JP2696170B2 - 電動工具の電池駆動による制御回路 - Google Patents

電動工具の電池駆動による制御回路

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は電池を電源とする電動工具のトルク及び回転
数制御装置に関するものである。 (従来の技術) 従来、直流モータのトルク−回転数特性は第11図に示
す通りで、電池駆動電動工具が例えば電動ドライバの場
合、第11図のN1の回転数でネジ締めをすると、締め工程
終了のモーターロック時にはT1のロックトルクが発生
し、このロックトルクによってネジが切れてしまうおそ
れがあり、そのため、このような場合には、モータ軸心
上に機械的トルクリミッタのクラッチを取付けてモータ
が第12図のT1′で空転するようにしている。 一方、機械的トルクリミッタは、リミッタ機構部の摩
耗のため寿命が短く、短期間で部品を交換する必要があ
り、そこで、第8図に示すように、電池1、電源スイッ
チ2、モータ3、パワーMOS FET4、電流検出抵抗5を
直列に接続し、電池1を電源とする三角波発生器6から
の出力を任意デューティー比のパルスに変換してMOS F
ET4のゲートに入力させる比較器7と、電流検出抵抗5
からの出力に比例して比較器7から出力されるパルスの
デューティー比を制御するデューティー比制御回路8
と、電流検出抵抗5からの出力が予め設定したモータ3
の設定トルクに対応したときにMOS FET4のゲート電圧
を制御してモータ3に対する電源の供給を停止させるト
ルクリミッタ回路9とのそれぞれからなる電子式トルク
リミッタ装置が考えられ、この第8図の回路によってモ
ータ3は第10図に示すトルク−回転数特性で制御され
る。 このような電子式トルクリミッタ装置の場合、第9図
に示すようにソース端子Sと0V間に電流検出抵抗5を用
いて、その両端の電圧降下を負荷電流と見做すことがで
き、その場合の電流検出抵抗5の値は通常10〜20mΩ程
度であるが、通電電流として10A以上が流れるため、電
流検出抵抗5としては P=I2R=102×(20×10-3) =2watt で、P=2watt以上の抵抗を要することになり、このよ
うな低抵抗値、高電力抵抗を実現するためには、例えば
0.75mm2位の絶縁リード線を0.5〜1mコイル状に巻いて用
いているが、この電流検出抵抗5からはワット数に対応
した発熱があることから、この電流検出抵抗5の実装に
は非常に苦慮し、特に、モータ特性を考慮して十分な放
熱を考慮すると電動工具の形状が大きくなって、電動工
具を用いての作業性、携帯性等に支障を来たすと言う欠
点があった。 (発明が解決しようとする問題点) 本発明は、電池駆動式電動工具(例えば電動ドライ
バ)において、電動工具の外形形状を大きくすることな
く、優れたトルクリミッタ特性を有し、且つ電流検出抵
抗による電池電力の大きなロスを無くし、実質駆動時間
を長くした制御回路を提供することにある。 (問題を解決するための手段) 上記課題解決のための技術的手段は、電動工具の電池
駆動による制御回路を、モータと、オンに制御されたと
き前記モータに駆動電流を通電する電流センス端子付き
のMOS FETと、このMOS FETの電流センス端子に接続さ
れて前記駆動電流に対応した電流を検出する電流検出抵
抗と、三角波信号を出力する三角波発生器と、前記三角
波信号に基づいて可変デューティー比のパルス信号を生
成し、このパルス信号を前記MOS FETのゲートに出力し
てこのMOS FETをデューティー制御する比較器と、前記
電流検出抵抗において検出された前記電流が所定の値に
なったとき前記三角波信号の出力を止めさせ、前記MOS
FETをオフに制御するトルクリミッタ回路とを備えた
構成にすることである。 (作用) 上記構成の電動工具の電池駆動による制御回路によれ
ば、比較器から出力されたパルス信号が電流センス端子
付きのMOS FETのゲートに入力されると、このMOS FET
がデューティー制御され、パルス信号のデューティー比
に対応した駆動電流がモータに通電される。この状態で
モータに負荷がかかると、負荷の大きさに応じた駆動電
流がモータに流れ、MOS FETの電流センス端子に接続さ
れた電流検出抵抗には上記駆動電流に対応した微小電流
が流れるため、トルクリミッタ回路は、この電流に基づ
くモータのトルクが設定トルクに達すると三角波発生器
からの三角波信号の出力を止めさせ、MOS FETをオフ制
御することによりモータの回転を停止させる。 上記電流検出抵抗に流れる電流はモータに流れる駆動
電流に比較して極めて小さい微弱電流のため、電力容量
が極めて小さく外形寸法の小さい電流検出抵抗を用いる
ことが可能であり、電動工具の全体的な寸法を小さくす
ることが可能になる。 (実施例) 次に、本発明の実施例の構成を第1図〜第7図によっ
て説明する。 次に第1図は電池ドライバの構造図を示す。電池ドラ
イバ11は本体12の下部にある電池挿入孔13に電池パック
14が挿入され、メインスイッチSW1は付属のバッテリ端
子と接合し、モータMの上部には電気制御回路15、ダイ
アル16によって調節される可変抵抗VR1、ダイアル17に
よって調節される可変抵抗VR2があり、VR1は変速用に用
い、VR2はトルクリミッタ調節用に用い、かつ、モータ
Mにはギヤ列18を介してチェック19が結合している。 次に、第2図は本実施例のブロック回路図、第3図は
その電気回路図であって、第2図中のEa〜EhはモータM
が無負荷のときの電圧であって、第4図に示す動作をす
るとともに、負荷が増加するとEhは第5図のように変化
する。 電源用電池Bには電源スイッチSW1と、電動工具駆動
用直流モータMと、モータMに対する電力制御用パワー
MOS FETトランジスタでバイポーラトランジスタに比し
てオン抵抗が小さく放熱板を小さくできるとともに何個
でも並列に接続して例えば2個並列に接続することによ
って1個の場合に比較して電力損失を半分にすることが
できる電流センス端子付MOS FETトランジスタTr2と、
モータM電流検出用20〜30Ω程度の抵抗R1とのそれぞれ
が直列に接続され、MOS FETトランジスタTr2のゲート
端子には、コンパレータIC1と抵抗R2〜R6,R15とコンデ
ンサC1,C2とのそれぞれからなる三角波発生器であっ
て、C1とR3とで発振周波数が設定され、抵抗R2〜R6,R15
で振幅が定まる三角波発生器20からの出力が、コンパレ
ータIC2と抵抗R7〜R10とVR1からなる電圧比較回路21で
あってVR1の変化によって生ずる比較電圧の変化でデュ
ーティー比を変化させるパルス発生回路22を介して任意
デューティー比のパルスに変換された状態でトランジス
タTr1に入力され、電流検出抵抗R1からの出力は、電流
波形にのる高周波成分をカットするローパスフィルタの
コンデンサC4から、コンパレータIC3と抵抗R16〜R19と
コンデンサC5とからなる非反転増幅器23と、抵抗R20と
コンデンサC3、ダイオードD2とからなり、非反転増幅器
23からの出力パルスをレベル電圧にする積分回路24と、
コンパレータIC4と抵抗R21〜R25と可変抵抗VR2とからな
る電圧比較回路25と、トランジスタTr4と抵抗R26〜R28
とからなる出力回路26を介して停止回路27を形成するSC
R1のゲート端子に入力されている。 次に、本実施例の作用について説明する。 まず、直流モータMの無負荷回転数を変える手段とし
て、本実施例の前記制御回路はパルスのデューティー比
制御でモータMへの平均印加電圧を変えるものであっ
て、モータMの電圧をVt、電機子反作用Ea、無電機子抵
抗Ra、モータ電流Iaとの間には Vt=Ea+Ia・Ra 従って、 が成立つ。 その結果、トルクが増大して回転数が減少すると無機
子反作用Eaが小さくなるため、モータ電流Iaが増大する
ことになり、これはモータ電流Ia、即ち、駆動パルス電
流の振幅を増大させることになる。 従って、この駆動パルス電流の振幅を固定低抵抗のR1
にて電圧に変換して増幅した後、積分回路24にてレベル
電圧に変えて電圧比較回路25に入力することによってリ
ミッタ動作を行なわせることができる。 次に、モータMの可変速は次のようにして行なわれ
る。 即ち、第4図は可変抵抗VR1でコンパレータIC2の比較
電圧EOをEO1,EO2,EO3のように変化させた場合のモータ
無負荷時動作特性であって、従って、可変抵抗VR1でコ
ンパレータIC2の比較電圧EOをEO1,EO2,EO3のように変化
させることによって、パルス発生の電圧比較回路25から
のパルスのデューティー比がt1/t0〜t3/t0のように変化
して、モータMの回転数は低速から高速に変化すること
ができる。 次に、第5図はコンパレータIC2の比較電圧EOを一定
にした無負荷状態においてモータMに約50%の電圧が印
加されるようにパルスのデューティー比を無負荷時約1/
2に設定して、モータMの負荷を増大させた場合であっ
て、今、モータMの負荷が増大すると、モータMの回転
数が減少してモータ電流Iaが増大するとともに、電流検
出抵抗R1両端からのパルス電圧Ecの振幅も増大して、積
分回路24の出力電圧もEe1からEe2に増大する。 更に、ネジ締め終了等のトルク過大状態になってモー
タM電流Iaが大幅に増大して、積分回路24らの出力電圧
Ee3がネジ締めトルク等に合せて可変抵抗VR2で設定され
た基準電圧Egを越えると、電圧比較回路25の出力がオン
になって、トランジスタTr4とSCR1がオンになるため、
三角波発生器20の発振が停止して、コンパレータIC1の
−端子がOVとなり、コンパレータIC2の出力電圧もOV、
トランジスタTr1もOFFとなって、MOS FETトランジスタ
Tr2,Tr3のゲート電圧がOVになり、トランジスタTr2,Tr3
とともにモータMはオフする。 モータMがOFFすると、電圧Ec,EhもOVになるがSCR1は
陽極電流が流えている限り導通状態を維持するので三角
波発生器20の発振は停止し続け、引続きモータ電流は遮
断される。 このようにして、例えば電気ドライバは締め過ぎによ
ってネジがネジ切られることはなく、又、過負荷時にお
けるモータMの焼損も確実に防止でき、その上、リミッ
タ動作時にモータMは一定トルク付与状態で停止してい
るのではなく、電源供給停止状態で確実に停止している
ため、電池の不要な電力消費を低減できる上、リミッタ
動作後の一定トルク付与状態を続けた場合に発生する増
し締めによるネジ切れ現象をも防止することができる。 なお、第3図ではモータの駆動電流を増すため、MOS
FET Tr2と並列にMOS FET Tr3を接続し、この場合
の動作は第6図に示される。 (発明の効果) 以上のように本発明によれば、MOS FETの電流センス
端子に接続された電流検出抵抗において検出された電流
に基づくモータのトルクが設定トルクに達すると三角波
信号の出力が止められ、MOS FETがオフに制御されるた
めにモータの過大出力やモータの焼損を防止することが
できるという効果がある。 更に、電流センス端子付きのMOS FETを用いたことに
より、電流検出抵抗に流れる電流はモータ駆動電流に比
較して極めて小さい微弱電流のため、電力容量が極めて
小さく外形寸法の大きい電流検出抵抗を用いることが可
能であり、この電流検出抵抗を取り付ける電動工具の全
体的な寸法を小さくすることができるという効果があ
る。 また、電池駆動式電動工具(例えば電動ドライバ)に
おいて、電動工具の外形形状を大きくすることなく、優
れたトルクリミッタ特性を有し、且つ電流検出抵抗によ
る電池電力の大きなロスを無くし、実質駆動時間を長く
することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例の電池ドライバのりゃくたい
破断側面図、第2図はその制御回路のブロック図、第3
図はその電気制御回路図、第4図〜第6図はその動作線
図、第7図はそのMOS FETの接続図、第8図は従来実施
例の電気制御回路図、第9図は従来のMOS FETの接続
図、第10図は第8図の電気制御回路における直流モータ
のトルク−回転数特性図、第11図と第12図は従来実施例
における直流モータのトルク−回転数特性図である。 B……電源用電池、M……直流モータ Tr2……MOS FETトランジスタ R1……モータ電流検出用抵抗 20……三角波発生器、21……電圧比較回路 22……パルス発生回路、25……電圧比較回路 27……停止回路
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−121796(JP,A) 特開 平1−129461(JP,A) 特開 昭61−147793(JP,A) アイアールファーイースト株式会社発 行 「パワーMOSFET アプリケー ションノート」

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.モータと、オンに制御されたとき前記モータに駆動
    電流を通電する電流センス端子付きのMOS FETと、この
    MOS FETの電流センス端子に接続されて前記駆動電流に
    対応した電流を検出する電流検出抵抗と、三角波信号を
    出力する三角波発生器と、前記三角波信号に基づいて可
    変デューティー比のパルス信号を生成し、このパルス信
    号を前記MOS FETのゲートに出力してこのMOS FETをデ
    ューティー制御する比較器と、前記電流検出抵抗におい
    て検出された前記電流が所定の値になったとき前記MOS
    FETをオフに制御するトルクリミッタ回路とを備えた
    ことを特徴とする電動工具の電池駆動による制御回路。
JP62322575A 1987-12-18 1987-12-18 電動工具の電池駆動による制御回路 Expired - Fee Related JP2696170B2 (ja)

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