JP3696493B2 - 遊星歯車式変速装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気ドリル等の電動工具に適用され、電動モータの回転を減速して出力することが可能な遊星歯車式変速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動工具に用いられている遊星歯車式変速装置は、例えば特許公報第２５３０６３８号に記載されている。上記公報記載の変速装置は、遊星歯車式の二段変速機構であって、遊星歯車機構における第１リングギヤと第２リングギヤとの固定と解放（フリー）を選択的に行わせることによって、二段変速を可能としたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電動工具の場合、通常の作業であれば、上記のような遊星歯車式の変速装置による低トルク高回転と、高トルク低回転との二段変速で充分に対応できるものであるが、作業状況によっては、低トルク高回転と、高トルク低回転との二段変速では、対応し難いことがあり、必ずしも電動モータの能力を有効に使用しているとは言い難い。すなわち、電動工具を用いて、例えば孔開け、ネジ締め等の作業を行うに当たっては、二段以上の変速を必要とすることがあり、公報記載の遊星歯車式変速装置では、この変速要求に応えられなかった。
【０００４】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、三段以上に変速することが可能な遊星歯車式変速装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明に係る遊星歯車式変速装置は、特許請求の範囲の各請求項に記載の通りの構成を備えた。請求項１に記載の発明によれば、各二段変速機構における係止部材によるリングギヤの回転阻止を選択することによって、四段変速が可能な遊星歯車式変速装置を提供することができる。
【０００６】
また、係止部材の切り替えのための操作部材の操作領域が軸方向については不要となる。このため、例えば電気ドリル等の電動工具に適用した場合には、機長の短縮化を図る上で有利となる。
【０００７】
また、コンパクトな構造の変速操作機構を達成することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明によれば、回動リングの周方向動作をボールの軸方向のスライド動作として円滑に変換するできることは勿論のこと、特に回動リングの移動方向に対してボールの移動方向を自由に設定することができる。すなわち、回動リングの移動方向とボールの移動方向との間には、特定の制約を受けるものではないから、二段変速機構毎に備えられるボールに対応した二つの案内溝を有する単一の回動リングを備えることによって、速度の切替操作を単一の操作部によって行うことができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２のいずれかに記載の発明が有する特徴を備えた電動工具を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、電動工具の一つである電気ドリルに適用したものである。図１は電気ドリルにおける内部構造を示す縦断面図であり、遊星歯車式変速装置が主体に示されている。図２は変速操作部を主体に示す横断面図であり、図３は速度切替用の回動リングの一部を展開して示す図である。図４〜図７は１速〜４速の変速状態説明用の断面図である。
【００１１】
図１に示す電気ドリル１は、概ね円筒形状に形成されたハウジング２を有しており、そのハウジング２内に駆動源としての電動モータ３及び該電動モータ３の回転を減速して出力する遊星歯車式変速装置１００が機長方向（図示左右方向）に横並びに内蔵されている。
次に、遊星歯車式変速装置１００を説明する。本実施の形態に係る遊星歯車式変速装置１００は、二組の遊星歯車機構を組み合わせて１つの二段変速機構を構成し、更にその二段変速機構を軸方向に二組横並びに配置することによって、１速〜４速までの四段の変速ができるように構成したものである。
遊星歯車式変速装置１００は、軸方向（機長方向）に横並びに配置される合計四組の遊星歯車機構１０，２０，３０，４０を備えている。そして、各組の遊星歯車機構１０，２０，３０，４０は、それぞれサンギヤ１１，２１，３１，４１、そのサンギヤ１１，２１，３１，４１に噛み合う遊星ギヤ１２，２２，３２，４２及びサンギヤ１１，２１，３１，４１と同心で遊星ギヤ１２，２２，３２，４２が噛み合うリングギヤ１３，２３，３３，４３の組み合わせによって構成されている。
なお、以下の説明では、遊星歯車機構１０，２０，３０，４０について、電動モータ３に近い方（図示左側）から順に第１、第２、第３、第４の遊星歯車機構といい、またその構成部材であるサンギヤ１１，２１，３１，４１、遊星ギヤ１２，２２，３２，４２及びリングギヤ１３，２３，３３，４３についても、同様とする。
【００１２】
軸方向の一端（図示左端）に配置される第１の遊星歯車機構１０におけるサンギヤ１１が電動モータ３の出力軸３ａに連結されている。すなわち、電動モータ３の出力軸３ａが、遊星歯車式変速装置１００の入力軸となっており、従って、以下の説明では、電動モータ３の出力軸３ａを入力軸３ａという。第１のサンギヤ１１と、第２のサンギヤ２１とは一体に形成されている。また、第１の遊星ギヤ１２と、第２の遊星ギヤ２２とは共通の軸１５に個々に回転可能に取り付けられている。
【００１３】
更に第１のリングギヤ１３及び第２のリングギヤ２３は、円筒形に形成されたギヤケース１０１に対して個々に回動可能に支持されるとともに、ギヤケース１０１に周方向への移動不能に支持されるボール（鋼球）１６によってその回転が選択的に阻止されるようになっている。
すなわち、第１及び第２のリングギヤ１３，２３の外周面には、図２に示すように、歯車の如き凹凸が形成され、一方、ギヤケース１０１の内周面には、軸方向（機長方向）に沿って断面半球状のスライド溝１０２が形成されている。そして、スライド溝１０２にボール１６が係合して周方向の移動を拘束された状態で軸方向にスライドすることによって、第１と第２のリングギヤ１３，２３のいずれか一方のリングギヤの凹部１７に係合することによって回転を阻止し、他方のリングギヤの凹部１７から離脱することで回転を許容するようになっている。このボール１６が速度切替用として機能するものであり、本発明でいう係止部材に対応する。
【００１４】
従って、第１のリングギヤ１３がボール１６の係合によって回転を阻止されたときは、入力軸３ａから入力される回転は、第１の遊星歯車機構１０を経て出力され、第２のリングギヤ２３がボール１６の係合によって回転を阻止されたときは、第２の遊星歯車機構２０を経て出力されることになる。なお、ボール１６が離脱された側の遊星歯車機構は入力に対して空転する。
このように、第１と第２の二組の遊星歯車機構１０，２０及び速度切替用のボール１６によって、二通り、つまり二段に変速が可能な第１の二段変速機構５０が構成される。なお、第１の二段変速機構５０におけるボール１６（以下、第１のボールという）は、同一円周上に少なくとも１個（図は２個の場合を示す）配設される。
【００１５】
また、第３の遊星歯車機構３０と、第４の遊星歯車機構４０及び速度切替用のボール３６とによって、第１の二段変速機構５０と同様な構成の第２の二段変速機構６０が構成されている。
すなわち、第３の遊星歯車機構３０におけるサンギヤ３１と、第４の遊星歯車機構４０におけるサンギヤ４１とは一体に形成され、また、第３のサンギヤ３１には第１及び第２の遊星ギヤ１２，２２の軸１５を支持するキャリア１８が一体に形成されている。更に第３の遊星ギヤ３２及び第４の遊星ギヤ４２が共通の軸３５によって個々に回転可能に支持され、その軸３５が出力軸３７に固着されたキャリア１９によって支持されている。この出力軸３７は、遊星歯車式変速装置１００の出力軸であると同時に、電気ドリル１の出力軸でもある。
出力軸３７は入力軸３ａと同一軸線上においてギヤケース１０１によって回転可能に支持されるとともに、ギヤケース１０１内では第３及び第４の遊星ギヤ３２，４２及びキャリア１８を回転可能に支持し、ギヤケース１０１から突出される先端には図示省略のドリル（先端工具）が装着されるようになっている。
【００１６】
また、第２の二段変速機構６０における速度切替用のボール３６（以下、第２のボールという）は、ギヤケース１０１に設けた前述のスライド溝１０２に係合されており、軸方向に移動することによって、第３のリングギヤ３３の外周面と第４のリングギヤ４３の外周面に形成された凹部１７に対して選択的に係合・離脱することによって一方の回転を阻止し、他方の回転を許容するものであり、本発明でいう係止部材に対応する。
【００１７】
従って、上記のように構成された第２の二段変速機構６０は、第３のリングギヤ３３が回転を阻止されたときは、前述の第１の二段変速機構５０からキャリア１８を経て入力される回転を第３の遊星歯車機構３０からキャリア１９を経て出力軸３７へ出力し、第４のリングギヤ４３が回転を阻止されたときは、第４の遊星歯車機構４０を経て出力することになる。なお、第２の二段変速機構６０のボール１６も同一円周上に少なくとも１個配設される。
【００１８】
すなわち、本実施の形態における遊星歯車式変速装置１００は、二組の二段変速機構５０，６０を直列に連携したものであり、そして、第１〜第４の遊星歯車機構１０〜４０に係る各ギヤ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３，４１〜４３の歯数及び各遊星歯車機構１０〜４０毎のギヤ比については、図９に示す如く設定されている。
【００１９】
次に、速度切替用の第１と第２のボール１６，３６の係合・離脱を操作することによって出力軸３７の回転速度を４段に切り替える変速操作機構７０を説明する。この変速操作機構７０は第１及び第２のボール１６，３６をスライド溝１０２に沿って案内するガイド部材としての回動リング７１と、その回動リング７１を周方向に移動操作（回動操作）するための操作部材を構成する操作プレート７２とからなる。
図２に示すように、回動リング７１は、第１〜第４のリングギヤ１３，２３，３３，４３の外周面と、ギヤケース１０１の内周面との間に配置され、軸方向の動きを規制された状態で周方向に移動可能とされている。操作プレート７２は、半リング状に形成されるとともに、ギヤケース１０１の外周面とハウジング２の内壁面との間において、該ハウジング２の内壁面側に形成された凹所２ｂに周方向への移動可能に配置されている。
そして、回動リング７１の外面側には、ギヤケース１０１及びハウジング２に設けた開口２ａから突出する突起７１ａが設けられ、その突起７１ａが操作プレート７２に形成された摘み７２ａの凹部に嵌め込まれて結合されている。このため、操作プレート７２と回動リング７１とは、周方向へ一体的に移動することになる。
【００２０】
また、回動リング７１は、第１及び第２のボール１６，３６が係合する軸方向に配列される２列の案内溝７３，７４を有する。この案内溝７３，７４は、図３に示すように、回動リング７１が周方向へ移動されたとき、ボール１６，３６を軸方向へ移動させ得る形状、すなわち、１速位置、２速位置、３速位置、４速位置へ順次移動できる形状に設定されている。
一方、ハウジング２の内壁面には、操作プレート７２を変速操作位置に保持するための１速位置〜４速位置に対応する４個の凹部２ｃが周方向に所定間隔で形成され、この凹部２ｃに対して、操作プレート７２の一端に設けた凸部７２ｂが係合することによって操作プレート７２を変速操作位置に保持するようになっている。図２には２速位置に操作された状態が示されている。なお、変速操作位置は、図３に示す如く、ハウジング２の外表面に数的に表示され、作業者が目で確認可能となっている。
【００２１】
本実施の形態は上記のように構成したものであり、以下、その変速態様を説明する。
図４には操作プレート７２が１速位置に操作された状態が示されている。この状態では、第１の二段変速機構５０においては、ボール１６が第２のリングギヤ２３の凹部１７に係合してその回転を阻止しており、また、第２の二段変速機構６０においては、ボール３６が第４のリングギヤ４３の凹部１７に係合してその回転を阻止している。
従って、入力軸３ａから入力される回転は、第２の遊星歯車機構２０からキャリア１８、第４の遊星歯車機構４０、キャリア１９を経て出力軸３７に出力される。このとき、出力軸３７は、第２の遊星歯車機構２０のギヤ比に第４の遊星歯車機構４０のギヤ比を乗じた１／３９．５５の減速比で回転される。
【００２２】
また、図５には２速位置へ操作された状態が示されている。２速位置では、第１のボール１６が第２のリングギヤ２３の凹部１７に係合され、第２のボール３６が第３のリングギヤ３３の凹部１７に係合されている。従って、この場合には、入力軸３ａから入力される回転は、第２の遊星歯車機構２０からキャリア１８、第３の遊星歯車機構３０、キャリア１９を経て出力軸３７に出力される。このとき、出力軸３７は、第２の遊星歯車機構２０のギヤ比に第３の遊星歯車機構３０のギヤ比を乗じた１／２２．７８の減速比で回転される。
【００２３】
また、図６には３速位置へ操作された状態が示されている。この場合には、第１のボール１６が第１のリングギヤ１３の凹部１７に係合され、第２のボール３６が第４のリングギヤ４３の凹部１７に係合されている。従って、入力軸３ａから入力される回転は、第１の遊星歯車機構１０からキャリア１８、第４の遊星歯車機構４０、キャリア１９を経て出力軸３７に出力される。このとき、出力軸３７は、第１の遊星歯車機構１０のギヤ比に第４の遊星歯車機構４０のギヤ比を乗じた１／１４．４０の減速比で回転される。
【００２４】
更に図７には４速位置へ操作さた状態が示されている。この４速位置では、第１のボール１６が第１のリングギヤ１３の凹部１７に係合され、第２のボール３６が第３のリングギヤ３３の凹部１７に係合されている。従って、入力軸３ａから入力される回転は、第１の遊星歯車機構１０からキャリア１８、第３の遊星歯車機構３０、キャリア１９を経て出力軸３７に出力される。このとき、出力軸３７は、第１の遊星歯車機構１０のギヤ比に第３の遊星歯車機構３０のギヤ比を乗じた１／８.２９の減速比で回転される。
【００２５】
このように、本実施の形態に係る遊星歯車式変速装置１００によれば、電気ドリル１のドリル回転を、低速回転・高トルクから中トルク・中速回転の領域を経て高速回転・低トルクまでの４段階に変速できる。このため、作業状況に応じてドリルの回転速度を適宜切り替えることによって効率よく孔開け作業を実施することができる。特に、本実施の形態においては、二組の二段変速機構５０，６０を直列に連携したことによって、減速比の高い遊星歯車式変速装置１００を提供することができる。
【００２６】
また、本実施の形態においては、操作プレート７２の周方向への回動操作によって切り替える構成としたので、操作プレート７２の操作領域が軸方向については不要となる。このため、電気ドリル１における機長の短縮化を図る上で有利となる。
また、第１及び第２のボール１６，３６がギヤケース１０１に対して軸方向にスライド可能に取り付けられ、回動リング７１の周方向への移動操作に基づいて軸方向へスライドされてリングギヤ１３，２３，３３，４３に対する係合・離脱が切り替えられる構成となっているため、コンパクトな構造の変速操作機構を達成することができる。
【００２７】
また、ボール１６，３６が回動リング７１に設けた案内溝７３，７４に係合され、回動リング７１の周方向への移動に伴い案内溝７３，７４を介して軸方向へ移動される構成としたので、回動リング７１の周方向動作をボール１６，３６の軸方向のスライド動作として円滑に変換するできることは勿論のこと、特に回動リング７１の移動方向に対してボール１６，３６の移動方向を自由に設定することができる。すなわち、回動リング７１の移動方向とボール１６，３６の移動方向との間には、特定の制約を受けるものではないから、二段変速機構５０，６０毎に備えられる各ボール１６，３６に対応した複数の案内溝７３，７４を有する単一の回動リング７１を備えることによって、変速操作は、単一の操作プレート７２によって行うことができる。
【００２８】
また、本実施の形態においては、図９に示すように、ボール１６，３６の係合・離脱用として、リングギヤ１３，２３，３３，４３の外周に形成される歯車状の凹凸部を、幅方向の約半分の領域に限って設定している。すなわち、隣接する第１と第２のリングギヤ１３，２３の対向面側及び第３と第４のリングギヤ３３，４３の対向面側には、ボール１６，３６がリングギヤのいずれの凹部１７にも係合しない非係合領域１７ａを設定している。このため、第１のボール１６が第１と第２のリングギヤ１３，２３に対して、また第２のボール３６が第３と第４のリングギヤ３３，４３に対して同時に係合することが回避され、回転中に変速操作した場合のトラブルを防止することができる。
【００２９】
なお、本発明は、図示の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更してもよい。例えば、リングギヤ１３，２３，３３，４３の凹部１７に係合・離脱する係止部材としてのボール１６，３６は、コロのようなものに変更することが可能である。
また、歯数及びギヤ比は、あくまでも一例を示したに過ぎず、必要に応じて適宜変更されることは当然である。
また、隣接し合う第１と第２のリングギヤ１３，２３間又は第３と第４のリングギヤ３３，４３間に、両側面に歯を有するストッパリングを周方向の動きを拘束した状態で軸方向に移動可能に取り付け、その歯をリングギヤの側面に設けた歯に噛み合わせる方式に変更することも可能である。
また、電動工具の一例として電気ドリル１を例示したが、本発明に係る遊星歯車式変速装置１００は、インパクトドライバ等その他の電動工具の減速装置として広く適用することができる。
【００３０】
上記の実施形態にはさらに変更を加えることができる。以下の構成は、特許請求の範囲に記載した発明には含まれないが、これと同等の作用効果を得ることができる。
例えば、リングギヤ１３，２３，３３，４３に対する係止部材の係脱方式は、側方からのスライド動作による方式に限らず、外周面に対して、例えばピンを径方向から抜き差しすることによって係脱する方式に変更することが可能である。
また、二組の遊星歯車機構からなる一組の二段変速機構を軸方向に二組並設し、それを直列に連携することによって四段変速機構を構成したが、更に一組の二段変速機構を追加すれば、２^３＝八段変速機構を構成することが可能である。要するに、二組の遊星歯車機構からなる二段段変速機構を複数組み合わせることによって、四段以上から２^ｎ段までの変速が可能な遊星歯車式変速装置を提供することができる。
また、本実施の形態では、変速操作部を回動リング７１によって構成し、その周方向の移動によってボール１６，３６を軸方向に移動させる構成としたが、変速操作部による変速操作は、軸方向の移動によって行う構成に変更してもよい。
また、二段変速機構５０，６０毎に変速操作部を備えてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、三段以上に変速することが可能な遊星歯車式変速装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電気ドリルにおける内部構造を示す縦断面図である。
【図２】 変速操作部を主体に示す横断面図である。
【図３】 速度切替用の回動リングの一部を展開して示す図である。
【図４】 １速の切替状態を示す説明図である。
【図５】 ２速の切替状態を示す説明図である。
【図６】 ３速の切替状態を示す説明図である。
【図７】 ４速の切替状態を示す説明図である。
【図８】 遊星歯車機構の各ギヤの歯数及び遊星歯車機構毎のギヤ比を示す図である。
【図９】 ボールのリングギヤに対する非係合領域の説明図である。
【符号の説明】
１ 電気ドリル
１０，２０，３０，４０ 遊星歯車機構
１１，２１，３１，４１ サンギヤ
１２，２２，３２，４２ 遊星ギヤ
１３，２３，３３，４３ リングギヤ
１６，３６ ボール（係止部材）
１７ 凹部
１８ キャリア
１９ キャリア
５０，６０ 二段変速機構
７０ 変速操作機構
７１ 回動リング
７２ 操作プレート
７３，７４ 案内溝
１００ 遊星歯車式変速装置

Claims (3)

1. サンギヤ、そのサンギヤに噛み合う遊星ギヤ及びサンギヤと同心で遊星ギヤが噛み合うリングギヤの組み合わせによって構成されるとともに軸方向に並設された二組の遊星歯車機構と、前記二組の遊星歯車機構における回転可能なリングギヤのうちの一つの回転を選択的に阻止する係止部材とによって構成される第１及び第２の二段変速機構を軸方向に備えており、前記二組の二段変速機構のうち、軸方向の一端に配置される第１の二段変速機構のサンギヤを入力軸に連結し、軸方向の他端に配置される第２の二段変速機構における遊星ギヤを支持するキャリアを出力軸に連結し、隣接する第１及び第２の二段変速機構相互間にあっては、第１の二段変速機構における遊星ギヤを支持するキャリアを第２の二段変速機構におけるサンギヤに連結した遊星歯車式変速装置であって、
   前記各二段変速機構毎に備えられる第１及び第２の係止部材は、ギヤケースに対して相互に独立して軸方向にスライド可能に取り付けられるとともに、前記ギヤケースの内面に沿って周方向に移動可能に配置されかつ前記第１及び第２の二段変速機構における第１〜第４のリングギヤの外周面に沿って跨って配置された回動リングの案内溝と連携されており、該回動リングの周方向への移動操作による前記案内溝に対する前記第１及び第２の係止部材の相対変位に基づいて該第１及び第２の係止部材を軸方向へ移動させて前記リングギヤに対して係合又は離脱することで該リングギヤの回転を阻止又は許容して、前記出力軸の回転数について四段変速可能な構成とした遊星歯車式変速装置。
2. 請求項１に記載の遊星歯車式変速装置であって、前記係止部材がボールからなり、該ボールが前記回動リングの案内溝に係合されて、該回動リングの周方向の移動に伴い軸方向へ案内される構成とした遊星歯車式変速装置。
3. 請求項１又は２に記載の遊星歯車式変速装置を備えた電動工具。

Images