JPH04336981A

JPH04336981A - 電動工具

Info

Publication number: JPH04336981A
Application number: JP10947791A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Okamoto; 真一岡本; Koji Soshin; 耕児宗進
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1992-11-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ねじ締めを行う電動ド
ライバの締め付けトルク制御に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動工具としては例えば電動ドライバが
あり、この電動ドライバにおいては機械式のクラッチを
用いてねじ締めトルクの制御を行っていた。その一例を
図３に示す。この電動ドライバでは、モータと電動ドラ
イバの出力軸３６との間を複数のギアからなる減速機構
Ａを介して接続し、モータからの動力の出力軸３６への
伝達をクラッチ３１にて制御している。ここで、クラッ
チ３１は、出力軸３６が挿通されたクラッチ板３２と、
減速機構Ａを構成し遊星ギア（図示せず）が噛み合うイ
ンターナルギア３３の前端面に形成された係止部３３ａ
に係止されるボール３４と、クラッチ板３２とボール３
４との間に配設されボール３４をインターナルギア３３
の係止部３３ａに係止する方向に付勢するばね３５とか
らなる。

【０００３】この電動ドライバにおいては、負荷トルク
が所定値以下の場合にはボール３４のインターナルギア
３３の係止部３３ａへの係止により、インターナルギア
３３の回転が阻止され、これによりモータからの動力は
減速機構Ａを介して出力軸３６に伝達される。今、ねじ
が完全に締め付けられて負荷トルクが所定値に達したと
すると、この際にはインターナルギア３３がばね３５に
抗してボール３４を押し返して自転を始め、これにより
減速機構Ａが空転状態になり、よってモータからの出力
軸３６への動力伝達が遮断され、所定トルクでねじが締
め付けられる。なお、ねじの締付けトルクはクラッチ板
３２でばね３５の圧縮量を変えて調整する。

【０００４】ところが、上述の機械式のクラッチの場合
、動作時の騒音及び振動が大きく、寿命が短いという問
題があった。そこで、上記欠点を解消するトルク制御方
法として、例えば回路的にモータに供給される電流を所
定値以下に制限して締め付けトルクを所定値以下に制限
する（定電流制御方式などにより電動ドライバの発生ト
ルクを制限する）ということが考えられる。

【０００５】しかしながら、この方法であると、ねじの
頭部がねじ止めが行われる部材に接触した際（以下、こ
の状態を着座と呼ぶ）に、負荷が瞬時に増加してモータ
が停止する際に、モータの回転子やギア等の慣性トルク
によりねじに余分な力が加わり、この力がモータの発生
トルクを所定値以下に制限して希望の締付け力とする際
に制御できない誤差となり、極端な場合にはねじ山を破
損するということがあった。この着座時に発生する慣性
トルクの実測図を図４に示す。

【０００６】ここで、慣性トルクは原理的には慣性力と
回転速度の変化（加速度）に比例し、モータ等の回転速
度を遅くすれば小さくできるので、モータ等の回転速度
を落とすことが考えられる。しかし、このようにすると
、ねじ締めに時間がかかり、作業能率が落ちる問題があ
る。そこで、上記問題点を解消するトルク制御方式とし
て、ねじが着座する手間で、モータを一旦停止させ、そ
の後モータ電流が所定電流値になるまで徐々にモータに
供給する電流を増加させ、所定電流値に達した時点でモ
ータへの電流の供給を停止させ、所定の締め付けトルク
でねじ締めが行えるようにしたものが提案されている。

【０００７】このようなトルク制御方式を採用した電動
ドライバの回路構成を図５に示す。この電動ドライバで
は、直流電動機特性を有するモータ１として直流ブラシ
レスモータを用いてある。但し、直流ブラシモータであ
ってもよい。このモータ１は６個のＦＥＴを用いて構成
されたブリッジ回路からなる電力変換部２により駆動さ
れる。

【０００８】信号処理回路３は、回転子の位置を検出す
るホール素子１１の出力に応じて電力変換部２のＦＥＴ
を夫々駆動制御するもので、この信号処理回路３から出
力される駆動信号はＰＷＭ方式の定電流制御部４から与
えられるＰＷＭ信号に基づいて作成される。定電流制御
部４は、演算処理部７から与えられる電流設定値、ある
いは速度設定用ボリューム１６により与えられる電流設
定値、及びＰＷＭ信号の周波数を決定する発振器５の出
力に応じてＰＷＭ信号を作成する。この定電流制御部４
には、検出抵抗９の両端電圧から電流検出回路１２で検
出したモータ電流に応じたデータが入力され、フィード
バック制御によりモータ速度を設定速度に制御可能とし
てある。なお、演算処理部７及び速度設定用ボリューム
１６のいずれの電流設定値に基づいて動作するかの選択
は、定電流制御部４の入力側に設けてある設定スイッチ
１７で行われる。また、演算処理部７の電流値の指令デ
ータはＤ／Ａ変換器６によりアナログ値に変換して定電
流制御部４に与えられる。なお、この電動ドライバでは
、上記電力変換部２、信号処理部３及び定電流制御部４
で、モータ１を定電流駆動する定電流駆動手段を構成し
ている。

【０００９】演算処理部７は、ＲＯＭ及びＲＡＭを内蔵
するＣＰＵ及びＩ／Ｏインターフェースからなり、電動
ドライバの全体の動作シーケンスを制御するものである
。そして、この演算処理部７にはＡ／Ｄ変換器８を介し
てトルク設定用ボリューム１０から締め付けトルクを決
定するトルク設定データが与えられる。また、自動速度
設定及び手動速度設定の選択を行うスイッチや動作モー
ドを設定するスイッチからなる操作スイッチ１８から制
御指令がスイッチインターフェース１３を介して与えら
れる。なお、自動速度設定及び手動速度設定の選択を行
うスイッチの操作に応じて演算処理部７が上記設定スイ
ッチ１７の切換制御を行う。

【００１０】分周器１５は、ホール素子１１の出力を電
動ドライバのギア比分だけ分周するもので、この分周器
１５の出力は演算処理部７の内蔵するカウンタに入力さ
れる。つまり、分周器１５によりホール素子１１の出力
を電動ドライバの出力軸の回転回数に換算し、この換算
値を演算処理部７に与えるようにしてある。なお、この
電動ドライバの場合には、モータ１がブラシレスモータ
であるので、この種のブラシレスモータでは既設される
ホール素子１１を用いてモータ１の回転を検出できるが
、ブラシモータである場合には速度センサあるいは位置
検出センサなどを設ける必要がある。

【００１１】ところで、上述の場合は分周器１５を用い
て電動ドライバの出力軸の回転回数を求めているが、こ
の回転回数を電動ドライバの出力軸から直接に検出する
ようにしても特に問題がない。例えば、磁石を出力軸に
取り付け、ホール素子で出力軸の回転回数を検出する等
の方法が考えられる。但し、このようにした場合には、
磁石やホール素子の取り付けがやや困難で、コストも高
くなる欠点はある。

【００１２】着座検出回路１４は、ねじが着座したこと
を判定するものであり、ねじの着座によりモータの回転
が停止し、モータ電流が増加する現象を利用して、着座
状態を判定している。上記着座検出回路１４の具体回路
を図６に示す。この着座検出回路１４は、積分回路２０
、バッファ２３、微分回路２１及びコンパレータ２２で
構成してあり、入力を一旦積分回路２０で平滑化したの
ち、電流の増加率を微分回路２１で検出する。図８（ａ
）はモータ電流を示し、そのモータ電流を微分して得た
微分回路２１の出力波形図を同図（ｂ）に示す。そして
、コンパレータ２２では上記微分回路２１の出力が設定
値を越えた場合に図８（ｃ）の出力を発生する。

【００１３】ところで、上記着座検出回路１４の代わり
図７に示す回路を用いて、モータ１の回転速度から着座
点を検出することもできる。この着座検出回路１４’は
再トリガ可能な単安定マルチバイブレータ４０を用いて
構成してあり、速度を検出するための信号として、モー
タ１の励磁コイルの相励磁切換信号を用いてある。この
着座検出回路１４’では、モータ１が通常の回転を続け
ている場合には、図９の左側に示すように、単安定マル
チバイブレータ４０の出力がハイレベルからローレベル
となる前に相励磁切換信号が入力され、単安定マルチバ
イブレータ４０が再トリガされるので、出力は同図（ｂ
）の左側に示すようにハイレベルの状態に維持される。

【００１４】いま、ねじが着座したとすると、このとき
にはモータ１の回転速度が低下し、図９（ａ）の右側に
示すように相励磁切換信号の出力周期が長くなり、単安
定マルチバイブレータ４０の出力がハイレベルからロー
レベルとなる前に相励磁切換信号が入力されなくなる。従って、この際には単安定マルチバイブレータ４０の出
力が図９（ｂ）の中央部に示すようにローレベルとなる
。そこで、このローレベルとなることを演算処理部７で
検出するようにすれば、演算処理部７が着座点を検出で
きることになる。なお、上記着座検出回路１４’の機能
を演算処理部７でプログラム的に実行することも可能で
ある。

【００１５】つまり、この種の従来の方式では、着座手
間までは高速動作させると共に、着座手間になった時点
で一旦モータ１の回転を停止し、その後徐々に電流（速
度）を増加させてねじ締めを行うというものである。な
お、着座点の検出はセンサなどを用いて常時センシング
して検出するか、あるいは予め学習動作によりねじの回
転数を記憶させて着座点を検出するようにしてある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように徐々にモータに供給する電流を増加させる（よっ
て、速度も徐々に増加する）方法であると、被ねじ締め
部材のねじ締め面の摩擦係数のばらつきや、着座までの
残りのピッチ数のばらつきにより、図１０中の期間ニに
示すように着座時の衝撃トルクが一定しない。つまり、
図１０中の期間ニには上記ばらつきによる衝撃トルクの
ばらつき状態を示してある。このため、電動ドライバの
慣性が大きい場合や、着座時の速度が速い場合には締め
付けトルクが所定値以上となる問題がある。なお、図１
１にその動作過程におけるねじ締め状態を示す。この図
１１では被ねじ締め部材２５のねじ孔にねじ２４を締め
付ける場合を示し、図中の３０はチャックにより着脱自
在に取り付けられるピットを示す。

【００１７】この理由をさらに説明すると、回転体が停
止する際に発生する衝撃力は、その回転体の慣性の大き
さと、停止するまでの加速度の大きさとで決まる。ここ
で、衝撃力をＴ、慣性力をＪ、加速度をｄθ２　／ｄｔ
２　（但し、θは回転の位置（角度））として、簡略化
した式を示すと、次式のようになる。Ｔ＝Ｊ・ｄθ２　／ｄｔ２　従って、慣性が大きいほど、衝撃力が大きく、また速度
が大きいほど（加速度が大きいほど）、衝撃力が大きな
るのである。

【００１８】本発明は上述の点に鑑みて為されたもので
あり、その目的とするところは、着座時点における衝撃
トルクを小さく抑えることができる電動工具を提供する
ことにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、螺着部材が被螺着部材に完全に螺着さ
れる手前の位置を検出する位置検出手段と、螺着部材が
被螺着部材に完全に螺着されたことを検出する着座検出
手段と、完全に螺着される手前の位置でモータの回転を
一旦停止あるいは減速させ、その後螺着部材が被螺着部
材に完全に螺着されるまで一定の低速でモータを回転さ
せ、螺着部材が被螺着部材に完全に螺着された後、モー
タ電流が所定電流値になるまで徐々にモータに供給する
電流を増加させ、所定電流値に達した時点でモータへの
電流の供給を停止させる制御手段とを備えている。

【００２０】

【作用】本発明は、上述のように構成することにより、
螺着部材が被螺着部材に完全に螺着される手前の状態か
ら螺着部材が被螺着部材に完全に螺着されるまでは、低
速でモータを回転して、被螺着部材の螺着面の摩擦や、
モータの回転を停止する位置にばらつきがあっても、衝
撃トルクを小さく抑えることができるようにしたもので
ある。

【００２１】

【実施例】本実施例も、従来例と同様に、電動工具の内
で電動ドライバを例としたものであり、その回路構成は
図５乃至図７で説明したと同じ構成になっており、本実
施例の特徴とする点は図１のフローチャートで示すねじ
締め速度の制御方法にある。

【００２２】以下に、本実施例によるねじ締め方法につ
いて詳述する。まず、本実施例では、ねじ締め作業を開
始する前に、まず動作モードを学習モードとして何本か
のねじを締めて、ねじの長さを学習させて記憶させる。この際の学習モードの設定は操作スイッチ１８にて行い
、このときにトルク設定用ボリューム１０により希望す
る締め付けトルク値の設定を行う。

【００２３】学習モードにおけるねじ締めはゆっくりし
た速度で行われる。つまり、この際には演算処理部７か
ら定電流制御部４にモータ１の回転を遅くする電流値の
設定指令が与えられるのである。モータ１が回転される
と、その際のモータ１の回転をホール素子１１で検出し
、このホール素子１１の出力を電動ドライバの出力軸の
回転回数に換算し、この換算値を演算処理部７のカウン
タがカウントする。

【００２４】着座検出回路１４の出力が得られた際、つ
まりはねじが着座したとき、この出力軸の回転回数のカ
ウント値を演算処理部７のＲＡＭに記憶する。また、こ
れと同時に着座までのカウントデータから１回転分の値
を減算したデータも演算処理部７ではＲＡＭに記憶する
。なお、この着座手間の位置は１回転分とすることに限
定されるものではない。

【００２５】上記学習モードの動作はねじ数本に対して
同様に行い、演算処理部７に最適なねじ締めの回転回数
と着座手前の回転回数とを認識させる。これにより学習
モードの動作は終了し、次に作業モードに備える。つま
り、本実施例の場合には、ねじの着座手間の位置を検出
する位置検出手段を、演算処理部７、検出抵抗９、ホー
ル素子１１、着座検出回路１４及び分周器１５で構成し
てある。なお、演算処理部７は、上記位置検出手段で検
出されたねじの着座手前の位置でモータ１の回転を一旦
停止させ、その後モータ電流が所定電流値になるまで徐
々にモータ１に供給する電流を増加させて、所定電流値
に達した時点でモータ１への電流の供給を停止させる制
御手段の機能を兼ねるものである。

【００２６】実際にねじ締め作業を開始する場合には、
操作スイッチ１８で作業モードに設定する。このねじ締
めは次のように行う。まず、図１１（ａ）に示すねじ締
め開始時点では、図２（ａ）に示すように高速回転でね
じ締めが行われる。その高速回転期間を図中のイで示す
。なお、この際のねじ締めは電動ドライバの能力の最大
の回転速度で行うことができる。

【００２７】そして、図１１（ｂ）に示す上記学習モー
ドの際に求めた着座の手前のねじ締め状態になると、急
激にモータ１の回転にブレーキをかける。このモータ１
にブレーキがかけられている期間を図２中のロで示す。ここで、着座の手前のねじ締め状態になったことの判定
は、演算処理部７が内蔵する減算カウンタに着座手前の
データを記憶させ、分周器１５の出力を減算パルスとし
て入力し、カウンタの値がゼロになったときに割込みで
演算処理部７に着座の手前のねじ締め状態になったこと
を知らせるというように行う。なお、この判定に際して
は、電動ドライバの出力軸が慣性で回転する回転回数も
考慮してあることは言うまでもない。

【００２８】このようにモータ１の回転が停止された期
間を図２中のハで示す。その後モータ１は再起動され、
図１１（ｃ）に示すようにねじを完全に締め付ける。こ
の再起動後は、図２の期間ニで示すように、モータ１の
回転速度を最低速とし、この最低速状態をねじが着座す
るまで維持する。このようにすれば、ねじが着座する際
に生じる衝撃トルクを図２中のホ期間の開始直後に示す
ように最低状態にすることができる。但し、衝撃トルク
を小さく抑えることができれば、必ずしも最低速である
必要はない。

【００２９】そして、ねじが着座したことが着座検出回
路１４で検出されると、図２中の期間ホに示すように、
モータ１の電流が所定の電流値になるまでゆっくりと増
加させて、ねじ締めをさらに続行する。そして、ねじの
締め付けトルクが一定となった際にモータ１への電流の
供給を停止し、ねじ締めを完了する。ここで、上記電流
設定値は演算処理部７が定電流制御部４に与え、定電流
制御部４では電流検出回路１２の出力からモータ電流が
電流設定値になったことを検知する。このように、モー
タ電流を最終的に一定にすることにより、モータの発生
トルクを一定とし、トルクの一定制御を実現している。

【００３０】なお、ねじ締めが完了したことは例えば定
電流制御部４で演算処理部７から与えられる電流設定値
と一致することで認識でき、この場合に定電流制御部４
がモータ１への電流の供給を停止させるように動作する
ことで実現できる。また、上述の場合には学習によりね
じが着座する手前の位置を認識していたが、例えばセン
サなどを用いて着座手前の位置を検出するようにしても
よい。

【００３１】

【発明の効果】本発明は上述のように、螺着部材が被螺
着部材に完全に螺着される手前の位置を検出する位置検
出手段と、螺着部材が被螺着部材に完全に螺着されたこ
とを検出する着座検出手段と、完全に螺着される手前の
位置でモータの回転を一旦停止あるいは減速させ、その
後螺着部材が被螺着部材に完全に螺着されるまで一定の
低速でモータを回転させ、螺着部材が被螺着部材に完全
に螺着された後、モータ電流が所定電流値になるまで徐
々にモータに供給する電流を増加させ、所定電流値に達
した時点でモータへの電流の供給を停止させる制御手段
とを備えているので、螺着部材が被螺着部材に完全に螺
着される手前の状態から螺着部材が被螺着部材に完全に
螺着されるまでは、一定の低速でモータを回転させるこ
とができ、このため被螺着部材の螺着面の摩擦や、モー
タの回転を停止する位置にばらつきがあっても、衝撃ト
ルクを小さく抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の動作をまとめたフローチャ
ートである。

【図２】同上の動作説明図である。

【図３】従来例としての機械式のクラッチの構造を示す
断面図である。

【図４】着座時に慣性により発生する衝撃トルクの説明
図である。

【図５】他の従来例の回路構成を示すブロック図である
。

【図６】同上の着座検出回路の具体構成を示す回路図で
ある。

【図７】他の構成の着座検出回路を示す回路図である。

【図８】図６の着座検出回路の動作説明図である。

【図９】図７の着座検出回路の動作説明図である。

【図１０】同上の動作説明図である。

【図１１】同上の動作過程におけるねじ締め状態を示す
説明図である。

【符号の説明】

１　　モータ２　　電力変換部３　　信号処理部４　　定電流制御部７　　演算処理部９　　検出抵抗１１　　ホール素子１２　　電流検出回路１４　　着座検出回路１５　　分周器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　直流電動機特性を有するモータと、こ
のモータを定電流駆動する駆動手段と、螺着部材が被螺
着部材に完全に螺着される手前の位置を検出する位置検
出手段と、螺着部材が被螺着部材に完全に螺着されたこ
とを検出する着座検出手段と、完全に螺着される手前の
位置でモータの回転を一旦停止あるいは減速させ、その
後螺着部材が被螺着部材に完全に螺着されるまで一定の
低速でモータを回転させ、螺着部材が被螺着部材に完全
に螺着された後、モータ電流が所定電流値になるまで徐
々にモータに供給する電流を増加させ、所定電流値に達
した時点でモータへの電流の供給を停止させる制御手段
とを備えて成ることを特徴とする電動工具。