JP6979605B2 - インパクト回転工具 - Google Patents

Description

本発明は、インパクト回転工具に関する。

特許文献１は、駆動部によって回転されるスピンドルと、スピンドルの回転軸線方向の前方に配置されたアンビルと、スピンドルの回転を回転打撃に変換してアンビルに伝達する回転打撃機構とを備えたインパクトレンチを開示する。回転打撃機構は、スピンドルの回転軸線を中心に回転可能かつ軸線方向に移動可能な主ハンマと、主ハンマが収容されるとともにスピンドルが挿通されて主ハンマと一体となって回転する副ハンマとを有する。このインパクトレンチでは、スピンドル側の案内溝と主ハンマ側の係合溝との間に鋼球を配置したカム構造が設けられ、主ハンマがカム構造により後退と前進を高速で繰り返すことでアンビルに回転力を付与する。

特許文献１に開示されるインパクトレンチにおいて、主ハンマおよび副ハンマは、それぞれ回転軸線に平行な４本の溝を備え、副ハンマの溝に嵌め込んだ針状コロに主ハンマの溝が係合される。この針状コロにより、主ハンマと副ハンマとが一体回転可能となり、また主ハンマが針状コロに沿って軸線方向に移動可能となる。

特許文献２は、インパクト機構によって軸回りの回転打撃が加えられる出力軸を備えたインパクト工具であって、回転方向インパクトの非発生時にも出力軸をその回転方向に付勢する付勢手段を備えたインパクト工具を開示する。

特開２０１４−２４０１０８号公報 特開２０１６−１７５１４４号公報

電動工具のトルク管理の目的で、様々な手法のモータ制御が実用化されている。インパクト回転工具では、推定した締付トルクが、設定された目標トルクに達した時点でモータ回転を自動停止するシャットオフ制御が実施されている。締付トルクの推定にアンビルのねじり歪みを検出するトルクセンサを使用する場合、トルク管理精度を高めるためには、トルクセンサが、実際の締付トルクに応じた歪み量を検出する必要がある。

しかしながら、アンビルと先端工具の間、先端工具と被締付部材の間には、周方向のクリアランス（遊び）が存在する。そのためハンマがアンビルを打撃して、トルクセンサが歪み量を検出したときには、先端工具は、まだ被締付部材に締付トルクを付与していない。ハンマによる打撃後、アンビルが先端工具を回転して周方向のクリアランスを詰めた後に、被締付部材に締付トルクが付与される。この間に、ハンマがアンビルとの接触状態を維持できず、アンビルから離れてしまうと、トルクセンサが、実際の締付トルクに応じたアンビルの歪み量を正確に検出できなくなる。また先端工具による締付前に、ハンマがアンビルから離れると、アンビルによるトルク伝達効率が下がることで、インパクト回転工具の動力効率が落ちる。そのため先端工具が被締付部材に締付トルクを付与する前に、先端工具と被締付部材の間に存在するクリアランスを低減しておくことが好ましい。

本発明の目的は、複数のハンマを有するインパクト回転工具において、アンビル（出力軸）から被締付部材までの間の周方向のクリアランスを低減する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のインパクト回転工具は、駆動部と、駆動部により回転されるスピンドルと、スピンドルの回転軸線方向の前方に配置されたアンビルと、アンビルに、回転力を付与する第１ハンマと、アンビルに回転力を付与した第１ハンマに、同一方向の回転力を付与する第２ハンマと、を備える。

本発明によれば、複数のハンマを有するインパクト回転工具において、アンビル（出力軸）から被締付部材までの間の回転方向のクリアランスを低減する技術を提供できる。

実施形態に係るインパクト回転工具の主要部の断面概略図である。 （ａ）は主ハンマの前面側斜視図であり、（ｂ）はスピンドルおよびキャリアの斜視図であり、（ｃ）は副ハンマの後面側斜視図である。 副ハンマに主ハンマを組み付けた状態を示す図である。 副ハンマと主ハンマの連結構造の拡大図である。 センサ検出値より推定されたトルクと、実際に付加された締付トルクの挙動の分析結果を示す図である。

実施形態のインパクト回転工具は、駆動部と、駆動部により回転されるスピンドルと、スピンドルの回転軸線方向の前方に配置されたアンビルと、スピンドルの回転を回転打撃に変換してアンビルに伝達する回転打撃機構とを備える。回転打撃機構はダブルハンマ構成を採用し、アンビルに回転力を付与する主ハンマ（第１ハンマ）と、アンビルに回転力を付与した第１ハンマに、同一方向の回転力を付与する副ハンマ（第２ハンマ）とを備える。実施形態のダブルハンマ構成は、主ハンマと副ハンマとが連結構造により周方向に連結され、主ハンマが回転すると、副ハンマが追従回転する機構をもつが、主ハンマと副ハンマとが独立して回転する機構を採用してもよい。

図１は、実施形態に係るインパクト回転工具の主要部の断面概略図を示す。図１において一点鎖線は、インパクト回転工具１における回転軸線を示している。図２（ａ）は主ハンマの前面側斜視図を示し、図２（ｂ）はスピンドルおよびキャリアの斜視図を示し、図２（ｃ）は副ハンマの後面側斜視図を示す。図３は、副ハンマに主ハンマを組み付けた状態を示す。図４は、副ハンマと主ハンマの連結構造の拡大図を示す。以下、図１〜図４を用いて、インパクト回転工具１の構造について説明する。

インパクト回転工具１は、工具本体を構成するハウジング２を備える。ハウジング２の上部は、各種構成部品を収容するための収容空間を形成し、ハウジング２の下部は、ユーザにより把持される把持部３を構成する。把持部３の前側には、ユーザの手指により操作される操作スイッチ４が設けられ、把持部３の下端部には、駆動部１０に電力を供給するバッテリ（図示せず）が設けられる。

駆動部１０は電動モータであって、駆動部１０の駆動軸１０ａは、動力伝達機構１２を介してキャリア１６およびスピンドル１１に連結される。キャリア１６はスピンドル１１の後端側に位置して、動力伝達用の歯車を収容する。図２（ｂ）を参照してキャリア１６は、スピンドル１１より大きい外径を有する大径部として構成される。キャリア１６は、スピンドル１１より大径の前側部材１６ｂと、前側部材１６ｂよりも後方に位置する後側部材１６ｃとを有し、前側部材１６ｂと後側部材１６ｃとの間に歯車を収容するための空間１６ｄを形成する。

動力伝達機構１２は、駆動軸１０ａの先端に圧入固定される太陽歯車１３と、太陽歯車１３に噛合する２個の遊星歯車１４と、遊星歯車１４に噛合する内歯車１５とを有する。遊星歯車１４はキャリア１６の空間１６ｄにおいて、前側部材１６ｂおよび後側部材１６ｃに固定される支軸１４ａにより回転可能に支持される。内歯車１５は、ハウジング２の内周面に固定されている。

以上のように構成した動力伝達機構１２により、駆動軸１０ａの回転が、太陽歯車１３の歯数と内歯車１５の歯数との比に基づいて減速されるとともに、その回転トルクが増大される。これによりキャリア１６およびスピンドル１１を低速高トルクで駆動できるようになる。

インパクト回転工具１の回転打撃機構は、スピンドル１１、キャリア１６、主ハンマ２０、副ハンマ２１およびばね部材２３によって構成される。スピンドル１１は円柱状に形成され、その先端には、小径の突起部１１ａがスピンドル１１の軸線と同軸に形成される。突起部１１ａは、アンビル２２の後部に形成した円柱状の内部空間を有する孔に回転可能な状態で挿入される。

スピンドル１１の外周には、略円盤状であって中心部に貫通孔を形成した鋼製の主ハンマ２０が装着される。主ハンマ２０の前面には、アンビル２２に向けて突出する一対のハンマ爪２０ａが形成される。主ハンマ２０は、スピンドル１１の回転軸線を中心に回転可能であり、且つスピンドル１１の回転軸線方向すなわち前後方向に移動可能となるように、スピンドル１１に取り付けられる。これにより主ハンマ２０は、アンビル２２に対して回転力を加えられるようになる。副ハンマ２１は鋼製の円筒部材として形成され、環状仕切部２１ｅにより前部２１ａと後部２１ｂに仕切られる。副ハンマ２１は、前部２１ａの内部空間に主ハンマ２０を収容する。

図３および図４を参照して、副ハンマ２１と主ハンマ２０は、連結構造２４により周方向に連結される。実施形態で連結構造２４は、主ハンマ２０の外周面に凸設された円弧状の凸部２０ｃと、副ハンマ２１の内周面に凹設された円弧状の凹部２１ｃとが遊嵌する構造である。この構造により、主ハンマ２０が回転すると、凸部２０ｃにおける回転方向側の端部が凹部２１ｃにおける回転方向側の端部に回転力を付与して、副ハンマ２１が、スピンドル１１の回転軸線を中心として主ハンマ２０に追従回転する。

主ハンマ２０は連結構造２４をガイドとして、副ハンマ２１に対して前後方向に移動できる。図３に示す例では、主ハンマ２０の外周面に２つの凸部２０ｃが形成され、副ハンマ２１の内周面に２つの凹部２１ｃが形成されているが、３つ以上の凸部２０ｃおよび凹部２１ｃが遊嵌可能な配置で形成されてよい。

円弧状の凹部２１ｃの中心角βは、円弧状の凸部２０ｃの中心角αよりも大きく形成される。中心角β＞中心角α、となるように凹部２１ｃおよび凸部２０ｃが設計されることで、主ハンマ２０は副ハンマ２１に、周方向の隙間（クリアランス）２１ｄを有して連結される。図４に示すように、連結構造２４における周方向角度のクリアランスは、γ（＝β−α）であり、複数の連結構造２４において、クリアランスは等しく設計される。

主ハンマ２０が副ハンマ２１に、周方向の隙間２１ｄ（角度γ）を有する連結構造により連結されることで、副ハンマ２１が回転打撃力を発生させるタイミングを、主ハンマ２０が回転打撃力を発生させるタイミングよりも、角度γ分だけ遅らせることができる。この作用については、後述する。

なお図３および図４に示す例では、連結構造２４が、主ハンマ２０の円弧状の凸部２０ｃと、副ハンマ２１の円弧状の凹部２１ｃを有して形成されている。別の例では、連結構造２４が、主ハンマ２０の外周面に凹設された円弧状の凹部と、副ハンマ２１の内周面に凸設された円弧状の凸部とが遊嵌する構造であってもよい。

ばね部材２３は、主ハンマ２０の後部と、副ハンマ２１の環状仕切部２１ｅとの間に介装される。主ハンマ２０は連結構造２４をガイドとして前後方向に移動可能であり、ばね部材２３の付勢力によりアンビル２２に回転打撃力を加えることができる。

スピンドル１１は、その外周面に２つの案内溝１１ｂを備え、主ハンマ２０は、貫通孔の内周面に２つの係合溝２０ｂを備える。２つの案内溝１１ｂは同一形状を有して周方向に並べて設けられ、また２つの係合溝２０ｂは同一形状を有して周方向に並べて設けられる。スピンドル１１の外周に主ハンマ２０を装着した状態で、案内溝１１ｂおよび係合溝２０ｂの間には鋼球１９が配置される。スピンドル１１側の案内溝１１ｂと、主ハンマ２０側の係合溝２０ｂと、両者の間に配置された鋼球１９は「カム構造」を構成する。２つの鋼球１９は、主ハンマ２０がスピンドル１１の回転軸線を中心に回転可能且つ回転軸線方向に移動可能となるように主ハンマ２０を径方向に支持する。

カム構造において、案内溝１１ｂは、工具先端側からみてＶ字ないしはＵ字形状に形成されている。つまり案内溝１１ｂは、最前部から対称に後斜め方向に傾斜する２つの傾斜溝をもつ。係合溝２０ｂは、工具先端側からみて逆向きのＶ字ないしはＵ字形状に形成されている。鋼球１９が案内溝１１ｂの最前部から傾斜溝に沿って移動すると、主ハンマ２０はスピンドル１１に対して相対的に後退することになる。

副ハンマ２１は、環状仕切部２１ｅの後面に環状の第１保持溝２１ｇを備え、キャリア１６は、前側部材１６ｂの前面外周に環状の第２保持溝１６ａを備える。第１保持溝２１ｇと第２保持溝１６ａの間には、複数の鋼球１７が周方向に隙間無く配置される。鋼球１７は、鋼球１９よりも小さく形成されてよい。副ハンマ２１側の第１保持溝２１ｇと、キャリア１６側の第２保持溝１６ａと、両者の間に隙間無く配置された鋼球１７は「副ハンマ支持構造」を構成する。副ハンマ支持構造において、鋼球１７は、スピンドル１１の回転軸線方向および回転軸線方向に直交する径方向とは異なる方向の荷重を受けるように、副ハンマ２１とキャリア１６の間に配置される。

ストッパ部材３０は主ハンマ２０とキャリア１６の間に設けられて、カム構造における鋼球１９が傾斜溝の端部に衝突しないように、主ハンマ２０の回転軸線方向の移動範囲を規制する。ストッパ部材３０は、たとえば樹脂材料で形成されてよい。

主ハンマ２０に係合するアンビル２２は鋼製であり、鋼製もしくは黄銅製の滑り軸受を介してハウジング２に回転自在に支持されている。アンビル２２の先端には、６角ボルトの頭部や６角ナットに装着する先端工具を取り付けるための、断面が四角形状の工具装着部２２ａが設けられる。

アンビル２２の後部には、主ハンマ２０の一対のハンマ爪２０ａに係合する一対のアンビル爪が設けられる。一対のアンビル爪は、それぞれ断面扇形の柱状部材として形成される。なおアンビル２２のアンビル爪および主ハンマ２０のハンマ爪２０ａは、必ずしも２個である必要はなく、それぞれの爪の数が等しければ、アンビル２２および主ハンマ２０の周方向に等間隔に３個以上設けてもよい。

インパクト回転工具１は、アンビル２２のトルクを検出するトルクセンサ２５を備える。トルクセンサ２５は、たとえば、出力軸であるアンビル２２のねじり歪みを検出する磁歪式歪センサであってよい。磁歪式歪センサは、アンビル２２にトルクが加わることにより生じる軸の歪みに応じた透磁率の変化を非回転部分に設置したコイルで検出し、歪みに応じた電圧信号を出力する。

制御部５は、工具全体の動作を制御する。制御部５は、トルクセンサ２５およびアンビル２２の回転角センサ（図示せず）などの検出値を用いて締付トルクを推定し、推定した締付トルクが、設定された目標トルクに達した時点で駆動部１０の回転を自動停止するシャットオフ制御を実施する。締付トルクを高精度に管理するためには、トルクセンサ２５が、実際の締付トルクに応じた歪み量を検出する必要がある。

図５は、従来のインパクト回転工具において、センサ検出値より推定されたトルクと、被締付部材であるボルトに実際に付加された締付トルクの挙動を分析した結果を示す。ラインＬ１は、トルクセンサの検出値をもとに推定される締付トルクの挙動を示し、ラインＬ２は、先端工具により実際にボルトに付与された締付トルクの挙動を示す。

この分析結果では、ラインＬ１において、時間ｔ１で、ハンマがアンビルを打撃し、トルクセンサ２５がアンビルのねじり歪みを検出している。アンビルは、時間ｔ１からｔ２までの間、ボルトとの間に存在する周方向のクリアランスを詰める。これによりラインＬ２において、時間ｔ２で、実際の締付トルクがボルトに付与されている。

時間ｔ１からｔ２までの間、ハンマがアンビルとの接触状態を維持していれば、時間ｔ２で締付トルクがボルトに付与されたとき、トルクセンサ２５は、ボルトに付与された締付トルクに応じた歪み量を検出し、制御部は、トルク管理を高精度に実現するシャットオフ制御を実施できる。しかしながら時間ｔ１からｔ２までの間に、ハンマがアンビルから反発力を受けて離れてしまうと、トルクセンサ２５は、実際の締付トルクに対して小さい歪み量を検出し、トルクの管理精度を悪くする要因となる。

そこで実施形態のインパクト回転工具１では、主ハンマ２０と副ハンマ２１のダブルハンマ構成において、主ハンマ２０と副ハンマ２１とを、周方向の隙間２１ｄを有する連結構造２４により連結している。これによりインパクト回転工具１では、主ハンマ２０がアンビル２２を打撃して、アンビル２２とボルトとの間の周方向のクリアランスを低減（理想的には解消）した後に、副ハンマ２１が主ハンマ２０を打撃する構成を実現する。この構成によると、インパクト回転工具１の動力効率が向上され、またトルクセンサ２５が、締付トルクに応じたアンビル２２の歪み量を正確に検出できる。

連結構造２４の隙間２１ｄは、副ハンマ２１を主ハンマ２０よりも僅かに遅らせて追従回転させるために設けられる。図３および図４を参照して、主ハンマ２０が回転すると、凸部２０ｃにおける回転方向側の端部が、副ハンマ２１の凹部２１ｃにおける回転方向側の端部に接触して回転力を付与し、副ハンマ２１が主ハンマ２０とともに回転する。この状態で、主ハンマ２０のハンマ爪２０ａがアンビル２２のアンビル爪を打撃（以下、「第１打撃」と呼ぶ）して、アンビル２２に回転力を付与する。このとき副ハンマ２１は主ハンマ２０に遊嵌されているため、回転力を付与しない。第１打撃後、副ハンマ２１が、慣性によって連結構造２４の隙間２１ｄである角度γ分だけ回転したときに、凹部２１ｃにおける回転方向とは逆側の端部が、主ハンマ２０の凸部２０ｃにおける回転方向と逆側の端部を打撃（以下、「第２打撃」と呼ぶ）して、主ハンマ２０に回転力を付与する。

ボルトの締付作業において、作業者は、可動範囲の最大量まで操作スイッチ４を引き操作する。制御部５は、操作スイッチ４が引き操作されると、所定の回転速度でモータである駆動部１０を回転させる。実施形態で、連結構造２４における隙間２１ｄは、締付作業中のモータ回転速度に応じて定められ、第１打撃から所定時間後に、第２打撃が発生するように、隙間２１ｄの大きさ（角度γ）が設定される。

この第１打撃からの所定時間は、第１打撃により、アンビル２２とボルトとの間の周方向のクリアランスが十分低減できる時間として定義される。たとえば所定時間は、周方向のクリアランスを半分以下まで低減できる時間として定義されてよい。また所定時間は、周方向のクリアランスを１／４以下まで低減できる時間として定義されてよい。第１打撃により周方向クリアランスを十分に低減した後、第２打撃により副ハンマ２１の回転力が主ハンマ２０を介してアンビル２２に伝達されることで、高精度なトルク管理を実現できるようになる。

なお隙間２１ｄは、副ハンマ２１が、アンビル２２に接触した状態にある主ハンマ２０を打撃するように設定されることが好ましい。つまり主ハンマ２０がアンビル２２から離れる前に、副ハンマ２１が主ハンマ２０に回転力を付与できるように、隙間２１ｄが設計される。これによりインパクト回転工具１の動力効率を向上し、また高精度なトルク管理を実現できる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。実施形態でトルクセンサ２５は、アンビル２２のトルクを検出したが、主ハンマ２０のトルクを検出してもよい。また実施形態で回転打撃機構はダブルハンマ構成であったが、３個以上のハンマによる構成であってもよい。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。
本発明のある態様のインパクト回転工具（１）は、駆動部（１０）と、駆動部（１０）により回転されるスピンドル（１１）と、スピンドル（１１）の回転軸線方向の前方に配置されたアンビル（２２）と、アンビル（２２）に回転力を付与する第１ハンマ（２０）と、アンビル（２２）に回転力を付与した第１ハンマ（２０）に同一方向の回転力を付与する第２ハンマ（２１）と、を備える。

インパクト回転工具（１）において、第１ハンマ（２０）がアンビル（２２）を打撃して、アンビル（２２）と被締付部材との間の周方向のクリアランスを低減した後に、第２ハンマ（２１）が第１ハンマ（２０）を打撃するように構成されてよい。第２ハンマ（２１）が、アンビル（２２）に接触した状態にある第１ハンマ（２０）を打撃することが好ましい。

第１ハンマ（２０）は、スピンドル（１１）の回転軸線を中心に回転可能且つ回転軸線方向に移動可能であってよい。第１ハンマ（２０）は、第２ハンマ（２１）に、周方向の隙間（２１ｄ）を有する連結構造（２４）により連結されてよい。第２ハンマ（２１）は、第１ハンマ（２０）を収容する内部空間を有し、連結構造（２４）は、第１ハンマの外周面に設けられた凸部（２０ｃ）または凹部と、第２ハンマの内周面に設けられた凹部（２１ｃ）または凸部とが遊嵌する構造であってよい。

第１ハンマ（２０）がアンビル（２２）を打撃してから所定時間後に、第２ハンマ（２１）が第１ハンマを打撃するように、隙間（２１ｄ）が設定されることが好ましい。インパクト回転工具（１）は、アンビル（２２）または第１ハンマ（２０）のトルクを検出するトルクセンサ（２５）を備えてよい。

１・・・インパクト回転工具、１０・・・駆動部、１１・・・スピンドル、２０・・・主ハンマ、２０ｃ・・・凸部、２１・・・副ハンマ、２１ｃ・・・凹部、２１ｄ・・・隙間、２２・・・アンビル、２４・・・連結構造、２５・・・トルクセンサ。

Claims (5)

1. 駆動部と、
   前記駆動部により回転されるスピンドルと、
   前記スピンドルの回転軸線方向の前方に配置されたアンビルと、
   前記アンビルに、回転力を付与する第１ハンマと、
   前記アンビルに回転力を付与した第１ハンマに、同一方向の回転力を付与する第２ハンマと、を備え、
   前記第１ハンマは、前記スピンドルの回転軸線を中心に回転可能且つ回転軸線方向に移動可能であり、
   前記第２ハンマは、前記第１ハンマを収容する内部空間を有し、
   前記第１ハンマは、前記第２ハンマに、周方向の隙間を有する連結構造により連結されており、
   前記連結構造は、前記第１ハンマの外周面に設けられた凸部または凹部と、前記第２ハンマの内周面に設けられた凹部または凸部とが遊嵌する構造である、
   ことを特徴とするインパクト回転工具。
2. 前記第１ハンマが前記アンビルを打撃して、前記アンビルと被締付部材との間の周方向のクリアランスを低減した後に、前記第２ハンマが前記第１ハンマを打撃する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のインパクト回転工具。
3. 前記第２ハンマが、前記アンビルに接触した状態にある前記第１ハンマを打撃する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のインパクト回転工具。
4. 前記第１ハンマが前記アンビルを打撃してから所定時間後に、前記第２ハンマが前記第１ハンマを打撃するように、前記隙間が設定される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のインパクト回転工具。
5. 前記アンビルまたは前記第１ハンマのトルクを検出するトルクセンサを備える、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインパクト回転工具。

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