JP6128037B2 - 電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータを動力源とする電動工具に関し、特に交流電源からの入力電圧が変動したとしてもモータが所定の回転数とトルクで運転できるように改良した電動工具に関する。

先端工具を駆動する電動工具の駆動源として、特許文献１に示すように交流電力を用いた電気モータが広く用いられる。交流電力を用いた電気モータの場合は、バッテリによるＤＣモータを用いた電動工具に比べて、出力が高い上に長時間の動作が可能である。一方で、交流電力を用いる場合は、コンセントに電源コードを接続しなければならず、バッテリを用いた携帯型の電動工具に比べると使用可能場所の制限を受けることがある。このような交流電力を用いた電動工具を、コンセントがない場所で使う場合においては図１０に示すようにコードリール１０３に巻かれた延長コード１０４を用いてコンセント１０５からの電源を電動工具１０１に供給するようにする事が多い。この場合は、電動工具１０１から延びる電源コード１０２の接続可能範囲内にコードリール１０３を載置する。実際に使われている現場を観察すると、延長コード１０４の長さが約１００ｍに達するもの、又はそれ以上の長さの延長コード１０４を使う場合が見られた。

特開２０１１−１４８０６９号公報

従来のように長大な延長コード１０４を介して電源コード１０２をコンセント１０５に接続する場合には、コンセント１０５に来ている商用電源の電圧の不安定さの要因に加えて、延長コード１０４による電圧降下の影響が無視できずに、そのため電動工具１０１のモータのトルクや回転数が定格出力よりも低下してしまうという問題があった。例えば、商用電源２３０Ｖを用いて、断面積２ｍｍ^２、交流導体抵抗１１．８Ω／ｋｍの延長コード１０４を１００ｍ用いると、電流が１０Ａだとすると約１１．８Ｖ電圧降下をおこすことになり、電動工具１０１に入力される電圧が定格２３０Ｖに比べて５％以上も落ちてしまうことになる。用いられる電源コードの長さがさらに長い場合には、延長コード１０４による電圧降下は更に大きくなる上に、商用電源自体の電圧が不安定な環境下ではさらに電動工具１０１の出力変動が大きくなってしまう。また、バッテリを直接電動工具に接続せず、バッテリをコードを介して電動工具に接続するような構成の場合も、コードによる電圧降下の影響を受けてしまう。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、電動工具に入力される電力の電圧変動がある程度生じても、定格出力を維持することができる電動工具を提供することにある。
本発明の他の目的は、定格の電力が入力されたときにモータのデューティ制御を１００％未満で駆動することにより、延長コードの使用等による電圧降下が生じた場合であっても、定格どおりの出力にて運転が可能な電動工具を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、製造コストの上昇を伴わずに電源の入力電圧変動に強いモータ制御を実現できる電動工具を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。
本発明の一つの特徴によれば、電源を用いて半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより駆動されるモータと、モータによって先端工具を駆動するための動力伝達機構と、モータの回転をデューティ比によって制御する制御手段を有する電動工具であって、モータとして、電源が定格電圧を含む範囲（例えばＡＣ２３０±５％）の際に１００％未満の基準デューティ比にて制御する高出力のモータを用いた。電動工具には供給される電圧を測定する電圧測定手段が設けられ、制御手段は測定された電圧が定格電圧を含む範囲よりも低い場合は、デューティ比を基準デューティ比よりも高くしてモータを駆動するように構成した。電源は電源コードにより外部から供給される交流電源であって、交流電源を整流する整流回路を電動工具のハウジング内に設け、モータとしてインバータ回路を用いて駆動されるブラシレスＤＣモータを用いる

本発明の他の特徴によれば、基準デューティ比は９０％未満であり、電動工具に印加される電圧が定格電圧の範囲よりも低い場合は、デューティ比を上昇させてモータを駆動する（但し上限は１００％）。また、モータを起動する前に電動工具に印加される電圧Ｖ０と、モータを起動した後に電動工具に印加される交流電源の電圧Ｖ１を測定し、制御手段は、測定されたＶ０及びＶ１を用いてモータを駆動するデューティ比を決定するように構成すれば、ある程度の電圧降下が発生している電源であっても電動工具の定格出力を維持することが可能となる。ここで制御手段は、モータを回転させるスイッチのトリガが引かれた直後の所定時間内に電圧Ｖ１を測定してモータを駆動するデューティ比を決定するので、実際の電源の状態に即した的確なモータ制御を行うことができる。さらに、制御手段は、モータの回転中に電圧Ｖ１を測定してデューティ比を更新しながらモータを駆動するようにすれば、運転中の電圧変動に効果的に対応しながらほぼ一定のトルク変動の無い出力を達成でき、作業者にとって出力変動がきわめて少ない使いやすい電動工具を実現できる。

本発明のさらに他の特徴によれば、制御手段は、トリガが引かれた直後にＶ１を用いて決定されたデューティ比をトリガが戻されるまで固定した状態でモータを駆動するので、電動工具の作業中に特性変化が少ない電動工具を実現できる。尚、電動工具にはモータの最高回転数を複数レベルに設定する回転数設定手段が設けられ、設定された回転数のレベルに応じてデューティ比を０〜基準デューティ比の範囲内で複数段設定するが、この設定範囲も設定された最高デューティ比に応じて変更するようにすると好ましい。

本発明のさらに他の特徴によれば、電源を用いて半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより駆動されるモータと、モータによって先端工具を駆動するための動力伝達機構と、モータの回転をデューティ比によって制御する制御手段を有する電動工具において、モータが起動する前のデューティ比を１００％未満としてモータを駆動し、モータが起動した後に電動工具へ印加される電源の電圧が電動工具の定格電圧より小さいときはデューティ比を高くしてモータを駆動する。つまり、モータの起動後において、電動工具に印加される電源の電圧が起動前の電源の電圧よりも低くなった場合は、デューティ比をそれまでよりも高くしてモータを駆動する。このように制御することによって何らかの電圧降下が発生してもモータの出力低下を抑制することができる。ここで、電源の電圧は電源コードを介して電動工具に印加され、モータの起動前とはモータに電流が流れる前の状態であり、モータの起動後とはモータに電流が流れている状態である。

本発明によれば、電源が不安定で電圧変動が生ずる場合や、電源ケーブルやコードリール等の使用による電圧降下が発生しても、モータのトルクや回転数の低下を抑制でき、安定的な動作を可能とした電動工具を実現できる。
本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

本発明の実施例に係るインパクトレンチの縦断面図である。 本発明の実施例に係るインパクトレンチの側面図である。 本発明の実施例に係るインパクトレンチの部分背面図である。 本発明の実施例のインパクトレンチにおけるモータ３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。 無負荷入力電圧Ｖ０及び負荷電圧Ｖ１と、設定されるデューティ比の関係を説明するための図である。 本発明の実施例に係るモータの回転制御手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の第二の実施例に係るモータの回転制御手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の第三の実施例に係るモータの回転制御手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の第四の実施例に係るモータの回転制御手順を説明するためのフローチャートである。 電動工具の使用形態の一例を説明するための図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図においては、電動工具の例としてインパクトレンチを用いるものとし、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、上下左右、前後の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１に示すようにインパクトレンチ１は、ハウジング２と、モータ３と、減速機構４と、ハンマ５と、アンビル６と、ライト８と、制御部７と、電源コード９を含んで構成される。出力軸となるアンビル６には、図示しない先端工具が装着される。図１では先端工具として六角ソケットを装着できる取付け部１４が設けられた図で示されるが、取付け部１４に代えて断面形状が六角形のドライバビットやその他の先端工具をワンタッチで取り付けることができる装着穴と装着機構を設けた構成であっても良い。インパクトレンチ１の広義のハウジング（筐体）は、樹脂製のハウジング２と、金属製のハンマケース２２により構成され、ハンマケース２２は樹脂製のカバー２１によって覆われる。ハンマケース２２の内部には減速機構４と打撃機構が収容され、ハンマケース２２の先端側の貫通穴からアンビル６の先端が外部に露出する。ハウジング２は、略筒状に形成された胴体部２ａと、胴体部２ａから略垂直方向に延在するように形成されたハンドル部２ｂと、ハンドル部２ｂの下端部分（胴体部２ａと離れる側）に形成された基板収容部２ｃの３つの部分から構成される。モータ３と、減速機構４と、ハンマ５と、アンビル６は、回転軸方向に直列になるように配置され、モータ３の回転は、減速機構４と、ハンマ５、アンビル６を有する打撃機構を介して先端工具に伝達される。本実施例では、電動工具の例として減速機構４と打撃機構からなる動力伝達機構を有するインパクトレンチの例で説明したが、動力伝達機構としてはこれだけに限られずにその他の動力伝達機構やその他の先端工具を用いる電動工具であっても良い。

ハンドル部２ｂには、トリガ２６が設けられ、トリガ２６はハンドル部２ｂ内に収容されたトリガスイッチ２７と接続され、モータ３の回転速度を設定する。ハンドル部２ｂと胴体部２ａと接続部分であってトリガ２６の直上には、モータ３の回転方向を切替える正逆切替スイッチ２８（正逆切替レバー１０）が設けられる。ライト８はＬＥＤ（発光ダイオード）であって、図示しないライトボタン或いはトリガ２６を押下することにより点灯し、その光は先端工具及びその周囲を照らす。これにより、作業者は暗所でもライト８の明かりによって作業をすることができる。

基板収容部２ｃにはモータ３の回転制御を行う制御部７が収容され、基板収容部２ｃの下方には外部からの電力を供給するための電源コード９が延出する。基板収容部２ｃの上側にはモータの最高回転数を複数レベルに設定するための操作パネル７０が設けられ、作業者は操作パネル７０上の図示しないボタンを押すことによって、モータの回転数を例えば、低、中、高の３段階に設定することができる。制御部７は、制御回路基板７１と、電源回路基板７２を含んで構成され、これらは主に基板収容部２ｃ内に収容される。制御部７は、トリガ２６の操作量に応じてモータ３に供給する電力量を調整することにより、モータ３の回転速度を制御する。電源回路基板７２には図示しないダイオードブリッジが搭載され、商用電源を整流して直流に変換（例えば交流１００Ｖを直流１４０Ｖに変換）する。

モータ３は、ブラシレス直流モータであって、前後方向に延びる出力軸３１と、出力軸３１に固定され複数のマグネット３２ａを有するロータ３２と、ロータ３２を囲むように配置され複数のコイル（ステータコイル）３３を備えるステータ３４を含んで構成される。本実施例のモータ３は、３相４極６スロットであるが、極数、スロット数はこれだけに限られずその他の数のブラシレス直流モータを用いても良い。出力軸３１のモータ３の前方側であって、減速機構４との間には冷却ファン３５が設けられ、モータ３と同期して回転することにより吸気口２３ａ（図２参照）から空気を取り込んで、モータ３の各部を通過させてそれらを冷却した後に、後述する排気口２３ｂ（図２参照）から外部に排出させる。モータ３の軸方向後方側であって、出力軸３１の軸方向と略垂直な方向にインバータを搭載するための回路基板４０が設けられる。回路基板４０はモータ３の外形とほぼ同形の略円形の両面基板であり、この基板上にはＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体製のスイッチング素子４２や、ホールＩＣ等の図示しない位置検出素子が搭載される。

減速機構４は、複数の歯車を備える遊星歯車機構で構成され、出力軸３１の回転を所定の減速比で減速させてスピンドル５３に伝達する。ここで、スピンドル５３とハンマ５とはカム機構によって連結され、このカム機構は、スピンドル５３の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝と、ハンマ５の内周面に形成されたハンマカム溝と、これらのカム溝に係合するボール５４によって構成される。スピンドル５３により回転されるハンマ５は前端に軸方向前方に凸状に突出する衝突部５１を有し、アンビル６は後端に径方向に凸状に延びる被衝突部６１を備え、ハンマ５が回転した際に衝突部５１が被衝突部６１と回転方向において衝突する。衝突部５１と被衝突部６１は、ハンマ５とアンビル６の相対向する回転平面上の２箇所に対称に形成される。ハンマ５はスプリング５２によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール５４とカム溝との係合によってアンビル６の被衝突部６１の端面とは隙間を隔てた位置にある。

スピンドル５３が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ５に伝達され、ハンマ５が半回転しないうちにハンマ５の衝突部５１がアンビル６の被衝突部６１に係合してアンビル６を回転させるが、そのときの係合反力によってスピンドル５３とハンマ５との間に相対回転が生ずると、ハンマ５はカム機構のスピンドルカム溝に沿ってスプリング５２を圧縮しながらモータ３側へと後退を始める。そして、ハンマ５の後退動によってハンマ５の衝突部５１がアンビル６の被衝突部６１を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ５は、スピンドル５３の回転力に加え、スプリング５２に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によって回転方向及び前方に急速に加速されつつ、スプリング５２の付勢力によって前方へ移動し、その衝突部５１がアンビル６の被衝突部６１に再び係合して一体に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力がアンビル６に加えられるため、アンビル６の先端の取付け部１４に装着される図示しない先端工具に強い回転打撃力が伝達される。以後、同様の動作が繰り返されて先端工具からボルト等に回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、ボルト等が締めつけられる。

図２は本発明の実施例に係るインパクトレンチ１の外観を示す側面図である。ハウジング２は、縦断面において左右に可能な２つ割ハウジングにより構成され、左右のハウジング２は、複数のビス２４で互いに固定される。胴体部２ａの後端面には外気を取込む複数の吸気口２３ａが形成され、胴体部２ａの左右の両側面であって冷却ファン３５（図１参照）の周囲付近にはハウジング２の内部に取込んだ外気を排出する複数の排気口２３ｂが形成される。

図３は、本発明の実施例に係るインパクトレンチ１の背面図である。胴体部２ａの背面側に設けられる吸気口２３ａは、左右のハウジング２にそれぞれ設けられ、十分な量の外気を取り込むために比較的大きめの開口とされる。ハウジング２の胴体部２ａの形状は、その内壁がモータ３の外径にほぼ沿った円筒形状で有り、胴体部２ａの下方には、胴体部２ａの直径よりも細い径のハンドル部２ｂが下側に延びるように配置される。

次に、図４を用いてモータ３の駆動制御系の構成と作用を説明する。図４はモータの駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施例では、モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。モータ３は、いわゆるインナーロータ型で、一対のＮ極およびＳ極を含むマグネット３２ａ（永久磁石）を埋め込んで構成されたロータ３２と、ロータ３２の回転位置を検出するために６０°毎に配置された３つの位置検出素子４３と、位置検出素子４３からの位置検出信号に基づいて電気角１２０°の電流の通電区間に制御されるスター結線された３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなるステータ３４を含んで構成される。

回路基板４０に搭載されるインバータ回路４１は、３相ブリッジ形式に接続された６個のＦＥＴ（以下、単に「トランジスタ」という。）Ｑ１〜Ｑ６と、フライホイールダイオード（図示なし）から主に構成される。インバータ回路４１への入力用電源として、本実施例では交流電源９０をダイオードブリッジにて構成された整流回路７３から供給される直流を用いる。通常、整流回路７３においては出力波に含まれるリップルを低減させるために平滑用のコンデンサ等が用いられるが、本実施例ではコンデンサを介在させずに整流回路７３の出力を直接インバータ回路４１に供給するようにした。もちろん平滑用コンデンサを用いることも任意である。ブリッジ接続された６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲートは制御信号出力回路８２に接続され、また、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６のソースまたはドレインはスター結線された電機子巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路８２から出力されたスイッチング素子駆動信号によってスイッチング動作を行い、インバータ回路４１に印加される直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路基板７１には、演算部８１、電流検出回路８６、電圧検出回路８７、印加電圧設定回路２５、回転方向設定回路２９、回転子位置検出回路８５、制御信号出力回路８２等から構成される制御回路（制御手段）が搭載される。演算部８１は、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するためのＣＰＵ８４ａと、後述するフローチャートに相当するプログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ８４ｂと、データを一時記憶するためのＲＡＭ８４ｃと、タイマ８４ｄ等を含んで構成され、例えばこれらを内蔵するマイコンを用いて実現できる。電流検出回路８６はシャント抵抗７４の両端電圧を測定することによりインバータ回路４１に入力される電流を検出する電圧検出手段であって、検出電流は演算部８１に入力され、これによって演算部８１はモータ３に流れる電流値を監視することができる。本実施例ではシャント抵抗７４を整流回路７３とインバータ回路４１の間に設けて半導体スイッチング素子に流れる電流値を検出する方式であるが、シャント抵抗７４をインバータ回路４１とモータ３の間に設けて、モータ３に流れる電流を直接検出するようにしても良い。

印加電圧設定回路２５は、トリガ２６の移動ストロークに応答して所定の電圧を演算部８１に入力するものであって、演算部８１はこの電圧に応じてモータ３の印加電圧、すなわちＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。回転方向設定回路２９は、モータ３の正逆切替レバー１０（正逆切替スイッチ２８）による正方向回転または逆方向回転の操作を検出してモータ３の回転方向を設定するための回路である。回転子位置検出回路８５は、３つの位置検出素子４３の出力信号に基づいてロータ３２とステータ３４の電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの関係位置を検出するための回路である。制御信号出力回路８２は、演算部８１からの出力に基づいてトランジスタＱ１〜Ｑ６にＰＷＭ信号を供給する。ＰＷＭ信号のパルス幅の制御によって各電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する電力を調整して設定した回転方向へのモータ３の回転数を制御することができる。尚、図４には図示していないが、演算部８１にはトルク値（又はモータの回転数）を切り替えるためのモータ３の回転設定スイッチの出力信号が入力され、演算部８１はその出力に応じてモータ３の最高回転数を設定する回転数設定手段としての機能をはたす。これは、初期デューティ比Ｄ０が８６％と設定された場合は、回転数「高」の場合は０〜８６％でモータ３を制御し、回転数「中」の場合は０〜６６％でモータ３を制御し、回転数「低」の場合は０〜４６％でモータ３を制御するというような制御方法である。また図４では図示していないが、演算部８１には先端工具付近を照らすためのＬＥＤ等によるライト８の点灯を制御する点灯回路が接続される。

次に図５及び図６を用いて本発明の実施例に係るモータ３の回転制御手順を説明する。本実施例で一番特徴的なことは、使用するモータ３として要求される定格出力よりも高回転、高トルクを達成できる高出力モータを用いて、電源電圧が定格値の場合は、電動工具の最高出力設定時においても、高出力モータの出力を抑えた状態で運転させることを特徴とする。図５は、無負荷入力電圧Ｖ０及び負荷電圧Ｖ１と、モータ３の回転制御のために設定使用されるデューティ比（基準デューティ比）の関係を示す図である。演算部８１は電圧検出回路８７を用いてトリガ２６が引かれる直前（又は引かれてからモータ３が始動するまでの間）の無負荷入力電圧Ｖ０と、モータ３が始動してからの負荷電圧Ｖ１をそれぞれ測定する。図５（１）は、無負荷入力電圧Ｖ０と初期デューティ比Ｄ０との関係を示す図である。ここで「デューティ比」とは、モータ３に供給されるパルス波のデューティ比を変化させて変調するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御における、パルス波の周期とパルス幅の比のことで、通常、デューティ比Ｄ＝τ／Ｔ（但し、τ：パルス幅 Ｔ：周期）で示すことができる。一般的な電動工具においては、定格どおりの交流電源を使用して、最大出力にて作動させる場合には、デューティ比が１００％でモータ３を駆動、つまりパルス変調なしで稼働させるようにする。そのため使用するモータ３も定格電源と要求される定格出力に合わせてその機種が選定される。しかしながら本実施例においては、使用するモータ３として定格電圧の際に基準デューティ比Ｄを８６％程度で稼働させるような特性のものを用いるようにした。これは、モータ３を定格電圧にてデューティ比Ｄ＝１００％で駆動すると、過回転になって熱的にも耐えられない恐れがあることを意味する。このようなモータ特性とするためには、モータ３のコイルの巻線を減らして、巻線として太い線を用いて大電流を許容するように構成すれば良いので、モータ３自体の大型化や高コスト化にはつながらない。

本実施例では、定格電圧交流２３０Ｖ（６０Ｈｚ）のインパクトレンチ１において、図５（１）に示すように、測定された無負荷入力電圧Ｖ０が２２５Ｖ以上の時は、初期設定のデューティ比（初期デューティ比）Ｄ０として８６％を設定し、無負荷入力電圧Ｖ０が２２５Ｖ未満の時は、初期設定のデューティ比（初期デューティ比）Ｄ０として８８％を設定してモータ３の始動を行う。モータ３が始動するとモータ３に大きな電流が流れるため図１０のような延長コード１０４を使用するような場合や、電源電圧が安定しない場合には電圧降下が発生する。本実施例ではモータ３の始動後の電源電圧（負荷電圧Ｖ１）を測定し、その負荷電圧Ｖ１の値に応じて回転時のデューティ比Ｄ１の調整を行う。図５（２）はその一例を示すもので、負荷電圧Ｖ１が２２５Ｖ以上の場合は、デューティ比Ｄ１は８６％のままとし、負荷電圧Ｖ１が２２０Ｖ以上２２５Ｖ未満の場合はデューティ比Ｄ１を８８％とし、負荷電圧Ｖ１が２２０Ｖ未満の場合はデューティ比Ｄ１を９０％とする。このように無負荷入力電圧Ｖ０、負荷電圧Ｖ１に応じてデューティ比Ｄ０、Ｄ１を変更するようにするため、これらの組合わせをパラメータとして演算部８１のＲＯＭ８４ｂ中にあらかじめ格納しておき、このパラメータを用いてモータ３を制御する事により交流電圧の変動に伴うインパクトレンチ１の出力低下を補うことが可能となる。尚、２２５Ｖは、定格電圧２３０Ｖを含む所定の範囲を基準に設定すれば良く、ここでは定格電圧２３０Ｖから±５Ｖの範囲を基準に、２２５Ｖ以上か否かで判断するようにしたが、この基準電圧をどの値とするかは適宜設定すれば良い。

図６は本発明の実施例に係るモータの回転制御手順を説明するためのフローチャートである。本フローチャートはインパクトレンチ１の電源コード９をコンセント１０５又はコードリール１０３に接続することにより演算部８１に含まれるマイコンが起動することにより開始されるものであり、図６に示す一連のステップはＲＯＭ８４ｂにあらかじめ格納されたコンピュータプログラムをＣＰＵ８４ａが実行することによってソフトウェア的に実現可能である。まず、演算部８１は電源がＯＮになった後の初期設定として、初期デューティ比Ｄ０と負荷時デューティ比Ｄ１の値を８６％にセットする（ステップ６０１）。次に演算部８１は電圧検出回路８７の出力から無負荷入力電圧Ｖ０を検出する（ステップ６０２）。次に演算部８１は測定された無負荷入力電圧Ｖ０が２２５Ｖ以上であるか否かを判定する（ステップ６０３）。ここで、２２５Ｖ以上の場合は、演算部８１は図５（１）のテーブルに格納された値を用いて初期設定のデューティ比Ｄ０を８６％に設定し（ステップ６０４）、２２５Ｖ未満の場合は初期設定のデューティ比Ｄ０を８８％に設定する（ステップ６０５）。次に、演算部８１は作業者がトリガ２６を引いたかどうかを検出し（ステップ６０６）、引かれなかったらステップ６０２に戻る。ステップ６０６にてトリガ２６が引かれたことが検出されたらモータ３の回転を開始する（ステップ６１１）。ここで、本実施例のトリガスイッチ２７においては可変スイッチを用いておりトリガを引いた量に比例してモータ３の回転数が変化するので、設定されたデューティ比Ｄ０は、トリガ２６を最大に引いた際の値（最大値）であり、トリガ２６を半分程度引いた等の少ない引き量の場合はその引き具合に応じて演算部８１がデューティ比を設定し、例えばデューティ比を０〜８６％の範囲において調整する事になる。尚、トリガ２６が可変容量式のスイッチでなくて、ＯＮ又はＯＦＦだけのスイッチを用いた電動工具の場合は、トリガスイッチがＯＮになった場合には設定されたデューティ比Ｄ０にて駆動されることになる。

次に演算部８１は、モータ３が起動したら電圧検出回路８７の出力からそのときの負荷電圧Ｖ１を検出する（ステップ６１２）。次に演算部８１は検出された負荷電圧Ｖ１が２２５Ｖ以上であるかを判定し（ステップ６１３）、２２５Ｖ以上である場合は回転時のデューティ比Ｄ１を８６％に再設定してステップ６１６に進む（ステップ６１７）。ステップ６１３にて負荷電圧Ｖ１が２２５Ｖ未満の場合は、負荷電圧Ｖ１が２２０Ｖ以上であるかを判定し（ステップ６１４）、２２０Ｖ以上である場合は回転時のデューティ比Ｄ１を８８％に再設定してステップ６１６に進む（ステップ６１８）。ステップ６１４にて負荷電圧Ｖ１が２２０Ｖ未満の場合は、回転時のデューティ比Ｄ１を９０％に再設定してステップ６１６に進む（ステップ６１５）。演算部８１は、再設定されたデューティ比Ｄ１に切り換えてモータの回転制御を続行し（ステップ６１６）、トリガスイッチ２７がＯＮのままならばステップ６１３に戻り（ステップ６１６）、ＯＦＦになったらモータを停止してステップ６０１に戻る（ステップ６２０）。

以上の手順によって演算部８１はデューティ比の最大値が８６〜９０％の範囲内でモータ３の回転制御を行う。このように制御する事によりインパクトレンチ１に供給される交流電源が定格値よりも降下している場合であっても、制御するモータ３のデューティ比を上げることにより出力を補償することによりインパクトレンチ１の定格どおりの出力を確保することができる。尚、本実施例ではデューティ比の最大値が８６〜９０％の範囲内で変動するようにしたが、この範囲を８６〜１００％の範囲内で制御するようにすれば、供給される電圧が２００Ｖ程度まで降下した場合であっても定格出力を維持することが可能となる。また、演算部８１は、トリガ２６が引かれた直後に測定されたＶ１を用いて決定されたデューティ比Ｄ１を、トリガ２６が戻されるまで調整しながらモータ３を駆動するのではなく、ステップ６１９にてステップ６１３に戻るのでは無く待機するように構成して電動工具の運転中にデューティ比Ｄ０が切り替わらないように構成しても良い。

次に図７のフローチャートを用いて本発明の第二の実施例に係るモータの回転制御手順を説明する。第二の実施例での基本的な制御手順は第一の実施例と同じであるものの無負荷入力電圧Ｖ０の測定手順が異なる。つまり、無負荷入力電圧Ｖ０を電源電圧が接続されたら周期的に測定するのでは無く、トリガが引かれた直後であってモータ３の回転が起動するまでの短い間の時間に測定するように構成した。ここでモータ３の起動前とはモータ３に電流が流れる前の状態であり、モータ３の起動後とはモータ３に電流が流れている状態のことを指す。まず、インパクトレンチ１の電源コード９をコンセント１０５又はコードリール１０３に接続することにより演算部８１に含まれるマイコンが起動し、初期設定として、初期デューティ比Ｄ０と負荷時デューティ比Ｄ１の値を８６％にセットする（ステップ７０１）。また、サンプリング回数の計測用のカウンタｎの値を０クリアする。次に演算部８１はトリガスイッチ２７がＯＮになったか否かを判定し、ＯＮになったらステップ７０３に進み、ＯＮでない場合は待機する（ステップ７０２）。ステップ７０３ではトリガスイッチ２７がＯＮになってから又は前回測定された時間からサンプリング時間Ｔ１が経過したか否かを検出することによって、Ｔ１が経過するまで待機し（ステップ７０３）、Ｔ１が経過したら演算部８１は無負荷入力電圧Ｖ０を測定し、カウンタｎの値を加算する（ステップ７０４）。次に、演算部８１はサンプリング回数ｎが所定値に到達したかを判定し、到達していない場合はステップ７０３に戻る（ステップ７０５）。ステップ７０５においてサンプリング回数ｎ＝Ｎになったら、演算部８１はＮ回測定された無負荷入力電圧Ｖ０の平均値を算出する（ステップ７０６）。このように第二の実施例では所定のサンプリング回数分の無負荷入力電圧Ｖ０を測定した後に平均電圧を算出する方式として、電圧変動やノイズの影響等を効果的に防止して測定精度を向上させている。尚、この無負荷入力電圧Ｖ０の算出方法としてピーク電圧（一番高い値）を用いるようにしても良いし、最上位と最下位を除いたデータから平均値を算出する方法でも良いし、その他の算出方法を用いるようにしても良い。

次に演算部８１は測定された無負荷入力電圧Ｖ０が２２５Ｖ以上であるか否かを判定する（ステップ７０７）。ここで、２２５Ｖ以上の場合は、演算部８１は図５（１）のテーブルに格納された値を用いて初期設定のデューティ比Ｄ０を８６％に設定し（ステップ７０８）、２２５Ｖ未満の場合は初期設定のデューティ比Ｄ０を８８％に設定する（ステップ７０９）。以降の手順は、図６で説明したステップ群６１０（ステップ６１１〜６２０）と同じであるので、繰返しの説明は省略する。第二の実施例によればトリガを引いた直後であってモータが起動する前に無負荷入力電圧Ｖ０を測定するので、精度の良い電圧測定を行うことができ、適切なデューティ比にてモータ３の始動を行うことができると共に、モータ３に過大な電圧がかかることを防止できる。

次に図８のフローチャートを用いて本発明の第三の実施例に係るモータの回転制御手順を説明する。第三の実施例ではモータの始動前の制御はステップ群７００に示すように第二の実施例と同じであるが、ステップ７０１’にて、延長コードの電圧降下を計算するためのインピーダンス値Ｚ０として、Ｚに０．１１８（Ω）を代入する操作が加わっている。この値は予め演算部８１のＲＯＭ８４ｂに格納しておけば良い。その他のステップ７０２〜７０６と同一であるので繰返しの説明は省略する。ステップ群７００によってトリガを引いた後のＮ回分のサンプリングされた無負荷入力電圧Ｖ０の平均値が算出されると、式１を用いてデューティ比Ｄ０（％）を計算する（ステップ８０１）。
Ｄ０＝２３０／平均Ｖ０値×８６ ・・（式１）
（但し、Ｄ０の計算値が１００を越える場合はＤ０＝１００とする。）
このようにデューティ比を演算式によって算出するので電圧変動にきめ細かく対応でき、第一、第二の実施例より最適なデューティ比Ｄ０にてモータ３を始動することができる。

次に、作業者がトリガ２６を引くことによりモータ３の回転を開始する（ステップ８１１）。次に演算部８１は、モータ３が起動したら電圧検出回路８７の出力からそのときの負荷電圧Ｖ１を検出するが、この検出を始動後の所定時間Ｔ２だけ経過したタイミングで測定するために、所定時間Ｔ２が経過するまで待機する（ステップ８１２）。所定時間Ｔ２は、例えば１０ｍｓ程度とすれば良い。モータ３が起動してから所定時間Ｔ２が経過したら、演算部８１は電圧検出回路８７の出力からそのときの負荷電圧Ｖ１を検出し、同時に電流検出回路８６の出力からそのときの電流Ｉ_ｉｎを検出する（ステップ８１３）。次に、演算部８１は式２を用いて電動工具に加わる工具予想印加電圧Ｖ２を算出する（ステップ８１４）。
Ｖ２＝平均Ｖ０値 −Ｉ_ｉｎ×Ｚ０ ・・（式２）
次に、演算部８１は算出されたＶ２を用いて式３によりデューティ比Ｄ１を算出する（ステップ８１５）。
Ｄ１＝Ｖ２／Ｖ１ × Ｄ０ ・・（式３）
演算部８１は、計算により求められたデューティ比Ｄ１に切り換えてモータの回転制御を続行し（ステップ８１６）、トリガスイッチ２７がＯＮのままならばステップ８１３に戻り（ステップ８１７）、ＯＦＦになったらモータを停止してステップ７０１’に戻る（ステップ８１８）。

第三の実施例によればトリガを引いた直後であってモータが起動する前に無負荷入力電圧Ｖ０を測定するので、精度の良い電圧測定を行うことができ、適切なデューティ比にてモータ３の始動を行うことができる。さらに、モータ３が始動した直後において電源コードの電圧降下状況を考慮して工具予想印可電圧Ｖ２を算出し、それに基づいて最適なデューティ比Ｄ１を設定するようにしたので、電圧降下が大きい劣悪な環境下においても最適にモータ３を制御して一定の出力にて運転することが可能となる。

尚、ステップ８１５において、伝達関数Ｇを用いてＰＩＤ制御を行うようにしても良い。その場合は、比例ゲイン：Ｋｐ＝Ｖ２／Ｖ１とし、伝達関数Ｇは以下の式４から算出する。
Ｇ＝Ｋｐ（１＋１／Ｔ_ｉｓ＋Ｔ_ｄｓ） ・・（式４）
但し、Ｔ_ｉｓ（ｓｅｃ）：積分時間
Ｔ_ｄｓ（ｓｅｃ）：微分時間
ここで、積分時間、微分時間はパラメータとして、実際のモータ動作に併せて設定する。
そして、Ｄ１＝Ｇ×Ｄ０からＤ１を算出してモータ制御を行う。

次に図９のフローチャートを用いて本発明の第四の実施例に係るモータの回転制御手順を説明する。第四の実施例では第三の実施例に比べてモータ３の始動後のステップ（ステップ群８１０）の制御は同じであるが、モータ３の始動前の制御を変更したものである。まず、インパクトレンチ１の電源コード９をコンセント１０５又はコードリール１０３に接続することにより演算部８１に含まれるマイコンが起動し、初期設定として、初期デューティ比Ｄ０と負荷時デューティ比Ｄ１の値を８６％にセットする。同時に延長コードの電圧降下を計算するためのインピーダンス値Ｚ０として、Ｚに０．１１８（Ω）を代入する（ステップ９０１）。これらのパラメータの初期値は予め演算部８１のＲＯＭ８４ｂに格納しておくと良い。次にマイコン起動後の所定時間Ｔ１だけ経過したタイミングで無負荷入力電圧Ｖ０を測定するために、所定時間Ｔ１が経過するまで待機する（ステップ９０２）。次に、所定時間Ｔ１が経過したら、演算部８１は電圧検出回路８７の出力からそのときの無負荷入力電圧Ｖ０を検出し（ステップ９０３）、式５から初期設定のデューティ比Ｄ０を算出する（ステップ９０４）。
Ｄ０＝２３０／Ｖ０ × ８６ ・・（式５）
演算部８１は、計算が完了したらトリガスイッチ２７がＯＮになったか否かを検出し、ＯＮであればステップ群８１０に進み、ＯＦＦのままならばステップ９０３に戻る。ステップ群８１０における制御手順は図８で示した第三の実施例と同じであるので繰返しの説明は省略する。

このように第三の実施例では無負荷入力電圧Ｖ０の測定手順を第三の実施例に比べて簡略化した一方で、モータ３の起動後の制御ではきめ細かくデューティ比Ｄ１を制御しているので、電源電圧が不安定で電圧変動が多いような環境下においても安定した状態でインパクトレンチ等の電動工具を安定して使用することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例では、電源コードを用いて外部から商用電源を供給する電動工具の例で説明したが、外部から又はバッテリから直流を供給する電動工具においても同様に適用できる。また、上述の実施例の電動工具ではインパクトレンチに適用した例を説明したが、インパクトレンチだけに限られずに、インパクトドライバ、ドライバドリル、電動丸のこ、ハンマドリル、その他のモータを動力源とした任意の電動工具にも同様に適用できる。

１ インパクトレンチ ２ ハウジング
２ａ 胴体部 ２ｂ ハンドル部
２ｃ 基板収容部 ３ モータ
４ 減速機構 ５ ハンマ
６ アンビル ７ 制御部
８ ライト ９ 電源コード
１０ 正逆切替レバー １１ 交流導体抵抗
１４ （先端工具の）取付け部 ２１ カバー
２２ ハンマケース ２３ａ 吸気口
２３ｂ 排気口 ２４ ビス
２５ 印加電圧設定回路 ２６ トリガ
２７ トリガスイッチ ２８ 正逆切替スイッチ
２９ 回転方向設定回路 ３１ 出力軸
３２ ロータ ３２ａ マグネット
３３ コイル ３４ ステータ
３５ 冷却ファン ４０ 回路基板
４１ インバータ回路 ４２ スイッチング素子
４３ 位置検出素子 ５１ 衝突部
５２ スプリング ５３ スピンドル
５４ ボール ６１ 被衝突部
７０ 操作パネル ７１ 制御回路基板
７２ 電源回路基板 ７３ 整流回路
７４ シャント抵抗 ８１ 演算部
８２ 制御信号出力回路 ８４ｄ タイマ
８５ 回転子位置検出回路 ８６ 電流検出回路
８７ 電圧検出回路 ９０ 交流電源
１０１ 電動工具 １０２ 電源コード
１０３ コードリール １０４ 延長コード
１０５ コンセント １２０ 電気角
Ｄ０ 初期デューティ比 Ｄ１ 負荷時デューティ比
Ｖ０ 無負荷入力電圧 Ｖ１ 負荷電圧
Ｖ２ 工具予想印加電圧 Ｚ０ インピーダンス値
Ｎ サンプリング回数 ｎ サンプリング回数用カウンタ
Ｉ_ｉｎ 電流

Claims (16)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングから延出して外部電源に接続される電源コードと、
   前記電源コードを介して前記外部電源から供給される電力を用いて半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより駆動されるモータと、
   前記モータによって先端工具を駆動する動力伝達機構と、
   前記モータの回転を前記ＰＷＭ制御のデューティ比によって制御する制御手段と、
   を有する電動工具であって、
   前記電源コードと前記外部電源との間に延長コードが接続されて前記電力が供給される場合には、前記電源コードのみを介して前記電力が供給される場合よりも前記デューティ比を高くして前記モータを駆動することを特徴とする電動工具。
2. 前記外部電源は交流電源であって、
   前記モータを駆動するインバータ回路と、
   前記インバータ回路への入力電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記インバータ回路又は前記モータに流れる電流を検出するシャント抵抗と、
   前記交流電源を整流する整流回路、前記電圧検出回路、前記シャント抵抗を前記ハウジング内に設け、
   前記モータとして前記インバータ回路を用いて駆動されるブラシレスモータを用いることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 前記制御手段は、前記電圧検出回路で検出した前記入力電圧及び前記シャント抵抗で検出した前記電流の少なくとも一方に基づいて前記デューティ比を制御することを特徴とする請求項２に記載の電動工具。
4. 前記ハウジングは、前記ブラシレスモータを収容する胴体部と、前記胴体部から延在するように形成されたハンドル部と、前記ハンドル部の反胴体部側に形成された基板収容部と、から構成され、
   前記整流回路、前記電圧検出回路、及び前記シャント抵抗は前記基板収容部に収容されることを特徴とする請求項２又は３に記載の電動工具。
5. 前記モータを回転させるトリガを操作した直後の前記デューティ比を１００％未満とし、
   前記モータが起動した後に前記電動工具へ印加される電圧が、前記電源コードにより生じる電圧降下によって前記トリガを操作した直後の電圧より小さくなったときは前記デューティ比を高くすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
6. 前記モータの起動前の前記デューティ比を１００％未満とし、
   前記モータの起動後において、前記電動工具に印加される電圧が、前記電源コードにより生じる電圧降下によって前記起動前の電圧よりも低くなった場合は、前記デューティ比をそれまでよりも高くして前記モータを駆動することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
7. 前記モータの起動前とは前記モータに電流が流れる前の状態であり、前記モータの起動後とは前記モータに電流が流れている状態であることを特徴とする請求項５又は６に記載の電動工具。
8. 交流電源を用いて半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより駆動されるモータと、前記モータによって先端工具を駆動するための動力伝達機構と、前記モータの回転をデューティ比によって制御する制御手段を有する電動工具であって、
   前記電動工具に印加される交流の電圧が前記電動工具の定格電圧を含む所定の範囲内の際に１００％未満の基準デューティ比にて前記モータを駆動し、
   前記電動工具に印加される交流の電圧が前記所定の範囲よりも低い場合は、前記基準デューティ比よりも高くしたデューティ比にて前記モータを駆動することを特徴とする電動工具。
9. 前記交流電源から供給される交流を整流する整流回路を設け、
   前記モータとしてブラシレスＤＣモータを用い、
   前記整流回路によって整流された直流を前記半導体スイッチング素子によりＰＷＭ制御して前記モータを駆動することを特徴とする請求項８に記載の電動工具。
10. 前記基準デューティ比にて前記モータを起動した後に、前記電動工具に印加される交流の電圧が前記所定の範囲の電圧よりも低下した場合は、前記デューティ比を前記基準デューティ比よりも高くして前記モータを駆動することを特徴とする請求項８又は９に記載の電動工具。
11. 前記基準デューティ比は９０％未満であり、前記電動工具に印加される前記交流の電圧が定格電圧よりも低い場合は、前記デューティ比を９０％以上１００％以下に上昇させて前記モータを駆動することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の電動工具。
12. 前記モータを回転させるトリガを有し、
    前記トリガを操作した直後に前記電動工具に印加される前記交流の電圧Ｖ０と、前記モータを起動した後に前記電動工具に印加される前記交流の電圧Ｖ１との電位差が生じた場合に前記デューティ比を前記基準デューティ比より高くすることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載の電動工具。
13. 前記制御手段は、前記トリガが引かれた直後の所定時間内の前記電圧Ｖ１から前記モータを駆動するデューティ比を決定することを特徴とする請求項１２に記載の電動工具。
14. 前記制御手段は、前記モータの回転中の前記電圧Ｖ１が小さくなったら前記デューティ比を大きくして前記モータを駆動することを特徴とする請求項１３に記載の電動工具。
15. 前記制御手段は、前記トリガが引かれた直後に前記Ｖ１を用いて決定されたデューティ比を前記トリガが戻されるまで固定した状態で前記モータを駆動することを特徴とする請求項１４に記載の電動工具。
16. 前記モータの最高回転数を複数レベルに設定する回転数設定手段を設け、設定された回転数のレベルに応じて前記デューティ比を０以上、前記基準デューティ比以下の範囲内で複数段設定することを特徴とする請求項８から１５のいずれか一項に記載の電動工具。

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