(57)【要約】エアスプリング打撃機構は、打撃機構ケーシング（１）内で往復運動可能な駆動ピストン（２）と打撃ピストン（３）とを有しており、これらの駆動ピストン（２）と打撃ピストン（３）との間にはエアスプリング（５）が形成されており、このエアスプリングを介して、駆動ピストン（２）の運動を打撃ピストン（３）に伝達することが可能である。駆動ピストン（２）は、電気的なリニアモータによって駆動可能であり且つこのリニアモータのロータ（９）と一体に結合されている。この配置形式により、駆動ピストン（２）の駆動装置に関して、従来の回転モータ並びにクランク機構を省くことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアスプリング打撃機構であって、打撃機構ケーシング（１）と、該打撃機構ケーシング（１）内で往復運動可能な駆動ピストン（２；２０）と、打撃ピストン（３）と、駆動ピストン（２）と打撃ピストン（３）との間の中空室（４）内に形成されたエアスプリング（５；２１）とが設けられており、該エアスプリングを介して、駆動ピストン（２；２０）の運動を打撃ピストン（３）に伝達することが可能である形式のものにおいて、
駆動ピストン（２；２０）が、電気力学的なリニア駆動装置によって駆動可能であり且つ該リニア駆動装置のロータ（９）と結合されていることを特徴とする、電気力学的に運動する駆動ピストンを備えたエアスプリング打撃機構。
【請求項２】
駆動ピストン（２；２０）が、ロータ（９）を支持しているか又はほぼ完全に該ロータ（９）によって形成される、請求項１記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項３】
ロータ（９）が積層されている、請求項１又は２記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項４】
リニア駆動装置が切換式のリラクタンスモータである、請求項１から３までのいずれか１項記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項５】
打撃機構ケーシング（１）内のロータ（９）の運動範囲に、リニア駆動装置の１つ又は複数の駆動コイル（７）が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項６】
駆動コイル（７）に隣接して、ロータ（９）を基準位置に保持するための保持コイル（１０）が設けられている、請求項５記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項７】
駆動コイル（７）及び／又は保持コイル（１０）が、少なくとも電気的な励起の時間及び強度に関して、並びに空転作動を調整するために制御装置によって制御可能である、請求項５又は６記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項８】
ロータ（９）、駆動ピストン（２；２０）及び／又は打撃ピストン（３）の位置を規定するためのセンサ装置が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項９】
制御装置により、駆動コイル（７）及び／又は保持コイル（１０）の電流特性に基づいて、ロータ（９）の位置を規定することができる、請求項７又は８記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項１０】
打撃ピストン（３）及び駆動ピストン（２）が、ほぼ同一の直径を有しており且つ打撃機構ケーシング（１）に所属する打撃機構管内で可動である、請求項１から９までのいずれか１項記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項１１】
駆動ピストン（２０）が中空の切欠きを有しており、該切欠き内で打撃ピストン（３）が可動である、請求項１から９までのいずれか１項記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項１２】
打撃方向で見てエアスプリング（２１）が打撃ピストン（３）の後方に配置されており、打撃ピストン（３）の前方で第２のエアスプリング（２２）が駆動ピストン（２０）と打撃ピストン（３）との間に形成可能であるように、駆動ピストン（２０）が打撃ピストン（３）の前後を取り囲んでいる、請求項１１記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項１３】
打撃ピストンの一方の端面が中空の切欠きを有しており、該切欠き内で駆動ピストンが可動であり、該駆動ピストンと結合されたロータが、打撃ピストンの外部の打撃機構ケーシング内で可動である、請求項１から９までのいずれか１項記載のエアスプリング打撃機構。
【請求項１４】
穿孔ハンマ及び／又は打撃ハンマのアウタケーシングがほぼ円筒形であることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載のエアスプリング打撃機構を備えた穿孔ハンマ及び／又は打撃ハンマ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式のエアスプリング打撃機構に関する。
【０００２】
エアスプリング打撃機構は、特に穿孔ハンマ及び／又は打撃ハンマに使用するためのものであるということが以前から公知である。エアスプリング打撃機構の様々なタイプに共通しているのは、駆動ピストンが、例えばモータによって駆動されるクランク機構を介して軸方向で往復運動されるということである。駆動ピストンの手前には、この駆動ピストンと打撃ピストンとの間に、少なくとも一時的に打撃機構ケーシングによって周辺環境から遮断された中空室が形成されているように、打撃ピストンが同軸的に配置されている。前記中空室の内部に封入されたエアリザーバは、駆動ピストンの運動時にエアスプリングとして働き且つ駆動ピストンの運動を打撃ピストンへ伝達し、これにより、打撃ピストンも遅れてやはり駆動ピストンの運動に追従して、工具軸部又は介在するアンビルを打撃する。
【０００３】
エアスプリング打撃機構は、一般に３つのグループに分けられる。即ち、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８４３６４４号明細書に記載されたように、同じ直径を有する駆動ピストンと打撃ピストンとが打撃機構管内で可動の「管型打撃機構」が公知である。更に、駆動ピストンの端面が中空の切欠きを有しており、この切欠き内で打撃ピストンが可動の「中空ピストン打撃機構」がある（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２８４２６号明細書参照）。第３のグループは、打撃ピストンの、駆動ピストンに面した端面が中空の切欠きを有しており、この切欠き内で駆動ピストンが可動の中空ビータ打撃機構に関する。
【０００４】
前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２８４２６号明細書には、駆動ピストンの汎用の駆動装置に関する１例が示されており、この駆動装置では、電動モータがクランクシャフトを回転駆動し、このクランクシャフトの運動は、コネクティングロッドを介して駆動ピストンに伝達されて、軸方向の往復運動に変換される。
【０００５】
機械的に比較的手間のかかる駆動ピストンの駆動装置を簡略化することは、ずっと所望されていた。この目的のために、例えばドイツ連邦共和国特許第８４８７８０号明細書では、打撃ピストンを電磁コイルによって駆動して、当該打撃ピストンを工具軸部に向かって加速することが提案された。しかし、このような打撃機構は、実地において著しい熱負荷にさらされている。それというのも、打撃ピストンは打撃時に解放される打撃エネルギによって加熱されるのみならず、付加的に渦流によって通流され、このことが多くの場合、打撃ピストンの永続的な損傷を引き起こしたからである。
【０００６】
本発明の課題は、従来技術に基づく電磁的な打撃機構の欠点を甘受すること無しに、駆動ピストンの機械的な駆動が簡略化され得るエアスプリング打撃機構を提供することである。
【０００７】
この課題は、本発明では請求項１記載のエアスプリング打撃機構によって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明によるエアスプリング打撃機構の特徴は、駆動ピストンが電気力学的なリニア駆動装置若しくは電気的なリニアモータによって駆動可能であり且つリニアモータのロータと有利には一体に結合されているという点にある。即ち、従来技術のように打撃ピストン自体ではなく、エアスプリングを介して打撃ピストンを駆動する駆動ピストンが、電磁的に運動される。
【０００９】
前記の電気力学的なリニア駆動装置は、一方では汎用の駆動モータ及び伝動装置（クランク機構、コネクティングロッド）を省くことができるということを可能にする。このことは結果的に、重量、構成スペース及びコストの著しい節約をもたらす。
【００１０】
他方では、公知のエアスプリング打撃機構において慣例であるような、空転距離の準備は不要である。つまり、従来技術に基づくエアスプリング打撃機構の場合は、加工しようとする岩石から工具が持ち上がる際に、更なる打撃を防止するために、打撃ピストンが所定量だけ駆動ピストンから離れる必要があるということが可能でなければならない。これに対して本発明により、エアスプリング打撃機構によって負荷される工具が加工しようとする岩石から持ち上がる際に駆動ピストンの運動が直ちに停止されるように、この駆動ピストンの運動を電気的に制御することが可能である。
【００１１】
更に、駆動ピストンと打撃ピストンとを機能及び要求に即して構成することが可能である。打撃ピストンが専ら衝撃理論的な視点に基づいて、電磁作用を考慮すること無く構成され得る一方で、打撃に晒されていない駆動ピストンの場合は、磁束の帰路に関する最適化が達成される。
【００１２】
このことは詳細には、非電磁式で駆動される打撃ピストンに関して、高い衝突速度を得るための変位を、強度を考えて、若しくは硬さに応じて行うことができる一方で、磁束の帰路及び渦流の自由度等を考慮せずに済むということを意味している。更に、大きな長さを有する打撃ピストンを構成することができ、このことは最大の機械的な応力と同時に、大きな衝撃エネルギ含有量を得るために役立つ。磁束の帰路は考慮しなくてよいので、工具に対する最適なエネルギ伝達を達成できるようにするためには、打撃ピストンの軸部は細く構成されてよい。最後に、駆動ピストンと打撃ピストンとの間の協働を、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７２８７２９号明細書に記載されているような「複動式」のエアスプリングによって実現することが可能である。これにより、特に有利には、打撃ピストンの一定の打撃及び一様な戻り運動が、あらゆる反動条件下及び様々な高さ位置で実現され得る。
【００１３】
駆動ピストンの構成においても、やはり材料選択によって既に、最小限の熱損失出力における最適な磁束の帰路を考慮した設計が得られる。
【００１４】
本発明では、駆動ピストンがリニア駆動装置のロータと一体に結合されている。本発明の特に有利な構成では、駆動ピストンがほぼ完全にロータによって形成されるので、ロータは同時に駆動ピストンの機能を引き受けている。
【００１５】
渦流の減少延いては熱損失出力の最適化のためには、ロータ（場合によっては駆動ピストン自体）が積層されている、つまり、上下に重ねられて積層された複数の電気金属薄板から成っていると、特に有利である。熱的な設計は、既に上で従来技術に関連して説明したように、極めて重要である。
【００１６】
有利には、リニアモータは切換式のリラクタンスモータであり且つ打撃機構ケーシング内でロータの運動範囲に複数の駆動コイルを有している。これらの駆動コイルは、駆動ピストンの所望の運動に対応して切り換えられる。
【００１７】
但し、指摘しておくと、本発明に関連して、リニアモータとしては、例えば駆動ピストンのための駆動コイルとして働く個別の電磁コイルの形の電気力学的な駆動装置も考えられる。この場合、駆動ピストンの戻り運動は、例えばコイルばね等を介して行われる。重要なのは、駆動ピストンがロータと密に結合されていることである。
【００１８】
有利には、駆動コイルに隣接して、基準位置若しくは空転位置にロータを保持するための保持コイルが設けられている。この保持コイルは、駆動ピストンの駆動用には使用されないので、比較的小さな出力を調達すればよい。
【００１９】
本発明の更に別の特に有利な構成では、駆動ピストン及び／又は保持コイルを所望の打撃数、打撃時間及び打撃強度に対応するように励磁し且つ所望の運動モデル（駆動ピストンの行程、距離・時間特性線等）を変換するために励磁する制御装置が設けられている。
【００２０】
駆動コイル若しくは保持コイルの確実な制御を可能にするためには、制御装置に駆動ピストン及び場合によっては打撃ピストンの目下の位置に関する情報が送られると、特に有利である。この目的のためには、打撃機構ケーシング内の駆動ピストン若しくはロータ又は打撃ピストンの目下の位置をも規定するセンサ装置が設けられてよい。
【００２１】
これに対して択一的に、制御装置が駆動ピストン若しくはこの駆動ピストンと結合されたロータの位置を、駆動コイル及び／又は保持コイルの電流特性に基づいて規定することも可能である。つまり、１コイルによって加速されるロータがこのコイルを通過した瞬間に、ロータは発電機的に作用して、前記コイル内に電流を発生させる。この電流は、前記コイルを励磁する電流回路へフィードバックされる。このフィードバックを、制御装置が検出し且つ評価することができる。
【００２２】
本発明に基づくリニアモータの原理は、あらゆる種類のエアスプリング打撃機構、即ち、管型打撃機構、中空ピストン打撃機構又は中空の打撃ピストンを備えた打撃機構に適用され得る。打撃ピストンの戻り運動は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８４３６４２号明細書及びドイツ連邦共和国特許第１９８４３６４４号明細書に開示された、いわゆるリターンスプリングによって付加的に助成することができる。リターンスプリングと、ロータに結合された駆動ピストンの本発明に基づく原理との組合せは、明らかに本発明の要素であると考えられる。
【００２３】
モータ及びクランク機構を備えたコンベンショナルな駆動原理を省くことに基づいて、アウタケーシングがほぼ円筒形の、本発明によるエアスプリング打撃機構を備えた穿孔ハンマ及び／又は打撃ハンマを構成することが可能である。これにより、例えば地中穿孔作業若しくは排水作業も簡単に実施することができる。それというのも、ハンマが完全に地中に侵入して比較的長い通路を形成することが可能だからである（地中ロケット）。
【００２４】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２５】
図１に示した電気力学的な管型打撃機構は、打撃機構ケーシングに所属する打撃機構管１、この打撃機構管１内で軸方向に往復運動する駆動ピストン２及びやはり打撃機構管１内で軸方向で往復運動する打撃ピストン３とを備えている。駆動ピストン２と打撃ピストン３とは、ほぼ同じ直径を有している。駆動ピストン２と打撃ピストン３との間には中空室４が形成されており、この中空室４はエアスプリング５を収容している。細長い打撃ピストン３のガイドは、付加的に打撃機構ケーシング内に設けられたガイド６によって助成される。
【００２６】
打撃機構管１を取り囲んで３つの駆動コイル７が配置されており、これらの駆動コイル７は制御装置（図示せず）によって、駆動ピストン２を加速させ且つ往復運動させるように順次切り換えられる。
【００２７】
エアスプリング５に基づいて、駆動ピストン２の運動は打撃ピストン３に伝達される。この打撃ピストン３は、図１では左側に向かってアンビル８の方へ駆動され、その運動エネルギをアンビル８及びその後に配置された工具軸部（図示せず）へ衝撃的に伝達する。択一的に、打撃ピストン３は直接工具軸部を打撃することもできる。
【００２８】
駆動ピストン２に対する駆動コイル７の最適な磁束延いては高い磁気作用を得るためには、駆動ピストン２はロータ９を支持している。このロータ９は、このロータ９と駆動コイル７とから形成されたリニアモータの構成部材である。ロータ９は、図１に概略的に示したように、有利には積層されて構成されている。即ちロータ９は、適当な電気金属薄板の複数の層から成っている。
【００２９】
従って、図１に示したロータは、ほぼ完全に駆動ピストン２をも形成している。
【００３０】
打撃方向で見て駆動コイル７の後方には保持コイル１０が配置されており、この保持コイル１０は、ロータ９延いては駆動ピストン２を基準位置に保持するために役立つ。この基準位置は、同時に駆動ピストン２が作業中断時に保持される空転位置であってもよい。保持コイル１０は、保持作業を行うだけで加速作業は行わなくてもよいので、比較的小さな寸法で構成することができる。
【００３１】
更に、駆動コイル７の制御を最適化するためには、打撃機構管１に接して又は打撃機構管１内に、駆動ピストン２若しくはロータ９の正確な位置を検出する１つ又は複数のセンサを設けることが有利である。つまり、ロータ９の中央部が、対応する駆動コイル７の中央部を越えて進出運動すると、ロータ９は直ちに発電機的に作用するので、各駆動コイル７に電力供給する回路に電流が逆流する。その結果、場合によっては駆動ピストン２が不都合に制動される恐れがある。このことは、制御装置によって該当する駆動コイル７を遮断することにより、防止することができる。
【００３２】
これに対して択一的に、駆動ピストン２のその時々の位置及びそこから得られる駆動コイル７に関する制御手段を求めるためには、駆動コイル７の電流特性を評価することも可能である。
【００３３】
図２には、本発明の第２実施例として、複動式の中空ピストン打撃機構が示されている。図１に示した構成部材と同一又は類似の構成部材を使用する場合は、同一符号が使用される。
【００３４】
打撃ピストン３は、図１とは異なり、打撃機構管１内ではなく、中空ピストンとして構成された駆動ピストン２０の中空の切欠き内で可動である。駆動ピストン２０は、打撃方向で見て打撃ピストン３のピストンヘッド３ａの後方に、第１のエアスプリング２１を有する中空室が形成されており且つピストンヘッド３ａの前方に第２のエアスプリング２２が形成されているように、打撃ピストン３を取り囲んでいる。打撃ピストン３の軸部３ｂは、駆動ピストン２０の端面に侵入しており且つ比較的大きな長さにわたって延在している。軸部３ｂは、アンビル８を打撃するために形成されている。
【００３５】
両エアスプリング２１，２２は、特に確実で一定の打撃並びに打撃が行われた後の打撃ピストン３の一様な戻り運動を、あらゆる反動条件下及び様々な高さ位置で可能にする。
【００３６】
駆動ピストン２０は、ロータ２３と一体に結合されており、この場合、このロータ２３は、図１に関連して既に説明した形式で、駆動コイル７によって運動させられるか、若しくは保持コイル１０によって保持される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】管型打撃機構として構成された、本発明によるエアスプリング打撃機構の概略図である。
【００３８】
【図２】複動式の中空ピストン打撃機構として構成された、本発明による別のエアスプリング打撃機構の概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  打撃機構管、  ２，２０  駆動ピストン、  ３  打撃ピストン、  ４  中空室、  ５，２１，２２  エアスプリング、  ６  ガイド、  ７  駆動コイル、  ８  アンビル、  ９，２３  ロータ、  １０  保持コイル
【図１】
2005516783.tif 000003
【図２】
2005516783.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月20日(2004.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
機械的に比較的手間のかかる駆動ピストンの駆動装置を簡略化することは、ずっと所望されていた。この目的のために、例えばドイツ連邦共和国特許第８４８７８０号明細書では、打撃ピストンを電磁コイルによって駆動して、当該打撃ピストンを工具軸部に向かって加速することが提案された。しかし、このような打撃機構は、実地において著しい熱負荷にさらされている。それというのも、打撃ピストンは打撃時に解放される打撃エネルギによって加熱されるのみならず、付加的に渦流によって通流され、このことが多くの場合、打撃ピストンの永続的な損傷を引き起こしたからである。
米国特許第５４９７５５５号明細書には、電気力学的にリニア駆動される駆動ピストンを備えた打撃機構が記載されている。この駆動ピストンは、磁石によって運動されるので、打撃ピストンに対して前方に向かって滑動する。この場合、駆動ピストンの前側の端面が打撃ピストンの後ろ側の端面と機械的に接触する。衝突後の打撃ピストンの戻り運動は、駆動ピストン及び打撃ピストンに設けられたアンダカットを介して行われる。これらのアンダカットは、キャッチフックと同様に作用して、打撃ピストンを引き戻す。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２５３７１号明細書には、電気力学的に直接リニア駆動される打撃ピストンを備えた打撃機構が記載されている。この打撃機構の場合も、実地において著しい熱負荷が発生する。それというのも、打撃ピストンが、打撃エネルギも、当該打撃ピストン内で誘起された渦流に基づくエネルギ損失も吸収せねばならないからである。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第２７２８４８５号明細書に示された電磁作動式の打撃装置は、供給された電気エネルギを、定置の電磁石によって機械的な打撃エネルギに直接に変換する。このために設けられた打撃工具は、電磁石に対応配置されたコアと不動に結合されている。


【国際調査報告】
2005516783.tif 000005
2005516783.tif 000006
2005516783.tif 000007
2005516783.tif 000008