JP5648469B2 - 電動工具 - Google Patents

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Description

本発明は、コイルを有するモータを用いた電動工具に関する。特に2種類以上のコイルを持たせたモータの駆動制御において作業状況に応じて使用するコイルを切り替えるようにした電動工具に関する。
近年、ドリルやドライバ等の先端工具をモータによって回転駆動して所要の作業を行う電動工具において、ブラシレスモータが使われるようになってきた。ブラシレスモータは、例えばブラシ(整流用刷子)の無いDC(直流)モータであり、コイル(巻線)を固定子側に、永久磁石を回転子側に用い、インバータで駆動された電力を所定のコイルへ順次通電することによりロータを回転させる。ブラシレスモータでは、ステータに巻かれたコイルへの通電をオン・オフさせるためのスイッチング素子を、モータの近傍の設けられた回路基板上に配置する。スイッチング素子を配置する場所は、例えば特許文献1では、モータの後側(先端工具と反対側)に取り付けられる略円形の回路基板上に配置している。
図15に従来例の電動工具で用いられるモータのステータ部分の構造を示す。ステータ204は、ステータコア241と、ステータコア241に形成された複数のティース244―1〜6に巻かれるコイル261−1〜6を含んで構成される。ステータコア241は、鉄板などの薄い金属板を軸方向に複数枚積層して製造するもので外形が略円筒状であって、周方向に所定間隔をあけて円筒部分から半径方向内側に延びる複数のティース244―1〜6が形成される。このティース244―1〜6の最内周側は、図示しない円筒状の回転子と微小の隙間を隔てるようにその形状が円弧状に形成され、各ティース244―1〜6には銅線が所定回数巻かれてコイル261−1〜6が形成される。図15ではコイル261−1〜6間の接続線を図示していないが、対向するコイルどうしが接続され、コイル261−1と2によりU相が形成され、コイル261−3と4によりV相が形成され、コイル261−5と6によりW相が形成される。U相、V相、W相の一方はインバータ回路の所定のスイッチング素子に接続され、他方は互いに接続される。
図16は、従来例によるモータの駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。スター結線されたコイル261(U相、V相、W相)を含むステータにより回転されるロータ5の近傍には、回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度60°毎に配置された3つの位置検出素子33が設けられる。これら位置検出素子33からの回転位置検出信号に基づいて、インバータ回路269が制御され、固定子巻線(U相、V相、W相)への通電方向と時間が制御されてモータが回転する。
インバータ回路269に含まれる電子素子には、3相ブリッジ形式に接続されたFET(Field effect transistor)などの6個のスイッチング素子Q1〜Q6を含む。ブリッジ接続が可能な6個のスイッチング素子Q1〜Q6の各ゲートは、制御信号出力回路279に接続され、スイッチング素子Q1〜Q6の各ドレインまたは各ソースは、スター結線された固定子巻線U相、V相、W相に接続される。これによって、スイッチング素子Q1〜Q6は、制御信号出力回路279から入力されたスイッチング素子駆動信号(H4、H5、H6の駆動信号)によってスイッチング動作を行い、インバータ回路269に印加されるバッテリ11の直流電圧は、3相(U相、V相、W相)電圧Vu、Vv、Vwとして固定子巻線U相、V相、W相に供給される。
演算部71は、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)に応じて、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素子駆動信号(3相信号)のうち、3個の負電源側スイッチング素子Q4、Q5、Q6をパルス幅変調信号(PWM信号)H4、H5、H6として供給し、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)の検出信号に基づいてPWM信号のパルス幅(デューティ比)を変化させることによってモータ3への電力供給量を調整する。
特許4487836号公報
従来のモータにおいては、各ティース244―1〜6に巻かれるコイル261―1〜6は1組ずつであり、これらはインバータ回路等に接続される。モータの回転制御においては、マイコン等を用いてインバータ回路をPWM((Pulse Width Modulation)制御して精密に制御することが行われるが、従来のモータの回転制御においては、U相、V相、W相に供給する駆動電圧のタイミングを変えることと、PWM制御の状況を変えるという電気的な制御しか行っていなかった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的はモータのコイルを複数組準備し、これらを効率良く切り替えながらモータを制御する電動工具を提供することにある。
本発明の別の目的は、モータのコイルを複数組有する電動工具において、スイッチトリガの引き量によりモータのコイルを自動的に切り替えるように制御することにある。
本発明のさらに別の目的は、モータとしてコイルを複数組有するブラシレスDCモータを用い、コイルの切り替え制御とPWM制御を併用することにより、モータの広い制御範囲を実現した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、永久磁石を有する回転子と複数のティースを有する固定子とティースに巻かれたコイルを有するモータと、モータの出力によって駆動される先端工具と、モータのコイルへ駆動電力を供給する駆動回路と、駆動回路による駆動を制御する制御部と、モータの起動及び回転の制御を行うためのトリガスイッチと、を有する電動工具において、ティースに巻数の異なる第1のコイルと第2のコイルを設け、制御部はトリガスイッチの引き量に応じて、第1のコイルと第2のコイルへ駆動電圧の供給を制御するように構成した。第2のコイルは、第1のコイルよりも巻数が少ないようにすると好ましい。
本発明の他の特徴によれば、第1のコイルと第2のコイルは並列に接続され、制御部はトリガスイッチの引き量に応じて第1のコイルと第2のコイルのいずれか一方に駆動電圧を供給するようにした。モータはトリガスイッチの引き量に応じて回転速度が変化するように制御され、制御部はトリガスイッチの引き量が閾値未満の場合は第1のコイルに駆動電圧を供給し、引き量が閾値以上の場合は第2のコイルに駆動電圧を供給する。
本発明のさらに他の特徴によれば、第1のコイルと第2のコイルは直列に接続され、制御部はトリガスイッチの引き量に応じて、第1のコイルのみの通電と、第1及び第2のコイルの直列接続への通電を切り替えるようにした。モータはブラシレスDCモータであって、第1及び第2のコイルはスター結線とすると好ましい。
本発明のさらに他の特徴によれば、第1のティースに固定される第1のコイル及び第1のコイルとは異なる第2のコイルを有するステータと、ステータに対して回転可能なロータと、ロータによって駆動される先端工具と、第1のコイルと又は第2のコイルのいずれかに通電するかを切替えるためのスイッチを設けた。スイッチは、モータの回転を調整するトリガスイッチと、トリガスイッチの引き量を検出する検出手段を含むように構成される。第2のコイルのティースに巻かれる数は、第1のコイルに巻かれる数よりも少なくすると好ましい。
発明によれば、コイルとしてティースに第1のコイルと第2のコイルを設け、制御部は、トリガスイッチの引き量に応じて、第1のコイルと第2のコイルへ駆動電圧の供給を制御するので、モータの特性をトリガスイッチの位置に応じて変更できる。このため作業者にとって使いやすい電動工具を実現できる。また、トリガスイッチの引き量に応じて回転速度が変化するように制御されるトリガスイッチの引き量が閾値未満の場合は第1のコイルに駆動電圧を供給し、引き量が閾値以上の場合は第2のコイルに駆動電圧を供給するので、トリガスイッチの引き量に応じて容易にコイルの切り替え制御を実現でき、シンプルで信頼性の高い切り替え制御を実現できる。
発明によれば、第1のコイルと第2のコイルは並列に接続され、トリガスイッチの引き量に応じて、第1のコイルと第2のコイルへの一方に駆動電圧を供給するので、2つのコイルを切り替えることよって異なるモータ特性を実現することができる。また、第1のコイルと第2のコイルは直列に接続され、制御部は、トリガスイッチの引き量に応じて、第1のコイルのみの通電と第1及び第2のコイルの直列接続への通電を切り替えるので、低速・高トルクに適したモータ特性と、高速・低トルクに適したモータ特性を実現できる。さらに第2のコイルは、第1のコイルよりも巻数が少ないので、第1のコイルを使用する場合に比べて高回転数を実現することができる。
発明によれば、モータはブラシレスDCモータであって、第1及び第2のコイルはスター結線であるので、中性点を容易に接地することができる。また、各ティースに固定される巻数の異なる第1及び第2のコイルを有するステータを有し、第1のコイルと第2のコイルのいずれかに通電するかを切替えるためのスイッチを有するので、スイッチによって通電するコイルを変更することができ、モータの特性をスイッチによって変更することができる。さらに、スイッチは、モータの回転を調整するトリガスイッチと、トリガスイッチの引き量を検出する検出手段を含むので、従来からの構成部品を流用して容易にスイッチ手段を実現でき、製造コストの上昇を抑えることができる。
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インパクトドライバ1の内部構造を示す断面図である。 本発明の実施例に係るインパクトドライバ1の外観を示す側面図である。 図1のモータ3のステータ4の正面図である。 本発明の実施例に係るインパクトドライバ1の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係るインパクトドライバ1の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るモータ3のコイル切り替え制御手順を示す概略ブロック図である。 本発明の実施例に係るスイッチ回路8の内部構造を示す回路図である(トリガ引き量が小さいとき)。 図7の状態におけるコイルへの駆動電圧の供給経路を示す図である。 本発明の実施例に係るスイッチ回路8の内部構造を示す回路図である(トリガ引き量が大きいとき)。 図9の状態におけるコイルへの駆動電圧の供給経路を示す図である。 本発明の第2の実施例に係るモータ3の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。 本発明の第2の実施例に係るモータ3のコイル切り替え制御手順を示す概略ブロック図である。 本発明の第2の実施例におけるコイルへの駆動電圧の供給経路を示す図である(その1)。 本発明の第2の実施例におけるコイルへの駆動電圧の供給経路を示す図である(その2)。 従来例の電動工具におけるモータ3のステータの正面図である。 従来例の電動工具における駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明において、上下、前後の方向は、図中に示した方向として説明する。図1は本発明に係る電動工具の一実施例としての電動工具の内部構造を示す図である。本実施例においては、電動工具の例として、インパクトドライバ1を用いて説明する。
インパクトドライバ1は、充電可能なバッテリ11を電源とし、モータ3を駆動源として回転打撃機構21を駆動し、出力軸であるアンビル30に回転力と打撃力を与え、スリーブ31に覆われる取付穴30aに保持されるドライバビット等の図示しない先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してねじ締めやボルト締め等の作業を行う。
モータ3はブラシレスDCモータであり、内周側に2組の永久磁石を有し、外周側に6つのスロットを有するステータ4が配置されるもので、いわゆる4極6スロットのモータである。尚、本発明は4極6スロットのモータだけに限られずに、他の極数、他のスロット数のモータであっても良い。モータ3は側面視で略T字状の形状を成すハウジング2の筒状の胴体部2a内に収容される。モータ3の回転軸7は、ハウジング2の胴体部2aの中央部付近に設けられるベアリング19aと後端側のベアリング19bによって回転可能に保持され、モータ3の前方には、回転軸7と同軸に取り付けられモータ3と同期して回転するロータファン13が設けられ、モータ3の後方には、モータ3を駆動するためのインバータ回路基板12が配設される。
ロータファン13によって起こされる空気流は、空気取入口17a及びインバータ回路基板12の周囲のハウジング部分に形成された後述するスリット(図2のスリット17b)から胴体部2aの内部に取り込まれ、主にロータ5とステータ4の間を通過するように流れ、ロータファン13の後方から吸引されてロータファン13の半径方向に流れ、ロータファン13の周囲のハウジング部分に形成された後述するスリット(図2のスリット18)からハウジング2の外部に排出される。インバータ回路基板12はモータ3の外形とほぼ同形の略円形の両面基板であり、この基板上にはFET(Field effect transistor)等の複数のスイッチング素子14や、ホールIC等の位置検出素子33が搭載される。
ロータ5とベアリング19aの間には、スリーブ36とロータファン13が回転軸7と同軸上に取り付けられる。ロータ5は、マグネット5aによって形成される磁路を形成するものである。スリーブ36は、例えばプラスチック又は金属によって構成できるが、金属製にする場合は、ロータ5の磁路に影響しないように非磁性体であることが好ましい。スリーブ36の外周部には、必要に応じてバランス修正用溝を形成する。
ロータファン13は、例えばプラスチックのモールドにより一体成型されるものであり、後方の内周側から空気を吸引し、前方側の半径方向外側に排出する、いわば遠心ファンである。ロータ5とベアリング19bの間には、プラスチック製のスペーサ35が設けられる。スペーサ35の形状は略円筒形で、ベアリング19bとロータ5との間の間隔を設定する。この間隔はインバータ回路基板12を同軸上に配置するためと、スイッチング素子14を冷却する空気流の流路として必要とされる空間を形成するために重要である。
ハウジング2の胴体部2aから略直角に一体に延びるハンドル部2b内の上部にはトリガ8aが配設され、トリガ8aの下方にはスイッチ回路8が設けられる。ハンドル部2b内の下部には、トリガ8aの引き動作によって前記モータ3の速度を制御する機能を備えた制御回路基板9が収容され、この制御回路基板9は、バッテリ11とトリガ8aに電気的に接続される。制御回路基板9は、信号線を介してインバータ回路基板12と接続される。ハンドル部2bの下方には、ニカド電池、リチウムイオン電池等のバッテリ11が着脱可能に装着される。
回転打撃機構21は、遊星歯車減速機構22とスピンドル27とハンマ24を備え、後端がベアリング20、前端がメタル29により保持される。トリガ8aが引かれてモータ3が起動されると、正逆切替レバー10で設定された方向にモータ3が回転を始め、その回転力は遊星歯車減速機構22によって減速されてスピンドル27に伝達され、スピンドル27が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル27とハンマ24とはカム機構によって連結され、このカム機構は、スピンドル27の外周面に形成されたV字状のスピンドルカム溝25と、ハンマ24の内周面に形成されたハンマカム溝28と、これらのスピンドルカム溝25、28に係合するボール26によって構成される。
ハンマ24は、スプリング23によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール26とスピンドルカム溝25、28との係合によってアンビル30の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ24とアンビル30の対向する回転平面上の2箇所には図示しない凸部がそれぞれ対称的に形成されている。
スピンドル27が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ24に伝達され、ハンマ24が半回転しないうちにハンマ24の凸部がアンビル30の凸部に係合してアンビル30を回転させるが、そのときの係合反力によってスピンドル27とハンマ24との間に相対回転が生ずると、ハンマ24はカム機構のスピンドルカム溝25に沿ってスプリング23を圧縮しながらモータ3側へと後退を始める。
そして、ハンマ24の後退動によってハンマ24の凸部がアンビル30の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ24は、スピンドル27の回転力に加え、スプリング23に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によって回転方向及び前方に急速に加速されつつ、スプリング23の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル30の凸部に再び係合して一体に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力がアンビル30に加えられるため、アンビル30の取付穴30aに装着される図示しない先端工具を介してねじに回転打撃力が伝達される。以後、同様の動作が繰り返されて先端工具からねじに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、例えば、ねじが木材等の図示しない被締め付け材にねじ込まれる。
図2は、本発明の実施例に係るインパクトドライバ1の外観を示す側面図である。図2において、ハウジング2の胴体部2aのインバータ回路基板12の外周側には、吸気用のスリット17bが形成され、ロータファン13の外周部には、スリット18が形成される。
次に図3を用いて、本発明の実施例に係るステータに対するコイルの配置状態を説明する。ステータ4は外形が略円筒形のステータコア41の内周側に6つのティース44―1〜6を有し、各ティース部分には、銅線が巻かれておりコイル6を形成する。本実施例では、コイル6は、ティース44−1〜6の内周側に巻かれるコイル61−1〜6と、それらの外周側に巻かれるコイル62−1〜6により構成される。コイル61−1〜6はスター結線となるように接続されU相、V相、W相が形成される。同様にしてコイル62−1〜6はスター結線となるように接続されU1相、V1相、W1相が形成される。
コイル61(U相、V相、W相)又はコイル62(U1相、V1相、W1相)には、位置検出素子33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、スイッチング素子14を介して供給される。図3では図示していないが、ステータ4の内周側には、回転軸7、ロータ5が回転可能に保持される。ティース44―1〜6の内周側は、円筒形のロータ5の外周面と僅かな空隙を隔てて位置し、その内周面の形状もロータ5の外周面と対応する曲面状に形成される。
ステータコア41は、高珪素鋼板等の板材を図3に示すように6つのティース44−1〜6を形成するように型抜いて、軸方向に複数枚積層することで構成された積層鉄心とすることが好ましい。またステータコア41には、モータ3にインバータ回路基板12を固定するための4つのネジ穴43が形成される。
次に図4のフローチャートを用いて本実施例に係るインパクトドライバ1の制御手順を説明する。本実施例のインパクトドライバ1では、トリガ8aの引き量(引き代)に連動させて通電させるコイルとして、第1のコイル(コイル61−1〜6)又は第2のコイル(コイル62−1〜6)のいずれかの組を選択するようにしたものである。
インパクトドライバ1にバッテリ11が装着された後、トリガ8aが引かれていない状態では、モータ3のコイルへの通電は停止しておりモータ3の回転が停止している(ステップ81)。この状態で、作業者が先端工具をネジ等の締め付け部材に当ててから、作業者によってトリガ8aが引かれたこと、つまりトリガスイッチがオンにされたか否かを制御部が検出し(ステップ82)、オンにされた場合はコイル61−1〜6を選択する“巻き線仕様1”で通電する(ステップ83)。ステップ82でトリガがオンにされていない場合はステップ81に戻る。
制御部は、作業者によるトリガ8aの引き量をモニタしており、トリガ8aの引き量が所定の閾値である“トリガ引き量切替点”以上であるか否かを判定する(ステップ84)。トリガ引き量の切替点以上である場合は、コイル62−1〜6へ駆動電圧を供給する“巻き線仕様2”で通電し、ステップ84に戻る(ステップ85)。ステップ84で、演算部はトリガ8aの引き量が切替点以下の場合は、ステップ82に戻る。
ステップ85での制御の後に作業者がトリガ8aを離すと、ステップ84でトリガの引き量が切り替え点以下となるためステップ82に戻り、さらにステップ82でトリガ8aがオフとなるためステップ81に戻り、スタンバイ状態になる。
以上のように、本実施例ではトリガ8aの引き量によって使用するモータのコイルを切り替えることにより、低回転域においては高トルク出力となるコイルに切り替え、所定の引き量以上の場合は高回転出力となるコイルに切り替えることで、複雑な切り替え操作を必要とせずに容易にモータの出力特性を切り替えることができ、多様な作業に適した電動工具を実現できる。
次に、モータ3の駆動制御系の構成と作用を図5を用いて説明する。図5はモータの駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施例では、モータ3は3相のブラシレスDCモータで構成される。このブラシレスDCモータは、いわゆるインナーロータ型であって、複数組(本実施例では2組)のN極とS極を含むマグネット5a(図1参照)を有するロータ5(図1参照)と、スター結線された2組の3相固定子巻線(U相、V相、W相、及びU1相、V1相、W1相)からなるステータ4と、ロータ5の回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度60°毎に配置された3つの位置検出素子33を有する。これら位置検出素子33からの回転位置検出信号に基づいて固定子巻線(U相、V相、W相、及びU1相、V1相、W1相)への通電方向と時間が制御され、モータ3が回転する。位置検出素子33は、インバータ回路基板12上のロータ5のマグネット5aに対向する位置に設けられる。
インバータ回路基板12上に搭載される電子素子には、3相ブリッジ形式に接続されたFET等の12個のスイッチング素子Q1〜Q12を含む。通常のインバータ回路は6個のスイッチング素子Q1〜Q6と固定子巻線(U相、V相、W相)を用いるが、本実施例のモータ3ではさらに、ステータ4にスター結線された固定子巻線(U1相、V1相、W1相)を追加して、2組のコイル組を並列に接続し、従来の例に比べてさらに6個のスイッチング素子Q7〜Q12を追加するようにした。
ブリッジ接続が可能な12個のスイッチング素子Q1〜Q12の各ゲートは、制御回路基板9に搭載される制御信号出力回路79に接続され、スイッチング素子Q1〜Q12の各ドレインまたは各ソースは、スター結線された固定子巻線U相、V相、W相、U1相、V1相、W1相に接続される。これによって、スイッチング素子Q1〜Q12は、制御信号出力回路79から入力されたスイッチング素子駆動信号(H4、H5、H6の駆動信号、又は、H10、H11、H12の駆動信号)によってスイッチング動作を行い、インバータ回路69に印加されるバッテリ11の直流電圧を3相(U相、V相、W相)電圧Vu、Vv、Vwとして固定子巻線U相、V相、W相に供給するか、あるいは、3相(U1相、V1相、W1相)電圧Vu1、Vv1、Vw1として固定子巻線U1相、V1相、W1相に供給する。
トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)が所定の値以下の場合は、6個のスイッチング素子Q1〜Q6が選択され、これらの各ゲートを駆動するスイッチング素子駆動信号(3相信号)のうち、3個の負電源側スイッチング素子Q4、Q5、Q6をパルス幅変調信号(PWM信号)H4、H5、H6として供給し、制御回路基板9上に搭載された演算部71によって、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)の検出信号に基づいてPWM信号のパルス幅(デューティ比)を変化させることによってモータ3への電力供給量を調整する。この際、スイッチング素子Q7〜Q12側はオン状態にされないので、U1相、V1相、W1相には駆動電圧は供給されない。
同様にして、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)が所定の値以上の場合は、6個のスイッチング素子Q7〜Q12が選択され、これらの各ゲートを駆動するスイッチング素子駆動信号(3相信号)のうち、3個の負電源側スイッチング素子Q10、Q11、Q12をパルス幅変調信号(PWM信号)H10、H11、H12として供給し、制御回路基板9上に搭載された演算部71によって、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)の検出信号に基づいてPWM信号のパルス幅(デューティ比)を変化させることによってモータ3への電力供給量を調整する。この際、スイッチング素子Q1〜Q6側はオン状態にされないので、U相、V相、W相には駆動電圧は供給されない。
ここで、PWM信号は、インバータ回路69の正電源側スイッチング素子Q1〜Q3または負電源側スイッチング素子Q4〜Q6の何れか一方に供給され、スイッチング素子Q1〜Q3またはスイッチング素子Q4〜Q6を高速スイッチングさせることによって結果的にバッテリ11の直流電圧から各固定子巻線U相、V相、W相に供給する電力を制御する。同様にして、インバータ回路69の正電源側スイッチング素子Q7〜Q9または負電源側スイッチング素子Q10〜Q12の何れか一方に供給され、スイッチング素子Q7〜Q9またはスイッチング素子Q10〜Q12を高速スイッチングさせることによって結果的にバッテリ11の直流電圧から各固定子巻線U1相、V1相、W1相に供給する電力を制御する。
尚、本実施例では、制御信号出力回路79からスイッチング素子駆動信号を供給する対象を、Q1〜Q6、又はQ7〜Q12のいずれか一方に切り替えるように制御するが、この切り替えは演算部71に含まれる図示しないマイコンを用いて、ソフトウェア制御によって行うことができる。本実施例では、切り替えられたスイッチング素子群のうち、負電源側スイッチング素子Q4〜Q6又はQ10〜12にPWM信号が供給されるため、PWM信号のパルス幅を制御することによって各固定子巻線U相、V相、W相又はU1相、V1相、W1相に供給する電力を調整してモータ3の回転速度を制御することができる。
インパクトドライバ1には、モータ3の回転方向を切り替えるための正逆切替レバー10が設けられ、回転方向設定回路78は正逆切替レバー10の変化を検出するごとに、モータ3の回転方向を切り替えて、その制御信号を演算部71に送信する。演算部71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中央処理装置(CPU)、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、タイマ等を含んで構成される。
制御信号出力回路79は、回転方向設定回路78と回転子位置検出回路73の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子Q1〜Q6又はQ7〜Q12を交互にスイッチングするための駆動信号を形成し、その駆動信号を制御信号出力回路79に出力する。これによって固定子巻線U相、V相、W相又はU1相、V1相、W1相の所定のコイルに交互に通電し、ロータ5を設定された回転方向に回転させる。この場合、インバータ回路69の負電源側スイッチング素子Q4〜Q6に印加する駆動信号は、印加電圧設定回路76の出力制御信号に基づいてPWM変調信号として出力される。モータ3に供給される電流値は、電流検出回路75によって測定され、その値が演算部71にフィードバックされることにより、設定された駆動電力となるように調整される。尚、PWM信号は正電源側スイッチング素子Q1〜Q3又はQ7〜Q9に印加しても良い。
インバータ回路69には、スイッチング素子Q1〜Q12の温度を測定する温度センサ72aが設けられ、温度上昇測定回路72によってスイッチング素子Q1〜Q12又はその周囲の温度が常にモニタされ、その値が演算部71に出力される。演算部71は、温度があらかじめ設定された基準値以上に上昇したと判断されたら、警告を出してモータ3の回転を制限したり、または、停止させる。
次に図6を用いて、本実施例に係るモータ3の制御切り替え手順を説明する。まずトリガ8aが所定量引かれると、その信号は印加電圧設定回路76(図5参照)を介して演算部71に入力される。また、トリガ8aの引き量は巻線切替設定回路77(図5参照)によって検出され、引き量が所定量を越えたかどうかがモニタされる。
トリガの引き量が小さいときは、ボックス86に示すように「スイッチング素子Q1〜Q3の何れかと、スイッチング素子Q4〜Q6の何れかをオン」にする制御を行う。この制御はつまり、固定子巻線U相、V相、W相だけを使ってモータ3を回転させるもので、位置検出素子33の出力をトリガに、ボックス87に示すようにU相、V相、W相の何れかの2本が導通させられる。この固定子巻線U相、V相、W相は、ロータ5の低速回転に適したコイルであり、これらを用いることによって高い回転トルクを得ることができる。
トリガの引き量が大きいときは、ボックス88に示すように「スイッチング素子Q7〜Q9の何れかと、スイッチング素子Q10〜Q12の何れかをオン」にする制御を行う。この制御はつまり、固定子巻線U1相、V1相、W1相だけを使ってモータ3を回転させるもので、位置検出素子33の出力をトリガに、ボックス89に示すようにU1相、V1相、W1相の何れかの2本が導通させられる。この固定子巻線U1相、V1相、W1相は、ロータ5の高速回転に適したコイルであり、これらを用いることによって高速にてモータ3を回転させることができるので、高い速度で打撃することができるので強い締め付けトルクを得ることができる。
図7は、トリガ8aが接続されるスイッチ回路8の内部構造を示す回路図である。スイッチ回路8は、グランド(GND)と電源のプラス端子間に接続された2つの抵抗91、92の間に可変抵抗93が接続される。可変抵抗93はトリガ8aに接続されたスライダーのスライド量に応じて抵抗が変化するもので、トリガ8aの引き量に応じてグランド(GND)と出力端子94の出力電圧が変化する。ここで、本実施例ではスライド量が切り替えの閾値たる切替点95を越えたか否かを判定し、スライド量が切替点95を越えていない場合(モータ3の回転領域が低速から中速領域まで)は、固定子巻線U相、V相、W相だけに駆動電流を供給するように制御してモータ3を回転させる。図7においてはトリガ8aの引く量が少なくて切替点95まで達していない。したがって、固定子巻線U相、V相、W相だけに駆動電流だけが供給される。
図7のトリガ8aの引く量が小さい状態のコイル6への給電状況を示すのが図8である。図8はロータ5のある回転位置において丸1から丸2のようにU相(61−1、61−2)に流し、丸2と接続されているV相(61−3、61−4)の方向に丸3、丸4のように駆動電流を流す状態を示している。ここで、本発明で特徴的なことは、ティース44−1〜4に巻かれている外周側のコイル62−1〜4(U1相、V1相)には駆動電流を流さないことである。従って、トリガ8aの引く量が小さい状態においては、各ティース44−1〜6は、内周側のコイル61−1〜6だけで励磁されることになる。
次にトリガ8aの引く量が多くなった状態の制御について説明する。図9は、図7に示す状態からトリガ8aの引き量が増えた状態を示すスイッチ回路8の回路図である。トリガ8aの引き量が増えるとスライド量が切替点95を越えるため、モータ3の回転領域が中速から高速の領域になる。この際、演算部71は駆動電流を供給するコイルを、コイル61−1〜6(U相、V相、W相)からコイル62−1〜6(U1相、V1相、W1相)に切り替えてモータ3を回転させる。
固定子巻線U1相、V1相、W1相に切り替えた状態のコイル6への給電状況を示すのが図10である。図10はロータ5のある回転位置において丸1から丸2のようにU1相(62−1、62−2)に流し、丸2と接続されているV1相(62−3、62−4)の方向に丸3、丸4のように駆動電流を流す状態を示している。ここで、本発明で特徴的なことは、ティース44−1〜4に巻かれている内周側のコイル61−1〜4(U相、V相)には駆動電流を流さないことである。従って、トリガ8aの引く量が大きい状態においては、各ティース44−1〜6は、外周側のコイル62−1〜6だけで励磁されることになる。
以上説明したように、本実施例によればトリガ8aの位置に応じて通電するコイルを選択するので、モータ3の特性をトリガ8aの引き量に応じて変更させることができる。つまり、トリガ8aの引き量が小さいときには巻数が多い第1のコイル組(61−1〜6)に通電し、トリガ8aの引き量が大きいときには巻数が少ない第1のコイル組(62−1〜6)に通電するので、トリガ8aの引き量が小さいときには高トルク・低回転型のモータとし、引き量が大きいときには低トルク・高回転型のモータとすることができる。従って、回転域に応じたモータ3の特性をより生かすことができ、作業者にとって使いやすい電動工具を実現できる。さらに、第1のコイル組から第2のコイル組への切り替えを、トリガ8aの引き量で制御しているので、確実に切り替えを行うことができ、信頼性の高い電動工具を実現できる。
次に、図11〜14を用いて本願発明の第2の実施例を説明する。第2の実施例においては、第1の実施例に比べてコイルの結線方法が異なるものである。つまり、従来から用いられている第1のコイル組に対して、第2のコイル組を直列に接続可能なように結線したものである。
図11は、本発明の第2の実施例に係るモータ3の駆動制御系の回路構成を示すブロック図であり、図5で示したブロック図と同じ構成の部分には同じ参照符号を付している。第2の実施例でも、モータは3相のブラシレスDCモータで構成され複数組のN極とS極を含むマグネット5a(図1参照)を有するロータ5(図1参照)と、スター結線された2組の3相固定子巻線(U相、V相、W相、及びU2相、V2相、W2相)からなるステータ104と、ロータ5の回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度60°毎に配置された3つの位置検出素子33を有する。これら位置検出素子33からの回転位置検出信号に基づいて固定子巻線(U相、V相、W相、及びU2相、V2相、W2相)への通電方向と時間が制御される。
本実施例のモータでは、ステータ104にスター結線された固定子巻線(U相、V相、W相)にさらなる固定子巻線(U2相、V2相、W2相)が直列に接続されるように構成した。インバータ回路169に含まれる電子素子には、3相ブリッジ形式に接続されたFETなどの6個のスイッチング素子Q1〜Q6を含む。第2の実施例ではさらに、直列に接続された固定子巻線(U2相、V2相、W2相)の両端を短絡して、固定子巻線(U2相、V2相、W2相)の励磁を停止させるための3つのスイッチング素子Q13〜Q15を設けた。3つのスイッチング素子Q13〜Q15をオンにして導通状態とすると、ステータ104は固定子巻線(U相、V相、W相)だけで駆動されることになり、3つのスイッチング素子Q13〜Q15をオフにして非導通状態とするとステータ104は固定子巻線(U相、V相、W相)と固定子巻線(U2相、V2相、W2相)の直列接続状態で稼働することになる。
ブリッジ接続が可能な6個のスイッチング素子Q1〜Q6の各ゲートは、制御回路基板9に搭載される制御信号出力回路179に接続され、スイッチング素子Q1〜Q6の各ドレインまたは各ソースは、固定子巻線U2相、V2相、W2相に接続される。これによって、スイッチング素子Q1〜Q6は、制御信号出力回路79から入力されたスイッチング素子駆動信号(H4、H5、H6の駆動信号)によってスイッチング動作を行い、インバータ回路169に印加されるバッテリ11の直流電圧を3相(U相、V相、W相)電圧Vu、Vv、Vwとして固定子巻線U相、V相、W相に供給するか、あるいは、3相電圧として固定子巻線(U相+U2相、V相+V2相、W相+W2相)に供給する。
トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)が所定の値以下の場合は、スイッチング素子Q13〜Q5がオフとされ、ステータ104は固定子巻線(U相、V相、W相)と固定子巻線(U2相、V2相、W2相)の直列接続状態で励磁される。この際の、スイッチング素子Q1〜Q6の駆動は、3個の負電源側スイッチング素子Q4、Q5、Q6をパルス幅変調信号(PWM信号)H4、H5、H6として供給し、制御回路基板9上に搭載された演算部71によって、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)の検出信号に基づいてPWM信号のパルス幅(デューティ比)を変化させることによってモータへの電力供給量を調整する。
同様にして、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)が所定の値以上の場合は、スイッチング素子Q13〜Q15がオンとされ、ステータ104は固定子巻線(U相、V相、W相)だけで励磁される。この際の、スイッチング素子Q1〜Q6の駆動は、3個の負電源側スイッチング素子Q4、Q5、Q6をパルス幅変調信号(PWM信号)H4、H5、H6として供給し、制御回路基板9上に搭載された演算部71によって、トリガ8aのトリガ操作量(ストローク)の検出信号に基づいてPWM信号のパルス幅(デューティ比)を変化させることによってモータへの電力供給量を調整する。
次に図12を用いて、本実施例に係るモータ3の制御切り替え手順を説明する。まずトリガ8aが所定量引かれると、その信号は印加電圧設定回路76(図11参照)を介して演算部71に入力される。また、トリガ8aの引き量は巻線切替設定回路77(図11参照)によって検出され、引き量が所定量を越えたかどうかがモニタされる。
トリガの引き量が小さいときは、ボックス186に示すように「スイッチング素子Q1〜Q3の何れかと、スイッチング素子Q4〜Q6の何れかをオン」にする制御を行う。この制御はつまり、ボックス187に示すように固定子巻線(U相、V相、W相)と固定子巻線(U2相、V2相、W2相)の直列接続状態で励磁されるもので、低速回転に適した巻数となり、高いトルクを得ることができる。
トリガの引き量が大きいときは、ボックス188に示すように「スイッチング素子Q1〜Q3の何れかと、スイッチング素子Q13〜Q15の何れかをオン」にする制御を行う。この制御はつまり、ボックス189に示すように固定子巻線U相、V相、W相だけを使ってモータ3を回転させるもので、ボックス187で示す直列接続状態に比べてコイルの巻数が減ることになるので、トルクは低下するものの高回転数にてモータ3を駆動することができる。この結果、打撃時にはモータ3の回転数がより高くなっているので、高い締付けトルクを実現できる。尚、スイッチング素子Q13〜Q15は、オン状態にされるスイッチング素子Q1〜Q6と同期してオン/オフ制御するようにしても良いし、トリガの引き量が大きいときはスイッチング素子Q13〜Q15を常にオンにしておいても良い。
第2の実施例でトリガ8aの引く量が小さい状態のコイルへの給電状況を示すのが図13である。トリガ8aの引く量が小さい状態では、ロータ5のある回転位置において駆動電流は、丸1から丸2のようにU2相(162−1、162−2)に流した後に、丸3から丸4のように直列接続されているU相(161−1、162−2)に流し、その後、丸4と接続されているV相(161−3、161−4)の方向に丸5、丸6を流し、その後丸7から丸8のように直列接続されているV2相(161−1、162−2)に流す。ここで、本発明で特徴的なことは、ティース144−1〜4に巻かれている外周側のコイル162−1〜4(U2相、V2相)と内周側のコイル161−1〜4(U相、V相)の双方に直列に駆動電流を流すことである。従って、トリガ8aの引く量が小さい状態においては、各ティース144−1〜6は、内周側のコイル161−1〜6と外周側のコイル162−1〜6の双方で励磁されることになる。
次にトリガ8aの引く量が多くなった状態の制御について説明する。トリガ8aの引く量が多くなった状態では、ロータ5のある回転位置において駆動電流は、丸1から丸2のように直列接続されているうちのU相(161−1、162−2)にだけ駆動電流を流し、その後、丸2と接続されているV2相(161−1、162−2)に丸3と丸4にだけ流すようにした。ここで、本発明で特徴的なことは、ティース144−1〜4に巻かれている外周側のコイル162−1〜4(U2相、V2相)には駆動電流を流さないことである。従って、トリガ8aの引く量が大きい状態においては、各ティース144−1〜6は、内周側のコイル161−1〜6だけで励磁されることになる。
以上説明したように第2の実施例では、トリガの引き量が小さいときは巻数が多い状態でモータを駆動し、トリガの引き量が大きいときは巻数が少ない状態でモータを駆動するので、トリガの引き量が小さいときには高トルク・低回転型のモータとし、トリガの引き量が大きいときには低トルク・高回転型のモータとするので、使いやすい電動工具とすることができる。
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、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。上述した実施例1、実施例2ではトリガの引き量をもとにモータのコイルへの通電を切り替えるようにした。しかし、この切り替えはトリガの引き量以外によっても切り替えることができる。例えば、回転数検出回路の回転数を常に監視していて、この回転数に閾値を設定して、所定の閾値以下の場合にはトリガ引き量が小さいときと同じコイルに通電するようにしても良い。また、回転数が所定の閾値よりも大きい場合には、トリガ引き量が大きいときと同じコイルに通電するようにすれば良い。
さらに、モータに流れる電流を監視して、この電流値が大きいときには、トリガ引き量が小さいときと同じコイルに通電するようにし、モータに流れる電流値が小さい場合にはトリガ引き量が大きいときと同じコイルに通電するようにしても良い。
このほかにも、本発明のようにインパクトドライバの場合には、打撃センサ(音響センサ、振動センサ、加速度センサ等)を設けて、打撃センサから打撃が行われていると判断される場合には、トリガ引き量が小さいときと同じコイルに通電するようにしても良い。また、打撃センサから打撃が行われていないと判断される場合には、トリガ引き量が大きいときと同じコイルに通電するようにしても良い。
1 インパクトドライバ 2 ハウジング 2a 胴体部
2b ハンドル部 3 モータ 4 ステータ
5 ロータ 5a マグネット 6 コイル
7 回転軸 8 スイッチ回路 8a トリガ
9 制御回路基板 10 正逆切替レバー 11 バッテリ
12 インバータ回路基板 13 ロータファン
14 スイッチング素子 17a 空気取入口 17b スリット
18 スリット 19a ベアリング 19b ベアリング
20 ベアリング 21 回転打撃機構 22 遊星歯車減速機構
23 スプリング 24 ハンマ 25 スピンドルカム溝
26 ボール 27 スピンドル 28 ハンマカム溝
29 メタル 30 アンビル 30a 取付穴
31 スリーブ 33 位置検出素子 35 スペーサ
36 スリーブ 41 ステータコア 43 ネジ穴
44 ティース 61 コイル 62 コイル
69 インバータ回路 71 演算部 72 温度上昇測定回路
72a 温度センサ 73 回転子位置検出回路 75 電流検出回路
76 印加電圧設定回路 77 巻線切替設定回路 78 回転方向設定回路
79 制御信号出力回路 91 抵抗 93 可変抵抗
94 出力端子 95 切替点 104 ステータ
144 ティース 161 コイル 162 コイル
169 インバータ回路 179 制御信号出力回路 204 ステータ
241 ステータコア 244 ティース 261 コイル
269 インバータ回路 279 制御信号出力回路

Claims (9)

  1. 回転子と、複数のティースを有する固定子と、前記ティースに巻かれたコイルを有するモータと、
    前記モータの出力によって駆動される先端工具と、
    前記モータの前記コイルへ駆動電力を供給する駆動回路と、
    前記駆動回路による駆動を制御する制御部と、
    前記モータの起動及び回転の制御を行うためのトリガスイッチと、を有する電動工具において、
    前記コイルとして前記ティースに第1のコイルと第2のコイルを設け、
    前記制御部は
    前記トリガスイッチの引き量に応じて、前記モータの回転速度が変化するように制御すると共に、前記第1のコイルと第2のコイルへ駆動電圧の供給を制御し、
    前記トリガスイッチの引き量が閾値未満の場合は前記第1のコイルに駆動電圧を供給し、前記引き量が閾値以上の場合は前記第2のコイルに駆動電圧を供給することを特徴とする電動工具。
  2. 前記第1のコイルと第2のコイルは並列に接続され、
    前記制御部は、前記トリガスイッチの引き量に応じて、前記第1のコイルと第2のコイルへの一方に駆動電圧を供給することを特徴とする請求項1に記載の電動工具。
  3. 前記第1のコイルと第2のコイルは直列に接続され、
    前記制御部は、前記トリガスイッチの引き量に応じて、前記第1のコイルのみの通電と、前記第1及び第2のコイルの直列接続への通電を切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電動工具。
  4. 前記第2のコイルは、前記第1のコイルよりも巻数が少ないことを特徴とする請求項又はに記載の電動工具。
  5. 前記モータはブラシレスDCモータであって、前記第1及び第2のコイルはスター結線であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電動工具。
  6. 複数のティースと、前記各ティースに固定される第1のコイルと、前記各ティースに固定され前記第1のコイルとは異なる第2のコイルと、を有するステータと、
    前記ステータに対して回転可能なロータと、を有するモータと、
    前記モータによって駆動される先端工具と、
    前記第1のコイルと、前記第2のコイルのいずれかに通電するかを切替えるためのスイッチを有し、
    前記モータは、トリガスイッチの引き量に応じて回転速度が変化するように制御され、
    前記トリガスイッチの引き量が閾値未満の場合は前記第1のコイルに駆動電圧が供給され、前記引き量が閾値以上の場合は前記第2のコイルに駆動電圧が供給されることを特徴とする電動工具。
  7. 前記スイッチは、前記モータの回転を調整する前記トリガスイッチと、前記トリガスイッチの引き量を検出する検出手段を含むことを特徴とする請求項に記載の電動工具。
  8. 前記第2のコイルのティースに巻かれる数は、前記第1のコイルに巻かれる数よりも少ないことを特徴とする請求項に記載の電動工具。
  9. ティースを有する固定子と、前記固定子に対して回転可能な回転子と、を有するモータと、
    前記回転子に接続され、駆動される先端工具と、
    前記モータを収容するハウジングと、を有する電動工具であって、
    前記ティースに、第1のコイルと、前記第1のコイルとは異なる第2のコイルと、を設け
    前記モータは、トリガスイッチの引き量に応じて回転速度が変化するように制御され、
    前記トリガスイッチの引き量が閾値未満の場合は前記第1のコイルに駆動電圧が供給され、前記引き量が閾値以上の場合は前記第2のコイルに駆動電圧が供給されることを特徴とする電動工具。
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