JP4939965B2

JP4939965B2 - 衝撃式作業工具

Info

Publication number: JP4939965B2
Application number: JP2007027278A
Authority: JP
Inventors: 陽之介青木
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: JP2008188732A

Description

本発明は、被加工材に直線状のハンマ作業を行う衝撃式作業工具において、ハンマ作業の際に被加工材から受ける反力を緩和する技術に関する。

特開平８−３１８３４２号公報（特許文献１）には、ハンマドリルにおいて、打撃動作後のビットの跳ね返りによる衝撃力を緩和する技術が開示されている。特許文献１に記載のハンマドリルでは、本体側部材であるシリンダの軸方向端面と、ビットに打撃を加える中間子としてのインパクトボルトとの間にラバーリング（緩衝部材）が介在されている。そしてビットの打撃動作後、当該被加工材から受ける反力でビットが跳ね返り、インパクトボルトがラバーリングに衝突したとき、当該ラバーリングが撓むことによって衝撃力を緩和する構成である。一方、ラバーリングは、ハンマ作業時における被加工材に対するハンマドリル本体の位置決め部材としても機能する。すなわち、ビットの打撃動作中は、使用者がハンマドリル本体に前方への押圧力を加えることで、ビットの先端を被加工材に押し付けた状態を維持する（ビットを打撃位置に保持する）が、このときのビットの押し付け力を本体側部材であるシリンダがラバーリングを介して受ける構成である。

上述したように、従来のラバーリングは、ハンマ作業時において、ビットの跳ね返りによる衝撃力を緩和する機能と、ハンマドリルの位置決め機能とを併有するものである。ビットの跳ね返りを緩衝するには、ラバーリングは柔らかいほうがよい。他方、ハンマドリルの位置決めをよくするにはラバーリングは硬いほうがよい。つまり従来のラバーリング構造では、当該ラバーリングには異なる性質が求められることになり、両機能を満足するような硬度に設定することが困難である、という点でなお改良の余地がある。
特開平８−３１８３４２号公報

本発明は、かかる点に鑑み、衝撃式作業工具において、打撃動作後のビットの跳ね返りによる衝撃力の低減に資する技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するため、本発明に係る衝撃式作業工具の好ましい形態は、工具本体と、工具本体の先端領域に配置されるとともに、長軸方向に直線運動することで被加工材に対して所定のハンマ作業をするハンマ作動部材と、工具本体の長軸方向に直線運動することでハンマ作動部材に打撃作用を加える打撃子とを有する。なお本発明における「所定のハンマ作業」とは、ハンマ作動部材が直線状の打撃動作のみを行うハンマ作業のみならず、直線状の打撃動作と周方向の回転動作とを行うハンマドリル作業を包含する。また本発明における「ハンマ作動部材」とは、典型的には、工具ビットおよび当該工具ビットに当接した状態で打撃力を伝達するインパクトボルトがこれに該当する。

本発明の衝撃式作業工具は、ハンマ作動部材が被加工材にハンマ作業をする際に、ハンマ作動部材と直接に当接した状態に置かれるか、または硬質金属製の介在物を介してハンマ作動部材と当接した状態に置かれるところの反力伝達位置において、ハンマ作動部材からの反力が伝達されるウェイトと、伝達された反力によって反力伝達位置から後方へと移動するウェイトに押されて弾性変形し、これによって当該ウェイトに伝達された反力を吸収する弾性要素とを有する構成とされる。そして本発明の好ましい形態によれば、ウェイトの質量は、打撃子の質量の約４割以上に設定されている。なお本発明における「ウェイト」は、典型的には、筒状部材によって形成されるが、周方向において互いに分離された複数の部材から構成する態様を包含する。また「弾性要素」としては、典型的にはバネがこれに該当するが、ゴムを適用してもよい。

ハンマ作業時において、ハンマ作動部材は打撃動作後に被加工材から反力を受けて跳ね返る。本発明によれば、ハンマ作動部材が被加工材から受ける反力につき、ウェイトが当該ハンマ作動部材に直接に当接した状態に置かれるか、または硬質の金属製の介在物を介して当接した状態に置かれるところの反力伝達位置において、ハンマ作動部材からウェイトへと伝達される構成としたものであり、当該反力がほぼ１００％伝達されることになる。換言すれば、ハンマ作動部材とウェイトとの間で運動量が交換される形態での反力の伝達であり、この反力の伝達によりウェイトは反力の作用方向である後方へと移動する。そして後方へと移動するウェイトの反力は、当該ウェイトが弾性要素を弾性変形させることで吸収される。すなわち、本発明によれば、ハンマ作動部材に生ずる跳ね返りによる反力を、ウェイトの後方への移動と、当該ウェイトの移動による弾性要素の弾性変形によって吸収することができ、これにより衝撃式作業工具の低振動化が実現される。

なお衝撃式作業工具によるハンマ作業は、使用者が工具本体に前方への押圧力を加えてハンマ作動部材の先端を被加工材に押し付けた負荷状態（被加工材に対して衝撃式作業工具を位置決めした状態）で行われる。このとき、ハンマ作動部材は、駆動機構によって駆動される位置、すなわち打撃子がハンマ作動部材を打撃する打撃位置に保持される。本発明における「反力伝達位置」とは、駆動部材によってハンマ作動部材が駆動されたとき、ハンマ作動部材とウェイトが直接に接触しているか、または介在物を介して接触しているかを問わず、当該ハンマ作動部材に発生した被加工材からの反力がハンマ作動部材からウェイトに伝達される位置であり、したがって上記の打撃位置とほぼ同位置である。

本発明者は、衝撃式作業工具において、ウェイトおよび弾性要素を有する構成の場合、ウェイトの質量が反力吸収効果、すなわち振動低減効果に影響すると推量し、ウェイトの質量と振動低減効果との関係について、打撃試験を行うことで確認した。試験の結果、ウェイトの質量を打撃子の質量の約４割に設定したとき、打撃時の跳ね返りの反力によるピーク加速度値が概ね１割ほど低減することが確認できた。

また本発明の衝撃式作業工具の別の形態においては、ウェイトの質量が、打撃子の質量の約８割以上に設定されていることを特徴としている。本発明者による試験結果によれば、ウェイトの質量が打撃子の質量の約４割を越えたときは、反力吸収効果が漸次高まり、特にウェイトの質量比が約８割では、打撃時の跳ね返りの反力によるピーク加速度値が概ね５割ほど低減することが確認できた。すなわち、実用上、非常に高い振動低減効果が得られることが確認できた。なお打撃子に対するウェイトの質量比が概ね８割を越える領域についても、質量比が増えるにつれて反力吸収効果も漸次高まることが確認されている。しかしながら、ウェイトの質量比を必要以上に増大することは、作業工具の全体質量を増大させることにつながり、実用上好ましくない。したがって、打撃子に対するウェイトの質量比の上限値については、振動低減効果と作業工具の全体重量とのバランスを考慮して設定することが好ましい。

ハンマ作動部材によるハンマ作業時においては、上述のように、ハンマ作動部材に生ずる跳ね返りによる反力によってウェイトが後方へと移動され、当該ウェイトの移動に伴い弾性要素が弾性変形してウェイトに伝達された反力を吸収する。そしてウェイトは、弾性要素の復元力によりハンマ作動部材から反力が伝達された位置、すなわち反力伝達位置へと戻される。ところが、ウェイトが反力を受けて反力伝達位置から後方へと移動してから元の位置に戻るまでの途中の領域でハンマ作動部材に対する打撃子による次回の打撃動作が行われた場合には、ウェイトおよび弾性要素が正常に機能しないこととなる。
本発明の衝撃式作業工具の更なる形態によれば、ウェイトと弾性要素をバネマス系モデルとみなした場合の共振周波数が、打撃子によってハンマ作動部材に加えられる打撃周波数の１／２以上となるように構成している。このような構成を採用することにより、ハンマ作動部材から伝達される反力で後方へと移動されたウェイトを、打撃子による次回の打撃動作が行われる前の時点で元の反力伝達位置まで戻すことができる。このため、打撃子の１打撃ごとにウェイトおよび弾性要素を確実に作動することができることになり、これにより振動低減性能を向上することができる。

本発明によれば、衝撃式作業工具において、打撃動作後のビットの跳ね返りによる衝撃力の低減に資する技術が提供されることとなった。

以下、本発明の実施形態につき、図１〜図９を参照しつつ詳細に説明する。本実施の形態は、衝撃式作業工具の一例として電動式のハンマドリルを用いて説明する。図１は本実施の形態に係る電動式ハンマドリルの全体構成を示す側断面図であり、ハンマビットが被加工材に押し付けられた負荷時を示している。図１に示すように、本実施の形態に係るハンマドリル１０１は、概括的に見て、ハンマドリル１０１の外郭を形成する本体部１０３と、当該本体部１０３の先端領域（図示左側）にツールホルダ１３７を介して着脱自在に取付けられたハンマビット１１９と、本体部１０３のハンマビット１１９の反対側に連接された使用者が握るハンドグリップ１０９とを主体として構成されている。本体部１０３は、本発明における「工具本体」に対応する。ハンマビット１１９は、ツールホルダ１３７によってその長軸方向への相対的な往復動が可能に、かつその周方向への相対的な回動が規制された状態で保持される。なお説明の便宜上、ハンマビット１１９側を前、ハンドグリップ１０９側を後という。

本体部１０３は、駆動モータ１１１を収容したモータハウジング１０５と、駆動機構としての運動変換機構１１３、打撃要素１１５および動力伝達機構１１７を収容したギアハウジング１０７とによって構成されている。駆動モータ１１１の回転出力は、運動変換機構１１３によって直線運動に適宜変換された上で打撃要素１１５に伝達され、当該打撃要素１１５を介してハンマビット１１９の長軸方向（図１における左右方向）への衝撃力を発生する。また駆動モータ１１１の回転出力は、動力伝達機構１１７によって適宜減速された上でハンマビット１１９に伝達され、当該ハンマビット１１９が周方向に回転動作される。ハンドグリップ１０９は、側面視で概ねコの字形に形成されるとともに、下端側が回動軸１０９ａを介してモータハウジング１０５の後端下部に前後方向に回動可能に連接され、上端側が振動吸収用の弾性バネ１０９ｂを介してモータハウジング１０５の後端上部に連接されている。これによって、本体部１０３からハンドグリップ１０９への振動の伝達が低減されている。

図２にはハンマドリル１０１の主要部を拡大した状態が断面図で示される。運動変換機構１１３は、駆動モータ１１１により水平面内にて回転駆動される駆動ギア１２１、当該駆動ギア１２１に噛み合い係合する被動ギア１２３、当該被動ギア１２３と一体に水平面内にて回転するクランク板１２５、当該クランク板１２５の回転中心から所定距離偏心した位置に一方の端部が偏心軸１２６を介して遊嵌状に連接されたクランクアーム１２７、当該クランクアーム１２７の他端部に連結軸１２８を介して取り付けられた駆動子としてのピストン１２９を主体として構成される。上記のクランク板１２５、クランクアーム１２７、ピストン１２９によってクランク機構が構成される。

一方、動力伝達機構１１７は、駆動モータ１１１によって駆動される駆動ギア１２１、当該駆動ギア１２１に噛み合い係合する伝達ギア１３１、当該伝達ギア１３１とともに水平面内にて回転される伝達軸１３３、当該伝達軸１３３に設けられた小ベベルギア１３４、当該小ベベルギア１３４に噛み合い係合する大ベベルギア１３５、当該大ベベルギア１３５とともに鉛直面内にて回転されるツールホルダ１３７を主体として構成される。なおハンマドリル１０１は、ハンマビット１１９に対し長軸方向への打撃力のみを加えて被加工材の加工作業を行う、いわゆるハンマ作業と、長軸方向への打撃力と周方向への回転力とを加えて被加工材の加工作業を行う、いわゆるハンマドリル作業とを適宜切り替えて遂行できるように構成されるが、このことについては、本発明には直接的には関係しないため、その説明を省略する。被加工材については、便宜上その図示を省略する。

打撃要素１１５は、ピストン１２９とともにシリンダ１４１のボア内壁に摺動自在に配置された打撃子としてのストライカ１４３を主体に構成される。ストライカ１４３は、ピストン１２９の摺動動作に伴うシリンダ１４１の空気室１４１ａの空気バネを介して駆動され、ツールホルダ１３７に摺動自在に配置された中間子としてのインパクトボルト１４５に衝突（打撃）し、当該インパクトボルト１４５を介してハンマビット１１９に打撃力を伝達する。インパクトボルト１４５およびハンマビット１１９は、本発明における「ハンマ作動部材」に対応する。なおインパクトボルト１４５は、軸方向において、ツールホルダ１３７の筒孔内周面に密接状に嵌合する大径部１４５ａと、ツールホルダ１３７の筒孔内周面との間に所定大の空間を有する小径部１４５ｂと、それら両径部１４５ａ，１４５ｂの境界領域に形成されたテーパ部１４５ｃとからなり、大径部１４５ａが前側、小径部１４５ｂが後側となるようにツールホルダ１３７内に配置される。

ハンマドリル１０１は、使用者が本体部１０３に前方への押圧力を加えてハンマビット１１９を被加工材に押し付けた負荷状態において、ハンマビット１１９とともに後方（ピストン１２９側）へと押し込まれるインパクトボルト１４５と当接することによって被加工材に対し本体部１０３を位置決めする位置決め部材１５１を有する。位置決め部材１５１は、リング状に形成されたゴム製のラバーリング１５３と、当該ラバーリング１５３の軸方向前面側に接合された硬質の前金属座金１５５と、ラバーリング１５３の軸方向後面側に接合された硬質の後金属座金１５７とからなるユニット部品であり、インパクトボルト１４５の小径部１４５ｂに遊嵌状に嵌合されている。

位置決め部材１５１は、インパクトボルト１４５が後方へ押し込まれたとき、インパクトボルト１４５のテーパ部１４５ｃが位置決め部材１５１の前金属座金１５５に当接し、後金属座金１５７がシリンダ１４１の前端部に当接する構成とされる。これにより、位置決め部材１５１のラバーリング１５３は、インパクトボルト１４５をギアハウジング１０７に固定状に装着されたシリンダ１４１に弾発状に連結する。なお前金属座金１５５は、その内径部がテーパ状に形成され、インパクトボルト１４５が後方へ押し込まれたとき、そのテーパ状内径部が当該インパクトボルト１４５のテーパ部１４５ｃに密接状に当接される。また後金属座金１５７は、インパクトボルト１４５の小径部１４５ｂと嵌合する所定長さの筒部と、当該筒部から外径方向に張り出すフランジ部とからなる断面略ハット形に形成され、フランジ部の後面がスペーサ１５９を介してシリンダ１４１の軸方向前端に当接される。

本実施の形態に係るハンマドリル１０１は、被加工材に対するハンマ作業時において、打撃動作後のハンマビット１１９の跳ね返りによる衝撃力（反力）を吸収するために、ハンマビット長軸方向において、インパクトボルト１４５と前金属座金１５５を介して当接する硬質金属製の筒状ウェイト１６３と、当該筒状ウェイト１６３を常時にインパクトボルト１４５側（前方）に付勢するコイルバネ１６５とを有する。なお筒状ウェイト１６３およびコイルバネ１６５によって構成される衝撃吸収機構は、インパクトダンパーとも呼ばれる。筒状ウェイト１６３は、本発明における「ウェイト」に対応し、コイルバネ１６５は、本発明における「弾性要素」に対応し、前金属座金１５５は、本発明における「介在物」に対応する。また筒状ウェイト１６３とコイルバネ１６５との間には、筒状ウェイト１６３の応力波を吸収するためのゴムリング１６４が介在されている。ゴムリング１６４は、本発明における「粘弾性部材」に対応する。

筒状ウェイト１６３は、位置決め部材１５１の外周面とツールホルダ１３７の内周面との間の空間に配置されてハンマビット長軸方向に移動可能とされるとともに、当該ツールホルダ１３７の内周面によって移動を案内される構成とされる。すなわち、筒状ウェイト１６３は、位置決め部材１５１に対しハンマビット１１９の長軸上の同位置において径方向に並列状に配置した構成とされている。筒状ウェイト１６３は、位置決め部材１５１の外周領域から更に後方へと延びてシリンダ１４１の外周前側領域に達しており、その後端部にゴムリング１６４が配置され、更に当該ゴムリング１６４とツールホルダ１３７との間にコイルバネ１６５が所定の初期荷重が掛けられた状態で弾発状に介在されている。これにより筒状ウェイト１６３は、前方に付勢されるとともに、常時にはその前端がツールホルダ１３７に形成された規制手段としての段差状の位置規制用ストッパ１６９に当接されて打撃位置を越えて前方へ移動しないようにその動きが止められている。すなわち、筒状ウェイト１６３を前方へと付勢するコイルバネ１６５の付勢力（弾性力）は、当該筒状ウェイト１６３の打撃位置を越えて前方に実質的に作用しないように規制されている。なお打撃位置とは、ストライカ１４３がインパクトボルト１４５に衝突（打撃）する位置であり、この位置は、インパクトボルト１４５からの反力が筒状ウェイト１６３に伝達する位置でもある。この位置が、本発明における「反力伝達位置」に対応する。

筒状ウェイト１６３は、インパクトボルト１４５がハンマビット１１９とともに後方へ押し込まれた負荷状態では、その軸方向前端が位置決め部材１５１における前金属座金１５５の外周側後面に面接触状態で当接される構成とされる。すなわち、筒状ウェイト１６３は、前金属座金１５５を介してインパクトボルト１４５と当接状態に置かれる。これにより、打撃動作後にハンマビット１１９およびインパクトボルト１４５が被加工材から反力を受けて跳ね返ったとき、インパクトボルト１４５からの反力が、前金属座金１５５を介在物として当該インパクトボルト１４５と当接された状態の筒状ウェイト１６３へと伝達される構成とされる。すなわち、前金属座金１５５は、反力伝達部材を構成するものであり、ラバーリング１５３の外径よりも大径に形成されており、当該前金属座金１５５のラバーリング１５３外周面よりも外側領域に筒状ウェイト１６３の軸方向前端が当接されている。筒状ウェイト１６３とコイルバネ１６５との間に介在されるゴムリング１６４は、インパクトボルト１４５から筒状ウェイト１６３に伝達された応力波によって弾性変形し（撓み）、これによって応力波を吸収してコイルバネ１６５への伝達を抑える。すなわち、ゴムリング１６４は、主として応力波を吸収する部材として備えられている。一方、コイルバネ１６５は、インパクトボルト１４５からの反力を受けた筒状ウェイト１６３が後方へと移動されたとき、ゴムリング１６４を介して当該筒状ウェイト１６３に押されて弾性変形し、これによって反力を吸収する。なおコイルバネ１６５は、軸方向一端が筒状ウェイト１６３の軸方向後端面に当接され、軸方向他端がツールホルダ１３７の固定されたバネ受リング１６７に当接されている。

次に上記のように構成されるハンマドリル１０１の作用について説明する。図１に示す駆動モータ１１１が通電駆動されると、その回転出力により、駆動ギア１２１が水平面内にて回動動作する。すると、駆動ギア１２１に噛み合い係合される被動ギア１２３を介してクランク板１２５が水平面内を周回動作し、これによってクランクアーム１２７を介してピストン１２９がシリンダ１４１内を直線状に摺動動作される。ピストン１２９の摺動動作に伴うシリンダ１４１内の空気バネの作用により、ストライカ１４３はシリンダ１４１内を直線運動してインパクトボルト１４５に衝突（打撃）することで、その運動エネルギをハンマビット１１９へと伝達する。これにより、ハンマビット１１９は長軸方向の打撃動作を行い、被加工材にハンマ作業を遂行する。

ハンマドリル１０１がハンマドリルモードで駆動されるときは、駆動モータ１１１の回転出力によって回転される駆動ギア１２１に噛み合い係合する伝達ギア１３１、伝達軸１３３および小ベベルギア１３４が一体状に水平面内にて回転動作する。すると、小ベベルギア１３４に噛み合い係合する大ベベルギア１３５が鉛直面内にて回転し、この大ベベルギア１３５とともにツールホルダ１３７およびこのツールホルダ１３７にて保持されるハンマビット１１９が一体状に回転される。かくして、ハンマドリルモードでの駆動時には、ハンマビット１１９が長軸方向の打撃動作と周方向の回転動作を行い、被加工材にハンマドリル作業を遂行する。

さて、上記作業は、ハンマビット１１９が被加工材に押し付けられ、ハンマビット１１９およびツールホルダ１３７が後方へと押し込まれた状態で行われる。図１〜図３には全てこの状態が示される。ツールホルダ１３７の後方への押し込みによってインパクトボルト１４５が後方へ押され、位置決め部材１５１の前金属座金１５５に当接されるとともに、後金属座金１５７がシリンダ１４１の前端部に当接される。すなわち、ハンマビット１１９の押し込み力は、本体部１０３側部材であるシリンダ１４１によって受けられ、これによって被加工材に対して本体部１０３が位置決めされ、この状態でハンマ作業あるいはハンマドリル作業が遂行されることになる。このとき、前述したように筒状ウェイト１６３はその前端面が位置決め部材１５１の前金属座金１５５の後面に当接される。

そしてハンマビット１１９の被加工材に対する打撃動作後、当該ハンマビット１１９には被加工材からの反力によって跳ね返りが生ずる。この跳ね返りによってインパクトボルト１４５に後方に向う反力が作用する。このとき、筒状ウェイト１６３が位置決め部材１５１の前金属座金１５５を介してインパクトボルト１４５に当接している。このため、インパクトボルト１４５の反力は、当該前金属座金１５５を介しての当接状態において筒状ウェイト１６３に伝達される。換言すれば、インパクトボルト１４５と筒状ウェイト１６３との間で運動量が交換される。このような反力の伝達によりインパクトボルト１４５は、打撃位置にほぼ静止した状態に置かれ、一方、筒状ウェイト１６３は、反力の作用方向である後方へと移動する。そして後方へと移動する筒状ウェイト１６３の反力は、当該筒状ウェイト１６３がコイルバネ１６５を弾性変形させることで吸収される。この状態が図４に示される。

このとき、インパクトボルト１４５に対し前金属座金１５５を介して当接状態に置かれるラバーリング１５３にも当然のことながらインパクトボルト１４５の反力が作用する。ところで、力の伝達は、当接状態に置かれる物体のヤング率に対応して伝達率も高くなる。本実施の形態によれば、筒状ウェイト１６３が硬質の金属製であり、ヤング率が高い（大きい）。一方、ラバーリング１５３はゴム製であり、ヤング率が低い。このため、インパクトボルト１４５の反力は、その大部分が金属製のインパクトボルト１４５に硬質の前金属座金１５５を介して当接状態に置かれるヤング率の高い筒状ウェイト１６３に伝達されることになる。かくして、ハンマビット１１９およびインパクトボルト１４５に生ずる跳ね返りによる衝撃力は、筒状ウェイト１６３の後方への移動と、当該筒状ウェイト１６３の移動によるコイルバネ１６５の弾性変形によって効率よく吸収することが可能となり、ハンマドリル１０１の低振動化が実現される。このとき、筒状ウェイト１６３とコイルバネ１６５との間に介在されたゴムリング１６４は、インパクトボルト１４５から筒状ウェイト１６３に伝達された応力波を当該ゴムリング１６４が撓むことによって吸収し、筒状ウェイト１６３の応力波がコイルバネ１６５に伝達することを抑える。これによりコイルバネ１６５のサージングを防止し、保護することができる。

このように、本実施の形態によれば、打撃動作後にハンマビット１１９およびインパクトボルト１４５が被加工材から受ける反力は、当該インパクトボルト１４５から筒状ウェイト１６３にその大部分が伝達されるため、インパクトボルト１４５は打撃位置から見てほぼ静止状態に置かれる。このため、ラバーリング１５３に作用する反力は小さいものとなり、当該反力によるラバーリング１５３の弾性変形量は極僅かとなり、その後の反発力も低減する。またインパクトボルト１４５の反力を、筒状ウェイト１６３およびコイルバネ１６５によって吸収することができる結果、ラバーリング１５３についてはこれを硬く形成することができる。その結果、当該ラバーリング１５３を介して行う本体部１０３の被加工材に対する位置決めの適正化を図ることができる。

また本実施の形態においては、ストッパ１６９によってコイルバネ１６５の付勢力を規制する構成とし、コイルバネ１６５の付勢力が打撃位置を越えて前方に実質的に作用しないように規制する構成としている。このため、打撃動作中、本体部１０３に前方への押圧力を加えてハンマビット１１９およびインパクトボルト１４５を打撃位置に保持する際、反力吸収のためのコイルバネ１６５を備える構成でありながら、当該ハンマビット１１９およびインパクトボルト１４５の保持に不用な力が要することを防止できる。したがって、例えば空打ち防止機構のように、打撃動作中、常時にハンマビット１１９およびインパクトボルト１４５に前方への弾発力が作用する構成とは異なり、反力の吸収は行うが、反力吸収のための弾性力の悪影響が低減される合理的な機構を実現できる。

また本実施の形態によれば、筒状ウェイト１６３の前方向の位置をストッパ１６９によって機械的に規制することで、コイルバネ１６５による付勢力を筒状ウェイト１６３に作用させた状態とした上で、当該筒状ウェイト１６３が打撃位置を越えて移動しないように規制できる。このため、コイルバネ１６５の付勢力の設定、あるいは筒状ウェイト１６３の重量の設定等、反力吸収のための条件設定が容易となる。
また本実施の形態によれば、被加工材からの反力を、ハンマビット１１９およびインパクトボルト１４５を経て筒状ウェイト１６３に伝達する構成である。このため、被加工材からの反力が、経路途中で分散することなく筒状ウェイト１６３に集中的に伝達されることになる。これによって、筒状ウェイト１６３への反力の伝達効率が高くなり、衝撃吸収機能を高めることができる。

また本実施の形態においては、筒状ウェイト１６１と位置決め部材１５１は、ハンマビット１１９の長軸上の同位置において径方向に並列状に配置した構成としている。これにより、省スペース化を図る上での合理的な配置構成を実現することができる。また筒状ウェイト１６３とラバーリング１５３に対するインパクトボルト１４５の当接は、共通の硬質金属板である前金属座金１５５を介して行われる構成としている。したがって、共通の前金属座金１５５を介してインパクトボルト１４５の反力を当該インパクトボルト１４５の一箇所から筒状ウェイト１６３とラバーリング１５３との２つの経路に伝達できるとともに、構造の簡素化が可能となる。

本発明者は、ハンマドリル１０１において、筒状ウェイト（以下、単にウェイトという）１６３およびコイルバネ１６５を有する構成の場合、ウェイト１６３の質量が反力吸収効果、すなわち振動低減効果に影響を及ぼすと推量し、ウェイト１６３の質量と振動低減効果との関係につき、打撃試験によって確認した。なお打撃試験は、試験装置質量：５．８５ｋｇ、試験装置押さえ力：１００Ｎ、ストライカ質量１４０ｇ、ストライカ速度９．６５ｍ/ｓ（平均値）、使用工具キリ径：φ２０、ローパスフィルタ１ｋＨ_Ｚの条件で行った。またウェイト１６３については、２０ｇ〜５６０ｇの範囲で質量が異なる複数のウェイト１６３を準備し、各質量のウェイト１６３につき複数回の打撃試験を行った。
試験結果が図５に示される。図５はウェイト１６３の質量に対する跳ね返り加速度（反力）の変化を示したものであり、横軸にウェイト１６３の質量がストライカ１４３との質量比で示され、縦軸に跳ね返りピーク加速度比がウェイト１６３およびコイルバネ１６５なしの場合を１００（パーセント）として示されている。試験結果によれば、ウェイト１６３の質量を、ストライカ１４３に対する質量比で約４割にした場合に、打撃時の跳ね返りの反力によるピーク加速度値が概ね１割ほど低減し、またウェイト１６３の質量を、ストライカ１４３に対する質量比で約８割に設定した場合に、打撃時の跳ね返りの反力によるピーク加速度値が概ね５割ほど低減することが分かった。さらにはウェイト１６３の質量を、ストライカ１４３の質量の約２倍（ストライカ１４３に対する質量比で約２０割）に設定したときは、打撃時の跳ね返りの反力によるピーク加速度値が概ね６割ほど低減し、より高い振動低減効果が得られることが分かった。なおこの試験では、さらにこのような大きな振動低減効果が得られる値以上においても、それ程ピーク加速度値が変化せず、優れた振動低減効果が持続することが分かった。

上記のウェイト１６３の質量比とピーク加速度値の低減効果を検証するためのより具体的な試験結果が図６〜図９に示される。図６〜図９はウェイト１６３の質量比ごとの加速度波形を示しており、図６はウェイト１６３およびコイルバネ１６５なしの場合、図７はウェイト１６３の質量が５０ｇ（ストライカ１４３に対する質量比で０．３６、すなわち３６％）の場合、図８はウェイト１６３の質量が１１０ｇ（ストライカ１４３に対する質量比で０．７９、すなわち７９％）の場合、図９はウェイト１６３の質量が２８０ｇ（ストライカ１４３に対する質量比で２．０、すなわち２００％）の場合を示している。
試験の結果、ウェイト１６３の質量比が０、すなわちウェイト１６３およびコイルバネ１６５なしの場合、図６に示すように、加速度は２４０（ｍ／ｓ^２）前後の大きな値を示している。質量比が０．３６では、図７に示すように、加速度が１７０（ｍ／ｓ^２）前後まで減少することを確認できた。また質量比が０．７９では、図８に示すように、加速度が１００（ｍ／ｓ^２）前後まで減少することを確認できた。また質量比が２．０では、図９に示すように、加速度が６０（ｍ／ｓ^２）前後まで減少することが確認できた。

以上のことから、ウェイト１６３の質量を、ストライカ１４３の質量の約４割を下限値とし、ストライカ１４３の質量の約２倍を上限値とする範囲内で設定することによって、振動低減機能を発揮させることが可能となる。特にストライカ１４３の質量の約８割に設定することで振動低減効果をより高めることができ、ストライカ１４３の質量の約２倍に設定することで振動低減効果を実用上最大限に発揮させることができる。なおこの振動低減効果は、ウェイト１６３の質量を更に大きくすることでも持続させることができる。しかしながら、ハンマドリル１０１の全体質量とのバランスの関係で約２倍までにすることが実用上好ましいことも分かった。

ところで、ハンマビット１１９によるハンマ作業時においては、既述のように、インパクトボルト１４５に生ずる跳ね返りによる反力によってウェイト１６３が後方へと移動され、当該ウェイト１６３の移動に伴いコイルバネ１６５が弾性変形して反力を吸収する。そしてウェイト１６３は、コイルバネ１６５の復元力によりインパクトボルト１４５から反力が伝達された位置へと戻される。ところが、ウェイト１６３が反力を受けて後方へと移動してから反力が伝達された位置に戻るまでの途中の領域でインパクトボルト１４５に対するストライカ１４３による次回の打撃動作が行われた場合には、ウェイト１６３およびコイルバネ１６５が正常に機能しないこととなる。

そこで本実施の形態においては、ウェイト１６３とコイルバネ１６５をバネマス系モデルとみなした場合の共振周波数が、ストライカ１４３によってインパクトボルト１４５に加えられる打撃周波数の１／２以上となるように構成した。換言すれば、ウェイト１６３とコイルバネ１６５をバネマス系モデルとみなした場合の共振周期がストライカ１４３によってインパクトボルト１４５に加えられる打撃周期の１／２以下となるように、コイルバネ１６５のバネ定数を設定した。これによりウェイト１６３およびコイルバネ１６５を正常に機能させることができる。すなわち、ストライカ１４３の１打撃毎にウェイト１６３およびコイルバネ１６５が確実に衝撃を吸収することが可能となる。

ウェイト１６３およびコイルバネ１６５がストライカ１４３の１打撃毎に確実に機能するためにコイルバネ１６５のバネ定数が満たす条件は、計算によって求められる。
ストライカ１４３の打撃周波数をｆ_０［Ｈ_Ｚ］、打撃周期をＴ_０［ｓ］とすると、
ｆ_０＝１／Ｔ_０・・・（１）
となる。またウェイト１６３とコイルバネ１６５をバネマス系モデルとみなした場合において、ウェイト１６３の質量がｍ［ｋｇ］、コイルバネ１６５のバネ定数をｋ［Ｎ／ｍ］とするバネマス系モデルの共振周期をＴ［ｓ］とすると、当該バネマス系モデルの共振時の角速度ωは、
ω＝√（ｋ／ｍ）＝２π／Ｔ［ｒａｄ／ｓ］・・・（２）
となる。またバネマス系モデルの共振周期とストライカ１４３の打撃周期との関係より、
Ｔ／２＜Ｔ_０・・・（３）
式（２）よりＴ＝２π√（ｍ／ｋ）を式（３）に代入すると、
π√（ｍ／ｋ）＜Ｔ_０・・・（４）
打撃周期Ｔ_０、バネ定数ｋ、質量ｍは、それぞれ正数なので、式（４）を二乗して、
π^２ｍ／ｋ＜Ｔ_０ ^２
ｋ＞π^２ｍ／Ｔ_０ ^２＝π^２ｍｆ_０ ^２・・・（５）
となる。
ゆえに、バネ定数が満たす条件は
ｋ＞π^２ｍｆ_０ ^２・・・（６）
したがって、式（６）を満たすようにコイルバネ１６５のバネ定数を設定することにより、ウェイト１６３およびコイルバネ１６５が正常に機能するように構成することができる。

なお本実施の形態においては、筒状ウェイト１６３およびコイルバネ１６５の間に、筒状ウェイト１６３に生ずる応力波を吸収するべく粘弾性部材としてのゴムリング１６４が介在された構成としている。ゴムリング１６４の質量は、筒状ウェイト１６３の質量に比べて極めて小さい。またゴムリング１６４は筒状ウェイト１６３に生ずる応力波によって変形するが、そのときの変形量は、コイルバネ１６５の変形量に比べると極めて小さい。このようなことから、上述したコイルバネ１６５のバネ定数の設定に関しては、ゴムリング１６４をウェイト１６３の一部とみなして差し支えなく、実用上の悪影響は少ない。

また本実施の形態に係るハンマドリル１０１には、便宜上図示を省略するが、本体部１０３に動吸振器を装着し、ウェイト１６３およびコイルバネ１６５によって構成される衝撃吸収機構と併用することが可能である。ハンマドリル１０１が動吸振器を備える構成としたときは、ハンマ作業時に本体部１０３に生ずる本体部長軸方向の周期的な振動に対し受動的な制振作用を行い、これにより本体部１０３の振動を効果的に低減することができる。またクランク機構を収容するクランク室内の圧力は、ハンマドリル１０１の駆動に伴い変動するため、この変動圧力を動吸振器の内部に導入し、動吸振器の構成部材であるウェイトを積極的に駆動する構成、つまり強制加振方式を採用することも可能である。このような構成を採用したときは、動吸振器はウェイトの強制加振による能動的な制振機構として作用し、ハンマ作業時に本体部１０３に生ずる振動を更に効果的に抑制することができる。

なお上述した実施の形態は、衝撃式作業工具としてハンマドリル１０１を例にとって説明しているが、ハンマドリル１０１に限らず、ハンマに適用できることは当然である。また上述した実施の形態は、筒状ウェイト１６３に対する反力の伝達経路につき、インパクトボルト１４５から筒状ウェイト１６３に伝達する方式としたが、ハンマビット１１９から筒状ウェイト１６３に伝達する方式に変更してもよい。また筒状ウェイト１６３は、筒状以外の形状であっても差し支えない。

また上述した実施の形態では、ハンマビット１１９を直線状に駆動するために、駆動モータ１１１の回転出力を直線運動に変換する運動変換機構１１３としてクランク機構を用いた場合で説明したが、運動変換機構は、クランク機構に限られるものではなく、例えば軸方向に揺動運動を行うスワッシュプレート（斜板）を利用する運動変換機構を用いることが可能である。また上述した実施の形態では、ストッパ１６９によって筒状ウェイト１６３の前方への移動を禁止してコイルバネ１６５の付勢力を規制する構成とし、当該コイルバネ１６５の付勢力が打撃位置を越えて前方に実質的に作用しないように規制する構成としたが、ストッパ１６９による規制に変えて、例えば初期荷重が付与されない自由状態でコイルバネ１６５を配置する構成に変更してもよい。またゴムリング１６４は、ハンマ作業の際に被加工材から受ける反力を緩和するという観点では、コイルバネ１６５とバネ受リング１６７との間に配置する構成に変更してもよい。

なお本発明の趣旨に鑑み、以下の態様を構成することが可能である。
（態様１）
「請求項１〜３のいずれか１つに記載の衝撃式作業工具であって、
前記ウェイトと前記弾性要素との間には、前記ハンマ作動部材の反力が前記ウェイトに伝達されることで当該ウェイトに生じる応力波を吸収する粘弾性部材が配置されていることを特徴とする衝撃式作業工具。」

ハンマ作業時において、ハンマ作動部材に生ずる跳ね返りによる反力がウェイトに伝達されることで、当該ウェイトには応力波が発生する。態様１に記載の発明によれば、上記のように構成したことにより、ウェイトに生じた応力波を粘弾性部材の変形によって吸収することができる。このため、弾性要素がバネによって構成される場合において、応力波がバネに伝達することによって生ずる当該バネのサージングを防止し、保護することができる。

本発明の実施形態に係る電動式のハンマドリルの全体構成を示す側断面図であり、ハンマビットが被加工材に押し付けられた負荷時を示している。ハンマドリルの主要部を示す拡大断面図である。ハンマドリルを示す平断面図であり、ハンマビットが被加工材に押し付けられた負荷時を示す。ハンマドリルを示す平断面図であり、ウェイトおよびコイルバネの作動時を示す。ウェイトの質量に対する跳ね返り加速度（反力）の変化を示す図である。加速度波形を示す図であり、ウェイトおよびコイルバネがない場合を示す。加速度波形を示す図であり、ウェイト質量が５０ｇ（ストライカとの質量比で０．３６）の場合を示す。加速度波形を示す図であり、ウェイト質量が１１０ｇ（ストライカとの質量比で０．７９）の場合を示す。加速度波形を示す図であり、ウェイト質量が２８０ｇ（ストライカとの質量比で２．０）の場合を示す。

符号の説明

１０１ハンマドリル（衝撃式作業工具）
１０３本体部（工具本体）
１０５モータハウジング
１０７ギアハウジング
１０９ハンドグリップ
１０９ａ回動軸
１０９ｂ弾性バネ
１１１駆動モータ
１１３運動変換機構（駆動機構）
１１５打撃要素
１１７動力伝達機構
１１９ハンマビット（ハンマ作動部材）
１１９ａ頭部周縁部
１２１駆動ギア
１２３被動ギア
１２５クランク板
１２６偏心軸
１２７クランクアーム
１２８連結軸
１２９ピストン
１３１伝達ギア
１３３伝達軸
１３４小ベベルギア
１３５大ベベルギア
１３７ツールホルダ
１４１シリンダ
１４１ａ空気室
１４３ストライカ
１４５インパクトボルト（ハンマ作動部材）
１４５ａ大径部
１４５ｂ小径部
１４５ｃテーパ部
１５１位置決め部材
１５３ラバーリング
１５５前金属座金（介在物）
１５７後金属座金
１５９スペーサ
１６３筒状ウェイト（ウェイト）
１６４ゴムリング（粘弾性部材）
１６５コイルバネ（弾性要素）
１６７バネ受リング
１６９ストッパ

Claims

工具本体と、
前記工具本体の先端領域に配置されるとともに、長軸方向に直線運動することで被加工材に対して所定のハンマ作業をするハンマ作動部材と、
前記工具本体の長軸方向に直線運動することで前記ハンマ作動部材に打撃作用を加える打撃子と、
前記ハンマ作動部材が前記被加工材にハンマ作業をする際に、前記ハンマ作動部材と直接に当接した状態に置かれるか、または硬質金属製の介在物を介して前記ハンマ作動部材と当接した状態に置かれるところの反力伝達位置において、前記ハンマ作動部材からの反力が伝達されるウェイトと、伝達された反力によって前記反力伝達位置から後方へと移動する前記ウェイトに押されて弾性変形し、これによって当該ウェイトに伝達された反力を吸収する弾性要素と、を有し、
前記ウェイトの質量は、前記打撃子の質量の約４割以上に設定されていることを特徴とする衝撃式作業工具。
工具本体と、
前記工具本体の先端領域に配置されるとともに、長軸方向に直線運動することで被加工材に対して所定のハンマ作業をするハンマ作動部材と、
前記工具本体の長軸方向に直線運動することで前記ハンマ作動部材に打撃作用を加える打撃子と、
前記ハンマ作動部材が前記被加工材にハンマ作業をする際に、前記ハンマ作動部材と直接に当接した状態に置かれるか、または硬質金属製の介在物を介して前記ハンマ作動部材と当接した状態に置かれるところの反力伝達位置において、前記ハンマ作動部材からの反力が伝達されるウェイトと、伝達された反力によって前記反力伝達位置から後方へと移動する前記ウェイトに押されて弾性変形し、これによって当該ウェイトに伝達された反力を吸収する弾性要素と、を有し、
前記ウェイトの質量は、前記打撃子の質量の約８割以上に設定されていることを特徴とする衝撃式作業工具。
請求項１または２に記載の衝撃式作業工具であって、
前記ウェイトと前記弾性要素をバネマス系モデルとみなした場合の共振周波数が前記打撃子によって前記ハンマ作動部材に加えられる打撃周波数の１／２以上となるように構成されていることを特徴とする衝撃式作業工具。