(57)【要約】【課題】先端工具の脱落抑制と先端工具の迅速な停止をバランス良く実現可能な電動工具を提供する。【解決手段】モータ６と、モータ６によって回転する先端工具と、前記先端工具の回転数を検出する回転検出手段と、モータ６の回転を制御する制御部５０と、モータ６の駆動、停止を指示するための操作スイッチ５と、を備える電動工具であって、制御部５０は、モータ６を停止するように操作スイッチ５が操作された場合に、モータ６に制動力を与えるとともに、前記先端工具の回転数の低下又は制動力を与え始めてからの時間の経過に応じて制動力を徐々に小さくし、前記先端工具の回転数が時間の経過と共に直線的に低下するように前記制動力を制御する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
前記モータによって回転する先端工具と、
前記先端工具の回転数を検出する回転検出手段と、
前記モータの回転を制御する制御部と、
前記モータの駆動、停止を指示するための操作部と、を備え、
前記制御部は、前記モータを停止するように前記操作部が操作された場合に、前記モータに制動力を与えるとともに、前記先端工具の回転数の低下又は制動力を与え始めてからの時間の経過に応じて制動力を徐々に小さくする制御を実行する、電動工具。
【請求項２】
前記制御部は、制動力を与え始めてから前記先端工具が停止するまでの期間の少なくとも一部において、前記先端工具の回転数が時間の経過と共に直線的に低下するように前記制動力を制御する、請求項１に記載の電動工具。
【請求項３】
前記回転検出手段は、前記モータの回転子の回転位置を検出する位置センサを含む、請求項１又は２に記載の電動工具。
【請求項４】
前記モータは、ブラシレスモータであり、
前記モータに電流を供給する、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路を備え、
前記制御部は、前記インバータ回路を制御することで前記モータに電気制動力を与え、前記インバータ回路の所定のスイッチング素子のオン期間のデューティ比を制御することで前記電気制動力を制御する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
【請求項５】
前記モータの回転子の回転を減速する減速部と、
前記減速部に接続され、前記回転子の回転軸と略直交する方向に伸びるスピンドルと、を備え、
前記先端工具は、前記スピンドルに取り付けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制動機能を有するグラインダ等の電動工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、グラインダ等の電動工具において、トリガ等の操作スイッチがオフされると自動的に制動を行う（ブレーキをかける）ものが知られている。下記特許文献１は、グラインダにおいて、取り付けた先端工具の慣性モーメントが大きいほど制動力を小さく設定することを開示する。これによれば、先端工具の慣性モーメントによらず一定の制動を行う構成と比較して、慣性モーメントの大きい先端工具を取り付けている場合に、制動時に使用者に大きな反動が加わることを抑制することができる。また、取り付けた先端工具の慣性モーメントに合わせた制動力を設定するため、先端工具をスピンドルに固定するホイルナット（ロックナット）の制動時における緩みを抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０８４５５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先端工具の慣性モーメントが同じであれば、制動時にホイルナットを緩めようとする力は、先端工具の回転数の減少速度によって決まる。制動開始から先端工具の停止までの期間において同じ制動力を与えた場合、先端工具が停止する直前に回転数の減少速度が最大となり、ホイルナットを緩めようとする力も最大となる。このため、先端工具が停止する直前にホイルナットが外れ、先端工具が脱落しやすくなる。一方、停止直前に先端工具が脱落しないように制動力を設定すると、先端工具を迅速に止めることができない。
【０００５】
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、先端工具の脱落抑制と先端工具の迅速な停止をバランス良く実現可能な電動工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、
モータと、
前記モータによって回転する先端工具と、
前記先端工具の回転数を検出する回転検出手段と、
前記モータの回転を制御する制御部と、
前記モータの駆動、停止を指示するための操作部と、を備え、
前記制御部は、前記モータを停止するように前記操作部が操作された場合に、前記モータに制動力を与えるとともに、前記先端工具の回転数の低下又は制動力を与え始めてからの時間の経過に応じて制動力を徐々に小さくする制御を実行する。
【０００７】
前記制御部は、制動力を与え始めてから前記先端工具が停止するまでの期間の少なくとも一部において、前記先端工具の回転数が時間の経過と共に直線的に低下するように前記制動力を制御してもよい。
【０００８】
前記回転検出手段は、前記モータの回転子の回転位置を検出する位置センサを含んでもよい。
【０００９】
前記モータは、ブラシレスモータであり、
前記モータに電流を供給する、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路を備え、
前記制御部は、前記インバータ回路を制御することで前記モータに電気制動力を与え、前記インバータ回路の所定のスイッチング素子のオン期間のデューティ比を制御することで前記電気制動力を制御してもよい。
【００１０】
前記モータの回転子の回転を減速する減速部と、
前記減速部に接続され、前記回転子の回転軸と略直交する方向に伸びるスピンドルと、を備え、
前記先端工具は、前記スピンドルに取り付けられてもよい。
【００１１】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、先端工具の脱落抑制と先端工具の迅速な停止をバランス良く実現可能な電動工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るグラインダ１の、操作スイッチ５がオフの状態の側断面図。
【図２】グラインダ１の、操作スイッチ５がオンの状態の側断面図。
【図３】図３（Ａ）は、図３（Ｂ）のＡ−Ａ断面図。図３（Ｂ）は、図１のコントローラボックス４０をＢ方向から見た矢視図。
【図４】ギヤケース４及びパッキングランド１１に対して砥石１０、ホイルワッシャ１４、ホイルナット１５及びスピンドル２０を分解した状態の前方から見た斜視図。
【図５】グラインダ１の制御ブロック図。
【図６】グラインダ１の制御フローチャート。
【図７】図６に示すブレーキ制御を行った場合のモータ６の回転数の理想的な（目標とする）時間変化を示すグラフ。
【図８】比較例に関し、デューティ比を一定とするブレーキ制御を行った場合のモータ６の回転数の時間変化の一例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１５】
図１〜図４を参照し、本発明の実施の形態に係る電動工具としてのグラインダ１の機械的構成を説明する。グラインダ１は、先端工具（回転具）としての砥石１０を備え、コンクリートや石材などの表面を平坦にする研削作業などに用いられる。なお、先端工具としては、円板状の研磨用砥石や切断用砥石の他に、円板状のブラシやカッター等も取付け可能である。グラインダ１は、ハウジング３（例えば樹脂製）と、ギヤケース４と、を備える。
【００１６】
ハウジング３は、全体として略円筒形状を成しており、ハウジング３の内部には、原動機としてのモータ（電動モータ）６が収容されている。モータ６は、ハウジング３の後端から引き出された電源コード７を介して商用電源等の外部交流電源に接続される。モータ６の出力軸６ａの前端部には、第１ベベルギヤ２１が設けられる。ハウジング３には、モータ６の駆動、停止を指示するための操作部としての操作スイッチ（トリガスイッチ）５が設けられる。操作スイッチ５は、スプリング５ｃによって後方（オフになる方向）に付勢されているが、操作スイッチ５を前方にスライドさせて図２に示すように係止凸部５ａをハウジング３の係止凹部３ａに引っ掛けることで、操作スイッチ５をオン状態に係止できる。
【００１７】
ギヤケース４は、例えばアルミ合金等の金属製であり、ハウジング３の前端部に取り付けられる。ギヤケース４の開口部は、蓋部材としてのパッキングランド１１によって塞がれる。パッキングランド１１は、ギヤケース４に対して例えばネジ止め等により固定される。パッキングランド１１は、後述のホイルガード３０を保持する保持部材となる。ギヤケース４の内部には、２つの軸受（ニードルベアリング１２及びボールベアリング１３）が設けられ、これら軸受によってスピンドル２０が回転自在に保持される。スピンドル２０は、モータ６の出力軸６ａと直交し、その一端はパッキングランド１１を貫通して外部に突出する。一方、ギヤケース４内に位置するスピンドル２０の他端には、モータ６の出力軸６ａに取り付けられた第１ベベルギヤ２１と噛み合う第２ベベルギヤ２２が設けられる（取り付けられる）。モータ６の回転は、第１ベベルギヤ２１及び第２ベベルギヤ２２によって回転方向が９０度変換されるとともに、回転速度が所定の減速比で減速されてスピンドル２０に伝達される。すなわち、スピンドル２０はモータ６によって回転駆動される。
【００１８】
砥石１０は、ホイルワッシャ１４及びホイルナット（ロックナット）１５によってスピンドル２０に固定され、スピンドル２０と一体的に回転する。ハウジング３に設けられた操作スイッチ５が操作されると、モータ６に電力が供給され、モータ６の出力軸６ａが回転する。すると、第１ベベルギヤ２１及び第２ベベルギヤ２２を介して出力軸６ａに連結されているスピンドル２０が回転し、スピンドル２０に固定された砥石１０が回転する。パッキングランド１１には、砥石１０の外周の少なくとも１／２以上を覆うホイルガード３０が取り付けられる。ホイルガード３０は、作業中にその回動位置が変化しないように回り止めされるとともに、回り止めを解除すれば作業内容に合わせて回動位置を変更できるようになっている。
【００１９】
モータ６は、本実施の形態ではブラシレスモータであり、出力軸６ａの周囲に出力軸６ａと一体に回転する磁性体からなるロータコア６ｂが設けられる。ロータコア６ｂには、複数の（例えば４つの）ロータマグネット６ｃが挿入保持される。ロータコア６ｂの周囲には、ステータコア６ｄが設けられる（ハウジング３に固定される）。ステータコア６ｄには、インシュレータ６ｆを介してステータコイル６ｅが設けられる。
【００２０】
ハウジング３内において、モータ６の後方には、コントローラボックス４０が設けられる。コントローラボックス４０には、メイン基板４１、センサ基板４４、及びスイッチ基板４６が収容され、図３（Ａ）,（Ｂ）に示すようにウレタン４８が充填される。メイン基板４１には、ダイオードブリッジ４２やインバータ回路４３、図５に示すコントローラ５４等が設けられる。センサ基板４４は、モータ６の出力軸６ａの後端部に設けられたセンサマグネット８と対向する。センサ基板４４の、センサマグネット８との対向面には、位置センサとしての３つのホールＩＣ（磁気センサ）４５が例えば６０°間隔で設けられる。センサマグネット８の発生する磁界をホールＩＣ４５で検出することで、モータ６の回転位置（回転子位置）を検出することができる。スイッチ基板４６は、操作スイッチ５の操作に連動してスライドするスライドバー５ｂの先端部に設けられたスイッチマグネット５ｄと対向する。スイッチ基板４６の、スイッチマグネット５ｄとの対向面には、２つのホールＩＣ（磁気センサ）４７が設けられる。スイッチマグネット５ｄは、操作スイッチ５のオンオフに応じていずれかのホールＩＣ４７と正対する。
【００２１】
図５は、グラインダ１の制御ブロック図である。交流電源５１には、ノイズ対策用のフィルタ回路５２を介してダイオードブリッジ４２が接続される。ダイオードブリッジ４２の出力端子には、力率改善回路５３を介してインバータ回路４３が設けられる。力率改善回路５３は、例えばＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＴｒと、トランジスタＴｒのゲートにＰＷＭ制御信号を出力するゲートドライバＩＣ５３ａとを含み、インバータ回路４３の各スイッチング素子で発生する高調波電流を制限値以下に抑える働きを持つ。インバータ回路４３は、例えばＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を三相ブリッジ接続したものであり、モータ６に駆動電流を供給する。検出抵抗Ｒｓは、モータ６に流れる電流を電圧に変換する。
【００２２】
図５において、操作スイッチ検出回路５５は、図１のスイッチ基板４６に搭載された２つのホールＩＣ４７であり、操作スイッチ５の位置（オンオフ）に応じたスイッチ操作検出信号をコントローラ５４に送信する。コントローラ５４は、スイッチ操作検出信号により操作スイッチ５がオンになったことを検出すると、通電ランプ６１を点灯する。モータ電流検出回路５６は、検出抵抗Ｒｓの端子電圧に基づいてモータ６に流れる電流を特定し、モータ電流検出信号をコントローラ５４に送信する。制御信号出力回路（ゲートドライバＩＣ）５７は、コントローラ５４の制御に従い、インバータ回路４３を構成する各スイッチング素子のゲートにＰＷＭ信号等の駆動信号を印加する。
【００２３】
回転子位置検出回路５８は、ホールＩＣ４５の出力信号に基づいてモータ６の回転子の回転位置を検出し、回転子位置検出信号をコントローラ５４及びモータ回転数検出回路５９に送信する。モータ回転数検出回路５９は、回転子位置検出回路５８からの回転子位置検出信号に基づいてモータ６の回転数を検出し、モータ回転数検出信号をコントローラ５４に送信する。コントローラ５４は、コントローラ５４は、スイッチ操作検出信号、モータ電流検出信号、回転子位置検出信号、及びモータ回転数検出信号、並びに速度設定ダイヤル６２の位置に応じて制御信号出力回路５７を制御し、インバータ回路４３を構成する各スイッチング素子を駆動し、モータ６を回転駆動する。コントローラ５４は、速度表示部６３により、モータ６の回転速度を使用者に報知する。
【００２４】
グラインダ１において制動を行う場合、電気制動（電気ブレーキ）を利用することができる。具体的には、図５において、制御部５０は、インバータ回路４３を構成する複数のスイッチング素子のうちハイサイド側のスイッチング素子Ｔｒ１,Ｔｒ３,Ｔｒ５をオフ、ローサイド側のスイッチング素子Ｔｒ２,Ｔｒ４,Ｔｒ６の少なくとも１つをオンにすることで、電気制動を行うことができる。このときの電気制動力は、オン期間のデューティ比によって変化させることができる。オン期間のデューティ比が大きいほど制動力は大きくなる。よって、制御部５０は、オン期間のデューティ比の制御により、任意の制動力を発生させることができる。
【００２５】
本実施の形態では、後述のように制御部５０は、制動開始後にデューティ比を徐々に低下させることにより、モータ６の回転数（砥石１０の回転数）が直線的に低下するように制動力を制御する。換言すれば、制御部５０は、時間当たりの回転数の変化量が一定になるように制動力を制御する。なお、制御部５０はモータ６の回転数を検出するが、モータ６の回転数（回転子の回転数）と砥石１０の回転数は、回転子の回転を減速する減速部（減速機構）をとしての第１ベベルギヤ２１及び第２ベベルギヤ２２の減速比によって１対１で対応することから、制御部５０は砥石１０の回転数も検出していることになる。
【００２６】
図６は、グラインダ１の制御フローチャートである。このフローチャートは、使用者が操作スイッチ５をオンにすることよって開始される。制御部５０は、操作スイッチ５がオンされるとモータ６を起動し（Ｓ１）、操作スイッチ５がオフにならない限り（Ｓ２のＮＯ）、モータ６の駆動（回転数制御）を継続する（Ｓ３）。制御部５０は、操作スイッチ５がオフになると（Ｓ２のＹＥＳ）、すなわち操作スイッチ５がモータ６を停止するように操作されると、電気ブレーキを利用したブレーキ制御を開始する（Ｓ４）。具体的には、制御部５０は、初期デューティ比で所定のスイッチング素子をオンオフする（ＰＷＭ制御する）ブレーキ制御を行う。初期デューティ比は、実験的に定められる。制御部５０は、現在のデューティ比でのブレーキ制御を所定時間Δｔ（例えば０．１秒）だけ継続する（Ｓ５）。なお、ステップＳ５は、現在のデューティ比でのブレーキ制御をモータ６の回転数がΔωだけ低下するまで継続するものであってもよい。
【００２７】
その後、制御部５０は、モータ６の回転数を検出すると共に（Ｓ６）、現時点での理想の回転数（目標回転数）を計算する（Ｓ７）。理想の回転数は、ブレーキ制御開始時のモータ６の回転数とブレーキ制御開始からの経過時間を基に計算できる。制御部５０は、検出した回転数が０でなければ（Ｓ８のＮＯ）、すなわちモータ６が停止していなければ、検出した回転数と計算した理想の回転数との差分に応じてブレーキ制御のデューティ比を調整する（Ｓ９）。具体的には、調整後のデューティ比をＸn+1、現在のデューティ比をＸn、補正係数をα、検出した回転数（角速度）をωn、理想の回転数（角速度）をω*nとして、
Ｘn+1＝Ｘn＋α（ωn−ω*n）  …式１
を計算し、デューティ比をＸn+1に変化させる。補正係数αは、正の値であり、実験的に定められる。検出した回転数が理想回転数よりも高い場合（ωn＞ω*n）は、α（ωn−ω*n）は正の値となり、制御部５０はブレーキ制御のデューティ比を高くして制動力を大きくすることになる。検出した回転数が理想回転数よりも低い場合（ωn＜ω*n）は、α（ωn−ω*n）は負の値となり、制御部５０はブレーキ制御のデューティ比を低くして制動力を小さくすることになる。以降、制御部５０は、所定時間Δｔが経過するごとに上記式１の計算によるデューティ比の調整を繰り返し（Ｓ５〜Ｓ９）、検出した回転数が０になると（Ｓ８のＹＥＳ）、すなわちモータ６が停止すると、ブレーキ制御を停止する（Ｓ１０）。
【００２８】
図７は、図６に示すブレーキ制御を行った場合のモータ６の回転数の理想的な（目標とする）時間変化を示すグラフである。図８は、比較例に関し、デューティ比を一定とするブレーキ制御を行った場合のモータ６の回転数の時間変化の一例を示すグラフである。
【００２９】
図８に示すように、デューティ比を一定とするブレーキ制御では、モータ６の回転数の低下速度が、ブレーキ制御の開始（時刻ｔ０）からの時間の経過（モータ６の回転数の低下）に従って大きくなる。このため、砥石１０が停止する直前にホイルナット１５が外れ、砥石１０が脱落しやすくなる。一方、停止直前に砥石１０が脱落しないようにデューティ比（制動力）を設定すると、砥石１０を迅速に止めることができない。
【００３０】
これに対し、図７に示すように、本実施の形態によれば、ブレーキ制御におけるデューティ比を時間の経過（モータ６の回転数の低下）に応じて徐々に小さくする（制動力を徐々に小さくする）ことで、モータ６の回転数を時間の経過と共に直線的に低下させることができる。このため、モータ６の回転数低下の速度（傾き）を、ホイルナット１５が外れを確実に防止できる範囲で最大とすることで、砥石１０の脱落を抑制しながら砥石１０を迅速に停止させることができる（砥石１０の脱落抑制と砥石１０の迅速な停止をバランス良く実現できる）。
【００３１】
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
【００３２】
制御部５０は、モータ６の減速時の回転数変化率、モータ６の加速時（起動時）の回転数変化率、あるいはモータ６の起動電流により、先端工具の慣性モーメントを導出し、先端工具の慣性モーメントに応じてブレーキ制御における初期デューティ比やモータ６の目標とする回転数低下速度、式１の補正係数αを決定してもよい。慣性モーメントを導出しない場合は、グラインダ１に装着し得る先端工具のうち最も慣性モーメントの大きなものに合わせてブレーキ制御における初期デューティ比やモータ６の目標とする回転数低下速度、式１の補正係数αを予め決めておけばよい。
【００３３】
制御部５０は、デューティ比を時間の経過に応じて徐々に小さくするブレーキ制御（モータ６の回転数を時間の経過と共に直線的に低下させるブレーキ制御）を、ブレーキ制御の開始からモータ６の停止までのブレーキ期間のうちの一部の期間のみ（例えば後半のみ）に限定して行い、他の期間は固定デューティ比でのブレーキ制御を行ってよい。この場合も、ブレーキ期間の全てにおいて固定デューティ比でのブレーキ制御を行う場合と比較すれば、砥石１０の脱落抑制と砥石１０の迅速な停止をバランス良く実現できる。
【００３４】
本発明の電動工具は、グラインダに限定されず、例えば丸鋸やコンクリートカッタ、刈払機、芝刈機など、比較的慣性モーメントの大きな先端工具を取付可能な他の種類の電動工具であってもよい。また、本発明の電動工具は、外部の交流電源からの電力で動作するコード付きタイプ（ＡＣ駆動）に限定されず、電池パックの電力で動作するコードレスタイプ（ＤＣ駆動）であってもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  グラインダ、３  ハウジング、３ａ  係止凹部、４  ギヤケース、５  操作スイッチ（トリガスイッチ）、５ａ  係止凸部、５ｂ  スライドバー、５ｃ  スプリング、５ｄ  スイッチマグネット、６  モータ（電動モータ）、６ａ  出力軸、６ｂ  ロータコア、６ｃ  ロータマグネット、６ｄ  ステータコア、６ｅ  ステータコイル、６ｆ  インシュレータ、７  電源コード、８  センサマグネット、１０  砥石（先端工具）、１１  パッキングランド（保持部材）、１２  ニードルベアリング、１３  ボールベアリング、１４  ホイルワッシャ、１５  ホイルナット（ロックナット）、２０  スピンドル、２１  第１ベベルギヤ、２２  第２ベベルギヤ、３０  ホイルガード、４０  コントローラボックス、４１  メイン基板、４２  ダイオードブリッジ、４３  インバータ回路、４４  センサ基板、４５  ホールＩＣ（磁気センサ）、４６  スイッチ基板、４７  ホールＩＣ（磁気センサ）、４８  ウレタン、５０  制御部、５１  交流電源、５２  フィルタ回路、５３  力率改善回路、５３ａ  ゲートドライバＩＣ、５４  コントローラ、５５  操作スイッチ検出回路、５６  モータ電流検出回路、５７  制御信号出力回路（ゲートドライバＩＣ）、５８  回転子位置検出回路、５９  モータ回転数検出回路、６１  通電ランプ、６２  速度設定ダイヤル、６３  速度表示部、Ｒｓ  検出抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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