JP2014107965A

JP2014107965A - 電動工具

Info

Publication number: JP2014107965A
Application number: JP2012259410A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Tanimoto; 英之谷本; Yoshihiro Nakano; 義博仲野; Hiroki Uchida; 洋樹内田; Yoshihiro Komuro; 義広小室
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】従来と比較してビス締めスピードを向上することの可能な電動工具を提供する。
【解決手段】インパクト工具の全長は１２０〜１３８ｍｍであり、電池パック１１の定格電圧は１４．４〜１８Ｖ（最大電圧１６〜２０Ｖ）である。駆動源となるブラシレスモータは、ステータコア３１の外径が４８．５±２ｍｍ、ティース幅が５．４〜６．６ｍｍ、ヨーク幅がティース幅の１／２、コイル巻数が８．５〜１１．５ターン／スロット、かつコイル線径が１．１〜１．３ｍｍである。ブラシレスモータの回転数は、実作業時のブラシレスモータのトルク範囲（例えば０．１５〜０．２０Ｎ・ｍ）の全域で１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、インパクトドライバ等のインパクト工具を含む電動工具に関する。

電池パックの電力によりブラシレスモータを回転させ、回転打撃機構により先端工具に回転打撃力を与えてビス締め等の作業を行う電動工具としてインパクト工具が知られている（下記特許文献１、２）。

特開２００９−７２８８９号公報特開２０１０−９９８２３号公報

上記のようなインパクト工具においては、１充電あたりのビス締め本数や製品小型化が重要視される一方、ビス締めスピードの向上は優先順位が低く、市場の要求するスピードを満たせていないという課題があった。

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、従来と比較してビス締めスピードを向上することの可能なインパクト工具を提供することにある。

本発明のある態様は、インパクト工具である。このインパクト工具は、モータと、前記モータによって駆動される回転打撃機構とを備え、前記モータは、実作業時のトルク範囲において回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能である。

本発明のもう１つの態様は、インパクト工具であり、モータと、前記モータによって駆動される回転打撃機構とを備え、前記モータは、０．１５〜０．２０Ｎ・ｍのトルク範囲の少なくとも一部において回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能である。

前記モータは、０．１５〜０．２０Ｎ・ｍの全トルク範囲において回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能であってもよい。

前記モータは、前記トルク範囲において回転数が１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1になるとき、印加電圧のデューティ比が１００％であってもよい。

全長が１２０〜１３８ｍｍであってもよい。

前記モータを駆動する電池の最大電圧が１６〜２０Ｖであってもよい。

前記モータがブラシレスモータであり、前記モータのステータの外径が４８．５±２ｍｍであり、前記ステータのティース幅が５．４〜６．６ｍｍであってもよい。

本発明のもう１つの態様は、インパクト工具であり、モータと、前記モータによって駆動される回転打撃機構とを備え、前記モータがブラシレスモータであり、前記モータのステータの外径が４８．５±２ｍｍであり、前記ステータのティース幅が５．４〜６．６ｍｍである。

前記ステータのスロットが６個であってもよい。

前記ステータのコイル巻数は１スロットあたり８．５〜１１．５ターンでもよい。

前記ステータのコイル線径が１．１〜１．３ｍｍであってもよい。

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、従来と比較してビス締めスピードを向上することの可能なインパクト工具を提供できる。

本発明の実施の形態に係る電動工具（インパクトドライバ）の内部構成図。図１のブラシレスモータ２近傍の拡大図。ブラシレスモータ２のロータの正面図（軸方向から見た図）。ブラシレスモータ２の正面図（軸方向から見た図）。ティース部３３に流れる磁束量（縦軸）とティース幅（横軸）の特性図。ブラシレスモータ２の回転数（横軸）と、１２０ｍｍのビス締めに要する時間（左側の縦軸）及び運転電流（右側の縦軸）との特性図。コイル３５のターン数とブラシレスモータ２の回転数との特性図。ブラシレスモータ２のトルクと回転数との特性図。

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（インパクトドライバ）の内部構成図である。この電動工具のハウジング１は、本体胴体部１ａと、ハンドル部１ｂとを有する。本体胴体部１ａの中間部からハンドル部１ｂが下方に延び、ハウジング１は全体として略Ｔ字状となっている。本体胴体部１ａ内にはブラシレスモータ２及び回転打撃機構が設けられる。すなわち、本体胴体部１ａ内において、ブラシレスモータ２に減速機構３（例えば遊星歯車機構）を介してスピンドル４が連結され、スピンドル４にはスプリング５（圧縮ばね）及びスチールボール６を介してハンマ７が連結され、ハンマ７の先端側にアンビル８が設けられる。アンビル８の先端にはドライバビット等の先端工具を装着する先端工具取付穴９が設けられる。ネジ締め等の作業の際には、使用者がハンドル部１ｂを握ってトリガ１０を引くと、ハンドル部１ｂの下端に取り付けられた電池パック１１からブラシレスモータ２に電力が供給され、ブラシレスモータ２の回転によりスピンドル４及びハンマ７が回転し、ハンマ７がアンビル８に回転打撃力を印加する。なお、こうした回転打撃機構の構成、動作は周知なのでこれ以上の詳細な説明は省略する。

図２は、図１のブラシレスモータ２近傍の拡大図である。図３（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ、ブラシレスモータ２のロータの好ましい例を示す正面図（軸方向から見た図）である。図４は、ブラシレスモータ２の正面図（軸方向から見た図）である。但し、図４において、図２に示されるインシュレータ３４とコイル３５の図示を省略している。図２に示すように、ブラシレスモータ２は、ハウジング１の本体胴体部１ａの、ハンドル部１ｂの付け根部分より後方に存在し又は延在する。

シャフト２１の周囲にロータコア２２が設けられる。ロータコア２２は、例えば電磁鋼板を積層して円筒形状にしたものである。図３に示すように、ロータコア２２は中心にシャフト挿入穴２７を有する。本実施の形態ではロータが４極であり、ロータコア２２は、シャフト挿入穴２７の周囲に４つの磁石挿入部２４を有する。隣り合う磁石挿入部２４の間は仕切り部２５によって仕切られる。シャフト挿入穴２７をシャフト２１が貫通し、各々の磁石挿入部２４には永久磁石２３が挿入保持される。

図４に示すように、ロータコア２２の外周には、ステータコア３１がハウジング１の本体胴体部１ａに保持される。ステータコア３１は、ヨーク部３２とティース部３３とを有する。ヨーク部３２は、円筒状にロータコア２２を囲む。ティース部３３は、ヨーク部３２からロータコア２２側に延びる。本実施の形態ではステータが６スロットであり、６つのティース部３３が等角度間隔でヨーク部３２から延びる。各々のティース部３３には図２に示すようにインシュレータ３４を介してコイル３５が巻回される。

図３（Ａ）〜（Ｅ）により永久磁石２３の形状のバリエーションを説明する。

図３（Ａ）では、永久磁石２３の外周側の面は、シャフト２１が曲率中心側となるように湾曲した湾曲面（好ましくはシャフト２１を中心とする円弧面）であり、ロータコア２２の外周部２９に覆われている。永久磁石２３の内周側の面は、シャフト２１と正対する３つの平面（シャフト２１を中心とする円弧面に沿う３つの平面）からなる。永久磁石２３の外周側の面及び内周側の面の両端角部はそれぞれ面取り部２８となっている。図３（Ａ）に示すように永久磁石２３の外周側の面を湾曲面とすることで、従来のように平板状の永久磁石を用いる場合と比較して、永久磁石２３の外周側の表面積が大きく、磁束量が増して高出力化に有利である。また、永久磁石２３の内周側の面を曲面と比較して加工精度の良い平面の組合せとしているため、衝撃を面で受けやすくなり、衝撃印加時に破損しにくい。さらに、面取り部２８を設けることで尖った部分を無くしているため、応力集中が無くなり、永久磁石２３が破損しにくい。さらに、ハウジング１の本体胴体部１ａのうちハンドル部１ｂの付け根部分より後方に突出した箇所はたわみやすく、ここにブラシレスモータ２が延在することで、(1)外周部２９が緩衝バネの役割を果たし、永久磁石２３に加わる径方向の衝撃を緩和するため、永久磁石２３が薄型でよく低コスト化に有利であるとともに、(2)径方向に延びる仕切り部２５が緩衝バネの役割を果たし、永久磁石２３に加わる円周方向の衝撃を緩和するため、永久磁石２３の空転も防止できる。

この構成の永久磁石２３は、電動工具全般に使用することができるが、特にドライバドリル等の電動工具に比べて作業時のモータへの衝撃が大きいインパクトドライバに使用することが有効である。インパクトドライバは周知の通り、ハンマ７がアンビル８を打撃することでトルクを発生し、先端工具取付穴９に取り付けられた先端工具に回転力を伝達する構成である。ハンマ７とアンビル８の打撃により生じる衝撃がブラシレスモータ２に伝達される。この衝撃は磁石挿入部２４に挿入された永久磁石２３に伝達される。従来のように平板状の永久磁石を用いる場合、永久磁石の外周側に位置する外周部２９は、径方向において永久磁石からロータ外周部までの厚みが厚くなってしまう。ロータに伝達された衝撃力は永久磁石に加わるが、外周部２９は厚いため衝撃力によって変形して緩衝することができない。そのため、永久磁石が破損してしまう可能性がある。これに対して本実施の形態は、永久磁石を円弧状に構成することで外周部２９が薄くできるため、永久磁石に衝撃が加わっても外周部２９が変形して衝撃を緩和することができ、永久磁石の破損を防止することができる。特に、永久磁石として割れやすいサマリウムコバルト磁石を使用した場合や、薄型のネオジム磁石を使用した場合に有効である。すなわち、上述したような永久磁石の形状と配置を組み合わせることにより、インパクトドライバ等の打撃力が発生する電動工具に使用することができる。

図３（Ｂ）では、図３（Ａ）と異なり、永久磁石２３の外周側の面は、シャフト２１が曲率中心側となる湾曲面（好ましくはシャフト２１を中心とする円弧面）に沿う３つの平面からなる。この場合も、従来のように平板状の永久磁石を用いる場合と比較して、永久磁石２３の外周側の表面積が大きく、磁束量が増して高出力化に有利である。図３（Ｂ）におけるその他の点は図３（Ａ）と同様であり、同様の作用効果を奏する。

図３（Ｃ）では、図３（Ａ）と異なり、永久磁石２３の内周側の面は単一の平面からなる。また、永久磁石２３の内周側の面の両端には面取り部２８が設けられていない。図３（Ｃ）におけるその他の点は図３（Ａ）と同様であり、同様の作用効果を奏する。

図３（Ｄ）では、図３（Ａ）と異なり、永久磁石２３の外周側の円弧状湾曲面３０ａがロータコア２２から露出し、円弧状湾曲面３０ａの軸周り方向両端側に円弧状湾曲面３０ａから凹んだ段差面３０ｂが設けられる。また、図３（Ａ）では磁石挿入部２４が孔であったが、図３（Ｄ）では磁石挿入部２４はロータコア２２の外周面に設けられた溝である。ロータコア２２は、永久磁石２３の段差面３０ｂを覆う抜止め部２６を有する。抜止め部２６が段差面３０ｂを係止することで永久磁石２３の外周側への抜けが防止される。図３（Ｄ）におけるその他の点は図３（Ａ）と同様であり、同様の作用効果を奏する。また、抜止め部２６が図３（Ａ）等の外周部２９と同様に、従来の外周部と比較して薄くなっているため、永久磁石に加わる衝撃力を緩和することができるため永久磁石の破損を防止することができる。

図３（Ｅ）では、ロータの４極に対し平板状の永久磁石２３を８つ、すなわちロータの１極につき永久磁石２３を２つ用いる。各々の対を成す２つの永久磁石２３は、シャフト２１が曲率中心側となる湾曲面（好ましくはシャフト２１を中心とする円弧面）に沿う配置である。４つの磁石挿入部２４（孔）はそれぞれロータの同じ極に属する２つの永久磁石２３を挿入保持する。図３（Ｅ）のようにロータの１極につき永久磁石２３を２つ用いることで、従来のようにロータの１極につき永久磁石２３を１つのみ用いる場合と比較して永久磁石２３の外周側の表面積（１極あたりの表面積）を大きくすることができ、磁束量を増やすことができ高出力化に有利である。また、外周部２９の厚みも薄くできるため、永久磁石２３に衝撃が加わった際に変形することで衝撃を緩和できるため、永久磁石の破損を防止することができる。

以下、ステータ側の各種パラメータについて説明する。

ステータ外径（ステータコア３１の外径）は、４８．５±２ｍｍとする。ステータ外径を大きくするほどステータコア３１のヨーク部３２を太くして磁束を出しやすい（高出力化に有利である）とともに、太い線径のコイルを巻けるので銅損低減により温度上昇を低減できる。従来、ブラシレスモータ２を収納する本体胴体部１ａの最大外径はブラシレスモータ２の先端側の機構部（例えば減速機構３からハンマ７までの機構）の外径で決まっていた。本体胴体部１ａの最大外径は作業性に影響するため大きくしないという制約の下で、ステータ外径は、機構部の外径とほぼ同等の４８．５±２ｍｍとする。また、ステータ厚さ（ステータコア３１の軸方向長さ（積厚））は、電動工具の全長の制約の中でできるだけ長い８〜１２ｍｍとする。

ティース幅（ティース部３３の幅）は５．４〜６．６ｍｍとし、ヨーク幅（ヨーク部３２の幅）はティース幅の１／２とする。図５は、ティース部３３に流れる磁束量（縦軸）とティース幅（横軸）の特性図である。縦軸はティース幅４．８ｍｍにおける磁束量を１００％とする比率で示している。本図に示すように、ティース幅を６ｍｍ以上に大きくしても磁束量はほとんど変わらず高出力化に寄与しないで、ティース幅の最適値は６ｍｍであることが分かる。このため、ティース幅は６ｍｍの近傍（６ｍｍ±１０％）とする。また、ステータコア３１において、ヨーク部３２に流れる磁束量は、図４に示すようにティース部３３に流れる磁束量の１／２である。このため、ヨーク幅はティース幅の１／２とする。

図６は、ブラシレスモータ２の回転数（横軸）と、１２０ｍｍのビス締めに要する時間（左側の縦軸）及び運転電流（右側の縦軸）との特性図である。ブラシレスモータ２の回転数は、実作業時のブラシレスモータ２のトルク範囲（例えば０．１５〜０．２０Ｎ・ｍ）のうち０．１５Ｎ・ｍにおける回転数であり、コイル３５の巻数を変えることで変化させている。なお、所定のトルクにおける回転数はモータ特性測定装置にて測定可能である。また、ブラシレスモータ２に印加する電圧（電池パック１１の電圧）は１４．４Ｖで、デューティ比は１００％としている。一般的に、コイル巻数を減らせばモータ回転数が増加し、コイル巻数を増やせばモータ回転数が低下する関係にある。ビス締めを例えば５秒以下まで高速化するためには、図６から明らかなようにブラシレスモータ２の回転数を１４６００ｍｉｎ^-1（ｒｐｍ）以上とする必要がある。一方、図６に示すように、ブラシレスモータ２の回転数を１９０００ｍｉｎ^-1以上に高めても、ビス締めに要する時間は短くならず、むしろ長くなる。これは、ブラシレスモータ２の回転数が高すぎると回転打撃機構が追従しなくなるためと考えられる。よって、ブラシレスモータ２の回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1（図６の点線の範囲内）とすることが重要である。ブラシレスモータ２の回転数は、電池パック１１の定格電圧１４．４〜１８Ｖ（最大電圧１６〜２０Ｖ）のときに、実作業時のブラシレスモータ２のトルク範囲（例えば０．１５〜０．２０Ｎ・ｍ）の全域で１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能であるとよい。このため、ステータ外径、ステータ厚さ、ティース幅、及びヨーク幅を上記の範囲にするとともに、コイル３５の巻数を８．５〜１１．５ターン／スロットとする。特に、運転電流とビス締め時間のバランスを考えるとブラシレスモータ２の回転数は１５６００ｍｉｎ^-1が最適であり、コイル３５の巻数は１０．５ターン／スロットが最適である。

図７はコイル３５のターン数とブラシレスモータ２の回転数との特性図である。従来（図中の▲）はターン数が１２．５ターン／スロットと多いため回転数が１３５００ｍｉｎ^-1となり低い。これに対し、コイル３５の巻数を８．５〜１１．５ターン／スロットとすると（図中の●）回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能である。一方、運転電流を大きくしすぎるとブラシレスモータ２の温度上昇が問題になる場合がある。コイル３５の線径は、できるだけ太くして銅損を減らすのが好ましく、ここではスロットサイズとの関係も考慮して１．１〜１．３ｍｍとする。また、図１に示すように電動工具の全長は１２０〜１３８ｍｍとする。なお、スロット面積（スロットサイズ）は、ステータ外径が４８．５±２ｍｍ（４６．５ｍｍ〜５０．５ｍｍ）で外径の二乗に比例する。ステータ外径が４８．５ｍｍのときのスロット面積は２８．７ｍｍ²であるから、スロット面積の最小値は、２８．７×（４６．５／４８．５）²＝２６．４ｍｍ²、同様に最大値は３１．１ｍｍ²となる。従って、スロット面積は２６．４ｍｍ²〜３１．１ｍｍ²が最適である。

また、図８はブラシレスモータ２のトルクと回転数との特性図である。従来（図中の○）はトルクが０．１５〜０．２０Ｎ・ｍの領域において１４６００ｍｉｎ^-1以上の高い回転数とすることができなかった。これに対し、ステータ外径、ステータ厚さ、ティース幅、及びヨーク幅を上記の範囲にする設定することにより（図中の□）、トルクが０．１５〜０．２０Ｎ・ｍの領域でブラシレスモータ２の回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能となる。なお、この特性は、ブラシレスモータ２に印加する電池パック１１が定格１４．４Ｖで満充電の状態であって、ティース幅が６．０ｍｍ、ヨーク幅が３．０ｍｍの場合である。

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) 図３（Ａ）〜（Ｅ）で説明したとおり、従来と比較して永久磁石２３の外周側の表面積が大きいため、磁束量が増して高出力化に有利である。また、高価なネオジム磁石に替えて安価な例えばサマリウムコバルト磁石を用いても必要な磁束量を得ることができ、低コスト化に有利である。

(2) 上記の構成によりインパクト工具の実作業トルク範囲においてブラシレスモータ２の回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることができるため、従来構成（１２８００〜１３５００ｍｉｎ^-1）と比較して１本あたりのビス締め時間を短くすることができ、作業効率が高められる。

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。

永久磁石２３は、上述の１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1という性能要件を満たせる限り、従来と同じ平板状（１極につき１個）であってもよい。

１ハウジング、１ａ本体胴体部、１ｂハンドル部、２ブラシレスモータ、３減速機構、４スピンドル、５スプリング、６スチールボール、７ハンマ、８アンビル、９先端工具取付穴、１０トリガ、１１電池パック、２１シャフト、２２ロータコア、２３永久磁石、２４磁石挿入部、２５仕切り部、２６抜止め部、２７シャフト挿入穴、２８面取り部、２９コア外周部、３０ａ円弧状湾曲面、３０ｂ段差面、３１ステータコア、３２ヨーク部、３３ティース部、３４インシュレータ、３５コイル

Claims

モータと、前記モータによって駆動される回転打撃機構とを備え、前記モータは、実作業時のトルク範囲において回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能である、電動工具。
モータと、前記モータによって駆動される回転打撃機構とを備え、前記モータは、０．１５〜０．２０Ｎ・ｍのトルク範囲の少なくとも一部において回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能である、電動工具。
前記モータは、０．１５〜０．２０Ｎ・ｍの全トルク範囲において回転数を１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1にすることが可能である、請求項２に記載の電動工具。
前記モータは、前記トルク範囲において回転数が１４６００〜１９０００ｍｉｎ^-1になるとき、印加電圧のデューティ比が１００％である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
全長が１２０〜１３８ｍｍである請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
前記モータを駆動する電池の最大電圧が１６〜２０Ｖである請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。
前記モータがブラシレスモータであり、前記モータのステータの外径が４８．５±２ｍｍであり、前記ステータのティース幅が５．４〜６．６ｍｍ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。
モータと、前記モータによって駆動される回転打撃機構とを備え、前記モータがブラシレスモータであり、前記モータのステータの外径が４８．５±２ｍｍであり、前記ステータのティース幅が５．４〜６．６ｍｍである、電動工具。
前記ステータのスロットが６個である請求項７又は８に記載の電動工具。
前記ステータのコイル巻数が１スロットあたり８．５〜１１．５ターンである請求項７から９のいずれか一項に記載の電動工具。
前記ステータのコイル線径が１．１〜１．３ｍｍである請求項７から１０のいずれか一項に記載の電動工具。