JP2016221632A

JP2016221632A - 電動工具

Info

Publication number: JP2016221632A
Application number: JP2015110966A
Authority: JP
Inventors: 西河　智雅; Tomomasa Nishikawa; 智雅西河; 哲祐原田; Tetsusuke Harada
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2015-05-30
Filing date: 2015-05-30
Publication date: 2016-12-28

Abstract

【課題】モータのロータのイナーシャを低減することで、回転方向を切替えた直後の過大電流を低減させるようにした電動工具を実現する。【解決手段】モータ３に接続されるハンマ４１とハンマによって打撃されるアンビル４２を有し、モータ３はハンマを正方向と逆方向に交互に回転させることによりアンビルを打撃して出力軸５１を回転させるインパクト式の電動工具において、ロータコア３ａの回転軸方向の長さが、ステータコア３ｂの回転軸方向の長さに対して１０％以上３０％未満短くした。このようにロータのイナーシャを低減することで、モータの正方向回転中に、逆方向に回転させる電圧を印加させた際の突入電流を低減させることが可能となり、インバータ回路のスイッチング素子の温度上昇を抑制できる。【選択図】図１

Description

本発明は電動工具に関し、特にハンマとアンビルを非同期に回転させるインパクト機構のような、モータが回転変動する電動工具に用いられるモータの改良に関する。

先端工具を用いてネジやボルト等の締結するための電動工具として、インパクト工具が広く用いられている。インパクト工具は、ハンマによってアンビルを打撃することにより先端工具に強い打撃回転力を付与する。従来のインパクト工具としては、特許文献１に記載の電動工具が知られている。図８は特許文献１に記載されている従来の電動工具２０１の縦断面図である。ハウジング２０２の胴体部２０２ａにはモータ２０３が収容され、モータ２０３の先端側には減速機構部２３０と打撃機構部２４０が設けられる。打撃機構部２４０は回転ハンマ２４２とアンビル２４５を含み、アンビル２４５の先端側には出力軸２５１が接続される。ここではアンビル２４５と出力軸２５１は金属の一体品にて製造される。モータ２０３はブラシレスＤＣモータであって、軸方向に長さＬ_ａ１のロータコア２０３ａを有し、長さＬ_ｂ１のステータコア２０３ｂを有している。

モータ２０３が起動されると、モータ３の回転は遊星歯車減速機構による減速機構部２３０によって減速されてスピンドル２４１に伝達され、スピンドル２４１が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル２４１と回転ハンマ２４２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２４１の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝２４１ａと回転ハンマ２４２の内周面に形成されたハンマカム溝２４２ａとこれらの間に配置されるボール２４３によって構成される。回転ハンマ２４２は、ハンマスプリング２４４によって常に軸方向の前進方向（前方方向）に付勢されており、静止時にはボール２４３とカム溝２４１ａ、２４２ａとの係合によってアンビル４２の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、回転ハンマ２４２とアンビル２４５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２４１が回転駆動されると、その回転は前記カム機構を介して回転ハンマ２４２に伝達され、回転ハンマ２４２が半回転しないうちに回転ハンマ２４２の凸部がアンビル２４５の凸部に係合してアンビル２４５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２４１と回転ハンマ２４２との間に相対回転が生ずると、カム機構の作用によって回転ハンマ２４２はスピンドルカム溝２４１ａに沿ってハンマスプリング２４４を圧縮しながらモータ２０３側へと軸方向に後退を始める。そして、回転ハンマ２４２の後退動によって回転ハンマ２４２の凸部がアンビル２４５の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、回転ハンマ２４２は、スピンドル２４１の回転力に加え、ハンマスプリング２４４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、ハンマスプリング２４４の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル２４５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２４５に加えられるため、アンビル２４５に装着された図示しない先端工具を介してネジ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ネジに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、該ネジが木材等の図示しない被締結材にねじ込まれる。

近年、インパクト工具の一種として、出願人によって特許文献２に示すような、いわゆる電子パルス式の電動工具が発明された。電子パルス式の電動工具では、相対回転角が１回転未満のハンマとアンビルを用いて、モータを正方向及び逆方向の断続回転を行うことによって先端工具を回転させる。電子パルス式のインパクト機構を採用すると、ハンマとアンビルの形をシンプルな構造にすることで、インパクト工具の小型化及びコストダウンが実現できる。一方、モータの形式は図８で示したものと基本的に同じ構成であって、ロータコアの軸方向の長さはステータコアの長さよりも長くなっている。

特許第５３７０８０９号明細書特許第５４４０７６５号明細書

ロータが停止している状態から回転させるモータ起動時にはモータ等に起動電流が流れる。モータのロータのイナーシャが大きい場合にはこの起動電流も大きくなりモータ等が発熱し易い。このイナーシャの問題は、モータ起動時だけでなくモータが回転変動（例えば打撃による回転変動）する場合等にも生じる。
また、従来の電子パルス式の電動工具においては、モータを正方向及び逆方向の断続回転を行うことでアンビルに対してハンマを正方向又は逆方向に回転させて締結部材を締結する。モータを正方向及び逆方向の断続回転させるにあたっては、インバータのスイッチング素子を駆動することにより、モータに所定方向の回転磁界を発生させている。インパクト動作の実施時には、モータの正方向回転中に、逆方向に回転させるような駆動電圧を印加させるように制御する。このようにモータの正方向回転中に急激に逆転方向の駆動電圧を供給すると、モータに流れる電流は、停止時からのモータ起動電流よりも遥かに高い電流が流れることになるので、モータの発熱、スイッチング素子の発熱が図８に示す回転ハンマ式のインパクト工具に比べると大きくなっていた。

これまでは、高い電流が流れた場合でも、モータの温度上昇及びモータ回転を制御するインバータのスイッチング素子の温度上昇が実用上問題にならない様（スイッチング素子の定格使用温度以下）、冷却構造の工夫を行って来た。しかしながら、従来の冷却構造のみの対策では、スイッチング素子をこれ以上小型化して工具サイズの小型化を図ることの障壁となっていた。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、モータのロータのイナーシャを低減することで、モータの起動時或いはモータの回転方向を切替えた直後の過大電流を低減させるようにして、モータと、モータの回転を制御するインバータ回路のスイッチング素子の温度上昇を抑制するようにした電動工具を提供することにある。
本発明の他の目的は、ステータコアに対するロータコアの大きさを小型化しながら、モータの回転位置を正しく検出できるようにした電動工具を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、本発明の他の目的は、ステータコアに対するロータコアの大きさを小型化して、ロータコアを軸方向にオフセット配置することにより、ロータの磁石を用いて回転位置を正しく検出できるようにした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。
本発明の一つの特徴によれば、モータと、モータの回転力を先端工具に伝達する動力伝達機構と、先端工具を保持するための出力軸を有する電動工具において、モータはロータとステータからなり、ロータ及びステータはそれぞれロータコア及びステータコアを有し、ロータコアの回転軸方向の長さが、ステータコアの回転軸方向の長さに対して１０％以上３０％未満短くなるように構成した。動力伝達機構は、モータが回転変動する機構、例えば、従来から広く用いられる回転ハンマが軸方向に後退可能なインパクト機構や、いわゆる電子パルスドライバにて用いられるハンマとアンビルを有するインパクト機構である。

本発明の他の特徴によれば、モータは正転及び逆転が可能であり、動力伝達機構は、モータから駆動力を供給されて正転方向又は逆転方向に回転するハンマと、ハンマと別体に設けられ逆転方向への回転により加速距離を稼いだ後のハンマの正転方向への回転により打撃されて回転するアンビルを有し、アンビルは出力軸に接続され、ハンマを正方向と逆方向に回転させることによりアンビルを正方向（締め付け方向、又は緩め方向）に回転させる。また、動力伝達機構は、モータによって回転されるスピンドルと、スピンドルに設けられたカム機構の作用によってスピンドルの軸方向に後退する回転ハンマと、回転ハンマを軸方向であって前進方向に付勢するハンマスプリングを有するインパクト機構によって構成しても良い。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータはブラシレスモータであり、ブラシレスモータに正転電力及び逆転電力を切り換えて供給する電力供給部を設けた。電力供給部としてはインバータ回路を用い、マイコンを有する制御部がインバータ回路の駆動を行うことによりブラシレスモータの回転方向及び回転速度を制御するようにした。

本発明のさらに他の特徴によれば、ロータコアが固定される回転軸には、回転位置検出用のセンサマグネットが設けられ、センサマグネットとモータのロータコアを隔離して配置した。モータはロータとステータからなり、ロータ及びステータはそれぞれロータコア及びステータコアを有し、モータはステータの回転位置を検出するホールＩＣ等の回転位置検出部を有し、ロータコアの回転軸方向の中心位置は、ステータコアの回転軸方向の中心位置に対し、回転位置検出部側にあるように配置した。この際、ロータコアの回転位置検出部側の端面は、ステータコアの回転位置検出部側の端面よりも、回転位置検出部に近い側にあることになる。ここで、モータのロータコア及びステータコアはそれぞれ略円筒形状となり、ステータコアの外径はロータコアの外径の２．４倍以下でかつ、ステータコアの外径をロータコアの外径で割った外径比と、ステータコア長さをロータコア長さで割った長さ比で、外径比と長さ比を乗じた値が２．２以上とすると良い。

本発明によれば、ロータのイナーシャを低減することで、モータの温度上昇を低減でき、さらにはモータへ駆動電流を供給するインバータ回路のスイッチング素子の温度上昇を低減できる。これにより、小型のスイッチング素子パッケージを使用した場合においても、スイッチング素子の定格使用温度（例えば１５０℃）以下とする事が可能となり、電動工具を小型化することが可能となる。

本発明の実施例に係る電動工具１の縦断面図である。本発明の実施例に係る電動工具１のモータの駆動制御系の構成を示すブロック図である。本発明の実施例に係る電動工具１のハンマ４１とアンビル４２の打撃動作を説明するための図である。本発明の実施例に係る電動工具１のモータ３の縦断面図である。本発明の実施例に係る電動工具１でビスを締結する際のモータ電流の大きさについて示す図であり、（１）は従来のモータを用いた制御の波形図であり、（２）は本実施例のモータ３を用いた制御の波形図である。本発明の第二の実施例に係る電動工具１０１の縦断面図である。図６のモータ１０３の縦断面図である。従来の電動工具２０１の縦断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１に示される電動工具１は、いわゆる電子パルスドライバと呼ばれているもので、ハウジング２と、モータ３と、減速機構部３０と、打撃機構部４０と、出力軸５１を含んで構成される。ハウジング２はプラスチック等の合成樹脂の一体成形品であって、モータ３の回転軸を通る鉛直面で左右に２分割されるように構成される。ここではハウジング２と、ハウジング２の前方側に設けられるハンマケース４によって電動工具１の外郭を成している。ハウジング２は、略筒状の胴体部２ａと、胴体部２ａから延出されるハンドル部２ｂと、ハンドル部２ｂの先端部分において径方向に広がるように構成された電池装着部２ｃから主に構成される。ハンドル部２ｂは、胴体部２ａの前後方向の略中央位置から下側に向けて延出されるもので、作業者によって把持される部分となる。ハンドル部２ｂの内部にはトリガスイッチ６が内蔵され、ハンドル部２ｂの先端側（下端側）の下にモータ３へ電力を供給する電池パック２４が着脱可能に装着される。ハンドル部２ｂの上方であって胴体部２ａの直下には、ハンドル部２ｂから前側に突出するように、作業者の操作箇所となるトリガ２５が設けられる。トリガ２５の上方には、出力軸５１の回転方向を切替えるための正逆切替レバー２６が設けられる。

胴体部２ａには、その長手方向が回転軸３ｃの軸方向と一致するようにモータ３が配置されると共に、モータ３から軸方向の一端側に向かって減速機構部３０と、打撃機構部４０、出力軸５１が、その回転軸が一致するように並んで配置される。減速機構部３０と、打撃機構部４０は、ハウジング２の前方側に接続されるハンマケース４の内部に配置される。ハンマケース４は、金属製であって略漏斗形状を成し、漏斗形状の先端が前側を向くように配置されており、前端部分に出力軸５１が前側へ突出する開口４ａが形成されると共に、開口４ａを画成する内壁に出力軸５１を回転可能に支持するメタル２３を有する。開口４ａ近傍位置であってハンマケース４の下方位置の胴体部２ａには、ＬＥＤ等によるライト２１が設けられる。胴体部２ａの後面には、冷却ファン５により胴体部２ａ内に外気を吸入する吸気口１７、１８が設けられ、冷却ファン５の周囲には吸入された空気を排出するための図示しない排気口が形成される。

モータ３は、回転軸３ｃに固定されるロータコア３ａと、ロータコア３ａに対向する位置に配置されるステータコア３ｂを有するブラシレスモータである。ロータコア３ａの内部にはマグネット３ｄが収容される。ステータコア３ｂには内周側に突出する複数の磁極が形成され、この磁極にはインシュレータ３ｅを介して銅線が巻かれ、三相のコイル３ｆが形成される。回転軸３ｃは軸方向に見てロータコア３ａの前後に突出しており、その突出した箇所でベアリング１６ａ、１６ｂによって胴体部２ａに回転可能に支承される。回転軸３ｃの前方側であってベアリング１６ａとの間には、回転軸３ｃと同軸上で一体回転する冷却ファン５が設けられる。回転軸３ｃの前側端部にはピニオンギヤ３１が固定される。また、モータ３の回転軸３ｃには、回転位置検出用のセンサマグネット７７が設けられ、回転位置検出用のセンサマグネット７７とモータ３のロータコア３ａは隔離して所定の間隔を設けるように配置される。なお、ロータコア３ａ、ステータコア３ｂは鉄の薄板を軸方向に積層される積層鉄心により構成すると良い。

減速機構部３０は、ピニオンギヤ３１を入力とする遊星歯車減速機構が用いられ、ピニオンギヤ３１の外周側であってアウターギヤ３３と噛合するようにして自転しながらピニオンギヤ３１の外周側を公転する遊星ギヤ３２が複数（例えば３つ）配置される。アウターギヤ３３は、ハンマケース４内に内蔵された状態で、ハンマケース４が胴体部２ａに固定される。複数の遊星ギヤ３２の回転軸３４は遊星キャリアによって軸支される。本実施例ではこの遊星キャリアとハンマ４１を、金属の一体品として形成した。ハンマ４１は、遊星キャリアの前側部分に形成されるもので、前側に向けて突出すると共に遊星キャリアの回転中心からずれた位置に配置された第１係合突起４１ａ（図３で後述）と、遊星キャリアの回転中心を挟んで第１係合突起４１ａと対極に位置する第２係合突起４１ｂ（図３で後述）とを有する。

アンビル４２は、第１係合突起４１ａと第２係合突起４１ｂに当接または離合するために形成され、回転中心から径方向に延びるように配置される第１被係合突起４２ａ（図３で後述）と、出力軸５１の回転中心を挟んで第１被係合突起４２ａと対極に位置する第２被係合突起４２ｂ（図３で後述）と、これらを連結するための円筒軸部分にて形成される。アンビル４２の円筒軸部分の軸方向前方側には出力軸となる出力軸５１が接続される。本実施例ではハンマ４１とアンビル４２は別体に設けられ、アンビル４２と出力軸５１は金属の一体成形にて製造される。出力軸５１の前端には、ビット等の図示しない先端工具が挿入される装着孔５１ａが形成され、前端部分に図示しないビットをワンタッチで保持するためのビット保持機構５５が設けられる。出力軸５１の外面は、円柱状に構成され、ハンマケース４の開口４ａ内に軸受の役割を果たすメタル２３を介して回転可能に支持される。

モータ３の後方側には、ホールＩＣ等の回転位置検出素子６４やスイッチング素子（後述）を搭載するためのインバータ回路基板６３が設けられる。インバータ回路基板６３は円環状であって回転軸３ｃと直交して配置され、前方側の面には周方向に所定の間隔毎、例えば角度６０°毎に回転位置検出素子６４が３つ配置される。回転位置検出素子６４は、センサマグネット７７に対向する位置に設けられる。インバータ回路基板６３はスイッチ回路基板６２と制御回路基板６１と結線される。スイッチ回路基板６２は、主にトリガスイッチ６を固定するための基板であり、筒状のハンドル部２ｂの内部にその面が鉛直方向になるように、つまり筒状のハンドル部２ｂの長手方向軸線に対して平行になるように配置される。制御回路基板６１は、図示しないマイクロコンピュータ等の制御回路を搭載するための基板であり、ハウジング２のハンドル部２ｂの下側であって、電池パック２４の上側形状に沿って広がるように拡張された部分（電池装着部２ｃ）の内部に配置されるもので、ハンドル部２ｂの長手方向軸線に対して略直交方向であって、電池パック２４の装着方向（前から後ろ方向）に対して略平行になるように配置される。図１のように電動工具１を位置づけた際には制御回路基板６１は略水平方向に配置され、その一部にはスイッチやＬＥＤランプ等の操作パネル２７が、ハウジング２から外部に露出するように設けられる。

次にモータ３の駆動制御系の構成を図２のブロック図を用いて説明する。制御部７２は、制御回路基板６１上に搭載される回路であって、制御信号出力回路６５と、演算部６７と、電流検出回路７１と、スイッチ操作検出回路７６と、印加電圧設定回路７０と、回転方向設定回路６８と、回転子位置検出回路６９と、回転数検出回路７５と、打撃衝撃検出回路７４を含んで構成される。演算部６７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）と、処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭと、データを一時記憶するためのＲＡＭと、タイマとを含んで構成されるが、これらは市販のマイクロコンピュータを用いて実現できる。

電動工具１には、モータ３の回転方向を切替えるための正逆切替レバー２６が設けられ、回転方向設定回路６８は正逆切替レバー２６の変化を検出するごとに、モータ３の回転方向を切替えて、その制御信号を演算部６７に送信する。制御部７２には、アンビル４２に発生する衝撃の大きさを検出する打撃衝撃検出センサ７３が接続され、その出力は打撃衝撃検出回路７４を介して演算部６７に入力される。

インバータ回路６６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（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が含まれる。ブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは制御信号出力回路６５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６５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６６に印加される電池パック２４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に励磁電流（駆動電流）を供給する。

モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。モータ３のロータコア３ａは複数組（本実施例では２組）のＮ極とＳ極を含むマグネット（永久磁石）を含んで構成され、ステータコア３ｂはスター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗが巻かれている。回転軸３ｃにはロータコア３ａの回転位置を検出するためのセンサマグネット７７が設けられ、インバータ回路基板６３に搭載されたホールＩＣ等の複数の回転位置検出素子６４によって回転位置に応じた信号が出力され、回転子位置検出回路６９がそれらを重畳したパルス信号として演算部６７に出力する。また、回転数検出回路７５は回転子位置検出回路６９のパルス信号をカウントすることによりモータ３の回転速度を検出して演算部６７に出力する。演算部６７は、回転方向設定回路６８と回転子位置検出回路６９と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、その制御信号を制御信号出力回路６５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、ロータコア３ａ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７０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、シャント抵抗７９の両端電圧から電流検出回路７１によって測定され、その値が演算部６７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。なお、ＰＷＭ変調信号は正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３に印加してもよい。

図３は図１におけるＡ−Ａ部から見た断面図であり、電動工具１の動作時におけるハンマ４１の第１係合突起４１ａ及び第２係合突起４１ｂと、アンビル４２の第１被係合突起４２ａ及び第２被係合突起４２ｂとの位置関係を表す図である。先端工具から受ける反力が小さい場合は、ハンマ４１は図中で反時計回り（矢印４５ａとは反対方向）に回転し、ハンマ４１にモータ３から駆動力を供給されてアンビル４２を回転方向の後方側から押すような形で出力軸５１を図中で見て反時計回りに回転させる。打撃機構部４０におけるインパクト動作を伴わずに先端工具を回転させることができるならば、図３（１）の矢印４５ａと反対方向にハンマ４１を連続回転させる事によって締め付け作業を行うことができる。しかしながら、出力軸５１から受ける反力が大きくなってアンビル４２を連続回転させることが難しくなると、演算部６７はモータ３の回転方向を、正転のみで駆動する“連続駆動モード”から、正転及び逆転を繰り返す“断続回転モード”に切り替えるように制御する。ここで、正転、逆転とは回転軸３ｃの絶対的な回転方向を指すのでは無く、締め付け対象を回転させたい方向と同じ方向を正転方向と呼び、その反対方向を逆転方向と呼ぶ。即ち、ネジを締め付ける時は、正転が締め付け方向への回転を指し、逆転が緩め方向への回転を指すものとする。一方、ネジを緩める時は、正転が緩める方向への回転を指し、逆転が締め付け方向への回転を指すものとする。

図３（１）において、モータ３の回転方向が反転されると、ハンマ４１は矢印４５ａのように反対方向（出力軸を回転させようとする方向と反対方向）に回転を開始する。図３（１）は、第１係合突起４１ａと第１被係合突起４２ａとが接触していると同時に、第２係合突起４１ｂと第２被係合突起４２ｂとが接触している状態を示している。この状態から、ハンマ４１は図３の矢印４５ａの方向（時計回り方向）に回転し、ハンマ４１がアンビル４２に対して約６０度反転し、図３（２）に示す状態となる。そして、矢印４５ｂに示すように更に逆転を続けて（３）に示す位置までハンマ４１が逆方向に回転すると、モータ３は、再び正方向（出力軸５１の回転方向と同じ方向）に回転を開始してハンマ４１は矢印４５ｃの方向に回転する。（３）に示す位置が、ハンマ４１がアンビル４２に対して最反転位置まで逆回転した状態であり、ハンマ４１がアンビル４２に対して、相対角度で９０度程度反転したことになる。そして、モータ３の正転により、再びハンマ４１は矢印４５ｄ、４５ｃのようにアンビル４２に近づき、（４）の位置でアンビル４２に設けられた２箇所の係合突起と衝突する。衝突によってハンマ４１がアンビル４２を（５）のように矢印４５ｅの方向に回転させる。この衝突の際には、第１係合突起４１ａが第１被係合突起４２ａに衝突すると同時に、第２係合突起４１ｂが第２被係合突起４２ｂに衝突するので、これらの衝突によってハンマ４１の回転力がアンビル４２に間欠的に伝達される。このような構成により、打撃時のバランスが安定し、作業者が打撃時に電動工具１に振られにくくすることができる。

また、第１係合突起４１ａ及び第２係合突起４１ｂは、円周方向の両端面で第１被係合突起４２ａ及び第２被係合突起４２ｂと衝突可能であるため、先端工具を正転時（ネジを締める方向）だけではなく逆転時（ネジを緩める方向）にもインパクト動作が可能となるため、使い勝手の良いインパクト工具を提供することができる。また、ハンマ４１でアンビル４２を打撃する際、アンビル４２を軸方向（前方）に叩かないので、打撃時に出力軸に取り付けられる先端工具から被加工部材に押し付ける軸方向の力が加わらずに、締め込む際に有利である。

図４は本発明の実施例に係る電動工具のモータ３のサイズを説明するための図であって、モータ３の回転軸３ｃを通る縦断面図である。モータ３は、回転軸３ｃを備えるロータコア３ａと、ロータコア３ａと対向する位置に配置されるステータコア３ｂとから主に構成されるブラシレスモータである。ここではロータコア３ａの回転軸３ｃの軸方向（前後方向）のロータコア長さＬａよりも、ステータコア３ｂの回転軸３ｃの軸方向（前後方向）のステータコア長さＬｂの方が長く設定される。この比率は、ロータコア長さＬａがステータコア長さＬｂより１〜５０％程度短くなるようにすれば良いが、特に好ましくは１０〜３０％程度短くなるように好ましい。これにより、所定のモータ出力を発生させる場合、ロータコア長さＬａがステータコア長さＬｂより同等以上の長さの場合と比較して、ロータコア３ａの回転方向慣性モーメント（イナーシャ）を低く設計することが可能となる。また、モータを“断続回転モード”で駆動する際に、逆転又は正転に切り替える電圧を印加させた際の電流を低減させることが可能となり、モータ３及びスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度上昇を低減することが可能となる。さらに、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を小型化することが可能となり、電動工具を小型化することが可能となる。

ステータコア３ｂの後端側にはインバータ回路基板６３が設けられ、インバータ回路基板６３の一面に回転位置検出素子６４が搭載され、他面にスイッチング素子Ｑ１等が搭載される。また、モータ３のロータコア３ａと回転位置検出素子６４の間に、取付スリーブ７８を介してセンサマグネット７７が回転軸３ｃに設けられる。取付スリーブ７８は、例えば合成樹脂等の非磁性体によって製造すると良い。ロータコア３ａとセンサマグネット７７は、距離Ｓだけ隔離した状態で配置されるので、ロータコア３ａの回転軸３ｃの軸方向（前後方向）の長さの設計自由度が大きくなる。本実施例では、ロータコア長さＬａよりも、ステータコア３ｂの回転軸３ｃの軸方向（前後方向）のステータコア長さＬｂの方を長く設定したものの、独立したセンサマグネット７７と回転位置検出素子６４によりモータの回転位置を精度良く検出する事が可能となり、安定したモータ回転を実現することが可能となる。

図４において、ロータコア３ａの直径をＤ_ａ、ステータコア３ｂの直径をＤ_ｂで示している。ここで、ステータコアの直径Ｄ_ｂはロータコアの直径Ｄ_ａの２．４倍以下で、かつ、ステータコアの直径Ｄ_ｂをロータコアの直径Ｄ_ａで割った外径比と、ステータコアの長さＬ_ｂをロータコアの長さＬ_ａで割った長さ比で、外径比と長さ比を乗じた値が２．２以上とした。
（Ｄ_ｂ）＜（Ｄ_ａ×２．４）
（Ｄ_ｂ／Ｄ_ａ）×（Ｌ_ｂ／Ｌ_ａ）＞２．２
本実施例では上式のような外径と長さの比率としたために、モータ３のロータのイナーシャを低減させることができた。通常、ロータコア３ａの長さＬ_ａを短くするとモータ３の出力が低下するが、その分ステータコア３ｂの長さＬ_ｂを長くして、ロータコア３ａの直径Ｄ_ａとステータコア３ｂの直径Ｄ_ｂを最適化することにより従来例と同等の出力を有するモータ３を実現できる。尚、ステータコアは略円筒形状であるものの断面形状の外縁形状は完全な円形とは限らない。これはハウジング２の胴体部２ａに固定をするための突起等を設けるためであるが、直径Ｄ_ｂは、ステータコア３ｂの固定用の突起等を含まない代表的な部分の直径Ｄ_ｂで算出するとよい。

図５に、図３で示した電動工具１動作時の電流波形を示す。図５（１）は従来の電動工具に用いられるモータ１０３を図１に示す減速機構部３０と打撃機構部４０を有する電子パルスドライバに適用した場合の電流波形を示すもので、図１の電動工具１０１に図８に示すようなロータコア長さＬ_ａ１がステータコア長さＬ_ｂ１よりも長いモータを適用した場合の波形である。本実施例の電動工具１のインパクト時の動作は、図３にて示したように、モータ３の回転方向を正転方向と逆転方向に交互に切替えながら、ハンマ４１をアンビル４２に対して打撃する方式である（いわゆる電子パルスドライバ）。図５（１）の時刻０において、作業者がトリガ２５を引いてモータの回転を起動すると、電流８１は、最初に矢印８１ａのように起動電流が多く流れて、その後すぐに低下し、矢印８１ｂのような電流でハンマ４１がアンビル４２と連動して回転する連続回転モードが続く。連続回転モードの終盤においてはアンビル４２が先端工具から受ける負荷の増大によって、矢印８１ｃのように電流値が増大し、モータを正転方向だけの“連続回転モード”による制御から、正転と逆転を交互に繰り返す“断続回転モード”に切り替えを行う。この切り替えは演算部６７が電流８１の大きさを監視し、所定の閾値たる電流値に到達したら行われる（時刻ｔ_１）。モータの回転方向が逆転すると、逆転方向の電流８２がパルス状に流れるが、ハンマ４１はアンビル４２とは離れる方向への回転であってほぼ無負荷状態の回転であるのとハンマ４１の反転角度が小さいので、すぐに加速が完了してモータが停止される。この短い逆回転時間が終了したら、モータ１０３への電流供給は停止され、電流値は０に戻る。そして、僅かな休止期間をおいて再び正転方向に回転させ、正転方向の電流８３が供給される。

電流８３においては、最初に矢印８３ａのように起動電流が流れてすぐに定常状況に落ち着く。ここでは、平坦状の電流８３ｂが流れている途中においてハンマ４１がアンビル４２を打撃すると共に、回転方向における後方側からアンビル４２を押すようにしてアンビル４２を回転させる。そして、矢印８３ｃの時点で電流８３が遮断され、僅かな休止期間をおいて再び逆転方向に回転させ、逆転方向の電流８４が供給される。同様の動作を繰り返して、正転電流８５、８７から最後の打撃時の電流８９までを、それぞれの間に逆転電流８６等を流しながら繰り返す。ここで、矢印８９ｂは先端工具から受ける負荷が大きくなった状態であり、電流８９が所定の締め付け負荷で締付け完了の電流値まで増加したので、演算部６７はモータの駆動を停止し（時刻ｔ_ｎ）、締め付け作業を停止する。（１）においては、モータを正転方向から逆転方向へ回転させるための、モータ電流のピークをＰ１で示し、モータを逆転方向から正転方向へ回転させるためのモータ電流のピークをＰ２で示している。

図５（２）は本実施例に係る電動工具に用いられるモータ３の電流波形を示すものである。基本的に電流の波形は（１）と同じような形であるが、波形の振幅（電流値）のピークが小さいものになっている。例えば電流９１は、電流８１に比べて矢印９１ａに示す起動電流は小さくなっているものの、その後の矢印９１ｂ、９１ｃの電流値は、出力軸５１への回転トルクが（１）のモータとほぼ同等であるので、矢印８１ｂ、８１ｃの電流値とほぼ同様である。その後の起動電流の大きさは（２）の方が小さいものの、起動電流以降の正転電流９３、９５、９７、９９は（１）の電流８３、８５、８７、８９とほぼ同じような値となる。つまり、本実施例のようにモータ３のロータコア３ａの長さＬａよりステータコア３ｂの長さＬｂの方が長く設定された場合では、ロータコア長さＬ_ａ１とステータコア長さＬ_ｂ１が同等以上とした場合（（１）の場合）に比べ、モータのピーク電流Ｐ３、Ｐ４いずれも低減できていることが理解できよう。これは、ロータコア３ａの長さを短くしたために、ロータ自身の慣性モーメントが低くなり、モータの正転から逆転等の回転方向を切替える際に、ロータ自身を停止から加速させるエネルギーを低下できたためである。このようなピーク電流の低減により、モータ３とモータ３の回転を制御するインバータ回路６６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度上昇を低減することが可能となる。

以上、本実施例によれば、出力トルクを維持しつつロータ自身の慣性モーメントが低減され、モータ３を正転から逆転等の回転方向を変える際に、ロータ自身を停止から加速させるエネルギーを低下させることができた。この結果、起動電流の低下によるモータ３の温度上昇抑制と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度上昇を低減することが可能となり、特に電動工具で多用されるスイッチング素子として定格使用温度が１５０℃以下の製品を採用することが可能となった。

次に図６と図７を用いて本発明の第二の実施例を説明する。第一の実施例においては、ロータコア３ａの長さを、ステータコア３ｂの長さに対して１０〜３０％程度だけ短くするように構成し、ロータ自身の慣性モーメントを低減させるように構成した。さらに、ロータコア３ａの長さを短くしたために、ロータコア３ａから隔離した状態で設けられるセンサマグネット７７を設けるようにした。これに対して第二の実施例では、ロータコアの長さを短くする点は同じであるが、ロータコアの前後方向中心位置をステータコアの前後方向中心位置よりも軸方向一方側（例えば後方側）にずらすように配置した。

図６は、本発明の実施例に係る電動工具１０１の別の実施形態を示した断面図である。モータ１０３は、回転軸１０３ｃに固定されるロータコア１０３ａと、ロータコア１０３ａと対向する位置に配置されるステータコア１０３ｂとから主に構成されるブラシレスモータである。ロータコア１０３ａの軸方向の中心位置（前後方向中心１２１）は、ステータコア１０３ｂの軸方向の中心位置（前後方向中心１２２）よりも、回転位置検出素子（回転位置検出部）６４に近い側（後方側）にずらして配置される。この際、ロータコア１０３ａの前側（回転位置検出部と反対側）の端面１２３ａは、ステータコア１０３ｂの前側端面１２４ａよりも、後方側、即ち、回転位置検出部側にあるとよい。逆にロータコア１０３ａの後側の端面１２３ｂは、ステータコア１０３ｂの後側端面１２４ｂよりも、後方側（回転位置検出部側）にある。このようにステータコア１０３ｂよりも短いロータコア１０３ａを、ステータコア１０３ｂに対して軸方向にオフセット配置することにより、従来例と同じ位置に設けられる回転位置検出素子６４によってロータの回転位置が検出できるので、専用のセンサマグネット７７を設けなくとも、ロータコア１０３ａの回転位置を検出することができる。この結果、ロータの回転方向慣性モーメント（イナーシャ）をさらに低く設計することが可能となる。

第二の実施例においてもモータ１０３のロータのイナーシャが低減するので、モータ起動時や逆方向に回転させる電圧を印加させた際の電流を低減させることが可能となり、モータ及びモータ回転を制御するインバータ回路６６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度上昇を低減することが可能となり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の小型化による電動工具の小型化を達成できる。また、回転軸１０３ｃを中空とすれば更にイナーシャを低減することができる。尚、図６の構成ではロータコア１０３ａの後側の端面１２３ｂが、ステータコア１０３ｂの後側端面１２４ｂよりも明らかに後方側にあるように図示したが、このずらす目的は回転位置検出素子６４がマグネット１０３ｄの磁界を検出して、回転位置を検出できるようにするためであるので、ロータコア１０３ａの後側の端面１２３ｂが、ステータコア１０３ｂの後側端面１２４ｂとほぼ同じ位置であっても良い。

以上、本発明を２つの実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の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。例えば上述の実施例では、電動工具の一例としていわゆる電子パルス式のインパクトドライバを用いて説明したが、従来から広く用いられている回転ハンマを用いたインパクトドライバにおいても同様に用いることができるし、その他の電動工具において、特に先端工具の特性や動力伝達機構の特性によって稼働時のモータが回転変動を起こしてしまう機構を有する電動工具においては、本発明のモータは有用である。

１電動工具２ハウジング
２ａ胴体部２ｂハンドル部
２ｃ電池装着部３モータ
３ａロータコア３ｂステータコア
３ｃ回転軸３ｄマグネット
３ｅインシュレータ３ｆコイル
４ハンマケース４ａ開口
５冷却ファン６トリガスイッチ
１６ａ、１６ｂベアリング１７、１８吸気口
２１ライト２３メタル
２４電池パック２５トリガ
２６正逆切替レバー２７操作パネル
３０減速機構部３１ピニオンギヤ
３２遊星ギヤ３３アウターギヤ
３４（遊星ギヤの）回転軸４０打撃機構部
４１ハンマ４１ａ第１係合突起
４１ｂ第２係合突起４２アンビル
４２ａ第１被係合突起４２ｂ第２被係合突起
５１出力軸５１ａ装着孔
５５ビット保持機構６１制御回路基板
６２スイッチ回路基板６３インバータ回路基板
６４回転位置検出素子６５制御信号出力回路
６６インバータ回路６７演算部
６８回転方向設定回路６９回転子位置検出回路
７０印加電圧設定回路７１電流検出回路
７２制御部７３打撃衝撃検出センサ
７４打撃衝撃検出回路７５回転数検出回路
７６スイッチ操作検出回路７７センサマグネット
７８取付スリーブ７９シャント抵抗
１０１電動工具１０３モータ
１０３ａロータコア１０３ｂステータコア
１０３ｃ回転軸
１２１（ロータコアの）前後方向中心
１２２（ステータコアの）前後方向中心
１２３ａ（ロータコアの）前側端面
１２３ｂ（ロータコアの）後側端面
１２４ａ（ステータコアの）前側端面
１２４ｂ（ステータコアの）後側端面
２０１電動工具２０２ハウジング
２０２ａ胴体部２０２ｂハンドル部
２０２ｃ電池装着部２０３モータ
２０３ａロータコア２０３ｂステータコア
２３０減速機構部２４０打撃機構部
２４１スピンドル２４１ａスピンドルカム溝
２４２回転ハンマ２４２ａハンマカム溝
２４３ボール２４４ハンマスプリング
２４５アンビル２５１出力軸
Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子

Claims

モータと、前記モータの回転力を先端工具に伝達する動力伝達機構と、前記先端工具を保持するための出力軸を有する電動工具において、
前記モータはロータとステータからなり、前記ロータ及びステータはそれぞれロータコア及びステータコアを有し、前記ロータコアの回転軸方向の長さが、ステータコアの回転軸方向の長さに対して１０％以上３０％未満短くしたことを特徴とする電動工具。
前記動力伝達機構は、モータが回転変動する機構であることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記モータは正転及び逆転が可能であり、
前記動力伝達機構は、前記モータから駆動力を供給されて正転方向又は逆転方向に回転するハンマと、前記ハンマと別体に設けられ前記逆転方向へ回転した後の前記ハンマの前記正転方向への回転により打撃されて回転するアンビルを有し、
前記アンビルは前記出力軸に接続され、
前記ハンマを正方向と逆方向に回転させることにより前記アンビルを正方向に回転させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記動力伝達機構は、前記モータによって回転されるスピンドルと、該スピンドルに設けられたカム機構の作用によって前記スピンドルの軸方向に後退する回転ハンマと、該回転ハンマを軸方向であって前進方向に付勢するハンマスプリングを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記モータはブラシレスモータであり、
前記ブラシレスモータに所定の駆動電流を供給するためのインバータ回路と、該インバータ回路の駆動制御を行う制御部を設け、
前記制御部が前記ブラシレスモータの回転方向及び回転速度を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の電動工具。
前記ロータコアが固定される回転軸に、回転位置検出用のセンサマグネットを設け、前記センサマグネットと前記モータの前記ロータコアを隔離して配置したことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の電動工具。
前記モータはロータとステータからなり、前記ロータ及びステータはそれぞれロータコア及びステータコアを有し、前記モータはステータの回転位置を検出する回転位置検出部を有し、ロータコアの回転軸方向の中心位置は、ステータコアの回転軸方向の中心位置に対し、前記回転位置検出部側にあることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の電動工具。
前記ロータコアの前記回転位置検出部側の端面は、前記ステータコアの前記回転位置検出部側の端面よりも、前記回転位置検出部に近い側にあることを特徴とする請求項７に記載の電動工具。
正転及び逆転が可能なモータと、前記モータの回転力を先端工具に伝達する動力伝達機構と、前記先端工具を保持するための出力軸を有する電動工具において、
前記動力伝達機構は、前記モータから駆動力を供給されて正転方向又は逆転方向に回転するハンマと、前記ハンマと別体に設けられ前記逆転方向へ回転した後の前記ハンマの前記正転方向への回転により打撃されて回転するアンビルを有し、
前記モータはロータとステータからなり、前記ロータ及びステータはそれぞれロータコア及びステータコアを有し、前記ロータコアの回転軸方向の長さが、ステータコアの回転軸方向の長さよりも短くしたことを特徴とする電動工具。
マグネットを配置したロータコアを回転軸に固定したロータと、
内周側に突出する複数の磁極を有し、前記磁極に銅線を巻くことにより三相コイルを形成したステータを有するモータであって、
前記ロータコア及びロータコアは軸方向に積層される積層鉄心により構成され、
前記ロータコアの回転軸方向の長さが、ステータコアの回転軸方向の長さに対して１０％以上３０％未満短くしたことを特徴とするモータ。
前記ステータコアの後端側に円環状であって前記回転軸と直交して配置される回路基板を設け、
前記回路基板の前記ステータコア側に、前記ロータの回転位置を検出する複数の位置検出素子を設け、前記回路基板の前記ステータコアとは反対側の面に前記三相コイルに供給される励磁電流を供給するための複数のスイッチング素子を搭載したことを特徴とする請求項１０に記載のモータ。