JP4882808B2 - 回転式工具 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転出力を用いてねじの締め緩めを行う回転式工具に関するものである。

従来から、モータの回転出力を用いてねじの締め緩めを行う回転式工具が提供されている。この種の回転式工具を工場内で使用する場合には、作業内容に応じて締付トルク、締付速度などを管理する必要がある。

ただし、この種の回転式工具では、ねじの締込量を使用者が判断していたのではねじの締込量に過不足が生じるから、適正な締込量が得られた時点でモータの回転を自動的に停止させる技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術では、相手部材までの距離を計測し、所定距離に達するとモータの回転を停止させる技術を採用している。また、モータの回転を停止させる条件としては、締付トルクを判定する技術も提案されている。さらに、特許文献１には、ねじが相手部材に対して斜めに挿入されるのを防止する技術も記載されている。
特開２００３−１３６４１９号公報

ところで、相手部材に規定距離まで近付くとモータの回転を自動的に停止させる技術を採用すると、相手部材に螺入させるねじのねじ径が同じであれば、ねじ長が異なっていても正常な締付と判断されるという問題が生じる。とくに、工場のように１人の作業者が複数種類のねじを締め付ける場合には、この種の誤りを生じる可能性が高くなる。

また、締付トルクが所定値に達したときにモータの回転を自動的に停止させる技術を採用すると、相手部材に対して斜めに挿入されていたり異物が付着していることによって、ねじを締め付けるトルクが上昇した場合であっても締付完了と判断し、締込量に不足を生じる可能性がある。斜めに挿入されているか否かは、特許文献１に記載された技術を採用すれば検出することはできるが、締付トルクを監視する技術に特許文献１に記載された斜め挿入を防止する技術を組み合わせたとしても、ねじに異物が付着している場合に生じる締込量の不足を検出することはできない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ねじの締込量の不足を防止し、しかも締め付けるねじ種の誤りも防止することができる回転式工具を提供することにある。

請求項１の発明は、モータの回転と停止とを制御するモータ制御手段と、モータの回転出力がインパクト機構を介して伝達されることにより回転するねじ締め用のツールと、モータとツールとの一方の回転角を検出する回転角検出手段と、インパクト機構による衝撃力の発生タイミング間におけるねじの回転角からねじの締付トルクを判断し締付トルクが規定値になるとモータの停止をモータ制御手段に指示する締付判定手段と、締付判定手段によりモータの停止が指示されたときに、回転角検出手段により１本のねじ締めの開始から検出された回転角の積算値が１本のねじの仕様に応じた設定範囲内であるときに正常と判定するねじ長判定手段とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記締付判定手段によりモータの停止が指示されたときに、前記ねじ長判定手段の判定結果が正常でない場合に報知する報知手段が付加されていることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記モータ制御手段は、ねじを緩める向きに前記モータを逆回転させる機能を有し、モータ制御手段がモータを逆回転させている間には前記締付判定手段の指示を無効にすることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、モータが停止したときに、１本のねじ締めの開始からモータの停止までの回転角（回転量）の積算値が１本の設定範囲内であれば正常と判定するねじ長判定手段を設けていることにより、ねじの締込量が不足していて回転角が不足しているときには正常の判定がなされないから、ねじが斜めに傾いていたりねじに異物が付着していることにより締込途中でモータが停止した場合には正常の判定がなされず、締込量の不足を防止することができる。また、ねじ径が等しくねじ長の異なるねじを締め付けたときにも正常と判定されないから、ねじ種の誤りを防止することができる。つまり、ねじ長判定手段により、締込量の不足とねじ種の誤りとの２種類の作業ミスを検出することが可能になる。さらにまた、インパクト機構を用いてねじ締めを行い、インパクト機構による衝撃力の発生タイミング間におけるねじの回転角からねじの締付トルクを判断し、締付トルクが規定値になるとモータの停止を指示するので、ねじの締付トルクの過不足を防止することができる。

請求項２の発明の構成によれば、ねじ長判定手段の判定結果が正常でないときに報知する報知手段を設けているから、ねじ締め作業の作業ミスを作業者に報知し、作業結果の確認を促すことができる。

請求項３の発明の構成によれば、ねじを緩めているときにモータが停止する不都合をなくすことができる。

以下に説明する実施形態では、回転式工具として、モータの回転出力をハンマに伝達しハンマでアンビルを打撃して衝撃力を発生させ、ねじの締め緩めの回転力に衝撃力を併せて用いるインパクト工具を例示するが、本発明の技術はインパクト工具以外の回転式工具にも適用可能である。

（実施形態１）
本実施形態は、図２、図３に示すように、モータ２を内蔵する中空のバレル部１１と手で把持するグリップ部１２とを一体に備えたハウジング１を有し、グリップ部１２には充電池１４を収納したバッテリパック１３が着脱可能に装着される。図示するハウジング１は、バレル部１１とグリップ部１２との長手方向が交差した銃形状に形成されているが、バレル部１１とグリップ部１２とが略一直線上に配列された棒形状に形成されたハウジング１を用いてもよい。

バレル部１１には、動力源としてのモータ２のほか、モータ２の回転出力を所定の減速比で減速する減速機２１と、減速機２１の回転出力により衝撃力を発生させるインパクト機構２２とが収納される。インパクト機構２２の出力はドライバビットのようなねじ締め用のツール３が着脱可能に装着されるソケット２３に伝達される。ソケット２３はツール３を着脱可能な構造であれば、チャックのほか他の構造も採用することができる。

インパクト機構２２は、減速機２１の回転出力により回転するハンマ２２ａと、ハンマ２２ａにより間欠的に打撃されるアンビル２２ｂとを備え、アンビル２２ｂがハンマ２２ａに打撃されることによりアンビル２２ｂが回転する。つまり、アンビル２２ｂには打撃による衝撃力とともに回転力が生じ、アンビル２２ｂに結合されたソケット２３に装着されたツール３に衝撃力と回転力とが伝達され、ツール３によりねじ４を相手部材５に締め緩めする際にねじ４に回転力とともに衝撃力を作用させることができる。ハンマ２２ａとアンビル２２ｂとの組み合わせには種々構成があるが、要旨ではないから説明を省略する。

モータ２の回転の開始および停止と回転速度の指示とを行うために、グリップ部１２にはトリガ１５が設けられる。トリガ１５はグリップ部１２の前面（バレル部１１におけるモータ２側を後部、ソケット２３側を前部とする）におけるバレル部１１側の一端部において、グリップ部１２の前面に対してツール３の突出方向に進退可能となるように設けられ、グリップ部１２の内部に設けたトリガボリューム３１（図１参照）を操作する。

トリガボリューム３１は、スイッチ付きの可変抵抗器であって、グリップ部１２からトリガ１５が最大に突出している状態ではスイッチがオフになりモータ２への通電を停止する。また、グリップ部１２に対してトリガ１５を所定量押し込むとスイッチがオンになり、押し込んだ量に応じて可変抵抗器の抵抗値が変化する。可変抵抗器の抵抗値の変化は後述するモータ制御手段３０（図１参照）に与えられ、トリガ１５の押し込み量に応じてモータ２の回転速度が変化するようにモータ制御手段３０がモータ２を制御する。トリガ１５の押し込み量とモータ２の回転速度との関係については後述する。トリガ１５の近傍には、モータ２の回転方向を選択する方向選択スイッチ１６が設けられる（図１参照）。

図１に示すように、充電池１４からモータ２への給電経路には印加電圧制御回路３２が設けられる。印加電圧制御回路３２は、モータ２への給電経路に挿入されるスイッチング素子を備える。また、印加電圧制御手段３２のスイッチング素子は、モータ制御手段３０によりＰＷＭ制御され、モータ２に印加する平均電圧を変化させてモータの回転速度を変化させる。上述したトリガボリューム３１の抵抗値はモータ２の回転速度の目標値を指示し、モータ制御手段３０は、トリガボリューム３１で指示された目標値を維持するように印加電圧制御手段３２に設けたスイッチング素子のオンデューティを変化させるフィードバック制御を行う。また、スイッチング素子をオフにすればモータ２は停止する。

たとえば、モータ２として巻線をスター接続した３相のブラシレスモータを用いる場合には、印加電圧制御回路３２として、各相ごとに２個のスイッチング素子の直列回路を設けて充電池１４に並列接続し、各相における２個のスイッチング素子の接続点に各巻線の一端を接続する構成を採用することができる。モータ制御手段３０は、印加電圧制御回路３２における６個のスイッチング素子のオンオフのタイミングを回転子の位置に応じて制御し、さらにトリガボリューム３１の抵抗値の変化に応じてオン期間をＰＷＭ制御する。この動作により、トリガ１５の押込量に応じてモータ２の回転速度を変化させることができる。

ところで、モータ制御手段３０はトリガボリューム３１からの指示を受けるだけではなく、締付判定手段３３からもモータ２の運転の停止の指示を受ける。締付判定手段３３は、ねじ４の締付トルクが所要値になったかどうかを判断する機能を有し、締付トルクが所要値になったと判断するとモータ制御手段３０に対してモータ２の停止を指示する。

以下では、締付判定手段３３について説明する。ねじ４の締付トルクを判定する技術は種々考えられるが、本実施形態では、締付判定手段３３においてねじ４の締付トルクを判断するために、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを打撃することによる衝撃力の発生タイミングの情報と、ねじ４の回転角との２種類の情報を用いる例を示す。

衝撃力の発生タイミングは、インパクト機構２２の近傍に打撃音を検出するマイクロホンや打撃の際の衝撃を検出する加速度センサのような打撃検出手段３６を用いて検出する。打撃検出手段３６では、マイクロホンや加速度センサの出力波形に適宜の閾値を適用することにより、衝撃力の発生タイミングを検出する。

本構成では、回転角検出手段３４をモータ２の出力軸の各端部のうち減速機２１とは反対側の端部に結合してある。回転角検出手段３４をこの位置に設けると、バレル部１１の重心位置をバレル部１１の後端側に位置させることができるから、グリップ部１２において手で把持している部位の周りに作用するモーメントが小さくなり、ツール３とねじ４との位置合わせの際に回転角検出手段３４がバレル部１１の前端部に位置する場合よりも小さい力でハウジング１を支持することが可能になる。しかしながら、モータ２とツール３との間に減速機２１およびインパクト機構２２が挿入されるから、モータ２の回転角からねじ４（あるいはツール３）の回転角を直接求めることはできない。

モータ２の回転角からねじ４の回転角を求めるには、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを打撃する間の回転角を用いる。つまり、ねじ４はツール３と一体に回転するから、角度θ_ｎの位置のねじ４が１回の打撃で角度θ_ｎ＋１の位置に進んだとすれば、ねじ４の回転角（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）は、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを１回打撃する間のハンマ２２ａの回転角θｈ_ｎからハンマ２２ａとアンビル２２ｂとの寸法によって決まる一定角度θａを減算した値になる。また、ハンマ２２ａの回転角θｈ_ｎは、モータ２の回転角Φ_ｎと減速機２１の減速比ｋ（＞１）とにより決まり、θｈ_ｎ＝Φ_ｎ／ｋであるから、１回の打撃によるねじ４の回転角（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）は、θ_ｎ＋１−θ_ｎ＝Φ_ｎ／ｋ−θａとして求めることができる。回転角検出手段３４としては、周波数ジェネレータを用い、周波数ジェネレータの出力パルスの個数をモータ２の回転角Φ_ｎに対応付けている。なお、モータ２にブラシレスモータを用いているときには、ロータの位置を検出する位置検出パルスを用いて回転角Φ_ｎを求めてもよい。

回転角検出手段３４により検出されたモータ２の回転角と、打撃検出手段３６により検出された打撃のタイミングとは回転角演算手段３５に与えられる。回転角演算手段３５は、モータ２の回転角を用いて１回の打撃毎にアンビル２２ｂの回転角（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）を推定する。

ところで、インパクト機構２２によりハンマ２２ａからアンビル２２ｂに与えた運動エネルギは、ねじ４を回転させるエネルギにより消費される。また、１回の打撃によるねじ４の回転角と締付トルクとの積は、ねじ４により消費されたエネルギに相当するから、１回の打撃によりハンマ２２ａからアンビル２２ｂに与えた運動エネルギとねじ４の回転角とがわかれば、締付トルクがわかる。ここでは、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを打撃したときのエネルギがすべてねじ４の回転で消費されると仮定する。

ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを打撃したときの運動エネルギＥは、ハンマ２２ａにより打撃された直後のアンビル２２ｂの角速度ωと、アンビル２２ｂの慣性モーメントＪａとを用いて、Ｅ＝（１／２）ω^２・Ｊａと表される。この式において、角速度ωは、モータ２の回転速度から検出することができ、慣性モーメントＪａは、アンビル２２ｂの形状、寸法、質量により決まる固有値である。

一方、ねじ４が相手部材５に着座した後に、角度θ_ｎの位置のねじ４が１回の打撃で角度θ_ｎ＋１の位置に進んだとすれば、ねじの回転により消費されるエネルギＥ_ｎは、関数τ（θ）の閉区間［θ_ｎ，θ_ｎ＋１］における積分値になる。つまり、この区間［θ_ｎ，θ_ｎ＋１］のトルクの平均値Ｔ_ａｖｅは、角度θ_ｎの位置のねじ４を角度θ_ｎ＋１の位置に回転させる間に消費されたエネルギＥ_ｎをねじ４の回転角（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）で除した値、すなわち、Ｔ_ａｖｅ＝Ｅ_ｎ／（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）になる。

上述したように、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを打撃したエネルギＥと、ねじ４の回転で消費されたエネルギＥ_ｎとが等しいと仮定しているから、１回の打撃に対するねじ４の締付トルクの平均値Ｔ_ａｖｅは、Ｔ_ａｖｅ＝ω^２・Ｊａ／｛２（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）｝になる。この式は、、１回の打撃による回転角（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）がわかれば、締付トルクＴ_ａｖｅがわかることを示している。１回の打撃によるねじ４の回転角（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）は、上述したように、θ_ｎ＋１−θ_ｎ＝Φ_ｎ／ｋ−θａとして求めることができるから、ハンマ２２ａによるアンビル２２ｂの打撃間のモータ２の回転角Φ_ｎと、打撃直後の回転速度ｖ（角速度ωを求めるため）と、打撃のタイミングとを検出すれば、締付トルクＴ_ａｖｅを推定できることになる。

上述したように、１回の打撃毎のねじ４の回転角（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）から締付トルクＴ_ａｖｅを推定することができる。締付判定手段３３では、推定した締付トルクが規定値に達すると、モータ制御手段３０にモータ２の停止を指示する。つまり、規定の締付トルクに達した時点でモータ２を自動的に停止させることができ、ねじ４の締付トルクの過不足を防止することができる。

適正な締付トルクは、ねじ４や相手部材５の材料、ねじ４のピッチなどにより異なり、またねじ４を適用する場所によって締付トルクの適正値が決められるから、締付判定手段３３にはモータ２の停止を指示する締付トルクを変更可能にする手段（図示せず）を設けている。モータ制御手段３０と締付判定手段３３と回転角演算手段３５とはマイクロコンピュータを用いて構成される。

ところで、締付トルクの監視のみによってモータ２を自動停止させると、従来技術の問題点として説明したように、ねじ種の誤りや締込量の不足といった問題を生じることがある。本構成では、回転角検出手段３４もしくは回転角演算手段３５の出力を用いてねじ締めの開始から締付判定手段３３がモータ２の回転停止をモータ制御手段３０に指示するまでの間の回転角（回転量）を求めるねじ長判定手段３７を設けることにより、この問題を解決している。図示例では、回転角演算手段３５で求めた打撃毎の回転角を用いてねじ４の回転角（回転量）を推定する構成を採用しており、ねじ長判定手段３７では、打撃毎の回転角の積算値をねじ締めの開始からの回転量として用いる。

ねじ長判定手段３７は、図４に示すように、締付判定手段３３がモータ２の停止を指示したときに（図４の縦軸における締付完了の時点）、回転角（回転量）が設定範囲Ｄｓ内か否かを判定し、設定範囲Ｄｓ内であれば正常と判定する。ねじ種（主としてねじ長を考慮すればよいが、打撃毎の回転角を検出する場合はねじ径やピッチも考慮する）に応じて設定範囲Ｄｓを変更可能とするために、ねじ長判定手段３７にはねじ長設定手段３８が付設される。ねじ長設定手段３８では、設定範囲Ｄｓの代表値Ｖｍを指定し、代表値Ｖｍに対して規定の誤差範囲を設定範囲Ｄｓとする。

ねじ長判定手段３７による判定結果が正常であれば、とくに報知の必要はないが、判定結果が正常でない場合には、ねじ種が誤っているか締込量が不足している場合が考えられるから、ねじ長判定手段３７において正常の判定がなされない場合には報知手段３９により報知する。たとえば、図４の左側に示している動作では、締付完了の時点で回転角（回転量）が設定範囲Ｄｓから逸脱している。このような場合には、報知手段３９による報知を行う。報知手段３９には、ランプを用いた視覚的報知とブザーのような聴覚的報知との少なくとも一方を用いる。

ところで、モータ制御手段３０は、方向選択スイッチ１６の指示によりモータ２の回転方向を選択し、ねじ４を緩める向きにモータ２を逆回転させることも可能になっている。ねじ４を緩める際には、モータ２を自動的に停止させる必要がないから、締付判定手段３３の指示を無効にする。ただし、逆回転の際にもトリガボリューム３１の操作は有効であり、逆回転においても運転と停止、回転速度の変化は可能である。

（実施形態２）
実施形態１では、モータ２の回転角を回転角検出手段３４で検出し、ねじ４の回転角を回転角演算手段３５で推定する技術を採用したが、本実施形態では、図５に示すように、回転角検出手段３４によりアンビル２２ｂの回転角を直接検出する技術を採用している。アンビル２２ｂの回転角を検出するには、アンビル２２ｂとソケット２３との間に、たとえばロータリエンコーダを回転角検出手段３４として配置する。この構成では、ねじ４の回転角度を直接検出することができる。他の構成および動作は実施形態１と同様であり、実施形態１と同様に、回転角検出手段３４の出力を用いて打撃時点を検出することが可能である。

実施形態１を示すブロック図である。 同上におけるハウジングの内部の概略構成図である。 同上の外観を示す側面図である。 同上の動作説明図である。 実施形態２を示すブロック図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ モータ
３ ツール
４ ねじ
５ 相手部材
１６ 方向選択スイッチ
２２ インパクト機構
２２ａ ハンマ
２２ｂ アンビル
３０ モータ制御手段
３１ トリガボリューム
３３ 締付判定手段
３４ 回転角検出手段
３５ 回転角演算手段
３６ 打撃検出手段
３７ ねじ長判定手段
３８ ねじ長設定手段
３９ 報知手段

Claims (3)

1. モータの回転と停止とを制御するモータ制御手段と、モータの回転出力がインパクト機構を介して伝達されることにより回転するねじ締め用のツールと、モータとツールとの一方の回転角を検出する回転角検出手段と、インパクト機構による衝撃力の発生タイミング間におけるねじの回転角からねじの締付トルクを判断し締付トルクが規定値になるとモータの停止をモータ制御手段に指示する締付判定手段と、締付判定手段によりモータの停止が指示されたときに、回転角検出手段により１本のねじ締めの開始から検出された回転角の積算値が１本のねじの仕様に応じた設定範囲内であるときに正常と判定するねじ長判定手段とを備えることを特徴とする回転式工具。
2. 前記締付判定手段によりモータの停止が指示されたときに、前記ねじ長判定手段の判定結果が正常でない場合に報知する報知手段が付加されていることを特徴とする請求項１記載の回転式工具。
3. 前記モータ制御手段は、ねじを緩める向きに前記モータを逆回転させる機能を有し、モータ制御手段がモータを逆回転させている間には前記締付判定手段の指示を無効にすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転式工具。

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