JP4412377B2 - インパクト回転工具 - Google Patents

Description

本発明は、ボルトやナットなどのねじ類の締付け（及び緩め）作業に使用するインパクトレンチやインパクトドライバのようなインパクト回転工具に関するものである。

インパクト回転工具は、モータ出力で回転させるハンマによって出力軸（アンビル）に回転方向の打撃衝撃を与えることで締付けを行うもので、高速回転・高トルクという作業性の良さから、建築現場や組立工場などで幅広く使われているが、このようなインパクト回転工具において、所望の締付けトルクに達すれば自動停止するシャットオフ機能を設けるにあたり、上記の打撃の回数をカウントしてこの打撃回数が所望の締付けトルクに対応する回数に達したかどうかで制御するものが特許文献１に示されている。

ところで、インパクト回転工具の最大締付け力は駆動電源の電圧に依存することになる上記ハンマの回転速度（モータの回転速度）で決定されてしまう。このために上記の打撃回数のみを利用してシャットオフを行う場合、駆動電源が電池であって連続した作業によって電池電圧が徐々に低下した時、締付けトルクも徐々に低下してしまうことになり、工場等の主にボルト・ナット等の締付けトルクの管理が必要な工程でその管理ができなくなってしまう。
特開平５−２００６７７号公報

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、駆動電源の電圧が低下した場合も安定した締付けトルクでの締付けを行う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。

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、
モータ出力によって出力軸に打撃衝撃を加えるインパクト機構と、該インパクト機構による打撃を検出する打撃検出手段と、モータの回転角を検出する回転角検出手段と、打撃検出手段で得られる打撃間隔と回転角検出手段によるモータ回転角とから打撃速度を演算する打撃速度検出手段と、前記打撃検出手段で検出された打撃数をカウントして所定打撃数になればモータを停止させる制御手段とを備えるとともに、上記制御手段は上記打撃速度検出手段で得られた打撃速度が所定打撃速度以下である時に上記所定打撃数を補正するものであることに特徴を有している。電源電圧が低下した時には打撃速度も低下することから、この打撃速度の低下があった時には所定打撃数を補正することで締付けトルク不足の発生を防ぐものである。

上記制御手段は、上記所定打撃速度から演算される打撃エネルギーと、検出した打撃速度から演算される打撃エネルギーとの差に所定打撃数を乗算した値を不足打撃エネルギーとしてこの不足打撃エネルギーを不足打撃数に換算し、前記所定打撃数に前記不足打撃数を加算して打撃数の補正を行うものが好ましい。より精度の高い補正をコストアップを招くことなく行うことができる。

また、前記制御手段は、検出した打撃速度が上記所定打撃速度以下の第２の所定打撃速度より低い時、モータを停止するとともに締付けトルク異常の発生報知を行うものであったり、モータを停止するとともにモータ起動を不可とするものであると、締付けトルク不足の発生を防ぐことができる。

インパクト回転工具においては、電池電圧の低下に伴って同じ打撃回数でも締付けトルクは１打撃の打撃エネルギーが減少するために減少してしまうが、１打撃の打撃エネルギーは打撃速度と相関があるために、この打撃速度を検出し、この打撃速度に応じて打撃数を補正するものであり、このために安定した締付けトルクを実現できて、工場等の締付けトルク管理が必要な作業において有効である。

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２中の１は駆動源であるモータであり、その回転出力は減速機２によって減速されて駆動軸３に伝達される。この駆動軸３にはハンマー４がカム機構（図示せず）を介して連結されている。また、ハンマー４は出力軸を備えるアンビル５と係合しているとともに、ばね６によってアンビル５側に向けて付勢されており、これらハンマー４とアンビル５とばね６及び上記カム機構でインパクト機構が構成されている。

ハンマー４とアンビル５とはばね６による付勢で係合していることから、アンビル５側に負荷がかかっていない時、モータ１の回転をハンマー４はそのままアンビル５側に伝達している。しかし、負荷トルクが大きくなれば、ハンマー４がばね６に抗して後退し、この後退によってアンビル５とハンマー４との係合が外れたならば、上記ばね６による付勢と上記カム機構による誘導でハンマー４は回転しながら前進してアンビル５に回転方向の打撃衝撃（インパクト）を加える。

図２中の１０は制御回路、１１はモータ駆動回路、１２は駆動電源である充電池、１３はトリガスイッチであり、該トリガスイッチ１３の操作によりモータ１のオンオフがなされるとともにその操作量に応じてモータ１の回転数が調整される。

また、このインパクト回転工具においては、ハンマ４によるアンビル５の打撃がなされた時にこれを検出する打撃検出手段２１と、上記モータ１の回転角を検出する回転角検出手段２２と、着座検出手段２３と、打撃速度検出手段２４とを備えている。なお、着座検出手段２３と打撃速度検出手段２４は本例では制御回路１０における演算部で構成している。

打撃検出手段２１は打撃音をとらえるマイク、あるいは打撃衝撃を感知する加速度センサ等で構成されるもので、打撃衝撃が加えられたタイミングを検出する。

回転角検出手段２２はモータ１の回転角を検出するもので、モータ１がブラシモータの場合はモータ１に付加する回転センサ（例えば周波数ジェネレータ）であり、モータ１がブラシレスモータの場合はロータの位置を検出する位置検出センサ（ホール素子）等で構成する。

着座検出手段２３は、ねじまたはボルトの頭部が被締付け部材に接する着座を検出するためのもので、モータ１の回転速度と打撃間のモータ回転量とから締付けトルクを推定して、この推定締付けトルクが所定値に達したかどうかで検出するものとしている。

なお、本発明では着座については上記の演算によって求める推定締付けトルクに基づいて判定を行い、最終の締付けトルクは着座後の打撃数をカウントすることで判定しているが、この理由は後述する。

上記着座検出手段２３による締付けトルクの推定は、１打撃ごとの運動エネルギーの収支をもとにしたもので、ハンマ４の打撃がアンビル５に与えるエネルギーと、締付けで消費されたエネルギーとが略等しいという関係を利用したもので、今、部材によって決定される着座付近のねじの回転角度θと締付けトルクＴの関係が図３のような関数Ｔ＝τ（θ）で表せるとし、ハンマ４による打撃がアンビル回転角θ1・・・θNの各地点で発生したものとすると、関数τを区間〔θ1，θ2〕で積分した値Ｅ１は、締付け作業に消費されたエネルギーであり、θ1地点でハンマ４がアンビル５を打撃してアンビル５に与えたエネルギーに等しいことになる。従って区間〔θN+1，θN〕における平均の締付けトルクＴはエネルギーＥnと打撃間回転角θn＝(θn＋1−θn)とから、
Ｔ＝Ｅn／θn …（１）
と求めることができる。

上記エネルギーＥnは、前記打撃速度検出手段２４が打撃間のアンビル回転角を打撃間隔で除す演算を行うことによって得る打撃速度ωnと、既知であるアンビル５の慣性モーメントＪaとから、
Ｅn＝１／２×Ｊa×ωn² …（２）
と求めることができる。なお、アンビル回転角θは、ここでは打撃間のモータ回転角と減速機２の減速比及びハンマ４が１回転する間にアンビル５を何回打撃するかの関係から算出している。

図４にボルト締付け時のトルク変化を示す。金属締結のためのボルト締付け作業の場合、図から明らかなように、打撃衝撃の印加毎に締付けトルクは徐々に上昇していく。また、打撃衝撃毎のボルトの回転角は徐々に減少していき、最終的には微小な角度変化になってしまう。前記の推定締付けトルクＴを求める演算では、打撃衝撃毎のボルト（アンビル５）の回転角を用いているために、この回転角が微小で変化の小さい領域になると、誤差が大きくなって、実際の締付けトルク（図中イ）とは異なる締付けトルク（図中ロ）が推定されることになる。高精度、高分解能の回転角センサをアンビル５に取り付けてもよいが、工具自体が大きく重くなり、作業性能を大きく悪化させる上に、構成も複雑になって高価になってしまう。

一方、着座したかどうかを打撃数に基づいて判定することは難しく、上記推定締付けトルクを基に判定する方が精度が高くなる上に、着座するまでは打撃衝撃毎のボルトの回転角の精度の高い検出も容易であることから、ここでは前述のようにして求めている推定締付けトルクＴが予め設定した所定値Ｔs以上になった時を着座と判定し、最終の締付けトルクは着座後の打撃数が所望の締付けトルクに対応する所定打撃数になったかどうかで判定するものとしている。着座後はボルトが安定した締付け状態になるために図５に示すように締付けトルクも安定したものとなる。

ここにおいて、打撃数を基に目標締付けトルクに達したかどうかを判定する場合、その繰り返し精度は前述のように電源電圧の低下により悪化してしまう。ちなみに図６は同一打撃数での締付けトルクと電池電圧の関係を示している。

このために打撃数をカウントしてこの打撃数が目標締付けトルクに対応する所定打撃数に達した時にシャットオフを行う制御を行うにあたり、前記式（２）中の打撃速度ωnを監視し、この打撃速度ωnに応じて所定打撃数を補正するものとしている。

すなわち、図１において、ステップＳ１０４が着座判定、ステップＳ１０５〜Ｓ１１０が打撃数に基づくシャットオフ動作を示しており、着座と判定されれば、制御手段１０は打撃検出手段２３が検出する打撃信号で打撃数をカウントする。

そして、所定打撃数で停止する前の打撃速度が第１の所定打撃速度（本来電池電圧が正常な場合での打撃速度）以上であれば、打撃数が所定打撃数に達した時点（Ｓ１１２）でシャットオフ動作に移るが、上記打撃速度が第１の所定打撃速度未満であれば、所定打撃数の補正を行う。

この補正は、第１の所定打撃速度から演算される打撃エネルギーと、検出演算で求めた打撃速度から演算される打撃エネルギーの差に所定打撃数を乗算した値を不足打撃エネルギーとし、この不足打撃エネルギーを不足打撃数に変換して、前記所定打撃数に不足打撃数を加算して補正打撃数を求めることで行っており、そして打撃数が補正打撃数に至れば（Ｓ１０９）モータ１を停止させてシャットオフを行っている。ちなみに上記不足打撃エネルギーの算出（不足打撃エネルギー＝（（第１の所定打撃速度）²−（実際の打撃速度）²）×所定設定打撃数）は、打撃間回転角が微小でほぼ一定である場合、打撃速度の２乗が締付けトルクに比例すると考えられることに基づいたものであり、不足打撃エネルギーからの不足打撃数の変換は、
不足打撃数＝補正係数×不足打撃エネルギー÷（実際の打撃速度）²
によって行っている。打撃速度が低くなればなるほど不足打撃数も多くなるために、より精度の高い補正を行うことができる。上記補正係数はインパクト回転工具によって異なる任意の定数である。

なお、検出された打撃速度があまりにも低いと、図７に示すように、打撃数を補正しても目標とする締付けトルクに達することができなくなるために、図１のフローチャートには示していないが、補正打撃数の打撃を行っても目標締付けトルクが実現できなくなる第２の所定打撃速度Ｓ２（図７参照：第２の所定打撃速度Ｓ２＜第１の所定打撃速度Ｓ１）以下の打撃速度となってしまった時には、モータ１を停止するとともに、作業者に図２に示す報知手段１４によって光もしくは音（ブザー）等で電源電圧が不足していることを報知して電池交換を促すものとするのが好ましい。また、電池交換がなされるまではモータ１を起動させることができないようにしておくと、締付けトルク不足による作業不良を確実に防止することができる。

本発明の実施の形態の一例の動作を示すフローチャートである。 同上のブロック図である。 同上の締付けトルクと回転角の関係の説明図である。 同上の締付けトルクと回転角及び推定締付けトルクの関係の説明図である。 同上の締付けトルクと回転角及び打撃数の関係の説明図である。 同上の締付けトルクと電池電圧の関係の説明図である。 同上の締付けトルクと打撃速度の関係の説明図である。

１ モータ
４ ハンマー
５ アンビル
１０ 制御回路
２１ 打撃検出手段
２２ 回転角検出手段
２４ 打撃速度検出手段

Claims (4)

1. モータ出力によって出力軸に打撃衝撃を加えるインパクト機構と、該インパクト機構による打撃を検出する打撃検出手段と、モータの回転角を検出する回転角検出手段と、打撃検出手段で得られる打撃間隔と回転角検出手段によるモータ回転角とから打撃速度を演算する打撃速度検出手段と、前記打撃検出手段で検出された打撃数をカウントして所定打撃数になればモータを停止させる制御手段とを備えるとともに、上記制御手段は上記打撃速度検出手段で得られた打撃速度が所定打撃速度以下である時に上記所定打撃数を補正するものであることを特徴とするインパクト回転工具。
2. 上記制御手段は、上記所定打撃速度から演算される打撃エネルギーと、検出した打撃速度から演算される打撃エネルギーとの差に所定打撃数を乗算した値を不足打撃エネルギーとしてこの不足打撃エネルギーを不足打撃数に換算し、前記所定打撃数に前記不足打撃数を加算して打撃数の補正を行うものであることを特徴とするインパクト回転工具。
3. 前記制御手段は、検出した打撃速度が上記所定打撃速度以下の第２の所定打撃速度より低い時、モータを停止するとともに締付けトルク異常の発生報知を行う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。
4. 前記制御手段は、検出した打撃速度が上記所定打撃速度以下の第２の所定打撃速度より低い時、モータを停止するとともにモータ起動を不可とする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。

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