JP2010155291A

JP2010155291A - 電動工具

Info

Publication number: JP2010155291A
Application number: JP2008333526A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsunaga; 隆松永; Takuya Kusakawa; 卓也草川; Motohiro Omura; 翔洋大村
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-15
Also published as: EP2202877B1; EP2202877A2; RU2009148547A; CN101767328B; US20100163266A1; EP2202877A3; CN101767328A; RU2442683C2

Abstract

【課題】本発明は、スイッチング素子が動作することにより発生するサージ電圧を極力低く抑えることで、スイッチング素子の耐圧を低く、さらにコンデンサの容量を比較的小さくできるようにすることを目的とする。
【解決手段】本発明に係る電動工具は、ハウジング本体部１２と、グリップ部１５と、スイッチ部１８と、バッテリと、スイッチング素子４４からなる三相ブリッジ回路４５と、コンデンサ４３ｃとを備える電動工具であって、三相ブリッジ回路４５は、ハウジング本体部１２内でモータ２０の近傍に配置されており、コンデンサ４３ｃは、スイッチレバー部１８の位置に配置されており、コンデンサ４３ｃと三相ブリッジ回路４５とを電気的に接続する導電体は、両者４３ｃ，４５を最短距離で接続するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源であるＤＣブラシレスモータを収納するハウジング本体部と、前記ハウジング本体部の側部から突出するように形成されたグリップ部と、そのグリップ部を把持した状態で指が掛かる位置に設けられたスイッチ部と、前記ＤＣブラシレスモータに電力を供給するバッテリと、前記ＤＣブラシレスモータを制御するための三相ブリッジ回路と、前記三相ブリッジ回路を構成するスイッチング素子と、前記三相ブリッジ回路に並列接続されるコンデンサとを備える電動工具に関する。

ネジ締めや穴あけ等を行うドライバやドリル等の多くの電動工具では、トリガ操作部を有するスイッチの引き代に応じてモータの回転数を制御するために、モータの印加電圧を可変させている。
一般的にモータへの印加電圧を可変にするため、スイッチング素子をパルス幅変調（ＰＷＭ）方式にて制御している。このパルス幅変調方式にてスイッチング素子を駆動する際に、サージ電圧が発生する。さらに、パルス幅変調方式にてモータの印加電圧を制御する際に、スイッチング素子に流れる電流の値が大きいほど発生するサージ電圧が大きくなる。特に、電動工具に搭載されるような高出力モータの回転数を制御するため、大きな電流をスイッチング素子でオン・オフ制御する場合に、発生するサージ電圧が大きくなる。このサージ電圧を吸収するため、前記スイッチング素子から構成される三相ブリッジ回路と並列にコンデンサが接続されている。
ここで、前記スイッチング素子は、サージ電圧に対する耐圧が高いものは比較的大型で、前記耐圧の低いものは比較的小型である。耐圧の低い小型のスイッチング素子を使用する場合、それらのスイッチング素子をコンパクトに収納できる利点はあるが、サージ電圧を抑えるために最大電流が制限されるとともに、容量の大きなコンデンサが必要となる。即ち、スイッチング素子をコンパクトにすると、一般的にコンデンサが大型化する。
特許文献１に記載された電動工具では、大容量のコンデンサを使用するため、図４に示すように、コンデンサ１０８をグリップ部１０３の下部に配置している。そして、スイッチング素子から構成された三相ブリッジ回路が装着された電気回路基板１０６をＤＣブラシレスモータ１０５の近傍で、ハウジング本体部１０１とグリップ部１０３との境界部分に配置している。

特開２００３−３０５６６７号公報

上記した電動工具では、三相ブリッジ回路が装着された電気回路基板１０６からコンデンサ１０８までの距離が長いため、両者１０６，１０８を接続するリード線の長さ寸法が大きくなる。リード線は、抵抗成分（Ｒ）とインダクタンス成分（Ｌ）とにより等価的に表され、前記リード線が長くなると、それに比例して抵抗成分（Ｒ）とインダクタンス成分（Ｌ）とが大きくなる。特に、インダクタンス成分（Ｌ）が大きくなると、前記スイッチング素子が動作する際に発生するサージ電圧（ｅ＝Ｌｄｉ／ｄｔ）が大きくなる。
このため、前記リード線が長く、パルス幅変調制御時にスイッチング素子に流れる電流が大きいと、スイッチング素子の耐圧、及び三相ブリッジ回路に並列接続されているコンデンサの容量を決定する際に不利となる。
また、比較的小型で耐圧の低いスイッチング素子を使用する場合、スイッチング素子に流れる電流を制御しなければならず、電動工具に搭載されるような高出力モータの性能を十分に引き出すことができなくなる。さらに、バッテリ電圧の高電圧化に対しても不利となる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、スイッチング素子が動作することにより発生するサージ電圧を極力低く抑えることで、スイッチング素子の耐圧を低く、さらにコンデンサの容量を比較的小さくできるようにすることである。

上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、駆動源であるＤＣブラシレスモータを収納するハウジング本体部と、前記ハウジング本体部の側部から突出するように形成されたグリップ部と、そのグリップ部を把持した状態で指が掛かる位置に設けられたスイッチ部と、前記ＤＣブラシレスモータに電力を供給するバッテリと、前記ＤＣブラシレスモータを制御するための三相ブリッジ回路と、前記三相ブリッジ回路を構成するスイッチング素子と、前記三相ブリッジ回路に並列接続されるコンデンサとを備える電動工具であって、前記三相ブリッジ回路は、前記ハウジング本体部内で前記ＤＣブラシレスモータの近傍に配置されており、前記コンデンサは、スイッチ部の位置、あるいは前記スイッチ部よりも前記三相ブリッジ回路に近い位置に配置されており、前記コンデンサと前記三相ブリッジ回路とを電気的に接続する導電体は、前記コンデンサと前記三相ブリッジ回路とを最短距離で接続するように構成されていることを特徴とする。

本発明によると、コンデンサは、スイッチ部の位置、あるいはスイッチ部よりも三相ブリッジ回路に近い位置に配置されている。即ち、コンデンサは三相ブリッジ回路の近傍に配置されている。また、リード線等の導電体は、コンデンサと三相ブリッジ回路とを最短距離で接続するように構成されている。これにより、コンデンサと三相ブリッジ回路とを接続するリード線等の導電体の長さ寸法を極力小さくできる。この結果、前記導電体のインダクタンス成分（Ｌ）が小さくなり、前記三相ブリッジ回路を構成するスイッチング素子が動作する際にインダクタンス成分（Ｌ）に起因して発生するサージ電圧（ｅ＝Ｌｄｉ／ｄｔ）を小さくできる。したがって、前記スイッチング素子の耐圧を低く、さらにコンデンサの容量を比較的小さくできるようになる。

請求項２の発明によると、三相ブリッジ回路は、ＤＣブラシレスモータの後方に配置されており、コンデンサは、スイッチ部の電気回路基板又は端子に取付けられていることを特徴とする。
このように、三相ブリッジ回路はＤＣブラシレスモータの後方に配置されているため、モータ冷却用ファンによって効率的にスイッチング素子を冷却することができる。
また、コンデンサは、スイッチ部の電気回路基板又は端子に取付けられて、ハウジング本体部の外にあるため、前記ハウジング本体部をコンパクトにできる。

請求項３の発明によると、三相ブリッジ回路は、ＤＣブラシレスモータの後方に配置されており、コンデンサは、ハウジング本体部とグリップ部との境界位置に配置されていることを特徴とする。
このように、コンデンサがハウジング本体部とグリップ部との境界位置に配置されているため、コンデンサをスイッチ部の電気回路基板に取付ける場合と比較してリード線等を短くできる。

請求項４の発明によると、三相ブリッジ回路は、前記ＤＣブラシレスモータの後方に配置されており、コンデンサは、前記三相ブリッジ回路が装着される電気回路基板に取付けられていることを特徴とする。
これにより、コンデンサと三相ブリッジ回路間の導電体長を最小にできる。

本発明によると、スイッチング素子が動作することにより発生するサージ電圧を低く抑えることができるため、前記スイッチング素子の耐圧を低く、さらにコンデンサの容量を比較的小さくできる。

［実施形態１］
以下、図１から図３に基づいて、本発明の実施形態１に係る電動工具の説明を行なう。本実施形態に係る電動工具は、ＤＣブラシレスモータを駆動源とする回転打撃工具（インパクトドライバ）である。ここで、図１は実施形態１に係る電動工具の縦断面図、図２はＤＣブラシレスモータの駆動回路の構成を表す図面である。また、図３は変更例に係る電動工具の模式図である。

＜電動工具の概要について＞
本実施形態に係る電動工具１０のハウジング１１は、図１に示すように、筒状のハウジング本体部１２と、そのハウジング本体部１２の側部（図１では下部）から突出するように形成されたグリップ部１５とから構成されている。グリップ部１５は、使用者が電動工具１０を使用する際に握る握り部位１５ｈと、その握り部位１５ｈよりも突出端（下端）側に位置する下端部位１５ｐとから構成されている。そして、握り部位１５ｈの基端部に使用者が指先で引き操作するトリガ形式のスイッチ部１８が設けられている。
また、グリップ部１５の下端部位１５ｐは、握り部位１５ｈに対して前後方向に拡開するように構成されており、その下端部位１５ｐの下側に電池パック（図示省略）が連結される電池パック連結部１６が設けられている。

ハウジング本体部１２には、後側から順番にＤＣブラシレスモータ２０、遊星歯車機構２４、スピンドル２５、打撃力発生機構２６、及びアンビル２７が同軸に収納されている。そして、前記ＤＣブラシレスモータ２０の回転が遊星歯車機構２４を介してスピンドル２５に伝達され、そのスピンドル２５の回転力が打撃力発生機構２６によって回転打撃力に変換されて、アンビル２７に伝えられる。アンビル２７は、ハウジング本体部１２の先端に設けられた軸受１２ｊによって、軸回りに回転自在、かつ軸方向に変位不能に支持されている。アンビル２７の先端部には、ドライバビットやソケットビット等（図示省略）を装着するためのチャック部２７ｔが設けられている。

＜ＤＣブラシレスモータ２０について＞
ＤＣブラシレスモータ２０は、図１に示すように、永久磁石を備える回転子２２と、駆動コイル２３ｃを備える固定子２３とから構成されている。回転子２２の回転軸２２ｊには、固定子２３の前側位置にモータ冷却用ファン２２ｆが同軸に設けられている。固定子２３は、筒体部（図示省略）と、その筒体部の内周面から半径方向内側に突出した６本の歯部２３ｐとを備えており、各々の歯部２３ｐに絶縁部材を介した状態で駆動コイル２３ｃが巻装されている。
また、固定子２３の後端部には、回転子２２の磁極の位置を検出するための三個の磁気センサ３２と、モータ駆動回路４０の三相ブリッジ回路部４５等とが電気回路基板３０によって取付けられている。これにより、磁気センサ３２で回転子２２の磁極の位置を検出しながら、モータ駆動回路４０により各々の駆動コイル２３ｃに順番に電流を流し、前記回転子２２を回転させることができる。

＜モータ駆動回路４０ついて＞
ＤＣブラシレスモータ２０のモータ駆動回路４０は、図２に示すように、電源部４２と、６台のスイッチング素子４４から構成された三相ブリッジ回路部４５と、その三相ブリッジ回路部４５のスイッチング素子４４を制御する制御回路部４６とを備えている。電源部４２は、前記電池パック内のバッテリ４２ｖから電池パック連結部１６のターミナル４２ｔを介して電動工具１０に供給された電力を受ける部分である。電源部４２は、前記ターミナル４２ｔに接続される電源線４２ｃと、電源線４２ｃに対して並列に接続されたコンデンサ４３ｃとを備えている。
三相ブリッジ回路部４５は、コンデンサ４３ｃと並列の状態で電源線４２ｃに接続されており、その三相ブリッジ回路部４５の三本の出力線４１（以下、動力線４１という）が対応する駆動コイル２３ｃの巻き線に接続されている。ここで、三相ブリッジ回路部４５のスイッチング素子４４としては、例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）が使用される。

制御回路部４６は、トリガ形式のスイッチ部１８の動作信号に基づいて、前記スイッチング素子４４を動作させるマイコンやＩＣ等の電子部品から構成されている。制御回路部４６は、上記した３個の磁気センサ３２の信号を受信し、その信号に基づいて三相ブリッジ回路部４５を構成する各々のスイッチング素子４４をオン・オフ制御する（白矢印参照）。これにより、ＤＣブラシレスモータ２０の各駆動コイル２３ｃには、所定の切替え速度で順番に電流が流されるようになる。
また、制御回路部４６には、締付け速度切替え用等の各種のスイッチ４６ａ、４６ｂの信号が入力される。

トリガ形式のスイッチ部１８は、図１に示すように、トリガレバー１８ｒと、そのトリガレバー１８ｒの動きを電気信号に変換して制御回路部４６に伝送する電気回路基板１８ｃとから構成されている。そして、前記電気回路基板１８ｃに電源部４２のコンデンサ４３ｃが電気的に絶縁された状態で取付けられている。
コンデンサ４３ｃは、固定子２３の後端部に設けられた電気回路基板３０の三相ブリッジ回路部４５と電源線４２ｃ（リード線Ｒ（図２のＲ部参照））によって並列に接続されている。そして、コンデンサ４３ｃと三相ブリッジ回路部４５とを接続するリード線Ｒがハウジング１１内を最短距離で配線されている。
即ち、電源線４２ｃ（リード線Ｒ）が本発明の導電体に相当する。

＜本実施形態に係る電動工具１０の長所について＞
本実施形態に係る電動工具１０によると、コンデンサ４３ｃは、スイッチ部１８の位置に配置されている。即ち、コンデンサ４３ｃは三相ブリッジ回路部４５の比較的近傍に配置されている。また、リード線Ｒ等の導電体は、コンデンサ４３ｃと三相ブリッジ回路部４５とを最短距離で接続するように構成されている。これにより、コンデンサ４３ｃと三相ブリッジ回路部４５とを接続するリード線Ｒ（導電体）の長さ寸法を極力小さくできる。この結果、リード線Ｒ（導電体）のインダクタンス成分（Ｌ）が小さくなり、スイッチング素子４４が動作する際にインダクタンス成分（Ｌ）に起因して発生するサージ電圧（ｅ＝Ｌｄｉ／ｄｔ）を小さくできる。したがって、スイッチング素子４４の耐圧を低く、さらにコンデンサ４３ｃの容量を比較的小さくできるようになる。

また、三相ブリッジ回路部４５はＤＣブラシレスモータ２０の後方に配置されているため、モータ冷却用ファン２２ｆによって効率的にスイッチング素子４４を冷却することができる。さらに、コンデンサ４３ｃは、スイッチ部１８の電気回路基板１８ｃに取付けられて、ハウジング本体部１２の外にあるため、そのハウジング本体部１２をコンパクトにできる。

＜変更例＞
ここで、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、コンデンサ４３ｃをスイッチ部１８の電気回路基板１８ｃに取付ける例を示したが、図３（Ａ）に示すように、ハウジング本体部１２とグリップ部１５との境界位置にコンデンサ４３ｃを配置することも可能である。これにより、コンデンサ４３ｃをスイッチ部１８の電気回路基板１８ｃに取付ける場合と比較してリード線Ｒを短くできる。
また、図３（Ｂ）に示すように、コンデンサ４３ｃを三相ブリッジ回路部４５が装着されている電気回路基板３０に取付けることも可能である。これにより、コンデンサ４３ｃと三相ブリッジ回路部４５間の導電体長を最小にできる。
また、本実施形態では、電動工具の一例としてＤＣブラシレスモータ２０を駆動源とする回転打撃工具（インパクトドライバ）を例示したが、ＤＣブラシレスモータ２０を使用したスクリュードライバやドリル等に本発明を適用することも可能である。

本発明の実施形態１に係る電動工具の縦断面図である。ＤＣブラシレスモータのモータ駆動回路の構成を表す図面である。変更例に係る電動工具の模式図（Ａ図）（Ｂ図）である。従来の電動工具を表す模式図である。

符号の説明

１０・・・・電動工具
１２・・・・ハウジング本体部
１５・・・・グリップ部
１８・・・・スイッチ部
１８ｃ・・・電気回路基板
２０・・・・ＤＣブラシレスモータ
３０・・・・電気回路基板
４２ｖ・・・バッテリ
４２ｃ・・・電源線（リード線Ｒ）（導電体）
４３ｃ・・・コンデンサ
４４・・・・スイッチング素子
４５・・・・三相ブリッジ回路部（三相ブリッジ回路）

Claims

駆動源であるＤＣブラシレスモータを収納するハウジング本体部と、前記ハウジング本体部の側部から突出するように形成されたグリップ部と、そのグリップ部を把持した状態で指が掛かる位置に設けられたスイッチ部と、前記ＤＣブラシレスモータに電力を供給するバッテリと、前記ＤＣブラシレスモータを制御するための三相ブリッジ回路と、前記三相ブリッジ回路を構成するスイッチング素子と、前記三相ブリッジ回路に並列接続されるコンデンサとを備える電動工具であって、
前記三相ブリッジ回路は、前記ハウジング本体部内で前記ＤＣブラシレスモータの近傍に配置されており、
前記コンデンサは、スイッチ部の位置、あるいは前記スイッチ部よりも前記三相ブリッジ回路に近い位置に配置されており、
前記コンデンサと前記三相ブリッジ回路とを電気的に接続する導電体は、前記コンデンサと前記三相ブリッジ回路とを最短距離で接続するように構成されていることを特徴とする電動工具。
請求項１に記載された電動工具であって、
前記三相ブリッジ回路は、前記ＤＣブラシレスモータの後方に配置されており、
前記コンデンサは、前記スイッチ部の電気回路基板に取付けられていることを特徴とする電動工具。
請求項１に記載された電動工具であって、
前記三相ブリッジ回路は、前記ＤＣブラシレスモータの後方に配置されており、
前記コンデンサは、ハウジング本体部とグリップ部との境界位置に配置されていることを特徴とする電動工具。
請求項１に記載された電動工具であって、
前記三相ブリッジ回路は、前記ＤＣブラシレスモータの後方に配置されており、
前記コンデンサは、前記三相ブリッジ回路が装着される電気回路基板に取付けられていることを特徴とする電動工具。