DE10261509A1

DE10261509A1 - Elektrowerkzeug

Info

Publication number: DE10261509A1
Application number: DE10261509A
Authority: DE
Inventors: Hirokatsu Yamamoto
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2003-07-17
Also published as: US20060113096A1; JP2003200363A; US20030121685A1; US7007762B2

Abstract

Ein repräsentatives Elektrowerkzeug kann eine Werkzeugspitze, einen bürstenlosen Motor zum Antreiben der Werkzeugspitze, eine Batterie zum Betreiben des bürstenlosen Motors und ein Steuermittel enthalten. Das Steuermittel kann den bürstenlosen Motor mittels der Batterie betreiben. Das Steuermittel kann einen Vorlaufwinkelsteuerabschnitt zum Steuern eines Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors enthalten. Gemäß der Lehre zur Ausgestaltung der Erfindung kann der Vorlaufwinkel des bürstenlosen Motors auf der Grundlage von Indices bestimmt werden, die eine Arbeitsbedingung der Werkzeugspitze wiedergeben, wenn der bürstenlose Motor in Betrieb ist. Durch Wiedergeben der Arbeitsbedingung der Werkzeugspitze für die Bestimmung des Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors kann der bürstenlose Motor mit höherer Effinzienz bei unterschiedlichen Arbeitsbedingungen wie etwa einer Funktionsweise für ein hartes Verbinden und einer Funktionsweise für ein sanftes Verbinden betrieben werden. Die Erfindung liefert eine Technik zum Erhöhen der Effizienz des Ausgangsdrehmoments des bürstenlosen Motors zum Antreiben des Elektrowerkzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug, das durch einen bürstenlosen Motor bzw. einen Stromrichtermotor angetrieben wird, und insbesondere eine Technik, die die Ausgabeeffizienz des bürstenlosen Motors in bezug auf den Betrieb des Elektrowerkzeugs maximieren kann.
Beim Festziehen von Schrauben durch Verwenden eines Schraubendrehers sind zwei Arten von Funktionsweisen bekannt, die in Fig. 8 und 9 gezeigt sind. Die Funktionsweise, die in Fig. 8 gezeigt ist, wird als Funktionsweise zum "harten Verbinden" bzw. "harten Befestigen" (hard joint) bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird die Funktionsweise, die in Fig. 9 gezeigt ist, als Funktionsweise zum "sanften Verbinden" bzw. "sanften Befestigen" (soft joint) bezeichnet. Während der Funktionsweise zum harten Verbinden dreht sich die Werkzeugspitze bzw. ein Werkzeugbit um einen relativ geringen Winkel, bis der Festziehvorgang abgeschlossen ist, nachdem die Werkzeugspitze das Werkstück kontaktiert hat. Andererseits dreht sich die Werkzeugspitze während der Funktionsweise zum sanften Verbindung um einen relativ großen Winkel (die Werkzeugspitze dreht sich zwei oder mehrmals), bis der Festziehvorgang abgeschlossen ist.
Der Drehwinkel der Werkzeugspitze während der Funktionsweise zum harten Verbinden unterscheidet sich von dem Drehwinkel während der Funktionsweise zum sanften Verbinden, selbst wenn das Elektrowerkzeug die gleiche Drehmomentbedingung für die beiden Verbindungen hat. Folglich unterscheidet sich die Zeitdauer, die zum kontinuierlichen Erzeugen eines Festziehdrehmoments bis zum Abschluß des Schraubenfestziehvorgangs erforderlich ist, zwischen der Funktionsweise zum harten Verbinden und der Funktionsweise zum sanften Verbinden. Wird die Funktionsweise zum harten Verbinden ausgewählt, da die Zeit, die zum Festziehen von Schrauben erforderlich ist, relativ gering wird, kann die Trägheitskraft des sich drehenden Rotors zusätzlich zum Festziehen der Schraube verwendet werden. Wird andererseits, wenn die Funktionsweise zum sanften Verbinden ausgewählt ist, die Zeit, die zum Festziehen der Schraube erforderlich ist, relativ lang, wird es daher erforderlich, einen stabilen Festziehvorgang lediglich mittels des Ausgangsdrehmoments des Motors ohne der Verwendung der Trägheitskraft des Rotors zu erreichen. Folglich sollte die Energieeffizienz zum Erzielen eines großen Drehmoments beim Festziehen von Schrauben maximiert werden. Darüber hinaus sollte das Ausgangsdrehmoment des Motors unabhängig von der Funktionsweise zum Festziehen der Schraube stabilisiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es entsprechend, eine Technik zum Steigern der Effizienz des Ausgangsdrehmoments des bürstenlosen Motors zum Antreiben eines Elektrowerkzeugs bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Elektrowerkzeug und ein Verfahren zum Verwenden eines Elektrowerkzeugs gemäß den angefügten Ansprüchen gelöst.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein repräsentatives Elektrowerkzeug eine Werkzeugspitze, einen bürstenlosen Motor zum Antreiben der Werkzeugspitze, eine Batterie zum Betreiben des bürstenlosen Motors und ein Steuermittel enthalten. Das Steuermittel kann den bürstenlosen Motor mittels der Batterie betreiben. Das Steuermittel kann einen Vorlaufwinkel-Steuerabschnitt zum Steuern eines Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors enthalten. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Vorlaufwinkel des bürstenlosen Motors auf der Grundlage von Indices bestimmt werden, die die Einsatzbedingung bzw. Arbeitsbedingung bzw. Betriebsbedingung der Werkzeugspitze wiedergeben, wenn der bürstenlose Motor in Betrieb ist. Durch Wiedergabe der Arbeitsbedingung der Werkzeugspitze für die Bestimmung des Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors kann der bürstenlose Motor mit höherer Effizienz in verschiedenen Arbeitsbedingungen wie etwa einer Funktionsweise zum harten Verbinden und einer Funktionsweise zum sanften Verbinden betrieben werden.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den nachstehenden detaillierten Beschreibungen in Verbindung mit der angefügten Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise aufgerissene Seitenansicht eines Schraubendrehers gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine Struktur einer Ansteuerschaltung des bürstenlosen Motors, die in dem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist,
Fig. 3 ein Beispiel einer Kommuntierung in dem bürstenlosen Motor, der in dem Ausführungsbeispiel verwendet wird,
Fig. 4 ein Systemblockschaltbild zur Veranschaulichung der Struktur des Vorlaufwinkel-Bestimmungsabschnitts,
Fig. 5 ein Beispiel von Vorlaufwinkel-Kartendaten,
Fig. 6 eine Phasenverzögerung des Stroms bezüglich der induzierten Spannung in dem bürstenlosen Motor,
Fig. 7 ein Ergebnis einer Steuerung des Vorlaufwinkels in dem bürstenlosen Motor,
Fig. 8 eine Darstellung der Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Schraube und dem gemessenen Drehmoment, wenn ein Schraubenfestziehvorgang als hartes Verbinden ausgeführt wird, und
Fig. 9 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Schraube und dem gemessenen Drehmoment, wenn ein Schraubenfestziehvorgang als sanftes Verbinden ausgeführt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Elektrowerkzeug eine Werkzeugspitze bzw. ein Werkzeugbit, einen bürstenlosen Motor, eine Batterie und ein Steuermittel enthalten. Der bürstenlose Motor kann einen Rotor aufweisen. Der bürstenlose Motor kann die Werkzeugspitze durch eine Drehung des Rotors antreiben. Die Batterie kann abnehmbar mit dem Elektrowerkzeug gekoppelt sein. Die Batterie kann Gleichstrom dem bürstenlosen Motor liefern. Das Steuermittel kann den bürstenlosen Motor mittels der Batterie betreiben. Ferner kann das Steuermittel einen Vorlaufwinkel- Steuerabschnitt zum Steuern eines Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors auf der Grundlage von Indices enthalten, die eine Arbeitsbedingung der Werkzeugspitze wiedergibt, wenn der bürstenlose Motor im Betrieb ist.
Die Werkzeugspitze kann jeden Typ von Spitzen bzw. Bits umfassen, die an dem Elektrowerkzeug angebracht werden können, wie beispielsweise eine Werkzeugspitze für Bohrer, Sägen, Schleifgeräte, Schlagantriebe, Schlagschrauber, Schneidmaschinen, Fräsen, Kreissägen und Sägegattern. Insbesondere kann die Lehre der Erfindung vorzugsweise auch in einem Schraubendreher verwendete Werkzeugspitzen angewendet werden, da der Schraubendreher ein relativ hohes Drehmoment beim Festziehen von Schrauben ausgeben muß.
Vorzugsweise kann der bürstenlose Motor derart angepaßt und angeordnet sein, daß er einen Permanentmagneten in dem Rotor und einen Spule in dem Stator enthält. Vorzugsweise kann die Batterie typischerweise eine wiederaufladbare Batterie enthalten, die abnehmbar mit dem Elektrowerkzeug gekoppelt ist. Vorzugsweise kann das Steuermittel typischerweise den elektrischen Fluß des Stroms zu Spulen der jeweiligen Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors bzw. bürstenlosen DC-Motors mittels einer Ansteuerschaltung derart steuern, daß die Position des Rotors des bürstenlosen DC-Motors erfaßt wird um den Rotor zu drehen. In einem derartigen Fall kann die Ansteuerschaltung Transistoren oder Feldeffekttransistoren bzw. FET enthalten.
Gemäß einer Ausgestaltung der Lehre der Erfindung kann der Vorlaufwinkel auf der Grundlage von Indices bestimmt werden, die eine Arbeitsbedingung der Werkzeugspitze wiedergeben, wenn der bürstenlose Motor in Betrieb ist. Der "Vorlaufwinkel" kann als das Maß bzw. die Größe des zu korrigierenden Phasenwinkels definiert sein, so daß der Phasenstrom (Wicklungsstrom) mit der Phase der induzierten Spannung übereinstimmt oder in etwa damit übereinstimmt, wenn der Phasenstrom (Wicklungsstrom) eine Phasenverzögerung bezüglich der induzierten Spannung infolge der Effekte der elektrischen Zeitkonstante der Motorwicklung oder weiterer gleichartiger Faktoren verursacht. Insbesondere bei Elektrowerkzeugen kann der Bereich der Änderung des Ausgangsdrehmoments, das für die Funktionsweise erforderlich ist, möglicherweise größer werden und somit kann die Motorleistung leicht anwachsen. Daher kann die elektrische Zeitkonstante infolge der Effekte der Widerstandskomponenten und der Spulenkomponenten ansteigen und kann häufig insbesondere die Phasenverzögerung während einer Hochleistungsfunktionsweise auftreten. Eine Steuerung des Vorlaufwinkels ist insbesondere wirksam gegenüber einer derartigen Phasenverzögerung. Im einzelnen kann die Ausgabeeffizienz des bürstenloses DC-Motors durch Steuern des Vorlaufwinkels auf der Grundlage verschiedener Faktoren verbessert werden, die die Verschiebung der Stromphase des bürstenlosen DC-Motors während des Betriebs beeinflussen, wie etwa der Drehgeschwindigkeit des Motors, des von dem Werkstück auf die Werkzeugspitze übertragenen Gegendrehmoments, der Batteriespannung und des Batteriestroms, der Temperatur der Betriebsumgebung der Batterie und der Batterieentladung gemäß der Benutzungsfrequenz.
Der Vorlaufwinkel des bürstenlosen Motors kann insbesondere auf der Grundlage von Indices bestimmt werden, die sich auf die Batteriespannung und den Batteriestrom während des Betriebs des bürstenlosen Motors beziehen. Die Indices enthalten diejenigen, die die Betriebsbedingungen des Werkzeugs darstellen. Die "Indices bezüglich der Batteriespannung und des Batteriestroms" werden nicht direkt als Parameter verwendet, die die Batteriespannung und den Batteriestrom zeigen, sondern enthalten ebenso allgemein Parameter, die mit der Batteriespannung und dem Batteriestrom korrelieren, wie etwa die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs, die Temperatur der Arbeitsumgebung, in der die Batterie angeordnet ist, und den Grad des Verschleißes der Batterie gemäß der Benutzungsfrequenz. Vorzugsweise kann der Vorlaufwinkel als Reaktion auf den Anstieg der Batteriespannung während des Betriebs des bürstenlosen Motors verringert werden, während der Vorlaufwinkel als Reaktion auf einen Anstieg des Batteriestroms ansteigen kann.
Durch Steuern des Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors auf der Grundlage von Indices, die sich auf die Batteriespannung und den Batteriestrom während des Betriebs des bürstenlosen Motors beziehen, kann eine genaue Steuerung des Vorlaufwinkels für das Elektrowerkzeug erzielt werden, das einen größeren Änderungsbereich des Ausgabedrehmoments aufweist. Folglich kann eine Verringerung der Ausgabeeffizienz des bürstenlosen Motors minimiert werden.
Ferner kann der Vorlaufwinkel des bürstenlosen Motors vorzugsweise auf der Grundlage von Indices bezüglich der Batteriespannung und des Batteriestroms in den Fällen des bürstenlosen Motors gesteuert werden, in denen er sich in Vorwärtsrichtung und in der Rückwärtsrichtung dreht. Bei Schraubendrehern ist beispielsweise häufiger ein höheres Ausgangsdrehmoment zum Lösen einer Schraube erforderlich, die unkorrekt befestigt wurde. Infolge eines derartigen Erfordernisses für ein höheres Ausgangsdrehmoment kann der Wicklungsstrom möglicherweise eine Phasenverzögerung bezüglich der induzierten Spannung verursachen. Daher ist es nützlich, die Ausgabeeffizienz des bürstenlosen DC- Motors durch genaues Steuern des Vorlaufwinkels zu verbessern.
Ferner kann vorzugsweise eine Vorlaufwinkelkarte bzw. ein Vorlaufwinkelkennfeld vorgesehen sein, die eine Vielzahl von vorbestimmten Vorlaufwinkeln, die bzw. das auf der Grundlage der Kombination aus der Batteriespannung und dem Batteriestrom berechnet sind, in der Form von Kartendaten speichert. Wenn derartige Kartendaten verwendet werden, kann die Batteriespannung und der Batteriestrom (oder Indices, die diese wiedergeben) während des Betriebs des bürstenlosen DC-Motors erfaßt werden und kann danach ein Vorlaufwinkel entsprechend der erfaßten Spannung und dem erfaßten Strom leicht aus den Kartendaten bestimmt werden. Auf derartige Weise kann der Vorlaufwinkel auf der Grundlage des bestimmten Vorlaufwinkels gesteuert werden. In einem derartigen Fall ist es nicht notwendig, jedesmal einen optimalen Vorlaufwinkel zu berechnen und kann daher die Steuerung der Vorlaufwinkel mit einem einfachen Aufbau erzielt werden.
Jedes der zusätzlichen Merkmale und Verfahrensschritte, die vorstehend und nachstehend offenbart sind, kann separat oder in Verbindung mit weiteren Merkmalen und Verfahrensschritten zum Liefern eines verbesserten Elektrowerkzeugs und eines verbesserten Verfahrens zum Verwenden eines derartigen Elektrowerkzeugs und darin verwendeter Mittel verwendet werden. Repräsentative Ausführungsbeispiele der Erfindung, die viele dieser zusätzlichen Merkmale und Verfahrensschritte in Verbindung miteinander verwenden, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die detaillierte Beschreibung soll lediglich einem Fachmann weitere Details zum Ausführen bevorzugter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung erklären und ist nicht zur Einschränkung der Erfindung vorgesehen. Der Bereich der beanspruchten Erfindung ist lediglich durch die Ansprüche definiert. Kombinationen von Merkmalen und Schritten, die in der nachstehenden detaillierten Beschreibung offenbart sind, können nicht notwendigerweise die Erfindung im breitesten Sinne ausführen. Sie sind lediglich dafür beabsichtigt, einige repräsentative Beispiele der Erfindung zu beschreiben, deren detaillierte Beschreibung nachstehend unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung folgt.
Gemäß der Darstellung von Fig. 1 kann ein Schraubendreher 101 ein Motorgehäuse 101a und einen Griff 101b enthalten. Das Motorgehäuse 101a kann einen bürstenlosen Gleichstrommotor bzw. DC-Motor 121, eine Motorantriebswelle 123, einen Geschwindigkeitsänderungsmechanismus 105 und eine Spindel bzw. Welle 107 enthalten. Der Geschwindigkeitsänderungsmechanismus 105 enthält hauptsächlich ein Planetengetriebe 103 zum Ändern der Drehgeschwindigkeit der Motorantriebswelle 123. Ein Bit-Montagefutter bzw. Spitzenmontagefutter 109 und eine Antriebsspitze bzw. ein Antriebsbit 111 sind an dem vorderen Ende der Spindel 107 angebracht. Die Antriebsspitze 111 ist ein Merkmal, das einer "Werkzeugspitze" gemäß der Lehre einer Ausgestaltung der Erfindung entspricht. Ein Triggerschalter 113 ist an dem oberen Endabschnitt des Griffs 101b vorgesehen. Eine Batterie 141 ist abnehmbar an dem unteren Endabschnitt des Griffs 101b angebracht.
Der bürstenlose DC-Motor 121 verwendet eine bipolare Dreiphasen-Ansteuerschaltung, die mittels Gleichstrom betrieben wird. Im einzelnen kann der bürstenlose DC-Motor 121 auf der Grundlage einer 120° Erregerrechteckwelle durch Verwendung von drei Rotoransteuerspulen mit Y-Verbindung gesteuert werden. Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Treiberschaltung 151 zum Steuern der elektrischen Signale, die dem bürstenlosen DC-Motor 121 zum Antreiben des Motors mittels der Batterie 141 zugeführt werden. Die Ansteuerschaltung 151 ist ein Merkmal, das dem "Steuermittel" gemäß der Lehre einer Ausgestaltung der Erfindung entspricht.
Die Ansteuerschaltung 151 für den bürstenlosen DC-Motor ist mit der Batterie 141 über einen Verbindungsanschluß 142 verbunden. Die Ansteuerschaltung 151 kann ein Motoransteuer-IC 153, eine Positionserfassungsschaltung 155, eine Gate- Ansteuerschaltung 157 und FET (Feldeffekttransistoren) 159a, 159b, 159c-159f für die Rechteckwellenansteuerung enthalten. Gemäß dem repräsentativen Ausführungsbeispiel sind insgesamt sechs FET vorgesehen. Drei Spulen (Ankerwicklungen) 125U, 125V, 125 W des bürstenlosen DC-Motors 121 sind mit den FET 159a-159f verbunden. Das Motoransteuer-IC 153 ist mit der Batterie 141 verbunden und gibt eine Spannung Vcc zum Anschluß 153a gemäß der Darstellung von Fig. 2 zum Betreiben eines Vorlaufwinkelbestimmungs-IC 173 aus.
Eine Zirkulationsdiode 160 ist antiparallel zu jedem der jeweiligen FET 159a-159f vorgesehen, um zu verhindern, daß das Mittel infolge einer gegenelektromotorischen Kraft geschädigt wird, die möglicherweise erzeugt wird, wenn jeder der FET 159a-159f abgeschaltet wird.
Die Positionserfassungsschaltung 155 kann Hall-Elemente enthalten. Die Positionserfassungsschaltung 155 erfaßt die Drehposition eines Rotors 127 (vgl. Fig. 3) des bürstenlosen DC-Motors 121. Die Positionserfassungsschaltung 155 gibt darüber hinaus ein Rotorpositionssignal zum Ändern der Phasenfolge bei der Zufuhr der Motoransteuersignale an die jeweiligen Spulen 125U, 125V, 125W gemäß den jeweiligen Phasen (Erregungstartzeitpunkte) aus. Die Gateansteuerschaltung 157 steuert die Erregung der Spulen 125U, 125V, 125W durch selektives Anlegen einer Spannung an die jeweiligen Gate-Elektroden der FET 159a-159f.
Im einzelnen werden durch ein derartiges selektives Anlegen einer Spannung an die jeweiligen Gate-Elektroden der FET 159a-159f die nachfolgenden Ansteuersteuervorgänge sequentiell ausgeführt, so daß der Rotor 127 des bürstenlosen DC-Motors 121 eine volle Umdrehung ausführt.
Nach Anlegen der Gatespannungen an die FET 159a und 159f fließt zunächst ein Strom von der Spule 125U zu der Spule 125W.
Als zweites fließt nach Anlegen der Gatespannungen an die FET 159c und 159f ein Strom von der Spule 125V zu der Spule 125W.
Als drittes fließt nach Anlegen der Gatespannungen an die FET 159c und 159b ein Strom von der Spule 125V zu der Spule 125U.
Als viertes fließt nach Anlegen der Gatespannungen der FET 159b und 159e ein Strom von der Spule 125W zu der Spule 125U.
Als fünftes fließt nach Anlegen der Gatespannungen der FET 159d und 159e ein Strom von der Spule 125W zu der Spule 125V.
Als sechstes fließt nach Anlegen der Gatespannungen der FET 159a und 159d ein Strom von der Spule 125U zu der Spule 125V.
Fig. 3 zeigt beispielhaft die Struktur des bürstenlosen DC-Motors 121, wenn ein Strom von der Spule 125U zu der Spule 125W durch Anlegen der Gatespannungen der FET 159a und 159f geflossen ist.
Gemäß der Darstellung von Fig. 2 kann ein Vorlaufwinkelbestimmungsabschnitt 171 ein Vorlaufwinkelbestimmungs-IC 173, einen Batteriespannungsabschnitt 175 und einen Batteriestrombestimmungsabschnitt 179 enthalten. Der Batteriespannungsbestimmungsabschnitt 175 enthält ein Potentiometer 177, das mit der Ansteuerschaltspannung 151 für den bürstenlosen DC-Motor verbunden ist. Der Batteriestromerfassungsabschnitt 179 enthält einen Shuntwiderstand 153c, der an der Ansteuerschaltung 151 für den bürstenlosen DC-Motor vorgesehen ist, ein Tiefpaßfilter 181 und einen Verstärker 183.
Fig. 4 zeigt ein Systemblockschaltbild des Vorlaufwinkelbestimmungsabschnitts 171. Das Vorlaufwinkelbestimmungs-IC 173 enthält eine CPU 173b, einen I/O-Port bzw. einen Eingangs/Ausgangs-Port 173c, ein ROM 173d und ein RAM 173e. Diese Elemente des Vorlaufwinkelbestimmungs-IC 173 sind integral in der Form von Chips vorgesehen. Der Batteriespannungserfassungsabschnitt 175 und der Batteriestromerfassungsabschnitt 179 sind mit dem I/O-Port 173c verbunden. Vorlaufwinkel werden in dem Vorlaufwirikelbestimmungsabschnitt 171 bestimmt und dann von einer digitalen Form in eine analoge Form in dem I/O-Port 173c gewandelt und so der Ansteuerschaltung 151 für den bürstenlosen DC-Motor ausgegeben.
Gemäß dem repräsentativen Ausführungsbeispiel kann der Vorlaufwinkel für den bürstenlosen DC-Motor 121 durch Verwenden einer Vorlaufwinkelkarte 191 bestimmt werden. Die Vorlaufwinkelkarte 191 ist in dem ROM 173d des Vorlaufwinkelbestimmungs-IC 173 gespeichert. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Vorlaufwinkelkarte 191. Die Vorlaufwinkelkarte 191 (oder das ROM 173d) ist ein Merkmal, das dem Element eines "Speichermittels" der vorbestimmten Vorlaufwinkel gemäß der Lehre einer Ausgestaltung der Erfindung entspricht.
Die Vorlaufwinkelkarte 191 speichert Vorlaufwinkel, die gemäß Änderungen der Batteriespannung und des Batteriestroms bestimmt sind. Jeweilige Vorlaufwinkel sind in der Form von Kartendaten vorgesehen, die durch die Kombination der Batteriespannung und des Batteriestroms definiert sind. Batteriespannungen und Batterieströme sind jeweils in Gruppen mit bestimmten Inkrementierungen unterteilt. Beispielsweise sind die Batteriespannungen in Gruppen von "0" bis "F" in hexadezimaler Schreibweise und in 0,5 V-Inkrementierungen in dem Bereich zwischen 9 V und 17 V unterteilt. Andererseits sind die Batterieströme in Gruppen von "0" bis "F" in hexadezimaler Schreibweise unterteilt und sind mit 3 A im Bereich zwischen 1 A und 51 A inkrementiert. Derartige unterteilte Spannungen und Ströme sind als acht Bit von Daten definiert. Bezüglich der Daten sind jeweils vier Bit mit höchster Wertigkeit (most significant bit bzw. MSB) und vier Bit mit geringster Wertigkeit (least significant bit bzw. LSB) vorgesehen. Somit sind Vorlaufwinkel, die den jeweiligen Gruppen der unterteilten Spannungen und Ströme entsprechen, in der Karte 191 gespeichert. Ergibt die Spannung beispielsweise 10,2 V und der Strom 2 A, ist der Vorlaufwinkel auf 2,1° festgelegt. Aus der Vorlaufwinkelkarte 191 von Fig. 5 ist ersichtlich, daß Vorlaufwinkel derart festgelegt sind, daß sie abnehmen, sowie die Batteriespannungen ansteigen, und daß sie ansteigen, sowie die Batterieströme ansteigen.
Zum Bestimmen der Vorlaufwinkel wird zunächst die Abfallzeit "t" des Wicklungsstroms der Spule bezüglich der indizierten Spannung durch Verwendung der Gleichung "t = L x I/V" berechnet. In dieser Gleichung stellen jeweils die Parameter "V", "I" und "L" die Batteriespannung, den Batteriestrom und die Spuleninduktivität dar. In dem repräsentativen Ausführungsbeispiel ist der Wert der Spuleninduktivität "L" auf 36 µH (mikro Henry) festgelegt. Danach wird ein Schaltzyklus (Kommentierungszyklus) "T" auf der Grundlage der Ansteuerfrequenz "f" des bürstenlosen DC-Motors 121 durch Verwendung der Gleichung "f = 1/T" berechnet. In dem repräsentativen Ausführungsbeispiel ist der Wert der Ansteuerfrequenz "f" auf 660 Hz (Hertz) festgelegt, so daß der Schaltzyklus "T" derart berechnet wird, daß er etwa bei 1500 µsec (Mikrosekunden) liegt. Folglich wird der Vorlaufwinkel "Θ" auf der Grundlage der berechneten Stromabfallzeit "t" und dem Zyklus "T" durch Verwendung der Gleichung "Θ = 2π × t/T" berechnet. Mit Befolgen dieser Berechnungsprozeduren werden Vorlaufwinkel berechnet, die jeder Batteriespannung und jedem Batteriestrom entsprechen. Die berechneten Vorlaufwinkel werden als Kartendaten in der Vorlaufwinkelkarte 191 gemäß der Darstellung von Fig. 5 gespeichert. In Fig. 5 sind nur bestimmte Bereiche der Vorlaufwinkel gezeigt und sind verbleibende Bereiche aus Vereinfachungsgründen weggelassen.
Nachfolgend wird die Verwendung des repräsentativen Schraubendrehers 101 beschrieben. Betätigt der Benutzer des Schraubendrehers 101 den Triggerschalter 113, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, wird der bürstenlose DC-Motor 121 durch die Batterie 141 angetrieben, die als Energieschwelle verwendet wird. Die Drehbewegung des bürstenlosen DC-Motors 121 wird über die Motorantriebswelle 123 zu der Spindel 107 übertragen, während sie durch den Geschwindigkeitsänderungsmechanismus 105 verlangsamt wird. Wird auf diese Weise die Spindel 107 durch den Motor 121 gedreht, wird ebenso die Antriebsspitze 111, die zu dem Spitzenmontagefutter 109 an dem vorderen Ende der Spindel 107 gekoppelt ist, gedreht. Auf diese Weise kann ein Schraubenanziehvorgang ausgeführt werden.
Dabei kann, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, der Wicklungsstrom in dem bürstenlosen DC- Motor 121 eine Phasenverzögerung (in der Zeichnung als "Verzögerung des Stroms" bezeichnet) bezüglich der induzierten Spannung verursachen. Die Betätigung des Elektrowerkzeugs erfordert insbesondere eine hohe Drehmomentausgabe an den bürstenlosen DC-Motor des Elektrowerkzeugs und daher kann eine derartige Phasenverzögerung häufig infolge eines derartigen Erfordernisses auftreten. Im einzelnen, wenn ein Schraubenanziehvorgang in der Funktionsweise zum sanften Verbinden (vgl. Fig. 9) ausgeführt wird, ist es schwierig, die Trägheitskraft des drehenden Rotors oder eine andere gleichartige Kraft als zusätzliches Schraubenanziehdrehmoment zu verwenden. Ferner wird der bürstenlose DC-Motor in der Rückwärtsrichtung mit höherem Drehmoment beispielsweise zum Lösen von Schrauben gedreht, die unkorrekt an dem Werkstück befestigt sind, oder zum Lösen von Schrauben, auf die eine Beschichtung oder ein klebendes Material angewendet ist. Als Folge derartiger Situationen ist eine höhere Drehmomentausgabe für den bürstenlosen DC-Motor erforderlich, wenn das Elektrowerkzeug in Betrieb ist. Alternativ oder zusätzlich muß der bürstenlose DC-Motor fortfahren, ein Drehmoment für eine relativ lange Periode einer Bearbeitungsdauer zu erzeugen. Auf diese Weise besteht die Tendenz, daß eine Phasenverzögerung des Wirkungsstroms bezüglich der induzierten Spannung auftritt.
Um eine Phasenverzögerung zu verringern oder zu verhindern, ist der Vorlaufwinkelbestimmungsabschnitt 171 angepaßt und eingerichtet, die Quellenspannung und den Quellenstrom der Batterie 141 mittels des Batteriespannungserfassungsabschnitts 175 und des Batteriestromerfassungsabschnitts 179 zu erfassen. Auf der Grundlage der erfaßten Batteriequellenspannung und des erfaßten Batteriequellenstroms bestimmt der Vorlaufwirikelbestimmungsabschnitt den optimalen Vorlaufwinkel gemäß der Vorlaufwinkelkarte I91, die in Fig. 5 gezeigt ist.
Der Vorlaufwinkelbestimmungsabschnitt 171 gibt dann den bestimmten optimalen Vorlaufwinkel in den Vorlaufwinkeleingangsabschnitt 153b der Ansteuerschaltung 151 für den bürstenlosen DC-Motor ein. Die Ansteuerschaltung 151 für den bürstenlosen DC- Motor steuert den Vorlaufwinkel des bürstenlosen DC-Motors auf der Grundlage des eingespeisten Vorlaufwinkels. Als Ergebnis einer derartigen Steuerung kann eine Phasenverzögerung des Wicklungsstroms bezüglich der induzierten Spannung gemindert oder eliminiert werden. Insbesondere wird, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, der Wicklungsstrom in Phase mit der induzierten Spannung gebracht.
Gemäß dem repräsentativen Ausführungsbeispiel wird der bürstenlose DC-Motor 121 durch genaues Bestimmen eines Vorlaufwinkels auf der Grundlage der Batteriespannung und des Batteriestroms gesteuert. Daher kann der bürstenlose DC-Motor 121 genau als Reaktion auf Änderungen eines Drehmomenterfordernisses während des Betriebs des Schraubendrehers 101 gesteuert werden. Ferner kann der bürstenlose DC-Motor 121 genau als Reaktion auf verschiedene Faktoren wie etwa einem inneren Widerstand und Betriebsbedingungen der Batterie, die die Motorausgabecharakteristik des Elektrowerkzeugs beeinflussen, gesteuert werden. Folglich kann der bürstenlose DC- Motor 121 mit höherer Effizienz selbst in einem Schraubenanziehvorgang mit der Funktionsweise zum sanften Verbinden, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist, sowie in einem Schraubenanziehvorgang mit der Funktionsweise zum harten Verbinden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, und ebenso während der Rückwärtsdrehung des Motors, in der die Tendenz besteht, daß ein relativ hohes Drehmoment erforderlich ist, betrieben werden.
Gemäß dem repräsentativen Ausführungsbeispiel kann, da die Motorbetriebseffizienz bei dem Schraubenanziehvorgang mit der Funktionsweise zum sanften Verbinden erhöht werden kann, kann die nachteilige Verschiebung minimiert werden. Mit anderen Worten kann die Differenz zwischen dem gemessenen Drehmoment bei der Funktionsweise für ein hartes Verbinden und dem gemessenen Drehmoment bei der Funktionsweise für ein sanftes Verbinden minimiert werden.
Obwohl FET in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet werden, können Transistoren anstelle der FET verwendet werden.
In dem repräsentativen Ausführungsbeispiel ist die Vorlaufwinkelkarte 191 angepaßt und eingerichtet, Vorlaufwinkel zu speichern, die gemäß der Batteriespannung und dem Batteriestrom bestimmt sind. Ohne der Bereitstellung einer derartigen Karte kann es jedoch vorgesehen sein, daß ein optimaler Vorlaufwinkel ein Echtzeit während der Betätigung des Elektrowerkzeugs berechnet werden kann. In einem derartigen Fall können die Vorlaufwinkel sequentiell berechnet werden. Alternativ kann die Batteriespannung und der Batteriestrom (oder Indices, die sie wiedergeben) mit vorbestimmten Abtastzeitintervallen gemessen werden und können optimale Vorlaufwinkel in der Abtastzeit auf der Grundlage der gemessenen Batteriespannung und dem gemessenen Batteriestrom berechnet werden.
Obwohl in dem vorstehend angeführten Ausführungsbeispiel die Ansteuerschaltung 151 für den bürstenlosen DC-Motor und der Vorlaufwirikelbestimmungsabschnitt 171 jeweils separate IC aufweisen, können die zwei IC in einem IC integriert sein.

Claims

1. Elektrowerkzeug mit
einer Werkzeugspitze (111),
einem bürstenlosen Motor (121) mit einem Rotor, wobei der Motor die Werkzeugspitze (111) durch Drehen des Rotors antreibt,
einer Batterie (141), die abnehmbar mit dem Elektrowerkzeug gekoppelt ist, wobei die Batterie einen Gleichstrom dem bürstenlosen Motor (121) liefert,
einem Steuermittel (151) zum Betreiben des bürstenlosen Motors mittels der Batterie,
dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (151) einen Vorlaufwinkelsteuerabschnitt zum Steuern eines Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors auf der Grundlage von Indices enthält, die eine Arbeitsbedingung der Werkzeugspitze (111), wenn der bürstenlose Motor in Betrieb ist, wiedergeben.

2. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel (151) den bürstenlosen DC-Motor (121) auf der Grundlage von Indices in bezug auf eine Spannung und einen Strom der Batterie (141) während des Betriebs des bürstenlosen Motors (121) betreibt.

3. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Indices in bezug auf eine Spannung und einen Strom der Batterie (141) durch zumindest einen Faktor aus der Drehgeschwindigkeit des Rotors, der Temperatur der Arbeitsumgebung, in der die Batterie (141) angeordnet ist, und dem Grad des Verschleißes der Batterie gemäß der Häufigkeit der Verwendung definiert sind.

4. Elektrowerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuermittel (151) den bürstenlosen Motor (121) auf der Grundlage von Indices in bezug auf die Spannung und den Strom der Batterie während des Betriebs des bürstenlosen Motors immer dann betreibt, wenn der bürstenlose Motor sich in der Vorwärtsrichtung und in der Rückwärtsrichtung dreht.

5. Elektrowerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Elektrowerkzeug als ein Schraubendreher (101) definiert ist.

6. Elektrowerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Differenz zwischen dem gemessenen Drehmoment bei einer Funktiosnweise zum harten Verbinden und dem gemessenen Drehmoment bei einer Funktiosnweise zum sanften Verbinden verringert wird.

7. Elektrowerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Vorlaufwinkel derart eingestellt ist, daß er verringert wird, sowie die Batteriespannungen ansteigen, und daß er erhöht wird, sowie die Batterieströme ansteigen.

8. Elektrowerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem Speichermittel (191) zum Speichern einer Mehrzahl von Vorlaufwinkeln für den bürstenlosen Motor (121), die auf der Grundlage von Indices in bezug auf die Spannung und den Strom der Batterien (141) bestimmt sind, wobei das Steuermittel (151) den Vorlaufwinkel gemäß in dem Speichermittel (191) gespeicherten Vorlaufwinkeln steuert.

9. Elektrowerkzeug nach Anspruch 8, wobei das Speichermittel (191) Kartendaten enthält, die eine Vielzahl von Vorlaufwinkeln für den bürstenlosen Motor (121) speichern, die in bezug auf die Kombination der Spannung und des Stroms der Batterie (121) berechnet sind.

10. Verfahren zum Verwenden eines Elektrowerkzeugs, wobei das Elektrowerkzeug eine Werkzeugspitze (111), einen bürstenlosen Motor (121) mit einem Rotor, Wobei der Motor (121) die Werkzeugspitze (111) durch Drehen des Rotors antreibt, eine Batterie (141), die abnehmbar mit dem Elektrowerkzeug gekoppelt ist, zum Liefern eines Gleichstroms zu dem bürstenlosen Motor (121) aufweist, gekennzeichnet durch das Steuern eines Vorlaufwinkels des bürstenlosen Motors (121) auf der Grundlage von Indices, die eine Arbeitsbedingung der Werkzeugspitze (111), wenn der bürstenlose Motor (121) in Betrieb ist, wiedergeben.