JPH09314482A

JPH09314482A - 電動工具のキックバック及び貫通を防止するトルク制御

Info

Publication number: JPH09314482A
Application number: JP8156188A
Authority: JP
Inventors: S Thompson Stephen; エストンプソンステファン; G Hueber Paul; ジーフェバーポール; Patel Falgan; ペイテルファルガン
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、キックバック状態の検出及び防止に
有効なだけでなく、作業者が緊迫キックバック状態に打
ち勝って意図した仕事を完了できるようにする優れた制
御技術を提供することにある。【解決手段】モータ電流の急速増大（所定閾値より大き
いｄｉ／ｄｔ）は、モータ制御装置をパルスモード作
動に導く。このパルスモード作動では、モータ電流が急
速オン／オフによりパルシングされ、ワークの障害すな
わちさもなくばモータを不動にするバインディング状態
を除去する。ワークの障害又はバインディングがクリヤ
されると、モータは通常の作動を再開する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動工具に関す
る。より詳しくは、本発明は、不動状態に打ち勝つため
モータをパルシングすることにより、不動状態（例え
ば、キックバック又は貫通（breakthrough) 状態）の開
始を検出し且つ不動状態に応答するモータ制御回路及び
モータ制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に電動工具は、トルクをスピンドル
を介して工具に伝達するモータを有している。電気ドリ
ルの場合には、モータスピンドルが、一連の減速ギアを
介してチャックに連結されており、チャックは、ドリル
ビット、又はホールソー、砥石車等の他の切削又は研削
工具を保持する。電動スクリュウドライバも同様な原理
で作動し、チャックはスクリュウドライバビットを保持
する。両場合において、減速ギア又は減速ギア列の機能
は、工具の回転速度を低下させると同時に、回転トルク
を増大させることにある。

【０００３】動力伝達経路は幾分異なっている。一般的
な手持ち形ルータの切削工具（ルータビット）は、一般
に、モータのスピンドルに直接連結されている。この場
合には、モータの最高回転速度すなわちＲＰＭがギア減
速することなく使用され、高速でルータを回転させる。
往復動ソー及びジグソーは、モータスピンドルの回転運
動を往復運動に変換する別形式のギア列を使用してい
る。

【０００４】一般に、これらのあらゆる電動工具は、緊
迫（impending)不動状態に突然遭遇し、このとき、ワー
ク硬度の局部的変化、ワークのバインディング（拘着）
又はかじり付き（ジャミング）、バリ等により引き起こ
される工具の障害により、出力トルクが急激に増大す
る。このような状態を引き起こす原因が解消されなけれ
ば、工具はかじり付きを引き起こし且つモータは停止し
てしまうであろう。例えば電動ドリルで穿孔するとき、
或るワークは、その工具出口側にバリを発生し、これら
のバリはドリルビットの溝と係合して、ドリルビットが
自由に回転しようとするときのトルクを急激に増大させ
る。或る場合（特に金属ワークの場合）には、バリによ
ってドリルビットの回転が実際に停止され、強い反作用
トルクが引き起こされる。この反作用トルクは、モータ
が工具を回転させるときに、ドリルビットを回転させる
のではなく、工具作業者の手に伝達される。

【０００５】電動ソーにも同様な現象が生じる。キック
バックと呼ばれるように、鋸による切断が完了しようと
するとき及び支持されないワークがソーブレードにかじ
り付くとき、しばしば、ソーブレードの切断運動がワー
クにより部分的に又は完全に阻止される。ソーブレード
の運動が妨げられると、大きなモータトルクが発生さ
れ、或る場合には、モータが実際に停止する。

【０００６】以下、これらの状態を包括的に「キックバ
ック」又は「不動（stall)」状態と呼び、これらの状態
は、包含される特定電動工具又は緊迫キックバック又は
不動状態を引き起こす特定条件とは無関係にこのように
呼ぶこととする。

【０００７】これ迄に、本願の譲受人は、緊迫キックバ
ック状態を検出し且つこのキックバック状態に応答して
工具への動力の伝達を遮断し及び／又は任意ではあるが
工具にブレーキをかけるキックバック防止電動工具制御
技術を開発した。これらの装置は、Saarの「キックバッ
ク防止電動工具制御（Anti-Kickback Power Tool Contr
ol) 」という名称に係る１９８１年５月１９日付米国特
許第4,267,914 号及びLeukhardt 等の「キックバック防
止電動工具制御（Anti-Kickback Power Tool Control)
」という名称に係る１９８１年２月３日付米国特許第
4,249,117 号により詳しく記載されている。これらの米
国特許に記載されたキックバック防止制御装置は、ひと
たび緊迫キックバック状態が生じると、モータへの電力
供給を遮断するように設計されている。電力を再び工具
に供給するためには、トリガスイッチを完全に解放し且
つ次に再び押し下げるか、作業者が他の何らかの信号を
与えなくてはならない。

【０００８】これらの米国特許に記載された装置はキッ
クバック状態の検出及び防止には有効であるが、緊迫キ
ックバック状態に対するここに開示された制御回路の応
答性は、作業者が所望の仕事を完了することを不可能に
する。例えば、貫通中に形成されるバリへのドリルビッ
トのバインディングにより電力が遮断されると、作業者
が、不動状態を反復させることなく且つモータへの電力
供給の再遮断を引き起こすことなくバリを除去して孔を
完成することは困難である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、キックバック
状態の検出及び防止に有効なだけでなく、作業者が緊迫
キックバック状態に打ち勝って意図した仕事を完了でき
るようにすることにも有効な優れた制御技術が要求され
ている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、本願出願人に
係る従前のキックバック防止技術の改良に関する。工具
への電力の供給を単に遮断する（及び／又はブレーキを
かける）ことにより緊迫キックバック状態に応答するだ
けでなく、本発明は、工具を停止及び再始動させる必要
がないように、モータのパルシング作動を行なって、多
くの場合に実際に貫通又はキックバック状態を解決すな
わちクリヤすることができる。本発明を例えば電動ドリ
ルに使用する場合には、作業者は、トリガスイッチを作
動状態に維持でき、この間に本発明のコントローラが、
緊迫不動状態（例えば、キックバック又は貫通状態）を
検出し且つ所定時間の間モータをパルシングして連続ト
ルクパルスを与えることにより前記状態に応答する。こ
れらの各トルクパルスは、連続パルス中に与えられる平
均トルクより実質的に大きいピークトルクを有してい
る。これらのトルクパルスの衝撃は、工具が、緊迫不動
状態すなわちキックバック状態を引き起こすバリ又はワ
ークの障害を突破できるようにする。一実施例では、パ
ルスは、電動工具のギア列の固有周波数に対して調和関
連するように設計されたシーケンスで供給される。これ
により、ギア列を、付勢状態と弛緩状態との間で、ギア
列の固有周波数で振動させることにより、かなり大きな
ピークトルク出力が得られる。

【００１１】本発明は、事実上いかなる電動工具にも使
用できる。ロータリソーのモータ制御に適用するとき
は、モータパルシング効果により、ワークはかじり付き
がなくなる（すなわち、最初に緊迫不動状態又はキック
バック状態を引き起こしたバインディング状態を突破す
る）。

【００１２】従って本発明は、作業者が操作可能なスイ
ッチにより作動されると、出力スピンドルにトルクを伝
達するモータを備えた事実上全ての電動工具を制御する
方法及び装置を提供する。本発明は、不動状態の開始を
示すモータパラメータを検出するステップを有する。検
出されるパラメータは例えばモータ電流にすることがで
き、不動状態の開始は、時間に対するモータ電流の変化
速度をモニタリングすることにより推測できる。スイッ
チが操作された状態にある間にモータを所定時間パルシ
ングして、連続トルクパルスを与える。該連続トルクパ
ルスは、この連続トルクパルス中に与えられる平均トル
クより実質的に大きいピークトルクを有する。多くの場
合に、これらのトルクパルスは、緊迫不動を引き起こし
た状態をクリヤする。クリヤされた場合には通常のモー
タ作動が再開され、クリヤされない場合には、所定時間
後に、モータに供給される電力を遮断してモータの焼損
を防止する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明、その目的及び長所をより
完全に理解できるようにするため、以下の説明及び添付
図面を参照されたい。

【００１４】本発明は広範囲の種々の電動工具に有効で
ある。本発明の原理を説明するのに、電動ドリルを例示
し且つ説明する。本発明は他の種類の電動工具にも首尾
よく適用できることは容易に理解されよう。

【００１５】図１には、電動ドリルの全体が参照番号１
０で示されている。このドリルには、本発明の好ましい
実施例による制御回路１２が組み込まれている。ドリル
１０は、慣用的な態様で、モータ１６と、ギア列２０
と、工具ビット受入れチャック２２とを有している。ト
リガスイッチ２４は、モータへの電流の供給を制御し且
つ必要とする種々の作業に適するようにモータ速度を変
えるのにも使用される。ドリルビット２６は、図示のよ
うにしてチャックに取り付けることができる。ドリルビ
ットは、慣用的な形状の溝付きシャンク２８及び切刃チ
ップ３０を有している。

【００１６】図２を参照すると、制御回路１２の好まし
い実施例のブロック図が示されている。制御回路１２は
モータ１６に電流を供給し、本発明に従って、通常作動
（連続作動）及びパルスモード作動の両作動を行なう。

【００１７】制御回路１２は、マイクロプロセッサ又は
マイクロコンピュータの形態をなすマイクロコントロー
ラ３０を有している。ＡＣ電力ラインには電源回路３２
が接続され、該電源回路３２はマイクロコントローラ３
０を作動させるための適当なＤＣ電圧を供給する。図示
のように、トリガスイッチ２４はマイクロコントローラ
３０にトリガ信号を供給する。このトリガ信号は、工具
の作業者が手動操作するときのトリガスイッチの位置す
なわちセッティングを表示する。所望ならば、マイクロ
コントローラ３０にリセット回路３４を設け、該スイッ
チを付勢したときにマイクロコントローラを再び初期設
定するように構成できる。

【００１８】モータ１６を作動させる駆動電流は、トラ
イアック駆動回路３６により制御される。トライアック
駆動回路は、マイクロコントローラ３０により供給され
る信号により制御される。電流センサ３８がモータ１６
及びトライアック駆動回路３６に直列に接続されてい
る。電流センサ３８は、例えば、低抵抗／高ワッテージ
レジスタで構成できる。電流センサ３８を通る電圧降下
は、実際の瞬間モータ電流の表示として測定される。こ
のようにして測定された瞬間モータ電流は平均電流測定
回路４０に供給され、該回路４０は平均電流値をマイク
ロコントローラ３０に供給する。マイクロコントローラ
３０は、平均電流を用いて、パルスモード作動に（及び
パルスモード作動から）切り換えるか否かを評価する。
平均電流に加え、マイクロコントローラ３０には、電流
検出回路４２からの信号も供給される。この回路４２は
トライアック駆動回路３６に接続されており且つトライ
アック駆動回路の導通状態の信号表示を供給する。何ら
かの理由により、トライアック駆動回路がマイクロコン
トローラ３０からの制御信号に応答してターンオンしな
い場合には、回路４２は、これを検出し且つマイクロコ
ントローラが別の制御信号パルスを送るようにマイクロ
コントローラに通知する。より詳しくは、トライアック
ゲート電圧がゼロであるとき（トライアックが導通状態
にないとき）には、回路４２は、この状態の表示をマイ
クロコントローラに供給する。

【００１９】作動に際し、トリガスイッチ２４は、スイ
ッチセッティングに比例して変化するトリガ信号をマイ
クロコントローラ３０に供給する。このトリガ信号に基
づいて、マイクロコントローラ３０は、トライアック駆
動回路３６を導通させ、これによりモータ１６に電流が
流れるようにする。このモータ電流によりモータが回転
され、モータ電流はモータトルクにほぼ比例する。平均
電流回路４０及び電流センサ３８はモータ電流をモニタ
リングし且つ平均電流信号をマイクロコントローラ３０
に供給する。この平均電流信号は、緊迫不動状態が生じ
たときを検出するため、後述のようにしてマイクロコン
トローラ３０により処理される。緊迫不動状態が検出さ
れると、マイクロコントローラ３０はパルスモード作動
に切り換わり、トライアック駆動回路３６に、高速オン
／オフ電流パルスをモータ１６に供給させる。これらの
電流パルスは連続トルクパルス（各トルクパルスは、パ
ルスモード作動中に供給される平均トルクより実質的に
大きいピークトルクを有する）を供給する。多くの場合
に、これらのトルクパルスは緊迫不動を引き起こした状
態をクリヤする。この場合には、マイクロコントローラ
３０は、平均電流信号をモニタリングすることによりこ
れを検出し且つ自動的に通常のモータ作動に戻る。

【００２０】本発明のパルスモード作動は、種々の異な
るマイクロプロセッサ実施形手順により実行される。こ
こでは、図３に示す第１手順及び図５に示す第２手順の
２つの手順を説明する。１つの可能なパルスモードルー
チンの詳細を示す疑似コードルーチンを末尾の「付録
（APPENDIX) 」に示す。また、ＡＣ電動ドリルのモータ
制御回路の詳細を図１０に示し且つ以下に説明する。

【００２１】図３には、第１モータ制御ルーチンが示さ
れている。スタートステップ１００で開始すると、ルー
チンは、最初に、作業者スイッチが閉じられているか否
かをチェックする（ステップ１０２）。作業者スイッチ
は、例えば、電動ドリルの手動操作形トリガスイッチ２
４で構成できる。スイッチが閉じていないときは、モー
タへの電力は遮断されており（ステップ１０４）、制御
ブランチはステップ１０２に戻る。作業者スイッチが閉
じているときは、モータに電力が供給され（ステップ１
０６）、モータには、工具を介してモータに作用する負
荷に比例する電流が流れる。モータ電流がモニタリング
され（ステップ１０８）、モータ電流の変化速度を測定
する（ステップ１１０）。モータ電流の変化速度が正で
あり（ステップ１１２）且つモータ電流の変化速度が所
定閾値を超えない（ステップ１１４）ときは、パルスル
ーチンが呼び出される（ステップ１１６）。モータ電流
の変化速度が正でないときは、制御ブランチは簡単にス
テップ１０２に戻る。

【００２２】パルスモードルーチンは、種々の異なるマ
イクロプロセッサ実施形手順により実行される。このよ
うな１つの手順が、「付録」に示された手順リストに記
載されている。手順リストを参照すると、この手順は電
流オンタイム及び電流オフタイムを定めている。これら
は、図４に示すモータ電流の波形を発生させるのに使用
される。所望ならば、オンタイム及びオフタイムの継続
時間を等しく（５０％デューティサイクル）するか、異
なる継続時間にすることができる。幾つかの実施例で
は、オンタイム継続時間及びオフタイム継続時間をＡＣ
電源周波数から求めることができる。或いは、オンタイ
ム継続時間及びオフタイム継続時間は、マイクロコント
ローラ３０の搭載クロックにより発生させることができ
る。オンタイムの値及びオフタイムの値を適当に選択す
ることにより、パルス電流信号の周波数は装置の設計時
に決定できる。

【００２３】本発明は種々のオンタイム及びオフタイム
を組み合わせて実施できるけれども、或る工具の用途で
は、オンタイム及びオフタイムが工具のギア列の固有共
振周波数に一致するようにオンタイム及びオフタイムを
選択することにより有利になることがある。一般に、電
動工具のギア列には、電力がそれぞれ供給及び遮断され
るときに付勢位置と弛緩位置との間でモータスピンドル
が回転することを許容する或る程度の遊びが存在する。
多くの物理的装置と同様に、モータ及びそのギア列は、
固有共振周波数、すなわち、付勢状態と弛緩状態との間
の振動が最も自然に生じる周波数を有する。この固有周
波数と同期するパルス電流が加えられると、振動エネル
ギが増大される。原理を説明するため、バスケットボー
ルを手でドリブルするときに、バウンド周波数と同期さ
せて各バウンドの頂点又は頂点近くに如何にしてエネル
ギを加えるかを考えてみる。エネルギは、振動（バウン
ド）が増大されるように、適当な時点で加えられる。こ
れとまさしく同じ態様で、振動するギア列装置にエネル
ギが加えられる。

【００２４】電動工具のギア列の固有共振周波数は、
「付録」の手順に記載された手順を用いて実験的に決定
される。固有共振周波数を見出すため、マイクロコンピ
ュータは、工具のトルク出力が測定される間に、異なる
オンタイム及びオフタイムの範囲を反復して選択するよ
うにプログラムされる。最大トルク出力に一致するこれ
らのオンタイム値及びオフタイム値は、ギア列装置の固
有共振周波数（又は、或る場合にはその調和周波数）に
一致する。

【００２５】「付録」中の疑似コードリストを参照する
と、この手順はパルスモード継続時間をも定める。図４
に示すように、パルスモード継続時間は、呼び出された
ときにパルスモードルーチンが作動する所定の時間であ
る。本発明の好ましい実施例は、パルスモード継続時間
の経過後の或る条件下で、パルスモードルーチンを終了
する。従って、所定のパルスモード継続時間内に不動状
態が除去されないときは、モータの焼損を防止するため
給電が遮断される。

【００２６】また、疑似コード「付録」の手順は、緊迫
不動状態がクリヤされているため、パルスモードルーチ
ンが終了する限界電流（電流閾値）を定める。

【００２７】上記値を初期設定することにより、手順が
開始する。次に、パルスモード継続時間カウンタが始動
される。残りのルーチンは、パルスモード継続時間カウ
ンタが経過しない間に実行される。

【００２８】モータ電流は、電流オンタイムにより規定
される間隔でターンオンされる。これは、電流オンタイ
ムカウンタを始動させ次にオンタイムカウンタが経過し
ない間にモータ電流をターンオンすることにより達成さ
れる。モータ電流が流れている（オン）間に、電流検出
装置が平均モータ電流を測定する。好ましくは、測定
は、上記回路を用いて周期的に行なう。平均モータ電流
が初期設定された限界電流より小さいときには、モータ
パルスルーチンを早く脱出する。また、電流オンタイム
が経過しない間に作業者がスイッチを開くと、モータパ
ルスルーチンを脱出する。

【００２９】オンタイムの経過後、オフタイムが測定さ
れる。モータ電流がターンオフされ且つオフタイムカウ
ンタが始動される。オフタイムが経過するまで、ルーチ
ンは、作業者がスイッチを開いたか否かを確認するため
モニタリングする。作業者がスイッチを開いた場合に
は、モータパルスルーチンを脱出する。モータオフタイ
ムの経過後、制御ブランチは手順のオンタイムセグメン
トに戻り、これにより、パルスモード継続時間が経過す
るまでサイクルが反復する。

【００３０】パルスモード継続時間カウンタが、不動状
態がクリヤされない場合にのみ到達される状態を経過す
ると、モータに給電するスイッチが切られ、所望ならば
ブレーキをかけ、且つ作業者が物理的にリセットするま
でトリガスイッチがロックされる。

【００３１】図５を参照すると、本発明のモータ制御ル
ーチンの好ましい第２実施例が示されている。スタート
ステップ１３０から開始して、このルーチンは、最初
に、ステップ１３２においてトリガ変位量を測定して、
トリガスイッチ２４の現在のセッティングを決定する。
次に、ステップ１３４において、平均モータ電流を測定
し、トリガ変位量に比例するモータ電圧が設定される
（ステップ１３６）。このようにして、モータは、トリ
ガセッティングにより規定された速度で作動するように
設定される。

【００３２】図５の実施例では、トリガ変位量すなわち
移動量の変化が所定閾値より大きい場合にのみパルスモ
ード作動が行なわれる。従って、ステップ１３８におい
て、トリガ変位量の変化がデルタ（Δ）トリガ閾値と比
較される。トリガ変位量の変化が閾値を超えない場合に
は、制御は、簡単にステップ１３２に戻る。そうでない
場合には、制御はステップ１４０に進み、ここで、絶対
電流が絶対電流閾値と比較される。絶対電流が閾値より
大きい場合には、パルスモード作動が開始される（ステ
ップ１４２）。そうでない場合には、制御はステップ１
４４に進み、ここで、平均電流の時間変化速度が分析さ
れる。平均電流の変化（ｄｉ／ｄｔ）が大きい方の閾値
より大きい場合、又は平均電流の変化が、２つの連続サ
イクルの中間閾値より大きい場合には、パルスモード作
動が開始される（ステップ１４２）。ステップ１４４に
おけるこれらのいずれのテストも満足しない場合には、
制御はステップ１３２に戻る。

【００３３】モータは、或る事態が生じない限りパルス
モード作動を続ける。ステップ１４６、１４８に示すよ
うに、平均電流がパルスモード作動中の上方の閾値より
大きい場合には、モータへの給電が遮断される。また、
ステップ１５０に示すように、平均電流が小さい方の閾
値より小さい場合には、パルスモード作動が終了し、制
御はステップ１３２に戻る。

【００３４】更に説明を続けると、図６は、本発明を導
入した電動ドリルのモータ電流をグラフで示すものであ
る。モータトルクはモータ電流に比例し、従って図６の
グラフは如何にしてモータトルクを制御するかを示すも
のでもある。工具のスイッチが入れられると、モータ電
流は、Ａで示すように急速に増大し、工具は最高速度へ
と加速される。その後、モータ電流は、Ｂで示すように
通常の作動電流へと低下する。ワークがドリル穿孔され
る間、モータ電流は、ワークの硬度変化及び作業者が加
える圧力の変化により僅かに上下に変動する。これらの
微小変動は別として、図６の挿入図Ｉに示すようにドリ
ルビットがワークを切削する間は、モータ電流は本質的
に一定である。

【００３５】挿入図ＩＩに示すように貫通が生じると、
Ｃで示すようにモータ電流は急速に増大する。より詳し
くは、モータ電流の変化速度は、Ａで示す初期加速中の
変化速度より急速である。モータ電流のこの急速増大の
理由は、ワークの出口側の孔は未だ完全に丸くなく、材
料のバリ又は非除去部分が存在するため、これらがドリ
ルビットの溝部分内に入り込むことにある。

【００３６】本発明によりモータ電流の急速増大が検出
されると、パルスモードルーチンが呼び出され、モータ
電流はＤで示すようにパルシングされる。このパルスモ
ード作動の間に達成されるピークモータ電流（及びモー
タトルク）は、この期間中の平均モータ電流（及び平均
トルク）より実質的に大きいことに注目すべきである。
ピークモータ電流及びピークトルクは、Ｂで示す通常の
ドリル穿孔中の平均トルクより実質的に大きい。また、
ピーク電流はＥで最大値となり、その後は各ピークが連
続するようにして減少する。最終的に、ピーク電流は、
Ｆで示す電流閾値まで低下し、その後は通常の（非パル
ス形）作動が再開される。

【００３７】パルスモード作動の各パルス中、ドリルビ
ットの切刃は、彫刻の態様でバリ又は除去されないワー
ク材料と衝突するように駆動される。各衝突の後、ギア
列は弛緩でき、次の衝突を行なうためドリルビットの切
刃が僅かに後退できるようにする。このようにして、ド
リルビットの切刃はチョッピング運動を行い且つ各チョ
ップ中に生じるピークトルクは平均トルク（チョッピン
グ運動しない場合にモータが発生できるトルク）より実
質的に大きい。このパルシング作用は、工具が、あらゆ
る残留バリ又は他の材料的障害に打ち勝つことを可能に
する。ワークの貫通が生じた後、工具は通常の作動を再
開し、これにより、孔は、挿入図ＩＩＩに示すように、
一層きれいに穿けられる。また、パルシングは、上記状
態が生じたことを作業者に知らせる。

【００３８】注目すべきは、この全パルスモード作動中
に、トリガスイッチが、工具作業者により操作された状
態に維持されることである。モータ電流の急速な増大が
要求されるならば、装置は自動的にパルスモード作動に
入り、作業者は、ドリリング作業すなわち切削作業に集
中して、単にトリガスイッチを閉じた状態に保持し続け
ればよい。

【００３９】不動状態に打ち勝つのに、パルスモード作
動が首尾よくいかない場合には、所定のパルスモード継
続時間が経過した後に、モータへの給電が遮断される。

【００４０】図６の挿入図Ｉ〜ＩＩＩにはドリルビット
を示したが、前述のように、本発明は他の種類の電動工
具にも有効である。電動鋸の場合には、切断が完了した
後に潜在的な不動状態が生じ、除去された材料の一部
が、鋸歯とリップフェンス（rip fence)又は他のガイド
との間に詰まってしまう。パルスモード作動のパルシン
グ作用は、ワークを頻繁に振動させて詰まりを除去し且
つこの状態を作業者に知らせる。このように、本発明
は、ドリル及び鋸を含む広範囲の電動工具に導入でき
る。

【００４１】図５のモータ制御ルーチンを更に理解する
ため、図７、図８及び図９を参照されたい。これらの図
面は、時間（ラインサイクルで測定した時間）の関数と
しての平均モータ電流（マイクロコントローラ３０のＡ
／Ｄ変換回路により発生されたＡ／Ｄ値）を示す。

【００４２】図５の好ましい実施例は、ＡＣライン周波
数と同期するパルスモード作動を実行する。「付録」の
疑似コードリストには、パルスモード作動がライン周波
数に必ずしも同期していない、より一般化した場合が示
されている。疑似コードリストでは、オンタイム及びオ
フタイムは、マイクロプロセッサのクロック回路により
測定された任意の値にすることができる。図７〜図９に
示す実施例では、オンタイム及びオフタイムは、マイク
ロプロセッサのクロック回路の代わりにＡＣラインサイ
クルの所定数をカウントすることにより測定される。Ａ
Ｃ電源工具には、図７〜図９の実施例が好ましい。コー
ドレスバッテリ電動工具のようなＤＣ電源工具には、マ
イクロプロセッサのクロックベース形実施例を使用でき
る。

【００４３】図７は、図５の装置の作動の第１例を示
す。Ａで示すように、スイッチがターンオンされた後、
平均モータ電流は、Ｂで示す安定作動値へと低下する。
この電流は、緊迫不動状態のない通常の工具作動を示す
ものである。Ｃにおいて、電流は急速に増大し、これは
緊迫不動状態を示す。図５で説明したように、緊迫不動
状態は、次の２つの条件が満たされると生じる。条件
１：時間の関数としての平均モータ電流の増大が所定の
デルタ閾値より大きいこと。図７は、変化速度すなわち
電流増大の所定速度に一致する第１微分値すなわち傾斜
としてこのデルタ閾値を示す。条件２：平均モータ電流
が絶対閾値を超えること。図７は、図示の小さい方の閾
値より大きい任意の電流として絶対閾値を示す。ひとた
び、これらの２つの条件のうちの１つ（この場合には、
第１条件）が合致すると、パルスモード作動が開始され
る。緊迫不動状態の原因が所定時間後（所定のラインサ
イクル数の後）でも除去されない場合には、Ｇ点で示す
ようにモータ電流が遮断される。この場合、平均電流ピ
ークが大きい方の閾値を超えるため、モータ電流の遮断
が生じる。

【００４４】図８は、モータ電流がＣ点でパルスモード
作動に入り、次にＦ点で通常の作動に戻る場合を示す。
通常の作動は、モータ電流が小さい方の閾値以下に低下
するため再開される。

【００４５】図９は、パルスモード作動がＣ点で開始し
且つモータを停止することなくこのモードを続ける場合
を示す。パルスモード作動時のピークモータ電流は大き
い方の電流閾値より小さく低下する。大きい方の閾値に
は到達しないので、パルスモード作動が継続する。図９
と図７とを比較して、図７では、パルスモード作動中に
平均電流ピークが大きい方の閾値を超えることに留意さ
れたい。従って、図７ではＧ点でパルスモード作動が終
了し且つモータ電流が遮断されるのに対し、図９ではパ
ルスモードが終了しない。

【００４６】図１０は、本発明をＡＣ電動ドリルに使用
する方法を示す。図１０の実施例における部品群は図２
のブロック図に対応する。従って、これらの回路部品の
機能の概要を示す図２を参照されたい。図１０を参照す
ると、本発明の好ましい電源回路３２は、回路の種々の
部品に低電圧電源電圧を供給するツェナーダイオードを
使用し、５ＶのＤＣ電源及び１２ＶのＤＣ電源からな
る。

【００４７】図１０の回路は、図示のピンアウト（pin-
out)に従って接続されたＳＴ６２１０Ａマイクロコント
ローラ回路を用いて構成されている。共振器２００は、
マイクロコントローラの適正クロック周波数を維持す
る。トリガスイッチ回路２４は、マイクロコントローラ
３０のＡ／Ｄ入力ピン１０に接続されている。従って、
マイクロコントローラ３０はトリガスイッチのセッティ
ングをモニタリングできる。ＡＣライン周波数が、高イ
ンピーダンス入力ピン８に接続された検出レジスタ２０
２を介してマイクロコントローラ３０に供給される。こ
れは、パルスモード作動の速度を制御するタイムベース
を同期化させ且つ発生させる信号（この信号からＡＣラ
イン周波数が得られる）をマイクロコントローラ３０に
供給する。

【００４８】或る条件下で、マイクロコントローラ３０
は、光学的表示を目的とするＬＥＤへの電力供給を遮断
する。マイクロコントローラ３０は、この目的でトラン
ジスタ２０４のベースに接続されたピン１２に信号を供
給する。マイクロコントローラ３０がトライアック駆動
回路３６の状態をモニタリングできるようにするため、
ピン１５が、プルアップレジスタ２０６を介して５Ｖ電
源に接続される。ピン１５はまた、レジスタ２０８を介
してトライアック３６のトリガターミナルに接続されて
いる。トライアックの状態に基づいて、マイクロコント
ローラ３０のピン１５が引き下げられ、これにより、ト
ライアック駆動回路の状態の変化の信号を出力する。

【００４９】マイクロコントローラ３０は、ピン１９を
介してトライアック駆動回路３６の作動を制御する。ピ
ン１９は、トライアック駆動回路のトランジスタ２１２
のベースに接続されている。このトランジスタ２１２に
は、可変デューティサイクル交番信号が供給され、該信
号はトライアックを作動させる。トライアックは、図示
のように、モータ回路の中性点側に接続するのが好まし
い。

【００５０】モータが作動すると、モータ電流は電流検
出レジスタ３８を通って流れる。電流検出レジスタは、
高ワッテージ低抵抗（０．０１オーム）デバイスで構成
できる。レジスタ３８を通る電圧降下は、平均電流モニ
タリング回路４０により測定される。回路４０の出力
は、マイクロコントローラ３０のＡ／Ｄ入力ピン１１に
供給される。この信号は、いつパルスモード作動に入る
か（又はパルスモード作動から出るか）、及びいつモー
タへの電力を遮断するかを決定するのに使用される。

【００５１】本発明の好ましい平均電流モニタリング回
路４０は、サイクル毎の平均電流測定を行なう。演算増
幅器２１４は、電流検出レジスタ３８の両端で測定した
電圧降下を反映する。この反映された電圧はトランジス
タ２１６のベースに加えられ、該ベースは、トランジス
タ２１６により確立される電圧及びレジスタ２２０の値
を維持するため、キャパシタ２１８を通して電流を取り
入れる。サイクル毎のモータ電流ｉ_aveは、次式を用い
て、キャパシタ２１８の電圧Ｖ_cから計算できる。ここ
で、Ｒ_sはレジスタ３８の抵抗、Ｒ_iはレジスタ２２０
の抵抗、及びＴはＡＣライン電流の継続時間（例えば１
０ｍｓｅｃ）である。

【００５２】キャパシタ２１８の電圧Ｖ_cは、レジスタ
２２１を介してＡ／Ｄ入力ピン１１に供給される。マイ
クロコントローラによるＡ／Ｄ変換がひとたび完了する
と、ピン１１は、サイクル毎の平均電流回路をリセット
する目的で、電流の次の正の１／２サイクルを受け入れ
るべく、レジスタ２２１を通してキャパシタ２１８を放
電させる高出力状態に設定される。回路のリセットによ
り、装置が、モータ電流の急速増大を正確且つ瞬間的に
検出する上で厳格なラインサイクル応答時間で、モータ
の平均電流を測定できるようにする。

【００５３】

【発明の効果】以上から、本発明は、緊迫不動状態を検
出（或る場合には打ち勝つ）ための、広範囲の種々の電
動工具に導入できるモータ制御回路及び方法を提供する
ことが理解されよう。本発明を導入した電動工具は、作
業者が、貫通、焼付き及びキックバック状態等の不動状
態に悩まされることなく、正確な穿孔又は切削に集中で
きるため、作動がより容易且つ便利になる。他の長所
は、緊迫不動状態が生じると、本発明のパルシング作用
によりトルクバーストが得られ、これにより不動状態に
打ち勝つことができるけれども、平均トルクが小さく維
持されるため作業者がこれを感じないことである。しか
しながら、パルシング作用は、潜在的不動状態が存在す
ることを作業者に知らせる働きをする。本発明を導入し
た電動工具は、作業者の手を捩じる傾向が殆どない。

【００５４】本発明をその好ましい実施例について説明
したが、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明
の精神から逸脱することなく或る変更をなし得ることが
理解されよう。例えば、本発明は、主として、ＡＣ電動
ドリルへの適用を説明したが、バッテリ駆動形工具にも
等しく適用できる。

【００５５】付録（APPENDIX) パルスモードルーチン電流オンタイムの初期設定。電流オフタイムの初期設定。パルスモード継続時間の初期設定。限界電流（電流閾値）の初期設定。パルスモード継続時間カウンタの始動。パルスモード継続時間が経過しない間に、〔オンタイム
時にパルスモータ：オン〕を開始。電流オンタイムカウンタの始動。電流オンタイムが経過しない間に、電流のターンオン。平均モータ電流の測定。平均モータ電流が限界電流より小さい場合には、モータ
パルスルーチンを脱出〔不動状態が除去されたならば早
く脱出〕。そうでなければ、スイッチが開いている場合には、モー
タパルスルーチンを脱出〔スイッチが開いたならば早く
脱出〕。そうでなければ、エンドホワイル（End While) 〔オフタイム時にパルスモータ：オフ〕電流のターンオフ。電流オフタイムカウンタの始動。電流オフタイムカウンタが経過しない間に、スイッチが
開いている場合には、モータパルスルーチンを脱出〔ス
イッチが開いたならば早く脱出〕。エンドホワイル〔パルスモード継続時間が経過するまで、上記事項を反
復〕。モータへの電力の遮断。（物理的にリセットされるまで）トリガスイッチをロッ
クアウト。終了。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御回路を使用した一般的な可変速電
動ドリルを示す側面図である。

【図２】本発明の制御回路の好ましい実施例を示す簡単
化したブロック図である。

【図３】本発明の一実施例を示すフローチャートであ
る。

【図４】本発明を理解するのに有効なパルスモードタイ
ミング図である。

【図５】本発明の別の好ましい実施例を示すフローチャ
ートである。

【図６】通常作動時及びパルスモード作動時にモータが
如何にして制御されるかについて、時間の関数としての
モータ電流を示すグラフである。

【図７】本発明の作動の理解に有効な、時間（ラインサ
イクル）の関数としてのモータ電流を示すグラフであ
る。

【図８】本発明の作動の理解に有効な、時間（ラインサ
イクル）の関数としてのモータ電流を示すグラフであ
る。

【図９】本発明の作動の理解に有効な、時間（ラインサ
イクル）の関数としてのモータ電流を示すグラフであ
る。

【図１０】本発明を取り入れた電動ドリルのモータ制御
回路の詳細概略図である。

【符号の説明】

１０電動ドリル１２制御回路１６モータ２０ギア列２４トリガスイッチ２８溝付きシャンク３０マイクロコントローラ３２電源回路３６トライアック駆動回路３８電流センサ４０平均電流測定回路４２電流検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ポールジーフェバーアメリカ合衆国メリーランド州21131，フェニックス，メイナーロード 14710 (72)発明者ファルガンペイテルアメリカ合衆国メリーランド州21009，アビンドン，シェヴェリーコート 3337

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作業者が操作可能なスイッチにより作動
されると、出力スピンドルにトルクを伝達するモータを
備えた電動工具を制御する方法において、モータパラメータを検出し且つ緊迫不動状態の開始を示
す前記パラメータの値の急速変化を検出し、スイッチが操作された状態にある間にモータを複数回パ
ルシングして、連続トルクパルスを与え、該連続トルク
パルスは、この連続トルクパルス中に与えられる平均ト
ルクより実質的に大きいピークトルクを有することを特
徴とする制御方法。
【請求項２】前記検出されるモータパラメータがモー
タ電流であり、前記検出ステップがモータ電流の急速増
大を検出することを特徴とする請求項１に記載の制御方
法。
【請求項３】前記モータは所定のサイクル周波数の交
流により駆動され、前記モータパラメータ検出ステップ
は前記サイクル周波数と同期して反復して行なわれるこ
とを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項４】前記モータは所定のサイクル周波数の交
流により駆動され、前記パルシングステップは、前記サ
イクル周波数と同期して前記モータへの電流の流れを妨
げることにより行なわれることを特徴とする請求項１に
記載の制御方法。
【請求項５】前記工具が特徴のある固有共振周波数を
有し、前記パルシングステップが、前記固有共振周波数
に実質的に調和関連する周波数で行なわれることを特徴
とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項６】モータ（１６）に接続される駆動回路
（３６）であって、前記モータへの電流の供給を制御す
る駆動回路（３６）と、該駆動回路（３６）に接続され且つ該駆動回路（３６）
を制御するプロセッサ出力信号を供給するプロセッサ
（３０）と、モータ電流を示すパラメータを検出すべく前記駆動回路
（３６）に接続され且つ第１プロセッサ入力信号を供給
すべく前記プロセッサ（３０）に接続された電流センサ
（３８、４０）とを有し、前記プロセッサ（３０）が、前記第１プロセッサ入力信
号の値の急速変化を検出して不動状態の開始を検出する
ための第１手段（１０８〜１１４）を備え、前記プロセッサ（３０）が更に、検出した不動状態の開
始に応答して前記モータに電流パルスを供給すべく前記
プロセッサ入力信号を使用するための第２手段（１４
２）を備えていることを特徴とする電動工具（３０）の
モータ制御回路。
【請求項７】モータへの電流の供給を引き起こす第２
プロセッサ入力信号を与えるための、前記プロセッサ
（３０）に接続された作業者が操作可能なスイッチ（２
４）を更に有し、前記第２手段（１４２）が、前記第２
プロセッサ入力信号を周期的に無効にし且つモータに供
給される電流を遮断することを特徴とする請求項６に記
載のモータ制御回路。
【請求項８】前記モータ（１６）が交流により駆動さ
れ、前記電流センサ（３８、４０）が、前記交流の１サ
イクルにつき少なくとも１回、平均モータ電流を検出す
ることを特徴とする請求項６に記載のモータ制御回路。
【請求項９】前記プロセッサ（３０）が更に、所定時
間の後に、又は前記不動状態をクリヤしたことの検出に
応答して、前記モータへの電流パルスの供給を終了させ
る手段（１４６、１４８）を有することを特徴とする請
求項６に記載のモータ制御回路。
【請求項１０】前記電動工具（１０）が特徴のある固
有共振周波数を有し、前記プロセッサの前記第２手段
（１４２）が、前記固有共振周波数に実質的に調和関連
する周波数で前記モータに電流パルスを供給することを
特徴とする請求項６に記載の制御回路。