JP3566923B2 - 半自動ねじ締結機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ねじの締結作業時に、被締結ねじが被締結体に着座するまでは、電動モータの駆動力を用いてねじを回転させ、その着座後は手力により所定の締結トルク値までねじを回転させる半自動ねじ締結機に係り、内装される電動モータを制御する電動モータの制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば手動式のトルクレンチを用いて、被締結ねじを被締結体に締結するとき、その被締結ねじの締結作業性を高めるために被締結ねじが着座されるまでは動力を利用して被締結ねじを高速度で回転させて仮締めを行ない、その被締結ねじが着座した以後は作業者の手動力で所定の締結トルク値となるように本締めを行なう如きねじの締結方法が公知であり、このねじ締結方法を採用するのに使用するレンチとしてエアー又は電力を動力源とするナットランナー付きねじ締結機、つまり半自動ねじ締結機が知られている。
【０００３】
小型軽量であって高効率の操作性が要求される半自動ねじ締結機は、バッテリーを駆動源としかつ小容量で小型の直流電動モータを搭載しているのが一般的であるが、この直流電動モータの特性として下記の要件が要求される。
【０００４】
Ａ．被締結ねじが、被締結体に接する（着座する）までの、所謂仮締めまでの間で必要とするトルクは、被締結ねじを着座以後設定トルク値まで締結する本締め時の定格トルクに比べ小さくてよいが、その仮締めされるまでの直流モータの回転速度を早くしてねじ締め作業時間を短縮できること。
【０００５】
Ｂ．ねじ締め作業者が直に持ってねじの締結操作を行なう半自動ねじ締結機にあっては、そのねじ締結機が軽量であり、かつ取扱い及び操作性が良いこと。
【０００６】
Ｃ．駆動源であるバッテリー及びモータの能力を十分に有効利用し、かつ過負荷を防止するために、必要以外の駆動力は停止制御させること。
【０００７】
このような条件を満すために開発されている従来の半自動ねじ締結機として手動式トルクレンチの内部に、直流電動モータを内装し、さらにその直流電動モータの駆動制御手段として電流検出センサあるいはトルク検出器等を内装して、直流モータによるねじの仮締結時の被締結ねじが着座点に到達するとその着座点到達信号を出力させて直流モータの駆動を制御するものがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電動モータの負荷電流を検出し、この検出値が設定値に達した時点で被締結ねじの仮締めが終了したとき即ち被締結ねじが着座したとして電動モータを停止させる為に、抵抗器又は変流器等の電流検出器などの電流検出センサが用いられるが、上記電動モータに使用される電源（バッテリー）はその特性上発生電圧が低く、このために利用できる電力は低電圧（数ボルト〜十数ボルト）・大電流（十数アンペア〜数十アンペア）であり、このために上記の抵抗器使用の場合は抵抗器における発熱が無視できず、また変流器を用いる場合には該変流器の取付スペースやコストの点で問題となる等実用性に欠けるものであった。
【０００９】
また従来の半自動ねじ締結機にあっては、被締結ねじが仮締め終了した時点で電動モータへの給電が瞬時に遮断されるために、締結作業時におけるねじ締結作業者への衝撃力が強く、従って多数本のねじ締結を連続して行なうねじ締結者の健康管理の点でも問題を有するものであった。
【００１０】
本発明は、かかる従来の半自動ねじ締結機における問題点に着目してなされたもので、半自動ねじ締結機による被締結ねじが着座点に到達すると、その被締結ねじを回転させる電動モータの駆動力を漸減せしめてねじ締結時における締結作業者への衝撃力に起因する不快感の緩和を第１の目的としている。
【００１１】
また本発明では半自動ねじ締結機の着座点検出手段として、従来の抵抗器又は変流器等の電流検出器を用いるのではなく、電動モータの端子間電圧を監視するのみで電動モータの停止制御を行なうことを可能ならしめて、半自動ねじ締結機の軽量化（コンパクト化）製作経済性を高めることを第２の目的としているものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的及び第２の目的を達成するために、本発明は請求項１に記載のように、被締結ねじが締結体に着座するまでは直流モータの駆動力を用いて該被締結ねじを回転させる半自動ねじ締結機において、バッテリー電源と、フライホイールダイオードが並列接続されるねじ締め用の直流モータと、スイッチング電力制御素子へのパルス信号の印加により前記バッテリー電源と前記直流モータとが通電されて該バッテリー電源の電圧を該直流モータに印加して速度制御すると共に、前記直流モータへのパルス通電が行われていない間に前記フライホイールダイオードに発生するモータ逆起電力を該直流モータに与え、前記直流モータの駆動によるねじ締めトルクの増加に応じて前記モータ逆起電力の発生時間が長くなるパルス幅変調方式のモータ駆動回路とを備え、前記モータ駆動回路は、前記直流モータへのパルス通電が行なわれていない間にわたって前記モータ起電力が発生し、該直流モータに前記バッテリー電源の電流と前記モータ起電力の電流とが連続的に流れる状態を検出すると前記被締結ねじが前記被締結体に着座した状態と判定し、着座したと判定後、所定時間前記直流モータへの通電を継続し、その後所定の時間を経て前記直流モータの駆動トルクを漸減後、駆動を停止させることを特徴とする。
【００１３】
従って、本発明によれば、前記直流モータへのパルス通電が行なわれていない間にわたって前記モータ起電力が発生し、該直流モータに前記バッテリー電源の電流と前記モータ起電力の電流とが連続的に流れる状態か否か検出するとで、被締結ねじが被締結体に着座したか否かを判断することができ、また直流モータが停止する時の作業者への衝撃を小さくすることができるなど、簡単な手段で半自動ねじ締結機に内装されたモータの駆動制御を行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図面に示す実施の形態に基いて詳細に説明する。図１・図２を用いて直流電源及びフライホイールダイオードを用いて直流モータを駆動制御する原理を説明する。
【００１５】
図１はモータ駆動回路の一部を示し、１はバッテリー等の直流電源、２は直流モータ、３は直流電源１と直流モータ２との間に介在される電源スイッチ（図３に示す）、４は直流モータ２と並列に接続されるフライホイールダイオードである。
【００１６】
このようなモータ駆動回路において、電源スイッチ３を閉路すると、図２（イ）で示すように、図３、４に示すタイミング回路１５からの信号Ｓ１２によりスイッチング電力制御素子１４はオン、オフを繰返えす。このオン期間及びオフ期間は設計値により決めることができ、この期間を可変することにより直流モータ２の駆動力が自動制御される。またスイッチング電力制御素子１４に転流電流ｉ2 が存在する期間ｔ3 は、直流モータ２の負荷電流ｉや直流モータ２の定数により決まる。
【００１７】
そして、スイッチング電力制御素子１４がオンしている期間ｔ1 は直流電源１の電圧Ｅが直流モータ２へ印加され、このとき電流ｉ1 が供給され成長し、上記スイッチング電力制御素子１４がオフしている期間ｔ2ではモータへの給電が停止する。このオフ期間において、直流モータ２の電流ｉはフライホイールダイオード４へ転流ｉ2 し、オフ期間の経過に伴ない漸減 する（図２ハ参照）。
【００１８】
このとき、直流モータ２の端子間電圧は、フライホイールダイオード４の降下電圧Ｖｄとなり、そのフライホイールダイオード転流電流ｉ2 が消滅した後スイッチング電力制御素子１４が次にオンするまでの期間（ｔ2 −ｔ3 ）は、直流モータ２の回転数に比例するモータ逆起電圧Ｖｍが現われる（図２ロ及びホのＩ参照）。
【００１９】
上記のようにしてパルス幅変調制御によりモータの駆動を自動制御する場合、その高速運転時には、パルス幅デユーティ比、即ち
オン期間ｔ1 ／（オン期間ｔ1 ＋オフ期間ｔ2 ）
が大きくなり、オフ時間の比率が小さくなる（図２ホのII参照）。
【００２０】
また、負荷が大きくなれば、直流モータ電流ｉの増大と共に、フライホイールダイオードに転流電流ｉ2 が存在する時間ｔ3 も増大し、ついには直流電源１から流入する電流と連続するに至り、以後負荷が増大すれば負荷電流は、連続モードのままその値を大きくする（図２ホのIII参照）。
【００２１】
以上の説明は、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）でモータ駆動を制御する手法であって従来から周知のことであるが、本発明では上記パルス幅変調制御を基にして、直流モータ２が発生する最大トルク値と、負荷電流が不連続モードから連続モードへ移行した時点で発生するトルクと、対象ねじ（被締結ねじ）の締結所要トルク値とを整合させ、また、前記モードを検出した後、適宜の時限の間締結を継続させることで、所要のトルクでの電動力による仮締め（被締結ねじが被締結体に着座するまで）を確実に実施することを可能とする。
【００２２】
即ち、本発明では、直流モータを内装する半自動ねじ締結機において、直流モータの駆動を速度制御ループを持つパルス幅変調制御方式とし、被締結ねじが被締結体に着座するまでの被締結ねじの仮締め完了停止時の条件を、直流モータ２の電流が連続か、不連続から連続へ移行する時点かを判別し、この後時限の間運転を継続して仮締め完了とし、その後の時限の間は、発生するトルクを漸減し次の時限の後停止させる。また直流モータ２の通電電流モードの判定にはその直流モータ２と並列に接続されるフライホイールダイオード４の降下電圧の有無を利用することにある。
【００２３】
上記本発明の条件を満し得る制御回路の実施の形態を図３及び図４で説明する。５は半自動ねじ締結機を示し、この半自動ねじ締結機５においては、ハンドル６、被締結ねじ（図示せず）に嵌合されるソケット７、該ソケット７を駆動するための直流モータ２及び該直流モータ２の出力軸９と上記ソケット７との間に介装される減速歯車機構１０及び機械式トルク検出機構８を有している。
【００２４】
さら上記半自動ねじ締結機５の内部には、上記直流モータ２を駆動するための直流電源１及びその電源スイッチ３と、モータ制御回路１１が内装されている。このモータ制御回路１１は、上記の直流モータ２と並列に接続されるフライホイールダイオード４の外に、モータ電流モード判定回路１２、時限回路１３、スイッチング電力制御素子１４、タイミング回路１５、速度設定器１６、漸減回路１７、変換器１８、誤差増幅器１９、ＰＷＭ発振回路２０により構成されている。
【００２５】
上記モータ電流モード判定回路１２の一例を示せば図４で示すように、トランジスタ２１、反転回路２２、インバータ回路２３、ナンド回路２４により構成されている。
【００２６】
上記モータ制御回路１１を具備せしめた半自動ねじ締結機を用いる被締結ねじの締結手順は、先ずはソケット７に不図示である被締結ねじを嵌合し、そこで図５で示すように電源スイッチ３をオンし直流モータ２を始動する。始動した直流モータ２は規定の回転速度で回転し、区間ｔ11〜ｔ13の間で着座までのねじ締めが進行する。この区間ｔ11〜ｔ13でのモータ電流モード判定回路１２における各所の波形は図６（イ）のようになり、ねじ締めトルクが軽負荷の間は電流は連続とならず、該モータ電流モード判定回路１２から判定信号Ｓ１４は出力されない。
【００２７】
次に上記直流モータ２による仮締めが進行し、被締結ねじが被締結体に着座すると、その締結トルクが急激に上昇し、モータ電流は連続のモードとなりこれによりモータ電流モード判定回路１２から判定信号Ｓ１４が出力される。モータ電流が連続モードであることが記憶されるとその判定信号Ｓ１４が出力された後、時限回路１３により設定時限Ｔ1 の後に、モータ停止信号Ｓ0 （図３参照）を漸減回路１７へ印加する。
【００２８】
停止信号Ｓ0 を受けた漸減回路１７は区間（ｔ14〜ｔ15）の間締結トルクが漸減されるように直流モータの駆動出力を制御し位置ｔ15に達する時限Ｔ2の後そのモータの駆動出力をゼロとなし、これによりモータによる駆動は自動停止し被締結ねじの仮締めが完了されたとする。上記時限回路１３の記憶は、電源スイッチ３をオフとなしたときリセットされる。
【００２９】
このようにして直流モータ２の駆動力により、被締結ねじの仮締めをなした後、手動により被締結ねじを規定の締結トルクに到達するまで本締めを行なえば、被締結ねじの締結作業が完了するものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように請求項１に係る発明によれば、前記直流モータへのパルス通電が行なわれていない間にわたって前記モータ起電力が発生し、該直流モータに前記バッテリー電源の電流と前記モータ起電力の電流とが連続的に流れる状態か否か検出するとで、被締結ねじが被締結体に着座したか否かを判断することができ、また直流モータが停止する時の作業者への衝撃を小さくすることができるなど、簡単な手段で半自動ねじ締結機に内装されたモータの駆動制御を行なうことができる。
また、電流検出器を用いずに、半自動ねじ締結機の直流モータを自動停止することができ、これによりその半自動ねじ締結機の軽量化及びコンパクト化が可能となり、ひいてはその半自動ねじ締結機を使用するねじ締めの作業性が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動モータ制御の原理を示す回路説明図
【図２】図１における制御回路における波形説明図
【図３】本発明による半自動ねじ締結機の制御回路のブロック図
【図４】図３におけるモータ電流モード判定回路の詳細図
【図５】ねじ締結時の電動モータの運転パターン説明図
【図６】電動モータの電流モード検出特性を示し、（イ）はモータ電流が不連続の場合のタイミング波形、（ロ）はモータ電流が連続の場合のタイミング波形
【符号の説明】
１ 直流電源
２ 直流モータ
３ 電源スイッチ
４ フライホイールダイオード
５ 半自動ねじ締結機
６ ハンドル
７ ソケット
８ 機械式トルク検出機構
９ 出力軸
１０ 減速歯車機構
１１ モータ制御回路
１２ モータ電流モード判定回路
１３ 時限回路
１４ スイッチング電力制御素子
１５ タイミング回路
１６ 速度設定器
１７ 漸減回路
１８ 変換器
１９ 誤差増幅器
２０ ＰＷＭ発振回路
２１ トランジスタ
２２ 反転回路
２３ インバータ回路
２４ ナンド回路
Claims (1)
- 被締結ねじが締結体に着座するまでは直流モータの駆動力を用いて該被締結ねじを回転させる半自動ねじ締結機において、
バッテリー電源と、フライホイールダイオードが並列接続されるねじ締め用の直流モータと、スイッチング電力制御素子へのパルス信号の印加により前記バッテリー電源と前記直流モータとが通電されて該バッテリー電源の電圧を該直流モータに印加して速度制御すると共に、前記直流モータへのパルス通電が行われていない間に前記フライホイールダイオードに発生するモータ逆起電力を該直流モータに与え、前記直流モータの駆動によるねじ締めトルクの増加に応じて前記モータ逆起電力の発生時間が長くなるパルス幅変調方式のモータ駆動回路とを備え、
前記モータ駆動回路は、前記直流モータへのパルス通電が行なわれていない間にわたって前記モータ起電力が発生し、該直流モータに前記バッテリー電源の電流と前記モータ起電力の電流とが連続的に流れる状態を検出すると前記被締結ねじが前記被締結体に着座した状態と判定し、着座したと判定後、所定時間前記直流モータへの通電を継続し、その後所定の時間を経て前記直流モータの駆動トルクを漸減後、駆動を停止させることを特徴とする半自動ねじ締結機。
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