JP2010046749A

JP2010046749A - 電動工具

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Publication number: JP2010046749A
Application number: JP2008212792A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ito; 晃浩伊藤
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: US9004192B2; WO2010021251A1; JP5562540B2; US20110186320A1

Abstract

【課題】スピンドルに付加される外部トルクの増大に伴って自動変速される変速装置を備えた電動工具において、従来よりもねじ締め作業の高速化を図ることを目的とする。
【解決手段】自動変速前の高速低トルクモードでは、ねじ締めを最後まで進行するには出力トルクが不足する程度の極めて高い出力回転数を設定する。変速前の出力回転数を変速後の出力回転数の約４．５倍〜６．０倍の範囲で設定する。これによりねじ締め当初は、従来にない高速回転で加工を迅速に行うことができ、自動変速後大きな出力トルクでねじ締めを完了することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば電動ドライバやねじ締め機等の主として回転動力を出力する電動工具に関する。

一般にこの種の電動工具は、駆動源としての電動モータの回転動力を変速装置によって減速して必要な回転トルクを出力する構成を備えている。多くの場合変速装置には、遊星歯車機構が用いられている。
例えば、ねじ締め機では、締め付け当初は小さなトルクで足り、締め付けが進行するに従って徐々に大きな回転トルクが必要となる。このため、締め付け当初では変速装置の減速比を小さくして高速低トルクを出力し、締め付け途中で変速装置の減速比を大きくして低速高トルクを出力することが、迅速かつ確実なねじ締めを行う観点で要求される機能となる。しかも、締め付け途中の段階で、出力軸に付加される締め付け抵抗（外部トルク）が一定値に達した時点で自動的に減速比（出力トルク）が切り換わることが使い勝手の点で要求される。
下記の特許文献には、電動モータの出力軸とねじ締めビットを装着した出力軸との間に二段階の遊星歯車機構を有する変速装置を介装したねじ締め機が開示されている。この従来のねじ締め機の変速装置によれば、ねじ締め当初では二段目遊星歯車機構のインターナルギヤを介して一段目遊星のキャリアと二段目遊星のキャリアが直結される結果、高速低トルクが出力されて迅速なねじ締めがなされる。ねじ締めが進行して使用者がねじ締め機の押し付け力を強くすると、二段目遊星歯車機構のインターナルギヤが軸方向へ相対変位して一段目遊星歯車機構のキャリアから切り離される一方、その回転が固定されることにより第２段遊星での減速が加わる結果当該変速装置の減速比が大きくなって低速高トルクが出力されて確実なねじ締めがなされる。
特許第３２８９９５８号公報

しかしながら、上記従来の変速装置によれば、変速前の高速低トルク出力時における出力回転数と、変速後の低速高トルク出力時における出力回転数との回転数比は概ね３倍程度に設定されていた。これは、従来は作業内容によっては高速低トルク出力状態のままでも加工を完了できるようにすることを想定したため、高速時の回転数を高くすることに限界があり、結果として比較的低く抑制していたことによるものと考えられる。
そこで、本発明は、スピンドルに付加される外部トルクが一定以上に達した時点で自動的に変速される自動変速機能の利点を利用してなされたもので、高速時の回転数をさらに高速化することによって加工のスピードアップを図ることを目的とする。

このため、本発明は、特許請求の範囲の各請求項に記載した構成の電動工具とした。
請求項１記載の電動工具によれば、高速低トルクモードにおける出力回転数が、低速高トルクモードにおける出力回転数の４．５倍〜６倍に設定されている。このため、低速高トルクモードにおいて必要かつ十分なトルクが得られるように出力回転数を設定すれば、高速低トルクモードにおける出力回転数を従来にはない極めて高速に設定することが可能となる。この場合、高速低トルクモードにおける回転速度は、当該出力回転数に基づく低トルクではトルク不足により加工を最後まで遂行することができない程度に高速に設定しておくことができる。加工が進行してトルク不足になった時点で、変速装置の自動変速が行われて低速高トルクモードに移行することから、係る設定によっても加工は最後まで進行する。このように、変速の前後で従来にない大きな比率で出力回転数（減速比）を変化させることにより、加工開始の初期段階では極めて高速回転させることにより加工を迅速に進行させることができ、これは必要トルクが不足すると自動的に低速高トルクモードに変速する自動変速装置を備えることで初めて可能となる。

請求項２記載の電動工具によれば、変速装置の第２段遊星歯車機構のインターナルギヤが回転する状態では高速低トルクモードとなり、インターナル規制部材により回転が規制された状態では低速高トルクモードとなる。前者の高速低トルクモードの出力回転数が後者の低速高トルクモードの出力回転数の４．５倍〜６．０倍に設定されていることにより、前者の高速低トルクモードにおいて従来にない高速で回転することにより加工の迅速化が図られる。
請求項３記載の電動工具によれば、自動変速前の２，０００ｒｐｍでは加工を最後まで進行させるために必要な出力トルクが出力されないが、自動変速後には出力回転数が４００ｒｐｍに減速されて十分な高トルクが出力されることにより加工が最後までなされる。

請求項４記載の電動工具によれば、スピンドルに付加される外部トルクが一定値に達した時点で出力回転数が大きな高速低トルクモードから出力回転数が小さな低速高トルクモードに自動的に切り換わることにより、工具本体には当該工具本体を機軸回りに回転させる反動（振り回し力）が発生する。この振り回し力によって、ハンドル部を把持した使用者の手がハンドルごと機軸Ｊ回りに振られる。この振り回し力は、高速低トルクモードでの減速比と低速高トルクモードでの減速比の変化が大きいほど大きくなるため、使用者はハンドル部を把持した手を機軸回りに振り回され易くなる（機軸Ｊ回りに手を持って行かれ易くなる）。
しかしながら、請求項４記載の電動工具によれば、変速装置において高速低トルクモードから低速高トルクモードへ自動変速した際に発生する機軸Ｊ回りの振り回し力よりも、当該電動工具の機軸Ｊ回りの慣性モーメントＩの方が大きくなるように機軸Ｊからバッテリ重心Ｇまでの距離Ｌとバッテリ質量Ｍが設定されている。このため、自動変速により発生する反動によっても当該電動工具が機軸回りに振り回されることがなく、従って使用者は変速時においてもハンドル部をそのまま小さな力で把持していれば足り、この点で当該電動工具の操作性を高めることができる。

次に、本発明の実施形態を図１〜図１２に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る電動工具１の全体を示している。本実施形態では、電動工具１の一例として充電式電動ドライバドリルを例示する。この電動工具１は、先端工具としてドライバビットを装着することにより電動ねじ締め機として用いることができ、ドリルビットを装着することにより孔明け加工用の電動ドライバとして用いることができる。
この電動工具１は、本体部２とハンドル部３を備えている。本体部２は概ね円柱体形状を有するもので、その長手方向（機軸方向）の中程から側方へ突き出す状態にハンドル部３が設けられている。本体部２とハンドル部３は、機軸方向（図１において左右方向）に対して左右に二分された２つ割りハウジングを相互に突き合わせて結合したハウジングを備えている。以下、本体部２のハウジングを本体ハウジング２ａと言い、ハンドル部３のハウジングをハンドルハウジング３ａと称して必要に応じて区別する。
ハンドル部３の基部前側には、トリガ形式のスイッチレバー４が配置されている。このスイッチレバー４を使用者が指先で引き操作すると電動モータ１０が起動する。また、ハンドル部４の先端には、バッテリパック５を取り付けるためのバッテリ取り付け台座部６が設けられている。このバッテリパック５を電源として電動モータ１０が作動する。
電動モータ１０は、本体部２の後部に内蔵されている。この電動モータ１０の回転動力は、三つの遊星歯車機構を有する変速装置Ｈにより減速されてスピンドル１１に出力される。スピンドル１１の先端には、先端工具を装着するためのチャック１２が取り付けられている。
三つの遊星歯車機構は電動モータ１０からスピンドル１１に至る動力伝達経路に介在されている。以下、動力伝達経路の上流側から第１段遊星歯車機構２０、第２段遊星歯車機構３０、第３段遊星歯車機構４０と言う。第１〜第３段遊星歯車機構２０，３０，４０の詳細が図２に示されている。第１〜第３遊星歯車機構２０，３０，４０は、電動モータ１０の出力軸１０ａに同軸に配置され、またスピンドル１１に同軸に配置されている。以下、スピンドル１１の回転軸（電動モータ１０の出力軸１０ａの回転軸）を機軸Ｊとも言う。この機軸Ｊ上に電動モータ１０、第１〜第３段遊星歯車機構２０，３０，４０及びスピンドル１１が配置されている。この機軸Ｊに沿った方向が当該電動工具１の機軸方向であり、この機軸方向が本体部２の長手方向となる。

電動モータ１０の出力軸１０ａに第１段遊星歯車機構２０の第１段太陽ギヤ２１が取り付けられている。この第１段太陽ギヤ２１には三つの第１段遊星ギヤ２２〜２２が噛み合わされている。この三つの第１段遊星ギヤ２２〜２２は、第１段キャリア２３に回転自在に支持されている。また、この三つの第１段遊星ギヤ２２〜２２は、第１段インターナルギヤ２４に噛み合わされている。第１段インターナルギヤ２４は、本体ハウジング２ａの内面に沿って取り付けられている。この第１段インターナルギヤ２４は、機軸Ｊ回りに回転不能かつ機軸Ｊ方向に移動不能に固定されている。
第１段キャリア２３の前面中心には第２段太陽ギヤ３１が一体に設けられている。この第２段太陽ギヤ３１には三つの第２段遊星ギヤ３２〜３２が噛み合わされている。この三つの第２段遊星ギヤ３２〜３２は、第２段キャリア３３に回転自在に支持されている。また、この三つの第２段遊星ギヤ３２〜３２は、第２段インターナルギヤ３４に噛み合わされている。この第２段インターナルギヤ３４は、機軸Ｊ回りに回転可能かつ機軸Ｊ方向に一定の範囲で変位可能な状態で本体ハウジング２ａの内面に沿って支持されている。この第２段インターナルギヤ３４の詳細については後述する。
第２段キャリア３３の前面中心には第３段太陽ギヤ４１が一体に設けられている。この第３段太陽ギヤ４１には三つの第３段遊星ギヤ４２〜４２が噛み合わされている。この三つの第３段遊星ギヤ４２〜４２は、第３段キャリア４３に回転自在に支持されている。また、この三つの第３段遊星ギヤ４２〜４２は、第３段インターナルギヤ４４に噛み合わされている。この第３段インターナルギヤ４４は本体ハウジング２ａの内面に沿って取り付けられている。この第３段インターナルギヤ４４は、機軸Ｊ回りに回転不能かつ機軸Ｊ方向に移動不能に固定されている。
第３段キャリア４３の前面中心にスピンドル１１が同軸に結合されている。スピンドル１１は、軸受け１３，１４を介して本体ハウジング２ａに対して機軸Ｊ回りに回転自在に支持されている。このスピンドルの先端にチャック１２が取り付けられている。

前記したように第２段インターナルギヤ３４は、機軸Ｊ回りに回転可能かつ機軸Ｊ方向に一定の範囲で移動可能に支持されている。この第２段インターナルギヤ３４の後面には、周方向に沿って複数のクラッチ歯３４ａ〜３４ａが設けられている。このクラッチ歯３４ａ〜３４ａは、第１段キャリア２３の前面に設けた同じく周方向に沿って設けたクラッチ歯２３ａ〜２３ａに噛み合わされている。このクラッチ歯２３ａ，３４ａの噛み合い状態を経て、第２インターナルギヤ３４が第１段キャリア２３と一体で回転する。このクラッチ歯２３ａ，３４ａの噛み合い状態は、第１段キャリア２３に対して相対回転させるための外部トルクが第２段インターナルギヤ３４に付加されて当該第２段インターナルギヤ３４が機軸Ｊ方向前側（第１段キャリア２３から離れる方向）に変位することによって外れる。
図２は、第２段インターナルギヤ３４のクラッチ歯３４ａ〜３４ａが第１段キャリア２３のクラッチ歯２３ａ〜２３ａに噛み合った状態を示している。この噛み合い状態では、第２段インターナルギヤ３４は機軸Ｊ方向について後側（図２において左側）の回転許容位置に位置しており、この回転許容位置では第２段インターナルギヤ３４は第１段キャリア２３と一体で回転し、従ってこの場合には第２段太陽ギヤ３１と第２段インターナルギヤ３４が一体で回転する。スピンドル１１を経て第２段インターナルギヤ３４に一定以上の外部トルクが付加されると、第１段キャリア２３に対して相対回転してクラッチ歯３４ａとクラッチ歯２３ａの噛み合いが外れ、その結果第２段インターナルギヤ３４が機軸Ｊ方向前側（図２において右側）へ変位する。
第２段インターナルギヤ３４は、圧縮ばね３５によって上記回転許容位置側へ付勢されている。このため、第２段インターナルギヤ３４はこの圧縮ばね３５の付勢力に抗して機軸Ｊ方向前側（クラッチ歯２３ａ，３４ａが外れる方向）へ変位する。また、この圧縮ばね３５の付勢力に基づいて、第２段インターナルギヤ３４が前側へ変位して減速比が切り換わるための一定の外部トルクが設定されている。
圧縮ばね３５は、第２段インターナルギヤ３４の前面に対して押圧板３６を介在させて作用している。すなわち、第２段インターナルギヤ３４は、その前面に当接された円環形状の押圧板３６を介して作用する圧縮ばね３５の付勢力によってクラッチ歯３４ａ，２３ａが噛み合う方向であって回転許容位置側に押し付けられている。
押圧板３６の後側には転動板３７が配置されている。転動板３７も円環形状を有しており、第２段インターナルギヤ３４の周囲に沿って機軸Ｊ回りに回転可能に支持されている。この転動板３７と、第２段インターナルギヤ３４の周面に設けたフランジ部３４ｂの前面との間には、多数の鋼球３８〜３８が挟み込まれている。この鋼球３８〜３８と転動板３７が、第２段インターナルギヤ３４を回転自在に支持しつつ圧縮ばね３５の付勢力を作用させるためのスラスト軸受けとして機能する。

前側の押圧板３６と後側の転動板３７との間には、上下２本のモード切り換え部材３９，３９が挟み込まれている。本実施形態では、この２本のモード切り換え部材３９，３９として２本の長尺な軸（ピン）が用いられている。この２本のモード切り換え部材３９，３９は、押圧板３６と転動板３７の間の上部と下部において、図２において紙面に直交する方向で相互に平行に挟み込まれている。この２本のモード切り換え部材３９，３９の両端部は、それぞれ本体ハウジング２ａの外部に突き出されている。図３に示すように、両モード切り換え部材３９，３９の両端部は、それぞれ本体ハウジング２ａの両側部に設けた挿通溝孔２ｂ〜２ｂを経て外部に突き出されている。上下２本のモード切り換え部材３９，３９は、それぞれ本体ハウジング２ａの両側部間に跨った状態で相互に平行に支持されている。合計４箇所の挿通溝孔２ｂ〜２ｂは、モード切り換え部材３９を挿通可能な溝幅で、機軸Ｊ方向に長く形成されている。このため、上下２本のモード切り換え部材３９，３９は、それぞれその両端部が挿通溝孔２ｂ，２ｂ内において変位可能な範囲で機軸Ｊ方向前後に平行移動可能となっている。上下２本のモード切り換え部材３９，３９は、後述するモード切り換えリング５０によって同時に同じ方向へ平行移動する。図２に示す初期状態（スピンドルに外部トルクが付加されていない状態）では、第２段インターナルギヤ３４が圧縮ばね３５によって回転許容位置に位置しており、従ってこの状態では両モード切り換え部材３９，３９が後側に位置して押圧板３６と転動板３７との間にほぼ挟まれた状態となる。
これに対して、両モード切り換え部材３９，３９が前側へ平行移動すると、押圧板３６が圧縮ばね３５に抗して前側へ平行移動される。押圧板３６が前側へ平行移動されると、圧縮ばね３５が第２段インターナルギヤ３４に作用しなくなる。圧縮ばね３５の付勢力が第２段インターナルギヤ３４に作用しない状態では、クラッチ歯３４ａとクラッチ歯２３ａとの噛み合い状態を保持する力がなくなるため、当該第２段インターナルギヤ３４に回転方向の僅かな外力（例えば伝動モータ１０の起動トルク）が付加されると、第１段キャリア２３に対して相対回転し、その結果当該第２段インターナルギヤ３４が機軸Ｊ方向前側へ変位する。

上下２本のモード切り換え部材３９，３９は、前記したモード切り換えリング５０の回転操作によって外部から簡単に移動操作することができる。このモード切り換えリング５０は円環形状を有するもので、本体ハウジング２ａの外周側に機軸Ｊ回りに回転可能に支持されている。このモード切り換えリング５０の周囲１箇所には使用者が回転操作時に摘むツマミ部５０ａが一体に設けられている。
このモード切り換えリング５０を機軸Ｊ回りに一定の角度範囲で回転操作することにより、当該電動工具１の回転出力が、スピンドル１１に付加される外部トルクが前記圧縮ばね３５の付勢に基づいて設定された一定値に達した時点で「高速低トルク」出力状態（高速低トルクモード）から「低速高トルク」出力状態（低速高トルクモード）に自動的に切り換わる自動変速モードと、「高速低トルク」出力状態に固定された高速固定モードと、「低速高トルク」出力状態に固定された高トルク固定モードの３つの動作モードを任意に切り換えることができる。
図３に示すようにこのモード切り換えリング５０には、本体ハウジング２ａの４箇所の挿通溝孔２ｂ〜２ｂに対応して（整合する位置に）４つの切り換え溝部５１〜５１が設けられている。各切り換え溝部５１に、上下２本のモード切り換え部材３９，３９の各端部であって本体ハウジング２ａから突き出された部分が進入している。
各切り換え溝部５１は、機軸Ｊ回り方向に長い高速固定モード用の後側溝部５１ｂと、同じく機軸Ｊ回り方向に長い高トルク固定モード用の前側溝部５１ｃと、両溝部５１ｂ，５１ｃを連通する自動変速モード用の中間溝部５１ｄを有する概ねクランク形（Ｓ字形）に形成されている。機軸Ｊ方向の位置について、後側溝部５１ｂが後側（図３において左側）に、前側溝部５１ｃがこれよりも前側（図３において右側）に、概ね溝幅分だけずれて配置されている。
後側溝部５１ｂと前側溝部５１ｃを連通する中間溝部５１ｄは、機軸Ｊ方向の長さについて、本体ハウジング２の挿通溝孔２ｂとほぼ同じ長さで機軸Ｊ方向に長く形成されている。図３は、上下２本のモード切り換え部材３９，３９のそれぞれの両端部がこの中間溝部５１ｄ内に位置した状態を示している。この場合、モード切り換えリング５０は、自動変速モードに切り換えられている。図３では、各モード切り換え部材３９の端部が中間溝部５１ｄの後側に位置している。この状態では、スピンドル１１に一定値以上の外部トルクが作用していない状態であって、押圧板３６を介して第２段インターナルギヤ３４に圧縮ばね３５の付勢力が作用し、その結果当該第２段インターナルギヤ３４が回転許容位置に保持されて第１段キャリア２３と一体で回転する状態となっている。この状態が本実施形態における電動工具１の変速装置Ｈの初期状態となっている。

この初期状態では、圧縮ばね３５の付勢力の全部若しくは一部が、上下２本のモード切り換え部材３９，３９が切り換え溝部５１〜５１の後端部に押圧されることにより受けられるように当該切り換え溝部５１〜５１の位置（当該後端部の機軸Ｊ方向の位置）が設定されている。このため、電動モータ１０の起動直後のアイドリング状態（無負荷時）では、第２段インターナルギヤ３４に対して圧縮ばね３５の付勢力がほとんど付加されず、若しくは一部のみが付加される状態となることから、当該第２段インターナルギヤ３４を回転させるために必要なトルク（回転抵抗）が小さくなり、その結果当該電動工具１の消費電力（電流値）を下げることができるようになっている。
この自動変速モードでは、上下２本のモード切り換え部材３９，３９がそれぞれ中間溝部５１ｄ内を機軸Ｊ方向に変位可能な状態となるため、スピンドル１１に一定値以上の外部トルクが付加されると、第２段インターナルギヤ３４が圧縮ばね３５に抗して機軸Ｊ方向前側の回転規制位置に変位する。この状態が図４及び図５に示されている。スピンドル１１に付加される外部トルクが一定値以下に低下すると、後述するモードロック機構６０の解除により第２段インターナルギヤ３４が圧縮ばね３５によって機軸Ｊ方向後側の回転許容位置に戻されて、第１段キャリア２３と一体で回転可能な初期状態に戻される。この状態が図２及び図３に示されている。

第２段インターナルギヤ３４が後側の回転許容位置に位置することによりそのクラッチ歯３４ａ〜３４ａが第１段キャリア２３のクラッチ歯２３ａ〜２３ａに噛み合った状態では、第２段インターナルギヤ３４が第１段キャリア２３と一体で回転し、従って第２段遊星歯車機構３０の減速比は小さくなる結果、スピンドル１１は高速かつ低トルクで回転する。本実施形態の場合、この高速低トルクモードでのスピンドル１１の出力回転数は、約２０００ｒｐｍに設定されている。
これに対して、スピンドル１１に付加される外部トルクが一定値以上に達して第２段インターナルギヤ３４が前側の回転規制位置に変位することによりそのクラッチ歯３４ａ〜３４ａと第１段キャリア２３のクラッチ歯２３ａ〜２３ａとの噛み合いが外れた状態では、第２段遊星歯車機構３０の減速比は大きくなる結果、スピンドル１１は低速かつ高トルクで回転する。本実施形態の場合、この低速高トルクモードでのスピンドル１１の出力回転数は、約４００ｒｐｍに設定されている。自動変速モードでは、前者の高速低トルク出力状態と後者の低速高トルク出力状態との切り換えがスピンドル１１に付加される外部トルクに基づいて自動的になされる。前者の高速低トルク出力状態では、モード切り換え部材３９，３９は、図３に示すように中間溝部５１ｄの後側に位置する。後者の低速高トルク出力状態では、モード切り換え部材３９，３９は、図５に示すように中間溝部５１ｄの前側に位置する。すなわち、上下２本のモード切り換え部材３９，３９は、第２段インターナルギヤ３４と一体となって機軸Ｊ方向に変位する。
モード切り換えリング５０を図２〜図５に示す自動変速モード位置から、図７に示す高速固定モード位置に回転操作すると、変速装置Ｈの動作が高速固定モードに切り換わる。この場合、モード切り換えリング５０を使用者から見て時計回り方向（図３及び図５においてツマミ部５０ａを紙面手前に倒す方向）に一定角度回転操作すると自動変速モードから高速固定モードに切り換わる。モード切り換えリング５０を高速固定モードに切り換えると、上下２本のモード切り換え部材３９，３９の両端部がそれぞれ後側溝部５１ｂ内に相対的に進入した状態となる。この状態では、両モード切り換え部材３９，３９は機軸Ｊ方向後側の位置に固定され、前側へ変位不能な状態となる。このため、スピンドル１１に一定値以上の外部トルクが付加された場合であっても、図６に示すように第２段インターナルギヤ３４は回転許容位置に保持されて第２段遊星歯車機構３０は減速比の小さな状態に保持され、その結果スピンドル１１には高速低トルク状態が出力される。このようにモード切り換えリング５０を図７に示す高速固定モードに切り換えると、変速装置Ｈの出力状態は高速低トルク出力状態に固定される。
また、この高速固定モードでは、上下２本のモード切り換え部材３９，３９が、自動変速モードにおける初期状態と同様モード切り換え溝部５１の後端部に当接し、これにより圧縮ばね３５の付勢力の全部若しくは一部がこのモード切り換え部材３９，３９で受けられることから、第２段インターナルギヤ３４の回転抵抗を小さくすることができ、ひいては当該電動工具１の消費電力（電流値）を下げることができる。

モード切り換えリング５０を図３及び図５に示す自動変速モード位置あるいは図７に示す高速固定モード位置から、図９に示す高トルク固定モード位置に回転操作すると、変速装置Ｈの動作が高トルク固定モードに切り換わる。この場合、モード切り換えリング５０を使用者から見て反時計回り方向（図３、図５及び図７においてツマミ部５０ａを紙面奥側へ倒す方向）に一定角度回転操作すると自動変速モード若しくは高速固定モードから高トルク固定モードに切り換わる。モード切り換えリング５０を高トルク固定モードに切り換えると、上下２本のモード切り換え部材３９，３９の両端部がそれぞれ前側溝部５１ｃ内に相対的に進入した状態となる。この状態では、両モード切り換え部材３９，３９は機軸Ｊ方向前側へ圧縮ばね３５に抗して変位し、この前側の位置に保持されて後側へ変位不能な状態となる。このため、第２段インターナルギヤ３４に対して圧縮ばね３５の付勢力が作用しない状態となる。この状態では、スピンドル１１に対して僅かな外部トルクが付加された時点（電動モータ１０が起動した時点）で、第２段インターナルギヤ３４が機軸Ｊ方向前側の回転規制位置に変位して後述するモードロック機構６０によって回転不能な状態に固定される結果、スピンドル１１に低速高トルクが出力される状態に固定される。この状態が図８に示されている。この高トルク状態では、実質的に第２段インターナルギヤ３４が機軸Ｊ方向前側の回転規制位置に固定された状態となり、従って低速高トルクの出力状態に固定された状態となる。

このように、外部から回転操作可能なモード切り換えリング５０の操作により、変速装置Ｈの動作モードを、自動変速モード又は高速固定モード又は高トルク固定モードに任意に切り換えることができる。各モードと、切り換え溝５１内におけるモード切り換え部材３９の位置との関係が図１０にまとめて示されている。自動変速モードでは、スピンドル１１に付加される外部トルクが一定値に達すると、減速比が小さな高速低トルクモードから減速比が大きな低速高トルクモードに自動的に切り換わる。この低速高トルクモードは以下説明するモードロック機構６０によってロックされる。
これに対してモード切り換えリング５０を高速低トルクモード位置に回転操作すると、上下２本のモード切り換え部材３９，３９の機軸Ｊ方向の位置が後側に固定される結果、第２段インターナルギヤ３４は回転許容位置にロックされ、従ってスピンドル１１には外部トルクの変化に関係なく常時高速低トルクが出力される。
逆に、モード切り換えリング５０を低速高トルクモード位置に回転操作すると、上下２本のモード切り換え部材３９，３９の機軸Ｊ方向の位置が前側に固定される結果、第２段インターナルギヤ３４に対して圧縮ばね３５の付勢力が作用しない状態となる。このため、電動モータ１０を起動すると、第２段インターナルギヤ３４がその起動トルク等の僅かな外部トルクによって瞬時に回転規制位置に変位し、この回転規制位置で以下説明するモードロック機構６０によってロックされる。このため、この低速高トルクモードでは、第２段インターナルギヤ３４が実質的に常時回転規制位置にロックされた状態となり、従ってスピンドル１１に付加される外部トルクの変化に関係なく常時低速高トルクが出力される。
本実施形態において、高速低トルクモードにおける当該変速装置Ｈの減速比は、その出力トルクではねじ締めを最後まで行うことができない程度に小さな減速比に設定されている。これに対して、低速高トルクモードにおける減速比は、その出力トルクにより締め残しを発生することなくねじ締めを最後まで完全に行い得る程度に十分に大きな減速比に設定されている。このことから、本実施形態では、高速低トルクモードの減速比と低速高トルクモードの減速比の変化率が通常よりも大きくなっている。すなわち、前記したように高速低トルクモードでのスピンドル１１の出力回転数は約２０００ｒｐｍに設定され、低速高トルクモードでのスピンドル１１の出力回転数は約４００ｒｐｍに設定されている。このため、本実施形態での、高速低トルクモードでの出力回転数は低速高トルクモードでの出力回転数の約５倍に設定されている。この出力回転数の比率は、４．５倍〜６．０倍の範囲で設定することによって、高速低トルクモードでの出力回転数を従来にないほど高速回転させることができ、これにより加工の初期段階での高速化を図ることができる。

次に、第２段インターナルギヤ３４の回転規制位置（機軸Ｊ方向前側の位置）は、モードロック機構６０によって保持されるようになっている。このモードロック機構６０の詳細が図１１及び図１２に示されている。図１１は、このモードロック機構６０が外れて第２段インターナルギヤ３４が回転許容位置に保持された状態（クラッチ歯２３ａ，３４ａが噛み合った状態）を示しており、図１２がこのモードロック機構６０によって第２インターナルギヤ３４が回転規制位置に保持された状態（クラッチ歯２３ａ，３４ａの噛み合いが外れた状態）を示している。
このモードロック機構６０は、第２段インターナルギヤ３４を機軸Ｊ方向前側の回転規制位置に保持する機能と、この回転規制位置に位置する第２段インターナルギヤ３４を回転不能にロックする機能を有している。
第２段インターナルギヤ３４の外周面であってフランジ部３４ｂの後側には、係合溝部３４ｃが全周にわたって設けられている。この係合溝部３４ｃ内の、周方向３等分位置には係合壁部３４ｄ〜３４ｄが設けられている。一方、本体ハウジング２ａには、その周方向の三等分位置に１つずつ係合球６１が保持されている。この三つの係合球６１〜６１が特許請求の範囲に記載したインターナル規制部材の一実施形態に相当するもので、それぞれ本体ハウジング２ａに設けた保持孔２ｃ内に保持されている。この保持孔２ｃ内において各係合球６１は、本体ハウジング２ａの内周側に出没可能に保持されている。三つの係合球６１〜６１の周囲には、ロックリング６２が配置されている。このロックリング６２は、機軸Ｊ回りに回転可能な状態で本体ハウジング２ａの外周側に支持されている。
このロックリング６２の内周面には、周方向に深さが変化するカム面６２ａ〜６２ａが三つの係合球６１〜６１に対応して周方向三等分位置に設けられている。各カム面６２ａに１つの係合球６１が摺接されている。各カム面６２ａに対する係合球６１の摺接作用によりロックリング６２が機軸Ｊ回りに一定の範囲で回転すると、各係合球６１が保持孔２ｃ内において本体ハウジング２ａの内周側に突き出さない退避位置（図１１に示す位置）と、突き出す係合位置（図１２に示す位置）との間を移動する。

ロックリング６２は、本体ハウジング２ａとの間に介装された捩りコイルばね６３によって、機軸Ｊ回り方向の一方（ロック側）に付勢されている。このロックリング６２の、捩りコイルばね６３による付勢方向は、各係合球６１を係合位置側に変位させる方向にカム面６２ａが回転する方向（ロック側）に付勢されている。図１１に示すように第２段インターナルギヤ３４が圧縮ばね３５の付勢力によって回転許容位置に位置する状態では、そのフランジ部３４ｂが保持孔２ｃを塞ぐ位置に位置しているため、各係合球６１〜６１が退避位置に押され、その結果ロックリング６２が捩りコイルばね６３に抗してアンロック側に戻された状態となっている。
これに対して、図１２に示すように第２インターナルギヤ３４が圧縮ばね３５に抗して、若しくは圧縮ばね３５の付勢力が作用しない結果、回転規制位置に移動すると、各保持孔２ｃに対してフランジ部３４ｂが外れて係合溝部３４ｃが位置する状態となる。このため、各係合球６１が本体ハウジング２ａの内周側へ変位して係合溝部３４ｃ内に嵌り込み、この嵌り込み状態が捩りコイルばね６３の付勢力によって保持される。各係合球６１が係合溝部３４ｃ内に嵌り込んだ状態に保持されることにより、第２段インターナルギヤ３４が回転規制位置に保持されるとともに、各係合球６１が係合壁部３４ｄに係合されることによりその機軸Ｊ回りの回転がロックされた状態となる。なお、第２段インターナルギヤ３４が回転規制位置にロックされると、そのクラッチ歯３４ａ〜３４ａと第１段キャリア２３のクラッチ歯２３ａ〜２３ａとの噛み合いが外れた状態に保持される。

また、各係合球６１〜６１は、それぞれカム面６２ａを介して捩りコイルばね６３の付勢力が作用することによって間接的に係合位置側に付勢されている。この各係合球６１の係合位置側への付勢力によって各係合球６１がそれぞれ係合溝部３４ｃ内に嵌り込むと、当該付勢力が当該係合球６１の球体形状及び係合溝部３４ｃの傾斜面との相互作用を経て作用する結果、第２段インターナルギヤ３４に対して回転規制位置側への付勢力としてさらに間接的に作用する。この捩りコイルばね６３の間接的付勢力が、第２段インターナルギヤ３４に対して回転規制位置側への付勢力として作用することにより、当該第２段インターナルギヤ３４がスピンドル１１を経て戻される外部トルクによって回転許容位置から回転規制位置側へ変位し始めると、瞬時に各係合球６１が係合溝部３４ｃ内に嵌り込み、従って当該第２段インターナルギヤ３４が瞬時に回転規制位置側に大きく移動する。このため、図１２に示すように第２段インターナルギヤ３４が回転規制位置に移動した状態では、そのクラッチ歯３４ａ〜３４ａと、第１段キャリア２３のクラッチ歯２３ａ〜２３ａとの間には適切なクリアランスが発生した状態となる。このため、機軸Ｊ回り方向に回転する第１段キャリア２３のクラッチ歯２３ａ〜２３ａが、回転固定された第２段インターナルギヤ３４のクラッチ歯３４ａに対して接触することがなく、高トルク側へ変速後においても静かに動作（静音化）させることができる。
ロックリング６２のロック位置は、捩りコイルばね６３に保持されることから、当該変速装置１０は低速高トルク側に保持される。ロックリング６２のロック位置は、使用者の手動操作により解除することができる。使用者は、ロック位置に保持されたロックリング６２を手動操作により捩りコイルばね６３に抗してアンロック位置に回転操作すると、各係合球６１が退避位置に退避可能となるため、第２段インターナルギヤ３４が圧縮ばね３５によって回転許容位置に戻される。第２段インターナルギヤ３４が回転許容位置に戻されると、そのクラッチ歯３４ａ〜３４ａが第１段キャリア２３のクラッチ歯２３ａ〜２３ａに噛み合わされた状態になる。また、第２段インターナルギヤ３４が回転許容位置に戻されると、そのフランジ部３４ｂによって保持孔２ｃが塞がれるため各係合球６１が退避位置に保持される。このため、使用者はその後ロックリング６１から指先を離しても当該ロックリング６２が捩りコイルばね６３に抗してアンロック位置に保持される。このようにロックリング６２をアンロック位置（初期位置）に戻すための構成として手動操作により行う構成とする場合の他、例えば前記したトリガ形式のスイッチレバー４の操作によって自動的にアンロック位置に戻す構成とすることができる。

次に、本実施形態の電動工具１では、変速装置Ｈが自動変速モードに切り換えられた状態で、高速低トルクモードから低速高トルクモードに切り換わる際に発生する反動（機軸Ｊ回りの振り回し力）によって使用者がハンドル部３を把持した当該電動工具１が機軸Ｊ回りに振られないようにするための工夫がなされている。図１に示すように本実施形態では、１８Ｖ電源タイプのバッテリパック５（質量Ｍ＝０．６ｋｇ）が用いられており、このバッテリパック５の重心Ｇの機軸Ｊからの距離Ｌが１９５ｍｍに設定されている。このため、当該電動工具１を機軸Ｊ回りに回転させるために必要な慣性モーメントＩ（ｋｇ・ｍｍ²）は、
Ｌ²×Ｍ＝（１９５ｍｍ）²×０．６ｋｇ＝約２３，０００（ｋｇ・ｍｍ²）
この点、自動変速装置を備えた従来の電動工具では、バッテリパックの重心の機軸からの距離が比較的短かったため、変速時に発生する機軸Ｊ回りの反動に比して慣性モーメントＩが小さく設定されていた。このため、自動変速により動作モードが高速低トルクモードから低速高トルクモードに切り換わると、これにより発生する振り回し力により電動工具が機軸Ｊ回りに振られやすく、その結果ハンドル部を把持しが使用者が当該電動工具１を振られないように大きな力で保持しておかなければならず、この点で使い勝手が悪い問題があった。
本実施形態に係る電動工具１によれば、機軸Ｊ（スピンドル１１の回転中心）から従来よりも離れた位置にバッテリパック５の重心Ｇが位置するように設定されて、機軸Ｊ回りの慣性モーメントＩが従来よりも大きく設定されているので、自動変速により発生する機軸Ｊ回りの反動によっては振り回されにくくなり、従って使用者は従来よりも小さな力でハンドル部３を把持しておけば当該電動工具１の位置を楽に保持しておく（機軸Ｊ回りに振られることなく静止させておく）ことができ、この点で使い勝手が従来よりも向上している。
このトルク変動に対する振り回し防止の効果は、機軸Ｊからバッテリパック５の重心Ｇまでの距離Ｌが大きいほど高くなり、またバッテリパック５の質量Ｍが大きくなるほど高くなる。
なお、１８Ｖバッテリでは慣性モーメントＩが約２０，０００（ｋｇ・ｍｍ²）程度であるが、例えば２４Ｖバッテリであれば慣性モーメントＩを約４０，０００（ｋｇ・ｍｍ²）程度に設定することができる。

以上のように構成した本実施形態の電動工具１によれば、変速装置Ｈを構成する第１〜第３段遊星歯車機構２０，３０，４０のうち、第２段遊星歯車機構２０における第２段インターナルギヤ３４が機軸Ｊ方向の回転許容位置と回転規制位置との間を移動することによって減速比を二段階で切り換え、これにより高速低トルク出力状態（高速低トルクモード）と低速高トルク出力状態（低速高トルクモード）とに切り換えることができる。本実施形態では、高速低トルクモードでの出力回転数が約２，０００ｒｐｍとされ、低速高トルクモードでの出力回転数が約４００ｒｐｍとされて、その比率が５対１（約５倍）に設定されている。高速低トルクモードでの出力回転数（２，０００ｒｐｍ）による出力トルクでは、ねじ締め抵抗が徐々に大きくなるため最後までねじ締めを進行させることができないトルクとなっている。しかし、自動変速モードにしておくことにより、ねじ締めの進行に伴って出力モードが高速低トルクモードから低速高トルクモードに自動的に切り換わる。この低速高トルクモードでの出力回転数（４００ｒｐｍ）により、十分に大きな出力トルクが出力されるためねじ締めは最後まで進行して、ねじは強固に締め付けられる。
このように、自動変速前の出力回転数を自動変速後の出力回転数の約５倍程度に設定することにより、ねじ締め等の加工の初期段階では、ねじ締めを最後まで進行させるためには不足する出力トルクで、従来にない極めて高速回転により加工を迅速に進行させ、ねじ締めの途中の段階で自動変速させて大きなトルクを出力するモードに切り換えることにより、ねじ締めを確実に行うことができる。このことから、ねじ締め等の加工を従来よりも高速化することができる。
この構成の電動工具１は、例えば先端部に下穴用のドリル刃を備えた特殊用途のねじ（いわゆる商品名テクスねじ）の締め付け作業に好適に用いることができる。このねじの締め付け作業の場合、小さな出力トルクで足りる下穴明けを高速低トルクモードで迅速に行い、その後自動変速して低速高トルクモードで引き続いてねじの締め付けを行うことができ、用途に応じて２段階の出力トルクを高速かつ連続して出力することができる。

しかも、本実施形態の電動工具１によれば、機軸Ｊからバッテリパック５の重心Ｇまでの距離Ｌの二乗とバッテリパック５の質量Ｍとの積で表される慣性モーメントＩが、高速低トルクモードから低速高トルクモードに自動変速した場合に発生する機軸Ｊ回りの反動よりも大きくなるように、距離Ｌと質量Ｍが設定されている。このため、自動変速時に発生する反動によっては当該電動工具１が機軸Ｊ回りに回転しない（振り回されない）ようになっている。これにより、使用者はハンドル部３をそのままの力で把持した状態で自動変速させて当該電動工具１を用いることができ、この点で当該電動工具１の操作性（使い勝手）を高めることができる。この自動変速時における当該電動工具１の安定性の向上は、従来にない大きな倍率（４．５倍〜６．０倍）で出力回転数が自動変速され、その結果自動変速時に従来よりも大きな反動が発生することが想定される場合に、使用者にとって不意に大きな反動が手に加わることを防止若しくは抑制できる点で特に有意義な作用効果となる。

以上説明した実施形態には、種々変更を加えることができる。例えば、高速低トルクモードでの出力回転数を約２，０００ｒｐｍとし、低速高トルクモードでの出力回転数を約４００ｒｐｍとして、その倍率を５倍程度にした構成を例示したが、係る出力回転数の比率は、４．５倍〜６．０倍程度の範囲で任意に設定することができ、係る範囲内の倍率であれば同様の作用効果を得ることができる。
また、機軸Ｊからバッテリパック５の重心Ｇまでの距離Ｌを１９５ｍｍ、バッテリパック５の質量Ｍを０．６ｋｇとする構成を例示したが、これら寸法についてはその他様々な態様で実施することができる。
さらに、電動工具１としてドライバドリルを例示したが、穴明け専用の電動ドライバあるいは電動ねじ締め機との単能機に適用することもできる。さらに、電動工具は例示した充電式バッテリを電源とするものの他、交流電源を電源とするものであってもよい。

本実施形態の電動工具の全体の縦断面図である。本図は、変速装置の初期状態を示している。本実施形態に係る変速装置の拡大図である。本図は、変速装置の初期状態であって自動変速モードにおける高速低トルク出力状態を示している。自動変速モード位置に切り換えた状態のモード切り換えリングの側面図である。本図は、高速低トルク出力状態を示している。本実施形態に係る変速装置の拡大図である。本図は、自動変速モードにおける低速高トルク出力状態を示している。自動変速モード位置に切り換えた状態のモード切り換えリングの側面図である。本図は、低速高トルク出力状態を示している。本実施形態に係る変速装置の拡大図である。本図は、高速固定モードに切り換えた状態を示している。高速固定モード位置に切り換えた状態のモード切り換えリングの側面図である。本実施形態に係る変速装置の拡大図である。本図は、低速固定モードに切り換えた状態を示している。低速固定モード位置に切り換えた状態のモード切り換えリングの側面図である。本実施形態に係る変速装置の各動作モードを一覧表で表した図である。モードロック機構の拡大図である。本図は、モードロック機構のアンロック状態を示している。モードロック機構の拡大図である。本図は、モードロック機構のロック状態を示している。本図では、第２段インターナルギヤが回転規制位置にロックされた状態が示されている。

符号の説明

１…電動工具
２…本体部、２ａ…本体ハウジング、２ｂ…挿通溝孔、２ｃ…保持孔
Ｊ…機軸（スピンドルの回転軸）
３…ハンドル部、３ａ…ハンドルハウジング
４…スイッチレバー
５…バッテリパック、Ｇ…重心、Ｍ…質量
１０…電動モータ、１０ａ…出力軸
１１…スピンドル
１２…チャック
１３，１４…軸受け
Ｈ…変速装置
２０…第１段遊星歯車機構
２１…第１段太陽ギヤ
２２…第１段遊星ギヤ
２３…第１段キャリア、２３ａ…クラッチ歯
２４…第１段インターナルギヤ
３０…第２段遊星歯車機構
３１…第２段太陽ギヤ
３２…第２段遊星ギヤ
３３…第２段キャリア
３４…第２段インターナルギヤ
３４ａ…クラッチ歯、３４ｂ…フランジ部、３４ｃ…係合溝部、３４ｄ…係合壁部
３５…圧縮ばね
３６…押圧板
３７…転動板
３８…鋼球
３９…モード切り換え部材
４０…第３段遊星歯車機構
４１…第３段太陽ギヤ
４２…第３段遊星ギヤ
４３…第３段キャリア
４４…第３段インターナルギヤ
５０…モード切り換えリング、５０ａ…ツマミ部
５１…切り換え溝部
５１ｂ…後側溝部（高速固定モード用）
５１ｃ…前側溝部（高トルク固定モード用）
５１ｄ…中間溝部（自動変速モード用）
６０…モードロック機構
６１…係合球
６２…ロックリング、６２ａ…カム面
６３…捩りコイルばね
Ｌ…機軸Ｊからバッテリパックの重心までの距離

Claims

駆動源として電動モータと該電動モータの回転動力を減速してスピンドルに出力するための変速装置を内蔵した電動工具であって、
前記変速装置は、前記スピンドルに付加される外部トルクに基づいて高速低トルクを出力する高速低トルクモードと、低速高トルクを出力する低速高トルクモードを自動的に切り換え可能であり、前記高速低トルクモードにおける出力回転数が前記低速高トルクモードにおける出力回転数の４．５〜６．０倍に設定された電動工具。
請求項１記載の電動工具であって、前記変速装置は、前記電動モータから前記スピンドルに至る動力伝達経路の上流側の第１段遊星歯車機構と、下流側の第２段遊星歯車機構と、該第２段遊星歯車機構のインターナルギヤの軸回りの回転を規制するインターナル規制部材を備え、
前記インターナルギヤの回転が許容されて前記スピンドルに高速低トルクが出力され、前記インターナルギヤの回転が前記インターナル規制部材により規制されて前記スピンドルに低速高トルクが出力される構成とした電動工具。
請求項１又は２記載の電動工具であって、前記高速低トルクモードの出力回転数が２，０００ｒｐｍに設定され、前記低速高トルクモードの出力回転数が４００ｒｐｍに設定された電動工具。
請求項１又は２記載の電動工具であって、前記電動モータと前記変速装置を内蔵した工具本体部と、該工具本体部から側方へ突き出す状態に設けられたハンドル部を備え、該ハンドル部の先端に電源としてのバッテリパックを装着可能であり、
前記変速装置において前記高速低トルクモードから前記低速高トルクモードに切り換わることにより発生する機軸Ｊ回りの反動よりも、該機軸Ｊ回りの慣性モーメントＩの方が大きくなるように前記機軸Ｊから前記バッテリパックの重心Ｇまでの距離Ｌと、該バッテリパックの質量Ｍを設定した電動工具。