JP5234287B2

JP5234287B2 - 電動工具およびそのモータ制御方法

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Publication number: JP5234287B2
Application number: JP2009092692A
Authority: JP
Inventors: 好一郎森村; 紀元揚原
Original assignee: Max Co Ltd
Current assignee: Max Co Ltd
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: CN101856810A; EP2239099A2; EP2239099B1; EP2239099A3; US8302701B2; JP2010240781A; CN101856810B; US20100252287A1

Description

本発明は、モータにより回転する油圧発生部が１回転で複数打撃を生じさせる電動工具およびそのモータ制御方法に関する。

電動工具である電動式衝撃締め付け工具は、一般的に油圧発生部の１回転につき１打撃力を発生させる機構となっている（特許文献１参照）。また、電動工具には、大きな振動や反力の発生を防止するため、ブラシレスＤＣモータをオイルパルスユニットと直結する機構としている（特許文献２参照）。

一方、インパルスレンチには、圧縮空気によって回転する油圧発生部１回転で２回の衝撃力（以下、「１回転２打撃」ともいう）を発生させる工具もある（特許文献３参照）。なお、１回転２打撃は小トルク多打撃であるので、打撃時にドライバ等がネジ等から離間すること（以下、「カムアウト」という）が防止され、作業効率が良くなる。

即ち、１回転２打撃の工具は、円滑な締め付け作業を行え、使い勝手が良い。

特開２００７−９８５６２号公報（「段落番号」００２６参照）特開２００６−１０２８２６号公報（「発明の効果」の欄参照）特開平４−１１１７７９号公報（「産業上の利用分野」の欄参照）

ところで、特許文献３のように１回転２打撃を採用する工具は、１回転１打撃の工具に比べ、軽負荷を想定した回転数の遅いものに適用される。その理由は、能力的に同一の打撃機構を有する工具であれば、１回転２打撃は１回転１打撃に比べ１回の打撃力が半分となるが、打撃周波数は２倍となる。即ち、高負荷下の打撃では打撃周波数が高くなり油圧発生機構の応答性が悪くなる等の理由より、打撃不良になるからである。ここで、打撃周波数は、油圧発生機構のオイル圧縮による衝撃の際の周波数である。

そこで、本発明は、油圧発生部が１回転で複数打撃を行うタイプにおける打撃不良の継続を抑制する電動工具およびそのモータ制御方法を、提供することを目的とする。

本発明に係る電動工具は、モータにより回転する油圧発生部が１回転で複数打撃を生じさせる電動工具であって、上記油圧発生部の１打撃における打撃角度を検出する打撃角度検出手段と、上記モータの回転中における電流を検出する電流検出手段と、上記各検出手段で検出した打撃角度および電流に基づき打撃不良を判断する判断手段と、上記判断手段が打撃不良である判断した場合には上記モータの回転速度を遅くする回転制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電動工具のモータ制御方法は、モータにより回転する油圧発生部が１回転で複数打撃を生じさせる電動工具のモータ制御方法であって、上記油圧発生部の１打撃における打撃角度を検出すると共に上記モータの回転中における電流を検出し、検出した打撃角度および電流に基づいて打撃不良であると判断した場合には上記モータの回転速度を遅くさせることを特徴とする。

本発明に係る電動工具およびそのモータ制御方法では、打撃不良を油圧発生部の１打撃における打撃角度およびモータの負荷トルクと比例関係にある負荷電流に基づいて判断し、打撃不良である場合にはモータの回転速度を遅くさせるので、打撃不良の継続を抑制する。即ち、本発明に係る電動工具およびそのモータ制御方法によれば、上述したように打撃不良が防止されるので、作業効率が良くなると共に、円滑な締め付け作業を行え、電動工具の使い勝手が良くなる。

本発明に係る第１実施例の電動工具（オイルパルスドライバ）の断面図である。図１に示す油圧パルス発生装置の断面図である。図２の３−３線の断面図である。図３での油圧パルス発生装置における一回転の動きを示す図である。図１に示す電動工具のブロック図である。図１に示す電動工具の打撃制御モードに関するフローチャート図である。打撃角度の検出方法を説明する図であり、（Ａ）は１打撃におけるパルス図、（Ｂ）はモータの回転角度および打撃角度を示す図である。正常な打撃および打撃不良の違いを説明するための図である。正常な打撃および打撃不良の違いを説明するための図である。９０ｍｍねじが回転する状態を示す図である。１回転２打撃および１回転１打撃における振動の違いを示す図である。本発明に係る第２実施例の電動工具のブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について、具体化した実施例１及び実施例２を各々説明する。

以下、本発明の第１実施例である電動工具およびそのモータ制御方法は、図１に示す１回転複数打撃（本例では１回転２打撃）のオイルパルスドライバに適用した例として説明する。

（オイルパルスドライバの概略構成）
図１に示すように、オイルパルスドライバ１０は、電源である充電池１２、駆動手段であるブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータともいう）１４、モータ１４の回転を減速する減速機構１６、減速機構１６の出力を受けて油圧パルスを発生させる油圧パルス発生機構１８、油圧パルス発生機構１８による回転打撃力が伝わるメインシャフト２０、トリガレバー２２を備える。なお、メインシャフト２０には、図示しないドライバビットなどが装着される。また、充電池１２は、着脱可能に配置されている。

（油圧パルス発生機構に関する構成）
図２及び図３に基づき、油圧パルス発生機構に関する構成を説明する。図２に示すように、油圧パルス発生機構１８は、油圧発生部ケース２３内に油圧発生部２４を設け、油圧発生部２３内にメインシャフト２０を挿通して油圧発生部２４をメインシャフト２０に対して回転可能としている。油圧発生部２４の両端には、油圧発生部２４内にトルクを発生するためのオイルを充填した状態において、油圧発生部板２５Ａ及び２５Ｂでオイルを密封するように配置している。なお、油圧発生部ケース２３と油圧発生部２４は相互に結合しており、両者はモータ１４の回転によって一体的に回転する。

図３に示すように、油圧発生部２４の内部には、断面楕円形の油圧発生部室２６が形成されている。油圧発生部２４の内部には、バネ２８を介して配置される一対のブレード２９が、メインシャフト２０の対向する一対の溝２７に挿入されている。そして、ブレード２９は、バネ２８の付勢力によって油圧発生部室２６の内面に当接しながら移動する。メインシャフト２０には、一対のシール部２０Ａ，２０Ｂが、一対のブレード２９間に突設されている。油圧発生部２４の内周面には、４本のシール部２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄが、断面楕円形の短軸の両端および長軸の両端に突設されている。そして、図４に示すように、油圧発生部２４がメインシャフト２０に対して１回転する際に、２回に亘って油圧発生部室２６が２つの高圧室Ｈと２つの低圧室Ｌ（図３参照）に密閉区画されるようになっている。

なお、図４（１）乃至（５）は油圧発生部２４とメインシャフト２０の相対角度が０度から１８０度に亘る状態を示し、図４（６）乃至（１１）は油圧発生部２４とメインシャフト２０の相対角度が１８０度から３８０度に亘る状態を示す。そして、図４（３）及び（４）でメインシャフト２０に衝撃パルスによる１回目の打撃が行われ、図４（８）及び（９）で２回目の打撃が行わる。即ち、油圧発生部２４がメインシャフト２０に対して１回転する間には、２回の打撃（１回転２打撃）が行われる。なお、本実施例の油圧パルス発生機構は従来公知の機構と同様であるので、これ以上の詳述は省略する。

（オイルパルスドライバの制御系に関する構成）
オイルパルスドライバは、図５に示すように、充電池１２、モータドライバ１３、モータ１４、ＣＰＵ３０を備える。判断手段および回転制御手段であるＣＰＵ３０は、不揮発性のメモリ３２と電流検出部３４と電圧制御部３６とを備え、オイルパルスドライバ１０の全体的な動作を司る。記録手段であるメモリ３２は、各種の処理を制御するプログラムを記憶する記憶領域および各種データの読み書き用の記録領域を有し、この記録領域に演算データなどが記録される。なお、ＣＰＵ３０は、充電池１２に接続されており、電圧が印加される。

図２に示すように、電流検出部３４には回転中のモータ１４から電流が入力され、電圧検出手段である電圧制御部３６には充電池１２の電圧が入力される。そして、電圧制御部３６は、電流検出部３４に入力された電流（即ち、負荷トルク）及び電圧制御部３６に入力された電圧に基づいてモータ１４の所定駆動電圧を、モータドライバ１３に出力する。

ここで、モータ１４をブラシレスモータとしたのは、以下の理由からである。ブラシレスモータは、ブラシモータに比べてロータの慣性モーメントが小さいので、油圧パルス発生機構が１回転２打撃タイプに適用した場合にはモータの回転数変化も小さい。即ち、ブラシレスモータでは、負荷変動による回転数変化が大きく出力されるが、油圧パルス発生機構が１回転２打撃タイプではその負荷変動が小さいので、負荷変動による回転数変化も小さい。

（本実施例の作用）
図６に示すフローチャートに基づき、打撃制御モードに関する処理を説明する。図１に示すオイルパルスドライバ１０における処理は、トリガレバー２２が引き操作され図示しないスイッチがオンになると、ＣＰＵ３０がプログラムをロードすることによって実行される。実行される処理ルーチンは図６のフローチャートで表され、これらのプログラムは予めメモリ３２（図５参照）のプログラム領域に記憶されている。そして、本ルーチンは、モータ１４（図５参照）の回転中における処理である。

一方、打撃不良は、図８に示すように、打撃周波数が一定以上たとえば５０（回／ｓ）以上になると発生し得る。このとき、１打撃で進む角度は、正常な打撃に比べて小さくなる。即ち、図９に示すように、正常な打撃では１打撃で進む角度が小さいときはモータ１４への負荷が重く、打撃不良時は打撃角度が小さいのにモータ１４への負荷が軽いという現象になる。

従って、打撃不良は、１打あたりの進み角度（以下、打撃角度ともいう）が小さく且つ消費電流が小さい場合（即ち、モータ１４の負荷が軽い場合）に発生する。そして、本実施例は、打撃不良を判断する要素を、上述した打撃角度および消費電流が閾値以下か否かで判断する。なお、打撃不良が発生すると、モータ１４の回転数が上昇し且つ消費電流も小さくなるので、打撃不良が継続する。

（打撃制御モード）
図６に示すステップ１００において、ＣＰＵ３０はモータ１４の回転速度を検出する。この回転速度は、図７（Ａ）に示すように、パルス間の幅Ｌ２の時間tで演算（検出と同義）する。ステップ１０２において、ＣＰＵ３０はステップ１００で検出した回転速度（即ち、回転数の脈動）に基づき打撃角度を検出する。モータ１４が進んだ角度（打撃角度をも含む）は、図７（Ａ）に示す１打撃で出力するパルスの数で演算して判断する。即ち、図７（Ｂ）に示すように、ＣＰＵ３０はモータ１４が進んだ角度θ３（この角度は変動する）の内、モータ１４が空転した角度θ４（この角度は一定）を減算することにより、ねじが進んだ打撃角度θ５（この角度は変動する）を演算する。

ステップ１０４において、ＣＰＵ３０はメモリ３２から読出した閾値たとえば６０度に基づき、ステップ１０２で検出した打撃角度が閾値以下か否かを判断する。ステップ１０４が否定の場合すなわち閾値以上の場合には、ＣＰＵ３０は例えばねじ等を負荷が軽い材料に打ち込んでいると判断し、ステップ１００に戻る。ステップ１０４が肯定の場合すなわち閾値以下の場合には、ステップ１０６において、ＣＰＵ３０の電流検出部３４はモータ１４の消費電流Ｉａｄを検出する。

ステップ１０８において、ステップ１０６で検出した消費電流が閾値たとえば１６Ａ以下かを判断する。ステップ１０８が否定の場合すなわち閾値以上の場合には、ＣＰＵ３０はモータ１４の負荷が所定以上あるので正常な打撃と判断し、ステップ１００に戻る。ステップ１０８が肯定の場合すなわち閾値以下の場合には、ＣＰＵ３０はモータ１４の負荷が所定以下あるので打撃不良と判断し、電圧制御部３０でモータ１４の回転速度を遅くする。

そして、本ルーチンの処理は、モータ１４が回転している間、繰り返す。なお、上述したプログラムの処理の流れ（図３参照）は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能である。例えば、ステップ１０２で打撃周波数を検出し（この場合も、打撃周波数に基づき打撃角度を判断している）、ステップ１０４で打撃周波数が所定値以上たとえば５０（回／ｓ）以上か否かを判断するようにしても良い。そして、所定値以上である場合には、ステップ１０６に進むようにする。

本実施例によれば、打撃不良を油圧発生部２４が１打撃する打撃角度およびモータ１４の負荷トルクと比例関係にある負荷電流に基づいて判断し、打撃不良である場合にはモータ１４の回転速度を遅くさせるので、打撃不良の継続を抑制する。即ち、本実施例によれば、上述したように打撃不良が防止されるので、作業効率が良くなると共に、円滑な締め付け作業を行え、オイルパルスドライバ１０の使い勝手が良くなる。なお、本実施例によれば、１回転２打撃は小トルク多打撃であるので、打撃時にカムアウトが防止される。

ここで、９０ｍｍねじの締付時の打撃は、図１０に示すように、油圧パルス発生機構が１回転２打撃タイプの方が、１回転１打撃タイプに比べて１打撃当りの時間が短いので、トルク力が弱くなり打込み感が良くなる。また、図１に示すオイルパルスドライバ１０の振動は、図１１に示すように、油圧パルス発生機構が１回転２打撃タイプの方が、１回転１打撃タイプに比べて小さいので、使い心地が良い。なお、図１１中の３種類の１回転１打撃タイプは、油圧パルス発生機構がそれぞれ異なるオイルパルスドライバの例を示す。

更に、電圧制御部３６は、電流検出部３４に入力された電流および電圧制御部３６に入力された電圧に基づいてモータ１４の最適回転数に対応する駆動電圧を、モータドライバ１３に出力させるようにしても良い。この場合には、図１に示す充電池１２の電圧によってモータ１４の回転に影響を与えないので、特に満充電時の打撃不良の発生を防止できる。ここで、最適回転数とは、モータ１４の負荷トルクが変わっても例えば打撃などの作業を最も効率良く行うことができる回転数である。

以下、本発明の第２実施例である電動工具およびそのモータ制御方法を、図１２に示すオイルパルスドライバのブロック図で説明する。なお、上記第１実施例と実質的に同一部分については同一符号を付して説明を省略又は簡略化し、主として異なる部分について説明する。

回転制御手段であるＣＰＵ４０は、不揮発性のメモリ４２と電流検出部４４と回転数制御部４６とを備え、図１に示すオイルパルスドライバ１０の全体的な動作を司る。記録手段であるメモリ４２は、各種の処理を制御するプログラムを記憶する記憶領域および各種データの読み書き用の記録領域を有し、この記録領域に上述した打撃角度および消費電流の閾値データなどが記録される。

図１２に示すように、電流検出部４４には回転中のモータ１４から電流Ｉａｄが入力され、回転数制御部４６には今現在のモータ回転数が入力される。そして、ＣＰＵ４０の回転数制御部４６は、打撃角度および電流検出部４４に入力されたモータ１４の負荷電流に基づいて打撃不良か否かを判断する。そして、打撃不良である場合、回転数制御部４６は今現在の回転数よりモータ出力電圧を演算し、モータドライバ１３へ出力する。

なお、回転数制御部４６は、電流検出部４４に入力されたモータ１４の負荷電流および充電池１２の電圧に基づいて目標回転数を演算すると共に、演算した目標回転数および今現在の回転数の差よりモータ出力電圧を演算してモータドライバ１３へ出力するようにしても良い。この場合、回転数制御部４６は例えばＰＩ制御（比例・積分制御）により、モータ１４の回転数が目標回転数になるように制御する。即ち、負荷電流でモータ駆動電圧を直接に演算するのでは無く、モータ１４の負荷電流および充電池の電圧で一旦目標回転数を演算し、上述した回転数の差に基づき最終的にモータ出力電圧を演算するようにしても良い。

また、モータ１４の回転数は、例えば回転中のモータ１４の逆起電圧や，回転センサ（ホールセンサ，エンコーダ）に基づいて検出する。その他の構成及び作用効果は、第１実施例と同一である。

上記各実施例では電動工具が１回転２打撃のオイルパルスドライバの例であるが、本発明は例えば１回転で２打撃以上のオイルパルスドライバ、その他インパクトドライバなどのねじ締め電動工具にも適用し得る。また、本発明は、電源として商業電源を利用する電動工具でも適用し得る。

１０オイルパルスドライバ（電動工具）
１２充電池（電源）
１４ブラシレスＤＣモータ（駆動手段）
１８油圧パルス発生機構
２０メインシャフト
２４油圧発生部
２８バネ
２９ブレード
３０，４０ＣＰＵ（判断手段および回転制御手段）
３２，４２メモリ（記録手段）
３４，４４電流検出部（電流検出手段）
３６電圧制御部（電圧検出手段および電圧制御手段）
４６回転数制御部（電圧検出手段および回転数制御手段）

Claims

モータにより回転する油圧発生部が１回転で複数打撃を生じさせる電動工具であって、上記油圧発生部の１打撃における打撃角度を検出する打撃角度検出手段と、
上記モータの回転中における電流を検出する電流検出手段と、
上記各検出手段で検出した打撃角度および電流に基づき打撃不良を判断する判断手段と、
上記判断手段が打撃不良である判断した場合には上記モータの回転速度を遅くする回転制御手段と、
を備えることを特徴とする電動工具。
モータにより回転する油圧発生部が１回転で複数打撃を生じさせる電動工具のモータ制御方法であって、
上記油圧発生部の１打撃における打撃角度を検出すると共に上記モータの回転中における電流を検出し、検出した打撃角度および電流に基づいて打撃不良であると判断した場合には上記モータの回転速度を遅くさせることを特徴とする電動工具のモータ制御方法。