JP5522504B2 - 電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータを用いた電動工具に関し、特にブラシレスモータのインバータ回路基板に搭載されるスイッチング素子の取付構造を改良した電動工具に関する。

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、ブラシレスモータが使われるようになってきた。ブラシレスモータは、例えばブラシ（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、モータの近傍の回路基板上に配置する。スイッチング素子を配置する場所は、例えば特許文献１では、モータの後側（先端工具と反対側）に取り付けられる略円形の回路基板上に配置している。

特開２００４−３５７３７１号公報

従来、スイッチング素子を回路基板の後側に搭載する方法では、冷却と搭載スペースの関係から、スイッチング素子の高さ方向がモータの回転軸と平行になるように配置していた。しかし、そのような配置をすると冷却の面では良好な性能を実現できるが、モータの軸方向後側に、回路基板とスイッチング素子の高さ分のスペースが必要となる。また、従来のスイッチング素子の基板への固定方法としては、回路基板に貫通穴を設け、その貫通穴にスイッチング素子の足を貫通させて、回路基板の裏側から半田付けにより固定しており、特許文献１に示す電動工具においては、スイッチング素子の長手方向が回路基板と略垂直に延びるように設けられていた。そのため、ブラシレスモータを電動工具に適用するとハウジングの前後方向の長さが長くなってしまう。

一方、ハウジングの前後方向の長さが長くなるのを防ぐため、回路基板をモータの後ろ側でなく別の位置に設けるということも考えられる。しかしながら、モータのコイルとスイッチング素子をつなぐ配線が長くなってしまうばかりか、熱を発しやすいスイッチング素子の放熱上の問題から、他の場所に基板を配置することが難しかった。

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モータのスイッチング素子の形状を変更すると共に、その取付方法を改良した電動工具を提供することにある。

本発明の別の目的は、ブラシレスモータを用いた電動工具において、モータを収容するハウジングの大きさを小さく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、前後方向に延びる回転軸を有するブラシレスモータと、回転軸に取り付けられるファンと、ブラシレスモータを駆動するためのスイッチング素子と、スイッチング素子を搭載し回転軸に対して略鉛直方向に設けられる回路基板と、ブラシレスモータの駆動力を伝達する伝達部と、これらを収容するハウジングを有する電動工具において、スイッチング素子として底面に端子を有する半導体素子を用い、スイッチング素子を回路基板に表面実装にて固定する。この半導体素子は、扁平な略四角形の金属ケースに収容され、金属ケースの略四角形の対向する２つの辺の下部にはドレイン端子が形成され、ドレイン端子の部分領域においてはんだによって表面実装される。部分領域とは、細長い長方形のドレイン端子の全領域においてはんだ付けするのではなく、複数の部分領域、例えば中央付近を除いた２つの部分領域ではんだ付けをする。ハウジングには、回路基板の外周側に吸気口を有すると共にファンの外周側に排気口を設け、吸気口からハウジングに取り込まれた空気は、回路基板の表面に沿って流れ排気口からハウジングの外に排出される。

本発明の他の特徴によれば、回路基板は、ブラシレスモータの後面側に固定する。スイッチング素子は６つ用いられ、これらは回路基板のモータとは反対の面に搭載すると良い。スイッチング素子のドレイン端子を有しない２つの辺が、回転軸を中心とした円周方向と略平行になるように６つのスイッチング素子がそれぞれ回路基板上に配置する。

本発明のさらに他の特徴によれば、表面実装されたスイッチング素子を覆うように、回路基板の表面にシリコン等の樹脂を塗布する。尚、ハウジングは、ブラシレスモータと伝達部を収容する胴体部と、胴体部から略直交して延在するグリップ部を有し、回路基板は胴体部の任意の位置に設けるようにしても良い。

本発明のさらに他の特徴によれば、スイッチング素子として、樹脂製ケースに収容された半導体素子を用い、スイッチング素子として樹脂製ケースに収容された半導体素子を用い、スイッチング素子は横置きされた状態で回路基板の穴の周囲に配置され、複数のスイッチング素子の長手方向が、ほぼ平行又は同一線上に並んで配置され、残りのスイッチング素子の長手方向が、並んで配置されるスイッチング素子の長手方向に対して傾いて配置されるように構成した。スイッチング素子は、樹脂製ケースの底面に設けられ回路基板に接続される第１の端子（例えばドレイン端子）と、樹脂製ケースの側面から回路基板に至るまで延びて回路基板に接続される第２の端子（例えばソース端子とゲート端子）を有する。

請求項１の発明によれば、スイッチング素子として底面に端子を有する半導体素子を用い、スイッチング素子を回路基板に表面実装にて固定するので、回路基板に搭載する素子のために必要とされるスペースを大幅に減らすことができ、電動工具のハウジング胴体部のモータ後端側の大きさを小さくすることができ、全長がコンパクトな電動工具を実現できる。また、半導体素子は、扁平な略四角形の金属ケースに収容され、金属ケースの略四角形の対向する２つの辺の下部にはドレイン端子が形成され、ドレイン端子の部分領域においてはんだによって表面実装されるので、回路基板に安定して固定することができ振動によってはがれにくいので、信頼性の高い電動工具を実現できる。さらに、吸気口から前記ハウジングに取り込まれた空気は、前記回路基板の表面に沿って流れるので、冷却効果を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、第１の端子はドレイン端子であり、前記第２の端子はソース端子とゲート端子であるので、表面実装という簡単な作業にて、半導体スイッチング素子を回路基板に固定することができるので、作業性が向上する。

請求項３の発明によれば、回路基板は、ブラシレスモータの後面側に、ブラシレスモータの回転軸に対してほぼ垂直方向に固定されるので、モータの冷却風を回路基板の冷却用に兼用できると共に、ハウジングの胴体部を短くすることができ、電動工具の作業性を阻害されることが少ない。

請求項４の発明によれば、外部から取り入れられた冷却用の空気が直接スイッチング素子の金属ケースにあたるので、良好な冷却構造を実現できる。
請求項５の発明によれば、スイッチング素子は６つ用いられ、これらは回路基板のモータとは反対の面に固定されるので、ハウジングの外部から取り入れられた冷却用の空気が直接スイッチング素子にあたるので、良好な冷却構造を実現できる。

請求項６の発明によれば、ドレイン端子の、隙間を隔てた２箇所の部分領域がはんだによって表面実装されるので、発熱により細長いドレイン端子の面領域に不均一な応力がかかることに対応でき、はんだがはがれにくく安定した固定が実現できる。

請求項７の発明によればスイッチング素子のドレイン端子を有しない２つの辺が、回転軸を中心とした円周方向と略平行になるように６つのスイッチング素子がそれぞれ回路基板上に配置されるので、インパクト式工具などの円周方向に強い衝撃を受けた場合においても、衝撃の方向に対して強い固定が実現できる。

請求項８の発明によれば、表面実装されたスイッチング素子を覆うように、回路基板の表面に樹脂を塗布するので、発熱したスイッチング素子の熱が樹脂に広がって、広い面積の樹脂によって熱が放出されるので、良好な冷却効果が達成できる。

請求項９の発明によれば、ハウジングは、ブラシレスモータと伝達部を収容する胴体部と、胴体部から略直交して延在するグリップ部を有し、回路基板は胴体部に設けられるので、胴体部の全長及び直径を小さくすることができる。

請求項１０の発明によれば、スイッチング素子として、樹脂製ケースに収容された半導体素子を用い、スイッチング素子は横置きされた状態で回路基板に搭載されるので、電動工具の全長を短くことができ、さらに外径を小さくすることができる。また、複数の前記スイッチング素子の長手方向がほぼ平行又は同一線上に並んで配置され、残りの前記スイッチング素子の長手方向が、並んで配置される前記スイッチング素子の長手方向に対して傾いて配置されるので、限られた領域において効果的にスイッチング素子を搭載することができ電動工具の全長を短くしてコンパクトに構成することができる。さらに、一部のスイッチング素子を傾けて配置することにより、回路基板の中央に形成する穴を大きくすることができる。

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。

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。 本発明の実施形態に係るインパクトドライバの外観を示す側面図である。 本発明の実施形態に係るインパクトドライバの外観を示す側面図であり、図２とは反対側から見た図である。 図１のロータ３ａ、スリーブ１４、ロータファン１３の形状を示す斜視図である。 図１のインバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクトドライバ１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。 図１のスイッチング素子５の形状を示す図であり、（１）はスイッチング素子５体を上から見た上面図、（２）は（１）のＡ−Ａ部の断面図である。 図１のスイッチング素子５の配置について説明するための図である。 本発明の実施形態に係るモータ３の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。 図１のモータ３とハウジング２の胴体部２ａの配置状況を説明するための図である。 本発明の第二の実施形態に係るスイッチング素子６５の配置について説明するための図である。 本発明の第三の実施形態に係るスイッチング素子６５の配置について説明するための図である。 本発明の第四〜七の実施形態に用いられるスイッチング素子を示す上面図である。 本発明の第四〜七の実施形態に用いられるスイッチング素子を示す側面図である。 本発明の第四〜七の実施形態に用いられるスイッチング素子を示す底面図である。 本発明の第四の実施形態に係るスイッチング素子１０５の配置について説明するための図である。 本発明の第五の実施形態に係るスイッチング素子１１５の配置について説明するための図である。 本発明の第六の実施形態に係るスイッチング素子１２５の配置について説明するための図である。 本発明の第七の実施形態に係るスイッチング素子１３５の配置について説明するための図である。

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６を除き、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、モータ３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に回転力と打撃力を与え、スリーブ３１に覆われる取付穴３０ａに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ねじ締めやボルト締め等の作業を行う。

ブラシレスＤＣ方式のモータ３は、側面視で略Ｔ字状の形状を成すハウジング２の筒状の胴体部２ａ内に収容される。モータ３の回転軸１２は、ハウジング２の胴体部２ａの中央部付近に設けられる軸受１９ａと後端側の軸受１９ｂによって回転可能に保持され、モータ３の前方には、回転軸１２と同軸に取り付けられモータ３と同期して回転するロータファン１３が設けられ、モータ３の後方には、モータ３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、空気取入孔１７ａ、１７ｂ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後述するスロット（図２のスロット１６ａ、図３のスロット１６ｂ）から胴体部２ａの内部に取り込まれ、主にロータ３ａとステータ３ｂの間を通過するように流れ、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後述するスロット（図２のスロット１８ａ、１８ｂ；図３のスロット１８ｃ、１８ｄ）からハウジング２の外部に排出される。インバータ回路基板４はモータ３の外形とほぼ同形の略円形の両面基板であり、この基板上にはＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の複数のスイッチング素子５や、ホールＩＣ等の位置検出素子３３が搭載される。

ロータ３ａとベアリング１９ａの間には、スリーブ１４とロータファン１３が回転軸１２と同軸上に取り付けられる。これらの関係を示すのが図４である。ロータ３ａ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４つの平板状のスロット３ｃが形成された薄い金属板の積層により構成される。マグネット１５は図１の断面図からわかるように、ロータ３ａ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３ａの端部まで到達しない。従って、スリット３ｃの部分は溝が形成されたような状態になる。

スリーブ１４には４つの回り止めリブ１４ａ（凸部）が形成され、内周側には、十字状に切り抜きされた回り止め穴１４ｂ（凹部）が形成され、その中心部には回転軸１２が貫通する回り止め穴１４ｂが形成される。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３ａ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。スリーブ１４の外周部には、必要に応じてバランス修正用溝を形成する。

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１３ｂが形成される。この回り止めリブ１３ｂは、図４で説明した回り止め穴１４ｂに嵌挿される。ロータファン１３は、後方の内周側から空気を吸引し、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が貫通する貫通穴の周囲から放射状に延びる複数のブレード１３ａを有する。

再び図１において、ロータ３ａとベアリング１９ｂ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３ａ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と、スイッチング素子５を冷却する空気流の流路として必要とされる空間を形成するために必要とされるものである。

ハウジング２の胴体部２ａから略直角に一体に延びるハンドル部２ｂ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２ｂ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モータ３の速度を制御する機能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、信号線１１ｂを介してインバータ回路基板４と接続される。ハンドル部２ｂ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が引かれてモータ３が起動されると、正逆切替レバー１０で設定された方向にモータ３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を圧縮しながらモータ３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ねじ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ねじに回転打撃力が間欠的に繰り返し伝達され、例えば、ねじが木材等の図示しない被締結材にねじ込まれる。

図２、３は、本発明の実施形態に係るインパクトドライバ１の外観を示す側面図である。図２において、ハウジング２の胴体部２ａのインバータ回路基板４の外周側には、吸気用のスリット１６ａが形成され、ロータファン１３の外周部には、スリット１８ａ、１８ｂが形成される。同様に、図３において、ハウジング２の胴体部２ａのインバータ回路基板４の外周側には、吸気用のスリット１６ｂが形成され、ロータファン１３の外周部には、スリット１８ｃ、１８ｄが形成される。

次に図５を用いて、本実施形態のインバータ回路基板４を説明する。図５は、インバータ回路基板４を示す図であり、（１）はインパクトドライバ１の後側から見た背面図であり、（２）は側面から見た側面図である。インバータ回路基板４は、例えばガラエポ (ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めたもの）で構成され、モータ３の外形とほぼ同形の略円形であり、中央にはスペーサ３５を貫通させるための穴４ａが形成される。インバータ回路基板４の周囲には、４つのねじ穴４ｂが形成され、このねじ穴４ｂを貫通するねじによって、インバータ回路基板４がステータ３ｂに固定される。インバータ回路基板４には、穴４ａを囲むように６つのスイッチング素子５が取り付けられる。スイッチング素子５は、薄型のＦＥＴであり、例えば、米国インターナショナル・レクティファイアー社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のパワーＭＯＳＦＥＴ、“ＩＲＦ６６４８”を用いることができる。このスイッチング素子５は、表面面積が４．９ｍｍ×６．３ｍｍで、高さが０．７ｍｍと非常に小さく、高さが低いのが特徴である。

図５（２）の側面図から理解できるように、スイッチング素子５は厚さが非常に薄いので、本実施形態においては、基板上に寝かせた状態で、表面実装（ＳＭＴ：Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によってスイッチング素子５をインバータ回路基板４に取り付けるようにした。取付方法は、例えば、インバータ回路基板４上へのはんだ印刷（またはディスペンサによる部品搭載位置への接着剤塗布）を行った後に、チップマウンタでスイッチング素子５の実装を行い、その後リフロー炉で熱を加えてはんだを溶かし、スイッチング素子５をインバータ回路基板４に固定する。このように表面実装によりスイッチング素子５を取り付けることにより、インバータ回路基板４に貫通穴を空ける必要が無く、インバータ回路基板４の反対側に貫通する足を半田付けする必要が無くなる。

尚、図示していないが、インバータ回路基板４の６つのスイッチング素子５全体を覆うように、シリコンなどの樹脂をコーティングすることが望ましい。樹脂でコーティングすることにより、表面実装したスイッチング素子５に掛かる力や振動を吸収できると共に、スイッチング素子５に水滴や切粉などが付着することを防止でき、防塵性が向上し、水などに対する防滴効果に優れる。さらに、放熱性に富んだ樹脂を用いれば、冷却の面からも好ましい。インバータ回路基板４は両面基板となっており、その前面側には３つの位置検出素子３３（図５（２）では２つだけ図示）と、コンデンサやツエナーダイオード等のその他の電子素子３４が搭載される。

インバータ回路基板４は、モータ３と同形の円よりも下方にやや突出する形状であり、その突出した部分に複数の貫通穴４ｄが形成され、前面側から信号線１１ｂが貫通されて後面側においてはんだ付け３８ｂにより固定される。同様に電源線１１ａも前面側からインバータ回路基板４の貫通穴４ｃを貫通されて、後面側においてはんだ付け３８ａにより固定される。ここで、信号線１１ｂと電源線１１ａのインバータ回路基板４への固定を、基板上に固定されるコネクタを介して行うことも考えられる。しかしながら、インバータ回路基板４の前面側の省スペース化を図るためには、直接はんだ付けにより固定するほうが有利である。

図６は、スイッチング素子５の形状を示す図であり、（１）はスイッチング素子５単体を上側から見た上面図、（２）は（１）のＡ−Ａ部の断面図である。スイッチング素子５は、金属パッケージ本体５ａに、ドレイン端子５ｂが左右下方に突出する形状である。金属パッケージ５ａは、例えばアルミニウムによるプレスにより作成される。金属パッケージ本体５ａの下部にはパワーＭＯＳＦＥＴの主要部となる半導体素子５ｃが固定される。金属パッケージ本体５ａは半導体素子５ｃを収容すると共に、放熱板としての機能とドレイン端子５ｂとして機能を兼用する。半導体素子５ｃの下側には、３つの金属端子が取り付けられ、そのうちの２つがソース端子５ｄであり、１つがゲート端子５ｅである。本実施形態においては、２つのドレイン端子５ｂ、２つのソース端子５ｄ、１つのゲート端子５ｅのすべての端子が、インバータ回路基板４に表面実装にてはんだ付けされる。

図７は、スイッチング素子５の配置について説明する図である。インパクトドライバ１は、回転打撃機構２１によってアンビル３０の回転方向に対して打撃が断続的に行われるため、モータ３の背面に取り付けられたスイッチング素子５には、円周方向、即ち図６の矢印３６の方向の強い振動が伝達される。この振動を長く受けると、面実装したスイッチング素子５のはんだ付けが剥がれる恐れがある。そのため、本実施形態においては、矢印３６の方向の振動に対するはんだの固定力が弱くならないように、スイッチング素子５の長い方の辺が円周方向に向くようにして、ドレイン端子５ｂの長手方向が円周方向に向くように配置した。そして、ドレイン端子５ｂの全領域をはんだ付けするのではなく、長手方向中央部付近においてはんだ付けしない領域を設け、１つのドレイン端子５ｂにおいて複数箇所、好ましくは２箇所においてはんだ付け３７を行う。

次に、モータ３の駆動制御系の構成と作用を図８を用いて説明する。図８はモータの駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施の形態では、モータ３は３相のブラシレスＤＣモータで構成される。このブラシレスＤＣモータは、いわゆるインナーロータ型であって、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１５を含んで構成されるロータ３ａと、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗから成るステータ３ｂと、ロータ３ａの回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度６０°毎に配置された３つの位置検出素子３３を有する。これら位置検出素子３３からの回転位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と時間が制御され、モータ３が回転する。位置検出素子３３は、インバータ回路基板４上のロータ３ａのマグネットに対向する位置に設けられる。

インバータ回路基板４上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（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御回路基板８に搭載される制御信号出力回路４８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４８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５２に印加されるバッテリ９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に電力を供給する。

６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング素子駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、制御回路基板８上に搭載された演算部４１によって、トリガスイッチ６のトリガ操作量（ストローク）の検出信号に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比）を変化させることによってモータ３への電力供給量を調整し、モータ３の起動／停止と回転速度を制御する。

ここで、ＰＷＭ信号は、インバータ回路５２の正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３または負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６の何れか一方に供給され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３またはスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６を高速スイッチングさせることによって結果的にバッテリ９の直流電圧から各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を制御する。尚、本実施の形態では、負電源側スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６にＰＷＭ信号が供給されるため、ＰＷＭ信号のパルス幅を制御することによって各固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する電力を調整してモータ３の回転速度を制御することができる。

インパクトドライバ１には、モータ３の回転方向を切り替えるための正逆切替レバー１０が設けられ、回転方向設定回路４４は正逆切替レバー１０の変化を検出するごとに、モータの回転方向を切り替えて、その制御信号を演算部４１に送信する。演算部４１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）、処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、タイマ等を含んで構成される。

制御信号出力回路４８は、回転方向設定回路４４と回転子位置検出回路４５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、その駆動信号を制御信号出力回路４８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３ａを設定された回転方向に回転させる。この場合、基板７の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４３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、電流検出回路４２によって測定され、その値が演算部４１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。尚、ＰＷＭ信号は正電源側スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３に印加しても良い。

尚、本実施形態の特徴的な構成として、インバータ回路５２においてスイッチング素子５の温度を測定する温度センサ５８を設け、温度検出回路４７によってスイッチング素子５又はその周囲の温度を常にモニターすることである。温度検出回路４７によってスイッチング素子５の温度が測定され、その値が演算部４１に出力される。演算部４１は、温度があらかじめ設定された基準値以上に上昇したと判断されたら、警告を出してモータ３の回転を制限したり、または、停止させる。

以上のように、本実施形態においては、スイッチング素子５として薄型のＦＥＴを表面実装によってインバータ回路基板４に搭載したので、ハウジング２の胴体部２ａの前後方向の長さを大幅に短くすることができる。また、本発明の実施形態においては、表面実装にて薄型のＦＥＴをインバータ回路基板４に搭載したので、インバータ回路基板の反対側にＦＥＴの足が貫通することが無く、設置に要する空間が少なくて済む。また、表面実装という簡単な作業にて、ＦＥＴを基板へと固定することができるので、作業性が向上する。

本実施形態においては、全高が約２４０ｍｍ、締め付けトルクが１６０Ｎ・ｍのインパクトドライバにおいて、前後の長さを約１４０ｍｍ以内に納めることができた。また、図９に示すように、モータ３のステータコアの長さ（ａ）が１１ｍｍであるのに対し、ステータコア後端からインバータ回路基板４上のスイッチング素子５の後端部までの距離（ｂ）が９ｍｍですみ、さらに、スイッチング素子５の後端部からハウジング２の内壁までの距離（ｃ）を８．６ｍｍにできたので、胴体部３ａのモータ３の収納部分（ｄ）の長さを大幅に小型化することができた。また、スイッチング素子５の後端部からハウジング２の内壁までの距離（ｃ）を８．６ｍｍと薄くしたので、インバータ回路基板４の表面に沿って風が流れやすくなるので、冷却効果を向上させることができた。

次に、図１０を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。図１０において、第１の実施形態と異なることは、スイッチング素子６５の配置である。インバータ回路基板６４に搭載される各スイッチング素子６５を、その長い方の辺が円周方向に向くように均等間隔に配置し、ドレイン端子を有する短い方の辺が、半径方向に向くように配置した。はんだ付け６７をするのが、各ドレイン端子の二箇所であるというのは、第１の実施形態と同じである。第２の実施形態においても、はんだによる取付方法は表面実装であり、各スイッチング素子６５の表面を覆うようにインバータ回路基板６４の後側面の全面あるいは、少なくともスイッチング素子６５を十分覆う部分領域にシリコンを塗布すると良い。このように、スイッチング素子６５を等間隔に配置したので、冷却面において隣り合うスイッチング素子６５の影響を低減できるので好都合である。

次に、図１１を用いて本発明の第３の実施形態について説明する。図１０において、第１の実施形態と異なることは、スイッチング素子７５の配置である。インバータ回路基板７４に搭載される各スイッチング素子７５は、その長い方の辺が半径方向に向くように配置し、ドレイン端子を有する短い方の辺が、内周側と外周側に位置するようにした。はんだ付け７７をするのが、各ドレイン端子の二箇所であるというのは、第１及び第２の実施形態と同じである。第３の実施形態は、電動工具の先端工具の種類や構造上の特性等から、半径方向７６の振動が多い場合、或いは、その方向の振動の影響に対抗したい場合に効果的な配置方法である。第３の実施形態においても、はんだによる取付方法は表面実装であり、各スイッチング素子７５の表面を覆うようにインバータ回路基板７４上にシリコンを塗布すると良い。尚、第３の実施形態においても、インバータ回路基板７４の円周方向に、スイッチング素子７５を均等間隔に配置したので、冷却面において隣り合うスイッチング素子７５の影響を低減できるので好都合である。

以上、第１から第３の実施形態を用いて、扁平な略四角形の金属ケースに収容されたスイッチング素子５を用いた構成を説明したが、用いられるスイッチング素子の種類としてはこれに限られず、回路基板に表面実装が可能な他の構成のＦＥＴを用いても本発明は実現可能である。この例を図１２〜１４を用いて説明する。

図１２〜１４は、回路基板に表面実装が可能なスイッチング素子を示す図であり、図１２は上面図、図１３は側面図、図１４は底面図である。これらのスイッチング素子１０５として樹脂製ケースに収容された大容量のＦＥＴ、例えば米国インターナショナル・レクティファイアー社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のパワーＭＯＳＦＥＴ、“ＩＲＦＳ４２２９”を用いることができる。このＦＥＴは、ドレイン端子がＦＥＴの底面に配置され、ソース端子とゲート端子はＦＥＴの側面から延びて途中で曲がり、回路基板に至るまで延びている。従って、それぞれの端子は回路基板の表面に接続可能であり、回路基板に表面実装が可能である。

図１２はスイッチング素子１０５の上面図であり、スイッチング素子１０５の外寸の長い方向を長手方向と定義すると、パッケージ１０５ａの長手方向一端側に第１の端子たるドレイン端子１０５ｂが設けられ、長手方向他端側に第２の端子たるソース端子１０５ｄとゲート端子１０５ｅが設けられる。パッケージ１０５ａは内蔵する半導体素子をプラスチック等の高分子樹脂で覆うためのケースである。

図１３はスイッチング素子１０５の側面図であり、ドレイン端子１０５ｂはその底面がパッケージ１０５ａの底面とほぼ同一面になるように形成され、パッケージ１０５ａの長手方向一端側（左側）から延在する。また、パッケージ１０５ａの長手方向他端側（右側）であって、高さ方向の中央付近からゲート端子１０５ｅが延在し、途中で下方向に屈曲して、さらに横方向に屈曲してその底面側がパッケージ１０５ａの底面と同一面になるように形成される。

図１３には図示されていないが、ソース端子１０５ｄもゲート端子１０５ｅと同一の形状である。このように、スイッチング素子１０５の複数の端子は、パッケージ１０５ａの底面と同一面又はほぼ同一面になるように形成されるので、スイッチング素子１０５を横置きされた状態で前記回路基板に位置づけ、表面実装により回路基板に取り付けることが可能である。ここで、「横置き」とは搭載される回路基板に対してスイッチング素子１０５の長手方向が平行になるように、かつスイッチング素子１０５の底面が回路基板と対面するように配置することをいうものとする。

図１４は、スイッチング素子１０５を底面側から見た図である。ドレイン端子１０５ｂはパッケージ１０５ａの底面と連続するように構成されるが、放熱効果を大きくするために比較的大きな面積を占めるように構成されている。パッケージ１０５ａの形状は、厳密に言えばパッケージ１０５ａの上面側の角が図１３で示すように縁取りされており、パッケージ１０５ａの底面側にドレイン端子１０５ｂが大きく介在しているが、基本的なパッケージ１０５ａの外観形状は略直方体であり、本発明の効果を得るためには半導体素子の高さ方向が低い扁平なスイッチング素子１０５であればその形状は任意であるので、本明細書においては図１２〜１４の示すパッケージ１０５ａの形状を含めて略直方体と呼ぶことにする。

尚、スイッチング素子は図１２〜１４で示した例だけでなく、回路基板上に横置きした際の高さが低いものであれば他のＦＥＴ等を利用することができる。また、図１２〜１４では、ドレイン端子１０５ｂ、ソース端子１０５ｄ及びゲート端子１０５ｅの底面と、パッケージ１０５ａの底面が同一の高さのなるように形成されているが、パッケージ１０５ａの底面だけをやや高く構成して、横置きして回路基板に表面実装した際に、パッケージ１０５ａの底面が回路基板からやや離れるように構成しても良い。

次に図１５〜１８を用いてスイッチング素子１０５の回路基板への実装例を説明する。図１５は、本発明の第四の実施形態に係るスイッチング素子１０５の配置について説明するための図であり、インバータ回路基板１０４を後ろ側から見た図である。インバータ回路基板１０４はモータ３の外形とほぼ同形の略円形であり、中央にはスペーサ３５を貫通させるための穴１０４ａが形成される。インバータ回路基板１０４の周囲には、４つのねじ穴１０４ｂが形成され、このねじ穴１０４ｂを貫通するねじによって、インバータ回路基板１０４がステータ３ｂに固定される。インバータ回路基板１０４には、穴１０４ａを囲むように、図１２〜１４で示した形状の６つのスイッチング素子１０５−１〜１０５−６が取り付けられる。６つのスイッチング素子１０５は表面実装にてインバータ回路基板１０４の後面側（モータ３と反対側）に取り付けられる。

スイッチング素子１０５−１と１０５−４は、その長手方向が中心線１０８ａで同一線上に並んで配置される。同様にスイッチング素子１０５−２と１０５−５は、その長手方向が中心線１０８ｂで同一線上に並んで配置され、スイッチング素子１０５−３と１０５−６は、その長手方向が中心線１０８ｃで同一線上に並んで配置される。また、中心線１０８ａと１０８ｂと１０８ｃは、それぞれがほぼ平行になる。

インバータ回路基板１０４の穴１０４ａの中を、回転軸１２とスペーサ３５が貫通し、空気取入孔１７ａ、１７ｂ（図１）からハウジング２の内部に吸い込まれた空気は、穴１０４ａとスペーサ３５との間の隙間を通ってモータ３の内部に流れ込む。本実施形態では、穴１０４ａとスペーサ３５の間の隙間を小さくしているので、吸い込まれた空気がモータ３の内部に入りにくくなる。この結果、モータ３の内部に粉塵が侵入しにくく高い防塵性を得ることができる。また、図１５に示した実施形態においては、スイッチング素子１０５−１〜１０５−６の長手方向が互いに平行なるように配置した。スイッチング素子１０５のドレイン端子１０５ｂは、それぞれインバータ回路基板１０４の内周側（即ち穴１０４ａに面する側）に配置され、ソース端子１０５ｄ及びゲート端子１０５ｅが外周側に配置される。

図１６は本発明の第五の実施形態に係るスイッチング素子１１５の配置について説明するための図である。図１５の実施形態と異なるところは、インバータ回路基板１１４の中央のスペーサ３５を貫通させるための穴１１４ａの直径が大きいことである。穴１１４ａを大きくすることによって、穴１１４ａとスペーサ３５との間の隙間が大きくなり、外部から取り入れた空気がモータ３の内部に入りやすくなるので、モータ３が効果的に冷却される利点が得られる。

尚、穴１１４ａを大きくしたため、スイッチング素子１１５−１〜１１５−６の配置も若干変更している。スイッチング素子１１５−３及び１１５−６の配置は図１５と同じであるが、穴１１４ａを大きくしたことに合わせてスイッチング素子１１５−２及び１１５−５を外周側にずらして配置した。スイッチング素子１１５−２と１１５−５は、その長手方向が中心線１１８ｂで同一線上に並んで配置され、スイッチング素子１１５−３と１１５−６は、その長手方向が中心線１１８ｃで同一線上に並んで配置され、中心線１１８ｂと１１８ｃはそれぞれがほぼ平行になる点で図１５の例と同様であるが、スイッチング素子１１５−１の中心線１１８ａと、スイッチング素子１１５−４の中心線１１８ｄは、中心線１１８ｂ、１１８ｃに対して傾くように配置される。

さらに本実施形態では、図１５の回路基板１０４の外形形状と同一であるとすべてのスイッチング素子を配置できないので、回路基板１１４では外側に突出する略長方形の突出部１１７を形成し、この突出部１１７においてスイッチング素子１１５−５のソース端子１１５ｄ−５及びゲート端子１１５ｅ−５を配置するようにした（スイッチング素子１１５−２側においても同様である）。さらに、スイッチング素子１１５−１及び１１５−４は、穴１１４ａの拡大に伴い、円周方向にそれぞれ傾斜させることにより搭載するようにした。

図１７は本発明の第六の実施形態に係るスイッチング素子１２５の配置について説明するための図である。図１７においては、図１６と同様、穴１２４ａを大きくすることによって、スペーサ３５との間の隙間が大きくしているが、各スイッチング素子１２５−１〜１２５−６の長手方向の配置が図１６と逆になっている。即ち、スイッチング素子１２５−２〜１２５−６のドレイン端子１２５ｂがそれぞれインバータ回路基板１２４の外周側に配置され、ソース端子１２５ｄ及びゲート端子１２５ｅが内周側に配置されるように配置した。

スイッチング素子１２５−２と１２５−５は、その長手方向が中心線１２８ｂで同一線上に並んで配置され、スイッチング素子１２５−３と１２５−６は、その長手方向が中心線１２８ｃで同一線上に並んで配置され、中心線１２８ｂと１２８ｃはそれぞれがほぼ平行になる。また、スイッチング素子１２５−１の中心線１２８ａと、スイッチング素子１２５−４の中心線１２８ｄは、中心線１２８ｂ、１２８ｃに対して傾くように配置される。

図１８は、本発明の第七の実施形態に係るスイッチング素子１３５の配置について説明するための図である。図１８においては、図１６に比べてスイッチング素子１３５−３及び１３５−６を穴１３４ａに合わせて、その長手方向が円周方向に向くように傾けて配置した。即ち、スイッチング素子１３５−２と１３５−５は、その長手方向が中心線１３８ｂで同一線上に並んで配置されるが、残りのスイッチング素子１３５−１、１３５−３、１３５−４、１３５−６の長手方向は中心線１３８ａ、１３８ｃ、１３８ｄ、１３８ｅのように中心線１３８ｂに対して傾いて配置される。

以上説明したように、第四〜七の実施形態においては、金属パッケージを有するスイッチング素子５でなく、樹脂製のパッケージを有するスイッチング素子１０５、１１５、１２５、１３５を用いているが、その樹脂製ケースが横置きされた状態で回路基板に表面実装されるので、第一〜三の実施形態と同じ効果を得ることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、扁平な又は横長のスイッチング素子を回路基板に表面実装にて固定するので、回路基板に搭載する素子のために必要とされるスペースを大幅に減らすことができ、電動工具のハウジング胴体部のモータ後端側の大きさを小さくすると共に胴体部の長さがコンパクトな電動工具を実現できる。これにより、モータ回りの小型軽量化とマスの集中化を図ることができ、使い勝手の良い電動工具を実現することができる。

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、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、モータとしてブラシレスモータを駆動源にするものであれば、他の電動工具にも同様に適用できる。また、スイッチング素子の配置を、モータの後面側に回転軸に対して鉛直方向に設けられたインバータ回路基板の背面に面実装したが、背面側だけでなく前面側（ロータ３ａ側）に配置するようにしても良い。また、インバータ回路基板をモータの後面側でなく、モータの下部や側部などの、ハウジングの胴体部内の任意の位置に配置しても良い。

１ インパクトドライバ ２ ハウジング
２ａ （ハウジングの）胴体部 ２ｂ （ハウジングの）ハンドル部
３ モータ ３ａ ロータ ３ｂ ステータ ３ｃ スロット
４ インバータ回路基板 ４ａ 穴 ４ｂ ねじ穴
４ｃ、４ｄ 貫通穴 ５ スイッチング素子
５ａ （スイッチング素子の）金属パッケージ本体
５ｂ ドレイン端子 ５ｃ 半導体素子 ５ｄ ソース端子
５ｅ ゲート端子
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 電源線 １１ｂ 信号線 １２ 回転軸
１３ ロータファン １３ａ ブレード １３ｂ 回り止めリブ
１４ スリーブ １４ａ （スリーブの）回り止めリブ
１４ｂ （スリーブの）回り止め穴
１４ｃ （スリーブの）バランス修正用溝
１５ マグネット １５ａ Ｓ極のマグネット １５ｂ Ｎ極のマグネット
１６ａ、１６ｂ スロット １７ａ、１７ｂ 空気取入孔
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ スロット
１９ａ、１９ｂ、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 ３３ 位置検出素子
３４ 電子素子 ３５ スペーサ ３７ はんだ付け
３８ａ、３８ｂ はんだ付け
４１ 演算部 ４２ 電流検出回路 ４３ 印加電圧設定回路
４４ 回転方向設定回路 ４５ 回転子位置検出回路
４６ 回転数検出回路 ４７ 温度検出回路 ４８ 制御信号出力回路
５２ インバータ回路 ５８ 温度センサ
６４、７４ インバータ回路基板 ６５、７５ スイッチング素子
６７、７７ はんだ付け
１０４、１１４、１２４、１３４ インバータ回路基板
１０４ａ、１１４ａ、１２４ａ、１３４ａ （インバータ回路基板の）穴
１０４ｂ ねじ穴
１０５−１〜１０５−６ スイッチング素子
１０５ａ （スイッチング素子の）パッケージ
１０５ｂ ドレイン端子 １０５ｄ ソース端子 １０５ｅ ゲート端子
１０８ａ〜１０８ｃ 中心線
１１５−１〜１１５−６ スイッチング素子
１１７ （回路基板の）突出部 １１８ａ〜１１８ｄ 中心線
１１５ｂ ドレイン端子 １１５ｄ ソース端子 １１５ｅ ゲート端子
１２５−１〜１２５−６ スイッチング素子 １２８ａ〜１２８ｄ 中心線
１３５−１〜１３５−６ スイッチング素子 １３８ａ〜１３８ｅ 中心線

Claims (10)

1. 前後方向に延びる回転軸を有するブラシレスモータと、
   前記回転軸に取り付けられるファンと、
   前記ブラシレスモータを駆動するためのスイッチング素子と、
   該スイッチング素子を搭載し、前記回転軸に対して略垂直方向に設けられる回路基板と、
   前記ブラシレスモータの駆動力を伝達する伝達部と、
   これらを収容するハウジングを有する電動工具において、
   前記ハウジングは、前記回路基板の外周側に吸気口を有すると共に前記ファンの外周側に排気口を有し、
   前記スイッチング素子は、扁平な略直方体の金属ケースに収容され、該金属ケースの前記略直方体の対向する２つの面の下部には第１の端子が形成され、前記第１の端子間に位置する底面側に第２の端子を有し、前記スイッチング素子の前記第１及び第２の端子を前記回路基板に表面実装にてはんだづけし、
   前記吸気口から前記ハウジングに取り込まれた空気は、前記回路基板の表面に沿って流れ、前記排気口から前記ハウジングの外に排出されることを特徴とする電動工具。
2. 前記第１の端子はドレイン端子であり、前記第２の端子はソース端子とゲート端子であることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
3. 前記回路基板は、前記ブラシレスモータの後面側に固定され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. 外部から取り入れられた冷却用の空気が直接スイッチング素子の金属ケースにあたるように前記スイッチング素子を配置したことを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
5. 前記スイッチング素子は６つ用いられ、これらは前記回路基板の前記モータとは反対の面に固定されることを特徴とする請求項４に記載の電動工具。
6. 前記ドレイン端子の、隙間を隔てた２箇所の部分領域がはんだによって前記回路基板に固定されることを特徴とする請求項５に記載の電動工具。
7. 前記スイッチング素子のドレイン端子を有しない２つの面が、前記回転軸を中心とした円周方向と略平行になるように前記６つのスイッチング素子がそれぞれ前記回路基板上に配置されることを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
8. 前記表面実装されたスイッチング素子を覆うように、前記回路基板の表面に樹脂を塗布することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電動工具。
9. 前記ハウジングは、前記ブラシレスモータと前記伝達部を収容する胴体部と、該胴体部から略直交して延在するグリップ部を有し、
   前記回路基板は前記胴体部に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
10. 前記回路基板は前記ブラシレスモータの回転軸を貫通させる穴を有し、
    前記スイッチング素子は横置きされた状態で前記回路基板の前記穴の周囲に配置され、
    複数の前記スイッチング素子の長手方向が略平行又は同一線上に並んで配置され、残りの前記スイッチング素子の長手方向が、並んで配置される前記スイッチング素子の長手方向に対して傾いて配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。

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