JP5460353B2 - 動力工具 - Google Patents

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本発明は、モータによって駆動される出力部の出力を制御することが可能な手持式の動力工具に関する。
モータによって駆動されるスピンドルの出力(回転数)を制御することが可能とされた手持式の動力工具は、例えば特開2004−237422号公報(特許文献1)に記載されている。公報に記載された動力工具は、ネジの締付け作業に用いられるドライバドリルであり、遊星歯車機構からなる3段の変速機構と、ハウジング外部からの作業者による操作によって軸方向に直線状にスライド動作される速度切替部とを備えている。そしてこの速度切替部をスライド動作することによって、遊星歯車機構の2つのインターナルギアのうちの一方のインターナルギアをハウジングに固定して非回転とする形態を選択したときは、スピンドルが低速で回転され、他方のインターナルギアをハウジングに固定して非回転とする形態を選択したときは、スピンドルが中速で回転され、両インターナルギアの回転をそれぞれ許容しつつ当該インターナルギアのいずれか一方をキャリアに結合する形態を選択したときは、スピンドルが高速で回転される構成としている。
また、遊星歯車機構とスピンドルとの間に機械式のクラッチ機構が設けられている。このクラッチ機構は、スピンドルの締付けトルクが所定のトルク値を超えたときに遊星歯車機構からスピンドルへの動力伝達を遮断する。
機械式クラッチ機構は、ボールと爪、あるいは爪同士の噛み合い係合によって動力を伝達し、噛み合い係合を解除することで動力の伝達を遮断するよう構成される。このため、クラッチの動作前後で急激なトルク変化が発生し、不快な動作を伴う。
特開2004−237422号公報
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、手持式の動力工具において、加工作業中における出力部の出力を、ショックを伴うことなく制御できる技術を提供することを目的とする。
上記課題を達成するため、本発明の好ましい形態に係る動力工具は、モータと、モータによって回転駆動される出力部と、動力工具の所定の作業状態を検知する状態検知手段と、モータを定常駆動しつつ出力部の回転速度を無段階に変速させる出力可変手段と、状態検知手段の検知信号に基づいて出力可変手段の駆動制御を行うコントローラと、出力部の回転軸線方向に延在する軸線周りに回転可能に配置され、出力部に作用する出力の反力を受ける反力受け部材と、を備えている。そして、コントローラが、状態検知手段が検知した所定の作業状態に応じて出力可変手段を駆動制御することで当該出力可変手段が、反力受け部材の軸線周りの回転速度を制御し、出力部の回転速度を無段階に変速させる構成とした。本発明における「所定の作業状態」とは、典型的には、出力部に作用する負荷が低負荷から高負荷に変化するような作業状態がこれに該当し、例えばネジ締め機に適用した場合であれば、ネジ(ボルト)の頭部、あるいはナットの軸方向の一端面が被加工材に着座した状態がこれに該当し、またハンマドリルに適用した場合であれば、ビットが被加工材に噛み込んでロックした状態がこれに該当する。本発明における「無段階に変速」の態様としては、出力部の回転速度がモータの定常回転から高速へと変化(増速)する態様、高速から低速へと変化(増速)する態様、回転速度をゼロにする態様等を含み、また出力部の回転速度が増速あるいは減速する場合において、当該増速あるいは減速が一定の比率で変化する態様、増速あるいは減速が異なる比率で変化する態様等を広く包含する。また、本発明における「動力工具」は、典型的には、ネジやボルト等の締付け作業に用いられるドライバやレンチ等の締付け工具がこれに該当するが、穴開け作業に用いられるドリル、ハツリ作業や穴開け作業に用いられるハンマ、ハンマドリル、切断作業に用いられる木工用あるいは金工用の丸鋸や電動カッター等を広く包含する。
本発明によれば、モータの回転数(速度)を一定に維持した定常駆動状態において、出力可変手段によって出力部の回転速度を無段階に変速可能としたことにより、動力工具を用いて所定の加工作業を遂行する場合において、ショックを伴うことなく円滑に変速することが可能であるし、また高速回転速度での作業、あるいは低速回転速度での作業等、作業状態に対応した回転速度に変速して使用することができる。また、本発明によれば、出力部の回転速度を無段階に変速可能としたことにより、例えば出力部に予め定めた所定の負荷が作用した場合に出力部の回転速度がゼロとなるように制御することが可能である。このため、例えば、出力部の回転動作によって所定の加工作業を遂行する動力工具の場合であれば、出力部に作用するトルク値が所定のトルク値を超えたときに動力を遮断するべく設置される機械式のクラッチ装置を省略することが可能となり、動力工具の構造の簡素化、コンパクト化を実現することができる。
また、本発明によれば、出力可変手段は、出力の反力を受ける反力受け部材の回転速度を制御し、出力部の回転速度を無段階に変速させる構成である。ここで「反力受け部材の回転速度を制御する」とは、反力受け部材を停止状態に維持する態様、反力受け部材がフリー(自由)に回転することを許容する態様、反力受け部材を積極的に回転させる態様のいずれも包含する。また反力受け部材の回転方向については、出力部の回転方向と同方向、逆方向のいずれも包含する。
本発明によれば、出力可変手段によって反力受け部材の回転速度を制御する構成としたことにより、例えば、反力受け部材を出力部の回転方向と同方向に回転させたときは出力部の回転速度の増速が可能であるし、反力受け部材を出力部の回転方向と逆方向に回転させたときは、出力部の回転速度の減速及び出力の回転速度をゼロとすることが可能となる。また、反力受け部材を停止状態に維持したときは、出力部の回転速度を定常駆動状態に維持することが可能になる。
本発明の更なる形態によれば、動力工具は、モータを収容するための作業工具本体を有する。また、モータは、出力部を回転駆動するロータと、当該ロータに回転モーメントを生じさせるとともに、作業工具本体に回転可能に装着されたステータとを有する。そして反力受け部材は、ステータであり、当該ステータの回転速度が制御されることによって出力部の回転速度が制御される構成とした。
本発明によれば、ロータが回転する際の反力受け部材であるステータの回転速度を制御することによって当該ロータによる出力部の回転速度を無段階に変速することができる。
本発明の更なる形態によれば、ステータの作業工具本体に対する回転抵抗を制御することでステータの回転速度を制御する構成とした。ここで、「回転抵抗を制御する」とは、作業工具本体に対してステータが回転しないように当該ステータに回転抵抗を付与する態様及びステータの回転を許容するように当該ステータの回転抵抗を解除する態様をいう。なお、回転抵抗を付与する手段としては、摩擦力(ブレーキ)を利用する手段、回転ストッパを利用する手段等を好適に包含する。
本発明によれば、ステータに対して回転抵抗を付与して作業工具本体に対して固定状態としたときは、モータのロータによって出力部を定常駆動することができ、一方、ステータに対する回転抵抗を解除して当該ステータを作業工具本体から切り離したときは、ステータのフリー(自由)回転が許容されることでロータによる出力部を減速し停止することができる。
本発明の更なる形態によれば、ステータを駆動させるための駆動源を有する。本発明によれば、駆動源によってステータを積極的に駆動させることで、出力部の回転速度を無段階に変速することができる。すなわち、ステータをロータと同方向に回転駆動したときは、ロータの回転速度をより増速することが可能であり、逆方向に回転駆動したときは、ロータの回転速度をゼロに達するまでを含めて減速することが可能である。
本発明の更なる形態によれば、状態検知手段が、動力工具の所定の作業状態を検知した際に、出力部の回転速度がゼロとなるようにステータの回転速度を制御する構成とした。
発明によれば、状態検知手段からの検知信号に基づいて出力部の回転速度がゼロなるようにステータの回転速度を制御することで加工作業を終了あるいは中断することができる。
本発明によれば、手持式の動力工具において、加工作業中における出力部の出力を、ショックを伴うことなく制御できる技術が提供されることとなった。
本発明の第1の実施形態に係るスクリュードライバの全体構成を示す側断面図である。 スクリュードライバの主要部を示す側断面図である。 駆動モータのステータ(磁石)の回転を制御する小型モータの動作説明図であり、(A)は回転しないように制御される場合(停止状態)を示し、(B)はロータの回転を増速する側に回転駆動される場合を示し、(C)はロータの回転を減速する側に回転駆動される場合を示す。 本発明の第2の実施形態に係るスクリュードライバの構成を示す側断面図である。 ブレーキ装置の動作態様を示す説明図であり、(A)はブレーキ作動状態を示し、(B)はブレーキ解除状態を示す。 ブレーキシューを示す正面図である。 ブレーキシューを示す側面図である。 本発明の第3の実施形態に係るスクリュードライバの全体構成を示す側断面図である。 スクリュードライバの主要部を示す断面図である。 遊星歯車機構のインターナルギアの回転を制御する小型モータの動作説明図であり、(A)は回転しないように制御される場合(停止状態)を示し、(B)はスピンドルの回転を増速する側に回転駆動される場合を示し、(C)はスピンドルの回転を減速する側に回転駆動される場合を示す。 締付け作業時に距離センサを用いて小型モータを制御する場合を説明する図であり、ネジ等の頭部が被加工材に着座する前の状態を示す。 締付け作業時に距離センサを用いて小型モータを制御する場合を説明する図であり、ネジ等の頭部が被加工材に着座した後の状態を示す。 本発明の第4の実施形態に係るスクリュードライバの構成を示す側断面図である。 摩擦クラッチ装置の動作態様を示す説明図であり、(A)はクラッチの接続状態(オン状態)を示し、(B)はクラッチの遮断状態(オフ状態)を示す。
(本発明の第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態につき、図1〜図3を参照しつつ説明する。本実施の形態は、手持式の動力工具として充電式の電動スクリュードライバを例にして説明する。本実施の形態に係る電動スクリュードライバ101は、図1に示すように、概括的に見て、スクリュードライバ101の外郭を構成する本体部103、当該本体部103の先端領域(図示左側)にビット保持器118を介して着脱自在に取付けられた先端工具としてのドライバビット119、本体部103に一体状に連接されたハンドグリップ(ハンドル)109を主体として構成される。本体部103は、本発明における「作業工具本体」に対応する。なお本実施の形態では、説明の便宜上、ドライバビット119側を前側とし、その反対側を後側とする。
本体部103は、駆動モータ111、当該駆動モータ111の前方(図1及び図2の左側)に配置された減速機構としての遊星歯車機構113及びスピンドル117等を収容する内側ハウジング107と、外殻を形成する外側ハウジング105とを主体として構成される。駆動モータ111は、本発明における「モータ」に対応する。外側ハウジング105は、左右に分割された構造とされ、左右の半割ハウジングを互いに接合することによって内側ハウジング107のうち、スピンドル117を支持する先端領域(前端部)以外の領域を覆う構成とされる。なお、ハンドグリップ109は、本体部103の長軸方向(ドライバビット119の長軸方向)と交差する下方に延在され、その延在端部には駆動モータ111の電源となるバッテリが収容されたバッテリパック108が着脱自在に装着されている。
駆動モータ111は、ハンドグリップ109に配置された操作部材としてのトリガ109aが引き操作されたときに通電駆動される構成とされる。図2に示すように、駆動モータ111の回転出力は、モータ軸112と一体に回転する駆動軸115から遊星歯車機構113を経てスピンドル117に伝達され、当該スピンドル117にてビット保持器118を介して保持されるドライバビット119に伝達される。スピンドル117は、本発明における「出力部」に対応する。
遊星歯車機構113は、図2に示すように、駆動軸115に一体に形成された第1太陽ギア121、円筒の内側に歯が形成されるとともに内側ハウジング107に固定されたインターナルギア(リングギア)123、第1太陽ギア121とインターナルギア123との双方に噛み合い係合して第1太陽ギア121の回転軸線周りに周回する(公転する)複数の第1遊星ギア125、複数の第1遊星ギア125を回転自在に支持するとともに、第1太陽ギア121と同軸上で回転する第1キャリア127、第1キャリア127の回転軸線回りに形成された第2太陽ギア129、第2太陽ギア129とインターナルギア123との双方に噛み合い係合して第2太陽ギア129の回転軸線周りに周回する(公転する)複数の第2遊星ギア131、第2遊星ギア131を回転自在に支持するとともに、スピンドル117に連結された第2キャリア133によって構成されており、駆動軸115の回転出力を減速してスピンドル117に伝達する。なお、本実施の形態における遊星歯車機構113は、第1遊星ギア125を支持する第1キャリア127と、第2遊星ギア131を支持する第2キャリア133が軸方向に2段連接された構成とされているが、必ずしも2段である必要はない。
駆動モータ111は、ステータ(固定子)111Aとロータ(回転子)111Bとによって構成されている。本実施の形態では、駆動モータ111として、ロータ111Bに回転モーメントを生じさせるためのステータ111Aが永久磁石によって構成される直流モータ(DCモータ)が用いられている。ステータ111Aは、円形の筒形に形成され、外側には円形の筒形に形成された被動ギア141が圧入嵌合されている。そして被動ギア141が軸方向両端部をそれぞれ軸受142によって外側ハウジング105に回転自在に支持されている。すなわち、本実施の形態における駆動モータ111は、巻線を有するロータ111Bがモータ軸112と共に回転することに加え、ステータ111Aも回転が許容された構成とされる。なお、モータ軸112は、長軸方向の両端において、それぞれ軸受143によって内側ハウジング107に回転自在に支持されている。
被動ギア141には、サブモータとして備えられた小型モータ145によって回転駆動される駆動ギア144が噛み合い係合している。すなわち、本実施の形態の駆動モータ111のステータ111Aは、小型モータ145によって積極的に強制駆動することが可能とされている。小型モータ145は、回転方向を変えることができる可逆式のモータであり、外側ハウジング105の内部空間における駆動モータ111の下方空間領域に回転軸線が当該駆動モータ111の回転軸線と平行となるように固定状態で配置されている。
図3には、ステータ111Aの回転制御態様が示される。小型モータ145が停止された状態(回転駆動しない状態)では、ステータ111Aは、停止状態に維持される。このときのスピンドル117の回転は、駆動モータ111のロータ111Bによって駆動される遊星歯車機構113の減速比で定められた定常回転となる。この定常回転状態が(A)として示される。なお、ステータ111Aは、ロータ111Bが回転する際、周方向の反力を受ける。小型モータ145がロータ111Bの回転方向(図において時計回り)と反対方向(図において反時計回りに)に回転(以下、正回転ともいう)されたときには、反力受け部材であるステータ111Aが被動ギア141と共にロータ111Bと同方向(図において時計回り)に回転される。ステータ111Aとロータ111Bの相対回転数は一定のため、ステータ111Aの回転分が加えられる。このことによって、ロータ111Bの回転数が増加され、スピンドル117が増速する。この増速回転状態が(B)として示される。一方、小型モータ145が上記と逆方向(図において時計回り)に回転(以下、逆回転ともいう)されたときは、ステータ111Aが被動ギア141と共にロータ111Bとは反対方向(図において反時計回り)に回転される。ステータ111Aとロータ111Bの相対回転数は一定のため、ステータ111Aの回転分が減じられる。このことによって、上記の増速時とは逆にロータ111Bの回転数が減少され、スピンドル117が減速する。この減速回転状態が(C)として示される。
このように、本実施の形態によれば、小型モータ145を停止状態に維持し、あるいは正回転又は逆回転で強制駆動することによって、駆動モータ111のステータ111Aの回転を制御し、これによってロータ111Bの回転速度、従ってスピンドル117の回転速度を制御することが可能となる。小型モータ145は、本発明における「出力可変手段」及び「駆動源」に対応し、また本発明における「反力受け部材の回転を制御する手段」でもある。
図2に示すように、内側ハウジング107の先端領域には、締付け作業時にインターナルギア123からドライバビット119に至る回転伝達経路のトルク値を検知するトルクセンサ147が配設されている。トルクセンサ147は、本発明における「状態検知手段」に対応し、トルクが検出可能であれば、その形式は限定されない。本実施の形態では、トルクセンサ147はスピンドル117に作用するトルクを検知する構成とされ、当該トルクセンサ147によって検知されたトルク値がコントローラ149に出力される。コントローラ149は、駆動モータ111及び小型モータ145の駆動制御を行なう手段として備えられる。
上記のように構成された電動スクリュードライバ101において、固定具としてのネジやボルト(以下、ネジ等という)の締付け作業を行う場合には、ドライバビット119を介してネジ等を作業対象物としての被加工材に押し付けた状態でトリガ109aを引き操作し、駆動モータ111を通電駆動すると、遊星歯車機構113を介してスピンドル117が回転駆動される。これによりスピンドル117とともに回転するドライバビット119を介してネジ等の締付作業を行うことができる。
上記のネジ等の締付け作業において、本実施の形態では、トリガ109aが引き操作されると、コントローラ149を通じて駆動モータ111が通電駆動され、同時に小型モータ145が一定速度の正回転で駆動され、駆動モータ111のステータ111Aをロータ111Bと同方向に積極的に回転させる構成としている。このときは、前述したようにスピンドル117が増速されることになる。このため、本実施の形態によれば、ネジ等が被加工材に着座する前の低負荷(低トルク)状態では、スピンドル117に装着されたドライバビット119を定常回転よりも速い一定の速度で回転させ、ネジ等の締付け作業を素早く行うことが可能となり、締付け時間を短縮することができる。
また、本実施の形態では、ネジ等の締付け作業時における締付けトルクをトルクセンサ147によって検知してコントローラ149に入力し、当該検知されたトルク値が設定トルク値を超えたときに、当該コントローラ149を通じて小型モータ145が逆回転側に駆動される構成としている。そしてトルクセンサ147のトルク変動検知に基づき小型モータ145が逆回転側に駆動された場合には、当該小型モータ145は、スピンドル117、すなわちロータ111Bの回転を減速させて最終的にはゼロとするようにステータ111Aを回転駆動するべく制御される。
従って、ネジ等の締付け作業が進行し、ネジ等の頭部が被加工材に着座し、それに伴いスピンドル117に作用するトルク値が設定トルク値を超えたときには、小型モータ145を逆回転側(減速側)に駆動してスピンドル117、すなわちロータ111Bの回転数がゼロとなるようにインターナルギア123を回転駆動することでドライバビット119による締付け作業を終了することができる。このように、本実施の形態によれば、締付け作業が終了に近づいた着座後には、スピンドル117を無段階に減速して回転がゼロとなるように制御することによってネジ等を目標トルク値で締付け、当該締付け作業を終了することができる。このため、機械式クラッチを用いて動力伝達を遮断して締付け作業を終了する場合のような急激なトルク変動が発生することがなく、円滑な締付け作業を遂行することができる。この場合、スピンドル117を無段階に減速して回転数をゼロにする態様としては、減速が一定の比率で変化するようにしてもよいし、異なる比率で変化するようにしてもよい。
なお、ネジ等の締付け作業が終了すると、作業者がトリガ109aの引き操作を継続している場合でも駆動モータ111及び小型モータ145の駆動がそれぞれ停止されるように構成される。すなわち、駆動モータ111及び小型モータ145の停止については、例えばタイマーを用いて、トルクセンサ147が設定トルク値を検知後、所定時間経過した時点で両モータ111,145を停止するように制御する構成とすることが可能であるし、あるいは速度センサあるいは加速度センサ等を用いて、スピンドル117が停止したことを検知し、それに基づいて両モータ111,145を停止するように制御する構成とすることも可能である。
また、トルクセンサ147は、ネジ等の着座に伴うトルク変動を検知して小型モータ145の駆動制御を行なう形態として用いることのみならず、締付け作業の異常状態検知としても用いることができる。すなわち、ネジ等の締付け作業途中で何らかの原因によってネジ等の締付けトルクが異常に高くなり、当該トルク値が設定トルク値を超えた場合には、上記の場合と同様、小型モータ145を逆回転側(減速側)に駆動してスピンドル117を回転がゼロとなるようにステータ111Aを積極的に回転することにより、ネジ等の締付け作業を途中で止めることができる。
ところで、駆動モータ111によって駆動される駆動軸115と、ドライバビット119が装着されるスピンドル117との間に機械式のクラッチ機構を設け、ネジ等が被加工材に着座後、締付けトルクが予め定めた設定トルク値を越えたときにクラッチ機構を作動させて動力を遮断する構成では、駆動軸115とスピンドル117間にクラッチ機構が直列状に介在される関係で、本体部103の長軸方向寸法が長くなってしまう。しかるに、本実施の形態によれば、小型モータ145によって駆動モータ111のステータ111Aを回転制御する方式としたことによって、当該小型モータ145を外側ハウジング105の内部空間における駆動モータ111の下方領域に当該駆動モータ111と並列に配置することができる。その結果、本体部103の長軸方向寸法が短縮されるため、ハンドグリップ109からドライバビット119先端までの距離が短くなり、ネジ等の締付け作業がやり易くなる。
なお、本実施の形態では、トリガ109aを引き操作し、駆動モータ111を通電駆動すると同時に小型モータ145がスピンドル117の回転を増速する側に通電駆動される構成としたが、トリガ109aとは、別途に小型モータ制御用スイッチを設置し、当該小型モータ制御用スイッチによって、小型モータ145の停止を維持する状態と増速する状態間で、又は停止を維持する状態、増速する状態及び減速する状態間で選択的に切替え可能とし、そしていずれかを選択した状態でトリガ109aを引き操作して駆動モータ111を通電駆動した際には、小型モータ145が選択された状態に制御されるように構成してもよい。
(本発明の第2の実施形態)
次に本発明の第2の実施形態につき、図4〜図7を参照しつつ説明する。本実施の形態は、駆動モータ111のステータ111Aの制御につき、前述した第1の実施形態における小型モータ145による強制駆動方式から、摩擦抵抗を利用してステータ111Aの回転を規制する固定状態と、回転規制を解除することで回転を許容する回転許容状態との間で切替えることができるように構成したものであり、この点以外の構成については、前述した第1の実施形態と同様とされる。従って、第1の実施形態と同一構成部材については、同一符号を付してその説明を省略あるいは簡略にする。
本実施の形態では、ステータ111Aに回転抵抗を付与して当該ステータ111Aが回転しないように保持(規制)し、またステータ111Aに付与された回転抵抗を解除することで当該ステータ111Aの回転を許容する回転抵抗制御手段としてのブレーキ装置151を備えている。ブレーキ装置151は、図4及び図5に示すように、筒状をなすステータ111Aの軸方向の一端側に配置され、当該ステータ111Aの一端部に対して軸方向に接触させることで当該ステータ111Aの回転を規制する円錐型のブレーキ装置として構成される。
ブレーキ装置151は、ステータ111Aの軸方向一端部に固定された円形のブレーキリング152と、ブレーキリング152に同軸上で対向状に配置されるリング状のブレーキシュー153と、ブレーキシュー153をブレーキリング152に対して接触又は離間させるべく作動するソレノイド155とを主体として構成されており、対向するブレーキリング152の接触面152aとブレーキシュー153の接触面153aがそれぞれ円錐状のテーパ面によって構成されている。
ブレーキリング152に対向して配置されたブレーキシュー153は、付勢バネ157によって接触面153aがブレーキリング152の接触面152aと接触するように常時に付勢されている。この状態が図5の(A)に示される。付勢バネ157は、圧縮コイルバネからなり、ブレーキシュー153と外側ハウジング105の壁面との間に介在状に配置されている。ブレーキシュー153の円周上の一部には、外径方向に延在するアーム部154が設けられ、このアーム部154にソレノイド155の可動鉄心155aが連結されている。
ソレノイド155は、筒状のソレノイド本体部の励磁コイルに対する通電あるいは通電解除によって長軸方向(ドライバビット119の長軸方向)に直線状に動作する棒状の可動鉄心155aを備えたプランジャ形の電磁石であり、長軸方向がステータ111Aの長軸方向と平行となるように配置された状態で外側ハウジング105に固定されている。ソレノイド155は、スピンドル117に作用するトルクを検知するトルクセンサ147の検知信号に基づいて作動する。すなわち、トルクセンサ147が設定トルク値を検知したときに、コントローラ149からの指令に基づく励磁コイルへの通電により可動鉄心155aが直線状に動作し、ブレーキシュー153をブレーキリング152から引き離してステータ111Aの回転規制を解除する。この状態が図5の(B)に示される。
また、ブレーキシュー153は、図6及び図7に示すように、円周上の外面に軸線に関して対称位置に回り止め用としての突部(爪)153bを有する。この突部153bは、便宜上図示を省略するが、外側ハウジング105の壁面に形成されたドライバビット119の長軸方向に延在するガイド溝にスライド可能に係合されている。これにより、ブレーキシュー153のブレーキリング152に対する押付動作の安定化が図られている。
上記のように構成されたブレーキ装置151は、通常時にはソレノイド155の励磁コイルに対する通電が遮断されている。このため、ブレーキシュー153が付勢バネ157の弾発力でブレーキリング152に押圧接触されてステータ111Aが回転しないように保持している。従って、この状態でネジ等の締付け作業を行うべく、トリガ109aの引き操作によって駆動モータ111が通電駆動されると、当該駆動モータ111の回転出力は、遊星歯車機構113を通じてスピンドル117に伝達される。このため、スピンドル117に保持されたドライバビット119によって駆動モータ111の定常駆動による速度での締付け作業が開始される。
ネジ等の締付け作業が進行し、当該ネジ等の頭部が被加工材に着座して締付けトルクが高くなり、それに伴いステータ111Aに作用する反力がブレーキシュー153とブレーキリング152の接触面153a,152a間の摩擦力を超えると、ブレーキシュー153とブレーキリング152間に相対滑りが生じ、当該ステータ111Aがロータ111Bの回転方向と反対方向に回転し始める。すなわち、図3の(C)と同様な状態となる。このため、スピンドル117の回転速度が高速回転側から低速回転側へと減速される。この状態は半クラッチとも呼ばれる。
そして、ネジ等の締付けトルク値が更に上昇して設定トルク値を超えると、トルクセンサ147及びコントローラ149を通じてソレノイド155の励磁コイルが通電される。これにより可動鉄心155aが付勢バネ157に抗してブレーキシュー153がブレーキリング152から離間される。このため、ステータ111Aの回転規制が解除されて当該ステータ111Aの回転が許容される。その結果、負荷が作用しているロータ111Bの回転が停止し、反力受け部材であるステータ111Aが回転することになり、スピンドル117の回転が停止される。これによりネジ等の締付け作業が終了する。なお、ネジ等の締付け作業終了後は、第1の実施形態の場合と同様、駆動モータ111の駆動が停止(ロータ111Bの巻線に対する通電が遮断)され、またソレノイド155の励磁コイルの通電が遮断される。
このように、本実施の形態によれば、ネジ等の締付け作業時において、締付け開始からネジ等が被加工材に着座するまでの過程では、ブレーキ装置151によってステータ111Aを回転しないように回転抵抗を付与し、締付け作業が終了に近づいた着座後には、ブレーキ装置151による回転抵抗を解除し、ステータ111Aを自由に回転させることによって、目標トルク値でネジ等を締付け、当該締付け作業を終了することができる。このため、第1の実施形態の場合と同様に、機械式クラッチを用いて動力伝達を遮断して締付け作業を終了する場合のような急激なトルク変動が発生することがなく、締付け作業を円滑に遂行することができる。
また、本実施の形態によれば、ステータ111Aに回転抵抗を付与する手段としてブレーキ装置151を用い、ステータ111Aの軸方向の一端部円周面に対しリング状のブレーキシュー153を軸方向に移動させて周方向の全体で押付ける構成としたので、ステータ111Aを安定した状態に保持することができる。
なお、第2の実施形態では、ブレーキ装置151の摩擦抵抗を利用してステータ111Aの回転を制止する構成としたが、これに変えてステータ111Aに対して周方向において係合することで当該ステータ111Aの回転を規制し、軸方向又は径方向に退避動作して上記の係合を解除することでステータ111Aの回転を許容する回転ストッパを用いてもよい。また、摩擦抵抗を利用してステータ111Aの回転を制止する場合、軸方向に押圧して保持する方式に変えて径方向から押圧して保持する構成に変更してもよい。
(本発明の第3の実施形態)
次に本発明の第3の実施形態につき、図8〜図12を参照しつつ説明する。本実施の形態では、前述した第1の実施形態における駆動モータ111のステータ111Aの強制駆動方式から、遊星歯車機構113における反力受け部材としてのインターナルギア123を強制駆動する構成に変更したものであり、このことに関連しない構成については、第1の実施形態と同様である。従って、第1の実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明を省略または簡略にする。
本実施の形態では、図8及び図9に示すように、インターナルギア123は、外側が軸受(ニードルベアリング)135を介して本体部103(外側ハウジング105又は内側ハウジング107)に回転可能に支持されている。また、インターナルギア123の外側における長軸方向の一部の領域には、外歯137が形成されており、この外歯137にサブモータとして備えられた小型モータ161によって回転駆動される駆動ギア163が噛み合い係合している。すなわち、小型モータ161は、回転方向を変えることができる可逆式のモータであり、外側ハウジング105の内部空間における駆動モータ111の下方空間領域に形成された収容部106内に、回転軸線が当該駆動モータ111の回転軸線と平行となるように配置されている。
図10には、インターナルギア123の回転制御態様が示される。小型モータ161が停止された状態(回転駆動しない状態)では、インターナルギア123は、停止状態に維持される。このときのスピンドル117の回転は、駆動モータ111によって駆動される遊星歯車機構113の減速比で定められた定常回転となる。この定常回転状態が(A)として示される。なお、インターナルギア123は、遊星ギア125,131が太陽ギア121,129の周りを公転する際、周方向の反力を受ける。小型モータ161が太陽ギア121,129の回転方向(図10において時計回り)と反対方向(図10において反時計回りに)に回転(以下、正回転ともいう)されたときには、反力受け部材であるインターナルギア123が太陽ギア121,129と同方向(図10において時計回り)に回転される。このため、遊星ギア125,131の太陽ギア121,129周りの回転数がインターナルギア123の回転分だけ増加するので、スピンドル117の回転数が増える。この増速回転状態が(B)として示される。一方、小型モータ161が上記と逆方向(図10において時計回り)に回転(以下、逆回転ともいう)されたときは、遊星ギア125,131の太陽ギア121,129周りの回転数がインターナルギア123の回転分だけ減少することになるので、スピンドル117の回転数が減る。この減速回転状態が(C)として示される。
このように、本実施の形態によれば、小型モータ161を停止状態に維持し、あるいは正回転又は逆回転で強制駆動することによって、遊星歯車機構113のインターナルギア123の回転を制御し、これによってスピンドル117の回転速度を制御することが可能となる。小型モータ161は、本発明における「出力可変手段」に対応する。
上記のように構成された電動スクリュードライバ101において、固定具としてのネジやボルト(以下、ネジ等という)の締付け作業を行う場合には、ドライバビット119を介してネジ等を作業対象物としての被加工材に押し付けた状態でトリガ109aを引き操作し、駆動モータ111を通電駆動すると、遊星歯車機構113を介してスピンドル117が回転駆動される。これによりスピンドル117とともに回転するドライバビット119を介してネジ等の締付作業を行うことができる。
上記のネジ等の締付け作業において、本実施の形態では、トリガ109aが引き操作されると、コントローラ149を通じて駆動モータ111が通電駆動され、同時に小型モータ161が一定速度の正回転で駆動され、インターナルギア123を太陽ギア121の回転方向と同方向に積極的に回転させる構成としている。このときは、前述したようにスピンドル117が増速されることになる。このため、本実施の形態によれば、ネジ等が被加工材に着座する前の低負荷(低トルク)状態では、スピンドル117に装着されたドライバビット119を定常回転よりも速い一定の速度で回転させ、ネジ等の締付け作業を素早く行うことが可能となり、締付け時間を短縮することができる。
また、本実施の形態では、ネジ等の締付け作業時における締付けトルクをトルクセンサ147によって検知してコントローラ149に入力し、当該検知されたトルク値が設定トルク値を超えたときに、当該コントローラ149を通じて小型モータ161が逆回転側に駆動される構成としている。そしてトルクセンサ147のトルク変動検知に基づき小型モータ161が逆回転側に駆動された場合には、当該小型モータ161は、スピンドル117の回転を減速させて最終的にはゼロとするようにインターナルギア123を回転駆動するべく制御される。
従って、ネジ等の締付け作業が進行し、ネジ等の頭部が被加工材に着座し、それに伴いスピンドル117に作用するトルク値が設定トルク値を超えたときには、小型モータ161を逆回転側(減速側)に駆動してスピンドル117の回転数がゼロとなるようにインターナルギア123を回転駆動することでドライバビット119による締付け作業を終了することができる。このように、本実施の形態によれば、締付け作業が終了に近づいた着座後には、スピンドル117を無段階に減速して回転がゼロとなるように制御することによってネジ等を目標トルク値で締付け、当該締付け作業を終了することができる。このため、機械式クラッチを用いて動力伝達を遮断して締付け作業を終了する場合のような急激なトルク変動が発生することがなく、円滑な締付け作業を遂行することができる。この場合、スピンドル117を無段階に減速して回転数をゼロにする態様としては、減速が一定の比率で変化するようにしてもよいし、異なる比率で変化するようにしてもよい。
なお、ネジ等の締付け作業が終了すると、作業者がトリガ109aの引き操作を継続している場合でも駆動モータ111及び小型モータ161の駆動がそれぞれ停止されるように構成される。すなわち、駆動モータ111及び小型モータ161の停止については、例えばタイマーを用いて、トルクセンサ147が設定トルク値を検知後、所定時間経過した時点で両モータ111,161を停止するように制御する構成とすることが可能であるし、あるいは速度センサあるいは加速度センサ等を用いて、スピンドル117が停止したことを検知し、それに基づいて両モータ111,161を停止するように制御する構成とすることも可能である。
また、トルクセンサ147は、ネジ等の着座に伴うトルク変動を検知して小型モータ161の駆動制御を行なう形態として用いることのみならず、締付け作業の異常状態検知としても用いることができる。すなわち、ネジ等の締付け作業途中で何らかの原因によってネジ等の締付けトルクが異常に高くなり、当該トルク値が設定トルク値を超えた場合には、上記の場合と同様、小型モータ161を逆回転側(減速側)に駆動してスピンドル117を回転がゼロとなるようにインターナルギア123を積極的に回転することにより、ネジ等の締付け作業を途中で止めることができる。
なお、本実施形態に係る電動スクリュードライバ101は、トルクセンサ147とは別途に距離センサ165を設けることが可能である。距離センサ165は、例えば光学式あるいは超音波式のものが用いられ、図9に示すように、外側ハウジング105の前端側内部に収容した状態で配置され、被加工材Wに向けて照射された光あるいは超音波が被加工材Wに反射して入射されるまでの時間に基づいて、ネジ等Sの頭部から被加工材の表面までの距離を測定する。
図11にはネジ等Sの頭部が被加工材Wの表面に着座する前の状態が示される。この着座前の状態では、小型モータ161がスピンドル117の回転速度を増速する側(正回転側)に回転駆動されるように制御される。そしてネジ等Sが被加工材Wに着座したことが距離センサ165によって検知されると、当該検知信号のコントローラ149への入力に基づいて、当該コントローラ149が小型モータ161をスピンドル117の回転がゼロとなるようにインターナルギア123を減速する側(逆回転側)に回転駆動する。ネジ等Sの着座状態が図12に示される。これにより、スピンドル117を無段階に減速して回転をゼロとすることによって目標トルク値でネジ等Sを締付け、当該締付け作業を終了することができる。締付け作業が終了すれば、駆動モータ111及び小型モータ161は、共に停止される。
ところで、駆動モータ111によって駆動される駆動軸115と、ドライバビット119が装着されるスピンドル117との間に機械式のクラッチ機構を設け、ネジ等が被加工材に着座後、締付けトルクが予め定めた設定トルク値を越えたときにクラッチ機構を作動させて動力を遮断する構成では、駆動軸115とスピンドル117間にクラッチ機構が直列状に介在される関係で、本体部103の長軸方向寸法が長くなってしまう。しかるに、本実施の形態によれば、小型モータ161によってインターナルギア123を制御する方式としたことによって、当該小型モータ161を外側ハウジング105の内部空間における駆動モータ111の下方領域に当該駆動モータ111と並列に配置することができる。その結果、本体部103の長軸方向寸法が短縮されるため、ハンドグリップ109からドライバビット119先端までの距離が短くなり、ネジ等の締付け作業がやり易くなる。
なお、本実施の形態では、トリガ109aを引き操作し、駆動モータ111を通電駆動すると同時に小型モータ161がスピンドル117の回転を増速する側に通電駆動される構成としたが、トリガ109aとは、別途に小型モータ制御用スイッチを設置し、当該小型モータ制御用スイッチによって、小型モータ161の停止を維持する状態と増速する状態間で、又は停止を維持する状態、増速する状態及び減速する状態間で選択的に切替え可能とし、そしていずれかを選択した状態でトリガ109aを引き操作して駆動モータ111を通電駆動した際には、小型モータ161が選択された状態に制御されるように構成してもよい。
(本発明の第4の実施形態)
次に本発明の第4の実施形態につき、図13及び図14を参照しつつ説明する。本実施の形態は、遊星歯車機構113のインターナルギア123の制御につき、前述した第3の実施形態における小型モータ161による積極的な強制駆動方式から、摩擦抵抗を利用してインターナルギア123の回転を規制する固定状態と、回転規制を解除することで回転を許容する回転許容状態との間で切替えることができるように構成したものであり、この点以外の構成については、前述した第3の実施形態と同様とされる。従って、第3の実施形態と同一構成部材については、同一符号を付してその説明を省略あるいは簡略にする。
本実施の形態では、図13に示すように、インターナルギア123に回転抵抗を付与して当該インターナルギア123が回転しないように保持(規制)し、またインターナルギア123に付与された回転抵抗を解除することで当該インターナルギア123の回転を許容する手段としての摩擦クラッチ装置171を備えている。摩擦クラッチ装置171は、外側ハウジング105内の駆動モータ111の下方空間領域に形成された収容部106に、動作方向(軸線方向)が当該駆動モータ111の回転軸線と平行となるように配置されている。摩擦クラッチ装置171は、本発明における「出力可変手段」に対応する。
摩擦クラッチ装置171は、図14において拡大された状態で示される。図示のように、摩擦クラッチ装置171は、インターナルギア123と連結された可動側摩擦クラッチ板173と、当該可動側摩擦クラッチ板173に対向状に配置される固定側摩擦クラッチ板175と、当該固定側摩擦クラッチ板175を可動側摩擦クラッチ板173に接触または離間させるべく作動するソレノイド177とを主体として構成される。収容部106には、クラッチ軸179がインターナルギア123の回転軸線と平行に配置されている。クラッチ軸179は、軸受181を介して収容部106に回転自在に取り付けられるとともに、当該クラッチ軸179の軸方向一端には可動側摩擦クラッチ板173が固定され、軸方向他端にはインターナルギア123の外歯137と噛み合い係合する歯車183が固定されている。かくして可動側摩擦クラッチ板173は、インターナルギア123と連結された構成とされる。
ソレノイド177は、励磁コイルが巻かれた筒状のソレノイド本体部177aと、励磁コイルに対する通電あるいは通電解除によってソレノイド本体部177aの長軸方向(ドライバビット119の長軸方向)に直線状に動作する棒状の可動鉄心177bとを備えたプランジャ形の電磁石であり、可動鉄心177bの先端に固定側摩擦クラッチ板175が固定されている。固定側摩擦クラッチ板175は、クラッチバネとしてのコイルバネ185によって常時に可動側摩擦クラッチ板173に接近する方向へと弾発状に付勢されている。そして、締付けトルクを検知してコントローラ149へと入力するトルクセンサ147が設定トルク値を検知したときに、当該コントローラ149からの指令に基づきソレノイド177の励磁コイルに通電されて固定側摩擦クラッチ板175が可動側摩擦クラッチ板173から引き離される構成とされる。
上記のように構成された摩擦クラッチ装置171は、通常時にはソレノイド177の励磁コイルに対する通電が遮断されている。このため、固定側摩擦クラッチ板175がコイルバネ185の弾発力で可動側摩擦クラッチ板173に押圧接触されて当該可動側摩擦クラッチ板173の回転を規制している。この状態が図14の(A)に示される。すなわち、固定側摩擦クラッチ板175が可動側摩擦クラッチ板173に押付けられたクラッチオンの状態では、可動側摩擦クラッチ板173と一体化された歯車183と外歯137が噛み合い係合しているインターナルギア123は、固定側摩擦クラッチ板175と可動側摩擦クラッチ板173間の摩擦力(回転抵抗)によって本体部103側に固定された状態に保持される。
従って、この状態でネジ等の締付け作業を行うべく、トリガ109aの引き操作によって駆動モータ111が通電駆動されると、当該駆動モータ111の回転出力は、遊星歯車機構113を通じてスピンドル117に伝達される。このため、スピンドル117に保持されたドライバビット119によって駆動モータ111の定常駆動による速度での締付け作業が開始される。
ネジ等の締付け作業が進行し、当該ネジ等の頭部が被加工材に着座して締付けトルクが高くなり、それに伴いインターナルギア123に作用する反力が摩擦クラッチ装置171の摩擦力を超えると、固定側摩擦クラッチ板175と可動側摩擦クラッチ板173の摩擦接触面間に相対滑りが生じ、当該インターナルギア123が回転し始める。そのため、スピンドル117の回転速度が減速される。この状態は半クラッチとも呼ばれる。
そして、ネジ等の締付けトルク値が更に上昇して設定トルク値を超えると、トルクセンサ147及びコントローラ149を通じてソレノイド177の励磁コイルが通電される。これにより可動鉄心177bがコイルバネ185に抗して固定側摩擦クラッチ板175が可動側摩擦クラッチ板173から離間される。この状態が図14の(B)に示される。このため、インターナルギア123に対する回転抵抗が解除されて当該インターナルギア123の回転が許容される。すなわち、反力受け部材であるインターナルギア123が自由に回転される結果、駆動モータ111の回転出力のスピンドル117への伝達が遮断されて当該スピンドル117の回転が停止される。これによりネジ等の締付け作業が終了する。なお、ネジ等の締付け作業終了後は、第1の実施形態の場合と同様、駆動モータ111の駆動が停止され、またソレノイド177の励磁コイルの通電が遮断される。
このように、本実施の形態によれば、ネジ等の締付け作業時において、締付け開始からネジ等が被加工材に着座するまでの過程では、摩擦クラッチ装置171によってインターナルギア123を回転しないように回転抵抗を付与し、締付け作業が終了に近づいた着座後には、摩擦クラッチ装置171による回転抵抗を解除し、インターナルギア123を自由に回転させ、いわばクラッチの如く機能させることによって、目標トルク値でネジ等を締付け、当該締付け作業を終了することができる。このため、第1の実施形態の場合と同様に、機械式クラッチを用いて動力伝達を遮断して締付け作業を終了する場合のような急激なトルク変動が発生することがなく、締付け作業を円滑に遂行することができる。
また、本実施の形態においては、図14に示すように、ソレノイド固定ケース187が2部品で構成されている。一方の部品は、ソレノイド本体部177aを収容固定するとともに、軸方向の一端側に雌ネジ188aを備えた筒状のソレノイド保持部188として備えられる。他方の部品は、ソレノイド保持部188の雌ネジ188aに螺合する雄ネジ189aを有するケース固定部189として備えられる。そして、ソレノイド保持部188とケース固定部189とは、雌ネジ188aと雄ネジ189aとの螺合構造によって組み合わされている。従って、ソレノイド保持部188とケース固定部189は、長軸線回りに相対回動させることでソレノイド177の動作方向に関する相対位置が調整可能とされ、これによりコイルバネ185の初期弾発力を適宜に定めることができる。すなわち、本実施の形態によれば、摩擦クラッチ装置171の摩擦力を微調整することができる。
また、本実施の形態によれば、摩擦クラッチ装置171によってインターナルギア123を制御する方式としたことによって、当該摩擦クラッチ装置171を外側ハウジング105の内部空間における駆動モータ111の下方領域に当該駆動モータ111と並列に配置することができる。その結果、本体部103の長軸方向寸法が短縮されるため、ハンドグリップ109からドライバビット119先端までの距離が短くなり、ネジ等の締付け作業がやり易くなる。
なお、第4の実施形態では、摩擦クラッチ装置171の摩擦抵抗を利用してインターナルギア123の回転を制止する構成としたが、これに変えてインターナルギア123に対して周方向において係合することでインターナルギア123の回転を規制し、軸方向又は径方向に退避動作して上記係合を解除することでインターナルギア123の回転を許容する回転ストッパを用いてもよい。
また、上述した各実施形態は、動力工具としてスクリュードライバを例にとって説明したが、ネジ等の締付け作業に用いられる締付け工具のみならず、穴開け作業に用いられるドリル、ハツリ作業や穴開け作業に用いられるハンマ、ハンマドリル、切断作業に用いられる木工用あるいは金工用の丸鋸や電動カッター等に適用してもよい。
本発明の趣旨に鑑み、以下の如き態様を構成できる。
(態様1)
「請求項4に記載の動力工具であって、
前記ステータの前記作業工具本体に対する回転抵抗を制御する手段は、ブレーキ装置であり、当該ブレーキ装置は、前記ステータの軸方向一端部に対して軸方向に押圧して当該ステータの回転を規制するブレーキシューを有する。」
(態様2)
「請求項5に記載の動力工具であって、
前記ステータを駆動させるための駆動源は、サブモータであり、当該サブモータは、前記作業工具本体の内部空間に前記モータと並列に配置されていることを特徴とする。」
101 電動スクリュードライバ(動力工具)
103 本体部(作業工具本体)
105 外側ハウジング
106 収容部
107 内側ハウジング
108 バッテリパック
109 ハンドグリップ
109a トリガ
111 駆動モータ(モータ)
111A ステータ(反力受け部材)
111B ロータ
112 モータ軸
113 遊星歯車機構(減速機構)
115 駆動軸
117 スピンドル(出力部)
118 ビット保持器
119 ドライバビット(先端工具)
121 第1太陽ギア
123 インターナルギア(反力受け部材)
125 第1遊星ギア
127 第1キャリア
129 第2太陽ギア
131 第2遊星ギア
133 第2キャリア
135 軸受
137 外歯
141 被動ギア
142 軸受
143 軸受
144 駆動ギア
145 小型モータ(出力可変手段)(駆動源)
147 トルクセンサ(状態検知手段)
149 コントローラ
151 ブレーキ装置
152 ブレーキリング
152a 接触面
153 ブレーキシュー
153a 接触面
153b 突部
154 アーム部
155 ソレノイド
155a 可動鉄心
157 付勢バネ
161 小型モータ(出力可変手段)
163 駆動ギア
165 距離センサ(状態検知手段)
171 摩擦クラッチ装置
173 可動側摩擦クラッチ板
175 固定側摩擦クラッチ板
177 ソレノイド
177a ソレノイド本体部
177b 可動鉄心
179 クラッチ軸
181 軸受
183 歯車
185 コイルバネ
187 ソレノイド固定ケース
188 ソレノイド保持部
188a 雌ネジ部
189 ケース固定部
189a 雄ネジ部

Claims (6)

  1. モータと、
    前記モータによって回転駆動される出力部と、
    前記動力工具の所定の作業状態を検知する状態検知手段と、
    前記モータを定常駆動しつつ前記出力部の回転速度を無段階に変速させる出力可変手段と、
    前記状態検知手段の検知信号に基づいて前記出力可変手段の駆動制御を行うコントローラと、
    前記出力部の回転軸線方向に延在する軸線周りに回転可能に配置され、前記出力部に作用する出力の反力を受ける反力受け部材と、を備えており、
    前記コントローラが、前記状態検知手段が検知した所定の作業状態に応じて前記出力可変手段を駆動制御することで当該出力可変手段が前記反力受け部材の前記軸線周りの回転速度を制御し、前記出力部の回転速度を無段階に変速させることを特徴とする動力工具。
  2. 請求項に記載の動力工具であって、
    前記モータを収容する作業工具本体を有し、
    前記モータは、前記出力部を回転駆動するロータと、当該ロータに回転モーメントを生じさせるとともに、前記作業工具本体に回転可能に装着されたステータとを有し、
    前記反力受け部材は、前記ステータであり、当該ステータの回転速度を制御することによって前記出力部の回転速度を制御することを特徴とする動力工具。
  3. 請求項に記載の動力工具であって、
    前記ステータの前記作業工具本体に対する回転抵抗を制御することで前記ステータの回転速度を制御することを特徴とする動力工具。
  4. 請求項に記載の動力工具であって、
    前記ステータを駆動させるための駆動源を有することを特徴とする動力工具。
  5. 請求項に記載の動力工具であって、
    記状態検知手段が、前記所定の作業状態を検知した際に、前記出力部の回転速度がゼロとなるように前記ステータの回転速度を制御することを特徴とする動力工具。
  6. モータと、
    前記モータを収容する作業工具本体と、
    前記モータによって回転駆動される出力部と、
    前記モータを定常駆動しつつ前記出力部の回転速度を無段階に変速させる出力可変手段と、
    前記出力部に作用する出力の反力を受ける反力受け部材と、を備えており、
    前記モータは、前記出力部を回転駆動するロータと、当該ロータに回転モーメントを生じさせるとともに、前記作業工具本体に回転可能に装着されたステータとを有し、
    前記反力受け部材は、前記ステータであり、前記出力可変手段が当該ステータの回転速度を制御することによって前記出力部の回転速度を無段階に変速することを特徴とする動力工具。
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