JPWO2014084158A1

JPWO2014084158A1 - インパクト工具

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Publication number: JPWO2014084158A1
Application number: JP2014550170A
Authority: JP
Inventors: 高野　信宏; 信宏高野; 西河　智雅; 智雅西河; 和隆岩田; 芳浩星
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: JP6032289B2; CN105307818B; EP2926952A1; CN105307818A; US20150303842A1; WO2014084158A1; EP2926952A4

Abstract

温度上昇を抑えつつ効率良くモータを駆動して高トルクの締め付け作業を行うことができるインパクト工具を提供するため、半導体スイッチング素子を用いてモータへ供給する駆動電力を制御する制御手段と、モータの回転力により先端工具を連続的に又は断続的に駆動する打撃機構を有するインパクト工具であって、作業者がトリガを引いてから離すまでの一つの作業（時間ｔ０〜ｔ９）において、制御手段は半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号を変化させて、高デューティ比（１００％）の制御による高デューティ打撃（６２ａ、６３ａ・・）が、低デューティ比（８０％）の制御による低デューティ打撃（６２ｂ、６２ｃ、６３ｂ、６３ｃ・・）の間に間欠的に出現するよう制御する。制御手段はモータ電流８０を監視して閾値Ｉ１を越えたらデューティ比を１００％にし、その後閾値Ｉ２を２回越えたらデューティ比を８０％に切り替える。

Description

本発明はインパクト工具に関し、特に、駆動源として用いられるモータの制御方法を改良したインパクト工具に関する。

手持ち式のインパクト工具、特にバッテリに蓄電された電気エネルギーにて駆動するコードレスタイプのインパクト工具が広く用いられている。ドリルやドライバ等の先端工具をモータによって回転駆動して所要の作業を行うインパクト工具においては、例えば特許文献１に開示されているように、バッテリを用いてブラシレスＤＣモータを駆動する。ブラシレスＤＣモータは、ブラシ（整流用刷子）の無いＤＣ（直流）モータであり、コイル（巻線）をロータ側に、永久磁石をステータ側に用い、インバータで駆動された電力を所定のコイルへ順次通電することによりロータを回転させる。ブラシレスモータはブラシ付きモータに比べて高効率であり、充電可能な二次電池を使用したインパクト工具においては１充電当りの作業時間を向上させることが可能である。また、モータの回転駆動のためのスイッチング素子を搭載した回路を有するので、電子制御により高度なモータの回転制御が容易となる。

ブラシレスＤＣモータは、永久磁石を備えたロータ（回転子）と、３相巻線等の複数相の電機子巻線（固定子巻線）を備えたステータ（固定子）と、ロータの永久磁石の磁力を検出してロータ位置を検出する複数のホールＩＣより構成された位置検出素子と、電池パック等から供給される直流電圧をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）等の半導体スイッチング素子を用いてスイッチングして各相の固定子巻線への通電を切換えてロータを駆動するインバータ回路を含んで構成される。複数の位置検出素子は複数相の電機子巻線に対応しており、各位置検出素子によるロータの位置検出結果に基づいて各相の電機子巻線の通電タイミングを設定する。

特開２００８−２７８６３３号公報

ところで、上記ステータやスイッチング素子は、インパクト工具の使用に伴い発熱を生じるが、ブラシレスＤＣモータの構成要素には使用温度条件が規定されており、その範囲内で動作させることが重要である。インパクト工具においては、連続運転や過負荷により、モータ本体やモータ本体に固定駆動回路の半導体スイッチング素子などに温度上昇が生じ、それらの部品やそれらを構成する素子に熱的損傷を与える恐れがある。この問題を解消するためには、熱的損傷が生じる前に作業者はモータの回転数を抑えるか、もしくはモータを停止させてモータ部を冷却するのが好ましいが、この冷却のために締付け作業や切削作業を中止しなければならないので作業効率の低下となる。更に、作業者にとってモータ部が異常に温度上昇しているかどうかの判別は困難であった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度上昇を抑えつつ効率良くモータを駆動して高トルクの締め付け作業を行うことができるインパクト工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、モータの駆動電力を調整して締め付けトルクを低減させること無く、１本の充電可能なバッテリによる作業可能回数を向上させることができるインパクト工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、小型であって高出力発生が可能なモータを利用する際のモータの寿命を延ばすことができるインパクト工具を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次の通りである。

本発明の一つの特徴によれば、モータと、複数の半導体スイッチング素子を用いてモータへ供給する駆動電力を制御する制御手段と、モータの回転力により先端工具を連続的に又は断続的に駆動する打撃機構を有するインパクト工具であって、作業者がトリガを引いてから離すまでの一つの作業（モータの起動から停止までの一駆動）において、制御手段は半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号を変化させて、高デューティ比の制御による高デューティ打撃と低デューティ比の制御による低デューティ打撃を混在させてモータを駆動する。制御手段は、高デューティ打撃が、低デューティ打撃の間に間欠的に出現するように制御すると好ましい。モータとしてブラシレスモータを用いる場合は、ブラシレスモータへ駆動電力を供給するインバータ回路を設け、制御手段はインバータ回路を制御するように構成すれば良い。モータとしてブラシ付き直流モータを用いる場合は、バッテリからモータへの接続回路の途中に半導体スイッチング素子を介在させて、制御手段により半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御すると良い。

本発明の他の特徴によれば、打撃機構による打撃を検出する打撃検出手段を設け、制御手段は、検出された打撃のタイミングを基準にデューティ比を高又は低に切り替えるように構成した。打撃検出手段は、モータまたは半導体スイッチング素子に流れる電流値を検出することにより打撃の有無を検出するか、又は打撃検出手段を加速度センサにて構成する。例えば制御手段は、低デューティ打撃の複数回に１度ずつ（又は複数回ごとに２〜３度ずつ）高デューティ打撃が出現するようにＰＷＭ駆動信号を変化させる。低デューティ比は、高デューティ比の９０％以下であることが望ましく、特に好ましくは、低デューティ比を高デューティ比の５０％以上８０％以下とする。

請求項１の発明によれば、トリガを引いてから離すまでの一つの作業において、制御手段は半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号を変化させて、高デューティ比の制御による高デューティ打撃と低デューティ比の制御による低デューティ打撃を混在させるので、必要な締め付けトルクを確保しつつモータに連続的な高負荷が掛かることを効果的に防止できる。この結果、高出力型モータを採用することができる上にモータの省電力化を図ることができ、さらにはインパクト工具の信頼性及び寿命を向上できる。
請求項２の発明によれば、制御手段は高デューティ打撃が、低デューティ打撃の間に間欠的に出現するように制御するので、モータの温度上昇を効果的に抑制することができる。また、間欠的にモータの高出力領域まで利用した締め付け作業を行うので、締め付けトルクを高めることができる。
請求項３の発明によれば、制御手段は打撃検出手段で検出された打撃のタイミングを基準にデューティ比を高又は低に切り替えるので、打撃毎に確実にデューティ比を変更することができ、精度の高い締め付け作業を実現できる。
請求項４の発明によれば、打撃検出手段は電流値を検出することにより打撃の有無を検出するので、新たな検出手段を追加すること無く既存の制御回路にて打撃を検出することができ、本発明実施のための製造コストの上昇を抑えることができる。
請求項５の発明によれば、打撃検出手段は加速度センサあるので、安価な衝撃センサを追加するだけで確実に打撃のタイミングを検出することができ、精度の高いモータの回転制御を実現できる。

請求項６の発明によれば、制御手段は、低デューティ打撃の複数回に１度ずつ周期的に高デューティ打撃が出現するようにＰＷＭ駆動信号を変化させるので、締め付けトルク不足を生ずること無く規定のトルクにて確実に締め付け作業を完遂できる。また、締め付け途中で急にモータ出力の不連続に変化するような不自然な状態の発生を防止でき、スムーズなモータ制御を行うことができる。
請求項７の発明によれば、低デューティ比は、高デューティ比の９０％以下であるので、所望の締め付けトルク値を実現しつつ１割以上の消費電力の削減を実現できる。
請求項８の発明によれば低デューティ比は、高デューティ比の５０％以上８０％以下であるので、大幅な消費電力の削減が実現でき、バッテリによる作業時間を大幅に伸ばすことができる。

本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

本発明の実施例に係るインパクト工具の内部構造を示す縦断面図である。インバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクト工具１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。本発明の実施例に係るモータ３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。本実施例の本実施例のインパクト工具における締め付けトルク、モータ電流、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比の関係との関係を示すグラフである。本実施例のインパクト工具１を用いて締め付け作業を行う際のモータ制御用のデューティ比の設定手順について示すフローチャートである。本発明の第２の実施例のインパクト工具１を用いて締め付け作業を行う際のモータ制御用のデューティ比の設定手順について示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明において、上下、前後の方向は、図１の矢印に示した方向として説明する。

図１は、本発明に係るインパクト工具１の内部構造を示す図である。インパクト工具１は、充電可能なバッテリ９を電源とし、モータ３を駆動源として回転打撃機構２１を駆動し、出力軸であるアンビル３０に回転力と打撃力を与え、スリーブ３１の取付穴３０ａに保持されるドライバビット等の図示しない先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してネジ締めやボルト締め等の作業を行う。ブラシレスＤＣ方式のモータ３は、側面視で略Ｔ字状の形状を成すハウジング２の筒状の胴体部２ａ内に収容される。モータ３の回転軸１２は、ハウジング２の胴体部２ａの中央部付近に設けられる軸受１９ａと後端側の軸受１９ｂによって回転可能に保持され、モータ３の前方には、回転軸１２と同軸に取り付けられモータ３と同期して回転するロータファン１３が設けられ、モータ３の後方には、モータ３を駆動するためのインバータ回路基板４が配設される。ロータファン１３によって起こされる空気流は、空気取入孔１７ａ、１７ｂ及びインバータ回路基板４の周囲のハウジング部分に形成されたスロット（図示せず）からハウジング２の内部に取り込まれ、主にロータ３ａとステータ３ｂの間を通過するように流れ、ロータファン１３の後方から吸引されてロータファン１３の半径方向に流れ、ロータファン１３の周囲のハウジング部分に形成された後述するスロット（図示せず）からハウジング２の外部に排出される。インバータ回路基板４はモータ３の外形とほぼ同形の円形の両面基板であり、この基板上にはＦＥＴ等の複数のスイッチング素子５や、ホールＩＣ等の位置検出素子３３が搭載される。

ロータ３ａと軸受１９ａの間には、スリーブ１４とロータファン１３が回転軸１２と同軸上に取り付けられる。ロータ３ａは、マグネット１５によって形成される磁路を形成するもので、例えば４つの平板状のスロットが形成された薄い金属板の積層により構成される。スリーブ１４は、ロータファン１３とロータ３ａが空転せずに回るようにする接続部材で、例えばプラスチックによって形成される。スリーブ１４の外周部には、必要に応じてバランス修正用溝（図示せず）を形成する。ロータファン１３は、例えばプラスチックのモールドにより一体成形されるもので、後方の内周側から空気を吸引し、前方側の半径方向外側に排出する、いわば遠心ファンであり、回転軸１２が貫通する貫通穴の周囲から放射状に延びる複数のブレードを有する。ロータ３ａと軸受１９ｂの間には、プラスチック製のスペーサ３５が設けられる。スペーサ３５の形状は略円筒形で、軸受１９ｂとロータ３ａとの間の間隔を設定する。この間隔はインバータ回路基板４（図１）を同軸上に配置するためと、スイッチング素子５を冷却する空気流の流路として必要とされる空間を形成するために必要とされるものである。

ハウジング２の胴体部２ａから略直角に一体に延びるハンドル部２ｂ内の上部にはトリガスイッチ６が配設され、トリガスイッチ６の下方にはスイッチ基板７が設けられる。トリガスイッチ６の上方には、モータ３の回転方向を切り替えるための正逆切替レバー１０が設けられる。ハンドル部２ｂ内の下部には、トリガスイッチ６の引き動作によって前記モータ３の速度を制御する機能を備えた制御回路基板８が収容され、この制御回路基板８は、バッテリ９とトリガスイッチ６に電気的に接続される。制御回路基板８は、信号線１１ｂを介してインバータ回路基板４と接続される。ハンドル部２ｂの下方には、ニカド電池、リチウムイオン電池等を含んで構成されるバッテリ９が着脱可能に装着される。バッテリ９は例えばリチウムイオン電池等の複数本の二次電池をパック化したもので、バッテリ９を充電するときは、インパクト工具１からバッテリ９を取り外して、図示しない専用の充電器に装着することにより充電される。

回転打撃機構２１は、遊星歯車減速機構２２とスピンドル２７とハンマ２４を備え、後端が軸受２０、前端がメタル２９により保持される。トリガスイッチ６が引かれてモータ３が起動されると、正逆切替レバー１０で設定された方向にモータ３が回転を始め、その回転力は遊星歯車減速機構２２によって減速されてスピンドル２７に伝達され、スピンドル２７が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル２７とハンマ２４とはカム機構によって連結され、このカム機構は、スピンドル２７の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝２５と、ハンマ２４の内周面に形成されたハンマカム溝２８と、これらのカム溝２５、２８に係合するボール２６によって構成される。

ハンマ２４は、スプリング２３によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール２６とカム溝２５、２８との係合によってアンビル３０の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ２４とアンビル３０の相対向する回転平面上の２箇所には図示しない凸部がそれぞれ対称的に形成されている。スピンドル２７が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ２４に伝達され、ハンマ２４が半回転しないうちにハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部に係合してアンビル３０を回転させるが、そのときの係合反力によってスピンドル２７とハンマ２４との間に相対回転が生ずると、ハンマ２４はカム機構のスピンドルカム溝２５に沿ってスプリング２３を圧縮しながらモータ３側へと後退を始める。

そして、ハンマ２４の後退動によってハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ２４は、スピンドル２７の回転力に加え、スプリング２３に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によって回転方向及び前方に急速に加速されつつ、スプリング２３の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル３０の凸部に再び係合して一体に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力がアンビル３０に加えられるため、アンビル３０の取付穴３０ａに装着される図示しない先端工具を介してネジに回転打撃力が伝達される。以後、同様の動作が繰り返されて先端工具からネジに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、例えば、ネジが木材等の図示しない被締めつけ材にねじ込まれる。

次に図２を用いて、本実施例のインバータ回路基板４を説明する。図２は、インバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクト工具１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。インバータ回路基板４は、例えばガラエポ (ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めたもの）で構成され、モータ３の外形とほぼ同形の略円形であり、中央にはスペーサ３５を貫通させるための穴４ａが形成される。インバータ回路基板４の周囲には、４つのねじ穴４ｂが形成され、このねじ穴４ｂを貫通するねじによって、インバータ回路基板４がステータ３ｂに固定される。インバータ回路基板４には、穴４ａを囲むように６つのスイッチング素子５が取り付けられる。本実施例ではスイッチング素子５として薄型のＦＥＴを用いたが、通常サイズのＦＥＴであっても良い。

スイッチング素子５は厚さが非常に薄いので、本実施例においては、基板上に寝かせた状態で、表面実装（ＳＭＴ：Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｕｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によってスイッチング素子５をインバータ回路基板４に取り付ける。尚、図示していないが、インバータ回路基板４の６つのスイッチング素子５全体を覆うように、シリコンなどの樹脂をコーティングすることが望ましい。インバータ回路基板４は両面基板となっており、その前面側には３つの位置検出素子３３（図２（２）では２つだけ図示）と、サーミスタ３４等の電子素子が搭載される。インバータ回路基板４は、モータ３と同形の円よりも下方にやや突出する形状であり、その突出した部分に複数の貫通穴４ｄが形成され、前面側から信号線１１ｂが貫通されて後面側においてはんだ付け３８ｂにより固定される。同様に電源線１１ａも前面側からインバータ回路基板４の貫通穴４ｃを貫通されて、後面側においてはんだ付け３８ａにより固定される。尚、信号線１１ｂと電源線１１ａのインバータ回路基板４への固定は、基板上に固定されるコネクタを介しても良い。

次に、図３を用いてモータ３の駆動制御系の構成と作用を説明する。図３はモータの駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施例では、モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。

モータ３は、いわゆるインナーロータ型で、一対のＮ極およびＳ極を含むマグネット１５（永久磁石）を埋め込んで構成されたロータ３ａと、ロータ３ａの回転位置を検出するために６０°毎に配置された３つの位置検出素子３３と、位置検出素子３３からの位置検出信号に基づいて電気角１２０°の電流の通電区間に制御されるスター結線された３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなるステータ３ｂを含んで構成される。なお、本実施例では、ロータ３ａの位置検出は、ホールＩＣ等の位置検出素子３３を用いて電磁結合的に行っているが、電機子巻線の誘起起電圧（逆起電力）を、フィルタを通して論理信号として取出すことによってロータ３ａの位置を検出するセンサレス方式を採用することもできる。

インバータ回路基板４に搭載されるインバータ回路は、３相ブリッジ形式に接続された６個のＦＥＴ（以下、単に「トランジスタ」という。）Ｑ１〜Ｑ６と、フライホイールダイオード（図示なし）から構成され、インバータ回路基板４に搭載される。温度検出用素子（サーミスタ）３８は、インバータ回路基板４上のトランジスタに近接する位置に固定される。ブリッジ接続された６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲートは制御信号出力回路４８に接続され、また、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６のソースまたはドレインはスター結線された電機子巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路４８から出力されたスイッチング素子駆動信号によってスイッチング動作を行い、インバータ回路に印加されるバッテリ９の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路基板８には、演算部４０、電流検出回路４１、電圧検出回路４２、印加電圧設定回路４３、回転方向設定回路４４、回転子位置検出回路４５、回転数検出回路４６、温度検出回路４７、及び制御信号出力回路４８が搭載される。演算部４０は、図示されていないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するためのＣＰＵ、後述するフローチャートに相当するプログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、タイマ等を含むマイコンによって構成される。電流検出回路４１はシャント抵抗３６の両端電圧を測定することによりモータ３に流れる電流を検出する電圧検出手段であって、検出電流は演算部４０に入力される。電圧検出回路４２はバッテリ９のバッテリ電圧を検出するための回路であり、検出された検出電圧は演算部４０に入力される。

印加電圧設定回路４３は、トリガスイッチ６の移動ストロークに応答してモータ３の印加電圧、すなわちＰＷＭ信号のデューティ比を設定するための回路である。回転方向設定回路４４は、モータの正逆切替レバー１０による正方向回転または逆方向回転の操作を検出してモータ３の回転方向を設定するための回路である。回転子位置検出回路４５は、３つの位置検出素子３３の出力信号に基づいてロータ３ａとステータ３ｂの電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの関係位置を検出するための回路である。回転数検出回路４６は、単位時間内にカウントされる回転子位置検出回路４５からの検出信号の数に基づいてモータの回転数を検出する回路である。制御信号出力回路４８は、演算部４０からの出力に基づいてトランジスタＱ１〜Ｑ６にＰＷＭ信号を供給する。ＰＷＭ信号のパルス幅の制御によって各電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する電力を調整して設定した回転方向へのモータ３の回転数を制御することができる。

加速度センサ４９は、アンビル３０に発生する衝撃に起因する加速度の大きさを検出するもので、その出力は演算部４０に入力される。演算部４０は加速度センサ４９の出力を監視することによって打撃が行われたタイミングや締め付けトルクの大きさ検出し、規定のトルク値で締め付けが完了したか否かを検出することができる。このように、加速度センサ４９と演算部４０との組み合わせによって打撃検出手段が実現されるが、本実施例の制御を行うには加速度センサ４９は必須の構成ではないので、加速度センサ４９の搭載を省略することもできる。加速度センサ４９を取り付ける位置はハウジング２の内部であれば任意であるが、例えば制御回路基板８又はインバータ回路基板４の上に加速度センサ４９を半田付けやネジ止めするようにして直接搭載しても良いし、基板から配線を引いて基板の近傍に加速度センサを固定するようにしても良い。加速度センサ４９は、例えば圧電型加速度センサと呼ばれているものであり、加速度センサ４９内部の図示しない圧電素子がひずむことにより電圧が発生する現象（圧電効果）を利用して加速度を計測する。

次に、図４を用いて本実施例のインパクト工具における締め付けトルク、モータ電流、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比の関係を説明する。（１）〜（３）の各グラフは横軸が時間（ミリ秒）であり、互いの横軸を合わせて図示している。本実施例においては、インパクト工具１を用いて、負荷の重い作業、例えば締め付けトルク１００Ｎ・ｍ以上のボルト締め作業を１回行う制御であって、時間ｔ_０において作業者がトリガスイッチ６を引くことによりモータ３が始動し、それによってアンビル３０に所定のトルク６０が発生する。ボルトが着座するとトルク値が増大し、ハンマ２４の後退動によってハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部を乗り越えて両者の係合が解除される。この結果、ハンマ２４はスプリング２３に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によってアンビル３０の凸部を打撃する（矢印６１ａ）。このハンマ２４の打撃の後に衝撃によりハンマ２４が後ろに後退するため、その直後にモータ３にかかる負荷が最大となり電流値がピークに達する。同様にして、矢印６１ｂ〜６１ｄの打撃まで行われると、先端工具から受ける反力が徐々に増大してその直後のモータ３に流れる電流が大きくなって矢印８２ａのように第１の閾値Ｉ_１を越える。この第１の閾値Ｉ_１は、高めに設定されていたデューティ比を低めに切り替えるタイミングを設定するための閾値であって、本実施例では図４（３）に示すように閾値Ｉ_１を越えたらデューティ比１００％（高デューティ比）から、デューティ比８０％（低デューティ比）に切り替える。この切替の判断や実行は制御手段たる演算部４０によって制御される。本明細書では閾値Ｉ_１を越える駆動、即ち高いデューティ比で駆動されて発生する打撃を「高デューティ打撃」と呼ぶことにする。

次に低デューティ比（デューティ比８０％）で複数回、ここでは２回の打撃（矢印６２ｂ、６２ｃ）、が行われたら、演算部４０は図４（３）に示すように時間ｔ_２においてデューティ比９０を８０％（低デューティ比）から１００％（高デューティ比）に切り替える。本明細書では矢印６２ａの打撃の際のデューティ比に比べて低いデューティ比で駆動されて発生する打撃を「低デューティ打撃」と呼ぶことにする。矢印６２ｂ、６２ｃのように打撃が２回行われたか否かは、電流値が第２の閾値Ｉ_２を越えたタイミングをカウントすることにより演算部４０によって検出可能である。ここで、第２の閾値Ｉ_２は、低デューティ打撃以上の打撃の発生を検出するための閾値である。第２の閾値Ｉ_２を基準に判定することで、低デューティ打撃と高デューティ打撃の両方を検出できる。この演算部４０による検出の結果、次の打撃（時間ｔ_３、矢印６３ａの高デューティ打撃）は、その直前の２つの打撃（矢印６２ｂ、６２ｃ）よりも大きくなる。この矢印６３ａの打撃の際に、電流値が第１の閾値Ｉ_１を再び越えるので、時間ｔ_３においてデューティ比９０を１００％（高デューティ比）から８０％（低デューティ比）に再び切り替える。同様にして、矢印６３ｂ、６３ｃのように低デューティ比（デューティ比８０％）で２回の打撃が行われたら、時間ｔ_４にて再びデューティ比９０を１００％（高デューティ比）にする。以下、作業者が時間ｔ_９にてトリガスイッチ６を離すまで高デューティ打撃と低デューティ打撃を繰り返すという同様の制御を行う。

以上のように、本実施例では連続してデューティ比１００％で打撃を行うのでは無く、高デューティ比の打撃の後に１〜数回の低デューティ比での打撃が行われるようにした。このように周期的にまたは間欠的に高デューティ打撃を行うようにしたのは、発明者らの解析によりボルトを締め付けるときは、ピークトルクを発生する高デューティ打撃が１回でも２回でも入れば十分ということがわかったからである。また、すべてを高デューティ打撃とすると、打撃機構や減速機構等のメカ部分に負荷が掛かるためインパクト工具の寿命増大には好ましくないためである。本実施例では、打撃を開始したら最大トルクを発生する高デューティ打撃を間欠的におこなうようにして、必要な締め付けトルクを確保しつつ、バッテリの消費を節約すると共に製品寿命を伸ばすことができた。尚、間欠的に高デューティ打撃を挿入する周期は規則的でも良いし、不規則的でも良いが、一定の規則性を持たせないとモータ３の駆動音がばらついて作業者が違和感を覚えることがあるので一定周期、または徐々に増える（減らす）周期とした方が良い。また、本実施例では高デューティ比を１００％、低デューティ比を８０％としたが、これらを９０％、７０％というようにその他のデューティ比の組み合わせとなるように設定しても良い。

次に図５のフローチャートを用いて、インパクト工具１を用いて締め付け作業を行う際のモータ制御用のデューティ比の設定手順について説明する。図５で示す制御手順は、例えば、マイクロプロセッサを有する演算部４０においてコンピュータプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現できる。まず、演算部４０は作業者によってトリガスイッチ６が引かれてＯＮになったか否かを検出し、引かれたらステップ１０２に進む（ステップ１０１）。ステップ１０１でトリガスイッチ６が引かれたことを検出したら、演算部４０はＰＷＭのデューティ比を１００％に設定するように制御信号出力回路４８に制御信号を出力することによりモータ３を駆動する（ステップ１０２）。次に演算部４０は、モータ３の駆動時の電流検出回路４１の出力を監視し（ステップ１０３）、電流値Ｉが第１の閾値Ｉ_１を越えたか否かを判定する。この判定は電流８０の値が立ち上がった際であって第１の閾値Ｉ_１以上になったら、演算部４０はＰＷＭのデューティ比を８０％に設定するように制御信号出力回路４８に制御信号を出力することによりモータ３を駆動する（ステップ１０５）。

次に演算部４０はトリガスイッチ６が引かれたままであるかを判定し（ステップ１０６）、トリガスイッチ６の引きが解除されたとき、即ち、作業者が締め付け作業を終了させた時はステップ１０９に進み、演算部４０はモータ３を停止して作業を終了する。ステップ１０６にてトリガスイッチ６が引かれたままの場合は、演算部４０は、モータ３の駆動時の電流検出回路４１の出力を監視し（ステップ１０７）、電流値Ｉが第２の閾値Ｉ_２を２回越えたか否かを判定する（ステップ１０８）。ここで、２回としたのは、図４で示したように高デューティ打撃（例えば矢印６２ａ）の後に、低デューティ打撃が２回（例えば矢印６２ｂ、６２ｃ）出現するようにするためである。本実施例では、高デューティ打撃をＨ、低デューティ打撃をＬとすると、演算部は時間ｔ_１以降において、ＨＬＬＨＬＬＨＬＬ・・のように出現するように制御している。但し、この出現パターンは実施例の例に限られずに、例えば、ＨＬＬＬＨＬＬＬＨＬＬＬ・・でも良いし、ＨＬＨＬＨＬＨＬ・・でも良い。また、高デューティ比と低デューティ比の２段階で切り替えるようにしたが、これを３段階程度として、中間のデューティ比を設定して中デューティ打撃Ｍを加えて、それらをＨＬＭＬＨＬＭＬＨＬＬＭ・・のように規則的に繰り返すようにしても良い。ステップ１０８において電流値Ｉが第２の閾値Ｉ_２を２回越えたらステップ１０１に戻る。以上の処理を繰り返すことにより、高デューティ打撃と低デューティ打撃を混在させてモータ３を駆動するので、モータ３の耐久性を大幅に向上させることができる。また、間欠的ではあるが高デューティ打撃が行われるので、規定のトルク値による締め付け作業を完了させることができる。さらに、モータ３の消費電力を削減することができ、バッテリ寿命を伸ばすことができる。

次に図６のフローチャートを用いて、第２の実施例におけるデューティ比の設定手順について説明する。第１の実施例においてはデューティ比の切り替えはモータ３に流れる電流値の大きさを基準に切り替えを行うようにした。これは打撃の際に先端工具側から受ける負荷の増大により電流値が増大するので、その電流値を監視することにより打撃のタイミングを検出した。これに対して第２の実施例では制御回路基板８上又は任意の位置に搭載した加速度センサ４９（図３参照）等の衝撃検出手段又は打撃検出手段を用いて制御を行うようにした。まず、演算部４０は作業者によってトリガスイッチ６が引かれてＯＮになったか否かを検出し、引かれたらステップ２０２に進む（ステップ２０１）。ステップ２０１でトリガスイッチ６が引かれたことを検出したら、演算部４０はＰＷＭのデューティ比を１００％に設定してモータ３を駆動する（ステップ２０２）。次に演算部４０は、モータ３の加速度センサ４９の出力を監視し（ステップ２０３）、加速度センサ４９が所定の大きさ以上、即ち打撃位置を検出したか否かを判定する（ステップ２０４）。打撃位置を検出した際には、演算部４０はＰＷＭのデューティ比を８０％に設定してモータ３を駆動する（ステップ２０５）。

次に演算部４０はトリガスイッチ６が引かれたままであるかを判定し（ステップ２０６）、トリガスイッチ６の引きが解除されたときはステップ２０９に進み、演算部４０はモータ３を停止して作業を終了する。ステップ２０６にてトリガスイッチ６が引かれたままの場合は、演算部４０は、モータ３の加速度センサ４９の出力を監視し（ステップ２０７）、加速度センサ４９がステップ２０４での検出後にさらに２回の打撃を検出したか否かを判定する（ステップ２０８）。ここで打撃位置を２回検出したらステップ２０１に戻る。以上の処理を繰り返すことにより、高デューティ打撃と低デューティ打撃を混在させてモータ３を駆動するので、モータ３の耐久性を大幅に向上させることができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例ではバッテリで駆動されるインパクト工具の例を用いて説明したが、本発明はコードレスタイプのインパクト工具に限られず、商用電源を用いたインパクト工具であっても同様に適用できる。また、打撃の際の駆動電力の調整を、ＰＷＭ制御のデューティ比の調整で行うようにしたが、それ以外にでも何らかの方法により打撃の際のモータに印加する電圧又は／及び電流を変更するようにして、間欠的に高電圧又は／及び高電流を駆動するように制御することによりインパクト工具を駆動するようにしても良い。さらに、複数回の打撃が行われているときにデューティ比を増減させながらモータを打撃する制御は、高デューティ打撃と低デューティ打撃の間を２〜３段階で制御するだけでなく、４段階以上で増減させても良いし、デューティ比を周期的に増減するような関数式により打撃の都度デューティ比を算出して連続的に変更するような制御としても良い。

１インパクト工具
２ハウジング
２ａ胴体部
２ｂハンドル部
３モータ
３ａロータ
３ｂステータ
４インバータ回路基板
４ａ、４ｂ穴
４ｃ、４ｄ貫通穴
５スイッチング素子
６トリガスイッチ
７スイッチ基板
８制御回路基板
９バッテリ
１０正逆切替レバー
１１ａ電源線
１１ｂ信号線
１２回転軸
１３ロータファン
１４スリーブ
１５マグネット
１７ａ空気取入孔
１９ａ、１９ｂ、２０軸受
２１回転打撃機構
２２遊星歯車減速機構
２３スプリング
２４ハンマ
２５スピンドルカム溝
２６ボール
２７スピンドル
２８ハンマカム溝
２９メタル
３０アンビル
３０ａ取付穴
３１スリーブ
３３位置検出素子
３４サーミスタ
３５スペーサ
３６シャント抵抗
４０演算部
４１電流検出回路
４２電圧検出回路
４３印加電圧設定回路
４４回転方向設定回路
４５回転子位置検出回路
４６回転数検出回路
４７温度検出回路
４８制御信号出力回路
４９加速度センサ
６０トルク
８０電流
９０デューティ比

Claims

モータと、半導体スイッチング素子を用いて前記モータへ供給する駆動電力を制御する制御手段と、前記モータの回転力により先端工具を連続的に又は断続的に駆動する打撃機構を有するインパクト工具であって、トリガを引いてから離すまでの一つの作業において、前記制御手段は前記半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ駆動信号を変化させて、高デューティ比の制御による高デューティ打撃と低デューティ比の制御による低デューティ打撃を混在させて前記モータを駆動することを特徴とするインパクト工具。
前記制御手段は、前記高デューティ打撃が、前記低デューティ打撃の間に間欠的に出現するように制御することを特徴とする請求項１に記載のインパクト工具。
前記打撃機構による打撃を検出する打撃検出手段を設け、前記制御手段は、検出された打撃のタイミングを基準に前記デューティ比を高又は低に切り替えることを特徴とする請求項２に記載のインパクト工具。
前記打撃検出手段は、前記モータまたは前記半導体スイッチング素子に流れる電流値を検出することにより打撃の有無を検出することを特徴とする請求項３に記載のインパクト工具。
前記打撃検出手段は加速度センサあることを特徴とする請求項３に記載のインパクト工具。
前記制御手段は、前記低デューティ打撃の複数回に１度、前記高デューティ打撃が出現するように前記ＰＷＭ駆動信号を変化させることを特徴とする請求項４又は５に記載のインパクト工具。
前記低デューティ比は、前記高デューティ比の９０％以下であることを特徴とする請求項６に記載のインパクト工具。
前記低デューティ比は、前記高デューティ比の５０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項７に記載のインパクト工具。