JPS5853992B2 - デンキドライバ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は緩衝機能を有する電気ドライバに関する。

周知のごとく、直流モータはその起動トルクが他のモー
タに比しかなり高いので、定格負荷に比べて、クレーン
、電気機関車等の余程高い慣性負荷を駆動するとき以外
、あまり使用されない。

しかも、この直流モータをスクリュードライバとして利
用するときは、回転中よりも、回転状態から過負荷がか
けられて、電機子が停止したとき発生するトルク、すな
わち停動トルクと電機子の慣性力による慣性トルクを考
えなければならない。

そして、一般に、上記停動トルクは電機子巻線に流れる
電流と励磁磁界の磁束により一義的に決まるが、実際に
は、刷子と整流子の当り具合によって、電流値がばらつ
き、さらに、この電流による電機子反作用の影響で、磁
界が歪んでしまう。

また、この歪みかたは励磁用磁石と上記電機子の相対的
位置関係により異るので、上記停動トルクはばらつくも
のと考えられるが、そのばらつきは無秩序、無制限に起
るのでなく、実験上、慣性トルクと密接な関係にあるこ
とが発見された。

一方、上記慣性トルクについて見れば、該慣性トルクの
値は電機子の質量と回転速度によって決まるが、モータ
とギヤヘッドあるいはギヤヘッドとビットとの間を捻り
コイルはねで接続するこ゛とにより、その効果を軽減し
、ある一定の値におさめることができる。

ところが、この場合にも、上記回転速度はモータの負荷
、すなわちモータ側からみた機械的インピーダンスに依
存して変化するノテ、上記のごとく、単に緩衝用ばねを
介在させるのみでは、慣性トルクを無くしたり、軽減し
たりして、締付トルクを一定にするというようなことは
できない。

すなわちこの機械的インピーダンスには、ばねのコンプ
ライアンスの他に、機械的抵抗すなわちドライバ内部の
機械的損失と、その他ねじとタップ穴のリード面との摩
さっ抵抗等が含まれ、特に、タップタイトねじの締付の
場合には、その効果は甚だ太きい。

このように考えると、直流モータを利用した電気ドライ
バは、安定な締付トルクを得ることは不可能にみえるが
、以下述べる本発明の詳細な説明によって、実用上差し
支えない程度のばらつき範囲に収まった締付トルクを得
ることができる。

以下、これを具体的に説明しながら、本発明の特徴に及
ぶ。

まず、直流モータの性質上、その電機子に電流Ｉａが流
れると、該直流モータの出力トルクは、となる。

ここで、Ｐは極対数、Ｚは電機子導体数、ａは電機子回
路対数、φは毎極磁束数である。

また、上記磁束中を回転して刷子間に生じる誘起起電力
は、 となる。

ここで、ｎは電機子の回転数である。また、この誘起起
電力は、モータとしてみた場合、端子電圧■から、電機
子での電位降下ＲａＩａとブラシでの電位降下ｅｂとを
、差し引いたものとなる。

すなわち、Ｅ＝Ｖ−（ＲａＩａ＋ｅｂ）ＣＶ 〕 ”−
（３）となる。

ここで、Ｒａは電機子抵抗である。さらに、（２） 、
（３）式より、 となり、この（４）式を上記（１）式に入れて、を求め
ると、 トルクＴ となる。

したがって りであるから、 停動トルクはｎ＝０のときのトル となる。

ここで、もし磁束φが常に一定なら、上記停動トルクは
一定になるはずであるが、この磁束φは、上記磁石の磁
束と電機子電流によって生ずる減磁束が、合成されたも
のとなり、 φ−φ０−φａｒＷｂ） である。

ここで、φ。は電機子電流が流れていないときの主磁束
で、φａは電機子電流Ｉａにより生ずる減磁束である。

この結果、磁束分布の状態は第１図のごとくなり、した
がって、このときの電機子の位置がどこにあるかによっ
て、出力トルクに差を生じることになる。

次に、電気ドライバにおいて、この出力トルクの差がど
のようなメカニズムで生じるかを考えてみる。

これを第２図のモデルについてみると、図中、１は直流
モータを構成する励磁用永久磁石、２は電機子、３は該
電機子２に取り付けたコイルばね４の一端を固定する取
付板、５は該コイルはね４の他端を固定する取付板、６
は該取付板５に取り付けたビットチップ、７はねじであ
る。

上記において、まず、ねじ７が回転を停止してから電機
子２の回転が停止するまでのエネルギ方程式（この電機
子２の回転停止までに、ばね４に蓄積されるエネルギ）
を考えてみると、 となる。

ここで、Ｋは上記コイルばね４のばね定数〔−ゞ、、、
７−〕 θは上記ねじ７が停止してからｒ ａ ｄ −
５ｅｃ２ の電機子の回転偏角、■は上記電機子２の慣性モーメン
ト〔ｋｇ・ｍ’）、ｗは上記ねじ７が停止した瞬間の電
機子の回転速度Ｃｒａｄ ／５ｅｃ）である。

そこで、この（７）式の解より、停動トルクは、Ｔｎ＝
ｏ＝にθ ・・・・・・（８）となるはずである
。

しかし、実際には、（５）式の磁束分布は定量化するこ
とが困難であるので、（７）式を解くことも困難である
。

そこで、（７）式の形から、その解はＫの関数になるこ
とが想像できる。

すなわち Ｔｎ ＝ ｏ ＝ Ｋ ｆ （Ｋ ） ・”・（９）
とあられされ、Ｋの２次関数以上の高次の関数としてあ
られされる。

これを、電圧をパラメータとして、実験的にグラフ化す
ると、第３図のごとくなる。

この図で、ＡＡ’より左では、停動トルクはばね定数の
増加とともに上昇し、右側では一旦上昇後減少する。

すなわち、第４図ａのごとく、上記電機子２が停止した
瞬間に、ばね４に働いているトルクが電機子２に働くト
ルクと等しいことを意味し、はね定数Ｋによって電機子
２に働くトルクも変化することを表わしている。

また、第４図すはねじ７が停止してから、電機子２が停
止するまでの時間が短かいので、電機子２の慣性力が大
きくねじ７に伝えられ、一部が反射することにより、上
記停動トルクが低下するものと考えられる。

ところで、上記電機子２の回転力は摩擦トルク等を受け
て小さくなり、したがって慣性エネルギも小さくなるの
で、ねじγが停止してからばね４のポテンシャル・エネ
ルギに寄与するエネルギも小さくなり、停動トルクは減
少する。

これは実験の結果、第５図に示すごとき傾向を示し、遂
には、モータの最低出力トルクに一致すると考えられる
。

この点を考慮しながら、第６図に示すように、実際にば
ね定数にのはね４をつけた電気ドライバについてみると
、停動トルクはＴとなり（摩擦トルクが０のとき）、摩
擦トルクが最低トルクＴｍ１ｎ以上になると、モータは
停止してしまうことがわかる。

すなわち、第７図のような喰い込みトルク特性をもつね
じ７は、喰い込みトルクがその端子電圧での最低喰い込
みトルクより大きいので、モータは停止し、第８図のよ
うな喰い込みトルク特性をもつものは、ねじγがねじ穴
に平行に挿入されないため、トルク負荷が上昇し続ける
場合に起こる。

したがって、以上の説明から次のことがいえる。

すなわち、はね定数にのコイルはね４を内臓したドライ
バでは、第９図ａ、ｂに示すごとく、タッピング後のね
じ７が送られるトルクが殆んどＯのときは、Ｔｋのトル
クで締められ、喰い込みトルクがＴｍ１ｎを越えたとき
は、Ｔｍ１ｎのトルクしかねじに加わらない。

すなわち、はね定数にのコイルはね４を有するドライバ
をＶｋなる電圧で作動する場合、締付トルクはＴｍ１ｎ
≦締付トルク≦Ｔｋで与えられる必要がある。

また、設計の目的により、上記締付トルクを小さな範囲
におさめる必要がある場合がある。

すなわち、第１０図にみるように、ばね定数Ｋａのコイ
ルばね４を用いて、Ｔａなるトルクを得るためには、■
２の供給電圧が直流モータに加れられねばならない。

そして、このときの締付トルクはＴ２ とＴａの範囲内
におさめる必要があるが、ばな定数Ｋａを有する上記コ
イルばねをＫｂを有するものに変え、上記供給電圧を■
１ とすることにより、トルクＴａを変えることなく、
締付トルクをＴ、とＴａの範囲内におさめることができ
る。

すなわち、締付トルクをはね定数Ｋを変えることにより
、トルクのばらつきを小さくして、ねじを締め付けるこ
とができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、モー
タの電機子に取り付けた取付板に緩衝用ばねの一端を固
定し、上記緩衝用ばねの他端に固定した取付板にねじ締
み込み用のビットチップを取り付けて成る電気ドライバ
において、ねじ締付はトルクが上記モータの最低トルク
以上となるように設定した駆動電圧を上記モータに供給
するとともに、上記駆動電圧により定まる設定トルクに
対応して、上記設定した駆動電圧における上記緩衝用ば
ねのはね定数を設定し、上記モータにより緩衝用ばねを
介してビットチップを回転してねじの締め込みを行なう
ことを特徴とすることにより、モータの出力トルクと緩
衝用ばねのはね定数とを適正に関連付けて締付トルクの
ばらつきを適当な範囲に収めることができる。

したがって、電機子の大きな回転慣性を吸収して、円滑
にねじの締め込み作業を遂行できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＤＣモータの磁束分布を示す原理図、第２図は
本発明にかかる電気ドライバの組立構造を示す斜視図、
第３図はばね定数と停動トルクとの関係を示すグラフ、
第４図ａ、ｂはトルクと時間との関係を示すグラフ、第
５図は停動トルクと摩擦トルクとの関係を示すグラフ、
第６図は同じく停動トルクの最小値と摩擦トルクとの関
係を示すグラフ、第７図および第８図はねじが途中で停
止する場合を示す喰い込みトル久特性のグラフ、第９図
ａ、ｂは締付トルクの範囲を定める特性のグラフ、第１
０図は締付トルクを一定に選んだ場合における、はね定
数および供給電圧の選定方法をみるために供される、ト
ルクとばね定数の関係を示すグラフである。 ２・・・・・・電機子、４・・・・・・緩衝用ばね、７
・・・・・・ねじ、Ｔ・・・・・・設定トルク、Ｔｍ１
ｎ・・・・・・モータの最低トルク、■・・・・・・電
圧。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ モータの電機子に取り付けた取付板に緩衝用ばねの
   一端を固定し、上記緩衝用ばねの他端に固定した取付板
   にねじ締め込み用のピットチップを取り付けて成る電気
   ドライバにおいて、ねじ締付はトルクが上記モータの最
   低トルク以上となるように設定した駆動電圧を上記モー
   タに供給するとともに、上記駆動電圧により定まる設定
   トルクに対応して、上記設定した駆動電圧における上記
   緩衝用ばねのばね定数を設定し、上記モータにより緩衝
   用ばねを介してピットチップを回転してねじの締め込み
   を行なうことを特徴とする電気ドライバ。