JP4051417B2 - インパクト締付け電動工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インパクトドライバーやインパクトレンチなどのインパクト締付け電動工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インパクト締付け電動工具は、モータによって回転するハンマーと、ネジなどに係合して回転させるアンビルとを有している。そして、このハンマーとアンビルは相互に衝突して、ハンマーがアンビルを回転させる。
【０００３】
この場合に、ハンマーとアンビルの間に所定値以上の力がかかった時には、アンビルに対してハンマーが遊転するように連結されている。
【０００４】
このような構成を備えているので、ネジが軽い負荷で螺合する場合には、ハンマーがアンビルを連続的に回転させ、ネジを連続的に締付ける。一方、ネジが締め込まれ、アンビルとハンマーとの間に所定値以上の力がかかると、ハンマーは前記したように遊転を始め、所定角遊転した後にアンビルに衝突する。この遊転と衝突という動作が繰り返されることによって、ハンマーが衝突するためにアンビルは回転し、ネジがその度に締付けられていく。
【０００５】
このようなインパクト締付け電動工具の場合に、最終的なネジの締付けトルクは、衝突回数に依存する。このため、従来から締付けトルクを調整する技術として、ハンマーとアンビルの衝突回数を設定する設定手段を設け、この設定手段により設定された回数だけハンマーとアンビルが衝突した時にモータを停止し、適切な締付けトルクでネジを締付ける発明が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
（特許文献１）
特開平５−２００６７７号
（特許文献２）
特開２００１−２６９８７４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１及び特許文献２におけるハンマーとアンビルの衝突回数を検知する方法としては、ハンマーの近傍にマイクを取り付け、このマイクで衝突音を拾い、この衝突音に対応して衝突回数をカウントする構造となっている。
【０００８】
そのため、インパクト締付け電動工具内部にマイクを設けると共に、マイクから拾った音に基づいて衝突回数をカウントするための回路が必要となり、非常に複雑な構造となる。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、最適の締付けトルクでネジなどを締付けることができるインパクト締付け電動工具を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、モータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、前記モータの回転数と、前記アンビルの回転数との差が、予め定められた回転数の差に到達すると、前記モータの回転を停止させるトルク制御回路を有することを特徴とするインパクト締付け電動工具である。
【００１１】
請求項２の発明は、ブラシレスＤＣモータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する回転子位置検出手段と、この回転子位置検出手段からの信号に基づいて前記モータの回転数に関するモータ回転数信号を出力する回転子位置検出回路を有し、前記ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記モータ回転数信号に基づいて前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有し、前記アンビルの回転位置を検出するアンビル位置検出手段と、このアンビル位置検出手段からの信号に基づいて前記アンビルの回転数に関するアンビル回転数信号を出力するアンビル位置検出回路を有し、前記締付け対象を締付けるためのトルク設定値を設定するトルク制御スイッチを有し、前記モータ回転数信号に基づく前記モータの回転数と、前記アンビル回転数信号に基づく前記アンビルの回転数との差が、前記トルク設定値に基づいて予め定められた回転数の差に到達すると、前記ブラシレスＤＣモータの回転を停止させるように前記演算回路へ指示するトルク制御回路を有することを特徴とするインパクト締付け電動工具である。
【００１２】
請求項３の発明は、ブラシレスＤＣモータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を、固定子のコイルへ流れる駆動信号から検出すると共に前記モータの回転数に関するモータ回転数信号を出力する回転子位置検出回路を有し、前記ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記モータ回転数信号に基づいて前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有し、前記アンビルの回転位置を検出するアンビル位置検出手段と、このアンビル位置検出手段からの信号に基づいて前記アンビルの回転数に関するアンビル回転数信号を出力するアンビル位置検出回路を有し、前記締付け対象を締付けるためのトルク設定値を設定するトルク制御スイッチを有し、前記モータ回転数信号に基づく前記モータの回転数と、前記アンビル回転数信号に基づく前記アンビルの回転数との差が、前記トルク設定値に基づいて予め定められた回転数の差に到達すると、前記ブラシレスＤＣモータの回転を停止させるように前記演算回路へ指示するトルク制御回路を有することを特徴とするインパクト締付け電動工具である。
【００１３】
【作 用】
請求項１の発明であると、回転子の回転数とアンビルの回転数との回転数差が、予め定められた回転数に到達すると、設定された締付けトルクに到達したとして、モータの回転を停止させ、締付け作業を停止するものである。
【００１４】
請求項２及び請求項３の発明であると、回転子の回転数とアンビルの回転数との回転数差が、トルク設定値に基づく回転数に到達すると、設定された締付けトルクに到達したとして、ブラシレスＤＣモータの回転を停止させ、締付け作業を停止するものである。
【００１５】
すなわち、アンビルとハンマーの回転数が同じである場合には、最小のトルクで締付けられ、アンビルの回転数が０であり、モータの回転数が最大の場合には最大のトルクで締付けられている状態となっている。そのため、本発明ではこのアンビルの回転数に着目し、アンビルの回転数とモータの回転数との差が最大になった場合には最大の締付けトルクが発生しており、回転数の差が０の場合には最小の締付けトルクとなっているとする。
【００１６】
すると、この回転数の差が締付けトルクに対応しているため、トルク設定値に基づいて回転数の差を規定しておき、この規定した回転数の差と、アンビルと回転子の回転数の差が同じになった場合には、その設定した締付けトルクに到達したものとして、ブラシレスＤＣモータの回転を停止させる。
【００１７】
なお、ハンマーとブラシレスＤＣモータの回転軸との間に回転数を変速するギアボックスを有している場合には、その変速した回転数の差も考慮しておく。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図１から図５に基づいて説明する。
【００１９】
本実施例は、インパクト締付け電動工具の一つであるインパクトドライバー１０に関するものである。
【００２０】
（１）インパクトドライバー１０の構成
図１は、本実施例を示すインパクトドライバー１０の側面図である。
【００２１】
図１に基づいて、インパクトドライバー１０の構成について説明する。
【００２２】
インパクトドライバー１０は、胴部である略円筒状の外形の本体１２と、本体１２の先端部にドライバー工具が装着されるチャック部１３と、ピストル型になるように形成される把持部１４とを備えている。
【００２３】
本体１２の後部には、ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）１５と、変速機構であるギアボックス１６と締付け機構である締付け部１１とが内蔵されている。
【００２４】
把持部１４は作業者が手で把持できるように形成され、把持状態で指が位置する個所に引金状のトリガースイッチ１７が配されている。
【００２５】
このトリガースイッチ１７の操作により、モータ１５を所定の回転速度とトルクによって制御する制御装置１８の回路基板が、モータ１５の下方に配されている。
【００２６】
把持部１４の内部には、バッテリー１９と、このバッテリー１９と電気的に並列に接続された大容量の電源電圧平滑用コンデンサ２０が収納されている。
【００２７】
本体１２の側面には、回転方向を切り替えるための回転方向切替スイッチ２６と、可変式のトルク制御スイッチ３６が設けられている。
【００２８】
（２）打撃部１１
（２−１）打撃部１１の構造
締付け部１１の構造について、図２に基づいて説明する。
【００２９】
締付け部１１は、ハンマー３８と、アンビル４０とより構成されている。
【００３０】
ギアボックス１６の出力軸４６には複数の溝４８がＶ字形に形成されており、この出力軸４６にハンマー３８が遊転可能に配されている。ハンマー３８と溝４８との間にはボール５０が介装されている。この溝４８とボール５０とによりカム機構が形成され、ハンマー３８は出力軸４６に対し溝４８に沿って相対移動可能となっている。また、ハンマー３８と出力軸４６との間には、ボール５２とワッシャー５４を介してコイル状のバネ４４が圧縮状態で収容されており、ハンマー３８がアンビル４０の方向に常時付勢されている。
【００３１】
ハンマー３８の先端側には、アンビル４０が本体１２に対しベアリング４２を介して回転可能に取り付けられている。このアンビル４０の先端にはチャック部１３が取り付けられている。
【００３２】
アンビル４０の後側面、すなわちハンマー３８に対応する面には直径方向に伸びる一対の羽根部５６が形成されている。また、ハンマー３８の前面側、すなわち、アンビル４０の側にも直径方向に伸びる爪部５８が形成されており、羽根部５６と爪部５８の側面が当接するように構成されている。
【００３３】
アンビル４０の回転軸６０の先端は、前記したようにチャック部１３に連結されているが、この回転軸６０には、同軸に円盤状の位置検出板６２が取り付けられている。この位置検出板６２には、その回転が検出できるようにするために、Ｎ極とＳ極の扇状の永久磁石が配されている（図３参照）。このＮ極とＳ極の永久磁石の数は、モータ１５の回転子の内部に設けられているＮ極とＳ極の永久磁石と同じ態様、すなわち２極配されている。
【００３４】
この位置検出用永久磁石６４に対応する位置には、その回転状態を検出するためのホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６が配されている。この３個のホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６は本体１２内部から突出した固定版７０に固定されており、アンビル回転信号Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を出力する。
【００３５】
このアンビル４０の位置検出用永久磁石６４と、３個のホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６の役割については後から説明する。
【００３６】
（２−２）締付け部１１の作用
この締付け部１１において、ネジを軽い負荷で締付けている場合には、ハンマー３８はバネ４４の力によってアンビル４０側に押し付けられている。このため、ギアボックス１６の回転がハンマー３８とアンビル４０に連続的に伝えられ、ネジは連続的に締付けられる。
【００３７】
ところが、ネジに対する締付け力が大きくなると、モータ１５は回転し続けているため、ハンマー３８を引き寄せながらバネ４４が縮むため、反発力が溜まる。また、ハンマー３８が引き寄せられ、爪部５８がアンビル４０の羽根部５６を乗り越えると、バネ４４に蓄えられた力が一気に解放され、ハンマー３８は押し付けながら強力に回転する。そして、ハンマー３８の爪部５８がアンビル４０の羽根部５６を強力に打撃し、回転だけでは発生しない強力な締付けトルクでネジを締付けるものである。
【００３８】
この場合に、締付けトルクがあまり大きくなると、ネジの頭を壊す問題が発生するため、締付けトルクの最大値を設定する必要がある。そのために、トルク制御スイッチ３６によって、締付けトルクの最大値を設定する。この設定については後から詳しく説明する。
【００３９】
（３）モータ１５の構造
モータ１５は、３スロット２極のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型ブラシレスＤＣモータである。
【００４０】
固定子には３個の歯部が内方に突出し、各歯部にコイル３４が巻き付けられている。そして、この各歯部に巻き付けられたコイル３４は、Ｙ結線されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相よりなる３相を構成している。
【００４１】
このモータ１５は２極のＩＰＭ型であるので、回転子の内部にＮ極とＳ極の永久磁石がそれぞれ内蔵されている。
【００４２】
（４）制御装置１８の構成
次に、図３を参照してモータ１５を制御する制御装置１８について説明する。
【００４３】
図３はモータ１５の制御装置１８を示すブロック図である。
【００４４】
モータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４へ駆動信号がインバータ回路２１から供給される。インバータ回路２１を構成する６個のスイッチングトランジスタを用い、モータ１５のＹ結線された３相のコイル３４に双方向駆動電流を流して駆動するバイポーラ駆動を行う。バイポーラ駆動の方法としては、１２０°通電矩形波駆動法が挙げられる。このインバータ回路２１は、バッテリー１９である直流電源が供給されるが、インバータ回路２１とバッテリー１９との間には前記した電源電圧平滑用コンデンサ２０がバッテリー１９と並列に接続されている。
【００４５】
モータ１５の回転子８８の回転位置を検出するホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３からの回転信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は回転子位置検出回路２３へ出力し、回転子位置検出回路２３からモータ回転数信号Ａが出力される。
【００４６】
インバータ回路２１の各スイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート端子へゲート信号を送るゲートドライブ回路２８が設けられ、このゲートドライブ回路２８に対しＰＷＭ（パルス幅変調）信号を供給する演算回路２２が設けられている。この演算回路２２は、回転子位置検出回路２３からのモータ回転数信号Ａと、速度指令回路２４からの速度指令信号Ｂと、回転方向指令回路２５からの回転方向指令信号Ｃに基づいて、ＰＷＭ信号をゲートドライブ回路２８に出力する。
【００４７】
速度指令信号Ｂを出力する速度指令回路２４には、前記で説明したトリガースイッチ１７が接続され、このトリガースイッチ１７の作業者による押圧状態によって速度指令回路２４が演算回路２２に速度指令信号Ｂを出力する。すなわち、トリガースイッチ１７を多く引くことによってより早く回転するように速度指令信号Ｂが出力される。
【００４８】
本体１２にある回転方向切替スイッチ２６を正転または逆転に切替えることによって、その回転方向に応じた回転方向指令信号Ｃを回転方向指令回路２５が、演算回路２２へ出力する。
【００４９】
ゲートドライブ回路２８と演算回路２２との間にはロック保護回路２７が設けられている。このロック保護回路２７は、駆動電流がモータ１５に出力されているにも係わらず、モータ１５の回転がホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３からの回転信号によっては検出されないことを回転子位置検出回路２３が検知すると、演算回路２２からのゲートドライブ回路２８への信号を強制的に遮断する回路である。
【００５０】
バッテリー１９から出力される駆動電流を検出するための抵抗３２が接続され、この抵抗３２を流れる駆動電流を検出する過電流保護回路２９が設けられている。過電流保護回路２９は、抵抗３２を流れる駆動電流が設定値以上になった場合には過電流であると判断して演算回路２２に回転速度またはトルクを落とすように指示する制御信号を出力する。この制御信号が出力されると、演算回路２２は、ＰＷＭ波形のパルス幅を強制的に狭め、モータ１５の出力を低下させる。これにより、モータ１５のそれ以上の発熱が抑制され、温度上昇も起こることがなく制御装置１８の熱による損傷を防止できる。
【００５１】
制御部１８には、また、アンビル位置検出回路６６とトルク制御回路６８が設けられている。
【００５２】
アンビル位置検出回路６６は、アンビル４０の位置検出用永久磁石６４に対応する３個のホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６からのアンビル回転信号Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６が入力してアンビル４０の回転数を検出して、アンビル回転数信号Ｄを出力する。
【００５３】
トルク制御回路６８は、アンビル位置検出回路６６からのアンビル回転数信号Ｄと、回転子位置検出回路２３からの回転子回転数信号Ａが入力し、また、本体１２に設けられているトルク制御スイッチ３６も接続されている。さらに、トルク制御回路６８のメモリには、回転子回転数と、アンビル回転数との差である回転数の差と、トルク制御スイッチ３６との対応関係を示す図５のグラフのデータが記憶されている。
【００５４】
（５）トルク制御回路６８の動作内容
トルク制御回路６８は、ネジに対する締付けトルクを制御するものであり、トルク制御スイッチ３６によって設定された締付けトルクに対応して、現在締付けているアンビル４０のトルク力がこの設定トルク値に到達すると、トルク制御回路６８は演算回路２２に対しモータ１５を停止させる停止信号Ｅを出力する。
【００５５】
以下、その働きについて説明する。
【００５６】
インパクトドライバー１０を動作させて、ネジの締付けを開始した場合に、締付けトルクが弱い場合には、前記で説明したようにアンビル４０とハンマー３８とは同じ回転数で回転している。そのため、アンビル４０とハンマー３８との回転数差は０である。そして、ギアボックス１６によるギア比を考慮した上で、モータ１５の回転数とアンビル４０の回転数を比較した場合であっても、両者の回転数の差は０となっている。この場合に、締付けトルクは最小である。
【００５７】
その後、ネジを締付け、次第に締付けトルクが大きくなり、アンビル４０の回転数が０となり、モータ１５の回転数が最大となって、ハンマー３８がアンビル４０に対し遊転している場合には、最も締付けトルクが最大となる。すなわち、アンビル４０の回転数が０となり、モータ１５の回転数が上昇し最大になった場合には、最大の締付けトルクとなる。
【００５８】
この観点から、インパクトドライバー１０の現在の締付けトルクを計測することができる。具体的には、アンビル４０の回転数とモータ１５の回転数との差を計算し、回転数に差がなければ締付けトルクは最小であり、その回転数の差が最大となれば最大の締付けトルクとなっている。そこで、トルク制御スイッチ３６によって、この回転数の差に対応した締付けトルクを設定し、アンビル４０とモータ１５の回転数の差が、トルク制御スイッチ３６によって設定した回転数の差になった場合には、目的の締付けトルクで締付けられている状態であると判断し、トルク制御回路６８は停止信号Ｅを出力するものである。なお、トルク制御スイッチ３６の値と回転数の差とは予め実験によって対応関係を求めておき、トルク制御回路６８のメモリに図５に示すグラフのデータとして記憶させておく。
【００５９】
以上の関係を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００６０】
ステップ１において、作業者はトルク制御スイッチ３６によって、その作業における締付けトルクを設定する。
【００６１】
ステップ２において、ネジを締付ける作業を開始する。
【００６２】
ステップ３において、トルク制御回路６８がモータ１５の回転数を検出する。
ステップ４において、トルク制御回路６８はアンビル４０の回転数を検出する。
【００６３】
ステップ５において、モータ１５の回転数とアンビル４０の回転数との差Ｍ１を計算する。
【００６４】
ステップ６において、設定した締付けトルクに対応する回転数の差Ｍ２をトルク制御回路６８はメモリから呼び出す。
【００６５】
ステップ７において、Ｍ１がＭ２より大きくなれば、すなわち設定した締付けトルクに到達すればステップ８に進み、そうでなければステップ３に戻る。
【００６６】
ステップ８において、設定した締付けトルクに到達しているため、トルク制御回路６８は、モータ１５を停止するように演算回路２２に停止信号Ｅを出力し終了する。
【００６７】
上記の構成により、作業者が設定した締付けトルクに到達すると、モータ１５が停止するため、必要以上の締付けトルクでネジを締付けることがなく、ネジの頭を破壊したりすることがない。
【００６８】
（変更例１）
上記実施例ではインパクトドライバー１０で説明したが、これに限らずインパクトレンチなどの他のインパクト締付け電動工具に適用してもよい。
【００６９】
（変更例２）
上記実施例では、モータ１５の回転数を３個のホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を設けて検出したが、これに代えて、センサーレスの制御装置１８であってもよい。
【００７０】
具体的には、インバータ回路２１から固定子のコイル３４に流す駆動電流を検知し、これに基づいて回転子の回転位置を検出しモータ１５の回転数を求めてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上により本発明のインパクト締付け電動工具であると、設定した締付けトルクでモータが停止するため、ネジなどの被締付け対象物を破壊したりすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すインパクトドライバーの側面図である。
【図２】締付け部の構造を示す側面図である。
【図３】モータの制御装置のブロック図である。
【図４】トルク制御回路の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】トルク制御スイッチの値と回転数の差との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ インパクトドライバー
１１ 締付け部
１５ モータ
１７ トリガスイッチ
１８ 制御装置
２１ インバータ回路
２２ 演算回路
２３ 回転子位置検出回路
２４ 速度指令回路
２５ 回転方向指令回路
２６ 回転方向切替スイッチ
２８ ゲートドライブ回路
２９ 過電流保護回路
３６ トルク制御スイッチ
３８ ハンマー
４０ アンビル
４４ バネ
６２ 位置検出板
６４ 永久磁石
６６ アンビル位置検出回路
６８ トルク制御回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、インパクトドライバーやインパクトレンチなどのインパクト締付け電動工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インパクト締付け電動工具は、モータによって回転するハンマーと、ネジなどに係合して回転させるアンビルとを有している。そして、このハンマーとアンビルは相互に衝突して、ハンマーがアンビルを回転させる。
【０００３】
この場合に、ハンマーとアンビルの間に所定値以上の力がかかった時には、アンビルに対してハンマーが遊転するように連結されている。
【０００４】
このような構成を備えているので、ネジが軽い負荷で螺合する場合には、ハンマーがアンビルを連続的に回転させ、ネジを連続的に締付ける。一方、ネジが締め込まれ、アンビルとハンマーとの間に所定値以上の力がかかると、ハンマーは前記したように遊転を始め、所定角遊転した後にアンビルに衝突する。この遊転と衝突という動作が繰り返されることによって、ハンマーが衝突するためにアンビルは回転し、ネジがその度に締付けられていく。
【０００５】
このようなインパクト締付け電動工具の場合に、最終的なネジの締付けトルクは、衝突回数に依存する。このため、従来から締付けトルクを調整する技術として、ハンマーとアンビルの衝突回数を設定する設定手段を設け、この設定手段により設定された回数だけハンマーとアンビルが衝突した時にモータを停止し、適切な締付けトルクでネジを締付ける発明が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
（特許文献１）
特開平５−２００６７７号
（特許文献２）
特開２００１−２６９８７４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１及び特許文献２におけるハンマーとアンビルの衝突回数を検知する方法としては、ハンマーの近傍にマイクを取り付け、このマイクで衝突音を拾い、この衝突音に対応して衝突回数をカウントする構造となっている。
【０００８】
そのため、インパクト締付け電動工具内部にマイクを設けると共に、マイクから拾った音に基づいて衝突回数をカウントするための回路が必要となり、非常に複雑な構造となる。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、最適の締付けトルクでネジなどを締付けることができるインパクト締付け電動工具を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、モータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、前記モータの回転数と、前記アンビルの回転数との差が、予め定められた回転数の差に到達すると、前記モータの回転を停止させるトルク制御回路を有することを特徴とするインパクト締付け電動工具である。
【００１１】
請求項２の発明は、ブラシレスＤＣモータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する回転子位置検出手段と、この回転子位置検出手段からの信号に基づいて前記モータの回転数に関するモータ回転数信号を出力する回転子位置検出回路を有し、前記ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記モータ回転数信号に基づいて前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有し、前記アンビルの回転位置を検出するアンビル位置検出手段と、このアンビル位置検出手段からの信号に基づいて前記アンビルの回転数に関するアンビル回転数信号を出力するアンビル位置検出回路を有し、前記締付け対象を締付けるためのトルク設定値を設定するトルク制御スイッチを有し、前記モータ回転数信号に基づく前記モータの回転数と、前記アンビル回転数信号に基づく前記アンビルの回転数との差が、前記トルク設定値に基づいて予め定められた回転数の差に到達すると、前記ブラシレスＤＣモータの回転を停止させるように前記演算回路へ指示するトルク制御回路を有することを特徴とするインパクト締付け電動工具である。
【００１２】
請求項３の発明は、ブラシレスＤＣモータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を、固定子のコイルへ流れる駆動信号から検出すると共に前記モータの回転数に関するモータ回転数信号を出力する回転子位置検出回路を有し、前記ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記モータ回転数信号に基づいて前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有し、前記アンビルの回転位置を検出するアンビル位置検出手段と、このアンビル位置検出手段からの信号に基づいて前記アンビルの回転数に関するアンビル回転数信号を出力するアンビル位置検出回路を有し、前記締付け対象を締付けるためのトルク設定値を設定するトルク制御スイッチを有し、前記モータ回転数信号に基づく前記モータの回転数と、前記アンビル回転数信号に基づく前記アンビルの回転数との差が、前記トルク設定値に基づいて予め定められた回転数の差に到達すると、前記ブラシレスＤＣモータの回転を停止させるように前記演算回路へ指示するトルク制御回路を有することを特徴とするインパクト締付け電動工具である。
【００１３】
【作 用】
請求項１の発明であると、回転子の回転数とアンビルの回転数との回転数差が、予め定められた回転数に到達すると、設定された締付けトルクに到達したとして、モータの回転を停止させ、締付け作業を停止するものである。
【００１４】
請求項２及び請求項３の発明であると、回転子の回転数とアンビルの回転数との回転数差が、トルク設定値に基づく回転数に到達すると、設定された締付けトルクに到達したとして、ブラシレスＤＣモータの回転を停止させ、締付け作業を停止するものである。
【００１５】
すなわち、アンビルとハンマーの回転数が同じである場合には、最小のトルクで締付けられ、アンビルの回転数が０であり、モータの回転数が最大の場合には最大のトルクで締付けられている状態となっている。そのため、本発明ではこのアンビルの回転数に着目し、アンビルの回転数とモータの回転数との差が最大になった場合には最大の締付けトルクが発生しており、回転数の差が０の場合には最小の締付けトルクとなっているとする。
【００１６】
すると、この回転数の差が締付けトルクに対応しているため、トルク設定値に基づいて回転数の差を規定しておき、この規定した回転数の差と、アンビルと回転子の回転数の差が同じになった場合には、その設定した締付けトルクに到達したものとして、ブラシレスＤＣモータの回転を停止させる。
【００１７】
なお、ハンマーとブラシレスＤＣモータの回転軸との間に回転数を変速するギアボックスを有している場合には、その変速した回転数の差も考慮しておく。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図１から図５に基づいて説明する。
【００１９】
本実施例は、インパクト締付け電動工具の一つであるインパクトドライバー１０に関するものである。
【００２０】
（１）インパクトドライバー１０の構成
図１は、本実施例を示すインパクトドライバー１０の側面図である。
【００２１】
図１に基づいて、インパクトドライバー１０の構成について説明する。
【００２２】
インパクトドライバー１０は、胴部である略円筒状の外形の本体１２と、本体１２の先端部にドライバー工具が装着されるチャック部１３と、ピストル型になるように形成される把持部１４とを備えている。
【００２３】
本体１２の後部には、ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）１５と、変速機構であるギアボックス１６と締付け機構である締付け部１１とが内蔵されている。
【００２４】
把持部１４は作業者が手で把持できるように形成され、把持状態で指が位置する個所に引金状のトリガースイッチ１７が配されている。
【００２５】
このトリガースイッチ１７の操作により、モータ１５を所定の回転速度とトルクによって制御する制御装置１８の回路基板が、モータ１５の下方に配されている。
【００２６】
把持部１４の内部には、バッテリー１９と、このバッテリー１９と電気的に並列に接続された大容量の電源電圧平滑用コンデンサ２０が収納されている。
【００２７】
本体１２の側面には、回転方向を切り替えるための回転方向切替スイッチ２６と、可変式のトルク制御スイッチ３６が設けられている。
【００２８】
（２）打撃部１１
（２−１）打撃部１１の構造
締付け部１１の構造について、図２に基づいて説明する。
【００２９】
締付け部１１は、ハンマー３８と、アンビル４０とより構成されている。
【００３０】
ギアボックス１６の出力軸４６には複数の溝４８がＶ字形に形成されており、この出力軸４６にハンマー３８が遊転可能に配されている。ハンマー３８と溝４８との間にはボール５０が介装されている。この溝４８とボール５０とによりカム機構が形成され、ハンマー３８は出力軸４６に対し溝４８に沿って相対移動可能となっている。また、ハンマー３８と出力軸４６との間には、ボール５２とワッシャー５４を介してコイル状のバネ４４が圧縮状態で収容されており、ハンマー３８がアンビル４０の方向に常時付勢されている。
【００３１】
ハンマー３８の先端側には、アンビル４０が本体１２に対しベアリング４２を介して回転可能に取り付けられている。このアンビル４０の先端にはチャック部１３が取り付けられている。
【００３２】
アンビル４０の後側面、すなわちハンマー３８に対応する面には直径方向に伸びる一対の羽根部５６が形成されている。また、ハンマー３８の前面側、すなわち、アンビル４０の側にも直径方向に伸びる爪部５８が形成されており、羽根部５６と爪部５８の側面が当接するように構成されている。
【００３３】
アンビル４０の回転軸６０の先端は、前記したようにチャック部１３に連結されているが、この回転軸６０には、同軸に円盤状の位置検出板６２が取り付けられている。この位置検出板６２には、その回転が検出できるようにするために、Ｎ極とＳ極の扇状の永久磁石が配されている（図３参照）。このＮ極とＳ極の永久磁石の数は、モータ１５の回転子の内部に設けられているＮ極とＳ極の永久磁石と同じ態様、すなわち２極配されている。
【００３４】
この位置検出用永久磁石６４に対応する位置には、その回転状態を検出するためのホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６が配されている。この３個のホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６は本体１２内部から突出した固定版７０に固定されており、アンビル回転信号Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を出力する。
【００３５】
このアンビル４０の位置検出用永久磁石６４と、３個のホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６の役割については後から説明する。
【００３６】
（２−２）締付け部１１の作用
この締付け部１１において、ネジを軽い負荷で締付けている場合には、ハンマー３８はバネ４４の力によってアンビル４０側に押し付けられている。このため、ギアボックス１６の回転がハンマー３８とアンビル４０に連続的に伝えられ、ネジは連続的に締付けられる。
【００３７】
ところが、ネジに対する締付け力が大きくなると、モータ１５は回転し続けているため、ハンマー３８を引き寄せながらバネ４４が縮むため、反発力が溜まる。また、ハンマー３８が引き寄せられ、爪部５８がアンビル４０の羽根部５６を乗り越えると、バネ４４に蓄えられた力が一気に解放され、ハンマー３８は押し付けながら強力に回転する。そして、ハンマー３８の爪部５８がアンビル４０の羽根部５６を強力に打撃し、回転だけでは発生しない強力な締付けトルクでネジを締付けるものである。
【００３８】
この場合に、締付けトルクがあまり大きくなると、ネジの頭を壊す問題が発生するため、締付けトルクの最大値を設定する必要がある。そのために、トルク制御スイッチ３６によって、締付けトルクの最大値を設定する。この設定については後から詳しく説明する。
【００３９】
（３）モータ１５の構造
モータ１５は、３スロット２極のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型ブラシレスＤＣモータである。
【００４０】
固定子には３個の歯部が内方に突出し、各歯部にコイル３４が巻き付けられている。そして、この各歯部に巻き付けられたコイル３４は、Ｙ結線されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相よりなる３相を構成している。
【００４１】
このモータ１５は２極のＩＰＭ型であるので、回転子の内部にＮ極とＳ極の永久磁石がそれぞれ内蔵されている。
【００４２】
（４）制御装置１８の構成
次に、図３を参照してモータ１５を制御する制御装置１８について説明する。
【００４３】
図３はモータ１５の制御装置１８を示すブロック図である。
【００４４】
モータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４へ駆動信号がインバータ回路２１から供給される。インバータ回路２１を構成する６個のスイッチングトランジスタを用い、モータ１５のＹ結線された３相のコイル３４に双方向駆動電流を流して駆動するバイポーラ駆動を行う。バイポーラ駆動の方法としては、１２０°通電矩形波駆動法が挙げられる。このインバータ回路２１は、バッテリー１９である直流電源が供給されるが、インバータ回路２１とバッテリー１９との間には前記した電源電圧平滑用コンデンサ２０がバッテリー１９と並列に接続されている。
【００４５】
モータ１５の回転子８８の回転位置を検出するホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３からの回転信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は回転子位置検出回路２３へ出力し、回転子位置検出回路２３からモータ回転数信号Ａが出力される。
【００４６】
インバータ回路２１の各スイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート端子へゲート信号を送るゲートドライブ回路２８が設けられ、このゲートドライブ回路２８に対しＰＷＭ（パルス幅変調）信号を供給する演算回路２２が設けられている。この演算回路２２は、回転子位置検出回路２３からのモータ回転数信号Ａと、速度指令回路２４からの速度指令信号Ｂと、回転方向指令回路２５からの回転方向指令信号Ｃに基づいて、ＰＷＭ信号をゲートドライブ回路２８に出力する。
【００４７】
速度指令信号Ｂを出力する速度指令回路２４には、前記で説明したトリガースイッチ１７が接続され、このトリガースイッチ１７の作業者による押圧状態によって速度指令回路２４が演算回路２２に速度指令信号Ｂを出力する。すなわち、トリガースイッチ１７を多く引くことによってより早く回転するように速度指令信号Ｂが出力される。
【００４８】
本体１２にある回転方向切替スイッチ２６を正転または逆転に切替えることによって、その回転方向に応じた回転方向指令信号Ｃを回転方向指令回路２５が、演算回路２２へ出力する。
【００４９】
ゲートドライブ回路２８と演算回路２２との間にはロック保護回路２７が設けられている。このロック保護回路２７は、駆動電流がモータ１５に出力されているにも係わらず、モータ１５の回転がホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３からの回転信号によっては検出されないことを回転子位置検出回路２３が検知すると、演算回路２２からのゲートドライブ回路２８への信号を強制的に遮断する回路である。
【００５０】
バッテリー１９から出力される駆動電流を検出するための抵抗３２が接続され、この抵抗３２を流れる駆動電流を検出する過電流保護回路２９が設けられている。過電流保護回路２９は、抵抗３２を流れる駆動電流が設定値以上になった場合には過電流であると判断して演算回路２２に回転速度またはトルクを落とすように指示する制御信号を出力する。この制御信号が出力されると、演算回路２２は、ＰＷＭ波形のパルス幅を強制的に狭め、モータ１５の出力を低下させる。これにより、モータ１５のそれ以上の発熱が抑制され、温度上昇も起こることがなく制御装置１８の熱による損傷を防止できる。
【００５１】
制御部１８には、また、アンビル位置検出回路６６とトルク制御回路６８が設けられている。
【００５２】
アンビル位置検出回路６６は、アンビル４０の位置検出用永久磁石６４に対応する３個のホール素子Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６からのアンビル回転信号Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６が入力してアンビル４０の回転数を検出して、アンビル回転数信号Ｄを出力する。
【００５３】
トルク制御回路６８は、アンビル位置検出回路６６からのアンビル回転数信号Ｄと、回転子位置検出回路２３からの回転子回転数信号Ａが入力し、また、本体１２に設けられているトルク制御スイッチ３６も接続されている。さらに、トルク制御回路６８のメモリには、回転子回転数と、アンビル回転数との差である回転数の差と、トルク制御スイッチ３６との対応関係を示す図５のグラフのデータが記憶されている。
【００５４】
（５）トルク制御回路６８の動作内容
トルク制御回路６８は、ネジに対する締付けトルクを制御するものであり、トルク制御スイッチ３６によって設定された締付けトルクに対応して、現在締付けているアンビル４０のトルク力がこの設定トルク値に到達すると、トルク制御回路６８は演算回路２２に対しモータ１５を停止させる停止信号Ｅを出力する。
【００５５】
以下、その働きについて説明する。
【００５６】
インパクトドライバー１０を動作させて、ネジの締付けを開始した場合に、締付けトルクが弱い場合には、前記で説明したようにアンビル４０とハンマー３８とは同じ回転数で回転している。そのため、アンビル４０とハンマー３８との回転数差は０である。そして、ギアボックス１６によるギア比を考慮した上で、モータ１５の回転数とアンビル４０の回転数を比較した場合であっても、両者の回転数の差は０となっている。この場合に、締付けトルクは最小である。
【００５７】
その後、ネジを締付け、次第に締付けトルクが大きくなり、アンビル４０の回転数が０となり、モータ１５の回転数が最大となって、ハンマー３８がアンビル４０に対し遊転している場合には、最も締付けトルクが最大となる。すなわち、アンビル４０の回転数が０となり、モータ１５の回転数が上昇し最大になった場合には、最大の締付けトルクとなる。
【００５８】
この観点から、インパクトドライバー１０の現在の締付けトルクを計測することができる。具体的には、アンビル４０の回転数とモータ１５の回転数との差を計算し、回転数に差がなければ締付けトルクは最小であり、その回転数の差が最大となれば最大の締付けトルクとなっている。そこで、トルク制御スイッチ３６によって、この回転数の差に対応した締付けトルクを設定し、アンビル４０とモータ１５の回転数の差が、トルク制御スイッチ３６によって設定した回転数の差になった場合には、目的の締付けトルクで締付けられている状態であると判断し、トルク制御回路６８は停止信号Ｅを出力するものである。なお、トルク制御スイッチ３６の値と回転数の差とは予め実験によって対応関係を求めておき、トルク制御回路６８のメモリに図５に示すグラフのデータとして記憶させておく。
【００５９】
以上の関係を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００６０】
ステップ１において、作業者はトルク制御スイッチ３６によって、その作業における締付けトルクを設定する。
【００６１】
ステップ２において、ネジを締付ける作業を開始する。
【００６２】
ステップ３において、トルク制御回路６８がモータ１５の回転数を検出する。
ステップ４において、トルク制御回路６８はアンビル４０の回転数を検出する。
【００６３】
ステップ５において、モータ１５の回転数とアンビル４０の回転数との差Ｍ１を計算する。
【００６４】
ステップ６において、設定した締付けトルクに対応する回転数の差Ｍ２をトルク制御回路６８はメモリから呼び出す。
【００６５】
ステップ７において、Ｍ１がＭ２より大きくなれば、すなわち設定した締付けトルクに到達すればステップ８に進み、そうでなければステップ３に戻る。
【００６６】
ステップ８において、設定した締付けトルクに到達しているため、トルク制御回路６８は、モータ１５を停止するように演算回路２２に停止信号Ｅを出力し終了する。
【００６７】
上記の構成により、作業者が設定した締付けトルクに到達すると、モータ１５が停止するため、必要以上の締付けトルクでネジを締付けることがなく、ネジの頭を破壊したりすることがない。
【００６８】
（変更例１）
上記実施例ではインパクトドライバー１０で説明したが、これに限らずインパクトレンチなどの他のインパクト締付け電動工具に適用してもよい。
【００６９】
（変更例２）
上記実施例では、モータ１５の回転数を３個のホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を設けて検出したが、これに代えて、センサーレスの制御装置１８であってもよい。
【００７０】
具体的には、インバータ回路２１から固定子のコイル３４に流す駆動電流を検知し、これに基づいて回転子の回転位置を検出しモータ１５の回転数を求めてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上により本発明のインパクト締付け電動工具であると、設定した締付けトルクでモータが停止するため、ネジなどの被締付け対象物を破壊したりすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すインパクトドライバーの側面図である。
【図２】締付け部の構造を示す側面図である。
【図３】モータの制御装置のブロック図である。
【図４】トルク制御回路の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】トルク制御スイッチの値と回転数の差との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ インパクトドライバー
１１ 締付け部
１５ モータ
１７ トリガスイッチ
１８ 制御装置
２１ インバータ回路
２２ 演算回路
２３ 回転子位置検出回路
２４ 速度指令回路
２５ 回転方向指令回路
２６ 回転方向切替スイッチ
２８ ゲートドライブ回路
２９ 過電流保護回路
３６ トルク制御スイッチ
３８ ハンマー
４０ アンビル
４４ バネ
６２ 位置検出板
６４ 永久磁石
６６ アンビル位置検出回路
６８ トルク制御回路
Claims (3)
- モータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、
前記モータの回転数と、前記アンビルの回転数との差が、予め定められた回転数の差に到達すると、前記モータの回転を停止させるトルク制御回路を有する
ことを特徴とするインパクト締付け電動工具。 - ブラシレスＤＣモータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、
前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する回転子位置検出手段と、この回転子位置検出手段からの信号に基づいて前記モータの回転数に関するモータ回転数信号を出力する回転子位置検出回路を有し、
前記ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記モータ回転数信号に基づいて前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有し、
前記アンビルの回転位置を検出するアンビル位置検出手段と、このアンビル位置検出手段からの信号に基づいて前記アンビルの回転数に関するアンビル回転数信号を出力するアンビル位置検出回路を有し、
前記締付け対象を締付けるためのトルク設定値を設定するトルク制御スイッチを有し、
前記モータ回転数信号に基づく前記モータの回転数と、前記アンビル回転数信号に基づく前記アンビルの回転数との差が、前記トルク設定値に基づいて予め定められた回転数の差に到達すると、前記ブラシレスＤＣモータの回転を停止させるように前記演算回路へ指示するトルク制御回路を有する
ことを特徴とするインパクト締付け電動工具。 - ブラシレスＤＣモータによって回転するハンマーがアンビルに衝突することにより前記アンビルが回転して、ネジやボルトやナット等の締付け対象を締付けるインパクト締付け電動工具において、
前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を、固定子のコイルへ流れる駆動信号から検出すると共に前記モータの回転数に関するモータ回転数信号を出力する回転子位置検出回路を有し、
前記ブラシレスＤＣモータへ駆動信号を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するゲートドライブ回路と、前記モータ回転数信号に基づいて前記ゲートドライブ回路をＰＷＭ制御する演算回路とを有し、
前記アンビルの回転位置を検出するアンビル位置検出手段と、このアンビル位置検出手段からの信号に基づいて前記アンビルの回転数に関するアンビル回転数信号を出力するアンビル位置検出回路を有し、
前記締付け対象を締付けるためのトルク設定値を設定するトルク制御スイッチを有し、
前記モータ回転数信号に基づく前記モータの回転数と、前記アンビル回転数信号に基づく前記アンビルの回転数との差が、前記トルク設定値に基づいて予め定められた回転数の差に到達すると、前記ブラシレスＤＣモータの回転を停止させるように前記演算回路へ指示するトルク制御回路を有する
ことを特徴とするインパクト締付け電動工具。
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