JP6011359B2

JP6011359B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP6011359B2
Application number: JP2013011094A
Authority: JP
Inventors: 裕紀坂井; 直樹田所
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: JP2014140930A

Description

本発明は電動工具に関し、回転駆動力を出力する電動工具に関する。

従来の電動工具たるインパクトレンチは、モータと、モータによって回転されるスピンドルと、スピンドルによって回転されるハンマと、ハンマによって打撃されるアンビルとを備えている。アンビルには先端工具が着脱可能に設けられていて、先端工具によってボルト等の止具を加工部材に締結する（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−７２８８８号公報

しかしながら、硬い部材を対象とした締付作業では、アンビルに対して打撃を与えるハンマの反発力が大きいため、ハンマが大きく後退してスピンドルに衝突する、いわゆるカムエンド衝突が発生してしまう。カムエンド衝突によってハンマとスピンドルとが一時的にロック状態となってしまい、ハンマとアンビルとの打撃タイミングにずれが生じてハンマの打撃力が十分にアンビルに伝達されないという打撃不良が発生していた。このような打撃不良は、一度発生すると連続的に起こってしまいインパクトレンチの締付力の低下や振動、騒音の増加等の原因となっていた。

従来の電動工具では、連続的な打撃不良の発生を防止するため、カムエンド衝突が発生した後に、当該衝突を検出して駆動電力のデューティ比を算出することによってモータの制御を変更していた。しかし、このような電動工具では、当該衝突の検出から制御の変更までタイムラグが発生していた。これは、駆動電力のデューティ比を算出する必要があるためである。打撃タイミングの早い電動工具などでは、このタイムラグによって検出後もカムエンド衝突が発生するなどの問題が起こっていた。そこで本発明は、打撃不良を確実に抑制することができる電動工具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、ハウジングと、前記ハウジングに収容されるモータと、前記モータにより回転されるハンマと、負荷が所定値より小さい場合は前記ハンマと一体で回転する回転モードにより回転し、前記負荷が所定値以上の場合は前記ハンマにより打撃される打撃モードで回転するアンビルと、前記打撃モード中に、前記モータにブレーキを掛ける制御部と、を有することを特徴とする電動工具を提供している。

このような構成によると、打撃モード中にモータにブレーキを掛けることにより、打撃モード中に発生する可能性のあるカムエンド衝突を回避することができる。さらに、モータにブレーキを掛けることにより、モータの電流値に基づいてモータのデューティを低下させるような制御と比較すると、より短い時間遅れ分によってカムエンド衝突を回避することができる。つまり、低下させるデューティの算出等のプロセスが無い分、レスポンス良くカムエンド衝突を回避できる。これにより、打撃の周期が早い場合であっても、確実にカムエンド衝突を回避することができる。ここで言う「時間遅れ分」とは、モータの電流値異常を検出してから実際に制御を掛けるまでのタイムラグを言う。

また、前記制御部は、前記打撃モード中に前記モータを逆回転させるよう制御することが好ましい。

このような構成によると、上記の時間遅れ分がさらに短くなるため、確実にカムエンド衝突を回避することができる。

また、前記ハンマは、前記打撃モード中は、前記アンビルを打撃する打撃位置と、前記アンビルと前記モータの軸方向に最も離間した離間位置と、の間を移動可能であって、前記制御部は、前記ハンマが前記アンビルを打撃した後、且つ前記ハンマが前記離間位置に到達する前に前記ブレーキを掛けることが好ましい。

このような構成によると、ハンマが離間位置に到達する前に駆動電力のデューティ比を低下させるため、ハンマが離間位置に到達する前にハンマに伝達される回転力が低下し、ハンマが離間位置にした際に発生するカムエンド衝突の発生を抑制することができる。
また、上記課題を解決するために本発明はさらに、ハウジングと、前記ハウジングに収容されるモータと、前記モータにより回転されるハンマと、負荷の大きさに応じて、前記ハンマと一体で回転する回転モードと、前記ハンマにより打撃される打撃モードと、のいずれかで回転するアンビルと、前記打撃モード中に、前記モータにブレーキを掛ける制御部と、を有し、前記ハンマによる前記アンビルへの一の打撃から次の打撃までの間に、前記モータに流れる電流が最小値となるタイミングと最大値となるタイミングとが発生し、前記制御部は、前記電流が前記最小値になった後、且つ前記電流が前記最大値となる前に前記ブレーキを掛けるように構成されていることを特徴とする電動工具を提供している。

本発明によれば、打撃不良を確実に抑制することができる電動工具を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るインパクトレンチの断面図。本発明の第１の実施の形態に係るインパクトレンチのインパクト機構の分解斜視図。本発明の第１の実施の形態に係るインパクトレンチのインパクト機構の斜視図。本発明の第１の実施の形態に係るインパクトレンチのインパクト機構の動作を説明するための概略図。本発明の第１の実施の形態に係るインパクトレンチのモータの制御ブロック図。本発明の第１の実施の形態に係るインパクトレンチの制御の模式図。本発明の第１の実施の形態に係るインパクトレンチのフローチャート。本発明の第１の実施の形態の第４及び第５の変形例のインパクトレンチのフローチャート。本発明の第２の実施の形態に係るインパクトレンチの制御の概略図。本発明の第２の実施の形態に係るインパクトレンチのフローチャート。

以下、本発明の第１の実施の形態に係る電動工具の一例であるインパクトレンチ１について、図１から図７に基づき説明する。図１に示されるインパクトレンチ１は、ハウジング２と、モータ３と、ギヤ機構４と、インパクト機構５とから主に構成されている。ハウジング２は樹脂製であってインパクトレンチ１の外郭を成しており、略筒状の胴体部２１と、胴体部２１から延出されるハンドル部２２とから主に構成されている。

図１に示されるように、胴体部２１内には、その長手方向がモータ３の軸方向と一致するようにモータ３が配置されると共に、モータ３の軸方向一端側に向かってギヤ機構４、インパクト機構５が並んで配置されている。以下の説明においてはモータ３からギヤ機構４、インパクト機構５に向かう方向を前側として、モータ３の軸方向と平行な方向を前後方向と定義する。また胴体部２１からハンドル部２２が延びる方向を下側として上下方向を定義し、インパクトレンチ１の後ろから見た左右を左右方向として定義する。

胴体部２１には、後述のファン３４により胴体部２１内に外気を吸入・排出する図示せぬ吸気口及び排気口が形成されている。

ハンドル部２２は、胴体部２１の前後方向略中央位置から下側に向けて延出し胴体部２１と一体に構成されている。ハンドル部２２の内部にはスイッチ機構６が内蔵されると共に、その延出方向先端位置に図示せぬ商用電源に接続可能な電源ケーブル２３が延出している。ハンドル部２２において、胴体部２１からの根元部分であって前側位置には、作業者の操作箇所となるトリガ２４が設けられている。ハンドル部２２の下部には、電源ケーブル２３からの交流を直流に変換するための整流回路２５が収容されている。

図１に示されるように、モータ３は、出力軸３１と永久磁石３２Ａを備えるロータ３２と、ロータ３２と対向する位置に配置されるステータ３３とから主に構成されるブラシレスモータであり、出力軸３１の軸方向が前後方向と一致するように胴体部２１内に配置されている。出力軸３１はロータ３２の前後に突出しており、その突出した箇所でベアリングにより胴体部２１に回転可能に支承されている。出力軸３１において、前側に突出している箇所には、出力軸３１と同軸一体回転するファン３４が設けられている。前側に突出している箇所の最前端位置にはピニオンギヤ３１Ａが出力軸３１と同軸一体回転するように設けられている。

モータ３の後方には、複数のホール素子３５Ａを備えた基板３５が設けられている。複数のホール素子３５Ａは、永久磁石３２Ａに対して前後方向において対向する位置に、出力軸３１の円周方向に所定の間隔毎、例えば６０度毎に３つ配置されている。

モータ３の半径方向外方には、３軸加速度センサ３６を備えた制御基板３７が設けられている。３軸加速度センサ３６は、ＸＹＺ軸方向の加速度を検出可能である。本実施の形態では、出力軸３１のスラスト方向（軸方向）の加速度をＺ軸方向の加速度として検出し、出力軸３１の回転方向（円周方向）の加速度をＸ、Ｙ軸方向の加速度として検出する。これにより、インパクト機構５のインパクト動作の衝撃を軸方向だけでなく回転方向においても検出することができる。制御基板３７は、配線によって基板３５及び整流回路２５と電気的に接続されている。モータ３の詳細な制御については、後述する。３軸加速度センサ３６はモータ３の近傍かつインパクト機構５の軸方向の延長線上に設けられているため、インパクト機構５で発生した衝撃を的確に検出することができる。

ギヤ機構４は、ピニオンギヤ３１Ａと噛合している一対の遊星ギヤ４１と、遊星ギヤ４１と噛合しているアウターギヤ４２と、遊星ギヤ４１を保持しているスピンドル４３とを備えている。遊星ギヤ４１はピニオンギヤ３１Ａを太陽ギヤとする遊星歯車機構であり、ピニオンギヤ３１Ａからの回転を減速してスピンドル４３に伝達している。遊星ギヤ４１は、前後方向に延びる回転軸４１Ａを備えており、回転軸４１Ａはスピンドル４３に回転可能に支承されている。スピンドル４３は、図２に示すように、ギヤ支持部４３Ａと軸部４３Ｂとから構成されており、ギヤ支持部４３Ａで遊星ギヤ４１を支持している。遊星ギヤ４１がピニオンギヤ３１Ａの周囲を回転することにより、当該回転によってスピンドル４３が回転する。以下の説明において、軸方向、回転方向、半径方向、とは、出力軸３１に対する方向をいう。

軸部４３Ｂは前後方向に延びるとともに、略Ｖ字状の２つの溝４３ａが軸部４３Ｂの回転軸に対して互いに対向するように形成されている。各溝４３ａは、Ｖ字の開口部が後方に向くように形成されている。溝４３ａには、後述のボール５１が当該溝に沿って移動可能に設けられている。略Ｖ字状の溝４３ａは、斜め後下方向に延びる２つの辺を組み合わせて構成されており、スピンドル４３が正回転しているときにはボール５１は一方の辺のみを往復し、スピンドル４３が逆回転しているときにはボール５１は他方の辺のみを往復する。溝４３ａが本発明の第１溝部に相当し、ボール５１が本発明の係止部材に相当する。

インパクト機構５は、ボール５１と、ストッパ５２と、スプリング５３と、ワッシャ５４と、球５５と、ハンマ５６と、アンビル５７と、を備えている。ストッパ５２は略円筒形状であって、前後方向に貫通し軸部４３Ｂが挿入される孔５２ａが形成されている。ストッパ５２の前端面はハンマ５６と当接可能であり、ハンマ５６が所定量以上に後退することを防止している。

スプリング５３はコイルスプリングであって、軸部４３Ｂに外装されている。スプリング５３の後端部はストッパ５２に当接し、前端部はワッシャ５４に当接している。これにより、スプリング５３はワッシャ５４を介してハンマ５６を前方に付勢している。ワッシャ５４は略円板形状であって、ハンマ５６とスプリング５３との間に設けられている。ワッシャ５４とスプリング５３との間には球５５が設けられている。

ハンマ５６は、図３に示すように、略円筒形状であって、前後方向に貫通し軸部４３Ｂが挿入される貫通孔５６ａが形成されている。貫通孔５６ａには、半径方向内方に突出した段差部５６Ａが形成されていて、段差部５６Ａとストッパ５２の前端面とが当接可能である。段差部５６Ａの前方には、段差部５６Ａよりもさらに半径方向内方に突出しワッシャ５４を受ける受け部５６Ｂが設けられている。受け部５６Ｂには、前方に凹んだ凹部５６ｂが形成されている。球５５は、凹部５６ｂに回転可能に支持されているため、ワッシャ５４及びスプリング５３はハンマ５６に対して相対回転可能である。

受け部５６Ｂの前方には、半径方向内方に窪んだ２つの溝部５６ｃが形成されている。各溝部５６ｃは、各溝４３ａに対向する位置に形成されていて、溝４３ａとともにボール５１を支持している。これにより、ハンマ５６がスピンドル４３に対して保持されるとともに、ボール５１が溝４３ａを移動することによりハンマ５６がスピンドル４３に対して相対的に前後方向かつ円周方向に移動することができる。ハンマ５６が所定量以上に後方に移動すると、ハンマ５６の前端面が溝４３ａよりも後方に位置してしまうため、ボール５１が溝４３ａから離脱してしまう。しかし、段差部５６Ａとストッパ５２の前端面とが当接することによりハンマ５６の所定量以上の後退が防止されるため、ボール５１の離脱が防止される。ハンマ５６の前端面には、前方に突出する２つの係合突起５６Ｃが貫通孔５６ａに対して互いに対向する位置に設けられている。溝部５６ｃは、本発明の第２溝部に相当する。

アンビル５７は略円柱形状をなし、前後方向に延びている。アンビル５７は、半径方向外方に突出する２つの被係合突起５７Ａが設けられている。アンビル５７の先端部分には、図示せぬ先端工具を着脱可能な工具保持部５７Ｂが設けられている。２つの被係合突起５７Ａは、アンビル５７の回転軸に対して互いに対向する位置に設けられている。

スピンドル４３がモータ３によって回転されると、ボール５１と、ハンマ５６と、スプリング５３と、ストッパ５２と、がスピンドル４３と共に回転する。これによって、係合突起５６Ｃと被係合突起５７Ａとが係合して、ハンマ５６とアンビル５７とが一体で回転し、ボルト等の締付作業が行われる（回転モード）。締付作業が進むにつれてアンビル５７の負荷が重くなり、当該負荷が所定値を超えると、ハンマ５６がスプリング５３の付勢力に抗して後退する。このとき、ボール５１は、溝４３ａ内を後方に移動する。ハンマ５６が係合突起５６Ｃの前後方向の高さ以上に後退すると、係合突起５６Ｃは係合していた被係合突起５７Ａを乗り越える。スピンドル４３の回転力はボール５１を介してハンマ５６に伝達されているため、ハンマ５６は回転を続け、各係合突起５６Ｃは係合していた被係合突起５７Ａと対向している被係合突起５７Ａをそれぞれ打撃する（打撃モード）。これにより、アンビル５７が回転して、図示せぬ先端工具に回転力が伝達される。

係合突起５６Ｃが被係合突起５７Ａを打撃したことによる反発力によって、ハンマ５６はスプリング５３の付勢力に抗して後方に移動する。このとき、ボール５１は溝４３ａを後方に移動する（図４Ｃ）。ハンマ５６は後方に移動しつつ回転しているため、係合突起５６Ｃが打撃した被係合突起５７Ａを乗り越える。ハンマ５６の後方への移動量は、加工部材の硬度や先端工具の形状などによって異なる。ハンマ５６は、アンビル５７と最も前後方向に離間した離間位置に位置した後、スプリング５３の付勢力によって再び前進し（図４Ｄ）、ボール５１は溝４３ａを前方に移動する。そして、ボール５１が溝４３ａの最前位置に位置すると（図３）、各係合突起５６Ｃは先ほど打撃した被係合突起５７Ａと対向する位置にある被係合突起５７Ａを打撃する。このとき、ハンマ５６の前側端面であって係合突起５６Ｃが設けられていない部分と被係合突起５７Ａの後面とが当接するのと同時に、係合突起５６Ｃの回転方向側面と被係合突起５７Ａの回転方向側面とが当接するように、スプリング５３のバネ定数やハンマ５６及びアンビル５７の質量、形状などが設計されている。このときの打撃状態を最適打撃状態といい、図４Ａに示す。ボール５１が最前位置にあるときのハンマ５６の位置が、本発明の打撃位置に相当する。これにより、ハンマ５６の回転エネルギーを効率的にアンビル５７に伝達することができる。

インパクトレンチ１での締付作業中に、先端工具とボルト等の止具とが互いに噛み合ってしまって相対的に回転不能となることがある。そうすると、アンビル５７は回転不能のままハンマ５６がアンビル５７を打撃するため、ハンマ５６の回転エネルギーの大部分が反発力となってハンマ５６に戻ってきてしまい、最適打撃状態と比べてハンマ５６が大きく後退する。これにより、ボール５１が溝４３ａの後端に衝突し、図４Ｂに示すような、いわゆるカムエンド衝突が発生する。カムエンド衝突によって、インパクトレンチ１に発生する振動が大きくなるとともに、回転エネルギーのロスとなり打撃力が低下する。

また、ハンマ５６とアンビル５７との打撃タイミングがずれてしまい、プレヒットやオーバーシュートといった現象が起きることがある。プレヒットの状態を図４Ｅに示し、オーバーシュートの状態を図４Ｆに示す。ハンマ５６のアンビル５７に対する反発力が小さい場合、ハンマ５６は最適打撃状態と比較して早いタイミングで前方に移動するため、係合突起５６Ｃの前端面と被係合突起５７Ａの後面とが衝突してプレヒットが発生する。プレヒットは、特に締付作業の途中で急激に先端工具の負荷が小さくなった場合や、商用電源の電圧が不安な場合に発生し易い。その後、ハンマ５６は回転を続けてボール５１は溝４３ａの最前位置に位置する。打撃タイミングがずれているため、ボール５１が最前位置にあるときには係合突起５６Ｃと被係合突起５７Ａとは互いに離間している。ハンマ５６のさらなる回転によってボール５１は、現在往復動している略Ｖ字状の溝４３ａの辺の一方の辺から他方の辺へと乗り上げてしまい、オーバーシュートとなる。そして、オーバーシュートによってハンマ５６はわずかに後退し、後退した状態で係合突起５６Ｃが被係合突起５７Ａを打撃するため、ハンマ５６の回転エネルギーがアンビル５７に十分に伝達されない。このように、一度、打撃タイミングがずれると、連続的にプレヒット、オーバーシュートが発生して打撃力が低下するため早急に打撃タイミングを最適打撃状態に戻す必要がある。なお、カムエンド衝突、プレヒット、オーバーシュート等の不具合は、上述した場合だけでなく、加工部材や用いる先端工具などによってさまざまな状況下で発生する。

次にモータ３の駆動制御系の構成を図５に基づき説明する。本実施例では、モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。このブラシレスＤＣモータのロータ３２は複数組（本実施例では２組）のＮ極とＳ極を含む永久磁石３２Ａを含んで構成され、ステータ３３はスター結線された３相の固定子巻線Ｕ，Ｖ，Ｗから成る。永久磁石３２Ａに対向配置されたホール素子３５Ａからの位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と時間が制御される。

基板３５上に搭載される電子素子には、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴなどの６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御信号出力回路６１に接続され、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレインまたは各ソースは、スター結線された固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。これによって、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路６１から入力されたスイッチング素子駆動信号（Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６等の駆動信号）によってスイッチング動作を行い、整流回路２５によって全波整流された直流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ，Ｖｗとして固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに電力を供給する。

６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング素子駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６として供給し、制御基板３７に備えられた演算部６２によって、トリガ２４の操作量（ストローク）の検出信号に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅（デューティー比）を変化させることによってモータ３への電力供給量を調整し、モータ３の起動／停止と回転速度を制御する。

ここで、ＰＷＭ信号は、基板３５の正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３又は、負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６の何れか一方に供給され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３又はスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６を高速スイッチングさせることによって整流回路２５の直流電圧から各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を制御する。なお、負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６にＰＷＭ信号が供給されるため、ＰＷＭ信号のパルス幅を制御することによって各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を調整してモータ３の回転速度を制御することができる。

制御基板３７は、制御信号出力回路６１と、演算部６２と、電圧検出回路６３と、電流検出回路６４と、印加電圧設定回路６５と、３軸加速度検出回路６６と、回転子位置検出回路６７と、トルク検出回路７２と、を有する。演算部６２は、回転条件判定部６８と、回転数検出部６９と、補正用パラメータ導出部７０と、予測部７１と、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するための中央処理装置（ＣＰＵ）と、処理プログラムや制御データ、各種閾値等を記憶するためのＲＯＭと、データを一時記憶するためのＲＡＭと、を含んで構成される。制御基板３７及び演算部６２が本発明の制御部に相当する。

演算部６２は、回転子位置検出回路６７の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を交互にスイッチングするための駆動信号を形成し、その制御信号を制御信号出力回路６１に出力する。これによって固定子巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの所定の巻線に交互に通電し、ロータ３２を設定された回転方向に回転させる。この場合、負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６に印加する駆動信号は、印加電圧設定回路６５の出力制御信号に基づいてＰＷＭ変調信号として出力される。モータ３に供給される電圧値及び電流値は、電圧検出回路６３及び電流検出回路６４によって測定され、その値が演算部６２にフィードバックされることにより、設定された駆動電力及び電流となるように調整される。電流検出回路６４によって検出された電流を図６（Ｂ）に示す。なお、ＰＷＭ信号は正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３に印加してもよい。電流検出回路６４は、本発明の負荷検出部の一例である。

印加電圧設定回路６５は、トリガ２４の操作に基づいて、演算部６２に制御信号を出力している。３軸加速度検出回路６６は、３軸加速度センサ３６からの信号に基づいてスラスト方向及び回転方向の各加速度を演算部６２に出力している。

トルク検出回路７２は、先端工具の締付トルクを検出するためのトルクセンサ２６からの信号に基づいて、締付トルクを演算部６２に出力している。

回転条件判定部６８は、３軸加速度検出回路６６からの出力信号に基づいて、ハンマ５６とアンビル５７との打撃が最適打撃状態であるか否かを判断している。回転数検出部６９は、回転子位置検出回路６７からの信号に基づいてモータ３の回転数を検出している。回転数検出部６９により検出された回転数を、図６（Ｄ）に示す。補正用パラメータ導出部７０は、回転条件判定部６８の判断結果に応じて、モータ３の制御のＰＷＭデューティを調整するための補正用パラメータを導出している。予測部７１は、図６（Ａ）に示すような、電流検出回路６４によって検出された電流の傾きを算出している。

次に、インパクトレンチ１の動作について、図６及び図７に基づいて説明する。

電源ケーブル２３を図示せぬ商用電源に接続し、トリガ２４を引くことにより、モータ３が動作する（図６のｔ０）。これにより、図７のフローチャートがスタートする（Ｓ１）。次に、電流検出回路６４がモータ３に流れる電流の検出する（Ｓ２）。本実施の形態では、モータ負荷の一例として電流を検出している。止具の締付作業の初期では、先端工具（アンビル５７）にかかる負荷が小さいため、ハンマ５６とアンビル５７とが共に回転し、先端工具（アンビル５７）にかかる負荷が大きくなると、スプリング５３の付勢力に抗してハンマ５６が後退し、ハンマ５６がアンビル５７への打撃を開始する（図６のｔ１）。これにより、インパクトレンチ１は、回転モードから打撃モードへと移行する。時刻ｔ１で１回目の打撃が発生すると、図６（Ｂ）に示すように、電流検出回路６４によって検出された電流は、打撃のタイミングで最小値となる。具体的には、打撃のタイミングで下降から上昇に転じる。図６（Ｄ）に示すように、回転数は打撃のタイミングで上昇から下降に転じる。図６（Ｅ）及び図６（Ｆ）に示すように、時刻ｔ１で締付トルク及び加速度がピークとなる。打撃後は、ハンマ５６はスピンドル４３の溝４３ａに沿って後退する。このとき、スピンドル４３とハンマ５６とが相対的に回転することとなるため、モータ３の負荷が上昇する。これにより、図６（Ｂ）に示す電流は上昇し、図６（Ｄ）に示す回転数は下降する。時刻ｔ２においては、ハンマ５６が離間位置に位置し、図６（Ａ）に示すように、電流の傾きはゼロになる。これに伴い、図６（Ｄ）に示す回転数の傾きもゼロになる。このときはカムエンド衝突が発生していないため、ボール５１と溝４３ａの後端とは離間している。その後、ハンマ５６は溝４３ａに沿って前進する。このとき、ハンマ５６はスピンドル４３の回転方向と同方向に回転しながら前進するため、モータ３の負荷が低下する。これにより、図６（Ｂ）に示す電流は下降し、図６（Ｄ）に示す回転数は上昇する。

図６に示す時刻ｔ３において、プレヒットが発生し、電流、回転数が一時的に脈動している。さらに、わずかに締付トルクが発生している。プレヒットが発生したことにより打撃タイミングが狂い、引き続きオーバーシュートが時刻ｔ４で発生している。このときも、同様に電流、回転数が一時的に脈動し、わずかに締付トルクが発生している。

図６に示す時刻ｔ５で再びハンマ５６がアンビル５７を打撃する。このときは、図６（Ａ）に示す電流の傾きが閾値より小さいため、検出値は適正となる（Ｓ３：ＹＥＳ）。時刻ｔ６において再びハンマ５６がアンビル５７を打撃すると、電流が下降から上昇に転じた後、図６（Ａ）に示す電流の傾きが閾値を超える（Ｓ３：ＮＯ）。このことは、時刻ｔ６における打撃の際にハンマ５６のアンビル５７から受ける反発力が大きいため、ハンマ５６が急激に後退したことにより、モータ３の負荷が急上昇したことを意味している。つまり、このままの状態だと、ハンマ５６の急激な後退により、図６（Ｂ）の仮想点線で示すようなカムエンド衝突が発生することが予想される。仮想点線では、ハンマ５６が離間位置に達した時刻ｔ８においてカムエンド衝突が起こっている。また、図６（Ｆ）では、時刻ｔ８において、仮想点線で示すようにカムエンド衝突により発生した振動が表れている。そこで、本発明では、時刻ｔ６において、予測部７１が図６（Ｂ）の太線で示すような最適打撃状態となるようなデューティ比を算出し、時刻ｔ７でデューティ比を低下させ低デューティモードに移行する（Ｓ４）。つまり、モータ３の負荷がｔ６において上昇し始めて、ハンマ５６が離間位置に位置する前（ｔ６後のピークに位置する前）に低デューティモードに移行している。本発明の「負荷が上昇し始めた後、且つ負荷が下降に転じる前」とは、図６（Ｂ）の時刻ｔ６後且つ時刻ｔ８の前に相当する。ｔ６とｔ７との間の期間が、予測部７１がデューティ比を算出するための時間遅れ分となる。

時刻ｔ７で低デューティモードに移行したため、図６（Ａ）の電流の傾きは太線で示すように急激に低下し、図６（Ｂ）の電流も太線で示す最適打撃状態となる。また、図６（Ｄ）に示す回転数も、デューティ比の低下に伴い低下する。次の打撃では、電流の傾きは閾値を超えていないため検出値が適正となり（Ｓ３：ＹＥＳ）、デューティ比はそのままとなる（図６（Ｃ））。図６には示していないが、さらに次の打撃で電流の傾きが閾値を超えた場合は検出値が適正でないと判断し（Ｓ３：ＮＯ）、予測部７１は再びデューティ比を算出、低下させる。トリガ２４がオフされまで、上記のＳ２からＳ４の作業を繰り返す（Ｓ５：ＮＯ）。トリガ２４がオフされることにより（Ｓ５：ＹＥＳ）、締付作業が終了する。これにより、一旦設定された低デューティモードが解除されるため、再びトリガ２４がオンされた場合はデューティ比が１００％となる。

本実施の形態では、低デューティモードに移行した後は、低デューティモードが継続されるが、所定時間経過後にデューティを１００％に戻してもよい。例えば、先端工具と止具とが一時的にロックしたような状態の場合は、カムエンド衝突が起こる可能性があるため低デューティモードが好ましいが、ロックが解除されればカムエンド衝突が起こる可能性が低くなるため、デューティ比を戻すことにより効率的な作業を行うことができる。

このような構成によると、ハンマ５６がアンビル５７を打撃が後に電流が上昇し始めた後、且つ電流が下降に転じる前にモータ３の駆動電力のデューティ比を低下させているため、カムエンド衝突が発生して電流負荷が上昇し（図６（Ｂ）の点線）この電流の上昇を検出してモータのデューティ比を低下させる場合と比較すると、カムエンド衝突の発生自体を抑制することができる。これにより、カムエンド衝突の際にインパクトレンチ１に発生する振動やエネルギー損失を防止することができる。

このような構成によると、電流検出回路６４により検出された電流に基づいて、予測部７１が算出したで電流の変化率が所定の閾値を超えた場合に低デューティモードに移行するため、変化率が大きくなることによりカムエンド衝突の発生する可能性を予測し、低デューティモードに移行することにより、カムエンド衝突の発生を抑制することができる。これにより、カムエンド衝突の際にインパクトレンチ１に発生する振動やエネルギー損失を防止することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態の第１の変形例について図６を参照して説明する。上述の実施の形態では負荷検出部の一例として電圧検出回路６３を用いたが、第１の変形例では負荷検出部として回転数検出部６９を用いる。

予測部７１は、図６（Ｄ）に示す回転数の傾きを算出している。また、演算部６２の図示せぬＲＯＭには、回転数の傾きの閾値が記憶されている。図７のフローチャートにおいて、モータ負荷として回転数検出部６９がモータ３の回転数を検出する（Ｓ２）。時刻ｔ６において、ハンマ５６のアンビル５７から受ける反発力が大きくなると、モータ３の負荷が急激に大きくなるため、時刻ｔ６直後における回転数の傾きも急激に低くなる。回転数の傾きが閾値を下回ると検出値が適正でないと判断して（Ｓ３：ＮＯ）、時刻ｔ７で低デューティモードに移行する（Ｓ４）。

このような構成によると、モータ３の回転数を検出することにより、カムエンド衝突が発生する前にモータ３の駆動電力のデューティ比を低下させて、カムエンド衝突の発生自体を抑制することができる。これにより、カムエンド衝突の際にインパクトレンチ１に発生する振動やエネルギー損失を防止することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例について図６を参照して説明する。第２の変形例では負荷検出部としてトルク検出回路７２を用いる。

予測部７１は、図６（Ｅ）に示す締付トルクの傾きを算出している。また、演算部６２の図示せぬＲＯＭには、締付トルクの傾きの閾値が記憶されている。図７のフローチャートにおいて、Ｓ２でトルク検出回路７２が締付トルクを検出する。時刻ｔ６において、ハンマ５６のアンビル５７から受ける反発力が大きくなると、電流の傾きと同様に、時刻ｔ６直後における締付トルクの傾きも急激に大きくなる。トルクの傾きが閾値を超えると検出値が適正でないと判断して（Ｓ３：ＮＯ）、時刻ｔ７で低デューティモードに移行する（Ｓ４）。

このような構成によると、トルクセンサ２６によって締付トルクを検出することにより、カムエンド衝突が発生する前にモータ３の駆動電力のデューティ比を低下させて、カムエンド衝突の発生自体を抑制することができる。これにより、カムエンド衝突の際にインパクトレンチ１に発生する振動やエネルギー損失を防止することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態の第３の変形例について図６を参照して説明する。第３の変形例では負荷検出部として３軸加速度検出回路６６を用いる。３軸加速度検出回路６６は、３軸方向の加速度を検出することにより、インパクトレンチ１に発生する振動を検知している。

予測部７１は、図６（Ｆ）に示す加速度の傾きを算出している。また、演算部６２の図示せぬＲＯＭには、加速度の傾きの閾値が記憶されている。図７のフローチャートにおいて、Ｓ２でトルク検出回路７２が締付トルクを検出する。時刻ｔ６において、ハンマ５６のアンビル５７から受ける反発力が大きくなると、インパクトレンチ１に発生する振動が大きくなり加速度の傾きが大きくなる。この場合には、ハンマ５６が急激に後退しカムエンド衝突が発生することが予想される。加速度の傾きが閾値を超えると検出値が適正でないと判断して（Ｓ３：ＮＯ）、時刻ｔ７で低デューティモードに移行する（Ｓ４）。

このような構成によると、加速度の傾きが所定の閾値を超えた場合、カムエンド衝突が起こる可能性があると判断し、低デューティモードに移行することによりカムエンド衝突の発生を抑制することができる。これにより、カムエンド衝突の際にインパクトレンチ１に発生する振動やエネルギー損失を防止することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態の第４の変形例について図６及び図８を参照して説明する。第４の変形例ではハンマ５６とアンビル５７との打撃間におけるハンマ５６の挙動に応じて低デューティモードに移行している。具体的には、各打撃間の周期を算出することにより、カムエンド衝突の発生を予測している。

予測部７１は、図６（Ｂ）に示す電流に基づいて打撃の周期を算出している。つまり、予測部７１は、打撃のタイミングで前回の打撃の周期を算出する。詳細には、２回目の打撃である時刻ｔ５において（Ｓ１１：ＹＥＳ）、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの周期Ｔ１を算出し（Ｓ１２）、閾値と比較することにより算出値が適正であるか否かを判断する（Ｓ１３）。つまり、予測部７１は、打撃毎にＳ１２〜Ｓ５を繰り返し実行し、算出した周期と閾値との比較を行う。３回目の打撃である時刻ｔ６において（Ｓ１１：ＹＥＳ）、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの周期Ｔ２を算出し、閾値と比較する（Ｓ１３）。時刻ｔ６で算出したＴ２は、時刻ｔ５で算出した周期Ｔ１よりも長い。これは、ハンマ５６の後退量が増加したためであり、この状態で前進してアンビル５７を打撃すると、反発力が大きくなってカムエンド衝突が起こる可能性がある。そこで、周期Ｔ２が閾値を超えると算出値が適正でないと判断して（Ｓ１３：ＮＯ）、時刻ｔ７で低デューティモードに移行する（Ｓ４）。

このような構成によると、周期が所定の閾値を超えた場合、カムエンド衝突が起こる可能性があると判断し、低デューティモードに移行することによりカムエンド衝突の発生を抑制することができる。これにより、カムエンド衝突の際にインパクトレンチ１に発生する振動やエネルギー損失を防止することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態の第５の変形例について図６及び図８を参照して説明する。第５の変形例ではハンマ５６とアンビル５７との打撃間におけるハンマ５６の挙動に応じて低デューティモードに移行している。具体的には、各打撃間の周期の電流の積分値を算出することにより、カムエンド衝突の発生を予測している。

予測部７１は、２回目の打撃である時刻ｔ５において（Ｓ１１：ＹＥＳ）、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの周期Ｔ１の電流の積分値Ｉ１を算出し（Ｓ１２）、閾値と比較することにより算出値が適正であるか否かを判断する（Ｓ１３）。つまり、予測部７１は、打撃毎にＳ１２〜Ｓ５を繰り返し実行し、算出した積分値と閾値との比較を行う。３回目の打撃である時刻ｔ６において（Ｓ１１：ＹＥＳ）、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの積分値Ｉ２を算出し、閾値と比較する（Ｓ１３）。図６（Ｂ）に示すように、時刻ｔ６で算出したＩ２は時刻ｔ５で算出した積分値Ｉ１よりも大きい。これは、ハンマ５６の後退量が増加したためであり、この状態で前進してアンビル５７を打撃すると、反発力が大きくなってカムエンド衝突が起こる可能性がある。そこで、積分値Ｉ２が閾値を超えると算出値が適正でないと判断して（Ｓ１３：ＮＯ）、時刻ｔ７で低デューティモードに移行する（Ｓ４）。第５の変形例の場合には、グラフの横軸の時間だけでなく、縦軸の電流値の増加も併せて検出することができるため、時間のみを検出する第４の変形例と比較すると、カムエンド衝突の発生予測の精度を高めることができる。

このような構成によると、電流の積分値が所定の閾値を超えた場合、カムエンド衝突が起こる可能性があると判断し、低デューティモードに移行することによりカムエンド衝突の発生を抑制することができる。これにより、カムエンド衝突の際にインパクトレンチ１に発生する振動やエネルギー損失を防止することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図９及び図１０に基づいて説明する。第１の実施の形態と同様の構成については、同一の符号を付し説明を省略する。

図９に示すように、時刻ｔ６の直後に図９（Ａ）に示す電流の傾きが閾値を超えた場合に検出値が適正でないと判断して（図１０のＳ３：ＮＯ）、時刻ｔ６´においてモータ３にブレーキをかける。具体的には、図９（Ｃ）に示すようにデューティ比をｔｍｓｅｃの間（時刻ｔ６´から時刻ｔ７までの間）、ゼロにする。時刻ｔ６´でモータ３を一時的に停止したため、図９（Ａ）の電流の傾きは太線で示すように低下し、図９（Ｂ）の電流も太線で示す状態となる。また、図９（Ｄ）に示す回転数も、モータ３の一時停止に伴い低下する。これにより、カムエンド衝突を回避することができる。モータ３を一時的に停止したため、図９（Ｅ）に示すように、時刻ｔ９における締付トルクが低下しているが、次の打撃である時刻ｔ１０の際の締付トルクは最適打撃状態となっている。

なお、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の変形例と同様に、Ｓ３の検出値を電流の傾きに変えて、図９（Ｄ）に示す回転数の傾き、図９（Ｅ）に示すトルクの傾き、図９（Ｆ）に示す加速度の傾き、打撃の周期、電流の積分値、のいずれかを採用しても良い。

このような構成によると、予測部７１にてデューティ比を算出する必要がないため、第１の実施の形態に比べて時間遅れ分が短い。つまり、第１の実施の形態の時間遅れ分である時刻ｔ６〜時刻ｔ７よりも、第２の実施の形態の時間遅れ分である時刻ｔ６〜時刻ｔ６´のほうが短い。これにより、打撃の周期が早い場合であっても、確実にカムエンド衝突を回避することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態の変形例について説明する。第２の実施の形態ではモータ３を一時的に停止させていたが、変形例では、演算部６２はモータ３を積極的に逆回転させるように制御する。このとき、逆回転させるように制御する時間は、第２の実施の形態でモータ３を停止させる時間ｔｍｓｅｃよりも短い。これにより、時間遅れ分が第２の実施の形態よりさらに短くなるため、確実にカムエンド衝突を回避することができる。

なお、本発明のインパクトレンチは、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

上述した実施の形態及び変形例において、Ｓ３の検出値を電流の傾きに変えて、図６（Ｄ）又は図９（Ｄ）に示す回転数の傾き、図６（Ｅ）又は図９（Ｅ）に示すトルクの傾き、図６（Ｆ）又は図９（Ｆ）に示す加速度の傾き、打撃の周期、電流の積分値、のいずれかを採用したが、これらのうちの少なくとも２つを組み合わせても良い。これにより、カムエンド衝突が発生する予測精度を上げることができる。

また、上述の実施の形態では、電動工具の一例としてインパクトレンチを用いたが、インパクトドライバを用いてもよい。インパクトレンチの打撃周期は約３０ｍｓｅｃであるのに対し、インパクトドライバの打撃周期は１５〜２０ｍｓｅｃとなる。従って、本発明をインパクトドライバに適用する場合には、時間遅れ分の影響が大きくなることを考慮して、第２の実施の形態を適用することが好ましい。なお、第１の実施の形態を適用した場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

また、上述の実施の形態では、モータ３として電動モータを用いたが、エアモータを用いてもよい。

１・・インパクトレンチ２・・ハウジング３・・モータ４・・ギヤ機構５・・インパクト機構２４・・トリガ２５・・整流回路２６・・・トルクセンサ３１・・・出力軸３６・・３軸加速度センサ３７・・制御基板４３ａ・・・溝５１・・・ボール５６・・ハンマ５６ｃ・・・溝部５７・・アンビル６２・・演算部６７・・回転子位置検出回路６８・・回転条件判定部６９・・回転数検出部７０・・補正用パラメータ導出部７２・・・トルク検出回路

Claims

ハウジングと、
前記ハウジングに収容されるモータと、
前記モータにより回転されるハンマと、
負荷の大きさに応じて、前記ハンマと一体で回転する回転モードと、前記ハンマにより打撃される打撃モードと、のいずれかで回転するアンビルと、
前記打撃モード中に、前記モータにブレーキを掛ける制御部と、を有し、
前記ハンマは、前記打撃モード中は、前記アンビルを打撃する打撃位置と、前記アンビルと前記モータの軸方向に最も離間した離間位置と、の間を移動可能であって、
前記制御部は、前記ハンマが前記アンビルを打撃した後、且つ前記ハンマが前記離間位置に到達する前に前記ブレーキを掛けるように構成されていることを特徴とする電動工具。
前記制御部は、前記打撃モード中に前記モータを逆回転させるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
ハウジングと、
前記ハウジングに収容されるモータと、
前記モータにより回転されるハンマと、
負荷の大きさに応じて、前記ハンマと一体で回転する回転モードと、前記ハンマにより打撃される打撃モードと、のいずれかで回転するアンビルと、
前記打撃モード中に、前記モータにブレーキを掛ける制御部と、を有し、
前記ハンマによる前記アンビルへの一の打撃から次の打撃までの間に、前記モータに流れる電流が最小値となるタイミングと最大値となるタイミングとが発生し、
前記制御部は、前記電流が前記最小値になった後、且つ前記電流が前記最大値となる前に前記ブレーキを掛けるように構成されていることを特徴とする電動工具。