JP5408535B2

JP5408535B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5408535B2
Application number: JP2009163941A
Authority: JP
Inventors: 和隆岩田; 信宏高野; 英之谷本; 嶋　　敏洋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: JP2011016210A; CN102356540A; US20120191250A1; WO2011004902A1

Description

本発明は電動工具のモータ制御に関し、特に電源電圧が低下した際のモータ制御を改良した電動工具に関する。

ドライバドリル等のネジ締め電動工具においては、ネジ締め作業の開始前に、複数設定できるモータの回転数の中から、所定の回転数を選択し、選択された回転数にてモータを回転させて作業を行う。このようなモータの制御方法は、例えば特許文献１にて知られている。回転数の選択は、モード選択ダイヤルを用いて行う方式や、タクトスイッチ等を所定回数押して選択する方式などが知られている。モータ回転数を複数個選択可能とすることにより、低負荷作業から高負荷作業まで幅広い作業を効率よく行うことができる。ネジ締め作業等の作業の際に重要なのは、作業者のトリガ操作に対してモータの追従性を良くすることと、トリガ操作をしてトリガ操作を解除するまで、途中でモータが止まることなく安定して作業を完了させることである。

従来の電動工具におけるモータの回転数と発生トルクとの関係を示すモータ特性、及び、各速度モードの目標回転数を示すのが図１４である。このモータ特性は、電源電圧が満充電状態であるときの特性であり、無負荷時のモータの回転数はＮ_０（ｒｐｍ）である。そしてモータにかかる負荷が増えるにつれてモータの回転数が反比例して低下し、トルクＴ_０の時点で回転数が０になってしまう。このような特性を有するモータを用いた電動工具においては、回転数のモードとして例えば３つの目標回転数が設定される。目標回転数が設定されると、電動工具の制御部はモータを目標回転数で回転させるように、公知の任意の制御方法（例えばＰＩＤ制御）を用いて制御する。

ＰＩＤ制御を用いたモータの回転制御状況を説明するのが図１５である。図１５において、縦軸は、モータの回転数（ｒｐｍ）又はモータを駆動するスイッチング素子のＰＷＭデューティー（％）である。時間０においてモータが起動され、矢印ｃ１で示すようにＰＷＭ駆動信号のパルス幅のデューティー比（以下、「ＰＷＭデューティー」と称する）を１００％にまで上昇させる。これはこの区間でＰＩＤ制御を行うと目標回転数と実際の回転数の差が大きいため、ＰＷＭデューティーを上げるようにフィードバック制御されるからである。この制御に伴いモータの回転数が、矢印ｂ１に示すように増加する。矢印ｃ２の領域では、目標回転数と実際の回転数の差が小さくなってきたため、ＰＷＭデューティーを下げるようにフィードバック制御され、その結果、矢印ｂ２の領域のようにモータが目標回転数Ｎｔにて定速制御される。モータが目標回転数Ｎｔにて一定速度で回転している場合は、デューティーは矢印ｃ３で示すように所定の値に維持される。

図１５において矢印ｂ３で示す時点で、何らかの理由でモータにかかる負荷が増大すると、矢印ｂ４で示すようにモータの回転数が一時的に目標回転数から低下する。この際、モータの目標回転数と実際の回転数の差が生じたためＰＩＤ制御により、時点ｃ４にてＰＷＭデューティーを上昇させるように制御される。その後、増加した負荷において矢印ｃ５で示す区間のように、モータを目標回転数で回転させるためのＰＷＭデューティーで運転され、矢印ｂ５、ｂ６で示すようにモータは目標回転数にて一定の速度で回転する。

特開平９−６５６７５号公報

図５は、電池パック３０の電池残量が低下した際の、各モード時の目標回転数とモータ特性ｍ３の関係を示したものである。この図から理解できるように、電池残量が少なくなった際にはモータ特性ｍ３とモード１〜３のいずれの目標回転数とも交差しないため、モード１〜３のいずれの目標回転数で回転させることができなくなる。そのため、作業者が意図して速度のモード切り替えを行っているのにもかかわらず、回転数の制御が不可能となり作業性が悪くなるという弊害が生じる。

本発明は、上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、設定されたモータの目標回転数に応じて、安定してモータを回転させることができる電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、電池パックの電圧低下に起因するモータの不安定な運転を回避することができる電動工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、モータの回転中は目標回転数になるように精度良く定速度制御を行う電動工具を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。

本発明の一つの特徴によれば、モータと、電源からの電力をモータに供給する駆動回路と、複数モードの目標回転数を設け、設定されたモードの目標回転数にてモータを回転させる制御部を有する電動工具において、モータが停止しているときの電源の電圧値を検出する電圧検出回路を設け、検出された電圧値をもとに目標回転数を可変に設定するように構成した。電動工具は、モータを回転させるスイッチトリガを備え、制御部は、スイッチトリガがオンにされた後であってモータが回転する前に電圧値を測定し、測定された電圧値をもとに目標回転数を設定するようにした。

本発明の他の特徴によれば、電動工具は、目標回転数を設定する切替スイッチを有し、制御部は、切替スイッチによって目標回転数が変更された際の電圧値を測定し、測定された電圧値をもとに目標回転数を設定する。この目標回転数は、電源電圧と比例させて増減するように設定すると好ましい。

本発明のさらに他の特徴によれば、駆動回路は、半導体スイッチング素子を含むインバータ回路であり、制御部はインバータ回路に供給されるＰＷＭデューティーを制御することによりブラシレスＤＣモータの回転を制御する。制御部はＰＷＭデューティーをＰＩＤ制御することにより、モータの回転数が目標回転数になるように定速度制御をおこなう。測定された電圧値をもとにＰＩＤ制御のゲインを変更するが、好ましくは電圧値に反比例させて制御ゲインを増加させる。

請求項１の発明によれば、モータが停止しているときの電源の電圧値を測定する電圧検出回路を設け、測定された電圧値をもとに目標回転数を可変に設定するので、電源電圧が変化しても適切に目標回転数の切り替えが可能となる。また、モータが回転する前に電源の電圧値を測定し、測定された電圧値をもとに目標回転数を設定するので、各作業前に電源電圧に応じた最適な目標回転数を設定することができる。

請求項２の発明によれば、制御部は、切替スイッチによって目標回転数が変更された際の電源電圧を測定し、測定された電圧値をもとに目標回転数を設定するので、切替スイッチが操作されない限り目標回転数を変更しないので、目標回転数のばらつきが生じず、均一な作業を行うことができる。

請求項３の発明によれば、目標回転数は、電源電圧と比例させて増減するように設定されるので、電源電圧が変化しても適切に目標回転数の切り替えが可能となる。

請求項４の発明によれば、制御部はインバータ回路に供給されるＰＷＭデューティーを制御することによりモータの回転を制御するので、高効率で高精度なモータの回転制御を行うことができる。

請求項５の発明によれば、制御部はＰＩＤ制御によりＰＷＭデューティーを制御することにより、モータの回転数が目標回転数になるように定速度制御をおこなうので、精度の良いモータの回転制御を行うことができる。また、負荷の変動等によってモータの回転が乱れた場合であっても、即座に目標回転数に復帰させることができる。

請求項６の発明によれば、制御部は測定された電圧値をもとにＰＩＤ制御のゲインを変更するので、ＰＩＤ制御の制御性向上を図ることができる。

請求項７の発明によれば、変更される制御ゲインは、電圧値に反比例させて増加させるので、電源電圧が比較的低いときには、フィードバックゲインが大きくなって目標回転数への追従性が維持され、電源電圧が比較的高いときにはフィードバックゲインを小さくなってオーバーシュートの発生が抑止される。これにより、電源電圧にかかわらず定回転数制御を正確に行うことができる。

請求項８の発明によれば、使用されるモータはブラシレスＤＣモータであるので、精度の高い回転制御を行うことができ、高効率で消費電力の少ない電動工具を実現できる。

本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

本発明の実施例に係る電動工具の全体を示す図であり、一部にその断面を示す。図１のモータ２の断面構造を模式的に示す図である。本発明の実施例に係る電動工具の機能ブロック図である。モータの回転数と出力トルクとの関係を示す図である。電源電圧が低下した際のモータの回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。モータの電源電圧と各モード時の目標回転数を示すグラフである。電源電圧が低下した際のモータの回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。本発明の実施例における、モータの制御手順を示すフローチャートである。発明の実施例における、モータの速度モードを切り替えた際の目標回転数を変化させる状況を説明するための図である。本発明の第２の実施例における、モータの制御手順を示すフローチャートである。ＰＷＭデューティーの固定制御と、ＰＩＤ制御時のモータの回転数とモータ電流との関係を示すグラフである。ＰＩＤ制御で用いる各種ゲインと電源電圧との関係を示すグラフである。本発明の第３の実施例における、モータの制御手順を示すフローチャートである。従来におけるモータのＰＷＭデューティー固定制御と定速度制御方式の場合の回転数と電流の関係を示すグラフである。従来におけるモータの定速度制御方式における回転数及びＰＷＭデューティーと時間の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書の説明において上下及び前後の方向は、図１中に示した方向として説明する。図１は本発明の実施例に係る電動工具の全体を示す図であり、一部にその断面を示す。本実施例においては、電動工具の一実施例としてドライバドリル１を用いて説明するが、本発明はこれに限られずにインパクトドライバ、ハンマドリルなどの他の電動工具でも良い。

図１において、ドライバドリル１は、胴体ハウジング部６ａ内にモータ２を収納し、モータ２の駆動力を伝達する動力伝達部２５により、スピンドル（出力軸）８に装着されたチャック２８に着脱自在に保持されるドライバまたはドリルの先端工具（図示せず）に回転力を与える。胴体ハウジング部６ａの後方側には、モータ２を駆動するためのインバータ回路部（回路基板）３が収容され、胴体ハウジング部６ａの中間部および前方側には、モータ２の回転軸２ｅ方向に回転力を伝達し、モータ２の回転数を減速するための減速機構部２６と、減速機構部２６の出力軸に得られる回転トルクをスピンドル８に伝達するクラッチ機構部２７が収容される。クラッチ機構部２７は、減速機構部２６の回転力をスピンドル（出力軸）８に伝達するように結合される。また、このクラッチ機構部２７の代わりに、通常のインパクト機構を設けてもよい。

クラッチ機構部２７は、モード切替およびトルク調整のためのダイヤル（クラッチダイヤル）５を有し、ダイヤル５によって作業者がドライバモードまたはドリルモードを設定できるように構成される。ダイヤル５がドライバモードを選択している場合、トルク調整ダイヤル５を複数段階の所定の回転角度に回転させることによって、クラッチ機構部２７は、ダイヤル５の回転角度に従って減速機構部２６の出力軸からスピンドル８に伝達される回転トルクを負荷に対応する所望の締付けトルクに調整することができる。このダイヤル５は、例えば１０段階のトルク設定が可能である。設定した締付けトルク（滑り出しトルク）以上の負荷トルクがスピンドル８に加わると、トルク調整部５のクラッチ機構により減速機構部２６の出力軸はスピンドル８との結合から遮断されて空転することになり、これによってモータ２のロックが防止される。

ダイヤル５をドリルモードに設定する場合は、ダイヤル５を最大限の回転角度に回転させて減速機構部２６で得られる回転力を、クラッチを動作させずにスピンドル８に伝達させるように切り替える。このドリルモードにおいて負荷がスピンドルの締付けトルクより大きい場合、クラッチ機能が働かないので、スピンドルに保持された先端工具はロックされ、モータ２はロック状態となる。減速機構部２６は、周知の技術によって構成され、モータ２の回転軸２ｅの前端に形成されたピニオンギアに噛合う、例えば、２段の遊星歯車減速機構（変速ギアケース）（図示せず）から構成される。

モータ２は、本実施例では３相ブラシレス直流モータを用いる。図２は、図１のモータ２の断面構造を模式的に示す図である。この断面は、モータ２の出力回転軸と垂直に切断した面である。図２に示すように、モータ２は回転子（ロータ）２ａと固定子巻線（電機子巻線）２ｄを含んで構成される。回転子２ａは、回転軸２ｅ方向に延びるＮ極およびＳ極の永久磁石（マグネット）２ｂを有し、固定子２ｃは円筒状の外形であってティース部２ｈに巻かれる固定子巻線２ｄを有する、いわば内部磁石配置形のモータである。

固定子巻線２ｄは、樹脂材料からなる絶縁層２ｆ（図１参照）を介して固定子２ｃに巻回される。回転子２ａの近傍には、回転子２ａの回転位置を検出するために、回転方向に６０°毎に配置され、回転子２ａの位置を電磁結合的に検出する３つのホールＩＣ（回転位置検出素子）１０〜１２が配置される。スター結線された固定子巻線２ｄ（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には、インバータ回路部３よりホールＩＣ１０〜１２の位置検出信号に基づいて電気角１２０°の通電区間に制御された電流が供給される。尚、回転位置を検出するための別の方法として、固定子巻線２ｄの誘起起電圧（逆起電力）を、フィルタを通して論理信号として取出すことによって回転子位置を検出するセンサレス方式を採用することもできる。

再び図１を参照して、胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂは、一体に成型された合成樹脂材料からなる。胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂは、モータ２の回転軸２ｅを通る鉛直面で左右に２分割可能に構成される。組み立て時には、ハウジング部材（胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂの左又は右側部分）の一対を準備し、予め、図１の部分断面図で示すような一方のハウジング部材に、モータ２の固定子２ｃ及び回転子２ａ等の組込みを行い、しかる後、他方のハウジング部材を重ねて、ネジ締め等で双方のハウジング部材を締結させる。固定子２ｃの外周面に対向するハウジング部分の内壁には、胴体ハウジング部６ａと一体成型により形成された複数の固定子保持部（リブ部）（図示せず）が形成され、固定子保持部によってモータ２が把持または挟持される。

モータ２の先端側には冷却用ファン２４が同軸上に設けられ、冷却用ファン２４近傍の胴体ハウジング部６ａには、図示されていないが、排気口（通風口）が形成される。胴体ハウジング部６ａの後端部には吸気口（通風口）２１が形成され、この吸気口２１から冷却用ファン２４の近傍に形成される排気口に至る通路２３は、冷却用空気の流通路を形成し、インバータ回路部３の半導体スイッチング素子３ａの温度上昇、およびモータ２の固定子巻線２ｄの温度上昇を抑制する。ドライバモードまたはドリルモードにおいて、モータ２の負荷状況によってはスイッチング素子３ａに大電流が流れてスイッチング素子３ａの発熱が大きくなるので、冷却用ファン２４によってインバータ回路部３を強制的に空冷することが重要である。

インバータ回路部３は、円板状の回路基板を有し、モータ２の固定子２ｃの一端部側（後方側）を全面的に覆う。一方、固定子２ｃの他端部側（前方側）には、防塵カバー２２が設けられ、インバータ回路部３と同様に、固定子２ｃの他端部側面を覆う。これらインバータ回路部３および防塵カバー２２の両者は、固定子２ｃと共に、回転子２ａを閉塞または密封する防塵構造（密閉構造）を形成する。これにより、モータ２への粉塵の侵入を防止できる。

ハンドルハウジング部６ｂの下端部には、モータ２の駆動電源となる電池パック３０が着脱可能に装着される。電池パック３０の上部には、モータ２の回転を制御する制御部３１を含む制御回路基板４が、前後左右方向に延在するように設けられる。

ハンドルハウジング部６ｂの上端付近にはスイッチトリガ７が配設され、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａがバネ力によって付勢された状態でハンドルハウジング部６ｂから突出する。作業者がトリガ操作部７ａを後方に押し込むことにより、トリガ押込量（操作量）を調整し、モータ２の回転数を制御することができる。本実施例によれば、スイッチトリガ７によるトリガ押込量は、インバータ回路部３の半導体スイッチング素子３ａを駆動するＰＷＭ駆動信号のＰＷＭデューティーに反映される。

電池パック３０は、スイッチトリガ７および制御回路基板４へ駆動電源を供給し、さらにインバータ回路部３へ駆動電力を供給するように電気的に接続される。電池パック３０を構成する二次電池は、リチウムイオン電池が使用されるが、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を用いても良い。リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比較して約３倍のエネルギー密度を持ち、小形軽量であるという利点をもっている。この電池パック３０の出力電圧は、例えば、１８．０Ｖである。

次に図３を用いて、本発明の実施例に係る電動工具の機能ブロック図を説明する。インバータ回路１３はインバータ回路部３に搭載され、３相ブリッジ形式に接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６により主に構成される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６として、本実施例では絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いるが、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラトランジスタでも良い。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御部３１に含まれる制御信号出力回路３３に接続される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタまたはエミッタは、スター結線された固定子巻線２ｄ（巻線：Ｕ、Ｖ、Ｗ）に接続される。これによって、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路３３から入力されたスイッチング素子のＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作を行い、インバータ回路１３に印加される電池パック３０の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換して、固定子巻線２ｄ（３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ）へ３相交流電力を供給する。

図３において、制御部３１は、制御回路基板４（図１参照）に搭載される各種回路により構成される。演算部３２は、モータ２の回転制御を含むドライバドリル１の全体の制御を行う。演算部３２は、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するためのＣＰＵ、後述するような制御フローを実行する処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、時間をカウントするためのタイマ等を含むマイコンによって構成され、処理プログラムとデータに基づいて各種処理を実行する。回転子位置検出回路３４は、ホールＩＣ１０〜１２の出力信号に基づいて回転子２ａの回転位置を検出し、演算部３２へ回転子２ａの位置情報を出力する。回転数検出回路３５は、ホールＩＣ１０〜１２から一定間隔で出力される信号の時間間隔からモータ２の回転数を検出する。

電源スイッチ回路３８は、制御部３１内へ電源を供給するためのメインスイッチであり、電源スイッチ回路３８をオンにすることにより、電源電圧供給回路３９に電池パック３０からの電力が供給される。通常、電源電圧供給回路３９のスイッチのオン又はオフは、スイッチトリガ７に連動して動作するが、本実施例においては演算部３２からの制御信号によってもオン／オフが制御可能である。このため、演算部３２から電源スイッチ回路３８への制御信号線が接続される。電源電圧供給回路３９は、電池パック３０から供給される電圧を、制御部３１で使用される所定の電圧（例えば５Ｖ）に変換し、演算部３２及びその他の電気回路（図示せず）に供給する。

電流検出回路３６は、シャント抵抗１８を用いてモータ２の駆動電流を検出し、その情報を演算部３２に出力する。電圧検出回路３７は、電池パック３０から供給される電圧値を測定して演算部３２に出力する。スイッチ操作検出回路４０は、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａによるトリガ操作の有無を判別して演算部３２に出力する。印加電圧設定回路４１は、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａによるトリガ押込量に応答してスイッチトリガ７において発生する出力制御信号に対応するＰＷＭ信号のＰＷＭデューティーを設定する。尚、図３では図示していないが、モータ２の回転方向設定回路を設けて、正逆切替レバー９（図１参照）による正方向回転または逆方向回転の操作を検出して演算部３２に出力する。

演算部３２は、電流検出回路３６、電圧検出回路３７、スイッチ操作検出回路４０、および印加電圧設定回路４１の各出力情報に基づいて、制御信号出力回路３３への出力駆動信号を作成し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のＰＷＭ駆動信号のＰＷＭデューティーを制御することによって、モータ２への印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを制御する。この際、モータ２は、速度モード切替スイッチ４２によって設定された目標回転数で回転される。また、図示しない回転方向設定回路と回転子位置検出回路３４の情報を基に、所定のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を所定の順序にスイッチングすることによって固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを所定の順序に供給するように制御し、これによって、正逆切替レバー９によって設定された回転方向にモータ２を回転させるよう制御する。

演算部３２は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をＰＷＭ駆動信号Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、スイッチトリガ７（図１参照）のトリガ操作部７ａのトリガ押込量に応答する印加電圧設定回路４１の出力信号に基づいて、ＰＷＭ駆動信号のパルス幅のデューティー比（ＰＷＭデューティー）を変化させることによりモータ２への電力を調整し、モータ２の起動および回転速度を制御する。なお、ＰＷＭ駆動信号は、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６に供給する代わりに、正電源側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の駆動信号Ｈ１〜Ｈ３をＰＷＭ駆動信号として形成しても、結果的に、電池パック３０の直流電圧から各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する印加電圧を制御することができる。

また、演算部３２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のうち、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオンし、３個の正電源側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３をオフし、固定子巻線を短絡することによりブレーキ時の電流が流れる経路を形成し、モータ回転時の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、短絡制動によるブレーキ動作を行う。

以上の構成により、制御部３１は、制御信号出力回路３３からインバータ回路１３へＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６を出力し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングを交互に制御することにより、３相交流電圧がモータ２の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力されるように制御する。また、ＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のＰＷＭデューティーを調整することによりモータ２のモータ電流およびモータ回転数（回転速度）を制御する。

次に、電源電圧の低下とモータの回転数、発生トルクとの関係を図４を用いて説明する。図４は、モータの回転数とモータにかかる負荷の関係を示すグラフであって、縦軸にモータの回転数（ｒｐｍ）、横軸に負荷トルク（Ｎ・ｍ）を示す。電池パックの電源電圧が低下してきた場合は、モータの回転数もそれに合わせて低下する。電源電圧、即ち電池パック３０が満充電時のモータ２の無負荷時の回転数がＮ_０１とすると、締め付け可能な最大トルクがＴ_１となり、回転数と発生トルクの関係は直線状のモータ特性ｍ１になる。このモータ特性ｍ１は、電池パック３０の電池残量が低下するにつれて矢印４１の方向に平行移動し、電圧が低下した場合は、モータ特性ｍ２で示すような特性になる。つまり、電圧が低下した電池パック３０を用いると、無負荷時のモータ回転数がＮ_０２であり、締め付け可能な最大トルクがＴ_２となる。この結果、速度モード切替スイッチ４２によって設定される「モード３の目標回転数」として、回転数Ｎ_Ｔ３に設定していたとすると、電池残量が低下した電池パック３０では、目標回転数でモータ２を回転させることができないことになる。

図５は、電池パック３０の電池残量が低下した際の、各モード時の目標回転数とモータ特性ｍ３の関係を示したものである。この図から理解できるように、電池残量が少なくなった際にはモータ特性ｍ３とモード１〜３のいずれの目標回転数とも交差しないため、モード１〜３のいずれの目標回転数で回転させることができなくなる。このため、作業者が速度のモード切り替えを行ってもモータの回転数が変わらないという不具合が生じる。

そこで本実施例においては、図６に示すように電源電圧の変化に応じて各モードの目標回転数を可変とすることにより、電源電圧が変化しても適切に速度モードの段数切替を可能とした。電動工具の定速度制御の目的は、高負荷時の回転数低下を防ぎ、作業性を向上させることであり、また速度モードの切り替えも作業内容に応じてきめ細かい制御を行うことであるが、本実施例においては電源電圧が低下したとしても速度モードの切り替えが可能となった。電源電圧の低下に応じて、どの程度回転速度を低下させるかは、モータや電動工具の特性、使用用途に応じて適切に設定すればよいが、例えば、１８．０Ｖ仕様の電池パック３０の満充電時（２１．０Ｖ）の際のモード１、２、３の目標回転数がそれぞれ１４０００ｒｐｍ、１７５００ｒｐｍ、２１０００ｒｐｍの場合、電池パック３０の電圧が１６．０Ｖに低下した際には、モード１、２、３の目標回転数をそれぞれ１０６６６ｒｐｍ、１３３３３ｒｐｍ、１６０００ｒｐｍとすれば良い。

図７は、電池残量が少ない時のモータ特性ｍ３と、各モードの目標回転数との関係を示すグラフである。この図から理解できるように、電池残量が少なくなった際にはモータ特性ｍ３とモード１〜３のいずれの目標回転数とも交差するため、目標回転数でモータを回転させることができることが理解できるであろう。このように電池電圧の残量によって、各速度モードの切り替えによって目標回転数を変更することができるため、電源電圧の変動によって目標回転数が変わらなくなってしまうという不具合を解消し、作業内容に応じて適切に回転数を切り替えることができる。

次に図８のフローチャートを用いて、本発明の実施例における、モータの制御手順を説明する。まず、ステップ８１において、スイッチトリガ７がオンになったか否かを判定する。スイッチトリガ７がオフのままの場合は、速度モード切替スイッチ４２であるタクトスイッチ（図示せず）がオンになったか否かを判定し（ステップ９１）、オンの場合はそのオンの場合はモータ２の速度モードの切り替えを行う（ステップ９２）。オンになっていない場合はステップ８１に戻る（ステップ９１）。

ステップ８１でスイッチトリガ７がオンになると、電源スイッチ回路３８にその旨の信号が送られて、電源スイッチ回路３８は電池パック３０からの電圧を電源電圧供給回路３９に供給を開始する。電源電圧供給回路３９は、電池パック３０の電圧から、制御部３１内の各素子に必要な電源電圧（例えば直流５Ｖ）を生成し、演算部３２やその他の素子に供給を開始する。この電源電圧の供給によって、演算部３２を含む制御部３１の電源が入ることになる。

次に、演算部３２は電圧検出回路３７の出力を受けて、電池パック３０の電圧値を検出する（ステップ８２）。この電圧は、モータ２の回転が開始される直前の電圧であり、モータ２の停止時の電源電圧である。次に演算部３２は、設定されているモータ２の速度モードを判別する（ステップ８３）。速度モードは、変更されない限り以前の状態を保持するもので、作業者がトリガスイッチを押す前に速度モードを切り替えていない場合は、従前に設定された速度モードを維持する。次に、演算部３２は、電圧検出回路３７で検出された電圧値を元に図６で示した関係から、目標回転数を設定する（ステップ８４）。この目標回転数の設定のために、図６で示す関係を式またはデータテーブルの形で予め記憶手段内に格納しておくと良い。目標回転数が設定されると、演算部３２はモータ２の起動を開始し、設定された目標回転数までモータ２の回転を加速させる。モータ２の起動制御は、公知のＰＷＭ制御で行うことができるので、詳細な説明は省略する。尚、ステップ８１からステップ８５までの処理に要する時間は、数ｍｓ以下であってほんの僅かであるので、スイッチトリガ７を操作する作業者は、そのタイムラグを感じないであろう。

次に、作業者によりスイッチトリガ７がオフにされたか否かを検出する（ステップ８６）。オフにされた場合は、作業の終了又は停止であるので、演算部３２は、制御信号出力回路３３に制御信号を送り、モータ２に供給される駆動電力を０にするように制御してモータ２を停止させ、ステップ８１に戻る（ステップ９０）。ステップ８６でトリガがオンのままの場合は、モータの駆動制御を継続し（ステップ８７）、演算部３２は回転数検出回路３５を用いて、モータ２の回転数を検出する（ステップ８８）。次に演算部３２は検出された回転数と目標回転数との偏差を求め、ＰＩＤ制御を用いてモータの回転数が目標回転数となるようにフィードバック制御（定速度制御）を行い（ステップ８９）、ステップ８６に戻る。

以上説明したように、本実施例においては、目標回転数の大きさを速度モードおよび電源電圧値を基に算出し、その目標回転数になるように定速度制御を行うように構成した。この結果、電池電圧が変化しても適切に速度モードの段数切替が可能となった。

次に、図９及び図１０を用いて第２の実施例に基づくモータの制御手順について説明する。第１の実施例においてはスイッチトリガ７が引かれるごとに電源電圧値に基づく目標回転数を設定するように構成した。しかしながら、第２の実施例においては頻繁な目標回転数の変更を行わずに、速度モード切替スイッチ４２が切り替えられた際に電源電圧を測定して、目標速度を再設定するように構成した。この制御の状態を説明するのが図９である。図９においては、縦軸は電源電圧（電池パック３０の電圧）とモータ２の目標回転数（ｒｐｍ）であり、横軸は時間（ｓｅｃ）である。また、図の下側には、グラフに対応させてスイッチトリガ７の操作状況（スイッチ操作検出回路４０の出力）と、速度切替スイッチ４２の出力信号波形を記載した。

図９において、電池電圧は、スイッチトリガ７を引いて複数回の作業を行った場合に、電圧降下により徐々に低下する。本図では、目標回転数がモード３に設定されており、３回の作業１０１、１０２、１０３が行われ、その後速度モード切替スイッチの操作が行われ、さらに２回の作業１０８、１０９が行われた状態を示している。ここで、作業１０３のあとに作業者が速度モード切替スイッチ４２を操作し、モード３からモード４、モード１、モード２、そして、再びモード３に設定したとする。本実施例における速度モード切替スイッチ４２は、トグルスイッチで実現されているので、ボタンを押すたびにパルス信号１０４〜１０７が演算部３２に送られる。演算部３２はこのパルス信号１０４〜１０６を元に速度モードを変更し、目標回転数の切り替えを行う。速度モード１、２、３の設定の際には、電池パック３０の電圧値が測定され、図６に示した対応関係をもとにその電圧値に対応した目標回転数が設定される。従って、電池電圧が高い矢印ａ１の時に対応する目標回転数ａ３に比べて、電池電圧が低下した矢印ａ２の時に設定された目標回転数ａ４は、その差ΔＮ（＝Ｎ_３１−Ｎ_３３）だけ低くなる。このように、本実施例においては速度モードの切り替え時において目標回転数を電池電圧に応じて変化させるようにした。

次に、図１０のフローチャートを用いて、本発明の第２の実施例におけるモータの制御手順を説明する。本フローチャートにおいて、図８と同じ制御の部分は同じ参照符号を付している。まず、ステップ８１において、スイッチトリガ７がオンになったか否かを判定する。スイッチトリガ７がオフのままの場合は、ドライバドリルの制御ボタンの一つであるタクトスイッチ（図示せず）がオンになったか否かを判定し（ステップ９１）、オンの場合はタクトスイッチの演算部に記憶されている速度モードを読み出す。（ステップ９３）。オンになっていない場合はステップ８１に戻る（ステップ９１）。

次に、演算部３２は電圧検出回路３７の出力を受けて、電池パック３０の電圧値を検出し（ステップ９４）、検出された電圧値と判別された速度モードに基づき図６の関係から、目標回転数を設定し（ステップ９５）、ステップ８１に戻る。ステップ８１でスイッチトリガ７がオンになると、演算部３２はモータ２の起動を開始し、設定された目標回転数までモータ２の回転を加速させる。その後のステップ８６〜９０までの制御は、図８のステップ８６〜９０までの制御と同じである。

以上説明したように、第２の実施例の制御によれば目標回転数の大きさは、速度モードおよび電源電圧値を基に算出するので、電池電圧の変化に応じて目標回転数を可変とすることにより、電池電圧が変化しても適切に速度モードの段数切替が可能となる。また、目標回転数の切り替えは速度モードの切替時のみ行うので、速度モードを切り替えない限り常に一定の回転数制御が可能となる。これは、モータ起動ごとに、目標回転数を変更すると、電池電圧の変動の影響を受けやすく、１回ごとの操作で回転数が変動する可能性があるためである。

次に、図１１〜１３を用いて本発明の第３の実施例を説明する。図１１は、モータの目標回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。従来のＰＷＭデューティーを固定してモータの回転制御を行う方式においては、先端工具からうける反力等の負荷が増大してモータに流れる電流が大きくなると、点線１１１で示す特性のように電流値に反比例してモータの回転数が低下してしまう。これに対して、実線１１３で示すＰＩＤ制御を用いた定速度制御方式においては、モータを目標速度で回転させるために、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の３つの要素を用いてフィードバックし制御を行う。このようにＰＩＤ制御を用いることによって、モータの回転数を少なくとも矢印１１２で示す平坦部部分のように、モータの電流がある電流値Ｉ_０４になるまではモータの回転数は一定に保たれる。

次に、図１２を用いてＰＩＤ制御における偏差（比例）ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインと電源電圧との関係を説明する。本実施例においては、定速度制御をするためにＰＷＭデューティーをＰＩＤ制御するが、ＰＩＤ制御の制御ゲインを電圧の大きさに連動させて切り替えるようにした。その連動状況を示すのが図１２のグラフである。このように各制御ゲインを電池電圧により可変とすることによりＰＩＤ制御の制御性向上を図ることができる。

次に図１３のフローチャートを用いて、本発明の第３の実施例における、モータの制御手順を説明する。本フローチャートにおいて、図１０で示したフローチャートとほぼ同じ手順の制御であり、同じ部分には同じ参照符号を付している。第２の実施例と異なる点は、ステップ９６を追加した点であり、ステップ９５において電源電圧に応じた目標回転数の設定を行った後に、電源電圧に応じてＰＩＤ制御の制御ゲインを切り替えるようにした。この制御ゲインの設定のために、図１２で示す関係を式またはデータテーブルの形で予め記憶手段内に格納しておくと良い。

以上説明した第３の実施例によれば、第二の実施例に加えて、制御ゲインを電圧の大きさに連動させて切り替えるので、ＰＩＤ制御の制御性向上を図ることができる。

以上、本発明を示す実施例に基づき説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例ではモータとしてブラシレスＤＣモータを用いた例で説明したが、他の形式のモータであって、目標回転数を設定してマイコン等で制御するモータであれば、他のモータ形式でもよい。

１ドライバドリル２ブラシレス直流モータ
２ａ回転子（ロータ）２ｂ永久磁石
２ｃ固定子（ステータヨーク）２ｄ固定子巻線
２ｅ回転軸２ｆ絶縁層
２ｈティース部３インバータ回路部
３ａ半導体スイッチング素子４制御回路基板
５トルク設定ダイヤル６ハウジング
６ａ胴体ハウジング部６ｂハンドルハウジング部
７スイッチトリガ７ａトリガ操作部
８スピンドル９正逆切替レバー
１０、１１、１２回転位置検出素子（ホールＩＣ）
１３インバータ回路１８シャント抵抗
２１吸気口２２防塵カバー
２３空気流通路２４冷却用ファン２５動力伝達部
２６減速機構部２７クラッチ機構部
２８チャック（先端工具取付部）３０電池パック（リチウムイオン二次電池）
３１制御部３２演算部３３制御信号出力回路
３４回転子位置検出回路３５回転数検出回路
３６電流検出回路３７電圧検出回路３８電源スイッチ回路
３９電源電圧供給回路４０スイッチ操作検出回路
４１印加電圧設定回路４２速度モード切替スイッチ
Ｈ１〜Ｈ６ＰＷＭ駆動信号
Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子
Ｕ、Ｖ、Ｗ３相固定子巻線

Claims

モータと、
電源からの電力を前記モータに供給する駆動回路と、
前記モータを回転させるスイッチトリガと、
複数モードの目標回転数を設け、設定されたモードの目標回転数にて前記モータを回転させる制御部を有する電動工具において、
前記電源の電圧値を測定する電圧検出回路を設け、
前記制御部は、前記スイッチトリガがオンにされた後であってモータが回転する前に前記電圧検出回路を用いて電圧値を測定し、
前記測定された電圧値に基づいて前記目標回転数を設定することを特徴とする電動工具。
モータと、
電源からの電力を前記モータに供給する駆動回路と、
複数モードの目標回転数を設け、設定されたモードの目標回転数にて前記モータを回転させる制御部と、
前記目標回転数を設定する切替スイッチを有する電動工具において、
前記電源の電圧値を測定する電圧検出回路を設け、
前記制御部は、前記切替スイッチによって前記目標回転数が変更された際の前記電圧値を測定し、
前記測定された電圧値に基づいて前記目標回転数を設定することを特徴とする電動工具。
前記目標回転数は、電源電圧と比例関係を保つように設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記駆動回路は、半導体スイッチング素子を含むインバータ回路であり、
前記制御部は前記インバータ回路に供給されるＰＷＭデューティーを制御することにより前記モータの回転を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動工具。
前記制御部は前記ＰＷＭデューティーをＰＩＤ制御することにより、前記モータの回転数が目標回転数になるように定速度制御をおこなうことを特徴とする請求項４に記載の電動工具。
前記制御部は測定された電圧値をもとに前記ＰＩＤ制御のゲインを変更することを特徴とする請求項５に記載の電動工具。
変更される前記ゲインは、前記電圧値に比例させて増減させることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
前記モータは、ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電動工具。