JP6011801B2

JP6011801B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP6011801B2
Application number: JP2013037079A
Authority: JP
Inventors: 潤一東海林; 佐藤　直樹; 直樹佐藤; 五史小川
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: US9680349B2; CN203818111U; JP2014161977A; US20140239751A1; DE202014100806U1

Description

本発明は、ブラシレスモータを駆動源とする電動工具に関する。

近年、ドリルやドライバなど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、ブラシレスモータが使用されるようになってきた。ブラシレスモータはブラシ（整流用刷子）とコンミテータ（整流子）を必要としないモータである。ブラシレスモータに駆動電力を供給するためには、ＦＥＴ等のスイッチング素子が必要となる。スイッチング素子は、ブラシレスモータ駆動用の大電流が流れて発熱する。このため、ブラシレスモータの回転軸にファンが具備され、このファンによって生成される気流でスイッチング素子を冷却することが知られている。

特開２０１３−０００８３１号公報（本出願人提案）

電動工具を連続的に高出力で使用すると、ブラシレスモータを駆動するためのスイッチング素子の発熱が大きくなる。スイッチング素子の冷却不足を確実に防止するためには、さらなる冷却効率の改善が望まれる。

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、ブラシレスモータの駆動制御用のスイッチング素子を従来と比較して更に効率的に冷却することの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、電動工具であり、ハウジングと、前記ハウジングに収容されたブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転軸に取り付けられたファンと、前記ブラシレスモータの駆動制御用のスイッチング素子と、前記スイッチング素子が搭載された基板と、を備え、前記基板のスイッチング素子配置部に第１の貫通穴が設けられ、前記第１の貫通穴の一方の開口の一部が、前記スイッチング素子、又は前記スイッチング素子に接触する第１の放熱体に塞がれている。

前記基板に、前記スイッチング素子又は前記スイッチング素子に接触する第１の放熱体によって一方の開口が塞がれた第２の貫通穴が設けられてもよい。

前記基板のスイッチング素子配置面の裏面に第２の放熱体が設けられ、前記第２の放熱体が、前記第１及び第２の貫通穴を通り、前記スイッチング素子又は前記第１の放熱体に２箇所で接触してもよい。

本発明のもう１つの態様は、電動工具であり、ハウジングと、前記ハウジングに収容されたブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転軸に取り付けられたファンと、前記ブラシレスモータの駆動制御用のスイッチング素子と、前記スイッチング素子が搭載された基板と、を備え、前記基板のスイッチング素子配置部に第１の貫通穴が設けられ、前記基板のスイッチング素子配置面の裏面に第２の放熱体が設けられ、前記第２の放熱体が、前記第１の貫通穴を通り、前記スイッチング素子、又は前記スイッチング素子に接触する第１の放熱体に接触している。

前記ハウジングに風窓が設けられ、前記第１の貫通穴は空気取入用であって前記風窓の近傍に設けられてもよい。

前記ハウジングの内面と前記ブラシレスモータの外周部との隙間に防風部が設けられてもよい。

前記防風部は前記ハウジングの内面に設けられて前記隙間に突出するリブ又は凸部であってもよい。

前記基板が前記ブラシレスモータの前後いずれかに配置され、前記ブラシレスモータの軸方向から見て前記第１の貫通穴が前記ブラシレスモータの隣り合う巻線スロット間に位置し又は延在してもよい。

前記スイッチング素子が面実装式であってもよい。

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、ブラシレスモータの駆動制御用のスイッチング素子を従来と比較して更に効率的に冷却することの可能な電動工具を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る電動工具の要部側断面図。図１に示す電動工具における気流の流れを矢印で示した要部側断面図。図１に示す電動工具のブラシレスモータ３の断面図。図１に示す電動工具の基板４の正面図。本発明の実施の形態２に係る電動工具の要部側断面図。本発明の実施の形態３に係る電動工具の要部側断面図。本発明の実施の形態４に係る電動工具の側断面図。図７に示す電動工具の外観図。本発明の実施の形態５に係る電動工具の側断面図。本発明の実施の形態６に係る電動工具の側断面図。

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に係る電動工具の要部側断面図である。図２は、図１に示す電動工具における気流の流れを矢印で示した要部側断面図である。図３は、図１に示す電動工具のブラシレスモータ３の断面図である。図４は、図１に示す電動工具の基板４の正面図である。

本実施の形態の電動工具は、例えばドリルドライバであり、ブラシレスモータ３を駆動源とする。ブラシレスモータ３はハウジング２に内蔵される。ブラシレスモータ３の構成は周知であるが、以下、一例を説明する。ブラシレスモータ３の回転軸３ｅは、ハウジング２内に設けられたベアリング１９ａ,１９ｂ（軸受け部材）によって回転可能に支持される。回転軸３ｅの周囲にはロータコア３ａが設けられて回転軸３ｅと一体に回転可能である。ロータコア３ａにはロータマグネット３ｄが挿入保持される。ロータコア３ａの周囲を囲むようにステータコア３ｂがハウジング２内に設けられる（固定される）。ステータコア３ｂにはインシュレータ１５を挟んでステータコイル３ｃ（巻線）が設けられる。ブラシレスモータ３の前方には、回転軸３ｅと同軸に取り付けられブラシレスモータ３と同期して回転するロータファン１３が設けられる。ブラシレスモータ３の後方には基板４（インバータ回路基板）が配設される。

基板４は、ブラシレスモータ３とほぼ同径の円環状であってインシュレータ１５にネジ止め等により固定される。基板４上にはＦＥＴ（Field Effect Transistor）等の複数のスイッチング素子５が搭載される。スイッチング素子５は、樹脂等の絶縁体で覆われた本体５ａと、本体５ａに接触する例えば金属製の放熱板５ｂ（第１の放熱体）とを有する。なお、放熱板５ｂは、スイッチング素子５の一部であってもよいし、スイッチング素子５とは別部材であってもよい。スイッチング素子５は、面実装式であり、本体５ａ及び放熱板５ｂを基板４上に倒した状態で実装される。

基板４には、ブラシレスモータ３の回転軸３ｅを通すための中央貫通穴４ａに加え、スイッチング素子５の配置部に第１の貫通穴４ｂ（空気取入穴）が設けられている。第１の貫通穴４ｂの開口の一部は、スイッチング素子５の放熱板５ｂに塞がれている。図３及び図４から明らかなように、第１の貫通穴４ｂは、ブラシレスモータ３の軸方向から見て、隣り合う巻線スロット３ｆ間に位置する（又は延在する）。また、第１の貫通穴４ｂは、ハウジング２の側面に設けられた風窓１６の近傍に設けられる。ハウジング２の背面には風窓１７が設けられる。ハウジング２の内面には、ハウジング２の内面とブラシレスモータ３の外周部（ステータコア３ｂの外周部）との隙間を狭める又は無くすように防風部１４が設けられる。防風部１４は、ハウジング２の内面に設けられたリブ又は凸部であってもよいし、ハウジング２の内面とステータコア３ｂの外周部とに挟まれたスポンジやゴム等の弾性体であってもよい。

ブラシレスモータ３が回転駆動されると、ロータファン１３の回転によりハウジング２の風窓１６,１７から空気が取り込まれ、基板４の中央貫通穴４ａ及び第１の貫通穴４ｂを通り抜ける気流が発生する（図２）。気流はロータコア３ａとステータコア３ｂとの間、及び隣り合う巻線スロット３ｆ間（図３）を通って流れ、ロータファン１３に後方から吸引されてロータファン１３から半径方向に流れ、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。

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) 基板４に第１の貫通穴４ｂを設けたので、ロータファン１３の発生する気流がスイッチング素子５及び放熱板５ｂの近傍を通って流れることになり、第１の貫通穴４ｂが無い場合と比較してスイッチング素子５の冷却効率が高められる。

(2) 第１の貫通穴４ｂがブラシレスモータ３の軸方向から見て隣り合う巻線スロット３ｆ間に位置するため、ロータファン１３の発生する気流が巻線スロット３ｆ間に流れやすくなり、ステータコイル３ｃを効率的に冷却することができる。

(3) ハウジング２の内面とブラシレスモータ３の外周部との隙間に防風部１４が設けられるため、ロータファン１３の発生する気流が基板４の第１の貫通穴４ｂ及び第２の貫通穴４ｃを通ってブラシレスモータ３の内側に流れるルートに集中するため、スイッチング素子５及びブラシレスモータ３の冷却効率が高められる。

実施の形態２
図５は、本発明の実施の形態２に係る電動工具の要部側断面図である。本実施の形態の電動工具は、図１等に示した実施の形態１のものと比較して、基板４に第２の貫通穴４ｃが設けられている点で相違し、その他の点で一致する。第２の貫通穴４ｃの一方の開口はスイッチング素子５の放熱板５ｂに塞がれている。本実施の形態によれば、第２の貫通穴４ｃを設けたことにより、スイッチング素子５の放熱板５ｂの一部を基板４の裏面側に露出させることができ、ロータファン１３の発生する気流の一部（基板４とブラシレスモータ３との間を流れる気流の一部）が第２の貫通穴４ｃを通る（入り込む）ことでスイッチング素子５の冷却効率が更に高められる。

実施の形態３
図６は、本発明の実施の形態３に係る電動工具の要部側断面図である。本実施の形態の電動工具は、図５に示した実施の形態２のものと比較して、基板４の裏面側（スイッチング素子５の搭載面の反対側の面）に例えば金属製の放熱フィン１２（第２の放熱体の例示）が設けられている点で相違し、その他の点で一致する。放熱フィン１２は、ブラシレスモータ３の回転軸３ｅが貫通する略円板形状のベース部１２ａと、基板４の第１の貫通穴４ｂ及び第２の貫通穴４ｃ内に突出してスイッチング素子５の放熱板５ｂに接触する凸部１２ｂ,１２ｃを有する。本実施の形態によれば、放熱フィン１２を設けたことにより、スイッチング素子５の発熱が放熱フィン１２に伝達され、放熱フィン１２が広い面積でロータファン１３の発生する気流に当たることで、スイッチング素子５の冷却効率が更に高められる。

実施の形態４
図７は、本発明の実施の形態４に係る電動工具の側断面図である。図８は、図７に示す電動工具の外観図である。本実施の形態の電動工具は、図１等に示した実施の形態１のものと比較して、基板４がハウジング２のハンドル部２ｂ内に設けられ、風窓１７がハンドル部２ｂに設けられている点で相違し、その他の点で一致する。以下、相違点に併せ、電動工具の例示的な全体構成についても簡単に説明する。

ハウジング２は、筒状の胴体部２ａと、胴体部２ａから略直角に一体に延びるハンドル部２ｂと、ハンドル部２ｂの下方のバッテリ取付部２ｃとを有する。胴体部２ａ内にはブラシレスモータ３が収容または装着される。ハンドル部２ｂ内の上部にはトリガスイッチ６が配設される。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。トリガスイッチ６の操作によりバッテリ３９の電力がブラシレスモータ３に供給される。ブラシレスモータ３の回転は、減速機構部２１及びクラッチ機構部２２からなる回転伝達機構を介して、ドライバビット等の図示しない先端工具を保持するチャック２３に伝達される。ブラシレスモータ３の動作制御、及びチャック２３への回転伝達に係る構成は周知なので、これ以上の詳細な説明は省略する。なお、こうした全体構成は、前述の実施の形態１〜３においても共通である。

ハンドル部２ｂ内には基板４が３段に分かれて設けられ、各段の基板４に第１の貫通穴４ｂが設けられる。風窓１７は、基板４より下方となる位置に設けられている。本実施の形態のように基板４がハンドル部２ｂ内に設けられる場合も、基板４に第１の貫通穴４ｂを設け、ハンドル部２ｂに風窓１７を設けることで、スイッチング素子５を効率良く冷却することができる。なお、図中の矢印がロータファン１３の発生する気流であり、ロータファン１３の周囲の空気排出口からハウジング２の外部に排出される。

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。

図１の構成に、図６の放熱フィン１２から凸部１２ｃを無くしたものを追加で設けてもよい。図７の構成において、基板４の裏面側に放熱フィンを設けてもよい。スイッチング素子５は、特許文献１に示すように立てた状態で基板４に搭載されてもよい。スイッチング素子５は放熱板５ｂを有さないものであってもよい。基板４はブラシレスモータ３の前方に設けられてもよい。ロータファン１３はブラシレスモータ３の後方に設けられてもよい。

図７の構成において、基板４をハンドル部２ｂの長手方向（図中上下方向）に沿って配置してもよい。また、図９に示すように、トリガスイッチ６のスイッチ基板７にスイッチング素子５（基板４）を一体的に設けてもよい。また、図１０に示すように、基板４をバッテリ取付部２ｃに配置してもよい。この場合、風窓１７もバッテリ取付部２ｃに設けることでスイッチング素子５を効率良く冷却することができる。すなわち、基板４をロータファン１３の回転により発生する気流の流通路（吸気口としての風窓１７と排気口との間）に配置することによりスイッチング素子５を効率良く冷却することができる。

また、図１の構成において、防風部１４を設けたが、防風部１４を設けなくてもよい。この場合、ロータファン１３による気流はブラシレスモータ３の内側だけでなく外側（ブラシレスモータ３とハウジング２との間）にも流れるため、ブラシレスモータ３のステータコア３ｂを冷却することができる。また、スイッチング素子５（基板４）の冷却用のファンを別途設けてもよい。電動工具は、実施の形態で説明したドリルドライバに限らず、インパクトドライバ等の他の電動工具であってもよく、スイッチング素子によってブラシレスモータを駆動する電動工具であればよい。

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ブラシレスモータ、３ａロータコア、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、３ｆ巻線スロット、４基板、４ａ中央貫通穴、４ｂ第１の貫通穴、４ｃ第２の貫通穴、５スイッチング素子、５ａ本体、５ｂ放熱板、６トリガスイッチ、７スイッチ基板、１２放熱フィン、１２ａベース部、１２ｂ,１２ｃ凸部、１３ロータファン、１４防風部、１５インシュレータ、１６,１７風窓、１９ａ,１９ｂベアリング、２１減速機構部、２２クラッチ機構部、２３チャック、３９バッテリ

Claims

ハウジングと、前記ハウジングに収容されたブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転軸に取り付けられたファンと、前記ブラシレスモータの駆動制御用のスイッチング素子と、前記スイッチング素子が搭載された基板と、を備え、前記基板のスイッチング素子配置部に第１の貫通穴が設けられ、前記第１の貫通穴の一方の開口の一部が、前記スイッチング素子、又は前記スイッチング素子に接触する第１の放熱体に塞がれている、電動工具。
前記基板に、前記スイッチング素子又は前記スイッチング素子に接触する第１の放熱体によって一方の開口が塞がれた第２の貫通穴が設けられている、請求項１に記載の電動工具。
前記基板のスイッチング素子配置面の裏面に第２の放熱体が設けられ、前記第２の放熱体が、前記第１及び第２の貫通穴を通り、前記スイッチング素子又は前記第１の放熱体に２箇所で接触している、請求項２に記載の電動工具。
ハウジングと、前記ハウジングに収容されたブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転軸に取り付けられたファンと、前記ブラシレスモータの駆動制御用のスイッチング素子と、前記スイッチング素子が搭載された基板と、を備え、前記基板のスイッチング素子配置部に第１の貫通穴が設けられ、前記基板のスイッチング素子配置面の裏面に第２の放熱体が設けられ、前記第２の放熱体が、前記第１の貫通穴を通り、前記スイッチング素子、又は前記スイッチング素子に接触する第１の放熱体に接触している、電動工具。
前記ハウジングに風窓が設けられ、前記第１の貫通穴は空気取入用であって前記風窓の近傍に設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動工具。
前記ハウジングの内面と前記ブラシレスモータの外周部との隙間に防風部が設けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。
前記防風部は前記ハウジングの内面に設けられて前記隙間に突出するリブ又は凸部である請求項６に記載の電動工具。
前記基板が前記ブラシレスモータの前後いずれかに配置され、前記ブラシレスモータの軸方向から見て前記第１の貫通穴が前記ブラシレスモータの隣り合う巻線スロット間に位置する又は延在する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電動工具。
前記スイッチング素子が面実装式である請求項１から８のいずれか一項に記載の電動工具。