Schalter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter mit einer längs einer Bahn zwischen einer Ruheposition und zumindest einer Schaltposition beweglichen Masse, zumindest einem ersten Rückstellelement, das die Masse in ihre Ruheposition vorspannt und einem über die Masse betätigten Schaltkontakt.

Derartige Konstruktionen sind von Schaltern bekannt, die z.B. als Trägheitssensoren eingesetzt werden.

An Schalter werden allgemein zwei Anforderungen gestellt, die eine betrifft die Schließkraft und die andere die Mindestschließdauer. Bei der Schließkraft wird gefordert, daß sie unabhängig von der Betätigungskraft ist, damit unabhängig von der Größe der zur Betätigung des Schalters aufgewandten Kraft dieser sicher schließt. Zu diesem Zweck sind Überdrückungs-/Überschnappungsmechanismen vorgesehen, bei denen z.B. eine Schnappfeder bei Überschreitung einer Mindestbetätigungskraft von ihrer Ruheposition in ihre Schaltposition umschnappt und dabei für eine definierte Zeit mit einer definierten Kraft den Schaltkontakt betätigt. Diese Mindestbetätigungskraft wird häufig durch eine Schaltfeder vorgegeben.

Durch diesen Mechanismus wird gleichzeitig die zweite Anforderung erfüllt, der Schalter bleibt für eine Mindestschließzeit geschlossen, während derer er nicht prellt.

Derartige Schalter sind kompliziert aufgebaut, wobei sich die Mindestbetätigungskraft häufig nicht exakt einstellen läßt. Der für die Überdrückungsfunktion vorgesehene Mechanismus weist nämlich zum einen eine eigene Toleranz aus und wirkt zum anderen auf die Schaltfeder rück, so daS sich die Toleranzen addieren und bei der Mindestbetätigungskraft eine größere Unsicherheit in Kauf genommen werden muß.

Bei den eingangs erwähnten Sensoren sind derartige Mechanismen für Überdrückung/Überschnappung nicht vorgesehen, die Masse schaltet hier den Schaltkontakt vielmehr selbst. Dazu ist die Masse z.B. selbst elektrisch leitend ausgebildet und gelangt in ihrer Schaltposition in Anlage mit zwei elektrisch leitenden Flächen, die sie überbrückt und damit den Schalter kurzschließt, also schaltet. Der Schaltvorgang wird hier über das Gewicht und/oder die Trägheit der Masse ausgelöst, so daS die Masse selbst mehrere Aufgaben erfüllen muß.

Zum einen kann über die Wahl der Masse und die Eigenschaften des Rückstellelementes die Schaltkraft und die Schaltzeit eingestellt werden, wobei andererseits über die Geometrie und/oder Materialeigenschaften der Masse die Schaltfunktion bewirkt wird. Diese Bindung der wichtigsten Eigenschaften eines Schalters, nämlich der Ansprechschwelle, der Schaltzeit und der sicheren Schließfunktion an die Masse, führt dazu, daß der Fertigungsaufwand und die Herstellungskosten bei dem bekannten Schalter sehr hoch sind.

Da derartige Schalter auch bei Anwendungen eingesetzt werden, wo es zu impulsartigen Kraftausübungen und/oder Beschleunigungen kommt, ist ebenfalls das Kontaktprellen zu berücksichtigen. Ein derartiges Kontaktprellen kann bei dem eingangs erwähnten Trägheitssensor auftreten, wenn die beschleunigte Masse infolge der impulsartigen Beschleunigungen mehrfach von einem Anschlag zurückprallt, wobei die Mindestschließzeiten dann jeweils nicht erfüllt werden.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf konstruktiv einfache und preiswerte Weise einen sicher schließenden Schalter mit definierter, geringer Schaltkraft und kurzer Ansprechzeit zu schaffen, wobei vorzugsweise eine bestimmte Mindestschließdauer erzielt werden soll. Ferner soll der neue Schalter auch nach langen Stillstandszeiten noch zuverlässig arbeiten.

Bei dem eingangs erwähnten Schalter wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Rückstellelement ein Betätigungsteil aufweist, das den Schaltkontakt betätigt, wenn sich die Masse gegen die Kraft des ersten Rückstellelements aus ihrer Ruheposition in Richtung ihrer zumindest einen Schaltposition bewegt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Über die Wahl der Rasse und die Eigenschaften des Rückstellelements werden unabhängig voneinander die erforderlichen Schaltkräfte und Schaltzeiten eingestellt, wobei die Sicherheit des Schaltens dadurch gegeben ist, daß nicht die Masse selbst, sondern vielmehr ein davon unabhängiges Betätigungsteil die Schaltfunktion ausübt. Bei dem neuen Schalter können jetzt relativ einfache Massen eingesetzt werden, die je nach Anforderung unterschiedliche Abmaße und Gewichte aufweisen können. Für jede Variante des neuen Schalters kann jedoch immer dasselbe Betätigungsteil verwendet werden, so daß sich die gesamten Lager- und Produktionskosten deutlich reduzieren.

Der neue Schalter kann als Lagesensor, Kippsensor, Trägheitssensor, Beschleunigungssensor oder auch als Sicherheitsschalter z.B. in der Robotik eingesetzt werden. In der Robotik ist es nämlich bekannt, mit Druckluft gefüllte Schläuche im Bereich von kollisionsgefährdeten Stellen eines Roboters anzubringen, so daß bei Kontakt mit diesen Schläuchen eine Druckwelle ausgelöst wird, die von einem Sicherheitsschalter erkannt wird, der dann den Roboter abschaltet. Mit dem neuen Schalter ist es nun möglich, die Masse über diese Druckwelle zu beschleunigen.

Alle diese Anwendungen sind sehr sicherheitsrelevant und erfordern es, daß der Schalter auch nach langer Nichtbenutzung noch sicher arbeitet. Es ist z.B. möglich, daß der Sicherheitsschalter während langer Betriebszeiten des Roboters nicht einmal anspringen muß, daß aber erst gegen Ende der Lebensdauer des Roboters eine gefährliche Situation auftritt, bei der ggf. sogar Menschen gefährdet werden können. Da die Kontaktgabe bei dem neuen Schalter jetzt von der Masse selbst entkoppelt ist, ist für ein sicheres Schalten gesorgt. Weil andererseits die komplizierten Mechanismen für Überschnappung/Überdrückung vermieden werden, gibt es keine Rückwirkung auf die Betätigungskraft, so daß sich die Schaltschwelle während der Lebenszeit des neuen Schalters nicht merklich durch Alterung verschiebt.

Dabei ist es dann bevorzugt, wenn das Betätigungsteil elektrisch leitend ist und der Schaltkontakt aus zwei beabstandeten Kontaktflächen besteht, mit denen das Betätigungsteil bei in Schaltposition befindlicher Masse in Anlage ist, so daß es diese elektrisch miteinander verbindet.

Diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, denn auf eine an sich bekannte einfache Weise wird so der Schaltkontakt betätigt. Für den neuen Schalter kann bei verschiedenen Varianten immer dasselbe Betätigungsteil verwendet werden, so daß auch für verschiedene Schaltertypen nur ein mit einer elektrischen Kontaktschicht vergütetes Teil erforderlich ist. Dadurch reduzieren sich die gesamten Lager- und Produktionskosten erheblich.

Bei der Vergütung des Betätigungsteiles kann darüber hinaus mehr Sorgfalt angewendet werden, da die Gesamtkosten des neuen Schalters, verglichen mit bekannten Schaltern, deutlich geringer sind, so daß sich hier insgesamt eine deutlich verbesserte Schaltsicherheit erreichen läßt.

Dabei ist es dann bevorzugt, wenn ein weiteres Rückstellelement vorgesehen ist, das mit dem ersten Rückstellelement verbunden und derart angeordnet ist, daß es bei in Anlage mit dem Schaltkontkat befindlichen Betätigungsteil einer Weiterbewegung der Masse in zumindest eine zweite Schaltposition rückstellend entgegenwirkt.

Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, daß auf konstruktiv sehr einfache Weise eine Entprellung des neuen Schalters sowie eine einstellbare Mindestschließdauer erreicht wird. Der neue Schalter bleibt nämlich so lange geschlossen, wie sich die Masse gegen die Kraft des zweiten Rückstellelements zwischen ihrer ersten und ihrer zweiten Schaltposition bewegt. Der neue Schalter wird geschlossen, sobald das Betätigungsteil in Anlage mit dem Schaltkontakt ist und bleibt geschlossen, während sich die Masse in Richtung ihrer zweiten Schaltposition weiterbewegt. Durch die Rückstellkraft des weiteren Rückstellelements sowie den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Schaltposition wird in Zusammenhang mit der vorgegebenen Masse ein sogenannter Schließdauerweg bestimmt, aus dem sich die Mindestschließzeit ergibt.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der neue Schalter durch die erwähnte Maßnahme entprellt ist. Es ist jetzt nämlich nicht mehr die Masse, die auf einen Anschlag auftrifft, die Masse bewegt sich vielmehr nach dem Auftreffen des Betätigungsteils auf den Schaltkontakt weiter, sofern nur die Betätigungskraft hinreichend groß war. In vielen Anwendungsfällen ist dies jedoch immer der Fall, weshalb bei dem neuen Schalter auch auf Überdrückung/Überschnappung verzichtet wird.

Dabei ist es bevorzugt, wenn das weitere Rückstellelement steifer ausgelegt ist als das erste Rückstellelement.

Auf diese einfache Weise können die Einstellung der Mindestbetätigungskraft sowie der Mindestschließdauer getrennt voneinander erfolgen. Über das weichere erste Rückstellelement wird die Mindestkraft oder Mindestbeschleunigung bestimmt, die erforderlich ist, damit das Betätigungsteil in Anlage mit dem Schaltkontakt gelangt. Da das zweite Rückstellelement steifer ausgelegt ist, wird es während dieser Schaltphase noch nicht ausgelenkt. Nach dem Schalten erfolgt dann eine Weiterbewegung der Masse jetzt gegen die Kraft des zweiten Rückstellelements, wodurch die Mindestschließdauer bestimmt wird.

Dabei ist es bevorzugt, wenn ein Endanschlag für das erste Rückstellelement sowie ein weiterer Endanschlag für das weitere Rückstellelement vorgesehen ist, wobei der Endanschlag für das erste Rückstellelement vorzugsweise durch den Schaltkontakt gebildet wird.

Hier ist von Vorteil, daß beiden Rückstellelementen nur eine bestimmte Auslenkung erlaubt wird, so daß die Schaltparameter des neuen Schalters exakt eingestellt werden können. Ferner werden durch die Endanschläge die Rückstellelemente gegen Überdehung geschützt.

Weiter ist es bevorzugt, wenn die Masse eine längs der Bahn zwangsgeführte Masse ist.

Diese an sich bekannte Masse führt zu dem weiteren Vorteil, daß nur die Kräfte/Kraftkomponenten längs der Zwangsführungsbahn zum Schließen des neuen Schalters führen, so daß auf konstruktiv einfache Weise ein richtungsempfindlicher Schalter geschaffen wird, der z.B. als Lagesensor, Kippsensor, etc. eingesetzt werden kann. Die in einem solchen Falle wirkende Kraft wird über das Eigengewicht der Masse hervorgerufen, die bei geneigtem Schalter infolge der Schwerkraft die Rückstellelemente ausdehnt.

Bevorzugst ist es dabei, wenn das Rückstellelement ein Federelement ist, wobei vorzugsweise Zugfedern und/oder Druckfedern zur Anwendung gelangen.

Zwar wäre es auch möglich, nach Art der Stoßdämpfer mit Gasdruck als Rückstellelement zu arbeiten, die Verwendung von Federelementen hat jedoch den Vorteil, daß die Federkonstanten auf einfache Weise vorausgewählt und eingestellt werden können. Die Frage, ob Zugfedern oder Druckfedern verwendet werden, ist lediglich eine Frage der kinematischen Umkehr und damit der jeweils gewählten speziellen Konstruktion.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt in prinzipieller Darstellung einen Längsschnitt durch den neuen Schalter.

In der Figur ist mit 10 der neue Schalter bezeichnet, der hier dazu dient, eine Batterie 11 wahlweise mit einem Verbraucher 12 zu verbinden.

Der Schalter 10 weist ein Gehäuse 14 auf, in dem ein längsverschieblich gelagertes Betätigungsteil 15 angeordnet ist, das rotationssymmetrisch ausgebildet und in Fig. 1 nach rechts verschiebbar ist. Das Betätigungsteil 15 ist im Inneren als Führungsrohr 16 für eine Masse 17 ausgebildet, die in Fig. 1 ebenfalls längsverschieblich gelagert und nach rechts bewegbar ist.

Zwischen dem Gehäuse 14 und dem Betätigungsteil 15 ist ein erstes Rückstellelement 18 in Form einer Zugfeder 19 vorgesehen, die das Betätigungsteil 15 in Fig. 1 nach links gegen eine Schulter 20 zieht.

In dem Führungsrohr 16 ist ein weiteres Rückstellelement 21 angeordnet, das hier durch zwei Zugfedern 22 ausgebildet ist. Die Zugfedern 22 sind zwischen dem Betätigungsteil 15 und der Masse 17 vorgesehen, so daß sie die Masse 17 in Fig. 1 nach links gegen Anschläge 20' vorspannen.

Die Konstruktion ist so gewählt, daß das weitere Rückstellelement 21 steifer ausgebildet ist als das erste Rückstellelement 18.

Wird jetzt in Fig. 1 die Masse 17 durch eine Beschleunigung, durch Schwerkraft oder z.B. Druckluft nach rechts bewegt, so dehnt sich zunächst die Zugfeder 19 aus, bis das Betätigungsteil 15 über seine Stirnfläche 23, die in dem gezeigten Fall eine elektrisch leitende Fläche 24 ist, mit Kontaktflächen 25, 26 in Anlage kommt. Diese Kontaktflächen 25, 26 bilden einen Schaltkontakt 27, der an einem Deckel 28 des Gehäuses 14 angeordnet ist. Sobald die elektrisch leitende Fläche 24 mit den Kontaktflächen 25, 26 in Anlage ist, schließt sie den Schaltkontakt 27, so daß der Verbraucher 12 nunmehr mit der Batterie 11 verbunden ist.

Während das Betätigungsteil 15 nunmehr an seinem Anschlag anliegt, bewegt sich die Masse 17 in Fig. 1 weiter nach rechts, wobei sich nun die Zugfedern 22 ausdehnen. Da diese Zugfedern 22 zusammen eine größere Federkonstante aufweisen als die Zugfedern 19, haben sich die Zugfedern 22 während der Ausdehnung der Zugfedern 19 noch nicht gelängt. Die Masse 17 bewegt sich jetzt so lange weiter, bis sie auf den Deckel 28 auftrifft, der somit als Anschlag 29 für die Masse 17 dient.

Während das Betätigungsteil 15 einen bei 31 angedeuteten Schaltweg zurücklegen muß, bis der neue Schalter 10 schaltet, ist der Weg, den die Masse 17 zurücklegt, bei 32 angedeutet. Es ist zu erkennen, daß nach dem Schalten des neuen Schalters 10 die Masse noch einen sogenannten Schließdauerweg zurücklegt, der sich aus der Differenz der Wege 31 und 32 ergibt.

Durch geeignete Wahl der Federkonstanten der Zugfedern 19 und 22 sowie der Größe der Masse 17 und der Masse des Betätigungsteils 15 ist jetzt dafür gesorgt, daß der neue Schalter 10 bei entsprechend hoher Betätigungskraft einerseits sicher schaltet, andererseits aber nicht prellt. Durch die sich in Fig. 1 weiter nach rechts bewegende Masse 17 wird nämlich verhindert, daß das Betätigungsteil 15 nach dem Auftreffen auf die Kontaktflächen 25, 26 wieder zurückspringt, wenn z.B. die zum Schalten führenden Kräfte impulsartig auftreten. Diese impulsartigen Bewegungen werden vielmehr von dem weiteren Rückstellelement 21 sowie der Masse 17 aufgefangen.

Durch die Reihenschaltung eines schwächeren Rückstellelements 18 mit einem stärkeren Rückstellelement 21, die beide zwischen dem Gehäuse 14 und der Masse 17 angeordnet sind, lassen sich jetzt die Ansprechschwelle sowie die Mindestschließdauer des neuen Schalters 10 unabhängig voneinander einstellen.

Selbstverständlich ist es möglich, das in Fig. 1 nur schematisch angedeutete Betätigungsteil 15 unmittelbar an der Zugfeder 19 auszubilden und die Masse 17 direkt in dem Gehäuse 14 zu führen.

Wichtig ist lediglich, daß der Schaltkontakt 27 von dem Betätigungsteil 15 und nicht von der Masse 17 geschlossen wird, die hier lediglich dazu dient, die das Schalten auslösende Kraft in eine Bewegung des Betätigungsteils 15 umzusetzen. Durch das weitere Rückstellelement 21 sowie den gegenüber dem Schaltweg 31 vergrößerten Weg 32 der Masse 17 wird zusätzlich auf einfache Weise die Mindestschließdauer bestimmt, die erreicht wird, ohne daß der neue Schalter 10 durch Impulsstöße, elastischen Stoß etc. prellen kann.