WO2017104381A1 - 電動工具 - Google Patents

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WO2017104381A1
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WO
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motor
microcomputer
switching element
load
fet
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PCT/JP2016/084952
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Inventor
智明 須藤
一彦 船橋
祥和 河野
Original Assignee
日立工機株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25FCOMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B25F5/00Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to a power tool such as a nibler, a shear, or a grinder.
  • FIG. 5 is a perspective view of a shear which is an example of a conventional electric tool.
  • the shear is used for cutting (shearing) a metal plate or the like.
  • the housing 3 contains a brushed (commutator) motor as a drive source.
  • a tail cover 4 is provided (fixed) at the rear of the housing 3.
  • the tail cover 4 accommodates an electronic member of the control system inside.
  • a power cable 31 for connecting to an AC power source such as a commercial power source is drawn from the rear end of the tail cover 4.
  • An exterior brush holder 32 is held between the housing 3 and the tail cover 4.
  • the brush holder 32 accommodates a carbon brush for motor rectification inside.
  • the housing 3 is provided with an operation switch 11 for switching between driving and stopping of the motor.
  • the operation switch 11 is a slide switch in the example of FIG. 5, and can be held in an on state by being hooked on a convex portion (not shown) of the housing 3 while being pushed forward (on state).
  • a gear case 6 is provided (fixed) at the front portion of the housing 3.
  • the gear case 6 accommodates therein a reciprocating motion conversion mechanism that converts the rotation of the motor into a reciprocating motion.
  • the reciprocating motion conversion mechanism holds the movable cutter 7 at the lower end of its output shaft, and reciprocates the movable cutter 7 up and down.
  • the movable cutter 7 is a plate-like cutter member that extends in the up-down and front-back directions.
  • a blade holder 9 is provided below the gear case 6.
  • the blade holder 9 holds the fixed-side cutter 8.
  • the fixed-side cutter 8 is a plate-like cutter member that extends in the front-rear and left-right directions.
  • the hand guard 30 is fixed to the gear case 6 and prevents the cut metal plate or the like from coming into contact with the housing 3.
  • Patent Document 1 discloses a configuration capable of detecting a work state regardless of variations in the rotation state of a motor in an electric tool that performs slow idling that drives a motor at a low speed at the start of work.
  • the effective value of the voltage applied to the motor is controlled by on / off control (for example, PWM control) of a switching element such as an FET provided in the energization path to the motor.
  • on / off control for example, PWM control
  • the temperature of the switching element rises due to the on / off control, and in some cases, the switching element may be damaged or the work may be forcibly stopped due to the protection function.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an electric tool that is easy to use as compared with the case where the switching frequency of the switching element is constant regardless of the load.
  • the electric tool includes a motor, a switching element for controlling energization to the motor, a control unit for controlling on / off of the switching element, and a load detection means for detecting a load of the motor,
  • the control unit can execute control to lower the switching frequency of the switching element when the load of the motor is equal to or greater than a threshold value, compared to a case where the load is less than the threshold value.
  • the controller may lower the switching frequency of the switching element when the load of the motor is equal to or greater than a threshold value for a predetermined period of time, compared to when the load is less than the threshold value.
  • Two or more types of batteries having different rated voltages can be alternatively mounted as a power source, and the control unit can turn the switching element on and off when the battery having a high rated voltage is mounted.
  • the effective value of the applied voltage may be controlled.
  • Temperature detecting means for detecting the temperature of the switching element may be provided, and the control unit may turn off the switching element when the temperature of the switching element becomes equal to or higher than a threshold value.
  • An abnormality detection unit that detects an abnormal state of at least one of the motor or the switching element, and the control unit turns off the switching element when the abnormality detection unit detects an abnormality.
  • the power supply may be stopped.
  • the block diagram of the electric tool 1 which concerns on embodiment of this invention. 4 is a time chart showing an example of the operation of the electric power tool 1. 4 is a control flowchart of the electric power tool 1.
  • the perspective view of the shear which is an example of the conventional electric tool.
  • FIG. 1 is a block diagram of a power tool 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the electric tool 1 is a cordless type, and a battery pack (storage battery) 5 serving as a power source is detachably attached thereto.
  • the power tool 1 can preferably be mounted alternatively with two or more types of battery packs 5 having different rated voltages as power sources, and here, as an example, two types of batteries with rated voltages of 18V and 14.4V are used. It is assumed that the pack 5 can be attached.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the battery pack 5 are connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electric tool 1, respectively.
  • a motor 10 Between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electric power tool 1, a motor 10, an operation switch (trigger switch) 11, an FET 12 as a switching element, and a current detection resistor 13 are connected in series.
  • the motor 10 is a commutator motor (a DC motor with a brush) that includes a stator and a rotor, and in which a commutator is provided in the rotor.
  • a control system power supply circuit 16, a battery voltage detection circuit 17, and a switch detection circuit 18 are provided in parallel in a current path that flows from the positive electrode terminal of the battery pack 5 to the negative electrode terminal of the battery pack 5 via the operation switch 11.
  • the control system power supply circuit 16 supplies a power supply voltage to the microcomputer 20 as a control unit including a calculation unit and a storage unit and other control system circuits.
  • the microcomputer 20 is activated by the supply of power from the control system power supply circuit 16.
  • the operation switch 11 is turned off, the power supply to the microcomputer 20 is interrupted and the microcomputer 20 stops.
  • the battery voltage detection circuit 17 is for detecting the output voltage of the battery pack 5 (hereinafter also referred to as “battery voltage”), and is connected to the A / D converter of the microcomputer 20.
  • the A / D converter is an electronic circuit that quantizes an input analog signal and converts it into a digital signal.
  • An analog value (battery voltage detection signal) corresponding to the battery voltage detected by the battery voltage detection circuit 17 is input to the microcomputer 20.
  • the microcomputer 20 converts an analog value into a digital value using a built-in A / D converter, compares the digital value with a predetermined value, and detects a battery voltage.
  • the switch detection circuit (trigger detection circuit) 18 detects the on / off state of the operation switch 11 and outputs a switch detection signal to the microcomputer 20.
  • the microcomputer 20 recognizes whether the operation switch 11 is on or off based on the switch detection signal.
  • the motor control circuit 14 is a circuit that performs switching control of the FET 12 in accordance with an instruction from the microcomputer 20. In a normal state, when the power is supplied from the control system power supply circuit 16 and the microcomputer 20 is activated and detects that the operation switch 11 is turned on, the microcomputer 20 outputs a command to turn on the FET 12 to the motor control circuit 14.
  • the battery discriminating circuit 24 is for discriminating the type (rated voltage) of the battery pack 5, and its output is connected to the A / D converter terminal of the microcomputer 20.
  • An analog value (battery determination signal) corresponding to the type of the battery pack 5 detected by the battery determination circuit 24 is input to the microcomputer 20.
  • the microcomputer 20 converts the analog value into a digital value by a built-in A / D converter, compares the digital value with a predetermined value set in advance, and determines the type of the battery pack 5.
  • the current detection circuit 15 is a circuit (load detection means) that detects the current (load) flowing through the motor 10 or the FET 12 by detecting the terminal voltage of the current detection resistor 13, and is connected to the A / D converter of the microcomputer 20.
  • the microcomputer 20 receives an analog value (current detection signal) corresponding to the current detected by the current detection circuit 15.
  • the microcomputer 20 converts an analog value into a digital value by a built-in A / D converter, compares the digital value with a predetermined value, and the current flowing through the motor 10 or the FET 12 is abnormal current (overcurrent). Judge whether or not.
  • the microcomputer 20 detects an overcurrent, it outputs a motor stop signal to the motor control circuit 14 to stop the motor 10 and protect the battery pack 5.
  • the microcomputer 20 stores a current threshold value (load threshold value) for determining (detecting) whether or not the work is in progress (no load or load) in a table 20a that is a part of its own storage unit. Then, it is determined whether or not the power tool 1 is working by comparing the detected current value with the current threshold value.
  • the table 20a is an example of a storage unit.
  • the microcomputer 20 lowers the switching frequency of the FET 12 compared to when the current is less than the threshold.
  • the switching frequency (f1 described later) when the current is less than the threshold is, for example, 5 kHz
  • the switching frequency (f2 described later) is, for example, 2.5 kHz when the current is greater than or equal to the threshold.
  • the remaining battery level display circuit 19 compares the battery voltage detected by the battery voltage detection circuit 17 with a preset threshold value and turns on the LED according to the remaining battery level. The remaining battery level is displayed only while the tact switch inside is pressed.
  • the temperature detection circuit 21 is a circuit for detecting the temperature of the FET 12, and detects a voltage between terminals of the thermistor 22 as a temperature detection element disposed in the vicinity of the FET 12.
  • the output of the temperature detection circuit 21 is connected to the A / D converter terminal of the microcomputer 20.
  • the microcomputer 20 receives an analog value (temperature detection signal) corresponding to the temperature (voltage between terminals of the thermistor 22) detected by the temperature detection circuit 21.
  • the microcomputer 20 converts an analog value into a digital value by a built-in A / D converter, compares the digital value with a predetermined value set in advance, and determines whether the temperature of the FET 12 is abnormally high.
  • the microcomputer 20 detects an abnormally high temperature of the FET 12, it outputs a motor stop signal to the motor control circuit 14 to stop the motor 10 and protect the FET 12.
  • the overdischarge signal detection circuit 23 is connected to the LD terminal of the battery pack 5 and detects an overdischarge signal sent from the battery pack 5. When receiving the overdischarge signal from the battery pack 5, the overdischarge signal detection circuit 23 outputs an overdischarge detection signal to the microcomputer 20. When the microcomputer 20 receives the overdischarge detection signal, it outputs a motor stop signal to the motor control circuit 14 to stop the motor 10 and protect the battery pack 5.
  • the shutdown circuit 25 is a circuit for stopping the control system power supply circuit 16 by a shutdown instruction signal from the microcomputer 20 after a predetermined time has elapsed since the motor 10 was stopped by various protection functions.
  • the control system power supply circuit 16 stops, the power supply to the microcomputer 20 is lost, and the microcomputer 20 shuts down. That is, even when power is supplied to the microcomputer 20 with the operation switch 11 turned on, the microcomputer 20 stops power supply by itself when the motor 10 is stopped by the protection function. Thereby, the power consumption of the microcomputer 20 can be suppressed. The shorter the time until stopping, the more power consumption can be suppressed, but it can be changed as appropriate.
  • FIG. 2 is a time chart showing an example of the operation of the electric tool 1.
  • the time chart of FIG. 2 shows, in order from the top, the current flowing through the motor 10 when the battery pack 5 is fully charged, the switching frequency (PWM frequency) of the FET 12, the on / off of the motor 10, the on / off of the operation switch 11, and the temperature of the FET 12. Show.
  • I1 on the vertical axis of the current chart of the motor 10 in FIG. 2 is a current threshold for load determination (current threshold for determining whether there is no load or a load).
  • Tx on the vertical axis of the temperature chart of the FET 12 is a temperature threshold value for determining whether or not the FET 12 has an abnormally high temperature.
  • the broken line shown after the time T3 shows the temperature rise when the switching frequency of the FET 12 is not lowered at the time T3 for comparison.
  • the temperature of the FET 12 reaches the threshold value Tx at time T3 ', and the microcomputer 20 determines that the FET 12 is at an abnormally high temperature, turns off the FET 12, and stops the motor 10. That is, in the present embodiment, the microcomputer 20 reduces the switching frequency of the FET 12 in response to the increase in motor current (load), so that the temperature increase of the FET 12 can be suppressed.
  • the microcomputer 20 changes the switching frequency of the FET 12 from f2 to f1. Thereby, the rotation speed increase of the motor 10 is suppressed and the vibration of the electric tool 1 is suppressed. Thereafter, when the operation switch 11 is turned off at time T6, the motor 10 stops and the microcomputer 20 also stops.
  • FIG. 3 is a control flowchart of the electric power tool 1. This flowchart starts when the operator turns on the operation switch 11 while the battery pack 5 is attached to the electric power tool 1.
  • the operation switch 11 is turned on (S1)
  • power is supplied from the control system power supply circuit 16 to the microcomputer 20, and the microcomputer 20 is activated (S2).
  • the subsequent steps are processed by the microcomputer 20 executing the program.
  • the microcomputer 20 determines the battery pack 5 (S3). Specifically, the microcomputer 20 specifies the rated (effective) voltage of the battery pack 5 based on the battery determination signal from the battery determination circuit 24.
  • the microcomputer 20 confirms the presence or absence of various abnormalities (S4). Specifically, the microcomputer 20 checks whether or not the battery pack 5 is overdischarged, whether or not a voltage necessary for work is secured, and whether or not the FET 12 is at an abnormally high temperature (for example, 100 ° C. or higher). If no abnormality is detected (S4, No), the microcomputer 20 controls the motor control circuit 14 to turn on the FET 12 and start the motor 10 (S5). Here, the microcomputer 20 supplies the battery pack 5 with the rated voltage of 18V to the power tool 1 so that the same work output is obtained regardless of whether the rated voltage of the battery pack 5 attached to the power tool 1 is 18V or 14.4V.
  • the FET 12 When 5 is mounted, the FET 12 is PWM-controlled so that the effective value of the voltage applied to the motor 10 is the same as when the fully charged battery pack 5 is mounted with the rated voltage of 14.4 V. Note that the flowchart in FIG. 3 is based on the assumption that the PWM control of the FET 12 is performed. When the PWM control is not performed (when the FET 12 is always turned on), steps S7 to S11 relating to the switching frequency setting described later are performed. Absent. The switching frequency of the FET 12 at the start of the motor 10 in step S5 is f1 corresponding to no load.
  • the microcomputer 20 confirms the presence or absence of various abnormalities during the driving of the motor 10 (S6).
  • the abnormality confirmation here includes confirmation of whether or not there is an overcurrent in addition to the abnormality confirmation in step S4. If no abnormality is detected (S7, No), the microcomputer 20 checks whether or not the motor current is equal to or greater than the threshold (S7). When the microcomputer 20 detects that the motor current is equal to or greater than the threshold (S7, Yes) and the state continues for a predetermined time (S8, Yes), the microcomputer 20 sets the switching frequency of the FET 12 to f2 (S9).
  • the microcomputer 20 detects that the motor current is less than the threshold (S7, No) and the state continues for a predetermined time (S10, Yes)
  • the microcomputer 20 sets the switching frequency of the FET 12 to f1 (S11).
  • the microcomputer 20 controls the switching frequency (S7 to S11) according to the motor current, that is, the load while confirming the presence or absence of various abnormalities (S6).
  • step S4 If the microcomputer 20 detects an abnormality in step S4 (S4, Yes), the microcomputer 20 moves to step S14 and outputs a shutdown signal to the shutdown circuit 25 after a predetermined time has elapsed since the abnormality detection (S14, Yes). 16 is stopped, the power supply to itself is cut off and stopped (S16). If the microcomputer 20 detects an abnormality in step S6 (S6, Yes), it controls the motor control circuit 14 to turn off the FET 12, stop the power supply to the motor 10 and stop the motor 10 (S13). Then, after a predetermined time has passed since the motor stopped (S14, Yes), a shutdown signal is output to the shutdown circuit 25 to stop the control system power supply circuit 16, and the power supply to itself is cut off and stopped (S16). If the operation switch 11 is off in step S12 (S12, No), the power supply to the motor 10 is lost and the motor 10 is stopped (S15). At the same time, the power supply to the microcomputer 20 is lost and the microcomputer 20 is stopped. (S16).
  • the microcomputer 20 performs switching control (PWM control) of the FET 12, when the load (current) of the motor 10 is greater than or equal to the threshold, the switching frequency of the FET 12 is lowered as compared with the case where the load is less than the threshold. Therefore, it is possible to suppress the temperature rise of the FET 12 at the time of high load, and it is possible to prevent the FET 12 from being damaged or stopped due to a protection function.
  • the switching frequency of the FET 12 is increased compared to when the load is less than the threshold value. An increase in vibration can be suppressed. That is, the user-friendly electric tool 1 can be realized as compared with the case where the switching frequency of the FET 12 is constant regardless of the load.
  • the microcomputer 20 lowers the switching frequency of the FET 12 when the load remains above the threshold for a predetermined time, and increases the switching frequency of the FET 12 when the load remains below the threshold for a predetermined time. It is possible to prevent frequent switching of the switching frequency control when the load fluctuates up and down across the threshold during a short time.
  • microcomputer 20 Since the microcomputer 20 performs control such that the microcomputer 20 stops after a predetermined time has elapsed since the stop of the motor 10 due to abnormality detection, power consumption by the microcomputer 20 can be suppressed.
  • FIG. 4 is a block diagram of the electric power tool 2 according to the embodiment in which the motor 10 is a brushless motor.
  • the electric tool 2 includes an inverter circuit 26 for driving the motor 10 and a driver circuit 27 for driving the inverter circuit 26 in place of the FET 12 and the motor control circuit 14 of FIG.
  • a Hall IC 28 is provided.
  • the thermistor 22 is disposed in the vicinity of each switching element such as an FET included in the inverter circuit 26.
  • the switching control performed by the microcomputer 20 on the FET 12 in the first embodiment is applied to at least some switching elements of the inverter circuit 26 in the present embodiment.
  • Setting of the switching frequency by the microcomputer 20 is not limited to two stages, and may be a multistage of three or more stages.
  • the specific numerical value of the frequency is not limited to the example shown in the embodiment.
  • the microcomputer 20 may change the load threshold for determining the switching frequency continuously or stepwise so as to have a positive correlation with the voltage of the battery pack 5 in at least a part of the voltage range.
  • the battery voltage and the threshold value may be stored in the table 20a in association with each other. According to this, the influence on the load determination accuracy due to the fluctuation of the power supply voltage can be suppressed, and the control according to whether or not the load is applied to the motor 10 can be appropriately executed.
  • the rated voltage of the battery pack 5 that can be attached to the electric tools 1 and 2 may be only one type.
  • the power source of the electric tools 1 and 2 may be a primary battery or an AC power source.
  • the operation switch 11 is not limited to a type of switch that can maintain the on state (can be locked on).
  • the microcomputer 20 sets the temperature threshold of the FET 12 to be low, and when the temperature of the FET exceeds the threshold, the state of the electric tool 1 is severe by forcibly reducing the rotation speed of the motor 10 by PWM control of the FET 12. You may make it the state which can use the electric tool 1, notifying an operator of this.

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Abstract

負荷によらずスイッチング素子のスイッチング周波数が一定の場合と比較して使い勝手の良い電動工具を提供する。電動工具(1)は、モータ(10)と、モータ(10)への通電を制御するためのFET(12)と、FET(12)のオンオフを制御するマイコン(20)と、モータ(10)に流れる電流を検出する電流検出回路(15)と、を備える。マイコン(20)は、モータ(10)の電流が閾値以上の場合に、モータ(10)の電流が閾値未満の場合と比較して、FET(12)のスイッチング周波数を低くする。

Description

電動工具
本発明は、ニブラやシャー、グラインダ等の電動工具に関する。
図5は、従来の電動工具の一例であるシャーの斜視図である。シャーは、金属板等の切断(剪断)に使用される。図5において、ハウジング3は、駆動源としてのブラシ付き(整流子)モータを内蔵する。ハウジング3の後部にはテールカバー4が設けられる(固定される)。テールカバー4は、制御系の電子部材を内部に収容する。テールカバー4の後端部からは、商用電源等の交流電源に接続するための電源ケーブル31が引き出される。ハウジング3とテールカバー4との間には、外装式のブラシホルダ32が保持される。ブラシホルダ32は、モータ整流用のカーボンブラシを内部に収容する。
ハウジング3には、モータの駆動、停止を切り替える操作スイッチ11が設けられる。操作スイッチ11は、図5の例ではスライドスイッチであり、前方に押し出した状態(オン状態)でハウジング3の不図示の凸部に引っ掛けることで、オン状態を保持できる。ハウジング3の前部には、ギヤケース6が設けられる(固定される)。ギヤケース6は、モータの回転を往復動に変換する往復動変換機構を内部に収容する。往復動変換機構は、自身の出力軸の下端部に可動側刃物7を保持し、可動側刃物7を上下に往復駆動する。可動側刃物7は、上下前後方向に延びる板状の刃物部材である。ギヤケース6の下部には、ブレードホルダ9が設けられる。ブレードホルダ9は、固定側刃物8を保持する。固定側刃物8は、前後左右方向に延びる板状の刃物部材である。ハンドガード30は、ギヤケース6に固定され、切断された金属板等がハウジング3に接触することを抑制する。
下記特許文献1は、作業開始時に低速度でモータを駆動するスローアイドリングを行う電動工具において、モータの回転状態のばらつきに関係なく作業状態を検出することの可能な構成を開示している。
特開2012-139752号公報
モータへの印加電圧の実効値の制御は、モータへの通電経路に設けられたFET等のスイッチング素子のオンオフ制御(例えばPWM制御)により行われる。ここで、オンオフ制御によってスイッチング素子の温度が上昇し、場合によってはスイッチング素子の破損や保護機能による作業の強制停止が起こってしまう可能性がある。この対策として、トータルのオン回数を少なくするため、オンオフ制御のスイッチング周波数を低くする(オンとオフの周期を長くする)ことが考えられる。しかし、スイッチング周波数が低いと、モータへの1周期あたりの通電時間(加速期間)と無通電期間(減速期間)の時間が長くなり、オン時間の最大回転数とオフ時間の最低回転数の差が大きくなり、回転数の変動によって振動が発生してしまう。また慣性モーメントの大きなモータを使用した場合、トータルのオン時間が同じでも、オン時間の増加によって加速した回転が慣性によって維持され、モータの回転数は高くなる傾向があるため、無負荷時に不要にモータの回転数が高くなり、電動工具全体として振動が大きくなるという問題がある。
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、負荷によらずスイッチング素子のスイッチング周波数が一定の場合と比較して使い勝手の良い電動工具を提供することにある。
本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、モータと、前記モータへの通電を制御するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、前記モータの負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、前記制御部は、前記モータの負荷が閾値以上の場合に、前記負荷が前記閾値未満の場合と比較して、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低くする制御を実行可能である。
前記制御部は、前記モータの負荷が閾値以上の状態が所定時間継続した場合に、前記負荷が前記閾値未満の場合と比較して、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低くしてもよい。
相互に定格電圧が異なる2種類以上の電池を電源として択一的に装着可能であり、前記制御部は、定格電圧の高い電池を装着している場合に、前記スイッチング素子のオンオフによる前記モータへの印加電圧の実効値制御を行ってもよい。
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御部は、前記スイッチング素子の温度が閾値以上になると前記スイッチング素子をオフにしてもよい。
前記モータ又は前記スイッチング素子の少なくとも一方の異常状態を検出する異常検出手段を有し、前記制御部は、前記異常検出手段が異常を検出した際に、前記スイッチング素子をオフにして前記モータへの電力供給を停止してもよい。
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、負荷によらずスイッチング素子のスイッチング周波数が一定の場合と比較して使い勝手の良い電動工具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のブロック図。 電動工具1の動作の一例を示すタイムチャート。 電動工具1の制御フローチャート。 モータ10をブラシレスモータとした実施の形態に係る電動工具のブロック図。 従来の電動工具の一例であるシャーの斜視図。
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、処理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。
図1~図3を参照し、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る電動工具1のブロック図である。電動工具1は、コードレスタイプであって、電源となる電池パック(蓄電池)5を着脱可能に装着する。なお、電動工具1は、好ましくは相互に定格電圧が異なる2種類以上の電池パック5を電源として択一的に装着可能であり、ここでは例として定格電圧18Vと14.4Vの二種類の電池パック5を装着可能であるものとする。
電池パック5の正極端子と負極端子は、電動工具1の正極端子と負極端子にそれぞれ接続される。電動工具1の正極端子と負極端子の間には、モータ10、操作スイッチ(トリガスイッチ)11、スイッチング素子としてのFET12、及び電流検出抵抗13が直列に接続される。モータ10は、ステータとロータとを含み、かつ前記ロータに整流子が設けられる整流子モータ(ブラシ付き直流モータ)である。電池パック5の正極端子から操作スイッチ11を介して電池パック5の負極端子に流れる電流経路には、制御系電源回路16、電池電圧検出回路17、及びスイッチ検出回路18が並列に設けられる。
制御系電源回路16は、演算部と記憶部からなる制御部としてのマイコン20及びその他の制御系回路に電源電圧を供給する。マイコン20の電源が入っていない状態で操作スイッチ11がオンされると、制御系電源回路16からの電源供給によってマイコン20が起動する。操作スイッチ11がオフされた場合は、マイコン20への電源供給が遮断され、マイコン20が停止する。
電池電圧検出回路17は、電池パック5の出力電圧(以下「電池電圧」とも表記)を検出するためのものであり、マイコン20のA/Dコンバータに接続される。A/Dコンバータは入力されたアナログ信号を量子化してデジタル信号に変換する電子回路である。マイコン20には、電池電圧検出回路17によって検出された電池電圧に対応するアナログ値(電池電圧検出信号)が入力される。マイコン20は、内蔵するA/Dコンバータによってアナログ値をデジタル値に変換し、当該デジタル値と予め設定された所定値とを比較し、電池電圧を検出する。
スイッチ検出回路(トリガ検出回路)18は、操作スイッチ11のオンオフを検出するためのもので、スイッチ検出信号をマイコン20に出力する。マイコン20は、スイッチ検出信号により、操作スイッチ11のオンオフを認識する。
モータ制御回路14は、マイコン20からの指示に応じてFET12のスイッチング制御を行う回路である。通常状態では、制御系電源回路16から電源が供給されてマイコン20が起動し、操作スイッチ11のオンを検出すると、マイコン20はモータ制御回路14にFET12をオンする命令を出力する。
電池判別回路24は電池パック5の種類(定格電圧)を判別するためのもので、その出力はマイコン20のA/Dコンバータ端子に接続される。マイコン20には、電池判別回路24によって検出された電池パック5の種類に対応するアナログ値(電池判別信号)が入力される。マイコン20は、内蔵するA/Dコンバータによってアナログ値をデジタル値に変換し、当該デジタル値と予め設定した所定値とを比較し、電池パック5の種類判別を行う。
電流検出回路15は、電流検出抵抗13の端子電圧を検出することでモータ10又はFET12に流れる電流(負荷)を検出する回路(負荷検出手段)であり、マイコン20のA/Dコンバータに接続される。マイコン20には、電流検出回路15によって検出された電流に対応するアナログ値(電流検出信号)が入力される。マイコン20は、内蔵するA/Dコンバータによってアナログ値をデジタル値に変換し、当該デジタル値と予め設定された所定値とを比較し、モータ10又はFET12に流れる電流が異常な電流(過電流)かどうかの判断を行う。マイコン20は、過電流を検出すると、モータ制御回路14にモータ停止信号を出力してモータ10を停止し、電池パック5を保護する。また、マイコン20は、作業中か否か(無負荷か有負荷か)を判別(検出)するための電流閾値(負荷閾値)を自身の記憶部の一部であるテーブル20aに記憶していて、検出した電流値と電流閾値との比較により電動工具1が作業中か否かの判断を行う。テーブル20aは、記憶手段の一例である。後述のように、マイコン20は、モータ10に流れる電流が閾値以上の場合、電流が閾値未満の場合と比較して、FET12のスイッチング周波数を低くする。電流が閾値未満の場合のスイッチング周波数(後述のf1)は例えば5kHzであり、電流が閾値以上の場合スイッチング周波数(後述のf2)は例えば2.5kHzである。
電池残量表示回路19は、電池電圧検出回路17によって検出した電池電圧を、予め設定した閾値と比較し、電池残量に応じてLEDを点灯させるためのもので、電池残量表示回路19の内部にあるタクトスイッチを押している間のみ電池残量を表示する。
温度検出回路21は、FET12の温度を検出するための回路であり、FET12の近傍に配置された温度検出素子としてのサーミスタ22の端子間の電圧を検出する。温度検出回路21の出力は、マイコン20のA/Dコンバータ端子に接続される。マイコン20には、温度検出回路21によって検出された温度(サーミスタ22の端子間電圧)に対応するアナログ値(温度検出信号)が入力される。マイコン20は、内蔵するA/Dコンバータによってアナログ値をデジタル値に変換し、当該デジタル値と予め設定された所定値とを比較し、FET12の温度が異常高温であるかどうかの判断を行う。マイコン20は、FET12の異常高温を検出すると、モータ制御回路14にモータ停止信号を出力してモータ10を停止し、FET12を保護する。
過放電信号検出回路23は、電池パック5のLD端子に接続され、電池パック5から送出される過放電信号を検出する。過放電信号検出回路23は、電池パック5からの過放電信号を受信すると、マイコン20に過放電検出信号を出力する。マイコン20は、過放電検出信号を受信すると、モータ制御回路14にモータ停止信号を出力してモータ10を停止し、電池パック5を保護する。
シャットダウン回路25は、各種保護機能によりモータ10が停止してから所定時間経過後に、マイコン20からのシャットダウン指示信号によって制御系電源回路16を停止させるための回路である。制御系電源回路16が停止するとマイコン20への電源供給が無くなり、マイコン20がシャットダウンする。すなわち、操作スイッチ11がオンの状態でマイコン20へ電源が供給されている状態においても、保護機能によりモータ10が停止した際にはマイコン20が自ら電源供給を停止させる。これによりマイコン20の消費電力を抑えることができる。停止するまでの時間は短い方が消費電力を抑えることができるが、適宜変更可能である。
図2は、電動工具1の動作の一例を示すタイムチャートである。図2のタイムチャートは、上から順に、電池パック5が満充電の場合にモータ10に流れる電流、FET12のスイッチング周波数(PWM周波数)、モータ10のオンオフ、操作スイッチ11のオンオフ、FET12の温度を示す。なお、図2のモータ10の電流チャートの縦軸のI1は、負荷判別用の電流閾値(無負荷か有負荷かを判別するための電流閾値)である。また、FET12の温度チャートの縦軸のTxは、FET12が異常高温か否かを判別するための温度閾値である。
電池パック5が電動工具1に装着され、時刻T1において操作スイッチ11がオンされると、制御系電源回路16からマイコン20へ電源が供給されてマイコン20が起動すると共に、マイコン20の制御によりモータ制御回路14がFET12をオンし、電池パック5、操作スイッチ11、モータ10、及びFET12の直列回路が通電され、モータ10が起動する。ここでは、操作スイッチ11をオンした直後は無負荷である例を示しており、マイコン20は、FET12のスイッチング周波数をf1(高い周波数)に設定する。FET12のオンにより、FET12の温度は上昇を開始する。
その後、時刻T2において作業が開始されると、モータ10に負荷がかかり、モータ10に流れる電流(以下「モータ電流」とも表記)が閾値I1以上に上昇する。これにより、FET12の温度上昇の傾きは大きくなる。時刻T2からモータ電流が閾値I1以上のまま所定時間が経過した時刻T3において、マイコン20は、FET12のスイッチング周波数をf1からf2(低い周波数)に変更する。これにより、FET12の温度上昇の傾きが小さくなる。なお、図2のFET12の温度チャートにおいて時刻T3以降に示した破線は、時刻T3にFET12のスイッチング周波数を低下させなかった場合の温度上昇を比較のために示したものである。この場合、時刻T3’においてFET12の温度が閾値Txに達し、マイコン20は、FET12が異常高温であると判断し、FET12をオフにしてモータ10を停止させることになる。すなわち、本実施の形態では、マイコン20がモータ電流(負荷)の上昇に対応してFET12のスイッチング周波数を低下させるため、FET12の温度上昇を抑制できる。
時刻T4において操作スイッチ11がオンのまま作業が停止されると、モータ10の負荷が低下し、モータ電流が閾値I1未満に低下する。これにより、FET12の温度は下降に転じる。時刻T4からモータ電流が閾値I1未満のまま所定時間が経過した時刻T5において、マイコン20は、FET12のスイッチング周波数をf2からf1に変更する。これにより、モータ10の回転数上昇が抑制され、電動工具1の振動が抑制される。その後、時刻T6において操作スイッチ11がオフされると、モータ10が停止し、マイコン20も停止する。
図3は、電動工具1の制御フローチャートである。このフローチャートは、電動工具1に電池パック5が装着された状態で作業者が操作スイッチ11がオンすることによりスタートする。操作スイッチ11がオンされると(S1)、制御系電源回路16からマイコン20に電源が供給され、マイコン20が起動する(S2)。ここから先のステップは、マイコン20がプログラムを実行することによって処理される。マイコン20は、電池パック5の判別を行う(S3)。具体的には、マイコン20は、電池判別回路24からの電池判別信号により、電池パック5の定格(実効)電圧を特定する。
マイコン20は、各種異常の有無を確認する(S4)。具体的には、マイコン20は、電池パック5が過放電か否か、作業に必要な電圧が確保されるか否か、及びFET12が異常高温(例えば100℃以上)か否かを確認する。マイコン20は、異常を検出しなければ(S4,No)、モータ制御回路14を制御してFET12をオンし、モータ10を起動する(S5)。ここで、電動工具1に装着した電池パック5の定格電圧が18Vであっても14.4Vであっても同じ作業出力となるように、マイコン20は、電動工具1に定格電圧18Vの電池パック5を装着した場合には、FET12をPWM制御し、モータ10に印加される電圧の実効値が定格電圧14.4Vかつ満充電の電池パック5を装着した場合と同じになるように制御する。なお、図3のフローチャートは、FET12のPWM制御を行う場合を前提にしており、PWM制御を行わない場合(FET12を常にオンする場合)は、後述のスイッチング周波数設定に関するステップS7~S11は行われない。ステップS5におけるモータ10の起動時のFET12のスイッチング周波数は、無負荷時に対応したf1とする。
マイコン20は、モータ10の駆動中に各種異常の有無を確認する(S6)。ここでの異常確認は、ステップS4での異常確認に加え、過電流か否かの確認が含まれる。マイコン20は、異常を検出しなければ(S7,No)、モータ電流が閾値以上か否かを確認する(S7)。マイコン20は、モータ電流が閾値以上であり(S7,Yes)、その状態が所定時間継続したことを検出すると(S8,Yes)、FET12のスイッチング周波数をf2に設定する(S9)。一方、マイコン20は、モータ電流が閾値未満であり(S7,No)、その状態が所定時間継続したことを検出すると(S10,Yes)、FET12のスイッチング周波数をf1に設定する(S11)。マイコン20は、操作スイッチ11がオンである限り(S12,Yes)、各種異常の有無を確認しながら(S6)、モータ電流すなわち負荷に応じたスイッチング周波数の制御(S7~S11)を行う。
マイコン20は、ステップS4で異常を検出した場合(S4,Yes)、ステップS14に移り、異常検出から所定時間経過後に(S14,Yes)、シャットダウン回路25にシャットダウン信号を出力して制御系電源回路16を停止させ、自身への電源供給を遮断し、停止する(S16)。また、マイコン20は、ステップS6で異常を検出した場合(S6,Yes)、モータ制御回路14を制御してFET12をオフし、モータ10への電力供給を停止してモータ10を停止し(S13)、さらにモータ停止から所定時間経過後に(S14,Yes)、シャットダウン回路25にシャットダウン信号を出力して制御系電源回路16を停止させ、自身への電源供給を遮断し、停止する(S16)。また、ステップS12で操作スイッチ11がオフの場合(S12,No)、モータ10への電力供給が無くなってモータ10が停止し(S15)、同時にマイコン20への電力供給が無くなってマイコン20が停止する(S16)。
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) マイコン20は、FET12のスイッチング制御(PWM制御)を行う際、モータ10の負荷(電流)が閾値以上の場合に、負荷が閾値未満の場合と比較してFET12のスイッチング周波数を低くするため、高負荷時のFET12の温度上昇を抑制でき、FET12の破損や保護機能による停止を起こりにくくすることができる。一方、負荷が閾値以上の場合は、負荷が閾値未満の場合と比較してFET12のスイッチング周波数を高くするため、無負荷時にモータ10の回転数が不要に高くなることによる電動工具1全体としての振動増大を抑制することができる。すなわち、負荷によらずFET12のスイッチング周波数が一定の場合と比較して使い勝手の良い電動工具1を実現できる。
(2) 無負荷時のモータ10の回転数は、FET12のスイッチング制御(PWM制御)のデューティを無負荷時に有負荷時と比較して小さくすることによって抑えることもできるが、この場合、負荷のかかり始め(実作業開始時)にデューティの上昇が遅れることを避けられず、作業フィーリングが悪化する。これに対し本実施の形態のようにスイッチング周波数の制御によって無負荷時の回転数を抑制する場合、作業フィーリングへの影響はデューティ制御の場合と比較して限定的となり、使い勝手が良い。
(3) マイコン20は、負荷が閾値以上の状態が所定時間継続した場合にFET12のスイッチング周波数を低くし、また負荷が閾値未満の状態が所定時間継続した場合にFET12のスイッチング周波数を高くするため、短時間の間に負荷が閾値を挟んで上下した場合にスイッチング周波数の制御が頻繁に切り替わることを防止できる。
(4) マイコン20は、異常検出によるモータ10の停止から所定時間経過後に自身が停止するような制御を行うため、マイコン20による消費電力を抑制できる。
(5) 電池パック5の電圧に応じたモータ10への印加電圧の実効値の制御と、異常検出時の停止制御を、共通の素子(FET12)によって行うようにしたので、部品点数が抑えられる。
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。
モータ10は、ブラシ付きモータに限定されない。図4は、モータ10をブラシレスモータとした実施の形態に係る電動工具2のブロック図である。電動工具2は、図1のFET12及びモータ制御回路14に替えて、モータ10を駆動するためのインバータ回路26、及びインバータ回路26を駆動するドライバ回路27を備え、またモータ10の回転検出用のホールIC28を備える。サーミスタ22は、インバータ回路26に含まれるFET等の各スイッチング素子の近傍に配置される。実施の形態1においてマイコン20がFET12に対して行ったスイッチング制御は、本実施の形態ではインバータ回路26の少なくとも一部のスイッチング素子に対して適用される。
マイコン20によるスイッチング周波数の設定は、2段階に限定されず、3段階以上の多段階であってもよい。周波数の具体的数値は、実施の形態で示した例に限定されない。また、マイコン20は、スイッチング周波数を決める負荷の閾値を、少なくとも一部の電圧範囲において、電池パック5の電圧と正の相関を持つように連続的ないし段階的に変化させてもよい。この場合、テーブル20aには、電池電圧と閾値とを対応づけて記憶しておけばよい。これによれば、電源電圧の変動による負荷判別精度への影響を抑制でき、モータ10に負荷がかかっているか否かに応じた制御を適切に実行可能である。
電動工具1,2に装着可能な電池パック5の定格電圧は、1種類のみであってもよい。電動工具1,2の電源は、一次電池又は交流電源であってもよい。操作スイッチ11は、オン状態を保持可能な(オンロック可能な)タイプのスイッチに限定されない。マイコン20は、FET12の温度閾値を低めに設定し、FETの温度が閾値を超えた場合にFET12のPWM制御によりモータ10の回転数を強制的に低下させることで、電動工具1の状態が厳しいことを作業者に知らせつつ、電動工具1を使用できる状態にしてもよい。
1,2…電動工具、3…ハウジング、4…テールカバー、5…電池パック(蓄電池)、6…ギヤケース、7…可動側刃物、8…固定側刃物、9…ブレードホルダ、10…モータ(電動モータ)、11…操作スイッチ(トリガスイッチ)、12…FET、13…電流検出抵抗、14…モータ制御回路、15…電流検出回路、16…制御系電源回路、17…電池電圧検出回路、18…スイッチ検出回路(トリガ検出回路)、19…電池残量表示回路、20…マイコン(マイクロコンピュータ)、21…温度検出回路、22…サーミスタ、23…過放電信号検出回路、24…電池判別回路、25…シャットダウン回路、26…インバータ回路、27…ドライバ回路、28…ホールIC(回転検出手段)、30…ハンドガード、31…電源ケーブル、32…ブラシホルダ

Claims (5)

  1. モータと、前記モータへの通電を制御するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、前記モータの負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、前記制御部は、前記モータの負荷が閾値以上の場合に、前記負荷が前記閾値未満の場合と比較して、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低くする制御を実行可能である、電動工具。
  2. 前記制御部は、前記モータの負荷が閾値以上の状態が所定時間継続した場合に、前記負荷が前記閾値未満の場合と比較して、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低くする、請求項1に記載の電動工具。
  3. 相互に定格電圧が異なる2種類以上の電池を電源として択一的に装着可能であり、前記制御部は、定格電圧の高い電池を装着している場合に、前記スイッチング素子のオンオフによる前記モータへの印加電圧の実効値制御を行う、請求項1又は2に記載の電動工具。
  4. 前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御部は、前記スイッチング素子の温度が閾値以上になると前記スイッチング素子をオフにする、請求項1から3のいずれか一項に記載の電動工具。
  5. 前記モータ又は前記スイッチング素子の少なくとも一方の異常状態を検出する異常検出手段を有し、前記制御部は、前記異常検出手段が異常を検出した際に、前記スイッチング素子をオフにして前記モータへの電力供給を停止する、請求項1から4のいずれか一項の電動工具。
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