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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum kontaktlosen Schalten von elektrischen Geräten mit einem manuell bedienbaren Taster, einem dem Taster zugeordneten Dauermagneten, einem Gehäusekörper, der mindestens eine Vertiefung aufweist, welche zur Arretierung des Tasters an dem Gehäusekörpers und gleichzeitig zur Führung des Dauermagneten dient, und zwei Magnetsensoren, die im Innenraum des Gehäusekörpers angeordnet sind, wobei der Taster mittels eines Rückstellmechanismus aus einer Betätigungsposition in seine Ausgangsposition automatisch rückstellbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines Schaltvorgangs unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
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Eine solche Schaltvorrichtung ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
EP 2 854 296 A1 bekannt. Kontaktlose Schaltvorrichtungen mit manuellem Taster werden eingesetzt, um die unterschiedlichsten Schaltfunktionen zu initiieren. Der Vorteil gegenüber elektrisch kontaktierten Schaltungen ist in erster Linie, dass diese verschleißfester und weniger störanfällig sind. Ein Nachteil einer solchen Schaltung ist allerdings, dass durch äußere Störmagnetfelder eine ungewollte Schaltung ausgelöst werden kann. Des Weiteren ist es wünschenswert, dass die Schaltervorrichtung robust gegen weitere umgebungsbedingte Störeinflüsse, wie beispielsweise Flüssigkeiten und Staub, aufgebaut ist, damit die Schaltervorrichtung auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann. D.h., dass die Bauteile der Schaltvorrichtung möglichst verschleißfest sind bzw. dass die Bauteile, die dem Verschleiß unterliegen, einfach und kostengünstig auszutauschen sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Schaltvorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass diese robuster gegen umgebungsbedingte Störeinflüsse ist, insbesondere gegen externe Magnetfelder. Zudem soll die Schaltvorrichtung möglichst nicht durch Flüssigkeiten und Staub in der Umgebung gestört oder beschädigt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem Schalter der eingangs genannten Art vor, dass der Dauermagnet als axial polarisierter Stabmagnet ausgebildet ist und in den Taster eingebettet ist, wobei die Magnetsensoren achssymmetrisch zur Längsachse des Stabmagneten angeordnet sind.
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Durch diese Anordnung der Magnetsensoren kann eindeutig detektiert werden, ob es sich bei dem gemessenen Magnetfeld, um das des im Taster eingebetteten Stabmagneten oder um ein externes Störmagnetfeld handelt. Während die gemessenen Axialkomponenten des Magnetfelds beider Magnetsensoren identisch sind, haben die Radialkomponenten des Magnetfelds aufgrund der achssymmetrischen Anordnung der Magnetsensoren ein umgekehrtes Vorzeichen. Solche Messergebnisse sind durch ein externes Störmagnetfeld nahezu ausgeschlossen und es kann somit sichergestellt werden, dass es sich bei dem gemessenen Magnetfeld um das Magnetfeld des im Taster eingebetteten Stabmagneten handelt. Zudem kann die Schaltvorrichtung durch Differenzbildung der beiden Messwerte in einer die Messwerte verarbeitenden Elektronik des Tasters genauer eingestellt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Magnetsensoren derart am Stabmagneten angeordnet sind, dass diese im Wesentlichen die Radialkomponenten des Magnetfelds des Stabmagneten messen. Hierzu ist es zielführend, wenn die Magnetsensoren möglichst nahe an der Mantelfläche des Stabmagneten angeordnet sind. An dieser Position ist die Radialkomponente des Magnetfelds relativ groß, sodass die Messung hier am zuverlässigsten ist.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Taster pilzförmig ausgebildet ist, wobei der Stabmagnet derart in den Stiel des pilzförmigen Tasters eingebettet ist, dass die Längsachse des Stabmagneten koaxial mit der Längsachse des Stiels des Tasters verläuft. Durch seine pilzartige Form weist der Taster einen Kopf und einen Stiel auf. Der Kopf dient hierbei als Bedienelement, während der Stiel zur Führung des Stabmagneten dient. Gleichzeitig kann der Stiel dazu genutzt werden, den Taster am Gehäusekörper zu befestigen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Taster im Wesentlichen aus einem elastischen Material besteht, sodass der Rückstellmechanismus durch das Material des Tasters realisiert ist. Durch diese Maßnahme müssen keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise Rückstellfedern oder ähnliches, für den Rückstellmechanismus vorgesehen werden, sodass der Taster samt integriertem Rückstellmechanismus einteilig ausgebildet ist. Die Verschleißfestigkeit wird hierdurch weiter verbessert. Zudem ist der einteilig ausgebildete Taster besonders leicht austauschbar.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Innenraum des Gehäusekörpers wasserdicht gegenüber der Umgebung ist und die Magnetsensoren im Innenraum des Gehäusekörpers angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung des Gehäusekörpers ist die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung besonders robust gegen Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit und Flüssigkeiten. Es kann eine Schutzklasse nach DIN EN 60529 von bis zu IP68 erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Taster kraftschlüssig lösbar mit dem Gehäusekörper verbunden ist. Der Taster als Betätigungselement unterliegt durch die wiederkehrende Bedienung einem gewissen Verschleiß. Durch eine kraftschlüssige Anbringung ist der Taster auf eine einfache Art und Weise austauschbar. Insbesondere wenn der aus einem elastischen Material besteht, ist der Austausch besonders leicht möglich.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: einen axial polarisierten Stabmagneten einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 2: schematisch eine 3D-Ansicht eines Tasters für eine erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 3: schematisch eine Draufsicht auf einen Gehäusekörper einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 4: schematisch eine Außenansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 4: schematisch eine Innenansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 6: schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 7: exemplarisch die Messkurven der Magnetsensoren einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
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1 zeigt schematisch die Magnetfeldlinien eines Stabmagneten 1. Die Richtung, der durch Pfeillinien symbolisierten Magnetfeldlinien verläuft vom Nordzum Südpol des Stabmagneten 1. Das Magnetfeld lässt entsprechend in eine zur Längsachse parallele Axialkomponente (z-Achse) und eine senkrecht auf die Achse zulaufende Radialkomponente aufteilen (parallel zur xy-Ebene). Während die Axialkomponenten an zwei achssymmetrischen Punkten von Betrag und Richtung gleich sind, zeigen die Radialkomponenten in entgegengesetzte Richtungen, sind also vom Betrag her gleich, aber um 180° verschoben. Weil erfindungsgemäß im Wesentlichen jeweils eine von Null abweichende Radialkomponente gemessen werden soll, ist bei der Anordnung der Sensoren relativ zum Stabmagneten 1 darauf zu achten, dass das Magnetfeld an dieser Stelle hauptsächlich durch die Radialkomponente geprägt ist. So würde beispielsweise an dem Messpunktepaar A oder B ein Magnetfeld von nahezu gleicher Stärke und Richtung gemessen, weil die Radialkomponente hier gegen Null geht. An den Messpunktepaaren C, D und E ist Anteil der Radialkomponente an der Gesamtfeldstärke groß ausgeprägt. Es werden an den einzelnen Messpunkten der Messpunktepaare C, D und E also Magnetfelder mit aufeinander zu laufenden Richtungen gemessen. Generell ist die Radialkomponente relativ zu Axialkomponente in der direkten Nähe zum Mantel des Stabmagneten 1 stärker ausgeprägt. Zudem ist das Magnetfeld hier insgesamt auch stärker ausgeprägt, weil die Magnetfeldstärke proportional mit dem Abstand zum Stabmagneten abnimmt.
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2 zeigt einen Stabmagneten 1 eingebettet in einen pilzförmigen Taster 2. Der Taster 2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Elastomer. Der Taster 2 weist zudem eine Bedienfläche 2a auf. Wird eine Kraft F auf die Bedienfläche 2a ausgeübt, wird der Stabmagnet 1 axial entlang seiner Längsachse verschoben. Sobald die Kraft F nicht mehr auf die Bedienfläche 2a wirkt, verformt sich der Taster 2 in seine ursprüngliche Form zurück und auch der Stabmagnet 1 kehrt in seine ursprüngliche Position zurück. Dieser Bewegungsablauf ist durch den Doppelpfeil symbolisiert.
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3 zeigt eine Draufsicht auf den Ausschnitt eines Gehäusekörpers 3 einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung. Der Gehäusekörper 3 weist verschiedene Öffnungen 4 auf, die zur Anbringung diverser Adapter, beispielsweise Steckdosen oder ähnlichem, dienen können. Des Weiteren weist der Gehäusekörper 3 Vertiefungen 5 für die Anbringung des Tasters 2 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei äußere kreisförmige Vertiefungen 5 zur Befestigung des Tasters 2 vorgesehen, sowie eine mittlere Vertiefung 5, die zusätzlich zu Führung des Stabmagneten 1 dient.
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4 zeigt den Ausschnitt aus 3, wobei der Taster 2 am Gehäusekörper 3 angebracht ist. Hierzu ist der Taster 2 in die Vertiefungen 5 des Gehäusekörpers 3 eingesteckt, wobei sich der Stabmagnet 1 entlang seiner Achse beweglich in der mittleren Vertiefung 5 befindet. Der auf diese Weise an der Außenseite des Gehäusekörpers 3 angebrachte Taster 2 kann durch Drücken der Bedienfläche 2a betätigt werden.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Innenraums eines Gehäusekörpers 3, der Teil einer erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung ist. Im Innenraum des Gehäusekörpers 3 sind zwei Platinen 6 angeordnet. Auf den beiden Platinen 6 befindet sich jeweils ein Magnetsensor 7. Erfindungsgemäß sind die beiden Magnetsensoren 7 auf gegenüberliegenden Seiten der Vertiefung 5 angeordnet, sodass sich der Längsachse des Stabmagneten 1 mittig zwischen den beiden Magnetsensoren 7 befindet.
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6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung. Der Stabmagnet 1 ist in den Taster 2 eingebettet. Der Taster 2 ist mittels der Vertiefungen 5 am Gehäusekörper 3 befestigt, wobei der Taster 2 samt eingebettetem Stabmagneten 1 elastisch beweglich entlang der Achse A ist, die auch der Längsachse des Stabmagneten 1 entspricht.
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Wie zu 5 bereits beschrieben, ist jeweils ein Magnetsensor 7 auf den beiden Platinen 6 angeordnet. Die Magnetsensoren 7 sind auf einer Höhe in Bezug auf Achse A positioniert. Des Weiteren sind die Magnetsensoren 7 so eingerichtet, dass sie im Wesentlichen das Magnetfeld senkrecht zur Achse A detektieren. Hierzu eignen sich beispielsweise Hallsensoren, wobei die Halbleiterschichten der Hallsensoren parallel zur Achse A ausgerichtet sind.
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Wird nun eine Kraft F auf die Bedienfläche 2a des Tasters 2 ausgeübt, wird der Stabmagnet 1 entlang der Achse A nach unten verschoben. Die Magnetsensoren 7 detektieren das Magnetfeld des Stabmagneten 1, wobei die Richtung der detektierten Magnetfeldstärke jeweils auf die Achse A zeigt, sodass der gemessene Wert des einen Magnetsensors dem negativen Messwert des anderen Magnetsensors 7 entspricht (vgl. auch 1).
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7 zeigt exemplarisch jeweils eine Messkurve (M1, M2) der Magnetsensoren 7. Zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 wird der Taster 2 jeweils gedrückt. Der Stabmagnet 1 wird hierdurch zwischen die beiden Magnetsensoren 7 geführt. Die Magnetsensoren 7 messen jeweils ein Magnetfeld mit gleichem Betrag aber entgegengesetzter Richtung. Die jeweilige Messkurve M1, M2 steigt bzw. fällt sinusförmig bis der Taster 2 ganz eingedrückt und der Stabmagnet 1 somit in seiner Endlage ist. Wird der Taster 2 hier losgelassen, verformt sich der aus einem elastischen Material bestehende Taster 2 in seine Ursprungsform zurück und der Stabmagnet 1 kehrt zurück in seine Ausgangs- oder Ruhelage. Die jeweilige Messkurve M1, M2 fällt bzw. steigt demensprechend sinusförmig zurück auf ihren Ausgangswert. Die exemplarischen Messkurven M1, M2 zeigen, dass durch die beiden Magnetsensoren 7 jeweils ein Magnetfeld von gleichem Betrag aber entgegengesetzter Richtung gemessen wird. Eine solche Messung kann nur in einem äußert theoretischen Fall durch ein externes Magnetfeld verursacht werden, sodass die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung äußerst störunanfällig gegen externe Störfelder ist. Beispielsweise kann eine (nicht dargestellte) Elektronik, die die Messwerte der beiden Magnetsensoren 7 auswertet, die Differenz der beiden Messkurven M1, M2 bilden. Typischerweise zu erwartende externe Störfelder wirken sich in gleicher Weise (mit gleichem Vorzeichen) auf die Messsignale der achssymmetrisch angeordneten Magnetsensoren 7 aus, sodass die resultierenden, von den einzelnen Magnetsensoren 7 erfassten Störsignale in dem Differenzsignal verschwinden und keinen Einfluss auf die Auswertung, beispielsweise zur Initiierung eines Schaltvorgangs, haben. Zudem ist die Schaltvorrichtung durch die kontaktlose Initiierung des Schaltvorgangs auf einfache Weise so auszugestalten, dass sie höchsten Anforderungen nach DIN EN 60529 gerecht wird und eine Schutzklasse von IP68 erreichbar wird.
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Der Ablauf eines Schaltvorgangs kann somit folgendermaßen beschrieben werden: Der Taster 2 wird durch das Drücken eines Bediener auf die Bedienfläche 2 betätigt. Hierdurch wird eine axiale Verschiebung des Stabmagneten 1 bewirkt. Die Bewegung des Stabmagneten 1 wird durch die Messung der radialen Magnetfeldkomponenten des Stabmagneten 1 durch die beiden Magnetsensoren 7 detektiert. Anschließend wird durch den Vergleich der Messergebnisse der beiden Magnetsensoren 7 verifiziert, dass die gemessenen Werte von dem zwischen den Magnetsensoren 7 befindlichen Stabmagneten 1 und nicht durch ein externes Störmagnetfeldfeld bewirkt wurden. Sobald der Bediener den Taster 2 nicht mehr drückt, wird der Stabmagnet 1 in seine Ruhelage verschoben. Auch dieser Vorgang wird durch die Magnetsensoren 7 gemessen und kann, wenn gewünscht, einen weiteren Schaltvorgang auslösen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stabmagnet
- 2
- Taster
- 2a
- Bedienfläche des Tasters
- 3
- Gehäusekörper
- 4
- Öffnungen
- 5
- Vertiefungen
- 6
- Platinen
- 7
- Magnetsensoren
- F
- Kraft
- A
- Achse
- M1
- Messkurve eines Magnetsensors
- M2
- Messkurve eines Magnetsensors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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