JP5580610B2 - 打撃機構および手工具装置 - Google Patents

Description

本発明は、打撃機構および打撃機構を備えた打撃工具装置に関する。

特許文献１（米国特許第２８９２１４０号）に記載されているように、２０世紀初頭から既に、２個の電磁コイルを備える打撃機構が知られているが、その打撃性能はこれまで、同時代から知られている、構造が異なる他の打撃機構の打撃性能に遅れを取っている。

打撃体を磁場により直接的に加速させる打撃機構は、打撃挙動の高度な制御が可能であり、とくに、打撃機構を即座に停止できるという利点を有する。

米国特許第２８９２１４０号明細書

したがって、本発明の課題は、２個の電磁コイルに基づいた、高い打撃力を有する打撃機構を提供することにある。

本発明打撃機構には、作動空間であって、その第１部分を第１電磁石により包囲し、その第２部分を第２電磁石により包囲した該作動空間と、作動空間内において打撃軸線に沿って移動可能であり、かつ、磁化可能な材料を有する打撃体と、アンビルであって、その打撃面が、作動空間の打撃方向を画定する、該アンビルと、を備えた構成とする。また、打撃体が作動空間内のどの位置にあっても、打撃体に対してアンビルに向かう方向の力を加えるばね素子を備えた構成とする。アンビルからの復帰移動の際に、ばね素子は相応に押圧される（緊張する）。

打撃体は、アンビルから跳ね返り、その運動エネルギーの一部を保持する。このエネルギーは、復帰移動においてばね素子に伝えられ、蓄積される。次のアンビル方向への移動の際に、磁場により作用する力に加え、ばね素子が打撃体を加速させる。この構成により、システムが蓄積するエネルギーを効果的に利用することができる。

好適には、ばね素子のばね力は、打撃体が打撃面を打撃する際にゼロに低下するものとする。

一実施形態において、ばね素子を、機械的ばねおよび／または空気ばねとする。また、空気ばねは、空気圧空間により構成する。この空気圧空間は作動空間の一部分により構成し、打撃体によりアンビル側から区分されるものとする。

ばね素子は、ばね定数が打撃方向とは反対方向に増大する累進特性曲線を有するものとする。第２電磁石が打撃体に加え得る牽引力は、打撃体から打撃面とは反対側の引返し点までの距離が狭まるにつれ、増大する。この増大する力は、打撃方向とは反対方向に増大する特性曲線において効率的に利用することができる。

一実施形態において、アンビルは、第１電磁石内に突入し、軟磁性体で形成し、さらに、打撃体の直径とアンビルの直径との差が２０％未満、好適には１０％未満となるものとする。打撃体およびアンビルの打撃面の横断面が、類似した、または同等であることにより、磁力線は、ほぼ打撃体から打撃面までの経路でのみ延在し、不必要に空気中に戻ることがなくなる。これにより、打撃体の加速のための大きい力が磁場によって発生し得ることが分かる。

一実施形態において、アンビルは、少なくともある距離にわたり第１電磁コイル内、または第１電磁石内に突入するものとし、上記距離は、打撃体との衝突する際のアンビルの移動よりも大きいものとする。この距離は、例えば、電磁コイルの長さの少なくとも１／１０とすることができる。

好適には、アンビルは、第１電磁石の磁束の少なくとも１／２が、アンビルに向かって側方に通過し、その後打撃面から流出するような深さで、第１電磁石内に突入するものとする。

一実施形態において、電磁石は、電磁コイルおよびこの電磁コイルの外側面を包囲する磁場ガイドを備えるものとする。好適には、磁場ガイドはアンビルに隣接するものとする。

一実施形態において、作動空間は、そのアンビルと反対側を、ストッパにより画定し、このストッパは、第２電磁コイル内に突入し、軟磁性体で形成する。

一実施形態において、第１または第２の電磁コイルは、長さおよび巻回高さを有し、この長さ対巻回高さの比は、１．２５より小さいものとする。この構成により、電磁コイルにより得られる加速動作対抵抗損失の比が最適化される。

一実施形態において、打撃体はその表面に長溝を形成する、または打撃体を貫通する貫通孔を備えるものとする。

本発明工具装置、特に手工具装置は、本発明打撃機構を備えるものとする。
以下、図面につき本発明の代表的な実施形態を詳述する。

本発明打撃機構の一実施形態における部分断面図である。 本発明打撃機構の他の実施形態における部分断面図である。 本発明打撃機構のさらに他の実施形態における部分断面図である。

特に言及しない限り、各図中において、同一または機能的に等価の素子は、同一符号で示す。

図１に示すのは、一実施形態における本発明打撃機構１の部分断面図である。打撃機構１は、打撃体２およびアンビル３を有する打撃グループと、電磁コイル４，５を有する主駆動部と、ばね素子６を有する緩衝器と、を備える。

打撃体２は、作動空間１０内において打撃軸線１１に沿って移動可能に取付ける。作動空間１０は、その打撃方向１２をアンビル３により画定する。作動空間１０の打撃方向１２と反対側をハウジング１３により画定する。

打撃体２は、ロッド１４により、作動空間１０内で打撃軸線１１に沿って案内する。ロッド１４は打撃体２に固着し、例えばハウジング１３の軸受１５を通して案内する。作動空間１０の側方はスリーブ１６により画定し、このスリーブ１６に打撃体２を案内する。

作動空間１０は、打撃軸線１１に沿って、打撃体２の寸法に適合する一定の横断面を有する。打撃体２の横断面は、具合よく移動が可能な程度に、作動空間１０の横断面よりも小さいものとする。作動空間１０および打撃体２は、例えば、円筒状または円柱状とする。

アンビル３は打撃面１７を有する。この打撃面１７は、横断面がほぼ一定の、例えば円柱状横断面を有する端部１８によって構成する。端部１８の横断面および打撃面１７の横断面は、好適には、打撃体２の横断面と等しい大きさとする。

特別な実施形態において、アンビルの打撃面１７、および、これに対応する打撃体２の打撃面１９は、互いに形状的に対応する。ある実施例においては、双方の打撃面１７，１９を平面とする。代案として、双方の打撃面１７，１９の一方を凸状に湾曲させ、打撃面１９，１７の他方を、これに対応するように、凹状にと湾曲させることができる。

アンビル３は、ガイド部２０に配置する。ガイド部２０の、打撃方向１２と反対側には、ストッパ２１を設ける。戻し素子２２、例えば緩衝リングや戻しばねは、打撃方向１２と反対方向に、ストッパ２１に向けてアンビル３を押圧する。これにより、アンビル３は、打撃体２と衝突して打撃方向１２に移動した後、再びその規定された初期位置に戻る。

作動空間１０のアンビル３と反対側の面には、作動空間１０を画定するストッパ２５を設ける。このストッパ２５は、ハウジング１３により構成することができる。

作動空間１０は、少なくとも２個の電磁コイル４，５により包囲する。双方の電磁コイル４，５は、打撃軸線１１に沿って、互いに間隔を明けて取付ける。第１電磁コイル４は、作動空間１０の第１部分３０およびアンビル３の端部１８を包囲する。第２電磁コイル５は、作動空間１０の第２部分３１およびストッパ２５を包囲する。

双方の電磁コイル４，５は電源に接続する。制御装置により、電流は、双方の電磁コイル４，５を交互に流れる。したがって、作動空間１０内において、第１部分３０および第２部分３１には、交互に磁場が発生する。

打撃体２は、磁性材料で形成する、または磁性材料で形成したインサートを有する。それぞれの磁場が打撃体２に作用し、打撃体２を加速させる。

アンビル３は、磁性材料で形成する。アンビル３は、磁極片のように作用する。第１部分３０における磁場は、アンビル３から垂直方向に現出する。これに応じて、打撃体２に加わる力は、打撃体２の移動方向に平行、すなわち、打撃軸線に平行に作用する。

好適には、アンビル３の磁性材料、例えば強磁性材料は、第１部分３０に磁場がない場合には、その磁性を失うものとする。このため、アンビル３は、好適には、保磁力が１０００Ａ／ｍより小さい軟磁性材料で形成する。

少なくとも部分的に、互いに形状的に補完し合う打撃面１７，１９に基づき、磁場は、打撃体２およびアンビル３から直接、双方の打撃面１７，１９間において広範囲に発生する。これにより、打撃体２のアンビル３に対する間隔よりも長い距離を流れなければならない磁束が最小限に抑えられる。これは、打撃面１７，１９間の間隔が小さくなる際に、磁力が増大するため、特に有益である。

アンビル３の打撃面１７は、その形状および曲率が、打撃面１７からの磁場の流出を最適化するように構成する。

アンビル３の端部１８は、少なくとも距離５０にわたり第１電磁コイル４内に突出する。このとき、距離５０は、打撃に際してアンビル３が移動する距離よりも大きいものとする。さらに、距離５０は、第１電磁コイル４の長さ５１の１／１０〜１／４、たとえば、少なくとも１／６または多くても１／６とする。

ストッパ２５は、やはり、磁性材料、例えば強磁性材料で形成する。ストッパ２５の形状は、先に詳述した、アンビル３の形状と同様にする。ストッパ２５が第２電磁コイル５内に突出する深さ５２は、第２電磁コイル５の長さ５３の１／１０〜１／４の範囲とする。ストッパ２５およびアンビル３の他の部分における形状は、実施例毎に異なるものとすることができる。

磁場ガイド６０は、電磁コイル４，５の外側を包囲する。磁場ガイド６０は、軟磁性材料、例えば薄鋼板から構成する。磁場ガイド６０は、双方の電磁コイル４，５間にウェブ６１を設け、このウェブ６１は作動空間１０までに隣接する。好適には、第１電磁コイルにおける外側ウェブ６２をアンビル３まで達せしめ、磁場がアンビル３内に通過できるようにする。同様に、他のウェブ６３は、ストッパ２５に接触させる、またはストッパ２５と一体構成にする。

ばね素子６は、例えばコイル（螺旋）ばね７０または他の機械的なばねを備えるものとする。ロッド１４は、コイルばね７０が係合する、張り出し部または皿状部７１を備える。コイルばね７０のばね行程（ストローク）は、打撃体２が、作動空間１０内でのどの位置においても、コイルばね７０により打撃方向１２に押圧されるよう設計する。コイルばね７０のばね定数は、好適には、打撃体２がストッパ２５に近接すると、打撃体２の移動を完全に制動するよう設計する。この構成により、打撃体２がハウジング１３を機械的に打撃することを回避できる。

好適には、ばね素子６のばね定数は、ばね素子６が圧縮されるに従って増大するものとする。ばね定数の打撃体２の位置に対する従属性は、第２電磁コイル５の牽引力の打撃体２の位置に対する従属性に対応させ、例えば、双方の関連性は互いに比例するように、選択することができる。この構成により、第２電磁コイル５が果たす役割を有効に利用することができる。代案として、ばね素子６は、線形特性、即ちばね６の圧縮に従属しないばね定数を有するものとすることもできる。

打撃体２の表面には、溝９０を設ける。この溝９０により、打撃体２の移動中にストッパ２５とアンビル３との間で換気することができる。溝９０の代わりに、または溝９０に加えて、打撃体２に孔を設けることもできる。

他の実施形態において、作動空間１０の第１部分３０および第２部分３１に換気口９２，９３を設けた換気システムを備える。換気口９２，９３は、配管により互いに接続する、または外部に接続することができる。

コイルばね７０の代わりに、またはコイルばね７０に加えて、空気ばねを利用することができる。図２に示すのは、他の実施形態における打撃機構１であり、この打撃機構２には、作動空間１０内に空気圧空間８０を設ける。空気圧空間８０は、打撃体２、ストッパ２５、およびスリーブ１６により、気密状態に保つ。打撃体２が打撃方向と反対に動くと、空気圧空間８０は圧縮される。打撃体２の運動エネルギーが完全に空気圧空間８０の圧縮動作に消費されると、打撃方向１２への戻り運動が起こる。また、空気圧空間は、作動空間１０の外部にも、ロッド１４が貫通する部分を介して接続することもできる。

電磁コイル４，５は、一般的な方法、例えば、巻回し、塗装したワイヤーで形成する。電磁コイル４，５の長さ５１，５３は、電磁コイル４，５の巻回高さ１００よりも最大で３０％大きいものとする。打撃体２の移動行程（ストローク）あたりの加速動作は、非線形力特性線に基づき、一定にではなく、アンビル３またはストッパ２５に対する間隔が狭くなるにつれ増大する。このため、電磁コイル４，５を長くしても、加速動作は極僅かに大きいものとなるにすぎない。これに対し、電磁コイル４，５の抵抗損失の度合いは、その長さ５１に比例する。このため、短い電磁コイル４，５を採用することが好適であると考えられる。

打撃体２は、高い（１０００Ａ／ｍよりも大きい）保磁力を有する強磁性材料から形成する。こうすることで、打撃体２は、長期にわたり磁化状態を保つ。電磁コイル４，５から発生する磁場の極性は、打撃体２の分極方向に従属して決定される。さらに、打撃体２の往復移動中における電磁コイル４，５の極性は、牽引力および押出力の双方を打撃体２に作用させるために、反転できるものとする。

図３に示すのは、さらに他の実施形態における打撃機構１である。第１電磁コイル１０４および第２電磁コイル１０５は、磁場ガイド６０，１６２，１６３により包囲し、それぞれ、第１電磁石および第２電磁石を構成する。磁場ガイド１６２は、アンビル３に隣接する。磁場ガイド１６２は、打撃軸線１１に沿ってある距離だけ延在させ、この距離は第１電磁コイル１０４の長さ５１に比例する距離とする。例えば、この距離は、第１電磁コイル１０４の長さ５１の１／３〜１／２とする。磁場ガイド１６２は、距離の全体にわたり打撃空間に隣接する。アンビル３は、深さ１５０にわたり第１電磁石、即ち磁場ガイド１６２内に突入する。この深さ１５０は、好適には、第１電磁コイル１０４からの磁束の少なくとも１／２がアンビル３を通過するように選択する。

１ 打撃機構
２ 打撃体
３ アンビル
４ 第１電磁コイル
５ 第２電磁コイル
６ ばね素子
１０ 作動空間
１１ 打撃軸線
１２ 打撃方向
１３ ハウジング
１４ ロッド
１５ 軸受
１６ スリーブ
１７ 打撃面
１８ 端部
１９ 打撃面
２０ ガイド部
２１ ストッパ
２２ 戻し素子
２５ ストッパ
３０ 第１部分
３１ 第２部分
５０ 距離
５１ 長さ
５２ 深さ
５３ 長さ
６０ 磁場ガイド
６１ ウェブ
６２ ウェブ
６３ ウェブ
７０ コイルばね
７１ 皿状部
８０ 空気圧空間
９０ 溝
９２ 換気口
９３ 換気口
１００ 巻回高さ
１０４ 第１電磁コイル
１０５ 第２電磁コイル
１５０ 深さ
１６２ 磁場ガイド
１６３ 磁場ガイド

Claims (13)

1. 作動空間であって、その第１部分（３０）を第１電磁石（４；１０４，１６２）により包囲し、その第２部分（３１）を第２電磁石（５；１０５，１６３）により包囲した該作動空間と、
   前記作動空間（１０）内において打撃軸線（１１）に沿って移動可能であり、かつ、磁化可能な材料を有する打撃体（２）と、
   アンビル（３）であって、その打撃面（１７）が、前記作動空間（１０）の打撃方向（１２）を画定する、該アンビルと、
   を備えた打撃機構（１）において、
   前記打撃体が前記作動空間内のどの位置にあっても、前記打撃体に対して前記アンビルに向かう方向の力を加えるばね素子（７０，８０）を設け、
   前記アンビル（３）は、前記第１電磁石（４；１０４，１６２）内に突入するものとしたことを特徴とする打撃機構。
2. 請求項１記載の打撃機構において、前記ばね素子（７０，８０）を、機械的ばね（７０）および／または空気ばね（８０）としたことを特徴とする打撃機構。
3. 請求項２記載の打撃機構において、前記空気ばね（８０）は、空気圧空間により構成したことを特徴とする打撃機構。
4. 請求項２記載の打撃機構において、前記空気圧空間は、前記作動空間（１０）の一部分により構成し、前記打撃体（２）により前記アンビル（３）側から区分されるものとしたことを特徴とする打撃機構。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項記載の打撃機構において、前記ばね素子（７０，８０）は、ばね定数が前記打撃方向（１２）とは反対方向に増大する累進特性曲線を有するものとしたことを特徴とする打撃機構。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項記載の打撃機構において、前記第１電磁石（１０４，１６２）に、第１電磁コイル（１０４）およびこの第１電磁コイル（１０４）の外側面を包囲する第１磁場ガイド（６０，１６２）を設け、前記磁場ガイド（１６２）は前記アンビル（３）に隣接し、および／または前記第２電磁石（１０５，１６３）に、第２電磁コイル（１０５）およびこの第２電磁コイル（１０５）の外側面を包囲する第２磁場ガイド（６０，１６３）を設け、前記磁場ガイド（６０，１６３）は前記作動空間に隣接するものとしたことを特徴とする打撃機構。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項記載の打撃機構において、前記アンビル（３）は、前記第１電磁コイル（４）内に突入し、軟磁性材料で形成し、さらに、アンビル（３）の打撃面（１７）の横断面は、打撃体（２）の打撃面（１９）の横断面と等しい大きさであることを特徴とする打撃機構。
8. 請求項６又は７記載の打撃機構において、前記アンビル（３）は、前記第１電磁石（４；１０４，１６２）の磁束の少なくとも１／２が、前記アンビル（３）を通過するように、前記第１電磁石（４；１０４，１６２）内に突入するものとしたことを特徴とする打撃機構。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一項記載の打撃機構において、前記作動空間（１０）は、前記アンビル（３）と反対側をストッパ（２５）により画定し、このストッパ（２５）は、前記第２電磁石（５；１０５，１６３）内に突入し、かつ軟磁性材料で形成したことを特徴とする打撃機構。
10. 請求項６〜９のうちいずれか一項記載の打撃機構において、前記第１電磁石（４；１０４，１６２）は、長さ（５１）を有し、前記アンビル（３）は、前記第１電磁石（４；１０４，６２）の前記長さ（５１）の少なくとも１／１０にわたり、前記第１電磁石（４；１０４，６２）または第１電磁コイル（４；１０４）内に突入するものとしたことを特徴とする打撃機構。
11. 請求項６〜１０のうちいずれか一項記載の打撃機構において、前記第１または前記の第２電磁コイル（４，５；１０４，１０５）は、長さ（５１，５３）および巻回高さ（１００）を有し、該長さ（５１，５３）対該巻回高さの比は、１．２５よりも小さいものとしたことを特徴とする打撃機構。
12. 請求項１〜１１のうちいずれか一項記載の打撃機構において、前記打撃体（２）の表面に長溝（９０）を形成する、または前記打撃体（２）を貫通する貫通孔を設けたことを特徴とする打撃機構。
13. 請求項１〜１２のうちいずれか一項記載の打撃機構を設けた工具装置。

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