JP6972690B2 - 電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転位置を検出するためのセンサ素子を搭載した基板を備える電気機器に関する。

下記特許文献１の電気機器は、インシュレータを介してモータのステータに固定されたインバータ回路基板を備え、このインバータ回路基板にはホールＩＣ等の回転位置検出素子が配置される。

特開２０１２−７６１７９号公報

特許文献１の電気機器では、モータの軸方向から見てインバータ回路基板がインシュレータの開口部を覆うため、モータの内側に流れる冷却風の風量が少ないという課題があった。また、インバータ回路基板は、単一の機械進角にしか対応していないため、機械進角の異なる製品には使用できないという課題があった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その第１の目的は、モータの冷却効率を高めることの可能な電気機器を提供することにある。

本発明の第２の目的は、異なる２種類の機械進角に対応した汎用性の高い基板を用いた電気機器を提供することにある。

本発明のある態様は、電気機器である。この電気機器は、
出力軸と、前記出力軸と一体に回転するロータコアと、ステータコアと、前記ステータコアの表面に設けられる絶縁性のインシュレータと、前記インシュレータを介して前記ステータコアに設けられた複数のコイルと、を有するモータと、
前記インシュレータに取り付けられ、略中央に前記出力軸が貫通する中央貫通穴を有する基板と、
前記出力軸に一体に設けられるファンと、
を備えた電気機器であって、
前記基板の一方側にのみ、前記複数のコイルがそれぞれ接続される複数の端子部と、前記複数の端子部を介して前記複数のコイルのそれぞれに通電するよう構成された複数の通電用パターンと、が設けられ
前記基板の少なくとも他方側には、前記中央貫通穴よりも径方向外側に開口部または切欠き部が設けられたことを特徴とする。

前記開口部または前記切欠き部と、前記複数の端子部を、前記基板の円周方向で見て異なる位置に配置してもよい。

前記基板を前記インシュレータに取り付けた状態において、前記開口部または前記切欠き部は前記モータの内部と連通してもよい。

前記モータを収容するハウジングを備え、
前記ハウジングは、前記ハウジング外部の空気を前記ハウジング内部に取り込む吸気口と、前記ハウジング外部に排出する排気口と、を有し、
前記吸気口から前記ハウジング内部に取り込まれた空気は、前記基板、及び／または、前記モータを冷却した後、前記排気口から排出されてもよい。

前記基板の前記一方側において、前記吸気口から前記ハウジング内部に取り込まれた空気の一部は、前記基板の表面に沿って流れた後、前記モータの内部へ流れ、前記排気口から排出されてもよい。

前記基板の前記他方側において、前記吸気口から前記ハウジング内部に取り込まれた空気の一部は、前記中央貫通穴、前記開口部または前記切欠き部から前記モータの内部へ流れ、前記排気口から排出されてもよい。

前記基板の前記他方側には、前記モータの回転位置を検出するためのセンサ素子が設けられてもよい。

前記基板の前記他方側には、前記センサ素子を駆動するための導体パターンが設けられてもよい。

前記通電用パターン及び前記導体パターンは、前記基板の表面に加工されるものであってもよい。

前記基板を前記インシュレータに取り付けた状態において、前記端子部は、モータ駆動電流供給用の導線の端末を電気的に接続かつ機械的に固定するための固定部により覆われてもよい。

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。

本発明の第１から第３の態様によれば、モータの冷却効率を高めることの可能な電気機器を提供することができる。

本発明の第４の態様によれば、異なる２種類の機械進角に対応した汎用性の高い基板を用いた電気機器を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る電気機器１Ａの側面図。 電気機器１Ａの側断面図。 図２の要部拡大図。 図３において冷却風の流れを矢印で示した要部拡大図。 図３のセンサ基板１０をモータ３側から見た場合における、第１機械進角に対応した磁気センサＨ１〜Ｈ３の配置説明図。 同場合における、第２機械進角に対応した磁気センサＨ４〜Ｈ６の配置説明図。 同場合における、通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗと磁気センサＨ１〜Ｈ６の配置説明図。 図３のステータコア３ｅ、ステータコイル３ｆ及びインシュレータ１１をセンサ基板１０側から見た背面図。 センサ基板１０をモータ３の反対側から見た背面図。 インシュレータ１１に取り付けられたセンサ基板１０をモータ３の反対側から見た背面図。 センサ基板１０に設けられた導体パターンの説明図。 センサ基板１０の回路図。 本発明の実施の形態２に係る電気機器１Ｂの側断面図。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電気機器１Ａの側面図である。図１により、上下及び前後方向を定義する。図２は、電気機器１Ａの側断面図である。図３は、図２の要部拡大図である。図４は、図３において冷却風の流れを矢印で示した要部拡大図である。

電気機器１Ａは、着脱可能に装着した電池パック５０の電力で動作するコードレスタイプのインパクトドライバである。ハウジング２は、筒状部２ａ、ハンドル部２ｂ及び電池パック装着部２ｃを有する。筒状部２ａの前後方向中央部から、ハンドル部２ｂが下方に延びる。筒状部２ａには、吸気口２ｅ及び排気口２ｆが設けられる。排気口２ｆは、吸気口２ｅよりも前方に位置する。ハンドル部２ｂの上端部に、使用者がモータ３の駆動、停止を切り替えるためのトリガスイッチ８が設けられる。ハンドル部２ｂの下端部に、電池パック装着部２ｃが設けられる。電池パック装着部２ｃに、電池パック５０が着脱可能に装着される。電池パック装着部２ｃ内には、制御基板１３が設けられる。制御基板１３には、モータ３の駆動を制御するマイクロコントローラ等の制御部や、モータ３に駆動電流を供給するインバータ回路が設けられる。

モータ３は、インナーロータ型のブラシレスモータであり、ハウジング２の筒状部２ａに収容される。モータ３は、出力軸３ａの周囲に設けられて出力軸３ａと一体に回転するロータコア３ｂと、ロータコア３ｂに挿入保持されたロータマグネット３ｃと、ロータコア３ｂの外周を囲むステータコア３ｅと、インシュレータ１１を介してステータコア３ｅに設けられたステータコイル３ｆと、を有する。

ステータコア３ｅの後端面には、インシュレータ１１を介して、センサ基板１０がネジ止め等により固定される。センサ基板１０は、モータ３の出力軸と略垂直に設けられる。ステータコア３ｅの前方には、モータ３を冷却する冷却風を発生されるファン９が設けられる。ファン９は、ここでは遠心ファンであり、モータ３と共に回転する。ファン９の径方向外側に、排気口２ｆが位置する。図３及び図４に示すように、ファン９の発生する気流は、モータ３及びセンサ基板１０よりも後方に位置する吸気口２ｅから吸い込まれてハウジング２内に入り、モータ３の内部（隣り合うステータコイル３ｆ間である図４及び図８に示すスロットや、ロータコア３ｂとステータコア３ｅとの間のエアギャップ）を通り抜けてファン９に吸い込まれ、排気口２ｆから排気される。一部の気流は、モータ３を冷却する前に、図７に示す通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗを冷却し、モータ３の内部に入る。

モータ３の回転は、遊星歯車機構等の減速機構４によって減速されてスピンドル５に伝達され、スピンドル５がハンマ６を回転駆動し、ハンマ６がアンビル７を回転打撃する。アンビル７には、ドライバビット等の先端工具が着脱可能に装着される。モータ３の回転からアンビルの回転打撃までの構成は周知なので、これ以上の詳細な説明は省略する。

図５は、図３のセンサ基板１０をモータ３側から見た場合における、第１機械進角に対応した磁気センサＨ１〜Ｈ３の配置説明図である。図６は、同場合における、第２機械進角に対応した磁気センサＨ４〜Ｈ６の配置説明図である。図７は、同場合における、通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗと磁気センサＨ１〜Ｈ６の配置説明図である。図５及び図６において、図７に示す通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗの図示は省略している。図７において、６つの磁気センサＨ１〜Ｈ６を基板１０上に示しているが、実際には、第１機械進角に対応した第１群の磁気センサＨ１〜Ｈ３と、第２機械進角に対応した第２群の磁気センサＨ４〜Ｈ６と、のいずれか一方のみが基板１０に搭載される（後述の図９及び図１２においても同様）。磁気センサＨ１〜Ｈ３、及び磁気センサＨ４〜Ｈ６は、それぞれモータ３の軸周り方向において６０度間隔で配置される。また、各磁気センサは、センサパッケージ１５（図５）の長手方向がモータ３の径方向と略平行となるように配置される。

センサ基板１０は、異なる２種類の機械進角に対応しており、磁気センサの配置を図５及び図６の間で変更することで、モータ３の駆動制御における機械進角を変更することができる。センサ素子としての磁気センサＨ１〜Ｈ６はそれぞれ、ここではホールＩＣであり、図５に示すように、感磁部を内蔵した直方体形状のセンサパッケージ１５、並びに、センサパッケージ１５から延出する電源端子（Vcc）、グランド端子（GND）、及び出力端子（OUTPUT）を有し、モータ３のロータマグネット３ｃの発生する磁界を検出する。感磁部は、センサパッケージ１５の中心部に存在する。コンデンサＣ１〜Ｃ３は、磁気センサＨ１〜Ｈ３（又は磁気センサＨ４〜Ｈ６）の電源端子とグランド端子との間に設けられる。

図７に示す通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータコイル３ｆに通電するための導体パターンであり、抵抗値が低くなるように広い面積の導体パターンとなっている。通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗは、基板１０を仮想的に二分割する図７及び図１０に示す仮想境界線Ｂの一方側（図７中の右側、図１０中の左側）の領域に限定して配置される。磁気センサＨ１〜Ｈ６及びコンデンサＣ１〜Ｃ３は、仮想境界線Ｂの他方側の領域に限定して配置される。端子部Ｕ、Ｖ、Ｗ、ＭＵ、ＭＶ、ＭＷは、ステータコイル３ｆの端部及び制御基板１３から延びるモータ駆動電流供給用の導線の端末を半田付け等により電気的に接続かつ機械的に固定するために設けられる。

図８は、図３のステータコア３ｅ、ステータコイル３ｆ及びインシュレータ１１をセンサ基板１０側から見た背面図である。図９は、センサ基板１０をモータ３の反対側から見た背面図である。図１０は、インシュレータ１１に取り付けられたセンサ基板１０をモータ３の反対側から見た背面図である。図８及び図１０において、モータ３のロータの図示は省略している。

図８に示すように、インシュレータ１１は、ステータコア３ｅの後方の部分（ステータコア３ｅの後端面とセンサ基板１０との間に介在する部分）が、モータ３の軸方向と略平行に延びる筒状部（円筒状部）となっている。図１０に示すように、センサ基板１０を後方（ステータコア３ｅの反対側）から見た場合にインシュレータ１１の前記筒状部の内側に位置する通風路１９が、センサ基板１０の外縁と、インシュレータ１１の筒状部の内縁と、の間に設けられる。センサ基板１０は、外周部に凹部又は切欠部１０ｂを有し、当該凹部又は切欠部１０ｂが、センサ基板１０を後方から見た場合に、インシュレータ１１の筒状部の内縁よりも径方向内側に延在し、通風路１９を成す。すなわち、通風路１９は、センサ基板１０を後方から見た場合におけるセンサ基板１０の外縁のうちインシュレータ１１の筒状部の内縁よりも径方向内側に位置する部分と、当該部分と径方向外側において対向するインシュレータ１１の筒状部の内縁と、によって囲まれた部分である。なお、センサ基板１０の中央貫通穴１０ａも通風路となるが、以下の通風路面積の説明では中央貫通穴１０ａは除外する。仮想境界線Ｂの他方側（図１０中の右側）の領域に存在する通風路１９の面積は、仮想境界線Ｂの一方側の領域に存在する通風路の面積よりも大きい。ここで、大きいとは、仮想境界線Ｂの一方側の領域に通風路が存在しない場合も含む。図１０において、ステータコイル３ｆの端部及び制御基板１３から延びるモータ駆動電流供給用の導線の端末を半田付け等により固定していない状態では、端子部Ｕ、Ｖ、Ｗ、ＭＵ、ＭＶ、ＭＷがインシュレータ１１の前記筒状部の内側に連通するが、半田付け等により固定した状態では、端子部Ｕ、Ｖ、Ｗ、ＭＵ、ＭＶ、ＭＷは半田等によって埋められて、通風路として機能しないか、機能したとしても面積としては僅かである。

図１１は、センサ基板１０に設けられた導体パターンの説明図である。図１２は、センサ基板１０の回路図である。図１１において、磁気センサＨ１〜Ｈ６の図示は省略している。図１１に示すように、センサ基板１０上の導体パターンは、第１機械進角に対応する第１導体パターンと、第２機械進角に対応する第２導体パターンと、を有する。図１１中の破線Ｐ１で囲まれた内側にある導体パターン及びそこから延びる導体パターンは、３つある第１導体パターンのうちの１つであり、磁気センサＨ２が接続される導体パターンである。図１１中の破線Ｐ２で囲まれた内側にある導体パターン及びそこから延びる導体パターンは、３つある第２導体パターンのうちの１つであり、磁気センサＨ５が接続される導体パターンである。具体的には、第１及び第２導体パターンの内、磁気センサＨ２及びＨ５の信号端子（図１２に示すＯＵＴＰＵＴ端子）に接続される信号用パターン１０ｃ（図１１）は、センサ基板１０の一方の面に設けられて、磁気センサの信号端子が接続されるセンサ基板上の接続部（図１１のＯＵＴＰＵＴ）と端子部１８の信号端子（図１１に示すＩＮＴ２端子）とを電気的に接続する。同様に、磁気センサＨ２及びＨ５のグランド端子（図１２に示すＧＮＤ端子）に接続されるグランド用パターンは、センサ基板１０の他方の面に設けられて、磁気センサのグランド端子が接続される接続部（図１１に示すＧＮＤ）と端子部１８のグランド端子（図１１のＧＮＤ端子）を接続する。磁気センサＨ２及びＨ５の電源用端子（図１２に示すＶＤＤ端子）に接続される電源用パターンは、センサ基板１０の他方の面に設けられて、磁気センサのＶＤＤが接続される接続部（図１１のＶＤＤ）と端子部１８の電源端子（図１１のＶＤＤ端子）を接続する。

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) センサ基板１０を後方（ステータコア３ｅの反対側）から見た場合に、センサ基板１０の外縁と、インシュレータ１１の筒状部の内縁と、に囲まれる通風路１９が存在するため、センサ基板１０が前記筒状部の開口部を全体的に覆う場合と比較して、前記筒状部の内側、すなわちモータ３の内側に供給できる冷却風の風量を増大でき、モータ３の冷却効率が高められる。

(2) 通風路１９により、センサ基板１０の中央貫通穴１０ａを大きくしなくてもモータ３の内側に供給できる冷却風の風量を増大できるため、中央貫通穴１０ａが大きくなることにより配線（センサ基板１０上の導体パターンの配置）が困難になることを抑制できる。

(3) 仮想境界線Ｂの他方側（図１０中の右側）の領域に存在する通風路１９の面積を、仮想境界線Ｂの一方側の領域（通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗを形成する領域）に存在する通風路の面積よりも大きくしているため、通風路１９を設けるために通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗの面積が小さくなることを抑制できる。仮想境界線Ｂの他方側にのみ通風路１９を設けること（通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗ側に通風路を設けないこと）により、通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗ側では、吸気口２ｅより吸気した冷却風は通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗを冷却した後、通風路１９よりモータ３の冷却を行うことが可能であり、通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗの冷却も可能である。

(4) 磁気センサＨ１〜Ｈ３（又はＨ４〜Ｈ６）は、センサパッケージ１５の長手方向がモータ３の径方向と略平行になるように配置されるため、センサ基板１０の中央貫通穴１０ａを大きくした場合に配線が困難になることを抑制できる。

(5) 仮想境界線Ｂの一方側の領域に通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗを形成し、他方側の領域に磁気センサＨ１〜Ｈ３（又はＨ４〜Ｈ６）を配置するため（モータ３への通電用領域とセンサ領域とを分けているため）、磁気センサＨ１〜Ｈ３（又はＨ４〜Ｈ６）の出力信号に通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗからのノイズが乗ることを抑制できる。

(6) センサ基板１０は、異なる２種類の機械進角に対応しているため、機械進角の異なる他の製品にも使用でき、汎用性が高い。

(7) センサ基板１０に設けられる第１及び第２機械進角に対応する第１及び第２導体パターンが、磁気センサのグランド端子（GND）と接続する接続部及び導体パターンを共有するため、異なる２種類の機械進角に対応した構成としながら導体パターンの面積増加を抑制できる。なお、導体パターンの形状を変えることにより、出力端子（OUTPUT）や電源端子（VDD）と接続する接続部及び導体パターンを共有することも可能である。

(8) 特開２０１７-７０６８号公報のようにセンサ基板と通電とを分離する必要が無く、コンパクトであると共に、部品が少なくて済み低コストである。

（実施の形態２）
図１３は、本発明の実施の形態２に係る電気機器１Ｂの側断面図である。図１３により前後方向を定義する。電気機器１Ｂは、着脱可能に装着した電池パック５０の電力で動作するコードレスタイプのグラインダである。電気機器１Ｂにおいても、実施の形態１と同構成のセンサ基板１０が、モータ３の後方に設けられる。ファン９は、ここでは前方に向かう気流を発生させる軸流ファンである。ハウジング２の前方には、減速機構３３を収容したギヤケース３１が取り付けられる。モータ３の回転は、減速機構３３によって減速されると共に回転軸が９０度変換され、スピンドル３５に伝達される。砥石（回転具）３７が、スピンドル３５と共に回転する。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

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。

本発明の電気機器は、実施の形態で例示したインパクトドライバやグラインダ以外の他の種類の電動工具であってもよいし、電動工具以外の電気機器、例えば扇風機、ブロア、集塵機、高圧洗浄機などであってもよい。本発明の電気機器は、コードレスタイプにも限定されず、外部の交流電源からの供給電力で動作するＡＣ駆動（コード付きタイプ）であってもよい。磁気センサＨ１〜Ｈ３（又はＨ４〜Ｈ６）を搭載したセンサ基板と、通電用パターン１７ｕ,１７ｖ,１７ｗを形成したコイル接続部とは、別部材であってもよい。この場合、センサ基板とコイル接続部とをモータ３の軸方向で略重なるように配置することで全長を短縮することができる。

１Ａ,１Ｂ 電気機器、２ ハウジング、２ａ 筒状部、２ｂ ハンドル部、２ｃ 電池パック装着部、２ｅ 吸気口、２ｆ 排気口、３ モータ（電動モータ）、３ａ 出力軸（回転軸）、３ｂ ロータコア、３ｃ ロータマグネット、３ｅ ステータコア、３ｆ ステータコイル、４ 減速機構、５ スピンドル、６ ハンマ、７ アンビル、８ トリガスイッチ、９ ファン、１０ センサ基板、１０ａ 中央貫通穴、１０ｂ 凹部又は切欠部、１０ｃ 信号用パターン、１１ インシュレータ、１３ 制御基板、１５ センサパッケージ、１７ｕ,１７ｖ,１７ｗ 通電用パターン、１８ 端子部、１９ 通風路、３１ ギヤケース、３３ 減速機構、３５ スピンドル、３７ 砥石（回転具）、５０ 電池パック

Claims (10)

1. 出力軸と、前記出力軸と一体に回転するロータコアと、ステータコアと、前記ステータコアの表面に設けられる絶縁性のインシュレータと、前記インシュレータを介して前記ステータコアに設けられた複数のコイルと、を有するモータと、
   前記インシュレータに取り付けられ、略中央に前記出力軸が貫通する中央貫通穴を有する基板と、
   前記出力軸に一体に設けられるファンと、
   を備えた電気機器であって、
   前記基板の一方側にのみ、前記複数のコイルがそれぞれ接続される複数の端子部と、前記複数の端子部を介して前記複数のコイルのそれぞれに通電するよう構成された複数の通電用パターンと、が設けられ
   前記基板の少なくとも他方側には、前記中央貫通穴よりも径方向外側に開口部または切欠き部が設けられたことを特徴とする電気機器。
2. 前記開口部または前記切欠き部と、前記複数の端子部を、前記基板の円周方向で見て異なる位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載の電気機器。
3. 前記基板を前記インシュレータに取り付けた状態において、前記開口部または前記切欠き部は前記モータの内部と連通することを特徴とする請求項２に記載の電気機器。
4. 前記モータを収容するハウジングを備え、
   前記ハウジングは、前記ハウジング外部の空気を前記ハウジング内部に取り込む吸気口と、前記ハウジング外部に排出する排気口と、を有し、
   前記吸気口から前記ハウジング内部に取り込まれた空気は、前記基板、及び／または、前記モータを冷却した後、前記排気口から排出されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電気機器。
5. 前記基板の前記一方側において、前記吸気口から前記ハウジング内部に取り込まれた空気の一部は、前記基板の表面に沿って流れた後、前記モータの内部へ流れ、前記排気口から排出されることを特徴とする請求項４に記載の電気機器。
6. 前記基板の前記他方側において、前記吸気口から前記ハウジング内部に取り込まれた空気の一部は、前記中央貫通穴、前記開口部または前記切欠き部から前記モータの内部へ流れ、前記排気口から排出されることを特徴とする請求項４または５に記載の電気機器。
7. 前記基板の前記他方側には、前記モータの回転位置を検出するためのセンサ素子が設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の電気機器。
8. 前記基板の前記他方側には、前記センサ素子を駆動するための導体パターンが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の電気機器。
9. 前記通電用パターン及び前記導体パターンは、前記基板の表面に加工されるものであることを特徴とする請求項８に記載の電気機器。
10. 前記基板を前記インシュレータに取り付けた状態において、前記端子部は、モータ駆動電流供給用の導線の端末を電気的に接続かつ機械的に固定するための固定部により覆われることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の電気機器。

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