JPH04336979A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ねじ締めを行う電動ド
ライバ等の電動工具の締め付けトルク制御に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】電動工具としては例えば電動ドライバが
あり、この電動ドライバにおいては機械式のクラッチを
用いてねじ締めトルクの制御を行っていた。その一例を
図１５に示す。この電動ドライバでは、モータと電動ド
ライバのねじ締めを行う着脱自在な出力軸３６との間を
複数のギアからなる減速機構Ｂを介して接続し、モータ
からの動力の出力軸３６への伝達をクラッチ３１にて制
御している。ここで、クラッチ３１は、出力軸３６が挿
通されたクラッチ板３２と、減速機構Ｂを構成し遊星ギ
ア（図示せず）が噛み合うインターナルギア３３の前端
面に形成された係止部３３ａに係止されるボール３４と
、クラッチ板３２とボール３４との間に配設されボール
３４をインターナルギア３３の係止部３３ａに係止する
方向に付勢するばね３５とからなる。

【０００３】この電動ドライバにおいては、負荷トルク
が所定値以下の場合にはボール３４のインターナルギア
３３の係止部３３ａへの係止により、インターナルギア
３３の回転が阻止され、これによりモータからの動力は
減速機構Ｂを介して出力軸３６に伝達される。今、ねじ
が完全に締め付けられて負荷トルクが所定値に達したと
すると、この際にはインターナルギア３３がばね３５に
抗してボール３４を押し返して自転を始め、これにより
減速機構Ｂが空転状態になり、よってモータからの出力
軸３６への動力伝達が遮断され、所定トルクでねじが締
め付けられる。なお、ねじの締付けトルクはクラッチ板
３２でばね３５の圧縮量を変えて調整する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の機械
式のクラッチの場合、動作時の騒音及び振動が大きく、
寿命が短いという問題があった。また、この種のクラッ
チは、静的な状態では締め付けトクル精度は比較的に良
いが、実際の使用状況における動的な状態では、クラッ
チ動作における出力軸の回転速度に依存した衝撃力が加
わるため、締め付けトルクが制御したい規定トルク以上
に達し、締め付けトクル精度が悪くなるという欠点があ
った。さらに、出力軸の回転速度はバッテリ等の電源の
電圧変動等により変化するので、この種のクラッチでの
締め付けトクル精度を良くすることは余り期待できない
のが実状であった。

【０００５】本発明は上述の点に鑑みて為されたもので
あり、その目的とするところは、締め付けトルク精度を
向上させることができる電動工具を提供することにある
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、螺着部材が被螺着部材に完全に螺着さ
れる手前の位置を検出する位置検出手段と、螺着部材が
被螺着部材に完全に螺着されたことを検出する着座検出
手段と、完全に螺着される手前の位置でモータの回転を
一定速度にし、着座するとモータへの電流の供給を停止
させる制御手段とを備えている。

【０００７】

【作用】本発明は、上述のように構成することにより、
完全に螺着される手前の位置から完全に螺着されるまで
モータの回転を定速状態に制御して、着座時の衝撃力を
一定にするように制御することができるようにし、これ
により締め付けトルクが一定となるようにしたものであ
る。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明の一実施例の回路構成を示す
。なお、本実施例においても電動工具として電動ドライ
バを例としたものである。この電動ドライバでは、直流
電動機特性を有するモータ１として直流ブラシレスモー
タを用いてある。但し、直流ブラシモータであってもよ
い。このモータ１は６個のＦＥＴを用いて構成されたブ
リッジ回路からなる電力変換部２により駆動される。

【０００９】信号処理回路３は、回転子の位置を検出す
るホール素子１１の出力に応じて電力変換部２のＦＥＴ
を夫々駆動制御するもので、この信号処理回路３から出
力される駆動信号はＰＷＭ方式の定電流制御部４から与
えられるＰＷＭ信号に基づいて作成される。定電流制御
部４は、演算処理部７から与えられる電流設定値、及び
ＰＷＭ信号の周波数を決定する発振器５の出力に応じて
ＰＷＭ信号を作成する。なお、演算処理部７の電流値の
指令データはＤ／Ａ変換器６によりアナログ値に変換し
て定電流制御部４に与えられている。なお、本実施例の
場合に、上記電力変換部２、信号処理部３及び定電流制
御部４で、モータ１を定電流駆動する定電流駆動手段を
構成している。

【００１０】この定電流制御部４の具体回路の一例を図
２に示す。この具体回路においては、定電流制御部４を
、ホール素子１１の出力を方形波に波形整形する波形整
形回路４０と、この波形整形回路４０の出力である方形
波をさらに鋸波に変換する鋸波発生回路４１と、鋸波発
生回路４１の出力のピーク値をサンプルホールドするサ
ンプルホールド回路４２と、サンプルホールド回路４２
の出力と演算処理部７からＤ／Ａ変換器６を介して与え
られる設定電流値（速度設定信号）との誤差分を増幅す
るエラーアンプ４４と、発振器５である三角波発生回路
４５の出力とエラーアンプ４４の出力との比較を行うコ
ンパレータ４６とで構成してある。

【００１１】なお、本実施例の場合には、上記波形整形
回路４０は、コンパレータ４０ａとヒステリシスアンプ
４０ｂとを用いて構成してある。また、鋸波発生回路４
１は、上記方形波の立上りの後に図８（ｃ）に示すリセ
ットパルスを発生するリセットパルス発生回路４１ａと
、このリセットパルス発生回路４１ａの出力でオン，オ
フ制御されるスイッチＳＷ１　と、抵抗ＲＴ　及びコン
デンサＣＴ　で構成してある。さらに、サンプルホール
ド回路４２は、上記方形波の立上りの後に図８（ｄ）に
示すサンプルホールドパルスを発生するサンプルホール
ドパルス発生回路４２ａと、このサンプルホールドパル
ス発生回路４２ａの出力でオン，オフ制御されるスイッ
チＳＷ２　と、スイッチＳＷ２　のオンときに鋸波発生
回路４１の出力で充電されるコンデンサＣＨ　と、コン
デンサＣＨ　のピーク値を保持するホールド回路４２ｂ
で構成してある。なお、演算処理部７からの設定電流値
はバッファ４３を介してエラーアンプ４４に入力してあ
る。

【００１２】この定電流制御部４では、図８（ａ）に示
すホール素子１１の出力を波形整形回路４０で同図（ｂ
）に示す方形波に波形整形し、さらにこの方形波から鋸
波発生回路４１が同図（ｅ）に示す鋸波を作成し、その
鋸波のピーク値をサンプルホールドすることにより、モ
ータ１の回転速度の検出を行っている。なお、サンプル
ホールド回路４２の出力は図８（ｆ）のようになる。そ
して、このサンプルホールド回路４２の出力と演算処理
部７から与えられる速度設定信号との誤差分をエラーア
ンプ４４で検出し、この検出された誤差分に応じてコン
パレータ４６が図８（ｈ）に示すＰＷＭ信号を作成する
。なお、図８（ｇ）はコンパレータ４６の夫々の入力端
子への入力波形を示す。

【００１３】演算処理部７は、ＲＯＭ及びＲＡＭを内蔵
するＣＰＵ及びＩ／Ｏインターフェースからなり、電動
ドライバの全体の動作シーケンスを制御するものである
。そして、この演算処理部７にはＡ／Ｄ変換器８を介し
てトルク設定用ボリューム１０から締め付けトルクを決
定するトルク設定データが与えられる。また、この演算
処理部７には、動作モードを設定するスイッチなどから
なる操作スイッチ１８から制御指令がスイッチインター
フェース１３を介して与えられる。

【００１４】分周器１５は、ホール素子１１の出力を電
動ドライバのギア比分だけ分周するもので、この分周器
１５の出力は演算処理部７の内蔵するカウンタに入力さ
れる。つまり、分周器１５によりホール素子１１の出力
を電動ドライバの出力軸の回転回数に換算し、この換算
値を演算処理部７に与えるようにしてある。なお、本実
施例の場合には、モータ１がブラシレスモータであるの
で、この種のブラシレスモータでは既設されるホール素
子１１を用いてモータ１の回転を検出できるが、ブラシ
モータである場合には速度センサあるいは位置検出セン
サなどを設ける必要がある。

【００１５】ところで、本実施例の場合には分周器１５
を用いて電動ドライバの出力軸の回転回数を求めている
が、この回転回数を電動ドライバの出力軸から直接に検
出するようにしても特に問題がない。例えば、磁石を出
力軸に取り付け、ホール素子で出力軸の回転回数を検出
する等の方法が考えられる。但し、このようにした場合
には、磁石やホール素子の取り付けがやや困難で、コス
トも高くなる欠点はある。

【００１６】着座検出回路１４は、ねじが着座したこと
を判定するものであり、ねじの着座によりモータの回転
が停止し、モータ電流が増加する現象を利用して、着座
状態を判定している。上記着座検出回路１４の具体回路
を図３に示す。この着座検出回路１４は、積分回路２０
、バッファ２３、微分回路２１及びコンパレータ２２で
構成してあり、入力を一旦積分回路２０で平滑化したの
ち、電流の増加率を微分回路２１で検出する。図９（ａ
）はモータ電流を示し、そのモータ電流を微分して得た
微分回路２１の出力波形図を同図（ｂ）に示す。そして
、コンパレータ２２では上記微分回路２１の出力が設定
値を越えた場合に図９（ｃ）の出力を発生する。

【００１７】さらに、本実施例では、ねじが着座する手
前の状態を検出するためにセンサ５０を備えている。図
４及び図５はその一例を示すもので、電動ドライバＡの
ピット３０の先端よりもねじ山長だけ突出し前後方向に
進退自在となった検出棒５１と、この検出棒５１を前方
に付勢するばね５２と、ねじが着座する手間のねじ締め
状態になった際に後退する検出棒５１の後端で押圧され
るリミットスイッチ５３とで構成してある。なお、図１
では図示していないが、上記リミットスイッチ５３の出
力は演算処理部７に入力される。

【００１８】また、このセンサ５０の他に、図６及び図
７に示すように、発光ダイオード５４とフォトトランジ
スタ５５とで構成されたセンサ５０’を用いることもで
きる。このセンサ５０’ではねじ５６が螺着される被ね
じ締め部材５７のねじ締め面からの発光ダイオード５４
の光の反射によりねじ締め面までの距離を計算し、ねじ
の着座手前の状態を検出するものである。このセンサ５
０’を用いる場合には、演算制御部７が距離の計算を行
ってねじの着座手前の判定を行う。

【００１９】本実施例の電動ドライバでねじ締め作業を
行う際には、予め希望する締め付けトルクをボリューム
１０で設定しておく。そして、ねじ締めを開始すると、
まず、図１１（ａ）に示すねじ締め開始時点では、図１
０（ａ）に示すように高速回転でねじ締めが行われる。 その高速回転期間を図１０中のイで示す。なお、この際
のねじ締めは電動ドライバの能力の最大の回転速度で行
うことが可能である。

【００２０】そして、図１１（ｂ）に示す着座の手前の
状態が上述したセンサ５０で検出されると、急激にモー
タ１の回転にブレーキをかけて速度を減速する。このモ
ータ１にブレーキがかけられている期間を図１０中のロ
で示す。そして、その後は所定の締め付けトルクでねじ
締めを行うための速度に制御する。なお、このときの速
度は次のようにして設定される。つまり、本実施例の演
算処理部７は単位時間当たり何回転（例えば、ｒｐｍ）
で締め付けトルクがどの位になるかを実験により求めた
結果データをテーブルとしてＲＯＭに記憶しており、こ
のため設定トルクに応じた回転速度を計算した結果を、
ねじが着座する手前の状態になった場合に、速度設定信
号として定電流制御部４に与えるのである。なお、この
速度設定信号を与える時点は減速を行う前であればよい
。

【００２１】このようにして着座手前の状態から定速で
モータ１を回転させている期間を図１０の期間ハで示す
。この定速制御は着座検出回路１４で着座状態が検出さ
れるまで行われる。そして、ねじが着座すると、最終速
度状態を一定の短時間だけ保持し、その後モータ１への
電流の供給を停止し、ねじ締めを完了する。上記動作を
まとめたフローチャートを図１２に示す。

【００２２】本実施例の場合には、最終的な着座時の回
転速度と着座後の電流停止時間とを一定にすることによ
り、電動ドライバの発生トルクを一定とし、トルク一定
制御を実現している。ところで、回転体が停止する際に
発生する衝撃力は、その回転体の慣性の大きさと、停止
するまでの加速度の大きさとで決まる。

【００２３】ここで、衝撃力をＴ、慣性力をＪ、加速度
をｄθ２　／ｄｔ２　（但し、θは回転の位置（角度）
）として、簡略化した式を示すと、次式のようになる。 Ｔ＝Ｊ・ｄθ２　／ｄｔ２　 従って、慣性力が大きいほど、衝撃力が大きく、また速
度が大きいほど（加速度が大きいほど）、衝撃力が大き
くなるのである。

【００２４】なお、本実施例のような電動ドライバでは
、電動ドライバの回転部（ギア，チャック、モータの回
転子等）の慣性は一定であるので、着座時の回転速度に
応じて衝撃力が発生する。従って、ねじを緩く締める際
には回転速度をゆっくりにし、強く締める場合には回転
速度を速くすればよい。図１０には回転速度を異ならせ
た場合の締め付けトルクの変化の様子を示してある。

【００２５】そこで、本実施例の演算処理部７は単位時
間当たり何回転（例えば、ｒｐｍ）で締め付けトルクが
どの位になるかを実験により求めた結果データをテーブ
ルとしてＲＯＭに記憶しており、このため設定トルクに
応じた回転速度を計算した結果を、ねじが着座する手前
の状態になった場合に、速度設定信号として定電流制御
部４に与える。従って、本実施例のように着座手前から
着座するまでの回転速度の制御により一定した締め付け
トルクが得られるのである。

【００２６】また、本実施例の場合にはねじの着座の手
前の位置までは高速にねじ締めを行えるので、作業時間
が長くなることもなく、作業性が良い利点もある。 （実施例２）図１３に本発明の他の実施例を示す。以下
、本実施例の構成について説明する。

【００２７】この実施例においても電動工具として電動
ドライバを例としたもので直流電動機特性を有するモー
タ１として直流ブラシレスモータを用いてあり、このモ
ータ１は６個のＦＥＴを用いて構成されたブリッジ回路
からなる電力変換部２により駆動される。信号処理回路
３は、回転子の位置を検出するホール素子１１の出力に
応じて電力変換部２のＦＥＴを夫々駆動制御するもので
ある。

【００２８】定電流制御部４は、演算処理部７から与え
られる電流設定値、あるいは速度設定用ボリューム１６
により与えられる電流設定値、及びＰＷＭ信号の周波数
を決定する発振器５の出力に応じてＰＷＭ信号を作成す
るものである。但し、この定電流制御部４は、検出抵抗
９の両端電圧から電流検出回路１２が検出したモータ電
流に応じてモータ１の回転速度を制御する点が上記実施
例１と異なる。なお、演算処理部７及び速度設定用ボリ
ューム１６のいずれの電流設定値に基づいて動作するか
の選択は、定電流制御部４の入力側に設けてある設定ス
イッチ１７で行われる。また、演算処理部７の電流値の
指令データはＤ／Ａ変換器６によりアナログ値に変換し
て定電流制御部４に与えられている。

【００２９】演算処理部７は、ＲＯＭ及びＲＡＭを内蔵
するＣＰＵ及びＩ／Ｏインターフェースからなり、電動
ドライバの全体の動作シーケンスを制御するものである
。そして、この演算処理部７にはＡ／Ｄ変換器８を介し
てトルク設定用ボリューム１０から締め付けトルクを決
定するトルク設定データが与えられる。また、自動速度
設定及び手動速度設定の選択を行うスイッチや動作モー
ドを設定するスイッチからなる操作スイッチ１８から制
御指令がスイッチインターフェース１３を介して演算処
理部７に操作入力が与えられる。なお、自動速度設定及
び手動速度設定の選択を行うスイッチの操作に応じて演
算処理部７が上記設定スイッチ１７の切換制御を行う。

【００３０】分周器１５は、ホール素子１１の出力を電
動ドライバのギア比分だけ分周するもので、この分周器
１５の出力は演算処理部７の内蔵するカウンタに入力さ
れる。つまり、分周器１５によりホール素子１１の出力
を電動ドライバの出力軸の回転回数に換算し、この換算
値を演算処理部７に与えるようにしてある。着座検出回
路１４は、ねじが着座したことを判定するものであり、
ねじの着座によりモータの回転が停止し、モータ電流が
増加する現象を利用して、着座状態を判定しており、具
体構成は上述した実施例１の場合と同じ構成となってい
る。

【００３１】以下、本実施例の電動ドライバの動作を説
明する。本実施例の電動ドライバでは、ねじ締め作業を
開始する前に、まず動作モードを学習モードとして何本
かのねじを締めて、ねじの長さを学習させて記憶させる
。この際の学習モードの設定は操作スイッチ１８にて行
い、このときにトルク設定用ボリューム１０により希望
する締め付けトルク値の設定を行う。

【００３２】学習モードにおけるねじ締めはゆっくりし
た速度で行われる。つまり、この際には演算処理部７か
ら定電流制御部４にモータ１の回転を遅くする電流値の
設定指令が与えられるのである。モータ１が回転される
と、その際のモータ１の回転をホール素子１１で検出し
、このホール素子１１の出力を電動ドライバの出力軸の
回転回数に換算し、この換算値を演算処理部７のカウン
タがカウントする。

【００３３】着座検出回路１４の出力が得られた際、つ
まりはねじが着座したとき、この出力軸の回転回数のカ
ウント値を演算処理部７のＲＡＭに記憶する。また、こ
れと同時に着座までのカウントデータから１回転分の値
を減算したデータも演算処理部７ではＲＡＭに記憶する
。なお、この着座手間の位置は１回転分とすることに限
定されるものではない。

【００３４】上記学習モードの動作はねじ数本に対して
同様に行い、演算処理部７に最適なねじ締めの回転回数
と着座手前の回転回数とを認識させる。これにより学習
モードの動作は終了し、次に作業モードに備える。つま
り、本実施例の場合には、ねじの着座手間の位置を検出
する位置検出手段を、演算処理部７、検出抵抗９、ホー
ル素子１１、着座検出回路１４及び分周器１５で構成し
てある。なお、演算処理部７は、上記位置検出手段で検
出されたねじの着座手前の位置でモータ１の回転を一定
の低速状態に落とし、着座すると短時間の後にモータ１
への電流の供給を停止させる制御手段の機能を兼ねるも
のである。

【００３５】実際にねじ締め作業を開始する場合には、
操作スイッチ１８で作業モードに設定する。このねじ締
めは次のように行う。まず、図１１（ａ）に示すねじ締
め開始時点では、図１０（ａ）に示すように高速回転で
ねじ締めが行われる。その高速回転期間を図中のイで示
す。なお、この際のねじ締めは電動ドライバの能力の最
大の回転速度で行うことができる。

【００３６】そして、図１１（ｂ）に示す上記学習モー
ドの際に求めた着座の手前のねじ締め状態になると、急
激にモータ１の回転にブレーキをかけてモータ１の回転
速度を減速させる。このモータ１にブレーキがかけられ
ている期間を図１０中のロで示す。ここで、着座の手前
のねじ締め状態になったことの判定は、演算処理部７が
内蔵する減算カウンタに着座手前のデータを記憶させ、
分周器１５の出力を減算パルスとして入力し、カウンタ
の値がゼロになったときに割込みで演算処理部７に着座
の手前のねじ締め状態になったことを知らせるというよ
うに行う。なお、この判定に際しては、電動ドライバの
出力軸が慣性で回転する回転回数も考慮してあることは
言うまでもない。

【００３７】その減速後には上述したと同様に締め付け
トルクの設定に応じた回転速度でモータ１を一定回転さ
せる。なお、本実施例の場合にも、演算処理部７は単位
時間当たり何回転（例えば、ｒｐｍ）で締め付けトルク
がどの位になるかを実験により求めた結果データをテー
ブルとしてＲＯＭに記憶しており、このため設定トルク
に応じた回転速度を計算した結果を、ねじが着座する手
前の状態になった場合に、速度設定信号として定電流制
御部４に与える。この速度設定信号が与えられると、定
電流制御部４は検出抵抗９の両端電圧から電流検出回路
１２が検出したモータ電流に応じたデータがフィードバ
ックされることによりモータ１の回転速度を一定に保つ
ように動作する。この定速回転期間を図１０中のハで示
す。

【００３８】そして、着座検出回路１４からねじの着座
を示す出力が得られた際に、所定の短時間だけその設定
電流値に応じた電流を保持した後、モータ１への電流の
供給を停止する。これにより、ねじ締めが完了する。こ
のように、モータ電流を最終的に一定にすることにより
、モータの発生トルクを一定とし、トルクの一定制御を
実現している。

【００３９】本実施例の場合には、実施例１のようにね
じの着座の手前の状態を検出するセンサ５０などを必要
としないため、構成を簡単にできる利点がある。

【００４０】

【発明の効果】本発明は上述のように、螺着部材が被螺
着部材に完全に螺着される手前の位置を検出する位置検
出手段と、螺着部材が被螺着部材に完全に螺着されたこ
とを検出する着座検出手段と、完全に螺着される手前の
位置でモータの回転を一定速度にし、着座するとモータ
への電流の供給を停止させる制御手段とを備えているの
で、完全に螺着される手前の位置から完全に螺着される
までモータの回転を定速状態に制御して、着座時の衝撃
力を一定にするように制御することができ、このため締
め付けトルクが一定となり、締め付けトルク精度を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の回路構成を示すブロック図
である。

【図２】同上の定電流制御部の具体構成を示す回路図で
ある。

【図３】同上の着座検出回路の具体構成を示す回路図で
ある。

【図４】同上のねじの着座手前の状態を検出するセンサ
を示す説明図である。

【図５】センサの具体構成を示す説明図である。

【図６】他のねじの着座手前の状態を検出するセンサを
示す説明図である。

【図７】同上の具体構成を示す説明図である。

【図８】定電流制御部の動作説明図である。

【図９】着座検出回路の動作説明図である。

【図１０】電動ドライバの動作説明図である。

【図１１】同上の動作過程におけるねじ締め状態を示す
説明図である。

【図１２】動作をまとめたフローチャートである。

【図１３】本発明の他の実施例の回路構成を示すブロッ
ク図である。

【図１４】同上の動作をまとめたフローチャートである
。

【図１５】従来例としての機械式のクラッチの構造を示
す断面図である。

【図１６】着座時に慣性により発生する衝撃トルクの説
明図である。

【符号の説明】

１　　モータ ２　　電力変換部 ３　　信号処理部 ４　　定電流制御部 ７　　演算処理部 ９　　検出抵抗 １１　　ホール素子 １２　　電流検出回路 １４　　着座検出回路 １５　　分周回路 ５０　　センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　直流電動機特性を有するモータと、こ
   のモータを定電流駆動する駆動手段と、螺着部材が被螺
   着部材に完全に螺着される手前の位置を検出する位置検
   出手段と、螺着部材が被螺着部材に完全に螺着されたこ
   とを検出する着座検出手段と、完全に螺着される手前の
   位置でモータの回転を一定速度とし、着座するとモータ
   への電流の供給を停止させる制御手段とを備えて成るこ
   とを特徴とする電動工具。