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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drucktaster mit einem Gehäuse,
dem mindestens ein ein haptisches Steuersignal auslösendes
erstes Stellglied und ein oder mehrere Permanentmagnete zugeordnet
sind, die an mindestens einem einen Schaltvorgang auslösenden
zweiten Stellglied vorbeigeführt werden können.
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Es
ist bereits ein Drucktaster mit einem in einem Gehäuse
gegen die Wirkung einer Rückstellfeder verstellbar gelagerten
Stößel bekannt (
US 6 867 680 B1 ), dem mindestens ein haptisch
wirkendes Steuersignal, ein haptisches auslösendes Stellteil
in Form einer Kugel und zwei Permanentmagnete zugeordnet sind, die
an einem einen Schaltvorgang auslösenden zweiten Stellglied
bzw. einem Hallsensor mindestens einen Schaltimpuls auslösen,
wenn der Stößel mit seinen Magneten an dem Hallsensor vorbeigeführt
wird. Diese Lösung verfügt über keine definierte,
gezielt beeinflussbare haptische oder akustische Rückmeldung.
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Die
Haptik der vorbekannten Lösungen nähert sich selten
einer idealen Kraft-Weg-Kennlinie. Durch die nicht optimale Bediensicherheit
entsteht ein minderwertiger Qualitätseindruck. Außerdem
ist der Hall-Effekt-Drucktaster nicht redundant ausgelegt und somit
nicht ausreichend vor einem Ausfall geschützt. Tritt bei
diesem Schalter Federbruch ein, wird der Drucktaster nicht abgeschaltet
und die über den Schalter betätigbare Maschine
in einen nicht-kontrollierbaren Zustand versetzt. Sollen größere
Kraftsprünge erzeugt werden, ist die Kugel als Schaltelement
beschränkt einsetzbar, da der Kugelradius verhältnismäßig
klein sein muss, um eine steil abfallende Flanke zu erzeugen, wodurch
wiederum nur kleine Hübe erzeugt werden können.
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Drucktaster
mit herkömmlichen Schaltkontakten haben stets das Problem,
dass die Rückmeldung an den Schaltvorgang gekoppelt ist.
Das heißt, sowohl die haptische als auch die akustische
Rückmeldung sind von einem elektro-mechanischen Schaltelement
abhängig. Die Haptik des oben genannten Drucktasters kann
nur geändert werden, wenn das Schaltelement umkonstruiert
wird, was wiederum zu einem hohen Entwicklungsaufwand und zu hohen
Kosten beim Werkzeugbau führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucktaster derart auszubilden
und anzuordnen, dass an die Bedienperson ein definiertes und/oder beeinflussbares
Feedback in Form einer Rückmeldung weitergegeben wird.
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Gelöst
wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass
dem ersten eine haptische Rückmeldung auslösenden
Stellglied ein Steuerelement mit einem ersten progressiven oder
degressiven Steuerflächenanteil und mindestens einem zweiten
sich daran anschließenden, sich umgekehrt verhaltenden Steuerflächenanteil
zugeordnet ist, an dem das Stellglied entlang geführt wird.
Die hieraus resultierende Zeit-Wegkennlinie kann unterschiedlich
groß sein. Mit Hilfe des ersten ansteigenden Steuerflächenanteils
und mindestens eines zweiten abfallenden Steuerflächenanteils
wird der Bedienperson eine sehr gut wahrnehmbare haptische Rückmeldung
vermittelt, auch dann, wenn der Druckschalter an einem Gerät eingesetzt
wird, das starken Erschütterungen unterliegt. Durch die
Gestaltung der Zeit-Wegkennlinie kann die Wahrnehmung der Rückmeldung
noch optimiert werden.
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Hierzu
ist es vorteilhaft, dass dem ersten Stellglied ein federelastisches
Stellteil und Steuerflächenanteile zugeordnet sind, die
sich in etwa in die Bewegungsrichtung des Drucktasters erstrecken.
Je nach gewünschten Vorgaben bzw. der zuvor konzipierten
Kraft-Wegkennlinie können die Steuerflächenanteile
danach entsprechend in ihrer Länge und/oder Steigung verändert
werden. Hierzu braucht lediglich der Konturbaustein mit geänderter
Außenkontur ersetzt zu werden. Das Umrüsten des
Schalters ist sehr leicht vorzunehmen. Ferner können die Lagerhaltungskosten
derartiger Druckschalter herabgesetzt werden, da nur entsprechende
Bausteine des Schalters vorproduziert werden müssen und
die Schalter dann den Kundenwünschen entsprechend zusammengebaut
werden können.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass der erste eine große Wegstrecke realisierende
Steuerflächenanteil in etwa linear ansteigendend verläuft,
an ihn schließt sich der eine kleine Wegstrecke realisierende
abfallende Steuerflächenanteil und daran zumindest ein weiterer
eine große Wegstrecke realisierender ansteigender dritter
Steuerflächenanteil an.
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Vorteilhaft
ist auch, dass dem Drucktaster das ein haptisches Steuersignal auslösende
erste Stellglied, das einen Schaltvorgang auslösende zweite
Stellglied und/oder ein einen Schallimpuls auslösendes
drittes Stellglied (Akustik) zugeordnet sind.
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Mit
Hilfe des federelastischen Stellteils können die Steuerflächenanteile
gut wahrnehmbar abgefahren werden, wobei der kontinuierlich ansteigende Stelldruck
der Bedienperson einen sehr gut spürbaren Eindruck über
den Stellweg und die Schaltfunktion vermittelt. Dieser Drucktaster
mit unabhängig einstellbarer Haptik und Akustik und entkoppeltem
elektrischen Schaltvorgang, lässt sich vorteilhafter Weise in
Griffen von Verbundantrieben für Industriefahrzeuge einsetzen,
beispielsweise Bagger, Raupen und Radlader. Beim Betätigen
erfährt die Bedienperson ein eindeutiges Signal, wobei
sie mit Sicherheit sagen kann, ob sie einen Schaltvorgang durchgeführt hat
oder nicht. Dabei wird die Rückmeldung an die Bedienperson über
den haptischen und akustischen Sinneskanal realisiert. Da die haptische
und die akustische Rückmeldung voneinander unabhängig sind,
können diese auch sehr leicht ausgewechselt werden, wenn
sich andere Betriebsbedingungen stellen. Die Haptik des erfindungsgemäßen
Drucktasters kann, wie bereits erwähnt, ohne Aufwand geändert werden,
da das erste eine andere Charakteristik aufweisende Stellglied ohne
weiteres ersetzt werden kann, was wiederum zu einem geringen Entwicklungsaufwand
und zu niedrigen Kosten beim Werkzeugbau führt.
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Vorteilhaft
ist es hierzu, dass das ein haptisches Steuersignal auslösende
erste Stellglied sowie die anderen Stellglieder wirkungsmäßig
voneinander entkoppelt sind.
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In
weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass der
durch ein oder mehrere Stellglieder ausgelöste Schaltvorgang
mit Hilfe von Hallsensoren, Lichtschranken, mechanischen Schaltkontakten
oder kapazitiven bzw. induktiven Sensoren durchgeführt
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass das erste Stellglied als Biegefeder ausgebildet
ist und bei Verstellen des Drucktasters bzw. eines Drucktasterstellteils
in Axialrichtung an einer im Gehäuse vorgesehenen, die
Steuerflächenanteile bildenden Führungskontur
entlang geführt werden kann. Mit Hilfe von Hall-Sensoren
oder alternativ von Lichtschranken, kapazitiven oder induktiven
Sensoren, mechanischen Schaltkontakten, Reed-Kontakten kann auf einfache
Weise der gewünschte Schaltvorgang durchgeführt
werden. Eine definierte haptische und akustische Rückmeldung
gibt der Bedienperson die höchstmögliche Sicherheit,
dass der Drucktaster betätigt wurde und vermittelt ihr
dabei ein sehr gutes Gefühl über den Schaltvorgang.
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Die
Trennung der Funktionen zwischen elektrischem Schaltvorgang, Haptik
und Akustik ist mit der vorteilhaften Ausbildung des Drucktasters
neu umgesetzt. Dadurch können die einzelnen Funktionen
unabhängig voneinander optimiert und variiert werden. Eine
eindeutige und definierte Rückmeldung ist sowohl für
die Sicherheit im Betrieb, als auch für einen sehr gut
wahrnehmbaren Eindruck des Drucktasters wichtig. Durch die vorteilhafte
Ausbildung des Drucktasters können die Funktionen elektrischer Schaltvorgang
und haptische und akustische Rückmeldung an den Bediener
voneinander getrennt übermittelt werden. Der neuartige
Drucktaster besitzt eine definierte haptische Rückmeldung,
die auf einer zuvor definierten Kraft-Weg-Zielkennlinie basiert bzw.
von dieser in vorteilhafter Weise abgeleitet ist.
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Je
nach gewünschter Kennlinie kann die Haptik durch die Mechanik
im Drucktaster angepasst werden. Dabei wird die Kennlinie in einen
linearen Anteil und in den Kraftsprung aufgeteilt. Durch diese Aufteilung
lassen sich die Parameter der Kennlinie getrennt einstellen. Der
lineare Anteil wird mit einem linear federnden Element wie Druckfeder,
Federbalken, Magnetfeld, Silikonmatte, Gummikörper realisiert.
Die Ausführung des linearen Anteils kann jedoch ebenso
progressiv wie degressiv ausgeführt werden. Der Kraftsprung
bzw. Druckpunkt wird ebenfalls durch ein federndes Element wie Biegefeder
aus Kunststoff mit Rundkopf, Schnapp-, Federscheibe oder eine Druckfeder
mit Stahlkugel realisiert, das nach dem Prinzip einer Rollenführung
eine definierte langgestreckte Kontur abfährt. Abhängig
von der Kontur erfährt das federnde Element eine Kraftänderung,
die den Kraftsprung bzw. Druckpunkt darstellt. Legt man die Kennlinien
des linearen Anteils und des Kraftsprungs zusammen, erhält
man durch Kurvenaddition die gewünschte Kraft-Weg-Zielkennlinie des
Drucktasters.
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Sind
mehrere Sensoren unabhängig voneinander einsetzbar, können
mehrere Informationen über die Stellung, Funktionsfähigkeit
und Fehlergröße des Schalters zur Verfügung
gestellt werden. Die mehrfach redundante Ausführung der
Sensoren erhöht die Sicherheit und verbessert die Auswertungsmöglichkeiten.
Durch den Einsatz des Sensors oder, falls erforderlich, mehrerer
Sensoren erhält man eine höhere Bediensicherheit.
Mit Hilfe des Sensors lässt ist ohne weiteres die Stellung
des Drucktasters oder des Betriebszustands bzw. eine Störfunktion
des Schalters feststellen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass die im Gehäuse vorgesehene Führungskontur
eine oder mehrere Raststellen aufweist, die je einer Schaltfunktion
zugeordnet sind.
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Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass der Drucktaster einen Stößel
aufweist, dem im unteren Stellbereich eine Federbruchsicherung zugeordnet
ist, die aus einem am Stößel angeordneten ersten
Widerlager und einem am Gehäuse vorgesehenen Anschlag besteht,
der in der Bewegungsebene des Widerlagers liegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung ist schließlich vorgesehen, dass im unteren
Bereich des Stößels ein Kontakt bzw. Kontaktschalter
vorgesehen ist, gegen den der Stößel in seiner
Endlagestellung mittel- oder unmittelbar zur Anlage gebracht werden
kann, wenn er die aus dem Widerlager und dem Anschlag gebildete Federbruchsicherung
passiert hat. Vorzugsweise liegt der Kontakt bzw. Kontaktschalter
mit seinem Kontaktelement auf der Bewegungsebene des Stößels.
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Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
und Anordnung ist es von Vorteil, dass das Widerlager des Stößels
eine Anlagefläche aufweist, die in der Ausgangsstellung
bzw. inaktiven Stellung des Drucktasters mit Hilfe einer Rückstellfeder
gegen eine am ersten Stellglied vorgesehene Anlagefläche
zur Anlage gebracht wird.
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Vorteilhaft
ist es ferner, dass das Gehäuse im oberen Bereich eine
Aussparung zur Aufnahme der Rückstellfeder aufweist, die
einerseits gegen das Drucktasterstellteil und andererseits gegen
das Gehäuse anliegt.
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Außerdem
ist es vorteilhaft, dass die Biegefeder zumindest teilweise als
Hülse ausgebildet ist, die einerseits mit einem fest an
das Drucktasterstellteil angeschlossenen zylindrischen Zapfen verbunden
ist und andererseits federelastische Biegefederelemente aufweist.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass zwischen dem Außenumfang des Drucktasterstellteils
und dem Innenumfang der Aussparung ein Luftspalt vorgesehen ist.
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Sehr
vorteilhaft ist auch, dass die Rückstellkraft der Feder
größer ist als die Rückstellkraft der Biegefeder.
Hierdurch wird sichergestellt, dass der Drucktasterschalter stets
in seine Ausgangsposition zurückkehrt, wenn der Taster
losgelassen wird und die Federbruchsicherung nicht aktiviert ist.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass das Stellglied eine oder mehrere mit Bezug auf
die Mittelebene des Stößels in einem Winkel geneigt
verlaufende Steuerflächenanteile aufweist, die mit der
Mittelachse des Stellglieds einen Winkel zwischen 3° und
30° einschließen können.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass sich an den Steuerflächenanteil
ein abgewinkelter Steuerflächenanteil anschließt,
wobei der Winkel zwischen den beiden Steuerflächenanteilen
zwischen 77° und 130° groß sein kann.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass das dem Drucktaster zugeordnete haptisch wirkende
erste Stellglied, das einen Schaltvorgang auslösende zweite Stellglied
sowie das einen Schallimpuls auslösende dritte Stellglied
(Akustik) gegeneinander verstellbar sind. Die unabhängige
Einstellbarkeit und Justagemöglichkeit der haptischen elektrischen,
akustischen Schaltpunkte macht den Schalter vielseitig einsetzbar.
Werden weitere Sensoren eingebaut, erhöht sich die Redundanz
des Drucktasters.
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Ferner
ist es von Vorteil, dass das erste Stellglied durch den Konturenbaustein
und die Biegefeder gebildet wird und dass das ein haptisches Steuersignal
auslösende Stellglied aus einer im Gehäuse vorgesehenen
Führungskontur und dem mit dieser zusammenwirkenden als
Biegefeder ausgebildeten Stellteil besteht, das mit Hilfe des Drucktasterstellteils
an der Führungskontur des Stellglieds entlang geführt
werden kann. Es zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Drucktasters mit einem Gehäuse,
dem mindestens ein ein haptisches Steuersignal auslösendes
erstes Stellglied und ein oder mehrere Permanentmagnete zugeordnet
sind;
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2 eine
Schnittdarstellung eines Drucktaster mit einem Gehäuse
gemäß 1 um 90° gedreht;
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3 eine
Teilschnittdarstellung eines Steuerflächenanteile aufweisenden,
auswechselbaren Konturenbausteins;
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4 ein
Diagramm mit einer Kraft-Weg-Kennlinie eines biege-elastischen Stellglieds;
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5 ein
Diagramm mit den Spannungsverläufen von zwei Hallsensoren;
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6 eine
Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
Drucktasters mit drehbarem Drucktasterstellteil.
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In
der Zeichnung ist ein Drucktaster 5 mit einem Stößel 13 gezeigt,
der in einem Gehäuse 10 gegen die Wirkung einer
Rückstellfeder 1 verstellbar gelagert ist. Das
Gehäuse 10 ist als zylindrische Hülse
ausgebildet und weist an seinem oberen Ende eine Aussparung 10.1 zur
Aufnahme des unteren Endes der Rückstellfeder 1 auf,
die mit ihrem anderen Ende in einer in einer Drucktasterkappe 5.1 vorgesehenen
Aussparung 5.2 aufgenommen ist und dadurch die Drucktasterkappe 5.1 bzw.
das Drucktasterstellteil in seine inaktive Stellung bzw. Ausgangsposition
bringt. Eine Biegefeder 11 ist zumindest teilweise als
Hülse ausgebildet, die einerseits mit einem fest an das
Drucktasterstellteil 5.1 angeschlossenen zylindrischen
Zapfen 5.3 verbunden ist und andererseits federelastische
Biegefederelemente 11.2 aufweist. Die Biegefeder 11 und
der Stößel 13 können auch ein
Teil sein.
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Zwischen
dem Außenumfang des Drucktasterstellteils 5.1 und
dem Innenumfang der Aussparung 10.1 ist ein Luftspalt 4 vorgesehen,
sodass eine von einem haptischen Signal entkoppelte bzw. unabhängige
Abstrahlung eines Schallsignals über den Luftspalt 4 erfolgen
kann, wenn z. B. der Stößel 13, wie nachstehend
näher erläutert, hart aufschlägt oder
eine Federbruchsicherung 12, hier als Anschlag ausgebildet,
wirksam wird. Hierdurch erfolgt eine Entkopplung der Akustik vom
Gehäuse.
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Eine
aktive Schallerzeugung wird mit Hilfe eines Piezoaktors 15 erzeugt,
der im unteren Stellbereich des Stößels 13 an
der Innenwand des Gehäuses 10 vorgesehen ist.
Ferner kann die aktive Schallerzeugung mit einem Miniaturlautsprecher
realisiert werden. Die Schall-Abstrahlung erfolgt also über
das Gehäuse, wobei das Drucktasterstellteil 5.1 keinen
Schall emittiert.
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Dem
Stößel 13 ist mindestens ein ein haptisches
Signal auslösendes Stellglied 6, nachstehend auch
als Konturenbaustein bezeichnet, zugeordnet, das wie nachstehend
näher beschrieben, eine Kontur mit Steuerflächenanteilen 6.1, 6.2, 6.3 (1 und 3)
und eine Kraftsprungstelle 6.4 aufweist, an denen ein federndes
Stellteil 11 entlang geführt werden kann und das
mit einem oder mehreren im unteren Bereich des Stößels 13 vorgesehenen
Permanentmagneten 3 zusammenwirkt. Im Ausführungsbeispiel
sind zwei untereinander angeordnete Permanentmagnete 3.1, 3.2 vorgesehen.
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Das
federelastisch ausgebildete Stellteil 11 kann mit Hilfe
des Drucktasterstellteils 5.1 an der Führungskontur
des Stellglieds 6 bzw. des Konturenbausteins entlang geführt
werden. Der Verlauf der Kurvenbahn ergibt sich auch deutlich aus 4.
Dort ist die Kurvenbahn in drei Abschnitte a, b, c aufgeteilt, die
den Steuerflächenanteilen 6.1 bis 6.3 des
Konturenbausteins 6 entsprechen.
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Der
Abschnitt a ist wesentlich größer als der Abschnitt
b. An den Abschnitt b schließt sich ein dem Abschnitt a
entsprechender Abschnitt c an. Je größer der Anstiegswinkel
des Abschnitts a ist, desto größer ist auch die
auf den Schalter auszuübende Stellkraft und somit die Qualität
der haptischen Rückmeldung. Durch Drücken des
Drucktasterstellteils 5.1 erhält die Bedienperson
eine deutlich erfassbare haptische und nun mit Hilfe des Piezoaktors 15 akustische
Rückmeldung über die Stellung des Drucktasters 5.
Bei Überschreitung eines Kurvenpunktes d, der einem Kraftsprung
entspricht, weiß die Bedienperson, dass sie die Einschaltfunktion
ausgelöst hat.
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Die
im Gehäuse 10 vorgesehene Führungskontur
auf dem Konturenbaustein 6 weist die drei Steuerflächenanteile 6.1, 6.2, 6.3 auf.
Hat die Bedienperson den Kraftsprung durch Überschreiten
des Kurvenmaximums bzw. gemäß 3 der
Kraftsprungstelle 6.4 realisiert und den Kurvenabschnitt
b erreicht, so hält sie das Drucktasterstellteil 5.1 solange
in dieser Stellung, wie die der Schaltstellung entsprechende Funktion
gewünscht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rückstellkraft
der Rückstellfeder 1 größer
ist als die Rückstellkraft der Biegefeder 11,
damit sichergestellt wird, dass der Schalter bzw. Drucktaster 5 nach
Loslassen des Drucktasterstellteils 5.1 wieder in seine
Ausgangsposition zurückkehrt.
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Der
optimal definierte Kurvenverlauf gemäß 4 bildet
die Grundlage zur Bestimmung der Kontur des Konturbausteins 6.
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Die
elektrische Schaltfunktion beruht auf mehreren Prinzipien. Vorteilhaft
ist es, wenn der Schalter redundant ausgelegt ist. Hierzu dienen
zwei gegenüberliegend angeordnete Hallsensoren 2,
wobei in 1 nur der hintere Hallsensor 2 zum
Teil sichtbar und der vordere Hallsensor aufgrund der Schnittdarstellung
nicht wiedergegeben ist.
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Die
untereinander angeordneten Permanentmagnete 3.1, 3.2 werden
an den in einer Hallsensorfassung 7 enthaltenen Hallsensoren 2 vorbeigeführt
und es entsteht eine Hallspannung 2.1 bzw. 2.2.
Der Hallgeber leitet die Hallspannung an ein entsprechendes Steuergerät
weiter und löst dadurch einen Schaltvorgang aus.
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Wie
aus 5 hervorgeht, läuft die Hallspannung 2.1 des
einen Hallsensors 2 von einem Y-Betrag auf einen Betrag
Null herunter, während die Hallspannung 2.2 des
zweiten Hallsensors von einem Betrag X auf einen Betrag Y hoch läuft.
Fällt bei einer Störung ein Hallsensor aus, so
wird durch den unterschiedlichen Spannungsverlauf sofort angezeigt,
welcher Hallsensor ausgefallen ist, ohne dass dadurch die Schaltfunktion
des Schalters beeinträchtigt wird.
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Im
unteren Bereich des Gehäuses 10 befindet sich
das dritte Stellglied 15 bzw. der Piezoaktor zur Körperschallerzeugung
an der Hülse.
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Die
elektrische Schaltfunktion und die haptische und akustische Rückmeldung
an die Bedienperson sind, wie nachstehend noch erläutert,
von einander getrennt.
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Wird
also der Stößel 13 nach unten geschoben,
verändert sich die Polarisation, da ein oberer Magnet 3.1 auf
NS und ein unterer Magnet 3.2 auf SN geschaltet ist. Wird
der Stößel 13 über den Anschlag 12 hinaus
weiter nach unten gefahren, ändert sich das Magnetfeld
nochmals und der Bedienperson wird mit Hilfe der Hallsensoren 2 angezeigt,
dass ein permanenter Fehler aufgetreten ist, sodass der Drucktaster
nicht mehr eingesetzt werden darf, sondern ausgetauscht werden muss.
Durch diese Anordnung werden drei Signale bzw. Stellgrößen
realisiert und zwar die inaktive oder Nullstellung, die aktive und die
Bruchstellung des Drucktasters 5.
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Es
können auch mehrere Stellglieder bzw. Hallsensoren 2 im
Gehäuse 10 des Drucktasters 5 vorgesehen
sein. Werden weitere Sensoren eingebaut, erhöht sich, wie
bereits erwähnt, die Redundanz des Drucktasters 5.
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Ferner
ist es möglich, das haptische Stellglied 6, die
an einer Hülse angebrachte Biegefeder 11, die
Hallsensorfassung 7 sowie die Federbruchsicherung 12 als
einzelne Baukörper bzw. als Drehkörper auszubilden
und in das Gehäuse derart einzubauen, dass sie jederzeit
auch einzeln gegen größere oder kleinere, andere
Schaltfunktionen aufweisende Baukörper bzw. Drehkörper
ersetzt werden können.
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Die
akustische Entkopplung zwischen dem Gehäuse 10 und
der Drucktasterkappe 5.1 sowie dem federelastischen Biegeteil 11 kann
in vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, dass für diese
Bauteile unterschiedliche Materialien verwendet werden, sodass unterschiedliche
Schallgeschwindigkeiten realisiert werden. Die Entkopplung wird
durch unterschiedliche Faktoren der Materialien begünstigt
und damit der Übergang der Schallimpulse zwischen den Bauelementen
minimiert.
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Die
nachstehenden Funktionen des Drucktasters 5 und zwar elektrischer
Schaltvorgang sowie haptische und akustische Rückmeldung
an den Bediener sind, wie bereits erwähnt, voneinander
getrennt. Der vorteilhaft ausgebildete Drucktaster 5 besitzt
eine definierte haptische Rückmeldung, die auf einer Kraft-Weg-Zielkennlinie
basiert. Hierzu ist die Kennlinie gemäß 4 in
einen linearen Anteil Kurvenabschnitt a und einen Kraftsprung Kurvenabschnitt
d aufgeteilt.
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Das
haptische Feedback wird durch eine definierte Kraft-Weg-Kennlinie
vorgegeben. Je nach gewünschter Kennlinie kann die Haptik
durch die Mechanik im Drucktaster angepasst werden. Wie bereits erwähnt,
wird dabei die Kennlinie in einen linearen Anteil und in den Kraftsprung
aufgeteilt. Durch diese Aufteilung lassen sich die Parameter der
Kennlinie getrennt einstellen. Der lineare Anteil wird mit einem linear
federnden Element, hier durch die Rückstellfeder 1,
realisiert. Es kann auch ein Federbalken, ein Magnetfeld, eine Silikonmatte
oder ein Gummikörper verwendet werden.
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Der
Kraftsprung bzw. Druckpunkt wird ebenfalls durch das federnde Element
hier durch die Biegefeder 11 aus Kunststoff mit einem Rundkopf 11.3 realisiert.
Die Wegkraftlinie, die durch Entlangfahren des äußeren
Endes bzw. des an der Biegefeder 11 vorgesehenen Rundkopfs 11.3 an
der Außenkontur des ersten Stellglieds 6 realisiert
wird, ist in einem in 4 dargestellten Diagramm veranschaulicht.
Es kann auch ein Schnäpper oder eine Federscheibe bzw.
Druckfeder mit Stahlkugel im Stellteil 11 eingesetzt werden,
die nach dem Prinzip einer Rollenführung eine definierte
Kontur abfährt. Abhängig von der Kontur des ein
haptisches Signal auslösenden Stellteils 6 erfährt
das federelastische Stellteil bzw. die Biegefeder 11 durch
Entlangfahren der Biegefeder 11 an dem Steuerflächenanteil 6.1 eine
Kraftänderung, die den Kraftsprung bzw. Druckpunkt darstellt.
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Das
Stellglied 6 kann eine oder mehrere mit Bezug auf die Mittelebene
des Stößels 13 in einem Winkel α geneigt
verlaufende Steuerflächenanteile 6.2 aufweisen,
die mit der Mittelachse des Stellglieds einen Winkel α zwischen
3° und 30° einschließen können.
An die Steuerflächenanteile 6.2 des ersten Stellglieds 6 schließt
sich ein abgewinkelter Steuerflächenanteil 6.3 an,
zwischen denen eine Raststelle angeordnet ist. Der Winkel α zwischen
den beiden Steuerflächenanteilen 6.2 und 6.3 kann
zwischen 90° und 130° groß sein. Durch
den Kraft-Weg-Verlauf (4), der theoretisch erstellt
wird, kann die Kurvenform abgeleitet werden. Die Winkel werden daraus
ermittelt. Die Winkel können den unterschiedlichen Anforderungen
angepasst werden. Hierzu ist das Stellglied (3) als auswechselbarer
Konturenbaustein 6 ausgebildet, sodass je nach Anforderung der
Verlauf der Kontur angepasst werden oder der Konturenbaustein durch
eine anders gestaltete Kontur ersetzt werden kann. Hierzu müssen
lediglich die Drucktastenstellteile 7 und 8 entfernt
werden. Danach kann der Konturenbaustein 6 ausgewechselt werden.
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Legt
man die Kennlinien des linearen Anteils und des Kraftsprungs zusammen,
so erhält man eine Kurvenaddition und damit die gewünschte Kraft-Weg-Zielkennlinie
des Drucktasters 5.
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Der
Drucktaster 5 setzt eine definierte und beeinflussbare
Haptik wie folgt um:
Eine definierte Kraft-Weg-Kennlinie wird
in die Steigung und zwar in den linearen Anteil bzw. Kurvenabschnitt
a und den Kraftsprung Kurvenabschnitt d aufgeteilt. Der lineare
Anteil wird mit der Rückstellfeder 1 und der Kraftsprung
am Kurvenabschnitt d mit der Biegefeder 11 realisiert,
die mit dem halbkreisförmigen Kopf 11.3 versehen
ist. Der Kopf 11.3 wird entlang der äußeren
Kontur des Konturenbausteins 6, die dem ersten Stellglied
entspricht, geführt, die zu einer definierten Kraftänderung
der Biegefeder 11 führt. Der Kraft-Weg-Verlauf
der Rückstellfeder 1 zu dem Kraft-Weg-Verlauf
der Biegefeder 11 addiert, ergibt die gesamte Kraft-Weg-Kennlinie
des Drucktasters 5 gemäß 4.
Der Kraftsprung lässt sich durch Austausch der Biegefeder 11 und/oder
des Konturenbausteins 6 korrigieren oder ändern.
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Die
Umsetzung der Haptik kann gemäß 6 bei
Drehschaltern z. B. auf einer in der Zeichnung nicht dargestellten
Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie realisiert werden. Auch hier wird
der lineare Anteil mit einer Feder realisiert. Die für
den Kraftsprung notwendigen Konturen bzw. entsprechende hier nicht
dargestellte Kraftsprünge, ähnlich wie in 1 bzw. 4 veranschaulicht,
können ringförmig in einer eine Außenkontur
aufweisenden Spirale 5.4 angeordnet werden. Mehrere Stufen
sind abfragbar, ebenso ist auch eine stufenlose lineare Bedienung
möglich. An der Außenkontur der Spirale 5.4 kann
ein Stößel 5.5 entlanggeführt
werden und die zuvor beschriebenen Schaltfunktionen realisieren.
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Die
Akustik ist vom Gehäuse 10 entkoppelt und eine
Abstrahlung erfolgt nach vorne bzw. oben nur über die Drucktasterkappe 5.1 und
den Luftspalt 4. Das Schallsignal kann entweder durch einen
harten Schlag auf den Stößel oder durch Anreißen
eines Federelements ausgelöst werden.
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Eine
aktive Schallerzeugung kann mit dem Piezoelement 15 oder
mit Hilfe eines Miniaturlautsprechers bzw. durch eine elektromagnetische
Spule realisiert werden. Alternativ kann die Abstrahlung über
das Gehäuse erfolgen, wobei die Drucktasterkappe 5.1 keinen
Schall emittiert.
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Der
elektrische Schaltvorgang wird dadurch erreicht, dass zwei Hallsensoren 2 gleichzeitig
eine entgegengesetzt gepolte Magnetfeldänderung mit Hilfe
der beiden Permanentmagnete 3 erfahren. Der Vorteil liegt
in der Diversität, wobei die Hallsensoren 2 zwei
entgegengesetzte Signale abgeben (6). Die
Ausfallsicherheit dieses redundanten Systems wird dadurch erhöht,
dass das gleiche Wirkprinzip auf zwei verschiedene Arten verwertet
wird. Während ein Hallsensor 2 ein High-Signal
abgibt, gibt der zweite Sensor ein Low-Signal ab. Sobald ein Sensor
ausfällt, wird das von einer Auswertelektronik registriert. Die
angeschlossene Elektronik kann z. B. eine Maschine in einen kontrollierbaren
Zustand versetzen und die Bedienperson über einen Ausfall
informieren. Es besteht nach Ausfall des einen Hallsensors 2 auch
die Möglichkeit, den Drucktaster 5 vorübergehend
nur mit einem Hallsensor zu betreiben.
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Mit
analogen hier nicht dargestellten Hall-Sensoren kann der Drucktaster 1 um
mehrere Schaltstufen erweitert werden. Jede Schaltstufe wird einem
bestimmten Hall-Spannungsbereich zugeordnet.
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Auch
in großen Hubbereichen kann der Aufbau mit zwei Hall-Sensoren
verwendet werden. Hier wird die translatorische Druckbewegung mit
Hilfe der bereits erwähnten, in der Zeichnung nur teilweise dargestellten
Spindelkonstruktion (6) in eine rotatorische Bewegung
umgewandelt.
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Der
Schaltvorgang kann auch durch magnetostatische, magnetodynamische,
magnetoresistive, induktive, LVDT (Linear Variable Differential
Transformator), kapazitive, optische, mechanische und pneumatische
Signalwandler erfolgen. Eine optische und pneumatische Signalwandlung
ist bei der Einhaltung von EMV-Richtlinien und Explosionsschutz
sinnvoll. Elektrische, pneumatische und optische Signalarten sind
für die Übertragung einsetzbar. Als Auswertungsprinzip
sind z. B. Quadraturencoder, Widerstandswerte, Luftdruckwerte zur
Bestimmung der Position und Bewegungsrichtung sinnvoll. Es können Analog-Signale
oder inkrementelle Signale ausgelesen oder verwertet werden.
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Eine
Federbruchsicherung, die durch ein am Stößel 13 vorgesehenes
Widerlager 12.1 und den in der Bewegungsebene des Widerlagers 12.1 vorgesehenen
Anschlag 12 gebildet wird, soll verhindern, dass das Drucktasterstellteil 5.1 nach
einem Federbruch weiter betätigt werden kann. Wenn die
Bedienperson nach Federbruch den Drucktaster 5 erneut betätigt,
durchbricht der Stößel 13 den unteren
Anschlag 12, sodass die Federbruchsicherung ausgelöst
wird. Der Stößel 13 wird mit Hilfe des
Widerlagers 12.1 und des unteren am Gehäuse 10 vorgesehenen
Anschlags 12 in der unteren Position gehalten, was von
der Bedienperson als einrastendes Gefühl wahrgenommen wird.
Hierbei löst der Stößel 13 mit Hilfe
eines Kontaktschalters 14, der auf einer Platine 9 angeordnet
ist und in der Bewegungsebene des Stößels 13 liegt,
einen elektrischen Kontakt aus, der von einer externen Auswertelektronik
als Fehlermeldung erkannt wird. Anstelle des Schalters 14 können auch
die beiden Signale der Hallsensoren 2 entsprechend ausgewertet
werden, wenn der Stößel 13 die Federbruchsicherung
bzw. den Anschlag 12 passiert hat und dadurch die Schadensstellung
des Schalters bzw. Drucktasters 5 der Bedienperson signalisiert.
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Die
Platine 9 ist in einem am Gehäuse 10 angeschlossenen
Deckel 8 aufgenommen. Der Deckel 8 kann mit dem
Gehäuse fest verbunden oder über eine Drehsicherung
oder Schnappverschluss an das Gehäuse 10 angeschlossen
werden. Das hat den Vorteil, dass die einzelnen Bauteile, wie Stellteil 11, Stellglied 6,
Hallsensorfassung 7 und Stößel 13 auf einfache
Weise durch eine im unteren Ende des Gehäuses 10 vorgesehene Öffnung 16 in
das Gehäuse 10 geschoben werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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