(57)【要約】【課題】ねじの回転角度により締付トルクを管理し、所望の締付トルクが得られた時点でモータを自動的に停止させることにより、締付トルクのばらつきを抑制する。【解決手段】回転式工具は、モータ２の回転出力をハンマ２２ａに伝達しハンマ２２ａでアンビル２２ｂを打撃して発生させた衝撃力をねじ締め用のツール３に伝達することによりツール３に回転力を作用させる。回転角検出手段３４は、モータ２の回転角を検出する。回転角検出手段３４により検出される回転角と打撃検出手段３６により検出される打撃のタイミングとにより、打撃毎のツール３の回転角が推定される。締付判定手段３３は、１回の打撃に対するツール３の回転角が規定された打撃毎回転角に達しない状態を規定回数検出するとモータ２の停止をモータ制御手段３０に指示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転と停止とを制御するモータ制御手段と、ハウジングから進退自在に突出するトリガにより操作されトリガの押し込み量に応じて前記モータ制御手段に前記モータの回転速度を指示するトリガボリュームと、モータの回転出力をハンマに伝達しハンマでアンビルを打撃して発生させた衝撃力をねじ締め用のツールに伝達することによりツールに回転力を作用させるインパクト機構と、インパクト機構による打撃のタイミングを検出する打撃検出手段と、ねじの回転角を監視する回転角監視手段と、インパクト機構における１回の打撃に対するツールの回転角が規定された打撃毎回転角に達しない状態を規定回数検出するとモータの停止をモータ制御手段に指示する締付判定手段とを備えることを特徴とする回転式工具。
【請求項２】
前記締付判定手段において前記モータ制御手段にモータの停止を指示する前記打撃毎回転角の設定を変更する設定変更手段が付加されていることを特徴とする請求項１記載の回転式工具。
【請求項３】
前記モータ制御手段には、前記トリガの押し込み量と前記モータの速度とを対応付けた速度変化パターンが設定され、速度変化パターンは、トリガが進退する範囲内の中間である規定位置までトリガが押し込まれたときに当該速度変化パターンにおいて規定された最高速度になるように設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転式工具。
【請求項４】
前記モータ制御手段には、前記トリガの押し込み量と前記モータの速度とを対応付けた速度変化パターンが設定され、速度変化パターンは、トリガが進退する全範囲においてモータの回転速度を位置ごとに変化させるように設定された第１パターンと、トリガが進退する範囲内の中間である規定位置までトリガが押し込まれたときに当該速度変化パターンにおいて規定された最高速度になるように設定された第２パターンとが設けられ、モータ制御手段に第１パターンと第２パターンとを選択するパターン選択部が付加されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転式工具。
【請求項５】
前記モータ制御手段には、前記モータの回転速度を複数段階から選択可能とする速度変更手段が付加されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転式工具。
【請求項６】
前記モータ制御手段は、ねじを緩める向きに前記モータを逆回転させる機能を有し、モータ制御手段がモータを逆回転させている間には前記締付判定手段の指示を無効にすることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の回転式工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの回転出力をハンマに伝達しハンマでアンビルを打撃して衝撃力を発生させ、ねじの締め緩めの回転力に衝撃力を併せて用いる回転式工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ねじの締め緩めに用いられる回転式工具として、モータの回転出力をハンマとアンビルとを組み合わせたインパクト機構を介してドライバービットのようなツールに伝達し、衝撃力により発生させた回転力でツールを回転させることにより、ツールに回転力とともに衝撃力を作用させるようにした、いわゆるインパクト工具が提供されている。
【０００３】
この種の回転式工具では、ねじの締込量を使用者が判断していたのではねじの締込量に過不足が生じるから、適正な締込量が得られた時点でモータの回転を自動的に停止させる技術が提案されている。たとえば、衝撃回数が必要衝撃回数に達したときに、締め付けを終了することが考えられている（特許文献１、特許文献２参照）。また、特許文献１には、着座後の衝撃回数を計数することにより、締付不良を防止する技術が記載されている。
【特許文献１】特開昭５７−４８４８３号公報
【特許文献２】特開平４−３２２９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１、２に記載された技術は、いずれも衝撃回数を管理しているだけであるから、衝撃回数とトルク勾配との関係を一定の関係とみなしているが、実際にはねじや相手部材の種々の条件（材料、汚れ、寸法精度など）により、衝撃回数とトルク勾配との関係にはばらつきがあるから、締付トルクの過不足が生じやすいという問題を有している。
【０００５】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ねじの回転角度により締付トルクを管理して、所望の締付トルクが得られた時点でモータを自動的に停止させることによって、締付トルクのばらつきを抑制した回転式工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、モータの回転と停止とを制御するモータ制御手段と、ハウジングから進退自在に突出するトリガにより操作されトリガの押し込み量に応じて前記モータ制御手段に前記モータの回転速度を指示するトリガボリュームと、モータの回転出力をハンマに伝達しハンマでアンビルを打撃して発生させた衝撃力をねじ締め用のツールに伝達することによりツールに回転力を作用させるインパクト機構と、インパクト機構による打撃のタイミングを検出する打撃検出手段と、ねじの回転角を監視する回転角監視手段と、インパクト機構における１回の打撃に対するツールの回転角が規定された打撃毎回転角に達しない状態を規定回数検出するとモータの停止をモータ制御手段に指示する締付判定手段とを備えることを特徴とする。なお、ねじの用語は広義の意味で用いており、木ねじのほかボルトやナットも含む。要するに、ドライバビットで締め付けることができる部材であれば、ねじの概念に含まれるものとする。
【０００７】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記締付判定手段において前記モータ制御手段にモータの停止を指示する前記打撃毎回転角の設定を変更する設定変更手段が付加されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記モータ制御手段には、前記トリガの押し込み量と前記モータの速度とを対応付けた速度変化パターンが設定され、速度変化パターンは、トリガが進退する範囲内の中間である規定位置までトリガが押し込まれたときに当該速度変化パターンにおいて規定された最高速度になるように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記モータ制御手段には、前記トリガの押し込み量と前記モータの速度とを対応付けた速度変化パターンが設定され、速度変化パターンは、トリガが進退する全範囲においてモータの回転速度を位置ごとに変化させるように設定された第１パターンと、トリガが進退する範囲内の中間である規定位置までトリガが押し込まれたときに当該速度変化パターンにおいて規定された最高速度になるように設定された第２パターンとが設けられ、モータ制御手段に第１パターンと第２パターンとを選択するパターン選択部が付加されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記モータ制御手段には、前記モータの回転速度を複数段階から選択可能とする速度変更手段が付加されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記モータ制御手段は、ねじを緩める向きに前記モータを逆回転させる機能を有し、モータ制御手段がモータを逆回転させている間には前記締付判定手段の指示を無効にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明の構成によれば、打撃毎のねじの回転角を検出し、打撃毎の回転角が小さくなった状態では、ねじが着座したと推定し、規定回数の打撃の後には規定の締付トルクに達したと判断してモータを自動的に停止させるから、ねじの締付トルクのばらつきを少なくすることができる。また、ねじが相手部材に対して斜めに挿入されている場合、異物が挟まっているような場合、ねじが不良である場合、相手部材とねじとが適合していない場合など、ねじが回転しなくなっているときにも、モータを自動的に停止させることができ、モータに過負荷がかかったりねじが折損したりするのを防止できる。
【００１３】
請求項２の発明の構成によれば、打撃毎回転角の設定を変更することができるから、モータの停止時の締付トルクを、ねじの種類に応じた締付トルクに調節することができる。
【００１４】
請求項３の発明の構成によれば、トリガの押し込み量が少ないときにはモータが低速で回転するが、トリガの押し込み量が所定量以上では一定の最高速度でモータが回転するから、略一定の回転速度でねじを締め付けることができ、結果的に締付トルクのばらつきを少なくすることができる。
【００１５】
請求項４の発明の構成によれば、トリガの押し込み量に応じてモータの回転速度が変化する動作と、トリガの押し込み量が所定量以上になるとモータの回転速度が最高速度になる動作との２動作が選択可能であるから、締付トルクをとくに管理しない作業と、締付トルクの管理が必要な作業との使い分けができる。
【００１６】
請求項５の発明の構成によれば、モータの回転速度を複数段階から選択するから、種々のねじや相手部材に応じて適正な締付トルクが得られるように調節することができる。
【００１７】
請求項６の発明の構成によれば、ねじを緩めているときにモータが停止する不都合をなくすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
本実施形態は、図２、図３に示すように、モータ２を内蔵する中空のバレル部１１と手で把持するグリップ部１２とを一体に備えたハウジング１を有し、グリップ部１２には充電池１４を収納したバッテリパック１３が着脱可能に装着される。図示するハウジング１は、バレル部１１とグリップ部１２との長手方向が交差した銃形状に形成されているが、バレル部１１とグリップ部１２とが略一直線上に配列された棒形状に形成されたハウジング１を用いてもよい。
【００１９】
バレル部１１には、動力源としてのモータ２のほか、モータ２の回転出力を所定の減速比で減速する減速機２１と、減速機２１の回転出力により衝撃力を発生させるインパクト機構２２とが収納される。インパクト機構２２の出力はドライバビットのようなねじ締め用のツール３が着脱可能に装着されるソケット２３に伝達される。ソケット２３はツール３を着脱可能な構造であれば、チャックのほか他の構造も採用することができる。
【００２０】
インパクト機構２２は、減速機２１の回転出力により回転するハンマ２２ａと、ハンマ２２ａにより間欠的に打撃されるアンビル２２ｂとを備え、アンビル２２ｂがハンマ２２ａに打撃されることによりアンビル２２ｂが回転する。つまり、アンビル２２ｂには打撃による衝撃力とともに回転力が生じ、アンビル２２ｂに結合されたソケット２３に装着されたツール３に衝撃力と回転力とが伝達され、ツール３によりねじ４を相手部材５に締め緩めする際にねじ４に回転力とともに衝撃力を作用させることができる。ハンマ２２ａとアンビル２２ｂとの組み合わせには種々構成があるが、要旨ではないから説明を省略する。
【００２１】
モータ２の回転の開始および停止と回転速度の指示とを行うために、グリップ部１２にはトリガ１５が設けられる。トリガ１５はグリップ部１２の前面（バレル部１１におけるモータ２側を後部、ソケット２３側を前部とする）におけるバレル部１１側の一端部において、グリップ部１２の前面に対してツール３の突出方向に進退可能となるように設けられ、グリップ部１２の内部に設けたトリガボリューム３１（図１参照）を操作する。
【００２２】
トリガボリューム３１は、スイッチ付きの可変抵抗器であって、グリップ部１２からトリガ１５が最大に突出している状態ではスイッチがオフになりモータ２への通電を停止する。また、グリップ部１２に対してトリガ１５を所定量押し込むとスイッチがオンになり、押し込んだ量に応じて可変抵抗器の抵抗値が変化する。可変抵抗器の抵抗値の変化は後述するモータ制御手段３０（図１参照）に与えられ、トリガ１５の押し込み量に応じてモータ２の回転速度が変化するようにモータ制御手段３０がモータ２を制御する。トリガ１５の押し込み量とモータ２の回転速度との関係については後述する。トリガ１５の近傍には、モータ２の回転方向を選択する方向選択スイッチ１６が設けられる（図１参照）。
【００２３】
図１に示すように、充電池１４からモータ２への給電経路には印加電圧制御回路３２が設けられる。印加電圧制御回路３２は、モータ２への給電経路に挿入されるスイッチング素子を備える。また、印加電圧制御手段３２のスイッチング素子は、モータ制御手段３０によりＰＷＭ制御され、モータ２に印加する平均電圧を変化させてモータの回転速度を変化させる。上述したトリガボリューム３１の抵抗値はモータ２の回転速度の目標値を指示し、モータ制御手段３０は、トリガボリューム３１で指示された目標値を維持するように印加電圧制御手段３２に設けたスイッチング素子のオンデューティを変化させるフィードバック制御を行う。また、スイッチング素子をオフにすればモータ２は停止する。
【００２４】
たとえば、モータ２として巻線をスター接続した３相のブラシレスモータを用いる場合には、印加電圧制御回路３２として、各相ごとに２個のスイッチング素子の直列回路を設けて充電池１４に並列接続し、各相における２個のスイッチング素子の接続点に各巻線の一端を接続する構成を採用することができる。モータ制御手段３０は、印加電圧制御回路３２における６個のスイッチング素子のオンオフのタイミングを回転子の位置に応じて制御し、さらにトリガボリューム３１の抵抗値の変化に応じてオン期間をＰＷＭ制御する。この動作により、トリガ１５の押込量に応じてモータ２の回転速度を変化させることができる。
【００２５】
ところで、モータ制御手段３０はトリガボリューム３１からの指示を受けるだけではなく、締付判定手段３３からもモータ２の運転の停止の指示を受ける。締付判定手段３３は、ねじ４の締付トルクが所要値になったかどうかを判断する機能を有し、締付トルクが所要値になったと判断するとモータ制御手段３０に対してモータ２の停止を指示する。
【００２６】
以下では、締付判定手段３３について説明する。締付判定手段３３では、ねじ４の締付トルクを判断するために、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを打撃することによる衝撃力の発生タイミングの情報と、ねじ４の回転角（回転角）との２種類の情報を用いる。
【００２７】
衝撃力の発生タイミングは、インパクト機構２２の近傍に打撃音を検出するマイクロホンや打撃の際の衝撃を検出する加速度センサのような打撃検出手段３６を用いて検出する。打撃検出手段３６では、マイクロホンや加速度センサの出力波形に適宜の閾値を適用することにより、衝撃力の発生タイミングを検出する。
【００２８】
本構成では、回転角検出手段３４をモータ２の出力軸の各端部のうち減速機２１とは反対側の端部に結合してある。回転角検出手段３４をこの位置に設けると、バレル部１１の重心位置をバレル部１１の後端側に位置させることができるから、グリップ部１２において手で把持している部位の周りに作用するモーメントが小さくなり、ツール３とねじ４との位置合わせの際に回転角検出手段３４がバレル部１１の前端部に位置する場合よりも小さい力でハウジング１を支持することが可能になる。しかしながら、モータ２とツール３との間に減速機２１およびインパクト機構２２が挿入されるから、モータ２の回転角からねじ４（あるいはツール３）の回転角を直接求めることはできない。
【００２９】
モータ２の回転角からねじ４の回転角を求めるには、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを打撃する間の回転角を用いる。つまり、ねじ４はツール３と一体に回転するから、角度θｎの位置のねじ４が１回の打撃で角度θｎ＋１の位置に進んだとすれば、ねじ４の回転角（θｎ＋１−θｎ）は、ハンマ２２ａがアンビル２２ｂを１回打撃する間のハンマ２２ａの回転角θｈｎからハンマ２２ａとアンビル２２ｂとの寸法によって決まる一定角度θａを減算した値になる。また、ハンマ２２ａの回転角θｈｎは、モータ２の回転角Φｎと減速機２１の減速比ｋ（＞１）とにより決まり、θｈｎ＝Φｎ／ｋであるから、１回の打撃によるねじ４の回転角（θｎ＋１−θｎ）は、θｎ＋１−θｎ＝Φｎ／ｋ−θａとして求めることができる。回転角検出手段３４としては、周波数ジェネレータを用い、周波数ジェネレータの出力パルスの個数をモータ２の回転角Φｎに対応付けている。
【００３０】
回転角検出手段３４により検出されたモータ２の回転角と、打撃検出手段３６により検出された打撃のタイミングとは回転角演算手段３５に与えられる。回転角演算手段３５は、モータ２の回転角を用いて１回の打撃毎にアンビル２２ｂの回転角（θｎ＋１−θｎ）を推定する。つまり、回転角検出手段３４と回転角演算手段３５と打撃検出手段３６とにより回転角監視手段が構成される。
【００３１】
ところで、インパクト機構２２によりハンマ２２ａからアンビル２２ｂに与えた運動エネルギは、ねじ４を回転させるエネルギにより消費される。また、１回の打撃によるねじ４の回転角と締付トルクとの積は、ねじ４により消費されたエネルギに相当するから、１回の打撃によりハンマ２２ａからアンビル２２ｂに与えた運動エネルギとねじ４の回転角とがわかれば、締付トルクがわかる。ここに、１回の打撃でアンビル２２ｂに与えられる運動エネルギはモータ２の回転速度が一定であれば略一定であるから、１回の打撃毎のねじ４の回転角により締付トルクを推定することができる。締付トルクが大きくなれば、１回の打撃毎のねじ４の回転量は小さくなる。
【００３２】
上述したように、１回の打撃毎のねじ４の回転角（θｎ＋１−θｎ）は、１回の打撃毎のモータ２の回転角Φｎを用いて回転角演算手段３５で求められるから、１回の打撃に対する打撃毎回転角を規定しておけば、１回の打撃によってねじ４が打撃毎回転角に達しないときには、締付トルクが当該打撃毎回転角に相当する値になったと推定することができる。ただし、１回の打撃で打撃毎回転角に達しない場合、必ずしもねじ４の締付トルクが所望値に達したとは保証できないことがある。そこで、締付判定手段３３では、規定の複数回の打撃において打撃毎回転角に達しない状態が連続したときに、ねじ４の締付トルクが所望値以上になったと判断して、モータ制御手段３０にモータ２の停止を指示する。つまり、規定の締付トルクに達した時点でモータ２を自動的に停止させることができ、ねじ４の締付トルクの過不足を防止することができる。
【００３３】
適正な締付トルクは、ねじ４や相手部材５の材料、ねじ４のピッチなどにより異なり、またねじ４を適用する場所によって締付トルクの適正値が決められるから、締付判定手段３３には設定変更手段３８を付設してモータ２の停止を指示する打撃毎回転角を変更可能にしている。モータ制御手段３０と締付判定手段３３と回転角演算手段３５とはマイクロコンピュータを用いて構成される。
【００３４】
ところで、１回の打撃毎にアンビル２２ｂに与えられる運動エネルギは、モータ２の回転速度が大きいほど大きくなる。つまり、図４に示すように、モータ２の回転速度が大きくなれば、１回の打撃毎にねじ４に与えられるエネルギが大きくなり、締付トルクが大きくなる。したがって、モータ２の回転速度は締付トルクの管理項目になる。そこで、モータ制御手段３０には、モータ２の回転速度を複数段階から選択可能にする速度変更手段３９が付設してある。
【００３５】
速度変更手段３９は、図３に示すように、バレル部１１の後端に設けたダイアル３９ａによって操作する構成などを採用することができる。ダイアル３９ａは、図５のように、回転位置に応じてモータ２の回転速度を複数段階（図示例は８段階）に選択できるものを用いる。図５（ｂ）のように、モータ２の回転速度はトリガ１５の押し込み量に応じて変化する。図示例では、トリガ１５の押し込み量が大きくなるに従って、モータ２の回転速度が増加するように速度変化パターンが設定してある。また、トリガ１５の押し込み量がＰ１になるまでは速度変更手段３９により選択した回転速度によらず押し込み量と回転速度とは同じ比率で増加し、押し込み量がＰ２になると速度変更手段３９で設定された最高速度に達するようにしてある。つまり、トリガ１５が進退する範囲内の中間である規定位置まで押し込まれると、速度変更手段３９により設定された最高速度に達するように速度変化パターンが設定してある。要するに、１つの速度変化パターンは図６のような変化になる。
【００３６】
このようにトリガ１５をある程度押し込むとモータ２が一定速度で回転するから、モータ２の停止時には速度変更手段３９により指定される締付トルクが達成され、締付トルクのばらつきを防止することができる。ただし、締付トルクをとくに管理する必要がない場合には、トリガ１５が進退する全範囲においてモータ２の回転速度を変化させたい場合もある。そこで、スイッチからなるパターン選択部１７（図１参照）を設け、トリガ１５が進退する全範囲においてモータ２の回転速度を位置ごとに変化させる第１パターンと、トリガ１５が進退する範囲内の中間である規定位置までトリガ１５が押し込まれたときに最高速度になる第２パターンとを選択可能にしてある。この構成により、作業内容に応じた速度変化が得られ利便性が向上する。
【００３７】
トリガ１５の操作に対するモータ制御手段３０の動作を図７に簡単にまとめる。トリガ１５が押し込まれていなければ（Ｓ１）、モータ２を停止させており（Ｓ２）、このときに速度変更手段３９による速度設定と設定内容の確認とが行われる（Ｓ３）。一方、トリガ１５が押し込まれると（Ｓ１）、速度変更手段３９により指定された速度変化パターンに応じてモータ２を駆動し（Ｓ４）、締付トルクの判定（つまり、打撃毎の回転角の判定）を行い（Ｓ５）、所望の締付トルクに達したときの条件が成立したと判定ると、モータ２を停止させる（Ｓ６）。その後、トリガ１５が元の位置に復帰すると（Ｓ７）、初期状態に戻る。
【００３８】
ところで、モータ制御手段３０は、方向選択スイッチ１６の指示によりモータ２の回転方向を選択し、ねじ４を緩める向きにモータ２を逆回転させることも可能になっている。ねじ４を緩める際には、モータ２を自動的に停止させる必要がないから、締付判定手段３３の指示を無効にする。ただし、逆回転の際にもトリガボリューム３１の操作は有効であり、逆回転においても運転と停止、回転速度の変化は可能である。
【００３９】
（実施形態２）
実施形態１では、モータ２の回転角を回転角検出手段３４で検出し、ねじ４の回転角を回転角演算手段３５で推定する技術を採用したが、本実施形態では、図８に示すように、回転角検出手段３４によりアンビル２２ｂの回転角を直接検出する技術を採用している。アンビル２２ｂの回転角を検出するには、アンビル２２ｂとソケット２３との間に、たとえばロータリエンコーダを回転角検出手段３５として配置する。この構成では、ねじ４の回転角度を直接検出することができる。他の構成および動作は実施形態１と同様であり、実施形態１と同様に、回転角検出手段３４の出力を用いて打撃時点を検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施形態１を示すブロック図である。
【図２】同上におけるハウジングの内部の概略構成図である。
【図３】同上の外観を示す側面図である。
【図４】同上の原理説明図である。
【図５】（ａ）は同上に用いるダイヤルの正面図、（ｂ）は同上の速度変化パターンを示す動作説明図である。
【図６】同上における速度変化パターンの例を示す動作説明図である。
【図７】同上におけるトリガの操作とモータの回転との関係を示す動作説明図である。
【図８】実施形態２を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ハウジング
２  モータ
３  ツール
４  ねじ
５  相手部材
１６  方向選択スイッチ
１７  パターン選択部
２２  インパクト機構
２２ａ  ハンマ
２２ｂ  アンビル
３０  モータ制御手段
３１  トリガボリューム
３３  締付判定手段
３４  回転角検出手段
３５  回転角演算手段
３６  打撃検出手段
３８  設定変更手段
３９  速度変更手段
【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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【図８】
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