JP2017094453A - 電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】電動工具のハウジング内部を効率よく冷却する構造を提供する。
【解決手段】冷却ファン３、モータ４、回路基板５、放熱板７、駆動ブロック８が、ハウジング２の後端部２ｂから前端部２ａに向かって直列に配置される。吸気口１１は、ハウジング２において、駆動ブロック８のギヤケース後端部８ｂよりも前方に設けられる。放熱板７と駆動ブロック８とは離間して配置される。冷却ファン３は、吸気口１１から空気を取り込んで、駆動ブロック８、放熱板７、回路基板５およびモータ４を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は電動工具に関し、特に冷却用のファンがハウジング後部側に配置された電動工具に関する。

先端工具をモータにより回転駆動する電動工具では、インバータ回路で生成する電力がステータのコイルに供給されて、ロータが回転するブラシレスモータが使用される。インバータ回路を構成するスイッチング素子は大電流で駆動されるため、効率よく冷却することが好ましい。

特許文献１は、モータと、ハウジングと、モータを駆動するスイッチング素子と、モータの回転力を変換して先端工具を駆動する動力伝達部とを有する電動工具を開示する。特許文献１に開示される電動工具においては、動力伝達部を金属製のケースに収容し、スイッチング素子の放熱板をケースの一部に接触するように配置して、ケースを介してスイッチング素子の熱を放出するようにしている。

特許文献２は、モータと、ハウジングと、モータへの通電を制御するスイッチング素子と、モータからの動力を出力部に伝達する動力伝達部とを有する電動工具を開示する。特許文献２に開示される電動工具においては、回路基板がモータと動力伝達部との間に配置され、スイッチング素子の冷却効率を向上させるために、スイッチング素子を、動力伝達部を収容する金属製のギヤケースと接触させている。

特開２０１２−７６１７９号公報 特開２０１３−８３４号公報

特許文献１、２は、回路基板のスイッチング素子を動力伝達部の収容ケースに、直接または放熱板を介して間接的に接触させて、スイッチング素子の熱を収容ケースに放出することを開示する。しかしながら動力伝達部は、モータにより高速駆動されることで摩擦熱を発生する。特に近年では、電動工具の小型化、軽量化および高出力化が進み、動力伝達部で生じる摩擦熱は従来よりも増大して、収容ケースが高温化する傾向がある。そのため動力伝達部の収容ケースに、回路基板のスイッチング素子を接触させることは好ましくなく、回路基板を効率よく冷却するためには別の対策を講じる必要がある。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電動工具のハウジング内部を効率よく冷却する構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動工具は、冷却ファンと、冷却ファンの前方に配置されるモータと、モータの前方に配置される回路基板と、回路基板の前方に配置される放熱板と、放熱板の前方に配置され、モータの回転力を先端工具に伝達する動力伝達部を含む駆動ブロックとをハウジング内に備え、放熱板と駆動ブロックとを離間して配置する。

本発明によれば、電動工具のハウジング内部を効率よく冷却する構造を提供できる。

本発明の実施例に係る電動工具の概要図である。 電動工具の断面構成を示す図である。 回路基板を冷却する放熱板の構造の一例を示す図である。 回路基板および放熱板の一部断面を示す図である。 （ａ）はステータの構成を示す図であり、（ｂ）は放熱板および回路基板の平面構成を示す図である。 空気の流れを説明するための図である。

図１は、本発明の実施例に係る電動工具の概要図を示す。電動工具１はハウジング２を有し、実施例では、チャック機構１０が設けられる側の端部を前端部２ａ、その反対側を後端部２ｂとよぶ。電動工具１はハウジング２内に、後端部２ｂ近傍に配置される冷却ファン３と、冷却ファン３の前方に配置されるモータ４と、モータ４の前方に配置される回路基板５と、回路基板５の前方に配置される放熱板７と、放熱板７の前方に配置される駆動ブロック８とを備える。駆動ブロック８は出力軸であるスピンドル９を有し、チャック機構１０がスピンドル９に連結して、ドリルやドライバなどの先端工具を着脱可能とする。駆動ブロック８は、モータ４の回転力を先端工具に伝達する動力伝達部を含む。ハウジング２には、作業者により操作されるスイッチ１３が突出するように設けられ、作業者がスイッチ１３を引くと、モータ４が回転して、駆動ブロック８のスピンドル９が先端工具を駆動する。

モータ４はインナーロータ型のブラシレスモータであって、複数の永久磁石を有するロータ（回転子）４ｂと、ロータ４ｂの周囲に空隙１４をあけて固定されるステータ（固定子）４ａと、モータ軸４ｃとを備える。モータ軸４ｃは、ハウジング２に固定されるベアリングにより回転可能に支持される。ロータ４ｂはモータ軸４ｃに取り付けられ、モータ軸４ｃと一体回転する。ステータ４ａは、ステータコアと、ステータコアの複数のティース部に巻回される複数のコイル部を有する。モータ４が三相モータである場合、コイル部は６つ設けられてよい。

回路基板５に搭載されるスイッチング素子６は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果型トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー素子であって、インバータ回路を構成する。スイッチング素子６は、ステータ４ａのコイル部に駆動電流を供給する。回路基板５の前方には、スイッチング素子６で生じた熱を放出するための金属製の放熱板７が設けられており、スイッチング素子６は、放熱板７に直接または間接的に接触する。図１に示す例では、スイッチング素子６が、伝熱部材６ａを介して間接的に放熱板７に接触する様子を示している。回路基板５および放熱板７は、モータ軸４ｃを通すための開口を有しており、後述するように開口とモータ軸４ｃとの間の隙間は、冷却用の空気の流路を形成する。

駆動ブロック８は略円筒形状のギヤケースを有し、ギヤケースの少なくとも一部は金属材料で形成される。ギヤケースは、ハウジング２の内部に突設する支持部材（図示せず）に固定される。ギヤケース内部には、モータ４の回転力を、チャック機構１０に取り付けられた先端工具に伝達する動力伝達部が設けられる。動力伝達部は、モータ４のモータ軸４ｃのピニオンギヤに噛み合う遊星歯車減速機構を有してよい。動力伝達部は、変速比を切替可能に構成されることが好ましく、これにより出力軸であるスピンドル９の回転速度を調整できる。

ハウジング２には、駆動ブロック８の側方または前方の位置に、吸気口１１が形成されている。駆動ブロック８の前端側をギヤケース前端部８ａ、後端側をギヤケース後端部８ｂと定義すると、駆動ブロック８の側方とは、ギヤケース前端部８ａおよびギヤケース後端部８ｂの間のケース側面を取り囲むハウジング２の領域を示し、駆動ブロック８の前方とは、ギヤケース前端部８ａよりも前方側のハウジング２の領域を示す。つまり吸気口１１は、駆動ブロック８のギヤケース後端部８ｂよりも前方側に形成される。図１においては、吸気口１１が、駆動ブロック８の側方の領域に形成されている例を示す。吸気口１１は、たとえば矩形状のスリットであって、ハウジング２には複数の吸気口１１が形成されてよい。なおハウジング２には、別の吸気口が、駆動ブロック８のギヤケース後端部８ｂよりも後方の位置に設けられてもよい。またハウジング２の後端部２ｂ側には、排気口１２が形成される。この排気口１２は、ステータ４ａの後方に形成されることが好ましい。

冷却ファン３は、モータ４の後方側でモータ軸４ｃに連結され、モータ軸４ｃと一体回転する。作業者がスイッチ１３を引くと、モータ軸４ｃが回転し、したがって冷却ファン３が回転する。矢印Ａは、冷却ファン３の回転により、吸気口１１からハウジング２内部に取り込まれる空気の流れを示す。吸気口１１から流入した空気は、駆動ブロック８の側面を冷却した後、放熱板７を冷却する。その後、空気は、放熱板７と回路基板５の中央部分の開口とモータ軸４ｃの間の隙間を通過し、ステータ４ａとロータ４ｂを冷却して、排気口１２から外部に排出される。

実施例の電動工具１は、冷却ファン３、モータ４、回路基板５、放熱板７、駆動ブロック８を、後端部２ｂから前端部２ａに向かって直列に配置し、ハウジング２の吸気口１１を駆動ブロック８のギヤケース後端部８ｂよりも前方に設けている。電動工具１は、このような構造を採用することで、モータ４、回路基板５、放熱板７だけでなく、駆動ブロック８も冷却できる。モータ４の駆動中、駆動ブロック８の動力伝達部は摩擦熱を生じるため、駆動ブロック８のギヤケースを効率よく冷却することで、電動工具１の安定動作を実現できる。

また電動工具１では、放熱板７と駆動ブロック８とを離間して配置する。放熱板７と駆動ブロック８とを接触させないことで、放熱板７と駆動ブロック８との間にエアギャップを設け、駆動ブロック８で生じた熱が、放熱板７に伝わらないようにする。これによりスイッチング素子６の冷却効率を高められる。

なお放熱板７と駆動ブロック８の間には、両者の接触を防止するためのスペーサが設けられてよい。放熱板７および駆動ブロック８は、ネジなどの固定具によりハウジング２に固定されているが、固定具の緩み等が生じた場合であっても、放熱板７と駆動ブロック８の間にスペーサを設けることで、両者の接触を防止できる。なおスペーサは、樹脂材料など、熱を伝えにくい材料で形成されることが好ましい。

また駆動ブロック８のギヤケースの少なくとも一部が金属材料で形成されることを説明したが、たとえば放熱板７に対向するギヤケース後端部８ｂは、樹脂材料で形成されてもよい。ギヤケース後端部８ｂを樹脂材料で形成することで、ギヤケース後端部８ｂから放熱板７への熱移動を抑制できる。

図２は、電動工具１の断面構成を示す。図２の断面構成は、図１に示す概略構成を詳細に示したものである。図２にも示すように、電動工具１では、冷却ファン３、モータ４、回路基板５、放熱板７、駆動ブロック８が、後端部２ｂから前端部２ａに向かって直列に配置され、吸気口１１が駆動ブロック８のギヤケース後端部８ｂよりも前方に設けられている。放熱板７と駆動ブロック８のギヤケース後端部８ｂとは離間して配置され、駆動ブロック８で生じた熱が、放熱板７に伝わらないようにされる。

図３は、回路基板５を冷却する放熱板７の構造の一例を示す。放熱板７は中央部分に、モータ軸４ｃを通すための開口７ａを有し、回路基板５は中央部分に、モータ軸４ｃを通すための開口５ａを有する。開口７ａとモータ軸４ｃとの間の隙間、および開口５ａとモータ軸４ｃとの間の隙間は、空気の流路を形成する。

図３に示す放熱板７は、駆動ブロック８と対向する面に、空気の流路となる複数のガイド７ｂを有する。ガイド７ｂは、放熱板７の外周から開口７ａまで切り欠いた溝として形成されてよい。図１を参照して、吸気口１１から取り込まれた空気は、放熱板７上を外周から開口７ａに向かう方向に流れる。近年の小型化の要請により、ギヤケース後端部８ｂと放熱板７との間隔は、大きくとることができず、狭い間隔は、空気流の抵抗となる。そこで放熱板７に、空気の流路となる複数のガイド７ｂを形成して流路抵抗を低くし、冷却効率を高めることが好ましい。

図４は、回路基板５および放熱板７の一部断面を示す。図３に示すように放熱板７に、溝であるガイド７ｂを設けたことで、放熱板７は、厚肉部７ｃと、厚肉部７ｃよりも薄い薄肉部７ｄとを有するようになる。具体的に薄肉部７ｄは、ガイド７ｂを形成された領域であり、厚肉部７ｃは、ガイド７ｂを形成されていない領域である。

放熱体の体積が大きいほど、放熱体の放熱能力は高くなる。そのため薄肉部７ｄを含む単位領域と、薄肉部７ｄを含まない単位領域とを比較すると、薄肉部７ｄを含まない単位領域の方が、放熱能力は高い。そのためスイッチング素子６は、厚肉部７ｃの領域に直接または伝熱部材６ａを介して間接的に接触することが好ましい。つまりスイッチング素子６は、その上面を、薄肉部７ｄを含まない領域に直接または間接的に接触させることが好ましい。これによりスイッチング素子６の冷却効率を向上できる。

図５（ａ）は、ステータ４ａの構成を示す。ステータ４ａは、環状のステータコア４ｄと、ステータコア４ｄの複数のティース部に巻回される複数のコイル部４ｅを有する。図５（ａ）に示すように、複数のコイル部４ｅは、互いに離されて設けられており、隣り合うコイル部４ｅの間には、軸方向に並行に延在する空間４ｆが形成される。コイル部４ｅは、スイッチング素子６から駆動電流を供給されて発熱するため、効率よく冷却することが好ましい。

図５（ｂ）は、放熱板７および回路基板５の平面構成を示す。放熱板７および回路基板５は、ステータ４ａの隣り合うコイル部４ｅの間に空気を流入させるための通気孔７ｅ、５ｂをそれぞれ有する。放熱板７に形成される通気孔７ｅと、回路基板５に形成される通気孔５ｂは互いに重なるように配置され、空気が通気孔７ｅ、５ｂを通過する方向には、隣り合うコイル部４ｅの間の空間４ｆが配置される。そのため吸気口１１から取り込まれた空気は、放熱板７の通気孔７ｅ、回路基板５の通気孔５ｂを通過して、コイル部４ｅの間の空間４ｆに導入され、コイル部４ｅを効率よく冷却する。

図６は、空気の流れを説明するための図である。作業者がスイッチ１３を引くと、モータ４とともに冷却ファン３が回転し、吸気口１１から空気が流入する。流入した空気は、駆動ブロック８の側面を冷却した後、放熱板７の表面を冷却する。このとき一部の空気は、矢印Ｂで示すように、放熱板７の通気孔７ｅから吸い込まれ、回路基板５の通気孔５ｂを通過して、ステータ４ａの空間４ｆに進入する。これにより空間４ｆの近傍に配置されるコイル部４ｅを効率よく冷却できる。

なお、通気孔７ｅ、５ｂを形成しない場合であっても、空気は、ステータ４ａの空間４ｆに進入するが、通気孔７ｅ、５ｂを形成することで、空間４ｆを流れる空気量を増加させることが可能となる。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。
本発明のある態様の電動工具（１）は、冷却ファン（３）と、冷却ファン（３）の前方に配置されるモータ（４）と、モータ（４）の前方に配置される回路基板（５）と、回路基板（５）の前方に配置される放熱板（７）と、放熱板（７）の前方に配置され、モータ（４）の回転力を先端工具に伝達する動力伝達部を含む駆動ブロック（８）と、をハウジング（２）内に備える。放熱板（７）と駆動ブロック（８）とは、離間して配置される。

ハウジング（２）には、駆動ブロック（８）の側方または前方の位置に吸気口（１１）が形成され、冷却ファン（３）は、吸気口（１１）から空気を取り込んで、駆動ブロック（８）、放熱板（７）、回路基板（５）およびモータ（４）を冷却することが好ましい。

放熱板（７）は、駆動ブロック（８）と対向する面に、空気の流路となるガイド（７ｂ）を有してもよい。

回路基板（５）は、複数のスイッチング素子（６）を搭載し、放熱板（７）は、厚肉部（７ｃ）と、厚肉部（７ｃ）よりも薄い薄肉部（７ｄ）とを有し、スイッチング素子（６）は、放熱板（７）の厚肉部（７ｃ）の領域に直接または間接的に接触することが好ましい。

モータ（４）は、互いに離されて設けられる複数のコイル部（４ｅ）を有し、放熱板（７）および回路基板（５）は、モータ（４）の隣り合うコイル部（４ｅ）の間に空気を流入させるための通気孔（７ｅ、５ｂ）を有してもよい。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１・・・電動工具、２・・・ハウジング、２ａ・・・前端部、２ｂ・・・後端部、３・・・冷却ファン、４・・・モータ、４ａ・・・ステータ、４ｂ・・・ロータ、４ｃ・・・モータ軸、４ｄ・・・ステータコア、４ｅ・・・コイル部、４ｆ・・・空間、５・・・回路基板、５ａ・・・開口、５ｂ・・・通気孔、６・・・スイッチング素子、６ａ・・・伝熱部材、７・・・放熱板、７ａ・・・開口、７ｂ・・・ガイド、７ｃ・・・厚肉部、７ｄ・・・薄肉部、７ｅ・・・通気孔、８・・・駆動ブロック、８ａ・・・ギヤケース前端部、８ｂ・・・ギヤケース後端部、９・・・スピンドル、１０・・・チャック機構、１１・・・吸気口、１２・・・排気口、１３・・・スイッチ、１４・・・空隙。

Claims (5)

1. 冷却ファンと、
   前記冷却ファンの前方に配置されるモータと、
   前記モータの前方に配置される回路基板と、
   前記回路基板の前方に配置される放熱板と、
   前記放熱板の前方に配置され、モータの回転力を先端工具に伝達する動力伝達部を含む駆動ブロックと、をハウジング内に備えた電動工具であって、
   前記放熱板と前記駆動ブロックとが離間されている、
   ことを特徴とする電動工具。
2. 前記ハウジングには、前記駆動ブロックの側方または前方の位置に吸気口が形成されており、
   前記冷却ファンは、前記吸気口から空気を取り込んで、前記駆動ブロック、前記放熱板、前記回路基板および前記モータを冷却する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 前記放熱板は、前記駆動ブロックと対向する面に、空気の流路となるガイドを有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動工具。
4. 前記回路基板は、複数のスイッチング素子を搭載し、
   前記放熱板は、厚肉部と、前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、
   前記スイッチング素子は、前記放熱板の厚肉部の領域に直接または間接的に接触する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動工具。
5. 前記モータは、互いに離されて設けられる複数のコイル部を有し、
   前記放熱板および前記回路基板は、前記モータの隣り合うコイル部の間に空気を流入させるための通気孔を有する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電動工具。

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