ねじ締め装置および制御方法
【課題】 ステッピングモータを用いて高精度のねじ締めを実現できるねじ締め装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】 この装置は、ビット１０と、ステッピングモータ１１と、入力されるＰＷＭ信号によりステッピングモータ１１を駆動させる駆動回路１２と、ステッピングモータ１１の回転方向の位置または回転角度を検出する位置検出器１３と、検出された情報から得られる回転速度が、設定された回転速度になるようにＰＷＭ信号を調整し、ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られたステッピングモータ１１のトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断し、達した場合に、設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を駆動回路１２に入力する制御回路１４とを含む。
【解決手段】 この装置は、ビット１０と、ステッピングモータ１１と、入力されるＰＷＭ信号によりステッピングモータ１１を駆動させる駆動回路１２と、ステッピングモータ１１の回転方向の位置または回転角度を検出する位置検出器１３と、検出された情報から得られる回転速度が、設定された回転速度になるようにＰＷＭ信号を調整し、ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られたステッピングモータ１１のトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断し、達した場合に、設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を駆動回路１２に入力する制御回路１４とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッピングモータを用いて高精度のねじ締めを実現することができるねじ締め装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物同士を締結し、接合するための部材として、ねじが広範な用途に使用されている。そのねじのねじ締め作業には、ドライバーといった工具が使用される。そのドライバーとして、迅速かつ容易にねじ締めを行うために電動ドライバーが用いられている。
【０００３】
電動ドライバーは、図１に示すように、先端がねじの頭部の溝や穴に嵌合可能な形状とされたビット１と、回転力を発生させるモータ２と、モータ２が発生させた回転力を伝達するギア３と、その回転力を伝達したり、切り離したりするクラッチ機構４とを含んで構成される。
【０００４】
ビット１の先端の形状は、ねじの頭部の溝や穴の形状に合わせて、マイナスやプラス等の形状とされる。図１には、プラスドライバーの先端形状の一例が示されている。モータ２は、一般に、ＤＣモータ、ＤＣブラシレスモータ、ＡＣモータ、ＡＣサーボモータが使用される。
【０００５】
ＤＣモータは、直流電流で動作し、優れた回転特性を有する。例えば、大きな起動トルク、電圧変化に対するリニアな回転特性、入力電流に対する出力トルクの直線性、高い出力効率を有している。トルクは、モータの回転力である。このＤＣモータは、回転子の回転角に応じてコイルに流れる電流の向きを変えて、磁束方向を変化させるために機械的なスイッチとしてブラシを用いる。しかしながら、ブラシは、電気的、機械的な接触を要することから、スパークが発生し、消耗し、雑音が発生する。このため、ＤＣモータに代えて、ブラシの機能を半導体スイッチで置き換えたＤＣブラシレスモータが使用されるようになってきている。
【０００６】
ＡＣモータは、電流の向きが変わる交流電流で動作するため、ブラシが不要である。その一方で、ＡＣモータは、回転数が電源周波数とモータ極数で決定されることから自動制御することができない。しかしながら、近年では、インバータを用いることで自由に回転数を制御することができるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ＡＣサーボモータも交流電流で動作するが、その動作をフィードバックするためのエンコーダやレゾルバ等の検出装置を備えている。このＡＣサーボモータは、出力を監視してその出力を入力へフィードバックする閉ループ方式を採用するため、停止精度が高く、高回転での運用が可能で、瞬時に定格トルク以上の力を出すことができる。ただし、高価である。
【０００８】
ギア３は、モータ２で発生した回転力をビット１に伝達するが、所定のトルクを得るために用いられる。このギア３は、回転数を減少させて大きなトルクを得ることができる。
【０００９】
クラッチ機構４は、ギア３から伝達される回転力をビット１へ伝達し、またはその伝達を切り離す。このクラッチ機構４を用いることで、瞬時にビット１を回転させ、または停止させることを可能にしている。
【００１０】
このように従来の電動ドライバーは、ギア３を備えるため、高トルクで締め付けることが可能である。また、クラッチ機構４を備えるため、回転力の伝達、その切り離しにより、締め付けトルクを安価に制限することができる。
【００１１】
その一方で、クラッチ機構４を備えると、例えばＭ２以下といった小さいねじの微小トルクでの締め付けトルクの安定性に欠けるという欠点がある。また、ビット１を高速で回転させるため、ねじの頭部にある溝や穴をつぶしてしまうという欠点もある。さらに、ギア３が介在するため、モータ２をトルク制御したとしても、バックラッシュや摩擦があり、締め付けトルクが安定せず、クラッチ機構４によりトルクの制御を頼らざるを得ないという問題がある。また、クラッチ機構４を使用せず、ロードセルで締め付けトルクを制御する場合もあるが、それでは高価となり、汎用性に乏しい。
【００１２】
ところで、モータには、上記のモータのほか、パルス電力に同期して動作するステッピングモータ（パルスモータとも呼ばれる。）がある。このステッピングモータは、簡単な回路構成で、正確な位置決め制御を実現することができるので、装置の位置決めに使用される。その特徴として、運動量が駆動パルス数に比例し、フィードバック回路を必要としないというメリットを有し、安価である。
【００１３】
このステッピングモータを使用した電動ドライバーも提案されている。例えば、受光装置により計測された変位量に応じた電気信号をパルスモータに出力させ、電動ドライバーを所定量、変位を解消する方向に回転させるものが提案されている（特許文献２参照）。
【００１４】
また、供給空気圧に比例したトルク値で動力を断続できるように構成したクラッチ機構を装備したネジ締めドライバーと、動力用にステッピングモータと、減速機としてハーモニックドライブ（登録商標）機構とを備えたネジ締めドライバーが提案されている（特許文献３参照）。ステッピングモータを用いることで回転速度変化に伴う慣性力差による出力トルク値のばらつきをなくし、ブラシ等の電気的摺動部を持たない構造であるため、耐久性に富むという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−１５９８６号公報
【特許文献２】特開平９−２６８７４０号公報
【特許文献３】特開平７−２４７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ステッピングモータは、回転角度と回転速度が、与えるパルス信号の数と周期によって決まり、その結果、定格負荷内であればフィードバック制御することなく、思い通りの動作を実現できる。このため、上述した従来の電動ドライバーでも、フィードバック制御を行っていない。
【００１７】
ねじ締めを行うと、ある程度回転させたところで、回りにくくなる。それでも一定の回転速度になるように速度指令を与え続けると、トルクが大きくなり、あるトルク（トルクリミット）を超えてしまうと、ねじの頭部にあるドライバーの先端を挿入し、嵌合させるための嵌合溝をつぶしてしまう場合がある。特に、ＰＣ、デジタルカメラ、スマートフォン、タブレット端末等の精密機器の製造で使用される微細ねじでは、多少つぶれただけで回せなくなってしまうので重大な問題となる。また、ねじ自体は金属であるが、そのねじが螺合される締め付けられる側がプラスチック樹脂であるとき、その締め付けられる側が有するねじ溝をつぶしてしまうという問題もある。
【００１８】
ＡＣサーボモータを使用すれば、フィードバック制御によりトルクを制御することができる。しかしながら、高価となる。したがって、安価なステッピングモータを用い、このような問題を生じることなく、ねじの確実な締め付けを実現することができる装置や方法の提供が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記課題は、本発明のねじ締め装置およびその制御方法を提供することにより解決することができる。
【００２０】
本発明のねじ締め装置は、ねじに嵌合させるためのビットと、前記ビットを回転させるために動力を与えるステッピングモータと、入力されるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号により前記ステッピングモータを駆動させる駆動手段と、前記ステッピングモータの回転方向の位置または回転角度を検出する位置検出手段と、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる回転速度が、設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整し、前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断し、達した場合に、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力する制御手段とを含む。
【００２１】
前記ステッピングモータは、前記ビットに直接動力を与えて当該ビットを回転させる。したがって、ビットとステッピングモータとの間には、クラッチ機構やギアは存在しない。
【００２２】
前記制御手段は、前記設定されたトルクに達し、一定時間が経過した後、前記一定のＰＷＭ信号の入力を停止する。この停止により、ステッピングモータを停止する。
【００２３】
前記制御手段は、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる前記ステッピングモータの回転する回数（回転回数）が設定された第１回数に達するまで第１回転速度で回転させ、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整する。これにより、可変速制御を実現することができる。例えば、制御手段は、位置または回転角度を表すパルス信号の入力を受け付け、当該パルス信号から回転速度およびステッピングモータの回転回数を算出する。
【００２４】
前記制御手段は、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を調整して、前記設定された回転速度になるように制御する回転速度制御および前記設定されたトルクになるように制御するトルク制限制御を行う。
【００２５】
また、このねじ締め装置は、前記設定されたトルク、前記設定された回転回数、前記設定された回転速度を記憶するための記憶手段を含み、前記制御手段は、前記ステッピングモータの駆動により得られた回転速度、回転回数およびトルクを前記記憶手段に記憶させることができる。
【００２６】
本発明の制御方法は、上記ねじ締め装置の制御手段が実行する処理を処理ステップとして含む。すなわち、設定された回転速度に基づきＰＷＭ信号を生成して駆動手段に入力するステップと、位置検出手段により検出されたステッピングモータの回転方向の位置または回転角度の情報から得られる回転速度が前記設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが設定されたトルクに達したか否かを判断するステップと、達したと判断された場合、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力するステップとを含む。
【００２７】
前記調整するステップは、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる回転回数が設定された第１回数に達するまで第１回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のねじ締め装置を提供することにより、安価なステッピングモータを用い、ギアやクラッチ機構を用いることなく、安価で提供することができる。また、本発明のねじ締め装置およびその制御方法を提供することにより、トルク制限制御を実行することができ、直接ねじの締め付けトルクを制御することができる。このため、特に微細ねじの締め付けに対して、嵌合溝をつぶすことなく、高速で、かつ確実に所定トルクでねじ締めを実現することができる。また、締め付けられる側が樹脂である場合においても、その締め付けられる側のねじ溝をつぶすことがなくなる。
【００２９】
また、可変速制御によって、最初は高速で締め付けを行い、最後は減速して締め付けを行うことにより、高速で、かつより確実に嵌合溝をつぶすことなく所定トルクでねじ締めを実現することができる。この場合も、締め付けられる側が樹脂であるとき、その締め付けられる側のねじ溝をつぶすことがなくなる。
【００３０】
さらに、記憶手段に得られたトルクや回数を記録することで、その後、トレースすることができ、間違った長さのねじを使用した場合や、斜めに挿入され所定の回転回数より少ない回転回数で締め付けられた場合等の締め付け異常を検出することが可能となる。そして、トルクカーブを記録しトレースすることも可能となり、これらの情報を記録管理することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来のねじ締め装置の構成例を示した図。
【図２】本発明のねじ締め装置の構成例を示した図。
【図３】ねじ締め装置が備える駆動回路の回路構成図。
【図４】ねじ締め装置が備える制御回路の機能ブロック図。
【図５】ねじ締め制御におけるモータのトルク波形を示した図。
【図６】ねじ締め制御の１つの流れを示したフローチャート図。
【図７】ねじ締め制御の別の流れを示したフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図２は、本発明のねじ締め装置の構成例を示した図である。図２に示した実施形態は、１つの構成例であるので、本発明は、この実施形態に限定されるものでない。本発明のねじ締め装置は、様々な種類やサイズのねじに適用可能であるが、好適には、例えばＭ２以下の微細ねじに適用することができる。
【００３３】
ねじは、その要素として、巻き方向、条数、ねじ溝の形状、径、ピッチ、山数等がある。条数は、１つのねじに何本のねじ溝が切ってあるかを示すものである。これらの要素の情報から何回転させれば締め付けることができるかを想定することができる。
【００３４】
また、ねじは、雄ねじと雌ねじがあり、雄ねじは、頭部、座面、軸、ねじ先を有している。頭部頂面には、工具で回すための嵌合溝が形成され、嵌合溝としては、一文字の溝であるすりわり、十文字の穴である十字穴等がある。
【００３５】
本発明のねじ締め装置は、図２に示すように、この嵌合溝に挿入し、嵌合させるためのビット１０と、そのビット１０を回転させるために動力を与えるステッピングモータ１１と、入力されるＰＷＭ信号によりステッピングモータ１１を駆動させる駆動回路１２とを含んで構成される。また、ねじ締め装置は、位置検出手段としての位置検出器１３と、制御手段としての制御回路１４とをさらに含んで構成される。
【００３６】
ビット１０は、ねじと同様の炭素鋼やステンレス鋼等から製造され、その先端部がねじの嵌合溝に嵌合する形状とされる。このため、ビット１０をねじの嵌合溝に挿入し、嵌合させた後、ビット１０を回転させることにより、ねじを回転させ、締め付けることができる。
【００３７】
ステッピングモータ１１は、パルスモータとも呼ばれ、ＰＷＭ信号が入力されることにより、決められたステップ単位でモータ軸が回転する。ステッピングモータ１１は、パルスが１回送られるたびに一定角度だけ回転することから、正確な回転制御を実現することができる。
【００３８】
ステッピングモータ１１は、シャフトに連結される回転子と、回転子の周囲に離間して設けられる電線が巻かれた固定子とを含んで構成される。シャフトの一端は、上記のビット１０を着脱するためのチャック等が連結され、回転子の回転によりシャフトおよびチャックを介してビット１０を回転させることができる。回転子は、磁化されており、対向する固定子に巻かれた電線に電流が供給され、固定子が同じ磁極に磁化すると、吸引力や反発力を生じて一定方向へ一定角度だけ回転する。ステッピングモータ１１は、電流を流す方向を切り替えて、この吸引力や反発力を順次発生させることにより回転子を回転させる。ちなみに、ステッピングモータ１１には、ＰＭ（永久磁石）型、ＶＲ（歯車状鉄心）型、ＨＢ（複合）型の３種類があるが、ＶＲ型は吸引力のみを生じて回転子を回転させ、ＰＭ型およびＨＢ型は吸引力および反発力を生じて回転子を回転させる。
【００３９】
ステッピングモータ１１では、回転子とそれに対向する固定子の２つの磁極で１つの相を形成する。この相が２組あるものを２相ステッピングモータといい、ステッピングモータには、そのほか、３相ステッピングモータや５相ステッピングモータがある。本発明ではいずれの相のステッピングモータでも採用することができる。
【００４０】
本発明では、後述する制御回路１４により起動、停止、トルク制限制御を行うことができるので、ギアやクラッチ機構は必要なく、ステッピングモータ１１が直接ビット１０に動力を与えてビット１０を回転させ、また、停止させることができる。
【００４１】
駆動回路１２は、制御回路１４により生成され、入力されたＰＷＭ信号によりステッピングモータ１１を駆動させる。また、制御回路１４がＰＷＭ信号の入力を停止させたことを受けて、駆動回路１２は、ステッピングモータ１１を停止させる。駆動回路１２は、２相ステッピングモータの場合、例えば、８つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）と、２つのコイルとを備え、ＦＥＴで電流をオンオフし、２つのコイルに交互に電流を供給して交互にコイルを磁化することにより、回転子を回転させ、ステッピングモータ１１を駆動させる。
【００４２】
駆動回路１２は、一例として、図３に示すような８つのＦＥＴ２０〜２７と、２つのコイル２８、２９と、２つの電流検出器３０、３１とから構成することができる。制御回路１４は、８つのＦＥＴゲート信号を出力し、各ＦＥＴ２０〜２７のゲートへ入力される。電流検出器３０、３１は、コイル２８、２９に流れる電流を検出し、各相の電流の電圧変換信号ＶＳａ、ＶＳｂとして制御回路１４へフィードバックする。
【００４３】
再び図２を参照して、位置検出器１３は、ステッピングモータ１１の回転方向の位置あるいは回転角度を検出する。したがって、位置検出器１３は、ステッピングモータ１１の回転子がどの程度の角度だけ回転したかを検出することができる。具体的には、１°や２°といった角度である。この位置や回転角度を検出するための装置としては、エンコーダやレゾルバ等を挙げることができる。この位置検出器１３は、その位置または回転角度を表すパルス信号として出力することができる。
【００４４】
制御回路１４は、位置検出器１３から出力されたパルス信号の入力を受け付け、そのパルス数から回転速度および回転子が回転する回数（以下、単に回数とする。）を算出する。そして、制御回路１４は、その得られた回転速度が、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられた回転速度あるいは内部のメモリに予め設定された回転速度になるように、駆動回路１２に入力するＰＷＭ信号を調整する。
【００４５】
例えば、設定された回転速度と得られた回転速度との差を求め、その差の分だけ回転速度を上げる、または下げるように調整して、その設定された回転速度になるように制御することができる。具体的には、駆動回路１２へ入力するＰＷＭ信号のパルス幅を変えて電線に与える電流量を変えることにより調整する。これにより、回転子の単位時間当たりの回転角度が変わり、その結果、その設定された回転速度へ変わる。このようにして、制御回路１４は回転速度制御を行う。
【００４６】
また、制御回路１４は、回転速度制御を行いながらＰＷＭ信号を駆動回路１２へ入力するが、そのＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られたステッピングモータ１１のトルクが、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられたトルクあるいは内部のメモリに予め設定されたトルクに達したか否かを判断する。制御回路１４は、設定されたトルクに達していないと判断した場合、そのまま回転速度制御を続ける。
【００４７】
これに対し、達したと判断した場合、その設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を駆動回路１２へ入力する。一定のＰＷＭ信号は、一例では、その設定されたトルクを発生させるための電流値を与えるＰＷＭ信号である。このため、その設定されたトルク以上のトルクになることはなく、このようにして、制御回路１４はトルクを制限するトルク制限制御を行う。
【００４８】
制御回路１４としては、マイクロコントローラ（マイコン）を挙げることができる。マイコンは、ＣＰＵコア、上記の処理を実現するためのプログラム等を格納するメモリ、タイマー、Ｉ／Ｏインタフェースを備えることができる。また、マイコンは、後述する管理サーバ等と通信するための通信インタフェースを備えていてもよい。
【００４９】
図４に示す制御回路１４の機能ブロック図を参照して、制御回路１４の詳細な構成および各機能部が行う処理について説明する。制御回路１４は、速度検出部４０、速度演算部４１、リミット処理部４２、電流演算部４３、Ａ／Ｄコンバータ４４、第１座標変換部４５、第２座標変換部４６、ＰＷＭ電圧変換部４７、リミット時間計数部４８、モータ停止処理部４９、回数検出部５０、回数判断部５１、警告部５２を含んで構成される。
【００５０】
速度検出部４０は、位置検出器１３から入力されたパルス信号から回転速度を算出することにより回転速度を検出する。位置検出器１３がパルス信号へ変換する際、任意の回転角度につき１つのパルスを発生させるようにパルス信号を生成するので、回転速度は、１回転するパルス数を用いて算出することができる。
【００５１】
速度演算部４１は、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられる回転速度指令値、あるいは内部のメモリに予め設定された回転速度指令値を用い、速度検出部４０で検出された回転速度が、その回転速度指令値に設定された回転速度になるように、現在、コイル２８、２９に与えている電流値に対して一定の電流値を増加あるいは減少させる指示を速度演算の結果としてリミット処理部４２に対して出力する。なお、図４では、一例として、外部の管理サーバ等から回転速度指令値が与えられる場合について示している。
【００５２】
リミット処理部４２は、その結果を受け付け、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられる電流リミット値あるいは内部のメモリに予め設定された電流リミット値を参照し、駆動回路１２で現在コイル２８、２９に与えている電流値に、一定の電流値を増加あるいは減少させた値が、その電流リミット値に達するか否かを判断する。図４では、一例として、外部の管理サーバ等から電流リミット値が与えられる場合について示している。
【００５３】
ちなみに、モータのトルクＴＭは、下記式１から計算することができる。式１中、ＩＭはコイル２８、２９に与える電流値、ＫＴはモータのトルク定数である。
【００５４】
【数１】
【００５５】
上記式１を参照すると、モータのトルクＴＭは、電流値ＩＭに比例しており、電流値ＩＭが電流リミット値に達したか否かを判断することにより、トルクＴＭが設定されたトルクに達したか否かを判断することができる。この判断は、モータのトルクを制限し、ねじに過度なトルクがかからないようにするために行われるものである。
【００５６】
ここで、図５に、時間とトルクとの関係を示す。トルクは、モータの起動により発生し、ある程度ねじが挿入されるまではほぼ一定のトルクで、ねじがある程度挿入されたところで急激にトルクが上昇することがわかる。このまま回転速度制御を行い、モータを回転し続けると、さらにトルクが上昇し、ねじの嵌合溝がつぶれない最大トルクであるトルクリミットを超えてしまう。
【００５７】
そこで、本発明では、このトルクリミットを上限として設定し、その上限を超えるトルクが生じないようにトルク制限を行う。また、上限に達したところですぐに停止させるのではなく、ある一定時間その上限のトルクを維持する。その上限に達したところでは、ある程度ねじ締めが完了したことを示し、一定時間増し締めを行うことで、確実なねじ締めを実現することができるからである。したがって、図５では、トルクリミットとして参照される締め付けトルクに達したところで、その締め付けトルクに、一定時間として増し締め時間だけ制御され、一定時間が経過後、モータが停止されている。
【００５８】
再び図４を参照して、リミット処理部４２は、電流リミット値に達していないと判断した場合、その結果を電流指令として電流演算部４３へ送る。Ａ／Ｄコンバータ４４は、駆動回路１２の電流検出器３０、３１により検出された電流の電圧変換信号（アナログ）を電圧変換信号（デジタル）へ変換する。第１座標変換部４５は、それら２つの電圧変換信号（デジタル）を受け付け、電流演算部４３で電流演算処理を行うための信号へ変換するべく、固定座標から回転座標へ座標変換し、座標変換値を得る。
【００５９】
電流演算部４３は、その電流指令を受け、得られた座標変換値を用いて、駆動回路１２でコイル２８、２９に流す電流値を計算する。電流演算部４３は、一定の電流値だけ増加させる旨の指示を受け付けた場合、座標変換値に一定の電流値を加算して、コイル２８、２９に流すべき電流値とする。これに対し、一定の電流値だけ減少させる旨の指示を受け付けた場合、電流演算部４３は、座標変換値から一定の電流値を減算して、コイル２８、２９に流すべき電流値とする。
【００６０】
電流演算部４３は、得られた電流値の情報を第２座標変換部４６へ送付し、第２座標変換部４６が、２つの相への電圧指令に振り分けるための戻し座標変換処理を行う。具体的には、第２座標変換部４６は回転座標から固定座標へ戻す座標変換を行う。ＰＷＭ電圧変換部４７は、第２座標変換部４６から受け付けた電圧指令をパルス電圧に変換し、ＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号は、Ｇ１〜Ｇ８として参照されるＦＥＴゲート信号として駆動回路１２へ与えられる。
【００６１】
リミット処理部４２が、電流リミット値に達したと判断した場合、その電流リミット値の電流値にするように指示し、電流演算部４３がその電流値の情報を第２座標変換部４６へ送り、ＰＷＭ電圧変換部４７がその電流値を与えるＰＷＭ信号を生成し、駆動回路１２へ入力する。
【００６２】
その一方で、リミット処理部４２は、リミット時間計数部４８へ通知し、一定時間計測させる。リミット時間計数部４８は、図５に示される増し締め時間として設定された時間を計測し、その時間に達したところでモータ停止処理部４９へ通知する。モータ停止処理部４９は、その通知を受けてすぐ、ＰＷＭ電圧変換部４７から駆動回路１２へのＰＷＭ信号の入力を停止させることにより、ステッピングモータ１１を停止させる。
【００６３】
回数検出部５０は、位置検出器１３の出力信号からステッピングモータ１１の回転子が回転した回数を検出する。図４では、制御回路１４内で分岐して速度検出部４０と回数検出部５０へ入力されているが、位置検出器１３の出力信号が外部で分岐され、速度検出部４０と回数検出部５０とに別個に入力される構成であってもよい。なお、この回数検出部５０も、位置検出器１３がパルス信号へ変換する際、任意の回転角度につき１つのパルスを発生させるようにパルス信号を生成するので、回数は、パルス数を用いて算出することができる。また、回数検出部５０は、トルクリミットに達し、一定時間経過するまで回数をカウントし、経過した時点の回数を回数情報として回数判断部５１へ送付する。
【００６４】
回数判断部５１は、回数検出部５０から得られた回数情報を用い、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられる回数値、あるいは内部のメモリに予め設定された回数値と比較して、同じ回数であるかどうかを判断する。上述したように、ねじを締め付けるために必要とされる回数は、予め想定されるため、回数値として設定することができ、その設定された回数値と同じ回数であるかどうかを判断することにより、正しく締め付けられたかどうかを判断することができる。
【００６５】
回数判断部５１は、両者が一致する場合、正しく締め付けられていることを示しているので、何ら指示することなく、処理を終了することができる。ねじ締め装置が表示部を備えている場合、回数判断部５１は、表示部に対し、正しく締め付けられた旨を表示させることも可能である。これに対し、回数判断部５１は、両者が一致しない場合、斜めに挿入されている等、正しく締め付けられていないことを示しているので、警告部５２へ指示し、警告部５２がエラー音を鳴らしたり、表示部を備える場合にはその表示部に対し、エラーが発生した旨を表示させる。
【００６６】
本発明のねじ締め装置を用いて、ねじ締めを行う場合、最初から最後まで一定の回転速度で行うこともできるし、途中で回転速度を変える可変速で行うことも可能である。特に、可変速で行うと、最初に短時間である程度まで締め付け、その後は回転速度をゆるめ、所定のトルクでゆっくり締め付けることができるため、高速で、かつより確実にねじの嵌合溝をつぶすことなく締め付けることができる。また、締め付けられる側が樹脂である場合においても、その締め付けられる側のねじ溝をつぶすことがなくなる。
【００６７】
これらの処理を、図６および図７に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。まず、図６を参照して、一定の回転速度で締め付ける場合について説明する。ステップ６００から処理を開始し、まず最初に、ステップ６１０で、ねじ締めを開始したかどうかを判断する。例えば、モータの電源がＯＮにされたかどうかにより判断を行う。開始するまでステップ６１０の判断を行う。なお、ねじ締めは、制御回路１４から駆動回路１２へＰＷＭ信号を入力することにより開始する。
【００６８】
ステップ６１０で開始したと判断した場合、制御回路１４が回転速度指令値で設定された回転速度になるＰＷＭ信号を生成し、それを駆動回路１２へ入力することによりモータを起動し、ステップ６２０で、位置検出器１３で位置または回転角度の検出を行い、その位置または回転角度の情報を制御回路１４へ送り、制御回路１４が、その位置または回転角度の情報を用いてＰＷＭ信号のパルス幅を調整することにより回転速度制御を行う。算出された回転速度が、設定された回転速度より小さい場合、回転速度を上げるべく、パルス幅を短くし、パルス数を増加させる。一方、設定された回転速度より大きい場合、回転速度を下げるべく、パルス幅を長くし、パルス数を減少させる。
【００６９】
ステップ６３０では、駆動回路１２から得られた電流値が、電流リミット値に達したかどうかを判断することにより、トルクリミットとして設定されたトルク、すなわち図５に示す締め付けトルクに達したかどうかを判断する。達してしない場合、達するまで、ステップ６３０の判断を繰り返す。また、達するまで、ステップ６２０の回転速度制御を続ける。
【００７０】
ステップ６３０で達したと判断した場合、その締め付けトルクにトルク制限制御を行い、ステップ６４０へ進み、増し締め時間に達したかを判断する。すなわち、達したと判断してから一定時間が経過したかを判断する。この増し締め時間内は、トルク制限制御が行われる。トルク制限制御は、電流リミット値を与えるＰＷＭ信号に調整し、駆動回路１２に入力することにより行われる。ステップ６４０で経過していないと判断した場合、経過するまでこのステップ６４０の判断を行う。
【００７１】
経過したと判断した場合は、ステップ６５０へ進み、モータへのＰＷＭ信号の入力を停止させ、モータを停止させる。これにより、ステップ６６０で処理を終了する。
【００７２】
次に、図７を参照して、可変速で締め付ける場合について説明する。ここでは、ねじ締めの全回数を、例えば２０回転とし、そのうちの１８回転（第１回数）を高速で回転させ、残りの２回転（第２回数）を低速で回転させて締め付ける場合を例示する。
【００７３】
ステップ７００から処理を開始し、まず最初に、ステップ７１０で、ねじ締めを開始したかどうかを判断する。開始するまでステップ７１０の判断を行う。
【００７４】
ステップ７１０で開始したと判断した場合、ステップ７２０で、位置検出器１３で位置または回転角度の検出を行い、その位置または回転角度の情報を制御回路１４へ送り、制御回路１４が、その位置または回転角度の情報を用いてＰＷＭ信号のパルス幅を調整することにより回転速度制御を行う。
【００７５】
ステップ７３０では、回数が設定された第１回数である１８回転に達したかを判断する。達していない場合、達するまで、ステップ７３０の判断を行う。達した場合、ステップ７４０へ進み、ステップ７２０と同様の回転速度制御を行うが、ここではステップ７２０のときの回転速度より低い回転速度に制御する。
【００７６】
ステップ７５０では、駆動回路１２から得られた電流値が、電流リミット値に達したかどうかを判断することにより、締め付けトルクに達したかどうかを判断する。達してしない場合、達するまで、ステップ７５０の判断を繰り返す。また、達するまで、ステップ７４０の回転速度制御を続ける。
【００７７】
ステップ７５０で達したと判断した場合、その締め付けトルクにトルク制限制御を行い、ステップ７６０へ進み、残りの２回転し、増し締め時間に達したかを判断する。すなわち、達したと判断してから一定時間が経過したかを判断する。この増し締め時間内は、トルク制限制御が行われる。ステップ７６０で経過していないと判断した場合、経過するまでこのステップ７６０の判断を行う。
【００７８】
経過したと判断した場合は、ステップ７７０へ進み、モータへのＰＷＭ信号の入力を停止させ、モータを停止させる。これにより、ステップ７８０で処理を終了する。
【００７９】
制御回路１４が制御途中で算出した回転速度、トルク、回数等は、制御回路１４が備えるメモリや、外部の管理サーバ等が備える記憶手段に記憶させることができ、それによって、その後トレースを行うことができ、間違った長さのねじを使用した場合や、斜めに挿入され所定の回数より少ない回数で締め付けられた場合等の異常を検出することができる。また、トルクカーブも記録することができ、これらの情報の記録管理が可能となる。
【００８０】
これまで本発明のねじ締め装置およびその制御方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。したがって、制御方法を実現するためのプログラムを提供することもでき、このプログラムは、記憶媒体に格納して、あるいはダウンロード形式で提供することも可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１、１０…ビット、２…モータ、３…ギア、４…クラッチ機構、１１…ステッピングモータ、１２…駆動回路、１３…位置検出器、１４…制御回路、２０〜２７…ＦＥＴ、２８、２９…コイル、３０、３１…電流検出器、４０…速度検出部、４１…速度演算部、４２…リミット処理部、４３…電流演算部、４４…Ａ／Ｄコンバータ、４５…第１座標変換部、４６…第２座標変換部、４７…ＰＷＭ電圧変換部、４８…リミット時間計数部、４９…モータ停止処理部、５０…回数検出部、５１…回数判断部、５２…警告部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッピングモータを用いて高精度のねじ締めを実現することができるねじ締め装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物同士を締結し、接合するための部材として、ねじが広範な用途に使用されている。そのねじのねじ締め作業には、ドライバーといった工具が使用される。そのドライバーとして、迅速かつ容易にねじ締めを行うために電動ドライバーが用いられている。
【０００３】
電動ドライバーは、図１に示すように、先端がねじの頭部の溝や穴に嵌合可能な形状とされたビット１と、回転力を発生させるモータ２と、モータ２が発生させた回転力を伝達するギア３と、その回転力を伝達したり、切り離したりするクラッチ機構４とを含んで構成される。
【０００４】
ビット１の先端の形状は、ねじの頭部の溝や穴の形状に合わせて、マイナスやプラス等の形状とされる。図１には、プラスドライバーの先端形状の一例が示されている。モータ２は、一般に、ＤＣモータ、ＤＣブラシレスモータ、ＡＣモータ、ＡＣサーボモータが使用される。
【０００５】
ＤＣモータは、直流電流で動作し、優れた回転特性を有する。例えば、大きな起動トルク、電圧変化に対するリニアな回転特性、入力電流に対する出力トルクの直線性、高い出力効率を有している。トルクは、モータの回転力である。このＤＣモータは、回転子の回転角に応じてコイルに流れる電流の向きを変えて、磁束方向を変化させるために機械的なスイッチとしてブラシを用いる。しかしながら、ブラシは、電気的、機械的な接触を要することから、スパークが発生し、消耗し、雑音が発生する。このため、ＤＣモータに代えて、ブラシの機能を半導体スイッチで置き換えたＤＣブラシレスモータが使用されるようになってきている。
【０００６】
ＡＣモータは、電流の向きが変わる交流電流で動作するため、ブラシが不要である。その一方で、ＡＣモータは、回転数が電源周波数とモータ極数で決定されることから自動制御することができない。しかしながら、近年では、インバータを用いることで自由に回転数を制御することができるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ＡＣサーボモータも交流電流で動作するが、その動作をフィードバックするためのエンコーダやレゾルバ等の検出装置を備えている。このＡＣサーボモータは、出力を監視してその出力を入力へフィードバックする閉ループ方式を採用するため、停止精度が高く、高回転での運用が可能で、瞬時に定格トルク以上の力を出すことができる。ただし、高価である。
【０００８】
ギア３は、モータ２で発生した回転力をビット１に伝達するが、所定のトルクを得るために用いられる。このギア３は、回転数を減少させて大きなトルクを得ることができる。
【０００９】
クラッチ機構４は、ギア３から伝達される回転力をビット１へ伝達し、またはその伝達を切り離す。このクラッチ機構４を用いることで、瞬時にビット１を回転させ、または停止させることを可能にしている。
【００１０】
このように従来の電動ドライバーは、ギア３を備えるため、高トルクで締め付けることが可能である。また、クラッチ機構４を備えるため、回転力の伝達、その切り離しにより、締め付けトルクを安価に制限することができる。
【００１１】
その一方で、クラッチ機構４を備えると、例えばＭ２以下といった小さいねじの微小トルクでの締め付けトルクの安定性に欠けるという欠点がある。また、ビット１を高速で回転させるため、ねじの頭部にある溝や穴をつぶしてしまうという欠点もある。さらに、ギア３が介在するため、モータ２をトルク制御したとしても、バックラッシュや摩擦があり、締め付けトルクが安定せず、クラッチ機構４によりトルクの制御を頼らざるを得ないという問題がある。また、クラッチ機構４を使用せず、ロードセルで締め付けトルクを制御する場合もあるが、それでは高価となり、汎用性に乏しい。
【００１２】
ところで、モータには、上記のモータのほか、パルス電力に同期して動作するステッピングモータ（パルスモータとも呼ばれる。）がある。このステッピングモータは、簡単な回路構成で、正確な位置決め制御を実現することができるので、装置の位置決めに使用される。その特徴として、運動量が駆動パルス数に比例し、フィードバック回路を必要としないというメリットを有し、安価である。
【００１３】
このステッピングモータを使用した電動ドライバーも提案されている。例えば、受光装置により計測された変位量に応じた電気信号をパルスモータに出力させ、電動ドライバーを所定量、変位を解消する方向に回転させるものが提案されている（特許文献２参照）。
【００１４】
また、供給空気圧に比例したトルク値で動力を断続できるように構成したクラッチ機構を装備したネジ締めドライバーと、動力用にステッピングモータと、減速機としてハーモニックドライブ（登録商標）機構とを備えたネジ締めドライバーが提案されている（特許文献３参照）。ステッピングモータを用いることで回転速度変化に伴う慣性力差による出力トルク値のばらつきをなくし、ブラシ等の電気的摺動部を持たない構造であるため、耐久性に富むという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−１５９８６号公報
【特許文献２】特開平９−２６８７４０号公報
【特許文献３】特開平７−２４７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ステッピングモータは、回転角度と回転速度が、与えるパルス信号の数と周期によって決まり、その結果、定格負荷内であればフィードバック制御することなく、思い通りの動作を実現できる。このため、上述した従来の電動ドライバーでも、フィードバック制御を行っていない。
【００１７】
ねじ締めを行うと、ある程度回転させたところで、回りにくくなる。それでも一定の回転速度になるように速度指令を与え続けると、トルクが大きくなり、あるトルク（トルクリミット）を超えてしまうと、ねじの頭部にあるドライバーの先端を挿入し、嵌合させるための嵌合溝をつぶしてしまう場合がある。特に、ＰＣ、デジタルカメラ、スマートフォン、タブレット端末等の精密機器の製造で使用される微細ねじでは、多少つぶれただけで回せなくなってしまうので重大な問題となる。また、ねじ自体は金属であるが、そのねじが螺合される締め付けられる側がプラスチック樹脂であるとき、その締め付けられる側が有するねじ溝をつぶしてしまうという問題もある。
【００１８】
ＡＣサーボモータを使用すれば、フィードバック制御によりトルクを制御することができる。しかしながら、高価となる。したがって、安価なステッピングモータを用い、このような問題を生じることなく、ねじの確実な締め付けを実現することができる装置や方法の提供が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記課題は、本発明のねじ締め装置およびその制御方法を提供することにより解決することができる。
【００２０】
本発明のねじ締め装置は、ねじに嵌合させるためのビットと、前記ビットを回転させるために動力を与えるステッピングモータと、入力されるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号により前記ステッピングモータを駆動させる駆動手段と、前記ステッピングモータの回転方向の位置または回転角度を検出する位置検出手段と、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる回転速度が、設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整し、前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断し、達した場合に、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力する制御手段とを含む。
【００２１】
前記ステッピングモータは、前記ビットに直接動力を与えて当該ビットを回転させる。したがって、ビットとステッピングモータとの間には、クラッチ機構やギアは存在しない。
【００２２】
前記制御手段は、前記設定されたトルクに達し、一定時間が経過した後、前記一定のＰＷＭ信号の入力を停止する。この停止により、ステッピングモータを停止する。
【００２３】
前記制御手段は、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる前記ステッピングモータの回転する回数（回転回数）が設定された第１回数に達するまで第１回転速度で回転させ、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整する。これにより、可変速制御を実現することができる。例えば、制御手段は、位置または回転角度を表すパルス信号の入力を受け付け、当該パルス信号から回転速度およびステッピングモータの回転回数を算出する。
【００２４】
前記制御手段は、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を調整して、前記設定された回転速度になるように制御する回転速度制御および前記設定されたトルクになるように制御するトルク制限制御を行う。
【００２５】
また、このねじ締め装置は、前記設定されたトルク、前記設定された回転回数、前記設定された回転速度を記憶するための記憶手段を含み、前記制御手段は、前記ステッピングモータの駆動により得られた回転速度、回転回数およびトルクを前記記憶手段に記憶させることができる。
【００２６】
本発明の制御方法は、上記ねじ締め装置の制御手段が実行する処理を処理ステップとして含む。すなわち、設定された回転速度に基づきＰＷＭ信号を生成して駆動手段に入力するステップと、位置検出手段により検出されたステッピングモータの回転方向の位置または回転角度の情報から得られる回転速度が前記設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが設定されたトルクに達したか否かを判断するステップと、達したと判断された場合、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力するステップとを含む。
【００２７】
前記調整するステップは、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる回転回数が設定された第１回数に達するまで第１回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のねじ締め装置を提供することにより、安価なステッピングモータを用い、ギアやクラッチ機構を用いることなく、安価で提供することができる。また、本発明のねじ締め装置およびその制御方法を提供することにより、トルク制限制御を実行することができ、直接ねじの締め付けトルクを制御することができる。このため、特に微細ねじの締め付けに対して、嵌合溝をつぶすことなく、高速で、かつ確実に所定トルクでねじ締めを実現することができる。また、締め付けられる側が樹脂である場合においても、その締め付けられる側のねじ溝をつぶすことがなくなる。
【００２９】
また、可変速制御によって、最初は高速で締め付けを行い、最後は減速して締め付けを行うことにより、高速で、かつより確実に嵌合溝をつぶすことなく所定トルクでねじ締めを実現することができる。この場合も、締め付けられる側が樹脂であるとき、その締め付けられる側のねじ溝をつぶすことがなくなる。
【００３０】
さらに、記憶手段に得られたトルクや回数を記録することで、その後、トレースすることができ、間違った長さのねじを使用した場合や、斜めに挿入され所定の回転回数より少ない回転回数で締め付けられた場合等の締め付け異常を検出することが可能となる。そして、トルクカーブを記録しトレースすることも可能となり、これらの情報を記録管理することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来のねじ締め装置の構成例を示した図。
【図２】本発明のねじ締め装置の構成例を示した図。
【図３】ねじ締め装置が備える駆動回路の回路構成図。
【図４】ねじ締め装置が備える制御回路の機能ブロック図。
【図５】ねじ締め制御におけるモータのトルク波形を示した図。
【図６】ねじ締め制御の１つの流れを示したフローチャート図。
【図７】ねじ締め制御の別の流れを示したフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図２は、本発明のねじ締め装置の構成例を示した図である。図２に示した実施形態は、１つの構成例であるので、本発明は、この実施形態に限定されるものでない。本発明のねじ締め装置は、様々な種類やサイズのねじに適用可能であるが、好適には、例えばＭ２以下の微細ねじに適用することができる。
【００３３】
ねじは、その要素として、巻き方向、条数、ねじ溝の形状、径、ピッチ、山数等がある。条数は、１つのねじに何本のねじ溝が切ってあるかを示すものである。これらの要素の情報から何回転させれば締め付けることができるかを想定することができる。
【００３４】
また、ねじは、雄ねじと雌ねじがあり、雄ねじは、頭部、座面、軸、ねじ先を有している。頭部頂面には、工具で回すための嵌合溝が形成され、嵌合溝としては、一文字の溝であるすりわり、十文字の穴である十字穴等がある。
【００３５】
本発明のねじ締め装置は、図２に示すように、この嵌合溝に挿入し、嵌合させるためのビット１０と、そのビット１０を回転させるために動力を与えるステッピングモータ１１と、入力されるＰＷＭ信号によりステッピングモータ１１を駆動させる駆動回路１２とを含んで構成される。また、ねじ締め装置は、位置検出手段としての位置検出器１３と、制御手段としての制御回路１４とをさらに含んで構成される。
【００３６】
ビット１０は、ねじと同様の炭素鋼やステンレス鋼等から製造され、その先端部がねじの嵌合溝に嵌合する形状とされる。このため、ビット１０をねじの嵌合溝に挿入し、嵌合させた後、ビット１０を回転させることにより、ねじを回転させ、締め付けることができる。
【００３７】
ステッピングモータ１１は、パルスモータとも呼ばれ、ＰＷＭ信号が入力されることにより、決められたステップ単位でモータ軸が回転する。ステッピングモータ１１は、パルスが１回送られるたびに一定角度だけ回転することから、正確な回転制御を実現することができる。
【００３８】
ステッピングモータ１１は、シャフトに連結される回転子と、回転子の周囲に離間して設けられる電線が巻かれた固定子とを含んで構成される。シャフトの一端は、上記のビット１０を着脱するためのチャック等が連結され、回転子の回転によりシャフトおよびチャックを介してビット１０を回転させることができる。回転子は、磁化されており、対向する固定子に巻かれた電線に電流が供給され、固定子が同じ磁極に磁化すると、吸引力や反発力を生じて一定方向へ一定角度だけ回転する。ステッピングモータ１１は、電流を流す方向を切り替えて、この吸引力や反発力を順次発生させることにより回転子を回転させる。ちなみに、ステッピングモータ１１には、ＰＭ（永久磁石）型、ＶＲ（歯車状鉄心）型、ＨＢ（複合）型の３種類があるが、ＶＲ型は吸引力のみを生じて回転子を回転させ、ＰＭ型およびＨＢ型は吸引力および反発力を生じて回転子を回転させる。
【００３９】
ステッピングモータ１１では、回転子とそれに対向する固定子の２つの磁極で１つの相を形成する。この相が２組あるものを２相ステッピングモータといい、ステッピングモータには、そのほか、３相ステッピングモータや５相ステッピングモータがある。本発明ではいずれの相のステッピングモータでも採用することができる。
【００４０】
本発明では、後述する制御回路１４により起動、停止、トルク制限制御を行うことができるので、ギアやクラッチ機構は必要なく、ステッピングモータ１１が直接ビット１０に動力を与えてビット１０を回転させ、また、停止させることができる。
【００４１】
駆動回路１２は、制御回路１４により生成され、入力されたＰＷＭ信号によりステッピングモータ１１を駆動させる。また、制御回路１４がＰＷＭ信号の入力を停止させたことを受けて、駆動回路１２は、ステッピングモータ１１を停止させる。駆動回路１２は、２相ステッピングモータの場合、例えば、８つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）と、２つのコイルとを備え、ＦＥＴで電流をオンオフし、２つのコイルに交互に電流を供給して交互にコイルを磁化することにより、回転子を回転させ、ステッピングモータ１１を駆動させる。
【００４２】
駆動回路１２は、一例として、図３に示すような８つのＦＥＴ２０〜２７と、２つのコイル２８、２９と、２つの電流検出器３０、３１とから構成することができる。制御回路１４は、８つのＦＥＴゲート信号を出力し、各ＦＥＴ２０〜２７のゲートへ入力される。電流検出器３０、３１は、コイル２８、２９に流れる電流を検出し、各相の電流の電圧変換信号ＶＳａ、ＶＳｂとして制御回路１４へフィードバックする。
【００４３】
再び図２を参照して、位置検出器１３は、ステッピングモータ１１の回転方向の位置あるいは回転角度を検出する。したがって、位置検出器１３は、ステッピングモータ１１の回転子がどの程度の角度だけ回転したかを検出することができる。具体的には、１°や２°といった角度である。この位置や回転角度を検出するための装置としては、エンコーダやレゾルバ等を挙げることができる。この位置検出器１３は、その位置または回転角度を表すパルス信号として出力することができる。
【００４４】
制御回路１４は、位置検出器１３から出力されたパルス信号の入力を受け付け、そのパルス数から回転速度および回転子が回転する回数（以下、単に回数とする。）を算出する。そして、制御回路１４は、その得られた回転速度が、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられた回転速度あるいは内部のメモリに予め設定された回転速度になるように、駆動回路１２に入力するＰＷＭ信号を調整する。
【００４５】
例えば、設定された回転速度と得られた回転速度との差を求め、その差の分だけ回転速度を上げる、または下げるように調整して、その設定された回転速度になるように制御することができる。具体的には、駆動回路１２へ入力するＰＷＭ信号のパルス幅を変えて電線に与える電流量を変えることにより調整する。これにより、回転子の単位時間当たりの回転角度が変わり、その結果、その設定された回転速度へ変わる。このようにして、制御回路１４は回転速度制御を行う。
【００４６】
また、制御回路１４は、回転速度制御を行いながらＰＷＭ信号を駆動回路１２へ入力するが、そのＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られたステッピングモータ１１のトルクが、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられたトルクあるいは内部のメモリに予め設定されたトルクに達したか否かを判断する。制御回路１４は、設定されたトルクに達していないと判断した場合、そのまま回転速度制御を続ける。
【００４７】
これに対し、達したと判断した場合、その設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を駆動回路１２へ入力する。一定のＰＷＭ信号は、一例では、その設定されたトルクを発生させるための電流値を与えるＰＷＭ信号である。このため、その設定されたトルク以上のトルクになることはなく、このようにして、制御回路１４はトルクを制限するトルク制限制御を行う。
【００４８】
制御回路１４としては、マイクロコントローラ（マイコン）を挙げることができる。マイコンは、ＣＰＵコア、上記の処理を実現するためのプログラム等を格納するメモリ、タイマー、Ｉ／Ｏインタフェースを備えることができる。また、マイコンは、後述する管理サーバ等と通信するための通信インタフェースを備えていてもよい。
【００４９】
図４に示す制御回路１４の機能ブロック図を参照して、制御回路１４の詳細な構成および各機能部が行う処理について説明する。制御回路１４は、速度検出部４０、速度演算部４１、リミット処理部４２、電流演算部４３、Ａ／Ｄコンバータ４４、第１座標変換部４５、第２座標変換部４６、ＰＷＭ電圧変換部４７、リミット時間計数部４８、モータ停止処理部４９、回数検出部５０、回数判断部５１、警告部５２を含んで構成される。
【００５０】
速度検出部４０は、位置検出器１３から入力されたパルス信号から回転速度を算出することにより回転速度を検出する。位置検出器１３がパルス信号へ変換する際、任意の回転角度につき１つのパルスを発生させるようにパルス信号を生成するので、回転速度は、１回転するパルス数を用いて算出することができる。
【００５１】
速度演算部４１は、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられる回転速度指令値、あるいは内部のメモリに予め設定された回転速度指令値を用い、速度検出部４０で検出された回転速度が、その回転速度指令値に設定された回転速度になるように、現在、コイル２８、２９に与えている電流値に対して一定の電流値を増加あるいは減少させる指示を速度演算の結果としてリミット処理部４２に対して出力する。なお、図４では、一例として、外部の管理サーバ等から回転速度指令値が与えられる場合について示している。
【００５２】
リミット処理部４２は、その結果を受け付け、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられる電流リミット値あるいは内部のメモリに予め設定された電流リミット値を参照し、駆動回路１２で現在コイル２８、２９に与えている電流値に、一定の電流値を増加あるいは減少させた値が、その電流リミット値に達するか否かを判断する。図４では、一例として、外部の管理サーバ等から電流リミット値が与えられる場合について示している。
【００５３】
ちなみに、モータのトルクＴＭは、下記式１から計算することができる。式１中、ＩＭはコイル２８、２９に与える電流値、ＫＴはモータのトルク定数である。
【００５４】
【数１】
【００５５】
上記式１を参照すると、モータのトルクＴＭは、電流値ＩＭに比例しており、電流値ＩＭが電流リミット値に達したか否かを判断することにより、トルクＴＭが設定されたトルクに達したか否かを判断することができる。この判断は、モータのトルクを制限し、ねじに過度なトルクがかからないようにするために行われるものである。
【００５６】
ここで、図５に、時間とトルクとの関係を示す。トルクは、モータの起動により発生し、ある程度ねじが挿入されるまではほぼ一定のトルクで、ねじがある程度挿入されたところで急激にトルクが上昇することがわかる。このまま回転速度制御を行い、モータを回転し続けると、さらにトルクが上昇し、ねじの嵌合溝がつぶれない最大トルクであるトルクリミットを超えてしまう。
【００５７】
そこで、本発明では、このトルクリミットを上限として設定し、その上限を超えるトルクが生じないようにトルク制限を行う。また、上限に達したところですぐに停止させるのではなく、ある一定時間その上限のトルクを維持する。その上限に達したところでは、ある程度ねじ締めが完了したことを示し、一定時間増し締めを行うことで、確実なねじ締めを実現することができるからである。したがって、図５では、トルクリミットとして参照される締め付けトルクに達したところで、その締め付けトルクに、一定時間として増し締め時間だけ制御され、一定時間が経過後、モータが停止されている。
【００５８】
再び図４を参照して、リミット処理部４２は、電流リミット値に達していないと判断した場合、その結果を電流指令として電流演算部４３へ送る。Ａ／Ｄコンバータ４４は、駆動回路１２の電流検出器３０、３１により検出された電流の電圧変換信号（アナログ）を電圧変換信号（デジタル）へ変換する。第１座標変換部４５は、それら２つの電圧変換信号（デジタル）を受け付け、電流演算部４３で電流演算処理を行うための信号へ変換するべく、固定座標から回転座標へ座標変換し、座標変換値を得る。
【００５９】
電流演算部４３は、その電流指令を受け、得られた座標変換値を用いて、駆動回路１２でコイル２８、２９に流す電流値を計算する。電流演算部４３は、一定の電流値だけ増加させる旨の指示を受け付けた場合、座標変換値に一定の電流値を加算して、コイル２８、２９に流すべき電流値とする。これに対し、一定の電流値だけ減少させる旨の指示を受け付けた場合、電流演算部４３は、座標変換値から一定の電流値を減算して、コイル２８、２９に流すべき電流値とする。
【００６０】
電流演算部４３は、得られた電流値の情報を第２座標変換部４６へ送付し、第２座標変換部４６が、２つの相への電圧指令に振り分けるための戻し座標変換処理を行う。具体的には、第２座標変換部４６は回転座標から固定座標へ戻す座標変換を行う。ＰＷＭ電圧変換部４７は、第２座標変換部４６から受け付けた電圧指令をパルス電圧に変換し、ＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号は、Ｇ１〜Ｇ８として参照されるＦＥＴゲート信号として駆動回路１２へ与えられる。
【００６１】
リミット処理部４２が、電流リミット値に達したと判断した場合、その電流リミット値の電流値にするように指示し、電流演算部４３がその電流値の情報を第２座標変換部４６へ送り、ＰＷＭ電圧変換部４７がその電流値を与えるＰＷＭ信号を生成し、駆動回路１２へ入力する。
【００６２】
その一方で、リミット処理部４２は、リミット時間計数部４８へ通知し、一定時間計測させる。リミット時間計数部４８は、図５に示される増し締め時間として設定された時間を計測し、その時間に達したところでモータ停止処理部４９へ通知する。モータ停止処理部４９は、その通知を受けてすぐ、ＰＷＭ電圧変換部４７から駆動回路１２へのＰＷＭ信号の入力を停止させることにより、ステッピングモータ１１を停止させる。
【００６３】
回数検出部５０は、位置検出器１３の出力信号からステッピングモータ１１の回転子が回転した回数を検出する。図４では、制御回路１４内で分岐して速度検出部４０と回数検出部５０へ入力されているが、位置検出器１３の出力信号が外部で分岐され、速度検出部４０と回数検出部５０とに別個に入力される構成であってもよい。なお、この回数検出部５０も、位置検出器１３がパルス信号へ変換する際、任意の回転角度につき１つのパルスを発生させるようにパルス信号を生成するので、回数は、パルス数を用いて算出することができる。また、回数検出部５０は、トルクリミットに達し、一定時間経過するまで回数をカウントし、経過した時点の回数を回数情報として回数判断部５１へ送付する。
【００６４】
回数判断部５１は、回数検出部５０から得られた回数情報を用い、外部の管理サーバ等に設定され、その管理サーバ等から与えられる回数値、あるいは内部のメモリに予め設定された回数値と比較して、同じ回数であるかどうかを判断する。上述したように、ねじを締め付けるために必要とされる回数は、予め想定されるため、回数値として設定することができ、その設定された回数値と同じ回数であるかどうかを判断することにより、正しく締め付けられたかどうかを判断することができる。
【００６５】
回数判断部５１は、両者が一致する場合、正しく締め付けられていることを示しているので、何ら指示することなく、処理を終了することができる。ねじ締め装置が表示部を備えている場合、回数判断部５１は、表示部に対し、正しく締め付けられた旨を表示させることも可能である。これに対し、回数判断部５１は、両者が一致しない場合、斜めに挿入されている等、正しく締め付けられていないことを示しているので、警告部５２へ指示し、警告部５２がエラー音を鳴らしたり、表示部を備える場合にはその表示部に対し、エラーが発生した旨を表示させる。
【００６６】
本発明のねじ締め装置を用いて、ねじ締めを行う場合、最初から最後まで一定の回転速度で行うこともできるし、途中で回転速度を変える可変速で行うことも可能である。特に、可変速で行うと、最初に短時間である程度まで締め付け、その後は回転速度をゆるめ、所定のトルクでゆっくり締め付けることができるため、高速で、かつより確実にねじの嵌合溝をつぶすことなく締め付けることができる。また、締め付けられる側が樹脂である場合においても、その締め付けられる側のねじ溝をつぶすことがなくなる。
【００６７】
これらの処理を、図６および図７に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。まず、図６を参照して、一定の回転速度で締め付ける場合について説明する。ステップ６００から処理を開始し、まず最初に、ステップ６１０で、ねじ締めを開始したかどうかを判断する。例えば、モータの電源がＯＮにされたかどうかにより判断を行う。開始するまでステップ６１０の判断を行う。なお、ねじ締めは、制御回路１４から駆動回路１２へＰＷＭ信号を入力することにより開始する。
【００６８】
ステップ６１０で開始したと判断した場合、制御回路１４が回転速度指令値で設定された回転速度になるＰＷＭ信号を生成し、それを駆動回路１２へ入力することによりモータを起動し、ステップ６２０で、位置検出器１３で位置または回転角度の検出を行い、その位置または回転角度の情報を制御回路１４へ送り、制御回路１４が、その位置または回転角度の情報を用いてＰＷＭ信号のパルス幅を調整することにより回転速度制御を行う。算出された回転速度が、設定された回転速度より小さい場合、回転速度を上げるべく、パルス幅を短くし、パルス数を増加させる。一方、設定された回転速度より大きい場合、回転速度を下げるべく、パルス幅を長くし、パルス数を減少させる。
【００６９】
ステップ６３０では、駆動回路１２から得られた電流値が、電流リミット値に達したかどうかを判断することにより、トルクリミットとして設定されたトルク、すなわち図５に示す締め付けトルクに達したかどうかを判断する。達してしない場合、達するまで、ステップ６３０の判断を繰り返す。また、達するまで、ステップ６２０の回転速度制御を続ける。
【００７０】
ステップ６３０で達したと判断した場合、その締め付けトルクにトルク制限制御を行い、ステップ６４０へ進み、増し締め時間に達したかを判断する。すなわち、達したと判断してから一定時間が経過したかを判断する。この増し締め時間内は、トルク制限制御が行われる。トルク制限制御は、電流リミット値を与えるＰＷＭ信号に調整し、駆動回路１２に入力することにより行われる。ステップ６４０で経過していないと判断した場合、経過するまでこのステップ６４０の判断を行う。
【００７１】
経過したと判断した場合は、ステップ６５０へ進み、モータへのＰＷＭ信号の入力を停止させ、モータを停止させる。これにより、ステップ６６０で処理を終了する。
【００７２】
次に、図７を参照して、可変速で締め付ける場合について説明する。ここでは、ねじ締めの全回数を、例えば２０回転とし、そのうちの１８回転（第１回数）を高速で回転させ、残りの２回転（第２回数）を低速で回転させて締め付ける場合を例示する。
【００７３】
ステップ７００から処理を開始し、まず最初に、ステップ７１０で、ねじ締めを開始したかどうかを判断する。開始するまでステップ７１０の判断を行う。
【００７４】
ステップ７１０で開始したと判断した場合、ステップ７２０で、位置検出器１３で位置または回転角度の検出を行い、その位置または回転角度の情報を制御回路１４へ送り、制御回路１４が、その位置または回転角度の情報を用いてＰＷＭ信号のパルス幅を調整することにより回転速度制御を行う。
【００７５】
ステップ７３０では、回数が設定された第１回数である１８回転に達したかを判断する。達していない場合、達するまで、ステップ７３０の判断を行う。達した場合、ステップ７４０へ進み、ステップ７２０と同様の回転速度制御を行うが、ここではステップ７２０のときの回転速度より低い回転速度に制御する。
【００７６】
ステップ７５０では、駆動回路１２から得られた電流値が、電流リミット値に達したかどうかを判断することにより、締め付けトルクに達したかどうかを判断する。達してしない場合、達するまで、ステップ７５０の判断を繰り返す。また、達するまで、ステップ７４０の回転速度制御を続ける。
【００７７】
ステップ７５０で達したと判断した場合、その締め付けトルクにトルク制限制御を行い、ステップ７６０へ進み、残りの２回転し、増し締め時間に達したかを判断する。すなわち、達したと判断してから一定時間が経過したかを判断する。この増し締め時間内は、トルク制限制御が行われる。ステップ７６０で経過していないと判断した場合、経過するまでこのステップ７６０の判断を行う。
【００７８】
経過したと判断した場合は、ステップ７７０へ進み、モータへのＰＷＭ信号の入力を停止させ、モータを停止させる。これにより、ステップ７８０で処理を終了する。
【００７９】
制御回路１４が制御途中で算出した回転速度、トルク、回数等は、制御回路１４が備えるメモリや、外部の管理サーバ等が備える記憶手段に記憶させることができ、それによって、その後トレースを行うことができ、間違った長さのねじを使用した場合や、斜めに挿入され所定の回数より少ない回数で締め付けられた場合等の異常を検出することができる。また、トルクカーブも記録することができ、これらの情報の記録管理が可能となる。
【００８０】
これまで本発明のねじ締め装置およびその制御方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。したがって、制御方法を実現するためのプログラムを提供することもでき、このプログラムは、記憶媒体に格納して、あるいはダウンロード形式で提供することも可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１、１０…ビット、２…モータ、３…ギア、４…クラッチ機構、１１…ステッピングモータ、１２…駆動回路、１３…位置検出器、１４…制御回路、２０〜２７…ＦＥＴ、２８、２９…コイル、３０、３１…電流検出器、４０…速度検出部、４１…速度演算部、４２…リミット処理部、４３…電流演算部、４４…Ａ／Ｄコンバータ、４５…第１座標変換部、４６…第２座標変換部、４７…ＰＷＭ電圧変換部、４８…リミット時間計数部、４９…モータ停止処理部、５０…回数検出部、５１…回数判断部、５２…警告部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじに嵌合させるためのビットと、
前記ビットを回転させるために動力を与えるステッピングモータと、
入力されるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号により前記ステッピングモータを駆動させる駆動手段と、
前記ステッピングモータの回転方向の位置または回転角度を検出する位置検出手段と、
検出された前記位置または回転角度の情報から得られる回転速度が、設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整し、前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断し、達した場合に、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力する制御手段とを含む、ねじ締め装置。
【請求項２】
前記ステッピングモータは、前記ビットに直接動力を与えて当該ビットを回転させる、請求項１に記載のねじ締め装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記設定されたトルクに達し、一定時間が経過した後、前記一定のＰＷＭ信号の入力を停止する、請求項１または２に記載のねじ締め装置。
【請求項４】
前記制御手段は、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる前記ステッピングモータの回転する回数が設定された第１回数に達するまで第１回転速度で回転させ、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を調整して、前記設定された回転速度になるように制御する回転速度制御および前記設定されたトルクになるように制御するトルク制限制御を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項６】
前記設定されたトルクおよび前記設定された回転速度を記憶するための記憶手段を含み、前記制御手段は、前記ステッピングモータの駆動により得られた回転速度およびトルクを前記記憶手段に記憶させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項７】
ねじ締め装置が備える制御手段により実行される制御方法であって、
設定された回転速度に基づきＰＷＭ信号を生成して前記ねじ締め装置の駆動手段に入力するステップと、
前記ねじ締め装置の位置検出手段により検出されたステッピングモータの回転方向の位置または回転角度の情報から得られる回転速度が、前記設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、
前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断するステップと、
達したと判断された場合、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力するステップとを含む、制御方法。
【請求項８】
前記調整するステップは、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる前記ステッピングモータの回転する回数が設定された第１回数に達するまで第１回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップとを含む、請求項７に記載の制御方法。
【請求項１】
ねじに嵌合させるためのビットと、
前記ビットを回転させるために動力を与えるステッピングモータと、
入力されるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号により前記ステッピングモータを駆動させる駆動手段と、
前記ステッピングモータの回転方向の位置または回転角度を検出する位置検出手段と、
検出された前記位置または回転角度の情報から得られる回転速度が、設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整し、前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断し、達した場合に、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力する制御手段とを含む、ねじ締め装置。
【請求項２】
前記ステッピングモータは、前記ビットに直接動力を与えて当該ビットを回転させる、請求項１に記載のねじ締め装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記設定されたトルクに達し、一定時間が経過した後、前記一定のＰＷＭ信号の入力を停止する、請求項１または２に記載のねじ締め装置。
【請求項４】
前記制御手段は、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる前記ステッピングモータの回転する回数が設定された第１回数に達するまで第１回転速度で回転させ、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を調整して、前記設定された回転速度になるように制御する回転速度制御および前記設定されたトルクになるように制御するトルク制限制御を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項６】
前記設定されたトルクおよび前記設定された回転速度を記憶するための記憶手段を含み、前記制御手段は、前記ステッピングモータの駆動により得られた回転速度およびトルクを前記記憶手段に記憶させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項７】
ねじ締め装置が備える制御手段により実行される制御方法であって、
設定された回転速度に基づきＰＷＭ信号を生成して前記ねじ締め装置の駆動手段に入力するステップと、
前記ねじ締め装置の位置検出手段により検出されたステッピングモータの回転方向の位置または回転角度の情報から得られる回転速度が、前記設定された回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、
前記ＰＷＭ信号により与えられる電流値から得られた前記ステッピングモータのトルクが、設定されたトルクに達したか否かを判断するステップと、
達したと判断された場合、前記設定されたトルクを超えないトルクを発生させる一定のＰＷＭ信号を前記駆動手段に入力するステップとを含む、制御方法。
【請求項８】
前記調整するステップは、検出された前記位置または回転角度の情報から得られる前記ステッピングモータの回転する回数が設定された第１回数に達するまで第１回転速度になるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップと、前記設定された第１回数に達した後、設定された第２回数に達するまで前記第１回転速度より低い第２回転速度で回転させるように前記ＰＷＭ信号を調整するステップとを含む、請求項７に記載の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０７１７２（Ｐ２０１３−１０７１７２Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５４６４８（Ｐ２０１１−２５４６４８）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（５０７１２３９８１）株式会社ハイピーテック (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（５０７１２３９８１）株式会社ハイピーテック (3)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]