JP2015009289A

JP2015009289A - 電動工具

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Publication number: JP2015009289A
Application number: JP2013134393A
Authority: JP
Inventors: 高野　信宏; Nobuhiro Takano; 信宏高野; 和隆岩田; Kazutaka Iwata
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-01-19

Abstract

【課題】締め付け前半の軽負荷領域において、できるだけモータの回転数を高くして高速で締め付け作業を完了させるようにした電動工具を提供する。【解決手段】ＰＷＭ制御により駆動されるモータと、モータの回転をデューティ比によって制御する電動工具において、電動工具はモータの最高回転数が異なる複数の動作モード（１〜４）を有し、各動作モードにおいて回転開始後の区間に用いられる高いデューティ比区間と、回転停止前の区間に用いられる低いデューティ比区間を設けて異なるデューティ比を割り当てるようにした（３１１〜３１４）。各動作モードの高いデューティ比区間と低いデューティ比区間におけるディーティ比はそれぞれが異なるように設定すると良い。高いデューティ比での運転時に、モータにかかる負荷が増大したら低いデューティ比に切り換えられる。【選択図】図７

Description

本発明は電動工具に関し、特に、駆動源として用いられるモータの制御方法を改良した電動工具に関する。

手持ち式の電動工具において、バッテリに蓄電された電気エネルギーにて駆動するコードレスタイプのインパクト工具が広く用いられている。ドリルやドライバ等の先端工具をモータによって回転駆動して所要の作業を行うインパクト工具においては、例えば特許文献１に開示されているように、バッテリを用いてブラシレスＤＣモータを駆動する。ブラシレスＤＣモータは、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）をロータ側に、永久磁石をステータ側に用い、インバータ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。ブラシレスモータはブラシ付きモータに比べて高効率であり、充電可能な二次電池を使用しつつ高い出力を得ることが可能となる。また、モータの回転駆動のためのスイッチング素子を搭載した回路を有するので、電子制御により高度なモータの回転制御が容易となる。

ブラシレスＤＣモータは、永久磁石を備えたロータ（回転子）と、３相巻線等の複数相の電機子巻線（固定子巻線）を備えたステータ（固定子）を含み、ロータの永久磁石の磁力を検出してロータ位置を検出する複数のホールＩＣより構成された位置検出素子と、電池パック等から供給される直流電圧を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）等の半導体スイッチング素子を用いてスイッチングして各相の固定子巻線への通電を切換えてロータを駆動するインバータ回路が用いられる。インバータ回路はマイクロコンピュータ（マイコン）により制御され、ホールＩＣ等の位置検出素子によるロータの位置検出結果に基づいて各相の電機子巻線の通電タイミングを設定する。このインバータ回路の制御において、モータを複数段階の回転速度で制御するように、設定された回転モードに応じてＰＷＭのデューティ比を変えるようにしている。

特開２００８−２７８６３３号公報

ところで、近年電動工具の出力の増大化が図られており、ブラシレスＤＣモータの利用などに伴い工具サイズを小さくしつつ高い回転速度、高い締め付けトルクを得ることができるようになってきた。しかしながら、高い締め付けトルクを実現することは、他方でねじ締め作業等において必要以上に強い打撃を与えてしまうことになるため、要求される締め付けトルク値に合わせて適正な出力や特性のモータを選択することが重要である。特にインパクト工具においては、必要以上にモータの出力を高めるとねじの頭を痛めてしまう恐れが高くなり、寿命や連続稼働時の温度上昇制限の観点から、モータの出力が高くなりすぎないようにする場合もあった。そのためモータとして得られるポテンシャルを最大に生かす電動工具となっていないことがあった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モータの最高回転を変更する複数の動作モードを有する電動工具において、動作モード毎に最適なＰＷＭのデューティ比制御を行うようにした電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、締め付け前半の軽負荷領域において、できるだけモータの回転数を高くして高速で締め付け作業を完了させるようにした電動工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、トリガを引いた瞬間のモータの起動をなめらかにして、締め付けし易くて使い勝手の良い電動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。
本発明の一つの特徴によれば、半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより駆動されるモータと、モータによって先端工具を駆動するための動力伝達機構と、モータの回転をデューティ比によって制御する制御手段を有する電動工具であって、モータの最高回転数の異なる複数の動作モード、又は、締付トルク値の異なる複数の動作モードを有し、複数の動作モードのうちいずれか１つ以上に、回転開始後の区間に用いられる高いデューティ比と、回転停止前の区間に用いられる低いデューティ比の異なるデューティ比が割り当てられる。複数の動作モードのうちすべての動作モード、又は、いずれかの動作モードにおいて、モータの回転開始後から回転停止まで同一のデューティ比にてモータが制御され、残りの動作モードでは高いデューティ比から低いデューティ比に切り換えて制御するように構成した。この構成により高い出力のモータを連続駆動させることによる温度上昇や機械的なストレスから電動工具を効果的に保護することができ、信頼性が高くて寿命が長い電動工具を実現できる。

本発明の他の特徴によれば、モータに掛かる負荷トルク（先端工具からの反発トルク）を検出して、その負荷トルク値が所定の値以上になった時に高いデューティ比から低いデューティ比に切り換えるようにした。この切り換えタイミングは、電流値を検出する電流検出手段を設け、高いデューティ比での駆動時に電流検出手段によって検出された電流値Ｉがしきい値を超えた時、又は、電流値の増加率ΔＩ／Δｔがしきい値を超えた時に行うように構成すれば良い。また、締め付けトルクを検出するトルク検出手段を設け、検出されたがしきい値を超えたときに切り換えるように構成しても良い。この構成により、負荷の軽い、いわばフリーラン区間を高速で締め付けることができ、作業時間の短縮化が可能となる。

本発明のさらに他の特徴によれば、制御装置は、モータの起動時にデューティ比を徐々に増大させるソフトスタートにて制御するようにした。ソフトスタート時のデューティ比の立ち上がりは、すべての動作モードにおいてデューティ比の増加率が異なるようにしても良いし、増加率がすべて同じになるようにしても良い。このようにソフトスタートにてモータを制御するようにしたので、作業者がトリガを引いたときに先端工具にいきなり高トルクが掛かることを防止でき、電気ショック、機械ショックを軽減させることができ、さらに、先端工具がネジ等からはずれる、いわゆるカムアウト現象を起こしにくくすることができる。

本発明のさらに他の特徴によれば、複数の動作モードによってそれぞれ異なる最高回転数を設定することにより締め付け作業を行う電動工具において、各動作モードにおける最高回転数は、締め付け初期の最高回転数と、締め付け後期の最高回転数の組によって設定され、上記動作モードのうち少なくとも１つ以上の動作モード又はすべての動作モードにおいて、締め付け初期の最高回転数は締め付け後期の最高回転数よりも大きくなるように設定した。この構成により高い出力のモータを連続駆動させることによる温度上昇や機械的なストレスから電動工具を効果的に保護することができ、信頼性が高くて寿命が長い電動工具を実現できる。

本発明によれば、高出力で確実にねじやボルトを締め付けることができ、しかも締め付け時間の短縮化を図ることができる。また操作性の大変良い電動工具を提供できる。
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の内部構造を示す断面図である。本発明の実施例に係るインパクト工具１の外観を示す側面図である。本発明の実施例に係るインパクト工具１の概略ブロック図である。本発明の実施例のインパクト工具におけるモータ３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。本発明の実施例に係るインパクト工具１のデューティ比の制御方法を説明するための図であり、モータの回転数５８とデューティ比の関係を示すである。従来技術におけるインパクト工具の各動作モードでのデューティ比の設定方法を説明する図である。本発明の実施例に係るインパクト工具１の各動作モードでのデューティ比の設定方法を説明する図である。（１）本発明の実施例のインパクト工具における全速のボルト締め付けを行う際の出力軸回転数とモータ電流値、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比の関係を示すグラフであり、（２）はそのときの打撃トルクの大きさを示す図である。本発明の実施例のインパクト工具１を用いて締め付け作業を行う際のデューティ比の設定手順を示すフローチャートである。本発明の第１の変形例に係るインパクト工具１の各動作モードでのデューティ比の設定方法を説明する図である。本発明の第２の変形例に係るインパクト工具１の各動作モードでのデューティ比の設定方法を説明する図である。

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、前後の方向は、図中に示した方向として説明する。図１は本発明に係る電動工具の内部構造を示す断面図である。本実施例においては、電動工具の例として、インパクト工具１を用いて説明する。

インパクト工具１は、充電可能なバッテリ１１を電源とし、モータ３を駆動源として減速機構２０によって所定の減速比で減速させてインパクト機構２１を駆動し、出力軸であるアンビル３０に回転力と打撃力を与え、取付穴３０ａに装着され装着機構３１にて保持されるドライバビット等の図示しない先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してねじ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モータであり、内周側に２組のマグネット５ａが配置されたロータ５を有し、外周側に６つのスロットに巻線４ａが巻かれたステータ４が配置されるもので、いわゆる４極６スロットのモータである。尚、本発明は４極６スロットのモータだけに限られずに、他の極数、他のスロット数のモータであっても良い。モータ３は側面視で略Ｔ字状の形状を成すハウジング２の筒状の胴体部２ａ内に収容される。モータ３の回転軸６は、ハウジング２の胴体部２ａの中央部付近に設けられるベアリング１９ａと後端側のベアリング１９ｂによって回転可能に保持され、モータ３の前方には、回転軸６と同軸に取り付けられモータ３と同期して回転するロータファン１３が設けられ、モータ３の後方には、モータ３を駆動するためのインバータ回路基板１２が配設される。

ロータファン１３によって起こされる空気流は、空気取入口１７ａ及びインバータ回路基板１２の周囲のハウジング部分に形成された後述するスリット（図２のスリット１７ｂ）から胴体部２ａの内部に取り込まれ、主にロータ５とステータ４の間を通過するように流れ、ロータファン１３の後方から吸引されてロータファン１３の径方向外側に流れ、ロータファン１３の周囲のハウジング部分に形成された後述するスリット（図２のスリット１８）からハウジング２の外部に排出される。インバータ回路基板１２はモータ３の外形とほぼ同形の略円形の両面基板であり、この基板上にはＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の複数のスイッチング素子１４や、ホールＩＣ等の位置検出素子３３が搭載される。

ロータ５とベアリング１９ａの間には、スリーブ３６とロータファン１３が回転軸６と同軸上に取り付けられる。ロータ５は、マグネット５ａによって形成される磁路を形成するものである。スリーブ３６は、例えばプラスチック又は金属によって構成できるが、金属製にする場合は、ロータ５の磁路に影響しないように非磁性体であることが好ましい。

ロータファン１３は、例えばプラスチックのモールドにより一体成型されるものであり、後方の内周側から空気を吸引し、前方側の半径方向外側に排出する、いわば遠心ファンである。ロータ５とベアリング１９ｂの間には、プラスチック製のスペーサ３５が設けられる。スペーサ３５の形状は略円筒形で、ベアリング１９ｂとロータ５との間の間隔を設定する。この間隔はインバータ回路基板１２を同軸上に配置するためと、スイッチング素子１４を冷却する空気流の流路として必要とされる空間を形成するために重要である。

ハウジング２の胴体部２ａから略直角に一体に延びるハンドル部２ｂ内の上部にはトリガ８が配設され、トリガ８の下方にはスイッチ回路基板７が設けられる。ハンドル部２ｂ内の下部には、トリガ８の引き動作によってモータ３の速度を制御する機能を備えた制御回路基板９が収容され、この制御回路基板９は、バッテリ１１とスイッチ回路基板７に電気的に接続される。制御回路基板９は、信号線を介してインバータ回路基板１２と接続される。ハンドル部２ｂの下方には、ニカド電池、リチウムイオン電池等のバッテリ１１が着脱可能に装着される。

インパクト機構２１は遊星歯車による減速機構２０の出力側に設けられるもので、スピンドル２７とハンマ２４を備え、後端がベアリング２２、前端がメタル２９により回転可能に保持される。減速機構２０とインパクト機構２１が、モータ３によって先端工具を駆動するための動力伝達機構を構成する。トリガ８が引かれてモータ３が起動されると、正逆切替レバー１０で設定された方向にモータ３が回転を始め、その回転力は減速機構２０によって減速されてスピンドル２７に伝達され、スピンドル２７が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル２７とハンマ２４とはカム機構によって連結され、このカム機構は、スピンドル２７の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝２５と、ハンマ２４の内周面に形成されたハンマカム溝２８と、これらのスピンドルカム溝２５、２８に係合するボール２６によって構成される。ハンマ２４は、スプリング２３によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール２６とスピンドルカム溝２５、２８との係合によってアンビル３０の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ２４とアンビル３０の対向する回転平面上の２箇所には図示しない凸部がそれぞれ対称的に形成されている。

スピンドル２７が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ２４に伝達され、ハンマ２４が半回転しないうちにハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部に係合してアンビル３０を回転させるが、そのときの係合反力によってスピンドル２７とハンマ２４との間に相対回転が生ずると、ハンマ２４はカム機構のスピンドルカム溝２５に沿ってスプリング２３を圧縮しながらモータ３側へと後退を始める。そして、ハンマ２４の後退動によってハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ２４は、スピンドル２７の回転力に加え、スプリング２３に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によって回転方向及び前方に急速に加速されつつ、スプリング２３の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル３０の凸部に再び係合して一体に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力がアンビル３０に加えられるため、アンビル３０の取付穴３０ａに装着される図示しない先端工具を介してねじに回転打撃力が伝達される。以後、同様の動作が繰り返されて先端工具からねじに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、例えば、ねじが木材等の図示しない被締め付け部材にねじ込まれる。

図２は、本発明の実施例に係るインパクト工具１の外観を示す側面図である。図２において、ハウジング２の胴体部２ａのインバータ回路基板１２の外周側には、吸気用のスリット１７ｂが形成され、ロータファン１３の外周部には、スリット１８が形成される。ハウジング２の前方側には金属製であってカップ状に形成されたハンマケース１５が設けられる。ハンマケース１５は、内部に減速機構２０とインパクト機構２１を収容するものであって、カップの底部にあたる前方部分にはアンビル３０を貫通させるための穴が形成される。ハンマケース１５の外側に装着機構３１が設けられる。

図３は本発明の実施例に係るインパクト工具１の概略ブロック図である。本実施例では電源として二次電池で構成されたバッテリ１１を用い、駆動源たるモータ３としてブラシレスＤＣモータを用いた。ブラシレスＤＣモータを制御するために制御手段３９を用いて複数の半導体スイッチング素子により構成されるインバータ回路３８を駆動する。制御手段３９はバッテリ１１の電力を用いて電源回路３７にて生成された低電圧により駆動される。インバータ回路３８からモータ３へは３本の電力線が接続され、インバータ回路３８にて所定の相へ駆動電流を供給することによりモータ３を回転させる。モータ３の出力は減速機構２０に伝達され、減速機構２０によって減速された回転力によってインパクト機構２１を駆動する。制御手段３９によってモータ３を駆動するために、モータ３の近傍にはロータ５の位置検出用の信号を生成するための位置検出素子（ホールＩＣ）３３が設けられ、位置検出素子３３の出力が制御手段３９に入力される。制御手段３９には、正逆切替レバー１０の信号と、トリガ８の信号が入力される。また、モータ３を駆動するモータとして第１の設定手段５４と第２の設定手段５３が設けられる。第１の設定手段５４では、インパクトモードとしてモータの回転数を設定して締め付けトルクを４段階に分けた４つの動作モードを設定できる。また、テックスねじを締め付けるための１つのテックスモードを設定できる。第２の設定手段５３では、通常モードとねじ込みモードを設定できる。第１の設定手段５４と第２の設定手段５３は、例えば操作パネル５５（図１参照）に設けることができる。

次に、図４を用いてモータ３の駆動制御系の構成と作用を説明する。図３はモータ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。モータ３は、いわゆるインナーロータ型で、一対のＮ極およびＳ極を含むマグネット５ａ（永久磁石）を埋め込んで構成されたロータ５と、ロータ５の回転位置を検出するために６０°毎に配置された３つの位置検出素子３３と、位置検出素子３３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３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなるステータ４を含んで構成される。

インバータ回路基板１２に搭載されるインバータ回路３８は、３相ブリッジ形式に接続された６個のＦＥＴ（以下、単に「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）から構成され、インバータ回路基板１２に搭載される。温度検出用素子（サーミスタ）３４は、インバータ回路基板１２上のトランジスタに近接する位置に固定される。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４８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４８から出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、インバータ回路に印加されるバッテリ１１の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路基板９には、演算部４０、電流検出回路４１、スイッチ操作検出回路４２、印加電圧設定回路４３、回転方向設定回路４４、回転子位置検出回路４５、回転数検出回路４６、温度検出回路４７、制御信号出力回路４８、及び打撃衝撃検出回路４９が搭載される。演算部４０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と、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と、データを一時記憶するためのＲＡＭと、タイマ等を内蔵するマイコンを含んで構成される。電流検出回路４１はシャント抵抗３２の両端電圧を測定することによりモータ３に流れる電流を検出する電圧検出手段であって、検出電流は演算部４０に入力される。本実施例ではシャント抵抗３２をバッテリ１１とインバータ回路３８の間に設けて半導体スイッチング素子に流れる電流値を検出する方式であるが、シャント抵抗をインバータ回路３８とモータ３の間に設けてモータ３に流れる電流値を検出するようにしても良い。

スイッチ操作検出回路４２はトリガ８が引かれているかどうかを検出するもので、少しでも引かれていればオン信号を演算部４０に出力する。印加電圧設定回路４３は、トリガ８の移動ストロークに応答してモータ３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４４は、モータの正逆切替レバー１０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３の回転方向を設定するための回路である。回転子位置検出回路４５は、３つの位置検出素子３３の出力信号に基づいてロータ５とステータ４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４６は、単位時間内にカウントされる回転子位置検出回路４５からの検出信号の数に基づいてモータの回転数を検出する回路である。制御信号出力回路４８は、演算部４０からの出力に基づいてトランジスタ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３の回転数を制御することができる。打撃衝撃検出回路４９は、打撃衝撃検出センサ５０からの検出信号を元にインパクト機構２１によって打撃が行われた時点やそのトルクの大きさを検出する。尚、打撃衝撃検出センサ５０の代わりに、又は打撃衝撃検出センサ５０に加えてジャイロセンサ（図示せず）やその他の任意のセンサを設けても良い。

演算部４０には動作モードを切り換えるためのダイヤルスイッチ５３の出力信号と、トルク値（又はモータの回転数）を設定するためのトルク切替スイッチ５４の出力信号が入力される。演算部４０はさらに、先端工具付近を照らすためのＬＥＤ等の照明手段５１の点灯を制御する。この点灯は図示しない点灯スイッチが押されたかどうかを演算部４０により判定して点灯を制御するようにしても良いし、トリガ８の引かれた動作に連動させて点灯させるようにしても良い。表示手段５２は、設定トルク値の強さや電池残量、その他の情報を表示するためのもので、光学的な手段により情報を表示する。本実施例では複数のＬＥＤや、７又はそれ以上のセグメントにより数字とアルファベットが表示可能なＬＥＤ表示器、あるいは液晶表示器などを用いることができる。

次に図５を用いて本実施例に係るインパクト工具１のデューティ比の制御方法を説明する。従来のブラシレスＤＣモータを用いるインパクトドライバのモータ回転数１５８は、時刻ｔ＝０において作業者がトリガ８をＯＮにして（引いて）モータ３の回転が開始されてからは、全区間においてデューティ比の上限値（トリガをいっぱいに引いたときのデューティ比の設定値）を１００％として制御し、モータ回転数１５８は２点鎖線に示すように一定であった（実際には負荷の変動によって変動があり得るが、ここでは考慮しないものとする）。そして時刻ｔ_２において作業者がトリガをＯＦＦとする（離す）とモータ３の回転が停止する。これに対して本実施例での回転数５８は、時刻ｔ＝０において作業者がトリガ８を引いてモータ３の回転が開始されるまでデューティ比の上限値を１００％としてモータ３を全速で駆動する。そして、先端工具から受ける負荷が上昇して所定の大きさになったとき、例えば、インパクト動作が１〜複数回行われて締め付け対象たるねじやボルトが着座したと判断された時刻ｔ_１においてデューティ比を大幅に下げて低デューティ比により制御する。このような制御によりモータ３の回転初期部分の回転数はＮ_ｍａｘとなり、矢印５８ａから５８ｂの区間までほぼ一定に制御される。その後、矢印５８ｃのようにモータの回転数５８をＮ_１まで大幅に低下させて、矢印５８ｃのように制御し、作業者によりトリガ８が離されるまでモータ３を低速にて回転させる。モータ３の回転数は矢印５８ｃから５８ｄのように負荷の増加に伴って徐々に低下する。

本実施例では、同じ電圧、同じ容量のバッテリ１１を使うものの、モータ３の出力を従来使用するタイプよりも高出力のものを使用する。例えば、従来用いていたモータと外寸やステータ４のコア部分、ロータ５部分は同一形状としつつ、巻線４ａの巻き数をへらして、その代わり巻線４ａの線径を太くすることにより、巻線４ａに大電流を流せるように構成し、モータ３の回転数をあげて出力を増大させた。一方、このように出力を増大させたままで従来のモータ制御（デューティ比を１００％のままトリガオフまで連続駆動）すると、温度上昇が過大となって熱的に厳しく、着座後の作業者によるトリガオフのタイミングが遅れてしまうとモータ３やインパクト機構２１等のメカ部分への負荷が大きくなってしまう。しかしながら、本願発明においては、そのようなハイパワーのモータ３を敢えて採用して、複数回の打撃が行われて着座がおこなわれたと判断される時点（時刻ｔ_１）までは全速（高速）にてモータ３を駆動することにより、従来方法に対して矢印５９ａのように負荷が軽い領域での回転数を上昇させ、一方、時刻ｔ_１以降において打撃を繰り返す領域での回転数を矢印５９ｂのように大きく低下させることにより、モータ３やメカ部分への負荷を低減させるようにした。このように制御することにより、高出力のモータを用いて、短時間で締め付けを完了させることができ、しかもモータやメカ部分の耐久性を向上させることができる。

図６は、従来の電動工具のインパクトモードでのデューティ比の設定方法を説明する図である。縦軸はモータ３のデューティ比の上限値又はモータ回転数であり、横軸は時間である。本実施例で前提となるインパクト工具１は、インパクト動作としてモード１〜モード４までの４つのモードが設定される。これらは操作パネル５５に設けられたトルク切替スイッチ５４を押す毎に切り替わるもので、モードを切り換えることによりモータの上限回転数が切り替わる。例えば、締め付けトルクが一番小さいモード１（弱１）の時にはトリガ８をいっぱいに引いた状態でモータ３が９００回転／分、モード２（弱２）の時の回転数が１５００回転／分、モード３（中）の時の回転数が２２００回転／分、そして締め付けトルクが一番大きいモード４（強）の時の回転数が２９００回転／分である。このようにモータ３の回転数を設定するため、矢印３０１〜３０４のように制御手段はデューティ比をＤ_１〜Ｄ_４に設定する。ここでデューティ比Ｄ_４は１００％である。Ｄ_１〜Ｄ_４のデューティ比（最大値）は一定で有り、例えばモード３においてはトリガ８の引き量に応じて矢印３０５のようにデューティ比が０からＤ_３の範囲内で設定されるため、着座が行われる付近を越えた後も同じデューティ比において一定の制御がされる。このような制御を行うために、従来のインパクト工具においてはモード４のデューティ比１００％にてモータ３を連続駆動させても、熱的にも機械的な強度的にも問題が無いような定格のモータ３を選定していた。

本実施例では図７のように、少なくとも着座に到達するまでの回転開始後の区間、ここでは時刻ｔ_１まではモード１〜４のいずれにおいてもデューティ比Ｄ_１１〜Ｄ_４１を高めに設定して、所定の負荷が発生した後の回転停止前の区間（時刻ｔ_１〜ｔ_２）は矢印３１１〜３１４で示すようにそれぞれデューティ比を低減させて回転数を落とすように構成した。ここではＤ_４２を９０％程度として、Ｄ_１２〜Ｄ_３２を３０％、５０％、７０％になるように設定した。尚、Ｄ_１２〜Ｄ_４２をどの程度まで下げるように設定するのかは任意である。図７では、モード３の重い負荷が発生する前においてはトリガ８の引き量に応じて矢印３０７のように回転数が０からＤ_３１の範囲内で調整される。本実施例においてはインパクトモードで駆動する場合は、モード１〜４のいずれのモードにおいても、負荷が増大するまでは高めのデューティ比で高回転数にて制御し、切り替えの行われた時刻ｔ_１以降はモード毎に異なる最大デューティ値に変更するように構成して低めの回転数で回転させるように構成した。このように最大回転数を下げた低回転モードでモータを駆動している状態であっても負荷が大きくなると最大回転数をさらに下げるように制御するので、従来よりもはるかに高出力高回転のモータを用いて迅速に締め付け作業を完了させることができる。

尚、本実施例ではモータ３の回転開始後の高回転区間において、高いデューティ比を８０％〜１００％の範囲でわずかに異なるように設定したが、これは主にトリガを引いて作業を始めた際に作業者が動作モードの違いをモータ３の起動音や回転音にて感じ取れるようにするためである。さらに、それぞれの動作モードにおいて回転開始後の前方区間に用いられる高いデューティ比と、回転停止前の後方区間に用いられる回転数が異なるように、高デューティ比と低デューティの組み合わせを割り当ててモータ３の回転制御を行うので、負荷が大きくなった後に、予め選択した動作モードに応じてモータに適切な供給電圧を供給することができ、適切なトルクによる適切な締め付け作業が可能となり、過締め付けを防止することができる。

図８（１）は本発明の実施例のインパクト工具における先端回転数とモータ電流値、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比の関係を示すグラフであり、全速のボルト締め付け動作時の状態を示す図である。図８（２）はそのときの打撃トルクの大きさを示す図である。本実施例においては、着座してから所定の打撃がすむまでは高いデューティ比にてモータ３を回転させて高速で先端工具を回転させ、所定の打撃トルクに到達した時点たる時刻ｔ_１の時点でデューティ比を高い状態から低い状態に低減させるように制御する。このように制御するときの出力軸の回転数７１（＝先端工具の回転数）は矢印７１ａのフリーランにおけるほぼ一定の回転数から、矢印７１ｂのように着座前後においては急激な回転低下まで変化する。このように出力軸の回転数７１が低下するのはインパクト機構２１においてハンマ２４が後退して打撃動作が開始されるからである。電流検出回路４１（図４参照）によって検出される電流値７２は、矢印７２ａ付近のフリーラン区間においてはほぼ一定で有り徐々に上昇する程度であるが、ボルトやねじの着座付近においては先端工具から受ける反力（負荷）の急上昇により矢印７２ｂのように急激に上昇する。そして矢印７２ｃの時点で、電流値７２が閾値Ｉ_１を越えたらデューティ比を１００％（又は高いデューティ比）から動作モードに対応させた所定の値（低いデューティ比）に低減させる。時刻ｔ_１以降の回転数７１は負荷の増大から矢印７１ｃから矢印７１ｄにまで低下し、作業者が時刻ｔ_２においてトリガ８を離すことによりモータ３が停止する。一方、モータ３に流れる電流値は矢印７２ｄのように徐々に上昇するが、デューティ比を大幅に下げていることから第１の閾値Ｉ_１を越えることはない。このように負荷が大きくなった後に、予め選択したモードに応じてモータに供給する電圧を低下させるので、過大な電流が流れることによるインバータ回路やモータ３の発熱を防止することができる。

図８（２）は（１）の状態の際の打撃トルク７３の大きさを示した図である。横軸の時間軸を（１）と（２）で合わせて図示している。また、打撃の行われるタイミングのうちいくつかを三角マークにて図示している。三角マークは代表的なものしか図示していないが、最初の三角マーク(矢印７３ａ)から最後の三角マーク７３ｆまで複数回の打撃が続けて行われるものである。この図から理解できるように、矢印７３ａ付近でインパクト機構２１による打撃動作が開始される。本実施例のインパクト工具１においては毎秒１０〜３０打撃程度が行われる。打撃が開始した矢印７３ａ時点では設定されたデューティ比は１００％であり、複数回の打撃を行ううちに電流値７２の上昇率が大きくなり、電流がＩ_１以上になると着座が完了したと判断してデューティを下げるように制御する。ここでは時刻ｔ_１において行われる矢印７３ｂの打撃が、設定された動作モードにおける締め付けトルク値Ｔ_Ｎになるように、閾値Ｉ_１の値が設定される。閾値Ｉ_１は動作モード毎に設定され、製品開発時に実験等によって最適値を設定してあらかじめマイコン等に記憶させておくと良い。時刻ｔ_１以降はデューティ比が低い状態とされるが、それでも矢印７３ｄ、７３ｅのように十分な大きさの打撃トルクが発生するので、ねじやボルト等を確実に締め付けることが可能となる。作業者がトリガ８を離す時刻ｔ_２における矢印７３ｆで示す打撃トルク値は、矢印７３ｂの締め付けトルク値を越えることがないように低減させたデューティ比の値を設定すれば良い。尚、各モードにおける低減するデューティ比の値も、製品開発時に実験等によって最適値を設定してあらかじめマイコン等に記憶させておくと良い。

次に図９のフローチャートを用いて、本発明の実施例に係るインパクト工具１のモータ制御用のデューティ比の設定手順について説明する。図９で示す制御手順は、例えば、マイクロプロセッサを有する演算部４０においてコンピュータプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現できる。まず、演算部４０は作業者によってトリガ（ＴＲ）８が引かれてＯＮになったか否かを検出し、引かれたらステップ９０２に進む（ステップ９０１）。次に、演算部４０は、トルク切替スイッチ５４の設定に基づいて、インパクトモード４（モード４）であるかどうかを判定する（ステップ９０２）。インパクトモード４の場合は、トリガ８の引き量が最大、つまり全速域である場合に演算部４０はデューティ比を１００％にしてモータ３を駆動する（ステップ９０８）。次に演算部４０は負荷Ｔが所定のしきい値Ｔ_４以上である場合、ここでは電流検出回路４１（図４参照）により検出された電流値が閾値Ｉ_１４以上であるかを判定する（ステップ９０９）。ここで電流値が閾値Ｉ_１４以上である場合はデューティ値を１００％から低い値に変更して、トリガ８の引き量に応じた低デューティ比９０％としての制御を行う（ステップ９１０）。次にステップ９１１にてトリガ８がオンのままで有るかを検出し、トリガ８が戻されたらステップ９０１に戻り、戻されていなかったらステップ９１０に戻る。

ステップ９０３において、トルク切替スイッチ５４の設定がインパクトモード３（動作モード３）である場合は、トリガ８の引き量が最大、つまり全速域である場合に演算部４０はデューティ比を９３％にしてモータ３を駆動する（ステップ９１２）。次に演算部４０は負荷Ｔが所定のしきい値Ｔ_３以上である場合、ここでは電流検出回路４１（図４参照）により検出された電流値が閾値Ｉ_１３以上であるかを判定する（ステップ９１３）。ここで電流値が閾値Ｉ_１３以上である場合はデューティ値の上限を８０％に変更して、トリガ８の引き量に応じた制御を行う（ステップ９１４）。次にステップ９１５にてトリガ８がオンのままで有るかを検出し、トリガ８が戻されたらステップ９０１に戻り、戻されていなかったらステップ９１４に戻る。

ステップ９０４において、トルク切替スイッチ５４の設定がインパクトモード２（動作モード２）である場合は、トリガ８の引き量が最大、つまり全速域である場合に演算部４０はデューティ比を８６％にしてモータ３を駆動する（ステップ９１６）。次に演算部４０は負荷Ｔが所定のしきい値Ｔ_２以上である場合、ここでは電流検出回路４１（図４参照）により検出された電流値が閾値Ｉ_１２以上であるかを判定する（ステップ９１７）。ここで電流値が閾値Ｉ_１２以上である場合はデューティ値の上限を６０％に変更して、トリガ８の引き量に応じた制御を行う（ステップ９１８）。次にステップ９１９にてトリガ８がオンのままで有るかを検出し、トリガ８が戻されたらステップ９０１に戻り、戻されていなかったらステップ９１８に戻る。

ステップ９０５において、トルク切替スイッチ５４の設定がインパクトモード１（動作モード１）である場合は、トリガ８の引き量が最大、つまり全速域である場合に演算部４０はデューティ比を８０％にしてモータ３を駆動する（ステップ９２０）。次に演算部４０は負荷Ｔが所定のしきい値Ｔ_１以上である場合、ここでは電流検出回路４１（図４参照）により検出された電流値が閾値Ｉ_１１以上であるかを判定する（ステップ９２１）。ここで電流値が閾値Ｉ_１１以上である場合はデューティ値の上限を４０％に変更して、トリガ８の引き量に応じた制御を行う（ステップ９２２）。次にステップ９２３にてトリガ８がオンのままで有るかを検出し、トリガ８が戻されたらステップ９０１に戻り、戻されていなかったらステップ９２２に戻る。ステップ９０５において、トルク切替スイッチ５４の設定がインパクトモード１（動作モード１）でない場合は、テックスネジを締め付けるためのモードであるため、モータ３の制御としてテックスモードを設定し（ステップ９０６）、トリガ８が戻されるまでテックスモードによる回転制御を行う（ステップ９０７）。テックスモードによる制御は、公知の方法を用いれば良いのでここでの説明は省略する。ステップ９０７にてトリガ８が離された場合（ＯＦＦの場合）は、ステップ９０１に戻る。

以上説明したように本実施例の制御によれば、モータの起動直後で締め付けの負荷が軽い間は高速にてモータを回転（高デューティ比）させ、負荷が高くなったら高いデューティ比から低いデューティ比に下げるように制御するので、過剰締め付けを防止しながら素早い締め付けを行うことができる。尚、本実施例においては、高デューティ比から低デューティ比への切り換えタイミングとなる負荷トルクＴの増大を、電流値７２の大きさによって検知するようにしたが、これだけに限られずに、電流値７２の単位時間当たりの上昇率ΔＩ／Δｔを求めて、その増加率が所定の値以上となったときにデューティ比を切り換えるように構成しても良い。このように構成すれば、トルクの高い状態でねじが継続して締め付けられていることが確認できる。この電流値７２の上昇率を監視方法は、短い時間間隔毎に検出された電流値の微分値を演算により求める等、公知の電流上昇率監視方法によって実現すれば良い。
また、電動工具に締め付けトルク値の大きさを検出するトルクセンサを用いるようにして、締め付け具が着座した状態を正確に検出して、着座をしたことを確認した後にデューティ比を下げるように構成しても良い。このように、着座するまでは高いデューティで締め続けているのでフリーランの状態から着座した瞬間に高いトルクまで締め付けることができる。そしてその後にデューティ比を下げて締め付けを継続することで、締付トルクが一定の値に近づくことになりねじ毎の締付トルクのばらつきを抑えることができる。

次に図１０を用いて、本発明の第１の変形例について説明する。図７に示した各動作モードでのデューティ比の設定においては、すべての動作モードにおいて締め付け初期のデューティ比と、締め付け後期のデューティ比の組が異なるように設定された。第１の変形例では、動作モード４のデューティ比３２４だけは締め付け初期のデューティ比Ｄ_４３と、締め付け後期のデューティ比３Ｄ_４４が１００％のままで不変とし、動作モード１〜３におけるデューティ比３２１〜３２３は締め付け初期のデューティ比Ｄ_１３〜Ｄ_３３が、締め付け後期のデューティ比Ｄ_１４〜Ｄ_３４よりも低くなるように割り当てた。この変形例による制御は、モータ３をデューティ比１００％で連続稼働させても問題が無い場合において有効な制御方法で有り、動作モード４を用いればモータ３の性能をフルに利用した高速高トルクによる締め付け作業が実現できる。尚、締め付け初期の区間（時刻０〜負荷発生まで）においては、動作モード毎のデューティ比にわずかながら差を設けて、トリガを引いた瞬間にどの動作モードが設定されているかモータの回転状況、回転音などで識別できるように構成したが、締め付け初期の区間（０〜時刻ｔ_１）において動作モードに関わらずにデューティ比を一定、例えば１００％に設定しても良い。

次に図１１を用いて、本発明の第２の変形例について説明する。第２の変形例では図７に示した各動作モードでのデューティ比の設定と基本的に同じであり、これにモータの起動時にいわゆるソフトスタート方式を併用するように制御するものである。トリガ８を引いてモータ３を起動させる場合に、モータ３をいきなり高デューティ比で制御すると、始動電流が大きくなってしまい、モータ３などの急激な動作により動力伝達機構に機械的なストレスを与えてしまう場合がある。そこで本変形例においては、トリガ８を引いた直後においては、トリガ８の引き量と連動させずに、又は、連動させながら所定の上昇率でデューティ比を徐々に上昇させるソフトスタート方式を採用した。このようにソフトスタートによりモータ３を起動させるので、締め付け開始時に先端工具がねじ頭から外れる等の減少を大幅に防止できる。デューティ比の急上昇を抑えて所定のデューティ比まで徐々に上昇させるソフトスタート区間は、モータ３の種類や動力伝達機構に機械的な特性等を考慮して、予め適切な時間範囲を設定しておくと好ましい。尚、図１１ではソフトスタート時のデューティ比の立ち上がり、即ちデューティ比の増加率が動作モード毎に異なるようにして、ソフトスタート区間の終了時には設定されたデューティ比に到達しているように構成した。但し、ソフトスタート時の制御方法はこれだけに限られずに、デューティ比の増加率が動作モードにかかわらずにすべて同じになるようにして、動作モード毎にソフトスタート区間の長さが異なるように設定しても良い。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、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、上述の実施例ではバッテリで駆動されるインパクト工具の例を用いて説明したが、本発明はコードレスタイプの工具に限られず、商用電源を用いた電動工具であっても同様に適用できる。また、トリガを引き始めてから引き終えるまでの間に、トリガの引き量と設定デューティ比の関係を変更するようにする制御は、半導体スイッチング素子を用いてモータへの駆動電力を制御してモータの回転を制御する電動工具、インバータ回路のＰＷＭ制御によってブラシレスＤＣモータを駆動する電動工具等に広く用いることができ、例えばドライバドリル、いわゆる電子パルス方式のインパクトドライバ等にも同様に適用できる。

１インパクト工具２ハウジング
２ａ（ハウジングの）胴体部２ｂ（ハウジングの）ハンドル部
２ｃ（ハウジングの）バッテリ取付部３モータ
４ステータ４ａ巻線
５ロータ５ａマグネット
６回転軸７スイッチ回路基板
８トリガ９制御回路基板
１０正逆切替レバー１１バッテリ
１２インバータ回路基板１３ロータファン
１４スイッチング素子１５ハンマケース
１７ａ空気取入口１７ｂスリット
１８スリット１９ａ、１９ｂベアリング
２０減速機構２１インパクト機構
２２ベアリング２３スプリング
２４ハンマ２５スピンドルカム溝
２６ボール２７スピンドル
２８ハンマカム溝２９メタル
３０アンビル３０ａ取付穴
３１装着機構３２シャント抵抗
３３位置検出素子（ホールＩＣ）３４温度検出用素子（サーミスタ）
３５スペーサ３６スリーブ
３７電源回路３８インバータ回路
３９制御手段４０演算部
４１電流検出回路４２スイッチ操作検出回路
４３印加電圧設定回路４４回転方向設定回路
４５回転子位置検出回路４６回転数検出回路
４７温度検出回路４８制御信号出力回路
４９打撃衝撃検出回路５０打撃衝撃検出センサ
５１照明手段５２表示手段
５３ダイヤルスイッチ（第２の設定手段）
５４トルク切替スイッチ（第１の設定手段）
５５操作パネル５８回転数
７１回転数７２電流値
７３打撃トルク１００デューティ比
１０１〜１０３回転数１５８モータ回転数
３０１〜３０４、３１１〜３１４デューティ比
３２１〜３２４、３３１〜３３４デューティ比

Claims

半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより駆動されるモータと、前記モータによって先端工具を駆動するための動力伝達機構と、前記モータの回転をデューティ比によって制御する制御手段を有する電動工具であって、
前記モータの最高回転数の異なる複数の動作モード、又は、締付トルク値の異なる複数の動作モードを有し、
複数の前記動作モードのうちいずれか１つ以上に、回転開始後の区間に用いられる高いデューティ比と、回転停止前の区間に用いられる低いデューティ比の異なるデューティ比が割り当てられることを特徴とする電動工具。
複数の前記動作モードのうちいずれかの動作モードにおいて、前記モータの回転開始後から回転停止まで同一のデューティ比にて前記モータが制御され、残りの動作モードでは前記高いデューティ比から前記低いデューティ比に切り換えて制御されることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
複数の前記動作モードのうちすべての動作モードにおいて、高いデューティ比と低いデューティ比が割り当てられ、
前記各動作モードの高いデューティ比はそれぞれが異なり、前記各動作モードの低いデューティ比はそれぞれが異なるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記モータまたは前記半導体スイッチング素子に流れる電流値を検出する電流検出手段を設け、
前記制御手段は、前記高いデューティ比での駆動時に前記電流検出手段によって検出された電流値Ｉがしきい値を超えた時に前記高いデューティ比から低いデューティ比に切り換えることを特徴とする請求項２又は３に記載の電動工具。
前記モータまたは前記半導体スイッチング素子に流れる電流値を検出する電流検出手段を設け、
前記制御手段は、前記高いデューティ比での駆動時に前記電流検出手段によって検出された電流値の増加率ΔＩ／Δｔがしきい値を超えた時に前記高いデューティ比から低いデューティ比に切り換えることを特徴とする請求項２又は３に記載の電動工具。
前記先端工具の締め付けトルクを検出するトルク検出手段を設け、
前記制御手段は、前記トルク検出手段によって検出されたトルク値がしきい値を超えたときに前記高いデューティ比から低いデューティ比に切り換えることを特徴とする請求項２又は３に記載の電動工具。
制御装置は、前記モータの起動時にデューティ比を徐々に増大させるソフトスタートにて制御し、
複数の前記動作モードのうち、すべての動作モードにおいて前記ソフトスタートにおけるデューティ比の増加率が異なるようにしたことを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の電動工具。
制御装置は、前記モータの起動時にデューティ比を徐々に増大させるソフトスタートにて制御し、
複数の前記動作モードのうち、すべての動作モードにおいて前記ソフトスタートにおけるデューティ比の増加率が同じになるようにしたことを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の電動工具。
複数の動作モードによってそれぞれ異なる最高回転数を設定することにより、複数の締め付けトルクにて締め付け作業を行う電動工具において、
各動作モードにおける最高回転数は、締め付け初期の最高回転数と、締め付け後期の最高回転数の組によって設定され、
上記動作モードのうち少なくとも１つ以上の動作モードにおいて、前記締め付け初期の最高回転数は前記締め付け後期の最高回転数よりも大きくなるように設定したことを特徴とする電動工具。
すべての動作モードにおいて、前記締め付け初期の最高回転数が前記締め付け後期の最高回転数よりも大きくなるように設定したことを特徴とする請求項９に記載の電動工具。