(57)【要約】【課題】高分解能な検出手段や高速演算が可能な演算手段がなくても締付トルクの推定を適切に行うことでコストを抑える。【解決手段】駆動軸を介してハンマー２を回転させる回転駆動部と、ハンマーによる打撃で回転力が加えられる出力軸３と、ハンマーによる出力軸の打撃を検出する打撃検出手段４と、入力側回転速度検出手段と、打撃検出手段が前回打撃を検出してから次に打撃を検出するまでの間の出力軸の回転角を検出する打撃間出力側回転角検出手段と、上記打撃間の平均入力側回転速度から算出した打撃エネルギーを打撃間出力側回転角で除算することで締付トルクを算出する演算手段６と、演算手段で算出した締付トルクが締付トルクの設定手段で予め設定されたトルク値以上となる時に回転駆動部を停止させる制御手段とを備える。高速演算を必要としない打撃間の平均入力側回転速度から打撃エネルギーを算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸を介してハンマーを回転させる回転駆動部と、ハンマーによる打撃で回転力が加えられる出力軸と、ハンマーによる出力軸の打撃を検出する打撃検出手段と、駆動軸の回転角からその回転速度を検出する入力側回転速度検出手段と、打撃検出手段が前回打撃を検出してから次に打撃を検出するまでの間の出力軸の回転角を検出する打撃間出力側回転角検出手段と、入力側回転速度検出手段により検出される上記打撃間の平均入力側回転速度から算出した打撃エネルギーを上記打撃間出力側回転角検出手段で検出した打撃間出力側回転角で除算することで締付トルクを算出する演算手段と、演算手段で算出した締付トルクが締付トルクの設定手段で予め設定されたトルク値以上となる時に回転駆動部を停止させる制御手段とを備えていることを特徴とするインパクト回転工具。
【請求項２】
打撃間出力側回転角検出手段は、入力側回転速度検出手段にて検出した駆動軸の回転角から打撃間出力側回転角を算出するものであることを特徴とする請求項１記載のインパクト回転工具。
【請求項３】
前記演算手段は、打撃間の平均入力側回転速度からの打撃エネルギーの算出にあたり、平均駆動速度の値に応じた補正を加えるものであることを特徴とする請求項１または２記載のインパクト回転工具。
【請求項４】
演算手段は、打撃間出力側回転角検出手段で検出される打撃間出力側回転角に対して所定のオフセット値を付加して締付トルクの算出を行うものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインパクト回転工具。
【請求項５】
締付トルクの設定手段は、トルク値が大となるほどトルク間隔が大となっている多数段のトルク値設定が可能なものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインパクト回転工具。
【請求項６】
締付トルクの設定手段は、ねじ種設定部と、ねじがねじ込まれる対象物の種類を選択する選択部とを備えて、これらねじ種設定部の設定と選択部の設定とに応じてトルク値を変更するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインパクト回転工具。
【請求項７】
回転駆動部の回転の入切用であり且つ引き代に応じて回転駆動部の回転速度を変更するトリガ入力手段を備えているとともに、制御手段は締付トルクの設定手段で設定されるトルク値が小である時、トリガ入力手段での引き代の値にかかわらず回転駆動部の速度に制限を与えるものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のインパクト回転工具。
【請求項８】
制限が加えられた速度が打撃が発生する速度以上であることを特徴とする請求項７記載のインパクト回転工具。
【請求項９】
回転駆動部の回転の入切用であり且つ引き代に応じて回転駆動部の回転速度を変更するトリガ入力手段を備えているとともに、制御手段は演算手段で算出した締付トルクが締付トルクの設定手段で予め設定されたトルク値以上となって回転駆動部を停止させた後のトリガ入力手段における入状態の保持時間に応じて、締付トルク設定部で設定されたトルク値を１段大きくした状態で回転駆動部を再駆動するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のインパクト回転工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトやナットなどのねじ類の締付作業に使用するインパクトレンチあるいはインパクトドライバーのようなインパクト形回転工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インパクト回転工具において、ボルトやナットなどの被締付部材の締付に際し、締付トルクが設定した値になれば駆動源を止めて締付作業が停止するようになっていることが好ましいが、実際の締付トルクを測定するとなると、精度の点ではもっとも好ましいものの、最終出力軸にトルク測定手段を設ける必要があり、これはコスト的に問題がある上に装置が大型化して使い勝手の点で問題が生じる。
【０００３】
一方、インパクト打撃の打撃回数が予め定めた回数になれば駆動源を停止させたり、着座検出後の打撃回数値からトルク勾配を計算して必要な打撃数を算出し、該打撃数に達すれば停止させるものは、簡単に停止制御を行うことができるものの、実際の締付トルクとの差が大きく、締付不足となってしまったり、締め過ぎとなって部材破壊を招いてしまうことが多々ある。
【０００４】
インパクト回転工具によって締め付ける被締付部材の回転角を測定し、打撃毎の回転角が所定角度以下になれば停止させることも提案されている。打撃毎の被締付部材の回転角は締付トルクに略反比例することから、原理的に締付トルクで制御していることになるが、電池電源で作動する駆動源を用いたものでは、電池電圧の低下で締付トルクが大きく変動するという問題があり、また、ねじを締め付ける対象部材が硬いか柔らかいかの影響を大きく受けてしまう。
【０００５】
このために、打撃エネルギーの検出と、被締付部材の打撃毎の回転角の検出とを行って、この両者から計算で求めた締付トルクが設定値以上になれば駆動源を停止させるものが特開２０００−３５４９７６号公報（特許文献１）に提案されており、さらにここでは打撃エネルギーの算出を、出力軸が打撃された瞬間の出力軸の回転速度や、打撃直後の駆動軸の回転速度から求めることを行うことが示されている。しかし、ここで示されたものでは、打撃の瞬間の速度を基に打撃エネルギーを検出することから、高分解能の検出手段や高速演算が可能な演算手段がないことには、打撃エネルギーを求めることができず、どうしても高価なものとなってしまっている。
【特許文献１】特開２０００−３５４９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは高分解能な検出手段や高速演算が可能な演算手段がなくても締付トルクの推定を適切に行うことができてコストを抑えることができるインパクト回転工具を提供することを課題とするものである。
【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発明に係るインパクト回転工具は、駆動軸を介してハンマーを回転させる回転駆動部と、ハンマーによる打撃で回転力が加えられる出力軸と、ハンマーによる出力軸の打撃を検出する打撃検出手段と、駆動軸の回転角からその回転速度を検出する入力側回転速度検出手段と、打撃検出手段が前回打撃を検出してから次に打撃を検出するまでの間の出力軸の回転角を検出する打撃間出力側回転角検出手段と、入力側回転速度検出手段により検出される上記打撃間の平均入力側回転速度から算出した打撃エネルギーを上記打撃間出力側回転角検出手段で検出した打撃間出力側回転角で除算することで締付トルクを算出する演算手段と、演算手段で算出した締付トルクが締付トルクの設定手段で予め設定されたトルク値以上となる時に回転駆動部を停止させる制御手段とを備えていることに特徴を有している。高速演算を必要としない打撃間の平均入力側回転速度から打撃エネルギーを算出するようにしたものである。
【０００８】
打撃間出力側回転角検出手段は、入力側回転速度検出手段にて検出した駆動軸の回転角から打撃間出力側回転角を算出するものであると、さらに低コストなものを得ることができる。
【０００９】
前記演算手段は、打撃間の平均入力側回転速度からの打撃エネルギーの算出にあたり、平均駆動速度の値に応じた補正を加えるものであると、モータ回転数が可変となっているものにおいても締付トルクの推定精度を良好に保つことができる。
【００１０】
また演算手段は、打撃間出力側回転角検出手段で検出される打撃間出力側回転角に対して所定のオフセット値を付加して締付トルクの算出を行うものであると、検出手段の分解能が低くとも、トルク推定精度の向上を図ることができる。
【００１１】
さらに締付トルクの設定手段は、トルク値が大となるほどトルク間隔が大となっている多数段のトルク値設定が可能なものであることが好ましい。作業条件がいろいろ変わる場合においても、問題なく使用することができるとともに、使い勝手が良いものとなる。
【００１２】
締付トルクの設定手段は、ねじ種設定部と、ねじがねじ込まれる対象物の種類を選択する選択部とを備えて、これらねじ種設定部の設定と選択部の設定とに応じてトルク値を変更するものであってもよい。締付トルクの設定を熟練を要することなく適切に行うことができる。
【００１３】
さらに、回転駆動部の回転の入切用であり且つ引き代に応じて回転駆動部の回転速度を変更するトリガ入力手段を備えているとともに、制御手段は締付トルクの設定手段で設定されるトルク値が小である時、トリガ入力手段での引き代の値にかかわらず回転駆動部の速度に制限を与えるものであると、締付トルクが小さい作業でも精度よくねじ締めが行なうことができる。
【００１４】
この場合、制限が加えられた速度が打撃が発生する速度以上としておくことで、問題なく作業を行うことができる。
【００１５】
そして、回転駆動部の回転の入切用であり且つ引き代に応じて回転駆動部の回転速度を変更するトリガ入力手段を備えているとともに、制御手段は演算手段で算出した締付トルクが締付トルクの設定手段で予め設定されたトルク値以上となって回転駆動部を停止させた後のトリガ入力手段における入状態の保持時間に応じて、締付トルク設定部で設定されたトルク値を１段大きくした状態で回転駆動部を再駆動するものであれば、締付トルク不足でねじ浮きが生じた場合に、締付トルクの設定を手動で変更することなく、適切な締付トルクでの締付が可能な状態に移行することができて、使い勝手が良くなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、締付トルクを推定するの必要な打撃エネルギーの算出を、打撃間の入力側平均回転速度を用いるために、高速演算を必要とすることなく打撃エネルギーを算出することができるものであり、これに伴って設定したトルクで停止させるための締付トルクの推定を安価なマイクロコンピュータで実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１に示した一例の概略構成図において、図中１は駆動源としてのモータであり、このモータ１の回転は所定の減速比を有する減速機１０を介して駆動軸１１に伝達される。駆動軸１１にはカム機構（図示せず）を介してハンマー２が取り付けられているとともに、このハンマー２はばね１２によって出力軸３側に向けて付勢されている。
【００１８】
出力軸３は上記ハンマー２と回転方向において係合する係合部を有するアンビル３０を有しており、出力軸３に負荷がかかっていない時には、ハンマー２と出力軸３とは一体に回転するが、出力軸３に所定値以上の負荷がかかった時には、ハンマー２がばね１２に抗して後退し、アンビル３０との係合が外れた次点でハンマー２は回転しながら前進してアンビル３０（出力軸３）に回転方向の打撃衝撃を与え、出力軸３を回転させる。
【００１９】
そして上記モータ１には周波数ジェネレータ（ＦＧ）５が設けられており、またハンマー２による出力軸３（アンビル３０）の打撃を検出する打撃検出手段として、マイク４０によって採取した打撃音から打撃を打撃を検出する打撃検出部４を用いている。なお、打撃検出はこのようなマイク４０を用いたものに限るものではなく、加速度センサを用いたり、あるいは前記特開２０００−３５４９７６号公報に示されたもののように、周波数ジェネレータ５の波形整形回路５０を介して出力されるモータ１の回転速度に応じたパルス幅の信号から演算するものであってもよい。打撃発生時の負荷変動でモータ１の回転速度が若干低下する時、周波数ジェネレータ５の出力バルス幅が若干長くなるのを利用して打撃を検出するのである。図２はこの場合のブロック図を示している。
【００２０】
周波数ジェネレータ５の出力は、出力側回転角演算部６０と入力側速度演算部６１とに送られて、演算手段６がこれら演算部６０，６１の出力から現在の締付トルクを推定し、そして締付判定部７において締付トルク設定手段８で設定されているトルクと、現在の締付トルクの推定値とが比較され、後者が前者のトルクを越えた次点でモータ制御部９にモータ１の停止指令が出力されて、モータ制御部９はモータ制御回路９０を介してモータ１を停止させる。図中Ｔはトリガスイッチ、Ｖは電源である充電池である。
【００２１】
ここで、出力側回転角演算部６０は出力軸３（アンビル３０）の回転角Δｒを直接検出するのではなく、周波数ジェネレータ５の出力から得ることができる駆動軸１１の回転角（入力側回転角）ΔＲＭから打撃と打撃との間の出力軸３の回転角を演算で求めるものとなっている。すなわち、モータ１から出力軸３までの減速比をＫ、ハンマーの空転角をＲＩ（ハンマー２がアンビル３に対して１回転あたり２回係合可能であれば２π／２、１回転あたり３回係合可能であれば２π／３）とすると、打撃間出力側回転角Δｒは
Δｒ＝（ΔＲＭ／Ｋ）−ＲＩ
で求めることができる。そして、演算手段６は出力軸３（アンビル３０）の慣性モーメントをＪ、打撃間の入力側平均回転速度をω、打撃エネルギーに換算するための係数をＣ１とする時、締付けトルクＴを
Ｔ＝（ＪｘＣ１×ω2）／２ｘΔｒ
で算出する。ここで、打撃間入力側平均回転速度ωは、打撃間の周波数ジェネレータ５の出力パルス数を打撃間時間で除した値として求めることができる。
【００２２】
従って本例においては、打撃と打撃との間の時間の計測と、周波数ジェネレータ５の出力パルス数をカウントするだけでよく、高速演算が可能なものを用いなくても、タイマとカウンタを備える標準的なワンチップマイクロコンピュータのみでトルク制御を行うことができる。
【００２３】
図３及び図４は締付トルク設定手段８の例を示しており、図３に示すものでは、回転式のダイヤルで１から９までの９段階と設定トルクが無限大である「切り」ポジションとを切り換えることができるようにしている。図４に示すものでは、９段階を示す９個の発光表示部ＬＥＤと、プラススイッチＳＷａとマイナススイッチＳＷｂとで構成し、スイッチ操作によって設定値表示用の発光表示部ＬＥＤの点灯数を増減させれば、締付トルクを切り換えることができるようにしている。小さいねじや柔らかい部材の場合、締付トルクも小さいので締付設定トルクを小さく、大きなねじや硬い部材の場合は締付トルクが大きいので締付設定トルクを大きくすることで、作業に応じて適切な締付トルクでねじ締めを行うことができる。
【００２４】
図５は締付設定トルクを「５」に設定した時の動作を示しており、横軸は横軸は打撃数、縦軸は推定トルクを示している。この推定トルクはかなりのバラツキを含むので、数打撃の移動平均により計算することが望ましい。打撃を開始すれば若干のトルク変動をしながら徐々にトルクが上昇してゆき、締付トルク推定値が設定トルク「５」に相当するトルク値を超えたならば（Ｐ点）、モータ１を停止させる。
【００２５】
締付トルク設定手段８で多段階に設定される締付トルクは、図６に示すように、等間隔ではなく、設定値が大きくなるにしたがってその間隔を広くしたものとしてもよい。設定トルクが小さい部分では間隔を狭くして、微妙な小さいねじ締めにおいて細かく調整ができ、設定トルクが大きい部分では間隔を広くして、大きなねじ締めにおいては粗い設定で作業できるようにするのである。
【００２６】
図７に示すように、締め付ける部材を選択するスイッチＳＷ１と、ねじの径を選択するねじ種選択用のスイッチＳＷ２とを設けて、両スイッチＳＷ１，ＳＷ２の組み合わせで図８に示すような設定値がセットされるようにしてもよい。部材が木工、ねじが２５ｍｍの場合は、トルク設定が「４」となるようにしておくのである。
【００２７】
ところで、本来の打撃エネルギーはハンマー２がアンビル３０に衝突する瞬間のハンマーエネルギーであるから、正確に打撃エネルギーを求めるには打撃の瞬間におけるハンマーの速度を計測する必要があるが、前述のように、ハンマー２は前後に移動するとともに、衝撃力が働くためにその部分にロータリエンコーダ等を設けることは極めて困難であり、これ故に入力側平均速度を基に打撃エネルギーを算出するようにしているのがあるが、打撃のメカニズムがばねを介しているために極めて複雑で、単純に入力側平均回転速度ωを用いると、前記係数Ｃ１として実験的に求めた適切な値を用いても、電池電圧が低下してモータ速度が低速になってきた場合や、トリガＴ操作によるスピードコントロール領域で動作させている場合、種々の誤差が生じる。
【００２８】
このために、モータ１の回転速度（入力側回転速度）が変化するものにおいては、入力側平均回転速度ωから打撃エネルギーを演算する際の前述の係数Ｃ１に変えて、入力側平均回転速度ωの補正関数Ｆ（ω）を用いた次式
Ｔ＝（Ｊ×Ｆ（ω）×ω2）／２×Δｒ
を用いて締付トルクの推定を行うことが好ましい。この関数Ｆ（ω）は打撃メカニズムに起因するもので、実際の工具を用いて実験的に求めるものであり、例えば入力側平均回転速度ωが小さい場合には大きくなる関数である。この関数Ｆ（ω）による補正を入力側平均回転速度に応じて行うことで、締付トルクの推定精度が向上し、より正確なねじ締めを行うことができる。
【００２９】
また、回転角センサとしての周波数ジェネレータ５の分解能が２４パルス／回転、減速比率Ｋが８、ハンマー２がアンビル３に対して１回転あたり２回係合可能である場合、打撃１回で出力軸３が全く回転しない場合における打撃聞のパルス数は、（１／２）ｘ８ｘ２４＝９６パルスとなる。そして打撃によって出力軸３が９０度回転する場合は、（（１／２）＋（１／４））×８×２４＝１４４パルスとなる。これは、打撃間の周波数ジェネレータ５の出力パルス数が１４４パルスであった場合、１４４−９６＝４８パルスから出力軸３が９０度回転したことになる。ちなみに、ねじの回転角Δｒと、それに相当する出力パルス数は１．８７５度で１パルス、３．７５度で２パルス、５．６２５度で３パルス、７．５度で４パルス、４５度で２４パルス、９０度で４８パルスとなる。
【００３０】
今、締付トルクが非常に大きい場合を考えると、出力軸３の回転角が３度の場合、出力パルス数は１あるいは２となるが、推定トルクは前述の式で算出されることから、出力パルス数を１と検出した場合の推定トルクは、２と検出した場合の推定トルクの２倍の値を示してしまうことになる。つまり、高いトルクの場合には推定トルクに大きな誤差が生じて、誤って停止させてしまうという不具合が発生する。もちろん、入力側回転角を非常に高分解能をもったもので検出すれば、上記問題はなくなるが、これでは高価なものとなってしまう。
【００３１】
このために、ここでは周波数ジェネレータ５の打撃間の出力パルス数からハンマー２の回転分のパルス数（上記の例では９６）を引き算してねじ回転角（出力側回転角）を計算するのではなく、オフセットをもたせて９５とか９４といった９６未満の数字を引き算する。９４とした場合、出力側回転角が３度の場合の検出パルス数は３か４になり、この場合、３と検出した場合の推定トルクは、４と検出した場合の推定トルクの約１．３倍となる。オフセットしていない場合に比して、誤差が減少するものである。なお、この時にはトルク推定式の分子を２または３倍するといった補正を行うのはもちろんである。上記オフセットによる誤差は出力側回転角が大きい場合、例えば９０度の場合はオフセットなしの４８パルスに対して、オフセットありの５０パルスとなって、誤差は無視できるレベルになる。
【００３２】
ところで、モータ制御部９がトリガＴの引き量に応じてモータ１の速度制御を行うスピードコントロール機能を備えている場合、通常は図９に示すように、０からＡの区間を遊びの部分でモータ１を回転させない領域、ＡからＢの区間をトリガＴを引き込めば引き込むほど速度を上昇させるスピードコントロール領域、ＢからＣの区間をフルスピード領域とし、さらにスピードコントロール領域では低速調整がしやすいような設定としているが、モータ１の速度制御をトリガＴの引き量に応じた制御だけでなく、締付トルク設定手段８での設定値に応じて、出しうる速度に制限を加えるようにするとよい。つまり図１０に示すように、締付トルク設定手段８で設定されるトルク値が小である時、トリガＴでの引き量が大きくなってもモータ１の速度を抑えるとともに、トルク設定値が小さいほどトリガＴの引き量を大きくした時の速度を遅くするのである。
【００３３】
インバクト工具は打撃による高トルクでねじ締めを行うために、作業が速いという特徴がある反面、トルクの小さい作業に対してはパワーが大きすぎ、数回の打撃でねじが潰れてしまったり、部材破壊を招いてしまうことがあるが、上記のように、締付トルクの設定を小さくした場合に出しうる最高速度を低く抑えれば、打撃エネルギーを小さくすることができるために、細かな作業が可能となる。もっとも、打撃が発生しないことには、締付トルクの推定ができないことから、低下させる最高回転数は、打撃が必ず発生する速度までしか低下させないようにしておく。
【００３４】
このほか、締付トルク設定手段８によって設定されるトルク値は、使用状態によって自動的に変更されるようにしてもよい。たとえば、設定トルクを「４」にしてトリガＴを引き、打撃を開始させたならば、締付トルクが「４」相当に達した時点でモータ１が停止するが、この時点で所定時間（例えば１秒間）トリガＴをオフすることなく引き続けた場合、設定トルクを「５」に１段階シフトして再度モータを駆動し、締付トルクが「５」相当に達すればモータ１を停止させるのである。この時点でトリガＴがオフされずに更にトリガＴが引き続けられていた場合、更に＋１段階設定トルクを大きくしてモータ１を再駆動させる。＋１して最大設定をこえる場合は最大設定のままとする。図１１はこの場合の処理フローを示している。
【００３５】
出力側回転角は、図１２に示すように、出力軸３等に設けたロータリエンコーダのような回転角センサＳで直接検出するようにしたものであってもよい。また設定トルクに達してモータ１を停止させたことを発光表示手段やブザーで報知すると、使用者にしてみれば、故障での停止ではなく、締付トルクの検出がなされるとともにこの締付トルクが設定トルクに達してモータ１が停止したことがわかるために、より使いよい工具となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック図である。
【図２】同上の他例のブロック図である。
【図３】同上の締付トルク設定手段の一例の正面図である。
【図４】同上の締付トルク設定手段の他例の正面図である。
【図５】同上の動作の説明図である。
【図６】同上の他例における動作説明図である。
【図７】同上の締付トルク設定手段の更に他例の正面図である。
【図８】同上の締付トルク設定手段による設定トルクの説明図である。
【図９】スピードコントロールに関する説明図である。
【図１０】他例におけるスピードコントロールに関する説明図である。
【図１１】別の例の動作を示すフローチャートである。
【図１２】他例のブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  モータ
２  ハンマー
３  出力軸
４  打撃検出手段
５  周波数ジェネレータ
６  演算手段
７  締付判定部
８  トルク設定手段
９  モータ制御部
１１  駆動軸
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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