JP6676777B2 - 最適化された電子スリッピングクラッチの休止挙動 - Google Patents

Description

本発明は、電動工具、特に電動締付け機（スクリュードライバーあるいはスクリュードライバードリル）のクラッチを操作する方法に関する。このような電動工具は電気モータと、電動工具のモータ電力の開ループ制御及び閉ループ制御のための開閉ループ制御装置と、少なくとも１つのセンサとを備える。この電動工具は第１の操作モード又は第２の操作モードで操作可能であり、第１の操作モードにおいてクラッチが所定の期間後に起動されるのは速度が所定の速度閾値を下回った場合であり、第２の操作モードにおいてクラッチが起動されるのは第１の所定のモータ電流閾値を上回った場合である。

さらに、本発明は、本発明の方法を用いて操作可能な電動工具に関する。

電動締付け機は、本来的にねじを他の材料（被締付け物）にねじ止めするために用いられる。これらの材料は、例えば、木材、プラスチック、金属、鉱物材料等である。

電動締付け機のドリルでねじを材料に徐々に挿入して材料にねじ込む際には、加える力の相当分又はトルクの相当分を増加させて、ねじをほぼ一定速度で打ち込みができるようにすることが必要である。特に、いわゆるねじ頭部の埋め込み（皿穴へ沈み込ませ）、具体的には、ねじ頭部が平面状表面のねじ（皿ねじ）の終端部を材料表面と面一にするには、高い電力出力、具体的には、大きな力の作用及びより高い電動工具のトルクが必要となる。その理由はねじ頭部の特別な形状にある。このねじ頭部は一般的には円錐台の形状を有するため、その部分を材料内に埋め込もうとしたときには相応に抵抗力が高くなるのである。

このような場合、長さが同一の複数のねじを、硬度が一定ではない材料にねじ止めして面一（ねじ頭部を材料表面と面一にする）にする場合に問題が生じる。特に木材の構造は連続的に均一でないことが多いため、木材の硬度は（場所により）大きく異なることがある。木材の第１の箇所で第１のねじを締付けするときには、比較的小さな力を加えるか又は比較的小さなトルクしか必要としないこともあり得る。しかし、第２の（同じ）ねじを同じ木材のもう一つの箇所に同じ深さまで締付けようとするとき、実質的により大きな力を作用させるか、又はより大きなトルクを生成させる必要性が生じ得る。この問題は、ねじ頭部が円錐台の形状のねじ（皿ねじ）を材料表面と面一になるように埋め込んでねじ止めしようとする際に、特に顕著となる。

加えて、電動締付け機が通常充電式バッテリで稼働し、ユーザーにとって実用的にするには小型にする必要があるため、この問題はより難しくなる。電動工具の性能も同時に低下してしまう。

さらに、早すぎるクラッチの起動も問題となり得る。ねじ頭部を材料表面と面一になるよう埋め込む（皿取り）のために過剰な力又はトルクを作用させると、特別な設定によりクラッチが早く作動し（すなわち、ドライブトレインの遮断）、ねじに十分なトルクを伝達することができず、もはやねじの打ち込みはできなくなる。そのような場合にユーザーは、電動工具のスイッチを切断して再起動せざるを得ない。このようにしてクラッチがつながり、ドライブトレインが閉状態とされるため、再度必要なトルクが生成されてねじがさらに打ち込まれる。しかし、かかる作業工程の中断は、作業工程の望ましくない長期化を意味する。

そのため、本発明の目的は、上述の課題を解決することであり、特にほぼ一様な力又はトルクを加えることにより、不均質な材料への適正なねじ止めを確実にすることである。

この目的は独立項１の要旨及び独立項４の要旨によって達成される。従属項には、優位性のある態様が記載されている。

特にこの場合、この目的は、電動工具、特に電動締付け機（スクリュードライバーあるいはスクリュードライバードリル）のクラッチを操作する方法であって、この電動工具は電気モータと、電動工具のモータ電力の開ループ制御及び閉ループ制御のための開閉ループ制御装置と、少なくとも１つのセンサとを備え、この電動工具は第１の操作モード又は第２の操作モードで操作可能であり、第１の操作モードにおいては、速度が所定の速度閾値を下回った場合かつ所定の期間後にクラッチが起動され、第２の操作モードにおいては、第１の所定のモータ電流閾値を上回った場合にクラッチが起動される、方法によって達成される。

本発明の方法は、
−第２の操作モードを設定する工程と、
−電気モータのモータ電流を測定する工程と、そして
−第２の所定のモータ電流閾値を超えた場合に、モータ速度を第１の速度値から第２の速度値へと低下させる工程であって、それにより電動工具により生成され得るトルクが第１のトルク値から第２のトルク値へと上昇する工程、
からなる。

モータートルクの関数としての速度の低下により、相応の大きなトルクによる作業を確実に継続することができる。この場合、さらに速度の低下によって打ち込み速度を安全な速度へと減速させ、ねじ頭部が不意に材料に過度に深く埋め込まれることを防ぐことができる。この目的で電動工具のスイッチが切断されるのではなく、材料の表面でねじ頭部の端部を面一にするための埋め込み作業（皿取り）がユーザーの監視下で行われるということは注記されるべきである。比較的遅い回転速度により、この場合、ねじ頭部の最も正確な皿取りと配置が確実になる。第２のトルク値は、電動工具により生成することができる最大のトルク値であり得る。

電動工具の第１の操作モードはいわゆる硬いねじ止めのケース（硬質目地）用に提供され、第２の操作モードはいわゆる柔らかいねじ止めのケース（軟質目地）用に提供される。硬いねじ止めのケースの場合にねじは比較的硬い材料（例えば、金属）にねじ止めされ、柔らかいねじ止めのケースの場合にねじは比較的硬い材料（例えば、トウヒ材）にねじ止めされる。

この場合、第１の所定のモータ電流の閾値は、第２の所定のモータ電流の閾値より大きい。

本発明の効果的な態様において、
電動工具のための位置値及びアライメント値を少なくとも１つのセンサで検出し、
最初に取得された位置値と２番目に取得された位置値の差又は最初に取得されたアライメント値と２番目に取得されたアライメント値の差が所定の閾値を下回った場合に、モータ速度を第１の速度値から第２の速度値へと低下させる。このように、電動工具の位置及び／又はアライメントがねじ止め過程で変わったかどうかが判定される。この理由は、電動工具の位置及び／又はアライメントの変化をそれらの相違値の大きさに基づいて決めると、電動工具が第１のねじから第２のねじへと移動され、第２のねじが第１のねじに代わってねじ止めされると仮定できるからである。よって、この場合、速度は低下せず、電動工具の起動スイッチの位置に基づいてユーザーが選択することができる。しかし、相違がそれなりに小さな値の場合、電動工具の位置及び／又はアライメントはねじ止め過程で変化せず、同じねじがなおもねじ止めされようとしていると仮定することができる。したがって、この場合には速度が低下し、トルクが増加させられる。そのため、一つのねじの連続するねじ止め過程において、一方では上昇トルクを他方ではねじ頭部の材料表面と面一となる正確な埋め込み（皿取り）のための低回転速度を、ユーザーに速度を低下させることにより提供することができる。

本発明のさらなる効果的な態様においては、
電動工具の操作スイッチを起動モードに設定する工程と、
操作スイッチを休止モードに設定する工程と、
操作スイッチを再起動モードに設定する工程であって、電動工具の位置値及びアライメント値を少なくとも１つのセンサで検出し、最初に取得された位置値と２番目に取得された位置値との差又は最初に取得されたアライメント値と２番目に取得されたアライメント値との差が所定の閾値を下回った場合に、同じねじがなおもねじ止めされようとしていると仮定し、モータ速度を第１の速度値から第２の速度値へと低下させる工程であって、第２の速度値は電気モータのパルス駆動に対応する工程、が提供される。

このようにして、ねじ止め過程で電動工具の位置及び／又はアライメントが変わったかどうかが判定できる。この理由は、電動工具の位置及び／又はアライメントの変化を相違値の大きさに基づいて決めると、電動工具が第１のねじから第２のねじへと移動され、第２のねじが第１のねじに代わってねじ止めされると仮定できるからである。よって、この場合、速度は低下せず、電動工具の起動スイッチの位置に基づいてユーザーが選択することができる。しかし、それなりに小さな相違値の場合、電動工具の位置及び／又はアライメントはねじ止め過程で変化せず、同じねじがなおもねじ止めされようとしていると仮定することができる。そのため、この場合、速度が低下してパルス駆動となり、トルクが増加する。そのため、一つのねじの連続するねじ止めの手順として、一方で上昇トルクが電気モータのパルス駆動でユーザーに提供され、もう一方でねじ頭部が材料表面と面一となる正確な埋め込み（皿取り）のための低回転速度が提供される。ねじの部分的な回転を一時的又は継続的に行うパルス駆動により、ねじ頭部の埋め込みについての推定又はモニターをさらに正確に行うことができる。

この場合センサは、ジャイロセンサ、リニアセンサ等として構成され得る。

この目的はさらに、本発明の手法を用いて操作可能な電動工具によっても達成される。

本発明のさらなる効果的な態様の１つによれば、電動工具の構成において、トランスミッション装置は、少なくとも１つの第１のギアと、１つの第２のギアとを備え、その１つのギアでは、電動工具により生成することができるトルクがモータ電流の増加と対数比にあり、もう一つ別のギアでは、電動工具により生成することができるトルクがモータ電流の増加と線形比にある。このようにして、同じ速度でも、１つのギアではもう一つ別のギアよりも高いトルクを生成することができ、よってねじ頭部の材料表面と面一となる正確な埋め込み（皿取り）が効率化される。

本発明の他の優位性は、以下の図面の記載から明らかとなる。本発明の様々な実施例が図面に説明されている。図面、発明の詳細な説明、及び請求の範囲には、本発明の様々な特徴の組み合わせが記載されている。当業者であれば、それぞれの特徴を考慮し、さらなる有意義な組み合わせを実現するであろう。

同一及び同等の要素には、図面において同一の参照番号が付与されている。図面は以下の通りである。

本発明の方法を実施する本発明の電動工具の概略図である。

図１は、本発明の方法を実施する本発明の電動工具１を示す。

電動工具１は、電動締付け機（スクリュードライバーあるいはスクリュードライバードリル）として実現され、実質的に、ハウジング２と、駆動装置としての電気モータ３と、クラッチ５を備えたトランスミッション４と、駆動シャフト６と、出力シャフト７と、開閉ループ制御装置８と、起動スイッチ９と、充電式バッテリ１０とを備える。

電気モータ３、トランスミッション４、駆動シャフト６、及び出力シャフト７は、ハウジング２に配置されている。電動工具１を保持するためのハンドル１１の第１の端部は、ハウジング２の下部に配置されている。電動工具１の起動スイッチ９は、ハンドル１１に配置されている。充電式バッテリ１０は、電動工具１のエネルギー源として、ハンドル１１の第２の端部に着脱可能に取り付けられている。

開閉ループ制御装置８は、電気モータ３等の開ループ制御及び閉ループ制御を実行する。この目的のため、開閉ループ制御装置８は起動スイッチ９、充電式バッテリ１０、及び電気モータ３に接続されている。特に、モータ電流、速度、及び生成トルクは、開閉ループ制御装置８を使用して、測定、開ループ制御及び閉ループ制御が可能である。測定は、この場合、センサ（図面に非表示）を用いて行う。

さらに、電動工具はセンサ１２を備え、このセンサ１２は電動工具の様々なパラメータを測定して開閉ループ制御装置８に伝達することができる。センサ１２は、ジャイロセンサ及び／又は加速度センサ並びにリニアセンサ及び／又は位置センサである。センサ１２は、電動工具１の位置変化及び／又はアライメント変化を特定するために用いられる。

電気モータ３はトルクを生成し、駆動シャフト６に伝達する。駆動シャフト６は続いてトランスミッション４に接続される。トランスミッション４はクラッチ５を備え、このクラッチ５はスリッピングクラッチとして実現できる。トランスミッション４では、第１のギア又は第２のギアが選択され設定できる。出力シャフト７はトランスミッション４に接続されている。クラッチ５は、駆動シャフト６を出力シャフト７に接続か又は駆動シャフト６を出力シャフト７から切断する。ビット１３（締付け機のブレードとも呼ぶこともできるビット）は、出力シャフト７の自由端７ａに締結される。ビット１３は、ねじ１４、１５のねじ頭１４ａ、１５ａ（例えば、皿ねじ状、フィリップスねじ状等）へと挿入できる。

電気モータ３によりトルクが生成される。その生成トルクは、駆動シャフト６、トランスミッション４、クラッチ５、出力シャフト７、そして最後にビット１３へと伝達される。ビット１３がねじ１４、１５のねじ頭１４ａ、１５ａに挿入された場合、電気モータ３により生成されるトルクはねじ１４、１５に伝達され、ねじ１４、１５は中心軸Ｎの回りを回転方向Ｒに回転する。ねじ１４、１５に働くトルクにより、ねじ１４、１５を材料（被締付け物）Ｗに挿入させてそこに締結してよい。

測定されたモータ電流によりクラッチ５は起動される。モータ電流はこの場合電気モータ３により生成されるトルクの関数である。そのため、電気モータ３により生成されるトルクは、モータ電流を検出することにより特定できる。測定されたモータ電流が所定値を超えた場合、クラッチ５が起動、具体的には、駆動シャフト６と出力シャフト７が互いに切断される。この場合、電動工具１の構成では、第１のギアにおいて電動工具１により生成されるトルクはモータ電流の増加に対して対数比となり、第２のギアにおいて電動工具１により生成することができるトルクはモータ電流の増加に対して線形比となる。このようにして、同じモータ電流では第２のギアよりも第１のギアで大きなトルクが生成され、クラッチ５が駆動シャフト６と出力シャフト７を切断することはない。

ねじ１４、１５を材料Ｗにねじ止める際、トランスミッション４のギアは最初に選択スイッチ１６で選択される。この場合、第１のギア又は第２のギアを選択してよい。しかし、代替の実施例では、三つ以上のギアを選択し得る。

続いて、対応の操作モードを選択する。柔らかいねじ止め用の第１の操作モードと硬いねじ止め用の第２の操作モードのどちらかを選ぶことができる。この場合、第２の操作モードが選択され、第２の操作モードでは、第１の所定のモータ電流の閾値を超えるとクラッチ５が起動される。

第１の操作モード又は第２の操作モードの選択は、選択スイッチで実行する。選択スイッチは、図面に表示されていない。

次に、クラッチ５のトリガ条件を設定装置１７で設定する。この設定では、電気モータ３に生成され、ねじ１４、１５に伝達されるトルクによりクラッチ５が駆動シャフト６と出力シャフト７を切断することが定められる。上述の通り、トルクはモータ電流に基づいて定められる。

第１のねじ１４は、ビット１３により材料Ｗにねじ込まれる。電動工具１又は電気モータ３の起動は、起動スイッチ９の起動（押下）により実行される。起動スイッチ９は、この目的で矢印方向Ａに動かされる。電源１又は電気モータ３のスイッチを切断するには、起動スイッチ９を矢印方向Ｂに動かす。矢印方向Ｂの移動は、ばね（非表示）により行われる。対応のセンサは、この場合、継続的にモータ電流を測定する。モータ電流からのトルクが以前に記録した閾値を超えない場合、ねじ１４はＣ方向に材料Ｗの中でねじ頭までねじ込まれる。ねじ頭部１４ａを材料表面と面一となるよう埋め込む（皿取り）のに通常最高水準のトルクが必要となるのは、それが円錐台形であるために材料Ｗ中で最大の抵抗力が発生するためである。

第１のねじ１４が材料Ｗにねじ止めされた後、第２のねじ１５は他の箇所で材料Ｗにねじ止めされる。その際、第２のねじ１５は、材料Ｗが第１のねじ１４の箇所よりも硬い箇所でねじ止められる場合が考えられる。この場合、ねじ止めのためにより大きなトルクが必要となる。材料Ｗの硬い箇所に第２のねじ１５をねじ止めする間に、生成トルクを定めるモータ電流がその閾値を超えた場合、クラッチ５は作動されず、駆動シャフト６と出力シャフト７は切断されない。代わりに、電気モータの速度が低下し、そのためトルクを増加させることができる。第２のねじ１５、特にねじ頭部１５ａは、より高いトルクで材料Ｗにねじ止めして材料方面と面一にしてよい。電動工具１のユーザーは、この場合起動スイッチ９を離す（矢印方向Ｂに）必要がなく、押下し続ける（矢印方向Ａに）ことができるのは、速度の低下とトルクの増加が自動的に発生するためである。低速且つ接続された材料Ｗへのねじ１４、１５のゆっくりとした挿入により、ユーザーは、ねじ１４、１５あるいはねじ頭部１４ａ、１５ａが材料Ｗの表面に対して面一に押圧されるのを観察しやすくなる。ねじ１４、１５が材料Ｗへ深すぎて挿入されることを防ぐことができる。

本発明の代替の実施例を以下で述べる。ねじ止めに必要となるトルクが過剰に高く、このことをモータートルクが閾値以上であることに基づき特定できる場合、電気モータ３は完全に停止される。その場合、ユーザーは起動スイッチ９を切断し（矢印方向Ｂに）、続いて再起動する（矢印方向Ａに）。しかし、センサ１２、具体的にはジャイロセンサ及び／又は加速度センサ並びにリニアセンサ及び／又は位置センサは電動工具１の位置の変化又はアライメント変化を検知しない。これは、電動工具１がねじ１４、１５から移動せず、同じねじ１４、１５がなおもねじ止めされようとしていることを意味している。このようにして、開閉ループ制御装置８には、電気モータ３が低速回転し、よって高水準のトルクを生成することになる旨が指示される。あるいは、電気モータ３は速度を下げる代わりにパルス駆動で運転してよい。パルス駆動では、出力シャフト７は中心軸Ｎの回りを四分の一回転するだけである。このようにしてトルクを上昇させ、ねじ１４、１５のねじ止め及びねじ頭部１４ａ、１５ａの材料表面と面一となるような埋め込み（皿取り）を継続することができる。

しかし、センサ１２、すなわちジャイロセンサ及び／又は加速度センサ並びにリニアセンサ及び／又は位置センサが電動工具１の位置の変化又はアライメント変化を検知する場合（すなわち、閾値を超えた場合、すなわち最初の位置及び２番目の位置の差分若しくは最初のアライメント値及び２番目のアライメントの差分が閾値を超えた場合）、電動工具１はねじ１４からもう一つのねじ１５へと移動したと仮定することができる。そのため、ねじ止めを同じねじ１４を対象として行うことはもはやない。このような場合、ユーザーが起動スイッチ９を切断し（矢印方向Ｂに）、続いて再起動すると（矢印方向Ａに）、電気モータ３の速度は下がらずに、パルス駆動も設定されない。そうすると、新しいねじ１５は、速度域全域でねじ止めされ得る。

Claims (5)

1. 電動工具（１）のクラッチ（５）を操作する方法であって、前記電動工具（１）は電気モータ（３）と、前記電動工具（１）のモータ電力の制御のための制御装置（８）と、少なくとも１つのセンサ（１２）とを備え、前記電動工具（１）は第１の操作モード又は第２の操作モードで操作可能であり、前記第１の操作モードにおいて前記クラッチ（５）は前記電気モータ（３）の速度が所定の速度閾値を下回った場合に所定の期間後に起動され、前記第２の操作モードにおいて前記クラッチ（５）は第１の所定のモータ電流閾値を上回った場合に起動され、
   前記第２の操作モードを設定する工程と、
   前記電気モータ（３）のモータ電流を測定する工程と、
   前記第１の所定のモータ電流閾値より低い第２の所定のモータ電流閾値を超えた場合にモータ速度を第１の速度値から第２の速度値へと低下させる工程であって、よって前記電動工具（１）により生成することができるトルクが第１のトルク値から第２のトルク値へと上昇する工程と
   を備える、ことを特徴とする方法。
2. 前記電動工具（１）の位置値及びアライメント値を前記少なくとも１つのセンサ（１２）で取得する工程と、
   最初に取得された位置値と２番目に取得された位置値との差又は最初に取得されたアライメント値と２番目に取得されたアライメント値との差が所定の閾値を下回った場合に、同じねじがなおもねじ止めされようとしていると仮定し、前記モータ速度を第１の速度値から第２の速度値へと低下させる工程と
   をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電動工具（１）の起動スイッチ（９）を起動モードに設定する工程と、
   前記起動スイッチ（９）を休止モードに設定する工程と、
   前記起動スイッチ（９）を再起動モードに設定する工程であって、前記電動工具（１）の位置値及びアライメント値を前記少なくとも１つのセンサ（１２）で取得し、最初に取得された前記位置値と２番目に取得された前記位置値との差又は最初に取得されたアライメント値と２番目に取得されたアライメント値との差が所定の閾値を下回った場合に、同じねじがなおもねじ止めされようとしていると仮定し、前記モータ速度を第１の速度値から第２の速度値へと低下させるか、前記電気モータ（３）をパルス駆動とする工程と
   を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 請求項１乃至３の少なくとも１つに記載の方法において用いられる電動工具（１）。
5. 少なくとも１つの第１のギアと、少なくとも１つの第２のギアとからなるトランスミッション（４）を備え、前記１つのギアでは、前記電動工具（１）により生成することができるトルクがモータ電流の増加と対数比にあり、別の１つのギアでは、前記電動工具（１）により生成することができるトルクがモータ電流の増加と線形比にある、ことを特徴とする請求項４に記載の電動工具（１）。

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