JPH05104454A

JPH05104454A - 電動工具

Info

Publication number: JPH05104454A
Application number: JP3265600A
Authority: JP
Inventors: Koji Soshin; 耕児宗進; Shinichi Okamoto; 真一岡本
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 1993-04-27

Abstract

(57)【要約】【目的】温度上昇時の速度増加を抑え、ねじ締め時に
は自動的に制御を切り替えて定電流制御でモータトルク
の制御を行う。【構成】定電流駆動回路４と、定電圧駆動回路１３
と、これらを切り替える切替スイッチ１４，１５を設け
る。切替スイッチ１４，１５を切り替えて、着座までの
低速時には定電圧駆動回路１３を用い、着座後は定電流
駆動回路４を用いる。低速時に定電圧駆動回路１３を使
用し、ねじ締め時には定電流駆動回路４に切り替えるこ
とで、モータ１の温度上昇に対しても安定に着座し、衝
撃トルクを低く制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トルクを制御し、所定
のトルクでねじ締めを精度よく行う電動工具に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動工具において、ねじ締めトル
クを制限する手段として機械式のクラッチが用いられて
おり、その一例を図１２及び図１３に示す。図１２は全
体の構成を示し、電動工具本体内にはモータ１、減速器
５２及びクラッチ５３が設けられ、先端にはチャック５
４が設けてある。

【０００３】図１３に示すように、工具の軸先とモータ
とは、ボール４１を持つクラッチ板４２で接続されてお
り、そのボール４１同士の押し付け力はバネ４３により
与えられている。軸先にかかる負荷トルクがこのバネ４
３の押し付け力以上になると、ボール４１がバネ圧に打
ち勝ちモータ側は空回りをし、規定以上のトルクを伝達
しないような構造となっている。この方式では、動作時
の騒音が大、振動が大、寿命が短い等が問題であった。

【０００４】かかる従来の機械式の欠点をなくするため
に、電子回路により、定電流式等で発生トルクを制限す
る手法があるが、それには、次のような問題がある。す
なわち、ねじ締め作業の効率を上げるには、モータの回
転数を上昇し、ねじ締め速度を速くする必要があるが、
締め速度が速ければ速い程、ねじの着座時にモータが急
停止する際の慣性力によるトルクが大きくなり、制御し
たいトルク規定以上に達し、設定精度を悪くするという
ものである。

【０００５】そこで、この電子回路でトルク制御する方
式の欠点の改良として、ねじが着座する手前で一旦モー
タを停止させ、着座をゆっくり行い、再度、所定の力で
ねじを締める方式をすでに出願人が考案している。その
ため、この方式の電動工具では、ねじが着座する手前で
モータを停止させ、慣性トルクの発生をなくし、締め付
けトルク精度を向上させている。

【０００６】このような従来例の回路構成を図１４に示
す。軸先を回転駆動するモータ１にはＤＣブラシレスモ
ータを用いているが、ＤＣブラシモータでも良い。この
モータ１はＦＥＴブリッジを使用した電力変換部２によ
り駆動される。信号処理部３は、モータ１の回転軸の位
置を検出するホール素子９からの信号を６個のＦＥＴゲ
ート駆動信号に変換して、電力変換部２へ送っている。

【０００７】定電流駆動回路４はＰＷＭ（パルス幅制
御）信号を作成し、上記信号処理部３へ送り、このＰＷ
Ｍ信号のＰＷＭ周波数は、発振回路で決定される。工具
全体の動作シーケンスを制御するＣＰＵ６から与えられ
るデジタル信号をＤ／Ａ変換器５により、電流指令値と
してアナログ値に変換して定電流駆動回路４に送られ
る。

【０００８】締め付けトルク設定用のボリューム１０に
より設定されたアナログ値はＡ／Ｄ変換器７にてデジタ
ル値に変換され、そのデジタル信号がＣＰＵ６に入力さ
れるようになっている。モータ電流は検出用抵抗８によ
り検出され、電流信号として定電流駆動回路４に入力さ
れ、この信号によりモータ１は定電流制御されることに
なる。ねじの種類に応じて入力されたスイッチ１２から
の信号はスイッチインターフェイス１１を介してＣＰＵ
６に入力される。

【０００９】図１５は従来のフローチャートを示してい
る。ねじを着座するのに、学習モードと動作モードがあ
り、学習モードの場合には、回転数カウント用のカウン
タを準備し、モータを回転させて、着座した場合にはモ
ータを停止させる。そして、回転数データをカウンタか
ら読み込み、読み込んだデータから着座手前の値を引
き、着座手前までの回転回数とし、計算結果をメモリー
に保存する。

【００１０】また、動作モードでは、トルクデータを入
力し、トルクデータをＰＷＭ回路のアナログ値に換算し
て、メモリーから着座手前までの回転回数データを読み
込む。そして、その値を減算カウンタにセットしてモー
タを回転させる。ここで、所定数回転した場合には、着
座手前まで達したので、モータを一旦停止させ、その
後、一定速度で回転させて、着座させる。

【００１１】この構成で、動作は着座点を常時センシン
グして検出し、或いは予め学習動作によりねじの回転数
を記憶させて検出したりして、その点までは高速動作、
着座手前で低下させ、慣性力の影響をなくしてから、所
定のトルクで締め付けるという方式である。締め付けト
ルクは、モータのロックトルクとなり、定電流回路によ
り一定の電流値に制御される。

【００１２】ここで、着座手前で一旦停止後、低速にて
着座させるためにモータの電流を減少させ、回転数を低
下させる必要があるが、そのために本来トルク精度を得
るために、電流値を制御する定電流駆動回路４が備わっ
ているので、それを使用して（すなわち、電流設定値を
減少させて）低速制御すれば、別回路が不要で、利点が
多いことは明らかである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これに
は以下のような問題がある。すなわち、工具を使用して
徐々にモータ温度が上昇するにつれ、モータの巻線抵抗
値が増加する。また、永久磁石モータであるから、温度
が上昇すると、着磁された磁束密度が低下し（可逆）、
モータの特性が変動し、低速時の回転速度が速くなるの
で着座時の衝撃トルクが増加し、締め付けトルク精度が
悪くなったり、最低締め付け力より衝撃力の方が大きく
なってしまう。以下、その現象を説明する。

【００１４】図１６は直流電動機の簡単な等価回路で、
Ｅｂは駆動電圧、Ｒａは巻線抵抗、Ｉａはコイル電流、
Ｅｃはコイルに発生する逆起電圧である。尚、簡単にす
るため、コイルのＬ成分は無視している。モータが回転
している際には、Ｉａ＝（Ｅｂ−Ｅｃ）／Ｒａ・・・・・の関係が成立し、ロックすることで、Ｅｃ＝０で、Ｉａ（ロック）＝Ｅｂ／Ｒａ・・・・・の電流が流れる。

【００１５】また、回転数Ｎと逆起電圧Ｅｃは、Ｅｃ＝Ｋｅ（逆起電圧定数）×Ｎ（速度）・・・・・の関係があり、無負荷回転時にはＥｃ≒Ｅｂである。次に、図１７は、直流電動機特性を持つモータを定電圧
で回転させた場合のトルク−速度特性（以下、Ｎ−Ｔカ
ーブと呼ぶ）を示すものである。ここで、モータのトル
ク定数をＫｔ、逆起電圧定数をＫｅとすると、両者は単
位を揃えると同次元の定数であるが、トルクＴは、Ｔ＝Ｋｔ×Ｉａ・・・・・・となるので、ロックトルクＴ₀は、ロック電流Ｉａ＝Ｅ
ｂ／Ｒａを用いて、Ｔ₀＝Ｋｅ×Ｉａ（ロック）＝Ｋｅ×Ｅｂ／Ｒａ・・・・・となり、また、無負荷回転数Ｎ₀は、逆起電圧Ｅｃ≒Ｅ
ｂとなるため、Ｎ₀＝Ｅｃ／Ｋｅ≒Ｅｂ／Ｋｅ・・・・・となる。

【００１６】次に、図１７の中で、細い実線ａは常温で
のＮ−Ｔ特性、また、ｂはＩ−Ｔ特性である。ここで、
モータ温度が上昇した際の現象として先に述べたよう
に、巻線抵抗Ｒａが増加するため、ロック時の電流は低
下する。従って、ロックトルクも小さくなる。また、永
久磁石の磁束密度も低下するため、逆起電圧定数Ｋｅ及
びトルク定数Ｋｔも低下する。すなわち、ロック電流と
トルク定数の低下でロックトルクは低下し、無負荷回転
数は式から分かるように、駆動電圧Ｅｂ一定のところ
逆起電圧定数Ｋｅが小さくなるので、無負荷回転数Ｎ₀
は増加する。

【００１７】逆起電圧定数Ｋｅとトルク定数Ｋｔの両者
は同一の定数のため、低下の割合も同じであるが、ロッ
クトルクの変動は巻線抵抗Ｒａの変動分も含まれるた
め、無負荷回転数Ｎ₀の変動より大きくなる。従って、
定電圧駆動における温度上昇時のモータ特性は図１７の
特性で破線で示したｃの特性となり、使用している負荷
が、特性ａと特性ｃとの交点ｄより小さければ、温度上
昇により回転数は増加する。無負荷回転数Ｎ₀の増加幅
は、ΔＮ_0(CV)である。

【００１８】次に、定電流制御回路について考えてみ
る。定電流駆動回路４は、ＰＷＭのオンオフ幅制御方式
で、電流が減るとＰＷＭオン幅を自動的に増加し、電流
が増加すればオン幅を減らすようにフィードバックがか
かる。この動作を言い換えると、温度上昇による巻線抵
抗Ｒａの増加による電流の不足を外部印加電圧（駆動電
圧）Ｅｂの加減により、Ｉａを一定に保つように動作し
ているのである。

【００１９】従って、Ｎ−Ｔカーブで考察すれば、巻線
抵抗Ｒａの変動によるロックトルクの変動は無く、トル
ク定数Ｋｔの減少によるロックトルクの減少のみである
から、ロックロックの点は図１７のｅになる。一方、無
負荷回転数Ｎ₀＝Ｅｂ／Ｋｅの点は、巻線抵抗Ｒａの変
動によるコイル電流低下分を電源電圧（駆動電圧）Ｅｂ
の増加で補うため、モータ特性は、定電圧特性のｃをロ
ックトルクがｅの点まで平行移動したＮ−Ｔ特性ｆとな
る。

【００２０】従って、この無負荷回転数は、明らかに定
電流制御の場合の方が速くなることが分かる。以上の説
明は、回転数を低くするために、電流を絞った際にも電
源電圧が低くなると考えれば、図１７と同様に考えられ
るので、低速度の実現に定電流制御回路を用いた場合、
モータ温度が上昇すると（磁束密度、コイル抵抗が増加
し）、速度が増加することが説明できる。

【００２１】本発明は上述の点に鑑みて提供したもので
あって、着座までの低速制御を定電圧方式或いはオープ
ンループＰＷＭで行うことで、温度上昇時の速度増加を
抑え、ねじ締め時には自動的に制御を切り替えて定電流
制御でモータトルクの制御を行うようにした電動工具を
提供することを目的としたものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＤＣ電動機特
性を有するモータと、このモータ電流を検出してパルス
幅制御により定電流で駆動する駆動回路と、この駆動回
路を制御してねじを一定の速度で回転駆動し、ねじが着
座する手前の位置を検出するセンサーを備え、あるいは
学習により着座手前を認識し、着座寸前に回転を一旦停
止させて、再度起動後ゆっくりと着座させ、その後所定
のトルクでねじを締め付ける制御を行うＣＰＵを有する
電動工具において、着座までの低速時にはフィードバッ
クを用いないパルス幅制御により定電圧で低速制御する
定電圧駆動回路と、着座後のねじ締めを定電流駆動で行
う定電流駆動回路と、上記定電圧駆動回路と定電流駆動
回路とを切り替える切替手段とを備えたものである。

【００２３】また、請求項２では、着座までの低速時に
はフィードバックを用いて定速度で制御する定速度駆動
回路と、着座後のねじ締めを定電流駆動で行う定電流駆
動回路と、上記定速度駆動回路と定電流駆動回路とを切
り替える切替手段とを備えている。

【００２４】

【作用】而して、定電流駆動と定電圧駆動の両者を備
え、動作により切り替えることで、低速時に定電圧駆動
回路を使用し、ねじ締め時には定電流駆動回路に切り替
えることで、モータの温度上昇に対しても安定に着座
し、衝撃トルクを低く制御できる。

【００２５】また、請求項２では、定電流駆動と定速度
駆動の両者を備え、動作により切り替えることで、低速
時に定速度駆動回路１９を使用し、ねじ締め時に定電流
駆動回路４に切り替えることで、モータの温度上昇に対
しても安定に着座し、衝撃トルクを低く制御できる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。本発明の電子式のトルク制御には、電流制御を実
現する方式として、ＰＷＭ制御手法を使用している。本
発明は、このＰＷＭ回路を利用することで、簡単に速度
制御回路を実現するものである。

【００２７】図１は本発明の実施例のブロック図を示
し、従来の回路に定電圧駆動回路１３と、信号を切り替
える２つの切替スイッチ１４，１５を増加した構成とな
っており、ＣＰＵ６の指令信号に基づいて、定電流駆動
と定電圧駆動を切り替える構成となっている。本発明
は、従来例の定電流制御による発生トルク制御回路のＰ
ＷＭ機能を使用し、着座手前までのモータの速度制御を
実施するものである。すなわち、図１において、着座手
前までは、定電圧駆動回路１３の出力がスイッチング素
子信号となるように、切替スイッチ１４，１５を設定
し、次に、着座後は、切替スイッチ１４，１５を定電流
駆動回路４出力側に接続し、外部で設定された所定のト
ルク値になるように制御回路が動作する。尚、そのシー
ケンスはすべてＣＰＵ６の指令により行われる。

【００２８】図２は定電流駆動回路４の一例を示し、図
４に定電圧駆動回路１３の一例を示す。定電流駆動回路
４は図２に示すように、ローパスフィルタ２１、誤差増
幅器２２、比較器２３、フリップフロップ２４、単安定
マルチ２５等から構成されており、図３に示すように、
所定の要素で決まるオン期間、オフ期間によりＰＷＭ信
号が出力される。この定電流駆動回路４は、基本的には
コイル電流と設定値とを比較器２３で比較し、その状況
に応じてＰＷＭ出力を変化させることにより、モータの
発生トルクを一定に制御している。

【００２９】すなわち、図２において、コイル電流信号
は電圧信号に変換された後、比較器２３により外部から
設定された電流設定値と比較される。電流が設定値を越
えた場合に、比較器２３の出力にてフリップフロップ２
４がセットされ、スイッチング素子はオフとなる。その
信号で別に単安定マルチ２５をトリガし、所定時間後に
フリップフロップ２４を再度セットし、スイッチング素
子をオンさせる。このようにして、コイル電流を一定に
制御する。尚、定電流制御は電流値が小さい場合は、リ
ニア素子で行う場合もある。

【００３０】また、定電圧駆動回路１３は図４に示すよ
うに、誤差増幅器３１、ＰＷＭ比較器３２及び三角波発
生器３３等から構成され、ＰＷＭ比較器３２において外
部で設定した値と三角波発生器３３からの三角波と比較
され、誤差増幅器３１からの出力より三角波が上回った
場合に、ＰＷＭ出力がＨレベルとなり、スイッチング素
子をオンし、モータに通電する。図５はスイッチング素
子のゲート信号とコイル電流を示している。

【００３１】ここで、定電圧駆動回路１３は本来アナロ
グ制御で行う場合が多いが、本発明のように定電流制御
回路信号がデジタル的なパルスであるので、それと信号
切替を行うには、定電圧駆動もＰＷＭによるパルス幅の
方が都合が良いので、回路情報をフィードバックしない
オープンループのＰＷＭで行えば定電圧駆動と等価であ
る。尚、図４においてＰＷＭ信号のオン幅は外部より可
変可能である。

【００３２】図６はタイムチャートを示し、図７はフロ
ーチャートを示している。図６及び図７に示すように、
予めねじの長さを認識しておき、期間（２）でねじを高
速で回転し、期間（３）の着座手前で一旦減速する。そ
して、期間（４）にて定電圧駆動回路１３を使用して低
速で着座し、その後、定電流駆動回路４に切り替えて、
着座まで低速回転して完全に締め付ける。

【００３３】このように、本実施例では、定電流駆動と
定電圧駆動の両者を備え、動作により切り替えること
で、低速時に定電圧駆動回路を使用し、ねじ締め時には
定電流駆動回路に切り替えることで、モータの温度上昇
に対しても安定に着座し、衝撃トルクを低く制御できる
ものである。（実施例２）本実施例では、着座までの低速制御を定速
度制御方式で行うことで、温度上昇時の速度増加を抑
え、ねじ締め時には定電流制御でモータトルクの制御を
行うもので、両者を自動的に切り替える機能を有する構
成としている。

【００３４】この種の電子式のトルク制御には、電流制
御を実現する方式として、ＰＷＭ制御手法を使用してい
る。本実施例では、このＰＷＭ回路を利用することで、
簡単に速度制御回路を実現する。本実施例の回路構成を
図８に示す。図１の場合と比べ、定速度駆動回路１６を
用いたものであり、定電流駆動と定速度駆動とを切り替
える構成としている。本実施例は、従来の定電流制御に
よる発生トルク制御回路のＰＷＭ機能を使用し、着座手
前までのモータの速度制御を実施するものである。

【００３５】すなわち、図８において、定速度駆動回路
１９は、ホール素子９等による位置信号を速度に変換
し、フィードバックする機能を有しているが、着座手前
までは、切替スイッチ１４，１５を定速度駆動回路１９
側に設定し、次に、着座誤は切替スイッチ１４，１５を
定電流駆動回路４側に設定し、外部で設定された所定の
トルク値になるように制御回路が動作する。なお、その
シーケンスはすべてＣＰＵ６が指令を発生する。

【００３６】図９は定速度駆動回路１９の一例を示し、
速度信号検出回路３４により速度信号を検出し、ローパ
スフィルタ３５で直流化し、その後、誤差増幅器３６で
設定値との誤差を増幅し、コンパレータ３８で三角波発
生器３７で発生する三角波と誤差電圧を比較し、誤差電
圧が三角波より大きい場合（速度が速い）にはパルスを
オフし、小さい場合（速度が遅い）にはオンを出力する
ことで、速度を一定に保つように制御するものである。

【００３７】尚、定速度駆動回路１９は、本発明のよう
に定電流駆動回路４信号がデジタル的なパルスであるの
で、それと信号切替を行うには定電圧駆動のＰＷＭによ
るパルス幅の方が都合がよいので、回路情報をフィード
バックするクローズループのＰＷＭで行えば定速度駆動
と等価である。図１０はタイムチャートを示し、図１１
はＣＰＵ６のフローチャートを示している。図１０に示
すように、予めねじ長さを認識しておき、期間（２）で
高速で着座手前で一旦減速し、期間（４）にて定速度駆
動回路１９を使用して低速を着座し、その後、定電流駆
動回路４に切り替えてねじ締めを行うことで、所定の目
的を達成することができる。

【００３８】このように、本実施例では、定電流駆動と
定速度駆動の両者を備え、動作により切り替えること
で、低速時に定速度駆動回路１９を使用し、ねじ締め時
に定電流駆動回路４に切り替えることで、モータの温度
上昇に対しても安定に着座し、衝撃トルクを低く制御で
きるものである。

【００３９】

【発明の効果】本発明は上述のように、ＤＣ電動機特性
を有するモータと、このモータ電流を検出してパルス幅
制御により定電流で駆動する駆動回路と、この駆動回路
を制御してねじを一定の速度で回転駆動し、ねじが着座
する手前の位置を検出するセンサーを備え、あるいは学
習により着座手前を認識し、着座寸前に回転を一旦停止
させて、再度起動後ゆっくりと着座させ、その後所定の
トルクでねじを締め付ける制御を行うＣＰＵを有する電
動工具において、着座までの低速時にはフィードバック
を用いないパルス幅制御により定電圧で低速制御する定
電圧駆動回路と、着座後のねじ締めを定電流駆動で行う
定電流駆動回路と、上記定電圧駆動回路と定電流駆動回
路とを切り替える切替手段とを備えたものであるから、
定電流駆動と定電圧駆動の両者を備え、動作により切り
替えることで、低速時に定電圧駆動回路を使用し、ねじ
締め時には定電流駆動回路に切り替えることで、モータ
の温度上昇に対しても安定に着座し、衝撃トルクを低く
制御できるという効果を奏するものである。

【００４０】また、請求項２では、着座までの低速時に
はフィードバックを用いて定速度で制御する定速度駆動
回路と、着座後のねじ締めを定電流駆動で行う定電流駆
動回路と、上記定速度駆動回路と定電流駆動回路とを切
り替える切替手段とを備えていることで、定電流駆動と
定速度駆動の両者を備え、動作により切り替えること
で、低速時に定速度駆動回路１９を使用し、ねじ締め時
に定電流駆動回路４に切り替えることで、モータの温度
上昇に対しても安定に着座し、衝撃トルクを低く制御で
きるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体のブロック図である。

【図２】同上の定電流駆動回路のブロック図である。

【図３】同上の定電流制御の原理を示す説明図である。

【図４】同上の定電圧駆動回路のブロック図である。

【図５】同上のコイル電流とスイッチング素子のゲート
信号との動作波形図である。

【図６】同上のねじ締め時のタイムチャートを示す図で
ある。

【図７】同上のねじ締め時のＣＰＵのフローチャートを
示す図である。

【図８】同上の実施例２の全体のブロック図である。

【図９】同上の定速度駆動回路のブロック図である。

【図１０】同上のねじ締め時のタイムチャートを示す図
である。

【図１１】同上のねじ締め時のＣＰＵのフローチャート
を示す図である。

【図１２】電動工具の構成を示す図である。

【図１３】従来例の機械式クラッチを示す断面図であ
る。

【図１４】従来例の全体のブロック図である。

【図１５】従来例のねじ締め時のＣＰＵのフローチャー
トを示す図である。

【図１６】モータの等価回路図である。

【図１７】従来例の動作説明図である。

【符号の説明】

１モータ４定電流駆動回路１３定電圧駆動回路１９定速度駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＤＣ電動機特性を有するモータと、この
モータ電流を検出してパルス幅制御により定電流で駆動
する駆動回路と、この駆動回路を制御してねじを一定の
速度で回転駆動し、ねじが着座する手前の位置を検出す
るセンサーを備え、あるいは学習により着座手前を認識
し、着座寸前に回転を一旦停止させて、再度起動後ゆっ
くりと着座させ、その後所定のトルクでねじを締め付け
る制御を行うＣＰＵを有する電動工具において、着座ま
での低速時にはフィードバックを用いないパルス幅制御
により定電圧で低速制御する定電圧駆動回路と、着座後
のねじ締めを定電流駆動で行う定電流駆動回路と、上記
定電圧駆動回路と定電流駆動回路とを切り替える切替手
段とを備えたことを特徴とする電動工具。
【請求項２】着座までの低速時にはフィードバックを
用いて定速度で制御する定速度駆動回路と、着座後のね
じ締めを定電流駆動で行う定電流駆動回路と、上記定速
度駆動回路と定電流駆動回路とを切り替える切替手段と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動工具。