JP2018083276A - インパクト回転工具 - Google Patents

Abstract

【課題】打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータ回転を停止させるトルク制御を好適に実施する。【解決手段】打撃検出部１３は、インパクト機構９による打撃を検出する。制御部１０は、打撃検出部１３の検出結果から打撃開始時点を特定し、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータ２の回転を停止させる制御を実施する。制御部１０は、打撃開始時点から所定の設定時間が経過する前に、打撃検出部１３により打撃が検出されなくなると、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させない。【選択図】図１

Description

本発明は、インパクトレンチやインパクトドライバなどのインパクト回転工具に関する。

インパクト回転工具は、モータ出力で回転するハンマにより出力軸に回転方向の打撃衝撃を与えて、ボルトやナットなどのねじ部材の締付けを行う。インパクト回転工具は組立工場などで使用されるため、ねじ部材の締付トルクは、ユーザにより設定された値となるように正確に制御される必要がある。

締付トルクの制御精度を高めるためには、出力軸にトルク測定手段を設けて実際の締付トルクを直接測定することが好ましいが、工具の高コスト化および大型化を招くという問題がある。そのため従来より、締付トルクが設定値になったことを推定することでモータを自動停止するシャットオフ機能を備えたインパクト回転工具が提供されている。特許文献１は、打撃機構の打撃開始時点を検出する打撃開始時点検出手段と、打撃開始時点検出手段からの信号により動作するタイマと、タイマの動作時間が設定時間に等しくなったときに直巻整流子電動機の電流を遮断する電流遮断手段とを備えたインパクトレンチを開示する。

実公昭５９−１７５８２号公報

インパクト回転工具では、回転方向に係合するハンマとアンビルとの間に所定値以上の負荷が作用することで、ハンマがアンビルに対して後退する。ハンマの後退によりハンマとアンビルの係合状態が解除されると、ハンマは回転しながら前進してアンビルを打撃する。そのためインパクト回転工具が、たとえば被締結部材やボルトの塗装を削り取りながらボルトを締結するとき、塗装の削り取り負荷が大きいと、ボルトの着座前にハンマがアンビルを打撃することがある。打撃開始時点から設定時間経過時にモータを自動停止するトルク制御を行う場合、ボルト着座前の負荷に対する打撃開始時点を基準としてモータを自動停止すると、締付トルク値が、目標とするトルク値に到達しないことがある。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、トルク制御を好適に実施する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のインパクト回転工具は、モータ出力によって出力軸に打撃衝撃を加えるインパクト機構と、インパクト機構による打撃を検出する打撃検出部と、打撃検出部の検出結果から打撃開始時点を特定し、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させる制御部とを備える。打撃開始時点から所定の設定時間が経過する前に、打撃検出部により打撃が検出されなくなると、制御部は、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させず、モータの回転を継続させる。

本発明によれば、トルク制御を好適に実施する技術を提供できる。

実施形態に係るインパクト回転工具の構成を示す図である。 検出電圧波形の例を示す図である。 途中負荷発生時の検出電圧波形の例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係るインパクト回転工具の構成を示す。インパクト回転工具１において、電力はバッテリパックに内蔵されたリチウムイオン電池により供給される。電圧検出部１２はバッテリ電圧を検出して、検出したバッテリ電圧値を制御部１０に出力する。制御部１０は、バッテリ電圧値が所定の保護閾値を下回ると、リチウムイオン電池からの電力供給を停止させるバッテリ管理を行う。制御部１０は電力供給を停止させると、ユーザに充電を促す報知を行ってもよい。二次電池であるリチウムイオン電池は、残量が空になってから充電すると劣化が早まるため、ある程度残量が残った状態でユーザに充電させることが好ましい。

モータ２は、モータ駆動部１１により駆動され、モータ２の回転出力は、減速機３によって減速されて駆動軸５に伝達される。駆動軸５には、カム機構（図示せず）を介してハンマ６が連結され、ハンマ６は、ばね４により出力軸８を備えるアンビル７に向けて付勢される。

ハンマ６とアンビル７との間に所定値以上の負荷が作用しない間は、ハンマ６とアンビル７とが回転方向に係合し、ハンマ６は、駆動軸５の回転をアンビル７に伝達する。しかしながらハンマ６とアンビル７との間に所定値以上の負荷が作用すると、ハンマ６がカム機構によりばね４に抗して後退し、ハンマ６とアンビル７との係合状態が解除される。その後、ばね４による付勢とカム機構による誘導により、ハンマ６は回転しながら前進してアンビル７に回転方向の打撃衝撃（インパクト）を加える。インパクト回転工具１において、ばね４、駆動軸５、ハンマ６およびカム機構は、モータ出力によってアンビル７および出力軸８に打撃衝撃を加えるインパクト機構９を構成する。

インパクト回転工具１において、制御部１０、打撃検出部１３、設定部１５などの構成は、制御基板に搭載されるマイクロコンピュータなどにより実現される。制御部１０は、バッテリ管理や、モータ２の回転制御機能などを有する。操作スイッチ１６は、ユーザの指により引き操作されるトリガスイッチであって、制御部１０は、操作スイッチ１６の操作有無によりモータ２のオンオフを制御するとともに、操作スイッチ１６の操作量に応じた駆動指示をモータ駆動部１１に供給する。モータ駆動部１１は、制御部１０から供給される駆動指示によりモータ２の印加電流を制御して、モータ回転数を調整する。

打撃検出部１３は、インパクト機構９による打撃を検出して、検出結果を制御部１０に供給する。打撃検出部１３は、ハンマ６がアンビル７を打撃することによる衝撃を検出する衝撃センサや、打撃音を検出する音センサなどを有して構成されてよい。なお実施形態で打撃検出部１３は、バッテリ電圧を検出する電圧検出部１２の出力から、インパクト機構９による打撃を検出する構成を採用する。

インパクト回転工具１は、ユーザが選択可能な２つの動作モードを有する。第１の動作モードは、打撃検出部１３の検出結果にもとづいてモータ２の回転を停止させるモードであり、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータ２を自動停止させるシャットオフ機能を有効とするモードである。ユーザは第１動作モードを選択する場合、目標とする締付トルク値を設定し、設定した締付トルク値は、モータ２を自動停止させるときの設定時間に反映される。第１の動作モードでは、ユーザは操作スイッチ１６を最大操作位置まで引き操作し、モータ２が自動停止すると操作スイッチ１６をオフ位置に戻す。

第２の動作モードは、シャットオフ機能を無効とするモードである。第２動作モードではモータ２が自動停止しないため、ユーザは操作スイッチ１６の引き操作量を調整して、ねじ部材の締め過ぎを防止する。

設定部１５は、ユーザによる選択操作にもとづいて、第１動作モードまたは第２動作モードのいずれかを設定する。インパクト回転工具１は、第１動作モードまたは第２動作モードを選択させるモード切替スイッチを備え、ユーザはモード切替スイッチの操作により動作モードを選択してよい。制御部１０は、設定部１５が設定した動作モードに応じてモータ２の回転を制御する。

設定時間記憶部１７は、ユーザが設定可能な目標トルク値ごとに、打撃開始時点からモータ２を停止させるまでの設定時間を記憶している。設定部１５が第１動作モードを設定した場合、制御部１０は、目標トルク値に対応する設定時間Ｔを設定時間記憶部１７から取得する。その後、ユーザが操作スイッチ１６を操作すると、制御部１０は、打撃検出部１３の検出結果から打撃開始時点を特定し、打撃開始時点から設定時間Ｔが経過したときにモータ２の回転を停止させる。

図２は、第１動作モードにおける電圧検出部１２の検出電圧波形の例を示す。電圧検出部１２は、検出したバッテリ電圧値を制御部１０および打撃検出部１３に供給する。制御部１０はリチウムイオン電池の保護のために常にバッテリ電圧を監視し、モータ停止時のバッテリ電圧が所定の保護閾値を下回ると、リチウムイオン電池からの電力供給を停止させるバッテリ管理を実行している。時間ｔ１までの間、モータ２は停止状態にあり、電圧検出部１２は、バッテリ電圧がＥ１であることを示す検出信号を制御部１０に出力する。制御部１０は、電圧Ｅ１と保護閾値とを比較して、電圧Ｅ１が保護閾値以上であることを確認する。以下、モータ停止時に検出されたバッテリ電圧Ｅ１を「基準電圧」と呼ぶ。

ユーザが時間ｔ１で操作スイッチ１６の操作を開始すると、制御部１０は、操作スイッチ１６の操作量に応じた駆動指示をモータ駆動部１１に供給し、モータ駆動部１１は、駆動指示にしたがってモータ２を回転させる。図２において、時間ｔ１からｔ２までの間、ハンマ６とアンビル７は係合状態を維持して一体となって回転し、時間ｔ２でハンマ６を含むインパクト機構９による打撃が開始される。

図２に示すように、モータ２が回転すると、モータ２に印加される電流に応じた電圧降下が生じる。時間ｔ１からｔ２までの間の検出電圧Ｅ２は、基準電圧Ｅ１から１Ｖ程度降下した値となる。時間ｔ２以降では、インパクト機構９による打撃が開始されたことにより、検出電圧Ｅ２と比べてさらに電圧降下が大きくなる。実施形態の打撃検出部１３は、このバッテリ電圧波形を利用して、インパクト機構９による打撃を検出する。

打撃検出部１３は、モータ停止時の基準電圧Ｅ１にもとづいて、打撃が生じたことを判定するための判定閾値Ｔｈ１を設定する。
判定閾値Ｔｈ１＝基準電圧Ｅ１−所定降下電圧Ｅ３
所定降下電圧Ｅ３は、（Ｅ１−Ｅ２）よりも大きい値に設定される。たとえば（Ｅ１−Ｅ２）が１Ｖ程度である場合、所定降下電圧Ｅ３は４Ｖ程度の値に設定されてよい。打撃検出部１３は、電圧検出部１２の検出電圧と判定閾値Ｔｈ１を比較するコンパレータを有し、検出電圧が判定閾値Ｔｈ１を下回ったことを示すコンパレータ出力から、打撃が開始されたことを判定してよい。

実施形態の打撃検出部１３は、電圧検出部１２の出力を用いてインパクト機構９による打撃を検出する。なおインパクト機構９による打撃を検出するために、衝撃センサや音センサなどを別途設けることも可能であるが、バッテリ保護のために標準装備されている電圧検出部１２を打撃検出に利用することは、コスト的な利点が大きい。また打撃検出部１３は、モータ停止時の基準電圧Ｅ１にもとづいて判定閾値Ｔｈ１を設定することで、基準電圧Ｅ１が満充電時の最大電圧から下がっている場合であっても、判定閾値を所定値に固定した場合と比較して、打撃を好適に検出できる。

打撃検出部１３がインパクト機構９による打撃を検出すると、制御部１０は、打撃開始時点（時間ｔ２）を特定し、タイマ（図示せず）を作動させる。第１動作モードにおいて制御部１０は、打撃開始時点から設定時間Ｔが経過したときにモータ２の回転を停止させるシャットオフ機能を実行し、図２において制御部１０は、時間ｔ２から設定時間Ｔが経過した時間ｔ３でモータ２の回転を自動停止させている。モータ２の回転が停止すると、バッテリ電圧は基準電圧Ｅ１に戻る。このときねじ部材の締付トルク値は、ユーザが設定した目標トルク値となっている必要がある。

作業対象であるねじ部材と被締結部材によっては、ねじ部材が被締結部材に着座する前に、ハンマ６とアンビル７との間に所定値以上の負荷（以下、「途中負荷」とも呼ぶ）が生じて、ハンマ６がアンビル７を打撃することがある。この場合、制御部１０が打撃開始時点から設定時間Ｔの経過時にモータ２の回転を停止させると、ねじ部材の着座前からタイマが計時していることで、締結後のボルトの締付トルク値が、ユーザが設定した目標トルク値に到達しない。そこで実施形態の制御部１０は、インパクト機構９による打撃が途中負荷に対するものであることを判定すると、タイマをリセットする機能を有している。

制御部１０によるタイマリセット機能を実現するために、打撃検出部１３は、モータ停止時の基準電圧Ｅ１にもとづいて、打撃が生じていないことを判定するための判定閾値Ｔｈ２を設定する。
判定閾値Ｔｈ２＝基準電圧Ｅ１−所定電圧Ｅ４
ここで所定電圧Ｅ４は、
Ｔｈ１＜Ｔｈ２＜Ｅ２
の関係が成立するように定められる。打撃検出部１３は、検出電圧が判定閾値Ｔｈ２を上回ると、打撃が終了したことを判定する。制御部１０は、打撃検出部１３により打撃が終了したことを判定され、その後の所定時間、打撃検出部１３により打撃が検出されない場合に、インパクト機構９による打撃が途中負荷に対するものであったことを判定し、タイマをリセットする。

図３は、途中負荷発生時の電圧検出部１２の検出電圧波形の例を示す。ユーザが時間ｔ１で操作スイッチ１６の操作を開始する。時間ｔ１からｔ４までの間、ハンマ６とアンビル７は係合状態を維持して一体となって回転している。時間ｔ４で、検出電圧が判定閾値Ｔｈ１を下回ると、打撃検出部１３は、打撃が開始されたことを検出する。

打撃検出部１３がインパクト機構９による打撃を検出すると、制御部１０は、打撃開始時点（時間ｔ４）を特定し、タイマを作動させて、タイマの計測時間が設定時間Ｔになるとモータ２の回転を停止させるシャットオフ機能を実行する。

図３に示す電圧波形例において、打撃検出部１３は、設定時間Ｔの経過前である時間ｔ５で、検出電圧が判定閾値Ｔｈ２を上回ったことを検出する。制御部１０は、この検出結果を受けて打撃が終了したことを認識し、その後、所定時間、打撃検出部１３により打撃が検出されるか否かを確認する。この所定時間は、複数回の打撃に相当する時間に設定される。たとえば打撃間隔が略ｎ［ｍ秒］である場合、所定時間は３ｎ〜５ｎ［ｍ秒］であってよい。打撃終了検出時から所定時間の間に打撃検出部１３により打撃が検出されなければ、制御部１０は、インパクト機構９による打撃が途中負荷に対するものであったことを判定し、タイマをリセットする。一方で、打撃終了検出時から所定時間の間に打撃検出部１３により打撃が検出されると、制御部１０は、シャットオフ機能を継続して実行する。

なお電圧検出部１２の電圧検出精度が高ければ、制御部１０は、打撃終了検出時の後に打撃検出の有無を確認する必要はなく、打撃終了検出時に、インパクト機構９による打撃が途中負荷に対するものであったことを判定して、タイマをリセットしてよい。

以上のように制御部１０は、打撃開始時点から設定時間Ｔが経過する前に、打撃検出部１３により打撃が検出されなくなると、シャットオフ機能の実行を停止し、タイマをリセットする。図３に示す例で制御部１０は、時間ｔ４でシャットオフ機能を実行開始するものの、設定時間Ｔの経過前の時間ｔ５で、時間ｔ４以降の打撃が途中負荷に対するものであったことが判定されたため、シャットオフ機能の実行を停止し、タイマをリセットしている。制御部１０はタイマをリセットしたことで、時間ｔ４から設定時間Ｔが経過したときにモータ２の回転を停止させず、モータ２の回転を継続させる。

時間ｔ６で打撃検出部１３がインパクト機構９による打撃を検出すると、制御部１０は、打撃開始時点（時間ｔ６）を特定し、タイマを作動させる。図３に示す例では、時間ｔ６から設定時間Ｔが経過した時間ｔ７までの間に打撃終了が検出されなかったため、制御部１０は、時間ｔ７でモータ２の回転を停止させている。このように実施形態のインパクト回転工具１によれば、設定時間Ｔ内の打撃検出部１３の検出結果に応じて打撃開始時点を適切に再設定することで、締付トルク値を、ユーザが設定した目標トルク値に制御することが可能となる。

時間ｔ７でモータ２が自動停止したとき、ねじ部材の締付トルク値は、設定した目標トルク値となっている必要があるが、ユーザが目標トルク値を間違えて小さく設定したようなケースでは、継続して増し締め作業を行いたいことがある。ユーザは第１動作モードにおける目標トルク値を再設定したり、動作モードを第２動作モードに手動で切り替えることで、増し締め作業を行うことができる。

しかしながら、目標トルク値の再設定や動作モードの切替操作は、一旦、インパクト回転工具１の先端工具を作業対象から外して行わなければならない。そこでインパクト回転工具１は、第１動作モードにおいてモータ２を自動停止した後、所定の条件が成立すると、動作モードを第２動作モードに自動的に切り替えて、ユーザが増し締め作業を連続して実施できるようにする。

具体的に制御部１０は、第１動作モードにおいて打撃開始時点から設定時間Ｔが経過したときにモータ２の回転を停止させた後、ユーザが所定時間内に操作スイッチ１６を操作すると、その後は打撃開始時点から所定の設定時間経過時にモータの回転を停止させる制御を実施しない。つまり制御部１０は、第１動作モードのシャットオフ機能によりモータ２を自動停止した後、ユーザが一度操作スイッチ１６をオフにし、所定時間内に操作スイッチ１６を再操作したことを条件として、動作モードを第２動作モードに自動で切り替える。第２動作モードでは、シャットオフ機能が無効とされており、したがって打撃開始時点から設定時間経過時にモータ回転を自動停止させる制御は実施されない。

たとえば、動作モードを切り替える条件となる所定時間は、ユーザが操作スイッチ１６をオフにしてからオンにするまでの時間として設定されてよいが、モータ２が自動停止されてから操作スイッチ１６がオンにされるまでの時間として設定されてもよい。この所定時間は、数秒（たとえば３秒）に設定される。

たとえばユーザが作業対象の締付作業を繰り返し行っているとき、１つの作業対象の締付作業を終えて、次の作業対象の締付作業を開始するまでには、少なくとも５秒程度を要することが予想される。そこで、この時間よりも短い時間（たとえば３秒）内に操作スイッチ１６が再操作されたことを条件とすることで、操作スイッチ１６のオン操作が、同一の作業対象の増し締め作業であることが判断される。制御部１０は、所定時間内のユーザによる操作スイッチ１６の再操作を契機として第１動作モードから第２動作モードに自動で切り替えることで、ユーザによる増し締め作業をサポートできる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施形態において、電圧検出部１２は、バッテリ電圧を検出することを説明したが、モータ電圧を検出してもよい。

本発明の態様の概要は、次の通りである。
本発明のある態様のインパクト回転工具（１）は、モータ出力によって出力軸（８）に打撃衝撃を加えるインパクト機構（９）と、インパクト機構による打撃を検出する打撃検出部（１３）と、打撃検出部の検出結果から打撃開始時点を特定し、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させる制御部（１０）とを備える。打撃開始時点から所定の設定時間が経過する前に、打撃検出部により打撃が検出されなくなると、制御部（１０）は、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させず、モータの回転を継続させる。

制御部（１０）は、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させた後、ユーザが所定時間内に操作スイッチを操作すると、その後は打撃開始時点から所定の設定時間経過時にモータの回転を停止させる制御を実施しないことが好ましい。

打撃検出部は、バッテリ電圧又はモータ電圧を検出する電圧検出部の出力から、インパクト機構による打撃を検出してもよい。

１・・・インパクト回転工具、２・・・モータ、９・・・インパクト機構、１０・・・制御部、１２・・・電圧検出部、１３・・・打撃検出部、１５・・・設定部、１６・・・操作スイッチ、１７・・・設定時間記憶部。

Claims (3)

1. モータ出力によって出力軸に打撃衝撃を加えるインパクト機構と、前記インパクト機構による打撃を検出する打撃検出部と、前記打撃検出部の検出結果から打撃開始時点を特定し、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させる制御部と、を備えたインパクト回転工具であって、
   前記制御部は、打撃開始時点から所定の設定時間が経過する前に、前記打撃検出部により打撃が検出されなくなると、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させない、
   ことを特徴とするインパクト回転工具。
2. 前記制御部は、打撃開始時点から所定の設定時間が経過したときにモータの回転を停止させた後、ユーザが所定時間内に操作スイッチを操作すると、その後は打撃開始時点から所定の設定時間経過時にモータの回転を停止させる制御を実施しない、
   ことを特徴とする請求項１に記載のインパクト回転工具。
3. 前記打撃検出部は、バッテリ電圧又はモータ電圧を検出する電圧検出部の出力から、前記インパクト機構による打撃を検出する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のインパクト回転工具。

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