JP5630188B2

JP5630188B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5630188B2
Application number: JP2010223011A
Authority: JP
Inventors: 政幸小倉; 岳史武田; 角　敦; 敦角
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012076179A

Description

本発明は、電動モータを用いた電動工具に関し、特に電動モータの駆動等に用いられる半導体素子の放熱性を向上させ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回転子（ロータ）を回転させる。インバータ回路を構成する半導体素子はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）や、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のような大容量の出力トランジスタを使用し大電流で駆動するため、放熱性を良くしなければならない。そのため、特許文献１では、固定子（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、モータの後方の回路基板上に配置し、モータ用の冷却風を利用して放熱する方法が用いられる。

特開２００６−２９７５３２号公報

スイッチング素子をモータ後方の回路基板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。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胴体部（又はモータ収容部）の前後方向の長さが長くなってしまう。

ハウジングの前後方向の長さの増大を防ぐため、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制約から、モータ後方以外の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、その目的はモータ用のスイッチング素子の取付位置を変更すると共に、その冷却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、動力伝達手段のケースの材質を変えることによってモータ用のスイッチング素子の放熱部材として作用させるようにした電動工具を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、ブラシレスモータを用いた電動工具において、ハウジングのモータを収容する部分の前後長を短くしてコンパクトに構成することにある。

本発明の一つ特徴によれば、モータと、モータを収容するハウジングと、モータの回転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手段を有する電動工具であって、動力伝達手段を金属製のケースに収容し、スイッチング素子をケースに接触させるように配置した。動力伝達手段は、例えば遊星歯車を用いた減速機構である。ケースは、アルミ合金による一体成型の円筒形の本体ケースと、本体ケースの開口部を覆うカバーに分割して形成され、スイッチング素子はカバーに直接又は間接的に接触するように配置した。

本発明の他の特徴によれば、モータとケースは同軸上に配置され、モータとケースの間にスイッチング素子を搭載する回路基板が配置され、回路基板のスイッチング素子の搭載面がモータの回転軸と略垂直方向となるように配置した。スイッチング素子は、背面に放熱板を有する電界効果トランジスタ又は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、放熱板がケースに直接又は間接的に接触するように回路基板に搭載される。放熱板はケースに、熱伝導性の樹脂又はゴムを介して接触するように構成すると良い。モータの回転軸に冷却ファンが固定され、冷却ファンは回路基板とモータの間に配置される。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータと、モータを収容するハウジングと、モータの回転を駆動するスイッチング素子と、スイッチング素子を搭載する基板と、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手段を有する電動工具であって、動力伝達手段を金属製のケースに収容し、基板を動力伝達手段とモータの間に配置し、基板をケースに固定した。スイッチング素子は、背面に放熱板を有する電界効果トランジスタ又は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、放熱板がケースに直接又は間接的に接触するように配置した。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータと、モータにより駆動される動力伝達機構部と、動力伝達機構部を収容する金属製のケースと、モータに導線で接続される回路基板と、を有する電動工具であって、回路基板をケースに接触させるように配置した。回路基板には、モータの回転を駆動するスイッチング素子が設けられる。回路基板は、モータから離間して設けられ、回路基板は金属製のケースに固定される。このケースはハウジングに収容される。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータと、モータにより駆動される出力軸と、モータに接続され、第１の面と、第１の面とは逆の第２の面と、を有する回路基板と、回路基板に固定され、モータの回転を駆動するスイッチング素子と、回路基板に固定される回転検出素子と、を有する電動工具であって、スイッチング素子と回転検出素子は、第１の面に設けられるように構成した。

本発明のさらに他の特徴によれば、胴体部と、胴体部より下方に延びるハンドル部とを有するハウジングと、胴体部に収容され、胴体部の後部に設けられるモータと、胴体部に収容され、モータの前方に配置される冷却ファンと、胴体部に収容され、冷却ファンの前方に配置され、モータに導線で接続させる回路基板と、胴体部に収容され、回路基板の前方に設けられる動力伝達機構と、動力伝達機構の前方に配置される出力軸と、を有する電動工具とした。

本発明のさらに他の特徴によれば、モータと、モータと対向する第１及び第２の面を有する回路基板と、回路基板に固定され、モータの回転を駆動するスイッチング素子と、モータによって駆動される出力軸を有する電動工具において、第１の面にスイッチング素子を設けた。

請求項１の発明によれば、動力伝達手段を金属製のケースに収容し、スイッチング素子をケースに接触させるように配置したので、放熱部材としてのケースの質量がスイッチング素子に比べて大きくなり、スイッチング素子を効果的に冷却できる。また、ケースは、アルミ合金による一体成型の円筒形の本体ケースと、本体ケースの開口部を覆うカバーに分割して形成され、スイッチング素子はカバーに直接又は間接的に接触するように配置されるので良好な放熱効果を達成できると共に、放熱部材を別途準備する必要が無く安価に製造することができる。さらに、モータとケースは同軸上に配置され、モータとケースの間にスイッチング素子を搭載する回路基板が配置され、回路基板のスイッチング素子の搭載面がモータの回転軸と略垂直方向となるように配置されるので、ハウジングの胴体部の前後長を延ばす量は少なくて済み、少ないスペースでスイッチング素子をハウジング内に設けることができる。

請求項２の発明によれば、動力伝達手段は遊星歯車を用いた減速機構であるので、内部の潤滑部材が漏れないようにするケースの材質を変更するだけで、容易に本発明の構成を実現できる。

請求項３の発明によれば、スイッチング素子は、背面に放熱板を有し、放熱板がケースに直接又は間接的に接触するように回路基板に搭載されるので、ケースによってスイッチング素子を効果的に冷却することができる。

請求項４の発明によれば、放熱板はケースに対して、熱伝導性の樹脂又はゴムを介して接触するように構成されるので、振動によってスイッチング素子が壊れることを効果的に防止できる。さらに、樹脂によりスイッチング素子全体を覆うようにすれば十分な防水、防塵効果を得ることができる。

請求項５の発明によれば、モータの回転軸に冷却ファンが固定され、冷却ファンは回路基板とモータの間に配置されるので、モータだけでなくスイッチング素子を効果的に冷却することができる。

請求項６の発明によれば、電動工具であって、動力伝達手段を金属製のケースに収容し、基板を動力伝達手段とモータの間に配置し、基板をケースに固定するので、組み立てやすくてコンパクトな電動工具を実現できる。

請求項７の発明によれば、スイッチング素子は、背面に放熱板を有する電界効果トランジスタ又は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、放熱板がケースに直接又は間接的に接触するように配置されるので、効果的にスイッチング素子を冷却できる。

請求項８の発明によれば、回路基板を動力伝達機構部を収容する金属製のケースに接触させるように配置したので、回路基板の熱が金属製のケースへと移動するので、回路基板の熱を効果的に放熱でき、冷却効果が向上する。

請求項９の発明によれば、回路基板にはモータの回転を駆動するスイッチング素子が設けられるので、回路基板上にスイッチング素子のような高熱を発する電子素子を搭載可能となり、スイッチング素子の熱を回路基板を介して金属製のケースへと移動させることができる。

請求項１０の発明によれば、回路基板は、モータから離間して設けられ、金属製のケースに固定されるので、回路基板にモータ（固定子、コイル）の熱を伝えられることがなく、回路基板の温度上昇を抑えることができる。

請求項１１の発明によれば、冷却ファンの前方に回路基板が配置されるので、冷却風の風路が回路基板によって遮られることが少なくなる。このため、回路基板を効果的に冷却できる。

請求項１２の発明によれば、回路基板のモータと対向する第１の面にスイッチング素子を設けたので、スイッチング素子と回転検出素子が同じ第１の面に設けられるので、第２の面の絶縁を容易にできる。

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。

本発明の実施例に係るドライバドリル１の全体構造を示す断面図である。本発明の実施例に係るドライバドリル１の側面図である。本発明の実施例に係るドライバドリル１の胴体部の部分断面図である。図３のＡ−Ａ断面においてインバータ回路基板６が固定子３ｃに固定されている状態を見た図である。図３のＢ−Ｂ部の断面においてインバータ回路基板６の後面を見た図である。モータ３の駆動制御系の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施例に係るインパクトドライバ１０１の全体構造を示す断面図である。本発明の第２の実施例に係るインパクトドライバ１０１の側面図である。本発明の第３の実施例に係るドライバドリル２０１の胴体部の部分断面図である。

以下、本発明の実施例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に示す方向として説明する。

図１は本発明の実施例に係る電動工具であるドライバドリル１の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、ドライバドリル１には、ハウジング２の胴体部２ａ内にブラシレス直流方式のモータ３が収容され、モータ３の回転力を減速する減速機構部３０とクラッチ機構部４０等の動力伝達部を介してスピンドル（出力軸）１６に装着されたチャック（先端工具保持部）１２に着脱自在に保持されるドライバまたはドリル等の図示しない先端工具に回転力を与える。ハウジング２の胴体部２ａの中央付近であってモータ３の前方側には、モータ３を駆動するためのインバータ回路基板６が設けられる。モータ３は、いわゆるインナーロータ型のブラシレスＤＣモータであり、回転軸３ｅにマグネット３ｂを有する回転子３ａが取り付けられ、回転子３ａの外周側にコイル３ｄを有する固定子３ｃが固定される。コイル３ｄへの駆動電流の供給には、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔｅｄＢａｓｅＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子７を用いた公知のインバータ回路が用いられる。モータ３の後方側において、回転軸３ｅと同軸上に小型の冷却ファン１７が設けられる。モータ３が回転することによって冷却ファン１７も回転し、冷却ファン１７によってモータ３の前方側の空気取入口（後述）から外気を吸引し、モータ３の内部を通過した空気がハウジング２の外部に排気される。この際、吸引された外気はモータ３だけでなくスイッチング素子７の周囲を流れることにより、スイッチング素子７をも効果的に冷却する。

胴体部２ａ先端側に配置されるクラッチ機構部４０は、減速機構部３０の出力軸に得られる回転トルクを負荷に応答してスピンドル１６に伝達するか否かを制御する。これにより、予めトルク調整及びモード切り替え用のダイヤル５によって所望の締付けトルク（負荷トルク）に設定しておくと、クラッチ機構部４０は、減速機構部３０の出力軸の回転力が設定した締付けトルクに達したとき、その出力軸が空転してスピンドル１６及びチャック１２への回転伝達を遮断する機能を持つ。クラッチ機構部４０は、リングギヤ３８の前端面に形成された爪（図示せず）とピン４２の後端部の形状によって、スピンドル１６に伝わる伝達トルクが増大した場合、爪の斜面がピン４２を前方に押し出す作用をする。そして、コイルスプリング４４の付勢力に抗してピン４２を軸方向前方に移動させることにより爪とピン４２の係合が解除され、リングギヤ３８が回転することによりスピンドル１６への回転伝達が解除される。この解除される際のトルクが、いわゆる締め付けトルクとなるが、締め付けトルクはコイルスプリング４４の圧縮量を調節することにより調節可能である。ここで、先端工具としてドリルビットを取り付けて穿孔作業をするような場合は、大きな締め付けトルクをスピンドル１６に伝達する必要があるが、押圧部材４５をコイルスプリング４４が十分圧縮されるまでダイヤル５を回動させ、押圧部材４５’の位置（図１では、回転軸の上下で押圧部材４５とコイルスプリング４４の位置を変えて図示している）にセットしてピン４２の軸方向の動きを抑止すれば良い。このように設定すると、リングギヤ３８の爪がピン４２を軸方向前方に移動しようとしても、コイルスプリング４４をそれ以上圧縮できないためにピン４２が移動できず、結果的にリングギヤ３８の回転が阻止される。

減速機構部３０は、モータ３の回転軸３ｅのピニオンギアに噛合う、例えば、３段の遊星歯車減速機構（変速ギアケース）から構成される。減速機構部３０は、変速比を切換えるためのシフトノブ１５を有する。使用者の手動によるシフトノブ１５の切換え操作により低速と高速の２段階で変速が可能となる。

ハウジング２のバッテリ取付部２ｃには、モータ３の駆動電源となるバッテリ４が着脱可能に装着される。バッテリ４の上部には、モータ３のインバータ回路基板６を制御するための制御回路基板９が前後左右方向に延びるように設けられる。ハンドル部２ｂの上端部にはトリガスイッチ１３が配設され、トリガスイッチ１３のトリガ操作部１３ａがバネ力によって押された状態でハンドル部２ｂから前方に突出する。使用者はハンドル部２ｂを片手で把持し、人差し指等によってトリガ操作部１３ａを後方に引くことによって、トリガ押込量（操作量）を調整し、モータ３の回転数を制御することができる。尚、モータ３の回転方向は、正逆切替レバー１４を操作することによって切り替えることができる。

バッテリ４は、トリガスイッチ１３および制御回路基板９へ動作電源を供給するとともに、インバータ回路基板６へモータ３の駆動電力を供給する。バッテリ４を構成する二次電池は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池等を用いることができる。

ハウジング２の胴体部２ａは、ハンドル部２ｂ及びバッテリ取付部２ｃと共に合成樹脂材料の一体成型により製造され、モータ３の回転軸３ｅを通る鉛直面で左右に２分割されるように形成される。組立の際にはハウジング２の左側部材と右側部材を準備し、予め、図１の断面図で示すような一方のハウジング２（例えば左側のハウジング）に、モータ３、減速機構部３０、クラッチ機構部４０等の組込みを行い、しかる後、他方のハウジング２（例えば右側のハウジング）を重ねて、複数のネジ８で締め付ける方法が取られる。

図２は、本発明の実施例に係るドライバドリル１の外観を示す側面図である。ハウジング２の胴体部２ａであって、スイッチング素子７（図１参照）の側方付近には、外気を取り込むための上下方向に複数の空気取入口１１が並んで形成される。また、胴体部２ａの後方側であって冷却ファン１７（図１参照）の側方付近には、ハウジング２の内部に取り込まれた空気を排出するための上下方向に複数の排気口１０ａが並んで形成される。モータ３が回転して冷却ファン１７（図１参照）が回転すると、矢印１８のように空気取入口１１から外気が吸引され、排気口１０ａから矢印１９ａの方向に、及び、排気口１０ｂ（図１参照）から矢印１９ｂの方向に排出される。尚、図２では矢印１８、１９ａの方向は図示の関係上斜めに描いているが、これはハウジング２の外部から内部、内部から外部に空気が流れるということを示したものに過ぎないので注意されたい。

図３は、本発明の実施例に係るドライバドリル１の胴体部２ａの部分断面図である。本図では一部の構成要素にハッチングを付している。減速機構部３０は、第一段遊星歯車部３１、第二段遊星歯車部３２、第三段遊星歯車部３３の３つの遊星歯車機構を含んで構成される。第一段遊星歯車部３１、第二段遊星歯車部３２は、円筒形のリヤケース３６の内部に収容される。リヤケース３６の後方はモータスペーサ３５が取り付けられる。従来のモータスペーサ３５は、ベアリング２１を保持し、減速機構部３０の後端を閉鎖する機能を果たすものであって、プラスチック等の高分子樹脂製で製造されていた。しかしながら、本実施例ではモータスペーサ３５にスイッチング素子７の放熱部材としての機能を併用させるために金属製とした。インバータ回路基板６に搭載されるスイッチング素子７は、プラスチックやセラミック等で封止される本体部７ａの後方に設けられる金属製の放熱板７ｂがモータスペーサ３５に直接又は間接的に接触するように配置される。放熱板７ｂはモータスペーサ３５に直接接触するように配置するか、或いは、熱伝導性のゴムや樹脂等の介在部材を介して間接的に接触するように配置すると良い。また、モータスペーサ３５は、空気取入口１１（図２参照）を介して外気と空間的に接続されており、スイッチング素子７からモータスペーサ３５へと伝達された熱が、外気によって放熱しやすくなるような位置関係とされる。

図３においては、スイッチング素子７の扁平面がモータ３の回転軸３ｅの軸方向とほぼ垂直となるように配置され、スイッチング素子７の放熱板７ｂは、前方側を向くように配置される。このように配置することによって、スイッチング素子７の放熱板７ｂをモータスペーサ３５に良好に接触させることができ、スイッチング素子７で発生された熱をモータスペーサ３５に伝導することができるので、スイッチング素子７を効果的に冷却することができる。尚、本実施例では、リヤケース３６もプラスチック等の高分子樹脂で製造するのではなくアルミ合金等の金属で製造した。このように構成すればスイッチング素子７からモータスペーサ３５に伝達された熱が更にリヤケース３６に伝わるので、放熱効果の更なる向上を期待できる。リヤケース３６の前方側内部には、第二段遊星歯車部３２を稼働させるか停止させるかを設定するリングギヤ３７が設けられる。図３では説明の便宜上、回転軸３ｅの上下でリングギヤ３７とリングギヤ３７’を非対称に描いている（実際にはリングギヤ３７は円筒形の内歯車であるので注意されたい）。回転軸３ｅより上側の図示がシフトノブ１５を高速側に設定したときのリングギヤ３７の位置であり、下側の図示がシフトノブ１５を低速側に設定したときのリングギヤ３７’の位置である。

第三段遊星歯車部３３はフロントケース４１の後方側の内部に収容される。第三段遊星歯車部３３のリングギヤ３８の前端面には、スピンドル１６に伝わる伝達トルクが増大した場合、ピン４２を前方に押し出す作用をする形状に形成された爪（図示せず）が形成される。フロントケース４１は、円周方向に数カ所配置されるピン４２を前方から後方へ貫通させるように、後方側の太径部から前方側の細径部の間に段差部が形成される。フロントケース４１の細径部の外周側には、押圧部材４５を軸方向前後に移動させるためのネジ山４１ａが形成され、細径部の前端の内周側ではベアリング２２を保持する。本実施例ではフロントケースはアルミ合金等の金属の一体成型によって製造される。

以上のように減速機構部３０はフロントケース４１、リヤケース３６、モータスペーサ３５によって構成されるケースの内部に収容されるが、このケース内には遊星歯車等の潤滑性向上のため適度な量のグリースが塗布される。

次に図４及び図５を用いてインバータ回路基板６へのスイッチング素子７の搭載方法を説明する。図４は、図３のＡ−Ａ部の断面においてインバータ回路基板６の前面を見た図である。インバータ回路基板６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、中央には回転軸３ｅを貫通させるための穴６ａが形成される。インバータ回路基板６の周囲には、４つのネジ穴が形成され、このネジ穴を貫通するネジ２６によって、インバータ回路基板６がモータ３の固定子３ｃに固定される。インバータ回路基板６には、穴６ａを囲むように６つのスイッチング素子７−１〜７−６が取り付けられる。本実施例ではスイッチング素子７として、耐容量の異なる２種類のＦＥＴを用い、スイッチング素子７−１〜３は、スイッチング素子７−４〜６に比べて耐容量の大きいＦＥＴを用いるように構成した。このように用いられるスイッチング素子を、流れる電流値にあわせて最適なサイズで構成したので、すべてを耐容量の大きいＦＥＴとする必要が無く、インバータ回路基板６を小さくすることができ、製造コストの低減化を図ることができる。

また、スイッチング素子７はインバータ回路基板６上に寝かせた状態で、半田付け等により取り付けるようにした。この際、本実施例ではスイッチング素子７の放熱板７ｂがインバータ回路基板６と反対側に向くように配置する。これにより製造組立後に、スイッチング素子７の放熱板７ｂが金属製のモータスペーサ３５に直接又は間接的に接触するように位置づけられる。尚、組立時にはインバータ回路基板６の６つのスイッチング素子７全体を覆うように、放熱性に富んだ樹脂をコーティングし又は樹脂シートを介在させても良い。樹脂を介在させることにより、表面実装したスイッチング素子７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７に水滴や切削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を向上させることができる。

インバータ回路基板６には、プラス端子２３ａ及び２３ｂが設けられ、バッテリ４から送られる電力が配線２４ａ、２４ｂを介して伝達される。さらに、インバータ回路基板６には、制御信号接続領域２５が設けられ、この領域においてコネクタを用いて、或いは直接半田付けにより複数の信号線が接続される。

図５は図３のＢ−Ｂ部の断面においてインバータ回路基板６の後面を見た図である。インバータ回路基板６は両面基板となっており、インバータ回路基板６の周囲には４つのネジ穴６ｂが形成される。インバータ回路基板６の後面には、１２０度間隔で配置された３つの回転位置検出素子５２が配置される。回転位置検出素子５２は、モータ３のマグネット３ｂと対向する位置に取り付けられるもので、例えばホールＩＣを用いることができる。インバータ回路基板６には、さらにチップ抵抗、コンデンサやツエナーダイオード等の種々の電子素子が搭載される。

次に、モータ３の駆動制御系の構成と作用を図６に基づいて説明する。図６はモータの駆動制御系の構成を示すブロック図であり、本実施例では、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極を含む永久磁石（マグネット）を含んで構成される回転子（ロータ）３ａと、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗから成る固定子３ｃと、回転子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１２０°毎に配置された３つの回転位置検出素子（ホールＩＣ）５２を有する。これら回転位置検出素子５２からの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。回転位置検出素子５２は、インバータ回路基板６上の回転子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６に搭載される電子素子として、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴなどの６個のスイッチング素子７−１〜６が含まれる。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子７−１〜６の各ゲートは、制御回路基板９に搭載される制御信号出力回路５６に接続され、６個のスイッチング素子７−１〜６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に導線によって接続される。これによって、６個のスイッチング素子７−１〜６は、制御信号出力回路５６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５７に印加されるバッテリ４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７−１〜６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７−４〜６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９上に搭載された演算部５１によって、トリガスイッチ１３のトリガ操作部１３ａの操作量（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５７の正電源側スイッチング素子７−１〜３または負電源側スイッチング素子７−４〜６の何れか一方に供給され、スイッチング素子７−１〜３３またはスイッチング素子７−４〜６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４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、本実施例では、負電源側スイッチング素子７−４〜６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。

ドライバドリル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１４が設けられ、回転方向設定回路６０は正逆切替レバー１４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５１に送信する。演算部５１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５６は、回転方向設定回路６０と回転子位置検出回路５３の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子７−１〜６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５６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、回転子３ａを設定された回転方向に回転させる。この場合、負電源側スイッチング素子７−４〜６に印加する駆動信号は、印加電圧設定回路５９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５８によって測定され、その値が演算部５１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７−１〜６に印加しても良い。

次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施例に係る電動工具の例としてのインパクトドライバ１０１を説明する。インパクトドライバ１０１は、充電可能なバッテリ１０４を電源とし、モータ１０３を駆動源として回転打撃機構１４０を駆動し、出力軸であるアンビル１４５に回転力と打撃力を与えることによって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。

モータ１０３は、ブラシレスＤＣモータであって、側面から見て略Ｔ字状の形状を成すハウジング１０２の筒状の胴体部１０２ａ内に収容される。ハウジング１０２は、ほぼ対称な形状の左右２つの部材に分割可能に構成され、それら部材が複数のネジ１０８ａ（図８参照）により固定される。そのため、分割されるハウジング１０２の一方（本実施例では左側ハウジング）に複数のネジボス１０８ｂが形成される。モータ１０３の回転軸は、胴体部１０２ａの後端側のベアリング１２０と中央部付近に設けられるベアリング１２１によって回転可能に保持される。モータ１０３の前方には、モータ１０３を回転させるための所定の駆動電流を供給するインバータ回路基板１０６が設けられ、このインバータ回路基板１０６に６個のスイッチング素子１０７が搭載される。

ハウジング１０２の胴体部１０２ａから略直角に一体に延びるグリップ部１０２ｂ内の上部にはトリガスイッチ１１３及び正逆切替レバー１１４が設けられ、トリガスイッチ１１３には図示しないバネによって付勢されてグリップ部１０２ｂから突出するトリガ操作部１１３ａが設けられる。グリップ部１０２ｂ内の下方には、トリガ操作部１１３ａによってモータ１０３の速度を制御する機能等を備えた制御回路基板１０９が収容される。グリップ部１０２ｂの下方に形成されたバッテリ保持部１０２ｃには、ニッケル水素やリチウムイオン等のバッテリ１０４が着脱可能に装着される。

モータ１０３の前方には、回転軸に取り付けられてモータ１０３と同期して回転する冷却ファン１１７が設けられる。冷却ファン１１７により、胴体部１０２ａの後方の空気取入口１１０ｂ及び側方の後述する空気取入口１１０ａ（図８参照）から、矢印１１８ａ及び矢印１１８ｂの方向に外気が吸引される。吸引された空気は、モータ１０３の内部及び外周部を流れたのち、インバータ回路基板１０６の周囲を流れ、胴体部１０２ａであってインバータ回路基板１０６の半径方向外周側付近に形成される複数の排気口１１１（後述の図８参照）から矢印１１９のようにハウジング１０２の外部に排出される。インナカバー１３５は、排気口１１１を介して外気と空間的に接続されており、スイッチング素子１０７からインナカバー１３５へと伝達された熱が、効果的に外気によって放熱できるようになる。尚、図８では矢印１１８ａ、１１９の矢印は図示の関係上斜めに描いているが、これはハウジング２の外部から内部、内部から外部に空気が流れるということを示したものに過ぎないので注意されたい。

回転打撃機構１４０は、スピンドル１４１とハンマ１４４を備え、トリガスイッチ１１３のトリガ操作部１１３ａが引かれてモータ１０３が起動されると、モータ１０３の回転は遊星歯車減速機構１３０によって減速されてスピンドル１４１に伝達され、スピンドル１４１が所定の速度で回転駆動される。ここで、スピンドル１４１とハンマ１４４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１４１の外周面に形成されたＶ字状のスピンドルカム溝と、ハンマ１４４の内周面に形成されたハンマカム溝と、これらのカム溝に係合するボール１４２によって構成される。

ハンマ１４４は、スプリング１４３によって常に前方に付勢されており、静止時にはボール１４２とカム溝との係合によってアンビル１４５の端面とは隙間を隔てた位置にある。そして、ハンマ１４４とアンビル１４５には図示しない凸部がそれぞれ対称的に形成される。アンビル１４５は、メタルベアリング１４６により回転可能に保持される。

スピンドル１４１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１４４に伝達され、ハンマ１４４の凸部がアンビル１４５の凸部に係合してアンビル１４５を回転させる。そのときの反力によってスピンドル１４１とハンマ１４４との間に相対回転が生ずると、ハンマ１４４はカム機構のスピンドルカム溝に沿ってスプリング１４３を圧縮しながらモータ１０３側へと後退を始める。

そして、ハンマ１４４の後退動によってハンマ１４４の凸部がアンビル１４５の凸部を乗り越えて両者の係合が解除されると、ハンマ１４４は、スピンドル１４１の回転力に加え、スプリング１４３に蓄積され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１４３の付勢力によって前方へ移動し、その凸部がアンビル１４５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１４５に加えられるため、アンビル１４５に装着された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。図示しない先端工具は、スリーブを軸方向前方に移動させることによりワンタッチで装着及び脱着が可能である。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め付け材にねじ込まれる。

第２の実施例において、インパクトドライバ１０１の遊星歯車減速機構１３０及び回転打撃機構１４０は金属製のハンマケース１０５及びインナカバー１３５の内部に収容される。ハンマケース１０５は略円筒形であり、例えばアルミ合金等の一体成型により製造される。インナカバー１３５はハンマケース１０５の後方側開口部を覆うもので、例えばハンマケース１０５と同様に金属で製造され、ハンマケース１０５とインナカバー１３５は熱伝導的に良好に接触する。インナカバー１３５は少なくとも２つの円筒形の内周壁を有し、後方側の内周壁にはモータ１０３の回転軸を軸支するためのボール式のベアリング１２１を保持し、その前方の内周壁には遊星歯車減速機構１３０の遊星キャリアの回転を軸支するボール式のベアリング１２２を保持する。

本実施例においてはインナカバー１３５を熱伝導性に劣る合成樹脂でなく、金属にて製造した。さらに、インバータ回路基板１０６に搭載されるスイッチング素子１０７は、半導体素子をモールドした本体部１０７ａと背面に露出する放熱板（金属板）１０７ｂを含んで構成され、放熱板１０７ｂが前方側に配置し、インナカバー１３５に対して直接又は間接的に接触するように配置した。尚、本明細書において「接触」とは、スイッチング素子１０７の熱がインナカバー１３５に直接伝達、又は、空気以外の部材によって間接的に伝達される状態にあるような接触状態を指し、放熱板１０７ｂがインナカバー１３５に直接接触しても良いし、熱伝導性の樹脂又はゴム等の介在部材を介して接触する場合も接触と指す。本実施例では、スイッチング素子１０７の最大面積の面がモータ１０３の回転軸の軸方向に対して略直角となるように配置される。

インバータ回路基板１０６の形状は、基本的に図４及び図５で示す形状と同じである。但し、ネジで固定するためのネジ用の穴（図４の６ｂ）の位置が異なる。さらに、インバータ回路基板１０６はねじによってインナカバー１３５に固定される（図７では断面位置の関係上、ネジによる固定状況は図示されていない）。インバータ回路１０６を駆動するためのホール素子、及びホール素子に対向して配置される磁石は図示されていないが、例えば、磁石は冷却ファン１１７に固定される。

以上説明したように、第２の実施例において、スイッチング素子１０７をインナカバー１３５と熱的に接触するように配置したことによって、金属製のインナカバー１３５とハンマケース１０５を放熱部材として利用することができるので、スイッチング素子１０７に専用の放熱部材を接続する必要が無く、ハウジング１０２の胴体部１０２ａの前後長をコンパクトにしたインパクトドライバ１０１を実現できる。また、インバータ回路基板１０６は、インナカバー１３５に固定されており、インバータ回路基板１０６をモータ１０３に固定するような構造を採用していない。このため、インバータ回路基板１０６からモータ１０３の固定子への熱の伝導、又は、固定からインバータ回路基板１０６への熱の伝導はほぼ行われないようになっている。

次に図９を用いて本発明の第３の実施例を説明する。図９は、本発明の第３の実施例に係るドライバドリル２０１の胴体部の部分断面図である。図３で示した第１の実施例と同じ構成要素の部分には同じ参照符号を付しており、繰り返しの説明は省略する。また、ハウジング２の形状は第１の実施例と同じである。

第３の実施例では、ドライバドリルにおいて図３で示した第１の実施例とは回路基板２０６の取り付け方を変更したことに特徴がある。回路基板２０６は、モータスペーサ２３５に熱伝導性の絶縁体により構成されるシリコンシート２１８を介して回路基板２０６をねじ（断面位置の関係で図示されていない）でモータスペーサ２３５に固定するように構成した。モータスペーサ２３５はアルミ合金等の金属製で構成するので、スイッチング素子２０７で発生し、回路基板２０６に伝達した熱が、導電性のシリコンシート２１８を介してモータスペーサ２３５に良好に伝達され、回路基板２０６の熱が効果的に放熱されることとなる。また、スイッチング素子２０７は、本体部２０７ａの背面に設けられる放熱板２０７ｂが回路基板２０６側に向くように横置き（回路基板２０６と放熱板が平行になる関係）になるように配置される。さらに、スイッチング素子２０７は、空気取入口１１（図２の参照）から回路基板２０６の中央付近に向かう径方向（空気取入口１１の内側）に配置されるので、冷却ファン１７によってハウジング２の内部に取り込まれた外気が直接スイッチング素子２０７に当たるようになっている。このため、外気によって効果的にスイッチング素子２０７の熱を放熱できる。

なお、図示されていないが、回路基板２０６と面するモータスペーサ２３５の後面には前方に窪む凹部が形成される。これは、スイッチング素子２０７の端子を回路基板２０６の穴を貫通させて前面側で半田付けすると、回路基板２０６の前方側にはスイッチング素子２０７の足が突出するから、この突出との接触を避けるためである。同様に、回路基板２０６の後方に設けられるモータ３のコイル３ｄからの配線を回路基板２０６の穴を貫通させて前面側で半田付けすると、回路基板２０６の前方側にはスイッチング素子２０７の足が突出するが、凹部を設けたことによりスイッチング素子２０７の足及び配線の突出部がモータスペーサ２３５と電気的に接続されることを防止できる。また、モータスペーサ２３５の後面に凹部を形成したことにより、回路基板２０６の前面側に図５で説明したようなチップ抵抗、コンデンサやツエナーダイオード等の種々の電子素子をも搭載することができる。尚、放熱性の面からモータスペーサ２３５に形成される凹部はできるだけ小さくして、回路基板２０６とモータスペーサ２３５の接触面積を大きく確保できるようにすると良い。

回路基板２０６の後面には、ホール素子２５２が３つ設けられている。また、ホール素子２５２に対向する位置において、回転軸３ｅに永久磁石２５３が固定される。永久磁石２５３は円環形状をしており、回転軸３ｅに接着剤によって固定されるが、この固定方法は接着剤だけでなくその他の固定方法でも良い。永久磁石２５３には、２つのＳ極と、２つのＮ極が交互に設けられ、永久磁石２５３の磁極数や配置は回転子３ａと同じとなる。永久磁石２５３に対向する位置であって、回路基板２０６の後面（第１の面）には、回転方向に所定の角度だけ隔てて配置される３つのホール素子２５２が設けられる。このホール素子２５２によって、回転子３ａの回転位置を検出できる。なお、本実施例では回転軸３ｅに永久磁石２５３を設けたが、回転子３ａに含まれるマグネット３ｂに反応する感度を有するホール素子を回路基板２０６の後面（第１の面）に設けるような構造としても良い。

以上、第３の実施例によれば回路基板２０６の熱が金属製のケース（モータスペーサ２３５等）へと移動するので、回路基板２０６の熱を効果的に放熱できる。また、スイッチング素子２０７の高熱を効果的に回路基板２０６を介して、モータスペーサ２３５へと移動させることができるので、良好な冷却特性を有する電動工具を実現できる。

第３の実施例は上述の例に限られず、変形例として、スイッチング素子２０７の放熱板２０７ｂに形成される貫通穴を用いて、その貫通穴を介して後方より図示しないねじによってスイッチング素子２０７と回路基板２０６をモータスペーサ２３５へ固定するようにしても良い。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例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。例えば本実施例では電動工具の例として、ドライバドリル及びインパクトドライバに対して適用した実施例を用いて説明したが、本発明はこれらに限られず、放熱の必要な半導体素子やスイッチング素子を用いた任意の電動工具に対しても同様に適用可能である。さらに、本実施例ではモータとしてブラシレスＤＣモータを用いた例を説明したが、これに限定されず、他の種類のモータであっても良い。

１ドライバドリル２ハウジング２ａ胴体部２ｂハンドル部
２ｃバッテリ取付部３モータ３ａ回転子３ｂマグネット
３ｃ固定子３ｄコイル３ｅ回転軸４バッテリ
５ダイヤル６インバータ回路基板６ａ穴６ｂネジ穴
７スイッチング素子７ａ本体部７ｂ放熱板８ネジ
９制御回路基板１０ａ,１０ｂ排気口１１空気取入口
１２チャック１３トリガスイッチ１３ａトリガ操作部
１４正逆切替レバー１５シフトノブ１６スピンドル
１７冷却ファン２０，２１，２２ベアリング２３ａプラス端子
２３ｂマイナス端子２４ａ，２４ｂ配線２５制御信号接続領域
２６ネジ３０減速機構部３１第一段遊星歯車部
３２第二段遊星歯車部３３第三段遊星歯車部３５モータスペーサ
３６リヤケース３７、３８リングギヤ４０クラッチ機構部
４１フロントケース４１ａネジ山４２ピン
４４コイルスプリング４５押圧部材５１演算部
５２回転位置検出素子５３回転子位置検出回路
５６制御信号出力回路５７インバータ回路５８電流検出回路
５９印加電圧設定回路６０回転方向設定回路
１０１インパクトドライバ１０２ハウジング１０２ａ胴体部
１０２ｂグリップ部１０２ｃバッテリ保持部１０３モータ
１０４バッテリ１０５ハンマケース１０６インバータ回路基板
１０７スイッチング素子１０７ａ本体部１０７ｂ放熱板
１０８ａネジ１０８ｂネジボス１０９制御回路基板
１１０ａ，１１０ｂ空気取入口１１１排気口
１１３トリガスイッチ１１３ａトリガ操作部
１１４正逆切替レバー１１７冷却ファン
１２０，１２１，１２２ベアリング１３０遊星歯車減速機構
１３５インナカバー１４０回転打撃機構１４１スピンドル
１４２ボール１４３スプリング１４４ハンマ
１４５アンビル１４６メタルベアリング
２０１ドライバドリル２０６回路基板２０７スイッチング素子
２０７ａ本体部２０７ｂ放熱板２１８シリコンシート
２３５モータスペーサ２５２ホール素子２５３永久磁石

Claims

モータと、前記モータを収容するハウジングと、前記モータの回転を駆動するスイッチング素子と、前記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手段を有する電動工具であって、
前記動力伝達手段を金属製のケースに収容し、
前記ケースは、アルミ合金による一体成型の円筒形の本体ケースと、前記本体ケースの開口部を覆うカバーに分割して形成され、
前記スイッチング素子は前記カバーに直接又は間接的に接触するように配置され、
前記モータと前記ケースは同軸上に配置され、前記モータと前記ケースの間に前記スイッチング素子を搭載する回路基板が配置され、
前記回路基板の前記スイッチング素子の搭載面が前記モータの回転軸と略垂直方向となるように配置されることを特徴とする電動工具。
前記動力伝達手段は遊星歯車を用いた減速機構であることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記スイッチング素子は、背面に放熱板を有する電界効果トランジスタ又は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、
前記放熱板が前記ケースに直接又は間接的に接触するように前記回路基板に搭載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。
前記放熱板は前記ケースに、熱伝導性の樹脂又はゴムを介して接触するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
前記モータの回転軸に冷却ファンが固定され、
前記冷却ファンは前記回路基板と前記モータの間に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
モータと、前記モータを収容するハウジングと、前記モータの回転を駆動するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を搭載する基板と、前記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手段を有する電動工具であって、
前記動力伝達手段を金属製のケースに収容し、
前記基板を前記動力伝達手段と前記モータの間に配置し、
前記基板を前記ケースに固定することを特徴とする電動工具。
前記スイッチング素子は、背面に放熱板を有する電界効果トランジスタ又は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、
前記放熱板が前記ケースに直接又は間接的に接触するよう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。
モータと、
前記モータにより駆動される動力伝達機構部と、
前記動力伝達機構部を収容する金属製のケースと、
前記モータに導線で接続される回路基板と、を有する電動工具であって、
前記回路基板を前記ケースに接触させるように配置したことを特徴とする電動工具。
前記回路基板には、前記モータの回転を駆動するスイッチング素子が設けられることを特徴とする請求項８に記載の電動工具。
前記回路基板は、前記モータから離間して設けられており、
前記回路基板は、前記金属製のケースに固定されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の電動工具。
胴体部と、前記胴体部より下方に延びるハンドル部とを有するハウジングと、
前記胴体部に収容され、胴体部の後部に設けられるモータと、
前記胴体部に収容され、前記モータの前方に配置される冷却ファンと、
前記胴体部に収容され、前記冷却ファンの前方に配置され、前記モータに導線で接続させる回路基板と、
前記胴体部に収容され、前記回路基板の前方に設けられる動力伝達機構と、
前記動力伝達機構の前方に配置される出力軸と、を有することを特徴とする電動工具。
モータと、
前記モータと対向する第１の面と、第１の面とは逆の第２の面と、を有する回路基板と、
前記回路基板に固定され、前記モータの回転を駆動するスイッチング素子と、
前記モータによって駆動される出力軸と、を有する電動工具であって、
前記第１の面に前記スイッチング素子を設けたことを特徴とする電動工具。