JP5083614B2

JP5083614B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5083614B2
Application number: JP2008005581A
Authority: JP
Inventors: 和博大森; 義広小室; 信宏高野; 和隆岩田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: JP2009166157A

Description

本発明は、ネジ締付用ドライバビット等の先端工具を駆動する電動工具に関し、特に、先端工具を駆動するための電動モータとしてブラシレス直流モータを使用して先端工具に必要な回転トルクを与えるように制御するコードレスタイプの電動工具に関する。

近時、電動工具の駆動源として、ブラシレス直流モータ（ブラシレスＤＣモータ）が採用されつつある。ブラシレス直流モータは整流子モータに比べて高効率であり、充電電池を使用した電動工具においては１充電当りの作業時間を向上させることが可能である。また、モータの回転駆動のための制御回路を搭載するので、電子制御により高度なモータの回転制御が容易となる。

ブラシレス直流モータは、例えば下記特許文献１に開示されているように、永久磁石を備えたマグネットロータと、３相巻線等の複数相のステータコイルを備えたステータと、ロータの永久磁石の磁力を検出してロータ位置を検出する複数のホールＩＣより構成された磁気センサと、ＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート・電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）等の半導体スイッチング素子を用いて直流電圧をスイッチングして３相交流に変換して各相のステータコイルへ通電させるインバータ回路基板とから構成されている。複数の磁気センサは複数相のステータコイルに対応しており、各磁気センサによる回転子位置検出結果に基づいて各相のステータコイルの通電タイミングを設定するように構成されている。

ブラシレス直流モータおいては、インバータ回路基板に実装される半導体スイッチング素子（パワートランジスタ）に大電流を通電させるために電力損失が大きくなり、これによって、半導体スイッチング素子からの発熱量が大きくなるので、インバータ回路基板ならびにインバータ回路基板に実装された前記半導体スイッチング素子および他の回路素子が、高温となって熱的損傷を受け、劣化もしくは破壊する原因となる。このため、特許文献１に開示されるように、インバータ回路基板に実装された半導体スイッチング素子に特別な放熱フィンを取付けることによって、半導体スイッチング素子の発熱を積極的に放熱させる対策が採用されている。

特開２００４−３５７３７１号公報

しかしながら、上述したようなパワー半導体スイッチング素子に特別な放熱フィン装置を設けるブラシレス直流モータを電動工具のモータ部として採用する場合、モータ部を収納する胴体ハウジング部内に、モータ本体と近接して半導体スイッチング素子を実装するインバータ回路基板を設置しなければならないので、胴体ハウジング部の全長が長くなるという問題を招き、その結果、電動工具の全長を短くコンパクトに改善することが困難となる。

図１０は、本発明者等が従来技術に従ってブラシレス直流モータを採用するインパクトドライバを構成した例を示す。図１０に示すように、インパクトドライバ１００は、胴体ハウジング部３ａと、ハンドルハウジング部３ｂと、ハンドルハウジング部に着脱自在な電池パック９とから構成されている。胴体ハウジング部３ａ内には、ブラシレス直流モータ２と、ブラシレス直流モータ２へ電池パック９の電源を３相交流に変換して給電するための６個の半導体スイッチング素子５を含むインバータ回路基板４と、モータ２の回転出力を変速させる変速機構部（動力伝達機構部）２３と、変速機構部２３の出力により駆動される打撃用ハンマを含むインパクト機構部２７と、アンビル３１に設けられたネジ締付用ドライバビット等の先端工具を保持するための先端工具取付部３２とが収納されている。ハンドルハウジング部３ｂには、スイッチトリガ６と、スイッチトリガ６の引込み操作に応答するスイッチ部６ａと、スイッチ部６ａの出力信号を受けるスイッチ回路基板７と、インバータ回路基板４の複数の半導体スイッチング素子５を制御するための制御回路基板８とが収納されている。スイッチトリガ６の引込み操作に基づいてインバータ回路基板４の半導体スイッチング素子５をスイッチング動作させることによって、電池パック９の直流電源を３相交流電源に変換してブラシレス直流モータ２へ供給し、インパクトドライバとして駆動させるものである。

かかる従来技術に従うインパクトドライバ１００においては、インバータ回路基板４に実装される半導体スイッチング素子５として、シリコン（Ｓｉ）半導体基板にＭＯＳＦＥＴ等の半導体パワートランジスタを形成した、所謂、Ｓｉ半導体パワートランジスタを用いていた。Ｓｉ半導体パワートランジスタ５は、モータ２のステータコイル２ｄに大電流の駆動電流を供給するので、オン抵抗に基づく電力損失が大きくなり発熱量が増加するという問題を生ずる。このため、上記特許文献１に開示された技術と同様に、差込み型実装技術によってＳｉ半導体パワートランジスタ５（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）をインバータ回路基板４に対して垂直に自立実装し、ドレイン電極側に放熱板（ヒートシンク）５ｒを設けて放熱効果を改善する必要がある。その結果、胴体ハウジング部３ａの端部におけるモータ２の回転軸方向の寸法Ｌｅが長くなり、胴体ハウジング部３ａの全長Ｌｗを低減できなくなるという問題点があった。一般にハンドルハウジング部３ｂの高さ寸法Ｌｈは、把持する握り手の幅が最小寸法となるが、胴体ハウジング部３ａの全長寸法Ｌｗは、工具の操作性もしくは作業性を考慮して短くすることが要求される。しかし、上述したように、半導体パッケージより比較的高い冷却フィン５ｒを有するＳｉ半導体パワートランジスタ５の使用によって胴体ハウジング部３ａの全長Ｌｗの短縮化が制約される。

さらに、Ｓｉ半導体パワートランジスタ５（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）を使用するインバータ回路基板４は電力損失が大きいので、リチウムイオン電池等の二次電池を電池パックとする電動工具では、電池パックの一充電当たりの作業時間（放電時間）が短くなり作業効率が低下するという問題も招くことになる。

従って、本発明の一つの目的は、インバータ回路基板での半導体パワートランジスタの占有スペースを縮小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、電池パックの一充電当たりの作業効率を向上させた電動工具を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、胴体ハウジング部に通風吸気口を形成しないようにして、雨水等に対する耐水性を改善し、または作業時における塵埃の侵入防止を改善した電動工具を提供することにある。

上記本発明の目的を達成するために、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、次のとおりである。

本発明の一つの特徴は、胴体ハウジング部と、前記胴体ハウジング部より下方に延びるハンドルハウジング部と、を有するハウジングと、前記胴体ハウジング部に収容され、ステータ巻線を有するステータと、前記ステータに対して回転可能なマグネットロータと、を有するブラシレスモータと、前記マグネットロータにより駆動され、前記胴体ハウジング部の前部より突出する先端工具保持部と、前記ハンドルハウジング部に収容され、前記ブラシレスモータへの通電を制御するスイッチ部と、前記スイッチ部に接続され、前記ハンドルハウジング部より突出するスイッチトリガと、前記ステータ巻線に供給する電源電圧を断続するスイッチング素子を有するインバータ回路部と、を有し、前記スイッチトリガの操作により、前記インバータ回路部を介して前記ステータ巻線に通電する電動工具であって、前記スイッチ部と前記インバータ回路部とを一体的に設け、前記スイッチング素子を前記インバータ回路部の基板に面実装したことにある。

本発明の他の特徴は、胴体ハウジング部と、前記胴体ハウジング部より下方に延びるハンドルハウジング部と、を有するハウジングと、前記胴体ハウジング部に収容され、ステータ巻線を有するステータと、前記ステータに対して回転可能なマグネットロータと、を有するブラシレスモータと、前記マグネットロータにより駆動され、前記胴体ハウジング部の前部より突出する先端工具保持部と、前記ハンドルハウジング部に収容され、前記ブラシレスモータへの通電を制御するスイッチ部と、前記スイッチ部に接続され、前記ハンドルハウジング部より突出するスイッチトリガと、前記ステータ巻線に供給する電源電圧を断続するスイッチング素子を有するインバータ回路部と、を有し、前記スイッチトリガの操作により、前記インバータ回路部を介して前記ステータ巻線に通電する電動工具であって、前記スイッチ部の下方に前記インバータ回路部を配置し、前記スイッチング素子を前記インバータ回路部の基板に面実装したことにある。

本発明の他の特徴は、前記スイッチング素子を、ＳｉＣ半導体パワートランジスタで構成したことにある。

上記本発明によれば、インバータ回路基板の半導体パワートランジスタとしてＳｉＣ半導体パワートランジスタを使用するので、電力変換器としてのインバータ回路基板の発熱が低減し、高温動作が可能となる。その結果、ＳｉＣ半導体パワートランジスタと外気（冷却温度）との温度差を大きくできるので、放熱板を排除もしくは放熱板の占有体積を削減できる。また、インバータ回路基板に半導体パワートランジスタを面実装によって搭載することが可能となる。これにより、インバータ回路基板の占有体積（スペース）を削減し、電動工具の全長（Ｌｗ）を短くすることができる。

また、本発明によれば、無駄な電力損失を削減できるので、電池パックの一充電当たりの作業時間を長くすることができる。これにより、作業効率を向上させることが可能となる。

さらに、本発明によれば、胴体ハウジング部に通風口を形成しなくてもよいので、耐水性または防塵性を向上させた電動工具を提供することができる。

本発明の上記および他の目的、ならびに本発明の上記および他の新規な特徴は、本明細書の以下の記述および添付図面から更に明らかにされるであろう。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。また、従来技術と同様な部材については、本発明の理解を容易にするために、従来技術と同一の符号が用いられている。

（第１の実施形態）
図１は、本発明をコードレスタイプのインパクトドライバに適用した場合の電動工具の第１の実施形態を示す構造図（断面図）、図２は、図１に示した電動工具に使用したブラシレス直流モータを駆動するためのインバータ回路基板の正面図（ａ）および側面図（ｂ）、図３は、図２に示したインバータ回路基板に実装されたＳｉＣ半導体パワートランジスタの構造図（断面図）、図４は、図１に示した電動工具におけるブラシレス直流モータの駆動制御回路系を示す機能ブロック図をそれぞれ示す。

最初に、図１を参照して電動工具全体の構成について説明する。電動工具１は、後述するブラシレス直流モータ２の回転軸と同一方向（水平軸方向）に沿って、一端部（図面の左端部）から他端部（図面の右端部）に延在する胴体ハウジング部３ａと、胴体ハウジング部３ａより垂下するハンドルハウジング部３ｂとから構成された工具本体を含み、胴体ハウジング部３ａの他端部に配置された先端工具保持部３２には、図示されていないが、工具本体より回転打撃力を受けて、被加工部材にネジ（締付具）を締付けるドライバビット（先端工具）が着脱自在に挿入される。先端工具としてドライバビットの変わりに、ボルト締付用ビットも装着することができる。すなわち、胴体ハウジング部３ａの一端部側には、駆動源となるブラシレス直流モータ２が装着され、胴体ハウジング部３ａの他端部には、回転打撃力を出力する先端工具保持部３２に先端工具（図示なし）が着脱自在に装着される。

また、胴体ハウジング部３ａの一端部側には、ブラシレス直流モータ２を駆動するためのインバータ回路基板４が装着され、胴体ハウジング部３ａの中間部には、モータ２の回転軸方向に回転力を伝達する減速機構部（動力伝達機構部）２３、および回転打撃力を与えるインパクト機構部２７が装着され、胴体ハウジング部３ａの他端部には、インパクト機構部２７の回転打撃力を先端工具へ伝達するアンビル３１が装着されている。

ハンドルハウジング部３ｂの下端部には、ブラシレス直流モータ２の駆動電源となる電池パック９が着脱可能に装着されている。また、電池パック９の上部には、モータ２のインバータ回路基板４に組込まれたインバータ回路を制御するための制御回路基板８が、紙面を横切る方向に延在するように設けられている。一方、ハンドルハウジング部３ｂの上端部には、スイッチ部６ａを有するスイッチトリガ６が配設され、スイッチトリガ６がバネ力によって付勢された状態でハンドルハウジング部３ｂから突出している。スイッチ部６ａは、スイッチ回路基板７に電気的接続され、スイッチトリガ６の引込み操作量に応答した電気信号をスイッチ回路基板７へ供給する。すなわち、スイッチトリガ６のトリガ押込量は、スイッチ部６ａに形成されたポテンショメータの可動端子（摺動端子）（図示なし）に連動して電圧値に変換されて、後述する印加電圧設定回路１５（図４参照）の設定電圧として演算部２１へ入力される。

電池パック９は、スイッチ回路基板７および制御回路基板８によって構成された、演算機能を含む制御回路装置２２（図４参照）へ駆動電源を供給し、かつインバータ回路基板４によって構成されたインバータ回路部へ駆動電力を供給するように電気的接続されている。電池パック９は、例えば、リチウムイオン二次電池によって構成される。

ブラシレス直流モータ２は、３相ブラシレス直流モータから成る。ブラシレス直流モータ２は、インナーロータ型で、一対のＮ極およびＳ極を含む永久磁石（マグネット）２ｂを埋め込んで構成されたマグネットロータ２ａと、該マグネットロータ２ａの回転位置を検出するために６０°毎に回転子に近接して配置された３つのホールＩＣ（回転位置検出素子）１１、１２、１３（図４参照）と、ホールＩＣ１１、１２、１３の位置検出信号に基づいて電気角１２０°の電流の通電区間に制御されるスター結線されたステータ２ｃの３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ（図４参照）を含むステータ巻線２ｄとから構成される。なお、ブラシレス直流モータ２のロータ２ａの回転位置検出手段（１１、１２、１３）は、本実施形態ではホールＩＣによって電磁結合的に検出するが、ホールＩＣを使用する方式以外に、ステータ巻線２ｄの誘起起電圧（逆起電力）を、フィルタを通して論理信号として取出すことによってロータ位置を検出するセンサレス方式も採用することができる。

ブラシレス直流モータ２の回転出力軸２ｅの回転力は、その回転出力軸２ｅのギアに係合された減速機構部（動力伝達機構部）２３を介して、インパクト機構部２７の一部を構成するスピンドル２９に伝達される。減速機構部２３は、ピニオンギア（サンギア）２６と、ピニオンギア２６およびリングギア２５に噛合う複数の遊星ギア２４とを含み、これらは胴体ハウジング部３ａ内のインナカバー内に組み込まれている。スピンドル２９には、この減速機構部２３によって、ブラシレス直流モータ２の回転に対し減速された回転力が与えられる。

インパクト機構部２７は、減速機構部２３を介して回転力が与えられるスピンドル２９と、スピンドル２９に取付けられ、スピンドル２９の回転軸方向に移動可能に係合し、回転打撃力を与えるハンマ２８と、ハンマ２８による回転打撃力で回転し、先端工具保持部３２を有するアンビル３１とを備える。ハンマ２８およびアンビル３１は、回転平面上の２箇所に互いに対称的に配置された２つのハンマ凸部（打撃部）２８ａおよび２つのアンビル凸部３１ａをそれぞれ有し、該ハンマ凸部２８ａおよびアンビル凸部３１ａは互いに回転方向に噛み合う位置にある。

これら凸部同士２８ａおよび３１ａの噛み合いにより、回転打撃力が伝えられる。さらに、上記ハンマ２８は、スピンドル２９を囲むリング域で、スピンドル２９に対して軸方向に摺動自在にされていると共に、バネ（弾性体部材）３０によって軸方向前方へと付勢されている。ハンマ２８の内周面には、逆Ｖ字型（略三角形）のカム溝２８ｂが設けられている。一方、スピンドル２９の外周面には軸方向にＶ字型のカム溝２９ａが設けられており、このカム溝２９ａとハンマ２８の内周カム溝２８ｂ間に挿入されたボール（鋼球）３３を介してハンマ２８が回転する。

インパクト機構部２７の動作は次のとおりである。被加工物へネジ等の締付具を回転させるための負荷トルクよりもハンマ２８の回転トルクの方が小さいと、モータ２から与えられるスピンドル２９の回転力は、ボール３３を挟持するカム溝２９ａおよびカム溝２８ａを介してハンマ２８に伝達され、スピンドル２９およびハンマ２８を一緒に回転させ始める。スピンドル２９およびハンマ２８は相対的にねじられることになり、ハンマ２８は、スピンドルカム溝２９ａに沿って、バネ３０をねじりながら、図面左方向へ、圧縮しつつ後退し、ハンマ凸部２８ａがアンビル凸部３１ａとの結合から離れた時点から、ハンマ２８はアンビル凸部３１ａの高さを乗り越えると、アンビル３１との噛み合いが解ける。さらにハンマ２８は、バネ３０による付勢とカム溝２９ａによるガイドを受けて、回転しつつ、図面右方向へ前進し、ハンマ凸部（打撃部）２８ａで回転前方のアンビル３１のアンビル凸部３１ａに衝撃トルクを与える。この衝撃トルクは、アンビル３１の先端工具保持部３２に取付けられた、先端工具（例えば、ドライバビット）へ伝わり、さらにドライバビットから締付具ネジに回転衝撃トルクを伝えて、被加工部材へのネジ込みもしくは締付けを行う。再びハンマ凸部２８ａおよびアンビル凸部３１ａが互いに係合することになるので、その後、再びハンマ２８の後退が始まり、上記の打撃動作を繰返すことになる。

インバータ回路基板４は、図２に示すように、配線パターン（図示なし）が形成されたほぼ円形平面形状のプリント基板から成り、そのほぼ円周に沿って、３相交流信号を形成するための６個の半導体スイッチング素子５が実装されている。半導体スイッチング素子５は、本発明に従ってシリコンカーバイド（ＳｉＣ）半導体パワートランジスタから構成されている。

ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５の一例を図３の断面図に示す。ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（パワー絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）から構成され、面実装型のドレイン電極端子５ｄ、ソース電極端子５ｓおよびゲート電極端子５ｇを有する。ドレイン電極端子５ｄ、ソース電極端子５ｓおよびゲート電極端子５ｇは金属基板（例えば、銅および錫の合金）を打ち抜いたリードフレームにより構成し、リードフレームのヘッダー５２上には金属ロウ材５３によりＳｉＣ半導体を基板材料とする半導体チップ５１が固着されている。半導体チップ５１には、図示されていないが、ソース半導体領域と、ドレイン半導体領域と、およびソース・ドレイン間半導体領域表面に絶縁層を介して形成された絶縁ゲート電極とが形成されている。半導体チップ５１の下面側ドレイン半導体領域は、上記ヘッダー５２上に固着され、半導体チップ５１の上面には、アルミニウムの蒸着等の金属層によりソース電極およびゲート電極が形成されている。ソース電極とソース電極端子５ｓ間には、ボールボンディング技術によりボンディングワイヤ５４が電気的接続され、同様に、ゲート電極とゲート電極端子５ｇ間には、ボンディングワイヤ５５が電気的接続されている。ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５の全体は、耐熱性の高い樹脂材料のパッケージ５６により封止されている。

このようなＳｉＣ半導体パワートランジスタ５は、従来一般に使用されていたシリコン（Ｓｉ）半導体パワートランジスタに比較して、電力損失を低減でき、さらに高温で動作が可能である。このため、ＳｉＣ半導体パワートランジスタを用いたインバータ回路基板では、Ｓｉ半導体パワーデバイスを用いる場合に比較して、発熱を低減し、かつ高温動作を可能とする。すなわち、ＳｉＣ半導体パワートランジスタの動作半導体領域（活性領域）からそのパッケージの周辺外気までの温度差、すなわち、熱抵抗を大きくしてもＳｉＣ半導体パワートランジスタのスイッチング動作が可能であり、これにより、インバータ回路基板におけるヒートシンク等の冷却装置の占有体積（占有スペース）を低減させることができる。

図３に示す例によれば、ヒートシンクの機能を有するヘッダー（ドレイン電極）５２を樹脂材料の樹脂パッケージ５６により絶縁し、特別な他のヒートシンクの取付けを省略し、面実装を可能としている。また、ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５自体の寸法ＴｘまたはＴｙも小さくできるので、図２に示すインバータ回路基板４におけるＳｉＣ半導体パワーデバイス５の占有面積を少なくできるとともに、面実装によってＳｉＣ半導体パワートランジスタ５の実装高さＴｈを小さくし、ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５を実装したときのインバータ回路基板４の占有体積を低減させることができる。従って、図１に示すように、インバータ回路基板４が装着される胴体ハウジング部３ａの左端部の寸法Ｌｅを低減することができ、結果的に、本実施態様に係る電動工具１の全長Ｌｗを、図１０に示すような従来の電動工具１００の全長Ｌｗに比べ、より低減させることができる。

なお、本実施形態では、胴体ハウジング部３ａの端部において、インバータ回路基板４に実装されたＳｉＣ半導体パワートランジスタ５およびブラシレス直流モータ２のステータ２ｃをより効率よく冷却するために、冷却風を取り込むための吸気口（通風口）３ｃおよび通風路３ｄおよび冷却ファン３ｅが設けられている。また、図示されていないが、冷却ファン３ｅの近傍の胴体ハウジング部３ａには冷却風の排気口（通風口）が形成されている。

次に、電動工具１の回路構成について図４を参照して説明する。

ブラシレス直流モータ２は、上述したように、３相ブラシレス直流モータから成る。インバータ部４は、上述したインバータ回路基板４によって構成され、３相ブリッジ形式に接続されたＳｉＣ半導体パワーデバイス５である６個のパワーＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６と、ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の各ソース−ドレイン間に内蔵されて並列接続されたフリーホイールダイオード（図示なし）とから構成される。ブリッジ接続された６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の各ゲートは、制御信号出力回路１４に接続され、また、６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のドレインまたはソースはスター結線されたステータ巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６は、制御信号出力回路１４から入力されたスイッチング駆動信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作を行い、インバータ回路部４に印加される電池パック９の直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、ステータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。

制御回路装置２２は、制御信号出力回路１４に制御信号を出力するために設けられたもので、図１に示したスイッチ回路基板７および制御回路基板８の回路装置を含む。機能的には処理プログラムとデータに基づいて制御信号出力回路１４へ駆動信号を出力するための演算部２１と、上記３つのホールＩＣ１１、１２、１３の出力信号に基づいてロータ２ａとステータ２ｃのステータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの関係位置を検出し、演算部２１へ通常のロータ２ａの位置情報を出力する回転子位置検出部１７と、回転子位置検出回路１７の検出信号に基づいて回転数を検出する回転数検出回路１８と、インバータ部４の半導体スイッチング素子５の温度上昇を感熱素子２０ａによって測定し、その測定信号を演算部２１へ出力する温度上昇測定回路２０と、モータ２の駆動電流を常に検出して、その情報を演算部２１に出力する電流検出回路１９と、上記したスイッチトリガ６のトリガ押込量に応答してスイッチ部６ａにおいて発生する出力制御信号に対応するＰＷＭ信号のデューティ比を設定するための印加電圧設定回路１５と、モータ２の正逆切替レバー１０（図１参照）による正方向回転または逆方向回転の操作を検出してモータ２の回転方向を設定するための回転方向設定回路１６と、から構成されている。

制御回路装置２２は、６個のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の各ゲートを駆動するスイッチング駆動信号（３相信号）のうち、３個の負電源側ＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５、Ｑ６をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６として供給し、スイッチトリガ６（図１参照）のトリガ操作に応答する印加電圧設定回路１５の出力信号に基づいて、ＰＷＭ信号のパルス幅のデューティ比を変化させることによりモータ２への電力を調整し、モータの起動および速度を制御する。なお、ＰＷＭ信号は、３個の負電源側ＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５、Ｑ６に供給する代わりに、正電源側ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３のインバータ駆動信号Ｈ１〜Ｈ３をＰＷＭ信号として形成しても、結果的に、電池パック９の直流電圧から各ステータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ供給する印加電圧を制御することができる。この場合、制御信号出力回路１４は、回転方向設定回路１６によって正方向回転（正転）または逆方向回転（逆転）に設定され、設定された後において、回転子位置検出回路１７の位置検出信号、回転数検出回路１８の検出信号、電流検出回路１９の出力信号、印加電圧設定回路１５の出力信号に基づいて、所定のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６を交互にスイッチングするための駆動信号Ｈ１〜Ｈ６をインバータ部４へ出力する。この場合、ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６は、上述したようにＳｉＣ半導体パワートランジスタによって構成されるので、電力損失が少なくなり、発熱も低減することになる。

このような実施形態によれば、インバータ回路基板４に実装される半導体スイッチング素子５は、ＳｉＣ半導体パワートランジスタを使用するので、インバータ回路基板４によってブラシレス直流モータ２のステータ巻線２ｃに所望の電力を供給しても、半導体スイッチング素子５における電力損失を低減し、かつ半導体スイッチング素子５の高温動作も可能となるので発熱をより低減することができる。従って、インバータ回路基板４における半導体スイッチング素子５の占有体積または冷却装置の占有体積を低減することが可能となり、インバータ回路基板４全体の高さを軽減することができる。この結果、電動工具１の端部寸法Ｌｅを短縮することができる。

（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態に係る電動工具の構造図を示す。第２の実施形態が上記第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態では、図１に示したように、特に、吸気口（通風口）３ｃおよび冷却ファン３ｅを胴体ハウジング部３ａに設けたが、この第２の実施形態では、図５に示すように、これらの吸気口（通風口）３ｃおよび冷却ファン３ｅを設けないようにしたものである。これらを省略できる理由は、ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５の電力損失が少なく、また、その高温動作が可能であるためである。この第２の実施形態では、吸気口および冷却ファンを省略できるので、電動工具１の全長Ｌｗをさらに短縮でき、上記第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。また、胴体ハウジング部３ａの端部Ｌｅにおいて吸気口３ｃを省略したので、インバータ回路基板４または半導体スイッチング素子５、およびブラシレス直流モータ２に対する雨水等の水分または塵埃の浸入を低減し、耐水性および防塵性を向上させることができる。

（第３の実施形態）
図６は第３の実施形態に係る電動工具の構造図を示す。第３の実施形態が上記第２の実施形態と異なる点は、ブラシレス直流モータ２のステータ２ｃの外周部に胴体ハウジング部３ａから突出するリブ３ｇを形成し、通風路３ｄをステータ２ｃの外周面に沿って形成し、さらに胴体ハウジング部３ａの円周部に複数の通風口（吸気口または排気口）３ｆを形成したものである。この場合も、上記第１の実施態様および上記第２の実施態様と同様に、胴体ハウジング部３ａの全長の短縮化、耐水性および防塵性の向上を図ることができる。

（第４の実施形態）
図７および図８は第４の実施形態に係る電動工具の構造図を示す。上記第１の実施形態と大きく異なる点は、上記第１の実施形態で説明したインバータ回路部を形成するＳｉＣ半導体パワートランジスタ５は、インバータ回路基板４に実装しないで、スイッチ回路基板７に他の回路素子と共通に実装し、スイッチ回路基板７の一部にインバータ回路部（インバータ回路基板）を形成したものである。図８は、図７に示した第４の実施形態で使用されるスイッチ回路基板７の平面図を示す。ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５は、スイッチ回路７に対して面実装され、インバータ回路を構成する。この実施形態によれば、上記第１の実施形態におけるインバータ回路基板４は、パワートランジスタ５を含むインバータ回路の形成を必要としないので、単にブラシレス直流モータ２に対する防塵壁部として機能すればよい。その結果、電動工具１の端部の寸法Ｌｅを短縮することができ、上記第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図９は第５の実施形態に係る電動工具の制御回路基板８の平面図である。第５の実施形態が上記第４の実施形態と異なる点は、ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５は、スイッチ回路基板７に実装しないで、制御回路基板８に他の回路素子と共通に実装し、制御回路基板８の一部にインバータ回路部を形成したものである。ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５は、制御回路基板８に対して面実装される。インバータ回路基板４は、上記第４の実施態様の場合と同様に、単にブラシレス直流モータ２に対する防塵壁部として機能すればよいので、半導体スイッチング素子５を実装する必要がない。その結果、電動工具１の端部の寸法Ｌｅを短縮することができ、上記第４の実施形態と同様な効果を得ることができる。

以上の実施形態の説明から明らかにされるように、本発明によれば、ＳｉＣ半導体パワートランジスタ５をブラシレス直流モータのインバータ回路に採用することにより、電動工具のハウジングをコンパクトにし、かつ電力損失を軽減して電池パックの一充電当たりの使用効率を向上させることができる。さらに、胴体ハウジング部の吸気口もしくは通風口を低減できるので、耐水性または防塵性に優れた電動工具も提供することができる。

なお、以上の実施形態では、ＳｉＣ半導体パワートランジスタは、面実装型のパッケージについて説明したが、回路基板に対して垂直状態に実装する差込実装型（自立実装型）のパッケージを使用した構造でも、差込高さ寸法を低減できるので、同様な効果を得ることができる。また、ドレイン等の放熱を兼ねる電極は、パッケージから露出させたパッケージ構造としてもよい。さらに、適用できるスイッチング用パワートランジスタの種類は、上記ＭＯＳＦＥＴ以外に、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）、ベース領域を有するバイポーラ・トランジスタ等のバワートランジスタに適用することができる。一方、ＳｉＣ半導体パワートランジスタは、３相インバータ回路基板を使用する電動工具について説明したが、３相以外のインバータ回路またはモータ制御回路を使用する電動工具についても適用することができる。

さらに、本発明は、インパクトドライバに限らず、電動ドリル等の電動回転工具に適用し、上述した実施態様と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る電動工具の全体構造図。図１に示した電動工具のインバータ回路基板を示す構造図。図１に示した電動工具のインバータ回路基板に実装されるＳｉＣ半導体パワートランジスタの構造図。図１に示した電動工具のブラシレス直流モータを制御する機能ブロック図。本発明の第２の実施形態に係る電動工具の全体構造図。本発明の第３の実施形態に係る電動工具の全体構造図。本発明の第４の実施形態に係る電動工具の全体構造図。図７に示した電動工具のスイッチ回路基板を示す構造図。本発明の第５の実施形態に係る電動工具の制御回路基板を示す構造図。本発明の検討段階での電動工具の全体構造図。

符号の説明

１：電動工具（インパクトドライバ）２：ブラシレス直流モータ
２ａ：ロータ２ｂ：永久磁石２ｃ：ステータ２ｄ：ステータ巻線
２ｅ：回転出力軸３ａ：胴体ハウジング部３ｂ：ハンドルハウジング部
３ｃ：吸気口（通風口）３ｄ：通風路３ｅ：冷却ファン
３ｆ：通風口３ｇ：リブ４：インバータ回路基板
５：半導体スイッチング素子（ＳｉＣ半導体パワートランジスタ）
５ｄ：ドレイン電極端子５ｇ：ゲート電極端子５ｒ：ヒートシンク
５ｓ：ソース電極端子６：スイッチトリガ６ａ：スイッチ部
７：スイッチ回路基板８：制御回路基板９：電池パック
１０：正逆切替レバー１１、１２、１３：ホールＩＣ（回転位置検出素子）
１４：制御信号出力回路１５：印加電圧設定回路１６：回転方向設定回路
１７：回転子位置検出回路１８：回転数検出回路１９：電流検出回路
２０：温度上昇測定回路２０ａ：感熱素子２１：演算部
２２：制御回路装置２３：減速機構部（動力伝達機構部）２４：遊星ギア
２５：リングギア２６：ピニオンギア２７：インパクト機構部
２８：ハンマ２８ａ：ハンマ凸部２８ｂ：ハンマ内周面のカム溝
２９：スピンドル２９ａ：スピンドル外周面のカム溝３０：バネ
３１：アンビル３１ａ：アンビル凸部３２：先端工具保持部
３３：ボール（鋼球）５１：半導体チップ５２：ヘッダー
５３：金属ロウ材５４、５５：ボンディングワイヤ５６：樹脂パッケージ
１００：電動工具（従来技術）

Claims

胴体ハウジング部と、前記胴体ハウジング部より下方に延びるハンドルハウジング部と、を有するハウジングと、
前記胴体ハウジング部に収容され、ステータ巻線を有するステータと、前記ステータに対して回転可能なマグネットロータと、を有するブラシレスモータと、
前記マグネットロータにより駆動され、前記胴体ハウジング部の前部より突出する先端工具保持部と、
前記ハンドルハウジング部に収容され、前記ブラシレスモータへの通電を制御するスイッチ部と、
前記スイッチ部に接続され、前記ハンドルハウジング部より突出するスイッチトリガと、
前記ステータ巻線に供給する電源電圧を断続するスイッチング素子を有するインバータ回路部と、を有し、
前記スイッチトリガの操作により、前記インバータ回路部を介して前記ステータ巻線に通電する電動工具であって、
前記スイッチ部と前記インバータ回路部とを一体的に設け、
前記スイッチング素子を前記インバータ回路部の基板に面実装したことを特徴とする電動工具。
胴体ハウジング部と、前記胴体ハウジング部より下方に延びるハンドルハウジング部と、を有するハウジングと、
前記胴体ハウジング部に収容され、ステータ巻線を有するステータと、前記ステータに対して回転可能なマグネットロータと、を有するブラシレスモータと、
前記マグネットロータにより駆動され、前記胴体ハウジング部の前部より突出する先端工具保持部と、
前記ハンドルハウジング部に収容され、前記ブラシレスモータへの通電を制御するスイッチ部と、
前記スイッチ部に接続され、前記ハンドルハウジング部より突出するスイッチトリガと、
前記ステータ巻線に供給する電源電圧を断続するスイッチング素子を有するインバータ回路部と、を有し、
前記スイッチトリガの操作により、前記インバータ回路部を介して前記ステータ巻線に通電する電動工具であって、
前記スイッチ部の下方に前記インバータ回路部を配置し、
前記スイッチング素子を前記インバータ回路部の基板に面実装したことを特徴とする電動工具。
前記スイッチング素子は、ＳｉＣ半導体パワートランジスタであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動工具。