DE2837527A1

DE2837527A1 - Druckempfindlicher schalter

Info

Publication number: DE2837527A1
Application number: DE19782837527
Authority: DE
Inventors: Samuel A Johnston
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1977-08-29
Filing date: 1978-08-28
Publication date: 1979-03-08
Also published as: GB2003325A; JPS5437277A; US4160139A

Description

Druckempfindlicher Schalter

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf druckempfindliche Schalter, insbesondere auf druckempfindliche Schalter, die eine Anzeige liefern, wenn ein Fluiddruck eine vorbestimmte Grenze erreicht.

Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen es wichtig ist, daß Fluiddruckpegel innerhalb eines vorgegebenen Druckbereichs aufrechterhalten werden. Der Fluiddruck darf nicht unter eine Minimalgrenze abfallen und nicht über eine Maximal- . grenze ansteigen. Der Öldruck in einem Kraftfahrzeug ist ein gutes Beispiel für einen derartigen Anwendungsfall.

Um den Fluiddruck zu überwachen und eine Anzeige zu liefern, wenn der Fluiddruck entweder unter oder über dem sicheren Betriebsbereich liegt, sind druckempfindliche Schalter entwickelt worden. Herkömmliche druckempfindliche Schalter wiesen eine große Anzahl beweglicher Teile auf, die die Komplexität der Anordnung erhöhen und dazu führen _r daß die Schalter im Langzeitbetrieb unzuverlässig sind.Derartige Schalter können unzuverlässig werden, weil die Anzahl der

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ORIGINAL INSPECTED

beweglichen Teile entweder in einer geöffneten oder einer geschlossenen Stellung verriegeln können. Hinzu kommt, daß herkömmliche Schalter an einer verminderten Genauigkeit leiden und möglicherweise nicht einsetzbar sind. Weiterhin kommen die herkömmlichen druckempfindlichen Schalter nicht dem Bedürfnis nach, mehrfache Druckgrößen zu erfassen bei gleichzeitigem Beibehalten der Einfachheit des Aufbaus und der Betriebszuverlässigkeit.

Es ist daher ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten druckempfindlichen Schalter zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, einen neuen und verbesserten druckempfindlichen Schalter anzugeben, mit dem · feststellbar ist, wenn ein Fluiddruck einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, einen neuen und verbesserten druckempfindlichen Schalter anzugeben_v der höchsten Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit auch dann genügt, wenn zwischen Schalter-Schließvorgängen lange Zeiträume liegen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, einen neuen und verbesserten druckempfindlichen Schalter anzugeben, der ; sich durch große Empfindlichkeit und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet und durch ümweltbedingungen, wie beispielsweise Vibration, Stoß, extreme Temperaturschwankungen, und dgl. nicht abträglich beeinflußt wird, wobei der Schalter in der ' Lage sein soll, eine Vielzahl von Drücken zu erfassen.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein druckempfindlicher' Schalter geschaffen, der sich auszeichnet durch eine mit

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einer oberen Wandung versehene Kapsel, einem Substrat aus dielektrischem Material, welches innerhalb der Kapsel angeordnet und von der oberen Wandung beabstandet ist, eine auf dem Substrat montierte Membran, die mit der oberen Wandung zusammen einen ersten Hohlraum bildet und einen elastischen Oberflächenteil aufweist, der bezüglich des Substrats in Abhängigkeit von Schwankungen des Fluiddrucks in dem Hohlraum bewegbar ist« Der druckempfindliche Schalter weist weiterhin einen ersten, bezüglich des Substrats fest angeordneten Kontakt auf, sowie einen zweiten Kontakt, der mit der Membran bewegbar ist und mit dem ersten Kontakt in Abhängigkeit von dem Fluiddruck und der Membranbewegung berührt, bzw. von diesem getrennt wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Aus dieser Beschreibung gehen weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines druckempfindlichen Schalters nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den druckempfindlichen Schalter nach Fig. 1₅ wobei die Gehäuseabdeckung entfernt ist₉

Fig. 3 eine Draufsicht von unten des in Fig.2 dargestellten druckempfindlichen Schalters,

Fig. 4- eine Querschnittansicht eines Schaltelements, welches bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 5 eine schematische Schaltskizze einer Schaltungsanordnung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,

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Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines weiteren Schaltelement s nach der Erfindung, -

Fig. 7 einen Querschnitt eines weiteren Schalt elements, welches "bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um einen barometrischen, druckempfindlichen Schalter zu bilden,

Fig. 8 eine Quer schnitt ansicht des in Fig. 7 dargestellten Schaltelements, wobei Einzelheiten zur Veranschauliehung des Betriebs gezeigt sind,

Fig. 9 eine schematische Schaltskizze einer Schaltungsanordnung, die zusammen mit dem in den" Fig.7 und 8 dargestellten Schaltelement verwendet werden kann*

Fig.10 einen Querschnitt des barometrischen Schaltersnach Fig. 7» d.er weiterhin eine Hysterese-Einrichtung nach einem weiteren Merkmal der Erfindung aufweist»

Fig.11 eine schematische Schaltskizze, die in Zusammenhang mit dem Schalter nach Fig. 10 verwendet werden kann,

Fig.12 einen Querschnitt eines für mehrere Drücke geeigneten druckempfindlichen Schalters nach der Erfindung,

Fig.13 eine Ansicht von unten des in Fig. 12 dargestellten Schaltelements, ·

Fig.. 14 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils des in Fig. 12 dargestellten Schaltelements, und

Fig.15 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Schaltelements nach Fig. 12.

S0S81Ö/Ö9G4

V, 283752?

Das in den Mg. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt einen druckempfindlichen Schalter 10 mit einem Gehäuse 11, einem Abstandhalter 12, einer Membran 13» einem Druckeinlaß 14 und einer Schaltungskarte 15- Das Gehäuse 11 weist eine Metallkapsel 16 auf, die zylindrische Form hat und eine obere Wandung sowie eine ringförmige Seitenwandung 17 aufweist» Die Gehäusekapsel 16 ist an einem Ende, in dem die Schaltungskarte 15 angeordnet ist, geöffnet.

Der Abstandhalter 12 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet und besitzt eine Haupt-Innenwandung 24_o Der Abstandhalter ist so bemessen, daß er in der Metallkapsel 16 eng sitzt. Der Abstandhalter 12 besitzt eine horizontale Lager·= fläche 18 zur Aufnahme eines dielektrischen Substrats 19« Der Abstandhalter 12 weist weiterhin eine sich vertikal erstreckende Verlängerung 20 auf, deren obere Kante 21 so geformt ist, daß sie sich an die Innenabmessungen der Metallkapsel 16 anpaßt«, Eine Ringausnehmung 22 in dem Abstandhalter 12 nimmt ein elastisches Dichtungselement, wie beispielsweise einen 0=Ring 23 auf, so daß die äußere Oberfläche des Abstandhalters 12 und die innere Oberfläche der Metallkapsel 16 miteinander abgedichtet sind*

Das Substrat 19 hat größere Abmessungen als die durch die Innenwandung 24 des ringförmigen Abstandhalters 12 definierte öffnung. Das Substrat 19 überlappt somit die öffnung des Abstandhalters 12 und ist hermetisch auf der Schulter 18 des Abstandhalters 12 gebunden» Durch das derart auf der Schulter 18 des Abstandhalters 12 montierte Substrat 19 wird zwischen der Membran 13 und der oberen Wandung der Me= tallkapsel 16 ein Hohlraum 25 gebildet»

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Die Membran 13 besteht aus Metall und weist eine beträchtliche Oberfläche auf, die sich in Abhängigkeit vom Fluiddruck innerhalb des Hohlraums 25 verformt. Um ein Verformen der Membran 13 zu ermöglichen, ist diese mit wenigstens einer ringförmigen Auswellung 26 versehen.

Weiterhin ist auf dem Substrat auf der dem Hohlraum 25 gegenüberliegenden Seite ein leitendes Gewindeelement 27 vorgesehen. Das Gewinde element 27 besitzt eine zentrale innere, mit einem Gewinde versehene Bohrung, die eine mit einem Außengewinde versehene Schraube 28 aufnimmt. Die Schraube 28 läuft in eine Spitze innerhalb der Membran 25 aus, die einen Edelmetallkontakt aufweist, welcher den festen Kontakt des druckempfindlichen Schalters bildet. Dieser Aufbau sowie eine alternative Ausführungsform werden weiter unten ausführlich erläutert.

Auf der oberen Wandung der Kapsel 16 befindet sich ein Druckeinlaß 14-, Dieser besteht aus einem Anschlußstück 30> auf das ein Schlauch aus elastischem Material aufsteckbar ist. Der Einlaß 14 besitzt einen unteren Teil 31» der mit einem Außengewinde versehen ist und dadurch die Montage des druckempfindlichen Schalters 10 erleichtert. Der Druckeinlaß 14-besitzt eine Zentralbohrung 32, die mit einer Öffnung 33 innerhalb der Metallkapsel 16 strömungsverbunden ist * damit das Fluid in den Hohlraum 25 gelangen kann. Gelangt somit das Fluid in den Hohlraum 25» so wird der Fluiddruck des in den Hohlraum 25 gelangten Fluides anhand der Deformation der Metallmembran I3 überwacht.

Die Schaltungskarte 15 weist vorzugsweise ein zweites Substrat aus dielektrischem Material auf und ist auf dem Abstandhalter 12 derart montiert, daß sie eine untere Wandung des Gehäuses am offenen Ende der Kapsel 16 bildet. Die Schaltungskarte weist externe Kontakte 35 und 36 auf. Weiterhin kann die Schaltungskarte I5 Schaltungseinrichtungen

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enthalten, die im folgenden beschrieben werden und die dazu dienen, eine Anzeige zu erzeugen, wenn der Druck innerhalb des Hohlraums -25 einen vorbestimmten Grenzwert erreicht.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines besonders günstigen druckempfindlichen S ehalt elements, das bei dem druckempfindlichen Schalter nach Fig. 1 verwendet werden kann. Das Schaltelement umfaßt das Substrat 19»die Metallmembran 13, den leitenden Gewindeblock 27 und die mit einem Gewinde versehene leitende Schraube 28. Die Auswellung 26 gestattet, daß der Oberflächenteil 40 der Membran 13 federt, so daß dieser Teil bezüglich des Substrats 19 in Abhängigkeit von Schwankungen des Fluiddrucks innerhalb des Hohlraums 25 (Fig.i) bewegbar ist. Die Membran 13 trägt auf ihrer inneren Oberfläche einen Edelmetallkontakt 41, der mit der Membran 13 elektrisch leitend verbunden ist. Der Kontakt 41 kann beispielsweise auf der Membran 13 mittels leitendem Epoxid gebunden sein. Vorzugsweise ist der Kontakt 41 auf der inneren Oberfläche der Membran 13 in deren Zentralbereich angeordnet, der den Bereich maximaler Auslenkung der Membran 13 bildet.

Auf dem Substrat 19 ist ein Anschlag 42 montiert, der die Bewegung der Membran in Richtung auf das Substrat 19 begrenzt. Der Anschlag 42 kann aus einem dielektrischen Materialblock bestehen, der mit dem Substrat 19 verbunden ist« Der Anschlag ist so dimensioniert, daß die Verlängerung des Gewindeelementes 28 sich nur so weit in Richtung auf die Membran 13 erstreckt, daß sie etwas-über die obere Oberfläche des Blocks 42 ragt₉ so daß das Membran-Kontaktelement 41 in der Lage ist, die Kontaktspitze 44 der Verlängerung 43 zur Kontaktgabe zu berühren „

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Der Kontakt 44, der vorzugsweise aus Edelmetall besteht, · ist innerhalb der Membran gelagert und von dem beweglichen Kontakt 41 um den Betrag des Außengewindes 45 der leitenden Gewindeschraube 28 beabstandet. Die mit dem Gewinde versehene Schraube 28 ist in die mit dem Innengewinde versehene Bohrung 45 des Gewindeelements 27 eingeschraubt. Die die Kontaktspitze 44 tragende Verlängerung 43 erstreckt sich durch eine Mittelöffnung 47 des Substrats 19· Der vorbestimmte Druckpegel, der notwendig ist_s den festen Kontakt 44 und den beweglichen Kontakt 41 miteinander in Berührung zu bringen, kann auf einfache Weise dadurch verändert werden, daß die Schraube 28 im Uhrzeigersinn, bzw. im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Weiterhin kann der vorbestimmte Druckpegel durch Ändern der Federeigenschaften der Membran 13 geändert werden. Das Substrat 19 enthält Luftlöcher 48, damit der Druck in dem Hohlraum 25 (siehe Pig. 1) gegen den Atmosphärendruck arbeiten kann.

Die Kontakte stehen vorzugsweise über leiter 29 und 34 mit einer elektrischen Schaltung in Verbindung, die die Berührung der Kontakte bzw. deren Trennung anzeigt. Die Leitung 29 läuft durch das Substrat 19 und macht elektrischen Kon- · takt mit der Membran 13. Da die Membran 13, der Kontakt 41 und das Epoxydmaterial, welches den Kontakt 4-1 mit der Membran verbindet, sämtlich leitend sind, besteht eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leitung 29 und dem beweglichen Kontakt 41. Der Leiter 34 ist an dem leitenden Gewindeelement 27 angelötet oder auf andere Weise leitend verbunden, um eine elektrische Verbindung mit dem festen Kontakt 44 über das Gewindeelement 27 uncL die Schraube 28 herzustellen.

Beim Betrieb wird das Fluid, dessen Druck zu überwachen ist, über den Druckeinlaß 14 in den Hohlraum 25 eingeführt. Mit dem Schwanken des Drucks innerhalb des Hohlraums 25 bewegt

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sich der federnde Oberflächenteil 40 der Membran 13 ia Richtung auf das Substrat 19_? bzw. von diesem fort. Überschreitet der Druck im Hohlraum 25 den vorbestimmten Grenzwert, so kommt der bewegliche Kontakt 41 in Eingriff mit dem festen Kontakt 44, um den Druckschalter zu schließen* Vermindert sich der Druck innerhalb des Hohlraums 25 auf einen Wert, der unterhalb des vorbestimmten Grenzwerts liegt, werden die Kontakte 41 und 44 wieder getrennt und der Schalter öffnet.

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung, die in Zusammenhang mit dem S_chaltelement nach Fig. 4 verwendet werden kann, um eine Anzeige zu liefern, daß die Kontakte miteinander in Eingriff sind bzw.voneinander getrennt sind. Vorzugsweise ist die in Fig. 5 gezeigte Schaltung auf der Schaltungskarte 15 des druckempfindlichen Schalters 10 ausgebildet. Die Schaltung enthält einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR) 50, Widerstände 51 und 52, einen normalerweise geschlossenen Rücksetzschalter 53? eine Warneinrichtung, wie beispielsweise eine Glühbirne 54, und Klemmen 55 »56 und 57« Die Klemme 55 ist an den normalerweise geschlossenen Rückstellschalter 53 geschaltet. Der normalerweise geschlossene Rückstellschalter 53 ist an die Anode 58 des SCR 50 geschaltet, sowie an den druckempfindlichen Schalter 10« Der Widerstand 51 liegt zwischen dem druckempfindlichen Schalter 10 und der Steuerelektrode 59 des siliziumgesteuerten Gleichrichters 50. Der Widerstand 52 liegt zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstandes 51 und der Steuerelektrode 59 und der Kathode 60 des SCR 50. Die Kathode 60 ist weiterhin an die Klemme 56 geschaltet. Die Warneinrichtung 54 ist zwischen die Klemmen 56 und 57 geschaltet. TJm. die Schaltung zu vervollständigen, ist die Klemme 55 an eine positive Spannungsquelle, die Klemme 57 an eine negative Spannungsquelle geschaltet.

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Wenn beim Betrieb der Fluiddruck des· innerhalb des Hohlraums 25 befindlichen Fluids unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes liegt, werden die Kontakte 44- und 41 getrennt, so daß kein Strom durch den SCE 50 und. die Warneinrichtung 54-fließt. Überschreitet der Druck im Hohlraum 25 den vorbestimmten Grenzwert, so schließt der druckempfindliche Schalter 10, indem die Kontakte 4-1 und 44- sich berühren. Der SCR 50 wird dann vorgespannt und die Warneinrichtung wird erregt. Die Warneinrichtung bleibt erregt, selbst wenn die Druckschalterkontakte auseinandergehen,und zwar bis der normalerweise geschlossene Rückstellschalter 53 von Hand geöffnet wird, um den Stromfluß durch die Schaltung zu unterbrechen«

Pig. 6 zeigt ein druckempfindliches Schalterelement nach der Erfindung, welches normalerweise geschlossen ist und welches öffnet, wenn der Druck im Hohlraum 25 (siehe Fig. 1) den vorbestimmten Grenzwert übersteigt« Das Schalterelement enthält ein Substrat 19, eine Metallmembran 13» einen festen Kontakt 63» einen beweglichen Kontakt 62 und einen Anschlag 4-2. Die Membran 13 enthält Ausweisungen 26 sowie den federn-?· den Oberflächenteil 40. - .

Der bewegliche Kontakt 62 des in Fig. 6 dargestellten Schaltelementes ist auf einem Gewindeelement 5^ montiert, welches leitend an der Innenwandung der Membran 13 befestigt ist und durch eine Öffnung 4-7 des Substrats 19 verläuft. Eine Mutter 61 ist auf das Gewindeteil 64· geschraubt, die Mutter 61 enthält auf ihrer oberen Oberfläche einen Edelmetallkontakt.

Der feste Kontakt 63 weist eine Edelmetallbeschichtung. auf, die auf dem Substrat 19 angeordnet oder mit diesem stoffschlüssig verbunden ist. Der Kontakt 63 liegt dem beweglichen

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Kontrakt 62 gegenüber und umschließt die Öffnung 4-7. Aus dieser Anordnung ergibt sich, daß der feste Kontakt 63 und der bewegliche Kontakt 62 zum Berühren und Trennen in Abhängigkeit von der Bewegung der Membran angeordnet sind «, Der feste Kontakt 63 und der bewegliche Kontakt 62 können über Leitungen 34- bzw. 29 an eine Schaltungsanordnung angeschlossen sein.

Wenn beim Betrieb der Druck in dem Hohlraum 25 den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, weicht der elastische Oberflächenteil 40 der Membran 13 nach innen in Richtung auf das Substrat 19 aus, was zur Folge hat, daß die Kontakte 63 und 62 getrennt werden. Wird der Fluiddruck unter den vorbestimmten Grenzwert vermindert, kehrt der federnde Oberflächenteil in seine ursprüngliche Position zurück, was zur Folge hat, daß die Kontakte 63 und 62 wieder miteinander in Eingriff kommen.

Fig. 7 uncL 8 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Druckschalterelements gemäß der vorliegenden Erfindung; dieses Druckschaltelement kann als barometrischer Druckschalter verwendet werden. Das Druckschaltelement enthält das Substrat 19? die auf dem Substrat 19 hermetisch abgedichtete Membran 13 und den Edelmetallkontakt 4-1₅ der auf der inneren Oberfläche der Membran 13 im Bereich des federnden Oberflächenteils 40 leitend verbunden ist. Das Schaltelement weist weiterhin einen festen Edelmetallkontakt 70 ^auf d-ern Substrat 19 innerhalb der Membran auf₃ welcher dem Kontakt 4-1 gegenüber= liegt«, Der feste Kontakt 70 und der bewegliche Kontakt 4-1 können mittels Leitungen 75 bzw» 74- an eine im folgenden noch zu beschreibende Schaltungsanordnung geschaltet sein» Das Substrat 19 enthält eine Öffnung 71 und eine verschließbare Öffnung 72, die mit der öffnung 71 und der Innenseite der Membran 13 strömungsverbundeii ist. Das Substrat enthält

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jedoch keine Luftlöcher, wie es bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen der Fall war.

Während der Endmontage des in Fig. 7 gezeigten barometrischen Schalters wird in dem Hohlraum innerhalb der Membran 13 teilweise ein Vakuum erzeugt, /indem Luft aus der verschließbaren öffnung 72 abgesaugt wird, bis· die Kontakte 70 und 4-1 gerade miteinander in Eingriff kommen. Danach wird die öffnung 72 verschlossen, wie mit dem Bezugszeichen 73 angedeutet ist, entweder durch Hitzeeinwirkung (wie dargestellt) oder durch Abklemmen od.dgl.

Bei dieser Ausgestaltung deformiert sich die Membran 13 in Abhängigkeit von Änderungen des Atmosphärendrucks, da das Innere der Membran 13 nun vom äußeren Atmosphärendruck dicht abgeschlossen ist. Vermindert sich der Atmosphärendruck auf einen Wert unterhalb des evakuierten Drucks innerhalb der Membran 13* werden die Kontakte 4-1 und 70 getrennt. Erhöht sich der Atmosphärendruck über den Betrag des Drucks innerhalb der Membran 13 » kommen die Kontakte 70 und 4-1 wieder zusammen. Somit dient das in den Fig. 7 "und 8 dargestellte Schaltelement als barometrischer Druckschalter · Da der atmosphärische Druck überwacht wird, wird selbstverständlich der Druckeinlaß 30 (Fig.1) zur Atmosphäre hin offen gelassen, so daß der'Atmosphärendruck gegen die Membran 13 einwirken kann.

Fig. 9 zeigt eine Schaltungsanordnung, wie im Zusammenhang · mit dem in den Fig. 7 und 8 dargestellten dargestellten barometrischen Druckschalter verwendet werden, kann. Die Schaltungsanordnung enthält einen Transistor 80, Widerstände 81 und 82, einen Kondensator 83» den barometrischen Schalter9o und eine externe Last 85, "bei der es sich beispielsweise um eine Glühbirne od.dgl. handeln kann.

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Liegt der barometrische Druck unterhalb des Drucks innerhalb der Membran 13 ₅ wird der Druckschalter 9o geöffnet, der Transistor 80 wird somit vorwärts vorgespannt, und durch den Transistor 80 und den/ Anzeiger 85 fließt Strom. Erhöht sich der barometrische Druck über den Druck in der Membran 13> schließt der Schalter 90» indem die Kontakte 4-1 und 90 miteinander in Berührung kommen. Demzufolge wird die Vorspannung von dem Transistor 80 fortgenommen, und es fließt durch den Transistor 80 und in die Anzeigelampe 85 kein Strom mehr. Kehrt der atmosphärische Druck wiederum auf einen Wert zurück, der unterhalb des Drucks innerhalb des Hohlraums 13 liegt, öffnet sich der Drucksehalter90 von neuem und wiederum fließt Strom durch.die externe Anzeigelampe.

Fig. .10 zeigt den barometrischen Fühlschalter nach Fig. 7 ·, der hier weiterhin eine Hystereseeinrichtung aufweist, welche ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Hystereseeinrichtung enthält einen mehrpoligen Elektromagneten 76, und eine Stromeinstelleinrichtung, die einen veränderbaren Widerstand 77 aufweist. Der Elektromagnet 76 und der veränderbare Widerstand 77 sind Teil einer Spaltung, wie sie in Fig. 11 beispielhaft dargestellt ist. Der Elektromagnet und der veränderbare Widerstand sind so ge~- schaltet, daß, wenn einmal der bewegliche Kontakt 41 mit dem festen Kontakt 70 in Eingriff ist, die Kontakte nicht eher getrennt werden, bis die durch den Elektromagneten 76 erzeugte magnetische. Kraft überwunden ist.

Der Elektromagnet 76 ist auf dem Substrat 19 auf der der Membran I3 gegenüberliegenden Seite gelagert. Der veränderr bare Widerstand 77 liegt in S_erie zu dem Elektromagneten und enthält einen Schleiferarm 78. Mit dem Überstreichen des S_chleiferarms 78 über den Widerstand 77 variiert der Stromfluß durch den Elektromagneten, damit die zum Trennen der Kontakte benötigte Kraft selektiv einstellbar ist.

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Fig. 11 zeigt eine Schaltungsanordnung, die in Zusammenhang mit dem. in Fig. 10 gezeigten Schalter verwendbar ist. Die Schaltung enthält ein Paar Klemmen 91 und 92, die an eine Betriebspotentialguelle anschließbar sind. Die in Eig.11 gezeigte Schaltung enthält weiterhin einen Transistor 93» JFestwiderstände 94- und 95» den variablen Widerstand 77» den Elektromagneten 76, die Anzeigeeinrichtung, beispielsweise eine Glühlampe 96 und ein Schaltelement 90 «=

Der Widerstand 94- ist zwischen die Klemme 91 und das Schaltelement 90 geschaltet. Der. Widerstand 95 ist an einem Anschluß sowohl mit der Basis 97 des Transistors 93 und dem Schaltelement 90 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstandes ist an die Klemme 92 angeschlossen. Der Kollektor 98 des Transistors 93 ist an die Klemme 91 geschaltet und der Emitter 99 des Transistors ist an die Lichtquelle 96 und den variablen Widerstand 77 geschaltet. Der veränderbare Widerstand 77 und der Elektromagnet 76 liegen parallel mit der Lichtquelle 96 über dem Emitter 99 des Transistors 93 an der Klemme 92.

Ist beim Betrieb der Druck innerhalb des Hohlraums außerhalb der Membran 13 größer als der Druck innerhalb der Membran 13» berühren sich- die Kontakte 4-1 und 70 und schließen somit das ' Schaltelement 90. Demzufolge fließt Strom durch den Transistor 93. Weiterhin fließt Strom durch den veränderbaren Widerstand 77 und den mehrpoligen Elektromagneten 76. Der Elektromagnet 76 ist derart auf dem Substrat 19 angeordnet, daß sein Magnetfeld im erregten Zustand die Membran 13 anzieht. Somit wird nach dem Zustandekommen der Verbindung zwischen den Kontakten 4-1 und 70 eine magnetische Kraft erzeugt, die auf die Membran 13 einwirkt und den Kontaktdruck erhöht, wodurch eine saubere Kontaktgabe erzielt wird. Vermindert sich der Druck außerhalb der Membran 13, müssen so-

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wohl die magnetische Anziehungskraft als auch die Federkraft der Membran überwunden werden, bevor sich die Kontakte 70 und· 41 trennen. Dies ergibt eine saubere Trennung oder einen sauberen "Bruch", wenn diese Kraft überwunden wird. Die Hysterese-Eigenschaft kann gesteuert werden, indem der Stromfluß durch den Elektromagneten 76 durch geeignete Einstellung des Schleiferarms 78 des veränderbaren Widerstand 77 gesteuert wird»

Fig. 12 zeigt ein S_chaltelenient, welches in der Lage ist, eine Vielzahl von Druckpegeln zu erfassen«, Insbesondere können drei unterschiedliche Druckpegel erfaßt werden. Das in Fig. 12 gezeigte Schaltelement enthält das Substrat 19, die Membran 13» den beweglichen Kontakt 41, der auf der federn-= den Oberfläche 40 der Membran 13 leitend gebunden ist, einen Anschlag 42, und drei feste Kontakte 43a, 43b und 43c Jeder der festen Kontakte 43a,43b und 43c ist, nachdem er in Eingriff gekommen ist mit dem beweglichen Kontakt 41, innerhalb eines zylindrischen Gehäuses, wie beispielsweise dem Gehäuse 100, welches zu dem Kontakt 43b gehört, bewegbar» Eine Querschnittansicht des Kontakts 43b und des zugehörigen Gehäuses 100 ist in Fig. 14 gezeigt. Das zylindrische Gehäuse enthalte externe Windungen, mittels derer das Gehäuse in eine Innenwindung 102 des Substrats 19 eingeschraubt werden kann_t Der Kontakt 43b enthält eine wellenförmige Verlängerung 103_} die teilweise in das zylindrische Gehäuse 100 hineinragt. Die Welle 103 und der Kontakt 43b sind voneinander durch einen Ringflansch 104 getrennt, der eine untere S_chulter IO5 bildet» Der Kontakt 43b ist innerhalb des zylindrischen Gehäuses mittels einer Feder 106, die koaxial bezüglich der Welle IO3 angeordnet ist5 federbelastet. Die Feder 106 liegt mit ihrem einen Ende an der Schulter 105, mxt ihrem anderen Ende am Boden 107 des zylindrischen Gehäuses 100 an. Die Feder106 ist derart gewunden, daß, wenn der Kontakt 43b von dem beweg-

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lichen Kontakt 41 getrennt wird, der Kontakt 43b um einen festen Betrag oberhalb der Grundfläche 107 des zylindrischen Gehäuses 100 absteht. Der Abstand zwischen jedem der Kontakte 43a bis 43c und dem'beweglichen Kontakt 41 ist einstellbar, indem die zylindrischen Elemente innerhalb ihrer entsprechenden, mit Gewinden versehenen Öffnungen entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn je nach Erfordernis gedreht werden. Demzufolge können drei unterschiedliche Drücke erfaßt werden. Vorzugsweise bestehen die mit Gewinden versehenen zylindrischen Elemente aus leitendem Material, ebenso wie die Federn, Wellen und die Ringflansche, die die Kontakte von den Wellenverlängerungen trennen« So kann das in Fig. gezeigte Schaltelement innerhalb einer entsprechenden Anzeigeschaltung mittels Leitern 110 bis 112 verschaltet werden. Die Leitungen 110 bis 112 sind an die zylindrischen Elemente angelötet oder auf andere Weise leitend befestigt und ein Leiter 29 steht mit der Membran 13 in Verbindung. Fig. 15 zeigt schematisch die Betriebsweise des in Fig. dargestellten S_chaltelements,bei dem jeder der Kontakte 43a 43b und 43c unterschiedlich weit von dem beweglichen Kontakt 41 beabstandet ist. Erhöht sich der Druck außerhalb der Membran innerhalb des Hohlraums (siehe Fig. 1), kommt der Kontakt 43c zuerst mit dem beweglichen Kontakt 41 in Eingriff .. Bewegt sich der bewegliche Kontakt 41 weiter nach rechts in Fig. 15j so bewegt sich der Kontakt 43c mit dem beweglichen Kontakt 41 gegen seine Federkraft. Wird ein zweiter Druck erreicht, kommt der Kontakt 43b in Eingriff mit dem beweglichen Kontakt 41 und wird nach rechts gegen die Kraft seiner Feder bewegt, wenn der Druck anwächst. Erhöht sich der Druck auf einen dritten Druckwert, berührt der Kontakt 43a den beweglichen Kontakt 41.

Die Ansicht von unten des Schaltelements nach Fig. 12 zeigt, daß die mit Gewinden versehenen Zylinder 100 in

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drei separate Öffnungen 115 eingeschraubt sind. Die öffnungen 115 sind innerhalb einer Scheibe 104- aus dielektrischem Material vorgesehen.. Demzufolge sind die drei zylindrischen Elemente 100 voneinander isoliert, und die Kontakte, die ihnen zugeordnet sind, sind unabhängig voneinander beabstandet bezüglich des beweglichen Kontakts 41 *

Aus der obigen Beschreibung ersieht man, daß die Erfindung einen verbesserten druckempfindlichen Schalter schafft« Da das in erster Linie bewegliche Element des Schalters aus federndem Metall besteht, ist empfindliche und zuverlässige Betriebsweise gewährleistet, unbeschadet ungünstiger externer Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise Stoß, Vibration und extreme Tempera tür en <> Da weiterhin die Membran das einzige bewegliche Bauteil ist, erhöht sich durch die verminderte Anzahl beweglicher Bauelemente weiterhin der zuverlässige Betrieb. Druckempfindliche Schalter des hier beschriebenen Typs wurden hergestellt und zum Anzeigen von Drücken im Bereich von 7?5 Torr (1 Torr entspricht 1 mm Quecksilbersäule) betrieben, und zwar mit siner/wiederholbaren Genauigkeit besser als + 0,5 Torr₀ Bei den in den Fig* 4- und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen, bei denen die Lücke zwischen den Kontakten einstellbar ist, kann die Druckgrenze, bei der der Schalter wirkt, variiert werden_o Hierdurch wird der erfindungsgemäße druckempfindliche Schalter für viele und verschiedenartige Anwendungsfälle geeignete

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Claims

ΓΑΝ\Λ/Α.-ΤΕ Α. GRÜNECKER

H. KINKEI-DEY

Da-ING

W. STOCKMAIR

K. SCHUMANN

DRRERNW.-DPL-PHrS .

P. H. JAKOB

DtPL-INa

P IP QRP G. BEZOLD

JT I C. yOC. DRRBFtNAT-DtPL-CHEM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

28. Aug. 1978

BUNKER RAMO CORPORATION " P 12 982

900 Commerce Drive, Oak Brook, 111. 60521, USA

Patentansprüche

M,A Druckempfindliche Schalter, gekennzeichnet durch eine mit einer oberen Wandung (16) versehene Kapsel (11), einem Substrat (19) aus dielektrischem Material, welches innerhalb der Kapsel (11) angeordnet und von der oberen Wandung (16) beabstandet ist, eine auf dem Substrat (19) montierte "Membran (15)» die mit eier oberen Wandung (16) zusammen einen ersten Hohlraum (25) bildet und einen elastischen Oberflächenteil (40) auf v/eist, der bszüglich des Substrats (19) in Abhängigkeit von .Schwankungen des ITluiddrucks in dem Hohlraum (25) bewegbar ist, mindestens einen ersten, bezüglich des Substrats fest angeordneten Kontakt (43;63,70;43a,43b,43c) und einen zweiten Kontakt (41,62) ,der mit der Membran (13) bewegbar ist und den ersten Kontakt in Abhängigkeit von dem Fluiddruck und der Membranbewegung berührt bzw. von diesem getrennt wird.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kontakt (41·,62) auf der Membran (13) montiert ist. .

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TELEtI=ON (089)22 20 62 TELEX OS-SQSSO TELEeRAMMEMONAPAT TELEKOP1ERER

3. Schalter nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kontakt (4-1) innerhalb der Membran (13) montiert ist.

4-, Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kontakt (4-3;4-3a,b,c) normalerweise von dem zweiten Kontakt (4-1) getrennt ist, und daß der zweite Kontakt den ersten Kontakt berührt, wenn der !Fluiddruck in dem Hohlraum einen, vorbestimmten Grenzwert überschreitet.

5. Schalter nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin eine Kontaktabstand— Einstelleinrichtung (28) vorgesehen ist, um die Lücke zwischen dem ersten und zweiten Kontakt teilweise veränderbar zu machen, um dadurch eine Einrichtung zum Ändern des vorbestimmten Grenzwertes zu schaffen.

6. Schalter nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktabstand-Einstelleinrichtung eine Öffnung (4-7) innerhalb des Substrats (19) aufweist, daß ein an dem Substrat (19) befestigtes erstes Element (27) vorgesehen ist, (27)ϊ welches eine mit einem Gewinde versehene Öffnung

(46) aufweist, die mit der Öffnung (4-7) des Substrats ausgerichtet ist, und daß ein drehbares Element (28) vorgesehen ist, von dem ein erster Endteil durch die Öffnung in die Membran (13) hineinragt und den ersten Kontakt (44) trägt, und von dem ein zweiter Endteil ein externes Gewinde trägt, welches mit der mit einem Gewinde versehenen Öffnung in Eingriff ist.

7. Schalter nach Anspruch 1, dadurch g e k en η -

ζ e i ch η e t , daß auf der Membran (13) ein Anschlag (4-2) vorgesehen ist, um die Bewegung der Membran (13) in Richtung auf· das Substrat (19) zu begrenzen.

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8. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,. daß dei¹ erste Kontakt (70) auf dem Substrat (19) befestigt ist (Fig. 7,S

9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kontakt (70) auf dem Substrat auf der der Membran (13) gegenüberliegenden Seite befestigt ist.

10. Schalter nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Kontakte normalerweise miteinander in Eingriff sind,und daß der erste und zweite Kontakt voneinander getrennt werden, wenn der Fluiddruck in dem Hohlraum (25) einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kontakt außerhalb der Membran (13) und gegenüberliegend dem ersten Kontakt (70) angeordnet ist.

12. Schalter nach Anspruch 11, dadurch g e k en η zeichnet , daß ein erstes (64) und zweites (61) Element vorgesehen sind, daß das Substrat (19) eine dicht neben dem ersten Kontakt (63) vorgesehene Öffnung (47) aufweist, daß das erste Element (64) ein erstesT'Ende aufweist, welches an der Membran (13) befestigt ist, sowie ein zweites Ende, welches durch die in dem Substrat (19) vorgesehene Öffnung (47) verläuft, und daß das zweite Element (61) an dem zweiten Ende des ersten Elements(64) befestigt ist und den zweiten Kontakt (62) trägt (Fig. 6).

Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Element (61 _r64)

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mit einem Gewinde versehen und gegeneinander drehbar sind, um eine Einrichtung zum Ändern der Lücke zwischen dem ersten und zweiten Eontakt (63»62) zu bilden, um dadurch den vorbestimmten Grenzwert abzuändern.

14-. Schalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (13) und das Substrat (19) einen zweiten abgedichteten Hohlraum bilden.

15. Schalter nach Anspruch 14-, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kontakt (63) in dem zweiten Hohlraum auf dem Substrat (19) befestigt ist.

16. Schalter nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kontakt (61,62) auf der Membran (13) innerhalb des zweiten Hohlraums montiert ist.

17. Schalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Hohlraum wenigstens teilweise evakuiert ist, so daß der erste und zweite Kontakt miteinander in Eingriff kommen, um dadurch zu bewirken, daß ein vorbestimmter Differenzdruck zwischen dem ersten und zweiten Hohlraum vorliegt, um anschließend den ersten und zweiten Kontakt miteinander in Eingriff zu bringen und zu trennen nach Maßgabe der Änderungen des Differenzdrucks um den vorbestimmten Differenzdruck.

18. Schalter nach Anspruch I7» dadurch gekennzeich net, daß ein verschließbarer Durchlaß (72) vorgesehen ist, und daß das Substrat (19) eine Öffnung (7I) aufweist, die mit dem zweiten Hohlraum strömungsverbunden ist, wobei der Durchlaß (72) eine Einrichtung darstellt zum Evakuieren des zweiten Hohlraums und zum anschließenden Abdichten des Hohlraums.

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19. Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der federnde Oberflächenteil (40) bezüglich des Substrats (19) in Abhängigkeit von Schwankungen des relativen Fluiddrucks zwischen dem Fluiddruck in dem ersten Hohlraum (25) und dem Fluiddruck in dem zweitenHohlraum bewegbar ist, und daß der zweite Kontakt (41) derart angeordnet ist, daß er mit dem ersten Kontakt (70) in Eingriff kommt, wenn der Druckunterschied in den Hohlräumen größer ist als ein vorbestimmter Grenzwert.

20. Schalter nach Anspruch 19, dadurch ge k e η η zeichnet , daß eine Hysterese-Einrichtung (76,77) vorgesehen ist zum Aufrechterhalten der Berührung "der Kontakte, bis der Druckunterschied unter den vorbestimmten Grenzwert zuzüglich eines Festwertes abfällt.

21. Schalter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Hysterese-Einrichtung einen auf dem Substrat (19) auf der der Membran (13) gegenüberliegenden Seite montierten Elektromagneten (76) aufweist.

22. Schalter nach Anspruch 21, dadurch g e k e. η η -zeichnet, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die den Elektromagneten (76) enthält, um diesem nach Berühren des ersten und zweitenKontakts (70,71) Erregungsstrom zuzuführen. . ;

2J. Schalter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltungsanordnung weiterhin eine Stromeinste^leinrichtung C77) aufweist, die in Serie zu dem Elektromagneten (76) geschaltet ist, um eine Einstellung der Amplitude des Erregerstroms zu erhalten.

24. Schalter nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromeinstelleinrichtüng ein&

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veränderbare Impedanz (77) aufweist.

25. Schalter nach Anspruch 1, dadurch g e k enn — zeichnet , daß die obere Wandung einen Durchlaß (14) aufweist, der mit dem ersten Hohlraum (25) strömungsverbunden ist, damit das Fluid in den ersten Hohlraum (25) gelangen kann.

26. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweites dielektrisches Substrat vorgesehen ist, welches eine untere Wandung (15) cLer Kapsel (11) bildet.

27. Schalter nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem dielektrischen Substrat eine an den ersten und zweiten Kontakt angeschlossene Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die auf das Berühren und Trennen des ersten und zweiten Kontakts anspricht, um eine Anzeige zu liefern, daß der erste und zweite Kontakt in Berührung stehen bzw. getrennt sind.

28. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (15) aus elektrisch leitendem Material besteht.

29. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein erster Kontakt mehrere erste Kontakt elemente (42a,b,c;3?ig.12-15X aufweist.

50. Schalter nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Kontakteinstelleinrichtung (100,104,105) vorgesehen ist zum Einstellen des Abstandes zwischen jedem der ersten Kontaktelemente und

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dem zweiten Kontakt (4-1) unabhängig voneinander, so daß der zweite Kontakt mit jedem der ersten Kontakt elemente bei unabhängig voneinander einstellbaren Fluiddrüeken in Eingriff kommt.

31. Schalter nach Anspruch 30» dadurch gekennzeichnet , daß jedes der ersten Kontakt elemente (43a,b,c) derart montiert ist, daß es sich mit dem zweiten Kontakt (41) bewegt, nachdem es mit diesem in Eingriff gekommen ist.

32. Schalter nach Anspruch 31, dadurch g e k en η zeichnet , daß jedes der ersten Kontaktelemente in eine feste Stellung federbelastet ist und zur Bewegung gegen die Federkraft angeordnet ist.

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