具有用于检测器具和物体之间的接触的电路的电动工具

摘要

电动工具包括安装在印刷电路板上并且电连接至向检测电路提供电力的切换供电装置的检测电路，所述检测电路没有连接至地面接地而能够检测操作者向运动器具的靠近，无需所述操作者与地面接地电连接。

说明书

技术领域

本发明大体涉及一种电动工具，并且更具体地，涉及一种检测人和电 动工具的运动器具之间的接触的系统和方法。

背景技术

检测或传感系统已经被发展用于与多种制造设备和电动工具一起使 用。这样的检测系统可操作为通过检测或感应操作者的某些部位与所述设 备的某些部件的接近或接触来而触发反应装置。例如，桌锯上已有的电容 接触传感系统检测操作者和刀片之间的接触。

图1示出了现有技术中的与桌锯1结合的基于电容感应的检测系统90。 检测系统90产生与桌锯1的可运动刀片22电耦合的激励电压并且检测由 刀片22引起的电流。当刀片22与导电物体接触(如操作者的手、指部、 或其它身体部位以及工件)时，被检测的电流和/或激励电压的振幅或相位 发生变化。该变化的特性用来触发反应系统92的操作。反应系统92例如 通过施加制动以终止刀片22的运动和/或通过使刀片22从切割区落下或移 去来结束刀片22的操作。一种示例性反应系统92利用爆炸电荷将止动件 (未示出)驱入刀片22从而阻止刀片22的运动。在此基础上或替代地， 一种示例性反应系统92使刀片支撑元件(未示出)落下或倒塌从而将刀片 22驱至桌子14的表面下方。

图1示出的检测系统90的实施例包括在线路12上产生随时间变化的 信号的振荡器10。该随时间变化的信号为任何合适类型的信号，包括例如 正弦波、多个正弦波之和、线性调频波形、噪声信号等等。所述信号的频 率选取为能够区别诸如指部或手的第一物体和诸如木头或被电动工具切割 的其它材料的第二物体的接触。在图1的实施例中，频率为1.22MHz，但 是其它频率和非正弦波形也可被使用。振荡器10电气连接至地面接地，从 而使提供能量以操作桌锯14的AC电源能够使得检测系统和桌锯共同接地 至地面接地。如图1所示，刀片22竖直地设置在由桌锯14(或工作面或切 割面或平台)限定的开口中。

振荡器10通过线路12连接至两个电压放大器或缓冲器16、18。第一 电压放大器16具有连接至线路20的输出部，该线路20操作性地将振荡器 的输出部连通至锯割刀片22。电流传感器24操作性地将来自线路20的信 号联接耦合在为放大器28馈送的线路26上，放大器28的输出部通过线路 32连接至处理器30。电流传感器24例如为电流感应变压器、电流感应电 阻器、霍尔效应电流感应器件、或别的合适类型的电流传感器。来自处理 器30的输出线路34操作性地连接至反应系统92，从而如果预定的条件被 检测到从而表明例如刀片22和第一物体之间接触，则使得处理器30触发 反应系统92。

线路26上的信号表示由刀片22引起的瞬时电流。由于锯割刀片22在 桌锯的操作期间处于运动，因此上述连接通过与刀片22大致平行地安装的 激励板36实现。所述板36由第一电压放大器16驱动，并且在图1的实施 例中构造为相对于刀片22具有接近100pF的电容。所述板36相对于刀片 22的侧部被保持在稳定位置。激励板36构造为随着刀片22的高度和斜角 在桌锯1的操作期间被调整而追随刀片22。

在图1的实施例中，第一物体和桌锯14(或如果有电力线路接地部分 则为电力线路接地部分)之间的电容位于接近30-50pF的范围内。当激励 板36和锯割刀片22之间的电容超过第一物体和桌锯14之间的电容时，检 测阈值不会过分地受到板—刀片电容的变化的影响。在图1的构造中，板 36平行于刀片22地布置在刀片22抵着心轴37停靠的一侧上，由此使得刀 片厚度的变化不影响刀片22和板36之间的空隙。包括心轴轴承或套筒与 轴件或刀片的接触而实现的接触在内的其它激励方法也可被用来产生相同 的效果。

在检测系统90中，第二放大器18连接至护具38。并且放大器18将护 具38驱动至与激励板36具有相同的电位。并且，检测系统90中的传感器 选择性地监测护具38引起的电流水平。在图1的结构中，护具38环绕刀 片22在桌子14下方延伸，并且在桌子14的上方与刀片22隔开某一距离。 护具38的构造减小了刀片22和桌子14之间的静态电容。如果桌子没有电 连接至地面接地的话，桌子用作接地平面。在多种实施例中，护具38为网 格的连续兜件、或在由振荡器10产生的激励频率上与法拉第笼电学等效的 某些其它类型的防护工具。护具38选择性地包括随着刀片调整而移动、或 足够大以能够容纳刀片的调整以及与桌锯适配的各种类型的刀片的部件。 在图1的结构中，护具38随着刀片的调整而移动，并且包括桌顶部14的 喉板区。

处理器30实施多种预处理步骤并且执行自适应触发以检测表示第一物 体和刀片22之间的接触的条件。处理器30选择性地包括一个或多个关联 的模数(A/D)转换器。来自电流传感器24的刀片电流信号被导至A/D转 换器的一个或多个，该A/D转换器的一个或多个产生相应的数字信号。在 一些实施例中。代表刀片22和激励板36之间的电压下降的刀片电压信号 被导至A/D转换器以产生数字刀片电压信号。处理器30接收数字化信号并 且执行多种数字信号处理操作和/或基于接收到的信号计算衍生参数 (derivate parameter)。处理器30在条件刀片信号基础上分析或执行操作从 而检测表示第一物体和刀片22之间的接触的条件。

如上所述，已有检测系统如图1的系统90要求地面接地连接以检测人 和电动工具的器具如刀片22之间的接触。只要操作者与地面接地电连接， 则这些系统可检测操作者向运动器具的靠近。然而，当操作者没有很好地 连接到地面接地时，这些系统不太可靠。鉴于这些情况，改进器具和人体 的部分之间的接触的检测的检测系统的改良将是有益的。

发明内容

在一个实施例中，移动器具并且检测物体和运动器具之间的接触的电 动工具已经被研发。该电动工具包括：终端，构造为从交流电AC电源接 收交流电(AC)，所述AC电流源与地面接地电连接；构造为用于运动的 器具；致动器，操作性地连接至所述器具并且电连接至所述终端，从而使 得所述致动器能够操作并移动所述器具；以及印刷电路板，检测电路和切 换供电装置安装至所述印刷电路板，所述切换供电装置电连接至所述终端 以接收AC电流，并且所述切换供电装置构造为产生电力用于分配至所述 印刷电路板的多个元件，并且所述检测电路电连接至所述切换供电装置以 接收电力并且构造为产生电耦合至所述器具的检测电流，所述印刷电路板 电连接至信号地，但是没有电连接至地面接地，从而使得所述检测电路能 够检测所述检测电流通过所述器具向物体的放电。

附图说明

图1为现有技术的桌锯的示意图。该桌锯包括现有技术的用于检测人 和锯割刀片之间的接触的检测系统。

图2为包括检测电路的桌锯的示意图，该检测电路用于当检测系统中 的电子元件与地面接地隔离时识别人和锯割刀片之间的接触。

具体实施方式

为了促进对本文所描述的实施例的宗旨的理解，现在参考下述书面说 明书的附图和说明书。这些参考没有旨在对发明主题的范围做出任何限定。 本专利还包括示出的本专利所属领域技术人员通常想到的实施例的任何替 代和改型以及描述的实施例的宗旨的进一步的应用。

如本文所使用的。术语“电动工具”指的是具有由诸如电动马达、内 燃机、液压或气动缸、或类似器具的致动器移动的一个或一个以上运动部 件的任何工具。例如，电动工具包括但不局限于斜角锯(bevel saw)、斜面 锯(miter saw)、桌锯、圆锯、往复锯、曲线锯(jig saw)、带锯、冷锯、 切割机、冲击机(impact drive)、研磨机(angler grinder)、钻孔机、接缝机 (jointer)、骨髓钉打入器(nail drive)、磨砂机、修剪机和刨槽机(router)。 如本文所使用的，术语“器具”指的是在电动工具的操作期电动工具的至 少局部暴露的运动部件。电动工具中器具的示例包括但不局限于旋转和往 复锯割刀片、钻头(drill bit)、刨槽头(routine bit)、打磨盘、打磨轮或类 似器具。如下所述，与电动工具集成的检测电路用于停止器具的运动从而 在器具运动的时候避免人操作者和器具之间的接触。

图2示出了桌锯100。桌锯100包括桌子104，锯割刀片108延伸穿过 所述桌子104用于切割工件如木件。桌锯100还包括电动马达112、刀片罩 118和刀片阻止装置132。板件120和刀片108形成电容器124。在该电容 器124中，板件120和刀片108之间的小空气间隙用作介电器。在不同的 实施例中，板件120是或包括电容式、电阻式、投射电容式、光学式、热 学式、近红外式、或检测刀片和物体之间的接触或检测靠近刀片108的物 体的其它合适类型的检测机构。刀片罩118电气连接至锯割刀片108。桌子 104、刀片108和电机112在切割工件的使用上的通常构造是本领域是公知 的并且在本文中没有予以特别详细地描述。桌锯上通用的一些部件如工件 的引导件、刀片高度调整机构以及刀片引导件从图2省略以更清楚。

桌锯100包括印刷电路板102，包括时钟源144、驱动放大器146、变 压器150和控制器140的检测电路安装至印刷电路板102。在图2中安装在 印刷电路板102上或者在其它实施例中电连接至切换供电装置106的电终 端插座107从外部电源如发电机或电力供应商接收交流电(AC)电力信号。 切换供电装置106将来自外部电源的AC电力信号转换至一个或一个以上 电压水平上的直流电流(DC)电力信号以向控制器140、时钟源144和放 大器146提供电力。印刷电路板102和安装在印刷电路板102上的元件与 地面接地电绝缘。供电装置106用作安装至印刷电路板102的元件的本地 接地。

在桌锯100中，检测电路中的时钟源144和驱动放大器146产生随时 间变化电流，该随时间变化电流被引导通过变压器150中的初级绕组152、 板件120、刀片108和刀片罩118。该随时间变化电流称之为“检测电流”， 这是因为控制器140通过参考所述检测电流的大小上的变化而检测刀片 108和人体一部分之间的接触。所述随时间变化检测电流是包括同相分量和 正交分量的复数信号。检测电流经过变压器150中的初级绕组152到达板 件120。初级绕组上由板件120和刀片108之间的放电导致的变化在变压器 150的次级绕组154上产生激励信号。激励信号为与经过初级绕组152的检 测电流对应的另一复数信号。

检测电路中的控制器140操作性地连接至电机112、变压器150的次级 绕组154以及机械式刀片阻止装置132。控制器140包括一个或一个以上含 有通用中央处理器单元(CPU)的数字逻辑器具、微控制器、数字信号处 理器(DSP)、模数转换器、(ADC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集 成电路(ASIC)以及适合于桌锯100的操作的任何其它的数字逻辑器件的 数字逻辑装置。控制器140包括存储用于控制器140的操作的程序指令的 记忆装置142。

在检测电路的操作期间，时钟源144产生随时间变化信号如具有预定 频率的正弦波形。在图2的实施例中，时钟源144构造为产生知晓为穿过 人体传播的1.22MHz的信号。放大器146产生作为来自时钟源144的信号 的放大版本的检测电流。该检测电流源具有足够的振幅以驱动变压器150 和电容器124从而用于控制器140的检测。

在检测电路的操作期间，控制器140在次级绕组154中通过第一解调 器143A接收激励信号的同相分量I并且通过第二解调器143B接收激励信 号的正交分量Q。变压器150使流过初级绕组152、板件120、锯割刀片108 和刀片罩118的检测电流与将信号的同相分量和正交相分量分别供应至控 制器140的解调器143A和143B隔离。由于解调器143A和143B产生电 噪声，因此变压器150在初级绕组152和检测电流上减小或消除该噪声的 影响。在一种结构中，变压器150为初级绕组152和次级绕组154具有相 同匝数的1：1变压器。在替代结构中，初级绕组152和次级绕组154的卷 绕比选择为加大或减小信号从而用于控制器140的解调和监测。控制器140 包括一个或一个以上ADC、过滤器、和产生同相信号I和正交信号Q的大 小的数字表示所需要的其它信号处理器件。控制器140在给定的时刻以同 相分量和正交分量的毕达哥拉斯和(Pythagorean sum)识别检测电流的大 小A。毕达哥拉斯和如下述公式所示：控制器140以频率如 100KHz的采样速率测量解调的信号从而识别复数信号的大小A的变化。

随着电机112转动刀片108，所述旋转的刀片108与包括木块和其它工 件在内的不同物体接触。刀片108上所聚集的电荷的一小部分流入工件。 然而，木件的导电性相当低，并且检测电路中的控制器140持续促使电机 112工作从而转动锯割刀片108。例如，当刀片108与木块接合时，控制器 140通常测量到检测电流A的微小变化。检测电流的该变化被识别为与木 头或具有低导电性的别的材料对应。

尽管诸如木头的工件具有低导电性，但是别的物体如人体的部分具有 高得多的导电性，并且当该部分靠近刀片108时能够吸收刀片108上的电 荷的多很多的一部分。在图2中，人体164的一部分如手、指部、或臂部 由表明电荷从刀片108至人体的流动的电荷云代表。由于人体164靠近刀 片108时电流的大小A的快速变化，控制器140识别出人体164和刀片108 之间即将发生的接触。响应于检测信号的大小的快速变化，控制器140使 得电机112不工作并且接合刀片阻止装置132以阻止刀片108的运动，并 且在刀片与人体164接触之前选择性地收回刀片108。

在图2的结构中，锯割刀片108为具有多个环绕刀片的圆周布置的齿 部的圆形锯割刀片。在桌锯的正常操作期间，齿部与工件接合从而切割工 件。刀片108上的齿部还从检测电流聚集电荷。锯割刀片上的齿部有助于 当人体靠近锯割刀片108时锯割刀片108上聚集的电荷向人体164的放电。 在一些结构中，人体164和锯割刀片108上的齿部的末端之间的电弧使得 刀片108上聚集的电荷在人体164实际接触刀片108之前能够流入人体 164。弧距通常为几毫米的数量级。控制器140识别检测电流的大小A的变 化并且响应于人体164和刀片108之间的接触或紧密靠近引起的从刀片108 的放电而停止刀片108。

在图2的结构中，人体具有足够的导电性和电容量，从而即使当印刷 电路板102与地面接地隔离时并且当人体164从地面接地隔离时、如人类 操作者穿着具有橡胶鞋底的鞋子时，人体能够从刀片108吸引电荷。由此， 尽管印刷电路板102和人164没有共用共同的电接地，但是控制器140能 够通过对所识别的检测电流的振幅A的快速变化的识别而持续地识别人 164和刀片108之间的接触。尽管振幅A的绝对值可在桌锯100的操作期 间变化，但是控制器140仍可响应于振幅A的相对值的变化的大小和时刻 来识别与人164的接触。在桌锯100的操作期间，控制器140构造为识别 与人164的接触并且构造为在接近1毫秒的时间段内使得电机112不工作 并且接合刀片捕捉机构132从而停止锯割刀片108。

在桌锯100中，控制器140响应于刀片108和人的一部分之间的接触 的识别使得电机112不工作。在桌锯100中，锯割刀片108通常会继续旋 转几秒的时间段，这是由于锯割刀片108在操作期间所聚集的动量。刀片 阻止装置132构造为在短得多的时间段内停止锯割刀片108、构造为使锯割 刀片108落到桌子104下方从而从与人类的接触收回锯割刀片108、或者构 造为既停止又收回刀片108。在桌锯100中，刀片阻止装置132包括使刀片 108的旋转停止的制动机构。此外，刀片阻止装置132使刀片108抽回于桌 子104的表面下方。在其它电动工具实施例中，运动器具在致动器不工作 后于较短的时间段内停止而无需额外的制动机构。

尽管图2示出了桌锯作为电动工具示例，但是替代的实施例将图2所 体现的检测电路并入大量的电动工具包括但不局限于手持电钻、钻床、手 持圆锯、往复锯、带锯、刨槽机、打磨机以及具有运动器具的任何其它的 电动工具。

将被理解是，上面描述的和其它特征和功能的变型、或其替代例将按 照期待地组合成多个其它不同的系统、应用和方法。许多目前没有预计或 预期的替代例、改型、变型或改进可随后被本领域技术人员做出。这些替 代例、改型、变型或改进也将被下述权利要求覆盖。