JP2010260152A

JP2010260152A - 電動工具

Info

Publication number: JP2010260152A
Application number: JP2009114609A
Authority: JP
Inventors: Junichi Shoji; 潤一東海林; Takeshi Takeda; 岳史武田; Yoshihiro Komuro; 義広小室; Yuji Kijima; 裕司喜嶋; Yasuo Kawabata; 康生川端
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-11
Also published as: US20100283332A1; CN101885178A; US8513838B2; EP2251148A1; EP2251148B1; CN101885178B; JP5472683B2

Abstract

【課題】本発明の課題は、胴体ハウジング部内のインバータ回路基板の装着スペースを縮小した電動工具を提供することにある。
【解決手段】
インバータ回路基板３に実装される半導体スイッチング素子３ａの実装面は、第１軸受部２３と対向するように配置され、かつインバータ回路基板３の前記実装面に実装された複数の半導体スイッチング素子３ａの第１グループＱ１〜Ｑ４は、実装面から第１軸受部２３までの離間距離Ｈａを超えた高さＨｂを持つように、インバータ回路基板３の実装面と一端部間の胴体ハウジング部１ａ内の空間部において、第１軸受部２３に隣接して装着されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ブラシレスモータを駆動源とする電動工具に関する。本発明は、インバクトドライバ、ドライバドリル、振動ドリル、ハンマドリル等の締付け、穴あけ用工具以外に、丸鋸、ジグソー等のブラシレスモータを使用する他の電動工具にも適用可能である。

例えば、下記特許文献１に開示されているように、駆動源としてブラシレスモータ（ブラシレス直流モータ）を採用した電動工具が公知である。ブラシレスモータは整流子モータに比べて高効率であり、充電電池（電池パック）を使用したコードレスタイプの電動工具では１充電当りの作業時間を向上させることが可能である。またマイコン等を含むモータの駆動制御回路を搭載するので、電子制御により高度なモータの回転制御が容易となる。

ブラシレスモータは、周知のとおり、永久磁石を備えたマグネットロータと、３相巻線等の複数相のステータコイルを備えたステータと、ロータの永久磁石の磁力を検出してロータ位置を検出する複数のホールＩＣより構成された磁気センサと、ＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の複数の半導体スイッチング素子（例えば、６個の素子）を用いて直流電圧をスイッチングして３相交流に変換して各相のステータコイルへ通電させるインバータ回路基板とから構成されている。複数の磁気センサは複数相のステータコイルに対応しており、各磁気センサによる回転子位置検出結果に基づいて各相のステータコイルの通電タイミングを設定するように構成されている。

ブラシレスモータおいては、インバータ回路基板に実装される半導体スイッチング素子（パワートランジスタ）に大電流を通電させるために電力損失が大きくなり、これによって、半導体スイッチング素子からの発熱量が大きくなるので、インバータ回路基板ならびにインバータ回路基板に実装された前記半導体スイッチング素子および他の回路素子が、高温となって熱的損傷を受け、劣化もしくは破壊する原因となる。

このため、特許文献１に開示されるように、電動工具の胴体ハウジング部内に収納されるインバータ回路基板に実装された半導体スイッチング素子を強制的に冷却するために、インバータ回路基板の半導体スイッチング素子を、モータ回転軸に取付けられた冷却ファンの外周部近傍に配置させることによって、半導体スイッチング素子の発熱を積極的に放熱させる対策が考えられている。

特開２００６−２９７５３２号公報

しかしながら、上述したような半導体スイッチング素子として、放熱フィンを有するパワートランジスタを採用するブラシレスモータを電動工具に採用する場合には、モータ部を収納する胴体ハウジング部内に、モータ本体と近接して半導体スイッチング素子を実装するインバータ回路基板を設置しなければならないので、胴体ハウジング部の全長が長くなるという問題を生じ、もしくは胴体ハウジング部のモータ回転軸における周方向の寸法が大きくなるという問題を生じる。その結果、電動工具の胴体ハウジング部における軸方向の全長または径方向の寸法を短くコンパクトに改善することが困難となり、工具の操作生もしくは作業性を低下させることになる。

特許文献１に開示されているようなインバータ回路の半導体スイチング素子として、特に、ＭＯＳＦＥＴ等の高出力パワートランジスタを採用する場合は、パワートランジスタのリード線の差込み型実装技術によってパワートランジスタをインバータ回路基板に垂直に自立実装し、ドレイン電極側に放熱板（ヒートシンク）を設けて放熱効果を改善する必要があるため、胴体ハウジング部の軸方向の全長が長くなるという問題を生ずる。このため、工具の操作性もしくは作業性の面を考慮して胴体ハウジング部の軸方向の全長を短くすることが要求される。

従って、本発明の目的は、胴体ハウジング部の全長を低減して電動工具の小型化を図った、ブラシレスモータを採用する電動工具を提供することにある。

本発明の他の目的は、胴体ハウジング部内に配置されるインバータ回路基板の半導体パワートランジスタの冷却効果を改善した電動工具を提供することにある。

上記本発明の目的を達成するために、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、次のとおりである。
（１）本発明の一つの特徴によれば、モータ軸（モータ回転軸）を有するモータと、前記モータにより駆動される先端工具と、前記モータ収容するハウジングと、前記モータを駆動するためのスイッチング素子と、前記モータ軸を保持可能なベアリングと、を有する電動工具であって、前記スイッチング素子を、前記ハウジングの内部で前記モータ軸方向において、前記ベアリングとオーバーラップするように設ける。
（２）本発明の他の特徴によれば、前記ハウジングは、前記モータを収容するモータハウジング部と、前記モータハウジング部から下方へと伸びるグリップハウジング部と、を有し、前記ベアリング及びスイッチング素子は、前記モータハウジング部に設けられる。
（３）本発明のさらに他の特徴によれば、前記ハウジングは、左右分割式のハウジングであり、前記ベアリングは、前記モータハウジング部に設けられる左右方向に延びるリブにより保持される。
（４）本発明のさらに他の特徴によれば、前記モータ軸は、前記回路基板とほぼ直交するように設けられる。
（５）本発明のさらに他の特徴によれば、前記スイッチング素子は、複数設けられており、前記スイッチング素子の一部は、前記回路基板に寝かせた状態で設けられ、前記スイッチング素子の他の一部は、前記回路基板に起きた状態で設けられ、前記スイッチング素子の他の一部が、前記ベアリングとオーバーラップするように構成される。
（６）本発明のさらに他の特徴によれば、前記スイッチング素子の一部の前記モータ軸の軸後方には、前記リブが設けられる。
（７）本発明のさらに他の特徴によれば、前記左右分割式のハウジングは、左右方向の伸びるネジにより固定可能であり、前記モータハウジングには、ネジを固定するためのネジボスが設けられており、前記ネジボスと前記ベアリングの間に前記スイッチング素子の他の一部が配置される。
（８）本発明のさらに他の特徴によれば、一端部から他端部へ延在する胴体ハウジング部を有するハウジングと、前記胴体ハウジング部内の前記一端部から前記他端部に向う方向に延び、前記一端部側および前記他端部側の前記胴体ハウジング部内にそれぞれ設けられた第１および第２軸受部によって支承されたモータ回転軸および該モータ回転軸の中間部の外周辺に設けられたステータ巻線を有するブラシレスモータ部と、前記ステータ巻線に電源を供給するために複数の半導体スイッチング素子が実装され、かつ前記胴体ハウジング部内の前記一端部側に収納されたインバータ回路基板と、前記モータ回転軸の回転出力に基づいて駆動され、かつ前記胴体ハウジング部の前記他端部側に設けられた先端工具取付部と、前記モータ回転軸の回転出力を前記先端工具取付部へ伝達するために前記胴体ハウジング部の前記他端部側に設けられた動力伝達部と、を具備する電動工具であって、前記インバータ回路基板は、前記胴体ハウジング部の前記一端部側に設けられた前記第１軸受部と前記ステータ巻線間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記モータ回転軸の軸方向を横切る方向に延在するように配置され、前記インバータ回路基板の前記半導体スイッチング素子の実装面は、前記第１軸受部と対向するように配置され、かつ前記インバータ回路基板の前記実装面に実装された前記複数の半導体スイッチング素子における第１グループの素子は、前記実装面から前記第１軸受部までの離間距離を超えた高さを持つように、前記実装面と前記一端部間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記第１軸受部に隣接して実装される。
（９）本発明のさらに他の特徴によれば、前記インバータ回路基板の前記実装面に実装された前記複数の半導体スイッチング素子における第２グループの素子は、前記実装面から前記第１軸受部までの前記離間距離より低い高さを持つように、前記実装面と前記第１軸受部間の前記胴体ハウジング部内の空間部に装着される。
（１０）本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１グループおよび前記第２グルーフの半導体スイッチング素子は、それぞれ差込み型リード線を有する半導体パワートランジスタにより構成され、前記第１グループの素子は前記インバータ回路基板の前記実装面に対して前記差込み型リード線が垂直状態で装着され、前記第２グループの素子は、前記インバータ回路基板の前記実装面に対して前記差込み型リード線が折り曲げられて、該半導体パワートランジスタのパッケージ面が前記実装面に並行状態となるように装着される。
（１１）本発明のさらに他の特徴によれば、前記モータ回転軸は、前記インバータ回路基板に設けられた貫通孔を介して、該インバータ回路基板に直交している。
（１２）本発明のさらに他の特徴によれば、前記ハウジングは、前記胴体ハウジング部の延在方向から分岐して延出するハンドルハウジング部を有する。
（１３）本発明のさらに他の特徴によれば、前記ハウジングは、前記モータ回転軸の中心軸を横切る垂直面で左右に二分割される半割ハウジング部材を左右方向に延びるネジにより締付けて構成されたものであり、前記第１軸受部は、前記胴体ハウジング部の前記一端部に形成された前記左右二分割方向に延びるリブの中央部に形成された穴部により保持される。
（１４）本発明のさらに他の特徴によれば、前記インバータ回路基板に実装された前記第２グループの半導体スイッチング素子は、前記一端部に形成された前記リブと前記実装面間の前記胴体ハウジング部内の空間部において実装される。
（１５）本発明のさらに他の特徴によれば、前記半割ハウジング部材は、前記胴体ハウジング部の前記一端部において該半割ハウジング部材を締付ける前記ネジに螺合するネジボスを有し、前記第１グループの半導体スイッチング素子は、該ネジボスと前記第１軸受部間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記第１軸受部に隣接して装着される。
（１６）本発明のさらに他の特徴によれば、前記インバータ回路基板は、円形状の前記実装面を有し、かつ該円形状実装面の中央部に前記モータ回転軸が横切る貫通孔を有し、前記第１グループの半導体スイッチング素子は、前記円形状実装面の前記貫通孔の周辺部において、前記貫通孔を挟む対向する一対の第１領域にそれぞれ実装された２対の半導体パワートランジスタから構成され、さらに前記第２グループの半導体スイッチング素子は、前記円形状実装面の前記貫通孔の周辺部において前記貫通孔を挟む対向する一対の第２領域にそれぞれ実装された１対の半導体パワートランジスタから構成されている。
（１７）本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２グループの半導体パワートランジスタが前記実装面の前記第２領域に実装された実装の高さは、前記第１グループの半導体パワートランジスタが前記実装面の前記第１領域に実装された高さより低い高さを有する。
（１８）本発明のさらに他の特徴によれば、前記胴体ハウジング部の前記他端部側に設けられた前記第２軸受部と前記ステータ巻線間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記モータ回転軸を回転軸とする冷却ファンが設けられ、前記胴体ハウジング部の前記一端部に通風口が設けられる。

上記本発明の構成による主な効果は次のとおりである。
上記本発明の構成（１）によれば、前記スイッチング素子を、前記ハウジングの内部で前記モータ軸方向において、前記ベアリングとオーバーラップするように設けることにより、モータ軸方向に延在するハウジングの長さを短縮することができる。

上記本発明の構成（８）によれば、前記インバータ回路基板は、前記胴体ハウジング部の前記一端部側に設けられた前記第１軸受部と前記ステータ巻線間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記モータ回転軸の軸方向を横切る方向に延在するように配置され、前記インバータ回路基板の前記半導体スイッチング素子の実装面は、前記第１軸受部と対向するように配置され、かつ前記インバータ回路基板の前記実装面に実装された前記複数の半導体スイッチング素子における第１グループの素子は、前記実装面から前記第１軸受部までの離間距離を超えた高さを持つように、前記実装面と前記一端部間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記第１軸受部に隣接して装着されるので、前記胴体ハウジング部の一端部側と前記インバータ回路基板間の胴体ハウジング部内おいて、前記インバータ回路基板のモータ回転軸方向の装着スペースを短縮することができる。

上記本発明の構成（５）によれば、前記スイッチング素子は、複数設けられており、前記スイッチング素子の一部は、前記回路基板に寝かせた状態で設けられ、前記スイッチング素子の他の一部は、前記回路基板に起きた状態で設けられ、前記スイッチング素子の他の一部が、前記ベアリングとオーバーラップするように構成されるので、前記回路基板に寝かせた前記スイッチング素子の一部は、実装スペースを低減することができる。

また、上記本発明の構成（９）によれば、前記インバータ回路基板の前記実装面に実装された前記複数の半導体スイッチング素子における第２グループの素子は、前記実装面から前記第１軸受部までの前記離間距離より低い高さを持つように、前記実装面と前記第１軸受部間の前記胴体ハウジング部内の空間部に装着されるので、前記第２グループの半導体スイッチング素子についても前記インバータ回路基板上の実装スペースを低減することができる。

上記本発明の構成（１５）によれば、前記第１グループの半導体スイッチング素子は、前記ネジボスと前記第１軸受部間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記第１軸受部に隣接して装着されるので、前記胴体ハウジング部のモータ回転軸に対する周径方向の寸法を短縮することができる。

また、上記本発明の構成（１８）によれば、前記胴体ハウジング部の一端部には通風口が設けられ、モータ回転軸の第２軸受部側には冷却ファンが設けられているので、前記インバータ回路基板に実装される複数の半導体スイッチング素子の冷却効果を確保することができる。

従って、以上のような本発明の構成により、電動工具の全長を短縮して操作性もしくは作業性に優れた電動工具を提供することができる。

本発明の上記および他の目的、ならびに本発明の上記および他の新規な特徴、効果は、本明細書の以下の記述および添付図面から更に明らかにされる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は本発明の実施態様に係るコードレスタイプのドライバドリルの全体構造を示す断面図、図２は図１に示したドライバドリルについてＡ−Ａ線から視たインバータ回路基板の平面図、図３は図１に示したドライバドリルの要部拡大構成図、図４は図３に示した要部拡大構成図のＢ−Ｂ線断面図、図５は図４のＤ−Ｄ線から視たインバータ回路基板の平面図、図６は図１に示したドライバドリルの機能ブロック図である。

＜電動工具５０全体の組立構成について＞
最初に、図１を参照して電動工具全体の組立構成について説明する。
電動工具５０の本体は、胴体ハウジング部（モータハウジング部とも称する）１ａおよびハンドルハウジング部（グリップハウジング部とも称する）１ｂから成るハウジング１内に収容されている。胴体ハウジング部（モータハウジング部）１ａは、ブラシレスモータ部（ブラシレス直流モータ部）２のモータ回転軸（モータ軸）２ｅの軸方向（水平軸方向）に沿って、一端部（図面の左端部）１ｃから他端部（図面の右端部側）１ｄに延在し、胴体ハウジング部１ａの一端部１ｃ側においてブラシレスモータ部２およびインバータ回路の半導体スイッチング素子３ａを実装するインバータ回路基板３を収容し、かつブラシレスモータ部２の他端部１ｄ側において、動力伝達部５を構成する減速機構部５ａおよびトルク調整部（クラッチ部）５ｂを収容する。

ハンドルハウジング部（グリップハウジング部）１ｂは、胴体ハウジング部１ａの延在方向から分岐するように垂下し、作業者が片手で把持できるような外周形状を有する。ハンドルハウジング部１ｂの下端部には、ブラシレスモータ２の駆動電源となる電池パック８が着脱可能に装着されている。また、電池パック８の上部には、ブラシレスモータ２のインバータ回路基板３に組込まれたインバータ回路を制御するための制御回路基板４が、紙面を横切る方向に延在するように設けられている。

ブラシレスモータ部２は、本実施形態では３相ブラシレス直流モータからなる。ブラシレスモータ部２は、図３の要部拡大図に示されるように、円筒状の外形をもつステータ２ｃと、ステータ２ｃのティース部の内周部内に同心軸状に設けられ、モータ回転軸２ｅ方向に延びるＮ極およびＳ極の永久磁石（マグネット）２ｂが埋め込まれたロータ（マグネットロータ）２ａと、ステータ２ｃの３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ（図６参照）を含むステータ巻線２ｄとから構成される。

ステータ巻線２ｄは、ステータヨーク２ｃのティース部（図示なし）を取り囲むように、樹脂材料からなる絶縁層２ｆを介してスロット内に巻回されている。ロータ２ａの回転軸となるモータ回転軸２ｅは、その一端部が胴体ハウジング部１ａの一端部１ｃに設けられた第１軸受部（例えば、ボールベアリング）２３によって支承され、その他端部が胴体ハウジング部１ａ内の他端部１ｄ側に設けられた第２軸受部（例えば、ボールベアリング）２４によって支承されている。

ロータ２ａの近傍には、ロータ２ａ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３つの回転位置検出素子（ホールＩＣ）１０、１１、１２（図６参照）が配置される。スター結線されたステータ２ｃの３相巻線２ｄ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）には、回転位置検出素子１０、１１、１２の位置検出信号に基づいて、インバータ回路基板３より電気角１２０°の通電区間に制御された電流が供給される。

図３に示されるように、ブラシレスモータ２のモータ回転軸２ｅの右端部側には冷却用ファン２５が設けられ、冷却用ファン２５近傍の胴体ハウジング部１ａには、図示されていないが、通風口（排気口）が形成されている。一方、ブラシレスモータ２のモータ回転軸２ｅの左端部側において、インバータ回路基板３が収容される。なお、本発明に係る、インバータ回路基板３自体の実装構造およびインバータ回路基板３の胴体ハウジング部１ａ内への装着配置については後述する。

図３に示されるように、胴体ハウジング部１ａの一端部１ｃには吸気用通風口２１が形成され、インバータ回路基板３の近傍には吸気用通風口２２が形成される。この吸気用通風口２１、２２から冷却用ファン２５の近傍に形成される上記排気用通風口に至る胴体ハウジング部１ａ内の冷却用空気の流通路によって、インバータ回路基板３の半導体スイッチング素子３ａの温度上昇、およびモータ２のステータ巻線２ｄの温度上昇を抑制する。特に、半導体スイッチング素子３ａ（図６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６）には大きなドレイン電流を流す必要があるので、大電流による半導体スイッチング素子３ａの温度上昇を防止するために、冷却用ファン２５によってインバータ回路基板３を強制的に空冷するように構成する。

ブラシレスモータ２のモータ回転軸２ｅの回転力は、該モータ回転軸２ｅに形成されたピニオンギヤに螺合される遊星ギヤを含む減速機構部５ａに伝達される。減速機構部５ａは、ピニオンギヤ（サンギヤ）と、該ピニオンギヤおよびリングギヤに噛合う遊星ギヤとを具備する周知の遊星歯車減速機構によって構成される。本実施形態では、３段の遊星歯車減速機構によってブラシレスモータ２のモータ回転軸２ｅの出力が減速された回転力としてトルク調整部５ｂに伝達される。

トルク調整部５ｂは、例えば、減速機構部５ａの最終段の遊星歯車減速機構におけるリングギヤ５ｈに対する押圧力をトルク調整バネ５ｇの付勢力で調整し、設定トルク（負荷トルク）を調整できるように構成されている。もし、スピンドル５ｆ（先端工具）への負荷トルクが設定トルクを超えると、トルク調整部５ｂは、減速機構部５ａの回転出力軸５ｅを空転させてスピンドル５ｆへの回転伝達を遮断する。所謂、トルク調整部５ｂはクラッチ部としても機能する。

トルク調整部５ｂは、モード切替およびトルク調整ダイヤル（クラッチダイヤル）５ｄを有し、トルク調整ダイヤル５ｄによってドライバモードまたはドリルモードを設定できるように構成されている。また、トルク調整ダイヤル５ｄがドライバモードを選択している場合、トルク調整ダイヤル５ｄを複数段階の所定の回転角度に回転させることによって、トルク調整部５ｂは、リングギヤ５ｈに対するトルク調整バネ５ｇの付勢力（押圧力）を調整できる。すなわち、トルク調整ダイヤル５ｄの回転角度に従って減速機構部５ａの出力軸５ｅからスピンドル５ｆに伝達される回転トルクを負荷に対応する所望の締付けトルクに調整することができる。

例えば、スピンドル５ｆに対する負荷トルクが、トルク調整ダイヤル５ｄの設定値未満の場合、リングギヤ５ｈは、トルク調整バネ５ｇの押圧力によって固定されて回転しなくなるので、減速機構部５ａを構成する最終段の遊星ギヤ（図示なし）の回転がリングギヤ５ｈを介してスピンドル５ｆに伝達される。その結果、チャック５ｃにより着脱自在に取付けられた先端工具（ドライバビット）（図示なし）によって、ネジを被加工材にネジ込むことができる。

逆に、スピンドル５ｆにトルク調整ダイヤル５ｄの設定値以上の負荷トルクが作用した場合、リングギヤ５ｈがトルク調整バネ５ｇの押圧力によって固定されないので、減速機構部５ａを構成する最終段の遊星ギヤは、軸５ｉを回転軸とする自転のみを行い、公転することができない。その結果、最終段の遊星ギヤの回転は、リングギヤ５ｈを介してスピンドル５ｆに伝達されることがない。従って、チャック５ｃに取付けられた先端工具（ドライバビット）によりネジを被加工材（図示なし）にネジ込むことが不可能となる。

このトルク調整部５ｂに装着されるトルク調整ダイヤル５ｄは、例えば、１０段階のトルク設定が可能である。もし、設定した締付けトルク（滑り出しトルク）以上の負荷トルクがスピンドル５ｆに加わると、トルク調整部５ｂのクラッチ作用により減速機構部５ａの回転出力軸５ｅはスピンドル５ｆとの結合から遮断されて空転することになり、これによってモータ２のロックが防止される。このように、トルク調整ダイヤル５ｄがドライバモードに設定されている場合は、モータ部２およびインバータ回路基板３には空転により過大なロック電流が流れないので、過大ロック電流に基づいて生ずるかも知れない半導体スイッチング素子３ａ（Ｑ１〜Ｑ６）の焼損を防止することができる。

一方、ハンドルハウジング部１ｂの上端部には、スイッチ部７ａを有するスイッチトリガ（トリガ操作部）７が配設され、スイッチトリガ７がバネ力によって付勢された状態でハンドルハウジング部１ｂから突出している。スイッチ部７ａは、スイッチ回路基板７ｂに電気的接続され、スイッチトリガ７の引込み操作量に応答した電気信号をスイッチ回路基板７ｂへ供給する。すなわち、スイッチトリガ７のトリガ操作量は、スイッチ部７ａに形成されたポテンショメータの可動端子（摺動端子）（図示なし）に連動して電圧値に変換されて、後述する印加電圧設定回路１５（図６参照）の設定電圧として演算部２０へ入力される。

電池パック８は、スイッチ回路基板７ｂおよび制御回路基板４によって構成された、演算機能を含む制御回路３０（図６参照）へ駆動電源を供給し、かつインバータ回路基板３によって構成されたインバータ回路３（図６参照）へ駆動電力を供給するように電気的接続されている。電池パック８は、例えば、リチウムイオン二次電池によって構成される。

図１に示されるように、胴体ハウジング部１ａは、ハンドルハウジング部１ｂと共に、合成樹脂材料のハウジング１として一体に形成される。

電動工具５０の組立時において、合成樹脂材料のハウジング１は、ブラシレスモータ２のモータ回転軸２ｅの中心軸に沿った垂直面で２分される断面形状が半円状の胴体ハウジング部１ａとハンドルハウジング部１ｂとを含む一対のハウジング部材（１）を準備し、予め、図１に示すような一方の胴体ハウジング部１ａに、インバータ回路基板３およびブラシレスモータ２のモータ回転軸２ｅやステータ２ｃ等の組込みと、ハンドルハウジング部１ｂにスイッチ回路基板７ｂおよび制御回路基板４等の組込みを行い、しかる後、図１に示されるように、一対のハウジング部材１（胴体ハウジング部１ａおよびハンドルハウジング部１ｂが一体化されたもの）の他方を上から重ねて、図３に示されるようなネジボス１ｆと螺合するネジによって締付けて一対のハウジング１を組立てる。

従って、胴体ハウジング部１ａおよびハンドルハウジング部１ｂには、ブラシレスモータ２のステータ２ｃ、モータ回転軸２ｅの軸受部２３、２４等の固定部または保持部（嵌挿部）を形成するための複数のリブ部（ハウジング１ａ、１ｂの肉厚部）を設ける必要がある。例えば、図４に示されるように、胴体ハウジング部１ａの一端部１ｃには、モータ回転軸２ｅの第１軸受部２３を保持するための軸受保持部（軸受嵌挿部）１ｅを形成するためにリブ部（肉厚部）１ｒが設けられる。

このため、胴体ハウジング部１ａのモータ回転軸２ｅ方向の長さ寸法を低減することが困難となる場合がある。特に、ブラシレスモータ２を使用する電動工具５０では、半導体スイッチング素子３ａとして複数のパワートランジスタを実装するインバータ回路基板３を収容しなければならないので、胴体ハウジング部１ａ内に比較的大きなインバータ回路基板３の占有スペースを確保する必要がある。本発明によれば、後述するように、胴体ハウジング部１ａ内におけるインバータ回路基板３の収容スペースの軽減化が図られる。

＜電動工具５０の全体の回路構成について＞
次に、電動工具５０の回路構成について、図６に示した回路機能プロック図を参照して説明する。図６に示されるように、インバータ回路部（３）は、上述したインバータ回路基板３に実装された、３相ブリッジ形式に接続された半導体スイッチング素子（半導体パワーデバイス）３ａである６個のパワーＭＯＳＦＥＴ３ａ（Ｑ１〜Ｑ６）から構成される。

ブリッジ接続された６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路１３に接続され、また、６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のドレインまたはソースはスター結線されたステータ巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路１３から入力されたスイッチング駆動信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作を行い、インバータ回路部３に印加される電池パック８の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、ステータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路部３０は、制御信号出力回路１３に制御信号を出力するために設けられたもので、図１に示したスイッチ回路基板７ｂおよび制御回路基板４の回路装置を含む。機能的には処理プログラムとデータに基づいて制御信号出力回路１３へ駆動信号を出力するための演算部２０と、上記３つのホールＩＣ１０、１１、１２の出力信号に基づいてロータ２ａとステータ２ｃのステータ巻線２ｄの３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの関係位置を検出し、演算部２０へ通常のロータ２ａの位置情報を出力する回転子位置検出部１６と、回転子位置検出回路１６の検出信号に基づいて回転数を検出する回転数検出回路１７と、インバータ回路部３の半導体スイッチング素子３ａの温度上昇を感熱素子１９ａによって測定し、その測定信号を演算部２０へ出力する温度上昇測定回路１９と、モータ２の駆動電流を常に検出して、その情報を演算部２０に出力する電流検出回路１８と、上記したスイッチトリガ７のトリガ操作量に応答してスイッチ部７ａにおいて発生する出力制御信号に対応するＰＷＭ信号のデューティ比を設定するための印加電圧設定回路１４と、モータ２の正逆切替レバー９による正方向回転または逆方向回転の操作を検出してモータ２の回転方向を設定するための回転方向設定回路１５と、から構成されている。

制御回路部３０は、６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側ＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５、Ｑ６をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、スイッチトリガ７のトリガ操作に応答する印加電圧設定回路１４の出力信号に基づいて、ＰＷＭ信号のパルス幅のデューティ比を変化させることによりモータ２への電力を調整し、モータ２の起動および速度を制御する。

ブラシレスモータ２のモータ回転軸２ｅに出力されるモータ回転数（回転速度）は、上述したように、動力伝達部５を構成する減速機構部５ａによって減速され、減速された回転力は、トルク調整部５ｂを介してチャック５ｃに取付けられた先端工具に伝達される。

＜インバータ回路基板３の胴体ハウジング部１ａ内の配置について＞
図２に示されるように、インバータ回路基板３は、配線パターン（図示なし）が形成されたほぼ円形形状のプリント基板から成り、該インバータ回路基板３の中央部にはモータ回転軸２ｅを貫通させるための貫通孔３ｄが形成されている。また、インバータ回路基板３のほぼ円周部には、６個の半導体スイッチング素子３ａ（図６の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６）が実装されている。インバータ回路基板３とステータ巻線２ｄ間の電気的配線、インバータ回路基板３と制御回路基板４間の電気的配線、およびインバータ回路基板３とスイッチ回路基板７ｂ間の電気的配線には、大電流用導線３ｂおよび小電流用導線３ｃが使用されている。

６個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（パワー絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）３ａから構成される。各ＭＯＳＦＥＴ３ａは、ドレイン電極端子、ソース電極端子およびゲート電極端子の３本の端子ｗを有し、さらにドレイン電極端子ｗには、過大負荷電流時の熱放散を促進させるための放熱板（ヒートシンク）ｒが一体に形成されている。

特に、インバータ回路基板３の実装面の上段と下段の水平方向（モータ回転軸の延在方向を横切る水平方向）には、互いにドレイン放熱板ｒ（ドレイン電極端子ｗ）が対向するように、２対の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４（第１グループを構成する半導体スイッチング素子３ａ）が、各３本の電極端子ｗの差込み型実装技術によってインバータ回路基板３に対して垂直に自立実装されている。言い換えれば、第１グループを構成する２対の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、モータ回転軸２ｅの軸中心に対して略点対称となるように配置されている。

また、図２に示されるように、第２グループを構成する１対の半導体スイッチング素子Ｑ５およびＱ６は、中段の水平方向に対して点対称に左右に対向配置され、それら一対の３本の電極端子ｗは、図４および図５に示されるように、途中で直角に折り曲げられて、ドレイン放熱板ｒがインバータ回路基板３の実装面と並行となり、かつ上向きになるように実装されている。

このように、図４および図５に示されるように、第１グループの半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のドレイン放熱板ｒを貫通孔３ｄ側に対面させ、かつ第２グループの半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６のドレイン放熱板ｒを上向きに配置することにより、吸気用通風口２１または吸気用通風口２２から吸気された冷却空気を貫通孔３ｄに流通させることによって、ドレイン放熱板ｒによる放熱効果を確保することができる。

図３に示されるように、インバータ回路基板３に実装される第１グループの半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４（３ａ）の実装高さＨｂは、軸受保持部１ｅに保持される軸受部（ボールベアリング）２３までの実装面からの高さ（離間距離）Ｈａより高くなるように、すなわち、Ｈｂ＞Ｈａの関係になるように、軸受部２３とネジボス１ｆ間の胴体ハウジング部１ａ内の空間部に収容される。すなわち、半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４（３ａ）は、胴体ハウジング部１ａ内でモータ軸２ｅの軸方向において、軸受部２３（ベアリング部）とオーバーラップするように配置される。言い換えれば、胴体ハウジング部１ａ内のモータ軸２ｅに対する周径方向において、軸受部２３が配置され、かつ該軸受部２３に半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４（３ａ）の少なくとも一部が重ねられるように配置された、所謂、オーバーラップ配置となっている。

また、図４に示されるように、インバータ回路基板の実装面に実装される第２グループの半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は、実装面から軸受部２３までの離間距離Ｈａより低い高さＨｃを持つように、実装面と軸受部２３間の胴体ハウジング部１ａ内の空間部に装着される。すなわち、軸受部２３を保持するための軸受保持部（軸受嵌挿部）１ｅを形成するためのリブ部１ｒの内壁は、比較的厚く形成されるので、第２グループ半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の実装高さＨｃは、図４および図５に示されるように、リブ部１ｒの内壁に当接しないように制限する（図４参照）。また、第２グループの半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の実装幅Ｗｓは、リブ部１ｒの内壁幅Ｗｒより狭く、Ｗｓ＜Ｗｒの関係に制限される（図５参照）。このために、図４に示されるように、第２グループ半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は、差込み型リードｗが直角に折り曲げられ、それらのドレイン放熱板ｒがインバータ回路基板３の実装面と並行となるように上向きに実装されている。

以上のような胴体ハウジング部１ａ内のインバータ回路基板３の収容配置にすることにより、軸受部２３を保持する軸受保持部１ｅを有する軸受部室（ボールベアリング室）におけるインバータ回路基板３の装着スペースを低減することができる。またインバータ回路基板３への複数の半導体スイッチング素子３ａ（Ｑ１〜Ｑ６）の実装レイアウトは、放熱を効率よく行うことができる。

以上の実施形態によれば、半導体スイッチング素子の放熱効果を阻害することなく、図３、図４および図５に示されるように、インバータ回路基板３の装着スペースを低減することができる。その結果、胴体ハウジング部１ａの一端部１ｃ側の寸法Ｌｅ（図３参照）を短縮することができ、電動工具５０の全長（胴体ハウジング部１ａが延在する方向の全長）を従来の電動工具より低減させることができる。

なお、以上の実施形態では、インバータ回路基板に実装する半導体スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを使用したが、上記ＭＯＳＦＥＴ以外に、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）、バイポーラトランジスタ等のバワートランジスタを適用することができる。また、上記実施形態では、３相インバータ回路基板を使用する電動工具について説明したが、３相以外のインバータ回路基板またはモータ制御回路基板を使用する電動工具についても適用することができる。

また、上記半導体スイッチング素子は、インバータ回路基板に対して電極端子を垂直状態に実装する差込み実装型（自立実装型）のパッケージを使用した構造について述べたが、面実装型のパッケージを持つトランジスタを使用してもよい。また、ドレイン等の放熱を兼ねる電極は、一部がパッケージに埋め込まれたパッケージ構造を使用してもよい。

本発明は、上述したドライバドリルに限らず、インパクトドライバ、ドリル、振動ドリル、ハンマドリル等の締付け、穴あけ用工具に適用可能であり、さらに丸鋸、ジグソー等のブラシレスモータを使用する電動工具にも適用可能である。これらの適用範囲についても、上述した実施態様と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の実施形態に係る電動工具の全体構造断面図。図１に示した電動工具のＡ−Ａ線に沿うインバータ回路基板の平面図。図１に示した電動工具の要部拡大断面図。図３に示した電動工具の要部断面図。図４のＤ−Ｄ線に沿うインバータ回路基板の平面図。図１に示した電動工具の回路機能ブロック図。

１：ハウジング１ａ：胴体ハウジング部（モータハウジング部）
１ｂ：ハンドルハウジング部（グリップハウジング部）
１ｃ：胴体ハウジング部一端部１ｄ：胴体ハウジング部他端部１ｒ：リブ部
２：ブラシレスモータ２ａ：ロータ（マグネットロータ）２ｂ：永久磁石
２ｃ：ステータ（ステータヨーク）２ｄ：ステータ巻線２ｅ：モータ回転軸
２ｆ：絶縁層３：インバータ回路基板（インバータ回路部）
３ａ：半導体スイッチング素子３ｂ：大電流用導線３ｃ：小電流用導線
３ｄ：貫通孔４：制御回路基板５：動力伝達部５ａ：減速機構部
５ｂ：トルク調整部５ｃ：チャック（先端工具取付部）
５ｄ：トルク調整ダイヤル５ｅ：減速機構部の回転出力軸５ｆ：スピンドル
５ｇ：トルク調整バネ５ｈ：リングギヤ７：スイッチトリガ
７ａ：スイッチ部７ｂ：スイッチ回路基板８：電池パック
９：正逆切替レバー１０、１１、１２：回転位置検出素子（ホールＩＣ）
１３：制御信号出力回路１４：印加電圧設定回路１５：回転方向設定回路
１６：回転子位置検出回路１７：回転数検出回路１８：電流検出回路
１９：温度上昇測定回路１９ａ：感熱素子（サーミスタ）２０：演算部
２１：通風口（吸気口）２２：通風口（吸気口）
２３：第１軸受部（ボールベアリング部）
２４：第２軸受部（ボールベアリング部）
２５：冷却用ファン３０：制御回路部５０：電動工具
Ｈａ：インバータ回路基板と軸受部間の離間距離
Ｈｂ：第１グループ半導体スイッチング素子の実装高さ
Ｈｃ：第２グループ半導体スイッチング素子の実装高さ
Ｑ１〜Ｑ４：第１グループの半導体スイッチング素子
Ｑ５、Ｑ６：第２グループの半導体スイッチング素子

Claims

モータ軸を有するモータと、前記モータにより駆動される先端工具と、前記モータ収容するハウジングと、前記モータを駆動するためのスイッチング素子と、前記モータ軸を保持可能なベアリングと、を有する電動工具であって、
前記スイッチング素子を、前記ハウジングの内部で前記モータ軸方向において、前記ベアリングとオーバーラップするように設けたことを特徴とする電動工具。
前記ハウジングは、前記モータを収容するモータハウジング部と、前記モータハウジング部から下方へと伸びるグリップハウジング部と、を有し、
前記ベアリング及びスイッチング素子は、前記モータハウジング部に設けられることを特徴とする請求項１記載の電動工具。
前記ハウジングは、左右分割式のハウジングであり、前記ベアリングは、前記モータハウジング部に設けられる左右方向に延びるリブにより保持されていることを特徴とする請求項２記載の電動工具。
前記モータ軸は、前記回路基板とほぼ直交するように設けられることを特徴とする請求項３記載の電動工具。
前記スイッチング素子は、複数設けられており、前記スイッチング素子の一部は、前記回路基板に寝かせた状態で設けられ、前記スイッチング素子の他の一部は、前記回路基板に起きた状態で設けられ、前記スイッチング素子の他の一部が、前記ベアリングとオーバーラップすることを特徴とする請求項４記載の電動工具。
前記スイッチング素子の一部の前記モータ軸の軸後方には、前記リブが設けられることを特徴とする請求項５記載の電動工具。
前記左右分割式のハウジングは、左右方向の伸びるネジにより固定可能であり、前記モータハウジングには、ネジを固定するためのネジボスが設けられており、前記ネジボスと前記ベアリングの間に前記スイッチング素子の他の一部が配置されることを特徴とする請求項５記載の電動工具。
一端部から他端部へ延在する胴体ハウジング部を有するハウジングと、前記胴体ハウジング部内の前記一端部から前記他端部に向う方向に延び、前記一端部側および前記他端部側の前記胴体ハウジング部内にそれぞれ設けられた第１および第２軸受部によって支承されたモータ回転軸および該モータ回転軸の中間部の外周辺に設けられたステータ巻線を有するブラシレスモータ部と、前記ステータ巻線に電源を供給するために複数の半導体スイッチング素子が実装され、かつ前記胴体ハウジング部内の前記一端部側に収納されたインバータ回路基板と、前記モータ回転軸の回転出力に基づいて駆動され、かつ前記胴体ハウジング部の前記他端部側に設けられた先端工具取付部と、前記モータ回転軸の回転出力を前記先端工具取付部へ伝達するために前記胴体ハウジング部の前記他端部側に設けられた動力伝達部と、を具備する電動工具であって、
前記インバータ回路基板は、前記胴体ハウジング部の前記一端部側に設けられた前記第１軸受部と前記ステータ巻線間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記モータ回転軸の軸方向を横切る方向に延在するように配置され、
前記インバータ回路基板の前記半導体スイッチング素子の実装面は、前記第１軸受部と対向するように配置され、かつ前記インバータ回路基板の前記実装面に実装された前記複数の半導体スイッチング素子における第１グループの素子は、前記実装面から前記第１軸受部までの離間距離を超えた高さを持つように、前記実装面と前記一端部間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記第１軸受部に隣接して実装されていることを特徴とする電動工具。
前記インバータ回路基板の前記実装面に実装された前記複数の半導体スイッチング素子における第２グループの素子は、前記実装面から前記第１軸受部までの前記離間距離より低い高さを持つように、前記実装面と前記第１軸受部間の前記胴体ハウジング部内の空間部に装着されていることを特徴とする請求項８に記載された電動工具。
前記第１グループおよび前記第２グルーフの半導体スイッチング素子は、それぞれ差込み型リード線を有する半導体パワートランジスタにより構成され、前記第１グループの素子は前記インバータ回路基板の前記実装面に対して前記差込み型リード線が垂直状態で装着され、前記第２グループの素子は、前記インバータ回路基板の前記実装面に対して前記差込み型リード線が折り曲げられて、該半導体パワートランジスタのパッケージ面が前記実装面に並行状態となるように装着されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載された電動工具。
前記モータ回転軸は、前記インバータ回路基板に設けられた貫通孔を介して、該インバータ回路基板に直交していることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか一つに記載された電動工具。
前記ハウジングは、前記胴体ハウジング部の延在方向から分岐して延出するハンドルハウジング部を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか一つに記載された電動工具。
前記ハウジングは、前記モータ回転軸の中心軸を横切る垂直面で左右に二分割される半割ハウジング部材を左右方向に延びるネジにより締付けて構成されたものであり、前記第１軸受部は、前記胴体ハウジング部の前記一端部に形成された前記左右二分割方向に延びるリブの中央部に形成された穴部により保持されていることを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか一つに記載された電動工具。
前記インバータ回路基板に実装された前記第２グループの半導体スイッチング素子は、前記一端部に形成された前記リブと前記実装面間の前記胴体ハウジング部内の空間部において実装されていることを特徴とする請求項１３に記載された電動工具。
前記半割ハウジング部材は、前記胴体ハウジング部の前記一端部において該半割ハウジング部材を締付ける前記ネジに螺合するネジボスを有し、前記第１グループの半導体スイッチング素子は、該ネジボスと前記第１軸受部間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記第１軸受部に隣接して装着されていることを特徴とする請求項１４に記載された電動工具。
前記インバータ回路基板は、円形状の前記実装面を有し、かつ該円形状実装面の中央部に前記モータ回転軸が横切る貫通孔を有し、
前記第１グループの半導体スイッチング素子は、前記円形状実装面の前記貫通孔の周辺部において、前記貫通孔を挟む対向する一対の第１領域にそれぞれ実装された２対の半導体パワートランジスタから構成され、さらに、
前記第２グループの半導体スイッチング素子は、前記円形状実装面の前記貫通孔の周辺部において、前記貫通孔を挟む対向する一対の第２領域にそれぞれ実装された１対の半導体パワートランジスタから構成されていることを特徴とする請求項９乃至請求項１５のいずれか一つに記載された電動工具。
前記第２グループの半導体パワートランジスタが前記実装面の前記第２領域に実装された実装の高さは、前記第１グループの半導体パワートランジスタが前記実装面の前記第１領域に実装された高さより低い高さを有することを特徴とする請求項１６に記載された電動工具。
前記胴体ハウジング部の前記他端部側に設けられた前記第２軸受部と前記ステータ巻線間の前記胴体ハウジング部内の空間部において、前記モータ回転軸を回転軸とする冷却ファンが設けられ、前記胴体ハウジング部の前記一端部に通風口が設けられていることを特徴とする請求項８乃至請求項１７のいずれか一つに記載された電動工具。