发明解读

具有超声波激励装置的电动工具机

DE 42 91 110 T1公开了一种用于在治疗患者时或在实现治愈后移除石膏绷带和塑料成型绷带的超声波切割装置。为了显示出超声波切割装置的运行状态并且作为警告：即切割刃处于切割的工作状态中，提出了一种声学的信号发生器，其在操纵开关时发出蜂鸣信号。

发明内容：

发明基于一种电动工具机，其包括区域，所述区域具有：用于能线性地和/或振荡地驱动的工具的超声波激励装置；用于所述超声波激励装置的驱动单元；用于为所述驱动单元加载至少控制和/或调节信号的电子单元；以及工作电压单元，其中所述驱动单元包括至少一个超声波激励执行器，所述超声波激励执行器在运行时由所述工作电压单元供电并且由所述电子单元控制或调节，其中装置用于输出信息信号，所述信息信号能与所述电动工具机的至少一个运行参数相关地输出。

所述装置被设计用于：与一个或多个当前的运行参数相关地来改变所述信息信号的频率和/或振幅。通过信息信号，可以实现将系统功率或也将其它系统参数反馈给使用者。并且所述信息信号的第一组成部分能与第一运行参数相关联，并且所述信息信号的第二组成部分能与第二运行参数相关联。

电动工具机基本上无噪音地工作，从而使用者可以从信息信号识别出：电动工具机是否处于运行中。优选地，只要激励执行器处于运行中，就发出信息信号。电动工具机的运行安全性得到提高。信息信号例如可以是可听到的声音、可感觉到的振动和/或可看到的照明。通过可变化的信息信号可以将电动工具机的当前的运行状态通知给使用者，而不会使得该运行状态与其本来的利用电动工具机进行的加工活动偏离。使用者可以通过信息信号获知例如当前需要的超声波功率。

在此，工具可以是嵌入式工具，其可拆卸地与激励执行器连接，或者其可以与激励执行器固定连接，例如材料配合地（stoffschlüssig）或传力配合地（kraftschlüssig）连接。电动工具机特别是加工机，利用其加工或改变物体或表面，例如钻孔器、冲击钻机、切割装置、磨机、铣刀、锯、焊接器和类似机械。激励执行器可以形成工具的唯一的驱动器，或者也可以设有一个或多个其它的驱动组件、例如电机，其中也可以将工作运动相叠加。不同的驱动组件可替代地或组合地运行。至少一个激励执行器可以形成电动工具机的主耗能器，优选地可以设置至少50%的电输入功率用于该主耗能器。在一种有利的改进方案中可以为激励执行器设置至少75%的、优选至少80%的电输入功率。电动工具机的工作进展在使用超声波时特别大，从而可能的另一个耗能器、特别是另一个驱动组件、例如电机可以设计得更小。因此也可以使得驱动装置和所属的电子组件以及能量供给装置失灵的可能性更小（kleiner ausfallen），这又实现了手持式电动工具机的改进的操作舒适性和改进的操作。

电动工具机可以利用电池运行或替代地或附加地还配有电源线。电动工具机可以包括多个部件，这些部件安置在单独的壳体中，其中使用者例如仅握住其中布置有真正的工具区域的壳体。有利地，电动工具机可以是高工作功率的手持式机器，其中所有的组件集成在一个唯一的壳体中，从而使用者可以舒适地用手握住和引导这些组件，而不会受到通向单独的控制器的电缆连接部的干扰。

当激励执行器可以利用其谐振频率运行时，在足够高质量的振荡系统中相应于电输入功率的特别高的机械输出功率可以被发出。激励执行器例如可以设计成构造方式为朗之万振荡器的压电执行器。激励执行器的具有该谐振频率的谐振系统包括朗之万振荡器，其具有压电激活材料和耦合到该振荡器上的组件、特别是使超声波增强和/或传输至加工位置的组件。这些组件例如已知为放大器或超声振荡单元。这能实现结构尺寸减小并提供了一种紧凑的装置。有利地，因此实现了高效率的紧凑的电动工具机，其同时便于使用。

根据发明的一种有利的设计方案，该装置可以被设计用于：随着增加的加工功率而减小信息信号的频率和/或振幅。在可听到的信息信号中，频率的较小例如基于空转基频声模拟了电机驱动的机器的噪音图。可听到的信息信号也可以（通过振幅）在音量方面进行改变。替代地，该装置可以被设计用于，随着增加的加工功率而升高频率和/或振幅。无论如何都可以通过与运行状态相关的可变的信息信号将电动工具机的当前的运行状态通知给使用者，而不会使得该运行状态偏离于其本来的加工活动。

根据发明的一种有利的设计方案，用于改变频率和/或振幅的装置可以如此与工作电压单元耦合，使得所述频率和/或振幅能与当前的工作电流或当前的工作电压相关地进行调节。工作电流和工作电压可容易地得到并且可以有利地被考虑用于改变信息信号。

根据发明的一种有利的设计方案，所述信息信号的第一组成部分能与第一运行参数相关联，并且所述信息信号的第二组成部分能与第二运行参数相关联。因此例如频率可以用作所需的超声波功率的指示并且音量用作用于激励执行器的激励振幅的指示。

根据发明的一种有利的设计方案，装置可以被设计用于：在达到临界的运行参数时发出警报。因此达到或超过运行界限可以被信号化。其它的临界的运行参数同样能以这种方式显示，例如达到例如控制电子装置或激励执行器的最大允许的温度水平；在无电缆的电动工具机中达到最小的电池容量；加工不合适的材料；未按规定设置的超声振荡单元工具；其它一般性的系统故障。

根据发明的一种有利的设计方案，装置可以包括扬声器装置，例如具有压电扬声器。可以发出具有愉悦的低音量的令人愉悦的空转基频声，其例如可以相应于当前需要的工作功率在频率和/或功率方面进行变化。替代地或附加地，根据本发明的一种有利的设计方案，该装置可以包括机械的振动单元，优选地在壳体的手柄区域中。替代地或附加地，根据本发明的另一种有利的设计方案，该装置可以包括照明单元。在此，颜色和/或音量可以变化。照明单元可以被设计用于：照亮工作区域。使用者可以“从眼角”察觉到这一点，而不需要专门观察指示器。使用者可以分别保存视野中的工作区域并且不会由于观看装置显示器或显示屏上而转向。

根据发明的另一个方面，提出了一种超声波稳定器，所述超声波稳定器包括用于输出信息信号的装置，所述信息信号能与超声波稳定器的至少一个运行参数相关地输出，其中所述装置被设计用于：与当前的运行参数相关地来改变信息信号的频率和/或振幅。这种超声波稳定器例如可以是超声波焊接器、超声波切割装置、超声波筛选系统、超声波喷雾器或者超声波雾化器。在此，如果使用者通过信息信号得知该装置处于运行中，则也可以提高运行安全性。

具体实施方式：

图1、图2和图3示出了电动工具机10的不同实例。图1示出了具有长形伸展的壳体形状的切割装置；图2示出了具有T形的壳体形状的钻孔器，以及图3示出了弯把手提砂轮机，其中设计为砂轮的工具60除了其旋转的工作运动之外还置于高频振荡中。

图1　作为切割装置的设计方案中手持式电动工具机的一种实例

图2　作为钻孔器的设计方案中手持式电动工具机的另一种实例

图3　设计成弯把手提砂轮机的电动工具机

图4　用于产生信息信号的电路

各个手持式电动工具机10包括具有手柄区域40的壳体20。使用者在手柄区域40处握住电动工具机10并且可以引导电动工具机10。手柄区域40必要时可以利用未示出的减振元件相对于其它壳体区域退耦。电动工具机10还包括用于能线性地和/或振荡地驱动的工具60的工具区域50，例如刀具（图1）或钻头（图2）、砂轮（图3）或相应于另一种装置类型的另一种工具。

各个电动工具机10还包括区域50，该区域具有：用于能线性地和/或振荡地驱动的工具60的超声波激励装置；用于超声波激励装置的驱动单元80；用于为驱动单元80加载至少控制和/或调节信号的电子单元200 （在图3中未详细示出）；以及工作电压单元90 （在图3中未详细示出），其中驱动单元80包括至少一个具有激励激活材料（anregungsaktivesMaterial）的体积的激励执行器（Anregungsaktor）100，该激励执行器在运行时由工作电压单元90供电并且由电子单元200进行控制或调节。

驱动单元80、电子单元200和工作电压单元90可以如此分布在壳体20中，使得质量重心位于手柄部件40的区域中。使用者可以安全且舒适地操纵电动工具机10。

壳体侧的操作部件30用于在使用者侧激活工具60和/或电动工具机10。操作部件30例如可以是开关或调节器或者也可以包括多个操作元件，其中例如一个操作元件可以被设计用于接通电动工具机10和一个操作元件可以被设计用于接通和/或调节工具60。

在壳体20中布置有驱动单元80，该驱动单元在根据图1和图2的实例中包括仅一个驱动组件，该驱动部件通过激励执行器100、例如压电激励的朗之万振荡器（Langevin-Schwinger）（也称为压电执行器）形成，该振荡器具有压电激活材料102的体积。当加载了高频电压时，以自身已知的方式产生超声波，该超声波通过耦合元件106、例如超声振荡单元引导至工具60。耦合元件106可以是本身已知的超声振荡单元（Sonotrode）。耦合元件106的长度和形状以及材料确定了激励执行器100的谐振频率。工具60也可以影响谐振频率。在图1和图2中的实施例变型中如此设计激励执行器100，使得朗之万振荡器与耦合元件106组合在一个单元中，并且其总长度大约相应于超声波振荡的一半波长λ/2。可以提出其它实施例变型，即激励执行器100由具有长度λ/2的多个组件组成。其可以是：振荡发生器，已知为转换器，特别是例如朗之万振荡器、振幅变换元件104 （已知为放大器）、必要时延长元件、以及耦合元件106 （已知为超声振荡单元）。然而激励执行器100也可以设计成磁阻式执行器，其中可以通过施加外部磁场来改变电阻。

压电激活材料的体积可以是至少0.2 cm 3、优选0.5 cm 3，由其至少1 cm 3。有利地，可以在激励执行器的结构尺寸较小时实现足够的超声波功率。至少一个激励执行器100关于至少一个激励执行器100的压电激活材料的体积可以具有至少5W/ cm 3、优选至少20W/ cm 3 的功率密度。相应高的功率密度对于具有尽可能小的尺寸和低的制造成本的手持式紧凑型电动工具机10来说是有利的。

布置在壳体20中的电子单元200用于为驱动单元80加载至少控制和/或调节信号，以及用于为激励执行器100供电。在此设计为具有电池或可重复充电的蓄电池的电池或蓄电池组92的工作电压单元90用于为电子单元200提供直流电压，该电子单元将工作电压转换为高频电压信号，利用该高频电压信号以期望的方式将激励执行器100激励至振荡。

激励执行器100可以在工具尖端上具有至少3μm、优选至少8μm、特别是至少12μm的振荡振幅。相应高的振荡振幅对于良好地将功率传递到工件上以及进而对于通过电动工具机10实现高的工作进展来说是有利的。在电子单元200的输入侧，用于加载至少一个激励执行器的电功率可以是至少20W。因此可以有利地确保用于电动工具机的足够的功率。常见的功率在修理工领域（Heimwerkerbereich）中，对于小的切割系统来说例如在20W和250W之间，优选50W至150W。对于功率更强的应用来说，例如钻孔，需要50W至1000W、优选200W至500W的功率。在职业的修理工领域中，用于小型系统的功率需求大约在50W和400W之间，优选100W至250W。在大型的系统中，使用200W至2000W、优选400W至1000W的功率。尽管如此仍可以实现具有便于使用的尺寸的电动工具机10，其一方面可以由使用者的手包围或握住并且另一方面提供了足够用于加工的功率。至少一个激励执行器100的最大电激励磁场强度可以处于300V/mm之下的范围中（关于压电激活材料的厚度、特别是盘厚度），优选地处于50V/mm和220V/mm之间的范围中。当激励执行器100的盘厚度典型为1mm至10mm、优选为2mm至6mm、特别是在5mm周围时，电压处于1000V以下。这能有利地实现：在有利的小尺寸时具有足够的机械输出功率的手持式电动工具机10中的激励执行器100的使用。至少一个激励执行器100的工作频率可以在10kHz和1000kHz之间的范围中，优选地在30kHz和50kHz之间，特别是在35kHz和45kHz之间，特别优选在40kHz周围。随着频率升高，组件的结构尺寸减小并且振荡系统的机械负载升高，其中，在电动工具机的高输出功率和有利的重量的情况下，在选出的频率范围中得出了有利的尺寸比例。

工作电压单元90的输出电压可以在利用电化学存储器供电时处于从3V至100

VDC的范围中，优选处于从3.5V至40V的范围中，特别地为36V、24V、18V、14.4V、12V、10.6V、7.2V和3.6V。有利地可以使用电池组或可再充电的蓄电池组，器是足够小且轻的，以便在高输出功率时还能确保电动工具机的良好的操作性。

为了实现无电源（netzfrei）的运行，可以利用高的功率密度在重量较低的情况下有利地使用基于锂离子（Li-Ion）或镍金属氢化物（NiMeH）、镍镉（NiCd）的电池。替代地也可以使用铅电池和类似物。

各个电动工具机10具有用于输出信息信号的装置300，该信息信号能与电动工具机10的至少一个运行参数相关地输出。装置300被设计用于，与当前的运行参数相关地改变信息信号的频率和/或振幅。该信息信号优选地在电动工具机10的整个运行期间被输出。这可以连续地或还能以脉动的方式实现。

根据图1的电动工具机10例如具有带有扬声器302、例如压电扬声器的装置300，该扬声器在电动工具机10运行期间输出具有低音量的、对于使用者愉悦的声音信号、例如440Hz的正弦波，以便告知当前的运行状态（例如接通/断开）。信息信号在其频率和/或其音量方面可以变化，由此使用者例如可以在切割时无偏差地获悉当前需要的超声波功率。该频率例如可以类似于电机驱动的电动工具机的噪音图从空转基频声出发随着加工功率升高而降低。

根据图2的电动工具机10例如具有装置300，该装置具有在手柄部件40中的振动单元304和在工具60附近的照明装置306。在一种实施方式中例如可以如此安置照明装置304，使得利用它直接对工作工具60进行照明。由此，同时实现了工作面的照明和将状态反馈给使用者，而不需要使用者把视线从真正的加工过程中移开。为此，照明装置304可以相前照射或者例如安置在壳体端面上。

在电动工具机10运行期间，能以低振幅实现对于使用者来说可感知的、手柄部件40的轻微振动，以便告知当前的运行状态（例如接通/点开），而不会影响电动工具机10的操作。信息信号在其频率和/或其振幅方面可以变化，由此使用者例如可以在钻孔时无偏差地获悉当前需要的超声波功率。该频率例如可以类似于电机驱动的电动工具机从空转振动出发随着加工功率升高而降低。只要运行参数在其允许范围内，照明装置306同时例如能以第一种颜色、例如绿色发光，并且当一个或多个运行参数、例如运行温度、电池容量等已经达到临界值时，以第二种颜色、例如红色发光。

根据图3的电动工具机10例如具有带有扬声器302、例如压电扬声器的装置300，该扬声器在电动工具机10运行期间利用超声波输出具有低音量的、对于使用者愉悦的声音信号，例如440Hz的正弦波，以便告知当前的运行状态（例如接通/断开）。信息信号在其频率和/或其音量方面可以变化，由此使用者例如可以在打磨时无偏差地获悉当前需要的超声波功率。如果电动工具机仅利用电机驱动，则可以终止输出信息信号。

图4示出了电路400的一种实施例，其能够实现：从激励执行器100的工作电流中推导出关于激励执行器100的当前所需要的工作功率的信息。数字系统控制器402控制电子单元200的功率电子装置404，其加载工具60或激励执行器100。在此，工作电流410流向激励执行器100。

当前的激励器电流振幅的测量信号412可以在操作放大器406中的相应的电平匹配之后通过电压受控制的振荡器408提供给例如具有扬声器302的装置300。以相应的方式，这当然也可以利用装置300的直接控制部414通过数字系统控制器402实现。

在另一种设计方案中，替代电流也可以考虑激励电压或直接求得的或计算出的运行功率作为用于声音信号的参考变量。

示例性示出的电路400不仅适用于手持式电动工具机，而是也适用于超声波稳定器，该超声波稳定器包括这种用于输出信息信号的装置300，该信息信号可以与超声波稳定器的至少一个运行参数相关地输出，并且其中装置300被设计用于与一个当前的运行参数相关地改变信息信号的频率和/或振幅。

授权公告号：CN102574280B

授权公告日：2016.08.03

专利权人：罗伯特·博世有限公司

地址：德国斯图加特

发明人：J.罗泽