JPWO2019198392A1 - 信号処理装置及び電動工具 - Google Patents

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Abstract

電動工具のための信号処理装置は、電動工具のトルクセンサ(6)からのトルク値信号(St)をフィルタ(22)により平滑化処理することで、モータ(1)を制御するための信号(Stc)を発生する信号処理装置であって、前記トルク値信号(St)の半値幅(Bs)を検出する半値幅検出回路(21)と、前記検出されたトルク値信号(St)の半値幅に基づいて、前記電動工具の打撃数(H)に応じて前記フィルタ(22)のカットオフ周波数(fc)を可変制御する演算回路(23)とを備える。

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電動工具のための信号処理装置と、当該信号処理装置を備えた電動工具とに関する。
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電動工具(以下、「インパクト電動工具」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電動工具を開示している。
特開2008−083002号公報
インパクト電動工具には、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、インパクト電動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、インパクト電動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)を含み、「トルク値信号」と呼ばれる。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、インパクト電動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。
本開示の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高い精度のトルク値信号を発生することができる信号処理装置、及び当該信号処理装置を備えた電動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、
電動工具のトルクセンサからのトルク値信号をフィルタにより平滑化処理することで、モータを制御するためのモータ制御信号を発生する信号処理装置であって、
前記トルク値信号の半値幅を検出する半値幅検出回路と、
前記検出されたトルク値信号の半値幅に基づいて、前記電動工具の打撃数に応じて前記フィルタのカットオフ周波数を可変制御する演算回路とを備えたことを特徴とする。
従って、本開示に係る信号処理装置によれば、従来技術に比較して高い精度のトルク値信号を発生することができる。
実施形態に係るインパクト電動工具のテストモード時の構成例を示す概略ブロック図である。 図1のテストモード用信号処理装置10Aにより実行されるテストモード信号処理を示すフローチャートである。 図1のインパクト電動工具におけるカットオフ周波数fcに対する打撃数特性の一例を示すグラフである。 実施形態に係るカットオフ周波数fc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値信号の波形図である。 44打目におけるトルク値信号の波形図である。 84打目におけるトルク値信号の波形図である。 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。 実施形態に従って決定されたカットオフ周波数fc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。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数fc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値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数fc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値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数fc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値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数fc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値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数fc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値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数fc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値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 実施形態に係るインパクト電動工具の動作モード時の構成例を示す概略ブロック図である。 図16の動作モード用信号処理装置10の構成例を示すブロック図である。 実施形態に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号Stと平滑化処理されたトルク値信号Stsとその半値幅Bsを示すトルク値信号の波形図である。 実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Hに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Bs及びピーク値Spを示すグラフである。 実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Hに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Bs及びピーク値Sp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。なお、図面において、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
まず、実施形態に係るテストモード時のインパクト電動工具の構成及び動作について以下に説明する。
図1は、実施形態に係るインパクト電動工具のテストモード時の構成例を示す概略ブロック図である。図1において、インパクト電動工具は、モータ1と、減速機構2と、ハンマー3と、アンビル4と、シャフト5と、トルクセンサ6と、衝撃センサ7と、スプリットリング8と、内部メモリ10mを有するテストモード用信号処理装置10Aと、入力装置11Aと、表示装置12Aとを備える。図1のインパクト電動工具は、テストモード用信号処理装置10Aからのテストモードのモータ制御信号を駆動信号としてモータ1に与えることで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等である。
なお、テストモード用信号処理装置10A及び後述する動作モード用信号処理装置10は例えばデジタル計算機などのコントローラで構成され、テストモード用信号処理装置10Aは動作モード用信号処理装置10に内蔵してもよい。
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St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St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10Aに伝送する。
入力装置11A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10A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12A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10Aは、トルク値信号St、衝撃パルス、及びユーザ設定値に基づいてモータ1を駆動制御する。モータ1は、信号処理装置10A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のテストモード用信号処理装置10Aにより実行されるテストモード信号処理を示すフローチャートである。また、図3は図1のインパクト電動工具におけるカットオフ周波数fcに対する打撃数特性の一例を示すグラフである。なお、カットオフ周波数fcは、後述する図17のデジタルローパスフィルタ(デジタルLPF)22のカットオフ周波数fcであって、デジタルローパスフィルタ22は、打撃波形を含むトルク値信号Stから、打撃波形のノイズ成分を除去するための平滑化処理を行う。また、発明者らの実験によれば、打撃数Hに対するカットオフ周波数fcは、図3に示すように、打撃数Hの増加に伴って高くなり、所定のしきい値打撃数Hthにおいてほぼ一定になって(このとき、後述するように、トルク値信号Stの半値幅も一定になる)飽和する特性を有する。
図1のステップS1において、テスト対象のインパクト回転工具について、複数回の打撃を行って、衝撃センサ7からの衝撃パルスの計数値である打撃数Hに対する、トルクセンサ6からのトルク値信号(打撃波形を含む)Stの波形データを取り込み、内部メモリ10mに格納する。次いで、ステップS2において、複数回の打撃によるトルク値信号Stの波形データに対してFFT(高速フーリエ変換)を行って、詳細後述する方法により打撃数Hに対するカットオフ周波数特性を得る。
さらに、ステップS3において、上記打撃数Hに対するカットオフ周波数特性(図3)から、トルク値信号Stの波形データの半値幅Bsが一定となるしきい値打撃数Hth(図3参照)を得て内部メモリ10mに設定する。ステップS4では、上記打撃数Hに対するカットオフ周波数特性において、しきい値打撃数Hthを境界として、図3に示すように、
(1)打撃開始からしきい値打撃数Hthまでの近似式EQ1と、
(2)しきい値打撃数Hthから打撃終了までの近似式EQ2と
により直線近似を行って、これらの近似式EQ1,EQ2を計算して内部メモリ10mに格納し、当該テストモード信号処理を終了する。
本実施形態では、詳細後述するように、トルク値信号Stの半値幅Bsが一定となるまでは近似式EQ1を用いてカットオフ周波数fcを決定する一方、トルク値信号Stの半値幅Bsが一定になったら(打撃数Hが所定のしきい値打撃数Hthを超えたら)近似式EQ2を用いてカットオフ周波数fcを決定することを特徴としている。
図4は、実施形態に係るカットオフ周波数fcの決定方法を詳細説明するためのグラフである。実施形態では、カットオフ周波数fcは、トルク値信号St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4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St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fcも増大する。
図5は、1打目におけるトルク値信号Stの波形図である。図6は、44打目におけるトルク値信号Stの波形図である。図7は、84打目におけるトルク値信号Stの波形図である。図5〜図7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5〜図7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St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8は、実施形態に係るトルク値信号St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fc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Stsが得られる。
図9は、実施形態に従って決定されたカットオフ周波数fcを用いてフィルタリングされたトルク値信号Stsと、実測されたトルク値信号Stとを比較するグラフである。図9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St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Stの値を示す。破線は、フィルタリングされたトルク値信号St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9によれば、フィルタリングされたトルク値信号St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。
変形例.
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10〜図15は、変形例に係る工具におけるトルク値信号St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10は、1打目におけるトルク値信号Stの周波数スペクトルを示すグラフである。図11は、5打目におけるトルク値信号Stの周波数スペクトルを示すグラフである。図12は、10打目におけるトルク値信号Stの周波数スペクトルを示すグラフである。図13は、20打目におけるトルク値信号Stの周波数スペクトルを示すグラフである。図14は、30打目におけるトルク値信号Stの周波数スペクトルを示すグラフである。図15は、40打目におけるトルク値信号St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Stにおけるより高域側の周波数成分が次第に増大する。変形例では、カットオフ周波数fcは、トルク値信号St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。
次いで、実施形態に係るインパクト電動工具の動作モード時の構成及び動作について以下に説明する。
図16は実施形態に係るインパクト電動工具の動作モード時の構成例を示す概略ブロック図である。図16において、インパクト電動工具は、モータ1と、減速機構2と、ハンマー3と、アンビル4と、シャフト5と、トルクセンサ6と、衝撃センサ7と、スプリットリング8と、内部メモリ10mを有する動作モード用信号処理装置10と、入力装置11と、表示装置12とを備える。図16のインパクト電動工具は、図10のインパクト電動工具に比較して、テストモード用信号処理装置10A、入力装置11A、及び表示装置12Aに代えて、動作モード用信号処理装置10、入力装置11、及び表示装置12を備えたことを特徴としている。以下、相違点について説明する。
図17は図16の動作モード用信号処理装置10の構成例を示すブロック図である。図18は実施形態に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号Stと平滑化処理されたトルク値信号Stsとその半値幅Bsを示すトルク値信号の波形図である。
図17において、動作モード用信号処理装置10は、アナログローパスフィルタ(アナログLPF)20と、半値幅検出回路21と、デジタルローパスフィルタ(デジタルLPF)22と、カットオフ周波数演算回路23と、モータ停止制御部24Aを含むモータ制御回路24と、カウンタ25と、内部メモリ10mとを備える。なお、内部メモリ10mには、テストモードで決定された以下のデータが予め格納される。
(1)打撃開始からしきい値打撃数Hthまで(図18の半値幅Bsが一定になるまで)の打撃数Hに対するカットオフ周波数fcを表す近似式EQ1;及び
(2)しきい値打撃数Hthから打撃終了まで(図18の半値幅Bsが一定になった後)の打撃数Hに対するカットオフ周波数fcを表す近似式EQ2。
なお、入力装置11は、インパクト電動工具の種類に応じて、複数組の近似式EQ1,EQ2のうちから最適な組をユーザが選択するための入力手段として動作する。また、表示装置12は、トルク値信号St、半値幅Bs、カットオフ周波数fc、打撃数H等の情報を表示する。
アナログローパスフィルタ20はデジタルローパスフィルタ22のカットオフ周波数fcよりも十分に高いカットオフ周波数を有し、トルクセンサ6からの、打撃波形を含むトルク値信号に対して低域通過ろ波を行って、処理後のトルク値信号を半値幅検出回路21及びデジタルローパスフィルタ22に出力する。半値幅検出回路21は入力される信号の半値幅を検出してカットオフ周波数演算回路23に出力する。
また、カウンタ25は、衝撃センサ7からの衝撃パルスを計数することで、打撃数Hを計数してカットオフ周波数演算回路23に出力する。
デジタルローパスフィルタ22は例えばFIR型デジタルフィルタであって、所定の複数のフィルタ係数を設定することでカットオフ周波数fcが設定される。デジタルローパスフィルタ22は、カットオフ周波数演算回路23から指定されるカットオフ周波数fcで設定され、打撃波形を含むトルク値信号Stから、打撃波形のノイズ成分を除去するための平滑化処理を行った後、処理後のトルク値信号Stsをモータ制御回路24に出力する。カットオフ周波数演算回路23は、半値幅Bsに基づいて以下のように動作する。
(1)打撃開始から半値幅Bsが一定になるまで(所定のしきい値打撃数Hthになるまで)は、内部メモリ10mに格納された近似式EQ1を用いて打撃数Hに応じて演算されるカットオフ周波数fcを演算して、デジタルローパスフィルタ22に指定する。
(2)半値幅Bsが一定になってから打撃停止まで(所定のしきい値打撃数Hthになった後)は、内部メモリ10mに格納された近似式EQ2を用いて打撃数Hに応じて演算されるカットオフ周波数fcを演算して、デジタルローパスフィルタ22に指定する。
モータ制御回路24は入力される、平滑処理されたトルク値信号Stsに基づいてモータ制御信号Stcを発生することでモータ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。また、モータ制御回路24は、例えばトルク値信号Stsが所定のしきい値以上になったときにモータ停止制御部24Aによりモータ1の駆動を停止する。
ところで、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fc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fc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、信号処理装置10は上述のように、打撃数Hに応じてカットオフ周波数fcを変化させる。これにより、信号処理装置10は、打撃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。
図19は実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Hに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Bs及びピーク値Spを示すグラフである。また、図20は実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Hに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Bs及びピーク値Spを示すグラフである。図19及び図20から明らかなように、例えば「M12ボルト、ハードジョイント、ソケット長40mm」を使用した場合において、トルク値信号Stの半値幅Bsの変化は、ボルト軸力の増加と共に減少し、一定値となる。また、半値幅が一定値となってからは、ボルト軸力の上がり方が直線的になることがわかる。
以上説明したように、本実施形態によれば、半値幅検出回路21により検出されたトルク値信号の半値幅に基づいて、前記電動工具の打撃数Hに応じてデジタルローパスフィルタ22のカットオフ周波数fcを可変制御するようにしたので、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。これにより、電動工具のモータ1を適切に制御できる。
以上の実施形態においては、デジタルローパスフィルタ22を用いているが、本開示はこれに限られず、バンドパスフィルタなどの、所定のカットオフ周波数fc以上の周波数成分を低減できるフィルタであってもよい。
本開示の実施形態は、インパクトドライバー等のインパクト電動工具に限らず、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電動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…動作モード用信号処理装置、
10A…テストモード用信号処理装置、
10m…内部メモリ、
11,11A…入力装置、
12,12A…表示装置、
20…アナログローパスフィルタ(アナログLPF)、
21…半値幅検出回路、
22…デジタルローパスフィルタ(デジタルLPF)、
23…カットオフ周波数演算回路、
24…モータ制御回路、
24A…モータ停止制御部。
のステップS1において、テスト対象のインパクト回転工具について、複数回の打撃を行って、衝撃センサ7からの衝撃パルスの計数値である打撃数Hに対する、トルクセンサ6からのトルク値信号(打撃波形を含む)Stの波形データを取り込み、内部メモリ10mに格納する。次いで、ステップS2において、複数回の打撃によるトルク値信号Stの波形データに対してFFT(高速フーリエ変換)を行って、詳細後述する方法により打撃数Hに対するカットオフ周波数特性を得る。
図16は実施形態に係るインパクト電動工具の動作モード時の構成例を示す概略ブロック図である。図16において、インパクト電動工具は、モータ1と、減速機構2と、ハンマー3と、アンビル4と、シャフト5と、トルクセンサ6と、衝撃センサ7と、スプリットリング8と、内部メモリ10mを有する動作モード用信号処理装置10と、入力装置11と、表示装置12とを備える。図16のインパクト電動工具は、図のインパクト電動工具に比較して、テストモード用信号処理装置10A、入力装置11A、及び表示装置12Aに代えて、動作モード用信号処理装置10、入力装置11、及び表示装置12を備えたことを特徴としている。以下、相違点について説明する。



Claims (7)

  1. 電動工具のトルクセンサからのトルク値信号をフィルタにより平滑化処理することで、モータを制御するためのモータ制御信号を発生する信号処理装置であって、
    前記トルク値信号の半値幅を検出する半値幅検出回路と、
    前記検出されたトルク値信号の半値幅に基づいて、前記電動工具の打撃数に応じて前記フィルタのカットオフ周波数を可変制御する演算回路とを備えたことを特徴とする信号処理装置。
  2. 前記演算回路は、前記電動工具の打撃数に応じて前記フィルタのカットオフ周波数を演算して、前記演算されたカットオフ周波数を前記フィルタに設定することを特徴とする請求項1記載の信号処理装置。
  3. 前記演算回路は、前記電動工具の打撃数に応じて前記フィルタのカットオフ周波数を演算するための第1及び第2の演算関数を用いて、前記フィルタのカットオフ周波数を演算し、
    前記演算回路は、前記トルク値信号の半値幅が一定となったときに、前記第1の演算関数から前記第2の演算関数に選択的に切り替えることを特徴とする請求項2記載の信号処理装置。
  4. 前記第1及び第2の演算関数は、テストモードで検出された特性であって、前記電動工具の打撃数に対する前記フィルタのカットオフ周波数の特性に基づいて演算された直線近似式であることを特徴とする請求項3記載の信号処理装置。
  5. 前記フィルタは、所定のフィルタ係数を有するFIR(Finite Impulse Response)型デジタルフィルタであり、
    前記演算回路は、前記フィルタ係数を制御することで、前記フィルタのカットオフ周波数を可変制御することを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の信号処理装置。
  6. 前記トルク値信号をフィルタにより平滑化処理された信号に基づいて、前記モータを制御するためのモータ制御信号を発生するモータ制御回路をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の信号処理装置。
  7. 請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の信号処理装置を備えたことを特徴とする電動工具。
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