JP5954386B2

JP5954386B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5954386B2
Application number: JP2014198139A
Authority: JP
Inventors: 俊彰小泉
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: JP2014240120A

Description

本発明は商用交流電力を電源としてモータを駆動する電動工具に関し、特に、制御回路によってモータの回転が電子的に制御される電動工具に関するものである。

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、モータの回転を電子的に制御する電動工具が広く使われるようになってきた。また、ブラシレスモータを有さない電動工具であって、モータに所定の動作をさせるため、又はクラッチ動作をさせるため、又は、ネジ締めの回数を計数するため、電子的に制御する電動工具も販売されている。このように電子的に制御する際に、制御回路が必要となる。電子的に制御されるモータとしては、例えばブラシレスＤＣモータが広く用いられる。ブラシレスＤＣ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）をステータ（固定子）側に、永久磁石をロータ（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、ステータに巻かれたコイルへの通電をオン・オフさせるためのＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等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。

ここで従来の電動工具の構成を図４から図６を用いて説明する。図４は従来技術による電動工具の内部構造を示す断面図である。インパクトドライバ１０１は、充電可能なバッテリパック１０９を電源とし、モータ１０３を駆動源として回転打撃機構１２１を駆動し、出力軸であるアンビル１３０に回転力と打撃力を与え、スリーブ１３１の内側に位置する取付穴１３０ａ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１０３は、側面視で略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。モータ１０３の回転軸に回転打撃機構１２１が接続される。ハウジング１０２の胴体部１０２ａから略直角に一体に延びるハンドル部１０２ｂ内の上部にはトリガスイッチ１０６が配設され、トリガスイッチ１０６の下方にはスイッチ回路基板１０７が設けられる。ハンドル部１０２ｂ内の下部には、トリガスイッチ１０６の引き動作によって前記モータ１０３の速度を制御する制御回路を搭載する制御回路基板１０８が収容される。図４で示す電動工具は、いわゆるコードレスタイプであり、ハウジング１０２の拡径部１０２ｃには、電源となるバッテリパック１０９が装着される。

図５は従来技術による電動工具の回路ブロック図である。バッテリパック１０９から供給される直流電力は、インバータ回路基板１０４に入力される。インバータ回路基板１０４上に搭載されるインバータ回路１０４ａは制御回路１０８ａによって駆動信号（ゲート電圧）１３７が調整され、モータ１０３の回転が制御される。モータ１０３の回転は、ロータと対向する位置に設けられる複数のホールＩＣ１３５によって検出され、出力信号（位置信号）１３６として制御回路１０８ａに入力される。制御回路１０８ａはトリガスイッチ１０６が引かれたことを検知して、制御回路１０８ａは信号線１３７を介してインバータ回路１０４ａを駆動制御する。制御回路１０８ａは、バッテリパック１０９の電池電圧も検知し、モータ１０３に流れる電流量を監視する。

制御回路１０８ａにはマイコン等の各種電子回路が搭載されるが、その駆動電源としてバッテリパック１０９が用いられる。この接続状況を示すのが図６の回路図である。図６において、バッテリパック１０９の電力はインバータ回路基板１０４に送られると同時に、制御回路基板１０８にも送られる。従って、制御回路基板１０８の電源入力部の電圧とインバータ回路基板１０４の入力部の電圧は等しく＋Ｖ_ｄｃである。電圧＋Ｖ_ｄｃは、例えば１２Ｖから３６Ｖ程度である。

特開２００９−７２８８０号公報

コードレスのブラシレスＤＣモータ駆動形電動工具では、電源であるバッテリパック１０９の電圧が、例えば１２から１８Ｖ程度と低いため、インバータ回路１０４ａと制御回路１０８ａを共通電源で動作させることができる。つまり、制御回路１０８ａのための専用の電源は必要ない。しかしながら、電動工具をバッテリパック１０９で稼働させるのでなくＡＣ１００Ｖ等の商用電源で駆動するには、電動工具に電源ケーブルを接続すると共に、インバータ回路に接続される直流を生成する必要がある。そのため商用電圧から直流電圧を作成する為に整流回路を内蔵する必要があるが、ＡＣ１００Ｖから直流電圧を作成すると、約１４１Ｖの直流が得られることになり、この直流電力がインバータ回路に接続されることになる。また、インバータ回路４ａを制御するための制御回路にとって直流１４１Ｖでは電圧が高すぎるため、制御回路にそのまま直流１４１Ｖを供給することができない。そのため、制御回路用の動作電圧として、１８Ｖ程度の直流電圧を供給するスイッチング電源回路が必要となる。

従来のコードレスタイプの電動工具では、インバータ回路用の電源も制御回路用の電源も直接電池から供給されるためスイッチング電源回路は不要であるが、電源コード付のブラシレスＤＣモータ駆動形電動工具を実現するには、これら２つの電源を効率よくハウジング内に収納しないとハウジングが大型化して使いにくい電動工具となってしまう。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、ハウジングの大型化を防止してコンパクトに構成した電動工具を提供することにある。

本発明の他の目的は、商用電源で駆動される電動工具において、マイコンを用いてモータを精度良く回転制御することにある。

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、モータと、モータを収容する胴体部と、胴体部から延びるハンドル部と、を有し、ハンドル部の一端側である上部が胴体部に接続されるハウジングと、モータを駆動するためのインバータ回路を搭載するインバータ回路基板と、モータを制御するマイコンを備えた制御回路基板と、商用交流電源に接続可能な電源コードと、電源コードが接続され商用交流電源の交流を直流に変換しインバータ回路基板に直流を供給する全波整流回路と、全波整流回路の出力電圧を制御回路基板の駆動電圧に変換する電源装置と、を備えた電動工具において、インバータ回路基板、制御回路基板、全波整流回路、及び電源装置をハウジング内に収容し、全波整流回路をハンドル部の他端側に配置した。

本発明の他の特徴によれば、全波整流回路は、交流を全波整流するダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの出力側に設けられたコンデンサと、を有し、コンデンサを静電容量２２μＦ以下の無極性コンデンサで構成した。また、電源コードから入力された交流は全波整流回路で直流に変換され、直流はインバータ回路基板に供給されると共に、電源装置によって降圧されて制御回路基板に供給されるように構成した。

本発明によれば、ハウジングの大型化を防止してコンパクトに構成した電動工具を提供することができる。また、商用電源で駆動される電動工具において、マイコンを用いてモータを精度良く回転制御することができる。
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。

本発明の実施例に係るインパクトドライバ１の内部構造を示す断面図である。本発明の実施例に係るインパクトドライバ１の回路ブロック図である。本発明の実施例に係るインパクトドライバ１の電源配線ブロック図である。従来技術による電動工具の内部構造を示す断面図である。従来技術による電動工具の回路ブロック図である。従来技術による電動工具の電源配線ブロック図である。

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例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、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、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。

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。本実施例においてモータ３はブラシレスＤＣモータであり、コイル３ｄをステータ３ｃ側に、永久磁石３ｂをロータ３ａ側に用い、インバータで駆動された電力を所定のコイル３ｄへ順次通電することによりロータ３ａを回転させる。ステータ３ｃの外周部は胴体部２ａの内壁にて保持されることにより、モータ３はハウジング２の内部に収容される。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、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３ｃ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（図示せず）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ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の複数のスイッチング素子５や、ロータ３ａの永久磁石３ｂの磁力を検出することによってロータ３ａの回転位置を検出するホールＩＣ等の位置検出素子３５が搭載される。

ハウジング２の胴体部２ａ、ハンドル部２ｂ、拡径部２ｃは、前後方向及び上下方向で分割される左右分割式のハウジングで構成される。左右分割式のハウジング２の左右のそれぞれは、樹脂の一体成形により構成される。ハウジング２の胴体部２ａから略直角方向（下方向）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回路基板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が収容される。制御回路基板８は、信号線を介してインバータ回路基板４と接続される。ハウジング２の下方、つまり延在する方向の端部にその外径が大きくなる拡径部２ｃが形成される。電源コード１１ａは拡径部２ｃの下部に取り付けられ、拡径部２ｃ内には、全波整流回路１４が配置される。この全波整流回路１４の出力はスイッチ回路基板７の端子に接続される。そして、マイコンが搭載された制御回路基板８は全波整流回路１４の上側に配置される。

全波整流回路１４は、前後方向及び上下方向により構成される断面で見ると略長方形をしている。この長方形の長辺１４ａを前後方向に延びる向きへと配置させ、短辺１４ｂを上下方向に延びる向きに配置させた。このように前後方向に拡径された拡径部２ｃに全波整流回路１４を配置したので、拡径部２ｃを軸方向（上下方向）にコンパクトに構成することができる。また、スイッチング電源回路１５は、前後方向及び上下方向により構成される断面で見ると略長方形をしている。この長方形の長辺１５ａを上下方向（ハンドルが延びる方向）へと配置させ、短辺１５ｂを前後方向（ハンドルが延びる方向と直交する方向）へと配置させた。このように構成することによって、上下方向へと延びるハンドル部２ｂの内部にスイッチング電源回路１５を配置したので、ハンドル部２ｂを前後方向にコンパクトに構成することができる。

制御回路基板８は全波整流回路１４の高い出力電圧（例えば直流１４１Ｖ）で駆動させることができないため、全波整流回路１４の出力から低い直流電圧を生成し、制御回路基板８に１８Ｖ程度の直流を供給するスイッチング電源回路１５が設けられる。スイッチング電源回路１５はスイッチ回路基板７と制御回路基板８の間のハンドル部２ｂ内部に配置される。このようにスイッチング電源回路１５をハンドル部２ｂ内に配置する構成とすることにより、スイッチング電源回路１５をハウジング内に効率よくコンパクトに収納することができ、小型の電源コード付ブラシレスＤＣモータ駆動形電動工具を実現できる。

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、後端が軸受２０、前端がメタル２９により保持される。遊星歯車減速機構２２はギヤピニオンなどを介してモータ３の回転軸に接続される。トリガスイッチ６が引かれてモータ３が起動されると、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の凸部は、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の凸部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、ネジやボルト等の締結部材を被締結材にねじ込む。

図２は、本実施例に係るインパクトドライバ１の回路ブロック図である。図２に示すように、全波整流回路１４内において、入力された商用電源たる交流１１はダイオードブリッジ３３により全波整流され、ダイオードブリッジ３３の出力側（直流側）に設けられたフィルムコンデンサなどの無極性コンデンサ３４により平滑されて、スイッチング電源回路１５とインバータ回路基板４に直流を供給する。ダイオードブリッジ３３の入力側（交流側）には、電磁妨害波防止用のコンデンサ３２が設けられる。ダイオードブリッジ３３の出力側（直流側）に設けられる無極性コンデンサ３４の静電容量は、例えば２２マイクロＦ以下になるように設定すると、無極性コンデンサ３４の大きさを小さめに抑えることができるので、電源コード１１ａ付近のハウジング２の拡径部２ｃの大きさをコンパクトにできる。

インバータ回路基板４には、図示していないが６個のスイッチング素子５で構成されるインバータ回路４ａが設けられる。モータ３には、ロータ３ａに設けられる永久磁石３ｂ（図１参照）に対向する位置に設けられ、ロータ３ａの回転位置を検出するためのホールＩＣ等の位置検出素子３５が搭載される。位置検出素子３５は、対向するロータ３ａの永久磁石３ｂの極性に対応してＨｉｇｈ又はＬｏｗの信号３６を制御回路８ａに出力するもので、回転角で例えば６０度ずつ隔てて３個設けられる。

インバータ回路基板４とスイッチング電源回路１５はダイオードブリッジ３３の出力側に接続されるため、それぞれに供給される電圧は、所定の直流電圧（＋ＶＨ_ｄｃ）となる。この＋ＶＨ_ｄｃ（請求項１の第１の直流に相当する）は、交流１１が１００Ｖの場合、約１４１Ｖである。高い直流電圧＋ＶＨ_ｄｃのままでは制御回路８ａを駆動させることができないため、スイッチング電源回路１５は、直流電圧＋ＶＨ_ｄｃから低い直流電圧＋ＶＬ_ｄｃ（請求項１の第２の直流に相当する）を生成して、制御回路基板８に供給する。スイッチング電源回路１５は、電力を変換及び調整するための半導体スイッチング素子を用いた電源装置であって、公知のＤＣ−ＤＣ変換器にて構成できる。本実施例のスイッチング電源回路１５は、例えば直流１４１Ｖから直流１８Ｖを生成する。制御回路８ａは、トリガスイッチ６が押されるとインバータ回路基板４のスイッチング素子を駆動する為のＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御の駆動信号３７を生成し、インバータ回路４ａに出力する。

次に図３を用いて、本実施例に係るインパクトドライバ１の電源配線ブロック図を説明する。図３に示すように、インバータ回路基板４には全波整流回路１４から直流電圧＋ＶＨ_ｄｃが直接印加される。一方、マイコンが搭載されている制御回路基板８には＋ＶＨ_ｄｃを直接印加することができないため、本実施例ではスイッチング電源回路１５を設けた。スイッチング電源回路１５は、＋ＶＨ_ｄｃから１８Ｖ程度の＋ＶＬ_ｄｃを生成して制御回路基板８に供給するように構成した。このように制御回路基板８用の専用の低電圧の直流を供給するようにしたので、制御回路基板８上にマイコン等を含む電子素子を搭載することができ、これによってモータ３の回転制御として電子制御によるきめ細かな制御が実現できる。

以上説明したように本実施例においては、制御回路用の電源としてスイッチング電源回路を設けるようにした。また、スイッチング電源回路をハウジングのハンドル内に収納したので、従来の電動工具の大きさを大型化させることなく、小型の電源コード付の電動工具を実現できる。

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、上述の実施例で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、インパクトドライバだけに限られず、ハンドル部を有して作業者が把持しながら作業する電動工具であれば、他の電動工具であっても良い。

また、本発明の実施例においては、インバータ回路基板及びスイッチング素子を胴体部の内部に配置する構成とした。しかし、このインバータ回路基板及びスイッチング素子の配置は、胴体部の内部に限られるものではない。例えば、インバータ回路基板及びスイッチング素子をハンドル部の内部に収容しても良い。また、インバータ回路基板及びスイッチング素子をハウジングの拡径部に収容しても良い。このようにインバータ回路基板及びスイッチング素子を配置しても、本発明の効果を奏することができる。

１インパクトドライバ２ハウジング２ａ胴体部
２ｂハンドル部２ｃ拡径部３モータ３ａロータ
３ｂ永久磁石３ｃステータ３ｄコイル
３ｅ回転軸４インバータ回路基板
４ａインバータ回路５スイッチング素子
６トリガスイッチ７スイッチ回路基板８制御回路基板
１１交流（商用電源）１１ａ電源コード
１３ロータファン１４全波整流回路１５スイッチング電源回路
１７ａ空気取入孔１９ａ、１９ｂ、２０軸受
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３１スリーブ３２コンデンサ
３３ダイオードブリッジ３４無極性コンデンサ
３５位置検出素子３６信号３７駆動信号
１０１インパクトドライバ１０２ハウジング
１０２ａ胴体部１０２ｂハンドル部１０２ｃ拡径部
１０３モータ１０４インバータ回路基板
１０４ａインバータ回路１０６トリガスイッチ
１０７スイッチ回路基板１０８制御回路基板
１０８ａ制御回路１０９バッテリパック
１２１回転打撃機構１３０アンビル
１３０ａ取付穴１３１スリーブ１３５ホールＩＣ
１３６信号１３７駆動信号

Claims

モータと、
前記モータを収容する胴体部と、前記胴体部から延びるハンドル部と、を有し、前記ハンドル部の一端側である上部が前記胴体部に接続されるハウジングと、
前記モータを駆動するためのインバータ回路を搭載するインバータ回路基板と、
前記モータを制御するマイコンを備えた制御回路基板と、
商用交流電源に接続可能な電源コードと、
前記電源コードが接続され前記商用交流電源の交流を直流に変換し、前記インバータ回路基板に前記直流を供給する全波整流回路と、
前記全波整流回路の出力電圧を前記制御回路基板の駆動電圧に変換する電源装置と、を備え、
前記全波整流回路は、交流を全波整流するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの出力側に設けられる静電容量２２μＦ以下の無極性コンデンサと、を有し、
前記インバータ回路基板、前記制御回路基板、前記全波整流回路、及び前記電源装置を前記ハウジング内に収容し、前記全波整流回路を前記ハンドル部の他端側である下部に配置したことを特徴とする電動工具。
前記電源コードから入力された交流は前記全波整流回路で直流に変換され、
前記直流は前記インバータ回路基板に供給されると共に、前記電源装置によって降圧されて前記制御回路基板に供給されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記ハンドル部の一端側が前記胴体部に接続されると共に他端側が前方に延び、
前記全波整流回路を略前後方向に延びるように前記他端側に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記モータは回転軸が前後方向に延びるように配置され、
前記インバータ回路基板を前記回転軸の軸方向に配置した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取り付けられたファンを有し、
前記ファンによって起こされる空気流は、前記ハウジングに設けた空気取入孔から前記ハウジングの内部に取り込まれ、前記インバータ回路基板を冷却した後に前記モータを冷却し、前記ハウジングの外部に排出されるように構成した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。