JP5552020B2 - 動力工具 - Google Patents

Description

本発明は、原動機（例えばモータやエンジン）によって工具を駆動する動力工具に関する。

特許文献１に、モータを原動機とする電動工具が開示されている。この電動工具は、工具とモータの間に設けられたギヤボックスを備えている。ギヤボックスは、複数の歯車によって、モータ軸と工具軸を互いに連結している。

特開２０１０−１４２９２９号公報

ギヤボックスでは、各々の歯車が、他の歯車と噛み合いながら回転する。互いに噛み合う二つの歯車（駆動側歯車と従動側歯車）では、理論上、作用線における速度が互いに等しくなる。この状態では、二つの歯車の歯面が、接触と離間をスムーズに繰り返す。しかしながら、実際の歯車には形状誤差が生じており、二つの歯車の歯面が離間と接触を繰り返すことがある。この場合、二つの歯車が接触する際に、振動や騒音が発生してしまう。

上記した問題は、ギヤボックスのような歯車伝達機構に限られず、チェーン伝達機構、自在継手、噛み合い式クラッチ、キー、セレーション、スプラインといった他の種類の動力伝達機構でも起こり得る。これらの動力伝達機構もまた、互いに係合する二つの部材（駆動側部材と従動側部材）を有しており、当該二つの部材が速度差を持って衝突したときに、振動や騒音を発生させてしまう。

本発明は、上記の実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、動力伝達機構において生じる振動や騒音を防止又は低減することである。

動力伝達機構の振動や騒音は、動力伝達機構の形状誤差に起因して周期的に発生する。従って、その周期性を予め把握しておけば、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するタイミングに合わせて、原動機を制御することができる。この場合、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するタイミングで、原動機の出力を一時的に低下させることが好ましい。それにより、動力伝達機構が発生する振動や騒音を、効果的に防止又は低減することができる。

上記した知見に基づき、動力工具は、工具と、工具を駆動する原動機と、工具と原動機の間に設けられている動力伝達機構と、動力伝達機構が振動又は騒音を発生する周期性を記憶可能であり、その周期性に応じて原動機を制御する制御手段を備えることが好ましい。この場合、制御手段は、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するタイミングで、原動機の出力を一時的に低下させることがより好ましい。

実施例１のマルノコの外観図を示す。 実施例１のマルノコの機械的な構造を示す。 実施例１のマルノコの電気的な構造を示す。 実施例１のマルノコのコントローラが実行する処理を示すフローチャート。 工具軸の回転位置と測定された振動の関係を示すグラフであり、横軸θは工具軸の回転位置を示しており、縦軸Ｖｉｂは振動が測定された回数を示している。 実施例２のマルノコの機械的な構成を示す図。 実施例２のマルノコの電気的な構成を示す図。 実施例２のマルノコのコントローラが実行する処理を示すフローチャート。 工具軸の回転位置と工具軸の角速度の関係を示すグラフであり、横軸θは工具軸の回転位置を示しており、縦軸ｄθ／ｄｔは工具軸の角速度を示している。

本発明の一実施形態では、動力工具が、動力伝達機構の回転位置を検出する第１検出手段をさらに備えることが好ましい。この場合、制御手段は、動力伝達機構が振動又は騒音を発生する周期性を、当該回転軸の回転位置に対応付けて記憶し、第１検出手段によって検出された回転軸の回転位置に応じて、原動機を制御することが好ましい。この構成によると、動力工具の運転速度が変化する場合でも、動力伝達機構が振動又は騒音を発生する周期性に同期して、原動機を制御することができる。

上記した実施形態において、動力工具は、動力伝達機構の発生する振動又は騒音を検出する第２検出手段を、さらに備えることが好ましい。この場合、制御手段は、第１検出手段及び第２検出手段による検出結果を用いて、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するときの前記回転軸の回転位置を特定し、記憶することが好ましい。この構成によると、ユーザが動力工具を使用する時に、制御手段が記憶する周期性のデータを更新することができる。

あるいは、上記した第２検出手段は、動力伝達機構に接続された回転軸の角速度、角加速度、トルクの少なくとも一つを検出するものであってもよい。この場合でも、制御手段は、第１検出手段及び第２検出手段による検出結果を用いて、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するときの当該回転軸の回転位置を特定し、記憶することができる。

本発明の一実施形態では、動力伝達機構が、歯車伝達機構、チェーン伝達機構、自在継手、噛み合い式クラッチ、キー、セレーション、スプラインであることが好ましい。これらの動力伝達機構では、実質的に剛体である少なくとも二つの部材が、あそび（バックラッシュ）を設けて接続されており、振動や騒音が発生しやすい構造となっている。従って、本開示に係る技術を適用することで、有意な効果を得ることができる。

図１から５を参照して、実施例１のマルノコ１０を説明する。図１に示すように、マルノコ１０は、本体１２と、鋸刃３０と、電池パック２２を備えている。鋸刃３０は、ワーク（木材）を切断する工具である。電池パック２２は、本体１２へ電力を供給する電源であり、本体１２へ着脱可能に取り付けられている。

本体１２は、鋸刃３０を駆動するモータ１４、モータ１４を起動するためのトリガスイッチ１６、ユーザが把持するためのグリップ１８、鋸刃３０を保持している工具軸２０を備えている。モータ１４は、直流モータであり、電池パック２２からの電力によって作動する。このように、本実施例のマルノコ１０は、直流電源方式の電動工具である。ただし、本実施例で説明する技術は、交流電源方式の電動工具（マルノコに限られない）にも適用することもできる。

図２に示すように、マルノコ１０は、歯車伝達機構４０を備えている。歯車伝達機構４０は、モータ１４と工具軸２０の間に設けられている。歯車伝達機構４０は、駆動歯車４２と従動歯車４４を備えている。駆動歯車４２と従動歯車４４は、それぞれインボリュート歯車であり、互いに噛み合っている。駆動歯車４２は、モータ１４のモータ軸１４ａに形成されており、従動歯車４４は、工具軸２０に固定されている。図２では、駆動歯車４２と従動歯車４４のそれぞれに一つの歯のみが図示されているが、実際の駆動歯車４２と従動歯車４４には、周方向に沿って等間隔に配置された複数の歯が設けられている。なお、従動歯車４４は、駆動歯車４２よりも大型であり、駆動歯車４２よりも多くの歯を有している。歯車伝達機構４０は、動力伝達機構の一種であり、複数の歯車４２、４４によってモータ軸１４ａと工具軸２０を互いに連結する。

図２に示すように、マルノコ１０は、第１センサ５２と第２センサ５４を備えている。第１センサ５２は、工具軸２０の回転位置を検出するセンサである。本実施例の第１センサ５２は、一例ではあるが、ロータリエンコーダを用いて構成されている。第２センサ５４は、振動を検出するセンサ（加速度センサ）であり、歯車伝達機構４０のケーシング４６に固定されている。第２センサ５４は、歯車伝達機構４０が発生する振動を検出する。

図３を参照して、マルノコ１０の回路構成について説明する。図３に示すように、マルノコ１０は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）５６と、シャント抵抗５８と、コントローラ５０を備えている。ＦＥＴ５６及びシャント抵抗５８は、電池パック２２とモータ１４の間に設けられている。コントローラ５０は、ＦＥＴ５６のゲートに接続されており、ＦＥＴ５６を制御することができる。コントローラ５０は、ＦＥＴ５６を制御することによって、モータ１４の動作を制御する。ここで、コントローラ５０は、ＦＥＴ５６を単にオンオフするだけでなく、ＦＥＴ５６をＰＭＷ（パルス幅変調）制御することができる。

シャント抵抗５８は、モータ１４に流れる電流を測定する素子である。シャント抵抗５８は、モータ１４に対して直列に接続されており、モータ１４に流れる電流に応じた電圧を出力する。シャント抵抗５８の出力電圧は、コントローラ５０へ入力される。コントローラ５０は、シャント抵抗５８の出力電圧が所定のしきい値を超える場合に、ＦＥＴ５６をターンオフする。それにより、モータ１４に過電流が流れることを防止する。

コントローラ５０は、第１センサ５２及び第２センサ５４に接続されており、第１センサ５２及び第２センサ５４の出力信号を受信する。コントローラ５０は、受信した第１センサ５２の出力信号に基づいて、工具軸２０の回転位置、角速度、角加速度といった物理量を算出することができる。また、コントローラ５０は、第１センサ５２及び第２センサ５４の出力信号に基づいて、歯車伝達機構４０で振動が発生したときの工具軸２０の回転位置を特定し、記憶することができる。

以下、図４に示すフローチャートに沿って、コントローラ５０が実行する処理を順に説明する。ユーザがトリガスイッチ１６をオンすると（ステップＳ１０）、コントローラ５０はＦＥＴ５６をターンオンする（ステップＳ１２）。それにより、電池パック２２がモータ１４へ電気的に接続され、モータ１４が鋸刃３０の駆動を開始する。ここで、コントローラ５０は、トリガスイッチ１６の操作量に応じて、ＦＥＴ５６をＰＷＭ制御することができる。モータ１４が鋸刃３０を駆動している間、第１センサ５２は工具軸２０の回転位置を検出し、第２センサ５４は歯車伝達機構４０が発生する振動を検出する。

コントローラ５０は、第１センサ５２及び第２センサ５４の出力信号を、所定時間に亘って受信する（ステップＳ１４）。この所定時間は、工具軸２０が少なくとも一回転する時間であればよいが、本実施例では、工具軸２０が複数回転する時間に設定されている。両センサ５２、５４の出力信号を用いると、歯車伝達機構４０が振動を発生したときの、工具軸２０の回転位置を特定することができる。本実施例のコントローラ５０は、工具軸２０が複数回転する間、両センサ５２、５４の出力信号を受信し、工具軸２０の回転位置毎に、振動が検出された回数を積算する。それにより、図５のグラフに示されるようなデータが得られる。このデータから、工具軸２０が特定の回転位置θ１、θ２にあるときに、歯車伝達機構４０が振動を繰り返し発生していることがわかる。

歯車伝達機構４０が周期的に振動を発生するのは、歯車伝達機構４０の駆動歯車４２又は従動歯車４４に、寸法誤差が存在するためである。例えば、駆動歯車４２の複数の歯のなかに、設計形状よりも歯厚の大きな異形歯が存在すると仮定する。この場合、駆動歯車４２の異形歯が従動歯車４４に接触した時点で、従動歯車４４の角速度は急に上昇する。その結果、駆動歯車４２と従動歯車４４の間には、作用線上において加速度差が生じ、駆動歯車４２と従動歯車４４の歯面が互いに離間する。その後、駆動歯車４２と従動歯車４４は再び接触し、その時に振動や騒音を発生する。このような事象は、駆動歯車４２が一回転する度に繰り返され、大きな振動や騒音となってユーザに不快感を与える。従動歯車４４に異形歯が存在する場合も同様であり、この場合は、従動歯車４４が一回転する度に、振動や騒音が発生する。

上記した問題を回避するために、本実施例のマルノコ１０では、歯車伝達機構４０が振動や騒音を発生するタイミングで、モータ１４への電力供給が制限されるように構成されている。具体的には、コントローラ５０が、前述した工具軸２０の回転位置θと振動の検出回数Ｖｉｂを示すデータ（図５参照）に基づいて、振動が繰り返し発生する工具軸２０の回転位置θ１、θ２を特定し、記憶する（ステップＳ１６）。その後、コントローラ５０は、第１センサ５２の出力信号を受信し（ステップＳ１８）、検出された工具軸２０の回転位置が記憶している回転位置θ１、θ２に一致する時に（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ＦＥＴ５６のデューティ比（オンする期間の割合）を一時的に低下させる（ステップＳ２２）。それにより、駆動歯車４２と従動歯車４４の間に生じる速度差が抑制され、駆動歯車４２と従動歯車４４の接触による振動や騒音が防止又は低減される。

上記したステップＳ２２の処理においてデューティ比を低下させる時間は、マルノコ１０の構成に応じて適宜決定し、コントローラ５０にプログラムしておくことができる。また、コントローラ５０が、マルノコ１０の運転速度（例えば工具軸２０の回転速度）に応じて、当該時間を調整可能であることも好ましい。この場合、コントローラ５０は、マルノコ１０の運転速度が速いときほど、当該時間を短くすることが好ましい。

コントローラ５０は、ユーザがトリガスイッチ１６をオフ操作するまで、上述したモータ１４の制御を継続する(ステップＳ１８〜ステップＳ２４）。そして、ユーザがトリガスイッチ１６をオフ操作すると（ステップＳ２４でＹＥＳ）、コントローラ５０はＦＥＴ５６をターンオフし（ステップＳ２６）、モータ１４の駆動を停止する。

以上のように、本実施例のマルノコ１０は、工具軸２０の回転位置と歯車伝達機構４０が発生する振動を監視することによって、歯車伝達機構４０が振動を発生するタイミングを事前に把握することができる。それにより、マルノコ１０は、歯車伝達機構４０が振動を発生するタイミングでモータ１４への電力供給を制限し、歯車伝達機構４０が発生する振動や騒音を防止又は抑制することができる。なお、本実施例のマルノコ１０は、駆動歯車４２や従動歯車４４の形状誤差による騒音や振動だけでなく、モータ軸１４ａ、工具軸２０、鋸刃３０の形状誤差や組付誤差に起因する振動や騒音についても、同様に防止又は低減することができる。

本実施例では、第１センサ５２が工具軸２０の回転位置を検出するように構成されているが、第１センサ５２は、モータ軸１４ａ又は他の回転軸の回転位置を検出するものであってもよい。工具軸２０とモータ軸１４ａは、歯車伝達機構４０に接続された回転軸であるので、工具軸２０とモータ軸１４ａの回転位置はいずれも、歯車伝達機構４０の回転位置を示すものといえる。

本実施例では、第２センサ５４が歯車伝達機構４０の発生する振動を検出するように構成されているが、第２センサ５４は、歯車伝達機構４０の発生する音を検出するものであってもよい。基本的に、歯車伝達機構４０が振動を発生した際に、歯車伝達機構４０は音を発生する、あるいは、歯車伝達機構４０の発生する音が変化する。従って、歯車伝達機構４０の発生する音を監視すれば、歯車伝達機構４０が振動又は騒音を発生するタイミングに合わせて、モータ１４を適切に制御することができる。

本実施例で説明した振動や騒音が発生するメカニズムは、歯車伝達機構４０に限られず、チェーン伝達機構、自在継手、噛み合い式クラッチ、キー、セレーション、スプラインといった他の種類の動力伝達機構でも起こり得る。これらの動力伝達機構もまた、互いに係合する二つの部材（駆動側部材と従動側部材）を有しており、それらの部材に形状誤差が生じていると、振動や騒音が周期的に発生することになる。そのことから、本実施例で説明した技術は、それらの動力伝達機構を有する動力工具にも同様に適用することができる。

図６から図９を参照して、実施例２のマルノコ１１０を説明する。図６、図７に示すように、本実施例のマルノコ１１０は、実施例１のマルノコ１０と比較して、第２センサ５４を具備しない点で相違する。即ち、本実施例のマルノコ１１０は、工具軸２０の回転位置のみを監視して、モータ１４を制御するように構成されている。

以下、図８に示すフローチャートに沿って、本実施例のコントローラ５０が実行する処理を順に説明する。最初に、ユーザがトリガスイッチ１６をオンすると（ステップＳ１１０）、コントローラ５０はＦＥＴ５６をターンオンする（ステップＳ１１２）。それにより、電池パック２２がモータ１４へ電気的に接続され、モータ１４が鋸刃３０の駆動を開始する。モータ１４が鋸刃３０を駆動している間、工具軸２０の回転位置は第１センサ５２によって検出される。

コントローラ５０は、第１センサ５２の出力信号を、所定時間に亘って受信する（ステップＳ１１４）。この所定時間は、工具軸２０が少なくとも一回転する時間であればよいが、本実施例では、工具軸２０が複数回転する時間に設定されている。コントローラ５０は、第１センサ５２の出力信号から、工具軸２０の回転位置毎にその角速度を算出する。それにより、図９のグラフに示されるようなデータが得られる。このデータから、工具軸２０が特定の回転位置θ１、θ２にあるときに、工具軸２０の角速度が一時的に変動することがわかる。工具軸２０の角速度が一時的に変動するのは、駆動歯車４２と従動歯車４４の歯面が一時的に離間したためであり、このとき、歯車伝達機構４０は振動や騒音を発生してしまう。

そこで、本実施例のコントローラ５０は、上述した工具軸２０の回転位置と角速度の関係を示すデータ（図９参照）に基づいて、工具軸２０の角速度が変動する回転位置θ１、θ２を特定し、記憶する（ステップＳ１１６）。その後、コントローラ５０は、第１センサ５２の出力信号を受信し（ステップＳ１１８）、検出された工具軸２０の回転位置が記憶している回転位置θ１、θ２に一致する時に（ステップＳ１２０でＹＥＳ）、ＦＥＴ５６のデューティ比（オンする期間の割合）を一時的に低下させる（ステップＳ１２２）。それにより、駆動歯車４２と従動歯車４４の間に生じる速度差が抑制され、駆動歯車４２と従動歯車４４の接触による振動や騒音が防止又は低減される。

コントローラ５０は、ユーザがトリガスイッチ１６をオフ操作するまで、上述したモータ１４の制御を継続する(ステップＳ１１８〜ステップＳ１２４）。そして、ユーザがトリガスイッチ１６をオフ操作すると（ステップＳ１２４でＹＥＳ）、コントローラ５０はＦＥＴ５６をターンオフし（ステップＳ１２６）、モータ１４の駆動を停止する。

以上のように、本実施例のマルノコ１１０は、工具軸２０の回転位置のみを監視することによって、歯車伝達機構４０が振動を発生するタイミングを事前に把握することができる。それにより、マルノコ１１０は、歯車伝達機構４０が振動を発生するタイミングでモータ１４への電力供給を制限し、歯車伝達機構４０が発生する振動や騒音を防止又は抑制することができる。

ここで、歯車伝達機構４０が振動を発生するタイミングでは、工具軸２０の角速度だけでなく、歯車伝達機構４０に接続された回転軸（工具軸２０、モータ軸１４ａ）の角速度、角加速度、トルクといった他の物理量も有意に変動する。従って、それらの物理量を監視することによっても、歯車伝達機構４０が振動を発生するタイミングを特定することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、本実施例の技術は、モータ１４を原動機とする電動工具だけでなく、エンジンを原動機とする動力工具にも適用することができる。この場合、歯車伝達機構４０が振動を発生するタイミングで、エンジンへの燃料供給を減少させればよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的な有用性を持つものである。

１０：マルノコ
１２：本体
１４：モータ
１４ａ：モータ軸
１６：トリガスイッチ
１８：グリップ
２０：工具軸
２２：電池パック
３０：鋸刃
４０：歯車伝達機構
４２：歯車伝達機構の駆動歯車
４４：歯車伝達機構の従動歯車
４６：ケーシング
５０：コントローラ
５２：第１センサ
５４：第２センサ
５６：ＦＥＴ

Claims (5)

1. 工具と、
   工具を駆動する原動機と、
   工具と原動機の間に設けられている動力伝達機構と、
   動力伝達機構が振動又は騒音を発生する周期性を記憶可能であり、その周期性に応じて原動機を制御する制御手段と、
   動力伝達機構に接続された回転軸の回転位置を検出する第１検出手段と、
   を備え、
   制御手段は、動力伝達機構が振動又は騒音を発生する周期性を、当該回転軸の回転位置に対応付けて記憶するとともに、第１検出手段によって検出された回転軸の回転位置に応じて、原動機を制御することを特徴とする動力工具。
2. 制御手段は、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するタイミングで、原動機の出力を一時的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の動力工具。
3. 動力伝達機構が発生する振動又は騒音を検出する第２検出手段をさらに備え、
   制御手段は、第１検出手段及び第２検出手段による検出結果を用いて、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するときの前記回転軸の回転位置を特定し、記憶することを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の動力工具。
4. 動力伝達機構に接続された回転軸の角速度、角加速度、トルクの少なくとも一つを検出する第２検出手段を備え、
   制御手段は、第１検出手段及び第２検出手段による検出結果を用いて、動力伝達機構が振動又は騒音を発生するときの当該回転軸の回転位置を特定し、記憶することを特徴とする請求項１又は２に記載の動力工具。
5. 動力伝達機構は、歯車伝達機構、チェーン伝達機構、自在継手、噛み合い式クラッチ、キー、セレーション、スプラインのいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の動力工具。

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