WO2016098564A1

WO2016098564A1 - 電動工具

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Publication number: WO2016098564A1
Application number: PCT/JP2015/083427
Authority: WO
Inventors: 祥和河野; 一彦船橋; 俊彰小泉; 弘識益子
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: CN107107326B; JP6460123B2; CN107107326A; DE112015005645T5; JPWO2016098564A1

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。

Description

電動工具

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。

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。

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。

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。

特開２０１０－２６９４０９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ディスクグラインダ１の全体形状を示す斜視図である。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。本発明の実施例に係るディスクグラインダ１の縦断面図である。モータ５の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。図３の矢印Ａの方向から見た矢視図であって、一部を透視図にて示した図である。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。図６のＢ－Ｂ部の断面図である。ヒートシンク４０の単体形状を示す斜視図である。ダイヤル９とヒートシンク４０との配置関係を説明するための図である。従来のディスクグラインダ１０１の全体構造を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｈ_Ｂは本体ハウジング２のモータ５の収容部分の直径ｄ_ｍ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｔ_ａ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。

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Ｆ_Ｔ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。

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Ｆ_Ｂ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Ｆ_Ｂ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）Ｆ_Ｔ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。

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Ｔ_ｆである場合に、それに対応するヒートシンク４０の厚さを２Ｔ_ｆ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。

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。

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。

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。

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

Claims

回転軸を有するモータと、前記回転軸の回転により回転する冷却ファンと、前記モータ及び前記冷却ファンを収容し、前記モータの回転軸方向に延びるハウジングと、前記ハウジングに収容され、前記回転軸と交差するように配置される制御基板と、前記ハウジング内において、前記モータと前記制御基板との間に設けられ前記モータの回転のオン又はオフを指示するスイッチと、前記制御基板に設けられ、前記モータへの通電を制御する複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子と接触するヒートシンクとを有し、前記ヒートシンクは前記制御基板に直交する方向であって前記回転軸方向に延びるように配置されることを特徴とする電動工具。
前記ヒートシンクは金属製の厚板であって、前記複数のスイッチング素子の一部が前記ヒートシンクの一面側に固定され、残りの前記スイッチング素子が前記ヒートシンクの他面側に固定されることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記ハウジングに着脱可能な電池パックをさらに有し、前記制御基板は、前記回転軸方向にみて前記モータと前記電池パックとに挟まれるように配置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。
前記ハウジングは、前記モータを収容する部分と前記電池パックを取り付けるための拡径部を有し、前記制御基板は前記拡径部に収容され、前記制御基板の長手方向の寸法は前記モータの径寸法よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の電動工具。
前記スイッチング素子は、前記回転軸と平行な方向において、前記ヒートシンクに面接触され、前記回転軸方向における前記ヒートシンクの寸法は前記スイッチング素子の寸法よりも大きい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。
前記モータはブラシレスＤＣモータであり、前記スイッチング素子は、前記ヒートシンクの一面に３つ、前記一面に対向する他面に３つ並んで面接触させることを特徴とする請求項５に記載の電動工具。
前記ヒートシンクの前記スイッチング素子が並ぶ横方向の寸法は、これに直交する前記ハウジングの高さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の電動工具。
前記ハウジングは、前記冷却ファンが回転することにより前記ハウジング内に冷却風を流入させる吸気孔と、排気孔とを有し、前記ヒートシンクは、前記ハウジング内における前記冷却風の流れにおいて、前記モータよりも上流側に位置することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電動工具。
前記制御基板に電気的に接続され、前記モータの回転速度を調整可能な回転速度調整手段を有し、前記回転速度調整手段は、前記回転軸方向において、前記ヒートシンクとオーバーラップするように配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電動工具。