JP2023094061A - 電気機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動工具等の電気機器に関する。
電動工具等の電気機器には、主機能の他に付加機能(補助機能)を備えるものがある。例えば下記特許文献1のインパクトドライバでは、回転打撃機構を利用したネジ締めが主機能であり、ライトにより作業箇所を照らすことが付加機能である。
主機能と付加機能がある電気機器では、主機能の動作状態によって電源電圧が不安定になり、付加機能が正常に動作しないことがある。不安定な電源電圧により付加機能が正常に動作しなくなると、主機能の使い勝手にも影響し、利便性が低下する。また、付加機能の構成によっては配線が複雑になり組立難い場合がある。
本発明者は、以下の課題を認識した。
・課題1…電源電圧が不安定になっても付加機能を正常に動作させることができる電気機器を提供すること。
・課題2…電源電圧が不安定になっても主機能を正常に動作させることができる電気機器を提供すること。
・課題3…付加機能の追加による組立性の悪化や製造コストを抑制することができる電気機器を提供すること。
・課題4…電源電圧よりも高い電圧が必要な付加機能であっても正常に動作させることができる電気機器を提供すること。
・課題1…電源電圧が不安定になっても付加機能を正常に動作させることができる電気機器を提供すること。
・課題2…電源電圧が不安定になっても主機能を正常に動作させることができる電気機器を提供すること。
・課題3…付加機能の追加による組立性の悪化や製造コストを抑制することができる電気機器を提供すること。
・課題4…電源電圧よりも高い電圧が必要な付加機能であっても正常に動作させることができる電気機器を提供すること。
本発明は、上記課題1~4の少なくとも1つの解決を目的とする。
本発明のある態様は、電気機器である。この電気機器は、
電源部からの電力により駆動する第1負荷部と、
前記電源部と前記第1負荷部との間に接続され、前記電源部の出力電圧を変換して前記第1負荷部に供給する電圧変換部と、
前記第1負荷部を制御する制御部と、を備え、
前記電圧変換部は、前記電源部に接続される第1変換部と、前記第1変換部及び前記第1負荷部に接続された第2変換部と、を有する。
電源部からの電力により駆動する第1負荷部と、
前記電源部と前記第1負荷部との間に接続され、前記電源部の出力電圧を変換して前記第1負荷部に供給する電圧変換部と、
前記第1負荷部を制御する制御部と、を備え、
前記電圧変換部は、前記電源部に接続される第1変換部と、前記第1変換部及び前記第1負荷部に接続された第2変換部と、を有する。
本発明は「作業機」や「電動工具」等と表現されてもよく、そのように表現されたものも本発明の態様として有効である。
本発明によれば、上記課題1~4の少なくとも1つを解決できる。
以下において、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示である。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、電気機器1に関する。図1及び図2により、電気機器1の互いに直交する前後、上下方向を定義する。前後方向は、電気機器1のモータ軸3aと平行な方向である。電気機器1は、電動工具であり、具体的にはインパクトドライバである。
電気機器1は、ハウジング2を有する。ハウジング2は、胴体部2a、ハンドル部2b、及びバッテリ着脱部2cを含む。
胴体部2aは、中心軸が前後方向と略平行な筒状部である。ハウジング2は、胴体部2aの前部に接続される例えば金属製のハンマケース11を備える。ハンマケース11の前部表面は、保護部材であるフロントキャップ12に覆われる。
ハンドル部2bは、上端が胴体部2aの前後方向の中間部に接続されて前記中間部から下方に延びる。電気機器1は、ハンドル部2bの上端部に、トリガスイッチ6及び正逆切替レバー13(正逆切替ボタン)を有する。トリガスイッチ6は、ユーザがモータ3の駆動、停止(モータ3の駆動状態)を切替え可能な操作部である。トリガスイッチ6は、無段変速スイッチである。正逆切替レバー13は、ユーザがモータ3の正転と逆転、すなわち後述のアンビル10の正転と逆転を切替え可能な回転方向切替部である。
バッテリ着脱部2cは、ハンドル部2bの下端に設けられ、電源部となる電池パック7を着脱可能に装着できる。電気機器1は、電池パック7の電力で動作する。ここでは、一例として、電池パック7の定格電圧を10.8V(3.6Vセル×3個)とする。
電気機器1は、バッテリ着脱部2cの前部上面に操作パネル20(スイッチパネル)を有する。ユーザは、操作パネル20により、図4に示す照明スイッチ39のオンオフを操作できる。電気機器1は、バッテリ着脱部2cの内部に制御基板30を有する。
電気機器1は、胴体部2a及びハンマケース11内に、第2負荷部としてのモータ3、減速機構4、スピンドル5、ハンマ8、スプリング9、及び先端工具装着部としてのアンビル10を有する。減速機構4、スピンドル5、ハンマ8、及びスプリング9は、モータ3の駆動力(回転力)を回転打撃力に変換してアンビル10に作用させる回転打撃機構を構成する。
モータ3は、インナーロータ型のブラシレスモータである。減速機構4は、モータ3の回転を減速してスピンドル5に伝達する。スピンドル5はハンマ8を回転駆動する。スプリング9は、ハンマ8を前方に付勢する。ハンマ8は、アンビル10を回転ないし回転打撃する。すなわち、アンビル10は、モータ3の駆動力で駆動される。アンビル10は、ハンマケース11に回転可能に支持される。モータ3の駆動によるアンビル10の駆動は、電気機器1の主機能である。
電気機器1は、胴体部2a内にセンサ・インバータ基板15を有する。センサ・インバータ基板15は、モータ3の本体部(モータ3のうちモータ軸3aを除く部分)の前方においてモータ軸3aと略垂直な姿勢で支持される。センサ・インバータ基板15は、図4に示すホールIC43やインバータ回路部45を搭載する。
電気機器1は、ハンマケース11の前部の周囲に、照明基板としてのLED基板35を有する。LED基板35は、モータ軸3aと略垂直な姿勢で胴体部2a及びフロントキャップ12の内側に支持される。LED基板35は、図3(B)に示すように上部が切り欠かれた円環状であり、ハンマケース11の前部を略同軸に囲む。
電気機器1は、LED基板35の前面に、第1負荷部としての発光ダイオード(LED)D1~D3、一対の電極部36(端子部)、及び3つの導体パターン37を有する。
発光ダイオードD1は、前方から見てアンビル10の中心軸(以下「中心軸」)の真下に位置する。発光ダイオードD1~D3は、中心軸回りに120度間隔(等角度間隔)で設けられる。発光ダイオードD1~D3の前方は、それぞれ照明カバー34に覆われる。発光ダイオードD1~D3は、作業箇所を照らす照明部である。発光ダイオードD1~D3により作業箇所を照らす機能は、電気機器1の付加機能である。
一対の電極部36は、図2に示す配線38を介して制御基板20に電気的に接続され、図4に示す昇圧回路32の一対の出力端子にそれぞれ電気的に接続される。導体パターン37は、一対の電極部36間において発光ダイオードD1~D3を直列に接続する。
図4は、電気機器1の回路ブロック図である。コンデンサC1は、雑音防止用であり、電池パック7の出力端子間に設けられる。抵抗Rは、電流検出用ないし負荷検出用であり、モータ3に流れる電流(以下「モータ電流」)の経路に設けられる。
電気機器1は、センサ・インバータ基板15に、ホールIC43及びインバータ回路部45を有する。ホールIC43は、モータ3の回転位置検出用の位置センサ(磁気センサ)である。
インバータ回路部45は、電池パック7とモータ3との間に接続され、モータ3を駆動する。インバータ回路部45は、電池パック7の出力する直流電力をモータ3の駆動電力に変換し、モータ3に供給する。インバータ回路部45は、例えば、三相ブリッジ接続された6つのスイッチング素子を含む。モータ3は、電池パック7からの電力により駆動する。
電気機器1は、制御基板30に、第1変換部としての降圧回路31、第2変換部としての昇圧回路32、ドライブ回路部としてのゲートドライバ40(制御信号出力回路)、照明スイッチ39、照明駆動回路41、及び演算部42を有する。
降圧回路31及び昇圧回路32は、電池パック7と発光ダイオードD1~D3との間に接続され、かつ、電池パック7とゲートドライバ40との間に接続される。降圧回路31及び昇圧回路32は、電池パック7の出力電圧(以下「電池電圧」)を変換して発光ダイオードD1~D3及びゲートドライバ40に供給する電圧変換部を構成する。
降圧回路31は、逆流防止用のダイオードD4及び雑音防止用のコンデンサC2を介して電池パック7に接続される。降圧回路31には、ダイオードD4及びコンデンサC2を介して電池電圧が入力される。降圧回路31は、例えば5Vレギュレータであり、電池電圧を例えば5Vに降圧して出力する。降圧回路31は、演算部42の電源入力端子に接続される。降圧回路31の出力電圧は、演算部42の電源電圧となる。
昇圧回路32は、降圧回路31に接続され、降圧回路31の出力電圧を例えば12Vに昇圧して出力する。昇圧回路32は、一般的な昇圧型DCDCコンバータ、例えば昇圧型スイッチングレギュレータでよい。昇圧回路32は、昇圧IC33、チョークコイルL、ダイオードD5、及びコンデンサC3を含む。昇圧IC33は、コンデンサC3に並列のスイッチング素子とその制御回路を内蔵するユニットである。
昇圧回路32の出力電圧が一定であるのに対し、電池電圧は電池パック7の出力電流(以下「電池電流」)や残容量(以下「電池残量」)によって変化する。電池電圧は、満充電かつ電池電流がゼロの状態で最大(例えば12V)であり、そこから電池残量が低下するほど低下し、出力電流が大きくなるほど低下する。このため、電池電圧は、昇圧回路32の出力電圧よりも低い、又は低くなることがある。
昇圧回路32の出力電圧は、電池パック7の放電禁止電圧(以下「放電禁止電圧」)より高い。放電禁止電圧は、過放電防止のために設定される電圧であり、モータ3の停止時で例えば7.5V(2.5V/セル)である。
昇圧回路32は、発光ダイオードD1~D3に接続され、昇圧した出力電圧を発光ダイオードD1~D3に供給する。昇圧した出力電圧は、直列接続された発光ダイオードD1~D3の合計の動作電圧、すなわち発光ダイオードD1~D3の点灯に最低限必要な電圧(以下「LEDオン電圧」)より高い電圧である。LEDオン電圧は、放電禁止電圧より高い。
昇圧回路32は、ゲートドライバ40に接続され、昇圧した出力電圧をゲートドライバ40に電源電圧として供給する。ゲートドライバ40は、第1負荷部の一例である。すなわち、電気機器1において、発光ダイオードD1~D3及びゲートドライバ40がそれぞれ第1負荷部を構成する。
ゲートドライバ40は、演算部42の制御に従い、インバータ回路部45の各スイッチング素子の制御端子(各ゲート)に駆動信号、例えばPWM(Pulse Width Modulation)信号を伝達(印加)する。ゲートドライバ40は、インバータ回路部45のハイサイド側のスイッチング素子を駆動するためのブートストラップ回路を含む。ゲートドライバ40は、インバータ回路部45と共に、モータ3を駆動する駆動部を構成する。昇圧回路32の出力電圧は、駆動部の電源となる。
照明スイッチ39は、ユーザによってオンオフが切り替えられるスイッチであり、ユーザの操作に応じた照明切替信号を演算部42に送信する。照明駆動回路41は、演算部42の制御に従い、発光ダイオードD1~D3の点灯状態を制御する。
演算部42は、MCU(Micro Controller Unit)を含む。演算部42は、電気機器1の全体の動作を制御する制御部を構成する。演算部42は、照明駆動回路41の制御を通じて発光ダイオードD1~D3の点灯を制御する。演算部42は、ゲートドライバ40の制御を通じてモータ3の駆動を制御する。
演算部42は、抵抗Rの両端子間の電圧により、モータ3に流れる電流(以下「モータ電流」)を検出する。演算部42は、モータ電流により、モータ3にかかる負荷を検出する。演算部42は、トリガスイッチ6のオンオフ及び操作量(引き量)を検出する。演算部42は、正逆切替レバー13の指示する回転方向(以下「回転指示方向」)を検出する。演算部42は、ホールIC43の出力信号によりモータ3の回転位置(以下「モータ回転位置」)及びモータ3の回転数(以下「モータ回転数」)を検出する。
演算部42は、モータ電流、トリガスイッチ6のオンオフ及び操作量、回転指示方向、モータ回転位置、モータ回転数に応じて、ゲートドライバ40を制御し、モータ3の駆動を制御する。
図5は、電気機器1における、モータ電流、電池電圧、及び発光ダイオードD1~D3の照度(以下「LED照度」)の時間変化の一例を示す簡易グラフである。このグラフにおいて、照明スイッチ39は終始オンであるものとする。後述の図6~図8においても同様とする。
時刻t1においてユーザのトリガスイッチ6のオンによりモータ3が起動し、モータ電流が上昇していく。モータ電流の上昇に伴い電池電圧が低下し、時刻t2において電池電圧がLEDオン電圧を下回る。その後、モータ電流は作業に応じて変化し、それに伴い電池電圧は、LEDオン電圧を超えたり下回ったりする変化を繰り返す。
具体的には、電池電圧は、時刻t3においてLEDオン電圧を超え、時刻t4においてLEDオン電圧を下回り、時刻t5においてLEDオン電圧を超え、時刻t6においてLEDオン電圧を下回り、時刻t7おいてLEDオン電圧を超える。
その後、モータ電流は更に低下し、時刻t8において0となる。これにより電池電圧は回復するが、電池残量が時刻t1以前よりも低下しているため、電池電圧は時刻t1以前よりも少し低い値に留まる。なお、時刻t6とt7の間のモータ電流が低下し始めた時刻が、ユーザがトリガスイッチ6をオフにしたタイミングである。
一連の動作において、電池電圧はLEDオン電圧を跨いで上下に変動するが、発光ダイオードD1~D3には昇圧回路32から一定の駆動電圧が供給されるため、LED照度は終始一定に保たれる。
図6は、電気機器1における、モータ電流、電池電圧、及びLED照度の時間変化の別例を示す簡易グラフである。
時刻t11においてユーザのトリガスイッチ6のオンによりモータ3が起動し、モータ電流が上昇していく。モータ電流は、時刻t13まで上昇を続け、時刻t13~t14の期間は一定で、時刻t14~t16の期間に低下して0となる。
モータ電流の変化に伴い電池電圧も変化する。具体的には、電池電圧は、時刻t11から低下し始め、時刻t12においてLEDオン電圧を下回り、更に時刻t13まで低下を続け、時刻t13~t14の期間は一定で、時刻t14~t16の期間に上昇する。図5の場合と同様に、電池残量が時刻t11以前よりも低下しているため、時刻16における電池電圧は時刻t11以前よりも少し低い値に留まる。なお、時刻t14が、ユーザがトリガスイッチ6をオフにしたタイミングである。
一連の動作において、電池電圧は時刻t12~t15の期間はLEDオン電圧以下となっているが、発光ダイオードD1~D3には昇圧回路32から一定の駆動電圧が供給されるため、LED照度は時刻t12~t15の期間も含め終始一定に保たれる。
図7は、比較例の電気機器であって電池パック7の電圧を直接発光ダイオードD1~D3に印加する構成の電気機器における、モータ電流、電池電圧、及びLED照度の時間変化の一例を示す簡易グラフである。図7におけるモータ電流と電池電圧の時間変化は、図5におけるモータ電流と電池電圧の時間変化と同じである。
比較例の電気機器では、時刻t1~t2の期間に電池電圧が低下するのに伴い、LED照度が低下する。時刻t2において電池電圧がLEDオン電圧を下回ると、発光ダイオードD1~D3が消灯する(LED照度がゼロになる)。時刻t2~t7の期間では、電池電圧が一時的にLEDオン電圧オン電圧を超える時刻t3~t4の期間と時刻t5~t6の期間に発光ダイオードD1~D3が点灯する(LED照度が少し立ち上がる)。時刻t7~t8の期間に電池電圧が上昇するのに伴い、LED照度は上昇する。
図8は、前記比較例の電気機器における、モータ電流、電池電圧、及びLED照度の時間変化の別例を示す簡易グラフである。図8におけるモータ電流と電池電圧の時間変化は、図6におけるモータ電流と電池電圧の時間変化と同じである。
比較例の電気機器では、時刻t11~t12の期間に電池電圧が低下するのに伴い、LED照度が低下する。時刻t12において電池電圧がLEDオン電圧を下回ると、発光ダイオードD1~D3が消灯する(LED照度がゼロになる)。発光ダイオードD1~D3の消灯は時刻t15まで継続する。時刻t15~t16の期間に電池電圧が上昇するのに伴い、LED照度は上昇する。
このように比較例の電気機器では、電池電圧の変動によりLED照度が変動し、ちらつきが発生してしまう。また、電池電圧がLEDオン電圧を下回ると、発光ダイオードD1~D3が消灯してしまう。発光ダイオードD1~D3のちらつきや意図せぬ消灯は、作業性を悪化させる。本実施の形態は、こうした比較例の課題を好適に解決するものである。
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) 電池電圧の変動に影響を受けない昇圧回路32の安定した出力電圧により発光ダイオードD1~D3を駆動するため、モータ電流や電池残量によって電池電圧が変動してもLED照度が一定となり、作業性が良く利便性が高い。
(2) 昇圧回路32は、電池電圧よりも高い電圧を出力できるため、発光ダイオードD1~D3の動作(点灯)に電池電圧よりも高い電圧を要する場合であっても発光ダイオードD1~D3を正常に動作(点灯)させることができ、利便性が高い。
(3) 昇圧回路32は、電池電圧の変動に影響を受けない降圧回路31の安定した出力電圧を入力とするため、モータ電流や電池残量によって電池電圧が変動しても安定した昇圧動作が可能となる。また昇圧回路32として入力電圧範囲が狭い安価なIC(Integrated Circuit)を用いることができ、コストを抑制できる。
(4) 演算部42の電源となる降圧回路31の出力電圧を昇圧回路32の入力電圧とするため、昇圧回路32の入力電圧を生成するために別の電源回路を準備する必要がなく、部品点数及びコストを抑制できる。
(5) 発光ダイオードD1~D3が互いに直列接続のため、並列接続の場合と比較して、LED基板35と制御基板30とを接続する配線38の複雑化を抑制でき、またLED基板35上の導体パターン37の複雑化を抑制でき、組立性の悪化や製造コストを抑制できる。
(6) 電池電圧の変動に影響を受けない昇圧回路32の安定した出力電圧をゲートドライバ40に供給するため、モータ電流や電池残量によって電池電圧が変動してもゲートドライバ40を安定的に駆動でき、インバータ回路部45のスイッチング素子の駆動信号を安定させることができる。
(7) 単一の昇圧回路32により発光ダイオードD1~D3の駆動電圧とゲートドライバ40への供給電圧の双方を確保できるため、部品点数及びコストを抑制できる。
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。
実施の形態で具体的な数値として例示した電池パック7の定格電圧や降圧回路31の出力電圧、昇圧回路32の出力電圧、第1負荷部としての発光ダイオードの個数(直列接続数)等は、発明の範囲を何ら限定するものではなく、要求される仕様に合わせて任意に変更できる。
例えば、電池パック7の定格電圧は、14.4V(3.6Vセル×4個)や18V(3.6Vセル×5個)等であってもよい。昇圧回路32の出力電圧は、ゲートドライバ40が入力電圧として許容できる範囲であれば、12Vを超えてもよい。ゲートドライバ40がブートストラップ回路の場合、昇圧回路32の出力電圧は20V以下が好ましい。
本発明の電気機器は、インパクトドライバ以外の電動工具であってもよいし、電動工具以外の電気機器であってもよい。電源部は、着脱可能な電池パックに限定されず、電気機器本体に内蔵した電池であってもよいし、商用電源であってもよい。
1…電気機器、2…ハウジング、2a…胴体部、2b…ハンドル部、2c…バッテリ着脱部、3…モータ、3a…モータ軸、4…減速機構、5…スピンドル、6…トリガスイッチ(操作部)、7…電池パック、8…ハンマ、9…スプリング、10…アンビル(先端工具装着部)、11…ハンマケース、12…フロントキャップ(保護部材)、13…正逆切替レバー(回転方向切替部)、15…センサ・インバータ基板、20…操作パネル(スイッチパネル)、30…制御基板、31…降圧回路(第1変換部)、32…昇圧回路(第2変換部)、33…昇圧IC、34…照明カバー、35…LED基板(照明基板)、36…電極部(端子部)、37…導体パターン、38…配線、39…照明スイッチ、40…ゲートドライバ(制御信号出力回路)、41…照明駆動回路、42…演算部(制御部)、43…ホールIC(磁気センサ)、45…インバータ回路部、C1~C3…コンデンサ、D1~D3…発光ダイオード(発光素子)、D4、D5…ダイオード、L…チョークコイル。
Claims (11)
- 電源部からの電力により駆動する第1負荷部と、
前記電源部と前記第1負荷部との間に接続され、前記電源部の出力電圧を変換して前記第1負荷部に供給する電圧変換部と、
前記第1負荷部を制御する制御部と、
を備え、
前記電圧変換部は、前記電源部に接続される第1変換部と、前記第1変換部及び前記第1負荷部に接続された第2変換部と、を有する、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項1に記載の電気機器であって、
前記第1変換部は、前記電源部の出力電圧を降圧して出力する、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項1又は2に記載の電気機器であって、
前記第2変換部は、前記第1変換部の出力電圧を昇圧して出力する、
ことを特徴とする電気機器 - 請求項3に記載の電気機器であって、
前記電源部の出力電圧は、前記第2変換部の出力電圧よりも低い、又は低くなることがある、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の電気機器であって、
前記電源部からの電力により駆動する第2負荷部と、
前記電源部と前記第2負荷部との間に接続され、前記第2負荷部を駆動する駆動部と、
を備え、
前記第2変換部の出力は、前記駆動部の電源となる、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項5に記載の電気機器であって、
前記駆動部は、前記第2負荷部に接続されるインバータ回路部と、前記インバータ回路部に駆動信号を伝達するドライブ回路部と、を有し、
前記第1負荷部は、前記ドライブ回路部を有する、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の電気機器であって、
前記第1変換部の出力は、前記制御部の電源となる、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の電気機器であって、
前記第1負荷部は、互いに直列に接続された複数のLEDを有し、
前記第2変換部は、前記複数のLEDの動作電圧より高い電圧を出力する、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載の電気機器であって、
前記電圧変換部及び前記制御部を収容するハウジングを備え、
前記電源部は、前記ハウジングに対して着脱可能な電池パックである、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項9に記載の電気機器であって、
前記第2変換部は、前記第1変換部の出力電圧を前記電池パックの放電禁止電圧より高い電圧に昇圧する、
ことを特徴とする電気機器。 - 請求項8に記載の電気機器であって、
前記電圧変換部及び前記制御部を収容するハウジングを備え、
前記電源部は、前記ハウジングに対して着脱可能な電池パックであり、
前記複数のLEDの動作電圧は、前記電池パックの放電禁止電圧より高い、
ことを特徴とする電気機器。
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