JP2010214520A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型及び安価なスイッチング素子を用い、大電流でブラシレスモータを駆動する電動工具を提供する。
【解決手段】
ブラシレス方式のモータ３を駆動するためのスイッチング素子７と、スイッチング素子７を搭載する回路基板６と、モータ３の回転力を伝達して先端工具を回転させる動力伝達部を有する電動工具において、モータの相ごとに２個以上のスイッチング素子７を並列に接続し、これらを同時に駆動するように構成した。回路基板６は、モータ３の後側に、回転軸３ｅに対して垂直に配置され、並列に接続されるスイッチング素子７は、共通の放熱部材８に固定された状態で回路基板６上に搭載される。放熱部材８には、互いに対向する取付け面が形成され、この取付け面にそれぞれ前記スイッチング素子が取り付けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシレスモータを用いた電動工具に関し、特にブラシレスモータのインバータ回路基板に搭載されるスイッチング素子を改良した電動工具に関する。

近年、ドリルやドライバ等の先端工具をモータによって回転駆動して所要の作業を行う電動工具において、ブラシレスモータが使われるようになってきた。ブラシレスモータは、例えばブラシ（整流用刷子）の無いＤＣ（直流）モータであり、コイルをステータ側に、マグネットをロータ側に用い、インバータで駆動された電力を所定のコイルへ順次通電することによりロータを回転させる。ブラシレスモータでは、ステータに巻装されたコイルへの通電をオン・オフさせるためのスイッチング素子を、モータの近傍の回路基板上に配置する。スイッチング素子を配置する場所は、例えば特許文献１では、モータの後ろ側（先端工具と反対側）に取り付けられる略円形の回路基板上に配置している。

特開２００６−２９７５３２号公報

ブラシレスモータを用いた電動工具では、通常、スター結線された３相巻線を有し、各相のプラス側及びマイナス側に１つずつの計６個のスイッチング素子が用いられる。そして、モータの回転軸に対して垂直に配置される回路基板上に、スイッチング素子の高さ方向がモータの回転軸と平行になるように配置され、ブラシレスモータの回転軸に取り付けられたファンによる風を利用してスイッチング素子が冷却される。この構造を図９〜１１を用いて説明する。図９は、従来の電動工具の構造を示す断面図である。

図９は従来の電動工具の全体構造を示す断面図である。電動工具の一例であるインパクトドライバ１０１は、充電可能なバッテリ１０４を電源とし、モータ１０３を駆動源として、遊星歯車減速機構１１０を介して回転打撃機構１１１を駆動し、出力軸であるアンビル１１６に回転力と打撃力を与え、スリーブ１１２に覆われる取付穴１１６ａに保持されるドライバビット等の図示しない先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してねじ締めやボルト締め等の作業を行う。バッテリ１０４はハウジング１０２のバッテリ保持部１０２ｃに着脱可能に取り付けられる。

ブラシレス方式のモータ１０３は、横から見たとき略Ｔ字状の形状を成すハウジングの筒状の胴体部１０２ａ内に収容される。モータ１０３の前方側（アンビル１１６側）には、ロータファン１１７が設けられ、モータ１０３の後方には、モータ１０３を駆動するためのインバータ回路基板１０６が配設される。ロータファン１１７によって起こされる空気流は、胴体部１０２ａの後端部の空気取入口１２０と、インバータ回路基板１０６の周囲に形成された空気取入口１２１から胴体部１０２ａの内部に取り込まれ、主にロータ１０３ｂとステータ１０３ｃの間を通過するように流れ、ロータファン１１７の後方から吸引されてロータファン１１７の半径方向に流れ、ロータファン１１７の周囲のハウジング部分に形成された空気排出口（図示せず）からハウジング１０２の外部に排出される。インバータ回路基板１０６はモータ１０３の外形とほぼ同形の略円形の両面基板であり、この基板上にはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の複数のスイッチング素子１０７や、ホールＩＣ等の位置検出素子が搭載される。

図１０は、インバータ回路基板１０６を背面側から見た図である。インバータ回路基板１０６はモータ１０３の回転軸を貫通させる穴１０６ａを有し、６個のスイッチング素子１０７は、穴１０６ａの周囲においてその前面が穴１０６ａの方向に向くよう配置される。ハウジングの胴体部１０２ａの左右側には、複数のスリット状の空気取入口１２１が形成され、空気取入口１２１から吸引された空気はロータファン１１７（図９）により吸引されて、矢印（図では便宜上右半分の流れだけを図示している）のように穴１０６ａの方向に流れる。各スイッチング素子１０７の背面には放熱部材が形成されるため、この放熱部材が空気流に効果的に曝されるため、スイッチング素子１０７が良好に冷却される。

図１１は従来技術に係るモータ１０３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。従来技術では、モータ１０３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。このモータは、いわゆるインナーロータ型であって、２組のＮ極とＳ極を含むマグネットを含むロータ１０３ｂと、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗから成るステータ１０３ｃと、ロータ１０３ｂの回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度６０°毎に配置された３つの位置検出素子１３３を有する。これら位置検出素子１３３からの回転位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と時間が制御され、モータ１０３が回転する。位置検出素子１３３は、インバータ回路基板１０６上のロータ１０３ｂのマグネットに対向する位置に設けられる。

インバータ回路基板１０６上に搭載される電子素子には、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴなどの６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御回路１３１の出力線に接続され、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレインまたは各ソースは、スター結線された固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。つまり、スイッチング素子は各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗから引き出された線のプラス側及びマイナス側に１組ずつの計６個用いられる全波（バイポーラ）駆動方式が採用される。これによって、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御回路１３１から入力されたスイッチング素子駆動信号によってスイッチング動作を行い、インバータ回路基板１０６に印加されるバッテリ１０４の直流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに電力を供給する。

制御回路１３１は、位置検出素子１３３からの入力信号と、トリガスイッチ１１３のトリガ操作量（ストローク）の検出信号に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比）を変化させることによってモータ１０３への電力供給量を調整し、モータ１０３の起動／停止と回転速度を制御する。この際、制御回路１３１は正逆切替レバー１１４の設定に応じてモータ１０３の回転方向を切り替える。

上述したモータ１０３の制御構造は、例えばインパクトドライバなど、モータの出力電流が平均的で、ほぼ一定である場合はトランジスタの発熱量が想定できることから、スイッチング素子の選択や、冷却設計が容易であった。しかしながら、ドライバドリルなど、モータのロック電流付近で使用される可能性がある製品に搭載する場合、スイッチング素子に過大な電流が流れることがあるため、スイッチング素子の冷却設計が困難になる。例えば、スイッチング素子に取り付ける放熱フィンを大型化したり、スイッチング素子として高出力に耐えるものを選択したりする必要がある。通常、高出力に耐えるスイッチング素子はその容積が大きくかつ高価であるため、コストが増大するばかりか、電動工具の小型化を阻害することになる。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、小型及び安価なスイッチング素子を用い、大電流でブラシレスモータを駆動することができる電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、ブラシレスモータを駆動するためのインバータ回路において、２個以上の並列に接続したスイッチング素子を各ステータコイルに割り当て、並列に接続したスイッチング素子を同時に駆動させるようにした電動工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、同時に駆動されるスイッチング素子間の温度差を小さくし、安定して動作させることができる電動工具を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次の通りである。

本発明の一つ特徴によれば、ブラシレス方式のモータと、モータを駆動するためのスイッチング素子と、スイッチング素子を搭載する回路基板と、モータの回転力を伝達して先端工具を回転させる動力伝達部を有する電動工具において、モータの各相ごとに２個以上のスイッチング素子を並列に接続し、これらを共通の駆動信号で駆動するように構成した。回路基板は、モータの後側に固定され、モータの回転軸に対して垂直に配置される。並列に接続されるスイッチング素子は、共通の放熱部材に固定された状態で回路基板上に搭載する。

本発明の他の特徴によれば、モータはスター結線された３相巻線を有し、スイッチング素子は各相のプラス側及びマイナス側に１組ずつの計６組用いられて全波駆動方式で駆動され、各組のスイッチング素子は並列に接続される。回路基板はモータの回転軸を貫通させる穴を有し、放熱部材が取り付けられる６組のスイッチング素子は、穴の周方向に並べて配置され、回路基板にスイッチング素子の端子の並び方向が互いに同じとなるように搭載される。また、スイッチング素子の高さ方向がモータの軸方向と平行になるように回路基板に搭載される。

本発明のさらに他の特徴によれば、放熱部材には互いに対向する取付け面が形成され、互いに対向する取付け面にそれぞれスイッチング素子が取り付けられる。また、放熱部材にはスイッチング素子を保持するためのクリップ部を形成すると好ましい。放熱部材とクリップ部は、１枚の金属板からプレス等により一体成型により製造すれば好ましい。

請求項１の発明によれば、モータの相ごとに２個以上のスイッチング素子を並列に接続し、これらを同時に駆動するようにしたので、スイッチング素子１個あたりの負荷電流が低減されることになり、小型で安価なスイッチング素子であっても、大電流の出力に耐えるように構成できる。

請求項２の発明によれば、回路基板はモータに固定されるので、モータに取り付けられるロータファンにより発生される空気流を用いて効果的にスイッチング素子を冷却することが可能となる。

請求項３の発明によれば、並列に接続されるスイッチング素子は、共通の放熱部材に固定された状態で回路基板上に搭載されるので、各スイッチング素子に生ずる温度差を少なくできる。これによって、スイッチング素子の内部抵抗に差が発生し、内部抵抗が低い一つのスイッチング素子に大電流が流れることを有効に防止できる。

請求項４の発明によれば、スイッチング素子は各相のプラス側及びマイナス側に１組ずつの計６組用いられ、各組のスイッチング素子は並列に接続されるので、インバータ回路の制御方法は従来の制御方法と共用でき、基本的な回路構成を変えることなくスイッチング素子部の耐容量を上げることができる。

請求項５の発明によれば、放熱部材には互いに対向する取付け面が形成され、前記取付け面にそれぞれ前記スイッチング素子が取り付けられるので、各スイッチング素子の温度を均衡に保つことができる。

請求項６の発明によれば、放熱部材には、スイッチング素子を保持するためのクリップ部が形成されるので、接着剤等を用いなくても放熱部材を良好にスイッチング素子に固定できる。

請求項７の発明によれば、放熱部材のクリップ部は、１枚の金属板から製造された一体構造であるので、軽量で強度のある放熱部材を実現できる。

請求項８の発明によれば、放熱部材が取り付けられる６組のスイッチング素子は、穴の周方向に並べて配置され、回路基板にスイッチング素子の端子の並び方向が互いに同じとなるように搭載されるので、ロータファンにより発生される空気流を妨げることなくスムーズに流すことができ、放熱部材及びスイッチング素子を効果的に冷却することができる。

本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

本発明の実施態様に係るドライバドリル１の全体構造を示す断面図である。 図１のモータ３とインバータ回路基板６の断面図である。 図１のインバータ回路基板６を背面から見た図である。 図１のスイッチング素子７の形状を示す図で、（１）は正面図、（２）は側面図、（３）は背面図である。 図１の放熱部材８の斜視図である。 図１の放熱部材８の折り曲げる前の形状を示す展開図である。 図１のモータ３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。 図７のＵ相＋側に接続されるスイッチング素子（Ｑ１−１、Ｑ１−２）の詳細回路図である。 従来技術に係る電動工具の全体構造を示す断面図である。 図９のインバータ回路基板１０６を背面側から見た図である。 従来技術に係るモータ１０３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明において、上下、前後の方向は、図１に示す方向として説明する。

図１は本発明の実施態様に係るドライバドリル１の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、ドライバドリル１には、ハウジング２の胴体部２ａ内にブラシレス直流方式のモータ３が収納され、モータ３の回転力を減速する減速機構部１０とトルク調節部１１等の動力伝達部を介してスピンドル（出力軸）１６に装着されたチャック１２に着脱自在に保持されるドライバまたはドリル等の図示しない先端工具に回転力を与える。ハウジング２の胴体部２ａ内あってモータ３の後端側には、モータ３を駆動するためのインバータ回路基板６が設けられる。

インバータ回路基板６には、スイッチング素子７が、その高さ方向がモータ３の回転軸３ｅと平行になるように配置される。尚、スイッチング素子７には放熱部材が取り付けられるが、図１においてはスイッチング素子７の配置方向がわかるように放熱部材の図示を省略しているので、その詳細については図２及び図３において後述する。インバータ回路基板６の後ろ側の表面には、熱伝達率の良い絶縁材料を介して放熱板１８が貼り合わされる。放熱板１８は、インバータ回路基板６とほぼ同形の金属板であって、上部から前方に突出する折り曲げ部が形成される。放熱板１８の折り曲げ部はモータ３のステータ３ｃに熱伝達率の良い絶縁体を介して接続される。

胴体部２ａ先端側に配置されるトルク調節部１１は、減速機構部１０の出力軸に得られる回転トルクをスピンドル１６の負荷に応答してスピンドル１６に伝達するか否かを制御するクラッチ機構を含んで構成される。これにより、予めトルク調整ダイヤル２５によって所望の締付けトルク（負荷トルク）に設定しておくと、トルク調節部１１は、減速機構部１０の出力軸の回転力が設定した締付けトルクに達したとき、その出力軸が空転してスピンドル１６（チャック１２）への回転伝達を遮断する機能を持つ。

減速機構部１０は、モータ３の回転出力軸１のピニオンギアに噛合う、例えば、３段の遊星歯車減速機構（変速ギアケース）から構成される。減速機構部１０は、変速比を切換えるためのシフトノブ１５を有する。使用者の手動によってシフトノブ１５の切換え操作により低速と高速の２段階で変速が可能となる。本実施例によれば、ブラシレスＤＣ式モータの採用によって、低速域から高速域までの広範囲にわたって連続的に回転数制御を可能とするので、シフトノブ１５を省略することもできるが、シフトノブ１５の切換え操作により低速領域と高速領域の２段階で変速すれば、回転トルクのきめ細かい制御が可能となる。

トルク調節部１１は、減速機構部１０の回転出力軸に対するスピンドル１６の押圧力をコイルバネ２８の付勢力で調整し、そのコイルバネ２８の付勢力を調整することによって締付けトルク（負荷トルク）を調整できるように構成する。スピンドル１６への締付けトルクがコイルバネ２８による減速機構部１０への付勢力を超えると、減速機構部１０の回転出力軸は空転してスピンドル１６への回転伝達を遮断するクラッチ機能として作用する。なお、上記クラッチ機能の負荷トルク（締付けトルク）の調整は、トルク調整ダイヤル２５を回転操作することによって上記コイルバネ２８の付勢力を調整することによって行われる。

ハウジング２のバッテリ取付部２ｃには、モータ３の駆動電源となるバッテリ４が着脱可能に装着される。バッテリ４の上部には、モータ３のインバータ回路基板６を制御するための制御回路基板９が、紙面と垂直方向に延在するように設けられる。ハンドル部２ｂの上端部にはトリガスイッチ１３が配設され、トリガスイッチ１３のトリガ操作部１３ａがバネ力によって付勢された状態でハンドル部２ｂから突出する。使用者はハンドル部２ｂを把持し、人差し指等によってトリガ操作部１３ａを引くことによって、トリガ押込量（操作量）を調整し、モータ３の回転数を制御することができる。モータ３の回転方向は、正逆切替レバー１４を操作することによって切り替えることができる。

バッテリ４は、トリガスイッチ１３および制御回路基板９へ動作電源を供給するとともに、インバータ回路基板６へモータ３の駆動電力を供給するように電気的に接続される。バッテリ４を構成する二次電池は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池等を用いることができる。

ハウジング２の胴体部２ａは、ハンドル部２ｂ及びバッテリ保持部２ｃと共に合成樹脂材料の一体成型により製造され、モータ３の回転軸中心を通る鉛直面で２分されるように形成される。組立の際にはハウジング２の左側部材と右側部材を準備し、予め、図１の断面図で示すような一方のハウジング２（例えば左側）に、モータ３、減速機構部１０、トルク調節部１１等の組込みを行い、しかる後、他方のハウジング２を重ねて、ネジ締め等で締結させる方法が取られる。

図２は図１のモータ３とインバータ回路基板６の断面図である。本実施例ではモータ３として、３相ブラシレスＤＣモータを用いる。本実施例ではモータ３として、３相ブラシレスＤＣモータを用いる。モータ３は、円筒状の外形をもつステータ３ｃと、ステータ３ｃの内周部内に同心軸状に設けられるロータ（マグネットロータ）３ａを含んで構成される。ステータ３ｃには、３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなるステータコイル（電機子巻線）３ｄが巻回され、ロータ３ａには、回転軸３ｅ方向に延びるＮ極およびＳ極のマグネット（永久磁石）３ｂが埋め込まれる。

ステータコイル３ｄは、ステータ３ｃのティース部を取り囲むように、樹脂材料からなるインシュレータ３ｆを介して巻回される。ロータ３ａの近傍には、ロータ３ａの回転位置を検出するために、回転方向に６０°毎に配置された図示しない３つの回転位置検出素子（ホールＩＣ）が配置される。スター結線されたステータコイル３ｄ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）には、回転位置検出素子の位置検出信号に基づいて電気角１２０°の通電区間に制御された電流が、インバータ回路基板６より供給される。なお、回転位置検出手段を用いてロータ３ａの位置を検出する以外に、ステータコイル３ｄの誘起電圧（逆起電力）をフィルタを通して論理信号として取り出すことによってロータ位置を検出する、いわゆるセンサレス方式の回転位置検出方式を採用することも可能である。

図３はインバータ回路基板６を背面から見た図である。図３においては左右対称の形状であるので、図面の煩雑さを避けるため、参照符号や矢印は左右のいずれかにだけ示している。インバータ回路基板６は、例えばガラエポ (ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めたもの）で構成された略円形状の基板であり、ステータ３ｃの後端側をほぼ全面的に覆うような形状である。その中央部において回転軸３ｅ及びスペーサ１９を貫通させるための穴６ａが形成される。インバータ回路基板６の周囲には、４つのねじ穴６ｂが形成され、このねじ穴６ｂを貫通するねじによって、インバータ回路基板６がインシュレータ３ｆ（図２）に固定される。インバータ回路基板６には、穴４ａを囲むように６組のスイッチング素子７が取り付けられる。

スイッチング素子７としては、ステータ３ｃの巻線３ｄに大駆動電流を通電する必要があるため、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のような大容量の出力トランジスタを使用しなければならない。ドライバドリル１などのように、モータ３のロック電流付近で使用される可能性がある電動工具に使用する場合、スイッチング素子７として高出力に耐えるものを選択する必要があるが、高出力に耐えるものは大きさが大きくて値段も高いことが多く、機器を小型及び安価に製作することが困難になる。そこで本実施例においては、ステータコイル毎に２個以上のスイッチング素子７を並列に接続し、共通の駆動信号で同時に駆動するようにした。さらに、並列駆動される２個以上のスイッチング素子７を熱伝導性の良い放熱部材８で接続し、それぞれの温度差を小さくするように構成した。図３においては、各放熱部材８には２個ずつのスイッチング素子７が配置される。このスイッチング素子７は、冷却効果を考慮し、冷却空気の流通路中に配置すると好ましい。

ハウジング２の胴体部２ａは左右中央で分割可能に形成され、左側部分（２ａ―１）と右側部分（２ａ−２）を合わせるようにして構成される。胴体部２ａ−１、２ａ―２の側方には、複数の空気取入口２１が形成され、モータ３の回転軸３ｅに取り付けられるロータファン１７（図１）の吸引力によって外気が取り込まれ、図中の矢印のように、放熱部材８の平面部に沿って空気が流れることにより放熱部材８から熱を効果的に奪うことができる。

本図において、スイッチング素子Ｑ２−１とＱ２−２、Ｑ５−１とＱ５−２は左右方向で同じ位置に配置される。しかしながら、スイッチング素子Ｑ１−１とＱ１−２、Ｑ４−１とＱ４−２は左右方向で同じ位置に配置されない。即ち、スイッチング素子Ｑ１−２はＱ１―１よりも若干右側、つまり左右中心線寄りに取り付けられる。スイッチング素子Ｑ４−２はＱ４―１よりも若干左側（左右中心線寄り）に取り付けられる。同様にして、スイッチング素子Ｑ３−１、Ｑ６−１も、スイッチング素子Ｑ３−２、Ｑ６−２に比べてそれぞれ左右中心線寄りに配置される。このように、並列配置されるスイッチング素子の一方を基準となる中心線に対して近づける又は遠ざけるようにオフセット配置することにより、インバータ回路基板６上に多数のスイッチング素子７を効率よく配置することが可能となる。

次に図４を用いてスイッチング素子７の形状を説明する。図４（１）は、本実施例でも用いるスイッチング素子７単体の正面図であり、（２）は側面図、（３）は背面図である。スイッチング素子７として、樹脂製ケース７５に収容された大容量のＦＥＴを用いることができる。スイッチング素子７の樹脂製ケース７５の底面から、ゲート端子７１、ドレイン端子７２、ソース端子７３の各端子が並ぶように延びている。端子の並び方向は、図４（３）で図示する方向である。また、樹脂製ケース７５の背面側の一部には放熱部材７４が位置するが、本実施例のスイッチング素子７は、放熱部材７４はドレイン端子７２と電気的に接続されている。

次に図５、６を用いて放熱部材８について説明をする。図５は放熱部材８の斜視図である。本実施例においては説明の便宜上、放熱部材８単体で見たときの各方向を、図５のように定義して説明する。図５において、放熱部材８は１枚の金属板からプレス加工して作成したもので、例えばアルミニウムや鉄の金属板が用いられる。放熱部材８の基本形状は、２つの平面部８ａが横側曲面部８ｂにて接続されたもので、この部分だけを上から見るとＵ字形をしており、２つの平面部８ａは互いに対向する。平面部８ａには、スイッチング素子７の背面の放熱部材７４が密着するように固定されるもので、スイッチング素子７の取付け面となる。このため放熱部材７４の全面と良好に密着するように放熱部材８は放熱部材７４の背面の露出部分の面積よりも大きいサイズとすることが好ましい。また、放熱部材８は平面部８ａにおいてスイッチング素子７からの熱を受ける形となるので、横側曲面部８ｂをできるだけ短く形成して２つの平面部８ａ間の温度差が最小になるようにすると好ましい。

放熱部材８の平面部８ａから上方向にはそれぞれ上側曲面部８ｃと平面部８ｄが形成され、平面部８ｄの先端付近はやや折り曲げられた折り曲げ部８ｅが形成され、上側曲面部８ｃ、平面部８ｄ、折り曲げ部８ｅでスイッチング素子７を挟むための、いわゆるクリップとして機能するように構成される。このため、平面部８ａ、上側曲面部８ｃ、平面部８ｄを右方向からみると（側面視）、その形状が倒立した略Ｕ字形となる。上述した２つの平面部８ａを連結するためのＵ字形の部分と、スイッチング素子７を挟むためのＵ字形の部分は、９０度の角度を隔てるように配置される。このように配置することにより、１枚の金属板をプレス等で切り抜いて、折り曲げることにより形成することができる。図６は、折り曲げる前の放熱部材８の形状を示すものである。図中の点線は、折り曲げの際の基準位置で、各部の境界となる。本図から理解できるように放熱部材８は１枚の金属板をくりぬいて、折り曲げることにより作成することができる。

次に図７を用いて、モータ３の駆動制御系の回路を説明する。モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成された、いわゆるインナーロータ型であって、複数組（本実施例では２組）のＮ極とＳ極を含むマグネット３ｂを含んで構成されるロータと、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗから成るステータコイル３ｄと、ロータの回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度６０°毎に配置された３つの位置検出素子３３を有する。これら位置検出素子３３からの回転位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と時間が制御されロータ３ａが回転する。位置検出素子３３は、インバータ回路基板６上のマグネット３ｂに対向する位置に設けられる。

インバータ回路基板６上に搭載されるインバータ回路４６には、３相ブリッジ形式に接続されたスイッチング素子として、６組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む。本実施例においてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、それぞれ２つずつの並列接続されたＦＥＴで構成され、本実施例においては合計１２個のＦＥＴが用いられる。並列接続されたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御回路基板９に搭載される制御信号出力回路３２に接続され、６組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレインまたは各ソースは、スター結線された固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。これによって、６組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路３２から入力されたスイッチング素子駆動信号（Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６等の駆動信号）によってスイッチング動作を行い、インバータ回路に印加されるバッテリ４の直流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する。

６組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング素子駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をパルス幅変調信号（ＰＷＭ変調信号）Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、制御回路基板９上に搭載された演算部３１によって、トリガスイッチ１３のトリガ操作量（ストローク）の検出信号に基づいてＰＷＭ変調信号のパルス幅（デューティ比）を変化させることによってモータ３への電力供給量を調整し、モータ３の起動／停止と回転速度を制御する。

ここで、ＰＷＭ変調信号は、インバータ回路４６の正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３または負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６の何れか一方に供給され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３またはスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６を高速スイッチングさせることによって結果的にバッテリ４の直流電圧から各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を制御する。尚、本実施例では、負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６にＰＷＭ変調信号が供給されるため、ＰＷＭ変調信号のパルス幅を制御することによって各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を調整してモータ３の回転速度を制御することができる。

ドライバドリル１には、モータ３の回転方向を切り替えるための正逆切替レバー１４が設けられ、回転方向設定回路３９は正逆切替レバー１４の変化を検出するごとに、モータ３の回転方向を切り替えて、その制御信号を演算部３１に送信する。演算部３１は、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するための中央処理装置（ＣＰＵ）、処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、タイマ等を含んで構成される。

制御信号出力回路３２は、回転方向設定回路３９と回転子位置検出回路３５の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を交互にスイッチングするための駆動信号を形成し、その駆動信号を制御信号出力回路３２に出力する。これによって固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの所定の巻線に交互に通電し、ロータ３ａを設定された回転方向に回転させる。この場合、インバータ回路４６の負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６に印加する駆動信号は、印加電圧設定回路３８の出力制御信号に基づいてＰＷＭ変調信号として出力される。制御信号出力回路３２によるＰＷＭ変調信号の作成は、ＲＯＭメモリに必要な制御データを予め記憶させておき、クロック信号に従って読み出してＰＷＭ作成データとして利用する。印加電圧設定回路３８の出力制御信号に応答してＰＷＭ変調信号のパルス幅（デューティ比）が可変される。

モータ３に供給される電流は、電流検出回路３７によって測定され、その値が演算部３１にフィードバックされることにより、設定された駆動電力となるように調整される。尚、ＰＷＭ変調信号は正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３に印加しても良い。

尚、本実施例の特徴的な構成として、インバータ回路４６においてスイッチング素子７の温度を測定する温度センサ４０を設け、温度上昇測定回路３４によってスイッチング素子７又はその周囲の温度を常にモニターすることである。温度上昇測定回路３４によってスイッチング素子７の温度が測定され、その値が演算部３１に出力される。演算部３１は、温度があらかじめ設定された基準値以上に上昇したと判断されたら、警告を出してモータ３の回転を制限したり、または、停止させる。

このように、トリガスイッチ１３のトリガ操作部１３ａのトリガ操作量をＰＷＭ変調信号Ｈ４〜Ｈ６のパルス幅のデューティ比に変換することにより、モータ３の回転数制御を低速領域から高速領域の広範囲にすることができる。このような低速域から高速域の回転数制御において、トルク調整ダイヤル２５によってトルク調節部１１の締付けトルクを所定のトルクに設定しておけば、トルク調節部１１のクラッチ機能により、設定締付けトルク以上の回転力がスピンドル１６へ伝達されないように、その回転力の伝達が遮断される。このトルク調節部１１に装着されるトルク調整ダイヤル２５により、例えば１０段階のトルク設定が可能である。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、図７のブロック回路図では、スイッチング素子を単に並列に接続しているが、図８で示すようにゲート抵抗Ｒ７、Ｒ２２やバランス調整用の抵抗Ｒ１、Ｒ１５を挿入して並列に接続したスイッチング素子Ｑ１−１とＱ１−２の温度上昇のばらつきが極力発生しないようにしても良い。また、上記実施例では、ブラシレス直流モータとしてスター結線した３相ブラシレス直流モータを使用した場合について説明したが、別の結線方式や３相以外のブラシレス直流モータを使用することも可能である。

さらに、電動工具の例としてドライバドリルを用いて説明したが、本発明の電動工具はこれに限られず、モータとしてブラシレスモータを駆動源にするものであれば、他の電動工具にも同様に適用できる。例えば、電動のインパクトドライバ、丸鋸、ハンマドリル、ジグソー、スクリュードライバ、グラインダ、釘打機などに適用することができる。また、スイッチング素子の配置を、モータの後側に回転軸に対して鉛直方向に設けられたインバータ回路基板の背面に面実装したが、背面側だけでなく前面側（ロータ３ａ側）に配置するようにしても良い。また、インバータ回路基板をモータの後側でなく、モータの下部や側部などの、ハウジングの胴体部内の任意の位置に配置しても良い。

１ ドライバドリル ２ ハウジング
２ａ （ハウジングの）胴体部 ２ｂ （ハウジングの）ハンドル部
２ｃ （ハウジングの）バッテリ取付部
３ モータ ３ａ ロータ ３ｂ マグネット ３ｃ ステータ
３ｄ ステータコイル ３ｅ 回転軸 ３ｆ インシュレータ
４ バッテリ ６ インバータ回路基板 ６ａ 穴
６ｂ ねじ穴 ７ スイッチング素子
８ 放熱部材 ８ａ （放熱部材の）平面部 ８ｂ （放熱部材の）横側曲面部
８ｃ （放熱部材の）上側曲面部 ８ｄ （放熱部材の）平面部
８ｅ （放熱部材の）折り曲げ部
９ 制御回路基板 １０ 減速機構部
１１ トルク調節部 １２ チャック １３ トリガスイッチ
１３ａ トリガ操作部 １４ 正逆切替レバー
１５ シフトノブ １６ スピンドル １７ ロータファン
１８ 放熱板 １９ スペーサ ２０、２１ 空気取入口
２５ トルク調整ダイヤル ２８ コイルバネ
３１ 演算部 ３２ 制御信号出力回路 ３３ 回転位置検出素子
３４ 温度上昇測定回路 ３５ 回転子位置検出回路
３６ 回転数検出回路 ３７ 電流検出回路 ３８ 印加電圧設定回路
３９ 回転方向設定回路 ４０ 温度センサ ４６ インバータ回路
７１ ゲート端子 ７２ ドレイン端子 ７３ ソース端子
７４ （スイッチング素子の）放熱部材
１０１ インパクトドライバ １０２ ハウジング
１０２ａ （ハウジングの）胴体部 １０２ｂ （ハウジングの）ハンドル部
１０２ｃ （ハウジングの）バッテリ取付部
１０３ モータ １０３ｂ ロータ １０３ｃ ステータ
１０４ バッテリ １０６ インバータ回路基板
１０６ａ （インバータ回路基板の）穴 １０７ スイッチング素子
１１０ 遊星歯車減速機構 １１１ 回転打撃機構 １１２ スリーブ
１１３ トリガスイッチ １１４ 正逆切替レバー １１６ アンビル
１１６ａ 取付穴 １１７ ロータファン １２０、１２１ 空気取入口
１３１ 制御回路 １３３ 位置検出素子

Claims (8)

1. ブラシレス方式のモータと、該モータを駆動するためのスイッチング素子と、該スイッチング素子を搭載する回路基板と、前記モータの回転力を伝達して先端工具を回転させる動力伝達部を有する電動工具において、
   前記モータの相ごとに２個以上のスイッチング素子を並列に接続し、これらを共通の駆動信号で駆動することを特徴とする電動工具。
2. 前記回路基板は、前記モータに固定されることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 前記並列に接続されるスイッチング素子は、共通の放熱部材に固定された状態で前記回路基板上に搭載されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
4. 前記モータはスター結線された３相巻線を有し、
   前記スイッチング素子は各相のプラス側及びマイナス側に１組ずつの計６組用いられ、各組のスイッチング素子は並列に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動工具。
5. 前記放熱部材には互いに対向する取付け面が形成され、前記取付け面にそれぞれ前記スイッチング素子が取り付けられることを特徴とする請求項３又は４に記載の電動工具。
6. 前記放熱部材には、前記スイッチング素子を保持するためのクリップ部が形成されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の電動工具。
7. 前記クリップ部を含む前記放熱部材は、１枚の板から製造された一体構造であることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
8. 前記回路基板は前記モータの回転軸を貫通させる穴を有し、
   前記放熱部材が取り付けられる６組のスイッチング素子は、前記穴の周方向に並べて配置され、前記回路基板に前記スイッチング素子の端子の並び方向が互いに同じとなるように搭載されることを特徴とする請求項７に記載の電動工具。

Images