-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter vom Typ Kippschalter (in der angelsächsischen Terminologie als „rocker“ bezeichnet) oder Rändelradschalter (in der angelsächsischen Terminologie als „roller“ bezeichnet).
-
STAND DER TECHNIK
-
Kipp- und Rändelradschalter eignen sich für zahlreiche Anwendungen zur Steuerung verschiedener Maschinen.
-
Jedoch besteht noch Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Montagegenauigkeit der verschiedenen Bauteile, die sich auf die Betriebsleistung des Schalters auswirken können.
-
Darüber hinaus kann es je nach Anwendung interessant sein, verschiedene Funktionen in den Schalter zu integrieren.
-
Die Anzahl der verschiedenen Versionen ein und desselben Schalters geht oft mit einer Zunahme der Bestandteile des Schalters einher, was die Materialwirtschaft kompliziert und die Herstellungskosten für Schalter erhöht.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Eines der Ziele dieser Erfindung besteht darin, die oben beschriebenen Probleme zu beheben.
-
In einem ersten Aspekt wird mit der Erfindung beabsichtigt, einen noch leistungsfähigeren Schalter als nach dem Stand der Technik zu entwickeln.
-
In einem zweiten Aspekt, der mit dem ersten verbunden sein kann oder nicht, soll mit der Erfindung ein Schalter entwickelt werden, der verschiedene Funktionen integrieren kann, ohne dass dazu die Definition der Hauptkomponenten des Schalters verändert werden muss.
-
Die Erfindung bietet einen Schalter, umfassend:
- - ein Gehäuse, umfassend eine Leiterplatte,
- - einen um eine Gehäuseachse schwenkbar beweglichen Stellantrieb,
- - eine Rückholfeder, die dafür eingerichtet ist, den Stellantrieb dazu zu veranlassen, sich in Richtung einer Ruheposition zu drehen,
- - einen mit dem Stellantrieb fest verbundenen Magneten,
- - einen Drehgeber, der auf der Leiterplatte gegenüber dem Magneten angeordnet und dafür eingerichtet ist, die Winkelposition des Magneten zu ermitteln,
wobei der Schalter sich dadurch auszeichnet, dass er eine Indexierungsvorrichtung des Stellantriebs umfasst, die einen mit dem Gehäuse fest verbundenen Metallnocken und eine Kugel umfasst, die dafür auslegt ist, entlang des Nockens umzulaufen, wobei der Nocken Vertiefungen aufweist, die dazu geeignet sind, die Kugel vorübergehend aufzunehmen, wobei die Kugel durch eine Feder vorgespannt ist, die sich radial vom Stellantrieb aus erstreckt.
-
Bei einer Ausführungsform ist die Rückholfeder eine Drehfeder, die zwei geradlinige, parallele Endstränge umfasst, die auf beiden Seiten von Blöcken angeordnet sind, die jeweils fest mit dem Gehäuse und dem Stellantrieb verbunden sind, wobei die Blöcke eine identische Breite aufweisen und derart in der Ruheposition ausgerichtet sind, dass in der Ruheposition jeder der Stränge der Rückholfeder jeweils mit einer Seite der Blöcke in Kontakt ist, wobei die Breite der Blöcke und die Breite der Stränge so gewählt ist, dass zwischen den Blöcken und den Strängen in der Ruheposition kein Spiel besteht.
-
Bei einer Ausführungsform besteht die Kugel aus Metall.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Vertiefungen des Nockens durchgehend und das Gehäuse umfasst eine oder mehrere Öffnungen gegenüber diesen Vertiefungen.
-
Bei einer Ausführungsform weist der Nocken an jedem Ende eine Gabel mit zwei Zinken auf, wobei der Nocken dafür ausgelegt ist, dass er durch Verformung dieser Zinken mit dem Gehäuse verpresst wird.
-
Bei einer Ausführungsform liegt der Nocken auf einem Sitz des Gehäuses auf, der eine identische Krümmung wie der Nocken aufweist.
-
Bei einer Ausführungsform weist die Leiterplatte ein Durchgangsloch auf und wird mittels eines Passstifts, der sich durch diese Öffnung und eine im Gehäuse angeordnete Öffnung erstreckt, im Gehäuse gehalten.
-
Bei einer Ausführungsform ist der Stellantrieb aus lichtdurchlässigem Material ausgebildet, das mit einer lichtundurchlässigen Farbschicht überzogen ist, wobei er ein selektiv derart in der Farbschicht ausgebildetes Motiv aufweist, dass das lichtdurchlässige Material freigelegt ist, und die Leiterplatte trägt mindestens eine Leuchtdiode, die gegenüber dem Stellantrieb so angeordnet ist, dass sie für die Hintergrundbeleuchtung dieses Motivs sorgt.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst der Schalter zudem einen mit dem Stellantrieb fest verbundenen Deckel, wobei der Magnet in diesem Deckel eingeformt ist.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, die auf die folgenden beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, wobei:
- - 1 eine Explosionsansicht eines Schalters nach einer Ausführungsform zeigt,
- - 2 eine perspektivische Darstellung des Schalterdeckels von 1 zeigt,
- - 3 die perspektivische Ansicht des Stellantriebs des Schalters von 1 zeigt,
- - 4 die Schnittansicht des Schalters von 1 im montierten Zustand zeigt,
- - 5 eine Schnittansicht des Schalters, die die Funktionsweise der Rückholfeder veranschaulicht, zeigt,
- - 6 eine Schnittansicht des Schalters, die das Indexierungsprinzip der Kugel veranschaulicht, zeigt,
- - die 7A und 7B perspektivische Darstellungen des Schalters während bzw. nach der Montage der Leiterplatte zeigen.
-
Die in den verschiedenen Figuren identischen Bezugszeichen bezeichnen identische Elemente oder solche, die dieselbe Funktion übernehmen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Der Schalter umfasst im Allgemeinen ein Gehäuse, das die verschiedenen Bauteile trägt. Das Gehäuse umfasst insbesondere eine Achse, auf der ein Stellantrieb schwenkbar montiert ist. Der Stellantrieb ist dafür ausgelegt, schwenkbar von einem Bediener angetrieben zu werden, um den Schalter zu betätigen. Die Schwenkbewegung des Stellantriebs wird von einem auf einer Leiterplatte angeordneten Sensor ermittelt, der ein Ausgangssignal ausgibt. Zwischen dem Gehäuse und dem Stellantrieb ist eine Rückholfeder angeordnet, um den Stellantrieb in eine Ruheposition zurückzuholen.
-
Der Schalter kann entweder als Kippschalter oder als Rändelradschalter ausgeführt sein. Bei einem Rändelradschalter ist der Winkelausschlag des Stellantriebs normalerweise ± 30°; bei einem Kippschalter ist der Winkelausschlag des Stellantriebs normalerweise ± 15°.
-
Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, ist die Rückholfeder vorteilhafterweise so konzipiert, dass sie das Spiel zwischen dem Gehäuse und dem Stellantrieb minimiert, wenn das Produkt losgelassen wird, so dass eine bessere Positionierung im Zeitverlauf gewährleistet wird.
-
Bei einer Ausführungsform kann der Schalter zusätzlich eine Indexierungsvorrichtung des Stellantriebs umfassen. Diese Indexierungsvorrichtung, die einen Nocken und eine Kugel umfasst, die angetrieben durch den Stellantrieb auf dem Nocken umläuft, definiert eine oder mehrere bevorzugte Winkelstellungen des Stellantriebs.
-
Bei einer Ausführungsform kann der Schalter eine Befestigungsvorrichtung für die Leiterplatte im Gehäuse umfassen, die für eine genaue und konstante Positionierung der Leiterplatte in Bezug auf das Gehäuse sorgt.
-
Bei einer Ausführungsform kann der Stellantrieb ein durch im Gehäuse angeordnete Leuchtdioden hinterleuchtetes Motiv umfassen.
-
1 ist eine Explosionszeichnung eines Schalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 4 ist eine Schnittansicht des Schalters im montierten Zustand. Der abgebildete Schalter beinhaltet alle oben genannten Ausführungsformen; es versteht sich jedoch von selbst, dass er, je nach der beabsichtigten Verwendung, nur einen Teil dieser Funktionen umfassen kann. Jede Funktion kann daher unabhängig von den anderen vorgesehen sein und beeinträchtigt nicht die Konzeption der anderen Schalterbauteile.
-
Das Gehäuse 1 umfasst eine Achse 12, auf der der Stellantrieb schwenkbar montiert werden soll. Die Achse 12 umfasst eine zylindrische Rotationsaußenfläche, die für die Aufnahme einer Rückholfeder 3 des Stellantriebs ausgelegt ist, und eine zylindrische Innenfläche, die ebenfalls eine Rotationsgeometrie aufweist, die zur Aufnahme einer zylindrischen Achse des Stellantriebs ausgelegt ist. Die Rückholfeder neigt dazu, den Stellantrieb in eine Ruheposition des Schalters zurückzuholen. Um den Schalter zu betätigen, muss der Bediener die Kraft der Rückholfeder überwinden.
-
Bei der Rückholfeder 3 handelt es sich um eine Drehfeder mit mindestens zwei kreisförmigen Windungen und zwei geraden und parallelen Endsträngen 30, 31. In einer senkrechten Ebene zur Wickelachse der Windungen betrachtet, sind die Stränge voneinander durch einen kontrollierten Abstand entfernt. Wie sich weiter unten in Bezug auf 5 zeigt, ermöglicht es dieser Abstand D, der über eine Länge L der Stränge 30, 31, die größer ist als bei bekannten Schaltern, gehalten wird, das Spiel in der Ruheposition zu kontrollieren.
-
Der Stellantrieb 2 ist auf einer Seite der Achse 12 des Gehäuses montiert und wird durch den Deckel 22 auf der anderen Seite der Achse 12 verschlossen. Der Stellantrieb 2 und der Deckel 22 bilden daher eine starre Einheit, die ein Innenvolumen definiert, das einen Teil des Gehäuses 1, die Rückholfeder 3 und die elektronischen Komponenten des Schalters umgibt. Diese Einheit umfasst eine Achse, die für die Aufnahme in der Achse 12 des Gehäuses ausgelegt ist; der Abschnitt dieser Achse, der sich vom Deckel erstreckt, ist in 2 mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet; wenngleich nicht aus den 1 oder 3 ersichtlich, umfasst der Stellantrieb auch einen Achsabschnitt, der für die Aufnahme in der Achse 12 ausgelegt ist.
-
Die genannten elektronischen Komponenten sind auf einer Leiterplatte 4 montiert; ihre Art und Funktion hängen von der Verwendung des Schalters ab und werden im vorliegenden Text nicht näher beschrieben.
-
Die Leiterplatte 4 ist in einer Aufnahme des Gehäuses 1 angeordnet, mit dem sie beispielsweise mittels Kleber 14 starr verbunden ist. Elektrische Drähte 40 erstrecken sich von der Leiterplatte bis außerhalb des Gehäuses 1, um einen Anschluss an eine Maschine zu ermöglichen.
-
Der Analogausgang des Schalters ist als Halleffekt-Drehgeber ausgeführt, der einem Zylindermagneten zugeordnet ist. Der Drehgeber 41 ist auf der Leiterplatte 4 montiert und damit fest mit dem Gehäuse 1 verbunden, während der Magnet 26 fest mit dem Deckel 22 und damit auch mit dem Stellantrieb 2 verbunden ist. Mithilfe des Gebers kann eine Rotation des Magneten 26 ermittelt werden, welche durch eine Betätigung des Stellantriebs hervorgerufen wird.
-
Der Stellantrieb 2 ist auf seiner Außenfläche mit einer Greifzone 21 für die Handhabung durch den Bediener versehen. Vorteilhafterweise ist die Greifzone mit einem leichten Buckel ausgeführt, so dass der Bediener mit seinem Finger leichter darauf zugreifen kann. Natürlich kann die Greifzone jede andere Form oder Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
-
Wie in 2 besser ersichtlich ist, handelt es sich bei dem Magneten 26 um einen zylindrischen Magneten, dessen Pole sich entsprechend der Zylinderachse zu beiden Seiten einer Ebene erstrecken, die diese Achse beinhaltet. Der Magnet 26 ist fest mit dem Deckel 22 verbunden, wobei die Zylinderachse koaxial zur Rotationsachse der Einheit Stellantrieb-Deckel verläuft. Die feste Verbindung des Magneten mit dem Deckel kann durch Umspritzen, Kleben oder jedes andere geeignete Mittel hergestellt werden.
-
Bei montiertem Schalter liegt der Abstand zwischen der dem Geber zugewandten Seite des Magneten und dem Geber in einem Größenbereich von 1 mm bis zu wenigen mm.
-
Außerdem ist der Deckel 22 mit einer oder mehreren Verbindungsklauen 24 versehen (drei bei der abgebildeten Ausführungsform), die zum Einrasten auf den im Stellantrieb angeordneten Clips 25 eingerichtet sind. Selbstverständlich dient dieser Montagemodus nur zur Veranschaulichung, und Fachleute könnten auch jedes andere Mittel verwenden, um den Deckel fest mit dem Stellantrieb zu verbinden, zum Beispiel Einrasten, Verkleben, Verschweißen, Verschrauben, usw.
-
Die Winkelposition des Stellantriebs zum Deckel wird von zwei Blöcken 29 des Deckels 22 sichergestellt, die mit den komplementären Formen des Stellantriebs zusammenwirken.
-
Weiterhin ist der Deckel 22 in der Nähe seines Umfangs mit einem Block 28 versehen, der zwischen die zwei Endstränge 30, 31 der Rückholfeder 3 eingesetzt wird. Die Breite des Blocks entspricht dem Abstand D zwischen den beiden Strängen 30, 31 in der Ruheposition.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst der Schalter eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs), die eine Hintergrundbeleuchtung des Stellantriebs sicherstellen. Der Stellantrieb selbst ist mit einem Motiv 20 (Logo, Text oder andere Markierung) dekoriert, das zumindest teilweise für das Licht der LEDs durchlässig ist. So kann der Stellantrieb beispielsweise aus lichtdurchlässigem Material hergestellt sein und auf seiner Außenfläche mit einer lichtundurchlässigen Farbschicht überzogen sein, anschließend wird das Motiv 20 mit dem Laser eingraviert, um punktuell die Farbe zu entfernen und das lichtdurchlässige Material freizulegen.
-
Die Leuchtdioden 13 sind auf der Leiterplatte 4 angeordnet. Lichtdurchlässiges Kapselungsmaterial 17, wie zum Beispiel Silikon, wird zwischen dem Gehäuse und dem Teil der Leiterplatte angeordnet, die diese Dioden umfasst.
-
Das Gehäuse, der Stellantrieb und der Deckel sind vorteilhafterweise durch Einspritzen eines Kunststoffs gefertigt.
-
5 zeigt eine Schnittansicht des Schalters in einer ersten Ebene senkrecht zur Schwenkachse des Stellantriebs, wobei sich die Feder in dieser ersten Ebene erstreckt.
-
Die Rückholfeder 3 ist um die Schwenkachse 12 des Stellantriebs herum angeordnet und wird am Gehäuse 1 durch einen Block 10 des Gehäuses 1 und auf dem Deckel durch den Block 28 gehalten, der weiter oben beschrieben ist.
-
Der Block 10 weist dieselbe Breite D wie der Block 28 auf, welche dem Abstand zwischen den Strängen 30, 31 in Ruheposition entspricht.
-
In der Ruheposition des Schalters, welche der in 5 dargestellten entspricht, sind die Blöcke 10 und 28 zueinander ausgerichtet.
-
Die Stränge 30 und 31 der Rückholfeder 3 sind zu beiden Seiten dieser beiden Blöcke angeordnet. Da die Breite D der Blöcke 30, 31 dem Abstand zwischen diesen beiden Strängen 30, 31 entspricht, ist jeder Strang jeweils mit einer Seite von jedem der beiden Blöcke in Kontakt.
-
Im Vergleich mit Schaltern des Standes der Technik wurden die Breite D der Blöcke und die Länge L der Stränge so ausgewählt, dass in der Ruheposition sichergestellt ist, dass kein Federspiel zu den Blöcken besteht, und folglich die Zentrierung des Stellantriebs zu dem Gehäuse genauer ist.
-
Die Wahl dieser beiden Abmessungen ist insbesondere auf einen Kompromiss bei der Konzeption des Schalters zurückzuführen.
-
Was die Länge L der Stränge betrifft, wurde sie im Vergleich zu den konventionell verwendeten Federn erhöht. Tatsächlich unterliegt der Herstellungsprozess für die Feder großen Abweichungen hinsichtlich der Ausrichtung der Stränge zu den Windungen und der Parallelität der Stränge untereinander, wenn die Stränge relativ kurz sind. Durch die Verlängerung der Stränge kann deren Ausrichtung und Parallelität viel genauer kontrolliert werden. Im Gegenzug impliziert die Verlängerung der Stränge, dass im Gehäuse und im Stellantrieb ausreichend Platz zur Unterbringung der genannten Stränge vorgesehen werden muss.
-
Was die Breite D der Blöcke betrifft, ist diese zwischen einem Schwellenwert, unter dem ein Spiel mit der Feder nur schwer vermieden werden kann (da die Blöcke nicht breit genug sind, um zwischen den beiden Federsträngen eine Vorspannung aufzubringen) und einer Obergrenze, über welcher der Ausschlagwinkel des Stellantriebs im Vergleich zu den Spezifikationen zu schwach wird, optimiert.
-
Wird eine Kraft auf die Greifzone 21 des Stellantriebs ausgeübt, so werden der Stellantrieb und der Deckel gemeinsam drehend angetrieben, was zur Folge hat, dass der Block 28 gegenüber dem Block 10 bei Vorspannung der Rückholfeder 3 geschwenkt wird und damit einen der Stränge der Rückholfeder mitnimmt. Lässt die auf die Greifzone ausgeübte Kraft nach, neigt die Rückholfeder 3 dazu, den Block 28 in seine zu Block 10 ausgerichtete Position zurückzuführen.
-
6 ist eine Schnittansicht des Schalters in einer zweiten Ebene senkrecht zur Schwenkachse des Stellantriebs, die eine Ausführungsform der Indexierungsvorrichtung des Stellantriebs veranschaulicht.
-
Der Stellantrieb 2 ist mit einer nach hinten offenen Blindaufnahme 27 ausgestattet, in der eine Druckfeder 52 angeordnet ist, die eine Kugel 51 radial in Richtung nach außen vorspannt.
-
Die Kugel 51 ist dafür ausgelegt, entlang eines Nockens 5 mit kreisbogenförmigem Profil parallel zum Umfang des Stellantriebs umzulaufen. Der Nocken 5 liegt vorteilhafterweise auf einem Sitz 15 auf, der auf dem Gehäuse gebildet ist und eine identische Krümmung wie der Nocken aufweist, wodurch der Nocken beim Umlaufen der Kugel versteift wird.
-
Der Nocken 5 ist mit einer oder mehrerer Vertiefungen 50 von einem Durchmesser leicht unter dem Kugeldurchmesser versehen, so dass jede Vertiefung vorübergehend die Kugel unter dem von der Feder 52 ausgeübten Druck aufnehmen kann. Die verschiedenen Vertiefungen 50 bestimmen demnach genauso viele Indexpositionen des Stellantriebs. Die Federkraft kann dadurch überwunden werden, dass vom Bediener eine Kraft auf die Greifzone des Stellantriebs ausgeübt wird, wodurch der Stellantrieb von einer Indexposition in eine andere überführt werden kann.
-
Vorteilhafterweise sind die Vertiefungen 50 des Nockens durchgehend und gegenüber jeweiligen Öffnungen 16 angeordnet, die im Sitz 15 vorgesehen sind. So sammelt sich eventuell im Gehäuse vorhandener Staub nicht in den Vertiefungen an (was diese verstopfen und die Indexierungsfunktion verschlechtern könnte), sondern wird über die Öffnungen 16 entfernt.
-
Besonders vorteilhafterweise bestehen die Kugel 51 und der Nocken 5 aus Metall, so dass sie besonders verschleißfest sind.
-
Der Nocken 5 kann sehr einfach durch Schneiden eines Metallblechs, Stanzen der Vertiefungen 50 und Wölben hergestellt werden, um diesem den gewünschten Biegeradius zu verleihen.
-
Besonders vorteilhafterweise weist der Nocken 5 an jedem Ende eine Gabel mit zwei Zinken 53 auf. Nach dem Montieren des Nockens auf dem Gehäuse können die Zinken 53 durch ein geeignetes Werkzeug verformt werden, so dass der Nocken 5 nicht-reversibel mit dem Gehäuse verpresst wird.
-
Ein besonderer Vorteil dieser Indexierungsvorrichtung besteht darin, dass sie, je nach Kundenanforderung, in den Schalter integriert sein kann oder auch nicht, ohne dabei die Konzeption und die Herstellung des übrigen Schalters zu beeinträchtigen. Die Integration der Indexierungsvorrichtung setzt nur die Montage des Nockens 5 auf dem Gehäuse sowie der Feder 52 in dem Gehäuse 27 des Stellantriebs und das Einsetzen der Kugel 51 zwischen der Feder 52 und dem Nocken 5 voraus.
-
Die 7A und 7B veranschaulichen eine Ausführungsform des Schalters, bei der die Leiterplatte mittels eines Befestigungsstifts im Gehäuse positioniert ist. Im Vergleich zu den Schaltern nach dem Stand der Technik, bei denen die Leiterplatte einfach in das Gehäuse eingeführt und festgeklebt wird, ermöglicht die vorliegende Ausführungsform eine genaue Positionierung der Leiterplatte zum Gehäuse, wodurch eine gute Zentrierung des Gebers zum Zylindermagneten sichergestellt werden kann.
-
Zu diesem Zweck ist die Leiterplatte 4 mit einem Durchgangsloch 42 versehen und das Gehäuse 1 enthält auch eine Durchtrittsöffnung 11, die koaxial zur Öffnung 42 der Leiterplatte verlaufen soll, wenn diese in das Gehäuse eingeführt wird. Vorteilhafterweise befindet sich die Öffnung 11 aus Platzgründen in der Nähe des Durchgangs der Drähte 40.
-
Durch die Öffnungen 11 und 42 wird ein Stift 43 geführt.
-
Vorteilhafterweise umfasst der Stift 43 einen Schaft und einen Kopf, dessen Durchmesser größer als der des Schafts ist. Die Öffnung 11 umfasst nun vorteilhafterweise einen Einlassabschnitt, dessen Durchmesser groß genug für die Aufnahme des Stiftkopfs ist, und einen Durchgangsabschnitt mit einem kleineren Durchmesser, der für den Durchgang des Stiftschafts ausgelegt ist. Wie in 7B ersichtlich, ragt der Stift somit nicht aus dem Gehäuse heraus, nachdem der Schaft durch die Leiterplatte eingeführt wurde.
-
Der Stift kann aus thermoplastischem Material bestehen.
-
Nach dem Einsetzen des Stifts kann Kleber in die Aufnahme eingespritzt werden, um die Leiterplatte und den Stift 43 in der somit definierten Position zu arretieren.
