DE2052763A1

DE2052763A1 - Elektrische Schaltvorrichtung zur Umwandlung der Position eines mechanischen Gebers in ein elektrisches Signal, insbesondere Endschalter

Info

Publication number: DE2052763A1
Application number: DE19702052763
Authority: DE
Inventors: Kurt-Henry Dipl.-Ing. 5628 Heiligenhaus Mindermann
Original assignee: Schmersal & Co K A
Current assignee: Schmersal & Co K A
Priority date: 1970-10-28
Filing date: 1970-10-28
Publication date: 1972-05-04

Description

Elektrische Schaltvorrichtung zur Umwandlung der Position eines mechanischen Gebers in ein elektrisches Signal, insbesondere Endschalter0 Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung zur Umwandlung der Position eines mechanischen Gebers in ein elektrisches Signal und insbesondere einen Endschalter, wie er beispielsweise zur Steuerung von Maschinen, Transportanlagen, Fahrzeugen etc. verwendet wird.
Es sind seit langem Schalter bekannt, bei denen das Betätigungsorgan einer mechanischen Kraftwirkung ausgesetzt wird, und diese Kraft wird auf mechanischem Wege auf bewegliche Kontakte übertragen, die sich durch die Betätigung öffnen ruder schließen und dadurch den Schaltvorgang bewirken.
Es sind weiterhin sogenannte berührungslose Schalter bekanntgeworden, bei denen zwar der Schaltvorgang selbst noch durch das Öffnen bzw. Schließen mechanischer Kontakte bewirkt wird, die Betätigung dieser Kontakte aber nicht mehr auf mechanischem Wege, sondern beispielsweise durch den Einfluß eines Magnetfeldes erfolgt.
Beide Schaltertypen haben den Nachteil, daß der Schaltvorgang durch sich bewegende, dem Verschleiß unterworfene, störanfällige und zeitlich träge, sowie Prelleffekte zeigende Kontakte bewirkt wird. lfinzu kommt, daß sowohl die Betätigungsorgane, als auch die Schalter selbst äe nach der mechanischen und elektrischen Belastung verhältnismäßig groß ausgeführt werden müssen. Es sind auch schon Schaltvorrichtungen bekannt geworden, die berührungslos arbeiten und keine mechanisch bewegten Kontakte enthalten. Sie besitzen ein induktiv wirkendes Gebergerät, das bei der Annäherung eines etallteiles beim Unterschreiten eines bestimmten Abstandes zwischen dem Metallteil und dem Gebergerät ein elektrisches Signal abgibt, das zur Ansteuerung einer den Schaltvorgang bewirkenden Vorrichtung dient, Diese bekannten Schaltvorrichtungen haben den Nachteil, daß in den meisten Fällen eine bestimmte Mindestgröße des Gebergerätes nicht unterschreitbar ist, da es einen Oszillator enthält, dessen Schwingkreisspule so angeordnet ist, daß an einer Stelle, der sogenannten "aktiven Fäche11 das hochfrequente magnetische Feld frei austreten kann. Weiterhin hat es sich als nachteilig herausgestellt, daß diese Schaltvorrichtungen bereits bei Annäherung eines beliebigen elektrisch leitenden oder ferromagnetischen Teils ansprechen, und daß sie sich, wenn es notwendig ist., mehrere von ihnen dicht nebeneinander anzuordnen, durch die austretenden Felder gegenseitig beeinflussen. Beides kann zu Fehlschaltungen fuhren, Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltvorrichtung zur Umwandlung der Position eines mechanischen Gebers in ein elektrisches Signal, insbesondere einen Endschalter zu schaffen, mit dem es bei geringem Konstruktionsaufwand möglich ist, den Schaltvorgang ohne dieBewegung von mechanischen Kontakten zu bewirken, bei dem mindestens die Dimensionen des Gebers sehr klein gehalten werden können, der einen sehr exakt definierbaren Schaltpunkt besitzt und bei dem auch in geringem Abstand voneinander angeordnete Geber sich nicht gegenseitig beeinflussen.
Die Erfindung geht von der seit langem bekannten Erikenntnis aus, daß bei bestimmten Kristallen der sogenannte piezo-elektrische Effekt auftritt, d.h., daß bei diesen Kristallen bei Druck oder e Dehnung in bestimmten Richtungen auf bestimmten Kristallflächen positive und negative elektrische Ladungen auftreten. Wird ein solcher Kristall einer Änderung des auf ihn wirkenden Druckes unterworfen, so kann von bestimmten Flächen ein elektrisches Signal abgenommen werden. Dpiezo-elektrische Effekt ist beispielsweise schon dazu benutzt worden, Drucke, etwa in den Zylindern von Explosionsmotoren, elektrisch zu messen.
Die Lösung der oben gestellten Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß in der Verwendung eines piezo-elektrischen Kristalls, der zur Auslösung des Schaltvorganges mit Hilfe des mechanischen Geberseiner änderung des auf ihn wirkenden Druckes ausgesetzt wird, wobei das am Kristall entstehende elektrische Signal zur Ansteuerung einer den Schaltvorgang bewirkenden Vorrichtung dient. Dabei können die am Kristall entstehenden elektrischen Signale einem Verstärker und gegebenenfalls einem Impulsformer zugeführt werden.
Die den Schaltvorgang bewirkende Vorrichtung kann ein elektronischer Schalter sein, wobei als elektronische Schalter vorzugsweise Halbleiter-Bauelemente, beispielsweise Transistoren oder Thyristoren, Verwendung finden können. Selbstverständlich kann das von dem piezo-elektrischen Kristall ausgehende Signal nach entsprechender Verstärkung auch zur Ansteuerung eines Relais verwendet werden.
Der mechanische Geber kann äe nach Verwendungszweck das Betätigungaorgan eines Endschalters, also beispielsweise ein Druckbolzen oder ein Rollenschwenkhebel oder auch ein einfacher Druckknopf eines Druckschalters sein. Es kann aber auch ein Bauteil des zu steuernden Obåektes, also der Maschine, Transportanlage oder des Fahrzeuges, als mechanischer Geber verwendet werden.
Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn zwischen dem mechanischen Geber und dem piezo-elektrischen Kristall federnde Elemente angeordnet sind, mit denen der auf den Kristall wirkende Druck begrenzbar ist. Der Druck kann auf dem Kristall auch als Gas- oder Flüssigkeitsdruck zur Einwirkung gebracht werden,indem sich der Kristall in einem Gehäuse befindet, dessen Innendruck sich durch die Einwirkung des mechanischen Gebers ändert, vorzugsweise erhöht.
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung kann in ihren Dimensionen sehr klein gehalten werden, was den großen Vorteil hat, daß sie auch an schlecht zugänglichen Stellen angeordnet werden kann. Ihr mechanischer und elektronischer Aufbau ist sehr einfach und die Störanfälligkeit gering. Eine gegenseitige Beeinflussung mehrerer nebeneinander angeordneter Schaltvorrichtungen ist nicht möglich.
Im folgenden wird anhand der beigefügten Figuren die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung näher erläutert.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Schaltvorrichtung.
Figur 2 zeigt eine grafische Darstellung des am KriStall entstehenden elektrischen Signals.
Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung ist der mechanische Geber 1 in Pfeilrichtung A hin und her bewegbar. Dieser Geber 1 kann sowohl ein Maschinenteil1 als auch das mechanische Betätigungsorgan eines Endschalters sein. Der auf einem Sockel 3 angeordnete piezo-elektrische Kristall 2 kann mit Hilfe des mechanischen Gebers 1 unter Druck gesetzt bzw. wieder entlastet werden. Bei der Belastung bzw. Entlastung des Kristalls 2 tritt zwischen den beiden Endflächen 2a und 2b des Kristalls jeweils eine elektrische Spannung auf, die den Eingangsklemmen 4 eines Verstärkers 5 zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers 5 ist mit einer elektronischen Schaltvorrichtung 6 verbunden, die den eigentlichen Schaltvorgang bewirkt. Zur Erläuterung der Wirkungsweise des piezo-elektrischen Kristallen dient Figur 2.
In Figur 2 ist das am kristall abnehmbare SpannungssignalqlT gegen die Zeit t aufgetragen. Bei dem Unterdrucksetzen des Kristalles hat das Spannungasignal den Verlauf der Kurve D Die Spannung steigt also während der Druckänderung steil an und fällt dann, solange der Druck konstant bleibt, langsamer ab, ohne jedoch den Nullpunkt zu unterschreiten. Wird der auf den Kristall wirkende Druck durch Zurückbewegen des Gebers 1 wieder weggenommen, so tritt ein Spannungssignal mit entgegengesetztem Vorzeichen auf, das in Figur 2 durch den Kurvenzug U dargestellt ist. Es tritt also sowohl beim Belasten, als auch beim Altlusten des Kristalls ein Spannungssignal auf, und die beiden Spannungssignale besitzen entgegengesetzte Vorzeichen. Dieses Verhalten läßt sich zur Ansteuerung von Schaltvorrichtungen in mannigfacher dem Fachmann bekannter Weise verwenden.
Patentansprüche

Claims

Patentansprüche /1lektrische Schaltvorrichtung zur Umwandlung der Position eines mechanischen Gebers in ein elektrisches Signal, insbesondere Endschalter, gekennzeichnet durch die Verwendung eines piezo-elektrischen Kristalls (2) der zur Auslösung des Schaltvorganges mit Hilfe des mechanischen Gebers (1) einer änderung des auf ihn wirkenden Druckes ausgesetzt wird, wobei das am Kristall (2) entstehende elektrische Signal zur Knsteuerung einer den Schaltvorgang bewirkenden Vorrichtung (5,6) dient.
2. Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kristall (2) entstehenden elektrischen Signale einem Verstärker (5) und gegebenenfalls einem Impulsformer zugeführt werden.
3. Elektrische Schaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schaltvorgang bewirkende Vorrichtung (6) ein elektronischer Schalter ist.
4. Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Schalter Halbleiterbauelemente dienen.
5. Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Geber das Betätigungsorgan eines Endschalters ist.
6. Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Geber ein Bauteil des zu steuernden Objektes ist.
7. Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem mechanischen Geber und dem piezo-elektrischen Kristall federnde Elemente angebracht sind.