JP2016112619A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路又はモータを熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することが可能な電動工具の提供。【解決手段】モータと、スイッチング素子を用いて該モータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、該スイッチング素子にＰＷＭ駆動信号を出力して該モータを制御するモータ制御手段と、該インバータ回路の温度を検出する回路温度検出手段と、該ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変更することによって該温度を制御する温度制御手段と、を備え、該温度は、該モータの駆動継続時間が長くなるに従って、その上昇率を小さくしながら高くなり、該デューティ比は、該駆動継続時間が長くなるに従って、その下降率を小さくしながら低下する。【選択図】図４

Description

本発明は、モータを有する電動工具に関する。

従来から、モータによってドリルやドライバ等の先端工具を回転駆動させて所定の作業を行う電動工具が広く使用されている。このようなモータ、例えばブラシレスモータや誘導モータを駆動源とする電動工具においては、モータの回転を制御するためのインバータ回路を備えており、作業継続時間が長時間に及んだ場合や重負荷作業となった場合に、インバータ回路が有するＦＥＴ等のスイッチング素子の温度が上昇し、インバータ回路が劣化又は故障する虞があった。またインバータ回路と同様に、モータ自体も温度上昇により、劣化又は故障する虞があった。

上記問題を解決するために特許文献１に記載の電動工具が提案されている。特許文献１に記載の電動工具は、インバータ回路の温度を検出し、当該温度が所定温度を超えた場合にスイッチング素子を制御するためのＰＷＭ駆動信号のデューティ比を所定値まで急激に低減することで、インバータ回路の劣化、破損を抑制している。

特開２０１０−０６９５９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電動工具においては、検出した温度が所定温度を超えた場合、デューティ比を所定値まで急激に低減する構成であるため、インバータ回路の保護を図ることはできるが、モータの駆動力を過剰に低下させる結果となり、作業効率が低下するという問題があった。

そこで本発明は、インバータ回路又はモータを熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することが可能な電動工具を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、モータと、スイッチング素子を用いて該モータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、該スイッチング素子にＰＷＭ駆動信号を出力して該モータを制御するモータ制御手段と、該インバータ回路の温度を検出する回路温度検出手段と、該ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変更することによって該温度を制御する温度制御手段と、を備え、該温度は、該モータの駆動継続時間が長くなるに従って、その上昇率を小さくしながら高くなり、該デューティ比は、該駆動継続時間が長くなるに従って、その下降率を小さくしながら低下することを特徴とする電動工具を提供する。

このような構成によると、インバータ回路の温度は、モータの駆動継続時間が長くなるに従って上昇率を小さくしながら高くなるため、モータの継続駆動によるインバータ回路の温度上昇を抑制することができる。また、デューティ比は、駆動継続時間が長くなるに従って下降率を小さくしながら低下するため、過剰な駆動力の低下を招くことがない。これにより、インバータ回路を熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することができる。

上記課題を解決するために本発明はさらに、モータと、スイッチング素子を用いて該モータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、該スイッチング素子にＰＷＭ駆動信号を出力して該モータを制御するモータ制御手段と、該モータの温度を検出するモータ温度検出手段と、該ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変更することによって該温度を制御する温度制御手段と、を備え、該温度は、該モータの駆動継続時間が長くなるに従って、その上昇率を小さくしながら高くなり、該デューティ比は、該駆動継続時間が長くなるに従って、その下降率を小さくしながら低下することを特徴とする電動工具を提供する。

このような構成によると、モータの温度は、モータの駆動継続時間が長くなるに従って上昇率を小さくしながら高くなるため、モータの継続駆動によるインバータ回路の温度上昇を抑制することができる。また、デューティ比は、駆動継続時間が長くなるに従って下降率を小さくしながら低下するため、過剰な駆動力の低下を招くことがない。これにより、モータを熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することができる。

上記構成において、該温度の該上昇率が大きくなるに従って、該デューティ比の該下降率は、大きくなることが好ましい。

このような構成によると、インバータ回路又はモータの温度の上昇率が大きくなった場合に、デューティ比の下降率も大きくなる。すなわち、デューティ比が当該温度に対して柔軟に変化する。これにより、より適切にインバータ回路又はモータの温度上昇を抑制することができる。

また、該温度の該上昇率が小さくなるに従って、該デューティ比の該下降率は、小さくなることが好ましい。

このような構成によると、インバータ回路又はモータの温度の上昇率が小さくなった場合に、デューティ比の下降率も小さくなる。すなわち、デューティ比が当該温度に対して柔軟に変化する。これにより、より適切に駆動力を維持することができる。

また、該温度は、該駆動継続時間が所定期間以上経過した後は、所定温度範囲内に維持されることが好ましい。

このような構成によると、所定期間以上経過した後は、インバータ回路又はモータの温度は所定温度範囲内に維持される。従って、所定温度範囲をモータの継続駆動可能な許容最高温度を含む範囲に設定することで、インバータ回路又はモータを適切に熱的損傷から保護することができる。

また、該デューティ比は、該駆動継続時間が所定期間以上経過した後は、所定範囲内に維持されることが好ましい。

このような構成によると、所定期間以上経過した後は、デューティ比は所定範囲内に維持される。従って、所定範囲をモータの駆動力の過剰な低下を招かない範囲に設定することで、作業効率の低下をより抑制することができる。

また、該温度制御手段は、該温度の変化履歴を用いて該デューティ比を変更することが好ましい。

このような構成によると、温度の変化履歴を用いずにデューティ比を変更する構成と比較して、デューティ比をインバータ回路又はモータの温度により柔軟に対応することができる。

また、該モータは、ブラシレスモータであることが好ましい。

モータと、スイッチング素子を用いて該モータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、該スイッチング素子にＰＷＭ駆動信号を出力して該モータを制御するモータ制御手段と、該インバータ回路又は該モータの温度を検出する回路温度検出手段と、を備え、該モータ制御手段は、該温度が許容最高温度を超えないように該ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変更することが好ましい。

このような構成によると、スイッチング素子又はモータを熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することができる。

該モータ制御手段は、該回路温度検出手段で検出した該温度と該許容最高温度との差が大きい場合は、該差が小さい場合よりも該デューティ比を大きくすることが好ましい。

このような構成によると、回路温度と許容最高温度との差が大きい場合は、小さい場合よりもデューティ比を大きくすることができる。このため、作業効率の低下をより抑制することができる。

本発明における電動工具によれば、インバータ回路及びモータを熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することができる。

本発明における実施の形態によるハンマドリルを示す部分断面側面図である。 本発明における実施の形態によるハンマドリルの電気的構成を示すブロック図を含む回路図である。 本発明における実施の形態によるハンマドリルにおける制御部による駆動制御を示すフローチャートである。 本発明における実施の形態によるハンマドリルにおけるモータを継続駆動させた場合の回路温度とデューティ比との関係を示すタイムチャートである。 本発明における実施の形態によるハンマドリルにおける回路温度が所定温度以上となっている状態でモータが駆動開始した場合の回路温度とデューティ比との関係を示すタイムチャートである。

以下、図１乃至図５を参照しながら、本発明における実施の形態による電動工具の一例であるハンマドリル１について説明を行う。

以下の説明において、具体的な数値に言及した場合、例えば、時間について「１００ｍｓ」等のように言及した場合、当該数値と完全に一致する場合だけでなく、当該数値と略同一である場合も含むものとする。また、位置関係等に言及した場合、例えば、平行、直交、反対等のように言及した場合、完全に平行、直交、反対等である場合だけでなく、略平行、略直交、略反対等である場合を含むものとする。

図１に示されているように、本発明における実施の形態による電動工具の一例であるハンマドリル１は、ハウジング２と、モータ３例えばブラシレスモータと、運動変換機構４と、出力部５と、制御基板８とを主に備えている。図１は、ハンマドリル１の部分断面側面図である。以下の説明において、運動変換機構４に対して出力部５が設けられた側を前側とし、逆を後側と定義する。運動変換機構４に対してモータ３が設けられた側を下側と定義し、逆を上側と定義する。更に、図１において後側から見た時のハンマドリル１の右側を右側と定義し、逆側を左側と定義する。

ハウジング２は、モータハウジング２１と、本体部２２と、ハンドル部２３とを備えている。モータハウジング２１は、本体部２２から下方に向けて延出しており、モータ３を収容している。本体部２２は、運動変換機構４を収容しており、後部上端でハンドル部２３と接続している。本体部２２の左側面には、ハンマドリル１の動作モードを切替える図示せぬ切替ダイヤルが本体部２２に対して回転可能に設けられている。作業者は、切替ダイヤルを回転させることで、ハンマドリル１の動作モードを打撃モード及び回転打撃モードの間で切替えることができる。

ハンドル部２３には、電源ケーブル１１が取付けられると共に、スイッチ機構１２が内蔵されている。電源ケーブル１１は、外部電源である商用交流電源Ｐ（図２）に接続可能である。スイッチ機構１２は、作業者に操作された引き量（操作量）に応じた始動信号を後述の制御部７８に出力する。またスイッチ機構１２は、作業者により操作可能なトリガ１３と接続されている。電源ケーブル１１を商用交流電源Ｐに接続し、トリガ１３を操作することにより、スイッチ機構１２が引き量に応じた始動信号を出力し、モータ３は駆動を開始する。

モータ３は、出力軸３１と、ロータ３２と、ステータ３３とを備えている。出力軸３１は、上下方向に延びる軸であって、回転駆動力を出力する。ロータ３２は、永久磁石を有しており、出力軸３１に同軸固定されている。ステータ３３は、ロータ３２の半径方向外方に設けられ、ロータ３２と対向するように配置された３相巻線を有している。また、ステータ３３の後方には、制御基板８が設けられている。制御基板８には、後述の整流平滑回路７１等が搭載されている。出力軸３１の先端には、ピニオンギヤ３１Ａが設けられており、ピニオンギヤ３１Ａの下方には出力軸３１と同軸回転可能にファン３１Ｂが設けられている。運動変換機構４と噛合している。なお、ハンマドリル１の電気的構成については後述する。

運動変換機構４は、第１ギヤ４１と、クランク軸４２と、クランクウェイト４３と、クランクピン４４と、コンロッド４５と、回転伝達部６とを主に備えている。第１ギヤ４１は、ピニオンギヤ３１Ａと噛合しており、クランク軸４２に同軸固定されている。クランク軸４２は出力軸３１の後方に上下方向に延びるように配置され、本体部２２に回転可能に支承されている。クランクウェイト４３は、クランク軸４２の上端に固定されている。クランクピン４４は、クランクウェイト４３から上方に延出し、その端部に固定されている。コンロッド４５の後端には、クランクピン４４が挿入されている。

本体部２２内には、出力軸３１の延出方向と直交する方向（前後方向）に延びる略円筒形状のシリンダ５１が設けられている。シリンダ５１内には、前後方向に摺動可能なピストン５２が設けられている。ピストン５２は、ピストンピン５２Ａを有し、ピストンピン５２Ａはコンロッド４５の前端と接続されている。シリンダ５１内の前方には打撃子５３が、シリンダ５１の内周に摺動（往復動）可能に設けられている。また、シリンダ５１の前後方向略中央には、シリンダ５１の内側から外側に貫通する呼吸孔５１ａが複数形成されている。

また、シリンダ５１内であってピストン５２と打撃子５３との間には空気室５４が画成されている。打撃子５３の前方には、打撃子５３によって打撃され、当該打撃を図示せぬ先端工具に伝達する中間子５５が設けられている。以下の説明において、半径方向、円周方向、軸方向とはシリンダ５１に対する方向をいう。

回転伝達部６は、第２ギヤ６１と、回転伝達軸６２と、ベベルギヤ６３と、クラッチ６４とを備えている。第２ギヤ６１は、出力軸３１に関して第１ギヤ４１の反対側に配置され、ピニオンギヤ３１Ａと噛合している。また第２ギヤ６１は、回転伝達軸６２に同軸固定されている。回転伝達軸６２は、出力軸３１の前方に上下方向に延びるように配置され、本体部２２に回転可能に支承されている。回転伝達軸６２の上端部には、ベベルギヤ６３と噛合するギヤ部６２Ａが設けられている。モータ３からの回転力が第２ギヤ６１及びギヤ部６２Ａを介してベベルギヤ６３に伝達されることにより、モータ３の回転数が減速される。

ベベルギヤ６３は、シリンダ５１の外周を覆うように、シリンダ５１の後部に設けられている。ベベルギヤ６３は、シリンダ５１に対して相対回転可能にシリンダ５１に支承されている。クラッチ６４は、シリンダ５１と一体的に回転し、ベベルギヤ６３の前方に前後方向に移動可能に設けられている。ベベルギヤ６３とクラッチ６４とが接続された状態において、ベベルギヤ６３が回転することでシリンダ５１は回転する。また当該接続が遮断された状態においては、ベベルギヤ６３は空転し、クラッチ６４及びシリンダ５１にその回転力は伝達されない。

出力部５は、本体部２２の前方に配置され、先端工具を着脱可能に保持している。また、出力部５の後方であって本体部２２の前側下部からは、下方に延びる補助ハンドル部７が設けられている。

次に、ハンマドリル１の打撃モード及び回転打撃モードの動作について説明する。

打撃モードについて説明する。ハンマドリル１は、切替ダイヤルが操作されることによって打撃モードに設定されている場合、ベベルギヤ６３とクラッチ６４との接続は解除された状態である。当該状態では、先端工具にはピストン５２の往復動による打撃力のみが伝達される。先端工具を図示せぬ加工部材に押し当てると、打撃子５３、中間子５５が後方に後退し、打撃子５３によりシリンダ５１に形成された呼吸孔５１ａが塞がれ、空気室５４は密閉空間となる。次に、トリガ１３を引いて（トリガ１３をオンし）、モータ３を回転させると、この回転力がピニオンギヤ３１Ａ及び第１ギヤ４１を介してクランク軸４２に伝達される。クランク軸４２の回転は、運動変換機構４（クランクウェイト４３、クランクピン４４、コンロッド４５）によって、シリンダ５１内におけるピストン５２の往復運動に変換される。

ピストン５２の往復運動により、空気室５４内の空気に圧力変動が生じて、空気室５４内の空気ばねの作用により、打撃子５３がピストン５２の往復動に追従して往復動を開始する。打撃子５３が往復動することによって、打撃子５３が中間子５５に衝突し、先端工具に打撃力が伝達される。これにより、加工部材が破砕される。

次に、回転打撃モードについて説明する。切替ダイヤルによって回転打撃モードに設定されている場合、ベベルギヤ６３とクラッチ６４とは接続された状態であり、当該状態で作業者がトリガ１３を引くと、モータ３が回転し、その回転力は回転伝達部６を介してシリンダ５１に伝達される。詳細には、モータ３の回転駆動力は、ピニオンギヤ３１Ａ、第２ギヤ６１、回転伝達軸６２に伝達され、回転伝達軸６２の回転はギヤ部６２Ａ及びベベルギヤ６３に伝達される。さらに、ベベルギヤ６３の回転は、ベベルギヤ６３とクラッチ６４を介して接続されたシリンダ５１に伝達され、先端工具に回転力が付与される。すなわち、回転打撃モードにおいては、打撃モードと同一の伝達経路による往復動と回転伝達部６を経由する回転力とが先端工具に伝達され、回転力と打撃力とで加工部材を破砕する。

次に図２に基づいて、ハンマドリル１の電気的構成について説明する。図２は、ハンマドリル１の電気的構成を示すブロック図を含む回路図である。ハンマドリル１は、整流平滑回路７１と、インバータ回路７２と、電流検出回路７３と、電源供給回路７４と、ホールＩＣ信号検出回路７５と、温度検出回路７６と、制御信号出力回路７７と、制御部７８とを備えており、モータ３の回転数（回転速度）を制御可能に構成されている。

モータ３は、ステータ３３及びロータ３２を備える３相ブラシレスＤＣモータである。ステータ３３はスター結線された３相の図示せぬコイルＵ、Ｖ、Ｗを備えており、コイルＵ、Ｖ、Ｗはそれぞれインバータ回路７２に接続されている。ロータ３２はＮ極、Ｓ極を１組とした永久磁石を２組含んで構成され、永久磁石に対向する位置にはホール素子３２Ａが配置されている。ホール素子３２Ａは、ロータ３２の回転位置に応じた信号をホールＩＣ信号検出回路７５に出力している。

整流平滑回路７１は、ダイオードブリッジ回路７１Ａ及び平滑コンデンサ７１Ｂを備え、インバータ回路７２に接続され、且つ外部電源である商用交流電源Ｐに電源ケーブル１１を介して接続可能に構成されている。ダイオードブリッジ回路７１Ａは、商用交流電源Ｐから入力された交流電圧を全波整流する回路である。平滑コンデンサ７１Ｂは、全波整流された電圧を平滑化する回路である。整流平滑回路７１は、商用交流電源Ｐから入力された交流電圧をダイオードブリッジ回路７１Ａによって全波整流し、平滑コンデンサ７１Ｂによって平滑化してインバータ回路７２に出力する。

インバータ回路７２は、モータ３に駆動電力を供給する回路であり、３相ブリッジ形式に接続された６個のＦＥＴＱ１〜Ｑ６から構成されている。６個のＦＥＴＱ１〜Ｑ６の各ゲートは制御信号出力回路７７に接続され、６個のＦＥＴＱ１〜Ｑ６の各ドレイン又は各ソースは、スター結線されたコイルＵ、Ｖ、Ｗに接続されている。６個のＦＥＴＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路７７から入力された制御信号によってオン／オフを繰り返すスイッチング動作を行い、整流平滑回路７１によって全波整流された直流電圧を３相電圧としてコイルＵ、Ｖ、Ｗに供給する。ＦＥＴＱ１〜Ｑ６は、本発明におけるスイッチング素子の一例である。

電流検出回路７３は、整流平滑回路７１とインバータ回路７２との間に接続された電流検出抵抗７３Ａの電圧降下値を取り込んでモータ３に流れる電流を検出し、当該電流に応じた信号を制御部７８に出力する回路である。電源供給回路７４は、整流平滑回路７１のプラスラインに接続されており、整流平滑回路７１が出力する電圧を変換且つ安定化して制御部７８に出力する回路である。

ホールＩＣ信号検出回路７５は、ホール素子３２Ａから入力されたロータ３２の回転位置に応じた信号からロータ３２の回転位置及び回転数を算出して、当該回転位置を示す回転位置信号及び当該回転数を示す回転数信号を制御部７８に出力する回路である。

温度検出回路７６は、温度検出のための回路であり、インバータ回路７２の近傍に設けられた図示せぬサーミスタ等の感温素子を含んで構成されている。温度検出回路７６は、インバータ回路７２を代表する温度（回路温度）として、インバータ回路７２のＦＥＴ６個のＦＥＴＱ１〜Ｑ６のうちの１つのＦＥＴの温度を検出している。温度検出回路７６は、検出した回路温度を回路温度信号として制御部７８に出力する。なお、ＦＥＴＱ１〜Ｑ６のうちの複数のＦＥＴの温度を検出して、その平均温度を回路温度としてもよい。また、６個全てのＦＥＴＱ１〜Ｑ６のそれぞれの温度を検出し、検出した６個のＦＥＴの温度を全て制御部７８に出力して、制御部７８で平均値を算出し、当該算出結果を回路温度としてもよい。温度検出回路７６は、本発明における回路温度検出手段として機能する。

制御信号出力回路７７は、ＦＥＴＱ１〜Ｑ６のそれぞれのゲートと制御部７８とに接続され、制御部７８から入力される駆動信号に基づいて６個のＦＥＴＱ１〜Ｑ６の各ゲートに制御信号を出力する回路である。ＦＥＴＱ１〜Ｑ６のうち、制御信号が入力されたＦＥＴはオン状態となりモータ３への通電を許容し、制御信号が入力されたＦＥＴはオフ状態となりモータ３への通電を遮断する。

制御部７８は、モータ３の駆動制御に用いる処理プログラム、各種データに基づいて演算を行う図示せぬ中央処理装置（ＣＰＵ）を有する演算部と、当該処理プログラム、各種データ、各種閾値等を記憶するための図示せぬＲＯＭ及びデータを一時記憶するための図示せぬＲＡＭを有する記憶部と、時間を計測するタイマとを主に備えている。なお、本実施の形態において、制御部７８はマイコンである。

制御部７８は、ホールＩＣ信号検出回路７５から入力されたロータ３２の回転位置信号に基づいて、所定のＦＥＴＱ１〜Ｑ６を交互にスイッチングするための駆動信号を形成し、その駆動信号を制御信号出力回路７７に出力する。これによってコイルＵ、Ｖ、Ｗのうちの所定のコイルに交互に通電し、ロータ３２を所定の回転方向に回転させる。この場合、負電源側に接続されているＦＥＴＱ４〜Ｑ６を制御する駆動信号は、パルス幅変調信号（ＰＷＭ駆動信号）として出力される。なお、ＰＷＭ駆動信号は、ＦＥＴをオン／オフさせるスイッチング周期（所定時間）における信号出力継続時間の割合（デューティ比）を変更することができる信号である。

また制御部７８は、スイッチ機構１２からの始動信号（トリガ１３の引き量に応じた信号）に基づいてモータ３の始動／停止、デューティ比を制御する。制御部７８は、トリガ１３の引き量に応じてデューティ比を算出し、算出されたデューティ比でモータ３の駆動を制御する。なお、トリガ１３の引き量が最大の場合、制御部７８によって算出されるデューティ比は１００％であり、制御部７８はデューティ比１００％でモータ３の駆動を制御する。制御部７８は、本発明におけるモータ制御手段として機能する。

さらに制御部７８は、回路温度制御を行う。回路温度制御は、回路温度に基づいてデューティ比に上限値Ｌを設け、上限値Ｌを所定の時間間隔（更新時間間隔）で適宜更新（変更）することで回路温度が許容最高温度Ｔａを大幅に超えないように抑制し、且つモータ３の駆動力を維持する制御である。回路温度制御において制御部７８は、始動信号に基づいて算出したデューティ比が上限値Ｌを超えている場合、デューティ比を上限値Ｌとしてモータ３を駆動する。他方、回路温度制御において始動信号に基づいて算出したデューティ比が上限値Ｌを超えていない場合、始動信号に基づいて算出したデューティ比でモータ３の駆動を制御する。本実施の形態において、上限値Ｌの更新時間間隔は１ｍｓであり、許容最高温度Ｔａは１００℃であり、回路温度制御は回路温度が所定温度を超えている場合に実行される。また、本実施の形態において、所定温度は６０℃である。なお、所定温度及び許容最高温度Ｔａは、上記の値に限らずインバータ回路（ＦＥＴ等）及びモータの特性に基づいて適宜定めればよい。制御部７８は、本発明における温度制御手段として機能する。

上述の所定温度から許容最高温度Ｔａまでの温度範囲は、モータ３を継続駆動させた場合、インバータ回路７２（ＦＥＴ等）に熱的損傷が発生する虞が多少あるが、デューティ比をある程度低減させ回路温度の上昇を抑制しながらであれば駆動継続可能な温度範囲である。なお、許容最高温度Ｔａから許容最高温度Ｔａを僅かに超えた温度（許容最高温度Ｔａ＋２℃程度）までの温度範囲は、モータ３を長時間継続駆動させると、インバータ回路７２（ＦＥＴ等）に熱的損傷が発生する可能性が高く、回路温度を低下させる措置を講じなければならない温度範囲である。また、当該温度範囲（許容最高温度Ｔａ＋２℃程度）を超える温度は、インバータ回路７２（ＦＥＴ等）に熱的損傷が発生する可能性が極めて高く、駆動を停止すべき温度である。

また回路温度制御における上限値Ｌは、以下に示す数式１によって算出される操作量Ｅを現在設定されている上限値Ｌに加えて更新される。

数式１に示されるように操作量Ｅ及び偏差Ａは、時間の関数である。操作量Ｅは、積分項の値に微分項の値を加えたものである。偏差Ａは、許容最高温度Ｔａと更新時の回路温度との差であり、具体的には許容最高温度Ｔａから更新時の回路温度を減じた値である。

積分項の値は、偏差Ａを時間で積分した積分値に積分ゲインＫｉを乗じた値であり、積分時間は更新時刻の所定時間前の時刻から更新時刻までである。本実施の形態において積分時間は、更新時刻の１００ｍｓ前の時刻から更新時刻までである。微分項の値は、偏差Ａを時間で微分した値、すなわち、更新時刻における偏差Ａの傾きに微分ゲインＫｄを乗じた値である。なお、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄは、適宜実験などによって決定された値である。

ここで制御部７８による数式１を用いた操作量Ｅ及び上限値Ｌの具体的な算出方法を説明する。制御部７８は、数式１による操作量Ｅの算出及び上限値Ｌの更新を行う場合、数式１の右辺における積分項及び微分項を近似した以下の数式２を用いて行う。

数式２の左辺の上限値Ｌ_ｎは、回路温度制御が開始されてからｎ回目の更新によって算出される上限値Ｌである。すなわち、上限値Ｌ_ｎはｎ回目の更新によって算出され且つ当該更新後に設定される上限値Ｌである。右辺の第１項目は、上限値Ｌ_ｎ−１であり、ｎ−１回目の更新によって算出された上限値Ｌを表わしている。すなわち、上限値Ｌ_ｎ−１はｎ−１回目の更新によって算出された値であり、ｎ回目の更新の際には既に設定されている上限値Ｌである。右辺の偏差Ａ_ｎは、ｎ回目の更新時の偏差Ａであり、許容最高温度Ｔａからｎ回目の更新時に検出された回路温度を減じた値である。また右辺の偏差Ａ_ｎ−１は、ｎ−１回目の更新時の偏差Ａである。また、Δｔは更新時間間隔と同一であり１ｍｓである。

右辺の第２項目は、ｎ−９９回目の更新時の偏差Ａ_ｎ−９９にΔｔを乗じた値からｎ回目の更新時の偏差Ａ_ｎにΔｔを乗じた値までの総和に、積分ゲインＫｉを乗じた値である。すなわち、右辺の第２項目は数式１の積分項を近似したものである。

第３項目は、ｎ回目の更新時の偏差Ａ_ｎからｎ−１回目の更新時の偏差Ａ_ｎ−１を減じた値をΔｔで割ったものである。すなわち、右辺の第３項目は、更新時間間隔における偏差Ａの変化量（傾き）を示しており、数式１の微分項を近似したものである。なお、数式２の右辺の第２項目及び第３項目の部分は、数式１の操作量Ｅに相当する。

制御部７８は、上限値Ｌのｎ回目の更新を行う場合、数式２の右辺の第２項目を算出するためにｎ−９９回目の更新時の偏差Ａ_ｎ−９９から今回（ｎ回目）の偏差Ａ_ｎまでの総和を算出し、算出結果にΔｔ及び積分ゲインを乗じて第２項目を算出する。第２項目の算出が終了すると、偏差Ａ_ｎから前回（ｎ−１回目）の更新時に記憶された偏差Ａ_ｎ−１を減じ、減じた値をΔｔで割ることで第３項目を算出する。なお、数式２の右辺の第２項目の算出結果と第３項目の算出結果とを合算した値は、数式１の操作量Ｅを近似した値である。また偏差Ａは、制御部７８によって算出される毎に記憶される。

その後、現在設定されている上限値Ｌである上限値Ｌ_ｎ−１に数式２の右辺の第２項目及び第３項目を加えることでｎ回目の更新後に設定すべき上限値Ｌ_ｎを算出する。その後、制御部７８は、ｎ回目の更新時に算出された上限値Ｌ_ｎでモータ３の駆動を制御する。なお、算出された上限値Ｌ_ｎが１００％を超えている場合、ｎ回目の更新後に設定される上限値Ｌ_ｎは１００％とされる。

次に、図３に基づいてハンマドリル１における制御部７８による駆動制御について説明する。図３は、制御部７８による駆動制御を示すフローチャートである。

ステップ２０１においてトリガ１３が作業者によって操作されると引き量に応じた始動信号がスイッチ機構１２から制御部７８に出力され、制御部７８は引き量に応じたデューティ比でモータ３を制御する。モータ３の制御が開始されると、ステップ２０２において回路温度を検出する。回路温度の検出は、温度検出回路７６から出力される回路温度信号に基づいて制御部７８において算出される。

次にステップ２０３においてステップ２０２で検出された回路温度と許容最高温度Ｔａ（１００℃）との偏差Ａが４０℃以上あるか否かを判断する。言い換えれば、回路温度が所定値（６０℃）を超えたか否かを判断する。偏差Ａが４０℃未満である場合、すなわち検出された回路温度が６０℃以下である場合（ステップ２０３：Ｙｅｓ）、デューティ比に上限値Ｌは設けずに、言い換えれば、上限値Ｌを１００％に設定してモータ３を駆動する。これは、許容最高温度Ｔａと検出された回路温度との偏差Ａが４０℃以上ある状態であり、当該状態は作業者が最大限にトリガ１３を引いてデューティ比が１００％で駆動継続された場合であってもインバータ回路７２（ＦＥＴＱ１〜Ｑ６）に熱的損傷の虞がないと判断される状態であるためである。

ステップ２０３のＹｅｓの後は、ステップ２０３で偏差Ａが４０℃未満となるまで、上限値Ｌを１００％に設定した状態、言い換えれば、上限値Ｌを設定しない状態で、トリガ１３の引き量に応じたデューティ比を用いてステップ２０２、２０３、２０４を繰り返しながらモータ３を制御する。なお、本実施の形態においてステップ２０２、２０３、２０４を繰り返す周期は１ｍｓであり、回路温度の検出周期も１ｍｓである。

偏差Ａが４０℃未満である場合、すなわち、検出された回路温度が６０℃を超えている場合（ステップ２０３：Ｎｏ）、ステップ２０５において回路温度制御を開始する。回路温度が６０℃を超えた後は、ステップ２０２、２０３、２０５を繰り返しながら、ステップ２０５を通過する毎に上限値Ｌを更新しながらモータ３を制御する。ステップ２０２、２０３、２０５を繰り返す周期は１ｍｓであり、上限値Ｌの更新は１ｍｓ毎に行われ、ｎ回目にステップ２０５を通過する際に直前のステップ２０３において算出された偏差Ａを偏差Ａ_ｎとして記憶する。なお、作業者がトリガ１３から指を離してスイッチ機構１２から始動信号が制御部７８に出力されなくなった場合には、モータ３の駆動を停止させる。

次に、図４に基づいてハンマドリル１の駆動を上述の制御フローに従って制御した場合の回路温度とデューティ比との関係について説明する。図４は、モータ３が継続駆動された場合の回路温度とデューティ比との関係を示すタイムチャートである。なお、図４に示されているタイムチャートは、作業者がトリガ１３の引き量を最大にして作業した場合を示しており、当該状態においては、始動信号に基づいて算出されるデューティ比は常に１００％であり、駆動制御全体として採用されるデューティ比は、上限値Ｌによってのみ決定される状態である。すなわち、図４のタイムチャートにおける回路温度制御中のデューティ比は常に適宜更新される上限値Ｌと同一の値であり、制御部７８は上限値Ｌを変更（変更）することでモータ３の駆動制御におけるデューティ比を変更している。

図４に示されている時刻ｔ０において、作業者がトリガ１３を最大の引き量で操作し、モータ３が駆動を開始している（ステップ２０２に対応）。時刻ｔ０において回路温度は２０℃程度であり外気温度と略同一である。この状態では許容最高温度Ｔａと回路温度との差である偏差Ａは略８０℃であるため、デューティ比の上限値Ｌは設けられておらず、言い換えれば、上限値Ｌは１００％に設定されており（ステップ２０３のＹｅｓ）、且つ引き量が最大であるため、デューティ比１００％でモータ３の制御が開始されている。

時刻ｔ０の後、モータ３はデューティ比１００％で駆動を継続し、回路温度は時間に略比例しながら上昇している（ステップ２０２、２０３、２０４の繰り返しに対応）。その後、時刻ｔ１で回路温度が６０℃を超えると、回路温度制御が開始される（ステップ２０３のＮｏ、ステップ２０５に対応）。回路温度制御における１回目の上限値Ｌの更新の場合、前回更新時の上限値Ｌ（上限値Ｌ_ｎ−１）が存在しないため、ステップ２０４を一度でも通過していることを条件に、前回更新時の上限値Ｌを便宜的に１００（％）とし、当該１００（％）に操作量Ｅを加えた値を更新後の上限値Ｌとする。なお、ステップ２０４を一度も通過せずに１回目の更新を行う場合については後述する。

時刻ｔ１の後は回路温度制御のもとモータ３は駆動制御され、上限値Ｌが適宜更新されている。時刻ｔ１〜ｔ２の間は、回路温度の上昇率（傾き）が比較的大きいため、言い換えれば、偏差Ａの減少率（傾き）が比較的大きいため、数式１における微分項の値はマイナスの値となり、その絶対値は比較的大きい値となる。上限値Ｌの降下率も大きいものとなっている。これは、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄの設定によって、時刻ｔ１〜ｔ２における数式１における積分項の値の絶対値が、微分項の値の絶対値よりも小さくなるように設定されており、操作量Ｅがマイナスの値であり、その絶対値が比較的大きくなるからである。

また、上限値Ｌの更新により、回路温度の傾きは時刻ｔ０〜ｔ１の傾きよりも小さくなっており、図４のグラフに示されているように上に凸となる曲線を描き徐々に上昇している。他方、数式１（数式２）によって逐次更新されている上限値Ｌ及びデューティ比は、図４のグラフに示されているような下に凸となる曲線を描き、急激に低下するのではなく滑らかに且つ徐々に低下していく。

時刻ｔ２の後、回路温度制御のもと上限値Ｌが適宜決定されながらモータ３の駆動を継続すると、時刻ｔ１〜ｔ２の間と同様に、回路温度はその上昇率を小さくしながら高くなり、デューティ比はその下降率を小さくしながら低下していく。

ここで回路温度の上昇率及びデューティ比の下降率について時刻ｔ１〜ｔ２の間と時刻ｔ３〜ｔ４との間を比較すると、時刻ｔ３〜ｔ４の間の回路温度の上昇率は、時刻ｔ１〜２の間の上昇率と比較して小さくなり、時刻ｔ３〜ｔ４の間のデューティ比の下降率は、時刻ｔ１〜２の間の下降率と比較して小さくなっている。これは、時刻ｔ２の後、回路温度の上昇率（傾き）がさらに小さくなり、数式１における微分項の値（マイナス）の絶対値と積分項の値（プラス）の絶対値との差が比較的小さくなっており、数式１における操作量Ｅが依然マイナスの値であるが、その絶対値は比較的小さくなっているからである。

また、上述の数式１によって上限値Ｌを決定することで、偏差Ａが中程度となった時刻ｔ３〜ｔ４の間の上限値Ｌは、偏差Ａが比較的大きい時刻ｔ１〜ｔ２の間よりは低い値となっているが、回路温度の上昇をより抑制し且つモータ３の駆動力をある程度維持している。

時刻ｔ４の後、回路温度制御のもとデューティ比の上限値Ｌが適宜決定されながらモータ３の駆動を継続すると（ステップ２０２、２０３、２０５の繰り返しに対応）、回路温度はその上昇率をさらに小さくしながら高くなり、デューティ比はその下降率をさらい小さくしながら低下していく。時刻ｔ５となると、回路温度は許容最高温度Ｔａと略同一となり、偏差Ａは略０、数式１における微分項の値及び積分項の値も略０となるため、上限値Ｌは図４のグラフに示されているＬｓと略一致する。なお、Ｌｓの値は、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄの定め方によって変更可能である。

時刻ｔ５の後は、回路温度が許容最高温度Ｔａを超えた状態でより上昇しようとすると数式１の微分項の値及び積分項の値は、マイナスの値となり、上限値Ｌが低下し、その結果、回路温度が低下する。また、回路温度が低下し始めると、偏差Ａの変化量はプラスの値となり且つ当該変化量に比例する微分項の値もプラスの値となるが、回路温度が許容最高温度Ｔａを超えている状態であると積分項の値はマイナスとなるため、結果的に数式１における操作量Ｅはマイナスとなり、回路温度が許容最高温度Ｔａ以下となるまで上限値Ｌを低下する。その後、回路温度が許容最高温度Ｔａ以下の状態で、より下降しようとすると、微分項の値及び積分項の値がプラスとなるため、上限値Ｌが上昇し、その結果、回路温度が上がる。このように、時刻ｔ５以降は、回路温度は許容最高温度Ｔａ付近（許容最高温度Ｔａ±２℃程度）で推移し、許容最高温度Ｔａを大きく超えることも下回ることもなく駆動が継続される。なお、許容最高温度Ｔａ付近（許容最高温度Ｔａ±２℃程度）は、本発明における所定温度範囲内の一例である。また、時刻ｔ１〜ｔ５までの時間は、本発明における所定期間の一例である。

すなわち、回路温度が許容最高温度Ｔａ付近となった時刻ｔ５以降は、回路温度制御によって設定される上限値Ｌと回路温度とが飽和状態となり、上限値ＬはＬｓ付近、回路温度は許容最高温度Ｔａ付近で略変動することなく駆動が継続される。なお、Ｌｓ付近は、本発明における所定範囲内の一例である。

また、時刻ｔ５以降の上限値ＬすなわちＬｓは、偏差Ａが中程度である時刻ｔ３〜４の間の上限値Ｌよりも低い値であるが、作業効率の低下とならない最低限の駆動力を維持できる値である。これにより、回路温度が許容最高温度Ｔａに達した場合でも過剰な駆動力の低下を招くことなく、且つインバータ回路７２（ＦＥＴ等）を熱的損傷から適切に保護しながらモータ３の駆動を継続することができる。

ここで、数式１の積分項の値について説明する。積分項の値は、回路温度に変化がない場合、すなわち、数式１の微分項の値が０である場合に、その効果を発揮する。例えば、回路温度制御のもと、上限値Ｌを７０％としてモータ３の駆動を継続しているが、外気等の影響により回路温度が８０℃に維持されている場合、すなわち、外気等の気温が比較的低く、上限値Ｌを比較的高い値に設定しても回路温度の上昇が抑制され、駆動力を大きくすることを優先することができる状態において、仮に微分項のみであると上限値Ｌを上昇させて駆動力を大きくすることができない。しかし、本実施の形態においては、数式１が積分項を含んでいるため、上記のような回路温度が維持されている状態において、微分項は０であるが、積分項はプラスの値を持つため、上限値Ｌを上昇させることができる。さらに、回路温度が何等かの原因で許容最高温度Ｔａを超えた状態で変化しなくなった場合に、微分項は０であるが、積分項はマイナスの値を持つため、上限値を低下させ、回路温度を低下させることができる。このように、数式１が積分項を含むため、回路温度の変化（変化しないことも含む）に対して上限値Ｌをより柔軟（フレキシブル）に変化させることができる。

次に、図５に基づいて作業者によってトリガ１３が操作された場合に、回路温度が６０℃以上となっており、作業開始直後から回路温度制御のもとモータ３の駆動制御が行われる場合、すなわち、図３におけるステップ２０４を一度の経由しない場合について説明する。図５は、回路温度が所定温度以上となっている状態でモータ３が駆動開始した場合の回路温度とデューティ比との関係を示すタイムチャートである。

図５に示されている時刻ｔ０において、作業者がトリガ１３を最大の引き量で操作し、回路温度が８０℃の状態でモータ３が駆動を開始している。この場合、駆動開始直後から回路温度制御が開始され（図３のステップ２０３のＮｏ）るが、前回更新時の上限値Ｌが存在しないため、前回更新時の上限値Ｌを便宜的に７０（％）とし、当該７０（％）に操作量Ｅを加えた値を更新後の上限値Ｌとする。これは、モータ３が所定温度である６０℃よりも高い状態で駆動開始しているため、インバータ回路７２（ＦＥＴＱ１〜Ｑ６）の保護を優先させるためである。

上記の処理の結果、時刻ｔ０でモータ３がデューティ比７０％で駆動を開始すると、回路温度制御のもと、回路温度はその上昇率を小さくしながら高くなり、デューティ比はその下降率を小さくしながら低下していき、時刻ｔ１において回路温度及びデューティ比は飽和状態となる。

時刻ｔ１以降、飽和状態で回路温度及びデューティ比は一定の値に維持されながらモータ３は駆動を継続し、時刻ｔ２においてトリガ１３がオフとされモータ３は駆動を停止している。モータ３が駆動を停止するとインバータ回路７２（ＦＥＴ等）に電流が流れなくなるため、回路温度は低下し始める。回路温度が低下し始めて時刻ｔ３となると、回路温度は７０℃まで低下している。また時刻ｔ３において、再びトリガ１３が作業者によって操作されて引き量を最大でオンされている。

トリガ１３がオンされると、回路温度が７０℃であるため（６０℃以上であるため、図３のステップ２０３のＮｏ）、再び回路温度制御が開始された状態でモータ３は駆動を開始する。この場合、上述したように前回更新時の上限値Ｌを便宜的に７０％とする。時刻ｔ３以降、回路温度はその上昇率を小さくしながら高くなり、デューティ比はその下降率を小さくしながら低下していき、時刻ｔ４において回路温度及びデューティ比は飽和状態となっている。

時刻ｔ４以降、飽和状態で回路温度及びデューティ比は一定の値に維持されながらモータ３は駆動を継続する。

上述したように本発明における実施の形態によるハンマドリル１は、制御部７８がＰＷＭ駆動信号のデューティ比（上限値Ｌ）を適宜更新することによって回路温度を制御し、回路温度はモータ３の駆動継続時間が長くなるに従って上昇率を小さくしながら高くなるため、モータ３の継続駆動による回路温度の温度上昇を抑制することができる。また、デューティ比は、駆動継続時間が長くなるに従って下降率を小さくしながら低下するため、過剰な駆動力の低下を招くことがない。これにより、インバータ回路７２（ＦＥＴ等）を熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することができる。

また、本発明における実施の形態によるハンマドリル１においては、図４に示されているように回路温度の上昇率が大きくなるに従って、デューティ比の下降率は大きくなる。このため、回路温度の上昇率が大きくなった場合に、デューティ比の下降率も大きくなる。すなわち、デューティ比が回路温度に対して柔軟に変化する。これにより、より適切にインバータ回路７２の温度上昇を抑制することができる。

また、本発明における実施の形態によるハンマドリル１においては、回路温度の上昇率が小さくなるに従って、デューティ比の下降率は小さくなる。このため、回路温度の上昇率が小さくなった場合に、デューティ比の下降率も小さくなる。すなわち、デューティ比が回路温度に対して柔軟に変化する。これにより、より適切に駆動力を維持することができる。

また回路温度は、駆動継続時間が所定期間以上経過した後（図４の時刻ｔ５以降、図５の時刻ｔ４以降）は、所定温度範囲内、すなわち許容最高温度Ｔａ±２℃程度に維持される。従って、所定温度範囲をモータ３の継続駆動可能な許容最高温度Ｔａを含む範囲に設定することで、インバータ回路７２（ＦＥＴ等）を適切に熱的損傷から保護することができる。

また、デューティ比は、駆動継続時間が所定期間以上経過した後（図４の時刻ｔ５以降、図５の時刻ｔ４以降）は、所定範囲内に維持される。従って、所定範囲をモータ３の駆動力の過剰な低下を招かない範囲、すなわち、上述の飽和状態における上限値ＬすなわちＬｓを含む範囲に設定することで、作業効率の低下をより抑制することができる。

また、制御部７８は、回路温度の変化履歴すなわち積分項を含む数式１を用いてデューティ比を変更するため、回路温度の変化履歴を用いずにデューティ比を変更する構成と比較して、デューティ比を回路温度により柔軟に対応させることができる。

本発明による電動工具は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本実施の形態においては、温度検出回路７６は、インバータ回路７２（ＦＥＴ等）の温度を検出したが、モータ３の温度を検出し、モータ３の温度をモータ温度として制御部７８に出力し、モータ温度に基づいて上限値Ｌを決定してもよい。

この場合、モータ温度は、モータ３の駆動継続時間が長くなるに従って上昇率を小さくしながら高くなるため、モータ３の継続駆動によるモータ温度の上昇を抑制することができる。他方、デューティ比は、駆動継続時間が長くなるに従って下降率を小さくしながら低下するため、過剰な駆動力の低下を招くことがない。これにより、モータ３を熱的損傷から適切に保護しつつ作業効率の低下を抑制することができる。また、モータ温度と回路温度とを共に検出し、より温度が高い温度を制御部７８に出力してもよい。なお、この場合における温度検出回路７６は、本発明におけるモータ温度検出手段として機能する。

１…ハンマドリル ２…ハウジング ３…モータ ４…運動変換機構 ５…出力部 ６…回転伝達部 ７…補助ハンドル部 ８…制御基板 １１…電源ケーブル １２…スイッチ機構 １３…トリガ ３２…ロータ ３３…ステータ ７１…整流平滑回路 ７２…インバータ回路 ７３…電流検出回路 ７３Ａ…電流検出抵抗 ７４…電源供給回路 ７５…ホールＩＣ信号検出回路 ７６…温度検出回路 ７７…制御信号出力回路 ７８…制御部 Ａ…偏差 Ｅ…操作量 Ｋｄ…微分ゲイン Ｋｉ…積分ゲイン Ｌ…上限値 Ｐ…商用交流電源 Ｔａ…許容最高温度

Claims (10)

1. モータと、
   スイッチング素子を用いて該モータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、
   該スイッチング素子にＰＷＭ駆動信号を出力して該モータを制御するモータ制御手段と、
   該インバータ回路の温度を検出する回路温度検出手段と、
   該ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変更することによって該温度を制御する温度制御手段と、を備え、
   該温度は、該モータの駆動継続時間が長くなるに従って、その上昇率を小さくしながら高くなり、
   該デューティ比は、該駆動継続時間が長くなるに従って、その下降率を小さくしながら低下することを特徴とする電動工具。
2. モータと、
   スイッチング素子を用いて該モータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、
   該スイッチング素子にＰＷＭ駆動信号を出力して該モータを制御するモータ制御手段と、
   該モータの温度を検出するモータ温度検出手段と、
   該ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変更することによって該温度を制御する温度制御手段と、を備え、
   該温度は、該モータの駆動継続時間が長くなるに従って、その上昇率を小さくしながら高くなり、
   該デューティ比は、該駆動継続時間が長くなるに従って、その下降率を小さくしながら低下することを特徴とする電動工具。
3. 該温度の該上昇率が大きくなるに従って、該デューティ比の該下降率は、大きくなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
4. 該温度の該上昇率が小さくなるに従って、該デューティ比の該下降率は、小さくなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動工具。
5. 該温度は、該駆動継続時間が所定期間以上経過した後は、所定温度範囲内に維持されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動工具。
6. 該デューティ比は、該駆動継続時間が所定期間以上経過した後は、所定範囲内に維持されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電動工具。
7. 該温度制御手段は、該温度の変化履歴を用いて該デューティ比を変更することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電動工具。
8. 該モータは、ブラシレスモータであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電動工具。
9. モータと、
   スイッチング素子を用いて該モータへ駆動電力を供給するインバータ回路と、
   該スイッチング素子にＰＷＭ駆動信号を出力して該モータを制御するモータ制御手段と、
   該インバータ回路又は該モータの温度を検出する回路温度検出手段と、を備え、
   該モータ制御手段は、該温度が許容最高温度を超えないように該ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変更することを特徴とする電動工具。
10. 該モータ制御手段は、該回路温度検出手段で検出した該温度と該許容最高温度との差が大きい場合は、該差が小さい場合よりも該デューティ比を大きくすることを特徴とする請求項９に記載の電動工具。

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