(57)【要約】所要の目標性能に対する最適化を図り、作業性の良好なサイズの電動工具を提供するため、ブラシレスモータ２の回転力を打撃力に変換し先端工具に打撃力を与える回転打撃機構部１９を備え、所要のモータ２の定格入力が１０００〜１３００（Ｗ）で、かつ定速度制御モータ回転数が１６８００±１０％（min−１）である電動工具において、モータ２に関する変数Ｋｕを下記式（１）で定義し、Ｋｕ＝{（ステータコア外径）２×（ステータコア積厚）×（総ティース幅）×（ロータ外径）}÷{（定格入力）×（定速度制御モータ回転数）}  …（１）（但し、ステータコア外径はｍｍ表示による数値、ステータコア積厚はｍｍ表示による数値、総ティース幅はｍｍ表示による数値、ロータ外径はｍｍ表示による数値、定格入力はＷ表示による数値、モータ回転数はmin−１表示による数値）前記モータ２のＫｕ値を１４.６ ≦ Ｋｕ ≦ ２１.８に設定する。
2015182509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアのティースにステータコイルを巻回したステータと、前記ステータの内周側に回転自在に支持されるロータとを有するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転力を打撃力に変換し先端工具に前記打撃力を与える回転打撃機構部と、を備え、前記ブラシレスモータの定格入力が１０００〜１３００（Ｗ）で、かつ定速度制御モータ回転数が１６８００±１０％（min−１）の電動工具において、前記ブラシレスモータに関する変数Ｋｕを下記式（１）で定義したとき、
Ｋｕ＝{（ステータコア外径）２×（ステータコア積厚）×（総ティース幅）×（ロータ外径）}÷{（定格入力）×（定速度制御モータ回転数）}  …（１）
（但し、ステータコア外径はｍｍ表示による数値、ステータコア積厚はｍｍ表示による数値、総ティース幅はｍｍ表示による数値、ロータ外径はｍｍ表示による数値、定格入力はＷ表示による数値、モータ回転数はmin−１表示による数値）
前記ブラシレスモータのＫｕ値が１４.６ ≦ Ｋｕ ≦ ２１.８であることを特徴とする電動工具。
【請求項２】
前記ロータは板状磁石を有することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
【請求項３】
前記ステータコアは６個のスロットを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
【請求項４】
ステータコアのティースにステータコイルを巻回したステータと、前記ステータの内周側に回転自在に支持されるロータとを有するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転力を工具保持部材に伝達する伝達部と、を備え、前記ブラシレスモータの定格入力が１０００〜１３００（Ｗ）で、かつ定速度制御モータ回転数が１６８００±１０％（min−１）の電動工具において、前記ブラシレスモータに関する変数Ｋｕを下記式（１）で定義したとき、
Ｋｕ＝{（ステータコア外径）２×（ステータコア積厚）×（総ティース幅）×（ロータ外径）}÷{（定格入力）×（定速度制御モータ回転数）}  …（１）
（但し、ステータコア外径はｍｍ表示による数値、ステータコア積厚はｍｍ表示による数値、総ティース幅はｍｍ表示による数値、ロータ外径はｍｍ表示による数値、定格入力はＷ表示による数値、モータ回転数はmin−１表示による数値）
前記ブラシレスモータのＫｕ値が１４.６ ≦ Ｋｕ ≦ ２１.８であることを特徴とする電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハンマドリル、インパクトドライバ、インパクトレンチ等のブラシレスモータを駆動源とした電動工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハンマドリル等の電動工具、特に電動打撃工具は複雑で部品点数の多い機械部を有しており、機械部の性能を１００％引き出すためには、機械部とモータ性能とのマッチングが重要である。【０００３】
例えば、機械部とモータ性能を確実にマッチングさせるため、電子制御によるモータ回転数制御によって、実作業時の狙いとするモータ回転数のバラツキは±数％に抑えられている。その他、過酷な作業を連続して行えるように製品の定格入力（Ｗ）等も重要な項目で、目標値によってモータ巻線、モータコア積厚等を変更していた。【０００４】
モータコア形状に関しては、様々な製品で平均的な性能を発揮できる標準的なモータコアが採用されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２５９５１３号公報
【０００６】
特許文献１では、目標とする性能の具体的数値を述べることなく、モータコア形状の最適化について記載してある。しかし、モータを搭載する製品の目標性能（回転数、トルク、定格入力、コスト等）の値によって、最適化されたときのモータコア形状は異なってくる。例えば、高回転のモータを目標に最適化する場合は、遠心力に耐えれるようにロータ外径を小さくしたほうが良い。また、高トルクが必要の場合は、モータ高速化とは逆にロータ外径を大きくして大きな磁石を設置しなければならない。その他、高い定格入力が必要な場合は、太い線径のステータコイルを巻いて電気抵抗を減らすためにスロットの大きなステータコアが必要となる。さらに、コストを下げる場合には、ロータに設置する磁石の体積を小さくし、ロータコアの体積を増加させる。【０００７】
このため、電動工具の目標性能を設定せずに形状を決めた特許文献１のモータコア形状は、電動工具、特に電動打撃工具にとって最適な形状ではないという課題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、所要の目標性能に対する最適化を図り、作業性の良好なサイズの電動工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は電動工具である。この電動工具は電動打撃工具を含み、ステータコアのティースにステータコイルを巻回したステータと、前記ステータの内周側に回転自在に支持されるロータとを有するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転力を打撃力に変換し先端工具に前記打撃力を与える回転打撃機構部とを備え、前記ブラシレスモータの定格入力が１０００〜１３００（Ｗ）で、かつ定速度制御モータ回転数が１６８００±１０％（min−１）である場合において、前記ブラシレスモータに関する変数Ｋｕを下記式（１）で定義したとき、
Ｋｕ＝{（ステータコア外径）２×（ステータコア積厚）×（総ティース幅）×（ロータ外径）}÷{（定格入力）×（定速度制御モータ回転数）}  …（１）
（但し、ステータコア外径はｍｍ表示による数値、ステータコア積厚はｍｍ表示による数値、総ティース幅はｍｍ表示による数値、ロータ外径はｍｍ表示による数値、定格入力はＷ表示による数値、モータ回転数はmin−１表示による数値）
前記ブラシレスモータのＫｕ値が１４.６ ≦ Ｋｕ ≦ ２１.８であることを特徴とする。【００１０】
前記態様において、前記ロータは板状磁石を有するとよい。【００１１】
前記態様において、前記ステータコアは６個のスロットを有するとよい。【００１２】
本発明のもう一つの態様も電動工具である。この電動工具は、ステータコアのティースにステータコイルを巻回したステータと、前記ステータの内周側に回転自在に支持されるロータとを有するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転力を工具保持部材に伝達する伝達部と、を備え、前記ブラシレスモータの定格入力が１０００〜１３００（Ｗ）で、かつ定速度制御モータ回転数が１６８００±１０％（min−１）の電動工具において、前記ブラシレスモータに関する変数Ｋｕを下記式（１）で定義したとき、
Ｋｕ＝{（ステータコア外径）２×（ステータコア積厚）×（総ティース幅）×（ロータ外径）}÷{（定格入力）×（定速度制御モータ回転数）}  …（１）
（但し、ステータコア外径はｍｍ表示による数値、ステータコア積厚はｍｍ表示による数値、総ティース幅はｍｍ表示による数値、ロータ外径はｍｍ表示による数値、定格入力はＷ表示による数値、モータ回転数はmin−１表示による数値）
前記ブラシレスモータのＫｕ値が１４.６ ≦ Ｋｕ ≦ ２１.８であることを特徴とする。【００１３】
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等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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、作業性を損なわないモータサイズで、所要の目標性能、つまり定格入力１０００〜１３００（Ｗ）、かつ定速度制御モータ回転数１６８００±１０％（min−１）を達成可能な電動工具を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る電動工具の実施の形態であって、電動打撃工具としてのハンマドリルを示す側断面図。
【図２】実施の形態における、ブラシレスモータの横断面図。
【図３】実施の形態における、前記モータの縦断面図。
【図４】実施の形態における、ステータコアの横断面図。
【図５】実施の形態における、ロータの横断面図。
【図６】実施の形態における、モータ回転数と電源電流の関係を示すグラフ。
【図７】実施の形態における、ハンマドリルに最適化するためのモータ寸法の一覧表。
【図８】実施の形態における、ハンマドリルに最適化するためのステータコイルと変数Ｋｕの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、処理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。
【００１７】
本発明に係る電動工具の実施の形態として、電動打撃工具であるハンマドリルに適用した場合を説明する。
【００１８】
図１に示すように、ハンマドリル１は、ハウジング１７内に収納された駆動源としてのブラシレスモータ２と、ブラシレスモータ２の回転力を打撃力に変換し工具保持部材１６に装着されたドリル等の先端工具（図示せず）に前記打撃力を与える回転打撃機構部１９と、ブラシレスモータ２を動作させる制御回路を搭載した制御基板１８とを備えている。
【００１９】
制御基板１８はブラシレスモータ２の側方に配置され、ハウジング１７内に収納されている。
【００２０】
回転打撃機構部１９は、打撃部（第１歯車４、クランクシャフト６、コンロッド７、ピストンピン８、ピストン９、打撃子１０及び中間子１１を含む）と、回転伝達機構（第２歯車１２、第３歯車１４、シリンダ１５及び工具保持部材１６を含む）とを備える。ピストン９、打撃子１０及び中間子１１はシリンダ１５内に摺動自在に配設され、シリンダ１５内を往復動する。
【００２１】
ハンマドリル１は、ブラシレスモータ２の回転により駆動される駆動軸３の回転を、第１歯車４を介して偏心ピン５を有するクランクシャフト６に伝達し、偏心ピン５に回転自在に取り付けられたコンロッド７とピストンピン８を介してピストン９を往復動させ、ピストン９と打撃子１０との間に介在する空気バネを介して打撃子１０を往復動させ、打撃子１０の略中心が中間子１１介して先端工具に打撃を与える打撃動作と、駆動軸３の回転を第２歯車１２を介して歯部１３aを有する中間軸１３に伝達し、さらに歯部１３aと噛み合う第３歯車１４を介してシリンダ１５が回転するように伝達し、工具保持部材１６を回転させることで先端工具に回転を与える回転動作とを行うことができる構成をしている。
【００２２】
図２は、ブラシレスモータ２の横断面、図３は同じく側断面を示す。これらの図において、ブラシレスモータ２は、図１のハウジング１７に固定される固定部にステータ２０、ハウジング１７でステータ２０の内周側に回転自在に支持される回転部にロータ３０を有する。
【００２３】
ステータ２０は電磁鋼板を積層したステータコア２１を有し、図４に示すようにステータコア２１は円周方向に磁束を流すためのヨーク２２と、径方向に磁束を流すために円周方向に並んだ６個のティース２３を有する。隣り合うティース２３間はスロット２６となっており、ティース２３の一つ一つには、電気絶縁と傷つき防止を兼ねる樹脂製のインシュレータ２４を介してステータコイル２５が巻回されている。
【００２４】
ロータ３０は、図５に示すようにロータコア３１を有し、ロータコア３１が有する４つの隙間（スリット穴）３２には板状の磁石３３が合計四枚設置されている。板状磁石３３は幅広面の一方がＮ極、他方がＳ極となるように着磁されている。ロータコア３１中央部を、駆動軸３が貫通し、ロータコア３１と一体に回転するように固定されている。
【００２５】
図３の側断面に示すように、ロータコア３１両端には、ロータ３０の重量バランスをとるために、金属製のバランスリング３５が設けられている。積層されたステータコア２１の両端からはステータコイル２５がコイルエンド２５ａとして飛び出しており、このコイルエンド２５ａとステータコア２１の間には、インシュレータ２７が設置されている。積層されたステータコア２１の幅をステータコア積厚Ｔｓと定義する。
【００２６】
図４でステータコア外径Ｒｓと、ティース幅Ｑｔを示す。ステータコア外径Ｒｓとはヨーク２２外周部の直径である。総ティース幅Ｑとは、「総ティース幅 ＝ ティース幅 × ティース数」と定義する。本実施の形態における数値の一例では、総ティース幅Ｑは１０ｍｍ ×６ ＝ ６０ｍｍ となる。
【００２７】
図５でロータ外径Ｒｒを示す。ロータ外径Ｒｒとはロータ外周部の直径を示す。
【００２８】
図６で、本実施の形態のハンマドリルに用いられるブラシレスモータ２のモータ特性を示す。ハンマドリル用のブラシレスモータ２は、図１の回転打撃機構部１９とのマッチングを精度良く行うため、作業時にモータ２へ負荷が加わっても目標回転数で回転するように制御回路によって定速度制御が行われている。回転打撃機構部は複数の部品が複雑に動作して構成されているため、モータ回転数が目標値からはずれてしまうと、打撃性能が低下する。定速度制御の方式としては、モータ回転数をフィードバックしながら電源電圧をデューティー制御する方式が一般的である。
【００２９】
図７は、４０ｍｍクラスのハンマドリルに対応するモータの目標性能を定格入力１１５０Ｗ、定速度制御時のモータ回転数１６８００min−１（ＲＰＭ）として、各ステータコア外径Ｒｓ毎に製品に設置可能なステータコア積厚Ｔｓを決定し（外径Ｒｓが異なってもステータコアが同じ体積となるように決定し）、さらにステータコイル抵抗が最も低くなるように総ティース幅Ｑ、ロータ外径Ｒｒを導出したものである（検討１〜検討９）。検討１〜検討９の寸法から以下の式（１）で定義される変数Ｋｕを計算する。
Ｋｕ＝{（ステータコア外径）２×（ステータコア積厚）×（総ティース幅）×（ロータ外径）}÷{（定格入力）×（定速度制御モータ回転数）}  …（１）
（但し、ステータコア外径はｍｍ表示による数値、ステータコア積厚はｍｍ表示による数値、総ティース幅はｍｍ表示による数値、ロータ外径はｍｍ表示による数値、定格入力はＷ表示による数値、モータ回転数はmin−１（ＲＰＭ）表示による数値）
【００３０】
そして、図８に示すように横軸にＫｕ、縦軸にステータコイル抵抗のグラフを描くと、前記ブラシレスモータのＫｕ値が１４.６ ≦ Ｋｕ ≦ ２１.８の範囲（図７の検討４〜検討６の範囲）で、ステータコイル抵抗を最も低減できることがわかる。ステータコイル抵抗を低減すると、銅損が低減して温度上昇も低減するので、定格入力１１５０Ｗを達成しやすい。さらに、モータ効率も向上するのでモータ回転数が増加し、モータ回転数１６８００min−１達成も容易となる。また、磁気的にも最適に設計され、ロータ外径Ｒｒも適度な大きさであるため、ロータ３０にコストの安い板状磁石３３を設置すると、高性能とコスト低減を両立できる。また、ステータコア外径Ｒｓ及びステータコア積厚Ｔｓも適度な大きさ、すなわち図１のハウジング１７の寸法を大きくすることなくブラシレスモータ２を収容できる寸法となるため、ハウジング１７のモータ収容部分の寸法を大きくする必要もない。
【００３１】
そして、このＫｕ値を満たすステータ２０とロータ３０の外径比の時、ステータコア２１のスロット数を６個にすると、太い線径のステータコイル２５を巻き易くなるため、最もステータコイル抵抗を低減できる。その理由としては、ステータスロット数が少なすぎると、１スロットに巻くコイル巻数が多くなることから、整列巻が困難になり、太い線径のステータコイル２５を巻けないためである。また、ステータスロット数が多くなると、巻線作業に際して各スロット２６にコイル巻線器を挿入する隙間も多く設ける必要があるため、ステータコイル２５を巻く隙間が減ってしまい太い線径のステータコイル２５を巻けないためである。
【００３２】
なお、図７の一覧表は、定格入力１１５０Ｗ、定速度制御時のモータ回転数１６８００min−１として検討１〜検討９の数値を得ているが、定格入力１０００〜１３００（Ｗ）、かつ定速度制御モータ回転数１６８００±１０％（min−１）とした場合も、同様のＫｕ値の範囲を採用することが可能である。
【００３３】
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。
【００３４】
（1） 作業性を損なわないブラシレスモータ２のサイズで、所要の目標性能、つまり定格入力１０００〜１３００（Ｗ）、かつ定速度制御モータ回転数１６８００±１０％（min−１）を達成可能な電動打撃工具を実現できる。
【００３５】
（2） ステータコイル抵抗が最も低くなるようにブラシレスモータ２を設計できることから、使用時の銅損を低減するとともに温度上昇も低減可能である。さらに、モータ効率も向上する。
【００３６】
（3） ロータ外径Ｒｒは３１.０〜３７.８ｍｍの範囲であり、適度な大きさであるため、ロータ３０にコストの安い板状磁石３３を設置すると、高性能とコスト低減を両立できる。
【００３７】
（4） ステータコア２１のスロット数を６個にすると、太い線径のステータコイル２５を巻回可能となり、ステータコイル抵抗の低減がいっそう図れる。
【００３８】
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。
【００３９】
上記実施の形態では、ロータとして板状磁石をロータコアの隙間に挿入したものを使用したが、外周面にＮ極とＳ極を交互に形成した円筒状磁石を用いたロータであっても差し支えない。
【００４０】
また、上記実施の形態では、ハンマドリルを例示したが、本発明は、打撃と回転を併用するインパクトドライバ、インパクトレンチ等のブラシレスモータを駆動源とした電動打撃工具や、打撃機構を持たないドライバドリル等の電動工具にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１…ハンマドリル、２…ブラシレスモータ、３…駆動軸、４…第１歯車、５…偏心ピン、６…クランクシャフト、７…コンロッド、８…ピストンピン、９…ピストン、１０…打撃子、１１…中間子、１２…第２歯車、１３…中間軸、１３ａ…歯部、１４…第３歯車、１５…シリンダ、１６…工具保持部材、１７…ハウジング、１８…制御基板、１９…回転打撃機構部、２０…ステータ、２１…ステータコア、２２…ヨーク、２３…ティース２４，２７…インシュレータ、２５…ステータコイル、２５ａ…コイルエンド、２６…スロット、３０…ロータ、３１…ロータコア、３２…隙間、３３…磁石、３５…バランスリング、Ｔｓ…ステータコア積厚、Ｒｓ…ステータコア外径、Ｑｔ…ティース幅、Ｒｒ…ロータコア外径
【図１】
2015182509.tif 000003
【図２】
2015182509.tif 000004
【図３】
2015182509.tif 000005
【図４】
2015182509.tif 000006
【図５】
2015182509.tif 000007
【図６】
2015182509.tif 000008
【図７】
2015182509.tif 000009
【図８】
2015182509.tif 000010
【国際調査報告】
2015182509.tif 000011
2015182509.tif 000012
2015182509.tif 000013