の破損を招く虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、異常方法判定時の判定の間隔である検出時間をより適切に設定することができる電動工具を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電動工具は、正逆回転可能なブラシレスモータと、該ブラシレスモータの回転位置を検出するセンサ部と、複数のスイッチング素子を有して前記ブラシレスモータへの給電を制御する駆動回路と、前記ブラシレスモータの駆動・停止を使用者が択一的に選択する運転状態選択部と、前記センサ部による前記ブラシレスモータの回転位置情報に基づいて前記駆動回路を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ブラシレスモータの回転速度に基づいて前記センサ部からの位置情報変化の旨を知らせる位置情報信号の出力間隔を推測してその出力間隔を異常状態の検出時間と設定し、前記センサ部からの前記位置情報信号を実際に検出してから次の位置情報信号が前記検出時間内に確認されない場合は異常と判定するものであり、前記制御部は、前記ブラシレスモータの回転速度が速いほど前記検出時間を短く設定し、前記ブラシレスモータの回転速度が遅いほど前記検出時間を長く設定することを特徴とする。

また上記構成において、制御部は、前記異常と判定した場合は、前記駆動回路から前記ブラシレスモータへの給電を停止させて該ブラシレスモータを停止させる異常停止状態とすることが好ましい。

また上記構成において、ブラシレスモータの駆動・停止を使用者が択一的に選択する運転状態選択部を備え、前記制御部は、前記異常停止状態後、使用者によって前記運転状態選択部を操作されると前記ブラシレスモータを再駆動動作させることが好ましい。

また上記構成において、制御部は、前記駆動回路のスイッチング素子のデューティ比を、前記異常停止状態前における前記スイッチング素子のデューティ比よりも低いデューティ比で前記駆動回路を制御して前記ブラシレスモータを再駆動動作させることが好ましい。

また上記構成において、制御部は、前記再駆動動作を行う回数を所定回数に制限することが好ましい。
また上記構成において、制御部は、前記再駆動同動作が所定回数に達したら前記使用者にその旨を報知することが好ましい。

また上記構成において、制御部は、前記再駆動動作以前に前記ブラシレスモータの進角制御を行うとともに、前記再駆動動作開始時には前記進角制御を行わないことが好ましい。

本発明によれば、異常方法判定時の判定の間隔である検出時間をより適切に設定することができる電動工具を提供することができる。

実施形態における電動工具の部分断面図である。 同上の電動工具の電気的構成を示すブロック図である。 駆動回路のブロック図である。 （ａ）（ｂ）は、各スイッチング素子に入力される信号の状態を説明するための説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は、電動工具の動作を説明するためのフローチャートである。 電動工具の異常停止処理について説明するためのフローチャートである。 通常停止時と異常停止時との信号状態を説明するための説明図である。 モータの回転速度に応じた異常検出時間の設定方法について説明するためのグラフである。 デューティ比に応じた異常検出時間の設定方法について説明するためのグラフである。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の電動工具１は、略有底筒状のモータハウジング２を有しており、駆動源であるモータ３は、その回転軸４が当該モータハウジング２の軸線方向（同図中、左右方向）に沿うように同モータハウジング２内に収容されている。モータハウジング２の開口端２ａには、その先端５ａに向って徐々に小径となるドーム部５が取着されており、該ドーム部５には、その軸線方向（同図中、左右方向）に沿うように出力軸６が貫設されている。出力軸６は、当該ドーム部５内に収容されたトルク増幅器７を介してモータ３の回転軸４に連結されている。出力軸６の先端６ａには図示しない工具（ビット）を装着可能なビット装着部８が形成されている。

図１に示すように、モータハウジング２の開口端２ａ近傍には、その軸線方向に対して略直交する方向に沿ってハンドル部９が延設されている。このハンドル部９には、作業者が電動工具１の運転・停止を指示するための運転指示手段としての運転指示スイッチ（以下、トリガスイッチ）１０が設けられている。トリガスイッチ１０は、ハンドル部９内に固定された本体部１０ａと、先端がハンドル部９の前端から突出するとともに本体部１０ａから突出方向に付勢された操作部１０ｂとを有している。トリガスイッチ１０は、使用者がモータ３の回転速度を調整する際に操作するものであり、トリガスイッチ１０の引込量に応じた速度信号を後述する制御回路１４に出力する。

図１に示すように、トリガスイッチ１０のやや上側寄りには、作業者が工具（ビット）の回転方向、即ちモータ３の回転方向を指示するための正逆スイッチ１１がハンドル部９の表面から突出する形で露設されている。正逆スイッチ１１は、ハンドル部９を左右方向（図において表裏方向）に貫通する操作ノブを有し、その操作ノブを左右方向に移動させることにより、モータ３の回転方向を指示する。

図１に示すように、ハンドル部９の下端にバッテリ装着部１２が形成され、そのバッテリ装着部には電源であるバッテリ１３が装着されている。ハンドル部９には、上記トリガスイッチ１０及び正逆スイッチ１１の操作状態に基づいて、駆動源であるモータ３の作動を制御する制御手段としての制御回路１４が収容されている。そして、上記モータハウジング２内には、制御回路１４に制御されてモータ３に対する駆動電力の生成及び供給を実行する駆動回路１５が収容されている。

また、本実施形態の電動工具１は、図２に示すように、モータ３にブラシレスモータが採用されているため、このブラシレスモータの回転子の回転位置を検出するためのホール素子Ｓが設けられ、前記制御回路１４と電気的に接続されている。

図３は、電動工具１の概略的な電気的構成を示すブロック図である。本実施形態の電動工具１では、モータ３にブラシレスモータが採用されている。駆動回路１５は、モータ３に対応する複数（６個）のスイッチング素子１６〜２１を接続してなる周知のＰＷＭインバータが用いられている。

具体的には、駆動回路１５は、スイッチング素子１６，１９、スイッチング素子１７，２０、及びスイッチング素子１８，２１の各直列回路が並列接続される。そして上段側の各スイッチング素子１６〜１８は、バッテリ１３のプラス端子に接続され、下段側の各スイッチング素子１９〜２１はバッテリ１３のマイナス端子に接続されている。そして、各スイッチング素子１６〜２１の接続点２２ｕ，２２ｖ，２２ｗは、それぞれモータ３の各モータコイル３ｕ，３ｖ，３ｗに接続されている。なお、スイッチング素子１６〜２１は、例えばＦＥＴで構成することが可能である。

また、各スイッチング素子１６〜２１は、前記ホール素子Ｓからの前記モータ３の回転位置に応じて制御回路１４から出力されるモータ制御信号（ゲートオン／オフ信号）によってオンオフが切り替えられる。そして、そのモータ制御信号に応答して各スイッチング１６〜２１はオン／オフの比率であるデューティ比を適宜変更することにより、バッテリ１３の直流電圧が、三相の駆動電力に変換されてモータ３へと供給されるようになっている。

ここで、本実施形態の電動工具１の制御回路１４は、モータ３を回転させる際にスイッチング素子１６〜２１にそれぞれ供給されるモータ制御信号として、図４（ａ）に示すようにモードＡ〜Ｆに対応して出力される。このとき、スイッチング素子１６〜２１は、その動作状態が図４（ｂ）に示すようにオン／オフされることとなる。そして、モータ３を駆動させる場合には、ＦＥＴで構成されるスイッチング素子１６〜２１のゲートにそれぞれ接続された各端子Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−に、制御回路１４が各モードにしたがってモータ制御信号を供給するように転流制御する。そしてモータ制御信号をＰＷＭ制御することで各相コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに通電される電流を制御してモータ３の回転数を制御するように構成されている。なお、上記のモードＡ〜Ｆは、ロータ位置検出センサを構成するホール素子Ｓからのセンサ信号に応じて選択される。

次に、本実施形態の電動工具１の動作について図５及び図６を参照しながら説明する。
モータの駆動制御を行うためのメインルーチンとして、制御回路１４は、図５（ａ）に示すように、先ず、初期設定処理を行う（ステップＳ１０）。次いで、制御回路１４は、正逆スイッチ１１の信号を読み取り、モータ３の回転方向を決定する（ステップＳ１１）。次に、制御回路１４は、前記トリガスイッチ１０の速度信号を取り込むとともに取り込んだ速度信号を所定のアルゴリズムにしたがって処理するボリューム入力処理を実行し（ステップＳ１２）、入力された速度信号に応じたデューティ比を算出する（ステップＳ１３）。そして、制御回路１４は、モータ３の回転数に応じて進角すべき時間を算出した後（ステップＳ１４）、モータ３の駆動処理を行い（ステップＳ１５）、その後はステップＳ１２から繰り返す。

ここで、ステップＳ１２のボリューム入力処理では、入力された速度信号を、トリガスイッチ１０の引き込み量に応じたボリューム信号に変換して制御回路１４内に取り込む処理である。まあ、進角すべき時間の算出は、例えば進角をα°とすると、外部割り込みのタイミング、即ちセンサ信号の入力タイミングは電気角で６０°であることから、外部割り込みに対して（６０−α）°分の時間を遅らせてタイマ割り込み信号を出力すれば、進角α°の進角制御を行うことができる。そのときの時間をｔｎとすると、ｔｎ＝（Ｔ−２×（６０−α））／６０で求められる。

次に、図５（ｂ）の割り込み処理について説明する。モータ３のロータ位置を検出するホール素子Ｓからのセンサ信号（位置情報信号）のエッジをトリガとして本割り込み処理が行われるようになっている。

制御回路１４は、センサ信号のエッジが入力されると（ステップＳ２０）、センサエッジ信号に対して、前回入力されたエッジ信号のカウント値から、今回入力されたエッジ信号のカウント値を減算することで、これらのエッジ間周期が算出する（ステップＳ２１）。次いで、制御回路１４は駆動出力用タイマをスタートさせる（ステップＳ２２）。また、制御回路１４は、ステップＳ２１にて算出したセンサ信号のエッジ間周期からモータ３の回転速度を算出し、この回転速度から異常検出時間を算出する（ステップＳ２３）。より具体的には、制御回路１４は、モータ３の回転速度に基づいてホール素子Ｓからの位置情報変化の旨を知らせるセンサ信号（位置情報信号）の出力間隔を推測してその出力間隔を異常状態の検出時間と設定する。なお、この異常検出時間が請求項の検出時間に該当し、制御回路１４は図８に示すようにモータの回転速度が遅いほど異常検出時間を長く設定し、モータの回転速度が速いほど異常検出時間を短く設定する。

次いで、制御回路１４は、異常検出用タイマをスタートさせ（ステップＳ２４）、再度メインルーチンを実行させる。
次に、制御回路１４は、メインルーチンのステップＳ１３にて算出された進角時間が経過したことで駆動出力用タイマをオフし、図５（ｃ）の割り込み処理を開始させる。制御回路１４は図５（ｃ）に示すように、モータ駆動信号及びＰＷＭ信号が出力させ（ステップＳ２５）、再度メインルーチンを実行させる。

また、制御回路１４は、次のセンサ信号のエッジが入力されるまでに前記異常検出時間が経過した場合、異常検出用タイマをオフし、図５（ｄ）に示すように異常停止処理を割り込み処理として開始させる。具体的には、先ず制御回路１４は、図６に示すように異常停止させる（ステップＳ３０）。このとき、図７に示すように、異常停止時には、各端子Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−にＨレベルのモータ制御信号を出力することで全てのスイッチング素子１６〜２１からの出力をオフ状態として、モータ３への通電を遮断している。なお、正常停止時は、図７に示すように、各端子Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−をオン状態としている。

次いで、制御回路１４は、異常停止後、トリガスイッチ１０がオンされた（引き込まれた）状態であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。トリガスイッチ１０がオフされた状態であれば（ステップＳ３１：ＮＯ）、制御回路１４は異常停止状態を継続させる（ステップＳ３２）。

一方、トリガスイッチ１０がオンされた状態であれば（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、制御回路１４はこれまでの異常停止回数が所定回数（例えば１０回）に達しているか判定する（ステップＳ３３）。そして、異常停止回数が所定回数を超えていれば（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、制御回路１４は異常停止状態を継続する。

一方、異常停止回数が所定回数以下であれば（ステップＳ３３：ＮＯ）、制御回路１４は、トリガスイッチ１０の速度信号を取り込むとともに取り込んだ速度信号を所定のアルゴリズムにしたがって処理するボリューム入力処理を実行する（ステップＳ３４）。次いで、制御回路１４は、入力された速度信号に応じたデューティ比を算出する（ステップＳ３５）。

次いで、制御回路１４は、ステップＳ３５にて算出したデューティ比と、前記異常停止前のデューティ比とを比較する（ステップＳ３６）。ステップＳ３５にて算出したデューティ比が異常停止前のデューティ比以上であれば（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、制御回路１４は、算出したデューティ比を異常停止前のデューティ比より小さなデューティ比に変更してモータ３を再駆動する（ステップＳ３７）。また、ステップＳ３５にて算出したデューティ比が以上停止前のデューティ比未満であれば（ステップＳ３６：ＮＯ）、制御回路１４は、算出したデューティ比でモータ３を再駆動する（ステップＳ３８）。ここで、異常停止を行うことで、モータ３の速度が低下しているため、異常停止前のデューティ比と同じ出力とすると、電流がオーバーシュートしてビットが急回転して使用者に反動を与える虞がある。このため、モータ３再駆動時には異常停止前のデューティ比で再駆動することで、電流のオーバーシュートを電動工具１の安全性が高められる。

また、制御回路１４は、ステップＳ３７及びステップ３８のモータ３再駆動時においては、前記進角制御は実施せずに、モータ３を駆動し、その後は、図５（ａ）に示すメインルーチンのステップＳ１１から繰り返す。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）制御回路１４は、モータ３の回転速度に基づいてセンサ部としてのホール素子Ｓからの位置情報変化の旨を知らせるセンサ信号の出力間隔を推測してその出力間隔を異常状態の異常検出時間と設定する。制御回路１４はホール素子Ｓからの前記センサ信号を実際に検出してから次のセンサ信号が前記検出時間内に確認されない場合は異常と判定する。このとき、制御回路１４は、前記モータ３の回転速度が速いほど異常検出時間を短く設定し、前記モータ３の回転速度が遅いほど前記異常検出時間を長く設定する。このように、モータ３の回転速度が速いほど異常検出時間を短く設定しても、モータ３の回転速度に応じてセンサ信号の出力間隔が短くなることで適切に異常か否かを検出することが可能となる。異常検出時間を短くすることで、異常状態でモータ３のスイッチング素子１６〜２１に通電することを抑えることができるため、スイッチング素子１６〜２１の破損を抑えることができる。一方、モータ３の回転速度が遅いほど異常検出時間を遅く設定しても、モータ３の回転速度に応じて出力間隔が長くなるため、それに応じて適切に異常か否かを検出することができる。

（２）制御回路１４は、異常と判定した場合は、駆動回路１５からモータ３への給電を停止させてモータ３を停止させる異常停止状態とするため、スイッチング素子１６〜２１に異常状態の電流が流れることを抑えることができ、破損を抑えることができる。

（３）モータ３の駆動・停止を使用者が択一的に選択するトリガスイッチ１０を備え、制御回路１４は、モータ３異常停止状態後、使用者によって運転状態選択部としてのトリガスイッチ１０を操作されると、制御回路１４は、モータ３を再駆動させる。このような構成とすることで、例えば一時的に負荷が増大し、一瞬異常状態となっても、正常状態に復帰した時に再起動することで作業者は作業の中断を比較的抑えることができ、使用者の利便性を向上させることができる。

（４）制御回路１４は、駆動回路１５のスイッチング素子１６〜２１のデューティ比を、異常停止状態前におけるスイッチング素子１６〜２１のデューティ比よりも低いデューティ比で駆動回路１５を制御して前記モータ３を再駆動動作させる。ここで、異常停止を行うことで、モータ３の速度が低下しているため、異常停止前のデューティ比と同じ出力とすると、電流がオーバーシュートしてビットが急回転して使用者に反動を与える虞がある。このため、モータ３再駆動時には異常停止前のデューティ比で再駆動することで、電流のオーバーシュートを電動工具１の安全性が高められる。

（５）制御回路１４は、再駆動動作を行う回数を所定回数に制限するため、異常検出とモータ３の再起動を繰り返すことで酷使されるスイッチング素子１６〜２１の破損を抑えることができる。

（６）制御回路１４は、再駆動動作以前にモータ３の転流制御を行うとともに、再駆動動作開始時には進角制御を行わない。ここで、再駆動動作開始時、即ち異常停止直後は、モータ３の回転が不安定な状態である。このため、進角制御を停止することで、モータ３の回転状態を素早く安定させることが可能となる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、モータ３の回転速度に応じて設定時間を変更する構成としたが、これに加えて図９に示すように、デューティ比も考慮して設定時間を変更する構成を採用してもよい。より具体的にはデューティ比が大きければ異常検出時間を短く設定し、デューティ比が小さければ異常検出時間を長く設定する。

・上記実施形態では、再駆動動作を行う回数を所定回数に制限する構成としたが、これに限らない。
・上記実施形態では、再駆動動作開始時には、モータ３の進角制御を行わない構成としたが、これに限らない。

・上記実施形態では、特に言及していないが、モータ３の再駆動同動作が所定回数に達したら使用者にその旨を報知する報知部を備える構成を採用してもよい。このような構成とすることで、使用者に対して異常状態を認識させることが可能となる。なお、報知方法としては音や表示による報知方法が考えられるが、その手段は特に問わない。

１…電動工具、３…モータ（ブラシレスモータ）、１１…回転方向選択部としての正逆スイッチ、１３…制御部としての制御回路、１５…駆動回路、１６〜２１…スイッチング素子、Ｓ…センサ部としてのホール素子。

Claims (7)

1. 正逆回転可能なブラシレスモータと、該ブラシレスモータの回転位置を検出するセンサ部と、複数のスイッチング素子を有して前記ブラシレスモータへの給電を制御する駆動回路と、前記ブラシレスモータの駆動・停止を使用者が択一的に選択する運転状態選択部と、前記センサ部による前記ブラシレスモータの回転位置情報に基づいて前記駆動回路を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記ブラシレスモータの回転速度に基づいて前記センサ部からの位置情報変化の旨を知らせる位置情報信号の出力間隔を推測してその出力間隔を異常状態の検出時間と設定し、前記センサ部からの前記位置情報信号を実際に検出してから次の位置情報信号が前記検出時間内に確認されない場合は異常と判定するものであり、
   前記制御部は、前記ブラシレスモータの回転速度が速いほど前記検出時間を短く設定し、前記ブラシレスモータの回転速度が遅いほど前記検出時間を長く設定することを特徴とする電動工具。
2. 請求項１に記載の電動工具において、
   前記制御部は、前記異常と判定した場合は、前記駆動回路から前記ブラシレスモータへの給電を停止させて該ブラシレスモータを停止させる異常停止状態とすることを特徴とする電動工具。
3. 請求項２に記載の電動工具において、
   前記ブラシレスモータの駆動・停止を使用者が択一的に選択する運転状態選択部を備え、
   前記制御部は、前記異常停止状態後、使用者によって前記運転状態選択部を操作されると前記ブラシレスモータを再駆動動作させることを特徴とする電動工具。
4. 請求項３に記載の電動工具において、
   前記制御部は、前記駆動回路のスイッチング素子のデューティ比を、前記異常停止状態前における前記スイッチング素子のデューティ比よりも低いデューティ比で前記駆動回路を制御して前記ブラシレスモータを再駆動動作させることを特徴とする電動工具。
5. 請求項３又は４に記載の電動工具において、
   前記制御部は、前記再駆動動作を行う回数を所定回数に制限することを特徴とする電動工具。
6. 請求項５に記載の電動工具において、
   前記制御部は、前記再駆動同動作が所定回数に達したら前記使用者にその旨を報知することを特徴とする電動工具。
7. 請求項３〜６のいずれか一項に記載の電動工具において、
   前記制御部は、前記再駆動動作以前に前記ブラシレスモータの進角制御を行うとともに、前記再駆動動作開始時には前記進角制御を行わないことを特徴とする電動工具。