JP5381390B2

JP5381390B2 - 電動工具

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Publication number: JP5381390B2
Application number: JP2009151069A
Authority: JP
Inventors: 和隆岩田; 英之谷本; 嶋　　敏洋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: JP2011005588A

Description

本発明は電動工具のブレーキの制御方法に関し、特にトリガスイッチを解除した際にモータの回転を短時間で効率よく制動させるようにした電動工具に関する。

インパクトドライバ等のネジ締め電動工具においては、ネジを相手材に対して垂直に締め付けるためにネジ締め作業の開始時に短時間の間にモータの低速回転・停止を繰り返して行い、徐々に相手材にネジを挿入していく。この作業の際に重要なのは、作業者のトリガ操作に対してモータの追従性を良くすることである。トリガ操作によりモータを回転させ、トリガ操作の解除によりブレーキ動作でモータを停止させる。モータのブレーキ動作中には、モータの起動は受けつけないために、短時間でトリガの操作および解除を繰り返すと、作業者のトリガ操作にモータの回転が追従できない場合が生じる。

ドリル、ドライバ等の回転先端工具を駆動する電動工具において、モータの回転追従性向上のために、モータのブレーキ動作制御に関する技術が、例えば特許文献１に開示されている。この技術においては、モータの電源スイッチの切断時に、モータに回生電流を流してモータに制動力を加える。また、ブレーキ動作時の制動期間を運転中のモータ回転数に基づいて算出し、モータ回転数が低速であるほど制動期間が短くなるように制御し、確実なブレーキ動作を行う。このように、モータ停止後に必要以上に制動を行わないことにより、トリガ操作に対するモータの起動・停止の追従性を向上させることができる。

特開２００５−１７６４５４号公報

特許文献１に記載された技術においては、制動開始時のモータ回転数の値を基に制動期間を算出している。そのためには予めモータ回転数と制動期間の関係を求めておく必要が生じる。しかしながら、電動工具に適用されるモータは、使用による劣化、周囲環境等により減速特性に大きな個体差が生ずるため、制動開始時のモータ回転数から適切に制動期間を求めることは難しい。よって、電動工具によっては予め設定された制動期間内に停止できない場合や、制動時間前に停止している場合が生ずる。また、制動期間を必要以上に長く設けてしまい、結果として短時間で制動するという目的を達成ができない可能性が生じる。さらに、電動工具の場合は作業内容によっても必要な制動期間に差が生じることがあり、同じ回転数であっても電動工具の負荷の状態によって必要な制動期間に差が生じてしまう。

一方、ブレーキ動作時にモータの回転数を検出し、完全にモータが停止したことを検出するまでブレーキ動作を行うというモータの制御方法が知られている。しかしながら、このような制御方法であっても、電動工具に適用すると様々な問題が生ずることを発明者らは見いだした。

モータ回転数は、モータの一定の回転角度毎に出力される位置検出素子出力パルスの立ち上がり、下がりエッジの変化の時間間隔から検出するのが一般的である。モータがロック状態にある場合には、パルスの立ち上がり、下がりエッジに変化は生じない。そのため、低速回転であればエッジの変化の時間間隔が長くなり、モータが停止状態にあるか低速回転状態にあるか判断するのは難しくなる。停止状態にあるかどうか判断するためには、エッジの時間間隔を長く検出する必要があり、結果として制動期間が長くなり、モータの起動・停止の追従性を悪化させる。従って、位置検出素子の出力パルスを利用するだけでモータの制動期間の終了時点を決定するのは難しい。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モータの追従性を改良し、確実にモータの停止を行うことができる電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、制動期間を適切に設定することにより、精度良くブレーキ動作を行うことができる電動工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、使用による劣化、周囲環境等による影響を受けにくい、安定したブレーキ動作を行うことが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、モータと、作業者のトリガ操作によりモータのＯＮ及びＯＦＦを指示するトリガスイッチと、モータの回転数を検出する回転数検出部と、トリガスイッチと回転数検出部の出力に基づいてモータの回転制御を行う制御部を有する電動工具において、制御部は、トリガスイッチ操作の解除がなされた場合にモータに制動力を加えるブレーキ動作を行い、回転数検出部においてブレーキ動作中のモータの回転数を検出し、ブレーキ動作中の回転数が所定の回転数以上である場合はブレーキ動作を継続して行い、ブレーキ動作により回転数が低下して所定の回転数以下となった場合は、ブレーキ動作を終了させる時間を算出し、時間経過後にブレーキ動作を解除するように構成した。また、制御部は、ブレーキ制動を開始してから所定の回転数に達するまでの回転数低下状況を監視し、回転数低下状況に応じてブレーキ動作を終了させる時間を求めるように構成した。モータは、回転子および固定子巻線を有するブラシレス直流モータであり、回転子を回転駆動させるために固定子巻線に駆動電流を供給するための複数の半導体スイッチング素子を含むインバータ回路を有する。

本発明の他の特徴によれば、制御部は、ブレーキ動作中のモータの回転数変化を時間経過毎に検出し、ブレーキ動作により回転数が低下してある第ｎの回転数以下となった場合は、第ｎの回転数以下になった直後からブレーキ動作を終了させる時間（Ｔ_Ｃ（ｎ））を算出し、時間（Ｔ_Ｃ（ｎ））が経過前に回転数が低下して第ｎ＋１の回転数以下となった場合は、再びブレーキ動作を終了させる時間（Ｔ_{Ｃ（ｎ＋１）}）を算出し、時間（Ｔ_{Ｃ（ｎ＋１）}）経過後にブレーキ動作を解除する。

本発明のさらに他の特徴によれば、インバータ回路のスイッチング素子は電源の正側に接続される複数の上アーム側スイッチング素子と電源の負側に接続される複数の下アーム側スイッチング素子から構成され、制御部は、上アーム側スイッチング素子もしくは下アーム側スイッチング素子のどちらか一方の素子を全てオンする短絡制動によってブレーキ制御を行う。また、制御部は、上アーム側スイッチング素子もしくは下アーム側スイッチング素子のどちらか一方の素子を全てオンする短絡制動と、固定子巻線に駆動電流を供給して逆方向のトルクを発生させる逆トルク制動を任意に切り替えてブレーキ動作を行うようにしても良い。

請求項１の発明によれば、ブレーキ動作により回転数が低下して所定の回転数以下となった場合は、ブレーキ動作を終了させる時間を算出し、時間経過後にブレーキ動作を解除するので、制動期間を可変に設定でき、ブレーキ動作により確実にモータを停止させることができる。また、必要時間以上のブレーキ動作を行うことを防止できるので、モータ起動・停止の追従性を向上させることができ、短時間でトリガの操作・解除を繰り返した場合の電動工具の操作性向上を大きく図ることができる。また、制御部は、ブレーキ制動を開始してから所定の回転数に達するまでの回転数低下状況を監視し、回転数低下状況に応じてブレーキ動作を終了させる時間を求めるので、負荷の状況やモータの状況に即した適切なブレーキ動作が可能となる。さらに、転数低下状況の監視は、回転数の低下（ΔＮ）／回転数低下に要した時間（Ｔｄ）を算出し、予め制御手段に記憶させた対応表を元にブレーキ動作を終了させる時間を求めるので、ΔＮ／Ｔｄの値からテーブルを参照して即座にブレーキ動作を終了させる時間を求めることができ、モータ停止の追従性を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、ブレーキ動作を終了させる時間（Ｔ_Ｃ（ｎ））を複数回にわたって算出しながらブレーキ動作を行うので、精度良くブレーキ動作を実行することが可能となる。

請求項３の発明によれば、モータは、インバータ回路で駆動されるブラシレス直流モータであるので、インバータ回路の制御によりブレーキ動作を実行することができる。

請求項４の発明によれば、制御部は、上アーム側スイッチング素子もしくは下アーム側スイッチング素子のどちらか一方の素子を全てオンする短絡制動によってブレーキ制御を行うので、簡単な操作で強力なブレーキ動作を実行することができる。

請求項５の発明によれば、制御部は、短絡制動と逆トルク制動を任意に切り替えてブレーキ動作を行うので、状況に即して適切なブレーキ操作を選択することができる。

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電動工具の全体を示す図であり、一部にその断面を示す。図１のモータ２の断面構造を模式的に示す図である。本発明の実施例に係る電動工具の機能ブロック図である。モータ２の回転時におけるホールＩＣ１０〜１２の出力波形を示す図である。従来例の電動工具におけるブレーキ動作の制御を説明するための図であり、ブレーキ動作時のモータ２の回転数変化と制動期間の関係を示した図である（その１）。従来例の電動工具におけるブレーキ動作の制御を説明するための図であり、ブレーキ動作時のモータ２の回転数変化と制動期間の関係を示した図である（その２）。従来例の電動工具におけるブレーキ動作の制御を説明するための図であり、ブレーキ動作時のモータ２の回転数変化と制動期間の関係を示した図である（その３）。ブレーキ時のホールＩＣ１０〜１２の信号変化を示す図である。本発明の実施例に係る電動工具におけるブレーキ制御の原理を説明するための図であり、ブレーキ動作時のモータ２の回転数変化と制動期間の関係を示した図である。本発明の実施例に係る電動工具におけるブレーキ制御の手順を示すフローチャートである。本発明の第２の実施例に係る電動工具におけるブレーキ制御の原理を説明するための図である。本発明の第２の実施例に係る電動工具におけるブレーキ制御の手順を示すフローチャートである。本発明の第３の実施例に係る電動工具におけるブレーキ制御の原理を説明するための図である。本発明の第３の実施例に係る電動工具におけるブレーキ制御の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、本明細書の説明において上下及び前後の方向は、図１中に示した方向として説明する。

図１は本発明の実施例に係る電動工具の全体を示す図であり、一部にその断面を示す。本実施例においては、電動工具の一実施例としてドライバドリル１を用いて説明するが、本発明はこれに限られずにインパクトドライバ、ハンマドリルなどの他の電動工具でも良い。

図１において、ドライバドリル１は、胴体ハウジング部６ａ内にモータ２を収納し、モータ２の駆動力を伝達する動力伝達部２５により、スピンドル（出力軸）８に装着されたチャック２８に着脱自在に保持されるドライバまたはドリルの先端工具（図示せず）に回転力を与える。胴体ハウジング部６ａの後方側には、モータ２を駆動するためのインバータ回路部（回路基板）３が収容され、胴体ハウジング部６ａの中間部および前方側には、モータ２の回転出力軸２ｅ方向に回転力を伝達し、モータ２の回転数を減速するための減速機構部２６と、減速機構部２６の出力軸に得られる回転トルクをスピンドル８に伝達するクラッチ機構部２７が収容される。クラッチ機構部２７は、減速機構部２６の回転力をスピンドル（出力軸）８に伝達するように結合される。また、このクラッチ機構部２７の代わりに、通常のインパクト機構を設けてもよい。

クラッチ機構部２７は、モード切替およびトルク調整のためのダイヤル（クラッチダイヤル）５を有し、ダイヤル５によって作業者がドライバモードまたはドリルモードを設定できるように構成される。ダイヤル５がドライバモードを選択している場合、トルク調整ダイヤル５を複数段階の所定の回転角度に回転させることによって、クラッチ機構部２７は、ダイヤル５の回転角度に従って減速機構部２６の出力軸からスピンドル８に伝達される回転トルクを負荷に対応する所望の締付けトルクに調整することができる。このダイヤル５は、例えば１０段階のトルク設定が可能である。設定した締付けトルク（滑り出しトルク）以上の負荷トルクがスピンドル８に加わると、クラッチ機構により減速機構部２６の出力軸はスピンドル８との結合から遮断されて空転することになり、これによってモータ２のロックが防止される。

ダイヤル５をドリルモードに設定する場合は、ダイヤル５を最大限の回転角度に回転させて減速機構部２６で得られる回転力を、クラッチを動作させずにスピンドル８に伝達させるように切替える。このドリルモードにおいて負荷がスピンドルの締付けトルクより大きい場合、クラッチ機能が働かないので、スピンドルに保持された先端工具はロックされ、モータ２はロック状態となる。減速機構部２６は、周知の技術によって構成され、モータ２の回転出力軸２ｅの前端に形成されたピニオンギアに噛合う、例えば、２段の遊星歯車減速機構（変速ギアケース）（図示せず）から構成される。

モータ２は、本実施例では３相ブラシレス直流モータを用いる。図２は、図１のモータ２の断面構造を模式的に示す図である。この断面は、モータ２の出力回転軸と垂直に切断した面である。図２に示すように、モータ２は回転子（マグネットロータ）２ａと固定子巻線（電機子巻線）２ｄを含んで構成される。回転子２ａは、回転出力軸２ｅ方向に延びるＮ極およびＳ極の永久磁石（マグネット）２ｂを有し、固定子２ｃは円筒状の外形であってティース部２ｈに巻かれる固定子巻線２ｄを有する、いわば内部磁石配置形のモータである。

固定子巻線２ｄは、樹脂材料からなる絶縁層２ｆ（図１参照）を介して固定子２ｃに巻回される。回転子２ａの近傍には、回転子２ａの回転位置を検出するために、回転方向に６０°毎に配置され、回転子２ａの位置を電磁結合的に検出する３つのホールＩＣ（回転位置検出素子）１０〜１２が配置される。スター結線された固定子巻線２ｄ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）には、インバータ回路部３よりホールＩＣ１０〜１２の位置検出信号に基づいて電気角１２０°の通電区間に制御された電流が供給される。尚、回転位置を検出するための別の方法として、固定子巻線２ｄの誘起起電圧（逆起電力）を、フィルタを通して論理信号として取出すことによって回転子位置を検出するセンサレス方式を採用することもできる。

再び図１を参照して、胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂは、一体に成型された合成樹脂材料からなる。胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂは、モータ２の回転出力軸２ｅを通る鉛直面で左右に２分割可能に構成される。組み立て時には、ハウジング部材（胴体ハウジング部６ａとハンドルハウジング部６ｂの左又は右側部分）の一対を準備し、予め、図１の部分断面図で示すような一方のハウジング部材に、モータ２の固定子２ｃ及び回転子２ａ等の組込みを行い、しかる後、他方のハウジング部材を重ねて、ネジ締め等で双方のハウジング部材を締結させる。固定子２ｃの外周面に対向するハウジング部分の内壁には、胴体ハウジング部６ａと一体成型により形成された複数の固定子保持部（リブ部）（図示せず）が形成され、固定子保持部によってモータ２が把持または挟持される。

モータ２の先端側には冷却用ファン２４が同軸上に設けられ、冷却用ファン２４近傍の胴体ハウジング部６ａには、図示されていないが、排気口（通風口）が形成される。胴体ハウジング部６ａの後端部には吸気口（通風口）２１が形成され、この吸気口２１から冷却用ファン２４の近傍に形成される排気口に至る通路２３は、冷却用空気の流通路を形成し、インバータ回路部３の半導体スイッチング素子３ａの温度上昇、およびモータ２の固定子巻線２ｄの温度上昇を抑制する。ドライバモードまたはドリルモードにおいて、モータ２の負荷状況によってはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に大電流が流れてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の発熱が大きくなるので、冷却用ファン２４によってインバータ回路部３を強制的に空冷することが需要である。

インバータ回路部３は、円板状の回路基板を有し、モータ２の固定子２ｃの一端部側（後方側）を全面的に覆う。一方、固定子２ｃの他端部側（前方側）には、防塵カバー２２が設けられ、インバータ回路部３と同様に、固定子２ｃの他端部側面を覆う。これらインバータ回路部３および防塵カバー２２の両者は、固定子２ｃと共に、回転子２ａを閉塞または密封する防塵構造（密閉構造）を形成する。これにより、モータ２への粉塵の侵入を防止できる。

ハンドルハウジング部６ｂの下端部には、モータ２の駆動電源となる電池パック３０が着脱可能に装着される。電池パック３０の上部には、モータ２のインバータ回路部３を制御するための制御回路部４が、前後左右方向に延在するように設けられる。

ハンドルハウジング部６ｂの上端付近にはスイッチトリガ７が配設され、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａがバネ力によって付勢された状態でハンドルハウジング部６ｂから突出する。作業者がトリガ操作部７ａを後方に押し込むことにより、トリガ押込量（操作量）を調整し、モータ２の回転数を制御することができる。本実施例によれば、スイッチトリガ７によるトリガ押込量は、インバータ回路部３の半導体スイッチング素子３ａを駆動するＰＷＭ駆動信号のＰＷＭデューティーに反映される。

電池パック３０は、スイッチトリガ７および制御回路部４へ駆動電源を供給し、さらにインバータ回路部３へ駆動電力を供給するように電気的に接続される。電池パック３０を構成する二次電池は、リチウムイオン電池が使用されるが、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を用いても良い。リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比較して約３倍のエネルギー密度を持ち、小形軽量であるという利点をもっている。この電池パック３０の出力電圧は、例えば、１４．４Ｖである。

次に図３を用いて、本発明の実施例に係る電動工具の機能ブロック図を説明する。インバータ回路３３はインバータ回路部３に搭載され、３相ブリッジ形式に接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６により主に構成される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６として、本実施例では絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いるが、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラトランジスタでも良い。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御回路部４の制御信号出力回路１３に接続される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタまたはエミッタは、スター結線された固定子巻線２ｄ（巻線：Ｕ、Ｖ、Ｗ）に接続される。これによって、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路１３から入力されたスイッチング素子のＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作を行い、インバータ回路３３に印加される電池パック３０の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換して、固定子巻線２ｄ（３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ）へ３相交流電力を供給する。

図３において、制御部４４は、制御回路部４に搭載される各種回路により構成される。演算部１９は、モータ２の回転制御を含むドライバドリル１の全体の制御を行う。演算部１９は、図示していないが、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ＣＰＵ、後述するような制御フローを実行する処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、時間をカウントするためのタイマ等を含むマイコンによって構成され、処理プログラムとデータに基づいて各種処理を実行する。回転子位置検出回路１６は、ホールＩＣ１０〜１２の出力信号に基づいて回転子２ａの回転位置を検出し、演算部１９へ通常の回転子２ａの位置情報を出力する。回転数検出回路１７は、ホールＩＣ１０〜１２から一定間隔で出力される信号の時間間隔からモータ２の回転数を検出する。

電流検出回路１８は、モータ２の駆動電流を常に検出して、その情報を演算部１９に出力する。スイッチ操作検出回路２０は、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａによるトリガ操作の有無を判別して起動停止を判断する。印加電圧設定回路１４は、スイッチトリガ７のトリガ操作部７ａによるトリガ押込量に応答してスイッチトリガ７において発生する出力制御信号に対応するＰＷＭ信号のＰＷＭデューティーを設定する。回転方向設定回路１５は、モータ２の正逆切替レバー９（図１参照）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２（回転子２ａ）の回転方向を設定する。

演算部１９は、電流検出回路１８、スイッチ操作検出回路２０、および印加電圧設定回路１４の各出力情報に基づいて、制御信号出力回路１３への出力駆動信号を作成し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のＰＷＭ駆動信号のＰＷＭデューティー比を制御することによって、モータ部２への印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを制御する。また、回転方向設定回路１５と回転子位置検出回路１６の情報を基に、所定のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を所定の順序にスイッチングすることによって固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを所定の順序に供給するように制御し、これによって、設定した回転方向にモータ２を回転させるように制御する。

制御部４４は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をＰＷＭ駆動信号Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、スイッチトリガ７（図１参照）のトリガ操作部７ａのトリガ押込量に応答する印加電圧設定回路１４の出力信号に基づいて、ＰＷＭ駆動信号のパルス幅のデューティー比（以下、「ＰＷＭデューティー」と称する）を変化させることによりモータ２への電力を調整し、モータ２の起動および回転速度を制御する。なお、ＰＷＭ駆動信号は、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６に供給する代わりに、正電源側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の駆動信号Ｈ１〜Ｈ３をＰＷＭ駆動信号として形成しても、結果的に、電池パック３０の直流電圧から各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する印加電圧を制御することができる。

また、制御部４４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のうち、３個の負電源側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオンし、３個の正電源側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３をオフし、固定子巻線を短絡することによりブレーキ時の電流が流れる経路を形成し、モータ回転時の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、短絡制動によるブレーキ動作を行う。

回転数検出回路１７は３個のホールＩＣ１０〜１２の立ち上がり、下がりエッジの時間間隔すなわち変化の時間間隔を検出する。ここで図４を用いて、ホールＩＣ１０〜１２の立ち上がり、下がりエッジの時間間隔からモータ２の回転数を求める原理を説明する。図４は、モータ２の回転時におけるホールＩＣ１０の出力波形を示す図である。本実施例においては、ホールＩＣ１０〜１２は６０°毎に配置されており、回転子２ａの永久磁石は９０°毎にＮ極、Ｓ極交互に配置される。よって、ホールＩＣ１０〜１２の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジは、時間間隔にして３０°回転毎に出現する。これら立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジをすべて検出し、検出されたエッジ間の時間間隔をＴａ（ｍｓｅｃ）とする。時間Ｔａ（ｍｓｅｃ）は、モータ２が３０°回転数するのに要する時間に等しいため、時間Ｔａからモータ回転数が逆算できる。即ち、下記の式で回転数Ｎ（ｒｐｍ）を求めることができる。
Ｎ（ｒｐｍ）＝（１０００／（Ｔａ（ｍｓｅｃ）×１２））×６０

以上の構成により、制御部４４は、回転方向設定回路１５によって設定された正回転方向または逆回転方向の回転設定信号、回転子位置検出回路１６の位置検出信号、回転数検出回路１７の回転数検出信号、電流検出回路１８のモータ電流検出信号、スイッチ操作検出回路２０の起動停止信号、および印加電圧設定回路１４のＰＷＭデューティー設定信号に基づいて、制御信号出力回路１３からインバータ回路３３へＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６を出力し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングを交互に制御することにより、３相交流電圧がモータ２の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ出力されるように制御する。また、ＰＷＭ駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のＰＷＭデューティーを調整することによりモータ２のモータ電流およびモータ回転数（回転速度）を制御する。さらに、制御回路部４により、モータの起動またはブレーキ動作による停止を行う。

次に、モータ２のブレーキ動作について説明する。本実施例の方法を説明する前に、従来例によるブレーキ動作の制御方法について図５および図８を用いて説明する。図５は従来例によるブレーキ動作時のモータ２の回転数変化と制動期間の関係を示した図であり、縦軸はモータ２の回転数で、横軸は時間である。従来例のブレーキ制御方法においてはブレーキ動作直前のモータ２の回転数Ｎから制動期間Ｔｂを決定し、制動期間Ｔｂの間だけブレーキ動作を行う。図５は理想的な状態を示しており、制動期間Ｔｂとモータが停止するタイミングが完全に一致している。しかし、電動工具の状態によっては適切な制動期間が設定できない場合が生じる。例えば、図６においては、５１の時点でモータ２の回転子２ａは完全に停止しているが、停止後もブレーキ動作を継続して行っている。つまり、この状態は制動期間を必要以上に設けており、結果として区間５２ではモータは停止させたままとなるため、モータの起動・停止の追従性が悪くなっている。

また、例えば図７においては、制動期間Ｔｂの間だけブレーキ制御を行うが、モータ２が完全に停止する前にブレーキ動作を中止してしまい、その後は工具本体の自然減速によりモータ２が停止する場合である。この例では、制動期間Ｔｂを短く設定してしまったために、ブレーキ動作が不十分となる問題が生じる。

図８に、ブレーキ動作時のホールＩＣ１０〜１２の信号変化を示す。ブレーキ動作によりモータ２の回転数が低下していくと、ホールＩＣ１０〜１２に現れる信号出力の立ち上がり、立ち下がりのエッジの時間間隔が増えて、ＴａからＴａ１まで増えることが確認できる。完全に停止するとホールＩＣ１０〜１２の信号に変化はなく、信号に変化がなくなることから、Ｔａは無限に長くなることになる。これらの情報を基に、演算部１９はモータ２が完全に停止したことを判別できる。ここで問題となるのはどの程度の時間だけホールＩＣ１０〜１２の信号に時間変化が無いときにモータが完全に停止したと判断するかである。停止と判断するのに要する時間は、少なくとも停止直前のＴａ１以上の時間だけ設定する必要がある。しかしながら、判断するための時間を大きく設定すると、確実にモータ２を停止させることができるが、その判断前にモータの制御ができないため、モータの起動・停止の追従性が悪くなる。反対に時間設定を小さく設定すると、モータの起動・停止の追従性が向上するが、確実にモータを停止できない可能性が生じる。

次に、上記従来の問題を解決するための、本発明の実施例に係るブレーキ動作について、図９および図１０を用いて説明する。図９は、本実施例に係るブレーキ制御の原理を説明するための図であり、ブレーキ動作時のモータ２の回転数変化と制動期間の関係を示した図である。図９において、回転数Ｎｓで動作中のモータ２を停止させる場合、時間ｔ_０にてブレーキ動作を開始する。ブレーキ動作は、例えば上アーム側のスイッチング素子もしくは下アーム側のスイッチング素子のどちらか一方の素子群を全てオンする短絡制動により行う。ブレーキ動作によりモータ２の回転数が徐々に低下するが、時間ｔ_１においてモータ２の回転数が閾値として設定された回転数Ｎ_ｔｈに達したら、演算部１９は、ｔ_１以降にブレーキ動作を実行する時間Ｔｃを決定し、決定された時間Ｔｃだけブレーキ動作を行い、時間ｔ_１から時間Ｔｃが経過したら（＝ｔ_２）ブレーキ動作を解除する。

閾値として設定する回転数Ｎ_ｔｈは、例えば、モータ２の最高回転数が１０，０００〜３０，０００回転の場合は、回転数Ｎ_ｔｈは１，０００回転程度と設定できる。この回転数Ｎ_ｔｈの設定は任意であるが、モータ２の最高回転数の３〜１０％程度に設定すると好ましい。

図１０は、図９の制御手順を示すフローチャートである。図１０において、ドライバドリル１に電源投入、即ち電池パック３０の接続により、制御部４４に電源が投入されて、演算部１９において処理が開始する（ステップ８０）。次に、演算部１９はスイッチトリガ７の操作の有無を検出し、スイッチトリガ７の操作が検出された場合にはステップ８２に進み、スイッチトリガ７の操作が検出されない場合は、検出されるまで待機する（ステップ８１）。

次に、モータ２を起動させてドライバドリル１を起動させる（ステップ８２）。ドライバドリル１による穿孔等の作業が終了した場合、或いは、何らかの理由でドライバドリル１の運転を中止したい場合には、作業者はスイッチトリガ７の操作を解除（押し込んでいたトリガ操作部７ａを開放）する。演算部１９は、スイッチトリガ７の操作状況を監視しており、スイッチトリガ７の操作が継続されている場合には、継続してモータ２の駆動制御を行うためステップ８２に戻り、スイッチトリガ７の操作が解除されたと判別された場合にはステップ８４に進む（ステップ８３）。

ステップ８４ではブレーキ動作を開始するが、このときのブレーキ動作は先に述べたとおり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３をオフにし、スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６をオンにする短絡制動を行う。この間、演算部１９はブレーキ動作中のモータ２の回転数Ｎを検出する（ステップ８５）。演算部１９は、ステップ８６において求められたモータ回転数Ｎと予め定められた回転数の閾値Ｎ_ｔｈの比較を行う（ステップ８６）。ここで、モータ回転数Ｎが閾値Ｎ_ｔｈより大きい場合は、ステップ８５に戻り、演算部１９は再び回転数の検出を行う。ステップ８５においてモータ回転数Ｎが閾値Ｎ_ｔｈより小さいと判断された場合は、ブレーキ動作によりモータ速度が確実に低下して低速回転になったと判断できる。

次に演算部１９は、制動期間Ｔｃを設定する（ステップ８７）。制動期間Ｔｃは、電動工具たるドライバドリルの特性に合わせてあらかじめ設定し、演算部１９に含まれるマイクロコンピュータや記憶手段に格納しておくと良い。次に、演算部１９は制動期間Ｔｃが経過したか否かを判定する（ステップ８８）。経過していない場合は経過するまで待機する。この待機の期間中はブレーキ動作が継続して行われる。本実施例ではブレーキ動作の終了判定は、時間で制御されるので、低速状態のモータ２の回転数検出を省略することが可能となり、確実にモータ２を停止することができる。また、モータ２の制動時間を短縮することが可能となる。

制動期間Ｔｃが経過したら、ステップ８９に進みブレーキ動作を終了、つまり、すべてのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオフにする。ステップ８９の後は再びステップ８１に戻り、再びトリガスイッチ７がオンになるまで待機状態となる。

以上説明したように、本実施例においては、ブレーキ動作により回転数が低下して所定の回転数Ｎ_ｔｈ以下となった場合は、ブレーキ動作を終了させる時間Ｔｃを算出し、時間Ｔｃの経過後にブレーキ動作を解除するので、ブレーキ動作を開始した時間ｔ_０から終了までの時間ｔ_２が、電動工具毎に実質的に可変になり、確実にモータを停止させることができる。

次に、本発明の第２の実施例について図１１及び図１２を用いて説明する。第１の実施例においては、制動期間Ｔｃは予め演算部１９に格納しておいて、一律に設定していた。しかしながら、実施例２においては通常回転数Ｎ_ｓから閾値Ｎ_ｔｈに至るまでの回転数低下の状態を検出し、この状態に応じて制動期間Ｔｃを設定するようにしたものである。

図１１はこの動作原理を説明するための図である。モータ２が回転数Ｎ_ｓで回転している際に、時間ｔ_０において作業者がスイッチトリガ７の操作を解除して、トリガ操作部７ａを開放する。演算部１９は、ブレーキ動作を開始すると共に、モータ２の回転数の低下を監視する。時間ｔ_１においてモータ２の回転数が閾値Ｎ_ｔｈに到達したら、回転数の変化分（ΔＮ）に要した時間Ｔｄ（ｓｅｃ）を算出し、この際の回転数の低下状況ΔＮ／Ｔｄに応じて制動期間Ｔｃを設定する。この制動期間Ｔｃは、ΔＮ／Ｔｄの値に応じた制動期間Ｔｃの値を予め複数個設定しておき、演算部１９にテーブル形式で格納しておくと良い。決定された時間Ｔｃだけブレーキ動作を行い、時間ｔ_１から時間Ｔｃが経過したら（＝ｔ_２）ブレーキ動作を解除する。

図１２は、図１１の制御手順を示すフローチャートである。図１２において、ドライバドリル１に電源投入、即ち電池パック３０の接続により、制御部４４に電源が投入されて、演算部１９において処理が開始する（ステップ１００）。次に、演算部１９はスイッチトリガ７の操作の有無を検出し、スイッチトリガ７の操作が検出された場合にはステップ１０２に進み、スイッチトリガ７の操作が検出されない場合は、検出されるまで待機する（ステップ１０１）。

次に、モータ２を起動させてドライバドリル１を起動させる（ステップ１０２）。ドライバドリル１による穿孔等の作業が終了した場合、或いは、何らかの理由でドライバドリル１の運転を中止したい場合には、作業者はスイッチトリガ７の操作を解除（押し込んでいたトリガ操作部７ａを開放）する。演算部１９は、スイッチトリガ７の操作状況を監視しており、スイッチトリガ７の操作が継続されている場合には、継続してモータ２の駆動制御を行うためステップ１０２に戻り、スイッチトリガ７の操作が解除されたと判別された場合にはステップ１０４に進む（ステップ１０３）。

ステップ１０４ではブレーキ動作を開始するが、この際のブレーキ動作の制御方法は先に述べた実施例１と同じであるので説明を省略する。次に、演算部１９はブレーキ開始直後の回転数（Ｎｓ）を記憶するとともに、ブレーキ動作の経過時間Ｔｄのカウントを開始する（ステップ１０５）。次に、演算部１９はモータ２の回転数Ｎを検出し（ステップ１０６）、モータ２の回転数Ｎが所定の回転数たる閾値Ｎ_ｔｈに到達したか否かを判定する（ステップ１０７）。モータ２の回転数Ｎが閾値Ｎ_ｔｈより大きい場合は、ステップ１０６に戻り、閾値Ｎ_ｔｈより小さい場合は次のステップに移る。

次に、演算部１９は、ＮｓからＮ_ｔｈをひくことにより回転数の変化ΔＮを算出し（ステップ１０８）、回転数低下の傾きΔＮ／Ｔｄを算出する（ステップ１０９）。制動期間Ｔｃは、ΔＮ／Ｔｄの値に対応する制動期間Ｔｃを演算部１９の図示しない記憶手段から読み出して、次の区間のブレーキ制動時間として設定する（ステップ１１０）。

この期間のブレーキ動作は、時間で制御されるので、制動期間Ｔｃが経過したら、ステップ１１２に進みブレーキ動作を終了させる（ステップ１１１、１１２）。このときのブレーキ動作は実施例１の場合と同じである。ステップ１１２の後は再びステップ１０１に戻り、再びトリガスイッチ７がオンになるまで待機状態となる。

第２の実施例によれば、ブレーキを掛ける時間を回転数低下の傾きによって可変にするので、ドライバドリル１等の電動工具の個体差や経年変化に起因するばらつきの影響を良好に除外でき、より適切なブレーキ動作を可能にできる。

次に、本発明の第３の実施例について図１３及び図１４を用いて説明する。第１、２の実施例においては、閾値Ｎ_ｔｈを１つだけ設定し、設定された制動期間Ｔｃの間は、モータ２の回転数をブレーキ動作に考慮していなかった。しかしながら、第３の実施例においては、設定された制動期間Ｔｃの間においてもモータの回転数変化を時間経過毎に検出し、回転数の時間変化を基に制動期間Ｔｃを複数回設定し直す方式である。

図１３は、第３の実施例のブレーキ動作原理を説明する図である。モータ２が回転数Ｎｓで回転している際に、作業者がスイッチトリガ７の操作を解除して、トリガ操作部７ａを開放する（時間ｔ_０）。演算部１９は、ブレーキ動作を開始すると共に、モータ２の回転数の低下を監視する。モータ２の回転数が時間ｔ_１において第１の閾値Ｎ_ｔｈ１に到達したら、その閾値の回転数（Ｎ_ｔｈ１）を基に制動期間Ｔｃ１を設定してブレーキ動作を継続する。第１の実施例においては、この制動時間Ｔｃ１が経過したらブレーキ動作を終了させるが、第３の実施例においては、第２、第３の閾値Ｎ_ｔｈ２とＮ_ｔｈ３を設定する。つまり、モータ２の回転数が第１の閾値Ｎ_ｔｈ１から第２の閾値Ｎ_ｔｈ２に低下したら（時間ｔ_２）、再び制動時間を設定し直し（Ｔｃ２）、さらに回転数が第２の閾値Ｎ_ｔｈ２から第３の閾値Ｎ_ｔｈ３に低下したら（時間ｔ_３）、再び制動時間を設定し直す（Ｔｃ３）ように構成した。尚、本明細書において、“Ｔｃ２”との記載は、“Ｔ_Ｃ（ｎ）”のｎ＝２の場合と同義として使用している。即ち、Ｔ_Ｃ（2）の括弧を省略して、単にＴｃ２と表記したものである。ｎの値が他の数字の際の表記も同様であり、さらにＮ_{ｔｈ（ｎ）}の表記も同様に扱う。

図１３は、設定し直した制動時間Ｔｃ２の経過した時刻が、制動時間Ｔｃ１の経過した時刻よりも前になった状態を示している。モータ２の回転数が第２の閾値Ｎ_ｔｈ２から第３の閾値Ｎ_ｔｈ３に低下したら（時間ｔ_３）、再び制動時間Ｔｃ３を設定し直す。図では設定し直した制動時間Ｔｃ３の経過した時刻が、制動時間Ｔｃ２の経過した時刻よりも前になった状態を示している。このように、モータ２の回転数の低下に応じて、制動時間Ｔｃを複数回設定し直しながらブレーキ動作を行うため、ドライバドリル１等の電動工具の個体差や経年変化に起因するばらつきの影響を良好に除外でき、より適切なブレーキ動作を可能にできる。

図１４は、図１３の制御手順を示すフローチャートである。図１４において、処理をスタートし（ステップ１２０）、時間ｔ_０においてブレーキ動作を開始するが、ステップ１２１からステップ１２５までの処理は図９のステップ８１〜８５と同じであるので、繰り返しの説明は省略する。次に、ステップ１２６で第１の閾値Ｎ_ｔｈ１に到達したか否かを判定し、第１の閾値Ｎ_ｔｈ１に到達したら、演算部１９は制動時間Ｔｃ１を設定する（ステップ１２７）。この制動時間Ｔｃ１の設定方法は、第１の実施例と同様であり、電動工具たるドライバドリルの特性に合わせて、あらかじめ設定して演算部１９に格納しておく。

次に、演算部１９は制動期間Ｔｃ１が経過したか否かを判定する（ステップ１２８）。経過していない場合はステップ１３０に移る。経過した場合は、ブレーキ動作を終了させ（ステップ１２９）、再びステップ１２１に戻り、再びトリガスイッチ７がオンになるまで待機状態となる。

ステップ１３０では、演算部１９はブレーキ動作中のモータ２の回転数Ｎを検出する。次に、演算部１９は、第２の閾値Ｎ_ｔｈ２に到達したか否かを検出し、到達していなかったらステップ１２８に戻り、到達していたら（時間ｔ_２）ステップ１３２に進む。

ステップ１３２において、演算部１９は制動時間Ｔｃ２を設定する。この制動時間Ｔｃ２の設定方法は、制動時間Ｔｃ２の設定方法と同様である。次に、演算部１９は、制動時間Ｔｃ２を設定した後に、制動期間Ｔｃ２が経過したか否かを判定する（ステップ１３３）。経過していない場合はステップ１３５に移る。経過した場合は、ブレーキ動作を終了させ（ステップ１３４）、ステップ１２１に戻る。

ステップ１３５では、演算部１９はブレーキ動作中のモータ２の回転数Ｎを検出する。次に、演算部１９は、第３の閾値Ｎ_ｔｈ３に到達したか否かを検出し、到達していなかったらステップ１３３に戻り、到達していたらステップ１３７に進む（ステップ１３６）。

ステップ１３７において、演算部１９は制動時間Ｔｃ３を設定する。この制動時間Ｔｃ３の設定方法は、制動時間Ｔｃ１、Ｔｃ２の設定方法と同様である。次に、演算部１９は、制動時間Ｔｃ３を設定した後に、制動期間Ｔｃ３が経過したか否かを判定する（ステップ１３８）。経過した場合は、ブレーキ動作を終了させ（ステップ１３９）、ステップ１２１に戻る。ステップ１３８で経過していない場合は、経過するまで待機する。この待機の期間中は、ブレーキ動作が継続して行われる。この期間のブレーキ動作の終了判定は、時間で制御されるので、低速状態のモータ２の回転数検出を省略することが可能となり、確実にモータ２を停止させることができる。

以上のように、第３の実施例によれば、閾値として設定された回転数Ｎ_{ｔｈ（ｎ）}（但しｎ＝１，２，３）を複数設定し、ブレーキ動作を終了させる時間Ｔ_Ｃ（ｎ）（但しｎ＝１，２，３）を複数回にわたって算出しながらブレーキ動作を行うので、精度良くブレーキ動作を実行することが可能となる。尚、第３の実施例ではブレーキ動作を終了させる時間Ｔ_Ｃ（ｎ）のｎを１，２，３に設定したが、それ以上の値、即ちｎ＝１〜ｍ（ｍは正の自然数）としても良い。また、最初の時間Ｔ_Ｃ（１）を設定させる回転数は、例えばモータ２の最高回転数の３〜１０％程度で良い。

以上、本発明を示す実施例に基づき説明したが、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、本実施例では電動工具の例としてドライバドリルを用いて説明したが、本発明の電動工具はこれに限られず、他の電動工具にも同様に適用できる。例えば、電動のインパクトドライバ、丸鋸、ハンマドリル、ジグソー、スクリュードライバ、グラインダ、釘打機などに適用することができる。

１ドライバドリル２ブラシレス直流モータ
２ａ回転子（マグネットロータ）２ｂ永久磁石
２ｃ固定子（ステータヨーク）２ｄ固定子巻線
２ｅ出力回転軸２ｆ絶縁層
２ｈティース部３インバータ回路部
３ａ半導体スイッチング素子４制御回路部
５トルク設定ダイヤル６ハウジング
６ａ胴体ハウジング部６ｂハンドルハウジング部
７スイッチトリガ７ａトリガ操作部
８スピンドル９正逆切替レバー
１０、１１、１２回転位置検出素子（ホールＩＣ）
１３制御信号出力回路１４印加電圧設定回路
１５回転方向設定回路１６回転子位置検出回路
１７回転数検出回路１８電流検出回路１９演算部
２０スイッチ操作検出回路２１吸気口２２防塵カバー
２３空気流通路２４冷却用ファン２５動力伝達部
２６減速機構部２７クラッチ機構部
２８チャック（先端工具取付部）３０電池パック（リチウムイオン二次電池）
３３インバータ回路４４制御部
Ｈ１〜Ｈ６ＰＷＭ駆動信号
Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子
Ｕ、Ｖ、Ｗ３相固定子巻線

Claims

モータと、作業者のトリガ操作により前記モータのＯＮ及びＯＦＦを指示するトリガスイッチと、前記モータの回転数を検出する回転数検出部と、前記トリガスイッチと前記回転数検出部の出力に基づいて前記モータの回転制御を行う制御部を有する電動工具において、
前記制御部は、
前記トリガスイッチ操作の解除がなされた場合に前記モータに制動力を加えるブレーキ動作を行い、
前記回転数検出部においてブレーキ動作中の前記モータの回転数を検出し、ブレーキ制動を開始してから所定の回転数に達するまでの回転数低下状況を監視し、
ブレーキ動作中の回転数が前記所定の回転数以上である場合はブレーキ動作を継続して行い、
ブレーキ動作により回転数が低下して前記所定の回転数以下となった場合は、回転数の低下（ΔＮ）／回転数低下に要した時間（Ｔｄ）を算出し、予め前記制御部に記憶させた対応表を元にブレーキ動作を終了させる時間を求め、該時間経過後に前記ブレーキ動作を解除することを特徴とする電動工具。
モータと、作業者のトリガ操作により前記モータのＯＮ及びＯＦＦを指示するトリガスイッチと、前記モータの回転数を検出する回転数検出部と、前記トリガスイッチと前記回転数検出部の出力に基づいて前記モータの回転制御を行う制御部を有する電動工具において、
前記制御部は、
前記トリガスイッチ操作の解除がなされた場合に前記モータに制動力を加えるブレーキ動作を行い、
前記回転数検出部においてブレーキ動作中の前記モータの回転数変化を時間経過毎に検出し、ブレーキ動作中の回転数が所定の回転数以上である場合はブレーキ動作を継続して行い、
ブレーキ動作により回転数が低下して第ｎの回転数以下となった場合は、第ｎの回転数以下になった直後からブレーキ動作を終了させる時間（Ｔ_Ｃ（ｎ））を算出し、
該時間（Ｔ_Ｃ（ｎ））が経過前に回転数が低下して第ｎ＋１の回転数以下となった場合は、再びブレーキ動作を終了させる時間（Ｔ_{Ｃ（ｎ＋１）}）を算出し、
前記時間（Ｔ_{Ｃ（ｎ＋１）}）経過後に前記ブレーキ動作を解除することを特徴とする電動工具。
前記モータは、回転子および固定子巻線を有するブラシレス直流モータであり、
前記回転子を回転駆動させるために前記固定子巻線に駆動電流を供給するための複数の半導体スイッチング素子を含むインバータ回路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記インバータ回路のスイッチング素子は電源の正側に接続される複数の上アーム側スイッチング素子と電源の負側に接続される複数の下アーム側スイッチング素子から構成され、
前記制御部は、前記上アーム側スイッチング素子もしくは前記下アーム側スイッチング素子のどちらか一方の素子を全てオンする短絡制動によってブレーキ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
前記制御部は、前記上アーム側スイッチング素子もしくは前記下アーム側スイッチング素子のどちらか一方の素子を全てオンする短絡制動と、前記固定子巻線に駆動電流を供給して逆方向のトルクを発生させる逆トルク制動を任意に切り替えてブレーキ動作を行うことを特徴とする請求項３に記載の電動工具。