JP6868837B2 - 信号処理装置及び工具 - Google Patents

Description

本開示は、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた工具のための信号処理装置と、そのような信号処理装置を備えた工具とに関する。

インパクトドライバー及びインパクトレンチなど、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた工具（以下、「インパクト回転工具」ともいう）が知られている。

特許文献１は、ハンマーをモータで回転駆動し、ハンマーによる打撃トルクを締付対象物に加えて締付トルクを発生させるインパクト回転工具を開示している。

特開２００９−０８３００２号公報

インパクト回転工具には、回転体にかかるトルクに基づいてモータなどの駆動装置を制御するものがある。しかしながら、インパクト回転工具に内蔵されたトルクセンサにより回転体にかかるトルクを測定するとき、トルクを示すトルク値信号は、インパクト回転工具の回転体に与えられる打撃に起因するノイズ成分（トルク値に寄与しない成分）を含む可能性がある。このノイズ成分に起因して、駆動装置を正確に制御できなくなるおそれがある。従って、インパクト回転工具の回転体にかかるトルクを測定するとき、正確なトルク値信号を得ることが求められる。

本開示の目的は、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体にかかるトルクを示す、従来よりも正確なトルク値信号を得ることが可能な信号処理装置を提供することにある。本開示の目的はまた、そのような信号処理装置を備えた工具を提供することにある。

本開示の一態様に係る信号処理装置によれば、
駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた工具のための信号処理装置において、
前記回転体にかかるトルク値を示すトルク値信号を受信し、当該トルク値信号をフィルタリングするフィルタと、
前記回転体に与えられた打撃数に基づいて前記フィルタのフィルタ係数を設定する演算回路と、
前記フィルタによりフィルタリングされた前記トルク値信号に基づいて、前記回転体に与える打撃を制御する制御回路とを備える。

本開示の一態様に係る信号処理装置によれば、従来よりも正確なトルク値信号を得ることができる。

第１の実施形態に係る工具の構成を示す概略図である。 図１の信号処理装置１０の構成を示すブロック図である。 図２の演算回路２３の動作を決める学習装置３０の構成を示すブロック図である。 図２の演算回路２３及び図３の演算回路３２で使用されるニューラルネットワークの例を示す図である。 第１の実施形態に係るカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフである。 １打目におけるトルク信号の波形を示すグラフである。 ４４打目におけるトルク信号の波形を示すグラフである。 ８４打目におけるトルク信号の波形を示すグラフである。 第１の実施形態に係るトルク値信号のフィルタリングを示すグラフである。 第１の実施形態に従って決定されたカットオフ周波数を用いてフィルタリングされたトルク値信号と、実測されたトルク値信号とを比較するグラフである。 第２の実施形態に係る工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフであり、１打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 第２の実施形態に係る工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフであり、５打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 第２の実施形態に係る工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフであり、１０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 第２の実施形態に係る工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフであり、２０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 第２の実施形態に係る工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフであり、３０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 第２の実施形態に係る工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフであり、４０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。

第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係る工具の構成を示す概略図である。図１の工具は、モータ１、減速機構２、ハンマー３、アンビル４、シャフト５、トルクセンサ６、衝撃センサ７、スプリットリング８、信号処理装置１０、入力装置１１、及び表示装置１２を備える。図１の工具は、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えたインパクトドライバーである。

アンビル４及びシャフト５は一体的に形成される。シャフト５の先端（アンビル４とは逆の端部）には、ドライバービットを収容するビットホルダ（図示せず）が設けられる。減速機構２は、モータ１によって発生された回転を減速してハンマー３に伝達する。ハンマー３は、アンビル４に打撃力を与えることによりアンビル４及びシャフト５を回転させる。

シャフト５には、トルクセンサ６及び衝撃センサ７が固定される。トルクセンサ６は、シャフト５にかかるトルクを検出し、検出されたトルクを示すトルク値信号を出力する。トルクセンサ６は、例えば、歪みセンサ又は磁歪センサなどを含む。衝撃センサ７は、アンビル４及びシャフト５に与えられた打撃によりシャフト５にかかる衝撃を検出し、検出された衝撃をパルスとして示す衝撃パルスを出力する。衝撃センサ７は、例えば、加速度センサ又はマイクロホンなどを含む。

スプリットリング８は、トルク値信号及び衝撃パルスを、シャフト５から、工具の非可動部分に設けられた信号処理装置１０に伝達する。

入力装置１１は、工具の動作に関する追加パラメータを示すユーザ設定値をユーザから受けて信号処理装置１０に送る。追加パラメータは、例えば、工具のソケットの種類、締結対象物の種類、及びボルト直径のうちの少なくとも１つを含む。ソケットの種類は、例えば、４０ｍｍ、２５０ｍｍなどのソケット長を含む。締結対象物の種類は、例えば、ハードジョイント及びソフトジョイントを含む。ボルト直径は、例えば、Ｍ８、Ｍ１２、Ｍ１４などを含む。表示装置１２は、工具の状態、例えば、入力されたユーザ設定値、シャフト５にかかるトルク、などを表示する。信号処理装置１０は、トルク値信号、衝撃パルス、及びユーザ設定値に基づいてモータ１を制御する。モータ１は、信号処理装置１０の制御下でアンビル４及びシャフト５に打撃を与える。

本開示において、アンビル４、シャフト５、及びビットホルダ（図示せず）を「回転体」ともいう。また、本開示において、モータ１、減速機構２、及びハンマー３を「駆動装置」ともいう。

図２は、図１の信号処理装置１０の構成を示すブロック図である。信号処理装置１０は、カウンタ２１、フィルタ２２、演算回路２３、及び制御回路２４を備える。カウンタ２１は、衝撃パルスに基づいて、アンビル４及びシャフト５に与えられた打撃数をカウントする。フィルタ２２は、トルク値信号を受信し、当該トルク値信号をフィルタリングする。フィルタ２２は、可変なカットオフ周波数よりも高い周波数成分を少なくとも低減する、低域通過フィルタ又は帯域通過フィルタである。演算回路２３は、打撃数及びユーザ設定値に基づいてフィルタ２２のフィルタ係数を設定する。フィルタ係数は、例えば、フィルタ２２のカットオフ周波数である。制御回路２４は、フィルタ２２によりフィルタリングされたトルク値信号に基づいて、モータ１によりアンビル４及びシャフト５に与える打撃を制御する。例えば、制御回路２４は、フィルタリングされたトルク値信号によって表される、シャフト５にかかるトルクが予め決められた値に達したとき、モータ１を停止する。

トルク値信号において、ノイズ成分は、関心対象の信号成分の周波数よりも高い周波数を有すると考えられる。従って、トルク値信号からノイズ成分を低減するために、フィルタ２２にカットオフ周波数を設定することが有効であると期待される。しかしながら、本願の発明者らは、ある１つのネジ又はボルトをインパクトドライバーにより締結するとき、締結開始時からカウントした打撃数が増大するにつれて、トルク値信号におけるより高域側の周波数成分が次第に増大することを発見した。この理由は、打撃数が増大するにつれて、ネジ又はボルトが次第に固く締結されるようになるからと考えられる。このため、フィルタ２２に固定値のカットオフ周波数を設定した場合、締結の開始から終了までの過程全体においてノイズ成分を適切に低減できないおそれがある。本開示では、演算回路２３は、打撃数に応じてカットオフ周波数を変化させる。演算回路２３はさらに、ユーザ設定値に基づいてカットオフ周波数を設定する。言い換えると、演算回路２３には、打撃数及びユーザ設定値に基づいてカットオフ周波数を決定する算出関数が設定されている。このようにフィルタ２２のカットオフ周波数を設定することにより、信号処理装置１０は、締結の開始から終了までの過程全体において、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。

カットオフ周波数の算出関数は、例えば、機械学習によって演算回路２３に設定される。

図３は、図２の演算回路２３の動作を決める学習装置３０の構成を示すブロック図である。工具に学習装置３０を接続し、工具によりテスト用のネジ又はボルトを締結する。このとき、学習装置３０には、工具のトルクセンサ６及び衝撃センサ７によって検出されたトルク値信号及び衝撃パルスが入力される。学習装置３０には、さらに、工具に設定されたものと同じユーザ設定値が入力される。学習装置３０は、ＦＦＴ処理回路３１及び演算回路３２を備える。ＦＦＴ処理回路３１は、トルク値信号の周波数スペクトル及びカットオフ周波数の少なくとも一方を算出して演算回路３２に送る。演算回路３２は、トルク値信号及び衝撃パルスと、カットオフ周波数とを互いに関連付ける。

演算回路２３及び演算回路３２のそれぞれは、例えば、ニューラルネットワークを備える。

図４は、図２の演算回路２３及び図３の演算回路３２で使用されるニューラルネットワークの例を示す図である。ニューラルネットワークは、入力層４１のノードＮ１−１〜Ｎ１−Ｐと、少なくとも１層の中間層４２のノードＮ２−１〜Ｎ２−Ｑ，…，Ｎ（Ｍ−１）−１〜Ｎ（Ｍ−１）−Ｒと、出力層４３のノードＮＭ−１〜ＮＭ−Ｓとを備える。学習装置３０の演算回路３２の入力層４１には、打撃数及び追加パラメータが設定される。演算回路３２の出力層４３には、トルク値信号の周波数スペクトル及びカットオフ周波数の少なくとも一方が設定される。学習装置３０の演算回路３２で学習された中間層４２の重み係数は、工具の演算回路２３の中間層４２に設定される。演算回路２３の入力層４１には、打撃数及び追加パラメータが入力される。演算回路２３の出力層４３からは、トルク値信号の周波数スペクトル及びカットオフ周波数の少なくとも一方が出力される。

学習装置３０の演算回路３２で学習された中間層４２の重み係数は、同じ機種である複数の工具の演算回路２３の中間層４２にそれぞれ設定可能である。

演算回路２３がトルク値信号の周波数スペクトルのみを出力する場合には、演算回路２３の後段において、周波数スペクトルに基づいてカットオフ周波数を決定する回路が追加される。

図５は、第１の実施形態に係るカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフである。第１の実施形態では、カットオフ周波数は、トルク値信号の周波数スペクトルのピークに対して予め決められた信号レベル、図５の例では１６ｄＢだけ低下するときの周波数に設定される。前述のように、ある１つのネジ又はボルトをインパクトドライバーにより締結するとき、締結開始時からカウントした打撃数が増大するにつれて、トルク値信号におけるより高域側の周波数成分が次第に増大する。従って、打撃数が増大するにつれて、カットオフ周波数も増大する。

図６は、１打目におけるトルク信号の波形を示すグラフである。図７は、４４打目におけるトルク信号の波形を示すグラフである。図８は、８４打目におけるトルク信号の波形を示すグラフである。図６〜図８の場合、ユーザ設定値として、ソケット種類「ソケット長４０ｍｍ」、締結対象物「ハードジョイント」、及びボルト直径「Ｍ１４」を使用した。図６〜図８によれば、打撃数が増大するにつれて、衝撃継続時間が短くなることがわかる。また、このとき、打撃数が増大するにつれて、トルク値信号におけるより高域側の周波数成分が次第に増大している。

図９は、第１の実施形態に係るトルク値信号のフィルタリングを示すグラフである。上述のように決定されたカットオフ周波数を用いて、ノイズ成分を低減するようにフィルタリングされたトルク値信号が得られる。

図１０は、第１の実施形態に従って決定されたカットオフ周波数を用いてフィルタリングされたトルク値信号と、実測されたトルク値信号とを比較するグラフである。図１０のグラフは、毎秒４０回の打撃をアンビル４及びシャフト５に与えたときのトルク値信号の値を示す。実線は、外部の測定器により実測されたトルク値を示す。三角形のプロットは、１０打目、２０打目、…、９０打目におけるフィルタリングされたトルク値信号の値を示す。破線は、フィルタリングされたトルク値信号の値の近似式：ｙ＝ａ×ｌｎ（ｘ）＋ｂを示す。ここで、ｘは時間（打撃数に対応する）を示し、ｙは電圧を示し、ａ及びｂは追加パラメータに応じて変化する係数を示す。図１０によれば、フィルタリングされたトルク値信号の値は、実測されたトルク値によく一致していることがわかる。

信号処理装置１０は、上述のように決定されたカットオフ周波数を用いてフィルタリングされたトルク値信号に基づいて、モータ１によりアンビル４及びシャフト５に与える打撃を制御する。信号処理装置１０は、フィルタリングされたトルク値信号によって表される、シャフト５にかかるトルクを、表示装置１２に表示してもよい。

第１の実施形態に係る工具によれば、打撃数に応じてカットオフ周波数を変化させることにより、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。

演算回路２３は、ニューラルネットワークに代えて、トルク値信号及び衝撃パルスと、カットオフ周波数とを互いに関連付けたテーブルを備えてもよい。

演算回路２３は、カットオフ周波数以外のフィルタ係数をフィルタ２２に設定してもよい。例えば、フィルタ２２が帯域通過フィルタである場合、演算回路２３は、上限周波数及び下限周波数をフィルタ２２に設定してもよい。

カウンタ２１は、信号処理装置１０に設けられることに代えて、衝撃センサ７と一体化されてもよい。また、カウンタ２１は、信号処理装置１０及び衝撃センサ７とは別個に設けられてもよい。

第１の実施形態に係る信号処理装置及び工具は、以下の構成を備えたことを特徴とする。

第１の実施形態に係る信号処理装置によれば、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた工具のための信号処理装置１０は、フィルタ２２、演算回路２３、及び制御回路２４を備える。フィルタ２２は、回転体にかかるトルク値を示すトルク値信号を受信し、当該トルク値信号をフィルタリングする。演算回路２３は、回転体に与えられた打撃数に基づいてフィルタ２２のフィルタ係数を設定する。制御回路２４は、フィルタ２２によりフィルタリングされたトルク値信号に基づいて、回転体に与える打撃を制御する。

このように、回転体に与えられた打撃数に基づいてフィルタ２２のフィルタ係数を設定することにより、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。

第１の実施形態に係る信号処理装置によれば、フィルタ係数はフィルタ２２のカットオフ周波数であってもよい。

これにより、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。

第１の実施形態に係る信号処理装置によれば、カットオフ周波数は、トルク値信号の周波数スペクトルのピークに対して予め決められた信号レベルだけ低下するときの周波数に設定されてもよい。

これにより、回転体に与えられた打撃数に基づいてカットオフ周波数を適切に設定することができる。

第１の実施形態に係る工具は、回転体、トルクセンサ６、カウンタ２１、信号処理装置１０、及びモータ１を備える。トルクセンサ６は、回転体にかかるトルクを検出してトルクを示すトルク値信号を生成する。カウンタ２１は、回転体に与えられた打撃数をカウントする。モータ１は、信号処理装置１０の制御下で回転体に打撃を与える。

これにより、正確なトルク値信号に基づいて、モータ１を適切に制御することができる。

第１の実施形態に係る工具によれば、信号処理装置１０の演算回路２３は、工具のソケットの種類、締結対象物の種類、及びボルト直径のうちの少なくとも１つを含む追加パラメータにさらに基づいてフィルタ２２のフィルタ係数を設定してもよい。

これにより、追加パラメータに基づいてカットオフ周波数を適切に設定することができる。

第１の実施形態に係る工具によれば、追加パラメータを示すユーザ設定値を受ける入力装置１１をさらに備えてもよい。

これにより、追加パラメータに基づいてカットオフ周波数を適切に設定することができる。

第１の実施形態に係る工具によれば、演算回路２３は、入力層４１と、少なくとも１層の中間層４２と、出力層４３とを有するニューラルネットワークを備える。入力層４１には、打撃数及び追加パラメータが入力される。出力層４３からは、トルクセンサ６によって生成されるトルク値信号の周波数スペクトル及びカットオフ周波数の少なくとも一方が出力される。

これにより、回転体に与えられた打撃数及び追加パラメータに基づいて、カットオフ周波数を適切に設定することができる。

第２の実施形態．
フィルタ２２のカットオフ周波数は、上述したものとは異なる基準により決定されてもよい。

図１１〜図１６は、第２の実施形態に係る工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフである。図１１は、１打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。図１２は、５打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。図１３は、１０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。図１４は、２０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。図１５は、３０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。図１６は、４０打目におけるトルク信号の周波数スペクトルを示すグラフである。前述のように、ある１つのネジ又はボルトをインパクトドライバーにより締結するとき、締結開始時からカウントした打撃数が増大するにつれて、トルク値信号におけるより高域側の周波数成分が次第に増大する。第２の実施形態では、カットオフ周波数は、トルク値信号の周波数スペクトルにおいて低域から高域に探索して信号レベルが最初の極小値になるときの周波数に設定される。

第２の実施形態に係る工具でもまた、第１の実施形態と同様に、打撃数に応じてカットオフ周波数を変化させることにより、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。

第２の実施形態に係る信号処理装置及び工具は、以下の構成を備えたことを特徴とする。

第２の実施形態に係る信号処理装置及び工具によれば、カットオフ周波数は、トルク値信号の周波数スペクトルにおいて低域から高域に探索して信号レベルが最初の極小値になるときの周波数に設定される。

このように、打撃数に応じてカットオフ周波数を変化させることにより、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。

本開示の各実施形態は、インパクトドライバーに限らず、インパクトレンチなど、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた他の工具にも適用可能である。

１…モータ、
２…減速機構、
３…ハンマー、
４…アンビル、
５…シャフト、
６…トルクセンサ、
７…衝撃センサ、
８…スプリットリング、
１０…信号処理装置、
１１…入力装置、
１２…表示装置、
２１…カウンタ、
２２…フィルタ、
２３…演算回路、
２４…制御回路、
３１…ＦＦＴ処理回路、
３２…演算回路、
４１…入力層、
４２…中間層、
４３…出力層。

Claims (8)

1. 駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた工具のための信号処理装置において、
   前記回転体にかかるトルク値を示すトルク値信号を受信し、当該トルク値信号をフィルタリングするフィルタと、
   前記回転体に与えられた打撃数に基づいて前記フィルタのフィルタ係数を設定する演算回路と、
   前記フィルタによりフィルタリングされた前記トルク値信号に基づいて、前記回転体に与える打撃を制御する制御回路とを備える、
   信号処理装置。
2. 前記フィルタ係数は前記フィルタのカットオフ周波数である、
   請求項１記載の信号処理装置。
3. 前記カットオフ周波数は、前記回転体を所定の打撃数の打撃により回転させたときの前記トルク値信号の周波数スペクトルのピークから、予め決められた信号レベルだけ低下するときの周波数に設定される、
   請求項２記載の信号処理装置。
4. 前記カットオフ周波数は、前記回転体を所定の打撃数の打撃により回転させたときの前記トルク値信号の周波数スペクトルにおいて、低域から高域に探索して信号レベルが最初の極小値になるときの周波数に設定される、
   請求項２記載の信号処理装置。
5. 回転体と、
   前記回転体にかかるトルクを検出して前記トルクを示すトルク値信号を生成するトルクセンサと、
   前記回転体に与えられた打撃数をカウントするカウンタと、
   請求項１〜４のうちの１つに記載の信号処理装置と、
   前記信号処理装置の制御下で前記回転体に打撃を与える駆動装置とを備える、
   工具。
6. 前記信号処理装置の演算回路は、前記工具のソケットの種類、締結対象物の種類、及びボルト直径のうちの少なくとも１つを含む追加パラメータにさらに基づいて前記フィルタのフィルタ係数を設定する、
   請求項５記載の工具。
7. 前記追加パラメータを示すユーザ設定値を受ける入力装置をさらに備える、
   請求項６記載の工具。
8. 前記演算回路は、
   前記打撃数及び前記追加パラメータが入力される入力層と、
   少なくとも１層の中間層と、
   前記トルクセンサによって生成されるトルク値信号の周波数スペクトル及びカットオフ周波数の少なくとも一方が出力される出力層とを有するニューラルネットワークを備える、
   請求項６又は７記載の工具。

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