JP5234243B2 - 空気圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ制御によるＤＣブラシレスモータと圧縮空気の貯留タンクを搭載し、バッテリなどのように充放電可能な二次電池装置によって駆動する、軽量で携行自在な空気圧縮機に関する。

一般に、バッテリ駆動の空気圧縮機の駆動モータとしては、ブラシ付きＤＣモータが使用されており、このためモータ特性から回転数制御が困難で、負荷時の回転数も数千回点以上で、これらのことからコンプレッサとの連結には減速機構が必要であった。そのため、構造が複雑で重くならざるを得ず、自由に携行して移動することが困難であった。

そのため、特許文献１に示されるように、圧縮機によって圧縮された圧縮空気を貯留するための貯留タンクを省略し、全体を軽量にしたものが考えられている（特許文献１参照）。
特開平２−３７１８６号公報

しかしながら、貯留タンクを装備していない場合、作業の都度、所要量だけ空気を圧縮生成する必要がある。ところが、作業開始に際して圧縮機を作動させても、直ちに必要な空気圧が得られるわけではなく、十分な空気圧になるまで待たなければならない。また、空気圧で作動する釘打機械を用いて多数の釘を連続的に打ち込む場合のように、作業によっては、空気圧縮機を常時圧縮運転させておく必要があり、このような使い方をすると、電池の消耗が早い。また、新しい電池に交換する間は作業ができないので、作業を効率的に行うことができない。さらに、ブラシ付きＤＣモータは、耐久性、騒音発生、減速機構を含めたコストなど不利な面があった。

そのほか、電池装置（バッテリ）を駆動源とする充電式空気圧縮機では、運転時に電池装置が高温になったり、過放電になったりするほか、電圧降下により運転が急に停止したりする。また、電池装置を長持ちさせるためには、ＤＣブラシレスモータを効率よく回転させたり、圧縮機を低トルクで起動させたりする技術も求められる。

本発明は、主に、圧縮空気の貯留タンクを搭載しながらも、小型、軽量で、携行自在であるとともに、取り扱いや操作性に優れた空気圧縮機を提供することをその課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、装置本体に着脱交換自在に設けられた電池装置と、上記電池装置と電気回路で接続されて該電気回路に設けられた制御装置によってインバータ駆動されるＤＣブラシレスモータと、上記ＤＣブラシレスモータによって駆動されて空気を圧縮する圧縮機と、上記圧縮機から吐出される圧縮空気を貯留する貯留タンクと、上記貯留タンクに貯められた圧縮空気を取り出す空気取出し口とを備え、上記装置本体は、上記ＤＣブラシレスモータによって駆動されて、上記装置本体の周囲と上記装置本体の内部側との間で風流を生成させる風流生成装置とを備え、上記風流の通風経路の途中に、少なくとも上記ＤＣブラシレスモータと上記圧縮機と上記制御装置と上記電池装置とが配設されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記貯留タンクは該貯留タンクに貯留された圧縮空気の圧力を検出する圧力検出手段を備え、上記制御装置は、上記圧力検出手段で検出された検出信号に基づいて、上記ＤＣブラシレスモータを上記インバータ駆動することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記電池装置に大気の吸気口と排出口とを有する通風路を備えたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記電池装置と上記制御装置とを接続する電気回路中に、上記電池装置と上記制御装置との間の通電のオン、オフを手動操作により可能とする自動復帰型の第１スイッチ手段と、第１スイッチ手段のオン作動に連動してオン作動するとともに、上記制御装置が上記貯留タンクの圧力を検出する圧力センサからの検出信号によって規定時間内の圧力変化が規定値以下であると判断したときに上記制御装置によりオフ作動される第２スイッチ手段とを並列に接続したことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記電池装置と上記制御装置とを接続する電気回路中には、上記電池装置と上記制御装置との間の通電のオン、オフを手動操作により可能な自動復帰型の第１スイッチ手段と、第１スイッチ手段のオン作動に連動してオン作動するとともに、上記制御装置が上記貯留タンクの圧力を検出する圧力センサからの検出信号によって上記ＤＣブラシレスモータを、上記貯留タンク内の圧力が規定の圧力になるまで作動させて停止させた後、規定時間以上再起動しないときに、上記制御装置によりオフ作動される第２スイッチ手段とを並列に接続したことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記制御装置は上記電池装置の消耗状態を報知する報知手段に接続し、運転時に上記電池装置の電圧検出手段が上記電池装置の電圧が規定値以下に低下したことを検出したとき、上記制御装置は、上記電圧検出手段の検出信号に基づいて上記報知手段を作動させることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の空気圧縮機において、上記規定値が、動作不能となる電圧値よりもやや高い電圧値であることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記制御装置により、上記ＤＣブラシレスモータの回転数に応じて進角のタイミングを上記ＤＣブラシレスモータの回転検出手段から出力される信号よりも遅らせることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記制御装置が、電流検出手段に接続し、起動時の駆動電流値を、上記ＤＣブラシレスモータの起動に必要な最低限の電流値に抑えることを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項１に記載の空気圧縮機において、上記圧縮機は圧縮ピストンの位置を把握するピストン位置把握手段を備え、上記制御装置は、上記ピストン位置把握手段により検出された信号に基づいて上記圧縮ピストンの位置が上死点であると判断したときに上記圧縮ピストンを停止させることを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記ＤＣブラシレスモータに内蔵された回転センサからの信号と上記ＤＣブラシレスモータに流れる電流の波形とから構成されていることを特徴とする
請求項１２に係る発明は、請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記ＤＣブラシレスモータに内蔵された回転センサからの信号と上記貯留タンクの圧力を検出する圧力センサからの信号とによって構成されていることを特徴とする。

請求項１３に係る発明は、請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記ＤＣブラシレスモータに流れる電流の波形によって構成されていることを特徴とする。

請求項１４に係る発明は、請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記貯留タンクの圧力センサからの信号によって構成されていることを特徴とする。

請求項１５に係る発明は、請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記圧縮ピストンが上死点に達したことを検出する位置検出センサによって構成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、電池装置の着脱交換を自在に行えるので、作業に必要な容量（大きさ）の電池装置を選択することができる。したがって、携行自在な軽量空気圧縮機が得られる。

インバータ制御回路を採用したＤＣブラシレスモータを使用するので、モータ回転数の調節を自由に制御することができ。したがって、減速機構が不要となり、ＤＣブラシレスモータと圧縮機とを直結させて駆動することが可能となる。このように。ブラシがない小型のＤＣブラシレスモータを使用し、減速機構も省略することができるから、装置全体の構造が簡単になり軽量化、小型化が可能となる。

ＤＣブラシレスモータは小型であるだけでなく、ブラシがないので耐久性に優れるほか、騒音の発生も小さく、減速機構が省ける分全体のコストを低く抑えることができる。

予め所定の圧力の圧縮空気を貯留タンクに貯留しておくことができる。したがって、作業の度に空気を圧縮生成する必要はない。必要なときには直ちに所要の圧力の圧縮空気を所要量だけ供給することができる。しかも、連続運転をする必要がないから、電池の消費を抑えることができ、これにより小型の電池装置を使用することができ、軽量化に資することができる。したがって、圧縮された空気を貯留する貯留タンクを搭載しても携行自在な空気圧縮機を提供することができる。

さらに、圧縮運転をしていなくても圧縮空気を取り出すことができるので、新しい電池装置に交換している間も作業を中断する必要がなく、作業を効率的に行うことができる。

また、風流生成装置による風流の通風経路の途中に、少なくとも上記ＤＣブラシレスモータと上記圧縮機と上記制御装置とが配設された構造であるから、単一の風流生成装置のみによってＤＣブラシレスモータと圧縮機と制御装置とを冷却することができ、従来冷却ファンとともに必要とされたシロッコファンを省略することができるので、装置全体の小型化が可能となる。

更に、風流の通風経路の途中に電池装置も配設したので、電池装置専用の冷却機構が不要となり、装置全体をコンパクトにレイアウトして小型、軽量化により携行自在とすることができる。また、運転時に電池装置が高温になることが防止されるので、電池装置の特性が損なわれることがなく、電池装置の連続使用が可能となる。さらに、再充電時の電池装置の冷却待機時間を削減でき、短時間で再充電できる。

請求項２に係る発明によれば、貯留タンクに貯められた圧縮空気の圧力に基づいて、ＤＣブラシレスモータを適切に駆動することができるから、電池装置の余分な消耗を抑制することができる。したがって、電池装置の消費を抑えることが可能となり、長時間作業を継続することができる。重量を優先するときは小型軽量な電池装置を使用することができる。

請求項３に係る発明によれば、電池装置は通風路内を流れる風流によって冷却されるから、たとえ空気圧縮機のケーシングの外にレイアウトされていても、外気によって効果的に冷却される。通風路内を流れる風流が風流生成装置による場合はさらに効率的に冷却される。

請求項４に係る発明によれば、第１スイッチ手段は自動復帰型スイッチであり、第１スイッチ手段を押すと、電気回路に対する通電はオンし、制御装置は作動が可能となる。つづいて制御装置が第２スイッチ手段の通電をオンさせる。第１スイッチ手段から手を離すと、第１スイッチ手段の通電はオフされるが、第２スイッチ手段により電気回路は通電状態が保持され、圧縮作業が開始可能な状態となる。しかしながら、貯留タンクに貯留された圧縮空気が作業によって消費されなければ、貯留タンク内の圧力は変化しない。そこで、制御装置は、圧力センサからの信号に基づいて貯留タンク内の圧力を監視し、貯留タンクの規定時間内の圧力変化が規定値以下で変わらないと判断したときは、第２スイッチ手段をオフ作動させ、通電状態を遮断する。

このように、貯留タンクの規定時間内の圧力変化が規定値以下で変わらないときは、制御装置は、電池装置が空気圧縮機本体の電気回路に接続したまま放置されて使用されない状態が続いていると判断し、強制的に第２スイッチ手段をオフ作動させる。これにより、過剰な放電による電池装置の消耗が防止され、液漏れ等の故障を未然に回避することができる。

請求項５に係る発明によれば、自動復帰型の第１スイッチ手段を押すと、電気回路に対する通電はオンし、これに連動して第２スイッチ手段が通電をオンする。第１スイッチ手段から手を離すと、第１スイッチ手段の通電はオフされるが、第２スイッチ手段により電気回路の通電状態が維持され、圧縮作業が可能となる。

制御装置が圧力センサからの検出信号に基づいて貯留タンクの圧力を監視し、規定の圧力まで空気を圧縮した後、モータが停止してから規定時間以上モータが再起動しない場合には、制御装置は、電池装置が空気圧縮機本体の電気回路に接続したまま放置されて使用されていない状態が続いていると判断し、第２スイッチ手段を強制的にオフ作動させる。これにより、過剰な放電による電池装置の消耗が防止され、液漏れ等の故障を未然に回避することができる。

請求項６に係る発明によれば、運転時に電圧検出手段によって電池装置の電圧が規定値以下に低下したことを検出したとき、報知手段が作動するので、作業者は圧縮空気の作動停止の原因が電圧が低くなったことによるものであることを知ることができる。

請求項７に係る発明によれば、圧縮機の動作が不能となる電圧値よりもやや高い電圧値になって報知が発せられてから、さらに電圧が規定値まで低くなって圧縮機が動作を停止し、作業が中断されてしまうまでに時間的余裕があるから、作業者は頃合いをみて電池装置の交換の準備をすればよく、前触れなく作業が中断されることはない。

請求項８に係る発明によれば、制御装置によって、ＤＣブラシレスモータの回転数に応じて進角のタイミングを上記ＤＣブラシレスモータの回転検出手段から出力される信号よりも遅らせる構成とし、負荷に応じて進角を調整することが、ＤＣブラシレスモータの回転損失の発生を抑えるので、効率よくＤＣブラシレスモータを回転駆動できる。

請求項９に係る発明によれば、制御装置によって起動時の駆動電流値はＤＣブラシレスモータの起動に必要な最低限の電流値に抑えられる。空気圧縮機ではモータ起動の際に定常運転時よりも大きな起動電流が流れるが、必要以上の電流は流れないので、消費電力は抑えられ、作業時間を延ばすことができる。

請求項１０に係る発明によれば、制御装置によって圧縮機の作動を停止する際に、ピストン位置把握手段で検出される圧縮ピストンが上死点で停止するので、停止時に圧縮ピストンと圧縮シリンダとの間には圧縮された圧縮空気が残留している。したがって、作業再開時に圧縮機を再起動させたとき、圧縮ピストンは上死点位置から下死点に向かって移動するが、上記残留圧縮空気の圧力も受けるので、最小の負荷で起動できる。したがって、充填されている貯留タンク内の圧力が高い場合であっても、確実に起動することができる。

請求項１１〜請求項１４に係る発明によれば、圧縮ピストンの位置を検出する専用のセンサを設けることなくその位置を制御することができる。

請求項１５に係る発明によれば、上記ピストン位置把握手段は、圧縮ピストンが上死点に達したことを検出する位置検出センサによって構成されるから、上記上死点位置を直接に正しく検出することができる。

図１は本発明に係る空気圧縮機の斜視図であり、図２はその一部を断面で示した側面図である。この空気圧縮機は、装置本体１の前部に圧縮機本体２、後部に圧縮空気の貯留タンク３を配置し、貯留タンク３の上部には電池装置（バッテリ）４が着脱自在に設けられ、電池装置４を除いた部分は合成樹脂製のカバー５で覆われている。

圧縮機本体２は、前側上部に圧縮機６を設けたクランクケース７と、クランクケース７の後側に設けられた３相のＤＣブラシレスモータ８とから成り、クランクケース７の中心部にはＤＣブラシレスモータ８の回転軸１０が回転可能に配置されている。ＤＣブラシレスモータ８はインバータ制御によって、ロータ１１とステータ１２との間で作用する電磁力で回転軸１０を回転させるもので、ステータ１２は固定子コイル等から構成され、回転軸１０と一体的に設けられたロータ１１を外周側から包囲するように構成されている。

上記回転軸１０の前側は圧縮機６と作動連結されている。すなわち、回転軸１０には円形の偏心板１３が固定され、偏心板１３は軸受を介してコンロッド１４の基部の環状部１５の内側に嵌合している。コンロッド１４の先端には圧縮ピストン（ロッキングピストン）１６が固定されている。圧縮ピストン１６は圧縮シリンダ１７の内部に摺動自在に収容されている。圧縮シリンダ１７のシリンダヘッド１８には吸気弁２０と吐出弁２１とが設けられている。吐出弁２１は圧縮シリンダ１７内の圧縮空気を配管（図示せず）を介して貯留タンク３に吐出するように構成され、吐出弁２１から吐出された圧縮空気は配管から貯留タンク３に送られて貯留される。吸気弁２０は圧縮シリンダ１７を大気に対して開閉するように構成されている。

なお、装置本体１の圧縮機本体２の一側部には、ＤＣブラシレスモータ８を駆動制御するインバータ回路と制御回路とを設けた制御装置２３が起立配置されている。

貯留タンク３には、内部に貯留された圧縮空気の圧力を検出する圧力検出手段（圧力センサ／圧力スイッチ）が設けられているとともに、減圧弁２４と圧力計２５を介して圧縮空気の取り出し口２６が設けられている。そして、圧力検出手段が貯留タンク３内の圧力が低下したことを検出したときは、制御装置２３がその検出信号に基づいてＤＣブラシレスモータ８を駆動して圧縮機６に圧縮運転をさせ、貯留タンク３内の圧力を上昇させるように構成されている。

以上の構成において、電池装置４から供給された電力によってＤＣブラシレスモータ８を作動させると回転軸１０が回転する。この回転運動は偏心板１３とコンロッド１４により圧縮ピストン１６の直進往復運動に返還され、圧縮ピストン１６は圧縮シリンダ１７内を上死点と下死点との間で往復する。圧縮ピストン１６が上死点から下死点に向かって作動するときは圧縮シリンダ１７の吸気弁２０が開いて内部に大気が導入され、下死点から上死点に向かって作動するときは、圧縮シリンダ１７内の空気を圧縮して吐出弁２１を開き、圧縮シリンダ１７内で圧縮された圧縮空気を吐出する。吐出された圧縮空気は配管の内部を通って貯留タンク３内に貯留される。貯留タンク３内の圧縮空気は減圧弁２４によって必要な圧力に減圧して取り出し口２６から取り出されるようになっており、取り出し口２６にはカプラが設けられ、エアホースを介して釘打機やエアダスタなどの空気圧工具が接続可能になっている。

ところで、上記回転軸１０の後端はクランクケース７から突出し、突出部には風流生成装置（冷却ファン）２８が固定されている。風流生成装置２８はＤＣブラシレスモータ８と貯留タンク３との間に配置されている。

回転軸１０が回転すると、圧縮機６が作動するとともに、風流生成装置２８が作動し、図３に矢印で示すように冷却風の流れ（風流）が生成される。冷却風はＤＣブラシレスモータ８とともに圧縮機本体２の外周面に沿って流れるとともに、圧縮機６に当たってその周囲を巻くように流れる。このように冷却風の流れる経路が通風経路３０となる。また、冷却風の一部は圧縮機本体２と制御装置２３との間の空間に形成された通風経路３０ａを通る。その後、冷却風はカバー５の前部に形成された排出口２７から外部に排出される。このように、風流生成装置２８によって生成された風流の通風経路３０の途中にＤＣブラシレスモータ８と圧縮機６と制御装置２３とが配設されているので、これらは常時冷却風によって冷却されることになる。

なお、電池装置４の容器３１には図４に部分断面図として示されるように、吸気口３２と排出口３３とが形成されているから、容器３１の内部にも冷却風が流れる通風路が形成され、内部の電池本体を冷却することができる。

次に、図５及び図６に別の形態の空気圧縮機を示す。この空気圧縮機にも主に圧縮機本体２と制御装置２３と貯留タンク３と風流生成装置２８とが設けられている。なお、図１の空気圧縮機と同じ符号は同じ部材を示すものとする。

上記空気圧縮機においては、貯留タンク３は上述のものと同じ構造の圧縮機本体２の上部に配置され、また電池装置４は風流生成装置２８に対峙するように配置されている。風流生成装置２８も図１のものと同じく、圧縮機本体２のＤＣブラシレスモータ８の回転軸に設けられている。また、カバー５は全体を覆っている。

したがって、ＤＣブラシレスモータ８とともに圧縮機６が作動すると、風流生成装置２８が回転し、カバー５の内側には図５及び図６に矢印で示す冷却風の流れ（風流）が生成される。冷却風は圧縮機本体２の外周面に沿って流れるとともに、圧縮機６に当ってその周囲を巻くように流れ、また冷却風の一部は、圧縮機本体２と制御装置２３との間の空間に形成された通風経路３０ａを通る。さらに、風流生成装置２８によって風流が生成されると、カバー５の吸気口２９から大気が強制的に取り込まれるとともに、電池装置４の通風路を通る風流、すなわち風流生成装置２８と対峙している電池装置４の吸気口３２から電池装置４の内部に取り込まれ、排出口３３から出てさらに風流生成装置２８に向かって流れる風流が生じる。

以上のように、風流生成装置２８によって生成された風流の経路中にＤＣブラシレスモータ８と圧縮機６と制御装置２３と電池装置４とが配置されている構造であるから、これらは常時冷却風によって冷却される。したがって、従来風流生成装置２８とともに必要とされたシロッコファンを装備する必要がないので、装置全体の小型化が可能となる。

また、通風経路の途中に電池装置４も配設したので、電池装置４専用の冷却機構が不要となり、装置全体をコンパクトにレイアウトして小型、軽量化により携行自在とすることができる。

さらに、電池装置４は吸気口３２と排出口３３との間に形成された通風路を通る冷却風によって冷却されるから、たとえ図１のように空気圧縮機のケーシングの外にレイアウトされていても、風流生成装置２８が作動することで外気が電池装置４の通風路を通過してカバー5の内部へ導かれることで効果的に冷却される。したがって、発熱によって電気特性が低下することがない。しかも、再充電時の電池装置４の冷却待機時間を削減でき、短時間で再充電できる。

以上の構成の空気圧縮機によれば、さらに次に示す効果も得ることができる。（ａ）インバータ駆動されるＤＣブラシレスモータ８を使用するので、モータ回転数の調節を自由に制御することができる。したがって、減速機構が不要となり、ＤＣブラシレスモータ８と圧縮機６とを直結させて駆動することが可能となる。このように、ブラシがない小型のＤＣブラシレスモータ８を使用し、減速機構も省略することができるから、装置全体の構造が簡単になり軽量化、小型化が可能となる。しかも、ＤＣブラシレスモータ８は小型であるだけでなく、ブラシがないので耐久性に優れるほか、騒音の発生も小さく、減速機構が省ける分全体のコストを低く抑えることができる。（ｂ）貯留タンク３が搭載されているので、予め所定の圧力の圧縮空気を貯留しておくことができる。したがって、作業の度に空気を圧縮する必要はない。必要なときには直ちに所要の圧力の圧縮空気を所要量だけ生成して供給することができる。しかも、貯留タンク３を設けていないものとは異なり、連続運転をする必要がないから、電池の消費を抑えて小型の電池装置４を使用することができ、軽量化に資することができる。したがって、圧縮された空気を貯留する貯留タンク３を搭載しても携行自在な空気圧縮機を提供することができる。（ｃ）圧縮運転をしていないときでも貯留タンク３から圧縮空気を取り出すことができるので、新しい電池装置４に交換している間も作業を中断する必要がなく、作業を効率的に行うことができる。（ｄ）貯留タンク３に貯められた圧縮空気の圧力に基づいて、ＤＣブラシレスモータ８を適切に駆動することができるから、電池装置４の余分な消耗を抑制することができる。したがって、電池装置４の消費を抑えることが可能となり、長時間作業を継続することができる。小型軽量の電池装置４を使用すれば、全体の重量も軽くなる。

なお、ＤＣブラシレスモータ８、圧縮機６、制御装置２３、さらには電池装置４の配置関係を種々変更することで、通風経路のうちの通風経路３０ａに相当する部分も種々変更されるが、このことは特別の説明を要しないので省略する。

次に、上記構成の空気圧縮機の電気回路とエア回路の構成をブロック図で示すと、図７のとおりである。電池装置４は制御装置２３に接続され、制御装置２３はＤＣブラシレスモータ８に接続している。そして、制御装置２３には、ＤＣブラシレスモータ８の３相の電子巻線に直流電流を順次通電するための複数のスイッチング素子を有するインバータ回路と、スイッチング素子のオンオフを制御してＤＣブラシレスモータ８の回転を制御する制御回路が設けられている。また、制御装置２３には、電池装置４の電圧検出手段４０と、ＤＣブラシレスモータ８の回転センサ４１と、貯留タンク３の圧力を検出する圧力検出手段（圧力センサ）３７と、ＤＣブラシレスモータ８の電流検出手段４２とが接続している。さらに、ＤＣブラシレスモータ８によって駆動される圧縮機６は貯留タンク３に接続され、貯留タンク３は減圧弁２４を介して取り出し口２６のカプラに接続している。

そして、上記空気圧縮機においては、（１）電池装置４の消耗防止（２）電池装置４の電圧低下検出（３）ＤＣブラシレスモータ８の高効率駆動（４）圧縮ピストン１６の上死点位置での停止に関する制御が行われるように構成されている。以下、上記各制御について順次説明する。

（１）バッテリの消耗防止の制御
図７に示されるように、電池装置４と制御装置２３とを接続する電気回路中には電池装置４から供給される電力を無駄に消耗しないようにするスイッチ機構が設けられている。このスイッチ機構は、並列に接続された第１スイッチ手段３５と第２スイッチ手段３６とから構成されている。

第１スイッチ手段３５は自動復帰型のスイッチで、電池装置４と制御装置２３との通電のオン、オフが手動により操作可能で、指で押せばオン、指を離せば自動的にオフ操作することができる。オン時には電池装置４と制御装置２３とが通電するようになっている。

第２スイッチ手段３６は、第１スイッチ手段３５がオンしたことに連動してオン作動し、制御装置２３によってオフ作動するもので、制御装置２３は貯留タンク３の圧力を検出する圧力センサ３７からの信号を利用して、規定時間内の圧力変化が規定値以下である場合には、貯留タンク３が作動していないと判断し、電池装置４と制御装置２３との通電をオフするように構成されている。なお、第２スイッチ手段３６は制御装置２３によってオンオフ可能なものであれば、半導体スイッチ、リレースイッチなどどのようなスイッチでもよい。

第１スイッチ手段３５は自動復帰型スイッチであり、第１スイッチ手段３５を押すと、電気回路に対する通電はオンし、制御装置２３は作動が可能となる。つづいて制御装置２３が第２スイッチ手段３６の通電をオンさせる。第１スイッチ手段３５から手を離すと、第１スイッチ手段３５の通電はオフされるが、第２スイッチ手段３６により電気回路は通電状態が保持され、圧縮作業が開始可能な状態となる。

図８に示すように、釘打機やエアダスタなどの空気圧工具を使用しているときは、貯留タンク３内の圧力は低下し、その低下に応じて空気圧縮機が作動して貯留タンク３内の圧力を一定に保持する。したがって、使用時には貯留タンク３の圧力は変動を繰り返している。しかし、作業が終了するなどして貯留タンク３内の圧縮空気が使用されなければ、貯留タンク３内の圧力は変化しない。そこで、制御装置２３は、圧力センサ３７からの信号に基づいて貯留タンク３内の圧力を常に監視し、貯留タンク３の規定時間内の圧力変化が規定値以下で変わらないと判断したときは、第２スイッチ手段３６をオフ作動させ、通電状態を遮断する。

このように、貯留タンク３の規定時間内の圧力変化が規定値以下、例えば貯留タンク３の容量が１．５リットル程度である場合に、０．０１ＭＰａ／分程度の圧力変化であるとき、制御装置２３は、電池装置４が空気圧縮機本体２の電気回路に接続したまま放置されて使用されない状態が続いていると判断し、強制的に第２スイッチ手段３６をオフ作動させる。これにより、過剰な放電による電池装置４の消耗が防止され、液漏れ等の故障を未然に回避することができる。

なお、本実施形態では、一例として規定値は０．０５ＭＰａ、規定時間は５分に設定している。

なお、電池装置４の消耗を防止するための手段としては、貯留タンク３の圧力の変動を監視する代わりに、図７に示すＤＣブラシレスモータ８の作動をみて第２スイッチ手段３６をオフ作動させるようにしてもよい。すなわち、第１スイッチ手段３５がオンしたことに連動してオン作動し、貯留タンク３内の圧力が規定の圧力になるまで上昇させ、その後モータが停止してから、規定時間経過してもＤＣブラシレスモータ８が再起動しない場合は、制御装置２３によって第２スイッチ手段３６が電気回路をオフ作動させるようにするのである。

このスイッチ機構によれば、自動復帰型の第１スイッチ手段３５を押すと、電気回路に対する通電はオンし、これに連動して第２スイッチ手段３６が通電をオンする。第１スイッチ手段３５から手を離すと、通電はオフされるが、第２スイッチ手段３６により電気回路の通電状態が維持され、圧縮作業が可能となる。

そして、制御装置２３が圧力センサ３７からの信号に基づいて貯留タンク３の圧力を監視し、規定の圧力まで空気を圧縮した後、モータが停止してから規定時間以上モータが再起動しない場合には、制御装置２３は、電池装置４が空気圧縮機本体２の電気回路に接続したまま放置されて使用されていない状態が続いていると判断し、第２スイッチ手段３６を強制的にオフ作動させる。これにより、過剰な放電による電池装置４の消耗が防止され、液漏れ等の故障を未然に回避することができる。

（２）電池装置４の電圧低下検出制御
次に、運転時に電池電圧が規定値以下になると、圧縮機６の駆動に必要なエネルギを供給することができなくなり、圧縮機６は作動を停止してしまう。これに対応するため、上記制御装置２３は、図７に示すように電池装置４の消耗状態を報知する報知手段３８を備えている。報知手段３８はブザーやＬＥＤ等で構成し、ブザーの鳴動やＬＥＤの点滅表示によって報知するものでよい。

そして、圧縮運転時に制御装置２３が電池装置４の電圧検出手段４０によって電圧値を監視しておき、図９に示されるように、電圧が規定値Ａ以下に低下したことを検出したとき、制御装置２３がその信号を受けて報知手段３８を作動させるように構成されている。

このように、電池装置４の電圧が規定値以下に低下したときは、報知手段３８が作動するので、作業者は圧縮空気の作動停止の原因が電圧が低くなったことによるものであることを知ることができる。

なお、報知手段３８を作動させる電圧値の規定値は、同図の規定値Ｂのように、圧縮機６の動作が不能となる電圧値よりもやや高い電圧値に設定するのが好ましい。電圧が規定値Ｂになって報知が発せられてから、さらに電圧が規定値Ａまで低くなって圧縮機６が動作を停止するので、作業が中断されてしまうまでに時間的余裕があるから、作業者は頃合いをみて電池装置４の交換の準備をすればよく、前触れなく作業が中断されることはない。

なお、電池装置４の電圧を監視することに代え、ＤＣブラシレスモータ８の運転時間が規定値以上であるかどうか、あるいは電池装置４の電気容量である消費電流の積分値が規定値以上であるかどうかを監視し、規定値以上であれば、報知手段３８を作動させるようにしてもよい。この場合は、過放電にならないようにする手段を講じておくのが好ましい。

また、電池装置４の電圧検出手段４０がないときは、図１０に示されるように、貯留タンク３の圧力センサ３７とＤＣブラシレスモータの回転センサ４１によって、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５・・・のように、各電圧毎に貯留タンク３内の圧力とモータ回転数との関係をテーブルにもたせて制御装置２３のメモリに記憶させておき、実施したときの貯留タンク３圧力とモータ回転数をテーブルに照らし合わせれば、そのときの電圧を推測することができる。例えば、モータ回転数がａのときに貯留タンク３内の圧力がｂであるときは電圧はＶ２であると推測することができ、またモータ回転数がａであっても、貯留タンク３内の圧力がｂ´のときは電圧がＶ４であると推測することができる。このように、制御装置２３が電池装置４の電圧を演算処理して監視し、上記テーブルから電圧が規定値以下になったと判断したときは、報知手段３８を作動させるように構成してもよい。なお、図１０に示す電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５・・・の相互の関係は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４＞Ｖ５・・・である。

（３）モータの高効率駆動制御
次に、空気圧縮機では負荷に応じてモータ回転数が変動する。通常は、制御装置２３によって、図７及び図１１（の左側）に示されるように、各回転センサ４１から信号が出力されたタイミングで制御回路がインバータ回路のスイッチング素子（ＦＥＴ）に信号を送り、通電を切り替えるようになっている。同図左側下部はそのときのインバータ回路電流の変化示すものであるが、同図左側のような固定の通電タイミング（進角）では回転数によっては効率が悪くなり、余分なモータ電流分αにより損失を発生させてしまう。

そこで、上記空気圧縮機では、同図右側に示されるように、ＤＣブラシレスモータ８の進角を負荷に応じて変えるように構成されている。すなわち、ＤＣブラシレスモータ８には回転検出手段として回転センサ４１が内蔵されている。例えば３相モータでは３個の回転センサ４１が設けられている。上記空気圧縮機では、制御装置２３によって進角のタイミングを、モータ回転数に応じてＤＣブラシレスモータ８の回転センサ４１から出力された信号より少し遅らせるようにしている。

このように進角のタイミングを少し遅らせると、インバータ回路電流の波形は同図右側下ｂに示されるようなものとなり、余分なインバータ回路電流αはカットされる。モータ回転数および通電タイミングは、それぞれ回転センサ４１からの出力信号およびＤＣブラシレスモータ８の端子電圧信号を処理することによって得ることができる。そして、制御回路により回転数に応じた最適な通電タイミングを演算し、ＤＣブラシレスモータ８を駆動すればよい。どれだけの回転数のときに進角をどれだけずらせばよいかはＤＣブラシレスモータ８の仕様によって決まる。

上述のように、負荷に応じて変動するモータ回転数に応じて進角を調整することにより、ＤＣブラシレスモータ８の回転損失の発生が抑えられ、高効率でＤＣブラシレスモータ８を回転駆動することができる。

なお、ＤＣブラシレスモータ８の起動時には、図１２（ａ）に示されるように、定常運転時よりも大きな起動電流が流れる。この起動電流の全てがＤＣブラシレスモータ８のトルク発生に寄与するわけではなく、一部のエネルギはＤＣブラシレスモータ８やインバータ回路で熱として消費されてしまう。例えば起動に必要なトルクを得るには４０Ａ程度の電流が流れていればよい場合であっても、８０Ａ程度の電流が流れてしまう。そこで、上記空気圧縮機においては、起動時の駆動電流値を、貯留タンク３がフルの状態の圧力よりもやや下げた状態でＤＣブラシレスモータ８の起動に必要な最低限の電流値を閾値として規定し、規定された閾値以上の電流は流れないように制限している。そのために、制御装置２３は電流検出手段４２からの検出信号によりＤＣブラシレスモータ８を流れる電流の電流値を監視しておき、同図（ｂ）のように、検出された電流値を制御回路で処理し、ＤＣブラシレスモータ８を駆動するインバータ回路のＯＮ時間を調整すればよい。電流が閾値以上であればＯＮ時間を短くして閾値以下になるように調整している。

従来は起動の際に必要以上に大きな起動電流が流れるので、余分なエネルギは熱として逃げていたが、上記構成によれば、制御装置２３によって起動時の駆動電流値はＤＣブラシレスモータ８の起動に必要な最低限の電流値に抑えられる。必要以上の電流は流れないので、熱の発生や消費電力が抑えられ、電池装置４が長持ちするので作業時間を延ばすことができる。

（４）圧縮ピストン１６の上死点位置制御
ところで、従来の空気圧縮機では、図１３（ａ）に示されるように、圧縮ピストン１６が下死点から上死点に向かって作動するときは圧縮シリンダ１７内で圧縮された空気の圧力で吐出弁２１が開き、圧縮空気は外部に吐出され、貯留タンク３に充填される。これに対し、同図（ｂ）のように圧縮ピストン１６が上死点から下死点に向かって作動するときは圧縮シリンダ１７内が負圧になるので、吸気弁２０が開き、内部に大気が導入されて次段の圧縮が準備される。圧縮ピストン１６が下死点にある状態で圧縮機が起動して圧縮・充填作業を開始すると、圧縮ピストン１６は圧縮シリンダ１７内の空気を圧縮しながら作動することになるので、圧縮ピストン１６には負荷がかかる。しかも、貯留タンク３内の圧力が高い場合は、圧縮シリンダ１７内の圧力が貯留タンク３内の圧力以上にならないと吐出弁２１は開かないから、圧縮ピストン１６に加わる負荷は増大する。このため、図７のＤＣブラシレスモータ８のトルクが不足して圧縮機６が起動できないおそれがある。

これに対し、圧縮ピストン１６が上死点にあるときは、停止時に圧縮ピストン１６と圧縮シリンダ１７との間には圧縮された圧縮空気が残留している。したがって、上死点位置から圧縮機を起動させると、圧縮ピストン１６は上死点位置から下死点に向かって作動するが、上記残留圧縮空気の圧力も受けるので、最小の負荷で起動できる。したがって、貯留タンク３内の圧力が高い場合であっても、確実に起動させることができるから、アンロード装置のような複雑で高価な装置を装備する必要がなくなる。

そこで、上記空気圧縮機には、圧縮ピストン１６の位置を把握するピストン位置把握手段を設け、上記圧縮機６の作動を停止する際に、上記ピストン位置把握手段により上記圧縮ピストン１６の位置が上死点であると判断されたときに停止する構成を採用している。

次に、ピストン位置把握手段の具体的構成について説明する。

まず、ＤＣブラシレスモータ８には回転センサ４１が内蔵されているから、この回転センサ４１と他の情報を関連させてピストンの上死点位置を制御することが考えられる。例えば、上記回転センサ４１からの信号とＤＣブラシレスモータ８に流れる電流の波形とからピストン位置把握手段を構成することができる。図１４（ａ）に示されるように、回転センサ４１はＤＣブラシレスモータ８が回転するときにパルス波形を出力する。１サイクルにいくつのパルス波形が出力されるかはＤＣブラシレスモータ８の仕様によって決まっている。しかし、パルス波形の数や形だけでは圧縮ピストン１６の位置を知ることはできない。これに対し、モータ電流はＤＣブラシレスモータ８の回転によって変化し、圧縮ピストン１６が上死点に達したときに負荷が最も大きくなるから、モータ電流の電流値もピークになる。

したがって、回転センサ４１から出力されるパルスと電流検出手段４２によって検出されたモータ電流の電流値の波形とを重ね合わせれば、圧縮ピストン１６の上死点を示す１つの電流ピーク値から次の電流ピーク値までの間に回転センサ４１から何パルスが出力されるかを計算することができる。しかも、あるピーク値でＤＣブラシレスモータ８に対する通電を停止しても、惰性で回転している間は回転センサ４１からのパルス波形は出力され続けるから、通電停止から何パルス目が上死点であるかを知ることができる。したがって、上死点の位置は常に把握することができる。そこで、ＤＣブラシレスモータ８の惰性回転が終わる直前で、回転エネルギが小さくなったときに、圧縮ピストン１６が上死点になったタイミングでＤＣブラシレスモータ８を急停止させればよい。

ＤＣブラシレスモータ８の急停止は、制御回路で６個のＦＥＴ中３個をＯＮさせてＤＣブラシレスモータ８の運動エネルギを熱に変換することによって行うことができる。

上記構成によれば、圧縮ピストン１６の上死点位置を、ＤＣブラシレスモータ８に内蔵された回転センサ４１からの信号とＤＣブラシレスモータ８に流れる電流のパルス波形とによって得ることができるから、圧縮ピストン１６を上死点位置で停止させ、最小の負荷で再起動させることができる。貯留タンク３内の圧力が高い場合であっても、確実に起動させることができる。

同様にして、ＤＣブラシレスモータ８の回転センサ４１を利用するピストン位置把握手段は、図１４（ｂ）に示されるように、上記回転センサ４１からの信号と貯留タンク３の圧力を検出する圧力センサ３７からの信号とによって構成することもできる。

すなわち、圧縮ピストン１６が下死点から空気を圧縮しながら上死点に接近すると、圧縮シリンダ１７内の圧力が最も高くなり、その圧力が貯留タンク３に貯まっている圧力に勝ると、圧縮シリンダ１７内の圧縮空気は吐出されて貯留タンク３内に送り出されるとともに、圧縮ピストン１６は上死点に達し、再び下死点に向かって移動する。したがって、圧縮ピストン１６が上死点に接近すると、貯留タンク３に貯まっている圧力に勝る分だけ貯留タンク３内の圧力が急上昇する。このとき貯留タンク３の圧力センサ３７から出力される信号波形は符号ｐで示されるようになる。したがって、図１４（ａ）の場合と同様にして、この信号波形とＤＣブラシレスモータ８が回転するときに回転センサ４１から出力されたパルス波形とを対応させることにより、圧縮ピストン１６の上死点を示す圧力信号の波形が急上昇する時点から次の急上昇時点までの間に何パルスが出力されるかを知ることができる。そこで、１つの圧力急変時点でＤＣブラシレスモータ８に対する通電を停止しても、パルス波形は出力され続けるから、通電停止から何パルス目が上死点であるかを知ることができるので、上死点の位置は常に把握することができる。そこで、ＤＣブラシレスモータ８の惰性回転が終わる直前で、回転の負荷が小さくなったときに、圧縮ピストン１６が上死点になったタイミングでＤＣブラシレスモータ８にブレーキをかけて急停止させればよい。

以上のように、ＤＣブラシレスモータ８に内蔵された回転センサ４１からの信号と貯留タンク３の圧力を検出する圧力センサ３７からの信号とによって圧縮ピストン１６の上死点位置に停止するように制御することができる。

また、上記ピストン位置把握手段は、上記ＤＣブラシレスモータ８に流れる電流の波形によって構成してもよい。すなわち、図１４（ａ）に示したように、圧縮ピストン１６が上死点に到達する度に電流検出手段４２によって検出された電流がピーク値に達し、その電流波形もピークになるから、この時点でＤＣブラシレスモータ８を急停止させるのである。急停止は制御回路で６個のＦＥＴ中３個をＯＮさせてＤＣブラシレスモータ８の運動エネルギを熱に変換することによって行うことができる。

上記構成によれば、電流検出手段４２によって検出された電流波形に基づいて圧縮ピストン１６を上死点位置で停止させることができる。

また、上記ピストン位置把握手段は、上記貯留タンク３の圧力センサ３７の信号によって構成してもよい。すなわち、図１４（ｂ）に示したように、圧縮ピストン１６が上死点に到達する度に貯留タンク３内の圧力よりも勝る分だけ圧力センサ３７から出力される信号波形が急上昇する。したがって、圧力センサ３７からの信号波形が急上昇するときにＤＣブラシレスモータ８を急停止させるのである。この場合の急停止も制御回路で６個のＦＥＴ中３個をＯＮさせてＤＣブラシレスモータ８の運動エネルギを熱に変換することによって行うことができる。

上記構成によれば、上記貯留タンク３の圧力センサ３７によって検出された信号波形に基づいて圧縮ピストン１６を上死点位置で停止させることができる。

なお、以上のピストン上死点位置制御構成によれば、圧縮ピストン１６の位置を検出する専用のセンサを設けることなくその上死点位置での停止を制御することができる。

さらに、上記ピストン位置把握手段は、上記圧縮ピストン１６が上死点に達したことを検出する位置検出センサ（図示せず）によって構成してもよい。直接に圧縮ピストン１６の上死点位置を検出するから、正確な停止制御を行なうことができる。

本発明に係る空気圧縮機の斜視図 上記空気圧縮機の一部を断面で示した側面図 上記空気圧縮機の平面図 電池装置の一部を断面で示した側面図 別の実施形態の空気圧縮機の側面図 上記空気圧縮機の平面図 上記空気圧縮機の電気回路とエア回路の構成をブロック図 貯留タンクの圧力変化を示すグラフ図 電池装置の電圧変化を示すグラフ図 貯留タンクの圧力とモータ回転数との関係を電圧別に示したグラフ図 ＤＣブラシレスモータの進角タイミングとその電流値の変化を示すグラフ図 （ａ）（ｂ）は起動電流の処理前と処理後の変化を示すグラフ図 （ａ）（ｂ）は圧縮ピストンが下死点にあるときと上死点にあるときの状態を示す模式図 （ａ）（ｂ）はそれぞれ回転センサの検出信号とモータ電流の変化及び貯留タンク内の圧力の変化を示すグラフ図

１ 装置本体
２ 圧縮機本体
３ 貯留タンク
４ 電池装置
６ 圧縮機
２３ 制御装置
２８ 風流生成装置
３５ 第１スイッチ手段
３６ 第２スイッチ手段
３７ 圧力検出手段（圧力センサ）
３８ 報知手段
４１ 回転センサ
４０ 電圧検出手段
４２ 電流検出手段

Claims (15)

1. 装置本体に着脱交換自在に設けられた電池装置と、上記電池装置と電気回路で接続されて該電気回路に設けられた制御装置によってインバータ駆動されるＤＣブラシレスモータと、上記ＤＣブラシレスモータによって駆動されて空気を圧縮する圧縮機と、上記圧縮機から吐出される圧縮空気を貯留する貯留タンクと、上記貯留タンクに貯められた圧縮空気を取り出す空気取出し口とを備え、上記装置本体は、上記ＤＣブラシレスモータによって駆動されて、上記装置本体の周囲と上記装置本体の内部側との間で風流を生成させる風流生成装置とを備え、上記風流の通風経路の途中に、少なくとも上記ＤＣブラシレスモータと上記圧縮機と上記制御装置と上記電池装置とが配設されていることを特徴とする空気圧縮機。
2. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記貯留タンクは該貯留タンクに貯留された圧縮空気の圧力を検出する圧力検出手段を備え、上記制御装置は、上記圧力検出手段で検出された検出信号に基づいて、上記ＤＣブラシレスモータを上記インバータ駆動することを特徴とする空気圧縮機。
3. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記電池装置に大気の吸気口と排出口とを有する通風路を備えたことを特徴とする空気圧縮機。
4. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記電池装置と上記制御装置とを接続する電気回路中に、上記電池装置と上記制御装置との間の通電のオン、オフを手動操作により可能とする自動復帰型の第１スイッチ手段と、第１スイッチ手段のオン作動に連動してオン作動するとともに、上記制御装置が上記貯留タンクの圧力を検出する圧力センサからの検出信号によって規定時間内の圧力変化が規定値以下であると判断したときに上記制御装置によりオフ作動される第２スイッチ手段とを並列に接続したことを特徴とする空気圧縮機。
5. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記電池装置と上記制御装置とを接続する電気回路中には、上記電池装置と上記制御装置との間の通電のオン、オフを手動操作により可能な自動復帰型の第１スイッチ手段と、第１スイッチ手段のオン作動に連動してオン作動するとともに、上記制御装置が上記貯留タンクの圧力を検出する圧力センサからの検出信号によって上記ＤＣブラシレスモータを、上記貯留タンク内の圧力が規定の圧力になるまで作動させて停止させた後、規定時間以上再起動しないときに、上記制御装置によりオフ作動される第２スイッチ手段とを並列に接続したことを特徴とする空気圧縮機。
6. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記制御装置は上記電池装置の消耗状態を報知する報知手段に接続し、運転時に上記電池装置の電圧検出手段が上記電池装置の電圧が規定値以下に低下したことを検出したとき、上記制御装置は、上記電圧検出手段の検出信号に基づいて上記報知手段を作動させることを特徴とする空気圧縮機。
7. 請求項６に記載の空気圧縮機において、上記規定値が、動作不能となる電圧値よりもやや高い電圧値であることを特徴とする空気圧縮機。
8. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記制御装置により、上記ＤＣブラシレスモータの回転数に応じて進角のタイミングを上記ＤＣブラシレスモータの回転検出手段から出力される信号よりも遅らせることを特徴とする空気圧縮機。
9. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記制御装置が、電流検出手段に接続し、起動時の駆動電流値を、上記ＤＣブラシレスモータの起動に必要な最低限の電流値に抑えることを特徴とする空気圧縮機。
10. 請求項１に記載の空気圧縮機において、上記圧縮機は圧縮ピストンの位置を把握するピストン位置把握手段を備え、上記制御装置は、上記ピストン位置把握手段により検出された信号に基づいて上記圧縮ピストンの位置が上死点であると判断したときに上記圧縮ピストンを停止させることを特徴とする空気圧縮機。
11. 請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記ＤＣブラシレスモータに内蔵された回転センサからの信号と上記ＤＣブラシレスモータに流れる電流の波形とから構成されていることを特徴とする空気圧縮機。
12. 請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記ＤＣブラシレスモータに内蔵された回転センサからの信号と上記貯留タンクの圧力を検出する圧力センサからの信号とによって構成されていることを特徴とする空気圧縮機。
13. 請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記ＤＣブラシレスモータに流れる電流の波形によって構成されていることを特徴とする空気圧縮機。
14. 請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記貯留タンクの圧力センサからの信号によって構成されていることを特徴とする空気圧縮機。
15. 請求項１０に記載の空気圧縮機において、上記ピストン位置把握手段が、上記圧縮ピストンが上死点に達したことを検出する位置検出センサによって構成されていることを特徴とする空気圧縮機。

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