DE19510365A1

DE19510365A1 - Stellglied, insbesondere für die Ansteuerung von Eletromotoren

Info

Publication number: DE19510365A1
Application number: DE19510365A
Authority: DE
Inventors: Bernward Dr Zimmermann
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 1996-03-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellglied zur Veränderung einer elektrischen Stellgröße nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektrowerkzeuge, wie Bohrmaschinen, Bohrhämmer, Stichsägen, Schwingschleifer usw., werden mit Schaltern ausgerüstet, die eine Veränderung der Drehzahl des Elektromotors ermöglichen. Dabei wird über ein Betätigungsorgan ein Stellglied betätigt, welches eine Änderung einer elektrischen Stellgröße bewirkt. Diese elektrische Stellgröße wird wiederum als Sollwert für die von der Schaltung zur Ansteuerung des Elektromotors einzustellende Drehzahl benützt.

Aus der DE-OS 39 34 950 ist ein Elektrowerkzeugschalter mit einem derartigen Stellglied bekannt, wobei das Stellglied aus einem Sensorglied und einem Betätigungsorgan besteht. Das Betätigungsorgan ist mit dem Sensorglied derart gekoppelt, daß eine Wegverstellung des Betätigungsorgans auf das Sensorglied einwirkt, wodurch eine der Wegverstellung zuordenbare elektrische Stellgröße vom Sensorglied erzeugt wird.

Diese Offenlegungsschrift zeigt verschiedene Sensorprinzipien für das Sensorglied ohne jedoch auf die konkrete Ausbildung des Sensorglieds näher einzugehen. Durch den Einsatz der Elektrowerkzeuge bedingt, sind die Stellglieder im Schalter der Einwirkung von äußeren Einflüssen, wie Staub, Schmutz, Vibrationen u. dgl., ausgesetzt. Diese Einflüsse können bei den in der Offenlegungsschrift beschriebenen Sensorprinzipien für das Sensorglied negative Auswirkungen auf die Genauigkeit der erzeugten elektrischen Stellgröße besitzen und sogar zur Zerstörung des Stellglieds führen. Eine Anregung für eine Ausbildung des Sensorglieds, um diesen schädlichen Einflüssen zu begegnen, läßt sich aus der Offenlegungsschrift nicht entnehmen.

Meistens ist es wünschenswert, daß das Gehäuse des Elektrowerkzeugschalters sowohl das Stellglied als auch die elektrische Schaltung zur Ansteuerung des Elektromotors aufnimmt. Da im Handgriff des Elektrowerkzeugs, wo im allgemeinen der Schalter angeordnet ist, lediglich ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht, ist es notwendig, das Sensorglied klein bauend auszugestalten. Eine derartige Ausgestaltung läßt sich der Offenlegungsschrift ebenfalls nicht entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere zur Verwendung in einem Elektrowerkzeugschalter geeignetes Stellglied derart auszugestalten, daß dieses weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, wie Staub, Schmutz u. dgl. ist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Stellglied durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Stellglied ist das Betätigungsorgan an einer elastischen Membran angelenkt, so daß die Wegverstellung des Betätigungsorgans eine korrespondierende Verformung der Membran bewirkt. Als Mittel zur Anlenkung kann eine auf die Membran einwirkende Feder verwendet werden, wodurch die Wegverstellung des Betätigungsorgans über die Feder auf die Membran übertragen wird. Weiter kann für diesen Zweck ein Ende der Feder am Betätigungsorgan und das andere Ende der Feder an einem auf die elastische Membran einwirkenden Stößel befestigt sein. Zum Ausgleich von Unebenheiten kann weiter der Stößel über eine Zwischenschicht, die beispielsweise aus einem Fluid oder einem Elastomer besteht, auf die elastische Membran einwirken. Als weiteres Mittel zur Anlenkung des Betätigungsorgans an die elastische Membran ist auch eine Kugel verwendbar, die auf der Membran abrollt und über eine Art von schiefer Ebene durch das Betätigungsorgan beaufschlagt ist.

Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann nach verschiedenen Prinzipien verwirklicht sein und die elektrische Stellgröße durch induktive, resistive, piezoelektrische, piezoresistive, den Halleffekt benutzende Mittel o. dgl. erzeugen. Besonders bevorzugt wird eine resistive Ausgestaltung, die aus einer Schaltung von elektrischen Widerständen besteht, wobei der an einem Widerstand der Schaltung auftretende Spannungsabfall als die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement abgegebene elektrische Stellgröße dient. Die Widerstände sind dabei einzeln über in der Schaltung angeordnete Schaltelemente zur Veränderung der elektrischen Stellgröße überbrückbar, indem die Schaltelemente in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran geschaltet werden. Die Schaltelemente werden wiederum von einer elektrisch leitfähigen Schicht an der Membran und von Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der Widerstände gebildet, wobei die elektrisch leitfähige Schicht und die Leiterbahnen zum Schalten der Schaltelemente zusammenwirken.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Silizium für die Membran und die Ausbildung der Membran als mikromechanische Membran, die durch anisotropes Ätzen oder andere Ätztechniken aus einem Silizium-Grundkörper geformt ist. Dabei bietet es sich an, daß das Gehäuse des mechanisch-elektrischen Wandlerelements vom Silizium-Grundkörper gebildet ist, wobei die Metallschicht für die Leiterbahnen und die elektrisch leitfähige Schicht auf der elastischen Membran nach der Formung der Membran auf den entsprechenden Teilen des Silizium-Grundkörpers aufgebracht werden. Weiter können die Widerstände dann ebenfalls im Silizium-Grundkörper als eine integrierte Schaltung entsprechend den an sich bekannten Halbleiter-Technologien hergestellt sein.

Das Stellglied eignet sich auch zum Einsatz in der Art eines herkömmlichen elektrischen Schalters. Dazu wird das mechanisch-elektrische Wandlerelement derart ausgestaltet, daß die abgegebene Meßgröße wenigstens zwei unterschiedliche Werte annehmen kann, wobei einer dieser Werte vorzugsweise die Meßgröße Null repräsentiert. Die Umschaltung zwischen den verschiedenen Werten erfolgt dann in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Membran das Sensorglied vor äußeren Einflüssen weitgehend geschützt ist. Insbesondere kann kein, die Funktion beeinträchtigender Staub oder Schmutz in das Sensorglied eindringen. Weitergehende aufwendige Abdichtungsmaßnahmen zwischen dem Stößel und dem Gehäuse des Sensorglieds sind damit nicht notwendig, was zu einer beträchtlichen Vereinfachung und Verbilligung sowie auch zu einer weitgehenden Fehlerunanfälligkeit des Stellgliedes führt.

Äußere, auf das Stellglied einwirkende Vibrationen, wie sie insbesondere beim Einsatz in Elektrowerkzeugen auftreten, werden durch die elastische Membran gedämpft und können sich daher nicht auf das Sensorglied auswirken. Die in Abhängigkeit von der Wegverstellung des Betätigungsorgans erzeugte elektrische Stellgröße ist daher stabil und auch bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen reproduzierbar. Dadurch wird auch die Funktion des Stellgliedes an sich verbessert.

Bei Verwendung einer mikromechanischen Membran für das Sensorglied gelingt die Herstellung eines besonders kleinen und dennoch außerordentlich funktionellen Stellgliedes. Wird ein derartiges Stellglied in einem Schalter für die Ansteuerung von Elektromotoren in Elektrowerkzeugen verwendet, so kann der Schalter weiter verkleinert werden, so daß ein geringerer Einbauraum im Handgriff des Elektrowerkzeugs ausreicht. Dies gestattet wiederum eine ergonomische Gestaltung des Elektrowerkzeugs, insbesondere von dessen Handgriff.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ein Stellglied enthaltenden elektrischen Schalters zur Ansteuerung von Elektromotoren in Elektrohandwerkzeugen in perspektivischer und teilweise aufgeschnittener Ansicht,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild für die Ansteuerung eines Elektromotors,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Stellglied gemäß Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für die elektrische Schaltung des Stellgliedes gemäß Fig. 3,

Fig. 5 den prinzipiellen Verlauf der elektrischen Stellgröße in Abhängigkeit von der Wegverstellung des Betätigungsorgans für die Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt durch ein Stellglied wie in Fig. 3 in einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 7 einen Schnitt durch das Stellglied wie in Fig. 3 in noch einer weiteren Ausführungsform.

Ein elektrischer Schalter 1 zur Drehzahlregelung oder Drehzahlsteuerung von Elektromotoren in Elektrohandwerkzeugen ist in Fig. 1 schematisch dargestellt, während das prinzipielle Schaltbild für die Ansteuerung des Elektromotors näher in Fig. 2 zu sehen ist.

Wie man aus Fig. 1 entnimmt, besitzt der Schalter 1 ein Schaltergehäuse 2, an dem ein als Drücker ausgebildetes Betätigungsorgan 12 verstellbar gelagert ist. Am Betätigungsorgan 12 ist ein in das Innere des Schalters 1 führender Betätigungsstößel 15 befestigt. Das Betätigungsorgan 12 kann manuell in Richtung des Pfeiles 14 gegen eine nicht dargestellte Druckfeder bewegt werden, so daß es nach Loslassen wieder in die Ausgangsstellung entsprechend dem Pfeil 14′ zurückkehrt. Im Schaltergehäuse 2 ist eine Leiterplatte 3 angeordnet. Auf der Leiterplatte 3 befinden sich die elektrischen und elektronischen Bauelemente 43 einer als Phasenanschnittsteuerung 10 ausgebildeten elektrischen Schaltung für die Drehzahlregelung oder Drehzahlsteuerung des Elektromotors sowie ein mit der Phasenanschnittsteuerung 10 in Verbindung stehendes Stellglied 4. Das Stellglied 4 dient zur Vorgabe eines die einzustellende Drehzahl des Elektromotors repräsentierenden Sollwertes für die Phasenanschnittsteuerung 10, indem eine mittels des Betätigungsorgans 12 veränderliche elektrische Stellgröße vom Stellglied 4 erzeugbar ist.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind der Anker 5 und die Feldwicklungen 6, 6′ des Elektromotors über einen Netzschalter 7 an einen Pol 8 einer Versorgungsspannung U angeschlossen, wobei es sich vorliegend bei der Versorgungsspannung U um die Netz-Wechselspannung handelt. Der andere Pol 8′ der Versorgungsspannung U ist über einen Triac 9 wiederum mit der Feldwicklung 6 ' verbunden. An der Steuerelektrode des Triacs 9 ist eine an sich bekannte, lediglich als Blockschaltbild angedeutete elektrische Schaltung für die Phasenanschnittsteuerung 10 angeschlossen. Die Drehzahl des Elektromotors wird von der Phasenanschnittsteuerung 10 eingestellt und gegebenenfalls geregelt, indem diese den Triac 9 beim entsprechenden Phasenwinkel bzw. Stromflußwinkel θ der Versorgungsspannung U zündet.

Das aus einem Sensorglied 11 und dem Betätigungsorgan 12 bestehende Stellglied 4 ist mit der Phasenanschnittsteuerung 10 über eine Leitung 13 elektrisch verbunden. Das Betätigungsorgan 12 ist mechanisch mit dem Sensorglied 11 über einen Ausleger 24 des Betätigungsstößels 15 gekoppelt, so daß das Stellglied 4 auf die gewünschte Drehzahl des Elektromotors eingestellt wird, indem das Betätigungsorgan 12, wie bei Elektrohandwerkzeugen in der Regel üblich, manuell in Richtung des Doppelpfeiles 14, 14′ verstellt wird. Das Stellglied 4 gibt dann eine von der Wegverstellung s des Betätigungsorgans 12 abhängige, mit der entsprechenden Drehzahl korrelierende elektrische Stellgröße, vorzugsweise eine Steuerspannung Us, über die Leitung 13 an die Phasenanschnittsteuerung 10 ab. Diese Steuerspannung Us dient wiederum zur Einstellung des zugehörigen Stromflußwinkels θ durch die Phasenanschnittsteuerung 10.

Der im Prinzipschaltbild nach Fig. 2 schematisch gezeigte Netzschalter 7 ist ebenfalls in den Schalter 1 integriert und besteht, wie in Fig. 1 näher zu sehen ist, aus einer Kontaktwippe 16 und einem Festkontakt 19. In unbetätigtem Zustand des Betätigungsorgans 12 wirkt ein am Betätigungsstößel 15 befindlicher Schaltnocken 17 auf das eine Ende 1.8 der Kontaktwippe 16 ein, so daß die Kontaktverbindung zwischen dem anderen Ende 18′ der Kontaktwippe 16 und dem Festkontakt 19 geöffnet ist. Bei Betätigung des Betätigungsorgans 12 gibt der Schaltnocken 17 das Ende 18 der Kontaktwippe 16 frei und eine Zugfeder 20 zieht das andere Ende 18′ der Kontaktwippe 16 an den Festkontakt 19, so daß die elektrische Verbindung am Netzschalter 7 nunmehr geschlossen ist und der Elektromotor, wie erläutert, angesteuert wird.

Eine erste Ausführungsform für das Stellglied 4 ist in Fig. 3 zu sehen. Das als Drucksensor ausgebildete Sensorglied 11 des Stellgliedes 4 besitzt ein Gehäuse 27, in dem eine elastische Membran 21 auf einem Träger 42 und ein mechanisch elektrisches Wandlerelement 22 zur Erzeugung der elektrischen Stellgröße angeordnet sind. Das Betätigungsorgan 12 ist über eine Feder 23 an der elastischen Membran 21 angelenkt, indem ein Ende der Feder 23 an dem Ausleger 24 des Betätigungsstößels 15 am Betätigungsorgan 12 und das andere Ende der Feder 23 an einem weiteren, in einer Öffnung 28 des Gehäuses 27 beweglich gelagerten Stößel 25 befestigt ist. Der Stößel 25 wirkt schließlich über ein den ausgeübten Druck verteilendes Medium, die sogenannte Zwischenschicht 26, auf die elastische Membran 21 ein.

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, besitzt das Gehäuse 27 eine absatzförmige Gestalt, so daß die Zwischenschicht 26 mit einer größeren Fläche an der elastischen Membran 21 als am Stößel 25 anliegt. Durch entsprechende Dimensionierung dieser Flächen können die vom Benutzer über den Stößel 25 ausgeübten Kräfte auf die für die elastische Membran 21 erforderlichen Betätigungskräfte angepaßt werden. Die Zwischenschicht 26 kann von einem Fluid, wie Öl o. dgl., gebildet werden. Gegebenenfalls kann es auch zweckmäßig sein, als Zwischenschicht 26 ein Elastomer zu verwenden, womit die Zwischenschicht 26 selbst als elastische Schicht ausgebildet ist. Die Zwischenschicht 26 dient weiter zum Ausgleich von Punktlasten durch Unebenheiten am Stößel 25 oder der Membran 21 sowie von Verkantungen des Stößels 25.

Wird nun das Betätigungsorgan 12 entsprechend dem Pfeil 14 in Fig. 1 längs verstellt, so wirkt über die Feder 23 eine Kraft F1 auf den Stößel 25 ein. Der von der Kraft F1 erzeugte Druck wird von der Zwischenschicht 26 auf die Oberfläche der elastischen Membran 21 übertragen, wo eine zur Kraft F1 korrespondierende Kraft F2 einwirkt. Dadurch wird eine von der Wegverstellung s des Betätigungsorgans 12 abhängige Verformung der elastischen Membran 21 bewirkt. Diese Verformung der Membran 21 wirkt wiederum mit dem mechanisch- elektrischen Wandlerelement 22 derart zusammen, daß die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement 22 abgegebene elektrische Stellgröße in funktionellem Zusammenhang mit der Verformung der elastischen Membran 21 steht, wie im folgenden noch näher erläutert wird.

Das mechanisch-elektrische Wandlerelement 22 besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel aus einer Schaltung von elektrischen Widerständen, die mit der Versorgungsspannung U beaufschlagt sind. Dabei handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um mehrere hintereinander angeordnete elektrische Widerstände 33, 34, 35, 36, 37, wie im Prinzip- Schaltbild gemäß Fig. 4 zu sehen ist. Zur elektrischen Verbindung dieser Widerstände 33, 34, 35, 36, 37 sind auf dem Träger 42 (siehe Fig. 3) als Leiterbahnen 29 ausgebildete Leitungen angeordnet, wobei sich in den Leitungen Schaltelemente 38, 39, 40, 41 zur einzelnen Überbrückung der Widerstände 33, 34, 35, 36 befinden. Als Steuerspannung Us, die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement 22 als elektrische Stellgröße abgegeben wird, dient die am Widerstand 37 abfallende Spannung. Die Schaltelemente 38, 39, 40, 41 werden in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran 21 einzeln geschaltet, wodurch der am Widerstand 37 auftretende Spannungsabfall Us gemäß der Wegverstellung s des Betätigungsorgans 12 veränderlich ist. Der Spannungsabfall Us besitzt den in Fig. 5 gezeigten treppenförmigen Verlauf, so daß ein treppenförmiger funktioneller Zusammenhang zwischen der Wegverstellung s und der Steuerspannung Us vorhanden ist.

Zur Ausbildung der Schaltelemente 38, 39, 40, 41 ist die elastische Membran 21 mit einer an der den Leiterbahnen 29 zugewandten Seite angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht 30 belegt, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Alternativ kann auch die elastische Membran 21 selbst aus einer elektrisch leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Metallschicht bestehen. Die Leiterbahnen 29 sind wiederum am Träger 42 an dessen der Membran 21 zugeordneten Seite angeordnet. Dabei können die Leiterbahnen 29 direkt als auf dem Träger 42 aufgebrachte Metallschichten ausgebildet sein. Der Träger 42 kann aus einem Substrat, wie Glas o. dgl., bestehen. Die Widerstände 33, 34, 35, 36, 37 sind in Fig. 3 nicht näher zu sehen, können jedoch innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 27 angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist, die Widerstände 33, 34, 35, 36, 37 direkt in die Anordnung der Leiterbahnen 29 zu integrieren. Dazu können die Widerstände 33, 34, 35, 36, 37 aus einer ebenfalls am Träger 42 aufgebrachten Widerstandsschicht bestehen, die beispielsweise mittels eines Widerstandslacks aufgedruckt ist.

Zum Schalten der Schaltelemente 38, 39, 40, 41, die von der elektrisch leitfähigen Schicht 30 und den Leiterbahnen 29 gebildet werden, wirkt die elektrisch leitfähige Schicht 30 mit den entsprechenden Leiterbahnen 29 bei Verformung der Membran 21 zusammen. Wie unmittelbar ersichtlich ist, wird aufgrund der Wegverstellung s des Betätigungsorgans 12 über die Feder 23, den Stößel 25 und die Zwischenschicht 26 eine Kraft auf die elastische Membran 21 übertragen, die zu deren Verformung führt. Die Größe der Verformung hängt dabei vom Verschiebeweg s des Betätigungsorgans 12 ab. Aufgrund der Verformung der elastischen Membran 21 berührt die elektrisch leitfähige Schicht 30 einzelne der Leiterbahnen 29 und zwar um so mehr Leiterbahnen 29, je größer die Verformung der Membran 21 ist, so daß in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran 21 die Schaltelemente 38, 39, 40, 41 geschlossen werden. Dadurch wird die Überbrückung der entsprechenden Widerstände 33, 34, 35, 36 geschaltet, womit der in Fig. 5 gezeigte treppenförmige funktionelle Zusammenhang zwischen dem Spannungsabfall Us und der Verformung der elastischen Membran 21 sowie der Wegverstellung s des Betätigungsorgans 12 realisiert wird.

Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, ist die Anzahl und Höhe der Stufen beim treppenförmigen Verlauf des Spannungsabfalls Us unter anderem abhängig von der Anzahl der Widerstände 33, 34, 35, 36, 37 und deren Größe. Durch entsprechende Wahl der Widerstände kann damit der funktionelle Verlauf des Spannungsabfalls Us den Gegebenheiten angepaßt werden, insbesondere können die Stufen so klein gewählt werden, daß ein "quasi-kontinuierlicher" Verlauf des vom Stellglied 4 als elektrische Stellgröße abgegebenen Spannungsabfalls Us entsteht.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Stellglied 4 ist das Betätigungsorgan 12 über eine Feder 23 an die elastische Membran 21 angelenkt. In Fig. 7 ist eine weitere Möglichkeit der Anlenkung für das Betätigungsorgan 12 gezeigt. Das Betätigungsorgan 12 ist starr mit einem Schieber 44 gekoppelt, der durch das Betätigungsorgan 12 linear in Richtung des Pfeiles 45 verstellbar ist. Der Schieber 44 ist an der der Membran 21 zugeordneten Seite als schiefe Ebene 46 ausgebildet. Mit dieser schiefen Ebene 46 wirkt der Schieber 44 auf eine auf der Membran 21 abrollende Kugel 47 ein. Die Membran 21 wird durch die Kugel 47 entsprechend dem Stellweg s des Schiebers 44 und damit des Betätigungsorgans 12 verformt, wodurch wiederum der zugehörige Spannungsabfall Us als elektrische Stellgröße erzeugt wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 6 näher zu sehen ist, ist das mechanisch-elektrische Wandlerelement 22′ im Sensorglied 11′ derart ausgebildet, daß die elektrische Stellgröße einen kontinuierlichen funktionellen Zusammenhang mit der Verformung der Membran 21 besitzt. Dazu arbeitet das mechanisch-elektrische Wandlerelement 22′ nach dem Hall- Prinzip. Die Membran 21 ist an der der Zwischenschicht 26 abgewandten Seite mit einer magnetischen, vorzugsweise weichmagnetischen Schicht 31 belegt. In unmittelbarer Nähe und der Membran 21 zugeordnet ist am Träger 42 eine als Hallelement ausgebildete stromdurchflossene Halbleiterschicht 32 angeordnet. Entsprechend der Verformung der elastischen Membran 21, zusammen mit der der Halbleiterschicht 32 zugeordneten weichmagnetischen Schicht 31, entsteht ein über die Halbleiterschicht 32 sich veränderndes Magnetfeld, das wiederum zu einer mit der Verformung in funktionellem Zusammenhang stehenden Hallspannung in der Halbleiterschicht 32 führt. Diese Hallspannung dient dann als elektrische Stellgröße für die Sollwertvorgabe zur Ansteuerung des Elektromotors mit der zugeordneten Drehzahl.

Die Membran 21 kann aus einem beliebigen elastischen Material hergestellt sein, beispielsweise aus einer dünnen Metallscheibe. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung von Silizium, indem die Membran 21 aus einem Silizium-Grundkörper durch anisotropes Ätzen oder andere Ätztechniken als mikromechanische Membran geformt ist. Damit läßt sich eine mikromechanische Membran von sehr kleinen Dimensionen mittels aus der Halbleiter-Technologie bekannten Fertigungsverfahren herstellen. Weiter kann der Träger 42 für das mechanisch-elektrische Wandlerelement 22, 22′ vom Silizium-Grundkörper selbst gebildet sein, wobei die Metallschicht für die Leiterbahnen 29 und die elektrisch leitfähige Schicht 30 bzw. die weichmagnetische Schicht 31 auf der elastischen Membran 21 nach der Formung der Membran 21 auf den entsprechenden Teilen des Silizium-Grundkörpers aufgebracht sind. Gegebenenfalls können sogar die Widerstände 33, 34, 35, 36, 37 oder die Halbleiterschicht 32 im Silizium- Grundkörper als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein. Die Technologien zur Herstellung derartiger integrierter Schaltungen sind aus der Halbleiter-Technologie insoweit bekannt.

Bei den näher beschriebenen Ausführungsbeispielen arbeitet das mechanisch-elektrische Wandlerelement 22, 22′ auf resistiver Basis mittels der Widerstände 33, 34, 35, 36, 37 sowie einer Schalteranordnung oder benutzt den Halleffekt mit einer Halbleiterschicht 32. Für das mechanisch-elektrische Wandlerelement sind auch noch weitere Abwandlungen denkbar. So kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement die elektrische Stellgröße in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran 21 auch durch induktive, piezoelektrische, piezoresistive Mittel o. dgl. erzeugen.

Das Stellglied 4 ist bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 in einem mit Wechselspannung versorgten Elektrowerkzeug verwendet. Selbstverständlich kann das Stellglied 4 auch bei Gleichstrommotoren, insbesondere also in Akku- Elektrowerkzeugen, verwendet werden. Weiter befindet sich beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 das Stellglied 4 in einem elektrischen Schalter für Elektrowerkzeuge, bei dem das Betätigungsorgan als linear verstellbarer Drücker ausgebildet ist. Selbstverständlich kann das Stellglied auch getrennt vom elektrischen Schalter im Gehäuse des Elektrowerkzeugs angeordnet sein. Für einen derartigen Fall eignet sich als Betätigungsorgan besonders ein kreisförmig verstellbares Stellrad, das über an sich bekannte mechanische Mittel an der Membran angelenkt ist, so daß die kreisförmige Wegverstellung eine zugeordnete Verformung der Membran bewirkt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen des Erfindungsgedankens. So läßt sich das erfindungsgemäße Stellglied nicht nur bei Elektrowerkzeugen einsetzen, sondern kann auch überall dort Verwendung finden, wo eine veränderbare elektrische Stell- oder Meßgröße zur beliebigen Verwendung erzeugt werden soll. Dies kann beispielsweise in einem Drehgeber, einem Positionssensor bei Stellantrieben o. dgl. der Fall sein.

Zudem eignet sich das Stellglied auch zum Einsatz als sonstiger elektrischer Schalter. Durch geeignete Maßnahmen ist für diesen Fall sicherzustellen, daß die vom mechanisch elektrischen Wandlerelement abgegebene Stellgröße lediglich zwei unterschiedliche Werte annehmen kann, wobei im allgemeinen einer der Werte die Meßgröße Null ist. Die Umschaltung zwischen den beiden Werten erfolgt in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran, so daß der elektrische Schalter entsprechend ein- oder ausgeschaltet sein kann. In Erweiterung dieses Konzepts kann die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement abgegebene Stellgröße auch mehrere diskrete Werte, beispielsweise wie bei dem in Fig. 5 gezeigten treppenförmigen Funktionsverlauf, besitzen, so daß dadurch ein elektrischer Schalter mit mehreren Schaltstellungen realisierbar ist.

Bezugszeichenliste

1 elektrischer Schalter
2 Schaltergehäuse
3 Leiterplatte
4 Stellglied
5 Anker 6, 6′ Feldwicklung
7 Netzschalter
8, 8′ Pol (der Versorgungsspannung)
9 Triac
10 Phasenanschnittsteuerung
11, 11′ Sensorglied
12 Betätigungsorgan
13 Leitung
14, 14′ Doppelpfeil (für Verstellung des Betätigungsorgans)
15 Betätigungsstößel
16 Kontaktwippe
17 Schaltnocken
18, 18′ Ende (der Kontaktwippe)
19 Festkontakt
20 Zugfeder
21 elastische Membran
22, 22′ mechanisch-elektrisches Wandlerelement
23 Feder
24 Ausleger
25 Stößel
26 elastische Zwischenschicht
27 Gehäuse
28 Öffnung
29 Leiterbahn
30 elektrisch leitfähige Schicht
31 weichmagnetische Schicht
32 Halbleiterschicht
33 bis 37 elektrischer Widerstand
38 bis 41 Schaltelement
42 Träger (für Membran)
43 Bauelement (elektrisch, elektronisch)
44 Schieber
45 Pfeil
46 schiefe Ebene (am Schieber)
47 Kugel

Claims

1. Stellglied zur Veränderung einer elektrischen Stellgröße, insbesondere als Stellglied (4) zur Vorgabe eines der elektrischen Stellgröße entsprechenden Sollwertes für eine elektrische Schaltung oder einen elektrischen Schalter (1) zur Ansteuerung von Elektromotoren in Elektrowerkzeugen mit einer zugehörigen Drehzahl, mit einem Sensorglied (11, 11′) und einem mit dem Sensorglied (11, 11′) derart gekoppelten Betätigungsorgan (12), daß eine Wegverstellung (s) des Betätigungsorgans (12) auf das Sensorglied (11, 11′) zur Erzeugung der der Wegverstellung (s) zuordenbaren elektrischen Stellgröße einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglied (11, 11′) eine elastische Membran (21) und ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement (22, 22′) zur Erzeugung der elektrischen Stellgröße besitzt, wobei das Betätigungsorgan (12) an der elastischen Membran (21) angelenkt ist, so daß eine von der Wegverstellung (s) abhängige Verformung der elastischen Membran (21) bewirkbar ist, und wobei die Verformung der Membran (21) wiederum mit dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement (22, 22′) derart zusammenwirkt, daß die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement (22, 22′) abgegebene elektrische Stellgröße in funktionellem Zusammenhang mit der Verformung der elastischen Membran (21) steht.

2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (12) über eine Feder (23) an der elastischen Membran (21) angelenkt ist, indem vorzugsweise ein Ende der Feder (23) an einem Teil des Betätigungsorgans (12) und das andere Ende der Feder (23) an einem auf die elastische Membran (21) einwirkenden Stößel (25) befestigt ist, und wobei der Stößel (25) insbesondere über eine Zwischenschicht (26), die aus einem Fluid, einem Elastomer o. dgl. bestehen kann, auf die elastische Membran (21) einwirkt.

3. Stellglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglied (11, 11′) ein Gehäuse (27) zur Aufnahme der elastischen Membran (21) sowie gegebenenfalls des Stößels (25) und der Zwischenschicht (26) besitzt, wobei das Gehäuse (27) vorzugsweise eine absatzförmige Gestalt besitzt, so daß die Zwischenschicht (26) mit unterschiedlichen Flächen an der elastischen Membran (21) und am Stößel (25) zur Anpassung der einwirkenden Kräfte (F1, F2) anliegt.

4. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (12) über eine auf der elastischen Membran (21) abrollende Kugel (47) an der elastischen Membran (21) angelenkt ist, wobei vorzugsweise das Betätigungsorgan (12) starr mit einem Schieber (44) gekoppelt ist, der an der der elastischen Membran (21) zugeordneten Seite als auf die Kugel (47) einwirkende schiefe Ebene (46) ausgebildet ist.

5. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanisch-elektrische Wandlerelement (22, 22′) die elektrische Stellgröße durch induktive, resistive, piezoelektrische, piezoresistive, den Halleffekt benutzende Mittel o. dgl. erzeugt.

6. Stellglied nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanisch-elektrische Wandlerelement (22′) aus einem der Membran (21) zugeordneten, insbesondere mit einer Halbleiterschicht (32) arbeitenden Hallelement besteht, wobei die vom Hallelement erzeugte elektrische Hallspannung als die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement (22′) abgegebene elektrische Stellgröße dient, und daß die Membran (21) an der dem Hallelement zugeordneten Seite mit einer magnetischen, insbesondere weichmagnetischen Schicht (31) belegt ist, wodurch die Hallspannung in funktionellem Zusammenhang mit der Verformung der Membran (21) steht.

7. Stellglied nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanisch-elektrische Wandlerelement (22) aus einer Schaltung von elektrischen Widerständen (33, 34, 35, 36, 37) besteht, wobei vorzugsweise der an einem Widerstand (37) der Schaltung auftretende Spannungsabfall (Us) als die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement (22) abgegebene elektrische Stellgröße dient, und wobei die Widerstände (33, 34, 35, 36) insbesondere einzeln über in der Schaltung angeordnete Schaltelemente (38, 39, 40, 41) zur Veränderung der elektrischen Stellgröße überbrückbar sind, indem die Schaltelemente (38, 39, 40, 41) in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran (21) geschaltet werden.

8. Stellglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im mechanisch-elektrischen Wandlerelement (22) Leiterbahnen (29) zur elektrischen Verbindung der Widerstände (33, 34, 35, 36, 37) angeordnet sind und daß vorzugsweise die elastische Membran (21) aus einer elektrisch leitfähigen Schicht besteht oder mit einer an der den Leiterbahnen (29) zugewandten Seite angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht (30) belegt ist, so daß die Schaltelemente (38, 39, 40, 41) von der elektrisch leitfähigen Schicht (30) und den Leiterbahnen (29) gebildet werden, die zum Schalten der Schaltelemente (38, 39, 40, 41) zusammenwirken.

9. Stellglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Membran (21) zugeordneten Seite des Gehäuses (27), gegebenenfalls auf einem weiteren Substrat, wie Glas o. dgl. als Träger (42), die Leiterbahnen (29) angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen (29) vorzugsweise aus einer am Träger (42) aufgebrachten Metallschicht bestehen und wobei insbesondere die Widerstände (33, 34, 35, 36, 37) aus einer ebenfalls am Träger (42) aufgebrachten Widerstandsschicht bestehen.

10. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (21) aus Silizium besteht, wobei es sich bei der Membran (21) vorzugsweise um eine mikromechanische Membran handelt, die durch anisotropes Ätzen oder anderen Ätzverfahren aus einem Silizium-Grundkörper geformt ist.

11. Stellglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Gehäuses (27) des mechanisch elektrischen Wandlerelements (22, 22′), wie der Träger (42), vom Silizium-Grundkörper gebildet ist, daß vorzugsweise die Metallschicht für die Leiterbahnen (29) und die elektrisch leitfähige Schicht (30) oder magnetische Schicht (31) auf der elastischen Membran (21) nach der Formung der Membran (21) auf den entsprechenden Teilen des Silizium-Grundkörpers aufgebracht sind und daß gegebenenfalls die Widerstände (33, 34, 35, 36, 37), die Halbleiterschicht (32) des Hallelements o. dgl. im Silizium-Grundkörper als eine integrierte Schaltung angeordnet sind.

12. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere zum Einsatz als elektrischer Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß die vom mechanisch-elektrischen Wandlerelement (22, 22′) abgegebene Stellgröße mehrere, vorzugsweise zwei unterschiedliche Werte annehmen kann, wobei die Umschaltung zwischen den jeweiligen Werten in Abhängigkeit von der Verformung der elastischen Membran (21) erfolgt.