DE19518824C1 - Schalter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter mit einer längs einer Bahn zwischen einer Ruheposition und einer End­ position beweglichen Masse, zumindest einem ersten Rückstell­ element, das die Masse in ihre Ruheposition vorspannt und einem über die Masse betätigten Schaltkontakt, wobei das erste Rückstellelement mit einem Betätigungsteil gekoppelt ist, das den Schaltkontakt betätigt, wenn sich die Masse gegen die Kraft des ersten Rückstellelementes aus ihrer Ruheposition in Richtung ihrer Endposition bewegt.

Ein derartiger Schalter ist aus der DE 43 35 250 A1 bekannt.

Der bekannte Schalter ist ein Beschleunigungs- oder Trägheits­ sensor zur Auslösung eines Insassen-Rückhaltesystems in Fahr­ zeugen. Der Schalter weist eine in einem Sensorgehäuse zwangsge­ führte träge Masse auf, die gegen die Kraft einer ersten Rückstellfeder längsverschieblich gelagert ist. Ferner ist in dem Sensorgehäuse ein Betätigungsteil vorgesehen, das ebenfalls gegen die Kraft einer weiteren Rückstellfeder längsverschiebbar ist. Bei einer entsprechenden Beschleunigung wird jetzt zunächst die träge Masse gegen die Rückstellkraft der ersten Feder verschoben, bis die Masse mit dem Betätigungsteil in Anlage gelangt und jetzt auch durch die zweite Rückstellfeder in ihrer Bewegung verzögert wird.

Die Federkonstante der zweiten Rückstellfeder ist erheblich größer als die der ersten Rückstellfeder, so daß die Geschwindig­ keit der trägen Masse jetzt abgebremst wird. War die anfängliche Beschleunigung groß genug, so drückt die träge Masse jetzt das Betätigungsteil gegen einen Federkontakt, der einen Kurzschluß mit dem Gehäuse des Sensors herbeiführt, wenn sich die Masse in ihrer Endposition befindet.

Durch diesen zweigeteilten Betätigungsweg der trägen Masse, die in dem ersten Wegabschnitt mit einer geringen Federkonstante und in dem zweiten Wegabschnitt mit einer erheblich größeren Federkonstante verzögert wird, sollen Fehlauslösungen durch Stöße vermieden und dennoch relativ kurze Ansprechzeiten erreicht werden. Durch die Abstimmung der Federkonstanten und der beiden Wegabschnitte soll erreicht werden, daß die Masse bei kleinen Stößen nur den ersten Wegabschnitt durchläuft, so daß eine Fehlauslösung vermieden wird. Bei hinreichend großen Beschleu­ nigungen erreicht die Masse dagegen schnell das Betätigungsteil, das es dann gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder in die Endposition bringt.

An Schalter werden allgemein zwei Anforderungen gestellt, die eine betrifft die Schließkraft und die andere die Mindestschließ­ dauer. 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-/Überschnappungs­ mechanismen vorgesehen, bei denen z. B. eine Schnappfeder bei Überschreitung einer Mindestbetätigungskraft von ihrer Ruhe­ position 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 zurück, so daß sich die Toleranzen addieren und bei der Mindestbetätigungskraft eine größere Unsicherheit in Kauf genommen werden muß.

Aus der US 4 873 401 A ist ein weiterer Trägheitssensor bekannt, bei dem eine träge Masse gegen die Kraft einer Rückstellfeder ausgelenkt wird. Hier sind derartige Mechanismen für Über­ drückung/Überschnappung nicht vorgesehen, die Masse schaltet den Schaltkontakt vielmehr selbst. Dazu ist die Masse selbst elektrisch leitend ausgebildet und gelangt in ihrer Schalt­ position 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 daß 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.

Zwar ist in der eingangs erwähnten DE 43 35 250 A1 erwähnt, daß der Schaltkontakt nachgiebig ausgebildet ist, um ein Kontaktprellen zu verhindern, wie dadurch jedoch eine gewünschte Mindestschließzeit eingestellt werden kann, ist aus dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

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, bei dem eine bestimmte Mindestschließdauer erzielt wird. 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 Betätigungsteil den Schaltkontakt betätigt, wenn sich die Masse vor Erreichen der Endposition in einer Schaltposition befindet, und daß ein weiteres Rückstellelement vorgesehen ist, das mit dem ersten Rückstellelement verbunden und derart angeordnet ist, daß es bei betätigtem Schaltkontakt einer Weiterbewegung der Masse in die Endposition rückstellend entgegenwirkt, so daß der Schaltkontakt betätigt bleibt, während sich die Masse von ihrer Schaltposition in die Richtung der Endposition weiterbewegt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Über die Wahl der Masse und die Eigenschaften des Rückstellelements werden unabhängig voneinander die erforder­ lichen Schaltkräfte und Schaltzeiten eingestellt, wobei die Sicherheit des Schaltens dadurch gegeben ist, daß nicht die Masse selbst, sondern vielmehr ein davon unabhängiges Betä­ tigungsteil 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.

Ferner wird auf konstruktiv sehr einfache Weise eine Entprellung des neuen Schalters sowie eine einstellbare Mindestschließdauer erreicht. Der neue Schalter bleibt nämlich so lange geschlossen, wie sich die Masse gegen die Kraft des zweiten Rückstellelements zwischen ihrer Schalt- und ihrer Endposition bewegt. Durch die Rückstellkraft des weiteren Rückstellelements sowie den Abstand zwischen der Schalt- und der Endposition wird in Zusammenhang mit der vorgegebenen Masse ein sogenannter Schließdauerweg bestimmt, aus dem sich die Mindestschließzeit ergibt.

Der neue Schalter kann als Lagesensor, Kippsensor, Trägheits­ sensor, 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 Sicher­ heitsschalter 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 Betätigungs­ kraft, 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 das weitere Rückstellelement bei in Anlage mit dem Schaltkontakt befindlichem Betätigungsteil einer Weiterbewegung der Masse in die Endposition rückstellend entgegenwirkt.

Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, daß der neue Schalter geschlossen wird, sobald das Betätigungsteil in Anlage mit dem Schaltkontakt ist und geschlossen bleibt, während sich die Masse in Richtung ihrer Endposition weiterbewegt.

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 Betäti­ gungsteils auf den Schaltkontakt weiter, sofern nur die Betäti­ gungskraft 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 Mindestbe­ tätigungskraft sowie der Mindestschließdauer getrennt voneinander erfolgen. Über das weichere erste Rückstellelement wird die Mindestkraft oder Mindestbeschleunigung bestimmt, die erforder­ lich ist, damit das Betätigungsteil in Anlage mit dem Schalt­ kontakt 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 Überdehnung 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 Feder­ element 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 Feder­ elementen 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 nach­ stehend 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 längs­ verschieblich 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 Betätigungs­ teils 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 Betäti­ gungsteil 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.

Claims (10)

1. Schalter (10) mit einer längs einer Bahn (32) zwischen einer Ruheposition und einer Endposition beweglichen Masse (17), zumindest einem ersten Rückstellelement (18), das die Masse (17) in ihre Ruheposition vorspannt, und einem über die Masse (17) betätigten Schaltkontakt (27), wobei das erste Rückstellelement (18) mit einem Betätigungsteil (15) gekoppelt ist, das den Schaltkontakt (27) betätigt, wenn sich die Masse (17) gegen die Kraft des ersten Rückstellelementes (18) aus ihrer Ruheposition in Richtung ihrer Endposition bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsteil (15) den Schaltkontakt (27) betätigt, wenn sich die Masse (17) vor Erreichen der Endposition in einer Schaltposition befindet, und daß ein weiteres Rückstellelement (21) vorgesehen ist, das mit dem ersten Rückstellelement (18) verbunden und derart angeordnet ist, daß es bei betätigtem Schaltkontakt (27) einer Weiterbewegung der Masse (17) in die Endposition rückstellend entgegenwirkt, so daß der Schaltkontakt (27) betätigt bleibt, während sich die Masse (17) von ihrer Schaltposition in Richtung der Endposition weiterbewegt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsteil (15) elektrisch leitend ist und der Schaltkontakt (27) aus zwei beabstandeten Kontaktflächen (25, 26) besteht, mit denen das Betätigungsteil (15) bei in Schaltposition befindlicher Masse (17) in Anlage ist, so daß es diese elektrisch miteinander verbindet.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Rückstellelement (21) bei in Anlage mit dem Schaltkontakt (27) befindlichem Betätigungsteil (15) der Weiterbewegung der Masse (17) rückstellend entgegenwirkt.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Rückstellelement (21) steifer ausgelegt ist als das erste Rückstellelement (18).

5. Schalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endanschlag für das erste Rückstellelement (18) sowie ein weiterer Endanschlag (29) für das weitere Rückstellelement (21) vorgesehen sind.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Endanschlag für das erste Rückstellelement (18) durch den Schaltkontakt (27) gebildet wird.

7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Masse (17) eine längs der Bahn (32) zwangsgeführte Masse (17) ist.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rückstellelement (18, 21) ein Federelement (19, 22) ist.

9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Rückstellelement (18) und/oder das zweite Rückstellelement (21) eine Zugfeder (19, 22) ist.

10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Rückstellelement (18) und/oder das zweite Rückstellelement (21) eine Druckfeder ist.