JP6709580B2 - 手持ち電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、特許文献１から知られた手持ち電動工具に関する。

欧州特許第０６６６１４８号明細書

ハンマードリルで作業する際、ドリルビットが石材等に詰まることがある。反力トルクにより、ハンマードリルは操作者の保持力に対して捻れる。ドリルビットが突然詰まると、トルクが上昇するため、操作者は不意を突かれ、負傷することがある。そのため、ハンマードリル又はそのハンドルの回転は、潜在的に危険な状況を引き起こし、ハンマードリルのスイッチはオフになる。しかし、操作者はまた、例えば、より快適な保持位置にするために、作業中にハンマードリルを意図的に回すことがある。この場合には、ハンマードリルのスイッチをオフにしてはならない。

本発明の回転工具用の電動工具の制御方法は、以下の工程を備える。操作ボタンの作動に対応して、工具ホルダを回転駆動装置により作動軸の回りを継続的に回転させる。作動軸の回りのハンドルの回転運動を運動センサで検出する。制限値以下の低速回転運動を除外して（ausblenden）、第１の動き検出装置によりハンドルの第１の回転角（２８）を推定する。制限値以下の低速回転運動のみを考慮に入れて(beruecksichtigen)、第２の動き検出装置でハンドルの第２の回転角（３２）を推定する。第１の回転角が第１のトリガ閾値Ａ１を超える場合、回転駆動装置の出力トルクを低減するための保護手段を作動させる。第２の回転角が第２のトリガ閾値Ａ２を超え、同時に回転駆動装置の電力出力が電力閾値Ｌを超える場合、回転駆動装置の出力トルクを低減するための保護手段を作動させる。

この制御方法により、高速で制御不能な回転運動の発生時に保護手段のスイッチがオンになる。制御下で発生し得る回転運動として、この制御方法は電力消費又はそれに相当するもの、および印加トルクを、２つの基準として検出する。電力消費は、制御不能な低速回転運動を示唆する特徴的な基準として適している。

本発明の１つの態様において、制限値の範囲は１０°／秒から５０°／秒である。

特に１つの態様において、第１の制限値以下の低速回転運動を除外してハンドルの第１の回転角（２８）を第１の動き検出装置により推定し、第２の制限値以下の低速回転運動のみを考慮に入れてハンドルの第２の回転角（３２）を第２の動き検出装置により推定し、ここで第２の制限値は第１の制限値の１０％未満である。２つの制限値は大きく異なることが好ましい。

第１の動き検出装置は、第１の制限周波数ｗ１を有する帯域制限インテグレータにより実装され得る。第２の動き検出装置は、第２の制限周波数ｗ２を有する帯域制限インテグレータにより実装され得る。第１の制限周波数ｗ１は、第２の制限周波数ｗ２より少なくとも１０倍大きい。

第１のトリガ閾値Ａ１は、第２のトリガ閾値Ａ２より小さくてもよい。高速回転運動では負傷の危険性が高くなるため、小さな回転角のみが好ましい。回転運動を低速として、介入をできるだけ遅らせることが望ましい。

請求項５の制御方法は、第１のトリガ閾値Ａ１が５０°未満で、第２のトリガ閾値Ａ２が９０°を超える、ことを特徴とする。

以下の記載では、模範的な実施例及び図を参照して本発明を説明する。実施例及び図は、以下の通りである。

ハンマードリルを示す図である。 保護装置を示す図である。

別段の記載がない限り、図において、同一又は機能的に同等の要素は同じ参照番号で示されている。

図１は、手持ち可能な電動工具の例としてハンマードリル１を模式的に示す。ハンマードリル１は、ドリルビット３又はその他の工具を挿入及び係止する工具ホルダ２を有する。例えば、ハンマードリル１は、作動軸５の回りを回転するように工具ホルダ２を駆動する回転駆動装置４を有する。回転駆動装置４は、操作ボタン７で操作者がスイッチオン及びオフができる電気モータ６に基づき動作する。追加の打撃機構８は、作動軸５に沿った打撃方向９でドリルビット３に定期的に打撃を加える。打撃機構８は、同じ電気モータ６に駆動されることが好ましい。電源はバッテリ１０又は電力線で供給してよい。

回転駆動装置４には電気モータ６が含まれる。この電気モータ６は、ドライブトレイン経由で工具ホルダ２と連結される。ドライブトレインは、例えば、減速機１１を有する。さらに、クラッチ１２を備えてよい。シャフト１３、例えば、中空シャフトは回転駆動装置４を工具ホルダ２と連結する。

ハンマードリル１はハンドル１４を有し、このハンドル１４は一般的にはハンマードリル１の機械ハウジング１５の、工具ホルダ２の反対方向に向いた端に設けられている。追加のハンドル１６が、例えば、工具ホルダ２の近くに設けられていてもよい。操作者は、掘削の間このハンドル１４でハンマードリル１を案内及び保持できる。

操作者は、操作ボタン７で回転駆動装置４のスイッチをオン及びオフできる。この操作ボタン７は、例えば、スイッチを無効にする位置及び１つ又はそれ以上のスイッチを有効にする位置を有する。操作ボタン７は、スイッチを無効にする位置で単安定であることが好ましい。操作者は、操作ボタン７を押下し続ける必要がある。さもないと、回転駆動装置４のスイッチはオフになる。操作者は、例えば、自分の付勢力を選択することで、スイッチを有効にする位置を１つ選択し得る。様々なスイッチの位置を、回転駆動装置４の異なる回転速度又は異なるトルクと関連付けてよい。

モータ制御装置１７は、操作ボタン７が作動した際に起動する。モータ制御装置１７は、電気モータ６の回転方向を制御する。モータ制御装置１７は、順方向に対応する位相の電流を電気モータ６の巻線に供給する。ハンマードリル１の順方向とは、一貫して時計回りの回転とされる。電動ねじ締め機においては、動作の順方向は、一般的にスイッチのセレクタにより設定が可能である。

モータ制御装置１７は、電気モータ６の回転速度を制御する。モータ制御装置１７は電気モータ６の電力消費を設定値へと制御するため、負荷により特定される回転速度に収まる。モータ制御装置１７は、例えば、パルス幅変調により平均電流を設定する。モータ制御装置１７は、回転速度が一定になるように電力消費を調節し得る。電力消費又は回転速度の制限は、例えば、操作者及び操作ボタン７の作動の強度により設定してよい。

回転駆動装置４は、一般的に操作ボタン７の作動に反応して時計回り方向に回転する。時計回りの回転方向は、掘削及び設定ねじのための標準として規定されている。掘削中には、一般的に、回転ドリルビット３へのロッキングの抵抗から生じる小さな反力トルクが操作者に作用する。操作者は、労力無しで又は少し力を加えるだけで必要な保持力を加えることができる。ドリルビット３は掘削孔でブロックすることがあり、そうなると継続的に回転する回転駆動装置４によって工具ホルダ２に大きなトルクが加わる。反力トルクは急激に増加することがあり、操作者及びハンマードリル１を傷つけることがある。操作者及びハンマードリル１が傷つかないようにするために、保護装置１８はハンマードリル１の挙動を監視し、予期せぬ事態又は障害の発生した場合には保護手段１９を起動させ、操作ボタン７により設定されたハンマードリル１の操作を中断する。

保護装置１８には運動センサ２０が含まれる。運動センサ２０は、作動軸５上に配置されることが好ましい。この運動センサ２０は、例えば、ハンドル１６に又はその近くに配置してもよい。運動センサ２０は、作動軸５の回りのハンドル１４の回転運動を検出する。運動センサ２０の一例としては、回転運動により加わるコリオリ力に基づく角速度を直接判定するジャイロセンサがある。ジャイロセンサには、例えば、コリオリ力により発振周波数が変化する揺動板が含まれてよい。それに代わる運動センサ２０は、ハンマードリル１の２つのオフセット位置での加速度を検出し、その差異に基づきハンマードリル１の回転運動を判定する。

運動センサ２０の出力信号２１は、作動軸５の回りのハンドル１４の回転速度ｗ又は角速度の尺度となる。この出力信号２１は、高速回転運動を対象とする第１の動き検出装置２２及び低速回転運動を対象とする第２の動き検出装置２３に供給される。保護手段１９は、論理ＯＲゲート２４の記号が示す通り、第１の動き検出装置２２と第２の動き検出装置２３により独立に作動させてよい。

第１の動き検出装置２２には、（第１の）帯域制限インテグレータ２５が含まれる。帯域制限インテグレータ２５の（第１の）制限周波数ｗ１の範囲は、３００ｍＨｚから１０００ｍＨｚである。低制限周波数ｗ１は、一般的に操作者に起因するハンドル１４の低速回転運動を抑制する。操作者に起因せず、むしろドリルビット３のブロッキングを典型的に示唆する高速回転運動が複合されている。工具ホルダの回転速度の範囲におけるハンドル１４の角速度は、一般的にブロッキングにより生じる。一般的な回転速度の範囲は２Ｈｚから２０Ｈｚであり、ブロッキングに関係すると考えられる角速度の範囲は、例えば、５００°／秒から５０００°／秒である。

帯域制限インテグレータ２５は、非制限インテグレータ２６及びハイパスフィルタ２７により記号で示されている。ハイパスフィルタ２７の制限周波数ｗ１は、帯域制限インテグレータ２５の制限周波数ｗ１に対応する。制限周波数ｗ１は、ハイパスフィルタ２７の出力信号２１が３ｄＢ減衰した周波数を指す。帯域制限インテグレータ２５は、デジタル又はアナログ構成で実装され得る。運動センサ２０の出力信号２１は、離散時間（zeitdiskret）的に任意にスキャンしてよい。デジタルインテグレータ２５は、ディスクリート回路により実装しても、又はマイクロプロセッサにルーチンとして実装してもよい。

第１の動き検出装置２２の（第１の）出力信号２８は、直近の短期間内にハンマードリル１又はハンドル１６が回転した回転角の推定値である。制限周波数ｗ１は監視期間を制限するか、又は非常に小さい係数で期間外の回転運動を測るために用いる。

第１の動き検出装置２２は、例えば、瞬時角速度を一定時定数Ｔで乗算する追加比例構成要素２９を有する。比例構成要素２９は、以降の期間のハンドル１６のさらなる回転の程度の推定に用いる。比例構成要素２９及び帯域制限インテグレータ２５の出力信号３０は、加えられて第１の動き検出装置２２の出力信号２８となる。

第２の動き検出装置２３には、（第２の）帯域制限インテグレータ３１が含まれる。第２の動き検出装置３１の構成は、第１の帯域制限インテグレータ２５の構成と同一である。インテグレータ３１の（第２の）制限周波数ｗ２は、２０°／秒といったより低角速度の回転運動を第２の動き検出装置２３が積算するように選択される。第２の制限周波数ｗ２は、最大で第１の制限周波数ｗ１の１／１０であることが好ましく、最大で１／１００であることが好ましい。第２の制限周波数ｗ２の範囲は、２ｍＨｚから１０ｍＨｚであることが好ましい。第２の制限周波数ｗ２を超える周波数では、第１の帯域制限インテグレータ２５と第２の帯域制限インテグレータ３１の利得が等しいことが好ましい。ハイパスフィルタ３２の制限周波数ｗ２は、第２の制限周波数ｗ２に対応する。

第２の動き検出装置２３の（第２の）出力信号３３は、作動軸５の回りのハンマードリル１又はハンドル１６の回転角の推定値である。第２の動き検出装置２３は、低速回転運動を考慮に入れたものである。このようにして、過去の回転運動も相当に考慮されている。

第２の動き検出装置２３は同様に比例構成要素３４を有し、この比例構成要素３４は特に同じ時定数Ｔを有する第１の動き検出装置２２の比例構成要素２９と同一であることが好ましい。第２の動き検出装置２３の第２の出力信号３３は、第２の帯域制限インテグレータ３１の出力信号３５と比例構成要素３４の和に基づく。

保護装置１８は、例えば、（第１の）弁別装置３６により実装され、第１の動き検出装置２２の出力信号２８と比較される第１のトリガ閾値Ａ１を有する。出力信号２８がトリガ閾値Ａ１を超えると、保護手段１９が起動される。第１のトリガ閾値Ａ１は、最大回転角度５０度、好ましくは少なくとも１０°に対応する。保護装置１８は、第１の動き検出装置２２が５０°を超える平均回転を検出するか、又は期間内に５０°を超える平均回転が予想される場合に作動させる。

保護装置１８は、例えば、第２の弁別装置３７により実装され、（第２の）動き検出装置２３の第２の出力信号３３と比較される第２のトリガ閾値Ａ２を有する。第２のトリガ閾値Ａ２は、９０°から１２０°の回転角度に対応する。第２のトリガ閾値Ａ２は、第１のトリガ閾値より大きい。ハンドル１４の回転は、操作者により対応ができる角速度で発生する。ハンドル１６が回転角度５０°分だけ回転する時間は、人間の一般的な反応時間である２００ｍｓから４００ｍｓよりも長い。

第２のトリガ閾値Ａ２を超えることが、保護手段１９を起動するための唯一の条件である。第２の条件は、回転駆動装置４の出力が出力閾値を超えることである。

出力は、出力センサ３８により検出される。出力は、例えば、電気モータ６の電力消費を通じて、間接的に判定してよい。さらに、出力は、回転駆動装置４により加わるトルク及びその回転速度に基づき判定し得る。出力閾値Ｌは、例えば、２００ワットを超える。弁別装置３９は、瞬時出力と出力閾値Ｌを比較する。保護手段１９は、ＡＮＤゲート４０の記号が示す通り、第１の条件と第２の条件の両方が満たされた際に起動される。

保護手段１９はクラッチ１２により、回転駆動装置４の機械的障害に対応し得る。クラッチ１２は、作動装置、例えば、ソレノイドを介して適切に係合可能である。代替的又は追加的に、電気モータ６を制動してよい。電気モータ６の制動は、例えば、負荷抵抗を通じたロータ巻線の短絡又はステータ巻線の短絡による。電気モータ６の制動は、モータ制御装置１７により制御してよい。

打撃機構８は、例えば、空気式打撃装置である。起振ピストン４１は、電気モータ６により、作動軸５に沿って周期的な前後運動を行う。作動軸５上を動く打撃装置４２は、空気ばねにより起振ピストン４１と結合される。空気ばねは、起振ピストン４１及び打撃装置４２により遮断される空圧室４３により形成される。起振ピストン４１及び打撃装置４２は、同時に空圧室４３を径方向に遮断する案内管４４で案内され得る。スナップダイス４５は、打撃装置４２に続いて打撃方向９に配置してよい。打撃装置４２はスナップダイス４５に衝突し、スナップダイス４５はさらに工具ホルダ２に配置されたドリルビット３に衝撃を伝達する。

Claims (5)

1. 操作ボタン（７）の作動に対応して、工具ホルダ（２）を回転駆動装置（４）により作動軸（５）の回りを継続的に回転させる工程と、
   運動センサ（２０）により前記作動軸（５）の回りのハンドル（１４）の回転運動を検出する工程と、
   第１の制限値以下の低速回転運動を除外して、第１の動き検出装置（２２）により前記ハンドル（１４）の第１の回転角（２８）を推定する工程と、
   前記第１の制限値の１０％未満である第２の制限値以下の低速回転運動のみを考慮に入れて、第２の動き検出装置（２３）で前記ハンドル（１４）の第２の回転角（３２）を推定する工程と、
   前記第１の回転角（２８）が第１のトリガ閾値（Ａ１）を超えた場合に、前記回転駆動装置（４）の出力トルクを低減するための保護手段（１９）を作動させる工程と、
   前記第２の回転角（３３）が第２のトリガ閾値（Ａ２）を超え、同時に前記回転駆動装置（４）の電力出力が電力閾値Ｌを超える場合、前記回転駆動装置（４）の前記出力トルクを低減するための前記保護手段（１９）を作動させる工程と
   を備える、
   回転工具用の電動工具（１）の制御方法。
2. 前記第１の制限値の範囲が１０°／秒から５０°／秒である、ことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記第１の動き検出装置（２２）は第１の制限周波数（ｗ１）を有する帯域制限インテグレータ（２５）を備え、前記第２の動き検出装置（２３）は第２の制限周波数（ｗ２）を有する帯域制限インテグレータ（３１）を備え、前記第１の制限周波数（ｗ１）は前記第２の制限周波数（ｗ２）より少なくとも１０倍大きい、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御方法。
4. 前記第１のトリガ閾値（Ａ１）が前記第２のトリガ閾値（Ａ２）より小さい、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の制御方法。
5. 前記第１のトリガ閾値（Ａ１）が５０°未満で、前記第２のトリガ閾値（Ａ２）が９０°を超える、ことを特徴とする請求項４に記載の制御方法。

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