JP5050667B2 - 打撃工具 - Google Patents

Description

本発明は、打撃工具、詳しくは電動ハンマやハンマドリル等、モータ駆動で往復動するピストンと連動して打撃運動する打撃子の打撃力を、工具本体の先端に挿着したドリルビットやブルポイントなどの先端工具に伝達し、コンクリートや石材等の穿孔や破砕を行う打撃工具に関するものである。

一般に、モータによってピストンを先端工具の軸上で前後に往復動させることにより、ピストンと打撃子間で形成した空気室の空気圧を変動させて、空気圧の変動（空気バネ）を利用して打撃子に打撃運動を発生させ、中間子を介して先端工具に打撃力を伝達するとともに、上記モータの回転を歯車等の減速機構を介して前記先端工具に回転を伝達し、コンクリート等に穿孔する工具としてハンマドリルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、ハンマドリルの主な作業として挙げられる天井面の穿孔をする場合、工具本体の取り回しが良いことや作業時間が短いことなどが作業効率を向上させるので、ハンマドリルには小型軽量でしかも高速穿孔が求められている。

一般的に、高速穿孔を実現する工具を開発するには、一打撃当たりの打撃エネルギを大きくするか、あるいはモータの回転数を上げて打撃数を多くするかの２つの選択肢がある。しかし、一打撃当たりの打撃エネルギを大きくする場合、打撃子の質量を大きくするとともに、該打撃子を駆動させるための打撃機構部も大きくする必要があるため、工具本体が大型化して作業性が損なわれる。このため、モータの回転数を上げて打撃数を増やすことによって穿孔速度を上げる方法が選択されることが望ましい。

ところが、打撃数を上げて穿孔速度を上げていくと、ある打撃数で打撃子がピストンに追従できなくなり、打撃力が弱くなるので穿孔速度が低下する。つまり、モータの回転に連動してピストンが往復運動し、空気室の空気圧変動を利用して打撃子に打撃運動を発生させるが、ピストンの往復動が速すぎると打撃子が空気圧変動に追従できず、該打撃子の打撃運動は乱れて発生する打撃力が弱くなってしまうのである。このようにバランスが崩れ始める打撃数として限界打撃数があり、該限界打撃数を境にして急激に穿孔速度が低下し、所謂打撃不良が発生する。

この問題を解決するためには、限界打撃数に達しないようにモータの回転数を下げればよいことになる。そこで、モータの個体差によるモータ特性のバラツキを考慮し、モータの回転数を限界打撃数に達しないように低く設定した打撃工具が市場で販売されている。
特開昭６１−１６４７８５号公報

しかしながら、上述の問題を解決する手段として、モータ回転数を限界打撃数に達しないように低く設定する場合、モータ特性のバラツキを考慮するだけでは不十分である。つまり、穿孔対象となるコンクリート強度、先端工具の質量や形状などで衝突部品の反発係数が異なり、打撃子の打撃運動に大きく関わるため限界打撃数も異なる。したがって、これらのバラツキも考慮すると、設計時の打撃数は限界打撃数より大幅に低く設定しなければならないという問題があった。

また、充電工具の場合、作業中に電池電圧が低下してモータの回転数も低下するため、打撃数は限界打撃数から大幅に低下し、打撃子の打撃効率も下がってしまうという問題がある。

本発明は上記問題を解消し、工具自体が作業時の限界打撃数を把握し、常にその限界打撃数に近い回転となるようにモータの回転を制御して打撃の高効率化を図るとともに、工具の小型化、軽量化を実現することができる打撃工具を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る打撃工具は、工具本体内にモータを駆動源として往復動するピストンと、該ピストンの往復動による空気圧変動を利用して打撃運動をする打撃子と、該打撃子の打撃力を上記工具本体の先端に挿着された先端工具に伝達する中間子を備えた打撃工具において、上記工具本体には打撃運動する打撃子の状態を計測する計測手段と、上記モータの回転数を制御する制御手段とを設け、該制御手段は上記打撃子が上記ピストンの往復動に追従できなくなる限界打撃数を上記計測手段で判断し、上記モータの回転数を制御することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、上記計測手段が上記モータの電流値を計測し、上記制御手段は単位時間毎に上記電流値をサンプリングし、直前にサンプリングした電流値と現在サンプリングした電流値とから電流値の変化を監視し、電流値が直前に計測した電流値よりも大幅に低下すれば、限界打撃数を超えたと判断することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、工具本体には中間子を介して先端工具に打撃力を与える打撃子の打撃状態を計測する計測手段と、モータの回転数を制御する制御手段とを設け、該制御手段は前記打撃子がピストンの往復動に追従できなくなる限界打撃数を上記計測手段で判断し、上記モータの回転数を制御するという構成であるから、常に限界打撃数に近い打撃数となるようにモータ回転数を制御することにより、打撃数を極限まで大きくして打撃の高効率を図ることができ、小型でかつ軽量でありながら打撃能力が優れた高性能な打撃工具を得ることができる。

請求項２に係る発明によれば、上記計測手段がモータの電流値を計測し、上記制御手段は単位時間毎に上記電流値をサンプリングし、直前にサンプリングした電流値と現在サンプリングした電流値とから電流値の変化を監視し、電流値が直前に計測した電流値よりも低下すれば、限界打撃数を超えたと判断するという構成であるから、電流値によって限界打撃数を知ることができ、常に限界打撃数に近い打撃数となるようにモータの回転数を制御することができる。

図１はハンマドリルの要部の縦断面図である。同図において符号１は工具本体を示す。工具本体１内には往復動可能な有底筒状のピストン２と、該ピストン２の内部に摺動自在に配置された打撃子３と、上記ピストン２の前後往復動によって上記ピストン２と打撃子３との間に形成された空気室Ｓの空気圧変動に連動して打撃運動する打撃子３の打撃力を伝達される中間子４と、中間子４を介して打撃力を伝達される先端工具５とを備え、これらピストン２と中間子４と先端工具５とはシリンダ６に摺動自在に収容されている。

工具本体１の後方には、モータ７が収容され、モータ７の出力軸７ａは中間軸８と噛合している。中間軸８には運動変換部材９が回動自在に外装され、中間軸８が回転したときに運動変換部材９も回転するように構成されている。ピストン２の後端と上記中間軸８の外側の運動変換部材９とは揺動軸１０を介して連結されている。これにより、運動変換部材９が回転すると、その回転は揺動軸１０の前後方向の揺動運動に変換される。

すなわち、モ−タ７が回転すると、その回転力は出力軸７ａから中間軸８に伝達される。中間軸８の回転力は運動変換部材９に伝達される。運動変換部材９の回転により揺動軸１０が前後方向に揺動し、さらにピストン２の往復運動に変換される。ピストン２が往復動すると、内部の打撃子３の後方の空気室Ｓの空気圧が変動するので、打撃子３も連動して打撃運動し中間子４に打撃力を付与し、さらにピストンの前部に配置された先端工具５に中間子４を介して打撃力が伝達され、コンクリ−トや石材等の対象物に押し付けられている先端工具５で穿孔や破砕が行われる。

なお、内部機構の詳細は省略するが、上記ハンマドリルでは先端工具５が回転しながら打撃する回転・打撃モードと、先端工具５が回転せずに打撃だけを実行する打撃モードが選択できるように構成されている。

次に、上記モータ７に電力を供給する電源バッテリ１２はグリップ１１の前方に配置されている。つまり、工具本体１の内部には、上述のようにピストン２と中間子４と先端工具５を前後方向に直列に配置する必要があるほか、ピストン２の後方にはさらにピストン２を前後方向に往復動させるスペースが必要となる。このため、工具本体１はその構造上前後に長くならざるを得ない。このため、工具本体１の下部には余分なスペースが発生する。そこで、このスペースを利用して電源バッテリ１２が配置されている。また、工具本体１の全高は工具本体１の後方のモータ７とグリップ１１等で決定されるので、工具本体１と電源バッテリ１２との間にはデッドスペースが発生するから、ここに上記モータ７の制御基板（後述の制御手段１４）を配置すればよい。これにより、工具全体をコンパクトにすることができる。

次に、上記ハンマドリルは効率的に高速穿孔を行なうため、モータ７の回転を上げて穿孔速度を上げていく段階で、空気室Ｓ内の空気バネのバランスが崩れて急激に穿孔速度が落ちるので、これに対応し、後述する計測手段１３でこの穿孔速度が落ちる限界打撃数を計測し、制御手段１４により限界打撃数の直前でモータ７の回転数が一定になるように制御している。

すなわち、図２に示すように、モータ７（ブラシレスモータ）への印加電圧（曲線ｃ）を上げていくとモータ７の回転数にほぼ比例して穿孔速度（曲線ａ）が上昇していくが、この穿孔速度は限界打撃数をピークに急激に低下する。この穿孔速度の変化はブラシレスモータ７に流れる電流（曲線ｂ）の変化に対応し、変局点Ｐを超えたときに穿孔速度も急激に低下することがわかっている。そこで、この電流の変化を計測手段によって監視し、電流値が上昇状態から下降状態に変化したことを検出してモータ回転数が限界打撃数を超えたことが判断できるようにした。

図３はハンマドリルのブロック図を示す。符号１３は計測手段、１４は制御手段、２５はトリガスイッチ、１６は電源バッテリの電池パック、１７はメインスイッチ、１８は電池パックから供給される電圧を上記制御手段１４を作動させる電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、１９はモータ７を駆動するインバータ回路を示す。

上記計測手段１３は、モータ７の駆動電流を計測するもので、この計測手段１３は抵抗素子で構成し、この抵抗素子の端子電圧から回路を流れる駆動電流を求めるようにしてもよいし、回路を流れる電流によって発生する磁束を測定して駆動電流を求めるホール素子型電流センサ等を使用してもよい。計測手段１３で計測した計測結果は制御手段１４に入力される。

制御手段１４はマイクロプロセッサで構成され、内蔵したメモリに常駐している制御プログラムに基づいてモータ７の駆動電流を監視するとともに、モータ７のステータコイルに印加する電圧を制御するスイッチング素子（例えば、パワートランジスタ）を駆動する駆動信号を制御してモータ７の回転速度・作動・停止を制御するように構成されている。

上記モータ７は小型でも高性能で回転数を自由に制御できるブラシレスモータで、このブラシレスモータ７はロータの回転位置をホールセンサＨ１〜Ｈ３で検出し、ホールセンサＨ１〜Ｈ３の検出結果に基づいて、制御手段１４はインバータ回路１９に駆動信号を出力し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線Ｃに駆動電流を流し、発生する磁界でロータに設けた永久磁石と吸引反発を繰り返してロータを回転させるようにしている公知のブラシレスモータで構成されていればよい。

上記制御手段１４はタイマ回路２０からのタイマ信号ｔに基づいて、単位時間（例えば、１秒程度）が経過する毎に上記モータ７に流れる駆動電流値をサンプリングし、直前にサンプリングした駆動電流値と現在サンプリングした駆動電流値とから駆動電流値の変化を監視するようになっている。

モータ７の回転数を上げていくと、モータ７の回転に比例してピストン２の往復動が速くなり、打撃子３の打撃数が上昇していくので、高速で穿孔作業が進んでいく。そして、やがて打撃子３はピストン２の動きに追従できなくなってくる。打撃子３がピストン２の動きに追従できなくなるという判断は、図２の特性曲線に示すように、穿孔速度（曲線ａ）が限界打撃数を超えると急激に降下してくるが、この時は打撃不良となり打撃出力が低下しモータにかかる負荷が下がるため、駆動電流値（曲線ｂ）も同様に降下するので、制御手段１４は、単位時間ごとに計測する駆動電流値の変化を監視し、駆動電流値が直前に計測した電流値よりも低下すれば曲線ｂの変局点Ｐを超えた、つまり限界打撃数を超えたと判断するようにすればよい。

また、上記ハンマドリルの限界打撃数の把握方法によれば、モータ７の駆動電流の値が直前に計測した駆動電流の値より下がれば、限界打撃数を超えたと判断し、モータ７の回転数を徐々に下げて、限界打撃数の直前まで下げて一定に維持することにより最も効率の良い打撃数で打撃子３を駆動することができる。

なお、図３において、符号２１は、計測手段１３によらずに手動でモータ７の回転を調整する場合に使用する回転数調整手段を示し、この回転数調整手段２１は打撃数低下ボタン２２、モード切替ボタン２３、ボタンの状態を表示するディスプレイ２４によって構成され、工具本体１の側面等に設けてあればよい。

次に、上記した電動工具の作動態様を、図４のフローチャート図に基づいて説明する。

トリガスイッチ２５をＯＮすると（ステップＳＴ１）モータ７が回転し、打撃を開始する（ステップＳＴ２）。モータ７の回転数が上昇し、限界打撃数以内の正常打撃か否か（電流値が直前に計測した電流値よりも上昇しているか否か）を判断し（ステップＳＴ３）、正常打撃（電流値が上昇している状態）であればステップＳＴ４に進んで、モータ７の回転数を上げ、ステップＳＴ５で、再び正常打撃か否かを判断し、正常打撃であればステップＳＴ４に戻ってさらに打撃数を上げて正常打撃でなくなるまでステップＳＴ４、５を繰り返す。

ステップＳＴ５で打撃が正常でなくなった（電流値が直前に計測した電流値よりも低くなった）場合は、限界打撃数を超えたと判断してステップＳＴ６に進み、モータ７への印加電圧を下げて再び単位時間ごとに電流値を計測することにより、正常打撃か否か（後で計測した電流値が直前に計測した電流値よりも上昇しているか否か）を判断し（ステップＳＴ７）、正常打撃になっていなければステップＳＴ６に戻ってモータ７への印加電圧をさらに下げ、再び同様にして正常打撃か否かを判断する。このステップを繰り返し、正常打撃になったならば、ステップＳＴ８に進んでトリガスイッチがＯＮしているか否かを判断し、ＯＮしていればステップＳＴ７に戻り、再度正常打撃か否かを判断し、トリガスイッチ２５がＯＦＦになるまで打撃を継続する。

上述したように、トリガスイッチ２５を引いて打撃を開始すると制御手段１４は限界打撃数を超えるまでモータ７の回転を上昇させることにより限界打撃数を探索し、限界打撃数を超えたときはモータ７の回転を下げて、限界打撃数の直前でモータ７の回転を持続させ、回転の途中で限界打撃数を超えたときは再度補正し、絶えず限界打撃数の近傍で先端工具５の打撃数を維持するように安定打撃を探索するので、高回転で回転させることにより常にその限界打撃数に近い回転となるようにモータ７の回転を制御して、打撃の高効率化を図ることができるとともに、ブラシレスモータ７を使用することで小型でかつ軽量でありながら高性能なハンマドリルを得ることができる。

また、本実施例では徐々に回転数を上げながら限界打撃数を探すステップをもっているが、予め期待した穿孔速度の出せる回転数で動作させ、打撃不良が発生した場合、しそうな場合を検出したら回転数を下げるというフローでも同様の効果が期待できる。

なお、上述の電動工具は、モータ７の駆動電流を計測して自動的に限界打撃数を把握し、この限界打撃数の手前でモータ７を安定回転させる場合について説明したが、作業者が実際に打撃対象の状態や先端工具５の形状を判断してモータ７の速度を調整したり、実際に先端工具５を作動させ、打撃不良が発生した時点でモータ７の回転を手動で調整するようにしてもよい。このモータ７の回転数を調整する回転数調整手段２１は作業者が打撃不良を確認した時点で押し操作する打撃数低下ボタン２２や、径の細い先端工具５の折れを回避したり、コンクリートが欠けるのを回避したりするために打撃数を落とすモード切替ボタン２３などで構成し、そのボタンの状態を表示するディスプレイ２４を設ければよい。

本発明に係る電動工具の内部構造を説明する要部縦断面図 モータの回転に対応した穿孔速度と駆動電流の関係を説明するグラフ図 上記電動工具のブロック図 上記電動工具の作動態様を説明するフローチャート図

１ 工具本体
２ ピストン
３ 打撃子
４ 中間子
５ 先端工具
７ モータ
８ 中間軸
１３ 計測手段
１４ 制御手段

Claims (2)

1. 工具本体内に、モータを駆動力として往復動するピストンと、該ピストンの往復動に連動して打撃運動する打撃子と、該工具本体の先端に挿着された先端工具に前記打撃子の打撃力を伝達する中間子を備えた打撃工具において、上記工具本体には打撃子の打撃状態を計測する計測手段と、上記モータの回転数を制御する制御手段とを設け、該制御手段は上記打撃子が上記ピストンの往復動に追従できなくなる限界打撃数を上記計測手段で判断し、上記モータの回転数を制御することを特徴とする打撃工具。
2. 上記計測手段が上記モータの駆動電流値を計測し、上記制御手段は単位時間毎に上記駆動電流値をサンプリングし、直前にサンプリングした駆動電流値と現在サンプリングした駆動電流値とから駆動電流値の変化を監視し、駆動電流値が直前に計測した電流値よりも低下すれば限界打撃数を超えたと判断することを特徴とする、請求項１に記載の打撃工具。

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