DE102020120197A1

DE102020120197A1 - Betätigungsschalter für eine Elektrowerkzeugmaschine, Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine und Elektrowerkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102020120197A1
Application number: DE102020120197.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Matheis; Jan Stock
Original assignee: Metabowerke GmbH and Co
Current assignee: Metabowerke GmbH and Co
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Betätigungsschalter (5) für eine Elektrowerkzeugmaschine (1). Der Betätigungsschalter (5) weist einen Aktor (6) auf, der entlang einer erfassbaren Wegstrecke (x) beweglich ist und einen Magnetkörper (11) aufweist. Der Betätigungsschalter (5) weist ferner einen ersten Magnetsensor (14) auf, der entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) oder in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke (x) an einer ersten Sensorposition (P1) derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors (6) entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper (11) und dem ersten Magnetsensor (14) zu erfassen und in einem ersten Sensorsignal (S1) abzubilden. Es ist vorgesehen, dass der Betätigungsschalter (5) außerdem einen zweiten Magnetsensor (15) aufweist, der entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) oder in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke (x) an einer zweiten Sensorposition (P2) derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors (6) entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper (11) und dem zweiten Magnetsensor (15) zu erfassen und in einem zweiten Sensorsignal (S2) abzubilden. Ferner weist der Betätigungsschalter (5) eine Auswerteschaltung (17) auf die eingerichtet ist, um aus dem ersten Sensorsignal (S1) und dem zweiten Sensorsignal (S2)ein Differenzsensorsignal (SD) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Betätigungsschalter für eine Elektrowerkzeugmaschine, mit einem Aktor, der entlang einer erfassbaren Wegstrecke beweglich ist und einen Magnetkörper aufweist, und mit einem ersten Magnetsensor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine mit einem Betätigungsschalter, wonach die Position eines beweglichen, einen Magnetkörper aufweisenden Aktors des Betätigungsschalters entlang einer Wegstrecke erfasst wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Elektrowerkzeugmaschine.
Elektrowerkzeugmaschinen sind im Stand der Technik zur Bearbeitung und Fertigung von Werkstücken hinlänglich bekannt. Die bekannten Elektrowerkzeugmaschinen umfassen einen Elektromotor zur Ausführung von zumeist rotierenden, teilweise aber auch translatorischen Bewegungen, sowie einen Betätigungsschalter, in der Regel einen Betriebsschalter, über den der Elektromotor betrieben werden kann.
Der Betätigungsschalter wird vornehmlich verwendet, um den Elektromotor bedarfsweise ein- und auszuschalten.
Der Betätigungsschalter wird außerdem regelmäßig dazu verwendet, die Betriebsgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl des Elektromotors vorzugeben. Für die herkömmliche Geschwindigkeitsregelung bzw. Drehzahlregelung bei Elektrowerkzeugmaschinen sind die Betätigungsschalter häufig als Potentiometer ausgeführt, um die Betriebsgeschwindigkeit des Motors in Abhängigkeit einer Position eines Aktors des Betätigungsschalters entlang einer definierten Wegstrecke zu steuern bzw. zu regeln.
Mechanische Betätigungsschalter bzw. Potentiometer erfahren bekanntermaßen durch die wiederholte Verschiebebewegung einen beträchtlichen Verschleiß, was am Ende zu einer verringerten Lebensdauer des Betätigungsschalters und mitunter auch zu einem ungenauen oder ungleichmäßigen Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlregelungsvorgang führt.
Um die Verschleißprobleme des Betätigungsschalters zu mindern wird in der gattungsgemäßen DE 10 2018 128 518 A1 vorgeschlagen, die Position eines mit einem Permanentmagnet bestückten Aktors des Betätigungsschalters mittels eines Magnetsensors zu erfassen. Ein ähnlicher Betätigungsschalter wird außerdem auch in der DE 20 2013 104 844 U1 vorgeschlagen. Durch die Möglichkeit der berührungslosen Erfassung des Verschiebewegs ist es schließlich möglich, einen nahezu verschleißfreien Betätigungsschalter bereitzustellen - zumindest unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen.
Erfahrungsgemäß werden Elektrowerkzeugmaschinen, insbesondere bei der Verwendung auf Baustellen, hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt und mitunter nur unachtsam bedient. Dabei kann es selbst bei robusten Elektrowerkzeugmaschinen zu mechanischen und/oder elektronischen Schäden kommen, wodurch in Folge ein ordnungsgemäßer Betrieb nicht mehr sichergestellt sein kann. Neben einem einfachen Ausfall der Elektrowerkzeugmaschine, der für den Betreiber zwar lästig, aber in der Regel nicht gefährlich ist, muss sichergestellt sein, dass ein teilweiser Ausfall der Mechanik und/oder Elektronik nicht zu gefährlichen Betriebszuständen, wie beispielsweise zu einem unkontrollierbaren Betrieb des Elektromotors, führt.
Insbesondere ist sicherzustellen, dass bei einem Loslassen des Betriebsschalters bzw. des Betätigungsschalters der Elektromotor der Elektrowerkzeugmaschine auch tatsächlich ausläuft. Hierzu muss auch gewährleistet sein, dass eventuelle äußere elektromagnetische Störungen die Elektronik oder die magnetische Wegerfassung nicht negativ beeinflussen.
In Anbetracht des bekannten Stands der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen besonders robusten, sicheren und zuverlässigen Betätigungsschalter bereitzustellen, der sich insbesondere zur Verwendung mit einer Elektrowerkzeugmaschine vorteilhaft eigenen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein besonders sicheres und zuverlässiges Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine bereitzustellen.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine besonders robuste, sichere und zuverlässige Elektrowerkzeugmaschine bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für den Betätigungsschalter mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst. Betreffend die Elektrowerkzeugmaschine wird die Aufgabe durch Anspruch 14 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
Es ist ein Betätigungsschalter für eine Elektrowerkzeugmaschine vorgesehen, aufweisend einen Aktor, der entlang einer erfassbaren Wegstrecke beweglich ist und einen Magnetkörper aufweist. Der Betätigungsschalter weist außerdem einen ersten Magnetsensor auf, der entlang der erfassbaren Wegstrecke oder in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke an einer ersten Sensorposition derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors entlang der erfassbaren Wegstrecke anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper und dem ersten Magnetsensor zu erfassen und in einem ersten Sensorsignal abzubilden.
Der „Betätigungsschalter“ kann auch als „Betriebsschalter“, „Schiebeschalter“ oder „Poti-Schalter“ bezeichnet werden.
Bei dem Aktor handelt es sich um die entlang der Wegstrecke bewegliche Komponente des Betätigungsschalters. Der Aktor kann in Abhängigkeit der Vorgabe eines Benutzers der Elektrohandwerkzeugmaschine entlang der Wegstrecke bewegt werden, beispielsweise um die Drehzahl eines Elektromotors der Elektrowerkzeugmaschine vorzugeben. Der Betätigungsschalter kann somit vorteilhaft zur Steuerung der Elektrowerkzeugmaschine über die Erfassung des „Drückerwegs“ vorgesehen sein.
Dadurch, dass die Position des Aktors bzw. dessen Magnetkörpers entlang der Wegstrecke durch den ersten Magnetsensor erfasst wird, kann auf eine verschleißanfällige Widerstandsbahn oder sonstige verschleißanfällige mechanische Komponenten verzichtet werden. Die Detektion des Betätigungszustands des Betätigungsschalters kann in vorteilhafter Weise durch Auswertung eines Magnetfeldes und damit auf berührungslose Weise erfolgen.
Erfindungsgemäß weist der Betätigungsschalter einen zweiten Magnetsensor auf, der entlang der erfassbaren Wegstrecke oder in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke an einer zweiten Sensorposition derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors entlang der erfassbaren Wegstrecke anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper und dem zweiten Magnetsensor zu erfassen und in einem zweiten Sensorsignal abzubilden. Der Betätigungsschalter weist außerdem eine Auswerteschaltung auf die eingerichtet ist, um aus dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal ein Differenzsensorsignal zu erzeugen.
Es kann somit eine differenzielle Auswertung des ersten Magnetsensors und des zweiten Magnetsensors vorgesehen sein. Durch die differenzielle Messung kann der Einfluss äußerer elektromagnetischer Felder minimiert werden.
Vorzugsweise kann das Differenzsensorsignal verwendbar sein, um den Elektromotor der Elektrowerkzeugmaschine zu steuern und/oder zu regeln, insbesondere bezüglich seiner Betriebsgeschwindigkeit bzw. seiner Drehzahl.
Vorzugsweise drückt das Differenzsensorsignal eine lineare Abhängigkeit einer elektrischen Spannung zu dem Drückerweg bzw. zu der betätigten Wegstrecke aus.
Durch die differenzielle Messung kann außerdem eine Redundanz bereitgestellt werden. Beispielsweise können neben dem Differenzsensorsignal das erste Sensorsignal und/oder das zweite Sensorsignal ausgewertet werden, wobei im Falle von widersprüchlichen Werten, die auf einen Fehlerfall schließen lassen, beispielsweise auf einen Defekt eines der Magnetsensoren, ein Ausschalten der Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere ein Ausschalten des Elektromotors, ausgelöst werden kann.
Es können gegebenenfalls mehrere Magnetkörper vorgesehen sein, die entlang der Längsachse des Aktors und/oder entlang des Umfangs des Aktors verteilt angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Magnetkörper als Permanentmagnet ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist der Magnetkörper als Stabmagnet oder als Ringmagnet ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Magnetkörper an einer sich entlang der Längsachse des Aktors erstreckenden Seitenfläche des Aktors angeordnet ist. Im Falle der Verwendung von mehreren Magnetkörpern können die Magnetkörper entlang der Seitenfläche verteilt sein, beispielsweise unmittelbar aneinander angrenzend oder auch entlang der Längsachse voneinander beabstandet.
Alternativ oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass der Magnetkörper an einer Stirnfläche des Aktors angeordnet ist. Im Falle der Verwendung von mehreren Magnetkörpern kann beispielsweise ein erster Magnetkörper an einer ersten Stirnfläche und ein zweiter Magnetkörper an einer von der ersten Stirnfläche abgewandten, zweiten Stirnfläche angeordnet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erfassbare Wegstrecke eine lineare Wegstrecke ist und der Aktor als entlang der linearen Wegstrecke beweglicher Translator ausgebildet ist.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die erfassbare Wegstrecke ein Winkelabschnitt bzw. eine rotatorische Wegstrecke ist, und der Aktor als rotatorisch beweglicher Rotor ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist allerdings die Erfassung einer linearen Wegstrecke vorgesehen, da sich dieses Steuerungskonzept für Elektrowerkzeugmaschinen bewährt und etabliert hat.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Magnetsensor und/oder der zweite Magnetsensor als Hall-Sensor ausgebildet sind.
Vorzugsweise sind der erste Magnetsensor und/oder der zweite Magnetsensor als lineare Hall-Sensoren ausgebildet (auch unter dem Begriff „analoger“ Hall-Sensor bekannt). Es kann grundsätzlich aber auch die Verwendung von diskreten bzw. digitalen Hall-Sensoren vorgesehen sein, um einzelne, diskrete Positionen des Aktors zu erfassen, beispielsweise in der Art eines Annäherungssensors.
Grundsätzlich können im Rahmen der Erfindung Magnetsensoren beliebiger Bauart vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Sensorposition und/oder die zweite Sensorposition Positionen entlang der Wegstrecke sind.
Die Erfassung der Position des Aktors kann in diesem Fall besonders genau erfolgen. Die erste Sensorposition und/oder die zweite Sensorposition können allerdings auch Positionen in Verlängerung der Wegstrecke sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Sensorposition entlang der Wegstrecke maximal weit von der zweiten Sensorposition entfernt ist.
Auf diese Weise kann das Differenzprinzip bestmöglichst ausgenutzt werden. Die Genauigkeit der erfassten Wegstrecke kann somit weiter verbessert sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor denselben radialen Abstand von der Längsachse des Aktors aufweisen.
Vorzugsweise sind der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor entlang einer gemeinsamen Geraden ausgerichtet, die parallel zu der Längsachse des Aktors bzw. zu der erfassbaren Wegstrecke ausgerichtet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Betätigungsschalter einen ersten mechanischen Sensor zur Erfassung einer Ruheposition des Aktors entlang der erfassbaren Wegstrecke aufweist. Vorzugsweise ist ein Taster vorgesehen, insbesondere ein so genannter Mikroschalter.
Durch Verwendung des optionalen mechanischen Sensors kann ein redundantes System bereitgestellt werden. Fällt beispielsweise die magnetisch basierte Wegstreckenerfassung aus, kann der Elektromotor der Elektrowerkzeugmaschine durch Auswertung des mechanischen Sensors nach wie vor sicher ausgeschaltet werden - und umgekehrt. Insbesondere durch die Erfassung der Ruheposition des Aktors mittels verschiedener physikalischer Prinzipien ist ein Fehler, der gleichermaßen beide Wegstreckenerfassungen stört, in der Praxis nahezu ausgeschlossen. Hierdurch kann ein besonders hoher Sicherheitsstandard erreichbar sein.
Vorzugsweise stellt der erste mechanische Sensor eine niederohmige Signalverbindung bereit, wenn sich der Aktor in seiner Ruheposition befindet, und eine hochohmige Signalverbindung, wenn der Aktor aus seiner Ruheposition ausgelenkt ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Betätigungsschalter einen zweiten mechanischen Sensor aufweist, der angeordnet und eingerichtet ist, um die Ruheposition des Aktors entlang der erfassbaren Wegstrecke zu erfassen. Der zweite mechanische Sensor kann vorzugsweise eine hochohmige Signalverbindung bereitstellen, wenn sich der Aktor in seiner Ruheposition befindet, und eine niederohmige Signalverbindung bereitstellen, wenn der Aktor aus seiner Ruheposition ausgelenkt ist. Vorzugsweise ist auch der zweite mechanische Sensor als Taster, insbesondere Mikroschalter, ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerteschaltung einen Differenzverstärker aufweist, wobei die Sensorsignale an den Eingängen des Differenzverstärkers anliegen, und wobei der Differenzverstärker ausgangsseitig das Differenzsensorsignal ausgibt.
Alternativ zu einem Differenzverstärker kann auch eine anderweitige (analoge und/oder digitale) differenzielle Auswertung der Sensorsignale vorgesehen sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass jedes der Sensorsignale zunächst von einem Analog-Digital-Umsetzer in einen digitalen Wert überführt und anschließend im Rahmen einer digitalen Signalverarbeitung ein digitales Differenzsensorsignal erzeugt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerteschaltung einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist der eingerichtet ist, um aus dem (analogen) Differenzsensorsignal ein digitales Differenzsensorsignal zu erzeugen.
Die analoge Signalverarbeitung zur Bestimmung eines analogen Differenzsensorsignals hat sich als besonders geeignet herausgestellt. Im Anschluss kann jedoch eine digitale Weiterverarbeitung des Differenzsensorsignals vorteilhaft sein, weshalb eine Analog/Digital-Wandlung des Differenzsensorsignals vorgesehen sein kann. Alternativ kann allerdings auch eine analoge Weiterbearbeitung des Differenzsensorsignals vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerteschaltung einen (analogen oder digitalen) Tiefpass aufweist der eingerichtet ist, um aus dem (analogen oder digitalen) Differenzsensorsignal ein von hochfrequenten Störungen bereinigtes Positionssignal zu erzeugen.
Mittels des Tiefpasses können insbesondere hochfrequente Störungen, die beispielsweise durch die Motorlitzen des Elektromotors im Betrieb verursacht werden, herausgefiltert werden.
Vorzugsweise ist ein digitaler Tiefpass bzw. eine digitale Signalverarbeitung mit entsprechender Tiefpassfilterung vorgesehen, die aus einem digitalen Differenzsensorsignal ein digitales Positionssignal erzeugt. Auch eine vollständig analoge Signalverarbeitung ist allerdings möglich.
Insofern ein analoges Positionssignal im Rahmen einer analogen Signalverarbeitung erzeugt wird, kann anschließend optional vorgesehen sein, dass das Positionssignal einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt wird, um schließlich wiederum ein digitales Positionssignal zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine mit einem Betätigungsschalter. Im Rahmen des Verfahrens ist vorgesehen, die Position eines beweglichen, einen Magnetkörper aufweisenden Aktors des Betätigungsschalters entlang einer Wegstrecke zu erfassen. Ein erster Magnetsensor, der entlang der Wegstrecke oder in Verlängerung der Wegstrecke an einer ersten Sensorposition angeordnet ist, erfasst hierfür die Position des Aktors entlang der Wegstrecke anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper und dem ersten Magnetsensor und bildet die erfasste Position in einem ersten Sensorsignal ab. Weiter ist vorgesehen, dass ein zweiter Magnetsensor, der entlang der Wegstrecke oder in Verlängerung der Wegstrecke an einer zweiten Sensorposition angeordnet ist, die Position des Aktors entlang der Wegstrecke anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper und dem zweiten Magnetsensor erfasst und in einem zweiten Sensorsignal abbildet. Eine Auswerteschaltung erzeugt aus dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal ein Differenzsensorsignal.
Die Auslenkung / der Drückerweg bzw. die ausgelenkte Wegstrecke des Betätigungsschalters kann in vorteilhafter Weise berührungsfrei mit den zwei Magnetsensoren, vorzugsweise zwei lineare Hall-Sensoren, gemessen werden.
Vorzugsweise verfährt unter oder über den Magnetsensoren der Aktor (vorzugsweise ein Translator bzw. Stößel) zusammen mit einem Permanentmagneten, welcher sich an einen der beiden Magnetsensoren annähert und gleichzeitig von dem anderen Magnetsensor entfernt. Auf diese Weise kann eine fallende und eine steigende Kennlinie erzeugt werden. Vorzugsweise kann dann mittels der Auswerteschaltung, insbesondere unter Verwendung eines Differenzierverstärkers, eine Differenz der Kennlinien gebildet werden, welche gegebenenfalls bereits die Ausgangsgröße des Betätigungsschalters darstellen kann.
Durch die Differenzbildung können Störungen von außen, die gleichermaßen auf die beiden Magnetsensoren wirken, herausgefiltert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zusätzlich der zuvor bereits erwähnte erste mechanische Sensor und/oder der zuvor bereits erwähnte zweite mechanische Sensor die Ruheposition des Aktors entlang der Wegstrecke erfasst. Der Elektromotor der Elektrowerkzeugmaschine kann dann beispielsweise ausgeschaltet werden, wenn der erste Magnetsensor, der zweite Magnetsensor, der erste mechanische Sensor oder der zweite mechanische Sensor eine der Ruheposition entsprechende Position des Aktors erfasst. Insofern die beteiligten Sensoren hinsichtlich der Ruheposition widersprüchliche Daten liefern, kann außerdem vorgesehen sein, die Elektrowerkzeugmaschine in einen sicheren Fehlerzustand zu verbringen, beispielsweise in einen Zustand mit ausgeschaltetem Elektromotor und optional aktiviertem Wiederanlaufschutz (beispielsweise bis zur manuellen, willentlichen Freigabe durch den Bediener oder eine Werkstatt).
Die Erfindung betrifft auch eine Elektrowerkzeugmaschine, aufweisend einen Betätigungsschalter gemäß den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen.
Als Elektrowerkzeugmaschine werden sowohl handgeführte Elektrowerkzeugmaschinen, wie Bohrmaschinen, Winkelschleifer oder dergleichen, als auch im Betrieb feststehende, d. h. stationäre oder halbstationäre Geräte, wie Tischkreissägen oder dergleichen, verstanden.
Die Erfindung eignet sich zur Verwendung mit netzunabhängig betreibbaren Elektrowerkzeugmaschinen und dabei insbesondere zur Verwendung mit Elektrowerkzeugmaschinen mit elektrischer Versorgung durch ein Akkupack oder mehrere Akkupacks und/oder Batteriepacks. Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung aber auch für netzbetriebene Elektrowerkzeugmaschinen einsetzbar (z. B. mit 230 Volt Wechselstrom).
In vorteilhafter Weise kann eine Elektrowerkzeugmaschine mit einem Betätigungsschalter bereitgestellt werden, der eine besonders hohe Anzahl von Schaltzyklen ermöglicht, da ein Verschleiß an mechanischen Kontaktstellen, beispielsweise Schleifkontakten, vermieden werden kann.
Ferner kann der Betätigungsschalter vor äußeren Störungen geschützt sein und durch die Auswertung der beiden Magnetsensoren eine Redundanz bereitstellen, die optional unter Verwendung des wenigstens einen mechanischen Sensors noch verbessert werden kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Elektrowerkzeugmaschine einen Elektromotor und eine den Elektromotor betreibende Motorsteuerung aufweist. Die Motorsteuerung kann eingerichtet sein, um die Betriebsgeschwindigkeit des Elektromotors in Abhängigkeit des Differenzsensorsignals des Betätigungsschalters zu steuern und/oder zu regeln.
Vorzugsweise ist der Betätigungsschalter nicht ausgebildet, um die Drehrichtung des Elektromotors zu steuern.
Die Erfindung eignet sich zur Verwendung einer Elektrowerkzeugmaschine mit einem Elektromotor beliebiger Bauweise, beispielsweise einem Drehstrommotor, einem Wechselstrommotor, einem Gleichstrommotor, einem Universalmotor oder einem Linearmotor. Besonders eignet sich die Erfindung allerdings zur Verwendung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
Die Auswerteschaltung und/oder die Motorsteuerung können als Mikroprozessor ausgebildet sein. Anstelle eines Mikroprozessors kann auch eine beliebige weitere Einrichtung zur Implementierung der Auswerteschaltung und/oder der Motorsteuerung vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere Anordnungen diskreter elektrischer Bauteile auf einer Leiterplatte, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine sonstige programmierbare Schaltung, beispielsweise auch ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine programmierbare logische Anordnung (PLA) und/oder ein handelsüblicher Computer. Die Auswerteschaltung und die Motorsteuerung können auch eine einheitliche Komponente ausbilden.
Merkmale, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung, namentlich gegeben durch den erfindungsgemäßen Betätigungsschalter, das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Elektrowerkzeugmaschine beschrieben wurden, sind auch für die anderen Gegenstände der Erfindung vorteilhaft umsetzbar. Ebenso können Vorteile, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung genannt wurden, auch auf die anderen Gegenstände der Erfindung bezogen verstanden werden.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe wie „ein“ oder „das“, die auf eine Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus - und umgekehrt.
In einer puristischen Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die in der Erfindung mit den Begriffen „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ eingeführten Merkmale abschließend aufgezählt sind. Dementsprechend kann eine oder können mehrere Aufzählungen von Merkmalen im Rahmen der Erfindung als abgeschlossen betrachtet werden, beispielsweise jeweils für jeden Anspruch betrachtet. Die Erfindung kann beispielswiese ausschließlich aus den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bestehen.
Es sei erwähnt, dass Bezeichnungen wie „erstes“ oder „zweites“ etc. vornehmlich aus Gründen der Unterscheidbarkeit von jeweiligen Vorrichtungs- oder Verfahrensmerkmalen verwendet werden und nicht unbedingt andeuten sollen, dass sich Merkmale gegenseitig bedingen oder miteinander in Beziehung stehen.
Ferner sei betont, dass die vorliegend beschriebenen Werte und Parameter Abweichungen oder Schwankungen von ±10% oder weniger, vorzugsweise ±5% oder weniger, weiter bevorzugt ±1% oder weniger, und ganz besonders bevorzugt ±0,1% oder weniger des jeweils benannten Wertes bzw. Parameters mit einschließen, sofern diese Abweichungen bei der Umsetzung der Erfindung in der Praxis nicht ausgeschlossen sind. Die Angabe von Bereichen durch Anfangs- und Endwerte umfasst auch all diejenigen Werte und Bruchteile, die von dem jeweils benannten Bereich eingeschlossen sind, insbesondere die Anfangs- und Endwerte und einen jeweiligen Mittelwert.
Die Erfindung betrifft auch einen von Anspruch 1 unabhängigen Betätigungsschalter, aufweisend zwei Magnetsensoren zur differentiellen Erfassung der Position eines Aktors des Betätigungsschalters entlang einer linearen Wegstrecke. Die weiteren Merkmale des Anspruchs 1 und der abhängigen Ansprüche sowie die in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten dieses Betätigungsschalters.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:

1 eine als akkubetriebene Handbohrmaschine ausgebildete erfindungsgemäße Elektrowerkzeugmaschine mit einem erfindungsgemäßen Betätigungsschalter;
2 einen erfindungsgemäßen Betätigungsschalter mit einem sich in einer Ruheposition befindlichen Aktor;
3 den Betätigungsschalter der 2 mit aus der Ruheposition ausgelenktem Aktor; und
4 ein elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugmaschine.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Elektrowerkzeugmaschine 1 dargestellt, die beispielhaft als akkubetriebene Handbohrmaschine ausgebildet ist. Grundsätzlich kann allerdings eine beliebige Elektrowerkzeugmaschine 1 vorgesehen sein, insbesondere auch eine feststehende und/oder netzspannungsbasierte Elektrowerkzeugmaschine 1.
Die beispielhaft dargestellte Elektrowerkzeugmaschine 1 weist ein Akkupack 2 zur Bereitstellung einer elektrischen Versorgung auf. Die Elektrowerkzeugmaschine 1 weist außerdem einen in 1 nur strichliniert angedeuteten Elektromotor 3 zum Antreiben eines nicht dargestellten Werkzeugs auf. Die Drehrichtung des Elektromotors 3 kann in bekannter Weise durch einen Drehrichtungsschalter 4 vorgegeben werden.
Die Elektrowerkzeugmaschine 1 weist einen Betätigungsschalter 5 auf, um die Betriebsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Elektromotors 3 in Abhängigkeit einer betätigten Wegstrecke des Betätigungsschalters 5 zu steuern und/oder zu regeln.
In den 2 und 3 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßer Betätigungsschalter 5 für eine Elektrowerkzeugmaschine 1 dargestellt. 2 zeigt den Betätigungsschalter 5 in seinem nicht betätigten Grundzustand bzw. in seiner Ruheposition P_R. In 3 ist der Betätigungsschalter 5 in seiner vollständig ausgelenkten bzw. vollständig betätigten Endposition P_E dargestellt.
Der Betätigungsschalter 5 weist einen Aktor 6 auf, der entlang einer erfassbaren Wegstrecke x beweglich ist. Beispielhaft ist der Aktor 6 als Translator ausgebildet und entlang einer linearen Wegstrecke x beweglich. Grundsätzlich kann sich die Erfindung aber auch für Betätigungsschalter 5 eignen, bei denen eine rotative Wegstrecke bzw. ein Winkelabschnitt erfasst werden soll.
An einem dem Benutzer der Elektrowerkzeugmaschine 1 zugewandten, vorderen Ende des Aktors 6 ist ein Betätigungsglied 7 in Verlängerung des Aktors 6 angeordnet. An dem Betätigungsglied 7 kann eine Abdeckkappe 8 (vgl. 1) oder eine sonstige Gehäusekomponente befestigbar sein, über die der Benutzer der Elektrowerkzeugmaschine 1 den Betätigungsschalter 5 mit einem seiner Finger betätigen kann. Die Abdeckkappe 8 bzw. die Gehäusekomponente kann unmittelbar an dem Betätigungsglied 7 (oder an dem Aktor 6) oder über ein separates Befestigungselement 9 mit dem Betätigungsschalter 5 verbunden sein. Beispielsweise ist in dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Befestigungselement 9 an dem freien Endabschnitt des Betätigungsglieds 7 angeordnet, beispielsweise ein mit einem Außengewinde versehener Schraubenschaft.
Um eine automatische Rückstellung des Aktors 6 in seine Ruheposition P_R zu ermöglichen, kann eine Rückstellfeder 10 vorgesehen sein.
Der Aktor 6 weist einen Magnetkörper 11 auf, der in den Figuren lediglich schematisch angedeutet ist. Der Magnetkörper 11 ist vorzugsweise als Permanentmagnet ausgebildet. Der Magnetkörper 11 kann beispielsweise als Stabmagnet (wie dargestellt) oder aber auch als Ringmagnet ausgebildet sein.
Im Ausführungsbeispiel ist der Magnetkörper 11 an einer sich entlang der Längsachse L des Aktors 6 erstreckenden Seitenfläche 12 angeordnet. Grundsätzlich kann der Magnetkörper 11 allerdings auch an einer Stirnfläche 13 des Aktors 6 angeordnet sein. Es können beispielsweise auch mehrere Magnetkörper 11 vorgesehen sein, wobei jeweils ein Magnetkörper 11 an einer der Stirnflächen 13 des Aktors 6 angeordnet sein kann.
Es ist vorgesehen, dass der Betätigungsschalter 5 einen ersten Magnetsensor 14 aufweist, der entlang der erfassbaren Wegstrecke x oder in Verlängerung der Wegstrecke x an einer ersten Sensorposition P₁ derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors 6 entlang der erfassbaren Wegstrecke x anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper 11 und dem ersten Magnetsensor 14 zu erfassen und in einem ersten Sensorsignal S₁ (vgl. 4) abzubilden.
Außerdem weist der Betätigungsschalter 5 einen zweiten Magnetsensor 15 auf, der entlang der erfassbaren Wegstrecke x oder in Verlängerung der Wegstrecke x an einer zweiten Sensorposition P₂ derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors 6 entlang der erfassbaren Wegstrecke x anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper 11 und dem zweiten Magnetsensor 15 zu erfassen und in einem zweiten Sensorsignal S₂ (vgl. 4) abzubilden.
Die beiden Magnetsensoren 14, 15 sind beispielhaft als lineare bzw. analoge Hall-Sensoren ausgebildet. Grundsätzlich können allerdings beliebige Arten von Magnetsensoren 14, 15 vorgesehen sein.
Die erste Sensorposition P₁ und die zweite Sensorposition P₂ sind vorzugsweise entlang der Wegstrecke x angeordnet und maximal weit voneinander entfernt, wie in den 2 und 3 dargestellt. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die Sensorpositionen P₁, P₂ entlang der Wegstrecke x nicht maximal weit voneinander entfernt sind oder dass die Sensorpositionen P₁, P₂ in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke x angeordnet sind (beispielhaft sind zwei alternative Sensorpositionen P_A1,_A2 in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke x in 2 angerdeutet).
Die Magnetsensoren 14, 15 sind vorzugsweise entlang einer Geraden parallel zu der Längsachse L des Aktors 6 bzw. in demselben radialen Abstand von der Längsachse L des Aktors 6 angeordnet. Dies ist allerdings nicht unbedingt erforderlich.
Zur Erweiterung der Redundanz bei der Erfassung der Ruheposition des Aktors 6, insbesondere um sicherzustellen, dass der Elektromotor 3 der Elektrowerkzeugmaschine 1 selbst bei einem vollständigen Ausfall der magnetischen Wegerfassung ausschaltbar ist, kann beispielsweise ein erster mechanischer Sensor 16 vorgesehen sein. In den Ausführungsbeispielen ist exemplarisch ein Mikroschalter zur Erfassung der Ruheposition P_R des Aktors 6 entlang der erfassbaren Wegstrecke x angedeutet. Der erste mechanische Sensor 16 bzw. der Mikroschalter kann dabei eine niederohmige elektrische Verbindung bereitstellen, wenn der Aktor 6 den ersten mechanischen Sensor 16 bzw. den Mikroschalter betätigt (vgl. 2) und eine hochohmige elektrische Verbindung bereitstellen, wenn der Aktor 6 den ersten mechanischen Sensor 16 bzw. den Mikroschalter nicht betätigt (vgl. 3).
Es ist vorgesehen, dass der Betätigungsschalter 5 eine Auswerteschaltung 17 aufweist die eingerichtet ist, um aus dem ersten Sensorsignal S₁ und dem zweiten Sensorsignal S₂ ein Differenzsensorsignal S_D zu erzeugen. Zur Verdeutlichung ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugmaschine 1 in 4 dargestellt. Der Betätigungsschalter 5 ist in 4 nur funktionell und stark schematisiert gezeigt.
Die Auswerteschaltung 17 kann einen Differenzverstärker 18 aufweisen. Die Sensorsignale S₁, S₂ können an den Eingängen des Differenzverstärkers 18 anliegen, wobei der Differenzverstärker 18 ausgangsseitig das Differenzsensorsignal S_D ausgibt. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das analoge Differenzsensorsignal S_D anschließend einem Analog-Digital-Umsetzer 19 zugeführt der eingerichtet ist, um aus dem analogen Differenzsensorsignal S_D ein digitales Differenzsensorsignal S_D' zu erzeugen.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem ein digitaler Tiefpass 20 vorgesehen der eingerichtet ist, um aus dem digitalen Differenzsensorsignal S_D' ein von hochfrequenten Störungen bereinigtes digitales Positionssignal P zu erzeugen.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Verteilung der Signalbearbeitung zwischen dem analogen und digitalen Bereich grundsätzlich beliebig sein kann. Beispielsweise kann auch bereits die differenzielle Auswertung der Magnetsensoren 14, 15 auf digitale Weise erfolgen. Auch eine vollständig analoge Signalbearbeitung kann vorgesehen sein.
Die Elektrowerkzeugmaschine 1 weist außerdem eine den Elektromotor 3 betreibende Motorsteuerung 21 auf. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel regelt die Motorsteuerung 21 den Elektromotor 3 auf Basis des Positionssignals P, das in Abhängigkeit des Differenzsensorsignals S_D erzeugt wurde.
Optional kann zur Bereitstellung des bereits erwähnten redundanten Abschaltpfades auch die von dem ersten mechanischen Sensor 16 bzw. von dem Mikroschalter erfasste Ruheposition des Aktors 6 bei der Steuerung des Elektromotors 3 entsprechend berücksichtigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018128518 A1 [0008]
DE 202013104844 U1 [0008]

Claims

Betätigungsschalter (5) für eine Elektrowerkzeugmaschine (1), aufweisend einen Aktor (6), der entlang einer erfassbaren Wegstrecke (x) beweglich ist und einen Magnetkörper (11) aufweist, und einen ersten Magnetsensor (14), der entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) oder in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke (x) an einer ersten Sensorposition (P₁) derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors (6) entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper (11) und dem ersten Magnetsensor (14) zu erfassen und in einem ersten Sensorsignal (S₁) abzubilden, gekennzeichnet durch einen zweiten Magnetsensor (15), der entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) oder in Verlängerung der erfassbaren Wegstrecke (x) an einer zweiten Sensorposition (P₂) derart angeordnet und eingerichtet ist, um die Position des Aktors (6) entlang der erfassbaren Wegstrecke (x) anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper (11) und dem zweiten Magnetsensor (15) zu erfassen und in einem zweiten Sensorsignal (S₂) abzubilden, und eine Auswerteschaltung (17) die eingerichtet ist, um aus dem ersten Sensorsignal (S₁) und dem zweiten Sensorsignal (S₂)ein Differenzsensorsignal (S_D) zu erzeugen.
Betätigungsschalter (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (11) als Permanentmagnet ausgebildet ist, vorzugsweise als Stabmagnet oder als Ringmagnet.
Betätigungsschalter (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (11) an einer sich entlang der Längsachse (L) des Aktors (6) erstreckenden Seitenfläche (12) des Aktors (6) angeordnet ist.
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassbare Wegstrecke (x) eine lineare Wegstrecke ist und der Aktor (6) als entlang der linearen Wegstrecke beweglicher Translator ausgebildet ist.
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnetsensor (14) und/oder der zweite Magnetsensor (15) als Hall-Sensor ausgebildet sind, vorzugsweise als linearer Hall-Sensor.
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorposition (P₁) und/oder die zweite Sensorposition (P₂) Positionen entlang der Wegstrecke (x) sind.
Betätigungsschalter (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorposition (P₁) entlang der Wegstrecke (x) maximal weit von der zweiten Sensorposition (P₂) entfernt ist.
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnetsensor (14) und der zweite Magnetsensor (15) denselben radialen Abstand von der Längsachse (L) des Aktors (6) aufweisen.
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen ersten mechanischen Sensor (16), vorzugsweise einen Mikroschalter, zur Erfassung eine Ruheposition des Aktors (6) entlang der erfassbaren Wegstrecke (x).
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (17) einen Differenzverstärker (18) aufweist, wobei die Sensorsignale (S₁, S₂) an den Eingängen des Differenzverstärkers (18) anliegen, und wobei der Differenzverstärker (18) ausgangsseitig das Differenzsensorsignal (S_D) ausgibt.
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (17) einen Analog-Digital-Umsetzer (19) aufweist der eingerichtet ist, um aus dem Differenzsensorsignal (S_D) ein digitales Differenzsensorsignal (S_D') zu erzeugen.
Betätigungsschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (17) einen Tiefpass (20) aufweist der eingerichtet ist, um aus dem Differenzsensorsignal (S_D) ein von hochfrequenten Störungen bereinigtes Positionssignal (P) zu erzeugen.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine (1) mit einem Betätigungsschalter (5), wonach die Position eines beweglichen, einen Magnetkörper (11) aufweisenden Aktors (6) des Betätigungsschalters (5) entlang einer Wegstrecke (x) erfasst wird, wobei ein erster Magnetsensor (14), der entlang der Wegstrecke (x) oder in Verlängerung der Wegstrecke (x) an einer ersten Sensorposition (P₁) angeordnet ist, die Position des Aktors (6) entlang der Wegstrecke (x) anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper (11) und dem ersten Magnetsensor (14) erfasst und in einem ersten Sensorsignal (S₁) abbildet, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiten Magnetsensor (15), der entlang der Wegstrecke (x) oder in Verlängerung der Wegstrecke (x) an einer zweiten Sensorposition (P₂) angeordnet ist, die Position des Aktors (6) entlang der Wegstrecke (x) anhand des relativen Abstands zwischen dem Magnetkörper (11) und dem zweiten Magnetsensor (15) erfasst und in einem zweiten Sensorsignal (S₂)abbildet, wobei eine Auswerteschaltung (17) aus dem ersten Sensorsignal (S₁) und dem zweiten Sensorsignal (S₂) ein Differenzsensorsignal (S_D) erzeugt.
Elektrowerkzeugmaschine (1), aufweisend einen Betätigungsschalter (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Elektrowerkzeugmaschine (1) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (3) und eine den Elektromotor (3) betreibende Motorsteuerung (21), wobei die Motorsteuerung (21) eingerichtet ist, um die Betriebsgeschwindigkeit des Elektromotors (3) in Abhängigkeit des Differenzsensorsignals (S_D) des Betätigungsschalters (5) zu steuern und/oder zu regeln.