JP2018174661A - 電動工具およびモータユニット - Google Patents

Abstract

【課題】位置検出部がステータに対して所定の位置からずれて配置されている場合に、適切な転流タイミングを決定できるようにする技術を提供する。【解決手段】モータ３は、永久磁石を保持したロータと相ごとの巻線を有するステータとを備える。位置検出部は、ロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する。制御部１０は、位置検出部から出力される回転位置信号にもとづいて転流のタイミングを決定して、巻線への駆動電流の供給を制御する。記憶部１４は、転流タイミングを補正するための補正情報を記憶する。制御部１０は、記憶部１４に記憶された補正情報をもとに、転流タイミングを決定する。記憶部１４は、補正情報として、巻線に生じる電圧により特定される転流タイミングと、位置検出部による回転位置信号より特定される転流タイミングのずれから導出された角度情報を記憶する。【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータを有する電動工具およびモータユニットに関する。

特許文献１は、パターン情報保持部を参照して回転位置信号の値の組み合わせに対応するパターン番号を決定し、パターン番号に基準角度を乗じて断続角度を算出し、断続角度にサンプル時間あたりのロータの角度変化量を積算して連続角度を算出するモータ制御装置を開示する。

特開２０１３−４６５４７号公報

ブラシレスモータでは、位置検出部がロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力し、制御部が回転位置信号の立ち上がりおよび立ち下がりにもとづいて転流のタイミングを決定して、ステータ巻線への駆動電流の供給を制御する。このため位置検出部はステータに対して所定の位置に配置され、回転位置信号は、ステータとロータとが所定の相対位置関係となったときに立ち上がりまたは立ち下がる必要がある。位置検出部がステータに対して所定の位置からずれて配置されていると、ステータとロータとが所定の相対位置関係にないときに、回転位置信号が立ち上がりまたは立ち下がることになり、制御部は、適切な転流タイミングを決定できない。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、位置検出部がステータに対して所定の位置からずれて配置されている場合に、適切な転流タイミングを決定できるように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、永久磁石を保持したロータと相ごとの巻線を有するステータとを備えたブラシレスモータと、ブラシレスモータの回転出力を先端工具に伝達する伝達機構と、ロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する位置検出部と、位置検出部から出力される回転位置信号にもとづいて転流のタイミングを決定して、巻線への駆動電流の供給を制御する制御部と、を備える。この態様の電動工具は、転流タイミングを補正するための補正情報を記憶する記憶部をさらに備え、制御部は、記憶部に記憶された補正情報をもとに、転流タイミングを決定してよい。

本発明の別の態様は、モータユニットである。このモータユニットは、永久磁石を保持したロータと、相ごとの巻線を有するステータと、ロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する位置検出部と、ステータと位置検出部との相対的な取付角度誤差情報を記憶する記憶部とを備える。

本発明によれば、位置検出部がステータに対して所定の位置からずれて配置されている場合に、適切な転流タイミングの決定に必要な情報を記憶しておく技術を提供できる。

本発明の実施形態に係る電動工具の構成の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、モータユニットの組立工程を説明するための図である。 ホールＩＣから出力される回転位置信号と、各相の巻線に生じるコイル電圧の関係を示す図である。 外部からロータを回転させることによりホールＩＣから出力される回転位置信号と、各相の巻線に生じるコイル電圧の関係を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電動工具１の構成の一例を示す。電動工具１は、モータ３およびモータ出力軸４を備えるモータユニット２と、先端工具を装着可能な工具出力軸６と、モータ３の回転出力を先端工具に伝達する伝達機構５とを備える。伝達機構５は、モータ出力軸４の回転を減速する減速機を有し、たとえば電動工具１がインパクト回転工具であれば、伝達機構５は、さらにインパクト伝達機構を有する。

モータ３は正逆回転可能なブラシレスモータであって、永久磁石を保持したロータと、相ごとの巻線を有するステータとを備える。ロータとモータ出力軸４は一体として形成されてよい。モータユニット２は、ロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する位置検出部を備える。回転機１５は、モータユニット２におけるステータと位置検出部との相対的な取付角度誤差を検出するために、工具出力軸６を外部から回転させる装置である。回転機１５については、後述する。

電動工具１において、電力はバッテリパックに内蔵されたバッテリ１３により供給される。モータ駆動回路１１は、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子を搭載してインバータ回路を構成し、ステータの巻線に駆動電流を供給する。モータ駆動回路１１は、各巻線に印加される電圧（コイル電圧）を検出する電圧検出部を有し、各電圧検出部は、検出したコイル電圧を制御部１０に供給する。制御部１０は、モータ駆動回路１１を制御してモータ３を駆動させる。具体的に制御部１０は、位置検出部から出力される回転位置信号にもとづいて各巻線の転流のタイミングを決定し、モータ駆動回路１１によるステータ巻線への駆動電流の供給を制御する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、モータユニット２の組立工程を説明するための図である。
実施例において位置検出部は、ホール素子および電子回路を１チップに一体化したホールＩＣである。電子回路はコンパレータを搭載し、ホール素子が検出した磁場に応じてオン信号またはオフ信号の回転位置信号を出力する。ホールＩＣ基板２１は、複数のホールＩＣ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを中心点から所定の角度間隔で配置する。実施例ではロータ２８が４極で構成されており、３つのホールＩＣ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ（以下、特に区別しない場合には「ホールＩＣ２４」と呼ぶ）が、ロータ２８の回転方向に沿って６０度の角度間隔で配置される。なおロータ２８が２極で構成されていれば、３つのホールＩＣ２４が１２０度の角度間隔で配置される。

図２（ａ）は、放熱台２０にホールＩＣ基板２１を取り付けた状態を示す。放熱台２０はモータユニット２内部に発生する熱を外部に放出するための板状部材であり、熱伝導性に優れた材料で形成される。放熱台２０は、ホールＩＣ基板２１を固定するためのねじ穴を有し、ホールＩＣ基板２１は、放熱台２０に対してねじ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ（以下、特に区別しない場合には「ねじ２２」と呼ぶ）によりねじ締めされて固定される。また放熱台２０は、ステータ２５を固定するためのねじ穴２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを有する。

図２（ｂ）は、放熱台２０にステータ２５を取り付けた状態を示す。ステータ２５は円筒状に形成され、円筒内周面には、径方向内向きに突出する複数のティース部が所定の角度間隔で設けられる。複数のティース部にはインシュレータを介して相ごとの巻線２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ（以下、特に区別しない場合には「巻線２６」と呼ぶ）が巻回される。巻線２６ａ、２６ｄはＵ相巻線、巻線２６ｃ、２６ｆはＶ相巻線、巻線２６ｂ、２６ｅはＷ相巻線を構成する。ステータ２５は、外周を覆うハウジングを有し、ハウジングの端部に設けられたフランジ部分が、放熱台２０に対してねじ２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ（以下、特に区別しない場合には「ねじ２７」と呼ぶ）によりねじ締めされて固定される。

図２（ｃ）は、ステータ２５の内部にロータ２８を配置した状態を示す。ロータ２８は４極の永久磁石を保持して構成され、図示しないベアリングにより両端側に形成される軸を支持される。ステータ２５およびロータ２８は、モータ３を構成する。

実施例の電動工具１は、たとえば締付トルクが目標トルク値になったことを推定することでモータ３を自動停止するシャットオフ機能を備えたインパクト回転工具であり、自動車整備を行うような作業現場で使用される。作業現場では、作業開始前に目標トルク値を得るためのパラメータ値が電動工具１に設定され、作業者は、モータ３が自動停止するまで操作スイッチ１２を引き操作するだけで、所望の目標トルク値でナットなどのねじ部材の締付作業を行うことができる。

ところで車両によっては、右輪に右ねじのホイールナットが、左輪に左ねじのホイールナットが使用されることがある。左右輪のホイールナットの締付作業を１台の電動工具１で行う場合、作業者は、モータ３を正転させて右ねじのホイールナットを締め付け、またモータ３を逆転させて左ねじのホイールナットを締め付ける。そのため作業者は、正転時と逆転時とで、シャットオフ機能のパラメータ値を変更することなく電動工具１を使用できることが好ましい。

制御部１０は、ホールＩＣ２４から出力される回転位置信号にもとづいて転流のタイミングを決定するため、モータ３が正転時および逆転時で同一性能を発揮するためには、ホールＩＣ２４が、隣り合う巻線２６のちょうど中間に配置されている必要がある。これによりモータ３の正転時および逆転時で、ホールＩＣ２４は、巻線２６とロータ２８とが回転方向において同じ相対位置関係にあるときに、ロータ磁極による磁場の変化を検出できる。そのためホールＩＣ基板２１およびステータ２５は、放熱台２０に固定されたときに、ホールＩＣ２４が隣り合う２つの巻線２６のちょうど中間に配置されるように設計されている。

図３は、ホールＩＣ２４から出力される回転位置信号と、各相の巻線２６に生じるコイル電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの関係を示す。制御部１０は、回転位置信号にもとづいて転流のタイミングを決定する通電制御を行う。図３の例では、制御部１０が回転位置信号の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングで、各巻線への通電パターンを変化させている様子を示す。なお図３には１つの回転位置信号を示しているが、制御部１０は、３つのホールＩＣ２４ａ、２４ｂ、２４ｃから出力される回転位置信号にもとづいて、各巻線２６の転流タイミングを決定する。ホールＩＣ２４が隣り合う２つの巻線２６の中間位置に配置されることで、モータ３は、正転時および逆転時で同一性能を発揮する。

しかしながらホールＩＣ基板２１およびステータ２５が、それぞれ放熱台２０に対してねじ締めされる際に、ねじ２２またはねじ２７の着座後の締め過ぎにより、設計した取付位置よりも僅かに回転して、ホールＩＣ２４が２つの巻線２６の中間位置からずれることがある。このときホールＩＣ２４から出力される回転位置信号の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングは、本来の転流タイミングからずれる。この立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングは、正転時に本来の転流タイミングより早くなる場合には、逆転時に本来の転流タイミングよりも遅くなり、逆に正転時に本来の転流タイミングより遅くなる場合には、逆転時に本来の転流タイミングよりも早くなる。このようにステータ２５とホールＩＣ２４の相対的な取付位置に角度誤差が生じている場合、制御部１０は、回転位置信号のみにもとづいて、適切な転流タイミングを決定できない。

そこで実施例では、電動工具１を使用する前に、ステータ２５とホールＩＣ２４との相対的な取付角度誤差を測定しておき、電動工具１の使用時に、測定した取付角度誤差情報を転流タイミングの決定に反映させるようにする。

取付角度誤差の測定処理では、まずモータ３を外部から強制的に回転させる。このときステータ２５の各巻線２６に逆起電圧が発生し、制御部１０は、各巻線２６に発生する逆起電圧波形から本来の転流タイミングを特定する。制御部１０は、ホールＩＣ２４の回転位置信号により特定される転流タイミング（立ち上がりまたは立ち下がりのタイミング）と本来の転流タイミングとのずれを測定し、タイミングのずれを角度情報である取付角度誤差情報に変換して、記憶部１４に記憶させる。記憶部１４は不揮発性メモリであってよい。この取付角度誤差情報は、制御部１０が、回転位置信号から導出される転流タイミングを補正するための補正情報として利用される。この測定処理は、電動工具１の製造工場において出荷前に実施され、記憶部１４が補正情報を記憶した状態で、電動工具１が出荷される。

図１に戻り、回転機１５は、電動工具１の工具出力軸６を所定の回転数で回転させる。工具出力軸６の回転は、伝達機構５を介してモータ出力軸４に伝達され、ロータ２８が回転される。これにより各巻線２６には、ロータ２８の回転による逆起電圧が発生する。またホールＩＣ２４は、ロータ２８の回転による磁場変化を検出して、回転位置信号を出力する。制御部１０は、モータ駆動回路１１の電圧検出部から出力される巻線２６のコイル電圧信号を取得し、またホールＩＣ２４から出力される回転位置信号を取得する。

図４は、外部からロータ２８を回転させることによりホールＩＣ２４から出力される回転位置信号と、各相の巻線２６に生じるコイル電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの関係を示す。コイル電圧波形において、本来の転流タイミングは、２相のコイル電圧が交差するタイミングとして示される。ホールＩＣ２４がステータ２５に対して相対的な角度誤差を含んで配置されている場合、取付角度誤差に起因して、２相のコイル電圧が交差するタイミングと、回転位置信号の立ち上がりおよび立ち下がりタイミングにずれが生じる。制御部１０は、このタイミングのずれを取付角度誤差情報に変換して、転流タイミングを補正するための補正情報として記憶部１４に記憶する。

このように記憶部１４は、補正情報として、巻線２６に生じる逆起電圧により特定される転流タイミングと、ホールＩＣ２４による回転位置信号により特定される転流タイミングのずれから導出された角度情報（補正情報）を記憶する。これにより制御部１０は、記憶部１４に記憶された補正情報を用いて、回転位置信号の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングを補正し、適切な転流タイミングを決定できる。

なお巻線２６は誘導性であるため、通電されて磁力を発生するまでには、ある程度の時間が必要である。そのため実際の制御部１０は、回転位置信号の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングで巻線２６への駆動電流の供給を開始させるのではなく、立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングで次回の転流タイミングを決定する通電制御を行っている。この通電制御は「進角制御」と呼ばれており、制御部１０は進角制御において、補正情報を用いることで、適切な転流タイミングを決定できる。

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。

実施例では、回転機１５が電動工具１の工具出力軸６を回転し、制御部１０が、取付角度誤差情報を測定して、記憶部１４に記憶させた。変形例では、外部の処理装置が、電動工具１からコイル電圧信号および回転位置信号を取得して、取付角度誤差情報を測定し、電動工具１の記憶部１４に記憶させてもよい。また変形例では、電動工具１に組み込む前のモータユニット２に対して、測定処理を実施してもよい。この場合、モータユニット２にインバータ回路を接続した状態で、回転機１５がモータユニット２のモータ出力軸４を回転し、外部の処理装置が、インバータ回路からコイル電圧信号を、ホールＩＣ２４から回転位置信号を取得して、取付角度誤差情報を測定する。なおモータユニット２は、記憶部を備え、外部の処理装置は、モータユニット２に搭載された記憶部に、取付角度誤差情報を記憶する。これによりモータユニット２が電動工具１に組み付けられた後は、制御部１０が、モータユニット２の記憶部から補正情報を読み出して、回転位置信号の補正に利用できる。

本発明の態様の概要は、次の通りである。
本発明のある態様の電動工具（１）は、永久磁石を保持したロータ（２８）と相ごとの巻線（２６ａ〜２６ｆ）を有するステータ（２５）とを備えたブラシレスモータ（３）と、ブラシレスモータの回転出力を先端工具に伝達する伝達機構（５）と、ロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する位置検出部（２４ａ〜２４ｃ）と、位置検出部から出力される回転位置信号にもとづいて転流のタイミングを決定して、巻線への駆動電流の供給を制御する制御部（１０）と、を備える。電動工具（１）は、転流タイミングを補正するための補正情報を記憶する記憶部（１４）をさらに備え、制御部（１０）は、記憶部に記憶された補正情報をもとに、転流タイミングを決定してよい。

記憶部（１４）は、補正情報として、巻線に生じる電圧により特定される転流タイミングと、位置検出部による回転位置信号より特定される転流タイミングのずれから導出された角度情報を記憶してよい。電動工具（１）は放熱台（２０）をさらに備え、位置検出部はホールＩＣであって、複数のホールＩＣを所定の角度間隔で配置したホールＩＣ基板（２１）が放熱台に固定され、複数の巻線を所定の角度間隔で配置したステータ（２５）が放熱台に固定されてよい。ホールＩＣ基板およびステータは、放熱台に対してねじ締めされて固定されてよい。

本発明の別の態様のモータユニット（２）は、永久磁石を保持したロータ（２８）、相ごとの巻線（２６ａ〜２６ｆ）を有するステータ（２５）、およびロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する位置検出部（２４ａ〜２４ｃ）を備える。モータユニット（２）は、ステータと位置検出部との相対的な取付角度誤差情報を記憶する記憶部を備えてよい。

１・・・電動工具、２・・・モータユニット、３・・・モータ、５・・・伝達機構、６・・・工具出力軸、１０・・・制御部、１１・・・モータ駆動回路、１４・・・記憶部、１５・・・回転機、２０・・・放熱台、２１・・・ホールＩＣ基板、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ・・・ホールＩＣ、２５・・・ステータ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ・・・巻線、２８・・・ロータ。

Claims (5)

1. 永久磁石を保持したロータと相ごとの巻線を有するステータとを備えたブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータの回転出力を先端工具に伝達する伝達機構と、
   前記ロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する位置検出部と、
   前記位置検出部から出力される回転位置信号にもとづいて転流のタイミングを決定して、前記巻線への駆動電流の供給を制御する制御部と、を備えた電動工具であって、
   転流タイミングを補正するための補正情報を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶された補正情報をもとに、転流タイミングを決定する、
   ことを特徴とする電動工具。
2. 前記記憶部は、補正情報として、前記巻線に生じる電圧により特定される転流タイミングと、前記位置検出部による回転位置信号より特定される転流タイミングのずれから導出された角度情報を記憶する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 放熱台をさらに備え、
   前記位置検出部はホールＩＣであって、複数の前記ホールＩＣを所定の角度間隔で配置したホールＩＣ基板が前記放熱台に固定され、
   複数の前記巻線を所定の角度間隔で配置した前記ステータが前記放熱台に固定される、
   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. 前記ホールＩＣ基板および前記ステータは、前記放熱台に対してねじ締めされて固定される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
5. 永久磁石を保持したロータ、相ごとの巻線を有するステータ、および前記ロータの回転位置に応じた回転位置信号を出力する位置検出部を備えたモータユニットであって、
   前記ステータと前記位置検出部との相対的な取付角度誤差情報を記憶する記憶部を備える、
   ことを特徴とするモータユニット。

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