JP7226533B2 - 電気機器 - Google Patents

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Description

本発明は、チャージポンプ回路によりモータ駆動用のインバータ回路の駆動電圧を生成する電気機器に関する。
下記特許文献１は、インバータ回路によりモータを駆動する電気機器を開示する。この電気機器は、交流駆動であり、インバータ回路に直流を供給するダイオードブリッジの出力端子間に、サージ吸収用の電解コンデンサを備える。
特開２０１８－０５７１７８号公報
インバータ回路の一部のスイッチング素子のターンオフのタイミングで、配線の寄生インダクタンスにサージ電圧が発生する。このサージ電圧により、チャージポンプ回路の出力端子の電圧が、チャージポンプ回路の出力電圧の設定値を超えて上昇することがある。チャージポンプ回路の出力端子の電圧が、回路素子の耐電圧をオーバーすると、故障のリスクが高くなる。
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、故障リスクを抑制可能な電気機器を提供することにある。
本発明のある態様は、電気機器である。この電気機器は、
モータと、
前記モータの駆動電圧が供給される電源ラインに接続された高電圧側スイッチング素子と、グランドラインに接続された低電圧側スイッチング素子と、を含むスイッチング素子を有し、前記モータを駆動するインバータ回路と、
前記高電圧側スイッチング素子の制御端子に接続される高電圧側部と、前記低電圧側スイッチング素子に接続される低電圧側部と、を有し、前記スイッチング素子の駆動電圧を生成するチャージポンプ回路と、を備え、
前記電源ラインと前記チャージポンプ回路の出力端子との間に放電回路を設け、
前記放電回路は、前記電源ラインと前記高電圧側部との間に設けられ、
前記高電圧側スイッチング素子と前記低電圧側スイッチング素子との相互接続部と、前記チャージポンプ回路の前記高電圧側部と、の間を接続するダイオードを備え、前記ダイオードは、カソードが前記高電圧側部に接続される。
ここで、前記放電回路は、前記電源ラインと前記チャージポンプ回路の出力端子との間に設けた放電素子を有してもよい。
本発明の別の態様は、電気機器である。この電気機器は、
モータと、
前記モータの駆動電圧が供給される電源ラインに接続された高電圧側スイッチング素子と、グランドラインに接続された低電圧側スイッチング素子と、を含むスイッチング素子を有し、前記モータを駆動するインバータ回路と、
前記高電圧側スイッチング素子の制御端子に接続される高電圧側部と、前記低電圧側スイッチング素子に接続される低電圧側部と、を有し、前記スイッチング素子の駆動電圧を生成するチャージポンプ回路と、を備え、
前記電源ラインと前記チャージポンプ回路の出力端子との間に放電素子を設け、
前記放電素子は、前記電源ラインと前記高電圧側部との間に設けられ、
前記高電圧側スイッチング素子と前記低電圧側スイッチング素子との相互接続部と、前記チャージポンプ回路の前記高電圧側部と、の間を接続するダイオードを備え、前記ダイオードは、カソードが前記高電圧側部に接続される。
ここで、前記チャージポンプ回路の出力端子は前記電源ラインに対して高電位でもよい。
前記放電素子は、抵抗であってもよい。
前記放電素子は、ツェナーダイオードであってもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、故障リスクを抑制可能な電気機器を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る電動工具１の斜視図。 電動工具１の回路ブロック図。 図２の制御部２０の回路ブロック図。 図２のスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のオンオフを示すタイムチャート。 図２の放電素子１４をツェナーダイオードＺＤとした場合の電動工具１の要部回路ブロック図。 図２の放電素子１４を抵抗Ｒとした場合の電動工具１の要部回路ブロック図。 図２の放電素子１４を無くした比較例の要部回路ブロック図。 図６の回路におけるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５のオンオフ、並びにハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴ、スイッチング素子Ｓ４のドレイン－ソース間電圧Ｖｕ、ローサイドチャージポンプ電圧ＶＧＢの波形を示すタイムチャート。 図８の電気角θ＝６０度付近における電圧Ｖｕ、ＶＧＴの波形を拡大して示すグラフ。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本実施の形態は、電動工具１に関する。電動工具１は、電気機器の例示である。図１に示すように、電動工具１は、電動工具本体１０と、電池パック５と、を備える。電池パック５は、電動工具本体１０に着脱可能に接続される。作業者が電動工具本体１０のトリガ１１を引くと、電池パック５から電動工具本体１０に電力が供給される。電動工具１の機械的な構成は周知なのでここでは説明を省略する。以下、電動工具１の回路構成を説明する。図２に示すように、電動工具１は、モータ３１と、インバータ回路３０と、制御部２０と、を備える。モータ３１は、ここではインナーロータ型のブラシレスモータであり、固定子３２及び回転子３３を有する。固定子３２は、スター結線（Ｙ結線）されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子巻線を有する。
インバータ回路３０は、電池パック５の出力する直流を交流に変換して固定子３２の各固定子巻線に供給し、モータ３１を駆動する。電池パック５とインバータ回路３０との間の配線路中に、寄生インダクタンス（配線インダクタンス）Ｌｓが存在する。電池パック５の出力端子間に、サージ吸収用のコンデンサ（電解コンデンサ）は設けられない。インバータ回路３０は、三相ブリッジ接続されたＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６を含む。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６の各ドレイン又は各ソースは、スター結線された固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は、自身のゲート（制御端子）への入力電圧がハイレベルのときにオンとなり、ローレベルのときにオフとなる。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のオンオフは、制御部２０によって制御される。
スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６の各ゲートは、制御部２０のインバータ駆動部２５に接続され、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は、インバータ駆動部２５から入力されるスイッチング素子駆動信号Ｈ１～Ｈ６によってスイッチング動作を行う。これにより、インバータ回路３０に印加される電池パック５からの直流電圧が三相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗとしてＵ相、Ｖ相及びＷ相の各固定子巻線に供給される。各固定子巻線に発生する逆起電圧信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗは、制御部２０に入力される。
逆起電圧信号Ｈｕが制御部２０に至る経路には、抵抗Ｒ１が設けられる。抵抗Ｒ１の一端は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４の相互接続部に接続される。抵抗Ｒ１の他端は、ダイオードＤ４のカソード及び制御部２０に接続される。ダイオードＤ４のアノードは、グランドに接続される。逆起電圧信号Ｈｖが制御部２０に至る経路には、抵抗Ｒ２が設けられる。抵抗Ｒ２の一端は、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ５の相互接続部に接続される。抵抗Ｒ２の他端は、ダイオードＤ５のカソード及び制御部２０に接続される。ダイオードＤ５のアノードは、グランドに接続される。逆起電圧信号Ｈｗが制御部２０に至る経路には、抵抗Ｒ３が設けられる。抵抗Ｒ３の一端は、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ６の相互接続部に接続される。抵抗Ｒ３の他端は、ダイオードＤ６のカソード及び制御部２０に接続される。ダイオードＤ６のアノードは、グランドに接続される。抵抗Ｒ１～Ｒ３及びダイオードＤ４～Ｄ６は、寄生インダクタンスＬｓに発生するサージ電圧Ｖｓの負の成分を吸収するための保護素子である。
インバータ回路３０による通電方式は、周知の１２０度通電（矩形波駆動）であり、図４に示すように、ハイサイド側（高電圧側）スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３は一周期３６０度のうち１２０度ずつオンされ、ローサイド側（低電圧側）スイッチング素子Ｓ４～Ｓ６も一周期３６０度のうち１２０度ずつオンされる。図４では、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のオン期間を黒塗りで示す。オン期間においてハイサイド側スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３及びローサイド側スイッチング素子Ｓ４～Ｓ６の少なくとも一方は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されてもよい。
電流検出回路１２は、モータ３１の駆動電流（固定子３２の各固定子巻線に流れる電流）の経路に設けられた抵抗Ｒｓの電圧により、モータ３１の駆動電流を検出し、制御部２０に送信する。電圧検出回路１３は、電池パック５の出力電圧（インバータ回路３０への入力電圧）を検出し、制御部２０に送信する。電池パック５の出力電圧は、制御部２０のＶＭ端子に入力される。放電素子（電力消費素子）１４及び第２の放電素子（コンデンサＣ１）は、制御部２０のＶＭ端子とＶＧＴ端子との間に直列接続される。コンデンサＣ２は、制御部２０のＶＧＢ端子とグランドとの間に接続される。すなわち、放電素子１４、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２は制御部２０とは別に外付けで設けられている。
温度検出素子１５は、例えばサーミスタであり、モータ３１あるいはインバータ回路３０の近傍に設けられる。温度検出回路１６は、温度検出素子１５の出力電圧によりモータ３１あるいはインバータ回路３０の温度を検出し、制御部２０に送信する。ホールＩＣ１９は、磁気検出素子の例示であり、モータ３１の近傍に例えば３つ設けられる。回転子位置検出回路１７は、ホールＩＣ１９の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路である。回転子位置検出回路１７の３つの出力信号は、制御部２０のＵＨ端子、ＶＨ端子、ＷＨ端子にそれぞれ入力される。スイッチ機構１８は、図１のトリガ１１の操作に連動してオンオフが切り替わり、制御部２０にスイッチ操作検出信号を送信する。
図３は、制御部２０の具体構成例を示す。制御部２０は、三相ＤＣブラシレスモータの制御に適した汎用モータ制御ＩＣ（IntegratedCircuit）を用いることができる。制御部２０は、外部との電気的な接続を確立する手段として、複数の外部端子を備える。ＵＨ端子、ＶＨ端子、及びＷＨ端子は、３つのホールＩＣ１９からの信号を入力する入力端子である。ＵＨＯＵＴ端子、ＵＬＯＵＴ端子、ＶＨＯＵＴ端子、ＶＬＯＵＴ端子、ＷＨＯＵＴ端子、及びＷＬＯＵＴ端子は、インバータ回路３０の駆動信号（図２のスイッチング素子駆動信号Ｈ１～Ｈ６）を出力する出力端子である。Ｕ端子、Ｖ端子、及びＷ端子は、固定子巻線に発生する逆起電圧（図２の逆起電圧信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）検出用の入力端子である。ＶＧＴ端子は、チャージポンプ回路２２の出力するハイサイドゲート駆動用電圧（ハイサイドチャージポンプ電圧）ＶＧＴが現れる端子である。ＶＧＢ端子は、チャージポンプ回路２２の出力するローサイドゲート駆動用電圧（ローサイドチャージポンプ電圧）ＶＧＢが現れる端子である。ＶＭ端子は、電池パック５からの電源電圧ＶＭの供給を受け付けるための電源端子である。前述のとおり、本実施の形態では、制御部２０のＶＭ端子とＶＧＴ端子との間に、コンデンサＣ１と直列に放電素子１４を外部接続している。この理由については後述する。図示は省略したが、制御部２０には、電流検出回路１２、電圧検出回路１３、温度検出回路１６、及びスイッチ機構１８の出力信号が入力される各端子も設けられ、各端子は演算部２１に接続される。
制御部２０は、演算部２１、チャージポンプ回路２２、回転子位置検出回路２３、定電圧生成回路２４、及びインバータ駆動部（プリドライバ回路）２５を含む。定電圧生成回路２４は、３．３Ｖを出力する定電圧生成回路２４ａ、及び５．０Ｖを出力する定電圧生成回路２４ｂを含む。３．３Ｖは、演算部２１に動作電圧として供給される。５．０Ｖは、インバータ駆動部２５に供給される。チャージポンプ回路２２は、演算部２１の制御により動作し、電池パック５の出力電圧（ここでは１８Ｖ）よりも高いハイサイドゲート駆動用電圧（ここでは３１Ｖ）と、ローサイドゲート駆動用電圧（ここでは１３Ｖ）を生成し、インバータ駆動部２５に供給する。なお、チャージポンプ回路２２は高電圧側部（ハイサイドチャージポンプ）と低電圧側部（ローサイドチャージポンプ）とを有し、高電圧側部でハイサイドゲート駆動電圧、低電圧側部でローサイドゲート駆動用電圧を生成する。回転子位置検出回路２３は、ＵＨ端子、ＶＨ端子、ＷＨ端子から入力される信号を基にモータ３１の回転位置を検出し、演算部２１に送信する。演算部２１は、回転子位置検出回路２３からの信号を基にゲート制御信号を生成してインバータ駆動部２５に出力する。ゲート制御信号はインバータ回路３０のスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６に対応して６個あり、その各々は、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６をオンさせるときはハイレベルとなり、オフさせるときはローレベルとなる２値信号である。インバータ駆動部２５は、各ゲート制御信号の電流能力を高めたゲート電圧（スイッチング素子駆動信号Ｈ１～Ｈ６）を生成し、インバータ回路３０のスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のゲート（制御端子）に出力する。各ゲート電圧は、対応するゲート制御信号がハイレベルであるときにハイレベルとなり、ゲート制御信号がローレベルであるときにローレベルとなる。
図５は、図２の放電素子１４をツェナーダイオードＺＤとした場合の電動工具１の要部回路ブロック図である。図６は、図２の放電素子１４を抵抗Ｒとした場合の電動工具１の要部回路ブロック図である。抵抗Ｒは、固定抵抗である。図７は、図２の放電素子１４を無くした比較例の要部回路ブロック図である。図５～図７では、インバータ駆動部２５の内部回路のうちスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４の駆動に関する部分が示される。図示は省略したが、インバータ駆動部２５の内部回路のうちスイッチング素子Ｓ２、Ｓ５の駆動に関する部分、及びスイッチング素子Ｓ３、Ｓ６の駆動に関する部分も、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４の駆動に関する部分と同様に構成され、同様に動作する。
インバータ駆動部２５は、ＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ１２を含む。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７、Ｑ９、Ｑ１１はＰチャンネル型であり、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８、Ｑ１０、Ｑ１２はＮチャンネル型である。Ｕ端子（スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４の相互接続部）とＶＧＴ端子との間には、ダイオードＤ１が設けられる。ダイオードＤ１は、アノードがＵ端子に接続され、カソードがＶＧＴ端子に接続される。Ｕ端子とグランドとの間には、ダイオードＤ２、Ｄ３が設けられる。ダイオードＤ２のアノードはＵ端子に接続される。ダイオードＤ２、Ｄ３のカソード同士が互いに接続される。ダイオードＤ３のアノードはグランドに接続される。
演算部２１は、スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８のゲート（制御端子）に、スイッチング素子Ｓ１のゲート電圧を出力させるためのゲート制御信号を入力する。スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８へのゲート制御信号がハイレベルのとき、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７はオフ、スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８はオンであり、スイッチング素子Ｑ１はオン、スイッチング素子Ｑ２はオフとなり、スイッチング素子Ｓ１はオンとなる。スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８へのゲート制御信号がローレベルのとき、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７はオン、スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８はオフであり、スイッチング素子Ｑ１はオフ、スイッチング素子Ｑ２はオンとなり、スイッチング素子Ｓ１はオフとなる。同様に、演算部２１からスイッチング素子Ｑ９～Ｑ１２へのゲート制御信号がハイレベルのときはスイッチング素子Ｓ４はオンとなり、ローレベルのときはスイッチング素子Ｓ４はオフとなる。
図８は、図６の回路におけるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５のオンオフ、並びにハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴ、スイッチング素子Ｓ４のドレイン－ソース間電圧Ｖｕ、ローサイドチャージポンプ電圧ＶＧＢの波形を示すタイムチャートである。例として、電気角θが０度～６０度のときの動作を図５、図６、及び図８を参照して説明する。電気角θが０度～６０度の範囲では、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５がＯＮ、それ以外のスイッチング素子はＯＦＦである。このとき、スイッチング素子Ｓ４のドレイン－ソース間電圧Ｖｕは、Ｖｕ＝ＶＭとなる。
電気角θ＝６０度では、スイッチング素子Ｓ５がＯＮからＯＦＦになる。図５及び図６は、電気角θ＝６０度でスイッチング素子Ｓ５がターンオフした直後かつスイッチング素子６がターンオンする前の状態を示し、寄生インダクタンスＬｓにサージ電圧Ｖｓが発生している。このとき、寄生インダクタンスＬｓに蓄えられていたエネルギーがサージ電圧Ｖｓとしてスイッチング素子Ｓ１を介し、スイッチング素子Ｓ４のドレイン－ソース間に印加され、スイッチング素子Ｓ４のドレイン－ソース間電圧Ｖｕは、Ｖｕ＝ＶＭ＋Ｖｓとなる。サージ電圧Ｖｓにより、スイッチング素子Ｓ４のドレイン－ソース間電圧Ｖｕが、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴよりも大きくなると、ダイオードＤ１を経由してＶＧＴ端子に充電電流が流れる。
図５の回路では、ＶＧＴ端子とＶＭ端子との間に接続されたツェナーダイオードＺＤにより充電電流が消費されるため、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴは常に実質的に一定の電圧となる。すなわち、ＶＧＴ端子とＶＭ端子との間にツェナーダイオードＺＤを含む放電回路が形成される。ＶＧＴ端子はＶＭ端子に対して高電位となる。放電回路は、例えば、ツェナーダイオードＺＤ、寄生インダクタンスＬｓ、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１により形成される。このように、保護素子としてツェナーダイオードＺＤを使用する場合、ローサイド側（下アーム側）スイッチング素子Ｓ４～Ｓ６をターンオフしたときに寄生インダンタンスＬｓに発生するサージ電圧ＶｓによりＶｕ＞ＶＧＴとなった分のエネルギーが、放電回路を形成するツェナーダイオードＺＤに流れる瞬時的な大電流により消費されることになる。このため、ツェナーダイオードＺＤには許容損失の大きなものを使用する必要があり、ツェナーダイオードＺＤの外形寸法が大きくなり、部品コストも高くなる。なお、ツェナーダイオードＺＤと直列にコンデンサＣ１を設けなくてもよく、この場合でもサージ電圧ＶｓはツェナーダイオードＺＤに流れる瞬時的な大電流により消費することができる。
図６の回路では、ＶＧＴ端子とＶＭ端子との間に接続された抵抗Ｒにより充電電流が熱として消費される。図５の回路と同様、ＶＧＴ端子とＶＭ端子との間に抵抗Ｒを含む放電回路が形成される。この場合も、ＶＧＴ端子はＶＭ端子に対して高電位となる。放電回路は、例えば、抵抗Ｒ、寄生インダクタンスＬｓ、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１により形成される。このときの充電電流は、保護素子がツェナーダイオードＺＤの場合と異なり、オームの法則に従って比較的小さく比較的時間をかけて流れる。放電回路を形成する抵抗Ｒに電流が流れている期間は、それ以外の期間と比較してハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴが高くなる。抵抗Ｒの抵抗値を適切に選択することで、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴの上昇を許容範囲内に抑制できる。ツェナーダイオードＺＤはショート故障のリスクが比較的高いが、受動素子である抵抗Ｒはショート故障のリスクが低いため、信頼性が向上する。なお、抵抗Ｒと直列にコンデンサＣ１を設けなくてもよく、この場合でもサージ電圧Ｖｓは抵抗Ｒに流れる電流により消費することができる。
図７の比較例の回路では、ＶＧＴ端子とＶＭ端子との間に第２の放電素子となるコンデンサＣ１しかなく電力を消費する素子が存在しないため、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴが大きく上昇する。チャージポンプ回路２２において、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴの最大定格は例えば４８Ｖである。図７の比較例の回路では、サージ電圧Ｖｓによりハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴが最大定格を超える可能性が高くなり、ハイサイドチャージポンプが故障するリスクが高い。但し、サージ電圧Ｖｓが小さい場合であれば、図５や図６のような放電素子１４を設けずに第２の放電素子となるコンデンサＣ１だけでもサージ電圧Ｖｓを吸収することができる。この場合でもＶＧＴ端子とＶＭ端子との間にコンデンサＣ１を含む放電回路が形成される。放電回路は、例えば、コンデンサＣ１、寄生イダクタンスＬｓ、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１により形成される。
図９は、図８の電気角θ＝６０度付近における電圧Ｖｕ、ＶＧＴの波形を拡大して示すグラフである。図９に示すように、Ｖｕ＞ＶＧＴとなるＡ点から電圧ＶＧＴが上昇を始め、その後、Ｖｕ＜ＶＧＴとなるＢ点から電圧ＶＧＴが下降していく。電圧Ｖｕの上昇に対する電圧ＶＧＴの上昇の遅れ、及び電圧Ｖｕと電圧ＶＧＴの頂点の時間的なずれは、抵抗Ｒ１に起因する。図９に示す電圧変動は電気角θ＝６０度におけるスイッチング素子Ｓ５のターンオフに起因する寄生インダクタンスＬｓのサージ電圧Ｖｓによるものであるが、電気角θ＝１８０度におけるスイッチング素子Ｓ６のターンオフ、及び電気角θ＝３００度におけるスイッチング素子Ｓ４のターンオフも、寄生インダクタンスＬｓに同様のサージ電圧Ｖｓを発生させ、図９に示すのと同様の電圧変動を起こす。
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
(1)チャージポンプ回路２２が生成するハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴが現れるＶＧＴ端子と、電池パック５の出力電圧ＶＭが入力されるＶＭ端子との間に、放電回路を構成したため、ローサイド側スイッチング素子Ｓ４～Ｓ６のターンオフに起因して寄生インダクタンスＬｓに発生するサージ電圧Ｖｓによるエネルギーを放電回路で消費できる。このため、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴが跳ね上がることによる回路素子（チャージポンプ２２、特にハイサイド側（高電圧側）チャージポンプ）の故障リスクを抑制できる。
また、ＶＧＴ端子とＶＭ端子との間に放電素子１４を設けたため、ローサイド側スイッチング素子Ｓ４～Ｓ６のターンオフに起因して寄生インダクタンスＬｓに発生するサージ電圧Ｖｓによるエネルギーを放電素子１４で消費できる。このため、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴが跳ね上がることによる回路素子（チャージポンプ２２、特にハイサイド側（高電圧側）チャージポンプ）の故障リスクを抑制できる。また、ＶＧＴ端子とＶＭ端子との間に第２の放電素子（コンデンサＣ１）を設けたため、ローサイド側スイッチング素子Ｓ４～Ｓ６のターンオフに起因して寄生インダクタンスＬｓに発生する比較的小さなサージ電圧Ｖｓによるエネルギーを第２の放電素子で消費できる。
(2)図５に示すように放電素子１４をツェナーダイオードＺＤとした場合、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴを常に実質的に一定とすることができる。
(3)図６に示すように放電素子１４を抵抗Ｒとした場合、ハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴはある程度変動するものの、ショート故障のリスクが低いため信頼性が高く、また部品コストも抑制できる。
(4)前述のように放電素子１４を設けたことで、チャージポンプ方式の後述のメリットを享受しながら、デメリット、すなわちハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴの大きな変動を許容できないことによる影響を抑制できる。以下、この点について説明する。ハイサイド側（上アーム側）スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３を駆動する方式としては、チャージポンプ方式の他に、ブートストラップ方式がある。ブートストラップ方式は、モータ駆動中にブートストラップコンデンサに充電する期間が必要であることや、Ｄｕｔｙ１００％を長時間維持することができないというデメリットがある。これに対し本実施の形態のチャージポンプ方式は、モータ３１の駆動中にブートストラップコンデンサを充電する必要がないことや、Ｄｕｔｙ１００％を長時間維持することができるといったメリットがある。一方、ブートストラップ方式は、フローティング電源のため電圧変動が許容され、寄生インダクタンスＬｓに発生するサージ電圧Ｖｓによる電圧変動があまり問題とならない。これに対し本実施の形態のチャージポンプ方式は、グランドに対して常に一定の電圧を維持することをコンセプトとしているため（接地電源であるため）、サージ電圧Ｖｓによるハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴの変動が問題となる。本実施の形態では、放電素子１４によりサージ電圧Ｖｓによるハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴの変動を抑制することで、チャージポンプ方式のデメリットの影響を抑制できる。
(5)放電素子１４により寄生インダンタンスＬｓのサージ電圧Ｖｓによるエネルギーを消費するため、電池パック５の出力端子間にサージ吸収用の電解コンデンサを設ける必要がなく、コスト安である。
(6)放電素子１４を制御部２０とは別に外付けにて設けることで、制御部２０と一体のワンパッケージ化された構成と比較して、製品仕様に合わせて放電素子だけを選択することができるため、設計の自由度が向上するとともに、容易にハイサイドチャージポンプ電圧が跳ね上がることによる回路素子の故障リスクを抑制できる。
(7)チャージポンプ回路２２が生成するハイサイドチャージポンプ電圧ＶＧＴが現れるＶＧＴ端子と、電池パック５の出力電圧ＶＭが入力されるＶＭ端子との間に、放電素子１４をコンデンサＣ１と直列に接続した構成のため、放電素子をＶＧＴ端子とグランドラインとの間に接続した場合と比較して、保護素子となる放電素子の耐圧を小さくすることができる。なおＶＧＴ端子とグランドラインとの間に接続した場合には、放電素子には電源電圧（電池電圧）にサージ電圧が加えられた電圧が印加されるため耐圧を大きくする必要がある。
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
本発明の電気機器は、ＤＣ駆動（コードレスタイプ）に限定されず、ＡＣ駆動（コード付きタイプ）であってもよく、また、電動工具以外の電動作業機や動力工具であってもよいし、更に別の電気機器であってもよい。実施の形態で示した具体的な電圧値などは、一例であり、適宜変更可能である。
１…電動工具、５…電池パック、１０…電動工具本体、１１…トリガ、１２…電流検出回路、１３…電圧検出回路、１４…放電素子（電力消費素子）、１５…温度検出素子、１６…温度検出回路、１７…回転子位置検出回路、１８…スイッチ機構、１９…ホールＩＣ、２０…制御部、２１…演算部、２２…チャージポンプ回路、２３…回転子位置検出回路、２４…定電圧生成回路、２４ａ…定電圧生成回路（３．３Ｖ）、２４ｂ…定電圧生成回路（５．０Ｖ）、２５…インバータ駆動部（プリドライバ回路）、３０…インバータ回路、３１…モータ（ブラシレスモータ）、３２…固定子、３３…回転子。

Claims (14)

  1. モータと、
    前記モータの駆動電圧が供給される電源ラインに接続された高電圧側スイッチング素子と、グランドラインに接続された低電圧側スイッチング素子と、を含むスイッチング素子を有し、前記モータを駆動するインバータ回路と、
    前記高電圧側スイッチング素子の制御端子に接続される高電圧側部と、前記低電圧側スイッチング素子に接続される低電圧側部と、を有し、前記スイッチング素子の駆動電圧を生成するチャージポンプ回路と、を備え、
    前記電源ラインと前記チャージポンプ回路の出力端子との間に放電回路を設け、
    前記放電回路は、前記電源ラインと前記高電圧側部との間に設けられ、
    前記高電圧側スイッチング素子と前記低電圧側スイッチング素子との相互接続部と、前記チャージポンプ回路の前記高電圧側部と、の間を接続するダイオードを備え、前記ダイオードは、カソードが前記高電圧側部に接続される、電気機器。
  2. 前記放電回路は、前記電源ラインと前記チャージポンプ回路の出力端子との間に設けた放電素子を有する、請求項１に記載の電気機器。
  3. モータと、
    前記モータの駆動電圧が供給される電源ラインに接続された高電圧側スイッチング素子と、グランドラインに接続された低電圧側スイッチング素子と、を含むスイッチング素子を有し、前記モータを駆動するインバータ回路と、
    前記高電圧側スイッチング素子の制御端子に接続される高電圧側部と、前記低電圧側スイッチング素子に接続される低電圧側部と、を有し、前記スイッチング素子の駆動電圧を生成するチャージポンプ回路と、を備え、
    前記電源ラインと前記チャージポンプ回路の出力端子との間に放電素子を設け、
    前記放電素子は、前記電源ラインと前記高電圧側部との間に設けられ、
    前記高電圧側スイッチング素子と前記低電圧側スイッチング素子との相互接続部と、前記チャージポンプ回路の前記高電圧側部と、の間を接続するダイオードを備え、前記ダイオードは、カソードが前記高電圧側部に接続される、電気機器。
  4. 前記チャージポンプ回路の出力端子は前記電源ラインに対して高電位である、請求項１から３の何れか一項に記載の電気機器。
  5. 前記放電素子は、抵抗である、請求項２又は３に記載の電気機器。
  6. 前記放電素子は、ツェナーダイオードである、請求項２又は３に記載の電気機器。
  7. 前記高電圧側スイッチング素子は複数設けられ、
    前記高電圧側部は前記複数の高電圧側スイッチング素子のそれぞれの制御端子に接続される、請求項１から６の何れか一項に記載の電気機器。
  8. 前記低電圧側スイッチング素子は複数設けられ、
    前記低電圧側部は前記複数の低電圧側スイッチング素子のそれぞれの制御端子に接続される、請求項７に記載の電気機器。
  9. 前記電源ラインにはインダクタンスが設けられる、請求項１から８の何れか一項に記載の電気機器。
  10. 前記モータに駆動電圧を供給する電池パックを備え、
    前記高電圧側部で生成される前記駆動電圧は、前記電池パックの出力電圧より高い、請求項１から９の何れか一項に記載の電気機器。
  11. 前記低電圧側部で生成される前記駆動電圧は、前記電池パックの出力電圧より低い、請求項１０に記載の電気機器。
  12. 前記モータの駆動電流を検出する電流検出回路と、
    前記インバータ回路の入力電圧を検出する電圧検出回路と、
    前記モータ又は前記インバータ回路の温度を検出する温度検出回路と、
    前記電流検出回路、前記電圧検出回路、前記温度検出回路に接続された制御部と、を備える、請求項１から１１の何れか一項に記載の電気機器。
  13. 前記制御部は、前記電源ラインが接続される端子と、前記高電圧側部の出力端子と、前記低電圧側部の出力端子と、を備える、請求項１２に記載の電気機器。
  14. 前記制御部は、前記インバータ回路を駆動するためのインバータ駆動部と、前記インバータ駆動部へ制御信号を出力する演算部と、前記インバータ駆動部及び前記演算部の定電圧を生成する定電圧生成回路と、を備える、請求項１２又は１３に記載の電気機器。
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