JP5025999B2 - 電動工具のｄｃブラシレスモータ - Google Patents

Description

この発明は、例えばインパクトドライバ等の電動工具の駆動源として好適なＤＣブラシレスモータに関する。

図９には、ＤＣブラシレスモータ５１を駆動源として内蔵したインパクトドライバ５０が示されている。このＤＣブラシレスモータ５１は、積層鋼板構造の回転子鉄心にマグネット（永久磁石）を取り付けた回転子５２と、積層鋼板構造の固定子鉄心の各歯部に巻き線してなる駆動コイルを回転子５２の周囲に位置させる固定子５３と、回転子５２の磁極の位置を検出する磁気センサ（ホール素子）５４ｂ〜５４ｂを有するセンサ基板５４と、このセンサ基板５４により検出される回転子５２の磁極の位置を検出し、これに基づいて固定子５３の各駆動コイルに順次電流を流して回転子５２を回転させる電気回路基板（図９では現れていない）を備えたもので、ブラシと整流子を必要としないことから機器のコンパクト化及びメンテナンスフリー化を図ることができる。
上記回転子５２は、電動工具の本体ハウジング５５に対して軸受け５６，５７を介してその軸回りに回転自在に支持されている。一方、固定子５２は、本体ハウジング５５内に設けたモータハウジング部５８に保持されている。固定子５３の前端面（図９において右端面）に円形のセンサ基板５４が取り付けられている。このセンサ基板５４の周方向一部には位置決め用の突起部５４ａが放射方向へ張り出すように設けられている。
従来、図１０に示すように例えばこの位置決め用の突起部５４ａがモータハウジング部５８に設けた位置決め溝部５５ａに挿入されて、当該センサ基板５４のモータハウジング部５８ひいては本体ハウジング５５に対する機長方向（回転子５２の軸線方向）の位置決めがなされていた。
こうして本体ハウジング５５に対して回転子５２が支持され、センサ基板５４が機長方向に位置決めされることにより、磁気センサ５４ｂ〜５４ｂの回転子５２に対する機長方向の相対位置（両者間のクリアランス）が高精度で保持されるようになっていた。
特開平６−９０５５３号公報 特開平８−１２６２８７号公報

しかしながら、上記従来のＤＣブラシレスモータ５１の主としてセンサ基板５４の位置決め構造では、次のような問題があった。
すなわち、従来は、センサ基板５４の周縁一部から放射方向に張り出す位置決め用の突起部５４ａを本体ハウジング５５の位置決め溝部５５ａに挿入することにより、当該センサ基板５４を本体ハウジング５５に対して機長方向に位置決めし、ひいては当該センサ基板５４を回転子５２に対して機長方向に位置決めする構成となっていた。このため、固定子５３の振動等によりセンサ基板５４の位置決め用突起部５４ａに曲げ応力等が集中して付加され、その結果センサ基板５４の主として位置決め用突起部５４ａが損傷等して当該センサ基板５４の耐久性が損なわれるおそれがあった。
本発明は、センサ基板の本体ハウジングひいては回転子に対する機長方向の位置決め精度を損なうことなく、その耐久性を高めることを目的とする。

このため、本発明は、特許請求の範囲の各請求項に記載した構成のＤＣブラシレスモータとした。
請求項１記載のＤＣブラシレスモータによれば、固定子のインシュレータがモータハウジング部に対して凹凸係合して機長方向に位置決めされ、その結果インシュレータに取り付けたセンサ基板がモータハウジング部ひいては本体ハウジングに対して機長方向に位置決めされる。このようにインシュレータがモータハウジング部に対して凹凸係合して機長方向に位置決めされることによりセンサ基板が本体ハウジングに対して間接的に位置決めされる構成であるため、従来のように固定子が振動等してもセンサ基板に曲げ等の外力が付加されることがないため当該センサ基板の耐久性を高めることができ、ひいては当該センサ基板の耐久性を維持しつつその薄板化を図ることができる。
請求項２記載のＤＣブラシレスモータによれば、インシュレータの両端部のうちセンサ基板側の端部において当該インシュレータがモータハウジング部に凹凸係合して位置決めされるため、固定子鉄心の積層鋼板構造による機長方向の累積誤差の影響を受けることなくセンサ基板をより高い精度で本体ハウジングに対して位置決めすることができる。

次に、本発明の実施形態を図１〜図９に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るＤＣブラシレスモータ１０を駆動源とする電動工具１を示している。本例では、この電動工具１の一例として、いわゆるインパクト式のねじ締め機（インパクトドライバ）が示されている。以下の説明において、電動工具１の前後方向については、図１において右側が前側であり、左側が後側として説明する。
本実施形態は、駆動源としてのＤＣブラシレスモータ１０について特徴を有している。電動工具１の全体構成については従来公知のものと同様であるが、以下簡単に説明する。
この電動工具１は、工具本体２と、工具本体２の側部から突き出す状態に設けられたグリップ部３を備えている。
工具本体２は、概ね円筒形の本体ハウジング４を備えている。この本体ハウジング４は機長方向の分割面で左右２分される二つ割り構造を有している。図１は、本体ハウジング４を開いた状態を示している。本体ハウジング４の後部は後部ハウジング５で閉塞されている。
グリップ部３は、使用者が当該電動工具１を使用する際に把持する部分であり、その基部（図１において上部）には使用者が指先で引き操作するトリガ形式のスイッチレバー３ａが設けられている。このスイッチレバー３ａを引き操作するとグリップ部３内に収容したメインスイッチ３ｂがオンして駆動源としてのＤＣブラシレスモータ１０が起動する。図１では示されていないが、グリップ部３の下部には、当該電動工具１の電源としてのバッテリパックを装着するためのバッテリ取り付け部が設けられている。

本体ハウジング４内には、その後側から順番にＤＣブラシレスモータ１０、減速ギヤ列６、駆動軸７、回転打撃機構８、及びアンビル９が同軸に収納されている。ＤＣブラシレスモータ１０の回転出力が減速ギヤ列６を経て駆動軸７に伝達され、その後回転打撃機構８を経てアンビル９に伝達される。減速ギヤ列６には、遊星歯車機構が用いられている。この減速ギヤ列６のキャリア側に駆動軸７が設けられている。
回転打撃機構８は、駆動軸７の回転をアンビル９に対する回転打撃動作に変換する機能を有するもので、駆動軸７に対して同軸で回転可能かつ軸方向移動可能に支持されたハンマー８ａと、このハンマー８ａを先端側に付勢する圧縮ばね８ｂと、ハンマー８ａの軸方向移動と回転動作を規制する鋼球８ｃ，８ｃを備えている。
アンビル９は、当該電動工具１の出力軸の機能を有するもので、駆動軸７の先端に同軸で相対回転可能に支持されている。このアンビル９は、本体ハウジング４の先端部に装着した円筒形の軸受け４ａを介してその軸回りに回転自在、かつ軸方向への変位不能に支持されている。このアンビル９の先端にドライバビット若しくはソケットビット等の先端工具が装着される。図１では先端工具の図示が省略されている。
ねじ締め開始後、ねじ締め抵抗が小さい段階では、アンビル９は回転打撃機構８を介して駆動軸７と一体でねじ締め方向へ回転する。ねじ締めが進行してねじ締め抵抗が駆動軸７に伝達される回転力に勝ると、ハンマー８ａが圧縮バネ８ｂに抗して軸方向に後退し、これによりハンマー８ａとアンビル９との回転動力（ねじ締め抵抗）の伝達が遮断されると、当該ハンマー８ａが圧縮ばね８ｂにより前進しつつ回転してアンビル９をねじ締め方向に打撃する。アンビル９がねじ締め方向に打撃されることにより、ねじの増し締めがなされる。

駆動源としてのＤＣブラシレスモータ１０は、４極構造のモータであり、マグネット（永久磁石）を備える回転子（ロータ）１１と、本体ハウジング４の内側に固定されてその内周側に回転子１１を位置させる固定子（ステータ）２０と、回転子１１の磁極の位置を検出するためのホール素子３１〜３１を備えたセンサ基板３０と、駆動回路を有する電気制御基板を備えている。電気制御基板は、前記グリップ部３の先端側に配置されており、その図示は省略されている。
回転子１１は、円形の薄鋼板を多数枚積層した回転子鉄心１２を備えている。この回転子鉄心１２の周囲には、４極のリングマグネット１３〜１３が固定されている。回転子鉄心１２の中心には回転軸１４が固定されている。
回転軸１４は回転子鉄心１２の両側から突き出されている。図１に示すように回転軸１４の前側（減速ギヤ列６側）は前側軸受け１５を介して、後側は後部ハウジング５に保持した後側軸受け１６を介してそれぞれ回転自在かつ軸方向（機長方向）へは移動しない状態に支持されている。前側軸受け１５は、本体ハウジング４内を前後に区画する中間区画壁４ｂに保持されている。この中間区画壁４ｂによって当該本体ハウジング４内がＤＣブラシレスモータ１０側（後側）と回転打撃機構８側（前側）に区画されている。
回転軸１４の後側であって回転子鉄心１２と後側軸受け１６との間には、冷却ファン１７が取り付けられている。この冷却ファン１７は回転子１１と一体で回転する。

固定子２０は、概ね円筒形状を有するもので、多数枚の薄鋼板を積層した積層鋼板構造を有する固定子鉄心（ステタコア）２１と、これを電気的に絶縁するいわゆるインシュレータと呼ばれる電気絶縁部材２２を備えている。図４には固定鉄心２１が単独で示され、図５には電気絶縁部材２２が被覆された固定子２０が示されている。固定子鉄心２１の内周側には６本の歯部２１ａ〜２１ａが設けられている。この固定子鉄心２１の外周面と各歯部２１ａの先端面を除く範囲が電気絶縁部材２２で覆われている。各歯部２１ａの、電気絶縁部材２２で覆われた部分に駆動コイル２３が巻き線されている。電気絶縁部材２２で覆われない各歯部２１ａの先端面は、回転子１１の周面との間に一定の隙間をおいた状態で位置している。
図１に示すようにこの固定子２０は、本体ハウジング４の内側に一体に設けたモータハウジング部２５の内周側に保持されている。このモータハウジング部２５も、本体ハウジング４と同様左右に２分される二つ割り構造を有している。モータハウジング部２５は、側壁部２５ａと後壁部２５ｂと係合突部２５ｃを備えている。
側壁部２５ａは固定子２０の周囲全周に沿って設けられている。この側壁部２５ａにより固定子２０がその径方向への変位を規制された状態に位置決めされている。
この側壁部２５ａの後方に、後壁部２５ｂが内周側に張り出す状態に設けられている。この後壁部２５ｂの内周側に回転子１２の回転軸１４および冷却ファン１７が位置している。固定子２０はその後面（電気絶縁部材２２の後面）をこの後壁部２５ｂに当接させた状態に保持され、これにより当該固定子２０が後方への変位を規制された状態に位置決めされている。
係合突部２５ｃは、側壁部２５ａの前方において内周側に張り出す状態に設けられている。この係合突部２５ｃは、固定子２０の全周に沿って設けられている。この係合突部２５ｃの機能については後述する。

電気絶縁部材２２の前面にセンサ基板３０が取り付けられている。電気絶縁部材２２の前面側には、その全周にわたるほぼ円形の段差部２２ａが設けられている。この段差部２２ａ内にセンサ基板３０が収容された状態で取り付けられている。図６にはセンサ基板３０が単独で示されている。センサ基板３０は、概ね円板形状をなすもので、その中心には前記前側軸受け１５を位置させるための逃がし孔３０ａが設けられている。
図６に示すようにセンサ基板３０の下部には、配線接続用の端子接続板部３０ｂが放射方向へ張り出す状態に設けられている。図７に示すように端子接続板部３０ｂは、上記段差部２２ａの一部を切り欠いた切り欠き部２２ｂを経て電気絶縁部材２２の外周側（図２および図７において下方）に張り出されている。
センサ基板３０に取り付けた三つの磁気センサ３１〜３１は、回転子１１の磁極の位置が固定子２０のいずれの歯部２１ａに対向する位置にあるのかを検出するためのセンサであり、本例ではホール素子が用いられている。図７に示すようにこのセンサ基板３０が電気絶縁部材２２の段差部２２ａ内に３本のねじ３２〜３２でねじ止めされており、これにより三つの磁気センサ３１〜３１が、周方向に隣り合う３本の歯部２１ａ〜２１ａに対して相互に位相を合わされた状態で配置されている。この三つの磁気センサ３１〜３１で回転子１１の磁極の位置を検出しながら、電気制御基板から駆動コイル２３〜２３に対して順番に電流を流すことで回転子１１が回転する。これらＤＣブラシレスモータ１０の基本的構成については従来公知の技術であり、本実施形態において特に変更を要しない。

図５に示すように上記３本のねじ３２〜３２が締め込まれる三カ所のねじ孔２２ｃ〜２２ｃは、電気絶縁部材２２の段差部２２ａの周方向三等分位置であって、固定子鉄心２１の隣接する歯部２１ａ，２１ａ間に配置されている。各ねじ孔２２ａが隣接する歯部２１ａ，２１ａ間に位置することにより、当該ねじ孔２２ａを有する円筒体形状のボス部が邪魔になることなく、歯部２１ａの全長にわたって十分な長さの巻き線を施すことができ、これによりコンパクトかつ効率のよい駆動コイル２３を設けることができる。
電気絶縁部材２２の前面側の周縁には、係合溝部２２ｄが全周にわたって形成されている。この係合溝部２２ｄ内に前記係合突部２５ｃが全周にわたって挿入（凹凸係合）されている。これにより、固定子２０のモータハウジング部２５に対する機長方向（前後方向、図１において左右方向）の位置が位置決めされている。係合突部２５ｃの幅は係合溝部２２ｄに対してがたつきなく挿入可能な幅に設定されている。このため、係合溝部２２ｄ内に係合突部２５ｃが挿入されることにより、固定子２０が機長方向にがたつきなく位置決めされている。
固定子２０がモータハウジング部２５に対して機長方向に高精度で位置決めされる結果、当該固定子２０の前面に取り付けたセンサ基板３０のモータハウジング部２５に対する機長方向の位置が正確に位置決めされる。センサ基板３０の機長方向の位置が高精度で位置決めされる結果、各磁気センサ３１〜３１の回転子１１に対する機長方向の位置が高精度で位置決めされる。

次に、本実施形態に係るＤＣブラシレスモータ１０では、固定子２０の前面（段差部２２ａ）に対してセンサ基板３０を回転方向（回転子１１の回転方向）について正確に取り付けることができるようになっている。
図４に示すように固定子鉄心２１の周面には、その軸線方向に沿って位置決め溝部２１ｂがその全長にわたって形成されている。図示するようにこの位置決め溝部２１ｂは、当該固定子鉄心２１の周方向の位置に関して、一つの歯部２１ａの外側（外周側）であって磁界にほとんど影響を与えない位置に設けられている。
この位置決め溝部２１ｂに対応して電気絶縁部材２２の前面および後面には逃がし溝部２２ｅ，２２ｅが形成されている。図５に示すように両逃がし溝部２２ｅ，２２ｅの幅寸法および深さ寸法は、それぞれ位置決め溝部２１ｂよりも大きく設定されている。
図６に示すようにセンサ基板３０の上部には、位置決め溝部３０ｃが設けられている。この位置決め溝部３０ｃの幅寸法および深さ寸法は、上記固定子鉄心２１の位置決め溝部２１ｂと正確に一致している。
固定子鉄心２１の前面（電気絶縁部材２２の段差部２２ａ）にセンサ基板３０を組み付ける際には、組み付け治具３５が用いられる。図７および図８に示すようにこの組み付け治具３５は、固定子鉄心２１の外周面に沿う円弧形状に湾曲した基板部３５ａと、この基板部３５ａの湾曲内側に一体に形成された位置決め突部３５ｂを備えている。基板部３５ａは、固定子鉄心２１の外周面に隙間なく密着される。また、図８に示すように基板部３５ａは、固定子２０よりも長い機長方向の長さを有している。

位置決め突部３５ｂは、基板部３５ａの前端から後端に至る全長にわたって設けられている。位置決め突部３５ｂの幅は、上記固定子２０の位置決め溝部２１ｂとセンサ基板３０の位置決め溝部３０ｃに対してがたつきなく挿入可能な幅に設定されている。この位置決め突部３５ｂは、基板部３５ａを固定子鉄心２１の外周面に密着させた状態で、当該固定子２０の中心軸線（回転子軸１４の軸線）に正確に平行となる状態に設けられている。
この位置決め治具３５を用いて、センサ基板３０を固定子２０の前面（電気絶縁部材２２の段差部２２ａ内）に組み付けるには、図７および図８に示すようにセンサ基板３０を段差部２２ａ内にセットし、次に固定子鉄心２１の位置決め溝部２１ｂとセンサ基板３０の位置決め溝部３０ｃとに跨って位置決め突部３５ｂを挿入し、かつ基板部３５ａを固定子鉄心２１の外周面に密着させた状態に当該位置決め治具３５を装着する。
このように位置決め治具３５をセットした状態とし、この状態を保持しつつ３本のねじ３２〜３２をそれぞれねじ孔２２ｃに締め付けて、当該センサ基板３０を固定子２０の段差部２２ａ内に強固に固定する。これにより、センサ基板３０は、固定子２０に対してその周方向（回転子１１の回転方向）の相対位置について正確に位置決めされた状態で固定され、ひいては各磁気センサ３１を固定子鉄心２１の各駆動コイル２３に対して回転方向に高精度で位置決めすることができる。

以上のように構成したＤＣブラシレスモータ１０によれば、固定子２０のモータハウジング部２５に対する機長方向の位置決めに関して、モータハウジング部２５に設けた係合突部２５ｃを固定子２０の係合溝部２２ｄ内に挿入して当該固定子２０がモータハウジング部２５に位置決めされる構成となっている。一方、固定子２０の前面に取り付けたセンサ基板３０の周縁の一部であって端子接続部３０ｂは、従来のようにモータハウジング部２５に対して係合されておらず自由状態で張り出している。
このことから、固定子２０が振動等した場合においてこれにより発生する外力はモータハウジング部２５側の係合突部２５ｃにより受けられ、従来のようにセンサ基板３０の端子接続部３０ｂに曲げ力としては付加されることがないので、当該センサ基板３０の損傷を回避してその耐久性を高めることができる。

また、本実施形態の場合、固定子２２側の係合溝部２２ｄが電気絶縁部材２２の前部であってセンサ基板３０にきわめて近い側に設けられている。このため、固定子鉄心２１を構成する積層鋼板の板厚等による累積誤差の影響を受けることなく、センサ基板３０をモータハウジング部２５ひいては回転子１１に対して機長方向に正確に位置決めすることができる。
この点、電気絶縁部材のうち、例えば固定子鉄心の後側を被覆する部分に同様の係合溝部を設け、この係合溝部に対応してモータハウジング部２５の後壁部２５ｂの近傍に係合突部を設けて相互に凹凸係合させる構成とした場合には、センサ基板に対する外力の付加を排除してその耐久性を高めることができるものの、固定子の係合溝部とセンサ基板との間に固定子鉄心が位置するためこれを構成する各鋼板の板厚の誤差が累積されて、センサ基板の機長方向の位置のばらつきを生ずるおそれがある。
しかしながら、例示した構成によれば、モータハウジング部２５に対して凹凸係合する係合溝部２２ｄがセンサ基板３０に接近して（電気絶縁部材２２の前側に）設けられているので、固定子鉄心２１の累積誤差に関係なく当該センサ基板３０の回転子１１に対する機長方向の位置を正確に位置決めすることができ、これにより各磁気センサ３１の検出精度を高めて回転子１１の制御特性を向上させることができる。

以上説明した実施形態に種々変更を加えて実施することができる。例えば、固定子２０のモータハウジング部２５に対する機長方向の位置決めについて、モータハウジング部２５に係合突部２５ｃを設け、この係合突部２５ｃを固定子２０の電気絶縁部材２２に設けた係合溝部２２ｄ内に挿入して凹凸係合させる構成を例示したが、図３に示すようにこれとは逆に、モータハウジング部２５の前端に係合溝部２５ｄをその全周にわたって設け、固定子２０の電気絶縁部材２２側に係合突部２２ｆを全周にわたって設ける構成としてもよい。固定子２０側の係合突部２２ｆをモータハウジング部２５側の係合溝部２５ｄ内に挿入することにより、当該固定子２０をモータハウジング部２５に対して機長方向に位置決めすることができる。この構成によっても、固定子２０の振動等により発生する外力が電気絶縁部材２２の係合突部２２ｆを経てモータハウジング部２５により受けられ、センサ基板３０には付加されないので、当該センサ基板３０の耐久性を高めることができる。
また、固定子２０をその全周にわたってモータハウジング部２５に凹凸係合させる構成を例示したが、係合突部２５ｃ（２２ｆ）または係合溝部２２ｄ（２５ｄ）またはその双方を周方向の一部について設けて、機長方向の位置決めを行うための凹凸係合部を周方向の一部に設定する構成としてもよい。
さらに、電動工具の一例としてインパクト式のねじ締め機を例示したが、本願発明は駆動源としてＤＣブラシレスモータを内蔵するその他の電動工具に広く適用することができる。

本発明の実施形態に係るＤＣブラシレスモータを駆動源とするインパクト式ねじ締め機の縦断面図である。 図１の（２）部拡大図である。本図は、固定子のモータハウジング部に対する位置決め構造を示す縦断面図である。 固定子のモータハウジング部に対する別形態の位置決め構造を示す縦断面図である。 固定子鉄心単体の前面図（図１において右側から見た図、以下同じ）である。 固定子単体の前面図である。 センサ基板単体の前面図である。 位置決め治具を用いてセンサ基板を前面に位置決めした状態の固定子の前面図である。 位置決め治具を用いてセンサ基板を前面に位置決めした状態の固定子の縦断面図である。 従来のセンサ基板の位置決め構造を備えたインパクト式ねじ締め機の縦断面図である。 図９の（１０）部拡大図である。本図は、モータハウジングに対するセンサ基板の位置決め構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１…電動工具（インパクトねじ締め機）
２…工具本体
４…本体ハウジング
８…回転打撃機構
１０…ＤＣブラシレスモータ
１１…回転子（ローター）
１２…回転子鉄心
１３…マグネット
１４…回転軸
１７…冷却ファン
２０…固定子
２１…固定子鉄心（ステタコア）
２２…電気絶縁部材（インシュレータ）
２２ｄ…係合溝部、２２ｆ…位置決め突部
２３…駆動コイル
２５…モータハウジング部
２５ａ…側壁部、２５ｃ…係合突部、２５ｄ…係合溝部
３０…センサ基板
３０ａ…逃がし孔、３０ｂ…端子接続部
３１…磁気センサ（ホール素子）
３５…位置決め治具
５４ａ…センサ基板５４の位置決め用突起部
５５ａ…位置決め溝部

Claims (3)

1. 電動工具の本体ハウジングに内蔵されたＤＣブラシレスモータであって、
   前記本体ハウジングに設けたモータハウジング部の内周面と、該モータハウジング部の内周側に保持された固定子のインシュレータの外周面との一方に係合凸部を周面に沿って設け、他方に該係合凸部が挿入される係合溝部を周面に沿って設け、該係合溝部に前記係合凸部を凹凸係合させて前記固定子を前記モータハウジングに対して軸線方向に位置決めすることにより、該固定子に取り付けたセンサ基板を回転子に対して軸線方向に間接的に位置決めする構成としたＤＣブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のＤＣブラシレスモータであって、固定子鉄心の軸線方向前後両端面がインシュレータで被覆されており、前記凹凸係合部は、インシュレータの両端部のうち、前記センサ基板が取り付けられた側に設定したＤＣブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２記載のＤＣブラシレスモータを駆動源として内装した電動工具。

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