直流電動工具用的變速控制開關的製作方法

2023-05-26 14:48:31

專利名稱：直流電動工具用的變速控制開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及直流電動機用的變速控制器，尤其是涉及這樣的控制器，即對由一電動機驅動的手持式蓄電池型電動工具的操作進行控制。
諸如電鑽和幹砌牆用改錐之類的手持式電動工具都使用一直流(DC)電動機，以便驅動一個或者用於鑽孔或用於使一螺絲旋轉的刀頭旋轉。這些電動工具通常都具有手槍形手柄，並帶有一個由該工具使用者進行手動控制的觸發器，並且該電動機的速度藉助於使用者按壓該觸發器的程度進行控制。這樣就可使該鑽頭或改錐刀頭的速度隨該工具的具體應用而變化。例如，可將一鑽頭的速度控制得適應於被鑽孔的材料的硬度要求；即材料越硬，鑽頭的轉速就越慢。
由彈性偏壓作用使其處於斷開位置的觸發器通過機械連接連接到一開關上，當使用者按壓該觸發器並使其偏離斷開位置時，該開關閉合。該觸發器也可通過機械連接連接到一速度控制電路中的一電位計的一電刷上，並且該電位計的電阻隨觸發器的運動改變。藉助於調製施加到該電動機上的電流的脈衝寬度，該控制電路之一可對電位計的電阻變化作出適當的響應。即，該電流是以脈衝形式施加的。各脈衝具有不同的工作循環以便控制電動機速度。工作循環越大，電流脈衝越長，且電動機工作越快。
該觸發器操作該速度控制開關的幾個觸點，並且希望在對該工具的速度提供平穩的控制的同時，使該開關結構較緊湊，成本較合理。
本發明的主要目的是提供一種由一直流電動機驅動的一手持式電動工具用的變速控制電路。
本發明的另一目的是提供一種變速控制電路用的、緊湊的、多功能開關。
本發明進一步的目的是提供一種具有一單一的可動觸點的開關，該可動觸點隨後就與用於不同的電動機工作方式的一組靜止觸點連接。
這些目的及其它目的可由一個包含一個帶有一系列靜止觸點的功能開關的控制電路實現。設置一個第一蓄電池觸點以便與一蓄電池的第一接線端相連。一速度控制觸點與該第一蓄電池觸點鄰接，並且意欲藉助於一個固體狀態的開關裝置與該電動機的第一接線端連接。一旁通觸點與該速度控制觸點鄰接，並且意欲與該電動機的第一接線端連接，從而對該固體狀態的開關裝置進行旁通。該功能開關還包括一個與該旁通觸點鄰接並用於與第二蓄電池的第二接線端連接的第二蓄電池觸點。當沿一個方向運動時，一可動觸點隨後將該第一蓄電池觸點與該旁通觸點相連，然後將該速度控制觸點與該第二蓄電池觸點相連，再後將該旁通觸點與第二蓄電池觸點相連。
在本發明的優化實施例中，該第一蓄電池觸點，速度控制觸點，旁通觸點及第二蓄電池觸點是沿一條線設置的。該實施例也具有設置於該第一蓄電池觸點和速度控制觸點之間的，和該旁通觸點和該第二蓄電池觸點之間的由電絕緣材料製成的多個肋。該些肋使各觸點分開，從而防止該可動觸點與該些分開的觸點同時產生接觸，這種同時接觸會造成短路。


圖1是一個根據本發明用於一蓄電池型電動工具的變速控制器的等軸投影圖；圖2是該變速控制器外殼的一部分被去除時的一側視圖；圖3是該變速控制器的印刷電路板被去除時的一側視圖；圖4是該變速控制器外殼的另一部分被去除時的另一側的側視圖；圖5是沿圖2中5-5線剖取的剖視圖；圖6是該蓄電池型電動工具的電路的示意圖。
首先參見圖1，一直流電動機驅動的電動工具用速度控制器10具有一個由諸如塑料之類的電絕緣材料製成的外殼12。一個觸發器14依靠一軸16從該外殼中伸出，該軸16是可運動的，並可通過一個孔進入該外殼或從該外殼中出來。在該觸發器14上是一個方向控制杆18，該杆18可繞樞軸轉動並延伸通過該外殼12的另一孔。藉助於使該方向控制杆18樞轉，電動工具的使用者可確定該電動工具的電動機是正轉還是反轉。朝該外殼12按壓該觸發器14的程度確定該電動機在所選擇的方向上的旋轉速度。該外殼具有一個孔20，一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)22的部分殼體延伸通過該孔20，以致於該殼體可連接到該電動工具內的一外散熱器上。
圖2示出了該變速控制器10，為了觀察內部組件去除了該外殼12的兩側部分。速度控制杆18具有一個中間銷24，該中間銷將該杆18的外伸部分與內置部分26連接起來。該杆的內置部分26控制一雙刀雙擲(DPDT)方向控制開關28的各個可動觸點，這樣就可控制從蓄電池來的直流電流流過該電動工具的電動機的流動方向，從而控制該電動機的轉動方向。該方向控制開關28詳細示於圖3和4中，並連接到一對圖4中可看出的電動機接線端31和32上。
繼續參見圖2-4，一個壓縮彈簧30偏壓該觸發器軸16從該外殼12朝外伸，使之處於正常位置。在該位置處，該電動工具處於斷開狀態。該觸發器軸16的內端具有一觸點承載件32。該變速控制電路10的電位計64用的電刷34裝在該觸點承載件32(參見圖3)的一側上，所以該電刷34在該外殼12中隨該觸發器被按壓和鬆開而橫向運動。在該電刷34的一端處的觸點33與圖5中所示裝在該外殼中的一印刷電路板36的表面上的一金屬導體摩擦，並且一個處於該電刷另一端的觸點35在一個施加於該印刷電路板上的電阻塗層兩端之間運動。
參見圖4和5，一功能開關39的一個可動或橋形跨接觸點38設置在該觸發器觸點承載件32的相對另一側。如圖5所示，該可動觸點38可根據該觸發器14和其觸點承載件32的位置與一組四個靜止觸點40、41、42和44中不同的觸點進行跨接連接。一個正靜止觸點40連接到該變速控制電路的蓄電池正接線端46上，而負靜止觸點44連接到該蓄電池的負接線端48上。當該觸發器14朝該外殼12運動時，如下所述，該觸點承載件32推動該可動觸點38越過各靜止開關觸點40-44。
如6所示，該變速控制電路10電連接到該手持式電動工具的其它零部件上。具體地說，一蓄電池52將兩蓄電池接線端46和48連接起來，並且一直流(DC)電動機54連接到電動機接線端31和32上。該兩電動機接線端31和32與該DPDT電動機方向控制開關28的不同開關部分進行連接。每個開關刀的一靜止觸點連接到蓄電池正接線端46上，而另一靜止觸點連接到一中間節點51上。一個單向(freewheeling)二極體50按反偏壓方向連接於該蓄電池正接線端46和中間節點51之間。
該金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)22的源極漏極導軌連接於該中間節點51和接地節點80之間。該電路的接地節點80連接到該電動機的功能開關39的靜止觸點41上，該觸點指定為速度控制(SC)觸點。該電動機功能開關39的其餘靜止觸點42指定為旁通(BP)觸點，並且直接連接到該中間節點51上。此處所用的短語「直接連接」和「用於直接連接到」是指一種具有可忽略不計的阻抗的電連接。
該變速控制電路10的其餘零部件設置於印刷電路板36上。具體地說，包括一對變換器61和62而構成的一振蕩器60包括具有設置在該觸發器14的觸點承載件32上的電刷34的電位計64。該電刷34與觸發器的運動使由電位計64和振蕩器的固定電阻66和68形成的分壓器發生變化。這一作用改變了該振蕩器的工作循環，即在輸出線70上產生的脈衝的寬度產生變化。
該振蕩器輸出信號施加到四個變換器72、73、74和75的輸入端，該些變換器並聯連接並帶有一個共同的輸出端，該輸出端由電阻78連接到該金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)22的門電極上。該些並聯連接的變換器72-75用作一個帶有用於降低驅動該金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)22的源極阻抗的多路裝置的電流放大器。儘管在該驅動該金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)22的電路的具體實施例中，採用了變換器，但也可採用其它形式的緩衝器或放大器。
該變速控制電路10的不同變換器61、62和72-75連接到一動力源82上，該動力源82在接線端46處從該正蓄電池電壓中形成供給電壓VDD。
在使用者操作該變速控制電路之前，彈簧30將該觸發器組件14推壓到最外位置，將該可動橋形跨接觸點38輸送到圖5和6中所示的斷開位置。當使用者第一次按壓該觸發器時，該觸發器1 4的觸點承載件32按在這些圖中由箭頭84示出的方向輸送該可動觸點38。當該可動觸點運動到該正的和旁通的靜止觸點40和42的邊緣時，該可動觸點跨接在一對從外殼12中凸伸出來的絕緣凸脊86和88上。這一運動使該可動觸點38與該靜止觸點40-44斷開，所以相鄰的靜止觸點之間的間隙不會被該可動觸點跨接。其結果是，該可動觸點將不會在其行程的中間位置處使所有四個靜止觸點40-44短路。進一步按壓該觸發器14可使該可動觸點38連接到該速度控制觸點41和蓄電池負極觸點44上。此時，該負極接線端48連接到該變速控制電路10的接地節點80上，從而對該電路的零部件施加電能。
在該點處，在該觸發器14運動時，電位計64的電刷34處於一觸動位置，該位置引起該振蕩器60產生一個在每個振蕩器循環期間具有一個相當長的正脈衝的輸出信號。當該振蕩器輸出信號由各個並聯連接的變換器72-75變換時，在接點76處產生一個在每個信號周期期間具有一相當短的正脈衝的信號。當這個信號施加到該MOSFET22的門上時，該電晶體將產生短時期的導電，各個短時期是由相當長的非導電期公開。因此，電動機54接受短的電流脈衝並以極慢的速度轉動。電動機的運動方向由該方向控制開關28的位置確定，圖中示出了正轉方向。
當使用者進一步朝該外殼12按壓該觸發器14時，該電位器電刷34的運動使該振蕩器60的工作循環改變，從而在節點70處產生持續期更短的正脈衝。利用各個變換器72-75可轉換這些脈衝，並在節點76處產生持續期不斷增長的並使該MOSFET 22接通期更長的正脈衝。因此，電動機的速度隨著使用者進一步朝內按壓該觸發器而增加。在按這種方式工作期間，該可動觸點38在由箭頭84所示方向在速度控制靜止觸點41和負極靜止觸點44的表面之間運動。
最終，該電動機58的速度增加到其最大速度，在該速度處，可動觸點38的一端跨接在該速度控制觸點41和旁通觸點42之間的間隙45兩端，如圖5所示。請注意這些觸點之間的間隙45沒有像觸點40-44的其它對之間的凸脊86和88之類的凸脊。這是因為人們希望可平穩地從變速控制轉換到旁通工作方式，其中蓄電池接線端直接連接在電動機54兩端。
當該觸發器14全部按下時，該可動觸點38將該旁通靜止觸點42連接到該負極靜止觸點44上。這樣就將該蓄電池52的負接線端48直接連接到該電動機54的一側上的中間節點51上。該電動機的另一側總是直接連接在該蓄電池的正接線端46上。以這種旁通方式工作時，速度控制靜止觸點41與其它觸點40、42和44斷開，並且振蕩器60和並聯連接的各個變換器72-75都斷電。因此，在旁通工作方式中，由於該MOSFET 22是由觸點42和44的連接產生旁通，故該MOSFET 22斷開。
當使用者鬆開該觸發器允許其運動遠離該外殼12時速度控制的過程是相反的。在這一情況下，該可動觸點38沿箭頭84所示方向的反方向運動，並且從一個可對靜止觸點42和44進行跨接的位置運動到可使該速度控制靜止觸點41與該負極靜止觸點44再連接的位置。在這一狀態下，電力再一次施加到該振蕩器及並聯連接的變換器72-75上。進一步鬆開該觸發器可使電動機以與前述增速相反的工作方式進行減速。
最終，該觸發器到達行程最外端，此時，如圖6所示，該可動觸點38跨接在該正的和旁通的靜止觸點40和42之間。在電動機功能開關39的這一位置，該蓄電池負極接線端48與該變速控制電路10斷開，並且電動機斷電。此外，由可動觸點38對靜止觸點40和42進行跨接在電動機接線端31和32之間形成了低電阻路線，從而可用在該電動機54中產生的反電動勢(EMF)對該電動機進行制動。因此，當本發明的電路進入斷開狀態時，它可對電動機54提供動力學制動。
前述說明書主要是針對本發明的優化實施例作出的，但也可以將注意力放在本發明的範圍之內的各種替換方案上。可以想到對本技術領域的普通技術人員來說，從本發明的實施例公開的技術內容中，很可能認識到另外的替換方案。因此，本發明的範圍將由下述權利要求書確定，而不受上述說明書的限制。
權利要求
1，一種用於一個連接到一固態開關裝置(22)上並由一蓄電池(52)供電的直流電動機(54)的變速控制器(10)，所述變速控制器具有一個電動機功能開關(28)，該功能開關包括一個用於連接到該蓄電池(52)的第一接線端(46)上的第一蓄電池觸點(40)；一個與該第一蓄電池觸點鄰接並將電流施加到該固態開關裝置(22)上的速度控制觸點(41)；一個與該速度控制觸點鄰接並直接連接到該直流電動機上的旁通觸點(42)；一個與該旁通觸點鄰接並連接到該蓄電池(52)的第二接線端(48)上的第二蓄電池觸點(44)；及一個可動觸點(38)，該可動觸點沿一個方向從第一位置運動到第二位置，然後運動到第三位置，其中在該第一位置處，該可動觸點(38)將該第一蓄電池觸點(40)連接到該旁通觸點(42)上，在該第二位置處，該可動觸點(38)將該速度控制觸點(41)連接到該第二蓄電池觸點(44)上，在該第三位置處，該可動觸點(38)將該旁通觸點(42)連接到該第二蓄電池觸點(44)上。
2，如權利要求1所述變速控制器(10)，其特徵在於，該第一蓄電池觸點(40)連接到該蓄電池的一正接線端上，而該第二蓄電池觸點(44)連接到該蓄電池的一負接線端上。
3，如權利要求1所述變速控制器(10)，其特徵在於，還包括一個設置於該第一蓄電池觸點(40)和該速度控制觸點(41)之間並由電絕緣材料製成的第一肋(86)，一個設置於該旁通觸點(42)和該第二蓄電池觸點(44)之間並由電絕緣材料製成的第二肋(88)，其中該第一肋可防止該可動觸點同時與該第一蓄電池觸點和該速度控制觸點接觸；該第二肋可防止該可動觸點同時與該旁通觸點和該第二蓄電池觸點接觸。
4，如權利要求1所述變速控制器(10)，其特徵在於，該第一蓄電池觸點(40)、該速度控制觸點(41)、該旁通觸點(42)及該第二蓄電池觸點(44)沿一條線布置。
5，如權利要求1所述變速控制器(10)，其特徵在於，該第一蓄電池觸點(40)、該速度控制觸點(41)、該旁通觸點(42)及該第二蓄電池觸點(44)並排布置並對齊。
6，如權利要求1所述變速控制器(10)，其特徵在於，還包括一個用於將該可動觸點偏壓至一這樣的位置的機構(30)，在該位置中，當該變速控制器處於斷開狀態時，該可動觸點可將該第一蓄電池觸點(40)連接到該旁通觸點(42)上。
7，一種用於一個連接到一固態開關裝置(22)上並由一蓄電池(52)供電的直流電動機(54)的變速控制器(10)，所述變速控制器包括一帶有一觸點承載件(32)的使用者操作件(14，16)；一個用於連接到該蓄電池(52)的第一接線端(46)上的第一蓄電池觸點(40)；一個與該第一蓄電池觸點(40)鄰接並將電流施加到該固態開關裝置上的速度控制觸點(41)；一個與該速度控制觸點(41)鄰接並直接連接到該直流電動機上的旁通觸點(42)；一個與該旁通觸點(42)鄰接並連接到該蓄電池(52)的第二接線端(48)上的第二蓄電池觸點(44)；及一個可動觸點(38)，該可動觸點連接到該觸點承載件(32)上並用於沿一個方向從第一位置運動到第二位置，然後運動到第三位置，在該第一位置處，該可動觸點(38)將該第一蓄電池觸點(40)連接到該旁通觸點(42)上，在該第二位置處，該可動觸點(38)將該速度控制觸點(41)連接到該第二蓄電池觸點(44)上，在該第三位置處，該可動觸點(38)將該旁通觸點(42)連接到該第二蓄電池觸點(44)上。
8，如權利要求7所述變速控制器(10)，其特徵在於，該使用者操作件(14，16)包括一個觸發器(14)，該觸發器利用一軸(16)與該觸點承載件(32)相連。
9，如權利要求7所述變速控制器(10)，其特徵在於，還包括一個至少部分形成於一印刷電路板(36)上並具有一個連接到該觸點承載件(32)上的電刷(34)的電位計(64)，並且該電刷抵靠在該印刷電路板上並與之產生摩擦。
10，如權利要求9所述變速控制器(10)，其特徵在於，該可動觸點(38)設置於該觸點承載件(32)的一側上，而該電刷(34)設置於該觸點承載件(32)的另一側上。
11，如權利要求7所述變速控制器(10)，其特徵在於，該第一蓄電池觸點(40)、該速度控制觸點(41)、該旁通觸點(42)及該第二蓄電池觸點(44)並排布置並對齊。
12，如權利要求7所述變速控制器(10)，其特徵在於，還包括一個設置於該第一蓄電池觸點(40)和該速度控制觸點(41)之間並由電絕緣材料製成的第一肋(86)，一個設置於該旁通觸點(42)和該第二蓄電池觸點(44)之間並由電絕緣材料製成的第二肋(88)，其中該第一肋可防止該可動觸點同時與該第一蓄電池觸點和該速度控制觸點接觸；該第二肋可防止該可動觸點同時與該旁通觸點和該第二蓄電池觸點接觸。
13，一個用於由一蓄電池(52)供電的一直流電動機(54)的變速控制器(10)，該變速控制器包括用於將蓄電池(52)連接到該變速控制器上的第一和第二蓄電池接線端(46，48)；用於將該電動機(54)連接到該變速控制器上的第一和第二電動機接線端(31，32)；一個電動機功能開關(39)，該功能開關具有一個連接到該第一蓄電池接線端(46)上並連接到該第一電動機接線端(31)上的第一蓄電池觸點(40)，一速度控制觸點(41)與該第一蓄電池觸點(40)鄰接，一旁通觸點(42)與該速度控制觸點(41)鄰接並連接到該第二電動機接線端(32)上，一第二蓄電池觸點(44)與該旁通觸點(42)鄰接並連接到該第二蓄電池接線端(48)上，一橋形跨接觸點(38)可從第一位置運動到第二位置，然後運動到第三位置，其中在該第一位置處，該橋形跨接觸點(38)將該第一蓄電池觸點(40)連接到該旁通觸點(42)上，在該第二位置處，該橋形跨接觸點(38)將該速度控制觸點(41)連接到該第二蓄電池觸點(44)上，在該第三位置處，該橋形跨接觸點(38)將該旁通觸點(42)連接到該第二蓄電池觸點(44)上；一個產生一信號的振蕩器(60)；一個連接到該振蕩器(60)上的固態開關裝置(22)，並具有一個將該速度控制觸點(41)連接到該第二電動機接線端(32)上的導電線路，其中該導電線路響應於該信號產生導電和不導電。
14，如權利要求13所述變速控制器(10)，其特徵在於，該第一蓄電池觸點(40)、該速度控制觸點(41)、該旁通觸點(42)及該第二蓄電池觸點(44)並排布置並對齊。
15，如權利要求13所述變速控制器(10)，其特徵在於，還包括一個設置於該第一蓄電池觸點(40)和該速度控制觸點(41)之間並由電絕緣材料製成的第一肋(86)，一個設置於該旁通觸點(42)和該第二蓄電池觸點(44)之間並由電絕緣材料製成的第二肋(88)，其中該第一肋(86)可防止該橋形跨接觸點(38)同時與該第一蓄電池觸點(40)和該速度控制觸點(41)接觸；該第二肋(88)可防止該橋形跨接觸點(38)同時與該旁通觸點(42)和該第二蓄電池觸點(44)接觸。
16，如權利要求13所述變速控制器(10)，其特徵在於，該橋形跨接觸點(38)在第一位置時處於斷開狀態，因此為產生一制動作用的直流電動機(54)兩端提供一短路電路。
全文摘要
一種用於一電動工具的電動機控制電路(10)，其包括一功能開關(39)，該開關(39)具有第一蓄電池觸點(40)，速度控制觸點(41)，旁通觸點(42)及第二蓄電池觸點(44)，該些觸點按上述順序串聯連接。該功能開關(39)還具有一個可動觸點(38)。該可動觸點依次將該第一蓄電池觸點(40)連接到該旁通觸點(42)上，將該速度控制觸點(41)連接到該第二蓄電池觸點(44)上，將該旁通觸點(42)連接到該第二蓄電池觸點(44)上。一固態開關(22)具有將該速度控制觸點(41)連接到一電動機接線端(32)上的導電線路，其中該導電線路根據一振蕩器信號進行控制。
文檔編號H02P3/08GK1239349SQ9910639
公開日1999年12月22日 申請日期1999年5月12日 優先權日1998年5月12日
發明者J·H·史密斯, M·T·裡特勒 申請人:易通公司