(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
このモータの出力軸とネジ回転用のビットを装着するチャック間に介設された電磁クラッチと、
上記チャックに掛かる負荷トルクから上記ネジのネジ締め付けトルクを検出するトルクセンサと、
上記トルクセンサの出力に基づいて検出した上記ネジの着座検出後締め付け完了検出まで駆動トルクを断続的に上記チャックに供給するトルク制御手段とを備えたこと
を特徴とする電動ドライバのトルク制御装置。
【請求項２】
上記トルク制御手段は、上記モータを断続的に回転することで断続的な駆動トルクを上記チャックに供給するようになされていること
を特徴とする請求項１記載の電動ドライバのトルク制御装置。
【請求項３】
上記トルク制御手段は、上記電磁クラッチの連結を断続的に入切することで断続的な駆動トルクを上記チャックに供給するようになされていること
を特徴とする請求項１記載の電動ドライバのトルク制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ネジ締めを電動で行う電動ドライバに係り、特にネジ着座後のネジ締め制御に用いて好適な電子的なトルク制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ネジ締め等を効率良く行うための電動ドライバが種々提案されている。この種の電動ドライバとしては、ネジの締め付けを好適に制御するべく、機械式クラッチを使用したものや、電子制御クラッチを使用したものが知られている。
【０００３】
図６は、機械式クラッチを用いた従来の電動ドライバで、把持部に電源としての電池２１が収納され、本体部には後部にモータ２２、モータ回転信号を出力するモータ駆動回路部２３を、その前方側に遊星減速器２４、機械式クラッチ２５を備えるとともに、先端部にビット取付け用のチャック２６が設けられている。この電動ドライバは、チャック２６に設定トルク以上の負荷トルクがネジ側から掛かると、バネにより機械式クラッチ２５が作動するようになっており、鉄板等にネジ締め作業を施す際に、ネジが着座（ネジの頭部が鉄板表面に当接）して急激に負荷トルクが上昇し設定トルクを越えると、それ以上はネジを締め付けないようにしている。
【０００４】
図７は、電子制御クラッチを用いた従来の電動ドライバで、図６の機械式クラッチ２５に代えて、電池２１とモータ駆動回路部２３間に駆動制御回路部２７が設けられている。この電動ドライバは、設定トルク以上の負荷トルクに相当する負荷電流がモータ２１に流れると、これを検出してモータ２１の駆動を停止するようにして、それ以上はネジを締め付けないようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す機械式クラッチを用いた電動ドライバは、設定トルクに達したかどうかの検出がクラッチ内のバネという機構部品であるため、締め付けトルクのばらつきが大きく、また、設定トルクレベルに対する細かい設定が困難であるとともに、設定可能な範囲も狭いという問題がある。
【０００６】
一方、図７に示す電子制御クラッチを用いた電動ドライバは、回転運動のエネルギー分によるネジ締めトルクについては制御できないため、結果的に設定トルクを越えたトルクで締め付けられることとなる。また、モータの回転速度が変化している領域では、モータからの駆動トルクと負荷トルクとが一致しないため、モータ負荷電流と締め付けトルクの関係は負荷（ネジと被固定部材との組合せ）によって変化し、ネジ締めを所定の締め付けトルクで精度良く行わせることが困難となる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、ネジの着座を検出し、この着座後は断続的な締め付けトルクを付与することで、ネジ締め付けトルクの精度向上、設定トルクに対する細かな設定を可能にするとともに、締め付けトルク設定範囲の広範囲化を可能にする電動ドライバのトルク制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータと、このモータの出力軸とネジ回転用のビットを装着するチャック間に介設された電磁クラッチと、上記チャックに掛かる負荷トルクから上記ネジのネジ締め付けトルクを検出するトルクセンサと、上記トルクセンサの出力に基づいて検出した上記ネジの着座検出後締め付け完了検出まで駆動トルクを断続的に上記チャックに供給するトルク制御手段とを備えたものである（請求項１）。
【０００９】
また、上記トルク制御手段は、上記モータを断続的に回転することで断続的な駆動トルクを上記チャックに供給するようにしたものである（請求項２）。
【００１０】
また、上記トルク制御手段は、上記電磁クラッチの連結を断続的に入切することで断続的な駆動トルクを上記チャックに供給するようにしたものである（請求項３）。
【００１１】
【作用】
請求項１記載の発明によれば、モータの回転駆動力は、その出力軸から電磁クラッチを経てチャックへ伝達される。チャックにはネジを回転させるビットが取り付けられており、上記回転駆動力を受けて、ビットが回転しネジ締めを行う。ネジの頭部が固定部材表面に当接する、すなわち着座すると、負荷トルクが増大することで、着座が検出される。そして、トルク制御手段は、この着座が検出されると、締め付け完了検出までチャックに対して駆動トルクを断続的に供給するように制御する。この断続的な、いわゆる衝撃的なネジ締め動作によって、ネジは着座位置から更に少しずつ締め付けられ、すなわち締め付けトルクが少しずつ上昇し、所定の締め付けトルクに達すると終了する。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、電磁クラッチは入（連結）状態にあり、この状態でモータが断続的に駆動され、その出力軸から回転駆動力が出力されることで、チャックに断続的な駆動トルクが付与される。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、モータは駆動を継続しており、この状態で電磁クラッチの連結が断続的に入切されることで、チャックに断続的な駆動トルクが付与される。
【００１４】
【実施例】
図１は、本発明に係るトルク制御装置が適用される電動ドライバの一例を示す構成図である。この電動ドライバの外観は、従来の電動ドライバと同一乃至は類似しており、例えば、始動スイッチ等を備えた把持部と駆動機構部品を同軸状に連結して備えた本体部とから構成されているものである。
【００１５】
図において、１は電源用の電池で、例えば充放電可能なものが採用されている。２はモータで、電池１から電源供給を受けて回転駆動されるものである。３，４は制動用としてのブレーキ用ＦＥＴ回路及び回転駆動用としての駆動用ＦＥＴ回路で、これらＦＥＴ回路３，４は本電動ドライバ全体の動作を制御するコントローラ５からの駆動制御のための信号を受けて動作されるようになっている。
【００１６】
モータ２は本体部の後側に設けられており、その前方に出力軸（不図示）が伸びている。そして、モータ２の前部には遊星減速器７が設けられており、モータ２の出力軸と遊星減速器７の軸は電磁クラッチ６を介して接続されている。遊星減速器７はモータ回転速度を所要比率で減速するとともにネジ締め付けに要求されるレベルの高トルクを少スペースで得るためのものである。電磁クラッチ６は電磁クラッチ制御回路８からの励磁電流が励磁コイル６１に供給されると、連結が入った状態となり、一方、励磁電流が出力されないときは連結が切れた状態にあるものである。また、励磁電流のレベルに応じてモータ２から遊星減速器７への伝達可能なトルク（以下、伝達トルクという）が可変できるようになっている。
【００１７】
遊星減速器７の前部にはリングギアトルクセンサ８が設けられている。このリングギアトルクセンサ８は遊星減速器７のリングギアに発生する負荷側から掛かる反力を検出するもので、その反力のレベルはリングギアトルクセンサ回路１０で検出される。コントローラ５は、リングギアトルクセンサ回路１０からの検出値が予め設定されているネジの着座に対応したレベルを越えると、ネジの着座を検出し、また、予め所定のトルク設定値が設定されており、リングギアトルクセンサ回路１０からの検出値が上記トルク設定値を越えると、ネジ締め付け完了と見做してモータ２等の駆動源を停止するようにしている。
【００１８】
１１は所要のビット１２を交換的に取り付けるためのチャックで、ビット１２の先端にネジ１３の頭部切り込みを当てがうことでネジ１３を連れ回り可能にしている。
【００１９】
次に、ネジ締め制御動作の第１実施例を、図２のタイムチャートを用いて説明する。なお、図（ａ）は、部材１４に対するネジ１３の締め付け状態を経時的に示しており、ｔ０〜ｔ２は仮締め期間で、ｔ１は着座時点、また、ｔ４〜ｔ５は断続的な締め付け期間である。また、ビット１２の回転角（ネジ締め量）はｔ０〜ｔ１では省略しているが、他の信号より分かるようにほぼ時間に比例して増大している。
【００２０】
先ず、部材１４のネジ取付け位置にセットされているネジ１３の頭部に電動ドライバのビット１２先端を当てがい、不図示の始動スイッチをオン操作する（ｔ０時点）。
【００２１】
▲１▼ｔ０〜ｔ１期間
始動時には、コントローラ５は駆動用ＦＥＴ回路４に駆動のためのハイレベルのゲート信号（図２（ｅ））を出力して電池１からの駆動電流（図２（ｇ））でもってモータ２を回転駆動させるとともに、電磁クラッチ制御回路８に駆動信号を出力して電磁クラッチ６に対して弱い連結力（着座時に滑りを生じるレベル）を与えるべく、低レベルの励磁電流を供給させるようにしている（図２（ｉ））。この間では、ネジ１３はほぼ無負荷に近い状態にあるので、モータ２はほぼ定速、かつ電動クラッチ伝達トルクもほぼ一定となっている（図２（ｄ），（ｈ））。
【００２２】
▲２▼ｔ１〜ｔ４期間
この後、ネジ１２が着座すると（ｔ１時点）、ネジ１３に対する締め付けトルク（負荷トルク）が増大してリングギアトルクセンサ９に反力が発生し（図２（ｂ）のｔ１直後）、この反力がリングギアトルクセンサ回路１０で検出されることでネジ１３の着座が検出される（ｔ２時点）。なお、この時点で、電磁クラッチ６は滑りを生じ始め、それ以上のトルクはチャック１１側に伝達されなくなる。
【００２３】
また、このネジ１３の着座が検出されると、直ちに電磁クラッチ６への励磁電流が停止されて駆動トルクのチャック１１への伝達が完全に遮断される。次に、ブレーキ用ＦＥＴ回路３によりモータ２に制動を掛けてモータ２の回転を短時間で停止させる（図２（ｆ）の信号Ｆ１）。このようにモータ停止を短時間で行わせることで、仮締め動作から断続的な締め付け動作への素速い移行を実現させている。
【００２４】
そして、モータ２の回転が停止すると、コントローラ５は、電磁クラッチ６がモータ２からの駆動トルクを確実にチャック１１に伝達し得るように、電磁クラッチ６の励磁コイル６１に高レベルの励磁電流を供給する（図２（ｉ）のｔ３〜）。
【００２５】
▲３▼ｔ４〜ｔ５
電磁クラッチ６の連結が入ると、コントローラ５は、ｔ４時点からは、所定周期のゲートパルス（第２図（ｅ））を送出し、駆動用ＦＥＴ回路４はこのゲートパルスを受けて、そのハイレベル期間だけ駆動電流をパルス的にモータ２に供給し（第２図（ｇ））、モータ２を断続的に駆動する。コントローラ５は、ゲートパルスとして、図２（ｅ）に示すように、パルス幅が逐次、小から大に変化していくパルスを生成出力している。従って、モータ２は駆動電流が供給されるパルス幅の間だけ駆動されるので、後になるほど高い速度（運動エネルギー）を持つことになる。ｔ４以後は、前述したように電磁クラッチ６の連結は入ったままなので、この駆動トルクはそのままチャック１１、すなわちネジ１３を締め付け（図２（ｈ））、このため、ネジ１３は、断続的に衝撃的（パルス的）な駆動トルクを受けて、少しずつ締め付けられる（図２（ｃ））。
【００２６】
図３は、締め付けトルクとネジ回転角度との関係を示す特性図である。図３に示すようにネジ１３の着座後は、ネジ１３の締め付けトルクはネジ回転角度（ビット１２の回転角）に比例するので、断続的なネジ締め付けにより少しずつ締め付けトルクが上昇する。
【００２７】
そして、コントローラ５は、この締め付けトルクがトルク設定値に達すると（図２（ｂ）のｔ５時点）、締め付け完了と見做して駆動用ＦＥＴ４、電磁クラッチ駆動回路８をオフ状態に切り換えてモータ２への駆動電流、電磁クラッチ６への励磁電流の供給を停止する。
【００２８】
このように、モータ２への通電電流をパルス的に断続制御することで、ネジの締め付けトルク（すなわち締め付け量）を多段的乃至は無段階的に設定することができる。これは、連続的に駆動トルクを与える従来方式が締め付けトルクを安定的に得ることが困難であり、しかもインパクト的なトルクを与える場合に比して締め付け力が小さくなる、という点と比較して有利である。第１実施例においては、着座後のネジの締め付けトルクが小さい状態で、低レベルから順次高レベルへ移行する駆動トルクを与えることで、ビット１２の回転角を少しずつ上昇させ得るので、ネジの締め付けトルクを小きざみに上昇し得る（締め付けトルクの精度向上）という点で、特に有効である。
【００２９】
また、ゲートパルス（図２（ｅ））のパルス幅を変えることで、更に細かなトルク制御が可能となる。このゲートパルス（図２（ｅ））は、一定周期でデューティを変更するものや単にパルス幅を変更するようにしたものでも同様に細かなトルク制御が可能である。更に、締め付けトルクを規定するトルク設定値は、ゲートパルス（図２（ｅ））の幅によって、ほぼ零からモータ起動トルクで決まる最大トルクの範囲で広範囲に制御できる。
【００３０】
次に、ネジ締め制御動作の第２実施例を、図４のタイムチャートを用いて説明する。
なお、図４において、各タイミングｔ０〜ｔ５は、図２と同様な動作を行うものとして用いている。この第２実施例は、ｔ０〜ｔ２期間の仮締め動作は第１実施例と同一で、ｔ４〜ｔ５期間の断続的な締め付け動作において相違しているものであり、かかる制御方法を採用しても第１実施例と同様な効果を得ることができる。以下、相違点について説明する。
【００３１】
▲１▼ｔ４〜ｔ５
電磁クラッチ６の連結が入ると、コントローラ５は、ｔ４時点からは、所定周期のゲートパルス（図４（ｅ））を送出し、駆動用ＦＥＴ回路４はこのゲートパルスを受けて、そのハイレベル期間だけ駆動電流をパルス的にモータ２に供給し（図４（ｇ））、モータ２を断続的に駆動する。コントローラ５は、ゲートパルスとして、第１番目に幅広のゲートパルスＥ１を出力し（図４（ｅ））、次いで順次幅の狭くなるパルスを出力している。従って、着座時点ではネジ１３は締め付けトルクが小さい状態にある（前記図３の特性）から、幅広のゲートパルスＥ１によって速やかに十分な角度だけ回転されることとなり（図４（ｃ）のレベルＬｏ）、第１実施例に比してトルク設定値に達する時間、ひいてはネジ締め動作全体に要する時間を短縮することが可能になるという利点がある。
【００３２】
コントローラ５は締め付けトルクがトルク設定値に達すると（図４（ｂ）のｔ５時点）、締め付け完了と見做して駆動用ＦＥＴ４、電磁クラッチ駆動回路８をオフ状態に切り換えてモータ２への駆動電流、電磁クラッチ６への励磁電流の供給を停止する。
【００３３】
次に、ネジ締め制御動作の第３実施例を、図５のタイムチャートを用いて説明する。
なお、図５において、ｔ０〜ｔ２は仮締め動作期間、ｔ３〜ｔ４は断続的な締め付け動作期間である。この第３実施例は、ｔ０〜ｔ２期間の仮締め動作は第１実施例と同一であり、ｔ２〜ｔ４期間における着座検出後〜断続的な締め付け動作において相違しているものである。以下、相違点について説明する。
【００３４】
▲１▼ｔ２〜ｔ３
ネジ１３の着座が検出されると（ｔ２時点）、直ちに電磁クラッチ６への励磁電流が停止されて、駆動トルクのチャック１１への伝達が完全に遮断される。一方、モータ２は負荷から開放されるため無負荷回転速度に向けて上昇し、モータ２の回転運動エネルギーは最大に蓄積される（ｔ２〜ｔ３）。
【００３５】
▲２▼ｔ３〜ｔ４
この状態で、コントローラ５は、ｔ３時点からは、電磁クラッチ駆動回路８に制御信号を送出して、電磁クラッチ６の励磁コイル６１に所定周期の励磁電流パルス（図５（ｉ））を送出させ、電磁クラッチ６の連結を断続的に入切させる（図５（ｈ））。電磁クラッチ駆動回路８は、励磁電流パルス（図５（ｉ））として、パルス幅が逐次、小から大に変化していくパルスを生成出力しているので、モータ２からの駆動トルクが負荷側へ断続的、かつインパクト的に伝達されるとともに、ネジ１３の締め付けトルクが小さい状態で低レベルの駆動トルクを与えるようにしているので、第１実施例と同様、ビット１２は、着座後に少しずつ回転角が上昇することとなり（図５（ｃ））、ネジ１３の締め付けトルクを所要のレベルに細かく調整設定可能となる。
【００３６】
そして、コントローラ５は、この締め付けトルクがトルク設定値に達すると（図５（ｂ）のｔ４時点）、締め付け完了と見做して電磁クラッチ６を切るとともに、駆動用ＦＥＴ４をオフ状態に切り換える。
【００３７】
なお、本実施例では、断続的な駆動トルクをモータ２の断続的駆動や電磁クラッチの断続的入切により得るようにしたが、これらと同様なパルス的な駆動トルクを断続的に発生する他の手段を採用しても良い。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ネジを着座までの仮締めし、この後に駆動トルクを断続的にチャックに供給するように構成したので、締め付けトルクの精度向上と広範囲設定とを可能にするとともに、締め付けトルクを多段的乃至は無段階的に設定することができる。また、これによりネジの締め付けばらつきを小さくすることができる。
【００３９】
請求項２記載の発明によれば、簡易なモータ駆動制御で、断続的な駆動トルクをチャックに供給することができる。
【００４０】
請求項３記載の発明によれば、簡易な電磁クラッチ駆動制御で、断続的な駆動トルクをチャックに供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトルク制御装置が適用される電動ドライバの一例を示す構成図である。
【図２】ネジ締め制御動作の第１実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図３】締め付けトルクとネジ回転角度との関係を示す特性図である。
【図４】ネジ締め制御動作の第２実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図５】ネジ締め制御動作の第３実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図６】機械式クラッチを用いた従来の電動ドライバの機構構成図である。
【図７】電子制御クラッチを用いた従来の電動ドライバの機構構成図である。
【符号の説明】
１  電源
２  モータ
３  ブレーキ用ＦＥＴ回路
４  駆動用ＦＥＴ回路
５  コントローラ
６  電磁クラッチ
６１  励磁コイル
７  遊星減速器
８  電磁クラッチ駆動回路
９  リングギアトルクセンサ
１０  リングギアトルクセンサ回路
１１  チャック
１２  ビット
１３  ネジ
【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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【図７】
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