JP2009269139A - オイルパルス工具 - Google Patents

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Abstract

【課題】
オイルパルスユニットからのオイル漏れを事前に察知することにより、オイルパルスユニットの性能低下を精度良く検出できるオイルパルス工具を提供する
【解決手段】
モータと、モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸を有するオイルパルス工具において、出力軸の回転位置を検出する回転位置検出センサと、衝撃トルクの発生を検知するトルク検出センサを設け、衝撃が発生してモータが逆回転し、モータが再び正回転して衝撃の発生した位置を通過するのに要する時間T1、T2を測定し、この時間の経時変化を観察することによってオイルパルスユニットの性能低下を検知する。
【選択図】図13

Description

本発明は、モータにより回転駆動され、油圧によって発生する間欠的な打撃力を利用してボルト等の締結部材を締め付けるオイルパルス工具に関する。
ネジやボルト等の締め付けを行うインパクト工具として、油圧を利用して打撃力を発生させるオイルパルス工具が知られている。オイルパルス工具は、金属同士の衝突がないため作動音が低いという特徴を有する。このようなオイルパルス工具は、オイルパルスユニットを駆動する動力としてモータを使用し、モータの出力軸がオイルパルスユニットに直結される。オイルパルス工具を作動させるためのトリガスイッチを引くと、モータが駆動される。
オイルパルス工具においては、オイルパルスユニット内のオイルが長期の使用により漏れてくることがあり、そのような場合はオイルパルスユニットを交換する必要があるが、オイル漏れに気づかずに使い続けて工具のハウジング内に漏れたオイルが広がり、モータや制御回路などを痛める恐れがあり、その場合は工具全体を交換しなければならない。そのため、特許文献1では、エア式のオイルパルス工具において、オイルパルスユニットで発生する油圧パルスのトルク値の幅の時間的変化をセンサで測定して積分することにより一打撃により生ずる締付エネルギー量を算出し、算出した一打撃により生ずる締付エネルギー量が設定値以下になればインパルスレンチの締付能力が低下していると判断し、劣化警報をだすようにした。
特開平11−333747号公報
特許文献1の技術によると、パルスを発生しているトルクの持続時間を測定するようにしているが、トルクは瞬間的に発生されるものであり、持続時間自体が短いため、精度良く劣化を検出することが難しかった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、オイルパルスユニットの性能低下を精度良く検知できるオイルパルス工具を提供することにある。
本発明の別の目的は、オイルパルスユニットからのオイル漏れを事前に察知することにより、2次的被害の拡大を防ぐことができるオイルパルス工具を提供することにある。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次の通りである。
本発明の一つの特徴によれば、モータと、モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸を有するオイルパルス工具において、出力軸の回転位置を検出する回転位置検出センサと、衝撃トルクの発生を検知するトルク検出センサを設け、衝撃が発生してモータが逆回転し、モータが再び正回転して衝撃の発生した位置を通過するのに要する状態を測定し、この状態の経時変化によってオイルパルスユニットの性能低下を検知する検知手段を設けた。検知手段は、例えばマイクロコンピュータを含む演算部であり、回転位置検出センサやトルク検出センサからの出力を入力とする。
本発明の他の特徴によれば、オイルパルス工具に警告手段を設け、検知手段がオイルパルスユニットの性能低下を検出した際には、警告手段によってアラームを発するように構成した。この性能低下は、主にオイルパルスユニットで発生するオイル漏れに起因するものであるので、オイル漏れのアラームとして発すると良い。アラームの発生の仕方は、LEDランプの点灯、点滅や液晶表示装置での表示、音による警告などを用いることができる。
本発明のさらに他の特徴によれば、メモリ装置を設け、測定される状態として通過時間を測定し、測定された通過時間を所定の間隔毎にメモリ装置に格納するようにした。検知手段は、測定された通過時間と、メモリ装置に格納されている通過時間を比較することによって、オイルパルスユニットの性能低下を検知する。そして、検知手段は、測定された通過時間が、メモリ装置に格納された時間よりも所定の割合だけ短くなった際にオイルパルスユニットの寿命と認識する。
本発明のさらに他の特徴によれば、モータと、モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸を有するオイルパルス工具において、衝撃が発生してモータが逆回転した反転角度を測定し、反転角度の経時変化によってオイルパルスユニットの性能低下を検知する検知手段を設けた。また、工具にメモリ装置を設けて、測定した反転角度を所定の間隔でメモリ装置に格納し、検知手段は、測定された反転角度と、メモリ装置に格納された時間を比較することによって、オイルパルスユニットの性能低下を検知するようにした。検知手段やこれらの比較を行う手段は、いずれもマイクロコンピュータ等の演算部により構成できる。
請求項1の発明によれば、衝撃が発生してモータが逆回転し、モータが再び正回転して衝撃の発生した位置を通過するのに要する状態を測定し、この状態の経時変化によってオイルパルスユニットの性能低下を検知するので、性能低下の発生を客観的に検出することができる。
請求項2の発明によれば、性能低下はオイルパルスユニットで発生するオイル漏れに起因するものを含むので、オイル漏れに起因する性能低下を検知することができる。
請求項3の発明によれば、検知手段がオイルパルスユニットの性能低下を検出した際には、警告手段によってアラームを発するので、作業者は性能低下が発生した状況を確実に知ることができる。
請求項4の発明によれば、検知手段は、測定された通過時間と、メモリ装置に格納されている通過時間を比較することによって、オイルパルスユニットの性能低下を検知するので、工具自体の個体差の影響をうけることなく、各工具ごとに精度良く性能低下を検知できる。
請求項5の発明によれば、測定された通過時間が、メモリ装置に格納された時間よりも所定の割合だけ短くなった際にオイルパルスユニットの寿命と認識するので、オイルパルスユニットの交換の目安を示すことができる。
請求項6の発明によれば、衝撃が発生してモータが逆回転し、モータが停止するまでの反転角度を測定し、反転角度の経時変化によってオイルパルスユニットの性能低下を検知するので、タイマーなどの計時手段を利用することなく、モータの回転位置センサと出力軸の回転位置センサの出力だけで容易に性能低下を検知できる。
請求項7の発明によれば、検知手段は、測定された反転角度と、メモリ装置に格納された時間を比較することによって、オイルパルスユニットの性能低下を検知するので、性能低下状況を客観的に検知できる。
本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。尚、本明細書の説明において上下及び前後の方向は、図1中に示した方向として説明する。図1は本発明の実施形態に係るオイルパルス工具の全体を示す断面図である。
オイルパルス工具1は、外部から電源コード2により供給される電力を利用してモータ3を駆動し、モータ3によってオイルパルスユニット4を駆動し、オイルパルスユニット4に連結された出力軸5に回転力と打撃力を与えることによって六角ソケット等の図示しない先端工具に回転打撃力を連続的又は間欠的に伝達してナット締めやボルト締め等の作業を行う。
電源コード2により供給される電源は、直流又はAC100V等の交流であり、交流の場合はオイルパルス工具1内に図示しない整流器を設けて直流に変換した後に、モータの駆動用回路に送られる。モータ3は、内周側に永久磁石を有する回転子3bを有し、外周側に鉄心に巻かれた巻き線を有する固定子3aを有するブラシレス直流モータであって、2つのベアリング10a、10bによってその回転軸が固定され、ハウジングの筒状の胴体部6a内に収容される。ハウジングは胴体部6aとハンドル部6bが一体的に、プラスチック等により製造される。モータ3の後方には、モータ3を駆動するための駆動回路基板7が配設され、この回路基板上にはFETなどの半導体素子により構成されるインバータ回路及び回転子3bの回転位置を検出するためのホール素子、ホールICなどの回転位置検出素子42が搭載される。ハウジングの胴体部6a内部の最後端には、冷却用の冷却ファンユニット17が設けられる。
胴体部6aから略直角に下方向に延びるハウジングのハンドル部6bの取り付け部付近にはトリガスイッチ8が配設され、その直下に設けられるスイッチ回路基板14によりトリガスイッチ8を引いた量に比例する信号が、モータ制御用基板9aに伝達される。ハンドル部6bの下側には、モータ制御用基板9a、トルク検出用基板9b、回転位置検出用基板9cの3つの制御基板9が設けられる。回転位置検出用基板9cには、複数の発光ダイオード(LED)18が設けられ、発光ダイオード18の光は図示しないハウジングの透過窓を透過して又は貫通孔を通して外部から識別できるように配置される。
ハウジングの胴体部6a内に内蔵されたオイルパルスユニット4は、後方側のライナプレート23がモータ3の回転軸に直結され、前方側のメインシャフト24が出力軸5に直結される。トリガスイッチ8が引かれてモータ3が起動されると、モータ3の回転力はオイルパルスユニット4に伝達される。オイルパルスユニット4の内部にはオイルが充填されていて、出力軸5に負荷のかかっていないとき、又は、負荷が小さい際には、オイルの抵抗のみで出力軸5はモータ3の回転にほぼ同期して回転する。出力軸5に強い負荷がかかると出力軸5及びメインシャフト24の回転が止まり、オイルパルスユニット4の外周側のライナのみが回転を続け、1回転に1箇所あるオイルを密閉する位置にてオイルの圧力が急激に上昇し衝撃パルスを発生し、尖塔状の強いトルクによりメインシャフト24を回転させ、出力軸5に大きな締付トルクが伝達される。以後、同様の打撃動作が数回繰り返され、締結対象が設定トルクで締め付けられる。
出力軸5は、後方側端部がベアリング10cにより保持され、前方がメタルベアリング16によりケース15に保持される。本実施形態のベアリング10cはボールベアリングであるが、ニードルベアリング等の他の軸受を用いることができる。ベアリング10cには回転位置検出センサ13が取付けられる。回転位置検出センサ13は、ボールベアリング10cの内輪に固定され出力軸5と同期して回転する永久磁石13aと、外輪に固定されボールベアリングを覆うセンサハウジングと、ホールIC等の位置検出素子13bを含んで構成される。永久磁石13aは、複数の磁極組を有し、永久磁石13aに対面するカバーの外周側の1箇所に位置検出素子13bの信号を外部に伝達するためのコネクタ13cが設けられる。
永久磁石13aの内周側においては、出力軸5の径が細くなっており、その細くなった部分に、トルク検出センサである歪ゲージ12が取り付けられる。歪ゲージ12が取り付けられる箇所の前方側においては、出力軸15の径は太くなっており、その箇所に歪ゲージ12へ電圧を供給する入力用トランス組11aと、歪ゲージ12からの出力を伝達する出力用トランス組11bが設けられる。入力用トランス組11aと出力用トランス組11bは、それぞれ内周側と外周側に配置されるコイルを含んで構成される。内周側のコイルは出力軸5に固定され、外周側のコイルはケース15に固定される。入力用トランス組11aと出力用トランス組11bへの入出力電圧は、コネクタ11cを介してトルク検出用基板9bに伝達される。出力軸5に取り付けられる上述した各部分は、円筒形のケース15に組み込まれ、ケース15はハウジングの胴体部6aに取り付けられる。また、ケース15の下部には、接続用の配線等をカバーするための配線カバー31が設けられる。
図2は、図1のオイルパルスユニット4の拡大断面図である。オイルパルスユニット4は、主に、モータ3と同期して回転する駆動部分と、先端工具が取り付けられる出力軸5と同期して回転する出力部分の2つの部分により構成される。モータ3と同期して回転する駆動部分は、モータ3の回転軸に直結されるライナプレート23と、その外周側で前方に延びるように固定される外径が略円柱形の一体成型のライナ21を含む。出力軸5と同期して回転する出力部分は、メインシャフト24と、メインシャフト24の外周側に180度隔てて形成された溝にバネを介して取付けられるブレード25a、25bを含んで構成される。
メインシャフト24は一体成型されたライナ21に貫通されて、ライナ21とライナプレート23により形成される閉空間内で回転できるように保持され、この閉空間内には、トルクを発生するためのオイル(作動油)が充填される。ライナ21とメインシャフト24の間にはOリング30が設けられ、ライナ21とライナプレート23の間にはOリング29が設けられ、相互間の気密性が確保される。尚、図示していないが、ライナ21にはオイルの圧力を高圧室から低圧室に逃がすリリーフバルブが設けられ、発生するオイルの最大圧力を制御し、締め付けトルクを調整することができる。
図3は図2のB−B断面であって、オイルパルスユニット4の使用状態における一回転の動きを8段階で示した断面図である。ライナ21の内部は、図3(1)に示すような4つの領域を形成するような断面を有するライナ室が形成される。メインシャフト24の外周部には、対向する2個の溝部にバネを介してブレード25a、25bが嵌挿され、ブレード25a、25bがライナ21の内面に当接するようにバネによって円周方向に付勢される。ブレード25a、25b間のメインシャフト24の外周面には軸方向に延びる二本の突条たる凸状シール面26a、26bが設けられる。ライナ21の内周面には山形状に盛り上げて成る凸状シール面27a、27bと、凸状部28a、28bが形成される。
オイルパルス工具1はボルト締め付け時において締め付けボルトの座面が着座すると、メインシャフト24に負荷がかかり、メインシャフト24、ブレード25a、25bはほぼ停止した状態になり、ライナ21だけが回転し続ける。メインシャフト24に対してライナ21が回転することに伴い、1回転に1回の衝撃パルスが発生するが、この衝撃パルス発生時においてオイルパルス工具1内は、ライナ21の内周面に形成した凸状シール面27aとメインシャフト24の外周面に形成した凸状シール面26aが接触する。同時に、凸状シール面27bと凸状シール面26bが接触する。このようにライナ21の内周面に形成した一対の凸状シール面と、メインシャフト24の外周面に形成した一対の凸状シール面がそれぞれ当接することにより、ライナ21の内部は二つの高圧室と2つの低圧室に仕切られる。そして、高圧室と低圧室との圧力差によりメインシャフト24に瞬間的な強い回転力が発生する。
次に、オイルパルスユニット4の動作手順を説明する。まず、トリガ8を引くことによりモータ3が回転し、これに伴いライナ21も同期して回転する。本実施形態では、モータ3の回転軸にライナプレート23が直結され、同じ回転数で回転するが、この構成に限定されず、減速機構を介して接続するようにしても良い。
図3の(1)〜(8)は、ライナ21がメインシャフト24に対して相対角で1回転する状態を示した図である。前述したように、出力軸5に負荷のかかっていないとき、又は、負荷が小さい時には、オイルの抵抗のみでメインシャフト24はモータ3の回転にほぼ同期して回転する。出力軸5に強い負荷がかかるとそれに直結されたメインシャフト24の回転が止まり、外側のライナ21のみが回転を続ける。
図3の(1)は、メインシャフト24に衝撃パルスによる打撃力が発生するときの位置関係を示す図である。この(1)に示す位置が、1回転に1箇所ある“オイルを密閉する位置”である。ここでは、凸状シール面27aと26aが、シール面27bとシール面26bが、ブレード25aと凸状部28aが、ブレード25bと凸状部28bがそれぞれメインシャフト24の軸方向全域において当接し、これによりライナ21の内部空間が2つの高圧室と2つの低圧室の4室に区画される。
ここで高圧、低圧とは、内部に存在するオイルの圧力である。さらにモータ3の回転によってライナ21が回転すると、高圧室の容積は減少するためオイルは圧縮されて瞬間的に高圧が発生し、この高圧はブレード5を低圧室側に押し出す。その結果、メインシャフト24には上下のブレード5a、5bを介して瞬間的に回転力が作用して強力な回転トルクが発生する。この高圧室が形成されることにより、ブレード25a、25bを図中時計方向に回転させるような強い打撃力が作用する。図3(1)に示す位置を本明細書では「打撃位置」と呼ぶ。
図3の(2)は、打撃位置からライナ21が45度回転した状態を示す。(1)に示す打撃位置を過ぎると、凸状シール面27aと26a、凸状シール面27bとシール面26b、ブレード25aと凸状部28a、及び、ブレード25bと凸状部28bの当接状態が解除されるため、ライナ21の内部の4室に区画されていた空間が解除され、相互の空間にオイルが流れるため、回転トルクは発生せず、ライナ21はモータ3の回転によりさらに回転する。
図3の(3)は、打撃位置からライナ21が90度回転した状態を示す。この状態では、ブレード25a、25bが凸状シール面27a、27bに当接してメインシャフト24から突出しない位置まで半径方向内側まで後退するため、オイルの圧力の影響を受けず回転トルクは発生しないため、ライナ21はそのまま回転する。
図3の(4)は、打撃位置からライナ21が135度回転した状態を示す。この状態ではライナ21の内部空間は連通してオイルの圧力変化は生じないため、メインシャフトに回転トルクは発生しない。
図3の(5)は、打撃位置からライナ21が180度回転した状態を示す。この位置では、凸状シール面27bと26a、凸状シール面27bとシール面26bが接近するが、当接しない。これは、メインシャフト24に形成した凸状シール面26aと26bが、メインシャフトの軸に対して対称位置にないためである。同様にライナ21の内周に形成した凸状シール面27aと27bもメインシャフトの軸に対して対称位置にはない。従って、この位置ではオイルの影響をほとんど受けないため回転トルクはほとんど発生しない。尚、内部に充填されるオイルには粘性があり、凸状シール面27bと26a、又は、凸状シール面27aと26bが対面した際に、ほんの僅かながら高圧室が形成されるため、(2)〜(4)、(6)〜(8)と違って若干の回転トルクが生じるが、この回転トルクは締め付けには効果がない。
図3の(6)〜(8)の状態は、(2)〜(4)とほぼ同様であり、これらの状態の際は回転トルクが発生しない。(8)の状態からさらに回転すると、図3の(1)の状態に戻り、凸状シール面27aと26aが、シール面27bとシール面26bが、ブレード25aと凸状部28aが、ブレード25bと凸状部28bがそれぞれメインシャフト24の軸方向全域において当接し、これによりライナ21の内部空間が2つの高圧室と2つの低圧室の4室に区画されるため、メインシャフト24に強い回転トルクが発生する。
次に、図4を用いて回転位置検出センサとトルク検出センサの取付構造を説明する。図4は、図1のA−A部の断面図である。ケース15の内側には回転しない金属製の回転位置検出センサカバー33bが位置する。内周側には円筒形の回転子33aが設けられ、回転子33aの外周には円周方向に磁極が配置された永久磁石13aが固定される。回転子33aは、ベアリング10cの内輪に固定され、内輪と共に回転する。永久磁石13aの外周側の一カ所又は複数箇所には、ホール素子などの位置検出素子13bが設けられ、これによって出力軸5の回転位置を正確に検出することができる。コネクタ34は、位置検出素子13bの出力を外部に接続するためのコネクタであり、断面図中には描かれない経路を通って位置検出素子13bからコネクタ34まで接続のための接続線が設けられる。配線カバー31は、回転位置検出用の配線やトルク検出センサ用の配線が通過する空間を形成するためのカバーである。
回転子33aの内周側の空間には、出力軸5が位置する。ここで、図4にて理解できるように、円柱形の出力軸5において、歪ゲージ12が取り付けられる位置だけが、その径が細くなっていて、断面が略四角形になっている。そして断面の外周に位置する4つの平面それぞれに歪ゲージ12を設けた。これによりトルクの検出精度を向上させることができる。
以上の説明したように、本実施形態では、回転位置検出センサとトルク検出センサを出力軸の軸方向同一位置か、又は、オーバーラップさせるように配置するので、出力軸の全長を短くすることができ、全長(前後長)が短いオイルパルス工具を実現できる。また、回転位置検出センサを外周側に配置したので、回転位置検出センサのロータの径が大きくなり、位置検出精度が向上する。また、出力軸は軸受により回転可能に固定され、回転位置検出センサは軸受に固定されるので、回転位置検出センサを軸受と一体に製造でき、組み立てが容易なオイルパルス工具を実現できる。さらに、回転位置検出センサは、ロータとホール素子により構成され、ロータは軸受の回転部分に固定されるので、軸受の回転部分にロータを保持する役目を持たせることができ、部品点数の削減が実現できる。
次に、前記モータ3の駆動制御系の構成と作用を図5に基づいて説明する。図5はモータ3の駆動制御系の構成を示すブロック図である。本実施形態では、モータ3は3相のブラシレス直流モータで構成される。このブラシレス直流モータは、インナーロータ型であって、複数組のN極とS極を含む永久磁石(マグネット)を含んで構成される回転子(ロータ)3bと、スター結線された3相の固定子巻線U、V、Wからなる固定子3a(ステータ)と、回転子3bの回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度30°毎に配置された3つの回転位置検出素子42を有する。これら回転位置検出素子42からの位置検出信号に基づいて固定子巻線U、V、Wへの通電方向と時間が制御され、モータ3が回転する。
駆動回路47は、3相ブリッジ形式に接続されたFET等の6個のスイッチング素子Q1〜Q6を含んで構成される。ブリッジ接続された6個のスイッチング素子Q1〜Q6の各ゲートは、制御信号出力回路46に接続され、6個のスイッチング素子Q1〜Q6の各ドレイン又は各ソースは、スター結線された固定子巻線U、V、Wに接続される。これによって、6個のスイッチング素子Q1〜Q6は、制御信号出力回路46から入力されたスイッチング素子駆動信号(H1〜H6の駆動信号)によってスイッチング動作を行い、駆動回路47に印加される直流電源52を3相(U相、V相及びW相)電圧Vu、Vv、Vwとして固定子巻線U、V、Wに電力を供給する。尚、直流電源52は着脱可能に設けられる二次電池で構成しても良い。
6個のスイッチング素子Q1〜Q6の各ゲートを駆動するスイッチング素子駆動信号(3相信号)のうち、3個の負電源側スイッチング素子Q4、Q5、Q6をパルス幅変調信号(PWM信号)H4、H5、H6として供給し、演算部41によって、トリガスイッチ8の操作量(ストローク)を印加電圧設定回路49の検出信号に基づいてPWM信号のパルス幅(デューティ比)を変化させることによってモータ3への電力供給量を調整し、モータ3の起動/停止と回転速度を制御する。
ここで、PWM信号は、駆動回路47の正電源側スイッチング素子Q1〜Q3又は負電源側スイッチング素子Q4〜Q6の何れか一方に供給され、スイッチング素子Q1〜Q3又はスイッチング素子Q4〜Q6を高速スイッチングさせることによって結果的に直流電源から各固定子巻線U、V、Wに供給する電力を制御する。尚、本実施の形態では、負電源側スイッチング素子Q4〜Q6にPWM信号が供給されるため、このPWM信号のパルス幅を制御することによって各固定子巻線U、V、Wに供給する電力を調整してモータ3の回転速度を制御することができる。
オイルパルス工具1には、モータ3の回転方向を切り替えるための正逆切替レバー51が設けられ、回転方向設定回路50は正逆切替レバー51の変化を検出するごとに、モータの回転方向を切り替えて、その制御信号を演算部41に送信する。
演算部41は、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するための中央処理装置(CPU)、処理プログラムや制御データを記憶するためのROM、データを一時記憶するためのRAM、タイマ等を含んで構成される。
回転角度検出回路44は、回転位置検出センサ13の位置検出素子13bからの信号を入力とし、出力軸5の回転位置(回転角度)を検出する回路であり、その検出値を演算部41に出力する。打撃検出回路45は、歪ゲージ12の信号を入力とし、トルク発生を検出することにより打撃が行われたタイミングを検出する回路である。
制御信号出力回路46は、回転方向設定回路50と回転子位置検出回路43の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子Q1〜Q6を交互にスイッチングするための駆動信号を形成し、その駆動信号を制御信号出力回路46に出力する。これによって固定子巻線U、V、Wの所定の巻線に交互に通電し、回転子3bを設定された回転方向に回転させる。この場合、駆動回路47の負電源側スイッチング素子Q4〜Q6に印加する駆動信号は、印加電圧設定回路49の出力制御信号に基づいてPWM変調信号として出力される。モータ3に供給される電流値は、電流検出回路49によって測定され、その値が演算部41にフィードバックされることにより、設定された駆動電力となるように調整される。尚、PWM信号は正電源側スイッチング素子Q1〜Q3に印加しても良い。
次に、図6、7を用いて、オイルパルスユニット4の打撃に連動してモータ3に供給する電力を変化させる制御について説明する。
図6(1)は、従来技術においてオイルパルスユニット4で打撃が行われて設定トルクにまで締め付けられるまでの、締め付けトルクと時間の関係を示す図である。ボルト締め付け時においてオイルパルス工具1は、締め付けボルトの座面が着座まではライナ21とメインシャフト24が同期して回転するが、メインシャフト24に負荷がかかるとメインシャフト24はほぼ停止した状態になり、ライナ21だけ回転し続ける。そして、オイルパルスユニットの作用により、出力軸5に間欠的な締め付けトルクが伝達される。この状態を示す図が図6(1)である。縦軸は締め付けトルクの大きさであり、横軸は時間である。断続的に発生される尖塔状のトルク曲線の上の数字はパルスの(打撃)回数である。ここで、大きな尖塔状のパルスの右側に、小さなパルス61〜67が発生している。このパルス61〜67の発生原理について、図6(2)を用いてさらに説明する。
図6(2)は打撃が行われる際の、出力軸5に対するライナ21の回転状況を示す図であり、例えば図6(1)の7〜8回目の打撃68の状況を示したものである。図6(2)において、モータ3が通常の回転制御によりほぼ1回転し(図中丸1で示す経路)、5回目の打撃位置に到達すると、出力軸5から受ける反力によりライナ21及びモータ3がある程度の距離だけ反転する(図中丸3で示す経路)。この距離は、反力の大きさや、オイルパルスユニット4内に充填されるオイルの粘性などにより一定ではないが、多いときには回転角にして60度くらい戻る場合もある。通常1回の打撃だけでは締結部材を締め付けるには不十分であるため、モータ3を再び正転させる必要がある。そのため、モータ3に所定の駆動電力を供給するが、モータ3が逆転している際(図中丸3で示す経路)に正転用の駆動電力を供給すると多大な電流が流れて熱を発生するため、効率が悪く電気の無駄使いになる。従って、本実施例では丸3の経路中の駆動電力を通常時よりも削減するようにした。
また、モータ4が正転を始めた際(図中丸4で示す経路)においてモータ3を勢いよく加速させると、打撃位置(図中丸4と丸5の間の位置)に来た際に、少ないトルクながらパルス64を発生してしまう。しかし、このトルクは、図6(1)から理解できるように、正規の打撃で行われたトルク打撃力にくらべて大幅に小さいため、締結部材の締め付けには効果がない。従って、(2)中の丸4と丸5の間の打撃位置においては、パルスが発生しないようにモータ3をゆっくり回転させる方が好ましい。一般的に、オイルパルスユニット4で打撃位置を通過するときに発生するトルクは、オイルの粘性の性質により、高速では大きく低速では小さいという性質がある。従って、本願発明においては、この図中丸4と丸5の間の打撃位置を通過するまでは、モータ3の加速を緩やかにして低速で回転させ、オイルパルスユニット4でパルスが発生しないように制御する。そのために、図中丸4の加速においては、モータ3に供給する駆動電力を減少させる。打撃位置を通過した後は、再びモータ3の加速を通常制御に戻し、締結部材が所定トルクで締結されるまで繰り返す。
尚、上述した電力制御をより細かくして、打撃位置の直前である丸2の区間において、供給電力を落とし、打撃の瞬間にモータ3が受ける影響を低下させるように制御しても良い。また、打撃位置を再び通過した直後の丸5の区間において、急にモータ3を加速するのではなく、打撃位置付近によるオイル粘性の影響が無くなってから加速させるようにしても良い。
図7は、その図6(2)で示す回転位置におけるモータ3に供給される電力の実効値の一例を示す図である。丸1の区間においては通常回転時にモータ3に供給する電力であり、丸2の打撃位置直前では電力を約75%に落とし、打撃が行われてモータ3が丸3の区間において反転したら、供給する電力を約半分に落とし、モータ3の回転が止まったら、供給する電力をさらに落としてゆっくりとモータ3を加速させる(丸4の区間)。打撃位置を通過して、さらに丸5の区間を過ぎたら通常回転時に供給する電力に戻す(丸1の区間)。尚、この図では電力の実効値と表現しているが、例えばPWM(Pulse Width Modulation)方式による制御を用い、直流電源のスイッチのONしている時間とOFFしている時間との割合(デューティー比)を、丸1の位置に比べて、丸3、丸4の位置の時に下げるようにすれば良い。さらに、丸2、丸5の位置においても、丸1の位置に比較してデューティー比を下げるように制御しても良い。さらに、電力の制御方法としては、電圧そのものを変えるPAM方式(Pulse Amplitude Modulation)にて、供給する電圧を低くするように制御しても良い。
次に図8のフローチャートを用いて、本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順について説明する。本実施形態では、モータ3は、図6(2)の丸1及び丸2の区間においてPWMデューティー100%にて回転するものとする(ステップ81)。この状態はトリガスイッチ8を引く量によって変化するが、本実施形態では説明の簡略化のためトリガスイッチ8の引いた量を100%である仮定して説明し、この回転状況を“通常回転”という。次に、モータ3が回転して、ライナ21が図6(2)の打撃位置に到達し、その打撃によりモータ3が反転したかどうかを検出する(ステップ82)。モータ3の反転は、モータ3の駆動回路基板7に取り付けられた回転位置検出素子42を用いて検出できる。モータが反転していない場合は、ステップ81に戻り、反転している場合はステップ83に進む。
ステップ83では、モータ3への駆動電力のPWMデューティー比を50%に減少させる。このように電力を落とすのは、図6の丸3の区間においては、PWMデューティー比を100%のままにすると効率が悪いからである。また、PWMデューティー比を0%にしてしまうと、モータ3の逆回転のブレーキがかからないため、ある程度の駆動電力が必要であるためである。
次に、モータ3の反転が停止したかを検出する(ステップ84)。停止したかどうかは、モータ3の駆動回路基板7に取り付けられたホールICなどの回転位置検出素子42の出力により検出できる。モータ3の反転が停止したら、モータ3を正転させる制御に移る(ステップ85)。この際、図6の丸4の区間を通過するまでは、PWMデューティー比を25%程度に抑えて、打撃位置を通過する際に、パルスが発生しないようにする(ステップ86)。ステップ87にて打撃発生位置の通過を検出したら、モータ3の駆動電力の制限を解除し、PWMデューティー比を100%とし、次の打撃位置にできるだけ速く到達するようにモータ3を駆動する。
以上説明した実施形態の制御によれば、出力軸に打撃力が伝わる直前又は伝わった時に、電動モータに供給する電力を減少し、パルス状のトルクによって回転を乱された電動モータが、シャフトの打撃位置を通過したら通常の電力に戻すので、パルス状のトルクの発生の際にモータの回転が乱れる際に消費する電力を削減することができ、それに起因する熱の発生を防止することができる。
次に図9のフローチャートを用いて、本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第2の変形例について説明する。モータ3は、図6(2)の丸1及び丸2の区間においてPWMデューティー100%にて通常回転するものとする(ステップ91)。次に、モータ3が回転して、ライナ21が図6(2)の打撃位置に到達し、その打撃によりモータ3の回転が停止、即ちロックしたかどうかを検出する(ステップ92)。モータ3がロックしたかどうかは、モータ3の駆動回路基板7に取り付けられた回転位置検出素子42を用いて検出できる。ここで、ロックしたということは、図6(2)で丸3、丸4の経路がほとんど無いことを示している。ステップ92においてモータがロックしていない場合は、ステップ91に戻り、ロックしている場合はステップ93に進む。
ステップ93では、モータ3への駆動電力のPWMデューティー比を50%に減少させる。このように電力を落とすのは、ロックしている状態のモータ3に100%の駆動電力を与えると多大な電流が流れるからである。また、ロック後の位置が、打撃位置付近であるため、打撃位置を通過するまでは、100%にしないほうが良いためである。
次に、ライナ21が打撃発生位置を通過したかどうかを検出する(ステップ94)。通過していない場合はステップ94を繰り返し、通過した場合はステップ95に進み、PWMデューティー比を25%程度に抑えて、打撃位置を通過する際に、パルスが発生しないようにする(ステップ95)。そして、図6(2)の丸5で示す所定の角度だけ回転したかどうかを判断し(ステップ96)、回転したことを検出したら、モータ3の駆動電力の制限を解除し、PWMデューティー比を100%で駆動する(ステップ97)。尚、所定の角度だけ回転したかどうかは、回転位置検出素子42の出力と、回転位置検出センサ13の出力を用いて識別することができる。
以上説明した第2の変形例の制御によれば、打撃位置を通過して、その影響が無くなってから通常の電力に戻すので、モータをスムーズに回転させることができる。
次に図10のフローチャートを用いて、本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第3の変形例について説明する。モータ3は、図6(2)の丸1及び丸2の区間においてPWMデューティー100%にて通常回転するものとする(ステップ101)。次に、モータ3が回転して、ライナ21が図6(2)の打撃位置に到達し、打撃が行われたか否かを検出する(ステップ102)。打撃が行われたか否かは、トルク検出センサ(歪ゲージ12)の出力を用いて検出できる。ステップ102において打撃を検出されなかった場合は、ステップ101に戻り、検出された場合はステップ103に進む。ステップ103では、モータ3への駆動電力のPWMデューティー比を50%に減少させる。次に、ステップ104にて所定時間が通過したかどうかを検出し、経過を検出したら、モータ3の駆動電力の制限を解除し、PWMデューティー比を100%で駆動する(ステップ105)。衝撃があってから一定の時間が経過したかどうかは、演算部41に内蔵するマイコンにてタイマを用いて検出することができる。従って、第3の変形例は、回転位置検出素子42を有しない駆動源、例えば直流モータであっても、トルク検出センサを設ければ適用できる。
次に図11のフローチャートを用いて、本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第4の変形例について説明する。モータ3は、図6(2)の丸1及び丸2の区間においてPWMデューティー100%にて通常回転するものとする(ステップ111)。次に、モータ3が回転して、ライナ21が図6(2)の打撃位置に到達したか否かを検出する(ステップ112)。ここで、到達という意味は、完全に打撃位置に一致という意味だけでなく、打撃位置前後の所定範囲を意味し、特に好ましくは、図6(2)の丸2の範囲である。打撃位置に到達したか否かの判断のため、前回の打撃位置は演算部41に記憶される。
打撃位置に到達してなければステップ111に戻り、到達したらステップ113に進む。ステップ113では、モータ3への駆動電力のPWMデューティー比を50%に減少させる。次に、打撃が行われたか否かを検出する(ステップ114)。打撃が行われたか否かは、トルク検出センサ(歪ゲージ12)の出力を用いて検出できる。打撃が行われたら、打撃時のモータ3の回転角度を演算部に記憶させる(ステップ115)。また、モータ3の回転角度だけでなく、出力軸5の回転位置もあわせて記憶しておくと良い。
次に、モータ3が反転或いは停止した後に正転して、打撃発生位置を通過したかを検出し(ステップ116)、通過したらモータ3への駆動電力のPWMデューティー比を25%に減少させる(ステップ117)。次に、ステップ118にて所定角度だけ回転したかを検出し、回転したら、モータ3の駆動電力の制限を解除し、PWMデューティー比を100%で駆動する(ステップ119)。従って、第4の変形例は、オイルパルスユニットにおいて発生されるパルス位置の直前において、モータに供給する電力を減少させるので、衝撃力が発生する時にモータに流れている駆動電力による悪影響を減少させることができる。また、打撃力が発生されたことを検知するトルク検出センサを設け、トルク検出センサの出力に基づいてモータへ供給する電力を調整するので、簡易な方法でモータの駆動電力を削減するタイミングを検出することができる。
次に図12のフローチャートを用いて、本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第5の変形例について説明する。モータ3は、図6(2)の丸1及び丸2の区間においてPWMデューティー100%にて通常回転するものとする(ステップ121)。次に、モータ3が回転して、ライナ21が前回打撃位置に到達したか否かを検出する(ステップ122)。前回打撃位置に到達したか否かは、演算部41に記憶されている位置を元に判断する。前回打撃位置に到達してなければステップ121に戻り、到達したらステップ123に進む。ステップ123では、モータ3への駆動電力のPWMデューティー比を75%に減少させる。次に、ステップ124において、打撃によりモータ3が反転したかどうかを検出する。モータ反転していたら、モータ3への駆動電力のPWMデューティー比を50%に減少させ、反転時のモータ3の回転角度を演算部41に記憶させる(ステップ125、126)。
次に、モータ3の反転が停止したかを検出する(ステップ127)。モータ3の停止が検出できたら、モータを正転させる制御を開始する(ステップ127,128)。この際、PWMデューティー比を25%程度に抑えて、打撃位置を通過する際に、パルスが発生しないようにする(ステップ129)。ステップ130にて打撃発生位置の通過を検出したら、モータ3の駆動電力の制限を解除し、PWMデューティー比を100%で駆動し、次の打撃位置にできるだけ速く到達するようにモータ3を駆動する(ステップ131)。
以上説明したように、本実施形態によれば、打撃が行われた後のモータの反転や停止の際に、駆動電流を制限するようにしたので、不必要な電力を消費することがなく、消費効率を向上させ、また、熱の発生も防止することもができる。さらに、本実施形態によれば、打撃位置を再通過する際に、低速にて通過させるのでパルスを発生させることもないので、無駄な打撃を防止でき、スムーズな締め付け作業を行うことができる。
次に図13〜14を用いて、オイルパルスユニット4の性能低下を検出する方法について説明する。本実施形態では、主にオイル漏れによるオイルパルスユニット4の性能低下に主眼を置き、オイル漏れがひどくなる前に作業者にアラームを発生させるように構成した。
図13は、図6(1)の68で示す打撃位置、即ちトルクピーク値を示す位置から、モータ3が逆回転したのち正回転を始め、再び打撃位置を通過し、打撃位置から180度離れた位置を通過して、再び打撃位置に到達するまでの時間を示す図である。(1)が、新品のオイルパルスユニット4による発生トルクと時間の関係を示した図である。オイルパルスユニット4の打撃位置を通過するときのトルクは、オイルの粘性により、高速で大きく低速では小さいという性質がある。トルクは、図13(1)に示すように凸状シール面27aと26a、及び、27bと26bが対面する位置で一度大きなトルクが発生した後(7回目の打撃)、ライナ21が反動を受け逆転をし、モータ3の回転力によって再度正回転を始め、再び打撃位置を通過するのにT1の時間を要する。打撃位置から180度回転した位置に、ほんの少しのトルクが発生するが、ここでは図示しない。そして次の打撃位置(8回目の打撃)に至り、締め付けトルクが発生する。
一方、図13(2)がオイル漏れ等で性能が劣化したオイルパルスユニット4による発生トルクと時間の関係を示したデータである。打撃位置における締め付けトルク発生(7回目の打撃)から、モータ3が逆回転したのち正回転を始め、再び打撃位置を通過して小さいトルクが発生するのにT2の時間を要する。図13(1)と(2)を比較して理解できるように、長期使用や寿命等によりオイル漏れが生じているオイルパルスユニット4の方が、小さいトルクが発生するまでの通過時間Tが短く、T1>T2の関係となる。この時間の減少量から性能低下を検知することができる。
尚、オイルパルス工具1を連続使用することにより、オイルパルスユニット4内のオイルの温度が上昇し、温度上昇によっても通過時間Tが変化するが、その場合はオイルの冷却時に元の値に戻るので、冷却時又は同じ温度の時の通過時間Tの経時変化を検出することでオイル漏れの検出が可能となる。また、モータ3の回転数によっても、通過時間Tが変化する。従って、通過時間Tを検出する際には、常に同じ条件で通過時間Tをモニタすることが好ましい。
オイルパルスユニット4のオイル漏れが発生するとライナ21内部のオイルによる抵抗が下がるため、結果として、打撃位置から、モータ3が逆回転したのち正回転を始め、再び打撃位置を通過するのに(2)で示すようにT2の時間しか要さなくなる。従って、この時間が、経時的にどのように変化していくかをモニタすることにより、オイル漏れの発生を事前に予測又は検出できる。
図14は、通過時間Tを用いてオイル漏れを検出する手順を説明するフローチャートである。図14において、図13(1)に示すような締め付けトルクの打撃を与えて、締め付け作業を行う(ステップ141)。この際の締め付け本数を、演算部41のメモリ装置に記録する。この本数は、全数を記録しても良いし、例えば、100本ごと、500本毎というように所定本数毎のデータを記録しても良い。また、100本目、500本目というような本数情報だけでなく、それに対応させて日時情報をあわせて記録しても良い。
次に、その締め付けの際の設定トルクに到達した際の第1トルクと第2トルクの間の通過時間Tを取得する(ステップ143)。図6(1)では、第7打撃目で設定トルクに到達しているので、第7打撃目の通過時間Tを記録することになるので、この際の時間間隔T2を記録する(ステップ144)。次に、演算部41にあらかじめ記録している基準値T1とT2の演算を行う(ステップ145)。ここでは、例えばT1―T2であるが、これに限られるものではなく、T1/T2等の演算でも良い。
ステップ146において、T1−T2<基準値1であれば、オイル漏れが起こる可能性が高いため劣化事前告知を行う(ステップ147)。この告知は、発光ダイオード18を点灯したり、ブザーを鳴らしたり、他の表示部に表示するようにしても良い。次にステップ148において、T1−T2<基準値2であれば、もはや継続利用は適しない状況であるので、その旨の告知により、オイルパルスユニット4の交換を指示するか、必要に応じてオイルパルス工具4が稼働しないようにして作業を停止させる(ステップ149)。ここで、基準値2は基準値1よりも短い時間である。
以上、説明したように本実施形態によれば、オイルパルスユニット4の寿命になる前に事前にアラームが発せられるので、寿命の到達を認識せずに使用し続けてパルス工具1の内部の各部にオイル漏れによる影響が出ることを防止することができる。よって作業者は性能低下やオイル漏れが発生するおそれを確実に知ることができる。さらに、測定された通過時間と、メモリ装置に格納されている通過時間を比較することによって、オイルパルスユニットの性能低下を検知するので、工具自体の個体差の影響をうけることなく、各工具ごとに精度良く性能低下を検知できる。
尚、図8〜12に示した制御を実行すると、小さいトルクの発生が抑制され通過時間Tの測定ができなくなるおそれがあるが、その場合は、通過時間Tを測定するときだけモータ3に供給する駆動電圧を下げる制御を行わないようにして測定すると良い。また、別の方法として、通過時間Tが減少すると、結果として7回目の打撃〜8回目の打撃の間隔が短くなるので、この打撃の間隔の変化によって性能低下を検出するようにしても良い。
さらに、別の方法として、通過時間Tの測定の代わりに、衝撃が発生してモータが逆回転し、モータが停止するまでの反転角度を測定し、この反転角度の経時変化によってオイルパルスユニットの性能低下を検知するように構成しても良い。
以上、本発明を示す実施形態に基づき説明したが、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、オイルパルス工具の駆動源として、ブラシレス直流モータを用いた例を説明したが、ブラシを用いた直流モータであっても同様に適用できる。また、エアモータを駆動源にするものでも同様に適用できる。
本発明の実施形態に係るインパクトドライバの全体を示す断面図である。 図1のオイルパルスユニット4の拡大断面図である。 図2のB−B断面であって、オイルパルスユニット4の使用状態における一回転の動きを8段階で示した断面図である。 図1のA−A部の断面図である。 本発明の実施形態に係るモータ3の駆動制御系の構成を示すブロック図である。 (1)は従来技術においてオイルパルスユニット4で打撃が行われて設定トルクにまで締め付けられるまでの、締め付けトルクと時間の関係を示す図であり、(2)はオイルパルスユニット4での打撃が行われる際の出力軸5に対するライナ21の回転状況を示す図である。 図6で示すライナ21の回転位置におけるモータ3に供給される電力の実効値の一例を示す図である。 本願発明の実施形態によるモータの制御手順について説明するフローチャートである。 本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第2の変形例を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第3の変形例を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第4の変形例を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態によるモータ3の制御手順の第5の変形例を示すフローチャートである。 図6で示す打撃位置から、モータ3が逆回転したのち正回転を始め、再び打撃位置を通過し、次の打撃位置に到達するまでの時間を示す図であり、(1)が新品のオイルパルスユニット4による発生トルクと時間の関係を示した図で、(2)がオイル漏れ等で性能が劣化したオイルパルスユニット4による発生トルクと時間の関係を示した図である。 オイルパルスユニット4のオイル漏れを検出する手順を説明するフローチャートである。
符号の説明
1 オイルパルス工具 2 電源コード 3 モータ
3a モータの固定子 3b モータの回転子 4 オイルパルスユニット
5 出力軸 6a ハウジングの胴体部 6b ハウジングのハンドル部
7 駆動回路基板 8 トリガスイッチ 9 制御基板
9a モータ制御用基板 9b トルク検出用基板 9c 回転位置検出用基板
10a、10b、10c ベアリング
11a 入力用トランス組 11b 出力用トランス組 11c コネクタ
12 歪ゲージ 13 回転位置検出センサ 13a 永久磁石
13b 位置検出素子 14 スイッチ回路基板 15 ケース
16 メタルベアリング 17 冷却ファン 18 発光ダイオード
21 ライナ 23 ライナプレート 24 メインシャフト
25a、25b ブレード
26a、26b 凸状シール面 27a、27b 凸状シール面
28a、28b 凸状部 29、30 Oリング 31 配線カバー
33a 回転子 33b 回転位置センサカバー 34 コネクタ
41 演算部 42 回転位置検出素子 43 回転子位置検出回路
44 回転角度検出回路 45 打撃検出回路 46 制御信号出力回路
47 駆動回路 48 電流検出回路 49 印加電圧設定回路
50 回転方向設定回路 51 正逆切替レバー 52 直流電源

Claims (7)

  1. モータと、該モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、該オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸を有するオイルパルス工具において、
    前記出力軸の回転位置を検出する回転位置検出センサと、衝撃トルクの発生を検知するトルク検出センサが設けられ、
    衝撃が発生して前記モータが逆回転し、前記モータが再び正回転して前記衝撃の発生した位置を通過するのに要する状態を測定し、該状態の経時変化によって前記オイルパルスユニットの性能低下を検知する検知手段を設けたことを特徴とするオイルパルス工具。
  2. 前記性能低下は、前記オイルパルスユニットで発生するオイル漏れに起因するものであることを特徴とする請求項1に記載のオイルパルス工具。
  3. 前記オイルパルス工具に警告手段を設け、前記検知手段が前記オイルパルスユニットの性能低下を検出した際には、前記警告手段によってアラームを発することを特徴とする請求項2に記載のオイルパルス工具。
  4. メモリ装置を設け、前記測定される状態として、前記モータが逆回転し前記モータが再び正回転して前記衝撃の発生した位置を通過するのに要する通過時間を測定し、測定された通過時間を所定の間隔毎にメモリ装置に格納し、
    前記検知手段は、測定された通過時間と、前記メモリ装置に格納されている通過時間を比較することによって、オイルパルスユニットの性能低下を検知することを特徴とする請求項3に記載のオイルパルス工具。
  5. 前記検知手段は、測定された通過時間が、前記メモリ装置に格納された通過時間よりも所定の割合だけ短くなった際にオイルパルスユニットの寿命と判断することを特徴とする請求項4に記載のオイルパルス工具。
  6. モータと、該モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、該オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸を有するオイルパルス工具において、
    衝撃が発生して前記モータが反転した反転角度を測定し、前記反転角度の経時変化によって前記オイルパルスユニットの性能低下を検知する検知手段を設けたことを特徴とするオイルパルス工具。
  7. メモリ装置を設け、前記測定した前記反転角度を所定の間隔で前記メモリ装置に格納し、
    前記検知手段は、前記測定された反転角度と、前記メモリ装置に格納された時間を比較することによって、オイルパルスユニットの性能低下を検知することを特徴とする請求項6に記載のオイルパルス工具。

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