JP4781653B2

JP4781653B2 - 電動工具

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Publication number: JP4781653B2
Application number: JP2004307477A
Authority: JP
Inventors: 弘毅兵藤; 伸康古居; 健一太田
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: US7388312B2; DE602005020559D1; EP1650853A1; EP1650853B1; CN1764047A; US20060087193A1; JP2006121833A

Description

本発明は、電動工具に関し、詳しくは、電機子巻線を構成するコイルの配線の巻き回し数を調整してモータの出力特性を調整する技術に関する。

一般的に、直流モータの電機子には複数のスロットが設けられている。そして、各スロット間には、配線が複数回巻き回されてコイルが配設されている。各コイルは整流子の対応するセグメントに接続され、これにより電機子巻線が構成されている。電機子巻線のコイルにはセグメントに摺接するブラシおよび当該セグメントを介してモータの駆動電流が供給される。電流が供給されたコイルの周囲には磁界が発生し、電機子の周囲に固定されている固定子によるフィールド磁界と作用し合い、これによって電機子が回転駆動される。
ところで、通常、直流モータでは、固定子の極数と同数のブラシが必要とされていた。しかしながら、ブラシの数が多くなる程に、電機子が回転する際の整流子とブラシの摩擦による抵抗損失が大きくなる虞がある。また、ブラシの数が多くなる程に、部品点数も増加する。そこで、整流子に設けられたセグメントのうち対角のセグメントを短絡することで、両セグメントにそれぞれ接続されているコイルを短絡し、固定子が４極であっても、２個のブラシを用いて駆動することができるようにしたモータが特開平２−１８４２４６号公報（特許文献１参照）に開示されている。
特開平２−１８４２４６号公報

このように、セグメント間が短絡されたモータにおいても、他のモータと同様、電機子巻線を構成するコイルのスロット間に配線を巻き回す回数（ターン数）は、モータの所望の出力特性、すなわち、所望のトルクや回転速度に応じて、各コイルについて同じ数が選択される。電機子巻線を構成するコイルはそれぞれが対応するセグメントに接続されているため、各コイルにつき相違するターン数を選択すると、各コイルに駆動電流が流れた際に周囲に発生する磁界の強さにばらつきが生じる。そして、これに起因して整流子が劣化し、整流子の整流性能が低下し易い。
しかしながら、モータは、例えば、全てのコイルをｎターンとすると所望のトルク出力特性を達成することができず、全てのコイルを（ｎ＋１）ターンとすると所望のトルク出力特性を超過する場合がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電機子巻線を構成するコイルの配線の巻き回し数を調整して、モータの出力特性を容易に調整する技術に関する。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明が構成される。
請求項1に記載の発明は、
電機子、前記電機子とともに回転する整流子、前記整流子に複数設けられたセグメント、二つの前記セグメント間に接続された複数の電機子巻線、前記複数のセグメントに摺接し、二つの前記セグメントを介して前記各電機子巻線に駆動電流を供給するプラス側のブラシとマイナス側のブラシを備えるモータと、
前記モータの回転駆動によって所定の加工作業を遂行する先端工具を有し、
前記電機子には複数のスロットが設けられ、
前記各電機子巻線は、前記スロット間に巻き回したコイルにより構成される電動工具であって、
ターン数ｍの複数のコイルと、ターン数ｍと１ターン相違するターン数ｎの複数のコイルを備え、前記ターン数ｍの各コイルと前記ターン数ｎの各コイルは、ターン数ｍのコイルとターン数ｎのコイルが前記電機子の周方向に沿って交互に配設されるとともに、各スロット内に収容されるコイルの数がｍ＋ｎとなるように、同じ間隔離れている前記スロット間に巻き回されており、
前記各電機子巻線は、対角に位置する前記ターン数ｍのコイルと前記ターン数ｎのコイルが二つの前記セグメント間に直列に接続されて構成されているとともに、一つの前記セグメントには、一つの前記電機子巻線の一端と他の前記電機子巻線の他端が接続されていることを特徴とする電動工具である。

「モータ」としては、整流子およびブラシにより、コイルに供給される電流の方向が整流される構成のモータを広く包含する。典型的には、直流モータ、交流整流子モータ（ユニバーサルモータ、シリーズモータとも称呼される。）がこれに該当する。
なお、全てのセグメントが電機子巻線と接続されていなくてもよく、他のセグメントと接続されているセグメントがあってもよい。
また、各電機子巻線の両端は、異なるセグメントに接続されていてもよい。
また、本発明における「電動工具」は、打撃作業、穴開け作業、締付け作業に用いられる作業工具、切断作業や切削作業あるいは研削作業や研磨作業に用いられる作業工具等、モータを駆動源とする電動式の作業工具を広く包含する。
なお、上記したｍおよびｎは、正の整数である。
また、「対角に位置する」とは、機械角にして略１８０度の位置にあること意味する。

このように、従来技術で記載したモータでは、スロット間に巻き回した一つのコイルを一つの電機子巻線としてセグメントに接続していたが、本発明によれば、複数のコイルを直列状に接続して電機子巻線を構成し、その両端をセグメントに接続している。したがっって、スロット間に巻き回すコイルのターン数として、同一電機子巻線内の他のコイルと相違する数が選択されることを許容しながら、セグメント間の各電機子巻線のターン数、すなわち、当該電機子巻線を構成する複数のコイルのターン数の総和は同数にして構成することができる。例えば、各電機子巻線が２つのコイルで構成される場合、各電機子巻線を１５ターンとし、一方のコイルを７ターン、他方のコイルを８ターンとして構成することができる。
これにより、整流子のセグメント間に接続されている各電機子巻線についてはターン数が同じであり、各電機子巻線に駆動電流が流れた際に、各電機子巻線の周囲に発生する磁界の強さにばらつきが生じ難い。したがって、整流子が劣化し難く、整流性能が良い状態が継続され易い。なおかつ、各コイルのターン数は同一電機子巻線内ならば同数ではなくてもよいので、各コイルのターン数を選択する自由度が増す。したがって、モータの出力特性を所望の出力特性に容易に調整することができることとなった。
また、モータの電機子に各電機子巻線が配設された状態で、電機子の周方向において配線のターン数（すなわち、配線の量）の偏りが少ない。したがって、電機子の周方向の大きさや重さの偏りにより、モータの出力軸に余分な荷重が加わることない。

本発明によれば、電機子巻線を構成するコイルの巻き回し数を調整して、モータの出力特性を容易に調整する技術が提供されることとなった。

以下に本発明の一実施の形態につき、図１〜図４に基づいて説明する。
本実施の形態では、本発明の「電動工具」の一例として電動式（充電式）のインパクトドライバ１００について説明する。また、本実施の形態では、インパクトドライバ１００に設けられている駆動モータが、４極２ブラシの直流モータであり、整流子に設けられたセグメント数および電機子に設けられたスロット数が、ともに１０の場合について説明する。なお、対角に位置するセグメント間は、スロット間に配設されるコイルを構成する配線を用いて短絡されている。
図１は、第１の実施の形態に係るインパクトドライバ１００の全体構成を概略的に示す一部破断の側断面図である。図２は、インパクトドライバ１００の駆動モータの概略構成を示す断面図である。図３には、図２に示す駆動モータの電機子のスロット間に配線を巻きまわしたコイルにより構成されている電機子巻線の一例を示す。また、図４には、図３に示した電機子巻線がスロット間に配設されている状態を示す電機子の断面図を示す。

図１に示すように、本実施の形態に係るインパクトドライバ１００は、概括的に見て、インパクトドライバ１００の外郭を形成する本体部１０１、当該本体部１０１の先端領域に着脱自在に取り付けられて各種ネジのネジ締め作業を行うドライバビット１０９を主体として構成される。ドライバビット１０９は、本発明における「先端工具」に対応する。
本体部１０１は、モータハウジング１０３、ギアハウジング１０５およびハンドグリップ１０７から構成されている。モータハウジング１０３内には、駆動モータ１２１が収容されている。駆動モータ１２１は、本発明における「モータ」に対応する。
ハンドグリップ１０７には、駆動モータ１２１の電源スイッチを投入操作するトリガ１２５が設けられている。
ギアハウジング１０５内には、駆動モータ１２１の出力軸１２２の回転を適宜減速するための遊星ギア装置からなる減速機構１１１、減速機構１１１によって回転駆動されるスピンドル１１２、当該スピンドル１１２からボール１１３を伝達部材として回転駆動されるハンマー１１４、およびハンマー１１４によって回転駆動されるアンビル１１５が配置されている。ハンマー１１４はスピンドル１１２の長軸方向に相対的に移動可能とされ、圧縮コイルスプリング１１６によってアンビル１１５側に向けて付勢されている。なお、アンビル１１５の先端は、ギアハウジング１０５の先端から突出しており、この突出された先端部にドライバビット１０９が着脱自在に取り付けられる。

ネジ締め作業のために駆動モータ１２１が通電駆動された場合、ドライバビット１０９による締め付けトルクが軽負荷状態では、スピンドル１１２とハンマー１１４は一体的に回転する。この軽負荷状態では、ハンマー１１４は、圧縮コイルスプリング１１６による付勢力でアンビル１１５に係合した状態が保持される。このため、アンビル１１５もハンマー１１４と一体となって回転し、ドライバビット１０９によるネジ締め作業が遂行される。
一方、締め付けトルクが大きくなり、所定の高負荷状態となった際には、ハンマー１１４は圧縮コイルスプリング１１６に抗してアンビル１１５から離れる方向へと後退したのち、圧縮コイルスプリング１１６の付勢力によって衝撃的な回転トルクを伴いつつアンビル１１５に係合し、当該アンビル１１５を経てドライバビット１０９に大きな締め付けトルクを発生させる。なお、インパクトドライバの作動原理自体は、周知の技術事項に属するため、その詳細な構成作用の説明は、便宜上省略する。

次に駆動モータ１２１の概略構成を、図２を参照して説明する。本実施の形態における駆動モータ１２１としては、バッテリー１２７を駆動電源とする４極の直流モータが用いられている。駆動モータ１２１は、出力軸１２２、出力軸１２２と一体的に回転し電機子巻線を構成するコイルが巻装されている電機子１３３、モータハウジング１０３に固定されて電機子１３３の周囲にフィールド磁界を発生させている固定子１３５、出力軸１２２の一端側（減速機構１１１の反対側）に設けられた整流子１３７、整流子１３７の外周面に設けられた複数のセグメントに摺接して電機子１３３に配設された電機子巻線に駆動電流を供給する２個のブラシ１４５ａ，１４５ｂ（併せて、図３、図４参照）を主体として構成されている。
出力軸１２２は、一端（後端、すなわち図２に示す左端）がモータハウジング１０３に軸受１２３を介して回転自在に支持され、他端側（減速機構１１１側、すなわち図２に示す右側）がギアハウジング１０５に軸受１２４を介して回転自在に支持されている。なお、出力軸１２２、電機子１３３、整流子１３７によって回転子が構成されている。

上記のように構成された駆動モータ１２１に電源が投入され、固定子１３５のフィールド磁界の中で電機子１３３の電機子巻線に駆動電流が供給されることで、電機子１３３および出力軸１２２が一体となって回転駆動される。この際、整流子１３７およびブラシ１４５ａ，１４５ｂにより電機子巻線に流れる電流の方向が適宜切り替えられ、電機子１３３および出力軸１２２が所定の方向に連続的に回転する構成となっている。なお、直流モータの作動原理自体は、周知の技術事項に属するため、その詳細な構成作用の説明は、便宜上省略する。

次に、駆動モータ１２１の詳細な構成について、図３、図４を参照して説明する。
まず、図４を用いて、電機子１３３、固定子１３５、整流子１３７について説明する。
固定子１３５の内周面側には、すなわち電機子１３３側には、リングマグネットが配設されている。リングマグネットは４領域に分割され対向する２領域の内周面側がそれぞれ同極（Ｎ極、あるいはＳ極）となるように着磁される。図４では、リングマグネットの概ね上下の位置の内周側がＮ極となるように、また、概ね左右の位置の内周側がＳ極となるように着磁されている。
電機子１３３は、径方向に凸状の１０個のティース３０〜３９を備え、断面が歯車状に構成されている。各ティースの間には、１０個のスロットが形成され、各電機子巻線を構成するコイルの配線が巻き回される。
また、電機子１３３の中心に挿通されている出力軸１２２の先端には、整流子１３７が設けられている。整流子１３７の外周には、ブラシ１４５ａ，１４５ｂが摺接される１０個のセグメント４０〜４９が形成されている。なお、隣接するセグメント間は絶縁されている。また、詳細は後述するが、各セグメントには、対応する電機子巻線あるいは他のセグメントが、配線により接続されている（併せて、図３参照）。
ブラシ１４５ａ，１４５ｂは、互いにその整流子１３７への摺接方向が９０度を成す位置に配設されている。

次に、図３を参照しつつ、各スロット間に配設されるコイルにより構成される電機子巻線の詳細な構成を、電機子巻線２０，２１を例にして説明する。なお、図中、配線上に示した矢印は、コイルの配線を巻き回す方向を意味する（駆動電流が流れる方向ではない。）。
セグメント４０に接続された配線は、ティース３７とティース３８の間のスロットに挿通され、ティース３７，３６，３５を越えて、ティース３５とティース３４の間のスロットに挿通され、これによりティース３７，３６，３５の周囲のスロット間に１回巻き回される。そして、このスロット間に７回巻き回されることで、コイルＡ１が構成される。
その後、ティース３２とティース３３の間のスロットに挿通され（矢印ｂ）、ティース３２，３１，３０を越えて、ティース３０とティース３９の間のスロットに挿通され、これによりティース３２，３１，３０の周囲のスロット間に１回巻き回される。そして、このスロット間に８回巻き回されることで、コイルＢ１が構成される。そして、セグメント４６に接続される。
このように、コイルＡ１とコイルＢ１が直列状に接続されて、電機子巻線２０が構成される。

セグメント４６はセグメント４１と接続され、短絡されている（矢印ｃ）。
セグメント４１に接続された配線は、ティース３８とティース３９の間のスロットに挿通され、ティース３８，３７，３６を越えて、ティース３６とティース３５の間のスロットに挿通され、これによりティース３８，３７，３６の周囲のスロット間に１回巻き回される。そして、このスロット間に８回巻き回されることで、コイルＡ２が構成される。
その後、ティース３３とティース３４の間のスロットに挿通され（矢印ｄ）、ティース３３，３２，３１を越えて、ティース３１とティース３０の間のスロットに挿通され、これによりティース３３，３２，３１の周囲のスロット間に１回巻き回される。そして、このスロット間に７回巻き回されることで、コイルＢ２が構成される。そして、セグメント４７に接続される。
このように、コイルＡ２とコイルＢ２が直列状に接続されて、電機子巻線２１が構成される。
同様にして、電機子巻線２２は７ターンのコイルＡ３と８ターンのコイルＢ３、電機子巻線２３は８ターンのコイルＡ４と７ターンのコイルＢ４、電機子巻線２４は７ターンのコイルＡ５と８ターンのコイルＢ５が直列状に接続されて構成される。

すなわち、図４に示すように、ティース３７とティース３８の間のスロットおよびティース３４とティース３５の間のスロットの間に電機子巻線２０のコイルＡ１（７ターン）、ティース３８とティース３９の間のスロットおよびティース３５とティース３６の間のスロットの間に前記した電機子巻線２１のコイルＡ２（８ターン）、ティース３９とティース３０の間のスロットおよびティース３６とティース３７の間のスロットの間に電機子巻線２２のコイルＡ３（７ターン）、ティース３０とティース３１の間のスロットおよびティース３７とティース３８の間のスロットの間に電機子巻線２３のコイルＡ４（８ターン）、ティース３１とティース３２の間のスロットおよびティース３８とティース３９の間のスロットの間に電機子巻線２４のコイルＡ５（７ターン）が配設される。
また、ティース３２とティース３３の間のスロットおよびティース３９とティース３０の間のスロットの間に電機子巻線２０のコイルＢ１（８ターン）、ティース３３とティース３４の間のスロットおよびティース３０とティース３１の間のスロットの間に前記した電機子巻線２１のコイルＢ２（７ターン）、ティース３４とティース３５の間のスロットおよびティース３１とティース３２の間のスロットの間に電機子巻線２２のコイルＢ３（８ターン）、ティース３５とティース３６の間のスロットおよびティース３２とティース３３の間のスロットの間に電機子巻線２３のコイルＢ４（７ターン）、ティース３６とティース３７の間のスロットおよびティース３３とティース３４の間のスロットの間に電機子巻線２４のコイルＢ５（８ターン）が配設される。なお、図４では、電機子配線２２〜２４については図示省略して、コイルの符号とターン数のみを表記してある。
したがって、各電機子巻線を構成するコイルＡ（コイルＡ１〜コイルＡ５）としては、７，８，７，８，７のターン数を有するコイルが周方向に順に（本実施の形態では、図３、図４に示す逆回転方向に）配設される。また、各電機子巻線を構成するコイルＢ（コイルＢ１〜コイルＢ５）としては、８，７，８，７、８のターン数を有するコイルが周方向に順に配設される。このように、配線を巻き回して電機子配線２０〜２４を構成すると、各スロット内に設けられる配線は、図４に示すように、いずれのスロットも１５本（１５＝７＋８）となる。
本実施の形態の「コイルＡ１〜Ａ５」および「コイルＢ１〜Ｂ５」が本発明の「コイル」に対応する。また、本実施の形態の「コイルＡ（コイルＡ１〜Ａ５）」が本発明の「第１コイル」、本実施の形態の「コイルＢ（コイルＢ１〜Ｂ５）」が本発明の「第２コイル」に対応する。

そして、電機子巻線２０〜２４のうち電機子巻線２０、２１には、図３に示すように、駆動モータに供給される駆動電流が、電源のプラス側のブラシ１４５ａ→セグメント４０→電機子巻線２０のコイルＡ１→電子機巻線２０のコイルＢ１→セグメント４６→セグメント４１→電機子巻線２１のコイルＡ２→電機子巻線２１のコイルＢ２→セグメント４７→セグメント４２→電源のマイナス側のブラシ１４５ｂの順に流れる。
電機子巻線に電流が流れることにより、コイルＡ１、コイルＡ２、コイルＢ１、コイルＢ２の周囲に磁界が発生し、固定子１３５のリングマグネットによるフィールド磁界と作用し合い、電機子１３３が、図４に示す時計回り方向（図３では、左方向）に回転する。
この電機子１３３が回転する原理は、周知の技術であるので詳細な説明は省略する。
実際には、各セグメント間には電機子巻線２０〜２４が設けられており、電機子１３３が回転することで、ブラシ１４５ａ，１４５ｂに摺接する整流子のセグメントが、図３、図４に示すセグメントの符号にして昇順（４０→４１→・・→４９→４０・・）に移動し続ける。したがって、整流子１３７およびブラシ１４５ａ，１４５ｂにより、各電機子巻線に流れる駆動電流の方向が整流されつつ、電機子１３３が図４に示す時計回り方向に回転し続ける。
また、逆回転の場合には、ブラシ１４５ｂが電源のプラス側、ブラシ１４５ａが電源のマイナス側に接続され、電機子１３３が図４示す反時計回り方向に回転し続ける。

本実施の形態のインパクトドライバ１００によれば、セグメント間の各電機子巻線２０〜２４のターン数、すなわち、ＡコイルとＢコイル（例えば、コイルＡ１とコイルＢ１、コイルＡ２とコイルＢ２）のターン数の総和は同数（本実施の形態では、１５）でありながら、同一電機子巻線内のコイルについて、他のコイルとは相違するターン数を選択することができる。本実施の形態では、各電機子巻線は、ＡコイルおよびＢコイルと２つずつのコイルを有し、一方を７ターン他方を８ターンとして構成している。
これにより、整流子の隣りのセグメント間に接続されている各電機子巻線についてはターン数が同じなので、各電機子巻線に駆動電流が流れた際に、各電機子巻線の周囲に発生する磁界の強さにばらつきが生じ難い。したがって、本実施の形態の電動工具の駆動モータでは、整流子が劣化し難く、整流性能が良い状態が継続され易い。また、各電機子巻線のターン数を容易に微調整することができる。例えば、全てのコイルを８ターンにして電機子巻線のターン数の総和が１６ではトルク出力特性が大きく、全てのコイルを７ターンにして電機子巻線のターン数の総和が１４ではトルク出力特性が小さい場合、本実施の形態のように、電機子巻線のターン数の総和を１５として構成して微調整することができる。したがって、電動工具のモータの出力特性を所望の出力特性に容易に調整することができる。

また、本発明のインパクトドライバ１００によれば、電機子１３３の各スロットに設けられるコイルの配線の数が同数（本実施の形態では、１５本）となる。したがって、電機子１３３に各電機子巻線２０〜２４が配設された状態で、電機子１３３の周方向において配線のターン数（すなわち、配線の量）の偏りが少ない。これにより、電機子１３３の周方向の大きさや重さの偏りにより、駆動モータ１２５の出力軸１２２に余分な荷重が加わることがなく、駆動モータの動作が安定している。

なお、本発明は、実施の形態で説明した構成に限定されず種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態では、駆動モータが４極２ブラシの直流モータの場合について説明したが、極数やブラシの数は、これに限定されない。例えば、６極２ブラシの場合、各電機子巻線は、３個のコイルが直列状に接続されて構成される。この場合、例えば、各電機子巻線のコイルのターン数は、電機子巻線毎に、（７，７，８），（８，７，７），（７，８，７），（７，７，８）のように選択する。
また、本実施の形態では、コイルの配線を分布巻きにして構成する場合について説明したが、コイルの配線は集中巻きにしても、実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。

本発明の電動工具の一例として、インパクトドライバ１００の全体構成を示す。インパクトドライバ１００に設けられていている駆動モータ１２１の側断面図を示す。電機子１３３のスロット間に配線を巻き回したコイルにより構成されている電機子巻線の一例を示す。図３に示した電機子巻線２０，２１がスロット間に配設されている状態を示す電機子１３３の断面図である。

２０，２１，２２，２３，２４電機子巻線
１００インパクトドライバ（電動工具）
１０１本体部
１０３モータハウジング
１０５ギアハウジング
１０７ハンドグリップ
１０９ドライバビット（先端工具）
１１１減速機構
１１２スピンドル
１１３ボール
１１４ハンマー
１１５アンビル
１１６圧縮コイルスプリング
１２１駆動モータ
１２２出力軸
１２３，１２４軸受
１２５トリガ
１２７バッテリー
１３３電機子
１３５固定子
１３７整流子
１４５ａ，１４５ｂブラシ
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５コイル
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５コイル

Claims

電機子、前記電機子とともに回転する整流子、前記整流子に複数設けられたセグメント、二つの前記セグメント間に接続された複数の電機子巻線、前記複数のセグメントに摺接し、二つの前記セグメントを介して前記各電機子巻線に駆動電流を供給するプラス側のブラシとマイナス側のブラシを備えるモータと、
前記モータの回転駆動によって所定の加工作業を遂行する先端工具を有し、
前記電機子には複数のスロットが設けられ、
前記各電機子巻線は、前記スロット間に巻き回したコイルにより構成される電動工具であって、
ターン数ｍの複数のコイルと、ターン数ｍと１ターン相違するターン数ｎの複数のコイルを備え、前記ターン数ｍの各コイルと前記ターン数ｎの各コイルは、ターン数ｍのコイルとターン数ｎのコイルが前記電機子の周方向に沿って交互に配設されるとともに、各スロット内に収容されるコイルの数がｍ＋ｎとなるように、同じ間隔離れている前記スロット間に巻き回されており、
前記各電機子巻線は、対角に位置する前記ターン数ｍのコイルと前記ターン数ｎのコイルが二つの前記セグメント間に直列に接続されて構成されているとともに、一つの前記セグメントには、一つの前記電機子巻線の一端と他の前記電機子巻線の他端が接続されていることを特徴とする電動工具。