JP2013000831A - 電動工具 - Google Patents

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Abstract

【課題】ステータコイルの回路基板からの断線リスクを低減することが可能な電動工具を提供する。
【解決手段】インシュレータ15の筒状部15aは、側面に切欠部14を有する。ステータコイル3cの引出し部38は、切欠部14を通って筒状部15aの内側から外側に出て、インバータ回路基板4の外側を経由してインバータ回路基板4の対向面(コイル本体部37との対向面)の側から非対向面の側に延び、前記非対向面の側で曲がって(折り返して)インバータ回路基板4の貫通孔に挿通され、例えば半田付けで電気的に接続される。引出し部38は、最短距離でインバータ回路基板4に接続させずに、たるみを持たせてある。
【選択図】図2

Description

本発明は、ステータコイルを有するモータを駆動源とする電動工具に関する。
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DCモータが使われるようになってきた。ブラシレスDCモータとは、ブラシ(整流用刷子)の無いDC(直流)モータである。ブラシレスDCモータは、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DCモータでは、ステータに巻か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、例えば下記特許文献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としている。
ブラシレスDCモータを用いた電動工具は、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。ブラシレスDCモータには比較的大きな電流が流れるため、スイッチング素子の発熱量は大きくなる。このスイッチング素子を効果的に冷却するため、ハウジングのインバータ回路基板付近には空気口が設けられる。モータの回転軸に対して垂直に回路基板上が配置され、回路基板上にスイッチング素子が配置される。ブラシレスDCモータの回転軸にはファンが取り付けられ、ファンによって空気取入口から外気を吸引し、スイッチング素子やブラシレスDCモータが冷却される。
従来の電動工具において、スイッチング素子を搭載するインバータ回路基板はモータの後方に配置される。インバータ回路やホールIC等を搭載する回路基板はインシュレータの突起に保持される。この従来の構造を図5及び図6を用いて説明する。
図5は、従来の電動工具におけるインバータ回路基板とモータのステータの側面図である。図6は、同背面図である。これらの図では、モータを構成する部品のうちロータや回転軸部分の記載は省略している。ブラシレス方式のモータにおいては、ステータコイル3cの端部を、インシュレータ15の内側を通ってインバータ回路基板4に開けられた穴に貫通させて、反対側からハンダ9で固定する。計6本のステータコイル3cがインバータ回路基板4にハンダ付けされる。また、6つのスイッチング素子5がインバータ回路基板4に搭載される。
特開2010−99823号公報
電動工具の種類が例えばインパクトドライバであると、打撃動作の度に打撃の反力がハンマケースを介してハウジングに伝わり、ハウジングにてステータコア3bが固定されているモータに振動が伝わる。この際、ステータコア3bが打撃の反力で振動することになるので、ステータコア3bにインシュレータ15を介して固定されるインバータ回路基板4も同様に振動する。インバータ回路基板4は、インシュレータ15に対して例えば複数のねじ18で固定されるが、両面基板を用いる場合にはインシュレータ15との接触部分はねじの周囲だけである。そのためねじの固定部分を支点としてインバータ回路基板4が振動により撓むことになる。この回路基板4が撓む現象は、インパクトドライバだけに限らずに、先端工具から反力を受ける電動工具においては同様に生じることである。また、片面基板であっても、振動が伝わる以上は撓みのリスクはある。
従来の電動工具において、モータ3の出力が小さい場合や、インパクト機構による打撃トルクが小さいうちは、インバータ回路基板4の撓みも小さくて無視しても良いレベルであった。しかしながら、打撃トルクの増大化を図ると、ステータコイル3cとインバータ回路基板4に開けられた穴の接触(半田付け部分)領域付近にてステータコイル3cに対して撓みの力が大きくかかるので、ステータコイル3cを破損(断線等)させる恐れがあった。
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、ステータコイルの回路基板からの断線リスクを低減することが可能な電動工具を提供することにある。
本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、
ステータコイルを有するモータと、回路基板とを備え、
前記ステータコイルは、コイル本体部と、前記コイル本体部から引き出されて前記回路基板に電気的に接続された引出し部とを有し、
前記引出し部に、たるみを持たせたことを特徴とする。
前記回路基板の一方の面は、前記コイル本体部と対向する対向面であり、
前記引出し部は、前記回路基板の前記対向面の側から他方の面の側に延び、前記他方の面の側で曲がって前記回路基板に接続されていてもよい。
前記引出し部は、前記回路基板の前記他方の面の側の少なくとも一部が、前記他方の面から離れるようにたるんでいてもよい。
前記電動工具において、
ステータコアから前記回路基板に向けて筒状に延びる筒状部を有するインシュレータを備え、
前記筒状部の端部に前記回路基板が固定され、
前記筒状部は、側面に切欠又は開口を有し、
前記引出し部は、前記切欠又は前記開口を通って前記筒状部の内側から前記回路基板の外側に出て、前記回路基板の前記対向面の側から前記他方の面の側に延びていてもよい。
前記筒状部の軸方向が前記モータの軸方向と略平行であってもよい。
前記モータを駆動源とし、回転打撃力によって先端工具にトルクを与えることが可能な回転打撃機構を備えてもよい。
前記モータがブラシレスDCモータであってもよい。
前記モータ及び前記回路基板を収容するハウジングを備え、前記ステータコイル及び前記回路基板が前記ハウジング内で固定されていてもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、ステータコイルの引出し部にたるみを持たせてあるので、ステータコイルの回路基板からの断線リスクを低減することが可能となる。
本発明の実施の形態に係る電動工具の内部構成を示す側断面図。 図1のステータコイルとインバータ回路基板との接続構造を示す側面図。 同接続構造を後方から見た背面図。 図1に示すモータの駆動制御系の回路構成を示すブロック図。 従来技術におけるインバータ回路基板とモータのステータの側面図。 同背面図。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図1は、本発明の実施の形態に係る電動工具1の内部構成を示す側断面図である。電動工具1は、例えばインパクトドライバである。インパクトドライバにおいて先端工具を回転駆動する構成は公知のものでよいが、以下、一例を説明する。
電動工具1は、充電可能なバッテリ39を電源とし、モータ3を駆動源として回転打撃機構21を駆動し、出力軸であるアンビル30に回転力と打撃力を与え、スリーブ31に覆われる取付穴30a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。
ブラシレスDC方式(例えば4極6コイル、2極3コイル等)のモータ3は、側面視で略T字状の形状を成すハウジング2の筒状の胴体部2a内に収容される。モータ3の回転軸3eは、ハウジング2の胴体部2aの中央部付近に設けられるベアリング19a(軸受け部材)と後端側のベアリング19b(軸受け部材)によって回転可能に保持される。モータ3の前方には、回転軸3eと同軸に取り付けられモータ3と同期して回転するロータファン13が設けられる。モータ3の後方には、モータ3を駆動するためのインバータ回路基板4が配設される。ロータファン13によって起こされる空気流は、ハウジング2の胴体部2aの後ろ側に形成された空気取入孔17、及びインバータ回路基板4の周囲のハウジング部分に形成された図示しない空気取入口から胴体部2aの内部に取り込まれ、主にロータ3aとステータコア3bの間を通過するように流れ、さらにロータファン13の後方から吸引されてロータファン13の半径方向に流れ、ロータファン13の周囲のハウジング部分に形成された図示しない空気排出口からハウジング2の外部に排出される。
インバータ回路基板4は、モータ3の外形とほぼ同径の円環状の多層基板であり、インバータ回路基板4上にはFET(Field Effect Transistor)等の複数のスイッチング素子5や、ホールIC等の位置検出素子、及びその他の電子素子が搭載される。ロータ3aとベアリング19bの間には、プラスチック製のスペーサ35が設けられる。スペーサ35の形状は略円筒形で、ベアリング19bとロータ3aとの間の間隔を一定に保つために配置される。
ハウジング2の胴体部2aから略直角に一体に延びるハンドル部2b内の上部にはトリガスイッチ6が配設され、トリガスイッチ6の下方にはスイッチ基板7が設けられる。ハンドル部2b内の下部には、トリガ6aの引き動作によって前記モータ3の速度を制御する機能を備えた制御回路基板8が収容され、この制御回路基板8は、バッテリ39とトリガスイッチ6に電気的に接続される。制御回路基板8は、信号線12を介してインバータ回路基板4と接続される。ハンドル部2bの下方のバッテリ取付部2cには、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等で構成されるバッテリ39が着脱可能に装着される。
回転打撃機構21は、遊星歯車減速機構22とスピンドル27とハンマ24を備え、後端がベアリング20、前端がメタル軸受け29により保持される。トリガスイッチ6が引かれてモータ3が起動されると、正逆切替レバー10で設定された方向にモータ3が回転を始め、その回転力は遊星歯車減速機構22によって減速されてスピンドル27に伝達され、スピンドル27が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル27とハンマ24とはカム機構によって連結され、このカム機構は、スピンドル27の外周面に形成されたV字状のスピンドルカム溝25と、ハンマ24の内周面に形成されたハンマカム溝28と、これらのカム溝25、28に係合するボール26によって構成される。
ハンマ24は、スプリング23によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール26とカム溝25、28との係合によってアンビル30の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ24とアンビル30の相対向する回転平面上の2箇所には図示しない凸部がそれぞれ対称的に形成されている。
スピンドル27が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ24に伝達され、ハンマ24が半回転しないうちにハンマ24の凸部がアンビル30の凸部に係合してアンビル30を回転させるが、そのときの係合反力によってスピンドル27とハンマ24との間に相対回転が生ずると、ハンマ24はカム機構のスピンドルカム溝25に沿ってスプリング23を圧縮しながらモータ3側へと後退を始める。
そして、ハンマ24の後退動によってハンマ24の凸部がアンビル30の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ24は、スピンドル27の回転力に加え、スプリング23に蓄積されていた弾性エネルギーとカム機構の作用によって回転方向及び前方に急速に加速されつつ、スプリング23の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル30の凸部に再び係合して一体に回転し始める。このとき、強力な回転打撃力がアンビル30に加えられるため、アンビル30の取付穴30aに装着される図示しない先端工具を介してねじに回転打撃力が伝達される。以後、同様の動作が繰り返されて先端工具からねじに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、例えば、ねじが木材等の図示しない被締め付け材にねじ込まれる。なお、ライト51は、先端工具の先端側と被締め付け材を照らす。
図2は、図1のステータコイル3cとインバータ回路基板4との接続構造を示す側面図である。図3は、同接続構造を後方から見た背面図である。本図に示す接続構造は、従来技術と異なる本実施の形態の特徴の一つである。
ステータコイル3cは、コイル本体部37と、引出し部38とを有する。コイル本体部37は、図1に示すロータマグネット3dに印加する磁界を発生する。引出し部38は、コイル本体部37から引き出されてインバータ回路基板4に電気的に接続される。
インバータ回路基板4は、図1に示すモータ3の回転軸3eと垂直であり、一方の面がコイル本体部37との対向面で、他方の面は非対向面である。インバータ回路基板4は、例えばガラスエポキシ基板 (ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めたもの)で構成された多層基板であり、ステータコア3bの外径とほぼ同じ径の略円環状とされる。
インシュレータ15は、ステータコア3bと、ステータコイル3c及びインバータ回路基板4とを絶縁するものであって、ステータコア3bからインバータ回路基板4に向けて筒状(例えば円筒状)に延びる筒状部15aを有する。筒状部15aの軸方向はモータ3の回転軸3eの方向と略平行である。筒状部15aの端部にインバータ回路基板4が固定される。具体的には、インバータ回路基板4の周囲には4つの取付穴が形成され、この取付穴を貫通するねじ18によってインバータ回路基板4がインシュレータ15にねじ止めされる。したがって、インバータ回路基板4は、ステータに対して固定状態となる。インバータ回路基板4の中央にはモータ3の回転軸3e及びスペーサ35を貫通させるための穴4aが形成され、穴4aを囲むように6つのスイッチング素子5がインバータ回路基板4上に立てた状態で取り付けられる。
インシュレータ15の筒状部15aは、側面に切欠部14(又は開口部)を有する。切欠部14は、ハウジング2の胴体部2aに設けられた空気取入れ用の不図示のスロット(空気取入口)と対向する位置に設けられる。ステータコイル3cの引出し部38は、切欠部14を通って筒状部15aの内側から外側に出て、インバータ回路基板4の外側を経由してインバータ回路基板4の前記対向面(コイル本体部37との対向面)の側から前記非対向面の側に延び、前記非対向面の側で曲がって(折り返して)インバータ回路基板4の貫通孔に挿通され、例えば半田9による半田付けでインバータ回路基板4に電気的に接続される。このように、引出し部38は、コイル本体部37から最短距離でインバータ回路基板4に接続させずに、たるみを持たせてある。たるみの持たせ方は種々あるが、図2及び図3の例では、引出し部38は、インバータ回路基板4の前記非対向面の側で、前記非対向面から離れるようにたるんでいる。
モータ3の駆動制御系の構成と作用は公知のものでよいが、図4を用いて一例を説明する。図4は、モータの駆動制御系の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、モータ3は3相のブラシレスDCモータで構成される。このブラシレスDCモータは、いわゆるインナーロータ型であって、複数組(本実施の形態では2組)のN極とS極を含むロータマグネット3dを含んで構成されるロータ3a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3c及びステータコア3bを含むステータと、ロータ3a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42を有する。これら位置検出素子42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3が回転する。位置検出素子42は、インバータ回路基板4上の、ロータ3aに対向する位置に設けられる。
インバータ回路基板4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等の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、制御回路基板8に搭載される制御信号出力回路46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。これによって、6個のスイッチング素子Q1〜Q6は、制御信号出力回路46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47に印加されるバッテリ39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。
6個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信号)H4、H5、H6として供給し、制御回路基板8上に搭載された演算部41によって、トリガスイッチ6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信号は、インバータ回路47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39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、本実施の形態では、負電源側スイッチング素子Q4〜Q6にPWM信号が供給されるため、PWM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。
電動工具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10が設けられ、回転方向設定回路50は正逆切替レバー10の変化を検出するごとに、モータの回転方向を切り替えて、その制御信号を演算部41に送信する。演算部41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46は、回転方向設定回路50と回転子位置検出回路43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46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、ロータを設定された回転方向に回転させる。この場合、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49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。モータ3に供給される電流値は、電流検出回路48によって測定され、その値が演算部41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。
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
(1) ステータコイル3cの引出し部38をインバータ回路基板4の外側からまわり込むよう成形し、たるみを持たせた状態でインバータ回路基板4に半田付けする構成としているため、回転打撃時の反力等の外力が加わっても半田部(接続部)にストレスがかかりにくくなる。すなわち、引出し部38のたるみの分だけ力が逃げる構造となり、ステータコイル3cのインバータ回路基板4からの断線リスクを低減ないし無くすことができる。このため、モータひいて製品の寿命を延ばし、かつ信頼性を向上させた電動工具を実現可能である。
(2) ハウジング2の胴体部2aに設けられた空気取入れ用の不図示のスロットからインシュレータ15の側面の切欠部14を通ってステータコイル3cに風が当たる構成となり、冷却性能が良い。すなわち、風窓として機能する切欠部14入口付近にステータコイル3cを配設することができ、流速の高い冷却風を当てることでステータコイル3cの温度上昇を効果的に抑制することができる。
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
ステータコイル3cの引出し部38は、インバータ回路基板4に設けた通過用の貫通孔(半田付け等で引出し部38を接続する貫通孔とは別の貫通孔であり、図3の穴4aでもよいし、別途設けた貫通孔でもよい)を通ってインバータ回路基板4の前記対向面(コイル本体部37との対向面)の側から前記非対向面の側に延びて折り返されてもよい。あるいは、ステータコイル3cの引出し部38は、ステータコア3b、インシュレータ15、及びインバータ回路基板4の外側を経由してインバータ回路基板4の前記対向面の側から前記非対向面の側に延びて折り返されてもよい。さらに、ステータコイル3cの引出し部38は、たるみを持たせてある限りは、インバータ回路基板4の前記対向面の側から直接接続用の貫通孔に挿通されて半田付け等されてもよい。
モータは、ステータコイルを有するものであれば、コンミテータを有するブラシ付きモータであってもよい。
電動工具は、ステータコイルを有するモータを駆動源とするものであれば、電動ドライバ等の締付機に限らず、例えば携帯用丸鋸、携帯用グライダ、携帯用ハンマ・ハンマドリル等、他の電動工具にも広く適用可能である。
1 電動工具
2 ハウジング
2a 胴体部
2b ハンドル部
2c バッテリ取付部
3 モータ
3a ロータ
3b ステータコア
3c ステータコイル
3d ロータマグネット
3e 回転軸
4 インバータ回路基板
4a 穴
5 スイッチング素子
6 トリガスイッチ
6a トリガ
7 スイッチ基板
8 制御回路基板
9 ハンダ
10 正逆切替レバー
12 信号線
13 ロータファン
14 切欠部
15 インシュレータ
17 空気取入孔
18 ねじ
19a、19b、20 ベアリング
21 回転打撃機構
22 遊星歯車減速機構
23 スプリング
24 ハンマ
25 スピンドルカム溝
26 ボール
27 スピンドル
28 ハンマカム溝
29 メタル
30 アンビル
30a 取付穴
35 スペーサ
39 バッテリ

Claims (8)

  1. ステータコイルを有するモータと、回路基板とを備え、
    前記ステータコイルは、コイル本体部と、前記コイル本体部から引き出されて前記回路基板に電気的に接続された引出し部とを有し、
    前記引出し部に、たるみを持たせたことを特徴とする、電動工具。
  2. 前記回路基板の一方の面は、前記コイル本体部と対向する対向面であり、
    前記引出し部は、前記回路基板の前記対向面の側から他方の面の側に延び、前記他方の面の側で曲がって前記回路基板に接続されている、請求項1に記載の電動工具。
  3. 前記引出し部は、前記回路基板の前記他方の面の側の少なくとも一部が、前記他方の面から離れるようにたるんでいる、請求項2に記載の電動工具。
  4. ステータコアから前記回路基板に向けて筒状に延びる筒状部を有するインシュレータを備え、
    前記筒状部の端部に前記回路基板が固定され、
    前記筒状部は、側面に切欠又は開口を有し、
    前記引出し部は、前記切欠又は前記開口を通って前記筒状部の内側から前記回路基板の外側に出て、前記回路基板の前記対向面の側から前記他方の面の側に延びている、請求項2又は3に記載の電動工具。
  5. 前記筒状部の軸方向が前記モータの軸方向と略平行である請求項4に記載の電動工具。
  6. 前記モータを駆動源とし、回転打撃力によって先端工具にトルクを与えることが可能な回転打撃機構を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の電動工具。
  7. 前記モータがブラシレスDCモータである請求項1から6のいずれか一項に記載の電動工具。
  8. 前記モータ及び前記回路基板を収容するハウジングを備え、前記ステータコイル及び前記回路基板が前記ハウジング内で固定されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の電動工具。
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