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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine, die ein Gehäuse mit Griffbereich, einen Werkzeugbereich für ein linear und/oder oszillierend antreibbares Werkzeug, ein gehäuseseitiges Bedienteil zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs und/oder der Elektrowerkzeugmaschine, eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung des Werkzeugs, eine Elektronikeinheit zum Beaufschlagen des Werkzeugs mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, eine Betriebsspannungseinheit zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung, umfasst, wobei die Antriebseinheit wenigstens einen Anregungsaktor mit einem Volumen anregungsaktivem Material umfasst, welcher im Betrieb von der Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt ist und von der Elektronikeinheit gesteuert oder geregelt wird.
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Handgehaltene Elektrowerkzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass sie tragbar sind und von einem Bediener im Betrieb in der Hand gehalten und geführt werden können. Hierzu werden sie in der Regel entweder über Batteriepacks oder mittels Netzstrom betrieben. Derartige Elektrowerkzeugmaschinen können insbesondere in einem Gehäuse angeordnet sein, das vollständig vom Benutzer gehalten wird und in der Regel einstückig ausgeformt ist oder auch ein separates Gehäuse für die Netzversorgung und Elektronikkomponenten aufweist.
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In ultraschallangeregten Systemen werden zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen meist piezokeramische Scheiben als Anregungsaktor eingesetzt. Diese werden durch eine elektrische Ansteuerschaltung zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche dann zur jeweiligen Bearbeitungsaufgabe genutzt werden können. Während des Betriebs werden diese piezokeramischen Scheiben aufgrund der erzeugten mechanischen Schwingungen sehr starken Druck- und Zugspannungen ausgesetzt. Bei unvorhergesehenen Stößen können sich diese mit den betriebsbedingten mechanischen Spannungsspitzen addieren und den Anregungsaktor so überlasten, dass die Materialfestigkeit der Piezokeramik überschritten wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine, die ein Gehäuse mit einem Griffbereich, einen Werkzeugbereich für einen linear und/oder oszillierend antreibbares Werkzeug, ein gehäuseseitiges Bedienteil zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs und/oder der Elektrowerkzeugmaschine, eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung des Werkzeugs, eine Elektronikeinheit zum Beaufschlagen der Antriebseinheit mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen und eine Betriebsspannungseinheit zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung umfasst, wobei die Antriebseinheit wenigstens einen Anregungsaktor mit einem Volumen anregungsaktivem Material umfasst, welcher im Betrieb in der Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt ist und von der Elektronikeinheit gesteuert oder geregelt ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass eine Inertialsensoreinheit zur Erfassung zumindest einer Beschleunigungskomponente mit der Antriebseinheit so gekoppelt ist, dass bei Überschreitung zumindest eines festlegbaren Grenzbeschleunigungswertes eine Abschaltung zumindest der Antriebseinheit erfolgt.
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So kann verhindert werden, dass die hohen Impulskräfte, die im Falle eines Sturzes oder eines Schlages auf die Elektrowerkzeugmaschine, beispielsweise bei Kollision der Elektrowerkzeugmaschine mit einem harten Gegenstand auftreten, mit mechanischen Schwingungen des sich im Betrieb befindlichen Anregungsaktors der Antriebseinheit überlagern und diesen beschädigen oder zerstören. Mittels der Inertialsensoreinheit können bereits vor Auftreten des möglicherweise schädlichen mechanischen Impulses die dem Impuls vorangehende Beschleunigung oder die auftretende Beschleunigungskraft erfasst werden, wobei bei Überschreiten einer festlegbaren Grenzbeschleunigung oder Beschleunigungskraft die Inertialsensoreinheit eine Abschaltung wenigstens der Antriebseinheit bewirkt, so dass diese beim Aufprall vor übermäßiger Belastung geschützt ist. Insbesondere bei einstückig ausgeführten Elektrowerkzeugmaschinen, bei denen die Antriebseinheit und die Elektronikeinheit im selben Gehäuse angeordnet sind, weist die handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine eine hohe Grundmasse auf, so dass im Falle eines Sturzes oder eines Anschlagens der Elektrowerkzeugmaschine an einem festen Gegenstand ein großer mechanischer Impuls auftritt. Erfindungsgemäß erfasst die Inertialsensoreinheit zumindest eine Beschleunigungskomponente, insbesondere eine Gravitationskomponente im Falle zumindest eines Freifalls, bei dem eine Beschleunigung entsprechend der Erdbeschleunigung von ca. g = 9,8 m/s2 herrscht, so dass eine rechtzeitige automatische Abschaltung der Antriebseinheit vor einem Aufprall erfolgen kann. Ein günstiger Grenzwert liegt z. B. bei g = 9,81 ±0,05 m/s2. Gegebenenfalls kann die Abschaltung auch erst nach einer kurzen Zeitverzögerung erfolgen, z. B. erst nach einigen Millisekunden, so dass eine schnelle pulsartige Arbeitsbewegung nicht unmittelbar zur Abschaltung führt. Wirkt die Beschleunigung kürzer als die Zeitverzögerung, wird dies als Arbeitsbewegung und nicht als Herunterfallen erkannt, was nicht zur Abschaltung führt.
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Denkbar ist, dass die Elektrowerkzeugmaschine mehrere Anregungsaktoren oder weitere Antriebskomponenten, wie einen Elektromotor, umfasst. In diesem Fall ist sicherzustellen, dass die Inertialsensoreinheit eine automatische Abschaltung zumindest des Anregungsaktors bewirkt, insbesondere des piezoelektrischen Materials, der als Langevin-Schwinger ausgestaltet sein kann. Da das anregungsaktive Material in einem für den Betrieb vorteilhaften resonanten Schwingungszustand betrieben werden kann, treten hohe Volumenhübe mit dementsprechend extremen Belastungen des anregungsaktiven Materials auf, wobei bereits geringe zusätzliche äußere Impulskomponenten eine Gefahr eines Bruchs, Zerstörung oder lebensdauerreduzierender Überlastung des anregungsaktiven Materials bewirken können. Insbesondere die Energieversorgung über Batterie oder Akku oder alternativ bzw. zusätzlich mit Netzstrom über ein Netzteil bewirkt, dass die Elektrowerkzeugmaschine eine hohe Masse aufweist, und somit eine Beschleunigungen in einer hohen Impulskraft resultiert, die insbesondere beim Aufprall den im Betrieb befindlichen Anregungsaktor beschädigen kann. Die Elektrowerkzeugmaschine, die z. B. als Bohrer, Bohrhammer, Schneidewerkzeug, Schleifmaschine, Fräse, Säge, Schweißgerät oder dergleichen eingesetzt werden kann, ist mittels der Inertialsensoreinheit äußerst effektiv vor mechanischen Beschädigungen oder Überlastungen des Anregungsaktors geschützt, so dass die Lebensdauer erhöht und Wartungsintervalle verlängert werden können. Des Weiteren dient die automatische Abschaltung der Erhöhung der Betriebssicherheit für den Bediener, da von der heruntergefallenen und somit führungslosen Maschine nach dem Abschalten keine Verletzungsgefahr mehr ausgeht.
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Vorteilhaft kann die Inertialsensoreinheit ein „Not-Aus-Signal” erzeugen und die Elektrowerkzeugmaschine oder eine Antriebskomponente in einen Schutzzustand überführen, bevor die sensible Antriebselektronik bzw. Antriebsmechanik einen Aufprallstoß erleidet. Es ist z. B. ein Freifallsensor bekannt, der ein Freifallen der Elektrowerkzeugmaschine mittels eines mechanischen Trägheitselements erkennt, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Es kann z. B. als Beschleunigungssensor eingesetzt werden, der auf einem elektromechanischen Transducer beruht, der piezoelektrische Elemente zur Erkennung eines Freifallzustands umfasst. Es kann weiterhin ein Verfahren zur Sturzerkennung mittels eines Software-Überwachungstreibers eingesetzt werden, wobei ein Sturzsensorden Fallzustand erkennt, und über eine entsprechende Software sensible Elemente der Elektrowerkzeugmaschine abschaltet bzw. in eine sichere Position verbringt.
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Betrachtet wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine, bei der die Antriebseinheit einen Anregungsaktor mit einem Volumen anregungsaktivem Material umfasst. Ein solches anregungsaktives Material kann ein piezoelektrisches, in der Regel keramisches Material sein. Daneben ist als anregungsaktives Material auch ein magnetostriktives Material denkbar, wobei eine Volumenänderung durch ein wechselndes Magnetfeld hervorgerufen wird.
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Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschinen unterliegen der Gefahr des Herunterfallens oder unbeabsichtigter Stöße, die dadurch ausgelöst werden, dass die Elektrowerkzeugmaschine bei einer Führungsbewegung gegen einen anderen Körper gestoßen wird. Die in solchen Fällen lokal im Werkzeugbereich auftretenden hohen Impulskräfte können insbesondere piezokeramische Scheiben oder magnetostriktive Volumenkörper in Verbindung mit den im Betrieb ohnehin vorhandenen Arbeitskräften beschädigen oder zerstören. So werden in ultraschallangeregten Systemen meist piezokeramische Scheiben zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen eingesetzt. Diese werden von einer elektrischen Ansteuerschaltung zur resonanten mechanischen Schwingung angeregt, welche dann für die jeweiligen Bearbeitungsaufgaben verwendet werden. Während des Betriebs des Elektrowerkzeugs werden diese Piezoscheiben aufgrund der erzeugten mechanischen Schwingungen anwendungsbedingt sehr starken Druck- bzw. Zugspannungen ausgesetzt. Beim Herabfallen des Werkzeugs besteht dabei die Gefahr, dass sich die Spannungsspitzen von Aufprall und Betrieb addieren und dadurch die Materialfestigkeit der Keramik überschritten wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Inertialsensoreinheit in der Elektronikeinheit angeordnet sein. Die Elektronikeinheit, die zumeist die Steuerung des Anregungsaktors mittels hochfrequenter elektrischer Versorgungssignale bewirkt, kann einfach mittels einer Inertialsensoreinheit ausgerüstet werden, die im Falle eines Abschaltens unmittelbar die Energieversorgung zwischen Elektronikeinheit und Anregungsaktor unterbrechen kann. Da eine Inertialsensoreinheit zumeist aus elektronischen Bauteilen bestehet, kann diese in der Elektronikeinheit in einem Arbeitsgang platzsparend und kostengünstig integriert wer den.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Inertialsensoreinheit einen Halbleitersensor, insbesondere einen MEMS-Sensor (Micro-Electro-Mechanical-System). MEMS-Sensoren weisen kleinste Abmessungen im Mikrometerbereich auf und lassen sich auf einem Substrat bzw. Chip in Halbleitertechnologie besonders platzsparend und kostengünstig integrieren. So sind Inertialsensoreinheiten, die einen MEMS-Sensor umfassen, äußerst günstig erhältlich, langlebig und in verschiedenen Ausführungsformen verfügbar.
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Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltung kann die Inertialsensoreinheit einen piezoelektrischen oder piezomechanischen Beschleunigungssensor umfassen. Hierbei wandelt ein piezokeramisches Sensorplättchen dynamische Druckschwankungen in elektrische Signale um, die weiterverarbeitet werden können. Die Druckschwankungen werden durch eine an der Piezokeramik befestigte seismische Masse erzeugt, die bei Beschleunigung des Gesamtsystems auf die Piezokeramik zurückwirkt. Solche Beschleunigungssensoren eignen sich vorzüglich als Stoßsensoren, um harte Stöße der Elektrowerkzeugmaschine zu detektieren. Da die Elektronikeinheit insbesondere zur Steuerung eines piezoelektrischen Aktuators dient, kann eine Auswertung eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors besonders einfach im Schaltungsentwurf der Elektronikeinheit berücksichtigt werden.
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Grundsätzlich kann die Inertialsensoreinheit zumindest eine einzige Beschleunigungskomponente erkennen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Inertialsensoreinheit ausgebildet, zwei, insbesondere alle drei rechtwinklig zueinander stehende Beschleunigungskomponenten zu erfassen. Eine Erfassung von zwei, insbesondere drei Beschleunigungskomponenten ermöglicht eine Beschleunigungsdetektion in jeder beliebigen Handhabungsrichtung der Elektrowerkzeugmaschine, so dass selbst ein Herunterfallen der Elektrowerkzeugmaschine in einer Nichtgebrauchslage vom Beschleunigungssensor erkannt werken kann. Mittels eines 2-D- oder 3-D-Beschleunigungssensors sind Beschleunigungen oder Stöße in jeglicher Richtung der Elektrowerkzeugmaschine erkennbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Inertialsensoreinheit dazu ausgebildet sein, zumindest eine, vorzugsweise zwei, insbesondere drei Lagekomponenten zu erfassen. Hierzu kann die Inertialsensoreinheit mit der Elektronikeinheit so zusammenwirken, dass eine Abschaltung der Antriebseinheit bei Verlassen einer definierten Lageposition erfolgt Somit kann eine Inertialsensoreinheit, die neben der Erkennung einer Beschleunigungskomponente ebenfalls dazu ausgestaltet ist, eine Lagekomponente zu erkennen, eine Deaktivierung einer Antriebseinheit vornehmen, sofern die Elektrowerkzeugmaschine eine vordefinierbare Gebrauchslage verlässt. Eine solche Inertialsensoreinheit kann beispielsweise dazu dienen, als „elektronische Wasserwaage” einen Betrieb nur in einer vordefinierten Lageposition der Elektrowerkzeugmaschine zuzulassen, andererseits eine Schutzsensorik realisieren, um einen Benutzer vor ungewolltem Einschalten der Elektrowerkzeugmaschine in einer ungünstigen Halteposition zu verhindern. Eine hohe Anzahl der auf dem Markt angebotenen Beschleunigungssensoren weisen zusätzlich eine Lageerkennungsfunktionalität auf, so dass diese vorteilhaft für eine definierte Positionierung der Elektrowerkzeugmaschine und eine Erhöhung der Schutzwirkung für den Benutzer genutzt werden kann.
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Grundsätzlich schaltet die Inertialsensoreinheit zumindest die Antriebseinheit bei Überschreitung eines festlegbaren Grenzbeschleunigungswertes ab. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Inertialsensoreinheit zusammen mit der Elektronikeinheit eine Schnellabschaltung der Antriebseinheit, insbesondere durch Ausbildung eines elektrischen Kurzschlusses des Anregungsaktors oder durch eine definierte Vorspannung des Anregungsaktors bewirken. So kann eine Schnellabschaltung beispielsweise durch Anlegen einer vordefinierbaren Gleichspannung an den Anregungsaktor oder durch Zuschalten eines Kurzschluss- oder Dämpfungswiderstands an den Anregungsaktor realisiert werden, da im Falle eines Kurzschlusses bzw. Dämpfung eine instantane Entladung der im Anregungsaktor gespeicherten elektrischen Energie erfolgt, und dieser somit unmittelbar in einen energielosen Zustand verbracht wird. In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Anregungsaktor von der Ansteuerelektronik antizyklisch angeregt werden, sodass die Ultraschallschwingungen aktiv gedämpft werden. Eine Schnellabschaltung ermöglicht bei kurzen Fall- oder Stoßwegen eine schnelle Abschaltung des Anregungsaktors, so dass die Schutzwirkung auch bei geringen Fallhöhen oder kurzen Beschleunigungseinwirkungen verbessert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Inertialsensoreinheit weiterhin mit der Elektronikeinheit zusammenwirken, um eine Abschaltung der elektrischen Gleichspannung der Betriebsspannungseinheit zu bewirken. Die Inertialsensoreinheit trennt hierbei die Betriebsspannungseinheit, die eine Bereitstellung der elektrischen Gleichspannung bewirkt, von der Elektronikeinheit und der Antriebseinheit, so dass die Elektrowerkzeugmaschine stromlos wird, um neben der Antriebseinheit auch die Elektronikeinheit vor elektrischen Kurzschlüssen und Beschädigungen zu schützen. Durch Abschaltung der Betriebsspannungseinheit wird des Weiteren verhindert, dass ein vorhandener Akku oder eine Antriebsbatterie kurzgeschlossen wird, wodurch ein Defekt oder eine Zerstörung des Energiespeichers sowie einer Gefährdung des Benutzers durch Kurzschlussbrand oder Explosionen des Akkus oder der Batterie verhindert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Inertialsensoreinheit mit der Elektronikeinheit zusammenwirken, umeine Verriegelung oder Deaktivierung des Bedienteils zu bewirken. Erkennt die Inertialsensoreinheit eine kritische Beschleunigung, so kann das Bedienteil deaktiviert werden, so dass ein Benutzer nach einem Stoß oder einem Sturz des Werkzeugs zunächst eine Entriegelung oder Aktivierung des Bedienteils bewirken muss, und somit gezwungen ist, die Elektrowerkzeugmaschine auf ihre Funktion zu überprüfen. So kann zur Wiederinbetriebnahme vorgesehen sein, dass zuerst ein Quittungssignal abgegeben werden muss, z. B. über einen Resetknopf, und/oder der Bediener muss das Gerät erst ausschalten und dann wieder einschalten, und/oder ein Wiedereinschalten ist erst nach einer vorgegebenen Wartezeit möglich oder eine andere geeignete Maßnahme. Entsprechende Einrichtungen können dazu vorgesehen sein.
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Des Weiteren ist eine permanente Deaktivierung oder Verriegelung denkbar, so dass das Gerät nach einem Sturz oder Stoß erst durch eine Servicekraft überprüft werden muss, um eine Entriegelung oder Aktivierung des Bedienteils zu bewirken. Im Rahmen einer solchen Serviceinspektion kann die Antriebseinheit und der Anregungsaktor gewissenhaft überprüft werden, wodurch eine gezielte Wartung erreicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das die Elektrowerkzeugmaschine einen Ausgangs- oder Eingangsleistungssensor zur Messung der abgegebenen mechanischen Ausgangsleistung bzw. Anregungsamplitude, beziehungsweise der aufgenommen elektrischen Eingangsleistung umfassen, wobei zumindest der Grenzbeschleunigungswert in Abhängigkeit der gemessenen Leistung wählbar ist. Nimmt der Antriebsaktor beispielsweise eine niedrige Eingangsleistung auf, oder gibt eine geringe mechanische Ausgangsleistung oder Anregungsamplitude ab, so wird der Anregungsaktor nur gering belastet. Dementsprechend können entsprechend höhere Beschleunigungen oder höhere Stoßkräfte vom Anregungsaktor aufgenommen werden, ohne diesen zu gefährden. Im Falle eines bei Maximallast betriebenen Werkzeugs, befindet sich der Anregungsaktor in einem hochsensiblen, mechanisch grenzstabilen Zustand, so dass selbst kleine Beschleunigungskomponenten einen Defekt oder Zerstörung des Anregungsaktors bewirken können. Dementsprechend ist durch Messung der Eingangs- bzw. Ausgangsleistung des Elektrowerkzeugs eine adaptive Sensibilisierung des Werkzeugs auf auftretende Bescheunigungen im Falle eines Volllastbetriebes vorteilhaft, so dass die Inertialsensoreinheit die Elektrowerkzeugmaschine möglichst robust und effektiv vor Beschädigungen schützen kann.
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Im Betrieb der Elektrowerkzeugmaschine können mechanische Schwingungen auftreten, die im Bereich der Antriebsfrequenz des Anregungsaktors liegen. Auftretende von der Inertialsensoreinheit zu beachtende Beschleunigungskräfte sind in der Regel wesentlich niederfrequenter, so dass deren hervorgerufene Beschleunigungs- bzw. Kraftkomponenten in einem tieferen Frequenzbereich liegen. Zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit der Inertialsensoreinheit ist es dementsprechend vorteilhaft, eine Filtereinrichtung, insbesondere eine Tiefpassfiltereinrichtung zur Ausfilterung werkzeugtypischer Beschleunigungskräfte innerhalb der Inertialsensoreinheit vorzusehen, die durch die Antriebseinheit erzeugte Frequenzkomponenten aus den gemessenen Beschleunigungskomponenten ausfiltert, um eine verbesserte Erkennungsgenauigkeit niederfrequenter Beschleunigungs- oder Stoßkomponenten zu ermöglichen. Hierdurch kann die Sensorgenauigkeit und damit das Sicherheitsabschaltverhalten der Elektrowerkzeugmaschine entscheidend verbessert werden.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine mit Inertialsensoreinheit in einer Ausgestaltung als Schneidgerät;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine mit Inertialsensoreinheit in einer Ausgestaltung als Bohrgerät;
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3 eine Prinzipsskizze einer Schutzschaltung eines Anregungsaktors mit einer Inertialsensoreinheit;
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4 eine weitere Prinzipsskizze einer Schutzschaltung eines Anregungsaktors mit einer Inertialsensoreinheit; und
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5 schematisch die Filtercharakteristik eines Tiefpassfilters zur Ausfilterung werkzeugtypischer Arbeitsbewegungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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Zur Erläuterung der Erfindung zeigen die 1 und 2 verschiedene Beispiele von handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschinen 10. 1 zeigt ein Schneidgerät mit langgestreckter Gehäuseform; 2 zeigt ein Bohrgerät mit T-förmiger Gehäuseform.
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Die handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 20 mit einem Griffbereich 40. Ein Bediener hält die Elektrowerkzeugmaschine 10 an dem Griffbereich 40 und kann die Elektrowerkzeugmaschine 10 führen. Die Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst ferner einen Werkzeugbereich 50 für ein linear und/oder oszillierend antreibbares Werkzeug 60, etwa ein Messer (1) oder einen Bohrer (2) oder ein anderes Werkzeug entsprechend einem anderen Gerätetyp.
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Ein gehäuseseitiges Bedienteil 30 dient zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs 60 und/oder der Elektrowerkzeugmaschine 10. Im Gehäuse 20 ist eine Antriebseinheit 80 angeordnet, die in den Beispielen gemäß 1 und 2 nur eine Antriebskomponente umfasst, die durch einen Anregungsaktor 100 gebildet ist. Dieser kann als Piezo-angeregter Langevin-Schwinger (auch Piezoaktor genannt) ausgebildet sein, der ein Volumen piezoelektrisch aktives Materials 102 umfasst, z. B. piezokeramische Scheiben, die zusammengepresst sind und die bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung eine Längenänderung durch führen. Bei Beaufschlagung mit hochfrequenter elektrischer Spannung wird in an sich bekannter Weise Ultraschall generiert, der über einen Koppelelement 106 zu einem Werkzeug 60 geleitet wird. Das Koppelelement 106 kann eine an sich bekannte Sonotrode sein. Die Länge und die Form wie auch das Material des Koppelelements 106 bestimmen eine Resonanzfrequenz des Anregungsaktors 100. Auch das Werkzeug 60 kann die Resonanzfrequenz beeinflussen.
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Eine im Gehäuse 20 angeordnete Elektronikeinheit 200 dient zum Beaufschlagen der Antriebseinheit 80 mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, sowie der Spannungsversorgung des Anregungsaktors 100. Eine Betriebsspannungseinheit 90, hier als Batterie- oder Akkupack mit Batterien oder wiederaufladbaren Akkus 92 ausgebildet, dient zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung für die Elektronikeinheit 90, welche die Betriebsspannung in ein hochfrequentes Spannungssignal umsetzt, mit dem der Anregungsaktor 100 in gewünschter Weise zu Schwingungen angeregt wird.
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Die Elektronikeinheit 200 ist ausgebildet, um den wenigstens einen Anregungsaktor 100 in einer Resonanzfrequenz zu betreiben. Dabei umfasst die Elektronikeinheit 200 eine Regeleinheit 224 zur Nachführung der Resonanzfrequenz des Anregungsaktors 100. Die Aktivierung des Werkzeugs 60 durch den Aktivierungsaktor 30 kann mit einem Signalmittel 122 (2) angezeigt werden.
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In 1 ist die Elektronikeinheit 200 besonders platzsparend auf einer einzigen Platine 210 integriert. In 2 ist die Elektronikeinheit auf zwei Platinen 212, 214 aufgeteilt, wobei eine im Hauptteil und eine im quer vom Hauptteil abstehenden Griffteil des T-förmigen Gehäuses 20 angeordnet ist.
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Eine Inertialsensoreinheit 130 ist unmittelbar oder eng benachbart an dem Anregungsaktor 100, der ein piezoelektrisches aktives Material 102 umfasst, angeordnet. Somit kann die Inertialsensoreinheit eine Beschleunigung oder Stoßkraft, die auf die Aktuatoreinheit 102 einwirkt, unmittelbar erfassen. Des Weiteren ist die Inertialsensoreinheit 130 mit der Elektronikeinheit 200 verbunden (nicht dargestellt), um im Falle des Überschreitens eines Grenzbeschleunigungswertes eine Schnellabschaltung der Antriebseinheit 100 zu bewirken.
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In der Ausführungsform nach 2 ist die Inertialsensoreinheit 130 in der Sonotrode 106 angeordnet. Somit befindet sich die Inertialsensoreinheit 130 unmittelbar an der Stelle der höchsten mechanischen Belastung, so dass eine zusätzliche Beschleunigungskomponente sich additiv zu dem vom Anregungsaktuator erzeugten Beschleunigungen auswirkt, wobei die Inertialsensoreinheit 130 die Überschreitung einer Gesamtbeschleunigungsbelastung damit eineindeutig feststellen kann, um den Anregungsaktor 102 effektiv zu schützen.
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3 zeigt eine Prinzipsskizze einer Ansteuerung des Anregungsaktuators 100 beispielsweise in Form eines Piezoaktuators 100 mit einer Wechselspannungsversorgung aus einem Versorgungsnetz (z. B. 240 V ~) oder einer Gleichspannungsversorgung mit einem Batteriepack (z. B. 10,8 V =), wobei eine Inertialsensoreinheit 130 eine elektrische Trennung zwischen Anregungsaktuator 100 und Elektronikeinheit 200 bewirken kann. Bei Netzversorgung der Elektronikeinheit 200 zum Beispiel mit Wechselspannung ist eine Baugruppe 94 vorgesehen, welche die Wechselspannung gleichrichtet und glättet. Die Elektronikeinheit 200 umfasst eine Leistungserzeugungseinheit 222, in die die Gleichspannung eingespeist wird, und die über eine entsprechende Filtereinheit 226 und den Abkopplungsschalter der Inertialsensoreinheit 130 an den Anregungsaktor 100 gekoppelt ist. Eine Regeleinheit 224 stellt die Regelsignale für den Anregungsaktor 100 bereit.
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Erkennt die Inertialsensoreinheit 130 (1, 2) eine Beschleunigung, die einen vorbestimmbaren Grenzbeschleunigungswert überschreitet, so werden die Schalter, die an die Inertialsensoreinheit 130 gekoppelt sind, geöffnet. Somit trennt die Inertialsensoreinheit 130 zum einen die elektrische Versorgung des Anregungsaktuators 100 von der Elektronikeinheit 200, zum anderen die Betriebsspannungseinheit 90 von der Elektronikeinheit 200, so dass der Akku 92 sowie das Netzversorgungsbauteil 94 vor Kurzschluss sowie die Elektronikeinheit 200 vor Überspannung geschützt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform kann die Inertialsensoreinheit 130 im Abschaltfall ein Signal an die Regeleinheit 224 ausgeben welche dann die Leistungserzeugungseinheit 222 inaktiviert.
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Die Schemaskizze der 4 entspricht weitgehend der der 3, jedoch umfasst die Betriebsspannungseinheit 90 weiterhin einen Eingangsleistungssensor 150, die die von der Betriebsspannungseinheit 90 fließende elektrische Leistung, die zur Elektronikeinheit 200 fließt, misst. Des Weiteren umfasst die Elektronikeinheit 200 einen Ausgangsleistungssensor 140, der die elektrische Ausgangsleistung, die von der Elektronikeinheit 200 an den Anregungsaktor 100 geliefert wird, bestimmt. Die Leistungswerte des Eingangsleistungssensors 150 und des Ausgangsleistungssensors 140 werden an die Inertialsensoreinheit 130 übermittelt. Durch Berücksichtigung der Leistungsaufnahme bzw. -abgabe kann die Inertialsensoreinheit insbesondere im Fall geringer Leistungswerte eine höhere Grenzbeschleunigung bzw. Grenzkräfte zulassen, als dies im Volllastbetrieb, das heißt bei hohen Eingangs- bzw. Ausgangsleistungen oder Eingangs- bzw. Ausgangsamplituden möglich ist. Somit kann die Inertialsensoreinheit 130 adaptiv auf die jeweilige elektrische und mechanische Belastung der Elektrowerkzeugmaschine angepasst werden, und ermöglicht eine maximale Robustheit der Maschine gegenüber Stöße und Stürze, da sich der Abschaltgrenzwert an der mechanischen Belastung der Antriebseinheit orientiert. Somit ist die Sensitivität des Schutzmechanismus optimal einstellbar.
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5 zeigt schematisch ein Frequenzdiagramm auftretender Beschleunigungswerte als Betrag der Beschleunigung der Elektrowerkzeugmaschine 10 aufgetragen über der Frequenz. Eine günstige Arbeitsfrequenz des Werkzeuges liegt z. B. im Bereich um 40 kHz (insbesondere 40 kHz ±500 Hz). In einem hochfrequenten Bereich des Diagramms sind werkzeugtypische Arbeitsbewegungen mit einem breiten Spektrum an Beschleunigungswerten aufgrund des Arbeitseingriffs erkennbar, sowie ein ausgeprägter Peak im Bereich der Betriebsfrequenz (z. B. um ca. 40 kHz) mit werkzeugtypischen Beschleunigungen F_w, die durch die gesteuerte Anregung des Anregungsaktuators 100 hervorgerufen und durch resonante und dämpfende Effekte der Elektrowerkzeugmaschinenmasse beeinflusst werden. Niederfrequent hierzu treten Beschleunigungswerte F_g auf, die aufgrund mechanischer Stöße und äußerer Beschleunigungen auf die Elektrowerkzeugmaschine einwirken. Zur Erhöhung der Sensitivität der Inertialsensoreinheit 130 kann mittels eines Tiefpasses TP, dessen Grenzfrequenz z. B. mit 10 kHz so gewählt wird, dass er die werkzeugtypischen Arbeitsbewegungen ausfiltern kann, unerwünschte Störkomponenten ausgefiltert werden Hierdurch kann die Empfindlichkeit der Inertialsensoreinheit 130 zum Erkennen von relevanten äußeren mechanischen Belastungen, Beschleunigungen und Stoßimpulse erhöht werden.
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Mittels der Erfindung wird die Langlebigkeit, Arbeitsqualität und der Benutzerschutz einer handbetriebenen ultraschallbasierten Elektrowerkzeugmaschine verbessert.
