CN101098119B

CN101098119B - 电动工具开关机构

Info

Publication number: CN101098119B
Application number: CN2007101270440A
Authority: CN
Inventors: 宫崎博; 大桥敏治
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: EP1873801A1; DE602007009448D1; JP4375362B2; JP2008006548A; US7652442B2; EP1873801B1; US20080042607A1; CN101098119A

Abstract

一种电动工具开关机构包括：用于促使直流电机至少旋转或者停止的触发开关；以及连接在直流电机和电池电源之间并当触发开关受压量超过预定阈值时闭合的电源开关。该机构还包括：经由电源开关连接在直流电机和电池电源之间的开关装置；控制电路，当触发开关受压量超过阈值时，用于利用期望的导通量来控制开关装置接通/断开；以及由触发开关控制的停止单元，用于当触发开关释放时在电源开关从接通到断开前强制地使开关装置断开。

Description

电动工具开关机构

技术领域

本发明涉及一种根据触发开关受压量来控制输出轴转速的电动工具开关机构。

背景技术

传统的电动工具开关机构包括：与直流电机和电池电源串联连接的电源触头开关、用于根据受压量来确定直流电机转速的触发开关、经由电源触头开关与直流电机和电池电源串联连接的半导体切换装置、与半导体切换装置并联连接的第二触头开关以及用于经由电源触头开关接收电压并控制半导体切换装置的接通/断开的控制电路(参见Hei-14576号日本专利申请公开文件第4和5页以及图3)。

在电动工具开关机构中，当触发开关被轻微地按下时，电源触头开关接通，同时操作电压提供给控制电路。在这种情况下，控制电路根据触发开关的受压量来增加或者减少半导体切换装置的导通量(on-duty)，以根据受压量来使直流电机旋转。当触发开关以它的最大限度受压时，第二触头开关变为接通，并绕过半导体切换装置，从而电源电压直接地提供给直流电机。这就阻止了由于半导体切换装置内电阻引起的可能损失。

当触发开关释放以使直流电机停止旋转时，电源触头开关从接通到断开变化，其中在此状态中，半导体切换装置保持通电，在电源触头开关产生电弧，因此开关触头寿命减少。因此，在传统的电动工具开关机构中，当触发开关受压量处于预定参照值以下时，半导体切换装置的导通量在电源触头开关从接通到断开前为0％，因此电源触头开关在其中半导体切换装置断开状态中从接通到断开变化。

当电动工具开关机构在其中触发开关完全地受压状态中连续使用时，电池过度放电。因此，设置用于探测电池电压的电压探测电路，而当由电压探测电路探测的电池电压处于预定参照值以下时，在控制电路中的中央处理单元(CPU)使开关装置断开，以免电池过放电。然而，当用户完全按下触发开关时，与半导体切换装置并联连接的第二触头闭合，从而放电电流通过第二触头开关，由此使电池过放电。此外，在控制电路根据触发开关受压量来使半导体切换装置导通量增加或者减少情况中，通过把触发开关受压量转换为电压值、对其取平均值、从电压值中除去干扰以及对该电压值进行运算而获得半导体切换装置的导通量。这增加了在控制电路的CPU中的运算时间。因此，即使触发开关释放而电源触头开关从接通到断开变化，由于电压测量或运算延迟而使半导体切换装置的导通量也不能成为0％。如果当电源触头开关从接通到断开变化时半导体切换装置保持打开，则在电流通过电源触头开关状态下开关触头开启，由此产生电弧而减少触头的寿命。

发明内容

鉴于上述问题来设计本发明。本发明的目的是提供一种这样的电动工具开关机构，当触头打开时能够阻止电弧产生并阻止电池电源的过放电。

根据本发明，提供的电动工具开关机构包括：用于促使直流电机至少旋转或者停止的触发开关；连接在直流电机和电池电源之间并当触发开关受压量超过预定阈值时闭合的电源开关；经由电源开关连接在直流电机和电池电源之间的开关装置；控制电路，当触发开关受压量超过阈值时，用于利用期望的导通量控制开关装置接通/断开；以及由触发开关控制的停止单元，用于当触发开关释放时在电源开关从接通到断开前强制地使开关装置断开。

因此，当触发开关被完全按下时，由于没有用于绕过开关装置的开关，通过使开关装置断开，供应到直流电机的电源电压可确定地被阻断。例如，当探测到过电流时，通过使开关装置断开，供应到直流电机的电源电压可确保被阻断，由此阻止电池的过放电。另外，停止单元与触发开关联锁，以在电源开关从接通到断开前使开关装置强制地断开。因此，在其中开关装置断开即电流不通过直流电机的状态下，电源开关可从接通到断开变化。结果，可阻止电弧的产生，因此触头寿命提高。

根据本发明，优选的是，该停止单元包括由触发开关控制的转换开关，而在电源开关从接通到断开前，该转换开关用于从控制电路的输出端到电路地线来改变开关装置控制端子的连接，其中开关装置的控制端子用于接收来自控制电路的控制电压。

因此，由于在电源开关从接通到断开前，作为停止单元的转换开关把开关装置控制端子连接到电路的地线，因此来自控制电路到开关装置控制端子的控制电压可在短时间内排放，从而开关装置强制断开。这就允许电源开关在开关装置确定地断开状态中从接通到断开变化，由此阻止了电弧产生，并因此触头寿命可提高。

根据本发明，优选的是，开关机构还包括用于从控制电路到开关装置控制端子来释放控制电压输入的放电路径，其中该停止单元包括由触发开关控制的转换开关，而在电源开关从接通到断开前，该转换开关用于从控制电路的输出端到其中在控制端子和控制电路输出端之间电路状态来改变开关装置控制端子的连接，同时控制电路的输出端被阻断。

因此，由于在电源开关从接通到断开前，作为停止单元的转换开关对在开关装置控制端子和控制电路输出端之间的电路进行阻断，经由放电路径，来自控制电路到开关装置控制端子的控制电压可在短时间内排放，从而开关装置强制断开。这就允许电源开关在开关装置确定输出断开状态中从接通到断开变化，由此阻止了电弧产生，并因此触头寿命可提高。

附图说明

从以下结合附图的优选实施例的描述中，本发明的上述和其他目的及特征将显而易见，在附图中：

图1为根据本发明第一实施例的电动工具开关机构的电路图；

图2为具有图1所示电动工具的示意图；

图3为用于开关装置的转换开关的示意图；

图4为用于开关装置的滑动元件的平面图；

图5为用于开关装置的转换开关和可变电阻器的视图；

图6为在开关装置中触发开关行程和施加到直流电机上电压之间关系的图象；以及

图7A为根据本发明第二实施例的电动工具开关机构的电路图，而图7B为开关装置主要部分电路图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图来详细描述本发明的实施例，从而那些本领域技术人员很容易实施。

(第一实施例)

下面参考图1到6来描述本发明的第一实施例。图2为根据本发明第一实施例的具有开关装置的电动工具的示意图。该电动工具包括直流电机M、用于使直流电机M的旋转减速并把旋转力传递到输出轴3的减速器2和用于控制直流电机M旋转的驱动电路4，以上所有部分均容纳在具有手持尺码的工具主体1内。

在其中具有例如可充电电池的电池E的电池包5可拆卸地安装在工具主体1上。输出轴3具有卡盘，例如传动器、管套或者钻头的尖端(即可旋转工具)可拆卸地安装到卡盘上，而该卡盘可通过使直流电机M旋转而使尖端旋转。该电动工具还包括触发开关6，而其中该触发开关6位于一个允许使用者手指进入工具主体1抓握部1a的位置，以根据受压量来设定直流电机M的转速。

图1是驱动电路4的电路图。该驱动电路4包括：连接在直流电机M和电池E之间并当触发开关6受压量超过预定阈值时闭合的电源开关SW1、与直流电机M并联连接并且在相反方向的恢复二极管D1、经由电源开关SW1连接在直流电机M和电池E之间的例如场效应晶体管(FET)的开关装置SW2、具有随着触发开关6受压量变化的电阻的可变电阻器VR、用于根据在可变电阻器VR电阻上变化(即触发开关6的受压量)来输出导通量控制信号的CPU7、用于对来自CPU7的控制信号输出放大并使开关装置SW2接通/断开的驱动电路8以及用于使经由电源开关SW1从电池E供应的直流电压下降并校平以产生用于CPU7等等工作电压(例如直流电5V)的3端子调节器9。在这里，CPU7和驱动电路8包括用于控制开关装置开关的控制电路。

驱动电路8包括：具有一个端子的电阻器R2，该端子经由电源开关SW1连接到电池E正极；和开关装置SW3，该开关装置SW3由npn晶体管组成，该晶体管具有连接到电阻器R2的另一个端子的集电极、连接到电池E负端的发射极和经由电阻器R1连接到CPU7输出端的基极。驱动电路8的输出端(即电阻器R2和开关装置SW3的连接点)经由转换开关10和电阻器R3连接到开关装置SW2的栅极。电阻器R4连接在开关装置SW2的栅极和电池E的负极之间。转换开关10与触发开关6联锁，并具有连接到电阻器R3端子的共端子c、连接到电阻器R2和开关装置SW3之间的连接点的一个切换端子和连接到电池E负极的另一个切换端子b。

在这里，在电源开关SW1关闭而转换开关10切换到切换端子a状态中，当低电平信号从CPU7输出时，开关装置SW3断开而开关装置SW2接通。因此，电流从电池E供应到直流电机M。同时，当高电平信号从CPU7输出时，开关装置SW3接通而开关装置SW2断开。因此，通过直流电机M的电流受阻。以此方式，当取决于可变电阻器VR电阻的导通量控制信号从CPU7输出时，开关装置SW2接通/断开。结果，直流电机M可以根据触发开关6受压量的转速旋转。

如上所述，电源开关SW1和转换开关10响应触发开关6的按压操作成为接通/断开，而可变电阻器VR的电阻随着触发开关6的受压量变化。转换开关10和可变电阻器VR的结构基于图3到5来描述。

图3为示出了转换开关10的剖面示意图。转换开关10包括具有形成在它的表面上并且具有大约零电阻的导电分布图12、13和14的基体11；以及响应触发开关6受压量在基体11上滑动并在导电分布图14和导电分布图12之间以及在导电分布图14和导电分布图13之间连接或者断开的滑动元件15。

图5示出了形成在基体11上的导电分布图12、13和14的平面形状。导电分布图12、13和14为具有大约相同宽度的带板。导电分布图12、导电分布图13和导电分布图14依次从图5右侧布置。该导电分布图12作为切换端子a，并电连接到电阻器R2和开关装置SW3之间的连接点上(即驱动电路8的输出端)。导电分布图13作为切换端子b，并电连接到电池E的负极。

导电分布图12与导电分布图13隔开间隔d1。导电分布图12具有从一个侧端(即在图5中的上部)朝导电分布图13延伸的狭窄部，而导电分布图13具有从另一个侧端(即在图5中的下部)朝导电分布图12延伸的狭窄部。当在平面图观察时，间隔d1具有近似z???的形状。导电分布图14作为共用端子c，并电连接到电阻器R3的其中一个端子上(即另一个开关装置SW2的相对侧)。导电分布图14与导电分布图13隔开比间隔d1更大的间隔d2，并具有与导电分布图12和13长度总和近似相同的长度。

滑动元件15为具有缝隙16的带状弹性板，这些缝隙16在纵向从图4所示两端分别地形成。当在平面图观察时，滑动元件15具有大体上的“H”形状。滑动元件15的两个分叉在同一方向(在图3中成对角地向下)弯曲，而分叉的端部以相反方向(在图3中成对角向上)弯曲。当从侧面观察时，滑动元件15具有近似的颠倒的U形状，并具有形成在两个端部的触头17a和17b。该滑动元件15用于覆盖导电分布图12和13以及导电分布图14，并根据触发开关6的受压量在导电分布图12到14上以其布置方向滑动。触头17b在整个滑动范围内与导电分布图14接触。

同时，可变电阻器VR包括：具有近似为零电阻的导电分布图18、19和21以及形成在基体11表面上的具有预定电阻的电阻器图案20，同时还包括响应触发开关6受压量而在基体11上滑动的滑动元件22。

图5示出了形成在基体11上的导电分布图18、19和21以及电阻器图案20的平面形状。导电分布图18、19和21以及电阻器图案20为具有近似相同宽度的带板。它们按照导电分布图18和19、电阻器图案20以及导电分布图21的次序从图5中右侧布置。

导电分布图18具有与导电分布图12和13长度总和相同的长度。导电分布图18作为可变电阻器VR的端子e，并与CpU7的输入端电连接。导电分布图19与导电分布图18隔开间隔d2。导电分布图19作为可变电阻器VR的端子g，并电连接到电池E的负极。电阻器图案20由具有预定电阻的导电材料从导电分布图19连续地形成预定长度。

导电分布图21从电阻器图案20连续地形成。导电分布图21作为可变电阻器VR的端子f，并电连接到3端子调节器的输出端。也就是说，导电分布图19和21电连接经由电阻器图案20彼此电连接。导电分布图19和21以及电阻器图案20的总长度与导电分布图18的长度大致相同。

由于滑动元件22具有与滑动元件15相同的形状，因此对其描述省略。此滑动元件22布置成覆盖导电分布图18以及连续的三个图案19、20、21，并根据触发开关6的受压量在图案18到21上滑动。

滑动元件22的一个触头沿着整个滑动范围与导电分布图18接触，当触发开关6被按压时，滑动元件22另一个触头与图案19和20中任何一个接触的点与触发开关6的位置一起移动。当触发开关6释放时，滑动元件22处于由图5中虚线所表示的位置上，从而滑动元件22的一个触头与导电分布图18接触，而另一个触头与导电分布图21接触。在此状态中，可变电阻器VR的电阻变成近似为零。

下面将描述根据本发明目前实施例的开关装置的操作。当触发开关6释放时，滑动元件15处于由图3中虚线所表示的位置上，从而触头17a与导电分布图13接触，而另一个触头17b与导电分布图14接触。在此状态中，转换开关10转换为切换端子b，而开关装置SW2的栅极经由电阻器R3和R4连接到电池E的负极。此外，滑动元件22处于由图5中虚线所表示的位置上，从而滑动元件22的一个触头与导电分布图18接触，而另一个触头与导电分布图21接触，同时可变电阻器VR的电阻变成近似零。

当触发开关6在此状态下受压时，根据触发开关6的受压量，滑动元件15和22移到图3(和图5)的右侧。当触发开关6的受压量超过预定阈值时，电源开关SW1变成接通，而滑动元件15的触头17a没有达到图5的点i，与导电分布图13接触，从而转换开关10与切换端子b保持接触。因此，即使电源电压施加到CPU7而控制信号从CPU7输出时，控制电压也不施加到开关装置SW2的栅极，因此不发生开关装置SW2的接通/断开。也就是说，开关装置SW2强制地断开，而不管来自CPU7的控制信号如何。此外，由于滑动元件22的另一个触头与导电分布图21保持接触，因此可变电阻器VR的电阻近似为零。

此后，当触发开关6被进一步下压而滑动元件15的触头17a在通过图5的点i而移到右侧时，该触头17a进入间隔d1的区域，从而它与导电分布图13分离并只与导电分布图12接触。在这种情况下，由于转换开关10切换到切换端子a，而开关装置SW2的栅极经由电阻器R3连接到驱动电路(即控制电路)8的输出端，因此控制电压施加到开关装置SW2的栅极。

当滑动元件15的触头17a通过点i时，该滑动元件22的另一个触头与导电分布图21接触，因此可变电阻器VR的电阻近似为零。在这种情况下，根据可变电阻器VR的电阻，CPU7输出控制信号，用于使开关装置SW2的导通量最小化。驱动电路8响应CPU7的控制信号，使开关装置SW2接通/断开，从而施加到直流电机M的电压变成最小电压V1，而直流电机M以最小速度旋转。

然后，当触发开关6被进一步按压时，滑动元件22的另一个触头根据受压量从图5的点ii移动点iii，而根据滑动元件22触头与电阻器图案20接触的位置，可变电阻器VR的电阻从近似零变化到最大值。此时，滑动元件15的触头17a在导电分布图12上滑动，从而转换开关10保持变换成切换端子a。

当基于触发开关6的受压量，可变电阻器VR从近似零变化到最大值时，CPU7根据可变电阻器VR的电阻输出导通量的控制信号，驱动电路8根据来自CPU7的控制信号来使开关装置SW2接通/断开，从而施加到直流电机M的电压被控制成在最小电压V1和最大值Vmax之间的预定电压值。这样就允许直流电机M以在最小速度和最大速度之间的期望转速旋转。

当触发开关6被进一步按压而滑动元件22的另一个触头通过图5的点iii时，可变电阻器VR的电阻变成最大值，同时触头从点iii移动到与完整行程对应的点iv。因此，开关装置SW2的导通量被控制成最大值，而直流电机M以最大速度旋转。

同时，当触发开关6释放时，在复位弹簧(未示出)的回复力作用下，它试图返回到断开位置，而滑动元件15和22移到图3和5的左侧。直到滑动元件22的另一个触头在通过点iii后达到图5的点ii，根据触发开关6受压量，可变电阻器VR的电阻从最大值变化到最小值。因此，CPU7使开关装置SW2的导通量从最大值变化到最小值。结果，直流电机M的转速从最大速度返回到最小速度。

当滑动元件22的另一个触头在通过图5的点ii而移到左侧时，可变电阻器VR的电阻变成近似为零。此外，CPU7把开关装置SW2的导通量控制到最小值。此后，当滑动元件15的触头17a进入间隔d1的区域时，与导电分布图12分开，并只与图案13接触，转换开关10的触头从切换端子a变化到切换端子b，而开关装置SW2的栅极经由电阻器R3和R4连接到电池E的负极。因此，施加到栅极的驱动电压经由电阻器R3和R4输出。此时，由于开关装置SW2不管来自CPU7的控制信号如何都强制断开，激励电流通过直流电机M输出而该直流电机M停止。

此后，当触发开关6的受压量处于预定阈值以下时，电源开关SW1变成断开。此时，由于开关装置SW2断开以及电流没有通过直流电机M，因此不产生电弧，电源开关SW1的触头寿命避免减少。另外，当电源开关SW1断开时，电压不会从3端子调节器9供应到CPU7，因此CPU7不操作。

如上所述，在此实施例中，停止单元包括由触发开关6控制的转换开关10。在触发开关6释放时电源开关SW1从接通到断开变化前，转换开关10强制断开开关装置SW2。具体地说，在电源开关SW1从接通到断开变化前，转换开关10把开关装置SW2的栅极(控制端子)连接到电路的地线(即电池E的负极)。

因此，从驱动电路8(即控制电路)输入到开关装置SW2的控制端子的控制电压可短时间内输出，从而开关装置SW2可强制断开。这样就能够在开关装置SW2确定断开状态中使电源开关SW1从接通到断开变化，由此阻止由于电弧导致的电源开关SW1触头熔化和阻塞，因此提高了触头的寿命。

此外，在本发明的此实施例中，由于当触发开关6完全地按下时没有与开关装置SW2并联连接的用于绕过开关装置SW2的旁路开关，因此，供应到直流电机M的电源电压无疑地受阻。例如，当前的探测单元用于探测流经直流电机M的电流。在其中当前探测单元探测到过量电流以及根据该探测结果CPU17使开关装置SW2断开情况中，当设置由触发开关6控制的旁路开关时，CPU17不能使旁路开关断开。因此，通过直流电机M的电流不能完全地受阻。然而，在此实施例中，由于没有旁路开关，通过使开关装置SW2断开，CPU17可确定地阻碍电源电压供应到直流电机。因此，电池的过放电无疑地受阻。

(第二实施例)

下面参考图7A和7B来描述根据本发明第二实施例的开关装置。第二实施例的开关机构与本发明第一实施例的大致相同，不同的是在本发明第一实施例中用作停止装置的转换开关10。因此，相同元件用相同参考数字表示，因此对其描述省略。

在第一实施例中，转换开关10具有共用端子c和两个切换端子a和b。然而，在本发明第二实施例中，转换开关10只具有两个端子，也就是经由电阻器R3连接到开关装置SW2的的栅极的端子c，以及连接到驱动电路8输出端的端子a。在第二实施例中，转换开关10可把开关装置SW2的栅极(即控制端子)连接到驱动电路8(即控制电路)的输出端，或者根据触发开关6的受压量阻断在栅极和驱动电路8输出端之间的电路。

转换开关10的详细描述省略。从如图3所示第一实施例的转换开关10中除去电连接到电路地线的导电分布图13(即切换端子b)，而获得转换开关10。

在通过按压触发开关6在使直流电机M后，通过释放该触发开关6，旋转滑动元件15移到图5左侧而该滑动元件15的触头17a与导电分布图12分离，此时，转换开关10变成断开。因此，状态从其中开关装置SW2的栅极连接驱动电路8输出端的状态变换成其中在栅极和驱动电路8输出端之间电路被阻断的状态。此时，由于施加到开关装置SW2栅极的控制电压经由放电路径的电阻器R4放电，因此不管CPU7的控制信号如何，开关装置SW2都强制断开，从而激励电流通过直流电机M输出，而该直流电机M停止。

此后，当触发开关6的受压量处于预定阈值以下时，电源开关SW1断开。此时，由于开关装置SW2保持断开状态以及电流没有通过直流电机M，因此不产生电弧，电源开关SW1的触头寿命避免减少。当电源开关SW1断开时，从3端子调节器9供应到CPU7的电源被阻断，因此CPU7不操作。

如上所述，在本发明的第二实施例中，当触发开关6释放时，电源开关SW1从接通到断开前，通过触发开关6控制的转换开关10对在开关装置SW2的栅极和驱动电路8输出端之间的电路进行阻断。这就允许从驱动电路8输入到开关装置SW2控制端子的控制电压可在短时间内经由放电路径输出，从而开关装置SW2可强制断开。因此，电源开关SW1可在开关装置SW2确定地断开状态中从接通到断开变化，由此阻止了电弧产生，并因此触头寿命可提高。

在根据如上所述实施例的电动工具开关机构中，CPU7根据触发开关6受压量来控制导通量的控制信号，以根据触发开关6的受压量设定直流电机M的转速。可选择的是，当触发开关6在预定阈值以上被按压时，该CPU7可输出预定导通量的控制信号，或者利用预定导通量来使开关装置SW2接通/断开，以使直流电机M在恒定转数下旋转。

尽管针对优选实施例示出和描述了发明，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离由以下权利要求限定的发明精神和范围情况下，可进行各种变化和改型。

Claims

1.一种电动工具开关机构，包括：

用于促使直流电机至少旋转或者停止的触发开关；

连接在直流电机和电池电源之间并当触发开关受压量超过预定阈值时闭合的电源开关；

连接在直流电机和电池电源之间的开关装置，所述直流电机和电池电源经由电源开关连接；

控制电路，当触发开关受压量超过阈值时，用于利用期望的导通量控制开关装置接通/断开；以及

由触发开关控制的停止单元，当触发开关释放时，所述停止单元断开连接，因而在电源开关从接通到断开前强制地使开关装置断开。

2.根据权利要求1的开关机构，其中该停止单元包括由触发开关控制的转换开关，该转换开关设置在开关装置的控制端子和控制电路的输出端之间，其中该开关装置的控制端子用于接收来自控制电路的控制电压，以及

该转换开关被构造成：当触发开关被释放时，在电源开关从接通到断开前，该转换开关断开控制端子与输出端的连接并且将控制端子连接到电路地线。

3.根据权利要求1的开关机构，其中该停止单元包括由触发开关控制的转换开关，该转换开关设置在控制电路的输出端和开关装置的控制端子之间，该开关装置的控制端子用于接收来自控制电路的控制电压，

该转换开关被构造成：当触发开关被释放时，在电源开关从接通到断开前，该转换开关解脱所述控制端子和所述输出端之间的连接，以及

所述开关机构还包括放电路径，该放电路径用于当该转换开关解脱所述连接时释放控制电压。

4.根据权利要求1至3之一的开关机构，其中所述控制电路还包括用于根据触发开关的受压量向控制装置输出导通量控制信号的CPU。

5.根据权利要求4的开关机构，还包括一个电流探测单元，用于探测流经直流电机的电流，以及

当探测到的电流大于阈值时，所述开关装置被CPU断开。