Variable speed control device

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電気モータ用の可変速度制御装置に関し、特に、電気モータによって駆動されるハンドタイプの電池電源式の電動工具のための制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気ドリルやドライ−ウォール(dry wall)電動ドライバー等のハンドタイプの電動工具は、穴明けやドライバを回すために、先端刃先を回転させるのに直流電気モータを使用する。 これらの電動工具は、通常、引き手を備えるピストル状のグリップを有し、この引き手の引き具合により、使用者がモータの速度を手動で制御できるようになっている。 ドリルやドライバービットの速度は、工具の特定の利用時によって変化させることが可能である。 例えば、ドリルビットの速度は、穴明けされる材料の硬さに対応して制御することができ、材料が硬くなればなるほど、ドリルビットは、回転を遅くする。
【０００３】
引き手は、ばね付勢されて機械的にスイッチをオンオフする位置にあり、使用者が引き手をオフ位置からオン位置に押圧してスイッチを閉じる。 引き手は、また、速度制御回路におけるポテンショメータのワイパに機械的に連結され、引き手の移動量に対してポテンショメータの抵抗を変化させる。 制御回路の１つのタイプでは、このポテンショメータの抵抗における変化に応じて、パルス幅変調された電流がモータに加えられる。 この電流は、パルスの形で加えられ、デューティサイクルを変えてモータの速度を制御する。 デューティサイクルが大きくなればなるほど電流パルスが長くなり、モータをより早く回転させることができる。
【０００４】
この引き手は、速度制御スイッチのいくつかの接触子を操作し、かつコンパクトでコスト面でも有利になるとともに、工具速度をスムーズに制御できることが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑みて、本発明の主たる目的は、直流電流モータにより駆動されるハンドタイプの電動工具用の可変速度制御回路を提供することである。
【０００６】
別の目的は、可変速度制御回路用のコンパクトな多機能スイッチを提供することである。
【０００７】
また、本発明の別の目的は、モータの異なるモードに対して、複数の固定接触子に順次係合する単一の可動接触子を有するスイッチを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。 具体的には、本発明の可変速度制御装置は、一連の固定接触子を有する機能スイッチを含む。 第１接触子は、第１電池端子に連結される。 速度制御接触子は、第１接触子に隣接しかつ固体のスイッチ素子によって第１モータ端子に接続される。 バイパス接触子は、速度制御接触子に隣接しかつ固体のスイッチ素子をバイパスするために第１モータ端子に接続される。
【０００９】
機能スイッチは、また第２接触子を含み、この第２接触子は、第２電池端子に接続するためにバイパス接触子に隣接する。 可動接触子が一方向に移動するとき、順次、第１接触子をバイパス接触子に接続し、さらに、バイパス接触子を第２接触子に接続する。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、第１接触子、速度制御接触子、バイパス接触子、及び第２接触子が一直線上に配置されている。 また、この実施形態では、第１接触子と速度制御接触子の間、及びバイパス接触子と第２接触子との間に、電気的に絶縁材料からなるリブを有する。 これらのリブは、それぞれの接触子を分離し、これにより、可動接触子が、分離した接触子に同時に接触して短絡回路を形成しないようにする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 先ず、図１において、直流モータ駆動の電動工具用の可変速度制御装置１０は、電気絶縁材料、例えばプラスチックからなるハウジング１２を有する。 引き手１４は、ハウジング１２から突出し、開口を介してハウジング１２から出入り可能なシャフト１６上に設けられる。 引き手の上方には、方向制御レバー１８があり、このレバーは、ハウジング１２の別の開口を通って旋回可能に伸びている。 方向制御レバー１８を旋回させることによって、電動工具の使用者は、工具のモータが正転側または逆転側のいずれの方向に回転するを決定することができる。 引き手１４をハウジング側に押し込む度合いによって、選択された方向にモータが回転するときの速度を決定する。 ハウジングは、開口２０を有し、この開口を通って電動工具内の外側熱シンクに取付けることができるように金属酸化物電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）２２のケース部分が伸びている。
【００１２】
図２は、内部アセンブリを見るために、ハウジング１２の対面する部分を取り除いて可変速度制御装置１０を示している。 速度制御レバー１８は、外側レバー部分を内側レバー部分に連結する中間ピン２４を有する。 内側レバー部分２６は、二極二双投型（ＤＰＤＴ）の方向制御スイッチ２８の可動接触子を作動し、このスイッチ２８は、電動工具のモータ５４を介して電池５２からの直流電流の流れ方向を制御する。 この方向制御スイッチは、図３及び図４にその詳細が示されており、図４に示すように、一対のモータ端子３１，３２に接続されている。
【００１３】
図２ないし図４を参照すると、圧縮ばね３０は、トリガシャフト１６をハウジングから外側に付勢して、電動工具がオフ状態となる通常位置にする。 トリガシャフトの内側端部は、接触子キャリア３７を有する。
【００１４】
可変速度制御装置１０のポテンショメータ６４用のワイパ３４は、接触子キャリア３７（図３参照）の一側に取り付けられ、このワイパ３４は、引き手を押したり緩めたりするときハウジング１２内で横方向に移動する。
【００１５】
ワイパ３４の一端にある接触子３３は、プリント回路基板３６の表面上の金属導体をこすり、この回路基板３６は、図５のように、ハウジング１２に取付けられ、他端にある接触子３５は、回路基板３６に付着した抵抗性被膜を横切る。
【００１６】
図４及び図５において、機能スイッチにおける移動可能なブリッジ接触子（可動接触子）３８は、引き手の接触子キャリア３７の反対側に保持されている。 可動接触子３８は、図５で見られるように、引き手１４とその接触子キャリア３７の位置に従って４つの固定接触子４０，４１，４２，４４の異なる組の１つに跨がる。
【００１７】
正の固定接触子（第１接触子）４０は、可変速度制御回路の＋側電池端子４６に接続され、負の固定接触子（第２接触子）４４は、−側電池端子４８に接続される。 引き手１４がハウジング１２の方に移動すると、接触子キャリア３７は固定接触子４０〜４４を横切って図示のように可動接触子３８を押す。
【００１８】
可変速度制御装置１０は、図６に示すように、手持ち電動工具の他の構成部品に電気的に接続される。 特に、電池５２は、第１，第２の電池端子（第１，第２端子）４６，４８間に接続され、直流モータ５４は、第１，第２のモータ端子３１，３２に接続されている。 ２つのモータ端子３１，３２は、ＤＰＤＴモータ方向制御スイッチ２８の分離したスイッチ部分に接続される。
【００１９】
各スイッチ極の１つの固定接触子は、＋側電池端子４６に接続され、他の固定接触子は、中間ノード５１に接続されている。 フリーホィールダイオード５０は、逆方向バイアス状態で、＋側電池端子４６と中間ノード５１との間に接続される。 ＭＯＳＦＥＴ２２のソース・ドレイン導体径路は、中間ノード５１と回路接地ノード８０の間に接続される。 回路接地ノード８０は、速度制御（ＳＣ）接触子として示される、モータ機能スイッチ３９の固定接触子４１に接続される。
【００２０】
残りの固定接触子４２は、バイパス（ＢＰ）接触子として示され、中間ノード５１に直接接続されている。 ここで用いる「直接接続」とは、インピーダンスが無視できる電気接続という意味である。
【００２１】
可変速度制御装置１０の残りの構成部品は、プリント回路基板３６に取付られる。 特に、一対のインバータ６１，６２の回りに組み立てられる発振器６０は、ポテンショメータ６４を含み、このポテンショメータは、引き手１４の接触子キャリア３７上に取付けられたワイパ３４を含んでいる。 引き手に対するワイパの動きにより、ポテンショメータ６４と発振器の固定抵抗６６，６８によって形成された電圧分割器を変化させる。 この動作は、発振器のデューテイサイクルを変化させる。 即ち、出力ライン７０上に発生するパルス幅が変化する。
【００２２】
発振器の出力信号は、並列に接続された４つのインバータ７２，７３，７４，７５の各入力に加えられ、さらに、その共通出力が抵抗７８を介してＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に連結されている。 並列接続のインバータ７２〜７５は、ＭＯＳＦＥＴ２２を駆動するためにソースインピーダンスを減少させる役目をするマルチ素子とともに電流増幅器として動作する。 ＭＯＳＦＥＴ２２を駆動するために、この特別の回路部品において、インバータが用いられているが、他の種類のバッファまたは増幅器を用いることもできる。
【００２３】
可変速度制御装置１０の異なる２組のインバータ６１，６２とインバータ７２〜７５は、端子４６における正の電池電圧から供給電圧ＶDDが出力する電源８２に接続される。
【００２４】
使用者が可変速度制御装置１０を操作する前は、ばね３０が引き手１４を十分に外側の位置に押圧し、図５，図６で示されている可動ブリッジ接触子３８をスイッチオフの位置に保持されている。 使用者が先ず引き手を押圧すると、引き手の接触子キャリア３７が上記図において矢印８４で示す方向に可動接触子３８を移動する。
【００２５】
可動接触子３８が、＋側固定接触子４０とバイパス用の固定接触子４２の各端部に移動すると、可動接触子は、ハウジング１２から突出する一対の絶縁端部８６，８８の上に乗る。 この移動により、可動接触子３８が固定接触子４０〜４４から離れることから、可動接触子によって隣接する固定接触子間のギャップを橋渡しされることがない。
【００２６】
この結果として、可動接触子３８が、その移動径路の中間位置で、４つの固定接触子全部を一緒に短絡することはできない。 さらに、引き手１４の押圧により、可動接触子３８が速度制御接触子４１と負の電池接触子（第２接触子）４４上を移動する。 同時に、負の端子（第２の電池端子）４８が可変速度制御装置１０の接地ノード８０に接続され、かつ電力が回路部品に供給される。
【００２７】
引き手１４の動きにおけるこの時点で、ポテンショメータ６４のワイパ３４は、発振器６０に出力信号を発生させる初期位置にあり、この出力信号は各発振サイクル中に比較的長い正パルスを有している。 発振器の出力信号は、並列接続されたインバータ７２〜７５によって反転されるとき、各信号サイクル中、比較的短い正のパルスを有する信号がノード７６に発生する。 この出力信号は、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲートに加えられるとき、このトランジスタは、比較的長い非導通期間によって分離された短い期間の間導通する。 その結果、モータ５４は、短いパルスの電流を受取り、比較的ゆっくりした速度で回転する。 移動方向は、方向制御スイッチ２８の位置によって設定され、前進位置が図示されている。
【００２８】
使用者が引き手１４をさらにハウジング内に押圧すると、ポテンショメータのワイパ３４の移動により、発振器６０のデューテイサイクルが変化し、ノード７０での正のパルスの持続時間を短くさせる。 インバータ７２〜７５によってこれらのパルスが反転すると、ノード７６での正のパルスがますます長くなり、ＭＯＤＦＥＴ２２が長い期間の間ターンオン状態となる。 こうして、使用者が引き手を押圧すればするほど、モータの速度が増加する。 この作動モード中、可動接触子３８は、固定の速度制御接触子４１と負の固定接触子４４の表面を横切って矢印８４で示した方向に移動し続ける。
【００２９】
結局、モータ５８の速度は、ほぼ最大速度にまで増加し、その時点で、可動接触子３８の一端部は、図５に見られるように、速度制御接触子４１とバイパス接触子４２の間のギャップを橋渡しする。 これらの接触子間のギャップ４５は、他の接触子の対４０〜４４の間のリッジ（第１，第２リブ）８６，８８と同様なリッジをしていないことに注目してほしい。 これは、電池端子がモータ５４に直接接続される場合に、可変速度制御装置から作業のバイパスモードまでスムーズな変移を望むからである。
【００３０】
引き手１４が十分に押圧されると、可動接触子は、固定のバイパス接触子４２を負の固定接触子４４に接続する。 これは、モータ５４の一側の中間ノード５１に電池５２の負の端子４８を直接接続する。 モータ５４の他側は、常に正の電池端子４６に直接接続されている。 このバイパスモードにおいて、速度制御接触子４１は、他の接触子４０，４２，４４から非接続であり、電力は、発振器６０および並列接続されたインバータ７２〜７５から取り除かれる。 こうして、ＭＯＤＦＥＴ２２は、接触子４２，４４の接続によってバイパスされるバイパスモードではターンオフされる。
【００３１】
速度制御過程は、使用者がハウジング１２から離れる方向に引き手を移動することにより逆転する。 この状況では、可動接触子３８は、矢印の逆方向にに移動中であり、そして、固定接触子４２，４４を橋渡しする位置から速度制御接触子４１を負の固定接触子４４に接続する位置に移動する。
【００３２】
この状態では、電力が、発振器と並列接続されたインバータ７２〜７５に再び供給される。 さらに、引き手を緩めると、モータの速度が減少し、逆の操作では、前に記載したように、速度を増加させる。
【００３３】
最終的に、引き手は、図６に示すように、可動接触子３８が正及びバイパスの固定接触子４０，４２を橋渡しする外側の移動径路の端部に到達する。 モータのこの機能スイッチ３９の位置では、負の電池端子４８は、可変速度制御装置１０から離れており、モータは、起動しない。 さらに、可動接触子３８による固定接触子４０，４２の橋渡しにより、モータ端子３１，３２の間の径路の抵抗値が低くなる。 これにより、モータ５４において生じた逆起電力を用いて、モータにブレーキをかける。 こうして、本発明の回路では、モータがオフ状態に入る時、モータ５４の動的ブレーキを与える。
【００３４】
以上述べた実例は、本発明の好ましい実施形態に本来的に指向しており、本発明の範囲内で、種々の代替例を与えることができる。 当業者であれば、本発明の実施形態の開示から明らかである付加的な代替例を実現することは容易に予期できる。 従って、本発明の範囲は、上記開示内容によって制限されるものではなく、特許請求の範囲によって決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の係る電池駆動用工具のための可変速度制御装置の斜視図である。
【図２】ハウジングを取り除いた部分の可変速度制御装置の側面から見た図である。
【図３】プリント回路基板を取り除いた部分の可変速度制御装置の側面から見た図である。
【図４】ハウジングを取り除いた別の部分の可変速度制御装置の側面から見た図である。
【図５】図２の線５−５に沿って見た断面図である。
【図６】電池駆動用電動工具のための電気回路の概略図である。
【符号の説明】
１０ 可変速度制御装置１２ ハウジング１４ 引き手１６ シャフト２２ ＭＯＳＦＥＴ
２８ スイッチ素子３１，３２ モータ端子３７ 接触子キャリア３８ 可動接触子４０ ，４１，４２，４４ 固定接触子４６，４８ 電池端子５１ 中間ノード５２ 電池５４ 電気モータ８６，８８ リブ