用于紧固螺丝或螺栓的电动工具.pdf

在一种用于紧固螺丝或螺栓的电动冲击工具中，可以预防在螺丝或螺栓被完全紧固之前就停止马达驱动的故障。至少当扭矩变化比基本上为零且参考指数等于或大于故障判断阈值时，紧固判断器判断紧固操作完成。所述参考指数是在扭矩变化比取正值情况下击锤的冲击次数，且所述故障判断阈值是采用该情况下扭矩变化比的最大值计算出的。因为在紧固操作中由于故障引起的击锤冲击次数小于由于螺丝或螺栓被完全紧固引起的击锤冲击次数，所以可以将前一种情况下所产生的扭矩增加与后一种情况下所产生的扭矩增加区分开来。

1、  一种用于紧固螺丝或螺栓的电动工具，包括：一马达；一马达控制器，用于控制该马达驱动的起动和停止；一动力传输器，用于将该马达的驱动力传输给一钻头，以紧固或松开一螺丝或一螺栓；一扭矩评估器，用于估计紧固该螺丝或该螺栓的扭矩值；及一紧固判断器，用于判断该螺丝或该螺栓是否已完全紧固；其中
该紧固判断器
计算一扭矩变化量和一扭矩变化比，其中该扭矩变化量是该扭矩的变化与该马达的一转轴的旋转角度或运行时间的比值，而该扭矩变化比是该扭矩变化量与该马达的该转轴的旋转角度或运行时间的比值；
运用该扭矩变化比计算一参考指数，该参考指数用于判断该扭矩值的增加是否是由紧固操作中的故障引起的临时增加；
至少当该扭矩变化比基本上为零且该参考指数等于或大于一故障判断阈值时，判断该紧固操作完成；及
向该马达控制器输出一用以停止马达驱动的信号。

2、  根据权利要求1所述的电动工具，其中
在该参考指数已经等于或大于该故障判断阈值之后，当该扭矩变化比基本上为零时，该紧固判断器判断该紧固操作完成。

3、  根据权利要求1所述的电动工具，其中
在该扭矩变化比已先基本上为零且该参考指数的值已经等于或大于该故障判断阈值之后，当该扭矩变化量的值基本上为零时，该紧固判断器判断该紧固操作完成。

4、  根据权利要求1所述的电动工具，其中
在该扭矩变化比已经基本上为零之后，当该参考指数等于或大于该故障判断阈值时，该紧固判断器判断该紧固操作完成。

5、  根据权利要求1所述的电动工具，其中
在该参考指数的值已经先等于或大于该故障判断阈值且该扭矩变化比已基本上为零之后，当该扭矩变化量的值基本上为零时，该紧固判断器可以判断该紧固操作完成。

6、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，其中
该参考指数是在该扭矩变化比取正值的情况下的一时间周期。

7、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，其中
当该电动工具为一电动冲击工具时，该参考指数为该扭矩变化比取正值的情况下一击锤的冲击次数。

8、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，其中
该参考指数是在该扭矩变化比取正值的情况下该扭矩变化比的一积分值。

9、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，其中
当该电动工具为一电动冲击工具时，该参考指数为在该扭矩变化比取正值的情况下在一击锤每次冲击时产生的扭矩变化比的总和值。

10、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，其中
采用在该扭矩变化比取正值的情况下该扭矩变化比的最大值来计算该故障判断阈值。

11、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，其中
采用该紧固操作的初始状态的一扭矩值来计算该故障判断阈值。

12、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，其中
该参考指数是一个与该扭矩变化比相关的值，而该故障判断阈值是采用在该紧固操作的初始状态的一扭矩值计算出。

13、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，还包括：
一自动速度控制器，用于当该紧固操作的初始状态的该扭矩小于该扭矩的一预定参考值时，减小该马达的该转轴的旋转速度。

14、  根据权利要求13所述的电动工具，其中该自动速度控制器以这样一种方式来控制该马达，即该紧固操作初始状态的该扭矩越小，该马达的该转轴的旋转速度就越慢。

15、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，还包括：
一触发开关，其由用户操作并根据其位移而输出至少用以控制该马达驱动的起动和停止的信号；并且其中
该触发开关的一行程被分为一第一区和一第二区，其中，在该第一区内，限制该马达控制器停止该马达的驱动，而在该第二区内允许马达控制器停止该马达的驱动。

16、  根据权利要求1至5其中之一所述的电动工具，还包括：
一距离传感器，用以检测到该螺丝的顶部或该螺栓被完全紧固的一表面的一距离；并且其中
在由该距离传感器检测出的该距离达到一用于判断该螺丝或该螺栓已经完全紧固的一参考距离后，该马达控制器就停止该马达的驱动。

用于紧固螺丝或螺栓的电动工具
技术领域
本发明涉及一种用于紧固螺丝或螺栓的电动工具，例如一种冲击式螺丝刀或一种冲击式扳手。
背景技术
通常，利用马达的驱动力来紧固螺丝或螺栓的电动工具具有当用以紧固螺丝或螺栓所需的扭矩由于螺丝或螺栓已被完全紧固而达到一预定的值时自动停止马达驱动的功能。
在用于紧固螺丝的第一种常规电动工具中，例如在日本专利申请4-322974的公开公报中所公开的一种冲击式扳手中，对一击锤的冲击值进行检测，并且当冲击值达到一预定的参考值时马达的驱动就自动停止。
在日本专利申请9-285974的公开公报中所公开的第二种常规电动冲击工具中，对一螺栓的旋转角度进行检测，并且当旋转角度达到一预定的参考角度时，马达的驱动就停止。
在日本专利申请6-91551的公开公报中所公开的第三种常规电动冲击工具中，对用以紧固螺栓所需的实际扭矩进行检测，并且当实际扭矩达到一预定的参考值时，马达的驱动就停止。
根据冲击值来停止马达的驱动的第一种常规电动冲击工具和根据旋转角度来停止马达的驱动的第二种常规电动冲击工具分别具有一个缺点，即在用以紧固螺丝或螺栓的需要的扭矩和实际扭矩之间可能会有很大的差异。当实际扭矩远小于需要的扭矩时，此差异会由于不充分的扭矩而导致螺丝或螺栓的松动。或者，当实际扭矩过分大于需要的扭矩时，此差异会由于过剩的扭矩而导致损坏由螺丝或螺栓紧固的元件。
另一方面，根据用于紧固螺丝或螺栓的实际扭矩来停止马达的驱动的第三种电动冲击工具需要设置在输出转轴上的传感器来检测其实际扭矩，因此这导致了成本的增加和电动冲击工具的尺寸加大，即使马达驱动的自动停止能根据该实际扭矩而得到精确控制。
为解决上述的这些问题，在日本专利申请2002-283248的公开公报中所公开的第四种常规电动冲击工具中，当向螺栓施加冲击力时，根据马达转轴的旋转速度估计出一个用于紧固该螺栓的扭矩。当估计的扭矩突然增加时，就判定为螺栓完全紧固。当估计的扭矩突然增加时，就停止马达的驱动。
在此第四种常规的电动冲击工具中，存在这样一种可能性，即当扭矩由于紧固操作中的故障而临时增加时，马达的驱动会在螺栓被完全紧固之前就停止。为了防止马达的驱动在螺栓完全紧固之前停止，限定了一个用以判定故障的发生的参考扭矩，其比当扭矩由于故障而临时增加时的最大的扭矩稍大。只要估计的扭矩不等于或大于该用以判定故障的发生的参考扭矩，马达的驱动就会继续，因此可防止发生马达的驱动在螺栓被完全紧固之前就停止的故障。
作为在紧固操作中故障原因的例子，列举有如下情况：螺栓螺纹槽的不规则性、插在螺栓和螺帽间的元件的轻微弯曲、螺栓或螺帽偏离转轴心、螺栓和螺帽间灰尘的卡箍、螺栓表面烘烤涂料的脱落、插入在螺栓和螺帽间的元件的升高。
但是，在此第四种常规电动冲击工具中，很难区分由于紧固操作中的故障而出现的扭矩变化中的扭矩的临时增加和由于螺栓被完全紧固而出现的扭矩增加，因为对应于螺栓和将被紧固的工件地不同组合，螺栓紧固时的扭矩的变化是不规则的。因此，存在着在螺栓被完全紧固之前马达的驱动就停止的可能性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于紧固螺丝或螺栓的电动工具，采用该工具可以仅在螺丝或螺栓被完全紧固时才停止马达的驱动。
根据本发明的一个方案的用于紧固螺丝或螺栓的电动工具包括：一马达；一马达控制器，用于控制马达驱动的起动和停止；一动力传输器，用于将马达的驱动力传输给一钻头以紧固或松开一螺丝或螺栓；一扭矩评估器，用于估计出使螺丝或螺栓紧固的扭矩值；和一紧固判断器，用于判断螺丝或螺栓是否完全紧固。
该紧固判断器计算出一扭矩变化量ΔT和一扭矩变化比ΔΔT，其中所述扭矩变化量ΔT是扭矩T的变化与马达转轴的旋转角度或运行时间的比值，所述扭矩变化比ΔΔT是扭矩变化量ΔT与马达转轴的旋转角度或运行时间的比值。随后，紧固判断器还运用该扭矩变化比ΔΔT计算出一参考指数，该参考指数用于判断扭矩T的值的增加是否是由紧固操作中的故障引起的临时增加。至少当扭矩变化比ΔΔT基本上变为零且参考指数变得等于或大于故障判断阈值时，紧固判断器判断紧固操作完成，并向马达控制器输出一用以停止马达驱动的信号。
具体地，在参考指数已经变得等于或大于故障判断阈值之后，当扭矩变化比ΔΔT基本上变为零时，紧固判断器可以判断紧固操作完成。
或者，在扭矩变化比已经基本上变为零之后，当参考指数变得等于或大于故障判断的阈值时，紧固判断器可以判断紧固操作完成。
根据这种构造，可以通过运用扭矩变化比ΔΔT的峰值曲线来准确地判断出扭矩的增加是否是由故障引起的。
而且，马达的驱动恰好在紧固螺丝或螺栓的扭矩变为最大值之前停止，因此，其特别适用于紧固由较软的材料制成的或尺寸较小的螺丝或螺栓，而不会损坏螺丝的顶部或螺栓。
此外，在参考指数的值已经先变得等于或大于故障判断的阈值而扭矩变化比已基本上变为零之后，在扭矩变化量ΔΔT的值基本上变为零时，紧固判断器可以判断螺栓紧固操作完成。
或者，在扭矩变化比已先基本上变为零且参考指数的值已经变得等于或大于故障判断阈值之后，在扭矩变化量的值基本上变为零时，紧固判断器可以判断螺栓紧固操作完成。
根据这种构造，马达的驱动是在紧固螺丝或螺栓的扭矩基本上变为最大值时停止的，因此，其特别适用于紧固由较硬的材料制成的或尺寸较大的螺丝或螺栓，这种螺丝或螺栓很少发生损坏。
附图说明
图1示出了一种电动冲击工具的构造的方框图，其为根据本发明的用于紧固螺丝或螺栓的电动工具的一个实施例；
图2示出了在紧固操作中扭矩T的变化、扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT的一个例子；
图3示出了图2中的峰值S1的放大图；
图4示出了在假定击锤的冲击能量相同的情况下，对应于不同的螺栓材料和尺寸之间的特征差异图；
图5示出了实施例中的电动冲击工具的紧固操作的流程图；
图6示出了实施例中电动冲击工具的紧固操作的一种改进的流程图；
图7示出了一触发开关的位移和由该触发开关输出的电压变化之间的关系，以及在所述实施例中在所述电动冲击工具内第一区和第二区之间的关系；
图8A至8C示出了触发开关位移的剖面侧视图；
图9是一用于所述实施例中电动冲击工具的一种改进方式中的位移传感器的示意图；
图10示出了上述实施例中电动冲击工具的另外一种改进的方框图；
图11示出了上述实施例中电动冲击工具的又一种改进的方框图；
图12示出了上述实施例中电动冲击工具的另一种改进的方框图；
图13示出了上述实施例中电动冲击工具的紧固操作的另外一种改进的流程图；以及
图14示出了上述实施例中电动冲击工具的紧固操作的又一种改进的流程图。
具体实施方式
描述了一种根据本发明实施例的用于紧固螺丝或螺栓的电动工具。图1示出了作为本实施例中电动工具的一个例子的用于紧固螺丝或螺栓的电动冲击工具的构造。
该电动冲击工具包括用以产生驱动力的马达1，及将马达1的驱动力传输给钻头7以使一螺丝或螺栓(此后简称为螺栓)紧固或松开的动力传输器10。该动力传输器10进一步包括用于减小马达1的转轴的旋转速度(此后简称为马达1的旋转速度)的减速器2，连接到减速器2上并由马达1的驱动力驱动旋转的驱动轴3，通过一花键(spline)轴承与驱动轴3连接在一起的击锤4，利用一搭接机构与驱动轴3连接在一起的铁砧5，及用以向击锤4施加朝向铁砧5的压力的弹簧6。
击锤4能通过花键轴承沿驱动轴3的轴线方向移动，并且可以和驱动轴3一起旋转。在击锤4和铁砧5之间设置有搭接机构。击锤4被处于初始状态的弹簧6的压力压到铁砧5上。钻头7可分离地装配在铁砧5上。因此，钻头7能和驱动轴3、击锤4和铁砧5一起被马达1的驱动力驱动旋转。
一对凸轮(cam)面形成于例如铁砧5的上表面和击锤4的下表面上，其用作凸轮机构。例如，当螺栓已经被紧固且钻头7的旋转已经停止时，击锤4上的凸轮面会由于驱动转轴3的旋转而在铁砧5上的凸轮面上滑动，且击锤4按远离铁砧5的方向沿着驱动轴3逆着弹簧6的压力移到凸轮面的高处(elevation)。例如，当击锤4运行完一次旋转时，由凸轮面产生的限制会突然消失，因此击锤4会在和驱动轴3一起旋转的同时由于弹簧6储存的压力而冲击铁砧5。因此，由于击锤4的质量远大于铁砧5的质量，因而能通过铁砧5向钻头7施加一强紧固力。通过朝旋转方向逆着铁砧5重复进行击锤4的冲击运作，螺栓就能通过所需的紧固扭矩而完全紧固。
马达1由马达驱动器8驱动，以起动或停止转轴的旋转。马达驱动器8还连接到一马达控制器30上，对应于触发开关9的位移(压入深度)的信号被输入到该马达控制器中。马达控制器30根据触发开关9输出的信号来判断用户的意图以起动或停止马达1的驱动，并向马达驱动器8输出用以起动或停止马达1的驱动的控制信号。
马达驱动器8构造为采用功率晶体管等的模拟电源电路，用以向马达8稳定地提供一大电流。可充电电池32连接到马达驱动器8上，用以向马达1提供电源。另一方面，马达控制器30例如由一CPU(中央处理单元)，一ROM(只读存储器)和一RAM(随机存储器)组成，以根据一控制程序产生控制信号。
电动冲击工具还包括一冲击传感器11，用于检测击锤4逆向铁砧5的冲击已经执行；一旋转角度传感器12，用于检测铁砧5的旋转角度；一旋转角度计算器13，其采用冲击传感器11和旋转角度传感器12的输出值来计算击锤4每冲击一次铁砧5的旋转角度Δr；和一扭矩评估器14，其采用旋转角度Δr来估算出用于紧固螺栓的扭矩。这些元件组成了用于估算使螺栓紧固的扭矩的装置。
具体地，冲击传感器11是一扩音器16，其用于检测在击锤4冲击铁砧5时作为电压的变化而产生的冲击声(impact boom)。旋转角度传感器12是一旋转编码器19，该旋转编码器19由与铁砧5一起旋转的圆盘17构成，且具有多条狭缝和一用于检测圆盘17的旋转角度的透射光电断路器(transmission photo-interrupter)18。因此，检测铁砧5的旋转角度为脉冲信号。扩音器16和旋转编码器19分别连接到一波形整形电路20上，以进行滤波处理，且由波形整形电路20处理过的信号被输入到旋转角度计算器13中。
旋转角度计算器13连续地计算出击锤4每冲击一次铁砧5的旋转角度，扭矩评估器14连续地估计出用于紧固螺栓的扭矩T。由于扭矩T的计算在前面所述的日本专利申请2002-283248的公开公报中已有详细记载，所以在此只对扭矩T的计算进行简单描述。扭矩T根据如下的等式来进行计算，该等式示出了这样的关系，即由冲击施加的能量基本上等于在螺栓的紧固中消耗掉的能量。
                      T＝(J×ω²)/(2×Δr)
此处，符号T表示用于紧固螺栓的扭矩，符号J表示铁砧5的转动惯量，符号ω表示击锤4进行冲击时铁砧5的旋转速度。
对于铁砧5的旋转速度ω，可以根据给马达1施加电流时可充电电池32的电压和在PWM(脉宽调制)控制中的占空比(duty)来得知马达1的旋转速度，并通过进行马达1的旋转速度除以减速器2的减速比K的除法，可以计算出铁砧5的旋转速度ω的近似值。通过将铁砧5每一冲击的旋转角度Δr代入到上述等式中，就可以计算出估计的扭矩。
该电动冲击工具还包括一紧固判断器21，其根据由扭矩评估器14计算出的估计的扭矩T计算出一扭矩变化量ΔT和一扭矩变化比ΔΔT，并判断螺栓的紧固操作是否完成。扭矩变化量ΔT相应于用于紧固螺栓的扭矩T的变化与马达1的转轴的旋转角度或运行时间的比值。扭矩变化比ΔΔT相应于扭矩变化量ΔT的变化与马达1的旋转角度或运行时间的比值。
为获得扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT，可以简单计算此时计算出的值和先前计算出的值之间的差。但优选为计算第一预定数目的估计扭矩T和扭矩变化量ΔT的值的平均值与第二预定数目的这些值的平均值之间的差，以能全面了解扭矩T或扭矩变化量ΔT的变化。具体为，扭矩变化量ΔT是4个估计扭矩T值的平均值和另外16个估计扭矩T值的平均值之间的差。同样，扭矩变化比ΔΔT是2个扭矩变化量ΔT值的平均值和另外8个扭矩变化量ΔT值的平均值之间的差。
紧固判断器21计算出上述扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT。而且，至少在扭矩变化比ΔΔT连续取正值的情况下产生的击锤4的冲击次数变得大于一预定的故障判定阈值且扭矩变化比ΔΔT基本上变为零时，紧固判断器21判断紧固操作完成。当紧固判断器21判定紧固操作完成时，该紧固判断器就向马达控制器30输出表示螺栓已被完全紧固的信号。当马达控制器30接收到来自于紧固判断器21的信号时，就向马达驱动器8输出一控制信号，以停止马达的驱动。
图2示出了在螺栓的紧固操作中扭矩T、扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT的变化的一个例子。从图2中可以看出，在螺栓被完全紧固之后，峰值P3出现在由符号T标识的表示扭矩T的变化的曲线上，由符号ΔΔT标识的表示扭矩变化比ΔΔT的变化的峰值曲线S3恰好在峰值P3的出现之前出现。当峰值曲线S3出现时，就可以判定螺栓已完全紧固。通常，由于在螺栓紧固操作中的上述故障导致峰值P1，P2等出现在曲线T上，且峰值曲线S1，S2等也会相应地出现。峰值曲线S1，S2等的出现导致发生这样的故障，即马达1的驱动在螺栓被完全紧固之前就已经停止。
在该实施例中，应该注意由于故障而产生的峰值曲线S1和S2的峰值要低于由螺栓被完全紧固而产生的峰值曲线S3的峰值，因此在扭矩变化比ΔΔT连续取正值的情况下由于故障而产生的击锤4产生的冲击次数(N11-N10和N21-N20)要小于由于螺栓被完全紧固而产生的击锤冲击次数(N31-N30)。上述故障判定的预定阈值限定为大于由于故障而导致的击锤4的冲击值，且小于由于螺栓被完全紧固而产生的击锤4的冲击值。因此，当用于紧固螺栓的扭矩由于螺栓被完全紧固而得到增加，且没有出现由故障引起的扭矩的增加而引发的故障时，可以确定停止马达的驱动。
紧固判断器21应用扭矩变化比ΔΔT连续取正值的情况下击锤4的冲击次数作为参考指数，用以判断紧固螺栓的扭矩T的增加是否是由故障引起的。因为采用根据扭矩变化比ΔΔT的值作为参考指数，可以使用扭矩变化比ΔΔT的峰值曲线S1，S2，S3...精确地判断出用以紧固螺栓的扭矩的增加原因。参考指数并不局限于击锤4的冲击次数。可以使用扭矩变化比ΔΔT连续取正值的状态下的时间周期作为参考指数。
此外，故障判断的阈值不必确定为一个预定值。可以定义出根据扭矩变化比的最大值ΔΔT_MAX计算出的值作为故障判断的阈值。图3示出了对应于峰值曲线S1的扭矩变化比ΔΔT和击锤4的冲击次数的特定值的一个例子。例如，可以计算故障判断阈值为与扭矩变化比最大值ΔΔT_MAX成一定比例的一个值(ΔΔT_MAX×C1(常量))。在这种情况下，在图3所示的情况下ΔΔT₁₀₃对应于扭矩变化比最大值ΔΔT_MAX，因此可计算故障判断阈值为ΔΔT103×C1。计算出的故障判断阈值(ΔΔT103×C1)与击锤4的冲击次数(N11-N10)相比较作为参考指数。当(N11-N10)＞(ΔΔT103×C1)时，紧固判断器21判断螺栓的紧固操作已经完成。或者当(N11-N10)≤(ΔΔT103×C1)时，紧固判断器21判断扭矩是因为临时故障而增加的。通过这种构造，即使当由于故障而瞬时出现一个较大的扭矩变化比ΔΔT时，击锤4的冲击次数与扭矩变化比ΔΔT的强度成比例还是会较小(或者峰值曲线的时间周期较短)。因此，可以判断出扭矩变化比ΔΔT的增加是由故障引起的，因此可以防止发生在螺栓被完全紧固之前马达的驱动就停止的故障。
或者，可以采用扭矩变化比ΔΔT连续取正值的情况下击锤4每次冲击时产生的扭矩变化比ΔΔT的总和∑(ΔΔT)作为参考参数。应当注意的是由于故障在扭矩变化比ΔΔT连续取正值的情况下击锤4每次冲击时产生的扭矩变化比ΔΔT值的总和∑(ΔΔT)，要小于由于螺栓被完全紧固的情况下而产生的扭矩变化比ΔΔT的总和，因为由于故障而产生的峰值曲线S1和S2的峰值要低于由于螺栓被完全紧固而产生的峰值曲线S3的峰值。在此情况中，故障判断阈值被确定为大于由于故障而产生的扭矩变化比ΔΔT的总和∑(ΔΔT)，小于由于螺栓被完全紧固而产生的扭矩变化比ΔΔT的总和∑(ΔΔT)。因此，只有当螺栓被完全紧固且没有发生由于故障导致扭矩变化比ΔΔT增加的故障时，才可以停止马达1的驱动。图3放大示出了峰值曲线S1，在图3所示的情况下，总和∑(ΔΔT)＝ΔΔT10+ΔΔT101+ΔΔT102+...+ΔΔT11。参考指数并不局限于扭矩变化比ΔΔT连续取正值的情况下击锤4每次冲击时产生的扭矩变化比ΔΔT值的总和∑(ΔΔT)。可以采用扭矩变化比ΔΔT连续取正值的情况下扭矩变化比ΔΔT的积分值作为参考指数。
在这种情况下，故障判断阈值不必确定为一个预定值。可以定义根据扭矩变化比的最大值ΔΔT_MAX计算出的值作为故障判断阈值。例如，当计算故障判断阈值为与扭矩变化比最大值ΔΔT_MAX成一定比例的一个值(ΔΔT_MAX×C2(常量))时，计算故障判断阈值为ΔΔT103×C2。计算出的故障判断阈值(ΔΔT103×C2)与总和∑(ΔΔT)相比较作为参考指数。当∑(ΔΔT)＞(ΔΔT103×C2)时，紧固判断器21判断螺栓的紧固操作完成。或者，当∑(ΔΔT)≤(ΔΔT103×C2)时，紧固判断器21判断扭矩是因为临时故障而增加。通过这种构造，即使当由于故障而瞬时出现一个较大的扭矩变化比ΔΔT时，击锤4的每次冲击所产生的扭矩变化比ΔΔT的总和∑(ΔΔT)与扭矩变化比ΔΔT的强度成一定比例还是会较小。因此，可以判断出扭矩变化比ΔΔT的增加是由故障引起的，因此可以防止发生在螺栓被完全紧固之前就停止马达驱动的故障。
而且，可以将故障判断阈值定义为根据紧固螺栓操作中的扭矩T的初始值计算出的一个值。图4示出了在假定击锤的冲击能量相同的情况下，对应于不同的螺栓材料和尺寸间的特征差异。如图4所示，螺栓材料越硬，击锤4每次冲击所产生的用于紧固螺栓的扭矩T就越大。同样，当螺栓材料越软或者尺寸越小时，击锤4每次冲击所产生的用于紧固螺栓的扭矩T就越小。因为这种趋势从击锤4的冲击操作的开始一直持续到冲击操作的结束，所以应当注意当扭矩T处于击锤4的冲击操作的初始状态时，用以紧固螺栓的扭矩T会变得更小，且扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT也会进一步变得更小。因此，当定义故障判断阈值为与自开始螺栓紧固操作起的多次冲击的扭矩T估计值的平均值成一定比例的值时，可以判断螺栓已经完全紧固，而不会出现由于那些与螺栓种类无关的故障引起的扭矩增加而导致的误判。
而且，可以用扭矩变化比ΔΔT本身作为参考指数，且还可以将故障判断阈值定义为根据螺栓紧固操作初始状态下的扭矩T的值计算出的一个值。应当注意当扭矩T处于螺栓紧固操作的初始状态时，扭矩T、扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT都会进一步变得更小。因此，当故障判断阈值被定义为与自开始螺栓紧固操作起多次冲击的扭矩T估计值的平均值成一定比例的值时，可以判断螺栓已经完全紧固，而不会出现由于那些与螺栓种类无关的故障引起的扭矩增加而导致的误判。
随后将描述所述电动冲击工具的紧固操作。图5示出了本实施例中螺栓紧固操作的基本流程，其中当扭矩变化比ΔΔT基本上变为零之后参考指数变得大于故障判断阈值时，螺栓的紧固操作就完成了。
当用户操作触发开关9时，马达控制器30输出一用于起动马达1的驱动的控制信号，以紧固螺栓。冲击传感器11开始检测击锤4的冲击发生情况(S1)。当冲击传感器11检测到冲击发生时(步骤S2中的“是”)，旋转角度计算器13计算出击锤4冲击铁砧5时铁砧5的旋转角度Δr(S3)。旋转角度计算器13还计算出冲击发生时铁砧5的旋转速度ω(S4)。当计算出旋转角度Δr和旋转速度ω时，扭矩评估器14就根据上述等式计算出扭矩T(S5)。紧固判断器21计算出扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT(S6和S7)。随后，紧固判断器21判断扭矩变化比ΔΔT的值是否已经从正值转变为负值(S8)。当扭矩变化比ΔΔT的值从正值转变为负值时，也就是扭矩变化比ΔΔT的值已基本上变为零时，紧固判断器21进一步判断参考指数的值是否变为等于或大于故障判断的阈值(S9)。当参考指数的值不是等于或大于故障判断的阈值时，故障判断器21就判断扭矩T的增加是由于故障引起的，然后就返回到步骤S1。另外，当参考指数的值等于或大于故障判断的阈值时，紧固判断器21就判断扭矩T的增加是由于螺栓已被完全紧固引起的，并执行停止步骤，以停止马达1的驱动(S10)。
参考图2，当扭矩变化比ΔΔT基本上变为零时，就停止马达1的驱动，其由信号N31来指示。然而扭矩T的峰值P3在扭矩变化比ΔΔT基本上变为零后出现，其由一信号例如N32来指示。换句话说，恰好在紧固螺栓的扭矩T取得最大值之前螺栓的紧固操作完成。因此，本例子适用于由较软的材料制成的螺栓或尺寸较小的螺栓，此种螺栓很容易被紧固操作时的过剩扭矩损坏。
因此，描述所述电动冲击工具的一种改进操作。图6示出了本实施例中冲击检测操作的一种改进流程，其中在扭矩变化比ΔΔT已经先基本上变为零且参考指数的值已经变得等于或大于故障判断的阈值之后，当扭矩变化量ΔT的值基本上变为零时，就完成了螺栓的紧固操作。在图6所示的流程中，步骤S11至S17基本上与图5所示流程中的S1至S7步骤相同，因此此处省略其描述。
在紧固判断器21已经计算出扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT之后(S16和S17)，紧固判断器21就判断用于停止步骤的信号是否已被接通(S18)。通常，信号还没有接通，从而紧固判断器21就判断扭矩变化比ΔΔT是否已从正值转变为负值(S19)。当扭矩变化比ΔΔT已从正值转变为负值时，紧固判断器21就进一步判断参考指数的值是否已变得等于或大于故障判断的阈值(S20)。当参考指数的值不是等于或大于故障判断的阈值，紧固判断器21就判断为扭矩T的增加是由于故障引起的，并就返回到步骤S11。另外，当参考指数的值等于或大于故障判断的阈值时，紧固判断器21就判断为扭矩T的增加是由于螺栓已基本上被完全紧固引起的，接通停止步骤的信号(S21)，并返回到步骤S11。
当流程返回到步骤S11时，就再次执行步骤S12至S18。在第二次进入的步骤S18中，用于信号已被接通，紧固判断器21就判断扭矩变化量ΔT的值是否已从正值转变为负值(S22)。当扭矩变化量ΔT的值已从正值转变为负值时，紧固判断器21就判断为扭矩T的增加是由于螺栓已被完全紧固引起的，并执行停止操作，以停止马达1的驱动(S23)。另外，当扭矩变化量ΔT的值没有从正值转变为负值时，紧固判断器21就判断为螺栓没被完全紧固，然后返回步骤S11以重复如上所述的步骤。
在后一种情况中，马达1在扭矩变化比ΔΔT基本变为零后还会进一步驱动，因此螺栓基本上可以最大扭矩值得到紧固。因此，这种改进适合于由较硬的材料制成的螺栓或尺寸较大的螺栓，这种螺栓很少被紧固操作中的过剩扭矩损坏。
如上所述的两种类型的紧固控制可以根据用户的操作来切换(操作开关没示出)，因此可以根据要紧固工件的特征来进行紧固操作。另外，当扭矩变化比ΔΔT基本上变为零时，可以根据扭矩T的值来自动切换如上所述的两种类型的紧固控制。具体为，当扭矩变化比ΔΔT基本上变为零时，紧固判断器21判断扭矩T的值是否大于一预定的参考值。当扭矩T的值不大于该预定的参考值时，紧固判断器21就判断由较软材料制成的螺栓或尺寸较小的螺栓的紧固操作已经完成，马达控制器30就向马达驱动器8输出一控制信号，以停止马达1的驱动。另外，当扭矩T的值大于所述预定的参考值时，紧固判断器21就进一步判断扭矩变化量ΔT是否变为零。当扭矩变化量ΔT变为零时，紧固判断器21就判断为由较硬材料制成的螺栓或尺寸较大的螺栓的紧固操作已经完成，马达控制器30就向马达驱动器8输出一控制信号，以停止马达1的驱动。
随后，描述本实施例中电动冲击工具的一种改进。马达控制器30和马达驱动器8可以用作一自动速度控制器，用以在紧固操作初始状态中根据紧固螺栓的扭矩T调整马达1的旋转速度。例如，马达控制器30将从螺栓紧固操作开始起击锤4多次冲击的扭矩T估计值的平均值和一预定参考值进行比较。当扭矩T的平均值小于所述参考值时，马达控制器30就判断由较软材料制成的螺栓或尺寸较小的螺栓被紧固，并向马达驱动器8输出一用以减小马达1的旋转速度的信号。因此，当由软材料制成或尺寸较小的易于损坏的螺栓被紧固时，可以通过减小马达1的旋转速度来减小冲击能量。
由于减小了冲击能量，因而所需的用于完成螺栓紧固操作的冲击次数会增加，所以紧固判断器21中用于判断螺栓是否被完全紧固的数据量也会增加。因此，易于精确地判断螺栓紧固的完成。而且，优选为根据初始状态中扭矩T值的强度从马达控制器30中输出的控制信号使马达1的旋转速度减慢。具体为，马达1的旋转速度的需要值V_D与自冲击操作开始起多次冲击的扭矩T估计值的平均值V_M成一定比例。例如，V_D值可以由下述等式来计算。
                   V_D＝V_N×V_M×C₃
此处，符号V_N表示马达1当前的旋转速度，而符号C3表示一常量。当需要值V_D变得大于当前的旋转速度V_N时，即当马达1的旋转速度必须增加时，马达1的旋转速度应该维持当前值(V_D＝V_N)。通过这种构造，马达1的旋转速度的减小程度可以为最小，以防止出现由于马达1旋转速度的减小而产生的紧固工作时间的延长。
换句话说，用作自动速度控制器的马达控制器30和马达驱动器8以这样一种方式来控制马达1，即紧固操作初始状态中的扭矩越小，马达1的旋转速度就变得越慢。
参考图7和图8A至8C描述本实施例中电动冲击工具的另外一种改进。如图7所示，触发开关9的行程(stroke)被分为一第一区和一第二区，以确保螺栓的紧固操作。在触发开关9行程的第一区内，限制用于停止马达1驱动的控制信号的输出，而在触发开关9行程的第二区内，即当紧固判断器21判断出螺栓已被完全紧固时，则允许用于停止马达1驱动的控制信号的输出。
如图8A至8C所示，触发开关9被连接到一可变电阻器22上，以将触发开关9的位移转变为电压的变化。图7中A点至C点的部分是一机械公差，在此区间内没有向马达1供电。图7中C点至D点的部分为一速度控制区，在此区间内马达1的旋转速度根据触发开关9的位移的增加而增加。图7中D点至B点的部分是一恒速区，在此区间内马达1的速度保持最大速度。第一区和第二区之间的边界选为位于D点至B点区域内的E点。第一区限定为E点的左侧，在此区间内触发开关9的位移小于E点处的预定值。第二区限定为E点的右侧，在此区间内触发开关9的位移等于或大于E点处的预定值。
因此，用户可以通过在包括速度控制区的第一区间内调整马达1的旋转速度，来进行螺栓的紧固操作，直到用户通过目测确定螺栓已被紧固为止。随后，在观测到螺栓恰好处于完全紧固前的状态后，用户可以通过将触发开关9压入到第二区来继续紧固操作。通过这种构造，可以确保完成螺栓的紧固操作，即使当紧固判断器21由于故障而误判螺栓已被完全紧固时，也不会在螺栓被完全紧固之前就停止马达的驱动。设置一合位(click)机构23用于当触发开关9到达E点时为用户提供一种感触，因此用户很容易意识到第一区间到第二区间的转换。
参考图9描述本实施例的电动冲击工具的另一种改进。可以采用一距离传感器24来检测到通过螺栓紧固的工件27表面的距离。距离传感器24包括一发光装置25和一感光(photo-sensing)装置26。从发光装置25中发出的光束通过一透镜(未示出)聚焦到工件27上，从工件27上反射回来的光束由感光装置26接收，因此能测出从距离传感器24到工件27的距离。该距离传感器24将其到工件27的距离的测量结果与一预定参考距离进行比较，并当测量结果小于参考距离时就输出一检测信号。
所述距离传感器24设置在钻头7附近电动冲击工件的一固定位置处。例如，将比螺栓被完全紧固时从距离传感器24到工件27表面的距离稍大的距离限定为参考距离。因此，只有在螺栓被确实完全紧固之前，才会从距离传感器24输出检测信号。当没有输出检测信号时，即使当紧固判断器21已经误判螺栓已被完全紧固时，也不会有用以停止马达1的驱动的控制信号从马达控制器30中输出到马达驱动器8。另外，当输出检测信号时，从马达控制器30向马达驱动器8输出用以停止马达1的驱动的控制信号。通过这种构造，很容易进行螺栓的紧固操作，而不会在螺栓确实完全紧固之前就停止马达1的驱动。而且，用户可以不用目测就可以确定螺栓已被充分完全紧固。
参考图10、11和12描述本实施例的电动冲击工具的另外一种改进。在图10所示的修改中，一频率发生器(FG)28用作旋转角度传感器12，用以检测马达1转轴的旋转角度和旋转量，其代替了旋转编码器19。频率发生器28和马达1的转轴安装在一起，因此频率发生器28产生与马达1的转轴的旋转角度成一定比例的频率信号。这些频率信号通过波形整形电路20被输入到旋转角度计算器13中。当扩音器16用作冲击传感器11检测击锤4的冲击时，旋转角度计算器13每次使用下述等式计算铁砧5的旋转角度Δr。
                    Δr＝ARM/K-RI
此处，符号ΔRM表示击锤4每次冲击铁砧5时马达1的转轴的旋转角度，符号K表示减速器2的减速比，而符号RI表示击锤4的空载角度(idleangle)。例如，当击锤4在一次旋转中冲击铁砧5两次时，空载角度RI＝2π/2＝π。当击锤4在一次旋转中冲击铁砧5三次时，空载角度RI＝2π/3。
在图11所示的改进中，频率发生器28不仅用作旋转角度传感器12，而且还代替扩音器16用作冲击传感器11。具体为，当击锤4冲击铁砧5时由于载荷波动，马达1的旋转速度会略微减小，并且从频率发生器28中输出的频率信号的脉冲宽度会变得更宽一些。当发生冲击时，一冲击检测处理器29检测频率信号脉宽的变化。
距离传感器24还可以设置在电动冲击工具上，如图12所示。因为本实施例中的电动冲击工具的改进并不局限于所作的描述和说明，因此可以组合各种改进的特征，例如，用作旋转角度传感器12的旋转编码器19和用作冲击传感器11的频率发生器28。而且，可以采用一加速度传感器作为冲击传感器11。
此外，本实施例的电动冲击工具中还描述了一种用于判断螺栓已被完全紧固的方法的改进。当螺栓的旋转角度达到一预定的参考旋转角度θ_R时，可以判断出螺栓的紧固操作已完成。当判断为紧固操作已经完成时，则从马达控制器30向马达驱动器8输出用于停止马达1的驱动的控制信号。参考旋转角度θ_R限定为一个与从紧固操作开始多次冲击中的扭矩T的平均值T_M相对应的值，从而使参考旋转角度θ_R适合于一种螺栓。具体为，由扭矩T的平均值T_M除以一常量C4得到参考旋转角度θ_R(θ_R＝T_M/C4)。
根据如上所述的判断步骤，当处于螺栓紧固操作初始状态的扭矩T的平均值T_M较大时，紧固判断器21就判断该螺栓是由较硬的材料制成，或者螺栓的尺寸较大，并将参考旋转角度θ_R设置得较小。或者，当处于紧固操作初始状态的扭矩T的平均值T_M较小时，紧固判断器21就判断该螺栓是由较软的材料制成，或者螺栓的尺寸较小，并将参考旋转角度θ_R设置得较大。然后根据螺栓的类型来进行紧固操作。而且，由CPU执行的紧固操作完成的判断步骤可以简单地进行，不必使用扭矩变化量ΔT和扭矩变化比ΔΔT，因此由于RAM的容量可以做得更小而可降低电动冲击工具的成本。
随后，参考图13和14描述电动冲击工具紧固操作的改进。图13示出了图5所示紧固操作的一种改进。在图5所示的上述流程中，在扭矩变化比ΔΔT已基本上变为零之后，当参考指数变得等于或大于故障判断阈值时，螺栓的紧固操作就完成了。另一方面，在图13所示的流程中，则是在参考指数已经变得等于或大于故障判断阈值之后，当扭矩变化比ΔΔT基本上变为零时，紧固操作才完成。
比较图13和图5，图13中的步骤S31至S37和S40与图5中的步骤S1至S7和S10相同。图13中的步骤S38基本上与图5中的步骤S9相同。图13中的步骤S39基本上与图5中的步骤S8相同。因此，此处省略了各步骤的详细描述。通过这种构造，基本上可以取得与上述图5所示的实施例相同的效果。
同样，图14示出了图6所示紧固操作的一种改进。比较图14和图6，图14中的步骤S41至S48，S52和S53与图6中的步骤S11至S18，S22和S23相同。图14中的步骤S49基本上与图6中的步骤S20相同。图14中的步骤S50基本上与图6中的步骤S19相同。通过这种构造，基本上可以取得与上述图6所示的实施例相同的效果。
在上述实施例中，如冲击式扳手等电动冲击工具被描述为根据本发明的紧固工具的一个例子。然而本发明不限于该实施例。可以将本发明应用到非冲击式紧固工具中。在非冲击式紧固工具的情况中，可以检测马达1的驱动时间周期代替冲击次数作为参考指数。
本申请基于2003年8月26日在日本提交的日本专利申请2003-301899，其内容在此通过参考合并引入。
虽然本发明是以结合附图的实施例的方式来进行描述的，但是应当理解各种变化和改进对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，除非所作的变化和改进超出了本发明的范围，否则都应该被认为是包括在本发明之中。