JP4513128B2 - パルストルク発生装置及び動力工具 - Google Patents

Description

本発明は例えば電動インパクトドライバ等の動力工具に適用可能で、ドライバ等の先端工具を装着した出力軸を所定周期ごとに駆動するすなわち出力軸がパルス的にトルクを発生するパルストルク発生装置及びパルストルク発生装置を具備した動力工具に関するものである。以下動力工具をインパクトドライバとして説明する。

インパクトドライバは、周知の如く、ドライバ等の先端工具を装着したスピンドルを衝撃的すなわちパルス的に回転させてねじ等を締め付けるものである。かかる衝撃的に回転させる構成にオイルを使用したオイルパルス式インパクトドライバがあり、トルク発生にオイルの圧縮を利用しているので金属打撃音がなく低騒音の動力工具として製品化されている。

特開２００１−８８０５０号公報

上記した特許文献１のインパクトドライバにおいては、パルストルクを発生する手段としてオイルの圧縮を利用しており、オイルが漏れて不足するとパルストルクが低下するのでオイルが漏れ出るのを阻止するシール構成が必須で、そのための構成が複雑になると共にインパクトドライバ自体が大形化するという欠点があった。

本発明の目的は、上記した従来の欠点をなくし、簡単な構成のパルストルク発生装置及び小形化が可能な動力工具を提供することである。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載のパルストルク発生装置は、少なくとも１個の磁性体部を外周に設けた入力軸と出力軸間の隙間内に磁性流体を設け、磁性体部が磁界発生手段に対向する位置に到達するごとに入力軸の回転を出力軸に伝達するようにしたことを特徴としている。

かかる構成のパルストルク発生装置によれば磁性流体のシール構成が簡単で済み、構成が簡単なパルストルク発生装置を提供できるようになる。

請求項２、３記載のパルストルク発生装置は、請求項１記載の特徴に加えて、磁界発生手段を永久磁石、電磁石により構成したことを特徴としている。

請求項４記載のパルストルク発生装置は、請求項３記載の特徴に加えて、請求項３記載の電磁石を連続的でなく所定時間ごとに励磁することを特徴としている。

請求項５記載のパルストルク発生装置は、請求項１記載の特徴に加えて、出力軸の軸心を介して対向する位置に入力軸の磁性体部及び磁界発生手段を配置したことを特徴としている。

請求項６記載のパルストルク発生装置は、請求項１記載の特徴に加えて、磁界発生手段を軸方向に移動可能にしていることを特徴としている。

請求項７記載のパルストルク発生装置は、入力軸の磁性体部の内壁に凸部と凹部を設け、凹部に磁性流体が入れるようにしたことを特徴としている。

請求項８記載のパルストルク発生装置は、出力軸の外壁に径方向に突出した凸部を複数個設けたことを特徴としている。

請求項９記載の動力工具は、請求項１記載のパルストルク発生装置を具備したことを特徴としている。

請求項１０記載の動力工具は、磁界発生手段を軸方向に移動できるようにしたことを特徴としている。

請求項１１記載のパルス発生装置は、入力軸又は出力軸の一方に磁界発生手段と磁性部材を設けたことを特徴としている。

請求項１２記載のパルス発生装置は、請求項１１記載の特徴に加えて、磁界発生手段、磁性部材及び突起をそれぞれ２個以上設けたことを特徴としている。

請求項１３記載の動力工具は、請求項１１記載のパルストルク発生装置を具備したことを特徴としている。

請求項１４記載の動力工具は、磁界発生手段、磁性部材及び突起をそれぞれ２個以上具備したことを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、入力軸の外側に設けた磁界発生手段と、入力軸の空洞内に磁性流体を設けると共に入力軸の一部に磁性材からなる磁性体部を設けた簡単な構成により、出力軸を所定時間ごとに回転させることが可能となり、トルクをパルス的に発生させることが可能なパルストルク発生装置を提供できるようになる。

請求項２記載の発明によれば、磁界発生手段を永久磁石により構成するようにしたので、小形化が可能なパルストルク発生装置を提供できるようになる。

請求項３記載の発明によれば、磁界発生手段を電磁石により構成するようにしたので、発生する磁力を随時任意に調整できるようになり、パルストルクの大きさを任意に調整することが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、電磁石を所定時間ごとに励磁するようにしたので、駆動エネルギーを小さくすることが可能となり省エネ化が図れる。

請求項５記載の発明によれば、パルストルク発生時に出力軸の対向する位置で粘性力が発生するので、出力軸を半径方向に移動させる荷重がなく、パルストルク発生装置の半径方向の振動低減が図れる。

請求項６記載の発明によれば、発生するトルクを容易に調整できるようになる。

請求項７記載の発明によれば、入力軸の磁性体部の内壁に凸部と凹部を設け、凹部に磁性流体が入れるようにしたので、出力軸と入力軸の隙間を小さくし、大きなパルストルクを発生できるようになる。

請求項８記載の発明によれば、磁性流体の粘性力に加えて、渦による流体力を用いているので、大きなトルクを発生できるようになる。

請求項９記載の発明によれば、小形で安価なパルス発生動力工具とすることができるようになる。

請求項１０記載の発明によれば、出力軸が発生するトルクを調整可能な動力工具とすることができるようになる。

請求項１１及び請求項１３記載の発明によれば、入力軸又は出力軸の一方に磁界発生手段と磁性部材を設けたので、構造が簡素化され、安価なパルストルク発生装置及び動力工具を提供することができるようになる。
請求項１２及び請求項１４記載の発明によれば、パルストルク発生時に出力軸の対向する位置で粘性力が発生するので、出力軸を半径方向に移動させる荷重がなく、パルストルク発生装置及び動力工具の半径方向の振動低減が図れる。

以下本発明を実施形態に沿って説明するが、各実施形態において同一部材又は同一要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略した。また各図において矢印付線は磁束の流れを示す。
本発明パルストルク発生装置の一実施形態を図１〜図２により説明する。パルストルク発生装置１０は、磁性材から形成される外リング１１、外リング１１の内壁に固定され、本発明磁界発生手段を構成する２個の永久磁石１２、外リング１１内に回転可能に支持され、内部に空洞を有する入力軸１３、入力軸１３の空洞内に回転可能に支持された出力軸１７、入力軸１３と出力軸１７間の隙間に封入された磁性流体１６等から構成される。

入力軸１３は、図示しない電動モータやエアモータ等の駆動源に例えば減速手段を介して間接的又は直接的に連結され、常時回転される。また入力軸１３は、軸方向及び径方向に延びた空洞を形成するように、２個の非磁性体部１４及びこの非磁性体部１４の間に介在された２個の磁性体部１５から構成される。非磁性体部１４及び磁性体部１５は当然のことであるが紙面と垂直の軸方向に沿って延びている。出力軸１７の先端には直接又は間接的にドライバ等の先端工具が装着される。

図１は出力軸１７に回転が伝達されない状態を示す。すなわち、永久磁石１２に対向する入力軸１３の部分は非磁性体部１４であるので、磁性流体１６に作用する磁力が小さく、磁性流体１６は遠心力により入力軸１３の空洞の外側すなわち入力軸１３の内壁に広がり、入力軸１３と出力軸１７間に隙間が形成されるので、入力軸１３の回転が出力軸１７に伝達されることはない。

図２は出力軸１７に回転が伝達された状態を示す。すなわち、入力軸１３の磁性体部１５が永久磁石１２と対向する位置に到達し、磁性流体１６に作用する磁力が大きくなって磁性流体１６が入力軸１３と出力軸１７間の隙間を満たすようになるので、入力軸１３の回転は磁性流体１６を介して出力軸１７に伝達される。従って、入力軸１３の磁性体部１５が永久磁石１２に対向する位置に到達するごとに出力軸１７は磁性流体１６を介してパルス的に回転されるようになる。すなわち図３、図４に示す如く、出力軸１７は所定時間ごとに回転されるようになり、入力軸１３が１回転するごとに出力軸１７はパルス的にトルクを２回発生する。前記所定時間は、入力軸１３の回転数を毎分３０００又は６００にすると、０．０1秒又は０．０５秒となる。なお入力軸１３と出力軸１７の回転方向を時計方向とした。

次に出力軸１７が発生するトルクについて説明する。
入力軸１３の回転数をｎ（ｒｐｓ）、入力軸１３と出力軸１７間の径方向の隙間をｈ（ｍ）、この隙間部の平均半径をｒ（ｍ）、磁性流体１６の粘性係数をａ（Ｐａ・ｓ）、磁性流体１６の接触面積をＳ（ｍ^２）とすると、
磁性流体１６の速度勾配ｄＶ/ｄｈは
ｄＶ/ｄｈ＝２π＊ｒ＊ｎ／ｈ （１／ｓ） （１）
となり、磁性流体１６の粘性力Ｐは
Ｐ＝ａ＊ｄＶ/ｄｈ＊Ｓ （Ｎ） （２）
となるから、トルクＴは
Ｔ＝ｒ＊Ｐ （Ｎｍ） （３）
となる。

上記から、入力軸１３と出力軸１７に接触する磁性流体１６の接触面積Ｓ、隙間部の平均半径ｒ及び磁性流体１６の粘性係数ａを大きくし、入力軸１３と出力軸１７の間の隙間ｈを小さくすれば、大きなトルクＴを発生させることが可能となることが分かる。

図５は本発明の他の実施形態を示し、永久磁石１２の代りにコイル３０を有する電磁石１１２により本発明磁界発生手段を構成するようにしたものである。かかる構成の場合、コイル３０に常に励磁電流を流して常時励磁するようにしてもよいが、磁性体部１５が電磁石１１２に対向する位置に到達するごとにコイル３０を励磁するすなわち例えば所定時間ごとに励磁するか又は入力軸１３の回転位置を検出し、検出結果をフィードバックして励磁するようにすれば省エネ化が図れる。またコイル３０に流す励磁電流を調整することにより出力軸１７が発生するトルクの大小を制御することが可能となる。

図６、図７は本発明の他の実施形態を示し、入力軸１３の１回転当たりトルクを１回発生するようにしたもので、極性の異なる２個の永久磁石１２Ａ、１２Ｂを周方向に沿って離して設けると共に２個の磁性体部１５Ａ、１５Ｂを間に非磁性体部１４Ｂを挟んで設けるようにしたものである。かかる構成によると、入力軸１３の１回転当たり１パルスのトルク発生となるので、１回転２パルス発生に比べ同じ平均トルクでも２倍のピークトルクとすることができる。この実施形態では永久磁石１２Ａ、１２Ｂを周方向に離して設けるとしたが、軸方向に離してもよく、また一方の永久磁石の代りに磁性体としてもよい。

図８〜図１０は他の実施形態を示し、磁性体部１５の内面に複数の凸部４０及び凹部４１を設けたものである。凹部４１を設け、凹部４１内に磁性流体１６を入れることが可能になるので、凸部４０と出力軸１７間の隙間を1ｍｍ以下と小さくすることが可能になり、発生するトルクを大きくできるようになる。

図１１は図８〜図１０の実施形態の更なる改良を図るもので、出力軸１７の外周面に軸方向に沿って延びる複数の凸部４２を設けたものである。入力軸１３の凹部４１と出力軸１７の凹部が通過する時に、磁性流体１６がこれら凹部の側面と衝突して渦が発生し、渦が抵抗となって、粘性力に加わることにより、大きなトルクを発生できるようになる。

図１２、図１３は他の実施形態を示し、非磁性体部２１４により形成される入力軸２１３の内壁に永久磁石２１２及び永久磁石２１２の周方向両側に２個の磁性体部２１５からなる組を２個周方向に離して設け、出力軸２１７を対向する二面が円周より凹んだ平面形状としたものである。図１２の場合には、永久磁石２１２と出力軸２１７間の距離が大きく、磁性流体１６に作用する磁界が小さく永久磁石２１２と出力軸２１７間の隙間が磁性流体１６で満たされることはないので、永久磁石２１２すなわち入力軸２１３の回転が出力軸２１７が伝達されることはない。図１３に示すように、入力軸２１３が回転して永久磁石２１２が出力軸２１７の円周部に対向する位置に到達すると、永久磁石２１２と出力軸２１７間の距離が小さくなってこの隙間が磁性流体１６によって満たされるので、入力軸２１３の回転は出力軸２１７に伝達される。すなわち出力軸２１７は入力軸２１３の１回転ごとに２パルスのトルクを発生するようになる。

図１４〜図１８は図１２、図１３の実施形態を具体化したものである。有底円筒状の入力軸３１３の内壁には４個の永久磁石３１２及び永久磁石３１２の両側に径方向内側に延びた計８個の磁性材からなるコア３１５が非磁性体からなる磁石ホルダ３２０を介して取り付けられている。入力軸３１３の開放端側は図示しないシール部材を介してキャップ３２２が取り付けられている。軸受３２３を介して入力軸３１３及びキャップ３２２に回転可能に支持された出力軸３１７には径方向外側に突出した計４個の突起３２１が設けられ、突起３２１はコア３１５の間を通過する位置に設けられている。入力軸３１３内には磁性流体１６が図１４〜図１６に示す如く封入されている。キャップ３２２の軸受３２３の外側には磁性流体１６が漏れ出るのを防止する磁気シールが設けられている。磁気シールは、図１８に示す如く、出力軸３１７の外周に取り付けられた磁性体部３３１、磁性体部３３１とキャップ３２２との間に設けられた２個の磁性体４１５、磁性体４１５の間に設けられた永久磁石４１２、出力軸３１７の磁性体部３３１とキャップ３２２側の磁性体４１５との間に介在された磁性流体４１６等から構成される。前記突起３２１の回転方向の両面に図１７に示す曲面を設け、突起３２１がコア３１５間の隆起した磁性流体１６内に突入する時に滑らかに突入できるようにしている。また４個の突起３２１が同時にコア３１５内に突入できるように、突起３２１及びコア３１５が所定位置に取り付けられている。

図１６は突起３２１がコア３１５間にない状態を示し、この場合、入力軸３１３と出力軸３１７の間には磁性流体１６がないので、出力軸３１７が回転することはない。入力軸３１３が回転して図１４の状態になると、入力軸３１３と出力軸３１７間には磁性流体１６があるので、入力軸３１３の回転は出力軸３１７に伝達される。すなわち出力軸３１７は入力軸３１３が１回転するごとに１パルスのトルクを発生し、そのトルクは永久磁石３１２が１個の場合の４倍の大きさとなる。また、磁性流体１６による粘性力は出力軸３１７の軸心を介して対向する位置に同時に作用するので、軸受３２３には半径方向の力がほとんど作用せず、パルストルク発生装置の半径方向の振動が小さくなる。入力軸３１３内の圧力が大きくなった場合、空気が磁性流体４１６を入力軸３１３の外側に押し出そうとするが、磁性流体４１６は永久磁石４１２と磁性体４１５及び磁性体部３３１の作用によって磁性体４１５と磁性体部３３１間に留まろうとするため、空気のみが気泡となって磁気シールを通過し、入力軸３１３内の磁性流体１６が軸受３２３を介して磁気シールの外側に漏れ出ることはない。内部の圧力変化は磁性体部３３１と磁性体４１５の隙間によって決まり、隙間が２ｍｍ程度大きいと大気圧との差が小さく入力軸３１３内部をシールできる。

図１９、図２0は図１４、図１６の実施形態の変形例を示すもので、図１４〜図１８の入力軸３１３及び出力軸３１７に設けられた永久磁石３１２、磁性体３１５、非磁性体３２０及び突起３２１を、それぞれ、永久磁石３１２’、磁性体３１５’、非磁性体３２０’及び突起３２１’として出力軸３１７’及び入力軸３１３’に設けるようにしたもので、パルストルクの発生動作は上記した図１４、図１８と同じである。

図２１〜図２３は上記したパルストルク発生装置を備えたインパクトドライバの一実施形態を示す。モータ７１の回転は遊星歯車機構を介して入力軸１３に伝達され、入力軸１３の回転が伝達される出力軸１７の先端にはビットホルダ９８を介してビット９９が取り付けられている。遊星歯車機構は、周知の如く、モータ軸７５の先端に装着された太陽歯車７６、太陽歯車７６と噛合う遊星ギヤ７７、遊星ギヤ７７と噛合いハウジング７０に固定されたリングギヤ７８、遊星ギヤ７７の回転軸に取り付けられ、入力軸１３と一体となって回転する軸８１、軸受８０等を回転可能に支持したギヤホルダ７４等により構成されている。

入力軸１３、出力軸１７等から構成されるパルストルク発生装置は、上記した図１、図２と類似の構成で、上記した外リング１１及び永久磁石１２が軸方向に沿っての移動が可能な如く設けられていることが異なる。すなわち外リング１１を先端に装着したスライダ８６をハウジング７０に設けたスライド溝９３に沿っての移動が可能な如くハウジング７０に取り付け、外リング１１及び永久磁石１２を軸方向に移動させることにより、出力軸１７が発生するパルストルクの大きさを調整できるようにしている。すなわち図２３に示す如く、永久磁石１２等を前進させると永久磁石１２と入力軸１３の磁性体部１５が軸方向においてラップする領域が小さくなり発生するパルストルクは小さくなる。なお７２はハンドル、７３はトリガスイッチである。

上記した図１〜図２３の実施形態においては、磁性流体１６の粘性力を利用してパルストルクを発生するとしたが、磁性流体１６の代りに微細な磁性粉体を用い、上記実施形態の磁性流体１６と同様に、入力軸の空洞内で磁性粉体を磁力で移動させ、磁性粉体を介して入力軸の回転を出力軸に伝達させることにより、磁性粉体が発生する反力を用いてパルストルクを発生することができる。すなわち、磁性粉体を本発明磁性流体１６と全く同様の形態で使用することが可能となり、本発明特許請求の範囲において磁性流体は磁性粉体も含むものとする。

本発明パルストルク発生装置の一実施形態を示し、トルクを発生していない状態を示す断面図。 図１からパルストルク発生が可能となった状態を示す断面図。 本発明パルストルク発生装置の原理を示す説明用断面図。 図３のパルス発生の波形を示す波形図。 本発明の他の実施形態を示す断面図。 本発明の他の実施形態を示し、トルクを発生していない状態を示す断面図。 図６からパルストルク発生が可能となった状態を示す断面図。 本発明の他の実施形態の入力軸の内周部を示す斜視図。 図８の実施形態でトルクを発生していない状態を示す断面図。 図９からパルストルク発生が可能となった状態を示す断面図。 図８〜図１０の実施形態を改良した実施形態を示す断面図。 本発明の他の実施形態を示し、トルクを発生していない状態を示す断面図。 図１２からパルストルク発生が可能となった状態を示す断面図。 図１２、図１３の実施形態を具体化した実施形態で、パルストルク発生が可能となった状態を示す断面図。 図１４のＡ−Ａ線断面図。 図１４の実施形態でトルクを発生していない状態を示す断面図。 図１４の出力軸の一例を示す斜視図。 図１４の実施形態で磁気シール部の構成を示す拡大断面図。 本発明の他の実施形態を示し、パルストルク発生が可能となった状態を示す断面図。 図１９の実施形態でトルクを発生していない状態を示す断面図。 本発明をインパクトドライバに適用した一例を示す断面図。 図２１の実施形態でスライダとスライド溝との関係を示す側面図。 図２１の状態から永久磁石等を前進させた状態を示す断面図。

符号の説明

１０はパルストルク発生装置、１１は外リング、１２は永久磁石、１３は入力軸、１４は非磁性体部、１５は磁性体部、１６は磁性流体、１７は出力軸である。

Claims (14)

1. 軸方向及び周方向に沿って延びて形成された空洞を内部に有し、外周の一部に少なくとも1個の磁性材からなる磁性体部が形成され、連結された駆動源により回転される入力軸と、入力軸の空洞内に回転可能に支持された出力軸と、入力軸の内周と出力軸の外周との間の隙間内に設けられた磁性流体と、入力軸の外側に設けられ、少なくとも１個の磁界発生手段とを備え、入力軸の磁性体部が磁界発生手段に対向する位置に到達するごとに入力軸内周と出力軸外周間の隙間を磁性流体により満たし、入力軸の回転を磁性流体を介して出力軸に伝達して出力軸をパルス的に回転させることによりトルクをパルス状に発生させるようにしたことを特徴とするパルストルク発生装置。
2. 前記磁界発生手段を永久磁石により構成したことを特徴とする請求項１記載のパルストルク発生装置。
3. 前記磁界発生手段を電磁石により構成したことを特徴とする請求項１記載のパルストルク発生装置。
4. 前記入力軸の磁性体部が電磁石に対向するごとに電磁石を励磁するようにしたことを特徴とする請求項３記載のパルストルク発生装置。
5. 前記入力軸の磁性体部及び磁界発生手段をそれぞれ２個以上の偶数個設け、これら磁性体部及び磁界発生手段を出力軸の軸心を介して対向する位置に配置したことを特徴とする請求項１記載のパルストルク発生装置。
6. 前記磁界発生手段を軸方向に沿っての移動が可能な如く設け、磁界発生手段を移動させることにより出力軸が発生するトルクを調整可能としたことを特徴とする請求項１記載のパルストルク発生装置。
7. 前記入力軸の磁性体部の内壁に径方向に突出した凸部と凹部を複数個設けたことを特徴とする請求項１記載のパルストルク発生装置。
8. 前記出力軸の外壁に径方向に突出した凸部を複数個設けたことを特徴とする請求項1記載のパルストルク発生装置。
9. 軸方向及び周方向に沿って延びて形成された空洞を内部に有し、外周の一部に少なくとも1個の磁性材からなる磁性体部が形成され、連結される駆動源により回転される入力軸と、入力軸の空洞内に回転可能に支持され、先端に先端工具が直接又は間接的に装着される出力軸と、入力軸の内周と出力軸の外周との間の空洞内に設けられた磁性流体と、入力軸の外側に設けられ、少なくとも１個の磁界発生手段とを備え、前記駆動源により入力軸を回転させ、入力軸の磁性体部が磁界発生手段に対向する位置に到達するごとに入力軸内周と出力軸外周間の隙間を磁性流体により満たし、入力軸の回転を磁性流体を介して出力軸に伝達して出力軸すなわち先端工具をパルス的に回転させるようにしたことを特徴とする動力工具。
10. 前記磁界発生手段を軸方向に沿っての移動が可能な如くハウジングに取り付け、磁力発生手段を移動させることにより出力軸が発生するトルクを調整可能としたことを特徴とする請求項９記載の動力工具。
11. 軸方向及び周方向に沿って延びて形成された空洞を内部に有し、連結された駆動源により回転される入力軸と、入力軸の空洞内に回転可能に支持された出力軸と、入力軸の内周又は出力軸の外周に設けられた少なくとも１個の磁界発生手段及び磁界発生手段の軸方向又は周方向に沿う所定の空間を形成するようにに設けられた一対の磁性部材と、入力軸が所定角度回転するごとに一対の磁性部材間の空間内に位置するように出力軸外周又は入力軸内周から径方向外方又は内方に突出する突起と、入力軸の内周と出力軸の外周との間の隙間内に設けられた磁性流体とを備え、入力軸が所定回転するごとに前記突起が一対の磁性部材間の空間内に位置するようにし、入力軸の回転を磁性流体を介して出力軸に伝達して出力軸をパルス的に回転させることによりトルクをパルス状に発生させるようにしたことを特徴とするパルストルク発生装置。
12. 前記磁界発生手段、磁性部材及び突起の組を２個以上の偶数個設けたことを特徴とする請求項１１記載のパルストルク発生装置。
13. 軸方向及び周方向に沿って延びて形成された空洞を内部に有し、連結された駆動源により回転される入力軸と、入力軸の空洞内に回転可能に支持された出力軸と、入力軸の内周又は出力軸の外周に設けられた少なくとも１個の磁界発生手段及び磁界発生手段の軸方向又は周方向に沿う所定の空間を形成するようにに設けられた一対の磁性部材と、入力軸が所定角度回転するごとに一対の磁性部材間の空間内に位置するように出力軸外周又は入力軸内周から径方向外方又は内方に突出する突起と、入力軸の内周と出力軸の外周との間の隙間内に設けられた磁性流体とを備え、入力軸が所定回転するごとに前記突起が一対の磁性部材間の空間内に位置するようにし、入力軸の回転を磁性流体を介して出力軸に伝達して出力軸すなわち先端工具をパルス的に回転させるようにしたことを特徴とする動力工具。
14. 前記磁界発生手段、磁性部材及び突起の組を２個以上の偶数個設けたことを特徴とする請求項１３記載の動力工具。

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