专利名称：手持式电动工具机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种手持式电动工具机，其包括具有手柄区域的壳体；用于可线性地和/或振荡地驱动的工具的工具区域；用于在使用者侧激活工具和/或电动工具机的、壳体侧的操作部件；用于产生工具的工作运动的驱动单元；用于为工具加载至少控制和/或调节信号的电子单元；用于提供直流电压的工作电压单元，其中驱动单元包括至少一个具有激励激活材料的体积的激励执行器，该激励执行器在运行时由工作电压单元供电并且由电子单元控制或调节。
背景技术：
手持式电动工具机的特征在于，其是便携式的并且在运行中可以由操作者用手握住并引导。为此，该手持式电动工具机通常或者通过电池组或借助交流电流来驱动。这种电动工具机特别是可以布置在壳体中，该壳体完全由使用者握住并且通常一体形成或也具有单独的用于供电装置(Netzversorgimg)和电子组件的壳体。在超声波激励的系统中，为了产生超声波振荡，大多使用压电陶瓷盘作为激励执行器。该压电陶瓷盘通过电的控制电路激励形成机械的振荡，其随后可以用于进行相应的加工任务。在运行期间，这种压电陶瓷盘期间基于产生的机械振荡而承受了非常强的压缩应力和拉应力。在未预期的撞击时，其可以随着受运行限制的机械应力峰值而增加并且如此使激励执行器过载，使得超过了压电陶瓷的材料强度。
发明内容
本发明基于一种手持式电动工具机，其包括具有手柄区域的壳体；用于可线性地和/或振荡地驱动的工具的工具区域；用于在使用者侧激活工具和/或电动工具机的、 壳体侧的操作部件；用于产生工具的工作运动的驱动单元，用于为驱动单元加载至少控制和/或调节信号的电子单元；和用于提供直流电压的工作电压单元，其中驱动单元包括至少一个具有激励激活材料(anregungsaktives Material)的体积的激励执行器，该激励执行器在运行时由工作电压单元供电并且由电子单元控制或调节。提出了 用于检测至少一个加速度分量的惯性传感器单元与驱动单元如此耦合， 使得在超过至少一个能确定的极限加速度值时使得至少驱动单元断开。因此可以避免高的脉冲力与驱动单元的、处于运行中的激励执行器的机械振荡相叠加并且使得该激励执行器受到损坏或毁坏，所述脉冲力在撞击到电动工具机上或其翻倒时、例如在电动工具机与坚硬的物体相撞时出现。借助于惯性传感器单元，可以在出现可能的损坏性的机械脉冲之前就已经检测到在脉冲之前发生的加速度或者出现的加速度力，其中在超过能确定的极限加速度或者加速度力时，惯性传感器单元使得至少驱动单元断开，从而其在碰撞时避免受到过度负载。特别是在一体设计的电动工具机中，其中驱动单元和电子单元布置在同一个壳体中，手持式电动工具机具有高的基本质量，从而在电动工具机翻倒或碰撞到固定的物体上的情况下出现大的机械脉冲。根据本发明，惯性传感器单元检测至少一个加速度分量、特别是在至少一个自由下落的情况下的重力分量，其中加速度相应于约为g = 9.8 m/s2的重力加速度，从而可以实现在碰撞之前驱动单元及时自动断开。有利的极限值例如在g = 9. 81 士0.05 m/s2中。必要时，也能在短的时间延迟之后、例如在几毫秒之后才实现断开，从而快速的脉冲方式的工作运动不会直接导致断开。如果加速度比时间延迟短，则它被识别为工作运动并且不被识别为下落，这不会导致断开。可以考虑电动工具机包括多个激励执行器或者其它的驱动组件、如电机。在这种情况下可以确保，惯性传感器单元使得至少激励执行器自动断开，特别是使得压电材料断开，其可以设计为朗之万振荡器。由于激励激活材料可以在对于运行来说有利的、谐振的振荡状态中工作，因此出现了具有激励激活材料的相当极端的负载的、高的体积上升 (VolumenhUbe)，其中已经较低的附加的外部脉冲分量可能引起断裂、损毁或者激励激活材料的、降低使用寿命的过载的危险。特别地，通过电池或蓄电池或者替代地或附加地利用通过电源部分的交流电流进行能量供给，电动工具机具有高质量，并且因此加速度引起了高的脉冲力，其特别在撞击时可能使处于运行中的激励执行器被损坏。电动工具机例如可以用作钻孔器、冲击钻机、切割工具、磨机、铣刀、锯、焊接器和类似机械，该电动工具机借助于惯性传感器单元特别有效地被保护防止激励执行器的过载或者机械地损坏，从而可以提高使用寿命并且延长维修周期。此外，自动断开可用于提高对于操作者的工作安全性，这是因为在断开之后不会再由于下落的并且进而不受控制的或者说无弓I导(fuhrungslos)机器而出现受伤危险。有利地，在灵敏的驱动电子装置或者驱动机械装置受到撞击之前，惯性传感器单元可以产生“紧急断开信号”并且将电动工具机或者驱动组件转入到保护状态中。例如已知了自由下落传感器，其借助于机械的惯性元件识别出电动工具机的自由下落，该惯性元件布置在两个电极之间。其例如可以作为加速度传感器使用，其基于电动机械的换能器或者说传感器(Transducer)，其包括用于识别自由下落状态的压电元件。此外，还可以使用一种借助于软件监控驱动器来识别翻倒的方法，其中翻倒传感器识别出下落状态，并且通过相应的软件断开电动工具机的灵敏的元件或者使其置入到安全位置中。在这方面特别是考虑到一种手持式电动工具机，其中驱动单元包括具有激励激活材料的体积的激励执行器。这种激励激活材料可以是压电的、通常是陶瓷的材料。此外，也可以考虑将磁致伸缩的材料作为激励激活材料，其中体积变化通过变换的磁场引起。手持式电动工具机受到下落或者无意的撞击的危险，这由此引起，即电动工具机在引导运动中撞击到另一个物体上。在这种情况下在工具区域中局部出现的高的脉冲力与在运行中原本存在的工作力相关地特别是可能损坏或损毁压电陶瓷盘或者磁致伸缩的体积本体(VolumenkSrper)。而在超声波激励的系统中大多使用压电陶瓷盘用于产生超声波振荡。压电陶瓷盘被电控制电路激励成谐振的机械振荡，其随后用于各个加工任务。在电动工具工作期间，这种压电盘基于产生的机械振荡受到应用限制地承受非常强的压缩应力或拉应力。当工具掉落时，在此存在的危险是，碰撞和运行的应力峰值相加并且由此超过了陶瓷的材料强度。根据一种有利的设计方案，惯性传感器单元可以布置在电子单元中。电子单元大多能借助于高频的供电信号引起对激励执行器的控制，该电子单元可以简单地借助于惯性传感器单元进行装备，惯性传感器单元在断开的情况下可以直接中断在电子单元和激励执行器之间的能量供给。由于惯性传感器单元大多由电子部件组成，因此其可以在工作程序中以节省空间且成本经济的方式集成在电子单元中。根据另一种有利的设计方案，惯性传感器单元包括半导体传感器、特别是 MEMS传感器(微电子机械系统传感器或者说微机电系统传感器)(Micro — Electro — Mechanical 一 System)。MEMS传感器具有在微米范围内的最小的尺寸并且在半导体技术方面能以特别节省空间并且成本经济的方式集成在基板或者芯片上。因此，包括MEMS传感器的惯性传感器单元是可以非常有利地获得、是寿命长的并且可以在不同的实施方式中使用。根据一种附加的或可替换的设计方案，惯性传感器单元包括压电的或压电机械的 (piezomechanisch)加速度传感器。在此，压电陶瓷的传感器板将动态的压力波动转换为可被继续处理的电信号。压力波动通过固定在压电陶瓷上的试验块(seismische Masse)产生，其在总系统加速的情况下反作用到压电陶瓷上。这种加速度传感器优选适合作为撞击传感器，以便探测电动工具机的剧烈撞击。由于电子单元特别是用于控制压电执行器，因此可以特别简单地在电子单元的电路设计中考虑到压电加速度传感器的评估。原则上，惯性传感器单元可以识别至少一个唯一的加速度分量。根据一种有利的设计方案，惯性传感器单元被设计用于检测两个、特别是所有三个彼此成直角的加速度分量。对两个、特别是三个加速度分量的检测能实现探测在电动工具机的每个任意的操作方向上的加速度，从而甚至可以由加速度传感器来识别在非使用位置中电动工具机的下落。 借助于2 — D或3 — D加速度传感器，可以识别在电动工具机的每个方向上的加速度或撞击ο根据另一种有利的设计方案，惯性传感器单元可以被设计用于检测至少一个、优选是两个、特别是三个位置分量。对此，惯性传感器单元能如此与电子单元共同作用，使得在离开确定的基准位(Lag印osition)时实现驱动单元断开。因此，惯性传感器单元除了识别加速度分量之外同样也可以被设计用于识别位置分量，如果电动工具机离开能预先确定的使用位置，则使得驱动单元去激活。这种惯性传感器单元例如可以用于作为“电子水平仪”允许仅在电动工具机的预先确定的基准位中工作，另一方面保护传感器装置实现了 防止使用者在不利的保持位置上不期望地接通电动工具机。大量的在市场上提供的加速度传感器额外具有位置识别功能，从而其可以有利地用于确定地定位电动工具机并且为使用者提高保护作用。原则上，惯性传感器单元在超过可确定的极限加速度值时断开至少驱动单元。根据一种有利的设计方案，惯性传感器单元能与电子单元一起通过下述方式实现驱动单元快速断开特别是通过形成激励执行器的电短路或者通通过激励执行器的定义的预应力。因此，快速断开例如可以通过将可预先确定的直流电压施加到激励执行器上或者通过将短路或阻尼电阻接入到激励执行器上来实现，这是因为在短路或阻尼的情况下，实现了在激励执行器中存储的电能的瞬间放电，并且其因此直接转入无能量的状态中。在另一种实施方式变型中，激励执行器可以由控制电子装置反循环地或者说反周期地(antizyklisch)激励，从而有效地阻抑超声波振荡。快速断开能在短的下落或撞击行程上实现激励执行器的快速断开，从而也在下落高度较小或加速度作用较短时改进了保护作用。根据一种有利的设计方案，惯性传感器单元还可以与电子单元共同作用，以便使得工作电压单元的直流电压断开。惯性传感器单元在此将提供直流电压的工作电压单元与电子单元以及驱动单元分开，从而使电动工具机无电流，以便除了驱动单元之外还使电子单元避免受到电短路和损坏。此外通过断开工作电压单元还防止现有的蓄电池或者驱动电池发生短路，由此可以防止蓄能器的损坏或损毁以及防止由于蓄电池或电池的短路火灾或爆炸对使用者造成的危险。在另一种有利的设计方案中，惯性传感器单元可以与电子单元共同作用，以便使得操作部件锁定或去激活。如果惯性传感器单元识别出临界加速度，则操纵部件因此可以被去激活，从而使用者在工具撞击或翻倒(Sturz)之后必须首先对操作部件进行解锁或激活，并且因此被迫在其功能方面对电动工具机进行检测。因此为了重新启动可以规定即首先必须发出认可信号，例如通过恢复按钮，和/或使用者必须首先断开装置并且随后再次接通，和/或在预先给定的等待时间之后才能重新接通或者是另一种适合的措施。可以为此设置相应的装置。此外可以考虑持续地去激活或者锁定，从而在翻倒或撞击后才必须通过维修力 (Servicekraft)检测该装置，以便对操作部件进行解锁或激活。在这种维修检查的范畴中， 驱动单元和激励执行器可以得到仔细的测试，由此实现针对性的维护。在另一种有利的设计方案中，电动工具机可以包括输出功率传感器或输入功率传感器，其用于测量发出的机械的输出功率或激励振幅，或所接收的电的输入功率，其中至少极限加速度值可以与测量的功率相关地来选择。如果驱动执行器例如接收了低的输入功率，或者发出低的机械的输出功率或者激励振幅，则激励执行器因此仅仅被较低地负载。与此相应地，可以从激励执行器接收相应较高的加速度或较高的撞击力，而不会使其受到危害。在最大负载时运行的工具的情况下，激励执行器处于高灵敏度的、机械地极度稳定的 (grenzstabile)状态中，从而小的加速度分量甚至会引起激励执行器的损坏或损毁。与此相应地，通过对电动工具的输入或输出功率进行测量，在全负载运行的情况下对出现的加速度适合的工具灵敏度是有利的，从而惯性传感器单元可以尽可能牢靠地且有效地防止电动工具机受到损害。在电动工具机运行时，可能出现机械振荡，其处于激励执行器的驱动频率的范围中。出现的、要被惯性传感器单元注意的加速度力通常明显频率较低，从而其引起的加速度分量或力分量处于较低的频率范围内。为了改进惯性传感器单元的探测精度，与此相应有利的是，在惯性传感器单元内部设置过滤装置、特别是低通滤波装置，以用于过滤出工具典型的加速度力，其从测得的加速度分量中过滤出通过驱动单元产生的频率分量，以便实现低频的加速度分量或撞击分量的改进的识别精度。由此可以决定性地改进传感器精度并且进而电动工具机的安全断开特性。
其它优点从下面的附图描述中得出。在附图中示出了本发明的实施例。附图、说明书和权利要求包括大量特征组合。本领域技术人员可以适宜地单独考虑这些特征并且将所述特征组成适合的其它组合。其中示出了
图1示出了在作为切割装置的设计方案中具有惯性传感器单元的手持式电动工具机的一种实施例；图2示出了在作为钻孔器的设计方案中具有惯性传感器单元的手持式电动工具机的另一种实施例；
图3示出了具有惯性传感器单元的激励执行器的保护电路的原理图； 图4示出了具有惯性传感器单元的激励执行器的保护电路的另一原理图；和图5示意性地示出了低通滤波器的过滤特性，其用于过滤出工具典型的工作运动。
具体实施例方式在附图中利用相同的附图标记来标注相同的或相同类型的部件。为了阐述本发明，图1和图2示出了手持式电动工具机10的不同实例。图1示出了具有长形伸展的壳体形状的切割装置；图2示出了具有T形的壳体形状的钻孔器。手持式电动工具机10包括具有手柄区域40的壳体20。操作者在手柄区域40处握住电动工具机10并且可以引导电动工具机10。此外，电动工具机10还包括用于可线性地和/或振荡地驱动的工具60的工具区域50，例如刀具(图1)或钻头(图2)、或相应于另一种装置类型的另一种工具。壳体侧的操作部件30用于在使用者侧激活工具60和/或电动工具机10。在壳体20中布置驱动单元80，该驱动单元在根据图1和图2的实施例中包括仅一个驱动部件， 该驱动部件通过激励执行器(Anregimgsaktor)100形成。该激励执行器可以设计成压电激励的朗之万振荡器(Langevin — Schwinger)(也称为压电执行器)，该振荡器包括压电激活材料102、例如压电陶瓷盘的体积，所述盘被压缩并且在加载电压时进行长度改变。当加载了高频电压时，以本身已知的方式产生超声波，该超声波通过耦合元件106引导至工具60。 耦合元件106可以是本身已知的超声振荡单元(Sonotrode)。耦合元件106的长度和形状以及材料确定了激励执行器100的谐振频率。工具60也可以影响谐振频率。布置在壳体20中的电子单元200用于为驱动单元80加载至少控制和/或调节信号，以及用于为激励执行器100供电。在此设计为具有电池或可重复充电的蓄电池的电池或蓄电池组92的工作电压单元90用于为电子单元200提供直流电压，该电子单元将工作电压转换为高频电压信号，利用该高频电压信号以期望的方式将激励执行器100激励至振荡。电子单元200被设计用于使得至少一个激励执行器100以谐振频率运行。在此， 电子单元200包括调节单元224，用于跟踪或者说制导或者说补偿(NachfUhren)激励执行器100的谐振频率。通过激活执行器30激活工具60可以利用信号器件122 (图2)表示。在图1中，电子单元200特别节省空间地集成在一个唯一的电路板210上。在图 2中，电子单元分配在两个电路板212、214上，其中一个电路板布置在主部件中并且一个电路板布置在T形壳体20的横向地远离于主部件的手柄部件中。惯性传感器单元130直接或紧邻地布置在激励执行器100上，该激励执行器包括压电激活材料102。因此，惯性传感器单元可以直接检测对执行器单元(Aktuatoreinheit) 102起作用的加速度或撞击力。此外，惯性传感器单元130与电子单元200相连接(未示出)， 以便在超出极限加速度值的情况下使得快速断开驱动单元100。在根据图2的实施方式中，惯性传感器单元130布置在超声振荡单元106中。因此，惯性传感器单元130位于最高机械负载的位置处，从而额外的加速度分量附加于由激励执行器产生的加速度产生作用，其中惯性传感器单元130可以因此一对一地确定超过总加速度负载，以便有效地保护激励执行器102。图3示出了激励执行器100的控制的原理图，该激励执行器例如形式为压电执行器100具有来自供电电网(例如MmT)的交流电压供给装置或带有电池组(例如10.8V=) 的直流电压供给装置，其中惯性传感器单元130可以使得在激励执行器100和电子单元200 之间电隔离。在例如以交流电压对电子单元200进行网络馈电时设有组件94，该组件对交流电压进行整流和使其平滑。电子单元200包括功率产生单元222，直流电压被馈送到该功率产生单元中，并且功率产生单元通过相应的过滤装置2 和惯性传感器单元130的去耦合开关耦合到激励执行器100上。调节单元2M为激励执行器100提供调节信号。如果惯性传感器单元130(图1、图2)识别出超过可预先确定的极限加速度值的加速度，则耦合到惯性传感器单元130上的开关被断开。因此，惯性传感器单元130 —方面使激励执行器100的电源与电子单元200分开，另一方面使工作电压单元90和电子单元200 分开，从而可以对蓄电池92以及网络馈电部件94进行保护以防止短路以及对电子单元200 进行保护以防止过电压。在另一种实施方式中，惯性传感器单元130可以在断开情况下将信号发出给调节单元224，调节单元随后使功率产生单元222不起作用。根据图4的示意图在很大程度上相应于根据图3的示意图，然而，工作电压单元90 此外还包括输入功率传感器150，该输入功率传感器测量从工作电压单元90流出的、流向电子单元200的电功率。此外，电子单元200包括输出功率传感器140，该输出功率传感器确定由电子单元200提供给激励执行器100的电输出功率。输入功率传感器150和输出功率传感器140的功率值被传输给惯性传感器单元130。通过对功率消耗或者说功率输出进行考虑，惯性传感器单元特别可以在低功率值的情况下与下述情况相比允许较高的极限加速度或极限力即，其在全负载运行的情况下，这就是说在高输入功率或输出功率或者输入振幅或输出振幅的情况下可以实现。因此，惯性传感器单元130可以适应地匹配于电动工具机的各个电和机械负载，并且能实现机器相对于撞击和翻倒的最大牢固性，这是因为断开极限值遵循驱动单元的机械负载。因此能最佳地调节保护机构的灵敏度。图5示意性地示出在频率上描绘的加速度值的频率图表，该加速度值作为电动工具机10的加速度的数值。工具的有利的工作频率例如在围绕40kHz的范围中(特别是40kHz 士 500 Hz)。在图表的高频范围中，工具典型(werkzeugtypisch)的工作运动可利用在加速度值上的宽频谱基于工作作用来识别，以及在运行频率的范围中(例如在约40kHz周围)利用工具典型的加速度F_w可以识别形成的峰值，该加速度通过激励执行器100的受控制的激励引起并且通过电动工具机质量的、谐振的和阻尼的效应来影响。对此低频地出现了加速度值F_g，其基于机械的撞击和外部加速度对电动工具机产生作用。为了提高惯性传感器单元130的灵敏度，可以借助于低通滤波器TP过滤出不期望的干扰分量，该低通滤波器的极限频率例如以IOkHz如此选择，使得该低通滤波器可以过滤出工具典型的工作运动。由此可以提高惯性传感器单元130的灵敏度，其用于识别出相关的外部机械负载、加速度以及撞击脉冲。借助于本发明改进了基于超声波的手持式电动工具机的耐久性、工作质量和使用者保护。
权利要求
1.手持式电动工具机(10)，包括 -具有手柄区域(40)的壳体(20)，-用于能线性地和/或振荡地驱动的工具(60)的工具区域(50)， -用于在使用者侧激活所述工具(60)和/或所述电动工具机(10)的、壳体侧的操作部件(30)，-用于产生所述工具(60)的工作运动的驱动单元(80)， -用于为所述驱动单元(80)加载至少是控制和/或调节信号的电子单元(200)， -用于提供直流电压的工作电压单元(90)，其中所述驱动单元(80)包括至少一个具有激励激活材料的体积的激励执行器(100)、 特别是超声波执行器，所述激励执行器-在运行时由所述工作电压单元(90)供电， -由所述电子单元(200)控制或调节， 其特征在于，用于检测至少一个加速度分量的惯性传感器单元(130)与所述驱动单元(80)如此耦合，使得在超过至少一个能确定的极限加速度值时使得至少所述驱动单元(80)断开。
2.根据权利要求1所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130) 布置在所述电子单元(200)中。
3.根据权利要求1或2所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元 (130)包括半导体传感器、特别是MEMS传感器。
4.根据权利要求1所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130) 包括压电的加速度传感器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130)被设计用于检测一个、优选两个、特别是三个加速度分量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130)被设计用于检测至少一个、优选两个、特别是三个位置分量，并且在离开能确定的基准位时断开所述驱动单元(80)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130)与所述电子单元(200)共同作用以用于快速断开所述驱动单元(80)，特别是用于形成所述激励执行器(100)的电短路。
8.根据权利要求7所述的手持式电动工具机，其特征在于，为了快速断开所述驱动单元(80)规定-形成所述激励执行器(100)的电短路，和/或 -接通直流电压，和/或 -接通阻尼电阻，和/或-反循环激励，用于有效阻抑所述激励执行器(100)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130 )与所述电子单元(200 )共同作用以用于使得所述工作电压单元(90 )的直流电压断开。
10.根据前述权利要求中任一项所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130)与所述电子单元(200)共同作用以用于使得所述操作部件(30)锁定或去激活。
11.根据权利要求10所述的手持式电动工具机，其特征在于，在所述操作部件(30)去激活之后能通过以下方式实现重新起动-激活认可信号，和/或 -断开和接通所述电动工具机(10)，和/或 -在预先给定的等候时间之后重新接通。
12.根据前述权利要求中任一项所述的手持式电动工具机，其特征在于输出功率传感器(140)或输入功率传感器(150)，其用于测量发出的机械的输出功率和/或输出振幅或所接收的电的输入功率，其中至少所述极限加速度值能与被测量的、功率和/或振幅的值相关地来选择。
13.根据前述权利要求中任一项所述的手持式电动工具机，其特征在于，所述惯性传感器单元(130)与过滤装置(160)耦合，以用于过滤出工具典型的工作运动(F_w)。
全文摘要
本发明涉及一种手持式电动工具机(10)，包括具有手柄区域(40)的壳体(20)，用于可线性地和/或振荡地驱动的工具(60)的工具区域(50)，用于在使用者侧激活工具(60)和/或电动工具机(10)的、壳体侧的操作部件(30)，用于产生工具(60)的工作运动的驱动单元(80)，用于为驱动单元(80)加载至少是控制和/或调节信号的电子单元(200)，用于提供直流电压的工作电压单元(90)，其中驱动单元(80)包括至少一个具有激励激活材料的体积的激励执行器(100)、特别是超声波执行器，该激励执行器在运行时由工作电压单元(90)供电，由电子单元(200)控制或调节。本发明提出用于检测至少一个加速度分量的惯性传感器单元(130)与所述驱动单元(80)如此耦合，使得在超过至少一个能确定的极限加速度值时断开至少所述驱动单元(80)。
文档编号B25F5/00GK102574282SQ201080047354
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月23日
发明者J.罗泽 申请人:罗伯特·博世有限公司