JP5743085B2 - 電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、ステータコイルを有するモータを駆動源とする電動工具に関する。

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モータとは、ブラシ（整流用刷子）の無いＤＣ（直流）モータである。ブラシレスＤＣモータは、コイルをステータ側に、マグネットをロータ側に用い、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、ステータに巻か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、例えば下記特許文献１では、モータの後ろ側（先端工具と反対側）に取り付けられる略円形の回路基板としている。

ブラシレスＤＣモータを用いた電動工具は、通常、スター結線された３相巻線を有し、各相のプラス側及びマイナス側に１つずつの計６個のスイッチング素子が用いられる。ブラシレスＤＣモータには比較的大きな電流が流れるため、スイッチング素子の発熱量は大きくなる。このスイッチング素子を効果的に冷却するため、ハウジングのインバータ回路基板付近には空気口が設けられる。モータの回転軸に対して垂直に回路基板上が配置され、回路基板上にスイッチング素子が配置される。ブラシレスＤＣモータの回転軸にはファンが取り付けられ、ファンによって空気取入口から外気を吸引し、スイッチング素子やブラシレスＤＣモータが冷却される。

従来の電動工具において、スイッチング素子を搭載するインバータ回路基板はモータの後方に配置される。インバータ回路やホールＩＣ等を搭載する回路基板はインシュレータの突起に保持される。この従来の構造を図５及び図６を用いて説明する。

図５は、従来の電動工具におけるインバータ回路基板とモータのステータの側面図である。図６は、同背面図である。これらの図では、モータを構成する部品のうちロータや回転軸部分の記載は省略している。ブラシレス方式のモータにおいては、ステータコイル３ｃの端部を、インシュレータ１５の内側を通ってインバータ回路基板４に開けられた穴に貫通させて、反対側からハンダ９で固定する。計６本のステータコイル３ｃがインバータ回路基板４にハンダ付けされる。また、６つのスイッチング素子５がインバータ回路基板４に搭載される。

特開２０１０−９９８２３号公報

電動工具の種類が例えばインパクトドライバであると、打撃動作の度に打撃の反力がハンマケースを介してハウジングに伝わり、ハウジングにてステータコア３ｂが固定されているモータに振動が伝わる。この際、ステータコア３ｂが打撃の反力で振動することになるので、ステータコア３ｂにインシュレータ１５を介して固定されるインバータ回路基板４も同様に振動する。インバータ回路基板４は、インシュレータ１５に対して例えば複数のねじ１８で固定されるが、両面基板を用いる場合にはインシュレータ１５との接触部分はねじの周囲だけである。そのためねじの固定部分を支点としてインバータ回路基板４が振動により撓むことになる。この回路基板４が撓む現象は、インパクトドライバだけに限らずに、先端工具から反力を受ける電動工具においては同様に生じることである。また、片面基板であっても、振動が伝わる以上は撓みのリスクはある。

従来の電動工具において、モータ３の出力が小さい場合や、インパクト機構による打撃トルクが小さいうちは、インバータ回路基板４の撓みも小さくて無視しても良いレベルであった。しかしながら、打撃トルクの増大化を図ると、ステータコイル３ｃとインバータ回路基板４に開けられた穴の接触（半田付け部分）領域付近にてステータコイル３ｃに対して撓みの力が大きくかかるので、ステータコイル３ｃを破損（断線等）させる恐れがあった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、ステータコイルの回路基板からの断線リスクを低減することが可能な電動工具を提供することにある。

本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、
ステータコイルを有するモータと、回路基板とを備え、
前記ステータコイルは、コイル本体部と、前記コイル本体部から引き出されて前記回路基板に電気的に接続された引出し部とを有し、
前記引出し部に、たるみを持たせてあり、
前記回路基板の一方の面は、前記コイル本体部と対向する対向面であり、
前記引出し部は、前記回路基板の前記対向面の側から他方の面の側に延び、前記他方の面の側で曲がって前記回路基板に接続され、
前記モータのステータコアから前記回路基板に向けて筒状に延びる筒状部を有するインシュレータを備え、
前記筒状部の端部に前記回路基板が固定され、
前記筒状部は、側面に切欠又は開口を有し、
前記引出し部は、前記切欠又は前記開口を通って前記筒状部の内側から前記回路基板の外側に出て、前記回路基板の前記対向面の側から前記他方の面の側に延びている。

前記引出し部は、前記回路基板の前記他方の面の側の少なくとも一部が、前記他方の面から離れるようにたるんでいてもよい。

前記筒状部の軸方向が前記モータの軸方向と略平行であってもよい。

前記モータを駆動源とし、回転打撃力によって先端工具にトルクを与えることが可能な回転打撃機構を備えてもよい。

前記モータがブラシレスＤＣモータであってもよい。

前記モータ及び前記回路基板を収容するハウジングを備え、前記ステータコイル及び前記回路基板が前記ハウジング内で固定されていてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ステータコイルの引出し部にたるみを持たせてあるので、ステータコイルの回路基板からの断線リスクを低減することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電動工具の内部構成を示す側断面図。 図１のステータコイルとインバータ回路基板との接続構造を示す側面図。 同接続構造を後方から見た背面図。 図１に示すモータの駆動制御系の回路構成を示すブロック図。 従来技術におけるインバータ回路基板とモータのステータの側面図。 同背面図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動工具１の内部構成を示す側断面図である。電動工具１は、例えばインパクトドライバである。インパクトドライバにおいて先端工具を回転駆動する構成は公知のものでよいが、以下、一例を説明する。

電動工具１は、充電可能なバッテリ３９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（例えば４極６コイル、２極３コイル等）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３ｅは、ハウジング２の胴体部２ａの中央部付近に設けられるベアリング１９ａ（軸受け部材）と後端側のベアリング１９ｂ（軸受け部材）によって回転可能に保持される。モータ３の前方には、回転軸３ｅ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が設けられる。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、ハウジング２の胴体部２ａの後ろ側に形成された空気取入孔１７、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図示しない空気取入口から胴体部２ａの内部に取り込まれ、主にロータ３ａとステータコア３ｂの間を通過するように流れ、さらにロータファン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図示しない空気排出口からハウジング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の外形とほぼ同径の円環状の多層基板であり、インバータ回路基板４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、及びその他の電子素子が搭載される。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１９ｂとロータ３ａとの間の間隔を一定に保つために配置される。

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６ａ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３９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１２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の下方のバッテリ取付部２ｃには、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等で構成されるバッテリ３９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、前端がメタル軸受け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め付け材にねじ込まれる。なお、ライト５１は、先端工具の先端側と被締め付け材を照らす。

図２は、図１のステータコイル３ｃとインバータ回路基板４との接続構造を示す側面図である。図３は、同接続構造を後方から見た背面図である。本図に示す接続構造は、従来技術と異なる本実施の形態の特徴の一つである。

ステータコイル３ｃは、コイル本体部３７と、引出し部３８とを有する。コイル本体部３７は、図１に示すロータマグネット３ｄに印加する磁界を発生する。引出し部３８は、コイル本体部３７から引き出されてインバータ回路基板４に電気的に接続される。

インバータ回路基板４は、図１に示すモータ３の回転軸３ｅと垂直であり、一方の面がコイル本体部３７との対向面で、他方の面は非対向面である。インバータ回路基板４は、例えばガラスエポキシ基板 (ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めたもの）で構成された多層基板であり、ステータコア３ｂの外径とほぼ同じ径の略円環状とされる。

インシュレータ１５は、ステータコア３ｂと、ステータコイル３ｃ及びインバータ回路基板４とを絶縁するものであって、ステータコア３ｂからインバータ回路基板４に向けて筒状（例えば円筒状）に延びる筒状部１５ａを有する。筒状部１５ａの軸方向はモータ３の回転軸３ｅの方向と略平行である。筒状部１５ａの端部にインバータ回路基板４が固定される。具体的には、インバータ回路基板４の周囲には４つの取付穴が形成され、この取付穴を貫通するねじ１８によってインバータ回路基板４がインシュレータ１５にねじ止めされる。したがって、インバータ回路基板４は、ステータに対して固定状態となる。インバータ回路基板４の中央にはモータ３の回転軸３ｅ及びスペーサ３５を貫通させるための穴４ａが形成され、穴４ａを囲むように６つのスイッチング素子５がインバータ回路基板４上に立てた状態で取り付けられる。

インシュレータ１５の筒状部１５ａは、側面に切欠部１４（又は開口部）を有する。切欠部１４は、ハウジング２の胴体部２ａに設けられた空気取入れ用の不図示のスロット（空気取入口）と対向する位置に設けられる。ステータコイル３ｃの引出し部３８は、切欠部１４を通って筒状部１５ａの内側から外側に出て、インバータ回路基板４の外側を経由してインバータ回路基板４の前記対向面（コイル本体部３７との対向面）の側から前記非対向面の側に延び、前記非対向面の側で曲がって（折り返して）インバータ回路基板４の貫通孔に挿通され、例えば半田９による半田付けでインバータ回路基板４に電気的に接続される。このように、引出し部３８は、コイル本体部３７から最短距離でインバータ回路基板４に接続させずに、たるみを持たせてある。たるみの持たせ方は種々あるが、図２及び図３の例では、引出し部３８は、インバータ回路基板４の前記非対向面の側で、前記非対向面から離れるようにたるんでいる。

モータ３の駆動制御系の構成と作用は公知のものでよいが、図４を用いて一例を説明する。図４は、モータの駆動制御系の構成を示すブロック図である。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（本実施の形態では２組）のＮ極とＳ極を含むロータマグネット３ｄ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から成るステータコイル３ｃ及びステータコア３ｂを含むステータと、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４２を有する。これら位置検出素子４２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４２は、インバータ回路基板４上の、ロータ３ａ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等の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４６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４６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４７に印加されるバッテリ３９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４７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３９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。

電動工具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５０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４６は、回転方向設定回路５０と回転子位置検出回路４３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４６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Ｑ４〜Ｑ６に印加する駆動信号は、印加電圧設定回路４９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４８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。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) ステータコイル３ｃの引出し部３８をインバータ回路基板４の外側からまわり込むよう成形し、たるみを持たせた状態でインバータ回路基板４に半田付けする構成としているため、回転打撃時の反力等の外力が加わっても半田部（接続部）にストレスがかかりにくくなる。すなわち、引出し部３８のたるみの分だけ力が逃げる構造となり、ステータコイル３ｃのインバータ回路基板４からの断線リスクを低減ないし無くすことができる。このため、モータひいて製品の寿命を延ばし、かつ信頼性を向上させた電動工具を実現可能である。

(2) ハウジング２の胴体部２ａに設けられた空気取入れ用の不図示のスロットからインシュレータ１５の側面の切欠部１４を通ってステータコイル３ｃに風が当たる構成となり、冷却性能が良い。すなわち、風窓として機能する切欠部１４入口付近にステータコイル３ｃを配設することができ、流速の高い冷却風を当てることでステータコイル３ｃの温度上昇を効果的に抑制することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

ステータコイル３ｃの引出し部３８は、インバータ回路基板４に設けた通過用の貫通孔（半田付け等で引出し部３８を接続する貫通孔とは別の貫通孔であり、図３の穴４ａでもよいし、別途設けた貫通孔でもよい）を通ってインバータ回路基板４の前記対向面（コイル本体部３７との対向面）の側から前記非対向面の側に延びて折り返されてもよい。あるいは、ステータコイル３ｃの引出し部３８は、ステータコア３ｂ、インシュレータ１５、及びインバータ回路基板４の外側を経由してインバータ回路基板４の前記対向面の側から前記非対向面の側に延びて折り返されてもよい。さらに、ステータコイル３ｃの引出し部３８は、たるみを持たせてある限りは、インバータ回路基板４の前記対向面の側から直接接続用の貫通孔に挿通されて半田付け等されてもよい。

モータは、ステータコイルを有するものであれば、コンミテータを有するブラシ付きモータであってもよい。

電動工具は、ステータコイルを有するモータを駆動源とするものであれば、電動ドライバ等の締付機に限らず、例えば携帯用丸鋸、携帯用グライダ、携帯用ハンマ・ハンマドリル等、他の電動工具にも広く適用可能である。

１ 電動工具
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 ロータ
３ｂ ステータコア
３ｃ ステータコイル
３ｄ ロータマグネット
３ｅ 回転軸
４ インバータ回路基板
４ａ 穴
５ スイッチング素子
６ トリガスイッチ
６ａ トリガ
７ スイッチ基板
８ 制御回路基板
９ ハンダ
１０ 正逆切替レバー
１２ 信号線
１３ ロータファン
１４ 切欠部
１５ インシュレータ
１７ 空気取入孔
１８ ねじ
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 取付穴
３５ スペーサ
３９ バッテリ

Claims (6)

1. ステータコイルを有するモータと、回路基板とを備え、
   前記ステータコイルは、コイル本体部と、前記コイル本体部から引き出されて前記回路基板に電気的に接続された引出し部とを有し、
   前記引出し部に、たるみを持たせてあり、
   前記回路基板の一方の面は、前記コイル本体部と対向する対向面であり、
   前記引出し部は、前記回路基板の前記対向面の側から他方の面の側に延び、前記他方の面の側で曲がって前記回路基板に接続され、
   前記モータのステータコアから前記回路基板に向けて筒状に延びる筒状部を有するインシュレータを備え、
   前記筒状部の端部に前記回路基板が固定され、
   前記筒状部は、側面に切欠又は開口を有し、
   前記引出し部は、前記切欠又は前記開口を通って前記筒状部の内側から前記回路基板の外側に出て、前記回路基板の前記対向面の側から前記他方の面の側に延びている、電動工具。
2. 前記引出し部は、前記回路基板の前記他方の面の側の少なくとも一部が、前記他方の面から離れるようにたるんでいる、請求項１に記載の電動工具。
3. 前記筒状部の軸方向が前記モータの軸方向と略平行である請求項１又は２に記載の電動工具。
4. 前記モータを駆動源とし、回転打撃力によって先端工具にトルクを与えることが可能な回転打撃機構を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
5. 前記モータがブラシレスＤＣモータである請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
6. 前記モータ及び前記回路基板を収容するハウジングを備え、前記ステータコイル及び前記回路基板が前記ハウジング内で固定されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。

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