JPS58222795A - 充電式電動機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は充電式電動機器に関するものである。

充電式の丸鋸・ドリルなどの電動機器においては、１回
の充電でできるだけ多くの仕事（板の切断とか穴あけな
どの数又は累積距１ｉｉＩなど）が出来ることが望まれ
る。

そのためにはできるだけ少な、い消費電気工ネルｆ−で
板の切断とか穴あけが出来るように、七−タの回転数−
トルク特性、［池の放電性能特性、工具（丸鋸刃、ドリ
ルなど）条件を決めている。しかしながらこれらの器具
側の条件をいくら固定しても、使用灸佇および被削材の
種類などによっても、消費電力は大きく変化する。従っ
て１回の充電で最大の効果が出せるようにするためには
消費電力がいつも最小になるような使用条件で使うこと
が必要となるが、適切なセンサがなければ使用者が前述
の使用条件を常に維持することは困難であつた。

ところで直流式の電動機器の過負荷検出制御方式として
？−［１図で示すような回路構成のもの（特関昭５２−
５５１００号公報参照）がすでに提供されている。この
従来例は直流℃−タＭを内蔵する電、動ドライバーの駆
動源とドライバーシャフトとの間にコイルスプリンタの
如き慣性力緩衝部材を介在させ、この電動ドライバーを
電流制御方式により駆動することを特徴としており、ネ
ジ締付完了の停止時に発生する、０−夕その他の回転部
に生じる慣性力を吸収し、ネジ山破壊や被緊縮物の折損
等を防止することを目的としている０第２図は前述の従
来例の℃−タのトルク電流特性であり、負荷トルクが増
加するとモータ電流が増加することを示している。この
従来例ではこの電流が所定値以上になったとき、商用交
流電源ＡＣを降圧整流する直流電源装置ＤＣとモータＭ
との間にトランジスタＴ！などのインピータンス制御素
子を設け、モータ電流がある所定値よりこえようとする
とインピータンスを増加させることにより、モータ電流
をある所定値以上にならないように制御している。一方
、電動機器としては、使い勝手の面では商用交流電源Ａ
Ｃではコードを引つ張らねばならないため電源がない所
でも自由に使えるように２次電池を内蔵した可搬、携帯
型式のものが望まれている。このような２次電池を電源
とした電動機器に、前述の従来例の回路を使用して種々
検討した所つぎの欠点があることがわかった。

その１つは電動ドリルとか電動丸鋸などの負荷トルクの
大きい電動機器で＃−ｔ℃−タ電流が大きくなって、電
流制剃珀のインピータンス制御素子（例えば第１図では
トランちスタＴｌに対応）及び電流検出抵抗（例えば第
１図では抵抗Ｒａ　＋　Ｒｂ＋　ＲＣに対応）での電力
損失が大きく、蓄電池の電力が有効に活用できないこと
である。

また第２の欠点としては特に電動丸鋸の場合で板材を切
断する場合に広幅の板材を一端から切り始、５え、ＩＫ
、少ｌ、ア２曲つぇ、、蛇行、え、す　　・■ると、丸
鋸刃の刃先両側面の摩擦力゛が大きくなるため負荷トル
クが増大し、その分七−タ電流も増加しようとするが、
電流制御値の設定値を非常に大きくとり、℃−タＭが簡
単に停止しないようにし、前述の切断時の曲り、蛇行が
生じた場合、℃−タＭと刃の取付軸の間に弾性スプリン
グのような緩衝部材を介在させた場合は、℃−タは停止
しないが刃は停止し、緩衝部材がすべ９クラツチの働ら
きをし、モータ電流はある一定値に押えられるが、スイ
ッチを押している間は電流が流れつづけて無効電力のみ
増え、電池電力の消耗が大きく１回の充電での切断可能
枚数は著しく低下する。

電動ドリルとして使用する場合も、試作して確認を行な
ってみたが、特に金属の材料の穴あけ作業でドリルの先
端が板材を貫通する際に大きな負荷トルクが必要となり
、緩衝部材部がすべりドリルが回転しなくなるため途中
までしか穴があかないときがあり、無効電力もへらない
ことがわかった。第３図は試用した電動ドリルの先部の
断面図を示しモータＭと、ドリル刃（１）の取付軸１２
１との間に弾性スプリングのような緩衝部材（３）を介
在させてあって、上述のスベリクラッチ機能を得るよう
にしである。

さて未発明は上述の問題点に鑑みて為されたもので、そ
の目的とするところ＃−ｉ１回の充電当りの使用可能時
間を長くするために、２次電池と℃−タとの間に設けた
スイッチング手段に発生する電力消費を最小にすること
ができるとともに、℃−タ０ツク時の電流を所定値以上
流さないように制御できる充電式電動機器を提供するに
ある。

以下本発明を実施例によって説明する。＠４図は未発明
の機能をブロック化して示した図であって、ＮｉＣｄ［
池又は鉛蓄電池等の２次電池１４）から操作スイッチ１
６）とパワートランジスタ等の半導体スイッチ素子から
構成されたスイッチング手段（６）とを介して七−タＭ
へ電力を供給するようになっている。Ａの制御回路ブロ
ックは操作スイッチ１６）がオンしたときに、スイッチ
ング手段（６）がオンするのに十分な電流パ゛ルス又は
電圧パルスをパルス発振回路（７）よりスイッチング手
段（６）に送って、℃−タＭに２次電池１４）からの電
力をスイッチング手段（６）を介して供給させ七−タＭ
を回転させるとともに、回転中の七−タＭに不適正な使
い方によって過負荷がかかったとき、℃−タＭに大電流
が流れ、電池両端電圧が低下することを電圧分圧器＋８
１からの分圧出力Ｖｉと、基準電圧発生回路１９）で発
生させた基準設定電圧Ｖ！とを電圧比較器（■αで比較
し、分圧出力Ｖｉが基準設定電圧ｖ工より低下した場合
に表示手段１１ム）を作動させて表示させ、かつスイッ
チング手段（６）をオンさせる時間幅を侠くする制御動
作を行なって、使用者に異常使用であることを報知し、
かつ過大な電流が七−夕Ｍに流れ、七−タＭの焼損或い
は電池電力の無駄な消耗を防止するためのものである。

（Ｉ２）は定電圧電源で、この定電圧電源１１２１は基
準電圧発生回路（９）、電圧比較器１夏０）、増幅回路
−の電源を与えるためのものである＠５図は充電式丸鋸
電動機器に用いた第１４図に基く共体回路例を示し、２
次電池１４）としては電圧１２Ｖ、２．５ＡＨｒの容量
を有し、かつ負荷電流を流さないときにＦ′ｉ１３．ｌ
ｖ（以下間放電圧Ｅ・と称する）の起電力を有している
鉛蓄電池又はＮｉ　　ｃｄ電池次に末回路の動作を説明
する。弁操作スイッチ＋６１がオンすると、定電圧電源
＋１２１がまず動作し、該電源の出力端ｂＫは安定化さ
れた５−７ｖの定電圧ｖｂが発生され、電圧比較器１１
（ト）、基準電圧発生回路（９）、増幅回路−の電源と
して夫々の回路に供給される。一方操作スイッチ（６）
を介して２次電池（４）には抵抗ＲｓとＲｘとの直列回
路からなる電圧分圧器（８）が接続されており、この電
圧分圧器ｉ８１　Ｖｉ電池電圧を分圧し、その分電点Ｃ
より分圧出力を取出し電圧比較器１１αの一方の入力端
に加えている。このときの電圧をＶｉとする。他方電圧
比較器（ｌαの他の一端には定基準電圧発生回路（９）
からの基準設定電圧が加わるようになっている。゛基準
電圧発生回路＋９１　Ｆ′ｉ定電圧電源（Ｉｚの出力電
圧を抵抗Ｒ１，Ｒｉで分圧して基準設定電圧ｖ１を発生
させるようになってお９、例えば異常使用時に亡−タト
ルクが増加し、電池電圧が低下したときの所、定電圧に
等価となる　　　　１ように抵抗Ｒｉ、Ｒｓの比を設定
している。しかして操作スイッチ（６）が上述のように
とじられた直後で１１　ハヮーＭＯ５ｍトランジスタＱ
ｎからなるスイッチング手段（６）はまだオンされてお
らず、電池電圧は関数電圧Ｅｏに近い状態となっており
、電圧比較器ＩＱＩのトランジスタＱ１への入カ電圧ｖ
ｔ＃−ｉ次式で示される。

Ｒ雪 Ｖｉ中□ＸＥ・　　・・・凹曲・　　　■ＲＩ十Ｒ禽 一方基ｍ設定電圧ｖＩは定電圧電源α２の出力電圧をＶ
ｂとすると次式で示される。

ｓ Ｖ１キ　　　　　×Ｖｂ　　　・・・四相・　　　■Ｒ
＠＋Ｒ４ ここでＶｉ　＞　Ｖｓのときはトランジスタ。７がオン
し、トランジスタＱｓがオフとなる公知の差動増幅型コ
ンパレータ回路を電圧比較器（１０１に用いており、従
って出力端子ｅｔｆｉＶｉ＞Ｖ、のときはＩＬルベルと
なって増幅回路α四のトランジスタ。１４をオンさせる
。このことにより、抵抗ＲｔｙｅＲｕに電流が流れてト
ランジスタＱ！６がオンとなシ、タイオード接続された
トランジスタＱｌ？を介してパルス発振回路（７１内に
設けられたトランジスタＱ１＠をオフさせる。トランジ
スタ（ｂ＝が才］になるとトランジスタＱ１９はオフに
なシ抵抗Ｒ＋ｓ　、　Ｒｔ・に電流が流れなくなってト
ランジスタ鵡・をオフにする。このとき表示手段１１１
）として設けられた抵抗Ｒ１と発光タイオードＤ□の直
列回路を介してスイッチング手段（６）を構成する可変
インピータンス要素たるパワーＭＯ５型トランジスタＱ
□のゲート電圧を高くシ、スイッチング手段（６）のパ
ワーＭＯ８型トランジスタＱ０は瞬時にオン状態となシ
、２次電池（４）からの直流電力が℃−タＭへ供給され
℃−タＭが回転する。一方第５図中のｆ点の°電圧が上
昇すると、コンデンサｃ４は充電々荷を、抵抗Ｒ８、コ
ンデンサＣ３、抵抗Ｒγ、コンデンサＣ１を介して放電
し、一時的にｇ点の電位が低下してトランジスタＱ＋ｏ
が゛オン状態となる。トランジスタＱ、、がオンすると
抵抗Ｒ０゜＋Ｒ１Ｇの直列回路に電流が流れて、トラン
ジスタＱｘｏもオン状態となる。従ってｆ点の電圧が再
び低下し、パワーＭＯ８型トランジスタＱＨのゲート電
圧が瞬時的にオフ状態に反転する。このようにしてパワ
ーＭＯ５型トランジスタＱηはパルス発振回路（７）の
ｆ点の電圧のと、下に対応して、オン、オフ動作を繰り
返すことになる。＠６図Ｆｉｆ点の電圧変化の状態を図
示したもので、そのオン、オフの同期は自由に選ぶこと
ができる。本実施例ではオンとオフの時間の比率Ｆｉ１
０：１〜５：１の範囲に設定している。つまりこの比率
を余り小さくすれば℃−タＭへの供給電流平均値もそれ
に比例して低下し、省電力の点では効果を十分発揮する
が、丸鋸などの場合は、必要な切断能力はあらかじめ使
用条件から決定されており、従ってで一タＭに必要な停
動トルク、出力馬力なども決まってくるため、この目標
を満足するに十分な電流を確保できる値にしてやらなけ
ればならず、単に省電力の面からだけオン／オフの時間
比を決めることができないからである。一方このオン、
オフ動作を繰り返えしているときに、表示手段１１１）
の発光タイオンドＤ１の点滅状態が発生しているが、人
間の目には殆んど点灯していないように見えるような状
態となるように抵抗Ｒ９の値及びオン／オフの時間比を
設定しておく方がよい。

さて℃−タＭが回転し始めて定常回転になるのには未実
施例では約１〜２（６）かかるが、従来の場合は起動時
の突入電流が非常に大きいものであるが、スイッチンジ
手段（６）のパワーＭＯ５型トランジスタＱｎのオン、
オフ動作のためにかなり抑制することができ、始動時の
電力消耗を押えることが可能となった。１ｇ７図は始動
時の℃−タＭへの突入電流の低減効果を示したもので、
曲線ａａはパワーＭＯ５型トランジスタＱ！２からなる
スイツチンジ手段（６）を設けないときの電流を、曲線
ｂｂＦｉ未実施例の場合を示す。

次に使用時に異常トルクの発生等の異常を使用者に知ら
せる手段並びに、℃−タ焼損防止についての動作原理を
説明する。

一般に、Ｎｉ−Ｃｄ電池、鉛電池などの２次電池（４）
は若干の内部抵抗（通常１０．７ＦＩΩ〜１００ｍΩ）
を有していることはすでに公知のことであり、また、℃
−タＭに異常トルクが発生したとき、直流５−＋：・り
のトルク電流特性から負荷トルクが増大すると電流が比
例的に増大することも公知のことであり、このため２次
電池（４）の両端電圧は切断使用時には一定でなく、電
流変化に対応して４Ｍ８図のように変化する。同図（ａ
ｌ　Ｉｄ未発明の充電式電動機器の実使用時の電流変化
を示し、同図（ｂｌはそのときの電圧変化を示す。

さてＩＩ！５図々示図々側実施例使用時の場合の無負荷
電流は２Ａ、使用開始、即ち厚さ１２畷の合板を直線状
に切断し始めたときの℃−タ電流は約１０Ａ程度で、切
断終了時には鋸刃の副面が合板によって強く押されるた
めの摩擦力によって若干電流が増加するが高々３０Ａ以
内におさまることが分った。またそのときの電池電圧の
低下は１０．５ｖ程度にとどまり、またそのときの切断
時間は幅２０創の合板に対して約０．８〜１（６）で切
断が可能であった。更にそのときの押し付は力ｄ　１．
５〜２Ｋｆであった。

以上のように実施例器具を使用して更に早い時間で切断
する場合３〜５Ｋｆで押し付けたり、故意に蛇行させて
切ったりしてみたところ、このような異常使用の際はモ
ータＭの著しい回転低下音生じ電流が増加する傾向があ
ることが分った。、。

そこで第５図実施例回路においてスイツチンジ手段（６
）を短絡して上述の異常使用実験を試みその時の電流、
電圧変化を調べたところ、第９図（ａ）。

（ｂｌのように夫々変化し、電流は４０〜６０Ａ１電圧
は９．５ｖ〜８．８ｖ位まで低下することが分かり、正
常使用時の電流電圧変動範囲と明確に区別できることが
明らかとなった。

また電気ドリルにも第５図回路を用いてみたが、使用目
的、七−タ、電池電圧、容量などにより正常、異常のｉ
囲を区別する電流、電圧範囲は異なってくるが、夫々明
確に区別できる領域が存在することが分った。

次に未発明の異常検出動作を゛説明する。尚説明の都合
上充電式電動丸鋸の場合についての実施例、即ち第５図
回路で説明する。

さて既に第８図（ｂｌで明らかにしたように異常使用時
に電池電圧は低下するが、本実施例では所定の板が切れ
ず℃−タＭがロックされる寸前となる例えば９．３ｖを
最適使用条件の下限値とし、該電圧を異常判定のための
電圧とする０ 従って上述の基準設定電圧Ｖｓｔ’ｊ■式と０式からの
関係を満足するように抵抗ＲＩ−Ｒｓと定電圧電源αり
の出力電圧ｖｂを決定した０ しかして過負荷が発生し、正常な機能を発揮しなくなる
まで℃−タ回転数が低下すると、電圧分圧器（８）の岐
点電圧Ｖｉは基準設定電圧Ｖｌｌより小さくなるため電
圧比較器１１αのトランジス５９丁はオフし、トランジ
スタＱａＦｉオンになる。トランジスタＱγがオフにな
ると、トランジスタＱ１４がオフし・またトランジスタ
ＱＩ６もオフし、更にトランジスタＱｌｓがオンし、ト
ランジスタＱ１９もオンし、更にまたトランジスタ鵡Ｏ
もオンとな９、パルス発生回路（７）の点ｆの電圧は低
下し、スイッチング手段（６）のパワーＭＯ５型トラン
ジスタＱｍがオフになって℃−タＭへの電流は遮断され
る。その結果電池電圧は上昇し、ｖｉ＞ｖｌ　　となっ
てスイッチング手段ｆｉ＋のパワー型トランジスタＱＨ
は再びオンになる。このときのオン、オフの同期は２次
電池（４１が充電直後で十分な電力を有しているときは
比較的短時間であるがその比がほぼ１／１になるように
コンダンサＣａ、抵抗Ｒ・、Ｒ１意の値を決めることに
よって、過負荷発生時に℃−タＭに流れる電流を℃−タ
ロツク時の最大電流の約１／２程度までおとすことかで
きる。

′また２次電池１４）が消耗してくると、２次電池１４
）の内部抵抗が増大することによって、℃−タＭの過負
荷発生時の電池電圧の両端電圧の低下は充電直後より大
き°くなる。パルス発振回路（７）のオシ。

オフの周期のオフ時間が長くなるように回路を構成して
いるので、表示手段１川の発光タイオードＤ１の点灯は
トランジスタＱ１・がオン、即ちパワーＭＯ５型トラン
ジスタＱ　ｎがオフになっているときに行なわれるので
、その点灯時間がより大きくなって点滅が明確になる。

しかして２次電池１４１が充電直後のときの過負荷　　
　１・。

発生時は発光タイオードＤ１の点灯が中位の明るさとな
り、２次電池＋４１が消耗し再充電が必要なときはより
明確な明るさで点灯表示が行なわれることになる。使用
者は発光タイオードＤ１の明るさによって異常使用と再
充電時期の両方を判断しながら器具を使用することがで
きるのである。

尚スイッチング手段１６１にパワーＭＯ８型トランジス
タＱ１！を使用した理由はゲート電圧をかけるだけで電
流が殆んど不要のためパルス発振回路（７）のトランジ
スタＱ！ｏを小型にしやすく、携帯型電動器具に好都合
であり、また大電流を℃−タＭＫ流す必要のある丸鋸等
の場合、通常のパイボー５型パワートランジスタに較べ
てオン、オフのスイッチンジ時間が短いため、オン、オ
フの度に発生するトランジスタの発熱損失を少なくする
ことができるからである。またパワーＭＯ５型トラ、７
ジスタＱｎの制御動作は前述の全ての場合において、オ
ン、オフの断続動作により七−タＭへの電流をパルス状
にして送るようにしているため、ベース電流に比例した
電流を流すシリーズレ甲ニーレータ方式のトランジスタ
使用法では例えば電流１０Ａ１コレクタと１三ツタ間電
圧５ｖ程度で使用したとしても５０Ｗもの電力損失が発
生するのに対し、本実施例ではＬＯＷ以下に低減でき゛
電池電力の有効活用ができることになる。

尚また実施例回路には充電回路を省略しているが、２次
電池（４）の充電は適宜設けた充電回路によって行なう
のけ言うまでもない。

また表示手段Ｈａｌｌとしては電磁ソレノイドからなる
刺激手段や、ブザーのような音による表示手段を用いて
もよい。

本発明は過負荷で七−夕がロックされる的の最適使用条
件下にｉける２次電池の両端電圧の下限値を基準設定電
圧として設定し、実使用時にふける２次電池の両端電圧
と基準電圧を比較する電圧比較器を有し、該電圧比較器
の比′絞出力を過負荷発生時に断続するＪ〜ルス状信号
に変換し、表示手段と、２次電池と七−夕との間に設け
たスイッチング手段とに加えて表示手段を断続表示させ
るとともにスイッチング手段を断続的にスイッチングさ
せるようにしであるから、表示手段の表示によって、使
用状態が最適使用条件範囲外にあるのかが使用者に分り
、そのため使用者は使用状態を表示手段の表示状態を見
ながら最適使用条件下におくことができ、万−最適使用
条件外の過負荷使用になった場合は、スイッチング手段
が高速でオン・オフをくシかえし、２次電池からモータ
への平均電流を過負荷の程度が大きいときはオフ時間が
長くなるように制有させることにより、七−５過負荷発
生時の過大電流を一定範囲に押えることができ、その上
、スイッチング手段にトラニア！；スタなどの可変イン
ピータンス素子を使用したときのスイッチンジロス電力
を最小にする効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の回路図、＠２図は同上の動作説明図、
ｇＩＪ３図は電動ドリルの先部の断面図、第４図は未発
明の機能を示す回路ブロック図、＠５図は未発明の一実
施例の回路図、ｇｇ６図は同上のパルス発振回路の出力
電圧の波形図、＠７図、第８図ｆａｌ　、　（ｂｌ　Ｉ
ｄ同りの動作説明図、第９図１ａｌ　、　（ｂｌは同上
の動作説明図であり、Ｍは七−夕、Ｖ＋ｌ；を基準設定
電圧、１４）は２次電池、＋１０１は電圧比較器、■）
は表示手段である。 代理人　弁理士　　石　１）長　七 １′ 第８図 （ａ） 時間 第９図 （ａ） （ｂ） 稈間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　２次電池を電源として駆動用の℃−タを作動さ
   せる充電式電動機器において、過負荷で℃−タがロック
   される前の最適使用条件下における２次電池の両端電圧
   の下限値を基準設定電圧として設定し、実使用時におけ
   る２次電池の両端電圧と基準電圧を比較する電圧比較器
   を有し、該電圧比較器の比較出力を過負荷発生時に断続
   するパルス状信号に変換し、表示手段と、２次電池と七
   −タとの間に設けたスイッチング手段とに加えて表示手
   段を断続表示させるとともにスイッチング手段を断続的
   にスイッチングさせることを特徴とする充電式電動機器
   。
2. （２）　　スイッチング手段として、トランジスタ等の
   可変インピータンス素子を用いて該可変インじ一タシス
   素子のゲートに断続する上記パルス状信号を加え、過負
   荷量に対応したオン／オフ時間比を変化させるようにし
   たことを特徴とする特許請求の範囲＠１項記載の充電式
   電動機器。