JP2020196055A - 動力工具及び制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電源投入時誤動作防止機能を実現する回路の汎用性を高めた動力工具及び制御回路を提供する。【解決手段】動力工具１は、モータ６と、モータ６の駆動、停止を切替え可能なトリガスイッチ７と、トリガスイッチ７がオンの状態で電源が投入されたときにモータ６の駆動を防止する電源投入時誤動作防止回路２９と、電源入力部である外部接続端子３７と電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａとの間に設けられたスイッチング素子４０と、を備える。トリガスイッチ７は、スイッチング素子４０の制御端子とグランドとの間に設けられる。トリガスイッチ７がオンのときにスイッチング素子４０はオン、トリガスイッチ７がオフのときにスイッチング素子４０はオフとなる。トリガスイッチ７の操作量に応じてモータ６の回転数が変化する。【選択図】図４

Description

本発明は、トリガスイッチ等の操作スイッチが駆動を指示する状態で電源が投入されたときにモータ等の駆動源の駆動を防止する機能（以下「電源投入時誤動作防止機能」とも表記）を有する動力工具、及び動力工具の駆動源を制御する制御回路に関する。

下記特許文献１は、電源投入時誤動作防止機能を実現する回路の一例を開示する。この回路は、モータの電流経路に操作スイッチを備えることが動作の前提となっている。

特開２００８−６２３４３号公報

モータの電流経路に操作スイッチを備えていない動力工具も存在する。そのような動力工具に電源投入時誤動作防止機能を搭載する場合、特許文献１の回路構成をそのまま適用することはできない。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、電源投入時誤動作防止機能を実現する回路の汎用性を高めた動力工具及び制御回路を提供することにある。

本発明のある態様は、動力工具である。この動力工具は、
駆動源と、
前記駆動源の駆動、停止を切替え可能な操作スイッチと、
前記操作スイッチが駆動を指示する状態で電源が投入されたときに前記駆動源の駆動を防止する防止回路と、
電源入力部と前記防止回路との間に設けられたスイッチング素子と、を備える。

前記スイッチング素子の制御端子とグランドとの間に前記操作スイッチが設けられてもよい。

前記スイッチング素子は、前記操作スイッチが駆動を指示する状態のときにオン、停止を指示する状態のときにオフとなってもよい。

前記駆動源がモータであり、前記操作スイッチの操作量に応じて前記モータの回転数が変化してもよい。

前記駆動源の駆動を制御する制御部を備え、
前記スイッチング素子の前記防止回路側の電圧である第１電圧、及び前記スイッチング素子の前記制御端子の電圧である第２電圧が、前記制御部に入力されてもよい。

前記第１電圧は、前記スイッチング素子のオンオフによってレベルが異なり、
前記第２電圧は、前記操作スイッチのオンオフによってレベルが異なり、
前記制御部は、前記第１及び第２電圧がそれぞれ所定レベルであることを、前記駆動源を駆動する条件としてもよい。

前記操作スイッチは、前記電源入力部と前記防止回路との間に、前記スイッチング素子と並列に設けられてもよい。

前記操作スイッチは、前記駆動源の電流経路に設けられ、
前記操作スイッチの前記駆動源側と前記スイッチング素子の前記防止回路側とが互いに接続されてもよい。

本発明の別の態様は、動力工具の駆動源を制御する制御回路であって、
電源入力部と、
電源投入時に前記電源入力部から自身の検出端子に所定値以上の電圧が印加された場合に前記駆動源の駆動を防止する防止回路と、
前記電源入力部と前記検出端子との間に設けられたスイッチング素子と、を備える。

前記制御回路は、
前記スイッチング素子の一端に接続された第１外部接続端子と、
前記スイッチング素子の他端に接続された第２外部接続端子と、
前記スイッチング素子の制御端子に接続された第３外部接続端子と、を備えてもよい。

前記制御回路は、単一の基板に設けられてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電源投入時誤動作防止機能を実現する回路の汎用性を高めた動力工具及び制御回路を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る動力工具１の側断面図。 トリガスイッチ７がモータ６の電流経路に設けられる場合の動力工具１の概略回路図。 トリガスイッチ７がモータ６の電流経路以外に設けられて制御部２１に接続される場合の動力工具１の概略回路図。 トリガスイッチ７が無段変速トリガスイッチである場合の動力工具１の概略回路図。 図４の回路の通常動作のタイムチャート。 図４の回路の電源投入時誤動作防止機能が作動する場合のタイムチャート。 図４の回路の動作中にスイッチング素子３０が故障した場合のタイムチャート。 図４の回路の動作を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本実施の形態は、動力工具１及びその制御回路３０に関する。動力工具１は、電池パック９の電力で動作するコードレスタイプのジグソーである。動力工具１の機械的な構成及び動作は周知なので、以下では簡単な説明に留める。図１に示すように、動力工具１は、ベース２と、ベース２の上方に設けられたハウジング３と、を有する。ハウジング３の後端部に、電池パック９が着脱可能に接続される。ハウジング３内に、駆動源としてのモータ６、減速機構５、往復動変換機構８、及びメイン基板（制御基板）２０が設けられる。

モータ６は、インナーロータ型のブラシレスモータである。モータ６の回転は、減速機構５によって減速され、往復動変換機構８によってプランジャ１０の上下の往復動に変換される。プランジャ１０の下端部に、プランジャ１０と共に上下に往復動する先端工具としてのブレード１１が取り付けられる。ブレード１１は、ベース２の下面から下方に突出する。ハウジング３のハンドル部３ａに、トリガスイッチ７が設けられる。トリガスイッチ７は、作業者がモータ６の駆動、停止を切替え可能な操作スイッチの一例である。

トリガスイッチ７は、図２に示すようにモータ６の電流経路に設けられる場合、図３に示すようにモータ６の電流経路以外に設けられて制御部２１に接続される場合、及び図４に示すように無段変速トリガスイッチであって一端がグランドに接続される場合がある。無段変速トリガスイッチは、操作量に応じてモータの回転数を変化させることの可能であるが、操作量に応じた信号を送信する関係上、一端をグランドに接続する必要があり、自身を介して制御部２１に信号を送ることができない。本実施の形態の制御回路３０は、トリガスイッチ７が図２から図４のいずれの構成、配置であっても共通に電源投入時誤動作防止機能を実現するものである。制御回路３０は、単一のメイン基板２０に設けられる。

図２〜図４に示すように、制御回路３０は、制御部２１、電源回路（電源ＩＣ）２８、電源投入時誤動作防止回路２９、スイッチング素子４０、及び外部接続端子３１〜３７を備える。外部接続端子３７は、電源入力部であって、電池パック９の正極端子に接続される。外部接続端子３７を介して電池パック９の出力電圧が電源回路２８及び電源投入時誤動作防止回路２９に電源電圧として供給される。

外部接続端子３７と電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａとの間に、ＰチャネルのバイポーラトランジスタやＦＥＴ（Field effect transistor）等のスイッチング素子４０が設けられる。スイッチング素子４０は、ここでは自身の制御端子（ゲート）がＧＮＤと通電したときにオン、開放されたときにオフとなる素子である。スイッチング素子４０は、図４の場合、すなわちトリガスイッチ７が無段変速トリガスイッチ等の、一端がグランドに接続されるスイッチである場合にのみ利用される。

外部接続端子（第１外部接続端子）３１は、スイッチング素子４０の一端、電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａ及び制御部２１の第１電圧入力端子に接続される。外部接続端子（第２外部接続端子）３２は、スイッチング素子４０の他端及び外部接続端子３７に接続される。外部接続端子（第３外部接続端子）３３は、スイッチング素子４０の制御端子及び制御部２１の第２電圧入力端子に接続される。外部接続端子３４は、電源回路２８の出力電圧（制御系電源電圧）Ｖccが供給される電源ライン（以下、単に「電源ライン」とも表記）に接続される。外部接続端子３５は、制御部２１の速度調節信号入力端子に接続される。外部接続端子３６は、グランドに接続される。

図２の場合、トリガスイッチ７の一端は、電池パック９の正極端子に接続される。トリガスイッチ７の他端は、インバータ回路４７を介してモータ６に接続され、かつ外部接続端子３１に接続される。図３の場合、トリガスイッチ７の一端は外部接続端子３１に接続され、他端は外部接続端子３２に接続される。すなわち、トリガスイッチ７は、外部接続端子３１、３２の間に、スイッチング素子４０と並列に設けられる。

図４の場合、トリガスイッチ７は、外部接続端子３３、３６の間に設けられる。トリガスイッチ７は、外部接続端子３４、３６間に設けられたボリューム（可変抵抗器）を含み、作業者によるトリガスイッチ７の操作量（引き量）に応じた電圧（速度調節信号）を外部接続端子３５に出力する。トリガスイッチ７がオンになると、スイッチング素子４０の制御端子の電圧がローレベルとなってスイッチング素子４０がターンオンし、電池パック９の出力電圧Ｖbtがスイッチング素子４０を介して電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａに印加される。

図２及び図３の場合、トリガスイッチ７がオンになると、トリガスイッチ７を介して電池パック９の出力電圧Ｖbtが電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａに印加される。これに対し図４の場合、トリガスイッチ７の一端をグランドに接続する必要があるため、トリガスイッチ７を介して電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａに電圧を印加することができない。本実施の形態の制御回路３０は、スイッチング素子４０を有することで、図４のようにトリガスイッチ７の一端がグランドに接続される場合でも、トリガスイッチ７がオンになったとき、スイッチング素子４０を介して電池パック９の出力電圧Ｖbtを電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａに印加することができる。

外部接続端子３１の電圧は、第１スイッチ検出電圧Ｖａとして制御部２１の第１電圧入力端子に入力される。外部接続端子３３の電圧は、第２スイッチ検出電圧Ｖｂとして制御部２１の第２電圧入力端子に入力される。外部接続端子３５の電圧は、速度調節信号として制御部２１の速度調節信号入力端子に入力される。外部接続端子３３〜３６は、スイッチング素子４０と同様に、図４の場合、すなわちトリガスイッチ７が無段変速トリガスイッチ等の、一端がグランドに接続されるスイッチである場合にのみ利用される。このため、制御部２１は、図４の場合以外では、外部接続端子３３、３５の電圧を無視するように事前に設定しておく。

電源回路２８は、電池パック９の出力電圧Ｖbtを降圧して制御系電源電圧Ｖccとし、制御部２１等に動作電圧として供給する。電源投入時誤動作防止回路２９は、トリガスイッチ７がオンの状態で電池パック９が接続された場合（電源が投入された場合）、すなわち電源投入時に検出端子２９ａに所定値以上の電圧（ここでは電源電圧Ｖbtと略等しい電圧）が印加された場合に、電源回路２８が起動する前に電源回路２８に動作禁止信号を出力し、電源回路２８の起動を阻止することで、モータ６の駆動を防止、すなわち動力工具１の駆動を防止する。なお、モータ６の駆動の防止の方法として、電源回路２８の起動阻止によらず、モータ６の電流経路に設けたスイッチング素子のターンオンを阻止してもよいし、制御部２１に駆動禁止信号を送出してモータ６の駆動制御を禁止してもよい。電源回路２８は、電源が投入された後にトリガスイッチ７が操作されるという、正しい順序のときにだけ、制御系電源電圧Ｖccを生成するように構成されている。

インバータ回路４７は、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴやＦＥＴ等の６つのスイッチング素子を含む。各スイッチング素子は、制御部２１の制御、例えばＰＷＭ制御に従ってスイッチング動作し、モータ６のステータコイルに駆動電流を供給する。制御部２１は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）等の演算部を含む。制御部２１は、トリガスイッチ７のオンを検出すると、インバータ回路４７を構成するスイッチング素子の制御により、モータ６の駆動を制御する。図４の場合、制御部２１は、トリガスイッチ７の操作量に応じた速度調節信号により、モータ６の回転速度（回転数）を制御する（変化させる）。

図２及び図３の場合、制御部２１は、第１スイッチ検出電圧Ｖａにより、トリガスイッチ７のオンオフを検出する。第１スイッチ検出電圧Ｖａは、ハイレベルがトリガスイッチ７のオン、ローレベルがトリガスイッチ７のオフを示す。図４の場合、制御部２１は、第１スイッチ検出電圧Ｖａに替えて又は加えて、第２スイッチ検出電圧Ｖｂにより、トリガスイッチ７のオンオフを検出する。第２スイッチ検出電圧Ｖｂは、ローレベルがトリガスイッチ７のオン、ハイレベルがトリガスイッチ７のオフを示す。

図４において、制御部２１が第２スイッチ検出電圧Ｖｂをトリガスイッチ７のオンオフ検出に利用するのは、スイッチング素子４０の短絡故障（オン故障）対策である。スイッチング素子４０が短絡故障すると、第１スイッチ検出電圧Ｖａは、トリガスイッチ７のオンオフによらず、トリガスイッチ７のオンを示すハイレベルとなる。しかし、第２スイッチ検出電圧Ｖｂは、スイッチング素子４０が短絡故障しても、トリガスイッチ７がオフであれば、トリガスイッチ７のオフを示すハイレベルとなる。したがって、図４の場合、制御部２１は、第２スイッチ検出電圧Ｖｂにより、スイッチング素子４０の故障有無によらず、トリガスイッチ７のオンオフを確実に検出できる。また、制御部２１は、第２スイッチ検出電圧Ｖｂがトリガスイッチ７のオフを示すハイレベルであるにも関わらず第１スイッチ検出電圧Ｖａがトリガスイッチ７のオンを示すハイレベルである場合、スイッチング素子４０の故障と判断し、作業者にアラームや発光（ＬＥＤの点灯や点滅）により報知することができる。

図５は、図４の回路の通常動作のタイムチャートである。時刻ｔ１において、トリガスイッチ７がオフの状態で動力工具１に電池パック９が接続されると（電源が投入されると）、電源入力部である外部接続端子３７の電圧（電源電圧Ｖbt）が立ち上がり、また第２スイッチ検出電圧Ｖｂがハイレベルとなる。時刻ｔ２においてトリガスイッチ７がオンになると、第１スイッチ検出電圧Ｖａがハイレベルとなり、第２スイッチ検出電圧Ｖｂがローレベルとなる。時刻ｔ３において電源回路２８の起動が完了し、制御系電源Ｖccが立ち上がる。時刻ｔ４において制御部２１の起動が完了し、制御部２１はモータ６の駆動を開始する。時刻ｔ６においてトリガスイッチ７がオフになると、第１スイッチ検出電圧Ｖａがローレベルとなり、第２スイッチ検出電圧Ｖｂがハイレベルとなる。時刻ｔ７において制御部２１は、モータ６を停止する。図５から第２スイッチ検出電圧Ｖｂを除けば、図２及び図３の回路の動作のタイムチャートとなる。

図６は、図４の回路の電源投入時誤動作防止機能が作動する場合のタイムチャートである。動力工具１に電池パック９が接続される前の時刻ｔ１１において、トリガスイッチ７がオンされる。時刻ｔ１２において動力工具１に電池パック９が接続されると、電源電圧Ｖbtが立ち上がり、第１スイッチ検出電圧Ｖａがハイレベルとなる。時刻ｔ１３において電源投入時誤動作防止回路２９が作動し、電源回路２８に動作禁止信号を送信する。時刻ｔ１４においてトリガスイッチ７がオフになると、第１スイッチ検出電圧Ｖａがローレベルとなり、第２スイッチ検出電圧Ｖｂがハイレベルとなる。時刻ｔ１５において、誤動作防止回路２９は、電源回路２８への動作禁止信号の送信を停止する。時刻ｔ１６においてトリガスイッチ７がオンになると、第１スイッチ検出電圧Ｖａがハイレベルとなり、第２スイッチ検出電圧Ｖｂがローレベルとなる。時刻ｔ１７において電源回路２８の起動が完了し、制御系電源Ｖccが立ち上がる。時刻ｔ１８において制御部２１の起動が完了し、制御部２１はモータ６の駆動を開始する。図６から第２スイッチ検出電圧Ｖｂを除けば、図２及び図３の回路の動作のタイムチャートとなる。

図７は、図４の回路の動作中にスイッチング素子３０が故障した場合のタイムチャートである。図７において、時刻ｔ４までの動作は図５と同様である。時刻ｔ５においてスイッチング素子４０が短絡故障する。時刻ｔ６においてトリガスイッチ７がオフになると、第１スイッチ検出電圧Ｖａはスイッチング素子４０がオンのためにハイレベルに留まり、第２スイッチ検出電圧Ｖｂはハイレベルとなる。時刻ｔ７において制御部２１は、モータ６を停止する。

図８は、図４の回路の動作を示すフローチャートである。動力工具１に電池パック９が接続されたとき（Ｓ１のＹｅｓ）、トリガスイッチ７がオフでない場合（Ｓ２のＮｏ）、電源投入時誤動作防止回路２９が起動する（Ｓ３）。トリガスイッチ７がオフの場合（Ｓ２のＹｅｓ）、電源投入時誤動作防止回路２９が起動していれば（Ｓ４のＹｅｓ）、電源投入時誤動作防止回路２９が停止する（Ｓ５）。モータ６は停止している（Ｓ７）。第１スイッチ検出電圧Ｖａが電源電圧Ｖbtと略等しい場合（Ｓ８のＹｅｓ）、制御部２１が起動していなければ（Ｓ８ａのＮｏ）、制御部２１が起動する（Ｓ８ｂ）。制御部２１は、第２スイッチ検出電圧Ｖｂが正常、すなわちローレベル（グランドレベル）であり（Ｓ９のＹｅｓ）、かつスイッチング素子４０の故障を検出してなければ（Ｓ１０のＮｏ）、モータ６を駆動する（Ｓ１１）。制御部２１は、ステップＳ９において第２スイッチ検出電圧Ｖｂが異常、すなわちローレベルでない場合（Ｓ９のＮｏ）、その状態が一定時間以上継続していると（Ｓ１２のＹｅｓ）、スイッチング素子４０の故障であると検出し（Ｓ１３）、モータ６を停止する（Ｓ７）。制御部２１は、ステップＳ１０においてスイッチング素子４０が故障している場合（Ｓ１０のＹｅｓ）、モータ６を停止する（Ｓ７）。制御部２１は、ステップＳ８において第１スイッチ検出電圧Ｖａがローレベルの場合、（Ｓ８のＮｏ）、モータ６を停止する（Ｓ７）。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 制御回路３０は、スイッチング素子４０を有することで、図４のようにトリガスイッチ７の一端がグランドに接続される場合でも、トリガスイッチ７がオンになったとき、スイッチング素子４０を介して、電池パック９の出力電圧Ｖbtを電源投入時誤動作防止回路２９の検出端子２９ａに印加できる。このため、制御回路３０は、トリガスイッチ７が図２から図４のいずれの構成、配置であっても共通に電源投入時誤動作防止機能を実現できる。したがって、電源投入時誤動作防止機能を実現する回路をトリガスイッチ７の構成、配置に応じて設計する必要がなく、設計の手間を削減しコストを抑制できる。

(2) 制御部２１は、トリガスイッチ７の他端が接続された外部接続端子３３の電圧（第２スイッチ検出電圧Ｖｂ）がローレベルであることをモータ６の駆動の条件とするため、スイッチング素子４０が短絡故障しても、トリガスイッチ７がオフであればモータ６を駆動しない。したがって、スイッチング素子４０の短絡故障時に、トリガスイッチ７がオフにも関わらずモータ６を駆動する誤動作が抑制される。

(3) 制御部２１は、第２スイッチ検出電圧Ｖｂがトリガスイッチ７のオフを示すハイレベルであるにも関わらず第１スイッチ検出電圧Ｖａがトリガスイッチ７のオンを示すハイレベルである場合、スイッチング素子４０の故障と判断し、作業者にアラームや発光により報知することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

本発明の動力工具は、実施の形態で例示したジグソーに限定されず、電源投入時誤動作防止機能を有する他の種類の動力工具であってもよい。モータは、ブラシ付きモータであってもよい。本発明の動力工具は、電池パックの電力で動作するコードレスタイプに限定されず、外部電源からの電力で動作するコード付きタイプであってもよい。この場合、交流電圧が入力される整流、平滑回路の出力電圧が電源電圧Ｖbtに対応する。また、電源コードを外部電源に接続することが、電源投入に対応する。

１ 動力工具、２ ベース、３ ハウジング、３ａ ハンドル部、５ 減速機構、６ モータ、７ トリガスイッチ（操作部）、９ 電池パック、１０ プランジャ、１１ ブレード（先端工具）、２０ メイン基板（制御基板）、２１ 演算部（制御部）、２８ 電源回路（電源ＩＣ）、２９ 電源投入時誤動作防止回路、２９ａ 検出端子、３０ 制御回路、３１〜３６ 第６外部接続端子、４０ スイッチング素子、４７ インバータ回路

Claims (11)

1. 駆動源と、
   前記駆動源の駆動、停止を切替え可能な操作スイッチと、
   前記操作スイッチが駆動を指示する状態で電源が投入されたときに前記駆動源の駆動を防止する防止回路と、
   電源入力部と前記防止回路との間に設けられたスイッチング素子と、を備える、動力工具。
2. 前記スイッチング素子の制御端子とグランドとの間に前記操作スイッチが設けられる、請求項１に記載の動力工具。
3. 前記スイッチング素子は、前記操作スイッチが駆動を指示する状態のときにオン、停止を指示する状態のときにオフとなる、請求項２に記載の動力工具。
4. 前記駆動源がモータであり、前記操作スイッチの操作量に応じて前記モータの回転数が変化する、請求項２又は３に記載の動力工具。
5. 前記駆動源の駆動を制御する制御部を備え、
   前記スイッチング素子の前記防止回路側の電圧である第１電圧、及び前記スイッチング素子の前記制御端子の電圧である第２電圧が、前記制御部に入力される、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の動力工具。
6. 前記第１電圧は、前記スイッチング素子のオンオフによってレベルが異なり、
   前記第２電圧は、前記操作スイッチのオンオフによってレベルが異なり、
   前記制御部は、前記第１及び第２電圧がそれぞれ所定レベルであることを、前記駆動源を駆動する条件とする、請求項５に記載の動力工具。
7. 前記操作スイッチは、前記電源入力部と前記防止回路との間に、前記スイッチング素子と並列に設けられる、請求項１に記載の動力工具。
8. 前記操作スイッチは、前記駆動源の電流経路に設けられ、
   前記操作スイッチの前記駆動源側と前記スイッチング素子の前記防止回路側とが互いに接続される、請求項１に記載の動力工具。
9. 動力工具の駆動源を制御する制御回路であって、
   電源入力部と、
   電源投入時に前記電源入力部から自身の検出端子に所定値以上の電圧が印加された場合に前記駆動源の駆動を防止する防止回路と、
   前記電源入力部と前記検出端子との間に設けられたスイッチング素子と、を備える、制御回路。
10. 前記スイッチング素子の一端に接続された第１外部接続端子と、
    前記スイッチング素子の他端に接続された第２外部接続端子と、
    前記スイッチング素子の制御端子に接続された第３外部接続端子と、を備える、請求項９に記載の制御回路。
11. 単一の基板に設けられている、請求項９又は１０に記載の制御回路。

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