JP2014023212A

JP2014023212A - 昇圧制御回路及び電動工具

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Publication number: JP2014023212A
Application number: JP2012157687A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Umikura; 博之海藏; Toshiharu Ohashi; 敏治大橋; Sunao Arimura; 直有村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-02-03
Also published as: US9088239B2; EP2685627B1; EP2685627A2; US20140015465A1; EP2685627A3

Abstract

【課題】昇圧回路による昇圧調整のフィードバック制御の遅れを抑えることができる電動工具を提供する。
【解決手段】電源としての電池パック１２から供給される電圧を昇圧して負荷としてのモータ１３に入力する昇圧回路３０と、前記モータ１３で必要とされる電力が増加するか否かを判断する電力予測部２１ｂと、前記モータ１３で必要とされる電力が増加すると前記電力予測部２１ｂにより判断されると、前記モータ１３へ供給する昇圧電圧を増加する制御部２１ａとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧制御回路及びその昇圧制御回路を備えた電動工具に関するものである。

従来、電動工具は、昇圧回路を用いて、電源からの供給電力（電圧）を調整しているものが知られている。例えば、特許文献１の電動工具は、定格電圧の異なる電池パックを使用した場合でも、昇圧回路により昇圧又は降圧を行って電動工具への供給電力を調整している。

特開２０１２−３５３４９号公報

ところで、上記のような昇圧回路を用いた電動工具では、昇圧回路の電力供給対象である負荷（電動工具の場合、モータ）に必要となる電力が変化した場合、それに追従するように昇圧回路によってフィードバック制御により供給電力を変化させる必要がある。しかしながら、例えば、電動工具を使用する使用者がトリガスイッチを操作したり、電動工具によって自動変速を行ったりして大きな出力が必要な場合、電池電圧が一時的に下がってしまい、これに伴ってフィードバック制御が遅れてしまう虞がある。

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、昇圧回路による昇圧調整のフィードバック制御の遅れを抑えることができる昇圧制御回路及び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、本発明の昇圧制御回路は、電源から出力された電圧を昇圧して負荷に入力する昇圧部と、前記負荷で必要とされる電力が増加するか否かを判断する電力予測部と、前記負荷で必要とされる電力が増加すると前記電力予測部により判断されると、前記負荷へ供給する昇圧電力を増加する昇圧制御部とを備えたことを特徴とする。

また上記構成において、前記電力予測部に入力する信号を変更する入力信号変更部を備え、前記電力予測部は、前記入力信号変更部から入力される信号に応じて、前記負荷で必要とされる電力が増加されるか否かを判断することが好ましい。

また上記構成において、前記入力信号変更部は、前記負荷に要求される目標値を決定するものであり、前記電力予測部は、前記負荷に要求される目標値と前記負荷の出力値との差から、前記負荷で必要とされる電力が増加するか否かを判断することが好ましい。

また、本発明の電動工具は、モータと、前記モータに供給する電圧を調整する昇圧制御回路とを備え、前記昇圧制御回路は、電源から出力された電圧を昇圧して前記モータに入力する昇圧部と、前記モータで必要とされる電力が増加するか否かを判断する電力予測部と、前記モータで必要とされる電力が増加すると前記電力予測部により判断されると、前記モータへ供給する昇圧電力を増加する昇圧制御部とを備えたことを特徴とする。

また上記構成において、前記電力予測部は、前記モータの駆動させるための駆動信号を出力するトリガスイッチの使用者による操作量に基づいて、前記モータで必要とされる電力が増加するか否かを判断することが好ましい。

また上記構成において、前記モータの回転数を検出する回転数検出部を備え、前記電力予測部は、前記トリガスイッチの操作量に基づいて決定される前記モータの目標回転数と、前記回転数検出部により測定された回転数との差に基づいて、前記モータで必要とされる電力が増加するか否かを判断することが好ましい。

また上記構成において、前記モータの回転動力を減速して出力軸に伝達するとともにその減速比が変更可能に構成された動力伝達部と、前記出力軸に加わる負荷トルクを検出するトルク検出部と、前記電力予測部は、前記トルク検出部により検出される負荷トルクが所定値以上ある場合、前記モータで必要とされる電力が増加すると判断することが好ましい。

本発明によれば、昇圧回路による昇圧調整のフィードバック制御の遅れを抑えることができる昇圧制御回路及び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概略構成図である。同上における電動工具の電器回路図である。同上における電動工具の動作例を示すフローチャートである。（ａ）〜（ｄ）は同上における電動工具のタイミングチャートである。別例における電動工具の動作例を示すフローチャートである。別例における電動工具の動作例を示すフローチャートである。（ａ）〜（ｄ）は比較例の電動工具のタイミングチャートである。

以下、電動工具の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１０は、電動工具本体１１と、電動工具本体１１に対して着脱可能な電池パック１２とを有している。電動工具本体１１は、電池パック１２からの駆動電力の供給に基づいて駆動するモータ１３と、モータ１３の回転動力を減速して出力する動力伝達部１４とを有している。電池パック１２は、複数の電池セル（例えば、リチウムイオン電池）にて構成された２次電池を有している。

図１に示すように、モータ１３は、減速機構及びクラッチ機構を含む動力伝達部１４が連結されている。動力伝達部１４は、モータ１３の回転動力を減速して工具本体１１の出力軸１６に伝達する。動力伝達部１４は、例えば減速ギアを備え、減速比が２段階に変更可能となっている。

図１に示すように、出力軸１６の先端部には、先端工具（ビット）１７が取り付けられている。従って、電動工具１０は、モータ１３の回転動力が動力伝達部１４にて減速され、出力軸１６に伝達されることで、出力軸１６とともに先端工具１７が回転するように構成されている。

図１に示すように、動力伝達部１４には、減速比を変更するための変速用アクチュエータ１８が備えられている。変速用アクチュエータ１８は、例えばモータアクチュエータであり、制御回路２１に備えられる制御部２１ａの制御に基づいて、動力伝達部１４の減速段（減速ギア）の切り替え動作を行う。ちなみに、制御部２１ａは、電池パック１２からの電圧調整を経た電力供給に基づいて動作する。ただし、電池パック１２の電池電圧が制御部の動作に適合していれば、そのままの電圧を供給しても良い。
）制御部２１ａは、変速用アクチュエータ１８のモータに対する回転方向とＰＷＭ制御にて供給する駆動電力とを制御する。

図２に示すように、モータ１３は、スイッチング素子３１（ＦＥＴ）を用いた昇圧回路３０にて生成された駆動電力の供給に基づいて回転駆動する。図２に示すように、昇圧回路３０は、前記制御回路２１（制御部２１ａ）と電気的に接続される前記スイッチング素子３１と、コイル３２と、ダイオード３３と、コンデンサ３４とを有する。そして、昇圧回路３０のスイッチング素子３１が制御回路２１の制御部２１ａによってＰＷＭ制御（オンオフ制御）されることで、電池パック１２からの供給電力からモータ１３に供給する供給電力を制御する。つまり、制御部２１ａは、昇圧回路３０を介してモータ１３への供給電力を制御し、モータ１３の回転速度を制御している。

電動工具本体１１には、使用者が操作可能なトリガスイッチ４１が設けられている。トリガスイッチ４１は、モータ１３の起動及び停止を行うオンオフを含み、トリガスイッチ４１の操作量（トリガの引き込み量）に応じてボリューム抵抗の抵抗値が変更することでそれに応じた出力信号を制御回路２１の制御部２１ａに出力する。そして、制御部２１ａは、トリガスイッチ４１からの出力信号に基づいて昇圧回路３０のスイッチング素子３１でのモータ１３への供給電力を制御し、モータ１３の起動や停止、また動作時の回転速度の調整を行う。

また、電動工具本体１１には、モータ１３と接続されてモータ１３に供給される駆動電流を検出するための電流検出部４２が設けられている。電流検出部４２としては、抵抗を用いることができる。そして、制御回路２１の制御部２１ａは所定のサンプリング時間毎に電流検出部４２からの検出信号に基づいて駆動電流を検出し、検出した駆動電流と駆動電流の検出時における動力伝達部１４の減速段とに基づいて出力軸１６（先端工具１７）に加わる負荷トルクを検出する。

また、電動工具本体１１には、モータ１３の回転速度を検出するための回転数検出部４３が設けられている。回転数検出部４３は、モータ１３と一体回転可能に固定され複数の磁極を有するセンサマグネットと、センサマグネットと対向配置されたホール素子とを有している。ホール素子は、センサマグネットの回転に基づく磁束の変化を検出信号として制御部２１ａに出力する。制御部２１ａは、回転数検出部４３からの検出信号に基づいてモータ１３の回転速度を検出する。

電動工具１０は、検出した負荷トルクに基づいて制御部２１ａが変速用アクチュエータ１８を通じて動力伝達部１４の減速段を切替制御することで自動変速が行われるように構成されている。なお、動力伝達部１４の減速機構は、例えば遊星歯車減速機構であり、モータ１３の回転軸の軸中心に回転駆動される太陽ギアと、太陽ギアの周囲に配置されて噛合される遊星ギアと、遊星ギアと噛合されるリングギアとを備えるものである。変速用アクチュエータ１８は、このリングギアの位置を変更し、リングギアと噛合する遊星ギアを変更することで減速段が制御可能となっている。また、変速用アクチュエータ１８によりリングギアが正しい位置に変更されたかを検出するための駆動状態検知部を備えてもよい。この場合、制御部２１ａは、駆動状態検知部の検出信号に基づいて変速用アクチュエータ１８を制御する。

このように構成された電動工具１０は、使用者によりトリガスイッチ４１が引き込まれると、この引き込み量に応じた出力信号が制御回路２１の制御部２１ａ及び電力予測部２１ｂに入力される。

制御部２１ａは、トリガスイッチ４１からの出力信号に基づいてスイッチング素子３１を制御し、モータ１３の起動・停止及び回転速度が制御される。モータ１３の回転動力が動力伝達部１４にて減速され出力軸１６に伝達されることで先端工具１７が回転動作を行う。また、制御部２１ａは、負荷トルクに応じて動力伝達部１４の減速段をＨ・Ｌギアのいずれかに変更する。この場合、負荷トルクが小さいと動力伝達部１４にてＨギアが選択され、先端工具１７は高速回転・低トルクで駆動する。電動工具１０起動時は、動力伝達部１４にてＨギアが選択されている。負荷トルクが大きくなり所定トルクを超えると、動力伝達部１４にてＬギアが選択され、先端工具１７は低速回転・高トルクで駆動する。なお、動力伝達部１４の減速機構は、遊星歯車減速機構に限らず、通常の歯車列の構成であっても良い。この場合、制御部２１ａは、トリガスイッチ４１からの出力信号に基づいて、モータ１３の起動・停止及び回転速度のみを制御する。

また、電力予測部２１ｂは、トリガスイッチ４１の引き込み量の変化を監視し、負荷としてのモータ１３に必要となる電力の増加を判断する。具体的には、トリガスイッチ４１の引き込み量によって抵抗値が変化するボリューム抵抗によって変化する入力電圧に応じて電力の増加を判断する。

次に、本実施形態の電動工具１０の一動作例（作用）を主に図３及び図４を用いて説明する。
図３及び図４に示すように、或る時間Ｔ１においてトリガスイッチ４１が引き込まれたオン状態となると（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、電池パック１２から電力供給が開始されて、制御部２１ａは昇圧回路３０のスイッチング素子３１をＰＷＭ制御して昇圧を開始させる（ステップＳ１１）。そして、トリガスイッチ４１が引き込まれていないオフ状態となると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、電池パック１２からの電力供給が遮断されて昇圧回路３０による昇圧が停止される（ステップＳ１３）。

一方、トリガスイッチが引き込まれているオン状態が継続する場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、制御部２１ａは、昇圧回路３０によって昇圧される昇圧電圧・昇圧電流を監視する（ステップＳ１４）
制御部２１ａは、図３及び図４に示すように前記昇圧電圧・昇圧電流が、トリガスイッチ４１の操作量（引き込み量）に応じた所定値Ｃとなるまで（ステップＳ１４：ＮＯ）、昇圧回路３０のスイッチング素子３１を制御してデューティ比を制御して出力（電力）を昇圧させる（ステップＳ１５）。つまり、トリガスイッチの引き込み量に応じて、昇圧電力ΔＰの大きさが変化する。

前記昇圧電圧・昇圧電流が、トリガスイッチ４１の操作量（引き込み量）に応じた所定値Ｃとなると（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、電力予測部２１ｂはトリガスイッチ４１の引き込み量の変化を監視する（ステップＳ１６）。そして、或る時間Ｔ２において例えば使用者によりトリガスイッチ４１が更に引き込まれて、その引き込みの変化量が所定時間で設定値Ｃ１以上に達すると（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、電力予測部２１ｂは急激なトリガスイッチ４１の変化と認識して、負荷としてのモータ１３に必要な電力が増加すると判断する。その結果を受けて、昇圧制御部としての制御部２１ａは、スイッチング素子３１のデューティ比を高めて、昇圧回路３０からモータ１３側へ供給する昇圧電力をΔＰ分だけ向上させる（ステップＳ１７）。

ここで、トリガスイッチ４１の引き込み量が急激に変化することで、トリガスイッチ４１を構成するボリューム抵抗の抵抗値が変化して、トリガスイッチ４１の引き込み量に基づく信号が急激に変化する。この急激な変化により、電池パック１２の電池電圧が減少し、図７に示すように昇圧回路３０にて昇圧される昇圧電力（昇圧電圧・昇圧電流）が減少する。なお、図７では、前述のステップＳ１６及びステップＳ１７を省略した場合の電動工具の一動作例のタイミングチャートである。

トリガスイッチ４１の引き込み量が急激でなければ、電池電圧が極端に下がることが抑えられ、仮に電池電圧が下がったとしても制御部２１ａによりスイッチング素子３１を制御して昇圧回路の昇圧電力（昇圧電圧・昇圧電流）を増加させることが可能である。しかしながら、前述したように、ステップＳ１６においてトリガスイッチ４１の引き込み量が所定時間で設定値Ｃ１以上となった場合には、電力予測部２１ｂによりモータ１３に必要な電力が増加すると判断する。そして、これに応じて電池電圧が下がっても昇圧回路３０による昇圧電力を増加させるため、モータ１３に供給される供給電力（印加電圧）は略一定とすることができ、昇圧回路３０によるフィードバック制御の遅れを抑えることができる。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）電源としての電池パック１２から供給される電圧を昇圧して負荷としてのモータ１３に入力する昇圧回路３０と、前記モータ１３で必要とされる電力が増加するか否かを判断する電力予測部２１ｂと、前記モータ１３で必要とされる電力が増加すると前記電力予測部２１ｂにより判断されると、前記モータ１３へ供給する昇圧電力を増加する制御部２１ａとを備える。このように、モータ１３で必要とされる電力が増加すると先読みして、これに応じて制御部２１ａにより昇圧回路３０で昇圧する昇圧電力を高めることができるため、昇圧回路３０によるフィードバック制御の遅れを抑えることができる。

（２）電力予測部２１ｂに入力する信号を変更する入力信号変更部としてのトリガスイッチ４１を備える。電力予測部は、トリガスイッチ４１から入力される信号に応じて、前記モータ１３で必要とされる電力が増加されるか否かを判断する。このため、例えば使用者がトリガスイッチ４１を急激に引き込むことで、その操作に応じて昇圧回路３０の昇圧電力（昇圧電圧・昇圧電流。）を増加させて、トリガスイッチ４１の操作に基づく電池電圧の減少が発生してもモータ１３に印加する電圧の変化を抑え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、トリガスイッチ４１の変化量によって電力予測部２１ｂは、モータ１３で必要とされる電力が増加するか否かを判断したが、これに限らない。

例えば、負荷の目標値、例えばモータ１３の目標回転数又は目標回転速度と、実際の出力値であるモータ１３の現在の回転数又は現在の回転速度との差により、モータ１３で必要とされる電力が増加するか否かを電力予測部２１ｂで判断してもよい。具体的には、図１に示すように、モータ１３の回転数を検出する回転数検出部４３を用い、前記トリガスイッチ４１の操作量に基づいて決定されるモータ１３の目標回転数と、前記回転数検出部により測定された回転数との差に基づいて、前記モータで必要とされる電力が増加するか否かを判断する。このような構成において、図５に示すように、ステップＳ１４：ＹＥＳである場合に、電力予測部２１ｂは、制御部２１ａに入力されるモータ１３の現在の回転数Ｒ１を監視してその時のモータ１３の目標回転数Ｒ２との差（Ｒ２―Ｒ１）を算出し、差（Ｒ２−Ｒ１）と所定値Ｖ１との比較を行う（ステップＳ２１）。ここで、Ｒ２＝Ｒ１の場合、差（Ｒ２―Ｒ１）は「０」となり、目標回転数Ｒ２と現在のモータ１３の回転数Ｒ１とが一致していることとなる。そして、例えば、差（Ｒ２−Ｒ１）が所定値Ｖ１以上に達すると（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、電力予測部２１ｂは、モータ１３に必要となる電力が増加すると判断する。そして、制御部２１ａは、電力予測部２１ｂにより電力が増加すると判断されると、スイッチング素子３１のデューティ比を高めて、昇圧回路３０からモータ１３側へ供給する昇圧電力ΔＰを向上させる（ステップＳ１７）。

例えば、出力軸１６に加わる負荷トルクを検出し、電力予測部２１ｂは、前記トルク検出部により検出される負荷トルクが所定値Ｔｒ１以上ある場合、前記モータで必要とされる電力が増加すると判断する構成を採用してもよい。トルクの検出方法としては前述したように、制御回路２１の制御部２１ａにより、所定のサンプリング時間毎に電流検出部４２からの検出信号に基づいて駆動電流を検出し、検出した駆動電流と駆動電流の検出時における動力伝達部１４の減速段とに基づいて出力軸１６（先端工具１７）に加わる負荷トルクを検出する。

ここで、前記負荷トルクが所定値Ｔｒ１以上である場合、制御部２１ａにおいて高トルクが必要であると判断する。このため、負荷トルクが所定値Ｔｒ１以上である場合、制御部２１ａは、変速用アクチュエータ１８を介して動力伝達部１４の減速段を高トルク側に変更する。このような構成において、図６に示すように、ステップＳ１４：ＹＥＳである場合に、電力予測部２１ｂは、電流検出部４２及び制御部２１ａにより算出された負荷トルクが、所定値Ｔｒ１以上であるか否かを算出する（ステップＳ２２）。そして、例えば、検出された負荷トルクが所定値Ｔｒ１以上である場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、電力予測部２１ｂは、モータ１３に必要となる電力が増加すると判断する。そして、制御部２１ａは、電力予測部２１ｂにより電力が増加すると判断されると、スイッチング素子３１のデューティ比を高めて、昇圧回路３０からモータ１３側へ供給する昇圧電力をΔＰ分だけ向上させる（ステップＳ１７）。

・上記実施形態では、電動工具１０（電動工具本体１１）の電源として電池パック１２を採用したが、例えば商用電源を電源として採用してもよい。
・上記実施形態では、昇圧回路３０及び制御回路２１を含む昇圧制御回路を電動工具１０に備える構成としたが、これに限らない。例えば、クリーナー（掃除機）、ブロワー（送風機）又は照明装置等に前記昇圧回路を含む昇圧制御回路を備える構成を採用してもよい。照明装置の場合、光源が負荷に相当する。

１０…電動工具、１２…電源としての電池パック、１３…モータ（負荷）、１４…動力伝達部、１６…出力軸、１８…変速用アクチュエータ、２１ａ…制御部（昇圧制御部）、２１ｂ…電力予測部、３０…昇圧回路（昇圧部）、４１…トリガスイッチ（入力信号変更部）、４２…トルク検出部を構成する電流検出部、４３…回転検出部（回転数検出部）、Ｒ１…回転数、Ｒ２…目標回転数。

Claims

電源から出力された電圧を昇圧して負荷に入力する昇圧部と、
前記負荷で必要とされる電力が増加するか否かを判断する電力予測部と、
前記負荷で必要とされる電力が増加すると前記電力予測部により判断されると、前記負荷へ供給する昇圧電力を増加する昇圧制御部とを備えたことを特徴とする昇圧制御回路。
請求項１に記載の昇圧制御回路において、
前記電力予測部に入力する信号を変更する入力信号変更部を備え、
前記電力予測部は、前記入力信号変更部から入力される信号に応じて、前記負荷で必要とされる電力が増加されるか否かを判断することを特徴とする昇圧制御回路。
請求項２に記載の昇圧制御回路において、
前記入力信号変更部は、前記負荷に要求される目標値を決定するものであり、
前記電力予測部は、前記負荷に要求される目標値と前記負荷の出力値との差から、前記負荷で必要とされる電力が増加するか否かを判断することを特徴とする昇圧制御回路。
モータと、前記モータに供給する電圧を調整する昇圧制御回路とを備え、
前記昇圧制御回路は、電源から出力された電圧を昇圧して前記モータに入力する昇圧部と、前記モータで必要とされる電力が増加するか否かを判断する電力予測部と、前記モータで必要とされる電力が増加すると前記電力予測部により判断されると、前記モータへ供給する昇圧電力を増加する昇圧制御部とを備えたことを特徴とする電動工具。
請求項４に記載の電動工具において、
前記電力予測部は、前記モータの駆動させるための駆動信号を出力するトリガスイッチの使用者による操作量に基づいて、前記モータで必要とされる電力が増加するか否かを判断することを特徴とする電動工具。
請求項５に記載の電動工具において、
前記モータの回転数を検出する回転数検出部を備え、
前記電力予測部は、前記トリガスイッチの操作量に基づいて決定される前記モータの目標回転数と、前記回転数検出部により測定された回転数との差に基づいて、前記モータで必要とされる電力が増加するか否かを判断することを特徴とする電動工具。
請求項４〜６のいずれか一項に記載の電動工具において、
前記モータの回転動力を減速して出力軸に伝達するとともにその減速比が変更可能に構成された動力伝達部と、前記出力軸に加わる負荷トルクを検出するトルク検出部と、
前記電力予測部は、前記トルク検出部により検出される負荷トルクが所定値以上ある場合、前記モータで必要とされる電力が増加すると判断することを特徴とする電動工具。