CN101300109A - 用于在电动钻机中提供转矩极限反馈的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于向操作者指示已达到转矩极限的电动工具(100)。该工具包括用于产生电动机接口驱动信号的驱动器电路(312)，与电动机(316)相连以根据电动机驱动信号使动力与电动机选择性相连的电动机接口电路(314)，用于产生转矩极限信号的转矩极限信号发生器(336)，用于产生与由电动机产生的转矩相对应的转矩信号的电动机转矩信号发生器，以及微控制器(310)，其用于将电动机转矩信号与转矩极限信号相比较，并且用于响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生转矩极限指示信号，由此驱动器电路使电动机振动以警告操作者已经达到转矩极限。

Description

用于在电动钻机中提供转矩极限反馈的方法和装置

相关申请的交叉参考

本发明要求以2005年11月4日提交的美国临时专利申请No.60/733,546作为优先权。该临时专利申请的内容在此全部引入作为参考。

技术领域

本申请中所述的电路涉及电动工具，更具体地，涉及便携式手持电动工具。

背景技术

众所周知电动工具包括电池驱动的工具。这些工具通常包括电动机，该电动机具有与用于支持工具的主轴相连的输出轴。所述工具可以是钻头、研磨盘、去毛刺装置等。从电源向电动机供给电力。电源可以是电池电源例如可充电的镍镉蓄电池(Ni-Cad)或其它可充电的电池，这些电池可以从工具上脱开以对电池进行充电并连接在工具上以提供动力。

电源通过电源开关与电动机相连。开关包括用于使开关与电源相连的输入电触点。在开关壳体内，有时被称为开关的可移动元件与输入电触点和电位计的电刷相连。当可移动元件压靠在开关的偏压部件上时，其引起输入电触点闭合并向电动机的一个终端和电位计的电刷提供电流。可移动元件受到偏压，从而在可移动元件被释放时偏压力使可移动元件回到输入电触点断开的位置。电流通过电位计与定信号发生器例如555电路相连。当克服偏压力继续拉动所述元件或触发器时使得电刷将电位计的电阻从断路降低到低电阻或短路状态时，向定时信号发生器供给的电流水平增加。

定时信号发生器的输出与固态元件例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的栅极相连。固态元件的源极和漏极连接在电动机的第二终端与电接地之间。响应于定时信号打开和关闭固态元件，电动机通过固态元件与电接地选择性地相连。因而，当定时信号使固态元件能够以越来越长的时间间隔连接电动机和电接地时，电流在更长的时间间隔内流过电动机。电动机与电源相连的时间越长，电动机使其输出轴旋转的越快。从而，工具操作者能够通过操纵动力开关的触发器来改变电动机的速度并相应改变工具主轴的旋转速度。

通过定时电路产生的定时信号因在逻辑接通状态与逻辑断开状态之间交替变化而选择性地连接电动机和电源。在逻辑断开过程中，电动机不再与电源相连。然而，电动机的绕组中仍然存在电流。为了向该电流提供通路，跨过电动机的终端设置续流二极管。

电源开关的触发器还与两组触点相连。一组触点被称为旁通触点组。当触发器抵靠偏压部件到达其行程停止位置时，其促使旁通触点闭合。旁通触点的闭合导致电流流过电动机以绕过固态元件并被分流到电接地。这一动作使电动机能够保持与电源连续相连并达到其最大速度。

由开关触发器控制的另一组电触点是制动触点。当触发器处于完全偏置的关断位置时，这些触点闭合。当触发器克服偏压力移动时，制动触点断开。制动触点使电动机的一个终端与电动机的另一终端相连。响应于触发器从使动力能够供给到电动机的位置得到释放，制动触点闭合以为电动机的动态制动提供穿过电动机的电流通路。这样使电动机能够比发动机在摩擦作用下仅仅逐渐达到停止的情况更快速地达到停止。

已知电源开关的局限涉及对手持式电动工具的转矩控制。在一些电池驱动的工具中，采用机械式离合器设定工具的转矩极限。当工具旋转的阻力导致由工具产生的转矩提高到转矩极限时，离合器滑移以降低转矩。随后转矩再次构建直至其达到极限以及离合器再次滑移。离合器滑移之后重建转矩的反复动作被操作者感受为振动。这一振动告知操作者工具在设定转矩极限下操作。所述滑移还导致机械部件因摩擦和冲击而磨损。

一些电池驱动的工具完成转矩控制是通过感测由电动机传导的电流水平、将其与转矩电流极限信号进行比较、以及响应于电流水平和转矩电流信号的相等而解除向电动机供电来实现的。响应于电流水平达到转矩电流极限，通过电源开关装置例如MOSFET从电路中去除电池电流。尽管这一操作可以使电动机转矩保持处于或低于转矩极限，但其不会以操作者习惯的方式也就是与通常机械式离合器相伴随的工具振动的方式告知操作者已经达到所述极限。相反，从电动机上去除电流导致电动机惯性运转直至在重新向电动机供给电流时电动机电流下降到转矩极限以下。这种相对安静的接通/断开工具电动机的操作导致操作者判断工具电动机因需要修理而间歇性操作。因而，操作者会错误地将工具送修。

发明内容

可以通过一种电动工具克服在前已知的电动工具的一些缺陷，该电动工具包括用于向操作者指示已经达到转矩极限的电路。在一种实施方式中，所述工具包括用于产生电动机接口驱动信号的驱动器电路，与电动机相连以根据电动力接口驱动信号使动力与电动机选择性相连的电动机接口电路，用于产生转矩极限信号的转矩极限信号发生器，用于产生与由电动机产生的转矩相对应的转矩信号的电动机转矩信号发生器，以及微控制器，其用于将电动机转矩信号与转矩极限信号相比较，并且用于响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生转矩极限指示信号，由此驱动器电路产生电动机接口控制信号，该电动机接口控制信号以警告操作者已经达到转矩极限的方式操纵电动机。所述电动机接口电路可以是半桥电路或全H桥电路。

电动机转矩信号发生器包括与H桥电路电连接的分路电阻器。该电路还可以包括用于在向微控制器提供信号之前对信号进行放大的放大器。微控制器响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生转矩极限指示信号。转矩极限指示信号可以是具有至少大约200μs断开状态和大约30Hz频率的矩形波。

在一种实施方式中提出一种用于在电动工具中指示已经达到转矩极限的方法，该方法包括产生电动机接口驱动信号以使动力选择性地与电动机相连，产生转矩极限信号，产生与由电动机产生的转矩相对应的转矩信号，将电动机转矩信号与转矩极限信号进行比较，以及响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生转矩极限指示信号，由此驱动器电路产生促使电动机振动的电动机接口信号。

附图说明

本发明体现在多种系统和方法部件以及系统和方法部件的布置中。附图仅仅用于表示示例性实施方式，而并不能看成是限制本发明。

图1表示包含本发明特征的铰接钻机的透视图；

图2表示图1所示的铰接钻机去除了可充电电池组后的侧视图；

图3表示图1所示的铰接钻机的透视图，其中去除了电池组、一部分主壳体盖、以及一部分机头壳体，并具有位于钻头夹持器中的钻头；

图4表示图1所示的铰接钻机的机头部分、铰接齿轮传动系统和行星齿轮传动系统的横截面图；

图5表示图1所示的铰接钻机的机头部分的分解透视图，所述机头部分包括自动主轴锁定系统；

图6表示图1所示的钻机的机头部分的顶视图，所述机头部分的一些部件位于机头壳体中的机架内；

图7表示被用于支承图1所示的铰接钻机中的输出小齿轮轴的托架的顶视图；

图8表示图7所示的托架的侧视图；

图9表示图1所示的铰接钻机的行星齿轮部分、铰接部分和机头部分的顶视图，其中去除了主壳体和一部分机头壳体；

图10表示图1所示的铰接钻机的铰接齿轮传动系统的侧视图，所述铰接齿轮传动系统包括锥齿轮和两个小齿轮；

图11是图1所示的钻机的一部分机头壳体的透视图，其中在插孔中的多个齿被形成为与铰接按钮上的齿互补；

图12表示图1所示的铰接钻机的铰接按钮的透视图；

图13表示图12所示的铰接按钮的底部的透视图；

图14表示图1所示的铰接钻机的外壳体的内表面的局部顶视图，具有被形成为与铰接按钮上的齿互补的齿以及用于容纳铰接按钮的突出部分的孔；

图15表示图1所示的铰接钻机的外壳体的内表面的顶视图；

图16表示图1所示的铰接钻机的局部平面图，其中机头部分与主壳体部分对准并且不具有防尘盖；

图17表示图1所示的铰接钻机的局部平面图，其中机头部分与主壳体部分对准并且具有防尘盖；

图18表示图1所示的铰接钻机的侧视图，其中机头部分从钻机的主壳体部分旋转到90度角，且去除了一部分主壳体部分以显示图17所示防尘盖的位置；

图19表示图18所示的铰接钻机的侧视图，其中机头部分从钻机的主壳体部分旋转到180度角，且去除了一部分主壳体部分以显示图17所示防尘盖的位置；

图20表示图19所示防尘盖的详细视图；

图21表示图1所示的铰接钻机的透视图，其中去除了变速触发器开关、离合器控制装置和一部分主壳体；

图22a，22b和22c表示根据本发明原理的图1所示铰接钻机的印刷电路板的多个视图；

图23表示图21所示的铰接钻机的透视图，具有安装在光发生器和光传感器上并带有内部反射面的可伸缩防护罩；

图24表示图1所示的钻机包含用于电动机速度控制的光学开关的示意/框图；

图25表示可以用于图1所示的铰接钻机的螺丝刀钻头形式的钻头的侧视图；

图26表示图25所示的钻头插入图1所示的铰接钻机内的横截面图；

图27表示图25所示的钻头插入图1所示的铰接钻机内的横截面图；

图28表示根据本发明原理的锥齿轮具有成90度间隔的两个小齿轮的局部顶视图；

图29表示图28所示的锥齿轮具有成180度间隔的两个小齿轮的局部顶视图；

图30表示电动工具的电气图/示意图，其采用具有半桥的电动机接口电路对工具电动机进行动态制动以向操作者提供振动反馈，表明已经达到转矩极限；

图31表示可以用于图1所示的钻机的电路的电气图/示意图，其采用具有全H桥电路的电动机接口电路对钻机电动机进行动态制动以向操作者提供振动反馈，表明已经达到转矩极限；以及

图32A和32B表示电动工具的电气图/示意图，其根据来自光学开关的变速信号而提供固态电动机速度控制并且对电动机进行动态制动以指示已经达到转矩极限。

具体实施方式

在图1中示出了总体由100表示的铰接钻机。在图1的实施方式中，钻机100包括主壳体部分102和机头部分104。主壳体部分102封装电动机和用于控制钻机100的相关电子装置。主壳体部分102包括在本领域已知的用于容纳可充电电池组106的电池插座。在一种实施方式中，可充电电池组106包括锂离子电池。通过按压电池释放突舌108取下电池组106。图2表示钻机100的电池组106已被取下。钻机100备选地可以通过外部电源例如外部电池或电源线提供动力。

变速触发器开关110控制电动机旋转的速度。电动机的旋转方向通过在手指平台114内滑动的换向按钮112来控制。通风口116使冷却空气可以在主壳体102内绕电动机循环。离合器控制装置118设定使用钻机100时可以产生的最大转矩。在图1所示的位置，离合器控制装置118处于最高设定或钻孔模式。在最高设定下，离合器不能提供最大转矩。通过使离合器控制装置118从图1所示的位置向下滑动，使用者可以设定允许钻机100产生的所需转矩极限，这一点在下文更详细的论述。因而，在最高设定之外的设定下，位于离合器控制装置118设定之上的转矩促使离合器致动。

主壳体部分102还包括铰接按钮120和模制在主壳体102的外表面124上的多个角度参考指示器122。在图1的实施方式中，有五个角度参考指示器122被用于识别机头部分104可以放置的五个角位置。

机头部分104包括夹头锁定装置126和角度指示器128。通过与角度指示器128对准的角度参考指示器122指示机头部分104所处的角度。如图1所示，机头部分104相对于主壳体部分102处于90度角。在图2中，机头部分104与主壳体部分102轴向对准。尽管图1和2所示的实施方式具有五个角度参考指示器122，但可以有另外的或更少的角度参考指示器122以及机头部分104可以相对于主壳体部分102布置的相应角度。

现在参照图3-6，夹头锁定装置126绕钻头夹持器130定位，钻头夹持器130又由固定在机头壳体136的轴承凹穴134内的球轴承132支承。夹头锁定装置126包括具有凹槽140的套筒138。弹簧142绕钻头夹持器130定位。钻头夹持器130包括容纳圆柱形销146的孔144和容纳钢球150的凹槽148。

轴承132在轴承132外后圆周处接靠机头部分104的机头壳体136。更具体地，轴承132接靠凸缘152。在本实施方式中，凸缘152绕壳体136连续形成，尽管如此，备选地，凸缘的形式可以是绕壳体136的内部定位的多个翼片。

钻头夹持器130可操作地与驱动夹头154相连，驱动夹头154又通过固定连接在输出小齿轮轴156上的驱动板158与输出小齿轮轴156相连。锁定环160环绕驱动夹头154和三个锁定销162。锁定环160、驱动夹头154、驱动板158和锁定销162都包括自动主轴锁定系统，使得像本领域已知的那样，输出钻头夹持器130仅从小齿轮侧得到驱动。当从钻头侧驱动时，也就是当工具100被用作手动螺丝刀时，主轴锁定系统防止输出小齿轮轴156旋转，因而便于将工具100用作手动螺丝刀。在备选实施方式中，可以采用手动操纵的锁定装置。

小齿轮164定位在输出小齿轮轴156的与驱动板158相对的一端。输出小齿轮轴156的一端通过装配在轴承凹穴168内的轴承166保持轴向对准。输出小齿轮轴156的相反端由套筒170支承。套筒170一侧通过机头壳体136上的凸缘172支承。套筒170的相反侧通过还在图7和8中示出的托架174支承。

托架174包括被构造成与套筒170的一部分互补的支承区域176。如图9所示，两个连接臂178被构造成连接在机头壳体136上。托架174消除了设置模制在机头壳体136相对一侧用于凸缘172的匹配凸缘的需要。消除了设置相对凸缘的需要可以明显提高设计自由度，因为降低了对套筒170支承结构的空间要求。托架174可以由W108钢冲压而成以提供所需刚度和强度。

现在参照图10，小齿轮164构成了铰接齿轮传动系统180的一部分。铰接齿轮传动系统180还包括在铰接齿轮传动系统180的输出部分与小齿轮164啮合并且还通过小齿轮184啮合在电动机部分的锥齿轮182。锥齿轮182的轴186一端支承在机架190的孔188内(参见图4)。机架190由锌和铝合金ZA-8制成。该材料具有足够低的摩擦系数以确保在轴186与机架190之间存在相对较小的摩擦力。

轴186另一端由受到机架190支承的球轴承192支承。然而，在轴186的这一端，产生比轴186插入孔188内的那一端相对更大的力。更具体地，如图10所示，小齿轮164和小齿轮184位于锥齿轮182的同一侧。因而，当铰接齿轮传动系统180旋转时，在锥齿轮182上沿箭头194的方向产生指向锥齿轮182的底部196的力。该力起到了使锥齿轮182与小齿轮164和小齿轮184脱开的作用。利用作用在锥齿轮182上的这种增大的力，量值不能接受的轴向力被传递到轴承192。因而，设置推力轴承198保护球轴承192并对锥齿轮182的底部196提供低摩擦支承。推力轴承198由具有可以接受的低摩擦系数的材料例如可以从McMaster Carr of Chicago，Illinois购买到的浸油黄铜制成。因此，在锥齿轮182的底部196产生的摩擦保持在符合要求的水平。

再次参照图4，小齿轮184固定连接在行星变速箱轴200上，行星变速箱轴200接收来自总体由附图标记202表示的行星齿轮传动系统的转矩。像本领域已知的那样，行星齿轮传动系统202接收来自电动机的转矩。行星齿轮传动系统202位于部分插入机架190内的行星齿轮壳体204内。这种布置使行星齿轮传动系统202可以独立由其它部件制成，同时简化了行星齿轮传动系统202与其它部件的组装。这种模块化设计还可以在行星齿轮传动系统202中设置备选的齿轮装置，同时确保与其它部件的适配。

通常，在行星齿轮壳体204和机架190之间需要提供简单的摩擦装配。然而在图4所示的实施方式中，铰接齿轮传动系统180沿行星变速箱轴200产生轴向力。该轴向力起到了使行星齿轮壳体204与机架190脱开的作用。因而，设置延伸穿过行星齿轮壳体204和机架190的销206和208。销206和208确保了在钻机100的操作过程中行星齿轮壳体204不会与机架190分离。备选地，行星齿轮壳体204和机架190可以被形成为一体的单元。

继续参照图4，机架190被构造成与机头壳体136滑动配合。为此，机头壳体136包括绕球轴承192与机架190互补形成的护罩部分210。机头壳体136还包括凹槽212，其被构造成容纳机架190的限定孔188的部分。在图4中还示出了包括图11中示出的多个齿216的插孔214。

另外参照图12-14，插孔齿216被形成为与形成在铰接按钮120上的多个齿218互补。铰接按钮120包括被构造成装配在主壳体部分102上的孔222内的突出中心部分220。铰接按钮120的齿218还被构造成与绕孔222在主壳体部分102内侧形成的多个齿224啮合。铰接按钮120还包括在铰接按钮120面对插孔214一侧的弹簧容纳插孔226。当组装时，弹簧(未示出)位于插孔214内并延伸到弹簧容纳插孔226内，从而迫使铰接按钮120的突出中心部分220移动到铰接按钮120深入孔222内的位置。

参照图4和15，机架190通过肋228轴向支承在主壳体部分102上，主壳体部分102在本实施方式中由塑料制成。当机架190如图3所示安装在主壳体部分102中时，肋228位于机架190的翼片230下面。行星齿轮传动系统202通过机械方式固定在本身与印刷电路板234电连接的电动机232上，印刷电路板234又与电池触点保持器236电连接。触点保持器236与电池组106上的电池组插座匹配并通过导线(未示出)将电池电力传送到印刷电路板234。另一对导线(未示出)从印刷电路板234延伸到电动机终端238以向电动机232供给所需电压水平。

现在参照图5，在机头壳体136环绕锥齿轮182的部分上设置间隙240，这样使机头壳体136可以相对于主壳体部分102旋转，同时小齿轮164与锥齿轮182保持啮合。然而，当机头部分104与主壳体部分102轴向对准时，如图16所示露出间隙240。由此露出铰接齿轮传动系统180，使污染物进入铰接齿轮传动系统180，从而堵塞铰接齿轮传动系统，同时因衣服、手指或头发可能缠在铰接齿轮传动系统180内而存在安全问题。因而，图17中所示的浮动式防尘盖242被用于防止铰接齿轮传动系统180受到污染并避免使运动齿轮通过间隙240向操作者暴露，尤其是在机头壳体136如图17所示与主壳体部分102轴向对准时。

如图18-20所示，防尘盖242位于由主壳体部分102和机头壳体136限定的槽道244中。防尘盖242在槽道244下部(如图18和19所示)的位置受到在图11和20中最清楚地示出的位于机头壳体136上的可移动防尘盖行程限制器246或机架190的一部分248的限制。防尘盖242在槽道244上部的位置受到机头壳体136的颈部250或主壳体部分102上的唇部252的限制。

现在参照图3和21-23，离合器控制装置118通过机械方式与印刷电路板234上的线性电位计254接合。由可伸缩橡胶防护罩256封盖的光传感器256同样位于印刷电路板234上，可伸缩橡胶防护罩256又通过机械方式固定在变速触发器110上。反射面260(参见图24)位于橡胶防护罩258内部。通过机械方式固定在印刷电路板234上的塑料弹簧定位元件262起到了定位和支承弹簧264的作用，弹簧264通过机械方式紧固在变速触发器110上。弹簧264在远离印刷电路板234的方向上绕枢轴266偏压变速触发器110。印刷电路板234还包含通过机械方式与换向按钮112接合的二位滑动开关268。

绕枢轴266操纵变速触发器110改变了反射面260相对于光传感器256的位置以产生变速控制信号。尽管工具100的实施方式包含光学信号发生器和用于提供变速控制信号的接收器，但该工具备选还可以采用压力传感器、电容式接近传感器或感应式接近传感器。在这些备选实施方式中，用于产生电动机变速控制信号的压力感应开关可以包括用于产生变速控制信号的压力传感器，所述变速控制信号与直接由操作者或通过中间元件例如在停止位置与全速位置之间的距离上移动的可移动元件施加在压力传感器上的压力相对应。

利用电容式接近传感器实现的电动机变速控制信号的实施方式可以包括产生变速控制信号的电容传感器，所述变速控制信号与通过操作者手指或可移动元件的表面接近电容传感器产生的电容相对应。利用感应式接近传感器实现的实施方式产生与通过操作者手指或可移动元件的表面接近感应传感器产生的电感相对应。

参照图23，示意性示出了工具100的变速控制电路270。该变速控制电路270包括可操作地与变速触发器开关110相连的电源触点272。光学信号发生器274与电池106相连并布置在印刷电路板232上，使得从光学信号发生器274中发射的光指向变速触发器开关110的反射面260并指向光传感器256。

光传感器256和光学信号发生器274可以位于同一壳体内或者各自处于单独壳体内。当两个部件位于同一壳体内时，光发生器和传感器可以通过壳体中的单个观察窗发射和接收光。备选地，每个部件可以具有单独的观察窗。在单个壳体内具有光发生器和传感器的一体部件是可以从FairchildSemiconductor of Sunnyvale，California买到的QRD1114反射物传感器(Reflective Object Sensor)。所述壳体基本上比具有电刷的电位计更小，所述电刷横过的距离大致与触发器从停止到全速位置横过的距离相同。

光学信号发生器274和光传感器256可以是红外光发射器和红外光接收器。在备选实施方式中，IR收发器可以包含在通过机械方式紧固在变速触发器开关后部的柔性防尘盖内。在该实施方式中，在可移动触发器附近的盖的内部将光学信号反射到接收器以产生速度控制信号。

包含光传感器256的工具的控制会受到外部能源例如太阳的不利影响。因而，在一种实施方式中，可伸缩防护罩或防尘盖258由不透明材料制成或涂有不透明材料，使得漏过壳体和触发器结构的太阳能不会影响光传感器256接收的信号。备选地，对特定频带敏感的光传感器可以被用于仅在那一特定频带下屏蔽光传感器的装置。在另一实施方式中，可以采用其它电路或编码唯一地辨识来自干扰能量产生的反射信号的能量。

光传感器256是光敏晶体管，其具有通过触点272与电池组106相连的集电极276和通过分压器280和电容器282与电接地相连的发射极278。定时信号发生器284接收来自分压器280的电压。在工具100中，定时信号发生器264是通常已知的555定时器，尽管如此，可以采用其它定时信号发生器。

定时信号发生器264的输出与MOSFET 288的栅极286相连，MOSFET288具有与一个电动机终端238相连的漏极290和与电接地相连的源极292。另一电动机终端238通过触点272与电池组106相连。续流二极管294跨过电动机终端238连接。可操作地与变速触发器开关110相连的旁通触点296在电动机终端238与电接地之间与MOSFET 288并联定位并且制动触点298与续流二极管294并联。

首先参照图24-26说明钻机100的操作。夹头锁定装置126被构造成利用钻头例如图24中所示的螺丝刀钻头300进行操作。螺丝刀钻头300和钻头夹持器130形状互补。在该实例中，螺丝刀钻头300和钻头夹持器130大体上为六边形，尽管如此，可以采用备选形状。螺丝刀钻头300的直径略小于钻头夹持器130，使得其可以装配在钻头夹持器130内。螺丝刀钻头300包括切口区域302和尾部304。

首先，套筒138从图4所示的位置向右移动到图26所示的位置，由此使弹簧142压缩。当套筒138移动时，套筒138上的凹槽140靠近钻头夹持器130上的凹槽148。随后，当螺丝刀钻头300移动到钻头夹持器130内时，尾部304迫使钢球150向凹槽140移动并移出钻头夹持器130的槽道，从而使尾部304完全移动通过钢球150。

在该点，切口区域302与凹槽148对准。套筒138随后得到释放，从而使弹簧142将套筒138从图27所示的位置向左偏压在钻头夹持器130上。当套筒138移动时，凹槽140移动离开凹槽148，由此迫使钢球150部分地进入钻头夹持器130的槽道内，如图27所示。由于切口区域302与凹槽148对准，因此允许钢球150移动到钻头夹持器130的槽道内。在该点，钻头300稳固地夹持在钻头夹持器130内。

机头壳体136随后相对于主壳体部分102铰转到所需角度。首先，弹簧容纳插孔226中的弹簧(未示出)迫使铰接按钮120伸入孔222内。因而，铰接按钮120的齿218与主壳体部分102上的齿224以及机头壳体136的插孔214上的齿216啮合，由此锁定铰接按钮120(和机头壳体136)相对于主壳体部分102所成的角度。另外，通过机头壳体136的颈部250将防尘盖242限制在槽道244的上部并通过机架190的部分248将其限制在槽道244的下部，如图18所示。

操作者随后向铰接按钮120施加力，促使弹簧(未示出)压缩，由此使齿218与齿224脱开。因而，尽管齿218与齿216保持啮合，但机头部分104可以相对主壳体部分102枢转。当机头部分104例如从图1所示的位置枢转到图2所示的位置时，小齿轮164绕锥齿轮182枢转。通过举例，图28表示当钻机100处于图1所示的构造时小齿轮164和184相对于锥齿轮182的位置。在该构造中，小齿轮164绕锥齿轮182的圆周远离小齿轮184大致成90度。当机头部分104在箭头306的方向上枢转时，小齿轮164在同一方向上绕锥齿轮182枢转。因而，当机头部分104与主壳体部分102对准时，小齿轮164在远离小齿轮184成180度角的位置定位在锥齿轮182上，如图29所示。

在这种铰转过程中，小齿轮164和184与锥齿轮182保持啮合。因而，当机头壳体136枢转时，钻头夹持器130通过电动机232得到旋转。另外，机头壳体136的枢转促使可移动防尘盖行程限制器246接触防尘盖242并沿槽道244推动防尘盖242。因而，被构造成比图17所示的间隙240更宽的防尘盖242限制从钻机100的外部接近铰接齿轮传动系统180。

当铰接钻机100旋转到所需位置时，操作者减小施加在铰接按钮120上的力。随后使弹簧容纳插孔226中的弹簧(未示出)可以迫使铰接按钮120远离插孔214，直至铰接按钮120延伸穿过孔222。因而，铰接按钮120的齿218与主壳体部分102中的齿224以及机头壳体136的插孔214中的齿216啮合，由此锁定铰接按钮120(和机头壳体136)与主壳体部分102所成的角度。

随后通过以已知方式将换向按钮112置于与所需旋转方向相对应的位置来形成钻头300的所需旋转方向。通过绕枢轴266移动变速触发器开关110以闭合动力触点272来实现旋转。触点272的闭合形成了使电流流至光学信号发生器274以发射光的电路。

发射的光照射反射面260并且一部分光被反射向光传感器256。由反射面260反射的光量随着反射面260移动靠近光传感器256而增大。通过光传感器256感测到的光的增大导致由光传感器256传导的电流的增大并且电流流过光传感器256导致电流从集电极276流至发射极278。因而，随着照射在光传感器256上的光强度的增大，由光传感器256传导的电流也增大。电流的增大导致通过分压器280向定时信号发生器284提供的电压水平提高。增大的信号是变速信号并且其促使定时信号发生器284通过已知方式产生定时信号。在所示钻机100中，定时信号发生器284是通常已知的555定时器，尽管如此可以采用其它定时信号发生器。

定时信号发生器284产生具有与变速信号水平相对应的逻辑接通状态的定时脉冲。该信号被提供给MOSFET 288的栅极286。当在栅极286中存在的信号是逻辑接通时，MOSFET 288使一个电动机终端238与地相连，而另一电动机终端238通过主触点272与电池电源相连。因而，当变速触发器开关110达到光传感器256开始检测反射光并产生变速信号的位置时，定时信号发生器284开始产生促使MOSFET 288将一个电动机终端238与地相连的信号。一旦这一点发生，电流开始流过MOSFET 288并且电动机232开始在由换向按钮112选定的方向上旋转。

续流二极管294促使在电动机232的绕组中恰好半个周期的电流通过二极管294流出电动机232并在MOSFET 288响应于断开状态的定时信号而不进行传导时流回电动机232。这一动作被称为续流并且众所周知。

当变速触发器110处于全速位置时，定时信号主要处于接通状态并且旁通触点296闭合。旁通触点296的闭合使电池电流能够连续通过电动机232流动，从而电动机232在最高速度下旋转。

当不再需要旋转时，操作者释放变速触发器开关110并且弹簧264促使变速触发器开关110绕枢轴266旋转，从而使旁通触点296断开。另外，制动触点298闭合，由此连接电动机终端238。两个电动机终端238通过制动触点298的彼此相连能够实施电动机的动态制动。

因此工具100的电子控制装置与现有技术的控制系统相比需要向用于产生变速信号的部件提供更小的空间。由于光信号发生器274和光传感器256不必与变速触发器开关110行进的距离相匹配，因此获得相当大的空间效率。另外，光信号发生器274和光传感器256不需要移动部件，这样同样提高了可靠性。有利地是，光信号发生器274和光传感器256可以与定时信号发生器284安装在同一印刷电路板234上。

当钻机100作业时，钻头300承受轴向力。轴向力产生于例如由操作者施加的或由钻头上的冲击产生的压力。在任何一种情况下，都可以在不增大铰接齿轮传动系统180内的部件的体积的情况下防止铰接齿轮传动系统180受到损坏。这一点通过将来自钻头300的轴向力引向钻机100的主壳体部分102同时绕过铰接齿轮传动系统来实现。首先参照图27，对钻头300的冲击往往使钻头300进一步移动到钻机100内，或者移动到图27所示的左侧。在现有技术的设计中，不仅所述力损坏齿轮传动系统，而且被用于将钻头保持在钻头夹持器内的钢球频繁卡死，从而被迫更换夹头锁定装置。

然而如图27所示，圆柱形销146定位成使得钻头300的尾部304将在切口区域302的壁接触钢球150之前接触圆柱形销146。因而，轴向冲击不会引起钢球150卡死。当然，圆柱形销146必须由足以承受轴向冲击的材料制成。根据一种实施方式，圆柱形销146由AISI 4135钢制成。

现在参照图4，如果发生轴向冲击，则力从圆柱形销146被传递到钻头夹持器130。轴向力从钻头夹持器130被传递到位于轴承凹穴134内的轴承132。因而，轴向力被传递到机头壳体136的凸缘152(还参见图5)内。本实施方式中的机头壳体136由铝合金A380制成，从而能够接受由轴承132传递的力。该力随后被传递到机架190并被传递到主壳体部分102的肋228内。

更具体地，绕铰接齿轮传动系统180设置有用于轴向力传递的两个路径。第一路径主要在机头壳体136与主壳体部分102轴向对准时传递轴向力。在该构造中，轴向力主要通过凹槽212并在护罩部分210处经过机头壳体136到达机架190，在所述凹槽212处机头壳体136绕孔188(参见图4)接合机架190，在所述护罩部分210处机头壳体136沿锥齿轮196的底部向外接合机架190。

第二路径主要在机头壳体136相对于主壳体部分102成90度角时使轴向力通过。在该构造中，轴向力再次从圆柱形销146被传递到钻头夹持器130。轴向力随后主要从机头壳体136的插孔214上的齿216通过而到达铰接按钮120上的齿218并随后到达主壳体部分102上的齿224。

当机头壳体136既不与主壳体部分102完全对准也不相对于主壳体部分102成90度角时，轴向力通常经过上述两个通路。因而，降低了轴向力对钻机100的铰接齿轮传动系统180的影响。由于因此使铰接齿轮传动系统180受到保护，因此铰接齿轮传动系统180可以被构造成比其它铰接齿轮传动系统更轻。

在一种实施方式中，可以在钻机100或另外的电动工具中采用的印刷电路板包括向操作者提供振动反馈的电路，如图30所示。振动反馈电路308包括微控制器310、驱动器电路312以及电动机接口电路314。在本实施方式中的驱动器电路312是从单个脉冲宽度调制(PWM)信号、可以与PWM信号为相同信号的转矩极限指示信号以及电动机方向控制信号中产生用于半桥电路的驱动信号的集成电路。驱动器电路312可以是半桥驱动器，例如可以从Allegro Microsystems，Inc.of Worcester，Massachusetts买到的Allegro 3946。

驱动器电路312的输出通过可以为MOSFET的两个晶体管318和320与电动机316相连，尽管如此，可以采用其它类型的晶体管。晶体管318可以通过开关322和324与电动机316的任意终端相连，而晶体管320可以通过开关326和328与电动机316的任意终端相连。分路电阻器330连接在晶体管320与电接地之间。电阻器330的高电位侧通过放大器332与微控制器310相连。还在振动反馈电路308中设置电源334并且从可以是线性电位器例如线性电位器254的转矩参考源336提供最大转矩参考信号。

电动机316的半桥控制装置消除了设置续流二极管的需要，因为驱动器电路312产生电动机接口电路信号，用于选择性操作电动机接口电路314以控制电动机316的旋转速度。更具体地，向微控制器310提供来自触发器电位器或类似部件的变速控制信号338，以通过微控制器310调节电动机316的旋转。基于变速控制信号338，微控制器310产生向驱动器电路312提供的PWM信号。响应该PWM信号，驱动器电路312使晶体管318和320导通和截止。

在常规操作过程中，晶体管318与晶体管320互补，使得当晶体管320导通时，晶体管318截止。晶体管320导通和截止的比率决定电动机316的速度。电动机316的旋转方向例如在换向开关的控制下由开关322，324，326和328的位置决定。

当晶体管320处于导通状态时，通过晶体管320和电阻器330将流过电动机316的电流提供到电接地。该电流与使电动机316操作的转矩相关。因而，在电阻器330高电位侧的电压与电动机316上的转矩相关。该电动机转矩信号通过放大器332放大并被提供给微控制器310。微控制器310将放大的电动机转矩信号与通过转矩参考源336形成的转矩极限信号进行比较。备选可以由不同类型的转矩极限信号发生器提供的转矩极限信号向微控制器310提供与流过电动机316的电流相对应的参考信号，该参考信号代表了电动机316的最大转矩设定。

响应于微控制器310接收到超过电动机316最大转矩设定的电动机转矩信号，微控制器310产生向驱动器电路312提供的制动信号。响应于该制动信号，驱动器电路312使晶体管320变为截止状态并将晶体管318置于导通状态。这样再生电流能够对电动机316的旋转进行动态制动。

当发生动态制动时，由电动机316承受的转矩降低直至感测到的转矩小于电动机316的最大转矩设定。微控制器310随后使晶体管320变为导通状态，由此使电动机316旋转并提高电动机316所承受的转矩。这样，电动机316在旋转和促使工具振动并警告操作者已经达到转矩极限的动态制动之间交替变化。用于提供该振动反馈的有效频率为30Hz。引起这一操作的转矩极限指示信号持续下去，只要触发器保持压下。备选地，微控制器可以被编程以在固定时间段内产生转矩极限指示信号并随后停止以降低电动机受到过脉冲(over-pulsed)的可能性。

在一种实施方式中，利用图31中所示的电路向钻机100提供振动反馈。振动反馈电路340包括微控制器342、H桥驱动器电路344和电动机接口电路346。四个MOSFET 348，350，352和354在H桥驱动器电路344的控制下对从可充电电池组106向电动机232的供电进行控制。分路电阻器356设置在MOSFET 352和354与电接地之间。在电阻器356的高电位侧的信号与电动机232产生的转矩相对应。该电动机转矩信号通过利用图31所示的操作放大器实施的放大电路358放大并提供给微控制器342。微控制器342将电动机转矩信号与转矩极限信号进行比较，并响应于电动机转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生转矩极限指示信号。转矩极限指示信号可以具有矩形波形。

在一种实施方式中，微控制器342提供转矩极限指示信号，该信号是在大致30Hz频率下具有至少200μs断开状态的矩形信号。该转矩极限指示信号促使驱动器电路344产生电动机接口控制信号，该信号使动力与电动机232断开并将MOSFET 348，350，352和354连接在一起，所以电动机232的绕组内的电流通过电动机232流回以对电动机232进行动态制动。

动态制动导致电动机232停止。在施加下一接通脉冲之前，微控制器将所述信号反向作为H桥驱动器344的方向控制输入。因而，矩形脉冲随后的接通状态促使H桥驱动器电路344对H桥进行操作以将电动机232与可充电电池组106相连，所述电池组106具有与在制动之前被用于连接电动机232和可充电电池组106的极性相反的极性。电动机在30Hz频率下的这种制动/反向/起动操作促使工具以警告操作者已经达到转矩极限的方式振动，同时防止钻头在离合操作过程中继续旋转。也可以在不使信号反向的情况下采用动态制动。

在另一实施方式中，可以在固定时间段内例如10-20个脉冲内产生矩形波形，使得电动机不会受到过脉冲(over-pulsed)。同样，微控制器342可以在矩形波形的断开时间段内将方向控制信号反向提供给H桥驱动器344，使得电动机232每次在相反方向起动。该动作导致在离合周期内净输出旋转为零。另外，微控制器342可以响应于指示电动机232反向操作而不是正向操作的电动机方向控制信号来使离合功能失效。

图32A和32B示出了在消除了设置机械触点需要的工具中采用的电路的实施方式。电路360包括光学速度控制开关362、二位正向/反向开关364、微控制器366、驱动器电路368、H桥电路370、电动机372、分路电阻器374、电动机转矩信号放大器376、以及转矩极限信号发生器378。在该实施方式中，动力通过H桥电路370与电动机372相连，但不再需要主触点、制动触点和旁通触点。因而，该实施方式显著减少了承受机械磨损和老化的部件的数量。由于光学控制开关362、微控制器366、驱动器电路368、H桥电路370和转矩信号放大器376都可以实施为集成电路，则IC可以安装在共用的印刷电路板上并且获得以前由机械触点和变速信号电位计占用的空间。该构造还使工具部件能够布置成更有效的几何结构。

在电路360中，光学速度控制开关362如上所述操作以从枢转触发器的反射面处定向的光学信号反射中产生变速控制信号。变速控制信号被提供给微控制器366进行处理。可以是从Texas Instruments买到并由部件号MSP430命名的微控制器366得到指令编程以产生PWM脉冲，该PWM脉冲具有与变速信号电平相对应的接通状态。微控制器366向驱动器电路368提供PWM信号以产生四个电动机接口控制信号，这些电动机接口控制信号被用于使电池动力与电动机372相连。电动机372的驱动方向由二位正向/反向开关364中的触点确定，通过所述触点向微控制器366提供信号。在电路360中，二位正向/反向开关364的触点无需承载被提供给电动机372的电流，因此二位正向/反向开关364的触点可以比其它系统中的触点更小。还通过微控制器366向驱动器电路368提供方向信号，因此驱动器电路368能够对H桥电路370中的电流进行两个方向的控制。

电动机转矩信号放大器376向微控制器366提供来自分路电阻器374的高电位侧的转矩信号。转矩极限信号发生器378可以实施为如上所述的电位计以向微控制器366提供参考信号。当微控制器366确定电动机转矩信号等于或超过电动机转矩极限时，微控制器366产生转矩极限指示信号，因此驱动器电路368产生电动机接口控制信号，该电动机接口控制信号使电动机372以引起振动的方式进行操作。对于TD340驱动器电路，由微控制器366产生的转矩极限指示信号是在大约30Hz频率下具有至少大约200μs断开状态的矩形信号。

尽管已经通过对示例性过程和系统部件的描述说明了本发明，以及尽管已经相当详细地描述了多种过程和部件，但申请人并不是要限制或将附加权利要求的范围局限于这些细节。而且本领域技术人员很容易认识到另外的优点和修改。因此本发明就其最广义方面并非局限于所示和所述的具体细节、实施方式或示意性实例。因而，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的前提下可以偏离这些细节。

Claims (22)

1.一种用于向操作者指示已达到转矩极限的电动工具，包括：

用于产生电动机接口驱动信号的驱动器电路，

与电动机相连以根据该接口驱动信号使动力与电动机选择性相连的电动机接口电路，

用于产生转矩极限信号的转矩极限信号发生器，

用于产生与由电动机产生的转矩相对应的转矩信号的电动机转矩信号发生器，以及

微控制器，其用于将电动机转矩信号与转矩极限信号相比较，并且用于响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生转矩极限指示信号，由此驱动器电路产生电动机接口电路控制信号，该电动机接口电路控制信号促使电动机振动以警告操作者已经达到转矩极限。

2.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述转矩极限信号发生器包括电位计。

3.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述电动机转矩信号发生器包括与电动机接口电路电连接的分路电阻器。

4.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述电动机转矩信号发生器包括放大器。

5.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述微控制器产生的转矩极限指示信号是矩形波信号。

6.如权利要求5所述的工具，其特征在于，所述微控制器产生的转矩极限指示信号具有至少大约200μs的断开状态。

7.如权利要求5所述的工具，其特征在于，所述微控制器产生的矩形波信号具有大约30Hz的频率。

8.如权利要求5所述的工具，其特征在于，所述电动机接口电路是半桥电路；以及

所述驱动器电路产生电动机接口驱动信号，该电动机接口驱动信号促使电动机接口电路在使电动机与电池相连和响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而对电动机进行动态制动这两种情形之间交替变化。

9.如权利要求5所述的工具，其特征在于，所述电动机接口电路是H桥电路；

所述微控制器与电动机方向控制信号相连；以及

所述微控制器使电动机方向控制信号反向，并将该反向的电动机方向控制信号提供给驱动器电路，用于响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生H桥驱动信号。

10.如权利要求9所述的工具，其特征在于，所述微控制器向驱动器电路发送动态制动信号，用于响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生H桥驱动信号。

11.如权利要求10所述的工具，其特征在于，所述驱动器电路响应于反向的电动机方向控制信号在转矩极限指示信号处于断开状态的过程中使与电动机相连的电池极性反向。

12.一种用于操作电池驱动的工具以指示已经达到转矩极限的方法，包括：

产生电动机接口信号以使动力选择性地与电动机相连，

产生转矩极限信号，

产生与由电动机产生的转矩相对应的转矩信号，

将电动机转矩信号与转矩极限信号进行比较，以及

响应于转矩信号等于或大于转矩极限信号而产生转矩极限指示信号，由此产生电动机接口信号，该电动机接口信号促使工具振动以警告操作者已经达到转矩极限。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述转矩极限信号的产生包括：

利用电位计产生该转矩极限信号。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电动机转矩信号的产生包括：

使分路电阻器与电动机接口电路串联。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电动机转矩信号的产生包括：

放大来自分路电阻器的信号。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述转矩极限指示信号的产生还包括：

产生为矩形波信号的转矩极限指示信号。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述转矩极限指示信号的产生包括：

产生具有至少大约200μs断开状态的矩形信号。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述转矩极限指示信号的产生包括：

产生具有大约30Hz的频率的矩形信号。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电动机接口信号的产生包括：

产生用于半桥电路的信号，所述用于半桥电路的信号促使半桥电路在使电动机与电池相连和对电动机进行动态制动这两种情形之间交替变化。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电动机接口信号的产生包括产生用于H桥电路的信号，所述方法还包括：

使用于产生H桥驱动信号的电动机方向控制信号反向。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：

响应于反向的电动机方向控制信号在动态制动信号处于断开状态的过程中使与电动机相连的电池极性反向。

22.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

确定用于控制电动机旋转方向的开关已经置于反向位置；以及

基于上述确定使导致工具振动的电动机接口信号的产生失效。

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