JP7129638B2 - 信号処理装置及び電動工具 - Google Patents

Description

本開示は、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた電動工具のための信号処理装置と、当該信号処理装置を備えた電動工具とに関する。

インパクトドライバー及びインパクトレンチなど、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた電動工具（以下、「インパクト電動工具」ともいう）が知られている。

特許文献１は、ハンマーをモータで回転駆動し、ハンマーによる打撃トルクを締付対象物に加えて締付トルクを発生させるインパクト電動工具を開示している。

特開２００８－０８３００２号公報

インパクト電動工具には、回転体にかかるトルクに基づいてモータなどの駆動装置を制御するものがある。しかしながら、インパクト電動工具に内蔵されたトルクセンサにより回転体にかかるトルクを測定するとき、トルクを示すトルク値信号は、インパクト電動工具の回転体に与えられる打撃に起因するノイズ成分（トルク値に寄与しない成分）を含み、「トルク値信号」と呼ばれる。このノイズ成分に起因して、駆動装置を正確に制御できなくなるおそれがある。従って、インパクト電動工具の回転体にかかるトルクを測定するとき、正確なトルク値信号を得ることが求められる。

本開示の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高い精度のトルク値信号を発生することができる信号処理装置、及び当該信号処理装置を備えた電動工具を提供することにある。

本開示の一態様に係る信号処理装置によれば、
電動工具のトルクセンサからのトルク値信号をフィルタにより平滑化処理することで、モータを制御するためのモータ制御信号を発生する信号処理装置であって、
前記トルク値信号の半値幅を検出する半値幅検出回路と、
前記検出されたトルク値信号の半値幅に基づいて、前記電動工具の打撃数に応じて前記フィルタのカットオフ周波数を可変制御する演算回路とを備えたことを特徴とする。

従って、本開示に係る信号処理装置によれば、従来技術に比較して高い精度のトルク値信号を発生することができる。

実施形態に係るインパクト電動工具のテストモード時の構成例を示す概略ブロック図である。 図１のテストモード用信号処理装置１０Ａにより実行されるテストモード信号処理を示すフローチャートである。 図１のインパクト電動工具におけるカットオフ周波数ｆｃに対する打撃数特性の一例を示すグラフである。 実施形態に係るカットオフ周波数ｆｃの決定方法を説明するためのグラフである。 １打目におけるトルク値信号の波形図である。 ４４打目におけるトルク値信号の波形図である。 ８４打目におけるトルク値信号の波形図である。 実施形態に係るトルク値信号のフィルタリングを示すグラフである。 実施形態に従って決定されたカットオフ周波数ｆｃを用いてフィルタリングされたトルク値信号と、実測されたトルク値信号とを比較するグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数ｆｃの決定方法を説明するためのグラフであり、１打目におけるトルク値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数ｆｃの決定方法を説明するためのグラフであり、５打目におけるトルク値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数ｆｃの決定方法を説明するためのグラフであり、１０打目におけるトルク値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数ｆｃの決定方法を説明するためのグラフであり、２０打目におけるトルク値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数ｆｃの決定方法を説明するためのグラフであり、３０打目におけるトルク値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 変形例に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号のカットオフ周波数ｆｃの決定方法を説明するためのグラフであり、４０打目におけるトルク値信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 実施形態に係るインパクト電動工具の動作モード時の構成例を示す概略ブロック図である。 図１６の動作モード用信号処理装置１０の構成例を示すブロック図である。 実施形態に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号Ｓｔと平滑化処理されたトルク値信号Ｓｔｓとその半値幅Ｂｓを示すトルク値信号の波形図である。 実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Ｈに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Ｂｓ及びピーク値Ｓｐを示すグラフである。 実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Ｈに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Ｂｓ及びピーク値Ｓｐを示すグラフである。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、図面において、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

まず、実施形態に係るテストモード時のインパクト電動工具の構成及び動作について以下に説明する。

図１は、実施形態に係るインパクト電動工具のテストモード時の構成例を示す概略ブロック図である。図１において、インパクト電動工具は、モータ１と、減速機構２と、ハンマー３と、アンビル４と、シャフト５と、トルクセンサ６と、衝撃センサ７と、スプリットリング８と、内部メモリ１０ｍを有するテストモード用信号処理装置１０Ａと、入力装置１１Ａと、表示装置１２Ａとを備える。図１のインパクト電動工具は、テストモード用信号処理装置１０Ａからのテストモードのモータ制御信号を駆動信号としてモータ１に与えることで打撃により回転する回転体を備えたインパクトドライバー等である。

なお、テストモード用信号処理装置１０Ａ及び後述する動作モード用信号処理装置１０は例えばデジタル計算機などのコントローラで構成され、テストモード用信号処理装置１０Ａは動作モード用信号処理装置１０に内蔵してもよい。

アンビル４及びシャフト５は一体的に形成される。シャフト５の先端（アンビル４とは逆の端部）には、ドライバービットを収容するビットホルダ（図示せず）が設けられる。減速機構２は、モータ１によって発生された回転を減速してハンマー３に伝達する。ハンマー３は、アンビル４に打撃力を与えることによりアンビル４及びシャフト５を回転させる。

シャフト５には、トルクセンサ６及び衝撃センサ７が固定される。トルクセンサ６は、シャフト５にかかるトルクを検出し、検出されたトルクを示すトルク値信号Ｓｔを出力する。トルクセンサ６は、例えば、歪みセンサ又は磁歪センサなどを含む。衝撃センサ７は、アンビル４及びシャフト５に与えられた打撃によりシャフト５にかかる衝撃を検出し、検出された衝撃をパルスとして示す衝撃パルスを出力する。衝撃センサ７は、例えば、加速度センサ又はマイクロホンなどを含む。

スプリットリング８は、トルク値信号Ｓｔ及び衝撃パルスを、シャフト５から、工具の非可動部分に設けられた信号処理装置１０Ａに伝送する。

入力装置１１Ａは、工具の動作に関する追加パラメータを示すユーザ設定値をユーザから受けて信号処理装置１０Ａに送る。追加パラメータは、例えば、工具のソケットの種類、締結対象物の種類、及びボルト直径のうちの少なくとも１つを含む。ソケットの種類は、例えば、４０ｍｍ、２５０ｍｍなどのソケット長を含む。締結対象物の種類は、例えば、ハードジョイント及びソフトジョイントを含む。ボルト直径は、例えば、Ｍ８、Ｍ１２、Ｍ１４などを含む。表示装置１２Ａは、工具の状態、例えば、入力されたユーザ設定値、シャフト５にかかるトルク、などを表示する。信号処理装置１０Ａは、トルク値信号Ｓｔ、衝撃パルス、及びユーザ設定値に基づいてモータ１を駆動制御する。モータ１は、信号処理装置１０Ａの制御下でアンビル４及びシャフト５に打撃を与える。

本開示において、アンビル４、シャフト５、及びビットホルダ（図示せず）を「回転体」ともいう。また、本開示において、モータ１、減速機構２、及びハンマー３を「駆動装置」ともいう。

図２は、図１のテストモード用信号処理装置１０Ａにより実行されるテストモード信号処理を示すフローチャートである。また、図３は図１のインパクト電動工具におけるカットオフ周波数ｆｃに対する打撃数特性の一例を示すグラフである。なお、カットオフ周波数ｆｃは、後述する図１７のデジタルローパスフィルタ（デジタルＬＰＦ）２２のカットオフ周波数ｆｃであって、デジタルローパスフィルタ２２は、打撃波形を含むトルク値信号Ｓｔから、打撃波形のノイズ成分を除去するための平滑化処理を行う。また、発明者らの実験によれば、打撃数Ｈに対するカットオフ周波数ｆｃは、図３に示すように、打撃数Ｈの増加に伴って高くなり、所定のしきい値打撃数Ｈｔｈにおいてほぼ一定になって（このとき、後述するように、トルク値信号Ｓｔの半値幅も一定になる）飽和する特性を有する。

図２のステップＳ１において、テスト対象のインパクト回転工具について、複数回の打撃を行って、衝撃センサ７からの衝撃パルスの計数値である打撃数Ｈに対する、トルクセンサ６からのトルク値信号（打撃波形を含む）Ｓｔの波形データを取り込み、内部メモリ１０ｍに格納する。次いで、ステップＳ２において、複数回の打撃によるトルク値信号Ｓｔの波形データに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行って、詳細後述する方法により打撃数Ｈに対するカットオフ周波数特性を得る。

さらに、ステップＳ３において、上記打撃数Ｈに対するカットオフ周波数特性（図３）から、トルク値信号Ｓｔの波形データの半値幅Ｂｓが一定となるしきい値打撃数Ｈｔｈ（図３参照）を得て内部メモリ１０ｍに設定する。ステップＳ４では、上記打撃数Ｈに対するカットオフ周波数特性において、しきい値打撃数Ｈｔｈを境界として、図３に示すように、
（１）打撃開始からしきい値打撃数Ｈｔｈまでの近似式ＥＱ１と、
（２）しきい値打撃数Ｈｔｈから打撃終了までの近似式ＥＱ２と
により直線近似を行って、これらの近似式ＥＱ１，ＥＱ２を計算して内部メモリ１０ｍに格納し、当該テストモード信号処理を終了する。

本実施形態では、詳細後述するように、トルク値信号Ｓｔの半値幅Ｂｓが一定となるまでは近似式ＥＱ１を用いてカットオフ周波数ｆｃを決定する一方、トルク値信号Ｓｔの半値幅Ｂｓが一定になったら（打撃数Ｈが所定のしきい値打撃数Ｈｔｈを超えたら）近似式ＥＱ２を用いてカットオフ周波数ｆｃを決定することを特徴としている。

図４は、実施形態に係るカットオフ周波数ｆｃの決定方法を詳細説明するためのグラフである。実施形態では、カットオフ周波数ｆｃは、トルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルのピークに対して予め決められた信号レベル、図４の例では１６ｄＢだけ低下するときの周波数に設定される。前述のように、ある１つのネジ又はボルトをインパクトドライバーにより締結するとき、締結開始時からカウントした打撃数が増大するにつれて、トルク値信号Ｓｔにおけるより高域側の周波数成分が次第に増大する。従って、打撃数が増大するにつれて、カットオフ周波数ｆｃも増大する。

図５は、１打目におけるトルク値信号Ｓｔの波形図である。図６は、４４打目におけるトルク値信号Ｓｔの波形図である。図７は、８４打目におけるトルク値信号Ｓｔの波形図である。図５～図７の場合、ユーザ設定値として、ソケット種類「ソケット長４０ｍｍ」、締結対象物「ハードジョイント」、及びボルト直径「Ｍ１４」を使用した。図５～図７によれば、打撃数が増大するにつれて、衝撃継続時間が短くなることがわかる。また、このとき、打撃数が増大するにつれて、トルク値信号Ｓｔにおけるより高域側の周波数成分が次第に増大している。

図８は、実施形態に係るトルク値信号Ｓｔのフィルタリングを示すグラフである。上述のように決定されたカットオフ周波数ｆｃを用いて、ノイズ成分を低減するようにフィルタリングされたトルク値信号Ｓｔｓが得られる。

図９は、実施形態に従って決定されたカットオフ周波数ｆｃを用いてフィルタリングされたトルク値信号Ｓｔｓと、実測されたトルク値信号Ｓｔとを比較するグラフである。図９のグラフは、毎秒４０回の打撃をアンビル４及びシャフト５に与えたときのトルク値信号Ｓｔの値を示す。実線は、外部の測定器により実測されたトルク値を示す。三角形のプロットは、１０打目、２０打目、…、９０打目におけるフィルタリングされたトルク値信号Ｓｔの値を示す。破線は、フィルタリングされたトルク値信号Ｓｔの値の近似式：ｙ＝ａ×ｌｎ（ｘ）＋ｂを示す。ここで、ｘは時間（打撃数に対応する）を示し、ｙは電圧を示し、ａ及びｂは追加パラメータに応じて変化する係数を示す。図９によれば、フィルタリングされたトルク値信号Ｓｔの値は、実測されたトルク値によく一致していることがわかる。

変形例．
フィルタ２２のカットオフ周波数は、上述したものとは異なる基準により決定されてもよい。

図１０～図１５は、変形例に係る工具におけるトルク値信号Ｓｔのカットオフ周波数の決定方法を説明するためのグラフである。図１０は、１打目におけるトルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルを示すグラフである。図１１は、５打目におけるトルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルを示すグラフである。図１２は、１０打目におけるトルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルを示すグラフである。図１３は、２０打目におけるトルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルを示すグラフである。図１４は、３０打目におけるトルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルを示すグラフである。図１５は、４０打目におけるトルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルを示すグラフである。前述のように、ある１つのネジ又はボルトをインパクトドライバーにより締結するとき、締結開始時からカウントした打撃数が増大するにつれて、トルク値信号Ｓｔにおけるより高域側の周波数成分が次第に増大する。変形例では、カットオフ周波数ｆｃは、トルク値信号Ｓｔの周波数スペクトルにおいて低域から高域に探索して信号レベルが最初の極小値になるときの周波数に設定される。

次いで、実施形態に係るインパクト電動工具の動作モード時の構成及び動作について以下に説明する。

図１６は実施形態に係るインパクト電動工具の動作モード時の構成例を示す概略ブロック図である。図１６において、インパクト電動工具は、モータ１と、減速機構２と、ハンマー３と、アンビル４と、シャフト５と、トルクセンサ６と、衝撃センサ７と、スプリットリング８と、内部メモリ１０ｍを有する動作モード用信号処理装置１０と、入力装置１１と、表示装置１２とを備える。図１６のインパクト電動工具は、図１のインパクト電動工具に比較して、テストモード用信号処理装置１０Ａ、入力装置１１Ａ、及び表示装置１２Ａに代えて、動作モード用信号処理装置１０、入力装置１１、及び表示装置１２を備えたことを特徴としている。以下、相違点について説明する。

図１７は図１６の動作モード用信号処理装置１０の構成例を示すブロック図である。図１８は実施形態に係るインパクト電動工具におけるトルク値信号Ｓｔと平滑化処理されたトルク値信号Ｓｔｓとその半値幅Ｂｓを示すトルク値信号の波形図である。

図１７において、動作モード用信号処理装置１０は、アナログローパスフィルタ（アナログＬＰＦ）２０と、半値幅検出回路２１と、デジタルローパスフィルタ（デジタルＬＰＦ）２２と、カットオフ周波数演算回路２３と、モータ停止制御部２４Ａを含むモータ制御回路２４と、カウンタ２５と、内部メモリ１０ｍとを備える。なお、内部メモリ１０ｍには、テストモードで決定された以下のデータが予め格納される。
（１）打撃開始からしきい値打撃数Ｈｔｈまで（図１８の半値幅Ｂｓが一定になるまで）の打撃数Ｈに対するカットオフ周波数ｆｃを表す近似式ＥＱ１；及び
（２）しきい値打撃数Ｈｔｈから打撃終了まで（図１８の半値幅Ｂｓが一定になった後）の打撃数Ｈに対するカットオフ周波数ｆｃを表す近似式ＥＱ２。

なお、入力装置１１は、インパクト電動工具の種類に応じて、複数組の近似式ＥＱ１，ＥＱ２のうちから最適な組をユーザが選択するための入力手段として動作する。また、表示装置１２は、トルク値信号Ｓｔ、半値幅Ｂｓ、カットオフ周波数ｆｃ、打撃数Ｈ等の情報を表示する。

アナログローパスフィルタ２０はデジタルローパスフィルタ２２のカットオフ周波数ｆｃよりも十分に高いカットオフ周波数を有し、トルクセンサ６からの、打撃波形を含むトルク値信号に対して低域通過ろ波を行って、処理後のトルク値信号を半値幅検出回路２１及びデジタルローパスフィルタ２２に出力する。半値幅検出回路２１は入力される信号の半値幅を検出してカットオフ周波数演算回路２３に出力する。

また、カウンタ２５は、衝撃センサ７からの衝撃パルスを計数することで、打撃数Ｈを計数してカットオフ周波数演算回路２３に出力する。

デジタルローパスフィルタ２２は例えばＦＩＲ型デジタルフィルタであって、所定の複数のフィルタ係数を設定することでカットオフ周波数ｆｃが設定される。デジタルローパスフィルタ２２は、カットオフ周波数演算回路２３から指定されるカットオフ周波数ｆｃで設定され、打撃波形を含むトルク値信号Ｓｔから、打撃波形のノイズ成分を除去するための平滑化処理を行った後、処理後のトルク値信号Ｓｔｓをモータ制御回路２４に出力する。カットオフ周波数演算回路２３は、半値幅Ｂｓに基づいて以下のように動作する。
（１）打撃開始から半値幅Ｂｓが一定になるまで（所定のしきい値打撃数Ｈｔｈになるまで）は、内部メモリ１０ｍに格納された近似式ＥＱ１を用いて打撃数Ｈに応じて演算されるカットオフ周波数ｆｃを演算して、デジタルローパスフィルタ２２に指定する。
（２）半値幅Ｂｓが一定になってから打撃停止まで（所定のしきい値打撃数Ｈｔｈになった後）は、内部メモリ１０ｍに格納された近似式ＥＱ２を用いて打撃数Ｈに応じて演算されるカットオフ周波数ｆｃを演算して、デジタルローパスフィルタ２２に指定する。

モータ制御回路２４は入力される、平滑処理されたトルク値信号Ｓｔｓに基づいてモータ制御信号Ｓｔｃを発生することでモータ１によりアンビル４及びシャフト５に与える打撃を制御する。また、モータ制御回路２４は、例えばトルク値信号Ｓｔｓが所定のしきい値以上になったときにモータ停止制御部２４Ａによりモータ１の駆動を停止する。

ところで、トルク値信号において、ノイズ成分は、関心対象の信号成分の周波数よりも高い周波数を有すると考えられる。従って、トルク値信号からノイズ成分を低減するために、フィルタ２２にカットオフ周波数ｆｃを設定することが有効であると期待される。しかしながら、本願の発明者らは、ある１つのネジ又はボルトをインパクトドライバーにより締結するとき、締結開始時からカウントした打撃数が増大するにつれて、トルク値信号におけるより高域側の周波数成分が次第に増大することを発見した。この理由は、打撃数が増大するにつれて、ネジ又はボルトが次第に固く締結されるようになるからと考えられる。このため、フィルタ２２に固定値のカットオフ周波数ｆｃを設定した場合、締結の開始から終了までの過程全体においてノイズ成分を適切に低減できないおそれがある。本開示では、信号処理装置１０は上述のように、打撃数Ｈに応じてカットオフ周波数ｆｃを変化させる。これにより、信号処理装置１０は、打撃の開始から終了までの過程全体において、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。

図１９は実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Ｈに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Ｂｓ及びピーク値Ｓｐを示すグラフである。また、図２０は実施形態に係るインパクト電動工具における、打撃数Ｈに対するボルト軸力、トルク値信号の半値幅Ｂｓ及びピーク値Ｓｐを示すグラフである。図１９及び図２０から明らかなように、例えば「Ｍ１２ボルト、ハードジョイント、ソケット長４０ｍｍ」を使用した場合において、トルク値信号Ｓｔの半値幅Ｂｓの変化は、ボルト軸力の増加と共に減少し、一定値となる。また、半値幅が一定値となってからは、ボルト軸力の上がり方が直線的になることがわかる。

以上説明したように、本実施形態によれば、半値幅検出回路２１により検出されたトルク値信号の半値幅に基づいて、前記電動工具の打撃数Ｈに応じてデジタルローパスフィルタ２２のカットオフ周波数ｆｃを可変制御するようにしたので、ノイズ成分を適切に低減するようにフィルタリングされた正確なトルク値信号を得ることができる。これにより、電動工具のモータ１を適切に制御できる。

以上の実施形態においては、デジタルローパスフィルタ２２を用いているが、本開示はこれに限られず、バンドパスフィルタなどの、所定のカットオフ周波数ｆｃ以上の周波数成分を低減できるフィルタであってもよい。

本開示の実施形態は、インパクトドライバー等のインパクト電動工具に限らず、インパクトレンチなど、駆動装置により与えられた打撃により回転する回転体を備えた他の電動工具にも適用可能である。

１…モータ、
２…減速機構、
３…ハンマー、
４…アンビル、
５…シャフト、
６…トルクセンサ、
７…衝撃センサ、
８…スプリットリング、
１０…動作モード用信号処理装置、
１０Ａ…テストモード用信号処理装置、
１０ｍ…内部メモリ、
１１，１１Ａ…入力装置、
１２，１２Ａ…表示装置、
２０…アナログローパスフィルタ（アナログＬＰＦ）、
２１…半値幅検出回路、
２２…デジタルローパスフィルタ（デジタルＬＰＦ）、
２３…カットオフ周波数演算回路、
２４…モータ制御回路、
２４Ａ…モータ停止制御部。

Claims (5)

1. 電動工具のトルクセンサからのトルク値信号をフィルタにより平滑化処理することで、モータを制御するためのモータ制御信号を発生する信号処理装置であって、
   前記トルク値信号の半値幅を検出する半値幅検出回路と、
   前記検出されたトルク値信号の半値幅に基づいて、前記電動工具の打撃数に応じて前記フィルタのカットオフ周波数を可変制御する演算回路とを備え、
   前記演算回路は、前記電動工具の打撃数に応じて、前記フィルタのカットオフ周波数を演算するための第１及び第２の演算関数を用いて、前記フィルタのカットオフ周波数を演算して、前記演算されたカットオフ周波数を前記フィルタに設定し、
   前記演算回路は、前記トルク値信号の半値幅が一定となったときに、前記第１の演算関数から前記第２の演算関数に選択的に切り替えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記第１及び第２の演算関数は、テストモードで検出された特性であって、前記電動工具の打撃数に対する前記フィルタのカットオフ周波数の特性に基づいて演算された直線近似式であることを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
3. 前記フィルタは、所定のフィルタ係数を有するＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）型デジタルフィルタであり、
   前記演算回路は、前記フィルタ係数を制御することで、前記フィルタのカットオフ周波数を可変制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の信号処理装置。
4. 前記トルク値信号を前記フィルタにより平滑化処理された信号に基づいて、前記モータを制御するためのモータ制御信号を発生するモータ制御回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の信号処理装置。
5. 請求項１～４のうちのいずれか１つに記載の信号処理装置を備えたことを特徴とする電動工具。

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