JP5496190B2 - インパクト工具 - Google Patents

Description

本発明は、動力工具に関し、詳細には衝撃トルクを加える改良型のインパクト工具に関する。

ナット、ボルト、ねじなどの締結具にトルクを加える一般的な動力工具は、連続駆動又は断続駆動の手段を使用する。連続駆動と比較すると、断続駆動に基づく断続的な出力回転を提供するインパクト工具は、より高いピークトルクを締結具に加えることができ、それと同時に、ユーザに与えるトルク（反動）を比較的低くすることができる。また、この種のインパクト工具は、工具サイズがコンパクトであるという利点を有しており、さらに、断続駆動を実現する構成は、一般的に、木材にねじを螺入するなどの用途において、駆動部分（ビット）と被駆動部分（ねじ頭）との間の係合を維持するのに役立つ。これは、駆動部分（ビット）の非駆動期間中に、駆動部分（ビット）と被駆動部分（ねじ頭）とが再係合することによる。

断続駆動を実現する手段としては、一般的に、ハンマ１０及びアンビル１１から成る回転機構（図１６参照）が利用されている。ハンマ１０は、入力シャフトにカム機構を介して接続されており、そこから締め付け対象の締結具に接続されたアンビル１１に衝突するまで、モータによって回転させられる。衝撃を受けたとき、出力シャフトは、角運動量の伝達によって所定量だけ回転する。アンビル１１への衝突によりハンマ１０が減速するとカム機構により、ハンマ１０はアンビル１１から分離され、それにより、ハンマ１０は再び加速して衝突動作を繰り返すことができる。

なお、上述したハンマ１０等を備えた従来のインパクト工具を開示する先行技術文献として、例えば下記特許文献１等が存在している。

特開２０００−４２９３６号公報 米国特許第３４２４０２１号明細書

しかしながら、上述した断続駆動の手段を使用するインパクト工具の問題点は、それらの工具が一般的に、高騒音、高振動、高減損及び高摩耗を伴うことである。

本発明は、上記問題点の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、一定の入力回転運動に対して、断続運動及び正逆転運動を含む変化する出力回転運動を可能にする非円形歯車を含む常時噛み合い式のギヤボックスを用いることによって、これらの問題点に対処することにある。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

本発明に係るインパクト工具は、グラウンドに所与の条件で接続されるように設計された周期的に変化する角速度及び／又はトルクを有する回転運動を提供するインパクト工具であって、前記角速度及び／又はトルクが１回転の期間中実質的に一定である回転運動を提供する入力シャフトと、前記角速度が前記入力シャフトの角度の関数として変化する出力シャフトと、前記入力シャフトの回転運動を前記出力シャフトに伝達する駆動列であって、前記入力シャフトに関連づけられた静止太陽歯車（１）及び被駆動遊星歯車（２）からなる第１の歯車対（１、２）と、前記出力シャフトに関連づけられた駆動遊星歯車（３）及び出力太陽歯車（４）からなる第２の歯車対（３、４）とを含む２対以上の歯車（１、２、３、４）を備えるギヤボックスと、を含み、前記歯車（１、２、３、４）が、それぞれピッチ円の半径ｒ_１（Θ）、ｒ_２（Θ）、ｒ_３（Θ）及びｒ_４（Θ）を有し、前記Θが、被駆動遊星歯車（２）と駆動遊星歯車（３）とを接続する遊星シャフト（７）の角度位置を表し、前記歯車（１、２、３、４）の半径が、少なくとも０≦Θ≦２πの角度範囲であるとき、下記不等式、
ｒ_１（Θ）・ｒ_３（Θ）／ｒ_２（Θ）・ｒ_４（Θ）＞１
を満足するように前記駆動列が構成されることで、駆動サイクルの少なくともある部分の間において前記出力シャフトの回転方向が逆転することを特徴とする。

本発明に係るインパクト工具において、ζを減衰比、ｗｎをインパクト工具とグラウンドへの接続とを含む系の回転固有振動数としたときに、出力サイクル振動数が、
ｓｑｒｔ（２×（１−２ζ））ｗｎ
によって定義される計算サイクル振動数よりも大きくなるように設定されることが好適である。なお、上式中の「ｓｑｒｔ」は、平方根（square root）を示している（以下同様）。

また、本発明に係るインパクト工具は、グラウンドに所与の条件で接続されるように設計された周期的に変化する角速度及び／又はトルクを有する回転運動を提供するインパクト工具であって、前記角速度及び／又はトルクが１回転の期間中実質的に一定である回転運動を提供する入力シャフトと、前記角速度が前記入力シャフトの角度の関数として変化する出力シャフトと、前記入力シャフトの回転運動を前記出力シャフトに伝達する駆動列であって、前記入力シャフトに関連づけられた第１の歯車対（１、２）と、前記出力シャフトに関連づけられた第２の歯車対（３、４）とを含む２対以上の歯車（１、２、３、４）を備えるギヤボックスと、を含み、ζを減衰比、ｗｎをインパクト工具とグラウンドへの接続とを含む系の回転固有振動数としたときに、出力サイクル振動数が、
ｓｑｒｔ（２×（１−２ζ））ｗｎ
によって定義される計算サイクル振動数よりも大きくなるように設定されることを特徴とする。

本発明に係るインパクト工具では、前記グラウンドへの接続がユーザによって提供され、前記出力サイクル振動数が、１４Ｈｚよりも大きい振動数であることが好適である。

また、本発明に係るインパクト工具において、当該インパクト工具は、ねじを締め付けるために使用されるものであり、前記出力シャフトの正転運動（ねじの締め付け方向への回転運動）が工具部材と前記ねじとの分離を引き起こし、その後の逆転運動が、前記工具部材と前記ねじとの再係合を引き起こすように構成することができる。

さらに、本発明に係るインパクト工具では、使用時において、サイクル振動数が系全体の固有振動数よりも実質的に大きくなるように構成されていることが好適である。

またさらに、本発明に係るインパクト工具では、グラウンド（例えば、把持しているユーザ）に作用するトルクを低減するために、前記出力シャフトが回転している時間と前記出力シャフトが停止している時間の比を設定自在とすることができる。

さらにまた、本発明に係るインパクト工具では、入力側のトルクを感知し、そこから既知の歯車比と系の角度位置についての情報とを使用して出力側のトルクを計算するための、出力トルクを間接的に感知する手段をさらに備えることができる。

また、本発明に係るインパクト工具において、当該インパクト工具は、ねじを締め付けるために使用されるものであり、非駆動期間同士の合間の駆動期間中に前記工具部材を前記ねじから分離することを回避するために、前記出力シャフトの回転角が、小さくなるように構成することができる。

また、本発明に係るインパクト工具において、当該インパクト工具は、ねじを締め付けるために使用されるものであり、前記出力シャフトの逆転角度が、駆動期間中における前記工具部材と前記ねじとの分離の後に、前記工具部材と前記ねじとを再係合させるように構成することができる。

さらに、本発明に係るインパクト工具では、前記ギヤボックスに含まれる回転体（１８６）が、被駆動遊星歯車（２（１７３））と駆動遊星歯車（３（１７２））とを接続する遊星シャフト（７（１７４））とのバランスを取るためのバランスウェイト部（１８６ａ）を備えることとすることができる。

本発明によれば、高騒音、高振動、高減損及び高摩耗といった従来の問題点を解消したインパクト工具を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る非円形ギヤボックスの構成を説明するための概念図である。 図２は、入力の角度Θの関数として変化する歯車比を示したグラフ図である。 図３は、本実施形態の非円形歯車を遊星ギヤボックス構成で配置した形態を例示する図である。 図４は、一般的なねじ頭とねじ駆動ビットの端面を示す図である。 図５は、本実施形態に係るインパクト工具の構成を例示するブロック図である。 図６は、本実施形態に係る系全体の固有振動数とサイクル振動数との間の関係を示すグラフ図である。 図７は、本発明が取り得る別の実施形態例を示す図である。 図８は、本発明が取り得るさらに別の実施形態例を示す図である。 図９は、本発明を実現する非円形遊星歯車／非円形太陽歯車対の一例を示す図である。 図１０は、本実施例に係るインパクト工具の全体構成を示す縦断面右側面図である。 図１１は、本実施例に係るインパクト工具の要部構成を説明するための要部分解斜視展開図である。 図１２は、本実施例に係る非円形遊星歯車を示す図であり、図中の（ａ）が後方側面を、図中の（ｂ）が断面を示している。 図１３は、本実施例に係る出力シャフト付きの非円形太陽歯車を示す図であり、図中の（ａ）が後方側面を、図中の（ｂ）が断面を示している。 図１４は、騒音測定方法を説明するための図である。 図１５は、本発明が取り得るさらにまた別の実施形態例を示す図である。 図１６は、断続駆動を実現する手段として一般的に用いられる、ハンマ及びアンビルから成る回転機構を例示する図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図５は、本実施形態に係るインパクト工具の構成を例示するブロック図である。本実施形態に係るインパクト工具は、所望の平均トルク特性及び平均速度特性を達成するように、例えば、モータシャフト１６によって従来のギヤボックス２５に結合されたモータ（電磁気、空気圧又は他の動力を使用するモータ）１４を備えている。

ギヤボックス２５に設置された入力シャフト２６は、非円形歯車を含む非円形ギヤボックス１８に駆動力を提供し、次いで、非円形ギヤボックス１８が出力シャフト１７を駆動する。この非円形ギヤボックス１８の入力角速度と出力角速度との比は、入力シャフト２６の角度の関数として表すことができる。出力シャフト１７は、衝撃トルクを伝達する対象である工具部材２２、例えばナット又はねじなどといった機械式締結具に、一般的に分離可能に接続される。

図１は、本実施形態に係る非円形ギヤボックス１８の構成を説明するための概念図である。図１に示されているように、非円形ギヤボックス１８は、入力歯車２３及び出力歯車２４を含み、これらの歯車２３、２４は、それぞれ、それらの全周にわたって変化する半径を有する。ここで、歯車比を以下のように定義する。
ω_２＝Ｒω_１

上式で、ω_１は従来のギヤボックス２５に設置された入力シャフト２６によって提供される入力角速度であり、Ｒは歯車比であり、ω_２は出力シャフト１７の出力角速度である。図１にて示されているような２歯車駆動列では、対合した２つの歯車２３、２４のその時点の接触点における半径の比から、以下のように歯車比を知ることができる。
Ｒ＝ｒ_１／ｒ_２

上式で、ｒ_１は入力歯車２３のピッチ円の半径であり、ｒ_２は出力歯車２４のピッチ円の半径である。角度Θの関数として半径が変化する一対の非円形歯車を有することにより、入力の角度Θの関数として変化する歯車比（図２参照）を達成することが可能であり、したがって、全体としてＲ、ｒ_１及びｒ_２を、Ｒ（Θ）、ｒ_１（Θ）及びｒ_２（Θ）に置き換えることとする。

ここで説明する構成では、一定速度の入力が、入力シャフト２６の角度と時間の両方に対して変化する出力速度を与える。そして、トルクは、Ｔ_１を入力トルク、Ｔ_２を出力トルクとすると、
Ｔ_２＝Ｔ_１／Ｒ（Θ）
によって与えられるため、この変化する歯車比により、変化するトルク出力を提供することを可能にする。

グラウンド２１に伝達されるトルクが、出力によって加えられるトルクよりも低いことを保証するため、出力サイクル振動数は、
ｓｑｒｔ（２×（１−２ζ））ｗｎ
（「計算サイクル振動数範囲（Calculated
Cycle Frequency Range）」と呼ばれる）
よりも大きくなるように設定される。上式で、ζは減衰比、ｗｎはインパクト工具とグラウンド２１への接続とを含む系の回転固有振動数である。本実施形態に係るインパクト工具のユーザの場合、この計算サイクル振動数範囲は、１４Ｈｚよりも大きい振動数であると示すことができる。

本実施形態のさらなる改良点は、上述した非円形歯車２３、２４を遊星ギヤボックス構成で配置したことである。図３に示すように、一対の円形歯車１、２は、一対の非円形歯車３、４と組み合わせることができる。なお、変形例として、図３で示した構成を逆にし、符号１、２で示した一対の歯車が非円形歯車、符号３、４で示した一対の歯車が円形歯車であるようにすることもできる。さらに、全ての歯車を非円形歯車とすることもできる。

入力シャフト５は、駆動アーム６に剛連結されており、その結果、入力シャフト５が回転したときに、駆動アーム６は同じ量だけ回転する。これにより、遊星シャフト７は、入力シャフト５の軸の周りを一定の半径で周回する。遊星シャフト７は、駆動アーム６によって駆動されたときに、それ自体の軸の周りを自由に回転する。被駆動遊星歯車２は、遊星シャフト７に剛連結される。この遊星シャフト７の角度をΘと呼ぶことにする。被駆動遊星歯車２が静止太陽歯車１の周りを移動すると、それにより、被駆動遊星歯車２がその軸に対して回転し、それによって遊星シャフト７の回転を駆動する。この回転が、遊星シャフト７に剛連結された駆動遊星歯車３を駆動する。次いで、駆動遊星歯車３が、出力太陽歯車４を回転させ、それによって出力シャフト２７の回転を駆動する。

図３に示すような歯車配置は、従来技術、例えば上掲した特許文献２によって知られている。

このような系の歯車比は以下のとおりである。
Ｒ（Θ）＝１−ｒ_１（Θ）・ｒ_３（Θ）／ｒ_２（Θ）・ｒ_４（Θ）

上式で、Θは遊星シャフト７の角度である。歯車１、２、３及び４が円形であれば、ｒ_１（Θ）＝ｒ_１＝一定、ｒ_２（Θ）＝ｒ_２＝一定、ｒ_３（Θ）＝ｒ_３＝一定、ｒ_４（Θ）＝ｒ_４＝一定であり、したがって、歯車比Ｒ（Θ）＝Ｒ＝一定となる。しかしながら、前述のように一対の歯車を非円形とした場合には、Ｒ（Θ）は一般にΘの関数として変化する。また、ある時間範囲の間、ｒ_１（Θ）＝ｒ_４（Θ）及びｒ_２（Θ）＝ｒ_３（Θ）である場合には、Ｒ（Θ）＝０であり、出力は停止し、その一方で入力は回転し続ける。これによって断続的な駆動が得られる。

入力シャフト５に付随する慣性は、非駆動期間中は加速し、駆動期間中は減速する。そのため、出力シャフト２７におけるトルクは、例えばモータによって提供される駆動トルクと慣性の減速に対する反作用との組み合せである。したがって、このような構成は、モータによる直接駆動よりも高いトルクを加えることを可能にする。

なお、静止太陽歯車１上の内歯車形式、及び／又は、出力太陽歯車４上の内歯車形式を有する同様のシステムを実現することも可能である。

さらに、歯車ピッチ円半径の依存形式ｒ_ｎ（Θ）（ｎ＝１、２、３、４）は、出力速度の変化率に影響を与える。速度の急変を回避するために、速度が十分にゆっくりと増大するように、歯車ピッチ円半径の依存形式を選択することができる。速度を比較的にゆっくりと増大させることによって、非常に高い加速が回避されるので、その結果として騒音及び振動が低減する。

他に採り得る変更形態としては、サイクル中のΘ＝Θ_ｒｅｖ１からΘ＝Θ_ｒｅｖ２（０≦Θ_ｒｅｖ１，Θ_ｒｅｖ２≦２π）のある角度又はある角度範囲で、ｒ_１（Θ）・ｒ_３（Θ）＞ｒ_２（Θ）・ｒ_４（Θ）となり、いくつかの点で、ｒ_１（Θ）・ｒ_３（Θ）＜ｒ_２（Θ）・ｒ_４（Θ）となるように、ピッチ円半径を選択することを含む（すなわち、０≦Θ≦２πの角度範囲であるときに、ｒ_１（Θ）・ｒ_３（Θ）／ｒ_２（Θ）・ｒ_４（Θ）＞１である場合と、ｒ_１（Θ）・ｒ_３（Θ）／ｒ_２（Θ）・ｒ_４（Θ）＜１である場合とを含む。）。こうすると、Θ_ｒｅｖ１＜Θ＜Θ_ｒｅｖ２であるときには、常に回転方向を逆転させる出力が得られる。これを、木材にねじを螺入するなどの用途で利用することができる。ねじの螺入中に、ねじを螺入する連続駆動は、出力シャフト・インタフェース（しばしば、「ビット」と呼ばれる）と被駆動部分（ねじ頭）との間の接続の分離を引き起こすことがあり、これは、当技術分野では「カムアウト（cam-out）」として知られている現象である。本発明では、最初に、それぞれの駆動サイクル中に少量だけ前進させることによって、所与のサイクルでのビットとねじ頭の分離が回避される。さらに、非駆動中に、ある角度にわたって逆転させることによって、ビットとねじ頭は再係合し、複数のサイクルにわたるカムアウトを制限し、又は防ぐ。この様子が、図４に示されている。図４には、一般的なねじ頭８とねじ駆動ビット９の端面図が示されている。これらは最初、十分に位置合わせされており、駆動中にそれらは分離し始め、駆動期間の後、逆転が再係合を容易にする。

モータ１４が、ある方法、例えば電磁場又は空気圧によってケース１５にトルクを伝達することができる構成を考えてみる。前記モータ１４は、ある連結シャフト（モータシャフト１６）を介して、前述のタイプのうちの１つのタイプの非円形ギヤボックス１８を駆動する。この非円形ギヤボックス１８は、機械的に又は他の方式で、ケース１５及び出力シャフト１７に接続され、そこから、ある工具部材２２に接続される。

ある１つの駆動期間の始めから次の駆動期間までにかかる全時間を考えると、グラウンド２１に伝達されるピークトルクにおける出力シャフト１７の「サイクル周期」（これの逆数が「サイクル振動数」である）の利益を達成することができる。この系が、ねじりばね１２及びねじりダンパ１３に近似の系、例えば人間の腕によってグラウンド２１に固定されているとみなされ、ある回転慣性を有する場合、系全体の固有振動数とサイクル振動数との間の関係が、グラウンド２１に加えられるピークトルクを決定する。サイクル振動数が無限である極端なケースでは、グラウンド２１は、工具部材２２が受けるのと同じピークトルクを受ける。サイクル振動数と系の固有振動数が収束すると、グラウンド２１が受けるピークトルクはさらに増大する。しかしながら、サイクル振動数が系全体の固有振動数を超えて増大すると、グラウンド２１が受けるトルクは、ピークトルクよりも低くなる。

図６は、固有振動数１４Ｈｚでのこの効果を示し、ｙ軸は、入力された力に対する出力された力の比と定義される「伝達率」を示し、ｄＢで示されている。したがって、歯車形式を適当に選択することによって、この有利な振る舞いを達成するように、サイクル振動数を選択することができる。さらに、伝達されるトルクの大きさは、出力シャフト１７が回転している時間と出力シャフト１７が停止している時間の比によって決定される。全衝撃は、グラウンド２１と工具部材２２との間で保存されなければならないため、高トルクが短時間の間、工具部材２２に加えられる場合には、これを、より長時間にわたってグラウンド２１に加えられるはるかに低いトルクと釣り合わせることができる。つまり、本実施形態に係るインパクト工具が、グラウンドに作用するトルクを低減するために、出力シャフト１７が回転している時間と出力シャフト１７が停止している時間の比を設定自在とする手段を備えることによって、出力側のトルクを制御することができる。

上述した実施形態の他の利点としては、入力と出力の間で常時噛み合いが達成されることである。入力トルクと出力トルクの間に相関関係がない従来のインパクト工具とは違い、本実施形態に基づく構成は、入力トルクと出力トルクとの間に相関関係がある。これによって、入力側のトルクを感知し、そこから既知の歯車比と系の角度位置についての情報とを使用して出力側のトルクを計算することができる。つまり、本実施形態に係るインパクト工具が出力トルクを間接的に感知する手段をさらに備えることによって、出力側のトルクを計算することができる。

上述したこれらの手段は、例えば締結具に加えられるトルクを制御する際に有用である。電磁モータが使用される場合、電流及び電圧についての情報からモータのトルクを得ることができる。したがって、本実施形態の一例として、本発明は電子トルクセンシングを含む。

上述した本実施形態の１つの利点は、インパクト機構の除去及び出力シャフトのより緩やかな加速のため、既存のインパクト工具に比べて低騒音であることである。同様に、本実施形態は、デバイスによって生み出される振動を低減させる。さらに、高減損の衝突及び摺接を、歯車の転がり接触に置き換えることにより、本実施形態は低い減損を有する。これはさらに、低摩耗の利点をもたらし、さらには長寿命をもたらす。

当業者であれば、上述した本実施形態に係るインパクト工具が、ドライバ・ドリル及びインパクト・ドライバを含む動力工具全般に対して利益をもたらすことができることを理解するであろう。さらに、回転往復動作が必要な場合、例えば生垣刈込み機（ヘッジトリマ）の場合に、このようなシステムを使用することができる。

また例えば、ラック・ピニオンを使用して、単純な「回転−直線」変換を実現することにより、本実施形態を他のデバイス、とりわけ往復動鋸デバイスに適用することも可能である。

さらに、本実施形態の他の利点は、本実施形態に基づくデバイスの特性が、モータ及びギヤボックスの所与の組み合せに関して、ドライバ・ドリルなどの従来技術の直接駆動デバイスよりも高い出力トルクを可能にしており、これにより、トルクが等しい場合にはデバイスのサイズを低減させることができることにある。本実施形態の衝撃機構の使用はさらに、ドライバ・ドリルなどの直接駆動デバイスと比較したときに、所与の出力トルクに関して、デバイスによって機械的な「グラウンド（例えばユーザ）」に加えられるトルクを低減させることができる。またさらに、（ビットを使用したねじの螺入など）接触が失われる可能性がある用途では、逆転がビットとねじ頭の間の再係合を可能にするので、これにより、係合が失われることを回避することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、インパクト・ドライバとして知られているタイプの動力工具の代替工具として使用することを含む多くの用途に対して適当な特定の実施形態が、図７に示されている。入力シャフト７１は、遊星シャフト７４がその中に装着された回転体７８を駆動し、遊星シャフト７４は、それ自体の軸の周りを自由に回転する。遊星シャフト７４には、円形遊星歯車７３及び非円形遊星歯車７２が装着されている。これらの歯車７２、７３は互いに接続され、ギヤボックスからの相当なトルク能力が必要な場合には、一体に形成することによって接続されることが好ましい。円形遊星歯車７３は、メカニカル・グラウンドに接続された円形太陽歯車７６の作用によって回転する。したがって、非円形遊星歯車７２は、円形遊星歯車７３によって駆動される。その結果、非円形遊星歯車７２が非円形太陽歯車７５を駆動する。この非円形太陽歯車７５は、出力シャフト７７に接続されるとともに、出力シャフト７７を駆動する。

図７にて示した実施形態は、図３に示された構成に比べて相当の利点を有する。機構の入力シャフト７１端ではなく、出力シャフト７７端で円形太陽歯車７６をグラウンドに接続することは、回転体７８内の両端で遊星シャフト７４を支持することを可能にする。回転体７８内の両端で遊星シャフト７４を支持することによって、遊星シャフト７４に加わる所与のモーメントに関して、遊星シャフト７４の両端の垂直荷重が低減され、より高強度のギヤボックスを形成し、より軽くよりコンパクトなギヤボックス構造を可能にする。さらにこの構成は、これらの歯車７２、７３の間に軸受を収容する必要なしに、円形遊星歯車７３と非円形遊星歯車７２を単一部品として形成することを可能にする。これらの歯車７２、７３間においては、相当のトルクが伝達されるため、かかる構成によって、このユニットの強度が高められる。

入力シャフト上に追加の減速ギヤボックスが必要な場合には、系全体のサイズを低減させる可能性もある。図８に示されたさらに別の実施形態は、回転体８６上に直接に構築された追加の減速ギヤボックスを示す。入力シャフト８５は太陽歯車８１を駆動し、太陽歯車８１は１つ又は複数の遊星歯車８２に作用し、遊星歯車８２は、グラウンドに接続された円形内歯車８４内を移動する。遊星歯車８２のシャフト８３が、回転体８６の軸の周りの回転駆動を提供する。また、回転体８６には、シャフト８３を都合よく設置することができる。このことは、図３に示された構成の入力に追加の別個の減速ギヤボックスを取り付けることに比べて、相当な単純化及びサイズ低減を達成する。

従来技術のインパクト・ドライバで４．５×９０ｍｍのねじを乾燥した松材に螺入する場合、螺入の中間点（ねじの約４５ｍｍが木材に螺入されたとき）において、一般的にハンマ１回の衝突によってねじが９０度回転することがわかっている。１回の衝突に要する時間は、１５ｍｓなので、このパルス列の振動数は６７Ｈｚである。これは、工具／ユーザ系の固有振動数よりもかなり高い。また、ユーザに伝達されるトルクは、ねじに加えられるトルクを時間平均したものになる。したがって、ユーザは、ねじに加えられる高トルク・パルスを受けない。さらに、一般的なインパクト・ドライバの分析は、ワースト・ケース条件であるカムアウト条件下では、ねじに対するビットの１０度の逆転が一般的であることがわかった。

適当な非円形歯車形式及び円形歯車サイズを選択することにより、前述の従来技術のインパクト・ドライバの振る舞いを、本発明を使用して、歯が常に係合したままの（衝突のない）ギヤボックス内において、同様の振る舞いとすることが可能である。これを達成する非円形遊星歯車９１／非円形太陽歯車９２対の一例が、図９に示されている。それぞれの歯車９１、９２は、実質的に同様のモジュールの１４個の歯を有する。これらの歯車９１、９２を、図７又は図８に示されたタイプのギヤボックス内において、遊星：太陽比＝０．７６５の円形歯車（例えば、ピッチ円径１３ｍｍの円形遊星歯車とピッチ円径１７ｍｍの円形太陽歯車）と組み合わせることができる。この構成は、出力シャフト（図７の符号７７及び図８の符号８７）を９５度正転させ、その後に、前記出力シャフト７７、８７を１０度逆転させる。

なお、上述した出力シャフト７７、８７の正転角度と逆転角度については、本発明を構成する歯車群の構成条件等によって変化するものである。例えば、出力シャフト７７、８７の逆転角度が一般的に１０度程度になることは代表的な数値を例示したに過ぎない。本発明の構成部材をその発明思想の範囲内で適宜変更することにより、本発明に係るインパクト工具の振る舞いを種々の設定に変更することが可能である。

これらの形式が図７に示された構成で使用されるとき、入力シャフト７１を１，５５６ｒｐｍで駆動すると、出力シャフト７７の駆動／逆転サイクルは、３４Ｈｚで起こる。この構成は、従来技術のデバイスの衝突なしでこれを達成できるので、操作中のより低い騒音レベルを達成した。

あるいは、図８に示された構成を使用することもできる。円形太陽歯車８１のピッチ円径が５ｍｍ、円形遊星歯車８２のピッチ円径が１７．５ｍｍ、円形内歯車８４のピッチ円径が４０ｍｍである場合、入力シャフト８５と回転体８６の間では、減速比９：１が達成される。したがって、入力シャフト８５を１４，０００ｒｐｍ（同様の動力工具で用いられる従来技術に係るモータの異常ではない速度）で回転させた場合、駆動／逆転サイクルは、３４Ｈｚで起こる。

したがって、ドライバ・ドリルと比べたときに、インパクト・ドライバの有益な特性を達成することが可能である。これらの有益な特性には、同様のねじ螺入時間、少ないカムアウトの発生、ねじに加えられる高いピークトルク及びその一方でユーザに加えられるより低いピークトルク、ならびに所与のトルク出力に対するサイズの低減が含まれる。さらに、インパクト・ドライバに比べ、大幅に低騒音、低振動、高効率及び低摩耗が達成される。

なお、上述した実施形態では、図４等を用いて、複数のサイクルにわたるカムアウト現象を制限及び防止する機構について説明した。すなわち、本実施形態では、最初に、それぞれの駆動サイクル中に少量だけ正転運動させることによって、所与のサイクルでのビットとねじ頭の分離が回避される。さらに、駆動中にそれらが分離し始めても、駆動期間の後、逆転によって再係合を容易にすることができる。また、これらの動作が、非円形ギヤボックス１８内に設置された常時噛み合った２歯車駆動列等によって実現されることを説明した。ただし、上述した実施形態には、さらなる好適な改良を加えることが可能であり、例えば、駆動期間中に工具部材をねじから分離することを回避するために、非駆動期間同士の合間の出力シャフトの回転角が、十分に小さくなるように構成することが好ましい。また、別の改良例として、出力シャフトの逆転角度が、駆動期間中における工具部材とねじとのわずかな分離の後に、工具部材とねじとを再係合させるように構成されることも好適である。このような改良によって、カムアウト現象を確実に防止することが可能となる。

また、図７及び図８等で例示した構成は本発明が取り得る一形態を例示したにすぎない。本発明は、上述した基本構成を有し、同様の作用効果を発揮する範囲内において、種々の変形形態を採用することができる。例えば、図７で示した実施形態の変形例として、図１５を示す。図１５にて示される実施形態は、非円形遊星歯車７２及び非円形太陽歯車７５を出力シャフト７７側に配置し、円形遊星歯車７３及び円形太陽歯車７６を入力シャフト７１側に配置した点で、図７と異なっている。図１５に示されている実施形態では、入力シャフト７１の先端に回転体７８が設置されている。入力シャフト７１が回転体７８を駆動すると、回転体７８に装着された遊星シャフト７４が遊星運動を行う。この遊星シャフト７４は、それ自体の軸の周りを自由に回転する。また、遊星シャフト７４には、非円形遊星歯車７２及び円形遊星歯車７３が装着されている。これらの歯車７２、７３は、遊星シャフト７４に対して互いに接続固定されている。円形遊星歯車７３は、メカニカル・グラウンドに接続された円形太陽歯車７６の作用によって回転する。したがって、非円形遊星歯車７２は、円形遊星歯車７３の回転運動に伴って回転駆動される。その結果、非円形遊星歯車７２が非円形太陽歯車７５を駆動する。この非円形太陽歯車７５には、出力シャフト７７が接続されているので、非円形太陽歯車７５の回転駆動に伴って出力シャフト７７が回転駆動することとなる。なお、図１５で示した実施形態は、非円形遊星歯車７２が非円形太陽歯車７５に対して対称位置となるように複数配置されているので、回転運動のバランスが良いという利点を有している。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

次に、図７及び図８を用いて例示した実施形態を具体的にインパクト工具に適用した実施例について、図１０〜図１３を用いて説明することとする。ここで、図１０は、本実施例に係るインパクト工具の全体構成を示す縦断面右側面図である。また、図１１は、本実施例に係るインパクト工具の要部構成を説明するための要部分解斜視展開図である。さらに、図１２は本実施例に係る非円形遊星歯車を、図１３は本実施例に係る出力シャフト付きの非円形太陽歯車を示す図であり、それぞれの図中の（ａ）が後方側面を、図中の（ｂ）が断面を示している。

図１０及び図１１に示すように、本実施例のインパクト工具１００は、バッテリ式のインパクト工具１００であって、モータ１１１等の駆動源を収容するハウジング１１０と、ハウジング１１０の下端部に着脱自在に設置されることによって当該モータ１１１に対する駆動電力の供給を行うバッテリパック１３０とを備えている。

ハウジング１１０は、モータ１１１や上述した本実施形態に係る非円形ギヤボックス１８に相当する駆動機構部１１５を収容するハウジング上部体１１０ａと、ユーザからの把持を受けるハウジング中央体１１０ｂと、バッテリパック１３０との接続機構を備えるハウジング下部体１１０ｃとによって構成されている。ハウジング下部体１１０ｃからハウジング中央体１１０ｂを経由してハウジング上部体１１０ａまで電力配線が施されており、バッテリパック１３０に充電された駆動電力をモータ１１１に対して供給できるようになっている。また、ハウジング中央体１１０ｂの上方前面側には、操作スイッチ１１２が設けられており、ハウジング中央体１１０ｂを把持したユーザは、この操作スイッチ１１２を好適に操作できるようになっている。

モータ１１１の前方に設置された駆動機構部１１５は、図７及び図８を用いて説明した本発明の機構を具体的に実現したものである。すなわち、本実施例に係る駆動機構部１１５は、モータ１１１が備えるモータ軸１１１ａに接続する太陽歯車１８１と、この太陽歯車１８１の周りに噛み合い接続する２つの遊星歯車１８２，１８２と、２つの遊星歯車１８２，１８２のさらに外周を取り囲む円形内歯車１８４とを備えている。モータ１１１への電力供給によってモータ軸１１１ａが回転すると、モータ軸１１１ａは太陽歯車１８１を駆動し、太陽歯車１８１は２つの遊星歯車１８２，１８２に作用し、遊星歯車１８２，１８２は、メカニカル・グラウンドとしてのハウジング上部体１１０ａに接続された円形内歯車１８４内を移動する。

２つの遊星歯車１８２，１８２の前方には、回転体１８６が設置されている。遊星歯車１８２のシャフト１８３がこの回転体１８６と接続しており、回転体１８６の軸の周りの回転駆動を提供する。

回転体１８６の回転中心から偏心した位置には、遊星シャフト１７４が設置されている。この遊星シャフト１７４は、回転体１８６の内部に収容される形式にて設置されており、遊星シャフト１７４の両方の軸端部は、回転体１８６内に設置されたニードルベアリング等の軸受１７４ａ，１７４ｂにて軸支されている。

また、遊星シャフト１７４には、前方側の軸端部に円形遊星歯車１７３が、後方側の軸端部に非円形遊星歯車１７２が装着されている。これらの歯車１７２、１７３は互いに剛体接続されており、さらに、遊星シャフト１７４の軸の周りを自由に回転することができるようになっている。

円形遊星歯車１７３は、メカニカル・グラウンドとしてのハウジング上部体１１０ａに固定接続された円形太陽歯車１７６と噛み合っている。すなわち、２つの遊星歯車１８２，１８２の回転によって回転体１８６が回転駆動されると、遊星シャフト１７４が円形太陽歯車１７６の周りを周回することとなり、その結果、この固定設置された円形太陽歯車１７６の周りを円形遊星歯車１７３が自転しながら公転することとなる。

円形遊星歯車１７３の上記回転駆動に伴って、非円形遊星歯車１７２も同様に回転駆動される。この非円形遊星歯車１７２には、出力シャフト１７７に接続された非円形太陽歯車１７５が噛み合っているので、非円形遊星歯車１７２の回転駆動に応じて非円形太陽歯車１７５が回転駆動され、その結果として出力シャフト１７７が回転駆動されることとなる。なお、非円形太陽歯車１７５に接続する出力シャフト１７７の回転軸中心は、回転体１８６の回転中心軸と重畳している。また、出力シャフト１７７の後方側の軸端部は回転体１８６内に設置された軸受にて支持されており、前方側の軸端部はビットホルダ１７９に接続されている。したがって、ビットホルダ１７９に設置されるドライバ等の工具は、出力シャフト１７７の回転駆動に応じて回転することとなり、外部に対して作業が実施できるようになっている。

なお、上述したように、回転体１８６は遊星歯車１８２の遊星運動に伴って回転駆動されることとなるが、その内部に設置される遊星シャフト１７４は偏心して設置されている。また、遊星シャフト１７４には、非円形遊星歯車１７２と円形遊星歯車１７３という重量部材が設置されている。したがって、回転体１８６が好適に回転運動をするためには、遊星シャフト１７４等の重量部材とバランスを取るためのバランスウェイトを設ける必要があった。そこで、本実施例に係る回転体１８６では、図１１に示すように、回転体の胴体中央部分を半割構造とし、遊星シャフト１７４の設置位置と対向する位置に半割構造からなるバランスウェイト部１８６ａを設ける構成を採用した。このバランスウェイト部１８６ａの設置によって、回転体１８６は安定した回転運動を行えるようになり、安定した操作性を有するインパクト工具１００を実現することが可能となった。

次に、本実施例に係るインパクト工具１００の動作について、図１０を参照して説明を行う。

本実施例に係るインパクト工具１００では、モータ１１１の駆動によってモータ軸１１１ａが回転駆動し、当該モータ軸１１１ａの回転力が太陽歯車１８１を回転させる。太陽歯車１８１が回転すると、太陽歯車１８１と円形内歯車１８４との間に設置された２つの遊星歯車１８２，１８２が遊星運動を行う。遊星歯車１８２が有するシャフト１８３は回転体１８６と接続しているので、２つの遊星歯車１８２，１８２が遊星運動を行うことで回転体１８６が回転駆動する。

回転体１８６が回転駆動すると、ハウジング上部体１１０ａに固定接続された円形太陽歯車１７６の作用によって円形遊星歯車１７３が回転し、この円形遊星歯車１７３と剛体接続された非円形遊星歯車１７２も、円形遊星歯車１７３と同様に回転駆動する。非円形遊星歯車１７２と円形遊星歯車１７３は、回転体１８６の内部に設置された遊星シャフト１７４に対して設置されているので、これら２つの歯車１７２、１７３は、遊星シャフト１７４の軸の周りを自由に回転しながら、回転体１８６の回転中心軸周りを周回運動することとなる。

以上のように遊星運動する非円形遊星歯車１７２には、非円形太陽歯車１７５が噛み合っており、さらにこの非円形太陽歯車１７５には、出力シャフト１７７が接続している。そして、非円形遊星歯車１７２の遊星運動に応じて非円形太陽歯車１７５が回転するので、その回転駆動力が出力シャフト１７７に伝達され、外部に対して所定のトルクを与えることができるようになっている。

なお、上述した実施形態で説明したように、本実施例に係るインパクト工具１００においても、２つの非円形歯車である非円形遊星歯車１７２及び非円形太陽歯車１７５の作用によって、出力シャフト１７７は、正転を行うとともに所定のサイクル期間で逆転動作を行うこととなる。かかる動作によって、カムアウトの防止等といった好適な効果が得られる。

さらに、本実施例に係るインパクト工具１００は、ハンマ１０等を備えた従来のインパクト工具とは異なり、複数の非円形歯車によってインパクト工具としての機構を実現した構成を備えていることから、負荷使用時において低騒音であるという好適な利点を備えている。かかる利点は、図１４及び表１によって示される、従来のインパクト工具と本実施例のインパクト工具１００を用いた騒音の比較測定の分析結果によって明らかとなっている。ここで、図１４は、騒音測定方法を説明するための図である。

今回実施した騒音測定方法は、乾燥米松（Dry Pine）からなる試験片１９０に対してφ４．５×９０ｍｍの木ねじを締め付けたときに発生する騒音を測定したものである。騒音の測定位置は、インパクト工具の後方向、左方向、上方向及び下方向に対してインパクト工具から１ｍ離れた位置とした。なお、騒音測定に際しては、Ａ特性周波数重み付け音圧レベル（A weighted sound pressure level）を付加して測定を行っている。また、騒音測定に使用したインパクト工具は、図１０等を用いて説明した本実施例のインパクト工具１００と、上記特許文献１に代表される従来のハンマ１０等を備えたインパクト工具である。以上の条件に基づき測定された騒音の測定結果を表１に示す。なお、表１は、負荷時における騒音の測定結果を比較した表である。

表１より明らかな通り、本実施例に係るインパクト工具１００の方が、従来技術に係るインパクト工具（インパクト・ドライバ）に比べて全測定位置で低い騒音レベルであることを確認した。また、測定された騒音結果の平均値を比較しても、５．０ｄＢ（Ａ）の差で本実施例に係るインパクト工具１００の方が低騒音を実現しており、本発明の優位性が確認された。

１ 静止太陽歯車、２ 被駆動遊星歯車、３ 駆動遊星歯車、４ 出力太陽歯車、５ 入力シャフト、６ 駆動アーム、７ 遊星シャフト、８ ねじ頭、９ ねじ駆動ビット、１０ ハンマ、１１ アンビル、１２ ねじりばね、１３ ねじりダンパ、１４ モータ、１５ ケース、１６ モータシャフト、１７ 出力シャフト、１８ 非円形ギヤボックス、２１ グラウンド、２２ 工具部材、２３ 入力歯車、２４ 出力歯車、２５ （従来の）ギヤボックス、２６ 入力シャフト、２７ 出力シャフト、７１ 入力シャフト、７２ 非円形遊星歯車、７３ 円形遊星歯車、７４ 遊星シャフト、７５ 非円形太陽歯車、７６ 円形太陽歯車、７７ 出力シャフト、７８ 回転体、８１ 太陽歯車、８２ 遊星歯車、８３ シャフト、８４ 円形内歯車、８５ 入力シャフト、８６ 回転体、８７ 出力シャフト、９１ 非円形遊星歯車、９２ 非円形太陽歯車、１００ インパクト工具、１１０ ハウジング、１１０ａ ハウジング上部体、１１０ｂ ハウジング中央体、１１０ｃ ハウジング下部体、１１１ モータ、１１１ａ モータ軸、１１２ 操作スイッチ、１１５ 駆動機構部、１３０ バッテリパック、１７２ 非円形遊星歯車、１７３ 円形遊星歯車、１７４ 遊星シャフト、１７４ａ，１７４ｂ 軸受、１７５ 非円形太陽歯車、１７６ 円形太陽歯車、１７７ 出力シャフト、１７９ ビットホルダ、１８１ 太陽歯車、１８２ 遊星歯車、１８３ シャフト、１８４ 円形内歯車、１８６ 回転体、１８６ａ バランスウェイト部、１９０ 試験片。

Claims (11)

1. グラウンドに所与の条件で接続されるように設計された周期的に変化する角速度及び／又はトルクを有する回転運動を提供するインパクト工具であって、
   前記角速度及び／又はトルクが１回転の期間中実質的に一定である回転運動を提供する入力シャフトと、
   前記角速度が前記入力シャフトの角度の関数として変化する出力シャフトと、
   前記入力シャフトの回転運動を前記出力シャフトに伝達する駆動列であって、前記入力シャフトに関連づけられた静止太陽歯車（１）及び被駆動遊星歯車（２）からなる第１の歯車対（１、２）と、前記出力シャフトに関連づけられた駆動遊星歯車（３）及び出力太陽歯車（４）からなる第２の歯車対（３、４）とを含む２対以上の歯車（１、２、３、４）を備えるギヤボックスと、
   を含み、
   前記歯車（１、２、３、４）が、それぞれピッチ円の半径ｒ_１（Θ）、ｒ_２（Θ）、ｒ_３（Θ）及びｒ_４（Θ）を有し、
   前記Θが、被駆動遊星歯車（２）と駆動遊星歯車（３）とを接続する遊星シャフト（７）の角度位置を表し、
   前記歯車（１、２、３、４）の半径が、少なくとも０≦Θ≦２πの角度範囲であるとき、下記不等式、
   ｒ_１（Θ）・ｒ_３（Θ）／ｒ_２（Θ）・ｒ_４（Θ）＞１
   を満足するように前記駆動列が構成されることで、駆動サイクルの少なくともある部分の間において前記出力シャフトの回転方向が逆転することを特徴とするインパクト工具。
2. 請求項１に記載のインパクト工具において、
   ζを減衰比、ｗｎをインパクト工具とグラウンドへの接続とを含む系の回転固有振動数としたときに、
   出力サイクル振動数が、
   ｓｑｒｔ（２×（１−２ζ））ｗｎ
   によって定義される計算サイクル振動数よりも大きくなるように設定されることを特徴とするインパクト工具。
3. グラウンドに所与の条件で接続されるように設計された周期的に変化する角速度及び／又はトルクを有する回転運動を提供するインパクト工具であって、
   前記角速度及び／又はトルクが１回転の期間中実質的に一定である回転運動を提供する入力シャフトと、
   前記角速度が前記入力シャフトの角度の関数として変化する出力シャフトと、
   前記入力シャフトの回転運動を前記出力シャフトに伝達する駆動列であって、前記入力シャフトに関連づけられた第１の歯車対（１、２）と、前記出力シャフトに関連づけられた第２の歯車対（３、４）とを含む２対以上の歯車（１、２、３、４）を備えるギヤボックスと、
   を含み、
   ζを減衰比、ｗｎをインパクト工具とグラウンドへの接続とを含む系の回転固有振動数としたときに、
   出力サイクル振動数が、
   ｓｑｒｔ（２×（１−２ζ））ｗｎ
   によって定義される計算サイクル振動数よりも大きくなるように設定されることを特徴とするインパクト工具。
4. 請求項２又は３に記載のインパクト工具において、
   前記グラウンドへの接続がユーザによって提供され、
   前記出力サイクル振動数が、１４Ｈｚよりも大きい振動数であることを特徴とするインパクト工具。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のインパクト工具において、
   当該インパクト工具は、ねじを締め付けるために使用されるものであり、
   前記出力シャフトの正転運動が工具部材と前記ねじとの分離を引き起こし、その後の逆転運動が、前記工具部材と前記ねじとの再係合を引き起こすことを特徴とするインパクト工具。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のインパクト工具において、
   使用時において、サイクル振動数が系全体の固有振動数よりも実質的に大きくなるように構成されていることを特徴とするインパクト工具。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のインパクト工具において、
   グラウンドに作用するトルクを低減するために、前記出力シャフトが回転している時間と前記出力シャフトが停止している時間の比を設定自在であることを特徴とするインパクト工具。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のインパクト工具において、
   入力側のトルクを感知し、そこから既知の歯車比と系の角度位置についての情報とを使用して出力側のトルクを計算するための、出力トルクを間接的に感知する手段をさらに備えることを特徴とするインパクト工具。
9. 請求項５に記載のインパクト工具において、
   当該インパクト工具は、ねじを締め付けるために使用されるものであり、
   非駆動期間同士の合間の駆動期間中に前記工具部材を前記ねじから分離することを回避するために、前記出力シャフトの回転角が、小さくなるように構成されることを特徴とするインパクト工具。
10. 請求項５に記載のインパクト工具において、
    当該インパクト工具は、ねじを締め付けるために使用されるものであり、
    前記出力シャフトの逆転角度が、駆動期間中における前記工具部材と前記ねじとの分離の後に、前記工具部材と前記ねじとを再係合させるように構成されることを特徴とするインパクト工具。
11. 請求項１又は２に記載のインパクト工具において、
    前記ギヤボックスに含まれる回転体（１８６）が、被駆動遊星歯車（２（１７３））と駆動遊星歯車（３（１７２））とを接続する遊星シャフト（７（１７４））とのバランスを取るためのバランスウェイト部（１８６ａ）を備えることを特徴とするインパクト工具。

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