JP7265358B2 - 反力が制御された電気パルス工具 - Google Patents

Description

本発明はパルス電動工具に関する。詳細には、本発明は、締め付け作業を行うための電動工具に関し、トルクは、ねじ継手を締め付ける及び／又は弛めるようにパルス状態で送り出される。

ボルト、ねじ又はナットを締め付けるための電動アシスト式工具は、多くの用途で使用されている。その用途の一部では、クランプ力又は少なくとも関連のトルクを制御できることが望まれるか又は要求されることさえある。一般に、このような電動アシスト式工具では、工具の軸の回転が制御され、トルクを測定してトルクが所定値に達するとその軸の回転を停止するように制御される。このことは、例えば、工具への電力を遮断することで実現することができ、又はクラッチを滑らせることができる。

電動アシスト式工具、特に回転軸を有する手持ち式電動工具の作動時に引き起こされる問題は、オペレータが反力を受けることである。オペレータに伝達される反力を低減する１つの方法は、パルス様式で電気モータを駆動する一連のエネルギーパルスが供給されるパルス電気モータを使用することである。典型的に、エネルギーは、電流パルスとして供給することができる。これによって、オペレータが対処する必要がある反力を低減することができる。

米国特許第６，６８０，５９５号には、ねじを締め付けるための制御方法及び締め付け装置が開示されている。この締め付け装置は、パルス増加トルクを出力するように制御される。実トルクを求めてこの実トルクが目標値に到達するとモータは停止される。パルス増加トルクは、締め付け装置の電気モータにパルス増加電流を供給することで生じる。

また、米国特許第７，７７０，６５８号には、ねじを締め付けるための制御方法及び締め付け装置が開示されている。実トルクを求めて、実トルクが目標値に到達するとモータは停止される。さらに、実トルクが設定値に到達すると、締め付け装置が送り出すトルクが低減される。パルストルクは、締め付け装置の電気モータにパルストルクを供給することで生じる。

電動アシスト式工具の動作を改善する持続的な要求がある。例えば、オペレータに伝達される反力は、作業条件を改善するためにできるだけ小さいことが必要である。同時に、締め付け作業は高速である必要があり、締め付け作業の最終結果が設定値の範囲にあることを保証するために、結果として得られる最終トルクの変動は小さいことが必要である。

米国特許第６，６８０，５９５号明細書 米国特許第７，７７０，６５８号明細書

従って、パルス電動工具で使用される改善されたパルス締め付け方法及び装置に関するニーズが依然としてある。

本発明は改善されたパルス電動工具、及びその作動を制御するための方法を提供することを目的とする。
この目的は、特許請求の範囲に記載の方法及び装置によって得られる。

１つの実施形態によれば、回転軸を駆動するように構成された電気モータを備える電動工具が提供される。電気モータは、一連の制御されたエネルギーパルスが供給されるように構成される。さらに、電動工具は、該電動工具の角変位に関連したパラメータを検出するための角度センサを備える。電動工具は、少なくとも部分的に角度センサからの出力信号に基づいて、エネルギーパルスに供給されるエネルギーを制御するように構成される。これにより、電気モータに供給されるエネルギーが、角変位に関する１又は２以上の閾値レベルを超えないようにすることができる。このことは結果的に使い心地が良好な電動工具を実現するのを可能にすることになる。

１つの実施形態によれば、制御されたエネルギーパルスは電流パルスである。電流パルスは、迅速にエネルギーを変えるために制御するのが容易である。例えば、電流パルスの期間又は大きさ、もしくはその両方は、角度センサからの出力信号に基づいて制御することができる。このような何らかのパラメータ値を変えることで、特定のパルスのエネルギー量を変えることができる。

１つの実施形態によれば、角度センサは、角変位、角速度、又は角加速度のうちの少なくとも１つを検出するように構成されたセンサである。これらのパラメータのうちの１又は２以上を検出することで、角変位、角速度、又は角加速度のうちの１又は２以上に関する制限値を超えないように電動工具を制御することができる。このことは、使い心地を改善することになる。また、各制限値は、個々のオペレータの好みに合うように種々の工具に関して独立して設定することができる。

１つの実施形態によれば、電動工具は、電気モータと回転軸との間に歯車機構を備える。１つの実施形態によれば、角度センサは、ジャイロセンサ又は加速度計のうちの少なくとも１つである。

１つの実施形態によれば、電動工具は、検出パルスの範囲内でエネルギーを制御するように構成される。１つの実施形態によれば、電動工具は、検出パルスと次回パルスとの間のエネルギーを制御するように構成される。また、電動工具は、検出パルスの範囲内、及び次回パルス、特に検出パルスの次に続くパルスにおけるエネルギーを制御するように構成される。

また、本発明は、前述の電動工具を制御するための方法、及びこのような方法を実行するようになったコンピュータプログラムに関する。また、本発明は、前述のエネルギーパルスを制御するための制御装置を提供する。
本発明は、以下に添付図面を参照して詳細に説明される。

電動工具の縦断面を示す。 電動工具の動作に使用される電流パルスシーケンスを示す図である。 電動工具を制御する際の一部のステップを示すフローチャートである。

今日のナットランナー又はねじ回しなどの従来の電動工具は、一般に、継手の締め付けなどの実行される作業工程の質を管理することを可能にする、角度エンコーダ又はトルク計もしくはその両方などのセンサを備える。

さらに、特に手持ち式電動工具に関して、オペレータが受ける反力ができるだけ少ないこと、及び特定の締め付け作業を完了する時間ができるだけ短いことが重要である。オペレータは、作業サイクルの間に何百もの締め付け作業を行う場合があるので、オペレータの健全性のために人間工学的であること、及び作業ステーションで生産性が高いことが重要である。典型的に、人間工学的な締め付け作業は、反作用トルクができるだけ小さいこと、又は少なくとも何らかの閾値よりも小さいことを示唆する。また、オペレータが低振動及び低加速度を経験することが望まれる。

反力を制御するために、電動工具は、該電動工具の角度、又はこの角度に関連する角速度又は角加速度などのパラメータを検出するセンサを備えることができる。例えば、センサは、ジャイロセンサ又は加速度計もしくはこれらの組み合わせとすることができる。従って、電動工具の電気モータに供給された一連のエネルギーパルスにおけるパルスのエネルギーは、センサからの出力信号に基づいて制御ユニットによって制御される。制御ユニットは、電動工具の内部に設けること又は別個ユニットとして電動工具の外部に通信状態で設けることができる。従って、検出されたパルスが大きな反力を示す信号をもたらす場合、パルス又は次のパルスのエネルギーを低い値に制御して、反力を低減することができる。これにより、電動工具の使用時に締め付け作業の反力を動的に制御することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態による例示的な電動工具１０を示す。工具１０は、トルクがねじ継手を締め付けるために連続するパルスで送り出される締め付け作業、又は工具１０によって行われる回転動作を含む類似の動作を行うように構成されている。この目的のために、パルス工具は、回転子２０及び固定子２１を有する電気モータ１１を備える。電気モータ１１は、時計回り及び反時計回りの２つの反対の回転方向に回転するように構成することができる。

工具１０は、図示の実施形態ではピストル型であるハンドル２２をさらに備える。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものでなく、任意の形式の電動工具に適用可能であり、図１のデザインに限定されない。電源２４がモータ１１に接続される。図示の実施形態において、電源は、ハンドルの下部に設けることができるバッテリである。電気ケーブルを介して工具１０に電力を供給する外部電源などの他の形式の電源も想定できる。工具１０は、オペレータが操作して電気モータ１１への電力供給を制御するように構成されたトリガ２３をさらに備えることができる。一部の実施形態において、工具１０は、外部制御ユニット（図示せず）に接続される。外部制御ユニットは、工具１０に対して電力を供給することができる。また、制御ユニットは、工具を制御するために、工具１０に信号を送信するか又はそこから信号を受信することができる。

加えて、工具は、出力軸２１を備え、さらに工具１０が行う動作に関連する１又は２以上のパラメータを監視するための種々のセンサ１４、１５、２５を備えることもできる。このようなパラメータは、典型的には、送り出されたトルクパルスなどとすることができる。例えば、センサは、トルクセンサ、角度センサ、加速度計、ジャイロセンサなどのうちの１又は２以上とすることができる。詳細には、少なくとも１つのセンサ１４、１５、２５は、電動工具１０の角度パラメータを検出するように構成される。角度パラメータを検出するために用いられる角度センサは、例えば、ジャイロセンサ又は加速度計もしくはその両方とすることができる。検出された角度パラメータは、例えば、電動工具の角変位、電動工具の角速度、又は電動工具の角加速度とすることができる。さらに、一部の実施形態によれば、電動工具１０は、歯車機構（図示せず）を介してモータ１１に結合された出力軸１２を有することができる。

制御ユニット１６は、電気モータ１１を制御するように構成されている。図示の実施形態において、制御ユニット１６は、工具１０の中に統合して設けられる。しかしながら、制御ユニットは、外部ユニット内に配置すること、及び工具１０に対して有線又は無線で接続することもできる。センサ１４、１５、２５は、典型的に監視したパラメータに関する情報を制御ユニット１６に提供するように構成することができる。これは制御された締め付け作業において常套手段であり、締め付けは、目標トルク、角度、又はクランプ力などの特定の目標値に向かって制御される。

制御ユニット１６は、電気モータに電気パルスを供給することによって、電気モータに供給されるエネルギーを制御するように構成することができる。本明細書に示す実施形態において、電気パルスは、電気モータ１１に供給される電流を制御することで制御される。しかしながら、パルス期間、電圧などの制御といった、電気モータに供給されるパルスエネルギーを制御する他の方法を想定することもできる。

１つの実施形態によれば、制御ユニット１６は、センサから電動工具の角度パラメータに対応する信号を受信する。角度パラメータは、電気モータに供給されたパルス列のパルスに起因する電動工具の角変位を決定するために使用される。角変位に基づいて、電動工具に供給されたパルスのエネルギーが制御される。制御されたパルスは、現在の（目下の）パルス又は次回のパルスとすることができる。パルスに起因する判定された電動工具の角変位に基づいてパルスのエネルギーを制御することで、オペレータが感じる反力を電動工具の使用が心地よいレベルに調整することができる。この制御は、角変位又は加速度もしくはその両方を予め設定された制限値の範囲内に制御するために用いることができる。

図２及び３において、フローチャートは、図示の一部の実施形態による、作動時に電動工具への電流を制御する場合の一部の例示的なステップを示す。図２は、図１の電動工具１０のような電動工具の又は他の電気的に動力が供給される電気モータを含む電動工具の作動に使用されるパルス列の一部である、電流パルスシーケンスの図を示す。継手が締め付けられる締め付け方向に電動工具を駆動するために、電動工具の電気モータにパルス電流が供給される。図３の例示的な手順によれば、まず、ステップ３０１において、パルス列をモータに供給する。これは、所定の大きさを有する電流パルスＡ（図２参照）の電流パルス列を供給することで実行することができる。次に、ステップ３０３において、検出トルクが所定値に到達した場合のような停止条件を満たすか否かを判定する。次に、ステップ３０５において、停止条件を満たした場合に電流パルス列を停止する。停止条件が検出されなかった場合、この手順はステップ３０７に進む。ステップ３０７において、工具の角変位（又はこれに関連するパラメータ）を判定する。ステップ３０７での判定に基づいて、ステップ３０９において、工具の角変位が所定の閾値を超えた場合、及び角変位が所定の閾値を超えると判定された場合を判定して、パルスのパルスエネルギーを低減する。このようなシナリオは、図２のパルスＢで示され、このパルスＢは前回のパルスに比べて制限されたエネルギーを有する。次に、この手順はステップ３０３に戻るかステップ３１１に進む。ステップ３１１において、角変位が閾値を下回るか否かを判定する。角変位が閾値を下回る場合、新しいパルスのエネルギーを増加させることができる（次回のパルスで供給されるエネルギーを制限する他の制約がないと仮定して）。このことは図２のパルスＣで示されている。しかしながら、何らかの他のパラメータで制限されるような最大エネルギーに到達すると、エネルギーパルスは増加しないことになる。例えば、工具は、送り出すことができる又は他の制約を適用することができる最大エネルギーを有することができる。

上記の例示的な実施形態において、各パルス間の電流値は、角変位に基づいて制御される。しかしながら、他の制御方法を想定することもできる。例えば、角変位に関連したパラメータは、角速度又は角加速度とすることができる。従って、パルスエネルギーは、角速度又は角加速度を所定の制限値の範囲に維持するように制御することができる。また、制限値の何らかの組み合わせを作ることができ、パルスエネルギーは、このような制限値のいずれも超えないように制御することができる。さらに、パルスエネルギーは、測定したパルスに関して制御することもできる。例えば、パルスの期間に制限値を超えると、パルスに供給されるエネルギーを停止する又は低減することができる。これにより、工具の角変位、角速度、又は角加速度のうちの１又は２以上のようなパラメータの内部パルス制御を実現することができる。

本明細書に記載の電動工具を制御する方法は、好都合にはコンピュータに実装される。さらに、パルスエネルギーを制御するために使用される制御装置は、電動工具の内部に配置すること、又は一部の実施形態よれば外部制御ユニットとして電動工具の外部に配置することができる。

Claims (7)

1. トルクが一連のパルスで送り出される締め付け作業を行うように構成されかつ回転軸（１２）を駆動するように構成された電動モータ（１１）を備える電動工具（１０）であって、前記電動モータは、一連の制御された電流パルスが供給されるように構成され、前記電動工具（１０）は、前記電動工具の角変位、角速度、又は角加速度のうちの少なくとも１つであるパラメータを検出するための角度センサをさらに備え、前記電動工具は、少なくとも部分的に前記角度センサからの出力信号に基づいて、前記パラメータが第１の制限閾値を超える場合は、前記電動モータの回転方向を変更することなく、前記電動モータに供給される電流パルスのエネルギーを前回のパルスに比べて低減し、前記パラメータが第２の制限閾値を下回る場合は、前記電動モータの回転方向を変更することなく、前記電動モータに供給される新たな電流パルスのエネルギーを増加するように構成されることを特徴とする、電動工具。
2. 前記電流パルスの期間及び／又は大きさは、前記角度センサからの前記出力信号に基づいて制御される、請求項１に記載の電動工具。
3. 前記電動工具は、前記電動モータと前記回転軸との間に歯車機構を備える、請求項１又は２に記載の電動工具。
4. 前記角度センサは、ジャイロセンサ又は加速度計のうちの少なくとも１つである、請求項１乃至３の何れか１項に記載の電動工具。
5. トルクが一連のパルスで送り出される締め付け作業を行うように構成されかつ回転軸（１２）を駆動するように構成された電動モータ（１１）を備える電動工具（１０）を制御する方法であって、前記電動モータは、一連の制御された電流パルスが供給されるように構成され、前記電動工具（１０）は、前記電動工具の角変位、角速度、又は角加速度のうちの少なくとも１つであるパラメータを検出するための角度センサをさらに備え、少なくとも部分的に前記角度センサからの出力信号に基づいて、前記パラメータが第１の制限閾値を超える場合は、前記電動モータの回転方向を変更することなく、前記電動モータに供給される電流パルスのエネルギーを前回のパルスに比べて低減し、前記パラメータが第２の制限閾値を下回る場合は、前記電動モータの回転方向を変更することなく、前記電動モータに供給される新たな電流パルスのエネルギーを増加することを特徴とする、方法。
6. コンピュータ上で実行されると前記コンピュータに請求項５に記載の方法を実行させるようになっている、コンピュータプログラム製品。
7. トルクが一連のパルスで送り出される締め付け作業を行うように構成されかつ回転軸（１２）を駆動するように構成された電動モータ（１１）を備える電動工具（１０）を制御するための制御装置であって、前記電動モータは、一連の制御された電流パルスが供給されるように構成され、前記電動工具（１０）は、前記電動工具の角変位、角速度、又は角加速度のうちの少なくとも１つであるパラメータを検出するための角度センサをさらに備え、前記制御装置は、少なくとも部分的に前記角度センサからの出力信号に基づいて、前記パラメータが第１の制限閾値を超える場合は、前記電動モータの回転方向を変更することなく、前記電動モータに供給される電流パルスのエネルギーを前回のパルスに比べて低減し、前記パラメータが第２の制限閾値を下回る場合は、前記電動モータの回転方向を変更することなく、前記電動モータに供給される新たな電流パルスのエネルギーを増加するように前記電動工具を制御するように構成されることを特徴とする、制御装置。

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