JP2007521974A - 燃焼動力式締結具駆動工具のための排気システム - Google Patents

Abstract

燃焼動力式締結具駆動工具（１０）が、往復動ピストン（２２）および取付けられた駆動ブレード（２４）のための通路を画成するシリンダ（２０）を含む燃焼式動力源（１４）を具備し、ピストン（２２）は、燃焼に先立って到達する点火前位置と、最低位置との間で往復動作する。動力源（１４）における燃焼時に、シリンダ（２０）は、該シリンダから燃焼ガスを放出するようにした少なくとも１つの排気弁（５２）を含む。少なくとも１つの排気弁（５２）は、ピストン（２２）が少なくとも１つの排気弁を通過し該少なくとも１つの排気弁（５２）へ戻る間に、シリンダ（２０）内の燃焼圧が約１気圧まで低減可能なように十分なガスを放出する大きさにて形成されている。

Description

本発明は、締結具をワーク内へ駆動するための締結具駆動工具に関し、特に、燃焼工具とも称される燃焼動力式締結具駆動工具に関する。

燃焼動力式締結具駆動工具は、ニコリッシュ(Nikolich)に付与され出願人に譲渡された米国再発行特許第３２４５２号、米国特許第４５２２１６２号、米国特許第４４８３４７３号、米国特許第４４８３４７４号、米国特許第４４０３７２２号、米国特許第５１９７６４６号、米国特許第５２６３４３９号、米国特許第５８９７０４３号、米国特許第６１４５７２４号に記載されて従来公知となっており、これらの全ての開示を本願と一体をなすものとして参照する。また、燃焼動力式締結具駆動工具は、一例がイリノイ州グレンビュー所在のイリノイツールワークス社により製造され、ワークに締結具を駆動するために用いるインパルス(IMPULSE)（登録商標）の商標名で知られている。

こうした工具は、小型の内燃エンジンを包囲するピストル形の工具ハウジングを有している。該エンジンは、燃料セルとも称される加圧された燃料ガスのキャニスターを動力源とする。バッテリー式の電力分配ユニットによって点火用の火花が生成され、燃焼室に配設されたファンによって燃焼室内の燃焼を促進し、また、装置の燃焼に付随する工程を容易にする。こうした付随工程は、燃焼室内への燃料供給、燃焼室内での燃料と空気の混合、燃焼生成物の除去または排気を含む。前記エンジンは、細長い剛性のブレードを備え単一のシリンダ本体内に配設された往復動ピストンを含む。

弁スリーブが、リンク機構によってシリンダの周囲で軸方向に往復動自在に設けられており、前記リンク機構の先端部に設けられたワーク接触要素がワークに対して押圧されると、前記弁スリーブが移動して燃焼室を閉鎖する。この押圧作用によって、また燃料計量弁が起動し、所定量の燃料が閉鎖された燃焼室内に導入される。

トリガースイッチが引かれると、火花が生成されて燃焼室内の燃料ガスが点火され、ピストンおよび駆動ブレードが下方に押し出されて、位置決めされている締結具に衝当して該締結具をワーク内に駆動する。次いで、ピストンは、ガスの差圧によって初期位置または点火前位置へ復帰する。締結具は、マガジン式にノーズ部に供給され、駆動ブレードによる衝当を受けるための適切な位置、配向で保持される。

現在市販されている燃焼動力式工具は、逐次操作式の工具である。工具は、釘を打込むためにトリガーを引き込む前に、ワークに対して押圧してワーク接触要素(WCE)を押し込まなければならない。これは、繰返しサイクル操作として知られる操作によって点火可能な工具と正反対である。つまり、後者の工具では、トリガーが押下モードに保持されていれば、工具をワークに押圧することによって繰返し点火される。この相違点は、各工具の様式で１秒当りに打込み可能な締結具の数の違いとなって明らかとなる。繰返しサイクルモードは、逐次点火モードよりも実質的に速く、繰返しサイクルモードでは１秒当り４〜７の締結具を打込むことができるのに対して、逐次点火モードでは１秒当り２〜３の締結具しか打込むことができない。

繰返しサイクル工具はもとより逐次点火工具において、信頼性のある動作のためには、燃焼後にピストンを点火前位置へ効果的かつ完全に復帰させることが必要である。燃焼動力式工具を逐次操作に限定する重要な要因は、工具の点火後に駆動ピストンを初期位置へ復帰させる方法である。燃焼動力式工具は、ピストンを復帰させるために、自己生成式の真空を用いている。真空によってピストンを復帰させるためには、ピストンの復帰動作のために供給ラインから空気の正圧を用いる工具よりも非常に長い時間を要する。

上記した特許に開示されたタイプの燃焼動力式工具では、点火速度および弁スリーブの制御によって、操作者は真空式にピストンを復帰させるための時間間隔を制御している。混合気の燃焼および高圧の燃焼ガスの排気の後に真空が生成される。工具内に残留する高温ガスが、周囲を取巻く低温のアルミニウム製の構成要素によって冷却、収縮され、真空が生成される。トリムアプリケーションのように、工具の操作サイクル速度が十分に遅く、真空による復帰動作が確実で信頼性のあることも多くある。

米国再発行特許第３２４５２号明細書 米国特許第４５２２１６２号明細書 米国特許第４４８３４７３号明細書 米国特許第４４８３４７４号明細書 米国特許第４４０３７２２号明細書 米国特許第５１９７６４６号明細書 米国特許第５２６３４３９号明細書 米国特許第５８９７０４３号明細書 米国特許第６１４５７２４号明細書

然しながら、工具を非常に高いサイクル速度で操作する場合、操作者は、工具をワークから離反させることによって、弁スリーブを休止位置へ復帰させ、燃焼室を早期に開くことができ、これによって真空が喪失される。ピストンを移動させるための真空がないと、シリンダの頂部へ到達する前にピストンストの移動が停止する。これによって、駆動ブレードは、ノーズ部のガイド溝内に残り、釘帯の前進が妨げられる。最終的に、打出し溝内に釘がなく、次工程で釘が打ち出されない。

逐次点火モードを用いた従来の燃焼工具は、トリガーに連動する燃焼室ロックアウト機構によって、十分な燃焼室停止時間を確保する。この機構は、操作者がトリガーを離すまで燃焼室を閉じたままに保持し、従って、操作者による比較的遅い筋肉応答時間を考慮するようになっている。つまり、物理的なトリガー解放が点火サイクルの十分な時間を消費し、ピストンが確実に復帰できるようにするのである。これは、ピストンの復帰に要する最小時間よりも長く燃焼室を閉じたままにして、工具の冷却および掃気が妨げられるの欠点となる。

真空復帰型の燃焼工具では、ピストンの復帰は、工具のエンジンサイクルにおける最も長い工程となり、そしてそれは、点火の開始からピストンが点火前位置へ復帰するまでの時間として定義される。ピストン復帰に要する時間は、７５ミリ秒または１００ミリ秒以上にも及ぶ。その時間は、真空生成の時間と程度によって制御される。工具を繰返しサイクルモードで作動させる場合、一層速いサイクル時間が望まれるので、適切なピストン復帰を達成するために利用可能な時間は短くなる。ピストンが完全に復帰しないと、次のサイクルで工具が適切に点火できなくなる。

従って、ピストンの復帰性能を高めた繰返しサイクルモードで作動可能な燃焼動力式締結具駆動工具であって、また逐次点火式の燃焼動力式工具の作用を高めることのできる燃焼動力式締結具駆動工具の必要性がある。

上述した必要性は、現在の技術の限界を克服する本願発明の燃焼動力式締結具駆動工具によって充足または突破される。特に、本発明の工具は、燃焼室からの排気を容易にし、ピストンの復帰に関与する真空の形成を加速することによってピストンの復帰を強化する大きさに形成された排気弁が組み込まれている。

より詳細には、本発明の燃焼動力式締結具駆動工具は、往復動ピストンおよび取付けられた駆動ブレードのための通路を形成するシリンダを含む燃焼式動力源を具備し、前記ピストンは、燃焼に先立って到達する点火前位置と、最低位置との間で往復動作する。前記動力源における燃焼時に、前記シリンダは、該シリンダから燃焼ガスを放出するようにした少なくとも１つの排気弁を含む。前記少なくとも１つの排気弁は、前記ピストンが前記少なくとも１つの排気弁を通過し該少なくとも１つの排気弁へ戻る間に、前記シリンダ内の燃焼圧が約１気圧まで低減可能なように十分なガスを放出する大きさにて形成されている。

図１、２を参照すると、本発明に係る燃焼動力式締結具駆動工具は、全体的に参照番号１０で指示されており、好ましくは、本願と一体をなすものとして参照した上記の特許に詳細に説明されているタイプと概ね同様の工具である。工具１０のハウジング１２が、ハウジング主室１６内に内蔵された内部動力源１４を包囲する。従来の燃焼工具と同様に、動力源１４は内部燃焼によって動力を発生し、シリンダ２０に連通する燃焼室１８を有している。シリンダ２０内に往復動自在に配設されたピストン２２が、駆動ブレード２４の上端に連結されている。図２に示すように、ピストンの往復動作の上限は点火前位置と称され、そしてそれは点火の直前の、つまり、燃焼性ガスに点火、締結具（図示せず）に衝当してワークに押し込むために駆動ブレード２４の下方への駆動が開始する直前の位置である。

トリガー２６を押込むことによって、操作者は、燃焼室１８内に燃焼を引き起こし、駆動ブレード２４がノーズ部２８内を下方へ駆動される。ノーズ部２８は、締結具マガジン３０によってノーズ部内に給送された締結具に衝当させるために、駆動ブレード２４を案内する。

ノーズ部２８にはワーク接触要素３２が設けられており、ワーク接触要素はリンク機構または上端プローブ３４によって、往復動する弁スリーブ３６に連結されている。弁スリーブの上端は、燃焼室１８の一部を画成する。工具のハウジング１２をワーク接触要素３２に対して下方（周知となっているように、他の操作方向でもよい）へ押込むと、ワーク接触要素は休止位置から点火前位置へ移動する。この移動は、バネ３８（図１では隠れている）によるワーク接触要素３２の通常下方への付勢に対向して行われる。バネ３８の位置は用途に応じて変えることができ、ノーズ部２８から更に離れた位置でもよい。

点火前位置（図２）では、燃焼室１８は密閉されており、該燃焼室はピストン２２、弁スリーブ３６およびシリンダヘッド４２により画成され、シリンダヘッドには燃焼室スイッチ４４および点火プラグ４６が配設されている。本工具１０の好ましい実施形態では、シリンダヘッド４２は、また、冷却ファン４８および該冷却ファンを駆動するファンモータ４９のための取付部となっており、冷却ファンおよびファンモータの少なくとも一部が、周知のように燃焼室１８内に突き出ている。

操作者がワーク接触要素３２をワークに押圧することにより、点火が可能となる。この操作は、バネの付勢力に対抗して行われ、これによって弁スリーブ３６がハウジング１２に関して上動し、燃焼室１８が密閉され、燃焼室スイッチ４４が作動する。この操作によって、計量された量の燃料が燃料キャニスター５０（部分的に示されている）から燃焼室１８内に供給される。

トリガー２６が引かれると、点火プラグ４６が活性化し、燃焼室１８内の燃料と空気の混合気が点火し、ピストン２２および駆動ブレード２４が下方へ待機している締結具へ向けて送出される。ピストン２２がシリンダ２０を下方へ移動すると、該ピストンは空気を押して、少なくとも１つのペタル弁(petal valve)または逆止弁５２、および、ピストンの移動行程を越えた位置（図２）に配置されている少なくとも１つの排気孔５３を介して排気する。ピストン行程の下端つまりピストンの最大移動距離の位置で、周知のようにピストン２２は弾性バンパー５４に衝接する。ピストン２２が排気逆止弁５２を越えると、大気圧に近い状態が得られ、逆止弁５２が閉じるまでシリンダ２０から高圧気体が排気される。シリンダ２０内の内部圧力の違いによって、ピストン２２は図２に示す点火前位置へ復帰する。

上述したように、このタイプの燃焼動力式工具の１つの問題は、ピストン２２を点火前位置へ迅速に復帰させ、次のサイクルの前に燃焼室１８の制御を改良することである。逐次点火型燃焼動力式工具に関連した問題にもかかわらず、トリガー２６が引込まれた位置または押下された位置に保持され、ワーク接触要素３２が後退する度に点火する繰返しサイクルモードで工具を点火すべき場合に、この必要性は更に重要となる。

こうした構成上の問題に対処するために、本工具１０は、好ましくは、全体的に参照番号６０により指示されるロックアウト装置を備えることができる。ロックアウト装置は、ピストン２２が点火前位置へ復帰するまで、弁スリーブ３６が閉鎖位置または点火位置から移動することを防止するようになっている。このロックアウト装置６０の保持または固定機能は、ピストン２２が点火前位置へ戻るのに要する所定時間作用する。こうして、工具１０を繰返しサイクルモードで使用する操作者は、締結具が駆動されたワークから工具を持ち上げ、そして該工具をぎの点火サイクルのために再び位置決めを開始することができる。

概括的に、装置６０は、主工具制御ユニットにより制御される所定のタイミングシーケンスに従い弁スリーブ３６に係合するソレノイド式の往復ラッチを含む。その間、燃焼室を密閉状態に保持するために種々の機構を設けることができ、図示したロックアウト装置は、この作用のみを果たすものではない。

繰返しサイクル動作に伴い点火サイクル時間が短くなるので、ロックアウト装置６０は、通常ピストンの復帰を阻害する燃焼室１８の早期の開放を防止して、燃焼室１８を密閉状態に保持し、かつ、ピストン２２の上方への引戻しを確実にする。本ロックアウト装置６０によって、ピストン２２の復帰および燃焼室１８の開放は、工具１０をワーク上の次の位置へ移動させている間に行うことが可能となる。ロックアウト装置６０は、ある種の燃焼動力式工具で使用することもできようが、必須の構成要素ではとは考えられない。

望ましいピストンの復帰に必要な時間は、ピストンが前記バンパーに衝当し跳ね返ったた後に復帰を開始する以前の燃焼ガスの排気の程度によって制御される。典型的な燃焼工具の構造では、排気ポートはバンパーの上方の適宜の距離に配置されており、ピストンがポートを通過した後に復帰行程でピストンが再び該ポートを通過するまで燃焼ガスが排気されるようになっている。通常は、ポートをバンパーの近傍に配置して、駆動のための行程を可及的に長くすることが望ましい。そうすると排気時間が非常に短くなり、典型的には数ミリ秒しかなくなる。工具の内圧が大気圧に等しくなると、逆止弁が排気ポートを閉じ、工具内に真空が形成されてピストンの復帰動作が開始する。

燃焼工具の通常の排気ポートは、圧力の高い燃焼ガスを完全に排気するには小さすぎることを見出した。これによって、ピストンの復帰時間は不必要に長くなり、或いは、真空度が高くなる間にピストンが跳ね返ったり前後に揺動したり更には停止したりする。ピストン２２は、バンパーで跳ね返ったり或いはピストンの下に形成されるエアクッションで跳ね返ったりして、こうした揺動が生じ得る。エアクッションは、ペタル弁５２に関連した排気ポート７０およびバンパー５４の周囲の排気孔５３が、下動するピストン２２によって適時に効果的に排気できない場合に形成される。ピストン２２が排気ポート７０の上方へ跳ね返ると、残留する燃焼圧によって、ピストンは下方へ二回目の押戻しを受ける。これが起きると、仕上作業への用途には望ましくない「二度打ち」の証拠としてワーク上に打痕が残る。排気が不十分だと、特に高速用途において、工具のサイクル速度が制限される。

本工具１０は、排気ポート７０の大きさを、シリンダ２０内の圧力が本質的に大気圧まで低下するように燃焼ガスを排気可能とする寸法とすることによって、繰返しサイクルモードで期待される望ましい短い点火サイクル時間を達成するようになっている。適切なポート面積は、各々の場合に実験的に見出すことが可能なことは言うまでもない。

本工具１０の開発にあたって、発明者等は、排気のために得られる時間が選択されたとき、利用可能な公式を開発した。排気のための時間は、バンパー５４に対する排気ポート７０の位置、バンパーの硬さ、エアクッションの圧力およびピストン２２の速度によって決定される。排気すべき体積（立方インチ）に対する有効ポート面積（平方インチ）の比率は、必要な排気時間（ミリ秒）の約１０倍となっている。理想的には、燃焼後、ピストンがバンパー５４に当接する最低位置に到達したときに、シリンダ２０においてピストン２２の上方の領域が大気圧にあることが望ましい。シリンダ２０内においてピストン２２の両側の差圧が、ピストンを点火前位置への復帰を補助する。

上記関係は、式Ｖ／Ａ＝２０＋８．４ｔにて表現できることを見出した。ここで、Ｖは燃焼室の膨張した容積、Ａは有効ポート面積、Ｖ／Ａは有効ポート面積に対する排気体積の比率、ｔは排気ポート７０がシリンダ２０を外気に連通させる時間（ミリ秒）である。つまり、「ｔ」は、ピストン２２が排気ポート７０を通過したときから開始して、バンパーに衝当し、燃焼室へ向けて戻り、排気ポートを再び通過する時間を表している。ピストンを効果的に復帰させるために、「ｔ」の値は、２〜１０ミリ秒の範囲の時間を利用できるが、約４ミリ秒である。６５５ｃｍ³（４０inch³）の排気体積を有した典型的な燃焼動力式工具１０に上記式を適用すると、効果的な排気状態を達成するために、利用可能な時間は、２〜１０ミリ秒であり、７．１〜２．６ｍｍ²（１．１〜０．４inch²）の範囲の最小有効ポート面積が必要となる。

上記排気ポート７０の寸法の関係は、ロックアウト装置６０のような装置を通常は必要としない逐次点火モードで作動する燃焼工具はもとより、ロックアウト装置を備えたような繰返しサイクルモード用に構成された燃焼工具を含み、多くの種類の燃焼工具の性能を高めるために用いることができることを見出した。

燃焼動力式締結具駆動工具用の本発明による排気システムの特定の実施形態を説明したが、本発明の広い特徴の範囲および特許請求の範囲から逸脱することなく、その変更と修正が可能であることは当業者の当然とするところである。

本発明の排気システムを組み込むのに適した燃焼工具の斜視図である。 本発明の排気システムを組み込むのに適した締結具駆動工具の垂直部分断面図である。

符号の説明

１０ 燃焼動力式締結具駆動工具
１２ ハウジング
１４ 内部動力源
１６ ハウジング主室
１８ 燃焼室
２０ シリンダ
２２ ピストン
２４ 駆動ブレード
２６ トリガー
２８ ノーズ部
３０ 締結具マガジン
３２ ワーク接触要素
３４ リンク機構
３６ 弁スリーブ
３８ バネ
４２ シリンダヘッド
４４ 燃焼室スイッチ
４６ 点火プラグ
４８ 冷却ファン
４９ ファンモータ

Claims (6)

1. 燃焼動力式締結具駆動工具において、
   往復動ピストンおよび取付けられた駆動ブレードのための通路を形成するシリンダを含む燃焼式動力源を具備し、
   前記ピストンは、燃焼に先立って到達する点火前位置と、最低位置との間で往復動作し、
   前記シリンダは、前記動力源における燃焼時に該シリンダから燃焼ガスを放出するようにした少なくとも１つの排気弁を含み、
   前記少なくとも１つの排気弁は、前記ピストンが前記少なくとも１つの排気弁を通過し該少なくとも１つの排気弁へ戻る間に、前記シリンダ内の燃焼圧が約１気圧まで低減可能なように十分なガスを放出する大きさに形成されている燃焼動力式締結具駆動工具。
2. 前記少なくとも１つの排気弁が逆止弁である請求項１に記載の工具。
3. 前記少なくとも１つの排気弁がペタル弁(petal valve)である請求項１に記載の工具。
4. 前記排気弁は以下の式に従うように形成されている請求項１に記載の工具。
   Ｖ／Ａ＝２０＋８．４ｔ
5. 前記排気弁は、２．６〜７．１ｍｍ²（０．４〜１．１inch²）の範囲のポート面積を有する請求項１に記載の工具。
6. 弁スリーブロックアウト装置を更に具備する請求項１に記載の工具。

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