JPWO2016098564A1 - Electric tool - Google Patents
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Abstract
スイッチング素子に大型の放熱手段を設けて、これらをハウジングの把持部に効率良く配置することで電動工具の小型化を図る。ブラシレス方式のモータ5と冷却ファン10と、これらを収容し回転軸方向に延びるハウジング2と、軸方向と交差するように配置される制御基板31と、モータの回転のオン又はオフを行うスイッチ7を有する電動工具において、スイッチと制御基板の間にモータへの通電を制御する複数のスイッチング素子33、35を配置し、複数のスイッチング素子と接触する共通のヒートシンク40を設けた。ヒートシンクは軽金属製の厚板であって、制御基板に直交する方向であって回転軸方向に延びるように配置され、一面側と他面側にスイッチング素子が固定される。A large-sized heat dissipating means is provided in the switching element, and these are efficiently arranged on the holding portion of the housing, thereby reducing the size of the electric tool. The brushless motor 5 and the cooling fan 10, the housing 2 that accommodates these and extending in the direction of the rotation axis, the control board 31 arranged so as to intersect the axis direction, and the switch 7 for turning on or off the rotation of the motor A plurality of switching elements 33 and 35 for controlling energization to the motor are arranged between the switch and the control board, and a common heat sink 40 is provided in contact with the plurality of switching elements. The heat sink is a thick plate made of light metal and is disposed so as to extend in the direction perpendicular to the control board and in the direction of the rotation axis, and the switching elements are fixed on one side and the other side.
Description
本発明は、スイッチング素子を用いてモータの回転速度を調整する電動工具に関し、特にスイッチング素子の収容位置を工夫すると共に放熱性を向上させた電動工具を提供することにある。 The present invention relates to an electric tool that adjusts the rotational speed of a motor using a switching element, and in particular, to provide an electric tool that devise the accommodation position of the switching element and improve heat dissipation.
スイッチング素子を用いてモータの回転速度を調整する電動工具の一例として、特許文献1にて記載されるディスクグラインダが知られている。図10は特許文献1に示される従来のディスクグラインダ101を示す縦断面図である。ディスクグラインダ101は、駆動源であるモータ105を収容するモータハウジング102を有する。モータハウジング102の後方には、複数の吸気孔119を有する別体式のテールカバー104が設けられ、テールカバー104には外部に接続される電源コード130と、ディスクグラインダ101の電源をON/OFFする電源スイッチ107が設けられる。モータハウジング102の前方にはモータの回転軸による動力伝達方向を約90度変換する駆動伝達手段を収容するギヤケース103が設けられる。ギヤケース103内において上下方向に延びるスピンドル111には、砥石70が取り付けられる。回転軸105cは、ギヤケース103に固定される前方側の軸受118aと、本体ハウジング102に固定される後方側の軸受118bにより回転可能に保持される。回転軸105cの軸受118aとモータ105の間には、冷却ファン110が設けられ、モータ105の回転と同期して回転することにより、吸気孔119から外気を吸引して本体ハウジング102の内部に流入させ、スイッチング素子133、136やモータ105の近傍を通過させる空気流を発生させ、主に排気孔103aから前方に排出させる。
As an example of an electric tool that adjusts the rotational speed of a motor using a switching element, a disc grinder described in
ディスクグラインダ101に使用できるモータ105は種々あるが、近年ブラシレスDCモータが多く使われている。ブラシレスDCモータは、ブラシ(整流用刷子)の無いDC(直流)モータであり、コイル(電機子巻線)をステータ側に設け、ロータ側の界磁手段として永久磁石を用い、インバータ装置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。インバータ装置を構成するスイッチング素子133、136として、例えば半導体素子であるFET(電界効果トランジスタ)が使用される。電源コード130から供給されるのは商用交流であるため、整流回路139が設けられ、整流された直流がインバータ装置に入力される。スイッチング素子133はインバータ回路基板132の前方側に配置され、スイッチング素子136はインバータ回路基板132の後方側に配置される。インバータ回路基板132の前方面にはさらにホールICからなる位置検出素子138が搭載される。
There are various types of
回転軸105cの後端にはセンサマグネット121が取り付けられる。センサマグネット121は、ロータ105aの回転位置を検出するために回転軸105cの後端に取り付けられる円形の磁石で、周方向に90度ずつ隔ててNSNS極の順に形成される。インバータ回路基板132はセンサマグネット121の後ろ側に対面するように、回転軸105cと垂直に設けられる。位置検出素子138は、回転するセンサマグネット121の位置を検出することにより、ロータ105aの回転位置を検知するものであり、例えば回転方向に60°毎に3つ配置される。スイッチング素子133、136の近傍のテールカバー104部分には複数の吸気孔119が形成され、モータ105を冷却するために冷却ファン110によって吸引された空気によってスイッチング素子133、136が効果的に冷却される。
A
特許文献1の技術では、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たるスイッチング素子133、136を、モータの後方のインバータ回路基板132の前側と後側に配置すると共にインバータ回路基板132の近傍に吸気孔119を形成することにより、モータ105を冷却するための冷却風を利用してスイッチング素子133、136を効果的に放熱する方法が用いられる。しかしながら、モータ105の速度を高速にて回転させる場合には、スイッチング素子133、136の発熱が大きくなるため、放熱性をさらに高める必要性が出てくる。そのためスイッチング素子133、136のそれぞれに金属製の放熱板を取り付けることが考えられるが、6個のスイッチング素子に放熱板を取り付けると必要な収容スペースが大きくなってしまうため、電動工具全体の全長が長くなってしまうという問題がある。他方、スペース的に余裕のあるところ、例えばテールカバー104の後端付近にスイッチング素子133、136を配置することが考えられるが、その場合はモータ用の冷却風の風路でない箇所になるため、スイッチング素子133、136の温度上昇が大きくなってしまう。
In the technique of
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、スイッチング素子に大型の放熱手段を取り付けて、これらをハウジング内部に効率良く配置することで全長を短く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、複数のスイッチング素子の放熱手段として厚板状の一つのヒートシンクを用い、このヒートシンクに複数のスイッチング素子を固定することにより放熱性及び組立性を向上させた電動工具を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide an electric tool having a short overall length by attaching large heat dissipating means to a switching element and efficiently disposing them in the housing. is there. Another object of the present invention is to provide an electric tool that uses one thick plate heat sink as a heat radiating means for a plurality of switching elements, and has a plurality of switching elements fixed to the heat sink to improve heat dissipation and assembly. It is to provide.
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、回転軸を有するモータと、回転軸の回転により回転する冷却ファンと、モータ及び冷却ファンを収容し、モータの回転軸方向に延びるハウジングと、ハウジングに収容され、回転軸と交差するように配置される制御基板と、ハウジング内において、モータと制御基板との間に設けられモータの回転のオン又はオフを行うスイッチと、制御基板に設けられ、モータへの通電を制御する複数のスイッチング素子を有する電動工具において、複数のスイッチング素子と接触するヒートシンクを設け、ヒートシンクを制御基板に直交する方向であって回転軸方向に延びるように配置した。ヒートシンクは金属製の厚板であって、複数のスイッチング素子の一部がヒートシンクの一面側に固定され、残りのスイッチング素子がヒートシンクの他面側に固定される。 Of the inventions disclosed in the present application, typical features will be described as follows. According to one aspect of the present invention, a motor having a rotation shaft, a cooling fan that rotates by rotation of the rotation shaft, a motor and a cooling fan are accommodated, and a housing that extends in the direction of the rotation axis of the motor is accommodated in the housing. A control board disposed so as to intersect the rotation axis, a switch provided between the motor and the control board in the housing, for turning on / off the rotation of the motor, and provided on the control board. In an electric tool having a plurality of switching elements for controlling energization, a heat sink that contacts the plurality of switching elements is provided, and the heat sink is disposed so as to extend in a direction perpendicular to the control board and in the rotation axis direction. The heat sink is a thick plate made of metal, and a part of the plurality of switching elements is fixed to one surface side of the heat sink, and the remaining switching elements are fixed to the other surface side of the heat sink.
本発明の他の特徴によれば、電動工具はハウジングに着脱可能な電池パックをさらに有し、制御基板は、回転軸方向にみてモータと電池パックとに挟まれるように配置される。また、ハウジングは、モータを収容する部分と電池パックを取り付けるための拡径部を有し、制御基板は拡径部に収容され、制御基板の長手方向の寸法がモータの径寸法よりも大きくなるように構成した。スイッチング素子は、回転軸と平行な方向において、ヒートシンクに面接触され、回転軸方向におけるヒートシンクの寸法はスイッチング素子の寸法よりも大きくなるように構成した。 According to another aspect of the present invention, the electric tool further includes a battery pack that can be attached to and detached from the housing, and the control board is disposed so as to be sandwiched between the motor and the battery pack in the direction of the rotation axis. The housing has a motor accommodating portion and a diameter-enlarged portion for attaching the battery pack, the control board is accommodated in the enlarged-diameter portion, and the longitudinal dimension of the control board is larger than the diameter dimension of the motor. It was configured as follows. The switching element is configured to be in surface contact with the heat sink in a direction parallel to the rotation axis, and the dimension of the heat sink in the rotation axis direction is larger than the dimension of the switching element.
本発明の他の特徴によれば、モータはブラシレスDCモータであり、スイッチング素子は、ヒートシンクの一面に3つ、一面に対向する他面に3つ並べて配置した。スイッチング素子はヒートシンクに直接面接触させるか、又は、熱伝導部材を介して間接的に面接触させるように固定される。ここでヒートシンクのスイッチング素子が並ぶ横方向の寸法は、これに直交するハウジングの高さ寸法よりも大きくすると良い。 According to another feature of the invention, the motor is a brushless DC motor, and three switching elements are arranged side by side on one side of the heat sink and three on the other side opposite to the one side. The switching element is fixed so as to be in direct surface contact with the heat sink or indirectly in contact with the heat sink. Here, the horizontal dimension in which the switching elements of the heat sink are arranged is preferably larger than the height dimension of the housing orthogonal to the horizontal dimension.
本発明のさらに他の特徴によれば、ハウジングは、冷却ファンが回転することによりハウジング内に冷却風を流入させる吸気孔と、ハウジング内から冷却風を排出させる排気孔とを有し、ヒートシンクは、ハウジング内における冷却風の流れにおいてモータよりも上流側に位置するようにした。また、制御基板に電気的に接続され、モータの回転速度を調整又は切り替え可能な回転速度調整手段を設けて、回転軸方向において回転速度調整手段がヒートシンクとオーバーラップするように配置した。 According to still another aspect of the present invention, the housing has an intake hole that allows cooling air to flow into the housing as the cooling fan rotates, and an exhaust hole that discharges cooling air from the housing. In the flow of the cooling air in the housing, it is positioned upstream of the motor. Further, a rotational speed adjusting means that is electrically connected to the control board and can adjust or switch the rotational speed of the motor is provided, and the rotational speed adjusting means is arranged so as to overlap with the heat sink in the rotational axis direction.
本発明によれば、スイッチング素子と回路基板はハウジングの後端部分(拡径部)内に収容されるので、把持部内にはブラシレスモータだけを収容すれば良く、把持部の細径化を実現できる。また、制御基板にインバータ回路とマイコン等を含む制御回路を搭載するので、細い径の把持部を実現しつつ電子機器を効果的にハウジングの後端部に配置することができる。さらに、インバータ回路を構成するスイッチング素子を、金属の厚板状のヒートシンクに固定したので、放熱性を良くすることができ、スイッチング素子の温度上昇を抑制することができた。 According to the present invention, since the switching element and the circuit board are accommodated in the rear end portion (expanded diameter portion) of the housing, only the brushless motor needs to be accommodated in the grip portion, and the grip portion is reduced in diameter. it can. In addition, since the control circuit including the inverter circuit and the microcomputer is mounted on the control board, the electronic device can be effectively arranged at the rear end portion of the housing while realizing a grip portion having a small diameter. Furthermore, since the switching element constituting the inverter circuit is fixed to a metal thick plate heat sink, the heat dissipation can be improved and the temperature rise of the switching element can be suppressed.
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。 The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the following description and drawings.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後左右、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, parts having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description is omitted. Further, in this specification, description will be made assuming that the front, rear, left, right, and up and down directions are directions shown in the drawing.
図1は、本発明の実施例に係る電動工具の一例であるディスクグラインダ1の全体形状を示す斜視図である。ディスクグラインダ1のハウジング(筐体)は、駆動源たる電気モータを内部に収容する本体ハウジング2と、本体ハウジング2の前方に取り付けられるギヤケース3により構成される。本体ハウジング2は、前後方向にその中心軸が延びる略筒状であって、後述するモータを収容する部分と電池パック60を保持する部分(拡径部2c)との間に、本体ハウジング2の外径(高さ及び/又は幅)が小さく絞られた把持部(細径部)2bが形成され、作業者が把持しやすいように構成される。本体ハウジング2の前方端付近の側方(左側面)にはモータの回転をオン又はオフするためのスイッチのスイッチレバー8が設けられる。ギヤケース3は本体ハウジング2の前方側において、ファンカバー17を介在させた状態で前から後ろ方向に挿入される4本のねじ16により固定される。ギヤケース3は、その内部に砥石70が取り付けられるスピンドル(出力軸)を固定するものであり、モータの回転に連動してギヤケース3に収納された回転伝達機構(図示せず)を介して砥石70が回転する。
FIG. 1 is a perspective view showing an overall shape of a
砥石70は、例えば直径100mmのレジノイドフレキシブルトイシ、フレキシブルトイシ、レジノイドトイシ、サンディングディスク等であり、用いる砥粒の種類の選択により金属、合成樹脂、大理石、コンクリートなどの表面研磨、曲面研磨が可能である。砥石70の回転速度は、例えば1000〜5000rpmの任意の回転数に調整できる。砥石70の後方側の周囲には研削された部材や破損した砥粒等の飛散から作業者を保護するためのホイルガード20が設けられる。ギヤケース3の一方の側面(ここでは右側)に着脱式のサイドハンドル4が設けられる。本体ハウジング2の前方の側面には本体ハウジング2の後端付近の両側側面には、後述する冷却ファンにより外気を吸引するための吸気孔19bが形成され、ギヤケース3には吸引された空気を排出するための排気孔3aが設けられる。
The
図2は本発明の実施例に係るディスクグラインダ1の後端底面付近を示す部分斜視図である。本体ハウジング2の後方側であって把持部2bと拡径部2cとの接続部分付近には、モータの回転速度を調整するためのダイヤル9が設けられる。ダイヤル9は回転式であって、ダイヤルには速度レベルを示すための数字が印字されている。尚、モータ5の回転速度調整手段は、ダイヤル式の調整手段だけで無く、高と低を切替える切替えスイッチにて構成しても良いし、電子的なスイッチを用いて設定できるようにしても良い。拡径部2cの後方かつ下側には、電池パック60を保持すると共に電池パック60に形成された空気孔を塞ぐための覆い部2dが設けられる。覆い部2dには表示パネル25が設けられ、AUTOボタン26と電池残量チェックボタン27が設けられる。これらは共にタクタイルスイッチにて構成できる。AUTOボタン26は制御方法を自動変速モードに設定するボタンであり、自動変速モードが設定されると、無負荷時はモータ5の回転数を下げ、負荷を検出したら通常の(ダイヤルで選択した)回転数に切り替えるという制御を行う。電池残量チェックボタン27を押すと電池の残量に応じた形態にて電池残量表示ランプ28が点灯する。ここでは電池残量表示ランプ28は複数のLEDにて形成し、例えば、電池の残量が大きいときはすべてのLEDが点灯し、電池の残量が少なくなるにつれて点灯するLEDの数を減らすように構成すれば良い。電池パック60を取り外すときは、電池パックの両側面に設けられたラッチ61を押しながら図中の矢印に示す取り外し方向に移動させる。
FIG. 2 is a partial perspective view showing the vicinity of the bottom surface of the rear end of the
図3は本発明の実施例に係るディスクグラインダ1の内部構成を示す縦断面図である。モータ5は軸方向(前後方向)に細長い形状とされ、ここではモータ5として3相ブラシレスDCモータを用いる。モータ5は、略円筒状の外形をもつステータ5bと、ステータ5bの内周部内に同心軸状に設けられるロータ5aを含んで構成され、ポリカーボネイド等の高分子樹脂の成型により製造された略筒状の本体ハウジング2の内部の前方側に収容される。モータ5のステータ5bは本体ハウジング2の内部に固定され、回転軸5cは、ギヤケース3と本体ハウジング2の間に挟持されるファンカバー17に固定される軸受18aにより前方側が軸支され、本体ハウジング2の中央付近に固定される軸受18bにより後方側が軸支される。ステータ5bには、3相巻線U、V、Wからなるコイル(電機子巻線)が巻かれる。ロータは、回転軸5cの外周側に取り付けられる金属製のロータコアと、N極およびS極を有する円筒形のマグネット(永久磁石)から構成される。マグネットとしては、例えば円管形ネオジウム焼結磁石を用いることによりロータの小径化を図ることができる。ステータ5bと軸受18bとの間には、3つの位置検出素子を搭載するための検出基板21が設けられる。検出基板21は、回転軸5cを貫通させるための貫通穴を有する円環状か又は半円状の基板とすると良く、検出基板21上には位置検出素子22、23、24(図4参照)が設けられる。位置検出素子22、23、24は、回転するロータ5aのマグネットの位置を検出することにより、ロータ5aの回転位置を検知するものであり、例えばホールICが用いられ、回転方向に60°毎に3つ配置される。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an internal configuration of the
軸受18bの後方であって本体ハウジング2のほぼ中央付近には、モータ5を回転させるためのスイッチ7が設けられる。スイッチ7はスイッチレバー8(図1参照)に連動して動作することによりモータ5の回転のオン又はオフを指示するものであり、プッシュボタン7aを移動させることによりオン(接続状態)又はオフ(断続状態)に切替える1回路1接点スイッチである。プッシュボタン7aはスイッチレバー8の移動に連動して移動するリンク機構(図示せず)によって操作される。尚、スイッチレバー8の移動に連動させてプッシュボタン7aを移動させる機械的な機構は種々あって、それらは公知であるので、ここでの説明は省略する。
A
前方側の軸受18aとロータ5a、ステータ5bとの間には、冷却ファン10が設けられる。冷却ファン10は回転軸5cの回転により回転し、後方側の吸気孔19b(図2参照)から前方側の排気孔3aに至る空気流を発生させる送風手段である。本体ハウジング2の外部から取り込まれた空気流は、図中の黒矢印にて例示するように、ヒートシンク40の近傍を流れることによりスイッチング素子33、36等を冷却し、その後、スイッチ7の周囲を通過してモータ5に到達する。モータ5付近において冷却風は、ステータ5bの外周と本体ハウジング2の内壁面の間、及び、ステータ5bとロータ5aの間の空隙を通過して冷却ファン10に到達し、その後、主に排気孔3aからハウジングの外部に前方向きに排出される。
A cooling
本体ハウジング2の後方側の端部には着脱式の電池パック60が装着される。電池パック60は充電可能な二次電池であり、例えばニッカド電池、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池等を用いることができる。本実施例では、電池パック60は上方向から下方向にスライドさせるようにして装着可能であり、ラッチ61により固定される。電池パック60の高さ方向の寸法HBは本体ハウジング2のモータ5の収容部分の直径dmよりも十分大きい。このように本体ハウジング2の直径よりも大きい高さ寸法を有する電池パック60を保持するために、本体ハウジング2の電池パック60の装着部分には拡径部2cが形成される。拡径部2cは本体ハウジング2の高さ方向及び幅方向(左右方向)が、本体ハウジング2のモータ5の収容部分の直径よりも大きく形成された部分であって、この拡張された内部空間に制御基板31が配置される。制御基板31は基板ケース32の内部に収容され、制御基板31の面がモータ5の回転軸方向(本体ハウジング2の長手方向)と直交するように配置され、電池パック60のスライド面と平行になるように配置される。制御基板31には6つのスイッチング素子(33、36等)と制御手段を構成するマイコン(図示せず)が搭載されるが、比較的大きな取り付けスペースを有するスイッチング素子は、制御基板31からモータ5の方向に延びるように配置される。6つのスイッチング素子(33、36等)には、その冷却のために大型のヒートシンク40が設けられる。ヒートシンク40は、金属製の厚板にて構成でき、厚板の一方の面(上面)と他方の面(下面)にそれぞれスイッチング素子33、36等が固定される。A
本体ハウジング2の拡径部2cの前方側には、モータ5の回転速度を設定するためのダイヤル9が設けられる。ダイヤル9は回転軸9aを軸として回転可能となっており、その回転軸9aがモータ5の回転軸方向と平行に配置され、外周部の一部を除いてダイヤル9の大部分が本体ハウジング2の内部に収容される。ダイヤル9は可変抵抗器であって、制御回路に接続される。このようにダイヤル9を拡径部2cの前方部分に設けることにより制御基板31との配線が短くてすむので、効率的な実装を行うことができる。本実施例の本体ハウジング2は、モータ5の回転軸を通る鉛直面から左右に分割される分割構造であって、制御基板31を収容する基板ケース32とダイヤル9は、本体ハウジングの右側部分と左側部分の内壁に形成された保持部(取り付けリブ)によって挟み込むようにして固定される。
A
ギヤケース3は、例えばアルミニウム等の金属の一体成型により構成され、1組の傘歯車機構(傘歯車12、13)を用いた動力伝達機構を収容すると共に、出力軸となるスピンドル14を回転可能に保持する。スピンドル14には、モータ5の回転軸5c(水平方向)に対して直交するように延在するもので、図示しないスパナで砥石70の下側から固定されるホイルナット15を外して砥石70を交換できる。モータ5が回転すると冷却ファン10によって、本体ハウジング2の内部に後方から前方に至る空気流が発生する。図3にてその空気流の流れの一部を矢印にて示しており、ヒートシンク40は、本体ハウジング内における冷却風の流れにおいて、モータ5よりも上流側であってスイッチ7と電池パック60の間に位置する。
The gear case 3 is formed by integrally molding a metal such as aluminum, for example, and accommodates a power transmission mechanism using a pair of bevel gear mechanisms (bevel gears 12 and 13) and can rotate a
次に、モータ5の駆動制御系の構成を図4に基づいて説明する。図4において点線で示す回路(制御回路手段とインバータ回路手段)は制御基板31に搭載される。本実施例では、モータ5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)を含んで構成されたロータ5a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5bを有する。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、モータ5の回転速度の制御を行う。モータ5の回転速度は、ダイヤル9にて任意に設定可能であり、演算部51は作業者によるスイッチ7の操作に応じてモータ5の起動又は停止をする。
Next, the configuration of the drive control system of the
インバータ回路手段は、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33〜38から主に構成される。ブリッジ接続された6個のスイッチング素子33〜38の各ゲートは、制御信号出力回路52に接続され、6個のスイッチング素子33〜38の各ドレインまたは各ソースは固定子巻線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33〜38は、制御信号出力回路52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、インバータ回路手段に印加される電池パック60の直流を3相(U相、V相及びW相)交流電圧Vu、Vv、Vwに変換して固定子巻線U、V、Wにモータ5の駆動電力を供給する。
The inverter circuit means is mainly composed of six switching
6個のスイッチング素子33〜38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36〜38をパルス幅変調信号(PWM信号)H4、H5、H6として供給し、制御基板31上に搭載された演算部51によって、モータ5のスイッチ手段を構成する位置検出素子22〜24の出力信号に基づいてモータ5への電力供給を開始させる。ここで、PWM信号は、インバータ回路手段の負電源側スイッチング素子36〜38に供給される。
Of the switching element drive signals (three-phase signals) for driving the gates of the six switching
スイッチ7の操作状態はスイッチ操作検出回路56にて検出され、スイッチ操作検出回路56はハイ(スイッチON)又はロー(スイッチOFF)のいずれかの出力を演算部51に出力する。モータ5の回転速度を調整するためのダイヤル9の出力は回転速度設定回路57に入力され、回転速度設定回路57はダイヤル9の設定位置に応じた制御信号を演算部51に送出する。演算部51は、スイッチ操作検出回路56と回転速度設定回路57の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子33〜38を交互にスイッチングするための駆動信号を形成し、モータ5の駆動信号を制御信号出力回路52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5aを設定された回転速度で回転させる。モータ5の回転速度は、位置検出素子22〜24の出力を検出する回転子位置検出回路53の出力を用いて、回転数検出回路54が検出する。回転子位置検出回路53及び回転数検出回路54の出力は共に演算部51に出力される。モータ5に供給される電流値は、電流検出回路55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、演算部51は設定された駆動電力となるように調整することによりモータ5の回転制御を行う。
The operation state of the
次に図5を用いて、スイッチング素子33〜38とヒートシンク40との接続状況を説明する。図5は図3における矢印Aの方向から矢視図であって大部分を透視図にて図示している。ここで理解できるように複数のスイッチング素子のうちスイッチング素子33〜35は共通のヒートシンク40の表側(上側面)に一列に並べた状態でネジ止めされる。この際、スイッチング素子33〜35は互いに接触しないように所定の間隔を有するように固定することが重要である。また、図5では見えないが、ヒートシンク40の裏側(下側面)にも同様にしてスイッチング素子36〜38がネジ止めされ、スイッチング素子33〜35とスイッチング素子36〜38は、面対称となる位置に配置される。ヒートシンク40の形状は種々考えられるが、本実施例では厚さ約10mmのアルミニウム板を用いるようにした。アルミニウム板の面は、前後及び左右に延びるものであって、制御基板31と直角方向になるように配置される。別の表現をするとヒートシンク40は、制御基板31からモータ5側に向かって回転軸方向に延びるように配置される。
Next, a connection state between the switching
ヒートシンク40は、本体ハウジング2の内側壁面に沿って前端の角部が斜めに形成された斜面部40bを有し、角落としをして本体ハウジング2内の空間を有効に活用している。基板ケース32の後方側には、電池パック60の接続端子と接触させるための複数の端子(図示せず)を固定するため端子ホルダ39が設けられる。本体ハウジング2の拡径部2cの左右側面には、空気の吸気孔19a、19bが設けられる。図5では吸気孔19a、19bに図示しないフィルタ装置を取り付けるために外側に大きめに突出した形状をしている。吸気孔19a、19bから本体ハウジング2の内部に取り込まれた外気は、本体ハウジング2の長手方向、つまり回転軸方向に沿うように流れる。これによってヒートシンク40の延びる方向とほぼ同方向に冷却風が流れることになり、ヒートシンク40に流れを妨げられることのない空気の流れを作ることができる。また、ヒートシンク40の上下左右の側面に冷却風がよく当たるので、効率よくヒートシンク40及びスイッチング素子33〜38を冷却することができる。このようにヒートシンク40を構成したために、モータ5を収容するモータ収容部2aの後ろ側にモータ収容部2aよりも細径である把持部2bを設けた構成でありながら、効果的にスイッチング素子33〜38を冷却することが可能となった。
The
図6は、モータの回転軸方向の前方側から制御基板31を見た状態を示す図である。制御基板31は、合成樹脂製の基板ケース32の内部に固定される。図6において、厚さTaのアルミニウム合金製のヒートシンク40の一面(上面)に3つのスイッチング素子33〜35を面接触させ、一面(上面)に対向する他面(下面)に3つスイッチング素子36〜38を並んで面接触させるようにした。この際、スイッチング素子33〜35及び36〜38は、絶縁シート(図6では図示せず。図7にて後述)を介してヒートシンク40に固定すると良い。制御基板31の長手方向の寸法(長さLc)は、モータ5のステータ5bの直径よりも十分大きくなっており、その大きくなった部分にマイコン51等の電子素子を搭載すると良い。FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which the
次に、図7を用いて図6のB−B部の断面図を説明する。基板ケース32は上側に開口面を有する略直方体の容器状に形成され、その内部にスイッチング素子33〜38を搭載した制御基板31が収容される。金属製の厚板であるヒートシンク40は、制御基板31から僅かに離れて隙間46を有するように位置づけられる。ヒートシンク40は導体であるため、制御基板31の端子等をショートさせないようために隙間46を設けたものである。スイッチング素子33〜38は公知のFET(電界効果トランジスタ)であり、ソース、ドレイン、ゲートの3つの端子35a、38aを有し、本体部の背面の一部及び背面から上に延びるように金属製のネジ穴を有する放熱板35b、38bを有する。放熱板35b、38bはそれぞれネジ43によってヒートシンク40に形成されたネジ穴40aにネジ止めされるが、ヒートシンク40と放熱板35b、38bが電気的に絶縁状態になるように、電気を通さない絶縁スリーブ44を介在させて固定される。このとき、放熱板35bを止めるネジ43と放熱板38bを止めるネジ43は同軸上に位置する。また、スイッチング素子35、38とヒートシンク40との間にも熱伝導性であるが電気的に絶縁性の樹脂シート41を介在させるようにして、放熱性を良好に保ちつつスイッチング素子35、38とヒートシンク40が電気的に短絡しないように構成した。ヒートシンク40の回転軸方向(前後方向)における寸法は、スイッチング素子35、38の寸法FTよりも十分大きいことが理解できよう。尚、スイッチング素子33〜34、36〜37についても同様の方法にてヒートシンク40に固定される。このような固定方法を用いることにより1つのヒートシンク40に6つのスイッチング素子33〜38を固定することができた。Next, a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 6 will be described with reference to FIG. The
本実施例ではさらに、スイッチング素子33〜38とマイコン51を含むその他の電子素子(図7では図示せず)を搭載した制御基板31をシリコン等の防水・絶縁樹脂にて充填して固めるようにした。ここでは容器状の基板ケース32の開口を上向きにして液体状の樹脂を内側底面から高さHとなる一点鎖線の位置まで充填して固化させる。この高さHは、スイッチング素子35の制御基板31への取り付け後の端子(脚部)35aの長さFBよりも高くなるように構成することが重要である。このように充填する樹脂の高さHを端子(脚部)35aの長さFBよりも高くすることで、電動工具の稼働時の振動によるスイッチング素子33〜38の破損を効果的に防止でき、電動工具の長寿命化を図ることができる。一方、高さHはスイッチング素子35の制御基板31への取り付け後の本体部の高さ(セラミックパッケージの上端位置)FTよりも低くした。このように設定することによりセラミックパッケージの上端位置よりも上方に延びる放熱板35bは樹脂の外部に露出するために、冷却ファン10によって生成される空気流中に放熱板35bが晒されるため良好な放熱性を実現できる。ヒートシンク40は部分的に樹脂の内部に位置するが、大部分は樹脂から外部に露出するので、樹脂によってがたつきが無いようにしっかりと固定される上に、冷却ファン10によって生成される空気流によって良好に冷却される効果が得られる。In this embodiment, the
以上、本実施例の構成を説明したがヒートシンク40による冷却効果を良好に保つためには、金属の厚板であるヒートシンク40の板厚やサイズを適切に設定することが重要である。ここでは、スイッチング素子38の厚さがTfである場合に、それに対応するヒートシンク40の厚さを2Tf以上となるように構成した。このような厚さのヒートシンク40とすれば、ネジ43を用いて両面にスイッチング素子を固定することが容易となり、ネジ穴40aを形成することが可能となる。また、ヒートシンク40はアルミニウムであるため軽量であり、比較的安価に製造できる一方で十分な熱容量を持つことにより良好な放熱性能を達成できる。Although the configuration of the present embodiment has been described above, in order to keep the cooling effect by the
次に図8を用いてヒートシンク40の単体形状を説明する。ヒートシンク40の形状は種々考えられ、アルミニウム押し出し成形を用いた複雑なフィン形状を有するもの等の様々な形状としても良い。しかしながら本実施例では、単純な軽金属合金の厚板とし、その両面に6つのネジ穴40aを形成するようにした。ネジ穴40aは、その対面にもう1つのネジ穴40aが配置されるようになっており、対面する二つのネジ穴40aは同軸上に位置する。また、ネジ穴40aは片面に3つ形成され、その3つのネジ穴40aを繋いだ線は回転軸5cと直交する左右方向に延びる。この配置により、上下左右の重量バランスが良くなる。また、本体ハウジング2の把持部2bの外径が46mmの際には、ヒートシンク40の幅Waは41mm、板厚Taが10mm、高さHaが43mm程度とすれば良い。尚、対面する二つのネジ穴40aを同軸上に位置させるか、ずらして配置するか等は比較的任意に決定すれば良いので、本実施例の配置に限定されるものではない。
Next, a single shape of the
次に図9を用いて、ダイヤル9とヒートシンク40との配置関係を説明する。ここでは制御基板31の収容スペースと、ヒートシンク40及びスイッチ7の収容スペースを横(右側又は左側)から見ると、太線で示す部分がL字状の空間47となる。本実施例ではこのL字状の空間47に直角に挟まれる部分48にダイヤル9を設けるようにした。この関係は軸方向にみてヒートシンク40が占める前後位置Saと、ダイヤル9が占める前後位置Sdが上下方向、つまり回転軸5cに沿った方向と交差する方向においてオーバーラップする位置関係にある。このように回転速度調整手段(ダイヤル9等)が、回転軸方向(本体ハウジング2の長手方向)においてヒートシンク40とオーバーラップするように配置されるので、前後左右に延びたヒートシンク40を効率よく実装できる上に、ヒートシンク40が占めていない上下方向の空間に回転速度調整手段を実装することで、無駄のない配置による電動工具の小型化を実現することができる。また、ヒートシンク40の板厚Ta(図7参照)はL字状の空間47の高さ寸法Hhよりも小さく、ヒートシンク40の幅Wa(図6参照)はL字状の空間47の高さ寸法Hh(ヒートシンク40の前後中央付近の本体ハウジング2の内壁部分の高さ)よりも大きい関係となっている。すなわち、ヒートシンク40のスイッチング素子33〜38が並ぶ横方向の寸法(幅Wa)は、これに直交するハウジングの高さ寸法(Hh)よりも大きい関係となっている。
Next, the positional relationship between the
以上、本発明を示す実施例に基づき説明したが、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、位置検出素子を用いてロータのマグネットの位置を検出する方法でなく、ステータ5bのコイルの誘起電圧(逆起電力)をフィルタを通して論理信号として取り出すことによってロータ位置を検出する、いわゆるセンサレス方式の回転位置検出方式を採用することも可能である。また、本実施例では電源として2次電池パックを用いているが、従来例と同様にAC電源と整流回路を用いても良い。この場合は制御基板31の後方側に、さらに電源回路基板を設け、交流を直流に変換するダイオードブリッジとコンデンサを用いた全波整流回路等を搭載すれば良い。さらに、上述の実施例では電動工具の例としてディスクグラインダを用いて説明したが、ディスクグラインダだけに限られずにインバータ回路を用いてモータを駆動するようにしたその他の電動工具に適用しても良い。
As mentioned above, although demonstrated based on the Example which shows this invention, this invention is not limited to the above-mentioned Example, A various change is possible within the range which does not deviate from the meaning. For example, not a method of detecting the position of the rotor magnet using a position detection element, but a so-called sensorless method in which the rotor position is detected by extracting the induced voltage (back electromotive force) of the coil of the
1…ディスクグラインダ、2…本体ハウジング、2a…モータ収容部、2b…把持部、2c…拡径部、2d…覆い部、3…ギヤケース、3a…排気孔、4…サイドハンドル、5…モータ、5a…ロータ、5b…ステータ、5c…回転軸、7…スイッチ、7a…プッシュボタン、8…スイッチレバー、9…ダイヤル、9a…回転軸、10…冷却ファン、12,13…傘歯車、14…スピンドル、15…ホイルナット、16…ネジ、17…ファンカバー、18a,18b…軸受、19a,19b…吸気孔、20…ホイルガード、21…検出基板、22〜24…位置検出素子、25…表示パネル、26…AUTOボタン、27…電池残量チェックボタン、28…電池残量表示ランプ、31…制御基板、32…基板ケース、33〜38…スイッチング素子、35a,38a…端子、35b,38b…放熱板、39…端子ホルダ、40…ヒートシンク、40a…ネジ穴、40b…斜面部、41…樹脂シート、43…ネジ、44…絶縁スリーブ、46…隙間、51…演算部(マイコン)、52…制御信号出力回路、53…回転子位置検出回路、54…回転数検出回路、55…電流検出回路、56…スイッチ操作検出回路、57…回転速度設定回路、60…電池パック、61…ラッチ、70…砥石、101…ディスクグラインダ、102…モータハウジング、103…ギヤケース、103a…排気孔、104…テールカバー、105…モータ、105a…ロータ、105b…ステータ、105c…回転軸、107…電源スイッチ、110…冷却ファン、111…スピンドル、118a,118b…軸受、119…吸気孔、120…ホイルガード、121…センサマグネット、130…電源コード、132…インバータ回路基板、133,136…スイッチング素子、138…位置検出素子、139…整流回路
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