JP5187058B2 - 電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータを用いた電動工具に関し、特にブラシレスＤＣモータの回転軸に取り付けられるモータ用冷却ファンの取付構造を改良した電動工具に関する。

モータを駆動源とする電動工具においては、モータの冷却をするためにモータの回転軸と同軸に冷却用のファンを取り付けることが一般的である。このファンは、軽量化、絶縁性の関係からプラスチック等の一体成型によって製造することが多い。プラスチック製のファンをモータの回転軸に取り付ける場合には、ファンの中心に設けられた貫通穴にモータの回転軸を貫通させるようにするが、単に、貫通させるようにした場合、プラスチックには弾性があるためファンが空転してしまう恐れがあった。そのため、特許文献１においては、樹脂製のファンにタブを設け、このタブを絶縁管を介して、反整流子側のコイルエンド先に突出している溝に嵌め込み、接着固定するようにしている。このファンは、直流モータのモータケースの内部に設けられるファンであるので、一度組み立てたら外すことを想定していない。

近年、ドリルやドライバ等の先端工具をモータによって回転駆動して所要の作業を行う電動工具において、ブラシレスＤＣモータが使われるようになってきた。ブラシレスＤＣモータは、ブラシ（整流用刷子）の無いＤＣ（直流）モータであり、コイル（巻線）を固定子側に、永久磁石を回転子側に用い、インバータで駆動された電力を所定のコイルへ順次通電することによりロータを回転させる。ブラシレスＤＣモータでは、ステータに巻装されたコイルへの通電をオン・オフさせるためのスイッチング素子を、モータの後端側（出力軸と反対側）に取り付けられる円形の回路基板上に配置する。ブラシレスＤＣモータにおいては、モータのステータ側とロータ側を独立して組み立てて、最後にこれらを対向するようにハウジング内に配置すれば良いので、冷却ファンの取付位置に関して自由度が大きくなった。

特開平７−２４１０６０号公報

ブラシレスＤＣモータの場合は、発熱が大きいコイル部分がアウター側となるため、冷却ファンの大きさはモータの外径とほぼ等しいくらいに大きくし、風量も大きくすると良い。しかし、ファンの大きさを大きくすると回転の慣性力が増えるため、回転軸に対して空転してしまう恐れが高くなる。このために、従来の電動工具においては図６に示す対策が施されている。図６は、従来の装置における、ブラシレスＤＣモータのロータコア２とロータファン１１３の取付構造を示す断面図である。ブラシレスＤＣモータのロータは、主に回転軸１２に固定されたロータコア２、回転軸１２と平行な方向に延びるようにし、回転角で９０度ずつずらしてロータコア２内に配置されるマグネット１５によって主に構成される。回転軸１２は、その両端付近においてベアリング１８及び１９によって回転可能なように保持される。回転軸１２の前端（図中右側）には、ピニオン１７が装着される。

ロータコア２とベアリング１９の間には、ロータファン１１３が取り付けられる。ロータファン１１３は中心軸付近において後端部まで延び、後端面がロータコア２に接する。ロータファン１１３の空転を防ぐために、機械加工により形成された鉄製のブッシュ１０１がロータファン１１３にインサート成型され、回転軸１２に圧入される。このため、ブッシュ１０１の機械加工、ロータファン１１３のインサート成形により、これらの製造コストが高かった。また、ロータが完成した後に回転バランスを修正することが困難であった。さらに、インサート成形において接着剤を使用するため、材料費が高くなっていた。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的はブラシレスＤＣモータの冷却用のファンの空転を防止することができる電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、ブラシレスＤＣモータの回転部分のバランスの修正が容易に行うことができる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。

本発明の一つ特徴によれば、回転軸に取り付けられ永久磁石を収容するロータコアと、ロータコアの外周に位置するステータを有するブラシレスＤＣモータと、回転軸に取り付けられる冷却用のファンを有する電動工具であって、ロータコアの軸方向ファン側の端面に、ロータコアに形成される永久磁石を収容するためのスロットである複数の凹部を形成し、凹部を用いて冷却用のファンの空転を防止するように構成した。そのため、永久磁石の軸方向の長さは、ロータコアに形成されるスロットの軸方向の長さよりも短くすると好ましい。

本発明の他の特徴によれば、ロータコアとファンの間に、凸部と凹部が形成されたスリーブを配置し、スリーブの凸部をロータコアの凹部と嵌合させ、スリーブの凹部をファンに形成された凸部に嵌合させるようにした。スリーブは、軸方向に所定の長さを有する外面部が形成され、外面部にバランス修正用の溝が設けられる。この溝は、円周方向の１箇所又は複数箇所に形成されるが、バランス修正が不要の場合は溝を形成する必要はない。

本発明のさらに他の特徴によれば、スリーブは、プラスチックの一体形成により構成され、凸部として外周側に永久磁石の挿入用のスロットと嵌合するリブを有し、凹部としてファンの凸部と嵌合する切り欠きを設けた。また、ファンは、プラスチックの一体形成により構成され、中心軸から放射状に延びる複数のブレードを有し、中心軸近傍に切り欠きと対応する形状の回り止めリブを設けた。

請求項１の発明によれば、ロータコアの軸方向ファン側の端面に複数の凹部を形成し、凹部を用いて冷却用のファンの空転を防止するように構成したので、ロータコアとファンの相対回転を制限することができる。

また、ロータコアの凹部は、ロータコアに形成される永久磁石を収容するためのスロットを用いるので、ロータコアに新たな機械加工を施す必要が無く、低コストでファンの空転防止を図ることができる。

請求項２の発明によれば、ロータコアに収容される永久磁石の長さは、スロットの軸方向の長さよりも短いので、スロット部に空きスペースが形成され、これによって凹部を形成することができる。

請求項３の発明によれば、ロータコアとファンの間に、凸部と凹部の形成されたスリーブを配置し、スリーブの凸部をロータコアの凹部と嵌合させ、スリーブの凹部をファンに形成された凸部に嵌合させるので、ロータコアとファンの相対回転防止をモールドにて成形された安価なスリーブで実現することができる。

請求項４の発明によれば、スリーブは、軸方向に所定の長さを有する外面部が形成され、外面部にバランス修正用の溝が設けられるので、これによってロータのバランス修正を容易に行うことができる。

請求項５の発明によれば、バランス修正用の溝は、円周方向の１箇所又は複数箇所に形成されるので、高精度のバランス修正が可能となる。

請求項６の発明によれば、スリーブは、プラスチックの一体形成により構成され、凸部として外周側に永久磁石の挿入用のスロットと嵌合するリブを有し、凹部としてファンの凸部と嵌合する切り欠きを有するので、ファンの空転防止を確実に行うことができる。また、空転しないため、溝の形成によって修正した回転バランスが崩れることがない。

請求項７の発明によれば、ファンは、プラスチックの一体形成により構成され、中心軸から放射状に延びる複数のブレードを有し、中心軸近傍に切り欠きと対応する形状の回り止めリブを有するので、ブレードによって起こされる空気流に影響することなく回り止め用の凸部を形成することができる。

本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明において、上下、前後の方向は、図１に示した方向として説明する。図１は本発明に係る電動工具の一実施形態としてのインパクトドライバ１の内部構造を示す図である。インパクトドライバ１は、充電可能なバッテリ９を電源とし、ブラシレスＤＣモータを駆動源として回転打撃機構２１を駆動し、出力軸であるアンビル３０に回転と打撃を与えることによってスリーブ３１によって保持されるドライバビット等の図示しない先端工具に回転打撃力を間欠的に伝達してネジ締めやボルト締め等の作業を行う。

上記ブラシレスＤＣモータは、側面視で略Ｔ字状の形状を成すハウジング５の筒状の胴体部５ａ内に収容される。ブラシレスＤＣモータの回転軸１２は、ハウジング５の胴体部５ａの後端側のベアリング１８と中央部付近に設けられるベアリング１９によって回転可能に保持され、ブラシレスＤＣモータの前方には回転軸と同軸に取り付けられ、ブラシレスＤＣモータと同期して回転するロータファン１３が設けられ、ブラシレスＤＣモータの後方には、ブラシレスＤＣモータを駆動するためのインバータ回路基板４が配設される。ロータファン１３によって起こされる空気流は、空気取り入れ穴３２及びインバータ回路基板４の周囲のハウジング部分に形成された複数のスロット（図示せず）からハウジング５の内部に取り込まれ、主にロータコア２とステータ３の間を通過する用に流れ、ロータファン１３の後方から吸引されてロータファン１３の半径方向に流れ、ロータファン１３の周囲のハウジング部分に形成された複数のスロット（図示せず）からハウジング５の外部に排出される。インバータ回路基板４には、複数の出力トランジスタ３４が搭載され、位置検出素子３３の出力を用いてインバータ制御を行うことによりブラシレスＤＣモータを回転させる。

ハウジング５の胴体部５ａから略直角に一体に延びるハンドル部５ｂ内の上部にはトリガスイッチ６が配設され、トリガスイッチ６の下方にはスイッチ基板７が設けられる。ハンドル部５ｂ内の下部には、トリガスイッチ６の引き動作によって前記ブラシレスＤＣモータの速度を制御する機能等を備えた制御回路基板８が収容され、この制御回路基板８は、バッテリ９とトリガスイッチ６に電気的に接続される。制御回路基板８は、フラットケーブル１１ｂ及びコネクタ１１ａを介してインバータ回路基板４と制御用の信号線が形成される。ハンドル部５ｂの下方には、ニカド電池、リチウムイオン電池等のバッテリ９が着脱可能に装着される。

回転打撃機構２１は、遊星歯車減速機構２２とスピンドル２７とハンマ２４を備え、後端がベアリング２０、前端がメタル２９により保持される。トリガスイッチ６が引かれてブラシレスＤＣモータが起動されると、正逆切替レバー１０で設定された方向にブラシレスＤＣモータが回転を始め、その回転力は遊星歯車減速機構２２によって減速されてスピンドル２７に伝達され、スピンドル２７が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル２７とハンマ２４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２７の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝２５と、ハンマ２４の内周面に形成されたハンマカム溝２８と、これらのカム溝２５、２８に係合するボール２６によって構成される。

ハンマ２４は、スプリング２３によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール２６とカム溝２５、２８との係合によってアンビル３０の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ２４とアンビル３０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２７が回転駆動されると、その回転はカム機構を介してハンマ２４に伝達され、ハンマ２４が半回転しないうちにハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部に係合してアンビル３０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２７とハンマ２４との間に相対回転が生ずると、ハンマ２４はカム機構のスピンドルカム溝２５に沿ってスプリング２３を圧縮しながらブラシレスＤＣモータ側へと後退を始める。

そして、ハンマ２４の後退動によってハンマ２４の凸部がアンビル３０の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ２４は、スピンドル２７の回転力に加え、スプリング２３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、スプリング２３の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル３０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３０に加えられるため、アンビル３０の取付穴３０ａに装着される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、例えば、ネジが木材等の図示しない被締結材にねじ込まれる。

図２は、本実施例に係るブラシレスＤＣモータのロータコア２とロータファン１３の取付形状を示す斜視図である。ブラシレスＤＣモータのロータは、主に回転軸１２に固定されたロータコア２、ロータコア２内に回転軸１２と平行な方向に延びるようにし、回転角で９０度ずつずらして配置されるマグネット１５によって主に構成される。回転軸１２は、その両端付近においてベアリング１８及び１９によって回転可能なように保持される。回転軸１２の前端には、ピニオン１７が装着される。ピニオン１７は、遊星歯車減速機構２２のサンギアの役目を果たすもので、ピニオン１７の外周側にギアが形成され、内周側は挿入穴が形成され、例えば圧入などによって回転軸１２に固定される。

ロータコア２とベアリング１９の間には、スリーブ１４とロータファン１３が取り付けられる。スリーブ１４は、ロータファン１３がロータコア２に対して相対的に回転（空転）しないようにする目的と、ベアリング１８、１９によって保持される回転体の回転バランスを取る目的で用いられる。スリーブ１４は、例えばプラスチック又は金属によって構成できるが、金属製にする場合は、ロータコア２の磁路に影響しないように非磁性体であることが好ましい。ロータファン１３は、例えばプラスチックの一体成型にて製造できる。

ロータコア２とベアリング１８の間には、プラスチック製のスペーサ３５が設けられる。スペーサ３５の形状は略円筒形で、ベアリング１８とロータコア２との間の間隔を設定する。この間隔はインバータ回路基板４（図１）を同軸上に配置するために必要とされるものである。

図３は、ブラシレスＤＣモータの回転部分、特にロータコア２の形状を示す斜視図である。ロータコア２は、マグネット１５によって形成される磁路を形成するもので、例えば積層された薄い金属板により構成される。ロータコア２には、回転軸に対して平行な方向に４つの平板状のスロット２ａが形成され、そのスロット２ａの内部には、Ｓ極のマグネット１５ａとＮ極のマグネット１５ｂが挿入される。マグネット１５の軸方向の長さは、図２から理解できるように、ロータコア２の軸方向の長さより若干短く、スリーブ１４が接する側においては、マグネット１５はロータコア２の端部まで到達しない。従って、スロット２ａの部分は溝が形成されたような状態になる。

図４はスリーブ１４の形状を示す図であり、（１）は後方側から見た斜視図、（２）は背面図、（３）は側面図である。スリーブ１４のロータコア２に接する面（後面）には、ロータコア２に形成されたスロット２ａに対応する形状、即ち軸方向と鉛直面の断面が長方形である４つの回り止めリブ１４ａ（凸部）が形成される。また、回り止めリブ１４ａの内周側には、十字状に切り抜きされた回り止め穴１４ｃ（凹部）が形成される。回り止めリブ１４ａの十字状の中心部には回転軸１２が貫通する。回り止めリブ１４ａ及び回り止め穴１４ｃは、スリーブ１４をモールドによって一体成型される。

スリーブ１４の軸方向中央部には、その断面が円形であって所定の面積（所定の軸方向長さ）の外面が露出した外面部１４ｄが形成され、この外周の任意の位置にドリルなどによって、例えば、深さ２、３ｍｍ以下のバランス修正用溝１４ｂを形成する。バランス修正用溝１４ｂは、ドリルなどによって形成でき、バランス修正用溝１４ｂの位置、数、深さ、直径などはブラシレスＤＣモータの回転部分のバランスがとれるように設定される。従って、バランス修正用溝１４ｂは、スリーブ１４の組み込み前に形成されるのではなく、図３に示すブラシレスＤＣモータの回転部分を組み立てた後に、回転バランスの状態を確認しながら形成するものである。外面部１４ｄの前方（ロータファン１３側）には、ロータファン１３を安定して保持するためのフランジ１４ｅが形成され、フランジ１４ｅは外面部１４ｄに対して直径が大きくなっている。

図５は ロータファン１３の形状を示す図であり、（１）は後方側（スリーブ１４側）から見た斜視図であり、（２）は背面図、（３）は側面図である。ロータファン１３は、例えばプラスチックのモールドにより一体成型されるもので、後方側中心付近に、略十字状の配置になるように、後方に突出する４つの回り止めリブ１３ａが形成される。このリブ１３ａは、図４で説明した回り止め穴１４ｃに嵌挿される。ロータファン１３は、後方の内周側（円環プレート１３ｂの内部）から空気を吸引し、前方側の半径方向外側に排出する、いわば遠心ファンであり、回転軸１２が貫通する貫通穴１３ｆの周囲から放射状に延びる複数のブレード１３ｃを有し、ブレード１３ｃの後方側に円環プレート１３ｂが形成され、前方側に、円環プレート１３ｂの内周側よりもその径が小さい円環プレート１３ｄが形成される。また、図５（３）で示すように、円環プレート１３ｄの前方側は軸方向に延びる円筒リブ１３ｅが突出する。

以上のように、本実施形態においては、ブラシレスＤＣモータにおいて、ロータコア２には、スリーブ１４を介してロータファン１３が取り付けられる。スリーブ１４とロータコア２は、回り止め用のリブ１４ａがロータコア２のスロット２ａに嵌挿されるので、スリーブ１４がロータコア２に対して空転することが無い。さらに、スリーブ１４とロータファン１３は、回り止め用のリブ１３ａがスリーブ１４の回り止め穴１４ｃに嵌挿されるので、ロータファン１３がスリーブ１４に対して空転することが無い。従って、ロータファン１３の空転を確実に防止することができる。

また、スリーブ１４は、プラスチックの一体成型により成型されるので軽量であり、安価に製造できる。さらに、スリーブ１４を用いることによって、ブラシレスＤＣモータの回転部分のバランス修正を容易に行うことができる。

以上、本実施形態のおいては、電動工具の例としてインパクトドライバを用いて説明したが、本発明の電動工具はこれに限られず、ブラシレスＤＣモータを駆動源にする電動工具であれば、他の工具にも同様に適用できる。

尚、本発明は上述の実施形態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、本実施形態では、スリーブ１４にバランス修正用の機能を持たせたが、ブラシレスＤＣモータの他の回転部分でバランス修正が可能であるならば、スリーブ１４にバランス修正用の溝を形成しなくても良い。さらに、本実施形態では、スリーブ１４とロータファン１３を別々に構成したが、これらをプラスチック等の一体成型にて形成するようにしても良い。

さらに、本実施形態ではスリーブ１４をプラスチックで形成したが、アルミニウムなどの非磁性金属によって形成しても良い。スリーブ１４を金属製とすれば、プラスチックに比べて重量が重くなるのでバランス修正が容易になり、軸方向前後長又は半径方向厚みを薄くすることができる。さらに、本実施形態ではロータコアの凹部として、磁石挿入用のスロット２ａを利用する例で説明したが、この形状に限られずスロット２ａとは別に凹部としての溝等をロータコアの軸方向の端面に形成するようにしても良い。さらに、ロータコア、スリーブ、ファンに形成された凹部、凸部はこの関係が逆になるように形成しても良い。

本発明の実施形態に係るインパクトドライバの内部構造を示す断面図である。 図１のブラシレスＤＣモータのロータコア２とロータファン１３を示す断面図である。 図１のブラシレスＤＣモータのロータコア２の形状を示す斜視図である。 図１のスリーブ１４の形状を示す図であり、（１）は後方側から見た斜視図、（２）は背面図、（３）は側面図である。 図１のロータファン１３の形状を示す図であり、（１）は後方側から見た斜視図、（２）は背面図、（３）は側面図である。 従来の装置における、ブラシレスＤＣモータのロータコア２とロータファン１１３の取付構造を示す断面図である。

１ インパクトドライバ ２ ロータコア ２ａ （ロータコアの）スロット
３ ステータ ４ インバータ回路基板 ５ ハウジング
５ａ （ハウジングの）胴体部 ５ｂ （ハウジングの）ハンドル部
６ トリガスイッチ ７ スイッチ基板 ８ 制御回路基板
９ バッテリ １０ 正逆切替レバー １１ａ コネクタ
１１ｂ フラットケーブル １２ 回転軸 １３ ロータファン
１３ａ 回り止めリブ １３ｂ 円環プレート １３ｃ ブレード
１３ｄ 円環プレート １３ｅ 円筒リブ １３ｆ 貫通穴
１４ スリーブ １４ａ （スリーブの）回り止めリブ
１４ｂ （スリーブの）バランス修正用溝 １４ｃ （スリーブの）回り止めリブ
１４ｄ （スリーブの）外面部 １４ｅ （スリーブの）フランジ
１５ マグネット １５ａ Ｓ極のマグネット １５ｂ Ｎ極のマグネット
１７ ピニオン １８、１９、２０ ベアリング
２１ 回転打撃機構 ２２ 遊星歯車減速機構 ２３ スプリング
２４ ハンマ ２５ スピンドルカム溝 ２６ ボール
２７ スピンドル ２８ ハンマカム溝 ２９ メタル
３０ アンビル ３０ａ（先端工具用の）取付穴
３１ スリーブ ３２ 空気取入穴 ３３ 位置検出素子
３４ 出力トランジスタ ３５ スペーサ
１０１ 鉄ブッシュ １１３ ロータファン

Claims (7)

1. 回転軸に取り付けられ永久磁石を収容するロータコアと、該ロータコアの外周に位置するステータを有するブラシレスＤＣモータと、前記回転軸に取り付けられる冷却用のファンを有する電動工具であって、
   前記ロータコアの軸方向前記ファン側の端面に、前記ロータコアに形成される前記永久磁石を収容するためのスロットである複数の凹部を形成し、
   前記凹部を用いて前記ファンの空転を防止するように構成したことを特徴とする電動工具。
2. 前記永久磁石の軸方向の長さは、前記ロータコアに形成されるスロットの軸方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 前記ロータコアと前記ファンの間に、凸部と凹部が形成されたスリーブを配置し、
   前記スリーブの凸部を前記ロータコアの凹部と嵌合させ、前記スリーブの凹部を前記ファンに形成された凸部に嵌合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。
4. 前記スリーブは、軸方向に所定の長さを有する外面部が形成され、該外面部にバランス修正用の溝が設けられることを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
5. 前記溝は、円周方向の１箇所又は複数箇所に形成されることを特徴とする請求項４に記載の電動工具。
6. 前記スリーブは、プラスチックの一体形成により構成され、前記凸部として外周側に前記永久磁石の挿入用のスロットと嵌合するリブを有し、前記凹部として前記ファンの凸部と嵌合する切り欠きを有することを特徴とする請求項５に記載の電動工具。
7. 前記ファンは、プラスチックの一体形成により構成され、中心軸から放射状に延びる複数のブレードを有し、中心軸近傍に前記切り欠きと対応する形状の回り止めリブを有することを特徴とする請求項６に記載の電動工具。

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