JP4974054B2

JP4974054B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP4974054B2
Application number: JP2007118834A
Authority: JP
Inventors: 憲一郎吉田; 和博大森; 義広小室
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: CN101295897A; JP2008272869A; CN101295897B

Description

本発明はブラシレスモータを使用した電動工具に関する。

一般に、電動工具では、回転軸に取り付けられるロータに対しブラシおよび整流子を用いた電気的接続が不要であるブラシレスモータを、電動工具の小型化を実現する手段として使用することがある。しかしながら、ブラシレスモータを駆動すると、比較的大きな電力損失が熱となって発生し、モータの動作に影響を与え、効率低下や故障を引き起こすという問題がある。具体的には、ステータコイルに電流が流れることにより生じる銅損と、磁束密度の変化によってステータコア材に生じる鉄損であり、これらステータ部の損失が主な発熱源となる。このため、従来のブラシレスモータにおいて、種々のステータに対する冷却構造が提案されている。例えば、従来のステータの冷却構造としては、下記特許文献１に開示されているように、モータハウジング内に外気を吸入する開口部と、ハウジング内の冷却風をハウジングの外へ排気する開口部とを、ステータを挟んで回転軸方向にお互いを離間してハウジングに設け、ロータに一体的に取り付けたファンによってハウジング内に空気を導入し、特に、ステータコイルの間に冷却風を流動することにより、ステータコイル部を直接冷却する構造が提案されている。

さらに、ブラシレスモータにおいて、インバータ回路基板（モータ駆動回路基板）のスイッチング素子を構成する出力トランジスタは、ステータコイルに大電流の駆動信号を供給することから発熱量が多くなり、冷却対策が要求される。インバータ回路基板の冷却構造としては、従来、下記特許文献２に開示されているように、モータハウジング内の冷却気体の流路上にモータのステータ部と共にインバータ回路基板を配置した構造が提案されている。
特開２００４−２７４８００号公報特開２００５−１０２３７０号公報

しかしながら、上記の構造では、外部から空気を取り入れてブラシレスモータのステータ及びインバータ回路基板を冷却できる一方、ステータ内に空気を通風させるため、空気中の粉塵がロータとステータとの間に詰まってしまうという問題がある。そこで、ステータの外側のコア部を軸方向両側から包囲する壁面によりステータとロータとを密閉する構造、特に、回路基板を壁面として用いる構造が考えられる。このような構造では、ステータに巻かれたコイルと回路基板とを半田付けによって接続するが、電動工具使用時にステータと回路基板とがそれぞれ振動すると、コイルや半田付け部分に応力が発生してしまい、コイルの断線や半田付け部分が外れてしまうという問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑み、部品点数の増加やコストアップを抑え、且つコンパクトな構成であって、ステータと回路基板とを効率よく冷却し、ブラシレスモータの耐震性の向上と防塵機能とを実現可能とする電動工具を提供しようとするものである。

本発明はブラシレスモータを使用した電動工具にかかるものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電動工具であって、空気流入孔と空気排出孔が形成されたハウジングと、該ハウジング内に保持されたブラシレスモータと、該ブラシレスモータを駆動制御するための複数のスイッチング素子を備えた回路基板と、該ハウジング内に収容され、該空気排出孔の近傍に配置されたファンと、を有し、該ブラシレスモータは、筒体部と、該筒体部の内周面側から半径方向内方に放射状に突出し該筒体部の軸方向に延びる複数のティースとを有し、該筒体部の外周面側で該ハウジングの内面に支持されるステータと、それぞれの該ティースに沿って巻回されるコイルと、回転軸を有し、該ステータの内周面側に位置して該ステータと略同心に回転可能に配置されたロータと、該ステータの軸方向の端部に位置する環状部と、該ティースを覆うことで該ティースと該コイルを絶縁するステータ被覆部とを有し、該ステータ被覆部に覆われた該ティースに該コイルを巻回することにより該ステータに保持される絶縁部材と、を有し、該回路基板は、該回転軸に対して略直交する方向に延び、該ブラシレスモータに対して該ファンの反対側である該空気流入孔側に配置されて該コイルが電気的に接続されると共に、該空気流入孔側に位置する該絶縁部材にネジ固定されていることを特徴とする。

請求項１に記載の電動工具によれば、回路基板は空気流入孔側に位置するため、回路基板を空気排出孔側に配置した場合に比べ、空気流入孔から取入られた新鮮な空気によって効率的に回路基板を冷却することができる。また、ティースとコイルとを絶縁するための絶縁部材を、回路基板を固定する部材として兼用しているため、部品点数の増加を抑制できる。また、回路基板が絶縁部材に固定され、絶縁部材はティースにコイルを巻回することにより保持されているので、ブラシレスモータ駆動時には、回路基板とティースとコイルと絶縁部材とは一体となって振動し、コイルに発生する引張応力を小さく抑え、コイルの破断を防止できる。また、回路基板が絶縁部材にネジ固定されるため、ツメ、接着剤を用いて固定する場合と比較して、回路基板が絶縁部材に確実に固定される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の特徴に加え、該回路基板は、該空気流入孔側に位置する該絶縁部材の端面に対向するようにネジ固定されていることを特徴とする。

請求項２に記載の電動工具によれば、請求項１に記載の電動工具による効果に加え、ブラシレスモータを冷却すると共に、回路基板を効率的に冷却することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の特徴に加え、該回路基板の該絶縁部材と反対側の面には、該複数のスイッチング素子が設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の電動工具によれば、請求項１または請求項２に記載の電動工具による効果に加え、複数のスイッチング素子を回路基板の絶縁部材と反対側（空気流入孔側）に配置したため、回路基板を空気排出孔側に配置した場合に比べ、空気流入孔から取入られた新鮮な空気によって、スイッチング素子及び回路基板を効率的に冷却することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３に記載の特徴に加え、該回路基板の該絶縁部材側の面には、該ロータの位置を検出するための検出素子が設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の電動工具によれば、請求項１乃至請求項３に記載の電動工具による効果に加え、回路基板の絶縁部材側の面には、ロータの位置を検出するための検出素子が設けられているので、検出素子を固定する部材を別途用意する必要がなく、部品点数の増加を抑え、ハウジング内の部品の収容スペースを縮小することができる。また、回路基板と絶縁部材とを互いに固定し互いに位置決めしているので、検出素子の位置精度が向上する。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４に記載の特徴に加え、該複数のスイッチング素子に対向する位置に該空気流入孔が形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の電動工具によれば、請求項１乃至請求項４に記載の電動工具による効果に加え、空気流入孔から取入られた新鮮な空気によって、スイッチング素子及び回路基板を効率的に冷却することができる。

本発明の請求項１〜５に記載の電動工具によれば、部品点数の増加やコストアップを抑え、且つコンパクトな構成であって、ステータと回路基板とを効率よく冷却し、ブラシレスモータの耐震性の向上を実現するという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態による電動工具について図１乃至図９を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動工具の例としてインパクトドライバ１を示す。まず、図１を参照して、インパクトドライバ１の概略構成について説明する。

インパクトドライバ１は、外郭を構成するハウジング２を有し、ハウジング２は、モータハウジング部２１と、モータハウジング部２１に連続して形成された動力伝達ハウジング部２２と、モータハウジング部２１及び動力伝達ハウジング部２２から垂下するハンドルハウジング部２３とから構成される。

モータハウジング部２１は、筒状の形状を有し、駆動源となるモータ３０と、モータ３０を制御する回路基板４０と、ファン５０とを収容する。モータハウジング部２１の後方には、ハウジング２外から空気を流入するための空気流入孔２１ａが形成され、モータハウジング部２１の前方には、外部へ空気を排出するための空気排出孔２１ｂが形成されている。また、モータ３０の外側とモータハウジング２１の内面２１Ａとの間には空気通路２１ｃが画成され、空気通路２１ｃは空気流入孔２１ａと空気排出孔２１ｂとの間を連通している。

動力伝達ハウジング部２２は、動力伝達機構部６０を収容している。動力伝達機構部６０は、遊星ギヤ６１とリングギヤ６２で構成される減速機構部と、スピンドル６３およびスピンドル６３上に前後摺動可能に配され、かつスプリング６４によって打撃力が与えられるハンマ６５から成るインパクト機構部と、ハンマ６５によって回転打撃力が与えられ先端工具（図示なし）を保持可能なアンビル６６とで構成される周知の構成である。動力伝達機構部により、モータ３０の回転力を回転打撃力としてアンビル６６へ伝達される。ハンマ６５には突出した凸部（図示なし）が設けられている。また、アンビル６６には、ハンマ６５の凸部に対応する凹部（図示なし）が設けられている。モータ３０が駆動されると、モータ３０の回転軸３５から伝達された回転力を遊星ギヤ６１とリングギヤ６２で減速し、その回転力をスピンドル６３に伝達しネジ締め動作を開始する。アンビル６６に所定以上の負荷がかかっていない時には、ハンマ６５の凸部とアンビル６６の凹部とが嵌め合うことによりハンマ６５とアンビル６６とは一体に回転し回転力を得る。一方、アンビル６６に所定以上の負荷がかかっている時には、アンビル６６がロックされて回転せず、ハンマ６５の凸部とアンビル６６の凹部とは外れ、スプリング６４の作用によりハンマ６５は前進し打撃力を得ることになる。

ハンドルハウジング部２３の下端部は、図示されないリチウムイオン二次電池、ニッケル・カドミウム二次電池等から成る電池パック７０を収容する電池パックケース７１を着脱可能に構成されている。ハンドルハウジング部２３には、トリガスイッチ２４が設けられていると共に、電池パック７０からモータ３０へ電力を供給するための配線及びモータ駆動回路の一部が収納されている。電池パックケース７１がハンドルハウジング部２３に装着されると、トリガスイッチ２４を介して電池パック７０とモータ駆動回路装置とが電気的接続される。なお、ハウジング２に関し、アンビル６６側を前方、空気流入孔側２１ａを後方、モータハウジング部２１や動力伝達ハウジング部２２側を上方、電池パックケース７１側を下方として、以下に説明する。

以上のように構成されたインパクトドライバ１によれば、作業者がハンドルハウジング部２３を把持しながら、トリガスイッチ２４を引くと、トリガスイッチ２４がオン状態となり、モータ３０からの駆動力を伝達されたハンマ６３がアンビル６６に装着されている先端工具に回転打撃力を与えることにより、ネジを締め付けることができる。

次に、図２乃至図９を参照して、本実施の形態のモータ３０周辺の構成について説明する。モータ３０は、円筒状の外形をもつステータ３１と、コイル３２と、ステータ３１の内周部内に配置されたロータ３３とから構成されたブラシレスモータである。

ステータ３１は、筒体部３１Ａと、筒体部３１Ａの内周面側から半径方向内方に放射状に突出し筒体部３１Ａの軸方向に延びる複数のティース３４とを有している。ティース３４には、電気的に絶縁された絶縁部材８１及び８２が回転軸方向両端から装着されている。ステータ３１の外周面３１Ｂの一部は、モータハウジング部２１に支持され、外周面３１Ｂの残部とモータハウジング２１の内周面との間には、空気通路２１ｃが画成される。

絶縁部材８１はステータ３１の後端に取り付けられ、絶縁部材８２はステータ３１の前端に取り付けられている。図８に示すように、絶縁部材８１は、ティース３４を覆うことでティース３４とコイル３２とを絶縁するステータ被覆部８１Ａと、雌ネジ孔８１ａが形成された環状部８１Ｂとを有している。また、絶縁部材８２は、絶縁部材８１と同様に、ティース３４を覆うことでティース３４とコイル３２とを絶縁するステータ被覆部８２Ａを有している。図３、図６、図７に示すように、ステータ被覆部８１Ａ及び８２Ａに覆われたティース３４にコイル３２を巻回することにより、絶縁部材８１及び絶縁部材８２はステータ３１に保持される。コイル３２は、ティース３４の軸方向の面に沿って巻かれる軸方向巻回部３２Ａと、ティース３４の軸端面に沿って巻かれる軸端面巻回部３２Ｂとを有し、係る巻回により、絶縁部材８１及び８２はティース３４に保持される。コイル３２は複数のティース３４に順次巻回されることで、スター結線された３相コイルとなる。

図６に示すように、コイル３２の端末のうち、ティース３４に巻回されるコイル３２の巻回の始端側は、続いて巻回されるコイル３２が重ねて巻回されることにより、コイル巻回部の内側から引き出される。始端側の部分は、略クランク状に屈曲している。

ロータ３３は、モータハウジング部２１に支持されたベアリングによって回転可能に両端が支承された回転軸３５と、回転軸３５に同軸に圧入され回転軸３５と一体に回転する本体部３６とから成る。本体部３６には、回転軸方向に４つの永久磁石部材３７が埋め込まれている。回転軸３５の前方側であって、モータハウジング部２１の空気排出孔２１ｂ近傍にはファン５０が固定されている。ファン５０は、モータ３０が駆動されると回転軸３５と一体に回転し、空気流入孔２１ａから外部の空気を吸入し、空気通路２１ｃ、空気排出孔２１ｂを通じて外部に排出する。

次に、モータ駆動回路について説明する。モータ駆動回路は、回路基板４０を含み、コイル３２に電気的に接続され、ロータ３３を回転駆動させる働きを持つ。モータ３０のコイル３２に駆動電流を通電するための周知のブリッジ回路から成るインバータ回路やインバータ回路を制御するＣＰＵ等から成る制御回路等からなる。回路基板４０はスイッチング素子を備えたインバータ回路が形成され、インバータ回路以外の制御回路は幾つかの基板に分けて適切に配置されている（図示省略）。

回路基板４０は、空気流入孔２１ａ側に位置する絶縁部材８１の環状部８１Ｂの端面により画成される環状の開口全体を覆うように絶縁部材８１に固定されている。具体的には、絶縁部材８１の上述した雌ネジ孔８１ａに対応する位置に貫通孔が４つ形成されており、回路基板４０の前面４０Ａが絶縁部材８１に密着するように雄ネジ９０で固定されている。具体的には、回路基板４０は、雄ネジ９０を絶縁部材８１の環状部８１Ｂの雌ネジ孔８１ａに螺合することにより、絶縁部材８１に固定されている。回路基板４０の絶縁部材８１側である前面４０Ａは、ロータ３３の回転位置検出を行うためのホール素子４１を備えている。回路基板４０の反絶縁部材８１側の面である後面４０Ｂは、コイル３２に流す電流のオンオフを行うための上述したスイッチング素子であるＦＥＴ４２を６個備え、回路基板４０に設けられた配線パターンを介してコイル３２と電気的に接続されている。また、コイル３２がスター結線されるように、ステータ３１の３相の各コイル３２の中性点用のコイル３２端末は駆動制御回路基板の配線パターンを介して電気的に接続され中性点を成している。ＦＥＴ４２の足部及び回路基板４０から配線されている電源線４３の根元は、工具使用時の振動による断線防止のための接着材が塗布されている。

コイル３２の端末は回路基板４０に形成された配線用孔４０ａにおいて半田付けされることにより、回路基板４０と電気的に接続されている。回路基板４０には、配線用孔４０ａが６箇所形成されている。引き出されたコイル３２の巻回の始端側の端末であるクランク状の屈曲部が回路基板４０に接続される。

このような構成によれば、コイル３２の巻回の始端側の部分であって、回路基板４０と接続されている部分は、始端側部分に続くコイル３２巻回部とは干渉しない屈曲形状をなしているため、回路基板４０とコイル３２とが振動しても、屈曲形状により振動を吸収し、コイル３２に発生する引張応力を小さく抑え、コイル３２の破断を防止することができる。一方、図７に示されるように、コイル３２の巻回の終端側の部分は、巻回部に続く部分であり拘束されないため、モータ３０と回路基板４０とが振動しても、引張応力が問題になることはない。

以上の構成において、モータ３０を駆動すると、回転軸３５に固定されたファン５０が回転し、空気流入孔２１ａからモータハウジング２１内に空気が取り入れられ、取入られた空気は回路基板４０を冷却し、モータ３０の外側とモータハウジング２１内面との間に画成された空気通路２１ｃを通り、モータ３０を外側から冷却し、空気排出孔２１ｂから外部へ排気される。モータハウジング部２１とモータ３０との間の空気通路２１ｃに新鮮な空気が通風することにより、モータ３０を外面側から冷却することができる。

また、ＦＥＴ４２を回路基板４０の後面４０Ｂに設け、回路基板４０を空気流入孔２１ａ側に配置したため、回路基板４０を空気排出孔２１ｂ側に配置した場合に比べ、空気流入孔２１ａから取入られた新鮮な空気によって、ＦＥＴ４２及び回路基板４０を効率的に冷却することができる。

また、ＦＥＴ４２を回路基板４０の後面４０Ｂに設けたため、ＦＥＴ４２が回路基板４０上に配置されない場合に比べ、電気的な接続が容易となる。また、ＦＥＴ４２を固定する部材を別途用意する必要がないため、部品点数を減少させることができ、ハウジング２内の部品の収容スペースを縮小することができる。

また、回路基板４０は絶縁部材８１の環状部８１Ｂのうち空気流入孔側２１ａに位置する環状部の端面により画成される環状の開口全体を覆うように絶縁部材８１に保持されているので、空気流入孔２１ａから取入られた空気がモータ３０内に侵入することがない。よって、木粉や金属粉が混在した空気中でインパクトドライバ1を使用しても、空気中の粉塵がモータ３０内に侵入することがなく、ステータ３１とロータ３３との間に粉塵が詰まることによるロック現象を引き起こすことがない。

さらに、回路基板４０の前面４０Ａに、ロータ３３の位置を検出するためのホール素子４１を設けたため、ホール素子４１を固定する部材を別途用意する必要がなく、部品点数を減少させることができ、ハウジング２内の部品の収容スペースを縮小することができる。また、回路基板４０と絶縁部材８１とを互いに固定し互いに位置決めしているので、ホール素子４１の位置精度が向上する。

また、ティース３４とコイル３２とを絶縁するための絶縁部材８１を、回路基板４０を固定する部材として兼用しているため、部品点数を増加することなく、上記効果を得ることができる。

また、回路基板４０が絶縁部材８１に雄ネジ９０で固定されているため、インパクトドライバ１の使用時に、回路基板４０とティース３４とコイル３２とを絶縁する絶縁部材８１とは一体となって振動するので、回路基板４０とコイル３２とは一体となって振動し、コイル３２に発生する引張応力を抑制でき、コイル３２の破断を防止できる。また、ツメ、接着剤を用いて回路基板４０を固定する場合と比較して、回路基板４０を絶縁部材８１に確実に固定することができる。

尚、本発明の電動工具は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の電動工具はインパクトドライバなどの衝撃を伴う工具に好適に利用できる。

本発明の実施の形態に係る電動工具の全体断面図である。図１の要部拡大図である。図１におけるIII−III線に沿った断面図である。図１におけるIV−IV線に沿った断面図である。図１におけるV−V線に沿った断面図である。本発明の実施の形態において、コイルの始端側の部分についての説明図である。本発明の実施の形態において、コイルの終端側の部分についての説明図である。本発明の実施の形態において、後側の絶縁部材の斜視図である。本発明の実施の形態において、前側の絶縁部材の斜視図である。

符号の説明

１インパクトドライバ
２ハウジング
２１モータハウジング部
２１ａ空気流入孔
２１ｂ空気排出孔
２１ｃ空気通路
３０モータ
３１ステータ
３１Ａ筒体部
３１Ｂ外周面
３２コイル
３３ロータ
３４ティース
３５回転軸
３７永久磁石部材
４０回路基板
４０Ａ前面
４０Ｂ後面
４０ａ配線用孔
４１ホール素子
４２ＦＥＴ
５０ファン
８１絶縁部材
８１Ａステータ被覆部
８１Ｂ環状部
８１ａ雌ネジ孔
９０雄ネジ

Claims

空気流入孔と空気排出孔が形成されたハウジングと、
該ハウジング内に保持されたブラシレスモータと、
該ブラシレスモータを駆動制御するための複数のスイッチング素子を備えた回路基板と、
該ハウジング内に収容され、該空気排出孔の近傍に配置されたファンと、を有し、
該ブラシレスモータは、筒体部と、該筒体部の内周面側から半径方向内方に放射状に突出し該筒体部の軸方向に延びる複数のティースとを有し、該筒体部の外周面側で該ハウジングの内面に支持されるステータと、
それぞれの該ティースに沿って巻回されるコイルと、
回転軸を有し、該ステータの内周面側に位置して該ステータと略同心に回転可能に配置されたロータと、
該ステータの軸方向の端部に位置する環状部と、該ティースを覆うことで該ティースと該コイルを絶縁するステータ被覆部とを有し、該ステータ被覆部に覆われた該ティースに該コイルを巻回することにより該ステータに保持される絶縁部材と、を有し、
該回路基板は、該回転軸に対して略直交する方向に延び、該ブラシレスモータに対して該ファンの反対側である該空気流入孔側に配置されて該コイルが電気的に接続されると共に、該空気流入孔側に位置する該絶縁部材にネジ固定されていることを特徴とする電動工具。
該回路基板は、該空気流入孔側に位置する該絶縁部材の端面に対向するようにネジ固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
該回路基板の該絶縁部材と反対側の面には、該複数のスイッチング素子が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動工具。
該回路基板の該絶縁部材側の面には、該ロータの位置を検出するための検出素子が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の電動工具。
該複数のスイッチング素子に対向する位置に該空気流入孔が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電動工具。