JP2023162722A - エアツール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図り、より出力が大きいエアツールを提供する。【解決手段】本発明のエアツール１００は、ロータ３１、ロータ３１の外周面３７に設けられる複数のブレード４５、及びロータ３１とブレード４５とを収容するシリンダ５０により形成されるエア充填空間Ｌを備え、エア充填空間Ｌは、ロータ外周面３７を含む仮想円筒面Ｃ、隣り合う２つのブレード４５、シリンダの円筒部材の内周面５１ａ、及び、シリンダの円筒部材の両端部に配置されている端部部材の内面を含むそれぞれの仮想平面Ｄ、及びＥにより画定される第１空間Ｍと、第１空間Ｍと連通しており、エアツール内で閉塞されている第２空間Ｎと、を有している。【選択図】図３

Description

本発明は、高圧エアで回転するエアモータを備えるエアツールに関する。

従来、高圧エアでエアモータを回転させるハンド式のエアツールが用いられている。エアツールは、高圧エアにより回転するロータと、ロータを収容するシリンダとを有するエアモータを備えている。ロータは、ロータの外周面において周方向等間隔に複数の溝が設けられており、各溝には板状のブレードが内外方向に摺動可能に挿入されている。隣り合う２枚のブレード、ロータ、及びシリンダによりエア充填空間が形成されており、エア充填空間にはエア導入口から高圧エアが導入されてロータが回転する。

素材を加工するエアツールは切削刃を備えており、ロータの回転力により切削刃を回転させて対象物を加工する。加工する対象物には、金属等の硬い材料も含まれ、硬い材料を容易に加工するために、より出力が大きいエアツールが求められている。また、インパクトレンチのようにボルト等の締め付け及び緩めの作業をするエアツールでは、トルクが大きい方が作業しやすく望ましい。

しかしながら、高トルク、高出力を得るためにエアモータを大型化すると、エアツールは大型化、かつ重くなり、作業者が扱いにくいエアツールとなる。

本発明は、上記課題の解決のためにされたものであり、小型化を図り、重量を増やすことなく、より高トルク、高出力なエアツールを提供することを目的とする。

本発明のエアツールは、ロータと、ロータの外周面に設けられる複数のブレードと、ロータとブレードとを収容するシリンダにより形成されるエア充填空間と、を備えるエアツールにおいて、エア充填空間は、ロータ外周面を含む仮想円筒面、隣り合う２つのブレード、シリンダの円筒部材の内周面、及び、シリンダの円筒部材の両端部に配置されている端部部材のそれぞれの内面を含む２つの仮想平面により画定される第１空間と、第１空間と連通しており、前記エアツール内で閉塞されていて、第１空間とともにエアが充填される第２空間と、を有していることを特徴とする。

本発明のエアツールは、エアのバッファ空間である第２空間を設けることで、エア充填空間のエアの圧縮を低減し、それによる回転エネルギの損失を低減することができる。

また、本発明のエアツールが有する第２空間は、ロータ外周面に設けられた凹部であることが好ましい。

本発明のエアツールは、エアのバッファ空間である凹部がロータ外周面に形成されているので、ロータの変更という比較的小さな変更のみでエアのバッファ空間を設けることができる。

また、本発明のエアツールが有するロータ外周面に形成された凹部の底部は、断面が円弧形状を含んで形成されていることが好ましい。

ロータに周方向幅が一定の凹部を形成する場合、凹部を深くするほど、隣接する凹部の底部同士の間隔が狭くなる。肉厚が薄くなると強度上の問題があることから、隣接する凹部の底部同士の間隔はあまり小さくできず、凹部の深さの制約から凹部の容積に限度があった。それに対して、本発明のエアツールの凹部は、底部が円弧形状を含んで形成されているので、ロータ表面から一定幅の凹部を強度上設けることができる深さまで形成し、さらにラウンド形状の凹部を設けることができる。そのため、凹部の底部がラウンド形状ではない場合、具体的には底部の断面が平面と、平面又は曲面とが交差する隅部を有する略矩形形状、又は三角形状の場合に比べて、より大きな凹部容積とすることができ、その結果、より大きなエアのバッファ空間を設けることができる

また、本発明のエアツールが有する第２空間は、シリンダの第１空間に接する面に設けられた凹部であることが好ましい。

本発明のエアツールの凹部は、シリンダに凹部を形成することでエアのバッファ空間を設けるので、エアツールの基本構造を大幅に変更することなく、エアのバッファ空間を設けることができる。

本発明の実施の形態に係るエアツールを示す側面図である。 図１のエアツールのＡ部における、ロータの回転軸を通る断面による断面図である。 図２のＩ－Ｉ断面図である。 図２のロータの斜視図である。 図１のエアツールが備えるエアモータのエア充填空間の体積変化を示す特性図である。 図１のエアツールが備えるエアモータの作動を示す概要図である。 図１のエアツールが備えるエアモータの作動を示す概要図である。 図１のエアツールが備えるエアモータの作動を示す概要図である。 図１のエアツールが備えるエアモータの作動を示す概要図である。 図１のエアツールの回転トルクを示す特性図である。 図１のエアツールのパワーを示す特性図である。

＜実施の形態＞
本発明に係る実施の形態のエアツールを、添付図面を参照して以下に説明する。図１は、本発明に係る構造のエアモータを備える実施の形態であるエアツール１００を示す側面図である。図２は、図１のエアツールのＡ部における、ロータ３１の回転軸線Ｘを通る断面による断面図である。図３は、図２のＩ－Ｉ断面図である。図４は、本発明の特徴である、図２のロータ３１を示す斜視図である。本説明におけるエアモータ３０の断面図である図３、図６～図９は、全てエアツール１００をロータの回転軸に対して垂直な断面であって、エアモータ３０の前方、すなわち図１及び図２の左側から見た断面で表現している。また、エアツール１００の回転作動に関しては、作業者から見て左回転、すなわち右ねじのボルトを緩める方向の場合で説明する。

図１を参照して、エアツール１００を説明する。エアツール１００はインパクトレンチであり、本発明をインパクトレンチに適用した場合で説明する。エアツール１００は、ハウジング１０、及びエアモータ３０を備えている。本発明のエアツールの凹部の役割について説明する。エアツール１００では、エア充填空間Ｌへのエア導入後、ロータ３１の回転に伴い、ブレード４５に挟まれたエア充填空間Ｌの容積が徐々に小さくなって排気される。本発明の発明者は、その際に排出口からの排気量が飽和してエア充填空間Ｌのエアが圧縮されており、エア充填空間Ｌのエアを圧縮する際に、回転エネルギの損失が生じていることを突き止めた。本発明は、エアのバッファ空間である第２空間Ｎを設けることで、エア充填空間Ｌのエアの圧縮を低減して、回転エネルギの損失を低減することができる。

本発明は、エアモータ３０を備えるエアツールであれば、インパクトレンチ以外にも種々のエアツールに適用可能である。本発明は、例えば、ドリル、グラインダ、ラチェットレンチ、等に適用可能である。エアツール１００は、インパクトレンチとして以下の構造を備えている。

ハウジング１０は、エアモータ３０を内部に収容している上部ハウジング１１、上部ハウジング１１の下側に配置されている下部ハウジング１２、及び上部ハウジング１１の前側に取付けられている前部ハウジング１３を有している。

下部ハウジング１２は、グリップ２１、下部ハウジング１２の下端部に設けられているエアインレット２２、及び下部ハウジング１２の前端部に導入された高圧エアをエアモータ２０に流す流量を無段階に調整するスロットル２３が設けられている。エアインレット２２は、ホース端部が接続される部位であり、エアインレット２２を介して外部からエアツール１００に高圧エアが供給される。

前部ハウジング１３の内部は図示されていないが、前部ハウジング１３は、公知のように、図示されない１組のハンマー、ハンマーを回転可能に保持するハンマーフレーム、及びロータ３１から回転力が伝達されるアンビル２５、等を収容している。前部ハウジング１３の先端に設けられている開口部からは、六角ソケットが取り付け可能なアンビル２５の先端部が突出している。

図２～図４を参照して、上部ハウジング１１の内部構造を説明する。図２は、エアモータ３０が有するロータ３１の回転軸線Ｘを含み、かつエアツール１００の上下方向に平行な断面によるＡ部の部分断面図である。図３は、図２のＩ－Ｉ断面図である。図４は、エアツール１００に含まれるロータ３１の斜視図である。上部ハウジング１１に収容されているエアモータ３０は、ロータ３１、ロータ３１に組み込まれている複数のブレード４５、ロータ３１を回転可能に保持している複数のベアリング４６、ロータ３１を内部に収容しているシリンダ５０を有している。

図２に示されているように、シリンダ５０は、複数の部材が組み立てられて、ロータ３１が収容される空間を形成している部材である。シリンダ５０は、略円筒形状であり内周面５１ａを有する円筒部材５１、略円盤形状であり内面５２ａを有する第１端部部材５２、及び略円盤形状であり内面５３ａを有する第２端部部材５３を有している。シリンダ５０は、上部ハウジング１１の内部において、第１端部部材５２、及び第２端部部材５３のそれぞれの外周端部を上部ハウジング１１の内面に嵌めた状態で固定されている。円筒部材５１は、内部にロータ３１を収容する空間を有している。円筒部材５１のアンビル２５側の端部には第１端部部材５２、円筒部材５１のアンビル２５と反対側の端部には第２端部部材５３が、円筒部材５１の両方の端部を閉塞するように配置されている。なお、本実施の形態では、円筒部材５１と、第２端部部材５３は、第２端部部材５３を底部分とする有底円筒形状に一体的に形成されている。第１端部部材５２、及び第２端部部材５３のそれぞれの中央部分には貫通孔が設けられており、各貫通孔の外側にはそれぞれベアリング４６、４６が配置されている。

図３に示されているように、第２端部部材５３は、シリンダ５０内部にエアの吸排気を行うための通気ポートが設けられている。図３の断面図において、右上部分には第１連通口５５、及び左上には第３連通口５７が設けられている。また、円筒部材５１のロータ３１の回転方向における、第１連通口５５、及び第３連通口５７の略中間位置には、第２連通口５６が設けられている。エアツール１００は、ロータ３１の回転方向が一方向、又は他方向に選択可能に構成されている。エアツール１００は、図示されないエア流路切換え機構を備えており、第１連通口５５、及び第３連通口５７をそれぞれエアインレット２２に連通させるか、外部への排気アウトレットに連通させるかを切換えることができる。エアツール１００は、ボルトの締め付けと緩め等、必要に応じて回転方向が切換えられる。

図２に示されているとおり、ロータ３１は、略円筒形状の部材の両端面からそれぞれ第１回転軸支持部３３、及び第２回転軸支持部３４が突出した形状の部材である。ロータ３１は、ロータ本体３２、ロータ本体３２からアンビル２５側に突出して形成されている第１回転軸支持部３３、及びロータ本体３２からアンビル２５側と反対側に突出して形成されている第２回転軸支持部３４を有している。第１回転軸支持部３３、及び第２回転軸支持部３４は、シリンダ５０に固定されているベアリング４６、４６により保持されている部分である。ロータ本体３２、第１回転軸支持部３３、及び第２回転軸支持部３４は、それぞれの回転軸線Ｘを一致させて配置されている。

図３、及び図４を参照して、ロータ３１の形状をさらに説明する。略円筒形状であるロータ本体３２は、アンビル２５側の端面である第１端面３５、第１端面３５と反対側面である第２端面３６、及び第１端面３５と第２端面３６の間の外周面３７を有している。ロータ本体３２には、回転軸線Ｘを中心にして周方向一定角度毎に、複数のブレード溝３８が設けられている。ブレード溝３８は、ブレード４５を摺動可能に保持している溝である。ブレード溝３８は、外周面３７からロータ本体３２の回転軸線Ｘに向かって溝幅一定で形成されており、かつブレード溝３８は、第１端面３５から第２端面３６までロータ本体３２の回転軸線Ｘ方向長さの全長にわたって直線状に設けられている。ブレード溝３８の数は４個～８個から適宜決定され、本実施の形態では、例えば６個設けられている。ブレード溝３８がロータ本体３２に回転軸線Ｘを中心にして周方向一定角度毎に設けられていることにより、隣接する２つのブレード溝３８に挟まれた部分には、本体小片部３９が形成されている。本体小片部３９は、ブレード溝３８と同数が設けられている。例えば、ブレード溝３８が６個設けられている場合、本体小片部３９も６個設けられている。また、ロータ回転が一方向のみとされているエアツールの場合、ブレード溝３８は、例えば４個設けられていてもよい。

それぞれのブレード溝３８には、ブレード４５が挿入されている。図３に示されているように、ブレード４５はブレード溝３８と相似形に形成され、ブレード溝３８に挿入されている。ブレード４５は、厚さ一定で、略長方形状の板状部材であり、一方の長辺の中央部分が外側に膨出した略凸曲面形状円に形成されている。ブレード溝３８の周方向幅はブレード４５の厚さに対して、１％～５％大きく形成されており、ブレード４５はブレード溝３８に隙間嵌めで収容されている。ブレード４５は、ロータ３１の回転に伴う遠心力によりブレード溝３８内において、ブレード４５の外側端部が円筒部材内周面５１ａにあたる位置まで外周側に移動する。ロータ３１の外周面３７と、シリンダ５０の円筒部材５１の内周面５１ａとの間の距離Ｂは、ロータ３１の回転により０から最大値Ｂｍａｘまで周期的に変化する。図３において、Ｂで示されている距離は距離Ｂの最大値Ｂｍａｘであり、その位置から周方向に１８０°回転した位置における距離Ｂは０である。したがって、ブレード４５はロータ３１の回転に伴う距離Ｂの周期的な変化に応じて、ブレード溝３８からの突出量は、０から最大値Ｂｍａｘまで周期的に変化する。

本体小片部３９は、凹部４０を有している。凹部４０は、本体小片部３９の外周面３７からロータ本体３２の回転軸線Ｘに向かって、周方向幅一定で形成されている。凹部４０は、両方の凹部端部４２、及び両方の凹部端部４２の間に形成される中間部４１を有している。凹部４０の外周面３７上の開口部形状について、中間部４１は互いに平行な２本の直線部で画定されており、凹部端部４２は半円形状が前記２本の直線部をつなぐように形成されている。図３に示されているように、ロータ本体３２の回転軸線Ｘに垂直な断面による、凹部４０の底部４３の形状は、半円形状のラウンド部に形成されている。また、凹部４０の凹部端部４２の底部４３の形状は、ロータ本体３２の回転軸線Ｘに平行な断面視において、半円形状のラウンド部に形成されている。すなわち、凹部４０の底部４３は、平面と、平面又は曲面とが交差して形成される隅部がなく、ラウンド形状のみで形成されている。それにより、凹部４０の周方向幅を広げることができるので、凹部４０の設定可能寸法範囲を広げることができる。このため、凹部４０の底部４３に平面と、平面又は曲面とが交差して隅部が形成されている場合に比べて、底部４３における応力集中が低減される。

凹部４０の寸法について説明する。凹部４０の周方向幅は、本体小片部３９の周方向幅の２０％から８０％、好ましくは３０％から７０％、より好ましくは４０％から６０％である。また、凹部４０の深さは、ロータ本体３２の半径の２０％から８０％、好ましくは３０％から７０％、より好ましくは４０％から６０％である。凹部４０は、本体小片部３９を削って形成されるため、強度上可能な寸法範囲、及び必要とされる凹部４０の容積などを総合的に勘案して、凹部４０の寸法が決定される。

図２、及び図３を参照しながら、エア充填空間Ｌを説明する。仮想円筒面Ｃ、円筒部材内周面５１ａ、第１端部部材５２の内面５２ａを含む仮想平面Ｄ、及び第２端部部材５３の内面５３ａを含む仮想平面Ｅで囲まれる空間が第１空間Ｍである。また、ロータ本体３２の本体小片部３９に設けられている凹部４０の内部空間、すなわちロータ本体３２の外周面３７を含む仮想円筒面Ｃと凹部４０の内面とで囲まれた空間が第２空間Ｎである。したがって、高圧エアが充填されるエア充填空間Ｌは、第１空間Ｍと第２空間Ｎとの和である。図３に示されているように、第１空間Ｍの容積はロータ３１の回転により変化する。具体的には、エア充填空間Ｌが図３中の右上の位置かつ、第１連通口５５に隣接する位置ではエア充填空間Ｌの容積は最小であり、図３においてロータ３１が右回転方向に進むにつれて、図３中の真下の位置に至るまでエア充填空間Ｌの容積は増加する。その後、さらに回転するとエア充填空間Ｌは減少していき、エア充填空間Ｌが第３連通口５７に隣接する図３中の左上の位置に到達するとエア充填空間Ｌの容積は最小となる。なお、第１空間Ｍは、ロータ３１の回転位置により、それぞれ外部に常時連通している第１連通口５５、第２連通口５６、又は第３連通口５７と連通するが、第１空間Ｍは前記の各連通口の空間は含めず、上記定義とする。

図５を参照して、ロータ３１の回転によるエア充填空間Ｌの容積変化を説明する。図６～図９は、ロータ３１の回転により、ドットパターンで示された１つのエア充填空間Ｌの高圧エアの導入から排出まで動きを示している。図６は、１つのエア充填空間Ｌが第１連通口５５に連通している位置である高圧エアの導入工程を示している。図７は、図６の後、ロータ回転に伴って上記エア充填空間Ｌが膨張する膨張工程を示している。図８は、図７の後、ロータ回転に伴って上記エア充填空間Ｌが圧縮を開始し、第２連通口５６に連通する圧縮工程を示している。図９は、図８の後、ロータ回転に伴って上記エア充填空間Ｌが第３連通口５７に連通する排気工程を示している。

本発明は、エア充填空間Ｌが圧縮工程から排気工程において、排気量が飽和してエア充填空間Ｌ内のエアを圧縮させることで発生するエネルギロスを低減する。図５は、図８に示されている圧縮工程から図９に示されている排気工程までの、ロータ回転角が１２０°の範囲でのエア充填空間Ｌの変化の理論値を示している。図５中の線図１は、ロータ３１に凹部４０がない仕様１の線図である。また、線図２から線図４は、ロータ３１に凹部４０が設けられた仕様２～４の線図である。仕様２から仕様４は、凹部４０がない場合の本体小片部３９の体積の１０％、２０％、３０％に相当する容積の凹部４０を本体小片部３９にそれぞれ設けた仕様である。図５は、図８の圧縮工程時点のエア充填空間Ｌを１として、それ以降の回転角度変化によるエア充填空間Ｌの容積比を示している。

仕様１では、容積比は、図８から６０°回転した状態で容積比は約０．４３、図８から１２０°回転した図９の状態で０．０５である。これに対し、仕様２では、容積比は、図８から６０°回転した状態で約０．４５、図８から１２０°回転した図９の状態で０．１５である。仕様３では、容積比は、図８から６０°回転した状態で約０．４８、図８から１２０°回転した図９の状態で０．２１である。仕様４では、容積比は、図８から６０°回転した状態で約０．４９、図８から１２０°回転した図９の状態で０．２９である。図５のグラフからわかるように、本体小片部３９に設けられた凹部４０の容積が大きいほど、図８の圧縮工程時点からの容積変化が小さくなることがわかる。また、ロータ３１が図９に示されている排気工程に近づくほど、容積変化の度合いが小さくなっている。従来のエアモータにおいて、第３連通口５７に先立って設けられている第２連通口５６に加えて、本体小片部３９に凹部４０を設けることで、エア充填空間Ｌ内のエアを圧縮させることで発生するエネルギロスを低減できることが理論的に確かめられていると考える。

図１０、及び図１１の各グラフは、凹部４０が設けられた本体小片部３９を有するエアモータ３０を試作して測定した回転トルク、及びパワーをそれぞれ示している。試作したエアモータ３０の凹部４０の容積は、凹部４０がない場合の本体小片部３９の体積の２２％に相当する容積である。上記サイズの凹部４０を設けたエアモータ３０と、凹部４０がないエアモータとの測定結果を比較した。下記の表は、代表回転数における回転トルク、及びパワーの増加率である。

図１０、及び図１１の各グラフ、及び表をみると、本発明品は、従来式の凹部４０がないエアモータ３０に比べて、回転トルク、及びパワーが増加していることが確かめられた。４，０００ｒｐｍにおいて、回転トルク、及びパワーが５％増加している。６，０００ｒｐｍ以上では回転トルク、及びパワーが１０％以上増加している本発明品は、低回転域と高回転域の両方で、回転トルク、及びパワーを向上させることができた。

＜変形例＞
上記実施の形態では、エネルギロスを低減するエアのバッファとなる凹部４０をロータ３１の外周面３７に設ける態様を説明した。これに替えて、エアのバッファである第２空間はシリンダ５０に設けられていてもよい。第２空間となる凹部は、シリンダ５０の円筒部材５１の内周面５１ａに設けられてもよい。又は、第２空間は、シリンダ５０の第１端部部材５２、又は第２端部部材５３の内面５２ａ、５３ａに設けられてもよい。シリンダ５０に設けられる第２空間は、エア充填空間Ｌが圧縮工程に位置する時に、エア充填空間Ｌに連通する位置に設けられる。また、シリンダ５０に設けられる第２空間は、外部に連通せず閉塞された空間として設けられる。すなわち、第２空間は、ロータ３１が第２連通口５６の後、かつ第３連通口５７より前に位置する回転角度範囲において、第１空間に連通し、かつ第２連通口５６、及び第３連通口５７の何れにも連通しない、円筒部材５１の内周面５１ａ、シリンダ５０の第１端部部材５２の内面５２ａ、又は第２端部部材５３の内面５３ａの１つ以上に設けられていてもよい

本発明によれば、小型化を図り、出力を上げることができるエアツールを提供することができる。

３０ エアモータ、３１ ロータ、３７ ロータ外周面、４０ 凹部、４５ ブレード、５０ シリンダ、５１ 円筒部材、５２，５３ 端部部材、１００ エアツール、 Ｌ エア充填空間。

Claims (4)

1. ロータ、前記ロータの外周面に設けられる複数のブレード、及び前記ロータと前記ブレードとを収容するシリンダにより形成されるエア充填空間を備えるエアツールにおいて、
   前記エア充填空間は、ロータ外周面を含む仮想円筒面、隣り合う２つのブレード、シリンダの円筒部材の内周面、及び、シリンダの円筒部材の両端部に配置されている端部部材のそれぞれの内面を含む２つの仮想平面により画定される第１空間と、
   前記第１空間と連通しており、前記エアツール内で閉塞されている第２空間と、を有している、エアツール。
2. 前記第２空間は、ロータ外周面に設けられた凹部である、請求項１に記載のエアツール。
3. 前記凹部の底部は、断面が円弧状であるラウンド形状を含んで形成されている、請求項２に記載のエアツール。
4. 前記第２空間は、シリンダの前記第１空間に接する面に設けられた凹部である、請求項１～３の何れか一項に記載のエアツール。
   
   
   
   
   

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