JP2009072889A

JP2009072889A - インパクト工具

Info

Publication number: JP2009072889A
Application number: JP2007246258A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Iwata; 和隆岩田; Shinji Watabe; 伸二渡部
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP5527569B2

Abstract

【課題】大きなトルクで締め付け作業を可能にすると共に、回転打撃力発生時にハンマと対向する機構部の破損を招かないようにしたインパクト工具を提供すること。
インパクト工具を提供する。
【解決手段】電流検出回路により検出したモータ電流が所定値Ｉｔｈ以上の場合は、インバータ回路と判断した時に、インバータ部を構成するＦＥＴのＰＷＭデューティを１００％から所定値、例えば８５％に低下させモータ電流を低減する。その後、ＰＷＭデューティーを漸増しモータ電流を増加させＰＷＭデューティを１００％に戻す。
【選択図】図５

Description

本発明は、インパクトドライバやインパクトレンチ等のインパクト工具に関する。

インパクト工具は、電池パックを電源とし、モータを駆動源として回転打撃機構部を駆動し、アンビルに回転と打撃を与えることによって先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してネジ締め等の作業を行うものである。（例えば、特許文献１参照）。従来より駆動源として用いられるモータとしては、ブラシと整流子を備えた直流モータが広く用いられてきたが、これに代わってブラシレス直流モータを用いる試みがなされている。ブラシレス直流モータは、ブラシ付き直流モータと比較するとトルク特性に優れ、より強い力で被加工部材にネジやボルト等を締め付けることができる。
特開２００２−４６０７８号公報

しかしながら、ボルト、ナット等の硬い部材を対象とした締め付け作業では、アンビルに対して打撃を与えるハンマとアンビルの衝撃反力が大きく、更にブラシレス直流モータの駆動力が加わりハンマは大きく後退してしまう。ハンマの後退量が過大であると、ハンマと対向する機構部への衝突による衝撃力が増加し、当該機構部を破損させるという問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑み、大きなトルクで締め付け作業を可能にすると共に、回転打撃力発生時にハンマと対向する機構部の破損を招かないようにしたインパクト工具を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明によるインパクト工具は、電動モータと、前記電動モータによって回転されるスピンドルと、前記スピンドルの軸方向に作用して先端工具を打撃する打撃力を発生し、前記スピンドルの回転力と打撃力を先端工具に伝達する回転インパクト機構部と、前記電動モータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、前記電動モータに流れる電流値を制御する電流制御手段と、を有し、前記電流検出手段が所定値を超える電流値を検出したときに、前記電流制御手段が前記電動モータに流れる電流値を下げるようにすることを特徴としている。

本発明によるインパクト工具によれば、電流検出手段が検出した電流値が所定値を超えた場合には、電流制御手段が電動モータに流れる電流値を下げるように制御するので、回転インパクト機構部による過剰な打撃が防止され、これにより回転インパクト機構部が過剰に後退して工具内部の障壁と衝突し破損することを防止できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明をコードレスタイプのインパクトドライバに適用した場合の電動工具全体を示す構造図、図２は回転インパクト機構部の動作説明図、図３はブラシレス直流モータで構成された電動工具のモータ駆動部の構成を閉めずブロック図である。

最初に、図１を参照して本発明の実施の形態に係るインパクトドライバ１００の構成について説明する。インパクトドライバ１００は、後述するブラシレス直流モータ１（以下、「モータ１」という。）の回転軸と同一方向（水平軸方向）に沿って、一端部（図面の右端部）から他端部（図面の左端部）に延在する胴体ハウジング部６と、胴体ハウジング部６より垂下するハンドルハウジング部７とから構成された工具本体を含み、胴体ハウジング部６の他端部に配置された先端工具保持部８には、図示されていないが、工具本体より回転打撃力を受けて、被加工部材にネジを締付けるドライバビット（先端工具）が着脱自在に装着される。先端工具としてドライバビットの代わりに、ボルト締付用ビットを装着することもできる。

胴体ハウジング部６の一端部には、駆動源となるモータ１が装着され、胴体ハウジング部６の他端部には回転打撃力を出力する先端工具保持部８に先端工具（図示なし）が着脱自在に装着される。

胴体ハウジング部６の一端部側には、モータ１を駆動するためのインバータ部２を搭載した回路基板が装着されている。胴体ハウジング部６の中間部には、モータ１の回転軸方向に回転力を伝達する動力伝達機構部（減速機構部）９、前記回転打撃力を与える回転インパクト機構部１０、該回転インパクト機構部１０の回転打撃力を先端工具へ伝達するアンビル１３が装着されている。

ハンドルハウジング部７の下端部には、モータ１の駆動電源となる電池パック４ａを収容した電池パックケース４が着脱可能に装着されている。また、電池パックケース４の上部には、モータ１のインバータ部２を制御するための制御回路部３を搭載した回路基板が、紙面を横切る方向に延在するように設けられている。一方、ハンドルハウジング部７の上端部にはトリガスイッチ１５が配設されている。トリガスイッチ１５はバネによって付勢された状態でハンドルハウジング部７から突出している。後述するように、トリガスイッチ１５をバネ力に抗してハンドルハウジング部７内方向へ押し込むことによってモータ１を起動することができ、トリガ押込量を調整することで、モータ１の回転数を制御することができる。

電池パック４ａは、トリガスイッチ１５および制御回路部（回路基板）３へ駆動電源を供給し、かつインバータ部２へ駆動電力を供給するように電気的接続されている。

モータ１の回転出力軸の回転力は、その回転出力軸のギヤ歯に係合された動力伝達機構部（減速機構部）９を介して、回転インパクト機構部１０の一部を構成するスピンドル１１に伝達される。動力伝達機構部（減速機構部）９は、ピニオンギヤ（サンギヤ）９ａと、そのピニオンギヤ９ａに噛合う二つの遊星ギヤ９ｂとを含み、これらは胴体ハウジング部６内のインナカバー（図示なし）内に組み込まれている。スピンドル１１には、この動力伝達機構部（減速機構部）９によって、ブラシレス直流モータ１の回転に対し減速された回転力が与えられる。

回転インパクト機構部１０は、動力伝達機構部（減速機構部）９を介して回転力が与えられるスピンドル１１と、スピンドル１１に取付けられ、スピンドル１１の回転軸方向に移動可能に係合し、回転打撃力を与えるハンマ１２と、ハンマ１２による回転打撃力で回転し、先端工具保持部８を有するアンビル１３とを備える。ハンマ１２およびアンビル１３は、回転平面上の２箇所に互いに対称的に配置された２つのハンマ凸部（打撃部）１２ａおよび２つのアンビル凸部１３ａをそれぞれ有し、該ハンマ凸部１２ａおよびアンビル凸部１３ａは互いに回転方向に噛み合う位置にある。

これら凸部同士１２ａおよび１３ａの噛み合いにより、回転打撃力が伝えられる。ハンマ１２は、スピンドル１１を囲むリング域で、スピンドル１１に対して軸方向に摺動自在にされていると共に、スプリング１４によって軸方向前方へと付勢されている。ハンマ１２の内周面には、逆Ｖ字型（略三角形）のカム溝１２ｂが設けられている。一方、スピンドル１１の外周面には軸方向に、Ｖ字型のカム溝１１ａが設けられており、このカム溝１１ａとハンマ１２の内周カム溝１２ｂ間に挿入されたボール（鋼球）１７を介してハンマ１２が回転する。

図２は回転インパクト機構部１０の動作概略図とモータ回転数の関係を示した図であり、（Ａ）はハンマ１２が後退しアンビル１３の凸部１３ａから離脱した状態、（Ｂ）はハンマ１２が後退した状態から回転をしながら図示しないスプリングに付勢されてアンビル１２の凸部１３ａに向かって移動している状態、（Ｃ）はスプリングの付勢力によりハンマ１２がアンビル１３の凸部１３ａに回転打撃力を与えハンマ１２の凸部１２ａとアンビル１３の凸部１３ａが係合した状態を示した図である。

回転インパクト機構部１０において、被加工物とネジ等の締付具の間に作用しているトルクが小さいと、モータ１から与えられるスピンドル１１の回転力は、ボール１７を挟持するスピンドル１１のカム溝１１ａおよびハンマ１２のカム溝１２ｂを介してハンマ１２に伝達され、スピンドル１１およびハンマ１２を一緒に回転させ始める。スピンドル１１およびハンマ１２は相対的にねじられることになり、ハンマ１２は、スピンドルのカム溝１１ａに沿って、スプリング１４をねじりながら圧縮しつつ後退し（図２の（Ａ）に示した矢印の方向）、ハンマ凸部１２ａがアンビル凸部１３ａとの結合から離れた時点から、ハンマ１２はアンビル凸部１３ａの高さを乗り越えると、アンビル１３との噛み合いが解ける（図２の（Ａ）に示した状態）。このときモータ回転数は最小値を示す。さらにハンマ１２は、スプリング１４による付勢とカム溝１１ａによるガイドを受けて、回転しつつ前進し（図２の（Ｂ）に示した状態）、ハンマ凸部（打撃部）１２ａで回転前方のアンビル１３のアンビル凸部１３ａに衝撃トルクを与える（図２の（Ｃ）に示した状態）。この衝撃トルクは、後述するように、アンビル１３の先端工具保持部８に取付けられたドライバビットへ伝わり、さらにドライバビットから締付具ネジに回転衝撃トルクを伝えて、被加工部材へのネジ込みもしくは締付けを行う。再びハンマ凸部１２ａおよびアンビル凸部１３ａが互いに係合することになるので、その後、再びハンマ１２の後退が始まり、上記の打撃動作を繰返すことになる。

次に、図３を参照しながらモータ１のインバータ回路部２および制御回路部３について説明する。

モータ１は、本実施の形態では３相ブラシレス直流モータから成る。モータ１は、インナーロータ型で、一対のＮ極およびＳ極を含む永久磁石（マグネット）を埋め込んで構成された回転子（マグネットロータ）１ｂと、該マグネットロータ１ｂの回転位置を検出するために６０°毎に配置された３つの回転位置検出素子（ホールＩＣ）５ａ、５ｂ、５ｃと、回転位置検出素子５ａ、５ｂ、５ｃからの位置検出信号に基づいて電気角１２０°の電流の通電区間に制御されるスター結線された固定子１ｃの３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなる電機子巻線１ｄとから構成される。なお、本実施の形態では、モータ１の回転子１ｂの位置検出は、ホールＩＣを用いて電磁結合的に行っているが、固定子巻線１ｄの誘起起電圧（逆起電力）を、フィルタを通して論理信号として取出すことによって回転子位置を検出するセンサレス方式を採用することもできる。

インバータ回路部（電力変換器）２は、３相ブリッジ形式に接続された６個のＦＥＴ（以下、「トランジスタ」という。）Ｑ１〜Ｑ６と、フライホイールダイオード（図示なし）とから構成される。ブリッジ接続された６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲートは制御信号出力回路３７に接続され、また、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６のソースまたはドレインはスター結線された電機子巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路３７から入力されたスイッチング素子駆動信号によってスイッチング動作を行い、インバータ部２に印加される電池パック４ａの直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路部３は、演算部３１，電流検出回路３２，印加電圧設定回路３３，回転方向設定回路３４，回転位置検出回路３５，回転数検出回路３６、及び制御信号出力回路３７によって構成されている。演算部３１は、図示されていないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するためのＣＰＵ、後述するフローチャートに相当するプログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、タイマ等を含むマイコンによって構成される。電流検出回路３２はモータ１に流れているモータ電流を検出するための回路であり、検出電流は演算部３１に入力される。

印加電圧設定回路３３は、トリガスイッチ１５の押込量に応答してモータ１の印加電圧、すなわちＰＷＭ信号のデューティ比を設定するための回路である。回転方向設定回路１１は、モータの正逆切替レバー１６による正方向回転または逆方向回転の操作を検出してモータ１の回転方向を設定するための回路である。回転位置検出回路１２は、３つの回転位置検出素子５ａ、５ｂ、５ｃの出力信号に基づいて回転子１ｂと固定子１ｃの電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの関係位置を検出するための回路である。回転数検出回路３６は、単位時間内にカウントされる回転子位置検出回路３５からの検出信号の数に基づいてモータ回転数を検出する回路である。

制御信号出力回路３７は、演算部３１からの出力に基づいて電源側トランジスタＱ１〜Ｑ６にＰＷＭ信号を供給する。ＰＷＭ信号のパルス幅の制御によって各電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する電力を調整して設定した回転方向へのモータ１の回転数を制御することができる。

次に、図４、図５を参照しながら、本発明の実施の形態に係るインパクトドライバ１００の制御について説明する。図４は、高負荷時のモータ電流Ｉｈと、低負荷時のモータ電流Ｉｌと、閾値電流Ｉｔｈとの関係を示すタイムチャートであり、図５は、モータ電流Ｉが閾値電流Ｉｔｈを上回った場合にモータ電流Ｉを減少させる制御のフローチャートである。本実施の形態では、図４の高負荷時のモータ電流Ｉｈのように、モータ電流Ｉが閾値電流Ｉｔｈを上回った場合にモータ電流Ｉを減少させる。

図５のフローチャートでは、まず、モータ制御のＰＷＭデューティが１００％か否かを判断する（Ｓ５０１）。上記したようなハンマ１２の過剰後退は、通常、トリガスイッチ１５を最大にひいた場合、すなわち、ＰＷＭデューティが１００％の場合に生じる現象だからである。

ＰＷＭデューティが１００％でない場合には（Ｓ５０１：ＮＯ）、引き続き、ＰＷＭデューティが１００％か否かを判断し続ける。ＰＷＭデューティが１００％の場合には（Ｓ５０１：ＹＥＳ）、続いて、モータ電流Ｉが３５Ａ以上か否かを判断する（Ｓ５０２）。本実施の形態では、ハンマ１２の過剰後退が生じる可能性のある電流値として閾値電流Ｉｔｈを３５Ａに設定したが、他の値であってもよい。

モータ電流Ｉが３５Ａより小さい場合には（Ｓ５０２：ＮＯ）、引き続き、モータ電流Ｉが３５Ａ以上か否かを判断する。モータ電流Ｉが３５Ａ以上の場合には（Ｓ５０２：ＹＥＳ）、ＰＷＭデューティを８５％に低下させる（Ｓ５０３）。これにより、モータ１は、ＰＷＭデューティ８５％で駆動されることとなる。

その後、演算部３１の制御のためのサンプリング時間として、タイムインターバル（３ｍｓｅｃ）が経過した後（Ｓ５０４）、ＰＷＭデューティを３％増加させ（Ｓ５０５）、その後、ＰＷＭデューティが１００％以上か否かを判断する（Ｓ５０６）。なお、実際には、ＰＷＭデューティが１００％を超えることはないが、ここでは、演算部３１での計算上で、ＰＷＭデューティが１００％以上か否かを判断している。

ＰＷＭデューティが１００％未満の場合には（Ｓ５０６：ＮＯ）、Ｓ５０４に戻り、タイムインターバル経過後に、再び、Ｓ５０５でＰＷＭデューティを３％増加させる。ＰＷＭデューティが１００％以上の場合には（Ｓ５０６：ＮＯ）、ＰＷＭデューティが既に１００％に設定されていることとなるので、Ｓ５０２に戻り、モータ電流Ｉが３５Ａ以上か否かの判断を再び行う。

このような構成により、モータ電流Ｉが閾値電流Ｉｔｈを上回った場合にモータ電流Ｉを減少させるので、ハンマ１２による過剰な打撃が防止され、これにより、ハンマ１２が過剰に後退して障壁と衝突して破損させることを防止している。

尚、本発明のインパクト工具は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のインパクト工具は、作業現場におけるネジはボルト等の締付作業に利用される。

本発明の実施形態に係る電動工具の全体構造図。図１に示した電動工具における回転インパクト機構部の動作概略図とモータ回転数の関係を示した図であり、（Ａ）はハンマが後退しアンビルから離脱した状態、（Ｂ）はハンマが後退した状態から回転をしながら図示しないスプリングに付勢されてアンビルに向かって移動している状態、（Ｃ）はスプリングの付勢力によりハンマがアンビルに回転打撃力を与え係合した状態を示した図。図１に示した電動工具におけるモータの駆動制御系を示す機能ブロック図。高負荷時のモータ電流Ｉｈと、低負荷時のモータ電流Ｉｌと、閾値電流Ｉｔｈとの関係を示すタイムチャート。本発明の実施の形態による駆動制御を説明したフローチャート。

符号の説明

１００インパクトドライバ
１ブラシレス直流モータ
２インバーター部
３制御回路部
３１演算部
３２電流検出回路
３３印加電圧設定回路
３４回転方向設定回路
３５回転位置検出回路
３６回転数検出回路
３７制御信号出力回路
４電池パックケース
５ａ，５ｂ、５ｃ回転位置検出素子（ホールＩＣ）
６胴体ハウジング部
７ハンドルハウジング部
８先端工具保持部
９動力伝達機構部（減速機構部）
１０回転インパクト機構部
１１スピンドル
１２ハンマ
１３アンビル
１４スプリング
１５トリガースイッチ
１６正逆切替レバー
１７ボール（鋼球）

Claims

電動モータと、
前記電動モータによって回転されるスピンドルと、
前記スピンドルの軸方向に作用して先端工具を打撃する打撃力を発生し、前記スピンドルの回転力と打撃力を先端工具に伝達する回転インパクト機構部と、
前記電動モータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電動モータに流れる電流値を制御する電流制御手段と、を有し、
前記電流検出手段が所定値を超える電流値を検出したときに、前記電流制御手段が前記電動モータに流れる電流値を下げるようにすることを特徴とするインパクト工具。