(57)【要約】長い寿命が達成可能であるようにバイパススイッチに課せられる要件が厳しくない制御回路を提供する。【課題】【解決手段】本発明は電源から電気モータへ供給される電力を制御する制御回路に関し、制御回路は、電気モータへ供給される電力を制御する、電気モータおよび電源に直列に接続された半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を制御する、半導体スイッチング素子に接続された動作手段とを備え、完全導通状態で半導体スイッチング素子の制御範囲を少なくとも一瞬超えた場合、半導体スイッチング素子を制御するように動作手段が構成されている。電流は少なくとも一瞬この値に達するため、スイッチは比較的大きい電流を遮断する必要がなくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータへ供給される電力を制御する、電気モータおよび電源に直列に接続された半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子を制御する、前記半導体スイッチング素子に接続された動作手段と
を備える、電源から電気モータへ供給される電力を制御する制御回路であって、完全導通状態で前記半導体スイッチング素子の制御範囲を少なくとも一瞬超えた場合、前記半導体スイッチング素子を制御するように前記動作手段が構成されていることを特徴とする、制御回路。
【請求項２】
完全導通状態で前記半導体スイッチング素子の制御範囲を超えた場合、前記半導体スイッチング素子を制御するように前記動作手段が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
【請求項３】
前記制御回路が前記半導体スイッチング素子をバイパスするバイパススイッチを備え、前記半導体スイッチング素子の制御範囲を超えた場合、前記バイパススイッチを閉じるように前記動作手段が構成されているとともに、前記電気モータに供給されるべきモータ電流が減少した場合、前記バイパススイッチが開かれた直後に流れる前記モータ電流が、前記バイパススイッチが閉じられたときに流れる前記モータ電流に少なくともほぼ相当することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
【請求項４】
前記電気モータに供給されるべき前記電流が増加した場合、前記バイパススイッチが閉じる直前に流れる前記モータ電流が、前記バイパススイッチが閉じられたときに流れる前記モータ電流に少なくともほぼ相当することを特徴とする請求項３に記載の制御回路。
【請求項５】
前記半導体スイッチング素子の制御範囲がその完全導通状態に及ぶことを特徴とする請求項３または４に記載の制御回路。
【請求項６】
前記半導体スイッチング素子の制御範囲が部分的導通状態に及ぶとともに、前記動作手段が前記半導体スイッチング素子を完全導通状態で短時間制御するように構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の制御回路。
【請求項７】
前記スイッチング素子の最高温度を超えた場合、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を減少させる、前記半導体スイッチング素子に熱的に接続された監視要素を特徴とする請求項５または６に記載の制御回路。
【請求項８】
トリガが戻ることが可能になると、前記モータ電流が前記バイパススイッチが閉じられたときに流れる前記モータ電流にほぼ相当するように前記制御回路が前記半導体スイッチング素子を制御する場合のみ、前記バイパススイッチが開くことを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の制御回路。
【請求項９】
電圧源がＤＣ電圧源であるとともに、前記半導体スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴにより形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の制御回路。
【請求項１０】
電圧源がＡＣ電圧源であるとともに、前記半導体スイッチング素子がＴＲＩＡＣにより形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の制御回路。
【請求項１１】
前記動作手段がトリガスイッチを備え、前記トリガスイッチが、さらに押し込まれると前記半導体スイッチング素子がその制御範囲内で導通するように前記制御回路を制御するとともに、前記半導体スイッチング素子が最大導電率である位置を越えて押し込まれた場合前記バイパススイッチを閉じ、それにより前記トリガスイッチが前記バイパススイッチが閉じた位置から戻る場合、前記モータ電流が前記バイパススイッチが閉じられたときに流れる前記モータ電流に実質的に同等である導電度が達成されるまで、前記半導体スイッチング素子を制御するように前記制御回路が構成されていることを特徴とする請求項３〜１０に記載の制御回路。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の制御回路を特徴とする電気装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の制御回路を特徴とする電動手工具。
【請求項１４】
電圧源から電気モータへ供給される電力を制御する方法であって、制御回路によって半導体スイッチング素子をその範囲内で制御することにより電気モータへ供給される電力を増加させるステップと、その後前記半導体スイッチング素子がその範囲の最大値に到達すると前記半導体スイッチング素子をバイパスするステップとを含む方法において、前記制御回路が、少なくとも前記電気モータに供給されるべき電力が減少した場合、前記半導体スイッチング素子がその範囲の最大値に到達した場合に流れる前記モータ電流が、前記閉じたバイパススイッチを流れる前記モータ電流に少なくともほぼ相当するように前記半導体スイッチング素子を制御することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源から電気モータへ供給される電力を制御する制御回路に関し、制御回路は、電気モータへ供給される電力を制御する、電気モータおよび電源に直列に接続された半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を制御する、半導体スイッチング素子に接続された動作手段とを備える。
【背景技術】
【０００２】
このような制御回路は概して電動手工具用制御回路の形状で既知である。このような回路によれば半導体スイッチング素子はモータ電流を最小値と最大値の間で切り替える。最小値と最大値との間の範囲は制御範囲と称される。最小値は概してゼロより大きく、スイッチが入れられたときに電気モータが起動するのに十分な電力を電気モータへ供給し、それにより電流が停止状態の電気モータに一瞬でも流れることを防止する。最大値は概して１００％より小さく、大電流が半導体スイッチング素子に流れないようにする。これらの大電流は実際に半導体スイッチング素子を破壊され得る程度まで加熱する恐れがある。
【０００３】
なおＤＣ源およびＡＣ源により電力供給されるこのような回路は既知である。このようなアキュミュレータなどのＤＣ源によれば、ＭＯＳＦＥＴが通常半導体スイッチング素子として動作する。ＡＣ源から供給される電力で、サイリスタまたはトライアックが使用される。なお全フェーズの正の部分しか調整できないためサイリスタの制御範囲は限定されている。制御範囲の最大値はそのため５０％を超えることはできない。
【０００４】
従来技術によれば電気モータに供給される電力が増加する場合、半導体スイッチング素子の範囲の最大値が達成されると、半導体スイッチング素子と並列に配置されたバイパススイッチは短絡することになる。その結果さらなる電流が半導体スイッチング素子に流れることはないとともに、モータ電流は範囲の最大値から全値まで増加することになる。実際にこれにより半導体スイッチング素子が過剰な負荷を受けることが回避される。
【０００５】
特にこれはいかなる問題も生じない、つまり被駆動ツールの電力制御選択肢は主に範囲の低部で用いられる。より大きい電力が必要である場合には、正確な制御は不要であるとともにバイパススイッチが閉じられる。
【０００６】
しかしこれはモータ電流をバイパススイッチが閉じられたときの最大値から、半導体スイッチング素子を流れる電流の最大値へ戻すように調整する場合に問題を生じる。バイパススイッチが開かれるとき大きな値の電流を遮断しなければならず、それがコンタクトの寿命を大幅に短くする恐れがある。電動手工具の製造はこれらのスイッチ、特にそれらのコンタクトにますます厳しい試験要件を課してきており、それがこのようなスイッチの価格を上昇させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的はより長い寿命が達成可能であるようにバイパススイッチに課せられる要件が厳しくない制御回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は完全導通状態で半導体スイッチング素子の制御範囲を少なくとも一瞬超えた場合、半導体スイッチング素子を制御するように動作手段が構成されていることで達成される。電流は少なくとも一瞬この値に達するため、スイッチは比較的大きい電流を遮断する必要がなくなる。
【０００９】
第１の実施形態によれば完全導通状態で半導体スイッチング素子の制御範囲を超えた場合、半導体スイッチング素子を制御するように動作手段が構成されている。バイパススイッチは実際に必要なくなるため、それに関する問題を回避できる。しかしこの実施形態は全モータ電流を導通できるような性質を有する半導体スイッチング素子を必要とする。半導体スイッチング素子の開発における進歩により、このような素子はより簡単に入手可能になってきている。なお半導体スイッチング素子の全導電率は素子に対する負荷が仮定されたものより小さく、切り替え損失は実際に排除される。
【００１０】
代替実施形態によれば制御回路は半導体スイッチング素子をバイパスするバイパススイッチを備え、半導体スイッチング素子の制御範囲を超えた場合、バイパススイッチを閉じるように動作手段が構成されているとともに、電気モータに供給されるべきモータ電流が減少した場合、バイパススイッチが開かれた直後に流れるモータ電流がバイパススイッチが閉じられたときに流れるモータ電流に少なくともほぼ相当する。
【００１１】
特にこれはバイパススイッチの開放前に半導体スイッチング素子を完全導通状態に制御するように制御回路を構成する対策に到達する。
【００１２】
この対策の結果、モータ電流は半導体スイッチング素子により伝達されるため、バイパススイッチはいかなる大電流も遮断しなくてよいとともにこのような重い負荷がかけられない。
【００１３】
それでもなお電気モータに供給されるべき電力が増加した場合に加えて、半導体スイッチング素子の制御範囲の最大値に到達した場合に流れるモータ電流が、バイパススイッチが閉じられたときに流れるモータ電流に少なくともほぼ相当するように制御回路を構成することは魅力的である。
【００１４】
この対策は制御回路を大幅に簡略化することができるが、それはモータに供給されるべき電力を増加させるかまたは減少させるかの区別をしなくてよいからである。
【００１５】
特にこれはバイパススイッチの閉成前にモータ電流が増加する場合、半導体スイッチング素子を完全導通状態に制御するように制御回路を構成する対策に到達する。
【００１６】
さらに他の実施形態によれば半導体素子の制御範囲は全導電率に及ぶ。この実施形態は制御技術が特に単純であるが、部分導通状態で大電流の負荷、換言すればスイッチング状態に対処できる半導体を必要とする。このような半導体がますます入手可能になることが予期される。他の観点においてこの回路が配置される電気製品のタイプも電気製品が用いられる方法のように影響を及ぼす。
【００１７】
しかし半導体スイッチング素子の制御範囲が部分導電率に及ぶとともに、動作手段が半導体スイッチング素子を完全導通状態で短時間制御するように構成されることも可能である。この実施形態は従来技術に関連する制御回路のものに概して相当する制御ストラテジーを備える。しかし制御回路はバイパススイッチのスイッチオンおよびオフに連続して、半導体スイッチング素子を完全導通状態で制御するように構成されている。この素子は常に短時間だけ導通するため、素子が過負荷である危険性は最小限である。
【００１８】
より具体的な実施形態は半導体スイッチング素子の最高温度を超えた場合、スイッチング素子を流れる電流を減少させる、半導体スイッチング素子に熱的に接続された監視要素を提供する。
【００１９】
これにより半導体スイッチング素子は、バイパススイッチが開いた直後に最大電流を導通させることが可能になる。多くの場合この電流は半導体スイッチング素子の熱的過負荷につながり、これが続く場合には半導体スイッチング素子を破壊することになる。監視要素の介在によりこの電流は熱的過負荷がなくなる範囲まで減少することになる。
【００２０】
上記の実施形態によれば制御回路は半導体スイッチング素子をその最大導電率に向かって制御し、その後バイパススイッチが開く。この点においてモータ電流の公称値はバイパススイッチが開くときであることを前提としている。例えばモータに重い負荷に課せられる場合には、明らかにこの前提が正しくない状況がある。このときバイパススイッチの開放はモータ電流の急峻な変化をもたらし、まさに本発明が回避しようとする望ましくない関連影響を生じることになる。
【００２１】
この目的のため本発明のさらに好適な実施形態は、トリガが戻ることが可能になると、モータ電流がバイパススイッチが閉じられたときに流れるモータ電流にほぼ相当するように制御回路が半導体スイッチング素子を制御する場合のみバイパススイッチが開く対策を提供する。
【００２２】
このようにバイパススイッチが開く前に半導体スイッチング素子の導電度はいわばモータ電流に対して調整されるため、バイパススイッチが開いたときにモータ電流の変化は可能な限り小さい。
【００２３】
本発明が解決策を提供する問題はＤＣモータおよびＡＣモータに適用可能である。ＤＣモータを用いる場合には本発明は、電圧源がＤＣ電圧源であるとともに半導体スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴにより形成されている実施形態を提供する。
【００２４】
ＡＣモータが用いられる場合には本発明は、電圧源がＡＣ電圧源であるとともに半導体スイッチング素子がトライアックにより形成されている実施形態を提供する。なおＡＣ電圧モータによればサイリスタも用いられるが、これらの半導体スイッチング素子は最大時間の５０％しか導通することができず、これは半導体スイッチング素子が閉じられたバイパススイッチを流れる電流を伝達することができないことを意味する。
【００２５】
さらなる好適な実施形態によれば動作手段はトリガスイッチを備え、トリガスイッチは、さらに押し込まれると半導体スイッチング素子がその制御範囲内で導通するように制御回路を制御するとともに、半導体スイッチング素子が最大導電率である位置を越えて押し込まれた場合バイパスを閉じ、それによりトリガスイッチがバイパススイッチが閉じた位置から戻る場合、モータ電流がバイパススイッチが閉じられたときに流れるモータ電流に実質的に同等である導電度が達成されるまで、半導体スイッチング素子を制御するように制御回路が構成されている。本発明はトリガが設けられた制御回路の通常の構造内でこの対策を実施する。
【００２６】
本発明はこのような制御回路に関連するだけでなくこのような制御回路が設けられた電気装置にも関連する。
【００２７】
なお用途の主たる領域は電気モータが備えられた装置にある。しかし本発明は誘導性を有する他のエネルギー変換器が備えられた装置に適用できる。
【００２８】
さらにまた本発明は特にこのような制御回路が設けられた電動手工具に関する。
【００２９】
この目的はさらにまた制御回路によって半導体スイッチング素子をその範囲内で制御することにより電気モータへ供給される電力を増加させるステップと、その後半導体スイッチング素子がその範囲の最大値に到達すると半導体スイッチング素子をバイパスするステップとを備え、制御回路が、少なくとも電気モータに供給されるべき電力が減少した場合、半導体スイッチング素子がその範囲の最大値に到達した場合に流れるモータ電流が閉じたバイパススイッチを流れるモータ電流に少なくともほぼ相当するように半導体スイッチング素子を制御することを特徴とする、電圧源から電気モータへ供給される電力を制御する制御方法により達成される。
【００３０】
本発明のさらなる特徴は以下に示す添付の図面から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は番号１によりその全体が指示されている制御回路を示し、制御回路は電気モータ２に供給される電力を制御する。制御回路１は電圧源３により供給される。制御回路１は、電圧源３と電気モータ２との間に配置された、回路をオンに切り替えることができるスイッチ４と、スイッチ４と直列接続された半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子５用の制御回路６と、半導体スイッチング素子５と並列に配置されたバイパススイッチ７とを備える。スイッチ４および制御回路６内に組み込まれた可変抵抗器８を動作させるためにトリガ９が取り付けられており、トリガ９はさらに押し込まれると最初にスイッチ４を閉じ、その後半導体スイッチング要素を制御する可変抵抗器８を調整するとともに、その進行距離の端部でバイパススイッチを閉じる。このような回路が従来技術を形成している。
【００３２】
これは図３に示すようにグラフに反映されている。トリガ９がその経路の２０％を超えて押し込まれるとスイッチ４が閉じる。制御回路は半導体スイッチング素子５を最小値から最大値の範囲内で制御する。最大値に達した後トリガ９はバイパススイッチ７を閉じる。
【００３３】
トリガ９が戻ることが可能になると、トリガ９へのばね接続の動作の結果バイパススイッチ７が最初に開かれることになり、電気モータ２を流れる電流の値を半導体スイッチング素子５の範囲内でその最大値から最小値へ急激に降下させる。この変化はバイパススイッチ７へ重い負荷をかけることになる。トリガ９が戻り続けるにつれて、半導体スイッチング素子５の導電率はその最小値まで低下し、その後スイッチ４が開くとともに装置は停止する。
【００３４】
モータ電流の急激な変化に対して上記した問題を回避するため、一実施形態による本発明は半導体スイッチング素子５の範囲の最大値をバイパススイッチ７が閉じられたときのモータ電流の値まで増加することを提案する。その結果得られるグラフが図３に示されている。この場合バイパススイッチが開閉するときの電流の変化はまったくまたはほとんどないため電流変化に関するいかなる問題も回避する。これが発生するためには使用する半導体素子５が完全導通状態にあるときに、バイパススイッチが閉じられたときに流れる電流に相当する電流を流すことが明らかに必要である。ＡＣ印加によりこれはフェーズの半分でのみ導通するサイリスタおよび他の要素を排除する。
【００３５】
図４に示した特性によれば範囲の最大値のみが、バイパススイッチが閉じられたときの電流値に相当する値まで増加される。原則的に例えば使用される半導体スイッチング素子に応じてこの制御ストラテジーに変化を加えることが可能である。例えば図５は制御特性を示し、電流の最大値がトリガの前の位置で達成されている。これは明らかに半導体スイッチング素子がこのように生成される熱負荷に対応できることを必要とする。例えばより効率的冷却を加えることにより熱負荷可能性を増加することが可能である。
【００３６】
図６に示された特性はヒステリシスの程度を反映している。それにより特性は方向依存性があり、トリガ９が押し込まれると電流は急上昇し得るが、トリガが戻ることが可能になるとこのような上昇はない。これは電流が増加するときに半導体スイッチング素子への重い負荷に関する熱問題が回避されるため注目される実施形態である。負荷が低下するとこれらの問題が生じるが、この点でそれらは本発明による対策の直接且つ不可避の結果である。それでもなおこの特性はより複合制御回路を必要とする。
【００３７】
これは図に示されていないが熱検出器を半導体スイッチング素子付近に配置することが可能である。そしてこの検出器は制御回路に接続可能であるとともに、ある温度を超えた場合、半導体スイッチング素子を切ることによりまたはある他の方法でその導電率を低減することにより半導体スイッチング素子の負荷を低減させることができる。
【００３８】
図２は原理的に異なる実施形態を示し、この実施形態はバイパススイッチを含まない。バイパススイッチの機能、すなわち電流の全導電率は、完全導通状態の半導体スイッチング素子を制御する機能により置換されている。このスイッチング素子はこの目的のため明らかに適正に特定の寸法に形成されなければならないが、これはパワー半導体技術の発達によりより容易になることが予期される。機械的バイパススイッチに関する問題がこのように排除されることに留意すべきである。他の観点ではこの構成により、バイパススイッチを有する構成に関する様々な制御ストラテジーを適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による第１の実施形態の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による回路図である。
【図３】従来技術による制御回路を動作させるトリガの位置の関数としてモータ電流の値を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の制御ストラテジーによる図３に対応するグラフである。
【図５】本発明の第２の制御ストラテジーによる図３および４に対応するグラフである。
【図６】本発明の第３の制御ストラテジーによる図３、４および５に対応するグラフである。
【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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【国際調査報告】
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