JP4286552B2

JP4286552B2 - 電動工具およびソレノイドの駆動方法

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Publication number: JP4286552B2
Application number: JP2003028829A
Authority: JP
Inventors: 正彦酒向
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: US20040155743A1; EP1449623A2; EP1449623B1; JP2004237390A; US6891457B2; DE602004018210D1; EP1449623A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動釘打機や電動タッカ等の電動工具に関し、詳しくは、この種の電動工具に用いられるソレノイドの駆動技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動釘打機や電動タッカ等の電動工具では、駆動源としてソレノイド（コイル）が用いられる。この種の電動工具においては、釘またはステープルを打つドライバ（プランジャ，可動子）を加速するために、ソレノイドからドライバに大きなエネルギを供給する必要がある。商用交流電源等の電圧が高い電源を利用する場合はコンデンサに蓄電することでソレノイドからドライバに大きなエネルギを供給できるが、電池等の電圧が低い電源を利用する場合は直に給電することには無理がある。そこで、図９に示すように、電池電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧したうえでコンデンサに電気エネルギーを蓄える方式が提案されている。この種の技術としては、たとえば特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−１３６７７７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いるのではコストアップとなり実際的ではなく、また、ＤＣ−ＤＣコンバータの搭載による重量増と大型化を招くために実用的でもない。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＤＣ−ＤＣコンバータをを介してコンデンサに蓄電するといった方式を採らずに、電源電圧が低い電源（例えば、電池）に接続されたコイルから十分なパワーを引き出すことができる技術を実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
上記課題を解決するため、本願に係る電動工具は、電源に接続されるコイルと、電源とコイルの間に介装されたスイッチと、コイルで発生する電磁力によって吸引され、第１の位置から第２の位置まで移動する可動子と、可動子を第１の位置で保持することが可能な保持手段と、保持手段によって可動子を第１の位置に保持した状態でスイッチをオンし、コイルに流れる電流が設定値となると保持手段による可動子の保持を停止させる制御手段と、を有する。
この電動工具では、可動子を拘束した状態でコイルに給電することで、コイルに磁気エネルギーを蓄える。コイルへ給電が開始されるとコイルに流れる電流は徐々に増加し、これに伴ってコイルに蓄えられる磁気エネルギーも増加する。そして、コイルに流れる電流値が設定値となると、すなわち、コイルに十分な磁気エネルギーが蓄えられると、可動子の拘束が解除され、可動子は電磁力により吸引されて変位する。すなわち、コイルに蓄えた磁気エネルギーが可動子の運動エネルギーとなり、可動子は大きな加速度を得ることができる。したがって、電源電圧が低くてもコイルから可動子に大きなエネルギを与えることができる。
【０００６】
前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させた後も第１所定時間のあいだスイッチをオンしていることが好ましい。かかる構成によると、可動子が吸引を開始された後もコイルに電流が供給されるため、可動子をより加速することができる。
【０００７】
また、前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させると同時にスイッチをオフすることもできる。かかる構成によると、コイルに蓄えられたエネルギーを効率的に可動子の運動エネルギーに変換することができる。
【０００８】
上記電動工具は、低い電圧の電源を用いても可動子に大きなエネルギーを与えることができるため、電源には電池を用いることが好ましい。
電源に電池を用いる場合、電池電圧の低下によってコイルに流れる電流値が設定値まで上昇しない場合がある。かかる場合、コイルに電流値が流れ続けることとなる。したがって、前記制御手段は電流値が設定値とならなくてもスイッチをオンしてから第２所定時間が経過するとスイッチをオフすることが好ましい。さらには、前記設定値を電源電圧の低下に応じて変化するようにしてもよい。
【０００９】
可動子を第１の位置に保持（拘束）する手段としては、種々の機構（たとえば機械式のもの）等を採用することができる。また、前記保持手段が可動子を吸引する電磁コイルとすることも好ましい。
【００１０】
また、本発明は、上記課題を解決するため、電動工具に装備されたソレノイドの駆動方法を提供する。すなわち、本願に係るソレノイドの駆動方法は、可動子を拘束した状態でソレノイド本体に給電し、所定時間経過後、前記可動子の拘束を解き放って当該可動子を変位させることを特徴とする。
この方法によっても、コイルから可動子に大きなエネルギーを与えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は釘打機に装備されたソレノイド駆動装置の構成を説明する図である。なお、釘打機の機械的構成は、従来公知の構成（例えば、ケーシング内にバッテリと制御装置とソレノイドを収容し、制御装置を介してバッテリから電力供給を受けるソレノイドの電磁力によりプランジャを吸引し、プランジャの先端で釘を打撃する。）を採用することができ、特に本発明を特徴付けるものではないので、ここではその詳細な説明は省略する。
図１に示すように、電磁力でプランジャ（可動軸）を吸引するソレノイド１は制御回路２を介してバッテリ３に接続されている。制御回路２は、詳しくは後述するが、バッテリ３からソレノイド１へ給電される電流をオンオフ制御する給電手段と、次述するプランジャの保持／解放を所定のタイミングで切り替える制御手段とを有している。なお、このソレノイド駆動装置は、ソレノイドに磁気エネルギーを蓄えるものであって、従来例で説明したコンデンサによって電気エネルギーを蓄えるものではないので、図９と比較してより簡素に構成されている。
【００１２】
図２はプランジャを保持／解放する保持部（プランジャレリーズともいう）の構成と作動を説明する図である。図２（Ａ）はソレノイドコイル１ａに吸引されて変位するプランジャ５がスタート位置（請求項でいう第１の位置）に保持された状態を示している。プランジャ５は、復帰スプリングなどの復帰手段（図示省略）により付勢されてスタート位置に移動するようになっている。スタート位置では、保持部６の可動部材６ａがプランジャ５の係止部５ａと係合し、プランジャ５が強固に保持されるようになっている。これに対し、図２（Ｂ）は可動部材６ａと係止部５ａの係合が外れて保持部６から解放されたプランジャ５が、ソレノイドコイル１ａの電磁力によって終端位置（請求項でいう第２の位置）まで吸引される途中の様子を示している。なお、ソレノイドコイル１ａおよび保持部６は電動工具のフレームに固定されており、可動部材６ａを操作する機構は、アクチュエータやモータ等の適宜な手段で構成される。
【００１３】
ここで、保持部の別例について説明しておく。図３はプランジャを保持／解放する保持部を電磁的切替手段で構成した例である。図３（Ａ）に示すように、プランジャ５’がスタート位置にある状態で保持部６’の励磁コイル７に励磁電流を流すと、発生した磁束が略Ｕ字型のコア８とプランジャ５’の一端を通って磁気回路（閉ループ）をつくるので、強力にプランジャ５’を保持部６’に固定することができる。プランジャ５’を解放するときは励磁コイル７に流れる電流を遮断する。図３（Ｂ）は、保持部６’から解放されたプランジャ５’が吸引されて変位した様子を示している。この保持部（プランジャレリーズ）６’は、可動部のない簡素な構造であり、プランジャ５’の固定／解放をダイレクトに行う機構であるので機械的なタイムラグが発生せず、確実な作動が期待できるという特長がある。
【００１４】
つぎに、上記ソレノイド駆動装置の動作原理を図４を参照して説明する。プランジャ５をスタート位置に固定した状態で、ソレノイドコイル１ａを電圧Ｖのバッテリ３に接続する。ソレノイドコイル１ａのインダクタンスをＬ、直流抵抗をＲとすると、ソレノイドコイル１ａに流れる電流は図４（Ａ）に示すように、時間経過とともに曲線０ＢＨのように増加する。ここで接線０Ａの傾きは、Ｖ／Ｌである。Ｌの値が大きいほど電流はゆっくり増加し、時間とともに電流（曲線０ＢＨ）がＶ／Ｒに漸近する。電流ｉによってインダクタンスＬに蓄えられるエネルギーの大ききさＥmは、下記の式で表される。
【００１５】
【数１】

【００１６】
ここで適当な電流値ｉ1を設定し、時間とともに増加してゆく電流がこの値となった時刻ｔ1のＢ点で、バッテリ３との接続を切り離し、同時にプランジャ５の固定を開放することとする。ソレノイドコイル１ａにはフライホイール回路が設けられているが、固定を開放されたプランジャ５はソレノイドコイル１ａに引込まれて加速される。その際、ソレノイドコイル１ａに蓄積されていた磁気エネルギーが消費される。このときの電流変化を図４（Ａ）において、曲線ＢＣで示す。時刻ｔ2のＣ点でプランジャ５はストロークの終端に衝突する。プランジャ５が終端に衝突した後のコイル電流は、図４（Ａ）の曲線ＣＤで示したように、フライホイールを行いながら抵抗Ｒで消費されて減衰してゆく。図４（Ｂ）および（Ｃ）には、プランジャ速度とプランジャ位置の時間変化が模式的に示している。なお、同図（Ｃ）で示す０−ｘの間隔がプランジャのストロークである。
【００１７】
ここで、Ｖ／Ｒの値が設定値ｉ1に近いと、電流の傾斜がゆるやかな領域で磁気エネルギーを蓄積するため、ソレノイドコイル１ａの大ききを小さくできる。しかしながら、電流の傾斜がゆるやかな領域（抵抗的な領域）で磁気エネルギーを蓄積しプランジャ５を加速するため、抵抗Ｒによる熱損失が大きくなりエネルギー効率が悪くなる。一方、Ｖ／Ｒの値を設定値ｉ1より遠ざけて大きくし、接線０Ａに近い領域（インダクタンス的な領域）で使用すると、ソレノイドコイル１ａを大きくしなければならない。したがって、これらの点を考慮して設定値ｉ１とソレノイドコイル１ａを設計することが好ましい。例えば、まず、設定値ｉ1をバッテリの許される最大電流値とし、次いで、ソレノイドコイル１ａの寸法等を決めるようにしてもよい。
【００１８】
また、ソレノイドコイル１ａに蓄えられる磁気エネルギーを大きくするためには、プランジャ５がスタート位置に位置するときのソレノイドコイル１ａのインダクタンスを大きすることが好ましい。したがって、図８（ａ）に示すようにプランジャ１５の一部がソレノイドコイル１ａ内に突出するものや、図８（ｂ）に示すようにソレノイドコイル１ａ内に磁性体１６を配置するような構成をとることも好ましい。
【００１９】
なお、上述した説明では、プランジャ５の開放と同時にバッテリ３との接続を切り離したが、これとは異なる動作をさせることもできる。例えば、ソレノイドコイル１ａに印可する電源電圧を、Ｂ点すなわち時刻ｔ1にオフしないでプランジャ５だけを固定から開放する。そして、時刻ｔ3でプランジャ５が終端に衝突後、時刻ｔ4でバッテリ３との接続を切り離す。このときのコイル電流は、図４（Ａ）において点線で示した曲線ＢＥＦＧとなる。また、同図（Ｂ）で示すように、時刻ｔ1でオフした場合に比べてプランジャ５の速度を速くすることができる。
【００２０】
つぎに、前述した制御回路２の具体例について説明する。本実施形態のソレノイド駆動装置の制御回路を図５および図７に示す。図５において、Ｌ１はプランジャレリーズ（保持部６）のコイルであり、Ｑ１がそのスイッチング素子である。プランジャレリーズ６の開放時の応答性を良くするために、フライホイール回路にダイオードＤ1 だけでなく抵抗器Ｒ1が付加されている。
また、Ｌ２はソレノイドコイル１ａであり、Ｑ２がそのスイッチング素子である。Ｑ３、Ｑ４はスイッチング素子Ｑ２を駆動するスイッチング素子である。ソレノイドコイルＬ２からスイッチング素子Ｑ２を通って流れる電流は、抵抗Ｒ２に発生する電圧として検出される。抵抗Ｒ２に発生する電圧は比較器Ａ１の＋端子に入力し、定電圧用ツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ３、Ｒ４で設定された基準電位と比較される。なお、バッテリ３を消費してバッテリ電圧が低下するとツェナーダイオードＺＤ１に電流が流れなくなり、比較電位がバッテリ電圧に比例して下がるようになる。すなわち、設定電流ｉ1がバッテリ電圧に比例して下がるようになる。これによって、バッテリ電圧低下時に図４のＶ／Ｒが設定電流ｉ1 に近づいてしまうことを防止している。なお、制御回路２ａについては後述する。
【００２１】
ここで、上記した制御回路の作動の一例を、図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。電源スイッチＳＷ１がオンされてから、トリガスイツチＳＷ２がオンされると、制御回路２ａはスイッチング素子Ｑ１をオンする。これによりプランジャレリーズ６のコイルＬ１に励磁電流が流れる。プランジャレリーズ６がプランジャ５を確実に固定するための時間τ1が経過すると、次に、制御回路２ａはスイッチング素子Ｑ３をオンする。これによって、スイッチ素子Ｑ４がオンし、さらにスイッチング素子Ｑ２がオンする。このため、ソレノイドコイルＬ２にバッテリ電圧が印加され、ソレノイドコイルＬ２に電流が流れ始める。ソレノイドコイルＬ２に流れる電流値が設定値ｉ1に到達すると、比較器Ａ１はオン信号を制御回路２ａに送る。比較器Ａ１からのオン信号を受けた制御回路２ａは、スイッチング素子Ｑ１をオフにしてコイルＬ１への電流を絶ち、プランジャ５を開放する。このあと時間τ２経過後に制御回路２ａは、スイッチング素子Ｑ３をオフする。これにより、スイッチング素子Ｑ４、Ｑ２がオフされ、ソレノイドコイルＬ２へのバッテリからの電流供給が遮断される。
【００２２】
次いで、前記制御回路２ａの具体例を図５〜図７を参照して説明する。図７においては、抵抗Ｒ１１、コンデンサＣ１１はトリガスイッチＳＷ２からのノイズとチャタリングを阻止するためのものである。また、Ａ１１およびＡ１３は緩やかに変化するアナログ電圧をステップ状の電庄レベル（ハイ／ロー）に変換する素子である。Ａ１１とＡ１３には、比較器や簡易的にはＣＭＯＳ−ＩＣのゲート回路を利用することができる。Ａ１２はフリップフロップ素子である。電源スイッチＳＷ１投入時には、コンデンサＣ１４、抵抗Ｒ１６による微分回路から３入力ＯＲ素子Ａ１４を通して入力する信号によってリセットされ、フリップフロップ素子Ａ１２の出力端子Ｑはローレベルになっている。
かかる構成において、トリガスイツチＳＷ２をオンすることでフリップフロップ素子Ａ１２のクロック入力Ｃが立ち上がると、出力端子Ｑはハイレベルとなる。したがって、制御回路２ａの端子（ロ）もハイレベルとなり、プランジャレリーズ６のコイルＬ１に励磁電流が流れる。これに伴って、ダイオードＤ１１、抵抗Ｒ１２を通してコンデンサＣ１２に充電が開始され、この時定数のタイムラグ（前述の時間τ１）の後に素子Ａ１３の出力〔端子（ハ）〕がハイレベルとなる。このため、ソレノイドコイルＬ２に電流が流れ始める。
ソレノイドコイルＬ２の電流が設定値を超えて、端子（ニ）からの入力がハイレベルになると、素子Ａ１４を通してフリップフロップ素子Ａ１２がリセットされ、出力端子Ｑと端子（ロ）がローレベルとなる。このため、プランジャレリーズ６に流れる電流が遮断され、プランジャ５がプランジャレリーズ６から開放される。
一方、コンデンサＣ１２の電荷は抵抗Ｒ１３、ダイオードＤ１２を通して放電され、この時定数τ２の後に、素子Ａ１３の出力と端子（ハ）がローレベルとなる。このため、ソレノイドコイルＬ２への電流の供給が遮断される。
なお、抵抗Ｒ１４、コンデンサＣ１３は時定数τ２より長い時定数を持っており、上述のプロセスでフリップフロップ素子Ａ１２がリセットされないとき、すなわちソレノイドコイルＬ２への電流が止まらないときに備える。すなわち、ソレノイドコイルＬ２の電流が設定値を超えなくても、所定時間が経過してコンデンサＣ１３の電圧が所定の電圧となると、素子Ａ１４を介してフリップフロップ素子Ａ１２がリセットされるようになっている。これはソレノイドコイルＬ２の発熱による直流抵抗Ｒの増加、あるいはスイッチング素子Ｑ２における電圧降下の増加のトラブルに対応するものである。なお、フリップフロップ素子Ａ１２の出力端子Ｑがローレベルになったときは、コンデンサＣ１３の電荷はダイオードＤ１３、抵抗Ｒ１５を通して急速に放電されるため、正常時に他の回路の動作のじゃまにならないようにしている。
【００２３】
上述した説明から明らかなように、上述した構成を有するソレノイド駆動装置は、電源から供給される電力を磁気エネルギーとしてソレノイドコイルに蓄えることができるため、比較的簡素な構成でより大きな釘を打てるようにすることが可能になる。
【００２４】
以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、これは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施形態は、本発明の技術を釘打機に適用した例であったが、本発明の技術は釘打機以外の電動工具（たとえば、電動タッカ等）に適用することもできる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るソレノイド駆動装置の構成を説明する図。
【図２】同、保持部（プランジャレリーズ）の構成と作動を説明する図。
【図３】保持部（プランジャレリーズ）の別例を説明する図。
【図４】本実施形態に係るソレノイド駆動装置の作動を説明する図。
【図５】同、ソレノイドを駆動する制御回路の詳細図。
【図６】同、制御回路のタイミングチャート図。
【図７】同、制御回路の詳細図。
【図８】プランジャの別例を説明する図。
【図９】従来例に係るソレノイド駆動装置の構成を説明する図。
【符号の説明】
１：ソレノイド
１ａ：ソレノイドコイル（ソレノイド本体）
２：制御回路
２ａ：制御回路
３：バッテリ
６：保持部（プランジャレリーズ）

Claims

電源に接続されるコイルと、
電源とコイルの間に介装されたスイッチと、
コイルで発生する電磁力によって吸引され、第１の位置から第２の位置まで移動する可動子と、
可動子を第１の位置で保持することが可能な保持手段と、
保持手段によって可動子を第１の位置に保持した状態でスイッチをオンし、コイルに流れる電流が設定値となると保持手段による可動子の保持を停止させる制御手段と、を有する電動工具。
前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させた後も第１所定時間のあいだスイッチをオンしていることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記制御手段は、保持手段による可動子の保持を停止させると同時にスイッチをオフすることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記電源が電池であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動工具。
前記設定値は電源電圧の低下に応じて変化することを特徴とする請求項４に記載の電動工具。
前記保持手段が可動子を吸引する電磁コイルであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電動工具。
電動工具に装備されたソレノイドの駆動方法であって、可動子を拘束した状態でソレノイド本体に給電し、所定時間経過後、前記可動子の拘束を解き放って当該可動子を変位させることを特徴とするソレノイドの駆動方法。