發(fā)明解讀

具有超聲波激勵裝置的電動工具機

DE 42 91 110 T1公開了一種用于在治療患者時或在實現(xiàn)治愈后移除石膏繃帶和塑料成型繃帶的超聲波切割裝置。為了顯示出超聲波切割裝置的運行狀態(tài)并且作為警告：即切割刃處于切割的工作狀態(tài)中，提出了一種聲學(xué)的信號發(fā)生器，其在操縱開關(guān)時發(fā)出蜂鳴信號。

發(fā)明內(nèi)容：

發(fā)明基于一種電動工具機，其包括區(qū)域，所述區(qū)域具有：用于能線性地和/或振蕩地驅(qū)動的工具的超聲波激勵裝置；用于所述超聲波激勵裝置的驅(qū)動單元；用于為所述驅(qū)動單元加載至少控制和/或調(diào)節(jié)信號的電子單元；以及工作電壓單元，其中所述驅(qū)動單元包括至少一個超聲波激勵執(zhí)行器，所述超聲波激勵執(zhí)行器在運行時由所述工作電壓單元供電并且由所述電子單元控制或調(diào)節(jié)，其中裝置用于輸出信息信號，所述信息信號能與所述電動工具機的至少一個運行參數(shù)相關(guān)地輸出。

所述裝置被設(shè)計用于：與一個或多個當(dāng)前的運行參數(shù)相關(guān)地來改變所述信息信號的頻率和/或振幅。通過信息信號，可以實現(xiàn)將系統(tǒng)功率或也將其它系統(tǒng)參數(shù)反饋給使用者。并且所述信息信號的第一組成部分能與第一運行參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并且所述信息信號的第二組成部分能與第二運行參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

電動工具機基本上無噪音地工作，從而使用者可以從信息信號識別出：電動工具機是否處于運行中。優(yōu)選地，只要激勵執(zhí)行器處于運行中，就發(fā)出信息信號。電動工具機的運行安全性得到提高。信息信號例如可以是可聽到的聲音、可感覺到的振動和/或可看到的照明。通過可變化的信息信號可以將電動工具機的當(dāng)前的運行狀態(tài)通知給使用者，而不會使得該運行狀態(tài)與其本來的利用電動工具機進(jìn)行的加工活動偏離。使用者可以通過信息信號獲知例如當(dāng)前需要的超聲波功率。

在此，工具可以是嵌入式工具，其可拆卸地與激勵執(zhí)行器連接，或者其可以與激勵執(zhí)行器固定連接，例如材料配合地（stoffschlüssig）或傳力配合地（kraftschlüssig）連接。電動工具機特別是加工機，利用其加工或改變物體或表面，例如鉆孔器、沖擊鉆機、切割裝置、磨機、銑刀、鋸、焊接器和類似機械。激勵執(zhí)行器可以形成工具的唯一的驅(qū)動器，或者也可以設(shè)有一個或多個其它的驅(qū)動組件、例如電機，其中也可以將工作運動相疊加。不同的驅(qū)動組件可替代地或組合地運行。至少一個激勵執(zhí)行器可以形成電動工具機的主耗能器，優(yōu)選地可以設(shè)置至少50%的電輸入功率用于該主耗能器。在一種有利的改進(jìn)方案中可以為激勵執(zhí)行器設(shè)置至少75%的、優(yōu)選至少80%的電輸入功率。電動工具機的工作進(jìn)展在使用超聲波時特別大，從而可能的另一個耗能器、特別是另一個驅(qū)動組件、例如電機可以設(shè)計得更小。因此也可以使得驅(qū)動裝置和所屬的電子組件以及能量供給裝置失靈的可能性更?。╧leiner ausfallen），這又實現(xiàn)了手持式電動工具機的改進(jìn)的操作舒適性和改進(jìn)的操作。

電動工具機可以利用電池運行或替代地或附加地還配有電源線。電動工具機可以包括多個部件，這些部件安置在單獨的殼體中，其中使用者例如僅握住其中布置有真正的工具區(qū)域的殼體。有利地，電動工具機可以是高工作功率的手持式機器，其中所有的組件集成在一個唯一的殼體中，從而使用者可以舒適地用手握住和引導(dǎo)這些組件，而不會受到通向單獨的控制器的電纜連接部的干擾。

當(dāng)激勵執(zhí)行器可以利用其諧振頻率運行時，在足夠高質(zhì)量的振蕩系統(tǒng)中相應(yīng)于電輸入功率的特別高的機械輸出功率可以被發(fā)出。激勵執(zhí)行器例如可以設(shè)計成構(gòu)造方式為朗之萬振蕩器的壓電執(zhí)行器。激勵執(zhí)行器的具有該諧振頻率的諧振系統(tǒng)包括朗之萬振蕩器，其具有壓電激活材料和耦合到該振蕩器上的組件、特別是使超聲波增強和/或傳輸至加工位置的組件。這些組件例如已知為放大器或超聲振蕩單元。這能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸減小并提供了一種緊湊的裝置。有利地，因此實現(xiàn)了高效率的緊湊的電動工具機，其同時便于使用。

根據(jù)發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，該裝置可以被設(shè)計用于：隨著增加的加工功率而減小信息信號的頻率和/或振幅。在可聽到的信息信號中，頻率的較小例如基于空轉(zhuǎn)基頻聲模擬了電機驅(qū)動的機器的噪音圖?？陕牭降男畔⑿盘栆部梢裕ㄍㄟ^振幅）在音量方面進(jìn)行改變。替代地，該裝置可以被設(shè)計用于，隨著增加的加工功率而升高頻率和/或振幅。無論如何都可以通過與運行狀態(tài)相關(guān)的可變的信息信號將電動工具機的當(dāng)前的運行狀態(tài)通知給使用者，而不會使得該運行狀態(tài)偏離于其本來的加工活動。

根據(jù)發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，用于改變頻率和/或振幅的裝置可以如此與工作電壓單元耦合，使得所述頻率和/或振幅能與當(dāng)前的工作電流或當(dāng)前的工作電壓相關(guān)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。工作電流和工作電壓可容易地得到并且可以有利地被考慮用于改變信息信號。

根據(jù)發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，所述信息信號的第一組成部分能與第一運行參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并且所述信息信號的第二組成部分能與第二運行參數(shù)相關(guān)聯(lián)。因此例如頻率可以用作所需的超聲波功率的指示并且音量用作用于激勵執(zhí)行器的激勵振幅的指示。

根據(jù)發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，裝置可以被設(shè)計用于：在達(dá)到臨界的運行參數(shù)時發(fā)出警報。因此達(dá)到或超過運行界限可以被信號化。其它的臨界的運行參數(shù)同樣能以這種方式顯示，例如達(dá)到例如控制電子裝置或激勵執(zhí)行器的最大允許的溫度水平；在無電纜的電動工具機中達(dá)到最小的電池容量；加工不合適的材料；未按規(guī)定設(shè)置的超聲振蕩單元工具；其它一般性的系統(tǒng)故障。

根據(jù)發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，裝置可以包括揚聲器裝置，例如具有壓電揚聲器?？梢园l(fā)出具有愉悅的低音量的令人愉悅的空轉(zhuǎn)基頻聲，其例如可以相應(yīng)于當(dāng)前需要的工作功率在頻率和/或功率方面進(jìn)行變化。替代地或附加地，根據(jù)本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，該裝置可以包括機械的振動單元，優(yōu)選地在殼體的手柄區(qū)域中。替代地或附加地，根據(jù)本發(fā)明的另一種有利的設(shè)計方案，該裝置可以包括照明單元。在此，顏色和/或音量可以變化。照明單元可以被設(shè)計用于：照亮工作區(qū)域。使用者可以“從眼角”察覺到這一點，而不需要專門觀察指示器。使用者可以分別保存視野中的工作區(qū)域并且不會由于觀看裝置顯示器或顯示屏上而轉(zhuǎn)向。

根據(jù)發(fā)明的另一個方面，提出了一種超聲波穩(wěn)定器，所述超聲波穩(wěn)定器包括用于輸出信息信號的裝置，所述信息信號能與超聲波穩(wěn)定器的至少一個運行參數(shù)相關(guān)地輸出，其中所述裝置被設(shè)計用于：與當(dāng)前的運行參數(shù)相關(guān)地來改變信息信號的頻率和/或振幅。這種超聲波穩(wěn)定器例如可以是超聲波焊接器、超聲波切割裝置、超聲波篩選系統(tǒng)、超聲波噴霧器或者超聲波霧化器。在此，如果使用者通過信息信號得知該裝置處于運行中，則也可以提高運行安全性。

具體實施方式：

圖1、圖2和圖3示出了電動工具機10的不同實例。圖1示出了具有長形伸展的殼體形狀的切割裝置；圖2示出了具有T形的殼體形狀的鉆孔器，以及圖3示出了彎把手提砂輪機，其中設(shè)計為砂輪的工具60除了其旋轉(zhuǎn)的工作運動之外還置于高頻振蕩中。

圖1　作為切割裝置的設(shè)計方案中手持式電動工具機的一種實例

圖2　作為鉆孔器的設(shè)計方案中手持式電動工具機的另一種實例

圖3　設(shè)計成彎把手提砂輪機的電動工具機

圖4　用于產(chǎn)生信息信號的電路

各個手持式電動工具機10包括具有手柄區(qū)域40的殼體20。使用者在手柄區(qū)域40處握住電動工具機10并且可以引導(dǎo)電動工具機10。手柄區(qū)域40必要時可以利用未示出的減振元件相對于其它殼體區(qū)域退耦。電動工具機10還包括用于能線性地和/或振蕩地驅(qū)動的工具60的工具區(qū)域50，例如刀具（圖1）或鉆頭（圖2）、砂輪（圖3）或相應(yīng)于另一種裝置類型的另一種工具。

各個電動工具機10還包括區(qū)域50，該區(qū)域具有：用于能線性地和/或振蕩地驅(qū)動的工具60的超聲波激勵裝置；用于超聲波激勵裝置的驅(qū)動單元80；用于為驅(qū)動單元80加載至少控制和/或調(diào)節(jié)信號的電子單元200 （在圖3中未詳細(xì)示出）；以及工作電壓單元90 （在圖3中未詳細(xì)示出），其中驅(qū)動單元80包括至少一個具有激勵激活材料（anregungsaktivesMaterial）的體積的激勵執(zhí)行器（Anregungsaktor）100，該激勵執(zhí)行器在運行時由工作電壓單元90供電并且由電子單元200進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。

驅(qū)動單元80、電子單元200和工作電壓單元90可以如此分布在殼體20中，使得質(zhì)量重心位于手柄部件40的區(qū)域中。使用者可以安全且舒適地操縱電動工具機10。

殼體側(cè)的操作部件30用于在使用者側(cè)激活工具60和/或電動工具機10。操作部件30例如可以是開關(guān)或調(diào)節(jié)器或者也可以包括多個操作元件，其中例如一個操作元件可以被設(shè)計用于接通電動工具機10和一個操作元件可以被設(shè)計用于接通和/或調(diào)節(jié)工具60。

在殼體20中布置有驅(qū)動單元80，該驅(qū)動單元在根據(jù)圖1和圖2的實例中包括僅一個驅(qū)動組件，該驅(qū)動部件通過激勵執(zhí)行器100、例如壓電激勵的朗之萬振蕩器（Langevin-Schwinger）（也稱為壓電執(zhí)行器）形成，該振蕩器具有壓電激活材料102的體積。當(dāng)加載了高頻電壓時，以自身已知的方式產(chǎn)生超聲波，該超聲波通過耦合元件106、例如超聲振蕩單元引導(dǎo)至工具60。耦合元件106可以是本身已知的超聲振蕩單元（Sonotrode）。耦合元件106的長度和形狀以及材料確定了激勵執(zhí)行器100的諧振頻率。工具60也可以影響諧振頻率。在圖1和圖2中的實施例變型中如此設(shè)計激勵執(zhí)行器100，使得朗之萬振蕩器與耦合元件106組合在一個單元中，并且其總長度大約相應(yīng)于超聲波振蕩的一半波長λ/2。可以提出其它實施例變型，即激勵執(zhí)行器100由具有長度λ/2的多個組件組成。其可以是：振蕩發(fā)生器，已知為轉(zhuǎn)換器，特別是例如朗之萬振蕩器、振幅變換元件104 （已知為放大器）、必要時延長元件、以及耦合元件106 （已知為超聲振蕩單元）。然而激勵執(zhí)行器100也可以設(shè)計成磁阻式執(zhí)行器，其中可以通過施加外部磁場來改變電阻。

壓電激活材料的體積可以是至少0.2 cm 3、優(yōu)選0.5 cm 3，由其至少1 cm 3。有利地，可以在激勵執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)尺寸較小時實現(xiàn)足夠的超聲波功率。至少一個激勵執(zhí)行器100關(guān)于至少一個激勵執(zhí)行器100的壓電激活材料的體積可以具有至少5W/ cm 3、優(yōu)選至少20W/ cm 3 的功率密度。相應(yīng)高的功率密度對于具有盡可能小的尺寸和低的制造成本的手持式緊湊型電動工具機10來說是有利的。

布置在殼體20中的電子單元200用于為驅(qū)動單元80加載至少控制和/或調(diào)節(jié)信號，以及用于為激勵執(zhí)行器100供電。在此設(shè)計為具有電池或可重復(fù)充電的蓄電池的電池或蓄電池組92的工作電壓單元90用于為電子單元200提供直流電壓，該電子單元將工作電壓轉(zhuǎn)換為高頻電壓信號，利用該高頻電壓信號以期望的方式將激勵執(zhí)行器100激勵至振蕩。

激勵執(zhí)行器100可以在工具尖端上具有至少3μm、優(yōu)選至少8μm、特別是至少12μm的振蕩振幅。相應(yīng)高的振蕩振幅對于良好地將功率傳遞到工件上以及進(jìn)而對于通過電動工具機10實現(xiàn)高的工作進(jìn)展來說是有利的。在電子單元200的輸入側(cè)，用于加載至少一個激勵執(zhí)行器的電功率可以是至少20W。因此可以有利地確保用于電動工具機的足夠的功率。常見的功率在修理工領(lǐng)域（Heimwerkerbereich）中，對于小的切割系統(tǒng)來說例如在20W和250W之間，優(yōu)選50W至150W。對于功率更強的應(yīng)用來說，例如鉆孔，需要50W至1000W、優(yōu)選200W至500W的功率。在職業(yè)的修理工領(lǐng)域中，用于小型系統(tǒng)的功率需求大約在50W和400W之間，優(yōu)選100W至250W。在大型的系統(tǒng)中，使用200W至2000W、優(yōu)選400W至1000W的功率。盡管如此仍可以實現(xiàn)具有便于使用的尺寸的電動工具機10，其一方面可以由使用者的手包圍或握住并且另一方面提供了足夠用于加工的功率。至少一個激勵執(zhí)行器100的最大電激勵磁場強度可以處于300V/mm之下的范圍中（關(guān)于壓電激活材料的厚度、特別是盤厚度），優(yōu)選地處于50V/mm和220V/mm之間的范圍中。當(dāng)激勵執(zhí)行器100的盤厚度典型為1mm至10mm、優(yōu)選為2mm至6mm、特別是在5mm周圍時，電壓處于1000V以下。這能有利地實現(xiàn)：在有利的小尺寸時具有足夠的機械輸出功率的手持式電動工具機10中的激勵執(zhí)行器100的使用。至少一個激勵執(zhí)行器100的工作頻率可以在10kHz和1000kHz之間的范圍中，優(yōu)選地在30kHz和50kHz之間，特別是在35kHz和45kHz之間，特別優(yōu)選在40kHz周圍。隨著頻率升高，組件的結(jié)構(gòu)尺寸減小并且振蕩系統(tǒng)的機械負(fù)載升高，其中，在電動工具機的高輸出功率和有利的重量的情況下，在選出的頻率范圍中得出了有利的尺寸比例。

工作電壓單元90的輸出電壓可以在利用電化學(xué)存儲器供電時處于從3V至100

VDC的范圍中，優(yōu)選處于從3.5V至40V的范圍中，特別地為36V、24V、18V、14.4V、12V、10.6V、7.2V和3.6V。有利地可以使用電池組或可再充電的蓄電池組，器是足夠小且輕的，以便在高輸出功率時還能確保電動工具機的良好的操作性。

為了實現(xiàn)無電源（netzfrei）的運行，可以利用高的功率密度在重量較低的情況下有利地使用基于鋰離子（Li-Ion）或鎳金屬氫化物（NiMeH）、鎳鎘（NiCd）的電池。替代地也可以使用鉛電池和類似物。

各個電動工具機10具有用于輸出信息信號的裝置300，該信息信號能與電動工具機10的至少一個運行參數(shù)相關(guān)地輸出。裝置300被設(shè)計用于，與當(dāng)前的運行參數(shù)相關(guān)地改變信息信號的頻率和/或振幅。該信息信號優(yōu)選地在電動工具機10的整個運行期間被輸出。這可以連續(xù)地或還能以脈動的方式實現(xiàn)。

根據(jù)圖1的電動工具機10例如具有帶有揚聲器302、例如壓電揚聲器的裝置300，該揚聲器在電動工具機10運行期間輸出具有低音量的、對于使用者愉悅的聲音信號、例如440Hz的正弦波，以便告知當(dāng)前的運行狀態(tài)（例如接通/斷開）。信息信號在其頻率和/或其音量方面可以變化，由此使用者例如可以在切割時無偏差地獲悉當(dāng)前需要的超聲波功率。該頻率例如可以類似于電機驅(qū)動的電動工具機的噪音圖從空轉(zhuǎn)基頻聲出發(fā)隨著加工功率升高而降低。

根據(jù)圖2的電動工具機10例如具有裝置300，該裝置具有在手柄部件40中的振動單元304和在工具60附近的照明裝置306。在一種實施方式中例如可以如此安置照明裝置304，使得利用它直接對工作工具60進(jìn)行照明。由此，同時實現(xiàn)了工作面的照明和將狀態(tài)反饋給使用者，而不需要使用者把視線從真正的加工過程中移開。為此，照明裝置304可以相前照射或者例如安置在殼體端面上。

在電動工具機10運行期間，能以低振幅實現(xiàn)對于使用者來說可感知的、手柄部件40的輕微振動，以便告知當(dāng)前的運行狀態(tài)（例如接通/點開），而不會影響電動工具機10的操作。信息信號在其頻率和/或其振幅方面可以變化，由此使用者例如可以在鉆孔時無偏差地獲悉當(dāng)前需要的超聲波功率。該頻率例如可以類似于電機驅(qū)動的電動工具機從空轉(zhuǎn)振動出發(fā)隨著加工功率升高而降低。只要運行參數(shù)在其允許范圍內(nèi)，照明裝置306同時例如能以第一種顏色、例如綠色發(fā)光，并且當(dāng)一個或多個運行參數(shù)、例如運行溫度、電池容量等已經(jīng)達(dá)到臨界值時，以第二種顏色、例如紅色發(fā)光。

根據(jù)圖3的電動工具機10例如具有帶有揚聲器302、例如壓電揚聲器的裝置300，該揚聲器在電動工具機10運行期間利用超聲波輸出具有低音量的、對于使用者愉悅的聲音信號，例如440Hz的正弦波，以便告知當(dāng)前的運行狀態(tài)（例如接通/斷開）。信息信號在其頻率和/或其音量方面可以變化，由此使用者例如可以在打磨時無偏差地獲悉當(dāng)前需要的超聲波功率。如果電動工具機僅利用電機驅(qū)動，則可以終止輸出信息信號。

圖4示出了電路400的一種實施例，其能夠?qū)崿F(xiàn)：從激勵執(zhí)行器100的工作電流中推導(dǎo)出關(guān)于激勵執(zhí)行器100的當(dāng)前所需要的工作功率的信息。數(shù)字系統(tǒng)控制器402控制電子單元200的功率電子裝置404，其加載工具60或激勵執(zhí)行器100。在此，工作電流410流向激勵執(zhí)行器100。

當(dāng)前的激勵器電流振幅的測量信號412可以在操作放大器406中的相應(yīng)的電平匹配之后通過電壓受控制的振蕩器408提供給例如具有揚聲器302的裝置300。以相應(yīng)的方式，這當(dāng)然也可以利用裝置300的直接控制部414通過數(shù)字系統(tǒng)控制器402實現(xiàn)。

在另一種設(shè)計方案中，替代電流也可以考慮激勵電壓或直接求得的或計算出的運行功率作為用于聲音信號的參考變量。

示例性示出的電路400不僅適用于手持式電動工具機，而是也適用于超聲波穩(wěn)定器，該超聲波穩(wěn)定器包括這種用于輸出信息信號的裝置300，該信息信號可以與超聲波穩(wěn)定器的至少一個運行參數(shù)相關(guān)地輸出，并且其中裝置300被設(shè)計用于與一個當(dāng)前的運行參數(shù)相關(guān)地改變信息信號的頻率和/或振幅。

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發(fā)明人：J.羅澤