JP3268086B2 - 直流モータの過負荷防止回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流モータに過負荷が
作用したときに、直流モータに対する通電を強制的に停
止して直流モータ等の損傷を防止する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に従来の過負荷防止技術を模式的に
示す。図５から明らかに、直流モータを駆動するために
直流電源と直流モータと強制停止スイッチの直列回路が
構成されている。強制停止スイッチは直流モータに過負
荷が作用したときに自動的にオフして直流モータへの通
電を停止させるものである。直流モータへの通電を強制
的に停止させるために、直流モータにかかる電圧に相当
する電圧（例えば直流モータにかかる電圧が分圧された
電圧等であり、以後モータ電圧という）ＶM を一方の端
子に入力し、基準電圧ＶS を他方の端子に入力し、ＶM
＜ＶS のときに強制停止スイッチをオフさせる比較回路
が付加されている。モータ電圧ＶM は直流モータに過負
荷が作用すると低下する。そして基準電圧ＶS は図５
(B) に示されているように、直流モータがロックしたと
きのモータ電圧に設定されている。このため図５(A) の
回路によると、図５(B) に示されるように、モータがロ
ックしたときに強制停止スイッチがオフされ、直流モー
タの損傷が防止されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、直流モータ
がロックするときのモータ電圧は必ずしも一定でない。
例えば直流電源として充電可能な電池が用いられている
ような場合、充電直後にはロック時のモータ電圧が比較
的高いのに対し、再充電直前になるともともと電池電圧
が低下しているためにロック時のモータ電圧が低くなる
（図５(C) 参照）。また周知のように電池電圧は温度に
よっても変化するために、高温環境下におけるロック時
のモータ電圧に比して低温環境下におけるロック時のモ
ータ電圧は低い。

【０００４】このため、基準電圧の値を電池電圧が高い
状態下におけるロック時に強制停止されるように設定し
ておくと、再充電直前の電池を使用している場合や低温
環境下で使用している場合には直流モータがロックする
前に強制的に通電がオフされてしまい、本来ならロック
する前に達成できる作業ができなくなってしまう。逆に
電池電圧が低い場合にあわせて基準電圧を設定しておく
と、電池電圧が高い環境下ではモータがロックしても通
電が停止されなくなり、モータの損傷等を防止できなく
なってしまう。本発明は、モータのロック時のモータ電
圧が一定ではないという問題を克服し、使用条件にかか
わらず、ロック時ないしはロック時の前後に通電が強制
的に停止されるようにするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は直流電源と直流
モータと強制停止スイッチの直列回路に付加される直流
モータの過負荷防止回路に関するものであり、この回路
は図１に模式的に示されているように、該直流モータに
かかる電圧に相当する電圧ＶM を所定電圧だけ降下させ
る電圧降下回路と、該電圧降下回路の出力電圧の変化を
遅らせる遅延回路と、該遅延回路の出力電圧Ｖc を一方
の端子に入力し、前記電圧ＶM を他方の端子に入力し、
ＶM ＜ＶC のときに前記強制停止スイッチをオフさせる
比較回路とで構成されている。なおここでいう遅延回路
とは、変化を遅らせる回路のみならず、過去の電圧を積
分ないし平均化することによって、電圧変化をゆるやか
な変化に変える回路をも含んでいる。すなわちここでい
う遅延回路は広義のものであり、狭義の遅延回路の他に
積分回路と平均回路を含むものである。

【０００６】

【作用】この回路によると、電圧降下回路が用いられて
いるために、遅延回路に入力される電圧はモータ電圧Ｖ
M より所定電圧Ｖa だけ低い電圧となっている。モータ
電圧の変動がゆるやかなケース、すなわち直流モータが
正常に回転している間は、遅延回路からの出力電圧ＶC
はＶC ＝ＶM −Ｖa となり、ＶM ＞ＶC の関係が維持さ
れる。このため強制停止スイッチはオフされない。

【０００７】しかるに直流モータに過負荷が作用する
と、モータ電圧ＶM は急速に低下する。このとき遅延回
路に入力される電圧も低下するが、遅延回路から出力さ
れる電圧は遅れて変化する（あるいはゆるやかに変化す
る）ために、過負荷が作用したときから一定期間後にＶ
M ＜ＶC となり、強制停止スイッチがオフされる。この
とき、電圧降下回路による降下電圧Ｖa を適値にとって
おくと、モータロック時にＶM ＝ＶC となるようにする
ことができる。

【０００８】そして、この現象は図１(B)(C)に例示され
ているように、直流電源の電圧が高い環境下でも、低い
環境下でも同様に得られる。このために、図５(B)(C)で
説明した従来技術の不完全性が克服され、使用環境によ
ることなく、ロック時ないしロック時の前後で通電を強
制的に停止させることができる。

【０００９】

【実施例】次に本発明を具現化した一実施例について説
明する。この実施例は電池駆動式電動工具のための直流
モータに対して本発明を適用したものであり、その具体
的回路が図２に示されている。図中ＢＰは電池パックを
示している。この電池パックＢＰはニッケル・カドミウ
ム電池のセルを内蔵しており、充電可能となっている。
この電池パックＢＰを電動工具の電池収容部に収容した
ときに、電池接点が工具側の接点ＣＮ１，ＣＮ２に接続
されるようになっている。この電池パックＢＰは充電可
能であり、充電済みの電池パックＢＰが前記の電池収容
部に収容され、使用後電池収容部から取出されて交換さ
れる。

【００１０】電池パックＢＰがセットされると、接点Ｃ
Ｎ１，ＣＮ２を介して電池パックＢＰと操作用の手動電
源スイッチＳＷ１と正逆転切換スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ
２ｂと直流モータＭと強制停止スイッチＦＥＴが直列に
接続された回路が完成する。操作用の手動電源スイッチ
ＳＷ１はａ，ｂ接点間で切換可能となっており、工具使
用者がオン操作している間ａ接点となり、オン操作を止
めるとｂ接点となる。正逆転切換スイッチＳＷ２ａ，Ｓ
Ｗ２ｂは、ｄ・ｅ接点側とｃ・ｆ接点側で切換可能とな
っており、ｄ・ｅ接点側のときは直流モータＭに正転方
向に直流電流を流し、ｃ・ｆ接点側のときは逆転方向に
直流電流を流す。強制停止スイッチＦＥＴがオンの状態
で、手動電源スイッチＳＷ１がオン操作されてａ接点が
閉じられると、直流モータＭに電流が流れる。一方手動
電源スイッチＳＷ１がオン操作されないでｂ接点が閉じ
ると、直流モータＭの制動回路が完成する。

【００１１】強制停止スイッチには電界効果トランジス
タＦＥＴが用いられており、モータＭを強制的にオフさ
せる。強制停止スイッチＦＥＴがオフであるかぎり、手
動電源スイッチＳＷ１をオン操作してもモータＭに電流
は流れない。また手動電源スイッチＳＷ１がオンされて
いても、強制停止スイッチＦＥＴがオフされると、モー
タＭへの通電が強制的に停止される。この強制停止用電
界効果トランジスタＦＥＴはゲート電極にハイ電圧が印
加されたときにオンし、ハイ電圧が印加されないとオフ
する。

【００１２】次に強制停止用の電界効果トランジスタＦ
ＥＴの制御回路について説明する。図中２は電池パック
ＢＰの残容量が不充分なときに、電界効果トランジスタ
ＦＥＴをオフさせる強制停止回路である。また図中６は
モータＭに過負荷が作用したときに、モータＭへの通電
を強制的に停止させるための回路である。この発明の主
題は、過負荷時の強制停止回路６によって具現化されて
いるが、説明は先に強制停止回路２についてすすめる。
なお強制停止回路６の説明は段落００２１以後に記載さ
れている。

【００１３】強制停止回路２は第１の比較回路ＣＭ１を
有し、プラス側の入力端子には電池電圧を分圧した電圧
Ｖ１が入力され、マイナス側の入力端子にはツェナーダ
イオードＺＤ１の降伏電圧Ｖ２（これは一定の電圧とな
る）が入力される。ここで前記の電位Ｖ１とＶ２は、電
池パックＢＰの残容量が適正範囲内にある間は、直流モ
ータＭの始動時（このときＶ１は最も低下する）におい
てもＶ１＞Ｖ２の関係となる一方、電池パックＢＰの残
容量が所定値以下になると、モータＭの始動時にＶ１＜
Ｖ２の関係となるように調整されている。

【００１４】第１の比較回路ＣＭ１の出力は第１のナン
ド式ラッチ回路４のＳ１端子に入力される。ナンド式ラ
ッチ回路４のＲ１端子には電池電圧が入力される（図２
中マルＡに示される部位の電圧が入力される）。図３を
参照して、この回路の作用を説明する。電池パックＢＰ
の交換時、手動電源スイッチＳＷ１はオフであり、ａ接
点は開いている。この状態で充電済み電池パックＢＰが
セットされると、Ｖ１＞Ｖ２となり、第１比較回路ＣＭ
１はハイ電圧を出力し、Ｓ１接点にハイ電圧が入力され
る（コンデンサＣ１によって若干遅れる）。一方Ｒ１端
子に入力される電圧もハイとなる（ここでもコンデンサ
Ｃ２によって若干遅れてハイ電圧となる）。コンデンサ
Ｃ１とＣ２の容量の相違によって、Ｒ１端子の方がＳ１
端子よりも遅れてハイ電圧となる。

【００１５】ナンド式ラッチ回路４の挙動は図３(B) の
ように変化する。前述のように、電池パックＢＰが挿入
された瞬間、Ｓ１，Ｒ１端子はともにローであり、Ｑ１
ａ端子もＱ１ｂ端子もハイとなる。次にＳ１端子の方が
先にハイ電圧となる。そこでＱ１ａ端子はロー、Ｑ１ｂ
端子はハイのままとなる。その後Ｒ１端子もハイ電圧と
なる。このときはＱ１ａ，Ｑ１ｂ端子の出力に変化はな
く、Ｑ１ａ端子はロー、Ｑ１ｂ端子はハイのままとな
る。

【００１６】第１ラッチ回路４のＱ１ｂ端子にダイオー
ドＤ２を介して強制停止スイッチＦＥＴのゲートが接続
されている。Ｑ１ｂ端子がローの間はゲート電位がロー
であり、強制停止スイッチＦＥＴはオフとなる。また後
述のように第２ラッチ回路８のＱ２ｂ端子にダイオード
Ｄ３を介して強制停止スイッチＦＥＴのゲートが接続さ
れている。このためＱ２ｂ端子がローの間はゲート電位
がローであり、強制停止スイッチＦＥＴはオフとなる。
すなわち、強制停止スイッチＦＥＴはＱ１ｂ端子とＱ２
ｂ端子の双方がハイのときにオンし、少なくともいずれ
か一方がローであると強制的にオフされる。

【００１７】前述のように、電池パックＢＰが交換のた
めに取外されると、Ｓ１端子もＲ１端子もローとなる。
次に充電済み電池パックＢＰがセットされると、段落０
０１５で説明した現象が起って、Ｑ１ｂ端子はハイとな
る。Ｑ１ｂ端子がハイの間強制停止スイッチＦＥＴはオ
ン状態である（ただしＱ２ｂ端子もハイであるとす
る）。そこで手動電源スイッチＳＷ１が操作されてａ接
点が閉じると、モータＭに電流が流れ始め工具は回転し
始める。なおこの実施例の場合は電池パックが交換され
ることでＱ１ｂ端子がハイとなる。電池が交換不能とな
っていれば、電池と図２のマルＡの間にリセットスイッ
チを設ける。そしてこのリセットスイッチを設けると、
リセットスイッチの操作によってＲ１端子に一旦電池電
圧がかからないようにし、ついで電池電圧が印加される
ようにできる。このようにしても第１ラッチ回路４をリ
セットすることができる。このようにすると、電池が交
換不能なタイプにも本実施例を適用することができる。

【００１８】モータＭに電流が流れ始めたとき、起動時
の大電流が流れるため電池電圧は低下し、図２中マルＡ
で示される部位の電圧も低下する。電池の残容量が所定
値以上であれば、起動時に電池電圧が低下しても、第１
比較回路ＣＭ１のプラス端子に入力される電圧Ｖ１はな
おツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧（Ｖ２）以上で
あり、Ｓ１端子はハイのままである。従ってＦＥＴはオ
ン状態に維持され、工具は適正に運転される（図３(A)
のイ→ハ参照）。電池の残容量が所定値以下になると、
起動時の電池電圧が低下して前記電圧Ｖ１がツェナーダ
イオードＺＤ１の降伏電圧（Ｖ２）以下となる。すると
Ｓ１端子がローとなり（コンデンサＣ１により若干遅れ
る）、Ｑ１ａ端子はハイとなりＱ１ｂ端子はローとなる
（図３(A) のイ→ロ参照）。Ｑ１ｂ端子がローとなる
と、強制停止スイッチ素子ＦＥＴがオフとなり手動電源
スイッチＳＷ１をオンさせていてもモータＭに電流が流
れなくなる。このため工具は強制的に停止され、電池残
容量が不充分な状態で作業を続行することが禁止され
る。

【００１９】電池の残容量が不充分な状態で操作用スイ
ッチＳＷ１がオンされ、その直後に前記のようにして強
制停止スイッチＦＥＴがオフされると、モータＭに電流
が流れなくなり、電池電圧は再度上昇する。このため第
１の比較回路ＣＭ１は再度ハイを出力する。ナンド式ラ
ッチ回路４の場合、Ｓ１端子が再度ハイとなってもＱ１
ａ，Ｑ１ｂ端子に変化なく、強制停止スイッチＦＥＴは
オフ状態に保たれる。なお手動電源スイッチＳＷ１がオ
ンされた後、電池電圧が低下して強制停止スイッチＦＥ
Ｔがオフされるまでの時間は一瞬であり、締付作業はで
きない。

【００２０】図３(A) のイ欄は電池パックＢＰの挿入後
手動電源スイッチＳＷ１がオンされるまでの間を示し、
ロ欄はバッテリパックＢＰの残容量が不充分な状態で手
動電源スイッチＳＷ１を操作した後の電圧変動を示し、
ハ欄はバッテリパックＢＰの残容量が充分な状態で手動
電源スイッチＳＷ１を操作した後の電圧変動を示してい
る。実際にはイ→ロの変化またはイ→ハの変化が起る。
前記から明らかなように、電池が残容量が低下すると第
１ラッチ回路４によって強制停止スイッチ（ＦＥＴ）が
オフされる。この状態は電池が外されて新しい電池がセ
ットされるまで続き、電池の交換時に第１ラッチ回路４
はリセットされて強制停止スイッチ（ＦＥＴ）がオンさ
れる。

【００２１】この実施例の場合、工具に過負荷が作用し
た場合に直流モータＭが焼損することを防止するために
直流モータＭへの通電を強制的に停止させる回路６が付
加されている。この２つの強制停止回路２，６はいずれ
かがローを出力するときに強制停止スイッチＦＥＴをオ
フ状態とする。後述のように、手動電源スイッチＳＷ１
をオンした直後は強制停止回路６の側はハイ電圧を出力
するように構成されており、電池の残容量不足をモータ
起動時の電池電圧に基づいて検出して強制停止スイッチ
ＦＥＴをオフ状態とする強制停止回路２の作動が過負荷
時に強制的にオフさせる回路６によって妨げられること
はない。また過負荷時の強制停止回路は、手動電源スイ
ッチＳＷ１をオンした直後には働く必要がなく、むしろ
働かない方が好ましい。

【００２２】過負荷時の強制停止回路６は、第２の比較
回路ＣＭ２を有し、プラス側の入力端子にはモータＭに
かっている電圧を分圧したモータ電圧ＶM が入力され
る。一方、マイナス側入力端子とモータ電圧ＶM の間
に、ダイオードＤ１が直列に挿入され、コンデンサＣ４
と抵抗Ｒ３が並列に接続されている。ダイオードＤ１は
その内部抵抗によって、コンデンサＣ４と抵抗Ｒ３側に
出力する電圧をモータ電圧ＶM より所定電圧Ｖa だけ降
下させる。すなわちこの実施例では、このダイオードＤ
１によって電圧降下回路が実現されている。ダイオード
Ｄ１によってモータ電圧ＶM より所定電圧Ｖa だけ降圧
された電圧は、コンデンサＣ４と抵抗Ｒ３に印加され
る。コンデンサＣ４は積分作用を営み、抵抗Ｒ３は放電
作用を営むが、この実施例では抵抗Ｒ３の抵抗値が非常
に大きく設定されており、結局マイナス側入力端子に入
力される電圧ＶC には、ダイオードＤ１から出力される
電圧の変化をゆるやかにならした変化が生じることにな
る。すなわちこの実施例では抵抗Ｒ３とコンデンサＣ４
により一種の遅延回路が実現されている。なおこの実施
例は変化をゆるやかにすることによって遅らせる例を示
しているが、この他、変化を一定時間完全に遅らせる狭
義の遅延回路（この場合変化パターン自体は変わらな
い）、あるいは過去の電圧を平均化することによって変
化を遅らせる回路であってもよい。この実施例は一種の
平均化回路と評価することもできる。

【００２３】図４はモータ電圧ＶM と、それを降圧した
後に平均化した電圧ＶC の実測値を示している。モータ
電圧ＶM は手動電源スイッチＳＷ１のオン直後に低下す
るが、負荷が正常であればモータ電圧はすみやかに回復
する。このためＶM ＜ＶC となることはない。これに対
し、モータＭに過負荷が作用し始めるとモータ電圧が低
下し続ける。このときＶC の方が遅れてかつゆるやかに
変化するために、過負荷状態が続くとＶM ＜ＶC とな
る。すなわち第２の比較回路ＣＭ２は、過負荷が作用し
てモータＭがロックする前後にハイ→ローに切替わる。
なおこの作用は電池パックＢＰの電圧によらず成立し、
電池パックＢＰの電圧が平均よりも高くても、あるいは
低くてもモータＭがロックする前後で第２の比較回路Ｃ
Ｍ２はハイ→ローに切替わる。

【００２４】第２の比較回路ＣＭ２の出力は第２のナン
ド式ラッチ回路８のＳ２端子に入力される。第２ナンド
式ラッチ回路８のＲ２端子には操作用の手動電源スイッ
チＳＷ１とモータＭ間の部位マルＢの電圧が入力され
る。ただしコンデンサＣ３が用いられているため、Ｒ２
端子の電圧は手動電源スイッチＳＷ１がオンされたあと
に遅れて上昇する。前記したようにＲ１端子の電圧もコ
ンデンサＣ２によって遅れて上昇するが、このＲ１端子
には手動電源スイッチＳＷ１がオフされていても電池電
圧がかかっている部位（マルＡ）の電圧が印加されるた
め、電池パックの挿入時に上昇し、手動電源スイッチＳ
Ｗ１をオンするときにすでにハイ電圧がかかっている。
これに対し、Ｒ２端子には部位（マルＢ）の電位が加え
られるために、手動電源スイッチＳＷ１をオンした後に
ハイ電位が加わることになり、しかもハイ電圧となるの
が少し遅れる。このことは図３(A) のロ欄とハ欄に図示
されている。

【００２５】さて手動電源スイッチＳＷ１のオン直後は
Ｓ２端子がハイであり、Ｒ２端子はローである（図３
(A) のロ、ハ参照）。このためＱ２ｂ端子はハイであ
り、強制停止スイッチＦＥＴをオフすることはない。す
なわちモータＭの起動時に強制停止回路６が強制停止ス
イッチＦＥＴをオフさせることはなく、停止回路２の側
が強制停止スイッチＦＥＴをオフさせるかオンのままに
するのかを決める。手動電源スイッチＳＷ１がオンされ
た後所定時間が経過すると、Ｒ２端子もハイとなるが、
Ｒ２端子がハイとなってもＱ２ｂ端子はハイを続ける。

【００２６】モータＭの回転中に過負荷が作用して電池
電圧が下降すると、前記したようにＶM ＜ＶC となって
第２の比較回路ＣＭ２がオフし、Ｓ２端子がロー、Ｒ２
端子がハイとなる。この結果第２ラッチ回路８のＱ２ｂ
端子はオフとなり、強制停止スイッチＦＥＴがオフされ
る（図３(A) ハ→ニ参照）。この結果直流モータＭに過
負荷がかかったまま直流モータＭに通電され続け、直流
モータＭが損傷するといったことが防止される。

【００２７】強制停止スイッチＦＥＴがオフされると、
電池電圧は上昇し、第２比較回路ＣＭ２はハイとなる。
しかしハイとなっても強制停止スイッチＦＥＴはオフの
ままであり、過負荷の状態でモータＭに再度通電される
ことはない。この場合一旦操作用の手動電源スイッチＳ
Ｗ１をオフさせると、コンデンサＣ３の電荷が抵抗を介
して放電されるのでＲ２端子がローとなり、第２ラッチ
回路８のＱ２ｂ端子はハイとなる。このため、再度操作
用の手動電源スイッチＳＷ１がオンされることによって
モータＭは再度動き始める。このとき電池の残容量が充
分であれば強制停止回路２が直流モータＭを強制停止さ
せることはなく、また過負荷状態が解消していれば強制
停止回路６が直流モータＭを強制停止させることもな
い。以上の実施例では強制停止用のスイッチとして電界
効果トランジスタＦＥＴを用いる例を説明した。しかし
これに限られるものでなく、リレーやバイポーラトラン
ジスタを利用することもできる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によると、直流電源の状態にかか
わらず、直流モータのロックにほぼ対応してモータへの
通電が強制的に停止されるために、通電の強制停止が早
すぎて本来可能な作業が中断されたり、あるいは遅すぎ
てモータが損傷するといったことが効果的に予防され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を模式的に示す図

【図２】実施例の回路図

【図３】実施例の作用説明図

【図４】実施例の作用説明図

【図５】従来技術を説明する図

【符号の説明】

ＦＥＴ：強制停止スイッチ Ｄ１，ダイオード：電圧降下回路 Ｃ４（コンデンサ），Ｒ３（抵抗）：遅延回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02H 7/085 H02P 7/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源と直流モータと強制停止スイッ
   チの直列回路に付加される直流モータの過負荷防止回路
   であり、 該直流モータにかかる電圧に相当する電圧ＶM を所定電
   圧だけ降下させる電圧降下回路と、 該電圧降下回路の出力電圧の変化を遅らせる遅延回路
   と、 該遅延回路の出力電圧Ｖc を一方の端子に入力し、前記
   電圧ＶM を他方の端子に入力し、ＶM ＜ＶC のときに前
   記強制停止スイッチをオフさせる比較回路とで構成され
   ている直流モータの過負荷防止回路。