JP6148609B2 - 電動工具 - Google Patents

Description

本明細書によって開示される技術は、電動工具に関する。

特許文献１に、モータと、前記モータに作用する負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段を備える電動工具が開示されている。この電動工具によれば、トルクセンサを用いることなく、モータに作用する負荷トルクを推定することができる。

国際公開第２０１２／１０８２４６号

電動工具を用いた作業中にキックバックが発生した場合など、負荷の急激な上昇が生じた場合には、ユーザの安全性を確保するために、モータを停止または減速させることが好ましい。本明細書では、電動工具において、負荷の急激な上昇が生じた場合に、モータを停止または減速させることが可能な技術を提供する。

本明細書が開示する電動工具は、モータと、前記モータに流れる電流から前記モータの出力トルクを導出する出力トルク導出手段と、前記モータの回転数から前記モータの摩擦トルクを導出する摩擦トルク導出手段と、前記モータに作用する負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と、前記出力トルクと、前記摩擦トルクと、前記負荷トルクから、前記モータの慣性トルクを算出する慣性トルク算出手段と、前記慣性トルクが慣性トルク基準値を超える場合に、前記モータを停止または減速させるモータ減速手段を備えている。

上記の電動工具では、負荷が急激に上昇する際にモータの慣性トルクが大きな値となることに着目し、慣性トルクが慣性トルク基準値を超えたときに、モータを停止または減速させる。これにより、ユーザの安全性を確保することができる。また、上記の電動工具では、例えば通常の重負荷作業時など、負荷トルクは高いものの、慣性トルクは低いような場合には、モータを停止または減速させることがない。これにより、作業効率の低下を抑制することができる。

実施例の電動工具２の構成を模式的に示す図である。 実施例の電圧検出部３２の構成の例を模式的に示す図である。 実施例の負荷トルク推定回路１６の構成の例をブロック線図で表現した図である。 図３の負荷トルク推定回路１６をモータ８と組み合わせた構成をブロック線図で表現した図である。 図３の制御系と等価な制御系をブロック線図で表現した図である。 実施例の負荷トルク推定回路１６の構成の別の例をブロック線図で表現した図である。 実施例の負荷トルク推定回路１６の構成のさらに別の例をブロック線図で表現した図である。 実施例の負荷トルク推定回路１６の構成のさらに別の例をブロック線図で表現した図である。 実施例のコントローラ１８が行う処理の例を説明するフローチャートである。 実施例のコントローラ１８が行う処理の別の例を説明するフローチャートである。

幾つかの実施形態に係る電動工具では、前記負荷トルク推定手段が、前記モータに流れる電流の実測値、前記モータの端子間電圧の実測値、および前記モータの回転数の実測値のうち少なくとも２つから前記負荷トルクを推定するように構成されていてもよい。モータに流れる電流や、モータの端子間電圧、モータの回転数は、従来から用いられている小型で安価な検出機構を用いて検出可能である。この電動工具によれば、サイズの大型化やコストアップをすることなく、モータに作用する負荷トルクを推定することができる。

幾つかの実施形態に係る電動工具は、前記モータに流れる電流の実測値および前記モータの端子間電圧の実測値から前記モータの回転数を推定する回転数推定手段をさらに備えるように構成されていてもよい。この電動工具によれば、モータの回転数を検出する回転数センサを用いることなく、モータの回転数を推定して、モータの摩擦トルクを導出することができる。

幾つかの実施形態に係る電動工具では、前記慣性トルクが前記慣性トルク基準値を超える場合であっても、前記負荷トルクが負荷トルク基準値を下回る場合または前記出力トルクが出力トルク基準値を下回る場合には、前記モータ減速手段が前記モータを停止または減速させないように構成されていてもよい。負荷トルクまたは出力トルクが小さい低負荷作業時においては、電動工具の作業中に負荷が急激に上昇しても、ユーザの安全性にそれほど問題は生じない。上記の電動工具によれば、負荷の急激な上昇により慣性トルクが大きくなっても、負荷トルクまたは出力トルクが小さければ、モータを停止または減速させない。このような構成とすることで、作業効率の低下を抑制することができる。

上記の電動工具は、前記負荷トルク基準値または前記出力トルク基準値と、前記慣性トルク基準値の組み合わせを、所定の複数の組み合わせの中からユーザが選択可能であるように構成されていてもよい。このような構成とすることで、電動工具の用途に応じて、ユーザが電動工具の設定を適宜変更することが可能となる。

幾つかの実施形態に係る電動工具は、着脱可能なサイドハンドルをさらに備えているように構成されていてもよい。通常、着脱可能なサイドハンドルを備える電動工具は、大きな負荷トルクが作用する重負荷作業に用いられる。重負荷作業においては、負荷の急激な上昇があったときに、ユーザの安全性を確保することが極めて重要となる。この電動工具によれば、重負荷作業におけるユーザの安全性を確保することができる。

幾つかの実施形態に係る電動工具は、前記モータがブラシレスモータであるように構成されていてもよい。通常、ブラシレスモータは、ロータの慣性モーメントが小さいので、モータの減速や停止を素早く行うことができる。この電動工具によれば、負荷の急激な上昇があったときに、速やかにモータを減速または停止させることができる。

幾つかの実施形態に係る電動工具では、前記モータ減速手段がさらに、前記負荷トルクが負荷トルク上限値を超える場合に、前記モータを停止または減速するように構成されていてもよい。この電動工具によれば、機械式のクラッチを用いる場合と同様に、所定のトルクでねじ締めを完了するドライバの機能を実現できる。このようにして実現される電気式クラッチは、機械式クラッチに比べて、クラッチ作動時に音が発生することがなく、また磨耗による劣化を生じることがない。

上記の電動工具は、前記電動工具の動作モードを複数の動作モードの中から選択可能なモード切換手段をさらに備えており、前記モータ減速手段が、前記負荷トルクが前記負荷トルク上限値を超える場合であっても、特定の動作モードが選択されている場合には、前記モータを停止または減速させないように構成されていてもよい。このような構成とすることで、電動工具の用途に応じて、電気式クラッチを有効にするか否かを、ユーザが選択することが可能となる。

上記の電動工具は、前記モータ減速手段が前記モータを停止または減速させる際に、ユーザに報知する報知手段をさらに備えるように構成されていてもよい。このような構成とすることで、安全性を確保するためにモータを減速または停止させていることを、ユーザに認識させることができる。

（実施例）
図１に示されるように、本実施例の電動工具２は、工具部４と、動力伝達部６と、モータ８と、バッテリ１０と、回転数センサ１２と、モータ駆動回路１４と、負荷トルク推定回路１６と、コントローラ１８と、モード切換手段２０と、トルク設定手段２２と、報知手段２４と、駆動スイッチ２６と、サイドハンドル２８を備えている。本実施例の電動工具２は、例えばドライバドリルである。

電動工具２では、モータ駆動回路１４によってモータ８を回転駆動し、動力伝達部６がモータ８の回転を工具部４に伝達する。回転数センサ１２は、モータ８の回転数ωを検出する。モータ８がＤＣブラシレスモータである場合には、回転数センサ１２として、モータ８が構造上備えている回転数センサを用いてもよい。モータ駆動回路１４は、モータ８に流れる電流を検出する電流検出部３０と、モータ８の端子間電圧を検出する電圧検出部３２を備えている。

図２はモータ８が３相ＤＣブラシレスモータである場合の、電圧検出部３２の構成の例を示している。電圧検出部３２は、差分回路３４ａ，３４ｂ，３４ｃと、抵抗器３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆと、加算回路３８を備えている。差分回路３４ａは、モータ８のＵ相とＶ相の間の電圧を出力する。差分回路３４ａの出力は、抵抗器３６ａ，３６ｂによって分圧されて、加算回路３８へ入力される。差分回路３４ｂは、モータ８のＶ相とＷ相の間の電圧を出力する。差分回路３４ｂの出力は、抵抗器３６ｃ，３６ｄによって分圧されて、加算回路３８へ入力される。差分回路３４ｃは、モータ８のＷ相とＵ相の間の電圧を出力する。差分回路３４ｃの出力は、抵抗器３６ｅ，３６ｆによって分圧されて、加算回路３８へ入力される。加算回路３８は、差分回路３４ａ，３４ｂ，３４ｃからの入力を加算して出力する。本実施例では、加算回路３８の出力が、モータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍとして用いられる。なお、差分回路３４ａ，３４ｂ，３４ｃと、抵抗器３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆと、加算回路３８は、コントローラ１８とは別の回路として実装されていてもよいし、コントローラ１８に組み込まれていてもよい。

図１の負荷トルク推定回路１６は、工具部４から動力伝達部６を介してモータ８に作用する負荷トルクを推定する。

図３は負荷トルク推定回路１６の構成の一例を示している。図３の負荷トルク推定回路１６は、電流検出部３０により検出されるモータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍと、電圧検出部３２により検出されるモータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍに基づいて、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅを出力する。負荷トルク推定回路１６は、モータモデル４０と、比較器４２と、増幅器４４を備えている。

モータモデル４０は、モータ８の特性を２入力２出力の伝達系としてモデル化したものである。モータモデル４０では、モータ８の端子間電圧Ｖと、モータ８に作用する負荷トルクτを入力とし、モータ８を流れる電流ｉと、モータ８の回転数ωを出力としている。なお、以下ではモータ８の端子間電圧Ｖ、モータ８に作用する負荷トルクτ、モータ８を流れる電流ｉ、モータ８の回転数ωを、モータ８の状態量ともいう。

モータモデル４０の特性は、実際のモータ８の入力−出力特性に基づいて、特定することができる。例えばモータ８がＤＣモータである場合には、以下のようにしてモータモデル４０の特性を決定することができる。

モータ８の電気系に関して、Ｌをインダクタンス、ｉを電流、Ｖを端子間電圧、Ｒを抵抗値、ＫＢを発電定数、ωを回転数とすると、以下の関係式が成り立つ。

他方、モータ８の機械系に関して、Ｊをロータの慣性モーメント、ＫＴをトルク定数、Ｂを摩擦定数、τを負荷トルクとすると、以下の関係式が成り立つ。

なお、本明細書においては、上記の数式２の左辺を慣性トルクといい、右辺第１項を出力トルク、右辺第２項を摩擦トルク、右辺第３項を負荷トルクという。

上記の数式１および数式２の両辺を時間に関して積分すると、以下の２つの関係式が得られる。

上記の数式３および数式４に基づいて数値計算を行うことで、２つの入力Ｖ、τに対する２つの出力ｉ、ωを算出することができる。以上から分かるように、モータ８の端子間電圧Ｖと、モータ８に作用する負荷トルクτを入力とし、モータ８を流れる電流ｉと、モータ８の回転数ωを出力とするようにモータモデル４０を構成した場合、微分演算を行うことなく、積分演算によってそれぞれの出力を得ることができる。一般に、負荷トルク推定回路１６をシングルチップマイコンなどで実装する場合、モータ８の状態量が急激に変動する際には、微分演算を精度良く行うことが困難となる。しかしながら、上記のように、積分演算によって出力を得るようにモータモデル４０を構築することで、モータ８の状態量が急激に変動する際でも、精度良くモータ８の挙動をシミュレートすることができる。

図３に示すように、モータモデル４０の電流出力、すなわちモータ８の電流推定値ｉ_ｅは比較器４２へ提供される。比較器４２では、モータ８の電流実測値ｉ_ｍとモータモデル４０の電流出力ｉ_ｅとの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、増幅器４４において所定のゲインＧで増幅された後、モータ８の推定負荷トルクτ_ｅとしてモータモデル４０のトルク入力に入力される。このように、負荷トルク推定回路１６はフィードバックループを構成している。なお、モータモデル４０の電圧入力には、モータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍが入力される。

上記のフィードバックループでは、増幅器４４でのゲインＧを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル４０の電流出力、すなわちモータ８の電流推定値ｉ_ｅがモータ８の電流実測値ｉ_ｍに収束するように、モータモデル４０の入力トルク、すなわちモータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル４０を用いて、モータ８に端子間電圧Ｖ_ｍが印加されたときに、モータ８に流れる電流ｉ_ｍを実現するような、モータ８に作用する負荷トルクτ_ｅと、その際のモータ８の回転数ω_ｅを算出することができる。

図４を参照しながら、負荷トルク推定回路１６によってモータ８の負荷トルクτが推定される原理について説明する。図４では、実際のモータ８を伝達関数Ｍ_１で表現し、負荷トルク推定回路１６においてモータ８を仮想的に具現化したモータモデル４０を伝達関数Ｍ_２で表現している。図３に示す制御系における入力τ_１（実際のモータ８に作用している負荷トルク値）と、出力τ_２（負荷トルク推定回路１６から出力されるトルク推定値）の関係は以下のようになる。

従って、負荷トルク推定回路１６におけるモータモデル４０を実際のモータ８と等しい特性となるように設定しておくことで、上式においてＭ_１＝Ｍ_２＝Ｍと置き換えることができ、以下の関係式が得られる。

上記の数式６から分かるように、図４の制御系における入力τ_１から出力τ_２への伝達関数は、図５に示すような、前向き伝達関数がＧＭであり、後向き伝達関数が１である、フィードバック制御系と等価なものとなっている。従って、出力τ_２は、入力τ_１に追従して変動する。増幅器４４のゲインＧを十分に大きくしておくことで、出力τ_２は入力τ_１に収束する。従って、負荷トルク推定回路１６から出力されるトルク推定値τ_２から、モータ８に作用している負荷トルクτ_１を知ることができる。

本実施例の負荷トルク推定回路１６では、トルクを検出するための専用のセンサを設けることなく、モータ８の端子間電圧Ｖと、モータ８を流れる電流ｉに基づいて、モータ８に作用する負荷トルクτを精度良く推定することができる。

本実施例の負荷トルク推定回路１６では、モータ８の端子間電圧Ｖとモータ８に作用する負荷トルクτを入力とし、モータ８を流れる電流ｉとモータ８の回転数ωを出力とするモータモデル４０を含むフィードバックループを用いて、モータモデル４０の電流出力ｉ_ｅを、実際のモータ８を流れる電流ｉ_ｍに収束させる構成としている。このような構成とすることで、微分演算を用いることなく、モータ８に作用する負荷トルクτを精度良く推定することができる。

図６は、負荷トルク推定回路１６の構成の別の例を示している。図６の負荷トルク推定回路１６は、回転数センサ１２により検出されるモータ８の回転数の実測値ω_ｍと、電圧検出部３２により検出されるモータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍに基づいて、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅを出力する。図６の負荷トルク推定回路１６は、モータモデル４０と、比較器４６と、増幅器４８を備えている。

図６の負荷トルク推定回路１６のモータモデル４０は、図３の負荷トルク推定回路１６のモータモデル４０と同じものである。図６の負荷トルク推定回路１６では、モータモデル４０の回転数出力、すなわちモータ８の回転数の推定値ω_ｅが比較器４６へ提供される。比較器４６では、モータモデル４０の回転数出力ω_ｅとモータ８の回転数実測値ω_ｍとの差分Δωを算出する。算出された差分Δωは、増幅器４８において所定のゲインＨで増幅された後、モータ８の推定トルクτ_ｅとしてモータモデル４０のトルク入力に入力される。モータモデル４０の電圧入力には、モータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍが入力される。

図６の負荷トルク推定回路１６のフィードバックループでは、増幅器４８でのゲインＨを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル４０の回転数出力、すなわちモータ８の回転数推定値ω_ｅがモータ８の回転数実測値ω_ｍに収束するように、モータモデル４０の入力トルク、すなわちモータ８に作用する負荷トルク推定値τ_ｅの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル４０を用いて、モータ８に端子間電圧Ｖ_ｍが印加されたときに、モータ８の回転数ω_ｍを実現するような、モータ８に作用する負荷トルクτ_ｅを推定することができる。

図７は、負荷トルク推定回路１６の構成のさらに別の例を示している。図７の負荷トルク推定回路１６は、電流検出部３０により検出されるモータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍと、回転数センサ１２により検出されるモータ８の回転数の実測値ω_ｍと、電圧検出部３２により検出されるモータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍに基づいて、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅを出力する。図７の負荷トルク推定回路１６は、モータモデル４０と、比較器５０、５２と、増幅器５４、５６と、加算器５８を備えている。

図７の負荷トルク推定回路１６のモータモデル４０は、図３の負荷トルク推定回路１６のモータモデル４０と同じものである。図７の負荷トルク推定回路１６では、モータモデル４０の回転数出力、すなわちモータ８の回転数の推定値ω_ｅが比較器５０へ提供される。比較器５０では、モータモデル４０の回転数出力ω_ｅとモータ８の回転数実測値ω_ｍとの差分Δωを算出する。算出された差分Δωは、増幅器５４において所定のゲインＧ_ωで増幅された後、加算器５８へ提供される。さらに、図７の負荷トルク推定回路１６では、モータモデル４０の電流出力、すなわちモータ８を流れる電流の推定値ｉ_ｅが比較器５２へ提供される。比較器５２では、モータ８の電流実測値ｉ_ｍとモータモデル４０の電流出力ｉ_ｅとの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、増幅器５６において所定のゲインＧ_ｉで増幅された後、加算器５８へ提供される。加算器５８は、増幅器５４からの出力と増幅器５６からの出力を加算する。加算器５８の出力は、モータ８の推定負荷トルクτ_ｅとしてモータモデル４０のトルク入力に入力される。モータモデル４０の電圧入力には、モータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍが入力される。

図７の負荷トルク推定回路１６のフィードバックループでは、増幅器５４でのゲインＧ_ωおよび増幅器５６でのゲインＧ_ｉを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル４０の回転数出力、すなわちモータ８の回転数推定値ω_ｅがモータ８の回転数実測値ω_ｍに収束し、かつモータモデル４０の電流出力、すなわちモータ８を流れる電流の推定値ｉ_ｅがモータ８の電流実測値ｉ_ｍに収束するように、モータモデル４０の入力トルク、すなわちモータ８に作用する負荷トルク推定値τ_ｅの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル４０を用いて、モータ８に端子間電圧Ｖ_ｍが印加されたときに、モータ８を流れる電流ｉ_ｍとモータ８の回転数ω_ｍを実現するような、モータ８に作用する負荷トルクτ_ｅを推定することができる。

図８は、負荷トルク推定回路１６の構成のさらに別の例を示している。図８の負荷トルク推定回路１６は、電流検出部３０により検出されるモータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍと、回転数センサ１２により検出されるモータ８の回転数の実測値ω_ｍに基づいて、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅを出力する。図８の負荷トルク推定回路１６は、モータモデル４０と、比較器５０、５２と、増幅器５４、５６と、加算器５８と、増幅器６０，６２と、加算器６４を備えている。

図８の負荷トルク推定回路１６は、図７の負荷トルク推定回路１６とほぼ同様の構成を備えている。図８の負荷トルク推定回路１６では、モータモデル４０の電圧入力にモータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍを入力する代わりに、モータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍとモータ８の回転数の実測値ω_ｍから算出されるモータ８の端子間電圧の推定値Ｖ_ｅを入力する。図８の負荷トルク推定回路１６では、上記した数式１において、左辺のＬｄｉ／ｄｔをゼロと近似することで、モータ８の端子間電圧の推定値Ｖ_ｅを算出する。すなわち、図８の負荷トルク推定回路１６では、モータ８の端子間電圧の推定値Ｖ_ｅを、モータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍにモータ８の抵抗値Ｒを乗算した値に、モータ８の回転数の実測値ω_ｍにモータ８の発電定数ＫＢを乗算した値を加算することで算出する。

なお、負荷トルク推定回路１６は、コントローラ１８とは別個の回路として実装されていてもよいし、コントローラ１８に組み込まれていてもよい。

図１のモード切換手段２０は、ユーザの操作によって、電動工具２の動作モードを切換可能である。本実施例の電動工具２は、ドライバモード、ドリルモード、振動ドリルモードの何れかに切換可能である。モード切換手段２０は、例えばダイヤルやスライドスイッチ等の形態で設けられていてもよい。モード切換手段２０は、例えば工具部４の近傍に設けられていてもよいし、電動工具２の背面（工具部４の反対側）の近傍に設けられていてもよいし、バッテリ１０の近傍に設けられていてもよい。

トルク設定手段２２は、ユーザの操作によって、トルクリミッタ機能のＯＮ／ＯＦＦの切り換えと、後述する慣性トルク基準値τ_ｉｒと、負荷トルク基準値τ_ｌｒと、負荷トルク上限値τ_ｌｕを設定可能である。トルク設定手段２２は、例えばダイヤルやスライドスイッチ等の形態で設けられていてもよい。トルク設定手段２２において、慣性トルク基準値τ_ｉｒ、負荷トルク基準値τ_ｌｒ、負荷トルク上限値τ_ｌｕは、それぞれの数値を個別に設定可能であってもよいし、それぞれの数値の複数の組み合わせを製品出荷時に予め決定しておいて、複数の組み合わせのうちどの組み合わせを用いるかをユーザが選択可能であってもよい。トルク設定手段２２は、例えば工具部４の近傍に設けられていてもよいし、電動工具２の背面（工具部４の反対側）の近傍に設けられていてもよいし、バッテリ１０の近傍に設けられていてもよい。

報知手段２４は、コントローラ１８がモータ８を停止または減速させた場合に、ユーザに報知する。報知手段２４は、例えば発光によってユーザに報知するＬＥＤ等であってもよい。あるいは、報知手段２４は、音声によってユーザに報知するブザー等であってもよい。本実施例の電動工具２では、報知手段２４はＬＥＤである。報知手段２４は、例えば工具部４の近傍に設けられていてもよいし、電動工具２の背面（工具部４の反対側）の近傍に設けられていてもよいし、バッテリ１０の近傍に設けられていてもよい。

駆動スイッチ２６は、ユーザによって操作される。通常の動作においては、駆動スイッチ２６がＯＦＦの場合には、モータ８は停止しており、駆動スイッチ２６がＯＮにされると、モータ８は回転駆動する。

サイドハンドル２８は、電動工具２に着脱可能に取り付けられている。ワークから電動工具２に作用する反動トルクが例えば４０Ｎｍを超えるような重負荷での作業を行う場合であっても、サイドハンドル２８を利用して電動工具２を両手で把持することで、ユーザは安定して作業を行うことができる。

コントローラ１８は、回転数センサ１２によって検出されるモータ８の回転数の実測値ω_ｍと、電流検出部３０によって検出されるモータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍと、負荷トルク推定回路１６によって算出されるモータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅに基づいて、電動工具２の動作を制御する。以下では図９を参照しながら、コントローラ１８が行う処理について説明する。

ステップＳ２では、コントローラ１８は駆動スイッチ２６がＯＮであるか否かを判断する。駆動スイッチ２６がＯＦＦの場合（ステップＳ２でＮＯの場合）、処理はステップＳ４へ移行する。ステップＳ４では、モータ８が駆動していれば、コントローラ１８はモータ８を停止する。ステップＳ４の後、処理はステップＳ２へ戻る。

ステップＳ２で駆動スイッチ２６がＯＮの場合（ＹＥＳの場合）、処理はステップＳ６へ移行する。ステップＳ６では、コントローラ１８は、モード切換手段２０から、動作モードを取得する。また、ステップＳ６では、コントローラ１８は、トルク設定手段２２から、トルクリミッタ機能のＯＮ／ＯＦＦと、慣性トルク基準値τ_ｉｒと、負荷トルク基準値τ_ｌｒと、負荷トルク上限値τ_ｌｕを取得する。

ステップＳ８では、コントローラ１８は、モータ８を回転駆動する。

ステップＳ１０では、コントローラ１８は、電流検出部３０から、モータ８に流れる電流の実測値ｉ_ｍを取得する。また、ステップＳ１０では、コントローラ１８は、電圧検出部３２から、モータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍを取得する。さらに、ステップＳ１０では、コントローラ１８は、回転数センサ１２から、モータ８の回転数の実測値ω_ｍを取得する。

ステップＳ１２では、コントローラ１８は、負荷トルク推定回路１６から、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅを取得する。

ステップＳ１４では、コントローラ１８は、ステップＳ１０で取得されたモータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍにトルク定数ＫＴを乗算して、モータ８の出力トルクＫＴｉを算出する。また、ステップＳ１４では、コントローラ１８は、ステップＳ１０で取得されたモータ８の回転数の実測値ω_ｍに摩擦定数Ｂを乗算して、モータ８の摩擦トルクＢωを算出する。

ステップＳ１６では、コントローラ１８は、上記の数式２よりモータ８の負荷トルクの推定値τ_ｅからモータ８の出力トルクＫＴiを減算し、さらにモータ８の摩擦トルクＢωを加算して、モータ８の慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔを算出する。ここで、慣性トルクは各時点での速度を保とうとして加減速の方向と反対方向に働く力であるため、負の符号を考慮している。

ステップＳ１８では、コントローラ１８は、ステップＳ６で取得された動作モードがドライバモードであるか否かを判断する。動作モードがドライバモードである場合（ステップＳ１８でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ２０へ進む。動作モードがドライバモードではない場合（ステップＳ１８でＮＯの場合）、例えば動作モードがドリルモードや振動ドリルモードの場合、処理はステップＳ２２へ進む。

ステップＳ２０では、コントローラ１８は、ステップＳ１２で取得された負荷トルクの推定値τ_ｅが、負荷トルク上限値τ_ｌｕを超えているか否かを判断する。負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク上限値τ_ｌｕを超えている場合（ステップＳ２０でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ２８へ進む。負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク上限値τ_ｌｕを超えない場合（ステップＳ２０でＮＯの場合）、処理はステップＳ２２へ進む。

ステップＳ２２では、コントローラ１８は、トルクリミッタ機能がＯＮにされているか否かを判断する。トルクリミッタ機能がＯＦＦの場合（ステップＳ２２でＮＯの場合）、処理はステップＳ２へ戻る。トルクリミッタ機能がＯＮの場合（ステップＳ２２でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ２４へ進む。

ステップＳ２４では、コントローラ１８は、ステップＳ１６で算出された慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが、慣性トルク基準値τ_ｉｒを超えているか否かを判断する。慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが慣性トルク基準値τ_ｉｒを超えていない場合（ステップＳ２４でＮＯの場合）、処理はステップＳ２へ戻る。慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが慣性トルク基準値τ_ｉｒを超える場合（ステップＳ２４でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ２６へ進む。

ステップＳ２６では、コントローラ１８は、ステップＳ１２で推定された負荷トルクの推定値τ_ｅが、負荷トルク基準値τ_ｌｒを超えているか否かを判断する。負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク基準値τ_ｌｒを超えていない場合（ステップＳ２６でＮＯの場合）、処理はステップＳ２へ戻る。負荷トルク推定値τ_ｅが負荷トルク基準値τ_ｌｒを超える場合（ステップＳ２６でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ２８へ進む。

ステップＳ２８では、コントローラ１８は、モータ８を停止させる。また、ステップＳ２８では、コントローラ１８は、報知手段２４のＬＥＤを点灯させる。

ステップＳ３０では、コントローラ１８は、駆動スイッチ２６がＯＦＦになるまで待機する。駆動スイッチ２６がＯＦＦになると（ステップＳ３０でＹＥＳになると）、処理はステップＳ３２へ進む。

ステップＳ３２では、コントローラ１８は、報知手段２４のＬＥＤを消灯させる。ステップＳ３２の後、処理はステップＳ２へ戻る。

上記の電動工具２では、ステップＳ１６で算出される慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが慣性トルク基準値τ_ｉｒを超えており、かつステップＳ１２で取得される負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク基準値τ_ｌｒを超える場合に、モータ８を停止させる。これにより、キックバックの発生等により、負荷が急激に上昇して慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが大きくなった時に、自動的にモータ８を停止させることができる。ユーザの安全性を確保することができる。

上記の電動工具２では、ステップＳ１６で算出される慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが慣性トルク基準値τ_ｉｒを超える場合でも、ステップＳ１２で取得される負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク基準値τ_ｌｒを超えない場合には、モータ８を停止させない。これにより、負荷が急激に上昇して慣性トルクが大きくなっても安全性にそれほど問題が生じない低負荷作業時において、モータ８を停止させてしまうことを防いで、作業効率を向上することができる。

上記の電動工具２では、動作モードとしてドライバモードが選択されており、かつ負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク上限値τ_ｌｕを超える場合に、モータ８を停止させる。これにより、機械式のクラッチを用いる場合と同様に、所定のトルクでねじ締めを完了するドライバの機能を実現できる。このようにして実現される電気式クラッチは、機械式クラッチに比べて、クラッチ作動時に音が発生することがなく、また磨耗による劣化を生じることがない。なお、上記の電動工具２では、動作モードとしてドリルモードや振動ドリルモードが選択されている場合には、負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク上限値τ_ｌｕを超える場合であっても、モータ８を停止させない。これにより、高い負荷トルクがモータ８に作用することをユーザが予め認識している動作モードにおいて、モータ８を停止させてしまうことを防いで、作業効率を向上することができる。

なお、ステップＳ２６において、負荷トルクの推定値τ_ｅを負荷トルク基準値τ_ｌｒと比較する代わりに、ステップＳ１４で算出される出力トルクＫＴｉを出力トルク基準値τ_ｏｒと比較する構成としてもよい。この場合、ステップＳ２６では、出力トルクＫＴｉが出力トルク基準値τ_ｏｒを超える場合に、処理はステップＳ２８へ進み、出力トルクＫＴｉが出力トルク基準値τ_ｏｒを超えない場合に、処理はステップＳ２へ戻る。このような構成では、トルク設定手段２２において、負荷トルク基準値τ_ｌｒの代わりに、出力トルク基準値τ_ｏｒを設定可能とする。

図９に示す処理では、慣性トルクや負荷トルクの大きさに応じて、モータ８を自動的に停止させているが、モータ８を停止させる代わりに、モータ８を通常時よりも減速させるように構成してもよい。以下では図１０を参照しながら、このような場合にコントローラ１８が行う処理について説明する。

ステップＳ４２では、コントローラ１８は駆動スイッチ２６がＯＮであるか否かを判断する。駆動スイッチ２６がＯＦＦの場合（ステップＳ４２でＮＯの場合）、処理はステップＳ４４へ移行する。ステップＳ４４では、モータ８が駆動していれば、コントローラ１８はモータ８を停止する。また、ステップＳ４４では、報知手段２４のＬＥＤが点灯していれば、コントローラ１８は報知手段２４のＬＥＤを消灯する。ステップＳ４４の後、処理はステップＳ４２へ戻る。

ステップＳ４２で駆動スイッチ２６がＯＮの場合（ＹＥＳの場合）、処理はステップＳ４６へ移行する。ステップＳ４６では、コントローラ１８は、モード切換手段２０から、動作モードを取得する。また、ステップＳ４６では、コントローラ１８は、トルク設定手段２２から、トルクリミッタ機能のＯＮ／ＯＦＦと、慣性トルク基準値τ_ｉｒと、負荷トルク基準値τ_ｌｒと、負荷トルク上限値τ_ｌｕを取得する。

ステップＳ４８では、コントローラ１８は、モータ８を回転駆動する。

ステップＳ５０では、コントローラ１８は、電流検出部３０から、モータ８に流れる電流の実測値ｉ_ｍを取得する。また、ステップＳ５０では、コントローラ１８は、電圧検出部３２から、モータ８の端子間電圧の実測値Ｖ_ｍを取得する。さらに、ステップＳ５０では、コントローラ１８は、回転数センサ１２から、モータ８の回転数の実測値ω_ｍを取得する。

ステップＳ５２では、コントローラ１８は、負荷トルク推定回路１６から、モータ８に作用する負荷トルクの推定値τ_ｅを取得する。

ステップＳ５４では、コントローラ１８は、ステップＳ５０で取得されたモータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍにトルク定数ＫＴを乗算して、モータ８の出力トルクＫＴｉを算出する。また、ステップＳ５４では、コントローラ１８は、ステップＳ５０で取得されたモータ８の回転数の実測値ω_ｍに摩擦定数Ｂを乗算して、モータ８の摩擦トルクＢωを算出する。

ステップＳ５６では、コントローラ１８は、上記の数式２よりモータ８の負荷トルクの推定値τ_ｅからモータ８の出力トルクＫＴiを減算し、さらにモータ８の摩擦トルクＢωを加算して、モータ８の慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔを算出する。ここで、慣性トルクは各時点での速度を保とうとして加減速の方向と反対方向に働く力であるため、負の符号を考慮している。

ステップＳ５８では、コントローラ１８は、ステップＳ４６で取得された動作モードがドライバモードであるか否かを判断する。動作モードがドライバモードである場合（ステップＳ５８でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ６０へ進む。動作モードがドライバモードではない場合（ステップＳ５８でＮＯの場合）、例えば動作モードがドリルモードや振動ドリルモードの場合、処理はステップＳ６２へ進む。

ステップＳ６０では、コントローラ１８は、ステップＳ６２で取得された負荷トルクの推定値τ_ｅが、負荷トルク上限値τ_ｌｕを超えているか否かを判断する。負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク上限値τ_ｌｕを超えている場合（ステップＳ６０でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ６８へ進む。負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク上限値τ_ｌｕを超えない場合（ステップＳ６０でＮＯの場合）、処理はステップＳ６２へ進む。

ステップＳ６２では、コントローラ１８は、トルクリミッタ機能がＯＮにされているか否かを判断する。トルクリミッタ機能がＯＦＦの場合（ステップＳ６２でＮＯの場合）、処理はステップＳ７０へ進む。トルクリミッタ機能がＯＮの場合（ステップＳ６２でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ６４へ進む。

ステップＳ６４では、コントローラ１８は、ステップＳ５６で算出された慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが、慣性トルク基準値τ_ｉｒを超えているか否かを判断する。慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが慣性トルク基準値τ_ｉｒを超えていない場合（ステップＳ６４でＮＯの場合）、処理はステップＳ７０へ進む。慣性トルク−Ｊｄω／ｄｔが慣性トルク基準値τ_ｉｒを超える場合（ステップＳ６４でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ６６へ進む。

ステップＳ６６では、コントローラ１８は、ステップＳ５２で推定された負荷トルクの推定値τ_ｅが、負荷トルク基準値τ_ｌｒを超えているか否かを判断する。負荷トルクの推定値τ_ｅが負荷トルク基準値τ_ｌｒを超えていない場合（ステップＳ６６でＮＯの場合）、処理はステップＳ７０へ進む。負荷トルク推定値τ_ｅが負荷トルク基準値τ_ｌｒを超える場合（ステップＳ６６でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ６８へ進む。

ステップＳ６８では、モータ８が通常の速度で回転していれば、コントローラ１８は、モータ８を減速させる。また、ステップＳ６８では、報知手段２４のＬＥＤが消灯していれば、コントローラ１８は、報知手段２４のＬＥＤを点灯させる。ステップＳ６８の後、処理はステップＳ４２へ戻る。

ステップＳ７０では、モータ８が通常よりも減速して回転していれば、コントローラ１８は、モータ８を通常時の速度に復帰させる。また、ステップＳ７０では、報知手段２４のＬＥＤが点灯していれば、コントローラ１８は、報知手段２４のＬＥＤを消灯させる。ステップＳ７０の後、処理はステップＳ４２へ戻る。

なお、ステップＳ６６において、負荷トルクの推定値τ_ｅを負荷トルク基準値τ_ｌｒと比較する代わりに、ステップＳ５４で算出される出力トルクＫＴｉを出力トルク基準値τ_ｏｒと比較する構成としてもよい。

上記の実施例では、コントローラ１８がモータ８の摩擦トルクＢωを算出する際に、回転数センサ１２により測定されるモータ８の回転数の実測値ω_ｍを用いている。これとは異なり、例えば図３に示す負荷トルク推定回路１６において、モータモデル４０の回転数出力をモータ８の回転数の推定値ω_ｅとしてコントローラ１８へ出力し、コントローラ１８がモータ８の回転数の推定値ω_ｅからモータ８の摩擦トルクＢωを算出するように構成してもよい。

上記の実施例では、コントローラ１８がモータ８の出力トルクＫＴｉを算出する際に、電流検出部３０により測定されるモータ８を流れる電流の実測値ｉ_ｍを用いている。これとは異なり、例えば図６に示す負荷トルク推定回路１６において、モータモデル４０の電流出力をモータ８を流れる電流の推定値ｉ_ｅとしてコントローラ１８へ出力し、コントローラ１８がモータ８を流れる電流の推定値ｉ_ｅからモータ８の出力トルクＫＴｉを算出するように構成してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。

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合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合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目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的な有用性を持つものである。

２ 電動工具
４ 工具部
６ 動力伝達部
８ モータ
１０ バッテリ
１２ 回転数センサ
１４ モータ駆動回路
１６ 負荷トルク推定回路
１８ コントローラ
２０ モード切換手段
２２ トルク設定手段
２４ 報知手段
２６ 駆動スイッチ
２８ サイドハンドル
３０ 電流検出部
３２ 電圧検出部
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ 差分回路
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆ 抵抗器
３８ 加算回路
４０ モータモデル
４２，４６，５０，５２ 比較器
４４，４８，５４，５６，６０，６２ 増幅器
５８，６４ 加算器

Claims (12)

1. モータと、
   前記モータに流れる電流から前記モータの出力トルクを導出する出力トルク導出手段と、
   前記モータに作用する負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と、
   前記モータの慣性トルクを算出する慣性トルク算出手段と、
   前記慣性トルクが慣性トルク基準値を超える場合に、前記モータを停止または減速させるモータ減速手段を備えており、
   前記慣性トルクが前記慣性トルク基準値を超える場合であっても、前記負荷トルクが負荷トルク基準値を下回る場合または前記出力トルクが出力トルク基準値を下回る場合には、前記モータ減速手段が前記モータを停止または減速させないように構成されている、電動工具。
2. 前記モータの回転数から前記モータの摩擦トルクを導出する摩擦トルク導出手段をさらに備えており、
   前記慣性トルク算出手段が、前記出力トルクと、前記摩擦トルクと、前記負荷トルクから、前記モータの慣性トルクを算出する、請求項１の電動工具。
3. 前記負荷トルク基準値または前記出力トルク基準値と、前記慣性トルク基準値の組み合わせを、所定の複数の組み合わせの中からユーザが選択可能である、請求項１または２の電動工具。
4. 前記モータ減速手段がさらに、前記負荷トルクが負荷トルク上限値を超える場合に、前記モータを停止または減速するように構成されている、請求項１から３の何れか一項の電動工具。
5. モータと、
   前記モータに作用する負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と、
   前記モータの慣性トルクを算出する慣性トルク算出手段と、
   前記慣性トルクが慣性トルク基準値を超える場合に、前記モータを停止または減速させるモータ減速手段を備えており、
   前記モータ減速手段がさらに、前記負荷トルクが負荷トルク上限値を超える場合に、前記モータを停止または減速するように構成されている、電動工具。
6. 前記モータに流れる電流から前記モータの出力トルクを導出する出力トルク導出手段と、
   前記モータの回転数から前記モータの摩擦トルクを導出する摩擦トルク導出手段をさらに備えており、
   前記慣性トルク算出手段が、前記出力トルクと、前記摩擦トルクと、前記負荷トルクから、前記モータの慣性トルクを算出する、請求項５の電動工具。
7. 前記電動工具の動作モードを複数の動作モードの中から選択可能なモード切換手段をさらに備えており、
   前記モータ減速手段が、前記負荷トルクが前記負荷トルク上限値を超える場合であっても、特定の動作モードが選択されている場合には、前記モータを停止または減速させないように構成されている、請求項４から６の何れか一項の電動工具。
8. 前記負荷トルク推定手段が、前記モータに流れる電流の実測値、前記モータの端子間電圧の実測値、および前記モータの回転数の実測値のうち少なくとも２つから前記負荷トルクを推定する、請求項１から７の何れか一項の電動工具。
9. 前記モータに流れる電流の実測値および前記モータの端子間電圧の実測値から前記モータの回転数を推定する回転数推定手段をさらに備える、請求項１から８の何れか一項の電動工具。
10. 着脱可能なサイドハンドルをさらに備えている、請求項１から９の何れか一項の電動工具。
11. 前記モータがブラシレスモータである、請求項１から１０の何れか一項の電動工具。
12. 前記モータ減速手段が前記モータを停止または減速させる際に、ユーザに報知する報知手段をさらに備える、請求項１から１１の何れか一項の電動工具。

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