JP6837061B2 - パルス工具 - Google Patents

Description

本発明は、締め付け作業を行うパルス電動工具に関し、トルクは、ねじ継手を締め付けるとともに／あるいは弛めるようパルスの状態で送り出される。特に、本発明は、送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするセンサおよびモニタしたパラメータに基づいて締め付け作業中、電気モータを制御する制御ユニットを含むパルス電動工具に関する。

パルス工具が継手を締め付けるために用いられる締め付け作業中、トルクがパルス工具内に収容されたモータによって継手にパルス状態で加えられる。多くの場合、特定のトルクまたはクランプ力が継手に及ぼされるよう締め付けを制御することが望ましい。加えられたトルクはトルクセンサによってモニタされるのが良いが、この加えられたトルクは、加えられたトルクを間接的にモニタするよう出力シャフトの遅延をモニタする角度計、加速度計またはジャイロによってもモニタできる。

通常の締め付け作業の際、加えられたトルクの一部だけが継手に実際に及ぼされまたは実際に作用する（以下、単に「作用（する）」という場合がある）トルクまたはクランプ力に寄与する。加えられるトルクの大部分は、摩擦で失われる。摩擦力は、ねじ山の温度、湿度ならびにねじ山の種類および状態で決まる。任意所与の締め付け作業の際に摩擦力を確実に予測することは不可能ではないとしても困難である。

それゆえ、継手に及ぼされる加えられたトルクのどれほど多くが継手に作用するかおよび摩擦の際にどれほど多く失われるかについては不確実性が常時存在する。ある特定の条件下において、作用トルクは、加えられたトルクの１０パーセントというほど低いレベルである場合がある。作用トルクに関する不確実性の結果として、動的に測定されたトルクが有効であるとみなされる所定の間隔内にある締め付け作業に関し、クランプ力または静的に作用するトルクは極めて低いか極めて大きいかである場合がある。

先行技術では、動的トルクではなくクランプ力をモニタする方法が存在する。しかしながら、かかる方法がクランプ力を評価することを目的としてねじまたはボルトの伸びをモニタするよう構成された超音波センサなどの使用を必要とするので厄介でありかつ時間がかかる。

クランプ力を互いに逆方向に測定されたトルクから間接的に導き出す他の方法が存在する。米国特許第５，１０５，５１９号明細書から、違ったやり方の連続締め付け作業における締め付け作業中、継手の締め付けと弛めの両方においてトルクをモニタするようモータの回転を停止させて逆にすることが知られている。トルクを締め付けと弛めの両方の間に角度依存性と比較することによって、継手に働く摩擦力を求めて加えられた力ではなく継手に作用するトルクに対応した標的値に向かって締め付けを続行することが可能である。しかしながら、米国特許第５，１０５，５１９号明細書に開示された方法は、構造が耐えることができるのがどれほど大きなリアクショントルクであるかに関して制約が無くしかも特定の締め付け作業を終える時間が極端に重要であるという訳ではないような固定型工具に適合している。

しかしながら、手持ち型電動工具の場合、オペレータの受けるリアクショントルクが可能な限り低いということと特定の締め付け作業を終える時間ができるだけ短いということが重要である。オペレータは、作業サイクル中に何百回もの締め付け作業を行う場合があるので、締め付け作業がオペレータの快適さにとって人間工学的であるとともに作業ステーションでの生産性に関して迅速であるということが重要である。人間工学的な締め付け作業は、典型的には、リアクショントルクができるだけ低いということを意味している。

それゆえ、トルクを送り出すようになったパルス工具であって、作用トルクを制御することができ、しかも締め付け作業を高い信頼性をもって迅速に行うことができるパルス工具が要望されている。

米国特許第５，１０５，５１９号明細書

本発明の目的は、作用トルクを制御するトルク送り出しパルス工具であって締め付け作業を高い信頼性をもって迅速に行うことができるトルク送り出しパルス工具を提供することにある。

この目的は、本発明の第１の観点によれば、締め付け作業を行うパルス電動工具であって、トルクがねじ継手を締め付けるようパルスの状態で送り出され、パルス電動工具は、双方向電気モータと、出力シャフトと、送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするセンサと、電気モータを制御する制御ユニットとを有し、センサは、モニタされたパラメータに関する情報を制御ユニットに提供するよう構成されている形式のパルス電動工具によって達成される。制御ユニットは、パルス電動工具によって第１の方向に実施される締め付け作業中、少なくとも１つのトルクパルスを第１の方向とは逆の第２の方向に提供するようモータを制御するような構成になっている。

第２の観点によれば、本発明は、ねじ継手をパルス電動工具で締め付ける方法であって、この方法は、
‐パルス電動工具の出力シャフトを第１の方向に脈動させて継手を締め付けるステップと、
‐第１の方向における送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするステップとを含む形式の方法に関する。この方法は、出力シャフトを第１の方向とは逆の第２の方向に脈動させるステップと、第２の方向における送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするステップとを含む。

第１および第２の観点による本発明によって、信頼性の向上は、実施するのが容易でありかつ締め付け作業を遅くしない作業ステップによって達成できる。事実、締め付け作業は、トルクが標的トルクに達しているときにトルク増分が多くの場合に減少するありふれたパルス方式と比較して、迅速である。本発明にしたがって第２の方向に提供される１つまたは複数のトルクパルスは、実際に継手に作用するトルクに関する情報を提供し、それにより、トルク増分を減少させる必要なく、トルクを標的トルクにできるだけ近くするようトルク増分を調節することができる。また、トルク増分が標的トルクではなく特定の標的クランプ力に合わせることができるようクランプ力を見積もることができる。

本発明の他の特徴および他の利点は、独立形式の請求項の記載、図面および図示の実施形態に関する詳細な説明から明らかになろう。

以下の詳細な説明において、添付の図面を参照する。

本発明の特定の実施形態によるパルス工具の略図である。 作業時間の関数としての送り出されたトルクの略図である。 作業時間の関数としての継手に作用したクランプ力の略図である。

図１は、本発明の特定の実施形態としてのパルス電動工具１０が概略的に示されている。パルス工具１０は、締め付け作業を行うよう構成され、この場合、トルクは、ねじ継手を締め付けるようパルスの状態で送り出される。この目的のため、パルス工具は、トルクを２つの互いに反対側の回転方向、すなわち時計回りの方向と反時計回りの方向に送り出すよう構成された双方向電気モータ１１を有する。

電気パルス工具１０は、ハンドル２２を更に有し、このハンドルは、図示の実施形態では拳銃形のものである。しかしながら、本発明は、任意形式の手持ち型パルス工具に及ぶようになっている。電源２４、例えば電池がハンドルの下側部分内に配置され、トリガ２３が電気モータ１１に電力供給するようオペレータの操作のために配置されている。電源は、電気ケーブルへの接続部であっても良い。

さらに、パルス工具は、出力シャフト１２および送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするセンサ１４，１５，２５を有する。センサは、トルクセンサ、角度センサ、加速度計、ジャイロなどであるのが良い。図示の実施形態では、回転センサ部１４および静的センサ部１５によって入力シャフト１７の回転をモニタする角度センサから成る第１のセンサ１４，１５が設けられている。トルクセンサの形態をした第２のセンサ２５が出力シャフト１２に取り付けられている。本発明に関し、角度センサかトルクセンサかのいずれかが必要であり、両方が必要であるわけではない。しかしながら、両方のセンサが精度を高くしまたは万全を期すために設けられても良い。

図示の実施形態は、ピストン作動式ローテータ１９を収容した慣性本体１８を有するパルスユニット１３を更に含む。慣性本体１８は、入力シャフト１７に剛結されるとともにモータ１１のロータ２０によって駆動される。ロータ２０は、図示の実施形態では、モータ１１のステータ２１の内部に同軸状に配置されている。慣性本体１８の内部に設けられたカム面（図示せず）がピストンと相互作用してローテータ１９を当該技術分野において周知の従来手法で回転させたときにパルスが生じる。

しかしながら、本発明は、パルスユニットを備えたパルス工具には限定されない。パルスは、パルス工具のモータの出力をパルス化することによってモータと出力シャフトとの直接的な連結部を備えたパルス工具でも生じさせることができる。本発明はまた、かかるパルス工具および衝撃レンチと呼ばれる場合が多い打撃型パルス工具にも及ぶ。

パルスユニットを有するパルス工具に関し、角度センサ１４，１５は、慣性本体１８の回転と慣性本体の遅延の両方をモニタするよう構成されているのが良い。遅延は、継手に作用するトルクを計算するために使用されるのが良い。トルクセンサ２５は、トルクを直接測定するよう構成されている。トルク計は、送り出されたトルクをモニタするために継手のできるだけ近くで出力シャフト１２に取り付けられている。

制御ユニット１６は、電気モータ１１を制御するよう構成されている。センサ１４，１５，２５は、モニタしたパラメータに関する情報を制御ユニット１６に提供するよう構成されている。これは、締め付けが特定の標的値、例えば標的トルク、角度またはクランプ力に向かって抑えられる制御型締め付け作業において従来通りである。

本発明のパルス工具１０では、制御ユニット１６は、パルス電動工具１０によって第１の方向に実施される締め付け作業中、少なくとも１つのトルクパルスを第１の方向とは逆の第２の方向に提供するようモータ１１を制御するような構成になっている。これは、図２および図３に示されている。図２では、送り出されたトルクＴは、締め付け作業中、時間ｔの関数として示され、図３では、作用したクランプ力Ｆは、同じ締め付け作業中、時間ｔの関数として示されている。

締め付け作業は、４つの段階Ａ〜Ｄを含むものとして示されている。代表的には、図示の締め付け作業は、継手中への締結具、例えばねじの締め付けである。第１段階Ａでは、一定のトルクのトルクパルスが継手中にクランプ力を付与しないで、締結具をねじ山にねじ込むよう送り出される。この時点では、トルクは、ねじ山に働く摩擦力に打ち勝つ必要があるに過ぎない。摩擦力に打ち勝つのに必要なトルクに加えて送り出されるトルクは、締結具を加速する。

段階Ｂでは、ねじの頭は、継手に到達し、全ての送り出されたトルクパルスに関し、締結具内の歪が増大するにつれて追加のクランプ力が継手に段階的に作用する。この段階の間、トルクは、締結具の角度回転量と実質的に比例関係をなして、しかもトルクがパルスの状態で送り出されるので、時間ｔに対して段階的に増大する。極めて短い期間にわたり、すなわち数ミリ秒の間続く段階Ｂの間の各パルスに関し、実質的に一定のクランプ力の増大が達成される。

段階Ｃでは、１つまたは２つ以上のトルクパルスが段階Ｂにおけるパルスの回転方向とは逆の方向に提供される。先行技術で知られているように、特定の角度間隔にわたる弛めトルクを利用すると、継手に働く摩擦力を求めるとともに継手に作用するトルクを導き出すことができる。この情報は、締め付けの精度を高めるよう制御ユニット１６によって即座に処理されるのが良い。一例として、継手に作用したクランプ力を導き出すことが可能である。図２および図３のそれぞれの図に見えるように、段階Ｃにおける送り出しトルクＴは、負であり、それゆえ、継手に作用するクランプ力Ｆは、段階Ｃでは減少する。

段階Ｄでは、締め付け作業は、特定の標的値、例えば標的トルク、標的角度または標的クランプ力に向かって終えられる。標的が段階Ａ〜Ｃの間に達成されるトルクよりも高いか低いかのいずれかであっても良いが、大抵の状況下においては、標的は、継手がそれ以上締め付ける必要があるよう高い。通常の締め付け作業との差は、制御ユニットが段階Ｃの間の逆方向のパルスの結果としてこの時点において継手の性状および状態に関する多くの情報を有するということにある。この追加の情報を逆方向における単一のパルスから決定できる。

好ましくは、第１の方向において送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするよう構成されたセンサ１４，１５は、第２の方向において送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをもモニタすることができる。これは、図１に示されているような角度計を用いると容易に達成できる。かかる角度計１４，１５は、両方の方向における回転をモニタするとともに両方の方向におけるパルスユニット１３または両方の方向における出力シャフト１２の遅延を導き出すよう構成されているのが良い。

当然のことながら、センサがトルク計である実施形態では、トルク計もまた、両方の方向におけるトルクをモニタするよう構成されるのが良い。トルクは、代表的には、トルク絶対値をモニタするよう、すなわち、トルクがどの方向に作用するかについての情報なしでモニタするよう構成されている。しかしながら、制御ユニット１６は、このトルクを制御ユニットがモータ１１を回転させるよう制御する方向の関数として負または正として記録する。

上述したように、特定の実施形態を参照して本発明について説明した。しかしながら、本発明は、この実施形態には限定されない。本発明は、以下の特許請求の範囲の記載によって定められる本発明の保護範囲内で別の実施形態を含むことが当業者には明らかである。

Claims (6)

1. 締め付け作業を行う手持ち型パルス電動工具（１０）であって、トルクがねじ継手を締め付けるようパルスの状態で送り出され、前記パルス電動工具は、
   −双方向電気モータ（１１）と、
   −出力シャフト（１２）と、
   −送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするセンサ（１４，１５，２５）と、
   −前記電気モータ（１１）を制御する制御ユニット（１６）とを有し、前記センサ（１４，１５，２５）は、前記モニタされたパラメータに関する情報を前記制御ユニット（１６）に提供するよう構成されている、パルス電動工具（１０）において、
   前記制御ユニット（１６）は、前記パルス電動工具（１０）によって第１の方向に実施される締め付け作業中、少なくとも１つのトルクパルスを前記第１の方向とは逆の第２の方向に提供するよう前記モータを制御するような構成になっており、
   前記継手に実際に作用する前記トルクの情報を提供するために、特定の角度間隔にわたる弛めトルクを利用して前記継手の摩擦を決定し、この情報は、即座に前記制御ユニット（１６）により処理されて、前記出力シャフト（１２）へのさらなるトルクの増加を調整して、前記締め付け作業の精度及び／又は速度を増加させる、
   手持ち型パルス電動工具（１０）。
2. 前記センサ（１４，１５，２５）は、前記第２の方向において送り出されたトルクパルスを反映するパラメータもモニタするように構成されている、
   請求項１に記載のパルス電動工具（１０）。
3. 前記センサ（２５）は、トルクセンサである、請求項１又は２記載の手持ち型パルス電動工具（１０）。
4. 前記手持ち型パルス電動工具（１０）は、前記モータ（１１）を前記出力シャフト（１２）に断続的に連結するパルスユニット（１３）を有する、請求項１又は２記載の手持ち型パルス電動工具（１０）。
5. 前記センサ（１４，１５）は、前記パルスユニット（１３）の慣性本体（１８）の回転および遅延をモニタする角度計である、請求項４記載の手持ち型パルス電動工具（１０）。
6. ねじ継手を手持ち型パルス電動工具で締め付ける方法であって、前記方法は、
   −前記パルス電動工具の出力シャフトを第１の方向に脈動させて継手を締め付けるステップと、
   −前記第１の方向における送り出されたトルクパルスを反映するパラメータをモニタするステップとを含む、方法において、
   前記出力シャフトを前記第１の方向とは逆の第２の方向に脈動させるステップと、前記継手に実際に作用する前記トルクの情報を提供するために、特定の角度間隔にわたる弛めトルクを利用して前記継手の摩擦を決定するステップと、を含み、この情報は、即座に前記制御ユニット（１６）により処理されて、前記出力シャフト（１２）へのさらなるトルクの増加を調整して、前記締め付け作業の精度及び／又は速度を増加させる、
   方法。

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