TWI876177B

TWI876177B - 電動工具

Info

Publication number: TWI876177B
Application number: TW111123042A
Authority: TW
Inventors: 蔡承恩; 劉安吉; 林昌勝; 黃伏瑩
Original assignee: 鑽全實業股份有限公司
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2025-03-11
Also published as: US20230405782A1; TW202400368A; EP4296008B1; EP4296008A1; US12220798B2

Abstract

一種電動工具，包含一馬達、一舉升機構、一撞針、一電磁鐵、一驅動電路、一止擋塊及一控制器。該控制器於該電磁鐵之一激磁期間，該控制器先控制該驅動電路以連續電流激磁該電磁鐵一激磁時間而使該電磁鐵呈激磁狀態後，再控制該驅動電路提供該電磁鐵呈脈衝狀之電流一脈衝時間以維持該電磁鐵為激磁狀態。藉此，可減少實際通電時間並仍使該電磁鐵維持激磁狀態，達到降低發熱量的功效。

Description

電動工具

本發明是有關於一種電動工具，特別是指一種應用電磁鐵之激磁與否來進行控制的電動工具。

於目前的電動工具，例如美國專利公告號第US8011547B2號之專利公告案，是以電磁鐵之激磁與否來致能或禁止擊釘之操作。然而，電磁鐵在長時間通電的情況下，其漆包線與繞線架易因高溫而燒毀，若僅提升漆包線(例如，增加線圈線徑及匝數)或繞線架之耐高溫程度，除了成本上升外，也容易造成電動工具內部溫度過高。

因此，本發明之目的，即在提供一種可解決上述問題的電動工具。

於是，本發明電動工具，包含一馬達、一舉升機構、一撞針、一電磁鐵、一驅動電路、一止擋塊，及一控制器。

該舉升機構受該馬達連動。

該撞針受該舉升機構連動而於一待擊發位置與一下死點位置間移動。

該驅動電路用以提供電流以驅動該電磁鐵。

該止擋塊受該電磁鐵帶動，於該電磁鐵為激磁狀態時位於一不阻擋該撞針擊發的非止擋位置，於該電磁鐵為非激磁狀態時位於一阻擋該撞針擊發的止擋位置。

該控制器信號連接該驅動電路，於該電磁鐵之一激磁期間，該控制器先控制該驅動電路以連續電流激磁該電磁鐵一激磁時間而使該電磁鐵呈激磁狀態後，再控制該驅動電路提供該電磁鐵呈脈衝狀之電流一脈衝時間，以維持該電磁鐵為激磁狀態。

本發明之功效在於：藉由在該電磁鐵之該激磁期間，先以連續電流使該電磁鐵呈激磁狀態後，再以脈衝狀之電流進行供電，可以使該電磁鐵在所需的工作時間中維持激磁狀態，並可以藉由減少實際通電時間，而達到降低發熱量的功效，並具有體積較小、重量較輕的優勢。

21:電池

22:電源電路

221:直流電壓轉換器

222:低壓差穩壓器

31:馬達

32:驅動模組

33:切換開關模組

41:舉升機構

411:舉升輪

42:撞針

421:撞針軸

422:舉升齒

423:前擋部

43:壓力室

44:活塞

51:電磁鐵

52:驅動電路

521:閘極驅動晶片

522:半導體開關

523:飛輪二極體

524:連接器

61:連動機構

611:推桿

612:連接桿

62:止擋塊

7:控制器

80~89:步驟

T1:激磁期間之時間

t1:激磁時間

t1_i激磁持續時間

T2:延遲時間

T2_i延遲持續時間

t2:脈衝時間

t2_i脈衝持續時間

t3~t8:時間

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明電動工具的一實施例的一電路方塊示意圖；圖2是一電路示意圖，說明該實施例的一驅動電路；圖3是該實施例的一不完整的立體圖；圖4是該實施例的另一不完整的立體圖；圖5是該實施例的一示意圖，說明一止擋塊位在阻擋一撞針擊發的一止擋位置；圖6是該實施例的一示意圖，說明該止擋塊位在不阻擋該撞針擊發的一非止擋位置；圖7~9是該實施例的一驅動信號的不同態樣；及圖10是該實施例所應用之電磁鐵控制方法的一流程圖。

參閱圖1、圖3及圖4，本發明電動工具之一實施例，例如一氣瓶式電動釘槍，該實施例包含一電池21、一電源電路22、一馬達31、一驅動模組32、一切換開關模組33、一受該馬達31連動的舉升機構41、一受該舉升機構41連動的撞針42、一連接該撞針42且界定一壓力室43的活塞44、一電磁鐵51、一驅動電路52、一受該電磁鐵51帶動的連動機構61、一受該連動機構61連動的止擋塊62，及一控制器7。

該電源電路22將該電池21所提供的電源(例如DC 18V)，經過穩壓及變壓後，提供給內部電路使用，該電源電路22例如可包括一直流電壓轉換器221(DC-DC converter)及兩個提供不同電壓(例如，5V及12V)的低壓差穩壓器222(Low-dropout regulator，縮寫為LDO)，以分別向該控制器7與該驅動模組32供電。

該馬達31例如可使用無刷直流馬達(Brushless DC Motor，縮寫為BLDC)實施。

該驅動模組32電連接該馬達31，接收該控制器7所輸出之一呈PWM訊號的控制信號，並根據所述PWM訊號的占空比(Duty Ratio)控制該切換開關模組33驅動該馬達31以一目標轉速轉動。其中，該切換開關模組33例如可使用半導體(MOSFET)開關實施。

該舉升機構41受該馬達31連動，以連動該撞針42於一待擊發位置與一下死點位置(該撞針42可位移到的最底端位置)間位移，該舉升機構41包括一受該馬達31連動而轉動(於圖1中，為逆時針轉動)的舉升輪411。該撞針42包括一撞針軸421、複數沿該撞針軸421排列的舉升齒422，及一位於該撞針軸421遠離該壓力室43之一端的前擋部423，於該舉升輪411轉動時，會咬合該舉升齒422而使該撞針42由該待擊發位置往一上死點位置(該撞針42可位移到的最頂端位置)移動，並使該活塞44壓縮該壓力室43中的氣體，而當轉動到該舉升輪411之缺角，而使該等舉升齒422脫離該舉升輪411之咬合時，該撞針42會受該壓力室43內的壓力而瞬間擊發(該撞針42由該上死點位置往該下死點位置移動)，而將一撞釘(圖未示)擊出。於擊發後，該撞針42位於該下死點位置，並接著隨該舉升輪411轉動而回復至該待擊發位置，如此，以完成一擊釘運作的循環。

參閱圖2，該驅動電路52用以提供電流以驅動該電磁鐵51，包括一閘極驅動晶片521(gate driver IC)、一半導體開關522(例如，MOSFET開關)、一並聯於該電磁鐵51的飛輪二極體523、及一用以電連接該半導體開關522與該電磁鐵51的連接器524。該閘極驅動晶片521接收該控制器7輸出之一驅動信號(如圖7、8、9所示)，並將例如為5V之該驅動信號轉換成例如12V之電壓，以輸出至該半導體開關522之閘極(gate)而驅動該半導體開關522導通或關閉。其中，該驅動信號較佳是設計為能確保該半導體開關522之通道能完全打開，以減少該半導體開關522之電阻而降低該半導體開關522的發熱量。

參閱圖4，該連動機構61具有一穿設於該電磁鐵51的推桿611，及一連接該推桿611與該止擋塊62的連接桿612。該推桿611受該電磁鐵51連動，並帶動該止擋塊62於一不阻擋該撞針42擊發的非止擋位置與一阻擋該撞針42擊發的止擋位置間變動。於該電磁鐵51之初始狀態(未激磁之非激磁狀態)時，如圖5所示，該止擋塊62阻擋於該撞針42之該前擋部423的前方(即，該止擋塊62位於該止擋位置)，使該撞針42無法進行擊發，達到避免誤擊發的功效。而當擊發條件成立時，該電磁鐵51激磁而吸引該推桿611往圖5中左側移動，連動該連接桿612帶動該止擋塊62順時針轉動而形成如圖6所示(此時，該電磁鐵51為完全激磁之激磁狀態)，使該止擋塊62脫離該前擋部423前方的區域(即，該止擋塊62位於該非止擋位置)，使該撞針42可以進行擊發。當擊發結束，該電磁鐵51停止激磁，該推桿611向圖中右側移動，並連動該連接桿612帶動該止擋塊62逆時針轉動，而使該止擋塊62回復至如圖5所示的該止擋位置。

參閱圖2及圖7，該控制器7信號連接該驅動電路52，於該電磁鐵51之一激磁期間之時間T1中，該控制器7先輸出該驅動信號控制該驅動電路52，使該半導體開關522連續導通，以提供連續電流激磁該電磁鐵51，並於激磁一激磁時間t1而使該電磁鐵51呈激磁狀態後，再控制該驅動電路52輸出呈脈衝狀之該驅動信號，使該半導體開關522間歇導通而提供該電磁鐵51呈脈衝狀之電流，並持續一脈衝時間t2以維持該電磁鐵51為激磁狀態。其中，該激磁時間t1是設計為不小於使該電磁鐵51可以完全激磁的時間，該電磁鐵51完全激磁的時間長度依該電磁鐵51規格而定，一般為20ms~100ms 間，本實施例係以該激磁時間t1等於該電磁鐵51完全激磁的時間為例，但不以此為限。由於該電磁鐵51可能因生產時的公差，導致完全激磁的時間有些微差異，因此，可將該激磁時間t1設計為大於該電磁鐵51的完全激磁時間，以確保該驅動電路52輸出呈脈衝狀之該驅動信號時，該電磁鐵51已呈完全激磁的激磁狀態。

該控制器7可設計為具有A/D轉換、I/O偵測、PWM輸出等功能之電路，並例如可使用微控制器(Microcontroller，縮寫為MCU)實施。

參閱圖1、圖3及圖7，其中，該控制器7於控制該驅動電路52提供連續電流一延遲時間後，啟動該馬達31運作以連動該舉升機構41作動，而使該舉升機構41帶動該撞針42移動，該延遲時間大於該電磁鐵51到達激磁狀態所需的時間。需注意的是，該延遲時間不可設計地過短，須至少比該激磁時間t1長(即比該電磁鐵51到達完全激磁的時間長)，以防止擊釘時該止擋塊62尚未完全脫離該撞針42之移動路徑，但該延遲時間也不可過長，否則會導致從使用者扣壓一扳機開關(圖未示)到擊釘的間隔時間過長，造成擊釘速度過慢與手感不佳。於該脈衝時間t2結束後，該控制器7停止激磁該電磁鐵51，並於確認該撞針42回復到該待擊發位置後，停止該馬達31運作。於本實施例中，以該待擊發位置接近於該上死點位置作為說明，以供使用者於按壓該扳機開關後，釘槍能迅速產生擊釘動作。

其中，上述時間之關係為：T2+Td<t1+t2<T2+Td+Tu；其中，T2為該延遲時間，Td為該撞針42由該待擊發位置經該上死點位置移動到該下死點位置的時間，t1為該激磁時間，t2為該脈衝時間，t1+t2即為該激磁期間之時間T1(即，該電磁鐵51的動作總時間)，Tu為該撞針42被該舉升機構41帶動而由該下死點位置移動到該上死點位置的時間。也就是說，該撞針42由該待擊發位置移動經過該上死點位置到該下死點位置後，再由該下死點位置移動到該上死點位置前，該控制器7控制該驅動電路52停止提供呈脈衝狀之電流。藉此，可使該電磁鐵51在擊釘的過程中保持激磁狀態，進而使該止擋塊62在擊釘的過程中能保持脫離該撞針42的狀態，並且，藉由在該撞針42再次位移到該上死點位置前停止激磁該電磁鐵51，使該止擋塊62阻擋於該撞針42的擊釘方向上，可以防止當釘槍故障而使該舉升輪411過慢停止或不停止時，造成誤擊發出第二支釘子之情事。

參閱圖1、圖3、圖7及圖10，該實施例所應用之電磁鐵控制方法包含以下步驟：於該電磁鐵51之該激磁期間，該控制器7先控制該驅動電路52以連續電流激磁該電磁鐵51該激磁時間t1而使該電磁鐵51 呈激磁狀態後，再控制該驅動電路52提供該電磁鐵51呈脈衝狀之電流該脈衝時間t2，以維持該電磁鐵51為激磁狀態。

依使用時間序說明其運作流程：於該電動工具啟動，且要進行擊釘時，進入步驟80，確認各開關狀態是否正常，即，確認擊發條件是否成立，例如，確認一保險開關(圖未示)、該板機開關及一撞針位置開關(圖未示)之狀態，所述狀態例如為：該保險開關與該板機開關已被按壓，該撞針42於擊出撞釘前需在正確位置(例如，該待擊發位置)等。於確認開關狀態皆正常後，進入步驟81，該控制器7輸出該驅動信號，使該驅動電路52提供電流而激磁該電磁鐵51，連動該止擋塊62位移至該非止擋位置，使該撞針42可被擊發，該控制器7並開始計時一激磁持續時間t1_i與一延遲持續時間T2_i，即，此時該激磁時間t1(例如，20ms)開始。

接著，進入步驟82，判斷該激磁持續時間t1_i是否到達該激磁時間t1(20ms)，若尚未到達，進入步驟83，判斷該延遲持續時間T2_i是否到達該延遲時間T2(例如30ms)，此時，同樣會判斷尚未到達而回到步驟82。

當該激磁持續時間t1_i到達該激磁時間t1(20ms)後，進入步驟84，啟動脈衝激磁，並開始計時一脈衝持續時間t2_i，即，此時該脈衝時間t2(例如，100ms)開始。

接著，進入步驟85，判斷該脈衝持續時間t2_i是否到達該脈衝時間t2(100ms)，由於此時該脈衝時間t2才剛開始，因此，判斷尚未到達，回到步驟83。

當步驟83判斷該延遲持續時間T2_i到達該延遲時間T2(30ms)後，進入步驟86，該控制器7輸出對應之該控制信號以使該馬達31運作，並帶動該舉升機構41連動該撞針42移動，使該撞針42擊發，並於擊發後接著連動該撞針42往該待擊發位置移動。於步驟87，判斷該撞針42是否回到該待擊發位置，由於此時該馬達31剛開始運作，因此該撞針42尚未回到該待擊發位置，判斷為否，回到步驟82、84、85。

當該脈衝持續時間t2_i到達該脈衝時間t2(100ms)後。此時，判斷該脈衝時間t2結束，進入步驟88，停止激磁該電磁鐵51，而使該止擋塊62回復至該止擋位置，以阻擋該撞針42而使該撞針42無法被擊發，接著經步驟83、86再次進入步驟87。

當判斷該撞針42已回到待擊發位置後，此時，表示擊釘之行程結束，進入步驟89，停止該馬達31運作，並回到步驟80，此時，該撞針42重新位於該待擊發位置，釘槍處於待機狀態，等待使用者執行下一次擊釘動作、進行其他控制，或者於預定時間後自動進入休眠狀態。

參閱圖1及圖7，值得說明的是，於該脈衝時間t2中，脈衝頻率不可過低，否則該電磁鐵51會產生一下完全激磁、一下不完全激磁的狀況，而頻率越高，越不容易發生前述狀況，但該電磁鐵51發熱量會越大(提高脈衝占空比也會導致發熱量增大)，而要設定多少頻率與占空比，是依據該電磁鐵51的大小而定，其中，該電動工具內可供該電磁鐵51設置的空間會影響該電磁鐵51的大小，而該電磁鐵51大小會影響繞線的線徑與匝數，繞線的線徑與匝數則影響發熱量。

於該脈衝時間t2中，其脈衝形式可以如圖7所示，頻率大於1kHz，且t3=t4，t3的時間需要短暫到該電磁鐵51來不及反應，才能維持該電磁鐵51在激磁狀態。其脈衝形式可以因應不同的需求而改變頻率，例如，如圖8所示使用較高的頻率(t5=t6<t3)，或是如圖9所示，使用不同的占空比(t8>t7)，例如，當該電池21的電壓較低時，可增加占空比以提高該電磁鐵51對該推桿611(見圖4)的吸引力。

參閱圖1、圖2及圖7，經由以上的說明，本實施例的功效如下：

一、藉由在該電磁鐵51之該激磁期間，先以連續電流使該電磁鐵51呈激磁狀態後，再以脈衝狀之電流進行供電，可以使該電磁鐵51在所需的工作時間中維持激磁狀態，並可以藉由減少實際通電時間，而達到降低發熱量的功效，相較於習知技術，本實施例無須為了避免燒毀而使用較大線圈線徑及匝數，因此，還具有體積較小、重量較輕的優勢。

二、藉由設計T2+Td<t1+t2<T2+Td+Tu之時間關係，除了可以確保在擊釘的過程中，該電磁鐵51會保持激磁狀態而使該止擋塊62持續釋放該撞針42，還可在該撞針42再次位移到該上死點位置前停止激磁該電磁鐵51，使該止擋塊62可以即時於該撞針42的擊釘方向擋住該撞針42。如此，可以避免因釘槍故障而造成誤擊發的問題。是以，本實施例還具有提升使用安全性之功效。

三、藉由設計該延遲時間T2大於該電磁鐵51到達激磁狀態所需的時間，可以確保該馬達31是在該電磁鐵51激磁之後才作動，也就是，可以確保當該馬達31連動該撞針42而開始擊釘程序時，該電磁鐵51已帶動該連動機構61使該止擋塊62位於不阻擋該撞針42之位置，而不致影響該撞針42之擊發。

綜上所述，本發明電動工具，確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。