JP2016124050A

JP2016124050A - インパクト回転工具

Info

Publication number: JP2016124050A
Application number: JP2014265466A
Authority: JP
Inventors: 宮崎　博; Hiroshi Miyazaki; 博宮崎
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN105729366B; US9654044B2; US20160190965A1; EP3040162A1; JP6748868B2; CN105729366A; EP3040162B1

Abstract

【課題】スイッチング素子の損失の低減と、ＰＷＭ制御に起因する発振音の低減とを図ることができるインパクト回転工具を提供する。【解決手段】インパクト回転工具１１の制御回路４０は、ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御部４１に加え、インパクト打撃の発生有無を検出するインパクト検出部４２と、ＰＷＭ制御信号の制御周波数を可聴域内の制御周波数か可聴域より高い制御周波数かに切り替える制御周波数切替部４３とを備える。制御回路４０は、インパクト打撃の発生無しの状態を検出した場合、ＰＷＭ制御信号の制御周波数を可聴域より高い制御周波数に切り替え、インパクト打撃の発生有りの状態を検出した場合、ＰＷＭ制御信号の制御周波数を可聴域内の制御周波数に切り替える。【選択図】図２

Description

本発明は、インパクト回転工具に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示すインパクト回転工具等、駆動源であるモータの駆動制御は、モータに直列に接続されるスイッチング素子に対してＰＷＭ制御を行い、モータへの供給電力を調整することで行われる。

特開２０１０−７６０２２号公報

ところで、電動工具の作動途中で、ＰＷＭ制御の周波数を変更することが検討されている。その際、ＰＷＭ周波数（スイッチング周波数）を高くするとスイッチング素子での損失が増大してしまう。一方、ＰＷＭ周波数を低くして人の可聴域（２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚ）内に設定すると、顔付近で操作（作業）することもある電動工具ではＰＷＭ制御による発振音が作業者の耳に入り、作業の妨げになることが懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、スイッチング素子の損失の低減と、ＰＷＭ制御に起因する発振音の低減とを図ることができるインパクト回転工具を提供することにある。

上記課題を解決するインパクト回転工具は、モータの駆動力をインパクト力発生部を介して負荷に伝達し、前記インパクト力発生部にて発生するインパクト打撃によるインパクトトルクを前記負荷に付与する構成のインパクト回転工具であり、ＰＷＭ制御信号に基づくスイッチング素子のスイッチング動作に応じて前記モータへの電力供給を調整し前記モータのＰＷＭ制御を実施する制御回路を備えてなるインパクト回転工具であって、前記制御回路は、前記ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御部と、前記インパクト打撃の発生有無を検出するインパクト検出部と、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を可聴域内の第１制御周波数か可聴域より高い第２制御周波数かに切り替える制御周波数切替部とを備え、前記インパクト打撃の発生無しの状態を検出した場合、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を前記第２制御周波数に切り替え、前記インパクト打撃の発生有りの状態を検出した場合、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を前記第１制御周波数に切り替える。

本発明のインパクト回転工具によれば、スイッチング素子の損失の低減と、ＰＷＭ制御に起因する発振音の低減とを図ることができる。

一実施形態におけるインパクト回転工具の概略構成図である。インパクト回転工具の電気的構成図である。インパクト回転工具の制御態様を説明するための説明図である。

以下、インパクト回転工具の一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態のインパクト回転工具１１は、片手で把持可能な手持ち式であり、例えばインパクトドライバーあるいはインパクトレンチ等として使用される。インパクト回転工具１１の外装を形成する本体ハウジング１２は、略筒形状の胴部１３と、胴部１３からその軸線に対して交差する一方向（図１では下方）に延出するハンドル部１４とを有している。

胴部１３内の基端部側（図１では右端部側）には、駆動源としてのモータ１５がその回転軸線を胴部１３の軸線に一致させ、かつその出力軸１６が胴部１３の先端側となる向きに配設されている。モータ１５は、ブラシモータ又はブラシレスモータ等の直流モータである。モータ１５の出力軸１６には、インパクト力発生部１７が駆動連結されている。

インパクト力発生部１７は、低負荷状態ではモータ１５の回転出力を減速により高トルク化し、高負荷状態ではモータの回転力を衝撃トルクに変換してインパクト力を発生させる機能を有する。インパクト力発生部１７は、モータ１５の回転を所定の減速比で減速する減速機構１８と、減速機構１８により減速されてトルクが高められた回転が伝達されるハンマ１９と、ハンマ１９による打撃を受けるアンビル２０と、その打撃によって回転力が衝撃的に印加される主軸２１とを備える。

ハンマ１９は、減速機構１８の出力により回転する駆動軸２２に対して回転自在かつ駆動軸２２に沿って前後方向にスライド可能な状態に設けられている。また、ハンマ１９は、減速機構１８とハンマ１９との間に介装されたコイルばね２４の弾性力により、前方側（図１における左方側）へ付勢され、アンビル２０と当接する位置に配置される。ハンマ１９は、アンビル２０の径方向へ延出する当接部２０ａと周方向に当接する一対の当接部１９ａを有し、減速機構１８によって減速された駆動軸２２の回転は、ハンマ１９とアンビル２０とが当接部１９ａ，２０ａの当接を介して一体に回転することにより、アンビル２０と同軸の主軸２１に伝達される。胴部１３の先端部（図１では右端部）には、不図示のソケット孔に挿着された状態で先端工具２３を着脱するチャック部１３ａが設けられている。

主軸２１と共に回転する先端工具２３の回転によりボルト（図示せず）等の締結部材の締め付けが進んだとき、あるいは締結部材を緩めるときに、主軸２１に加わる負荷が大きく、ハンマ１９とアンビル２０の間に所定以上の力が加わった状態では、ハンマ１９はコイルばね２４を圧縮しつつ駆動軸２２に沿って後方（図１では右方）へ移動する。そして、ハンマ１９とアンビル２０との当接部１９ａ，２０ａ同士の係合が解かれると、ハンマ１９が空転しながらコイルばね２４の付勢力にてアンビル２０と係合可能な位置に復帰し、次の係合時にハンマ１９がアンビル２０を打撃する。このようなハンマ１９の打撃は、主軸２１が受ける負荷が大きく、コイルばね２４の付勢力に抗してハンマ１９がアンビル２０に対して空転する状況となる度に繰り返される。こうしてインパクト回転工具１１によるボルト等の締結部材の締付・弛緩作業が行われる。

インパクト回転工具１１の主軸２１には、トルクセンサ２５が取り付けられている。トルクセンサ２５は、主軸２１に取着されてねじり歪み検出が可能な歪センサにて構成され、主軸２１にインパクト打撃（インパクトトルク）が加わることにより発生する軸の歪を検出し、歪に応じた電圧のトルク検出信号Ｉ（図３参照）を出力する。トルク検出信号Ｉは、主軸２１に組み込まれたスリップリング２６を通じて回路基板２７（制御回路４０）に出力される。

ハンドル部１４には、インパクト回転工具１１を駆動させるときに作業者により操作されるトリガレバー２８が設けられている。ハンドル部１４内には、回路基板２７が備えられている。回路基板２７には、モータ１５の駆動制御を行う制御回路４０及び駆動回路５０が設けられている。ハンドル部１４の下端部には電池パック２９が着脱可能であり、工具１１の使用時には電池パック２９が装着される。

回路基板２７は、電池パック２９内の二次電池３０と電力線３１等を通じて接続され、モータ１５と電力線３２等を通じて接続されている。また、回路基板２７は、トルクセンサ２５（スリップリング２６）と信号線３３等を通じて接続されている。また、回路基板２７は、トリガレバー２８の操作態様を検知するトリガスイッチ３４（図２参照）と接続されている。

次に、インパクト回転工具１１の電気的構成及び制御態様を、図２及び図３を参照して説明する。
回路基板２７には、制御回路４０及び駆動回路５０が備えられている。制御回路４０には、トリガレバー２８の操作態様に応じた操作信号がトリガスイッチ３４から入力され、主軸２１に加わるインパクト打撃（インパクトトルク）に応じたトルク検出信号Ｉがトルクセンサ２５から入力される。制御回路４０は、操作信号やトルク検出信号Ｉを含む各種入力信号に基づいてＰＷＭ制御部４１にてＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路５０に出力する。

駆動回路５０は、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑを複数用いたブリッジ回路等で構成されている。駆動回路５０は、制御回路４０からのＰＷＭ制御信号に基づいてスイッチング素子Ｑがスイッチング動作を行う。また、駆動回路５０は、電池パック２９（二次電池３０）から電力供給を受け、スイッチング素子Ｑのスイッチング動作に応じた駆動電力を生成してモータ１５に出力する。つまり、駆動回路５０を通じての制御回路４０のＰＷＭ制御に基づいて、モータ１５の駆動制御が行われる。

本実施形態の制御回路４０は、ＰＷＭ制御時のＰＷＭ制御周波数を条件に応じて切り替える構成となっている。すなわち、制御回路４０には、先のＰＷＭ制御部４１の他、インパクト検出部４２と、制御周波数切替部４３とを備えている。

ここで、図３に示すように、インパクト回転工具１１が低負荷領域Ａ１で動作する場合、インパクト打撃（インパクトトルク）が生じないため、トルクセンサ２５からトルク検出信号Ｉは出力されない。これに対し、インパクト回転工具１１が高負荷領域Ａ２で動作する場合、インパクト打撃（インパクトトルク）が生じるため、インパクト打撃（インパクトトルク）が生じる度にトルクセンサ２５からトルク検出信号Ｉが出力される。インパクト検出部４２は、このようなトルク検出信号Ｉの入力に基づいてインパクト打撃の有無、すなわち低負荷領域Ａ１か高負荷領域Ａ２かの検出（判定）を行う。

制御周波数切替部４３は、ＰＷＭ制御部４１にて生成するＰＷＭ制御信号の制御周波数を、可聴域の上限とされる２０［ｋＨｚ］よりも低い制御周波数ｆｒ１と、２０［ｋＨｚ］よりも高い制御周波数ｆｒ２との何れかに切り替える。

ここで、ＰＷＭ制御信号にてスイッチング動作を行う駆動回路５０のスイッチング素子Ｑの損失は、ＰＷＭ制御信号の制御周波数が高い方が大きく、制御周波数が低い方が小さい。つまり、スイッチング素子Ｑのスイッチング損失の観点からすると、ＰＷＭ制御信号の制御周波数は低い方が好ましく、また低くなるほど損失は小さくなる。これに対し、スイッチング損失の観点からＰＷＭ制御信号の制御周波数が低くなるほど好ましいということで、制御周波数を可聴域の２０［ｋＨｚ］以下まで低くすると、今度は逆にスイッチング素子Ｑのスイッチング動作に起因する可聴域のＰＷＭ発振音が増大する。ＰＷＭ発振音が増大し作業者の耳に入ると、作業の妨げになることが懸念される。

これらを踏まえ本実施形態では、電動工具がインパクト回転工具１１であることを利用し、可聴域のＰＷＭ発振音をインパクトの打撃音に紛れさせることで解決することとした。すなわち、本実施形態の制御回路４０では、インパクト検出部４２はインパクト打撃の無い低負荷領域Ａ１かインパクト打撃の有る高負荷領域Ａ２かを検出し、インパクト打撃の無い低負荷領域Ａ１と検出した場合、制御周波数切替部４３はＰＷＭ制御信号の制御周波数を２０［ｋＨｚ］よりも高い制御周波数ｆｒ２に設定する。そして、ＰＷＭ制御部４１は、制御周波数切替部４３にて設定した制御周波数ｆｒ２に基づくＰＷＭ制御信号の生成を行い、モータ１５のＰＷＭ制御による駆動制御を行う。従って、インパクト打撃の無い低負荷領域Ａ１で動作するインパクト回転工具１１は比較的静かであるため、ＰＷＭ発振音の発生が抑制される。

一方、インパクト検出部４２がインパクト打撃の有る高負荷領域Ａ２と検出すると、制御周波数切替部４３はＰＷＭ制御信号の制御周波数を２０［ｋＨｚ］よりも低い制御周波数ｆｒ１に設定する。そして、ＰＷＭ制御部４１は、制御周波数切替部４３にて設定した制御周波数ｆｒ１に基づくＰＷＭ制御信号の生成を行い、モータ１５のＰＷＭ制御による駆動制御を行う。従って、インパクト打撃の有る高負荷領域Ａ２で動作するインパクト回転工具１１はそのインパクト打撃にてＰＷＭ発振音を紛れさせることができ、しかも可聴域内の低い制御周波数ｆｒ１でのスイッチング素子Ｑのスイッチング動作となるため、損失を十分に抑えることが可能である。このように本実施形態のインパクト回転工具１１では、スイッチング損失の低減とＰＷＭ発振音の低減との両立が可能となっている。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）本実施形態のインパクト回転工具１１の制御回路４０は、ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御部４１に加え、インパクト打撃の発生有無を検出するインパクト検出部４２と、ＰＷＭ制御信号の制御周波数を可聴域内の制御周波数ｆｒ１か可聴域より高い制御周波数ｆｒ２かに切り替える制御周波数切替部４３とを備えている。そして、制御回路４０は、インパクト打撃の発生無しの状態を検出した場合、ＰＷＭ制御信号の制御周波数を制御周波数ｆｒ２に切り替え、インパクト打撃の発生有りの状態を検出した場合、ＰＷＭ制御信号の制御周波数を制御周波数ｆｒ１に切り替える。つまり、インパクト打撃の発生無しの比較的静かな状態（低負荷領域Ａ１）では、可聴域より高い制御周波数ｆｒ２が用いられ可聴域のＰＷＭ発振音が生じ難いＰＷＭ制御信号が生成される。一方、インパクト打撃の発生有り状態（高負荷領域Ａ２）では、可聴域内の低い制御周波数ｆｒ１が用いられてＰＷＭ制御信号が生成される。この場合、可聴域のＰＷＭ発振音が発生するもののインパクトの打撃音に紛れるため、不快なＰＷＭ発振音が作業者には届き難くなる。また、低い制御周波数ｆｒ１でスイッチング素子Ｑのスイッチング動作を行うことで、スイッチング損失を低減することができる。このように本実施形態のインパクト回転工具１１では、スイッチング損失の低減とＰＷＭ発振音の低減との両立を図ることができる。

（２）インパクト検出部４２は、トルクセンサ２５によるインパクトトルクの検出に基づいてインパクト打撃の発生有無を検出する構成のため、インパクト打撃の発生有無の検出を簡易的にまた確実に行うことができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・インパクト打撃の発生有無をトルクセンサ２５にて検出していたが、これに限らず、例えばマイク等を通じてインパクト打撃の発生有無を検出してもよい。

・その他、インパクト回転工具１１の構成を適宜変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（付記１）モータの駆動力をインパクト力発生部を介して負荷に伝達し、前記インパクト力発生部にて発生するインパクト打撃によるインパクトトルクを前記負荷に付与する構成のインパクト回転工具であり、ＰＷＭ制御信号に基づくスイッチング素子のスイッチング動作に応じて前記モータへの電力供給を調整し前記モータのＰＷＭ制御を実施する制御回路を備えてなるインパクト回転工具であって、
前記制御回路は、前記ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御部と、前記インパクト打撃の発生有無を検出するインパクト検出部と、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を可聴域内の第１制御周波数か可聴域より高い第２制御周波数かに切り替える制御周波数切替部とを備え、前記インパクト打撃の発生無しの状態を検出した場合、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を前記第２制御周波数に切り替え、前記インパクト打撃の発生有りの状態を検出した場合、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を前記第１制御周波数に切り替えることを特徴とするインパクト回転工具。

（付記２）付記１に記載のインパクト回転工具において、
前記インパクト検出部は、トルクセンサによる前記インパクトトルクの検出に基づいて前記インパクト打撃の発生有無を検出することを特徴とするインパクト回転工具。

１５…モータ、１７…インパクト力発生部、２５…トルクセンサ、４０…制御回路、４１…ＰＷＭ制御部、４２…インパクト検出部、４３…制御周波数切替部、Ａ１…低負荷領域（インパクト打撃の発生無しの状態）、Ａ２…高負荷領域（インパクト打撃の発生有りの状態）、ｆｒ１…制御周波数（第１制御周波数）、ｆｒ２…制御周波数（第２制御周波数）、Ｑ…スイッチング素子。

Claims

モータの駆動力をインパクト力発生部を介して負荷に伝達し、前記インパクト力発生部にて発生するインパクト打撃によるインパクトトルクを前記負荷に付与する構成のインパクト回転工具であり、ＰＷＭ制御信号に基づくスイッチング素子のスイッチング動作に応じて前記モータへの電力供給を調整し前記モータのＰＷＭ制御を実施する制御回路を備えてなるインパクト回転工具であって、
前記制御回路は、前記ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御部と、前記インパクト打撃の発生有無を検出するインパクト検出部と、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を可聴域内の第１制御周波数か可聴域より高い第２制御周波数かに切り替える制御周波数切替部とを備え、前記インパクト打撃の発生無しの状態を検出した場合、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を前記第２制御周波数に切り替え、前記インパクト打撃の発生有りの状態を検出した場合、前記ＰＷＭ制御信号の制御周波数を前記第１制御周波数に切り替えることを特徴とするインパクト回転工具。
請求項１に記載のインパクト回転工具において、
前記インパクト検出部は、トルクセンサによる前記インパクトトルクの検出に基づいて前記インパクト打撃の発生有無を検出することを特徴とするインパクト回転工具。