JP2021175594A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の劣化や破損を抑制したブレーキを行うことの可能な電動工具を提供する。【解決手段】演算部２１はブレーキ制御において、上アーム側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のいずれかと、下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のいずれかとの組合せを、順次切り替えながらスイッチング制御し、上アーム側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のいずれか、ステータコイル６ｅ、下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のいずれか、及び第１ダイオードブリッジ１５、を順に通る閉ループ（駆動時と同じ向きの閉ループ）に電流を流す。【選択図】図４

Description

本発明は、ブラシレスモータを駆動源とするグラインダ等の電動工具に関する。

下記特許文献１は、グラインダを開示する。グラインダにおいては、作業終了後にモータにブレーキをかけ、砥石を早めに停止させることで作業性を向上させることが求められている。このとき、ブレーキが強すぎると砥石が外れる恐れがあるため、適切な制動力をモータに与える必要がある。下記特許文献２は、ブラシレスモータを駆動源とするドライバドリルにおいて、ブラシレスモータに通電するインバータ回路の下アーム側スイッチング素子を短絡することでブレーキをかけることを開示する。

特開２０１０−２６９４２６号公報 特許第５３８１３９０号公報

特許文献２のように下アーム側スイッチング素子を短絡するブレーキをグラインダに適用すると、ブレーキ力が強すぎて砥石が外れやすい。ここで、下アーム側スイッチング素子をＰＷＭ制御によりオンオフすることでブレーキ力を弱めることはできるが、この場合は大きな回生エネルギーが発生して素子が破損するリスクがあった。

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、素子の劣化や破損を抑制したブレーキを行うことの可能な電動工具を提供することにある。

本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータに通電するためのインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御部と、前記インバータ回路への入力電圧の印加、遮断を切り替えるスイッチと、を備え、前記インバータ回路は、上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子を有し、前記制御部は、前記スイッチがオフになると、前記ブラシレスモータに制動力を与えるブレーキ制御を行い、前記ブレーキ制御は、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子のスイッチング制御により、前記上アーム側スイッチング素子、前記ブラシレスモータ、及び前記下アーム側スイッチング素子、を通る閉ループに電流を流す制御である。

交流を直流に変換して前記インバータ回路に供給する整流回路を備え、前記スイッチは、前記整流回路の入力側に設けられた２極スイッチであり、交流電源と前記整流回路の一方の入力端子との間、及び前記交流電源と前記整流回路の他方の入力端子との間、の双方の導通、遮断を切り替えてもよい。

前記制御部は、前記ブラシレスモータの回転数が閾値以下に低下すると、前記ブレーキ制御における前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子の少なくともいずれかのデューティを低下させてもよい。

前記制御部は、前記ブレーキ制御における進角を、前記ブラシレスモータの駆動制御における進角よりも大きくしてもよい。

前記ブレーキ制御は、前記ブラシレスモータを駆動する際の電流方向と同方向の電流を前記インバータ回路に流してもよい。

交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路からの電流を平滑する平滑コンデンサを有し、前記ブレーキ制御時の電流は、前記整流回路を通ってもよい。

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、素子の劣化や破損を抑制したブレーキを行うことの可能な電動工具を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電動工具１の側断面図。 トリガ７がオフの状態における電動工具１の要部拡大断面図。 トリガ７がオンの状態における電動工具１の要部拡大断面図。 電動工具１の回路図。 電動工具１の起動から停止までの動作の流れを示すフローチャート。 電動工具１の制御フローチャート。 電動工具１のモータ６の断面図。 モータ６の駆動制御における、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータコイル６ｅの通電状態、並びにインバータ回路４７のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに印加される駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のタイムチャート。 モータ６のブレーキ制御における、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータコイル６ｅに流れる電流及び通電状態、並びにインバータ回路４７のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに印加される駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のタイムチャート。 モータ６の断面図であって、駆動制御におけるロータ回転位置の変化とステータコイル６ｅに流れる電流との関係を示す説明図。 モータ６の断面図であって、ブレーキ制御におけるロータ回転位置の変化とステータコイル６ｅに流れる電流との関係を示す説明図。 比較例１の電動工具の回路図。 比較例２の電動工具の回路図。

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。

図１〜図３を参照し、本実施の形態の電動工具１の機械的な構成を説明する。図１により、上下及び前後方向を定義する。電動工具１は、ここではグラインダである。電動工具１は、モータハウジング２、ハンドルハウジング（テールカバー）３、及びギヤケース４により、外殻が形成される。モータハウジング２の後端部にハンドルハウジング３が取り付けられ、モータハウジング２の前端部にギヤケース４が取り付けられる。モータハウジング２及びハンドルハウジング３は、例えば樹脂成形体である。ギヤケース４は、例えばアルミ等の金属製である。

ハンドルハウジング３の後端部からは、外部の交流電源５０（図４）に接続するための電源コード９が延びる。ハンドルハウジング３内の後部には、フィルタ基板１０が設けられる。ハンドルハウジング３内の前部には、補助電源・制御基板２０が設けられる。ハンドルハウジング３は、電動工具１のハンドルを構成する。ハンドルハウジング３の下部には、トリガ７が揺動（回動）可能に支持される。ハンドルハウジング３に対するトリガ７の揺動支点７ａは、ここではトリガ７の後端部に位置する。

トリガ７は、モータ６の電流経路に設けられた第１スイッチ１１のオンオフを使用者が切り替えるための操作部である。第１スイッチ１１は、好ましくは機械式の接点スイッチであり、ハンドルハウジング３内に収容され、トリガ７の上方に位置する。図２に示すように、第１スイッチ１１は、トリガ７側に臨むボタン１１ａを有する。また、第１スイッチ１１とトリガ７との間には、バネ１１ｂが設けられる。ボタン１１ａがトリガ７によって押されることで、第１スイッチ１１はオンとなる。バネ１１ｂは、トリガ７を、第１スイッチ１１がオフとなる方向（図２の反時計回り方向）に付勢する。使用者がトリガ７を握ると、トリガ７が上方に揺動し、ボタン１１ａが押されて第１スイッチ１１がオンとなる。使用者がトリガ７の握りを緩めると、バネ１１ｂの付勢によりトリガ７が下方に揺動し、ボタン１１ａの押圧状態が解除されて第１スイッチ１１がオフとなる。

ハンドルハウジング３内には、トリガ７の反揺動支点７ａ側（トリガ７の前側）となる位置に、第２スイッチ１２が設けられる。第２スイッチ１２は、図４の演算部（制御部）２１に電気的に接続された例えば電子スイッチ（マイクロスイッチ等）であり、トリガ７の操作に連動してオンオフが切り替わる。第２スイッチ１２は、トリガ７の操作を演算部２１に迅速に伝達するために設けられ、自身のオンオフによって異なるレベルの信号を演算部２１に送出する。図２及び図３に示すように、第２スイッチ１２は、トリガ７側に臨んで後方斜め上に延出する板バネ１２ａを有する。トリガ７の揺動に伴い、板バネ１２ａがトリガ７の反揺動支点７ａ側の端部（前端部）と係合し、第２スイッチ１２のオンオフが切り替わる。具体的には、図３に示すように板バネ１２ａがトリガ７の反揺動支点７ａ側の端部によって前側に押し込まれる（前側に揺動される）ことで、第２スイッチ１２はオンとなる。使用者がトリガ７を握ると、トリガ７が上方に揺動し、板バネ１２ａが押し込まれて第２スイッチ１２がオンとなる。使用者がトリガ７の握りを緩めると、バネ１１ｂの付勢によりトリガ７が下方に揺動し、板バネ１２ａは自身の弾性により元の状態に戻って（後側に揺動して）第２スイッチ１２がオフとなる。

モータハウジング２は、モータ６を収容すると共に、モータ６の後部にブリッジ・インバータ基板（駆動基板）３０を収容する。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。ギヤケース４内には、回転伝達機構としての減速機構５が収容される。減速機構５は、一対のベベルギアを組み合わせたものであり、モータ６の回転を減速すると共に９０度変換してスピンドル８に伝達する。スピンドル８の下端部には回転具（先端工具）としての砥石８ａが一体回転可能に設けられる。モータ６の回転から砥石８ａの回転に至るまでの機械的な構成及び動作は周知なので、これ以上の詳細な説明は省略する。

図４により、電動工具１の回路構成を説明する。図４において、交流電源５０は、商用電源等の外部交流電源である。交流電源５０には、フィルタ基板１０に設けられたフィルタ回路が接続される。フィルタ回路は、フィルタ基板１０に搭載された、ヒューズＦin、バリスタＺ１、パターンヒューズＦ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、及びチョークコイルＬ１を含む。ヒューズＦinは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が短絡した場合の保護用である。バリスタＺ１は、サージ電圧吸収用である。パターンヒューズＦ１は、バリスタＺ１が働いた場合に線間がショートするのを防止する役割を持つ。コンデンサＣ１及びチョークコイルＬ１は、線間のノイズ除去用である。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１の放電抵抗である。

前述のフィルタ回路の出力側と第１ダイオードブリッジ１５の入力側と間に、第１スイッチ１１が設けられる。第１スイッチ１１は、２極スイッチであり、フィルタ回路の一方の出力端子と第１ダイオードブリッジ１５の一方の入力端子との間、及びフィルタ回路の他方の出力端子と第１ダイオードブリッジ１５の他方の入力端子との間、の双方の導通及び遮断を、オン状態とオフ状態に応じて切り替える。すなわち、第１スイッチ１１は、オフ状態になると交流電源５０から第１ダイオードブリッジ１５への電流経路を全て遮断する。第１スイッチ１１がオフ状態になると、第１ダイオードブリッジ１５と電解コンデンサＣ２と、インバータ回路４７を含む閉回路（閉ループ）が形成される。第１整流回路としての第１ダイオードブリッジ１５は、第１スイッチ１１を介して入力される前述のフィルタ回路の出力電圧を、全波整流して直流に変換し、インバータ回路４７に供給する。電解コンデンサＣ２は、サージ吸収用であり、第１ダイオードブリッジ１５の出力端子間に設けられる。電解コンデンサＣ２は第１ダイオードブリッジ１５からの電流を平滑する平滑コンデンサである。なお、電動工具１では本体の小型化を優先するため、完全に電流を平滑する容量を有する電解コンデンサを搭載することが困難であり、電解コンデンサＣ２は第１ダイオードブリッジ１５からの電流を完全に平滑することはできない。換言すれば、電動工具１の小型化を優先するため、電解コンデンサＣ２の容量は、作業時に無通電状態（モータ６への印加電圧が、誘起電圧を下回っている状態）が生じる程度の容量となっている。抵抗Ｒｓは、モータ６に流れる電流を検出するための検出抵抗であり、モータ６の電流経路に設けられる。電動工具１は、第１グランドＧＮＤ１及び第２グランドＧＮＤ２を有し、第１グランドＧＮＤ１及び第２グランドＧＮＤ２は、抵抗Ｒｓを介して互いに接続される。第１ダイオードブリッジ１５、電解コンデンサＣ２、インバータ回路４７、及び抵抗Ｒｓは、図１のブリッジ・インバータ基板３０に設けられる。

インバータ回路４７は、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含み、制御部としての演算部２１の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６ｅ（Ｕ，Ｖ，Ｗの各巻線）に駆動電流を供給する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３は、上アーム側スイッチング素子であり、スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６は、下アーム側スイッチング素子である。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３は、モータ６側がソースであり、電源側（第１ダイオードブリッジ１５のプラス端子側）がドレインである。スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６は、モータ６側がドレインであり、グランド側（第１ダイオードブリッジ１５のマイナス端子側）がソースである。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレインソース間には、ソース側がアノードである図示しないダイオード（寄生ダイオード及び別付けのダイオードのいずれか又は両方）が設けられる。

演算部２１は、抵抗Ｒsの両端間の電圧により、モータ６の電流を検出する。また、演算部２１は、複数のホール素子（磁気センサ）４２の出力電圧により、モータ６の回転位置（ロータ回転位置）を検出する。演算部２１は、トリガ７の操作に連動する第２スイッチ１２の状態（オンオフ）に応じて、モータ６の駆動及び制動を制御する。具体的には、演算部２１は、トリガ７の操作により第２スイッチ１２がオンされると、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング制御（例えばＰＷＭ制御）し、モータ６の駆動を制御する。演算部２１は、トリガ７の操作により第２スイッチ１２がオフされると、モータ６に制動力を与える制御（ブレーキ制御）を行う。ブレーキ制御の詳細は後述する。

第２整流回路としての第２ダイオードブリッジ１６は、第１スイッチ１１を介さずに入力される前述のフィルタ回路の出力電圧を、全波整流して直流に変換する。電解コンデンサＣ３は、サージ吸収用であり、第２ダイオードブリッジ１６の出力端子間に設けられる。第２ダイオードブリッジ１６の出力側には、ＩＰＤ回路２２が設けられる。ＩＰＤ回路２２は、インテリジェント・パワー・デバイス（Intelligent Power Device）であるＩＰＤ素子やコンデンサ等により構成された回路であり、第２ダイオードブリッジ１６及びサージ吸収用の電解コンデンサＣ３によって整流、平滑された電圧を例えば約１８Ｖに降圧するＤＣ−ＤＣスイッチング電源回路である。ＩＰＤ回路２２は、集積回路であり、消費電力が小さく省エネルギーであるというメリットがある。ＩＰＤ回路２２の出力電圧は、レギュレータ２６によって例えば約５Ｖに更に降圧され、演算部２１に動作電圧（電源電圧Ｖcc）として供給される。第２ダイオードブリッジ１６、電解コンデンサＣ３、演算部２１、ＩＰＤ回路２２、及びレギュレータ２６等は、補助電源・制御基板２０に設けられる。

図５により、電動工具１の起動から停止までの動作の流れを簡単に説明する。使用者がトリガ７を引くと（Ｓ１）、第２スイッチ１２がオンし（Ｓ２）、続いて第１スイッチ１１がオンする（Ｓ３）。トリガ７の上方への揺動による第１スイッチ１１及び第２スイッチ１２のターンオンは、ほぼ同時に起こる。演算部２１は、第２スイッチ１２のターンオンにより（第２スイッチ１２からの信号がハイレベルになることにより）、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御を開始し、モータ６を回転駆動する（Ｓ４）。その後、使用者がトリガ７から手を離す（トリガ７の握りを緩める）と（Ｓ５）、第１スイッチ１１がオフし（Ｓ６）、続いて第２スイッチ１２がオフする（Ｓ７）。トリガ７の下方への揺動による第１スイッチ１１及び第２スイッチ１２のターンオフは、ほぼ同時に起こる。演算部２１は、第２スイッチ１２のターンオフにより（第２スイッチ１２からの信号がローレベルになることにより）、前述のブレーキ制御を開始してモータ６の回転を減速する（Ｓ８）。これによりモータ６が停止する（Ｓ９）。

図６は、電動工具１の制御フローチャートである。このフローチャートは、第１スイッチ１１及び第２スイッチ１２がターンオンすることによってスタートする（Ｓ１１）。演算部２１は、インバータ回路４７のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を機械進角17.5度でスイッチング制御することにより、モータ６を回転駆動する（Ｓ１２）。演算部２１は、第１スイッチ１１及び第２スイッチ１２がオンであればモータ６の駆動を継続する（Ｓ１３のＮＯ、Ｓ１２）。演算部２１は、第１スイッチ１１及び第２スイッチ１２がオフになると（Ｓ１３のＹＥＳ）、モータ６に制動力を与えるブレーキ制御を行う。具体的には、演算部２１は、機械進角を23度に設定し（Ｓ１４）、モータ６の回転数が18000rpm以上であればスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をデューティ95%でスイッチング制御し（Ｓ１５のＹＥＳ、Ｓ１６）、モータ６の回転数が12000-18000rpmであればスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をデューティ93%でスイッチング制御し（Ｓ１５のＮＯ、Ｓ１７のＹＥＳ、Ｓ１８）、モータ６の回転数が12000rpm未満であればスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をデューティ92%でスイッチング制御し（Ｓ１５のＮＯ、Ｓ１７のＮＯ、Ｓ１９）、モータ６に制動力を与え、モータ６を停止させる（Ｓ２０）。

図７は、電動工具１のモータ６の断面図である。モータ６は、出力軸６ａの周囲に設けられて出力軸６ａと一体に回転するロータコア６ｂと、ロータコア６ｂに挿入保持されたロータマグネット６ｃと、ロータコア６ｂの外周を囲むように設けられたステータコア６ｄと、ステータコア６ｄに設けられたステータコイル６ｅと、を含む。ロータマグネット６ｃは、軸周り方向に等間隔（９０度間隔）で４つ設けられる。ステータコア６ｄは、ステータコイル６ｅの巻軸となるティース部を軸周り方向に等間隔（６０度間隔）で６つ有する。図７では、各ティース部を、Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２としている。ティース部Ｕ１、Ｕ２にはＵ相のステータコイル６ｅ（以下「Ｕ相ステータコイル」とも表記）が巻かれ、ティース部Ｖ１、Ｖ２にはＶ相のステータコイル６ｅ（以下「Ｖ相ステータコイル」とも表記）が巻かれ、ティース部Ｗ１、Ｗ２にはＷ相のステータコイル６ｅ（以下「Ｗ相ステータコイル」とも表記）が巻かれる。

ティース部Ｖ１、Ｗ１間、ティース部Ｗ１、Ｕ２間、ティース部Ｕ２、Ｖ２間には、それぞれホール素子４２が配置される。ホール素子４２は、ロータコア６ｂの外周面に近接する配置であり、モータ６の軸周り方向に６０度間隔で３つ設けられる。図７におけるロータ回転位置は、真ん中のホール素子４２の軸周り方向位置と、隣り合うロータマグネット６ｃ間の中央の軸周り方向位置と、が互いに一致する回転位置であり、機械進角の基準位置であると共に、図８〜図１３におけるロータ回転角０度に相当する。図７における反時計回りをロータ回転方向（正転方向）とした場合、機械進角は、図７に示す基準位置と、Ｕ相ステータコイルへの通電を開始するロータ回転位置と、の間のロータ回転角の差である。図７に示す基準位置においてＵ相ステータコイルに通電を開始する場合、機械進角は０度である。

図８は、モータ６の駆動制御における、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータコイル６ｅの通電状態、並びにインバータ回路４７のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに印加される駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のタイムチャートである。演算部２１は、モータ６の駆動制御では、機械進角を17.5度に設定する。そのため、ロータ回転角が０度になる17.5度手前からＵ相ステータコイルに通電を開始する。

具体的には、演算部２１は、ロータ回転角-17.5度において駆動信号Ｈ１をローレベルからハイレベルにする（スイッチング素子Ｑ１をターンオンする）。このとき、演算部２１は、駆動信号Ｈ５をハイレベル（スイッチング素子Ｑ５をオン）に維持しているから、スイッチング素子Ｑ１、Ｕ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ５という経路で電流が流れ始める。なお、駆動信号Ｈ２〜Ｈ４、Ｈ６はローレベル（スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ４、Ｑ６はオフ）である。以降、各区間においてローレベルに維持される駆動信号、及びオフに維持されるスイッチング素子については、説明を省略する。

ロータ回転角-17.5度から12.5度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ１、Ｈ５をハイレベル（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５をオン）にする。ここで、駆動信号Ｈ１はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ１は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｕ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ５を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角12.5度から42.5度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ１、Ｈ６をハイレベル（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ６をオン）にする。ここで、当該区間の前半においては駆動信号Ｈ６はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ６は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。また、当該区間の後半においては駆動信号Ｈ１はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ１は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｕ相ステータコイル、Ｗ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ６を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角42.5度から72.5度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ２、Ｈ６をハイレベル（スイッチング素子Ｑ２、Ｑ６をオン）にする。ここで、駆動信号Ｈ２はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ２は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ２、Ｖ相ステータコイル、Ｗ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ６を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角72.5度から102.5度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ２、Ｈ４をハイレベル（スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４をオン）にする。ここで、当該区間の前半においては駆動信号Ｈ４はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ４は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。また、当該区間の後半においては駆動信号Ｈ２はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ２は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ２、Ｖ相ステータコイル、Ｕ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ４を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角102.5度から132.5度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ３、Ｈ４をハイレベル（スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４をオン）にする。ここで、駆動信号Ｈ３はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ３は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ３、Ｗ相ステータコイル、Ｕ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ４を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角132.5度から162.5度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ３、Ｈ５をハイレベル（スイッチング素子Ｑ３、Ｑ５をオン）にする。ここで、当該区間の前半においては駆動信号Ｈ５はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ５は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。また、当該区間の後半においては駆動信号Ｈ３はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ３は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ３、Ｗ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ５を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角162.5度から342.5度（-17.5度）までの180度の区間における制御は、上述のロータ回転角-17.5度から162.5度までの180度の区間における制御と同様である。

図９は、モータ６のブレーキ制御における、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータコイル６ｅの通電状態、並びにインバータ回路４７のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに印加される駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のタイムチャートである。演算部２１は、モータ６のブレーキ制御では、機械進角を23度に設定する。そのため、ロータ回転角が０度になる23度手前からＵ相ステータコイルに通電を開始する。なお、本実施形態では、ブレーキ制御時におけるロータ回転角が０度の状態とは、モータ６の駆動時におけるロータ回転角０度の状態から９０度回転した状態である。すなわち、ブレーキ制御時におけるロータ回転角０度の状態は、図７におけるロータ６ａの回転位置から９０度回転した位置である。従って、ブレーキ制御における機械進角23度の状態とは、図７の基準位置から６７度だけロータ６ａが回転した状態である。

ブレーキ制御における機械進角23度からのブレーキ制御について具体的に説明する。演算部２１は、ロータ回転角６７度において駆動信号Ｈ１をローレベルからハイレベルにする（スイッチング素子Ｑ１をターンオンする）。このとき、演算部２１は、駆動信号Ｈ５をハイレベル（スイッチング素子Ｑ５をオン）に維持しているから、スイッチング素子Ｑ１、Ｖ相ステータコイル、Ｕ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ５という経路で電流が流れ始める。

ロータ回転角６７度から97度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ１、Ｈ５をハイレベル（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５をオン）にする。ここで、駆動信号Ｈ１はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ１は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｖ相ステータコイル、Ｕ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ５を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角97度から127度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ２、Ｈ６をハイレベル（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ６をオン）にする。ここで、当該区間の前半においては駆動信号Ｈ６はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ６は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。また、当該区間の後半においては駆動信号Ｈ１はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ１は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｗ相ステータコイル、Ｕ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ６を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角127度から157度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ２、Ｈ６をハイレベル（スイッチング素子Ｑ２、Ｑ６をオン）にする。ここで、駆動信号Ｈ２はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ２は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ２、Ｗ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ６を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角157度から187度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ２、Ｈ４をハイレベル（スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４をオン）にする。ここで、当該区間の前半においては駆動信号Ｈ４はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ４は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。また、当該区間の後半においては駆動信号Ｈ２はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ２は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ２、Ｕ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ４を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角187度から217度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ３、Ｈ４をハイレベル（スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４をオン）にする。ここで、駆動信号Ｈ３はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ３は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ３、Ｕ相ステータコイル、Ｗ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ４を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角217度から247度までの30度の区間において、演算部２１は、駆動信号Ｈ３、Ｈ５をハイレベル（スイッチング素子Ｑ３、Ｑ５をオン）にする。ここで、当該区間の前半においては駆動信号Ｈ５はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ５は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。また、当該区間の後半においては駆動信号Ｈ３はＰＷＭ信号であり、スイッチング素子Ｑ３は所定デューティ比でオンオフが切り替えられる（ＰＷＭ制御される）。これにより、スイッチング素子Ｑ３、Ｖ相ステータコイル、Ｗ相ステータコイル、スイッチング素子Ｑ５を含む経路に電流が流れる。

ロータ回転角247度から67度（ブレーキ制御時の機械進角-23度）までの180度の区間における制御は、上述のロータ回転角67度から247度までの180度の区間における制御と同様である。

図１０は、モータ６の断面図であって、駆動制御におけるロータ回転位置の変化とステータコイル６ｅに流れる電流との関係を示す説明図である。ロータ回転角-17.5度は、Ｗ相ステータコイルからＵ相ステータコイルに通電が切り替わるタイミングであり、図示は切り替わった直後を示している。ロータ回転角-17.5度から42.5度までの60度の区間において、Ｕ相ステータコイルに流れる電流により、ティース部Ｕ１、Ｕ２のロータ側端面はＮ極となる。同区間の前半（12.5度まで）において、Ｖ相ステータコイルに流れる電流により、ティース部Ｖ１、Ｖ２のロータ側端面はＳ極となる。同区間の後半（12.5度以降）において、Ｗ相ステータコイルに流れる電流により、ティース部Ｗ１、Ｗ２のロータ側端面はＳ極となる。

図１０において、ロータ側がＮ極となっているＵ相ステータコイルは、ステータ側がＮ極である対向するロータマグネット６ｃに斥力を与え、ロータ（ロータコア６ｂ及びロータマグネット６ｃ）を回転させる。なお、ロータ回転角-17.5度では、Ｕ相ステータコイルによる斥力はロータの回転を妨げるように作用するが、Ｕ相ステータコイルのインダクタンスによりＵ相ステータコイルの立ち上がりの電流が小さいことから、実際にはロータの回転に影響は無い。図１０の12.5度の直前までにおいてロータ側がＳ極となっているＶ相ステータコイルは、ステータ側がＳ極である対向するロータマグネット６ｃに斥力を与え、ロータを回転させる。図１０の12.5度から42.5度の直前までにおいてロータ側がＳ極となっているＷ相ステータコイルは、ステータ側がＳ極である対向するロータマグネット６ｃに斥力を与え、ロータを回転させる。なお、前述のロータ回転角-17.5度におけるＵ相ステータコイルの斥力と同様、ロータ回転角12.5度では、Ｗ相ステータコイルによる斥力はロータの回転を妨げるように作用するが、Ｗ相ステータコイルのインダクタンスによりＷ相ステータコイルの立ち上がりの電流が小さいことから、実際にはロータの回転に影響は無い。

以上、ロータ回転角-17.5度から42.5度までの60度の区間について説明したが、以降60度ごとに、相が一つシフトしながら同様のことが起こる。

図１１は、モータ６の断面図であって、ブレーキ制御におけるロータ回転位置の変化とステータコイル６ｅに流れる電流との関係を示す説明図である。ロータ回転角67度は、Ｗ相ステータコイルからＵ相ステータコイルに通電が切り替わるタイミングであり、図示は切り替わった直後を示している。ロータ回転角67度から127度までの60度の区間において、ロータの回転による磁束変化によってＵ相ステータコイルに流れる電流により、ティース部Ｕ１、Ｕ２のロータ側端面はＮ極となる。同区間の前半（97度まで）において、ロータの回転による磁束変化によってＶ相ステータコイルに流れる電流により、ティース部Ｖ１、Ｖ２のロータ側端面はＳ極となる。同区間の後半（97度以降）において、ロータの回転による磁束変化によってＷ相ステータコイルに流れる電流により、ティース部Ｗ１、Ｗ２のロータ側端面はＳ極となる。

図１１のロータ回転角６７度から９７度において、ロータ側がＮ極になっているＵ相ステータコイルは、ステータ側がＳ極である対向するロータマグネット６ｃに引力を与え、ロータの回転を減速するブレーキ力を発生させる。なお、ロータ回転角67度において、Ｕ相ステータコイルに流れる電流は、モータ駆動時と同方向の電流が流れる。こうして、ロータ回転角67度から１２７度の区間において、ロータ側がＮ極となっているＵ相ステータコイルが、ステータ側がＳ極である対向するロータマグネット６ｃに与える引力は、ロータを逆転させるように作用するので、ロータ６ａに制動力が発生する。１２７度以降は、ステータ側がＳ極となっている磁石がＵ相ステータコイルから遠ざかるので、ブレーキ制御におけるＵ相ステータコイルの使用を中止する。

図１１の97度の直前までにおいてロータ側がＳ極となっているＶ相ステータコイルは、ステータ側がＮ極である対向するロータマグネット６ｃに引力を与え、ロータの回転を減速するブレーキ力を発生させる。図１１の97度から127度の直前までにおいてロータ側がＳ極となっているＷ相ステータコイルは、ステータ側がＮ極である対向するロータマグネット６ｃに引力を与え、ロータの回転を減速するブレーキ力を発生させる。

以上、図１１により、ロータ回転角67度から127度までの60度の区間について説明したが、以降60度ごとに、相が一つシフトしながら同様のことが起こる。

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) 演算部２１はブレーキ制御において、第１ダイオードブリッジ１５に電流が流れるようにした。具体的には、上アーム側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のいずれかと、下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のいずれかとの組合せを、順次切り替えながらスイッチング制御し、上アーム側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のいずれか、ステータコイル６ｅ、下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のいずれか、及び第１ダイオードブリッジ１５、を順に通る閉ループ（駆動時と同じ向きの閉ループ）に電流を流すようにした。これによって、当該閉ループをＰＷＭ制御により繰返し開閉しても、回生エネルギーによる大電圧が電解コンデンサＣ２に印加されることを抑制できる。すなわち、ブレーキ制御時に流れる電流を、モータ駆動時と同方向としながらブレーキをかけることができるので、ブレーキ制御時の電流が第１ダイオードブリッジ１５にも流れ、コンデンサＣ２に集中するのを抑制することができる。このため、回生エネルギーによる回路上の素子の劣化や破損等のリスクを抑制しながら適切な強度のブレーキをかけることができる。この点、上アーム側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３はオフにして下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６をＰＷＭ制御するブレーキ制御の場合、下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のオフ期間に、下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のいずれか、ステータコイル、上アーム側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のいずれか、という順の電流（駆動時と逆向きの電流）を流そうとする回生エネルギーが発生し、この回生エネルギーはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６で遮断できない（スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の寄生ダイオードを介して電解コンデンサＣ２や第１ダイオードブリッジ１５に印加される）ため、電解コンデンサＣ２等の劣化や破損に繋がる。特に、電解コンデンサＣ２は小型化を優先するために容量を可能な限り小さめに抑えているため、劣化や破損の可能性が高い。本実施の形態では、こうした素子の劣化や破損等のリスクを好適に避けながら適切な強度のブレーキをかけることができる。ひいては、本実施の形態におけるブレーキ制御によれば、平滑コンデンサ等の回路素子を小さくできるので、電動工具を小型にすることができる。上記効果は、円形の先端工具を高速回転させて作業を行う電動工具のような、先端工具の慣性によってブレーキ時の回生エネルギーが大きくなりやすい電動工具において特に顕著である。

(2) 演算部２１は、ブレーキ制御における機械進角を、モータ６の駆動制御における機械進角と比較して変更調整可能となっている。このため、発明の適用対象の仕様（モータ仕様や出力の大きさ等）に合わせ、機械進角を調整することで適切なブレーキ力を得ることができる。

(3) 演算部２１は、ブレーキ制御開始時のモータ６の回転数に応じてブレーキ制御におけるＰＷＭ制御のデューティ比を設定するため、モータ６の回転数に応じた適切なブレーキ力を発生させることができる。ここで、ブレーキ制御開始時のモータ６の回転数が低いほどデューティ比を小さくすることで、トリガ７を瞬間的に引いて戻す操作をした場合のブレーキ力を弱くすることができ、使い勝手が良い。また、進角の調整ではブレーキ力を弱めきれないときにブレーキ力を弱めることができるので、ブレーキ力の調整可能範囲を広げることができる。

(4) 第１スイッチ１１は２極スイッチのため、一方が溶着等によりオンに固定されても他方により電流を遮断できる。このため、第２スイッチ１２又は演算部２１に誤動作が発生してもモータ６が意図せず回転することを抑制できる。

(5) 第１スイッチ１１が第１ダイオードブリッジ１５の入力側に設けられるため、第１スイッチ１１がオフになった後のブレーキ制御において、第１ダイオードブリッジ１５を含むブレーキ電流の経路を好適に構成できる。本実施の形態では、ブレーキ時にはモータ駆動時と同様にインバータ回路４７を制御するため、ブレーキ制御時において交流電源からインバータ回路４７に電力が供給されるような状況になった場合には、モータを駆動させるような制御が実行されてしまう恐れがある。しかし上記のように、２極スイッチである第１スイッチ１１を第１ダイオードブリッジ１５の入力側に設けた本実施の形態では、インバータ回路４７への電力供給をより好適に遮断することができる。特に、第１ダイオードブリッジ１５をブレーキ時に生成する閉路に含ませるように制御する本実施の形態では、第１スイッチ１１を第１ダイオードブリッジ１５の入力側に設けているため、第１ダイオードブリッジ１５によって整流される前の交流が第１スイッチ１１に入力されるが、第１スイッチ１１を正側と負側の電流経路を遮断するような２極スイッチとしたので、正成分と負成分を含む交流をより好適に遮断することができる。従って、素子の劣化や破損等のリスクを抑制したブレーキ制御を、より好適に実現可能である。なお、何らかの異常によってブレーキ制御時（第２スイッチがオフの状態）において第１ダイオードブリッジ１５に電源からの交流が入力される場合、モータ６の回転数が低下しない、または増加する可能性があるが、この状態を検出した場合には、上記ブレーキ制御とは別の制御によってモータ６を停止させるのがよい。別の制御とは、例えばインバータ回路４７のスイッチングを行わずに自然に回転数を低下させる制御や、または砥石８ａの慣性エネルギーが十分小さくなるような所定の回転数まで自然に低下させたあと、下アーム側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のいずれかをデューティ比１００％でオンさせるような制御を含む。これら別の制御によれば、本実施の形態のブレーキ制御に比べてモータ６が停止するまでの時間が長くなってしまうが、砥石８ａの固定力低下を抑えつつ、回生エネルギーによる回路素子の劣化・破損を抑制することができる。

(6) 第１スイッチ１１が第１ダイオードブリッジ１５の入力側に設けられるため、図１２及び図１３に示す比較例１及び２のように第１スイッチ１１が第１ダイオードブリッジ１５の出力側に設けられる場合と異なり、第１スイッチ１１がオフになった場合に、第１グランドＧＮＤ１に対して第２グランドＧＮＤ２が浮いたり、第１グランドＧＮＤ１及び第２グランドＧＮＤ２が共に浮いたりすることが抑制され、ブレーキ制御における制御不能や制御不良を抑制できる。すなわち、図１２に示す比較例１では、演算部２１のグランドとなる第２グランドＧＮＤ２が第１グランドＧＮＤ１から浮いてしまい、図１３に示す比較例２では、第１グランドＧＮＤ１及び第２グランドＧＮＤ２が共に浮いてしまうが、本実施の形態ではそのような問題を好適に解決できる。

(7) 図１２及び図１３に示す比較例１及び２では、第１スイッチ１１のうち上側（プラス側）の一方が先にオンになると、回路全体に高電圧がかかり、下側（グランド側）の他方が後でオンになった瞬間に、電位差が生じているため大電流が流れ、素子破損の恐れがあるが、本実施の形態では、第１スイッチ１１が第１ダイオードブリッジ１５の入力側に設けられるため、そのような問題を好適に解決できる。

(8) 第１スイッチ１１が第１ダイオードブリッジ１５の入力側に設けられるため、第１ダイオードブリッジ１５が故障によりショートしても、第１スイッチ１１がオフであれば電流を遮断できる。なお、第２ダイオードブリッジ１６は、制御系電源用であって電流が小さいため、故障によるショートの発生率は第１ダイオードブリッジ１５と比較して遥に小さい。

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。

本発明は、グラインダ以外の他の種類の電動工具、例えば丸のこ等にも適用できる。実施の形態で例示した機械進角やデューティ比の具体的数値は一例に過ぎず、要求される仕様に応じて適宜設定すればよい。第２スイッチ１２は、第１スイッチ１１の内部に一体的に設けられてもよい。

１…電動工具、２…モータハウジング、３…ハンドルハウジング（テールカバー）、４…ギヤケース、５…減速機構（回転伝達機構）、６…モータ、６ａ…出力軸、６ｂ…ロータコア、６ｃ…ロータマグネット、６ｄ…ステータコア、６ｅ…ステータコイル、７…トリガ、７ａ…揺動支点（回動支点）、８…スピンドル、８ａ…砥石、９…電源コード、１０…フィルタ基板、１１…第１スイッチ（接点スイッチ）、１１ａ…ボタン、１１ｂ…バネ、１２…第２スイッチ（電子スイッチ）、１２ａ…板バネ、１５…第１ダイオードブリッジ、１６…第２ダイオードブリッジ、２０…補助電源・制御基板、２１…演算部（制御部）、２２…ＩＰＤ回路、２６…レギュレータ、３０…ブリッジ・インバータ基板（駆動基板）、４２…ホール素子（磁気センサ）、５０…交流電源

本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、
ブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータに通電するためのインバータ回路と、
前記インバータ回路を制御する制御部と、
前記インバータ回路への入力電圧の印加、遮断を切り替えるスイッチと、を備え、
前記インバータ回路は、上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子を有し、
前記制御部は、前記スイッチがオフになると、前記ブラシレスモータに制動力を与えるブレーキ制御を行い、
前記ブレーキ制御は、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子のスイッチング制御により、前記上アーム側スイッチング素子、前記ブラシレスモータ、前記下アーム側スイッチング素子、の順に電流を流す制御である。

Claims (9)

1. ブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータに通電するためのインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御する制御部と、
   前記インバータ回路への入力電圧の印加、遮断を切り替えるスイッチと、を備え、
   前記インバータ回路は、上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子を有し、
   前記制御部は、前記スイッチがオフになると、前記ブラシレスモータに制動力を与えるブレーキ制御を行い、
   前記ブレーキ制御は、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子のスイッチング制御により、前記上アーム側スイッチング素子、前記ブラシレスモータ、及び前記下アーム側スイッチング素子、を通る閉ループに電流を流す制御である、電動工具。
2. 交流を直流に変換して前記インバータ回路に供給する整流回路を備え、
   前記スイッチは、前記整流回路の入力側に設けられた２極スイッチであり、交流電源と前記整流回路の一方の入力端子との間、及び前記交流電源と前記整流回路の他方の入力端子との間、の双方の導通、遮断を切り替える、請求項１に記載の電動工具。
3. 前記制御部は、前記ブラシレスモータの回転数が閾値以下に低下すると、前記ブレーキ制御における前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子の少なくともいずれかのデューティを低下させる、請求項１又は２に記載の電動工具。
4. 前記制御部は、前記ブレーキ制御における進角を、前記ブラシレスモータの駆動制御における進角よりも大きくする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
5. 前記ブレーキ制御は、前記ブラシレスモータを駆動する際の電流方向と同方向の電流を前記インバータ回路に流すことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
6. 交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路からの電流を平滑する平滑コンデンサを有し、
   前記ブレーキ制御時の電流は、前記整流回路を通ることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。
7. 前記スイッチは、２極スイッチであり、前記インバータ回路に繋がる２つの経路の双方の導通、遮断を切り替える、請求項１に記載の電動工具。
8. 交流を直流に変換して前記インバータ回路に供給する第１整流回路を備え、
   前記スイッチは、前記第１整流回路の入力側に設けられ、交流電源と前記第１整流回路の一方の入力端子との間、及び前記交流電源と前記第１整流回路の他方の入力端子との間、の双方の導通、遮断を切り替える、請求項７に記載の電動工具。
9. 前記インバータ回路を制御する制御部と、
   前記制御部に電源を供給するための第２整流回路と、を備え、
   前記第２整流回路は、前記スイッチを介さずに前記交流電源に接続される、請求項８に記載の電動工具。

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