JP2015188997A

JP2015188997A - 電動工具

Info

Publication number: JP2015188997A
Application number: JP2014070635A
Authority: JP
Inventors: 智明須藤; Tomoaki Sudo; 敏洋嶋; Toshihiro Shima; 嶋　　敏洋; 荒舘　卓央; Takahisa Aradate; 卓央荒舘
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2014-03-29
Filing date: 2014-03-29
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】
トリガのオンオフ信号を直接検知できないマイコン付きの電動工具において、電動工具の未使用時に消費電力を抑えるためのスリープ機能を提供する。
【解決手段】
マイコン付きの電動工具において、マイコンはモータに流れるモータ電流７５を検出することによりトリガ操作状態を判断する。マイコンはモータ電流７５が閾値Ｉｓ未満の場合にトリガ状態がオフと判定し、最後にトリガがオフ（時刻ｔ_６）になってから所定時間Ｔが経過したら（時刻ｔ_７）マイコンの電源を自ら落とすことで無駄な消費電力を抑えるようにした。マイコンにはトリガの信号を電気的に結線する必要がないので、マイコンがモータの回転速度制御を行わないブラシ付き直流モータを利用した電動工具であってもスリープ機能が実現でき、またスリープ機構実現のためにマイコンの入力ポートの占有を防止できる。
【選択図】図３

Description

本発明はブラシ付き直流モータを利用した電動工具に関し、特にマイコンを組み込んだ電動工具におけるマイコンのスリープ機能実現に関するものである。

二次電池等の直流電源を用いた電動工具においては、構造のシンプルさと可変速制御のしやすさ等の理由からブラシ付き直流モータが駆動源として広く用いられている。ブラシ付き直流モータを用いる場合には、トリガスイッチとしてオン又はオフの２段階のスイッチとするだけでなく、可変抵抗式のスイッチを用いてトリガの操作量を調整することによりモータの速度を調整可能に構成できる。このようにブラシ付き直流モータを用いる電動工具の場合は、電動工具の内部に制御用のマイコン（マイクロコンピュータ）を組み込むことまでは一般的ではなかった。

近年、電力消費量、モータのきめ細かな制御が可能との理由から、ブラシレスモータを利用した電動工具が普及してきている。ブラシレス直流モータは、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）を固定子側に、永久磁石を回転子側に用い、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。ステータに巻装されたコイルへの通電をオン又はオフさせるモータの回転制御はマイコンを用いて電子的に行われるため低い消費電力で高精度のモータ制御が可能となる反面、マイコンやインバータ回路を用いるために電動工具の製造原価や組み立てコストが高くなってしまうという解決すべき課題がある。また、電源として着脱可能な電池パック（二次電池）を用いるため、電動工具の未使用時であってもマイコンによって電力を無駄に消費してしまうという問題があった。マイコンによる電源消費を少しでも抑えるために、いわゆる「スリープ機能」が組み込まれる。例えば特許文献１では、電動工具未使用時の電池消費電力の低減と、電池の過放電を防止することを目的に、マイコンは、所定の時間以上の未使用状態を検知した時にマイコン自体の電源をオフにすることによりマイコンを休止させる。この特許文献１にて開始される制御回路を示したのが図５である。

図５は、従来例のマイコンを利用した電動工具におけるスリープ機能を実現するための制御回路を説明する図である。図５において、電池５０は複数のセル５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを直列に接続し構成され、モータ１０３は３相のブラシレス直流モータである。インバータ１１４は、電池５０の直流電源を入力としモータ１０３に可変周波の電圧を印加するＦＥＴ（１１４ｕ、１１４ｖ、１１４ｗ、１１４ｘ、１１４ｙ、１１４ｚ）を含んで構成される。制御部１１３は、入出力Ｉ／Ｏポート、ＡＤ変換器、図示しないタイマ機能等の周辺機器を内蔵したマイコン１１３ａと、インバータ１１４の各々のＦＥＴのゲート信号を出力するゲートドライバ１１３ｂから構成される。マイコン１１３ａは出力ポートＰＡよりインバータ１１４の各々のＦＥＴの駆動信号をゲートドライバ１１３ｂに出力し、ゲートドライバ１１３ｂによりＦＥＴ駆動信号が増幅され、各々のＦＥＴのオン又はオフの駆動を行う。電池異常検出手段１１５はセル５０ａ〜５０ｄの夫々の電圧を検出し、何れか１つでも異常電圧（所定の電圧以上、又は以下）になった場合には電池異常信号としてＤＣＨＧ端子からＨＩＧＨ論理の信号を電力供給遮断手段１１６に出力する。電力供給遮断手段１１６は電池５０からマイコン１１３ａ及びゲートドライバ１１３ｂへの電力の供給を接続又は遮断する回路である。作業者の操作によりトリガスイッチ１１７が閉じるとグランドラインと接地され、その信号（トリガ信号）はマイコン１１３ａの入力ポートＰ１と電力供給遮断手段１１６に入力される。モータ速度調節手段１０７は、作業者の操作に従い抵抗値が変化する可変抵抗器であり、モータ速度調節手段１０７で分圧された出力電圧はマイコン１１３ａ内蔵のＡＤ変換器に入力され、マイコン１１３ａはモータ速度調節手段１０７の出力電圧値を検出する。トリガスイッチ１１７とモータ速度調節手段１０７は、トリガスイッチユニットとして一体型のものを用いている。マイコン１１３ａによるモータ１０３の回転制御は、６つのＦＥＴのスイッチング動作をＰＷＭ制御することで転流動作における電流の通流率を制御する。ここでマイコン１１３ａは、トリガスイッチ１１７の接点が開でＰ１ポートの入力論理がＨＩＧＨであり、且つモータ速度調節手段１０７の出力電圧値が所定の電圧以下であれば工具の未使用状態と見なし、内部タイマで本状態が継続する時間を計測し、所定の時間以上電動工具の未使用状態が継続した時に、出力ポートＰ０からＨＩＧＨ論理の電力供給遮断信号を出力し、電力供給遮断手段１１６によってマイコン１１３ａ及びゲートドライバ１１３ｂへの電源ラインが遮断される。この状態を示したのが図６である。図６（１）はトリガスイッチ１１７のオンオフ状態を示すトリガ信号１７７であり、このトリガ信号１７７はマイコン１１３ａの入力ポートＰ１に直接入力される。図６（２）はマイコン１１３ａのマイコン電源１７６の状態であり、ＯＮがマイコン１１３ａに電源が供給されている状況で、ＯＦＦがマイコン１１３ａに電源が供給されていない状況である。ここで電動工具を使用した後の所定の時間、例えば数分から数十分以内にトリガが再びＯＮにならない場合は、マイコン１１３ａは自ら電源を自動的に遮断する、いわゆるスリープ機能が実現される。この機能によって電池５０の電力をマイコン１１３ａが無駄に消費してしまうことが防止される。

特開２００６−１９８６９０号公報

発明者らは、二次電池を電源とする従来のブラシ付きの直流モータを利用した電動工具において、取り付けられた二次電池の種類の判別や、二次電池の異常状態の検出などの目的で小規模なマイコンを組み込むことを考えた。この場合にも非稼働時にマイコンを自動的にオフにするいわゆるスリープ機能を組み込むことが好ましい。しかしながら、ブラシレスモータと違ってブラシ付き直流モータを使用する場合にはインバータが存在しない上に、マイコン自体がモータの回転制御を行う必要がないため、トリガスイッチからの信号をマイコンに入力させる必要がない。するとマイコンがトリガを引いたタイミングとトリガを戻したタイミングを適切に検出できないことになるので、特許文献１と同様にスリープ機能を実現することができない。この問題を解決するために、トリガ信号の状態を検出するトリガ検出回路を別途設けて、その出力をマイコンの入力ポートに入力させることが考えられる。しかしながら、マイコンを小型で安価ですませる場合は、入力端子数の制約があってトリガ検出の目的だけで入力端子を占有することは現実的ではないという問題がある。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、ブラシ付き直流モータを用いた電動工具において、マイコンを用いて電池の状態やモータ電流を監視するようにして信頼性の高い電動工具を実現することにある。
本発明の他の目的は、電動工具の長時間未使用時にマイコンの電源を自動的に遮断するスリープ機能を実現して、待機時の消費電力を極力抑えるようにした電動工具を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、トリガのオンオフ信号をマイコンが直接検知することができない場合であっても、モータ電流を用いてトリガのオンオフ状態の判断を行うことによりマイコンのスリープ機能を実現した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。
本発明の一つの特徴によれば、電池と、電池を電源として回転するブラシ付き直流モータと、モータによって駆動される動力機構と、モータの回転のオンオフ制御を行うスイッチを有する電動工具において、モータと電池の回路に直列に介在された半導体スイッチング素子と、電池の状態を監視して電池の状態に異常である場合にはスイッチング素子を制御することによってモータの回転を停止させるマイコン（マイクロコンピュータ）と、電池からマイコン用の電源を供給する定電圧回路と、モータに流れる電流を検出してマイコンに出力する電流検出回路を設け、マイコンは電流検出回路の出力によってスイッチがオフにされたタイミングを検出し、スイッチがオフにされてからモータが再起動されることなく所定の時間が経過したら定電圧回路の出力を止めて、マイコンの動作を休止させるように構成した。このスイッチはオン又はオフの状態を設定する２極スイッチ、又は、モータの回転速度を調整できる可変速スイッチ、またはこれらの組み合わせであり、マイコンにはトリガ信号が直接又は間接的に入力されない構成で良い。マイコンはトリガのオンオフ信号を直接検知できない制御回路であっても、電流検出回路によって検出された電流値からスイッチオフのタイミングを検出することができる。このようにトリガがオフになってから連続で所定時間が経過した場合に、作業者が電動工具を使用していないと判断しマイコンは自らの電源を落とすように制御し、これによってマイコンによる電池の消費を抑えることができる。

本発明の他の特徴によれば、検出された電流値からスイッチオン又はスイッチオフの状態を判定するための閾値Ｉ_ｓを設け、マイコンは電流値が閾値Ｉ_ｓ以上の場合にスイッチオンと判断し、スイッチオンの状態から電流値が閾値Ｉ_ｓ未満の状態になったときにスイッチオフと判定する。また、マイコンは電流値が閾値Ｉ_ｓ以上又は閾値Ｉ_ｓ未満が所定時間続いた場合に、スイッチオン又はスイッチオフになったと判定する。ここで、マイコンの指示により定電圧回路の出力を維持させる電源保持回路を設け、マイコンはスイッチがオンオフに関わらずに電源保持回路に指示を出すことによって定電圧回路の出力を一定期間維持させる。電源保持回路は、マイコンの休止中にスイッチがオンになると定電圧回路への出力を再開させることによりマイコンを起動させる。これによりマイコンが休止中であっても作業者がトリガを再び引くことにより即座にマイコンを再起動させることができる。

本発明のさらに他の特徴によれば、電池からの動作状況信号を受信する電池信号検出手段を設け、マイコンは、電池信号検出手段によって駆動停止信号を検出したときにスイッチング素子を遮断することによりモータの回転を停止させる。このようにスイッチング素子を遮断することで、一時的に電動工具を使用不可の状態にして電動工具を保護することができる。また、電池の電圧を測定する電池電圧検出手段を設け、マイコンは、電池電圧検出手段によって電池の電圧が所定値以上か否か検出し、所定値以下の場合はスイッチング素子を遮断することによりモータの回転を停止させる。このようにスイッチング素子をオフにすることで、一時的に電動工具を使用不可の状態にして作業者に充電を促すことができる。

本発明のさらに他の特徴によれば、電池の電圧を測定する電池電圧検出手段を設け、マイコンは、電池電圧検出手段によって電池の電圧が所定値以上か否か検出し、所定値以下の場合はスイッチング素子を遮断することによりモータの回転を停止させるようにした。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータと電池の放電経路に直列に介在されたスイッチング素子と、電池の状態を監視して電池の状態に異常である場合にはスイッチング素子を制御することによってモータの回転を停止させるマイコンと、電池からマイコン用の電源を供給する定電圧回路と、を有し、マイコンは、放電経路において電池のマイナス端子に接続される基準と、基準に対して放電経路の上流側の地点との電位差がゼロの状態が所定時間継続したら定電圧回路の出力を止めるようにした。この電位差は、放電経路を流れる電流を検出する抵抗の両端電圧であり、マイコンは、電位差がゼロの場合にスイッチがオフされたと判断する。

本発明によれば、マイコンへの電力供給が遮断している時にトリガをオンにすると、電源保持手段によってマイコンへの電力供給状態が保持される。マイコンが電源保持することで、電動工具の状態を常に検知し、異常が検出された場合は電動工具を保護する制御を行うことができる。また、マイコンはトリガのオフ時間のカウントを行い、連続で所定時間Ｔに達したとき電源保持状態を解除して、マイコンの電源を遮断することにより自ら休止状態にさせるので、マイコンによる無駄な電力の消費を抑えることができる。

本発明の実施例に係る電動工具の全体構成を示す縦断面図である。本発明の実施例に係る電動工具の制御回路を示すブロック図である。本発明の実施例に係る電動工具の電流値波形とマイコンの動作状況とトリガ検出状況を示す波形図である。本発明の実施例に係る電動工具におけるスイッチ状態の判別手順を示すフローチャートである。従来のブラシレスモータを用いた電動工具の制御回路を示すブロック図である。従来の電動工具のトリガとマイコンの動作状況を示す波形図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１は本発明の実施例に係る電動工具の全体構成を示す縦断面図である。ここでは電動工具の一例として、着脱可能な電池５０を電源としてブラシ付きモータ３を駆動するインパクト工具を用いて説明をする。インパクト工具は、モータ３を駆動源として打撃機構３０を駆動し、出力軸であるアンビル３６に回転力と打撃力を与え、アンビル３６の装着穴３６ａに先端工具保持部４０によって保持されるビットやソケ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ボルトやナット、ねじを締結する。電動工具１は、外形を形成する外枠であるハウジング２を備える。ハウジング２は、前後方向に延びる略円筒形の胴体部２ａと、胴体部２ａの軸方向（前後方向）の中央付近から略直角に下側に延びるものであって側面視略Ｔ字状を成すように連接されたハンドル部２ｂと、ハンドル部２ｂの端部に形成される電池取付部２ｃで構成される。胴体部２ａの前方側には打撃機構３０を収容するためのハンマケース４が設けられる。ここで、電動工具１の筐体（広義のハウジング）は、プラスチック等の合成樹脂の成形品にて製造されるハウジング２（狭義のハウジング）と、アルミ合金等の金属製のハンマケース４によって構成される。

ハウジング２の胴体部２ａの内部には、駆動源であるモータ３と、モータ３の回転を減速させるものであって遊星歯車にて構成される減速機構２０が収容され、ハンマケース４には、減速機構２０によって減速させたモータ３の回転を回転打撃力に変換して先端工具に伝達する打撃機構３０が収容される。本実施例では減速機構２０と打撃機構３０がモータ３の回転によって先端工具を駆動させるための動力機構を構成する。モータ３と、減速機構２０と、打撃機構３０とは、モータ３の回転軸３ａの軸線と同軸上に並んで配置され、さらに、減速機構２０と打撃機構３０も同軸上に直列に並ぶように配置される。胴体部２ａの前方下側には、先端工具の先端付近を照射するためのＬＥＤ等の発光手段４８が設けられる。

ハンドル部２ｂ内の上部にはトリガスイッチ７が配設され、トリガスイッチ７の前方にはトリガスイッチ７を操作するためのトリガ７ａがハウジング２の外部の突出するように設けられる。トリガ７ａの上方には、モータ３の回転方向を正方向又は逆方向に切替えるための正逆切替レバー８が設けられる。ハンドル部２ｂ内には、装着された電池５０の種類を判別すると共に、電池の放電状況や温度等を監視するマイコンを搭載するための回路基板９が収容される。電池取付部２ｃの後方側には、ストラップ６が取り付けられる。ハンドル部２ｂの下方には、充電可能な二次電池であるニカド電池、リチウムイオン電池等を含んで構成される電池５０が着脱可能に装着される。電池５０は複数本のセルをパック化したもので、充電するときはリリースボタン５３を押しながら電動工具１から電池５０を取り外して、図示しない専用の充電器に装着することにより充電する。

減速機構２０は、サンギヤと、リングギヤと、複数の遊星ギヤを含んで構成される公知の遊星歯車減速機構である。スピンドル３１は、遊星ギヤを複数支承する遊星キャリアの機能を兼ねており、軸受１８ｂを介して回転可能に支承される。スピンドル３１にはハンマ３３が前後方向へと移動可能に換装され、スピンドル３１とハンマ３３はカム機構により連結される。スピンドル３１とハンマ３３とを連結するカム機構は、スピンドル３１の外周面に軸方向に対して斜めに形成された一対のスピンドルカム溝３１ａと、一対のスピンドルカム溝３１ａ内にそれぞれ挿入されたボール３２と、ハンマ３３の内周面に形成されたハンマカム溝３３ａで構成される。アンビル３６は、メタル１８ａの内周に嵌合され、回転可能に支承される。ハンマ３３は、スプリング３５によって常に先端方向（前方）に付勢されており、最も先端側に位置する静止時には、ボール３２とスピンドルカム溝３１ａとの係合によって、アンビル３６の後端面と所定の隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ３３の相対向する回転平面上の２箇所には爪部３４が形成され、アンビル３６の後端部分から相反する径方向に突出する羽根部３７が形成され、２つの爪部３４が２つの羽根部３７に同時に衝突できるように、それぞれが対称位置に形成される。

トリガ７ａが引かれてトリガスイッチ７がオンになりモータ３が起動されると、正逆切替レバー８で設定された方向にモータ３が回転を始め、その回転力は減速機構２０によって減速されてスピンドル３１に伝達される。スピンドル３１が所定の速度で回転駆動されると、スピンドル３１の回転は、カム機構を介してハンマ３３に伝達され、ハンマ３３が半回転しないうちに、ハンマ３３の爪部３４がアンビル３６の羽根部３７に係合してアンビル３６が回転される。締め付け作業が進行してハンマ３３がアンビル３６から受ける反力が大きくなると、ハンマ３３は、カム機構のスピンドルカム溝３１ａに沿ってスプリング３５を圧縮しながらモータ３側へと後退動を始めることによりハンマ３３とスプリング３５との間に相対回転が生じる。ハンマ３３がさらに後退動すると、ハンマ３３の爪部３４がアンビル３６の羽根部３７を乗り越えて両者の係合が解除される。すると、ハンマ３３は、スピンドル３１の回転力に加えて、スプリング３５に蓄積された弾性エネルギーとカム機構の作用と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３５の付勢力によって前方、即ちアンビル３６側へと移動され、ハンマ３３の爪部３４がアンビル３６の羽根部３７に再び係合（打撃）して一体的に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力が羽根部３７を介してアンビル３６に加えられるため、アンビル３６に装着された先端工具を介して図示しないねじ等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ねじ等に回転打撃力が間欠的に繰返し伝達され、ねじやボルト等が図示しない被締付材にねじ込まれる。

図２は本実施例に係る電動工具の制御回路図である。電池５０のプラス端子５１とマイナス端子５２は、電動工具１に設けられているプラス端子６１とマイナス端子６２にそれぞれ接続される。電動工具１のプラス端子５１とマイナス端子５２の間には、ブラシ付き直流モータであるモータ３とトリガスイッチ７と半導体スイッチング素子（ＦＥＴ６９）とシャント抵抗６８が直列に介在（接続）され、これらは放電経路となっている。電池５０を電動工具１に装着し、電動工具１のトリガ７ａを引いたり離したりすることにより、制御回路内のトリガスイッチ７が閉じるか又は開くことにより、モータ３の回転のオンオフ制御を行う。このとき、電池５０のプラス端子５１から電動工具１を介して電池のマイナス端子６２に流れる電流経路には、定電圧回路６４、電源保持回路６３、電池信号検出回路６６、電池電圧検出回路６５、ドライバ回路７１、電流検出回路６７が接続されているため、電源保持回路６３は定電圧回路６４と電池５０のプラス端子５１側の接続を行う。定電圧回路６４は、マイコン７０に電源を供給するためのもので、定電圧回路６４から出力される定電圧Ｖ_ＤＤは、マイコン７０の電源となるため、トリガスイッチ７の接続によってマイコン７０が起動することになる。電池電圧検出回路６５、電池信号検出回路６６、温度検出回路７２の信号はマイコン７０に出力される。

電源保持回路６３は、マイコン７０の電源を保持するためのものである。マイコン７０の電源が入っていない状態で、トリガ７ａを引いてトリガスイッチ７を閉じた場合、定電圧回路６４によってマイコン７０が起動する。その後、マイコン７０から電源保持回路６３に電源保持の命令が継続的に出されることでトリガ７ａが戻された状態であってもマイコン７０への電源供給が維持されるため、マイコン７０は動作を続けることになる。

電池信号検出回路６６は、電池から送られる駆動停止信号を受信することにより異常状態の発生を検出するための手段である。電池５０から駆動停止信号が検出された場合、マイコン７０がＦＥＴ６９にてモータ３に電源を供給する回路（電流経路）を遮断するように制御することにより、モータ３の回転が直ちに停止することによって電池５０を保護する。温度検出回路７２は、ＦＥＴ６９の近傍に配置してＦＥＴ６９の温度を検出するもので、その出力はマイコン７０のＡ／Ｄコンバータ端子に接続される。Ａ／Ｄコンバータは入力されたアナログ信号を量子化してデジタル信号に変換する電子回路である。マイコン７０には検出されたＦＥＴ６９の温度に対応するアナログ値が入力され、マイコン７０は内蔵するＡ／Ｄコンバータによってアナログ値をデジタル値に変換し、当該デジタル値とあらかじめ設定した所定値とを比較し、ＦＥＴ６９の温度が異常な高温であるかどうかの判断を行う。

電流検出回路６７は、回路内を流れる電流（モータに流れる電流）を検出するもので、マイコン７０のＡ／Ｄコンバータに接続される。放電経路において電池５０のマイナス端子に接続される基準点６８ｂと、基準点６８ｂに対して放電経路の上流側の地点６８ａとの電位差（ここではシャント抵抗６８の両端電圧）を電流検出回路６７が検出し、マイコン７０のＡ／Ｄコンバータには電流検出回路６７によって検出された電流値に対応するデジタル値が入力される。マイコン７０は、変換されたデジタル値とあらかじめ設定された閾値Ｉ_ｓとを比較し、電位差が閾値Ｉ_ｓ以上であればトリガオン（スイッチオン）と判断し、電位差が所定値以下又はゼロであればトリガオフ（スイッチオフ）と判断する。ここで、閾値Ｉ_ｓを越えた又は下回ったとの判断は、僅かな時間（所定時間、例えば数ｍｓ）だけその状態が継続したら判定するようにすればピークノイズの影響を効果的に防止できる。

電池電圧検出回路６５は、電池５０の電圧（電池電圧）を測定するための検出手段で、その出力はマイコン７０のＡ／Ｄコンバータに接続される。Ａ／Ｄコンバータからは、検出した電池電圧に対応するデジタル値が入力され、マイコン７０は当該デジタル値とあらかじめ設定した所定値とを比較し、電池残量があるかどうかの判断を行い、電池残量が所定の値より少なくなった場合、即ち過放電状態となった時にはマイコン７０はＦＥＴ６９を遮断状態、即ちＦＥＴ６９のゲート信号をＬＯＷにすることで一時的にモータ３が回転しない状態にして電池５０を保護する。

ドライバ回路７１は、マイコンからの指示に応じてＦＥＴ６９の制御を行う回路であって、通常状態では定電圧回路６４から電源が供給されてマイコン７０が起動すると、マイコン７０はドライバ回路７１にＦＥＴ６９をオンにする命令を出力する。尚、本実施例では異常が発生していない状態ではＦＥＴ６９をオンとし、異常時にＦＥＴ６９をオフにするよう制御する。

図３は、本実施例の電動工具におけるトリガ操作の検出状況を説明するための図である。（１）はモータ３の回転時に流れるモータ電流７５であり、（２）はマイコン７０への電源供給状況を示す図であり、（３）はマイコン７０によって検出されたトリガスイッチ７の状態を示すトリガ状態検出信号７７を示す図であり、それぞれの横軸は同じ時間スケールで図示している。ここでは、電池５が電動工具１に装着され、時刻ｔ_１にてトリガ７ａが引かれたとする。するとトリガスイッチ７のモータ側から電源保持回路６３に接続する信号線７３（図２参照）により、電源保持回路６３にＨＩＧＨ信号（電池電圧）が加わるため、電源保持回路６３は定電圧回路６４と電池５０の正極との接続をすることにより、定電圧回路６４は直流定電圧（例えば３．３Ｖ）を生成してマイコン７０に電源を供給する。この電源供給によってマイコン７０は起動し、図３（２）のマイコン電源７６のようにマイコン７０がオフ状態からオン状態になる。マイコン７０が起動するとＦＥＴ６９がオンになるように制御されるので、この結果、電池５０、トリガスイッチ７、モータ３、ＦＥＴ６９の直列に接続された放電経路が接続されることになりモータ３が起動する。モータ３が起動するときにこの放電経路に流れる電流が図３（１）で示すモータ電流７５である。ここでは時刻ｔ_１にてトリガ７ａが引かれてモータ電流が閾値Ｉ_ｓを越えて矢印７５ａのように急激に増加する（起動電流）。その後、電動工具１による締め付け作業か完了して作業者が時刻ｔ_２にてトリガ７ａを離すとモータ電流は時刻ｔ_２（矢印７５ｂ）付近にて閾値Ｉ_ｓを下回る。このようにして、時刻ｔ_３、ｔ_５にて再びトリガ７ａが引かれることによりモータ３が起動し、矢印７５ｄ、７５ｆのように時刻ｔ_４、ｔ_６付近にてトリガ７ａが離されることによりモータ３が停止する。ここでは時刻ｔ_２、ｔ_４、ｔ_６はトリガ７ａが離された時刻と完全に一致しないかもしれない。しかしながら時刻ｔ_２、ｔ_４、ｔ_６の検出はモータ３のオフ制御に用いるものではなくて、単にスリープ機構を実現するために用いるだけなので、時刻ｔ_２、ｔ_４、ｔ_６の検出が若干ずれたとしても大して影響がないものである。

本実施例ではマイコン７０が起動しているときは、マイコン７０の出力端子から電源保持回路６３に対して電源を一定期間保持させるように信号７４を継続出力され、トリガ７ａが離されても所定時間まではマイコン７０の電源はオンのままである。ここでは、マイコン７０はトリガ７ａが離されてから所定時間Ｔが経過したら、つまりトリガスイッチ７のオフを検出されたタイミングからモータ３が所定時間Ｔだけ再起動されなかった場合は、マイコン７０は電源保持回路６３への信号７４をＨＩＧＨからＬＯＷに切り替えることにより電源保持回路６３が電源の保持を解除するように制御する。この制御は、マイコン７０がトリガスイッチ７がオフとなったと判定した最後の時点（ここでは時刻ｔ_６）からの時間を内蔵するタイマを用いてカウントアップし、所定時間Ｔに達したら信号７４をＨＩＧＨからＬＯＷに切り替える。この結果、定電圧回路６４と電池５０との接続が解除されるためマイコン７０への定電圧直流の供給が停止するため、時刻ｔ_７（＝ｔ_６＋Ｔ）にてマイコン７０の動作は終了する（矢印７６ａ）。本実施例では、この所定時間Ｔが経過してマイコン７０の電源が遮断された休止状態をスリープ状態と呼び、スリープ状態ではマイコン７０によって電池５０が無駄に消費されることを防止できる。所定時間Ｔは電動工具１の使用実態に合わせて数分から数時間程度の範囲内でマイコン７０に予め設定しておけば良く、インパクトドライバの場合は３０〜１時間程度とすれば良いが、電池５０の消費を極限まで抑えるために、所定時間Ｔを数秒〜数十分程度としても良い。

次に、本実施例の電動工具１における制御手順を図４のフローチャートを参照して説明する。本フローチャートは電動工具１の電池取付部２ｃに電池５０を装着することによりその動作が開始するもので、ステップ８１〜９２までのステップはマイコン７０がコンピュータプログラムを実行することによってソフトウェアによってその処理が実行される。最初にマイコン７０の電源が入っていない状態（休止状態）でトリガ７ａを引く（ステップ８０）と、マイコン７０が起動する（ステップ８１）。マイコンが起動したらマイコンは電源保持命令を信号線７４を介して電源保持回路６３に出すことによってトリガオン又はオフに関わらずマイコン７０が動作を続けて電動工具１の状態検知を行うことになる（ステップ８２）。次にマイコン７０はドライバ回路７１に出力信号を送信することによりＦＥＴ６９をオンにする（ステップ８３）。

次に、マイコン７０はＦＥＴ温度検出回路７２の出力からＦＥＴ６９の温度が所定値以上か否かを判別する（ステップ８４）。ＦＥＴ温度が、例えば、１００℃に達している場合には、マイコン７０はＦＥＴ６９が異常高温状態と判断する。ＦＥＴ６９は放電状況によっては熱を発生するため、過去の使用状況によっては、新たに使用を開始する段階で、既に異常高温になっている場合がある。異常高温状態にあるＦＥＴ６９を使用すると故障する恐れがあるので、温度が低下するまで使用を控えると良い。そこで、ステップ８４で、ＦＥＴ温度が所定値以上の場合、即ち、ＦＥＴ温度が異常高温であると判断した場合には、ＦＥＴ６９をオフにする（ステップ９３）。このようにマイコン７０は電動工具１を使用できない状態にすると共に、ＦＥＴ温度検出回路７２の出力に基づいてＦＥＴ温度が所定の温度まで低下したか否かの判別を行う（ステップ９４）。所定の温度まで低下しない場合はステップ９４に留まり、ＦＥＴ温度の低下を待つ（ステップ９４）。ステップ４０７にてＦＥＴ温度が所定の温度まで低下した場合は、ステップ９２へ進み、マイコン７０の電源を遮断し（ステップ９２）、ステップ８０に戻る。その後、トリガを引くことで再び電動工具１が使用可能になる（ステップ８０）。

ステップ８４においてＦＥＴ温度が所定値以下の場合（ステップ８４）、即ち、ＦＥＴ温度が異常な高温でなく使用可能であると判断した場合は、マイコン７０は電流値が所定値以上か否かを判断する（ステップ８５）。電流が、所定値以上であると判断するということは、モータ３には過負荷がかかっていると判断できる状態である。電流値が所定値以上のまま電動工具１の使用を続けると、制御回路内の部品等に影響が出るので作業を一旦停止させる必要がある。そこで、ステップ８５で電流値が所定値以上である場合は、ＦＥＴ６９をオフにして（ステップ９５）、マイコン７０の電源を落としてステップ８０に戻る（ステップ９２）。ＦＥＴ６９をオフにすることで過負荷状態下での連続作業を防止できる。尚、モータ３が停止した状態からトリガ７ａを引くと、モータ起動時に大きな電流が瞬間的に流れ、その結果ステップ８５で所定値を超えてしまう恐れがある。そこで、ステップ８５の判別にあたっては時間的考慮が必要であり、例えばトリガ７ａを引いた直後の数ミリ秒間はステップ８５による検知を行わないようにしても良いし（不感区間の設定）、電流値Ｉのピーク値だけで判断せずに積分値を用いてノイズ等の影響を除去しながら検出するようにしても良い。

ステップ８５において電流値が所定値以下の場合、即ち、モータの負荷が少なく使用可能であると判断した場合は、次に電池５０に異常があるか否かを判別する（ステップ８６）。電池５０が、例えば、異常高温状態であると判断した場合には、電池５０から電池信号検出回路６６を介してマイコン７０に動作状況を示す信号が送られ、電池５０が異常状態であることを知らせる。電池５０は放電時間に比例して熱を発生するため、過去の使用状況によっては新たに使用を開始する段階で既に高温状態になっている場合がある。異常高温状態にある電池５０をさらに使用すると、電池の寿命を著しく低下させる恐れがあるので、電池温度が低下するまで使用を控えることが重要である。そこで、ステップ８６で、電池５０から異常状態の信号が出ている場合には、ＦＥＴ６９をオフにして（ステップ９６）、電動工具１を使用できない状態にする。次に、マイコン７０は電池信号検出回路６６の出力に基づいて電池５０から駆動停止信号が引き続き出力されているか否かによって電池５０の異常の有無の判別を行う（ステップ９７）。電池５０から駆動停止信号が出力されている場合はステップ９７に留まり、電池５０から信号が出力されなくなるのを待つ（ステップ９７）。電池から駆動停止信号が出力されなくなった場合はステップ９２へ進み（ステップ９７）、マイコン７０の電源を落としてステップ８０に戻る（ステップ９２）。その後、トリガ７ａを引くことで再び電動工具が使用可能になる。

ステップ８６で、電池異常がない場合、即ち、電池５０から駆動停止信号が出ていないと判断した場合、次に電池電圧が所定値以下か否かを判断する（ステップ８７）。マイコン７０は電池電圧を検出することで電池残量があるかどうかの判別を行い、電池電圧が所定値以下の場合（ステップ８７）、ＦＥＴ６９をオフにして（ステップ９８）し、ステップ９２に進んでマイコン７０の電源を落とす。このように電動工具１を停止させることで作業者に電池５０の充電を促すことができ、さらに継続して使用することにより生ずる電池５０の過放電を防止することができる。

ステップ８７でマイコン７０は、電池電圧が所定値以下の場合、即ち、電池残量があり、継続して使用できると判断した場合、次に電流を検出しているか否かを判断する（ステップ８８）。ここでは電流を検出しているか否かを判断することにより、トリガスイッチ７をオンしているかどうかの判断も行っている。電流を検出しているときは電流検出部（シャント抵抗６８）に電流が流れている。即ち、トリガスイッチ７が閉じていれば電流は流れるので、マイコン７０はトリガスイッチ７がオンしていると判断する。また、電流を検出していない場合は電流検出部に電流が流れていない、つまり、トリガスイッチ７が開いていれば電流は流れないので、マイコン７０はトリガスイッチ７がオフしていると判断する。トリガ信号を直接検知できない場合、電流検出状態によってトリガ検知を行い作業者が使用中かどうかの判断を行う。

ステップ８８で電流を検出した場合、即ち、トリガオンと判断（ステップ９９）した場合、ステップ８４に戻る。マイコン７０が電流検出をしている間、つまり、トリガ７ａを引いている間はステップ８４、ステップ８５、ステップ８６、ステップ８７、ステップ８８、ステップ９９をループして繰り返し実行する。モータ３が回転している途中に、電池５０、ＦＥＴ６９、モータ３のいずれかに何らかの異常がある場合はマイコン７０がモータ３の駆動を停止する。

ステップ８８において電流不検出の場合、即ち、マイコン７０がトリガオフと判断した場合は（ステップ８９）、マイコン７０は内蔵するタイマをカウントアップすることにより最後に電流不検出状態となった時から所定時間Ｔが経過したか否かの判別を行う（ステップ９０）。トリガオフから連続で所定時間経過しているかどうかの判別は、作業者が電動工具１を使用しているかどうかの判別でもある。ステップ９０でトリガオフから所定時間Ｔが経過していないと判断した場合はステップ８４に戻る。電流不検出の間、つまり、トリガが引かれていない間はステップ８４、ステップ８５、ステップ８６、ステップ８７、ステップ８８、ステップ８９、ステップ９０をループしている。電流を検出した場合は、トリガオフのカウント時間をリセットし、再びトリガオフになるとカウントを始める。

ステップ９０で、トリガオフから連続で所定時間Ｔが経過したと判断した場合、つまり作業者が電動工具１を使用していないと判断した時、ＦＥＴ６９をオフにして（ステップ９１）、定電圧回路の出力を止めることによりマイコン７０への電源を落として休止状態にしてステップ８０に戻る（ステップ９２）。以上の手順をマイコン７０が実行することにより、マイコン７０にトリガスイッチ７の信号が直接又は間接的に入力されていなくてもマイコン７０のスリープ機能を実現でき、電動工具１の未使用時にマイコン７０によって無駄に電力が消費されることを防止できる。以降、ステップ８０以下の処理を繰り返し、トリガ７ａが引かれると定電圧回路への出力が再開され、マイコン７０が起動する。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例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、上記実施例においては、ＦＥＴ温度が所定値以上の場合、ＦＥＴ６９をオフにする（ステップ９３）ことで負荷電流を遮断するようにしたが、ＦＥＴ温度の判断する値を低めに設定し、ＦＥＴ６９を用いて入力電力をＰＷＭ制御することによりモータ３の回転速度を強制的に低下させることで、電動工具１の状態が厳しいことを作業者に知らせつつも、電動工具１は使用できる状態にすることもできる。また、電動工具１を連続して使用したために高い温度に達した場合は、ＦＥＴ６９をＰＷＭ制御するにしてモータ電流を強制的に制限又は遮断する制御をしてもよい。

上述の実施例では２極スイッチ又は可変速スイッチであるトリガスイッチ７を用いたインパクト工具の例で説明したが、マイコンを有するブラシ付き直流モータ利用の電動工具であれば任意の動力機構を用いた電動工具で本発明を利用することができる。例えば電気かんな、グラインダ、セーバソー等の幅広い電動工具であってトリガスイッチ、又は，モータのオンオフスイッチを有する機器であれば同様に適用できる。

１電動工具２ハウジング
２ａ胴体部２ｂハンドル部
２ｃ電池取付部３モータ
３ａ回転軸４ハンマケース
５電池６ストラップ
７トリガスイッチ７ａトリガ
８正逆切替レバー９回路基板
１８ａメタル１８ｂ軸受
２０減速機構３０打撃機構
３１スピンドル３１ａスピンドルカム溝
３２ボール３３ハンマ
３３ａハンマカム溝３４爪部
３５スプリング３６アンビル
３６ａ装着穴３７羽根部
４０先端工具保持部４８発光手段
５０電池５０ａセル
５１プラス端子５２マイナス端子
５３リリースボタン６１プラス端子
６２マイナス端子６３電源保持回路
６４定電圧回路６５電池電圧検出回路
６６電池信号検出回路６７電流検出回路
６８シャント抵抗６９ＦＥＴ
７０マイコン７１ドライバ回路
７２温度検出回路７３信号線
７４電源保持命令信号線７５モータ電流
７６マイコン電源７７トリガ状態検出信号
１０３モータ１０７モータ速度調節手段
１１３制御部１１３ａマイコン
１１３ｂゲートドライバ１１４インバータ
１１５電池異常検出手段１１６電力供給遮断手段
１１７トリガスイッチ１７６マイコン電源
１７７トリガ信号

Claims

電池と、電池を電源として回転するブラシ付きモータと、該モータによって駆動される動力機構と、前記モータの回転のオンオフ制御を行うスイッチを有する電動工具において、
前記モータと前記電池の回路に直列に介在されたスイッチング素子と、
前記電池の状態を監視して前記電池の状態に異常である場合には前記スイッチング素子を制御することによって前記モータの回転を停止させるマイコンと、
前記電池から前記マイコン用の電源を供給する定電圧回路と、
前記モータに流れる電流を検出して前記マイコンに出力する電流検出回路を設け、
前記マイコンは前記電流検出回路の出力によって前記スイッチがオフにされたタイミングを検出し、前記スイッチがオフにされてから前記モータが再起動されることなく所定の時間が経過したら前記定電圧回路の出力を止めることを特徴とする電動工具。
前記スイッチはオン又はオフの状態を設定する２極スイッチ、又は、前記モータの回転速度を調整できる可変速スイッチであって、
前記マイコンは前記スイッチの出力を用いることなく前記電流検出回路によって検出された電流値からスイッチオフのタイミングを検出することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
検出された前記電流値からスイッチオン又はスイッチオフの状態を判定するための閾値Ｉ_ｓを設け、
前記マイコンは前記電流値が閾値Ｉ_ｓ以上の場合にスイッチオンと判断し、前記スイッチオンの状態から前記電流値が閾値Ｉ_ｓ未満の状態になったときにスイッチオフと判定することを特徴とする請求項２に記載の電動工具。
前記マイコンは前記電流値が閾値Ｉ_ｓ以上又は閾値Ｉ_ｓ未満が所定時間続いた場合に、前記スイッチオン又はスイッチオフになったと判定することを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
前記マイコンの指示により前記定電圧回路の出力を維持させる電源保持回路を設け、
前記マイコンは前記スイッチがオンオフに関わらずに前記電源保持回路に指示を出すことによって前記定電圧回路の出力を一定期間維持させることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記電源保持回路は、前記マイコンの休止中に前記スイッチがオンになると前記定電圧回路への出力を再開させることにより前記マイコンを起動させることを特徴とする請求項５に記載の電動工具。
前記電池からの動作状況信号を受信する電池信号検出手段を設け、
前記マイコンは、前記電池信号検出手段によって駆動停止信号を検出したときに前記スイッチング素子を遮断することにより前記モータの回転を停止させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電動工具。
前記電池の電圧を測定する電池電圧検出手段を設け、
前記マイコンは、前記電池電圧検出手段によって前記電池の電圧が所定値以上か否か検出し、
所定値以下の場合は前記スイッチング素子を遮断することにより前記モータの回転を停止させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電動工具。
電池と、電池を電源として回転するブラシ付きモータと、該モータによって駆動される動力機構と、前記モータの回転のオンオフ制御を行うスイッチを有する電動工具において、
前記モータと前記電池の放電経路に直列に介在されたスイッチング素子と、
前記電池の状態を監視して前記電池の状態に異常である場合には前記スイッチング素子を制御することによって前記モータの回転を停止させるマイコンと、
前記電池から前記マイコン用の電源を供給する定電圧回路と、を有し、
前記マイコンは、前記放電経路において前記電池のマイナス端子に接続される基準と、前記基準に対して前記放電経路の上流側の地点との電位差がゼロの状態が所定時間継続したら前記定電圧回路の出力を止めることを特徴とする電動工具。
前記電位差は、前記放電経路を流れる電流を検出する抵抗の両端電圧であることを特徴とする請求項９に記載の電動工具。
前記マイコンは、前記電位差がゼロの場合に前記スイッチがオフされたと判断することを特徴とする請求項９又は１０に記載の電動工具。