(57)【要約】【課題】締付トルクを制御するための技術を提供する。【解決手段】電圧検出部２６は、モータ２に供給される電圧を検出する。インパクト機構９は、モータ２と出力軸８との間に配されて、モータ２の回転力を利用して出力軸８に間欠的な回転打撃力を付与する。回転数取得部１９は、モータ２の回転数を取得する。モータ制御部２４は、インパクト機構９が回転打撃力の付与を開始すると、モータの回転数が所定回転数以下となるようにモータ２への電力供給を制御する。モータ制御部２４は、電圧検出部２６により検出される電圧に応じて、モータ２への電力供給を、単位時間当たりの電圧積分値が一定となるように制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端工具を取付可能な出力軸と、
前記出力軸を駆動するモータと、
前記モータに供給される電圧を検出する電圧検出部と、
前記モータと前記出力軸との間に配されて、前記モータの回転力を利用して前記出力軸に間欠的な回転打撃力を付与するインパクト機構と、
前記モータの回転数を取得する回転数取得部と、
前記インパクト機構が回転打撃力の付与を開始すると、前記モータの回転数が所定回転数以下となるように前記モータへの電力供給を制御するモータ制御部であって、前記電圧検出部により検出される電圧に応じて、前記モータへの電力供給を、単位時間当たりの電圧積分値が一定となるように制御するモータ制御部と、
を備えることを特徴とする電動工具。
【請求項２】
前記モータ制御部は、前記モータへの供給電圧の変動に応じて、前記モータに供給する電圧のデューティ比を変動させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
【請求項３】
前記モータ制御部は、前記モータへの供給電圧の変動に応じて、前記モータの進角制御を調整する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ボルトやナットなどのねじ部材を間欠的な回転打撃力により締め付ける電動工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
インパクト回転工具は、モータ出力で回転するハンマがアンビルを回転方向に間欠的に打撃することで、ねじ部材を締め付ける。インパクト回転工具は組立工場などで使用され、ねじ部材の締付トルクは、ユーザにより設定された値となるように正確に制御される必要がある。
【０００３】
インパクト回転工具は、充電電池を内蔵したバッテリパックを装着されて、電力を供給される。電池電圧の低下によりモータ回転数を一定に維持できなくなると、締付トルクの制御が困難になることがある。特許文献１は、電源部の電圧が低下した場合に、電源部から入力される電圧を昇圧してモータに入力する変圧部を備えた電動工具を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１７２１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インパクト回転工具において、インパクト機構による回転打撃力の発生後は、締付トルクを高精度に管理するために、モータ回転数を一定に維持することが必要となる。したがって簡易な制御で、モータ回転数を一定に維持するための技術が望まれている。
【０００６】
本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、締付トルクを制御するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電動工具は、先端工具を取付可能な出力軸と、出力軸を駆動するモータと、モータに供給される電圧を検出する電圧検出部と、モータと出力軸との間に配されて、モータの回転力を利用して出力軸に間欠的な回転打撃力を付与するインパクト機構と、モータの回転数を取得する回転数取得部と、インパクト機構が回転打撃力の付与を開始すると、モータの回転数が所定回転数以下となるようにモータへの電力供給を制御するモータ制御部であって、電圧検出部により検出される電圧に応じて、モータへの電力供給を、単位時間当たりの電圧積分値が一定となるように制御するモータ制御部とを備える。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、コンピュータプログラム、またはコンピュータプログラムを記録した記録媒体などの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、単位時間当たりの電圧積分値が一定となるようにモータへの電力供給を制御することで、モータ回転数を一定に維持する技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る電動工具の構成を示す図である。
【図２】電動工具の機能ブロックを示す図である。
【図３】バッテリの放電特性の例を示す図である。
【図４】ハンマがアンビルに回転方向の打撃を加える様子を示す図である。
【図５】ハンマによる打撃挙動を説明するための図である。
【図６】モータに印加される電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本開示の実施形態に係る電動工具１の構成の概要を示す。電動工具１において電力は、工具本体に着脱可能なバッテリパックに内蔵されたバッテリ１３により供給される。モータ駆動回路１１は、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子を搭載してインバータ回路を構成し、制御部１０から供給される制御信号にしたがってモータ２を回転させる。モータ２は、先端工具を取り付けられた出力軸を駆動する。
【００１２】
回転子位置検出部１８は、モータ２の回転子の位置を検出し、回転子位置信号を制御部１０に供給する。実施形態において回転子位置検出部１８は、モータ２の回転角を検出する磁気ロータリエンコーダや、ホール素子などであってよい。電圧検出部２６は、モータ２に供給される電圧を検出し、電圧検出信号を制御部１０に供給する。打撃検出部１２は、インパクト機構により出力軸に付与される回転打撃を検出し、打撃検出信号を制御部１０に供給する。
【００１３】
図２は、実施形態に係る電動工具の機能ブロックを示す。モータ駆動回路１１はモータ２を駆動し、モータ２の回転出力は、減速機３によって減速されて駆動軸５に伝達される。駆動軸５には、カム機構（図示せず）を介してハンマ６が連結され、ハンマ６は、ばね４により出力軸８を備えるアンビル７に向けて付勢される。出力軸８には、締付対象となるねじ部材や作業環境に適した先端工具が取付可能である。
【００１４】
ハンマ６とアンビル７との間に所定値以上の負荷が作用しない間は、ハンマ６とアンビル７とが回転方向に係合し、ハンマ６は、駆動軸５の回転をアンビル７に伝達する。しかしながらハンマ６とアンビル７との間に所定値以上の負荷が作用すると、ハンマ６がカム機構によりばね４に抗して後退し、ハンマ６とアンビル７との係合状態が解除される。その後、ばね４による付勢とカム機構による誘導により、ハンマ６は回転しながら前進してアンビル７に回転方向の打撃を加える。電動工具１において、ばね４、駆動軸５、ハンマ６およびカム機構は、モータ２と出力軸８との間に配されて、モータ２の回転力を利用してアンビル７および出力軸８に間欠的な回転打撃力を付与するインパクト機構９を構成する。
【００１５】
電動工具１において、制御部１０、設定部１５などの構成は、制御基板に搭載されるマイクロコンピュータなどにより実現される。制御部１０は、回転数取得部１９、回転角取得部２０、回転速度取得部２１、エネルギ算出部２２、締付トルク算出部２３、モータ制御部２４および制御信号出力部２５を有し、締付トルクを算出して、算出した締付トルクにもとづいてモータ２の回転を制御する機能を有する。
【００１６】
本開示における電動工具または方法の主体は、コンピュータを備えている。このコンピュータがプログラムを実行することによって、本開示における工具または方法の主体の機能が実現される。コンピュータは、プログラムにしたがって動作するプロセッサを主なハードウェア構成として備える。プロセッサは、プログラムを実行することによって機能を実現することができれば、その種類は問わない。プロセッサは、半導体集積回路（IC）、またはＬＳＩ（large scale integration）を含む１つまたは複数の電子回路で構成される。ここではＩＣやＬＳＩと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（very large scale integration）もしくはＵＳＬＩ（ultra large scale integration）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができる再構成可能な論理デバイスも同じ目的で使うことができる。複数の電子回路は、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップに設けられてもよい。複数のチップは１つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に備えられていてもよい。プログラムは、コンピュータが読み取り可能なＲＯＭ、光ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録される。プログラムは、記録媒体に予め格納されていてもよいし、インターネット等を含む広域通信網を介して記録媒体に供給されてもよい。
【００１７】
操作スイッチ１６は、ユーザにより引き操作されるトリガスイッチである。モータ制御部２４は、操作スイッチ１６の操作によりモータ２のオンオフを制御するとともに、操作スイッチ１６の引込量に応じた回転数でモータ２を回転させる制御信号を、制御信号出力部２５からモータ駆動回路１１に供給させる。モータ駆動回路１１は、制御信号出力部２５から供給される制御信号によりモータ２に駆動電圧を供給して、モータ２を回転させる。
【００１８】
電動工具１において、バッテリ１３の電池電圧には使用可能範囲が設定されており、モータ制御部２４は、電池電圧が使用可能範囲の停止電圧を下回ると、電圧低下異常を判断してモータ駆動を禁止するバッテリ管理を行っている。
【００１９】
図３は、バッテリ１３の放電特性の例を示す。このバッテリ１３は、満充電時、２４．９Ｖの電圧を供給可能であり、満充電状態から電池容量が減少すると、約２１．６Ｖの定格電圧を供給する。この例では、停止電圧がＴＥ Ｖに設定され、電池電圧が停止電圧ＴＥを下回ると、モータ制御部２４は、モータ駆動を禁止する。
【００２０】
電動工具１において、ハンマ６とアンビル７との間に所定値以上の負荷が作用しない間、モータ制御部２４は、操作スイッチ１６の引込量に応じた回転数でモータ２を回転させる。その後、インパクト機構９が回転打撃力の付与を開始すると、モータ制御部２４は、モータ２の回転数が所定回転数以下である一定値となるように、モータ２への電力供給を制御する。実施形態で回転数取得部１９は、回転子位置信号からモータ２の回転数を取得し、モータ制御部２４は、モータ２の回転数が回転数Ｎとなるように、モータ２への電力供給を制御する。回転数Ｎを予め低い値に制限しておくことで、電池電圧の使用可能範囲において、モータ制御部２４は、モータ２を常に回転数Ｎで回転制御することが可能となる。
【００２１】
打撃検出部１２は、インパクト機構９によりアンビル７および出力軸８に加えられた打撃を検出する。たとえば打撃検出部１２は、ハンマ６がアンビル７を打撃することによる衝撃を検出する衝撃センサと、衝撃センサの出力を増幅して制御部１０に供給する増幅器を含んで構成されてよい。たとえば衝撃センサは、圧電式ショックセンサであって衝撃に応じた電圧信号を出力し、増幅器は、出力された電圧信号を増幅して制御部１０に供給する。なお打撃検出部１２は、別の構成を採用してもよく、たとえば打撃音を検出することで、インパクト機構９によりアンビル７に加えられた衝撃を検出する音センサであってもよい。
【００２２】
回転子位置検出部１８は、回転子位置信号を回転角取得部２０に供給する。実施形態において回転角取得部２０は、回転子位置信号から、出力軸８の回転角を取得する機能を有する。ここで回転角取得部２０は、インパクト機構９による打撃ごとに出力軸８が回転する角度を取得する。以下、１回の打撃により出力軸８が回転する角度を、単に「出力軸回転角」と呼ぶ。
【００２３】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、ハンマ６がアンビル７に回転方向の打撃を加える様子を示す。ハンマ６は、前面から立設する一対のハンマ爪６ａ、６ｂを有し、アンビル７は、中心部から径方向に延びる一対のアンビル爪７ａ、７ｂを有する。なおアンビル７は出力軸８と一体であり、出力軸８はアンビル７とともに回転する。
【００２４】
図４（ａ）は、ハンマ爪とアンビル爪とが周方向に係合した状態を示す。ハンマ爪６ａ、６ｂは、それぞれアンビル爪７ａ、７ｂに係合して、矢印Ａで示す方向に回転力を加える。
図４（ｂ）は、ハンマ爪とアンビル爪との係合状態が解除された状態を示す。係合状態においてハンマ６とアンビル７の間に所定値以上の負荷が作用すると、ハンマ６はカム機構（図示せず）によりアンビル７に対して後退し、ハンマ爪６ａとアンビル爪７ａとの係合状態、およびハンマ爪６ｂとアンビル爪７ｂとの係合状態がそれぞれ解除される。
図４（ｃ）は、ハンマ爪がアンビル爪を打撃してアンビル７を回転させた状態を示す。ハンマ爪６ａ、６ｂとアンビル爪７ａ、７ｂとの係合状態が解除されると、ハンマ６は矢印Ａで示す方向に回転しながら前進して、ハンマ爪６ａ、６ｂが、それぞれアンビル爪７ｂ、７ａを打撃する。この打撃衝撃によりアンビル７は、ｌ１とｌ２のなす角度θだけ回転し、このときハンマ６の回転角は（π＋θ）となる。
【００２５】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、ハンマ６による打撃挙動を説明するために、ハンマ６およびアンビル７を周方向に模式的に展開した位置関係を示す。
図５（ａ）は、ハンマ爪６ａ、６ｂがそれぞれアンビル爪７ａ、７ｂを打撃したときの状態を示す。ハンマ６は、矢印Ａで示す方向に回転力を加えられており、また前進方向（アンビル７に向かう方向）にばね４による付勢力を加えられている。
【００２６】
ハンマ爪６ａ、６ｂがアンビル爪７ａ、７ｂを打撃すると、衝突の反力を受けてカム機構により後退しながら、アンビル爪７ａ、７ｂから周方向に相対的に離れる方向に移動する（図５（ｂ）参照）。その後ハンマ爪６ａ、６ｂは、それぞれアンビル爪７ａ、７ｂを乗り越えるように動き（図５（ｃ）参照）、ハンマ６は矢印Ａで示す方向に回転しながら、押し縮められたばね４の付勢力によってアンビル７に向かって前進する。そして図５（ｄ）に示すように、ハンマ爪６ａ、６ｂが、それぞれアンビル爪７ｂ、７ａを打撃する。ねじ部材の締付作業中、以上の動作が高速で繰り返され、ハンマ６による回転打撃力がアンビル７に対して繰り返し付与される。
【００２７】
回転角取得部２０は、打撃検出部１２による検出結果および回転子位置検出部１８による検出結果を用いて、１打撃あたりの出力軸回転角θを取得する。具体的に回転角取得部２０は、以下の（式１）を用いて、打撃間のモータ回転角φから、１回の打撃による出力軸回転角θを取得する。打撃検出部１２がインパクト機構９による打撃を検出すると、回転角取得部２０は、打撃が検出されたタイミングで、回転子位置信号から打撃間の出力軸回転角θを導出する。
θ＝（φ／η）−π  ・・・  （式１）
ここでηは減速機３による減速比を示す。
【００２８】
回転速度取得部２１は、打撃検出部１２による検出結果、回転子位置検出部１８による検出結果およびタイマ（図示せず）からの情報を用いて、打撃間の打撃速度ωを取得する。回転速度取得部２１は、タイマ出力から打撃間の時間を特定して、打撃速度ωを算出する。エネルギ算出部２２は、アンビル７および出力軸８の慣性モーメントをＪとするとき、以下の（式２）を用いて、インパクト機構９の１回の打撃によりアンビル７および出力軸８に加えられた打撃エネルギＥを算出する。
Ｅ＝（１／２）×Ｊ×ω２  ・・・  （式２）
【００２９】
締付トルク算出部２３は、以下の（式３）を用いて、エネルギ算出部２２が算出した打撃エネルギＥと、回転角取得部２０が取得した出力軸回転角θにもとづいて締付トルクＴを算出する。
Ｔ＝Ｅ／θ  ・・・  （式３）
モータ制御部２４は、締付トルク算出部２３が算出した締付トルクＴにもとづいてモータ２の回転を制御し、具体的にはモータ２の回転を自動停止させる。以下、モータ自動停止の制御例について説明する。
【００３０】
ユーザは作業開始前に、作業対象に応じた目標締付トルク値（以下、単に「目標トルク値」とも呼ぶ）を電動工具１に設定する。受付部１４はユーザによる操作入力を受け付け、設定部１５に供給する。受付部１４は無線通信モジュールを有し、ユーザは工具付属のリモートコントローラを用いて、電動工具１に対する操作入力を行ってよい。実施形態の電動工具１で、ユーザは、３０ステップの目標トルク値の中から１つを選択できる。なお工具本体に操作ボタン類やタッチパネルが設けられ、受付部１４が、ユーザから目標トルク値の入力を受け付けてもよい。
【００３１】
受付部１４が目標トルク値の入力を受け付けると、設定部１５はシャットオフ打撃数記憶部１７の記憶内容を参照して、目標トルク値に対応するシャットオフ打撃数および所定のトルク値を導出し、制御部１０に設定する。設定部１５がシャットオフ打撃数および所定のトルク値を制御部１０に供給し、制御部１０がシャットオフ打撃数をモータ２の回転制御に利用できる状態にすることを、シャットオフ打撃数の設定処理と呼ぶ。
【００３２】
シャットオフ打撃数記憶部１７は、３０ステップの目標トルク値ごとに、所定のトルク値に達してから目標トルク値に達するまでの打撃数を記憶する。シャットオフ打撃数記憶部１７はマスターテーブルとして構成され、記憶内容は更新不可とされてよい。
【００３３】
モータ制御部２４は、締付トルク算出部２３が算出した締付トルクＴにもとづいてモータ２の回転を制御する。具体的にモータ制御部２４は、締付トルクＴが所定のトルク値に達すると、打撃検出部１２により検出された打撃をカウントして、カウントした打撃数がシャットオフ打撃数になるとモータ２の回転を停止させる。このようなモータ制御により、電動工具１は、締付トルクを高精度に制御する。
【００３４】
以上のシャットオフ制御において、シャットオフ打撃数記憶部１７は、モータ回転数が一定値（回転数Ｎ）であることを前提としたシャットオフ打撃数を記憶している。そのため実施形態の電動工具１は、バッテリ１３からの供給電圧が変動した場合であっても、モータ２を所定の回転数Ｎで回転させる必要がある。
【００３５】
図３に示すように、バッテリ１３は、残量の低下とともに、出力電圧が低下する放電特性をもつ。実施形態のモータ制御部２４は、電圧検出部２６により検出される電圧に応じて、モータ２への電力供給を、単位時間当たりの電圧積分値が一定となるように制御する機能を有する。
【００３６】
図６（ａ）は、電圧検出部２６により満充電電圧が計測されるときにモータ２に印加される電圧波形の概念図を示す。この電圧波形によれば、満充電電圧２４．９Ｖが５０％のデューティ比でモータ２に印加される。
【００３７】
図６（ｂ）は、電圧検出部２６により定格電圧が計測されるときにモータ２に印加される電圧波形の概念図を示す。この電圧波形によれば、定格電圧２１．６Ｖが５７．６％のデューティ比でモータ２に印加される。
【００３８】
図６（ａ）、（ｂ）において、単位時間あたりの電圧積分値は等しく設定される。つまり、
２４．９［Ｖ］×５０［％］＝２１．６［Ｖ］×５７．６［％］
そのため双方の電圧波形で、モータ２に付与する電圧積分値を等しくできる。制御値記憶部３０は、供給電圧に応じたデューティ比を記録したテーブルを保持してよい。モータ制御部２４は、電圧検出部２６で検出された電圧に応じたデューティ比を制御値記憶部３０から読み出し、読み出したデューティ比で、制御信号出力部２５から出力する制御信号を生成する。
【００３９】
このようにモータ制御部２４が、モータ２への供給電圧の変動に応じて、モータ２に供給する電圧のデューティ比を変動させることで、モータ２の供給電圧の変動によりモータ回転数が変動する状況を回避できる。これにより電動工具１は、締付トルクを高精度に管理できる。
【００４０】
なおモータ制御部２４は、モータ２への供給電圧の変動に応じて、モータ２の進角制御を調整することで、モータ２への電力供給を、単位時間当たりの電圧積分値が一定となるように制御してもよい。モータ制御部２４は、コイル電流の位相遅れを予測して印加電圧の位相を進める進角制御を実施している。制御値記憶部３０が、供給電圧に応じた進角量を記録したテーブルを保持しておき、モータ制御部２４は、電圧検出部２６で検出された電圧に応じた進角量を制御値記憶部３０から読み出し、読み出した進角量となるように、制御信号出力部２５から出力する制御信号を生成してもよい。
【００４１】
以上、本開示を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４２】
本開示の態様の概要は、次の通りである。
本開示のある態様の電動工具（１）は、先端工具を取付可能な出力軸（８）と、出力軸（８）を駆動するモータ（２）と、モータ（２）に供給される電圧を検出する電圧検出部（２６）と、モータ（２）と出力軸（８）との間に配されて、モータ（２）の回転力を利用して出力軸（８）に間欠的な回転打撃力を付与するインパクト機構（９）と、モータ（２）の回転数を取得する回転数取得部（１９）と、インパクト機構が回転打撃力の付与を開始すると、モータの回転数が所定回転数以下となるようにモータへの電力供給を制御するモータ制御部（２４）であって、電圧検出部（２６）により検出される電圧に応じて、モータへの電力供給を、単位時間当たりの電圧積分値が一定となるように制御するモータ制御部（２４）と、を備える。
【００４３】
モータ制御部（２４）は、モータへの供給電圧の変動に応じて、モータに供給する電圧のデューティ比を変動させてよい。またモータ制御部（２４）は、モータへの供給電圧の変動に応じて、モータの進角制御を調整してよい。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・電動工具、２・・・モータ、８・・・出力軸、９・・・インパクト機構、１０・・・制御部、１１・・・モータ駆動回路、１３・・・バッテリ、１８・・・回転子位置検出部、１９・・・回転数取得部、２３・・・締付トルク算出部、２４・・・モータ制御部、２５・・・制御信号出力部、２６・・・電圧検出部、３０・・・制御値記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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