JP3110344U

JP3110344U - 電動スパナ

Info

Publication number: JP3110344U
Application number: JP2004007273U
Authority: JP
Inventors: 陳瑞瑜
Original assignee: 大▲彦▼股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2010-12-10

Abstract

【課題】出力トルクを自分で任意に設定可能であり、かつ出力トルクが設定値に到達した時にモータへの通電をオフするトルク出力制御可能な電動スパナであって、安定的に出力トルクを得ることのできる電動スパナを提供する。
【解決手段】モータと、クラッチ装置を設けたメインフレームと、電子ブレーキ装置とを有する電動スパナであって、前記電子ブレーキ装置は、トルク目標値の設定手段と、出力トルクの測定手段と、該出力トルクが前記目標値に到達するときに前記モータへの電源をオフにするトルク制御手段とを備え、かつ、前記モータは起動電流と停止電流が相違することを特徴とする、トルク出力制御可能な電動スパナ。
【選択図】図１

Description

本考案はトルク出力制御が可能な電動スパナに関し、特に出力トルクが設定値に到達するとモータへの電源がオフとなる電動スパナに関する。

従来のスパナ（手動または電動のスパナ、インパクトレンチ、トルクレンチなどを総称して、「スパナ」という。）を用いてボルトの締め付けや緩め作業を行う場合、例えば自動車保全工場などでは空気圧を利用した大型スパナを用いることが多い。一方、携帯に便利な小型のものについては、特に米国のように各州の間の距離が極めて長く長距離運転をする人が多い国では、自動車に電動スパナを載せておくことは一般的といえる。

主としてタイヤのボルトを締結するために用いられる従来の小型の電動スパナの代表的な構造を図５に断面図にて示す。中空な台座１の内部にモータ１１が設けられ、モータ１１の先端には伝達歯車１１１が嵌合している。メインフレーム１２の一端には、伝達歯車１１１と噛み合う受動歯車１２１が嵌合する。モータ１１が回転すると、受動歯車１２１が駆動され、回転数を減じつつメインフレーム１２の他端にある出力軸１３にトルクを伝達する。出力軸１３の先端には嵌合端１３１が形成され、嵌合端１３１は、図示しないボルトまたはナットを嵌合してこれを回転させる。これによりボルト／ナットの組み合わせを締めたり緩めたりする。

また、メインフレーム１２内にはクラッチ装置１４が設けられ、モータ１１の連続出力を間欠出力に変換する。また、電源がスイッチ１５にて制御され、モータ１１を正逆に回転させることができるものも一般的である。

しかし、上記した従来型の電動スパナでは、ボルトやナットを緩めたり締めたりする際に出力トルクを設定することができないので、作業者が経験や聴覚によって出力トルクを判別することになる。作業者の感覚に左右されるかかる方法では誤差が極めて大きく、ボルトの締付トルクが不適切となり易い。

かかる課題に対し、特にエアモーターを用いた大型のインパクトレンチについてはトルク制御をする装置が例えば先行文献１(特許文献１：特開平６−１５５７９号公報)など各種提案されている。一方、持ち運び可能な小型のインパクトレンチについても例えば先行文献２(特許文献２：特開平７−１１６９６８号公報)にはアンビルとハンマーの衝撃的な係合時間を検出する手段を備えることにより出力トルクを演算し、制御することのできるインパクトレンチに関する発明が記載されている。

しかし、電動スパナを用いたボルト締結作業の効率化は更なる改善が求められており、作業者が使いやすく、かつ安定的に動作する技術の開発が求められていた。

特開平６−１５５７９号公報特開平７−１１６９６８号公報

そこで本考案は、出力トルクを作業者が任意に設定可能であり、かつ出力トルクが設定値に到達した時にモータへの通電をオフするトルク出力制御可能な電動スパナであって、安定的に出力トルクを得ることのできる電動スパナを提供することを主たる目的とする。また更に、出力トルクの設定や、ボルトの締結作業を容易に行える電動スパナや、同様の機構を有する電動ドライバーまたは電動ドリルもあわせて提供することを本考案の副次的な目的とする。

そこで上記課題を解決するため本考案者は鋭意検討の末、トルク目標値を設定する手段と、出力トルクを測定し、トルク目標値との比較によるフィードバック制御を行うとともに、モータの起動(駆動)電流と停止電流を相違させ、特に起動電流を停止電流よりも大きくすることによって電圧変動による不安定動作を回避し、安定したトルク出力を得られるようになるとの知見に基づき、本考案の完成に到った。

すなわち以下の考案によれば、上記の各課題を解決することが可能である。
（１）モータと、クラッチ装置を設けたメインフレームと、電子ブレーキ装置とを有する電動スパナであって、
前記電子ブレーキ装置は、トルク目標値の設定手段と、出力トルクの測定手段と、該出力トルクが前記目標値に到達するときに前記モータへの電源をオフにするトルク制御手段とを備え、かつ、
前記モータは起動電流が停止電流より大きいことを特徴とする、トルク出力制御可能な電動スパナ。

また、出力トルクを制御する電子ブレーキ装置にディスプレーパネルを電気的に接続し、トルク目標値と出力トルクを電動工具の筐体外部にて表示させることにより、電動スパナおよびこれと類似する電動工具について、大型化を伴うことなく、作業者が作業中に視線を大きく移動させずにそれぞれのトルク値を目視することができ、ボルトの締結作業の容易化に資するとの知見に基づき、以下の各関連考案の完成にもあわせて想到した。
（２）前記トルク目標値の設定手段が、前記トルク目標値または前記出力トルクを表示するディスプレーと、前記目標値を任意に設定するための操作ボタンとを備える（１）記載の電動スパナ。
（３）（１）または（２）に記載のモータおよび電子ブレーキ装置を備える電動ドライバーまたは電動ドリル。

本考案にかかる電動スパナによれば、トルク目標値を設定し、検出した出力トルクとの差異を演算することでモータのフィードバック制御を行う。また、モータの連続出力がクラッチ装置により間欠出力に変換され、出力トルクが所定の目標値を満足した場合すみやかに電子ブレーキ装置によるモータ電源のオフが行われることから、作業者の経験や感覚に頼らずに目標の締付トルクを得ることができる。また、かかるトルク目標値を得るためにはモータの駆動と停止を素早く安定して繰り返す必要があるところ、本考案ではモータの起動電流と回転停止電流を異なるものとしているため、モータの誤動作を防ぎ、安定的な駆動と停止の制御を可能としている。

また、トルク目標値を設定するに際し、本考案にかかる電動スパナは外部にディスプレー装置と操作ボタンを備えるため、他の入出力手段なしにトルク目標値を任意に設定したり、作業中の出力トルクを時刻歴的に作業者が確認したりすることができる。

さらに、本考案で用いるモータと電子ブレーキ装置は、目標トルクの設定と出力トルクの監視および制御を可能とするものであるため、搭載する対象は電動スパナに限られるものではない。本考案にかかる電動スパナと類似する技術であり、かつ主たる構成要素である上記モータおよび電子ブレーキを共通して備える電動工具として、例えば電動ドライバーや電動ドリルをあわせて提供することができる。

以下、本考案の実施の形態について図面を用いて具体的に説明する。ただし本考案は以下の実施の形態および後述する実施例に限られるものではない。図１は本考案にかかる電動スパナの断面図である。２は台座、３は電子ブレーキ装置、２１はモータ、２２はメインフレーム、２３は出力軸、２４はクラッチ装置、２５はスイッチ、２６は制御器インタフェース、２１１は伝達歯車、２２１は受動歯車、２３１は嵌合端を表わす。

本考案にかかる電動スパナは、筐体として中空な台座２を有する。台座２にはモータ２１が固設され、またモータ２１の回転軸には伝達歯車２１１が嵌合している。モータ２１が回転すると受動歯車２２１が駆動され、メインフレーム２２およびクラッチ装置２４を介して出力軸２３にトルクを伝達する。出力軸２３の先端には嵌合端２３１が設けられ、図示しないボルト頭などを嵌合する。

本考案に特徴的な電子ブレーキ装置３は、制御器インタフェース２６およびスイッチ２５が電気的に接続している。電動スパナに通電すると、まず出力トルクを設定することが可能となる。出力トルクの設定の有無に関わらず、この状態からスイッチ２５を押すとモータ２１が回転し、メインフレーム２２の動力が嵌合端２３１に伝えられることとなる。メインフレーム２２は例えば衝撃機構であり、具体的にはアンビル、ハンマー、カムなどからなる衝撃回転式のインパクトレンチを構成する部品からなることが一般的である。クラッチ装置２４は、モータ２１の連続的な回転を適宜間欠出力に変換するための装置である。また、後述のように出力トルクの目標値を設定したうえでモータ２１を駆動させた結果、出力トルクが該目標設定値に到達したと測定されたときには、電子ブレーキ装置３はモータ２１への通電をオフにする機能を持つ。

本考案における出力トルクの設定方式は、ディスプレーと操作ボタンからなり、簡便かつ作業者が表示を視認しやすい構造であれば特に限定されない。具体例を図２に示す。４はパネル、４１はディスプレー、４１１および４１２は上下ボタンである。電子ブレーキ装置３には該パネル４が電気的に接続されており、モータ出力トルクの目標値を設定する作業を行うとともにその値を表示させる機能を持つ。さらに、モータ駆動中の出力トルクの測定値もあわせて表示することで作業者は締結作業の終了が近いことを知ることができる。

パネル４は、例えば液晶ディスプレー４１と上下ボタン４１１，４１２からなる操作ボタンを備える。ただし操作ボタンの数、形状、配置は特に限定されるものではなく、例えば電源ボタン、リセットボタン、目標値記憶ボタン、表示切替ボタンなどを設けることも好適である。電動スパナに通電し、パネル４に電力が供給されると、上下ボタン４１１，４１２によって出力トルクの設定をすることができるようになる。また、設定された目標トルクは電子ブレーキ装置３に記憶され、出力トルクが該目標トルクに到達すると、モータ２１への通電はオフにされる。

電子ブレーキ装置３の機能について、図３のシステムブロック図を用いて具体的に説明する。電子ブレーキ装置３は、マイクロ制御器３０、入力ユニット３１、出力ユニット３２およびトルク測定ユニット３３を有する。また、モータ２１、メインフレーム２２、制御器インタフェース２６および電源ユニット３４が接続している。

電源３４をオンにすると、モータ２１およびマイクロ制御器３０に電流が流れる。入力ユニット３１は出力トルクの目標値を設定するものであり、出力ユニット３２は例えば液晶ディスプレー４１によってかかる目標値を表示させる。トルク測定ユニット３３は、メインフレーム２２の出力状態を監視し、目標値からの乖離量に基づくフィードバック信号をマイクロ制御器３０に入力する。出力トルクの測定には従来から精度の高い複数の方法が提案されており、例えば前記先行文献１または２に記載の方法などを用いてもよい。

マイクロ制御器３０は本考案にかかる電動スパナの中央処理装置（ＣＰＵ）であり、トルク測定ユニット３３で測定して入力された信号を演算し、モータ２１の出力を制御するための信号を制御器インタフェース２６に送る。制御器インタフェース２６は、マイクロ制御器３０と接続し、モータ２１などの高負荷の部材を駆動するための電子制御回路である。モータ２１は制御器インタフェース２６に駆動され、メインフレーム２２に動力を提供する。メインフレーム２２はクラッチ装置２４によってモータの連続出力を間欠出力に変換しつつ出力軸２３を回転させる。

本考案にかかる電動スパナの実施例について、各ユニットの機能および動作原理を更に詳細に説明する。図４は、本実施例の制御回路図である。

Ｒ３から入力された電気信号は増幅器にて増幅され、整流器にて整流された後、ＴＴＬの標準電位として入力ユニット３１を経由してマイクロ制御器３０に入力される。制御器インタフェース２６はＭＯＳＦＥＴなどからなる制御回路である。制御器インタフェース２６はマイクロ制御器３０にインタフェースし、モータなどの高負荷部材を駆動する。入力ユニット３１はマン／マシンインタフェースであり、トルクの入力値を決定する。出力ユニット３２は数字用液晶ディスプレー４１とデコーダＩＣを備え、マイクロ制御器３０から送られるデータをデコードして液晶ディスプレー４１に表示し、設定トルク値および実際トルク値を示す。

マイクロ制御器３０はマイクロチップなどからなるＣＰＵである。マイクロ制御器３０の制御方式は特に限定されないが、インディレクト・トランスミッション機構の制御用の専用アルゴリズムによるソフトウェアをフラッシュメモリに記憶させ、本考案にかかる電動スパナ全体の動作を精確に制御する方式が好適である。電源ユニット３４は、例えばモータ２１に直流１２Ｖ、マイクロ制御器３０に直流５Ｖ、などの配分にて電力を供給する。

本考案に用いる電子ブレーキ装置３はマイクロ制御器３０をＣＰＵとし、電源ユニット３４と電気的に接続すると、入力ユニット３１から使用者のコマンド（トルク目標値）を受け取る。次にスイッチ２５をオンにすると、出力トルク測定ユニット３３によって出力トルク値のフィードバック信号をマイクロ制御器３０に転送して演算を行う。出力ユニット３２に伝送された出力信号は、制御器インタフェース２６によりモータ２１などを駆動させるとともに、出力トルクをディスプレー４１で表示する。これにより作業者がボルトやナットの締結状態を知ることができ、出力トルクが設定値に到達すると、モータ２１への通電が遮断される。

また、本考案の電子ブレーキ装置３は、モータ起動(駆動)電流と回転停止電流が異なるものであることを特徴とする。具体的には、起動電流は停止電流の２倍以上が好ましく、４倍以上が更に好ましい。これにより、電圧変動によってかかる起動電流または停止電流程度にまで供給電流が低下した場合もモータの不安定動作を回避し、安定的な駆動力を得ることができる。更には、過電圧保護および過電流保護の機能を有するほか、入力電圧によって出力トルク値を自動的に調節できることが望ましい。

本発明の別の実施例として、上記の電子ブレーキ装置３およびモータ２１を備える電動ドライバーおよび電動ドリルを挙げる。すなわち、これらは電動スパナと同様に出力軸を回転駆動させる方式の電動工具であって類似する技術に基づき、主たる構成要素である電子ブレーキとモータを有し出力トルクの制御が可能である。具体的には、図１において嵌合端２３１をプラスまたはマイナスのドライバーとすれば電動ドライバーが、ドリル刃とすれば電動ドリルが、それぞれ得られる。これらは嵌合端２３１のみ、または出力軸２３と嵌合端２３１を交換することで実現できるため、交換可能なアタッチメントとして提供することも好適である。

本考案にかかる電動スパナは、そのトルクコントロールと安定的な回転駆動、簡便な出力値の設定が可能であるため、ボルトナットの締結のみならず、実施例２にても示したように希望トルクによる軸回転動作を要する様々な電動工具への応用が可能である。

本考案の実施の形態にかかる電動スパナの断面図本考案の実施の形態にかかるパネルの概念図本考案の実施の形態にかかる電子ブレーキ装置のシステムブロック図本考案の実施例にかかる制御回路図従来技術を示す断面図

符号の説明

１，２台座
１１，２１モータ
１１１，２１１伝達歯車
１２，２２メインフレーム
１２１，２２１受動歯車
１３，２３出力軸
１３１，２３１嵌合端
１４，２４クラッチ装置
１５，２５スイッチ
２６制御器インタフェース
３電子ブレーキ装置
３０マイクロ制御器
３１入力ユニット
３２出力ユニット
３３トルク測定ユニット
３４電源ユニット
４パネル
４１ディスプレー
４１１上ボタン
４１２下ボタン

Claims

モータと、クラッチ装置を設けたメインフレームと、電子ブレーキ装置とを有する電動スパナであって、
前記電子ブレーキ装置は、トルク目標値の設定手段と、出力トルクの測定手段と、該出力トルクが前記目標値に到達すると前記モータへの電源をオフにするトルク制御手段とを備え、かつ、
前記モータは起動電流が停止電流より大きいことを特徴とする、トルク出力制御可能な電動スパナ。
前記トルク目標値の設定手段が、前記トルク目標値または前記出力トルクを表示するディスプレーと、前記目標値を任意に設定するための操作ボタンとを備える請求項１記載の電動スパナ。
請求項１または２に記載のモータおよび電子ブレーキ装置を備える電動ドライバーまたは電動ドリル。