JP2010088199A - トリガスイッチ内蔵モータ制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ形状の大型化を防止し、確実にモータを停止制御することが可能なトリガスイッチ内蔵モータ制御回路を提供する。
【解決手段】第１のＭＯＳトランジスタＦ１は、モータＭに電源ＥＢから電力を供給する。信号生成回路１２は、トリガＴＲの操作量に応じたパルス信号を発生し、第１のトランジスタＦ１のゲート電極にする供給する。第２のトランジスタＦ２は、モータＭに並列接続されている。電圧生成回路１３は、スイッチＳ１がオン状態において、電源ＥＢから第２のトランジスタをオンさせるための第１の電圧を生成する。スイッチ手段Ｓ３は、スイッチＳ１がオン状態である時、第２のトランジスタＦ２のゲート電極を第２のトランジスタＦ２がオフ状態となる第２の電圧に設定し、スイッチＳ１がオフ状態となった後、第１の電圧を第２のトランジスタＦ２のゲート電極に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばトリガスイッチに内蔵され、電動工具に使用されるモータを制御するモータ制御回路に関する。

電動工具のモータを制御するトリガスイッチにおいて、モータの回転速度を制御することが可能な速度制御回路を内蔵したトリガスイッチが開発されている。この速度制御回路を内蔵したトリガスイッチは、トリガの引き込み操作と共にモータに供給する電力を増加し、トリガの復帰操作に伴いモータに供給する電力を低減するように構成されている（例えば特許文献１参照）。

この速度制御回路を内蔵したトリガスイッチは、作業性を向上させるため、モータの停止時間を短縮させる機構を有している。この機構は、トリガの復帰操作に伴いモータへの電力の供給を遮断した際、別のスイッチによりモータの両端を短絡し、モータの惰性回転により発生する起電力を電機子巻き線に流すことにより、モータの停止時間を短縮している。

しかし、トリガスイッチに内蔵されるモータの停止機構は、有接点のスイッチにより構成されている。このため、停止動作時にトリガの復帰操作に伴い停止機構のスイッチがオンする際、モータの大きな起電力により接点においてアークが発生する。したがって、接点の劣化が進み、トリガスイッチの寿命が短縮され、さらには、電動工具自体の寿命が短縮するという問題を有している。

そこで、電流容量の大きなスイッチを用いることが考えられるが、この場合、スイッチが大型化するため、トリガスイッチの形状が大型化するという問題がある。また、有接点スイッチを用いた上記機構をトランジスタを用いた無接点スイッチの回路に置き換えることが考えられる（例えば特許文献２参照）。しかし、この種のトランジスタを用いたモータ制御回路は、回路規模が大きく、モータ制御回路はトリガスイッチと別体に構成され、トリガスイッチとともに電動工具に収容する構成が前提とされている場合が多く、単体のトリガスイッチに内蔵するには適していないものであった。
特開平１０−２４３６７１号公報 特開２００７−２３６０２９号公報

本発明は、スイッチ形状の大型化を防止し、確実にモータを停止制御することが可能なトリガスイッチ内蔵モータ制御回路を提供しようとするものである。

本発明のトリガスイッチ内蔵モータ制御回路の態様は、トリガの操作に応じて電源のオン、オフを切り替えるスイッチと、前記スイッチのオン状態において、前記電源からモータに電力を供給する第１のトランジスタと、前記トリガの操作量に応じたパルス信号を発生し、前記第１のトランジスタのゲート電極にする供給する信号生成回路と、前記モータに並列接続された第２のトランジスタと、前記スイッチがオン状態において、前記電源から前記第２のトランジスタをオンさせるための第１の電圧を生成する電圧生成回路と、前記スイッチがオン状態である時、前記第２のトランジスタのゲート電極を前記第２のトランジスタがオフ状態となる第２の電圧に設定し、前記スイッチがオフ状態となった後、前記電圧生成回路により生成された前記第１の電圧を前記第２のトランジスタのゲート電極に供給するスイッチ手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、スイッチ形状の大型化を防止し、確実にモータを停止制御することが可能なトリガスイッチ内蔵モータ制御回路を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るトリガスイッチ内蔵モータ制御回路１１を示している。図１において、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、トリガスイッチのトリガＴＲにより連動されるスイッチである。スイッチＳ１は電源スイッチであり、トリガＴＲの引き込み操作に応じてオンされるスイッチである。スイッチＳ２は、トリガＴＲが最大に引き込まれた時、オンとなり、モータに最大電力を供給するためのスイッチである。スイッチＳ３は、トリガＴＲが非操作状態においてオンとされ、引き込み操作された場合、オフとなり、トリガＴＲが操作状態から非操作状態に復帰する時、すなわち、モータが停止されるときオンとなるスイッチである。

スイッチＳ１の一端は、バッテリＥＢの負極に接続されている。バッテリＥＢの正極は、モータＭの一端に接続されている。このモータＭは、例えば直流直巻きのモータであり、このモータＭの他端はスイッチＳ２を介してスイッチＳ１の他端に接続されている。スイッチＳ２に並列にＭＯＳトランジスタＦ１の電流通路の両端が接続され、モータＭに並列にＭＯＳトランジスタＦ２の電流通路の両端が接続されている。ＭＯＳトランジスタＦ１、Ｆ２は、ドレイン、ソース間にフライホイールダイオードを備えている。トランジスタＦ１のゲート電極は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）生成回路１２に接続されている。このＰＷＭ生成回路１２は、スイッチＳ１とＳ２の接続ノードとバッテリＥＢの正極との間に接続されている。ＰＷＭ生成回路１２は、トリガＴＲの操作に連動して抵抗値が変化される可変抵抗ＶＲを有し、後述するように、トリガＴＲの操作に応じてデューティ比が異なるパルス信号を生成する。

また、トランジスタＦ２のゲート電極とソース電極との間には、抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＺ１が並列接続されている。さらに、トランジスタのドレイン、ソース間には、ダイオードＤ１とキャパシタＣ１の直列回路が並列接続されている。このダイオードＤ１とキャパシタＣ１は、電圧生成回路１３を構成している。ダイオードＤ１とキャパシタＣ１の接続ノードとトランジスタＦ２のゲート電極の間には、前記スイッチＳ３が接続されている。

図２（ａ）は、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及び可変抵抗ＶＲと、トリガＴＲの関係を概略的に示している。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、例えばスライド型のスイッチにより構成されている。すなわち、スイッチＳ１は、固定接片Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ、及び可動接片Ｓ１ｃにより構成され、スイッチＳ２は、固定接片Ｓ２ａと、固定接片Ｓ２ｂ、及び可動接片Ｓ２ｃにより構成されている。スイッチＳ３は、固定接片Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ、及び可動接片Ｓ３ｃにより構成されている。可変抵抗ＶＲは、抵抗ＶＲａ、固定接片ＶＲｂ、可動接片ＶＲｃにより構成されている。可動接片Ｓ１ｃ、Ｓ２ｃ、Ｓ３ｃ、ＶＲｃは、トリガＴＲに連結されている。尚、可動接片ＶＲａは、可動接片Ｓ１ｃ、Ｓ２ｃ、Ｓ３ｃと絶縁されている。

図２（ｂ）は、トリガＴＲの引き込み位置とスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のオン、オフ状態とモータＭの回転数との関係を示している。図２（ａ）（ｂ）を参照して、図１に示す回路の動作について説明する。

トリガＴＲが非操作状態である場合、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、可変抵抗ＶＲの各可動接片Ｓ１ｃ、Ｓ２ｃ、Ｓ３ｃ、ＶＲｃは、図２（ａ）に実線で示す位置とされている。すなわち、スイッチＳ１の可動接片Ｓ１ｃは、固定接片Ｓ１ａと非接触とされ、スイッチＳ２の可動接片Ｓ２ｃも、固定接片Ｓ２ａと非接触とされている。また、スイッチＳ３の可動接片Ｓ３ｃは、固定接片Ｓ３ａ，Ｓ３ｂに接触されている。このため、スイッチＳ１、Ｓ２はオフ状態、スイッチＳ３はオン状態となっている。さらに、可変抵抗ＶＲの可動接片ＶＲａは、抵抗ＶＲａの一端部側に位置され、例えば最大の抵抗値となっている。

上記状態より、トリガＴＲを図示矢印Ａ方向に引き込むと、これに連動して可動接片Ｓ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ，ＶＲｃが図示矢印Ａ方向に移動する。先ず、スイッチＳ３の可動接片Ｓ３ｃが固定接片Ｓ３ａから非接触となって、スイッチＳ３がオフとなる。この後、スイッチＳ１の可動接片Ｓ１ｃが固定接片Ｓ１ａと接触してスイッチＳ１がオンとなる。このとき、スイッチＳ２は、オフ状態のままである。

スイッチＳ１がオンとなると、バッテリＥＢからモータＭに電源が供給される。これと同時にＰＷＭ生成回路１２が動作し、ＰＷＭ生成回路１２からトランジスタＦ１のゲート電極にパルス信号が供給される。この時点において、可変抵抗ＶＲの抵抗値は、大きな値であり、ＰＷＭ生成回路１２から発生されるパルス信号のデューティ比は、小さく設定されている。このため、モータＭに供給される電力は少なく、モータＭは、低速で起動される。

また、スイッチＳ３がオフとなると、電圧生成回路１２のダイオードＤ１を介してキャパシタＣ１の充電が開始される。このキャパシタＣ１は、トランジスタＦ１のオン時に充電される。

この後、トリガＴＲをさらに引き込むと、スイッチＳ１は、オン状態、スイッチＳ２、Ｓ３はオフ状態のまま、可変抵抗ＶＲの抵抗値が次第に低下される。このため、ＰＷＭ生成回路１２から出力されるパルス信号のデューティ比が大きくなり、モータＭに供給される電力が増加される。したがって、モータＭの回転数が増加される。

次いで、トリガＴＲを最大限に引き込むと、図２（ａ）に破線で示すように、スイッチＳ２の可動接片Ｓ２ｃにより、固定接片Ｓ２ａと固定接片Ｓ２ｂとが接続される。スイッチＳ２がオンとなると、トランジスタＦ１のドレイン、ソースが短絡されるため、ＰＷＭ生成回路１２の出力信号に係わらず、モータＭに最大電力が供給され、モータＭは最高の回転数となる。

この後、トリガＴＲの引き込み操作力を解除すると、トリガＴＲは、トリガスイッチに収容された図示せぬ復帰用のばねの付勢力により、図２（ａ）に示す図示矢印Ｂ方向に移動される。この際、先ず、スイッチＳ２がオフ状態となり、モータＭがＰＷＭ生成回路１２の出力信号により再び制御される。トリガＴＲが図示矢印Ｂ方向に移動されるに従い、可変抵抗ＶＲの抵抗値が増加し、ＰＷＭ生成回路１２から出力されるパルス信号のデューティ比が小さくなるため、モータＭへの電力供給が減少され、モータＭの回転数が低下される。

さらに、トリガＴＲが初期位置に近づくと、スイッチＳ１がオフとなり、モータＭへの電源の供給が停止され、モータＭは、慣性力により回転する。この後、スイッチＳ３がオンとなると、電圧生成回路１３を構成するキャパシタＣ１の充電電圧がスイッチＳ３を介してトランジスタＦ２のゲート電極に供給される。このため、トランジスタＦ２がオンし、モータＭの両端が短絡される。このため、モータＭにブレーキがかかりモータＭが停止される。スイッチＳ１がオフとなった状態において、モータＭが慣性力により回転することによって発生される電圧は、バッテリＥＢの極性と同一の極性を有している。このため、スイッチＳ３がオンし、トランジスタＦ２がオンすることにより、モータＭの起電力を急速に低減してモータＭを停止することができる。すなわち、図２（ｂ）に示すように、モータＭの回転数は、実線で示すように、スイッチＳ３がオンすることにより、急速にモータＭの回転数を低減して停止させることができる。したがって、図２（ｂ）に破線で示すように、モータＭの停止回路がない場合に比べて、モータの停止時間を短縮することができる。

上記第１の実施形態によれば、モータＭに並列にＭＯＳトランジスタＦ２を接続し、スイッチＳ１がオフ状態のとき、電圧生成回路１３によりＭＯＳトランジスタＦ２をオンとして、モータＭから発生される電流をＭＯＳトランジスタＦ２に流してモータＭを停止させている。トランジスタＦ２は、通常定格電流の３倍程度の電流に耐え得るため、従来の有接点スイッチに比べて大きな電流を流すことができる。したがって、有接点スイッチのように接点の溶融による動作不良を回避することができ、安定な動作を長期間維持することができる。また、スイッチＳ３は、トランジスタＦ２のゲート電極に供給する電圧を開閉するだけであるため、接点の溶融や破損が生じ難く、小型のスイッチにより構成できる。

さらに、トランジスタＦ２は、有接点スイッチに比べて小型であり、トランジスタＦ２を制御するスイッチＳ３も小型であり、モータ制御回路１１自体も僅かな部品からなる電圧生成回路１３を含むだけであるため回路規模の増大が防止されている。このため、図１に示すモータ制御回路１１全体を、例えばプリント基板に配置してトリガスッチのハウジング内に収容することが可能である。したがって、トリガスイッチ単体内にモータ制御回路を設けることができるため、トリガスッチの大型化を防止して、電動工具の大型化も抑制することが可能である。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態を示している。図３において、図１と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。

第１の実施形態において、スイッチＳ３は、有接点スイッチにより構成した。これに対して、第２の実施形態は、無接点スイッチにより構成している。すなわち、図３においてトランジスタＦ２のゲート電極と、電圧生成回路１３の間には、抵抗Ｒ３０が接続され、トランジスタＦ２のゲート電極と、抵抗Ｒ３０の間にスイッチ回路Ｓ３１が接続されている。このスイッチ回路Ｓ３１は、例えばＰＮＰトランジスタＱ１と、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ３１、Ｒ３２により構成されている。トランジスタＱ１のエミッタはトランジスタＦ２のゲート電極に接続されるとともに、抵抗Ｒ３１を介してトランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のコレクタはダイオードＤ２のアノードに接続され、ダイオードＤ２のカソードはトランジスタＦ２のソースに接続されている。また、トランジスタＱ１のベースは、抵抗Ｒ３２を介して逆流防止回路１４を構成するダイオードＤ３のアノードに接続されている。このダイオードＤ３のカソードは、スイッチ制御回路１５に接続されている。

スイッチ制御回路１４は、例えばＮＰＮトランジスタＱ２と抵抗Ｒ３３、Ｒ３４により構成されている。トランジスタＱ２のコレクタはダイオードＤ３のカソードに接続され、ベースは抵抗Ｒ３３を介してバッテリＥＢの正極に接続されている。さらに、トランジスタＱ２のエミッタは、スイッチＳ１、Ｓ２の接続ノードに接続されるともに抵抗Ｒ３４を介してトランジスタＱ２のベースに接続されている。

一方、バッテリＥＢの正極には、バッテリの過放電防止回路１６が接続されている。この過放電防止回路１６は、例えばＰＮＰトランジスタＱ３と、抵抗Ｒ３５により構成されている。トランジスタＱ３のエミッタはバッテリＥＢの正極に接続されるとともに、抵抗Ｒ３５を介してトランジスタＱ３のベースに接続されている。トランジスタＱ３のコレクタは、抵抗Ｒ３６を介してＰＷＭ生成回路１２に接続されている。さらにトランジスタＱ３のベースは、抵抗Ｒ３７を介して前記逆流防止回路１４を構成するダイオードＤ４のアノードに接続されている。このダイオードＤ４のカソードは、スイッチ制御回路１５を構成するトランジスタＱ２のコレクタに接続されている。

ＰＷＭ生成回路１２は、例えば演算増幅器ＯＰ１、ＯＰ２、可変抵抗ＶＲ、キャパシタＣ２、Ｃ３、ツェナーダイオードＤ５、ダイオードＤ６、抵抗３８〜Ｒ４８により構成されている。ＰＷＭ生成回路１２の構成は、これに限定されるものではない。

図４は、図３に示すスイッチＳ１、トランジスタＦ１のドレイン、ソース間電圧Ｆ１Ｖ_ＤＳ、キャパシタＣ１の電圧、トランジスタＦ２のゲート、ソース間電圧Ｆ２Ｖ_ＧＳ、及びモータＭの回転数との関係を示している。

図３に示す回路の動作は、図１に示す回路の動作とほぼ同様であるため、図１に示す回路と異なる部分についてのみ説明する。

トリガＴＲが非操作状態である場合、スイッチＳ１、Ｓ２はオフ状態である。この時、スイッチ制御回路１５を構成するトランジスタＱ２がオフ状態であるため、スイッチ回路Ｓ３を構成するトランジスタＱ１もオフ状態である。

この状態より、トリガＴＲが引き込まれ、スイッチＳ１がオンとなると、スイッチ制御回路１５のトランジスタＱ２がオンとなり、スイッチ回路Ｓ３１のトランジスタＱ１がオンとなる。このため、トランジスタＦ２のゲート、ソース間の電圧が低下され、トランジスタＦ２はオフ状態に保持される。これと共に、スイッチ制御回路１５のトランジスタＱ２がオンとなると、バッテリの過放電防止回路１６を構成するトランジスタＱ３もオンとなり、ＰＷＭ生成回路１２が動作される。このため、ＰＷＭ生成回路１２から出力されるパルス信号に従ってトランジスタＦ１がオン、オフ制御され、モータＭが駆動される。この後、トリガＴＲが引き込まれるに従って、モータの回転数が増加される。

電圧生成回路１３のキャパシタＣ１は、図４に示すように、トランジスタＦ１がオンしたとき充電され、抵抗Ｒ３０、トランジスタＱ１、ダイオードＤ２を介して放電されるとともに、抵抗Ｒ３０、トランジスタＱ１、抵抗Ｒ３２、ダイオードＤ３、トランジスタＱ２、Ｆ１のダイオードを介してスイッチ回路Ｓ３１の制御電流が流れる。ここで、トランジスタＦ２のオン、オフ制御を確実に行うため、キャパシタＣ１の放電時間は、充電時間に比べて長く設定する必要がある。このため、抵抗Ｒ３０の抵抗値は最適な値に設定されている。

一方、トリガＴＲの操作力が解除され、スイッチＳ１がオフとされると、スイッチ制御回路１５のトランジスタＱ２がオフされる。これに伴い、過放電防止回路１６のトランジスタＱ３、スイッチ回路Ｓ３のトランジスタＱ１もオフされる。トランジスタＱ１がオフされると、キャパシタＣ１に充電された電圧が抵抗Ｒ３０を介してトランジスタＦ２のゲート電極に供給される。このため、トランジスタＦ２がオンし、モータＭの両端がトランジスタＦ２によって短絡される。したがって、モータＭが急速に停止される。

図５は、モータの起電力とモータの停止時間との関係を示している。第２の実施形態において、モータＭのブレーキ動作開始電圧は、例えばバッテリＥＢの放電終止電圧と同等の電圧に設定されている。このため、スイッチ制御回路１５のトランジスタＱ２は、バッテリＥＢの終止電圧以上において、オンするように、抵抗Ｒ３３、Ｒ３４の抵抗値が定めされている。また、モータＭを駆動中にバッテリＥＢの電圧が放電終止電圧以下となった場合、スイッチ制御回路１５がオフして過放電防止回路１６のトランジスタＱ３がオフするとともに、スイッチ回路Ｓ１のトランジスタＱ１もオフされる。このように、バッテリＥＢの電圧が低下した場合、モータの回転数も低くいため、トランジスタＦ２が電圧生成回路１３の出力電圧によりオンされることにより、容易に停止される。

上記第２の実施形態によっても第１の実施形態同様に、モータＭを確実且つ短時間に停止させることができる。しかも、第２の実施形態の場合、スイッチ回路Ｓ１を用いることにより、有接点スイッチの数を削減でき、回路構成を第１の実施形態に比べて一層小型化することができる効果を有している。

しかも、スイッチ制御回路１５の動作基準をバッテリＥＢの放電終止電圧と同等に設定している。このため、バッテリＥＢの電圧が終止電圧に低下している場合、スイッチＳ１をオンした状態において、スイッチ制御回路１５のトランジスタＱ２がオンせず、過放電防止回路１６を構成するトランジスタＱ３もオフ状態に保持される。このため、ＰＷＭ制御回路１２に電源が供給されないため、トランジスタＦ２もオフ状態に保持され、モータＭが動作されない。したがって、バッテリＥＢの過放電を防止することができる。

なお、第２の実施形態は、バッテリＥＢの過放電を確実に防止するため、過放電防止回路１６を設けたが、過放電防止回路１６及び抵抗Ｒ３７，ダイオードＤ４を省略し、バッテリＥＢの正極をＰＷＭ生成回路１２に直結することも可能である。すなわち、スイッチ制御回路１５のトランジスタＱ２がオンしない場合、スイッチ回路Ｓ１もオフ状態である。このため、スイッチＳ１がオンし、ＰＷＭ生成回路１２が動作してトランジスタＦ１を介してモータＭが動作した場合においても、電圧生成回路１３のキャパシタＣ１が充電されると、トランジスタＦ２がオンされ、モータＭが停止される。したがって、バッテリＥＢの過放電を有る程度防止することができる。

尚、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実施可能なことは勿論である。

第１の実施形態に係るトリガスイッチ内蔵モータ制御回路の一例を示す回路構成図。 図２（ａ）は、図１に示すトリガスイッチ内蔵モータ制御回路のトリガとスイッチとの関係を示す概略図、図２（ｂ）は、図１に示すスイッチの動作とモータの回転数の関係を示す図。 第２の実施形態に係るトリガスイッチ内蔵モータ制御回路の一例を示す回路構成図。 図３に示す回路の動作を示す波形図。 図３に示す回路の停止動作を説明するために示す図。

符号の説明

１１…モータ制御回路、１２…ＰＷＭ生成回路、１３…電圧生成回路、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…スイッチ、Ｆ１、Ｆ２…トランジスタ、ＴＲ…トリガ、Ｑ１…トランジスタ、１６…過放電防止回路。

Claims (4)

1. トリガの操作に応じて電源のオン、オフを切り替えるスイッチと、
   前記スイッチのオン状態において、前記電源からモータに電力を供給する第１のトランジスタと、
   前記トリガの操作量に応じたパルス信号を発生し、前記第１のトランジスタのゲート電極にする供給する信号生成回路と、
   前記モータに並列接続された第２のトランジスタと、
   前記スイッチがオン状態において、前記電源から前記第２のトランジスタをオンさせるための第１の電圧を生成する電圧生成回路と、
   前記スイッチがオン状態である時、前記第２のトランジスタのゲート電極を前記第２のトランジスタがオフ状態となる第２の電圧に設定し、前記スイッチがオフ状態となった後、前記電圧生成回路により生成された前記第１の電圧を前記第２のトランジスタのゲート電極に供給するスイッチ手段と
   を具備することを特徴とするトリガスイッチ内蔵モータ制御回路。
2. 前記スイッチ手段は、前記スイッチに連動されたスイッチであり、前記電圧生成回路の出力電圧を前記第２のトランジスタのゲート電極に供給することを特徴とする請求項１記載のトリガスイッチ内蔵モータ制御回路。
3. 前記スイッチ手段は、前記スイッチがオフ状態において、オフ状態に設定され、前記スイッチがオン状態において、オン状態に設定される第３のトランジスタであることを特徴とする請求項１記載のトリガスイッチ内蔵モータ制御回路。
4. 前記電源はバッテリであり、前記バッテリの放電終止電圧を検知する検知回路をさらに具備し、前記検知回路は前記バッテリの電圧が放電終止電圧以下である場合、前記信号生成回路への電源供給を遮断することを特徴とする請求項１記載のトリガスイッチ内蔵モータ制御回路。

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