JP5374093B2 - インパクト回転工具 - Google Patents

Description

本発明は、インパクトドライバやインパクトレンチ等の打撃衝撃を用いて締め付け動作を行うインパクト回転工具に関するものである。

従来から、モータに回転駆動されるハンマと、出力軸に設けたアンビルと、の係合を衝撃的に繰り返し行い出力軸に回転を伝達するインパクト機構を設けたインパクト回転工具がある。

そして、上記インパクト回転工具は、高回転・高トルクという作業性の良さから建築現場や組み立て工場などで幅広く使われている。

しかし、上記係合を衝撃的に繰り返し行うため、インパクト機構に金属磨耗を生じ、衝撃エネルギの伝達が低下し、締付トルクが低下するという問題があった。

そのため、インパクト回転工具のメインスイッチ操作回数やモータ稼働時間に基づいて、インパクト機構のメンテナンス時期を判断するものがある（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、作業内容ごとに負荷が様々であるため、上記操作回数や上記稼働時間では、インパクト機構の磨耗状態を把握できず、メンテナンス時期の判断精度が低いという問題を抱えていた。
特開２００２−０１８７４４号公報

そこで、本発明は、締付トルクの低下の原因となるインパクト機構の磨耗状態を把握し、その磨耗状態からメンテナンス時期の判断を行うインパクト回転工具を提供するものである。

前記課題を解決するために、本発明のインパクト回転工具１は、被締付部材を対象部材に取り付ける出力軸５と、モータ３で回転駆動されるハンマ２２による打撃を前記出力軸５に伝達するインパクト機構２と、前記モータ３の回転及び停止の制御を行なうモータ制御手段６と、を設けたインパクト回転工具１において、前記インパクト機構２による打撃を検出する打撃検出手段７と、前記打撃検出手段７の検出した打撃の間隔から打撃速度を算出する打撃速度検出手段８と、前記モータ３の回転角を検出する回転角検出手段１０とを設けると共に、前記回転角検出手段１０の検出した回転角から前記打撃検出手段７の検出する打撃の正誤を判定し且つ前記打撃速度検出手段８の算出した前記打撃速度が設定した所定の基準値と同じもしくは速い状態が続くことでインパクト機構２の摩耗に伴うインパクト回転工具１のメンテナンス時期を判断する制御手段９を設けたことを特徴としたものである。

このような構成にすることで、前記インパクト機構２の磨耗の影響を受ける前記打撃速度と、前記基準値と、の比較から、前記インパクト機構２の磨耗状態を把握できる。

そして、前記モータ３の回転角を検出する回転角検出手段１０を設け、前記制御手段９が前記回転角検出手段１０の検出した回転角から前記打撃検出手段７の検出する打撃の正誤を判定することで、前記打撃検出手段７が打撃動作を伴わない衝撃を打撃と誤って検出しても、前記回転角検出手段１０により前記打撃速度検出手段８が算出に用いる打撃から、打撃検出手段が誤って検出した打撃動作を伴わない打撃を排除することができる。

更に、前記被締付部材が前記対象部材に着座したことを検出する着座検出手段１１を設け、前記打撃速度検出手段８が前記着座検出手段１１による着座検出後の打撃から打撃速度を算出することで、前記打撃速度検出手段８が着座後の安定して繰り返される打撃動作から打撃速度を算出することができる。

更に、打撃数を数え設定した打撃数になると前記モータ３を停止する打撃数設定手段１２を設け、前記打撃速度検出手段８が前記打撃数設定手段１２で設定した打撃数に到達する直前の打撃から打撃速度を算出することで、前記打撃速度検出手段８が作業完了間際の安定した打撃動作から打撃速度を算出することができる。

更に、前記制御手段９の判断結果を報知する報知手段１４を設けることで、インパクト回転工具１がメンテナンス時期となったことを報知できる。

更に、前記制御手段９が前記インパクト回転工具１のメンテナンス時期と判断すると、前記インパクト回転工具１の動作を禁止する動作禁止手段１５を設けることで、インパクト機構２が磨耗して締付トルクの低下した状態での作業を禁止できる。

また、前記制御手段９がメンテナンス時期と判断する基準値を、基準値設定変更手段１３により変更可能とすることで、インパクト機構２の磨耗により低下する締付トルクの許容範囲を変更調節できる。

本発明は、上記のようにインパクト機構の磨耗状態を把握したことで、インパクト機構の磨耗状態に基づいたメンテナンス時期を判断でき、メンテナンス時期の判断精度が向上する。

そして、打撃速度の算出に用いる打撃から打撃動作を伴わない打撃を排除したことで、打撃速度の算出精度が増し、メンテナンス時期の判断精度が向上する。

更に、着座後の安定した打撃動作から打撃速度を算出したことで、打撃速度の算出精度が増し、メンテナンス時期の判断精度を向上する。

更に、作業完了間際の安定した打撃動作から打撃速度を算出したことで、打撃速度算出精度が増し、メンテナンス時期の判断精度を向上する。

更に、メンテナンス時期を報知可能としたことで、作業者が容易にメンテナンス時期を察知できる。

更に、インパクト機構が磨耗して締付トルクの低下した状態での作業を禁止したことで、締付不良の発生を防止する。

また、締付トルクの許容範囲を変更可能としたことで、作業内容に合わせて締付トルクを管理することが容易となる。

以下、本発明を、添付図面に示す各実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明のインパクト回転工具１の第一の実施形態のブロック構成図である。

上記インパクト回転工具１は、被締付部材（特に図示しない）を対象部材（特に図示しない）に取り付ける出力軸５と、回転駆動するモータ３と、モータ３の回転駆動を減速する減速機４と、減速された回転駆動を打撃動作により前記出力軸５へ伝達するインパクト機構２と、前記モータ３の回転及び停止の制御を行なうモータ制御手段６と、からなるものである。

上記インパクト機構２は、図２のように、減速機４からの回転力を伝達する駆動軸２１と、上記駆動軸２１に嵌合したハンマ２２と、上記ハンマ２２に係合して回転駆動されるアンビル２３と、打撃動作を伴ってアンビル２３に係合したハンマ２２をモータ３側に後退させるカム機構（特に図示しない）と、後退したハンマ２２を再びアンビル２３に打撃動作を伴って係合させるばね２４と、からなるものであり、上記アンビル２３は、前記出力軸５と一体で設けてある。

図３より、インパクト機構２の動作を説明する。モータ３が回転駆動すると、図３（ａ）のようにハンマ２２とアンビル２３が衝突する。このとき、被締付部材から出力軸５にかかる負荷が小さいと、ハンマ２２とアンビル２３は係合したまま回転する。

しかし、出力軸５にかかる上記負荷が大きいと、ハンマ２２とアンビル２３の衝突は、図３（ｂ）のように打撃動作となり、ハンマ２２はアンビル２３を所定の角度を回転させた後、ばね２４の付勢に抗してカム機構によりモータ３側に後退しながら回転し、図３（ｃ）のようにアンビル２３を乗り越える。

更にモータ３が回転駆動すると、ハンマ２２はばね２４の付勢によりモータ３側から前進して、図３（ａ）の状態となり、以後モータ３の回転駆動により上記動作を繰り返すものである。

また、上記インパクト機構２の磨耗状態に則してメンテナンス時期を判断するために、上記インパクト機構２における打撃動作の打撃を検出する打撃検出手段７と、上記打撃検出手段７が打撃を検出する間隔から打撃速度を算出する打撃速度検出手段８と、上記打撃速度検出手段８で算出した打撃速度からインパクト回転工具１のメンテナンス時期を判断する制御手段９と、を上記インパクト回転工具１に設けている。

上記打撃検出手段７は、例えば衝撃センサであって、インパクト機構２の打撃動作により生じる衝撃を、打撃として検出するものである。

したがって、打撃検出手段７は、負荷の小さくハンマ２２とアンビル２３が共に回転する状態では衝撃を生じないため、ハンマ２２とアンビル２３の衝突を打撃と検出せず、負荷の大きく衝突したハンマ２２がアンビル２３を乗り越える状態では衝撃を生じるため、ハンマ２２とアンビル２３の衝突を打撃と検出するものである。

そして、上記打撃速度検出手段８は、上記打撃検出手段７が打撃を検出する間隔を打撃周期とし、打撃周期の所定回数ごと、例えば四回ごと、の平均時間から打撃速度を算出するものである。

更に、前記制御手段９は、上記打撃速度検出手段８の算出した打撃速度が基準値と同じもしくは速い状態が続くとメンテナンス時期であると判断するものである。

また、ハンマ２２とアンビル２３の衝突係合するハンマ衝突面２５とアンビル衝突面２６は、図２のように回転軸に対して略垂直の面を形成しているが、打撃動作を繰り返すと衝撃により磨耗し、図４のように夫々の衝突面２５、２６が回転方向に沿って傾斜する。

そして、夫々の衝突面２５、２６が傾斜すると打撃動作による衝突力が減少し、出力軸５に伝達されるエネルギも低下する。そのため、図５のように前記インパクト機構２の磨耗量（図中には、ハンマ、アンビル磨耗量と記載）と出力軸５から被締付部材に生じる締付トルクの関係は、インパクト機構２の磨耗に伴い締付トルクが小さくなるものである。

また、上記衝突力の減少は打撃動作によるハンマ２２のモータ３側への後退量を減少させるため、図６のようにインパクト機構２の磨耗量と打撃周期の関係は、インパクト機構２の磨耗に伴い打撃周期が速くなるものである。

更に、インパクト機構２が磨耗すると打撃速度における移動時間である上記打撃周期が速くなるため、図７のようにインパクト機構２の磨耗量と打撃速度の関係は、インパクト機構２の磨耗に伴い速くなるものである。

したがって、締付トルクの低下したメンテナンス時期とは、インパクト機構２が磨耗が進行し打撃速度が速くなった状態であり、上記打撃速度は上記打撃速度検出手段８の算出した打撃速度と比較する基準値となる。

以下、他の実施形態を示すが、同一の構成は、同一の符号を充てることで説明は省略する。

図８に第二の実施形態の構成図を示す。これは、第一の実施形態にモータ３の回転角を検出する回転角検出手段１０を設け、打撃速度を算出する打撃周期の検出条件にモータ３の回転角による打撃の正誤判定を制御手段９が行うものである。

回転角検出手段１０は、打撃検出手段７の検出した打撃ごとにモータ３の回転角を検出するものであり、例えばブラシモータであれば周波数ジェネレータなどの回転センサ、ブラスレスモータであればホール素子などの位置検出センサ、が望ましい。

打撃検出手段７が打撃動作を伴わない衝撃を打撃と誤認しても、制御手段９が回転角検出手段１０で検出されたモータ３の回転角の変化量から、検出された打撃の正誤を判断して、回転角に変化を生じていない打撃を打撃動作を伴わない衝撃として、誤って検出した打撃による打撃周期を排除する。

したがって、回転角検出手段１０で検出された回転角から打撃の正誤判定を行ったことで、打撃速度検出手段８が打撃動作を確実に伴う打撃周期から打撃速度を算出でき、インパクト機構２の磨耗状態が正しく把握され、制御手段９のメンテナンス時期の判断精度が向上する。

図９に第三の実施形態の構成図を示す。これは、第二の実施形態に着座検出手段１１を設け、着座検出後の打撃から打撃速度を算出するものである。

着座検出手段１１は、対象部材に被締付部材が着座したとき、その着座を検出するものである。上記着座検出手段１１として、例えば締め付け作業における締付トルクＴを推定し、推定した締付トルクＴが所定のトルク（以下、着座トルクＴ_ｓと記載）以上もしくは同じ値となったとき、被締付部材が着座したと判定するものである。

そして、締付トルクＴを推定する方法は、一回の打撃の運動エネルギの収支、すなわちハンマ２２の打撃が出力軸５のアンビル２３に与えるエネルギと、締め付けで消費されたエネルギと、が略等しいという関係から導き出したものである。

締付トルクＴと、インパクト回転工具１で締め付けられる被締付部材の回転角θとは、図１０のような関数Ｔ＝τ（θ）で表すことができる。

そして、上記回転角θは、各打撃時におけるアンビル２３の回転角（出力軸５の回転角）でもあり、例えばハンマ２２が一回転するごとに二回の打撃動作を行う場合、減速機４の減速比に基づいて出力軸５が半回転するのに必要なモータ回転量を打撃間のモータ回転量から減算することで求まるものである。なお、モータ回転量は、回転角検出手段１０により得ることが望ましい。

図中のθ_１…θ_ｎは、関数τを区間〔θ_１、θ_２〕で積分した値Ｅ_１は、締め付け作業に消費されたエネルギであり、θ_１地点で発生した打撃がアンビル２３に与えられたエネルギに等しい。

したがって、区間〔θ_ｎ、θ_ｎ＋１〕における平均トルク＜Ｔ_ｎ＞は、エネルギＥ_ｎと、打撃間に変化した出力軸５の回転角Θ_ｎ＝（θ_ｎ＋１−θ_ｎ）とにより、
＜Ｔ_ｎ＞＝Ｅ_ｎ／Θ_ｎ…（１）
と求めることができる。

そして、エネルギＥ_ｎは、上記回転角Θ_ｎを打撃周期で除算した打撃間のアンビル２３の平均回転速度＜Ｓ_ｎ＞と、既知のアンビル２３の慣性モーメントＪａとにより、
Ｅ_ｎ＝１／２×Ｊａ×＜Ｓ_ｎ＞^２…（２）
と求めることができる。

なお、着座検出に用いる推定した締付トルクＴとは、上記平均トルク＜Ｔ_ｎ＞であり、＜Ｔ_ｎ＞が着座トルクＴ_ｓに到達することで、着座検出手段１１が着座したと判断するものである。

また、着座前の負荷は、対象部材および被締付部材の形状や種類により変動が激しく、例えば被締付部材が長く着座前に対象部材を貫通して、着座までねじ切りのみとなり負荷が小さく打撃動作を生じないなど、打撃動作が不安定となることがある。しかし、着座後は締め付けによる高い負荷が生じることで、安定して打撃動作が繰り返される。

したがって、着座後であれば負荷が安定して確実に打撃動作を繰り返すため、精度の高い打撃速度の算出を行え、メンテナンス時期の判断精度が向上する。

図１１に第四の実施形態のブロック構成図を示す。これは、第三の実施形態に、インパクト機構２の打撃数を数え設定した打撃数に到達すると打撃動作を停止する打撃数設定手段１２と、前記制御手段９の判断基準を調節変更する基準値設定変更手段１３と、メンテナンス時期を作業者に報知する報知手段１４と、メンテナンス時期と判断されたインパクト回転工具１の動作を禁止する動作禁止手段１５と、を設け、着座検出後から打撃数を数える始めるものである。

前記着座検出手段１１により、被締付部材の着座を検出すると、上記打撃数設定手段１２が以後の打撃を数えていき、打撃数設定手段１２により設定した打撃数に到達するとモータ３を停止し、作業完了とする。

そして、前記打撃速度検出手段８は、打撃数設定手段１２により設定した打撃数に到達する直前の打撃、例えば設定した打撃数の４回前から設定した打撃数までの打撃、の打撃周期から打撃速度を算出することで、作業完了直前の締め付け作業における安定した負荷状態での打撃速度が算出される。

したがって、負荷の変動により生じる誤差を抑えた打撃速度となり、推定されるインパクト機構２の磨耗状態の精度が増し、メンテナンス時期の判断精度が向上する。

また、木ねじやボルトナットなどの作業初期から作業終期まで負荷が略安定しており常時打撃動作を行うものであれば、第一もしくは第二の実施形態に打撃数設定手段１２を設け、作業開始時から打撃数を数えて、作業完了直前の打撃速度を算出するものとしてもよい。

また、制御手段９の判断基準である基準値は、前記基準値設定変更手段１３により作業ごとの締付トルクの低下許容範囲に合わせて変更調節可能であるから、基準値に安全率を含ませ締付トルクの許容範囲の下限の打撃速度より遅い打撃速度を基準値としてもよい。

また、報知手段１４は、例えばマーカであって、上記制御手段９がメンテナンス時期と判断したときに点灯することで、メンテナンス時期であることを報知して、作業者に察知させるものである。

なお、上記報知手段１４は、音声で報知するものや、それらを組み合わせたものであってもよく、メンテナンス時期を作業者に報知可能とするものであればよい。

また、前記動作禁止手段１５は、制御手段９がメンテナンス時期と判断したときに、インパクト回転工具１の動作を停止し、インパクト回転工具１を動作させる動作スイッチ（特に、図示しない）を操作しても動作させないようにして、締付トルクの低下した状態のインパクト回転工具１による締付不良の発生を防止するものである。

本発明のインパクト回転工具の第一の実施形態の構成図である。 同上のインパクト機構の斜視図である。 同上のインパクト機構の動作図であり、（ａ）はハンマがアンビルに衝突した状態であり、（ｂ）はハンマによりアンビルが回転した状態であり、（ｃ）はハンマがアンビルを乗り越えた状態である。 同上のインパクト機構の磨耗状態の斜視図である。 同上のハンマ、アンビル磨耗量と締付トルクとの関係図である。 同上のハンマ、アンビル磨耗量と打撃周期との関係図である。 同上のハンマ、アンビル磨耗量と打撃速度との関係図である 同上の第二の実施形態の構成図である。 同上の第三の実施形態の構成図である。 同上の被締付部材の回転角と締付トルクとの関係図である。 同上の第四の実施形態の構成図である。

符号の説明

１ インパクト回転工具
２ インパクト機構
３ モータ
４ 減速機
５ 出力軸
６ モータ制御手段
７ 打撃検出手段
８ 打撃速度検出手段
９ 制御手段
１０ 回転角検出手段
１１ 着座検出手段
１２ 打撃数設定手段
１３ 基準値設定変更手段
１４ 報知手段
１５ 動作禁止手段
２２ ハンマ
２３ アンビル

Claims (6)

1. 被締付部材を対象部材に取り付ける出力軸と、モータで回転駆動されるハンマによる打撃を前記出力軸に伝達するインパクト機構と、前記モータの回転及び停止の制御を行なうモータ制御手段と、を設けたインパクト回転工具において、
   前記インパクト機構による打撃を検出する打撃検出手段と、前記打撃検出手段の検出した打撃の間隔から打撃速度を算出する打撃速度検出手段と、前記モータの回転角を検出する回転角検出手段とを設けると共に、
   前記回転角検出手段の検出した回転角から前記打撃検出手段の検出する打撃の正誤を判定し且つ前記打撃速度検出手段の算出した前記打撃速度が設定した所定の基準値と同じもしくは速い状態が続くことでインパクト機構の摩耗に伴うインパクト回転工具のメンテナンス時期を判断する制御手段を設けたことを特徴とするインパクト回転工具。
2. 前記被締付部材が前記対象部材に着座したことを検出する着座検出手段を設け、前記打撃速度検出手段が前記着座検出手段による着座検出後の打撃から打撃速度を算出したことを特徴とする請求項１記載のインパクト回転工具。
3. 打撃数を数え設定した打撃数になると前記モータを停止する打撃数設定手段を設け、前記打撃速度検出手段が前記打撃数設定手段で設定した打撃数に到達する直前の打撃から打撃速度を算出したことを特徴とする請求項１または２記載のインパクト回転工具。
4. 前記制御手段の判断結果を報知する報知手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のインパクト回転工具。
5. 前記制御手段が前記インパクト回転工具のメンテナンス時期と判断すると、前記インパクト回転工具の動作を禁止する動作禁止手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のインパクト回転工具。
6. 前記制御手段がメンテナンス時期と判断する基準値を、基準値設定変更手段により変更可能としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のインパクト回転工具。

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