具有集成电路板的铰接钻和操作方法

专利名称：具有集成电路板的铰接钻和操作方法
技术领域：
本发明涉及电动手持工具；而且更为特别地，涉及电动手持式铰接工具。
背景技术：
以电池驱动的电动工具是众所周知的。这些工具通常包括电动马达， 其具有与保持工具的主轴连接的输出轴。所述工具可以是钻头、打磨盘、 去毛刺工具等。电源可以是电池源，例如Ni-Cad或其它可充电电池，可充 电电池可以从工具上卸下来充电，然后连接到工具上以提供电力。电源通过电源开关和电动马达相连。所述开关包括连接开关和电源的 输入电触头。在开关壳体内部，可移动构件(有时被称为开关)连接输入 电触头和电位计的滑动片。当可移动构件被按压来克服所述开关的偏置部 件时，它使得输入电触头闭合，同时向电动马达的一个端子和电位计滑动 片提供电流。当移动构件被释放时，所述可移动构件被偏置以便偏置力使 移动构件返回，输入电触头处于断开状态时的位置。电流通过电位计连接 到定时信号发生器，例如555电路。当构件或触发开关克服偏置力被连续 拉动以致滑动片从开路状态到低阻抗或短路状态来降低电位计的阻抗时， 提供给定时信号发生器的电流增加。定时信号发生器的输出连接到固态元器件例如M0SFET管的栅极。固态 元器件的源极和漏极被连接到电动马达的第二连接端和电气地之间。响应 于定时信号来控制固态元器件的导通和断开，马达可以选择性的通过固态 元器件与电气地连接。因而，由于定时信号使固态元器件能够较长间隔的 连接马达和电气地，所以电流将较长间隔的通过马达。马达和电源连接时间越长，电动马达的输出轴转动就越快。因此，工具的操作者能够改变马 达的速度，而且因此，通过操纵电源开关的触发装置改变工具主轴的转动 速度。由定时电路所产生的定时信号因为在逻辑导通状态和逻辑断开状态间 交替变化，可选择地将马达与电源连接。在逻辑上处于断开状态时，马达 和电源不连接。然而，马达的线圈内部仍旧存在电流。为了给电流提供回 路，续流二极管跨接在马达的连接端。电源开关的触发装置也连接两套触头装置。这些触头中的一个被称为 旁路触头装置。当触发装置克服偏置部件到达其行程停止位时，旁路触头 闭合。旁路触头的闭合导致通过马达的电流到达旁路固态元器件从而被分 流到电接地。这样使马达能够持续的保持和电源的连接同时达到它的最大 速度。另一个通过开关触发装置控制的电触头是制动触头。当开关触发装置 处于完全偏置截止位置时，这些触头被闭合。当开关触发装置克服偏置力 移动时，使制动触头打开。制动触头连接电动马达的一个端子和马达的另 一个端子。通过响应从为马达提供电力的位置释放触发装置，使制动触头 闭合，以便提供通过马达的电流通路，以动态制动马达。这使得马达的停 止比在摩擦力的作用下简单地滑动停止要更快。虽然上述的电源开关对工具速度控制是有效的，但它也遇到一些限制。 由于通过开关的电池电流的影响，已知的电源开关受到限制。当电池电流 最初作用于所述触头时，电流的大小足够引起放电。放电可能导致触头凹 陷或其它的损坏。另外，大电流也会使开关内部的部件发热。因此，开关 可以用散热器或更大体积以驱散开关内部的热量。开关壳体的大尺寸也可 以影响容纳开关的工具壳体的设计。另外，影响开关壳体形状和尺寸的因 素是产生变速信号的电位计。通常地，电位计滑动片的移动距离和开关触发装置的移动距离大致相同。在许多情况下，这个距离大概为7mm，同时电 位计和安装电位计的壳体必须接受这个距离。马达的转动方向决定于要么电池电流从马达的第一端子流过第二端 子，要么反之。由于希望电池驱动的工具双向旋转，因此大部分工具设置 了双位开关，这种开关决定了电池电流通过电动马达的方向。在一些之前 已知的电池驱动的工具的开关中，这种双位开关被容纳在它自己的壳体内，所述壳体安装在开关壳体内。这种附加的双位开关壳体更加剧了前述的空 间问题。在其它己知的开关中，所述双位开关可能被集成到开关壳体中。 这种布置或许比两个壳体结构的要小，但会增加另外的一套开关触头，马 达电流流过这些触头会引起伴随的热量或触头的退化。已知电源开关的另一个限制与电动工具的转矩控制相关。在一些电池 驱动的工具中，使用机械离合器对工具设置转矩极限。当工具的旋转阻力 使得工具产生的转矩增加到转矩极限时，离合器滑动以减少转矩。然后所 述转矩会再次产生直到到达极限，然后离合器再次滑动。这种伴随转矩重 新形成的离合器滑动的反复作用被操作者感知为振动。这种振动告知操作 者，工具工作在设定的转矩极限状态。这种滑动也导致机械部件在摩擦力 和冲击力下的磨损。电动钻遇到了前述的限制。除此之外，电动钻通常结构为直线钻，对 于特殊目的，也有角向钻，在直线钻中钻主轴平行于马达主轴和壳体轴线 延伸，在角向钻中钻主轴与马达主轴和壳体轴线成直角。在某些直线钻和 角向钻必须同时进行的情况下，例如在木质房间结构的安装中，这两种工 具必须都在手边以便不断的交替使用。需要的是，铰接电动手持工具不需要大壳体来容纳机械开关。更进一 步需要的是，铰接电动手持工具具有减小的前部和紧凑的铰接系统，以允 许在有限的空间内使用工具。发明内容本发明是铰接电动手持工具。在一个实施例中，所述工具包括具有纵轴线的主壳体；可旋转地与所述主壳体接合的头部分，其相对于所述主壳 体的纵轴线置于多个角度位置；位于主壳体内的集成电路板；和可以从所 述主壳体的外部接近的至少一个控制器，用于控制所述集成电路板。在另一个实施例中，手持式电动工具包括纵向延伸的主壳体；相对于 主壳体的纵轴线在多个角度位置与所述主壳体接合的头部分，每一个角度 位于同一平面内；为头部分内的钻头保持器提供动力的铰接齿轮传动系统， 其包括马达侧小齿轮和输出小齿轮，马达侧小齿轮具有和主壳体纵轴线 大致平行的旋转轴线，输出小齿轮具有和头部分纵轴线大致平行的旋转 轴线，其中马达侧小齿轮通过锥齿轮操作性地与输出小齿轮相连；大致位于所述平面上的从主壳体外部可操作的控制器；和位于主壳体内部且响 应控制器的集成电路。根据本发明的方法包括将所述电动工具的头部分相对于电动工具的 主壳体纵轴线旋转到多个角度中的一个角度位置；移动位于主壳体外部 的变速触发开关；响应于所述变速触发开关的移动，由主壳体内的集成 电路产生变速信号；根据所述变速信号控制主壳体内的马达的速度；和 将原动力从马达传递给头部分内的部件。可以从本发明的优选实施例的附图和详细描述中更加清楚本发明的这 些和其它的优点和特性。


本发明可以成形为各种系统和方法部件，且可成形为系统和方法部件 的各种布置。附图仅仅用于阐明典型的实施例，且不能作为对本发明的限 制。图1示出本发明的铰接钻的透视图；图2示出图1中去掉可充电电池组的铰接钻的侧面正视图；图3示出图1中铰接钻的透视图，其去掉电池组、部分主壳体盖、和部分头壳体，在钻头保持器中具有钻头；图4示出图1中铰接钻的头部分、铰接齿轮传动系统和行星齿轮系统的剖视图；图5示出图1中铰接钻的包括自动主轴锁定系统的头部分的分解透视图；图6示出图1中的钻的头部分的俯视图，其具有位于头壳体的凹室内 的一些部件；图7示出用于支撑图1中铰接钻的输出小齿轮轴的支架的俯视图； 图8示出图7的支架的侧视图；图9示出图1中铰接钻的行星齿轮系统、连接部分和头部分的顶部正 视图，其去掉了主壳体和部分头壳体；图IO示出图1中铰接钻的铰接齿轮传动系统的侧视图，其包括锥齿轮 和两个小齿轮；图11示出图1的钻的头壳体部分的透视图，其具有在凹槽中的若干齿，所述若干齿与铰接按钮上的齿互补；
图12示出图1中铰接钻的铰接按钮的透视图； 图13示出图12中铰接按钮的底部的透视图14示出图1中铰接钻的外壳内表面的局部顶视图，其具有与铰接按 钮上的齿相互补的齿和用于容纳铰接按钮的凸起部分的孔； 图15示出图1中铰接钻的外壳内表面的顶视图16示出图1中铰接钻的局部俯视图，其头部分与主壳体部分成直线 排列，且没有防尘盖；
图17示出图1中铰接钻的局部俯视图，其头部分与主壳体部分成直线 排列，带有防尘盖；
图18示出图1中铰接钻的侧视图，其头部分从钻的主壳体部分旋转90 度，且移除部分主壳体以示出图17的防尘盖的位置；
图19示出图18的铰接钻的侧视图，其头部分从钻的主壳体部分旋转 180度，且移除部分主壳体以示出图17的防尘盖的位置；
图20示出图19的防尘盖的详细视图21示出图1的铰接钻的透视图，其移除了变速触发开关，离合控制 器和一部分主壳体；
图22a, 22b和22c示出根据本发明的原理，图1的铰接钻的印刷电路 板的各个视图23示出图21的铰接钻的透视图，其具有可伸縮的防护罩，可伸縮 的防护罩具有安装在光发生器和光传感器上面的内部反射表面；
图24示出图1的钻的示意图/方框图，其具有用于马达速度控制的光 开关；
图25示出螺丝刀形式的钻头的侧视图，该钻头可以用于图1的铰接钻； 图26示出图25的钻头的剖视图，其正在被插入图1的铰接钻中； 图27示出图25的钻头的剖视图，其被插入图l的铰接钻中； 图28示出根据本发明的原理的锥齿轮的局部顶视图，两个小齿轮呈90 度间隔设置；
图29示出图28的锥齿轮的局部顶视图，两个小齿轮呈180度间隔设
置；
图30示出电动工具的电气图/示意图，其使用马达接口电路动态地制动工具马达，具有半桥的马达接口电路给操作者提供已经到达转矩极限的
振动反馈；
图31示出可以用于图1的钻的电路的电气图/示意图，其使用马达接 口电路动态地制动工具马达，具有全H桥电路的马达接口电路给操作者提 供已经到达转矩极限的振动反馈；和
图32A和32B示出电动工具的电气图/示意图，其响应于来自光开关的 变速信号提供固态马达速度控制，且动态地制动马达以指示已经到达转矩 极限。
具体实施例方式
图1中示出通常指示为100的铰接钻。在图1的实施例中，钻100包 括主壳体部分102和头部分104。主壳体部分102容纳马达和相关的控制钻 100的电子装置。和本领域已知技术一样，主壳体部分102包括容纳可充电 的电池组106的电池座。在一个实施例中，可充电的电池组106包括锂离 子电池。通过按压电池释放键来拆下电池组106。图2示出拆下电池组106 的钻IOO。可选择外部电源为钻100供电，例如外部电池或电源线。
变速触发开关110控制马达旋转速度。马达旋转方向被反向按钮112 所控制，反向按钮112在手指平台114内滑动。通风开口 116使冷空气在 主壳体部分102内部的马达周围循环。离合控制器118设置使用钻100时 所产生的最大转矩。在图1中所示的位置，离合控制器118位于最高设置 或钻孔模式。在最高设置，离合器处于不使能状态以提供最大转矩。通过 从图1所示的位置向下滑动离合控制器118,用户可以设置所希望的允许钻 IOO产生的极限转矩，这在后续更为详细的介绍。因此，在除最高设置之外 的其它设置时，高于离合控制器118设置的转矩使离合器启动。
主壳体部分102还包括模制在主壳体部分102的外表面124上的铰接 按钮120和若干角度参考指示器122。在图1的实施例中设有5个角度参考 指示器122，用于指示头部分104所处的5个角度位置。
头部分104包括夹头锁定装置126和角度指示器128。头部分104所处 的角度由与角度指示器128对准的角度参考指示器122来指示。如图1所 示，头部分104相对于主壳体部分102呈90度设置。在图2中，头部分104 与主壳体部分102轴向对齐。尽管图1和2中实施例具有5个角度参考指示器122，也可以设置更多的或更少的角度参考指示器122以及头部分104 相对于主壳体部分102所处的相应角度。
参考图3-6，夹头锁定装置126围绕钻头保持器130，钻头保持器130 被球轴承132支撑，球轴承132固定在头壳体136的轴承座134中。夹头 锁定装置126包括具有槽140的套筒138。弹簧142定位于钻头保持器130 周围。钻头保持器130包括容纳柱销146的孔144和容纳钢球150的槽148。
在轴承132的外围后部，轴承132邻接头部分104的头壳体136。更为 具体地，轴承132邻接凸缘152。在这个实施例中，尽管凸缘可选择地成形 为围绕壳体136的内部的若干翼片，凸缘152仍连续围绕壳体136。
钻头保持器130可操作地与驱动夹头154连接，驱动夹头154通过驱 动盘158与输出小齿轮轴156连接，驱动盘158固定连接在输出小齿轮轴 156上。锁环160围绕驱动夹头154和三个锁销162。锁环160、驱动夹头 154、驱动盘158和锁销162均包括自动主轴锁定系统，以便输出钻头保持 器130能够如现有技术所已知的那样仅被从小齿轮侧驱动。当从钻头侧被 驱动时，也就是说，当工具100被用作手动螺丝刀时，主轴锁定系统使输 出小齿轮轴156不旋转，因而有利于工具100作为手动螺丝刀使用。在可 选择的实施例中，可以使用手动操作的锁定设备。
小齿轮164位于输出小齿轮轴156的相对于驱动盘158的相反端。输 出小齿轮轴156的一端通过轴承166保持轴向对准，轴承166安装在轴承 座168中。输出小齿轮轴156的相反端被套筒170支撑。套筒170 —侧被 位于头壳体136上的凸缘172支撑。在相对侧，套筒170被图7和8所示 的支架174支撑。
支架174包括与套筒170的一部分互补的支撑面176。两个连接臂178 成形为如图9所示与头壳体136连接。支架174消除了为凸缘172提供模 制在头壳体136相对侧的匹配凸缘的需求。相对凸缘的需求的消除使得设 计的自由度大大增大，这是由于支撑套筒170的支撑结构的空间需求降低 了。支架174可以由W108钢冲成，以满足硬度和强度的需要。
现在参考图10，小齿轮164形成铰接齿轮传动系统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啮合的锥齿轮182，锥齿轮182还通过小齿轮184与马达部分啮合。锥 齿轮182的轴186在一端被支撑在框架190的孔188 (见图4)中。框架190由锌铝合金ZA-8制成。这种材料提供足够低的摩擦系数，以确保在轴186 和框架190之间的摩擦力相对较小。
轴186在相反端由球轴承192径向和轴向支撑，球轴承192被框架190 支撑。但是，在轴186的该端产生比在轴186插入孔188的一端更大的力。 更为具体地，如图10所示，小齿轮164和小齿轮184位于锥齿轮182的相 同侧。因此，随着铰接齿轮传动系统180的旋转，在锥齿轮182上产生沿 箭头194方向指向锥齿轮182的基部196的力。此力的作用使得锥齿轮182 从小齿轮164和小齿轮184上脱离。随着作用在锥齿轮182上的力增大， 不可接受的轴向力传递给轴承192。因此，设置推力轴承198来保护球轴承 192，并向锥齿轮182的基部196提供低摩擦支撑。推力轴承198由可接受 的低摩擦系数的材料制成，例如可以商业上从McMaster Carr of Chicago, Illinois得到的浸油青铜。因此，在锥齿轮182的基部196处所 产生的摩擦维持在可接受的水平。
再参考图4，小齿轮184固定连接在行星齿轮箱轴200上，行星齿轮箱 轴200接受来自行星齿轮传动系统的转矩。行星齿轮传动系统通常用参考 标记202指示。行星齿轮传动系统202接收来自现有技术中已知的马达的 转矩。行星齿轮传动系统202位于行星齿轮壳体204内部，行星齿轮壳体 204部分插入框架190内部。这种布局使得行星齿轮传动系统202可以独立 于其它部件制造，同时简化行星齿轮传动系统202与其它部件的装配。这 种模块化还使得在行星齿轮传动系统202中设置可选择的齿轮，同时确保 与其它部件的适当安装。
通常，希望在行星齿轮壳体204和框架190之间提供简单的摩擦配合。 但是，在图4的实施例中，铰接齿轮传动系统180产生沿行星齿轮箱轴200 的轴向力。这个轴向力的作用使得行星齿轮壳体204从框架190上脱离。 因此，设置穿过行星齿轮壳体204和框架190延伸的销206和208。销206 和208确保在钻100操作过程中行星齿轮壳体204不会从框架190上分离。 可选择地，行星齿轮壳体204和框架190可以形成为一体单元。
继续参照图4，框架190形成为与头壳体136滑动地匹配。为此，头壳 体136包括护罩部分210，其围绕球轴承192与框架190相互补地形成。头 壳体136还包括容纳框架190的限定孔188的部分的槽212。在图4中还示 出包括如图11中所示的若干齿216的插孔214。进一步参考图12-14,插孔齿216与铰接按钮120上的若干齿218相互 补。铰接按钮120包括安装在主壳体部分102中的孔222中的凸起的中央 部分220。而且铰接按钮120的齿218形成为与围绕孔222的主壳体部分 102内侧上的若干齿224啮合。铰接按钮120还包括在铰接按钮120的面对 插孔214的侧面上的弹簧容纳插孔226。当装配以后，弹簧(未示出)位于 插孔214内部，且延伸入弹簧容纳插孔226内部，迫使铰接按钮120的凸 起的中间部分220朝向铰接按钮120伸入孔222的位置。
参考图4和15，通过肋228在主壳体部分102内轴向支撑框架190， 在此实施例中主壳体部分102由塑料制成。当如图3所示在主壳体部分102 中安装框架190时，肋228位于框架190的翼片230下。行星齿轮传动系 统202与马达232机械连接，马达232本身与印刷电路板234电连接，印 刷电路板234与电池接触保持器236电连接。电池接触保持器236与电池 组106上的电池组座紧密配合，而且将电池的电能通过引线(未示出)传 递给电路板234。另一对从电路板234向马达端子238延伸的引线(未示出) 给马达232传递所需要的电压。
现在参考图5,在头壳体136的围绕锥齿轮182的部分设置间隙240， 使得头壳体136相对于主壳体部分102旋转，同时小齿轮164与锥齿轮182 啮合。然而，当头部分104与主壳体部分102轴向对齐时，间隙240如图 16所示的暴露出来。因此，铰接齿轮传动系统180暴露允许污物进入铰接 齿轮传动系统180，这不仅会弄脏铰接齿轮传动系统，还会由于衣服、手指 或头发会绊入铰接齿轮传动系统180而出现安全隐患。因此，如图17所示 的浮动式防尘盖242被用于防止铰接齿轮传动系统180的污染和避免运动 的齿轮通过间隙240暴露给操作者，特别是当如图17中所示，头壳体136 与主壳体部分102轴向对齐时更能起到上述作用。
如图18-20所示，防尘盖242位于由主壳体部分102和头壳体136所 限定的通道244中。通过可移动的防尘盖行程限制器246或框架190的一 部分248来限制防尘盖242在通道244下部(如图18和19所述)的位置， 防尘盖行程限制器246位于头壳体136上，这在图11和20中最为清楚的 示出。通过头壳体136的颈部分250或者主壳体部分102中的边缘252来 限制防尘盖242在通道244上部的位置。
现在参考图3和21—23，离合控制器118与电路板234上的线性电位计254机械连接。光传感器256也位于电路板234上，光传感器256被可 伸縮的橡胶防护罩258所覆盖，橡胶防护罩258机械地紧固到变速触发开 关110。反射面260 (见图24)位于橡胶防护罩258的内侧。机械连接在电 路板234上的塑料弹簧定位构件232用于定位和支撑与变速触发开关110 机械紧固连接的弹簧264。弹簧264使变速触发开关110围绕枢轴266向远 离电路板234的方向偏置。电路板234还包括一个二位滑动开关268,其机 械地连接在反向按钮112上。
围绕枢轴266操作变速触发开关110改变反射面260相对于光传感器 256的位置，以产生变速控制信号。虽然工具100的实施例中包括了提供变 速控制信号的光学信号发生器和接收器，这样的工具可选择地使用压力传 感器、电容接近传感器或者电感接近传感器。在这些可选的实施例中，产 生可变马达速度控制信号的压力感应开关可以包括产生变速控制信号的压 力传感器，所述控制信号与施加给压力传感器的压力相应，所述压力由操 作者直接施加或者通过穿越停止位置和全速位置之间的距离的中间构件比 如可移动构件施加。
由电容接近传感器产生变速控制信号的实施例可以包括产生变速控制 信号的电容传感器，变速控制信号与操作者的手指或可移动构件的表面向 电容传感器接近所产生的电容相应。由电感接近传感器完成的实施例产生 的变速控制信号与操作者的手指或可移动构件的表面向电感传感器接近所 产生的电感相应。
参考图24，示意性地示出工具100的变速控制电路270。变速控制电 路270包括可操作地与变速触发开关110连接的电源触头272。光学信号发 生器274与电池106连接，且设置在电路板232上，以便从光学信号发生 器274发出的光引向变速触发开关110的反射面260并引向光传感器256。
光传感器256和光信号发生器274可以位于同一个壳体内或每一个位 于一个独立的壳体内。当两个部件位于同一个壳体内时，光发生器和传感 器可以通过壳体上的单个观察窗发出和接收光。可选择地，每一个部件可 以具有单独的观察窗。在同一个壳体内具有光发生器和传感器的集成部件 为加利福尼亚的Fairchild Semiconductor of Sunnyvale公司的QRD1114 反射目标传感器。这种壳体比具有滑动片的电位计縮小很多，滑动片穿越 的距离与触发开关从停止位置移动到全速位置的距离大致相同。光信号发生器274和光传感器256可以为红外光发生器和红外光接收 器。在可选择的实施例中，IR收发器可以位于柔性的防尘盖内，防尘盖机 械的紧固在变速触发开关110的后部。在这个实施例中，在可移动开关附 近的盖子的内侧向接收器反射光学信号以产生速度控制信号。
外部能源，例如太阳，会对包括光传感器256的工具的控制产生负面 影响。因此，在一个实施例中，可伸缩的防护罩或防尘盖258由不透明材 料制成或者用不透明材料覆盖，以便穿过所述壳体和触发开关泄漏的来自 太阳的能量不会影响光传感器256接收的信号。可选择地，对特定频带敏 感的光传感器可以用于仅在该特定频带屏蔽光传感器的设备。在进一步的 实施例中，可以使用其它电路或程序，用于从干扰能量中唯一确定反射信 号的能量。
光传感器256是光学晶体管，具有通过触头272与电池组106连接的 集电极276，和通过分压器280和电容282电接地的发射极278。定时信号 发生器284接收来自分压器280的电压。尽管也可以使用其它定时信号发 生器，但在工具100中，定时信号发生器284是公知的555定时器。
定时信号发生器284的输出与MOSFET 288的栅极286连接,MOSFET 288 的漏极290与一个马达端子238连接，源极292电接地。另一马达端子238 通过触头272与电池组106连接。续流二极管294跨接马达端子238。操作 性地连接变速触发开关110的旁路触头296与马达端子238和电接地之间 的MOSFET 288并联，且制动触头298与续流二极管294并联。
首先参考图24—26介绍钻100的操作。夹头锁定装置126与钻头配合， 钻头例如为图25中所示的螺丝刀钻头300。螺丝刀钻头300和钻头保持器 130为相互补的形状。尽管还可以用其它形状，但在这个例子中螺丝刀钻头 300和钻头保持器130大致为六角形。螺丝刀300钻头的直径比钻头保持器 130的直径稍小一些，以便它能够装到钻头保持器130内。螺丝刀钻头300 包括缺口区302和尾部304。
起初，套筒138从图4所示的位置向右移动到图26所示的位置，从而 压縮弹簧142。随着套筒138的移动，套筒138中的凹槽140与钻头保持器 130上的凹槽148紧邻。然后，随着螺丝刀钻头300移入钻头保持器130， 所述尾部304把钢球150压向凹槽140挤出钻头保持器130的通道，使得 尾部304完全通过钢球150。在此处，缺口区302与凹槽148对齐。然后松开套筒138,使得弹簧 142将套筒138偏置到钻头保持器130中，其位于从图27中所示的位置向 左的位置。如图27所示，随着套筒138的移动，凹槽140远离凹槽148， 从而迫使钢球150部分地进入钻头保持器130的通道中。由于缺口区302 与凹槽148对齐，从而允许钢球150进入钻头保持器130的通道。此时， 钻头300牢固地固定在钻头保持器130中。
然后，头壳体136相对于主壳体部分102铰转到所希望的角度。首先， 弹簧容纳插孔226中的弹簧(未示出)推动铰接按钮120延伸入孔222。因 此，铰接按钮120的齿218既与主壳体部分102中的齿224啮合，又与头 壳体136的插孔214中的齿216啮合，因此呈角度地将铰接按钮120 (和头 壳体136)和主壳体部分102锁定。另外，如图18所示，防尘盖242在通 道244的上部被头壳体136的颈部250限制，且在通道244的下部被框架 190的一部分248限制。
然后操作者向铰接按钮120施力，使得弹簧(未示出)被压縮，从而 使齿218与齿224脱离。因此，尽管齿218仍然与齿216啮合，头部分104 也可以相对于主壳体部分102枢转。例如，当头部分104从图1所示的位 置铰转为图2所示的位置时，小齿轮164围绕锥齿轮182铰转。作为例子， 当钻100为图1中所示结构时，图28示出小齿轮164和184相对于锥齿轮 182的位置。在这个结构中，小齿轮164沿锥齿轮182的周长近似与小齿轮 184呈90度分离。当头部分104沿箭头306方向铰转时，小齿轮164沿同 样方向围绕锥齿轮182铰转。因此，如图29所示，当头部分104与主壳体 部分102在一直线上时，小齿轮164位于锥齿轮182上与小齿轮184呈180 度分离。
在整个铰转过程中，小齿轮164和184始终保持与锥齿轮182啮合。 因此，当头壳体136被铰转时，钻头保持器130可以在马达232的作用下 旋转。另外，头壳体136的铰转使得防尘盖行程限制器246与防尘盖242 接触，且沿通道244推防尘盖242。因此，如图17所示，防尘盖242比间 隙240宽，其限制从钻100的外部接近铰接齿轮传动系统180。
当铰接钻100转向希望的位置时，操作者施加给铰接按钮120的力减 小。然后弹簧容纳插孔226中的弹簧(未示出)向铰接按钮120施加远离 插孔214的力，直到铰接按钮120穿过孔222。因此，铰接按钮120的齿218既与主壳体部分102中的齿224啮合，又与头壳体136的插孔214中的 齿216啮合，因此，呈一定角度的将铰接按钮120 (和头壳体136)和主壳 体部分102锁定。
然后通过用已知的方式根据所希望的旋转方向设置反向按钮112的位 置，设置钻头300所希望的旋转方向。通过绕枢轴266移动变速触发开关 110来闭合电源触头272，从而执行旋转。触头272的闭合使得电路中电流 流向光学信号发生器274从而发光。
所发射的光射到反射面260上，并且光的一部分向光传感器256反射。 被反射面260所反射的光量随着反射面260向光传感器256的靠近而增大。 光传感器256所感应的光的增大使得光传感器256所传导的电流增大，而 且通过光传感器256的电流从集电极276流向发射极278。因此，随着作用 在光传感器256上的光密度增大，光传感器256所传导的电流增大。电流 的增大使得由分压器280提供给定时信号发生器284的电压增大。增大的 信号是变速信号，且它使得定时信号发生器284按照已知的方式产生定时 信号。尽管可以使用其它的定时信号发生器，但是在所描述的钻100中， 定时信号发生器284是公知的555定时器。
定时信号发生器284产生定时脉冲，定时脉冲根据变速信号的大小具 有逻辑导通状态。这个信号提供给MOSFET 288的栅极286。当栅极286的 信号为逻辑导通状态时，MOSFET 288将一个马达端子238连接到地，同时 另一个马达端子238通过主触头272与电池电源连接。因此，当变速触发 开关110到达光传感器256开始探测反射光且产生变速信号的位置时，定 时信号发生器284开始产生通过MOSFET 288将一个马达端子238连接到地 的信号。 一旦出现这种情况，电流开始流向M0SFET 288，马达232开始沿 反向按钮112所选择的方向旋转。
当MOSFET 288响应于处于断开状态的定时信号而不导通时，续流二极 管294使马达232线圈中的适当的半周期电流从马达232流出，经过二极 管294，然后返回马达232。这在续流中是已知的。
当变速触发开关110位于全速位置时，定时信号主要为导通状态，且 旁路触头296闭合。旁路触头296的闭合使得电池电流连续流过马达232， 以便马达232以最高的速度旋转。
当不希望旋转时，操作者释放变速触发开关110，而且弹簧264使变速触发开关110绕枢轴266转动，从而使旁路触头296打开。另外，制动触 头298闭合从而连接马达端子238。两个马达端子238通过制动触头298彼 此连接使马达动态制动。所以与现有的控制系统相比，对于产生变速信号的部件来说，工具100 的电子控制需要比较小的空间。因为变速触发开关110移动的距离不必与 光学信号发生器274和光传感器256匹配，因此可以获得可观的空间效率。 另外，光学信号发生器274和光传感器256不需要移动部件，因此可靠性 提高了。有利的是，光学信号发生器274和光传感器256可以安装在同一 个印刷电路板234上，定时信号发生器284也安装在其上。当钻100运转时，钻头300承受轴向力。例如，轴向力来自操作者施 加的压力或者钻头的冲击力。在任一种情况中，在不增加铰接齿轮传动系 统180内部件体积的前提下保护铰接齿轮传动系统180免受损坏。这通过 将来自钻头300的轴向力引导给主壳体部分102而同时避开铰接齿轮传动 系统来实现。先参考图27，作用在钻头300上的冲击将钻头300进一步向 钻100内移动，或者如图27中向左移动。在现有技术的设计中，这个力不 仅会损坏传动系统，还会使将钻头保持在钻头保持器的钢球经常卡阻，从 而必须更换夹头锁定装置。但是，如图27所示，设置柱销146以便在缺口区302的壁与钢球150 接触之前，钻头300的尾部304与柱销146接触。这样，轴向冲击就不会 卡阻钢球150。当然，柱销146必须用足够承受所述轴向冲击的材料制成。 根据这个实施例，柱销146用AISI 4135钢制成。现在参考图4，如果出现轴向冲击，力从柱销146传递给钻头保持器 130。来自钻头保持器130的轴向力传递给位于轴承座134内的轴承132。 因此，轴向力被传递给头壳体136的凸缘152 (也可以参见图5)。此实施 例中的头壳体136用铝合金A380制成，以便能够承受轴承132传递的力。 然后所述力传递给框架190进入主壳体部分102的肋228。更为具体地，在铰接齿轮传动系统180周围提供两条传递轴向力的路 径。第一条路径主要在头壳体136轴向上与主壳体部分102呈一条直线时 传递轴向力。在这种结构中，轴向力从头壳体136传到框架190,其主要通 过凹槽212并在护罩210处传递，凹槽212位于头壳体136绕孔188与框 架190的连接处(见图4)，护罩210位于锥齿轮196的基部向外、头壳体136与框架190的连接处。第二条路径主要在头壳体136相对于主壳体部分102呈90度角时传递 轴向力。在这种结构中，轴向力再次从柱销146传递给钻头保持器130。然 后轴向力主要从头壳体136的插孔214中的齿216传递到铰接按钮120上 的齿218上，然后传递到主壳体部分102上的齿224上。当头壳体136没有完全与主壳体部分102对齐也没有相对于主壳体部 分102呈90度布置时，轴向力通常通过前述的两条路径来传递。因此，作 用在钻100的铰接齿轮传动系统180上的轴向力的影响减小了。因为铰接 齿轮传动系统180被保护，铰接齿轮传动系统180可以为比其它铰接齿轮 传动系统轻的结构。如图30所示，在一个实施例中，能被用于钻100或其它电动工具的印 刷电路板包括向操作者提供振动反馈的电路。振动反馈电路308包括微控 制器310，驱动电路312，和马达接口电路314。本实施例中的驱动电路312 是集成电路，其由单脉宽调制(PWM)信号、转矩极限指示信号和马达方向 控制信号产生用于半桥电路的驱动信号，转矩极限指示信号可以与PWM信 号为同一个信号。驱动电路312可以为半桥驱动器，例如是马萨诸塞州， 伍斯特市Allegro Microsystems公司的Allegro 3946。驱动电路312的输出通过两个晶体管318和320与马达316连接，晶 体管318和320可以是M0SFET管，也可以是其它类型的晶体管。晶体管318 可以通过开关322和324与马达316的任一个端子连接，同时晶体管320 可以通过开关326和328与马达316的两个端子中的一个连接。分流电阻 330连接在晶体管320和电接地之间。电阻330的高电位端通过放大器332 与微控制器310连接。电源334也设置在振动反馈电路308中，且提供来 自转矩参考源336的最大转矩参考信号，转矩参考源336例如可以是线性 电位计比如线性电位计254。马达316的半桥控制使得不需要续流二极管，因为驱动电路312产生 马达接口电路信号，用于可选择地操作马达接口电路314以控制马达316 的旋转速度。更为具体地，给微控制器310提供变速控制信号338,用于通 过微控制器310调节马达316的旋转，变速控制信号338可以来自触发电 位计或者类似的部件。根据变速控制信号338，微控制器310产生供给驱动 电路312的PWM信号。响应于PWM信号，驱动电路312使晶体管318和320导通或截止。在通常的操作过程中，晶体管318与晶体管320互补，以便当晶体管 320导通时，晶体管318截止。晶体管320被导通和截止的比率决定了马达 316的速度。例如，马达316的旋转方向在反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，通过马达316的电流通过晶体管320 和电阻330提供到电接地。这个电流与马达316操作时的转矩相关。因此， 电阻330高电位端的电压与马达316上的转矩有关。马达转矩信号被放大 器332放大，且被提供给微控制器310。微控制器310比较被放大的马达转 矩信号和转矩参考源336所设定的转矩极限信号。可选择不同类型转矩极 限信号发生器提供的转矩极限信号给微控制器310提供与通过马达316的 电流相应的参考信号，此参考信号代表了为马达316设置的最大转矩。响应于微控制器310接收到超过马达316的最大设定转矩的马达转矩 信号，微控制器310就给驱动电路312输出制动信号。根据制动信号，驱 动电路312将晶体管320处于截止状态，且使晶体管318处于导通状态。 这使再生电流能够动态制动马达316的旋转。在动态制动过程中，马达316上的转矩减小，直到所感应的转矩小于 马达316所设定的最大转矩。然后微控制器310使晶体管320返回导通状 态，因而旋转马达316，并增大马达316上的转矩。这样，马达316在旋转 和动态制动之间切换，引起工具振动，警告操作者已经到达转矩极限。提 供振动反馈的有效频率是30Hz。只要触发开关被按下，致使该操作的转矩 极限指示信号就继续。可选择地，可以对微控制器编程以产生转矩极限指 示信号，用于持续固定的时间后停止以降低马达超载(over-pulsed)的可 能性。在一个实施例中，利用如图31所示的电路为钻100提供振动反馈。振 动反馈电路340包括微控制器342、 H桥驱动电路344和马达接口电路346。 4个MOSFET管348、 350、 352和354在H桥驱动电路344的控制下控制可 充电的电池组106给马达232提供电能。分流电阻356设置在MOSFET管352、 354和电接地之间。电阻356高电位端的信号与马达232产生的转矩相对应。 马达转矩信号被放大器电路358放大，并提供给微控制器342。放大器电路 358可以由如图31所示的运算放大器执行。微控制器342比较马达转矩信号和转矩极限信号，然后在马达转矩信号等于或大于转矩极限信号时产生 转矩极限指示信号。转矩极限指示信号可以为矩形波信号。在一个实施例中，微控制器342提供转矩极限指示信号，在大约30Hz 频率下其为具有至少200微秒截止的矩形信号。转矩极限指示信号使驱动 电路344产生马达接口控制信号，此控制信号断开马达232的动力，并且 将M0SFET管348、 350、 352和354连接在一起，以便马达232线圈中的电 流通过马达232流回去，从而动态制动马达232。动态制动使马达232停止。在下一个导通脉冲到来之前，微控制器使 信号反向，反向的信号输入给H桥驱动器344的方向控制输入端。因此， 矩形脉冲随后的导通状态使H桥驱动电路344操作H桥，使马达232与可 充电电池组106连接，其极性与制动之前用于连接马达232与可充电的电 池组106的极性相反。在30Hz频率下制动/反转/起动马达的操作使工具振 动，从而提示操作者已经达到转矩极限，同时防止钻头在离合操作过程中 连续旋转。动态制动也可以在没有反向所述信号的情况下使用。在另一个实施例中，可以产生固定持续时间的矩形波，例如10-20个 脉冲，以便马达不会超载。而且，在矩形波的断开时间，微控制器342可 以使方向控制信号反向并传输给H桥驱动器344,以便马达232每一次以相 反的方向起动。这样导致在离合过程中旋转的净输出为O。另外，响应于指 示马达232的反向运转而不是正向运转的马达方向控制信号，微控制器342 可以禁用离合功能。图32A和32B示出在工具中使用的电路的实施例，此电路不需要机械 触头。电路360包括光学速度控制开关362、正/反双位开关364、微控制 器366、驱动电路368、 H桥电路370、马达372、分流电阻374、马达转矩 信号放大器376和转矩极限信号发生器378。在这个实施例中，电源通过H 桥电路370与马达372连接，但是不再需要主触头、制动触头和旁路触头。 因此，这个实施例大大地减少了承受机械磨损和退化的部件数量。因为光 学速度控制开关362、微控制器366、驱动电路368、 H桥电路370和马达 转矩信号放大器376都可以用集成电路来实现，而且IC集成电路可以安装 在同一印刷电路板上，并且获得了先前的机械触头和可变信号电位计所占 据的空间。这种结构还使工具部件能够布置在更为高效的几何空间中。在电路360中，通过如上所述操作光学速度控制开关362，可以产生由枢转的触发开关的反射面所引导的光学信号的反射所产生变速控制信号。变速控制信号提供给微控制器366来处理。微控制器366可以是TI公司的 微控制器，且可以指定器件号为MSP430。用指令编程微控制器366产生PWM 脉冲，其具有响应于变速信号的大小的导通状态。微控制器366给驱动电 路368提供P丽信号，以产生四个使电池与马达372连接的马达接口控制 信号。马达372被驱动的方向由正/反双位开关364的触头决定，通过该触 头向微控制器366提供信号。在电路360中，正/反双位开关364的触头上 不需要有提供给马达372的电流，因此正/反双位开关364的触头可以比其 它系统中的触头小。也通过微控制器366给驱动电路368提供方向信号， 因此驱动电路368能够对H桥电路370中的电流进行双向控制。马达转矩信号放大器376从分流电阻374的高电位端给微控制器366 提供转矩信号。转矩极限信号发生器378可以用如上所述的电位计来实现， 以向微控制器366提供参考信号。当微控制器366确定马达转矩信号等于 或大于马达转矩极限时，微控制器366产生转矩极限指示信号，以便驱动 电路368产生以振动的方式操作马达372的马达接口控制信号。对于TD340 驱动电路，由微控制器366产生的转矩极限指示信号是矩形信号，其在大 约30Hz的频率下具有至少大约200微秒的断开状态。虽然通过典型过程和系统部件的描述阐明本发明，虽然各种过程和部 件也已经相当详细的描述，但是申请人不倾向于将后续的权利要求的保护 范围限制为如此详细。其它优点和修改对本领域技术人员来说是容易的。 因此本发明在范围最大的方面不局限于已经示出和描述的特定的细节、实 施或阐述性的实施例。因此，在不脱离申请人的总发明构思的精神或范围 的前提下可以偏离于这些细节。
权利要求
1、一种铰接手持电动工具，包括具有纵轴线的主壳体；可旋转地与所述主壳体接合的头部分，其相对于所述主壳体的纵轴线置于多个角度位置；位于主壳体内的集成电路板；和可以从所述主壳体的外部接近的至少一个控制器，用于控制所述集成电路板。
2、 根据权利要求l的电动工具，其中 所述头部分包括可旋转的钻头保持器； 所述至少一个控制器包括可移动的反射面；以及 所述集成电路板包括光学信号发生器，用于产生引向反射面的光学信号；和 产生变速控制信号的速度控制信号发生器，变速控制信号与由 反射面对所产生的光学信号的反射相应。
3、 根据权利要求2的电动工具，其中可移动的反射面位于从主壳体向外延 伸的触发开关上。
4、 根据权利要求3的电动工具，还包括 临近触发开关从主壳体延伸出来的手指平台。
5、 根据权利要求l的电动工具，还包括从主壳体延伸出来的手指平台，其 中所述头部分包括可旋转的钻头保持器；所述至少一个控制器包括可在手指平台内在第一位置和第二位置之 间滑动的按钮；以及所述集成电路板包括用于选择钻头保持器旋转方向的滑动开关，所述 滑动开关与所述按钮机械地相连，以当所述按钮从第一位置移动到第二位 置时，滑动开关从第三位置移动到第四位置。
6、 根据权利要求l的电动工具，其中，所述至少一个控制器包括第一控制器，用来控制主壳体内的马达的速度；第二控制器，用来控制马达上的最大转矩量，第一控制器和第二控制 器限定与主壳体的纵轴线大致平行的轴线。
7、 根据权利要求6的电动工具，其中所述集成电路板沿与主壳体的纵轴 线大致平行的方向延伸。
8、 根据权利要求7的电动工具，其中 所述头部分可在一平面内旋转；和所述至少一个控制器还包括第三控制器，其控制可旋转的钻头保持器 在头部分内的旋转方向，其中第一、第二和第三控制器均大致位于所述平 面内。
9、 根据权利要求l的电动工具，还包括-可旋转地安装在所述头部分内的钻头保持器； 主壳体内的马达；和可操作地连接马达和钻头保持器的铰接齿轮传动系统。
10、 根据权利要求9的电动工具，还包括位于头部分内的自动主轴锁定系统，其连接钻头保持器和铰接齿轮传 动系统；和位于主壳体内部的行星齿轮系统，其连接马达和铰接齿轮传动系统。
11、 根据权利要求10的电动工具，其中 铰接齿轮传动系统包括通过锥齿轮与输出小齿轮相连的马达侧小齿轮；所述马达侧小齿轮和行星齿轮系统相连，马达侧小齿轮、行星齿轮系 统和马达在主壳体内轴向对齐；和所述输出小齿轮和自动主轴锁定系统相连，且输出小齿轮、自动主轴 锁定系统和钻头保持器在头部分内轴向对齐。
12、 根据权利要求11的电动工具，其中 主壳体限定容纳电池组的至少一部分的凹槽；和 所述集成电路板临近凹槽、行星齿轮系统和马达在主壳体内延伸。
13、 一种手持电动工具，包括 纵向延伸的主壳体；相对于主壳体的纵轴线在多个角度位置与所述主壳体接合的头部分， 每一个角度位置位于同一平面内；为头部分内的钻头保持器提供动力的铰接齿轮传动系统，其包括马达 侧小齿轮和输出小齿轮，马达侧小齿轮具有和主壳体纵轴线大致平行的 旋转轴线，输出小齿轮具有和头部分纵轴线大致平行的旋转轴线，其中 马达侧小齿轮通过锥齿轮操作性地与输出小齿轮相连；大致位于所述平面上的从主壳体外部可操作的控制器；和位于主壳体内部且响应控制器的集成电路。
14、 根据权利要求13的手持电动工具，其中控制器包括反射面，且所述 集成电路包括光学信号发生器，用于产生引向反射面的光学信号；和 产生变速控制信号的速度控制信号发生器，变速控制信号与由反射面 对所产生的光学信号的反射相应。
15、 根据权利要求13的手持电动工具，其中控制器包括离合控制器，且 所述集成电路包括为马达提供电力的H桥电路；产生马达转矩极限信号的线性电位计；响应于等于或大于所述转矩极限信号的马达转矩的指示信号，产生动 态制动信号的微控制器；和为H桥电路产生与所述动态制动信号相对应的动态制动信号的驱动电路。
16、 根据权利要求13的手持电动工具，其中集成电路包括 控制马达速度的变速信号发生器；产生马达转矩极限信号以限制马达转矩的线性电位计；和 控制马达旋转方向的反向开关，其中变速信号发生器、线性电位计和 反向开关大致位于所述平面内。
17、 根据权利要求16的手持电动工具，其中控制器包括控制所述变速信号发生器的触发开关，所述触发开关从主壳体延伸同时可在所述平面内枢 转。
18、 根据权利要求17的手持电动工具，还包括 从主壳体延伸并临近触发开关位于所述平面内的手指平台。
19、 根据权利要求18的手持电动工具，还包括 可从主壳体外部操作的按钮，其在手指平台内延伸，所述按钮可操作地与反向开关相连，以控制反向开关的位置。
20、 一种操作手持电动工具的方法，包括-将所述电动工具的头部分相对于电动工具的主壳体纵轴线旋转到多个角度中的一个角度位置；移动位于主壳体外部的变速触发开关；响应于所述变速触发开关的移动，由主壳体内的集成电路产生变速信号；根据所述变速信号控制主壳体内的马达的速度；和 将原动力从马达传递给头部分内的部件。
21、 根据权利要求20的方法，其中将原动力从马达传递给头部分内的 部件的步骤包括使用所述马达使第一小齿轮转动； 使用第一小齿轮使锥齿轮转动； 使用锥齿轮使第二小齿轮转动；和 使用第二小齿轮使头部分内的钻头保持器转动。
22、 根据权利要求21的方法，还包括 定位位于壳体外部的离合控制器；和根据离合控制器的位置，用所述集成电路产生马达转矩极限信号， 其中控制马达速度的步骤包括根据所述转矩极限信号控制马达的速度。
23、 根据权利要求22的方法，还包括 定位位于壳体外部的反向控制器；根据反向控制器的位置，用所述集成电路产生马达方向信号；和 根据所述马达方向信号控制马达的旋转方向。
24、根据权利要求20的方法，其中旋转电动工具的头部分的步骤包括当头部分在第一位置时，使铰接按钮上的多个齿与主壳体内的多个 齿脱离啮合；旋转铰接按钮使所述头部分从第一位置转到第二位置；和 当头部分在第二位置时，使铰接按钮上的多个齿和主壳体内的多个 齿啮合。
全文摘要
本发明是铰接手持电动工具，其包括具有纵轴线的主壳体，可旋转地与所述主壳体连接的头部分，位于主壳体内部的集成电路板和可以从所述主壳体的外部接近的至少一个控制器，所述头部分相对于所述主壳体的纵轴线在若干角度位置放置，所述控制器用来控制所述集成电路板。
文档编号B25F5/02GK101300110SQ200680040651
公开日2008年11月5日 申请日期2006年11月3日 优先权日2005年11月4日
发明者D·波日盖, H·克龙多费尔, I·科瓦里克, S·C·奥伯海姆 申请人:罗伯特·博世有限公司