JP2018530447A - 電動工具のモータを駆動する方法、電力供給システムおよび電動工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、電動工具（１０１）のモータ（１０２，２０２）を駆動する方法に関し、この方法では、電力を電力供給装置（１０４）から提供してモータ（１０２，２０２）を駆動する。電力供給装置（１０４）は、電力しきい値まで電力を提供するよう構成され、電力しきい値を超えると、追加の電力をスーパーキャパシタユニット（１１０）から提供してモータ（１０２，２０２）を駆動する。電力供給装置（１０４）によってスーパーキャパシタユニット（１１０）を充電する。本発明はさらに、電動工具（１０１）のモータ（１０２，２０２）用の電力供給システム（１０３）および電動工具（１０１）に関する。

Description

本発明は、電動工具のモータを駆動する方法、電動工具のモータのための電力供給システムおよびモータを有する電動工具に関する。

電動工具は、典型的には電池利用型電力供給装置または幹線接続型電力供給システムの形態をした種々の電力供給システムによって電力供給される。

電池式電動工具は、携帯可能であって使用するのに融通性があるが、電池は、定期的に充電を必要とする。

他方、幹線接続型電力供給システムは、電力ケーブルを介して大電力を提供することができるという利点を有する。しかしながら、大電力を提供することができるようにするためには、幹線への電力供給システムの電気負荷は、大きいのが通例である。

本発明の目的は、電池利用型電力供給装置および従来型幹線接続型電力供給装置の欠点のうちの幾つかを軽減することにある。

かくして、本発明は、電動工具のモータを駆動する方法であって、電力を電力供給装置から提供してモータを駆動するステップを含む方法に関し、電力供給装置は、電力を電力しきい値まで連続的に提供するよう構成されている。電力しきい値を超えると、追加の電力がスーパーキャパシタユニットから提供されてモータを駆動する。電力供給装置はさらに、スーパーキャパシタユニットの充電に用いられる。

それにより、幹線に対する電力供給装置の電気負荷を減少させることができる。電力供給装置は、構造が単純であり、安価でありしかも小型であることが可能である。これにもかかわらず、電動工具は、断続的作動では、例えば始動の際および例えば締結要素を締め付ける最終段階では、高いピーク電力に対する需要を依然として満たすことができる。代表的には、大電力は、電動工具の作動の短い間隔の間に必要とされるに過ぎない。

スーパーキャパシタユニットは、電力しきい値を超える電力が必要とされる期間の間に必要とされるエネルギーの全てを提供しまたは電力供給装置によって供給される電力を超えて必要とされる追加の電力を提供するだけであるよう構成されているのが良い。これに対応して、電力供給装置は、エネルギーをモータに連続的に提供しまたは必要な電力が電力しきい値未満であった場合にエネルギーをモータに提供するだけであるよう構成されているのが良い。いずれの場合においても、電力供給装置は、電力を電力しきい値まで提供するに過ぎないよう構成されている。

本方法は、電動工具の制動時に電動工具のモータによって生じるエネルギーをスーパーキャパシタユニットに吸収させるステップを含むのが良い。かくして、エネルギー効率を高めるためにエネルギーを回収することができる。

本方法は、モータに提供される電力が電力しきい値未満である場合、電力供給装置からの電力によってスーパーキャパシタユニットを充電するステップを含むのが良い。それにより、電力供給装置によって供給される電力を用いると、装置または電動工具の低電力消費期間中、スーパーキャパシタユニットを充電することができる。

本方法は、モータが電力供給装置によって駆動されている間、スーパーキャパシタユニットを充電するステップを含むのが良い。それにより、電力供給装置により供給される電力の一部を用いると、電動工具内のモータの低電力消費量期間中、スーパーキャパシタユニットを充電することができる。

電力供給装置からモータへの電力は、電力ケーブルを介して提供されるのが良い。一変形例では、スーパーキャパシタユニットからモータへの電力は、電力ケーブルを介して提供されても良い。それにより、電動工具の電力消費量全体が電力ケーブルを通って電動工具に提供される。かくして、電力ケーブルは、ピーク電力を電動工具に供給することができるよう寸法決めされなければならない。利点は、電動工具それ自体のサイズおよび／または重量を減少させることができるということにある。

スーパーキャパシタユニットを電動工具内に設けるのが良い。それにより、電力ケーブルを介して提供されるのが必要な電力が低レベルとなり、電力ケーブルは、その低レベルの電力に合わせて寸法決めされる必要があるに過ぎない。

本方法は、電圧しきい値まで電流を調整しまたは電力を調整している間、電力を電力供給装置から提供するステップを含むのが良い。電流を例えば定電流として調整するのが良く、電力を例えば定電力として調整するのが良い。それにより、スーパーキャパシタユニットに提供されるエネルギーをキャパシタの充電中に制御することができる。

本方法は、電圧しきい値でまたは電圧しきい値を超えた状態で電力供給装置からの電力を定電圧に向かって調整するステップを含むのが良い。それにより、電動工具に電力供給するのに適した電圧でエネルギーを電動工具に供給することができる。

本方法は、電流をスーパーキャパシタユニットから電力供給装置に至る方向に制限するステップを含むのが良い。電流は、ダイオードまたは同様な機能を備えた回路によって制限されるのが良い。それにより、例えば電流を電力喪失が起こった場合またはコネクタまたはケーブルの偶発的な破損が起こった場合、電流をこれがスーパーキャパシタユニットから電力供給装置への方向に流れるのが制限することができ、それにより電力供給装置などの外傷の恐れまたは電力供給装置などの損傷の恐れを減少させることができる。

本方法は、非常時停止を実施するステップを含むのが良い。

本方法は、オペレータまたは監視システムにスーパーキャパシタユニットが充電されていることを指示しまたはスーパーキャパシタユニットが充電中であることを指示するステップを含むのが良い。それにより、電動工具のオペレータにスーパーキャパシタユニットの状態およびかくして電動工具の操作性を知らせることができる。

本方法は、電動工具と電力供給装置との間で情報のやり取りをして電動工具がスーパーキャパシタユニットに接続されていることを電動工具に知らせるステップを含むのが良い。

本発明はさらに、電動工具のモータのための電力供給システムであって、電力供給システムが電力ケーブルを介して遠隔電力源に接続可能な電力供給ユニットと、電力供給ユニットに接続されていて電力をモータに提供するよう構成された調整ユニットとを含み、調整ユニットは、電力供給ユニットからの電力を電力しきい値まで提供するよう構成され、電力供給システムが電力しきい値を超えた状態で追加の電力をモータに提供するよう構成されたスーパーキャパシタユニットを更に含み、スーパーキャパシタユニットは、充電のために電力供給ユニットに接続されていることを特徴とする電力供給システムに関する。

それにより、幹線に対する電力供給システムの電気負荷を減少させることができる。電力供給装置は、構造が単純であり、安価でありしかも小型であることが可能である。これにもかかわらず、電動工具は、断続的作動では、例えば始動の際および例えば締結要素を締め付ける最終段階では、高いピーク電力に対する需要を依然として満たすことができる。

調整ユニットは、電圧しきい値まで電流（例えば定電流）を調整しまたは電力（例えば定電力）を調整するとともに電圧しきい値でまたは電圧しきい値を超えた状態で定電圧に向かって調整された電力を電力供給ユニットから提供するよう構成されているのが良い。それにより、スーパーキャパシタの充電中、スーパーキャパシタユニットに提供されるエネルギーを制御することができ、そして電動工具に電力供給するのに適した電圧でエネルギーを電動工具に供給することができる。ピーク電力事象後、エネルギーがスーパーキャパシタユニットからモータに提供されたとき、スーパーキャパシタユニットに加わる電圧は、電圧しきい値を下回っている場合があり、かくして再び充電モードに入って電流を（例えば定電流）を調節しまたは電力（例えば定電力）を調整することができる。充電中、電力を調整することにより、充電に必要な時間を短縮させることができる。

電力供給システムは、電動工具から電力供給装置への方向における電流を制限するよう構成された限流（電流制限）装置を含むのが良い。限流装置は、一方向電気部品、例えばダイオードであるのが良い。かくして、例えば、電力喪失またはコネクタもしくはケーブルの偶発的な破損が起こった場合、外傷の恐れまたは電力供給装置などの損傷の恐れを減少させることができる。

電力供給システムは、電力ケーブルを含むのが良く、電力供給システムは、電力ケーブルを介して遠隔電力源からの電力をモータに提供するよう構成されているのが良い。

電力しきい値は、４００Ｗ未満、２００Ｗ未満、または１００Ｗ未満であるのが良い。それにより、電力供給ユニットは、小型であって良く、そして安価に製造可能である。

本発明はさらに、電動工具であって、
モータと、
スーパーキャパシタユニットと、
調整ユニットと、
遠隔電力源にケーブル接続可能な電気接続部とを有し、
調整ユニットは、遠隔電力源からの到来電力を調整して到来電力が電力しきい値を超えないようにするよう構成され、スーパーキャパシタユニットは、電力しきい値を超えると追加の電力をモータに提供するよう構成され、スーパーキャパシタユニットは、電気接続部を介して遠隔電力源によって充電されるよう構成されていることを特徴とする電動工具に関する。

かくして、電動工具の制限された作動期間中、ピーク電力に関する需要を満たすことができる状態で電力を電力しきい値まで提供することができる電源に接続できる電動工具が提供される。

スーパーキャパシタユニットは、電気的接続部を介して遠隔電源によって充電されるよう構成されているのが良い。

モータを発電機として使用することができ、スーパーキャパシタをモータが発電機として用いられている時点で、モータによって充電されるよう構成されるのが良い。かくして、制動時に生じるエネルギーをシステムで再使用することができる。スーパーキャパシタは、例えば電池よりも高いピーク電流を取り扱うとともに吸収することができるという追加の利点を有する。

調整ユニットは、電圧しきい値まで電流（例えば定電流）を調整しまたは電力（例えば定電力）を調整するとともに電力しきい値でまたは電力しきい値を超えた状態で定電圧に向かって電力供給ユニットからの電力を調整するよう構成されているのが良い。それにより、電動工具は、スーパーキャパシタの充電中、スーパーキャパシタユニットに提供されるエネルギーを制御することができ、しかもモータに電力供給するのに適した電圧で電動工具のモータにエネルギーを供給することができる。電動工具は、さらに、モータの作動を司るのに役立つモータコントローラをさらに有するのが良い。

電動工具は、電動工具から電力供給装置への方向における電流を制限するよう構成された限流（電流制限）装置を含むのが良い。限流装置は、一方向電気部品、例えばダイオードであるのが良い。かくして、例えば、電力喪失またはコネクタもしくはケーブルの偶発的な破損が起こった場合、外傷の恐れまたは電力供給装置などの損傷の恐れを減少させることができる。

電動工具は、モータとスーパーキャパシタユニットとの間に配置されていてスーパーキャパシタユニットに加わる電圧が電動工具のモータに電力供給するのに適した電圧しきい値を超えた場合に閉成されるよう構成されたスイッチを有するのが良い。

スーパーキャパシタユニットは、直列にかつ／あるいは並列に接続された１つまたは２つ以上のスーパーキャパシタを含むのが良い。スーパーキャパシタユニットは、少なくとも０．１Ｆ、好ましくは少なくとも１Ｆ、より好ましくは少なくとも１０Ｆのキャパシタンスを有するのが良い。スーパーキャパシタユニットは、少なくとも５Ａ、好ましくは少なくとも１０Ａの電流を提供するよう構成されているのが良い。

次に、添付の図面を参照して本発明の種々の実施形態について説明する。

第１の電動工具システムを示す図である。 第２の電動工具システムを示す図である。

以下において、電動工具のモータを駆動する方法、電動工具のモータのための電力供給システムおよび電動工具の種々の実施形態の詳細な説明が開示される。

図１では、電動工具システム１００は、電動工具１０１を含むものとして示されており、電動工具１０１は、モータ１０２および電動工具のモータに電力供給する電力供給システム１０３を備えている。

電動工具は、例えば、組み立てステーションにおいてナットを締め付けるナットランナであるのが良いが、ねじ回し、穴あけ工具、切削工具、研削工具、ルーチングまたはサンダー仕上げ工具もまた適している。電動工具は、携帯可能な手持ち型工具であっても良く固定電動工具であっても良い。電動工具は、電池式電動工具であっても良く、この場合、電池パックは、幹線に接続された状態の本明細書において開示する電力供給システムで置き換えられる。

電力供給システム１０３は、幹線１０５に接続された電力供給ユニット１０４を含む。電力供給ユニットは、例えば約１００Ｗ、例えば７２Ｗの電力および例えば１８Ｖの電圧レベルを提供することができる小型ユニットであるのが良い。図１に示されている実施形態では、電力供給ユニットは、電力ケーブル１０６を介して電力を電動工具に提供し、電力ケーブルは、典型的には工業用電動工具に電力供給するために用いられる電力ケーブルよりも細くかつより柔軟性のある電力ケーブルであるのが良く、と言うのは、この電力ケーブルは、比較的小電力を供給すれば良いからである。

電動工具は、例えば電池式工具の従来型の取り外し可能な電池パックの形態をしているのが良いユニット１０７を有する。ユニット１０７は、依然として、電力供給システム１０３の一部である。

ユニット１０７の電源側には限流（電流制限）装置１０８が設けられている。限流装置は、電動工具から電力供給装置への方向における電流を制限するよう構成された一方向ダイオードの形態をしている。

限流装置に接続された状態で電気調整器１０９が設けられている。電気調整器は、電流調整器（例えば、定電流）であっても良く、電圧調整器（例えば、定電圧）であっても良く、電力調整器（例えば、定電力）であっても良い。一実施形態では、電気調整器は、電圧しきい値未満で電流（例えば、定電流）または電力（例えば、定電力）を調整するよう構成されている。電圧しきい値に達すると、電気調整器は、定電圧に向かって調整を行ってこの電圧を電動工具に提供するよう構成されている。

スーパーキャパシタユニットは、ユニット１０７内に設けられている。スーパーキャパシタユニットは、直列にかつ／あるいは並列に接続された１つまたは２つ以上のスーパーキャパシタ部品を含むのが良い。スーパーキャパシタユニットは、少なくとも０．１Ｆのキャパシタンスを有し、このスーパーキャパシタユニットは、少なくとも５Ａの電流を提供することができる。これら特徴は、一般的には、従来型電解質キャパシタでは利用できない。一例として、キャパシタンスが１２．５Ｆのスーパーキャパシタユニットを用いると、電動工具に１８Ｖで電力供給することができる。スーパーキャパシタユニットは、二重層キャパシタまたはウルトラキャパシタとしても知られている。従来型誘電体を用いるのではなく、スーパーキャパシタは、電気エネルギーを貯蔵する２つの機構体のうちの１つまたは２つ以上、二重層キャパシタンスおよび疑似キャパシタンスを使用する。

電動工具のスーパーキャパシタユニット１１０とモータ１０３との間にはスイッチ１１１が設けられるのが良い。スイッチは、電圧が１８Ｖで動作する電動工具について例えば電圧しきい値、例えば１２Ｖを超える場合にのみ電気的接続部を閉じ、電圧がこの電圧しきい値未満であるときに電気的接続部を開くよう構成されているのが良い。かくして、電動工具のモータは、電力供給システムが電動工具のモータに適正に電力供給するのに十分な電圧を供給している場合にのみ作動可能であるのが良い。

スーパーキャパシタユニットは、電動工具の制動の際に生ずるエネルギーを吸収するためにも使用できる。電池と比較すると、スーパーキャパシタは、迅速な制動中に生じる高いピーク電流を吸収するよう使用できる。

次に、図１を参照して電動工具１０１のモータ１０２を駆動する方法について説明する。第１ステップとして、スーパーキャパシタユニット１１０を充電する。当初、スーパーキャパシタユニット（空のスーパーキャパシタユニット）に加わる電圧が低い（ゼロ）であり、したがって、スイッチ１１１は、開離している。電力供給ユニット１０４は、電力をユニット１０７に提供し、電気調整器１０９は、充電モードの状態にあり、と言うのは、スーパーキャパシタユニット（空のスーパーキャパシタユニット）に加わる電圧がしきい電圧レベル未満だからである。このしきい電圧レベルは、例えば、１８Ｖであるのが良い。充電モードでは、電力は、スーパーキャパシタユニットに定電流か定電力かのいずれかを供給するよう調整される。かくして、スーパーキャパシタユニットは、充電を行い、スーパーキャパシタユニットに加わる電圧は、次第に増大し、ついには、電圧は、スーパーキャパシタユニットを完全に充電するしきい電圧レベルに達するようになる。

しきい電圧レベルを超えると、電気調整器１０９は、電圧調整モードに切り替わる。かくして、完全充電スーパーキャパシタユニット１１０に加わる電圧は、しきいレベルに維持される。電動工具または監視システムのオペレータには、スーパーキャパシタユニットの実際の充電状況が知らされ、すなわち、スーパーキャパシタユニットが充電されていることが知らされ、またはスーパーキャパシタユニットが充電中であることが知らされる。これは、光表示器によって視覚的に指示できる。

電動工具の作動中、電力が電力供給ユニット１０４から連続的に提供されてモータを駆動する。電力供給ユニットの電力容量が電動工具に電力供給してこれを作動させるのに十分である場合、電動工具は、この電力だけが供給される。電力供給システムは、好ましくは、電力供給ユニットから電力を提供して断続的ピーク電力状況の外部で十分に電動工具に電力供給するよう構成されている。かかる断続的ピーク電力状況は、例えば、比較的高い慣性を有する回転部品を加速しなければならないときに電動工具の始動の際に起こる場合がある。ピーク電力状況は、例えば最初の締め付け作業が大きな電力を必要とする場合、例えば締結要素、例えばナットを締め付ける場合、装置の作動中に起こる場合がある。

かくして、モータの電力需要が電力しきい値よりも高い場合、追加の電力がスーパーキャパシタユニットから供給されてモータを駆動する。これら断続的ピーク電力状況は、電力しきい値よりも電力需要が高い場合、短く、しかる後、モータの電力需要が、電力しきい値を下回る。

モータに提供される電力が電力しきい値未満である場合、電動工具の実際の電力需要を上回る利用可能な電力は、スーパーキャパシタユニットを充電するために用いられる。かくして、スーパーキャパシタユニットは、モータが電力供給装置によって駆動されているが、モータの電力需要が電力しきい値未満である間、充電可能である。スーパーキャパシタユニットは、モータが作動していない間にも充電可能である。

スーパーキャパシタユニット１１０が充電されかつ電力ケーブル１０６が切り離されまたは損傷を受けた場合、ダイオード素子１０８は、スーパーキャパシタユニットから流れる電流を制限し、かくして事故の恐れを減少させる。

図２には、電動工具２０１を含む変形実施形態としての電動工具システム２００が示されており、この電動工具２０１は、モータ２０２および電動工具のモータに電力供給する電力供給システム２０３を備えている。

この実施形態では、電力供給システム２０３は、電動工具２０１とは別個の部品であり、電力供給システムは、大電力を伝えることができる電力ケーブル２０６を介して電動工具に接続されている。

図１と関連して説明した内容と同様、電力供給システム２０３は、幹線２０５に接続された電力供給ユニット２０４を含む。電力供給ユニットは、好ましくは、例えば約１００Ｗ、例えば７２Ｗの電力および例えば１８Ｖの電圧レベルを提供することができる小型のユニットである。

一方向ダイオードの形態をした限流装置２０８が提供され、この限流装置は、電動工具から電力供給装置への方向における電流を制限するよう構成されている。さらに、図１と関連して説明したように機能する電気調整器２０９が設けられている。電動工具の電気調整器と電力ケーブル２０６との間に設けられているスーパーキャパシタユニット２１０がアースに接続されている。

かくして、図２に開示された実施形態は、モータを駆動するよう電動工具に提供される全電力が電力ケーブル２０６を介して供給され、この電力ケーブルがかくして、スーパーキャパシタユニット２１０および電力供給ユニット２０４からピーク電力を伝えることができるよう寸法決めされているという点で、図１に示されている実施形態とは異なっている。

Claims (13)

1. 電動工具（１０１）のモータ（１０２，２０２）を駆動する方法であって、
   電力供給装置（１０４）から電力ケーブルを介して電力を提供して前記モータ（１０２，２０２）を駆動するステップを含み、前記電力供給装置（１０４）は、電力を電力しきい値まで提供するよう構成され、
   前記電力しきい値を超えると、スーパーキャパシタユニット（１１０）から追加の電力を提供して前記モータ（１０２，２０２）を駆動するステップを含み、前記スーパーキャパシタユニット（１１０）は、前記電動工具（１０１）内に設けられており、
   前記スーパーキャパシタユニット（１１０）を前記電力供給装置（１０４）によって充電するステップを含む、方法。
2. 前記モータ（１０２，２０２）に提供される前記電力が前記電力しきい値未満である場合、前記電力供給装置（１０４）からの前記電力によって前記スーパーキャパシタユニット（１１０）を充電するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記モータ（１０２，２０２）が前記電力供給装置（１０４）によって駆動されている間、前記スーパーキャパシタユニット（１１０）を充電するステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 電圧しきい値まで電流を調整しまたは電力を調整している間、電力を前記電力供給装置（１０４）から提供するステップを含む、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の方法。
5. 前記電圧しきい値でまたは該電圧しきい値を超えた状態で定電圧に向かって調整された電力を前記電力供給装置（１０４）から提供するステップを含む、請求項４記載の方法。
6. 電流を前記スーパーキャパシタユニット（１１０）から前記電力供給装置（１０４）に至る方向に制限するステップを含む、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の方法。
7. オペレータに前記スーパーキャパシタユニット（１１０）が充電されていることを指示しまたは前記スーパーキャパシタユニット（１１０）が充電中であることを指示するステップを含む、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の方法。
8. 電動工具（１０１）のモータ（１０２，２０２）のための電力供給システム（１０３）であって、
   電力ケーブル（１０５）を介して遠隔電力源に接続可能な電力供給ユニット（１０４）を含み、
   前記電力供給ユニット（１０４）に接続されていて電力を前記モータ（１０２，２０２）に提供するよう構成された調整ユニットを含み、前記調整ユニットは、前記電力供給ユニット（１０４）からの電力を電力しきい値まで提供するよう構成され、
   前記電力しきい値を超えた状態で追加の電力を前記モータ（１０２，２０２）に提供するよう構成されたスーパーキャパシタユニット（１１０）を含み、前記スーパーキャパシタユニット（１１０）は、充電のために電力供給ユニット（１０４）に接続されている、電力供給システム（１０３）。
9. 前記調整ユニットは、電圧しきい値まで電流を調整しまたは電力を調整するとともに前記電圧しきい値でまたは該電圧しきい値を超えた状態で定電圧に向かって調整された電力を前記電力供給ユニット（１０４）から提供するよう構成されている、請求項８記載の電力供給システム（１０３）。
10. 電力ケーブルを含み、前記電力供給システム（１０３）は、前記電力ケーブルを介して前記遠隔電力源からの電力を前記モータ（１０２，２０２）に提供するよう構成されている、請求項８または９記載の電力供給システム（１０３）。
11. 電動工具（１０１）であって、
    モータ（１０２，２０２）と、
    スーパーキャパシタユニット（１１０）と、
    調整ユニットと、
    遠隔電力源にケーブル接続可能な電気接続部とを有し、
    前記調整ユニットは、前記遠隔電力源からの到来電力を調整して該到来電力が電力しきい値を超えないようにするよう構成され、前記スーパーキャパシタユニット（１１０）は、前記電力しきい値を超えると追加の電力を前記モータ（１０２，２０２）に提供するよう構成され、前記スーパーキャパシタユニット（１１０）は、前記電気接続部を介して前記遠隔電力源によって充電されるよう構成されている、電動工具（１０１）。
12. 前記モータ（１０２，２０２）は、発電機として使用でき、前記スーパーキャパシタユニット（１１０）は、前記モータ（１０２，２０２）が発電機として用いられた時点で、電気モータ（１０２，２０２）によって充電されるよう構成されている、請求項１１記載の電動工具（１０１）。
13. 前記調整ユニットは、電圧しきい値まで電流を調整しまたは電力を調整するとともに前記電力しきい値でまたは該電力しきい値を超えた状態で定電圧に向かって前記電力供給ユニット（１０４）からの電力を調整するよう構成されている、請求項１１または１２記載の電動工具（１０１）。

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