インパクト式ねじ締め装置
【課題】
設定された打撃トルクに基づき精度良く締め付けを行うことができるインパクト式ねじ締め装置を提供する。
【解決手段】
ブラシレス直流方式のモータと、衝撃トルクの発生を検知するトルクセンサを有し、トルクセンサの出力を用いて先端工具を所定の締め付けトルクで締め付けるインパクト式ねじ締め装置において、モータの起動時からねじ締め完了に至るまで、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの３つのモードに分け、区間Ａにおいては、モータの回転数を制限して最高回転よりも低い、一定回転数で締め付けを行い、区間Ｂでは回転数Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））で締め付け、締め付けトルクの７０％に達成したらいったん回転数を落としてから回転数Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ２×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））、（Ｇ１＞Ｇ２）で回転させて締め付けを行う（但し、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１、２：ゲイン定数）。
設定された打撃トルクに基づき精度良く締め付けを行うことができるインパクト式ねじ締め装置を提供する。
【解決手段】
ブラシレス直流方式のモータと、衝撃トルクの発生を検知するトルクセンサを有し、トルクセンサの出力を用いて先端工具を所定の締め付けトルクで締め付けるインパクト式ねじ締め装置において、モータの起動時からねじ締め完了に至るまで、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの３つのモードに分け、区間Ａにおいては、モータの回転数を制限して最高回転よりも低い、一定回転数で締め付けを行い、区間Ｂでは回転数Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））で締め付け、締め付けトルクの７０％に達成したらいったん回転数を落としてから回転数Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ２×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））、（Ｇ１＞Ｇ２）で回転させて締め付けを行う（但し、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１、２：ゲイン定数）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータにより回転駆動され、オイルパルスユニットよって発生する間欠的な打撃力を利用してボルト等の締結部材を締め付けるインパクト式ねじ締め装置に関し、特に、設定された打撃トルクに基づき精度良く締め付けを行うことができるインパクト式ねじ締め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トルクセンサを用いて一定のトルクでネジやボルト等の締め付けを行うねじ締め装置において、設定されたトルク値以上に締め付けてしまう、いわゆるトルクオーバーランを防ぐための種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、トルクセンサを用いて一定のトルクに締結するようにしたＡＣナットランナにおいて、トルクオーバーランを防ぐために締め付けトルクの増加に伴ってＡＣモータの回転数を低下させることが記載されている。特許文献２には、トルクオーバーランを防止しつつ作業時間の短縮を図るため、締め付けトルクに応じて出力軸の回転速度を３段階に低下させていくナットランナが開示されている。
【０００３】
一方、ねじ締め装置として、油圧を利用して打撃力を発生させるオイルパルスユニットを用いた装置が知られている。オイルパルスユニットを用いたねじ締め装置は、金属同士の衝突がないため作動音が低いという特徴を有する。そのようなインパクト式ねじ締め装置を開示する例として、例えば特許文献３があり、オイルパルスユニットを駆動する動力としてエアモータが使用され、エアモータの出力軸がオイルパルスユニットに直結される。トリガスイッチを引くと、エアモータにエアーが供給され、規定の締め付けトルクで締め付けが行われたかを、トルクセンサや回転検出部からの出力を用いて検知し、規定の締め付け値に達したらエアモータの回転が停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−３９７７２号公報
【特許文献２】特開平１−１７１７７７号公報
【特許文献３】特開平７−１８６０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ねじ締め装置のモータとして、ブラシレス直流モータが使われるようになってきた。ブラシレス直流モータは、ブラシの摩擦による騒音、火花や電気的ノイズ発生が無く、磨耗しない、接触不良などの故障がないというメリットを有する。ブラシレス直流モータを用いてオイルパルスユニットを駆動することにより省電力で作業効率の高いインパクト式ねじ締め装置を実現できる。このねじ締め装置においても、トルクオーバーランを防止することは重要な課題である。しかし、特許文献１の技術をブラシレス直流モータを用いたインパクト式ねじ締め装置に適用すると、モータの回転数が低下するとナットに与えるトルクが小さくなるという特性があるため、十分な締め付けトルクが得られなくなってしまう恐れがある。
【０００６】
また、特許文献２の技術もナットランナに関するものであり、特許文献１の技術と同様に、インパクト式ねじ締め装置に適用するには向いていない。
【０００７】
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、トルクオーバーランすることなしに設定された締め付けトルク値に基づき精度良く締め付けを行うことができるインパクト式ねじ締め装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの特徴によれば、ブラシレス直流方式のモータと、モータの回転を制御する制御回路と、モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸と、出力軸における衝撃トルクの発生を検知するトルクセンサを有し、トルクセンサの出力を用いて先端工具を所定の締め付けトルクで締め付けるインパクト式ねじ締め装置において、
（１）制御回路は起動時からねじ締め完了に至るまで、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの３つのモードに分け、
（２）区間Ａにおいては、モータの回転数を制限して最高回転よりも低い、一定回転数で締め付けを行い、
（３）オイルパルスユニットにおいて最初の打撃が行われたら区間Ｂの制御に移行させ、下式によってモータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１：ゲイン定数
この目標回転数における、モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ２×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ２：ゲイン定数
（４）オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときのトルクセンサの検出値が、設定された締め付けトルクの所定の値に達成したらいったん回転数を下げてから、区間Ｃの制御に移行させ、所定の値以下であったら区間Ｂの制御を繰り返し、
（５）区間Ｃにおいては、下式によってモータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ３×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｇ３：ゲイン定数（但し、Ｇ３＜Ｇ１）
この目標回転数における、モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ４×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ４：ゲイン定数（但し、Ｇ４＜Ｇ２）
（６）オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときのトルクセンサの検出値が、設定された締め付けトルクに達成しなかったら区間Ｃの制御を繰り返し、設定された締め付けトルクを超えたらモータを停止させるようにした。
【０００９】
本発明の他の特徴によれば、区間Ｂから区間Ｃへの移行は、設定された締め付けトルク値の７０％に達成したら行うようにした。また、区間Ｃにおいて、モータの回転数の上限値を設定しておき、上式によるＮ（目標値）が、上限値を超えた場合は、上限値の回転数でモータを回転させるようにした。制御回路にはマイコンを設け、区間Ａ乃至Ｃにおけるモータの回転制御はマイコンによって行うようにした。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によればトルクセンサによって検出されたトルク値が所定値を超えたら、回転数を落として、請求項１に記載した式に従って回転数を制御しながら打撃することにより目標トルクまで締め付けるようにしたので、目標トルクを大幅に超えて締め付けることを防止することができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、区間Ｂから区間Ｃへの移行は、設定された締め付けトルク値の７０％に達成したら行うので、締め付け対象が着座する付近までは高速で締め付け、その後は低く設定された回転数で精度良く確実に打撃するので、理想的なトルク増減値で締め付けを行うことができる。
【００１２】
請求項３の発明によれば、区間Ｃにおいて、モータの回転数の上限値を設定しておき、上式によるＮ（目標値）が、上限値を超えた場合は、上限値の回転数でモータを回転させるので、締め付けトルク値を超えて締め付けをすることを防止することができる。
【００１３】
請求項４の発明によれば、制御回路はマイコンを有し、区間Ａ乃至Ｃにおけるモータの回転制御はマイコンによって行うので、精度良く締め付けを行うことができる。
【００１４】
本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置の全体を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるインパクト式ねじ締め装置１の制御回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態において締め付け制御を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置の概略構成を示すブロック図である。インパクト式ねじ締め装置１は、電源ボックス３０からケーブル等によって供給される電力を利用してモータ３を駆動し、モータ３によってオイルパルスユニット１０を駆動し、オイルパルスユニット１０に連結された出力軸に回転力と打撃力を与えることによって六角ソケット等の図示しない先端工具に回転打撃力を連続的又は間欠的に伝達してナット締めやボルト締め等のねじ締め作業を行う。
【００１７】
モータ３は、例えば永久磁石を有する回転子と、鉄心に巻かれた巻線をもつ固定子を有する公知のブラシレス直流モータが用いられる。モータ３には、回転子の回転位置を検出するための回転位置検出素子（図示せず）が搭載され、検出された位置に基づいてモータ駆動回路７によって、モータ３の回転制御が行われる。モータ駆動回路７には、トランジスタやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子によって構成されるインバータ回路を含み、これらにパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を供給し、この信号のパルス幅（デューティ比）を変化させることによってモータ３への電力供給量を調整し、モータ３を所望の回転速度で回転させる。
【００１８】
インパクト式ねじ締め装置１のグリップ部１１には、トリガスイッチ８が配設され、トリガスイッチ８を引いた量に比例する信号が、制御回路２に伝達される。また、グリップ部１１の下方、ハウジングの先端工具と反対側の面には、ＬＥＤ１５が設けられる。ＬＥＤ１５は、例えば、緑、赤の２種類のＬＥＤであり、ねじ締め作業の完了が正常の行われたことを示すＬＥＤ（第１の表示状態：例えば緑ランプ点灯）と、ねじ締め作業が正常の行われなかったことを示すＬＥＤ（第２の表示状態：例えば赤ランプ点滅）を有する。さらに、外部の機器との通信状態を示すＬＥＤ（第３の表示状態：例えば青ランプ点滅）を別途設けても良い。
【００１９】
オイルパルスユニット１０は、公知のものを用いることができ、主に、モータ３と同期して回転する駆動部分と、先端工具と同期して回転する出力部分の２つの部分により構成され、駆動部分と出力部分により形成される閉空間内には、トルクを発生するためのオイル（作動油）が充填される。
【００２０】
トリガスイッチ８が引かれてモータ３が起動されると、制御回路２はトリガスイッチ８の引いた量及び設定された締め付けトルク値に応じてモータ３の目標回転数を設定し、モータ３が目標回転数で回転するように制御回路２でＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比：％）を計算して、その計算値に応じてモータ駆動回路７のインバータ回路を制御する。モータ３が回転すると、その回転力はオイルパルスユニット１０に伝達される。オイルパルスユニット１０は、出力軸に負荷のかかっていないとき、又は、負荷が小さい際には、オイルの抵抗のみでモータ３の回転にほぼ同期して回転する。出力軸に強い負荷がかかると出力軸の回転が止まるため、オイルパルスユニット１０の外周側のライナのみが回転を続け、１回転に１箇所設けられたオイルを密閉する位置にてオイルの圧力が急激に上昇して衝撃パルスを発生し（打撃）、尖塔状の強いトルクにより出力軸を回転させる。以後、同様の衝撃パルスの発生が数回繰り返される。
【００２１】
オイルパルスユニット１０の出力軸には、歪ゲージ等のトルクセンサ９が取り付けられ、制御回路２は衝撃パルス発生時の締め付けトルク値を検出し、設定された締め付けトルクに到達したらモータ３の回転を停止させる。
【００２２】
次に、図２のブロック図を用いてインパクト式ねじ締め装置１の制御回路を説明する。本実施形態では、モータ３は３相のブラシレス直流モータで構成され、永久磁石を含んで構成される回転子と、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなる固定子と、回転子の回転位置を検出するための回転位置検出素子を含む。回転位置検出素子からの位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と通電時間の比率（デューティー比）が制御され、モータ３が回転する。
【００２３】
モータ駆動回路７上には、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の６個のスイッチング素子からなるインバータ回路を含んで構成される。インバータ回路は、モータ３の回転数を検出して回転数制御回路１７に送り、回転数制御回路１７からスイッチング素子駆動信号を受けてスイッチング動作を行い、外部の電源ボックス３０から供給される直流電源を、３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換して固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する。尚、インバータ回路の具体的な駆動方法は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式など公知の方法を用いることができるので、ここではその説明を省略する。
【００２４】
マイコン１６は、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するための中央処理装置（ＣＰＵ）、処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、時計機能をもつタイマ等を含んで構成される。
【００２５】
電源ボックス３０内には全波整流平滑回路３１が設けられる。全波整流平滑回路３１は、例えば、整流素子４個をブリッジ状に接続した整流回路とコンデンサによる平滑回路を組み合わせたもので、本実施形態ではトランスを利用しないので、ＡＣ商用電源２９に対して非絶縁の状態にある。全波整流平滑回路３１によって、例えば、１４０Ｖ直流に変換され、この高圧直流はモータ駆動回路７と１８Ｖ定電圧回路１８に供給される。１８Ｖ定電圧回路１８は、直流１４０Ｖの電源から１８Ｖの直流電圧を作成するもので、公知のチョッパー回路で構成しても良いし、ツエナーダイオードとトランジスタを組み合わせた公知の定電圧回路で構成しても良い。次に、１８Ｖ定電圧回路１８の出力は、±１２Ｖ電源１９に入力される。±１２Ｖ電源１９では、＋１２Ｖと−１２Ｖの電圧を生成する。−１２Ｖは歪ゲージ１２の駆動用に用いられる。なお、±１２Ｖ電源１９から歪ゲージ１２に至る電源ラインは図示していない。±１２Ｖ電源１９の出力は、定電圧回路２０に入力され、定電圧回路２０によって、マイコン１６が動作するための動作電圧Ｖｄｃ、例えば５Ｖ直流と３．３Ｖ直流が生成される。
【００２６】
歪ゲージ１２には、トルク検出回路２１の発信回路２１ａからの発信信号が入力用トランス２２ａを介して供給される。同時に発信回路２１ａからの基準振幅はマイコン１６にも送られる。この基準振幅の入力がないとマイコン１６はトルク波形から歪みを検出できないからである。出力軸５にオイルパルスユニット１０による締め付けトルクが生ずると、歪ゲージ１２の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化により変化した基準振幅信号は出力用トランス２２ｂを介して検波回路２１ｂに伝達され検波される。検波回路２１ｂには、マイコン１６からオフセット調整用の信号が送られているので、オフセット補正された検波信号をマイコン１６に出力する。マイコン１６は、歪ゲージ１２の出力値を用いて、どのくらいのトルク値で締め付けが行われたか（締め付けトルク）を算出する。
【００２７】
この際、マイコン１６は設定された締め付けトルクに応じて、モータ３の回転速度を決定する。また、マイコン１６は設定された締め付けトルク値で正常に締め付けが完了したと判断したら、モータ３を停止させるとともに、ＬＥＤ１５を点灯させる。作業者は、モータ３が自動停止したこと、及び、ＬＥＤ１５の点灯により締め付け作業が正常に完了したか、異常に完了したかを認識できる。ＬＥＤ１５として、本実施形態では３つのＬＥＤが用いられる。１つ目は「正常締め付け完了」を示す緑色のＬＥＤ１５ａで、作業者はこの緑色ＬＥＤ１５ａの表示によって設定された目標締め付けトルクに基づき、正常に締め付けが完了したことを認識できる。また、この緑色ＬＥＤ１５ａは締め付けが完了したことを示す「締め付け完了」を知らせるランプとしての意味もあるので、作業者はこのランプが付いたらトリガスイッチ８を戻すことができる。
【００２８】
２つ目は、「締め付け異常」を示す赤色のＬＥＤ１５ｂである。この赤色ＬＥＤ１５ｂは、緑色ＬＥＤ１５ａの代わりに点灯するもので、マイコン１６が異常を検出した段階で直ちに点灯する。尚、作業者に異常であることを認識させるために、単なる点灯でなく点滅させるようにすると好ましい。３つ目は、「通信異常」を示す青色ＬＥＤ１５ｃである。この青色ランプは、マイコン１６と外部の通信機器との通信状態に異常を検出したら点灯する。
【００２９】
図３は、本実施形態においてトルク制御をする方法を説明する図である。本実施形態によるねじ締め時においては、締め付け状態に応じて、モータ３を３段階に分けて制御する。図３の上側のグラフは、時間の経過とオイルパルスユニット１０における打撃時のトルクとの締め付けトルクとの関係をプロットしたものであり、横軸は時間ｔ（ｓ）、縦軸はトルク値Ｔ（Ｎ・ｍ）である。図３の下側のグラフは、時間ｔ（ｓ）とモータの回転数（ｒｐｍ）との関係を示す図である。上下のグラフを対応させるため、横軸の間隔については共通にしてある。
【００３０】
まず、ボルトの締め付け作業の前に、マイコン１６に対して締め付けの設定トルク値（Ｎ・ｍ）を設定しておく。設定の仕方は、インパクト式ねじ締め装置１に設けられる操作ボタンで設定しても良いし、図示しない信号ケーブルにより外部装置からマイコン１６に指示を出すようにしても良い。作業者が先端工具にボルトやナット等をセットし、先端工具を被締結材に位置決めした後にトリガスイッチ８を引くと、その引かれたストロークに応じてマイコン１６はモータ３を回転させる（区間Ａ）。但し、区間Ａには、マイコン１６によって上限回転数４１があらかじめ設定され、トリガスイッチ８をその上限回転数４１以上のストロークで引いたとしても、上限回転数４１を保って回転するように制限される。このように、区間Ａでは、回転数を制限することによって１回目の打撃でいきなり目標トルク（カットトルク）を超えないように、モータ３の回転数を制限する。制限の仕方は、インバータ回路に供給されるパルス幅変調信号のデューティー比により制限できる。
【００３１】
区間Ａの回転によってボルトが締められ、オイルパルスユニット１０による最初の打撃５１が行われると、それを検出したマイコン１６は、区間Ｂにおけるモータ３の回転制御に移行する。尚、最初の打撃５１の検出は、歪ゲージ１２の出力をモニタすることによって行う。
【００３２】
区間Ｂにおいては、いわゆるソフトジョイント領域における制御を行うもので、この領域においての制御の特徴は、トリガスイッチ８のストローク量に比例させてモータ３を回転させるのではなく、以下の式を用いてモータ３の目標回転数を決定して制御することである。
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１：ゲイン定数
この目標回転数における、デューティーは、以下の式を用いて制御する。
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ２×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｇ２：ゲイン定数
【００３３】
区間Ｂにおいて、目標回転速度を打撃が行われるごとに再設定しながら制御すると、その目標回転数は、図中４２〜４４のように決定される。また、その目標回転速度でモータ３が回転しながら、打撃５２〜５４が行われる。ここで、打撃５４が行われた際にカットトルクの７０％を超えたので、モータの回転数を所定数だけ落としてから区間Ｃにおけるモータの制御に移行する。この区間Ｃへの移行時にモータ３の回転速度を落とすのは、区間Ｂのまま目標回転数を決める方法を続けると、その目標回転数次第では、次の打撃の際に目標トルクを超えてしまう恐れがあり、場合によっては設定トルクよりも高すぎるトルクで締めてしまう恐れがあるためである。そのため、所定のトルク値、本実施例では締め付けトルク値が７０％になったら回転数を落とし、区間Ｃの制御に切り替えている。尚、本実施形態では、ソフトジョイント方式の締め付けを想定しており、この７０％付近でボルトが着座する。しかしながら、区間Ｂから区間Ｃへの切り替えタイミングは、締め付け対象や目標トルク値、ソフトジョイントやハードジョイントであるか等、様々なファクターに基づいて適宜設定できる。また、区間Ｂから区間Ｃに移行する際に落とす回転数は、区間Ｃで設定されるであろう最初の目標回転速度を考慮して適宜設定すればよい。
【００３４】
区間Ｂにおいては、トリガスイッチ８は、単なるＯＮ／ＯＦＦ制御用のトリガとして用い、トリガスイッチ８が少しでも引かれていれば、そのストローク量に関わりなくモータ３をマイコン１６によって設定される回転数で回転させるようにすると良い。一方、トリガスイッチ８が離された場合、即ち、ストロークがゼロになった場合は、モータ３を停止させる。このようにすれば、作業者がストローク量を調節してモータ３の回転速度を調整してしまうことを防止でき、締め付け状態にばらつきが出ることを防止できる。
【００３５】
目標回転数の設定は、打撃が行われる毎に再計算される。例えば、打撃５１が行われたら上式によって目標回転数４２が計算され、計算された目標回転数に対応するデューティー比を設定してモータ３を回転させる。以後、歪ゲージ１２によって検出した打撃トルク値が、カットトルクの所定の割合、例えば７０％となるまで、区間Ｂの制御を繰り返す。
【００３６】
カットトルクの７０％に達成した場合は、区間Ｃにおける制御に移り、モータ３の回転速度を区間Ｂよりも低めに設定して、以下の式を用いて制御する。
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ３×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ３：ゲイン定数
この目標回転数における、デューティーは、以下の式を用いて制御する。
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ４×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｇ４：ゲイン定数
【００３７】
図３の４５〜４６の傾きから理解できるように、ゲイン定数は、Ｇ１＞Ｇ３、及び、Ｇ２＞Ｇ４の関係がある。ゲイン定数の値は、あらかじめマイコン１６に設定しておくと良い。また、区間Ｃにおいては、締め付けトルク値が規定値を超えないように、上限回転数が設定され、それをキープするように制御される。図６の４８においては、上式による回転数が上限回転数を超えたので、上式による計算値でなく、上限回転数で回転させているものである。
【００３８】
このようにして、本実施形態では、区間Ｂにおいては早めの回転速度でボルトを速く締め付け、目標トルクの７０％を超えてからは、モータ３の回転速度を制限してボルトを締めすぎないように制御することによって、目標トルクにて精度良く締め付けることができる。図３において、打撃５８で目標トルクに達成したので、マイコン１６はそれを検出して、モータ３の回転を停止させる。
【００３９】
次に図４を用いて、制御回路２による制御手順を説明する。図４は、本実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置１の動作を示すフローチャートである。このフローチャートによる手順は、制御回路２に含まれるマイコン１６によって実行される。まず、締め付け作業を開始する前に、マイコン１６は締め付けトルクの設定値である、目標トルク値を取得する（ステップ６１）。次に、作業者によってトリガスイッチ６が引かれたかどうか検出され、引かれたらステップ６３に進む（ステップ６２）。トリガスイッチ６２が引かれると、運転モードを設定する（ステップ６３）。トリガスイッチ６２が引かれた直後は、区間Ａの運転モードを設定する。モータ３が回転すると、図３の５１に示すように最初の打撃が行われるまでボルトが回転する。
【００４０】
最初の打撃が行われると、その打撃の際の締め付けトルク値を検出する（ステップ６５）。この検出は歪ゲージ１２を用いて行われる。この検出値はマイコン１６によって評価され、締め付けが正常に行われたか、異常であるかを判断する（ステップ６６）。ここで、締め付け異常とは、想定した打撃回数以内で目標トルク値に達成した場合（例えば、１回目の打撃でいきなり目標トルクに達成した場合）や、目標トルク値よりも大幅に高いトルク値で締め付けられ、許容上限トルク（ＭＡＸ）以上で締め付けられた場合や、いつまでたっても目標トルクに達しない場合等である。
【００４１】
締め付け異常でないと判断されたら、運転モードの切替条件を満たしているかを判定する（ステップ６７）。つまり、最初の打撃５１の場合は、運転モードを区間Ａから区間Ｂの制御への変更が必要となる。また、運転モードが区間Ｂの場合は、ステップ６５で検出された締付けトルク値が目標トルク値の７０％に否かを判定し、その打撃で初めて７０％を超えたら運転モードを区間Ｂから区間Ｃの制御への変更が必要となる。変更が必要な場合は、ステップ６３に戻る（ステップ６７）。
【００４２】
次に、検出された締め付けトルク値が目標トルクを超えているか判断し（ステップ６８）、達していなかったらステップ６４に戻り、達していたらモータ３の回転を停止させて（ステップ６９）、正常締め付けを示すＬＥＤ１５ａ（緑色）を点灯させる（ステップ７０）。その後、ステップ６２に戻り次のボルトの締め付け作業に備える。
【００４３】
ステップ６６で、締め付け異常と判断されたら、モータ３の回転を停止させて（ステップ７１）、異常締め付けを示すＬＥＤ１５ｂ（赤色）を点滅させ（ステップ７２）、処理を終了する。尚、図４のフローチャートでは、通信異常の発生を示すＬＥＤ１５ｃの点灯について言及していないが、これは回転・打撃状態と連動させる必要はなく、通信異常が発生したら任意のタイミングで点灯又は点滅させるようにすれば良いからである。
【００４４】
上述の実施形態によれば、トルクオーバーランすることなしに、設定された打撃トルクに基づき精度良く締め付けを行うことができる。
【００４５】
以上、本発明を示す実施形態に基づき説明したが、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本実施形態では区間Ｂにおいて、トリガスイッチ８を単なるＯＮ／ＯＦＦ制御用のトリガとして用いたが、ＯＦＦの制御を省略して、トリガスイッチ８を少しでも引いたら区間Ａ〜Ｃの制御を開始し、たとえトリガスイッチ８を戻してもネジやボルトの締め付けが終わるまでの動作を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１ インパクト式ねじ締め装置 ２ 制御回路
３ モータ ７ モータ駆動回路 ８ トリガスイッチ
９ トルクセンサ １０ オイルパルスユニット １１ グリップ部
１２ 歪ゲージ １４ スイッチ回路基板 １５ ＬＥＤ
１６ マイコン １７ 回転数制御回路 １８ １８Ｖ定電圧回路
１９ ±１２Ｖ電源 ２０ 定電圧回路 ２１ トルク検出回路
２１ａ 発信回路 ２１ｂ 検波回路
２２ａ、２２ｂ トランス ２９ ＡＣ商用電源
３０ 電源ボックス ３１ 全波整流平滑回路
４１〜４８ 目標回転数 ５１〜５８ 打撃
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータにより回転駆動され、オイルパルスユニットよって発生する間欠的な打撃力を利用してボルト等の締結部材を締め付けるインパクト式ねじ締め装置に関し、特に、設定された打撃トルクに基づき精度良く締め付けを行うことができるインパクト式ねじ締め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トルクセンサを用いて一定のトルクでネジやボルト等の締め付けを行うねじ締め装置において、設定されたトルク値以上に締め付けてしまう、いわゆるトルクオーバーランを防ぐための種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、トルクセンサを用いて一定のトルクに締結するようにしたＡＣナットランナにおいて、トルクオーバーランを防ぐために締め付けトルクの増加に伴ってＡＣモータの回転数を低下させることが記載されている。特許文献２には、トルクオーバーランを防止しつつ作業時間の短縮を図るため、締め付けトルクに応じて出力軸の回転速度を３段階に低下させていくナットランナが開示されている。
【０００３】
一方、ねじ締め装置として、油圧を利用して打撃力を発生させるオイルパルスユニットを用いた装置が知られている。オイルパルスユニットを用いたねじ締め装置は、金属同士の衝突がないため作動音が低いという特徴を有する。そのようなインパクト式ねじ締め装置を開示する例として、例えば特許文献３があり、オイルパルスユニットを駆動する動力としてエアモータが使用され、エアモータの出力軸がオイルパルスユニットに直結される。トリガスイッチを引くと、エアモータにエアーが供給され、規定の締め付けトルクで締め付けが行われたかを、トルクセンサや回転検出部からの出力を用いて検知し、規定の締め付け値に達したらエアモータの回転が停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−３９７７２号公報
【特許文献２】特開平１−１７１７７７号公報
【特許文献３】特開平７−１８６０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ねじ締め装置のモータとして、ブラシレス直流モータが使われるようになってきた。ブラシレス直流モータは、ブラシの摩擦による騒音、火花や電気的ノイズ発生が無く、磨耗しない、接触不良などの故障がないというメリットを有する。ブラシレス直流モータを用いてオイルパルスユニットを駆動することにより省電力で作業効率の高いインパクト式ねじ締め装置を実現できる。このねじ締め装置においても、トルクオーバーランを防止することは重要な課題である。しかし、特許文献１の技術をブラシレス直流モータを用いたインパクト式ねじ締め装置に適用すると、モータの回転数が低下するとナットに与えるトルクが小さくなるという特性があるため、十分な締め付けトルクが得られなくなってしまう恐れがある。
【０００６】
また、特許文献２の技術もナットランナに関するものであり、特許文献１の技術と同様に、インパクト式ねじ締め装置に適用するには向いていない。
【０００７】
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、トルクオーバーランすることなしに設定された締め付けトルク値に基づき精度良く締め付けを行うことができるインパクト式ねじ締め装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの特徴によれば、ブラシレス直流方式のモータと、モータの回転を制御する制御回路と、モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸と、出力軸における衝撃トルクの発生を検知するトルクセンサを有し、トルクセンサの出力を用いて先端工具を所定の締め付けトルクで締め付けるインパクト式ねじ締め装置において、
（１）制御回路は起動時からねじ締め完了に至るまで、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの３つのモードに分け、
（２）区間Ａにおいては、モータの回転数を制限して最高回転よりも低い、一定回転数で締め付けを行い、
（３）オイルパルスユニットにおいて最初の打撃が行われたら区間Ｂの制御に移行させ、下式によってモータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１：ゲイン定数
この目標回転数における、モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ２×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ２：ゲイン定数
（４）オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときのトルクセンサの検出値が、設定された締め付けトルクの所定の値に達成したらいったん回転数を下げてから、区間Ｃの制御に移行させ、所定の値以下であったら区間Ｂの制御を繰り返し、
（５）区間Ｃにおいては、下式によってモータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ３×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｇ３：ゲイン定数（但し、Ｇ３＜Ｇ１）
この目標回転数における、モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ４×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ４：ゲイン定数（但し、Ｇ４＜Ｇ２）
（６）オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときのトルクセンサの検出値が、設定された締め付けトルクに達成しなかったら区間Ｃの制御を繰り返し、設定された締め付けトルクを超えたらモータを停止させるようにした。
【０００９】
本発明の他の特徴によれば、区間Ｂから区間Ｃへの移行は、設定された締め付けトルク値の７０％に達成したら行うようにした。また、区間Ｃにおいて、モータの回転数の上限値を設定しておき、上式によるＮ（目標値）が、上限値を超えた場合は、上限値の回転数でモータを回転させるようにした。制御回路にはマイコンを設け、区間Ａ乃至Ｃにおけるモータの回転制御はマイコンによって行うようにした。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によればトルクセンサによって検出されたトルク値が所定値を超えたら、回転数を落として、請求項１に記載した式に従って回転数を制御しながら打撃することにより目標トルクまで締め付けるようにしたので、目標トルクを大幅に超えて締め付けることを防止することができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、区間Ｂから区間Ｃへの移行は、設定された締め付けトルク値の７０％に達成したら行うので、締め付け対象が着座する付近までは高速で締め付け、その後は低く設定された回転数で精度良く確実に打撃するので、理想的なトルク増減値で締め付けを行うことができる。
【００１２】
請求項３の発明によれば、区間Ｃにおいて、モータの回転数の上限値を設定しておき、上式によるＮ（目標値）が、上限値を超えた場合は、上限値の回転数でモータを回転させるので、締め付けトルク値を超えて締め付けをすることを防止することができる。
【００１３】
請求項４の発明によれば、制御回路はマイコンを有し、区間Ａ乃至Ｃにおけるモータの回転制御はマイコンによって行うので、精度良く締め付けを行うことができる。
【００１４】
本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置の全体を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるインパクト式ねじ締め装置１の制御回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態において締め付け制御を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置の概略構成を示すブロック図である。インパクト式ねじ締め装置１は、電源ボックス３０からケーブル等によって供給される電力を利用してモータ３を駆動し、モータ３によってオイルパルスユニット１０を駆動し、オイルパルスユニット１０に連結された出力軸に回転力と打撃力を与えることによって六角ソケット等の図示しない先端工具に回転打撃力を連続的又は間欠的に伝達してナット締めやボルト締め等のねじ締め作業を行う。
【００１７】
モータ３は、例えば永久磁石を有する回転子と、鉄心に巻かれた巻線をもつ固定子を有する公知のブラシレス直流モータが用いられる。モータ３には、回転子の回転位置を検出するための回転位置検出素子（図示せず）が搭載され、検出された位置に基づいてモータ駆動回路７によって、モータ３の回転制御が行われる。モータ駆動回路７には、トランジスタやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子によって構成されるインバータ回路を含み、これらにパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を供給し、この信号のパルス幅（デューティ比）を変化させることによってモータ３への電力供給量を調整し、モータ３を所望の回転速度で回転させる。
【００１８】
インパクト式ねじ締め装置１のグリップ部１１には、トリガスイッチ８が配設され、トリガスイッチ８を引いた量に比例する信号が、制御回路２に伝達される。また、グリップ部１１の下方、ハウジングの先端工具と反対側の面には、ＬＥＤ１５が設けられる。ＬＥＤ１５は、例えば、緑、赤の２種類のＬＥＤであり、ねじ締め作業の完了が正常の行われたことを示すＬＥＤ（第１の表示状態：例えば緑ランプ点灯）と、ねじ締め作業が正常の行われなかったことを示すＬＥＤ（第２の表示状態：例えば赤ランプ点滅）を有する。さらに、外部の機器との通信状態を示すＬＥＤ（第３の表示状態：例えば青ランプ点滅）を別途設けても良い。
【００１９】
オイルパルスユニット１０は、公知のものを用いることができ、主に、モータ３と同期して回転する駆動部分と、先端工具と同期して回転する出力部分の２つの部分により構成され、駆動部分と出力部分により形成される閉空間内には、トルクを発生するためのオイル（作動油）が充填される。
【００２０】
トリガスイッチ８が引かれてモータ３が起動されると、制御回路２はトリガスイッチ８の引いた量及び設定された締め付けトルク値に応じてモータ３の目標回転数を設定し、モータ３が目標回転数で回転するように制御回路２でＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比：％）を計算して、その計算値に応じてモータ駆動回路７のインバータ回路を制御する。モータ３が回転すると、その回転力はオイルパルスユニット１０に伝達される。オイルパルスユニット１０は、出力軸に負荷のかかっていないとき、又は、負荷が小さい際には、オイルの抵抗のみでモータ３の回転にほぼ同期して回転する。出力軸に強い負荷がかかると出力軸の回転が止まるため、オイルパルスユニット１０の外周側のライナのみが回転を続け、１回転に１箇所設けられたオイルを密閉する位置にてオイルの圧力が急激に上昇して衝撃パルスを発生し（打撃）、尖塔状の強いトルクにより出力軸を回転させる。以後、同様の衝撃パルスの発生が数回繰り返される。
【００２１】
オイルパルスユニット１０の出力軸には、歪ゲージ等のトルクセンサ９が取り付けられ、制御回路２は衝撃パルス発生時の締め付けトルク値を検出し、設定された締め付けトルクに到達したらモータ３の回転を停止させる。
【００２２】
次に、図２のブロック図を用いてインパクト式ねじ締め装置１の制御回路を説明する。本実施形態では、モータ３は３相のブラシレス直流モータで構成され、永久磁石を含んで構成される回転子と、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなる固定子と、回転子の回転位置を検出するための回転位置検出素子を含む。回転位置検出素子からの位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と通電時間の比率（デューティー比）が制御され、モータ３が回転する。
【００２３】
モータ駆動回路７上には、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の６個のスイッチング素子からなるインバータ回路を含んで構成される。インバータ回路は、モータ３の回転数を検出して回転数制御回路１７に送り、回転数制御回路１７からスイッチング素子駆動信号を受けてスイッチング動作を行い、外部の電源ボックス３０から供給される直流電源を、３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換して固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する。尚、インバータ回路の具体的な駆動方法は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式など公知の方法を用いることができるので、ここではその説明を省略する。
【００２４】
マイコン１６は、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するための中央処理装置（ＣＰＵ）、処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、時計機能をもつタイマ等を含んで構成される。
【００２５】
電源ボックス３０内には全波整流平滑回路３１が設けられる。全波整流平滑回路３１は、例えば、整流素子４個をブリッジ状に接続した整流回路とコンデンサによる平滑回路を組み合わせたもので、本実施形態ではトランスを利用しないので、ＡＣ商用電源２９に対して非絶縁の状態にある。全波整流平滑回路３１によって、例えば、１４０Ｖ直流に変換され、この高圧直流はモータ駆動回路７と１８Ｖ定電圧回路１８に供給される。１８Ｖ定電圧回路１８は、直流１４０Ｖの電源から１８Ｖの直流電圧を作成するもので、公知のチョッパー回路で構成しても良いし、ツエナーダイオードとトランジスタを組み合わせた公知の定電圧回路で構成しても良い。次に、１８Ｖ定電圧回路１８の出力は、±１２Ｖ電源１９に入力される。±１２Ｖ電源１９では、＋１２Ｖと−１２Ｖの電圧を生成する。−１２Ｖは歪ゲージ１２の駆動用に用いられる。なお、±１２Ｖ電源１９から歪ゲージ１２に至る電源ラインは図示していない。±１２Ｖ電源１９の出力は、定電圧回路２０に入力され、定電圧回路２０によって、マイコン１６が動作するための動作電圧Ｖｄｃ、例えば５Ｖ直流と３．３Ｖ直流が生成される。
【００２６】
歪ゲージ１２には、トルク検出回路２１の発信回路２１ａからの発信信号が入力用トランス２２ａを介して供給される。同時に発信回路２１ａからの基準振幅はマイコン１６にも送られる。この基準振幅の入力がないとマイコン１６はトルク波形から歪みを検出できないからである。出力軸５にオイルパルスユニット１０による締め付けトルクが生ずると、歪ゲージ１２の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化により変化した基準振幅信号は出力用トランス２２ｂを介して検波回路２１ｂに伝達され検波される。検波回路２１ｂには、マイコン１６からオフセット調整用の信号が送られているので、オフセット補正された検波信号をマイコン１６に出力する。マイコン１６は、歪ゲージ１２の出力値を用いて、どのくらいのトルク値で締め付けが行われたか（締め付けトルク）を算出する。
【００２７】
この際、マイコン１６は設定された締め付けトルクに応じて、モータ３の回転速度を決定する。また、マイコン１６は設定された締め付けトルク値で正常に締め付けが完了したと判断したら、モータ３を停止させるとともに、ＬＥＤ１５を点灯させる。作業者は、モータ３が自動停止したこと、及び、ＬＥＤ１５の点灯により締め付け作業が正常に完了したか、異常に完了したかを認識できる。ＬＥＤ１５として、本実施形態では３つのＬＥＤが用いられる。１つ目は「正常締め付け完了」を示す緑色のＬＥＤ１５ａで、作業者はこの緑色ＬＥＤ１５ａの表示によって設定された目標締め付けトルクに基づき、正常に締め付けが完了したことを認識できる。また、この緑色ＬＥＤ１５ａは締め付けが完了したことを示す「締め付け完了」を知らせるランプとしての意味もあるので、作業者はこのランプが付いたらトリガスイッチ８を戻すことができる。
【００２８】
２つ目は、「締め付け異常」を示す赤色のＬＥＤ１５ｂである。この赤色ＬＥＤ１５ｂは、緑色ＬＥＤ１５ａの代わりに点灯するもので、マイコン１６が異常を検出した段階で直ちに点灯する。尚、作業者に異常であることを認識させるために、単なる点灯でなく点滅させるようにすると好ましい。３つ目は、「通信異常」を示す青色ＬＥＤ１５ｃである。この青色ランプは、マイコン１６と外部の通信機器との通信状態に異常を検出したら点灯する。
【００２９】
図３は、本実施形態においてトルク制御をする方法を説明する図である。本実施形態によるねじ締め時においては、締め付け状態に応じて、モータ３を３段階に分けて制御する。図３の上側のグラフは、時間の経過とオイルパルスユニット１０における打撃時のトルクとの締め付けトルクとの関係をプロットしたものであり、横軸は時間ｔ（ｓ）、縦軸はトルク値Ｔ（Ｎ・ｍ）である。図３の下側のグラフは、時間ｔ（ｓ）とモータの回転数（ｒｐｍ）との関係を示す図である。上下のグラフを対応させるため、横軸の間隔については共通にしてある。
【００３０】
まず、ボルトの締め付け作業の前に、マイコン１６に対して締め付けの設定トルク値（Ｎ・ｍ）を設定しておく。設定の仕方は、インパクト式ねじ締め装置１に設けられる操作ボタンで設定しても良いし、図示しない信号ケーブルにより外部装置からマイコン１６に指示を出すようにしても良い。作業者が先端工具にボルトやナット等をセットし、先端工具を被締結材に位置決めした後にトリガスイッチ８を引くと、その引かれたストロークに応じてマイコン１６はモータ３を回転させる（区間Ａ）。但し、区間Ａには、マイコン１６によって上限回転数４１があらかじめ設定され、トリガスイッチ８をその上限回転数４１以上のストロークで引いたとしても、上限回転数４１を保って回転するように制限される。このように、区間Ａでは、回転数を制限することによって１回目の打撃でいきなり目標トルク（カットトルク）を超えないように、モータ３の回転数を制限する。制限の仕方は、インバータ回路に供給されるパルス幅変調信号のデューティー比により制限できる。
【００３１】
区間Ａの回転によってボルトが締められ、オイルパルスユニット１０による最初の打撃５１が行われると、それを検出したマイコン１６は、区間Ｂにおけるモータ３の回転制御に移行する。尚、最初の打撃５１の検出は、歪ゲージ１２の出力をモニタすることによって行う。
【００３２】
区間Ｂにおいては、いわゆるソフトジョイント領域における制御を行うもので、この領域においての制御の特徴は、トリガスイッチ８のストローク量に比例させてモータ３を回転させるのではなく、以下の式を用いてモータ３の目標回転数を決定して制御することである。
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１：ゲイン定数
この目標回転数における、デューティーは、以下の式を用いて制御する。
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ２×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｇ２：ゲイン定数
【００３３】
区間Ｂにおいて、目標回転速度を打撃が行われるごとに再設定しながら制御すると、その目標回転数は、図中４２〜４４のように決定される。また、その目標回転速度でモータ３が回転しながら、打撃５２〜５４が行われる。ここで、打撃５４が行われた際にカットトルクの７０％を超えたので、モータの回転数を所定数だけ落としてから区間Ｃにおけるモータの制御に移行する。この区間Ｃへの移行時にモータ３の回転速度を落とすのは、区間Ｂのまま目標回転数を決める方法を続けると、その目標回転数次第では、次の打撃の際に目標トルクを超えてしまう恐れがあり、場合によっては設定トルクよりも高すぎるトルクで締めてしまう恐れがあるためである。そのため、所定のトルク値、本実施例では締め付けトルク値が７０％になったら回転数を落とし、区間Ｃの制御に切り替えている。尚、本実施形態では、ソフトジョイント方式の締め付けを想定しており、この７０％付近でボルトが着座する。しかしながら、区間Ｂから区間Ｃへの切り替えタイミングは、締め付け対象や目標トルク値、ソフトジョイントやハードジョイントであるか等、様々なファクターに基づいて適宜設定できる。また、区間Ｂから区間Ｃに移行する際に落とす回転数は、区間Ｃで設定されるであろう最初の目標回転速度を考慮して適宜設定すればよい。
【００３４】
区間Ｂにおいては、トリガスイッチ８は、単なるＯＮ／ＯＦＦ制御用のトリガとして用い、トリガスイッチ８が少しでも引かれていれば、そのストローク量に関わりなくモータ３をマイコン１６によって設定される回転数で回転させるようにすると良い。一方、トリガスイッチ８が離された場合、即ち、ストロークがゼロになった場合は、モータ３を停止させる。このようにすれば、作業者がストローク量を調節してモータ３の回転速度を調整してしまうことを防止でき、締め付け状態にばらつきが出ることを防止できる。
【００３５】
目標回転数の設定は、打撃が行われる毎に再計算される。例えば、打撃５１が行われたら上式によって目標回転数４２が計算され、計算された目標回転数に対応するデューティー比を設定してモータ３を回転させる。以後、歪ゲージ１２によって検出した打撃トルク値が、カットトルクの所定の割合、例えば７０％となるまで、区間Ｂの制御を繰り返す。
【００３６】
カットトルクの７０％に達成した場合は、区間Ｃにおける制御に移り、モータ３の回転速度を区間Ｂよりも低めに設定して、以下の式を用いて制御する。
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ３×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ３：ゲイン定数
この目標回転数における、デューティーは、以下の式を用いて制御する。
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ４×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｇ４：ゲイン定数
【００３７】
図３の４５〜４６の傾きから理解できるように、ゲイン定数は、Ｇ１＞Ｇ３、及び、Ｇ２＞Ｇ４の関係がある。ゲイン定数の値は、あらかじめマイコン１６に設定しておくと良い。また、区間Ｃにおいては、締め付けトルク値が規定値を超えないように、上限回転数が設定され、それをキープするように制御される。図６の４８においては、上式による回転数が上限回転数を超えたので、上式による計算値でなく、上限回転数で回転させているものである。
【００３８】
このようにして、本実施形態では、区間Ｂにおいては早めの回転速度でボルトを速く締め付け、目標トルクの７０％を超えてからは、モータ３の回転速度を制限してボルトを締めすぎないように制御することによって、目標トルクにて精度良く締め付けることができる。図３において、打撃５８で目標トルクに達成したので、マイコン１６はそれを検出して、モータ３の回転を停止させる。
【００３９】
次に図４を用いて、制御回路２による制御手順を説明する。図４は、本実施形態に係るインパクト式ねじ締め装置１の動作を示すフローチャートである。このフローチャートによる手順は、制御回路２に含まれるマイコン１６によって実行される。まず、締め付け作業を開始する前に、マイコン１６は締め付けトルクの設定値である、目標トルク値を取得する（ステップ６１）。次に、作業者によってトリガスイッチ６が引かれたかどうか検出され、引かれたらステップ６３に進む（ステップ６２）。トリガスイッチ６２が引かれると、運転モードを設定する（ステップ６３）。トリガスイッチ６２が引かれた直後は、区間Ａの運転モードを設定する。モータ３が回転すると、図３の５１に示すように最初の打撃が行われるまでボルトが回転する。
【００４０】
最初の打撃が行われると、その打撃の際の締め付けトルク値を検出する（ステップ６５）。この検出は歪ゲージ１２を用いて行われる。この検出値はマイコン１６によって評価され、締め付けが正常に行われたか、異常であるかを判断する（ステップ６６）。ここで、締め付け異常とは、想定した打撃回数以内で目標トルク値に達成した場合（例えば、１回目の打撃でいきなり目標トルクに達成した場合）や、目標トルク値よりも大幅に高いトルク値で締め付けられ、許容上限トルク（ＭＡＸ）以上で締め付けられた場合や、いつまでたっても目標トルクに達しない場合等である。
【００４１】
締め付け異常でないと判断されたら、運転モードの切替条件を満たしているかを判定する（ステップ６７）。つまり、最初の打撃５１の場合は、運転モードを区間Ａから区間Ｂの制御への変更が必要となる。また、運転モードが区間Ｂの場合は、ステップ６５で検出された締付けトルク値が目標トルク値の７０％に否かを判定し、その打撃で初めて７０％を超えたら運転モードを区間Ｂから区間Ｃの制御への変更が必要となる。変更が必要な場合は、ステップ６３に戻る（ステップ６７）。
【００４２】
次に、検出された締め付けトルク値が目標トルクを超えているか判断し（ステップ６８）、達していなかったらステップ６４に戻り、達していたらモータ３の回転を停止させて（ステップ６９）、正常締め付けを示すＬＥＤ１５ａ（緑色）を点灯させる（ステップ７０）。その後、ステップ６２に戻り次のボルトの締め付け作業に備える。
【００４３】
ステップ６６で、締め付け異常と判断されたら、モータ３の回転を停止させて（ステップ７１）、異常締め付けを示すＬＥＤ１５ｂ（赤色）を点滅させ（ステップ７２）、処理を終了する。尚、図４のフローチャートでは、通信異常の発生を示すＬＥＤ１５ｃの点灯について言及していないが、これは回転・打撃状態と連動させる必要はなく、通信異常が発生したら任意のタイミングで点灯又は点滅させるようにすれば良いからである。
【００４４】
上述の実施形態によれば、トルクオーバーランすることなしに、設定された打撃トルクに基づき精度良く締め付けを行うことができる。
【００４５】
以上、本発明を示す実施形態に基づき説明したが、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本実施形態では区間Ｂにおいて、トリガスイッチ８を単なるＯＮ／ＯＦＦ制御用のトリガとして用いたが、ＯＦＦの制御を省略して、トリガスイッチ８を少しでも引いたら区間Ａ〜Ｃの制御を開始し、たとえトリガスイッチ８を戻してもネジやボルトの締め付けが終わるまでの動作を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１ インパクト式ねじ締め装置 ２ 制御回路
３ モータ ７ モータ駆動回路 ８ トリガスイッチ
９ トルクセンサ １０ オイルパルスユニット １１ グリップ部
１２ 歪ゲージ １４ スイッチ回路基板 １５ ＬＥＤ
１６ マイコン １７ 回転数制御回路 １８ １８Ｖ定電圧回路
１９ ±１２Ｖ電源 ２０ 定電圧回路 ２１ トルク検出回路
２１ａ 発信回路 ２１ｂ 検波回路
２２ａ、２２ｂ トランス ２９ ＡＣ商用電源
３０ 電源ボックス ３１ 全波整流平滑回路
４１〜４８ 目標回転数 ５１〜５８ 打撃
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレス直流方式のモータと、該モータの回転を制御する制御回路と、前記モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、該オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸と、前記出力軸における衝撃トルクの発生を検知するトルクセンサを有し、前記トルクセンサの出力を用いて先端工具を所定の締め付けトルクで締め付けるインパクト式ねじ締め装置において、
（１）前記制御回路は起動時からねじ締め完了に至るまで、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの３つのモードに分け、
（２）区間Ａにおいては、前記モータの回転数を制限して最高回転よりも低い、一定回転数で締め付けを行い、
（３）前記オイルパルスユニットにおいて最初の打撃が行われたら区間Ｂの制御に移行させ、下式によって前記モータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１：ゲイン定数
この目標回転数における、前記モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ２×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ２：ゲイン定数
（４）前記オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときの前記トルクセンサの検出値が、設定された前記締め付けトルクの所定の値に達成したらいったん回転数を下げてから区間Ｃの制御に移行させ、所定の値以下であったら区間Ｂの制御を繰り返し、
（５）区間Ｃにおいては、下式によって前記モータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ３×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｇ３：ゲイン定数（但し、Ｇ３＜Ｇ１）
この目標回転数における、前記モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ４×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ４：ゲイン定数（但し、Ｇ４＜Ｇ２）
（６）前記オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときの前記トルクセンサの検出値が、設定された締め付けトルクに達成しなかったら前記区間Ｃの制御を繰り返し、設定された前記締め付けトルクを超えたら前記モータを停止させる、
ことを特徴とするインパクト式ねじ締め装置。
【請求項２】
前記区間Ｂから区間Ｃへの移行は、設定された前記締め付けトルク値の７０％に達成したら行うことを特徴とする請求項１に記載のインパクト式ねじ締め装置。
【請求項３】
前記区間Ｃにおいて、前記モータの回転数の上限値を設定しておき、上式によるＮ（目標値）が、前記上限値を超えた場合は、前記上限値の回転数で前記モータを回転させることを特徴とする請求項１又は２に記載のインパクト式ねじ締め装置。
【請求項４】
前記制御回路はマイコンを有し、前記区間Ａ乃至Ｃにおけるモータの回転制御は前記マイコンによって行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインパクト式ねじ締め装置。
【請求項１】
ブラシレス直流方式のモータと、該モータの回転を制御する制御回路と、前記モータによって駆動されるオイルパルスユニットと、該オイルパルスユニットのシャフトに連結され先端工具が装着される出力軸と、前記出力軸における衝撃トルクの発生を検知するトルクセンサを有し、前記トルクセンサの出力を用いて先端工具を所定の締め付けトルクで締め付けるインパクト式ねじ締め装置において、
（１）前記制御回路は起動時からねじ締め完了に至るまで、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの３つのモードに分け、
（２）区間Ａにおいては、前記モータの回転数を制限して最高回転よりも低い、一定回転数で締め付けを行い、
（３）前記オイルパルスユニットにおいて最初の打撃が行われたら区間Ｂの制御に移行させ、下式によって前記モータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ１×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｎ：モータの回転数（ｒｐｍ）、Ｔ：トルク値（Ｎ・ｍ）、Ｇ１：ゲイン定数
この目標回転数における、前記モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ２×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ２：ゲイン定数
（４）前記オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときの前記トルクセンサの検出値が、設定された前記締め付けトルクの所定の値に達成したらいったん回転数を下げてから区間Ｃの制御に移行させ、所定の値以下であったら区間Ｂの制御を繰り返し、
（５）区間Ｃにおいては、下式によって前記モータの目標回転数を設定し、
Ｎ（目標値）＝Ｎ（前回値）＋Ｇ３×（Ｔ（目標値）−Ｔ（検出値））
ここで、Ｇ３：ゲイン定数（但し、Ｇ３＜Ｇ１）
この目標回転数における、前記モータへ供給するインバータ回路へのデューティーを、以下の式を用いて設定し、
Ｄｕｔｙ（目標値）＝Ｄｕｔｙ（前回値）＋Ｇ４×（Ｎ（目標値）−Ｎ（検出値））
ここで、Ｇ４：ゲイン定数（但し、Ｇ４＜Ｇ２）
（６）前記オイルパルスユニットにおいて打撃が行われたときの前記トルクセンサの検出値が、設定された締め付けトルクに達成しなかったら前記区間Ｃの制御を繰り返し、設定された前記締め付けトルクを超えたら前記モータを停止させる、
ことを特徴とするインパクト式ねじ締め装置。
【請求項２】
前記区間Ｂから区間Ｃへの移行は、設定された前記締め付けトルク値の７０％に達成したら行うことを特徴とする請求項１に記載のインパクト式ねじ締め装置。
【請求項３】
前記区間Ｃにおいて、前記モータの回転数の上限値を設定しておき、上式によるＮ（目標値）が、前記上限値を超えた場合は、前記上限値の回転数で前記モータを回転させることを特徴とする請求項１又は２に記載のインパクト式ねじ締め装置。
【請求項４】
前記制御回路はマイコンを有し、前記区間Ａ乃至Ｃにおけるモータの回転制御は前記マイコンによって行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインパクト式ねじ締め装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−３１３６９（Ｐ２０１１−３１３６９Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８２９１３（Ｐ２００９−１８２９１３）
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【出願人】（０００００５０９４）日立工機株式会社 (1,861)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【出願人】（０００００５０９４）日立工機株式会社 (1,861)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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