JP5540635B2 - 回転打撃工具 - Google Patents

Description

本発明は、モータにより回転駆動され、間欠的な打撃力を利用してネジやボルト等の締め付け部材を締め付ける回転打撃工具に関する。

ネジやボルト等の締め付けを行う回転打撃工具（動力工具）として、回転力又は回転方向への打撃力を与えて締め付けを行う回転打撃工具が知られている。回転打撃工具の種類としては、特許文献１に記載のように、スプリングやカム機構を用いてハンマ部が軸方向に移動可能な状態で回転し、ハンマがアンビル部に対して１回転する間に１回又は２回打撃する方式のインパクトドライバや、特許文献２のように打撃機構としてオイルパルスユニットを用いた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。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、モータに駆動電力が供給され、トリガスイッチを引く量に比例してモータの駆動力を変化させてモータの回転速度を制御する。オイルパルスユニットでパルス状のトルクが発生すると、先端工具に強い打撃トルクが伝達され、トルクセンサにて毎回の打撃による出力軸のトルクのピーク値が検出される。また出力軸に設けた角度センサにて出力軸の回転角度を検出し、予め設定したねじ締め開始から終了までのピークトルクの目標曲線と測定したピークトルクの差から、ピークトルクが目標トルクに近づくように制御を行う。

特開２００５−３０５５７８号公報 特開平０６−０９１５５２号公報

特許文献２で例示されるようなオイルパルスユニットにおいては、動力源として高圧エアを用いているが、近年、電気モータを用いた回転打撃工具が用いられるようになってきた。電気モータを用いた回転打撃工具では、各打撃におけるピークトルクを検出し、そのピークトルクの大きさに応じて次の打撃時の目標トルク値を設定し、目標トルク値で打撃が行われるようにモータの回転制御を行う。そして、打撃時のピークトルクが締め付け完了の判定値を超えたらモータを停止させる。この制御を行う場合には、トルクセンサを用いて打撃時のピークトルクを正確に検出することが重要であるが、オイルパルスユニットの場合は、その構造上、主打撃によるピークトルクだけでなく、主打撃位置と回転位置で約１８０度離れた地点で出現するトルクによるパルス（本明細書では、この１８０度離れた地点でのトルクパルスを「半パルス」という）が出現するため、主打撃によるピークトルクを正確に識別して制御することが重要である。

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を用いた回転打撃工具において、主打撃による衝撃と、その他の要因に基づく衝撃を正確に識別してモータの回転制御を行う回転打撃工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、ブラシレスモータの位置検出素子の出力を利用して、主打撃による衝撃と、その他の要因に基づく衝撃を識別できるようにした回転打撃工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、衝撃の大きさを検出する検出手段の出力を無視する閾値を設定し、この閾値まで達しない出力をモータの回転制御に用いることを除外することによって、ノイズの影響のない締め付け制御を可能にした回転打撃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に連結され先端工具が装着される出力軸と、オイルパルスユニットにおいて発生された衝撃の大きさを検出する検出手段を有する回転打撃工具において、オイルパルスユニットは打撃位置にて主打撃が行われ、主打撃位置からライナが略１８０度回転した位置でほんの僅かながら高圧室が形成され、前回の主打撃時の検出手段の出力から、今回検出された出力との間のオイルパルスユニットの回転角度を検出し、回転角度が略３６０度の際には今回検出された出力値を採用し、回転角度が略１８０度の際には今回検出された出力値を採用しないようにし、採用された出力値を用いて締め付け制御を行うように構成した。この採用された出力値が、規定の出力値に達した場合には締め付け完了としてモータの回転を停止させる。

本発明の他の特徴によれば、モータは回転位置検出素子を有するブラシレスモータであり、オイルパルスユニットの回転角度は、モータの回転位置検出素子を用いて間接的に検出する。また、検出手段によって検出される出力値の閾値を設け、閾値以下の出力値は採用しないようにした。そして、モータの制御開始或いは制御基準時から、閾値を超えた１番目から３番目の出力値を検出し、１番目から２番目の出力値発生までの時間間隔が、２番目から３番目までの出力値発生までの時間間隔よりも長いときに３番目の出力値を主打撃による出力値と判定し、１番目から２番目の出力値発生までの時間間隔が、２番目から３番目までの出力値発生までの時間間隔よりも短いとき３番目の出力値を半パルスと判定することにより、半パルスによる締め付け制御への影響を除外し、主打撃による出力値のみを用いてモータの回転制御を行うようにした。

本発明のさらに他の特徴によれば、検出手段から検出された信号を処理し、検出信号を用いてモータの回転制御をおこなう制御部を設けた。制御部はマイクロプロセッサを有し、採用された出力値と目標出力値を比較してフィーバック制御をすることによりモータの回転制御を高精度に行う。

請求項１の発明によれば、前回の主打撃時の出力値から、今回検出された出力値間のオイルパルスユニットの回転角度を検出し、回転角度が略３６０度の際には今回検出された出力を採用し、回転角度が略１８０度の際には今回検出された出力を採用しないようにし、採用された出力値を用いて締め付け制御を行うので、衝撃センサ等の検出手段によって検出された半パルスの影響を受けることなく、精度良く締め付けを行うことができる回転打撃工具を実現できる。

請求項２の発明によれば、採用された出力が、規定の出力値に達した場合にモータの回転を停止させるので、主打撃によって確実に締め付けが完了したことを確認した上で作業を終了することができる。

請求項３の発明によれば、モータは回転位置検出素子を有するブラシレスモータであり、オイルパルスユニットの回転角度は、回転位置検出素子を用いて検出するので、先端工具が装着される出力軸に回転角度を検出するセンサを設ける必要がなく、回転打撃工具の大きさを小さくすることができ、また製造のコストダウンを図ることができる。

請求項４の発明によれば、検出手段によって検出する出力値の閾値を設け、閾値以下の出力値は採用しないので、主打撃後のすり抜け時などの小さい出力値による締め付け制御への悪影響を防止することができる。

請求項５の発明によれば、モータの制御開始から閾値を超えた１番目から３番目の出力値を検出し、１番目から２番目の出力値発生までの時間間隔と、２番目から３番目までの出力値発生までの時間間隔を比較することによって３番目の出力を主打撃によるか半パルスによるかを判定するので、既存の検出回路の構成を何ら変えることなく、制御部による制御を替えるだけで本発明による動作を容易に実現できる。

請求項６の発明によれば、検出手段から検出された信号を処理し、検出信号を用いてモータの回転制御をおこなう制御部を有するので、精度の高いモータの回転制御を実現できる。

請求項７の発明によれば、制御部はマイクロプロセッサを有し、採用された出力値と目標出力値を比較してフィーバック制御をするので、目標出力値管理によるモータの回転制御を高精度に実現できる。

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。

本発明の実施例に係るインパクトドライバの全体構成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Ａ−Ａ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。 本発明の実施例に係るモータ３の駆動制御系の構成を示すブロック図である。 回転子位置検出回路４３の出力波形と、その波形を用いたモータ３の回転位置信号との関係を示す図である。 オイルパルスユニット４での打撃のタイミングと時間の関係、それに関連する衝撃センサの出力信号の関係、及び、モータの回転速度との関係を示すグラフである。 本発明の実施例による主打撃による出力ピークを判定する制御を示すフローチャートである（その１）。 本発明の実施例による主打撃による出力ピークを判定する制御を示すフローチャートである（その２）。 本発明の実施例において採用された２つの出力ピークの出現パターンの例を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。本実施例においては回転打撃工具の例としてオイルパルスユニットを用いたインパクトドライバを用いて説明する。また、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は本発明の実施例に係るインパクトドライバの全体を示す断面図である。

インパクトドライバ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のメインシャフト２４に回転力と打撃力を与えることによってドライバビットや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ねじ締め、ナット締め、ボルト締め等の締め付け作業を行う。

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、交流の場合はインパクトドライバ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回転可能に固定され、ハウジング６の筒状の胴体部６ａ内に収容される。ハウジング６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、回転位置検出用基板９ｂの２つの制御基板９が設けられる。モータ制御用基板９ａには、オイルパルスユニット４における打撃の衝撃を検出するための衝撃センサ１２が設けられる。衝撃センサ１２の出力によって、行われた打撃の大きさを検出することができる。尚、オイルパルスユニット４における打撃の大きさを検出する手段は、衝撃センサ１２だけに限られず、モータに流れる電流により衝撃の大きさを検出する手段であっても良い。

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がインパクトドライバ１の出力軸として作用する。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、メインシャフト２４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。メインシャフト２４に強い負荷がかかるとメインシャフト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て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、メインシャフト２４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。メインシャフト２４は、ベアリング１０ｃによりハウジング６の胴体部６ａに回転可能に固定される。本実施例のベアリング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。

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メインシャフト２４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ライナ２１及びローワプレート２２を含む。メインシャフト２４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り付けられるブレードを含んで構成される。

メインシャフト２４はローワプレート２２に貫通されて、ライナ２１、ライナプレート２３及びローワプレート２２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。ローワプレート２２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図示しない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Ａ−Ａ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。

インパクトドライバ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インパクトドライバ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。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。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。本実施例では、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。メインシャフト２４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。先端工具に強い負荷がかかるとメインシャフト２４の回転が止まり、外側のライナ２１が回転を続ける。このライナ２１が回転を続ける状態を示すのが図３である。

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２５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２５ａ、２５ｂ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、前記モータ３の駆動制御系の構成と作用を図４に基づいて説明する。図４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。本実施例では、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６０°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。

インバータ回路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、インバータ回路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、インバータ回路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。

インパクトドライバ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、複数の回転子位置検出回路４３からの信号からモータ３の回転位置を示す位置信号を出力する回路である。衝撃検出回路４５は、衝撃センサ１２の信号を入力とし、打撃により生じた衝撃の大きさを検出して演算部４１に出力する回路である。

制御部４１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、インバータ回路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４８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５を用いて回転子位置検出回路４３の出力波形と、その波形を用いたモータ３の回転位置信号との関係を示す図である。モータ３は３相２極モータであり、Ｕ、Ｖ、Ｗ相用にそれぞれ６０度ずつ離れた３つの位置検出素子４２が設けられる。位置検出素子４２からの出力信号をＡ／Ｄ変換した信号は、矩形波６１〜６３のようになり、それぞれが回転子３ｂの回転角にして９０度毎にＨｉｇｈからＬｏｗに、又は、ＬｏｗからＨｉｇｈに交互に変化する。矩形波形６４はＵ、Ｖ、Ｗ相用の矩形波６１〜６３の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジによって極性反転するパルス波であり、回転子３ｂが３０度ずつ回転する毎に短い間隔の矩形波６４が出現する。この矩形波は位置検出パルスとして用いられるものであり、回転子３ｂが３６０度回転すると、位置検出パルスが１２個出現する。図５においては、回転子３ｂの位置の起点（＝回転角０度、位置信号“１２”）から、３０度回転する毎に矩形波６４がＨｉｇｈ状態となり、回転子３ｂが固定子３ａに対して３６０度回転した時点で１２個目の矩形パルスが出現する。

本実施例におけるオイルパルスユニット４は、その入力部（ライナプレート２３）がモータ３の回転軸に連結されているので、回転子３ｂの回転角とライナ２１の回転は同期しており、これらの回転角は一致する。ライナ２１とメインシャフト２４の回転は図３で示したように完全に同期しているわけではないが、打撃によってメインシャフト２４がある角度だけ回転すると、次の打撃位置に達するまでに回転するライナ２１の回転角（＝回転子３ｂの回転角）は、（３６０度＋打撃によって回転した回転角）となる。

図６は、オイルパルスユニット４での打撃のタイミングと、それに関連する衝撃センサの出力信号、及び、モータの回転速度との関係を示すグラフである。図６においては、横軸は時間の経過であり、３つのグラフの横軸は同じスケールで記載している。図６（１）は時間の経過と打撃時の衝撃センサの出力信号の関係を示すグラフである。衝撃センサの出力ピークは、図３（１）に示すライナ２１の回転角３６０度の位置（主打撃位置）でパルス状に大きく出現する（矢印７１、７３）。また、主打撃の後にライナ２１が若干逆回転し、再びライナ２１が打撃位置を通過するために、僅かながら小さい出力ピーク７１ａが出現する。しかしながら、衝撃検出回路４５で検出する出力信号の閾値Ｎ_１が設定され、その閾値以下の出力ピークは無視されるので、出力ピーク７１ａについては演算部４１での処理には用いられないので、締め付け制御の妨げにはならない。同様にして出力ピーク７３ａも閾値以下であるので無視される。

一方、主打撃からほぼ１８０度回転した位置、即ち図３（５）に示す位置において、出力ピーク７２が出現する。本実施例においては、この出力ピーク７２を、主打撃による主パルスに対応させて「半パルス」と称する。出力ピーク７２は本来ならば締め付け管理のためには不要なものであり無視するのが好ましい。しかしながら、出力ピーク７２は閾値Ｎ_１を超えることが多々あり、自動的に演算部４１での処理から除外するようにするのは難しい。また、出力ピーク７２の存在のために、出力ピーク７１、７３の位置が誤って識別されるおそれがあり、インパクトドライバ１の締め付け制御においては、主打撃の出力ピーク７１、７３の位置を正確に識別しないと締め付け制御が正しくできない恐れがある。

そこで本実施例においては、ある出力ピーク（例えば７１）から、その次に検出される出力ピーク（例えば７２）の間のオイルパルスユニットの回転角度を検出し、この検出結果によってその次に検出される出力ピークが、主打撃による出力ピークか、半パルスかを識別するようにした。図６（２）のグラフは、時間と位置検出パルス７４の出現タイミングを示すものである。位置検出パルス７４は、モータ３及びライナ２１の回転角３０度毎に出現する。位置検出パルス７４は、厳密には図５の６４で示すような矩形波であるが、本図では簡略的に縦線で示している。図６（３）のグラフは、モータ３の回転速度を示すグラフである。

ここで注目すべき点は、主打撃における出力ピーク７１の後に、打撃（矢印７６）によりモータの回転数が大きく減少し、わずかながら逆回転している（矢印７７）ことである。このように逆回転７７が起こることにより、７４ａから７４ｂに至るまでの位置検出パルスの間隔が、他の位置検出パルス間の間隔に比べて顕著に大きくなる。一方、半パルスによる出力ピーク７２では、少ない力の打撃（矢印７８）により僅かながらモータ３の回転速度が低下する（矢印７９）。従って、出力ピーク７２の出現直後の位置検出パルスの間隔（７４ｃ〜７４ｄ）が僅かながら増大する。しかし、間隔ｔ_１は間隔ｔ_２に比べて顕著に大きいので、この間隔ｔ_１、ｔ_２の大きさを順次比較することによって、出現した出力ピークが主打撃によるものか、半パルスによるものなのかを容易に識別することができる。

次に、出現した出力ピークが主打撃によるものか、半パルスによるものなのかを識別するための手順を、図７及び図８のフローチャートを用いてさらに説明する。図７及び図８に示すフローチャートは、例えば、演算部４１に含まれるマイクロプロセッサが、プログラムを実行することによってソフト的に実現される。

図７において、トリガスイッチが引かれたら、モータ３の起動をすると共に、閾値Ｎ_１を設定する（ステップ８１）。閾値Ｎ_１は、図６で説明したように衝撃検出回路４５から出力される信号を演算部４１が採用するか否かを判定する閾値である。次に、出現する出力ピークをカウントするためのカウンタＮに０をセットすることによりクリアし、さらに、トリガ累積時間Ｔ（Ｎ）のカウンタを全クリアする（ステップ８２）。

次に、演算部４１は衝撃検出回路４５から出力される波形をモニタして、閾値Ｎ_１の出力ピークが検出されたら、トリガスイッチ８がＯＮになってからその出力ピークが検出された時までの累積時間Ｔ（Ｎ）（但しこの場合Ｎ＝０）を測定する（ステップ８３）。検出された出力ピークが閾値Ｎ_１以下の場合は、その出力ピークを以降の処理に用いないため、出力ピークとして不採用（ステップ８５）として、ステップ８３に戻る。ステップ８４において、出力ピークが閾値Ｎ_１より大きい場合は、演算部４１は以降の処理に用いるため、その出力ピークを無条件で採用する（ステップ８６）。次に、採用された出力ピークが、カット出力値（締付け材の目標締め付け出力値）に相当する大きさを超えたか否かを判定し（ステップ８７）、超えている場合は締め付け完了としてモータを停止させ（ステップ９８）、締め付け処理を終了する。尚、トリガスイッチ８を引いた直後の最初の出力ピークでカット出力を超えた場合は、締め付け完了したネジやボルトの２度締めである可能性が高いので、図示しないエラー処理によって作業者に警告を発するようにしても良い。

ステップ８７においてカット出力を超えていない場合は、デューティ変更のためのフィードバック制御を行い、演算部４１は、次の打撃時の目標出力を設定し、その目標出力で打撃が行われるようにモータ３の回転を制御する（ステップ８８）。通常、打撃が行われる際には、その打撃によって目標出力に対応する出力ピークが発生されるようにモータ３の回転が制御される。例えば、最初の打撃の目標出力Ｔｒ１は、所定の初期値が設定され、その目標出力Ｔｒ１に応じた制御によって実際の打撃が行われる。実際の打撃におけるピーク出力をＴとすると、そのピーク出力Ｔの大きさを参考にして、さらに次の目標出力Ｔｒ２が計算されて打撃が行なわれる。このように次の打撃を行うのに前回の打撃の強さを反映させて制御する制御がフィードバック制御である。フィードバック制御では、例えば、ステップ８６で採用された出力ピークが目標出力よりも低い場合はデューティ比を増加させるようにし、ステップ８６で採用された出力ピークが目標出力よりも高い場合はデューティ比を減少させるように制御する。

次に、カウンタＮの値を１増加させて（ステップ８９）、次の出力ピークをモニタする（ステップ９０）。次の出力ピークが検出されたら、トリガスイッチ８がＯＮになってからその出力ピークが検出された時までの累積時間Ｔ（Ｎ）（但しこの場合Ｎ＝１）を測定する（ステップ９０）。検出された出力ピークが閾値Ｎ_１以下の場合は、その出力ピークを以降の処理に用いないため、出力ピークとして不採用（ステップ９２）して、ステップ９０に戻る。ステップ９１において、出力ピークが閾値Ｎ_１より大きい場合は、時間差ＴＤ（Ｎ）＝Ｔ（Ｎ）−Ｔ（Ｎ−１）を算出し、同時にＴ（Ｎ−１）からＴ（Ｎ）の間の位置パルス数ＰＮ（Ｎ）をカウントする（ステップ９３）。そして、演算部４１は以降の処理に用いるため、その出力ピークを無条件で採用し（ステップ９４）、その出力ピークの出力値がカット出力を超えたか否かを判定する（ステップ９５）。カット出力を超えた場合は締め付け完了としてモータを停止させて（ステップ９８）、締め付け処理を終了する。カット出力を超えていない場合は（ステップ９５）、演算部４１は、デューティ変更のためのフィードバック制御を行い、次の打撃時の目標出力を設定し、その目標出力で打撃が行われるようにモータ３の回転を制御する（ステップ９６）。

以上のステップ８１から９６の処理により、演算部４１はモータ３の回転を開始してから閾値Ｎ_１を超えた２つの出力ピークを採用したことになる。これら採用された２つの出力ピークは、主打撃時の出力ピークによるものと、半パルスによる出力ピークの可能性があるが、この段階では各出力ピークがどちらに起因するものか判定できない。この状態を説明するのが図９である。

図９は、採用された２つの出力ピークの出現パターンの例を示すグラフであり、図９（１）は、Ｔ（０）及びＴ（１）で採用された２つの出力ピーク１２２、１２４がいずれも主打撃によるものを示す。最初に出現する出力ピーク１２１は、閾値Ｎ_１以下であるためステップ８５により採用されずに無視される。同様に、出力ピーク１２２の次に出現する出力ピーク１２３は、閾値Ｎ_１以下であるためステップ９２により採用されずに無視される。

図９（２）は、Ｔ（０）で採用された出力ピーク１３１が半パルスであって、Ｔ（１）で採用された出力ピーク１３２が主打撃時のものであることを示す。逆に、図９（３）は、Ｔ（０）で採用された出力ピーク１４２が主打撃時のものであって、Ｔ（１）で採用された出力ピーク１４３が半パルスであることを示す。

再び図７に戻り、ステップ９７において演算部４１は、Ｔ（Ｎ−１）からＴ（Ｎ）の間の位置パルス数ＰＮ（Ｎ）（ここではＮ＝１）が９以上であるかを判断する（ステップ９７）。ここで、図９（１）の状態においては、Ｔ（０）時もＴ（１）時の出力ピーク１２２、１２４もいずれも主打撃によるものであるため、回転角度は略３６０度になる。従って、ＰＮ（１）は図５で説明したように１２程度となり、明らかに９以上であるためステップ９７からステップ８２に戻る。図９（１）の出現パターンの場合は、半パルス時のいずれの出力ピーク１２１、１２３、１２５が閾値Ｎ_１以下であるため、閾値Ｎ_１を用いるだけで有効に半パルスを除去できる。

次に、図９（２）の状態、及び、図９（３）の状態においては、Ｔ（０）時又はＴ（１）時の出力ピークの一方が主打撃によるものであり、他方が半パルスによるものであるため、回転角度は略１８０度になる。従って、ＰＮ（１）は６程度となり、明らかに９よりも小さい。その場合は、Ｔ（０）とＴ（１）のいずれ出力ピークが主打撃によるものなのかを判断するために、以降のステップ９９（図８）に進む。

図８のステップ９９において、カウンタＮの値を１増加させて、次の出力ピークをモニタする（ステップ１００）。出力ピークが検出されたら、トリガスイッチ８がＯＮになってからその出力ピークが検出された時までの累積時間Ｔ（Ｎ）（例えばＮ＝２）を測定する（ステップ１００）。ステップ１０１において、検出された出力ピークが閾値Ｎ_１以下の場合は、その出力ピークを以降の処理に用いないため出力ピークとして不採用とし（ステップ１０２）、ステップ１００に戻る。ステップ１０１において、閾値Ｎ_１を超えている場合は、Ｎが３以下であるかを判定する（ステップ１０３）。Ｔ（０）とＴ（１）時の出力ピークを検出された直後においてはＮ＝２であるため、ステップ１０４に進み、Ｔ（Ｎ−１）からＴ（Ｎ）の間の位置パルス数ＰＮ（Ｎ）をカウントする。ここで、ＰＮ（Ｎ）が９以上である場合はステップ１１１に進む。このＰＮ（Ｎ）が９以上ということは、Ｔ（Ｎ−１）とＴ（Ｎ）時の出力ピークは、いずれも主打撃による出力ピークものであると判断できる。尚、Ｔ（Ｎ−１）とＴ（Ｎ）がいずれも半パルス時による出力ピークであっても、ＰＮ（Ｎ）は１２程度となるが、半パルスが２つ続けて閾値Ｎ_１を超えて出現し、その間にある主打撃による出力ピークが閾値Ｎ_１を超えないということは考えられないので、Ｔ（Ｎ−１）とＴ（Ｎ）がいずれも半パルスという可能性は除外して良い。

次にステップ１０３において、Ｎが３未満である場合は、ステップ１０７で時間差ＴＤ（Ｎ）＝Ｔ（Ｎ）−Ｔ（Ｎ−１）を算出し、同時にＴ（Ｎ−１）からＴ（Ｎ）の間の位置パルス数ＰＮ（Ｎ）をカウントする。ここで、図９（２）、（３）の例でＮ＝２の場合は、Ｔ（１）からＴ（２）までのパルス数ＰＮ（２）は６程度となる。従って、ステップ１０８ではＮＯとなって、ステップ１０９に進み、ＴＤ（Ｎ）がＴＤ（Ｎ−１）より小さいか否かを判定する。

Ｎ＝２で図９（２）の場合は明らかにＴＤ（２）＞ＴＤ（１）となるため、Ｔ（２）に出現した出力ピーク１３３は半パルスであると判定し、出力ピーク１３３を出力ピークであると採用しないでステップ１００に戻る（ステップ１０７）。また、ステップ１００に戻った後に、次の出力ピーク１３４は位置パルス数ＰＮ（２）が１２程度となるため出力ピーク１３４はステップ１１１で直ちに主打撃による出力ピークであるものとして採用される。

一方、Ｎ＝２で図９（３）の場合は、ステップ１０９において明らかにＴＤ（２）＜ＴＤ（１）となるため、Ｔ（２）に出現した出力ピーク１４４は主打撃によるものとして採用する（ステップ１１１）。次に、採用された出力ピークに対応する出力値を算出し、その値がカット出力を超えたか否かを判定し（ステップ１１２）、超えていなかったら、演算部４１はデューティ変更のためのフィードバック制御を行いステップ９９に戻る（ステップ１１３）。ステップ１１２においてカット出力を超えている場合は、締め付け完了を意味するので、モータ３の回転を停止させて処理を終了する（ステップ１１４）。

以上説明したように本実施例によれば、毎回の主打撃による打撃センサの出力ピークを検出し、この出力ピークに基づいてモータの回転数を制御する。これにより回転の開始段階において効果的に、主打撃による出力ピークと、半パルスによる出力ピークを識別できるので、回転打撃工具の精度の良い締め付け制御を行うことができる。また、本実施例によれば出力ピークの閾値Ｎ_１の設定によって半パルスを除外できなくても主打撃によるピークパルスの出現を正確に判別できるので、回転打撃工具の回転制御及び締め付け精度の信頼性を向上させることができる。

以上、本発明を示す実施例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、本実施例では回転打撃工具の例としてオイルパルスユニットを用いたインパクトドライバの例で説明したが、これだけに限られずに、オイルパルス、油圧式パルスを用いたインパクトレンチ、インパルスレンチ、ドライバ等の回転打撃工具においても同様に適用できる。また、上述の実施例においてはインパクト機構の駆動源として、ブラシレス直流モータを用いた例を説明したが、ブラシ付き直流モータであっても、エアモータ等のその他の駆動源による回転打撃工具であっても同様に適用できる。

１ インパクトドライバ 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
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 回転位置検出用基板
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ ベアリング １２ 衝撃センサ
１４ スイッチ回路基板 １６ メタル １７ 冷却ファンユニット
２１ ライナ ２２ ローワプレート 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
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 衝撃検出回路 ４６ 制御信号出力回路
４７ インバータ回路 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
６１〜６４ 矩形波
７０〜７３ （主打撃パルスによる）出力ピーク
７０、７２ （半パルスによる）出力ピーク
７４、７４ａ〜７４ｄ 位置検出パルス
１２１〜１２６ 出力ピーク １３１〜１３６ 出力ピーク
１４１〜１４６ 出力ピーク

Claims (8)

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に連結され先端工具が装着される出力軸と、前記オイルパルスユニットにおいて発生された衝撃の大きさを検出する検出手段を有する回転打撃工具において、
   前記オイルパルスユニットは打撃位置にて主打撃が行われ、主打撃位置からライナが略１８０度回転した位置でほんの僅かながら高圧室が形成され、
   前回の主打撃時の前記検出手段の出力から、今回検出された出力との間の前記オイルパルスユニットの回転角度を検出し、
   前記回転角度が略３６０度の際には今回検出された出力値を採用し、前記回転角度が略１８０度の際には今回検出された出力値を採用しないようにし、
   前記採用された出力値を用いて締め付け制御を行うことを特徴とする回転打撃工具。
2. 前記採用された出力値が、規定の出力値に達した場合に前記モータの回転を停止させることを特徴とする請求項１に記載の回転打撃工具。
3. 前記モータは回転位置検出素子を有するブラシレスモータであり、
   前記オイルパルスユニットの回転角度は、前記回転位置検出素子を用いて検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転打撃工具。
4. 前記検出手段によって検出される出力値の閾値を設け、該閾値以下の出力値は採用しないことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転打撃工具。
5. 前記モータの制御開始から前記閾値を超えた１番目から３番目の出力値を検出し、
   前記１番目から前記２番目の出力値発生までの時間間隔が、前記２番目から前記３番目までの出力値発生までの時間間隔よりも長いときに前記３番目の出力値を主打撃による出力値と判定し、
   前記１番目から前記２番目の出力値発生までの時間間隔が、前記２番目から前記３番目までの出力値発生までの時間間隔よりも短いとき前記３番目の出力値を半パルスと判定し、
   主打撃による出力値を用いて締め付け制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の回転打撃工具。
6. 前記検出手段から検出された信号を処理し、該検出信号を用いて前記モータの回転制御をおこなう制御部を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転打撃工具。
7. 前記制御部はマイクロプロセッサを有し、
   前記採用された出力値と目標出力値を比較してフィーバック制御をすることにより前記モータの回転制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の回転打撃工具。
8. モータと、
   オイルが充填され該モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、
   前記オイルパルスユニットにおいて発生された衝撃を検出する検出手段と、を有する回転打撃工具において、
   前記オイルパルスユニットはオイルを密閉する密閉位置と、前記密閉位置以外の開放位置とを有し、
   前記密閉位置において、前記検出手段からの信号の出力ピークが目標締めつけ出力値より大きい場合に前記モータを停止し、
   前記開放位置においては、前記検出手段からの信号の出力ピークが前記目標締めつけ出力値より大きい場合でも前記モータの回転を継続することを特徴とする回転打撃工具。

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