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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Signalgebereinrichtung nach
Art eines Mikroschalters, insbesondere Kraftsensor oder Drucksensor.
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Mikroschalter
zeichnen sich durch ihre geringe Größe aus, die beispielsweise
im Bereich von weniger als 25 mm liegt. Mikroschalter lassen sich
vielseitig einsetzen, um Schaltzustände mit einer Ein-Aus-Aussage
oder Ja-Nein-Aussage zu detektieren. Beispielsweise kommen derartige
Mikroschalter in Warenverkaufsautomaten, wie z.B. Zigarettenautomaten,
zum Einsatz, um zu detektieren, ob ein bestimmter Warenschacht Ware
enthält
oder leer ist. Der jeweilige Schaltvorgang wird dabei dadurch ausgelöst, dass
durch das Gewicht der Ware der jeweilige Mikroschalter betätigt wird.
Durch Entnahme der letzten Ware geht der Mikroschalter durch das
fehlende Betätigungsgewicht
federbelastet in seine Ausgangsstellung zurück, wodurch eine entsprechende Signaländerung
erfolgt. Ein herkömmlicher
Mikroschalter kann somit ein Signal, das mit der Information „Warenschacht
leer" korreliert,
erzeugen, sobald tatsächlich
im jeweiligen Schacht keine Ware mehr vorhanden ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Signalgebereinrichtung eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Funktionalität auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Biegebalken
und eine damit gekoppelte Biegesensorik zu verwenden, die mit der
Biegebelastung des Biegebalkens korrelierte Signale generiert. Hierdurch
ist es insbesondere möglich,
beliebige Belastungszustände
des Biegebalkens auszuwerten, so dass insbesondere mehr als zwei
Schaltzustände
detektierbar sind. Beispielsweise lässt sich zumindest ein Biegezustand
des Biegebalkens detektieren, der zwischen einer minimalen oder
fehlenden Durchbiegung und einer maximalen Durchbiegung liegt. Grundsätzlich lassen
sich beliebig viele Biegezustände
voneinander unterscheiden, was jedoch von der jeweils verwendeten
Biegesensorik abhängt.
Im Bezug auf das eingangs genannte Beispiel bedeutet dies, dass
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Signalgebereinrichtung
erkennbar ist, wie weit der jeweilige Warenschacht momentan noch
befüllt
ist. Somit kann mit Hilfe dieser Signalgebereinrichtung vorzeitig
erkannt werden, wann ein Nachfüllen
des jeweiligen Warenschachtes erforderlich wird, bevor die letzte
Ware aus dem jeweiligen Schacht entnommen worden ist.
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Der
Biegebalken ist insbesondere federelastisch ausgestaltet, so dass
er mit der Biegebelastung korrelierende Verformungen ermöglicht und
dabei in sich federelastische Rückstellkräfte erzeugt,
um bei abnehmender Biegebelastung selbsttätig in seine Ausgangsstellung
zurückgehen
zu können.
Der Biegebalken kann dabei aus Leiterplattenmaterial oder aus einem
elektrisch isolierten Federmetall oder aus einem beliebigen anderen
Federmaterial bestehen. Bevorzugt besteht der Biegebalken aus einem
elektrisch isolierten Material oder aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
ist die Biegesensorik unmittelbar am Biegebalken angebracht. Beispielsweise
kann die Biegesensorik mittels Dickschichttechnologie, insbesondere
im Siebdruckverfahren, auf den Biegebalken aufgedruckt sein.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
Schnittansicht einer Signalgebereinrichtung,
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2 eine
Schnittansicht der Signalgebereinrichtung entsprechend Schnittlinien
II in 1,
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3 eine
Draufsicht auf einen Biegebalken der Signalgebereinrichtung von
der einen Seite,
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4 eine
Draufsicht in 3, jedoch von der anderen Seite,
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5 eine
schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Biegesensorik der Signalgebereinrichtung.
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Entsprechend
den 1 und 2 umfasst eine Signalgebereinrichtung 1 ein
Gehäuse 2,
bevorzugt aus einem Kunststoff, an dem oder wie hier bevorzugt in
dem ein Biegebalken 3 angeordnet ist. In 1 ist
der Biegebalken 3 in zwei Endlagen dargestellt, nämlich in
seiner geradlinigen unbelasteten Ausgangsstellung und schraffiert
in seiner maximal verformten, durchgebogenen Endlage.
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Ferner
umfasst die Signalgebereinrichtung 1 gemäß 2 eine
Biegesensorik 4, die so ausgestaltet ist, dass sie in Abhängigkeit
von Biegebelastungen, die am Biegebalken 3 auftreten, elektrische
Signale generiert. Zur Spannungsversorgung und zum Signalabgriff
sind elektrische Anschlüsse 5 vorgesehen,
die auf geeignete Weise mit der Biegesensorik 4 elektrisch
verbunden sind. In 2 ist der Biegebalken 3 transparent
dargestellt, wodurch die Biegesensorik 4 bzw. die gesamte
Schaltung erkennbar ist, unabhängig
davon, ob sich die jeweiligen Komponenten auf einer dem Betrachter
in 2 zugewandten ersten Seite oder auf einer in 2 vom
Betrachter abgewandten zweiten Seite des Biegebalkens 3 befinden.
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Beim
Biegebalken 3 kann es sich beispielsweise um ein biegeelastisches
Leiterplattenmaterial handeln. Ebenso kann es sich beim Biegebalken 3 um
ein Federmetall handeln, das auf geeignete Weise elektrisch isoliert
ist. Grundsätzlich
ist zur Herstellung des Biegebalkens 3 auch ein beliebiges
anderes federelastisches Material geeignet, das auf geeignete Weise
elektrisch isoliert ist oder das aus einem entsprechenden elektrisch
nicht leitfähigen
Material besteht.
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Entsprechend
der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Biegesensorik 4 direkt am
Biegebalken 3 angebracht. Dabei ist es insbesondere möglich, die
ganze Biegesensorik 4 oder zumindest einen Teil davon direkt
auf den Biegebalken 3 aufzudrucken oder durch eine entsprechende
Beschichtung am Biegebalken 3 anzubringen. Beispielsweise
lassen sich elektrische Widerstände 6 aus
einem entsprechenden Leitplastikmaterial auf den Biegebalken 3 aufdrucken.
Ebenso können
elektrische Leitungen 7 aufgedruckt sein. Die Leitungen 7 können jedoch
auch in herkömmlicher
Leiterplattentechnologie, z.B. durch Ätzverfahren oder Dampfbeschichtung,
auf den Biegebalken 3 angebracht werden. Das Aufdrucken
der Biegesensorik 4 oder zumindest von Komponenten der
Biegesensorik 4 folgt bevorzugt mittels Dickschichttechnologie,
insbesondere im Siebdruckverfahren.
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Die
Biegesensorik 4 kann nach Art einer sogenannten Wheatstone-Brücke oder
Wheatstone-Schaltung aufgebaut sein. Eine derartige Wheatstone-Brücke weist
in üblicher
Weise vier spannungsempfindliche Widerstände 6 auf, die auf
bestimmte Art und Weise verschaltet sind.
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Bevorzugt
wird dabei hier eine Ausführungsform,
bei der zwei dieser Widerstände 6 an
der in 3 gezeigten ersten Seite oder Oberseite des Biegebalkens 3 angeordnet
sind, während
die beiden anderen Widerstände 6 an
der in 4 gezeigten zweiten Seite oder Unterseite des
Biegebalkens 3 angebracht sind. Dies führt dazu, dass bei einer Biegebelastung
des Biegebalkens 3 die einen Widerstände 6 auf Zug belastet
werden, während
gleichzeitig die anderen Widerstände 6 auf
Druck belastet werden. Hierdurch ergibt sich eine starke Verstimmung
der Messbrücke
schon bei relativ kleinen Durchbiegungen. Dementsprechend kann eine
relativ hohe Messgenauigkeit erzielt werden.
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5 zeigt
die Wheatstone-Schaltung bzw. die Biegesensorik 4 im Prinzip.
Sie umfasst die vier Widerstände 6,
die durch die Leitungen 7 in der gezeigten Weise miteinander
verschalter sind. Die Punkte P1 bis P5 repräsentieren dabei die Anschlüsse 5.
Die Spannungseinleitung erfolgt an den Punkten P3 und P4 für den Pluspol
und an Punkt P5 für den
Minuspol der Versorgungsspannung. Bei unbelastetem Biegebalken 3 liegt
zwischen den Punkten P1 und P2 keine Spannungsdifferenz an. Wird
der Biegebalken 3 durch Belastung verbogen, werden die
Widerstände 6 der
Oberseite des Biegebalkens 3 gestreckt, während gleichzeitig
die Widerstände 6 der
Unterseite gestaucht werden. Durch die Verformung ändern sich
die ohmschen Widerstandswerte der Widerstände 6 gegensätzlich.
Dies lässt
sich insbesondere mit der aufgedruckten Leitplastikbeschichtung
realisieren. Während
also der Widerstandswert auf der gestreckten Oberseite zunimmt, verringert
er sich gleichzeitig auf der gestauchten Unterseite. Durch die Anordnung
der Widerstände 6 zwischen
den Punkten P3 und P1 sowie zwischen den Punkten P5 und P2 auf der
Oberseite und durch die Anordnung der Widerstände 6 zwischen den Punkten
P1 und P5 sowie zwischen den Punkten P2 und P4 auf der Unterseite
des Biegebalkens 3 kommt es zu einer Verstimmung der Messbrückenschaltung. Diese
ist daran erkennbar, dass zwischen den Punkten P1 und P2 deutlich
messbare Spannungsunterschiede entstehen.
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Im
Idealfall besteht zwischen der aufgebrachten Kraft auf dem Biegebalken 3 und
der an der Messbrücke 4 entstehenden Ausgangsspannung
an den Punkten P1 und P2 ein proportionales Verhältnis. Um Fertigungstoleranzen
auszugleichen, ist es insbesondere möglich, an den Punkten P3 oder
P4 Korrekturwiderstände
einzufügen,
um die Brückenspannung
im unbelasteten Zustand auf eine Ausgangsspannung von 0 Volt abzugleichen.
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Ferner
kann die Biegesensorik 4 insbesondere eine Auswerteschaltung
und/oder eine Verstärkerschaltung
umfassen, hier nicht dargestellt. Eine derartige Schaltung kann
ebenfalls am Biegebalken 3 angeordnet sein, und zwar bevorzugt
in einem Abschnitt, der im Betrieb keinen oder nur vergleichsweise
kleinen Biegeverformungen ausgesetzt ist.
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Entsprechend
den 1 und 2 ist der Biegebalken 3 am
Gehäuse 2 einseitig
im Bereich eines Endes 8 festgelegt, während er im übrigen freistehend
im Gehäuse 2 angeordnet
ist. Die Festlegung des Biegebalkens 3 im Gehäuse 2 kann
beispielsweise durch Einspannen oder Verklemmen des jeweiligen Biegebalkenendes 8 in
einem entsprechenden Gehäuseabschnitt
realisiert werden.
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Der
Biegebalken 3 trägt
einen Betätigungsstift 9.
Der Betätigungsstift 9 ist
beispielsweise mit zwei Dornen 10 durch den Biegebalken 3 durchgesteckt,
der hierzu entsprechende Öffnungen 11 enthält. Ferner
enthält
das Gehäuse 2 eine
Gehäuseöffnung 12,
durch die der Betätigungsstift 9 aus
dem Gehäuse 2 herausragt.
Zweckmäßig ist
der Betätigungsstift 9 im
Bereich eines freistehenden Endes 13 am Biegebalken 3 angeordnet.
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Durch
Betätigen
des Betätigungsstifts 9 kann eine
Biegeverformung des Biegebalkens 3 realisiert werden. Die
Länge des
Betätigungsstifts 9 ist
dabei bevorzugt so gewählt,
dass der Betätigungsstift 9 so weit
in das Gehäuse 2 eindrückbar ist,
bis sein freistehendes Ende 14 bündig mit einer Gehäuseseite 15 abschließt, welche
die Gehäuseöffnung 12 enthält, ohne
dass dabei eine Überlastung
des Biegebalkens 3 und/oder der Biegesensorik 4 entsteht.
Der Betätigungsstift 9 ist
somit als Überlastschutz
dimensioniert. Ein weiterer Überlastschutz
für den
Biegebalken 3 bzw. die Biegesensorik 4 kann dadurch
realisiert werden, dass im Gehäuse 2 ein
mechanischer Anschlag 16 ausgebildet wird. Der Anschlag 16 ist
im Gehäuse 2 so
angeordnet, dass der Biegebalken 3 bei Erreichen einer
vorbestimmten maximalen Biegeverformung daran zur Anlage kommt.
Diese maximale Biegeverformung ist dabei so gewählt, dass dabei keine Überlastung
des Biegebalkens 3 und/oder der Biegesensorik 4 entsteht.
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Die
hier bevorzugt verwendete Biegesensorik 4 ist so ausgestaltet,
dass sie ein mit der Durchbiegung des Biegebalkens 3 korreliertes
elektrisches Signal generieren kann, das an den Anschlüssen 5 abgreifbar
ist. Durch die Verwendung des Betätigungsstifts 9 ergibt
sich für
die Biegesensorik 4 eine Ausgestaltung, die ein mit dem
Betätigungsweg
des Betätigungsstifts 9 korreliertes
elektrisches Signal generiert, das an den Anschlüssen 5 abgreifbar
ist. von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die von der Biegesensorik 4 generierten
Signale analog abgreifbar sind, so dass es insbeson dere möglich ist,
jeden beliebigen Biegezustand des Biegebalkens 3 zu detektieren.
Insbesondere lässt
sich eine beliebige Auflösung
zwischen den Endstellungen des Biegebalkens, also zwischen der am
Anschlag 16 anliegenden maximalen Biegeverformung und dem
unverformten Ausgangszustand realisieren.
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Mit
Bezug auf das eingangs genannte Beispiel kann die Biegeelastizität des Biegebalkens 3 beispielsweise
so auf die den jeweiligen den Betätigungsstift 9 belastenden
Waren abgestimmt sein, dass beispielsweise bei fünf und mehr Waren die maximale
Durchbiegung erreicht ist und bei fehlenden Waren die Ausgangsstellung
vorliegt. Die Signalgebereinrichtung 1 kann dann die Warenanzahl
von 0 bis 4 eindeutig bestimmen und ab fünf Waren „Warenschacht voll" signalisieren. Es
ist klar, dass das hier verwendete Zahlenbeispiel rein exemplarisch und
ohne Beschränkung
der Allgemeinheit zu verstehen ist.
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Die
Anschlüsse 5 sind
entsprechend den 2 bis 4 am Biegebalken 3 bevorzugt
so angeordnet, dass sie von der Biegebelastung des Biegebalkens 3 entkoppelt
sind. Hierdurch wird die mechanische Belastung entsprechender elektrischer Verbindungen
reduziert. Gleichzeitig können
Messwertbeeinflussungen reduziert werden. Erreicht wird dies bevorzugt
dadurch, dass der Biegebalken 3 einen Schlitz 17 enthält, der
so geführt
ist, dass er in einem dem freistehenden Ende 13 zugeordneten
Bereich des Biegebalkens 3 beginnt und in einem dem festgelegten
Ende 8 des Biegebalkens 3 zugeordneten Be reich
endet. Ferner ist der Schlitz 17 so ausgeführt, dass
er den Biegebalken 3 in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in
einen Biegeabschnitt 18 und einen Anschlussabschnitt 19.
Während
der Anschlussabschnitt 19 die Anschlüsse 5 aufweist, sind
am Biegeabschnitt 18 die biegesensitiven Komponenten der Biegesensorik 4 angeordnet.
Die biegesensitiven Komponenten sind im Beispiel zumindest die Widerstände 6.
Der Betätigungsstift 9 ist
am Biegeabschnitt 18 angeordnet. Eine Betätigung des
Betätigungsstifts 9 führt somit
in erster Linie zu einer Biegeverformung des Biegeabschnitts 18.
Durch die Einspannung des Biegebalkens 3 im Bereich des
feststehenden Endes 8 ist der Anschlussabschnitt 19 weitgehend
von der Biegeverformung des Biegeabschnitts 18 entkoppelt. Insbesondere
sind die Leitungen 7, welche die Widerstände 6 mit
den Anschlüssen 5 verbinden,
durch den Bereich des eingespannten Endes 8 durchgeführt, so
dass auch hier eine gewisse Entlastung der Leitungen 7 gegeben
ist.