JP2019126898A

JP2019126898A - 打撃作業機

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Publication number: JP2019126898A
Application number: JP2018011561A
Authority: JP
Inventors: 智明須藤; Tomoaki Sudo; 剛也藤本; Takeya Fujimoto
Original assignee: Koki Holdings Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP6950547B2

Abstract

【課題】空打ち現象の発生を電気的な制御により回避できるようにした打撃作業機を提供する。【解決手段】モータの回転を制御する制御部と、空気室を形成するシリンダの内部においてモータによって往復駆動されるピストンと、シリンダ内でピストンと軸方向に離して配置される打撃子と、打撃子の打撃力を先端工具に伝達する打撃機構を有し、ピストンの往復移動によってシリンダ内の空気を圧縮して打撃子を打撃する打撃作業機であって、制御部は、閾値ＩＳ所定以上のモータ電流１２１を検出した場合には（時刻ｔ３）、モータの回転数１３１を目標回転数Ｒ１から所定回転数（例えば±５００ｒｐｍ）だけ上下させながら回転させる回転変動制御をおこなう。回転変動制御を行うことで、打撃子への打撃タイミングをずらすことができるので、打撃作業終了後に空打ち状態から通常状態に早急に復帰させることができる。【選択図】図４

Description

本発明は打撃作業機において、モータの回転制御によって打撃直後に空打ち状態が継続することを回避するものである。

ビットなどの先端工具に打撃力を与え、コンクリート壁やコンクリート床などを破砕したりする打撃作業機が知られている。打撃作業機では、先端工具に打撃力だけでなく回転力も与えることが多く、一般にハンマドリルと呼ばれている。従来のハンマドリルの多くは少なくとも２つの動作モードを有し、例えば、ビットに打撃力のみが伝達される“ハンマモード”と、ビットに打撃力及び回転力の双方が伝達される“ハンマドリルモード”とを有する。このように複数の動作モードを有する従来のハンマドリルでは、作業者によってトリガレバーが操作されると、選択されている動作モードに従って、ビットに必要な動力が伝達される。

ハンマドリルにおいて、先端工具が被削材に押し付けられていない状態では、シリンダ内で打撃子が前方側に移動し、シリンダに形成された呼吸孔（空打ち防止孔）が開かれた状態となって、シリンダ内の空間が外部と連通される。この状態で、トリガレバーを引いてピストンを往復動させても、シリンダ内の空気が外部に抜けて打撃子が往復動しないため、いわゆる“空打ち”状態の発生が抑制される。このような空打ち抑制機構は特許文献１に記載されている。

国際公開第２０１６／０６７８０６号

特許文献１の空打ち抑制機構では、モータを駆動させながら先端工具を対象物に押し当てる作業状態から、モータを停止させずに対象物への押し当てだけを解除するような非作業状態へ移行した場合、打撃子は往復動している状態から徐々に振幅を減少させ、最終的にシリンダの前方部分に停止する。打撃子の振幅の減少に伴い、打撃子の往復動の周波数は増加する。この周波数の増加の過程において、打撃子の往復動の周波数とピストンの往復動の周波数が一致すると、打撃子はピストンと同期して往復動するようになってしまい、空打ち現象が継続してしまう現象がおこる虞がある。逆に、ピストンの往復動が打撃子の往復動の周波数に対して多少増減する構成であれば、ピストンと打撃子の同期は容易に解消される。しかしながら、モータにブラシレスモータを使用し、モータの回転速度を一定とする定速度制御を行う場合、ピストンも定速度で往復動するため、トリガレバーを戻してモータの回転を停止又は減速させない限り、ピストンと打撃子との同期現象が継続して、空打ち現象が続いてしまう虞がある。このように対象物への押し当て解除後に空打ちの続く現象は、回転変動が大きい種類のモータであればほとんど問題にならなかったが、回転精度の高いモータ、例えばインバータ制御によるブラシレスモータを用いるような場合には顕在化することが発明者らの検証によってわかった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、対象物への押し当てを解除した直後の空打ち現象の発生を抑制できるようにした打撃作業機を提供することにある。
本発明の他の目的は、モータの回転制御を工夫することによって、打撃直後の打撃子を通常位置へ迅速に復帰させるようにした打撃作業機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特徴を説明すれば次のとおりである。
本発明の一つの特徴によれば、モータと、モータの回転を制御する制御部と、空気室を形成するシリンダの内部においてモータによって往復駆動されるピストンと、シリンダ内でピストンと軸方向に離して配置される打撃子と、打撃子の打撃力を先端工具に伝達する打撃機構を有し、ピストンの往復移動によってシリンダ内の空気を圧縮して打撃子を打撃する打撃作業機であって、制御部は、打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたらモータを目標回転数から所定回転数だけ上下させながら回転させる回転変動制御をおこなう。また、シリンダにはシリンダの内外を連通する呼吸孔が形成され、打撃子が軸線方向において所定領域よりもピストン側又は先端工具側に移動することで空気室への連通と遮断が切り替わるようにした。

本発明の他の特徴によれば、モータに流れる電流の大きさを検出する電流検出手段を設け、制御部は電流検出手段によって検出された電流値が所定の閾値を超えると打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたと判定する。また、打撃作業機のハウジングに伝わる加速度の大きさを測定する加速度センサを設け、制御部は加速度センサの出力が所定の閾値を超えると打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたと判定するようにしても良い。さらに、往復動するピストンによる空気の圧力変化を検出する圧力センサをクランク室又はその他の圧力変動を伴う箇所に設け、制御部は圧力センサの出力が所定の閾値を超えると打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたと判定するようにしても良い。

本発明のさらに他の特徴によれば、制御部は回転変動制御として、モータの回転数を目標回転数を越えた上限目標回転数と目標回転数を下回る下限目標回転数に、短い周期で交互に切り替えるようにした。この回転変動制御の変動周期は、ピストンによる打撃の周期のよりも大きくすると良い。また、回転変動制御における上限周波数と目標回転数の差、及び、下限周波数と目標回転数の差は、いずれも目標回転数の２％以上とすれば好ましい。回転変動制御中において、負荷が所定の閾値を下回ったら、制御部は回転変動制御を終了させて通常回転制御に戻すようにした。その後、負荷が所定の閾値を再度上回ったら同様の回転変動制御を繰り返すようにする。上述したモータの制御は、永久磁石を用いたロータと、印加される電圧を制御部により調整可能なコイルを有するステータを有するブラシレスモータを用いた打撃作業機に適用すると特に好ましい。このブラシレスモータにおいては、ロータの回転位置を検出する回転子位置検出部を更に有し、制御部は回転子位置検出部の検出値をもとに、コイルに印加する電圧を調整する。

本発明によれば、従来の打撃作業機の機械的な構成を何ら変えることなく、モータの回転制御の工夫だけで打撃直後の空打ち現象の発生を抑制できる。また、回転変動制御を適用するタイミングを、モータに流れる電流値に基づいて決定するので、先端工具を作業対象に押し当てる前や、先端工具の押し当て状態を解除して打撃子が通常位置に戻って空打ちの心配が無い時期にまでモータに対して回転変動制御を適用することを回避できる。

本発明に係るハンマドリル１の全体構成を示す縦断面図である。本発明の実施例に係るハンマドリル１の制御回路を示すブロック図である。本発明の実施例に係るハンマドリル１のモータ３０の回転制御手順を示すフローチャートである。本発明の実施例に係るハンマドリル１のモータ３０に流れる電流値１２１と、モータ３０の回転数１３１と、ピストン１４の位置を示すクランク角１４１の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１において、ハンマドリル１は、ハウジングの内部に、駆動源となるモータ３０が収容され、モータ３０の動力によって回転伝達機構と打撃機構が駆動されて、又は打撃機構だけが駆動されて、ハウジングの先端側に取り付けられた先端工具２６に回転打撃力又は打撃力を伝達する。ハンマドリル１の外殻部分を形成するハウジングは、回転伝達機構、打撃機構を収容する打撃ハウジング４と、モータ３０を収容するモータハウジング５と、モータハウジング５の後方であって作業者が把持するためのハンドル部３の３つの主要部品によって主に構成される。ハウジングの各部分は、例えばプラスチック等の一体成形によって分割構造にて構成できるが、強度が必要な部分は金属製のハウジングとしても良い。ハンドル部３の下方には、着脱可能な電池パック６０が装着される。ハンドル部３には作業者が一方の手で把持する部分であって、作業者がトリガスイッチを操作するためのトリガレバー６を引くことにより、モータ３０をオンさせることができる。

モータ３０は、回転軸３２に永久磁石を有するロータが固定され、外周側に誘導コイルを有するステータ３１ｂが配置される、いわゆるインナーロータタイプのブラシレスＤＣモータである。モータ３０は、メインハウジング２において、回転軸３２が上下方向（鉛直方向）に延びるように設けられる。この配置は、先端工具２６の軸方向（ここでは前後方向）に対して直交するような配置関係である。回転軸３２は、モータ３０の上側に配置されるベアリング３４と下側に配置されるベアリング（図示せず）によって回転可能に軸支され、ベアリング３４から上方へ延出し、その上端にはピニオンギヤ３５が形成される。ベアリング３４とモータ３０との間の回転軸部分には冷却ファン３３が設けられ、冷却ファン３３は回転軸３２と同期して回転する。冷却ファン３３は、モータ３０の後側に配置される制御装置７０やモータ３０の発熱部分等の冷却をするための空気流を発生させる。制御装置７０は、モータ３０の回転速度を制御するためのマイクロコンピュータ（マイコン）や、ブラシレスモータの駆動用の励磁電流を供給するインバータ回路９０等を含んで構成される。

ピニオンギヤ３５の前側及び後側には、クランク軸３８と回転伝達軸４１がそれぞれ鉛直方向に延びるように配置される。クランク軸３８は、上側がベアリング３６ａ、下端がメタル３６ｂによってモータハウジング５に回転可能に軸支され、ベアリング３６ａとメタル３６ｂの間の領域にてピニオンギヤ３５と噛合する第一ギヤ３７が同軸固定され、上端にはクランク１１が接続される。クランク１１には、クランク室９内で回転するクランクウェイト１１ｂとクランクピン１１ａが設けられ、クランク軸３８と偏心して設けられるクランクピン１１ａによってコンロッド１２が軸支される。コンロッド１２の軸方向前端には、ピストンピン１３によってピストン１４が軸支され、これらの部材で構成される打撃機構によって、モータ３０の回転運動がピストン１４の往復運動に変換される。ピストン１４はシリンダ１８の内部において軸方向Ａ１（図１では前後方向）に摺動可能であって、ピストン１４の前方側には空気室１５が配置され、その前方側には軸方向に摺動可能な打撃子１９が設けられる。シリンダ１８内のピストン１４と打撃子１９との間の空気室１５は、ピストン１４の往復運動によってその内圧が変動し、その内圧の変動によって空気バネの作用によって打撃子１９がシリンダ１８内を前後方向に往復動して中間子２０に間欠的に衝突するため、中間子２０から先端工具２６に間欠的な打撃力が伝達される。

一方、ピニオンギヤ３５の前側に配置される回転伝達軸４１は、上方のベアリング３９ａと下端のベアリング３９ｂによってモータハウジング５に回転可能に軸支され、ベアリング３９ａと３９ｂの間の領域にてピニオンギヤ３５と噛合する第二ギヤ４０が同軸固定される。回転伝達軸４１の上端には、第一傘歯車４２が同軸に固定される。シリンダ１８の後端部には、第一傘歯車４２と噛合すると共にベアリング作用を有する第二傘歯車４３が設けられる。第二傘歯車４３の前方側には、切替ダイヤル５０によって前後方向に移動可能なクラッチ４４が設けられる。クラッチ４４は後方位置（図１の状態）においては、第二傘歯車４３に噛合することにより第二傘歯車４３の回転力をシリンダ１８に伝達するので、シリンダ１８は長手軸を中心に回転し、この回転力が先端工具２６に伝達される。一方、クラッチ４４がモード切替ダイヤル５０によって前方位置に移動させられると、第二傘歯車４３の回転力はシリンダ１８には伝達されないので、シリンダ１８は回転しない。

シリンダ１８の前方側に設けられるリテーナスリーブ２３は、シリンダ１８と共に打撃回転部１０を構成する主要部品であって、その先端部には工具保持部２５が設けられる。工具保持部２５は先端工具２６を着脱自在に取付けるためのものである。打撃子１９が前方に移動した際に生ずる打撃力は、中間子２０に伝達され、中間子２０がリテーナスリーブ２３内で前後方向に摺動する。中間子２０が前方に摺動するとその衝撃力が先端工具２６に伝達され、先端工具２６が被削材を破砕して穿孔穴を生じさせる。リテーナスリーブ２３の絞り部より後方の外周側には段差が形成され、絞り部の外周から段差の前方にかけてベアリング２２が配置され、リテーナスリーブ２３が打撃ハウジング４に回転可能なように保持される。ベアリング２２の外周側は打撃ハウジング４により回転不能に保持される。係止部材２４は、先端工具２６に設けられた係合溝に係合可能で、先端工具２６の軸方向の移動量を規制する。

打撃ハウジング４の上方には、モータ３０の駆動力を第１のモード又は第２のモードの切り替えを行うモード切替ダイヤル５０が設けられる。ここでは先端工具に、打撃のみを与える“ハンマモード（第１のモード）”と、回転及び打撃を与える“ハンマドリルモード（第２のモード）”を切り替える。モード切替ダイヤル５０は円形の回転式の操作手段であって、モード切替ダイヤル５０を１８０度回転させることにより移動するアーム部材を介してクラッチ４４を前方側に移動させることができる。打撃ハウジング４の下方側には、作業者がハンドル部３を把持する手とは別の手で把持するためのサブハンドル８が設けられる。

モータ３０が回転する最中に、ハンドル部３を掴んで先端工具２６を対象物に押し付けると、その反力で中間子２０は空気室１５に向けて移動し、中間子２０の大径部２０ａがストッパ２１に接触し、中間子２０が図１に示す位置（“打撃位置”）にて停止する。中間子２０の大径部２０ａがストッパ２１に接触して停止すると、空打ち防止孔１８ａは打撃子１９により閉塞される。ストッパ２１の後方側にはダンパ１６が設けられ、ダンパ１６よりも後方側であって、打撃子１９の作業範囲には呼吸孔１８ｂが設けられる。

ハンドル部３に加えられた押し付け力により先端工具２６が対象物に押し付けられ、かつ、打撃子１９の後端面１９ａが空打ち防止孔１８ａよりも後方に位置することにより空打ち防止孔１８ａが閉塞されている状態において、ピストン１４がクランク軸３８に近づく向きに移動すると、図示しない呼吸孔を通り空気室１５内に空気が吸い込まれる。さらに、ピストン１４が下死点（最後端位置）に到達した後、ピストン１４が下死点から上死点（最前端位置）に向けて移動すると、ピストン１４は図示しない呼吸孔を再び閉鎖して空気室１５内の空気の圧力が上昇するので、空気の圧力によって打撃子１９が中間子２０を強く打撃する。中間子２０に加えられた打撃力は、先端工具２６に伝達され、先端工具２６による作業対象物に伝達される。以後、ブラシレスモータ３０の回転軸３２が回転している間、ピストン１４はシリンダ１８内で前後方向に往復駆動され、これにより先端工具２６は間欠的に打撃される。

一方、ブラシレスモータ３０の回転軸３２の回転力は、ピニオンや３５と第二ギヤ４０を介して第二ギヤ４０に伝達される。モード切替ダイヤル５０が操作されて、“打撃・回転モード”が選択されると、第二ギヤ４０の回転力は第二傘歯車４３を介してシリンダ１８に伝達され、シリンダ１８が回転する。シリンダ１８の回転力は、リテーナスリーブ２３及び工具保持部２５を介して先端工具２６に伝達される。この結果、先端工具２６には打撃力と回転力の双方が伝達される。これに対して、モード切替ダイヤル５０が操作されて、“打撃モード”が選択されると、先端工具２６が対象物に押し付けられているか否かに関わりなく、第二ギヤ４０の回転力はシリンダ１８には伝達されないので、リテーナスリーブ２３も工具保持部２５も回転しない。

打撃作業を行った後、先端工具２６を対象物から離して先端工具２６が下に向けられている状態にすると、打撃子１９及び中間子２０が共に自重で先端工具２６に近い位置、即ち“通常位置”に移動し、中間子２０の大径部２０ａがリテーナスリーブ２３のテーパ面２３ａに接触して打撃子１９及び中間子２０が共に停止する。この際、打撃子１９の後端面１９ａが空打ち防止孔１８ａよりも前側になるため、空打ち防止孔１８ａが開かれ、空気室１５はシリンダ１８の外部と連通されるため、ピストン１４が前後動しても空気室１５の圧力が抜けるために、ピストン１４は“空転”することになる。つまり、ピストン１４が動作しても空気室１５の圧力は上昇せず、中間子２０への打撃が行われないので、先端工具２６にも打撃力が加えられることはない。

図２はハンマドリル１を制御する制御回路を示すブロック図である。ブラシレスモータ３０は電池パック６０を動力源としており、電池パック６０の電力は、インバータ回路９０を介してブラシレスモータ３０のコイルに流れる。ハンマドリル１は、ブラシレスモータ３０の目標回転数を設定するための回転数設定ダイヤル８６を備えている。作業者が回転数設定ダイヤル８６を操作すると、ブラシレスモータ３０の目標回転数を複数段階、例えば１０，６００〜２０，９００ｒｐｍのうちの６段階に切り替え可能である。

３個の磁気センサ８７ａ〜８７ｃは、ロータ３１ａの回転位置を示す検出信号を出力する。３個の磁気センサ８７ａ〜８７ｃは、３相のコイルＵ，Ｖ，Ｗに対応して設けられる。それぞれの磁気センサ８７ａ〜８７ｃは、ロータ３１ａに取り付けた永久磁石が発生する磁力を検出し、かつ、磁力を電気信号に変換して出力する非接触のセンサである。磁気センサ８７ａ〜８７ｃは、ホール素子を用いることができる。

インバータ回路９０は、コイルのＵ相，Ｖ相，Ｗ相に供給する電流を制御するインバータ回路９０を有する。インバータ回路９０は、３相フルブリッジインバータ回路であり、互いに接続された２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４と、互いに接続された２つのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５と、互いに接続された２つのスイッチング素子Ｑ３、Ｑ６を有する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４は互いに直列に接続され、中間点がＵ相に接続される。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５は互いに直列に接続され、中間点がＶ相に接続される。スイッチング素子Ｑ３、Ｑ６は互いに直列に接続され、中間点がＷ相に接続される。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３は、電池パック６０の正極端子６１に接続される。スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６は、電流検出用抵抗８８を介して電池パック６０の負極端子６５に接続される。このように、電池パック６０の正極側に接続される３つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３はハイサイド側となっており、電池パック６０の負極側に接続される３つのスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６は、ローサイド側となっている。コイルＵ，Ｖ，Ｗは、相互に接続されており、各コイルＵ，Ｖ，Ｗはスター結線となっている。なお、コイルＵ，Ｖ，Ｗの結線方式は、デルタ結線でもよい。例えば、ハイサイド側のスイッチング素子Ｑ１と、ローサイド側のスイッチング素子Ｑ５のゲートに制御信号が通電されると、Ｕ相とＶ相に電流が供給される。それぞれのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオンオフするタイミング、及びオンする期間を制御することにより、各コイルＵ，Ｖ，Ｗに対する転流動作が制御される。

モータ３０の近傍には制御装置（制御部）７０が設けられる。制御装置７０は、マイコン７１、制御信号出力回路７２、回転子位置検出回路７９、電流検出回路７３を含んで構成され、これらの回路は。制御装置７０の回路基板に搭載される。マイコン７１は、制御信号を処理するマイクロプロセッサと、メモリを含んで構成され、メモリには、制御プログラム、演算式およびデータなどが格納されている。マイコン７１は、モータ回転数検出回路６８から入力される信号を処理して、ロータ３１ａの実際の回転数を演算する。また、マイコン７１は回転数設定ダイヤル８６から入力される信号、ロータ３１ａの実際の回転数等に基づいて、ブラシレスモータ３０の回転制御を行う。マイコン７１から出力された信号は、制御信号出力回路７２に入力され、インバータ回路９０は、制御信号出力回路７２から入力される制御信号により制御される。

降圧回路７４は、電池パック６０の正極端子６１及び負極端子６５に接続された直流電圧を降圧して、制御系の電源をマイコン７１等に供給する制御系電源回路７５に出力する。電池パック６０とマイコン７１は、複数の信号線によって情報の伝達がされる。電池パック６０のＴ端子６２は、電池パック６０の識別情報となる信号をマイコン７１に出力するための端子であり、通信回路７６に入力される。Ｖ端子６３は、図示しない外部充電装置からの制御信号が入力される端子であるが、ここではマイコン７１と接続されている。ＬＳ端子６４は、電池パック６０内のセルに接触して設けられた感温素子（図示せず）による電池の温度情報を出力する端子であり、通信回路７６と電池温度検出回路７７に入力される。ＬＤ端子６６は、電池パック６０内の図示しない電池保護回路による過放電保護信号を、電動工具側に対して出力する端子であり、過放電検出回路７８に入力される。

回転子位置検出回路７９は、ロータ３１ａの磁気センサ８７ａ〜８７ｃによって検出された信号を処理して、ロータ３１ａの所定の回転位置に対応したパルス信号を生成する。回転子位置検出回路７９から出力されたパルス信号は、マイコン７１に送られる。マイコン７１はモータ３０の回転子の位置を検出することに加えて、モータ３０の回転数も検出することができる。マイコン７１は、回転子位置検出回路７９から入力される位置検出信号を用いてインバータ回路９０を制御する制御信号を演算して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオンオフを制御するゲート信号を制御信号出力回路７２に出力する。

電流検出回路７３は、電流検出用抵抗８８の両端電圧を測定することによりインバータ回路９０に入力される電流値Ｉを検出する。この電流値Ｉはブラシレスモータ３０に流れる電流値とほぼ等価である。電流検出回路７３から出力された信号は、マイコン７１に入力される。電流検出用抵抗８８と電流検出回路７３とマイコン７１が電流検出手段を構成する。また、加速度検出回路８３の出力信号がマイコン７１に入力される。加速度検出回路８３は、打撃による衝撃を検知しやすいハウジングの固定箇所８２に設けられる。加速度検出回路８３とマイコン７１が、打撃検出手段を構成する。マイコン７１にはさらに、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を測定するための図示しないサーミスタの温度を検出する温度検出回路８０の信号と、電池パック６０の正極端子６１と負極端子６５の電圧を測定する電池電圧検出回路８１の信号が入力される。

ハンマドリル１の使用例を説明する。作業者がトリガレバー６を操作して、トリガスイッチ８４がオンまたはオフされると、スイッチ検出回路８５から出力されたオン信号またはオフ信号が、マイコン７１に送られる。マイコン７１が、トリガスイッチ８４のオンを検知すると、制御信号出力回路７２から出力される制御信号が、インバータ回路９０に入力され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が、それぞれ個別にオンオフされ、コイルＵ、Ｖ、Ｗに順次電流が流れる。すると、コイルＵ、Ｖ、Ｗと、ロータ３１ａに取り付けた永久磁石とが協働して回転磁界が形成され、ロータ３１ａが回転する。

マイコン７１は、ロータ３１ａの実際の回転数を目標回転数に近づける制御を実行する。ロータ３１ａの実際の回転数は、各コイルＵ、Ｖ、Ｗに印加される電圧を調整することで制御される。具体的には、インバータ回路９０の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに印加されるオン信号のデューティ比を調整することにより行われる。デューティ比を大きくするほど、ブラシレスモータ３０の回転数が高くなる。ブラシレスモータ３０のロータ３１ａが回転すると、回転軸３２の回転力が、クランク１１によりピストン１４の往復動作力に変換され、ピストン１４がシリンダ１８内で往復動作する。

次に図３のフローチャートを用いてハンマドリル１の制御手順を説明する。図３に示す一連の手順は、マイコン７１にあらかじめ格納されたプログラムによってソフトウェア的に実行可能である。まず、マイコン７１はトリガレバー６（図１参照）によって操作されるトリガスイッチ８４（図２参照）のオンを検知し（ステップ１０１）、オン状態を検知するとインバータ回路９０によりモータ３０へ励磁電流を流すことによりモータ３０を駆動する（ステップ１０２）。ここでは、ブラシレスモータ３０を加速させて、回転数設定ダイヤル８６にて設定された目標回転数にて定速回転するようにブラシレスモータ３０を駆動する。ステップ１０１においてトリガスイッチ８４がオンでない場合は、オンになるまで待機する。

モータ３０の回転が開始されたら、マイコン７１は、電流検出回路７３によって検出された電流値Ｉ（モータ電流値）が、所定の値（閾値）Ｉ_Ｓ以下であるかを判別する（ステップ１０３）。モータ電流値が閾値Ｉ_Ｓ以下の場合は、マイコン７１は、設定された回転数に応じた信号をインバータ回路９０へ出力することにより、従来のモータ制御と同じ制御、即ち“通常回転制御”を行う。“通常回転制御”にはモータ３０を、所定の加速度にて加速させる加速制御、一定の回転速度で回転させる定速回転制御、モータ３０を減速させる減速制御、モータ３０への給電を停止して惰性で回転させる自由制御等が含まれる（ステップ１０４）。“通常回転制御”においては、ブラシレスモータ３０の目標回転数を所定値に設定して、実際の回転数が目標回転数になるように速度制御を行う（ステップ１０５）。

次にマイコン７１は、トリガスイッチ８４のオン状態が継続されているか否かを検知し（ステップ１０８）、オン状態が解除されたらモータ３０の回転を停止させてステップ１０１に戻る（ステップ１０９）。ステップ１０８にて、トリガスイッチ８４のオン状態が維持されているならば、モータ３０の運転を継続させたままでステップ１０３に戻る（ステップ１０８、１１０）。

ステップ１０３において、マイコン７１が検出したモータ電流値が閾値Ｉ_Ｓを越える場合は、モータ３０の回転速度を変動周期Ｔ_ｍ（＝１００ｍｓ）で、目標回転数を設定回転数Ｒ_１から所定値だけ、ここでは±５００ｒｐｍだけ変動させる（ステップ１０６、１０７）。先端工具２６を対象物に押し当てていない状態でモータ３０の回転数を変動させると、モータ３０の作動音の変化が聞き取れて不快感を覚える虞があるが、本実施例では、先端工具を押し当てる前（作業開始直前）と、作業終了後に先端工具の押し当てを解消して打撃子が所定の位置に復帰して空打ち現象が収束した後には、回転変動制御が適用されないので、作業者がモータ３０の回転変動による音の変化を感じることはほぼ回避できる。打撃作業時には、モータ３０の回転変動音よりも遙かに大きい打撃音が発生するため、モータ３０の回転を上下に変動させても作業性や作業音を阻害することがない。尚、回転変動制御における上限周波数と目標回転数の差、及び、下限周波数と目標回転数の差は、いずれも目標回転数の２％以上、５％未満程度とすれば良く、特に２．９％以上、３．４％未満が望ましい。

図４は、図３で示したフローチャートの手順による制御の際の電流値Ｉと、モータ３０の回転数Ｒと、ピストン１４の位置を示すクランク角θの関係を示すグラフである。図４（１）〜（３）のグラフの横軸は時間を示し、それぞれのグラフのスケールを合わせて図示しており、時間の経過（単位：ミリ秒）を示す。図４（１）の縦軸は、電流検出回路７３によって検出された電流値I（単位：アンペア）であり、（２）の縦軸はモータ３０の回転数Ｒ（単位：ｒｐｍ）であり、（３）はクランク角θ（単位：度）である。時刻０にてトリガレバー６が引かれると、モータ３０の電流値１２１は矢印１２１ａのように上昇する。ここではソフトスタート機能を用いるため、電流値Ｉの上昇は直線的となる。時刻ｔ_１において、モータ３０の電流値１２１は、矢印１２１ｂのようにＩ_１にて安定する。この時点では先端工具２６を作業対象に押し当てていないので無負荷状態であり、図４（２）に示すようにモータ３０の回転数１３１は、矢印１３１ａのように設定された回転数Ｒ_１となる。尚、シリンダ１８には空打ち防止孔１８ａが設けられるので、無負荷状態ではシリンダ１８の空気室１５の内部とシリンダ１８の外部が連通された状態にあり、打撃子１９に対する打撃動作は行われずに空転状態となる。

次に、時刻ｔ_２において作業者が先端工具２６を作業対象に押し当てると、中間子２０がリテーナスリーブ２３の内部で後方側に移動して、打撃子１９によって空打ち防止孔１８ａが塞がれ、シリンダ１８の空気室１５の圧力が上昇するため、打撃が開始される。打撃が開始されるとモータ３０の負荷が急激に増加するため、電流値１２１が矢印１２１ｃのように急上昇して、時刻ｔ_４において矢印１２１ｄのように電流値I_３に到達する。矢印１２１ｃのような電流値１２１の上昇過程の途中、即ち、時刻ｔ_３にて閾値Ｉ_Ｓを越える。この時刻ｔ_３において、マイコン７１は図３のステップ１０３、１０６、１０７の制御を開始するので、モータ３０の制御を、それまでの回転数Ｒ_１による定速制御（矢印１３１ａ）から、矢印１３１ｂ、１３１ｄのように回転数Ｒ１＋５００（ｒｐｍ）に増速させる制御と、矢印１３１ｃ、１３１ｅのように回転数Ｒ１−５００（ｒｐｍ）に減速させる制御を交互に繰り返す制御、いわゆる“回転変動制御”を開始する。このようなモータ３０の回転数を上下させる回転変動制御は、モータ３０に流れる電流値Ｉが再び閾値Ｉ_Ｓを再び下回る時刻ｔ_８まで継続される。時刻ｔ_８から時刻ｔ_１０までの間は、矢印１３１ｇのように回転数Ｒ_１による定速制御を行い、作業者が時刻ｔ_１１にてトリガレバー６を戻すことでモータ３０の回転数が減少して、時刻ｔ_１２にてモータ３０の回転が停止する。

図４（１）において、モータ３０の回転中であって、かつ、トリガレバー６を引いている期間、即ち時刻０〜時刻ｔ_１０までの間において時刻ｔ_２から時刻ｔ_５までが先端工具２６を打撃対象に押し当てて打撃作業をおこなっている状態（“作業時”）である。ここで、時刻ｔ_５において作業者がハンマドリル１を持ち上げて、先端工具２６の作業対象物への押し当てを解除すると、通常ならば電流値１２１は矢印１２１ｇに示すように急激に下降して、矢印１２１ｈに落ち着く。時刻ｔ_５から打撃子１９の振幅の減少に伴い、打撃子１９の往復動の周波数が増加し、打撃子１９の往復動の周波数とピストン１４の往復動の周波数が一致して打撃子１９がピストン１４と同期して往復動するようになって、いわゆる“空打ち”が続く現象がおこる場合がある。この空打ち現象の発生時には、電流値が矢印１２１ｅのようにわずかしか落ちずに、矢印１２１ｆのように電流Ｉ_２にて一定となる。しかしながら、本実施例では、空打ち現象が続く時刻ｔ_６から時刻ｔ_７間のモータ３０の回転速度Ｒが、上下に振動しているような状態なので、空打ち現象はすぐに収まって、矢印１２１ｇのように電流値１２１は急激に下降する。図４（１）では発明の理解を容易にするために、時刻ｔ_６からｔ_７の間が長い極端な例を図示したが、実際には瞬時に電流値１２１を矢印１２１ｇのように下げることが可能であって、矢印１２１ｆに示す電流値Ｉ_２の期間はきわめて短くなる。

図４（３）は、ピストン１４による打撃状況を示すグラフで、クランク角θが＋１８０度の位置が上死点（最も前側に位置した打撃位置）であり、クランク角θが−１８０度の位置が下死点（最も後側に位置）である。クランク角１４１が、回転数Ｒ_１にて定速回転数の時は、打撃を行う間隔はＴ_ｃ１である。時刻ｔ_３以降、時刻ｔ_８までの間において、モータ３０の回転変動制御を行うと、打撃を行う間隔はＴ_ｃ２からＴ_ｃ３の間で変動する。ここでは、間隔Ｔ_ｃ２＜間隔Ｔ_ｃ１＜間隔Ｔ_ｃ３の関係となり、時刻ｔ_３以降、時刻ｔ_８まではモータ３０の回転変動に伴って、ピストン１４による打撃間隔も一定で無くて増減するので、打撃子１９の往復動とピストン１４の往復動のタイミングが一致しにくくなり、“空打ち”の継続現象を迅速に収束させることが可能となる。時刻ｔ_８以降においては再びモータ３０の回転数がＲ_１にて一定となるため、ピストン１４の往復間隔はＴ_ｃ１にて一定となる。

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、上述の実施例では打撃作業機の例としてハンマドリルを用いて説明したが、モータ等の動力源の回転をシリンダ内で往復移動するピストンの運動に変換し、シリンダ内の圧力変化によって打撃子を打撃することにより先端工具に打撃力を伝達する打撃作業機であれば、ハンマドリル以外の他の作業機にも同様に適用できる。また、上述の実施例では回転変動制御を適用するタイミングを、モータに流れる負荷に連動する電流値に基づいて決定したが、電流値の検出の代わりに、作業機のハウジングに伝わる衝撃の大きさを測定する加速度センサを利用して、衝撃負荷（衝撃力）が所定の閾値を超えたことに基づいて回転制御を適用しても良いし、往復動するピストンによる空気の圧力変化を検出する圧力センサを設けて、その出力が所定の閾値を超えたきに回転変動制御を適用するように構成しても良い。

１ハンマドリル２メインハウジング３ハンドル部
４打撃ハウジング５モータハウジング６トリガレバー
８サブハンドル９クランク室１０打撃回転部１１クランク
１１ａクランクピン１１ｂクランクウェイト１２コンロッド
１３ピストンピン１４ピストン１５空気室１６ダンパ
１８シリンダ１８ａ空打ち防止孔１８ｂ呼吸孔１９打撃子
１９ａ後端面２０中間子２０ａ大径部２１ストッパ
２２ベアリング２３リテーナスリーブ２３ａテーパ面
２４係止部材２５工具保持部２６先端工具
３０（ブラシレス）モータ３１ａロータ３１ｂステータ
３２回転軸３３冷却ファン３４ベアリング３５ピニオンギヤ
３６ａベアリング３６ｂメタル３７第一ギヤ３８クランク軸
３９ａ、３９ｂベアリング４０第二ギヤ４１回転伝達軸
４２第一傘歯車４３第二傘歯車４４クラッチ
５０モード切替ダイヤル６０電池パック６１正極端子
６２Ｔ端子６３Ｖ端子６４ＬＳ端子６５負極端子
６６ＬＤ端子６８モータ回転数検出回路７０制御装置
７１マイコン７２制御信号出力回路７３電流検出回路
７４降圧回路７５制御系電源回路７６通信回路
７７電池温度検出回路７８過放電検出回路７９回転子位置検出回路
８０温度検出回路８１電池電圧検出回路８２固定箇所
８３加速度検出回路８４トリガスイッチ８５スイッチ検出回路
８６回転数設定ダイヤル８７ａ〜８７ｃ磁気センサ
８８電流検出用抵抗９０インバータ回路１２１電流値
１３１回転数１４１クランク角
Ａ１中心線Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子Ｉ電流値
Ｉ_Ｓ閾値Ｒ（モータの）回転数Ｒ_１（モータの）設定回転数

Claims

モータと、
前記モータの回転を制御する制御部と、
空気室を形成するシリンダの内部において前記モータによって往復駆動されるピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンと軸方向に離して配置される打撃子と、
前記打撃子の打撃力を先端工具に伝達する打撃機構を有し、
前記ピストンの往復移動によって前記シリンダ内の空気を圧縮して前記打撃子を打撃する打撃作業機であって、
前記制御部は、前記打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたら前記モータを目標回転数から所定回転数だけ上下させながら回転させる回転変動制御をおこなうことを特徴とする打撃作業機。
前記シリンダには前記シリンダの内外を連通する呼吸孔が形成され、前記打撃子が前記軸線方向において所定領域よりも前記ピストン側又は前記先端工具側に移動することで前記空気室への連通と遮断が切り替わることを特徴とする請求項１に記載の打撃作業機。
前記モータに流れる電流の大きさを検出する電流検出手段を設け、
前記制御部は、前記電流検出手段によって検出された電流値が所定の閾値を超えると、前記打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたと判定することを特徴とする請求項２に記載の打撃作業機。
前記打撃作業機のハウジングに伝わる加速度の大きさを測定する加速度センサを設け、
前記制御部は、前記加速度センサの出力が所定の閾値を超えると、前記打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたと判定することを特徴とする請求項２に記載の打撃作業機。
往復動する前記ピストンによる空気の圧力変化を検出する圧力センサを設け、
前記制御部は、前記圧力センサの出力が所定の閾値を超えると、前記打撃機構による負荷が所定の閾値を超えたと判定することを特徴とする請求項２に記載の打撃作業機。
前記制御部は前記回転変動制御として、前記モータの回転数を短い周期で目標回転数を越えた上限目標回転数と、目標回転数を下回る下限目標回転数に交互に切り替えることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の打撃作業機。
前記回転変動制御の変動周期は、前記ピストンによる打撃の周期のよりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の打撃作業機。
前記回転変動制御における上限周波数と目標回転数の差、及び、下限周波数と目標回転数の差は、いずれも目標回転数の２％以上であることを特徴とする請求項７に記載の打撃作業機。
前記回転変動制御中の前記負荷が所定の閾値を下回ったら、前記制御部は前記回転変動制御を終了させて通常回転制御に戻すことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の打撃作業機。
前記モータは、永久磁石を有するロータと、印加される電圧を前記制御部により調整可能なコイルを有するステータと、からなるブラシレスモータであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の打撃作業機。
前記ロータの回転位置を検出する回転子位置検出部を更に有し、
前記制御部は、前記回転子位置検出部の検出値をもとに、前記コイルに印加する電圧を調整することを特徴とする請求項１０に記載の打撃作業機。