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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Steuerungen für variable
Geschwindigkeit für
elektrische Gleichstrommotoren und genauer auf derartige Steuerungen
zum Betreiben handgehaltener batteriebetriebener Werkzeuge, die
durch einen elektrischen Motor angetrieben werden.
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Handgehaltene
Elektrowerkzeuge wie z.B. elektrische Bohrer und Trockenmauer-Schraubendreher
verwenden einen elektrischen Wechselstrommotor, um ein Bit zu drehen,
das entweder ein Loch bohrt oder eine Schraube dreht. Diese Elektrowerkzeuge
verfügen
häufig über einen
pistolenartigen Handgriff mit einem Auslöser, der durch den Werkzeuganwender
manuell betätigt
wird und wobei die Geschwindigkeit des Motors durch das Ausmaß gesteuert
wird, mit dem der Anwender den Auslöser niederdrückt. Dies
ermöglicht
es, dass die Geschwindigkeit des Bohr- oder Schraubendreherbits
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Werkzeuganwendung variiert werden kann. Beispielsweise
kann die Geschwindigkeit eines Bohrbits gesteuert werden, um der
Härte des
zu bohrenden Materials zu entsprechen, denn umso härter das
Material z.B. ist, umso langsamer sollte sich der Bohrer drehen.
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Der
Auslöser,
der zu einer ausgeschalteten Position hin federvorgespannt ist,
ist mechanisch mit einem Schalter verbunden, der sich schließt, wenn der
Anwender den Auslöser
von der ausgeschalteten Position herunter drückt. Weiterhin ist der Auslöser mechanisch
mit einem Schleifer eines Potentiometers in der Geschwindigkeitssteuerschaltung
verbunden, wobei sich der Widerstand des Potentiometers mit der
Bewegung des Auslösers
verändert.
Ein Typ von Steuerstromkreis spricht auf Veränderungen in dem Widerstand
des Potentiometers mittels einer Pulsbreitenmodulation des dem Motor
zugeführten elektrischen
Stroms an. Das heißt,
der elektrische Strom wird in der Form von Impulsen mit Tastverhältnissen
angelegt, die zwecks Steuerung der Motorgeschwindigkeit variieren.
Umso größer das
Tastverhältnis
ist, umso länger
ist der Stromimpuls und umso schneller arbeitet der Motor.
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US-A-4
665 290 offenbart einen Auslöseschalter
für ein
tragbares Elektrowerkzeug mit einem beweglichen Kontakt, der durch
einen Träger
bewegt wird, um drei stationäre
Kontakte zu überbrücken. EP-A-0 313 987 offenbart
einen Auslöser
mit zwei beweglichen Kontakten, die jeweils mit einem stationären Kontakt
und einem Brückenkontakt
in Eingriff treten. Allerdings tritt jeder bewegliche Kontakt nur mit
beiden Kontakten in Eingriff. Ebenfalls offenbart EP-A-0 489 43
ein Paar beweglicher Kontakte, die ein Paar stationärer Kontakte überbrücken, wenn
der Schaltauslöser
gedrückt
wird. Es ist eine weitere Schalteranordnung offenbart, die durch
ein Paar Schalter mit einpoligem Umschaltkontakt ausgebildet ist.
Somit sind in allen drei Referenzen Schaltvorrichtungen mit einem
beweglichen Kontakt aufgeführt, der
mit drei stationären
Kontakten in Eingriff tritt, wodurch verschiedene Kontakte des Geschwindigkeitssteuerungsschalters
betätigt
werden und es erwünscht
ist, dass der Schalter kompakt und kosteneffizient ausfällt, während zugleich
eine sanfte Steuerung der Werkzeuggeschwindigkeit bereitgestellt wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Steuerschaltung für
variable Geschwindigkeit für
ein handgehaltenes Elektrowerkzeug, das durch einen Gleichstrommotor
angetrieben wird.
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Eine
weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines kompakten Mehrfachfunktionsschalters
für die
Steuerschaltung für
variable Geschwindigkeit.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Schalters mit einem einzelnen beweglichen Kontakt, der für unterschiedliche
Motorbetriebsmodi nacheinander mit einer Mehrzahl stationärer Kontakte
in Eingriff tritt.
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Diese
und weitere Aufgaben werden durch ein Steuerstromkreis gemäß Anspruch
1 bewerkstelligt, der einen Funktionsschalter mit einer Reihe stationärer Kontakte
beinhaltet. Ein erster Batteriekontakt ist zur Verbindung mit einem
ersten Anschluss einer Batterie angeordnet. Ein Geschwindigkeitssteuerungskontakt
ist benachbart zu dem ersten Batteriekontakt angeordnet und dazu
vorgesehen, durch eine Solid-State-Schaltvorrichtung
mit einem ersten Anschluss des Motors verbunden zu werden. Ein Umgehungskontakt
ist benachbart zu dem Geschwindigkeitssteuerungskontakt angeordnet
und dazu vorgesehen, mit dem ersten Anschluss des Motors verbunden
zu werden, um die Solid-State-Schaltvorrichtung zu umgehen. Der
Funktionsschalter beinhaltet weiterhin einen benachbart zu dem Umgehungskontakt
angeordneten zweiten Batteriekontakt, um einen zweiten Anschluss
der Batterie zu verbinden. Ein beweglicher Kontakt verbindet bei
einer Bewegung in einer Richtung sequentiell den ersten Batteriekontakt
mit dem Umgehungskontakt, anschließend den Geschwindigkeitssteuerungskontakt
mit dem zweiten Batteriekontakt, und danach den Umgehungskontakt
mit dem zweiten Batteriekontakt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind der erste Batteriekontakt, der Geschwindigkeitssteuerungskontakt,
der Umgehungskontakt und der zweite Batteriekontakt entlang einer
Linie angeordnet. Zusätzlich
weist diese Ausführungsform
Rippen aus elektrisch isolierendem Material auf, die zwischen dem
ersten Batteriekontakt und dem Geschwindigkeitssteuerungskontakt sowie
zwischen dem Umgehungskontakt und dem zweiten Batteriekontakt vorgesehen
sind. Die Rippen trennen die jeweiligen Kontakte voneinander ab,
wodurch verhindert wird, dass der bewegliche Kontakt zur gleichen
Zeit die abgetrennten Kontakte berührt, was einen Kurzschluss
erzeugen würde.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine maßgleiche
Ansicht einer Steuerung für
variable Geschwindigkeit für
ein batteriebetriebenes Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Ansicht einer Seite der Steuerung für variable Geschwindigkeit,
wobei ein Teil der Einfassung entfernt ist;
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3 ist
eine Ansicht der einen Seite der Steuerung für variable Geschwindigkeit,
wobei eine gedruckte Leiterplatte entfernt ist;
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4 ist
eine Ansicht einer gegenüberliegenden
Seite der Steuerung für
variable Geschwindigkeit, wobei ein anderer Teil der Einfassung
entfernt ist;
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5 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 in 2;
und
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6 ist
ein schematisches Diagramm der elektrischen Schaltung für das batteriebetriebene Elektrowerkzeug.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Anfänglich auf 1 Bezug
nehmend weist eine Geschwindigkeitssteuerung 10 für ein mit
einem Gleichstrommotor angetriebenes Elektrowerkzeug eine Einfassung 12 aus
einem elektrischen isolierenden Material wie z.B. Kunststoff auf.
Ein Auslöser 14 steht
von der Einfassung auf einem Schaft 16 vor, der durch eine Öffnung hindurch
in die Einfassung und aus dieser heraus bewegt werden kann. Über dem Auslöser 14 befindet
sich ein Richtungssteuerungshebel 18, der sich schwenkbar
durch eine weitere Öffnung
der Einfassung 12 erstreckt. Durch ein Verschwenken des
Richtungssteuerungshebels 18 kann ein Anwender des Elektrowerkzeuges
bestimmen, ob der Motor des Werkzeuges in einer Vor- oder Rückwärtsrichtung
angetrieben wird. Das Ausmaß,
mit dem der Auslöser 14 zu
der Einfassung 12 hin gedrückt wird, bestimmt die Rate,
mit der sich der Motor in der ausgewählten Richtung dreht. Die Einfassung weist
eine Öffnung 20 auf,
durch die sich ein Bereich des Gehäuses eines Metalloxid-Feldeffekttransistors (MOSFET) 22 erstreckt,
sodass das Gehäuse
an einem externen Kühlkörper innerhalb
des Elektrowerkzeuges befestigt werden kann.
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2 illustriert
die Steuerung für
variable Geschwindigkeit 10, wobei der Stirnbereich der
Einfassung 12 entfernt ist, um die innere Baugruppe darzustellen.
Der Geschwindigkeitssteuerungshebel 18 verfügt über einen
Zwischenstift 24, der den äußeren Bereich des Hebels 18 mit
einem inneren Hebelbereich 26 verkoppelt. Ein innerer Hebelbereich 26 betätigt die
beweglichen Kontakte eines Richtungssteuerungsschalters 28 mit
zweipoligem Umschaltkontakt (DPDT), der die Richtung steuert, mit
der der Gleichstrom aus einer Batterie durch den Motor des Elektrowerkzeuges
fließt,
und der somit die Drehrichtung des Motors bestimmt. Der Richtungssteuerungsschalter 28 ist
ausführlicher
in den 3 und 4 dargestellt und mit zwei Motoranschlüssen 31 und 32 verbunden,
die in 4 ersichtlich sind.
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Immer
noch auf die 2–4 Bezug
nehmend spannt eine Druckfeder 30 den Auslöserschaft 16 von
außerhalb
der Einfassung 12 zu einer normalen Stellung hin vor, in
der sich das Elektrowerkzeug in dem ausgeschalteten Zustand befindet.
Das innere Ende des Auslöserschafts 16 weist
einen Kontaktträger 29 auf.
Ein Schleifer 34 für
ein Potentiometer 64 der Steuerschaltung 10 für variable
Geschwindigkeit ist an einer Seite des Kontaktträgers 29 angebracht
(siehe 3), sodass sich der Schleifer 34 lateral
innerhalb der Einfassung 12 bewegt, wenn der Auslöser niedergedrückt und
freigegeben wird. Ein Kontakt 33 an einem Ende des Schleifers 34 reibt
gegen einen Metallleiter auf der Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte 36,
die in 5 als in der Einfassung montiert dargestellt ist,
und ein Kontakt 35 an dem anderen Ende bewegt sich über eine
Widerstandsbeschichtung, die auf der gedruckten Leiterplatte aufgebracht
ist.
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Mit
Bezug auf die 4 und 5 wird ein beweglicher
Kontakt oder Brückenkontakt 38 eines Funktionsschalters 39 an
der gegenüberliegenden Seite
des Auslöserkontaktträgers 29 gehalten.
Der bewegliche Kontakt 38 überbrückt in Abhängigkeit von der Stellung des
Auslösers 14 und
seines Kontaktträgers 29 unterschiedliche
Kontakte, die aus der Gruppe von vier stationären Kontakten 40, 41, 42 und 44 bestehen,
wie in 5 ersichtlich. Ein positiver stationärer Kontakt 40 ist
mit einem positiven Batterieanschluss 46 der Steuerschaltung
für variable
Geschwindigkeit verbunden, und ein stationärer negativer Kontakt 44 ist
mit einem negativen Batterieanschluss 48 verbunden. Wenn
der Auslöser 14 zu
der Einfassung 12 hin bewegt wird, schiebt der Kontaktträger 29 den
beweglichen Kontakt 38 über
die stationären
Schalt kontakte 40–44,
was nachstehend beschrieben werden wird.
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Die
Steuerschaltung 10 für
variable Geschwindigkeit ist wie in 6 dargestellt
mit den weiteren Komponenten des handgehaltenen Elektrowerkzeuges
elektrisch verbunden. Im einzelnen ist eine Batterie 52 über die
Batterieanschlüsse 46 und 48 verbunden
und ein Gleichstrommotor 54 ist mit den Motoranschlüssen 31 und 32 verbunden.
Die beiden Motoranschlüsse 31 und 32 werden
durch separate Schalterabschnitte des DPDT-Motorrichtungssteuerungsschalters 28 verbunden.
Ein stationärer Kontakt
jedes Schalterpols ist mit dem positiven Batterieanschluss 46 verbunden,
wobei der andere stationäre
Kontakt mit einem Zwischenschaltungspunkt 51 verbunden
ist. Eine freilaufende Diode 50 ist zwischen dem positiven
Batterieanschluss 46 und dem Zwischenschaltungspunkt 51 in
Sperrrichtung vorgespannt.
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Der
Quellendrain-Leitungsweg des MOSFET 22 ist zwischen dem
Zwischenschaltungspunkt 51 und einem Erdungsschaltpunkt 80 verbunden.
Der Erdungsschaltpunkt 80 ist mit dem stationären Kontakt 41 des
Motorfunktionsschalters 39 verbunden, der als der Geschwindigkeitssteuerungs-(SC)-Kontakt
bezeichnet wird. Der verbleibende stationäre Kontakt 42 des
Motorfunktionsschalters 39 wird als ein Umgehungs-(BP)-Kontakt
bezeichnet und ist direkt mit dem Zwischenschaltungspunkt 51 verbunden.
Wie hier verwendet bezeichnen die Ausdrücke "direkt verbunden mit" und "für
eine direkte Verbindung mit" eine
elektrische Verbindung mit einer vernachlässigbaren Impedanz.
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Die
restlichen Komponenten der Steuerschaltung 10 für variable
Geschwindigkeit sind auf der gedruckten Leiterplatte 36 montiert.
Im einzelnen beinhaltet ein Oszillator 60, der um ein Paar
Inverter 61 und 62 herum aufgebaut ist, ein Potentiometer 64, wobei
dessen Schleifer 34 auf dem Kontaktträger 29 des Auslösers 14 angeordnet
ist. Eine Bewegung des Schleifers 34 zusammen mit dem Auslöser verändert den
Spannungsteiler, der durch das Potentiometer 64 und Festwiderstände 66 und 68 des
Oszillators ausgebildet wird. Dieser Vorgang verändert das Tastverhältnis des
Oszillators, d.h. die Breite der an einer Ausgangsleitung 70 erzeugten
Impulse.
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Das
Ausgangssignal des Oszillators wird an die Eingänge von vier Invertern 72, 73, 74 und 75 angelegt,
die parallel mit einem gemeinsamen Ausgang verbunden sind, welcher
durch einen Widerstand 78 an die Gatterelektrode des MOSFET 22 gekoppelt ist.
Die parallel verbundenen Inverter 72–75 dienen als ein
Stromverstärker,
wobei die multiplen Vorrichtungen dazu dienen, die Quellimpedanz
zum Antrieb des MOSFET 22 zu reduzieren. Obgleich in dieser besonderen
Implementierung der Schaltung zum Antreiben des MOSFET Inverter
verwendet werden, sind auch andere Typen von Puffern oder Verstärkern anwendbar.
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Die
unterschiedlichen Inverter 61, 62 und 72–75 der
Steuerschaltung 10 für
variable Geschwindigkeit sind mit einer Stromzufuhr 82 verbunden,
welche die Zufuhrspannung VDD von der positiven Batteriespannung
an dem Anschluss 46 ableitet.
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Bevor
der Anwender die Steuerschaltung 10 für variable Geschwindigkeit
betätigt,
drückt
die Feder 30 die Auslöserbaugruppe 14 in
ihre vollständig außen liegende
Position und verbringt den beweglichen Brückenkontakt 38 in
die ausgeschaltete Position, die in den 5 und 6 dargestellt
ist. Wenn der Anwender zunächst
den Auslöser
herunterdrückt,
transportiert der Kontaktträger 29 des
Auslösers 14 den
beweglichen Kontakt 38 in eine Richtung, die in diesen
Figuren durch einen Pfeil 84 gezeigt ist. Wenn der bewegliche
Kontakt 38 zu den Kanten der positiven und stationären Umgehungskontakte 40 und 42 transportiert
wird, läuft
der bewegliche Kontakt über
zwei isolierende Kämme 86 und 88,
die von der Einfassung 12 vorstehen. Dieser Transportweg
bringt den beweglichen Kontakt 38 außer Eingriff von den stationären Kontakten 40–44,
sodass die Spalten zwischen benachbarten stationären Kontakten nicht durch den
beweglichen Kontakt überbrückt werden.
Infolgedessen schließt
der bewegliche Kontakt nicht alle vier stationären Kontakte 40–44 in
einer Zwischenstellung seines Transportweges kurz. Ein weiteres
Herunterdrücken
des Auslösers 14 bewegt
den beweglichen Kontakt 38 an den Geschwindigkeitssteuerungskontakt 41 und
an den negativen Batteriekontakt 44. Zu diesem Zeitpunkt wird
der negative Anschluss 48 mit dem Erdungsschaltpunkt 80 der
Steuerschaltung 10 für
variable Geschwindigkeit verbunden und Strom wird an die Schaltungskomponenten
angelegt.
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An
dieser Stelle in der Bewegung des Auslösers 14 nimmt der
Schleifer 34 des Potentiometers 64 eine Anfangsposition
ein, die es bewirkt, dass der Oszillator 60 ein Ausgangssignal
mit einem relativ langen positiven Impuls während jedes Oszillatorzyklus
erzeugt. Wenn das Ausgangssignal des Oszillators durch die parallel
verbundenen Inverter 72–75 invertiert wird,
wird ein Signal an einem Schaltungspunkt 76 erzeugt, das
während
jedes Signalzyklus einen relativ kurzen positiven Impuls aufweist.
Wenn dieses sich ergebende Signal an die Gatterelektrode des MOSFET 22 angelegt
wird, wird der Transistor für
kurze Zeiträume
leitend sein, die durch relativ lange nicht-leitende Zeiträume voneinander
getrennt sind. Infolgedessen empfängt der Motor 54 kurze elektrische
Stromimpulse und dreht sich bei einer relativ niedrigen Geschwindigkeit.
Die Bewegungsrichtung wird durch die Stellung des Richtungssteuerungsschalters 28 eingestellt,
wobei die Vorwärtsstellung
illustriert ist.
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Wenn
der Anwender den Auslöser 14 weiter in
die Einfassung 12 hineindrückt, verändert die Bewegung des Potentiometerschleifers 34 das
Tastverhältnis
des Oszillators 60, um an dem Schaltungspunkt 70 positive
Impulse mit kürzerer
Zeitdauer zu erzeugen. Die Umkehrung dieser Impulse durch die Inverter 72–75 erzeugt
zunehmend längere
positive Impulse an dem Schaltungspunkt 76, die den MOSFET 22 für längere Zeiträume einschalten.
Somit erhöht
sich die Geschwindigkeit des Motors, wenn der Anwender den Auslöser weiter
nach innen drückt. Während dieses
Betriebsmodus fährt
der bewegliche Kontakt 38 damit fort, sich in einer durch
den Pfeil 84 angegebenen Richtung über die Oberflächen des stationären Geschwindigkeitssteuerungskontakts 41 und
des stationären
negativen Kontakts 44 zu bewegen.
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Schließlich erhöht sich
die Geschwindigkeit des Motors 58 fast auf die Maximalgeschwindigkeit. An
diesem Punkt überbrückt ein
Ende des beweglichen Kontakts 38 den Spalt 45 zwischen
dem Geschwindigkeitssteuerungskontakt 41 und dem Umgehungskontakt 42,
wie aus 5 ersichtlich. Es ist zu beachten,
dass der Spalt 45 zwischen diesen Kontakten über keinen
Kamm verfügt,
der ähnlich
zu den Kämmen 86 und 88 zwischen
den anderen Kontaktpaaren 40–44 ausfällt. Der
Grund hierfür
besteht darin, dass ein sanfter Übergang
von einer Steuerung für
variable Geschwindigkeit zu einem Umgehungsbetriebsmodus erwünscht ist,
in dem die Batterieanschlüsse
direkt über
den Motor 54 verbunden sind.
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Wenn
der Auslöser 14 vollständig niedergedrückt ist,
verkoppelt der bewegliche Kontakt 38 den stationären Umgehungskontakt 42 mit
dem stationären
negativen Kontakt 44. Dies verbindet den negativen Anschluss 48 der
Batterie 52 direkt mit einem Zwischenschaltungspunkt 51 an
einer Seite des Motors 54. Die andere Seite des Motors
ist immer direkt mit dem positiven Batterieanschluss 46 verbunden. In
diesem Umgehungsmodus wird der stationäre Geschwindigkeitssteuerungskontakt 41 von
den anderen Kontakten 40, 42 und 44 entkoppelt
und Strom wird von dem Oszillator 60 und den parallel verbundenen Invertern 72–75 abgezogen.
Somit wird der MOSFET 22 in dem Umgehungsmodus, bei dem
er durch die Verbindung der Kontakte 42 und 44 umgangen
wird, abgeschaltet.
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Das
Verfahren der Geschwindigkeitssteuerung wird umgekehrt, wenn der
Anwender den Auslöser
freigibt, damit sich dieser von der Einfassung 12 weg bewegen
kann. In diesem Fall bewegt sich der bewegliche Kontakt 38 in
der entgegengesetzten Richtung zu der durch den Pfeil 84 angegebenen Richtung
und bewegt sich von einer Stellung, in der er die stationären Kontakte 42 und 44 überbrückt, in eine
Stellung, in der er den stationären
Geschwindigkeitssteuerungskontakt 41 erneut mit dem stationären negativen
Kontakt 44 verbindet. In diesem Zustand wird erneut Strom
an den Oszillator und an die parallel verbundenen Inverter 72–75 angelegt.
Ein weiteres Freigeben des Auslösers
führt dazu,
dass sich die Motorgeschwindigkeit in einem Betrieb, der zum zuvor
beschriebenen Betrieb zur Erhöhung
der Geschwindigkeit umgekehrt ausfällt, verringert.
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Schließlich erreicht
der Auslöser
das Ende der nach außen
verlaufenden Bewegung, wo der bewegliche Kontakt 38 die
positiven und stationären Umgehungskontakte 40 und 42 überbrückt, wie
in 6 dargestellt. In dieser Position des Motorfunktionsschalters 39 ist
der negative Batterieanschluss 48 von der Steuerschaltung 10 für variable
Geschwindigkeit entkoppelt und der Motor wird abgeschaltet. Zusätzlich erzeugt
das Überbrücken der
stationären Kontakte 40 und 42 durch
den beweglichen Kontakt 38 einen Pfad mit niedrigem Widerstand
zwischen den Motoranschlüssen 31 und 32,
wodurch die in dem Motor 54 erzeugte Gegen-EMK zum Bremsen des
Motors verwendet wird. Somit stellt die vorliegende Schaltung eine
dynamische Bremsung des Motors 54 bereit, wenn sie in den
ausgeschalteten Zustand übergeht.
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Die
obige Beschreibung bezog sich hauptsächlich auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung und zugleich wurden verschiedene in dem Rahmen der
Erfindung liegende Alternativen angeführt. Für den Fachmann verstehen sich
leicht zusätzliche
Alternativen, die sich aus der Offenbarung der Ausführungsformen
der Erfindung ergeben. Dementsprechend sollte sich der Rahmen der
Erfindung nicht anhand der obigen Beschreibung, sondern durch die
nachfolgenden Ansprüche
bestimmt werden.