JP2011217532A - 電動モータ及び作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高い電動モータ、及びこれを駆動源とする作業機械を提供する。
【解決手段】モータ５０は、回転子５３と、固定子５４と、回転子５３と回転刃４０とを接続する回転軸５２と、を備える。回転子５３は、回転軸５２の軸線７方向視において回転軸５２を中心として円周方向に配列された略環状の複数のコイルを有する円板状のコイルディスクを備える。固定子５４は、コイルディスクを回転軸５２の軸線７方向に通過する磁束を発生する磁束発生手段を備える。モータ５０は、回転子５３と回転刃４０との伝達トルクが所定の大きさを超えたときに回転子５３と回転刃４０との接続を解除するモータ保護機構８０を更に備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータ及びこれを駆動源とする作業機械に関する。

電動モータには、プリント配線板から構成された回転子を備えるものがある。例えば、特許文献１には、コミュテータの導体パターンが形成されたコミュテータディスクとコイルの導体パターンが形成されたコイルディスクとの積層体から構成された、円板状の回転子（ロータ）が開示されている。コイルディスクは、典型的には、回転軸に固定されたスリーブに接着されて、回転軸と一体に回転する。

このような電動モータは、扁平かつ小型な形状を有することに加え、振動や騒音が小さいことを特徴とするものが多い。そのため、刈払機、サンダ、送風機等、種々の作業機械の駆動源として注目されている。

特開２００３−２９９２８８号公報

上述の電動モータは、トルクを大きくするために、回転子の外径が比較的大きい。そのため、これを駆動源とする作業機械では、例えば回転軸に接続された作業具（回転工具、ファン等）が急制動した際に、接着剤等で固定されたコイルディスクがスリーブから剥離するなど、回転子と回転軸との固定部分が破損し易い。特に、回転軸と作業具とが減速機や動力伝達部材等を介さずに接続された作業機械では、作業具の急制動時に回転子と回転軸との間に掛かる負荷が大きいため、電動モータの信頼性の向上が望まれる。

上記課題に鑑み、本発明は、信頼性が高い電動モータ、及びこれを駆動源とする作業機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る電動モータは、
回転子と、固定子と、前記回転子に同軸に接続され、前記回転子の動力を作業具に伝達するための回転軸と、を有する電動モータであって、
前記回転子と前記固定子との何れか一方に設けられ、前記回転軸の軸線方向視において前記回転軸を中心として円周方向に配列された略環状の複数のコイルを有する円板状のコイルディスクと、
前記回転子と前記固定子との何れか他方に設けられ、前記コイルディスクを前記回転軸の軸線方向に通過する磁束を発生する磁束発生手段と、
前記回転子と前記作業具との伝達トルクが所定の大きさを超えたときに、前記回転子と前記作業具との接続を解除するモータ保護機構と、を備える、
ことを特徴とする。

前記モータ保護機構は、例えば、摩擦クラッチから構成されていても良い。

例えば、前記モータ保護機構は、前記回転子と前記回転軸との接続を解除するように構成されていても良い。

この場合、前記モータ保護機構は、例えば、
前記回転子に設けられ、前記コイルディスク又は前記磁束発生手段を保持し、前記回転軸とスライド可能かつ回転可能に嵌合した円盤状のスリーブと、
前記回転軸に設けられ、前記スリーブと前記回転軸の軸線方向に当接可能に形成された突起部と、
前記スリーブと前記突起部とを互いに接合する向きに付勢する弾性部材と、から構成されていても良い。

上述の電動モータは、例えば、前記作業具を前記回転軸に取り付けるための取付手段を更に備えていても良い。

また、例えば、前記モータ保護機構は、前記回転軸と前記作業具との接続を解除するように構成されていても良い。

この場合、前記モータ保護機構は、例えば、
前記回転軸に取り付けられ、前記作業具を挟持するための一対のフランジと、
前記一対のフランジを互いに接合する向きに付勢する弾性部材と、から構成されていても良い。

この場合、さらに、
前記一対のフランジは、前記回転軸とスライド可能かつ回転不能に嵌合し、
前記回転軸は、前記作業具と前記一対のフランジとの相対回転を許容するように、前記作業具と回転可能に嵌合する、ように構成されていても良い。

また、上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る作業機械は、
上述の電動モータと、前記作業具と、を備える、
ことを特徴とする。

本発明によれば、信頼性が高い電動モータ、及びこれを駆動源とする作業機械を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る刈払機を示す斜視図。 図１に示された刈払機のモータを示す断面図。 図２に示されたモータ保護機構を示す要部断面図。 本発明の第２の実施形態に係るモータを示す断面図。 図４に示されたモータ保護機構を示す要部断面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る作業機械は、図１に示す刈払機１である。刈払機１は、電源部１０と、操作棹２０と、ハンドル３０と、回転刃４０と、電動モータ（以下、モータ）５０と、から構成されている。

電源部１０は、電源ハウジング１１と、電池１２と、電源回路１４と、から構成されている。

電源ハウジング１１は、電源回路１４を収容している。また、電源ハウジング１１の上面には、操作パネル１５が設けられている。操作パネル１５には、図示は省略するが、刈払機１の主電源をＯＮ／ＯＦＦするスイッチや、刈払機１の状態（電池残量等）を示す表示部等が設けられている。さらに、電源ハウジング１１には、電池１２を着脱可能に装着する図略の電池ホルダが設けられている。

電池１２は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池から構成されており、電源回路１４に電力を供給する。

電源回路１４は、ハンドル３０に設けられたトリガスイッチ３６の引き量に応じて、モータ５０に電圧を印加する。

操作棹２０は、アルミニウム合金や強化プラスチック等から形成された中空管であり、電源ハウジング１１とモータ５０とを機械的に接続している。操作棹２０には、電源回路１４とモータ５０とを電気的に接続する一対の電源線２９（図２参照）が挿通されている。

ハンドル３０は、Ｕ字状に形成され、操作棹２０に固定されている。ハンドル３０には、上述のトリガスイッチ３６が設けられている。

回転刃４０は、モータ５０の動力を受けて回転し、草等を刈り払う。

モータ５０は、電源回路１４から電力の供給を受けて、回転刃４０を駆動する。なお、モータ５０は、詳細は後述するが、回転刃４０の急制動によるモータ５０の破損を防止するモータ保護機構８０（図２参照）を備えている。

ここで、図２を参照して、モータ５０について詳細に説明する。

モータ５０は、いわゆる整流子モータであって、モータハウジング５１と、回転軸５２と、回転子５３と、固定子５４と、一対の摺動子５５と、一対のフランジ５８ａ，５８ｂ（取付手段）と、を備えている。

モータハウジング５１は、アルミニウム合金や強化プラスチック等から形成され、回転子５３と、固定子５４と、一対の摺動子５５ａ，５５ｂと、を収容している。

回転軸５２は、ステンレス鋼等から形成され、モータハウジング５１に設けられた上下一対の軸受５７ａ，５７ｂにより、軸線７の回りに回転可能に支持されている。回転軸５２には、一対の軸受５７ａ，５７ｂの間に、フランジ状の突起部５２ａが形成されている。また、回転軸５２は、モータハウジング５１から下方に突出し、回転刃４０を挟持する一対のフランジ（取付手段）５８ａ，５８ｂに接続されている。回転軸５２の先端部には、一対のフランジ５８ａ，５８ｂ及び回転刃４０を固定するために、ナット５９と螺合するねじ部５２ｂが形成されている。

回転子５３は、スリーブ６１と、コイルディスク６２と、コミュテータ６３と、から構成されている。

スリーブ６１は、アルミニウム合金等から円盤状に形成され、回転軸５２と隙間を有して軸線７方向にスライド可能かつ軸線７の回りに回転可能に嵌合している。スリーブ６１と回転軸５２の突起部５２ａとは、相互に軸線７方向に当接可能に形成されている。

コイルディスク６２は、円板状のプリント配線板から構成されており、スリーブ６１の下面に接着剤で固定されている。コイルディスク６２には、導体パターンにより、軸線７を中心として周方向に配列された図略の複数のコイルが形成されている。複数のコイルは、軸線７を中心として放射状に形成された複数のコイル片から構成され、それぞれ略環状（略コ字状）に形成されている。なお、コイルディスク６２は、例えば、両面に導体パターンが形成されていても良く、複数のプリント配線板を積層して構成されていても良く、多層プリント配線板から構成されていても良い。

コミュテータ６３は、軸線７を中心として周方向に配列された図略の複数のコミュテータ片から構成されており、平板状に形成され、スリーブ６１の上面に固定されている。各コミュテータ片は、スリーブ６１に設けられた図略の接続ディスクを介して、コイルディスク６２の対応するコイルと電気的に接続されている。

固定子５４は、マグネット７１と、ヨーク７２，７３と、から構成されている。マグネット７１は、図示は省略するが、軸線７の周囲に複数配列されている。ヨーク７２，７３は、鉄等の磁性体から円環板状に形成されており、それぞれコイルディスク６２の下面及び上面と対向して、ハウジング５１に固定されている。マグネット７１は、コイルディスク６２の下面と対向して、ヨーク７２の上面に固着されている。ヨーク７２，７３は、マグネット７１が発生する磁束がコイルディスク６２を軸線７方向に通過するように、磁路を形成する。なお、マグネット７１及びヨーク７２，７３は、磁束発生手段を構成している。

一対の摺動子５５ａ，５５ｂは、モータハウジング５１に固定された一対の摺動子ホルダ５６ａ，５６ｂに保持され、コミュテータ６３の上面に摺接するように、軸線７を挟んで配置されている。なお、一対の摺動子５５ａ，５５ｂは、一対の摺動子ホルダ５６ａ，５６ｂに設けられた図略のスプリングにより、コミュテータ６３の上面に向けて付勢されている。また、一対の摺動子５５ａ，５５ｂは、電気伝導性を有するカーボンから形成されており、操作棹２０に挿通された一対の電源線２９ａ，２９ｂに接続されている。

一対のフランジ５８ａ，５８ｂは、ステンレス鋼等から形成され、回転軸５２に形成された図略のキー溝、Ｄカット、又はスプライン等と嵌合することにより、軸線７方向にスライド可能かつ軸線７の回りに回転不能に、回転軸５２に取り付けられている。一対のフランジ５８ａ，５８ｂは、ナット５９を回転軸５２のねじ部５２ｂに締め付けることにより、軸受５７ｂの内輪に押圧されると共に相互に接合する方向に締結され、回転刃４０を挟持する。なお、フランジ５８ａには、回転刃に草等が絡みつくことを防止するため、外径方向の気流を生成するファン５８ｃが取り付けられている。

モータ保護機構８０は、図３に示すように、ワッシャ８１と、スプリング８２と、上述のスリーブ６１と、上述の回転軸５２の突起部５２ｂと、から構成されている。

ワッシャ８１は、軸受５７ａの内輪に固定され、回転軸５２と隙間を有して嵌合している。スプリング８２は、圧縮コイルばねから構成されており、内周部が回転軸５２に案内されると共に、上端部と下端部とがそれぞれワッシャ８１とスリーブ６１とに支持されている。そして、スリーブ６１と回転軸５２とは、スプリング８２により、軸受５７ｂの内輪に押圧されると共に、相互に接合する方向に付勢されている。従って、回転子５３と回転軸５２とは、スリーブ６１と回転軸５２の突起部５２ｂとの摩擦力により、軸線７の回りに同軸に接続されている。すなわち、モータ保護機構８０は、いわゆる摩擦クラッチから構成されている。なお、スプリング８２の荷重は、回転子５３と回転軸５２との伝達トルクが所定の大きさを超えたときにスリーブ６１と突起部５２ｂとが滑るように、設定されている。

次に、モータ５０及びこれを備える刈払機１の動作について説明する。

ハンドル３０に設けられたトリガスイッチ３６が引かれると、電源部１０の電源回路１４はモータ５０の一対の摺動子５５に電圧を印加する。

一対の摺動子５５に印加された電圧は、コミュテータ６３を介して、固定子５４が発生する磁束を通過するコイルディスク６２のコイルに印加される。コイルディスク６２のコイルには、固定子５４が発生する磁束と垂直方向かつ軸線７と直交方向に電流が流れることから、軸線７を中心とする回転力が発生する。従って、コイルディスク６２に接続されたスリーブ６１、スリーブ６１に接続された回転軸５２、及び回転軸５２に接続された回転刃４０が、軸線７の回りに一体に回転する。そして、回転刃４０は、草等を刈り払う。

回転刃４０が、例えば木枝に押圧される等、何らかの原因により急制動すると、モータ５０の回転子５３と回転軸５２との間に掛かる負荷が増大する。この場合、従来のモータでは、コイルディスクがスリーブから剥離するなど、回転子と回転軸との固定部分が破損する可能性や、コイルディスクの撓みにより基板の表面に印刷されたプリント配線が剥離する可能性がある。しかし、本実施形態のモータ５０では、回転子５３と回転軸５２との伝達トルクが所定の大きさを超えたときに、モータ保護機構８０がスリーブ６１と回転軸５２との相対回転を許容することにより、モータ５０の機械的な破損を防止する。

以上説明したように、上記構成のモータ５０によれば、回転子５３と回転軸５２とを固定するのではなく、モータ保護機構８０を介して接続することにより、回転子５３と回転軸５２との固定部分やコイルディスク６２の破損を防止することができる。従って、モータ５０の信頼性を向上することができる。

また、モータ保護機構８０を摩擦クラッチから構成することにより、部品点数を抑制し、省スペースで簡単な構成によりモータ５０の破損を防止することができる。また、モータ５０と回転刃４０とを直結した場合、クラッチ機能を設ける場所が限られるが、上述のモータ保護機構６０を採用することで、モータハウジング１１を大型化することなく、モータ５０を的確に保護することが可能となる。

また、上記構成の刈払機１によれば、モータ５０と回転刃４０とを減速機や動力伝達部材を介さずに直接に接続することにより、モータ５０の機械的な破損を防止しながら、動力の機械的損失を抑制することができる。このようにした場合、従来のモータによれば、回転刃の急制動時に回転子と回転軸との固定部分に掛かる負荷が増大し、回転子と回転軸との固定部分が破損し易くなる。しかし、本実施形態のモータ５０によれば、モータ保護機構８０を設けることにより、上述のように、回転子５３と回転軸５２との固定部分の破損を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る刈払機について説明する。第２の実施形態の刈払機は、基本的な構成については第１の実施形態の刈払機１と同様であるが、図４に示すモータ５０Ａの構成において第１の実施形態の刈払機１と異なる。従って、本実施形態では、主にモータ５０Ａについて説明し、刈払機の基本的な構成については説明を省略する。また、第１の実施形態の刈払機１と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施形態のモータ５０では、回転子５３と回転軸５２とは固定されず、摩擦クラッチであるモータ保護機構８０により接続されていた。一方、第２の実施形態のモータ５０Ａでは、スリーブ６１Ａと回転軸５２Ａとが隙間無く嵌合することにより、回転子５３Ａと回転軸５２Ａとは固定されている。そして、第２の実施形態のモータ５０Ａでは、第１の実施形態のモータ保護機構８０に代わり、回転軸５２Ａと回転刃４０との接続を解除するモータ保護機構８０Ａが設けられている。

モータ保護機構８０Ａは、図５に示すように、一対のフランジ５８ａ，５８ｂと、スプリング８２Ａと、から構成されている。

一対のフランジ５８ａ，５８ｂは、第１の実施形態と同様に、回転軸５２Ａに形成された図略のキー溝、Ｄカット、又はスプライン等と嵌合することにより、軸線７方向にスライド可能かつ軸線７の回りに回転不能に、回転軸５２Ａに取り付けられている。スプリング８２Ａは、圧縮コイルばねから構成されており、内周部が回転軸５２Ａに案内されると共に、上端部と下端部とがそれぞれフランジ５８ｂとナット５９とに支持されている。一対のフランジ５８ａ，５８ｂは、ナット５９を回転軸５２のねじ部５２ｂに締め付けることにより、軸受５７ｂの内輪に押圧されると共に相互に接合する方向に付勢され、回転刃４０を挟持している。従って、一対のフランジ５８ａ，５８ｂと回転刃４０とは、摩擦力により一体回転可能、かつ相対回転可能に接続されている。すなわち、モータ保護機構８０Ａも、摩擦クラッチから構成されている。なお、スプリング８２Ａの荷重は、回転軸５２Ａと回転刃４０との伝達トルクが所定の大きさを超えたときに一対のフランジ５８ａ，５８ｂと回転刃４０とが滑るように、設定されている。

以上説明したように、上記構成のモータ５０Ａによれば、回転軸５２Ａと回転刃４０とを固定するのではなく、モータ保護機構８０Ａを介して接続することにより、第１の実施形態と同様に、回転子５３Ａと回転軸５２Ａとの固定部分やコイルディスク６２の破損を防止することができる。従って、モータ５０Ａの信頼性を向上することができる。

また、モータ保護機構８０Ａを摩擦クラッチから構成することにより、部品点数を抑制し、簡単な構成によりモータ５０Ａの破損を防止することができる。

また、モータ保護機構８０Ａがモータハウジング５１の外部に配置されているため、メンテナンスを容易とすることができる。

また、モータ５０Ａを備える刈払機によれば、モータ５０Ａと回転刃４０とを減速機や動力伝達部材を介さずに直接に接続することにより、モータ５０Ａの機械的な破損を防止しながら、動力の機械的損失を抑制することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形をしたものも、本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、実施形態のモータ５０，５０Ａは、コイルディスク６２を有する回転子５３，５３Ａと、マグネット７１を有する固定子５４と、から構成された整流子モータであったが、本発明に係る電動モータはこれに限定されるものではなく、例えば、マグネットを有する回転子と、コイルディスクを有する固定子と、から構成されたブラシレスモータであっても良い。また、実施形態のコイルディスク６２はプリント配線板から構成されていたが、本発明に係るコイルディスクはこれに限定されるものではなく、例えば、円板状に配列された複数の薄型コイル等から構成されていても良い。また、実施形態のコミュテータ６３は平板状に形成されていたが、本発明に係るコミュテータはこれに限定されるものではなく、例えば、摺動子と周方向に当接するように、円筒状に形成されていても良い。

また、実施形態のモータ保護機構８０，８０Ａは、弾性部材としてスプリング８１，８１Ａを備えていたが、本発明に係るモータ保護機構はこれに限定されるものではなく、例えば、弾性部材としてゴム弾性体等を備えていても良い。

また、第１の実施形態では、摩擦クラッチを構成する突起部５２ｂとスリーブ６１とは、それぞれ平坦な摺接面を有していたが、本発明に係る突起部とスリーブとはこれに限定されるものではなく、例えば、回転方向に係合する波状や鋸波状の摺接面を有していても良い。さらに、摩擦クラッチは、皿ばね等を有して構成されていてもよい。

また、実施形態のモータ保護機構８０，８０Ａは、摩擦クラッチから構成されていたが、本発明に係るモータ保護機構はこれに限定されるものではなく、例えば、回転子に接続された入力軸と作業具に接続された出力軸との一方に取り付けられ、入力軸と出力軸との他方と径方向に係合することにより、入力軸の動力を出力軸に伝達するコイル継手を備えて構成されていても良い。この場合、回転子と作業具との伝達トルクが増大すると、コイル継手は、径を拡大又は縮小し、入力軸と出力軸との他方との係合を解除することにより、入力軸と出力軸との接続を解除することができる。

また、本発明は、刈払機に限定されず、電動モータを駆動源とする作業機械に広く応用することができる。そして、本発明は、刈払機、サンダ、ポリッシャ、ルータ、送風機、集塵機等、電動モータの動力が減速機等を介さずに作業具（回転工具、ファン等）に直接に伝達される作業機械に適する。

その他、各構成の材質、形状、数量、配置等についても、本発明の目的を達成することが可能な範囲において、適宜変更することができる。

１ 刈払機
７ 軸線
１０ 電源部
１１ 電源ハウジング
１２ 電池
１４ 電源回路
１５ 操作パネル
２０ 操作棹
２９ 電源線
３０ ハンドル
３６ トリガスイッチ
４０ 回転刃
５０，５０Ａ 電動モータ
５１ モータハウジング
５２，５２Ａ 回転軸
５２ａ 突起部
５２ｂ ねじ部
５３ 回転子
５４ 固定子
５５ａ，５５ｂ 摺動子
５６ａ，５６ｂ 摺動子ホルダ
５７ａ，５７ｂ 軸受
５８ａ，５８ｂ フランジ（取付手段）
５８ｃ ファン
５９ ナット
６１，６１Ａ スリーブ
６２ コイルディスク
６３ コミュテータ
７１ マグネット
７２，７３ ヨーク
８０，８０Ａ モータ保護機構
８１ ワッシャ
８２，８２Ａ スプリング（弾性部材）

Claims (9)

1. 回転子と、固定子と、前記回転子に同軸に接続され、前記回転子の動力を作業具に伝達するための回転軸と、を有する電動モータであって、
   前記回転子と前記固定子との何れか一方に設けられ、前記回転軸の軸線方向視において前記回転軸を中心として円周方向に配列された略環状の複数のコイルを有する円板状のコイルディスクと、
   前記回転子と前記固定子との何れか他方に設けられ、前記コイルディスクを前記回転軸の軸線方向に通過する磁束を発生する磁束発生手段と、
   前記回転子と前記作業具との伝達トルクが所定の大きさを超えたときに、前記回転子と前記作業具との接続を解除するモータ保護機構と、を備える、
   ことを特徴とする電動モータ。
2. 前記モータ保護機構は、摩擦クラッチから構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動モータ。
3. 前記モータ保護機構は、前記回転子と前記回転軸との接続を解除する、
   ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の電動モータ。
4. 前記モータ保護機構は、
   前記回転子に設けられ、前記コイルディスク又は前記磁束発生手段を保持し、前記回転軸とスライド可能かつ回転可能に嵌合した円盤状のスリーブと、
   前記回転軸に設けられ、前記スリーブと前記回転軸の軸線方向に当接可能に形成された突起部と、
   前記スリーブと前記突起部とを互いに接合する向きに付勢する弾性部材と、から構成されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電動モータ。
5. 前記作業具を前記回転軸に取り付けるための取付手段を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電動モータ。
6. 前記モータ保護機構は、前記回転軸と前記作業具との接続を解除する、
   ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の電動モータ。
7. 前記モータ保護機構は、
   前記回転軸に取り付けられ、前記作業具を挟持するための一対のフランジと、
   前記一対のフランジを互いに接合する向きに付勢する弾性部材と、から構成されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の電動モータ。
8. 前記一対のフランジは、前記回転軸とスライド可能かつ回転不能に嵌合し、
   前記回転軸は、前記作業具と前記一対のフランジとの相対回転を許容するように、前記作業具と回転可能に嵌合する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の電動モータ。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の電動モータと、前記作業具と、を備える、
   ことを特徴とする作業機械。

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