JPH03190586A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ブラシレスモータを用い長寿命を実現するド
リルやドライバ等の電動工具に関するものである。

し従来の技術］ 従来、充電式の電動工具においては、ブラシ付きの直流
電動機が多く用いられており、その寿命は直流電動機の
ブラシの寿命によるところが大きく、ブラシそのものの
交換が可能な工具も多くみられる。

近年、モータの長寿命化については、一般にブラシレス
モータを採用すれば摩耗部分が軸受けだけとなり、非常
に長寿命化が可能でメンテナンスフリーをうたったロボ
ット、工具等が多く発表されている。

この種の充電工具は第９図に示すものが一般的な形状で
ある。その本体２１の内部には、ブラシレスモータ２２
が配設されており、ブラシレスモータ２２の回転軸には
減速ギア２３が取着され、減速ギア２３の出力軸にはチ
ャック２４が設けである。また、ハンドル２５の内部に
は充電可能な電池２６が納装してあり、ハンドル２５の
上部には電源用のスイッチレバー２７が取着されている
。

以下、具体的に従来技術を第５図〜第８図に基づいて説
明する。充電式電動工具用のブラシレスモータにおいて
、ホール素子ＨＵ、Ｈｖ、ＨＶは、第５図及び第６図に
示すように機械角６０°で配置されており、空隙を介し
て対向した各永久磁石回転子１の磁極あるいは位置検知
用磁石の磁束密度に応じた信号を出力する。その信号は
第８図（ａ）〜（ｃ）に示すように、各々の位相が２π
／３ずつずれた正弦波状の電圧波形となり、この信号か
ら３相バイポ一ラ駆動回路に必要な信号列を作成する分
配回路２を通じ、各コイルＬＵ、Ｌｖ、Ｌｗに接続した
６個のパワーＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　ＴＴｒ＋ｉ〜Ｔｒｚ＋
を駆動するための第８図（ｄ）〜（ｉ）に示すような６
個の信号列を出力する。第８図（ｃｌ）〜（ｉ）に示す
６個の信号列出力のうち、第８図（ｅ）、（ｇ）、　（
ｉ）に示す出力は、、ＰＮＰ、ＮＰＮ型のトランジスタ
からなるトランジスタブリッジ５．〜５．により１組の
ハーフブリッジの下側のパワーＭＯＳＦＥＴＴｒ　＋　
ｓ　〜Ｔ　ｒ　２１のゲートを第８図（ｋ）（ｓ）（ｏ
）に示すように駆動する。

ここで５分配回路２の出力（第８図（ｅ）輸）（ｉ））
がＨレベルの時、トランジスタブリッジ５．〜５゜の出
力はＨレベルとなり、パワーＭＯ８ＦＥＴＴ「１．〜Ｔ
ｒ２＋はオンとなる。また５分配回路２の出力（第８図
（ｅ）　（ｇ）　（ｉ））がＬレベルの時、上記とは逆
となり、パワーＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　ＴＴｒ＋ｓ〜Ｔｒ＋
ｓはオフすることになる。もう一方の信号列の出力（第
８図（ｄ）（ｆ）（ｈ））も同様にトランジスタＴ　ｒ
　＋　＊　〜Ｔ　ｒ、と、フローティング電源４．〜４
１、トランジスタブリッジ５１〜５．によりハーフブリ
ッジの上側のパワーＭＯ８ＦＥＴＴｒ＋ｓ”−Ｔｒ＋ｓ
のゲートを第８図（ｊ）　（ｆ）　（ｎ）に示すように
駆動する。しかし、上側のパワーＭＯＳＦＥＴＴｒ＋ｓ
〜Ｔｒ＋＠のソースは、下側のパワーＭＯ３ＦＥＴＴｒ
＋ｓ〜Ｔｒｚ＋のドレインに接続されているため、グラ
ンドからみた電位は下側のパワーＭＯ９ＦＥＴＴｒＩｌ
〜Ｔｒ２１のオン、オフの状態で異なったものとなる。

しかるに、通常、パワーＭＯ３ＦＥＴは、ゲート・ドレ
イン間に所定の電圧を印加しないと動作しないため、上
側のパワーＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　Ｔ　ｒ　＋　ｓ〜Ｔ
　ｒ　、　＠は、下側のパワーＭＯ９ＦＥＴＴｒ＋ｓ〜
Ｔｒ２１と異なった電源が必要となり、そのため、逆流
防止ダイオードＤ１〜Ｄ５、電荷蓄積用コンデンサＣ，
〜Ｃ５と、充電用抵抗Ｒ＋□〜Ｒ１，で構成されたフロ
ーティング電源４．〜４．を用い、グランドと抵抗Ｒ２
２〜ＲＩ４で分離されたコンデンサＣ１〜Ｃ５に蓄積さ
れた電荷で、上側のパワーＭＯ８ＦＥ　Ｔ　Ｔ　ｒ　＋
　ｓ〜Ｔ　ｒ　１．のゲートを駆動する。ここで、第８
図（ｄ）、　（ｆ）、　（ｈ）に示す出力がＨレベルの
場合、第８図（ｊ）、　（Ｉ）、　（ｎ）に示すように
、トランジスタＴｒ、、〜Ｔｒ、、により反転されたＬ
レベルの信号がゲートに入力され、パワーＭＯ８ＦＥＴ
Ｔｒ　＋　６〜Ｔ　ｒ　Ｉ　Ｉはオフとなる。また、第
８図（ｄ）、　（ｆ）。

（ｈ）に示す出力がＬレベルの場合、第８図（ｊ）、　
（１）、（ｎ）に示すように、トランジスタＴ　ｒ　、
　３〜Ｔ　ｒ　、　５により反転されたＨレベルの信号
がゲートに入力され、パワーＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　Ｔ
ｒＢ〜Ｔｒ＋ｓはオンとなる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の従来例にあっては、ブラシレスモータはただ単に
回転を行うのみであり、例えば、ネジ山の位置を任意の
位置に揃えるとか、ネジの締まり具合を確認しながら一
定量だけ少しずつ締めていくといった動作を行うことは
できなかった。なぜならば、回転を停止させるには、工
具のスイッチを開くのであるが、電動機の回転数は制御
できないからである。

本発明は、上述の点に鑑みて提供したもので７）って、
ネジ締めの途中でステップ駆動に切り替え、徐々に回転
させてネジ山を揃えることができる電動工具を提供する
ことを目的としたものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ブラシレスモータを使用した電動工具におい
て、上記ブラシレスモータを駆動する駆動回路部と、こ
の駆動回路部を通常のネジ締め動作時には上記ブラシレ
スモータをブラシレスモータとして制御する第１の制御
回路と、上記駆動回路部を制御して上記ブラシレスモー
タをステップモータとしてステップ動作させる第２の制
御回路と、任意の時点て両制御回路を切り替える切替手
段とを備えたものである。

また、基本となるクロックパルスを発振する第１の発振
器と、この第１の発振器のクロックパルスより周期がか
なり長いクロックパルスを発振する第２の発振器と、再
発振器からの出力の論理積をとるゲート回路と、このゲ
ート回路出力をカウントするカウンタと、このカウンタ
の出力をアドレス入力として該アドレスに対応し予め記
憶したデータを第１の制御回路の励磁信号と同じ励磁信
号として出力するメモリとで上記第２の制御回路を構成
したものである。

［作　用］ 而して、最初は切替手段により第１の制御回路の出力を
駆動回路部に入力して通常の状態でネジを締めるように
し、途中で切替手段を操作して第２の制御回路の出力を
駆動回路部へ入力し、ブラシレスモータをステップ動作
させるようにしている。

また、メモリにより、カウンタの出力をアドレス入力と
して該アドレスに対応し予め記憶したデータを第１の制
御回路の励磁信号と同じ励磁信号として出力し、この励
磁信号はゲート回路にて第１の発振器からのクロックパ
ルスが通過／停止を繰り返すことでステップ状に出力さ
れて、ブラシレスモータをステップ動作させるようにし
ている。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。ブラ
シレスモータは基本的構造かられかるように、ステップ
モータと同等の構造を有している。従って、通常のブラ
シレスモータの駆動制御回路に加えて、ブラシレスモー
タをステップモータとしてステップ動作させる制御回路
を設け、外部スイッチにより５両者を切り替えることで
、上記課題を解決できるものである。

すなわち、通常の回転はブラシレスモータとして回転さ
せ、適当な時点でブラシレスモータをステップモータと
してステップ動作させ、所定のステップ送り量ずつ動作
、停止を繰り返すことで間欠的な動作を可能とし、ネジ
山を揃えなり、締め付は量を確認しながらネジ締めを実
施することができるものである。尚、動作を切り替える
スイッチは５持った場合に親指付近となる電動工具のボ
ディに設けることで、便利性を向上させることができる
。

第１図に具体回路図を示す。本発明の構成は大きく分け
て、ブラシレスモータを駆動するための従来と同様の構
成の駆動回路部１０、ブラシレスモータをブラシレスモ
ータとして制御するための制御回路である分配回路２と
、ブラシレスモータをステップモータとしてステップ動
作させるための制御回路１１とで分けられ、分配回路２
と制御回路１１とはロジックＩＣからなる切替回路１７
でブラシレスモータをブラシレスモータ動作とステップ
モータ動作とに切り替えるようにしている。

駆動回路部１０と分配回路２とは従来と同じ構成なので
、ステップ動作をさせる制御回路１１について説明する
。ブラシレスモータの構造は第５図及び第６図に示すよ
うに、永久磁石回転子１を持ち、外側に励磁コイルＬ、
、Ｌｖ、Ｌ、が配置されており、ステップモータのそれ
と同一構造である。

基本的にステップモータと異なるのは、回転磁界の発生
法である。ブラシレスモータは、設置された３個のホー
ル素子が常に回転子が回転方向に力が発生するように電
流相を切り替える位置に設けられており、それは自分自
身が行っている。

これに対してステップモータの励磁は、外部より任意の
速度でなされ、極端な場合励磁速度に回転子がついてこ
れないことがある。この外部励磁パターンはいろいろな
励磁方法が考えられ、ステップモータ駆動で実施されて
いるが、本ブラシレスモータをそのままステップモータ
として駆動するから、本発明では、ブラシレスモータが
動作する場合と同じ励磁パターン（２相励磁）をロジッ
ク回路とＰＲＯＭ等で作成している。

本発明は、ロジックレベルの外部励磁パターンく第８図
の（ｄ）、　（ｅ）、　（ｆ）、輸）、　（ｈ）、　（
ｉ））を作成するようにしたものであり、外部励磁パタ
ーンの信号を電力増幅する回路をブラシレスモータを駆
動する駆動回路部１０を使用し、切替回路１７にて切り
替えるようにしている。

次に、制御回路１１の具体構成について説明する。第１
図及び第２図において、発振器１２により、比較的周波
数の高い（しかし、ブラシレスモータの自起動範囲内）
ステップモータとしてのステップ動作用の基本パルス信
号（クロック１）を発生し、次の発振器１３で比較的長
時間のパルス（クロック２）を発生し、ゲート回路１４
により、クロック１を、クロック２で通過／停止を繰り
返すことで、ブラシレスモータをステップモータとして
間欠的に駆動する。これは、ドリルの軸先が１回転を何
ステップで駆動させるかを決めている。

この基本ステップは、以下の理由で必要となる。本ブラ
シレスモータを２相励磁でステップモータ駆動すると、
１ステツプは機械角で３０゛となる。しかしながら、工
具に組み込んだ場合、当然減速ギアで減速して使用する
ことになる。従って、ステップモータの１ステツプは電
動工具の１／′減速比になるため、工具軸先で決まった
角度ずつ動作させるには、ステップモータは、あるパル
ス数だけ動作／停止を間欠的に繰り返す必要がある。こ
こで設定された基本ステップが工具軸先の１ステツプに
相当する。尚、減速比が小さい場合はこの限りでないが
、通常減速比は１／１０以上であるため、動作／停止を
しないと工具軸先の速度が遅くなる。

上記クロック２で設定された期間、クロック１の基本ス
テップが６進カウンタ１５に入力され、励磁パターンを
記憶したＥＰＲＯＭ等のＲＯＭ　１６に必要なアドレス
を作る。上記６進カウンタ１５は、６個の入力パルスに
対し、その３本の出力線が２進数で０から５までをカウ
ントするもので、本ブラシレスモータは、６モードの励
磁信号で動作するので該６進カウンタ１５を用いている
。この６進カウンタ１５の出力信号は第２図に示すＫ。

Ｌ、Ｍで、これをＲＯＭ１６のアドレスに入力する。

ＲＯＭ１６には、第２図のり、Ｅ、Ｆ、Ｇ。

Ｈ，Ｉに示すブラシレスモータ駆動時の励磁パターンが
そのまま記憶されており、アドレス信号が１ずつ上昇す
るにつれて順番に励磁パターンが読み出される。この励
磁パターンＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇ。

Ｈ，Ｉは、従来のブラシレスモータにおける第８図の（
ｄ）、　（ｅ）、　（ｆ）、　（ｇ）、　（ｈ）、　（
ｉ）と同等の信号であり、ブラシレスモータを駆動する
場合の分配回路２からの信号を同じ信号である励磁パタ
ーンＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｉの信号が切替回路１７に入
力される。ロジックＩＣからなる切替回路１７は外部の
操作スイッチＳＷ、にて出力を切り替えるものであり、
この操作スイッチＳＷＩの操作により、分配回路２から
の信号と制御回路１１からの信号とを切り替えて駆動回
路部１０に出力するようにしている。尚、切替回路１７
と操作スイッチＳＷ、とで切替手段を構成している。

通常のネジを締める場合仁は、外部の操作スイッチＳＷ
１を操作して切替回路１７を制御し、分配回路２からの
信号が駆動回路部１０に入力されるようにする。そして
、任意の時点で操作スイッチＳＷ、を操作して切替回路
１７からの出力がブラシレスモータをステップ動作させ
る制御回路１１からの信号となるように切り替える。従
って、クロック２の信号がＨレベルの時に第２図のり。

Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｔに示す励磁パターンの信号が駆動回
路部１０に入力されて、ブラシレスモータを回転させ、
また、クロック２の信号がＬレベルのときは、励磁信号
が出力されないなめ、ブラシレスモータが停止する。そ
のため、ブラシレスモ−タは間欠的に回転し、よって、
ネジを徐々に回転させネジ山を揃えることができる。ま
た、必要な締め付は力までゆっくりと締め付けが可能で
ある。

第３図はＲＯＭ１６のアドレスとデータを示すものであ
り、順次１ステツプずつ増加する各アドレス入力に対応
して、図示する励磁パターンとなるようにデータを格納
している。すなわち、信号り、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｉを各
々ＲＯＭ１６のビット０，１，２，３，４．５に記録す
る。

ところで、第１図に示され、ている分配回路２側に設け
である３つのスイッチＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｅは以下の
機能を有している。すなわち、スイッチＳＷａは駆動回
路部１０に電源を供給するスイッチで、スイッチｓｗｂ
はパワーＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　Ｔ　ｒ　、　６・・・
に電源を供給するスイッチであり、さらに、スイッチＳ
Ｗｃはスタート／ストップの機能を有するスイッチであ
る。そして、各スイッチの投入順序は、Ｓ　Ｗ　ａ−＊
　Ｓ　Ｗ　ｂ−＋　Ｓ　Ｗ　ｃとなるように構成してい
る。

このように、起動時のスイッチの投入手順を上記のよう
にしたことで、パワーＭＯ８ＦＥＴのドレイン・ソース
間に電圧がかかる場合は、それより以前に確実にパワー
ＭＯ８ＦＥＴのゲートをグランドへ接続して停止状態に
することが可能で、電源投入のノイズ等で誤動作しない
ものである。

従って、パワーＭＯ９ＦＥＴのブリッジの上下短絡もな
い、また、ブラシレスモータ２２の回転はスイッチＳＷ
ａを最初に投入し、次にスイッチＳｗｂを投入後に最終
的にスタート／ストップ信号で行うため、スイッチＳＷ
ｃを投入するまでにパワーＭＯＳＦＥＴには確実に電源
が供給されており、パワーＭＯ５ＦＥＴは完全にオン状
態で動作を行い、破壊の恐れをなくすことができる。

第４図は上記スイッチＳ　Ｗ　ａ　、　Ｓ　Ｗ　ｂ　、
　Ｓ　Ｗ　ｅの構成を示している。すなわち、スイッチ
レバー２７の背面から操作片２８，２９．３０が上下方
向に突設されており、この操作片２８，２９．３０に対
応して各スイッチＳ　Ｗ　ａ　、　Ｓ　Ｗ　ｂ　、　Ｓ
　Ｗ　ｃが上下方向で且つ、スイッチレバー２７の背方
側に順に配設されている。また、速度設定用のボリュー
ム３２を調整すべく操作片３１もスイッチレバー２７の
背面の上部に突設しである。従って、スイッチレバー２
７を押すと、まず、駆動０２回路部１−０の電源供給用
のスイッチＳＷａがオンし、次いでパワーＭＯ３ＦＥＴ
ｔ源供給用のスイッチＳＷらがオンし、次いでスタート
／ストップ用のスイッチＳＷｃがオンする。また、スイ
・ｙチレバー２７を更に押すことで、操作片３１により
摺動子３３がスライドして、抵抗値を可変し、速度制御
設定が行える。このように、１個のスイッチｌ／バー２
７を指で引くことで、所定の順序で各スイッチＳＷａ・
・・を操作することができる。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、ブラシレスモータを使用した電
動工具において、上記ブラシレスモータを駆動する駆動
回路部と、この駆動回路部を通常のネジ締め動作時には
上記ブラシレスモータをブラシレスモータとしてＩＩｌ
ｌｌｔＭ！する第１の制御回路と、上記駆動回路部を制
御して上記ブラシレスモータをステップモータとしてス
テップ動作させる第２の制御回路と、任意の時点て両制
御回路を切り替える切替手段とを備えたものであるから
、最初は切替手段により第１の制御回路の出力を駆動回
路部に入力して通常の状態でネジを締めるようにし、途
中で切替手段を操作して第２の制御回路の出力を駆動回
路部へ入力し、ブラシレスモータをステップ動作させる
ことができ、そのため、ブラシレスモータを所定の位置
でステップ動作に切り替え、徐々に回転させてネジ山を
揃えることができ、また、必要な締め付は力までゆっく
りと締め付けが可能となる効果を奏するものである。

また、基本となるクロックパルスを発振する第１の発振
器と、この第１の発振器のクロ・ｙクバルスより周期が
かなり長いクロックパルスを発振する第２の発振器と、
両発振器からの出力の論理積をとるゲート回路と、この
ゲート回路出力をカウントするカウンタと、このカウン
タの出力をアドレス入力として該アドレスに対応し予め
記憶したデータを第１の制御回路の励磁信号と同じｍ磁
信号として出力するメモリとで上記第２の制御回路を構
成したものであるから、メモリにより、カウンタの出力
をアドレス入力として該アドレスに対応し予め記憶した
データを第１の制御回路の励磁信号と同じ励磁信号とし
て出力し、この励磁信号はゲート回路にて第１の発振器
からのクロックパルスが通過／停止を繰り返すことでス
テップ状に出力されて、ブラシレスモータをステップ動
作させることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の具体回路図、第２図は同上の
動作波形図、第３図は同上の動作説明図、第４図は同上
のスイッチ部分の構成図、第５図はブラシレスモータの
横断面図、第６図は同上の縦断面図、第７図は従来例の
具体回路図、第８図は同上の動作波形図、第９図は電動
工具の破断側面図である。 ２は分配回路、１０は駆動回路部、１１は制御回路、１
２は第１の発振器、１３は第２の発振器、１４はゲート
回路、１５は６進カウンタ、１６はＲＯＭ、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ブラシレスモータを使用した電動工具において、
   上記ブラシレスモータを駆動する駆動回路部と、この駆
   動回路部を通常のネジ締め動作時には上記ブラシレスモ
   ータをブラシレスモータとして制御する第１の制御回路
   と、上記駆動回路部を制御して上記ブラシレスモータを
   ステップモータとしてステップ動作させる第２の制御回
   路と、任意の時点て両制御回路を切り替える切替手段と
   を備えたことを特徴とする電動工具。
2. （２）基本となるクロックパルスを発振する第１の発振
   器と、この第１の発振器のクロックパルスより周期がか
   なり長いクロックパルスを発振する第２の発振器と、両
   発振器からの出力の論理積をとるゲート回路と、このゲ
   ート回路出力をカウントするカウンタと、このカウンタ
   の出力をアドレス入力として該アドレスに対応し予め記
   憶したデータを第１の制御回路の励磁信号と同じ励磁信
   号として出力するメモリとで上記第２の制御回路を構成
   したことを特徴とする請求項１記載の電動工具。