(57)【要約】【課題】正転時においても逆転時においても目的の特性で回転させることができるブラシレスＤＣモータの制御装置を提供する。【解決手段】インパクトドライバーを駆動するブラシレスＤＣモータ１５へ駆動信号を出力するインバータ回路２１と、インバータ回路２１を制御するゲートドライブ回路２８と、ゲートドライブ回路２８をＰＷＭ制御する演算回路２２とを有するものであり、回転子の回転位置を検出する３個のホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を、固定子の歯部の位置から電気角で３０±θ°ずらした状態で配置し、３個のホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３からの回転信号を正転時と逆転時において切り替える位置検出回路２３を設けたものである。【選択図】　　　　図３
2004023823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有したモータの制御装置であって、
前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する３個の位置検出素子を、その固定子の歯部の位置から電気角で（３０±θ）°ずらした状態で配置し、
前記３個の位置検出素子からの前記回転子を回転位置を示す回転信号を、正逆転の方向を示す回転方向指令信号に基づいて切り替え、前記演算回路へ出力する位置検出回路を有する
ことを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項２】
前記位置検出回路は、３個の切替スイッチを有し、
正転時においては、３個の切替スイッチが回転方向指令信号によって正転側に切り替えられ、第１出力端子が第１位置検出素子からの回転信号を出力し、第２出力端子から第２位置検出素子の回転信号を出力し、第３出力端子から第３位置検出素子の回転信号を出力することにより、電気角で（３０±θ）°位相角が進んだ信号を出力することができ、
逆転時においては、回転方向指令信号からの逆転信号によって３個の切替スイッチは逆転側に切り替えられ、第１出力端子からは第３位置検出素子からの回転信号が出力され、第２出力端子からは第１位置検出素子の回転信号が出力され、第３出力端子からは第２位置検出素子の回転信号が出力される
ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項３】
前記ブラシレスＤＣモータが、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型のブラシレスＤＣモータである
ことを特徴とする請求項１または２記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項４】
前記ブラシレスＤＣモータが、電動ドライバー、または、インパクトドライバー等の電動工具を駆動する電動工具に用いられる
ことを特徴とする請求項１または２記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの制御装置に関し、正転及び逆転を行う例えば電動ドライバーやインパクトドライバー等の電動工具に用いられるものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）は、ホール素子や、このホール素子を内蔵したホールＩＣ等の位置検出素子を用いて回転子の回転位置の検出を行い、この検出した回転子の回転位置に応じて該当する固定子コイルに駆動電流を流して回転する。
【０００３】
このとき、電機子反作用等の影響により力率が低下する。そのため、この力率が低下して、逆起電力波形に対して通電波形が遅れ位相となるのを避けるために、位置検出素子の位置を回転方向に進めた位置に取り付けることがある。
【０００４】
しかし、回転方向に位置検出素子の位置を進めると、逆回転方向は更に位相角が遅れることとなり、双方向回転を行うモータでは使用できないという問題点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題点について更に図６から図８に基づいて詳しく説明する。
【０００６】
バイポーラ駆動法の一つとして、例えば１２０°通電矩形波駆動法等があるが、この矩形波通電駆動法においては、正逆転の双方向で同じ特性をだすためにホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を図６に示すように、モータ１００の固定子１０２の各歯部１０４の中央の位置に配置している。
【０００７】
しかし、ブラシレスＤＣモータの一つであるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型ブラシレスＤＣモータ（以下、ＩＰＭモータという）のような電機子反作用の大きいモータでは、上記で説明したように、図６のようなホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の配置では特性が悪くなるため、ホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の配置を正転方向へ進ませて配置している。
【０００８】
図７は、ＩＰＭモータにおいて正転時に位相角を電気角で３０°進ませてホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を取り付けた状態を示している。
【０００９】
このとき、正転時においては目的の特性を得ることができるが、逆転方向の場合には位相角が３０°遅れてしまい更に特性が悪化するという問題点がある。
【００１０】
また、逆転させるためには、演算回路でホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３からの回転信号を論理反転させる等の措置が必要となる。
【００１１】
ところで、図７の状態において、逆転させるためには、上記したようにホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の回転信号の論理を反転する必要があるが、これは等価的に図８の配置のように表すことができる。つまり、電気角的に１８０°の位置にホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を配置することで、ホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の回転信号の論理は反転し、モータ１００は逆回転する。但し、位相角は３０°遅れたままの状態となっている。
【００１２】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、正転時においても逆転時においても目的の特性で回転させることができるブラシレスＤＣモータの制御装置を提供するものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
請求項１の発明は、ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有したモータの制御装置であって、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する３個の位置検出素子を、その固定子の歯部の位置から電気角で（３０±θ）°ずらした状態で配置し、前記３個の位置検出素子からの前記回転子を回転位置を示す回転信号を、正逆転の方向を示す回転方向指令信号に基づいて切り替え、前記演算回路へ出力する位置検出回路を有することを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御装置である。
【００１４】
請求項２の発明は、前記位置検出回路は、３個の切替スイッチを有し、正転時においては、３個の切替スイッチが回転方向指令信号によって正転側に切り替えられ、第１出力端子が第１位置検出素子からの回転信号を出力し、第２出力端子から第２位置検出素子の回転信号を出力し、第３出力端子から第３位置検出素子の回転信号を出力することにより、電気角で（３０±θ）°位相角が進んだ信号を出力することができ、逆転時においては、回転方向指令信号からの逆転信号によって３個の切替スイッチは逆転側に切り替えられ、第１出力端子からは第３位置検出素子からの回転信号が出力され、第２出力端子からは第１位置検出素子の回転信号が出力され、第３出力端子からは第２位置検出素子の回転信号が出力されることを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの制御装置である。請求項３の発明は、前記ブラシレスＤＣモータが、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型のブラシレスＤＣモータであることを特徴とする請求項１または２記載のブラシレスＤＣモータの制御装置である。
【００１５】
請求項４の発明は、前記ブラシレスＤＣモータが、電動ドライバー、または、インパクトドライバー等の電動工具に用いられることを特徴とする請求項１または２記載のブラシレスＤＣモータの制御装置である。
【００１６】
【作　用】
請求項１、２の発明であると、正転時と反転時に位置検出素子からの回転信号を切り替えることにより、正逆回転共に電気角で（３０＋θ）°の位相角進み状態で駆動することができる。
【００１７】
請求項３の発明であると、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型ブラシレスＤＣモータであると電機子反作用が大きくなるが、電機子反作用の大きさに関係なく正逆回転共に効率よく回転制御を行うことができる。
【００１８】
請求項４の発明であると、上記のモータの制御装置を電動工具に用いることにより、ドライバーやドリル、レンチ等の正転及び逆転をする場合に高い効率で運転することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図１から図５に基づいて説明する。
【００２０】
（１）インパクトドライバー１１の構成
図１は、本実施例を示すインパクトドライバー１１の側面図である。
【００２１】
図１に基づいて、インパクトドライバー１１の構成について説明する。
【００２２】
インパクトドライバー１１は、胴部である略円筒状の外形の本体１２と、本体１２の先端部にドライバー工具が装着されるチャック部１３と、ピストル型になるように形成される把持部１４とを備えている。
【００２３】
本体１２の後部には、ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）１５と、ギアボックスと打撃機構を兼ねた打撃部１６とが内蔵されている。
【００２４】
把持部１４は作業者が手で把持できるように形成され、把持状態で指が位置する個所に引金状のトリガースイッチ１７が配されている。
【００２５】
このトリガースイッチ１７の操作により、モータ１５を所定の回転速度とトルクによって制御する制御装置１８の回路基板が、モータ１５の下方に配されている。
【００２６】
把持部１４の内部には、バッテリー１９と、このバッテリー１９と電気的に並列に接続された大容量の電源電圧平滑用コンデンサ２０が収納されている。
【００２７】
（２）モータ１５の構造
モータ１５は、図５に示すように、３スロット２極のＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型ブラシレスＤＣモータである。
【００２８】
固定子８２には３個の歯部８４が内方に突出し、各歯部８４にコイル８６が巻き付けられている。そして、この各歯部８４に巻き付けられたコイル８６は、Ｙ結線されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相よりなる３相を構成している。なお、図５におけるＮ点で３相の各コイル８６が結線されて中点Ｎとなっている。
【００２９】
また、歯部８４の中心部から機械角及び電気角で３０°進んだ位置に３個のホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３が配置されている。
【００３０】
なお、電気角とは、例えば４極の回転磁界型モータでは電源の位相が３６０°変化すると磁極の位置は１／２回転し、つまり１８０°変化する。８極なら１／４回転で９０°変化する。すなわち、４極モータの電気角が１８０°変化するといえば、機械角では９０°変化することとなる。そして、本実施例の２極では、電源の位相が３６０°変化すると磁極の位置は１回転し、電気角と機械角の角度は等しいこととなる。
【００３１】
このモータ１５は２極のＩＰＭ型であるので、回転子８８の内部にＮ極とＳ極の永久磁石がそれぞれ内蔵されている。
【００３２】
（３）制御装置１８の構成
次に、図２を参照してモータ１５を制御する制御装置１８について説明する。
【００３３】
図２はモータ１５の制御装置１８を示すブロック図である。
【００３４】
モータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル８６へ駆動信号がインバータ回路２１から供給される。インバータ回路２１を構成する６個のスイッチングトランジスタを用い、モータ１５のＹ結線された３相のコイル８６に双方向駆動電流を流して駆動するバイポーラ駆動を行う。バイポーラ駆動の方法としては、１２０°通電矩形波駆動法が挙げられる。
【００３５】
モータ１５の回転子８８の回転位置を検出するホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３からの回転信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は位置検出回路２３へ出力する。この位置検出回路２３については、詳しく後述する。
【００３６】
このインバータ回路２１は、バッテリー１９である直流電源が供給されるが、インバータ回路２１とバッテリー１９との間には前記した電源電圧平滑用コンデンサ２０がバッテリー１９と並列に接続されている。
【００３７】
インバータ回路２１の各スイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート端子へゲート信号を送るゲートドライブ回路２８が設けられ、このゲートドライブ回路２８に対しＰＷＭ（パルス幅変調）信号を供給する演算回路２２が設けられている。この演算回路２２は、位置検出回路２３からの位置信号と、速度指令回路２４からの速度指令信号と、回転方向指令回路２５からの回転方向指令信号に基づいて、ＰＷＭ信号をゲートドライブ回路２８に出力する。
【００３８】
速度指令信号を出力する速度指令回路２４には、前記で説明したトリガースイッチ１７が接続され、このトリガースイッチ１７の作業者による押圧状態によって速度指令回路２４が演算回路２２に速度指令信号を出力する。すなわち、トリガースイッチ１７を多く引くことによってより早く回転するように速度指令信号が出力される。
【００３９】
本体１２には、図１に示すように回転方向切替スイッチ２６が設けられ、この回転方向切替スイッチ２６を正転または逆転に切替えることによって、その回転方向に応じた回転方向指令信号を回転方向指令回路２５が、演算回路２２と位置検出回路２３へ出力する。
【００４０】
ゲートドライブ回路２８と演算回路２２との間にはロック保護回路２７が設けられている。このロック保護回路２７は、駆動信号がモータ１５に出力されているにも係わらず、モータ１５の回転がホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３からの回転信号によっては検出されないことを位置検出回路２３が検知すると、演算回路２２からのゲートドライブ回路２８への信号を強制的に遮断する回路である。
【００４１】
バッテリー１９から出力される駆動電流を検出するための抵抗３２が接続され、この抵抗３２を流れる駆動電流を検出する過電流保護回路２９が設けられている。過電流保護回路２９は、抵抗３２を流れる駆動電流が設定値以上になった場合には過電流であると判断して演算回路２２に回転速度またはトルクを落とすように指示する制御信号を出力する。この制御信号が出力されると、演算回路２２は、ＰＷＭ波形のパルス幅を強制的に狭め、モータ１５の出力を低下させる。これにより、モータ１５のそれ以上の発熱が抑制され、温度上昇も起こることがなく制御装置１８の熱による損傷を防止できる。
【００４２】
（４）位置検出回路２３の構成
次に、位置検出回路２３の構成について、図３、図４に基づいて説明する。
【００４３】
位置検出回路２３は、ホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３からの回転信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を正転用信号または逆転用信号として第１出力端子、第２出力端子、第３出力端子から演算回路２２へ出力する。
【００４４】
この位置検出回路２３には、３個の切替スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が設けられている。
【００４５】
切替スイッチＳＷ１は、第１出力端子と正転側端子とを接続する状態か、第１出力端子と逆転用端子とを接続する状態を切り替えるものである。
【００４６】
切替スイッチＳＷ２は、第２出力端子と正転側端子とを接続する状態か、第２出力端子と逆転用端子とを接続する状態を切り替えるものである。
【００４７】
切替スイッチＳＷ３は、第３出力端子と正転側端子とを接続する状態か、第３出力端子と逆転用端子とを接続する状態を切り替えるものである。
【００４８】
そして、この３個の切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、回転方向指令回路２５から出力された正転または逆転を表す回転方向指令信号によって切り替わるリレー式の切替指示回路９０からの指示で切り替わり、回転方向指令信号が正転側信号であると３つの切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は全て正転側端子に接続され、逆転側信号であると全て逆転側端子に接続されるものである。
【００４９】
ホール素子Ｈ１の配線は、切替スイッチＳＷ１の正転側端子と切替スイッチＳＷ２の逆転側端子に接続されている。
【００５０】
ホール素子Ｈ２の配線は、切替スイッチＳＷ２の正転側端子と切替スイッチＳＷ３の逆転側端子に接続されている。
【００５１】
ホール素子Ｈ３の配線は、切替スイッチＳＷ３の正転側端子と切替スイッチＳＷ１の逆転側端子に接続されている。
【００５２】
上記の接続状態を表にしたものが、図４の表である。
【００５３】
この位置検出回路２３の働きについては後から説明する。
【００５４】
（５）回転方向の制御方法
「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、図８の状態では、逆回転をモータが行うと位相角は３０°遅れたままとなる。
【００５５】
ところで、図８の状態から逆回転に対して位相角を６０°進めると（図８の状態で時計回りの方向）、位相角は図５のように３０°進む状態となる。
【００５６】
図５の状態であれば、逆回転時も位相角は３０°進んで駆動でき、この図４のホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の配置位置は図７における機械的な配置と同じものとなっているので、演算回路２２での論理反転も不要となる。
【００５７】
そこで、本実施例では、３個のホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を図５のように配置して、かつ、３個のホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を上記で説明した位置検出回路２３に接続して、正転及び逆転時においてその出力状態を切り替えるものである。
【００５８】
正転時においては、３個の切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３が回転方向指令信号によって正転側に切り替えられ、第１出力端子がホール素子Ｈ１からの回転信号Ｓ１を出力し、第２出力端子からホール素子Ｈ２の回転信号Ｓ２を出力し、第３出力端子からホール素子Ｈ３の回転信号Ｓ３を出力することにより、電気角で３０°位相角が進んだ信号を出力することができるので、ＩＰＭモータのような電機子反作用の大きいモータであってもその特性が悪くならない。
【００５９】
逆転時においては、回転方向指令信号からの逆転信号によって３個の切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は逆転側に切り替えられ、第１出力端子からはホール素子Ｈ３からの回転信号Ｓ３が出力され、第２出力端子からはホール素子Ｈ１の回転信号Ｓ１が出力され、第３出力端子からはホール素子Ｈ２の回転信号Ｓ２が出力される。このため、逆転時においても電気角において位相角が３０°進んだ状態で出力することができる。これによって上記のような電機子反作用の大きいＩＰＭモータであっても、特性が悪くなることがない。
【００６０】
本実施例の回転方向の制御方法であると、ホール素子Ｈ１〜Ｈ３の位置を電気角で３０°位相をずらしておき、正転時と逆転時にその回転信号を切り替えることで正逆回転共に電気角で３０°の位相角進み状態を実現できる。従って、インパクトドライバーのように正転及び逆転を行うことが必要な場合でも、正逆転共に高効率で運転することができる。
【００６１】
（変更例１）
上記実施例ではモータ１５をインパクトドライバー１１に使用する場合について説明したが、これに代えて打撃機構を有しない通常の電動ドライバーや、正転及び逆転を行う他の電動工具に使用してもよい。
【００６２】
また、モータ１５を電動工具以外の駆動源に用いても良い。
【００６３】
（変更例２）
上記実施例では位相角の進みを３０°としたが、これに限らず、正転で（３０＋θ）°の位相角で運転し、逆転で（３０−θ）°で使用することができる。また、正転で（３０−θ）°の位相角で運転し、逆転で（３０＋θ）°で使用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上により本発明のブラシレスＤＣモータの制御装置であると、正逆転共に高効率で運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すインパクトドライバーの側面図である。
【図２】制御装置のブロック図である。
【図３】位置検出回路のブロック図である。
【図４】位置検出回路の状態を表した表の図である。
【図５】本実施例のモータの断面図である。
【図６】モータの従来例１の断面図である。
【図７】モータの従来例２の断面図である。
【図８】モータの従来例３の断面図である。
【符号の説明】
１１　インパクトドライバー
１５　モータ
１７　トリガスイッチ
１８　制御装置
２１　インバータ回路
２２　演算回路
２３　位置検出回路
２４　速度指令回路
２５　回転方向指令回路
２６　回転方向切替スイッチ
２８　ゲートドライブ回路
２９　過電流保護回路
【図１】
2004023823.tif 000003
【図２】
2004023823.tif 000004
【図３】
2004023823.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004023823.tif 000007
【図６】
2004023823.tif 000008
【図７】
2004023823.tif 000009
【図８】
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