JP6868808B2

JP6868808B2 - 電動工具

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Publication number: JP6868808B2
Application number: JP2017185207A
Authority: JP
Inventors: 光政水野; 格無類井; 智史梶山; 村上　弘明; 弘明村上; 亜紀子本田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: EP3689551B1; US11569725B2; EP3689551A4; CN111148603A; EP3689551A1; US20200280252A1; JP2019058970A; CN111148603B; WO2019064724A1

Description

本発明は、駆動軸の回転により生じるトルクを出力軸に伝達して先端工具を回転させる電動工具に関する。

特許文献１は、モータの回転軸に減速機構である遊星ギア機構が連結され、負荷トルクの増大に伴って遊星ギア機構におけるリングギアを空転させることで出力軸に至る動力伝達を遮断するトルククラッチ機構を備えた締め付け工具を開示する。また特許文献２は、駆動軸にカム機構を介してハンマが取り付けられ、出力軸に所定値以上の負荷がかかったときにハンマがアンビルに回転方向の打撃衝撃を与えて出力軸を回転させるインパクト回転工具を開示する。

特開２０１５−１１３９４４号公報特開２００５−１１８９１０号公報

従来の電動工具は、モータの回転トルクを機械的に出力軸に伝達する構造を採用するため、使用時に騒音が発生する。特にメカニカル方式のインパクト回転工具では、ハンマがアンビルを打撃することでインパクトトルクを発生させるため、衝撃音は非常に大きなものとなる。そのため従来より、インパクトトルクを維持しつつ、静音性に優れた電動工具の開発が望まれている。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、伝達トルクを維持しつつ、静音性に優れた電動工具を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動工具は、モータにより回転駆動される駆動軸と、先端工具を装着可能な出力軸と、駆動軸の回転により生じるトルクを出力軸に伝達するトルク伝達機構と、モータとトルク伝達機構の間に設けられるクラッチ機構と、を備える。トルク伝達機構は、駆動軸側に連結される駆動マグネット部材と、出力軸側に連結される従動マグネット部材とを有するマグネットカップリングを有する。

本発明によれば、トルク伝達機構としてマグネットカップリングを採用し、モータとトルク伝達機構の間にクラッチ機構を設けたことで、伝達トルクを維持しつつ、非接触で静音性に優れた電動工具を実現できる。

本発明の実施形態に係る電動工具の構成の一例を示す図である。マグネットカップリングの内部構造の一例を示す図である。マグネットカップリングの状態遷移を説明するための図である。（ａ）および（ｂ）は、一対のワンウェイクラッチを有して構成されるクラッチ機構の例を示す図である。マグネットカップリングの別の例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電動工具１の構成の一例を示す。電動工具１は、モータ２を駆動源とする回転工具であって、モータ２により回転駆動される駆動軸４と、先端工具を装着可能な出力軸６と、駆動軸４の回転により生じるトルクを出力軸６に伝達するトルク伝達機構５と、モータ２とトルク伝達機構５の間に設けられるクラッチ機構８とを備える。クラッチ機構８は、駆動軸４の回転により生じるトルクを連結軸９を介してトルク伝達機構５に伝達する一方で、連結軸９がトルク伝達機構５から受けるトルクを駆動軸４に伝達しない機械要素として構成されてよい。クラッチ機構８の作用については、後述する。

電動工具１において、電力はバッテリパックに内蔵されたバッテリ１３により供給される。モータ２はモータ駆動部１１により駆動され、モータ２の回転軸の回転は、減速機３によって減速されて駆動軸４に伝達される。クラッチ機構８は、駆動軸４の回転トルクを連結軸９を介してトルク伝達機構５に伝達する。

実施形態のトルク伝達機構５は、非接触のトルク伝達を可能とするマグネットカップリング２０を有する。
図２は、マグネットカップリング２０の内部構造の一例を示す図である。図２は、インナーロータおよびアウターロータを有するシリンダータイプのマグネットカップリング２０の一部を切り欠いた斜視断面を示している。インナーロータの円筒外周面およびアウターロータの円筒内周面には、それぞれＳ極およびＮ極が周方向に交互に隣接して配置される。マグネットカップリング２０は、駆動軸４の回転により生じるトルクを磁力により出力軸６に伝達することで、トルク伝達における優れた静音性を実現する。図２には８極タイプのマグネットカップリング２０を示すが、この極数に限定されるものではない。

マグネットカップリング２０は、駆動軸４側に連結される駆動マグネット部材２１と、出力軸６側に連結される従動マグネット部材２２と、駆動マグネット部材２１および従動マグネット部材２２の間に配置される隔壁２３とを有する。実施形態のマグネットカップリング２０では、駆動マグネット部材２１がインナーロータであり、従動マグネット部材２２がアウターロータであるが、駆動マグネット部材２１がアウターロータ、従動マグネット部材２２がインナーロータであってもよい。

インナーロータである駆動マグネット部材２１の外周面は、Ｓ極磁石２１ａおよびＮ極磁石２１ｂを交互に配置した磁石面２１ｃを構成する。またアウターロータである従動マグネット部材２２の内周面は、Ｓ極磁石２２ａおよびＮ極磁石２２ｂを交互に配置した磁石面２２ｃを構成する。磁石面２１ｃおよび磁石面２２ｃにおいて、磁極の配置ピッチ角度は等しく設定される。

駆動マグネット部材２１および従動マグネット部材２２は、磁石面２１ｃおよび磁石面２２ｃを対向させて同軸に配置される。対向方向においてＳ極磁石２１ａとＮ極磁石２２ｂ、Ｎ極磁石２１ｂとＳ極磁石２２ａの吸引力が作用することで、駆動マグネット部材２１および従動マグネット部材２２の相対的な位置関係が定められる。

制御部１０は、モータ２の回転を制御する機能を有する。操作スイッチ１２はユーザにより操作されるトリガスイッチであって、制御部１０は、操作スイッチ１２の操作によりモータ２のオンオフを制御するとともに、操作スイッチ１２の操作量に応じた駆動指示をモータ駆動部１１に供給する。モータ駆動部１１は、制御部１０から供給される駆動指示によりモータ２の印加電圧を制御して、モータ回転数を調整する。

電動工具１は、マグネットカップリング２０を採用することで、非接触のトルク伝達を行えるとともに、工具としての静音性を向上できる。また磁石面２１ｃにおいてＳ極およびＮ極を交互に隣接して配置し、磁石面２２ｃにおいてＳ極およびＮ極を交互に隣接して配置することで、Ｓ極およびＮ極を離間して配置する場合と比較すると、マグネットカップリング２０は大きなトルクを伝達可能となる。

以下、電動工具１をインパクト回転工具として構成する場合について説明する。
インパクト回転工具は、出力軸６に回転方向の衝撃力を間欠的に付加する機能をもつ。そこで実施形態では、トルク伝達機構５を構成するマグネットカップリング２０に、出力軸６に間欠的な回転衝撃力を付加する機能をもたせる。マグネットカップリング２０は、駆動マグネット部材２１の磁石面２１ｃと従動マグネット部材２２の磁石面２２ｃとの間に作用する磁力を変化させることで、出力軸６に間欠的な回転衝撃力を付加する。

マグネットカップリング２０では、伝達可能な最大トルク以上の負荷トルクが作用しなければ、駆動マグネット部材２１と従動マグネット部材２２は、回転方向の相対位置を実質的に維持して同期回転する。しかしながら、ねじ部材の締付が進み、マグネットカップリング２０の伝達可能な最大トルクを超える負荷トルクが出力軸６側に作用すると、従動マグネット部材２２が駆動マグネット部材２１に追従できなくなる。この駆動マグネット部材２１と従動マグネット部材２２とが同期していない状態のことを「脱調」と呼ぶ。実施形態のマグネットカップリング２０は、脱調することで、出力軸６に間欠的な回転衝撃力を付加できるようになる。

図３は、マグネットカップリング２０の状態遷移を説明するための図である。図３には、４極タイプのマグネットカップリング２０における駆動マグネット部材２１と従動マグネット部材２２の回転方向の位置関係が示されている。なお磁石Ｓ１、Ｓ２、磁石Ｎ１、Ｎ２は、駆動マグネット部材２１におけるＳ極磁石２１ａ、Ｎ極磁石２１ｂであり、磁石Ｓ３、Ｓ４、磁石Ｎ３、Ｎ４は、従動マグネット部材２２におけるＳ極磁石２２ａ、Ｎ極磁石２２ｂである。

状態ＳＴ１は、駆動マグネット部材２１がモータ２により回転駆動されて、駆動マグネット部材２１と従動マグネット部材２２とが相対的な同期位置を維持して、一緒に回転している状態を示す。なお同期回転中、従動マグネット部材２２は、駆動マグネット部材２１の回転に追従して回転するため、従動マグネット部材２２の位相は、駆動マグネット部材２１の位相に対して僅かに遅れる。

状態ＳＴ２は、従動マグネット部材２２が駆動マグネット部材２１に追従できなくなる直前の状態を示す。ねじ部材の締付作業中、マグネットカップリング２０の伝達可能な最大トルクを超える負荷トルクが出力軸６にかかると、出力軸６側に連結された従動マグネット部材２２の回転が停止し、駆動マグネット部材２１が従動マグネット部材２２に対して空転し始める。

状態ＳＴ３は、脱調状態にあって、駆動マグネット部材２１と従動マグネット部材２２の間に作用する反発磁力が最大となった状態を示す。状態ＳＴ２から状態ＳＴ３までの間、駆動マグネット部材２１は駆動軸４により回転される。状態ＳＴ４は、脱調状態にあって、駆動マグネット部材２１が磁石の吸引力によって、モータ２が駆動軸４を回転する速度よりも高速に回転する状態を示す。

磁石Ｓ１について説明すると、状態ＳＴ３で、磁石Ｓ１と磁石Ｓ３との間には、最大の反発磁力が作用している。状態ＳＴ３から、駆動マグネット部材２１がさらに回転すると、磁石Ｓ１は、磁石Ｓ３の反発磁力により磁石Ｓ３から回転方向に押し出されるとともに、磁石Ｎ３の吸引磁力により磁石Ｎ３に回転方向に引き込まれる。駆動マグネット部材２１における他の磁石Ｓ２、磁石Ｎ１、磁石Ｎ２も、磁石Ｓ１と同じように従動マグネット部材２２から磁力を受ける。そのため状態ＳＴ４では、モータ２が駆動軸４を回転する速度よりも高速に駆動マグネット部材２１が従動マグネット部材２２に対して相対回転する。

状態ＳＴ５は、駆動マグネット部材２１が従動マグネット部材２２の同期位置まで回転して、従動マグネット部材２２に回転衝撃力を付加した状態を示す。駆動マグネット部材２１が従動マグネット部材２２に対して、磁石Ｓ１と磁石Ｎ３、磁石Ｎ１と磁石Ｓ４、磁石Ｓ２と磁石Ｎ４、磁石Ｎ２と磁石Ｓ３とが対向する位置まで回転すると、駆動マグネット部材２１の回転は急制動（つまり急減速）される。この位置は、駆動マグネット部材２１と従動マグネット部材２２の吸引磁力が最大となる位置であり、駆動マグネット部材２１と従動マグネット部材２２とが同期する位置でもある。

状態ＳＴ５で、従動マグネット部材２２は、駆動マグネット部材２１が急制動することによる慣性を受ける。この慣性トルクが回転衝撃力となって、回転停止していた従動マグネット部材２２を角度α回転させる。状態ＳＴ５におけるＳ極およびＮ極の相対位置関係は、状態ＳＴ１におけるＳ極およびＮ極の相対位置関係と実質的に同じであり、マグネットカップリング２０は、状態ＳＴ２から状態ＳＴ５までの状態遷移を繰り返すことで、出力軸６に間欠的な回転衝撃力を付加する。

以上のように実施形態のトルク伝達機構５は、マグネットカップリング２０における脱調を利用することで、間欠的な回転衝撃力を発生させる。なお上記したように、状態ＳＴ４では、モータ２が駆動軸４を回転する速度よりも高速に駆動マグネット部材２１が従動マグネット部材２２に対して相対回転する。そのため仮に駆動マグネット部材２１と駆動軸４とが自由度なしに連結されていると、駆動軸４が駆動マグネット部材２１と一体回転することで、モータ２が発電機として動作し、結果として駆動マグネット部材２１の回転を制動する、つまり回転速度を遅くするブレーキとして作用することになる。

そこで実施形態では、モータ２とトルク伝達機構５との間にクラッチ機構８を設けて、状態ＳＴ４で、駆動マグネット部材２１がモータ２による回転速度よりも高速回転する際に、駆動軸４と駆動マグネット部材２１との間のトルク伝達を遮断させるようにしている。

実施形態のクラッチ機構８は、駆動軸４の回転により生じるトルクを連結軸９を介して駆動マグネット部材２１に伝達する一方で、駆動マグネット部材２１が従動マグネット部材２２から受けるトルク、つまり吸引磁力による進行方向の回転トルクを駆動軸４に伝達しない。クラッチ機構８は、入力側に与えられたトルクは出力側に伝達するが、出力側に与えられたトルク（逆入力トルク）は入力側に伝達しない機械要素であってよい。このクラッチ機構８により、駆動マグネット部材２１は、モータ２による制動トルクを受けることなく、モータ２が駆動軸４を回転する速度よりも高速に回転でき、大きな回転衝撃力を従動マグネット部材２２に付加できるようになる。

クラッチ機構８は、ワンウェイクラッチを有してよい。ここでワンウェイクラッチは、モータ２が駆動軸４を正転回転する速度よりも、駆動マグネット部材２１が高速に正転回転する際に、駆動マグネット部材２１と駆動軸４との間のトルク伝達を遮断するように、モータ２とトルク伝達機構５の間に配置される。

図４（ａ）および（ｂ）は、トルク伝達方向が互いに逆向きの一対のワンウェイクラッチを有して構成されるクラッチ機構８の例を示す。クラッチ機構８は、一対の第１ワンウェイクラッチ８ａ、第２ワンウェイクラッチ８ｂを有し、たとえば第１ワンウェイクラッチ８ａはモータ２の正転方向のトルク伝達を行い、第２ワンウェイクラッチ８ｂはモータ２の逆転方向のトルク伝達を行う。切替機構８ｃは、一対の第１ワンウェイクラッチ８ａおよび第２ワンウェイクラッチ８ｂのいずれか一方を、モータ２とトルク伝達機構５の間に配置する。

図４（ａ）は、切替機構８ｃにより第１ワンウェイクラッチ８ａが駆動軸４に連結された状態を示す。ユーザは、ねじ部材の締付作業時、切替機構８ｃを操作して、第１ワンウェイクラッチ８ａを駆動軸４に連結させる。
図４（ｂ）は、切替機構８ｃにより第２ワンウェイクラッチ８ｂが駆動軸４に連結された状態を示す。ユーザは、ねじ部材の緩め作業時、切替機構８ｃを操作して、第２ワンウェイクラッチ８ｂを駆動軸４に連結させる。

このようにクラッチ機構８が、トルク伝達方向が互いに逆向きの一対のワンウェイクラッチを切替可能に有することで、ユーザは、電動工具１を、ねじ部材の締付作業および緩め作業の双方に利用できる。なおクラッチ機構８は、トルク伝達方向を切替可能なツーウェイクラッチを有して構成されてもよい。

なおクラッチ機構８は、駆動マグネット部材２１が従動マグネット部材２２から受けるトルクを駆動軸４に伝達しない逆入力遮断クラッチを有して構成されてもよい。逆入力遮断クラッチは、入力側に与えられたトルクは出力側に伝達するが、出力側に与えられたトルク（逆入力トルク）は回転方向によらず入力側に伝達しないように形成される。そのためクラッチ機構８が逆入力遮断クラッチを有することで、ユーザによるクラッチの切替操作なしに、電動工具１をねじ部材の締付作業および緩め作業の双方に利用できるようになる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施形態では、マグネットカップリング２０が、インナーロータおよびアウターロータを有するシリンダータイプである例を示したが、磁石面を軸方向に対向させた２つのディスクを有するディスクタイプであってもよい。

図５は、マグネットカップリング２０ａの別の例を示す図である。図５（ａ）は、入力側ディスクおよび出力側ディスクを有するディスクタイプのマグネットカップリング２０ａの側面を示す。図５（ｂ）は、入力側ディスクまたは出力側ディスクの磁石面を示す。入力側ディスクのディスク面および出力側ディスクのディスク面には、それぞれＳ極およびＮ極が周方向に交互に隣接して配置されている。ディスクタイプのマグネットカップリング２０ａも、磁力によって駆動軸４の回転により生じるトルクを出力軸６に伝達することで、トルク伝達における優れた静音性を実現する。図５（ｂ）には８極タイプのマグネットカップリング２０ａを示すが、この極数に限定されるものではない。

マグネットカップリング２０ａは、駆動軸４側の連結軸９に連結される駆動マグネット部材３１と、出力軸６側に連結される従動マグネット部材３２とを有する。駆動マグネット部材３１および従動マグネット部材３２のディスク面は、Ｓ極磁石およびＮ極磁石を交互に配置した磁石面を構成する。マグネットカップリング２０ａにおいて、駆動マグネット部材３１および従動マグネット部材３２は、互いの磁石面を対向させて同軸に配置される。図５に示すディスクタイプのマグネットカップリング２０ａも、出力軸６に間欠的な回転衝撃力を付加できる。

本発明の態様の概要は、次の通りである。
本発明のある態様の電動工具（１）は、モータ（２）により回転駆動される駆動軸（４）と、先端工具を装着可能な出力軸（６）と、駆動軸（４）の回転により生じるトルクを出力軸（６）に伝達するトルク伝達機構（５）と、モータ（２）とトルク伝達機構（５）の間に設けられるクラッチ機構（８）と、を備える。トルク伝達機構（５）は、駆動軸側に連結される駆動マグネット部材（２１）と、出力軸側に連結される従動マグネット部材（２２）とを有するマグネットカップリング（２０）を有する。

クラッチ機構（８）は、駆動軸（４）の回転により生じるトルクを駆動マグネット部材（２１）に伝達する一方で、駆動マグネット部材（２１）が従動マグネット部材（２２）から受けるトルクを駆動軸（４）に伝達しないように構成される。

クラッチ機構（８）は、ワンウェイクラッチを有してよい。クラッチ機構（８）は、トルク伝達方向が互いに逆向きの一対のワンウェイクラッチを有して構成され、電動工具（１）は、一対のワンウェイクラッチの一方をモータ（２）とトルク伝達機構（５）の間に配置する切替機構（８ｃ）をさらに備えてよい。

クラッチ機構（８）は、トルク伝達方向を切替可能なツーウェイクラッチを有してもよい。またクラッチ機構（８）は、駆動マグネット部材（２１）が従動マグネット部材（２２）から受けるトルクを駆動軸（４）に伝達しない逆入力遮断クラッチを有してもよい。

駆動マグネット部材（２１）および従動マグネット部材（２２）は、それぞれＳ極およびＮ極を交互に配置した磁石面（２１ｃ）を対向させて配置されてよい。

１・・・電動工具、２・・・モータ、３・・・減速機、４・・・駆動軸、５・・・トルク伝達機構、６・・・出力軸、８・・・クラッチ機構、８ａ・・・第１ワンウェイクラッチ、８ｂ・・・第２ワンウェイクラッチ、８ｃ・・・切替機構、９・・・連結軸、１０・・・制御部、１１・・・モータ駆動部、１２・・・操作スイッチ、１３・・・バッテリ、２０，２０ａ・・・マグネットカップリング、２１・・・駆動マグネット部材、２１ａ・・・Ｓ極磁石、２１ｂ・・・Ｎ極磁石、２１ｃ・・・磁石面、２２・・・従動マグネット部材、２２ａ・・・Ｓ極磁石、２２ｂ・・・Ｎ極磁石、２２ｃ・・・磁石面、２３・・・隔壁、３１・・・駆動マグネット部材、３２・・・従動マグネット部材。

Claims

モータにより回転駆動される駆動軸と、
先端工具を装着可能な出力軸と、
前記駆動軸の回転により生じるトルクを前記出力軸に伝達するトルク伝達機構と、
前記モータと前記トルク伝達機構の間に設けられるクラッチ機構と、を備え、
前記トルク伝達機構は、前記駆動軸側に連結される駆動マグネット部材と、前記出力軸側に連結される従動マグネット部材とを有するマグネットカップリングを有し、
前記駆動マグネット部材と前記従動マグネット部材とが脱調した後、前記クラッチ機構が前記駆動軸と前記駆動マグネット部材との間のトルク伝達を遮断することで、前記駆動マグネット部材が前記駆動軸よりも高速に回転する、
ことを特徴とする電動工具。
前記クラッチ機構は、前記駆動軸の回転により生じるトルクを前記駆動マグネット部材に伝達する一方で、前記駆動マグネット部材が前記従動マグネット部材から受けるトルクを前記駆動軸に伝達しない、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記クラッチ機構は、ワンウェイクラッチを有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動工具。
前記クラッチ機構は、トルク伝達方向が互いに逆向きの一対のワンウェイクラッチを有して構成され、
一対のワンウェイクラッチの一方を前記モータと前記トルク伝達機構の間に配置する切替機構を、さらに備える、
ことを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
前記クラッチ機構は、トルク伝達方向を切替可能なツーウェイクラッチを有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動工具。
前記クラッチ機構は、前記駆動マグネット部材が前記従動マグネット部材から受けるトルクを前記駆動軸に伝達しない逆入力遮断クラッチを有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動工具。
前記駆動マグネット部材および前記従動マグネット部材は、それぞれＳ極およびＮ極を交互に配置した磁石面を対向させて配置される、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電動工具。