JP2002154064A - 半自動ねじ締結機に内装される電動モータの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ねじ締結作業時における締結作業者への衝撃
力を緩和すると共に、ねじ締結機の軽量化、コンパクト
化及び製作経済性を高めること。 【解決手段】 スイッチング電力制御素子が繰返すモー
タへの電力供給オンオフ動作に関連して、上記直流モー
タへの電気子電流が連続であるか不連続であるかを判断
し、連続であるとき、及び不連続から連続へ移行したと
きには、上記スイッチング電力制御素子によるオン時限
間で運転を継続し、その後のスイッチング電力制御素子
によるオフ時限間は、自動制御目標設定値を漸減し、そ
の後モータを停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ねじの締結作業時
に、被締結ねじが被締結体に着座するまでは、電動モー
タの駆動力を用いてねじを回転させ、その着座後は手力
により所定の締結トルク値までねじを回転させる如き、
半自動ねじ締結機に内装される電動モータを制御する電
動モータの制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば手動式のトルクレンチを用いて、
被締結ねじを被締結体に締結するとき、その被締結ねじ
の締結作業性を高めるために被締結ねじが着座されるま
では動力を利用して被締結ねじを高速度で回転させて仮
締めを行ない、その被締結ねじが着座した以後は作業者
の手動力で所定の締結トルク値となるように本締めを行
なう如きねじの締結方法が公知であり、このねじ締結方
法を採用するのに使用するレンチとしてエアー又は電力
を動力源とするナットランナー付きねじ締結機、つまり
半自動ねじ締結機が知られている。

【０００３】小型軽量であって高効率の操作性が要求さ
れる半自動ねじ締結機は、バッテリーを駆動源としかつ
小容量で小型の直流電動モータを搭載しているのが一般
的であるが、この直流電動モータの特性として下記の要
件が要求される。

【０００４】Ａ．被締結ねじが、被締結体に接する（着
座する）までの、所謂仮締めまでの間で必要とするトル
クは、被締結ねじを着座以後設定トルク値まで締結する
本締め時の定格トルクに比べ小さくてよいが、その仮締
めされるまでの直流モータの回転速度を早くしてねじ締
め作業時間を短縮できること。

【０００５】Ｂ．ねじ締め作業者が直に持ってねじの締
結操作を行なう半自動ねじ締結機にあっては、そのねじ
締結機が軽量であり、かつ取扱い及び操作性が良いこ
と。

【０００６】Ｃ．駆動源であるバッテリー及びモータの
能力を十分に有効利用し、かつ過負荷を防止するため
に、必要以外の駆動力は停止制御させること。

【０００７】このような条件を満すために開発されてい
る従来の半自動ねじ締結機として手動式トルクレンチの
内部に、直流電動モータを内装し、さらにその直流電動
モータの駆動制御手段として電流検出センサあるいはト
ルク検出器等を内装して、直流モータによるねじの仮締
結時の被締結ねじが着座点に到達するとその着座点到達
信号を出力させて直流モータの駆動を制御するものがあ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】電動モータの負荷電流
を検出し、この検出値が設定値に達した時点で被締結ね
じの仮締めが終了したとき即ち被締結ねじが着座したと
して電動モータを停止させる為に、抵抗器又は変流器等
の電流検出器などの電流検出センサが用いられるが、上
記電動モータに使用される電源（バッテリー）はその特
性上発生電圧が低く、このために利用できる電力は低電
圧（数ボルト〜十数ボルト）・大電流（十数アンペア〜
数十アンペア）であり、このために上記の抵抗器使用の
場合は抵抗器における発熱が無視できず、また変流器を
用いる場合には該変流器の取付スペースやコストの点で
問題となる等実用性に欠けるものであった。

【０００９】また従来の半自動ねじ締結機にあっては、
被締結ねじが仮締め終了した時点で電動モータへの給電
が瞬時に遮断されるために、締結作業時におけるねじ締
結作業者への衝撃力が強く、従って多数本のねじ締結を
連続して行なうねじ締結者の健康管理の点でも問題を有
するものであった。

【００１０】本発明は、かかる従来の半自動ねじ締結機
における問題点に着目してなされたもので、半自動ねじ
締結機による被締結ねじが着座点に到達すると、その被
締結ねじを回転させる電動モータの駆動力を漸減せしめ
てねじ締結時における締結作業者への衝撃力に起因する
不快感の緩和を第１の目的としている。

【００１１】また本発明では半自動ねじ締結機の着座点
検出手段として、従来の抵抗器又は変流器等の電流検出
器を用いるのではなく、電動モータの端子間電圧を監視
するのみで電動モータの停止制御を行なうことを可能な
らしめて、半自動ねじ締結機の軽量化（コンパクト化）
製作経済性を高めることを第２の目的としているもので
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的及び第２
の目的を達成するために、本発明の請求項１では、バッ
テリー電源に、電源スイッチとパルス幅変調制御を行な
うスイッチング電力制御素子を介して、フライホイール
ダイオードと共に接続されて速度制御される直流モー
タ、及び機械式トルク検出機構を搭載し、上記スイッチ
ング電力制御素子が繰返すモータへの電力供給オンオフ
動作に関連して上記直流モータへの電気子電流が連続で
あるか不連続であるかを判断し、連続であるとき及び不
連続から連続へ移行したときには、上記スイッチング電
力制御素子を時限の間運転を継続し、その後時限の間は
自動制御目標設定値を漸減して運転し、その後モータを
停止させる如き電動モータの制御方法である。また本発
明の請求項２では、請求項１に加えて、直流モータの端
子間電圧が、フライホイールダイオードの順方向降下電
圧相当になったとき該フライホイールダイオードが導通
状態にあると判断し、この導通期間に上記スイッチング
電力制御素子へのゲート信号の立上りがあれば上記直流
モータの電気子電流は連続であるとし、ゲート信号の立
上りがなければ不連続である、と判断する如き電動モー
タの制御方法である。

【００１３】従って、この電動モータ制御方法によれ
ば、スイッチング電力制御素子の動作に伴なうモータの
駆動制御を直流モータの端子間電圧を監視するのみで行
なうことができ、また直流モータが停止する時の作業者
への衝撃を小さくすることができるなど、簡単な手段で
トルクレンチに内装されたモータの駆動制御を行なうこ
とができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明を図面に示す実施の
形態に基いて詳細に説明する。図１・図２を用いて直流
電源及びフライホイールダイオードを用いて直流モータ
を駆動制御する原理を説明する。

【００１５】図１において、１はバッテリー等の直流電
源、２は直流モータ、３は直流電源１と直流モータ２と
の間に介在される電源スイッチ、４は直流モータ２と並
列に接続されるフライホイールダイオードである。

【００１６】このようなモータ駆動回路において電源ス
イッチ３を閉路すると、図２（イ）で示すように、スイ
ッチング電力制御素子（１４）はオン、オフを繰返え
す。このオン期間及びオフ期間は設計値により決めるこ
とができ、この期間を可変することにより直流モータ２
の駆動力が自動制御される。またスイッチング電力制御
素子（１４）に転流電流ｉ₂ が存在する期間ｔ₃ は、直
流モータ２の負荷電流ｉや直流モータ２の定数により決
まる。

【００１７】そしてスイッチング電力制御素子（１４）
がオンしている期間ｔ₁ は直流電源１の電圧Ｅが直流モ
ータ２へ印加され、このとき電流ｉ₁ が供給され成長
し、上記スイッチング電力制御素子（１４）がオフして
いる期間ｔ₂ではモータへの給電が停止する。このオフ
期間において、直流モータ２の電流ｉはフライホイール
ダイオード４へ転流ｉ₂ し、オフ期間の経過に伴ない漸
減 する（図２ハ参照）。

【００１８】このとき、直流モータ２の端子間電圧は、
フライホイールダイオード４の降下電圧Ｖｄとなり、そ
のフライホイールダイオード転流電流ｉ₂ が消滅した後
スイッチング電力制御素子（１４）が次にオンするまで
の期間（ｔ₂ −ｔ₃ ）は、直流モータ２の回転数に比例
するモータ逆起電圧Ｖｍが現われる（図２ロ及びホのＩ
参照）。

【００１９】上記のようにしてパルス幅変調制御により
モータの駆動を自動制御を行なう場合、その高速運転時
には、パルス幅デュウテイ比、即ち オン期間ｔ₁ ／（オン期間ｔ₁ ＋オフ期間ｔ₂ ） が大きくなりオフ時限の比率が小さくなる（図２ホのII
参照）。

【００２０】また負荷が大きくなれば、直流モータ電流
ｉの増大と共に、フライホイールダイオードに転流電流
ｉ₂ が存在する時限ｔ₃ も増大し、ついには直流電源１
から流入する電流と連続するに至り、以後負荷が増大す
れば負荷電流は、連続モードのままその値を大きくする
（図２ホのIII参照）。

【００２１】以上の説明は、パルス幅変調制御（ＰＷＭ
制御）でモータ駆動を制御する手法であって従来から周
知のことであるが、本発明では上記パルス幅変調制御を
基にして、直流モータ２が発生する最大トルク値と、負
荷電流が不連続モードから連続モードへ移行した時点で
発生するトルクと、対象ねじ（被締結ねじ）の締結所要
トルク値とを整合させ、また前記モードを検出した後適
宜時限の間締結を継続させることで、所要のトルクでの
電動力による仮締め（被締結ねじが被締結体に着座する
まで）を確実に実施することを可能ならしめることであ
る。

【００２２】即ち本発明では、直流モータを内装する半
自動ねじ締結機における直流モータを速度制御ループを
持つパルス幅変調制御方式とし、被締結ねじが被締結体
に着座するまでの被締結ねじの仮締め完了停止時の条件
を、直流モータ２の電流が連流か不連続から連続へ移行
する時点かを判別しこの後時限の間運転を継続して仮締
め完了とし、その後の時限の間は、発生するトルクを漸
減し次の時限の後停止させる。また直流モータ２の通電
電流モードの判定にはその直流モータ２と並列に接続さ
れるフライホイールダイオード４の降下電圧の有無を利
用することにある。

【００２３】上記本発明の条件を満し得る制御回路の実
施の形態を図３及び図４で説明する。５は半自動ねじ締
結機を示し、この半自動ねじ締結機５においては、ハン
ドル６、被締結ねじ（図示せず）に嵌合されるソケット
７、該ソケット７を駆動するための直流モータ２及び該
直流モータ２の出力軸９と上記ソケット７との間に介装
される減速歯車機構１０及び機械式トルク検出機構８を
有している。

【００２４】さら上記半自動ねじ締結機５の内部には、
上記直流モータ２を駆動するための直流電源１及びその
電源スイッチ３と、モータ制御回路１１が内装されてい
る。このモータ制御回路１１は、上記の直流モータ２と
並列に接続されるフライホイールダイオード４の外に、
モータ電流モード判定回路１２、時限回路１３、スイッ
チング電力制御素子１４、タイミング回路１５、速度設
定器１６、漸減回路１７、変換器１８、誤差増幅器１
９、ＰＷＭ発振回路２０により構成されている。

【００２５】上記モータ電流モード判定回路１２の一例
を示せば図４で示すように、トランジスタ２１、反転回
路２２、インバータ回路２３、ナンド回路２４により構
成されている。

【００２６】上記モータ制御回路１１を具備せしめた半
自動ねじ締結機を用いる被締結ねじの締結手順は、先ず
はソケット７に不図示である被締結ねじを嵌合し、そこ
で図５で示すように電源スイッチ３をオンし直流モータ
２を始動する。始動した直流モータ２は規定の回転速度
で回転し、区間ｔ₁₁〜ｔ₁₃の間で着座までのねじ締めが
進行する。この区間ｔ₁₁〜ｔ₁₃でのモータ電流モード判
定回路１２における各所の波形は図６（イ）のようにな
り、ねじ締めトルクが軽負荷の間は電流は連続となら
ず、該モータ電流モード判定回路１２から判定信号Ｓ１
４は出力されない。

【００２７】次に上記直流モータ２による仮締めが進行
し、被締結ねじが被締結体に着座すると、その締結トル
クが急激に上昇し、モータ電流は連続のモードとなりこ
れによりモータ電流モード判定回路１２から判定信号Ｓ
１４が出力される。モータ電流が連続モードであること
が記憶されるとその判定信号Ｓ１４が出力された後、時
限回路１３により設定時限Ｔ₁ の後に、モータ停止信号
Ｓ₀ （図３参照）を漸減回路１７へ印加する。

【００２８】停止信号Ｓ₀ を受けた漸減回路１７は区間
（ｔ₁₄〜ｔ₁₅）の間締結トルクが漸減されるように直流
モータの駆動出力を制御し位置ｔ₁₅に達する時限Ｔ₂の
後そのモータの駆動出力をゼロとなし、これによりモー
タによる駆動は自動停止し被締結ねじの仮締めが完了さ
れたとする。上記時限回路１３の記憶は、電源スイッチ
３をオフとなしたときリセットされる。

【００２９】このようにして直流モータ２の駆動力によ
り、被締結ねじの仮締めをなした後、手動により被締結
ねじを規定の締結トルクに到達するまで本締めを行なえ
ば、被締結ねじの締結作業が完了するものである。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１及び２に
記載の半自動ねじ締結機に用いられるモータの制御方法
によれば、スイッチング電力制御素子の動作に伴なうモ
ータの駆動制御を、直流モータの端子間電圧を監視する
のみで行なうことができ、またスイッチング電力制御素
子による直流モータ特に停止時における慣性力の円滑性
が高められることから、ねじ締め作業者に対するねじ締
結時の衝撃力（ショック）が緩和され作業者における不
快感が解消される。また電流検出器を用いずに、半自動
ねじ締結機の駆動源を自動停止することができ、これに
よりその半自動ねじ締結機の軽量化及びコンパクト化が
可能となり、ひいてはその半自動ねじ締結機を使用する
ねじ締めの作業性が高められる。また本発明によるモー
タの制御方法では電流検出にかえ、モータの端子電圧を
監視する方法であるので、その制御回路（機構）の経済
性が大幅に向上する等の作用効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電動モータ制御の原理を示す回路説明図

【図２】図１における制御回路における波形説明図

【図３】本発明よりなる電動モータ制御方法に採用され
る制御回路のブロック図

【図４】図３におけるモータ電流モード判定回路の詳細
図

【図５】ねじ締結時の電動モータの運転パターン説明図

【図６】電動モータの電流モード検出特性を示し、
（イ）はモータ電流が不連続の場合のタイミング波形、
（ロ）はモータ電流が連続の場合のタイミング波形

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ 直流モータ ３ 電源スイッチ ４ フライホイールダイオード ５ 半自動ねじ締結機 ６ ハンドル ７ ソケット ８ 機械式トルク検出機構 ９ 出力軸 １０ 減速歯車機構 １１ モータ制御回路 １２ モータ電流モード判定回路 １３ 時限回路 １４ スイッチング電力制御素子 １５ タイミング回路 １６ 速度設定器 １７ 漸減回路 １８ 変換器 １９ 誤差増幅器 ２０ ＰＷＭ発振回路 ２１ トランジスタ ２２ 反転回路 ２３ インバータ回路 ２４ ナンド回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッテリー電源に、電源スイッチとパル
   ス幅変調制御を行なうスイッチング電力制御素子を介し
   て、フライホイールダイオードと共に接続されて速度制
   御される直流モータ、及び機械式トルク検出機構を搭載
   し、上記スイッチング電力制御素子が繰返すモータへの
   電力供給オンオフ動作に関連して上記直流モータへの電
   気子電流が連続であるか不連続であるかを判断し、連続
   であるとき及び不連続から連続へ移行したときには、上
   記スイッチング電力制御素子を時限の間運転を継続し、
   その後時限の間は自動制御目標設定値を漸減して運転
   し、その後モータを停止させることを特徴とする半自動
   ねじ締結機に内装される電動モータの制御方法。
2. 【請求項２】 直流モータの端子間電圧が、フライホイ
   ールダイオードの順方向降下電圧相当になったとき該フ
   ライホイールダイオードが導通状態にあると判断し、こ
   の導通期間に上記スイッチング電力制御素子へのゲート
   信号があれば上記直流モータの電気子電流は連続である
   とし、ゲート信号がなければ不連続である、と判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半自動ねじ締結機に
   内装される電動モータの制御方法。