VORRICHTUNG ZUR UMWANDLUNG VON MECHANISCHEN BEWEGUNGEN IN EIN ELEKTRISCHES SCHALTSIGNAL

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischen Zustellbewegungen in ein elektrisches Schaltsignal, durch das ein elektrisches Gerät, beispielsweise eine Werkzeugmaschine, ein Telefon oder dergleichen, gesteuert bzw. bedient werden kann, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Derartige Vorrichtungen sind als Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine bzw. Gerät im Einsatz und bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von Betätigungselementen, die axial geführt gehalten in einer in einem Gehäuse eingearbeiteten Aussparung angeordnet sind. Die einzelnen Betätigungselemente wirken auf eine an dem Gehäuse abgestützte Schnappscheibe, die in Richtung des Betätigungselementes gewölbt ist und aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Werkstoff hergestellt ist. Die Schnappscheiben sind demnach vorgespannt und werden beim Runterfahren des Betätigungselementes in Richtung eines auf einer Leiterplatte vorgesehenen Schaltkontaktes bewegt. Die Schnappscheibe weist die Eigenschaft auf, dass diese beim Durchbiegen eine entgegengesetzte Auswölbung im Vergleich zu deren Ausgangsposition erfährt und beim Durchschnappen der Schnappscheibe ein Schaltsignal elektrisch detektierbar wird.

[0003] Beim Betätigen der Schnappscheibe erzeugt diese eine elektrische Verbindung mit dem gegenüberliegendenSchaltkontakt, so dass ein Kurzschluss entsteht, der von einer elektrischen Auswerte- und Steuereinrichtung erfasst und verarbeitet ist. Sobald ein entsprechender Kurzschluss von der Auswerte- und Steuereinheit festgestellt ist, kann das elektrische Gerät oder die Werkzeugmaschine entsprechend angesteuert werden.
Solche Schnappscheiben haben sich in einer Vielzahl von unterschiedlichsten Anwendungen zwar bewährt, liefern jedoch ausschließlich ein elektrisches Schaltsignal, das keiner redundante Überprüfung unterzogen werden kann. Insbesondere wenn die Schnappscheibe aufgrund der Vielzahl von Schaltbewegungen ausleiert, ist oftmals eine zuverlässige Erzeugung des elektrischen Schaltsignals nicht mehr gegeben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, dass das jeweilige von der Schnappscheibe ausgelöste Schaltsignal zeitlich unmittelbar verifiziert ist, durch einen elektrischen Impuls als zweites redundantes Schaltsignal und das elektrische Gerät von der Auswerte- und Steuereinrichtung erst dann geschaltet ist, wenn das Schaltsignal der Schnappscheibe und der weitere zweite elektrische Impuls vorliegen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

[0004] Dadurch, dass an dem Betätigungselement mindestens ein Piezo-Element angebracht ist, dass das Durchschnappen der Schnappscheibe durch das Piezo-Element erfasst ist und dass das Piezo-Element einen elektrischen Impuls erzeugt, ist ein redundantes System umgesetzt. Dieses redundante Signal wird anschließend von der Auswerte- und Steuereinrichtung verarbeitet. Dadurch, dass das elektrische Schaltsignal der Schnappscheibe gleichzeitig gemessen und zur Erzeugung eines elektrischen Schaltsignales ausgewertet ist, ist erreicht, dass die Betätigung der Schnappscheibe, also das Erreichen des jeweiligen Gegenkontaktes mit dem Durchschnappvorgang, unverzüglich überprüft ist, denn die Piezo-Elemente messen die Betätigungskraft des Betätigungselementes und sobald die Schnappscheibe durchschnappt ist diese Betätigungskraft erheblich reduziert. In Bezug auf sicherheitskritische Anwendungen werden heutzutage redundante Systeme gefordert. Somit ist das System "Schnappscheibe-Gegenkontakt" mit einer zweiten Technologie zu verbinden, welche instantan mit dem Durchschnappen der Scheibe ein zweites elektrisches Signal erzeugt, das zeitlich eindeutig mit dem Zeitpunkt des Durchschnappens der Scheibe gekoppelt ist.
Folglich ist mit Hilfe eines oder mehrerer Piezo-Elemente eine einfache technische Maßnahme geschaffen, durch die zusammen mit dem Schaltsignal der jeweiligen Schnappscheibe ein redundantes System gebildet ist, ohne dass technisch aufwändige Bauteile oder komplizierte Steuerprogramme zu verwenden sind.
In der Zeichnung sind drei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele einer Schaltvorrichtung dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind.
Im Einzelnen zeigt:

Figur 1a

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Schaltsignals, bestehend aus einem Gehäuse, in dem eine Aussparung eingearbeitet ist, aus einem Betätigungselement, durch das eine in dem Gehäuse abgestützte Schnappscheibe betätigbar ist, an dem ein Piezo-Element zum Erzeugen eines 2. Elektrischen Impulses angebracht sind und aus einem elektrischen auf einer Leiterplatte vorgesehenen Kontakt, im Ausgangszustand und in Seitenansicht,

Figur 1b

die Vorrichtung gemäß Figur 1a im Betätigungszustand, bei dem die Schnappscheibe durchgedrückt ist und die elektrischen Kontakte der Kontaktfläche verbindet,

Figur 2

die Vorrichtung gemäß Figur 1a mit Piezo-Elementen, die an einer anderen Position im Bereich des Gehäuses angebracht sind, welche nicht unter den Gegenstand des Anspruches 1 fällt,

Figur 3

die Vorrichtung gemäß Figur 2 mit quaderförmigen PiezoElementen und

Figur 4

ein schematisches Schaltbild für die redundante Überprüfung des elektrisch erzeugten Schaltsignals mit einem Kraft-WegeDiagramm bezogen auf die Betätigung der Schnappscheibe und des Piezo-Elementes gemäß den Figuren 1a bis 3.

[0005] In den Figuren 1a und 1b ist eine Vorrichtung 1 abgebildet, durch die eine manuelle oder mechanisch erzeugte Zustellbewegung in ein elektrisches Schaltsignal 12 erzeugt werden kann, durch das ein elektrisches Gerät, beispielsweise eine Werkzeugmaschine, ein Telefon, ein Küchengerät oder dergleichen, bedienbar ist.

[0006] Die Vorrichtung 1 besteht aus einem Gehäuse 3, in dem mindestens eine Aussparung 4 eingearbeitet ist. In die Aussparung 4 ist ein Betätigungselement 5 axial beweglich gelagert, das aus einem von außen zugänglichen Betätigungsstößel 6 und einer Kugelmembrane 8 gebildet ist. Der Betätigungsstößel 6 ist dabei gemäß Figur 1b mit einer Zustellkraft 2 beaufschlagbar, so dass dieser in das Innere des Gehäuses 3 eingedrückt oder eingefahren ist. Der Betätigungsstößel 6 liegt auf der Kugelmembrane 8 auf, die fest mit dem Gehäuse 3 gekoppelt ist.

[0007] Darüberhinaus liegt die Kugelmembrane 8 auf der Oberseite einer Schnappscheibe 9 auf, die kuppelförmig oder domförmig in Richtung des Betätigungselementes 5 im unbetätigten Zustand gemäß Figur 1a ausgewölbt ist. Die Schnappscheibe 9 besteht aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Werkstoff. Zudem weist die Schnappscheibe 9 eine Vorspannung, ähnlich einer Schraubendruckfeder im gespannten Zustand, auf, die der Zustellkraft 2 entgegenwirkt.

[0008] In dem Inneren des Gehäuses 3 ist eine Leiterplatte 10 vorgesehen, auf der eine elektrische Kontaktfläche 11 vorgesehen ist. Die Schaltfläche 11 ist dabei unterhalb der jeweiligen Schnappscheibe 9 angeordnet. Sobald die Schnappscheibe 9 von der Zustellkraft 2 in Richtung der Schaltfläche 11 gedrückt ist und die Schnappscheibe 9 durchschnappt, ist sie mit dem Schaltkontakt auf der Leiterplatte 11 in Form eines Kurzschlusses verbunden, so dass ein elektrisches Schaltsignal 12 generiert ist. Beim Durchschnappen der Schnappscheibe 9 ist gemäß Figur 4 die Widerstandskraft, die von der Schnappscheibe 9 entgegen der Zustellkraft 2 wirkt, erheblich verringert, da diese nahezu gegen Null fällt. Durch den Abfall der Zustellkraft 2 aufgrund des Durchschnappvorgangs der Schnappscheibe 9 entsteht ein von einem Piezoelement 21 erzeugtes Impulssignals 22. Sowohl das Schaltsignal 12 als auch das Impulssignal 22 werden von einer Auswerte- und Steuereinrichtung 13 erfasst. Dabei dient das Schaltsignal 12 zur Steuerung eines elektrischen Gerätes und das Signal 22 als redundanter elektrischer Impuls und zwar dahingehend, dass das Impulssignal 22 instantan auf den Zeitpunkt des Durchschnappens der Schnappscheibe 9 folgend zu dem Schaltsignal 12 entsteht. Bereits bei einer zeitlich geringfügigen Abweichung zwischen der Erzeugung des Schaltsignals 12 und der Entstehung des Impulssignals 22 wird das Schaltsignal 12 von der Auswerte- und Steuereinrichtung 13 nicht an das elektrische Gerät weitergegeben bzw. weitergeleitet. Das Impulssignal 22 dient demnach zur redundanten Verifizierung der Erzeugung des Schaltsignals 12.

[0009] Gemäß den Figuren 1a und 1b ist das jeweilige Piezo-Element 21 auf dem Betätigungsstößel 6 angebracht. Gemäß den Figuren 2 und 3 ist das Piezo-Element 21 im Bereich des Gehäuses vorgesehen und ringförmig bzw. quaderförmig ausgestaltet.

Ansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Umwandlung einer mechanischen Zustellbewegung in ein elektrisches Schaltsignal (12) für eine elektrisch betriebene Werkzeugmaschine oder ein sonstiges elektrisches Gerät, bestehend aus:

- einem Gehäuse (3), in dem mindestens eine Aussparung (4) eingearbeitet ist,

- einem in der Aussparung (4) des Gehäuses (3) axial geführt gelagerten Betätigungselement (5),

- einer in dem Gehäuse (3) vorgespannt gehaltenen Schnappscheibe (9), die im unbetätigten Zustand in Richtung des Betätigungselementes (5) ausgewölbt ist und

- einer in dem Gehäuse (3) angeordneten Leiterplatte (10), auf der mindestens ein elektrischer Schaltkontakt (11) vorgesehen ist, der in Richtung der Schnappscheibe (9) weist und fluchtend zu dieser angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Betätigungselement (5) mindestens ein Piezo-Element (21) angebracht ist, dass das Durchschnappen der Schnappscheibe (9) durch das Piezo-Element (21) erfasst ist und dass das Piezo-Element (21) einen elektrischen Impuls (22) erzeugt, der an eine Auswerte- und Steuereinheit (13) ausgegeben ist, durch die das elektrische Schaltsignal (12) der Schnappscheibe (9) gleichzeitig gemessen und zur Erzeugung eines elektrischen Schaltsignales (12) ausgewertet ist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet
dass das Piezo-Element (21) dazu ausgelegt ist, dass beim Durchschnappen der Schnappscheibe (9)
die Reduzierung der Zustellkraft (2) erfasst wird.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schnappweg der Schnappscheibe (9) von deren Ausgangsposition in die Schaltposition derart bemessen ist, dass die Schnappscheibe (9) beim Erreichen der Schaltposition durchschnappt.

4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Piezo-Element (21) ring- oder quaderförmig ausgestaltet sind.

5. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Piezo-Element (21) auf dem Betätigungselement (5) angeordnet sind.

6. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Betätigungselement (5) aus einem Betätigungsstößel (6) und einem Kugelmembran (8) besteht, die jeweils in dem Gehäuse (3) axial bewegbar gehalten sind.

7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Betätigungsstößel (6) unmittelbar auf der Oberfläche der Kugelmembran (8) im unbetätigten Zustand aufliegt.

Claims

1. A device (1) for converting mechanical movements into an electrical switching signal (12) for an electrically operated machine tool or another electrically operated device, consisting of,

- a housing (3) in which at least one recess (4) is worked.

- an actuating element (5) mounted with axial guidance in the recess (4) of the housing (3),

- a snap disc (9) held under preload in the housing (3) that has a curvature in the direction of the actuating element (5) in the unoperated condition and

- a circuit board (10) arranged in the housing (3) on which at least one electrical switching contact (11) is provided facing in the direction of the snap disc (9) and arranged flush with it,

characterised in that
at least one piezoelectric element (21) is attached to the actuating element (5), that wen the snap disc (9) snaps through this is registered by the piezoelectric element (21) and that the piezoelectric element (21) generates an electrical pulse (22) that is output to an evaluation and control unit (13) by means of which the electrical switching signal (12) of the snap disc (9) is measured at the same time and is evaluated for the purpose of generating an electrical switching signal (12).

2. The device (1) in accordance with Claim 1,
characterised in that
the piezoelectric element (21) is configured in such a way that the reduction in the advance force (2) is registered when the snap disc (9) snaps through.

3. The device (1) in accordance with Claim 1 or 2,
characterised in that
the distance of the snap travel of the snap disc (9) from its starting position to the switching position is such that the snap disc (9) snaps through when it reaches the switching position.

4. The device (1) in accordance with Claims 1 to 3,
characterised in that
the piezoelectric element (21) is shaped as a ring or a cube.

5. The device (1) in accordance with one of the aforementioned claims,
characterised in that
the piezoelectric element (21) is arranged on the actuating element (5).

6. The device (1) in accordance with one of the aforementioned claims,
characterised in that
the actuating element (5) comprises an actuating tappet (6) and a spherical membrane (8) each of which are held within the housing (3) so as to be axially movable.

7. The device (1) in accordance with one of the aforementioned claims,
characterised in that
the actuating tappet (6) makes direct contact with the surface of the spherical membrane (8) in the non-operated status.

Revendications

1. Dispositif (1) servant à la transformation d'un mouvement d'avance mécanique en un signal électrique (12) pour la commande d'une machine-outil à entraînement électrique ou un autre appareil électrique, comprenant :

- un boîtier (3) dans lequel il est pratiqué au moins un évidement (4),

- un élément d'actionnement (5) logé et guidé axialement dans l'évidement (4) du boîtier (3),

- une rondelle à déclic (9) retenue avec prétension dans le boîtier (3) et qui, en état non activé, est bombée en direction de l'élément d'actionnement (5) et

- un circuit imprimé (10) disposé dans le boîtier (3), sur lequel il est prévu au moins un contact de commande électrique (11) donnant en direction de la rondelle à déclic (9) et qui est arrangé en alignement précis avec celle-ci,

caractérisé en ce que
sur l'élément d'actionnement (5), il est monté au moins un élément piézoélectrique (21), que le déclic de la rondelle à déclic (9) est saisi par l'élément piézoélectrique (21), et que l'élément piézoélectrique (21) produit une impulsion (22) sortie sur une unité d'évaluation et de commande (13) qui assure simultanément la mesure du signal de commande électrique (12) de la rondelle à déclic (9) et son évaluation en vue de la production d'un signal de commande électrique (12).

2. Dispositif (1) d'après la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'élément piézoélectrique (21) est conçu de sorte qu'au déclic de la rondelle à déclic (9), il est saisi la réduction de la force d'avance (2).
à ce que la force d'avance (2) est réduite au

3. Dispositif (1) d'après les revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
la course de déclic de la rondelle à déclic (9) depuis sa position de départ à sa position de commande est dimensionnée de sorte à ce que la rondelle à déclic (9) effectue le déclic à l'atteinte de la position de commande.

4. Dispositif (1) d'après une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
l'élément piézoélectrique (21) a une forme annulaire ou est conçu en parallélépipède.

5. Dispositif (1) d'après une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'élément piézoélectrique (21) est disposé sur l'élément d'actionnement (5).

6. Dispositif (1) d'après une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'élément d'actionnement (5) consiste en un poussoir d'actionnement (6) et une membrane sphérique (8) retenues respectivement avec mobilité axiale dans le le boîtier (3).

7. Dispositif (1) d'après la revendication 6,
caractérisé en ce que,
en état non activé, le poussoir d'actionnement (6) porte directement sur la surface de la membrane sphérique (8).

Zeichnung