JP3638977B2 - 手持式工具装置における工具のかみ付き事故の回避方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、例えばハンマードリルのような回転式の工具を使用する手持ち式工具装置における工具のかみ付きに伴う事故を回避するための方法に関し、特に、回転センサにより検出した作動状態に応じて、駆動モータの工具に対する作動を中断させるための中断装置を用いる方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
特に、ハンマードリルのような出力の大きい手持ち式工具装置の場合、工具の瞬間的なかみ付き、それに伴う装置の慣性モーメントの急激な上昇に起因する手首関節の損傷または梯子、足場等からの転倒など、いわゆる回転事故が深刻な問題となっている。こうした問題に対する多くの既知の解決法として、例えば、欧州特許出願公開 O 150 669号およびPCT/DE88/0109 の国際公開公報に記載されたものを挙げることができる。
【０００３】
欧州特許出願の公報に記載されているように、工具装置のケース内に密封した小型容器を配置し、該容器は、特に、水銀とする導電性液状物質を収め、該物質を永久磁石の磁場中を通過させることが既知である。この装置では、既述の慣性モーメントにより、ケースがドリルスピンドルの軸線の回りを多かれ少なかれ不意に旋回する際に、慣性伝達物質と容器および固定した永久磁石との間には相対運動が生じる。この相対運動は、物質内に電圧を誘導し、該電圧はタップで取り出されるとともに、例えば、特定の閾値を超えた場合クラッチ解除に用いられ、クラッチは工具装置の駆動モータとドリルスピンドルとの間の連結を解除する。
【０００４】
後者の刊行物には原理的に同様のものが記載されている。すなわち、ケースの内部またはケースに設けた回転センサを使用し、該回転センサは、運動量の値として手持ち式工具装置の回転距離およびまたは速度およびまたは外側の旋回運動を検出するとともに、必要とあらば、各種の設定基準に対応して切替クラッチを制御し、該切替クラッチは駆動モータとドリルスピンドルとの間における連結を解除している。
【０００５】
基本的に同様の考案に基づく上述した両方の既知の解決方法においては、装置の望ましい操作においても、例えば、異質成分のコンクリート材にハンマードリルで作業する際に、安全クラッチの誤作動を招くおそれがある。この不具合は、運動センサとアクチュエータとが１個のユニットとして包含されており、純粋に機械的または電子機械的な原理により作動する場合、これまで既知のあらゆる解決法に基本的に用いられる受動的な信号評価の査定に由来している。
【０００６】
【発明の開示】
本発明の課題は、 上述の構成を有する手持ち工具装置を改善し、 一方では、 許容される慣性モーメントと回転事故につながり得る危険な慣性モーメントとの間に良好な識別基準を与えるとともに、 他方では、 手持ち式工具装置の安全性を全体として高めるために、 安全装置または中断装置の早期作動を可能とする方法を提案することにある。
【０００７】
本発明は、 特に、 ハンマードリルとする回転式の工具を使用する手持ち式工具装置における工具のかみ付きに伴う事故を回避するための方法であって、 回転センサにより検出した作動状態に応じて、 駆動モータの工具に対する作動を中断させるための中断装置を用いる手持式工具装置における工具のかみ付き事故の回避方法において、所定の時定数の時間内での回転センサが与える回転運動の値から工具装置の予測回転角度を予め算出し、 この予測回転角度が予設定可能な最大許容回転角度を超えた場合、 直ちに、 中断装置を作動させることを特徴とする方法である。
【０００８】
本発明は、事故の回避が不可能となるほど過大な回転インパルスが工具装置に生じる前に、対策を講じ得るような装置の将来的な態様を予め決定する技術思想に基づくものである。
【０００９】
まず第一に、回転センサについては、例えば、応答時間が極めて短いマイクロマシン型の加速度計とする回転加速度センサが可能である。加速度センサからの出力が設定された基準値を超えると、このセンサの測定値信号は、２回の特に帯域制限された積分により、時定数の時間に亘って予測される回転角度に換算される。
【００１０】
さらに、本発明においては、常に存在する低周波および高周波の外乱の影響を低減するために、下限周波数に対して 0.5〜10Hzの帯域および上限領域に対して約100 〜約1000Hzの帯域の限界周波数を設定することが好ましい。
【００１１】
上述の既知の解決法と同様、中断装置としては、まず第一に、電磁クラッチ、摩擦クラッチ、ディスククラッチ、またはクロウクラッチが可能であり、この中断装置はモータの回転子に蓄積された運動エネルギのかみ付いた工具スピンドルに対する作動を瞬間的に中断する。多様な測定、経験則並びに試験により、特に、それぞれの装置の機種に応じて、前記の中断については５〜20ミリ秒のクラッチ解除時間が与えられることが明らかとなった。 このクラッチ解除は、 通常、 同時にモータに対する電流遮断と結合させることが可能である。 比較的軽量のロータを具える小型装置については、 クラッチの代わりに、 迅速に作動する制動装置を具えることができる。 必要とあらば、 回転センサ信号から予め算出した予測回転角度が、 例えば、 作業者が選択した作動角度位置に対して40〜75°に設定された最大許容回転角度を超えた場合、直ちに電流を遮断する装置を接続することができる。
【００１２】
特に、ハンマードリルとする回転式の工具を使用する手持ち式工具装置における工具のかみ付きに伴う事故を回避するための装置であって、回転センサにより検出した作動状態に応じて、駆動モータの工具に対する作動を中断させるための中断装置を装備する手持式工具装置における工具のかみ付き事故の回避装置において、本発明では評価ユニットを設け、この評価ユニットは、所定の時定数の時間長での、回転センサが与える設定可能な基準値を超えるセンサ信号から、工具装置の予測回転角度を算出し、また、予測回転角度が予め設定した最大回転角度を超える場合に、インタフェースを介して中断装置を作動させることを特徴としている。
【００１３】
上述の限界周波数を有する帯域制限されたフィルタ構成を演算装置に対応させることが有利である。基本的に各種のセンサ素子またはセンサ構成が回転センサとして考えられる。具体的には、例えば、特にマイクロマシン型加速度計とする回転加速度センサ、回転数センサまたはトルク検出器を用いることができる。しかしながら、現在の知識水準に鑑み、典型的にミリ秒よりも短い応答時間を有する回転加速度計または回転加速度センサを具えることが有利である。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図示実施例につき本発明を一層具体的に説明する。
【００１５】
各図に関連し、以下、特に、ハンマードリルとする手持ち式装置の回転工具が不意にかみ付くことによる事故を防止するための装置、それに付随するアルゴリズムおよび評価回路について説明する。
【００１６】
図１に示すように、手持ち式工具装置Ｍの作動状態は、少なくとも１個のセンサによって監視する。これらのセンサには、特に、マイクロマシン型加速度計である回転加速度センサ1a、 回転角度センサ（回転数センサ）1b、 距離センサ（移動量センサ）等またはトルクセンサ1nを接続することができる。信号形成回路、Ａ／Ｄ−変換器等を含む入力インタフェースを通じて、 （１個または複数の）センサからの信号は電子式評価ユニット３に入力する。この電子評価ユニットは、マイクロプロセッサ、慎重な回路技術により作製したマイクロコントローラ、信号処理装置等とすることができる。この電子評価ユニットにおいて、モデルまたは規則に基づいたアルゴリズムに従って処理し、該アルゴリズムは、（１個または複数の）センサ1a〜1nからの応答に際し装置の作動状態を予め算出する。以下、 モデルに基づいたアルゴリズムの実証された実施例について詳述する。
【００１７】
事故が起こりそうな回転を検出した場合、出力インタフェース４を介して１個または複数のアクチュエータが作動する。例えば、 駆動モータ７と工具ホルダ又は工具６との間の連結を解除するクラッチ5a、 駆動巻線への電流供給を中止させる電流遮断器5bおよび・またはブレーキ5mが作動する。 これらのアクチュエータ５は、予想される損傷、特に、起こり得る回転事故が実際に発生することを回避する。装置Ｍが作業者にとって安全な状態に復帰したならば、任意の作業を直ちに再開することができる。
【００１８】
図２に示す実施例において、回転加速度センサ１と、集積化された増幅器およびＡＤ変換器を含むデジタルインタフェース２と、プログラミング可能なマイクロコントローラ３と、ＤＡインタフェース４と、半導体電流スイッチ６と、電磁的に作動可能なクラッチ５とを具えるシステムを示している。
【００１９】
作動中の工具８が不意にかみ付くことにより、軸線９の回りに急激な反作用が生じる。この反作用は、本発明においては、予め計算することによって、60°より典型的に少ない概算値に制限する。そのために、軸線９を巡る回転加速度を回転加速度センサ１によって検出する。その際、センサ１の特性は、回転を生じてから１ミリ秒よりも短い時間に応答するものでなければならない。このような回転加速度センサは、特に、マイクロマシン型のものが既知であり、 市販されている。 また、 特に、 差動コンデンサの形態のセンサにおいては、 コンデンサの中間電極が加速度計の慣性振子質量によって形成されるため、 加速度計を直接、測定回路に組み込むことができる。センサ１の増幅された信号は、ＡＤインタフェース２を介して評価ユニット（マイクロコントローラ）３に入力し、下記に詳述する評価アルゴリズムによって処理する。
【００２０】
図３の機能回路図は、基本的に評価アルゴリズムを実行する；この評価アルゴリズムによって、対応するセンサ信号における装置Ｍの特性を予め表出する。ローパスフィルタ10である入力フィルタは、 高周波のノイズを除去することができる。 適当な時点で初期化される積分回路11, 12で２回積分の後、実用上加速度一定と仮定できる信号から、実際の時間ｔと所定のまたは予設定可能な時間間隔τとの和に対する予測回転角度を算出する。この予測される時定数またはルックアヘッド時定数τは、一方では実施すべき安全対策に十分な時間を有し、他方では信頼し得る予測が可能となるように選択しなければならない。予測した回転角度が予設定したまたは予設定可能な最大回転角度を超えるや否や、マイクロコントローラ３からの出力をＤＡ変換する出力インタフェース４を通じて、対応するアクチュエータ増幅器を作動させる。この増幅器は、一方において、特に、速効の半導体スイッチとして仕様した電流遮断器６により装置Ｍの駆動モータ７に対する電流供給を直ちに中断する。他方では、電磁クラッチにより駆動モータ７の回転子と工具８までの駆動巻線の残部との間における接続を解除する。それにより、一方では、追加的な電気エネルギが装置に供給されないことが実現し、他方では、モータ７の回転子が有する運動エネルギの装置Ｍへの伝達を確実に阻止することができる。
【００２１】
回転加速度センサを使用する場合、本発明によるルックアヘッドの概念における数式は、初期条件となる回転角度φ（ｔ）および回転角速度ω（ｔ）の実際値を用いて、ｔ（実時間）から（ｔ＋τ）までの時間間隔中に一定と仮定した加速度ｕ（ｔ）を２回積分することにある。
【数１】

【００２２】
加速度ｕ（ｔ）は回転加速度センサ１によって測定し、例えば、一定の設定値ｕo に対して比較する。ｔから（ｔ＋τ）までのインターバルを次のように仮定する：ｕ（ｔ）＝ｕoそこから、次の式が得られる：
【数２】

【００２３】
実際の回転角度φ（ｔ＋τ）について予め計算した予測値
【外１】

をより正確なものとするためには、加速度ｕ（ｔ）についての仮定をより良好にする必要がある。常に存在する低周波および高周波のノイズによる影響を低減することは、本発明において重要であり、実際にも基本的に不可欠である。
【００２４】
本発明による実際に試された実施例においては、図３のブロック回路図に示すように、積分回路11, 12は帯域を制限した積分回路として構成する。 すなわち、低周波数では、 これらの素子の増幅を有限値に抑制する。 このことは重要である。通常の作業では常に有り得る作業者の緩慢な手の動きは装置Ｍの緊急停止に繋がってはならず、この動きが積分回路11, 12を制御しないためである。さらに、帯域制限した積分回路11，12は、例えば、センサ１として圧電型の加速度センサを使用する例のように、加速度センサ１が可動部分を有しない場合でも回路のドリフトを除去する。
【００２５】
帯域制限された積分回路の算術的な記述は、 通常、 その伝達関数
【数３】

によりパラメータＴ₁ を方程式
【数４】

によって求め、ω_u は積分特性を実現する周波数を示すことで行われる。
【００２６】
典型的な例として、手持ち式ドリル装置を用いて作業する場合、相対的に極めて高い周波数で非常に大きな加速度ピークを発生する。これらのピークによって安全装置の誤作動（電流遮断、クラッチ解除）が生じないためにも、上限周波数ω₀ を超える前記信号部分をフィルタにかけることが有利であり、実際には基本的に不可欠である。センサ１の入力信号の帯域制限は、図３で“ローパスフィルタ”と称するブロック10によって行う。
【００２７】
図４には、本発明により用いるべき使用帯域の表示を伴う回転周波数ωのアルゴリズムの上に、複雑な等級の伝達関数を記入したものを図示している。限界周波数ωu およびωo は、応用例によって異なる。図示した手持ち式ドリル装置の実施例においては、次の概算値が成り立つ：
0.5 Hz＜ωu ＜10 Hz
100 Hz ＜ωu ＜1000 Hz
手持ち式工具装置の他の機種に対応する概算値は、 専門家にとって経験的に容易に決定できる。
【００２８】
図３に示す関数ブロックによる信号評価回路は、ソフトウェアプログラム（図５参照）を使用したマイクロプロセッサを用いるか、あるいはアナログ電子回路（図６参照）として実現可能である。
【００２９】
図５は、例えば、既述のローパスフィルタのような必要なフィルタを含むルックアヘッド回路のブロック20（フィールド１）に掲げたディスクリート・システム方程式を計算するための時間制御型インタラプト・サービス・ルーチンの演算プログラムを示している。この演算プログラムは、定期的に固定周期で使用する。選択した周期についてディスクリート化が必要である。
【００３０】
ブロック21（フィールド30）では、状態値を記憶させる。
【００３１】
ブロック22（フィールド31）では、最初に加速度に対して比例する信号のために、ＡＤインタフェイス２のＡＤ変換器がスタートする。ＡＤ変換が完了すると、信号は直ちに計算機（制御ユニット３）によって読み取る。
【００３２】
ブロック23（フィールド32）では、入力信号に直接依存する量を最終サイクルの計算値に加算する。こうして算出した値ｙは、ブロック24（決定菱形33）で正および・または負の閾値と比較し、必要とあらば、特に、クラッチ５とするアクチュエータを解除する（ブロック25；フィールド34）。
【００３３】
ブロック26, 27（フィールド35, 36）では、指示された条件による次のサイクルの状態値および信号ｙの既算出部分“temp”を算出する。
【００３４】
ブロック28、 したがって最後（フィールド37）には、次ののインタラプトが次の計算ステップ（サイクル）を誘発するまで、様々な別の機能が遂行される背景プログラムにジャンプする。
【００３５】
図３の基本ブロック回路図に対応する図６に示した基本的には同一作動の電子回路について、以下、専門家にとって必要十分な程度に説明する。
【００３６】
加速度に対して比例する電圧信号は入力部J1に供給され、ローパスフィルタU1を経て帯域制限された第１の積分回路U2（図３の積分回路11）に入力し、そこからさらに帯域制限された第２の積分回路U3（図３の積分回路12）に入力する。設定された時定数は、図示実施例においては調整可能なＲＣ素子によって決定する。ローパスフィルタU1と積分回路U2との出力信号は、累積増幅器U4によって直列抵抗で決定したウェートで加算する。 累積増幅器U4の出力信号は、 一方において出力部J2に供給され、他方ではコンパレータU9, U10 においてそれぞれ正負の最大値の超過を監視する。 その際、 図示実施例においては、 反転増幅器U7によって負の最大値を設定することができる。コンパレータU9, U10 の出力信号は、 それぞれ二つのNAND素子から構成した二つのフリップ・フロップFF1, FF2をセットする。 フリップ・フロップFF1, FF2の出力信号は、 ＬＥＤD1, D2によって表示する。さらに、フリップ・フロップFF1, FF2の両方の出力信号はクラッチ５の切り替えに使用する。
【００３７】
手持ち式工具装置における起こり得る回転事故の問題に関し、従来のすべての既知の解決法に比べ、本発明による利点を以下に要約する。すなわち、特に、実装した評価アルゴリズムのマイクロプロセッサとして実現した“ルックアヘッド”または予測的決定の考案により、装置の将来的な特性を予め表出し、装置が過度に大きな回転インパルスを有し、事故が不可避となる前に応応可能となることである。極めて迅速な評価論理により、可能な事故検出およびそれにつづく安全介入の後に任意の作動状態を直ちに回復するために、作業者の要求を正しく解釈することができる。プログラムを通じて永久的または周期的な自己試験（セルフテスト）が容易に実現可能であること、および正確な応応と経年劣化に無関係な解除特性が特に有利である。
【００３８】
本発明を具体的に実施するためには、例えば、下記の素子を必要とする：
− １個の加速度記録計（圧力型、ピエゾ抵抗型、慣性型は、マイクロ電子回路の一部として基礎化および・または統合）；
− 演算増幅器、ダイオード等を用いたアナログ型（図６参照）または適切なプロセス・インタフェースを具えるマイクロプロセッサを用いたデジタル型（図１，５参照）の１個の評価ユニット；
− 駆動モータと工具の接続（例えば、電磁摩擦クラッチ）を中断するための、特に、電流遮断器と結合した１個または複数のアクチュエータ。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、回転事故を回避するために、本発明の考案により必要となる操作を予め計算し、基本的な機能を説明するために示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明を実施するための手持ち式工具装置の一例としたハンマードリルを示す側面図である。
【図３】図３は、センサとしての加速度計を使用して予め信号評価するための回路を示す回路図である。
【図４】図４は、図３に示す機能配列のなかで帯域制限された積分回路の使用における伝達機能の推移を示す図である。
【図５】図５は、マイクロプロセッサによるルックアヘッド信号評価におけるソースコード演算プログラムを示すものである。
【図６】図６は、本発明によるルックアヘッド信号評価のためのプログラム解決に対応する回路の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 回転センサ
3 制御ユニット
5, 6 中断装置
6 電流遮断器
7 駆動モータ
8 工具
10 ローパスフィルタ
11, 12 積分回路

Claims (15)

1. ハンマードリルのような回転式の工具（８）を使用する手持ち式工具装置における工具のかみ付きに伴う事故を回避するための方法であって、回転センサ（１）により検出した作動状態に応じて、駆動モータ（７）の工具（８）に対する作動を中断させるための中断装置（５，６）を用いる手持式工具装置における工具のかみ付き事故の回避方法において、所定の時定数（τ）の時間内での回転センサ（１）が与える回転運動の値から工具装置（Ｍ）の予測回転角度を予め算出し、前記予測回転角度が予設定可能な最大許容回転角度を超えたとき、直ちに中断装置（５，６）を作動させることを特徴とする手持式工具装置における工具の焼付き事故の回避方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記回転センサを回転加速度センサとし、この回転加速度センサの測定値 (ｕ（ｔ））が設定可能な基準値（ｕ₀ ）を超えた場合、この測定値を、前記所定の時定数（τ）の時間長に亘たる２回積分により予測回転角度に変換することを特徴とする方法。
3. 請求項２記載の方法において、前記回転加速度センサからの信号を、積分処理前または積分処理中に帯域制限することを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の方法において、使用帯域の上限周波数ω0 を100 〜1000Hzに選択することを特徴とする方法。
5. 請求項３または４に記載の方法において、使用帯域の下限周波数ω0 を 0.5〜10Hzに選択することを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法において、駆動モータ（７）から工具（８）までの動力伝達系に設けたクラッチを中断装置（５）として使用することを特徴とする方法。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法において、電磁ブレーキを中断装置（５）として使用することを特徴とする方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法において、モータに対する電流供給を中断する電流遮断器（６）を中断装置として使用することを特徴とする方法。
9. 特に、ハンマードリルとする回転式の工具（８）を使用する手持ち式工具装置における工具のかみ付きに伴う事故を回避するための装置であって、回転センサ（１）により検出した作動状態に応じて、駆動モータ（７）の工具（８）に対する作動を中断させるための中断装置（５，６）を装備するものにおいて、評価ユニット（３）を設け、この評価ユニットは、前記回転センサ（１）により供給されるセンサ信号（ｕ（ｔ））を使用して、工具装置に関して所定の時定数（τ）の時間内での予測回転角度を算出し、また、予測回転角度が、予め設定した最大回転角度を超える場合に、インタフェース（４）を介して中断装置（５，６）を作動させるように構成したことを特徴とする装置。
10. 請求項９記載の装置において、前記回転センサが回転加速度計であることを特徴とする装置。
11. 請求項９または１０に記載の装置において、前記中断装置は、駆動モータ（７）と工具（８）との間に配置したクラッチであることを特徴とする装置。
12. 請求項１０記載の装置において、回転加速度計は、圧電型、ピエゾ抵抗型またはマイクロマシン型の加速度計であることを特徴とする装置。
13. 請求項１０記載の装置において、回転加速度計は電子マイクロマシン型の複合チップとして形成し、その振子は差動コンデンサの中央電極を構成することを特徴とする装置。
14. 請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置において、演算装置（３）がカスケード接続された帯域制限型の二つの積分回路（11, 12）を有することを特徴とする装置。
15. 請求項１４記載の装置において、第一の積分回路（11）の入力側にはローパスフィルタ（15）を接続し、演算ユニット（３）で処理された使用周波数帯全体の限界周波数は、帯域 0.5Hz＜ωu ＜10Hzの下限周波数と帯域100Hz ＜ωu ＜1000Hzの上限周波数との間にあることを特徴とする装置。

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