JP2011167835A - インパクト工具 - Google Patents

Abstract

【課題】
新規な機構のインパクト機構を用いつつカムアウト現象を起こしにくく構成したインパクト工具を提供する。
【解決手段】
モータと、モータの回転力を減速する減速機構と、減速機構の出力部に接続されるハンマと、ハンマと相対的に３６０度未満の回転角で揺動可能なアンビルを有し、モータによりハンマを直接駆動するインパクト工具であって、ハンマを一方向に回すことによりアンビルを回転させて先端工具を回転させる。この際、所定の時間毎に、モータに短い時間間隔の逆転パルスを流すことにより、カムアウト現象の発生を大幅に減少させた。この所定の時間は、モータに供給される電流値１００の積分をとってその値Ｉ_{ｐｕｌｓｅ}が一定になるタイミングに設定した。
【選択図】図１０

Description

本発明は、モータにより駆動され新規な打撃機構部を実現したインパクト工具に関し、特にインパクト動作を行わずに締め付けるモードにおいてカムアウトを防止することのできるインパクト工具に関する。

インパクト工具は、モータを駆動源として回転打撃機構部を駆動し、アンビルに回転力と打撃力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。近年、駆動源としてブラシレスＤＣモータが広く用いられるようになってきた。ブラシレスＤＣモータは、例えばブラシ（整流用刷子）の無いＤＣ（直流）モータであり、コイル（巻線）を固定子（ステータ）側に、マグネット（永久磁石）を回転子（ロータ）側に用い、インバータ回路で駆動された電力を所定のコイルへ順次通電することによりロータを回転させる。インバータ回路は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）や、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のような大容量の出力トランジスタを使用して構成され、大電流で駆動される。ブラシレスＤＣモータは、ブラシ付きＤＣ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。

ブラシレスＤＣモータを用いたインパクト工具の例として、例えば特許文献１の技術が知られている。特許文献１では、連続回転式のインパクト機構部を有し、動力伝達機構部（減速機構部）を介してスピンドルに回転力が与えられると、スピンドルの回転軸方向に移動可能に係合するハンマが回転し、ハンマと当接するアンビルを回転させる。ハンマとアンビルは、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）をそれぞれ有し、これらの凸部は互いに回転方向に噛み合う位置にあり、凸部同士の噛み合いにより回転打撃力が伝えられる。ハンマは、スピンドルを囲むリング域で、スピンドルに対して軸方向に摺動自在にされ、ハンマの内周面には、逆Ｖ字型（略三角形）のカム溝が設けられる。スピンドルの外周面には軸方向に、Ｖ字型のカム溝が設けられており、このカム溝とハンマの内周カム溝との間に挿入されたボール（鋼球）を介してハンマが回転する。

特開２００９−７２８８８号公報

従来の動力伝達機構部においては、スピンドルとハンマは、カム溝に配置されたボールを介して保持され、ハンマはその後端に配置されるスプリングによって、スピンドルに対して軸方向後方に後退できるように構成されている。従って、ハンマはカム機構を介してモータによって間接的に駆動されることになり、スピンドルからハンマへの動力伝達部分の部品点数が多くなり、スピンドルとハンマの間の取り付け精度を良くするように考慮しなければならないので、製造コストが高くなっていた。

一方、従来技術のインパクト工具においては、インパクト機構を動作させない（即ち、打撃が生じない）ように制御するには、ハンマの後退動作を制限する機構を設ける等の何らかの工夫が必要であり、特許文献１の技術のままでは、いわゆるドリルモードとしてインパクト工具を使用することができなかった。さらに、ハンマの後退動作を制御するドリルモードを実現したとしても、所定の締め付けトルクに達成した際に動力伝達を遮断するクラッチ動作までをも実現するには、クラッチ機構を別途設ける必要があり、インパクト工具においてドリルモードや、クラッチ付きドリルモードを実現するには相当なコストアップにつながっていた。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は簡単な機構のハンマとアンビルによってインパクト機構を実現すると共に、インパクト機構を動作させずに、いわゆるドリルモードとしても使用できるインパクト工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、モータの駆動方法を工夫することにより、相対的な回転角が３６０度未満のハンマとアンビルを駆動して、ネジ等のカムアウトを大幅に抑制することができるドリルモードを実現したインパクト工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、締め付け対象からの締め付け負荷の増大に精度良く対応できるモータの回転制御方法を有するインパクト工具を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。

本発明の一つ特徴によれば、モータと、モータの回転力を減速する減速機構と、減速機構の出力部に接続されるハンマと、ハンマと相対的に揺動可能なアンビルを有し、モータによりハンマを直接駆動するインパクト工具であってハンマを一方向に回すことによりアンビルを回転させてアンビルに取り付けられる先端工具を回転させるドリルモードと、ハンマをアンビルに対して間欠的に打撃しながらアンビルに取り付けられる先端工具を回転させるインパクトモードを設けた。この際、ハンマはアンビルに対して相対的に３６０度未満の回転角で揺動可能である。ドリルモードにおいては、モータを断続的に駆動させることによりハンマを一方向に回転させるようにした。

本発明の他の特徴によれば、モータの断続運転は、モータへ正転方向電流と短い間隔の逆転方向電流を交互に流すことによって行われる。又は、モータの断続運転は、モータへの正転方向電流の供給と、短い時間の電流供給停止を交互に繰り返すことによって行われる。インパクト工具の制御部は、正転方向電流の積分値を算出し、積分値が所定の値に達したら逆転方向電流の供給又は電流供給停止に切り替えるようにした。また、逆転方向電流又は電流供給停止の時間は、予め設定した所定時間とするようにした。

本発明のさらに他の特徴によれば、正転方向電流の大きさを監視し、正転方向電流が所定の値に達したらモータの回転を停止させるようにした。また、正転方向電流の積分値が所定の値に達するまでの時間を監視し、時間が所定の値以下に達したらモータの回転を停止させるか、インパクトモードに移行させるように構成した。

請求項１の発明によれば、モータによりハンマを直接駆動するインパクト工具において、ハンマを一方向に回すことによりアンビルを回転させてアンビルに取り付けられる先端工具を回転させるドリルモードと、ハンマをアンビルに対して間欠的に打撃しながらアンビルに取り付けられる先端工具を回転させるインパクトモードを設けたので、インパクト工具においてドリルモードを実現することができる。この際、ハンマは遊星歯車減速機構を介して減速されるものの、カム機構等の積極的遊び部分を持たないので、モータの駆動力をロスすることなくハンマに伝達することができる。

請求項２の発明によれば、ハンマはアンビルに対して相対的に３６０度未満の回転角で揺動可能であり、相対的に連続回転ができないので、ハンマを軸方向に移動させる必要が無くなり、シンプルな構成のインパクト機構を実現できる。

請求項３の発明によれば、モータを断続的に駆動しながらハンマを一方向に回すようにしたので、ネジ頭から先端工具のビットが乗り上げるという、いわゆるカムアウト現象の発生を大幅に減少させることができる。

請求項４の発明によれば、正転方向電流と、短い間隔の逆転方向電流を交互に流すことによってモータを断続的に駆動するので、正転方向電流の供給がストップした時点で先端工具による締め付けトルクが一瞬大きく落ち込むので、先端工具のビットがネジ頭を乗り上げようとしてもトルクの落ち込みの際に再び良好に噛み合う形となるので、カムアウト現象の発生を大幅に減少させることができる。

請求項５の発明によれば、正転方向電流の供給と、短い時間の電流供給停止を交互に繰り返すことによってモータを断続的に駆動するので、正転方向電流の供給がストップした時点で先端工具による締め付けトルクが一瞬わずかながら落ち込むので、先端工具のビットがネジ頭を乗り上げようとしてもトルクの落ち込みの際に再び良好に噛み合う形となるので、カムアウト現象の発生を大幅に減少させることができる。

請求項６の発明によれば、正転方向電流の積分値を算出し、積分値が所定の値に達したら逆転方向電流の供給又は電流供給停止に切り替えるので、カムアウトに至る締め付けトルク量を測定しながら効果的に先端工具のビットによる締め付けトルクの落ち込みを誘発させることができる。

請求項７の発明によれば、逆転方向電流又は電流供給停止の時間は、予め設定した所定時間とするので、締め付けトルクの落ち込みが先端工具の回転の落ち込みに影響する前に再び正転方向電流の供給を開始することができる。従って、締め付けトルクの変動を実質的に無視できる状態でドリルモードによる締め付け作業を行うことができる。

請求項８の発明によれば、正転方向電流の大きさを監視し、正転方向電流が所定の値に達したらモータの回転を停止させるので、締め付けトルクが所定の値に達成したらモータを自動停止させることができる。このように、機械的なクラッチ機構を用いることなく、電子的にクラッチ手段を実現できるので、電動工具の製造コストの上昇を抑えることができる。

請求項９の発明によれば、正転方向電流の積分値が所定の値に達するまでの時間を監視し、時間が所定の値以下に達したらモータの回転を停止させるので、締め付けトルクが所定の値に達成したらモータを自動停止させることができる。このように、機械的なクラッチ機構を用いることなく、電子的にクラッチ手段を実現できるので、電動工具の製造コストの上昇を抑えることができる。また、さらなる締め付けトルクが必要な場合は、インパクトモードに移行させるので、インパクト動作を用いた締め付け作業全体に要する所要時間を短縮することができる。

本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

本発明の実施例に係るインパクト工具１の全体構造を示す縦断面図である。 本発明の実施例に係るインパクト工具１の外観を示す斜視図である。 図１の打撃機構４０付近の拡大断面図である。 図１のハンマ４１及びアンビル４６の形状を示す斜視図である。 図１のハンマ４１及びアンビル４６の形状を示す別の角度からの斜視図である。 本発明の実施例に係るインパクト工具のモータ３の駆動制御系を示す機能ブロック図である。 図３のＡ−Ａ部の断面図であり、「連続駆動モード」におけるハンマ４１の駆動制御を説明するための図である。 図３のＡ−Ａ部の断面図であり、「断続駆動モード」におけるハンマ４１の駆動制御を説明するための図である。 本発明の実施例に係るインパクト工具１の「連続駆動モード」における基本的なモータ３の駆動電流制御を示す電流波形図である。 本発明の実施例に係るインパクト工具１の「カムアウト防止モード」におけるモータ３の断続駆動の電流制御を示す電流波形図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明において、上下前後、左右の方向は、図１及び図２中に示した方向として説明する。

図１は本発明に係るインパクト工具の全体構造を示す縦断面図である。インパクト工具１は、充電可能なバッテリパック３０を電源とし、モータ３を駆動源として打撃機構４０を駆動し、出力軸であるアンビル４６に回転と打撃を与えることによってドライバビット等の図示しない先端工具に連続する回転力や断続的な打撃力を伝達してネジ締めやボルト締め等の作業を行う。

モータ３は、ブラシレスＤＣモータであって、側面から見て略Ｔ字状の形状を成すハウジング６（図２参照）の筒状の胴体部６ａ内に収容される。ハウジング６は、ほぼ対称な形状の左右２つの部材に分割可能に構成され、それら部材が複数のネジにより固定される。そのため、分割されるハウジング６の一方（本実施例では左側ハウジング）に複数のネジボス２０が形成され、他方（右側ハウジング）に複数のネジ穴（図示せず）が形成される。モータ３の回転軸１９は、胴体部６ａの後端側のベアリング１７ｂと中央部付近に設けられるベアリング１７ａによって回転可能に保持される。モータ３の後方には６つのスイッチング素子１０が搭載された基板７が設けられ、これらスイッチング素子１０によってインバータ制御を行うことによりモータ３を回転させる。基板７の前方側には、回転子３ａの位置を検出するためにホール素子やホールＩＣ等の回転位置検出素子５８が搭載される。

ハウジング６の胴体部６ａから略直角に一体に延びるグリップ部６ｂ内の上部にはトリガスイッチ８及び正逆切替レバー１４が設けられ、トリガスイッチ８には図示しないバネによって付勢されてグリップ部６ｂから突出するトリガ操作部８ａが設けられる。グリップ部６ｂ内の下方には、トリガ操作部８ａによってモータ３の速度を制御する機能等を備えた制御回路基板９が収容される。ハウジング６のグリップ部６ｂの下方に形成されたバッテリ保持部６ｃには、ニッケル水素やリチウムイオン等の複数の電池セルが収容されたバッテリパック３０が着脱可能に装着される。

モータ３の前方には、回転軸１９に取り付けられてモータ３と同期して回転する冷却ファン１８が設けられる。冷却ファン１８により、胴体部６ａの後方に設けられた空気取入口２６ａ、２６ｂから空気が吸引される。吸引された空気は、ハウジング６の胴体部６ａであって冷却ファン１８の半径方向外周側付近に形成される複数のスリット２６ｃ（図２参照）からハウジング６の外部に排出される。

打撃機構４０は、アンビル４６とハンマ４１の２つの部品により構成され、ハンマ４１は遊星歯車減速機構２１の複数の遊星歯車の回転軸を連結するように固定される。現在広く使われている公知のインパクト機構と違って、ハンマ４１には、スピンドル、スプリング、カム溝、及びボール等を有するカム機構をもたない。そしてアンビル４６とハンマ４１とは回転中心付近に形成された嵌合軸と嵌合穴により１回転未満の相対回転だけができるように連結される。アンビル４６は、図示しない先端工具を装着する出力軸部分と一体に構成され、前端には軸方向と鉛直面の断面形状が六角形の装着穴４６ａが形成される。アンビル４６の後方側はハンマ４１の嵌合軸と連結され、軸方向中央付近でメタルベアリング１６ａによりケース５に対して回転可能に保持される。

ケース５は打撃機構４０及び遊星歯車減速機構２１を収容するための金属製の一体成形で製造され、ハウジング６の前方側に装着される。また、ケース５の外周側は、熱の伝達を防止するとともに、衝撃吸収効果等を果たすために樹脂製のカバー１１で覆われる。アンビル４６の先端には先端工具を保持するための先端工具保持手段が構成され、先端工具の着脱はスリーブ１５を前後方向に動かすことで行われる。

インパクト工具１において、トリガ操作部８ａが引かれてモータ３が起動されると、モータ３の回転は遊星歯車減速機構２１によって減速され、モータ３の回転数に対して所定の比率の回転数でハンマ４１が直接駆動される。ハンマ４１が回転すると、その回転力はアンビル４６に伝達され、アンビル４６がハンマ４１と同じ速度で回転を開始する。

図２は、図１のインパクト工具１の外観を示す斜視図である。ハウジング６は３つの部分（６ａ、６ｂ、６ｃ）から構成され、胴体部６ａの、冷却ファン１８の半径方向外周側付近には冷却風排出用のスリット２６ｃが形成される。また、バッテリ保持部６ｃの上面には制御パネル３１が設けられる。制御パネル３１には、各種の操作ボタンや表示ランプ等が配置され、例えばＬＥＤライト１２をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチや、バッテリパックの残量を確認するためのボタンが配置される。また、バッテリ保持部６ｃの側面にはインパクト工具１の動作モード（ドリルモード、インパクトモード）を切り替えるためのボタンスイッチ３２が設けられる。ボタンスイッチ３２を作業者が右方向へと押すことにより、ドリルモードとインパクトモードが交互に切り替わる。

バッテリパック３０には、リリースボタン３０ａが設けられ、左右両側に位置するリリースボタン３０ａを押しながら前方にバッテリパック３０を移動させることにより、バッテリパック３０をバッテリ保持部６ｃから取り外すことができる。バッテリ保持部６ｃの左右側には、着脱可能な金属製のベルトフック３３が設けられる。図２では、インパクト工具１の左側に取り付けられているが、ベルトフック３３を取り外してインパクト工具１の右側に装着することも可能である。バッテリ保持部６ｃの後端部付近にはストラップ３４が取り付けられる。

図３は、図１の打撃機構４０付近の拡大断面図である。遊星歯車減速機構２１は、プラネタリー型であり、モータ３の回転軸１９の先端と接続されるサンギヤ２１ａが駆動軸（入力軸）となり、胴体部６ａに固定されるアウターギヤ２１ｄ内で、複数のプラネタリーギヤ２１ｂが回転する。プラネタリーギヤ２１ｂの複数の回転軸２１ｃは、遊星キャリヤの機能を持つハンマ４１にて保持される。ハンマ４１は遊星歯車減速機構２１の従動軸（出力軸）として、モータ３と同方向に所定の減速比で回転する。この減速比をどの程度に設定するかは、主な締付対象（ネジかボルトか）、モータ３の出力と必要な締付トルクの大きさ等の要因から適切に設定すれば良く、本実施例ではモータ３の回転数に対してハンマ４１の回転数が１／８〜１／１５程度になるように減速比を設定する。

胴体部６ａ内部の２つのネジボス２０の内周側には、インナカバー２２が設けられる。インナカバー２２はプラスチック等の合成樹脂の一体成形で製造された部材であり、後方側には円筒状の部分が形成され、その円筒部分でモータ３の回転軸１９を回転可能に固定するベアリング１７ａを保持する。また、インナカバー２２の前方側には、２つの異なる径を有する円筒状の段差部が設けられ、その小さい方の段差部にはボール式のベアリング１６ｂが設けられ、大きい方の円筒状の段差部には、前方側からアウターギヤ２１ｄの一部が挿入される。尚、アウターギヤ２１ｄはインナカバー２２に回転不能に取り付けられ、インナカバー２２はハウジング６の胴体部６ａに回転不能に取り付けられることから、アウターギヤ２１ｄは非回転状態で固定されることになる。また、アウターギヤ２１ｄの外周部には外径が大きく形成されたフランジ部分が設けられ、フランジ部分とインナカバー２２の間にはＯリング２３が設けられる。ハンマ４１とアンビル４６の回転部分にはグリス（図示せず）が塗布されており、Ｏリング２３は、そのグリスがインナカバー２２側に漏れないようにシールする。

本実施例において特徴的なこととして、ハンマ４１がプラネタリーギヤ２１ｂの複数の回転軸２１ｃを保持する遊星キャリヤの機能を持つことである。そのためハンマ４１の後端部はベアリング１６ｂの内輪の内周側にまで延びる。また、ハンマ４１の後方側内周部は、モータ３の回転軸１９に取り付けられるサンギヤ２１ａを収容する円筒形の内部空間内に配置される。ハンマ４１の前方側中心軸付近は、軸方向前方に突出する軸部となる嵌合軸４１ａが形成され、嵌合軸４１ａはアンビル４６の後方側中心軸付近に形成される円筒形の嵌合穴４６ｆに嵌合する。尚、嵌合軸４１ａと嵌合穴４６ｆは、双方が相対的に回転可能なように軸支するものである。

次に図４、５を用いて、図１、２に示した打撃機構４０の詳細構造を説明する。図４は、本発明の第１の実施例に係るハンマ４１とアンビル４６の形状を示す斜視図であり、ハンマ４１は斜め前方から、アンビル４６は斜め後方からみた図である。図５はハンマ４１とアンビル４６の形状を示す斜視図であり、ハンマ４１は斜め後方から見た図であり、アンビル４６は斜め前方からみた部分図である。ハンマ４１は、円柱形の本体部分４１ｂから径方向に突出する２つの羽根部４１ｃと４１ｄが形成される。羽根部４１ｄと４１ｃには、それぞれ軸方向に突出する突出部が形成され、羽根部４１ｃと４１ｄのそれぞれに一組ずつの打撃部と錘部が形成される。

羽根部４１ｃ側は、外周部が扇状に広がるように形成されとともに、外周部から軸方向前方に突出する突出部４２が形成される。この扇状に広がる部分と突出部４２が打撃部（打撃爪）として機能と同時に、錘部としての機能を果たす。突出部４２の円周方向の両側には打撃面４２ａと４２ｂが形成される。打撃面４２ａと４２ｂは、共に平面に形成されたもので、アンビル４６の後述する被打撃面と良好に面接触するように適度な角度がつけられる。一方、羽根部４１ｄは外周部が扇状に広がるように形成され、扇状に広がる形状によりその部分の質量が大きくなり錘部として作用する。また羽根部４１ｄの径方向中央付近から軸方向前方に突出する突出部４３が形成される。突出部４３は打撃部（打撃爪）として作用するもので、円周方向の両側には打撃面４３ａと４３ｂが形成される。打撃面４３ａと４３ｂは、共に平面状に形成されたもので、アンビル４６の後述する被打撃面と良好に面接触するように、円周方向に適度な角度がつけられる。

本体部分４１ｂの軸心付近、前方側にはアンビル４６の嵌合穴４６ｆと嵌合される嵌合軸４１ａが形成される。本体部分４１ｂの後方側には遊星キャリヤの機能を有するように２つの円盤部４４ａ、４４ｂと円周方向の２箇所においてこれらを接続する接続部４４ｃが形成される。円盤部４４ａ、４４ｂの円周方向のそれぞれ２箇所には、貫通穴４４ｄが形成され、円盤部４４ａ、４４ｂの間に２つのプラネタリーギヤ２１ｂ（図３参照）が配置され、プラネタリーギヤ２１ｂの回転軸２１ｃ（図３参照）が貫通穴４４ｄに装着される。円盤部４４ｂの後方側には円筒形に延びる円筒部４４ｅが形成される。円筒部４４ｅの外周側はベアリング１６ｂの内輪にて保持される。また、円筒部４４ｅの内側の空間４４ｆにはサンギヤ２１ａ（図３参照）が配置される。尚、図４及び図５に示すハンマ４１とアンビル４６とは、金属の一体構造にて製造すると強度的にも重量的にも好ましい。

アンビル４６は、円柱形の本体部分４６ｂから径方向に突出する２つの羽根部４６ｃと４６ｄが形成される。羽根部４６ｃの外周付近には軸方向後方に突出する突出部４７が形成される。突出部４７の円周方向両側には被打撃面４７ａ及び４７ｂが形成される。一方、羽根部４６ｄの径方向中央付近には軸方向後方に突出する突出部４８が形成される。突出部４８の円周方向両側には被打撃面４８ａ及び４８ｂが形成される。ハンマ４１が正回転（ネジ等を締め付ける回転方向）するときには、打撃面４２ａが被打撃面４７ａに当接し、同時に打撃面４３ａが被打撃面４８ａに当接する。また、ハンマ４１が逆回転（ネジ等をゆるめる回転方向）するときには、打撃面４２ｂが被打撃面４７ｂに当接し、同時に打撃面４３ｂが被打撃面４８ｂに当接する。この当接するのは同時となるように突出部４２、４３、４７、４８の形状が決定される。

このように、図４、５に示すハンマ４１及びアンビル４６によれば、回転する軸心を基準に対称な２箇所にて打撃が行われるので打撃時のバランスが良く、打撃時にインパクト工具１が振られにくく構成できる。また、打撃面は突出部の円周方向両側にそれぞれ設けられるので、正回転だけでなく逆回転時にもインパクト動作が可能になるので、使いやすいインパクト工具を実現できる。さらに、ハンマ４１でアンビル４６を打撃する方向は、円周方向のみであってアンビル４６を軸方向、前方に叩かないので、インパクトモードの際に先端工具を必要以上に被締付部材を押しつけることもなく、木材に木ねじ等を締め込む際に有利である。

次に、モータ３の駆動制御系の構成と作用を図６に基づいて説明する。図６はモータ３の駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施例では、モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。このブラシレスＤＣモータは、いわゆるインナーロータ型であって、複数組（本実施例では２組）のＮ極とＳ極を含む永久磁石（マグネット）を含んで構成される回転子（ロータ）３ａと、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗから成る固定子（ステータ）３ｂと、回転子３ａの回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度６０°毎に配置された３つの回転位置検出素子（ホール素子）５８を有する。これら回転位置検出素子５８からの位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と時間が制御され、モータ３を回転させる。回転位置検出素子５８は、基板７上の回転子３ａの永久磁石３ｃに対向する位置に設けられる。

基板７上に搭載される電子素子には、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴなどの６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６からなるインバータ回路５２を含む。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御回路基板９に搭載される制御信号出力回路５３に接続され、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレインまたは各ソースは、スター結線された固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。これによって、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路５３から入力されたスイッチング素子駆動信号（Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６等の駆動信号）によってスイッチング動作を行い、インバータ回路５２に印加されるバッテリパック３０の直流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに電力を供給する。

６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング素子駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、制御回路基板９上に搭載された演算部５１によって、トリガスイッチ８のトリガ操作部８ａの操作量（ストローク）の検出信号に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比）を変化させることによってモータ３への電力供給量を調整し、モータ３の起動／停止と回転速度を制御する。

ここで、ＰＷＭ信号は、インバータ回路５２の正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３または負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６の何れか一方に供給され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３またはスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６を高速スイッチングさせることによってバッテリパック３０の直流電圧から各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を制御する。尚、本実施例では、負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６にＰＷＭ信号が供給されるため、ＰＷＭ信号のパルス幅を制御することによって各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を調整してモータ３の回転速度を制御することができる。

インパクト工具１には、モータ３の回転方向を切り替えるための正逆切替レバー１４が設けられ、回転方向設定回路６２は正逆切替レバー１４の変化を検出するごとに、モータの回転方向を切り替えて、その制御信号を演算部５１に送信する。演算部５１は、図示していないが、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中央処理装置（ＣＰＵ）、処理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、タイマ等を含んで構成される。

制御信号出力回路５３は、回転方向設定回路６２と回転子位置検出回路５４の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を交互にスイッチングするための駆動信号を形成し、その駆動信号を制御信号出力回路５３に出力する。これによって固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの所定の巻線に交互に通電し、回転子３ａを設定された回転方向に回転させる。この場合、負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６に印加する駆動信号は、印加電圧設定回路６１の出力制御信号に基づいてＰＷＭ変調信号として出力される。モータ３に供給される電流値は、電流検出回路５９によって測定され、その値が演算部５１にフィードバックされることにより、設定された駆動電力となるように調整される。尚、ＰＷＭ信号は正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３に印加しても良い。

回転数検出回路５５は、複数の回転子位置検出回路５４の信号を入力とし、モータ３の回転数を検出して演算部５１に出力する回路である。打撃衝撃検出センサ５６は、アンビル４６に発生する衝撃の大きさを検出するもので、その出力は打撃衝撃検出回路５７を介して演算部５１に入力される。打撃衝撃検出センサ５６としては、アンビル４６に取り付けられる歪ゲージ等で実現でき、打撃衝撃検出センサ５６の出力を用いて規定トルクで締め付けが完了した際に、モータ３を自動停止させるようにしても良い。

本実施例に係るインパクト工具１においては、以下の（１）から（３）の３つの駆動モードにてモータを回転させることが可能である。
（１）連続駆動モードＡ（電子クラッチ機能無し）
（２）連続駆動モードＢ（電子クラッチ機能付き）
（３）断続駆動モード

ここで連続駆動モードＡとは、ハンマを連続回転させて、アンビルを一方向に連続して回転させるという、単純なモータ３の制御モードである。連続駆動モードＡではクラッチ機構を用いないので、モータ３の回転を停止するには作業者がトリガスイッチ８をＯＦＦにする必要がある。

連続駆動モードＢとは、ハンマを連続回転させて、アンビルを一方向に連続して回転させるという、単純なモータ３の制御モードである。基本的には連続駆動モードＡと同じであるが、本実施例ではクラッチ機構を電子的に実現しているため、作業者はトリガスイッチ８をＯＦＦにする必要がなく、トリガスイッチ８を引き続けても所定のトルク値に達成したらモータ３の回転が自動停止する。この電子クラッチ機構によるモータ３の自動停止制御の仕方については後述する。

断続駆動モードとは、ハンマを正転及び逆転させながらアンビルを打撃することにより、アンビルを断続駆動することにより、強い打撃トルクにて先端工具を強力に回転させる制御モードである。アンビル４６を打撃するために、ハンマ４１を正転及び逆転させる必要があるため、モータ３を特殊な駆動制御する。この断続駆動モードによる制御は、本実施例に係るハンマ４１とアンビル４６により実現できた独特の制御方法である。断続駆動モードでは、ハンマ４１による打撃動作を行うために時間あたりの締め付け角度が連続駆動モードに比べて小さくなる。そこで、インパクト動作による締め付けを行う場合は、締め付け動作の初期の必要なトルクが小さくてすむ期間は連続駆動モードＡで駆動し、締め付け対象からの反力が強くなって必要な締め付けトルクが大きくなってきたら断続駆動モードに切り替えるようにすると、インパクトモードにおける締め付けのために要するトータル時間が短くてすむ。

ここで、図７及び８を用いてハンマ４１及びアンビル４６の回転動作を説明する。図７は図３のＡ−Ａ部の断面図であり、前述した「連続駆動モードＡ、Ｂ」における基本的なハンマ４１の駆動制御を説明する図である。これら断面図からハンマ４１から軸方向に突出する突出部４２、４３と、アンビル４６から軸方向に突出する突出部４７、４８の位置関係が理解できるであろう。締め付け動作時（正回転時）のアンビル４６の回転方向は本図では反時計回りであり、ハンマ４１は、モータの駆動により図７（１）→（２）→（３）→（４）の順番に回転する。この際、ハンマ４１は、モータ３の駆動によって矢印７１、７２、７３、７４の方向に連続的に回転するので、アンビル４６はハンマ４１から後方から押されるようにして、ハンマ４１の打撃面４２ａ、４３ａがアンビル４６の被打撃面４７ａ、４８ａと接触したままアンビル４６も矢印方向に同期して回転する。

以上説明したように、本実施例によるインパクト工具１では、締め付けの際の負荷が小さい状況下においては、ハンマ４１をモータ３によって回転させるだけでアンビル４６も同期して回転させることができるので、通常のドライバドリルと同様に装着穴４６ａに装着された先端工具によって締め付け作業や穴あけ作業を行うことができる。

図８は図３のＡ−Ａ部の断面図であり、前述したインパクト工具１の「断続駆動モード」における基本的なハンマ４１の駆動制御を説明するための図である。「断続駆動モード」においては、ハンマ４１を一方向だけに回転させるのではなく、モータ３を独特な方法で駆動してハンマ４１を前進及び後退させることにより、ハンマ４１をアンビル４６に打撃するものである。図８（１）は初期状態を示す図であり、この状態は「連続駆動モード」から「断続駆動モード」への切り替え直後の状態を示す。この状態から、モータ３の逆回転を開始することにより、ハンマ４１を矢印８１の方向（アンビル４６の回転方向とは逆の方向）へ回転させる。

ハンマ４１とアンビル４６は、相対角度にして３６０度未満だけ回転できるように構成されるので、モータ３を逆回転させることによって（１）の状態からハンマ４１だけを逆回転させることができる。このときアンビル４６の回転は停止したままである。（２）の状態付近までモータ３を逆回転させたら、モータ３の逆回転駆動を停止させるが、ハンマ４１は惰性で矢印８２の方向に回転し続け、（３）の位置まで逆回転する。図８（３）の位置の直前で、モータ３に正転方向の駆動電流を流して正転させることにより、ハンマ４１の矢印８３方向の回転が停止し、矢印８４の方向への回転（正方向への回転）を開始する。ここで、ハンマ４１が反転を行う位置を「反転位置」というが、本実施例では、ハンマ４１の反転開始から反転位置までの回転角が約２４０度である。この反転角度は最大反転可能角度内で任意に設定すればよいが、打撃によって得られる締め付けトルクの大きさの要求値に応じて設定するのが好ましい。

ハンマ４１が反転をすると再び正回転方向に回転をするが、図８（４）のように突出部４２は再び突出部４８の外周側を通過し、同時に突出部４３は突出部４７の内周側を通過し、加速しながら矢印８５の方向に回転を続ける。このように、双方の通過を可能とするために、突出部４２の内径Ｒ_Ｈ２は、突出部４８の外径Ｒ_Ａ１よりも大きく構成され、両者は衝突しない。同様に、突出部４３の外径Ｒ_Ｈ１は、突出部４７の内径Ｒ_Ａ２よりも小さく構成され、両者は衝突しない。このような位置関係に構成すれば、ハンマ４１とアンビル４６との相対回転角を１８０度より大きく構成することができ、アンビル４６に対してハンマ４１の十分な量の反転角が確保でき、この反転角がハンマ４１をアンビル４６に打撃する前の加速区間とすることができる。

次に、図８（５）の状態までハンマ４１を矢印８６の方向に加速して回転させると、突出部４２の打撃面４２ａは、突出部４７の被打撃面４７ａに衝突する。同時に、突出部４３の打撃面４３ａは突出部４８の被打撃面４８ａに衝突する。このように、回転軸に対して反対側の２箇所にて衝突することによりアンビル４６に対してバランスの良い打撃を行うことができる。

この打撃の結果、図８（６）に示すようにアンビル４６は、後方からハンマ４１に打撃されて矢印８７の方向に回転することになり、この打撃に伴う回転によって被締付材の締め付けが行われる。尚、ハンマ４１には、径方向の同心位置（Ｒ_Ｈ２以上、Ｒ_Ｈ３以下の位置）において唯一の突起である突出部４２を有し、同心位置（Ｒ_Ｈ１以下の位置）において第３の唯一の突起である突出部４３を有する。また、アンビル４６は、径方向の同心位置（Ｒ_Ａ２以上、Ｒ_Ａ３以下の位置）において唯一の突起である突出部４７を有し、同心位置（Ｒ_Ａ１以下の位置）において唯一の突起である突出部４８を有する。以上のように、「断続駆動モード」では、モータ３を正方向及び逆方向に交互に回転させることにより、ハンマ４１を正方向及び逆方向に交互に回転させて、アンビル４６に対する打撃動作を行う。

次に、本実施例に係るインパクト工具１の「連続駆動モード」におけるモータ３の駆動方法について図９及び図１０を用いて説明する。図９は、図７で説明した「連続駆動モード」における基本的なモータ３の制御方法を示す電流波形図である。図９において、横軸は経過時間ｔ（ミリ秒）であり、縦軸はモータ３に供給される駆動電流Ｉ（Ａ）である。時間ｔにおいて作業者がトリガ操作部８ａを引くことによりモータ３が起動する。この際の電流検出回路５９により検出される電流値９０は、回転開始直後に、矢印９１のように大きな電流、いわゆる始動電流が流れる。その後、回転子３ａの回転が開始して加速することにより電流値９０は低下する。最終的には目標回転速度付近において矢印９２の状態に落ち着く。しかしながら、アンビル４６に取り付けられた先端工具からの締め付け反力が大きくなると、アンビル４６からハンマ４１に伝わる反力が大きくなるため、モータ３を目標回転数での回転を維持するために、演算部５１はモータ３に供給される電流を増大させるように制御する。この結果、電流値９０は矢印９３に示すように徐々に増加する。

そして矢印９４の地点でカットオフ電流Ｉｃに到達するため、演算部５１は必要な締め付けトルクでの締め付けが完了したと見なす。そして、ドリルモードにおいては、演算部５１はインバータ回路５２へのＰＷＭ信号の供給を停止させることにより、モータ３の回転を停止させる。一方、インパクトモードにおいては、「連続駆動モード」での最大締め付けトルクに到達したとして、図８で説明した「断続駆動モード」に切り替えて、ハンマ４１による打撃によってアンビル４６を回転させる。

図９において、カットオフ電流Ｉｃの大きさをどう設定するかは任意であるが、例えば、使用者によって複数段階設定される値に対応させて設定すればよい。また、演算部５１は電流値９０がカットオフ電流Ｉｃを超えたかどうか監視するが、モータ３の始動直後は始動電流が流れて、電流値９０がカットオフ電流Ｉｃを超えることがあるため、始動直後の一定期間は電流値９０の大きさをカットオフ電流Ｉｃと比較しない不感時間９５を設け、不感時間９５が経過してから電流値９０とカットオフ電流Ｉｃとの比較を開始するように制御すると好ましい。

図１０は、改良された「連続駆動モード」、即ち「カムアウト防止モード」でのモータ３の制御方法を示す電流波形図であり、本発明の一番の特徴をなす制御である。図１０から理解できるように、モータ３に供給される電流値１００が連続的でなく、断続的に供給されるように制御した。また、所定の電流量だけモータ３の駆動電流を流した後（例えばｔ_１）において、ほんの短い時間（ｔ_１からｔ_２）だけ所定の逆転電流Ｉ_ｒを流し、その後再び正転電流を供給する。尚、時間ｔ_１においては、モータ３はある程度の回転数で回転しているので、この時点で逆転電流を短い時間だけ流したとしても、モータ３自体が逆回転する訳ではなく、ハンマ４１は連続的に駆動されておりほんのわずかのトルク低下が生ずる程度である。また、ハンマ４１の回転は、１／１５程度の減速比をもって伝達されることと、遊星歯車減速機構２１や、ハンマ４１とアンビル４６の遊び等により、ハンマ４１の回転低下はほとんど見られず、時間ｔ_１からｔ_２の間にハンマ４１の回転トルクが一瞬抜けるような感じとなるだけである。この間、木ねじ等の締め付け部材は惰性により回転を続けるので、アンビル４６の回転トルクが一瞬抜けるように低下し、ハンマ４１の打撃面４２ａ、４７ａとアンビル４６の打撃面４３ａ、４８ａと離れることもあり得る。この離れる大きさは、締め付け部材からの反力の大きさによって異なるが、場合によってはアンビル４６だけが先に進んでしまい、回転角にして数度程度ハンマ４１とアンビル４６が離れることがある。しかしながら、ハンマ４１の回転方向は一方向のままであって、ハンマ４１的には一方向に連続駆動しているだけである。

時間ｔ２において、再びモータ３に正転電流を供給することにより、電流値１００は矢印１０３に示すように急激に立ち上がり、再び下がって、負荷の上昇に伴い矢印１０４に示すように徐々に増加する。次に時間ｔ_３においてモータ３への正方向の回転電流から、所定の逆転電流Ｉ_ｒへ供給に変更する。この逆転電流Ｉ_ｒを供給するタイミングである時間ｔ_１、ｔ_３、ｔ_５は、横軸と正方向の電流値１００が成す閉領域の面積が一定なように、つまり下記の数１が成り立つように設定する。

ここでＩは、モータ３に供給される電流（Ａ）であり、Ｉ_{ｐｕｌｓｅ}はあらかじめ設定された所定の値（閾値）である。演算部５１は、電流検出回路５９の出力に基づき例えば１ミリ秒ごとの電圧値から数１に従って積分の計算を開始する。開始するタイミングは、時間０、ｔ_２、ｔ_４、ｔ_６からであり、積分値Ｉ_{ｐｕｌｓｅ}に達成した時点で、演算部５１はモータ３に逆転電流Ｉ_ｒを供給するように制御する。通常、木ねじ等の締め付けにおいては、締め付け作業が進むにつれて締め付け材から受ける反力が増大するため、電流値１００がだんだん高くなる。一方、Ｉ_{ｐｕｌｓｅ}は一定なので、ｔ_２〜ｔ_３、ｔ_４〜ｔ_５、ｔ_６〜ｔ_７に要する時間はだんだん短くなる。しかしながら、モータ３への逆転パルスとなる逆転電流Ｉ_ｒの大きさ及び供給する時間間隔は一定である。これらＩ_ｒの大きさや供給時間については、予め設定しておいて演算部５１内に含まれるマイコンに記憶させておくと良い。

以上説明したように本実施例におけるインパクト工具１において、モータ３に供給される電流値１００を監視して、所定量の駆動を行うごとに僅かながらの逆転パルスを供給するので、この都度アンビル４６の回転中に回転トルクが一瞬抜けるように低下してアンビル４６とネジ頭の噛み合い状況が回復する。従って、カムアウトしようとする先端工具とネジ頭の噛み合い状況を良好に回復させることができ、カムアウトの発生を有効に防止しながら締め付け作業を継続することができる。

本実施例では、締め付け動作が完了したかどうかは図９で説明したのと同様にカットオフ電流Ｉｃを監視することによって行うことができる。即ち、演算部５１はモータ３に供給される電流値１００を継続的に監視し、電流値１００がカットオフ電流Ｉｃを超えたか否かを判定する。カットオフ電流Ｉｃを超えた場合は、所定の締め付けトルクにて締め付けが完了したと見なしてモータ３の回転を停止させる。尚、打撃を伴う締め付けを併用する場合は、図１０による「カムアウト防止モード」から、図８で示したような「断続駆動モード」に切り替えればよい。ここで、モータ３の始動直後や、正転電流を供給した直後（時間ｔ_２、ｔ_４、ｔ_６）においては、図９と同様に不感時間１１０を設けて、不感時間１１０が経過してから電流値１００とカットオフ電流Ｉｃとの比較を開始するように制御すると好ましい。

尚、本実施例では、「カムアウト防止モード」による締め付けの終了のための別の評価方法として、正転電流を流した単位時間、即ち０〜ｔ_１、ｔ_２〜ｔ_３、ｔ_４〜ｔ_５、ｔ_６〜ｔ_７に要した時間が、所定の閾値よりも短いかどうかを判定し、閾値よりも短くなったらモータ３の回転を停止させか、「断続駆動モード」に切り替えるように制御しても良い。

以上説明したように、本実施例によれば相対回転角が１回転未満のハンマとアンビルを用いて、アンビルを同じ方向（一方向）に回転させる電動工具において、インパクトモードだけでなく、ドリルモードを容易に実現できる。また、ドリルモードでの締め付けの際にも図１０で示したような断続制御を行うので、ねじのネジ頭から先端工具のビットが乗り上げるという、いわゆるカムアウト現象の発生を大幅に減少させることができる。

以上、本発明について実施例に基づき説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例の図１０では、ｔ_１〜ｔ_２、ｔ_３〜ｔ_４、ｔ_５〜ｔ_６、ｔ_７〜ｔ_８において、モータ３に逆転電流Ｉ_ｒを流すように制御したが、逆転電流Ｉ_ｒを流す代わりに電流供給を停止（Ｉ＝０）とするか、きわめて０に近い正転電流としても良い。また、本明細書ではインパクト工具を用いて説明したが、インパクト工具だけでなく、相対的に数度〜数十度程度の回転ができる、または回転方向に所定の遊びを有する連結機構を有する電動工具においても同様に適用することができる。

１ インパクト工具 ３ モータ
３ａ （モータの）回転子 ３ｂ （モータの）固定子
３ｃ （モータの）永久磁石 ３ｄ 絶縁部材
３ｅ （モータの）コイル ５ ケース
６ ハウジング ６ａ （ハウジングの）胴体部
６ｂ （ハウジングの）グリップ部 ６ｃ （ハウジングの）バッテリ保持部
７ 基板 ８ トリガスイッチ ８ａ トリガ操作部
９ 制御回路基板 １０ スイッチング素子 １１ カバー
１２ ＬＥＤライト １４ 正逆切替レバー
１５ スリーブ １６ａ メタルベアリング １６ｂ ベアリング
１７ａ、１７ｂ ベアリング １８ 冷却ファン
１９ （モータの）回転軸
２０ ネジボス ２１ 遊星歯車減速機構
２１ａ サンギヤ ２１ｂ プラネタリーギヤ
２１ｃ 回転軸 ２１ｄ アウターギヤ ２２ インナカバー
２３ Ｏリング ２６ａ、２６ｂ 空気取入口 ２６ｃ スリット
３０ バッテリパック ３０ａ リリースボタン ３１ 制御パネル
３２ ボタンスイッチ（パルスモード／ドリルモード切替スイッチ）
３３ ベルトフック ３４ ストラップ ４０ 打撃機構
４１ ハンマ ４１ａ 嵌合軸 ４１ｂ 本体部分
４１ｃ、４１ｄ 羽根部 ４２ 突出部 ４２ａ、４２ｂ 打撃面
４３ 突出部 ４３ａ、４３ｂ 打撃面
４４ａ、４４ｂ 円盤部 ４４ｃ 接続部
４４ｄ 貫通穴 ４４ｅ 円筒部 ４４ｆ 空間
４６ アンビル ４６ａ 装着穴 ４６ｂ 本体部分
４６ｃ、４６ｄ 羽根部 ４６ｆ 嵌合穴 ４７ 突出部
４７ａ、４７ｂ 被打撃面 ４８ 突出部 ４８ａ、４８ｂ 被打撃面
５０ 制御部 ５１ 演算部 ５２ インバータ回路
５３ 制御信号出力回路 ５４ 回転子位置検出回路
５５ 回転数検出回路 ５６ 打撃衝撃検出センサ
５７ 打撃衝撃検出回路 ５８ 回転位置検出素子 ５９ 電流検出回路
６０ スイッチ操作検出回路 ６１ 印加電圧設定回路
６２ 回転方向設定回路

Claims (9)

1. モータと、該モータの回転力を減速する減速機構と、該減速機構の出力部に接続されるハンマと、該ハンマと相対的に揺動可能なアンビルを有し、前記モータにより前記ハンマを直接駆動するインパクト工具であって、
   前記ハンマを一方向に回すことにより前記アンビルを回転させて前記アンビルに取り付けられる先端工具を回転させるドリルモードと、
   前記ハンマを前記アンビルに対して間欠的に打撃しながら前記アンビルに取り付けられる先端工具を回転させるインパクトモード、を有することを特徴とするインパクト工具。
2. 前記ハンマは前記アンビルに対して相対的に３６０度未満の回転角で揺動可能であることを特徴とする請求項１に記載のインパクト工具。
3. 前記ドリルモードにおいて、前記モータを断続的に駆動することを特徴とする請求項２に記載のインパクト工具。
4. 前記モータに、正転方向電流と、短い間隔の逆転方向電流を交互に流すことによって前記モータを断続的に駆動することを特徴とする請求項３に記載のインパクト工具。
5. 前記モータに、正転方向電流の供給と、短い時間の電流供給停止を交互に繰り返すことによって前記モータを断続的に駆動することを特徴とする請求項３に記載のインパクト工具。
6. 前記正転方向電流の積分値を算出し、前記積分値が所定の値に達したら前記逆転方向電流の供給又は前記電流供給停止に切り替えることを特徴とする請求項５に記載のインパクト工具。
7. 前記逆転方向電流又は前記電流供給停止の時間は、予め設定した所定時間とすることを特徴とする請求項６に記載のインパクト工具。
8. 前記正転方向電流の大きさを監視し、前記正転方向電流が所定の値に達したら前記モータの回転を停止させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のインパクト工具。
9. 前記正転方向電流の積分値が所定の値に達するまでの時間を監視し、前記時間が所定の値以下に達したら前記モータの回転を停止させるか、前記インパクトモードに移行させることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載のインパクト工具。

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