JP2017132020A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】動作モードを特定する技術を提供する。【解決手段】電動工具１は、モータ２の回転を制御する制御部２０と、複数の動作モードに対応する複数の設定位置のいずれかにユーザにより変位操作される操作子と、モータ２の回転力を工具出力軸１１に伝達するための複数の伝達機構を有する駆動力伝達部６とを備える。駆動力伝達部６は、操作子が複数の設定位置のいずれかに動かされると、動かされた設定位置に対応する動作モードの伝達機構をモータ２と工具出力軸１１との間に連結する。センサ２３は、モータ２の回転またはモータ２により駆動される回転部品の回転を検出する。動作モード判定部２４は、センサ２３の検出信号にもとづいて、動作モードを判定する。制御部２０は、判定された動作モードに応じたモータ制御を実施する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の動作モードを有する電動工具に関する。

従来より、モータの回転力を工具出力軸に伝達可能な回転伝達機構および往復伝達機構を備え、使用目的に応じて先端工具の動作モードを切り替えられる電動工具が知られている。回転伝達機構は、モータ回転をそのまま又は減速して工具出力軸に伝達するための機構であり、往復伝達機構は、モータ回転を往復運動に変換して工具出力軸に伝達するための機構である。電動工具には、動作モードを切り替えるための切替レバーが設けられ、ユーザが操作した切替レバー位置に応じて、回転伝達機構および／または往復伝達機構が工具出力軸にモータの回転力を伝達する（たとえば特許文献１参照）。

このような電動工具では、動作モードとして「回転打撃モード」、「回転モード」、「打撃モード」が選択可能とされる。「回転打撃モード」は、回転伝達機構および往復伝達機構がモータ回転力を工具出力軸に伝達し、工具出力軸に回転力および打撃力を発生させる動作モードである。「回転モード」は、回転伝達機構がモータ回転力を工具出力軸に伝達し、工具出力軸に回転力を発生させる動作モードである。「打撃モード」は、往復伝達機構がモータ回転力を工具出力軸に伝達し、工具出力軸に打撃力を発生させる動作モードである。回転伝達機構および往復伝達機構は、ユーザによる切替レバーの操作に連動して、モータと工具出力軸との間に機械的に連結され、または連結を解除される。

特許文献２は、複数の動作モードを有する電動工具であって、ユーザが変位操作した切替レバーの設定位置に対応した電気信号を出力するスイッチを備え、スイッチから出力された電気信号に対応した制御方法でモータを制御する技術を開示する。

特開２００７−１３６５８６号公報 特開２０１２−１３９８００号公報

複数の動作モードを有する電動工具においては、動作モードに応じた制御方法でモータが制御されることが好ましい。特許文献２では、切替レバーが操作された設定位置を検出するためのスイッチを設けて、スイッチから出力された電気信号により動作モードを判別する手法が採用されている。しかしながら、スイッチを新たに設けることはコスト高となり、また電動工具は高速振動するために、スイッチの耐久性が問題になることも考えられる。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、動作モードに応じたモータ制御を実施するために、簡易な構成で動作モードを特定する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動工具は、複数の動作モードを有する電動工具であって、モータと、モータの回転を制御する制御部と、複数の動作モードに対応する複数の設定位置のいずれかにユーザにより変位操作される操作子と、モータの回転力を工具出力軸に伝達するための複数の伝達機構を有し、操作子が複数の設定位置のいずれかに動かされると、動かされた設定位置に対応する動作モードの伝達機構をモータと工具出力軸との間に連結する駆動力伝達部と、モータの回転またはモータにより駆動される回転部品の回転を検出するセンサと、センサの検出信号にもとづいて、動作モードを判定する動作モード判定部と、を備える。制御部は、動作モード判定部により判定された動作モードに応じたモータ制御を実施する。

本発明によれば、複数の動作モードを有する電動工具において、簡易な構成で動作モードを特定する技術を提供できる。

実施形態に係る電動工具の構成を示す図である。 （ａ）はスライド式の操作スイッチを示す図であり、（ｂ）は回転式の操作スイッチを示す図である。 （ａ）および（ｂ）はトリガ操作量に対して設定されるモータの回転速度の例を示す図である。 （ａ）は非振動モードにおけるセンサの検出信号の例を示す図であり、（ｂ）は振動モードにおけるセンサの検出信号の例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電動工具の構成を示す。電動工具１において、電力は、図示しない充電電池により供給される。駆動源であるモータ２はモータ駆動部２１により駆動される。モータ出力軸３と中間軸５との間には減速機構４が設けられ、中間軸５は、モータ出力軸３の回転を減速機構４により減速された速度で回転する。

駆動力伝達部６は、モータ２の回転力を工具出力軸１１に伝達するための複数の伝達機構を有する。具体的に駆動力伝達部６は、中間軸５の回転力を工具出力軸１１に伝達するための回転伝達機構８と、中間軸５の回転運動を往復運動に変換して、工具出力軸１１に進退方向の力を伝達するための往復伝達機構７とを有する。回転伝達機構８は、歯車の組合せにより構成されて、工具出力軸１１を回転させる。往復伝達機構７は、中間軸５の回転運動をピストンの往復運動に変換する運動変換部材と、工具出力軸１１に打撃衝撃を加えるハンマと、ピストンの往復運動によりハンマを進退させる空気ばね機構とを備える。ハンマは、空気ばね機構により工具出力軸１１に対して前進させられるときに、工具出力軸１１を打撃する。

往復伝達機構７と中間軸５との間には第１クラッチ９が設けられる。第１クラッチ９は、往復伝達機構７をモータ２と工具出力軸１１との間に連結する機能をもつ機械要素であり、中間軸５の回転力を往復伝達機構７に伝達し、または遮断する。実施形態では、第１クラッチ９が往復伝達機構７と中間軸５との間に設けられているが、第１クラッチ９は、往復伝達機構７と工具出力軸１１との間に設けられてもよい。

回転伝達機構８と工具出力軸１１との間には第２クラッチ１０が設けられる。第２クラッチ１０は、回転伝達機構８をモータ２と工具出力軸１１との間に連結する機能をもつ機械要素であり、回転伝達機構８の回転力を工具出力軸１１に伝達し、または遮断する。実施形態では、第２クラッチ１０が回転伝達機構８と工具出力軸１１との間に設けられているが、第２クラッチ１０は、回転伝達機構８と中間軸５との間に設けられてもよい。

操作部１２は、ユーザにより変位操作される操作スイッチであり、複数の動作モードの各々に対応する複数の設定位置を規定されている。ユーザは、複数の設定位置のいずれかに操作子１２ａ（図２（ａ）、（ｂ）参照）を動かすことで、動作モードを選択する。

図２（ａ）は、スライド式の操作スイッチの例を示す。操作部１２には、複数の設定位置が規定されている。各設定位置は、電動工具１における動作モードの１つに対応し、回転モード、回転打撃モード、打撃モードを選択するための設定位置が離間して形成されている。ユーザは、使用目的に応じた設定位置に操作子１２ａを変位操作する。図２（ａ）に示す例では、操作子１２ａが、回転打撃モードの設定位置に配置されている。なおスライド式の操作スイッチは、回転モードのオンオフを設定するスライド式スイッチと、打撃モードのオンオフを設定するスライド式スイッチとから構成されて、２つのスライド式スイッチで選択された設定位置により、動作モードが選択されてもよい。

図２（ｂ）は、回転式の操作スイッチの例を示す。図２（ａ）に関して説明したように、操作部１２には、複数の動作モードに対応した複数の設定位置が規定されている。ユーザは、使用目的に応じた設定位置に操作子１２ａを動かすことで、動作モードを選択する。なお回転式の操作スイッチは、回転モードのオンオフを設定する回転式スイッチと、打撃モードのオンオフを設定する回転式スイッチとから構成されて、２つの回転式スイッチで選択された設定位置にしたがって、動作モードが選択されてもよい。

操作部１２における操作子１２ａの位置は、駆動力伝達部６における第１クラッチ９および第２クラッチ１０の位置を定める。つまり操作子１２ａが複数の設定位置のいずれかに動かされると、駆動力伝達部６は、第１クラッチ９および第２クラッチ１０の位置を定めて、動かされた操作子１２ａの設定位置に対応する動作モードの伝達機構を、モータ２と工具出力軸１１との間に連結する。

具体的に操作子１２ａが「回転打撃モード」の設定位置に配置されると、第１クラッチ９は、往復伝達機構７と中間軸５とを連結する位置に配置され、第２クラッチ１０は、回転伝達機構８と工具出力軸１１とを連結する位置に配置される。操作子１２ａが「回転モード」の設定位置に配置されると、第１クラッチ９は、往復伝達機構７と中間軸５との連結を解除する位置に配置され、第２クラッチ１０は、回転伝達機構８と工具出力軸１１とを連結する位置に配置される。操作子１２ａが「打撃モード」の設定位置に配置されると、第１クラッチ９は、往復伝達機構７と中間軸５とを連結する位置に配置され、第２クラッチ１０は、回転伝達機構８と工具出力軸１１との連結を解除する位置に配置される。

このように電動工具１においては、駆動力伝達部６における各伝達機構と中間軸５との連結および連結解除が、操作部１２における操作子１２ａの操作位置に連動して機械的に行われる。

制御部２０は制御基板に搭載されるマイクロコンピュータなどから構成されて、モータ２の回転を制御する。トリガスイッチ２２は、ユーザにより操作される操作スイッチであって、制御部２０は、トリガスイッチ２２の操作によりモータ２のオンオフを制御するとともに、トリガスイッチ２２の操作量に応じた駆動指示をモータ駆動部２１に供給する。具体的に制御部２０は、トリガスイッチ２２の操作量に応じた回転速度となるように、モータ２の回転を制御する。

センサ２３はモータ２の回転を検出して、検出信号を制御部２０に出力する。たとえばセンサ２３はホール素子を含み、ホール素子は、モータ２のロータ位置を１８０度ごとに検出するように構成される。センサ２３は、ステータに１２０度間隔で配置した３個のホール素子を有し、ロータ位置を６０度ごとに検出するように構成されてもよい。制御部２０は、センサ２３の検出信号にもとづいてモータ２の回転速度を算出し、算出した回転速度がトリガスイッチ２２の操作量に応じて定まる設定回転数と一致するように駆動指示を生成する。モータ駆動部２１は、制御部２０から供給される駆動指示によりモータ２の印加電圧を調整して、モータ２を駆動する。このように制御部２０は、トリガスイッチ２２の操作量に応じたモータ制御を行っている。

実施形態の電動工具１は、作業時に発生する粉塵や切削屑を収集する着脱式の集塵機３０を接続可能とする。粉塵等の飛び散りを抑えるため、集塵機３０は電動工具１に装着されることが好ましいが、必ず装着されなければならないものではない。集塵機３０は集塵用のモータを備え、電動工具１に接続されると、電動工具１に内蔵される充電電池からの電力供給を受けて、集塵用モータが駆動される。接続判定部２５は、集塵機３０が接続されているか否かを判定し、判定結果を制御部２０に通知する。

上記したように往復伝達機構７においては、ハンマを工具出力軸１１に対して前進させるために空気ばね機構が用いられている。空気ばね機構は空気の弾力性を利用するため、応答性が優れているとは言えず、ピストンの往復運動の周期が短くなると、空気ばね機構がハンマを適切なタイミングで進退させられなくなる。そのため「回転打撃モード」または「打撃モード」が選択されている場合には、制御部２０は、空気ばね機構の適正動作を保証するために、モータ２の回転速度を、所定の上限値以下に設定する必要がある。一方で、「回転モード」が選択されている場合には、往復伝達機構７が作動しないため、モータ２の回転速度の上限値は、「回転打撃モード」または「打撃モード」が選択された場合の上限値よりも高く設定できる。

図３（ａ）は、トリガ操作量に対して設定されるモータの回転速度の例を示す。以下では、打撃を発生させる「回転打撃モード」および「打撃モード」を「振動モード」と呼び、打撃を発生させない「回転モード」を「非振動モード」と呼んで区別する。振動モードおよび非振動モードともに、トリガ操作量Ｄａまでの設定速度は共通であるが、振動モードでは、ラインＬ２に示すように、トリガ操作量Ｄａのときのモータの回転速度Ｓａが最大回転速度として設定される。一方で、非振動モードでは、空気ばね機構を使用しないために、ラインＬ１に示すように、回転速度Ｓａよりも高い回転速度Ｓｂが、最大回転速度として設定される。制御部２０は、図３（ａ）に示す回転速度でモータ２を制御することで、振動モードでは、往復伝達機構７による打撃を適切に発生させ、一方で非振動モードでは、振動モードよりも高い回転速度Ｓｂまでモータ２を駆動できるようになる。

このような動作モードに応じたモータ制御を実現するためには、制御部２０が、ユーザにより選択された動作モードを特定することが必要となる。そこで実施形態の電動工具１では、実際のモータ２の回転、またはモータ２により駆動される回転部品の回転を検出して、動作モードが振動モードであるか、または非振動モードであるか判別する。

図１に戻り、センサ２３はモータ２の回転を検出する。実施形態においてセンサ２３は、ロータの回転を検出するホール素子であるが、他の回転検出センサ、たとえばエンコーダやレゾルバがモータ２の回転を検出してもよい。上記したように、ホール素子の検出信号は、制御部２０によるモータ制御に利用される。

なおセンサ２３は、モータ２の回転を検出してよいが、モータ２により駆動される回転部品の回転を検出してもよい。電動工具１において、モータ２により駆動される回転部品は、減速機構４の歯車、中間軸５や工具出力軸１１などである。センサ２３は、これらの回転部品の回転を検出してもよい。センサ２３は、検出信号を動作モード判定部２４に出力する。動作モード判定部２４は、センサ２３の検出信号にもとづいて、動作モードを判定する。

以下、非振動モードと振動モードにおけるモータ２の挙動について検討する。
非振動モードにおいて、制御部２０は、トリガスイッチ２２の操作量により設定される回転速度となるように、モータ２の回転を制御する。そのためトリガスイッチ２２の操作量が一定であれば、モータ２の回転速度は一定となる。なお作業開始時、ユーザがトリガスイッチ２２の引き量（操作量）を徐々に増していくと、制御部２０は、引き量に応じてモータ２の回転速度を徐々に上げていく。

振動モードにおいても、制御部２０は、トリガスイッチ２２の操作量により設定される回転速度となるように、モータ２の回転を制御する。しかしながら「振動モード」では往復伝達機構７による打撃衝撃が工具出力軸１１に与えられるため、モータ２の回転速度は、打撃衝撃が発生するときと、打撃衝撃が発生しないときとで変化する。つまり往復伝達機構７による打撃衝撃が工具出力軸１１に与えられるとき、モータ２の回転周期は、打撃衝撃が与えられないときと比べて長くなる。

図４（ａ）は、非振動モードにおけるセンサの検出信号の例を示し、図４（ｂ）は、振動モードにおけるセンサの検出信号の例を示す。図示するセンサ検出信号は、ホール素子の検出信号であって、検出信号の一周期がモータ２の一回転の時間を示すものとする。図４（ａ）、（ｂ）には、トリガスイッチ２２の操作量が一定であるときの検出信号の波形を示すが、たとえば作業開始直後は、トリガスイッチ２２の操作量が徐々に増えるため、検出信号の波形の周期は、徐々に短くなっていく。

微小時間でセンサ検出信号の波形を観測した場合、図４（ａ）に示すように、非振動モードでは、ハイ値とロー値とが略周期的に繰り返され、センサ検出信号の周期は略一定となる。一方、振動モードでは、図４（ｂ）に示すように、短周期の波形と、相対的に長周期の波形とが交互に表れる脈動的な波形が出力される。ここで短周期の波形は、打撃衝撃が発生していないときの波形であり、長周期の波形は、打撃衝撃が発生しているときの波形である。このように非振動モードと振動モードでは、センサ２３が、異なる波形の検出信号を出力する。

動作モード判定部２４は、非振動モードと振動モードとのセンサ検出信号の波形の違いを利用して、動作モードを判定する。具体的に動作モード判定部２４は、センサ検出信号の周期にもとづいて、稼働中の動作モードを判定する。つまり所定の期間において、センサ検出信号が短周期と長周期とを交互に示す場合には、動作モード判定部２４は、稼働中の動作モードが振動モードであることを判定する。一方、所定の期間においてセンサ検出信号が略一定の周期を示す場合には、動作モード判定部２４は、稼働中の動作モードが非振動モードであることを判定する。

動作モード判定部２４は、モータ２の回転速度が振動モードにおける最大回転速度Ｓａ（図３（ａ）参照）に達する前に、動作モードを判定する。モータ２の回転速度がＳａに達する前に動作モードが判定されることで、制御部２０は、動作モードに応じたモータ制御を好適に実施できるようになる。たとえば動作モード判定部２４は、モータ２の回転開始直後に動作モードを判定してよい。動作モード判定部２４が動作モードを判定すると、制御部２０は、判定された動作モードに応じて、モータ２の回転速度の上限を設定する。たとえば、動作モード判定部２４が、動作モードを振動モードと判定すると、制御部２０は、モータ２の回転速度の上限を、回転速度Ｓａに設定する。一方、動作モード判定部２４が、動作モードを非振動モードと判定すると、制御部２０は、モータ２の回転速度の上限を、回転速度Ｓｂに設定する。これにより制御部２０は、動作モードに応じて、モータ２を好適に制御できる。

このように実施形態の電動工具１によると、動作モード判定部２４が、センサ２３の検出信号を利用して動作モードを特定することで、制御部２０が、動作モードに応じたモータ制御を実施できる。

図３（ｂ）は、トリガ操作量に対して設定されるモータの回転速度の別の例を示す。図３（ｂ）には、集塵機３０が電動工具１に接続されていない場合と、接続されている場合とで、モータ２の最大回転速度を異ならせる例を示す。集塵機３０に内蔵される集塵用モータは、モータ２と同じ充電電池により駆動される。そのため集塵機３０が電動工具１に接続されると、充電電池の負荷を過大としないために、集塵機３０が電動工具１に接続されていない場合と比べて、モータ２の回転速度の上限を下げることが好ましい。

図３（ｂ）は、非振動モードにおけるトリガ操作量とモータ回転速度の関係を示すが、集塵機３０の接続の有無にかかわらず、トリガ操作量Ｄｃまでのモータ回転速度は共通に設定される。集塵機３０が接続されていない場合、ラインＬ１に示すように、トリガ操作量Ｄｂのときのモータの回転速度Ｓｂが最大回転速度として設定される。一方で、集塵機３０が接続されている場合、ラインＬ３に示すように、回転速度Ｓｂよりも低い回転速度Ｓｃが、最大回転速度として設定される。これにより集塵機３０が接続されている場合には、接続されていない場合よりもモータ２の最大回転速度を下げることで、充電電池に過大な負荷がかかる事態が生じないようにする。

接続判定部２５は、電動工具１に集塵機３０が接続されているか否かを判定する。たとえば電動工具１および集塵機３０のそれぞれに接続用の端子が設けられ、電動工具１に集塵機３０が接続されると端子同士が導通することを利用して、接続判定部２５は、集塵機３０が接続されていることを判定してもよい。制御部２０は、集塵機３０が接続されているか否かに応じて、モータ２の回転速度の上限を設定する。図３（ｂ）に示したように、制御部２０は、集塵機３０が接続されている場合には、最大回転速度Ｓｃを設定し、集塵機３０が接続されていない場合には、最大回転速度Ｓｂを設定してよい。

なお実施形態では、稼働中の動作モードまたは集塵機３０の接続の有無にしたがって、モータ２の最大回転速度を設定する例を示したが、制御部２０は、トリガ操作量に対するモータ回転速度の上昇率を変化させてもよい。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。
本発明のある態様の電動工具（１）は、複数の動作モードを有する。電動工具（１）は、モータ（２）と、モータの回転を制御する制御部（２０）と、複数の動作モードに対応する複数の設定位置のいずれかに、ユーザにより変位操作される操作子（１２ａ）と、モータの回転力を工具出力軸（１１）に伝達するための複数の伝達機構（７、８）を有し、操作子が複数の設定位置のいずれかに動かされると、動かされた設定位置に対応する動作モードの伝達機構をモータ（２）と工具出力軸（１１）との間に連結する駆動力伝達部（６）と、モータの回転またはモータにより駆動される回転部品の回転を検出するセンサ（２３）と、センサの検出信号にもとづいて、動作モードを判定する動作モード判定部（２４）とを備える。制御部（２０）は、動作モード判定部（２４）により判定された動作モードに応じたモータ制御を実施する。

制御部（２０）は、動作モード判定部により判定された動作モードに応じて、モータの回転速度の上限を設定してよい。

電動工具（１）は、集塵機（３０）が接続されているか判定する接続判定部（２５）をさらに備え、制御部（２０）は、集塵機が接続されているか否かに応じて、モータの回転速度の上限を設定してよい。

動作モード判定部（２４）は、センサ（２３）の検出信号の周期にもとづいて、動作モードを判定してもよい。

動作モード判定部（２４）は、モータ（２）の回転開始直後に、動作モードを判定してもよい。

センサ（２３）は、ホール素子を含んでよい。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１・・・電動工具、２・・・モータ、３・・・モータ出力軸、４・・・減速機構、５・・・中間軸、６・・・駆動力伝達部、７・・・往復伝達機構、８・・・回転伝達機構、９・・・第１クラッチ、１０・・・第２クラッチ、１１・・・工具出力軸、１２・・・操作部、１２ａ・・・操作子、２０・・・制御部、２１・・・モータ駆動部、２２・・・トリガスイッチ、２３・・・センサ、２４・・・動作モード判定部、２５・・・接続判定部、３０・・・集塵機。

Claims (6)

1. 複数の動作モードを有する電動工具であって、
   モータと、
   前記モータの回転を制御する制御部と、
   複数の動作モードに対応する複数の設定位置のいずれかに、ユーザにより変位操作される操作子と、
   前記モータの回転力を工具出力軸に伝達するための複数の伝達機構を有し、前記操作子が複数の設定位置のいずれかに動かされると、動かされた設定位置に対応する動作モードの伝達機構を前記モータと前記工具出力軸との間に連結する駆動力伝達部と、
   前記モータの回転または前記モータにより駆動される回転部品の回転を検出するセンサと、
   前記センサの検出信号にもとづいて、動作モードを判定する動作モード判定部と、を備え、
   前記制御部は、前記動作モード判定部により判定された動作モードに応じたモータ制御を実施する、
   ことを特徴とする電動工具。
2. 前記制御部は、前記動作モード判定部により判定された動作モードに応じて、前記モータの回転速度の上限を設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 集塵機が接続されているか判定する接続判定部を、さらに備え、
   前記制御部は、集塵機が接続されているか否かに応じて、前記モータの回転速度の上限を設定する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動工具。
4. 前記動作モード判定部は、前記センサの検出信号の周期にもとづいて、動作モードを判定する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動工具。
5. 前記動作モード判定部は、前記モータの回転開始直後に、動作モードを判定する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電動工具。
6. 前記センサは、ホール素子を含む、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電動工具。

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