DE3142682C2

DE3142682C2 - Elektrowerkzeug, insbesondere Handwerkzeug

Info

Publication number: DE3142682C2
Application number: DE3142682A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. 6270 Idstein Goldelius
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1981-10-28
Filing date: 1981-10-28
Publication date: 1986-06-19
Also published as: GB2108272A; IT1153607B; FR2515344B1; US4534420A; DE3142682A1; IT8223970A0; GB2108272B; FR2515344A1

Abstract

Ein Elektrowerkzeug, insbesondere ein Handwerkzeug ist mit einer Drehmomentüberwachung versehen. Dazu sind die das Reaktionsdrehmoment des Elektromotors (1, 2) aufnehmenden Stützlager im Gehäuse (4) des Werkzeugs mit Drucksensoren (6) in Form von leitendem Kunststoffmaterial ausgestattet, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug, insbesondere Handwerkzeug, mit einer Drehmomentüberwachung unter Verwendung eines den Elektromotor des Werkzeugs beeinflussenden Meßgliedes, dessen elektrischer Widerstand von der mechanischen Belastung abhängt

Bei einem bekannten Elektrowerkzeug der vorstehend genannten Art (DE-OS 24 42 260) wird zur Überwachung und gegebenenfalls Begrenzung des Drehmomentes und damit der Beseitigung von Unfallgefahren bei den zunehmend höheren Leistungen und Drehmomenten solcher Werkzeuge die Verformung des Hand-S griffs gegenüber dem Gehäuse gemessen und abhängig von dem Meßwert der Antriebsmotor gesteuert Zur Meßwerterfassung benutzt das bekannte Werkzeug Dehnungsmeßstreifen oder Piezowiderstände, die vorzugsweise in einem Bereich mit vermindertem Gehäusequerschnitt angeordnet sind.

Die Erfassung des Drehmomentes bei dem bekannten Werkzeug hat zum einen den Nachteil daß Dehnungsmeßstreifen und piezoelektrisch arbeitende Fühler nur sehr kleine Meßwerte liefern, deren Verarbeitung aufwendig und störanfällig ist Die Messung der Gehäusebeanspruchung im Bereich des Handgriffes bedeutet außerdem, daß für jede Gehäuseausführung eine aufwendige Anpassung des Meßwertaufnehmers samt Schaltung erforderlich ist Darüber hinaus besteht die Gefahr,

daß die Überwachung dann nicht funktioniert wenn das Werkzeug unter besonderen Umständen oder aus Unachtsamkeit nicht am Handgriff erfaßt wird, oder Zusatzgeräte die Belastung des Handgriffs verringern oder verhindern.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Elektrowerkzeug mit einer einfachen, zuverlässigen und empfindlichen Drehmomentüberwachung zu schaffen, die universell einsetzbar ist Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Elektrowerkzeug der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein das Reaktionsdrehmoment des Elektromotors aufnehmendes Stützlager im Gehäuse des Werkzeugs als Meßglied wenigstens einen Drucksensor aus elektrisch leitendem Kunststoffmaterial enthält, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert

Die Erfassung des Drehmomentes am elektrischen Antriebsmotor ermöglicht den Einsatz in Werkzeugen unterschiedlicher Form und Art, beispielsweise in elektrischen Handbohrmaschinen, Handsägen usw. Die von den Drucksensoren gelieferten Meßwerte sind verhältnismäßig hoch, weil sich der elektrische Widerstand des leitenden Kunststoffmaterials verhältnismäßig stark mit dem Druck ändert beispielsweise um mehrere Zehnerpotenzen. Daher kann die Auswerteschaltung einfach und zuverlässig sein. Die Drucksensoren selbst sind unempfindlich, zuverlässig und von hoher Lebensdauer, eignen sich also für den rauhen Betrieb bei Elektrowerkzeugen.

so Druckempfindlich leitendes Kunststoffmaterial, das auch als »Leitplastik« bezeichnet wird, ist in vielerlei Varianten bekunnt Beispielsweise wird Silikonkautschuk, vermischt mit Metallteilchen oder Kohlestaub verwendet (DE-AS 25 43 455). Bekannt ist auch die Verwendung eines solchen Materials als druckempfindlicher Schalter zur Überlastsicherung (DE-PS 20 45 385) sowie als stetig veränderbarer Widerstand zur Regelung der Stromaufnahme von Verbrauchern, beispielsweise zur Drehzahlsteuerung von Handbohrmaschinen (US-PS 33 86 067).

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So können die Drucksensoren Plättchen aus druckempfindlich leitendem Kunststoffmaterial aufweisen, die zusammen mit zwei Elektroden in einem aus zwei gegeneinander beweglichen Schalen gebildeten Gehäuse angeordnet sind. Statt der gegeneinander beweglichen Schalen kann auch ein einstückiges, elastisches Gehäuse Verwendung finden.

Der Elektromotor weist zweckmäßig zwei sich gegenüberliegende Stützlager auf, von denen eines oder beute zwei Drucksensoren enthält, zwischen denen ein Druckglied liegt, wobei das Druckglied am Motor befestigt ist und die Drucksensoren sich am Gehäuse abstützen oder umgekehrt Die beiden Drucksensoren mit je einem Plättchen aus druckempfindlich leitendem Kunststoffmaterial und zwei Elektroden können dabei vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein, das eine öffnung für den Durchtritt des Druckgliedes besitzt Die Drucksensorenpaare liegen dann in Form eines handlichen und geschützten Bauteils vor.

Wenn der Motor des Werkzeugs entsprechend einer häufig verwendeten Ausführungsform im Querschnitt zwei sich gegenüberliegenden Abflachungen besitzt, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Stützlager durch je wenigstens einen, zwischen der Abflachung des Motors und einer benachbarten Wand des Gehäuses angeordneten Drucksensor gebildet sind. Vorzugsweise werden dabei je Abflachung zwei Drucksensoren vorgesehen, die in Vertiefungen der Gehäusewand liegen. Wenn der Motor sich bei Belastung durch das Reaktionsmoment verdrehen will, werden die Stützlager, die gleichzeitig Drucksensoren sind, durch die sich dann verkantenden Abflachungen belastet und liefern entsprechende Meßwerte.

Im einfachsten Fall kann eine Meßschaltung vorgesehen sein, die in bekannter Weise den elektrischen Widerstand des Dnicksensors mißt. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit unter gleichzeitiger Verringerung von Störgrößen ergibt sich jedoch, wenn vier Drucksensoren so zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß sich für jede Drehrichtung des Motors jeweils die beiden gleichsinnig beaufschlagten Drucksensoren diagonal in der Brücke gegenüberliegen, wobei die Speisespannung der Brückenschaltung an einer Brükkendiagonalen zugeführt wird und die den Motor beeinflussende Meßspannung an der anderen Brückendiagonalen abgenommen wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch den Querschnitt eines Elektromotors mit vier Drucksensoren zur Drehmomentüberwachung als Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 2 schematisch den Querschnitt eines Elektromotors mit einer Drehmomentüberwachung als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 3 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Drucksensors, der bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 1 und 2 Verwendung finden kann;

F i g. 4 schematisch den Querschnitt eines Elektromotors mit Drehmomentüberwachung als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 5 das linke Stützlager des Motors gemäß Γ i g. 4 in vergrößerter Darstellung;

Fig.6 eine Brückenmeßschaltung zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Der schematisch in F i g. 1 dargestellte Elektromotor eines Handwerkzeugs, beispielsweise einer elektrischen Bohrmaschine, besitzt einen Ständer 1 und einen Läufer 2, die ohne Wicklungen und sonstige Einzelheiten, beispielsweise Lager. Kollektor, Schleifkohlen, Stromzuführungen usw. dargestellt sind. Der Ständer 1 hat zylindrische Außenform mit zwei Abflachungen 3, die ebene, in Richtung der Drehachse verlaufende Flächen auf der Ober- und Unterseite bilden. Der Motor ist in einem ebenfalls nur schematisch dargestellten Gehäuse 4 gelagert dessen Form an die des Ständers 1 angepaßt ist

Gegenüber den Abflachungen 3 besitzt das Gehäuse

4 jeweils kammerartige Vertiefungen 5. in denen im

Querschnitt rechteckige Plättchen aus druckempfind-

lieh leitendem Kunststoffmaterial als Orucksensoren 6 liegen.

Die Drucksensoren 6 können entsprechend der genaueren Darstellung in Fig.3 ausgebildet sein. Das Plättchen liegt zwischen zwei Halbschalen 7 aus isolie-

H) rendem Material, die gegeneinander verschoben werden können. Zwischen jeder Halbschale 7 und dem Plättchen ist eine Elektrode 8 in Form einer Metallfolie oder eines Metallplättchens angeordnet Anschlußleitungen 9 führen von den Elektroden 8 nach außen. In Fig.3 ist der Drucksensor zur Verdeutlichung leicht auseinandergezogen gezeichnet Im Betrieb liegen die Schalen 7 unter Zwischenlage der Elektroden 8 dicht am Plättchen an. Der zwischen den Elektroden 8 meßbare Widerstand ändert sich dann sehr stark mit dem auf die Halbschalen 7 ausgeübten Druck, beispielsweise zwischen einem Megohm im drucklosen Zustand und 100 Ohm bei maximalem Druck. Der Widerstandsbereich läßt sich durch Auswahl eines entsprechenden Kunststoffmaterials sowie auch durch die Größe und Form des Plättchens und die Größe und Form der Elektroden beeinflussen und auf einen gewünschten Wert bringen.

Wenn der Motor gemäß F i g. 1 belastet wird, versucht der Ständer 1 sich aufgrund des Reaktionsdrehmomentes gegenüber dem Gehäuse 4 zu drehen und übt dabei mit seinen Abflachungen 3 Druck auf ein sich diagonal gegenüberliegendes Paar von Drucksensoren 6 aus. Die sich dadurch ergebende Widerstandsänderung kann in einer nachfolgenden an sich bekannten Schaltung zur Begrenzung des Drehmomentes und gegebenenfalls auch Abschaltung ausgenutzt werden. Bei Umkehrung der Drehrichtung wird das andere Paar von Drucksensoren 6 beaufschlagt.
Zweckmäßig schaltet man die Drucksensoren 6 zu einer Brückenschaltung gemäß F i g. 6 zusammen. Dabei liegen jeweils zwei druckabhängige Widerstände, die sich im Motor diagonal gegenüberliegen, auch in der Brückenschaltung in diagonal gegenüberliegenden Zweigen. Eine Speisespannung liegt in üblicher Weise an einer Brückendiagonale, und die andere Brückendiagonale liefert die Meßspannung.

F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Der Ständer 1 und Läufer 2 des Motors sind ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ausgebildet. Der Ständer 1 hat jedoch zylindrischen Querschnitt ohne Abflachungen. Der Motor stützt sich mit zwei als Stifte oder Laschen ausgebildete Druckzylinder 10, die am Ständer 1 angebracht sind, zwischen je zwei Drucksensoren 6 ab, die wiederum gemäß F i g. 3 ausgebildet sein können und in Ausnehmungen 11 des Gehäuses 4 liegen. Anschlußleitungen 9 führen zu einer Meßschaltung, die wiederum eine Brückenschaltung gemäß F i g. 6 enthalten kann. Bei einer Belastung des Motors werden ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 jeweils zwei sich diagonal gegenüberliegende Drucksensoren 6 belastet und die anderen Sensoren entlastet.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 4 zeigt schematisch einen etwas anderen Elektromotor, der wiederum einen Ständer 1 und einen Läufer 2 besitzt. Auch hier sind wiederum die Einzelheiten des Motors weggelassen, weil sie für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. Der Motor ist im Gehäuse 4, das nur schematisch als Wand dargestellt ist, mit Hilfe

von Paaren von Drucksensoren 6 gelagert, deren Aufbau F i g. 5 im einzelnen zeigt. Jedes Drucksensorpaar stellt ein in sich geschlossenes Bauteil dar, das einerseits in einer Ausnehmung 13 des Ständers 1 liegt und sich mit einem Druckglied 10 in Form einer Platte in einem Schlitz 15 der Wand 4 abstützt.

Gemäß F i g. 5 sind in einem aus isolierendem Material bestehenden Gehäuse 16 zwei Plättchen mit Rechteckquerschnitt und jeweils zwei Elektroden 8 angeordnet. Zwischen den beiden inneren Elektroden 8 liegt das Metallplättchen 14 als Druckglied, das den Druck auf die Plättchen aus leitendem Kunststoffmaterial überträgt. Es führt durch eine seitliche öffnung 17 aus dem Gehäuse 16 heraus und stützt sich im Schlitz 15 der Wand 4 ab. Die Funktion des Ausführungsbeispiels nach F i g. 4 und 5 ist die gleiche wie bei den anderen Ausführungsbeispielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

20

40

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrowerkzeug, insbesondere Handwerkzeug, mit einer Drehmomentüberwachung unter Verwendung eines den Elektromotor (1,2) des Werkzeugs beeinflussenden Meßgliedes (6), dessen elektrischer Widerstand von der mechanischen Belastung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein das Reaktionsdrehmoment des Elektromotors (1,2) aufnehmendes Stützlager im Gehäuse (4) des Werkzeugs als Meßglied wenigstens einen Drucksensor (6) aus elektrisch leitendem Kunststoffmaterial enthält, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert

2. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Drucksensor (6) ein Plättchen aus druckempfindlich leitendem Kunststoff material aufweist, das zusammen mit zwei Elektroden (8) in einem aus zwei gegeneinander beweglichen Haibschaien (7) gebildeten Gehäuse angeordnet ist (F ig. 3).

3. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1,2) zwei sich gegenüberliegende Stützlager aufweist, von denen wenigstens eins zwei Drucksensoren (6) aufweist, zwischen denen ein Druckglied (10) liegt, und daß das Druckglied (10) am Motor (1) befestigt ist und die Drucksensoren am Gehäuse (4) abgestützt sind oder umgekehrt (F i g. 2,4,5).

4. Elektrowerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Drucksensoren (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (16) angeordnet sind, in welches das Druckglied (10) durch eine öffnung (17) hineinragt (F ig. 5).

5. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, dessen Motor im Querschnitt zwei sich gegenüberliegende Abflachungen (3) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützlager durch je wenigstens einen, zwischen der Abflachung (3) des Motors (1, 2) und einer benachbarten Wand (4) des Gehäuses angeordneten Drucksensor (6) gebildet sind.

6. Elektrowerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß je Abflachung (3) zwei Drucksensoren (6) vorgesehen sind, die in Vertiefungen (5) der Gehäusewand (4) liegen.

7. Elektrowerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Drucksensoren (6) so zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß sich für jede Drehrichtung des Motors jeweils die beiden gleichsinnig beaufschlagten Drucksensoren diagonal gegenüberliegen, daß die Speisespannung der Brückenschaltung an einer Brückendiagonalen anliegt und daß die den Motor beeinflussende Meßspannung an der anderen Brückendiagonale abgenommen wird (F i g. 6).