(57)【要約】【課題】モータのトルク−回転数特性を最も作業効率が良くなるように制御する。【解決手段】電流検出部３４には回転中のモータ１４から電流が入力され、電圧制御部３６には充電池１２の電圧が入力される。電圧制御部３６は、入力された電圧および電流検出部３４に入力された電流に基づいてモータ１４の最適回転数に対応する駆動電圧を、モータドライバ１３に出力する。即ち、充電池の充電状態または負荷トルクに拘らず最適回転数に一致するので、インパクトドライバはねじが異なる場合でもねじ締めを最も効率良く行う。従って、負荷トルクと比例関係にある負荷電流および充電池１２の電圧に基づいてモータ制御を行うので、モータ駆動電圧を負荷トルク即ちねじ負荷に対応する最適回転数に適宜変動し得、電動工具に応じるモータのトルク−回転数特性を最も作業効率が良くなるように制御できる。【選択図】図２
2010173054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源の電圧を検出する電圧検出手段と、
モータの回転中における電流を検出する電流検出手段と、
上記各検出手段で検出した電圧および電流に基づき、上記モータの最適回転数に対応する駆動電圧を演算し、この演算結果の駆動電圧を上記モータへ出力する回転制御手段と、  を備えることを特徴とする電動工具。
【請求項２】
電源の電圧を検出すると共にモータの回転中における電流を検出し、検出した電圧および電流に基づいて上記モータの最適回転数に対応する駆動電圧を演算し、この演算結果の駆動電圧を上記モータへ出力することを特徴とするモータの回転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばボルトやナット等のねじ類の締付け作業（ねじ締め作業）に使用する電動工具およびモータの回転制御方法に関するものであり、特にモータの回転を最適回転数になるように制御する電動工具およびモータの回転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動工具たとえばインパクトドライバでは、モータの回転数を全く制御しない工具または回転数を制御する工具がある（特許文献１参照）。回転数を制御する一般的な方法としては、目標回転数を一定にする回転数制御方式または目標電圧を一定にする電圧制御方式がある。以下、上述した各電動工具のブロック図を、図９（Ａ）乃至図９（Ｃ）に基づいて各々説明する。
【０００３】
モータの回転数を全く制御しない電動工具は、図９（Ａ）に示すように、電源となる充電池８０と，図示しないハンマを作動させるモータ８２と、充電池８０及びモータ８４の間に配置されるモータドライバ８１を備える。上述した回転数制御方式では、図９（Ｂ）に示すように、ＣＰＵ８４とモータドライバ８１が接続されており、ＣＰＵ８４はメモリ８６および回転数制御部８８を備える。そして、モータ８２の回転数が回転数制御部８８へ入力され、この入力された回転数がメモリ８６に予め設定されている目標回転数になるよう回転数制御部８８は制御する。即ち、回転数制御方式では、常に一定の目標回転数になるよう制御する方式である。なお、ＣＰＵ８４は、充電池８０に接続され、電圧が印加される。また、図９（Ｂ）において、図９（Ａ）に示す構成と実質的に同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【０００４】
上述した電圧制御方式では、図９（Ｃ）に示すように、ＣＰＵ８４には電圧制御部９０が設けられている。そして、充電池８０の電圧が電圧制御部９０へ入力され、この入力された電圧がメモリ８６に予め設定されている目標電圧になるよう電圧制御部９０は制御する。即ち、電圧制御方式では、常に一定の目標電圧になるよう制御する方式である。なお、図９（Ｃ）において、図９（Ｂ）に示す構成と実質的に同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平８−１４１９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図９（Ａ）に示す制御しない電動工具では、モータ８２の回転数は充電池８０の充電量によって変動し、例えば充電量が低下するとねじ締め速度が落ちる。即ち、図１０（Ａ）に示すように、充電残量が多い状態（以下、満充電という）と充電残量が少ない状態（以下、放電末期という）は、回転数および負荷トルクが比例（平行）して増減するので、使い勝手が悪い。なお、図１０は、回転数と負荷トルクの関係を、充電池の充電状態で比較した図である。ここで、負荷トルクは、ハンマ等で構成される打撃機構が打撃時に受けるトルクであり、ねじの種類によって異なる。また、負荷トルクはモータの負荷電流に比例し、モータの回転数は充電池の電圧と負荷トルクによって決定する。そして、図１０（Ａ）の○印に示すように、最適回転数とは満充電時のある負荷トルクでの一点のみが一致するのみで、作業効率が悪い。理由は、以下に説明する。
【０００７】
（最適回転数の説明）
ここで、最適回転数（この内容自体は新規事項である）について説明する。まず、異なるねじ（ねじ締めトルク）において回転数を変化させた時の一打撃の進み角と打撃周波数との関係を、図１１に示す。図１１より、異なるねじにおいて、回転数を必要以上に高くしても進み角は大きくならず（即ち、打撃力が強くならず）、打撃周波数が高くなるのみである。このことより、回転数には、ねじ負荷に応じる最適回転数があることを意味し、この最適回転数を目標の回転数とすれば効率良く打撃し得、且つ打撃周波数を抑えられる。なお、打撃周波数は、ハンマが図示しないアンビルを打撃する際の周波数である。
【０００８】
そして、ねじ負荷をモータの負荷トルクに置換する際の上記負荷トルクと最適回転数を表す図を、図１２に示す。この図１２の最適回転数と図１１に示す最適回転数とは同一であり、荷重が異なるねじ等であっても最適回転数を示す線上に位置する。即ち、最適回転数でモータを回転させると、インパクトドライバはねじが異なる場合でもねじ締めを最も効率良く行う。従って、図１０（Ａ）に示すように、最適回転数を外れる場合は、作業能率が悪い。
【０００９】
一方、図９（Ｂ）に示す回転数制御方式では、回転数が略一定になるので、ある負荷トルクでしか最適回転数と一致しない。即ち、回転数は、満充電時において、一致する部分から離れるにしたがって最適回転数から大きく外れることになる。なお、回転数制御方式の放電末期では、図１０（Ａ）の放電末期と同様な直線を描く。
【００１０】
図９（Ｃ）に示す電圧制御方式では、目標電圧が一定になるよう制御されるので、モータ自体のモータ特性に対応する直線を描くことになる。即ち、電圧制御方式では図１０（Ａ）のモータ特性と平行な直線になるが、回転数制御方式と同様に、ある負荷トルクでしか最適回転数と一致しない。従って、回転数は、一致する部分から離れるにしたがって最適回転数から外れることになる。
【００１１】
そこで、本発明は、モータのトルク−回転数特性を最も作業効率が良くなるように制御する電動工具およびモータの回転制御方法を、提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る電動工具は、電源の電圧を検出する電圧検出手段と、モータの回転中における電流を検出する電流検出手段と、上記各検出手段で検出した電圧および電流に基づき、上記モータの最適回転数に対応する駆動電圧を演算し、この演算結果の駆動電圧を上記モータへ出力する回転制御手段と、を備えることを特徴とする。ここで、最適回転数は、モータの負荷トルクが変わっても、例えば打撃などの作業を最も効率良く行うことができる回転数である。
【００１３】
また、本発明に係るモータの回転数制御方法は、電源の電圧を検出すると共にモータの回転中における電流を検出し、検出した電圧および電流に基づいて上記モータの最適回転数に対応する駆動電圧を演算し、この演算結果の駆動電圧を上記モータへ出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る電動工具およびモータの回転制御方法では、例えばモータに加わる負荷トルクまたは充電池の充電状態に拘らず、最適回転数に一致するので、モータを換えることなく電動工具は作業を最も効率良く行う。即ち、本発明に係る電動工具およびモータの回転制御方法によれば、モータの負荷トルクと比例関係にある負荷電流および電源の電圧に基づいてモータ制御を行うので、モータ駆動電圧を負荷トルク例えばねじ負荷に対応する最適回転数に適宜変動し得、電動工具に応じるモータのトルク−回転数特性を最も作業効率が良くなるように制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る第１実施例の電動工具の断面図である。
【図２】図１に示す電動工具のブロック図である。
【図３】図１に示す電動工具のモータ駆動モードに関するフローチャート図である。
【図４】図３に示すモータ駆動方式を用いた場合の充電池電圧−電流による制御デューティを表す図である。
【図５】図３に示すモータ駆動方式を用いた場合の１４．４Ｖ時における電圧補正−電圧・電流の関係を表す図である。
【図６】満充電からの連続ねじ締めを行った時のねじ締め本数（充電量）によるねじ締め速度の変化を表す図である。
【図７】図３に示すモータ駆動モードでの回転数と負荷トルクの関係を充電池の充電状態で比較した図である。
【図８】本発明に係る第２実施例の電動工具のブロック図である。
【図９】従来例に係る電動工具の各ブロック図、（Ａ）は制御しない場合、（Ｂ）は回転数制御方式、（Ｃ）は電圧制御方式のブロック図である。
【図１０】図９に示す各モータ特性を表す図、（Ａ）は制御しない場合、（Ｂ）は回転数制御方式、（Ｃ）は電圧制御方式のモータ特性を表す図である。
【図１１】最適回転数を説明するための図であり、異なるねじ（ねじ締めトルク）において回転数を変化させた時の一打撃の進み角と打撃周波数との関係を示す図である。
【図１２】最適回転数を説明するための図であり、ねじ負荷をモータの負荷トルクに置換する際の負荷トルクと最適回転数を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、具体化した実施例１及び実施例２を各々説明する。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の第１実施例である電動工具およびモータの回転制御方法は、図１に示すインパクトドライバに適用した例として説明する。
【００１８】
（インパクトドライバの概略構成）
図１に示すように、インパクトドライバ１０は、電源である充電池１２、駆動手段であるモータ１４、モータ１４の回転を減速する減速機構１６、減速機構１６の出力を受けてスライドするハンマ１８、ハンマ１８の回転打撃力が伝わるアンビル２０、トリガレバー２２を備える。なお、アンビル２０には、図示しないドライバビットなどが装着される。また、充電池１２は、着脱可能に配置されている。
【００１９】
（インパクトドライバの制御系に関する構成）
インパクトドライバは、図２に示すように、充電池１２、モータドライバ１３、モータ１４、回転制御手段であるＣＰＵ３０を備える。このＣＰＵ３０は、不揮発性のメモリ３２と電流検出部３４と電圧制御部３６とを備え、インパクトドライバ１０の全体的な動作を司る。記録手段であるメモリ３２は、各種の処理を制御するプログラムを記憶する記憶領域および各種データの読み書き用の記録領域を有し、この記録領域に演算データ及び目標電圧データなどが記録される。
【００２０】
目標電圧データは、図１１及び図１２に示す最適回転数における電圧値のデータである。ここで、最適回転数は、モータ１２の負荷トルクが変わっても例えば打撃などの作業を最も効率良く行うことができる回転数で、図１１及び図１２で既に説明した通りの内容（この内容自体は新規事項）である。なお、ＣＰＵ３０は、充電池１２に接続されており、電圧が印加される。
【００２１】
図２に示すように、電流検出部３４には回転中のモータ１４から電流が入力され、電圧検出手段である電圧制御部３６には充電池１２の電圧が入力される。そして、電圧制御部３６は、電流検出部３４に入力された電流（即ち、負荷トルク）及び電圧制御部３６に入力された電圧に基づいてモータ１２の最適回転数（図７参照）に対応する駆動電圧を、モータドライバ１３に出力する。なお、上記駆動電圧の演算については、後述する。
【００２２】
（本実施例の作用）
図３に示すフローチャートに基づき、モータを最適回転数で駆動させるモータ駆動モードに関する処理を説明する。図１に示すインパクトドライバ１０における処理は、トリガレバー２２が引き操作され図示しないスイッチがオンになると、ＣＰＵ３０がプログラムをロードすることによって実行される。実行される処理ルーチンは図３のフローチャートで表され、これらのプログラムは予めメモリ３２（図２参照）のプログラム領域に記憶されている。そして、本ルーチンは、モータ回転中において、所定電気角たとえば０°でのタイミングで行う処理である。
【００２３】
（モータ駆動モード）
図３に示すステップ１００において、ＣＰＵ３０の電圧制御部３６（図２参照）は充電池１２の電圧Ｖａｄを検出し、その検出した電圧Ｖａｄをメモリ３２に記録する。ステップ１０２において、ＣＰＵ３０の電流検出部３４は回転中のモータ１４の電流Ｉａｄを検出し、その検出した電流Ｉａｄをメモリ３２に記録する。ステップ１０４において、ＣＰＵ３０はメモリ３２から読出した電圧値Ｖａｄ及び電流値Ｉａｄに基づき駆動電圧（駆動信号）を演算する。
【００２４】
具体的には、駆動電圧＝（Ｖｒｅｆ−α・Ｉａｄ）／Ｖａｄで演算する。ここで、Ｖｒｅｆは目標電圧であり、αは実験値より決定した係数である。この係数αは、図４の実験データに基づいて算出したもので、モータ及び打撃機構など他の要因によって変動する。なお、図４は、充電池の電圧が満充電状態（１６Ｖ），放電末期の状態（１２Ｖ）、その中間の通常状態（１４．４Ｖ）における実験値を示す図である。
【００２５】
ステップ１０６において、ＣＰＵ３０の電圧制御部３６は、ステップ１０４で演算した駆動電圧をモータドライバ１３に出力し、モータ１４を最適回転数になるように制御する。そして、本ルーチンの処理は、モータ１４が回転している間、電気角たとえば０°でのタイミングで再び繰り返す。
【００２６】
なお、上述したプログラムの処理の流れ（図３参照）は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能である。例えば、電圧Ｖａｄ及び電流Ｉａｄを複数回に亘って検出し、その平均に基づいてステップ１０４での演算を行うようにしても良い。また、電気角たとえば６０°または１８０°などのいずれを基準としてルーチンを開始させても良い。
【００２７】
本実施例においては、図５に示すように、電圧および電流で補正する場合すなわち本実施例を適用した場合、負荷トルク即ち負荷電流の変動に対応してデューティも変動する。一方、電圧だけで補正する場合には、負荷電流が変動してもデューティは一定のままである。また、図６に示すように、本実施例の制御がある場合は、制御がない場合に比べ、ねじ締め本数の大小に拘らず、ねじ締め速度が常に速く良好であることを示す。
【００２８】
本実施例によれば、図７に示すように、充電池の充電状態または負荷トルクに拘らず最適回転数に一致するので、モータを換えることなく（即ち、既に取付けらているモータのままで）インパクトドライバはねじが異なる場合でもねじ締めを最も効率良く行うことができ、且つ騒音が抑えられる。例えば、負荷トルクが高い重量のあるねじの場合は、回転数を落とすことにより、打撃を最適化する。
【００２９】
即ち、本実施例によれば、モータの負荷トルクと比例関係にある負荷電流に基づいてモータ制御を行うので、モータ駆動電圧を負荷トルク即ちねじ負荷に対応する最適回転数に適宜変動し得、電動工具に応じるモータのトルク−回転数特性を最も作業効率が良くなるように制御できる。
【実施例２】
【００３０】
以下、本発明の第２実施例である電動工具およびモータの回転制御方法を、図８に示すインパクトドライバのブロック図で説明する。なお、上記実施例１と実質的に同一部分については同一符号を付して説明を省略又は簡略化し、主として異なる部分について説明する。
【００３１】
回転制御手段であるＣＰＵ４０は、不揮発性のメモリ４２と電流検出部４４と回転数制御部４６とを備え、図１に示すインパクトドライバ１０の全体的な動作を司る。記録手段であるメモリ４２は、各種の処理を制御するプログラムを記憶する記憶領域および各種データの読み書き用の記録領域を有し、この記録領域に目標回転数データなどが記録される。目標回転数データは、図７に示す最適回転数におけるデータである。
【００３２】
図８に示すように、電流検出部４４には回転中のモータ１４から電流Ｉａｄが入力され、電圧検出手段である回転数制御部４６には充電池１２の電圧Ｖａｄ及び今現在のモータ回転数が入力される。そして、回転数制御部４６は、電流検出部４４に入力されたモータ１４の負荷電流および充電池１２の電圧に基づいて目標回転数を演算すると共に、演算した目標回転数および今現在の回転数の差よりモータ出力電圧を演算してモータドライバ１３へ出力する。具体的には、回転数制御部４６は例えばＰＩ制御（比例・積分制御）により、モータ１４の回転数が目標回転数になるように制御する。
【００３３】
即ち、本実施例は、第１実施例と異なり、負荷電流でモータ駆動電圧を直接に演算するのでは無く、モータの負荷電流および充電池の電圧で一旦目標回転数を演算し、上述した回転数の差に基づき最終的にモータ出力電圧を演算する。従って、本実施例によれば、モータ特性が各々異なる場合でも、モータ１４の回転数が目標回転数になるよう更に正確に制御し得る。なお、モータ１４の回転数は、例えば回転中のモータの逆起電圧や，回転センサ（ホールセンサ，エンコーダ）に基づいて検出する。その他の構成及び作用効果は、第１実施例と同一である。
【００３４】
上記各実施例では電動工具がインパクトドライバの例であるが、本発明は例えばドリルなどの電動工具にも適用し得る。また、本発明は、電源として商業電源を利用する電動工具でも適用し得る。
【符号の説明】
【００３５】
１０    インパクトドライバ（電動工具）
１２    充電池（電源）
１４    モータ（駆動手段）
３０、４０    ＣＰＵ（回転制御手段）
３２、４２    メモリ（記録手段）
３４、４４    電流検出部（電流検出手段）
３６    電圧制御部（電圧検出手段および電圧制御手段）
４６    回転数制御部（電圧検出手段および回転数制御手段）
【図１】
2010173054.tif 000003
【図２】
2010173054.tif 000004
【図３】
2010173054.tif 000005
【図４】
2010173054.tif 000006
【図５】
2010173054.tif 000007
【図６】
2010173054.tif 000008
【図７】
2010173054.tif 000009
【図８】
2010173054.tif 000010
【図９】
2010173054.tif 000011
【図１０】
2010173054.tif 000012
【図１１】
2010173054.tif 000013
【図１２】
2010173054.tif 000014