JP2012071362A - 充電式電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】別途センサや回路を追加しなくてもモータロックを確実に検出してモータの損傷を防ぐ。
【解決手段】モータ１１回転がダイレクトまたは減速機を介して伝達される出力部を備えるとともに、二次電池を電源として作動する充電式電動工具である。電池電圧を検出する電圧検出部３１と、予め測定したモータロック時の電池電圧を記憶する記憶手段３２と、上記モータの駆動を制御する制御手段３０とを備える。制御手段３０は、モータ駆動時の電圧検出部で検出される電池電圧が上記記憶手段に記憶させた電池電圧以下となる状態が所定時間継続するときにモータロック状態であると判断してモータを停止もしくは減速する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池を電源として作動する電動工具に関するものである。

ドリルドライバーのような電動工具においては、その作業中に出力軸がロックすることがしばしば生じるが、この時は駆動源としてのモータもロックすることになる。モータはロック状態が継続すると、モータの転流が起こらないために巻線が発熱して最悪発煙を起こし、以降モータの性能が著しく低下する状態になる。

このためにモータがロックした時にはこれを速やかに検出してモータへの電流供給を遮断もしくは低速駆動に切り換えることが求められている。

モータロックの検出方法としては、モータの回転数を監視したり、モータ電流、あるいはモータ温度を検出することを用いることができるが、この場合、別途センサを必要とする。これに対し、モータロック時には大電流が流れることで電池電圧が降下することを利用することができる。特に、二次電池としてリチウムイオン電池を使っている場合は、電池を過放電から保護するために、ある電圧（以後、過放電保護電圧と呼ぶ）以下になった場合はモータへの電流供給を遮断する機能を搭載することになるために、この機能を利用することができる。つまり、モータロック時の電圧降下で電池電圧が上記過放電保護電圧以下になれば、モータへの電流供給が遮断されるために、上記過放電保護機能は、モータロック対策ともなるわけである。

しかし、大きなモータを使う工具の場合、モータロック時には１００Ａ以上の大きな電流が流れ、それに伴う電池電圧の降下は電池の過放電保護電圧以下になるが、小型のモータを使う工具では、ロック電流は数十Ａ程度となり、ロックしても電池電圧は過放電電圧以下とならずにモータを保護できない場合がある。

また、特許文献１には、比較器を使って所定時間内の電圧降下量からロック検出を行うものが示されているが、このものでは電池電圧が急激に変化する場合は検出可能であるものの、たとえば、径が太くて長い木ねじの締め付け作業時や径が大きい穴の穴明け作業などを行っている時のロックのように、ロックにいたるまでの変化が緩やかである場合、モータロックを検出できない可能性がある。

特許第３２６８０８６号公報

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、別途センサや回路を追加しなくてもモータロックを確実に検出してモータの損傷を防ぐことができる充電式電動工具を提供することを課題とするものである。

本発明は、モータ回転がダイレクトまたは減速機を介して伝達される出力部を備えるとともに、二次電池を電源として作動する充電式電動工具において、電池電圧を検出する電圧検出部と、予め測定したモータロック時の電池電圧を記憶する記憶手段と、上記モータの駆動を制御する制御手段とを備えており、上記制御手段は、モータ駆動時の電圧検出部で検出される電池電圧が上記記憶手段に記憶させた電池電圧以下となる状態が所定時間継続するときにモータロック状態であると判断してモータを停止もしくは減速するものであることに特徴を有している。モータがロックした時の電池電圧の測定値と、モータ回転時の電池電圧とを比較してモータロック状態にあるかどうかを判断するものである。

上記記憶手段に記憶させたモータロック時の電池電圧は、想定される使用環境温度内における最高温度時の電池電圧であることが好ましい。

また、温度を検出する温度センサを備えており、上記制御手段は、上記温度センサで検出される温度に応じて、上記記憶手段に記憶され且つモータ回転時の電池電圧と比較される電池電圧を変更するものであってもよい。

上記記憶手段に記憶させたモータロック時の電池電圧は、上記二次電池が満充電された状態でのモータロック時の電池電圧であることも好ましい。

上記制御手段は、モータ起動前の電池残容量に応じて、上記記憶手段に記憶され且つモータ回転時の電池電圧と比較される電池電圧を変更するものとしてもよい。

また、上記記憶手段に記憶させたモータロック時の電池電圧を書き換える書き換え手段を備えているものとしてもよい。

本発明においては、モータがロックした時の電池電圧の測定値と、モータ回転時の電池電圧とを比較してモータロック状態にあるかどうかを判断するために、電池電圧が急激に変化する場合はもちろん、緩やかな変化をする場合においても確実にモータロックを検出してモータ破損を防ぐことができる。

本発明の実施の形態の一例のブロック回路図である。 同上の工具本体の破断側面図である。 同上のクラッチハンドルを外した状態の破断側面図である。 同上の通常作業時の電池電圧とモータ電流のタイムチャートである。 同上のモータロックが生じた場合の電池電圧とモータ電流のタイムチャートである。 同上の他のモータロックが生じた場合の電池電圧とモータ電流のタイムチャートである。 他例のブロック回路図である。 更に他例のブロック回路図である。

以下本発明の実施の形態の一例に基づいて説明すると、図２及び図３は機構的な一例を示しており、リチウムイオン電池を使用した電池パック２がグリップ部１０の下端に着脱自在に連結される図示例の電動工具１は、ドリルモードとドライバーモードとを使い分けることができるドリルドライバーであり、モータ１１の回転は減速機１２を介してビットホルダー１３に伝達される。また上記減速機１２は、減速比切り換えスイッチ２１の操作で減速比を切り換えることができるものであるとともに、クラッチハンドル１４の操作によるクラッチばね１５の軸方向長さの調節で締め付けトルクを変更することができるクラッチを内蔵している。上記ドライバーモードは、このクラッチが作動するモードであり、上記ドリルモードは負荷トルクが増大してもクラッチが機能せずにビットホルダー１３が減速機１２にダイレクトに接続された状態が保持されるモードである。

また、この電動工具はそのグリップ部１０の基部にスイッチブロック７を内蔵している。このスイッチブロック７は、図１に示すように、トリガ１８を引いた量を検出するトリガ量検出部１６と、トリガ１８を引いた時にモータ１１と電池電源とを接続するメイン接点１７と、図２に示す切り換え操作部２１の操作に応じてモータ１１と電池の接続の極性を切り換えることでモータ１１の回転方向を切り換える接点部２０を内蔵している。

図中３はスイッチング素子４を介してのモータ１１の駆動をＰＷＭ制御で行う制御回路であり、該制御回路３は、図１に示すように、上記スイッチング素子４の駆動制御を司る制御部３０と、電池電圧を検出する電池電圧検出部３１とを備えている。

上記制御部３は、上記トリガ量検出部１６からの情報と、電池電圧検出部３１からの情報とに基づいてスイッチング素子４を介したモータ１１の駆動制御を行うものであり、また、電池パック２内に配したサーミスタを使った電池温度検出部２５から電池パック２の温度上昇が伝達された時には、スイッチング素子４をオフとしてモータ１１を停止（または減速）させる。

図４〜図６は、トリガ１８を引いてからの電池電圧とモータ電流の変化を示している。図４は予めねじが切ってある金属材にねじを締める時のタイムチャートであり、トリガ１８を引いたことでスイッチング素子４をオンとした直後は、モータ１１を回転させるための起動電流が流れ、それ以降は負荷に応じた電流が流れる。予めねじが切ってあるために負荷が小さく、流れる電流も少ない。ねじの頭部が着座した時には、負荷が急激に上がり、前記クラッチで設定されている締め付けトルク以上となれば、クラッチが働いてビットホルダー１３をモータから切り離すために、モータ電流はほぼ一定値を保つ。

しかし、ドリルモードに設定している時や、減速機１２の減速比を小さくしているために負荷トルクが出力トルクより大きくなる場合、モータロックが生じる。

ここでドリルモードに設定した状態で予めねじがきってある板材にねじを締める時にはクラッチが働かずにロックすることになるが、そのときの電池電圧及びモータ電流は図５に示すようになる。ロック中の電流は回転が止まっているために一つの巻線（＝抵抗）に電池がつながった状態になることから、ほぼ一定な値となる。

またドリルモードで長い木ねじを木材にねじ締めした時の電池電圧と電流の変化を図６に示す。ねじを切りながら進むために常に負荷がかかるとともにねじ込まれた部分が徐々に増えていくために、ねじ締めが進むにつれて負荷が増大する。ロックは負荷が出力トルクを上回った時に生ずるものであり、この場合、ロックに至るまでの電池電圧波形はゆっくりとした変化となる。

本発明においては、図５及び図６に示すロックした時の電圧（以後、ロック電圧と呼ぶ）を予め測定して、マイクロコンピュータからなる制御部３０内のメモリ３２に閾値として設定しておくものであり、モータ１１の駆動中の電池電圧が閾値にまで低下したならば、ロックが生じたとしてスイッチング素子４を停止させる。ただし、モータ１１の起動時に発生する起動電流で生じる電圧降下で電池電圧が上記閾値に達した場合には停止動作に移行することがないように、電池電圧がロック電圧以下になった状態が所定時間継続した時にのみ、スイッチング素子４を停止させるものとする。

このようにモータロックを検出すれば、新たに検出用のセンサを設けることなく、モータロックを検出することができる上に、モータロックに至るまでの電圧降下が緩やかである場合においても確実にモータロックを検出して、ロック動作が持続することによるモータ破損を防ぐことができる。

なお、上記実施例ではロック検出時にモータを停止させたが、スイッチング素子４のＰＷＭ制御のデューティを徐々に下げるようにしてもよい。停止時とほぼ同等の効果を得ることができる。

また、スイッチング素子４を停止させる電池電圧をロック電圧以下としたが、機器のばらつきや制御回路の検出ばらつきを考慮して、電池電池がロック電圧未満となった時に停止させたり、ばらつきを考慮した分を加えた電圧を上記閾値としてもよい。

もっとも、モータ１１の回転前（起動前）の電池電圧によってロック電圧は異なり、回転前の電池電圧が低い時にはロック電圧も低くなる。このために満充電された電池パック２が接続されている時（回転前電圧が最も高い時）のロック電圧を予め求めて、このロック電圧を閾値としてメモリ３２に記憶しておくことで、電池残容量の変化による電池電圧の変動にも対応することができる。

また、ロック時の電池電圧降下は電池内部の内部抵抗に依存しているために、電池の温度によってもロック電圧が変動する。このために常温で測定されたロック電圧を閾値に設定している工具を、高温環境の現場で使用された場合、ロック時に電池電圧がロック電圧まで降下せず、最悪発煙する可能性がある。この点を考慮すると、想定される最高環境温度（たとえば４０℃）でのロック電圧を閾値に設定値としておくことが好ましい。想定される温度範囲内（たとえば０〜４０℃）ではロックでモータが破損することがないものとすることができる。

一方、上記のように設定した場合、電池の温度が低い場合や、モータ起動前の電池電圧が低い場合、実際のロック電圧に対して高めの閾値を設定していることになり、電動工具を使った作業で処理できる量（作業本数）や、作業負荷の範囲が小さくなってしまう。

このために、温度毎にロック電圧値を測定して、温度とロック電圧値とをテーブル化して制御部３０のメモリ３２に納めておき、モータ１１を回転している時、電池温度検出部２５で測定した温度に対応するロック電圧をメモリ３２内のテーブル化データから求め、求めたロック電圧をモータロック検知のための閾値として用いるようにすることが好ましい。温度が低い時には閾値も下がるために、モータロック状態でないにもかかわらずロックしたと判断されることがなくなり、作業本数を増やすことができる。

回転前の電池電圧についても、温度の場合と同様に回転前の電池電圧毎のロック電圧をテーブル化して制御部３０で持つことで、回転前の電池電圧に応じた閾値を用いることができて、作業本数をふやすことができる。

もちろん、各温度毎に回転前電池電圧別のロック電圧を測定して制御部３０に持つことで、温度と電池電圧の双方に対して最適な閾値を設定することが可能である。

テーブル化したデータを記憶するのではなく、ある温度や回転前の電池電圧がある値の時のロック電圧と、温度や回転前の電池電圧に応じた補正係数とを記憶し、温度や回転前の電池電圧に応じて記憶したロック電圧を補正係数で補正して閾値とするものであってもよい。なお、回転前（起動前）の電池電圧は、電池残容量として検出してもよい。

さらには、図７に示すように、制御回路３にＥＥＰＲＯＭ等の書換え可能で且つ外部からアクセスすることもできる記憶部７を設け、この記憶部７にロック電圧を記憶させるようにしてもよい。制御部３０は該記憶部７に記憶されたロック電圧の情報を参照して閾値を設定し、モータロック状態にあるか否かの判断に利用する。

記憶部７への外部からのアクセスとしては、たとえばＲＳ２３２Ｃの端子形状の接続部７０を備えたものとし、該接続部７０を介してパーソナルコンピュータと記憶部７とを接続してシリアル通信で記憶部７の内容を書き換えることができるようにすればよい。

このような構造にすることで、例えば使用する電池パック２の内部抵抗やモータ１１のばらつき、これらの経時変化などや、想定した最高環境温度より高い温度で作業する必要がある時のように、予めセットされた閾値ではモータロックを適切に判断することができない場合、その工具セット及び使用環境でロック電圧の測定を実施し、その場で記憶部７に記憶させた値を測定した値に書き換えることで、現況に則した閾値をモータロックの判断に用いることができるものとなる。

図８に更に他例を示す。これは制御部３０に記憶スイッチ３３を設けて、記憶スイッチ３３を押した時点で測定されている電池電圧を、制御部３０が記憶部７に書き込むようにしたものであり、この書き込み後は、新たに書き込まれたロック電圧の閾値で制御部３０はモータロックの判断を行う。

今、記憶スイッチ３３を工具本体１のハウジング表面（例えば図１中の矢印部）に配置しておき、作業中にモータロックが生じるとともに制御部３０がモータロック状態にあると判断できずにモータ１１への電流供給が続く時、記憶スイッチ３３を素早く押せば、その時点での電池電圧が新たなロック電圧の値として記憶部７に書き込まれるものであり、再度のモータロックが生じても、この時には制御部３０は新たな閾値に基づいて確実にモータロックを判断することができる。別途ロック電圧を測定したり、書き換えのためのパーソナルコンピュータを接続したりしなくても、容易に現況に対応することができる。

ノイズ等の影響がある工具の場合、記憶スイッチ３３を押した時の電池電圧をそのまま取り込むのではなく、例えば押した後、続けて４回読み込んだ電池電圧の平均値を求めて、この平均値を記憶部７に書き込むものとすればよい。ノイズの影響を小さくすることができる。

ところで、電池パック２の二次電池にリチウムイオン電池を用いている場合、前述のように過放電防止対策をとる必要があるが、設定するロック電圧（閾値）は、電池の過放電禁止電圧を下回らない方がよい。下回る場合は、過放電禁止電圧をロック電圧の閾値とするのが好ましい。

また上記の各実施例で示した構成を組み合わせたものであってもよい。

１ 工具本体
２ 電池パック
３ 制御回路
４ スイッチング素子
１１ モータ
３０ 制御部
３１ 電池電圧検出部
３２ メモリ

Claims (6)

1. モータ回転がダイレクトまたは減速機を介して伝達される出力部を備えるとともに、二次電池を電源として作動する充電式電動工具において、電池電圧を検出する電圧検出部と、予め測定したモータロック時の電池電圧を記憶する記憶手段と、上記モータの駆動を制御する制御手段とを備えており、上記制御手段は、モータ駆動時の電圧検出部で検出される電池電圧が上記記憶手段に記憶させた電池電圧以下となる状態が所定時間継続するときにモータロック状態であると判断してモータを停止もしくは減速するものであることを特徴とする充電式電動工具。
2. 上記記憶手段に記憶させたモータロック時の電池電圧は、想定される使用環境温度内における最高温度時の電池電圧であることを特徴とする請求項１記載の充電式電動工具。
3. 温度を検出する温度センサを備えており、上記制御手段は、上記温度センサで検出される温度に応じて、上記記憶手段に記憶され且つモータ回転時の電池電圧と比較される電池電圧を変更するものであることを特徴とする請求項１記載の充電式電動工具。
4. 上記記憶手段に記憶させたモータロック時の電池電圧は、上記二次電池が満充電された状態でのモータロック時の電池電圧であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電式電動工具。
5. 上記制御手段は、モータ起動前の電池残容量に応じて、上記記憶手段に記憶され且つモータ回転時の電池電圧と比較される電池電圧を変更するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電式電動工具。
6. 上記記憶手段に記憶させたモータロック時の電池電圧を書き換える書き換え手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電式電動工具。

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